专利名称：氢精制装置以及使用其的燃料电池系统的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及减少包含于含氢气体中的一氧化碳(以下记载为CO)的氢精制装置、 具备利用通过了该氢精制装置的含氢气体进行发电的燃料电池的燃料电池系统。
背景技术：
氢精制装置具备减少由重整反应生成的含氢气体中的一氧化碳的CO去除部。上述含氢气体使用至少将碳以及氢作为构成元素的原料并通过重整反应生成。通过了上述氢精制装置的含氢气体被提供给燃料电池，从而被用于燃料电池的发电中。燃料电池可以使用固体高分子型燃料电池、磷酸型燃料电池、固体氧化物型燃料电池等的各种类型。上述CO去除部一般是由氧化反应减少一氧化碳的方式，也提出了由甲烷化反应减少一氧化碳的方式(例如参照专利文献1以及专利文献2)。专利文献专利文献1 日本专利申请公开2000-256003号公报专利文献2 日本专利申请公开2005-174860号公报
发明内容
发明所要解决的课题上述专利文献所记载的氢精制装置对于用于抑制(X)2的甲烷化的温度控制进行了研究探讨，但是，并没有针对用于由甲烷化反应有效地减少CO的温度区域狭窄的问题进行研究探讨。对于上述问题，更加具体地说明的话，则因为甲烷化催化剂通常在上游和下游产生温度梯度，所以会产生从上述温度区域偏离的部分，这与反应性的降低相关联。本发明考虑了上述现有的氢精制装置的课题，以提供一种相比于现有更能够降低甲烷化催化剂的上游与下游的温度梯度，并提高了 CO的甲烷化反应性的氢精制装置以及具备其的燃料电池系统为目的。解决课题的技术手段为了解决上述课题，本发明的氢精制装置，其特征在于，具备由转化反应减少包含于含氢气体中的一氧化碳的转化催化剂、以及由甲烷化反应减少包含于通过了所述转化催化剂的含氢气体中的一氧化碳的甲烷化催化剂；所述转化催化剂和所述甲烷化催化剂构成为可经由第1隔壁进行热交换，并且以通过所述转化催化剂的含氢气体的流动方向与通过所述甲烷化催化剂的含氢气体的流动方向相对的方式构成。本发明的燃料电池系统，其特征在于，具备上述本发明的氢精制装置、以及使用由所述氢精制装置提供的含氢气体进行发电的燃料电池。发明的效果根据本发明，与现有的氢精制装置以及燃料电池系统相比较，能够降低甲烷化催化剂的上游与下游的温度梯度，并能够提高CO的甲烷化反应性。
图IA是表示实施方式1的氢精制装置的概略结构的图。图IB是表示实施方式1的变形例1的氢精制装置的概略结构的图。图IC是表示实施方式1的变形例2的氢精制装置的概略结构的图。图2是表示显示现有的实施方式的氢精制装置的构造的概略图。图3是表示实施方式2的氢精制装置的概略结构的图。图4是表示实施方式3的氢精制装置的概略结构的图。图5是表示实施方式4的氢精制装置的概略结构的图。图6是表示实施方式4的氢精制装置的实施例的概略结构的图。图7是表示氢精制装置的比较例的概略结构的图。图8是表示实施方式5的氢精制装置的概略结构的图。图9是表示实施方式6的燃料电池系统的概略结构的图。符号的说明2燃烧器3燃烧筒4a重整催化剂5 转化器5a转化催化剂6C0 去除器6a甲烷化催化剂7蒸发器8 第1隔壁9 第2隔壁10气体流路11 水流路12 第3隔壁13水流量调整器14温度检测器15 第 1 筒16 第 3 筒17燃烧废气流路18 第 2 筒20 绝热材料30 燃料电池31氧化剂气体供给器100氢精制装置200氢生成装置300燃料电池系统
