CN102105392A - 氢产生装置和设置有该氢产生装置的燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明的氢产生装置或燃料电池系统可以抑制氢产生装置的各部分由于反复运转和停止所产生的热应力而引起的劣化或破坏，由此改进了氢产生装置和燃料电池系统的稳定性并且提高了其寿命。燃料电池系统(100)的氢产生装置(76)设置有：氢产生装置主体(78)，其包括设置在主体中的用于燃烧能够产生氢的预定介质的燃烧器(4)；以及多个配管，其被连接到氢产生装置主体(78)，以使预定介质流入氢产生装置主体(78)或从氢产生装置主体(78)内部流出。通过燃烧器(4)的运转在氢产生装置主体(78)中形成温度梯度，由此在氢产生装置主体(78)中形成高温区域和低温区域。所述多个配管全部被配置在低温区域。支撑体(70)从低温区域中的氢产生装置主体(78)的外侧支撑氢产生装置主体(78)。

Description

氢产生装置和设置有该氢产生装置的燃料电池系统
技术领域
本发明涉及一种氢产生装置，其被构造成通过使用如民用煤气(town gas)和LPG等碳氢基燃料作为原料气体而生产出富氢(hydrogen-rich)的含氢气体，本发明还涉及一种包含燃料电池的燃料电池系统，所述燃料电池被构造成通过使用由该氢产生装置生产的含氢气体来发电。
背景技术
能够高效地小规模地发电的燃料电池系统便于构建利用发电期间产生的热能的系统。为此，燃料电池系统已经被研发为具有高的能量利用率的分布式发电系统。燃料电池系统包括用于通过预定的电化学反应将含氢燃料气体的化学能和氧化剂气体的化学能转化成电能的燃料电池。燃料电池产生的电能从燃料电池系统被供给到电力负荷(electrical load)。
迄今尚未大范围建造燃料电池系统中使用的含氢燃料气体的基础设施。因此，燃料电池系统通常包括用于产生燃料气体的氢产生装置。这种被设置为用于燃料电池系统的氢产生装置包括例如改质器(reformer)和燃烧器(combustion burner)，该改质器包括改质催化剂(reforming catalyst)，该燃烧器与改质器相邻地布置或构建在改质器中。燃烧器设置有燃烧扇(combustion fan)。在燃烧器中，通过使用从燃料电池排出的剩余的燃料气体(下文中称为“废气”)和从燃烧扇供给的燃烧空气来产生燃烧。氢产生装置通过在改质器中由如天然气、水的原料气体与被燃烧器加热的改质催化剂进行的蒸汽改质反应而产生富氢的燃烧气体。
已经从小型化、高效率化、提高运转稳定性和低成本化等方面提案了各种氢产生装置。例如，提案了具有小型的、圆筒状和纵向长形状的改质构造或具有包括改质单元和一氧化碳去除单元的一体结构的圆筒构造作为一般的构造(例如，参照专利文件1和2)。
此外，已知包括绕燃烧器配置以提高热效率的改质器的氢产生装置(例如，参照专利文件3)。专利文件3中所述的氢产生装置包括用于进行蒸汽改质反应的改质器和用于进行变换反应(shift reaction)以降低气体中的一氧化碳含量的变换单元(shift unit)，改质器和变换单元一体地安装在圆筒容器中。圆筒容器被连接到如下配管：所述配管形成用于供给原料气体、废气、水和燃烧用空气的供给用流路和用于排出从氢产生装置排出的氢和从燃烧器排出的燃烧排气(combustion exhaust)的排出用流路。
氢产生装置一般重10kg～20kg。为此，已经提案了如下方案：当氢产生装置与燃料电池一起被封装成为燃料电池系统时，氢产生装置被支撑和固定到燃料电池系统的框架(例如，参照专利文件4)。在专利文件4中所述的氢产生装置中，当改质单元和CO变换单元(shift unit)被彼此分开地布置时，用于将热交换器连接到改质单元的连接配管介于改质单元和CO变换单元之间。如专利文件1所述，考虑到如下因素，燃料燃烧器、改质单元、热交换器、CO变换单元和CO氧化单元一体地形成：在改质单元和CO变换单元被分开地设置的情况下，来自于将设置在改质单元和CO变换单元之间的热交换器连接到改质单元的配管的热扩散导致效率降低；以及在连接配管和改质单元或热交换器之间的接合部中的热应力集中引起破损。此外，在插入到燃料电池系统的封装主体的燃料改质装置中，燃料改质装置以使较低温区域或需要冷却的部分借助凸缘部结合到封装主体的方式被接合到封装主体。因此，防止由于连接单元热耗散而导致效率降低。例如，在设置于改质装置的燃烧器中，作为位于导入燃料/空气和阳极废气用的部分附近的较低温区域的凸缘部被接合到支架，且改质装置被构造成借助支架被封装主体间接地支撑。
专利文献
专利文件1：日本特开2005-306658号公报
专利文件2：日本特开2004-149402号公报
专利文件3：日本特开2008-063171号公报
专利文件4：日本特开2002-284506号公报
发明内容
发明要解决的问题
