CN1324748C - 氢生成装置和具备该氢生成装置的燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

本发明的氢生成装置具有：由改性催化剂构成的改性部(1)；向改性部(1)供给水蒸汽的水的蒸发部(4)；对改性部(1)和蒸发部(4)进行加热的加热部(3)；通过蒸发部(3)将含有烃化合物的原料供给到改性部(1)的原料供给部(5)；具有流量切换部(6a)并向改性部(1)和蒸发部(4)供水的供水部(6)。在蒸发部(4)的加热不充分的装置起动初期，通过改性供给通路(6b)由供水部(6)直接向改性部(1)供水，在改性部(1)进行水蒸汽化。另一方面，在蒸发部(4)被充分加热的正常运转时，通过蒸发供给通路(6c)由供水部(6)向蒸发部(4)供水，将蒸发部(4)生成的水蒸汽供给到改性部(1)。

Description

氢生成装置和具备该氢生成装置的燃料电池系统

技术领域

本发明涉及将以至少由碳和氢构成的化合物为主要成分的燃料进行改性而生成氢气的氢生成装置，特别涉及在装置起动时的装置动作中具有特征的氢生成装置和具备该氢生成装置的燃料电池系统。

背景技术

作为生成富氢气体的方法有一种水蒸汽改性法，是在通过外部加热的状态下，用改性催化剂使有机化合物系燃料和水发生反应的方法。在该水蒸汽改性法中，为了使输入的水和燃料发生反应，需要使水以水蒸汽的状态存在于改性催化剂中。

在使用具有工厂规模的水蒸汽改性法的氢生成装置中，多采用让使用锅炉等的水蒸汽供给部位于装置外部、将由该水蒸汽供给部得到的水蒸汽与燃料一起输送到改性催化剂层的方法。在小型的氢生成装置中，多采用使水蒸汽供给部位于装置内部、使用由此得到的水蒸汽进行水蒸汽改性反应的构造。并且，就分散型发电装置来说，在将氢气用作燃料的磷酸型燃料电池的发电装置中，由于燃料电池在200～250℃的温度下工作，所以采用由这些热量制成水蒸汽、将这些水蒸汽供给到氢生成装置的构造。

当氢生成装置正常运转时，由于改性催化剂的热负荷一定，所以易于掌握催化剂活性的变化。另一方面，当装置起动时，由于热负荷随时间产生变化，所以该热负荷状态的变化成为催化剂活性降低的一个很大的原因。因此，从保护水蒸汽改性用催化剂的催化剂活性的角度出发，优选为预先向改性催化剂层供给水蒸汽。在如上所述的具有锅炉等的水蒸汽供给部的氢生成装置中，由于在水蒸汽供给部中稳定地生成水蒸汽之后再使装置起动，所以能与其相对应。并且，在如特开平5-275103号公报中所公开的分散型发电装置的燃料电池发电装置中，考虑的方法是，在装置内设置有水蒸汽供给部件，在使用氮气的同时，预先向改性器输送通过该水蒸汽供给部件得到的水蒸汽，使装置起动。

但是，小型的氢生成装置，例如，使用高分子型燃料电池的家用热电联供系统中，如果构造为在氢生成装置中同时使用锅炉等外部热源的水蒸汽供给装置，则具有装置能量效率低、运转时的经济性差、成本高等缺点。因此，在小型的氢生成装置中，多采用有效地利用这种具有用于供给改性反应所必须的热量的热源的结构的装置，并利用由该热源得到的热量来产生水蒸汽的结构。例如，当氢生成装置将天然气用作燃料时，通常，是在650～750℃的温度的改性催化剂层中进行水蒸汽改性反应。并且，在使用其它的烃类燃料时，也采用与使用天然气时同样的温度的改性催化剂层进行加热。由于在这样的高温下进行的改性反应的反应之后的热能可被有效地利用，所以，一般水蒸汽发生部的结构是利用改性反应后的热来产生水蒸汽。在具有这样的水蒸汽发生部的氢生成装置中，在正常运转时，能够有效地利用改性反应后的热能。

家用系统所用的氢生成装置与工厂规模的大规模装置相比，必须是一种与装置进行频繁地起动和停止动作的运转条件相对应的装置。因此，在装置起动时，由热源供给的热能，首先被用于改性催化剂的加热，在该改性催化剂加热后，被用于在水蒸汽发生部产生水蒸汽。这样，由于在氢生成装置起动时，热能优先被用于改性催化剂的加热，所以存在着这样的问题：在起动时，不能在水蒸汽发生部中产生充分的水蒸汽并将其供给于改性催化剂。结果，根据装置结构、加热条件等，改性催化剂的加热情况异常，热负荷增加，由此导致该催化剂的活性降低。

发明内容

本发明以解决上述现有氢生成装置所涉及的上述课题为目的，具体来说，提供一种在装置起动时施加于改性催化剂的热负荷小、即使反复进行起动和停止动作也能充分适应的氢生成装置。

