CN101743192B - 燃料处理装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于燃料电池的燃料处理装置，其包括：改质部，其生成含有一氧化碳和水的富氢气体；变换部，其使所述富氢气体中的一氧化碳和水反应而生成含有低浓度的一氧化碳的富氢气体；混合流路，其将所述含有低浓度的一氧化碳的富氢气体与含有氧的空气混合而生成混合气体；空气供给部，其与所述混合流路的上游端连接，将空气供给到所述混合流路；以及选择氧化部，其与所述混合流路的下游端连接，使所述混合气体中的一氧化碳与氧反应而生成燃料气体，所述混合流路由上游侧的气体供给区域和下游侧的气体扩散区域构成，并且具有将所述气体供给区域和所述变换部连接的两个以上的气体供给口，所述气体扩散区域的长度为所述气体供给区域的长度的0.5～2倍。

Description

燃料处理装置
技术领域
本发明涉及生成用于燃料电池的燃料气体的燃料处理装置。
背景技术
家庭用热电联供(cogeneration)系统等燃料电池系统包括：生成含有氢的燃料气体的燃料处理装置；以及利用由燃料处理装置生成的燃料气体来发电的燃料电池。
燃料处理装置包括：改质部，通过水蒸气改质反应，从水蒸气和碳氢类燃料等原料气体生成以氢为主要成分的富氢气体；以及一氧化碳去除部，从富氢气体中去除对燃料电池的催化剂具有毒化作用的一氧化碳。
一氧化碳去除部进一步包括：变换部，通过由CO变换催化剂进行的转换反应，使富氢气体中的一氧化碳浓度降低至0.5％左右；选择氧化部，通过由CO选择氧化催化剂进行的选择氧化反应，进一步使富氢气体中的一氧化碳浓度降低至10ppm以下左右；以及混合流路，将变换部和选择氧化部连接。混合流路是用于将从变换部排出的富氢气体和空气混合的流路。为了在混合流路内将富氢气体和空气混合，已知有将空气供给到富氢气体流过的混合流路的方法(例如参照专利文献1)。
图1A和图1B表示已提出的燃料处理装置(例如参照专利文献1)中的混合流路的剖面图。
如图1A和图1B所示，混合流路10将变换部20和选择氧化部30连接。混合流路10还与空气供给管(40、41)连接。而且，空气供给管(40、41)延伸至混合流路10的横截面的中心为止。图1A和图1B中的虚线箭头表示富氢气体的流向，实线箭头表示空气的流向。
如图1A所示，经由空气供给管40将空气供给到富氢气体流过的混合流路10内，由此能够将富氢气体和空气混合。另外，如图1B所示，经由在空气供给管41的前端形成的多个开口部42将空气供给到富氢气体流过的混合流路10内，由此能够将富氢气体和空气混合。
另外，由于空气供给管延伸至混合流路10的横截面的中心为止，所以能够将空气供给到富氢气体的流速较快的混合流路10的横截面的中心，促进富氢气体和空气的混合。
通常，流过混合流路10内的富氢气体的流量是从空气供给管供给的空气流量的约20倍左右。
这样，若流过混合流路内的富氢气体的流量较多，所供给的空气的流量较小，则空气的流速较慢，通过供给空气而在混合流路内形成的旋涡较小。若所形成的旋涡较小，则在混合流路内不能充分地混合富氢气体和空气。另外，也考虑为了加快空气的流速而使空气的喷出孔较小，但此时，压力损失较大。
另外，如上所述由于富氢气体的流量较大，所以在图1A和图1B所示的、使空气流入富氢气体流过的混合流路的方式中也存在压力损失较大的问题。
这样，在图1A和图1B所示的、将空气供给到富氢气体流过的混合流路的方式中存在下述问题，即，无法将富氢气体和空气充分混合且压力损失较大。
为了解决这样的问题，提出了将富氢气体供给到空气流过的混合流路的方式(例如参照专利文献2)。图2是专利文献2公开的燃料处理装置中的混合流路10的立体图。
如图2所示，混合流路10通过填充了富氢气体的室50内且具有多个气体供给口11。气体供给口遍及混合流路10的全长地形成。混合流路10的上游端连接到空气供给部，混合流路10的下游端连接到选择氧化部。
接着，说明在图2所示的混合流路10内使富氢气体和空气混合的步骤。首先，从空气供给部将空气供给到混合流路10内。其后，经由设置在混合流路的多个气体供给口11，将富氢气体供给到混合流路10内。
在图2所示的、将富氢气体供给到空气流过的混合流路的方式的混合流路中，由于将流量较多的富氢气体供给到流量较少的空气流过的混合流路内，所以富氢气体高流速地被供给到混合流路内。因此，与图1A和图1B所示的混合流路相比，能够高效率地混合富氢气体和空气。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：特开2003-226504号公报
