氫生成裝置及燃料電池系統的製作方法

2023-09-16 18:13:20

專利名稱：氫生成裝置及燃料電池系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及用水蒸汽將天然氣、LPG、汽油、石腦油、煤汕或者 甲醇等的烴化合物原料進行重整，生成以氫為主體的重整氣體的氫生 成裝置以及具備這個裝置的燃料電池系統。
背景技術：
已知一種氫生成裝置，其中，含有至少由碳以及氫構成的有機化 合物的原料，以含有水蒸汽的原料氣體狀態，通過填充著粒狀重整催 化劑的催化劑部，從而對原料氣體進行水蒸汽重整，生成以氫為主體 的重整氣體。該氫生成裝置適用於燃料電池系統。還有，在燃料電池 系統中， 一般，重整氣體進一步由改性反應裝置以及一氧化碳選擇氧 化裝置來降低一氧化碳濃度從而供給燃料電池。現有的氫生成裝置具有構成有所述催化劑部的重整器主體，重整器主體的構造為供給原料、水以及燃燒用燃料，在重整器主體內燃 燒燃燒用燃料，並排出燃燒氣體以及重整氣體。即，在重整器主體內， 由燃燒熱而進行了水或水和原料的氣化以及水蒸汽重整反應。在此， 在氫生成裝置的啟動工作時以及停止工作時，在重整器主體內由於燃 燒熱發生了熱變形，然而存在著以下問題由於該熱變形，催化劑部 內的催化劑的一部分被壓壞，催化劑部的重整反應氣體的流路稍有閉 塞，從而造成了氫生成裝置的能力降低。針對這樣的問題，為了防止 催化劑部的催化劑的壓壞，在專利文獻1中，曾經建議了實現減少由 重整管的熱變形引起的粒狀重整催化劑的壓壞的燃料重整器的構造。 在此，所謂重整反應氣體是指，通過將水和原料進行氣化而形成的含 水蒸汽的原料氣體以及重整氣體的總稱即流過催化劑部的氣體。圖11是專利文獻1的實施例3所示的燃料重整器的縱向截面圖。如圖所示，在重整器主體100中，利用從空氣入口 154取入的燃 燒用空氣而使從燃料入口 153導入的燃料在燃燒爐105中進行燃燒， 從而生成作為燃燒氣體的高溫的熱介質151。熱介質151沿著具有重整管108的內側筒體182的內周面向下方流動，接著繼續在熱介質流通 路152內流通，並沿著外側筒體183的外周面向上方流動，之後從熱 介質出口 171向:虛整器主體100的外部排出。在此期間，熱介質151 分別主要從重整管108的內側筒體182的內周面層側加熱催化劑層 103，並從外側筒體183的外周面側加熱在外側筒狀空間187內流通的 原料氣體109。此時，催化劑層103中的粒狀重整催化劑P被通過內側筒體182 並由熱介質151供給熱量而被加熱。由此，在重整器主體100中，催 化劑層103被充分加熱。另一方面，含有水的原料109從入口 871流 入，首先在外側筒狀空間187內向下方流動，此後，在中間筒體181 的下端折回，進入催化劑層103，並在催化劑層103中向上方流動。在 此期間，主要在外側筒狀空間187中被熱介質151加熱。被熱介質151 加熱後的水和原料109氣化成含水蒸汽的原料氣體，並通過具有被熱 介質151加熱而達到所要的溫度的粒狀重整催化劑P的催化劑的重整 作用，而被重整為富含氫的重整氣體110。如此得到的重整氣體110從 出口 861向重整器主體100的外部供給。另外，從入口 871流入的水 或原料109也可以是水蒸汽或氣體。在此，重整器主體100的催化劑層103設置於形成在重整管108 內的內側筒狀空間186中，並具有多個獨立的催化劑層131和多個隔 離板132。隔離板132是由金屬板製成的，成環狀，具有一定的外徑尺 寸，該外徑尺寸使其與中間筒體181之間形成間隙，該間隙的尺寸小 於粒狀重整催化劑P的外形尺寸，其內周面通過溶接等與內側筒體182 的外周面固定接合。在隔離板132中形成多個貫穿孔，其孔徑小於粒 狀重整催化劑P的外形尺寸。催化劑層103所具有的多個隔離板132 設置成，在內側筒狀空間186的中心軸X方向上，在鄰接的隔離板132 之間互相以相同尺寸的間隔隔開。獨立催化劑層131是在內側筒狀空間186內通過填充粒狀重整催 化劑P而形成的，該內側筒狀空間186由各隔離板132劃成底面並由 中間筒體181和內側筒體182劃成周圍而形成。並且，各獨立催化劑 層131被形成為在獨立催化劑層131的頂面與上方鄰接的隔離板132 之間設置有空間311。並且，向除了最上段的獨立催化劑層131以外的各個獨立催化劑層131填充粒狀重整催化劑P，是在重整管8至少還未 裝配上部板185和外側筒體183的狀態下，從形成在中間筒體181上 的其孔徑大於粒狀重整催化劑P的外形尺寸的貫穿孔811進行的。