用于解决上述课题的本发明的氢生成装置具有：使用改性催化剂体由原料气体和水蒸汽通过改性反应生成含氢的改性气体的改性部；使水蒸发以便向上述改性部中供给上述水蒸汽的蒸发部；为了实现上述改性和上述蒸发、分别对上述改性部和上述蒸发部进行加热的加热部；直接或借助上述蒸发部向上述改性部供给上述原料气体的原料供给部；供给上述水的供水部；用于由上述供水部向上述蒸发部供给上述水的供水管路；使水生成水蒸汽、将上述水蒸汽供给到上述改性部和上述蒸发部中的至少一方的汽化部。

根据这种结构，在对烃类燃料等原料进行水蒸汽改性从而生成以氢为主体的改性气体的氢生成装置中，通过设置向蒸发部和改性部供水的供水管路，使得即使在装置起动时也能向改性部供给水蒸汽。这样，就能防止由装置起动时水蒸汽不足引起的改性部的改性催化剂的活性降低。因此，可以使得在装置运转动作中的水的蒸发正常进行，并且，还能够使装置在提高能量利用效率的情况下运转。

上述改性部还可具有用于检测上述改性催化剂或上述改性部内的气体温度的改性温度测定部，以便根据上述改性温度测定部的检测温度控制源于上述原料供给部的上述原料供给、源于上述供水部的上述水的供给和所述汽化部中的水蒸汽生成。

根据这样的结构，由于可以根据改性部的温度控制供给到改性部和蒸发部的水和原料，因此能够得到不仅可以实现稳定的运转而且还可以提高热效率的氢生成装置。

当上述改性温度测定部的检测温度为预设的基准值以下时，在上述汽化部进行动作而将上述水蒸汽供给至上述改性部或上述蒸发部的状态下，至少进行从上述原料供给部至上述改性部的上述原料气体的供给，当上述改性温度测定部的检测温度大于预设的基准值时，在上述汽化部停止状态下，可以进行从上述供水部至上述蒸发部的上述水的供给和从上述原料供给部至上述改性部的上述原料气体的供给。

根据这样的结构，由于能够将原料和水供给至确实充分地被加热并处于可进行水蒸汽改性反应的状态的改性部，所以不会发生位于改性部内的流路的堵塞和改性催化剂的活性降低等情况，从而能够迅速地进行水蒸汽改性。

上述蒸发部还具有用于检测该蒸发部或该蒸发部内的气体温度的蒸发温度测定部，以便根据上述蒸发温度测定部的检测温度抑制源于上述原料供给部的上述原料气体的供给、源于上述供水部的上述水的供给和上述气化部中的水蒸汽生成。

根据这样的结构，由于可以根据蒸发部的温度控制供给至改性部和蒸发部的水，因此能够得到不仅可以实现稳定地供给水蒸汽而且还可能提高热效率的氢生成装置。

当上述蒸发温度测定部的检测温度为预设的基准值以下时，可以在上述气化部进行动作而将上述水蒸气供给至上述改性部或上述蒸发部的状态下，至少进行从上述原料供给部至上述改性部的上述原料气体的供给，当上述蒸发温度测定部的检测温度大于预设的基准值时，在上述气化部停止状态下，进行从上述供水部至上述蒸发部的上述水的供给和从上述原料供给部至上述改性部的上述原料气体的供给。

根据这样的结构，由于能够将水供给到确实充分地被加热并处于可进行水蒸汽改性反应的状态的蒸发部，所以能够在蒸发部中迅速地进行水蒸汽改性从而稳定地提供水蒸汽。

本发明的燃料电池系统具有：氢生成装置；使用氧化剂和由上述氢生成装置供给的氢进行发电的燃料电池，其中：上述氢生成装置，包括：使用改性催化剂体由原料气体和水蒸汽通过改性反应生成含氢的改性气体的改性部；使水蒸发并向上述改性部供给上述水蒸汽的蒸发部；为了进行上述改性和上述蒸发、分别对上述改性部和上述蒸发部进行加热的加热部；直接或借助上述蒸发部向上述改性部供给上述原料气体的原料供给部；供给上述水的供水部；用于由上述供水部向上述蒸发部供给上述水的供水管路；使水生成水蒸汽、将上述水蒸汽供给到上述改性部和上述蒸发部中的至少一方的汽化部。

根据这样的结构，由于可以从本发明的氢生成装置以较高热效率并高稳定地向燃料电池供给氢，所以能够以较高的热效率进行可靠性高的稳定的发电。

附图说明

图1是本发明实施方式1中的氢生成装置的结构图。

图2是本发明实施方式2中的氢生成装置的结构图。

图3是本发明实施方式3中的氢生成装置的结构图。

图4是本发明实施方式4中的氢生成装置的结构图。

图5是图4的氢生成装置的汽化部结构的示意图。

图6是图4的氢生成装置的汽化部的另一种结构例的示意图。

图7是本发明实施方式5中的改性部的详细结构图。

图8是具有图1的氢生成装置的燃料电池系统的结构示意图。

具体实施方式

下面参照附图对本发明的实施方式进行说明。在此说明将本发明的氢生成装置适用于采用燃料电池的家用发电系统的情况。另外，本发明的氢生成装置并不局限于上述用途。

(实施方式1)

