專利名稱：氫生成器與配備氫生成器的燃料電池系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氫生成器及具有該氫生成器的燃料電池系統(tǒng)，該氫生成器向使用氫進(jìn)行發(fā)電的燃料電池供給通過使含有碳和氫的化合物與水發(fā)生反應(yīng)而生成的改性氣體。
背景技術(shù)：
作為供給燃料電池的氫的生成方法，通常使用水蒸氣改性反應(yīng)。這種水蒸氣改性反應(yīng)，通過釕催化劑，使例如作為原料的城市用氣與水蒸氣在大于600℃小于800℃的高溫下發(fā)生反應(yīng)，從而生成以氫為主要成分的改性氣體。
如前所述，作為通過水蒸氣改性反應(yīng)而生成改性氣體的現(xiàn)有的氫生成器的具體的實(shí)例，可以是圖12所示的多層同心的圓筒形裝置(例如參照專利文獻(xiàn)1)。
圖12是專利文獻(xiàn)1中示出的現(xiàn)有氫生成器簡(jiǎn)要結(jié)構(gòu)的截面圖。如圖12所示，這種現(xiàn)有的氫生成器是由以同一中心軸設(shè)置的若干筒體、燃燒器73、設(shè)置在由各個(gè)筒體形成的空間內(nèi)的改性催化劑層88、變換催化劑層87、選擇氧化催化劑層86等構(gòu)成，其中燃燒器73設(shè)置在最內(nèi)側(cè)的筒體93的中心位置，它用于生成作為用來加熱原料以發(fā)生水蒸氣改性反應(yīng)的熱源的燃燒氣體74。
在這種現(xiàn)有的氫生成器中，改性用水72首先被供給至加熱器75，并通過流經(jīng)該加熱器75下方的燃燒氣體74進(jìn)行加熱。于是，改性用水72的一部分以蒸發(fā)的狀態(tài)，通過連接管76向下流向城市用氣71的供給通路77。
這樣，流經(jīng)加熱器75下方的燃燒氣體74，作為低熱值的排出氣體92而排出到氫生成器的外部。
在連接管76與供給通路77的連接部分中，通過連接管76的一部分是由蒸發(fā)的改性用水72與通過供給通路77的城市用氣71混合而成。于是，混合的城市用氣71及改性用水72被供給至蒸發(fā)器78。
蒸發(fā)器78由外筒79、內(nèi)筒80及配置在它們之間的中筒81和底板82構(gòu)成。中筒81與外筒79之間設(shè)置有纏繞成螺旋狀的圓桿83，通過該圓桿83形成螺旋狀的下降流路84。此外，在內(nèi)筒80與中筒81之間形成上升流路85。
下降流路84被流經(jīng)與其外側(cè)相接而設(shè)置的選擇氧化催化劑層86內(nèi)的生成氣體加熱至大于100℃小于150℃。另一方面，上升流路85被流經(jīng)與其內(nèi)側(cè)相接而設(shè)置的變換催化劑層87內(nèi)的生成氣體加熱至大于250℃小于350℃。因此，在一部分蒸發(fā)的改性用水72與城市用氣71的混合物之中，大部分的改性用水72在下行流經(jīng)下降流路84內(nèi)時(shí)蒸發(fā)，此處未蒸發(fā)的改性用水72也會(huì)在上行流經(jīng)上升流路85內(nèi)時(shí)而完全蒸發(fā)。于是，水蒸氣與城市用氣71混合而成的原料氣體在上升流路85內(nèi)被加熱至大于200℃小于300℃，而后被而供給至改性催化劑層88。
原料氣體通過改性催化劑層88內(nèi)時(shí)，被隔著筒體逆向流動(dòng)的高溫燃燒氣體74加熱至大于600℃小于800℃，從而發(fā)生水蒸氣改性反應(yīng)。這樣，原料氣體就轉(zhuǎn)化為由氫、一氧化碳、二氧化碳及水蒸氣構(gòu)成的生成氣體。
此生成氣體上行流經(jīng)返回流路89內(nèi)時(shí)，與流經(jīng)改性催化劑層88內(nèi)的原料氣體進(jìn)行熱交換，被冷卻至350℃后流入變換催化劑層87。在變換催化劑層87內(nèi)，生成氣體中的一氧化碳與水蒸氣發(fā)生反應(yīng)，進(jìn)行轉(zhuǎn)化為二氧化碳及氫的變換反應(yīng)，于是，生成氣體中的一氧化碳濃度降低。該反應(yīng)是放熱反應(yīng)，該反應(yīng)熱及生成氣體中的可感熱，通過上行流經(jīng)上升流路85內(nèi)的改性用水72的蒸發(fā)以及產(chǎn)生的水蒸氣與城市用氣71的加熱而被消除。在變換催化劑層87的出口，生成氣體被冷卻至150℃左右。該生成氣體與從氫生成器的外部供給的一氧化碳氧化用空氣90混合。之后，由殘留在選擇氧化催化劑層86內(nèi)的一氧化碳、從外部供給的空氣中的氧氣及生成氣體進(jìn)行選擇氧化反應(yīng)。這樣，作為一氧化碳濃度在10ppm以下的生成氣體91被供給至燃料電池。
前述的選擇氧化反應(yīng)也是放熱反應(yīng)，該反應(yīng)熱及生成氣體中的可感熱，通過下行流經(jīng)蒸發(fā)器78的下降流路84內(nèi)的改性用水72的蒸發(fā)而被消除。在選擇氧化催化劑層86的出口，生成氣體91的溫度被冷卻至100℃。
于是，蒸發(fā)器78中，從內(nèi)筒80開始被加熱至大于250℃小于350℃，與此同時(shí)，從外筒79開始被加熱至大于100℃小于150℃，于是改性用水72蒸發(fā)，蒸發(fā)得到的水蒸氣與城市用氣71混合。于是，混合的水蒸氣與城市用氣71被加熱至大于200℃小于300℃。
