[发明专利]氢发生器和燃料电池发电器

说明书

技术领域

本发明涉及构建以通过使用碳氢燃料例如城市煤气和LPG作为原料气产生含高浓度氢的生成气的氢发生器，以及涉及包括构建以通过使用由氢发生器产生的氢发电的燃料电池的燃料电池发电器。

背景技术

燃料电池发电器主要包括：构建以产生含高浓度氢的生成气的氢发生器；和构建以通过使用由氢发生器产生的氢发电的燃料电池。

氢发生器包括：重整部，构建所述重整部以通过使用重整催化剂将原料气和蒸气进行蒸汽重整反应产生含氢、甲烷、一氧化碳(以约10-15％的量)、二氧化碳和蒸汽的重整气体，其中将碳氢燃料例如城市煤气和LPG用作原料气；和CO去除部，构建所述CO去除部以从重整气体中去除对燃料电池显示中毒作用的一氧化碳。

当将质子交换膜燃料电池用作燃料电池时，需要将包含于重整气体中的一氧化碳浓度去除至约10ppm。通常，CO去除部包括包含以下的两段部：转化部，构建其以通过使用转化催化剂的转移反应(shift reaction)将一氧化碳去除至约0.5％；以及选择氧化部，构建其以通过使用选择性催化剂将一氧化碳和氧混合，从而通过选择性氧化反应(selective oxidation reaction)将一氧化碳氧化并将CO的浓度降至10ppm以下。

从小型化、高效率化、启动特性提高、驱动稳定性提高和由于结构简化而成本下降的观点，提出多种设备作为氢发生器。作为其实例，为了实现小型(compact)、高效的氢发生器，提供了包括一体化的重整部和CO去除部，此外还有水蒸发部的氢发生器，所述水蒸发部与催化剂层邻接一体化设置而不是设置在氢发生器外部。根据该结构，实现最佳的热平衡和稳定的运行，同时将在氢发生器中的热最大水平地利用，从而减小氢发生器的结构尺寸，此外还降低了氢发生器的成本。

然而，当氢发生器的运行状态(例如，在燃料电池系统内置的氢发生器中对于燃料电池的发电负载)变化时，产生的氢量由于原料供给量和水供给量的变化而减少或增加。当水供给量从少量变为大量时，更大量的水供给至水蒸发部。

构建水蒸发部以达到平衡，以通过来自围绕在所述水蒸发部周围的燃烧器的燃烧尾气的热和催化剂层的热来蒸发水。然而，当突然供给大量水时，根据环境不能将供给的水完全蒸发，从而会将一些未汽化的水以液滴的形式供给至重整催化剂中。

当将液滴供给至重整催化剂时，在液滴蒸发期间液滴吸收重整催化剂的潜热，以使重整催化剂的温度局部突然下降。温度下降还诱发位于周围区域中的催化剂温度下降。结果，重整催化剂(transforming catalyst)整体不能维持稳定的温度状态，这会导致氢产生量的波动。

在供给有液滴的催化剂中，瞬间温度下降，以致催化剂可能受到热冲击，并且可能发生开裂或剥落。因此，在相关技术结构中，将第二蒸发部设置在水蒸发部下游侧的下部，将隔离壁(partition wall)设置在第二蒸发部的下部和侧部上。根据该结构，即使液滴从蒸发部排出，液滴也会被第二蒸发部的下部捕集，并仅将通过蒸发已捕集(trapped)的液滴而产生的蒸汽从第二蒸发部输送出(参见例如专利文献1)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：JP-A-2008-63171

发明内容

发明要解决的问题

然而，组件数目的增加和结构的复杂化导致组件成本或制造成本增加。此外，当不使用此类捕集结构而形成充分长的足以完全蒸发水分的蒸发部时，氢发生器的整体尺寸增大，所述氢发生器的表面积也变大。因此，放热量变得更大，这劣化氢发生器的效率(即，热的有效利用)。此外，所述氢发生器的尺寸增加还导致成本增加，以致氢发生器的价值下降。

此外，当将水蒸发部的流路作为单一部以其中蒸发部和催化剂层彼此邻接设置的构造形成(专利文献1)时，催化剂层和蒸发部沿催化剂层流动的方向均匀地交换热。在催化剂层例如转化催化剂层和选择氧化催化剂层中，转化反应或选择性氧化反应发生在作为其入口近邻的催化剂层上游部，因此，催化剂层上游部的温度由于反应热而增加。同时，催化剂层中游部(middle flow portion)或其接近于出口的下游部的温度由于催化剂层与水蒸发部之间的热交换而降低。

因此，催化剂层上游部的温度增加，而下游部的温度降低。当催化剂层的温度太高和太低时，催化剂特性劣化。此外，当催化剂层的温度太高时，催化剂由于高温而劣化。结果，催化剂必须在耐热温度以下使用。如果在催化剂层中存在大的温度分布，可能不能充分地保证催化剂的特性。