專利名稱：氫制造裝置以及燃料電池系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氫制造裝置以及燃料電池系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
作為現(xiàn)有的氫制造裝置，公知有包括選擇氧化反應(yīng)部的氫制造裝置，該選擇氧化反應(yīng)部選擇性地對通過使烴等原燃料重組而生成的重組氣體中的一氧化碳進(jìn)行氧化(例如，參照專利文獻(xiàn)I)。雖然為了控制選擇氧化反應(yīng)部的溫度而通常使用發(fā)熱器等外部加熱器，但對于例如在與筒狀的選擇氧化反應(yīng)部的內(nèi)周側(cè)相鄰的位置配置有用于生成水蒸氣的水蒸發(fā)部的氫制造裝置，能夠利用供給至水蒸發(fā)部的水溫來控制選擇氧化反應(yīng)部的溫度，而無需使用加熱器。專利文獻(xiàn)I :日本特開2009 - 280408號公報在此，在上述氫制造裝置中，由于供水或水蒸氣流通的流路設(shè)置在與選擇氧化反應(yīng)部相鄰的位置，因此在流路中的水溫較低的情況下，選擇氧化反應(yīng)部的選擇氧化催化劑的溫度降低。在選擇氧化催化劑的溫度過低的情況下，存在選擇氧化催化劑發(fā)生氧化降解、導(dǎo)致催化劑的壽命變短的問題。另一方面，在沒有設(shè)置針對選擇氧化反應(yīng)部的適當(dāng)?shù)睦鋮s構(gòu)造的情況下，由于選擇氧化催化劑的溫度增高，因此存在一氧化碳以及二氧化碳進(jìn)行甲烷化反應(yīng)、導(dǎo)致溫度急劇上升到構(gòu)件的耐熱溫度以上的問題。根據(jù)以上情況，要求將選擇氧化反應(yīng)部的溫度保持在最適當(dāng)?shù)臏囟取?br>
發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的課題在于提供如下氫制造裝置以及燃料電池系統(tǒng)該氫制造裝置能夠在不使用發(fā)熱器等外部加熱器的前提下，以簡單的構(gòu)造將選擇氧化反應(yīng)部的溫度保持在最恰當(dāng)?shù)臏囟取渲圃煅b置包括選擇氧化反應(yīng)部，該選擇氧化反應(yīng)部用于選擇性地對包含氫的重組氣體中的一氧化碳進(jìn)行氧化；蒸發(fā)流路，該蒸發(fā)流路用于供水流通來生成水蒸氣；以及氣體流路，該氣體流路供重組氣體流通，氣體流路配置在選擇氧化反應(yīng)部與蒸發(fā)流路之間，重組氣體在流過氣體流路之后向選擇氧化反應(yīng)部流入。在該氫制造裝置中，在用于供水流通來生成水蒸氣的蒸發(fā)流路與選擇氧化反應(yīng)部之間配置供重組氣體流通的氣體流路。根據(jù)此類結(jié)構(gòu)，選擇氧化反應(yīng)部無需與供水流通的蒸發(fā)流路直接接觸，將能夠使氣體流路作為熱媒來發(fā)揮功能。由此，能夠防止選擇氧化反應(yīng)部的選擇氧化催化劑的溫度過低。而且，氣體流路能夠供向選擇氧化反應(yīng)部供給的重組氣體、即選擇氧化反應(yīng)部的入口氣體流通。由此，即使作為選擇氧化反應(yīng)部的入口氣體的重組氣體在溫度過高的情況下通過向蒸發(fā)流路中的水、水蒸氣供給熱量來進(jìn)行冷卻，也能夠利用蒸發(fā)流路中的水、水蒸氣來保持在適當(dāng)?shù)臏囟?，不會使溫度過低。由此，在氣體流路中流動的重組氣體以達(dá)到最佳溫度的狀態(tài)向選擇氧化反應(yīng)部進(jìn)行供給。如上所述，根據(jù)氫制造裝置，能夠在不使用發(fā)熱器等外部加熱器的前提下以簡單的構(gòu)造將選擇氧化反應(yīng)部的溫度保持在最佳溫度，從而能夠延長選擇氧化催化劑的壽命。另外，在氫制造裝置中還包括排氣流路，該排氣流路供在重組氣體的生成中使用的燃燒器的排氣流通，排氣流路也可以配置于在與氣體流路相反的一側(cè)與蒸發(fā)流路相鄰的位置。由于排氣流路配置在與蒸發(fā)流路相鄰的位置，因此蒸發(fā)流路內(nèi)的水能夠接收來自高溫的排氣的熱量而高效地蒸發(fā)。而且，蒸發(fā)流路能夠可靠地將重組氣體保持在最佳溫度，而不會過度冷卻氣體流路內(nèi)的重組氣體。另外，在氫制造裝置中還包括轉(zhuǎn)化反應(yīng)部，該轉(zhuǎn)化反應(yīng)部用于利用轉(zhuǎn)化反應(yīng)來去除重組氣體中的一氧化碳；以及空氣供給部，該空氣供給部用于對從轉(zhuǎn)化反應(yīng)部流向選擇氧化反應(yīng)部的重組氣體供給空氣；轉(zhuǎn)化反應(yīng)部具有供轉(zhuǎn)化反應(yīng)后的重組氣體流出的出口，空氣供給部也可以對從出口流出的重組氣體供給來自與該重組氣體的流向相對的方向的空氣。利用轉(zhuǎn)化反應(yīng)去除一氧化碳后的重組氣體在從轉(zhuǎn)化反應(yīng)部流出時集中于出口。此時，空氣供給部能夠向集中于出口的重組氣體供給空氣。由此，能夠高效地混合空氣與重組氣 體。而且，由于空氣供給部能夠從與重組氣體的流向相對的方向供給空氣，因此重組氣體與空氣碰撞，進(jìn)一步聞效地混合。
