专利名称：氢生成装置以及燃料电池发电系统的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及一种氢生成装置以及燃料电池发电系统。
背景技术：
近年来，面向家庭用的燃料电池发电系统的普及扩展和事业建立的研究开发越来越快。作为用于实现该目标的课题之一，要求燃料电池发电系统及其结构要素的可靠性的进一步提高。例如，其结构要素中存在氢生成装置，从而还要求该氢生成装置的可靠性的进一步提闻。例如，在下述专利文献I所记载的氢生成装置中，公开了实现如下目的的结构流路压损不产生大变动，通过设为能够从水供给器进行稳定的水供给，使得能够稳定地生成氢。(参照专利文献I的图I)。专利文献I :日本特开2006-063193号公报
发明内容
_6] 发明要解决的问题然而，本发明人们发现即使是以上述专利文献I为首的现有技术，从确保可靠性的进一步提高(更稳定地生成氢，进一步抑制一氧化碳的产生)的观点来看也尚存在改善的余地。因此，本发明的目的在于提供一种能够更稳定地生成氢、更可靠地降低一氧化碳的产生的具有优良可靠性的氢生成装置以及具备该氢生成装置的具有优良可靠性的燃料电池发电系统。
_9] 用于解决问题的方案本发明人们鉴于上述现有技术的问题专心研究，其结果，本发明者们发现从可靠性的进一步提高的观点来看，以上述专利文献I为首的现有的氢生成装置存在以下的问题。即，在现有的氢生成装置中，典型的是，以上述专利文献I为代表的那样在进行所谓的重整反应(改質反応)的区域(重整反应区域)的上游侧设置有用于使作为该重整反应的原料的水蒸发的区域(水蒸发区域)。另外，在重整反应区域的下游侧，设置有进行所谓的变换反应的区域(变换反应区域)以及进行所谓的选择氧化反应的区域(选择氧化反应区域)。图7是表示一般的变换催化剂相对于催化剂温度的催化剂特性的特性图。作为测量方法，使用假设通过了一氧化碳浓度为10%的重整催化剂之后的气体，利用气相色谱(gas chromatograph)来测量通过了变换催化剂之后的气体中的一氧化碳浓度。从图7可知，不管温度低或温度高，特性都会变差。为了使催化剂特性最高，需要使催化剂整体的温度分布尽量均匀且处于合适的温度范围。在图7的例子中，如果催化剂温度处于160°C 250°C的范围，则一氧化碳浓度为0. 5%以下，但是若进一步缩小催化剂温度的范围，缩小至170°C 230°C，则一氧化碳浓度为0. 3%以下。由此，能够得到更好的催化剂特性，从而能够使催化剂性能稳定。选择氧化催化剂也一般在低温范围内氧化活性低，因此无法充分去除一氧化碳，而在高温范围内，由于选择性降低、逆变换反应等副反应的影响而同样无法充分去除一氧化碳。在此，如专利文献I的图I所示，现有的氢生成装置例如构成为水蒸发区域与选择氧化反应区域能够进行热交换。当构成为这种结构时，通过水在水蒸发区域中的蒸发，选择氧化反应区域的热被夺取。若超过设计范围地从选择氧化反应区域夺取热，则有可能无法将选择氧化反应区域的温度维持在适于充分进行选择氧化反应的适当范围内。特别是在对燃料电池发电系统要求高发电输出的情况下，为了生成大量的氢，会供给大量的水，因此难以维持上述的选择氧化反应区域的温度范围的危险性变高。
另外，也有时构成为变换反应区域与水蒸发区域能够进行热交换，在这种情况下，也与选择氧化反应区域的情况同样地，有可能无法将变换反应区域的温度维持在适当范围内。通过构成为蒸发部中的与一氧化碳降低部对应的部分的热交换量低于不与一氧化碳降低部对应的部分的热交换量，来降低由于水在蒸发部中的蒸发而从一氧化碳降低部夺取的热，从而易于将一氧化碳降低部的温度维持在适当的范围内。S卩，为了解决上述现有的问题，本发明的氢生成装置具备蒸发部，其具有使包含作为氢的原料的原料气体和水的流体中的上述水蒸发以使其变为水蒸气的结构；重整反应部，其连接在上述蒸发部的下游侧，包含重整反应催化剂，该重整反应催化剂使从上述蒸发部供给的包含上述原料气体和上述水蒸气的流体中的上述原料气体与上述水蒸气进行重整反应；一氧化碳降低部，其设置于上述重整反应部的下游，具有变换反应部和选择氧化反应部中的至少一个，该变换反应部包含使一氧化碳和水进行变换反应(変成反応)的变换反应催化剂，该选择氧化反应部使一氧化碳和氧进行选择氧化反应；以及气体导入部，其配置于上述重整反应部与上述一氧化碳降低部之间，将通过了上述重整反应部的气体导向上述一氧化碳降低部，其中，上述蒸发部与上述一氧化碳降低部相互邻接地进行配置，使得至少各自的一部分能够进行热交换，构成为上述蒸发部中的与上述一氧化碳降低部对应的部分的热交换量低于不与上述一氧化碳降低部对应的部分的热交换量。利用上述结构，能够降低由于水在蒸发部中的蒸发而从一氧化碳降低部夺取的热。由此，能够提供更稳定地生成氢、更可靠地降低一氧化碳的产生的具有优良可靠性的氢生成装置。另外，本发明的燃料电池发电系统具备上述氢生成装置和燃料电池。利用上述结构，能够提供具有优良可靠性的燃料电池发电系统。发明的效果根据本发明的氢生成装置和燃料电池发电系统，能够提供更稳定地生成氢、更可靠地降低一氧化碳的产生的具有优良可靠性的氢生成装置以及燃料电池发电系统。