該 貫穿孔811在完成了粒狀重整催化劑P的填充後，被擋板812氣密性 地堵塞。然後，向最上段的獨立催化劑層131填充粒狀重整催化劑P， 是在中間筒體181、內側筒體182和外側筒體183由擋板184等連接後 進行的。由此，在各個獨立催化劑層131的上層部中，在其上表面的上側 為空間311，沒有填充粒狀重整催化劑P。因此，處於獨立催化劑層131 的上表面部分附近的粒狀重整催化劑P相對於上側方向大致可自由地 移動，而只有由於摩擦等引起的微小的力施加於粒狀重整催化劑P上。 所以，提出了與現有的燃料重整器所具有的催化劑層相比，有可能將 施加於粒狀重整催化劑P的壓力的值抑制得較小。專利文獻l:日本特開平8-208202號公報發明內容但是，在由如專利文獻1所述的隔離板分割成獨立催化劑層的催 化劑部的構造中，依然會發生壓壞，而被壓壞的粒狀重整催化劑的碎 片沿著催化劑部的延伸方向向下遊側(以下簡稱為下遊側)，即，在隔 離板附近堆積。因此，重整反應氣體的流路由於堆積的粒狀重整催化 劑碎片而閉塞，從而可能導致氫生成能力降低，該問題還沒有得到解 決。此外，在由如專利文獻1所述的隔離板劃分的催化劑部的構造中， 催化劑部被分斷成多層獨立催化劑層，在各個獨立催化劑層的間隙中， 由於施加於催化劑部的熱量沒有被利用於催化劑的加熱，而是向周圍 放熱，因此，與現有的催化劑部相比，有在催化劑部中傳熱效率降低 的問題。特別是，存在由於當粒狀重整催化劑壓壞時，獨立催化劑層 的間隙擴大，因而在催化劑部中傳熱效率進一步下降，重整效率下降 的問題。在這種情況下，由於傳熱效率的下降，而不得不增加燃燒爐 的加熱量，而燃燒爐附近的催化劑層被高溫化，粒狀重整催化劑的壽 命可能降低。而且，由於燃燒爐附近的催化劑層的高溫化，重整反應平衡偏向於生成物側，重整氣體中的一氧化碳濃度上升，有些情況下， 會有燃料電池系統停止的可能。本發明是為了解決上述問題而做出的，目的在於提供一種能夠抑 制伴隨粒狀重整催化劑的壓壞而產生的氫生成裝置的能力下降以及由 於催化劑部的傳熱效率的降低而導致的重整效率的降低的氫生成裝 置。為了達到上述目的，第一項本發明的氫生成裝置的特徵為，具有: 具備粒狀重整催化劑的催化劑部和加熱所述催化劑部的燃燒部，並且， 含有水蒸汽的原料氣體一邊沿著所述催化劑部的延伸方向流通， 一邊 生成含有氫的重整氣體，所述催化劑部具有隔離部件，所述隔離部件 設置在隔離截面上，該隔離截面為相對於所述催化劑部的延伸方向而 言的該催化劑部的截面，在該隔離部件上形成有多個具有阻止所述粒 狀重整催化劑通過的形狀的通氣孔，在該隔離截面上形成有具有允許 所述粒狀重整催化劑通過的形狀的開口部。根據這樣的構造，就本發 明的催化劑部而言，即使有粒狀重整催化劑的壓壞，在催化劑部中也 不會發生重整反應氣體流路的閉塞或產生粒狀重整催化劑的間隙，從 而能夠抑制伴隨粒狀重整催化劑的壓壞而產生的氫生成裝置的能力下 降以及由於催化劑部的傳熱效率降低而導致的重整效率的降低。第二項本發明的氫生成裝置的特徵為，所述隔離部件是被並列設 置在所述催化劑部的延伸方向上的多個隔離部件，所述各個隔離部件 被設置為，從所述催化劑部的延伸方向上看，鄰接的所述隔離截面的 所述開口部彼此之間不重疊。根據這樣的構造，就本發明的催化劑部 而言，'能夠擴散催化劑部中的重整反應氣體的流路，使催化劑部內的 催化劑反應分布和溫度分布均等化，從而能夠充分發揮催化劑部的性 能。第三項本發明的氫生成裝置的特徵為，所述隔離部件是被並列設 置在所述催化劑部的延伸方向上的多個隔離部件，所述各個隔離部件 被設置為，從所述催化劑部的延伸方向上看，鄰接的所述隔離截面的 所述開口部彼此之間成大致為180度的角度。根據這樣的構造，能夠 使在鄰接的隔離部件之間的與催化劑部的延伸方向大致垂直的方向上 的重整反應氣體的流路行程最長化，從而能夠進一步地充分發揮催化劑部的性能。第四項本發明的氫生成裝置的特徵為，在相對於沿著所述催化劑部的延仲方向流通的氣流而言為最下遊側的所述開口部的進一歩的該 下遊側，配置有溫度檢測器。根據這樣的構造，能夠準確地檢測出催 化劑部的溫度。第五項本發明的氫生成裝置的特徵為，從所述催化劑部的延伸方 向上看，所述溫度檢測器被設置為，與所述最下遊側的所述開口部重 疊。根據這樣的構造，能夠準確地檢測出在所述開口部被均勻化的氣 體的溫度，並能檢測出作為催化劑部的代表溫度的優選溫度。第六項本發明的氫生成裝置的特徵為，具有雙層筒，所述催化劑 部的至少一部分在所述雙層筒的筒間形成，所述隔離部件與所述雙層 筒的內筒的外周面相接合而被配置在所述雙層筒的筒間，所述燃燒部 構成為從所述內筒的內側加熱所述內筒。