另外，燃料電池系統(tǒng)包括上述氫制造裝置以及燃料電池堆，該燃料電池堆使用利用氫制造裝置生成的重組氣體來進(jìn)行發(fā)電。由于在該燃料電池系統(tǒng)中也包括上述氫制造裝置，因此，能夠發(fā)揮在不使用發(fā)熱器等外部加熱器的前提下以簡單的構(gòu)造將選擇氧化反應(yīng)部的溫度保持在最佳溫度的上述效果。根據(jù)本發(fā)明，能夠在不使用發(fā)熱器等外部加熱器的前提下以簡單的構(gòu)造將選擇氧化反應(yīng)部的溫度保持在最佳溫度。


圖I是示出一個實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)的一部分的概略框圖。圖2是示出圖I的氫制造裝置的概略主視端面圖。圖3是圖2所示的選擇氧化反應(yīng)部周圍的結(jié)構(gòu)的放大圖。圖4是示出圖3所示的選擇氧化反應(yīng)部周圍的熱量的流動的框圖。圖5是示出圖I的氫制造裝置的其他例子的概略主視端面圖。
具體實(shí)施例方式以下，參照附圖對本發(fā)明的適當(dāng)?shù)膶?shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)說明。另外，在以下說明中，對相同或相當(dāng)?shù)囊貥?biāo)注相同的附圖標(biāo)記，并省略重復(fù)的說明。另外，“上”、“下”一詞用于方便地對應(yīng)于附圖的上下方向。圖I是示出一個實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)的一部分的概略框圖。如圖I所示，氫制造裝置(FPS Fuel Processing System)l在例如家庭用的燃料電池系統(tǒng)100中用作氫供給源。此處的氫制造裝置I使用石油類烴作為原燃料，將含有氫的重組氣體供給至電池組(燃料電池堆)20。另外，也可以使用乙醇類、乙醚類、生物燃料、天然氣、城市煤氣作為原燃料。另外，作為石油類烴，除了燈油、LP氣體之外還能夠使用石腦油、輕油等作為原燃料。另外，作為電池組20，也可以使用固體高分子型、堿性電解質(zhì)型、磷酸型、熔融碳酸鹽型或固體氧化物型等各種電池組。圖2是示出圖I的氫制造裝置的概略主視端面圖。如圖I、圖2所示，氫制造裝置I包括以軸線G作為中心軸線的圓筒狀外形的脫硫部2、以及以軸線G作為中心軸線的圓柱狀外形的主體部3，該脫硫部2和該主體部收納于殼體4。另外，在殼體4內(nèi)，在脫硫部2以及主體部3的周圍填充有粉狀的隔熱材料(未圖示)來進(jìn)行隔熱。脫硫部2也可以設(shè)置在殼體4的外側(cè)。脫硫部2利用脫硫催化劑對從外部導(dǎo)入的原燃料進(jìn)行脫硫來去除硫磺，并朝向后述的送料部5供給該原燃料。脫硫部2利用管21固定于殼體4的側(cè)板4x，被保持為以具有預(yù)定間隙的方式環(huán)繞主體部3的上部。主體部3包括送料部5、重組部6、轉(zhuǎn)化反應(yīng)部7、選擇氧化反應(yīng)部8以及蒸發(fā)部9，它們構(gòu)成為一體。該主體部3利用筒狀的支架22固定并保持于殼體4的底板4y。 送料部5將利用脫硫部2進(jìn)行脫硫后的原燃料以及水蒸氣(steam)混合，將它們供給至重組部6。具體而言，送料部5包含通過使原燃料以及水蒸氣合流、混合來生成混合氣體(混合流體)的混合部5x、以及使混合氣體朝向重組部6流通的混合氣體流路5y。重組部(SR Steam Reforming) 6利用重組催化劑(重組催化劑部)6x對由送料部5供給的混合氣體進(jìn)行水蒸氣重組而生成重組氣體，并向轉(zhuǎn)化反應(yīng)部7供給該重組氣體。重組部6形成為以軸線G作為中心軸線的圓筒狀外形，且該重組部6以位于脫硫部2的筒內(nèi)的方式設(shè)置在主體部3的上端側(cè)。在該重組部6處，由于蒸氣重組反應(yīng)需要高溫并且是吸熱反應(yīng)，因此，作為用于對重組部6的重組催化劑6x進(jìn)行加熱的熱源利用了燃燒器10。在燃燒器10中，從外部供給原燃料來作為燃燒器燃料并使其燃燒。