图1是本发明实施方式1中的氢生成装置结构的示意图。如图1所示，氢生成装置具有改性部1、加热部3、用于向改性部1供给原料气体的原料供给部5、用于向改性部1供水的供水部6、使源于供水部6的水蒸发并生成水蒸汽的蒸发部4、和控制部7。

在氢发生装置中，本体15的内部配置了改性部1和蒸发部4，用于对改性部1和蒸发部4进行加热的加热部3配置在本体15的下方。蒸发部4通过混合原料供给通路16连接于改性部1。并且，改性部1与将由水蒸汽改性反应得到的改性气体引导到外部的改性气体通路8相连。蒸发部4通过原料供给通路5a与配置在本体15的外部的原料供给部5相连，同时，蒸发部4通过蒸发供给通路6c与供水部6相连。并且，供水部6通过改性供给通路6b与改性部1相连。控制部7分别对原料供给部5和供水部4进行控制。

在改性部1中，主要利用由原料供给部5供给的原料，具体地说，包括以天然气、LPG等烃组分、甲醇等醇组分、或粗汽油组分等烃类化合物为例的这种含有以至少由碳和氢合成的化合物作为主要成分的原料，以及，使由供水部6供给的水蒸发得到的水蒸汽，进行水蒸汽改性反应。在改性部1中，配置用于促进改性反应的改性催化剂，例如，将钌催化剂载置于氧化铝载体等中从而形成改性反应部。另外，在此省略对改性部1内部的详细说明和图示。在改性部1中，设置有用于测定改性部内的温度的改性温度测定部2。在此，改性部1的温度是指改性催化剂的温度或改性部1内的气体的温度。改性温度测定部2是具有热电偶、热敏电阻等的结构，其配置位置可以是能测定改性部1的温度变化的任意位置和环境。由改性部1中的水蒸汽改性反应得到的以氢气为主体的改性气体，通过改性气体通路8供给到外部。另外，氢生成装置也可以是在改性部1的下游设置了根据供给端装置的特性处理改性气体的处理部的结构。例如，在用于生成向图8所示的燃料电池系统的燃料电池供给的氢气的氢生成装置150中，如果供给到燃料电池151的氢气中含有一氧化碳，就会引起燃料电池151的性能降低，所以生成的改性气需要是一氧化碳浓度低的气体。因此，也可以在改性部1的下游设置降低改性气体中一氧化碳浓度的一氧化碳转化部152、一氧化碳选择氧化部153等。这样，使用降低了一氧化碳的氢气和含氧的氧化剂，就能够使燃料电池151稳定地发电。

由于所配置的加热部3的主要功能是向改性部1供给水蒸汽改性反应所需的热量，所以，根据装置的结构，还能向蒸发部4提供热量。即，与由加热部3得到的热流相对，在迅速受热的上游侧配置了改性部1，下游侧配置了蒸发部4。加热部3具有使由原料供给部5供给的原料气体的一部分、或者由氢生成装置得到的氢气的供给端回流的剩余气体(例如，由燃料电池发电装置得到的排出气体等)燃烧的火焰喷燃器。火焰喷燃器使用例如燃烧空气供给用的多翼片送风机3a(未详细图示)。

蒸发部4是利用来自加热部3的热量使由供水部6供给的水蒸发并产生水蒸汽的部分，在此处得到的水蒸汽与由原料供给部5供给的原料气体混合，通过混合原料通路16供给到改性部1。并且，在这里，蒸发部4的结构使得它不仅可进行水的蒸发，而且还可对由原料供给部5供给的原料气体进行预热。

原料供给部5用于向改性部1供给原料气体。这里将天然气用作原料气体。尽管未作详细图示，原料供给部5具有用于增加天然气的供给压力的增压器，而且还具有用于降低天然气的硫磺成分的脱硫部，以及用于除去天然气中的有气味的成分的沸石吸附剂。

供水部6具有柱塞泵，将经离子交换后的水用该泵输送到改性部1和蒸发部4。在供水部6，设置有流量切换部6a，形成通过该流量切换部6a、能够调整输送到改性部1和蒸发部4的供水量的结构。

控制部7用于控制原料供给部5和供水部6，从而控制供给到改性部1和蒸发部4的原料和水的供给量。并且，控制供水部6的供给量切换部6a，来选择水的供给端。控制部7具有由改性温度测定部2测得的温度把握改性部1的状态的温度数据处理部，根据由该处理部得到的处理信息来控制原料供给部5和供水部6，调整原料、空气、水的供给量。并且，控制部7还具有利用半导体的存储部(未详细图示)，用该存储部来存储改性部1的温度状态。