专利文献2：特开2004-262725号公报
但是，即使是图2所示的混合流路，也存在无法充分混合富氢气体和空气的问题。特别是，在为了抑制压力损失而减少富氢气体的供给量情况下，在图2所示的混合流路内，无法充分混合富氢气体和空气。若混合流路内的富氢气体和空气不充分混合，则即使增加空气的供给量，富氢气体中的一氧化碳在选择氧化部也不被氧化，从而所生成的燃料气体的一氧化碳浓度较高。若燃料气体中的一氧化碳浓度较高，则燃料电池的催化剂被毒化。
发明内容
本发明的目的在于供给，具有压力损失较低、能够有效混合富氢气体和空气的混合流路，生成一氧化碳浓度较低的燃料气体的燃料处理装置。
本发明人发现通过将混合流路分成供给富氢气体的区域以及用于使富氢气体和空气扩散且使富氢气体和空气混合的区域，并且适当地选择用于使富氢气体与空气混合的区域的长度，能够充分地混合富氢气体和空气，并进一步进行研究，从而完成本发明。
也就是说，本发明涉及以下所示的燃料处理装置。
、用于燃料电池的燃料处理装置，包括：改质部，其生成含有一氧化碳和水的富氢气体；变换部，其使所述富氢气体中的一氧化碳和水反应而生成含有低浓度的一氧化碳的富氢气体；混合流路，其将所述含有低浓度的一氧化碳的富氢气体与含有氧的空气混合而生成混合气体；空气供给部，其与所述混合流路的上游端连接，将空气供给到所述混合流路；以及选择氧化部，其与所述混合流路的下游端连接，使所述混合气体中的一氧化碳与氧反应而生成燃料气体，所述混合流路由上游侧的气体供给区域和下游侧的气体扩散区域构成，并且具有将所述气体供给区域和所述变换部连接的两个以上的气体供给口，所述气体扩散区域的长度为所述气体供给区域的长度的0.5～2倍。
、如[1]所述的燃料处理装置，所述两个以上的气体供给口沿所述混合流路的长轴排列，并且所述两个以上的气体供给口中的一个气体供给口的在所述混合流路的圆周方向上的位置与其他的气体供给口的在所述混合流路的圆周方向上的位置不同。
、如[2]所述的燃料处理装置，所述一个气体供给口的在所述混合流路的圆周方向上的位置与其他的气体供给口的在所述混合流路的圆周方向上的位置对向。
、如[1]～[3]中任一个所述的燃料处理装置，所述气体供给口中，最上游侧的气体供给口的口径最大，最下游侧的气体供给口的口径最小。
、如[1]～[4]中任一个所述的燃料处理装置，还包括：两个以上的隔堤，其设置在所述混合流路内，所述隔堤阻挡所述气体供给口附近的混合流路内的一部分气体的流动。
、如[1]～[5]中任一个所述的燃料处理装置，所述气体供给口的口径朝向所述混合流路逐渐缩小。
根据本发明，由于在混合流路内富氢气体与空气充分混合，所以能够在选择氧化部中高效率地氧化富氢气体内的一氧化碳。因此，本发明的燃料处理装置能够生成一氧化碳浓度较低的燃料气体。
进而，经由多个气体供给口将气体供给到空气流过的混合流路内，从而能够将混合流路的上游侧的流速抑制得较低。由此，与使富氢气体一起流入混合流路的情况相比，能够降低压力损失。
附图说明
图1是以往的燃料处理装置的混合流路的剖面图。
图2是以往的燃料处理装置的混合流路的立体图。
图3是通过本发明的燃料处理装置生成燃料气体的流程。
图4是实施方式1的燃料处理装置的方框图。
图5是实施方式1的燃料处理装置的剖面图。
图6是实施方式1的混合流路的剖面图。
图7是表示实施方式2的混合流路的图。
图8是表示实施方式3的混合流路的图。
图9是实施方式4的混合流路的剖面图。
图10是实施方式5的混合流路的剖面图。
图11是实施方式6的混合流路的剖面图。
图12是表示在实施例中进行了解析的混合流路的形状的图。
图13是表示实施例的解析结果的图。
符号说明
1燃烧部
2蒸发部
3改质部
4变换部
5选择氧化部
6燃料电池堆
100、200、300、400、500、600混合流路
101空气流入口
110、210、310、410、510、610气体供给区域
120气体扩散区域
111、211、311、411、511、611第一气体供给口
112、212、312、412、512、612第二气体供给口
213、313第三气体供给口
214第四气体供给口
401隔堤
具体实施方式
本发明的燃料处理装置是用于使含有碳类燃料或酒精的原料气体和水蒸气发生水蒸气改质反应而生成燃料电池用的燃料气体的装置。