图I是表示第一实施方式的氢生成装置的概要结构的一例的概念图。图2是表示第二实施方式的氢生成装置的概要结构的一例的示意图。图3是表示第二实施方式的第一变形例中的氢生成装置的概要结构的一例的示意图。图4是表示第二实施方式的第二变形例中的氢生成装置的概要结构的一例的示意图。图5是表示第二实施方式的变形例的氢生成装置中的水流路的概要结构的一例的截面图，图5的(a)表示第三变形例，图5的(b)表示第四变形例。图6是表示第三实施方式的燃料电池发电系统的概要结构的一例的示意图。
图7是表示一般的变换催化剂相对于催化剂温度的催化剂特性的特性图。
具体实施例方式第一发明的氢生成装置具备蒸发部，其具有使包含作为氢的原料的原料气体和水的流体中的水蒸发以使其变为水蒸气的结构；重整反应部，其连接在蒸发部的下游侧，包含重整反应催化剂，该重整反应催化剂使从蒸发部供给的包含原料气体和水蒸气的流体中的原料气体与水蒸气进行重整反应；一氧化碳降低部，其设置于重整反应部的下游，具有变换反应部和选择氧化反应部中的至少一个，该变换反应部包含使一氧化碳和水进行变换反应的变换反应催化剂，该选择氧化反应部使一氧化碳和氧进行选择氧化反应；以及气体导入部，其配置于重整反应部与一氧化碳降低部之间，将通过了重整反应部的气体导向一氧化碳降低部，其中，蒸发部与一氧化碳降低部相互邻接地进行配置，使得至少各自的一部分能够进行热交换，构成为蒸发部中的与一氧化碳降低部对应的部分的热交换量低于不与一氧化碳降低部对应的部分的热交换量。利用上述结构，能够提供更稳定地生成氢、更可靠地降低一氧化碳的产生的具有优良可靠性的氢生成装置。第二发明的氢生成装置特别是在第一发明的氢生成装置中还具备第一筒，其在一端具有第一底面；第二筒，其形成于第一筒的外侧；第三筒，其形成于第二筒的外侧，具有第三底面；原料供给部，其向第一筒的侧壁与第二筒的侧壁之间的空间即第一空间供给原料气体；水供给部，其向第一空间供给水；燃烧器，其形成于第一筒内，被供给燃烧气体和燃烧用空气来进行燃烧；以及燃烧排气流路，其形成于第一筒的内侧，流通燃烧器的燃烧排气，其中，蒸发部形成于第一空间，构成为通过吸收燃烧排气的热来使水成为水蒸气，重整反应部配置于第一空间中的蒸发部的下游，一氧化碳降低部配置于第二筒的侧壁与第三筒的侧壁之间的第二空间，气体导入部构成为将重整气体从第一空间在第一底面与第三底面之间折回后供给至第二空间，蒸发部中的与一氧化碳降低部对应的部分是形成于一氧化碳降低部与第一筒之间的第一蒸发部，热交换量是蒸发部与从水供给部供给的水之间的热交换量。第三发明的氢生成装置特别是在第二发明的氢生成装置中，蒸发部具有通过被流路部件分隔而形成的水流路，关于相互邻接的流路部件的距离，第一蒸发部的相互邻接的流路部件的距离大于第一蒸发部以外的部分的相互邻接的流路部件的距离。第四发明的氢生成装置特别是在第二发明的氢生成装置中，蒸发部具有通过被流路部件分隔而形成的水流路，关于水流路的流路截面积，第一蒸发部的水流路的流路截面积大于第一蒸发部以外的部分的水流路的流路截面积。第五发明的氢生成装置特别是在第二 第四发明中的任一个氢生成装置中，蒸发部具有第一蒸发部、形成于第一蒸发部的上游的第二蒸发部以及形成于第一蒸发部的下游的第三蒸发部，构成为热交换量按第二蒸发部、第三蒸发部、第一蒸发部的顺序依次变小。第六发明的氢生成装置特别是在第五发明的氢生成装置中，蒸发部具有通过被流路部件分隔而形成的水流路，相互邻接的流路部件的距离按第二蒸发部、第三蒸发部、第一蒸发部的顺序依次变大。第七发明的氢生成装置特别是在第二 第六发明中的任一个氢生成装置中，一氧化碳降低部具有形成于上游侧的变换催化剂层以及形成于下游侧的选择氧化催化剂层，第一蒸发部具有形成于选择氧化催化剂层与第一筒之间的第四蒸发部、形成于变换催化剂层与第一筒之间的第六蒸发部以及形成于上游蒸发部与下游蒸发部之间的第五蒸发部，构成为关于热交换量，第四蒸发部和第六蒸发部的热交换量小于第五蒸发部的热交换量。
第八发明的氢生成装置特别是在第七发明的氢生成装置中，蒸发部具有通过被流路部件分隔而形成的水流路，关于相互邻接的流路部件间的距离，第四蒸发部和第六蒸发部的相互邻接的流路部件间的距离大于第五蒸发部的相互邻接的流路部件间的距离。第九发明的氢生成装置特别是在第七发明或第八发明的氢生成装置中，蒸发部具有第一蒸发部、形成于第一蒸发部的上游的第二蒸发部以及形成于第一蒸发部的下游的第三蒸发部，构成为热交换量按第二蒸发部、第三蒸发部、第五蒸发部、第四蒸发部以及第六蒸发部的顺序依次变小。第十发明的氢生成装置特别是在第二 第七发明中的任一个氢生成装置中，蒸发部具有通过被流路部件分隔而形成的水流路，在第一蒸发部中未配置流路部件。第十一发明的氢生成装置特别是在第三、第四、第六、第八、第十发明中的任一个氢生成装置中，流路部件是被第一筒和第二筒夹持并且构成为螺旋形状的棒状部件。