从提高装置运转时的能量利用效率的观点看，本实施方式的氢生成装置如上所述，形成使加热部3工作、首先对改性部1进行加热、然后利用加热改性部1后的余热对蒸发部4进行加热的结构。采用这种结构的理由是，由改性部1进行的水蒸汽改性反应为吸热反应，为了得到高反应收率，需要使改性部1保持为烃类原料时的温度650～800℃、醇类原料也需要300℃以上的高温，因此，改性部1优先利用由加热部3得到的质量较高的热能为宜。并且，原因还在于，希望当装置正常运转时，来自加热部3的热能被用于蒸发部4内的水的蒸发，实现无浪费的热回收，提高在装置整体中的能量利用效率的结构。

但是，如上所述，如果对改性部1的加热先于对蒸发部4的加热，根据装置结构、加热条件等，装置起动时，蒸发部4中的水蒸汽产生较慢，其结果，不能向改性部1供给充足的水蒸汽，所以有可能产生对改性催化剂异常加热的情况。如果改性催化剂被异常加热，就会减少催化剂的比表面积并降低催化剂活性。并且，如果在水蒸汽不充足的状态下向高温的改性催化剂供给原料气体(此处为天然气)，就会增大产生从原料中析出碳组分现象的可能性。因此，在本实施方式的氢生成装置中，如下所述那样在装置起动时迅速地产生水蒸汽，由此可以进行降低现有氢生成装置起动时如上所述那样的针对改性催化剂的热负荷的动作。

下面，同时说明本实施方式的氢生成装置中的装置起动动作及其效果。

首先，当使处于停止状态的装置起动时，使加热部3运转并对装置本体15进行加热。在此，通过源于加热部3的热量，优先对改性部1进行加热。然后，将作为原料气体的天然气由原料供给部5通过原料供给通路5a供给到蒸发部4，而且，通过混合原料供给通路16供给到改性部1。另一方面，将作为用于水蒸汽改性反应的水蒸汽来源的水由供水部6供给到改性部1，在此，通过改性供给通路6b和蒸发供给通路6c中的任一通路向改性部1供给，这可通过使用流量切换部6a进行供给通路的切换进行适当选择。

例如，当装置起动时(即加热初期)，一旦由供水部6通过蒸发供给通路6c开始向蒸发部4供水，蒸发部4使水蒸发，将得到的水蒸汽与原料气体一起通过混合原料供给通路16向改性部1供给的情况下，在供给到改性部1的混合原料气体中，原料气体(具体地指天然气)的比率与水蒸汽的比率相比有可能增高。这种结果基于下述理由。即，一旦当装置起动时使加热部3运转，如上所述，来自加热部3的热量优先被用于加热改性部1，这样，尽管根据装置的大小、结构部件的配置等其状态不尽相同，但是相应于改性部1的热容量导致蒸发部4的温度上升缓慢。这样，如果通过温度未能充分上升的蒸发部4向改性部1供水，由于蒸发部4中的水没有充分蒸发，所以不能得到充足的水蒸汽，结果只有天然气被供给到改性部1。如果在这种水未能充分蒸发的状态下，即，未能向改性部1供给充足的水蒸汽的状态下，对改性部1进行加热，一旦改性部1中的改性催化剂的温度上升，通过天然气的热分解，就会在改性催化剂上和改性部内发生碳析出。结果，导致了改性催化剂活性的降低和改性部内的流路堵塞等。并且，由于改性部1中的水蒸汽改性反应是吸热反应，如果未能在改性催化剂中进行水蒸汽改性反应，就会由于由改性部3供给的热量未能被消耗掉而易于导致改性催化剂温度变成高温，结果，将导致催化剂活性降低。因此，为了防止这种改性催化剂活性降低等现象，在本实施方式的装置中，如下所述，将向处于加热初期的改性部1供给充足的水蒸汽。

即，在本实施方式的装置中，通过在供水部6设置改性供给通路6b和蒸发供给通路6c，能够分别向改性部1和蒸发部4供水，并且，通过流量切换部6a调整向各供给通路6b、6c供给的水量，实现可控制向改性部1和蒸发部4供给的水量的结构。因此，如上所述，在刚起动后不立即对蒸发部4进行充分加热，因此，在蒸发部4中水未充分蒸发期间，调整流量切换部6a以便由供水部6向改性供给通路6b供水，通过该通路6b直接向改性部1供水。如果这样直接向改性部1供水，在优先被加热并且温度迅速上升的改性部1中进行水的水蒸汽反应。结果，即使在起动时，也能够在改性部1内迅速而稳定地存在水蒸汽，因此，几乎没有可能发生如上所述的由原料气体的热分解引起的碳析出。这样，在改性部1中存在水蒸汽和原料气体的状态下，随着改性催化剂的温度上升，在改性催化剂上进行吸热反应的水蒸汽改性反应。因此，就能够防止如上所述的改性催化剂异常加热的情况。

另一方面，如上所述，当直接向改性部1供水并在改性部1进行水的蒸发(水蒸汽反应)时，由于从加热部3传至改性部1的热量中的一部分被用于水蒸汽反应中，所以与来自加热部3的热量不被用于水蒸汽反应中的情况、即将预先生成的水蒸汽直接供给到改性部1的情况相比较，在同样的供给热量下，由于有一部分热量用于水蒸汽反应，所以改性部1的温度变低。因此，为了将改性部1维持在适于水蒸汽改性反应的温度，与不将热量用于水蒸汽反应的情况相比，需要由加热部3供给更多的热量。因此，如果直接向改性部1供水，容易导致水蒸汽改性反应的热效率低下。