然而，在氢产生装置中，改质催化剂层(改质单元)在运转时被加热到600℃～700℃的高温，因此，被置于改质催化剂层能够发生反应的温度下的用作氢产生装置主体的金属结构也处于相似的温度。由于金属结构根据温度热膨胀，在金属结构中由于热膨胀的原因沿上下方向有时产生大的应力。如果当如气体配管和水配管等配管或金属结构和外部支撑体之间的接合部位于金属结构的上部或下部时发生这种应力，则大的应力会施加到配管或接合部，引起如变形、裂纹、破损等损伤。
本发明的目的是提供如下氢产生装置和设置有该氢产生装置的燃料电池系统：其抑制如连接到氢产生装置主体的各种配管等构件由于在运转期间的热膨胀和停止期间的冷却收缩所引起的热应力而产生破损的可能性。
用于解决问题的方案
本发明的氢产生装置包括：主体，其包括燃烧单元，所述燃烧单元被设置在所述主体中并且被构造成燃烧能够产生氢的预定介质；以及多个配管，其被连接到主体，用于使预定介质流入或流出主体，其中，通过燃烧单元的运转在主体中形成温度梯度，由此在主体中形成高温区域和低温区域，所述多个配管全部被配置在低温区域，并且氢产生装置还包括在低温区域中的主体的外侧支撑所述主体的支撑体。
在上述构造中，各种配管全部被配置在主体的在运转期间的低温区域，并且主体的支撑体也被配置在低温区域。在所述低温区域，由运转期间主体的热膨胀和停止期间主体的冷却收缩引起的热应力较小。因此，该构造可以减小配管、主体和支撑体被热应力损坏的可能性。
优选地，在氢产生装置中，配管口形成体被设置在主体的低温区域，配管口形成体具有用于与多个配管的至少一部分配管连接的配管口，并且支撑体被连接到配管口形成体以支撑主体。
在上述构造中，所述支撑体和所述多个配管中的至少一部分配管被连接到被布置在低温区域中的配管口形成体。因此，可以进一步防止配管、主体和支撑体由于热应力导致破损。
优选地，多个配管全部被连接到配管口形成体。
在上述构造中，所述多个配管全部被连接到配管口形成体。因此，可以进一步防止配管、主体和支撑体由于热应力导致破损。此外，可以有助于氢产生装置的装配和维护。
优选地，在氢产生装置中，主体在其内部包括：改质单元，其被构造成使蒸汽和用作预定介质的原料气体经受改质反应，由此产生包含氢的改质气体；变换单元，其被构造成通过CO变换反应减少改质气体中的一氧化碳；以及氧化单元，其被构造成使通过变换单元减少了一氧化碳的改质气体与氧结合而经受CO氧化，由此进一步减少一氧化碳，并且多个配管和支撑体在低温区域中所处部分的温度比变换单元和氧化单元所处部分的温度低。
在上述构造中，各种配管和主体的支撑体在低温区域中所处部分的温度比变换单元和氧化单元所处部分的温度低。因此，该构造可以防止配管、主体和支撑体由于热应力导致破损。
优选地，改质单元、变换单元和氧化单元被配置成在温度梯度的方向上不重叠。
氢产生装置经常被构造成在温度梯度的方向上较长。当热膨胀时，构件很可能在温度梯度的方向上膨胀得较长。该构造能够抑制由热膨胀引起的伸长的影响。
优选地，在主体和支撑体之间设置绝热体，并且在绝热体和主体的高温区域侧的与绝热体相对的面之间设置空间。更优选地，所述空间的长度比主体在燃烧单元运转期间主体热膨胀时伸长的长度长。
在上述构造中，即使主体由于运转期间热膨胀而伸长，主体也不会与绝热体干涉。因此，保持了稳定的绝热性能。
优选地，配管口形成体在被定位成夹着配管口的至少两个部位处被固定到所述支撑体。
在上述构造中，配管口形成体在配管口被夹在至少两个部位之间的状态下在该至少两个部位处被固定到支撑体。由此，防止了由于热应力而产生变形。因此，由于还抑制了配管口的运动，可以更有效地防止连接到配管口的配管的破损。
优选地，配管口形成体在主体的轴向上被布置在主体的一端。
在上述构造中，主体在主体的一端附近借助配管口形成体被支撑体支撑。因此，主体可以朝向主体的不被支撑体支撑的另一端自由地热变形。因此，可以防止在主体的特定部位发生由热应力引起破损。
优选地，绝热体被设置在主体和配管口形成体之间。
在上述构造中，绝热体可以防止从主体向配管口形成体的热传导。因此，可以进一步减小配管口形成体中产生的温度变化。当在氢产生装置的运转和氢产生装置的停止之间发生温度变化时，能够减小在配管口附近产生的热应力。
提供一种燃料电池系统，其包括氢产生装置和被构造成使用从氢产生装置供给的含氢气体来产生电力的燃料电池。
燃料电池系统可以防止氢产生装置的配管的破损和劣化，由此使燃料电池的运转更稳定并使燃料电池系统的寿命更长。
发明的效果
本发明的氢产生装置或燃料电池系统可以防止与反复的运转和停止相关联而产生的热应力引起的氢产生装置的各部分的劣化或破损。由此，提高了氢产生装置和燃料电池系统的稳定性，并由此提高了氢产生装置和燃料电池系统的寿命。
附图说明
图1是示出第一实施方式的燃料电池系统的概略构造的框图。
图2是第一实施方式的氢产生装置主体的主要部分的纵向剖视图。
图3是图2的一部分的放大图。
图4是氢产生装置的主视图。
图5(a)是氢产生装置的俯视图，图5(b)是氢产生装置的俯视图，用于说明紧固构件的布局的第一变形例，图5(c)是氢产生装置的俯视图，用于说明紧固构件的布局的第二变形例。
图6是氢产生装置的变形例的主视图。
图7是氢产生装置的主视图，其示出了固定器的变形例。
图8是示出第二实施方式的氢产生器(氢产生装置)的概略构造的剖视图。