具体实施例方式以下，对本发明的实施方式的氢精制装置以及具备其的燃料电池系统进行说明。(实施方式1)本实施方式的氢精制装置具备由转化反应减少包含于含氢气体中的一氧化碳的转化催化剂、以及由甲烷化反应减少包含于通过了转化催化剂的含氢气体中的一氧化碳的甲烷化催化剂；转化催化剂和甲烷化催化剂构成为可经由第1隔壁进行热交换，并且以通过转化催化剂的含氢气体的流动方向与通过甲烷化催化剂的含氢气体的流动方向相对的方式构成。图IA是表示实施方式1的氢精制装置的概略结构的图。如图IA所示，本实施方式的氢精制装置100具备具有转化催化剂fe的转化器5、 以及具有甲烷化催化剂6a的CO去除器6。在转化催化剂fe与甲烷化催化剂6a之间设置有第1隔壁8，转化催化剂如和甲烷化催化剂6a构成为可经由第1隔壁8进行热交换。另外，以通过转化催化剂fe的含氢气体的流动方向与通过甲烷化催化剂的含氢气体的流动方向相对的方式构成。接着，对现有的氢精制装置进行说明。图2是表示现有的氢精制装置100的概略结构的模式图。如图2所示，氢精制装置100具备具有转化催化剂fe的转化器5、以及在转化器5 的下游具有甲烷化催化剂6a的CO去除器6。另外，转化催化剂fe和甲烷化催化剂6a不是以可经由隔壁进行传热的方式构成。在此，作为构成转化催化剂fe的催化剂金属，例如可以使用Pt等的贵金属催化剂、Cu-S1类催化剂等。另外，上述催化剂金属的载体只要是能够担载上述催化剂金属的载体，可以是任意的载体。例如可以例示氧化铝、二氧化硅、硅铝(Silica-alumina)、氧化镁、 二氧化钛、沸石等。另外，可以将丸状物(pellet)、蜂巢状物(honeycomb)等用于上述转化催化剂fe的基材中。另外，在用于甲烷化催化剂6a的催化剂金属中，可以使用在CO的甲烷化中显示活性的金属。作为这样的催化剂金属，可以例示Pt、Ru、他、Pd以及Ni等的金属。特别是作为催化剂金属，优选至少包含Ru、1 或者Ni。另外，作为上述催化剂金属的载体，只要是能够担载上述催化剂金属的载体，可以是任意的载体。例如可以例示氧化铝、二氧化硅、 硅铝(Silica-alumina)、氧化镁、二氧化钛、沸石等。可以将丸状物(pellet)、蜂巢状物 (honeycomb)等用于甲烷化催化剂6a的基材中。一般来说，用于由转化催化剂fe减少CO的优选的温度比用于由甲烷化催化剂6a 减少CO的优选的温度高。另外，CO的转化反应从转化催化剂fe的上游进行，转化催化剂fe 的上游侧的反应量比下游侧的反应量大。转化反应因为是发热反应，所以转化催化剂fe的上游的温度比下游的温度高。从该上游到下游的温度分布在甲烷化催化剂中也是一样的。在此，在本实施方式的氢精制装置100中，如以上所述，转化催化剂如和甲烷化催化剂6a构成为经由第1隔壁8进行传热，并且以通过转化催化剂fe的含氢气体的流动方向与通过甲烷化催化剂的含氢气体的流动方向相对的方式构成。因此，甲烷化催化剂6a，如以上所述，相比于上游侧的部分温度更低的下游侧的部分因为与转化催化剂fe的温度相对高的部分进行热交换，所以与现有的氢精制装置100相比较，甲烷化催化剂6a的上游与下游的温度梯度降低。[变形例1]作为本实施方式的氢精制装置100的变形例1，如图IB所示，也可以以转化催化剂 5a的最下游部比甲烷化催化剂6a的最上游部突出的方式构成。由以上所述结构，甲烷化催化剂6a的上游部与转化催化剂fe的相比于最下游部温度更高的部分进行热交换，所以降低了甲烷化催化剂6a低于适合温度的可能性。