CN100395012C - 氢生成装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供具有重量轻而且热容量小的高性能的气体混合器的，氢生成效率以及响应性能优异的氢生成装置。本发明的氢生成装置，具备：含有两种或两种以上成分的混合气体流通的混合气体流路(9)、各始端从所述混合气体流路分叉，各终端相互汇合的第1流路和第2流路、设置于所述第1流路，使流过该第1流路的混合气体向第1方向转弯的第1旋转装置(45a～45d)、设置于所述第2流路，使流过该第2流路的混合气体向作为第1方向的反方向第2方向转弯的第2旋转装置(46a～46d)、以及使从所述汇合的第1流路和第2流路的终端流出的所述混合气体发生化学反应，生成氢的氢生成部。

Description

氢生成装置

技术领域

本发明涉及使至少包含碳和氢构成的有机化合物的原料和水发生化学反应生成氢，将该氢提供给燃料电池的氢生成装置。

背景技术

向来，发电效率和综合效率高的燃料电池热电联供系统(以下简称为燃料电池系统)作为能够有效的利用能量的分散型发电装置一直受到人们的注意。

燃料电池系统中，配设燃料电池作为其发电部的主体。这种燃料电池的大多数，例如已经实用化的磷酸型燃料电池(简称PAFC)和现在正在开发的固体高分子型燃料电池(简称PEFC)，采用氢作为发电用的燃料。但是，这种氢的供给装置当前并没有作为基本设施整备。因此在燃料电池系统中通常设置发电时需要的生成氢用的氢生成装置。在这种氢生成装置中，使用甲烷等碳氢化合物原料与水生成富氢的重整气体。燃料电池使用这种氢生成装置中生成的重整气体与空气，进行能够输出规定的功率的发电。

作为氢生成装置的氢生成方法，通常使用水蒸气重整法。这种水蒸气重整法利用水蒸气重整反应生成重整气体。这种水蒸气重整反应是采用钌催化剂在600℃～800℃的高温条件下使作为生成氢用的原料的城市煤气与水蒸气发生化学反应，以生成以氢为主要成分的重整气体的，各种氢生成反应中的一种的化学反应。

已有的氢生成装置的具体结构有例如具备多重同心圆筒状结构的氢生成装置。

图18是能够把原料和水蒸气均匀混合的氢生成装置的一个例子的内部结构示意剖面图。还有，图18中所示的箭头表示原料和水蒸气等气体的流动方向。

如图18所示，能够把原料和水蒸气均匀混合的氢生成装置300具备多重同心圆筒状结构。即这种氢生成装置300具备生成使水蒸气重整反应进行用的高温状态的燃烧气体的燃烧器16以及提供水同时利用燃烧器16加热，生成湿水蒸气或水蒸气的加热器17和18。又，该氢生成装置300在以燃烧器16为中心的多个同心圆筒19～28构成的多个圆环状空间中，以燃烧器16为中心同心圆筒状具备：利用燃烧器16生成的高温状态的燃烧气体通过的燃烧气体用流路29、原料和水蒸气的混合气体在进行水蒸气重整反应之前预热用的预热层30、加热到规定的温度，使水蒸气重整反应进行的重整催化剂层31、使在该重整催化剂层31生成的高温状态的重整气体的温度下降用的回收热的热回收层32、利用该热回收层32冷却的重整气体中的一氧化碳浓度借助于所述化学反应降低的的转化催化剂层33、利用该转化催化剂层33减少了一氧化碳浓度的重整气体与从提供选择氧化反应用的空气的空气供给部34取入的空气混合用的第1混合层35以及第2混合层36、以及通过第1混合层35和第2混合层36利用选择氧化反应进一步降低混合空气的重整气体中的一氧化碳浓度用的第1选择氧化催化剂层37和第2选择氧化催化剂层38。而且，如图18所示，在该氢生成装置300中，预热层30、热回收层32、第1混合层35、以及第2混合层36利用充填用于促进原料与水蒸气或空气的混合的陶瓷球的充填体构成(参照例如专利文献1)。

在这样构成的氢生成装置300中，在水蒸气重整反应中使用的水，提供给加热器17或加热器18，至少其中的一部分发生汽化，加热器17或18排出的水(温水)，在图18中未特别图示的混合部中与作为原料的城市煤气混合后，在同心圆筒25与同心圆筒26之间、以及同心圆筒24与同心圆筒25之间的各空间中移动时完全汽化，与城市煤气混合。然后，该城市煤气与水蒸气的混合气体通过预热层30时被充分混合后被提供给重整催化剂层31，被使用于该重整催化剂层31利用流过燃烧气体用流路29的燃烧气体加热后进行的水蒸气重整反应中。由该水蒸气重整反应生成的重整气体，其后通过热回收层32，在冷却到规定的温度之后提供给转化催化剂层33。然后利用在该转化催化剂层33进行的转化反应，消除重整气体中包含的一氧化碳的大部分。去除该一氧化碳的大部分后的重整气体，为了在其后进一步清除还含有少量的一氧化碳，在第1混合层35与空气供给部34提供的空气充分混合之后，提供给第1选择氧化催化剂层37。然后利用在该第1选择氧化催化剂层37进行的选择氧化反应，将重整气体中包含的一氧化碳的几乎全部因燃烧被去除。又，为了清除利用第1选择氧化催化剂层37不能够去除的一氧化碳，将利用第2混合层36使浓度均匀化的重整气体提供给第2选择氧化催化剂层38，在该第2选择氧化催化剂层38中，进一步去除一氧化碳。经过充分去除一氧化碳的重整气体提供给燃料电池。使用于该燃料电池的发电用的化学反应中。

如果采用该图18所示的氢生成装置300，由于在同心圆筒20与同心圆筒21之间配设由陶瓷球构成的预热层30，以此使通过预热层30的流体流动混乱，因此城市煤气等与原料水蒸气能够积极混合。换句话说，原料与水蒸气的混合气体的流动在通过预热层30时受到陶瓷球的影响形成三维的错综复杂的流动，因此能够很好促进原料与水蒸气的混合。又，如果采用这种氢生成装置300，在向转化催化剂层33提供重整气体时，利用热回收层32具有的混合作用提高重整气体的混合状态，因此能够很好地在转化催化剂层33中进行转化反应。还有，如果采用这种氢生成装置300，在对第1选择氧化催化剂层37和第2选择氧化催化剂层38分别提供重整气体时，由于利用第1混合层35和第2混合层36具有的混合作用提高重整气体的混合状态，能够很好地进行第1选择氧化催化剂层37和第2选择氧化催化剂层38的选择氧化反应。

但是，在该氢生成装置300中，在充填陶瓷球形成的预热层30、热回收层32、第1混合层35以及第2混合层36中，相邻存在的流体之间的混合性能比较好，但是存在于相互离开比较远的位置上的流体之间的混合性能比较差。具体地说，使用于重整反应的原料和水蒸气由氢生成装置300的图18的右上部提供，因此提供给图18的右侧的预热层30的流体中的原料和水蒸气的浓度比提供给图18的左侧的预热层30的流体中的原料和水蒸气的浓度高。在这种情况下，即使是要在其圆周方向上使预热层30的流体中的原料和水蒸气的浓度均匀化，也由于必须使该流体在预热层30的内部向远比预热层30的铅直方向的长度大的圆周方向移动，因此事实上在预热层30中使流体中的原料和水蒸气的浓度均匀化是困难的。因此提供给重整催化剂层31的原料和水蒸气的浓度在该催化剂层的圆周方向上分布不均匀，在重整催化剂层31的原料和水蒸气浓度低的位置上，发生对重整催化剂层31过度加热的部分，造成重整催化剂的劣化。又，在重整催化剂层31的原料和水蒸气浓度高的位置上，由于存在过多的水蒸气，使得重整催化剂层31的温度不能充分上升，减少了生成氢气的转化率。

又，在第1混合层35中，也与上述预热层30的情况相同，从图18所示的P1和P2的位置提供的空气的浓度不同，所以在其圆周方向上均匀化是困难的，因此提供给第1选择氧化催化剂层37的氧的浓度在其催化剂层的圆周方向上分布不均匀。因此在第1选择氧化催化剂层37的氧浓度低的位置上，不能够充分去除重整气体中包含的一氧化碳。另一方面，在第1选择氧化剂层37的氧浓度高的位置上，即使是将重整气体中包含的一氧化碳用氧化方法去除，也由于剩余的氧的存在连生成的氢都消耗掉，造成氢生成效率的下降。

因此，为了抑制如上所述提供给重整催化剂层31的原料和水蒸气的浓度的重大差异，建议能够提高在圆周方向上离开的位置上存在的流体之间的混合性能的氢生成装置。

图19是能够提高在圆周方向上相互离开的位置上存在的流体之间的混合性能的氢生成装置的一个例子的内部结构的示意性纵剖面图。图19中所示的箭头表示原料和水蒸气等气体的流动方向。