第十二发明的氢生成装置特别是在第三、第四、第六、第八、第十、第十一发明中的任一个氢生成装置中，流路部件由金属构成，并且截面为圆形。第十三发明的燃料电池发电系统具备第一 第十二发明中的任一个氢生成装置以及燃料电池。利用上述结构，能够提供更稳定地生成氢、更可靠地降低一氧化碳的产生的具有优良可靠性的燃料电池发电系统。下面，参照附图来说明本发明的实施方式。此外，本发明并不限定于本实施方式。附图标记是为了例示实施方式与发明之间的对应关系而附加的，发明的结构并不限定于实施方式及其附图。(第一实施方式)图I是表示第一实施方式的氢生成装置的概要结构的一例的概念图。如图I所示，本实施方式的氢生成装置200具备蒸发部7、连接在蒸发部7的下游侧的重整反应部9A、设置于重整反应部9A的下游的一氧化碳降低部20以及配置于重整反应部9A与一氧化碳降低部20之间的气体导入部21，其中，蒸发部7与一氧化碳降低部20被配置成相互邻接使得至少各自一部分能够进行热交换，并构成为蒸发部7中的与一氧化碳降低部对应的部分7A的热交换量低于不与一氧化碳降低部对应的部分7B的热交换量。蒸发部7使包含作为氢的原料的原料气体和水的流体中的水蒸发以使其变为水蒸气。重整反应部9A包含重整反应催化剂，该重整反应催化剂使从蒸发部7供给的包含原料气体和水蒸气的流体中的原料气体与水蒸气进行重整反应。通过重整反应来生成含氢气体。该含氢气体中包含一氧化碳。为了进行重整反应，需要将重整反应催化剂保持为高温(例如，摄氏600度 700度)。该热例如能够由位于氢生成装置200的上方或下方的燃烧器来供给。一氧化碳降低部20具有变换反应部和选择氧化反应部中的至少一个，该变换反应部包含使一氧化碳与水进行变换反应的变换反应催化剂，该选择氧化反应部使一氧化碳 与氧进行选择氧化反应。通过一氧化碳降低部20来降低含氢气体中的一氧化碳浓度。变换反应是以CCHH2O — C02+H2表示的放热反应。关于变换反应催化剂，例如能够利用CU-Zn系催化剂、Fe-Cr系催化剂，或者Pt系催化剂等。变换反应部无需是一个，也可以设置多个。选择氧化反应是以2C0+02 — 2C02表示的放热反应。关于选择氧化催化剂，能够利用Pt、Ru等的贵金属催化剂。选择氧化反应部无需是一个，也可以设置多个。气体导入部21将通过了重整反应部的气体导向一氧化碳降低部。蒸发部7与一氧化碳降低部20通过分隔壁22被分隔。蒸发部7利用从周围供给的热来使水蒸发。该热例如由位于氢生成装置200上方的燃烧器隔着分隔壁23供给，另外由一氧化碳降低部20隔着分隔壁22供给。利用从重整反应部9A排出的气体来对一氧化碳降低部20进行加热。该气体例如由位于氢生成装置200上方的燃烧器隔着分隔壁23来进行加热。在这种情况下，燃烧器可以说是隔着分隔壁23直接对蒸发部7进行加热，并且以上述气体为热介质而经由一氧化碳降低部20和分隔壁22间接地对蒸发部7进行加热。与一氧化碳降低部对应的部分7A隔着分隔壁22与一氧化碳降低部20邻接，从而构成为与一氧化碳降低部对应的部分7A与一氧化碳降低部20能够进行热交换的结构。在本实施方式中，“与一氧化碳降低部对应的部分7A的热交换量低于不与一氧化碳降低部对应的部分7B的热交换量”是指，与现有的结构相比，一氧化碳降低部20不容易被蒸发部7冷却。例如，可以列举出以下的形态经过蒸发部7的不与一氧化碳降低部对应的部分7B的水被加热的量大于经过蒸发部7的与一氧化碳降低部对应的部分7A的水被加热的量。更具体地说，例如，可以列举出以下的结构等关于图I中的水平方向的水的流速，与一氧化碳降低部对应的部分7A的水的流速比不与一氧化碳降低部对应的部分7B的水的流速快；与一氧化碳降低部对应的部分7A的分隔壁22比不与一氧化碳降低部对应的部分7B厚，关于从重整反应部9A的下游侧的流路隔着分隔壁22向不与一氧化碳降低部对应的部分7B输送的热的输送量,与一氧化碳降低部对应的部分7A的热的输送量低于不与一氧化碳降低部对应的部分7B的热的输送量。在上述结构中，例如，即使氢生成装置200中的氢生成量发生变动而与之相伴地水的流量发生变动，一氧化碳降低部20的热也不容易被水夺取，从而使一氧化碳降低部20的温度稳定。能够提供更稳定地生成氢、更可靠地降低一氧化碳的产生的具有优良的可靠性的氢生成装置。(第二实施方式)图2是表示第二实施方式的氢生成装置的概要结构的一例的示意图。在图2中，以上下方向(铅垂方向)为X轴，以左右方向为y轴，以垂直于纸面的方向为z轴。圆筒100的主轴与X轴平行。下面，“外侧”是指以圆筒100的主轴为中心时的外侧。另外，“下部”是指朝向铅垂方向的下侧。“上部”是指朝向铅垂方向的上侧。