因此，在本实施方式中，为了抑制如上所述的热效率低下，在从装置起动经过规定时间对蒸发部4进行充分加热、在该蒸发部4中可以充分地进行水的蒸发的状态下，控制流量切换部6a，将通路由改性供给通路6b切换到蒸发供给通路6c。然后，通过蒸发供给通路6c向蒸发部4供水。这种供给通路的切换是由控制部7对流量切换部6a进行定时控制来实施的。供给到蒸发部4的水，在蒸发部4通过水蒸汽反应变成水蒸汽。然后，该水蒸汽通过混合原料流路16，与原料气体一起供给到改性部1。通过这样的动作，当正常运转时，在改性部1中，不会发生水蒸汽反应所需的热量的损失，能够将来自加热部3的热量有效地用于水蒸汽改性反应。并且，还能在蒸发部4中有效地利用来自加热部3的热量产生水蒸汽。

如上所述，在本实施方式的装置中，在加热初期，如上所述，通过在改性部1中直接进行水蒸汽反应，能够防止改性部1内的水蒸汽不足，这样，就能够防止改性部1的异常加热和碳析出，并且，在正常运转时，在蒸发部4能够有效地利用来自加热部3的热量生成水蒸汽，所以能够提高改性部1中的水蒸汽改性反应的热效率。因此，既可以提高热效率，同时还可以实现能够稳定地生成氢的氢生成装置。

另外，在加热初期和正常运转时向改性部1供给的水量，考虑到改性部1中的反应温度、催化剂容积等使用条件，优选预先设定为原料气体(此处为天然气)中的碳原子数2倍以上的量作为标准。例如，在本实施例中，以2.5倍为标准供水。

并且，对于装置起动时供给原料气体和水的开始时机来说，根据由改性温度测定部2检测出的改性部1的温度，由控制部7来控制原料供给部5和供水部6，以控制向改性部1开始供给原料和水的时机。例如，设定改性温度测定部2中的检测温度的基准值，当该检测温度大于基准值时，控制部7控制原料供给部5和供水部6以及流量切换部6a，以便开始供给原料气体和水，在此，该基准值设为200℃。这样，不仅能够抑制原料气体和水的供给开始的定时误差，并且还能够使装置起动时改性部1中的水的蒸发迅速而稳定地进行并能有效地防止改性部1的异常加热。并且，如果向温度低的状态下的改性部1大量供水，有可能因未蒸发的水导致改性部1中气体流路的阻塞，但如上述那样通过在确认改性部1的温度大于基准值之后进行供给，就能够避免这种情况。另外，需要预先将改性部1的温度和水蒸汽改性反应的反应性的关系、或者、改性部1的温度和水的蒸发状态的关系进行关联，由此决定作为基准值的温度。因此，该基准值根据装置的大小、假定的运转条件等采用不同的值，此处将该基准值设为200℃，但是基准值的值并不局限于此。该基准值优选为参考作为下限值的水的蒸发温度、作为上限值的改性催化剂的耐热温度而预先设定。

并且，在上述内容中，通过定时控制流量切换部6a，形成供水通路由改性供给通路6b切换到蒸发供给通路6c的结构，在这样的定时控制下，考虑到装置的大小、动作条件等，为了达到最适于改性催化剂的温度和水的蒸发状态，需要预先进行时间设定。

而且，也可以使用除定时控制以外的其它方法对供水切换进行控制。例如，作为本实施方式的变形例，为了更加使水的蒸发适度，也可以采用根据改性部1的温度进行供水的切换的结构。具体地说，针对改性温度测定部2的检测温度，设定与原料气体和水的供给开始时的上述基准值(此处称为第一基准值)不同的基准值(此处称为第二基准值)，根据该第二基准值由控制部7来控制流量切换部6a。根据改性部1的温度状态和蒸发部4的加热状态之间的相关性来设定第二基准值，并设定为与经过充分地加热能发生水蒸气反应的蒸发部4的状态相对应的改性部1的温度，例如，在此为700℃。另外，第二基准值是根据装置的大小、假定的运转条件预先进行适当设定的，随着这些条件的不同，其值也不同。

本例中的供给通路的切换动作，首先，当改性温度测定部2的检测温度大于第二基准值时，即蒸发部4经过充分加热成为适于水蒸气反应的状态时，由控制部7控制流量切换部6a，将供水通路由改性供给通路6b切换到蒸发供给通路6c。这样，如上所述通过改性供给通路6b直接向改性部1供给的水，通过蒸发供给通路6c经蒸发部4供给到改性部1。这样，通过由改性部1的温度来把握蒸发部4的状态进行供水的切换，能够迅速地进行切换，并且，能够确实地避免切换时的改性部1的水蒸气不足。

