變換裝置的製作方法
2023-05-28 05:16:41 2
專利名稱：變換裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種由催化劑引起的水煤氣移位反應變換改性氣體用的變換裝置，該改性氣體是由部分氧化反應改性碳水化合物類的原料氣體而生成的。
背景技術：
一般，通過改性碳水化合物和甲醇可以生成氫氣，由這樣地改性生成氫氣的燃料改性裝置可以使用於燃料電池和氫氣發動機等。
作為這樣的改性裝置，如過去例如特開平11-67256號公報所示的那樣，是組裝在燃料電池裝置中。該燃料改性裝置具有充填了對部分氧化反應呈活性的催化劑的燃料改性器，將原料氣體導入該燃料改性器，由其部分氧化反應產生具有氫氣的改性氣體。
另外，為了減少如上所述地生成的改性氣體中的CO(一氧化碳)而且提高氫氣收穫率，在變換裝置的移位反應部中由變換催化劑使改性氣體進行水煤氣移位反應進行變換。
即，在該水煤氣氣體移位反應中，如下式所示地一氫氣化碳被水氧化而變化為二氧化碳和氫氣。
可是，這種變換裝置，其移位反應部的耐熱性低，由於不能將來自改性反應部的高溫度(例如700℃)的改性氣體在其高溫狀態下導入進行反應，因此，將移位反應部分為高溫移位反應部和低溫移位反應部，將改性反應部的改性氣體降溫到例如400℃後導入高溫移位反應部，將從其高溫移位反應部出來的改性氣體在降溫到例如200℃後導入低溫移位反應部。
但是，在這種情況下，需要控制分別流入高溫及低溫移位反應部中的入口溫度，因此，裝置的構造變複雜。
另外，由於在上述那樣的反應速度快的高溫條件下不能進行反應，因此可以變換改性氣體的溫度範圍不能避免地被限定。
另外，在高溫條件下的水性移位反應中，為了確保催化劑的耐熱性，需要大量的催化劑，因此，有增大熱容量使負荷變動的響應性和起動時的特性變差的問題。
本發明是鑑於上述問題點而做成的，其目的是通過對上述變換裝置的構造進行改進，使得在其移位反應部中可以使來自改性反應部的高溫改性氣體直接地進行移位反應，並且使變換裝置構造簡單。
發明的公開為了達到上述目的，在本發明中，在變換裝置的移位反應部中，使來自改性反應部的改性氣體一邊與朝向改性反應部的原料氣體或熱回收氣體進行熱交換一邊進行移位反應。
具體地說，在本發明中，變換裝置具有移位反應部(10)，該移位反應部由變換催化劑使富含氫氣的改性氣體進行水煤氣移位反應而進行變換，該改性氣體是在改性反應部(6)中由含有部分酸化的反應從原料氣體生成的，其特徵在於，上述移位反應部(10)直接將來自上述改性反應部(6)的改性氣體導入改性氣體通路(11)中，一邊與上述原料氣體進行熱交換一邊進行移位反應。
由此，來自改性反應部(6)的高溫改性氣體直接導入移位反應部(10)，其改性氣體在移位反應部(10)一邊與供給於改性反應部(6)中的原料氣體通路(3)內的原料氣體進行熱交換，一邊由水煤氣移位反應進行變換。因此，從改性反應部(6)出來的改性氣體在高溫的狀態下被變換，將其改性氣體在從反應速度高的高溫狀態到反應速度低但反應平衡性優良的低溫狀態的寬的溫度範圍中進行變換。
而且，不需要控制改性氣體的溫度，可以使變換裝置的構造簡單。
另外，通過減少移位反應部(10)的變換催化劑的充填量，可以減少其熱容量，從而可以良好地維持負荷變動的響應性和起動時的特性。
上述移位反應部(10)的變換催化劑可以使用具有耐熱性的貴金屬類的催化劑、或移位反應部(10)的變換催化劑將Pt或Pt、Ru的合金作為活性金屬來使用。這樣，可以得到在上述高溫中進行移位反應所希望的變換催化劑。即，如果使用具有耐熱性的貴金屬類的催化劑時，催化劑的耐用性高，可以在寬的溫度區域中維持高的活性。另外，在做成為將Pt或Pt、Ru的合金作為活性金屬來使用時，在高溫下活性變高，難以產生甲烷化過程。
上述移位反應部(10)的變換催化劑可以使用塗敷或擔持在多孔質材料上的催化劑。該多孔質材料由於表面積大，因此，在移位反應部(10)中可以使變換催化劑和改性氣體的接觸面積大，從而使反應速度快，同時，還可以使熱的輻射效率增大。
上述多孔質材料，可以採用發泡金屬、堇青石或陶瓷等任何一種。因此，得到特別是可確保增大與改性氣體的接觸面積所希望的多孔質材料。
也可以在上述移位反應部(10)的周圍可以設置對改性反應部(6)供給原料氣體的原料氣體通路(3)，由此，移位反應部(10)周圍的原料氣體通路(3)的原料氣體由移位反應部(10)中的反應熱加熱，為了原料氣體的預熱回收移位反應部(10)中的反應熱，由此，可以由該自己的熱回收提高變換裝置的熱效率。
這時，在殼體(1)內一體地設有移位反應部(10)和原料氣體通路(3)。由此，可以實現變換裝置構造簡單化，降低成本。