該燃燒器10安裝在設(shè)置于主體部3的上端部的、以軸線G作為中心軸線的燃燒筒11上，以便被燃燒器10所產(chǎn)生的火焰包圍。此外，在燃燒器10中，也存在將利用脫硫部2進(jìn)行脫硫后的原燃料的一部分作為燃燒器燃料來供給并使其燃燒的情況。轉(zhuǎn)化反應(yīng)部7用于降低從重組部6供給的重組氣體的一氧化碳濃度(CO濃度)，使重組氣體中的一氧化碳進(jìn)行轉(zhuǎn)化反應(yīng)而轉(zhuǎn)化為氫以及二氧化碳。這里的轉(zhuǎn)化反應(yīng)部7也能夠分兩個階段來進(jìn)行轉(zhuǎn)化反應(yīng)，具有進(jìn)行高溫(例如400° C 600° C)下的轉(zhuǎn)化反應(yīng)即高溫轉(zhuǎn)化反應(yīng)的高溫轉(zhuǎn)化反應(yīng)部(HTS High Temperature Shift)12、以及進(jìn)行比高溫轉(zhuǎn)化反應(yīng)的溫度低的溫度(例如150° C 350° C)下的轉(zhuǎn)化反應(yīng)即低溫轉(zhuǎn)化反應(yīng)的低溫轉(zhuǎn)化反應(yīng)部(LTS:Low Temperature Shift) 13。但是,不必一定設(shè)置高溫轉(zhuǎn)化反應(yīng)部12。高溫轉(zhuǎn)化反應(yīng)部12利用高溫轉(zhuǎn)化催化劑12x使從重組部6供給的重組氣體中的一氧化碳進(jìn)行高溫轉(zhuǎn)化反應(yīng)，從而降低重組氣體的C O濃度。高溫轉(zhuǎn)化反應(yīng)部12形成為以軸線G作為中心軸線的圓筒狀外形，以高溫轉(zhuǎn)化催化劑12x環(huán)繞重組催化劑6x的下端部的方式相鄰配置在重組部6的徑向外側(cè)。該高溫轉(zhuǎn)化反應(yīng)部12向低溫轉(zhuǎn)化反應(yīng)部13供給降低了 CO濃度后的重組氣體。低溫轉(zhuǎn)化反應(yīng)部13利用低溫轉(zhuǎn)化催化劑13x使利用高溫轉(zhuǎn)化反應(yīng)部12進(jìn)行高溫轉(zhuǎn)化反應(yīng)后的重組氣體中的一氧化碳進(jìn)行低溫轉(zhuǎn)化反應(yīng)，從而降低重組氣體的CO濃度。低溫轉(zhuǎn)化反應(yīng)部13形成為以軸線G作為中心軸線的圓筒狀外形，并配置在主體部3的下端偵U。該低溫轉(zhuǎn)化反應(yīng)部13經(jīng)由重組氣體配管14x向選擇氧化反應(yīng)部8供給降低了 CO濃度后的重組氣體。選擇氧化反應(yīng)部(PROX Preferential 0xidation)8利用在低溫轉(zhuǎn)化反應(yīng)部13進(jìn)行低溫轉(zhuǎn)化反應(yīng)后的重組氣體中的C O濃度進(jìn)一步降低。其原因在于，若向電池組20供給高濃度的一氧化碳，則電池組20的催化劑被破壞，導(dǎo)致性能大幅降低。具體而言，該選擇氧化反應(yīng)部8利用選擇氧化催化劑8x使重組氣體中的一氧化碳與經(jīng)由空氣配管15導(dǎo)入的空氣進(jìn)行反應(yīng)，在不使重組氣體中的氫發(fā)生氧化的前提下選擇性地對一氧化碳進(jìn)行氧化，將其轉(zhuǎn)化為二氧化碳。選擇氧化反應(yīng)部8形成為以軸線G作為中心軸線的圓筒狀外形，并配置為在主體部3的距下端預(yù)定長度的上端側(cè)構(gòu)成該主體部3的最外周側(cè)。該選擇氧化反應(yīng)部8經(jīng)由設(shè)置有熱交換部16的重組氣體配管14y而向外部導(dǎo)出進(jìn)一步降低了 CO濃度后的重組氣體。熱交換部16在流通于重組氣體配管14y內(nèi)的重組氣體與從外部經(jīng)由水配管17x而導(dǎo)入的水之間進(jìn)行熱交換，并且將該水經(jīng)由水配管17y而供給至蒸發(fā)部9。蒸發(fā)部9使從熱交換部16供給的水貯存在該蒸發(fā)部9的內(nèi)部，并且利用使該水從 低溫轉(zhuǎn)化反應(yīng)部13以及選擇氧化反應(yīng)部8移動而產(chǎn)生(對低溫轉(zhuǎn)化反應(yīng)部13以及選擇氧化反應(yīng)部8進(jìn)行冷卻而得到)的熱量、以及燃燒器10的排氣的熱量來使該水氣化，從而生成水蒸氣。蒸發(fā)部9是夾套型的部件，并形成為以軸線G作為中心軸線的圓筒狀。該蒸發(fā)部9配置為位于高溫轉(zhuǎn)化反應(yīng)部12以及低溫轉(zhuǎn)化反應(yīng)部13的徑向外側(cè)、且位于選擇氧化反應(yīng)部8的徑向內(nèi)側(cè)(即轉(zhuǎn)化反應(yīng)部7與選擇氧化反應(yīng)部8之間)。