專利名稱：氫生成裝置及燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用水蒸氣使城市煤氣和LP氣體等碳?xì)浠衔镌蠚怏w重整(以下稱為“水蒸氣重整”)，生成以氫為主體的重整氣體的氫生成裝置及具備該裝置的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
將城市煤氣和LP氣體等碳?xì)浠衔镌蠚怏w用水蒸汽重整，產(chǎn)生以氫為主體的氫生成裝置，用于在例如燃料電池中作為原料氣體使用的氫的制造。由于氫生成裝置中的氫重整反應(yīng)(以下簡(jiǎn)稱為“重整反應(yīng)”)為吸熱反應(yīng)，為了維持重整反應(yīng)，有必要將重整部保持于550～800℃左右的溫度下。因此，在氫生成裝置中，設(shè)置燃燒器等加熱源，利用從該加熱源得到的高溫燃燒氣體及釋放該燃燒氣體的輻射熱的輻射體對(duì)重整部進(jìn)行加熱。
另一方面，利用氫生成裝置的重整部得到的重整氣體，雖然以所述氫作為主體，但是含有重整反應(yīng)中作為副產(chǎn)品生成的CO。如果將這樣含有CO的重整氣體直接提供給燃料電池，則該CO會(huì)使燃料電池內(nèi)的催化劑活性降低。因此，在氫生成裝置內(nèi)，為了除去CO，在所述重整部的下游，配設(shè)利用轉(zhuǎn)化反應(yīng)使重整氣體中含有的CO轉(zhuǎn)化為C02的CO轉(zhuǎn)化部。
作為已有的氫生成裝置，為了抑制從如上所述加熱到高溫的重整部向外部釋放熱量，沿重整部的壁面的外周配設(shè)隔熱材料，隔著隔熱材料包圍著重整部設(shè)置CO轉(zhuǎn)化部。(參照例如日本專利第3108269號(hào)公報(bào)(第2-4頁(yè)、第3圖)。又，其結(jié)構(gòu)為，由同心狀配置的多個(gè)直立的圓筒構(gòu)成，在利用筒的壁面形成的筒狀的間隙之一中充填重整催化劑以形成重整部，同時(shí)在位于該重整部外圍的間隙中充填CO轉(zhuǎn)化催化劑形成CO轉(zhuǎn)化部，在這樣的結(jié)構(gòu)中，由于重整部利用維持于比該重整部還低的溫度(180～400℃左右)的CO轉(zhuǎn)化部覆蓋其周?chē)?，因此熱量從重整部向CO轉(zhuǎn)化部移動(dòng)。從而，能夠抑制對(duì)外部的熱排放。(參照例如日本專利特開(kāi)2002-187705號(hào)公報(bào)(第5-10頁(yè))、第1圖)。
在上述結(jié)構(gòu)的氫生成裝置中，由于重整部(的一方)比CO轉(zhuǎn)化部的溫度還高，熱移動(dòng)以從重整部向CO轉(zhuǎn)化部移動(dòng)為主，另一方面，從CO轉(zhuǎn)化部釋放出的熱量實(shí)質(zhì)上不移動(dòng)到重整部。從而，不能使從CO轉(zhuǎn)化部釋放出的熱量回流到重整部有效利用，因此不能夠得到充分高的熱效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明鑒于這些已有的氫生成裝置的存在問(wèn)題，其目的是提供一種能夠謀求提高熱效率的氫生成裝置及具備該裝置的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)。
而且，為了達(dá)到這些目的，本發(fā)明的氫生成裝置，具備利用重整反應(yīng)由重整反應(yīng)原料生成氫為主體的重整氣體的重整部、將所述重整反應(yīng)原料提供給所述重整部的重整原料流路、利用轉(zhuǎn)化反應(yīng)使所述重整氣體中的一氧化碳減少的一氧化碳轉(zhuǎn)化部、由所述重整部將所述重整氣體提供給所述一氧化碳轉(zhuǎn)化部的重整氣體流路、以及將從所述一氧化碳轉(zhuǎn)化部得到的轉(zhuǎn)化后的氣體取出的轉(zhuǎn)化后氣體流路，該氫生成裝置中，在所述轉(zhuǎn)化后氣體流路和所述重整原料流路之間形成能進(jìn)行熱交換的結(jié)構(gòu)。
在這樣的結(jié)構(gòu)中，轉(zhuǎn)化后氣體流路側(cè)的溫度維持于180～400℃左右，另一方面，重整原料流路側(cè)的溫度維持于110～120℃左右。因此，在這里，熱量從轉(zhuǎn)化后氣體流路側(cè)移動(dòng)到重整原料流路側(cè)，利用該熱量加熱在重整原料流路內(nèi)移動(dòng)的重整反應(yīng)原料。這樣，利用這樣的結(jié)構(gòu)，可以將以往未充分有效利用的重整氣體轉(zhuǎn)化部的熱量用于重整反應(yīng)原料的加熱，因此可以謀求提高熱效率。
也可以形成所述一氧化碳轉(zhuǎn)化部的發(fā)熱部隔著空間面臨所述轉(zhuǎn)化后氣體流路的壁部的結(jié)構(gòu)。又，從所述一氧化碳轉(zhuǎn)化部得到的轉(zhuǎn)化后氣體具有的熱量通過(guò)所述轉(zhuǎn)化后氣體流路被提供給所述重整原料氣體流路。
最好是所述重整原料流路比所述轉(zhuǎn)化后氣體流路更靠近所述氫生成裝置的內(nèi)部側(cè)配置。
采用這樣的結(jié)構(gòu)，熱量從轉(zhuǎn)化后氣體流路向裝置的內(nèi)部移動(dòng)，因此可以將一氧化碳轉(zhuǎn)化部中的轉(zhuǎn)化反應(yīng)產(chǎn)生的熱封閉于裝置的內(nèi)部。
所述氫生成裝置的主體部的內(nèi)部形成以下所述結(jié)構(gòu)即可，也就是通過(guò)以共同擁有中心軸并以規(guī)定的間隔相向配置的多個(gè)軸方向壁和與所述軸方向壁交叉地配置于所述軸方向壁的規(guī)定的端部上的多個(gè)徑方向壁進(jìn)行分隔，在所述主體部?jī)?nèi)形成所述重整原料流路、所述重整氣體流路、及所述轉(zhuǎn)化后氣體流路，沿所述中心軸形成所述重整部，同時(shí)在所述重整部的所述軸方向側(cè)形成所述一氧化碳轉(zhuǎn)化部，所述重整原料流路圍繞所述重整部的外側(cè)配置，一個(gè)端部與所述重整部的所述軸方向的一個(gè)端面連通，至少有一部分沿所述重整部的所述軸方向的一個(gè)端面形成，所述重整氣體流路圍繞所述重整部的外圍配置，一個(gè)端部與所述重整部的所述軸方向的另一端面連通，同時(shí)另一端部與所述一氧化碳轉(zhuǎn)化部的上游面相連通，所述一氧化碳轉(zhuǎn)化部在所述軸方向上隔著所述重整原料流路與所述重整部的所述一個(gè)端面相向配置，所述轉(zhuǎn)化后氣體流路，一個(gè)端部與所述一氧化碳轉(zhuǎn)化部的下游面連通，在相向的所述一氧化碳轉(zhuǎn)化部和所述重整部之間直接或間接地連接于沿著所述重整原料流路的所述重整部的端面的部分。
采用這樣的結(jié)構(gòu)，一氧化碳轉(zhuǎn)化部在重整部的軸方向側(cè)與該重整部的端面相向配置，并能夠?qū)崿F(xiàn)與該轉(zhuǎn)化部連通的轉(zhuǎn)化后氣體流路和與重整部的所述端面連通的重整原料流路鄰接的結(jié)構(gòu)。又，在這樣的結(jié)構(gòu)中，由于轉(zhuǎn)化后氣體排出到配置于裝置的內(nèi)側(cè)的重整部側(cè)，因此可以將在轉(zhuǎn)化反應(yīng)中得到的熱量封閉在裝置的內(nèi)部。