如图19所示，该氢生成装置400具备城市煤气提供用配管连接部1、水供给用配管连接部2、燃烧气体排气口13、以及出口配管15。又，该氢生成装置400以燃烧器3为中心成同心圆筒状地具备：燃烧气体用流路4～6、城市煤气供给用配管连接部1和水供给用连接部2提供的城市煤气和水向下流动的流下流路8、向下流过该流下流路8的过程中生成的水蒸气与城市煤气的混合气体上升的上升流路9、使利用水蒸气重整反应生成的重整气体在氢生成装置400的内部流通的重整气体用流路11。又，在该氢生成装置400中，利用流下流路8与上升流路9构成蒸发器10，同时在重整气体用流路11的内部的规定区域设置使水蒸气重整反应进行用的重整催化剂层12。而且在该图19所示的氢生成装置400中，上升流路9和重整气体用流路11利用两个圆盘状的横壁39和横壁40夹着构成的圆盘状的空间41与催化剂配管42连接。而且如图19所示，在该氢生成装置400中，为了促进原料和水蒸气的混合，至少在圆盘形状的空间41中充填许多其直径为空间41的高度的1/3左右的球状的氧化铝颗粒43。

在这样构成氢生成装置400中，一旦从城市煤气供给用配管连接部1和水供给用配管连接部2向流下流路8提供城市煤气和水，就在蒸发器10中生成城市煤气与水蒸气的混合气体。然后在该蒸发器10的内部向圆周方向扩展存在的城市煤气与水蒸气的混合气体在其后通过空间41和催化剂配管42，被提供给充填重整催化剂的重整催化剂层12。于是，在该重整催化剂层12中流过燃烧气体用流路4的燃烧气体将重整催化剂加热到高温，进行水蒸气重整反应，借助于此，由混合气体生成包含氢气、二氧化碳和一氧化碳的重整气体。在这里，该氢生成装置400中，与图18所示的氢生成装置300的情况相同，至少在空间41充填球状的氧化铝颗粒43，因此流过圆盘状空间41的流体的流动混乱，所以能够使城市煤气等原料和水蒸气积极混合。换句话说，原料与水蒸气的混合气体流通过圆盘状空间41时受氧化铝颗粒43的影响，成为三维的错综复杂的气流，因此与图18所示的氢生成装置300的情况一样能够以此改善原料与水蒸气的混合状态。

又，在该氢生成装置400中，上升流路9与重整气体用流路11借助于两个圆盘状横壁39和横壁40夹着构成的圆盘状空间41与催化剂配管42连接，因此通过蒸发器10的城市煤气与水蒸气的混合气体受氧化铝颗粒43的影响以紊流状态从蒸发器10的全部领域通过圆盘状空间41，汇集于催化剂配管42之后被提供给重整催化剂层12。因此从城市煤气供给用配管连接部1提供的城市煤气通过流下流路8与上升流路9的内部向城市煤气供给用配管连接部1一侧流动，在图19所示的空间41的右侧，混合气体中的城市煤气的浓度高，反之，在图19所示的空间41的左侧，混合气体中的城市煤气的浓度低的，即在圆周方向上有空间浓度分布的情况下，重整催化剂层12内的圆周方向的例如城市煤气和水蒸气的混合状态也充分平均化。也就是说，如果采用图19所示的氢生成装置400，则能够改善城市煤气与水蒸气的混合气体等流体的混合状态，同时能够改善在圆周方向上相互保持距离的位置上存在的流体之间的混合状态。

专利文献1：国际公开号WO2000/063114号公报

发明内容

解决的课题

但是，在上述氢生成装置400中，由于至少在空间41大量充填用于改善混合气体中的城市煤气与水蒸气的混合状态的氧化铝颗粒43，因此存在氢生成装置400的重量增加的问题，而且由于这一问题而发生影响具备氢生成装置400的燃料电池系统的轻量化的问题。

又，在该氢生成装置400中，由于使用许多氧化铝颗粒43，氢生成装置400的热容量增加。因此在有必要根据负载的消耗电力的增加而增加提供给燃料电池的重整气体的供给量的情况下，氢生成装置400的内部的温度分布在变成最佳温度分布之前需要很长时间，因此存在响应性能差的问题。这一问题特别在使氢生成装置400启动时特别重要。

具体地说，氢生成装置400启动时，氧化铝颗粒43的温度为室温或接近室温的温度，但是其后被燃烧器3生成的高温状态的燃烧气体所加热，其温度逐渐上升。在这种情况下，使全部氧化铝颗粒43的温度从室温上升到例如200℃所需要的热量约为140kJ(假定氧化铝颗粒43的总重量为约1kg，并且其比热假定为约0.8kJ/kg·℃)。另一方面，在以城市煤气为原料的氢生成装置40中，在刚启动时，为了利用燃烧城市煤气对氧化铝颗粒43进行加热，假定城市煤气的低位发热量为约42kJ/NLM时，为了得到上述约140kJ的热量，需要大约3.3NLM的城市煤气。在这种情况下，假定利用约1.5NLM/分的城市煤气的燃烧对氧化铝颗粒43进行加热，则为了使全部氧化铝颗粒43的温度从室温上升到200℃，需要约2分钟的时间。而且实际上由于在氢生成装置400中有散热损失，因此发生两分钟以上的启动时间的延迟。

这时，如果在氧化铝颗粒43的温度充分上升之前对氢生成装置400提供原料和水蒸气，则所提供的水蒸气由于氧化铝颗粒43的冷却而作为水凝集下来，因此对重整催化剂层12所提供的原料是水蒸气量不足的原料。在这种情况下，在水蒸气的量少的条件(具体地说提供给重整催化剂层12的水蒸气的摩尔量S与原料中包含的碳的摩尔量C之比S/C低于2.7～32范围的条件)下如果使水蒸气重整反应进行，则重整催化剂的表面上将析出原料中的碳，重整催化剂的催化活性下降。而且如果使这样的运行条件继续下去，则整个重整催化剂层的催化剂性能将会劣化，因此氢生成装置400不能长期使用。因此实际上需要在氧化铝颗粒43的温度充分上升之后给氢生成装置400提供原料和水蒸气。也就是说，在上述氢生成装置400中，存在从启动到电力输出开始的待机时间长的问题。

又，图18所示的氢生成装置300也是预热层30或第1混合层35等利用陶瓷球构成，从而也有与上述氢生成装置400相同的问题。

本发明是鉴于这样的情况而作出的，其目的在于提供具备重量轻而且热容量小的高性能的气体混合器的，氢生成效率和响应性能优异的氢生成装置。

解决课题用的手段

为了解决上述课题，本发明的氢生成装置具备：含有两种或两种以上成分的混合气体流通的混合气体流路、各始端从所述混合气体流路分叉，各终端相互汇合的第1流路和第2流路、设置于所述第1流路，使流过该第1流路的混合气体向第1方向转弯的第1旋转装置、设置于所述第2流路，使流过该第2流路的混合气体向作为和第1方向的相反方向即第2方向转弯的第2旋转装置、以及使从所述汇合的第1流路和第2流路的终端流出的所述混合气体发生化学反应，生成氢的氢生成部。

采用这样的结构时，提供给重整催化剂层或选择氧化催化剂层的混合气体的混合状态能够得到改善，同时提供给重整催化剂层或选择氧化催化剂层的混合气体中的城市煤气等组成成分的浓度能够与供给位置无关地形成均匀的浓度，因此能够提供氢生成效率优异的氢生成装置。

在这种情况下，所述第1流路和所述第2流路形成为所述混合气体能够一边在从所述第1流路的终端和所述第2流路的终端来的混合气体的流出方向的垂直平面内流动，一边分别进行所述第1方向的转弯和所述第2方向的转弯。

采用这样的结构时，能够形成平板状的气体混合器，因此能够使氢生成装置薄型化。

在这种情况下，所述第1流路和所述第2流路分别具有相互一致的中心轴，外周面开放，而且形成中心有圆形开口的中空状，所述外周面构成作为始端的入口，同时所述开口构成作为终端的出口，所述第1旋转装置由在沿着所述中心轴的方向分隔所述第1流路的内部空间，而且从该内部空间的外围向内，终端对始端从半径方向向所述第1方向偏移地延伸的多个分隔墙构成，所述第2旋转装置由在沿着所述中心轴的方向分隔所述第2流路的内部空间，而且从该内部空间的外围向内，终端对始端从半径方向向所述第2方向偏移地延伸的多个分隔墙构成。

采用这样的结构时，能够合适地构成气体混合向内优异的平板状的气体混合器。

所述分隔墙的终端相对于始端的偏移在所述中心轴的周围的旋转角度中是在45°～90°的范围内。

采用这样的结构时能够很好地改善混合气体的混合状态。

在这种情况下，所述第1流路及所述第2流路与所述第1旋转装置及所述第2旋转装置沿着所述中心轴分别形成多个。

采用这样的结构时能够更好地改善混合气体的混合状态。

又，在上述情况下，所述第1流路和所述第2流路形成为所述混合气体能够一边在从所述第1流路的终端和所述第2流路的终端来的混合气体的流出方向的平行方向上的筒状面内流动，一边分别进行所述第1方向的转弯和所述第2方向的转弯。

采用这样的结构时，能够构成圆筒状的气体混合器，因此能够使氢生成装置小型化。

在这种情况下，所述第1流路和所述第2流路分别形成为以所述第1流路和第2流路的中心轴为中心轴且具有环状剖面的筒状，一侧的各端面构成作为始端的入口，同时另一侧的各端面构成作为终端的出口，所述第1旋转装置由螺旋状分隔所述第1流路的筒状的内部空间，使其在所述第1方向上旋转的多个分隔墙构成，所述第2旋转装置由螺旋状分隔所述第1流路的筒状的内部空间，使其在所述第2方向上旋转的多个分隔墙构成。

