[发明专利]氢气发生装置及使用该装置的燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及使用烃类原料以及氧和水蒸气生成氢的氢气发生装置及使用该装置的燃料电池系统。

背景技术

通过烃或甲烷改质可以生成氢，利用这种改质生成氢的氢气发生装置，可以用于燃料电池和氢发动机等。人们知道，燃料电池是以送入负极的氢作燃料，以送入正极的氧作氧化剂，通过电解质使之反应的发电器。

日本特公昭58-57361号公报中记载了在铑催化剂的存在下，用空气或空气与氧气或空气与水蒸气作用于烃，通过部分氧化法获得氢与CO(一氧化碳)的方法。反应温度为690～900℃。使用空气和氧作为烃的氧化剂，使用水蒸气的目的是通过水蒸气改质反应由在氧化反应中未被氧化的残余燃料生成氢。因此，使空气和水蒸气与烃作用时，在铑催化剂上产生的反应是部分氧化反应和水蒸气改质反应。

特开昭54-76602号公报上记载了一种在815～1930℃和1～250绝对大气压条件下，使含游离氧气体与烃作用，通过部分氧化生成氢和CO的方法，而且还记载了此时添加水蒸气的目的在于使温度调整剂和烃类燃料预热、分散和移动。

特开平6-92603号公报中记载了一种在催化剂存在下，于2～100巴压力和750～1200℃(优选1000～1200℃)温度下，使烃和含氧气体及水蒸气产生部分氧化反应，生产氢和CO的方法。

特开平7-57756号公报中记载了一种燃料电池系统，这种系统是在燃料改质器中于催化剂存在下使水蒸气与烃作用，通过水蒸气改质反应生成氢和CO，通过将氧导入此改质器使烃同时发生部分氧化反应。这是因为水蒸气改质反应是吸热反应，因而利用这种为放热反应的部分氧化反应向水蒸气改质反应中补充必要的热量。

特开平10-308230号公报中记载了一种燃料电池发电装置，该装置具有催化剂存在下通过烃部分氧化反应使水蒸气改质的燃料改质器，使此改质时生成的CO进行水煤气移动反应将其氧化的CO形成器、以及选择性氧化残存CO的选择性氧化器。其中还记载有：除将相对于上述部分氧化反应显示活性的催化剂充填在上述燃料改质器中之外，将相对于烃的水蒸气改质反应显示活性的催化剂也充填在其中，同时向至改质器中供给烃、氧和水蒸气，依靠烃的部分氧化反应和水蒸气的改质反应生成氢。

如上所述，虽然人们知道利用烃的部分氧化反应使氢改质时，在催化剂存在下使氧和水蒸气与烃发生作用，但是为了实现吸热反应的水蒸气改质反应，或者为了调节温度等而添加该水蒸气。其中，为了维持改质反应必须在燃料改质器上设置传热面积大的外部加热手段，同时利用烃的部分氧化反应和水蒸气改质反应生成数量较多的CO。因此，在CO存在成为问题的场合下，例如为了避免燃料电池的催化剂电极被CO毒化，必须使用氧化除去该CO的大型转化器。

正如上述特开平7-57756和特开平10-308230号公报中记载的那样，通过用部分氧化反应的放热补偿水蒸气改质反应所吸收的部分热量，有人也提出了不必采用外部加热手段的方案，但是在使用甲烷的场合下，水蒸气改质反应的反应热约为205千焦/摩尔(吸热)，而部分氧化反应的反应热约为36千焦/摩尔，此二反应热量之间的数值之差大。因此，主要为了产生水蒸气改质反应而添加水蒸气的这种方案，不采用外部加热手段实际上难于采用。

也就是说，本发明课题之一在于减少维持上述燃料改质反应所需的外部加热量，进而使之为0。

本发明的另一课题在于尽量减小燃料改质生成的CO量，以此减轻CO转化器的负担。

本发明的又一课题在于有效利用作为燃料电池系统全体的热量，使系统的结构简化。

发明的公开

本申请中的发明是要使部分氧化反应和水煤气转移反应依次进行，以解决这些课题。

也就是说，本申请中的发明涉及用烃类原始燃料、氧和水蒸汽产生氢的氢气发生装置，其特征在于：

具有装有对上述原始燃料部分氧化反应显示活性的催化剂(27)的燃料改质器(5)，

向所说的的改质器(5)供给上述原始燃料、氧和水蒸汽，使所说的催化剂(27)上发生所说的部分氧化反应，以所说的部分氧化反应生成的CO为反应物，发生水煤气转移反应。

上述依次反应利用反应式表示如下；

    ……(1)