具体实施方式
下文参照附图详细说明实施本发明的实施方式。所有图中，相同或相似的元件被赋予相同的附图标记，且省略对其重复说明。
(第一实施方式)
首先，说明包括本发明的第一实施方式的氢产生装置的燃料电池系统的概略构造。图1是示出该实施方式的燃料电池系统的概略构造的框图。
如图1所示，燃料电池系统100具有：燃料电池60，其被供给燃料气体和氧化气体，并产生电和热；氢产生装置(燃料气体产生装置)76，其产生富氢燃料气体并且将所述气体供给到燃料电池60；以及氧化剂气体供给单元77，其为燃料电池60供给氧化剂气体。在该实施方式中，氧化剂气体为空气，氧化剂气体供给单元77例如包括比如吹风机等风扇，并包括使从风扇以压缩形式被供给的气体湿化的加湿器。
从原料气体供给器(原料气体源)81为氢产生装置76供给原料气体，从水供给器(水供给源)82为氢产生装置76供给水。原料气体供给器81例如为流量控制器(flow controller)，其用作原料气体源并控制原料气体的供给率，原料气体源例如为民用煤气或丙烷气体(propane gas)。流量控制器具体地是由流量控制阀、泵和开关阀构成。水供给器82由例如流量调整器构成，该流量调整器用于控制来自作为水供给源的市水基础设施等的水供给的流率；具体地，水供给器82是由流量调整器、泵和开关阀构成。通过使用所供给的原料气体和水以及源自燃烧器(燃烧单元)4的热，氢产生装置76产生被燃料电池60用作还原剂气体(reducer gas)的燃料气体(含氢气体)。后面详细说明氢产生装置76的构造。
燃料电池60可以例如由具有MEA的聚合电解质燃料电池构成，该聚合电解质燃料电池包括聚合电解质膜和由阴极和阳极构成的一对电极，其中所述聚合电解质膜在含水状态(moisture state)下呈现出选择性地传输质子的质子传导性。在燃料电池60中，供给到阳极的燃料气体和供给到阴极的氧化剂气体彼此进行电化学反应以产生电、热和水。
燃料电池60的输出端子连接到输出控制器75，所述输出控制器75具有用于将燃料电池60产生的直流电力转换成交流电力的逆变器(inverter)。输出控制器75被连接到电力负荷。燃料电池60的发电量被输出控制器75控制。
燃料电池60排出未用于反应的剩余的燃料气体。含有剩余燃料气体的废气(阳极废气)被供给到燃烧器4并且用作燃烧器中的燃料。燃料电池60排出剩余的氧化剂气体。含有剩余氧化剂气体的另一种废气(阴极废气)被排出到大气中。
对氢产生装置76进行详细说明。图2是该实施方式的氢产生装置主体的主要部分的纵向剖视图，图3是图2的一部分的放大图。
如图1至图3所示，氢产生装置76包括氢产生装置主体(主体)78。氢产生装置主体78包括改质器(改质单元)8、变换单元10a、氧化单元10b和燃烧器4，这些部件被收容在壳体3中。所述的收容改质器8和燃烧器4的壳体3形成氢产生装置主体78的外表面(外轮廓)。壳体3包括桶部3a和凸缘部3b，桶部3a构成具有开口上端和闭合下端的筒体，凸缘部3b位于桶部3a的开口上端。凸缘部3b用作固定器65的构成元件之一，固定器65用于将氢产生装置主体78固定于后述的支撑体70。
当从燃烧器4发出火焰的方向观察时，期望本发明的配管口形成体62被配置在氢产生装置主体78的下游端，该下游端是氢产生装置主体78中温度较低的部位。具体地，由于燃烧器4的运转，在氢产生装置主体78的纵向(该实施方式中的高度方向)上出现温度梯度，因此在氢产生装置主体78中出现高温区域和低温区域。在图2中，氢产生装置主体78的下侧是高温区域，氢产生装置主体78的上侧是低温区域。更具体地，板状的配管口形成体62被配置成闭合壳体3的上端开口。片状的绝热构件61夹在壳体3的凸缘部3b和设置在氢产生装置主体78上的配管口形成体62之间。配管口形成体62和壳体3的凸缘部3b利用比如螺栓和螺母等紧固构件67固定在一起。
在配管口形成体62中形成配管口。配管口与配管组中的至少一部分配管相互连通，所述配管组由用于将各种气体和水(或能够产生氢的预定介质)供给到氢产生装置主体78的配管和从氢产生装置主体78排出的各种气体所流过的配管构成。为与各配管口相互连通的配管设置配管连接部63。配管口形成体62借助配管连接部63连接到氢产生装置主体78中的各流路。在配管口形成体62中形成用于与形成氢产生装置主体78外部的一些流路的配管建立互相连通的配管口。具体地，配管包括：原料气体供给路(feed channel)52，其用于将来自原料气体供给器81的原料气体供给到改质器；水供给路53，其用于将来自水供给器82的水供给到预热蒸发单元6；氧化空气供给路58，其用于将来自氧化空气供给器84的氧化空气供给到CO氧化催化剂9b；燃烧空气供给路54，其用于将来自燃烧空气供给器83的燃烧空气供给到燃烧器4；燃烧气体排出路56，其用于将燃烧器4中产生的燃烧排气排出到氢产生装置76的外部；以及燃料气体供给路57，其用于将燃料气体供给到燃料电池60。如上所述，配管口形成体62用作集中配管单元，所述配管以集中的方式连接到该集中配管单元。如上所述，由于连接到氢产生装置主体78的配管以集中的方式连接到配管口形成体62，所以便于装配和维护氢产生装置76。原料气体供给路52、氧化空气供给路58、燃烧空气供给路54、燃烧空气排出路56和燃料气体供给路57是金属制配管，比如是不锈钢配管。水供给路53由树脂制配管构成。
