[发明专利]氢发生装置

说明书

本发明涉及以作为燃料的烃类等和水为原料，对燃料进行水蒸汽改性而获得氢气的氢发生装置。

使燃料进行水蒸汽改性的方法是氢生成方法的一种。该方法中，以天然气和LPG等烃类、甲醇等醇类或石脑油等燃料和水为原料，在设置了改性催化剂的改性部分使燃料发生水蒸汽改性反应而生成氢。由于上述水蒸汽改性反应还生成了作为副产品的一氧化碳，所以，以往都并用使水和一氧化碳进行转移反应的转化部分。

此外，为给燃料电池，特别是固体高分子型燃料电池提供氢而使用水蒸汽改性法时，为了进一步除去经过转化部分的转化气体中的一氧化碳，设置了利用一氧化碳氧化法或甲烷化法等的净化部分。前述改性部分、转化部分和净化部分中分别设置了对应于各自的反应的催化剂，由于反应温度因所用催化剂的不同而不同，所以，为使氢能够稳定地生成，需要将这些催化剂加热至各自的反应温度。

上述氢发生装置中，由于仅在位于上游的改性部分设置了加热部分，所以，改性部分的温度最高，然后，温度按照流入改性气体的转化部分、流入转化气体的净化部分依次降低。因此，采用了用改性部分的热量，例如以改性气体保有的热量或加热部分的余热依次对转化部分和净化部分进行加热的结构。

但是，上述结构中的各反应部分(改性部分、转化部分和净化部分)的催化剂温度达到稳定需要一定的时间。确切地说，由于工厂使用的以连续运转为基础的氢发生装置能够设定启动时间而运转，所以无特别的问题。但是，对于启动频繁，且需在短时间内稳定产生氢的氢发生装置就不太理想。

针对这种情况，使用了分别对应于改性部分和净化部分设置了专用加热部分、使加热部分在对装置启动的催化剂加热时运作，从而缩短启动时间的方法。但是该方法存在由于装置中组装入加热部分而使结构变得复杂，同时又使装置价格有所提高的问题。

鉴于上述事实，本发明的第一个目的是提供在设定了日常启动停止的氢发生装置中，以简单结构可使各反应部分的催化剂温度在短时间内达到稳定的氢发生装置。

在进行上述水蒸汽改性时，甲烷、丙烷、汽油、煤油等烃类燃料的改性温度为500～800℃左右，醇和醚类燃料的改性温度为200～400℃左右。

此时，由于越是在高温反应所产生的一氧化碳(CO)的浓度越高，特别是在使用烃类燃料的情况下，为使CO浓度降低至例如0.1～1％，使用CO转化催化剂使CO和水蒸汽反应。

特别是象固体高分子型燃料电池那样，因为有必要将100℃左右的低温下工作的燃料电池的CO浓度降至数ppm左右，加入了空气，并采用了可使CO有选择地氧化的CO净化催化剂。这些催化剂可以是圆柱状和球状等丸状催化剂体。

但是，使用丸状催化剂体时，由于燃料电池每次启动时的热冲击和车载时的振动会破坏催化剂体，所以，需要替换新的催化剂体，这样就存在催化剂组分的固有寿命不能够充分利用的问题。而且，可能还会发生催化剂体崩解时产生的催化剂粉末堵塞燃料电池的燃料通道的问题。

即，以往的氢发生装置只能够在化工厂中进行稳定运转，在不需要频繁启动操作的用途中无太大问题，但用于汽车和家用燃料电池这种需要反复启动和停止运转，有剧烈振动的场合就会出现问题。

鉴于以上事实，本发明的第二个目的是提供即使用于需要反复启动和停止运转，并有剧烈振动的场合，催化剂体的性能也能够充分发挥，其使用寿命能完全利用，可长时间稳定工作的氢发生装置。

利用上述水蒸汽改性使氢产生的传统氢发生装置的改性催化剂体、CO转化催化剂体和CO净化催化剂体之间未设置防止飞散的装置。

在未设置防止飞散的装置的情况下，使氢发生装置启动时催化剂体受到热冲击，在车载情况下因振动而使催化剂体被破坏，如果长期使用，则脱落的催化剂组分可能会飞散至催化剂体的下游侧。

这种情况下，飞散的改性催化剂使改性气体甲烷化，飞散的CO转化催化剂阻碍了CO的选择氧化，因逆转移反应使CO浓度有所增加，这就成为整个装置工作效率下降的主要原因之一。

这就说明以往的方法只适用于在化工厂中进行稳定运转，在不需要频繁启动的用途中无太大问题，但用于汽车和家用燃料电池这种需要反复启动和停止运转，且有剧烈振动的场合就会出现许多问题。

鉴于上述事实，本发明的第三个目的是为消除前述氢发生装置的问题而提供无催化剂体飞散影响的、可长期稳定工作的氢发生装置。