根據這樣的構造，由於內筒 的熱量被傳遞到隔離部件，故而能夠使粒狀重整催化劑的加熱順利化。第七項本發明的氫生成裝置的特徵為，在俯視圖中，所述隔離部件具有內周緣和外周緣，並且呈形成有弧形的間隔的大致c字狀，所述開口部形成於該間隔。根據這樣的構造，能夠簡化隔離部件的構造， 並且能夠使隔離部件和內筒的接合操作容易。第八項本發明的燃料電池系統的特徵為，具有如第一至第六項本 發明的任一項所述的氫生成裝置和燃料電池，從所述的氫生成裝置向 所述燃料電池供給作為原料的重整氣體。根據這樣的構造，就本發明 的催化劑部而言，即使有粒狀重整催化劑的壓壞，在催化劑部中也不 會發生重整反應氣體流路的閉塞或出現間隙，從而能夠抑制伴隨粒狀 重整催化劑的壓壞而產生的燃料電池系統的能力下降以及由於催化劑 部的傳熱效率降低而導致的重整效率的降低。本發明的上述目的、其他目的、特徵以及優點從參照附圖對以下 的優選實施方式的詳細的說明中可以得到明確。如上所述，本發明的氫生成裝置具有能夠抑制伴隨粒狀重整催化 劑的壓壞而產生的氫生成裝置的能力下降以及由於催化劑部的傳熱效 率降低而導致的重整效率的降低的效果。


圖1是示意性表示本發明的實施方式的氫生成裝置的重整器主體 的內部構造的一例的縱向截面圖。圖2是示意性表示圖1的重整器主體的催化劑部的內部構造的縱 向截面圖。圖3是表示在圖2的III-III線處的橫向截而的圖。 圖4是表示在圖2的IV-IV線處的橫向截面的圖。 圖5是表示在圖2的V-V線處的橫向截面的圖。 圖6是表示依據變形例1的圖3的隔離部材的變形例的圖。 .圖7是表示依據變形例1的圖4的隔離部材的變形例的圖。 圖8是表示依據變形例l的圖5的隔離部材的變形例的圖。 圖9是表示依據變形例2的圖3的隔離部材的變形例的圖。 圖10是表示依據變形例3的圖3的隔離部材的變形例的圖。 圖11是由專利文獻l的實施例3所表示的燃料重整器的縱向截面圖。符號說明1:第l外蓋1A:催化劑部入口處1B:重整氣體排出孔1C:預熱部出口孔2:第2外蓋2A:燃料用燃料供給孔3:外筒3A:原料供給孔3B:水供給孔3C:第2燃燒氣體排出孔4:連通部件5:燃燒器6:輻射部件7:催化劑部內筒8:催化劑部內筒蓋9:催化劑部外筒10:催化劑部外筒蓋10A:凹部IOB:催化劑填充孔10C:擋板11:重整氣體隔離筒12:重整氣體隔離蓋13:預熱部內筒13A:第1燃燒氣體排出孔14:連通部材30、 31、 32、 33、 34:配管部件40、 40U、 40V、 40W:隔離部件40A、 49A:外周緣40B、 49B:內周緣40C、 45C:端緣40D、 45D、 48D、 49D:通氣孔43、 43U、 43V、 43W:開口部45、 45U、 45V、 45W:隔離部件46、 46U、 46V、 46W:開口部 48:隔離部件48C:貫通孔49:隔離部件50:催化劑部51:預熱部52:開口部60、 100:重整器主體70:催化劑收容空間70A:筒狀空間80:間隙81:重整氣體流路 82:第2燃燒氣體流路83:第3燃料氣體流路103:催化劑層105:燃燒爐108:重整管109:原料110:重整氣體131:獨立催化劑層132:隔離板151:熱介質152:熱介質流路153:燃料入口154:空氣入口171:熱介質出口181:中間筒體182:內側筒體183:外側筒體184:擋板185:上部板186:內側筒狀空間187:外側筒狀空間311:空間811:貫通孔812:擋板861:出口871:入口G:間隔P:粒狀重整催化劑 P0O:基準角度位置peu、 pev、 pew:角度位置T:溫度檢測器e:中心角具體實施方式
以下，參照

實施本發明的最好的方式。 (實施方式)圖1是示意性地表示本發明的實施方式的氫生成裝置的重整器主休的內部構造的一例的縱向截面圖。圖2是示意性地表示圖1的重整 器主體的催化劑部的內部構造的縱向截面圖。而圖1中省略了催化劑 部50的構造。如圖1所示，重整器主體60是具有多層筒結構的有蓋筒體。艮卩， 多個圓筒或多角筒的筒壁3、 6、 7、 9、 13以與中心軸X大致同心的形 式配置，最外周的外筒3的兩端面被第1及第2外蓋1、 2封閉。另外，外筒3上穿有原料供給孔3A和水供給孔3B。配管部件31、 32分別連接於原料供給孔3A和水供給孔3B。由外筒3、預熱部內筒13、第1及第2外蓋1、 2劃分而形成筒狀 的預熱部51。在第1外蓋的面向預熱部51的部分上穿有預熱部出口孔1C。 