本发明的燃料处理装置包括：燃烧部、蒸发部、改质部、变换部、空气供给部、混合流路以及选择氧化部。
燃烧部是用于对改质部和蒸发部进行加热的机构。只要燃烧部能够形成火炎并不特别限定，例如为燃烧器。
蒸发部是用于使水蒸发而生成水蒸气并将原料气体和水蒸气混合的机构。蒸发部与燃烧部、改质部、变换部以及选择氧化部进行热交换，使水蒸发而生成水蒸气。所生成的水蒸气在蒸发部与原料气体混合。
改质部是包含钌类或镍类的催化剂，并且是用于通过水蒸气改质反应而从由蒸发部供给的原料气体和水蒸气生成富氢气体的机构。而且，由改质部生成的富氢气体包含一氧化碳和水蒸气。由改质部生成的富氢气体的一氧化碳浓度例如为7～13％。
变换部是用于从由改质部生成的富氢气体生成含有低浓度的一氧化碳的富氢气体的机构。变换部包含白金类或铜/锌类的催化剂，并且通过转换反应，从由改质部生成的富氢气体中的一氧化碳和水，生成二氧化碳和氢。这里，所谓“一氧化碳浓度较低”，指的是一氧化碳浓度为0.5％以下。
混合流路是用于将由变换部生成的一氧化碳浓度较低的富氢气体与空气混合而生成混合气体的流路。混合流路是例如由圆管或矩形管构成的区域。优选的是，混合流路是由圆管构成的管状的区域。混合流路的上游端与将空气供给到混合流路的空气供给部连接。空气供给部是例如泵等。混合流路的下游端连接到后述的选择氧化部。
本发明的混合流路采用的方式为，经由气体供给口将富氢气体供给到空气预先流入的混合流路内，由此将富氢气体和空气混合。因此，本发明的混合流路具有与变换部连接的多个气体供给口。经由多个气体供给口将通过了变换部的富氢气体供给到混合流路内。在后面叙述气体供给口的结构。
选择氧化部是用于使在混合流路生成的混合气体中的一氧化碳和氧发生反应而生成燃料气体的机构。在选择氧化部中，通过氧使在变换部没有发生反应而残存的混合气体中的一氧化碳被氧化，成为二氧化碳。由此，使混合气体中的一氧化碳浓度为10ppm以下，生成燃料气体。
具有这样的结构的燃料处理装置能够适用于含有燃料电池堆的家庭用热电联供系统等的燃料电池系统等。在这样的家庭用热电联供系统中，也可以通过冷凝器去除来自燃料电池堆的阳极的废气(offgas)中的水分，并将其再次导入燃料处理装置，作为燃烧部的燃料来使用。而且，来自阳极的废气也可以与改质部进行热交换。
接着，参照附图3说明由本发明的燃料处理装置生成燃料气体的流程。
首先，将水和原料气体即甲烷供给到蒸发部。将水和原料气体供给到蒸发部后，水在蒸发部内被加热而成为水蒸气。水蒸气和原料气体在蒸发部内被混合(S1000)。
其后，原料气体和水蒸气流入改质部。在改质部中通过以下的水蒸气改质反应，从原料气体和水蒸气生成含有一氧化碳的富氢气体(S1001)。另外，富氢气体含有未进行反应的水蒸气。
CH4+H2O→CO+3H2
由改质部生成的富氢气体流入变换部。在变换部中，通过以下的转换反应，从由改质部生成的富氢气体生成含有低浓度的一氧化碳的富氢气体(S1002)。
CO+H2O→CO2+H2
由变换部生成的、含有低浓度的一氧化碳的富氢气体经由气体供给口，流入空气正在流过的混合流路，所述空气预先由空气供给部供给。在混合流路内，含有低浓度的一氧化碳的富氢气体和空气混合而生成混合气体(S1003)。
在混合流路生成的混合气体流入选择氧化部。在选择氧化部中，混合气体中的氧和在变换部未被氧化的一氧化碳发生反应，一氧化碳被氧化，混合气体中的一氧化碳浓度降低至10ppm以下(S1004)。将通过了选择氧化部的气体作为燃料气体取出。
这样生成的燃料气体从选择氧化部流出，供给到燃料电池。燃料电池利用燃料气体中的氢和空气等含有氧的氧化气体来发电。
如上所述，在步骤S1003中，通过变换部后的富氢气体和空气在混合流路内被混合而生成混合气体。然而，在使富氢气体流入空气流过的混合流路的方式(参照图2)中，有时在混合流路内无法充分混合富氢气体和空气。若富氢气体和空气在未完全混合的状态下流入选择氧化部，则富氢气体中的一氧化碳不能被充分氧化，燃料气体的一氧化碳浓度较高。
本发明的燃料处理装置的特征在于，能够在混合流路内充分混合富氢气体和空气。具体而言，在本发明中，混合流路由上游侧的气体供给区域和下游侧的气体扩散区域构成，并且具有将气体供给区域和变换部连接的气体供给口。也就是说，在本发明中，气体供给区域经由气体供给口而与变换部连接，气体扩散区域不具有气体供给口。
