CN102822086A - 氢制造装置以及燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供氢制造装置及燃料电池系统。氢制造装置（1）包括：燃烧器（10）；燃烧筒（11），该燃烧筒（11）其设置为包围燃烧器（10）的火焰，并从一侧排出燃烧器（10）的废气排气；重组部（6），其该重组部（6）以包围燃烧筒（11）的方式设置为筒状，通过使原燃料以及水蒸气进行重组反应来生成重组气体；废气排气流路（L1），其该废气流路（L1）以穿过燃烧筒（11）与重组部（6）之间而向重组部（6）的另一侧折回、并且在穿过重组部（6）的外侧而向沿预定一侧延伸的方式设置成筒状，供从燃烧筒（11）的一侧排出的废气排气流动流通；低温转化反应部（13），其该低温转化反应部（13）以在废气排气流路（L1）中的、向沿预定一侧延伸的延伸部分（L1b）的内侧以及外侧的一者处方沿着延伸部分（L1b）的方式设置成筒状，通过使利用重组部（6）生成的重组气体进行转化反应来降低重组气体的一氧化碳浓度；以及选择氧化反应部（8），其该选择氧化反应部（8）以在延伸部分（L1b）的内侧以及外侧的另一方一者处沿着延伸部分（L1b）的方式设置成筒状，通过使在低温转化反应部（13）进行转化反应后的重组气体进行选择氧化反应来进一步降低一氧化碳浓度。

Description

氢制造装置以及燃料电池系统
技术领域
本发明涉及一种氢制造装置以及具备此类氢制造装置的燃料电池系统，该氢制造装置使用原燃料以及水蒸气来生成含有氢的重组气体。
背景技术
在上述技术领域的氢制造装置中，在通过使原燃料以及水蒸气发生重组反应来生成重组气体的重组部的后段，设置有用于降低重组气体的一氧化碳浓度的低温转化反应部以及选择氧化反应部。由于重组反应是高温的吸热反应，因此大多情况下利用燃烧器对重组部进行加热。因此，高温的重组气体从重组部的出口排出，燃烧器的排放气体在重组部的出口附近流通。另一方面，由于从催化剂的反应条件来看，转化反应以及选择氧化反应在比重组反应温度低的温度下进行，因此，大多情况下在利用热交换器等使从重组部的出口排出的高温的重组气体冷却之后，将该重组气体导入到低温转化反应部以及选择氧化反应部中。进而，燃烧器的排放气体在大多情况下不会与低温转化反应部以及选择氧化反应部直接接触，而是在热交换器中被原料水等冷却，并向氢制造装置的外部排出。因此，当起动氢制造装置时，在将内部的各种催化剂加热到可使用温度时，为了使低温转化反应部以及选择氧化反应部迅速升温而实现缩短起动时间的目的，有时在低温转化反应部、选择氧化反应部设置用于在起动时进行升温的电加热器（例如，参照专利文献1、2）。
专利文献1：日本特开2006－248864号公报
专利文献2：日本特开2007－335224号公报
然而，在起动氢制造装置时，若为了使低温转化反应部以及选择氧化反应部迅速升温而使用电加热器，则可能会消耗较多的起动能量。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种氢制造装置以及具备此类氢制造装置的燃料电池系统，该氢制造装置能够抑制起动能量的消耗，从而能够使低温转化反应部以及选择氧化反应部迅速升温。