可以設置由輻射使移位反應部(10)中的反應熱和顯熱與原料氣體通路(3)的原料氣體熱交換的熱交換器(15)。這樣，可以增大移位反應部(10)與原料氣體之間的熱交換速度，從而提高傳熱效率。
上述移位反應部(10)的改性氣體通路(11)可以做成為改性氣體從移位反應部(10)中心側向外周側流動的形式。這樣，可以使移位反應部(10)的入口部到出口部的溫度不同，從而形成溫度分布。
這時，可以將與移位反應部(10)中的改性氣體的流動方向下遊側部分與原料氣體通路(3)的距離做得比上遊側部分與原料氣體通路(3)的距離大，根據該構造，可以使由移位反應部(10)的輻射所進行的向原料氣體通路(3)的熱交換量在移位反應部(10)中的改性氣體的流動方向上下遊側部分相互不同地進行變化，可以將移位反應部(10)的出口部分的溫度保持為基本一定。
上述熱交換器(15)可以做成具有面對原料氣體通路(3)的傳熱翅片(16)的構造。這樣，可以進一步提高傳熱效率。
可以將上述傳熱翅片(16)沿原料氣體通路(3)設置多個，將這些多個的傳熱翅片(16)的移位反應部(10)中的改性氣體的流動方向上遊側的間距比下遊側的窄，由此，可以順利地進行移位反應部(10)與原料氣體之間的熱交換。
也可以設有具有面臨上述改性氣體通路(11)的改性氣體側傳熱翅片(21)和面臨原料氣體通路(3)的原料氣體側傳熱翅片(22)的、將移位反應部(10)的反應熱和顯熱與原料氣體通路(3)的原料氣體進行熱交換的熱交換器(23)。而且，移位反應部(10)的變換催化劑至少塗敷或擔持在上述改性氣體側傳熱翅片(21)上。這樣移位反應部(10)的改性氣體通路(11)的改性氣體與面臨改性氣體通路(11)的改性氣體側傳熱翅片(21)的變換催化劑接觸進行移位反應。該反應熱從感性氣體側傳熱翅片(21)通過原料氣體側傳熱翅片(22)傳遞到原料氣體通路(3)的原料氣體。在這時也可以提高從移位反應部(10)向原料氣體的傳熱效率。
將上述改性反應部(6)、原料氣體通路(3)和移位反應部(10)一體地設在殼體(1)內。由此，可以進一步使變換裝置的構造簡單，從而實現降低成本。
另外，具有由變換催化劑使在改性反應部(6)中由含有部分氧化的反應從原料氣體生成的富含氫氣的改性氣體進行水煤氣移位反應進行變換的移位反應部(10)的變換裝置，也可以構成為，上述移位反應部(10)一邊使來自改性反應部(6)的改性氣體與熱回收氣體進行熱交換一邊進行移位反應。
由此，來自改性反應部(6)的高溫改性氣體在移位反應部(10)中一邊與熱回收氣體進行熱交換一邊由水煤氣移位反應進行變換。由此，從改性反應部(6)出來的改性氣體在高溫的狀態下進行變換，將其改性氣體在從反應速度高的溫度狀態到反應速度低但反應平衡性良好的低溫狀態的寬的溫度範圍中進行變換。
即通過來自改性反應部(6)的高溫改性氣體和熱回收氣體的熱交換，在移位反應部(10)中，在改性氣體的入口側溫度變高反應速度增大，另外，在出口側溫度降低反應速度變低，可以熱平衡地降低CO濃度。
而且，不需要控制改性氣體的溫度，可以使變換裝置的構造簡單。
另外，通過在移位反應部(10)中的熱交換，可以將其高溫的排熱作為熱回收氣體進行回收。
另外，通過降低移位反應部(10)的變換催化劑的充填量，可以減少其熱容量，可以良好地維持負荷變動的響應性和起動(10)的特性。
在這種情況下，與上述相同，移位反應部(10)的變換傳感器催化劑是具有耐熱性的貴金屬類的催化劑。由於具有耐熱性的貴金屬類的催化劑的耐久性高，因此，可以在寬的溫度區域中維持高活性。
另外，移位反應部(10)的變換催化劑是將Pt或Pt、Ru的合金作為活性金屬使用的催化劑。在使用將該將Pt或Pt、Ru的合金作為活性金屬使用的催化劑時，在高溫中活性變高，難以產生甲烷化過程。
上述移位反應部(10)的變換催化劑是塗敷或擔持在多孔質材料上的催化劑。該多孔質材料由於表面積大，因此，在移位反應部(10)中可以使變換催化劑和改性氣體的接觸面積大，從而使反應速度快，同時，還可以使熱的輻射效率增大。
上述多孔質材料，可以採用發泡金屬、堇青石或陶瓷等任何一種。因此，容易得到特別是可確保增大與改性氣體的接觸面積所希望的多孔質材料。
上述移位反應部(10)的變換催化劑是由塗敷或擔持在金屬構成的催化劑載體上的催化劑。因此，可以得到通過將與改性氣體通路(11)面臨的催化劑與熱回收氣體熱交換進行冷卻的所希望的催化劑載體。
也可以在催化劑載體的周圍設置上述熱回收氣體流動的熱回收氣體通路(37)，這樣，由於催化劑載體由熱回收氣體通路(37)圍著，因此，可以提高熱效率。
上述熱回收氣體可以是空氣。通過將該空氣作為熱回收氣體，可以在高溫熱回收中即使在部分載荷時也可以進行穩定的熱交換，可以容易獲得容易利用的熱回收氣體。