所述氫生成裝置的主體部的內(nèi)部，也可以是其結(jié)構(gòu)為，利用共同擁有中心軸，以規(guī)定的間隔相向配置的多個(gè)軸方向壁和與所述軸方向壁交叉地配置于所述軸方向壁的規(guī)定的端部上的多個(gè)徑方向壁進(jìn)行分隔，以在所述主體部?jī)?nèi)形成所述重整原料流路、所述重整氣體流路、以及所述轉(zhuǎn)化后氣體流路，沿所述中心軸形成所述重整部，同時(shí)在所述軸方向圍著所述重整部外側(cè)形成所述一氧化碳轉(zhuǎn)化部，所述重整原料流路在所述軸方向上圍繞所述重整部外側(cè)配置，一個(gè)端部與所述重整部的所述軸方向的另一個(gè)端面連通，所述重整氣體流路在所述軸方向上圍繞所述重整原料流路外側(cè)配置，一個(gè)端部與所述重整部的所述軸方向的另一個(gè)端面連通，同時(shí)另一端部與所述一氧化碳轉(zhuǎn)化部的上游面連通，所述一氧化碳轉(zhuǎn)化部位于所述重整氣體流路與所述重整原料流路之間，在所述軸方向上包圍所述重整原料流路配置，所述轉(zhuǎn)化后氣體流路，一個(gè)端部連通所述一氧化碳轉(zhuǎn)化部的下游面，在所述一氧化碳轉(zhuǎn)化部和所述重整部之間直接或間接地與所述重整原料流路接觸，在所述軸方向上圍繞所述重整原料流路的外側(cè)構(gòu)成。
在這樣的結(jié)構(gòu)中，能夠?qū)崿F(xiàn)一氧化碳轉(zhuǎn)化部隔著重整原料流路圍著重整部的外圍側(cè)配置，連通該轉(zhuǎn)化部的轉(zhuǎn)化后氣體流路與重整原料流路相鄰接的結(jié)構(gòu)。又，在這樣的結(jié)構(gòu)中，由于轉(zhuǎn)化后氣體排出到位于裝置內(nèi)側(cè)的重整部側(cè)，因此可以將轉(zhuǎn)化反應(yīng)中得到的熱量封閉在裝置的內(nèi)部。
最好是形成這樣的結(jié)構(gòu)，即該轉(zhuǎn)化后氣體沖擊在所述轉(zhuǎn)化后氣體流路與所述重整原料流路相接觸的部分中分隔該兩流路的隔壁的從所述一氧化碳轉(zhuǎn)化部的下游面噴出到所述轉(zhuǎn)化后氣體流路，其后沿著所述轉(zhuǎn)化后氣體流路移動(dòng)的結(jié)構(gòu)。
采用這樣的結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)化后氣體的噴出方向與移動(dòng)于重整原料流路內(nèi)的重整反應(yīng)原料的移動(dòng)方向交叉，所以不會(huì)在將熱量從轉(zhuǎn)化后氣體流路側(cè)向重整原料流路側(cè)移動(dòng)時(shí)形成傳熱邊界膜，因而可以進(jìn)行更有效的熱交換。
最好是在所述一氧化碳轉(zhuǎn)化部中，從所述上游面向所述下游面的氣體移動(dòng)方向大致為垂直方向。
采用這樣的結(jié)構(gòu)，氣體在該一氧化碳轉(zhuǎn)化部?jī)?nèi)沿著大致垂直的方向移動(dòng)，因此利用浮力的效果，能夠在一氧化碳轉(zhuǎn)化部的下游面形成均勻的輻射面，同時(shí)加速氣體的移動(dòng)。從而可以有效地進(jìn)行熱交換。
所述重整反應(yīng)原料含有碳?xì)浠衔镌蠚怏w和水，所述重整原料流路具備所述原料氣體與水以不同的物質(zhì)狀態(tài)移動(dòng)的流路部、使所述水蒸發(fā)成為水蒸汽的水蒸發(fā)部、以及移動(dòng)所述原料氣體與所述水蒸汽混合的氣體的混合原料氣體流路部，與所述轉(zhuǎn)化后氣體流路直接或間接接觸的所述重整原料流路也可以是所述混合原料氣體流路部，所述原料氣體與水以不同的物質(zhì)狀態(tài)移動(dòng)的流路部、所述原料氣體流路部及所述水流路部中的任何一個(gè)。
所述一氧化碳轉(zhuǎn)化部也可以是由含有AL、Ce、Zr中的至少一種的金屬氧化物構(gòu)成的載體上承載作為轉(zhuǎn)化催化劑的鉑族金屬。
在這樣的結(jié)構(gòu)中，由于載體由含有AL、Ce、Zr的金屬氧化物構(gòu)成，因此一氧化碳轉(zhuǎn)化部的耐熱性更加提高。從而能進(jìn)一步提高該轉(zhuǎn)化部的溫度。其結(jié)果是，從轉(zhuǎn)化后氣體流路側(cè)提供的熱量變大了，因此能夠更有效地達(dá)到本發(fā)明的效果。
也可以形成能夠在所述重整氣體流路與所述重整原料流路之間能進(jìn)行熱交換的結(jié)構(gòu)。
采用這樣的結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崃繌霓D(zhuǎn)化后氣體流路提供給重整原料流路，同時(shí)將熱量從重整氣體流路提供給重整原料流路。從而，可以謀求進(jìn)一步提高熱效率。特別是，由于能夠從保持于550～800℃左右的高溫的重整部供給熱量，因此能夠有效地加熱重整原料流路內(nèi)的重整反應(yīng)原料。再者，由于將重整氣體具有的熱量提供給重整反應(yīng)原料，因此可以將重整氣體的溫度控制為一氧化碳轉(zhuǎn)化部的最適合的反應(yīng)溫度。
本發(fā)明的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)是具備具有任一所述結(jié)構(gòu)的氫生成裝置與使用由所述氫生成裝置供給的以氫為主成分的燃料氣體及氧化劑氣體用以發(fā)電的燃料電池。
采用這樣的結(jié)構(gòu)，是為了如上所述在氫生成裝置中謀求提高熱效率，能夠?qū)崿F(xiàn)一種謀求綜合提高熱效率的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)。
本發(fā)明的上述目的、其他目的、特征及優(yōu)點(diǎn)，在參照附圖后，通過(guò)下面的合適的實(shí)施形態(tài)的詳細(xì)的說(shuō)明可以清楚了解。


圖1是表示本發(fā)明實(shí)施形態(tài)1的氫生成裝置的結(jié)構(gòu)的示意性剖面圖。
圖2是表示本發(fā)明實(shí)施形態(tài)2的氫生成裝置的結(jié)構(gòu)的示意性剖面圖。
圖3是表示本發(fā)明實(shí)施形態(tài)3的氫生成裝置的結(jié)構(gòu)的示意性剖面圖。
圖4是表示本發(fā)明實(shí)施形態(tài)4的氫生成裝置的結(jié)構(gòu)的示意性剖面圖。
圖5是表示本發(fā)明實(shí)施形態(tài)1的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的示意性結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施形態(tài)以下參照附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施形態(tài)進(jìn)行說(shuō)明。又，附圖表示實(shí)施形態(tài)的氫生成裝置及具備該裝置的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的特征性結(jié)構(gòu)，對(duì)于向來(lái)公知的結(jié)構(gòu)則省略圖示及詳細(xì)說(shuō)明。
實(shí)施形態(tài)1氫生成裝置圖1是示意性表示本發(fā)明實(shí)施形態(tài)1的氫生成裝置的結(jié)構(gòu)的剖面圖。
如圖1所示，氫生成裝置主要由安裝上端及下端封閉的圓筒狀主體50和圓筒狀輻射筒21的燃燒器20、以及覆蓋于該圓筒狀主體50外周的隔熱材料53構(gòu)成。以下對(duì)氫生成裝置的詳細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行說(shuō)明。