在該預熱部出口孔1C的外面側上，以覆蓋預熱部出口孔1C的形式配置有連通部件4。連通部件4是通風道狀部件，配置為連接預熱部出口孔1C與催化劑部入口孔1A。催化劑部入口孔1A以面對催化劑收容空間70的形式形成在第1 外蓋1上，催化劑收容空間70由第1外蓋1、催化劑部內筒7、催化 劑部內筒蓋8、催化劑部外筒9以及催化劑部外筒蓋10劃分而形成。 在此，催化劑部入口孔1A形成在中心軸X上，也就是第1外蓋1的 中心部上。催化劑收容空間70具有上端被封閉的有底筒狀的形狀。 另外，在催化劑部入口孔1A中配設有如金屬網等形成有多個通氣 孔的部件。或者，第1外蓋1本身形成有多個通氣孔而構成多孔狀。 粒狀重整催化劑P填充在該催化劑收容空間70中而構成催化劑部50。 在此，粒狀重整催化劑P是指在粒狀的載體表面擔載有催化劑種的粒 體。催化劑種一般使用以釕(Ru)、鉑(Pt)、銠(Rh)或鎳(Ni)為主成分的催化劑種。載體一般使用氧化鋁、氧化矽、陶瓷等。粒狀重整催化劑P的形狀一般為直徑約3-5mm的球形或柱形。催化劑部外筒蓋10由金屬網等形成有多個通氣孔的多孔部件構 成。故而，在確保催化劑部入口孔1A和催化劑部外筒蓋IO的通氣性 的同吋，能夠防止粒狀重整催化劑P的脫漏。在催化劑部內筒7的內側被構成為在第2外蓋2上構成燃燒器 (燃燒部)5，在燃燒器5中產生的燃燒熱傳熱至形成在催化劑部內筒 7內側的輻射部件6，由輻射部件6的放射熱以及從燃燒氣體向催化劑 部內筒7傳導的熱量加熱催化劑部內筒7。催化劑部內筒7加熱填充在 催化劑收容空間70內的粒狀重整催化劑P。由此，粒狀重整催化劑P 由來自燃'燒器5的熱量加熱至催化劑活性溫度。在此，燃燒器5形成 在中心軸X上，也就是第2外蓋2的中心部分上。燃燒用燃料與空氣 預先混合，從外部，在此從配管部件30向穿過第2外蓋2的中心部分 的燃燒用燃料供給孔2A供給，並流入燃燒器5。接下來，詳細說明作為本發明的特徵的催化劑部50的結構。圖3 是表示在圖2的Ill-Ill線處的橫向截面的圖。圖4是表示在圖2的IV-IV 線處的橫向截面的圖。圖5是表示在圖2的V-V線處的橫向截面的圖。如圖2至圖5所示，本發明的催化劑部50由第1外蓋1、催化劑 部內筒7、催化劑部內筒蓋8、催化劑部外筒9以及催化劑部外筒蓋10 的壁體劃成。並且，催化劑部內筒7和催化劑部外筒9的中心軸與中 心軸X相一致，該2筒之間形成了截面為環形的筒狀空間70A (催化 劑收容空間70的主要部分)。B卩，催化劑部50是沿著中心軸X方向延 展而形成的。另外，各個隔離部件40配置在筒狀空間70A的截面上， 也即相對於催化劑部50的延展方向而言的催化劑部50的截面上，該 截面為隔離截面。在此，多塊，具體而言為3枚板狀的隔離部件40 (40U,40V，40W)與中心軸X大致垂直地互相併列地配置。在此，隔離部件40的平面形狀被形成為大致C字狀。即，在俯視 圖中，隔離部件40具有內周緣40A和外周緣40B，並且呈形成有弧形 的間隔G的大致C字狀，內周緣40A與作為雙層筒的內筒側的催化劑 部內筒7的外周面相接合。筒狀空間70A的隔離截面上的開口部43由 間隔G形成。具體而言，隔離部件40的平面形狀是以中心軸X為中心，由具有共同的中心角的一對圓弧形成的外周緣40A和內周緣40B 以及連接它們兩端之間的直線形成的一對端緣40C圍繞而形成。另外， 在該一對端緣40C之間形成圓弧狀的間隔G。該開口部43的形狀，即 圓弧狀的間隔G的中心角(一對端緣40C所成的角)e為大致30度。開口部43被形成為，在俯視圖中，鄰接的隔離部件40相互位於 相反側，也即在筒狀空間70A的中心角大致錯開180度的位置。此外，具有阻止粒狀重整催化劑P通過的形狀的通氣孔40D穿過 隔離部件40。例如，通氣孔40D為圓形時，其孔徑可小於粒狀重整催 化劑P的最小外形尺寸。通氣孔40D的形狀可形成為與粒狀重整催化 劑P的截面形狀不同。例如，粒狀重整催化劑P為球形時，如果通氣 孔40D為圓形的話，通氣孔40D有可能被粒狀重整催化劑P堵塞，因 此通氣孔40D可以為橢圓、多角形等。在此，粒狀重整催化劑P是直 徑3mm左右的球狀，所以通氣孔40D的形狀為長邊為3mm、短邊為 lmm的長方形。據此，因為能夠防止由粒狀重整催化劑P引起的通氣 孔40D的閉塞，所以能夠確保重整反應氣體的通氣。在催化劑部50的外側，形成了由根據催化劑部外筒9、重整氣體 隔離筒11、第1外蓋1以及重整氣體隔離蓋12進行劃分而形成的筒狀 空間而構成的重整氣體流路81。