为了实现上述目的，氢制造装置使用原燃料以及水蒸气来生成含有氢的重组气体，包括：燃烧器；燃烧筒，该燃烧筒设置为包围燃烧器的火焰，并从一侧排出燃烧器的排气；重组部，该重组部以包围燃烧筒的方式设置为筒状，并通过使原燃料以及水蒸气进行重组反应来生成重组气体；排气流路，该排气流路以穿过燃烧筒与重组部之间而在重组部的另一侧折回、并且穿过重组部的外侧而向预定一侧延伸的方式设置成筒状，且该排气流路供从燃烧筒的一侧排出的排气进行流通；低温转化反应部，该低温转化反应部以在排气流路中的、向预定一侧延伸的延伸部分的内侧以及外侧的一者处沿着延伸部分的方式设置成筒状，并通过使利用重组部生成的重组气体进行转化反应来降低重组气体的一氧化碳浓度；以及选择氧化反应部，该选择氧化反应部以在延伸部分的内侧以及外侧的另一者处沿着延伸部分的方式设置成筒状，并通过使利用低温转化反应部进行转化反应后的重组气体进行选择氧化反应来进一步降低一氧化碳浓度。
在该氢制造装置中，低温转化反应部以在排气流路的延伸部分的内侧以及外侧的一者处沿着延伸部分的方式设置成筒状，选择氧化反应部以在排气流路的延伸部分的内侧以及外侧的另一者处沿着延伸部分的方式设置成筒状。因此，若在起动氢制造装置时使燃烧器的排气在排气流路中流通，则低温转化反应部以及选择氧化反应部在排气的热量的作用下加热而升温。如此，根据该氢制造装置，由于在起动时不需要在低温转化反应部以及选择氧化反应部中使用电加热器，因此能够抑制起动能量的消耗，从而能够使低温转化反应部以及选择氧化反应部迅速升温。
另外，在该氢制造装置中还包括蒸发部，该蒸发部利用周围的热量对贮存的水进行加热来生成水蒸气，蒸发部以在延伸部分与低温转化反应部之间、延伸部分与选择氧化反应部之间、延伸部分、低温转化反应部及选择氧化反应部的内侧、以及延伸部分、低温转化反应部及选择氧化反应部的外侧的至少一者处沿着延伸部分的方式设置成筒状。
另外，燃料电池系统包括上述氢制造装置、以及使用利用氢制造装置生成的重组气体来进行发电的燃料电池堆。
由于该燃料电池系统包括上述氢制造装置，因此能够抑制起动能量的消耗，从而能够使低温转化反应部以及选择氧化反应部迅速升温。
根据本发明，能够抑制起动能量的消耗，从而能够使低温转化反应部以及选择氧化反应部迅速升温。
附图说明
图1是本发明的一个实施方式的燃料电池系统的框图。
图2是图1的氢制造装置的端面图。
图3是本发明的其他实施方式的氢制造装置的端面图。
图4是本发明的其他实施方式的氢制造装置的端面图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的适当的实施方式进行详细说明。此外，在各个附图中，对相同或者相当的部分标注相同的附图标记并省略重复的说明。
如图1所示，氢制造装置（FPS：Fuel Processing System）1例如在家庭用的燃料电池系统100中用作氢供给源。这里的氢制造装置1使用石油类烃作为原燃料，用于将含有氢的重组气体供给至电池组（燃料电池堆）20。电池组20使用利用氢制造装置1生成的重组气体来进行发电。
此外，作为原燃料也可以使用乙醇类、乙醚类、生物燃料、天然气、城市煤气等。另外，作为石油类烃，除了煤油、LP气体之外，能够使用石脑油、轻油等作为原燃料。另外，作为电池组20，除了固体高分子型电池之外，也可以使用各种电池。
如图1以及图2所示，氢制造装置1具备脱硫部2、以及以轴线G作为中心轴线的圆柱状外形的主体部3。脱硫部2利用脱硫催化剂对从外部导入的原燃料进行脱硫来去除硫磺部分，并向后述的送料部5供给该原燃料。主体部3具备送料部5、重组部6、转化反应部7、选择氧化反应部8以及蒸发部9，这些部件构成为一体。