采用这样的结构时，能够很好地构成气体混合性能优异的圆筒状的气体混合器。

在这种情况下，所述分隔墙的从始端到终端的旋转角度是45°～90°范围的旋转角度。

采用这样的结构时，能够很好地改善混合气体的混合状态。

在这种情况下，用所述分隔墙分隔的旋转流路的出口的一部分封闭。

采用这样的结构时，能够更好地改善混合气体的混合状态。

在这种情况下，所述第1流路和所述第2流路由圆筒状的分隔墙分隔形成，所述第1流路和所述第2流路中的任一个的所述旋转流路的出口被封闭，所述分隔墙的该封闭的出口的近旁部分形成开口。

采用这样的结构时，能够更好地改善混合气体的混合状态。

在这种情况下，所述第1流路和所述第2流路沿着所述中心轴分别形成多条，在所述混合气体流路中，位于上游侧的所述第1流路和所述第2流路的终端连接于位于下游侧的所述第1流路和所述第2流路的始端。

采用这样的结构时，能够更好地改善混合气体的混合状态。

又，在上述情况下，所述混合气体是至少具有碳和氢的有机化合物与水汇合的混合气体，所述化学反应是由所述有机化合物与水混合的混合气体生成氢的水蒸气重整反应，所述氢生成部是利用所述水蒸气重整反应生成富含氢的重整气体的重整反应部，所述第1旋转装置和所述第2旋转装置配设于所述重整反应部的上游，从所述汇合的第1流路和第2流路的终端流出的所述混合气体被提供给所述重整反应部，生成氢。

采用这样的结构时，能够改善提供给重整反应部的混合气体的混合状态，因此能够更好地进行重整反应部的重整反应。

又，在上述情况下，所述混合气体是所述重整气体与氧气混合的混合气体，设置利用氧气，借助于将一氧化碳变换为二氧化碳的选择氧化反应减少所述重整气体中的一氧化碳的选择氧化反应部，取代所述氢生成部，所述第1旋转装置和所述第2旋转装置配置于所述选择氧化反应部的上游，从所述汇合的第1流路和第2流路的终端流出的所述混合气体被提供给所述选择氧化反应部，减少所述重整气体中的一氧化碳。

采用这样的结构时，能够改善提供给选择氧化反应部的混合气体的混合状态，因此能够更好地进行选择氧化反应部的选择氧化反应。

发明效果

本发明采用以上说明的解决手段实施，能够提供具备重量轻而且热容量小的高性能的气体混合器的，氢生成效率和响应性能优异的氢生成装置。

采用本发明，能够消除提供给重整催化剂层的原料和水蒸气的混合气体等流体的时间上和空间上的浓度不均匀性。于是，其结果是能够确保重整气体的浓度的时间和空间上的均匀性，因此能够有效地使用重整催化剂层和配设于其下游侧的重整反应器等除一氧化碳催化剂层，能够对减少各催化剂数量和氢生成装置的小型化作出重大贡献。

附图说明

图1是本发明实施形态1的氢生成装置的内部结构的示意纵剖面图。

图2是本发明实施形态1的气体混合器的内部结构的示意图，图2(a)是气体混合器的平面图，图2(b)是气体混合器的剖面图。

图3对所述分隔墙分隔于其上侧的混合气体流进行示意性解释。

图4对所述分隔墙分隔于其下侧的混合气体流进行示意性解释。

图5是本发明实施形态1的其他气体混合器的内部结构的示意图，图5(a)是气体混合器的平面图，图5(b)是气体混合器的剖面图。

图6是表示在分隔墙的一个面上配设8个流路规定构件的情况下的气体混合器的结构的平面图。

图7是本发明实施形态2的氢生成装置的内部结构的示意纵剖面图。

图8是本发明实施形态2的气体混合器的内部结构的示意纵剖面图。

图9是示意性表示气体混合器中的重整气体的流动的解说图，图9(a)是示意性表示被混合用同心圆筒分割于其内侧的混合气体的解说图，图9(b)是示意性表示混合用同心圆筒分割于其外侧的混合气体的解说图，

图10是用于更容易理解地说明图9所示的本实施形态的气体混合器的动作的解说图。

图11是本发明实施形态2的其他气体混合器的内部结构的示意纵剖面图。

图12是本发明实施形态2的其他气体混合器的内部结构的示意纵割面图。

图13是示意性表示本实施形态的气体混合器中的第1流体(例如原料)和第2流体(例如水蒸气)的混合气体的旋转角度与使用通过气体混合器的混合气体的情况下的重整催化剂层中的重整反应转化率之间的关系的关系图。

图14是本发明实施形态3的气体混合器的内部结构的示意图，图14(a)是气体混合器的上表面图，图14(b)是气体混合器的侧面图。

图15是本发明实施形态4的气体混合器的内部结构的示意图，图15(a)是气体混合器的上表面图，图15(b)是气体混合器的侧面图。

图16是本发明实施形态2～4的气体混合器串列集合形成的第1气体混合器集合体的内部结构的示意图。

图17是本发明实施形态2～4的气体混合器串列集合形成的第2气体混合器集合体的内部结构的示意图。

图18是能够将原料与水蒸气均匀混合的氢生成装置的一个例子的内部结构示意纵剖面图。

图19是能够提高在圆周方向上相互离开的位置上存在的流体之间的混合性能的氢生成装置的一个例子的内部结构的示意性纵剖面图。

符号说明

1城市煤气供给用配管连结部

2水供给用配管连结部

3燃烧器

4～6燃烧气体用流路

8流下流路

9上升流路

10蒸发器

11重整气体用流路

12重整催化剂层

13燃烧气体排气口

15出口配管

16燃烧器

17、18加热器

19～28同心圆筒

29燃烧气体用流路

30预热层

31重整催化剂层

32热回收层

33转化催化剂层

34空气供给部

35第1混合层

36第2混合层

37第1选择氧化催化剂层

38第2选择氧化催化剂层

39～40横壁

41空间

42催化剂配管

43氧化铝颗粒

44端部

45a～45d流路规定构件

46a～46d流路规定构件

47～49混合气体

50分隔墙

51连通孔

52端部

53a～53d流路规定构件

54a～54d流路规定构件

55、56混合气体

57分隔板

58分隔墙

59a～59h流路规定构件

60a～60h流路规定构件

61混合用同心圆筒

62a～62d内侧流路规定构件

63a～63d外侧流路规定构件

64～66重整气体

67a～67h内侧流路规定构件

68a～68h外侧流路规定构件

69、70出口部

71挡板

72、73开口部

74挡板

75开口部

76混合用同心圆筒

77外壳

101气体混合器

101’气体混合器

102、103气体混合器

201、202气体混合器

203～208气体混合器

100～400氢生成装置

A  第1规定位置

B  第2规定位置

C  第3规定位置

D  第4规定位置

E  第5规定位置

F  第6规定位置

G  第7规定位置

H  第8规定位置

c  中心轴

最佳实施方式

下面参照附图对实施本发明的最佳形态进行详细说明。

实施形态1

在本发明的实施形态1中，对利用圆盘状空间连接使所提供的水蒸发并且使其与原料混合生成混合气体的蒸发器与使生成重整气体用的水蒸气重整反应进行的反应部，通过在该圆盘状空间配设气体混合器在水平方向上改善气体混合的混合状态的形态进行说明。

首先参照图1对本发明实施形态1的氢生成装置100的基本结构和动作进行说明。

图1是示意性表示本发明实施形态1的氢生成装置100的内部结构的纵剖面图。还有，在图1中，对重整气体中包含的一氧化碳的去除用的转化反应器和选择氧化反应器以及燃料电池主体的记载被省略。又，在图1中所示的箭头表示原料和水蒸气等气体流动的方向。

如图1所示，本实施形态的氢生成装置100具有上端和下端封闭的圆筒状外壳77。该外壳77的内部用圆筒状的纵壁和圆板状的横壁区隔，形成以下所述的各种流路等。具备这样的外壳77的氢生成装置100，具有从外部的基础设施向氢生成装置100提供城市煤气用的城市煤气供给用配管连接部1、从自来水管道向氢生成装置100供水用的水供给用配管连接部2、以及使水蒸气重整反应用的高温状态的燃烧气体生成用的燃烧器3。

又，该氢生成装置100使得使燃烧器3生成的高温状态的燃烧气体在氢生成装置100内部流通的燃烧气体用流路4～6、从城市煤气供给用配管连接部1和水供给用配管连接部2提供的城市煤气和水向下流动的流下流路8、在向下流过该流下流路8的过程中生成的水蒸气和城市煤气的混合气体上升的上升流路9、以及使水蒸气重整反应生成的重整气体在氢生成装置100内部流通的重整气体用流路11相对于氢生成装置100的中心轴C具有同心圆筒状。在这里，在本实施形态的氢生成装置100中，流下流路8与上升流路9构成蒸发器10，利用蒸发器10将生成的水蒸气与城市煤气混合。又在重整气体用流路11的内部的规定区域形成使水蒸气重整反应进行用的重整催化剂层12。又，该氢生成装置100具备使通过燃烧气体用流路4～6的燃烧气体向氢生成装置100外部排放用的燃烧气体排气口13和通过重整气体用流路11的重整气体向氢生成装置100外部排出用的出口配管15。