配管连接部63包括例如接头(joint)。例如，采用使用夹子状快速紧固器的快速紧固器接头被作为这种接头，由此减少了由工人进行的配管(piping)工时数，并且可以实现均一化的操作。
以沿轴向上下对齐的方式同心地配置圆筒状的内筒1和圆筒状的外筒2而构造成壳体3。燃烧器4位于内筒1的内周的中央，借助废气流路51将来自燃料电池的燃烧燃料气体供给到燃烧器4，燃烧空气从燃烧空气供给器83供给到燃烧空气供给路54。燃烧空气供给器83例如包括鼓风机(blast fan)。燃烧器4和内筒1之间的空间被相对于内筒1同心地配置的燃烧筒21分割，由此沿着内筒1的内周在燃烧器4和内筒1之间形成燃烧气体流路5。燃烧气体流路5与燃烧气体排出路56相互连通。借助这种配置，由燃烧燃料气体在燃烧器4中的燃烧形成的热的燃烧气体沿着燃烧气体流路5向上上升，由此，燃烧气体作为燃烧排气通过燃烧气体排出路56排出到外部。
内筒1和外筒2之间的筒状空间的上部被相对于内筒1同心地配置的圆筒状隔板35分割。结果，预热蒸发单元6以面对内筒1的方式同心地配置，一氧化碳减少单元10以面对外筒2的方式同心地配置。预加热蒸发单元6沿着内筒1的外周面形成为圆筒状的空间。在预热蒸发单元6中，引导元件33以预定的间隔螺旋状地卷绕内筒1的外周面，由此在预热蒸发单元6中形成螺旋状流路。
原料气体供给路52和水供给路53被连接到预热蒸发单元6的上端。此外，改质器8被布置在预热蒸发单元6的下方。改质器8在保持与内筒1的外周面接触的状态下形成为圆筒状，使改质器8填充改质催化剂7。
一氧化碳减少单元10以包围预热蒸发单元6的方式圆筒状地形成在预热蒸发单元6的上部的外周侧。通过预热蒸发单元6的上部的气体可以与一氧化碳减少单元10彼此热交换。连通口36沿上下方向形成于位于预热蒸发单元6的下部的外周侧的隔板35的多个部位。具有开口部12的圆筒状的分隔壁11被设置在隔板35的外周侧。圆筒状的热交换板38被布置在分隔壁11的外周侧。引导路径13形成在隔板35和分隔壁11之间，混合气体流路14形成在分隔壁11和热交换板38之间。预热蒸发单元6和引导路径13借助连通口36彼此相互连通。引导路径13和混合气体流路14借助开口部12彼此相互连通。混合气体流路14和改质器8借助于流入口39彼此相互连通。借助上述构造，由通过预热蒸发单元6时被加热的原料气体和蒸汽构成的混合气体借助引导路径13和混合气体流路14流入改质器8。
外筒2的内周位于热交换板38的外周侧。改质气体流路16形成在热交换板38和外筒2之间。改质气体流路16借助属于热交换板38的流出口40与改质器8相互连通，并且还借助在改质气体流路16的上部开口的流入口41与一氧化碳减少单元10连通。借助上述构造，含有大量氢的气体(下文称为“改质气体”)从改质器8流入改质气体流路16，其中所述大量的氢由改质器8借助原料气体和蒸汽之间的蒸汽改质反应而产生。改质气体在通过改质气体流路16时借助热交换板38与通过混合气体流路14的气体进行热交换，从而改质气体被冷却并流入一氧化碳减少单元10。
一氧化碳减少单元10包括两段：即变换单元10a，其填充有用作一氧化碳减少催化剂的CO变换催化剂9a；和氧化单元10b，其填充有用作一氧化碳减少催化剂的CO氧化催化剂9b。在改质气体的流动方向上，变换单元10a布置在上游，氧化单元10b布置在下游，这样变换单元10a在该流动方向上被用作前段而氧化单元10b在该流动方向上被用作后段。借助氧化空气供给路58被供给来自氧化空气供给器84的氧化空气的氧化空气流路19设置在变换单元10a和氧化单元10b之间。用于将燃料气体供给到燃料电池60的燃料气体供给路57被连接到一氧化碳减少单元10的上端。借助上述构造，流入到一氧化碳减少单元10中的改质气体在通过变换单元10a和氧化单元10b时被改变成一氧化碳的含量减少的燃料气体，并且借助燃料气体供给路57被供给到燃料电池60。
现在对在具有上述构造的氢产生装置76中产生燃料气体的过程进行说明。
在氢产生装置76中，原料气体借助原料气体供给路52被供给到预热蒸发单元6，水借助水供给路53被供给到预热蒸发单元6。原料气体和水在通过预热蒸发单元6时被加热，并且水由此被蒸发成为蒸汽。预热蒸发单元6被流过燃烧气体流路5的燃烧气体加热。源自发生于一氧化碳减少单元10中的CO变换反应和CO氧化反应的热也传递到预热蒸发单元6，以另外地加热预热蒸发单元6。由预热蒸发单元6加热的原料气体和蒸汽构成的混合气体顺次流过引导路径13和混合气体流路14，以充分混合的状态流入改质器8。在改质器8中，原料气体和蒸汽借助改质催化剂7的催化作用而发生蒸汽改质反应，由此产生富氢的改质气体。蒸汽改质反应是吸热反应，改质器8被流过燃烧气体流路5的燃烧气体加热，由此反应进行。