另外，上述熱回收氣體也可以是燃料電池(31)中的氧極(34)側(空氣極側)的排氣(廢氣)。若這樣地將燃料電池(31)的排氣作為回收氣體，不需要重新準備如上所述的空氣作為熱回收氣體，可以直接利用燃料電池(31)的以有的排氣。另外，也不需要將空氣作為回收氣體時使其流動的鼓風機和其動力。
附圖的簡單說明
圖1是表示本發明的實施例1的變換裝置的剖面圖。
圖2是圖1的II-II線剖面圖。
圖3是表示實施例2的相當於圖1的圖。
圖4是圖3的IV-IV線剖面圖。
圖5是表示實施例3的相當於圖4的圖。
圖6是表示本發明的實施例4的變換裝置的剖面圖。
圖7是圖6的VII-VII線的剖面圖。
圖8是表示實施例4的燃料電池裝置的電路圖。
圖9是表示實施例5的相當於圖6的圖。
圖10是圖9的X-X線剖面圖。
圖11是表示實施例6的相當於圖10的圖。
為了實施本發明的最佳方式將用於實施本發明的最佳形式作為實施例進行說明。
(實施例1)圖1和圖2表示本發明的實施例1的變換裝置A，該變換裝置在燃料電池裝置(參照圖8)中是用於使從含有城市氣體和加溼空氣的原料氣體改性的改性氣體進行水煤氣移位反應進行變換。
在圖1和圖2中，1是變換裝置A的有底圓筒狀的殼體1，在該殼體1的內部配設著圓筒狀的隔壁2，該隔壁2將殼體1內劃分為內側空間和外側空間，該隔壁2與殼體1形成為一體。在隔壁2中，殼體1底部側(圖1中上側)的端部被局部地切掉、使上述內側和外側空間相互連通，該連通部和外側空間本身構成為原料氣體通路3。在該原料氣體通路3中，外側空間的殼體1開口側(圖1中下側)的端部構成為原料氣體入口4。該原料氣體入口4與圖外的原料氣體管連接，從該原料氣體管供給的原料氣體(含有城市和加溼空氣)經過原料氣體入口4供給到殼體1和隔壁2之間的原料氣體通路3。
在上述隔壁2內的內側空間中，在殼體1的底部側設有改性反應部6，該改性反應部6用於改性上述原料氣體由含有部分氧化的反應從原料氣體生成富含氫氣的改性氣體，該改性反應部6的殼體1的底部側的入口6a與對應於上述殼體1底部的原料氣體通路3連通。
上述改性反應部6未詳細圖示，它由具有充填在隔壁2內的蜂窩構造的陶瓷或鋁等的圓柱狀柱體構成，在該柱體中，沿殼體1的軸向(圖1中的上下方向)貫通的許多貫通孔是氣體通路。在柱體中載持著Pt、Rh、Ru等的貴金屬類催化劑，在通過該柱體的氣體通路期間，原料氣體由催化劑產生部分氧化反應而改性為富含氫氣的改性氣體。
另外，在上述隔壁2的內側空間中，在改性反應部6的周圍以氣密充填的狀態下配置著耐火性的隔熱材料7，由該隔熱材料7控制改性反應部6和原料氣體通路3之間的熱移動量。
另外，在隔壁2內的內側空間中，在殼體1開口側(圖1中的下側)的空間內為了降低改性氣體中的CO濃度且提高氫氣的回收量，設有移位反應部10，該移位反應部10由變換催化劑使改性氣體水煤氣移位反應而變換改性氣體。即，在上述移位反應部10的周圍配設對改性反應部6供給原料氣體的原料氣體通路3，該移位反應部10和原料氣體通路3與上述改性反應部6一起一體地設在殼體1內。
上述移位反應部10的構成為，將來自上述改性反應部6的出口部6b的改性氣體直接導入改性氣體通路11，一邊與上述原料氣體熱交換一邊進行移位反應。具體地講移位反應部10，具有由發泡金屬、堇青石、陶瓷構成的多孔質材料構成的催化劑載體12，在該催化劑載體12上塗敷或載持用於進行移位反應的變換催化劑。上述變換催化劑是具有耐熱性的貴金屬類催化劑，具體地講是將Pt或Pt、Ru的合金作為活性金屬使用的催化劑。
上述催化劑載體12是從殼體1底部側朝向開口側外徑逐漸變小的圓錐臺形狀，在其中心部開設中心孔13，該中心孔13貫通殼體1的軸線方向構成改性氣體通路11的一部分。該中心孔13的與改性反應部6相反側的下遊側的端部封閉著，從改性反應部6的出口部6b導入移位反應部10的改性氣體的大半部分流入催化劑載體12的中心孔13，從其中心孔13朝向半徑方向外側地通過催化劑載體12流到催化劑載體12的外周面和隔壁2之間的空間中，另外，剩餘的改性氣體從催化劑載體12的上遊側端面直接進入催化劑載體12內，同樣地朝向半徑方向外側流路催化劑載體12外周面的空間，沿這些改性氣體的流動構成上述改性氣體通路17。
而且，由於上述那樣的催化劑載體12的圓錐臺形狀，在移位反應部10的催化劑載體12外周面上，改性氣體的流動方向下遊側部分(圖1中的下側部分)與原料氣體通路3的距離比改性氣體的流動方向上遊側部分(圖1中的上側部分)與原料氣體通路3的距離設定得大。