送料部5通过使利用脱硫部2进行脱硫后的原燃料以及水蒸气（steam）合流、混合来生成混合气体（混合流体），并且使生成的混合气体扩散，并且供给至重组部6。重组部（SR：Steam Reforming）6利用重组催化剂（重组催化剂部）6x对由送料部5供给的混合气体进行蒸气重组来生成重组气体，并向转化反应部7供给该重组气体。
该重组部6形成为以轴线G作为中心轴线的圆筒状外形，并设置在主体部3的上端侧。另外，由于蒸气重组反应是吸热反应，因此重组部6利用燃烧器10作为用于对重组部6的重组催化剂6x进行加热的热源。
在燃烧器10中，将原燃料作为燃烧器燃料从外部供给并进行燃烧。该燃烧器10安装在设置于主体部3的上端部的、以轴线G作为中心轴线的燃烧筒11上，以便被燃烧器10所产生的火焰包围。燃烧器10的燃烧气体即排气经由排气流路L1向外部排出。此外，在燃烧器10中，有时也将利用脱硫部2进行脱硫后的原燃料的一部分作为燃烧器燃料来供给并进行燃烧。
转化反应部7用于降低从重组部6供给的重组气体的一氧化碳浓度（CO浓度），使重组气体中的一氧化碳进行发热反应、即转化反应而转化为氢以及二氧化碳。这里的转化反应部7分两个阶段来进行转化反应，该转化反应部7具有用于在高温（例如400°C～600°C）下进行转化反应即高温转化反应的高温转化反应部（HTS：High Temperature Shift）12、以及用于在比高温转化反应的温度低（例如150°C～350°C）的温度下进行转化反应即低温转化反应的低温转化反应部（LTS：LowTemperature Shift）13。
高温转化反应部12利用高温转化催化剂12x使从重组部6供给的重组气体中的一氧化碳进行高温转化反应，降低重组气体的C O浓度。高温转化反应部12形成为以轴线G作为中心轴线的圆筒状外形，以高温转化催化剂12x环绕重组催化剂6x的下端部的方式与重组部6的径向外侧邻接配置。该高温转化反应部12向低温转化反应部13供给降低CO浓度后的重组气体。
低温转化反应部13利用低温转化催化剂13x使利用高温转化反应部12进行高温转化反应后的重组气体中的一氧化碳进行低温转化反应，降低重组气体的CO浓度。低温转化反应部13形成为以轴线G作为中心轴线的圆筒状外形，且配设在主体部3的下端侧。该低温转化反应部13向选择氧化反应部8供给降低CO浓度后的重组气体。
选择氧化反应部（PROX：Preferential Oxidation）8进一步降低利用低温转化反应部13进行低温转化反应后的重组气体中的CO浓度。其原因在于，若将高浓度的一氧化碳供给至电池组20，则电池组20的催化剂被破坏，性能大幅降低。具体而言，该选择氧化反应部8利用选择氧化催化剂8x使重组气体中的一氧化碳与从外部导入的空气进行发热反应、即选择氧化反应，从而选择性地进行氧化而转化为二氧化碳。
该选择氧化反应部8形成为以轴线G作为中心轴线的圆筒状外形，配置为在从主体部3的下端到预定长度上端侧构成该主体部3的最外圆周侧。该选择氧化反应部8向外部导出进一步降低CO浓度后的重组气体。
蒸发部9利用周围的热量、即从低温转化反应部13、选择氧化反应部8以及排气流路L1转移来的热量（使低温转化反应部13、选择氧化反应部8以及排气冷却而获得的热量）使贮存在内部的水气化，生成水蒸气。蒸发部9是夹套型的部件，并形成为以轴线G作为中心轴线的圆筒状。该蒸发部9将所生成的水蒸气供给至送料部5。
在该氢制造装置1中，首先将来自燃烧器燃料以及电池组20的剩余气体（off-gas）（在电池组20中没有用于进行反应的残留气体）的至少一者和空气一起供给至燃烧器10而进行燃烧，利用上述燃烧对重组催化剂6x进行加热。然后，燃烧器10的排气（排放气体）流过排气流路L1而向外部排出。