安裝有輻射筒21的燃燒器20被收納配置于主體50的中心部，且與主體50中心軸一致。圓筒狀的主體50的內(nèi)部，具體地說(shuō)，主體50的內(nèi)壁與輻射筒21之間的空間以圓筒狀的，半徑和軸方向的長(zhǎng)度各不相同的同心狀的多個(gè)縱壁102及合適地配設(shè)于該縱壁102的規(guī)定的端部的多個(gè)圓板狀或中空?qǐng)A板狀的橫壁103分隔。詳細(xì)地說(shuō)，利用多個(gè)縱壁102同心狀地直立配置于主體50的內(nèi)部，在縱壁102間形成間隙51，縱壁102的規(guī)定的端部利用橫壁103適當(dāng)封閉，以利用該間隙51形成所期望的氣體流路。借助于此，在主體50內(nèi)部形成重整部10、CO轉(zhuǎn)化部15及各氣體流路。
該各氣體流路在主體50的半徑方向的I-I’剖面上形成環(huán)狀，從外側(cè)向內(nèi)側(cè)按如下順序配設(shè)具有二重構(gòu)造的重整原料流路1的上游側(cè)流路11、30、具有二重構(gòu)造的燃燒氣體流路4的下游側(cè)流路41、重整氣體流路2、重整部10及所示燃燒氣體流路4的上游側(cè)流路42。
重整部10具有圓筒狀，隔著燃燒氣體流路4的上游側(cè)流路42，圍繞輻射筒21的側(cè)部和上部配置。在該重整部10的軸方向的上方，利用橫壁103(以下特此將該橫壁103稱為“橫壁31”)形成沿重整部10的上端面的重整原料流路1的下游側(cè)流路30’。再在隔著該橫壁31的重整部10的軸方向的上方，與重整部10的上端面相向地配設(shè)CO轉(zhuǎn)化部15。然后，利用CO轉(zhuǎn)化部15的下游側(cè)端面15b與橫壁31形成轉(zhuǎn)化后氣體流路3。在這里，如上所述CO轉(zhuǎn)化部15與重整部10相向配置，由于兩者間的間隙利用橫壁31分隔，夾著橫壁31形成的轉(zhuǎn)化后氣體流路3與所述下游側(cè)流路30’隔著橫壁31直接接觸。
上述構(gòu)成的主體50中，形成與裝置的外部連通的所述重整原料流路1的原料供給口5及水供給口6、轉(zhuǎn)化后氣體流路3的氣體取出口7、以及燃燒氣體流路4的排氣取出口8。又在安裝于主體50的燃燒器20上，形成空氣供給口20a及燃料供給口20b。
在燃燒氣體流路4中，上游側(cè)流路42的端部與安裝輻射筒21的燃燒器20連通，同時(shí)下游側(cè)流路41的端部通過(guò)排氣取出口8與外部連通。又，重整原料流路1，在上游側(cè)流路11的端部通過(guò)原料供給口5及水供給口6與外部連通的同時(shí)，下游側(cè)流路30(30’)的端部與重整部10的上端面連通。又，重整氣體流路2在上游側(cè)端部與重整部10的下端面連通的同時(shí)，下游側(cè)端部與CO轉(zhuǎn)化部15的上游側(cè)端面15a連通。又，轉(zhuǎn)化后氣體流路3的上游側(cè)端部與CO轉(zhuǎn)化部15的下游側(cè)端面15b連通，下游側(cè)端部通過(guò)轉(zhuǎn)化后氣體的取出口7與外部連通。
重整部10，由成型為粒狀的金屬氧化物構(gòu)成的載體上承載作為重整催化劑的鉑族金屬顆粒充填于形成于縱壁102間的間隙51中形成。這樣，重整部10形成于比重整原料流路1及重整氣體流路2更靠近裝置的內(nèi)側(cè)，上端面與重整原料流路1連通，同時(shí)下端面與重整氣體流路2連通。
CO轉(zhuǎn)化部15具有在由形成于陶瓷制蜂窩基體材料上的膜狀金屬氧化物構(gòu)成的載體上分散、承載作為轉(zhuǎn)化催化劑的鉑族金屬的結(jié)構(gòu)。
主體50及燃燒器20除了與外部連通的上述原料供給口5、水供給口6、轉(zhuǎn)化后氣體取出口7、燃燒排氣取出口8、空氣供給口20a及燃料供給口20b的部分之外，其外圍利用隔熱材料53覆蓋。
下面對(duì)上述氫生成裝置的動(dòng)作進(jìn)行說(shuō)明。
通過(guò)燃料供給口20b向燃燒器20提供燃料氣體供給，同時(shí)通過(guò)空氣供給口20a對(duì)燃燒器20進(jìn)行空氣供給。在這里，在圖5中，如下所述將在燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中得到的剩余燃料(所謂“廢氣”)作為燃料氣體使用。然后，用所提供的燃料氣體和空氣進(jìn)行擴(kuò)散燃燒。在這里，由于燃燒器20由輻射筒21包圍著，因此在輻射筒21內(nèi)進(jìn)行該燃燒，以此生成高溫燃燒氣體。該燃燒氣體的熱量通過(guò)輻射筒21利用輻射方式向主體50的半徑方向的外側(cè)傳送。利用這樣的輻射熱加熱重整部10的重整催化劑，同時(shí)該燃燒氣體在輻射筒21內(nèi)向軸方向上方移動(dòng)，直接加熱重整催化劑。借助于此，重整部10將溫度維持于550～800℃左右。上升的燃燒氣體在燃燒氣體流路4的上游側(cè)流路42內(nèi)沿著縱壁102向軸方向往下移動(dòng)，再在下游側(cè)流路41內(nèi)向軸方向上方移動(dòng)，最終從燃燒排氣取出口8排放到外部(圖中的箭頭i)。在這里，如下所述，在燃燒氣體通過(guò)燃燒氣體流路4移動(dòng)的過(guò)程中，燃燒氣體所具有的熱量與重整原料流路1內(nèi)移動(dòng)的水之間進(jìn)行熱交換，該燃燒氣體的熱量被作為水蒸發(fā)部9的蒸發(fā)潛熱利用。
從原料供給口5供給的，至少含有由碳和氫構(gòu)成的化合物的原料氣體(例如城市煤氣、LP氣體等碳?xì)浠衔餁怏w和甲醇等醇類(lèi))以及由水供給口6供給的水，作為重整反應(yīng)原料通過(guò)重整原料流路1輸送到重整部10。在這里，首先，由各供給口5、6供給的原料氣體與水保持著不同的物質(zhì)狀態(tài)(即氣體和液體)，在重整原料流路1的上游側(cè)11的內(nèi)部沿著縱壁102向軸方向的下方移動(dòng)(圖中的箭頭a)。然后，在位于該流路11的底部的水蒸發(fā)部9中，水利用所述燃燒氣體具有的熱量和輻射熱以及來(lái)自后述重整部10的熱進(jìn)行蒸發(fā)，成為水蒸汽。還有，該水蒸汽與所述原料氣體的混合物(以下將其稱為“混合原料氣體“)在上游側(cè)流路30內(nèi)沿縱壁102往軸方向的上方移動(dòng)(圖中的箭頭b)。而且，混合原料氣體進(jìn)入沿重整部10的上端面形成的重整原料流路1的下游側(cè)流路30’，在該流路30’內(nèi)沿橫壁31通過(guò)半徑方向向主體內(nèi)側(cè)移動(dòng)，然后被提供給重整部10(圖中的箭頭c)。這樣的供給過(guò)程中的混合原料氣體的溫度大約為110～120℃。又，在這里將所述混合原料氣體進(jìn)行移動(dòng)的重整原料流路1的下游側(cè)流路30’特別稱為“混合原料氣體流路30’”。
混合原料氣體從重整部10的上端面被導(dǎo)入到其內(nèi)部，在重整催化劑中沿縱壁102向軸方向的下方移動(dòng)(圖中的箭頭d)。在這移動(dòng)期間，混合原料氣體被加熱后溫度上升，借助于此，進(jìn)行重整反應(yīng)生成重整氣體。該重整氣體以氫為主體，并含有作為副產(chǎn)品的CO。而且，生成的重整氣體從重整部10的下端面放出到重整氣體流路2，在該流路內(nèi)沿縱壁102向軸方向的往上方移動(dòng)(圖中的箭頭e)。并且在該流路內(nèi)沿橫壁103向半徑方向移動(dòng)，到達(dá)CO轉(zhuǎn)化部15(圖中的箭頭f)。
提供給CO轉(zhuǎn)化部15的上游側(cè)端面15a的重整氣體在CO轉(zhuǎn)化部15的轉(zhuǎn)化催化劑中向軸方向(鉛直方向)往下方移動(dòng)。在該過(guò)程中，該重整氣體中含有的CO進(jìn)行轉(zhuǎn)化為CO2的反應(yīng)，即轉(zhuǎn)化反應(yīng)，生成轉(zhuǎn)化后氣體。轉(zhuǎn)化后氣體從CO轉(zhuǎn)化部15的下游側(cè)端面15b在轉(zhuǎn)化后氣體流路3中鉛直向下排出(圖中的箭頭g)，沖擊該流路3的底面，即與混合原料氣體流路30’的共通的橫壁31。此后，在該流路內(nèi)沿著橫壁103向半徑方向移動(dòng)后，沿著縱壁102在該流路內(nèi)向軸方向的上方移動(dòng)并從氣體取出口7被取出(圖中的箭頭h)。