如图2所示，第二实施方式的氢生成装置300具备蒸发部7，其具有使包含作为氢的原料的原料气体和水的流体中的水蒸发来使其变为水蒸气的结构；重整催化剂层9 (重整反应部)，其连接在蒸发部7的下游侧，包含重整反应催化剂，该重整反应催化剂使从蒸发部7供给的包含原料气体和水蒸气的流体中的原料气体与水蒸气进行重整反应；一氧化碳降低部20，其设置于重整催化剂层9的下游，具有变换催化剂层10 (变换反应部)和选择氧化催化剂层11 (选择氧化反应部)中的至少一个，该变换催化剂层10包含使一氧化碳与水进行变换反应的变换反应催化剂，该选择氧化催化剂层11使一氧化碳与氧进行选 择氧化反应；以及气体导入部103，其配置于重整催化剂层9与一氧化碳降低部20之间，将通过了重整催化剂层9的气体导向一氧化碳降低部20，其中，蒸发部7与一氧化碳降低部20被配置成相互邻接，使得至少各自的一部分能够进行热交换，并构成为蒸发部7中的与一氧化碳降低部20对应的部分的热交换量低于不与一氧化碳降低部20对应的部分的热交换量。第二实施方式的氢生成装置300具备圆筒100 (第一筒)，其在一端具有第一底面50 ;圆筒101 (第二筒)，其形成于圆筒100的外侧；壳体102(第三筒)，其形成于圆筒101的外侧，具有第三底面51 ;原料气体供给部5 (原料供给部)，其向圆筒100的侧壁与圆筒101的侧壁之间的空间即第一空间供给原料气体；水供给部6，其向第一空间供给水；燃烧器4，其形成于圆筒100内，被供给燃烧气体和燃烧用空气来进行燃烧；以及燃烧排气流路16,其形成于圆筒100的内侧,流通燃烧器4的燃烧排气。蒸发部7形成于第一空间，构成为通过吸收燃烧排气的热来使水成为水蒸气。重整催化剂层9 (重整反应部)配置于第一空间中的蒸发部7的下游。一氧化碳降低部20 (变换催化剂层10和选择氧化催化剂层11)配置于圆筒101的侧壁与壳体102的侧壁之间的第二空间。气体导入部103构成为将重整气体从第一空间在第一底面50与第三底面51之间
折回后供给至第二空间。蒸发部7中的与一氧化碳降低部20对应的部分是形成于一氧化碳降低部20与圆筒100之间的第一蒸发部7A’。热交换量是蒸发部与从水供给部供给的水之间的热交换量。圆筒100、圆筒101以及壳体102的与YZ平面平行地切出的截面都是同心的圆形，而该截面也可以是椭圆、矩形、多角形等其它形状。第一底面50将圆筒100的一端(下端)完全密封，圆筒100的内部的气体不会通过第一底面50与圆筒100之间的间隙泄漏。第三底面51将壳体102的一端(下端)完全密封，壳体102的内部的气体不会通过第三底面51与壳体102之间的间隙泄漏。第一底面50与第三底面51为平行的平面。在圆筒101中，与第三底面51相对的一端(下端)是开放的。在图2中，氢生成装置300具有燃烧器4，该燃烧器4将由燃料气体供给部I供给的燃料气体与从空气风扇3供给并经由空气流路2送来的空气进行混合来形成火焰。燃烧器4中所产生的燃烧排气在圆筒100内侧的燃烧排气流路16中流动，通过排气口 13被排至装置外。在燃烧排气流路16的外侧设置有蒸发部7，该蒸发部7使从水供给部6供给的水成为水蒸气。在蒸发部7中，通过以圆筒100和圆筒101夹持由螺旋形状的棒状部件形成的作为分隔部的金属的圆棒8 (流路部件)来在圆棒间形成空间(水流路)，从而形成使水在该空间内沿圆棒8流通的结构。另外，来自原料气体供给部5的原料气体也被供给至蒸发部7。因而，蒸发部7的空间被螺旋形状的圆棒8分隔，形成为沿圆筒100的外周旋转地从上向下的螺旋状流路。即，蒸发部7在燃烧排气流路16的外侧具有形成流通原料气体和水的流路的流路部件的金属的圆棒8。圆棒8优选由金属构成并且截面为圆形。在此，圆棒8的螺旋间距的间隔(邻接的流路部件间的距离)构成为蒸发部7的上游部(第二蒸发部7B’ )和下游部(第三蒸发部7C’ )中圆棒8的螺旋间距的间隔小于与一氧化碳降低部20对应的中游部(除上游部和下游部以外的地方第一蒸发部7A’)中圆棒8的螺旋间距的间隔。即，构成为以如下的方式连续地配置一根圆棒或者多个圆棒在 蒸发部7的上游部和下游部，圆棒8的螺旋间距密，在除上游部和下游部以外的中游部，圆棒8的螺旋间距疏。从蒸发部7送出的原料和水蒸气的混合气体被供给至位于燃烧排气流路16的外侧且蒸发部7的下部的重整催化剂层9。此外，上游、中游、下游是指沿气体的流动的上游、中游、下游。另外，水流路的截面积(在图2中，由邻接的圆棒8、圆筒100以及圆筒101包围的部分的面积)构成为第一蒸发部7A’的水流路的截面积大于第二蒸发部7B’和第三蒸发部7C’的水流路的截面积。热交换量优选构成为按第二蒸发部7B’、第三蒸发部7C’、第一蒸发部7A’的顺序依次变小。例如能够使用螺旋间距(如果大则热交换量低)、水流路的截面积(如果大则热交换量低)等来实现热交换量的调整。相互邻接的流路部件的距离(圆棒8的螺旋间距)优选按第二蒸发部7B’、第三蒸发部7C’、第一蒸发部7A’的顺序依次变大。此外，在图I中，构成为在YZ平面方向上第二蒸发部7B’及第三蒸发部7C’不与一氧化碳降低部20重叠的结构，但是也可以是第二蒸发部7B’及第三蒸发部7C’的一部分与一氧化碳降低部20重叠的结构。从原料气体供给部5供给的原料和从水供给部6供给的水在圆筒100与圆筒101之间铅垂向下地流动。