而且，在第1外蓋1上穿過連通於重 整氣體流路81的重整氣體排出孔1B,在重整氣體排出孔1B上連接著 配管部材33。另外，在重整氣體流路81和預熱部51之間，形成了由根據重整 氣體隔離筒11、預熱部內筒13、第1以及第2外蓋1、 2劃分成的筒 狀空間形成的第2燃燒氣體流路82。再則，在穿過預熱部內筒13的第1燃燒氣體排出孔13A和形成於 外筒3的第2燃燒氣體排出孔3C之間，配置導管狀的連通部件14從 而形成了第3燃燒氣體流路83。在此，對在氫生成裝置運轉工作時的重整器主體60內的工作加以 說明。原料自外部經由配管部件31供給原料供給孔3A，水自外部經由 配管部件32供給水供給孔3B。被供給的原料以及水流入預熱部51。在預熱部51中，原料以及水由自預熱部內筒13傳熱的燃燒氣體的熱來加以預熱。原料或者水為液 體的情況下，原料或者水被氣化從而形成了含有水蒸汽的原料。含有 水蒸汽的原料自穿過第1外蓋1的預熱部出口孔1C由連通部件4引入 催化劑部入口孔1A。自催化劑部入口孔1A供給催化劑部50的含有水蒸汽的原料朝著 催化劑部外筒蓋10沿著催化劑部50的延伸方向流通。而且，含有水 蒸汽的原料在催化劑部50中由於粒狀重整催化劑P和燃燒氣體的熱量 而被重整成為以氫為主體的重整氣體。通過了催化劑部外筒蓋10的重整氣體流入重整氣體流路81，從重 整氣體排出孔1B排出至配管部件33。另外，燃燒氣體自輻射部件6的端部起沿著催化劑部內筒7以及 重整氣體隔離板12流通，並流入第2燃燒氣體流路82。在此，燃燒氣 體的熱通過預熱部內筒13用於原料以及水的預熱。燃燒氣體流出至第 2燃燒氣體流路82，自穿過外筒3的第2燃燒氣體排出孔3C向外部排 出，此處為向配管部件34排出。以下對在氫生成裝置的啟動工作時以及停止工作時的催化劑部50 的熱變形進行說明。在啟動工作時，催化劑部內筒7的表面溫度上升 至800'C以上。但是，催化劑部外筒9的溫度上升比催化劑部內筒7 慢，兩者之間會產生較大的溫度差。也就是說，催化劑部內筒7的直 徑方向的膨脹量與催化劑部外筒9相比較更大，粒狀重整催化劑P的 填充部分即催化劑部內筒7和催化劑部外筒9之間的寬度變窄。據此， 在粒狀重整催化劑P上加上了壓縮應力，粒狀重整催化劑P的一部分 被壓壞。而在停止工作時，與催化劑部內筒7的表面溫度的下降相比 較，催化劑部外筒9的溫度下降較慢，兩者之間產生了較大的溫度差。 也就是說，催化劑部內筒7的直徑方向的收縮量與催化劑部外筒9相 比較大，粒狀重整催化劑P的填充部分即催化劑部內筒7與催化劑部 外筒9之間的寬度變寬。據此，壓壞而產生的粒狀重整催化劑P的碎 片沿著催化劑部50的延伸方向朝著下遊側被衝走，然後在隔離部件40 附近堆積。在此所謂的重整反應氣體是含有水蒸汽的原料以及重整氣 體的總稱，是指流過催化劑部50的氣體。但是，在本發明的催化劑部50中，即使是氫生成裝置的運轉歷程變長，隔離部件40的通氣孔40D中的很多由於粒狀重整催化劑P的碎 片而閉塞的狀況，重整反應氣體的流路也在開口部43處被確保，所以 能夠抑制伴隨著粒狀重整催化劑P的壓壞的氫生成裝置的能力降低。另外，在粒狀重整催化劑P被壓壞的情況下，催化劑部50不被隔 離部件40劃分，粒狀重整催化劑P按順序通過開口部43向下遊側移 動。因此，在隔離部件40的附近基本上不會產生粒狀重整催化劑P的 間隙，從而能夠抑制由於在催化劑部50中的傳熱效率降低而引起的重 整效率的降低。還有，因為傳熱效率基本不降低，所以沒有必要增加燃燒爐105 的加熱量。由此，燃燒爐105附近的催化劑層103不會被高溫化，能 夠抑制粒狀重整催化劑P的壽命降低以及重整氣體110中的一氧化碳 濃度的上升，同時也能夠使燃料電池系統穩定地運轉。在此，隔離部件40的內周緣40B是通過焊接而接合在催化劑部內 筒7的外周面上的。據此，催化劑部內筒7的熱因為傳導給了隔離部 件40，所以能夠使粒狀重整催化劑P的加熱順利。B卩，隔離部件40 也具有作為傳熱片的功能。發生熱變形時，催化劑部內筒7和催化劑部外筒9之間的寬度被 隔離部件40限定。因此，能夠減少粒狀重整催化劑P的壓壞。隔離部件40的外周緣40A和催化劑部外筒9之間的間隙80形成 為小於粒狀重整催化劑P的外形尺寸。據此，因為能夠防止粒狀重整 催化劑P被夾在外周緣40A和催化劑部外筒9的間隙80中，所以能夠 減少粒狀重整催化劑P的壓壞。 、再則，如上所述,隔離部件40呈大致C字狀，內周緣40A被接 合於雙層筒的內筒側即催化劑部內筒7的外周面上，筒狀空間70A的 隔離截面上的開口部43由間隔G形成，所以在製作隔離部件40的過 程中不需要為了形成開口部的加工從而能夠簡化製作。