而且如图1所示，本实施形态的氢生成装置100中，上升流路9的端部44和向重整气体用流路11引入混合气体的催化剂配管42，利用由两个圆盘状横壁39和横壁40夹着构成的圆盘状空间41连接。在这里，在横壁40的中央部形成具备催化剂配管42能够连接的直径的贯通孔，在该贯通孔上连接催化剂配管42的一端。又如图1所示，在该氢生成装置100中，上述圆盘状空间41上配设改善上升流路9中通过的原料和水蒸气的混合气体的混合状态用的作为本发明特征的气体混合器101。下面对该气体混合器101的构成进行详细说明。

在这样构成的本实施形态的氢生成装置100中，从城市煤气供给用配管连接部1和水供给用配管连接部2向流下流路8提供城市煤气等原料和水时，在该流下流路8水被加热生成水蒸气，该水蒸气与原料一边慢慢混合并且一边通过上升流路9，其后从上升流路9的端部44作为混合气体排出。也就是说，在蒸发器10中，生成原料与水蒸气的混合气体。然后，在蒸发器10中生成的混合气体提供给配设气体混合器101的空间41。然后在该气体混合器101中，在混合气体中的原料与水蒸气得到充分混合的同时，在上升流路9中，在其圆周方向具有浓度分布地扩展开来的混合气体被汇集并均匀混合。下面对利用该气体混合器101改善混合气体的混合状态的改善作用进行详细说明。

通过气体混合器101的混合气体其后通过催化剂配管42，提供给具备充填重整催化剂的重整催化剂层12的重整气体用流路11。于是，在该重整催化剂层12中，流过燃烧气体用流路4的燃烧气体将重整催化剂层12加热到高温，以进行水蒸气重整反应，以此从混合气体生成包含氢和二氧化碳以及一氧化碳的重整气体。其后该重整气体还通过重整气体用流路11，从出口配管15提供给用于减低重整气体中的一氧化碳浓度的转化反应器。还有，提供燃烧气体用流路4的燃烧气体在通过燃烧气体用流路5～6之后通过燃烧气体排气口13排放到氢生成装置100的外部。

下面参照附图对本发明的实施形态1的气体混合器101的结构进行说明。

图2是本发明实施形态1的气体混合器101的内部结构的示意图，图2(a)是气体混合器101的平面图，图2(b)是气体混合器101的剖面图。还有，在图2(a)中，实线表示气体混合器101中的下述上侧的流路规定构件45a～45d，虚线表示下侧的流路规定构件46a～46d。

如图2(a)和图2(b)所示，本实施形态的气体混合器101具有将从图1所示的上升流路9上升的混合气体47分为像混合气体48和混合气体49那样上下两部分的圆盘状分隔墙50。在该分隔墙50的中央部设置有与催化剂配管42的直径大致相同直径的连通孔51。而且该分隔墙50的两面上的连通孔51的外周部与分隔墙50的外周部之间，配设在平面上看来显示为涡旋状而且在侧面看来显示为带状的流路规定构件45a～45d和46a～46d。

具体地说，如图2(a)所示，在分隔墙50的上侧等间隔配设分别具有规定的涡旋状的4个流路规定构件45a～45d。这些流路规定构件45a～45d具有能够使混合气体48的流动方向左旋的涡旋状。又如图2a所示，在分隔墙50的下侧等间隔配设分别具有涡旋状的4个流路规定构件46a～46d。这些流路规定构件46a～46d具有能够使混合气体49的流动方向右旋的涡旋状。在这里，如图2a所示，流路规定构件45a～45d分别配设于分隔墙50的表面，而且其长度方向的分隔墙50的外周部一侧的端部配置于每隔45°进行定位的第1规定位置A～第4规定位置D，其长度方向上的分隔墙50的内周部一侧(连通孔51的外周部一侧)的端部被配置于相对于第1规定位置A～第4规定位置D左旋移动45°的第5规定位置E～第8规定位置H。另一方面，如图2(a)所示，流路规定构件46a～46d分别配设于分隔墙50的表面，而且其长度方向的分隔墙50的外周部一侧的端部配置于上述第1规定位置A～第4规定位置D，其长度方向上的分隔墙50的内周部一侧(连通孔51的外周部一侧)的端部被配置于相对于第1规定位置A～第4规定位置D右旋移动45°的第7规定位置G、第6规定位置F、第5规定位置E、第8规定位置H。也就是说，本实施形态的气体混合器101中，流路规定构件45a～45d和流路规定构件46a～46d在图2(a)所示的平面中，分别配置为涡旋状而且使混合气体48与混合气体49相互逆向旋转，而且在从分隔墙50的各个面观察的情况下混合气体48与混合气体49在相同方向旋转。于是，这样由分隔墙50和流路规定构件45a～45d以及流路规定构件46a～46d构成的气体混合器101利用规定的固定手段配设和固定于连接上述流路9和催化剂配管42的圆盘状空间41上，并且使得气体混合器101的连通孔51与催化剂配管23在中心轴C的方向上大致一致。还有，如图2(a)和图2(b)所示，在气体混合器101的规定位置上，贯通将在重整催化剂层12中生成的重整气体排出到氢生成装置100的外部用的出口配管15。又，上述流路规定构件45a～45d以及流路规定构件46a～46d的形状，为了使得向各流路流动的混合气体的流量相等，最好是分别具有相同的形状。

下面参照附图详细说明本发明实施形态1的气体混合器101对混合气体的混合状态的改善作用。

图3对被所述分隔墙50分隔于其上侧的混合气体48的流动进行示意性解释。还有，图3表示从与图2(a)所示的平面图相同方向观察的情况下的平面图。又，在图3中利用具有各种不同花纹的箭头方便地表示出从四个方向流入分隔墙50的上侧的混合气体48的流动。

又，图4对被所述分隔墙50分隔于其下侧的混合气体49的流动进行示意性解释。还有，图4也表示从与图2(a)所示的平面图相同的方向透视一部分观察到的情况的平面图。又，图4也利用具有各种不同花纹的箭头方便地表示从四个方向流入分隔墙50的下侧的混合气体49的流动。

如图3所示，例如白箭头所示的从图3中的右侧流入的混合气体48a借助于流量规定构件45a和流量规定构件46d，其流路变更为左旋，从图3的上侧流入连通孔51。又，其他箭头所示的从图3中的上侧流入的混合气体48b借助于流路规定构件45b和流路规定构件45a，其流路变更为左旋，从图3的左侧流入连通孔51。又，其他箭头所示的从图3的左侧流入的混合气体48c借助于流路规定构件45c和流路规定构件45b使其流路变更为左旋，从图3的流入连通孔51。又，其他箭头所示的从图3的下侧流入的混合气体48d利用流路规定构件45d和流路规定构件45c将其流路改变为左旋，从图3的右侧流入连通孔51。这样，流路规定构件45a～45d具有使流入分隔构件50的上侧的混合气体48a～混合气体48d的流向向左旋转90°，将其送入连通孔51的作用。

另一方面，如图4所示，从例如白箭头所示的图4中的右侧流入的混合气体49a借助于流路规定构件46a和流路规定构件46d使其流路变更为右旋，从图4的下侧流入连通孔51。又，另一箭头所示的从图4的上侧流入的混合气体49b，借助于流路规定构件46b和流路规定构件4a使其流路变更为右旋，从图4的右侧流入连通孔51。又，从另一箭头所示的图4中的左侧流入的混合气体49c借助于流路规定构件46c和流路规定构件46b使其流路变更为右旋，从图4的上侧流入连通孔51。又，另一箭头所示的从图4中的下侧流入的混合气体49d借助于流路规定构件46d和流路规定构件46c使其流路变更为右旋，从图4的左侧流入连通孔51。这样，流路规定构件46a～46d具有使得流路分隔墙50的下侧的混合气体49a～49d的流向向右转动90°将其送入连通孔51的作用。

以上的结果表示，如果采用本实施形态的气体混合器101，则从连通孔51的上侧，流入从分隔墙50的右侧流入的混合气体48的一半的混合气体48a和从左侧流入的混合气体49的一半的混合气体49c，同样，从连通孔51的下侧，流入从分隔墙50的右侧流入的混合气体49的一半的混合气体49a和从左侧流入的混合气体48的一半的混合气体48c。又，从连通孔51的右侧，流入从分隔墙50的下侧流入的混合气体48的一半的混合气体48d和从下侧流入的混合气体49的一半的混合气体49b，同样，从连通孔51的左侧，流入从分隔墙50的上侧流入的混合气体48的一半的混合气体48b和从上侧流入的混合气体49的一半的混合气体49d。因此，像例如对分隔墙50从右侧提供城市煤气的浓度高的混合气体，又从左侧提供水蒸气浓度高的混合气体的情况那样，构成混合气体的成分的浓度在空间上明显有倾向性分布的情况下，也由于从连通孔51的上下分别供应一半的量，所以能够消除空间上浓度分布的偏向，实线均匀化。换句话说，由于城市煤气浓度高的混合气体与水蒸气浓度高的混合气体的接触场所多，因此能够实现空间上的浓度分布均匀化。其结果是，通过催化剂配管42提供给重整催化剂层12的端部52(参照图1)的混合气体的浓度的不均匀能够消除，借助于此，能够使重整气体的浓度在空间上均匀化。又，由于上述气体混合器101对混合气体的混合状态的改善作用，混合气体中的城市煤气与水蒸气的混合状态能够得到改善。而且，通过采用分隔墙50、流路规定构件45a～45d以及流路规定构件46a～46d构成的结构，能够减小气体混合器101的热容量，因此能够提供响应性优异的氢生成装置100。