并且，在本实施方式中，通过蒸发部4由原料供给部5向改性部1供给原料气体，但也可以采用不通过蒸发部4直接向改性部1供给原料气体的结构。另外，当如上所述那样通过蒸发部4进行供给时，能够由蒸发部4对原料气体进行预热，可以提高热效率。

并且，在本实施方式中，当装置起动时，可以在改性部1加热后将原料气体和水同时供给到改性部1，也可以先向改性部1供水后再供给原料气体。并且，例如，也可以在经过充分加热前的状态下的改性部1和蒸发部4中，预先向水蒸气反应的实施部分供给不致引起气体流路堵塞等弊害的量的水。在这样的场合下也不妨碍本实施方式所示的效果。这样，通过预先向改性部1、蒸发部4供水，能够在加热初期就迅速产生水蒸气，因此，就能够更有效地防止改性部1在加热初期的改性催化剂劣化、碳析出等。

另外，在本实施方式中，由流量切换部6a进行的供水通路的切换，例如，可以通过调整供给泵的动作条件等对由供水部6分别向改性供给通路6b和蒸发供给通路6c供给的水量进行控制，并且，也可以在该通路6b、6c中设置电磁阀，通过调整电磁阀的开闭进行控制。并且，切换可以使分别供给至改性部1和蒸发部4的量渐渐变化地分阶段地进行，并且，例如，通过设置在各供给通路6b、6c中的电磁阀一次性地全开和全关进行供给通路的切换，一次性地由改性部1切换到蒸发部4。

(实施方式2)

下面，对本发明的实施方式2进行说明。图2是本实施方式中的氢生成装置的结构图。本实施方式的装置具有与实施方式1所示的装置大致相同的结构，不同点在于，设置有用于检测蒸发部4或蒸发部4中的气体温度的蒸发温度测定部9。

由于本实施方式的装置的动作与实施方式1的装置的动作相同，所以省略其详细说明而只对不同点进行说明。在蒸发部4设置有蒸发温度测定部9的本实施方式的装置中，针对由蒸发温度测定部9测出的温度设定基准值，当检测温度大于该基准值时，与实施方式1一样，通过流量切换部6a将供水端由改性部1切换到蒸发部4。该基准值，根据装置的运转条件并考虑到蒸发部4中的水蒸汽的产生状态，例如，设定为200℃。另外，由于该基准值根据装置的大小、供水量等运转条件而有所不同，所以可根据这些条件事先进行适当设定。

在本实施方式中，由于与通过由改性温度测定部2测出的改性部1的温度间接把握蒸发部4的加热状态的实施方式1的情况不同，蒸发部4的温度是通过蒸发温度测定部9直接测出的，所以能够通过加热至适合于水蒸发的状态的蒸发部4确实符合定时地供水。因此，即使在供水切换时也能够迅速并稳定地产生水蒸汽，使水的蒸发以更好的状态进行。因此，能够避免切换时改性部1的水蒸汽不足的问题。

(实施方式3)

下面，对本发明的实施方式3进行说明。图3是本实施方式中的氢生成装置的结构图。本实施方式的装置具有与实施方式2中的装置大致相同的结构，而它与实施方式2的不同点在于，在蒸发部4设置有对蒸发部4或蒸发部4中的气体进行加热的蒸发加热部4a。在此省略详细的图示，蒸发加热部4a由铠装式电热器构成，通过将该电热器设置在蒸发部4的下游面，形成使由蒸发部4的上游面供给的水在蒸发部4中蒸发的结构。

由于本实施方式的装置的动作与实施方式1的装置的动作相同，所以省略其详细说明而只对不同点进行说明。即，在本实施方式的装置中，在起动时，使蒸发加热部4a运转，为了使蒸发部4成为能够被迅速地加热并进行水蒸汽反应的状态，对蒸发部4直接进行加热。在实施方式1中，如上所述，很难在起动之后立刻使蒸发部4的温度上升，将蒸发部4加热到水蒸发的状态需要时间，如本实施方式那样，通过设置蒸发加热部4a并直接对蒸发部4进行加热，就能够更迅速地在蒸发部4中进行水的蒸发。这样，即使在起动之后立刻向蒸发部4供水也能够迅速而稳定地产生水蒸汽。并且，根据本实施方式的结构，在当起动时，万一仅向蒸发部4供水，也能够在蒸发部4中产生水蒸汽，所以能够避免改性部1中的水蒸汽不足的情况。

另外，一旦仅通过加热部3对蒸发部4加热就能够充分地进行水蒸汽反应，蒸发部4a的动作就会停止。这样的蒸发加热部4a的停止动作的判断，优选为根据改性温度测定部2或蒸发温度测定部9的检测温度来进行。这样，不但能够提高热效率，而且还能使水的蒸发适度进行。具体地说，例如，可以预先将在蒸发部4能产生充分的水蒸汽的状态下的改性部1或蒸发部4的温度设为改性温度测定部2或蒸发温度测定部9的检测温度的基准值。在此，将改性温度测定部2的基准值设为700℃。而且，如果检测温度大于该基准值，控制部7就会停止蒸发加热部4a。另外，基准值是根据装置的大小、运转条件设定的值，根据这些条件进行适当设定。