另外，由於利 用間隔G而成為環狀被斷開的形狀，所以能夠簡化隔離部件40向催化 劑部內筒7中的嵌入操作。在俯視圖中，開口部43在鄰接的隔離部件40彼此之間在相反側 形成，即形成為在筒狀空間70A的中心角中大致錯開180度的位置上。 在圖3至圖5中，角度P0O表示在筒狀空間70A的中心角上的基準角度位置。角度位置peu、 pev以及pew分別表示在筒狀空間7oa的中心角上的開口部43u、 43v以及43w的角度位置。在此，如圖3至圖 5所示，在第1隔離部件40u的配設位置上的開口部43u和第2隔離 部件40v的配設位置上的開口部43v，互相位於相反側而形成。而且， 在第2隔離部件40v的配設位置上的開口部43v和第2隔離部件40w 的配設位置上的開口部43w,互相位於相反側而形成。據此，在筒狀 空間70a中通過第1隔離部件40u的通氣孔40d或者開口部43的重 整反應氣體的一部分，在通過其下遊側的第2隔離部件40v的配設位 置時，向著流路阻力較小的開口部43v，所以重整反應氣體不僅僅沿 著催化劑部5q的延伸方向而且也沿著圓周方向流過筒狀空間70a。另 外，反應氣體自第2隔離部件40v的配設位置流至第3隔離部件40w 的配設位置的行徑也是同樣的。如此，在本發明的催化劑部50中，隔離部件40被配置成，形成 於鄰接的隔離部件40的配設位置的開口部43彼此之間從催化劑部50 的延伸方向即筒狀空間70a的中心軸x方向看不重疊。由此，能夠使 催化劑部50中的重整反應氣體的流路擴散，使催化劑部50內的催化 劑反應分布和溫度分布均勻化，所以能夠充分發揮催化劑部50的性能。另外，在本發明的催化劑部50中配設成，形成於鄰接的隔離部件 40的配設位置的開口部43彼此之間從筒狀空間70a的中心軸x方向 看大致成180度的角度。據此，可以使鄰接的隔離部件40之間的筒狀 空間70a的圓周方向的重整反應氣體的流路行程最長化，所以能夠更 進一步充分發揮催化劑部50的性能。此外，催化劑部50在發生催化反應之處和不發生催化反應之處溫 度大不相同。還有，由於在催化劑部50中的重整反應氣體的流動偏向 也會產生溫度分布。在此，作為催化劑部50的溫度，優選控制在粒狀 重整催化劑p的活性溫度，比如500'c至700'c。因此，為了發揮氫生 成裝置的性能，需要準確測量並控制催化劑部50的溫度。如圖2以及 圖5所示，在相當於位於形成在配設有最下遊側的隔離部件40即第3 隔離部件40w的隔離截面上的開口部43w的下遊側的催化劑部50的 底部的催化劑部外筒蓋(壁體)10的附近，配設著溫度檢測器t。在 此，在溫度檢測器t上使用了熱電偶。並且，在催化劑部外筒蓋10上形成凹部IOA，在該凹部10A中配設熱電偶的前端。在最下遊側的幵 口部43W處流過催化劑反應分布和溫度分布被均勻化了的重整氣體， 所以通過這樣的溫度檢測器T的配設，能檢測出作為催化劑部50的代 表溫度的合適的溫度。特別是，在本實施方式中，從催化劑部50的延伸方向看，溫度檢 測器T被配設成與最下遊側的開口部43W重疊。艮卩，如圖2以及圖5 所示，從催化劑部50的延伸方向看，熱電偶的前端被配設在與開口部 43W重疊的位置即催化劑部外筒蓋10的凹部10A中。由此，就能夠 更準確地檢測出自最下遊的開口部43W送出的氣體的溫度，能夠檢測 出作為催化劑部50的代表溫度的更加合適的溫度。再則，如圖2所示，在催化劑部外筒蓋10上形成了具有粒狀重整 催化劑P能夠通過的形狀的催化劑填充孔IOB。在製造本發明的氫生 成裝置的重整器主體的時候，從催化劑填充孔10B填充粒狀重整催化 劑P，粒狀重整催化劑P通過開口部43，填充到催化劑部50的全體中。 由此，粒狀重整催化劑P的填充操作能夠通過從催化劑填充孔10B 一 處的填充來進行，所以與需要從多個填充孔填充粒狀重整催化劑P的 專利文獻1的氫生成裝置相比較，能夠容易地進行粒狀重整催化劑P 的填充操作。另外，催化劑填充孔10B在粒狀重整催化劑P的填充操作之後， 由焊接將擋板IOC接合來加以堵塞。由此，因為能夠最小限度地完成 伴隨著粒狀重整催化劑P的填充操作的焊接工序，所以能夠將由於焊 接而引起的對粒狀重整催化劑P的熱的影響抑制到最小的限度。這裡就隔離部件40的2個變形例加以說明。[變形例1]圖6是表示依據變形例1的圖3的隔離部件40U的變形例的圖。 圖7是表示依據變形例1的圖4的隔離部件40V的變形例的圖。圖8 是表示依據變形例1的圖5的隔離部件40W的變形例的圖。