在这里，在上述实施形态中，对在圆盘状空间41上配设一个混合器101的情况进行说明，但是，并不限于这样的形态，也可以采用配设多个混合器的形态。

图5是本发明实施形态1的其他气体混合器102的内部结构的示意图，图5(a)是气体混合器102的平面图，图5(b)是气体混合器102的剖面图。还有，在图5(a)中，粗实线表示气体混合器102中的下述上侧的流路规定构件45a～45d，细实线和虚线表示在下侧配置的流路规定构件53a～53d以及54a～54d。又，在图5(a)以及图5(b)中，对于与图2(a)和图2(b)所示的结构要素相同的结构要素标以相同的符号。

如图5(a)和图5(b)所示，本发明实施形态1的其他气体混合器102中，具备相当于将图2(a)和图2(b)所示的气体混合器101在中心轴C的方向上二级重叠的结构。也就是说，在该气体混合器102中，将分隔墙50和流路规定构件45a～45d及流路规定构件46a～46d构成的第1气体混合器101、以及分隔墙58和流路规定构件53a～53d及流路规定构件54a～54d构成的第2气体混合器101’做成隔着在其中央部具有与连通孔51大致相同直径孔的圆盘状分隔板57双层叠层的结构。而且如图5(a)所示，在该气体混合器102中，使气体混合器101与第2气体混合器101’的位置关系具有45°的旋转角度，形成在中心轴C的方向上将气体混合器101与第2气体混合器101’双层叠层的结构。而且其他各点与图2(a)和图2(b)所示的其他混合器101的情况相同。

如果采用这样构成的其他混合器102，则能够利用分隔墙50、分隔板57以及分隔墙58将通过上升流路9的混合气体47在中心轴C的方向上分隔为4个部分的混合气体，即混合气体48、混合气体49、混合气体55、以及混合气体56，同时这些混合气体48、混合气体49、混合气体55、以及混合气体56分别借助于流路规定构件45a～45d、流路规定构件46a～46d、流路规定构件53a～53d、以及流路规定构件54a～54d分别旋转规定的角度，因此能够使提供给催化剂配管42的混合气体中的城市煤气和水蒸气的浓度偏移在空间上进一步均匀化。

又，在上述实施形态中对在分隔墙50(分隔墙50以及分隔墙58)的一个面上将4片流路规定构件每隔90°配置一片的情况进行说明，但是并不限于这样的形态，也可以采用以任意角度间隔配设多个流路规定构件的形态。在这种情况下，随着流路规定构件的间隔角度的减小，也就是流路规定构件的配设数目的增加，提供给催化剂配管42的混合气体中的城市煤气与水蒸气的空间上的浓度分布能够进一步均匀化。

图6是表示在分隔墙50的一个面上配设8个流路规定构件的情况下的气体混合器103的结构的平面图。还有，在图6中，气体混合器103的下述上侧的流路规定构件59a～59h用实线表示，下侧的流路规定构件60a～60h用虚线表示。又，图6中，对与图2(a)及图2(b)所示的结构要素相同的结构要素标以相同的符号。

如图6所示，在本发明实施形态1的另一种气体混合器103中，在分隔墙50的上侧设置8个流路规定构件59a～流路规定构件59h。这些流路规定构件59a～流路规定构件59h设置于分隔墙50的一个面上，而且使相邻的流路规定构件之间的隔离角度为45°。又如图6所示，在该气体混合器103中，在分隔墙50的下侧设置流路规定构件60a～流路规定构件60h。还有，这些流路规定构件60a～流路规定构件60h也与流路规定构件59a～流路规定构件59h的配设形态相同，配设于分隔墙50的一个面上，而且使相邻的流路规定构件之间的规定角度为45°。还有，其他方面与图2(a)和图2(b)所示的其他混合器相同。这样，通过增加流路规定构件的个数也能够使提供给催化剂配管42的混合气体中的城市煤气和水蒸气在空间上的浓度分布进一步均匀化。

还有，在本实施形态中，如图2(a)所示，将流路规定构件的形状做成缓慢弯曲的形状，但是流路规定构件的形状并不限于这样的弯曲的形状，也可以根据提供的混合气体的流量和流动的容易程度等做成更简单或更复杂的形状。

又，在本实施形态中，对作为包含至少由碳和氢构成的有机物的原料采用城市煤气的形态进行说明，但是本发明对使用的原料的种类没有限定，即使是对于以酒精、LPG或煤油为原料的情况也是有效的。特别是在使用酒精或煤油等液体燃料将其与水一起混合使其蒸发的情况下，由于这些原料和水蒸气容易发生空间浓度分布不均匀的情况，因此本发明是极其有效的技术。

实施形态2

下面对本发明实施形态2中在例如使所提供的混合气体流通的重整气体供给用流路与进行生成重整气体用的水蒸气重整反应的反应部之间配设气体混合器，利用该气体混合器使混合气体的混合状态在垂直方向上得到改善的形态进行说明。

首先，参照图7对本发明实施形态2的氢生成装置200的基本结构和动作进行说明。

图7是示意性表示本发明实施形态2的氢生成装置200的内部结构的纵剖面图。还有，图7中所示的箭头表示原料和水蒸气等气体的流动方向。

如图7所示，本实施形态的氢生成装置200，与实施形态1所示的氢生成装置100的结构一样具备多重同心圆筒状的结构。也就是说，这种氢生成装置200具备使水蒸气重整反应进行用的高温状态的燃烧气体生成用的燃烧器16、以及与供水的同时利用燃烧器16加热，生成湿水蒸气或水蒸气的加热器17和18。又，这种氢生成装置200，以图1所示的实施形态1的氢生成装置100的情况相同，以燃烧器16为中心同心圆筒状的具备下述各部件，在由燃烧器16为中心的多个同心圆筒19～28构成的多个圆环状空间中，利用燃烧器16生成的高温状态的燃烧气体通向的燃烧气体用流路29、在原料和水蒸气的混合气体使用于水蒸气重整反应中之前将其混合成均匀混合状态的气体混合器201、加热到规定的反应温度，使其进行水蒸气重整反应的重整催化剂层31、为了使该重整催化剂层31中生成的高温状态的重整气体的温度降低，对热量进行回收的热回收层32、利用规定的化学反应降低利用该热回收层32冷却的重整气体中的一氧化碳的浓度用的转化催化剂层33、与将利用转化催化剂层33降低了一氧化碳浓度的重整气体与从提供选择氧化反应用的空气供给部34取入的空气充分混合用的气体混合器201相同结构的气体混合器202、以及利用选择氧化反应进一步降低通过该气体混合器202空气得到充分混合的重整气体中的一氧化碳的浓度用的选择氧化催化剂层37。还有，在本实施形态中，表示出利用多个同心圆筒19～28构成多个圆环状空间的形态，但是，相当于圆环状空间的空间只要是同心圆筒即可，不限定于利用同心圆筒构成圆环状空间的形态。

如上所述，在本实施形态的氢生成装置200中，在同心圆筒20和21构成的圆环状空间的重整催化剂层31的上方，配设用于将所提供的原料与水蒸气充分混合的作为本发明特征的气体混合器201。该气体混合器201在利用同心圆筒20和21构成的圆环状空间有能够核对的环状的形状，利用规定的固定手段固定于由同心圆筒20和21构成的圆环状空间中的重整催化剂层31的上方的固定位置上。又，在本实施形态的氢生成装置200中，在利用同心圆筒26和27构成的圆环状空间的选择氧化催化剂层37的下方配设用于将所提供的重整气体与空气充分混合的赋予本发明特征的气体混合器202。该气体混合器202在由同心圆筒26和27构成的圆环状空间有能够核对的环状的形状，利用规定的固定手段固定于同心圆筒26和27构成的圆环状空间中的选择氧化催化剂层37的下方的规定位置上。这些气体混合器201和气体混合器202的构成将在下面以气体混合器202作为代表进行详细说明。

这样构成的本实施形态的氢生成装置200中，在水蒸气重整反应中使用的水提供给加热器17或加热器18，至少其一部分汽化，从加热器17或加热器18排出的水(温水)在图7中未特别图示的混合部与作为原料的城市煤气一次性混合之后，在同心圆筒25与同心圆筒26之间以及同心圆筒24与同心圆筒25之间的各空间中移动时完全汽化，与城市煤气混合。然后该城市煤气与水蒸气的混合气体被提供给气体混合器201，通过该气体混合器201使经过充分混合之后，提供给重整催化剂层31。还有，该气体混合器201对混合气体的混合状态的改善作用将在下面以气体混合器202为代表进行详细说明。