燃料電池發(fā)電系統(tǒng)圖5是具備圖1的氫生成裝置的本實(shí)施形態(tài)的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的示意性結(jié)構(gòu)圖。
該燃料電池發(fā)電系統(tǒng)具備圖1的氫生成裝置150和燃料電池151。在這里，氫生成裝置150中，在CO轉(zhuǎn)化部15的下游設(shè)有CO凈化部40。從CO轉(zhuǎn)化部15得到的轉(zhuǎn)化后氣體中的CO濃度相應(yīng)于轉(zhuǎn)化反應(yīng)的溫度降低到重整氣體中CO濃度的1/5～1/50。從而，作為對(duì)燃料電池提供的燃料氣體，有必要將CO濃度降低到10ppm以下。為此，轉(zhuǎn)化后氣體還被提供給配設(shè)于CO轉(zhuǎn)化部15的下游的CO凈化部40進(jìn)行處理。而且，這樣由氫生成裝置150得到的以氫為主體的氣體作為燃料氣體被提供給燃料電池151的燃料極。在燃料電池151中，利用提供給燃料極的燃料氣體和提供給氧氣極的氧氣的反應(yīng)進(jìn)行發(fā)電。而且未用于反應(yīng)的燃料氣體作為廢氣被提供給氫生成裝置的燃燒器，在該處進(jìn)行燃燒。
如上所述如果采用本實(shí)施形態(tài)，在CO轉(zhuǎn)化部15中，上述轉(zhuǎn)化反應(yīng)由于是發(fā)熱反應(yīng)，伴隨反應(yīng)產(chǎn)生熱量，在CO轉(zhuǎn)化部15中形成發(fā)熱部。又，提供給CO轉(zhuǎn)化部的重整氣體自身具有熱量。因此，CO轉(zhuǎn)化部15及轉(zhuǎn)化后氣體的溫度維持于180～400℃左右。特別是，由于如上所述進(jìn)行作為發(fā)熱反應(yīng)的轉(zhuǎn)化反應(yīng)，在CO轉(zhuǎn)化部15中，與上游側(cè)端面15a相比，下游側(cè)端面15b的溫度較高。
在本實(shí)施形態(tài)中，配置于CO轉(zhuǎn)化部15的下游側(cè)端面15b側(cè)的轉(zhuǎn)化后氣體流路3與混合原料氣體流路部30’隔著共同的橫壁31直接接觸，而且，如上所述，流過(guò)混合原料氣體流路30’的混合原料氣體的溫度約為110～120℃，流過(guò)轉(zhuǎn)化后氣體流路3的轉(zhuǎn)化后氣體溫度為180～400℃。從而能夠通過(guò)橫壁31，從轉(zhuǎn)化后氣體向混合原料氣體發(fā)生熱移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)熱交換。在這樣的熱交換中，轉(zhuǎn)化后氣體由于如上所述形成沖擊橫壁31的氣流，因此在橫壁31附近不形成傳熱界面膜，因而，與轉(zhuǎn)化后氣體形成不沖擊橫壁31的對(duì)向流或平行流的情況相比，能夠得到較高效率的熱交換。
又，不僅轉(zhuǎn)化后氣體具有的熱量，還有來(lái)自CO轉(zhuǎn)化部15的輻射熱量，都通過(guò)轉(zhuǎn)化后氣體流路3被提供給混合原料氣體。在這里，由于CO轉(zhuǎn)化部15中的氣體的流動(dòng)方向?yàn)殂U直向下，由于浮力的效果，在CO轉(zhuǎn)化部15的下游側(cè)端面15b上形成均勻的輻射面。從而，在CO轉(zhuǎn)化部15中，如上所述從比上游側(cè)端面15a溫度高的下游側(cè)端面15b均勻地釋放出輻射熱，通過(guò)橫壁31有效地向混合原料氣體提供熱量。
這樣，在本實(shí)施形態(tài)的氫生成裝置中，利用來(lái)自重整部10的熱對(duì)水的蒸發(fā)及混合原料氣體進(jìn)行加熱，以此進(jìn)行熱回收，同時(shí)使利用從CO轉(zhuǎn)化部15得到的轉(zhuǎn)化后氣體具有的熱及CO轉(zhuǎn)化部15的輻射熱加熱混合原料氣體以進(jìn)行熱回收成為可能。因而，與以往的情況相比較，本實(shí)施形態(tài)能夠謀求提高熱回收量。
還有，在本實(shí)施形態(tài)中，轉(zhuǎn)化后氣體排出到配置于裝置內(nèi)側(cè)的重整部10，因此得到了將轉(zhuǎn)化反應(yīng)導(dǎo)致的發(fā)熱封入氫生成裝置內(nèi)部的效果。這樣做，使得在氫生成裝置中可以進(jìn)行更高效率的熱回收，因此在燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中利用氫生成裝置的情況下，能夠謀求提高系統(tǒng)整體的熱效率。
在這里，上面所述中，重整部10如上所述具有在成型顆粒狀的金屬氧化物載體上承載鉑族金屬的結(jié)構(gòu)，但是重整部10的結(jié)構(gòu)也可以是除此以外的結(jié)構(gòu)。例如也可以是例如根據(jù)重整部10的形狀，以形成于陶瓷或金屬等蜂窩基體材料上的膜狀金屬氧化物作為載體，在該總體上分散鉑族金屬構(gòu)成。
在這里，在如上所述中，CO轉(zhuǎn)化部15具有在由形成于陶瓷制蜂窩基體材料上的膜狀金屬氧化物載體上分散、承載鉑族金屬的結(jié)構(gòu)，但是，CO轉(zhuǎn)化部15的結(jié)構(gòu)也可以是這以外的結(jié)構(gòu)。例如，基體材料也可以是由不銹鋼等金屬薄板構(gòu)成的構(gòu)造體，又，可以說(shuō)相應(yīng)于CO轉(zhuǎn)化部15的形狀，充填由成型為粒狀的金屬氧化物的載體上承載鉑族金屬的物質(zhì)的結(jié)構(gòu)。而且，作為CO轉(zhuǎn)化部15的轉(zhuǎn)化催化劑，除鉑族金屬外，還可以使用Cu-Zn等賤金屬。又，在如本實(shí)施形態(tài)那樣將鉑族金屬作為催化劑使用的情況下，由于比將賤金屬作為催化劑使用的情況，催化劑具有更高的耐熱性，因此能夠使CO轉(zhuǎn)化部15的溫度更高。因此，CO轉(zhuǎn)化部15及轉(zhuǎn)化后氣體與混合原料氣體的溫度差變得更大，因此，混合原料氣體從CO轉(zhuǎn)化部15及轉(zhuǎn)化后氣體回收的熱量更多。
又，本實(shí)施形態(tài)為在燃燒器20及圍繞該燃燒器的重整部10的軸方向上配置CO轉(zhuǎn)化部15的結(jié)構(gòu)，但是作為本實(shí)施形態(tài)的變形例，是將CO轉(zhuǎn)化部15與重整部10的軸方向的位置逆向的結(jié)構(gòu)，即也可以是燃燒器20及重整部10位于CO轉(zhuǎn)化部15的軸上方部的結(jié)構(gòu)。采用這樣的結(jié)構(gòu)，利用浮力的效果，轉(zhuǎn)化后氣體沖擊橫壁31的速度變大，因此能夠進(jìn)行更高效率的熱交換。
實(shí)施形態(tài)2氫生成裝置圖2是表示本發(fā)明實(shí)施形態(tài)2的氫生成裝置的結(jié)構(gòu)的示意性剖面圖。本實(shí)施形態(tài)的氫生成裝置具有與實(shí)施形態(tài)1的氫生成裝置相同的結(jié)構(gòu)，以下幾點(diǎn)為與實(shí)施形態(tài)1不同的地方。