該蒸發(fā)部9將所生成的水蒸氣經(jīng)由水蒸氣配管17z而供給至送料部5的混合部5x。在此類氫制造裝置I中，首先將來自燃燒器燃料以及電池組20的剩余氣體(off-gas)(在電池組20中沒有用于進(jìn)行反應(yīng)的殘留氣體)的至少一者與空氣一起供給至燃燒器10來進(jìn)行燃燒，利用上述燃燒對重組催化劑6x進(jìn)行加熱。然后，燃燒器10的排氣流過排氣流路LI以及氣體配管18而向外部排出。與此同時，利用混合部5x將利用脫硫部2進(jìn)行脫硫后的原燃料與來自蒸發(fā)部9的水蒸氣混合，生成混合氣體。該混合氣體經(jīng)由混合氣體流路5y而供給至重組部6，利用重組催化劑6x進(jìn)行水蒸氣重組，由此生成重組氣體。然后，利用轉(zhuǎn)化反應(yīng)部7將所生成的重組氣體中的一氧化碳濃度降低至例如幾千PPm左右，在利用選擇氧化反應(yīng)部8將上述重組氣體中的一氧化碳濃度降低至IOppm以下之后，利用熱交換部16進(jìn)行冷卻，向后方的電池組20導(dǎo)出上述重組氣體。此外，在本實(shí)施方式中，為了利用例如各種催化劑6x、12x、13x、8x適宜地進(jìn)行催化劑反應(yīng)，將各部位的溫度設(shè)定如下。即，將流入到重組部6的混合氣體的溫度設(shè)為大約300°C 550°C，將從重組部6流出的重組氣體的溫度設(shè)為550°C 800°C，將流入到高溫轉(zhuǎn)化反應(yīng)部12的重組氣體的溫度設(shè)為400°C 600°C，將從高溫轉(zhuǎn)化反應(yīng)部12流出的重組氣體的溫度設(shè)為300°C 500°C。另外，將流入到低溫轉(zhuǎn)化反應(yīng)部13的重組氣體的溫度設(shè)為150°C 350°C，將從低溫轉(zhuǎn)化反應(yīng)部13流出的重組氣體的溫度設(shè)為150°C 250°C，將流入到選擇氧化反應(yīng)部8的重組氣體的溫度設(shè)為90°C 210°C (120°C 190°C)。接下來，對本實(shí)施方式中的低溫轉(zhuǎn)化反應(yīng)部13以及選擇氧化反應(yīng)部8的周圍結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。圖3是圖2所示的選擇氧化反應(yīng)部周圍的結(jié)構(gòu)的放大圖。如圖3所示，本實(shí)施方式的氫制造裝置I的一氧化碳去除構(gòu)造從軸線G側(cè)朝向外周側(cè)去依次包括低溫轉(zhuǎn)化反應(yīng)部13、轉(zhuǎn)化反應(yīng)入口氣體流路31、排氣流路32、水蒸發(fā)流路33、選擇氧化反應(yīng)入口氣體流路34、選擇氧化反應(yīng)部8。低溫轉(zhuǎn)化反應(yīng)部13、轉(zhuǎn)化反應(yīng)入口氣體流路31、排氣流路32、水蒸發(fā)流路33、選擇氧化反應(yīng)入口氣體流路34、選擇氧化反應(yīng)部8均形成為以軸線G作為中心軸線的圓筒狀，并分別配置為沿徑向相互鄰接。低溫轉(zhuǎn)化反應(yīng)部13包括周壁41、周壁42、下端壁43、沖孔板44、沖孔板45以及低溫轉(zhuǎn)化催化劑13x。周壁41以及周壁42形成為以軸線G作為中心軸線的圓筒狀(圓管狀)。在周壁41與周壁42之間形成有用于填充低溫轉(zhuǎn)化催化劑13x的間隙。下端壁43形成為沿著徑向延伸的圓板狀，分別與周壁41以及周壁42的下端連接而閉塞低溫轉(zhuǎn)化反應(yīng)部13的下方側(cè)。周壁42比周壁41進(jìn)一步朝向上方延伸。沖孔板44形成為沿著徑向延伸的圓板狀，在向上方與下端壁43分離的位置處設(shè)置在周壁41與周壁42之間。沖孔板45形成為沿著徑向延伸的圓板狀，在周壁41的上端側(cè)的位置處設(shè)置在周壁41與周壁42之間。低溫轉(zhuǎn)化催化劑13x被填充到由周壁41、周壁42、沖孔板44、以及沖孔板45構(gòu)成的空間。另夕卜，低溫轉(zhuǎn)化反應(yīng)部13具有供轉(zhuǎn)化反應(yīng)后的重組氣體流出的出口 52。此外，低溫轉(zhuǎn)化反應(yīng)部13也可以采用不使用沖孔板的結(jié)構(gòu)。在該低溫轉(zhuǎn)化反應(yīng)部13的下方側(cè)設(shè)置有用于使轉(zhuǎn) 化反應(yīng)后的重組氣體與空氣高效地混合的混合構(gòu)造50?