气体供给区域是混合流路中的、供给富氢气体的区域。气体供给区域通过多个气体供给口而与变换部连接。因此，由变换部生成的含有低浓度的一氧化碳的富氢气体经过气体供给口，流入混合流路的气体供给区域内。
气体供给口的数目并不特别限定，例如为2～6个。另外，气体供给口的口径可以根据混合流路的长度以及直径来适当选择，例如为2～5mm。优选的是，气体供给口沿混合流路的长轴相隔规定间隔地排列。另外，各个气体供给口的在混合流路的圆周方向上的位置可以相同(参照实施方式1)，也可以不同(参照实施方式2)。
在各个气体供给口的在混合流路的圆周方向上的位置不同时，优选的是，一个气体供给口的在混合流路的圆周方向上的位置与其他气体供给口的在混合流路的圆周方向上的位置对向(参照实施方式2)。通过使各个气体供给口的在混合流路的圆周方向上的位置不同，能够促进富氢气体和空气的搅拌。
另外，优选的是，最上游侧的气体供给口的口径最大，最下游侧的气体供给口的口径最小(参照实施方式3)。更具体而言，优选的是，气体供给口的口径沿流过混合流路的气体的方向逐渐缩小。
气体扩散区域不具有气体供给口，并且是用于确保富氢气体和空气通过扩散效果而被均匀混合所需时间的区域。因此，气体扩散区域设计为，通过了气体供给区域的富氢气体和空气到达选择氧化部为止需要一定的时间。由此，通过了气体供给区域的富氢气体和空气在流过气体扩散区域的过程中，通过扩散效果被充分混合。
具体而言，气体扩散区域具有一定量的体积，以使通过了气体供给区域的富氢气体和空气到达选择氧化部为止需要一定的时间。为了确保气体扩散区域的体积，可以调节气体扩散区域的长度，也可以调节气体扩散区域的直径，但优选的是，调节气体扩散区域的长度。例如，在通过增大气体扩散区域的直径来调节气体扩散区域的体积时，气体扩散区域的混合流路中流过的富氢气体和空气的流速变慢，富氢气体和空气难以混合。
在调节气体扩散区域的长度时，优选根据气体的性质或混合流路的直径等适当选择气体扩散区域的长度。具体而言，优选的是，在假设混合流路的直径为D(m)，流过气体扩散区域的气体(富氢气体和空气)的流速(m/秒)为U，气体扩散1m所需的时间(秒/m)为t时，以下式定义气体扩散区域的长度L。
L＝U×D×t
通常，这样的满足上式的气体扩散区域的长度为气体供给区域的长度的0.5～2倍。
在气体扩散区域的长度为气体供给区域的长度的0.5倍以下时，有时在气体扩散区域内无法充分混合富氢气体和空气。另一方面，在气体扩散区域的长度为气体供给区域的长度的两倍以上时，装置尺寸过大。而且，在气体扩散区域的长度为气体供给区域的长度的两倍以上时，有可能出现混合气体的温度下降，在选择氧化部一氧化碳的氧化反应不充分。而且，在气体扩散区域的长度为气体供给区域的长度的两倍以上时，压力损失较大。
也就是说，在本发明的燃料处理装置中，由变换部生成的一氧化碳浓度较低的富氢气体1)经过气体供给口，流入空气流过的气体供给区域，在该区域富氢气体和空气被搅拌至某种程度，2)在经过气体扩散区域的过程中，富氢气体和空气通过扩散效果被充分混合而生成混合气体。所生成的混合气体流入选择氧化部。
这样，在本发明中，富氢气体和空气经过不具有气体供给口的气体扩散区域，即使气体供给区域内的富氢气体和空气的混合不充分，在通过气体扩散区域过程中，也能充分混合而生成混合气体。
这样，混合流路分为气体供给区域和气体扩散区域，使气体扩散区域的长度为气体供给区域的长度的0.5～2倍，由此，在混合流路内，能够充分混合富氢气体和空气，并能够将富氢气体与空气的比率均等的混合气体供给到选择氧化部。因此，即使由于燃料电池的运行状况所生成的富氢气体以及所供给的空气的量变动时，本发明的燃料处理装置也能够安定地供给燃料气体。
另外，经由多个气体供给口将气体供给到空气流过的混合流路内，由此能够将混合流路的上游侧的流速抑制得较低。由此，与仅从一个供给口使富氢气体流入混合流路的情况相比，能够降低压力损失(参照实施方式1)。
以下，参照附图说明本发明的实施方式。
(实施方式1)
图4表示实施方式1的燃料处理装置的模式图，图5表示实施方式1的燃料处理装置的剖面图。图4中的阴影线箭头表示热能的移动，图4和图5中的实线箭头表示气体(原料气体、水蒸气或富氢气体)的流向。
如图4和图5所示，实施方式1的燃料处理装置包括：燃烧部1、蒸发部2、改质部3、变换部4、混合流路100以及选择氧化部5。