下降流路84內(nèi)纏繞成螺旋狀的圓桿83，通過使供給至下降流路84的改性用水72沿外筒79的內(nèi)面周圍流下，從而確保其充足的導(dǎo)熱面積。
這樣，通過一體化配置改性催化劑層88、變換催化劑層87、選擇氧化催化劑層86及蒸發(fā)器78，就可以實(shí)現(xiàn)氫生成器的小型化。而且，通過從裝置的中央部分向周圍部分配置從高溫部分至低溫部分，這可以抑制散熱損失，從而提高氫生成器的熱效率。
另一方面，作為提高具有用于燃料電池的氫生成器的蒸發(fā)器的性能的技術(shù)方案，提出的是圖13所示的配備具有毛細(xì)管力的吸水構(gòu)件的裝置(例如，參照專利文獻(xiàn)2)。此蒸發(fā)器是多級(jí)疊加單級(jí)蒸發(fā)器而形成的板式蒸發(fā)器，它使甲醇等液體燃料蒸發(fā)并供給至改性器。
圖13是專利文獻(xiàn)2示出的現(xiàn)有氫生成器的蒸發(fā)器的簡(jiǎn)要結(jié)構(gòu)的截面圖。如圖13所示，該蒸發(fā)器具有用來進(jìn)行蒸發(fā)液蒸發(fā)的圓柱形的蒸發(fā)室115。在該蒸發(fā)室115的外圍設(shè)置有與蒸發(fā)室115同軸設(shè)置的圓筒形加熱室116。蒸發(fā)室115與加熱室116被隔板118隔開。
隔板118的蒸發(fā)室115一側(cè)的面上，設(shè)置有纖維及多孔質(zhì)燒結(jié)體構(gòu)成的具有毛細(xì)管力的吸水構(gòu)件119。此外，在蒸發(fā)室115的上部設(shè)置有液滴收集構(gòu)件111，同樣在下部設(shè)置有液體分配構(gòu)件120，用于把通過供給通路114從外部供給的液體燃料113供給至吸水構(gòu)件119。
通過蒸發(fā)室115產(chǎn)生的蒸氣10，從蒸發(fā)室115的開口的上部排出至外面。
上述構(gòu)造的現(xiàn)有蒸發(fā)器中，經(jīng)過供給通路114的液體燃料113，通過液體分配構(gòu)件120供給至吸水構(gòu)件119。于是，液體燃料113通過吸水構(gòu)件119的毛細(xì)管力而擴(kuò)散至整個(gè)吸水構(gòu)件119。這樣，就可以增大液體燃料113的蒸發(fā)面積，因此，即使蒸發(fā)室115較小也能滿足需要。所以，如果按照上述構(gòu)造，就可以使整個(gè)蒸發(fā)器小型化。
專利文獻(xiàn)1特開2002-187705號(hào)公報(bào)(圖1)專利文獻(xiàn)2特開2001-64658號(hào)公報(bào)(圖1)參照?qǐng)D12所說明的現(xiàn)有氫生成器，為確保下降流路84的導(dǎo)熱面積，設(shè)置圓桿83以形成螺旋狀流路。但是，如果該圓桿83與外筒79及內(nèi)筒81之間產(chǎn)生縫隙，則改性用水72從該縫隙流出，這樣就無法確保充足的導(dǎo)熱面積。為此，需要以使圓桿83與外筒79及內(nèi)筒81之間不會(huì)產(chǎn)生縫隙的方式配置圓桿83。有時(shí)需要通過焊接或銅焊其中一個(gè)筒面與圓桿83，使之沒有縫隙地固定在一起，而使另一個(gè)筒緊壓圓桿83側(cè)而設(shè)置。這樣，不僅制造工藝復(fù)雜，而且要求各個(gè)零件的制造精度非常嚴(yán)密，因此使制造成本增加。
氫生成器在穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，蒸發(fā)器78從其內(nèi)側(cè)及外側(cè)兩側(cè)加熱至前述范圍的溫度，但是由于氫生成器啟動(dòng)時(shí)，整個(gè)氫生成器冷卻至大氣溫度，所以供給城市用氣71之前，先點(diǎn)火燃燒器73，通過燃燒氣體74升高整個(gè)氫生成器的溫度。此時(shí)，由于改性用水72的蒸發(fā)潛熱大而很難蒸發(fā)，還有供給城市用氣71時(shí)，如果氫生成器內(nèi)沒有足夠的水蒸氣，城市用氣71就會(huì)熱解，改性催化劑層88內(nèi)析出碳而使催化劑劣化。因此，與城市用氣71相比，需要優(yōu)先供給改性用水72，以使氫生成器內(nèi)充滿水蒸氣。于是，燃燒器73點(diǎn)火之后短時(shí)間內(nèi)，開始供給改性用水72。但是，如圖12所示，蒸發(fā)器78的構(gòu)造為不能使其通過燃燒氣體74而直接加熱，而是通過從氫生成器的中央部的導(dǎo)熱及由加熱器75加熱的改性用水72來間接加熱的結(jié)構(gòu)。所以，啟動(dòng)后的短時(shí)間內(nèi)，蒸發(fā)器78不能產(chǎn)生水蒸氣。這樣，蒸發(fā)器78中繼續(xù)儲(chǔ)存改性用水52。因此，蒸發(fā)儲(chǔ)存在蒸發(fā)器78內(nèi)的改性用水52需要很長(zhǎng)時(shí)間。所以，現(xiàn)有的氫生成器存在的問題是啟動(dòng)時(shí)間過長(zhǎng)。
另一方面，參照?qǐng)D13所說明的現(xiàn)有的蒸發(fā)器中，因在氫生成器之外需要設(shè)置該蒸發(fā)器，所以，從蒸發(fā)器至氫生成器之間的蒸汽配管及使高溫流體與蒸發(fā)器連接的配管中發(fā)生散熱損失。因此，出現(xiàn)了氫生成器的熱效率下降的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明就是鑒于上述情況而提出的，其目的在于提供一種構(gòu)造簡(jiǎn)單，蒸發(fā)性能優(yōu)良，且熱效率高的氫生成器。