由改质器8产生的改质气体流入改质气体流路16。改质气体在通过改质气体流路16的内部上升时与流过改质器8和混合气体流路14的混合气体热交换，从而改质气体被冷却到适于在一氧化碳减少单元10中进行反应的温度。被由此冷却到200℃～250℃的改质气体流入一氧化碳减少单元10的变换单元10a，改质气体中的一部分一氧化碳经由CO变换反应被去除。被变换单元10a去除了一氧化碳的改质气体流入氧化单元10b。借助CO氧化催化剂的作用，改质气体与借助氧化空气供给路58供给的氧化空气中的氧发生CO氧化反应，进一步去除改质气体中的一氧化碳。借助一氧化碳减少单元10被去除了一氧化碳的改质气体作为燃料气体借助燃料气体供给路57从一氧化碳减少单元10供给到燃料电池60的阳极。
现在对将氢产生装置76紧固到燃料电池系统100的封装的方法进行说明。图4是氢产生装置的主视图。图5(a)是氢产生装置的俯视图。图5(b)是氢产生装置的俯视图，用于说明紧固构件的布局的第一变形例。图5(c)是氢产生装置的俯视图，用于说明紧固构件的布局的第二变形例。图6是氢产生装置的变形例的主视图。图7是氢产生装置的主视图，示出了固定器的变形例。在图5中省略了连接到配管口形成体62的配管。
如图4和图5(a)所示，氢产生装置76在氢产生装置主体78被支撑体70支撑的状态下与燃料电池60和其它部件一起布置在燃料电池系统100的封装中。支撑体70还可以形成为可拆卸地安装到燃料电池系统100的封装的框架或者一体地位于燃料电池系统100的封装的框架(基体)上。
各支撑体70包括底板71和立设在底板71上的两个大致平行的支撑柱72、72。各支撑柱72在大略矮于支撑柱的顶部的位置处沿与其对向支撑柱(counterpart support pillar)相对的方向大致直角地弯曲，而使弯曲后的顶部与底板71大致平行。各支撑柱72经由它们的顶部与氢产生装置76保持接触。壳体3的凸缘部3b架设在两个支撑柱72、72的顶部。壳体3的凸缘部3b和支撑柱72的顶部借助如螺栓和螺母等紧固构件66紧固。
在上述构造中，配置在氢产生装置主体78上的配管口形成体62借助固定器65固定到支撑体70，由此氢产生装置主体78被支撑体70支撑。在该实施方式中，壳体3的凸缘部3b、将支撑体70紧固到凸缘部3b的紧固构件66和将凸缘部3b紧固到配管口形成体62的紧固构件67构成固定器65。简言之，配管口形成体62借助凸缘部3b被支撑体70间接地支撑。然而，固定器65的结构不限于如上述的用于间接地固定支撑体70的构造。例如，如图7所示，配管口形成体62的周缘部62还可以延伸成当从俯视图观察时与各支撑柱72的顶部重叠。配管口形成体62的周缘部和支撑柱72的各顶部可以借助如螺栓和螺母等紧固构件69紧固，由此将配管口形成体62直接紧固到支撑体70。在这种情况下，用于将配管口形成体62固定到支撑体70的固定器65包括配管口形成体62的周缘部和紧固构件69。
用于将支撑体70紧固到凸缘部3b和配管口形成体62的紧固构件66被配置在固定器65的至少两个位置，其中在配管口形成体62中开口的配管口62a夹在所述至少两个位置之间。由此，减少了当氢产生装置76在运转和停止之间切换时的温度变化所导致的配管口形成体62的热变形的自由度，从而减小配管口形成体62由于温度变化而产生的运动。这样的原因在于凸缘部3b被紧固构件66支撑在支撑体70上的至少两个位置处，由此，防止凸缘部3b的径向变形，转而也防止配管口形成体62的变形。因此，借助配管口形成体62连接到氢产生装置主体78的配管不易由于氢产生装置76的反复启动和停止而引起破裂(fracture)。“将配管口62a夹在中间的两个位置”是指当配管口62a组如图5(a)所示的那样在沿与氢产生装置76的延伸方向垂直的方向上截取的截面的方向上被观察时关于穿过所述配管口62a组的重心(centroid)G的中心线G1对称的位置。例如，如图5(b)所示，紧固构件66还可以设置在与中心线G1垂直的线G2的一侧，且相对于中心线G1一边一个。此外，如图5(c)所示，紧固构件66还可以配置在夹着重心G彼此相对的两个位置。
如上所述，借助固定器65以被限制运动的方式固定到支撑体70的配管口形成体62作用为氢产生装置76中的当氢产生装置76(氢产生装置主体78)热变形时发生较小变形的部分。在图2中，氢产生装置主体78的下侧为高温区域，其上侧为低温区域。配管口形成体62配置在低温区域中的温度最低的位置(即距离燃烧器4最远的位置)。因此，与配管连接到氢产生装置76的其它部位的情况相比，连接到几乎不变形的配管口形成体62的配管受氢产生装置主体78的热变形的影响较小，并且产生的应力较小。因此，可以防止氢产生装置76或与氢产生装置76连接的配管发生破裂或劣化，否则热应力的集中将导致所述装置或配管发生破裂或劣化。
此外，在该实施方式中，绝热构件61被设置在配管口形成体62和壳体3的凸缘部3b之间，由此阻断从凸缘部3b到配管口形成体62的热传导。因此，当氢产生装置主体78经受了温度变化时，能够进一步减小配管口形成体62和与配管口形成体62连接的配管中产生的温度变化。因此，可以期望进一步减小配管口形成体62和与配管口形成体62连接的配管的热变形及热应力。