与此同时，将利用脱硫部2进行脱硫后的原燃料和来自蒸发部9的水蒸气在送料部5中混合，生成混合气体。该混合气体供给至重组部6而利用重组催化剂6x进行蒸气重组，由此生成重组气体。利用转化反应部7使生成的重组气体的一氧化碳浓度降低至例如1％以下，在与从外部导入的空气混合之后，利用选择氧化反应部8使其一氧化碳浓度降至10ppm以下，并向后段的电池组20导出。
此外，在本实施方式中，为了利用例如各种催化剂6x、12x、13x、8x适当地进行催化剂反应，如下设定各个部位的温度。即，将流入到重组部6的混合气体的温度设为大约300℃～550℃，将从重组部6流出的重组气体的温度设为550℃～800℃，将流入到高温转化反应部12的重组气体的温度设为400℃～600℃，将从高温转化反应部12流出的重组气体的温度设为300℃～500℃。另外，将流入到低温转化反应部13的重组气体的温度设为150℃～350℃，将从低温转化反应部13流出的重组气体的温度设为150℃～250℃，将流入到选择氧化反应部8的重组气体的温度设为90℃～210℃（120℃～190℃）。
接下来，对上述的燃烧器10、燃烧筒11、排气流路、重组部6、高温转化反应部12、低温转化反应部13、选择氧化反应部8、蒸发部9的配置关系进行进一步详细说明。
如图2所示，燃烧筒11以包围燃烧器10的火焰的方式设置在燃烧器10的下端部。燃烧筒11从下侧（一侧）排出燃烧器10的燃烧气体即排气。重组部6设置为筒状（在此，是如上所述以轴线G作为中心轴线的圆筒状外形），以便包围燃烧筒11。排气流路以从燃烧筒11的下侧穿过燃烧筒11与重组部6之间而在重组部6的上侧（另一侧）折回、并且穿过重组部6的外侧而向下侧延伸的方式设置为筒状。高温转化反应部12以包围重组部6、并且被排气流路中的通过重组部的外侧的部分L1a包围的方式设置为筒状。
低温转化反应部13以被排气流路L1中的向下侧延伸的部分（延伸部分）L1b包围的方式设置为筒状。换言之，低温转化反应部13以在排气流路的部分L1b的内侧（这里是径向内侧）沿着部分L1b的方式设置为筒状。蒸发部9以包围排气流路L1的局部L1b的方式设置为筒状。选择氧化反应部8以包围蒸发部9的方式设置为筒状。换而言之，选择氧化反应部8以在排气流路的局部L1b的外侧（这里是径向外侧）沿着局部L1b的方式设置为筒状。
低温转化反应部13的上端部（另一侧的端部）位于比选择氧化反应部8的上端部靠上侧的位置。蒸发部9的上端部位于高温转化反应部12的下端部（一侧的端部）的外侧。而且，在利用重组部6生成重组气体时，将贮存于蒸发部9的水的水面WF调整为位于比低温转化反应部13的上端部以及选择氧化反应部8的上端部靠上侧的位置。
此外，送料部5在燃烧筒11的下侧从与燃烧筒11相对的位置延伸至重组部6的下端部。使利用重组部6生成的重组气体流通的重组气体流路L2从重组部6的上端部的外侧自上侧向下侧穿过高温转化反应部12以及低温转化反应部13，进而自下侧向上侧穿过选择氧化反应部8而到达电池组20。
另外，使被导入到蒸发部9的水流通的水流路L3穿过重组气体流路L2中的、设置在选择氧化反应部8的下游侧部分的预热部15而到达蒸发部9的下端部。预热部15利用从选择氧化反应部8导出的重组气体的热量对导入到蒸发部9的水进行预热。使利用蒸发部9生成的水蒸气流通的水蒸气流路L4从蒸发部9的上端部与使原燃料流通的原燃料流路L5合流而到达送料部5。