另外，如图4所示，燃料处理装置也可以与燃料电池堆6连接。在燃料处理装置与燃料电池堆6连接时，由选择氧化部5生成的燃料气体被供给到燃料电池堆6的阳极，燃料电池堆6的阳极的废气经由冷凝器(未图示)被供给到燃烧部1。
实施方式1的燃料处理装置具有的特征在于混合流路100的结构。以下，详细说明混合流路100的结构。
图6是图5所示的燃料处理装置的混合流路100的放大图。混合流路100的全长例如为100～200mm。而且，混合流路100的直径根据燃料电池系统的输出适当地选择。例如，在燃料电池系统的输出为750W时，混合流路100的截面的面积为12～50mm2。如图6所示，混合流路100由气体供给区域100和气体扩散区域120构成。
气体供给区域110的长度例如为50～100mm。气体扩散区域120的长度例如为50～100mm。这样通过使气体扩散区域120的长度为气体供给区域110的长度的0.5～2倍，能够在混合流路100内充分混合富氢气体和空气(在后面叙述)。
气体供给区域110与空气流入口101连接，并具有第一气体供给口111和第二气体供给口112。空气流入口101和第一气体供给口111之间的间隔、第一气体供给口111和第二气体供给口112之间的间隔以及第二气体供给口112和气体供给区域110的下游端之间的间隔相等。
另一方面，气体扩散区域120不具有气体供给口。在燃料电池系统的输出为750w，气体供给口的面积例如为12～40mm2。
接着，说明流过混合流路100的富氢气体和空气的流动。图6中的箭头表示空气和富氢气体的流向。
如图6所示，在气体供给区域110，流动着预先从空气流入口101供给的空气。而且，通过了变换部4的富氢气体经过第一气体供给口111和第二气体供给口112，流入气体供给区域110。富氢气体的流量是空气流量的约20倍。
这样，在本实施方式中，由于流量较多的富氢气体经过气体供给孔流入流量较少的空气流过的气体供给区域110内，所以富氢气体的流入速度较快，使流入的富氢气体在气体供给区域110内产生漩涡，从而能够促进气体供给区域110内的富氢气体和空气的搅拌。
气体供给区域110内的搅拌至某种程度后的富氢气体和空气流入气体扩散区域120。气体扩散区域120的长度设定为，能够确保富氢气体和空气通过扩散效果而被充分混合的时间。因此，富氢气体和空气在流过气体扩散区域120的过程中，通过扩散效果被充分混合。
这样，根据本实施方式，混合流路分为气体供给区域和气体扩散区域，气体扩散区域的长度为气体供给区域的长度的约0.5～2倍，因此在混合流路内能够充分混合富氢气体和空气。由此，能够将富氢气体和空气的比率均等的混合气体供给到选择氧化部。
另外，与富氢气体的气体供给口为一个的情况相比，通过设置两个富氢气体的气体供给口，能够降低压力损失。以下，说明设置两个气体供给口与降低压力损失之间的关系。
假设从空气流入口101至第一气体供给口111间的压力损失为P0，第一气体供给口111和第二气体供给口之间的压力损失为P1，第二气体供给口112和气体供给区域110的下游端之间的压力损失为P2时，如下式(1)定义气体供给区域110整体的压力损失P。
P＝P0+P1+P2    (1)
在层流时，压力损失与气体的流量成比例。因此，假设从空气流入口101至第一气体供给口111间的气体流量为Q0，第一气体供给口111和第二气体供给口之间的气体流量为Q1，第二气体供给口112和气体供给区域110的下游端之间的气体流量为Q2，从第一气体供给口和第二气体供给口供给均等量的富氢气体时，则如下式(2)定义各个压力损失(P0、P1、P2)。
P0＝α×Q0×L
P1＝β×Q1×L
P2＝β×Q2×L
Q2＝2×Q1+Q0    (2)
这里，L是指气体供给区域110的全长的1/3的长度，α和β是指气体的粘性和流路宽度的函数。如上所述，由于空气流量是富氢气体的流量的1/20左右，所以可以将其近似为“0”。因此，可以如下式(3)定义气体流量。
Q0≈0
Q2＝2×Q1    (3)
因此，可以如下式(4)，定义气体供给区域110具有两个气体供给口的情况下的、气体供给区域110的压力损失P。
P＝3×βQ1×L    (4)
另一方面，气体供给区域110不具有第二气体供给口112，仅由第一气体供给口111供给富氢气体时，自第一气体供给口111起，下游的气体供给区域110内的气体流量恒定。因此，如下式(5)定义气体供给区域110内的压力损失P’。
P0＝α×Q0×L
P1＝β×2Q1×L
P2＝β×2Q1×L