从重整催化剂层9排出的气体通过圆筒101的下端的开口撞上第三底面51，从圆筒101的主轴向外流动而在圆筒101与壳体102之间铅垂向上地流动。此外，来自原料气体供给部5的原料气体也可以不是如上所述那样供给至蒸发部7来在蒸发部7内与水一起流动从而形成混合气体，而形成以下的结构等向从蒸发部7送出的水蒸气供给原料气体来形成混合气体以供给至重整催化剂层9。另外，为了在设备内有效利用燃烧器4的燃烧热、催化剂中的反应热，也可以用隔热材料17覆盖设备整体。从重整催化剂层9送出的重整气体被供给至配置于蒸发部7的外侧的变换催化剂层10。并且，从变换催化剂层10送出的变换气体在位于蒸发部7的外侧且变换催化剂层10的上部的选择氧化催化剂层11中与来自选择氧化空气供给部14的空气进行混合之后被供给。离开选择氧化催化剂层11的生成气体作为一氧化碳的浓度为IOppm以下且氢浓度高的生成气体而通过生成气体出口 12从氢生成装置300送出。变换催化剂层10被供给重整气体，通过变换催化剂的变换反应降低重整气体中的一氧化碳。选择氧化催化剂层11流入来自变换催化剂层10的变换气体，并且接受作为氧化剂的空气的供给，从而通过选择氧化催化剂来降低变换气体中的一氧化碳。具有该变换催化剂层10和选择氧化催化剂层11而称为一氧化碳降低部20，但是一氧化碳降低部20也可以仅具有变换催化剂层10和选择氧化催化剂层11中的任一个。在此，能够在燃料气体供给部I和空气风扇3、原料气体供给部5、水供给部6和选择氧化空气供给部14中根据来自控制部15的信号来控制供给至燃烧器4的燃料气体和空气、供给至蒸发部7的原料气体和水、供给至来自变换催化剂层10的变换气体的选择氧化空气。此外，燃料气体供给部I和空气风扇3、原料气体供给部5、水供给部6和选择氧化 空气供给部14构成为能够调整各自的供给物(燃料气体、原料气体、水、废气(off gas)等可燃性气体或空气)的流量。作为用于流量调整的结构，既可以是能够变更供给物的喷出流量的供给泵(驱动单元)，也可以是将供给物的供给源和设置于下游侧的流路的供给物的流量调整用阀进行组合后得到的流体控制机构。接着，以上述结构说明氢生成装置300的各部动作。在燃烧器4中，通过将燃料气体和空气进行混合并对该混合气体进行高电压的放电(未将结构图示)来形成火焰，从而产生高温的燃烧排气来供给至燃烧排气流路16。被供给水和原料的蒸发部7主要利用从在蒸发部7的内侧流动的燃烧排气流路16内的燃烧排气直接或间接地供给的燃烧热以及从催化剂供给的反应热来进行水的蒸发，同时与在蒸发部7的相同流路内流动的原料气体进行混合，以形成混合气体来供给至重整催化剂层9。重整催化剂层9通过在内侧流动的高温的燃烧排气而温度变高(一般为6000C 70(TC )，通过被供给原料气体与水蒸气的混合气体而通过水蒸气重整反应来生成包含氢、一氧化碳、二氧化碳等的重整气体。变换催化剂层10通过与隔着圆筒101的侧壁在内侧邻接的蒸发部7之间的热交换来维持最适于变换反应的温度(150°C 300°C )，通过将重整气体中的高浓度的一氧化碳(109^15%)变为二氧化碳来进行一氧化碳的低浓度(0.5%左右)化。选择氧化催化剂层11也通过与隔着圆筒101的侧壁在内侧邻接的蒸发部7之间的热交换来维持最适于选择氧化反应的温度(150°C左右)，通过对变换气体混合来自选择氧化空气供给部14的空气来通过选择氧化反应使变换气体中的一氧化碳为IOppm以下的极低浓度。在此，当氢生成装置300的运转负荷(要生成的氢量)改变时，通过控制部15改变供给条件以应对该运转负荷。例如，当得到从生成额定条件的五成(输出50%)的氢量的条件(TDR50)变化为生成额定条件(输出100%)的氢量的条件(TDR 100)的指令时，根据来自控制部15的信号，控制原料气体供给部5和水供给部6、选择氧化空气供给部14以增加原料气体量、水供给量、选择氧化空气量。此时，在蒸发部7中，从供给TDR50所需的水的条件增加到TDR100所需的水量。一般来说，TDR100所需的水量(例如10g/min)为TDR50所需的水量(例如5g/min)的大约2倍，因此蒸发部7中的蒸发完成点向下游侧移动。即，在TDR50时，从水供给部6供给的室温(约20°C )的水在进入蒸发部7之后接受在燃烧排气流路16中流动的排气的热、选择氧化催化剂层11的热以及变换催化剂层10的热而升温，在与变换催化剂层10对应的第六蒸发部7F’的中游部分蒸发完全完成而成为100°C以上的水蒸气。但是，当水量变为2倍的TDR100时，在与变换催化剂层10对应的第六蒸发部7F’的中游部分，水的蒸发未完成而变为100°c的气液双层状态并进一步向下游流去，通过从变换催化剂层、燃烧排气受到热来在第六蒸发部7F’的下游部分或其更下游侧完成蒸发。此时，由于蒸发部7的下游存在重整催化剂层9，因此当蒸发完成点向下游侧偏移而离开蒸发部7时会在重整催化剂层9内完成蒸发。此时重整催化剂层9被供给100°C的液态水，在蒸发时由于需要潜热而从周围的催化剂夺取大量的热，从而有可能使催化剂变为100°C的温度。