(实施方式4)

下面，对本发明的实施方式4进行说明。图4是本实施方式中的氢生成装置的结构图。本实施方式的装置具有与实施方式2中所示的装置大致相同的结构，而它与实施方式2的不同点在于，在向蒸发部4供水的蒸发供给通路6c中设置有水的汽化部10。图5表示本实施方式的汽化部10的结构一例的主要部分剖面示意图。

如图4和图5所示，在本实施方式的装置中，在连接供水部6和蒸发部4的蒸发供给通路6c中，设置有汽化装置10’。该汽化装置10’的结构为，在具有供水口10g和水蒸汽出口10h的本体10b的内部，具备有铠装式电热器等电热器10a、蓄热体10c、水蒸发体10d、和蒸发空间10f。供水口10g和水蒸汽出口10h分别与蒸汽供给通路6c相连。并且，在本体10b的外壁，设置有蓄热体温度测定部10e。

在汽化装置10’中，由供水部6通过蒸发供给通路6c供给的水，经供水口10g导入蒸发空间10f。因此，在汽化装置10’的内部，由电热器10a产生的热量，通过蓄热体10c和为了稳定水的蒸发而设置的水蒸发体10d(例如发泡金属)向蒸发空间10f内供水。这样，水经过汽化变成水蒸汽。该水蒸汽由水蒸汽出口10h通过蒸发供给通路6c供给到蒸发部4。并且，在此，形成由蓄热体温度测定部10e测定蓄热体10c的温度的同时、根据该检测温度控制水的汽化的结构。因此，在汽化装置10’中，能够稳定高效地进行水的汽化。

由于设置有汽化部10的本实施方式的氢生成装置的动作与实施方式1的装置的动作相同，所以省略详细说明，只说明不同点。即，在本实施方式中，起动时，使汽化部10(汽化装置10’)如上所述那样动作，由汽化部10得到的水蒸汽被供给到蒸发部4。如实施方式1中所述的那样，在装置起动后的蒸发部4中，由于加热到水蒸发状态需要时间，所以通过在汽化部10预先生成水蒸汽并直接供给至蒸发部4，即使在起动之后也能够将水蒸汽由蒸发部4迅速稳定地供给到改性部1。

汽化部10的动作，在蒸发部4一旦达到仅通过来自加热部3的热量来加热就能够进行充分的水蒸汽反应的状态就会停止。汽化部10的停止动作的判断，例如，是根据改性温度测定部2或蒸发温度测定部9的检测温度来进行的。这样，既可以使水适度蒸发，又能提高热效率。具体地说，如实施方式3中所述，例如，将由蒸发部4产生充分的水蒸汽的状态的改性部1或蒸发部4的温度作为基准值预先设置于改性温度测定部2或蒸发温度测定部9的检测温度中。然后，优选根据该基准值控制汽化部10的起动和停止的动作。

另外，尽管可以使汽化部10总是运转，但是如果考虑到水的汽化所需能量的消耗量，通过来自加热部3的热量使蒸发部4成为能够自动产生水蒸汽的状态时，优选为停止汽化部10的动作仅通过蒸发部4产生水蒸汽。在此情况下，为了使汽化部10能够不受影响地由供水部6向蒸发部4供水，需要形成蒸发供给通路6c。

另外，在上述内容中，尽管对由图5所示的汽化装置10’构成汽化部10的情况进行了说明，但汽化部10的结构并不局限于此。图6(a)、(b)是本实施方式的装置所使用的汽化部10的另一个结构例的主要部分剖面示意图。

如图6(a)所示，汽化部10可以不象图5所示那样另设汽化装置10’，而是形成通过在构成蒸发供给通路6c’的配管的外围配设电热器等的加热源10a的结构。并且，如图6(b)所示，也可以由加热源内置型的配管形成汽化部10，该加热源内置型的配管的结构是：构成蒸发供给通路6c’的配管的内部具有由周方向壁划分而成的双重结构，以包围作为水流路的空间的方式配设电热器等加热源10a。

另外，汽化部10并不局限于通过电热器等电加热源来加热的结构，也可以采用其它加热源例如利用燃烧热等进行加热的结构。例如，还可以采用以利用由氢生成装置生成的氢气的供给端作为余气排出的氢气(例如，燃料电池的阳极排出气)、用于改性反应的原料气体一部分进行燃烧的催化剂燃烧装置、火焰燃烧装置等普通燃烧机器作为加热源的结构。

(实施方式5)

下面，对本发明的实施方式5进行说明。本实施方式的装置具有与实施方式1所示的装置大致相同的结构，而它与实施方式1的不同点在于，在改性部1设置有改性蒸发部1a。因此，省略本实施方式的装置结构的详细说明而只对与实施方式1的装置不同的点进行说明。