由气体混合器201将城市煤气与水蒸气充分混合后的混合气体，其后提供给重整催化剂层31。该重整催化剂层31流过燃烧气体用流路29的燃烧气体加热后使用于进行的水蒸气重整反应中，由混合气体生成富氢的重整气体。然后，由该水蒸气重整反应生成的重整气体其后通过热回收层32冷却到规定温度后，提供给转化催化剂层33。然后利用在该转化催化剂层33中进行的转化反应除去重整气体中含有的一氧化碳的大部分。

利用转化催化剂层33去除大部分一氧化碳之后的重整气体，其后提供给将从空气供给部34取入的空气与通过转化催化剂层33的重整气体充分混合用的气体混合器202。然后，重整气体在通过气体混合器202时与空气供给部34提供的空气充分混合，其后被提供给选择氧化催化剂层37。还有，对于该气体混合器202对重整气体和空气的混合状态的改善作用，将在后面与上述气体混合器201的情况一起叙述。

利用气体混合器202与空气充分混合的重整气体，为了将其中少量的一氧化碳几乎全部去除，提供给选择氧化催化剂层37。然后利用在该选择氧化催化剂层37中进行的选择氧化反应，将重整气体中包含的(少量)一氧化碳几乎全部用空气的燃烧去除。还有，充分去除了一氧化碳的重整气体提供给燃料电池，使用于该燃料电池的发电用的化学反应中。又，在燃料电池的发电中未使用的余留的重整气体提供给燃烧器16，再度使用于在该燃烧器16生成燃烧气体。

下面参照附图对本发明实施形态2的气体混合器202的结构进行详细说明。

图8是示意性表示本发明实施形态2的气体混合器202的内部结构的纵剖面图。还有，在图8中，位于气体混合器202的纸面上的靠眼前的位置上的下述内侧流路规定构件62c～62d以及外侧流路规定构件63a～63d的记载省略。又，在图8中，内侧流路规定构件62a～62b以及外侧流路规定构件63a～63b的可视觉识别的部分用实线表示，其不可用视觉识别的部分用虚线表示。

下面以气体混合器202为例对其结构进行详细说明。

如图8所示，本实施形态的气体混合器202具有将通过图7所示的同心圆筒26与同心圆筒27之间形成的圆环状空间上升的提供空气的重整气体64分隔为重整气体65和重整气体66，即在左右方向(半径方向)上分成两部分的圆筒状的混合用同心圆筒61。而且在该混合用同心圆筒61与图7所示的同心圆筒26之间，分别配置向着重整气体64的上升方向左旋的螺旋状的4个内侧流路规定构件62a～62d(在纸面上的跟前的一侧的内侧流路规定构件62c和62d未图示)，从而能够使得重整气体65流过的方向向着重整气体64的上升方向左旋旋转。又如图8所示，在混合用同心圆筒61与图7所示的同心圆筒27之间，分别配设向着重整气体64的上升方向右旋的螺旋形状的4个外侧流路规定构件63a～63d(在纸面上的跟前一侧外侧的流路规定构件63c和64c未图示)，从而能够使得重整气体66流过的方向向着重整气体64的上升方向右旋旋转。借助于这些混合用同心圆筒61、内侧流路规定构件62a～62d、以及外侧流路规定构件63a～63d，构成将重整气体64的气流分隔为重整气体65和66，同时具有使该分隔的重整气体65和66的气流相对于中心轴c相互逆向旋转的规定流路的气体混合器202。

在本实施形态的气体混合器202中，内侧流路规定构件62a～62d、以及外侧流路规定构件63a～63d分别利用规定的横壁构成。而且这些内侧流路规定构件62a～62d以及外侧流路规定构件63a～63d，分别配设得能够将混合用同心圆筒61和同心圆筒26之间的空间以及混合用同心圆筒61和同心圆筒27之间的空间分别在圆周方向上4分隔，在该4分隔的各空间中，形成向着重整气体64的上升方向，在圆周方向的相对方向(左旋或右旋)上向着90℃的螺旋形状。在例如着眼于配设内侧流路规定构件62a和外侧流路规定构件63a的上述4分割中的一部分的情况下，在与内侧流路规定构件62a的下端相对的位置上配置外侧流路规定构件63a的上端，又在与内侧流路规定构件62a的使得相对的位置上配置外侧流路规定构件63a的下端。而且将内侧流路规定构件62a的上端与下端的间隔角度定为90°，同样使得外侧流路规定构件63a的上端与下端的间隔角度也定为90°。这样，本实施形态的气体混合器202形成能够以由混合用同心圆筒61分割的重整气体65和66的气流为中心轴C相互逆向旋转90°的结构。还有，上述内侧流路规定构件62a～62d以及外侧流路规定构件63a～63d的形状，为了使流入各流路的重整气体的流量相等，最好是都具有相同的形状。

下面参照附图对本发明实施形态2的气体混合器202在改善重整气体的混合状态上的作用进行详细说明。

图9是示意性表示气体混合器202中的重整气体的流动的解说图，图9(a)是示意性表示被混合用同心圆筒61分割于其内侧的重整气体65的气流的解说图，图9(b)是示意性表示被混合用同心圆筒61分割于其外侧的重整气体66的气流的解说图。还有，图9(a)和图9(b)表示从与图8所示的纵剖面图相同的方向观察的情况下的纵剖面图。又，图9(a)和图9(b)中分别利用箭头方便地表示从混合用同心圆筒61的下游流入的重整气体65和重整气体66的流动。

如图9(a)所示，在本实施形态的气体混合器202中，通过同心圆筒26和27之间

的空间上升由混合用同心圆筒61分割于其内侧的重整气体65，借助于内侧内侧流路规定构件62a和62b围绕中心轴C左旋90°之后，从气体混合器202上方排出。另一方面，如图9(b)所示，在本实施形态的气体混合器202中，通过同心圆筒26和27之间的空间上升由混合用同心圆筒61分割于其外侧的重整气体66，借助于外侧内侧流路规定构件63a和63b围绕中心轴C右旋90°之后，从气体混合器202上方排出。这样，被引入气体混合器202的重整气体64借助于混合用同心圆筒61、内侧流路规定构件62a～62d、以及外侧流路规定构件63a～63d分割为两个重整气体65和66所示的气流，同时分别在圆周方向上左右逆向旋转90°，其后该被分割的两重整气体65、66再度汇合为一气流并加以混合。

图10是用于更容易理解地说明图9所示的本实施形态的气体混合器202的动作的解说图。还有，图10是示意性表示图9所示的气体混合器202的中心轴上设置视点360°转动观察的情况下观察到的状态的解说图。又，在图10中，实线表示从混合气体202的中心轴C上的视点终结能够视觉确认的内侧流路规定构件62a～62d，又，虚线表示从气体混合器202的中心轴C上的视点不能够直接视觉确认的外侧流路规定构件63a～63d。又，将气体混合器202的圆周分割为4个90°的分割位置利用作为0°～270°表示的虚线图示。

如图10所示，在本实施形态的气体混合器202中，流过混合用同心圆筒61内侧的重整气体65通过气体混合器202内部向左方向旋转90°，流过混合用同心圆筒61外侧的重整气体66通过气体混合器202内部向右旋转90°，分别从各气体混合器202上方排出，其后在气体混合器202的出口部混合。在这种情况下，从例如图10所示的90°的出口位置I排出的重整气体，显然是从图10所示的0°的位置和180°的位置流入的重整气体的一半混合的重整气体。又，从图10可以了解到，从气体出口位置J-L排出的流体，与从出口位置I排出的流体的情况一样，是从偏离180°的位置流入的各重整气体的一半混合后的混合气体。也就是说，如果采用本实施形态的气体混合器202，能够利用内侧流路规定构件62a～62d以及外侧流路规定构件63a～63d将从相距180°的位置流入的各混合气体的一半加以混合，因此由同心圆筒26和27构成的圆环状流路的180°相对的相反位置流过的混合气体之间能够有效混合。换句话说，与实施形态1的情况相同，存在于相互保持距离的位置上的两种混合气体的接触场所多了，因此能够使空间浓度分布均匀化。

又，如果采用本实施形态的气体混合器202，则由于气体混合器202中的内侧流路规定构件62a～62d以及外侧流路规定构件63a～63d用横壁构成，所以热容量小，对应于启动和负载的变动所需要的待机时间可以缩短。又，本实施形态的气体混合器202由于具有优异的混合性能，所以已有的氢生成装置300所需要的2级的混合层35、36以及选择氧化催化剂层37、38可以简化为1级的气体混合器202以及选择氧化催化剂层37。因此能够使氢生成装置200的热容量进一步降低，而且能够把选择氧化反应用的空气的供给量抑制于所需要的最低限度，所以能够抑制生成的氢由于选择氧化用的空气而造成的无端的浪费，能够得到高效率的氢生成装置200。

在这里，在本实施形态中，对气体混合器202在混合用同心圆筒61的两侧具备4片内侧流路规定构件62a～62d和4片外侧流路规定构件63a～63d的形态进行了说明，但是并不限于这样的形态，例如也可以采用如图11所示，具备在混合用同心圆筒61的两侧以45°的等间隔配置的8片内侧流路规定构件67a～67h和45°等间隔配置的8片外侧流路规定构件68a～68h的形态。在这种情况下，内侧流路规定构件67a～67h以及外侧流路规定构件68a～68h分别可以使图8所示的重整气体65和66的各气流相互逆向45°旋转。从而通过采用这样的构件，如图11中两个箭头表示的重整气体的流动那样，在气体混合器203的入口，在圆周方向相互离开90°的位置上存在的重整气体相互之间能够有效混合。