在该实施方式中，配管口形成体62在壳体3的轴向上被设置在壳体3(氢产生装置主体78)的一端。具体地，氢产生装置主体78在壳体3的一端附近借助配管口形成体62和固定器65被支撑体70支撑。此外，在氢产生装置主体78(排除壳体3的形成固定器65的凸缘部3b)的外表面和支撑体70之间设置空间。具体地，在氢产生装置主体78和支撑体70的底板71之间存在空间，另外在氢产生装置主体78的侧表面和支撑体70的支撑柱72、72之间存在空间。氢产生装置主体78与支撑体分离开足够的距离，使得氢产生装置主体78即使热膨胀也不会接触支撑体70。
即使氢产生装置主体78经受热变形(热膨胀和冷却收缩)，该构造也能够使氢产生装置主体78以不受固定器65约束的方式自由地经历热变形。此外，氢产生装置主体78还以不受支撑体70的阻碍的方式经历热变形。因此，能够防止由热应力的集中所引起的氢产生装置76的破损和劣化。
还期望，当沿燃烧器4发出的火焰的方向观察时，配管口形成体62被配置在氢产生装置主体78的下侧。具体地，期望配管口形成体62被配置在如下位置：该位置位于从氢产生装置主体78中变为最热部的燃烧器4发出的火焰的方向的相反侧；换言之，当氢产生装置主体78在运转和停止之间切换时，该位置发生较小的温度变化和较小的热变形。壳体3的固定有配管口形成体62的凸缘部3b被布置在壳体3的距燃烧器4最远的位置。由此可以进一步减小支撑体70和固定器65之间发展(develop)的应力以及配管口形成体62和固定器65之间发展的应力，从而能够减轻热疲劳。
在该实施方式中，采用了如下构造：配管口形成体62、各种配管和支撑体70处于低温侧，该低温侧是温度比变换单元10a和氧化单元10b温度低的部分；即，配管口形成体62、各种配管和支撑体70位于距燃烧器4远的一侧。
在该实施方式中，所有连接到氢产生装置76的配管以集中的方式连接到配管口形成体62。该构造能够有效地减少对配管造成的损伤。然而，配管中的水供给路53由树脂制的柔性配管形成，所以能够跟随热变形。为此，例如如图6中所示，形成水供给路53的配管还可以连接到与配管口形成体62不同的其它部位(例如，壳体3的桶部3a)。
此外，不是所有的金属制配管需要连接到配管口形成体62。只要配管组的多个配管连接到配管口形成体62，就可以在一定程度上产生上述优点，其中，配管组包括：形成原料气体供给路52的配管，借助原料气体供给路从原料气体供给器81供给原料气体；形成水供给路53的配管，借助水供给路从水供给器82供给水；形成氧化空气供给路58的配管，借助氧化空气供给路从氧化空气供给器84供给氧化空气；形成燃烧空气供给路54的配管，借助燃烧空气供给路从燃烧空气供给器83供给燃烧空气；形成燃烧气体排出路56的配管，借助燃烧气体排出路排出在燃烧器4中生成的燃烧排气；和形成燃料气体供给路57的配管，借助燃料气体供给路将燃料气体供给到燃料电池60。然而，期望配管组中的金属制配管全部被连接到配管口形成体62。
在该实施方式中，说明了实现氢产生装置76的如下的构造：在该构造中，将改质器8、变换单元10a和氧化单元10b一体地配置在壳体3中。然而，氢产生装置不限于该构造。本发明例如还可以应用于如下构造：在该构造中，改质器8、变换单元10a和氧化单元10b被设置在各个独立的容器中。
在该实施方式中，配管口形成体62被设置成离开氢产生装置主体78中的壳体3。即使不设置配管口形成体62，通过将所有的配管和支撑体配置在低温区域也可以实现本发明的优点。
(第二实施方式)
现在将参照图8说明本发明的第二实施方式的氢产生器(氢产生装置)。如图8所示，本发明的第二实施方式的氢产生器包括如下部件以构成氢产生器：金属结构体(氢产生装置主体)200，其用作包含催化剂、水蒸发单元、燃烧器以及其它部件的反应容器；绝热体101，其遮盖金属结构体200；以及框架(支撑体)102，其固定金属结构体200和绝热体101。该实施方式的氢产生器与第一实施方式的氢产生装置76相当。金属结构体200与第一实施方式的氢产生装置主体78相当。
金属结构体200借助固定单元110固定到框架102。绝热体101的整个外周被固定到框架102。框架102与第一实施方式的支撑体70相当。
金属结构体200具有布置在比金属结构体200的固定单元110低的位置处的燃烧器203。燃烧器203将从燃料气体配管201(与第一实施方式的废气流路51相当)供给的燃料气体与从燃烧空气配管202(与第一实施方式的燃烧空气供给路54相当)供给的燃烧空气混合，由此产生火焰。由燃烧器203产生的燃烧排气借助燃烧排气出口配管204(与第一实施方式的燃烧气体排出路56相当)从氢产生器排出。
被燃烧器203的排气加热的水蒸发混合单元205被供给：从原料气体配管206(与第一实施方式的原料气体供给路52相当)供给的原料气体和从水配管207(与第一实施方式的水供给路53相当)供给的水。它们作为由原料气体和蒸汽构成的气体混合物被供给到布置在水蒸发混合单元205的下部的改质催化剂层208(与第一实施方式的改质催化剂7和改质器8相当)。