另外，上述催化劑載體12的外周面與隔壁2的周圍的原料氣體通路3相對地配置著，由此，設有由輻射使移位反應部10的反應熱和顯熱與原料氣體通路3的原料氣體進行熱交換的熱交換器15(在圖中用空心箭頭表示熱交換時的熱的移動)。該熱交換器15在隔壁2的外周面處在與移位反應部10對應的反應部上具有與上述原料氣體通路3面臨地突出設置的多個傳熱翅片16、16、…，這些傳熱翅片16、16、…沿原料氣體通路3並列著，其間距在移位反應部10中的改性氣體的流動方向上遊側(圖1中的上側)比下遊側窄。
上述移位反應部10中的殼體1開口側的端部作為改性氣體出口18，該改性氣體出口18與圖外的燃料電池(參照圖8)連接。另外，在圖1和圖2中，19是用於隔熱的覆蓋殼體1周圍的隔熱材料。
因此，在該實施例中，在變化裝置A的平常運轉時，從原料氣體管供給的原料氣體(含有城市氣體和加溼空氣)經過原料氣體入口4被導入殼體1內，供給到其殼體1和隔壁2之間的原料氣體通路3。該原料氣體通路3的由熱交換器15以輻射接受移位反應部10的反應熱和顯熱而被預熱到規定溫度。這樣，由與改性氣體的熱交換被預熱的原料氣體通過原料氣體通路3流到殼體1底部側，在其期間改性反應部6的反應熱經過隔熱材料7和隔壁2傳遞到原料氣體中，由該傳熱再加熱原料氣體。
通過了上述原料氣體通路3的原料氣體從殼體1底部側的入口部6a流入改性反應部6內，在其蜂窩構造的柱體中的氣體通路中與催化劑反應，由於含其有部分氧化的反應改性為富含氫氣的改性氣體。另外，上述改性反應部6中的反應熱通過隔熱材料7和隔壁傳遞到後續的流動在原料氣體通路3中的原料氣體。
在上述改性反應部6中從原料氣體生成的高溫改性氣體從改性反應部6的出口部6b被導入殼體1的開口側的隔壁2內的移位反應部10中，通過其催化劑載體12，在通過其載體12期間，由催化劑載體12上的變換催化劑進行水煤氣移位反應，降低CO並變換為氫氣收穫率高的改性氣體。而且從該移位反應部10出來的改性氣體經過改性氣體18送出，然後，供給到燃料電池。
那時，由於為了由輻射將上述移位反應部10的反應熱和顯熱與原料氣體通路3的原料氣體進行熱交換而設有熱交換器15，因此，在移位反應部10中，改性氣體一邊與原料氣體通路3內的原料氣體進行熱交換而降溫一邊被變換。因此，從改性反應部6的出口6b出來的高溫改性氣體在其高溫度的狀態下直接被導入移位反應部10被變換。因此，可以將改性氣體在從反應速度快的高溫狀態到反應速度慢但反應平衡性好的低溫狀態的寬溫度範圍內變換改性氣體。
另外，由於這樣地將來自改性反應部6的改性氣體直接導入移位反應部10進行變換，因此，不需要來自改性反應部6的改性氣體的溫度控制，可以使變換裝置A的構造簡單化，通過減少其熱能量可以良好地維持負荷變動的響應性和起動時的特性。
另外，上述移位反應部10的變換催化劑由於將Pt或Pt、Ru合金作為活性金屬使用而具有耐熱性，因此，可以良好地進行上述高溫度下的移位反應。而且，上述變換催化劑塗敷或載持在由發泡金屬、堇青石或陶瓷的任何一種材料構成的表面積大的多孔質材料上，因此，在移位反應部10中增大了變換催化劑和改性氣體的接觸面積，提高了反應速度，並可以增大熱輻射效率。
另外，從上述改性反應部6的出口部6b導入移位反應部10的改性氣體從催化劑載體12的中心側朝向外周側流動。即，其改性氣體的大半部分從催化劑載體12的中心孔13朝向半徑方向外側通過催化劑載體12流入催化劑載體12外周面與隔壁2之間的空間，剩餘的改性氣體從催化劑載體12的上遊側端面直接進入催化劑載體12內，同樣地朝向半徑方向外側流入催化劑載體12的外周面的空間。由此，使從移位反應部10的入口部到出口部的溫度不同，可以形成溫度分布。
另外，上述移位反應部10中的催化劑12形成為圓錐臺形狀，其外周面的改性氣體的流動方向下遊側部分與原料氣體通路3的距離比該上遊側部分與原料氣體通路3的距離大，因此，由上述移位反應部10的輻射向原料氣體通路3的熱交換量在移位反應部10中的改性氣體的流動方向上下遊側部分相互不同地進行變化，可以將移位反應部10的出口部的溫度保持為大致一定。
另外，如上所述，移位反應部10周圍的原料氣體通路3的原料氣體由熱交換器15傳遞移位反應中10的反應熱而被加熱，因此，可以為了原料氣體的預熱來回收移位反應部10的反應熱，由該自己的熱回收可以提高變換裝置A的熱效率。而且，上述熱交換器15具有面臨原料氣體通路3的傳熱翅片16、16、…，因此，可以增大移位反應部10和原料氣體之間的熱交換速度，從而可以提高傳熱效率。
另外，上述熱交換器15的傳熱翅片16、16、…沿原料氣體通路3設置多個，該多個傳熱翅片16、16、…的間距在改性氣體流動方向上下遊側不同，其上遊側的間距比下遊側窄，因此，可以順利地進行移位反應部10和原料氣體通路3的原料氣體之間的熱交換。