又，如上所述，在本实施形态中，对气体混合器在混合用同心圆筒61的两侧具备4片内侧流路规定构件62a～62d和4片外侧流路规定构件63a～63d的形态进行了说明，但是并不限于这样的形态，例如也可以如图12所示，在混合用同心圆筒61的两侧具备以90°等间隔配设的8片内侧流路规定构件67a～67h和以90°等间隔配设的8片外侧流路规定构件68a～68h。在这种情况下，内侧流路规定构件67a～67h以及外侧流路规定构件68a～68h分别可以使图8所示的重整气体65和66的各气流相互逆向旋转90°。从而，通过采用这样的构件，能够像图12中两个箭头表示的流体的流动那样，在气体混合器204的入口，在圆周方向上相互离开180°的位置上存在的重整气体之间能够更有效地混合。

也就是说，在本实施形态中，通过根据重整气体的种类和要求的混合状态增减气体混合器202中的内侧流路规定构件及外侧流路规定构件的个数，能够得到更好的效果。又，这些内侧流路规定构件和外侧流路规定构件的形状也不限于图8～图12所示的曲线形状，也可以以减小压力损失和更有效混合为目的，采用直线状形状或将直线状形状与曲线状形状加以组合的形状。

图13是示意性表示本实施形态的气体混合器201中的第1流体(例如原料)和第2流体(例如水蒸气)的混合气体的混合角度与使用通过气体混合器201的混合气体的情况下的重整催化剂层中的重整反应转化率之间的关系的关系图。在这里，图13中的曲线a表示混合气体的旋转角度与重整反应转化率之间的关系。还有，图13中，纵轴表示重整催化剂层的重整反应转化率(％)，横轴表示第1流体和第2流体的混合气体的混合角度(°)。

从图13所示可知，通过在重整催化剂层31的上游的位置上设置气体混合器201，能够提高水蒸气重整反应的反应转化率，能够谋求重整器效率的提高。特别是如图13所示，在混合气体的旋转角度为90°的情况下，能够得到最高的转化率。但是，在混合气体的旋转角度小于45°的情况下，虽然能够得到转化率的提高，但是其提高效果比较小。因此在本实施形态的气体混合器201中，使内侧流路规定构件及外侧流路规定构件形成的混合气体的旋转角度为45°以上90°以下。

还有，在本实施形态中，例示了利用横壁分别构成内侧流路规定构件及外侧流路规定构件的形态，但是在这种情况下，必须进行横壁的三维成型，因此有可能使气体混合器的制造高成本化。因此也可以采取用圆棒与方棒等棒材分别构成内侧流路规定构件以及外侧流路规定构件的形态取代用横壁分别构成内侧流路规定构件以及外侧流路规定构件的形态。由于圆棒和方棒等棒材的三维成型比较容易，通过采用这样的结构，能够避免提高气体混合器的制造成本。

又，在本实施形态中，对气体混合器202的结构和动作进行了说明，而气体混合器201的结构和动作与气体混合器202的结构和动作相同。又，在本实施形态中，例示了配设用于将提供给重整催化剂层31的原料和水蒸气混合的气体混合器，同时也配设将提供给选择氧化催化剂层37的重整气体与空气混合用的气体混合器202的形态，但是并不限于这样的形态，也可以采用根据所要求的氢生成装置的性能，仅在某一方配设气体混合器的形态。

实施形态3

本发明的实施形态3与实施形态2中所示的氢生成装置200的结构相比，只有气体混合器的内部结构不同。因此在本实施形态3中只对气体混合器的内部结构进行说明。

图14是本发明实施形态3的气体混合器205的内部结构的示意图，图14(a)是气体混合器205的上表面图，图14(b)是气体混合器205的侧面图。还有，在图14(a)和图14(b)中，为了说明具有环状形状的气体混合器205，示意性表示出展开为平面状的情况下的状态。又，在图14(a)中，同心圆筒26、同心圆筒27、以及混合用同心圆筒61的可目视的部分以实线表示，同心圆筒26、同心圆筒27、以及混合用同心圆筒61的不可目视的部分以虚线表示。又，在图14(b)中，纸面上靠眼前一侧的内侧流路规定构件62a～62d以实线表示，纸面靠后侧的外侧流路规定构件63a～63d用虚线表示。又，在图14中，对于与图8所示的气体混合器202相同的结构要素标以相同的符号。又，在用图14进行的说明中，假定城市煤气等原料和水蒸气的混合气体，或重整气体与空气混合的重整气体等流体从图14的下方向上流动。

本实施形态所示的气体混合器205基本上具有与图8所示的气体混合器202的内部结构大概相同的内部结构。也就是说，本实施形态的气体混合器205，如图14(a)和图14(b)所示，在分割墙61的两面上具备4个内侧流路规定构件62a～62d以及4个外侧流路规定构件63a～63d。

但是，在本实施形态的气体混合器205中，如图14(a)和图14(b)所示，利用内侧流路规定构件62a～62d规定的混合气体等流体的各出口部69与利用外侧流路规定构件63a～63d规定的混合气体等流体的各出口部70的各大约一半利用具有矩形形状的挡板71分别封闭，这一点与实施形态2所示的气体混合器202的结构不同。也就是说，在本实施形态的气体混合器205中，在气体混合器205的上述各出口部69、70上设置挡板71，以此减小各出口部69、70的开口面积，这一点与实施形态2所示的气体混合器202的结构不同。还有，其他方面与实施形态2所示的气体混合器202的结构相同。

本实施形态所示的气体混合器205中，如上所述，例如图14(b)所示的内侧流路规定构件62c和62d规定的混合气体等流体的出口部69利用挡板71将其部分封闭，以此将出口部69的开口面积减小一半左右。通过这样将出口部69和与其相当的另一出口部的开口面积减小到大约一半，能够加快气体混合器205排出的流体的流速。而且利用这样的结构，能够加快从气体混合器205排出的流过混合用同心圆筒61内侧的流体与流过外侧的流体两者的流速，因此能够进一步改善混合气体等流体的混合状态。

还有，在本实施形态中，对挡板71的大小采用能够将例如出口部69的面积的大约一半封闭的大小的形态进行了说明，但是并不限于这样的形态，也可以根据所要求的混合气体等流体的混合状态任意设定挡板71的大小。

实施形态4

在本发明的实施形态4中，与实施形态2中所示的氢生成装置200的结构相比，也只是气体混合器的结构不同。因此在本发明的实施形态4中，与实施形态3的情况相同，只对气体混合器的内部结构进行说明。

图15是本发明实施形态4的气体混合器206的内部结构的示意图，图15(a)是气体混合器206的上表面图，图15(b)是气体混合器206的侧面图。还有，在图15(a)和图15(b)中，也与实施形态3的情况相同，示意性表示出为了说明具有环状的形状的气体混合器展开为平面状的情况下的状态。又，在图15(a)中，同心圆筒26、同心圆筒27、以及混合用同心圆筒61的可目视部分以实线表示，同心圆筒26、同心圆筒27、以及混合用同心圆筒61的不可目视部分以虚线表示。又，在图15(b)中，纸面上跟前一侧的内侧流路规定构件62a～62d以实线表示，纸面后侧的外侧流路规定构件63a～63d以虚线表示。又，在图15中与图8所示的气体混合器202相同的结构要素标以相同的符号。

本实施形态所示的气体混合器206基本上具有与实施形态3所示的气体混合器205的内部结构相同的内部结构。也就是说，本实施形态的气体混合器206。如图15(a)和图15(b)所示，在混合用同心圆筒61的两个面上具备4个内侧流路规定构件62a～62d以及4个外侧流路规定构件63a～63d。

但是，在本实施形态的气体混合器206中，如图15(a)和图15(b)所示，在气体混合器206的混合气体和重整气体等流体排出的出口部上，配设具有仅在混合用同心圆筒61的内侧(也就是配设内侧流路规定构件62a～62d的一侧)的流路或外侧(也就是配设外侧流路规定构件63a～63d的一侧)的流路上开口的开口部72或开口部73的挡板74，同时在混合用同心圆筒61的上述出口部近旁的规定位置上设置开口部75，这一点与实施形态3所示的气体混合器205的结构不同。在这里，如图15(a)所示，挡板74的开口部72和73在同心圆筒26一侧和同心圆筒27一侧上交互形成于挡板74的长度方向上。又，开口部72和73的各开口面积与实施形态3的情况相同，大约为例如内侧流路规定构件62a和62b规定的流路的出口部的开口面积的一半面积。又如图15(b)所示，开口部75形成于与混合用同心圆筒61的上述出口部一侧的端部的开口部72和73对应的位置上，而且大致形成为矩形。也就是说，在本实施形态的气体混合器206中，在气体混合器206的上述出口部上配置挡板74，在该挡板74上形成开口部72和73，在混合用同心圆筒61上形成开口部75，这与实施形态3所示的气体混合器205的结构不同。其他方面与实施形态3所示的气体混合器205的结构相同。