；旌蠘?gòu)造50由內(nèi)部空間51、出口 52、重組氣體配管14x、空氣配管(空氣供給部)15構(gòu)成。內(nèi)部空間51是形成在下端壁43與沖孔板44之間的圓環(huán)狀的空間。內(nèi)部空間51能夠向出口 52高效地集中轉(zhuǎn)化反應(yīng)后的重組氣體。出口 52是形成于低溫轉(zhuǎn)化反應(yīng)部13的下端壁43的通孔。由于出口 52在下端壁43上僅形成于一個位置，因此能夠?qū)⑦M(jìn)行轉(zhuǎn)化反應(yīng)后的重組氣體集中到一個位置。重組氣體配管14x是連接于出口 5的配管。重組氣體配管14x使轉(zhuǎn)化反應(yīng)后的重組氣體向選擇氧化反應(yīng)入口氣體流路34流通。重組氣體配管14x具有管部14a，該管部14a以軸線G作為中心軸線而從低溫轉(zhuǎn)化反應(yīng)部13的下方向上方延伸，并連接于出口 52?？諝馀涔?5的頂端部分插入到重組氣體配管14x的內(nèi)部?？諝馀涔?5的頂端部分在重組氣體配管14x的管部14a的內(nèi)部配置為與該管部14a同軸，并朝向出口 52向上方延伸。根據(jù)此類結(jié)構(gòu)，出口 52能夠?qū)⑥D(zhuǎn)化反應(yīng)后的重組氣體集中到一個位置，并且能夠使該重組氣體向重組氣體配管14x的管部14a內(nèi)朝向下流動。另一方面，空氣配管15能夠從下方朝向上方(即，從與重組氣體的流動相對的方向)對通過出口 52的重組氣體供給空氣。由此，混合構(gòu)造50能夠在出口 52附近高效地混合轉(zhuǎn)化反應(yīng)后的重組氣體與空氣。此夕卜，重組氣體與空氣的混合位置并不特別限定，也可以位于遠(yuǎn)離出口 52的位置，但由于越靠近出口 52而重組氣體的流速越高且混合效率越好，故為優(yōu)選。轉(zhuǎn)化反應(yīng)入口氣體流路31是使入口氣體流向低溫轉(zhuǎn)化反應(yīng)部13的流路，由周壁42以及周壁61構(gòu)成。周壁61形成為以軸線G作為中心軸線的圓筒狀(圓管狀)。轉(zhuǎn)化反應(yīng)入口氣體流路31利用周壁41與周壁61之間的間隙構(gòu)成。周壁61與下端壁62相連接，該下端壁62配置為從低溫轉(zhuǎn)化反應(yīng)部13的下端壁43朝向下方分離。在轉(zhuǎn)化反應(yīng)入口氣體流路31中流動的重組氣體以繞過低溫轉(zhuǎn)化反應(yīng)部13的下端壁43與周壁41的外側(cè)的方式流動，從上側(cè)向低溫轉(zhuǎn)化反應(yīng)部13供給。此外，向低溫轉(zhuǎn)化反應(yīng)部13供給的重組氣體并不限于這樣的流動，可以利用任意流路向低溫轉(zhuǎn)化反應(yīng)部13供給上述重組氣體。因而，也可以不通過上述配置來設(shè)置轉(zhuǎn)化反應(yīng)入口氣體流路31。排氣流路32是使來自燃燒器的排氣流通的流路，由周壁61、周壁63、下端壁64、夕卜周壁66構(gòu)成。周壁63形成為以軸線G作為中心軸線的圓筒狀(圓管狀)。排氣流路32利用周壁61與周壁63之間的間隙構(gòu)成。周壁63的下端部與從下端壁62向上方分離的圓環(huán)狀的下端壁64相連接。另外,下端壁64與下端壁62的外周側(cè)的端部被圓筒狀的外周壁66閉塞。排氣流路32使來自重組部6側(cè)的排氣從上方朝向下方流通。水蒸發(fā)流路33是使蒸發(fā)部9的水或者水蒸氣流通的流路，由周壁63、下端壁64、周壁67、上端壁68構(gòu)成。周壁67形成為以軸線G作為中心軸線的圓筒狀(圓管狀)。水蒸發(fā)流路33利用周壁63與周壁67之間的間隙構(gòu)成。周壁67的下端部與下端壁64相連接。下端壁64形成為沿著徑向延伸的圓板狀，并分別與周壁63以及周壁67的下端連接而閉塞水蒸發(fā)流路33的下方側(cè)。上端壁68形成為沿著徑向延伸的圓板狀，并分別與周壁63以及 周壁67的上端連接而閉塞水蒸發(fā)流路33的上方側(cè)。在周壁67的下端附近連接有水配管17x。水蒸發(fā)流路33使從水配管17x供給的水從下方朝向上方流通。此外，由于水在水蒸發(fā)流路33內(nèi)蒸發(fā)，因此水蒸發(fā)流路33具有下側(cè)的水層與上側(cè)的蒸汽層。水蒸發(fā)流路33內(nèi)的水的水面的位置雖未特別限定，但優(yōu)選的是至少位于比選擇氧化催化劑8x的上端位置靠上方的位置。另外，水蒸發(fā)流路33的上端、即上端壁68的位置并不特別限定，也可以配置在比圖示位置更高的位置。