為解決上述課題，本發(fā)明的氫生成器具有產(chǎn)生燃燒氣體的燃燒部；設(shè)置在該燃燒部的周圍，利用來自前述燃燒部產(chǎn)生的燃燒氣體的導(dǎo)熱，通過使至少包含由碳和氫構(gòu)成的化合物的原料與水蒸氣進(jìn)行的水蒸氣改性反應(yīng)而生成包含氫的改性氣體的改性器；以及具有設(shè)置在前述燃燒部周圍的內(nèi)筒、設(shè)置在該內(nèi)筒周圍的外筒、以及塞住前述內(nèi)筒與前述外筒之間形成的筒狀空間下部的底板，通過蒸發(fā)供給至前述筒狀空間的水而生成水蒸氣，并把該水蒸氣供給至前述改性器的蒸發(fā)器。在前述筒狀空間內(nèi)設(shè)置有具有吸水性的吸水構(gòu)件。
按照上述構(gòu)造，就可以通過設(shè)置在筒狀空間內(nèi)的吸水構(gòu)件而提高蒸發(fā)性能。因此，啟動(dòng)氫生成器時(shí)，即使蒸發(fā)器內(nèi)儲(chǔ)存有水，也可以使水迅速蒸發(fā)，所以，與現(xiàn)有的氫生成器相比，可以縮短氫生成器的啟動(dòng)時(shí)間。
因可以穩(wěn)定地向改性器供給水蒸氣，所以可以輕松地應(yīng)對(duì)如載荷波動(dòng)等。
前述發(fā)明的氫生成器的優(yōu)選是，前述筒狀空間內(nèi)設(shè)置有第1蒸發(fā)室與第2蒸發(fā)室，在第1蒸發(fā)室內(nèi)形成有使從上方供給的水向下方流動(dòng)的下降流路，在設(shè)置在該第1蒸發(fā)室內(nèi)側(cè)的第2蒸發(fā)室內(nèi)，形成有使前述第1蒸發(fā)室內(nèi)的水進(jìn)行蒸發(fā)所產(chǎn)生的水蒸氣向上方流動(dòng)的上升流路，前述吸水構(gòu)件設(shè)置在前述第1蒸發(fā)室內(nèi)。
前述發(fā)明的氫生成器的優(yōu)選是，前述內(nèi)筒與前述外筒之間配置著中筒，前述第1蒸發(fā)室設(shè)置在前述外筒與前述中筒之間形成的筒狀空間內(nèi)，前述第2蒸發(fā)室設(shè)置在前述內(nèi)筒與前述中筒之間形成的筒狀空間內(nèi)，前述吸水構(gòu)件設(shè)置在前述外筒的前述第1蒸發(fā)室一側(cè)的面上。
前述發(fā)明的氫生成器的優(yōu)選是，前述筒狀空間內(nèi)設(shè)置有第1蒸發(fā)室與第2蒸發(fā)室。在第1蒸發(fā)室內(nèi)形成使從上方供給的水向下方流動(dòng)的下降流路，在設(shè)置在該第1蒸發(fā)室內(nèi)側(cè)的第2蒸發(fā)室內(nèi)，形成使前述第1蒸發(fā)室內(nèi)的水進(jìn)行蒸發(fā)所產(chǎn)生的水蒸氣向上方流動(dòng)的上升流路。前述吸水構(gòu)件設(shè)置在前述第2蒸發(fā)室內(nèi)。
前述發(fā)明的氫生成器的優(yōu)選是，前述內(nèi)筒與前述外筒之間配置中筒，前述第1蒸發(fā)室設(shè)置在前述外筒與前述中筒之間形成的筒狀空間內(nèi)，前述第2蒸發(fā)室設(shè)置在前述內(nèi)筒與前述中筒之間形成的筒狀空間內(nèi)，前述吸水構(gòu)件設(shè)置在前述外筒的前述第2蒸發(fā)室一側(cè)的面上。
前述發(fā)明的氫生成器的優(yōu)選是，前述筒狀空間內(nèi)設(shè)置有第1蒸發(fā)室與第2蒸發(fā)室。在第1蒸發(fā)室內(nèi)形成使從上方供給的水向下方流動(dòng)的下降流路，在設(shè)置在該第1蒸發(fā)室內(nèi)側(cè)的第2蒸發(fā)室內(nèi)，形成使前述第1蒸發(fā)室內(nèi)的水進(jìn)行蒸發(fā)所產(chǎn)生的水蒸氣向上方流動(dòng)的上升流路，前述吸水構(gòu)件設(shè)置在前述第1蒸發(fā)室內(nèi)及前述第2蒸發(fā)室內(nèi)。
前述發(fā)明的氫生成器的優(yōu)選是，前述內(nèi)筒與前述外筒之間配置中筒，前述第1蒸發(fā)室設(shè)置在前述外筒與前述中筒之間形成的筒狀空間內(nèi)，前述第2蒸發(fā)室設(shè)置在前述內(nèi)筒與前述中筒之間形成的筒狀空間內(nèi)，前述吸水構(gòu)件設(shè)置在前述外筒的前述第1蒸發(fā)室一側(cè)的面上及前述內(nèi)筒的前述第2蒸發(fā)室一側(cè)的面上。
前述發(fā)明的氫生成器中，前述吸水構(gòu)件優(yōu)選為設(shè)置在前述底板的上面。
前述發(fā)明的氫生成器中，前述吸水構(gòu)件優(yōu)選是多孔質(zhì)材料、網(wǎng)狀材料或纖維狀材料。
前述發(fā)明的氫生成器中，設(shè)置在前述外筒的前述第1蒸發(fā)室一側(cè)的面上的吸水構(gòu)件，優(yōu)選為以螺旋狀配置。