P’＝P0+P1+P2    (5)
因此，在气体供给口为一个时，如下式(6)定义气体供给区域110内的压力损失P’。
P’＝4×βQ1×L    (6)
基于式(4)和式(6)，在设置了两个气体供给口时，与气体供给口仅为一个的情况相比，能够使压力损失约为其3/4倍。而且，在沿混合流路中的流向，等间隔地排列气体供给口时，通过增加气体供给口的数目，能够进一步降低压力损失。
因此，通过使用实施方式1中记载的燃料处理装置，能够以低压力损失混合富氢气体和空气。
(实施方式2)
在实施方式1中，说明了各个气体供给口的在混合流路的圆周方向上的位置相同的形态。在实施方式2中，说明各个气体供给口的在混合流路的圆周方向上的位置不同的形态。
在实施方式2的燃料处理装置中，除了气体供给区域的气体供给口的排列方式不同以外，其他与实施方式1的燃料处理装置相同。因此，在实施方式2中，仅说明混合流路中的气体供给区域。
图7A是实施方式2的混合流路200中的气体供给区域210的立体图。如图7A所示，气体供给区域210与空气流入口101连接，并具有第一气体供给口211、第二气体供给口212、第三气体供给口213以及第四气体供给口214。各个气体供给口的在混合流路200的圆周方向上的位置分别不同。而且，优选的是，第一气体供给口211和第二气体供给口212之间的在混合流路200的圆周方向上的间隔、第二气体供给口212和第三气体供给口213之间的在混合流路200的圆周方向上的间隔以及第三气体供给口213和第四气体供给口214之间的在混合流路200的圆周方向上的间隔相等。
而且，第一气体供给口211的在混合流路200的圆周方向上的位置与第三气体供给口213的在混合流路200的圆周方向上的位置对向，并且第二气体供给口212的在混合流路200的圆周方向上的位置与第四气体供给口214的在混合流路200的圆周方向上的位置对向。
接着，说明气体供给区域210中的空气和富氢气体的流动。图7B是图7A所示的气体供给区域210的混合流路200的A-A线的剖面图。图7B中的箭头表示空气和富氢气体的流向。
如图7B所示，在气体供给区域210，流动着预先从空气流入口101供给的空气。而且，通过了变换部4的富氢气体经过第一气体供给口211和第三气体供给口213，流入气体供给区域210。
如上所述，在本实施方式中，各个气体供给口的在混合流路200的圆周方向上的位置分别不同。由此，能够在气体供给区域210内促进富氢气体和空气的搅拌。以下，说明各个气体供给口的在混合流路200的圆周方向上的位置分别不同与在气体供给区域210内促进富氢气体和空气的搅拌之间的关系。
如图7B所示，经由空气流入口101供给的空气A1和经由第一气体供给口211流入的富氢气体H1被搅拌。另一方面，流过混合流路200的壁面上的、与第一气体供给口211对向的壁面侧的空气A2有时未与富氢气体H1搅拌而通过了形成有第一气体供给口211的区域。特别是，在富氢气体的供给量较少且富氢气体的流入速度较慢时，空气A2容易通过而未与富氢气体H1搅拌。
但是，在本实施方式中，第三气体供给口213配置在混合流路200的壁面上的、与第一气体供给口211对向的壁面侧。因此，未与富氢气体H1混合而通过了的空气A2和经由第三气体供给口213流入的富氢气体H2被搅拌。
这样，在本实施方式中，使各个气体供给口的在混合流路的圆周方向上的位置不同，由此即使在富氢气体的流量较少时，也能够促进气体供给区域内的富氢气体和空气的搅拌。
(实施方式3)
在实施方式1和实施方式2中，说明了各个气体供给口的口径都相同的形态。在实施方式3中，说明气体供给口的口径不同的形态。
在实施方式3的燃料处理装置中，除了气体供给区域的气体供给口的排列方式不同以外，其他与实施方式1的燃料处理装置相同。因此，在实施方式3中，仅说明混合流路中的气体供给区域。
图8A是本实施方式的混合流路300中的气体供给区域310的立体图。如图8A所示，气体供给区域310与空气流入口101连接，并具有第一气体供给口311、第二气体供给口312以及第三气体供给口313。混合流路300的上游侧的第一气体供给口311的口径最大，下游侧的第三气体供给口313的口径最小。这样，在本实施方式中，其特征在于，沿在混合流路300内气体流动的方向，气体供给口的口径阶梯性变小。
接着，说明气体供给区域310中的空气和富氢气体的流动。图8B是图8A所示的气体供给区域310的混合流路300的A-A线的剖面图。图8B中的箭头表示空气和富氢气体的流向。