如上所述，在燃料电池系统100的氢制造装置1中，低温转化反应部13以在排气流路L1的部分L1b的内侧沿着该部分L1b的方式设置为筒状，选择氧化反应部8以在排气流路L1的部分L1b的外侧沿着该部分L1b的方式设置为筒状。因此，若在起动氢制造装置1时燃烧器10的燃烧气体即排气流过排气流路L1，则该氢制造装置1利用排气的热量不仅对重组部6以及高温转化反应部12进行加热，也对低温转化反应部13、选择氧化反应部8以及蒸发部9进行加热而使其升温。如此，根据氢制造装置1，由于在起动时不需要在低温转化反应部13以及选择氧化反应部8中使用电加热器，因此能够抑制起动能量的消耗，从而使低温转化反应部13以及选择氧化反应部8迅速升温。
另外，蒸发部9以在排气流路L1的部分L1b与选择氧化反应部8之间沿着该部分L1b的方式设置为筒状。由此，若将水导入到蒸发部9，进而将原燃料以及水蒸气导入至重组部6，利用重组部6生成重组气体，则不仅是排气的热量，低温转化反应部13的反应热以及选择氧化反应部8的反应热也向蒸发部9移动。因而，能够将低温转化反应部13以及选择氧化反应部8分别维持在合适的反应温度。
此外，在具备这样的蒸发部9的情况下，在利用排气的热量对重组部6、各个转化反应部12、13以及选择氧化反应部8进行某种程度的加热之后，将水导入到蒸发部9，从而能够利用过热水蒸气的热量对重组部6、各个转化反应部12、13以及选择氧化反应部8进行进一步加热。
另外，低温转化反应部13的上端部位于比选择氧化反应部8的上端部靠上侧的位置。由此，低温转化反应部13的上端部比选择氧化反应部8的上端部靠近燃烧器10的火焰，并且，利用在排气流路L1的部分L1b流通的排气对更靠上游侧进行加热。因而，能够使成为向低温转化催化剂13x导入重组气体的导入口的低温转化反应部13的上端部的温度，比成为从选择氧化催化剂8x导出重组气体的导出口的选择氧化反应部8的上端部的温度高。
另外，预热部15利用自选择氧化反应部8导出的重组气体的热量对导入至蒸发部9的水进行预热。由此，能够防止导入至蒸发部9的水突然沸腾，能够抑制蒸发振动对导入至重组部6的水蒸气产生影响。
另外，蒸发部9的上端部位于高温转化反应部12的下端部的外侧。由此，由于对蒸发部9的上端部进行加热，因此能够使在蒸发部9中蒸发的水量增多，能够将水蒸气稳定地导入至重组部6。
另外，在利用重组部6生成重组气体时，对贮存于蒸发部9的水的水面WF进行调整，使该水面WF位于比低温转化反应部13的上端部以及选择氧化反应部8的上端部靠上侧的位置。由此，低温转化反应部13的反应热以及选择氧化反应部8的反应热在蒸发部9内的水中可靠地移动，因此能够分别将低温转化反应部13以及选择氧化反应部8稳定地维持在适当的反应温度。
以上虽对本发明的一个实施方式进行了说明，但本发明并不限定于上述实施方式。
例如，对于氢制造装置，作为使重组气体中的一氧化碳进行转化反应的部件，并不限定于具备高温转化反应部以及低温转化反应部的部件，也可以是仅具备低温转化反应部的部件。此外，如图3所示，在仅利用低温转化反应部13来进行重组气体的转化反应的情况下，优选的是，蒸发部9的上端部位于重组部6的下端部的外侧。在该情况下，由于对蒸发部9的上端部进行加热，因此能够增多在蒸发部9中蒸发的水量，从而能够将水蒸气稳定地导入至重组部6。
另外，排气流路并不限定于在穿过重组部的外侧之后向下侧延伸，如图4所示，也可以采用在穿过重组部6的外侧之后进一步折回而向上侧延伸的排气流路L1。在该情况下，能够抑制氢制造装置1的高度，从而能够实现氢制造装置1的小型化。