特别是在如TDR50时那样蒸发完成点位于第六蒸发部7F’的中游部分时， 水已经变成水蒸气，在其下游水蒸气的温度容易上升，因此重整催化剂层9的上游部变为4000C的高温状态。当从该状态变为TDR100而催化剂的温度局部地从400°C降低至100°C、或者由于该局部的温度降低导致周围的催化剂温度降低而催化剂层整体的温度降低时，无法充分进行催化剂中的反应而氢的生成量变少，或者氢的生成量变得不稳定。另外，也存在以下的情况由于局部的温度降低，重整催化剂层局部地进行热收缩而引起裂纹。另外，在氢生成装置的效率高时能够以少量的能源生成氢，因此作为设备的价值高。为了形成效率高的氢生成装置，需要尽可能地减少从装置产生的热损耗。作为热损耗之一，有由于从氢生成装置送出的生成气体、燃烧排气带走热而导致的热损耗。如参照图7在上面叙述的那样，通过减少催化剂的热交换量、缩小催化剂温度的范围，能够得到更好的催化剂特性，从而能够使催化剂性能稳定。然而，当以这种抑制了热交换量的水蒸发部结构与来自一氧化碳降低部的生成气体、燃烧排气进行热交换时，从生成气体、燃烧排气得到的热交换量不太多，生成气体、燃烧排气以热量多的气体状态从氢生成装置送出。即，大量的热量会放出到装置外，因此导致氢生成装置成为送出气体所导致的热损耗多的效率差的装置。另一方面，若为了增大热交换量而将热交换部设置得较长则氢生成装置自身变大，因此不仅会产生从装置表面的散热变多而效率降低的可能性，还会由于尺寸变大而制造时所使用的材料量变多从而导致成本上升而作为设备的价值降低。在本实施方式中，为了防止这种性能的不稳定化和实现效率提高，在图2所示的例子中，使蒸发部7的上游部和下游部的螺旋形状的圆棒8的间距比蒸发部7的除上游部和下游部以外的位置的间距小，以促进蒸发部7的上游部和下游部的传热。通过减小间距，来争取蒸发部7的上游部和下游部中的沿螺旋形状的圆棒8流动的水的移动时间。S卩，通过延长蒸发部7的上游部和下游部中的螺旋状流路，来延长通过蒸发部7的上游部、下游部的水的移动时间(滞留时间)。而且，在蒸发部7的上游部，在蒸发部7的内侧和外侧与对应(邻接)于该上游部的部位(一氧化碳降低部20的下游侧的流路、燃烧排气流路16)之间的热交换量变多。另外，在蒸发部7的下游部，在蒸发部7的内侧和外侧与对应于该下游部的部位(一氧化碳降低部20的上游侧的流路、燃烧排气流路16)之间的热交换量变多。通过这些热交换量的增多，能够回收从氢生成装置300排出的生成气体、燃烧排气的热，在使这些气体的温度降低之后将其排出。同时，通过在蒸发部7内使水完全蒸发来防止向重整催化剂层9供给液滴。在蒸发部7的中游部，蒸发部7与隔着圆筒101的侧壁在外侧邻接的一氧化碳降低部20的催化剂层的大部分进行热交换，但是通过增大蒸发部7的螺旋形状的圆棒8的间距，使得尽可能地不在一氧化碳降低部20的催化剂层中引起温度梯度。通过增大螺旋形状的圆棒8的间距来缩短通过蒸发部7的中游部的水的时间(滞留时间)，从而，与作为一氧化碳降低部的变换催化剂层10、选择氧化催化剂层11之间的热交换量变小，减少在气体在催化剂层中流动的期间从气体夺取的热量来抑制温度降低，尽可能使催化剂层整体为均匀的温度，从而得到良好的催化剂特性。一般来说，水并非填充在由圆棒8、圆筒100以及圆筒101形成的水流路的全部。因此，当圆棒8的间距变大时，在蒸发部7的内部除液体的水以外的空隙变大，每单位体积内液体的水所占的比例减小。由此，液体的水蒸发时所吸收的热的量也减少。这也可以说是通过增大圆棒8的间距来减小热交换量的理由之一。由此，以简单的水蒸发部结构使催化剂的温度状态均匀且稳定，在此基础上使氢 生成装置300内所能够使用的热量变多，从而实现装置的效率提高和性能的稳定化。此外，蒸发部7的螺旋形状的圆棒8的间距小的上游部和下游部与配置于蒸发部7的外侧的一氧化碳降低部之间的位置关系优选配置为选择氧化催化剂层11 (在一氧化碳降低部仅由变换催化剂层10构成的情况下为变换催化剂层10)与蒸发部7的上游部和下游部之间的中游部邻接。在这种情况下，最能够以不影响催化剂层的温度的方式进行热交换。另外，当蒸发部7的上游部处的热交换量过多时，有时生成气体(在重整催化剂层9的下游侧流动的气体)、燃烧排气的温度低于这些气体所包含的水蒸气的露点。在这种情况下，生成气体、燃烧排气中的水蒸气会在流路内凝结。当凝结时该凝结水落下而到达流路内的高温部重新蒸发。此时热被周围夺取，氢生成装置300内的温度状态紊乱，从而有可能扰乱装置的性能。因而，优选构成为在不发生凝结的范围内交换尽可能多的热量的热交换结构(螺旋形状的圆棒8的间距)。此外，本实施方式所说的热交换量是每单位面积的热交换量的意思。更详细地说，能够认为是经由圆筒101的侧壁的表面进行的圆筒101与水(沿圆棒8所形成的流路在圆筒101与圆筒100之间流动的水)之间的该侧壁的每单位面积的热交换量。[变形例]图3是表示第二实施方式的第一变形例中的氢生成装置的概要结构的一例的示意图。