前述發(fā)明的氫生成器中，設(shè)置在前述內(nèi)筒的前述第2蒸發(fā)室一側(cè)的面上的吸水構(gòu)件，優(yōu)選為由具有多個(gè)孔的材料構(gòu)成，在前述內(nèi)筒的前述第2蒸發(fā)室一側(cè)的面與前述吸水構(gòu)件之間，設(shè)置大于該吸水構(gòu)件的平均孔徑的空間。
前述發(fā)明的氫生成器中，設(shè)置在前述內(nèi)筒的前述第2蒸發(fā)室一側(cè)的面上的吸水構(gòu)件的導(dǎo)熱率，優(yōu)選為大于前述內(nèi)筒的導(dǎo)熱率。
前述發(fā)明的氫生成器中，前述吸水構(gòu)件優(yōu)選是通過對(duì)前述外筒的前述第1蒸發(fā)室一側(cè)的面進(jìn)行粗糙加工而形成。
前述發(fā)明的氫生成器中，前述吸水構(gòu)件優(yōu)選是通過對(duì)前述內(nèi)筒的前述第2蒸發(fā)室一側(cè)的面進(jìn)行粗糙加工而形成。
前述發(fā)明的氫生成器中，前述吸水構(gòu)件優(yōu)選是通過對(duì)前述外筒的前述第1蒸發(fā)室一側(cè)的面及前述內(nèi)筒的前述第2蒸發(fā)室一側(cè)的面進(jìn)行粗糙加工而形成。
前述發(fā)明的氫生成器中，通過前述粗糙加工而形成凹凸的間隔優(yōu)選是0.05mm以上1mm以下。
而且，前述發(fā)明的氫生成器中，前述粗糙加工優(yōu)選為通過蝕刻加工、激光加工或噴砂加工而進(jìn)行。
本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)具有本發(fā)明的第一方面至第17方面的任一方面所述的氫生成器，和使用含有氧的氧化氣體及由前述氫生成器供給的改性氣體來進(jìn)行發(fā)電的燃料電池。
本發(fā)明的氫生成器具有優(yōu)良的效果，它雖然構(gòu)造簡(jiǎn)單，但可以提高蒸發(fā)性能，而且可以減少散熱損失。


圖1為本發(fā)明的氫生成器的簡(jiǎn)要結(jié)構(gòu)的截面圖。
圖2為本發(fā)明的氫生成器具有的蒸發(fā)器的簡(jiǎn)要結(jié)構(gòu)的截面圖。
圖3為實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)要結(jié)構(gòu)的截面圖。
圖4為設(shè)置吸水構(gòu)件時(shí)蒸發(fā)室內(nèi)的水的蒸發(fā)速度的變化，及未設(shè)置吸水構(gòu)件時(shí)相同的蒸發(fā)速度的變化的圖表。
圖5為設(shè)置吸水構(gòu)件時(shí)蒸發(fā)室內(nèi)的內(nèi)筒規(guī)定位置的溫度變化，及未設(shè)置吸水構(gòu)件時(shí)相同的溫度變化的圖表。
圖6為內(nèi)筒面吸水構(gòu)件構(gòu)造的一個(gè)實(shí)例的截面圖。
圖7為內(nèi)筒面吸水構(gòu)件構(gòu)造的一個(gè)實(shí)例的截面圖。
圖8為內(nèi)筒面吸水構(gòu)件構(gòu)造的一個(gè)實(shí)例的截面圖。
圖9為對(duì)安裝在本發(fā)明的氫生成器所配備的蒸發(fā)器的內(nèi)筒外面的薄板進(jìn)行說明的說明圖。(a)是該內(nèi)筒及薄板構(gòu)造的截面圖，(b)是該薄板構(gòu)造的平面圖。
圖10為本發(fā)明的氫生成器所具有的蒸發(fā)器的外筒構(gòu)造的截面圖。
圖11為本發(fā)明的氫生成器所具有的蒸發(fā)器的外筒構(gòu)造的截面圖。
圖12為現(xiàn)有氫生成器的簡(jiǎn)要結(jié)構(gòu)的截面圖。
圖13為現(xiàn)有氫生成器所具有的蒸發(fā)器的簡(jiǎn)要結(jié)構(gòu)的截面圖。
符號(hào)說明1城市用氣；2改性用水；3燃燒器；4燃燒氣體；5加熱器；6連接管；7供給通路；9外筒；10內(nèi)筒；11中筒；12底板；14第1蒸發(fā)室；15第2蒸發(fā)室；16選擇氧化催化劑層；17變換催化劑層；18改性催化劑層；20一氧化碳氧化用空氣；21生成氣體；22排出氣體；23燃燒室；24燃燒氣體流路；25排氣出口；26改性器；27改性氣體流路；28隔熱材料；29一氧化碳轉(zhuǎn)換器；30一氧化碳清除器；31生成氣體排出口；32蒸發(fā)器；33內(nèi)筒面吸水構(gòu)件；34外筒面吸水構(gòu)件；35底板面吸水構(gòu)件；36安裝座；37原料氣體供給口；38供水口；39空氣供給口；41連接管；43吸水構(gòu)件；46內(nèi)筒；47加熱器；48外筒；49供水管；50水蒸氣排出管；51蒸發(fā)室；52改性用水；53吸水構(gòu)件；54金屬絲網(wǎng)；55鐵絲；56墊片；57多孔質(zhì)金屬；58突起部；59多孔質(zhì)金屬；60薄板；61孔；100氫生成器；101燃料電池；102實(shí)驗(yàn)裝置。
具體實(shí)施例方式
下面參照附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)的闡述。