如圖所示，本變形例3塊隔離部件45 (45U、 45V、 45W)相對於 圖3至圖5的隔離部件40而言，在間隔G的中心角0和配設位置上加 以變形。即,隔離部件45的間隔G是以中心角e成為120度的形式形成的。另外，鄰接的隔離部件45的間隔G之間配設成，在筒狀空間70A的 中心軸X方向重疊較小。具體是，第2隔離部件45V配設成，形成的 開口部46V的角度位置P0V與由第1隔離部件45U形成的開口部46U 的角度位置P0U相差12O度，第3隔離部件45W配設成，形成的開口 部46W的角度位置PeW與開口部46U以及開口部46V的各個角度位置peu、 pev相差120度。[變形例2]圖9是表示根據變形例2的圖3的隔離部件40的變形例的圖。 如圖所示，本變形例的隔離部件48是沒有端緣的環狀，並且在穿 有2個貫通孔(開口部)48C方面加以變形。由此，在隔離部件48自 身上形成了開口部。還有，貫通孔48C是粒狀重整催化劑P能夠通過 的形狀。在隔離部件48上，與隔離部件40和45的通氣孔40D和45D同 樣形成多個通氣孔48D。 [變形例3]圖10是表示根據變形例3的圖3的隔離部件40的變形例的圖。 如圖所示，本變形例的隔離部件49是在通過切去內周緣49B的一 部分而設置開口部52方面加以變形。在此，開口部52是通過切去內 周緣49B的一部分而被設置的，但是也可以通過切去外周緣49A的一 部分來進行設置。還有，開口部52是粒狀重整催化劑P能夠通過的形 狀。另外，在隔離部件49上，與隔離部件40、 45和48的通氣孔40D、 45D和48D同樣形成多個通氣孔49D。'使用如上所述的隔離部件45、 48和49的情況下也同樣，本發明 的氫生成裝置即使由於粒狀重整催化劑P的壓壞也不會在催化劑部50 中發生重整反應氣體流路的閉塞和粒狀重整催化劑P的間隙，所以能 夠抑制伴隨粒狀重整催化劑P的壓壞而產生的氫生成裝置的能力降低 以及由於催化劑部50傳熱效率降低而造成的重整效率的降低。在上述的實施方式中，催化劑部內筒7、催化劑部外筒9以及筒狀 空間70A (催化劑收容空間70)是圓筒狀的，但是該形狀不限定於圓 筒狀，只要構成有重整反應氣體的入口和出口的流路即可。比如也可以是多角筒狀、圓柱狀、多角柱狀以及彎曲的管路狀。另外，隔離部件40、 45以及其間隔G、隔離部件48以及其貫通 孔(開口部)48C、隔離部件49以及其開口部52的平面形狀並不限定 於上述實施方式，只耍是對應於筒狀空間70A的截面形狀的形狀即可。再則，隔離部件40、 45、 48'以及49隻耍有至少一塊，就能夠減 輕在啟動工作吋以及停止工作時的催化劑部50的熱變形和堆積在催化 劑部外筒蓋10上的粒狀重整催化劑P的碎片的堆積，所以隔離部件40、 45、 48以及49的塊數隻要至少有一塊即可。另外，關於隔離部件40、 45、 48以及49的合適的塊數以及隔離 部件.40、 45、 48以及49的形狀，可以根據氫生成裝置的啟動和停止 頻率等的氫生成裝置的運用來設定。還有，不同形狀的隔離部件40、 45、 48以及49也可以以並列的 形式進行配設。而且，開口部43、 46、 49以及貫通孔(開口部)48C，只要有至 少一個，就不會產生伴隨著粒狀重整催化劑P的壓壞而產生的重整反 應氣體的流路的閉塞和粒狀重整催化劑P的間隙，能夠抑制氫生成裝 置的能力降低以及由於催化劑部50的傳熱效率降低而造成的重整效率 的降低。因此，開口部43、 46、 49以及貫通孔(開口部)48C只要有 一個即可。而且，關於開口部43、 46、 49以及貫通孔(開口部)48C的合適 的個數以及開口部43、 46、 49以及貫通孔(開口部)48C的形狀，可 以根據氫生成裝置的啟動和停止頻率等的氫生成裝置的運用進行具體 設定。而且，不同形狀的開口部43、 46、 49以及貫通孔(開口部)48C 也可以存在於同一個隔離截面上。在使用如以上所述的隔離部件45、 48以及49的情況下也同樣， 本發明的氫生成裝置不會由於粒狀重整催化劑P的壓壞而在催化劑部 50中產生重整反應氣體流路的閉塞和粒狀重整催化劑P的間隙，所以 能夠抑制伴隨粒狀重整催化劑P的壓壞的氫生成裝置的能力降低以及 由於催化劑部50傳熱效率降低而造成的重整效率的降低。以上就本發明的優選實施方式作了說明，但是本發明並不限定於上述實施方式。根據上述說明，對本領域技術人員而言，本發明的很 多改進和其他的實施方式是很明顯的。因此，上述說明應僅僅作為例 示而解釋，是為了給本領域技術人員教導實行本發明的最佳方式而提 供的。可以在能夠獲得本發明的效果的範圍內，對其構造以及/或者功 能的細節作變更。