在本变形例的氢生成装置300A中，除了蒸发部的结构以外都是与第二实施方式的上述结构相同的结构，因此对共同的要素附加同一标记和名称，省略说明。在第一变形例中，一氧化碳降低部20具有形成于上游侧的变换催化剂层10和形成于下游侧的选择氧化催化剂层11。第一蒸发部7A’具有形成于选择氧化催化剂层11与圆筒100之间的第四蒸发部7D’、形成于变换催化剂层10与圆筒100之间的第六蒸发部7F’以及形成于第四蒸发部7D’与第六蒸发部7F’之间的第五蒸发部7E’，热交换量构成为第四蒸发部7D’和第六蒸发部7F’的热交换量小于第五蒸发部7E’的热交换量。在第一变形例中，优选为第四蒸发部7D，和第六蒸发部7F’中相互邻接的流路部件间的距离(圆棒8的螺旋间距)大于第五蒸发部7E’中相互邻接的流路部件间的距离(圆棒8的螺旋间距)。在第一变形例中，优选构成为热交换量按第二蒸发部7B’、第三蒸发部7C’、第五蒸发部7E’、第四蒸发部7D，以及第六蒸发部7F’的顺序依次变小。例如能够使用螺旋间距(如果大则热交换量低)、水流路的截面积(如果大则热交换量低)等来实现热交换量的调
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iF. O图4是表示第二实施方式的第二变形例中的氢生成装置的概要结构的一例的示意图。在本变形例的氢生成装置300B中，除了蒸发部的结构以外都是与第二实施方式的上述结构相同的结构，因此对共同的要素附加同一标记和名称，省略说明。在本变形例中，在第一蒸发部7A’中未配置圆棒8 (流路部件)。流路部件不一定是圆棒8，例如，也可以通过使圆筒100的侧壁、圆筒101的侧壁以 形成螺旋的峰状突出来构成流路部件。图5是表示第二实施方式的变形例的氢生成装置中的水流路的概要结构的一例的截面图，图5的(a)表示第三变形例，图5的(b)表示第四变形例。在图5的(a)所示的第三变形例中，通过使圆筒100的侧壁向圆筒101侧以形成螺旋的峰状突出来构成流路部件8A。在图5的(b)所示的第四变形例中，通过使圆筒101的侧壁向圆筒100侧以形成螺旋的峰状突出来构成流路部件8B。(第三实施方式)第三实施方式的燃料电池发电系统具备第一实施方式或第二实施方式以及它们的变形例所涉及的氢生成装置以及利用从该氢生成装置排出的生成气体(含氢气体)来进行发电的燃料电池。图6是表示第三实施方式的燃料电池发电系统的概要结构的一例的示意图。图6所例示的燃料电池发电系统400是在第二实施方式的氢生成装置300 (图2)上附加燃料电池60而得到的，其它结构与氢生成装置300相同。因此，对图2和图6中共同的结构要素附加同一标记和名称来省略说明。燃料电池60利用从氢生成装置300排出的生成气体(含氢气体)来进行发电。作为燃料电池60，例示了高分子电解质型燃料电池(PEFC)、固体氧化物型燃料电池(SOFC)
坐寸o燃料电池的负极(燃料极)连接在生成气体出口 12上，从生成气体出口 12排出的含氢气体被供给至燃料电池的负极。产业上的可利用件根据本发明的氢生成装置和燃料电池发电系统，能够提供更稳定地生成氢、更可靠地降低一氧化碳的产生的具有优良可靠性的氢生成装置以及燃料电池发电系统。附图标记说明I :燃料气体供给部；2 :空气流路；3 :空气风扇；4 :燃烧器(burner) ；5 :原料气体供给部；6 :水供给部；7 :蒸发部；7A :与一氧化碳降低部对应的部分；7B :不与一氧化碳降低部对应的部分；7A’ 第一蒸发部；7B’ 第二蒸发部；7C’ 第三蒸发部；7D’ 第四蒸发部；7E’ 第五蒸发部；7F’ 第六蒸发部；8 :圆棒；8A :流路部件；8B :流路部件；9 :重整催化剂层；9A :重整反应部；10 :变换催化剂层；11 :选择氧化催化剂层；12 :生成气体出口 ；13 :排气口 ；14 :选择氧化空气供给部；15 :控制部；16 :燃烧排气流路；17 :隔热材料；20 :—氧化碳降低部；21 :气体导入部；22 :分隔壁；23 :分隔壁；50 :第一底面；51 :第三底面；60 :燃料电池；100 :圆筒；101 :圆筒；102 :壳体；103 :气体导入部；200 :氢生成装置；300 :氢生成装 置；400:燃料电池发电系统。
权利要求
1.一种氢生成装置，具备 蒸发部，其具有使包含作为氢的原料的原料气体和水的流体中的上述水蒸发以使其变为水蒸气的结构； 重整反应部，其连接在上述蒸发部的下游侧，包含重整反应催化剂，该重整反应催化剂使从上述蒸发部供给的包含上述原料气体和上述水蒸气的流体中的上述原料气体与上述水蒸气进行重整反应； 一氧化碳降低部，其设置于上述重整反应部的下游，具有变换反应部和选择氧化反应部中的至少一个，该变换反应部包含使一氧化碳和水进行变换反应的变换反应催化剂，该选择氧化反应部使一氧化碳和氧进行选择氧化反应；以及 气体导入部，其配置于上述重整反应部与上述一氧化碳降低部之间，将通过了上述重整反应部的气体导向上述一氧化碳降低部，· 其中，上述蒸发部与上述一氧化碳降低部相互邻接地进行配置，使得至少各自的一部分能够进行热交换， 构成为上述蒸发部中的与上述一氧化碳降低部对应的部分的热交换量低于不与上述一氧化碳降低部对应的部分的热交换量。