在實(shí)施形態(tài)1中，是采用位于比水蒸發(fā)部9更下游的混合原料氣體流路30’，即水蒸汽與原料氣體混合流動(dòng)的領(lǐng)域及轉(zhuǎn)化后氣體流路3相鄰配置的結(jié)構(gòu)，而在本實(shí)施形態(tài)中，比水供給口6更上游側(cè)的重整原料流路1的領(lǐng)域、即僅流過(guò)原料氣體的領(lǐng)域(以下將其稱為“原料氣體流路32”)，與轉(zhuǎn)化氣體流路3隔著共通的橫壁33相鄰配置。
具體地說(shuō)，在本實(shí)施形態(tài)中，在重整原料流路1的上游側(cè)流路11中包含利用橫壁103進(jìn)行分隔，在混合原料氣體流路30’的軸方向上部與該流路部30’相向配置的原料氣體流路部32。而且，原料氣體流路部32隔著橫壁33與轉(zhuǎn)化后氣體流路3直接接觸。原料氣體流路部32的下游，與實(shí)施形態(tài)1的結(jié)構(gòu)相同。
在這樣的結(jié)構(gòu)中，由原料供給口5提供的原料氣體沿著橫壁103在原料氣體流路32內(nèi)向半徑方向移動(dòng)，此后，在重整原料流路1的上游側(cè)流路11內(nèi)沿縱壁102在軸方向向下方移動(dòng)。另一方面，在比原料氣體流路32更下游的領(lǐng)域內(nèi)由水供給口6提供水，與實(shí)施形態(tài)1相同，在水蒸發(fā)部9中將水轉(zhuǎn)化為水蒸汽，與原料氣體混合。水蒸汽與原料氣體混合的混合原料氣體與實(shí)施形態(tài)1相同，在重整原料流路1的混合原料氣體流路30內(nèi)流動(dòng)，被引導(dǎo)到重整部10。
在這里，如本實(shí)施形態(tài)那樣，在鄰接的轉(zhuǎn)化后氣體流路3與原料氣體流路32中，在流過(guò)各流路的轉(zhuǎn)化后氣體與原料氣體之間，轉(zhuǎn)化后氣體比原料氣體溫度高。因此，轉(zhuǎn)化后氣體具有的熱及來(lái)自CO轉(zhuǎn)化部15的輻射熱通過(guò)共同的橫壁33傳送到流過(guò)原料氣體流路部32的原料氣體中，利用于對(duì)原料氣體的加熱。在這樣的轉(zhuǎn)化后氣體與原料氣體之間的熱交換中，轉(zhuǎn)化后氣體與本實(shí)施形態(tài)1的情況一樣，形成沖擊與原料氣體流路部32共同的橫壁33那樣的氣流，因此能夠如上所述體更高效率向原料氣體傳熱。又，在這里也與實(shí)施形態(tài)1的情況相同，利用浮力的效果，在CO轉(zhuǎn)化部15的下游側(cè)端面15b上形成均勻的輻射面，從比上游側(cè)端面15a溫度更高的下游側(cè)端面15b將輻射熱有效地傳送到原料氣體上。
如上所述，在本實(shí)施形態(tài)的氫生成裝置中，能夠進(jìn)行熱回收，將從CO轉(zhuǎn)化部15得到的轉(zhuǎn)化后氣體的熱量利用于原料氣體的加熱。從而，能夠與實(shí)施形態(tài)1一樣，與已有的情況相比謀求提高熱效率。
在本實(shí)施形態(tài)中，也與實(shí)施形態(tài)1一樣，CO轉(zhuǎn)化部15及重整部10的結(jié)構(gòu)并不限于上述結(jié)構(gòu)，也可以是除此以外的結(jié)構(gòu)。又，作為本實(shí)施形態(tài)的變形例，也可以與實(shí)施形態(tài)1的變形例相同，形成將CO轉(zhuǎn)化部15與重整部10的上下方向的位置反轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)。在這種情況下，也能夠取得與上述相同的效果。
燃料電池發(fā)電系統(tǒng)本實(shí)施形態(tài)的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)是在實(shí)施形態(tài)1的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)(圖5)中，取代實(shí)施形態(tài)1的氫生成裝置，具備本實(shí)施形態(tài)的氫生成裝置的系統(tǒng)。借助于此，能夠構(gòu)筑具備達(dá)到上述效果的氫生成裝置的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)。
實(shí)施形態(tài)3氫生成裝置圖3是表示本發(fā)明實(shí)施形態(tài)3的氫生成裝置的結(jié)構(gòu)示意性剖面圖。本實(shí)施形態(tài)的氫生成裝置具有與實(shí)施形態(tài)1的氫生成裝置相同的結(jié)構(gòu)，以下幾點(diǎn)是與實(shí)施形態(tài)1不同的地方。
在本實(shí)施形態(tài)中，比原料供給口5更上游側(cè)的重整原料流路1的領(lǐng)域，即只流水的領(lǐng)域(以下將其稱為“水流路部34”)隔著傳熱抑制結(jié)構(gòu)35與轉(zhuǎn)化后氣體流路3間接地相鄰配置。而且，本實(shí)施形態(tài)的重整原料流路1中，在比該水流路部34更下游側(cè)的領(lǐng)域中從原料供給口5提供原料氣體。該原料氣體與在水蒸發(fā)部9中生成的水蒸汽混合，由此得到的混合原料氣體與實(shí)施形態(tài)1一樣被引導(dǎo)到重整部10。
具體地說(shuō)，本實(shí)施形態(tài)中，在重整原料流路1的上游側(cè)流路11上含有利用橫壁103分隔，在混合原料氣體流路30’的軸方向上部與該流路部30’相向配置的水流路部34。而且，水流路部34隔著橫壁36及傳熱抑制結(jié)構(gòu)35，間接地與轉(zhuǎn)化后氣體流路3接觸。水流路部34的下游與實(shí)施形態(tài)1的結(jié)構(gòu)相同。
在這樣的結(jié)構(gòu)中，由水供給口6提供的水在水流路部34內(nèi)沿著橫壁103向半徑方向移動(dòng)，其后，在重整原料流路1的上游側(cè)流路11內(nèi)沿著縱壁102向軸方向的下方移動(dòng)。另一方面，在比水流路部34更下游的領(lǐng)域中從原料供給口5提供原料氣體。在流路內(nèi)移動(dòng)的水與實(shí)施形態(tài)1一樣，在水蒸發(fā)部9中變?yōu)樗羝笈c原料氣體混合。水蒸汽與原料氣體混合的混合原料氣體與實(shí)施形態(tài)1一樣流過(guò)重整原料流路1的混合原料氣體流路部30’，被引導(dǎo)到重整部10。
在這里，如本實(shí)施形態(tài)所述，間接鄰接的轉(zhuǎn)化后氣體流路3與水流路部34中，在轉(zhuǎn)化后氣體與水之間，轉(zhuǎn)化后氣體比水的溫度更高。因此，轉(zhuǎn)化后氣體具有的熱與來(lái)自CO轉(zhuǎn)化部15的輻射熱量通過(guò)傳熱抑制結(jié)構(gòu)35傳送到在水流路部34中移動(dòng)到水中。這種情況下，從CO轉(zhuǎn)化部15側(cè)轉(zhuǎn)移到水流路部34側(cè)的熱量由傳熱抑制結(jié)構(gòu)35將熱量調(diào)整到該水不蒸發(fā)的程度。作為傳熱抑制結(jié)構(gòu)35，采用例如在玻璃纖維等隔熱材料中，將使熱傳導(dǎo)率更高的金屬分散·混合的構(gòu)件、對(duì)陶瓷等顆粒設(shè)置空隙充填的構(gòu)件、利用溫度幾乎不上升的相變充填吸熱的材料的構(gòu)件等。
在本實(shí)施形態(tài)中的轉(zhuǎn)化后氣體與水之間的熱交換中，轉(zhuǎn)化后氣體與實(shí)施形態(tài)1的情況相同，形成沖擊相當(dāng)于轉(zhuǎn)化后氣體流路3的底面的橫壁36那樣的氣流。因此，與實(shí)施形態(tài)1一樣，能夠更有效率地將熱傳送到水中。而且與實(shí)施形態(tài)1的情況相同，利用浮力的效果，在CO轉(zhuǎn)化部15中，從比上游側(cè)端面15a溫度更高的下游側(cè)端面15b將輻射熱有效地傳送到水中。