另外， 转化催化剂如的最下游部不与甲烷化催化剂6a中的温度高的最上游部进行热交换，所以能够降低转化催化剂如的最下游部的温度。由此，能够减少通过了转化催化剂如的含氢气体中的一氧化碳。[变形例2]作为本实施方式的氢精制装置100的变形例2，如图IC所示，也可以以甲烷化催化剂6a的最上游部比转化催化剂fe的最下游部突出的方式构成。由以上所述结构，甲烷化催化剂6a的反应热没有被转化催化剂fe中的温度最低的最下游部夺去，所以降低了甲烷化催化剂6a低于适合温度的可能性。另外，转化催化剂 5a的最下游部不与甲烷化催化剂6a中的温度高的最上游部进行热交换，所以能够降低转化催化剂如的最下游部的温度。由此，能够减少通过了转化催化剂如的含氢气体中的一氧化碳。(实施方式2)对实施方式2的氢精制装置100进行说明。图3是表示本实施方式的氢精制装置的概略结构的图。如图3所示，本实施方式的氢精制装置100具备水流路11，在水流路11中流动的水被构成为可经由第2隔壁9与甲烷化催化剂6a进行热交换。换言之，水流路11以及转化催化剂如以将甲烷化催化剂6a夹于之间的方式配设。关于以上所述之外的点，因为与实施方式1的氢精制装置100相同，所以省略说明。还有，也可以将本实施方式的上述结构应用于变形例1以及变形例2中的至少任意一方的氢精制装置100中。由以上所述结构，本实施方式的氢精制装置100与转化催化剂由在水流路中流动的水并经由隔壁而被直接冷却的现有的氢精制装置相比较，降低了转化催化剂过度低温化而从转化反应的优选的温度范围偏离的可能性，因而优选。另一方面，因为甲烷化催化剂由在水流路中流动的水并经由隔壁而被直接冷却，所以降低了由于CO2的甲烷化反应的加速而引起的过度升温的可能性。(实施方式3)对实施方式3的氢精制装置100进行说明。图4是表示本实施方式的氢精制装置的概略结构的图。如图4所示，本实施方式的氢精制装置100具备水流路11、以及通过了甲烷化催化剂6a的含氢气体所流动的气体流路10，在气体流路10中流动的含氢气体构成为可经由第 3隔壁12而与在水流路11中流动的水进行热交换。另外，甲烷化催化剂6a构成为可经由第2隔壁9而与在气体流路10中流动的含氢气体进行热交换，且构成为可经由气体流路10 而与在水流路11中流动的水进行热交换。关于以上所述之外的点，因为与实施方式1的氢精制装置100相同，所以省略说明。还有，也可以将本实施方式的上述结构应用于变形例1以及变形例2中的至少任意一方的氢精制装置100中。由上述结构，本实施方式的氢精制装置100，因为甲烷化催化剂6a构成为可经由气体流路10而间接地与在水流路11中流动的水进行热交换，所以与实施方式2的氢精制装置相比较，降低了甲烷化催化剂过度低温化而从甲烷化反应的优选的温度范围偏离的可能性。(实施方式4)对实施方式4的氢精制装置100进行说明。图5是表示本实施方式的氢精制装置100的概略结构的图。如图5所示，本实施方式的氢精制装置100，转化催化剂fe的上游侧构成为可经由第3隔壁12而与在水流路11中流动的水进行热交换，并且转化催化剂fe的下游侧构成为可经由第1隔壁8而与甲烷化催化剂6a进行热交换。由以上所述结构，抑制了高温的含氢气体流入的转化催化剂的上游侧发生过度升温，并且降低了甲烷化催化剂6a的上游与下游的温度梯度。另外，与甲烷化催化剂和转化催化剂的上游侧进行热交换的情况相比较，提高了甲烷化催化剂6a被适温化的可能性。