从改质催化剂层208送出的改质气体被供给到变换催化剂层209(与第一实施方式的CO变换催化剂9a和变换单元10a相当)。从变换催化剂层209送出的变换气体在与来自选择氧化空气配管211(与第一实施方式的氧化空气供给路58相当)的选择氧化空气混合之后被供给到选择氧化催化剂层210(与第一实施方式的C O氧化催化剂9b和氧化单元10b相当)。从选择氧化催化剂层210放出的生成气体借助生成气体出口配管212(与第一实施方式的燃料气体供给路57相当)从氢产生器送出。
现在对具有上述构造的氢产生器的各部分的动作进行说明。
燃烧器203将燃料气体与空气混合，并且使混合气体经受高压放电(未示出放电构造)，由此产生火焰和高温燃烧排气。改质催化剂层208和水蒸发混合单元205由此被加热，此后，燃烧排气借助燃烧排气出口配管204排出氢产生器。
从原料气体配管206供给的原料气体和从水配管207供给的水接收来自流过水蒸发混合单元205的内部的燃烧排气的热，由此水蒸发。此时，蒸汽与流过水蒸发混合单元205中的同一流路的原料气体混合，所形成的气体作为混合气体被供给到改质催化剂层208。
改质催化剂层208借助流过改质催化剂层的内部的高温燃烧排气被加热到600℃～700℃。由于改质催化剂层被供给混合气体，借助蒸汽改质反应产生包含氢、一氧化碳、二氧化碳和其它成分的改质气体。
变换催化剂层209在200℃～300℃的温度下借助变换反应将改质气体中的高浓度的一氧化碳(10～15％)转换成二氧化碳，由此降低一氧化碳的浓度(大约0.5％)。
选择氧化催化剂层210使变换气体与从选择氧化空气配管211供给的空气混合，由此在100℃～200℃的温度下借助选择氧化反应将变换气体中的一氧化碳降低到10ppm以下的极低浓度。
由于改质催化剂层208已经被加热到600℃～700℃的温度，根据结构体的材料和温度，金属结构体在运转开始之前已经变得比其初始状态长。例如，当金属结构体是不锈钢材料时，材料的热膨胀系数为大约15×10-6[1/K]。因此，当整个金属结构体被加热到700℃时，结构体与在运转开始之前(20℃)的状态相比膨胀1％。
如果金属结构体的长度为700毫米，则结构体将伸长7毫米。实际上，整个金属结构体不是700℃，在金属结构体中存在最大为700℃的温度分布。因此，结构体将伸长小于7毫米的若干毫米。
此时，当配管被安装并固定于将上下伸长若干毫米的氢产生装置的外部时，使氢产生装置伸长若干毫米的力将失去逃逸(escape)空间。该力将形成大应力，由此对配管或固定部造成损伤，比如造成变形和破裂等。
为此，在该实施方式中，金属结构体200借助设置在金属结构体200的顶部的固定单元110被固定到框架102。此时，原料气体配管206、水配管207、选择氧化空气配管211、燃烧排气出口配管204和生成气体出口配管212也被配置在金属结构体200的上部，并连接到氢产生器的外部。
借助于金属所固定的部分被集中在金属结构体200的上部，由此，金属结构体的由于热膨胀而伸长的部分被实现为在向下的方向上不受限的结构的形式。
即使图8所示的选择氧化空气配管211被配置在比金属结构体200的上部略低的位置，金属结构体200的上部仍用作布置水配管207和原料气体配管206的最上游部位。因此，金属结构体的上部是低温区域。具体地，在图8中，如第一实施方式那样，在高度方向上出现温度梯度。金属结构体200的下侧成为高温区域，金属结构体的上侧成为低温区域。固定单元110被布置在低温区域中的温度最低的位置(即，距燃烧器203最远的位置)。
因此，金属结构体200的上部为经受最小热膨胀的部位。即使当如选择氧化空气配管211等配管被配置在比金属结构体200的上部略低的位置时，也几乎不会发生由于操作期间的温度增大所产生的膨胀，从而不会对配管作用大的应力。
因此，只要配管和固定单元一起被设置在金属结构体200的上部，即使金属结构体被配管与氢产生器的外部的连接所约束，也几乎不会出现热膨胀。因此，配管和固定单元不经受应力，金属结构体的固定保持状态在运转和停止之间不会改变。因此，可以保持结构体的稳定状态。
然而，不包括不是配管的如下配线：这些配线具有高的柔软性，比如温度传感器，并且被连接到氢产生器的外部。即使当配线被配置在金属结构体200的下部并且连接到外部的情况下，结构体也不受影响。
在该实施方式中，绝热体101被配置在金属结构体200的外部。此外，在绝热体101和金属结构体200的与所述金属结构体200的设置有固定单元的部位相反的底部之间设置第一空间103，以使得金属结构体200在运转期间伸展时不与绝热体101干涉。
借助该空间，无论金属结构体200的状态如何，绝热体101的位置在停止和运转期间均保持恒定。绝热体不会薄地(thinly)延伸，也不会出现间隙。因此，能够维持稳定的绝热性。
只要该空间的长度为金属结构体200的底部与固定单元110之间的长度的1％以上，就能够避免发生由热膨胀引起的干涉。
关于改质催化剂层208、变换催化剂层209和选择氧化催化剂层210在它们的高度方向上彼此不重叠(在温度梯度的方向上彼此不重叠)的氢产生器的构造，该构造特别地在高度方向上变得较长。因此，该结构很可能在热膨胀时延伸得很长，因此本发明的构造更有效。