圖1是本發(fā)明的氫生成器的簡(jiǎn)要結(jié)構(gòu)的截面圖。如圖1所示，本發(fā)明的氫生成器100具有用于產(chǎn)生燃燒氣體4的燃燒器3、和設(shè)置在此燃燒器3下方的圓筒形燃燒室23。此燃燒室23的外圍，設(shè)置有與燃燒室23同軸的筒狀燃燒氣體流路24，用以使燃燒器3產(chǎn)生的燃燒氣體4從下方流向上方。燃燒氣體流路24與形成于氫生成器100的側(cè)面的上部的排氣出口25連接。流經(jīng)燃燒氣體流路24的燃燒氣體4，作為排出氣體22從排氣出口25排出。
此外，本發(fā)明的氫生成器100的側(cè)面的上部，除了排氣出口25之外，還有用來向氫生成器100供給改性用水2的供水口38、用來向氫生成器100供給城市用氣1的原料氣體供給口37、以及向外部排出應(yīng)供給至燃料電池101的生成氣體21的生成氣體排出口31。另外，氫生成器100的側(cè)面的下部，形成用來向氫生成器100供給一氧化碳氧化用空氣20的空氣供給口39。
前述的燃燒器3通過安裝座36而安裝在燃燒室23的內(nèi)側(cè)。此安裝座36與燃燒氣體流路24之間，形成作為流路的加熱器5，用來對(duì)供水口38所供給的改性用水2進(jìn)行加熱。
加熱器5通過設(shè)置在與供水口38對(duì)置位置的連接管6，與城市用氣1的供給通路7連接，而城市用氣1與原料氣體供給口37連接。在連接管6與供給通路7的連接部分，通過加熱器5進(jìn)行加熱而部分蒸發(fā)的改性用水2與城市用氣1混合。于是，混合后的改性用水2和城市用氣1被供給至后述的蒸發(fā)器32。
燃燒氣體流路24的外圍，設(shè)置有與燃燒室23同軸的筒形改性器26。此改性器26內(nèi)容有填充有改性催化劑的改性催化劑層18，在該改性催化劑層18內(nèi)使城市用氣1進(jìn)行水蒸氣改性反應(yīng)，從而生成改性氣體。
改性器26的外圍，與燃燒室23同軸地設(shè)置作為在該改性器26內(nèi)生成的改性氣體的流路的筒形改性氣體流路27；在該改性氣體流路27的外圍，與燃燒室23同軸地設(shè)置以隔熱材料28隔開的筒狀一氧化碳(CO)轉(zhuǎn)換器29。一氧化碳轉(zhuǎn)換器29內(nèi)是填充有變換催化劑的變換催化劑層17，在此變換催化劑層17內(nèi)，使流經(jīng)改性氣體流路27的改性氣體發(fā)生變換反應(yīng)，從而降低該改性氣體的一氧化碳濃度。
一氧化碳轉(zhuǎn)換器29的外圍，與燃燒室23同軸地設(shè)置有后述結(jié)構(gòu)的筒形蒸發(fā)器32。如前所述，該蒸發(fā)器32中，供給在連接管6與供給通路7的連接部分混合的改性用水2及城市用氣1。
蒸發(fā)器32的外圍，與燃燒室23同軸地設(shè)置有與空氣供給口39相連的筒狀一氧化碳清除器30。此一氧化碳清除器30內(nèi)是填充有選擇氧化催化劑的選擇氧化催化劑層16，在此選擇氧化催化劑層16內(nèi)，使從一氧化碳轉(zhuǎn)換器29排出的改性氣體與從空氣供給口39供給的一氧化碳氧化用空氣20發(fā)生反應(yīng)，從而減低該改性氣體的一氧化碳濃度。
一氧化碳清除器30與生成氣體排出口31相連。在改性器26中生成并流經(jīng)一氧化碳轉(zhuǎn)換器29及一氧化碳清除器30內(nèi)的改性氣體，作為生成氣體21從生成氣體排出口31排出。
氫生成器100的外側(cè)設(shè)置有燃料電池101，從生成氣體排出口31排出的生成氣體21被供給至該燃料電池101。燃料電池101利用由氫生成器100供給的生成氣體21與作為氧化氣體的空氣，通過眾所周知的方法進(jìn)行發(fā)電。由氫生成器100及燃料電池101就構(gòu)成本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)。
圖2是本發(fā)明的氫生成器100所具備的蒸發(fā)器32的簡(jiǎn)要結(jié)構(gòu)的截面圖。如圖2所示，蒸發(fā)器32具有外筒9、內(nèi)筒10、以及配置在外筒9與內(nèi)筒10之間的中筒11、還有塞住筒形空間下部的底板12，該筒形空間通過連接外筒9的下端與內(nèi)筒10的下端而形成于外筒9與內(nèi)筒10之間。此處，中筒11并不延伸至底板12，而是在中筒11的下端與底板12之間，按照規(guī)定寬度形成橫貫四周的縫隙。
由外筒9及中筒11形成的筒形空間內(nèi)設(shè)置第1蒸發(fā)室14。此外，由內(nèi)筒10及中筒11形成的筒形空間內(nèi)設(shè)置第2蒸發(fā)室15。第1蒸發(fā)室14及第2蒸發(fā)室15通過前述的中筒11與底板12之間的縫隙連通。
內(nèi)筒10的外面(第2蒸發(fā)室15一側(cè)的面)設(shè)置有內(nèi)筒面吸水構(gòu)件33，外筒9的內(nèi)面(第1蒸發(fā)室14一側(cè)的面)設(shè)置有外筒面吸水構(gòu)件34。此外，底板12的上面設(shè)置有底板面吸水構(gòu)件35。內(nèi)筒面吸水構(gòu)件33、外筒面吸水構(gòu)件34及底板面吸水構(gòu)件35都是以不銹鋼為材質(zhì)制造的厚度為0.5mm的多孔質(zhì)金屬，具有平均孔徑為0.2mm的貫穿孔，它們通過點(diǎn)焊固定在各個(gè)筒面或板面上。此處，內(nèi)筒面吸水構(gòu)件33被設(shè)置在內(nèi)筒10的大致整個(gè)外面，它的下端與底板面吸水構(gòu)件35相連。由帶狀的多孔質(zhì)金屬制造的外筒面吸水構(gòu)件34，呈螺旋狀卷繞設(shè)置在外筒9的內(nèi)面。還有，底板面吸水構(gòu)件35被設(shè)置成覆蓋底板12的大致整個(gè)上面。