2.根据权利要求I所述的氢生成装置，其特征在于，还具备 第一筒，其在一端具有第一底面； 第二筒，其形成于上述第一筒的外侧； 第三筒，其形成于上述第二筒的外侧，具有第三底面； 原料供给部，其向上述第一筒的侧壁与上述第二筒的侧壁之间的空间即第一空间供给上述原料气体； 水供给部，其向上述第一空间供给上述水； 燃烧器，其形成于上述第一筒内，被供给燃烧气体和燃烧用空气来进行燃烧；以及 燃烧排气流路，其形成于上述第一筒的内侧，流通上述燃烧器的燃烧排气， 其中，上述蒸发部形成于上述第一空间，构成为通过吸收上述燃烧排气的热来使上述水成为水蒸气， 上述重整反应部配置于上述第一空间中的上述蒸发部的下游， 上述一氧化碳降低部配置于上述第二筒的侧壁与上述第三筒的侧壁之间的第二空间，上述气体导入部构成为将上述重整气体从上述第一空间在上述第一底面与上述第三底面之间折回后供给至上述第二空间， 上述蒸发部中的与上述一氧化碳降低部对应的部分是形成于上述一氧化碳降低部与上述第一筒之间的第一蒸发部， 上述热交换量是上述蒸发部与从上述水供给部供给的水之间的热交换量。
3.根据权利要求2所述的氢生成装置，其特征在于， 上述蒸发部具有通过被流路部件分隔而形成的水流路， 关于相互邻接的上述流路部件的距离，上述第一蒸发部的相互邻接的上述流路部件的距离大于上述第一蒸发部以外的部分的相互邻接的上述流路部件的距离。
4.根据权利要求2所述的氢生成装置，其特征在于， 上述蒸发部具有通过被流路部件分隔而形成的水流路，关于上述水流路的流路截面积，上述第一蒸发部的上述水流路的流路截面积大于上述第一蒸发部以外的部分的上述水流路的流路截面积。
5.根据权利要求2 4中的任一项所述的氢生成装置，其特征在于， 上述蒸发部具有上述第一蒸发部、形成于上述第一蒸发部的上游的第二蒸发部以及形成于上述第一蒸发部的下游的第三蒸发部， 构成为上述热交换量按上述第二蒸发部、上述第三蒸发部、上述第一蒸发部的顺序依次变小。
6.根据权利要求5所述的氢生成装置，其特征在于， 上述蒸发部具有通过被流路部件分隔而形成的水流路， 相互邻接的上述流路部件的距离按上述第二蒸发部、上述第三蒸发部、上述第一蒸发部的顺序依次变大。
7.根据权利要求2飞中的任一项所述的氢生成装置，其特征在于， 上述一氧化碳降低部具有形成于上游侧的变换催化剂层以及形成于下游侧的选择氧化催化剂层， 上述第一蒸发部具有形成于上述选择氧化催化剂层与上述第一筒之间的第四蒸发部、形成于上述变换催化剂层与上述第一筒之间的第六蒸发部以及形成于上述上游蒸发部与上述下游蒸发部之间的第五蒸发部， 构成为关于上述热交换量，上述第四蒸发部和上述第六蒸发部的热交换量小于上述第五蒸发部的热交换量。
8.根据权利要求7所述的氢生成装置，其特征在于， 上述蒸发部具有通过被流路部件分隔而形成的水流路， 关于相互邻接的上述流路部件间的距离，上述第四蒸发部和上述第六蒸发部的相互邻接的上述流路部件间的距离大于上述第五蒸发部的相互邻接的上述流路部件间的距离。
9.根据权利要求7或8所述的氢生成装置，其特征在于， 上述蒸发部具有上述第一蒸发部、形成于上述第一蒸发部的上游的第二蒸发部以及形成于上述第一蒸发部的下游的第三蒸发部， 构成为上述热交换量按上述第二蒸发部、上述第三蒸发部、上述第五蒸发部、上述第四蒸发部以及上述第六蒸发部的顺序依次变小。
10.根据权利要求2 7中的任一项所述的氢生成装置，其特征在于， 上述蒸发部具有通过被流路部件分隔而形成的水流路， 在上述第一蒸发部中未配置上述流路部件。
11.根据权利要求3、4、6、8、10中的任一项所述的氢生成装置，其特征在于， 上述流路部件是被上述第一筒和上述第二筒夹持并且构成为螺旋形状的棒状部件。
12.根据权利要求3、4、6、8、10、11中的任一项所述的氢生成装置，其特征在于， 上述流路部件由金属构成，并且截面为圆形。
13.一种燃料电池发电系统，具备根据权利要求广12中的任一项所述的氢生成装置以及燃料电池。
全文摘要
氢生成装置(200)具备蒸发部(7)、连接在蒸发部的下游侧的重整反应部(9A)、设置于重整反应部的下游的一氧化碳降低部(20)以及气体导入部(21)，该气体导入部配置于重整反应部与一氧化碳降低部之间，将通过了重整反应部的气体导向一氧化碳降低部，其中，蒸发部与一氧化碳降低部相互邻接地进行配置使得至少各自的一部分能够进行热交换，构成为蒸发部中的与一氧化碳降低部对应的部分的热交换量低于不与上述一氧化碳降低部对应的部分的热交换量。
文档编号H01M8/06GK102781820SQ20118001243
公开日2012年11月14日 申请日期2011年3月2日 优先权日2010年3月4日
发明者前田晃, 向井裕二, 尾关正高, 川口洋史 申请人:松下电器产业株式会社