如图8B所示，在气体供给区域310，流动着预先从空气流入口101供给的空气。而且，通过了变换部4的富氢气体经过第一气体供给口311、第二气体供给口312以及第三气体供给口313，流入气体供给区域310。
如上所述，由于空气流量是富氢气体流量的1/20左右，所以在未供给富氢气体的气体供给区域310的上游，气体流量较少。随着经由气体供给口富氢气体流入，气体的流量阶梯性变多。这样，若气体供给区域内的气体的流量存在偏差，则有可能在气体供给区域内无法充分搅拌富氢气体和空气。
但是，在本实施方式中，由于上游侧的第一气体供给口311的口径较大，所以从上游侧的第一气体供给口311流入的富氢气体的流量较多，并且由于下游侧的第三气体供给口313的口径较小，所以从下游侧的第三气体供给口313流入的富氢气体的流量较小。因此，使流过气体供给区域310内的气体的流量均匀化，从而能够更有效地搅拌富氢气体和空气。
(实施方式4)
在实施方式4中，说明混合流路在气体供给区域内具有多个隔堤的形态。
在实施方式4的燃料处理装置中，除了混合流路在气体供给区域内具有多个隔堤以外，其他与实施方式1的燃料处理装置相同。因此，在实施方式4中，仅说明混合流路中的气体供给区域。
图9是表示实施方式4的混合流路400中的气体供给区域410的剖面图。如图9所示，气体供给区域410与空气流入口101连接，并且具有多个隔堤401。隔堤401设置在混合流路400的壁面上的、与气体供给口对向的区域，阻挡气体供给口附近的混合流路400内的一部分气体的流动。
接着，说明气体供给区域410内的富氢气体和空气的流动。图9中的箭头表示富氢气体和空气的流向。如图9所示，在气体供给区域410，流动着预先从空气流入口101供给的空气。而且，通过了变换部4的富氢气体经过第一气体供给口411和第二气体供给口412，流入气体供给区域410。
在本实施方式中，通过配置在气体供给口附近(稍稍上游侧)的隔堤401将从空气流入口101流入的空气引导到气体供给口的附近。因此，即使经过气体供给口流入的富氢气体的流速较慢，仅在气体供给口的附近形成漩涡时，由于通过隔堤401将空气引导到气体供给口附近，所以能够充分搅拌富氢气体和空气。
(实施方式5)
在实施方式5中，说明气体供给口的口径朝向混合流路逐渐缩小的形态。
在实施方式5的燃料处理装置中，除了气体供给区域具有的气体供给口的形状不同以外，其他与实施方式1的燃料处理装置相同。因此，在实施方式5中，仅说明混合流路中的气体供给区域。
图10是实施方式5的混合流路500中的气体供给区域510的剖面图。如图10所示，气体供给区域510与空气流入口101连接，并且具有第一气体供给口511和第二气体供给口512。第一气体供给口511和第二气体供给口512朝向混合流路500逐渐缩小。
接着，说明气体供给区域510内的富氢气体和空气的流动。图10中的箭头表示富氢气体和空气的流向。如图10所示，在气体供给区域510，流动着预先从空气流入口101供给的空气。而且，通过了变换部4的富氢气体经过第一气体供给口511和第二气体供给口512，流入气体供给区域510。
在本实施方式中，气体供给口的口径朝向混合流路逐渐缩小，所以经过第一气体供给口511和第二气体供给口512流入气体供给区域510的富氢气体的流速变快。由此，能够促进富氢气体和空气的搅拌。另外，通过提高经过气体供给口流入的富氢气体的流速，能够增大由富氢气体的流入而形成的漩涡，并促进富氢气体和空气的搅拌。
(实施方式6)
在实施方式6中，说明气体供给口延伸至混合流路的横截面的中心的形态。
在实施方式6的燃料处理装置中，除了气体供给区域具有的气体供给口的形状不同以外，其他与实施方式1的燃料处理装置相同。因此，在实施方式6中，仅说明混合流路中的气体供给区域。
图11是实施方式6的混合流路600中的气体供给区域610的剖面图。如图11所示，气体供给区域610与空气流入口101连接，并且具有第一气体供给口611和第二气体供给口612。第一气体供给口611和第二气体供给口612延伸至混合流路600的横截面的中心。
接着，说明气体供给区域610内的富氢气体和空气的流动。图11中的箭头表示富氢气体和空气的流向。如图11所示，在气体供给区域510，流动着预先从空气流入口101供给的空气。而且，通过了变换部4的富氢气体经过第一气体供给口611和第二气体供给口612，流入气体供给区域610。