選擇氧化反應(yīng)入口氣體流路34是使入口氣體流向選擇氧化反應(yīng)部8的流路，由周壁67、周壁69、下端壁71、上端壁72構(gòu)成。下端壁71形成為沿著徑向延伸的圓板狀，設(shè)置在周壁67的外周面。下端壁71配置在比水配管17x的連接位置靠上方的位置。上端壁72形成為沿著徑向延伸的圓板狀，并設(shè)置在周壁67的外周面。周壁69形成為以軸線G作為中心軸線的圓筒狀(圓管狀)，并在下端壁71與上端壁72之間延伸。周壁69的下端與下端壁71分離，周壁69的上端與上端壁72分離。選擇氧化反應(yīng)入口氣體流路34利用周壁67與周壁69之間的間隙構(gòu)成。下端壁71的外周側(cè)的端部與上端壁72的外周側(cè)的端部利用周壁73連結(jié)。周壁73在比周壁69靠外周側(cè)的位置形成為以軸線G作為中心軸線的圓筒狀(圓管狀)。在周壁73的下端附近連接有重組氣體配管14x。選擇氧化反應(yīng)入口氣體流路34使從重組氣體配管14x供給的重組氣體從下方朝向上方流通。選擇氧化反應(yīng)入口氣體流路34的上端以及下端的位置、即上端壁72以及下端壁71的位置并不限定于圖示的位置。選擇氧化反應(yīng)部8包括周壁69、周壁73、沖孔板74、沖孔板76、下端壁77、以及選擇氧化催化劑8x。在周壁69與周壁73之間形成有用于填充選擇氧化催化劑8x的間隙。沖孔板74形成為沿著徑向延伸的圓板狀，并在周壁69的下端側(cè)的位置處設(shè)置在周壁69與周壁73之間。沖孔板76形成為沿著徑向延伸的圓板狀，并在周壁69的上端側(cè)的位置處設(shè)置在周壁69與周壁73之間。選擇氧化催化劑8x被填充到利用周壁69、周壁73、沖孔板74以及沖孔板76構(gòu)成的空間。下端壁77形成為沿著徑向延伸的圓板狀，與周壁69的下端連接于周壁73的內(nèi)周面而閉塞選擇氧化反應(yīng)部8的下方側(cè)。在周壁73上，且在下端壁77與沖孔板74之間的位置處連接有重組氣體配管14y。此外，選擇氧化反應(yīng)部8也可以構(gòu)成為不使用沖孔板。接下來，參照圖3以及圖4對選擇氧化反應(yīng)部8周圍的重組氣體RGdK (或者水蒸氣)W、排氣EG的流動以及熱量的流動進(jìn)行說明。圖4是示出圖3所示的選擇氧化反應(yīng)部8周圍的熱量的流動的框圖。首先，重組氣體RG在轉(zhuǎn)化反應(yīng)入口氣體流路31中流通，并向低溫轉(zhuǎn)化反應(yīng)部13進(jìn)行供給。利用低溫轉(zhuǎn)化催化劑13x降低一氧化碳濃度后的重組氣體RG在內(nèi)部空間51內(nèi)朝向出口 52集中在一個位置。如上所述，從低溫轉(zhuǎn)化反應(yīng)部13流出的重組氣體RG的溫度為150°C 250°C。向出口 52集中后的重組氣體RG朝向重組氣體配管14x的管部14a向下流通。此時，重組氣體RG與從空氣配管15朝向上方供給的空氣碰撞，高效地與空氣混合。與空氣混合后的重組氣體RG在重組氣體配管14x中流通，并向選擇氧化反應(yīng)入口氣體流路34進(jìn)行供給。向選擇氧化反應(yīng)入口氣體流路34供給的重組氣體RG在該選擇氧化反應(yīng)入口氣體流路34中從下方朝向上方流通。此時，重組氣體RG在與同選擇氧化反應(yīng)入口氣體流路34的內(nèi)周側(cè)相鄰的水蒸發(fā)流路33內(nèi)的水(或者水蒸氣)進(jìn)行熱交換。由此，雖然重組氣體RG在溫度過高的情況下通過向水蒸發(fā)流路33供熱來進(jìn)行冷卻，但能夠維持在適當(dāng)?shù)臏囟龋?不會使溫度過低。即，選擇氧化反應(yīng)入口氣體流路34能夠作為在與水蒸發(fā)流路33進(jìn)行熱交換的熱交換部A而發(fā)揮功能。在向選擇氧化反應(yīng)部8流入之前，重組氣體RG的溫度保持在 100。。 200。。。向選擇氧化反應(yīng)部8流入的重組氣體RG借助選擇氧化催化劑8x來去除一氧化碳。這里，由于選擇氧化反應(yīng)是發(fā)熱反應(yīng)，因此會從選擇氧化催化劑8x產(chǎn)生熱量。此時，選擇氧化反應(yīng)部8能夠經(jīng)由選擇氧化反應(yīng)入口氣體流路34而在該選擇氧化反應(yīng)部8與水蒸發(fā)流路33進(jìn)行熱交換。由此，能夠防止選擇氧化反應(yīng)部8的入口附近的溫度過高。此時，選擇氧化反應(yīng)入口氣體流路34能夠作為在選擇氧化反應(yīng)部8與水蒸發(fā)流路33之間進(jìn)行熱交換的熱交換部B而發(fā)揮功能。重組氣體RG的溫度在剛從選擇氧化反應(yīng)部8流出后為100°C 180°C。