由於在殼體1內一體地設置上述改性反應部6、原料氣體通路3及移位反應部10，因此，變換裝置A的構造簡單，可以實現降低成本。
(實施例2)圖3和圖4表示本發明的實施例2(在以下的實施例中對與圖1和圖2相同的部分賦予相同的符號，省略其詳細說明)，是改變了移位反應部10的構造的變換裝置。
即，在該實施例中，變換裝置A的殼體1是有底角筒狀，在其殼體1內部配設著一對相對的隔壁2、2，該一對相對的隔壁2、2將殼體1內劃分為一個內側空間和二個外側空間，該兩隔壁2、2與殼體1形成為一體(參照圖4)。在上述各隔壁中，殼體1底部側(圖3中的上側)的端部有缺口而連通上述內側和外側空間。該內側和外側空間之間的連通部和兩外側空間本身構成為原料氣體通路3。
另外，在移位反應部10上未設置上述實施例1那樣的催化劑載體12。代替其，在與移位反應部10對應的部分的兩側壁2、2的內面間一體地跨架著多個改性氣體側傳熱翅片21、21、…，該改性氣體側傳熱翅片21、21、…沿殼體1的中心線方向延伸並面對兩隔壁2、2間的改性氣體通路11(內部空間)。
另外，在上述各隔壁2的外面上突出設置著多個原料氣體側傳熱翅片22、22、…，該原料氣體側傳熱翅片22、22、…沿殼體1的軸線延伸並與原料氣體通路3面臨，由該改性氣體側傳熱翅片21、21、…和原料氣體側傳熱翅片22、22、…構成在改性氣體通路11內的改性氣體和原料氣體通路3內的原料氣體之間進行熱交換的熱交換器23。
而且，面臨上述改性氣體通路11的各改性氣體側傳熱翅片21、各隔壁2及殼體1由金屬質，構成催化劑載體，在該各改性氣體側傳熱翅片21的表面、各隔壁2的內面及殼體1的內面上塗敷或載持構成移位反應部10的變換催化劑(該變換催化劑的位置在圖4中用粗實線表示)。其它的構造與上述實施例1相同。另外，上述變換催化劑也可以塗敷或載持在至少各改性氣體側傳熱翅片21、21、…的表面上。
因此，在該實施例的情況下，當從改性反應部6的出口部6b出來的高溫改性氣體供給到移位反應部10的改性氣體10的反應部11時，其改性氣體在流動在改性氣體通路11中的期間，與面臨改性氣體通路11的各改性氣體側傳熱翅片21的表面、各隔壁2的內面及殼體1的內面的變換催化劑接觸進行移位反應。而且，其反應熱從改性氣體側傳熱翅片21、21、…通過原料氣體側傳熱翅片22、22、…傳遞到原料氣體通路3的原料氣體。因此，在這種情況下也可以獲得與上述實施例1相同的作用效果。另外，可以提高從移位反應部10向原料氣體的傳熱效率。
(實施例3)圖5表示實施例3，是在上述實施例2構成中變更了殼體1和隔壁2等形狀。即，在該實施例中，與上述實施例1相同地殼體1和殼體2構成為相互同心地配置的圓筒狀。
而且，熱交換23的原料氣體側傳熱翅片22、22、…突設於隔壁2外周面上，改性氣體側傳熱翅片21、21、…將改性氣體通路11劃分為多個部分的突設在隔壁2的內面上，該改性氣體側傳熱翅片21的表面直隔壁2的內面載持或塗敷著變換催化劑。因此，在該實施例中也可以獲得與上述實施例2相同的作用效果。
另外，在上述實施例1～3中，在殼體1內一體地設置原料氣體通路3、改性反應部6及移位反應部10，但是，也可以改性反應部6作為獨立體，只有原料氣體通路3和移位反應部10一體地設在殼體內。
(實施例4)圖6～圖8表示本發明的實施例4，在上述各實施例中，在移位反應部10中將改性氣體一邊與原料氣體熱交換一邊使其移位反應，而本實施例4是使改性氣體一邊與熱回收氣體熱交換一邊使其進行移位反應。
即，圖8表示實施例4的燃料電池系統，31是公知的固體高分子形燃料電池，該燃料電池31具有作為陽極的氫極33(燃料極)和作為陰極的氧極34(空氣極)，該氫極33和氧極34是夾著由固體高分子構成的電解質的電池本體32地被配置的催化劑電極，向上述氫極33供給含有氫氣的改性氣體，另外，向氧極34供給含有氧氣的空氣而使其進行電極反應，在兩電極33、34之間產生電動勢。
上述燃料電池31的氫極33通過氫極氣體通路36與排氣用燃燒器38連接，氧極34通過作為氧極排氣通路的回收氣體通路與排氣用燃燒器38連接，將從燃料電池31的氫極33排出的氫極側排氣和從氧極34排出的氧極側分別送到排氣用燃燒器38使其燃燒。
K是改性裝置，該改性裝置改性含有上述城市氣體和加溼空氣的原料氣體生成富含氫氣的改性氣體而供給上述燃料電池31的氫極33，該改性裝置K除了變換裝置A中的上述改性反應部6和移位反應部10之外還具有高溫側及低溫側的CO選擇氧化反應部40、41。上述改性反應部6和移位反應部10與上述各實施例1～3不同，獨立地被設置著。
在上述改性反應部6和移位反應部10之間的改性通路11上設有原料氣體預熱器52，由該原料氣體預熱器52回收為了在移位反應部10變換CO而冷卻在改性反應部6中生成的改性氣體並回收其排熱的同時，由其回收的排熱預熱供給到改性反應部6的原料氣體通路3內的原料氣體。