另外，低温转化反应部也可以以在排气流路的延伸部分的外侧沿着该延伸部分的方式设置为筒状，选择氧化反应部也可以以在排气流路的延伸部分的内侧沿着该延伸部分的方式设置为筒状。
另外，蒸发部的设置位置并不限定于排气流路的延伸部分与选择氧化反应部之间。蒸发部只要以在排气流路的延伸部分与低温转化反应部之间、该延伸部分与选择氧化反应部之间、该延伸部分、低温转化反应部以及选择氧化反应部的内侧、以及该延伸部分、低温转化反应部以及选择氧化反应部的外侧中的至少一者沿着该延伸部分的方式设置成筒状即可。
另外，氢制造装置的重组部并不限定于利用蒸气重组反应，只要使用原燃料以及水蒸气来生成重组气体，就也可以利用其他重组反应。另外，氢制造装置的配置结构也可以采用使上述氢制造装置1上下反转的配置结构（例如，将燃烧器10设置在下部而构成的氢制造装置）。另外，有时氢制造装置不具备脱硫器。
并且，上述“筒状”不仅包含大致圆筒状，也包含大致多棱筒状。另外，大致圆筒状以及大致多棱筒状表示与圆筒状以及多棱筒状大致等同的形状，或至少包含圆筒状以及多棱筒状的一部分的形状等广义的圆筒状以及多棱筒状。另外，在上述实施方式中，虽然优选的是采用以轴线G作为中心轴线的同轴结构，但本发明也可以采用大致同轴或者沿着轴线G的结构。
产业上的可利用性
根据本发明，能够抑制起动能量的消耗，从而能够使低温转化反应部以及选择氧化反应部迅速升温。
附图标记说明
1…氢制造装置；6…重组部；8…选择氧化反应部；9…蒸发部；10…燃烧器；11…燃烧筒；13…低温转化反应部；20…电池组（燃料电池堆）；100…燃料电池系统；L1…排气流路；L1b…部分（延伸部分）。

Claims (3)

1.一种氢制造装置，其使用原燃料以及水蒸气来生成含有氢的重组气体，该氢制造装置包括：
燃烧器；
燃烧筒，该燃烧筒设置为包围上述燃烧器的火焰，并从一侧排出上述燃烧器的排气；
重组部，该重组部以包围上述燃烧筒的方式设置为筒状，并通过使上述原燃料以及上述水蒸气进行重组反应来生成上述重组气体；
排气流路，该排气流路以穿过上述燃烧筒与上述重组部之间而在上述重组部的另一侧折回、并且穿过上述重组部的外侧而向预定一侧延伸的方式设置成筒状，且该排气流路供从上述燃烧筒的一侧排出的上述排气流通；
低温转化反应部，该低温转化反应部以在上述排气流路中的、向上述预定一侧延伸的延伸部分的内侧以及外侧的一者处沿着上述延伸部分的方式设置成筒状，并通过使利用上述重组部生成的上述重组气体进行转化反应来降低上述重组气体的一氧化碳浓度；以及
选择氧化反应部，该选择氧化反应部以在上述延伸部分的内侧以及外侧的另一者处沿着上述延伸部分的方式设置成筒状，并通过使利用上述低温转化反应部进行转化反应后的上述重组气体进行选择氧化反应来进一步降低上述一氧化碳浓度。
2.根据权利要求1所述的氢制造装置，其中，
该氢制造装置还包括蒸发部，该蒸发部利用周围的热量对贮存的水进行加热来生成上述水蒸气，
上述蒸发部以在上述延伸部分与上述低温转化反应部之间、上述延伸部分与上述选择氧化反应部之间、上述延伸部分、上述低温转化反应部及上述选择氧化反应部的内侧、以及上述延伸部分、上述低温转化反应部及上述选择氧化反应部的外侧的至少一者处沿着上述延伸部分的方式设置成筒状。
3.根据权利要求1或2所述的氢制造装置，其中
燃料电池系统包括使用利用上述氢制造装置生成的上述重组气体来进行发电的燃料电池堆。
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