第1蒸發(fā)室14的上部與供給通路7相連。由此供給通路7供給的改性用水2與城市用氣1的混合物下行流經(jīng)第1蒸發(fā)室14內(nèi)。即，第1蒸發(fā)室14中形成此混合物的下降流路。
于是，改質(zhì)用水2與城市用氣1的混合物下行流經(jīng)第1蒸發(fā)室14內(nèi)時(shí)，通過流經(jīng)選擇氧化催化劑層16內(nèi)的生成氣體，該混合物被加熱至大于100℃小于150℃，選擇氧化催化劑層16被容納在與外筒9相接的一氧化碳清除器30內(nèi)。于是，下行流經(jīng)第1蒸發(fā)室14內(nèi)的改性用水2蒸發(fā)。其結(jié)果是水蒸氣與城市用氣1的混合物上行流經(jīng)第2蒸發(fā)室15內(nèi)。即，第2蒸發(fā)室15內(nèi)形成該混合物的上升流路。這樣，水蒸氣與城市用氣1的混合物上升流經(jīng)第2蒸發(fā)室15內(nèi)時(shí)，通過流經(jīng)變換催化劑層17內(nèi)的生成氣體被加熱至大于250℃小于350℃，變換催化劑層17被容納在與內(nèi)筒10相接的一氧化碳轉(zhuǎn)換器29內(nèi)。
第2蒸發(fā)室15的上部與用于連接該第2蒸發(fā)室15與改性器26的連接管41相連。經(jīng)過第1蒸發(fā)室14及第2蒸發(fā)室15的改性用水2與城市用氣1的混合物，通過連接管41被供給至改性器26。
此外，如果是一般家庭用的發(fā)電輸出為1千瓦左右的燃料電池系統(tǒng)，向具有該燃料電池系統(tǒng)的氫生成器供給的城市用氣的流量為每分鐘4L左右，同樣，改性用水的流量為每分鐘10g左右。因此，本發(fā)明中也把向氫生成器100供給的城市用氣1的流量定為每分鐘4L左右，同樣，改性用水的流量為每分鐘10g左右。
接下來，對(duì)內(nèi)筒面吸水構(gòu)件33、底板面吸水構(gòu)件35及外筒面吸水構(gòu)件34的作用進(jìn)行說明。
(內(nèi)筒面吸水構(gòu)件)關(guān)于內(nèi)筒面吸水構(gòu)件33的作用，參照用后述結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)所得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行說明。
圖3是實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)要結(jié)構(gòu)的截面圖。如圖3所示，實(shí)驗(yàn)裝置102具有不銹鋼制的內(nèi)筒46、玻璃制的外筒48。內(nèi)筒46的內(nèi)側(cè)附設(shè)有圈狀的加熱器47。
內(nèi)筒46與外筒48之間所形成的空間內(nèi)設(shè)置有蒸發(fā)室51。此蒸發(fā)室51的側(cè)面的上部設(shè)置有供水管49及水蒸氣排出管50。供水管49向?qū)嶒?yàn)裝置102供水，水蒸氣排出管50把該蒸發(fā)室51內(nèi)產(chǎn)生的水蒸氣排至外面。
內(nèi)筒46的外面(蒸發(fā)室51一側(cè)的面)的大致整個(gè)表面設(shè)置有吸水構(gòu)件53。作為此吸水構(gòu)件53的材料，可以準(zhǔn)備以下三種。(1)與本發(fā)明的氫生成器100內(nèi)所設(shè)置的吸水構(gòu)件相同的不銹鋼制的多孔質(zhì)金屬(厚度為0.5mm，平均孔徑為0.2mm)；(2)三層重疊的金屬絲網(wǎng)(300篩眼，線徑為48um)；(3)玻璃纖維制的厚度為1mm的織物。
使用上述構(gòu)造的實(shí)驗(yàn)裝置102進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)。首先，通過供水管49向蒸發(fā)室51供給一定量的水52，于是，蒸發(fā)室51內(nèi)儲(chǔ)存一定量的水52。然后，用加熱器47對(duì)內(nèi)筒46進(jìn)行加熱，使蒸發(fā)室51內(nèi)的水52沸騰并蒸發(fā)，測(cè)定出此時(shí)水52在不同時(shí)段的蒸發(fā)速度。此外，根據(jù)實(shí)驗(yàn)裝置102的重量變化計(jì)算出此處水52的蒸發(fā)速度。
另外，準(zhǔn)備一套在實(shí)驗(yàn)裝置102的內(nèi)筒46的外面未設(shè)置吸水構(gòu)件53的實(shí)驗(yàn)裝置，未設(shè)置此吸水構(gòu)件53的實(shí)驗(yàn)裝置中，也測(cè)定出水52在不同時(shí)段的蒸發(fā)速度。