图7是实施方式5中的改性部1的结构图。如图7所示，在本实施方式中，在改性供给通路6b和改性部1(具体来说是指含有改性催化剂而构成的改性反应部1b)之间，设置有改性蒸发部1a。改性蒸发部1a利用来自加热部3(图1)的热量，如下所述，形成使通过改性供给通路6b供给的水进行汽化的结构。改性蒸发部1a与改性供给通路6b和混合原料供给通路4b相连，并且，通过贯通孔17与改性部1相通。需要构成这样的改性蒸发部1a，以便在正常运转时能够优先进行改性部1的改性催化剂体的加热，并且，在装置起动时能够使所供给的水稳定地蒸发。例如，在本实施方式中，将改性蒸发部1a配制成围绕着改性反应部1b的外围、并且、配置于始自蒸发部4的混合原料供给通路16中的改性反应部1b的上游侧。

由于本实施方式的装置与实施方式1的装置进行同样的动作，所以省略其详细说明，而仅对其不同点进行说明。即，本实施方式的装置，与通过改性供给通路6b直接向改性反应部1b供水的实施方式1的装置不同，而是由供水部6通过改性供给通路6b首先向改性蒸发部1a供水。然后，在改性蒸发部1a中，使水蒸发成为水蒸汽，该水蒸汽通过贯通孔17被供给到改性反应部1b。这样，在改性部1中，通过将含有改性催化剂体并进行改性反应的改性反应部1b和为了得到用于改性反应的水蒸汽而使水蒸发的改性蒸发部1a分离，就可以使装置起动后的水蒸汽的产生更稳定地进行。并且，在正常运转时，即使万一蒸发部4未能使水充分蒸发，而是仍然以水的状态供给到改性部1，由于设置了改性蒸发部1a，也能够确实地向改性反应部1b供给水蒸汽。因此，就能够使水蒸发时的变动很少地稳定地供给水蒸汽，使改性反应稳定化。

根据本发明，能够提供一种即使在起动初期、也能迅速地向改性部供给水蒸汽的装置，其结果，可以解决现有的氢生成装置的在起动初期由于产生的热负荷而导致改性催化剂活性降低等的问题。另外，根据上述说明，对本领域从业人员来说，对本发明的众多改良、另外的实施方式是显然的。因此，上述说明不应仅如实施例所揭示的那样，而是提供了一种以告知本领域从业人员实现本发明的优选方式为目的的发明。只要不超出本发明的原则，可以对其构造和/或功能的细节进行实质性的改变。

Claims (7)

1.一种氢生成装置，其特征为，

包括：使用改性催化剂体由原料气体和水蒸汽通过改性反应生成含氢的改性气体的改性部；

使水蒸发成水蒸汽、并向所述改性部供给所述水蒸汽的蒸发部；

为了进行所述改性和所述蒸发、分别对所述改性部和所述蒸发部进行加热的火焰喷燃器；

直接或借助所述蒸发部向所述改性部供给所述原料气体的原料供给部；

供给所述水的供水部；和

用于从所述供水部向所述蒸发部供给所述水的供水管路；

并且，所述蒸发部具有与所述火焰喷燃器分开设置的、用于加热该蒸发部的加热部。

2.如权利要求1所述的氢生成装置，其特征是：

根据所述改性部的温度或所述蒸发部的温度，控制所述蒸发部的所述加热部。

3.如权利要求2所述的氢生成装置，其特征在于：

当所述改性部的温度或所述蒸发部的温度低于预设的基准值时，所述蒸发部的所述加热部运行；

当所述改性部的温度或所述蒸发部的温度高于预设的基准值时，所述蒸发部的所述加热部停止运行。

4.如权利要求2所述的氢生成装置，其特征是：

氢生成装置具有第一供水管路和第二供水管路，

所述第一供水管路是用于从所述供水部向所述蒸发部供给水的供水管路；

所述第二供水管路是用于从所述供水部向所述改性部供给水的供水管路。

5.如权利要求4所述的氢生成装置，其特征是：

当所述改性部的温度或所述蒸发部的温度低于预设的基准值时，通过第二供水管路将水从所述供水部供给到所述改性部，并且所述蒸发部的所述加热部运行；

当所述改性部的温度或所述蒸发部的温度高于预设的基准值时，通过第一供水管路将水从所述供水部供给到所述蒸发部，并且所述蒸发部的所述加热部停止运行。

6.如权利要求4所述的氢生成装置，其特征是：

当所述改性部的温度高于预设的第一基准值时，从所述原料供给部向所述改性部供给原料气体，并且，通过所述第二供水管路将水从所述供水部供给到所述改性部，并且所述蒸发部的所述加热部运行；

当所述改性部的温度高于预设的比所述第一基准值大的第二基准值时，通过所述第一供水管路将水从所述供水部供给到所述蒸发部，并且，停止向所述改性部供水，并且所述蒸发部的所述加热部停止运行。

7.一种燃料电池系统，其特征是，包括：

如上述任何一项权利要求所述的氢生成装置；和

使用氧化剂和由氢生成系统供给的氢产生动力的燃料电池。

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