另外，在上述移位反應部10上分別通過改性氣體通路11連接著上述CO選擇氧化反應部40、41。該CO選擇氧化反應部40、41在氫氣環境下由選擇部分氧化催化劑使在移位反應部10中被變換的改性氣體反應，除去改性氣體中的CO，進一步降低其CO濃度。而且，低溫側CO選擇氧化反應部41通過改性氣體通路與上述燃料電池31的氫極33連接著。
在燃料電池系統中附設著冷卻水供給系統，該冷卻水供給系統具有儲存溫水的儲熱水罐43。在該儲存熱水罐的供給部上連接著冷卻水通路44的上遊端，該冷卻水通路44的下遊端與相同的儲存熱水罐43的回收部連接。另外，在冷卻水通路44的上遊端配著循環泵45。由該循環泵45使水在儲存熱水罐43和冷卻水通路44之間循環。
上述循環泵45下遊側的冷卻水通路44上分別從上遊側順序地串聯地連接著電池冷卻部46和燃燒器熱回收部47，該電池冷卻部46由用從循環泵45排出的水冷卻燃料電池31回收其排熱的熱交換器構成，該燃燒器熱回收部47由冷卻從上述排氣用燃燒器38排出的燃燒氣體並回收其排熱的熱交換器構成。
49是排出氣體的鼓風機，在該鼓風機49上連接著空氣供給通路50的上遊端，該空氣供給通路50的下遊端與燃料電池31的氧極34連接，將從鼓風機49來的空氣(氧氣)通過空氣供給通路50供給到燃料電池31的氧極34。在上述燃料電池31的氧極34和排氣用燃燒器38之間的熱回收氣體通路37的途中並列分支地連接著熱交換器51、熱交換器52和熱交換器53，該熱交換器51冷卻從低溫側的CO選擇氧化反應部41到燃料電池31的改性氣體並回收其排熱，該熱交換器52冷卻從高溫側的CO選擇氧化反應部40到低溫側的CO選擇氧化反應部41的改性氣體並回收其排熱，該熱交換器53冷卻在移位反應部10中生成的改性氣體並回收其排熱。
另外，在上述三個熱交換器51～53下遊側的熱回收氣體通路37上串聯地連接著熱交換器26，該熱交換器26設在移位反應部10中並在移位反應部10中冷卻來自改性反應部6的改性氣體並回收其排熱，由此，移位反應部10一邊使來自改性反應部6的改性氣體在上述熱交換器26中與熱回收氣體的熱交換一邊進行移位反應。
如圖6和圖7放大地表示的那樣，變換裝置A中的移位反應部10的殼體1是角筒狀，其殼體1的內部由一對相對置的隔壁2、2劃分為一個內側空間和二個外側空間，內側空間構成為改性氣體通路11，兩外側空間構成為熱回收氣體通路37。因此，上述熱回收通路37局部地設在改性氣體通路11內的後述的催化劑載體12的周圍。
在用上述殼體1的內面和兩隔壁2、2的內面包圍的內部空間(改性氣體通路11)中配置著由堇青石或陶瓷構成的多孔質材料構成的催化劑載體12，該催化劑載體12與改性氣體通路11面臨，在該催化劑載體12上塗敷或載持用於進行移位反應的具有耐熱性的貴金屬類變換催化劑。上述變換催化劑具體地講是作為活性氣體使用的是Pt或Pt、Ru的合金的催化劑。
另外，在上述各隔壁2的外面上突出設置著面臨熱回收氣體通路37並沿其內部的熱回收氣體的流動方向延伸的多個傳熱翅片16、16、…，由該傳熱翅片16、16、…及隔壁2、2構成上述熱交換器26，該熱交換器26在改性氣體通路11內的改性氣體和熱回收氣體37內的熱回收氣體(燃料電池31的氧極34側的排氣)之間進行熱交換。
因此，在本實施例中，當從改性反應部6出來的高溫改性氣體供給到移位反應部10的改性氣體通路11時，其改性氣體在流動在改性氣體通路11中期間與塗敷或載持在催化劑載體12上的變換催化劑接觸而進行移位反應。而且，其反應熱通過熱交換器26的傳熱翅片16、16、…及隔壁2、2傳遞到熱回收氣體通路37內的熱回收氣體(燃料電池31的氧極34側的排氣)。
這樣，來自改性反應部6的高溫改性氣體在移位反應部10中一邊與由燃料電池31的氧極34側的排氣構成的熱回收氣體進行熱交換一邊由水煤氣移位反應被變換，因此，來自改性反應部6的改性氣體在高溫狀態下被變換，可以將其改性氣體在從反應速度快的高溫狀態到反應速度慢但對反應平衡有利的低溫狀態的寬的溫度範圍中進行變換。即，通過來自改性反應部6的高溫改性氣體和熱回收氣體的熱交換，在移位反應部10側，在改性氣體入口側溫度變高，反應速度變大，在出口側溫度降低，反應速度降低，可以熱平衡地降低CO濃度。
並且，不需要控制改性氣體的溫度，可以使變換裝置A的構造簡單。
另外，可以降低移位反應部10的變換催化劑的充填量，使其熱容量減少，從而良好地維持負荷變動的響應性和起動時的特性。
另外，與上述實施例同樣地，由於移位反應部10的變換催化劑是具有耐熱性的貴金屬類催化劑，因此，可以在寬的溫度範圍區域維持高的活性。