与混合流路600的壁面附近相比，流过混合流路600内的气体的流速在混合流路600的横截面的中心处较快。在本实施方式中，由于气体供给口进行了延伸，所以能够将经过气体供给口流入的富氢气体引导到气体的流速较快的混合流路600的横截面的中心处。由此，能够促进富氢气体和空气的搅拌。
实施例
在实施例中，使用计算机仿真来解析本发明的燃料处理装置的混合流路中的富氢气体和空气的流动。
(使用的程序)
在仿真中使用了ANSYS公司制的FLUENT6.2。
(混合流路的形状)
图12表示在实施例中进行了解析的混合流路100的形状。如图12所示，混合流路100由半圆形的圆管构成。圆管的内径设为6mm。半圆的直径设为120mm。而且，气体供给区域110的长度设为94mm，气体扩散区域的长度设为94mm。在气体供给区域110，沿气体的流向排列了气体供给口111。气体供给口111的口径设为4mm。如图12所示，相隔22.5°地配置了四个气体供给口。
(空气和富氢气体的流量)
空气的流量设为0.6L/min，富氢气体的流量设为18L/min。
(富氢气体的组成)
如下那样设定了富氢气体的组成。
甲烷1.8％，水蒸气18.7％，二氧化碳15.4％，一氧化碳0.2％，氢63.9％。
(测定位置)
如图13所示，相隔18°地测定了气体扩散区域的截面中的氧的摩尔浓度和一氧化碳的摩尔浓度的比率(氧的摩尔浓度/一氧化碳的摩尔浓度)。空气中含有氧，富氢气体中含有一氧化碳，所以氧的摩尔浓度和一氧化碳的摩尔浓度的比率的偏差越小，表明富氢气体与空气越充分被混合。
(解析结果)
图13表示实施例的解析结果。如图13所示，在气体扩散区域的最上游的截面(1)处，氧的摩尔浓度和一氧化碳的摩尔浓度的比率的偏差的范围为2.4～4.0。另一方面，在截面(2)处，氧的摩尔浓度和一氧化碳的摩尔浓度的比率的偏差的范围为2.8～3.2，在截面(3)处为2.8～3.0。另外，在截面(5)处，未能确认到氧的摩尔浓度和一氧化碳的摩尔浓度的比率的偏差。
上述解析结果表明，仅在气体供给区域存在富氢气体和空气的混合不充分，但如本发明，通过在气体供给区域之后设置气体扩散区域，能够充分混合富氢气体和空气。
本申请主张基于2008年5月30日提交的特愿第2008-143028的优先权。该申请说明书中所记载的内容全都被本申请说明书引用。
工业实用性
本发明的燃料处理装置能够稳定地生成用于燃料电池的燃料气体。因此，本发明的燃料处理装置对于家庭用热电联供系统等燃料电池系统极为有用

Claims (7)

1.用于燃料电池的燃料处理装置，包括：
改质部，其生成含有一氧化碳和水的富氢气体；
变换部，其使所述富氢气体中的一氧化碳和水反应而生成含有低浓度的一氧化碳的富氢气体；
混合流路，其将所述含有低浓度的一氧化碳的富氢气体与含有氧的空气混合而生成混合气体，并且由上游侧的气体供给区域和下游侧的气体扩散区域构成；
空气供给部，其与所述混合流路的上游端连接，将空气供给到所述混合流路；以及
选择氧化部，其与所述混合流路的下游端连接，使所述混合气体中的一氧化碳与氧反应而生成燃料气体，
所述混合流路为管状的区域，
在所述混合流路的所述气体供给区域，配置有用于将所述富氢气体从所述变换部供给多个的气体供给口，
而且，在所述混合流路的所述气体扩散区域没有配置所述气体供给口，
所述气体扩散区域的长度为所述气体供给区域的长度的0.5～2倍。
2.如权利要求1所述的燃料处理装置，
所述两个以上的气体供给口沿所述混合流路的长轴排列。
3.如权利要求2所述的燃料处理装置，所述两个以上的气体供给口中的一个气体供给口的在所述混合流路的圆周方向上的位置与其他的气体供给口的在所述混合流路的圆周方向上的位置不同。
4.如权利要求3所述的燃料处理装置，
所述一个气体供给口的在所述混合流路的圆周方向上的位置与所述其他的气体供给口的在所述混合流路的圆周方向上的位置对向。
5.如权利要求2所述的燃料处理装置，
所述气体供给口中，最上游侧的气体供给口的口径最大，最下游侧的气体供给口的口径最小。
6.如权利要求2所述的燃料处理装置，
还包括：两个以上的隔堤，其设置在所述混合流路内，
所述隔堤阻挡所述气体供给口附近的混合流路内的一部分气体的流动。
7.如权利要求2所述的燃料处理装置，
所述气体供给口的口径朝向所述混合流路逐渐缩小。
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