圖4表示設(shè)置吸水構(gòu)件53時(shí)蒸發(fā)室51內(nèi)的水52的蒸發(fā)速度的變化，及未設(shè)置吸水構(gòu)件53時(shí)相同的蒸發(fā)速度的變化。圖4中，A表示未設(shè)置吸水構(gòu)件53時(shí)的蒸發(fā)速度的變化，B表示設(shè)置吸水構(gòu)件53時(shí)的蒸發(fā)速度的變化。此處，圖4所示的圖表表示，加熱器47開始進(jìn)行加熱，儲(chǔ)存在蒸發(fā)室51內(nèi)的水52減少至規(guī)定量的時(shí)刻開始的經(jīng)過時(shí)間與各個(gè)經(jīng)過時(shí)間內(nèi)蒸發(fā)速度的關(guān)系。
如圖4所示，未設(shè)置吸水構(gòu)件53時(shí)，隨著時(shí)間的經(jīng)過，水52的蒸發(fā)速度直線下降。而設(shè)置吸水構(gòu)件53時(shí)，盡管時(shí)間流逝，但水52的蒸發(fā)速度始終保持恒定值。
此外，通過觀察玻璃制的外筒48可知，未設(shè)置吸水構(gòu)件53時(shí)，在位于水52水位以下的內(nèi)筒46的外面的多個(gè)地方，水急劇沸騰產(chǎn)生氣泡。而設(shè)置吸水構(gòu)件53時(shí)，在位于水52水位以下吸水構(gòu)件53的大致整個(gè)表面，多產(chǎn)生細(xì)微的氣泡。其原因在于，吸水構(gòu)件53表面的多孔部的細(xì)微凹凸起到沸騰中心的作用，從而促進(jìn)沸騰。此時(shí)細(xì)微氣泡的產(chǎn)生保持穩(wěn)定，這與未設(shè)置吸水構(gòu)件43時(shí)急劇沸騰而產(chǎn)生氣泡形成鮮明的對(duì)比。
此外，高于水52水位的部分，未設(shè)置吸水構(gòu)件53時(shí)，內(nèi)筒46的外面未見任何變化。與此相反，設(shè)置吸水構(gòu)件53時(shí)，水借助吸水構(gòu)件53的毛細(xì)管力而被吸上來，所以，吸水構(gòu)件53的表面呈現(xiàn)濕潤(rùn)狀態(tài)。這樣，在吸水構(gòu)件53內(nèi)，高于水52水位的部分也作為導(dǎo)熱面積而發(fā)揮作用，從中我們可知此部分也有水蒸發(fā)。
圖3中Z所示位置，即內(nèi)筒46的內(nèi)面，比儲(chǔ)存在蒸發(fā)室51內(nèi)的水52的水位略低的位置，固定熱電偶來測(cè)定溫度變化，在圖5中表示。圖5中A表示未設(shè)置吸水構(gòu)件53時(shí)位置Z的溫度變化，B表示設(shè)置吸水構(gòu)件53時(shí)位置Z的溫度變化。
如圖5所示，未設(shè)置吸水構(gòu)件53時(shí)，經(jīng)過時(shí)間到達(dá)a點(diǎn)之前，位置Z的溫度緩慢上升，而后經(jīng)過時(shí)間到達(dá)a點(diǎn)時(shí)，位置Z的溫度急劇上升。像這樣，經(jīng)過時(shí)間到達(dá)a點(diǎn)時(shí)，位置Z的溫度急劇上升，是因?yàn)榻?jīng)過時(shí)間到達(dá)a點(diǎn)時(shí)水52的水位比位置Z低。
另一方面，設(shè)置吸水構(gòu)件53時(shí)，經(jīng)過時(shí)間到達(dá)b點(diǎn)(規(guī)定時(shí)間比a點(diǎn)靠后的時(shí)刻)之前，位置Z的溫度保持恒定，而后經(jīng)過時(shí)間到達(dá)b點(diǎn)時(shí)，位置Z的溫度急劇上升。像這樣，經(jīng)過時(shí)間到達(dá)b點(diǎn)之前，位置Z的溫度保持恒定，而且即使水52的水位比位置Z低時(shí)(經(jīng)過時(shí)間到達(dá)a點(diǎn)時(shí))，位置Z的溫度也不上升，這是因?yàn)橥ㄟ^吸水構(gòu)件53的毛細(xì)管力，內(nèi)筒46的大致整個(gè)外面起到蒸發(fā)或沸騰面的作用。另外，經(jīng)過時(shí)間到達(dá)b點(diǎn)時(shí)，位置Z的溫度急劇上升，是因?yàn)榻?jīng)過時(shí)間到達(dá)b點(diǎn)時(shí)，蒸發(fā)室51內(nèi)的水52全部蒸發(fā)了。
從以上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，本發(fā)明的氫生成器100中，通過在蒸發(fā)器32的內(nèi)筒10的外面設(shè)置內(nèi)筒面吸水構(gòu)件33，氫生成器100啟動(dòng)時(shí)，儲(chǔ)存在蒸發(fā)器32的下部的改性用水2通過內(nèi)筒面吸水構(gòu)件33的毛細(xì)管力而上升，從而可增加導(dǎo)熱面積。因此，與不設(shè)置這樣的內(nèi)筒吸水構(gòu)件33的情況相比，即便蒸發(fā)器32小也可以確保充分的蒸發(fā)性能，所以，可以實(shí)現(xiàn)氫生成器100的小型化。
同樣，通過設(shè)置內(nèi)筒面吸水構(gòu)件33，內(nèi)筒面吸水構(gòu)件33的表面的細(xì)微的凹凸起到沸騰中心的作用，因此可以增大蒸發(fā)速度。因此，氫生成器100啟動(dòng)時(shí)，即使蒸發(fā)器32內(nèi)儲(chǔ)存著改性用水2，也可以迅速地產(chǎn)生水蒸氣，所以，可以縮短氫生成器100的啟動(dòng)時(shí)間。