從選擇氧化反應(yīng)部8流出的重組氣體RG借助熱交換部16在該選擇氧化反應(yīng)部8與向水蒸發(fā)流路33供給的水進(jìn)行熱交換。此時，熱交換部16作為圖4所示的熱交換部C而發(fā)揮功能。重組氣體RG最終為80°C 130°C。如上所述，選擇氧化反應(yīng)入口氣體流路34雖是一條流路，但能夠作為兩個熱交換部A、B而發(fā)揮功能。水W從水配管17x供給，通過熱交換部16來接收來自重組氣體RG的熱量。利用熱交換部16進(jìn)行熱交換后的水W向水蒸發(fā)流路33流入，并從下方朝向上方流動。此時，水W能夠從在內(nèi)周側(cè)與水蒸發(fā)流路33相鄰的排氣流路32中的排氣EG接收熱量。另外，水W能夠從作為熱交換部A而發(fā)揮功能的選擇氧化反應(yīng)入口氣體流路34接收重組氣體RG的熱量。而且，水W能夠從作為熱交換部B而發(fā)揮功能的選擇氧化反應(yīng)入口氣體流路34接收由選擇氧化反應(yīng)產(chǎn)生的熱量。水W (或者水蒸氣)的溫度在與選擇氧化反應(yīng)入口氣體流路34接觸的區(qū)域中為80°C 500°C，特別是在選擇氧化反應(yīng)部8的入口附近為100°C 300°C。水W在向上方流通的期間進(jìn)行蒸發(fā)而成為蒸汽，并流向重組部6。接下來，對本實(shí)施方式的氫制造裝置I以及燃料電池系統(tǒng)100的作用、效果進(jìn)行說明。在本實(shí)施方式的氫制造裝置I中，在選擇氧化反應(yīng)部8與水蒸發(fā)流路33之間配置有供重組氣體RG流通的選擇氧化反應(yīng)入口氣體流路34。根據(jù)此類結(jié)構(gòu)，選擇氧化反應(yīng)部8不會與供水、水蒸氣流動的水蒸發(fā)流路33直接接觸，而能夠使選擇氧化反應(yīng)入口氣體流路34作為熱媒而發(fā)揮功能。由此，能夠防止選擇氧化反應(yīng)部8的選擇氧化催化劑8x的溫度過低。而且，選擇氧化反應(yīng)入口氣體流路34能夠使向選擇氧化反應(yīng)部8供給的重組氣體RG、即選擇氧化反應(yīng)部8的入口氣體流通。由此，雖然作為選擇氧化反應(yīng)部8的入口氣體的重組氣體RG在溫度過高的情況下通過向水蒸發(fā)流路33中的水、水蒸氣供給熱量來進(jìn)行冷卻，但能夠借助水蒸發(fā)流路33中的水、水蒸氣保持在適當(dāng)?shù)臏囟?，以使得溫度不會過低。由此，流過選擇氧化反應(yīng)入口氣體流路34后的重組氣體RG以達(dá)到最佳溫度的狀態(tài)向選擇氧化反應(yīng)部8進(jìn)行供給。如上所述，根據(jù)本實(shí)施方式的氫制造裝置1，能夠以簡單的構(gòu)造將選擇氧化反應(yīng)部8的溫度保持在最佳溫度，而無需使用發(fā)熱器等外部加熱器，從而能夠延長選擇氧化催化劑的壽命。另外，在本實(shí)施方式的氫制造裝置I中，排氣流路32配置于在與選擇氧化反應(yīng)入口氣體流路34相反的一側(cè)與水蒸發(fā)流路33相鄰的位置。由于排氣流路32配置在與水蒸發(fā)流路33相鄰的位置，因此水蒸發(fā)流路33內(nèi)的水能夠接收來自高溫的排氣E G的熱量而高效地蒸發(fā)。而且，水蒸發(fā)流路33能夠可靠地將重組氣體RG保持在最佳溫度，而不會過度冷卻選擇氧化反應(yīng)入口氣體流路34內(nèi)的重組氣體RG。另外，在本實(shí)施方式的氫制造裝置I中，低溫轉(zhuǎn)化反應(yīng)部13具有供轉(zhuǎn)化反應(yīng)后的 重組氣體RG通過的出口 52。另外，空氣配管15能夠向通過出口 52的重組氣體RG供給來自與該重組氣體RG的流動相對的方向的空氣。重組氣體RG在從低溫轉(zhuǎn)化反應(yīng)部13流出時集中到出口 52。此時，空氣配管15能夠向集中到出口 52的重組氣體RG供給空氣。由此，能夠高效地混合空氣與重組氣體RG。而且，由于空氣配管15能夠從與重組氣體RG的流動相對的方向供給空氣，因此重組氣體RG與空氣碰撞，進(jìn)一步高效地混合。另外，由于燃料電池系統(tǒng)100包括上述氫制造裝置1，因此，能夠發(fā)揮在不使用發(fā)熱器等外部加熱器的前提下以簡單的構(gòu)造將選擇氧化反應(yīng)部8的溫度保持為最佳溫度的上述效果。以上，雖然對本發(fā)明的適當(dāng)?shù)膶?shí)施方式進(jìn)行了說明，但本發(fā)明的氫制造裝置以及燃料電池系統(tǒng)并不限定于實(shí)施方式所涉及的上述氫制造裝置I以及上述燃料電池系統(tǒng)100，可以在不改變各權(quán)利要求所記載的宗旨的范圍內(nèi)進(jìn)行變形，或者也可以另作他用。