在金属结构体200和绝热体101之间设置空间的部位不只限于金属结构体200的与其固定单元相反的底部，考虑到距金属结构体200的固定单元110的距离和温度，还可以是金属结构体200在热膨胀时很可能与绝热体101干涉的部位。该部位被设定为第二空间104，如图8所示。
第一实施方式和第二实施方式之间存在的结构差异也可以被采用为另一实施方式，除非结构差异阻碍实现本发明的原有优点。
本发明以2008年7月25提交的日本专利申请2008-192200和2008年9月9日提交的日本专利申请2008-230537为基础，其全部内容通过引用的方式结合在此。
尽管已经说明了本发明的各实施方式，但是本发明不限于关于本发明的实施方式所述的内容。本领域的技术人员根据本申请的说明书和公知技术对本发明进行的变形和应用将落在本申请的保护范围内。
产业上的可利用性
本发明的氢产生装置可以消除连接到氢产生装置主体的各种配管由于运转期间发生的热膨胀和停止期间发生的冷却收缩的原因而被热应力损坏的可能性。本发明可以广泛用于具有改质器和燃烧器的氢产生装置。此外，具有该氢产生装置的燃料电池系统适用于家庭用燃料电池系统等。
附图标记说明
1内筒
2外筒
3筒体
3a桶部
3b凸缘部
4燃烧器
5燃料气体流路
6预热蒸发单元
7改质催化剂
8改质器
9a CO变换催化剂
9b CO氧化催化剂
10一氧化碳减少单元
10a变换单元
10b氧化单元
51废气流路
52原料气体供给路
53水供给路
54燃烧空气供给路
56燃烧气体排出路
57燃料气体供给路
58氧化空气供给路
60燃料电池
61绝热构件
62配管口形成体
63配管连接部
65固定器
66紧固构件
70支撑体
71底板
72支撑柱
75输出控制器
76氢产生装置
77氧化剂气体供给单元
78氢产生装置主体
81原料气体供给器
82水供给器
83燃烧空气供给器
84氧化空气供给器
100燃料电池系统
101绝热体
102框架
103第一空间
104第二空间
110固定单元
200金属结构体
201燃料气体配管
202燃烧空气配管
203燃烧器
204燃烧排气出口配管
205水蒸发混合单元
206原料气体配管
207水配管
208改质催化剂层
209变换催化剂层
210选择氧化催化剂层
211选择氧化空气配管
212生成气体出口配管

Claims (11)

1.一种氢产生装置，其包括：
主体，所述主体包括燃烧单元，所述燃烧单元被设置在所述主体中并且被构造成燃烧能够产生氢的预定介质；以及
多个配管，其被连接到所述主体，用于使所述预定介质流入或流出所述主体，
其中，通过所述燃烧单元的运转在所述主体中形成温度梯度，由此在所述主体中形成高温区域和低温区域，
所述多个配管全部被配置在所述低温区域，并且
所述氢产生装置还包括从低温区域中的主体的外侧支撑所述主体的支撑体。
2.根据权利要求1所述的氢产生装置，其特征在于，
配管口形成体被设置在所述主体的低温区域，所述配管口形成体具有用于与所述多个配管的至少一部分配管连接的配管口，并且
所述支撑体被连接到所述配管口形成体以支撑所述主体。
3.根据权利要求2所述的氢产生装置，其特征在于，
所述多个配管全部被连接到所述配管口形成体。
4.根据权利要求1所述的氢产生装置，其特征在于，
所述主体在其内部包括：
改质单元，其被构造成使蒸汽和用作所述预定介质的原料气体经受改质反应，由此产生包含氢的改质气体；
变换单元，其被构造成通过CO变换反应减少所述改质气体中的一氧化碳；以及
氧化单元，其被构造成使通过所述变换单元减少了一氧化碳的改质气体与氧结合而经受CO氧化，由此进一步减少一氧化碳，并且
所述多个配管和所述支撑体在所述低温区域中所处部分的温度比所述变换单元和所述氧化单元所处部分的温度低。
5.根据权利要求4所述的氢产生装置，其特征在于，
所述改质单元、所述变换单元和所述氧化单元被配置成在所述温度梯度的方向上不重叠。
6.根据权利要求1所述的氢产生装置，其特征在于，
在所述主体和所述支撑体之间设置绝热体，并且
在所述绝热体和所述主体的高温区域侧的与所述绝热体相对的面之间设置空间。
7.根据权利要求6所述的氢产生装置，其特征在于，
所述空间的长度比所述主体在所述燃烧单元运转期间所述主体热膨胀时伸长的长度长。
8.根据权利要求2或3所述的氢产生装置，其特征在于，
所述配管口形成体在被定位成夹着所述配管口的至少两个部位处被固定到所述支撑体。
9.根据权利要求2或3所述的氢产生装置，其特征在于，
当沿所述主体的轴向观察时，所述配管口形成体布置在所述主体的一端。
10.根据权利要求2或3所述的氢产生装置，其特征在于，
绝热体被设置在所述主体和所述配管口形成体之间。
11.一种燃料电池系统，其包括：
权利要求1至10中的任一项所述的氢产生装置；和
燃料电池，其被构造成通过利用从所述氢产生装置供给的含氢气体来产生电力。
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