比如，隔離部件40和45以及間隔G、隔離部件48以及其貫通孔 (開口部)48C的平面形狀並不限定於上述實施方式，只耍是對應於 筒狀空間70A的截面形狀的形狀即可。另外，隔離部件40、 45以及48隻要有至少一塊就能夠減輕在啟 動工作時以及停止工作時的催化劑部50的熱變形和堆積在催化劑部外 筒蓋IO上的粒狀重整催化劑10的碎片的堆積，所以隔離部件40、 45 以及48的塊數隻要至少有一塊即可。再則，關於隔離部件40、 45以及48的合適的塊數以及隔離部件 40、 45以及48的形狀，可以根據氫生成裝置的啟動和停止頻率等的氫 生成裝置的運用進行具體設定。還有，不同形狀的隔離部件40、 45以及48也可以以並列的形式 進行配設。進而，在具有氫生成裝置和燃料電池的燃料電池系統中，由氫生 成裝置生成的重整氣體被作為燃料電池的原料進行供給。因此，在具 有本發明的氫生成裝置和燃料電池的燃料電池系統中，即使由於粒狀 重整催化劑P的壓壞，在催化劑部50中也不會發生重整反應氣體流路 的閉塞和粒狀重整催化劑P的間隙的出現，所以能夠抑制伴隨粒狀重 整催化劑P的壓壞的燃料電池系統的能力降低以及由於催化劑部50的 傳熱效率降低而造成的重整效率的降低。產業上的可利用性本發明的氫生成裝置在能夠抑制伴隨粒狀重整催化劑的壓壞的氫 生成裝置的能力降低以及由於催化劑部傳熱效率降低而造成的重整效 率的降低方面是有效的。
權利要求
1.一種氫生成裝置，其特徵在於，具有具備粒狀重整催化劑的催化劑部；以及加熱所述催化劑部的燃燒部；並且，含有水蒸汽的原料氣體一邊沿著所述催化劑部的延伸方向流通，一邊生成含有氫的重整氣體，所述催化劑部具有隔離部件，所述隔離部件設置在隔離截面上，該隔離截面是相對於所述催化劑部的延伸方向而言的該催化劑部的截面，在該隔離部件上形成有多個具有阻止所述粒狀重整催化劑通過的形狀的通氣孔，在該隔離截面上形成有具有允許所述粒狀重整催化劑通過的形狀的開口部。
2. 如權利要求1所述的氫生成裝置，其特徵在於， 沿著所述催化劑部的延伸方向並列設置了多個所述隔離部件，所述各個隔離部件被設置成，從所述催化劑部的延伸方向上看，鄰接的 所述隔離截面的所述開口部彼此不重疊。
3. 如權利要求1所述的氫生成裝置，其特徵在於， 沿著所述催化劑部的延伸方向並列設置了多個所述隔離部件，所述各個隔離部件被設置成，從所述催化劑部的延伸方向上看，鄰接的 所述隔離截面的所述開口部彼此之間成大致為180度的角度。
4. 如權利要求1所述的氫生成裝置，其特徵在於， 相對於沿著所述催化劑部的延伸方向流通的氣流而言，在最下遊側的所述開口部的進一步的該下遊側，配置有溫度檢測器。
5. 如權利要求4所述的氫生成裝置，其特徵在於， 從所述催化劑部的延伸方向看，所述溫度檢測器被設置成與所述最下遊側的所述開口部重疊。
6. 如權利要求1所述的氫生成裝置，其特徵在於， 具有雙層筒，所述催化劑部的至少一部分形成在所述雙層筒的筒間， 所述隔離部件與所述雙層筒的內筒的外周面相接合而被配置在所 述雙層筒的筒問，所述燃燒部構成為從所述內筒的內側加熱該內筒。
7. 如權利要求1所述的氫生成裝置，其特徵在於， 在俯視圖中，所述隔離部件具有內周緣和外周緣，並且呈形成有弧形的間隔的大致C字狀，所述開口部形成於該間隔中。
8. —種燃料電池系統，其特徵在於，具有如權利要求1所述的氫生成裝置以及燃料電池，並從所述氫 生成裝置向所述燃料電池供給所述重整氣體作為原料。
全文摘要
本發明提供能夠抑制伴隨粒狀重整催化劑的壓壞而產生的氫生成裝置的能力下降以及由於催化劑部的傳熱效率的降低而導致的重整效率的降低的氫生成裝置。該氫生成裝置具有具備粒狀重整催化劑(P)的催化劑部(50)；以及加熱催化劑部(50)的燃燒部(5)；含有水蒸汽的原料氣體一邊沿著催化劑部(50)的延伸方向流通，一邊生成含有氫的重整氣體，其中，催化劑部(50)具有隔離部件(40)，隔離部件(40)設置在隔離截面上，該隔離截面是相對於催化劑部(50)的延伸方向的該催化劑部(50)的截面，在該隔離部件(40)上形成有多個具有阻止粒狀重整催化劑(P)通過的形狀的通氣孔(40D)，在該隔離截面上形成有具有允許粒狀重整催化劑(P)通過的形狀的開口部。
文檔編號H01M8/06GK101233075SQ20068002827
公開日2008年7月30日 申請日期2006年9月28日 優先權日2005年9月30日
發明者前西晃, 向井裕二, 田口清, 田村佳央, 藤岡弘樹 申請人:松下電器產業株式會社