例如，上述實(shí)施方式所示的氫制造裝置的構(gòu)成僅是一例，除選擇氧化反應(yīng)部8、選擇氧化反應(yīng)入口氣體流路34、水蒸發(fā)流路33的位置關(guān)系之外的部分的結(jié)構(gòu)并不特別限定，也可以適當(dāng)?shù)馗淖兏鱾€流路、配管、結(jié)構(gòu)要素的位置關(guān)系、構(gòu)成。例如，也可以采用不同構(gòu)造的重組部，另外也可以不設(shè)置脫硫部2。另外，在上述實(shí)施方式中雖包括有用于使重組氣體中的一氧化碳進(jìn)行轉(zhuǎn)化反應(yīng)的高溫轉(zhuǎn)化反應(yīng)部12以及低溫轉(zhuǎn)化反應(yīng)部13，但如圖5所示，也可以僅包括低溫轉(zhuǎn)化反應(yīng)部13。并且，上述“筒狀”不僅包含大致圓筒狀，還包含大致多棱筒狀。另外，所謂大致圓筒狀以及大致多棱筒狀是指與圓筒狀以及多棱筒狀大致等同的形狀、至少包含圓筒狀以及多棱筒狀的部分等廣義上的圓筒狀以及多棱筒狀。產(chǎn)業(yè)上的可利用件本發(fā)明能夠利用于氫制造裝置以及燃料電池系統(tǒng)。附圖標(biāo)記說明I :氫制造裝置；10 :燃燒器；20 :電池組(燃料電池堆)；8 :選擇氧化反應(yīng)部；13 :轉(zhuǎn)化反應(yīng)部；15 :空氣配管(空氣供給部)；32 :排氣流路；33 :水蒸發(fā)流路(蒸發(fā)流路)；34 :選擇氧化反應(yīng)入口氣體流路(氣體流路)；52 :出口 ；100 :燃料電池系統(tǒng)；G :軸線。
權(quán)利要求
1.一種氫制造裝置，其特征在于， 該氫制造裝置包括 選擇氧化反應(yīng)部，該選擇氧化反應(yīng)部用于選擇性地對含有氫的重組氣體中的一氧化碳進(jìn)行氧化； 蒸發(fā)流路，該蒸發(fā)流路用于供水流通來生成水蒸氣；以及 氣體流路，該氣體流路供上述重組氣體流通； 上述氣體流路配置在上述選擇氧化反應(yīng)部與上述蒸發(fā)流路之間， 上述重組氣體在流過上述氣體流路之后向上述選擇氧化反應(yīng)部流入。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的氫制造裝置，其特征在于， 上述氫制造裝置還包括排氣流路，該排氣流路供在上述重組氣體的生成中使用的燃燒器的排氣流通， 上述排氣流路配置于在與上述氣體流路相反的一側(cè)與上述蒸發(fā)流路相鄰的位置。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的氫制造裝置，其特征在于， 上述氫制造裝置還包括 轉(zhuǎn)化反應(yīng)部，該轉(zhuǎn)化反應(yīng)部用于利用轉(zhuǎn)化反應(yīng)去除上述重組氣體中的一氧化碳；以及空氣供給部，該空氣供給部用于對從上述轉(zhuǎn)化反應(yīng)部流向上述選擇氧化反應(yīng)部的上述重組氣體供給空氣， 上述轉(zhuǎn)化反應(yīng)部具有供轉(zhuǎn)化反應(yīng)后的上述重組氣體流出的出口， 上述空氣供給部對從上述出口流出的上述重組氣體供給來自與該重組氣體的流向相對的方向的上述空氣。
4.一種燃料電池系統(tǒng)，其特征在于， 該燃料電池系統(tǒng)包括 權(quán)利要求I 3中任意一項(xiàng)所述的氫制造裝置；以及 燃料電池堆，該燃料電池堆使用利用上述氫制造裝置生成的上述重組氣體來進(jìn)行發(fā)電。
全文摘要
本發(fā)明提供氫制造裝置及燃料電池系統(tǒng)。氫制造裝置(1)包括選擇氧化反應(yīng)部(8)，該選擇氧化反應(yīng)部(8)用于選擇性地對含有氫的重組氣體中的一氧化碳進(jìn)行氧化；蒸發(fā)流路(33)，該蒸發(fā)流路(33)用于供水流通來生成水蒸氣；以及氣體流路(34)，該氣體流路(34)供重組氣體流通，氣體流路(34)配置在選擇氧化反應(yīng)部(8)與蒸發(fā)流路(33)之間，重組氣體在流過氣體流路(34)之后向選擇氧化反應(yīng)部(8)流入。
文檔編號C01B3/48GK102834349SQ201180016468
公開日2012年12月19日 申請日期2011年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月30日
發(fā)明者橋本康嗣, 后藤晃, 今木惠美 申請人:吉坤日礦日石能源株式會社