另外，转化催化剂fe的上游侧构成为可与经由气体流路10而和甲烷化催化剂6a 进行了热交换之后的在水流路11中流动的水进行热交换，并且转化催化剂fe的下游侧构成为可经由第1隔壁8而与甲烷化催化剂6a进行热交换。在此，一般来说，不管转化催化剂的优选的反应温度比甲烷化催化剂的优选的反应温度高，如果是使在水流路11中流动的水的流动方向为相反的结构，那么因为在水流路 11中流动的水在与转化催化剂的上游侧进行了热交换之后，经由气体流路而与甲烷化催化剂进行热交换，所以会有转化催化剂以及甲烷化催化剂均从优选的温度范围偏离的可能性。然而，通过制成如以上所述的结构，从而除了转化催化剂fe的上游侧的过度升温抑制效果以及甲烷化催化剂6a的适温化效果之外，与使在水流路11中流动的水的流动方向为相反的结构相比较，提高了转化催化剂以及甲烷化催化剂均收敛并且维持于优选的温度范围内的可能性。关于以上所述之外的点，因为与实施方式1的氢精制装置100相同，所以省略说明。还有，也可以将本实施方式的上述结构应用于变形例1以及变形例2中的至少任意一方的氢精制装置100中。[实施例]接着，对本实施方式的氢精制装置100的实施例进行说明。图6是表示本实施方式的实施例的氢精制装置100的概略结构的图。如图6所示，在本实施例中，氢生成装置200除了构成氢精制装置100的转化催化剂如以及甲烷化催化剂6a之外，具备温度检测器14、重整催化剂4a、蒸发器7、燃烧器2、 燃烧废气流路17。蒸发器7相当于水流路11。温度检测器14是检测甲烷化催化剂6a的温度的器械。在温度检测器14中，使用例如电热偶、热敏电阻等，但是，只要是能够检测温度，可以使用任意的器械。重整催化剂如是用于通过使原料以及水蒸气发生重整反应从而生成含氢气体的催化剂，设置于第1筒15与设置于其外侧的第2筒18之间的环状空间。作为催化剂金属， 例如可以使用Ru、M等，在本实施例中，使用附。蒸发器7，在第1筒15与第2筒18之间的环状空间中，设置于重整催化剂如的上游，使所提供的水蒸发。在本实施例中，原料也被提供给蒸发器7，从而使原料预热。燃烧器2使用所提供的燃料以及空气进行燃烧。燃烧废气流路17是由燃烧器2 所产生的燃烧废气进行流动的流路，由燃烧筒3与第1筒15之间的环状空间形成。重整催化剂如以及蒸发器7以由在燃烧废气流路17中流动的燃烧废气并经由第1筒15而按该顺序被加热的方式构成。另外，绝热材料20是覆盖氢生成装置200的绝热材料，具体来说，以覆盖构成氢生成装置200的最外侧的筒即第3筒16的方式构成。在此，构成上述氢精制装置100的转化催化剂fe被设置于第2筒18与第3筒16 之间的环状空间。甲烷化催化剂6a被设置于位于第1隔壁8与第2隔壁9之间的环状空间。上述第1隔壁8和设置于其内侧的第2隔壁9被设置于位于转化催化剂fe的下游侧的第2筒18与第3筒16之间的环状空间。由此，经由第1隔壁8并由转化催化剂fe对甲烷化催化剂6a进行传热。然后，通过了转化催化剂fe的含氢气体以在第1隔壁8的下游端的下游的折返流路中转变流动方向，从而流入到甲烷化催化剂6a的方式构成。由此，通过转化催化剂fe的含氢气体的流动方向与通过甲烷化催化剂6a的含氢气体的流动方向相对。另外，在本实施例中，将Cu-Si类催化剂用于转化催化剂fe，将Ru用于甲烷化催化剂。还有，在本实施例中，没有设置用于调节转化催化剂fe或者甲烷化催化剂6a的温度的专用的器械，但是，也可以采用使用了电加热器等的加热器或由冷却风扇、散热器 (radiator)等构成的冷却器。