如上所述，在本實(shí)施形態(tài)的氫生成裝置中，能夠?qū)腃O轉(zhuǎn)化部15得到的轉(zhuǎn)化后氣體的熱量利用對(duì)水的加熱進(jìn)行熱回收。從而，與實(shí)施形態(tài)1一樣，能夠謀求比已有技術(shù)的情況提高熱效率。
在本實(shí)施形態(tài)中，與實(shí)施形態(tài)1一樣，CO轉(zhuǎn)化部15及重整部10的結(jié)構(gòu)并不限定于上述結(jié)構(gòu)，除此以外的其他結(jié)構(gòu)也可以。又，作為本實(shí)施形態(tài)的變形例，也可以是將CO轉(zhuǎn)化部15與重整部10的上下方向的位置逆轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)。
燃料電池發(fā)電系統(tǒng)本實(shí)施形態(tài)的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)是在實(shí)施形態(tài)1的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)(圖5)中，取代實(shí)施形態(tài)1的氫生成裝置，具備本實(shí)施形態(tài)的氫生成裝置的系統(tǒng)。借助于此，能夠構(gòu)筑具備達(dá)到上述效果的氫生成裝置的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)。
實(shí)施形態(tài)4氫生成裝置圖4是表示本發(fā)明實(shí)施形態(tài)4的氫生成裝置的結(jié)構(gòu)的示意性剖面圖。本實(shí)施形態(tài)的氫生成裝置具有與實(shí)施形態(tài)1的氫生成裝置相同的結(jié)構(gòu)要素，其結(jié)構(gòu)在以下幾點(diǎn)與實(shí)施形態(tài)1不同。
即在實(shí)施形態(tài)1中將CO轉(zhuǎn)化部15及轉(zhuǎn)化后氣體流路3配置于裝置的軸方向的重整部10的上方，而在本實(shí)施形態(tài)中，在裝置的半徑方向上，圍繞重整部10的外圍配置圓筒狀的CO轉(zhuǎn)化部15’以及轉(zhuǎn)化后氣體流路3，而且在重整部10與轉(zhuǎn)化氣體流路3之間配置重整原料氣體流路1的混合原料氣體流路部30’。
具體地說(shuō)，在本實(shí)施形態(tài)中，封閉上端及下端的圓筒狀主體50的內(nèi)部與實(shí)施形態(tài)1一樣以縱壁102及橫壁103分隔，借助于此，在裝置的中心，圍著安裝有輻射筒21的燃燒器20，形成圓筒狀的重整部10。而且，圍繞該重整部10形成裝置半徑方向的II-II’線剖面的形狀為環(huán)狀的圓筒狀的各氣體流路及CO轉(zhuǎn)化部15。
在這里，從裝置的半徑方向的外側(cè)向內(nèi)側(cè)按順序形成具有二重結(jié)構(gòu)的燃燒氣體流路4的下游側(cè)流路41、成為具有三重結(jié)構(gòu)的重整原料流路1的二重的上游側(cè)流路11、30、具有二重結(jié)構(gòu)的重整氣體流路2的下游側(cè)流路23、CO轉(zhuǎn)化部15’、轉(zhuǎn)化后氣體流路3、所述重整原料流路1的下游側(cè)流路30’、所述重整氣體流路2的上游側(cè)流路22、重整部10及燃燒氣體流路4的上游側(cè)流路42。又，具有多重結(jié)構(gòu)的流路的所述上游側(cè)流路與下游側(cè)流路通過(guò)利用橫壁103形成的半徑方向的流路連通。
在上述各氣體流路中，在燃燒氣體流路4中，上游側(cè)流路42的端部與安裝輻射筒21的燃燒器20相連通，同時(shí)下游側(cè)流路41的端部通過(guò)排氣取出口8與外部連通。又，重整原料流路1在上游側(cè)流路11的端部通過(guò)原料供給口5及水供給口6與外部連通，同時(shí)下游側(cè)流路30’的端部與重整部10的下端面連通。又，重整氣體流路2在上游側(cè)流路22的端部與重整部10的上端面連通，同時(shí)下游側(cè)流路23的端部與CO轉(zhuǎn)化部15’的上游側(cè)端面15’a連通。又，轉(zhuǎn)化后氣體流路3在上游側(cè)端部與CO轉(zhuǎn)化部15’的下游側(cè)端面15’b連通的同時(shí)，下游側(cè)端部通過(guò)轉(zhuǎn)化后氣體取出口7與外部連通。
又，在本實(shí)施形態(tài)中，CO轉(zhuǎn)化部15’不是像實(shí)施形態(tài)1的CO轉(zhuǎn)化部15那樣，在形成于蜂窩狀基材上的膜狀的金屬氧化物載體上承載鉑族金屬構(gòu)成，而是在成型為粒狀的金屬氧化物載體上承載鉑族金屬構(gòu)成，并且配置于位于重整氣體流路2和轉(zhuǎn)化后氣體流路3之間的圓筒狀區(qū)域形成。
在本實(shí)施形態(tài)中，從原料供給口5及水供給口6供給的原料氣體及水在重整原料流路1的外側(cè)的上游側(cè)流路11內(nèi)沿著縱壁102向軸方向的下方流動(dòng)(圖中的箭頭A所示)。然后，在該流路底部的水蒸發(fā)部9中，水受到來(lái)自重整部10及燃料氣體流路4內(nèi)的燃燒氣體的熱而蒸發(fā)。混合這樣生成的水蒸汽和原料氣體形成混合原料氣體，在內(nèi)側(cè)的上游側(cè)流路30內(nèi)沿著縱壁102向軸方向的上方流動(dòng)(圖中的箭頭B)。其后，進(jìn)入下游側(cè)流路30’，在該流路內(nèi)沿著縱壁102再向軸方向的下方流去。在這里，特此將流過(guò)混合原料氣體的重整原料流路1的下游側(cè)流路30’稱為“混合原料氣體流路部30’”。通過(guò)該混合原料氣體流路部30’，該混合原料氣體從重整部10的下端被供給到重整部10的內(nèi)部(圖中的箭頭C)?；旌显蠚怏w在重整部10內(nèi)沿著縱壁102流向軸方向的上方的過(guò)程中發(fā)生重整反應(yīng)，生成以氫為主體的重整氣體。
生成的重整氣體在重整氣體流路2的上游側(cè)流路22內(nèi)沿著縱壁102向軸方向的下方流動(dòng)后，再在下游側(cè)流路23內(nèi)沿著縱壁102向軸方向的上方流動(dòng)(圖中的箭頭D及E)，到達(dá)CO轉(zhuǎn)化部15’。在像這樣的重整氣體流動(dòng)的過(guò)程中，重整氣體流路2的上游側(cè)流路22與混合原料氣體流路部30’隔著共同的縱壁39相鄰接，因此重整氣體具有的熱量通過(guò)共同的縱壁39傳送給混合原料氣體。另一方面，提供給CO轉(zhuǎn)化部15’的重整氣體向著主體內(nèi)側(cè)，向圓筒狀的該轉(zhuǎn)化部15’的半徑方向、即與氫生成裝置的中心軸(未圖示)垂直的方向流動(dòng)(圖中的箭頭F)。在這一過(guò)程中，通過(guò)轉(zhuǎn)化反應(yīng)生成轉(zhuǎn)化后氣體。因此，由于該轉(zhuǎn)化反應(yīng)如上所述是發(fā)熱反應(yīng)，CO轉(zhuǎn)化部15’的下游側(cè)端面(即內(nèi)周面)15’b比上游側(cè)端面(即外周面)15’a溫度高。從CO轉(zhuǎn)化部15’得到的轉(zhuǎn)化后氣體形成從CO轉(zhuǎn)化部15’的下游側(cè)端面15’b垂直地沖擊與重整原料流路1的混合原料氣體流路部30’共同的縱壁37的氣流，進(jìn)入轉(zhuǎn)化后氣體流路3。然后，轉(zhuǎn)化后氣體沿著縱壁37在轉(zhuǎn)化后氣體流路3內(nèi)流向軸方向的上方，從轉(zhuǎn)化后氣體取出口7取出。(圖中的箭頭G)。