另外，移位反應部10的變換催化劑是活性金屬使用Pt或Pt、Ru的合金，因此，在高溫下活性變高，難以產生甲烷化過程。
再者，上述移位反應部10的變換催化劑塗敷或載持在由多孔質材料構成的催化劑載體12上，因此，在移位反應部10時變換催化劑和改性氣體的接觸面積增大從而加快了反應速度，同時，增大了熱的輻射效率。
另外，上述多孔質材料是發泡金屬、堇青石或陶瓷的任何一種材料，可以容易獲得特別是可以確保與改性氣體的接觸面積增大的多孔質材料。
另外，由於上述熱回收氣體通路37部分地設置在催化劑載體12的周圍，由熱回收氣體通路37圍著催化劑載體12，可以提高熱效率。另外，該熱回收氣體通路37也可以圍著改性氣體通路11的催化劑載體12的整個周圍地進行設置。
另外，上述熱回收氣體由於是燃料電池31中的氧極34側的排氣，不需要向將空氣作為熱回收氣體使用的那樣地，要重新準備空氣，可以直接利用燃料電池31的已有的排氣，同時也不需要用於將空氣作為熱回收氣體而使其流動的鼓風機及其動力。
也可以如上所述地將空氣用作熱回收氣體，這時通過將空氣作為熱回收氣體，在高溫熱回收中即使在部分負荷時也可以進行穩定的熱交換，有容易獲得容易利用的熱回收氣體的優點。
(實施例5)圖9和圖10表示實施例5，是改變了上述實施例4中的移位反應部10的構造的實施例。
即，在該實施例中，與上述實施例2相同地在變換裝置A的移位反應部10中的殼體1內的兩隔壁2、2內面間一體地跨架著多個改性氣體側傳熱翅片21、21、…，該多個改性氣體側傳熱翅片21、21、…面臨兩隔壁2、2間的改性氣體通路11(內部空間)並且沿其內部的改性氣體的流動方向延伸。另外，在各隔壁2的外面上突出設置著多個熱回收氣體側傳熱翅片25、25、…，該多個熱回收氣體側傳熱翅片25、25、…面對熱回收氣體通路37地沿殼體1的軸向延伸，由這些改性氣體側傳熱翅片21、21、…和熱回收氣體側傳熱翅片25、25、…構成熱交換器26，該熱交換器26用於在改性通路11內的改性氣體和熱回收氣體通路37內的熱回收氣體之間進行熱交換。
在與上述改性氣體通路11面臨的各改性氣體側傳熱翅片21的表面、各隔壁2的內面及殼體1的內面(這些由金屬質構成催化劑載體)上塗敷或載持著構成移位反應部10的變換催化劑(其位置在圖10中用粗實線表示)。其它的構成與上述實施例4相同。
在該實施例中，當來自改性反應部6的高溫改性氣體供給到移位反應部10的改性氣體通路11時，在其改性氣體流動在改性氣體通路11中的期間，與面臨的各改性氣體側傳熱翅片21的表面、各隔壁2的內面及殼體1的內面的變換催化劑接觸進行移位反應。而且其反應熱從改性氣體側傳熱翅片21、21、…通過熱回收氣體側傳熱翅片25、25、…傳遞到熱回收氣體通路37的熱回收氣體中。因此，在這種情況下也可以得到與上述實施例4相同的作用效果。
另外，上述變換催化劑，由於塗敷或載持在金屬質的構成催化劑載體的各改性氣體側傳熱翅片21的表面、各隔壁2的內面及殼體1的內面上，因此，可以在移位反應部10中提高從改性氣體向熱回收氣體的傳熱效率，可以獲得由與熱回收氣體的熱交換冷卻面臨改性氣體通路11的變換催化劑所希望的催化劑載體。
(實施例6)圖11表示實施例6，是在上述實施例的構成中將殼體1的隔壁2等的形狀變更為圓形狀。
即，在該實施例中，與上述實施例3相同，殼體1和隔壁2做成為相互同心狀地配置著圓筒狀的構件。另外，熱交換器26的熱回收側傳熱翅片25、25、…突出設置在隔壁2的外周面上；改性氣體側傳熱翅片21、21、…突出設置在隔壁2的內面上，並將改性氣體通路11劃分為多個部分；在該改性氣體側傳熱翅片21的表面至隔壁2的內面(都是金屬質的催化劑載體)上載持或塗敷的變換催化劑。因此，在該實施例中也可以獲得與上述實施例5相同的作用效果。
另外，本發明當然也可以適用於使用於上述實施例那樣的原料電池系統以外的改性裝置。
產業上的可利用性本發明，在從反應速度快的高溫狀態到對於反應平衡性有利的低溫狀態的寬的溫度範圍中變換從改性反應部出來的改性氣體，可以實現變換溫度範圍的擴大的同時可以謀求不需要改性氣體的溫度控制使變換裝置的構成簡單化，還可以謀求移位反應部的變換催化劑的充填量的降低，在可提高燃料電池或氫發動機等的使用性這一點上其產業上的可利用性高。
權利要求
1.變換裝置，具有移位反應部(10)，該移位反應部(10)由變換催化劑使在改性反應部(6)中由含有部分氧化的反應從原料氣體生成的富含氫氣的改性氣體進行水煤氣移位反應來變換其改性氣體，其特徵在於，上述移位反應部(10)構成為將來自上述改性反應部(6)的改性氣體直接導入改性氣體通路(11)一邊與上述原料氣體熱交換一邊進行移位反應。