在具有上述结构的氢生成装置200中，作为原料使用城市燃气(13A)，如果以蒸气 /碳之比(S/C)成为3的方式进行运转，那么转化催化剂如的出口温度成为200°C，甲烷化催化剂6a的入口温度成为220°C，出口温度成为210°C。而且，甲烷化催化剂6a出口的含氢气体中的CO浓度变成27ppm。还有，上述的蒸发器7构成转化催化剂fe的上游侧经由第2筒18而被冷却的冷却机构，但是，也可以以设置从蒸发器7旁通的旁通路径，转化催化剂fe的下游侧能够经由第3筒16进行冷却的方式构成。由以上所述结构，容易进行转化催化剂fe的下游部的温度控制。另外，冷却转化催化剂fe的冷却机构并不限定于上述蒸发器7，只要是能够冷却转化催化剂fe，可以是任意的结构。例如，可以使用提供给燃烧器2的空气来冷却转化催化剂如。再有，在将来自氢生成装置200的含氢气体利用于燃料电池的发电中的情况下，也可以使用提供给燃料电池的氧化剂气体来冷却转化催化剂如。[比较例]接着，对相对于上述实施例的比较例进行说明。图7是表示比较例的氢精制装置100的概略结构的图。本比较例中，甲烷化催化剂6a，在第2筒18与第3筒16之间的环状空间中，被设置于转化催化剂fe的下游。因此，与上述实施例的氢精制装置100不同，不是以使转化催化剂fe和甲烷化催化剂6a经由隔壁而由转化催化剂如对甲烷化催化剂6a进行传热的方式构成。关于其他的结构，因为与上述实施例相同，所以省略其说明。在此，与实施例相同，在氢生成装置200中，作为原料使用城市燃气(13A)，如果以蒸气/碳之比(S/C)成为3的方式进行运转，那么转化催化剂如的出口温度成为200°C， 甲烷化催化剂6a的入口温度成为200°C，出口温度成为150°C，此时的甲烷化催化剂出口的 CO浓度变成420ppm。如以上所述，实施例的氢精制装置100，甲烷化催化剂6a的温度梯度为10°C，对于遍及甲烷化催化剂6a整体而降低CO来说，因为进入优选的温度范围ooo°c M(rc)内， 所以通过甲烷化反应能够将CO降低至27ppm。另一方面，比较例的氢精制装置100，甲烷化催化剂6a的温度梯度为50°C，比实施例大，对于甲烷化催化剂6a的一部分(下游侧)降低CO来说，从优选的温度范围 2400C )偏离，因而仅能够将CO降低至420ppm。(实施方式5)对实施方式5的氢精制装置100进行说明。图8是表示本实施方式的氢精制装置100的概略结构的图。本实施方式的氢精制装置100具备温度检测器14、调整在水流路11中流动的水的流量的水流量调整器13、以及根据温度检测器14的检测值控制水流量调整器13的操作量的控制器50。在水流量调整器13例如是水流量调整阀的情况下，控制器50可以根据温度检测器14的检测值控制水流量调整阀的开度。控制器50以温度检测器14的检测值成为规定的上限温度以下的方式进行控制， 从而能够减少(X)2的甲烷化反应发生加速的担忧。关于其他的点，因为与实施方式4的氢精制装置相同，所以省略其说明。还有，本实施方式的氢精制装置以将温度检测器14、水流量调整器13以及控制器 50应用于实施方式4的氢精制装置中的方式构成，但是，也可以采用将这些器械应用于实施方式2或者实施方式3的氢精制装置中的方式。(实施方式6)对实施方式6的燃料电池系统进行说明。图9是表示本实施方式的燃料电池系统300的概略结构的图。本实施方式的燃料电池系统具备实施方式1至5中的任意一个所记载的氢精制装置、以及使用从氢精制装置提供的含氢气体进行发电的燃料电池。具体来说，燃料电池系统300具备氢精制装置100、燃料电池30、以及氧化剂气体供给器31。燃料电池30使用从氢精制装置100提供的含氢气体和从氧化剂气体供给器31 提供的氧化剂气体进行发电。氧化剂气体供给器31使用空气风扇、空气鼓风机等。由此，本实施方式的燃料电池系统因为被提供由氢精制装置100并通过甲烷化反应而充分地降低了 CO的含氢气体，所以可以稳定地进行发电。产业上的利用可能性本发明的氢精制装置以及燃料电池系统与现有的氢精制装置以及燃料电池系统相比较，降低了甲烷化催化剂的上游与下游的温度梯度，提高了 CO的甲烷化反应性。