在這樣的結(jié)構(gòu)中，由于混合原料氣體流路部30’隔著共同的縱壁37與轉(zhuǎn)化后氣體流路3相鄰接，因此與實(shí)施形態(tài)1的情況相同，熱量從溫度高的轉(zhuǎn)化后氣體向溫度低的混合原料氣體移動(dòng)。在進(jìn)行這樣的熱交換時(shí)，如上所述，由于轉(zhuǎn)化后氣體形成沖擊縱壁37那樣的氣流，因此在縱壁37附近不形成傳熱邊界膜，從而能夠更有效地進(jìn)行從轉(zhuǎn)化后氣體向混合原料氣體的熱交換。又利用來(lái)自比上游側(cè)端面15’a溫度更高的CO轉(zhuǎn)化部15’的下游側(cè)端面15’b的輻射熱加熱縱壁37，從縱壁37將熱傳送到混合原料氣體。
這樣，如果采用本實(shí)施形態(tài)，利用通過(guò)混合原料氣體回收來(lái)自轉(zhuǎn)化后氣體及CO轉(zhuǎn)化部15’的熱，能夠謀求提高熱效率。又，由于轉(zhuǎn)化后氣體排放到配置于主體內(nèi)側(cè)的重整部10一側(cè)，因此有將轉(zhuǎn)化反應(yīng)得到的熱封閉在內(nèi)部的效果。還有，比重整部10溫度更低的CO轉(zhuǎn)化部15’覆蓋著重整部10的主要的放熱面配置于外圍，而且通過(guò)CO轉(zhuǎn)化部15’的氣體的流動(dòng)方向(與軸方向垂直的方向)與通過(guò)重整部10的氣體的主要流動(dòng)方向(即軸方向)幾乎垂直，因此可以有效地抑制從重整部10的放熱量。
再者，在這里，由于混合原料氣體流路部30’與重整氣體流路2的上游側(cè)流路22通過(guò)共同的縱壁39直接連接，因此，能夠通過(guò)該縱壁39將熱量從重整氣體傳送到混合原料氣體。又，利用來(lái)自重整部10的輻射熱加熱縱壁39，通過(guò)該縱壁39將熱傳送到混合原料氣體。這樣，在存在大的溫度差的混合原料氣體與重整氣體之間，能夠利用混合原料氣體從重整氣體及重整部10回收熱量。因此，在這樣的結(jié)構(gòu)中，能夠更有效地進(jìn)行熱回收。又，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)利用熱量從重整氣體向混合原料氣體移動(dòng)減少重整氣體具有的熱量，將提供給CO轉(zhuǎn)化部15’的重整氣體的溫度控制為適于轉(zhuǎn)化反應(yīng)的溫度。
如上所述，重整部10與實(shí)施形態(tài)1一樣，具有在成型為粒狀的金屬氧化物的載體上承載鉑族金屬的結(jié)構(gòu)，但是也可以是相應(yīng)于重整部10的形狀，在由陶瓷和金屬等構(gòu)成的蜂窩狀基材上形成的膜狀金屬氧化物載體上分散承載鉑族金屬的結(jié)構(gòu)。
又，如上所述，CO轉(zhuǎn)化部15’具有在成型為粒狀的金屬氧化物載體上承載鉑族金屬的結(jié)構(gòu)，但是也可以是相應(yīng)于CO轉(zhuǎn)化部15’的形狀，在由陶瓷和金屬等構(gòu)成的蜂窩狀基材上形成的膜狀金屬氧化物載體上分散承載鉑族金屬的結(jié)構(gòu)。還有，作為轉(zhuǎn)化催化劑，除鉑族金屬以外，還可以使用Cu-Zn等賤金屬。使用鉑族金屬作為催化劑的情況下的效果如實(shí)施形態(tài)1中所述。
采用如本實(shí)施形態(tài)那樣沿著重整部10的外周配置CO轉(zhuǎn)化部15’的結(jié)構(gòu)，還是如實(shí)施形態(tài)1～3那樣在重整部10的軸方向端部側(cè)配置CO轉(zhuǎn)化部15的結(jié)構(gòu)，可以任意選擇，但是轉(zhuǎn)化后氣體流路3與重整原料流路1的接觸面積越大就越可以有效地進(jìn)行熱交換，因此最好是合適地選擇該接觸面積大的結(jié)構(gòu)。借助于此，本發(fā)明的效果能夠更有效地實(shí)現(xiàn)。例如，在構(gòu)成氫生成裝置的重整部10中，軸方向的長(zhǎng)度比徑向的長(zhǎng)度更長(zhǎng)。因此，在這樣的結(jié)構(gòu)中，如本實(shí)施形態(tài)那樣，最好是將CO轉(zhuǎn)化部15’配置于重整部10的外周，這樣的結(jié)構(gòu)該接觸面積大，因此更加理想。
燃料電池發(fā)電系統(tǒng)本實(shí)施形態(tài)的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，在實(shí)施形態(tài)1的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)(圖5)中，取代實(shí)施形態(tài)1的氫生成裝置，具備本實(shí)施形態(tài)的氫生成裝置的裝置。借助于此，能夠形成具備達(dá)到上述效果的氫生成裝置的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)。
又，在上述實(shí)施形態(tài)1～4中，向燃燒器20提供的燃料氣體，使用燃料電池151中的剩余燃料，例如該燃料氣體也可以使用城市煤氣、甲烷、LP氣體、燈油等氣體碳?xì)浠衔锶剂匣驓涞?。又，在上述?shí)施形態(tài)1～4中對(duì)重整部10供給的原料氣體使用城市煤氣，但是除此以外也可以使用甲烷、LP氣體、甲醇、汽油等其他碳?xì)浠衔镌稀?br> 再者，在上述實(shí)施形態(tài)1～4中，對(duì)同心圓狀的形成圓筒狀氣體流路的圓筒式氫生成裝置進(jìn)行說(shuō)明，本發(fā)明也可以適用于具有除此以外形狀的氫生成裝置。
從上述說(shuō)明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以清楚了解本發(fā)明的許多改良及其他實(shí)施形態(tài)。從而，上述說(shuō)明應(yīng)該僅作為例示來(lái)解釋，上述說(shuō)明是以將實(shí)施本發(fā)明的最佳實(shí)施形態(tài)作為對(duì)本行業(yè)技術(shù)人員的教學(xué)示范的目的來(lái)提供的。在不脫離本發(fā)明的精神的情況下，可以對(duì)其結(jié)構(gòu)及/或功能的細(xì)節(jié)進(jìn)行實(shí)質(zhì)性的變更。
工業(yè)應(yīng)用性本發(fā)明的氫生成裝置作為使用于燃料電池發(fā)電系統(tǒng)等的氫生成裝置是有用的。
本發(fā)明的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)作為具備能夠謀求提高熱效率的氫生成裝置的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)等是有用的。
權(quán)利要求
1.一種氫生成裝置，利用重整反應(yīng)由重整反應(yīng)原料生成氫為主體的重整氣體的重整部、將所述重整反應(yīng)原料提供給所述重整部的重整原料流路、利用轉(zhuǎn)化反應(yīng)使所述重整氣體中的一氧化碳減少的一氧化碳轉(zhuǎn)化部、由所述重整部將所述重整氣體提供給所述一氧化碳轉(zhuǎn)化部的重整氣體流路、以及將從所述一氧化碳轉(zhuǎn)化部得到的轉(zhuǎn)化后的氣體取出的轉(zhuǎn)化后氣體流路，其特征在于，在所述轉(zhuǎn)化后氣體流路和所述重整原料流路之間形成能進(jìn)行熱交換的結(jié)構(gòu)。
2.如權(quán)利要求1所述的氫生成裝置，其特征在于，形成所述一氧化碳轉(zhuǎn)化部的發(fā)熱部隔著空間面臨所述轉(zhuǎn)化后氣體流路的壁部的結(jié)構(gòu)。