2.如權利要求1所述的變換裝置，其特徵在於，移位反應部(10)的變換催化劑是具有耐熱性的貴金屬類的催化劑。
3.如權利要求2所述的變換裝置，其特徵在於，移位反應部(10)的變換催化劑是將Pt或Pt、Ru作為活性金屬使用的催化劑。
4.如權利要求2所述的變換裝置，其特徵在於，移位反應部(10)的變換催化劑塗敷或載持在多孔質材料上。
5.如權利要求4所述的變換裝置，其特徵在於，多孔的材料是發泡金屬、堇青石或陶瓷的任何一種材料。
6.如權利要求1所述的變換裝置，其特徵在於，在移位反應部(10)的周圍設有對改性反應部(6)供給原料氣體的原料氣體通路(3)。
7.如權利要求6所述的變換裝置，其特徵在於，移位反應部(10)和原料氣體通路(3)一體地設在殼體(1)內。
8.如權利要求6所述的變換裝置，其特徵在於，設有由輻射使移位反應部(10)的反應熱和顯熱與原料氣體通路(3)的原料氣體熱交換的熱交換器(15)。
9.如權利要求8所述的變換裝置，其特徵在於，移位反應部(10)的改性氣體通路(11)做成為改性氣體從移位反應部(10)的中心側向外周側流動的形式。
10.如權利要求9所述的變換裝置，其特徵在於，移位反應部(10)中的改性氣體的流動方向下遊側部分的與原料氣體通路(3)的距離比上遊側部分的與原料氣體通路(3)的距離大。
11.如權利要求8所述的變換裝置，其特徵在於，熱交換器(15)具有面臨原料氣體通路(3)的傳熱翅片(16)。
12.如權利要求11所述的變換裝置，其特徵在於，傳熱翅片(16)沿原料氣體通路(3)設置多個，上述多個傳熱翅片(16)的移位反應部(10)中的改性氣體流動方向上遊側的間距比下遊側窄。
13.如權利要求7所述的變換裝置，其特徵在於，設有熱交換器(23)，該熱交換器(23)具有面臨改性氣體通路(11)的改性氣體側傳熱翅片(21)和面臨原料氣體通路(3)的原料氣體側傳熱翅片(22)，使移位反應部(10)的反應熱和顯熱與原料氣體通路(3)的原料氣體熱交換；移位反應部(10)變換催化劑至少塗敷或載持在上述改性氣體側傳熱翅片(21)上。
14.如權利要求7所述的變換裝置，其特徵在於，改性反應部(6)、原料氣體通路(3)及移位反應部(10)一體地設在殼體(1)內。
15.變換裝置，具有移位反應部(10)，該移位反應部(10)由變換催化劑使在改性反應部(6)中由含有部分氧化的反應從原料氣體生成的富含氫氣的改性氣體水煤氣移位反應來變換其改性氣體，其特徵在於，上述移位反應部(10)構成為，將來自上述改性反應部(6)的改性氣體一邊與熱回收氣體熱交換一邊進行移位反應。
16.如權利要求15所述的變換裝置，其特徵在於，移位反應部(10)的變換催化劑是具有耐熱性的貴金屬類的催化劑。
17.如權利要求16所述的變換裝置，其特徵在於，移位反應部(10)的變換催化劑是將Pt或Pt、Ru的合金作為活性金屬使用的催化劑。
18.如權利要求16所述的變換裝置，其特徵在於，移位反應部(10)的變換催化劑塗敷或載持在多孔質材料上。
19.如權利要求18所述的變換裝置，其特徵在於，多孔的材料是發泡金屬、堇青石或陶瓷的任何一種材料。
20.如權利要求16所述的變換裝置，其特徵在於，移位反應部(10)的變換催化劑塗敷或載持在由金屬構成的催化劑載體上。
21.如權利要求15～20中的任何一項所述的變換裝置，其特徵在於，流動熱回收氣體的熱回收氣體通路(37)設在催化劑載體的周圍。
22.如權利要求15～21中的任何一項所述的變換裝置，其特徵在於，熱回收氣體是空氣。
23.如權利要求15～21中的任何一項所述的變換裝置，其特徵在於，熱回收氣體是燃料電池(31)中的氧極(34)側的排氣。
全文摘要
為了降低在改性反應部(6)中通過含有部分氧化的反應從燃料氣體中生成的富含氫氣的改性氣體中的CO並且提高氫氣收穫率,其目的是在移位反應部(10)中由變換催化劑使其改性氣體水煤氣移位反應進行變換時,在移位反應部(10)中可以將來自改性反應部(6)的高溫的改性氣體原樣地進行移位反應,使變換裝置成為簡單的構造,將來自改性反應部(6)的改性氣體直接導入移位反應部(10)的改性氣體通路(11)一邊與原料氣體熱交換一邊使其進行移位反應。在從反應速度快的高溫狀態到反應速度平衡性好的低溫狀態的寬的溫度範圍中變換從改性反應部(6)出來的改性氣體,謀求變換溫度範圍的擴大的同時、謀求不需要改性氣體的溫度控制而使變換裝置的構成簡單化。
文檔編號H01M8/06GK1341076SQ00804333
公開日2002年3月20日 申請日期2000年11月8日 優先權日1999年12月28日
發明者松井伸樹, 池上周司, 岡本康令, 米本和生 申請人:大金工業株式會社