本实施形态所示的气体混合器206中，流过内侧流路规定构件62a和62b规定的流路的流体只从开口部75排出，这时与通过外侧流路规定构件63d和63a规定的流路的流体混合，然后从开口部73排出到气体混合器206外部。也就是说，如果采用本实施形态的气体混合器206，则通过混合用同心圆筒61的内侧和外侧的流体通过开口部72和开口部73及75时被强制混合，因此能够进一步改善混合气体等流体的混合状态。

还有，在本实施形态中，对开口部72和73的开口面积采用例如由内侧流路规定构件62b和62c规定的流路的出口部的大约一半的开口面积的形态进行了说明，但是并不限于这样的形态，也可以根据所要求的混合气体等流体的混合状态任意设定开口部72和73的开口面积。又，开口部75的开口面积和形状可以根据所要求的混合气体等流体的混合状态任意设定。

但是，在实施形态2～4中所示的气体混合器201、202～气体混合器206非常紧凑，因此即使是采用将多个气体混合器串联配置构成气体混合器集合体，也能够配设于氢生成装置200的内部。在这种情况下，由于气体混合器串联集合，因此能够进一步改善混合气体等流体的混合状态。

图16是本发明实施形态2和4的气体混合器203和气体混合器206串联集合形成的第1气体混合器集合体207的内部结构的示意图。还有，在图16中，也和实施形态3的情况一样，示意性表示为了说明具有环状形状的第1气体混合器集合体而展开成平面状的情况的状态。

图16所示的第1气体混合器集合体207中，实施形态4所示的气体混合器206配置于混合气体等流体的上游侧，同时图11所示的气体混合器203配置于下游侧。这些气体混合器203和气体混合器206各自的结构如实施形态2和实施形态4所述。这样，通过将多个气体混合器203和206串联配置，各个气体混合器203和206具有的气体混合性能得到相加，因此能够使混合气体等流体的混合状态进一步改善。

图17是本发明实施形态2和4的气体混合器203和气体混合器206串联集合形成的第2气体混合器集合体208的内部结构的示意图。

图17所示的第2气体混合器集合体208中，相比上述第1气体混合器集合体207中气体混合器203的混合用同心圆筒61与气体混合器206的混合用同心圆筒61分别独立配设的情况，气体混合器203与气体混合器206共有一个混合用同心圆筒76这一点不同于上述第1气体混合器集合体207的情况。通过采用这样的结构能够简化气体混合器集合体207的结构。

如上所述，如果采用本发明实施形态1～4，则能够用不锈钢等薄板构成整个气体混合器，因此能够将其重量降低到例如300g以下，同时其热容量也可以降低到例如0.5kJ/kg·℃左右。因此能够使气体混合器加热所需要的热量为例如26kJ左右，所以能够将氢生成装置的启动时间的延迟缩短到例如1/5以下。又，由于将气体混合器加热所需要的热量降低为例如26kJ左右，因此能够节省燃料电池系统运行能量。

又，如果采用本发明实施形态1～4，则能够将气体混合器的热容量降低到充填陶瓷球等的气体混合器的热容量的1/5以下，因此能够有效防止在气体混合器的表面由于冷却而发生的水蒸气凝集。借助于此，能够有效防止在氢生成装置启动时S/C比低下的情况的发生。又能够长时间稳定地维持重整催化剂的催化性能。

还有，如果采用本发明实施形态1～4，则能够利用气体混合器大大改善提供给重整催化剂层的城市煤气与水蒸气的混合气体和提供给选择氧化催化剂层的混合空气的重整气体的流体的混合状态，因此能够在重整催化剂层高效率生成重整气体，同时能够将选择氧化催化剂量限制于最低限度。因此能够使重整催化剂层和选择氧化催化剂层小型化。又，能够防止在选择氧化催化剂层中白白燃烧重整气体中的氢，因此能够提供高效率的氢生成装置。

工业应用性

本发明的氢生成装置作为具备重量轻而且热容量小的高性能的气体混合器的，氢生成效率和相应性能优异的氢生成装置是有用的。

又，如果采用本发明，则能够消除提供给重整催化剂层的原料和水蒸气的混合气体等流体中的时间上和空间上的浓度不均匀。而且其结果是能够确保重整气体的浓度在时间上和空间上的均匀性。因此能够有效使用重整催化剂层和配设于其下游侧的转化反应器等的除一氧化碳催化剂层，能够对各催化剂层量的减少和氢生成装置的小型化作出巨大贡献。

Claims (13)

1.一种氢生成装置，其特征在于，具备

含有两种或两种以上成分的混合气体流通的混合气体流路、

各始端从所述混合气体流路分叉，各终端相互汇合的第1流路和第2流路、

设置于所述第1流路，使流过该第1流路的混合气体向第1方向转弯的第1旋转装置、

设置于所述第2流路，使流过该第2流路的混合气体向作为和第1方向的相反方向即第2方向转弯的第2旋转装置、以及

使从所述汇合的第1流路和第2流路的终端流出的所述混合气体发生化学反应，生成氢的氢生成部。

2.根据权利要求1所述的氢生成装置，其特征在于，所述第1流路和所述第2流路形成为所述混合气体能够一边在从所述第1流路的终端和所述第2流路的终端来的混合气体的流出方向的垂直平面内流动，一边分别进行所述第1方向的转弯和所述第2方向的转弯。

3.根据权利要求2所述的氢生成装置，其特征在于，

所述第1流路和所述第2流路分别具有相互一致的中心轴，外周面开放，而且形成中心有圆形开口的中空状，所述外周面构成作为始端的入口，同时所述开口构成作为终端的出口，

所述第1旋转装置由在沿着所述中心轴的方向分隔所述第1流路的内部空间，而且从该内部空间的外围向内，终端对始端从半径方向向所述第1方向偏移地延伸的多个分隔墙构成，

所述第2旋转装置由在沿着所述中心轴的方向分隔所述第2流路的内部空间，而且从该内部空间的外围向内，终端对始端从半径方向向所述第2方向偏移地延伸的多个分隔墙构成。

4.根据权利要求3所述的氢生成装置，其特征在于，所述分隔墙的终端相对于始端的偏移在所述中心轴的周围的旋转角度中是在45°～90°的范围内。

5.根据权利要求3所述的氢生成装置，其特征在于，所述第1流路及所述第2流路与所述第1旋转装置及所述第2旋转装置，沿着所述中心轴分别形成多个。

6.根据权利要求1所述的氢生成装置，其特征在于，所述第1流路和所述第2流路形成为所述混合气体能够一边在从所述第1流路的终端和所述第2流路的终端来的混合气体的流出方向的平行方向上的筒状面内流动，一边分别进行所述第1方向的转弯和所述第2方向的转弯。

7.根据权利要求6所述的氢生成装置，其特征在于，所述第1流路和所述第2流路分别形成为以所述第1流路和第2流路的中心轴为中心轴且具有环状剖面的筒状，一侧的各端面构成作为始端的入口，同时另一侧的各端面构成作为终端的出口，

所述第1旋转装置由螺旋状分隔所述第1流路的筒状的内部空间，使其在所述第1方向上旋转的多个分隔墙构成，

所述第2旋转装置由螺旋状分隔所述第1流路的筒状的内部空间，使其在所述第2方向上旋转的多个分隔墙构成。

8.根据权利要求7所述的氢生成装置，其特征在于，所述分隔墙的从始端到终端的旋转角度是45°～90°范围的旋转角度。

9.根据权利要求8所述的氢生成装置，其特征在于，用所述分隔墙分隔的旋转流路的出口部分封闭。

10.根据权利要求9所述的氢生成装置，其特征在于，所述第1流路和所述第2流路由圆筒状的分隔墙分隔形成，所述第1流路和所述第2流路中的任一个的所述旋转流路的出口封闭，所述分隔墙的该封闭的出口的近旁部分形成开口。

11.根据权利要求7所述的氢生成装置，其特征在于，所述第1流路和所述第2流路沿着所述中心轴分别形成多条，在所述混合气体流路中，位于上游侧的所述第1流路和所述第2流路的终端连接于位于下游侧的所述第1流路和所述第2流路的始端。

12.根据权利要求1所述的氢生成装置，其特征在于，

所述混合气体是至少具有碳和氢的有机化合物与水汇合的混合气体，所述化学反应是由所述有机化合物与水混合的混合气体生成氢的水蒸气重整反应，所述氢生成部是利用所述水蒸气重整反应生成富含氢的重整气体的重整反应部，

所述第1旋转装置和所述第2旋转装置配设于所述重整反应部的上游，

从所述汇合的第1流路和第2流路的终端流出的所述混合气体被提供给所述重整反应部，生成氢。

13.根据权利要求1所述的氢生成装置，其特征在于，

所述混合气体是所述重整气体与氧气混合的混合气体，设置利用氧气，借助于将一氧化碳变换为二氧化碳的选择氧化反应减少所述重整气体中的一氧化碳的选择氧化反应部，取代所述氢生成部，

所述第1旋转装置和所述第2旋转装置配置于所述选择氧化反应部的上游，

从所述汇合的第1流路和第2流路的终端流出的所述混合气体被提供给所述选择氧化反应部，减少所述重整气体中的一氧化碳。

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