3.如權(quán)利要求1所述的氫生成裝置，其特征在于，從所述一氧化碳轉(zhuǎn)化部得到的轉(zhuǎn)化后氣體具有的熱量通過(guò)所述轉(zhuǎn)化后氣體流路被提供給所述重整原料氣體流路。
4.如權(quán)利要求1～3中的任何一項(xiàng)所述的氫生成裝置，其特征在于，所述重整原料流路比所述轉(zhuǎn)化后氣體流路更靠所述氫生成裝置的內(nèi)部側(cè)配置。
5.如權(quán)利要求1～4中的任何一項(xiàng)所述的氫生成裝置，其特征在于，所述氫生成裝置的主體部的內(nèi)部，利用共同擁有中心軸，以規(guī)定的間隔相向配置的多個(gè)軸方向壁、以及與所述軸方向壁交叉地配置于所述軸方向壁的規(guī)定的端部上的多個(gè)徑方向壁進(jìn)行分隔，以此在所述主體部?jī)?nèi)形成所述重整原料流路、所述重整氣體流路、以及所述轉(zhuǎn)化后氣體流路，沿所述中心軸形成所述重整部，同時(shí)在所述重整部的所述軸方向側(cè)形成所述一氧化碳轉(zhuǎn)化部，所述重整原料流路圍繞所述重整部外側(cè)配置，其一個(gè)端部與所述重整部的所述軸方向的一個(gè)端面連通，至少其一部分沿所述重整部的所述軸方向的一個(gè)端面形成，所述重整氣體流路圍繞所述重整部外圍配置，一個(gè)端部與所述重整部的所述軸方向的另一端面連通，同時(shí)，另一端部與所述一氧化碳轉(zhuǎn)化部的上游面連通，所述一氧化碳轉(zhuǎn)化部在所述軸方向上隔著所述重整原料流路與所述重整部的所述一個(gè)端面相向配置，所述轉(zhuǎn)化后氣體流路，一個(gè)端部連通所述一氧化碳轉(zhuǎn)化部的下游面連通，在相向的所述一氧化碳轉(zhuǎn)化部和所述重整部之間，直接或間接地與所述重整原料流路的沿著所述重整部的端面的部分接觸。
6.如權(quán)利要求1～4中的任何一項(xiàng)所述的氫生成裝置，其特征在于，所述氫生成裝置的主體部的內(nèi)部，利用共同擁有中心軸，以規(guī)定的間隔相向配置的多個(gè)軸方向壁、以及與所述軸方向壁交叉地配置于所述軸方向壁的規(guī)定的端部上的多個(gè)徑方向壁進(jìn)行分隔，以此在所述主體部?jī)?nèi)形成所述重整原料流路、所述重整氣體流路、以及所述轉(zhuǎn)化后氣體流路，沿所述中心軸形成所述重整部，同時(shí)在所述軸方向圍著所述重整部外側(cè)形成所述一氧化碳轉(zhuǎn)化部，所述重整原料流路在所述軸方向上圍繞所述重整部外側(cè)配置，一個(gè)端部與所述重整部的所述軸方向的另一個(gè)端面連通，所述重整氣體流路在所述軸方向上圍繞所述重整原料流路外側(cè)配置，一個(gè)端部與所述重整部的所述軸方向的另一個(gè)端面連通，同時(shí)另一端部與所述一氧化碳轉(zhuǎn)化部的上游面連通，所述一氧化碳轉(zhuǎn)化部位于所述重整氣體流路與所述重整原料流路之間，在所述軸方向上包圍所述重整原料流路配置，所述轉(zhuǎn)化后氣體流路，一個(gè)端部連通所述一氧化碳轉(zhuǎn)化部的下游面，在所述一氧化碳轉(zhuǎn)化部和所述重整部之間直接或間接地與所述重整原料流路接觸，在所述軸方向上圍繞所述重整原料流路的外側(cè)。
7.如權(quán)利要求5或6所述的氫生成裝置，其特征在于，所述轉(zhuǎn)化后氣體從所述一氧化碳轉(zhuǎn)化部的下游面放出到所述轉(zhuǎn)化后氣體流路內(nèi)，使其在所述轉(zhuǎn)化后氣體流路與所述重整原料流路接觸的部分沖撞分隔該兩流路的隔板，其后沿著所述轉(zhuǎn)化后氣體流路移動(dòng)。
8.如權(quán)利要求5所述的氫生成裝置，其特征在于，在所述一氧化碳轉(zhuǎn)化部中，從所述上游面向下游面的氣體移動(dòng)方向大致為垂直方向。
9.如權(quán)利要求5～8中的任何一項(xiàng)所述的氫生成裝置，其特征在于，所述重整反應(yīng)原料含有碳?xì)浠衔镌蠚怏w和水，所述重整原料流路具備所述原料氣體與水以不同的物質(zhì)狀態(tài)移動(dòng)的流路部、使所述水蒸發(fā)成為水蒸汽的水蒸發(fā)部、以及移動(dòng)所述原料氣體與所述水蒸汽混合的氣體的混合原料氣體流路部，與所述轉(zhuǎn)化后氣體流路直接或間接接觸的所述重整原料流路為所述混合原料氣體流路部。
10.如權(quán)利要求5～8中的任何一項(xiàng)所述的氫生成裝置，其特征在于，所述重整反應(yīng)原料含有碳?xì)浠衔镌蠚怏w和水，所述重整原料流路具備所述原料氣體與水以不同的物質(zhì)狀態(tài)移動(dòng)的流路部、使所述水蒸發(fā)成為水蒸汽的水蒸發(fā)部、以及移動(dòng)所述原料氣體與所述水蒸汽混合的氣體的混合原料氣體流路部，與所述轉(zhuǎn)化后氣體流路直接或間接接觸的所述重整原料流路為所述原料氣體與水以不同的物質(zhì)狀態(tài)移動(dòng)的所述流路部。
11.如權(quán)利要求5～8中的任何一項(xiàng)所述的氫生成裝置，其特征在于，所述重整反應(yīng)原料含有碳?xì)浠衔镌蠚怏w和水，所述重整原料流路具備僅移動(dòng)所述原料氣體的原料氣體流路部、所述原料氣體與水以不同的物質(zhì)狀態(tài)移動(dòng)的流路部、使所述水蒸發(fā)成為水蒸汽的水蒸發(fā)部、以及移動(dòng)所述原料氣體與所述水蒸汽混合的氣體的混合原料氣體流路部，與所述轉(zhuǎn)化后氣體流路直接或間接接觸的所述重整原料流路為所述原料氣體流路部。
12.如權(quán)利要求5～8中的任何一項(xiàng)所述的氫生成裝置，其特征在于，所述重整反應(yīng)原料含有碳?xì)浠衔镌蠚怏w和水，所述重整原料流路具備僅移動(dòng)所述水的水流路部、所述水與所述原料氣體以不同的物質(zhì)狀態(tài)移動(dòng)的流路部、使所述水蒸發(fā)成為水蒸汽的水蒸發(fā)部、以及移動(dòng)所述原料氣體與所述水蒸汽混合的氣體的混合原料氣體流路部，與所述轉(zhuǎn)化后氣體流路直接或間接接觸的所述重整原料流路為所述水流路部。
13.如權(quán)利要求1～12中的任何一項(xiàng)所述的氫生成裝置，其特征在于，所述一氧化碳轉(zhuǎn)化部是由含有AL、Ce、Zr中的至少一種的金屬氧化物構(gòu)成的載體承載作為轉(zhuǎn)化催化劑的鉑族金屬。
14.如權(quán)利要求1～13中的任何一項(xiàng)所述的氫生成裝置，其特征在于，在所述重整氣體流路和所述重整原料流路之間形成能進(jìn)行熱交換的結(jié)構(gòu)。
15.一種燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，具備權(quán)利要求1～14中的任何一項(xiàng)所述的氫生成裝置、以及使用由氫生成裝置提供，以氫為主成分的燃料氣體及氧化劑氣體進(jìn)行發(fā)電的燃料電池。
全文摘要
本發(fā)明的氫生成裝置的主體(50)由生成以氫為主體的重整氣體的重整部(10)、將作為重整反應(yīng)的原料的重整原料提供給重整部的重整原料流路(1)、將包含于從重整部(10)得到的重整氣體的CO轉(zhuǎn)化為CO
文檔編號(hào)H01M8/06GK1747892SQ20048000367
公開(kāi)日2006年3月15日 申請(qǐng)日期2004年2月12日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月14日
發(fā)明者鈴木基啟, 麻生智倫, 向井裕二, 鵜飼邦弘, 前西晃 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社