权利要求
1.一种氢精制装置，其特征在于具备由转化反应减少包含于含氢气体中的一氧化碳的转化催化剂、以及由甲烷化反应减少包含于通过了所述转化催化剂的含氢气体中的一氧化碳的甲烷化催化剂，所述转化催化剂和所述甲烷化催化剂构成为能够经由第1隔壁进行热交换，并且以通过所述转化催化剂的含氢气体的流动方向与通过所述甲烷化催化剂的含氢气体的流动方向相对的方式构成。
2.如权利要求1所述的氢精制装置，其特征在于具备水流路，以在所述水流路中流动的水能够经由所述第2隔壁与所述甲烷化催化剂进行热交换的方式构成。
3.如权利要求2所述的氢精制装置，其特征在于所述水流路以及所述转化催化剂以将所述甲烷化催化剂夹于之间的方式配设。
4.如权利要求1所述的氢精制装置，其特征在于具备水流路、以及通过了所述甲烷化催化剂的含氢气体所流动的气体流路，在所述气体流路中流动的含氢气体构成为能够经由第3隔壁与在所述水流路中流动的水进行热交换。
5.如权利要求4所述的氢精制装置，其特征在于所述甲烷化催化剂构成为能够经由第2隔壁与所述气体流路进行热交换，且构成为能够经由所述气体流路与在所述水流路中流动的水进行热交换。
6.如权利要求1所述的氢精制装置，其特征在于具备水流路，所述转化催化剂的上游侧构成为能够经由第3隔壁与在所述水流路中流动的水进行热交换，并且所述转化催化剂的下游侧构成为能够经由所述第1隔壁与所述甲烷化催化剂进行热交换。
7.如权利要求1所述的氢精制装置，其特征在于具备水流路，所述转化催化剂的上游侧构成为能够与经由所述气体流路而和所述甲烷化催化剂进行了热交换之后的在所述水流路中流动的水进行热交换，并且所述转化催化剂的下游侧构成为能够经由所述第1隔壁与所述甲烷化催化剂进行热交换。
8.如权利要求1 7中的任意一项所述的氢精制装置，其特征在于所述甲烷化催化剂以能够与上游侧的所述水流路进行热交换的方式构成。
9.如权利要求1所述的氢精制装置，其特征在于具备调整所述水流路内的水的流量的水流量调整器、以及对应于甲烷化催化剂的温度控制所述水流量调整器的操作量的控制器。
10.一种燃料电池系统，其特征在于具备权利要求1 9中的任意一项所述的氢精制装置、以及使用从所述氢精制装置提供的含氢气体进行发电的燃料电池。
全文摘要
氢精制装置(100)具备由转化反应减少包含于含氢气体中的一氧化碳的转化催化剂(5a)、以及由甲烷化反应减少包含于通过了转化催化剂(5a)的含氢气体中的一氧化碳的甲烷化催化剂(6a)，转化催化剂(5a)和甲烷化催化剂(6a)构成为可经由第1隔壁(8)进行热交换，并且以通过转化催化剂(5a)的含氢气体的流动方向与通过甲烷化催化剂(6a)的含氢气体的流动方向相对的方式构成。
文档编号H01M8/10GK102596799SQ20118000436
公开日2012年7月18日 申请日期2011年8月24日 优先权日2010年8月25日
发明者中嶋知之, 可儿幸宗, 胁田英延, 藤原诚二 申请人:松下电器产业株式会社