當(dāng)然，蒸發(fā)速度的增大，不僅在啟動(dòng)時(shí)，在氫生成器100穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)及載荷波動(dòng)時(shí)也有作用。特別是上述設(shè)置內(nèi)筒面吸水構(gòu)件33時(shí)，因其大致整個(gè)表面發(fā)生沸騰及蒸發(fā)，所以，可以產(chǎn)生安全穩(wěn)定的水蒸氣。與此相反，未設(shè)置內(nèi)筒面吸水構(gòu)件33時(shí)，因沸騰中心的數(shù)量有限，所以，只發(fā)生部分沸騰或在有限的沸騰中心發(fā)生急劇沸騰。這些現(xiàn)象會(huì)引起蒸發(fā)量的不穩(wěn)定性以及因沸騰所產(chǎn)生的壓力波動(dòng)，從而產(chǎn)生供給至改性催化劑層18的水蒸氣量在瞬間嚴(yán)重不足以及氫生成器100的壓力波動(dòng)。水蒸氣量的嚴(yán)重不足會(huì)引起水蒸氣改性反應(yīng)的生成物的組成發(fā)生變化，氫生成器100的壓力波動(dòng)會(huì)引起在該氫生成器100中生成的氫氣量發(fā)生變化。內(nèi)筒面吸水構(gòu)件33具有防止發(fā)生此類不良現(xiàn)象的作用。
這樣，如在內(nèi)筒10的蒸發(fā)面設(shè)置內(nèi)筒面吸水構(gòu)件33，進(jìn)行蒸發(fā)時(shí)，則不僅可以增加水的蒸發(fā)速度，還可以保持較高的蒸發(fā)速度，而不會(huì)受儲(chǔ)存在蒸發(fā)器32內(nèi)水量的影響。此外，還可以確保氫生成器100中生成物的組成及量的穩(wěn)定性。
此外，在前述的實(shí)驗(yàn)中，無論吸水構(gòu)件53是前述(1)至(3)中的任何一種，都可以獲得同樣的結(jié)果。因此，作為內(nèi)筒面吸水構(gòu)件33的材料，可以使用前述(1)至(3)中的任何一種。
通過內(nèi)筒面吸水構(gòu)件33的毛細(xì)管力吸入改性用水2，這對(duì)增加導(dǎo)熱面積及蒸發(fā)面積非常重要。通過該毛細(xì)管力吸入的水的高度，因第2蒸發(fā)室15的寬度，即水流流路的寬度而變化。如果水量相同，則吸水的高度在該流路寬度狹窄的一側(cè)變高。但是，不僅吸水高度，如吸水量及速度不超過蒸發(fā)量，則由于吸水過程中水進(jìn)行蒸發(fā)，就無法增加導(dǎo)熱面積及蒸發(fā)面積?；谶@一點(diǎn)考慮，如使用多孔質(zhì)金屬作為內(nèi)筒面吸水構(gòu)件33，其平均孔徑大致為大于0.1mm而小于0.5mm為優(yōu)選。如使用金屬絲網(wǎng)，要使用大于100小于500個(gè)篩眼的金屬絲網(wǎng)。此外，因容易發(fā)生潮濕，優(yōu)選為預(yù)先對(duì)內(nèi)筒面吸水構(gòu)件33的表面進(jìn)行氧化處理。
使用實(shí)驗(yàn)裝置102進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，與吸水構(gòu)件53單體的情況相比，通過纏繞鐵絲而使吸水構(gòu)件53固定在內(nèi)筒46上，可知此時(shí)吸水速度就會(huì)提高。究其原因，是因?yàn)樗鹘?jīng)吸水構(gòu)件53與內(nèi)筒46之間所形成的縫隙而快速上升。雖然水通過多孔質(zhì)金屬或金屬絲網(wǎng)的細(xì)孔內(nèi)而上升，但因細(xì)孔內(nèi)被多孔質(zhì)金屬的框架或金屬絲網(wǎng)的鐵絲所遮擋，所以水的流路迂回曲折。與此相比，因吸水構(gòu)件53與內(nèi)筒46之間的縫隙內(nèi)，流路未被遮擋，所以，吸水速度加快。此處，為了提高吸水速度，吸水構(gòu)件53與內(nèi)筒46之間的縫隙空間要大于吸水構(gòu)件53的平均孔徑。
綜上所述，優(yōu)選為，在本發(fā)明的氫生成器100中，如圖6所示，在內(nèi)筒面吸水構(gòu)件的金屬絲網(wǎng)54與內(nèi)筒10之間的適當(dāng)位置設(shè)置若干墊片56，然后纏繞鐵絲55從而使金屬絲網(wǎng)54固定在內(nèi)筒10的外面，這樣，金屬絲網(wǎng)54與內(nèi)筒10之間就形成大于金屬絲網(wǎng)54平均孔徑的若干縫隙C。于是，通過在金屬絲網(wǎng)54與內(nèi)筒10之間形成若干縫隙C，就可以提高吸水速度。
例如，如圖7所示，把內(nèi)筒面吸水構(gòu)件的多孔質(zhì)金屬57點(diǎn)焊固定在內(nèi)筒10的外面時(shí)(圖中E表示點(diǎn)焊處)，在多孔質(zhì)金屬57的適當(dāng)位置設(shè)置突起部58，并使此突起部58與內(nèi)筒10的外面接觸，這樣，在多孔質(zhì)金屬57與內(nèi)筒10之間，形成大于多孔質(zhì)金屬57平均孔徑的若干縫隙D，此為優(yōu)選。于是，通過在多孔質(zhì)金屬57與內(nèi)筒10之間形成若干縫隙D，就可以提高吸水速度。
如圖8所示，內(nèi)筒面吸水構(gòu)件的多孔質(zhì)金屬59，若是孔徑較大的多孔質(zhì)金屬59A及孔徑較小的多孔質(zhì)金屬59B的雙層構(gòu)造，也同樣有效。此時(shí)，配置多孔質(zhì)金屬59時(shí)，要使多孔質(zhì)金屬59A位于多孔質(zhì)金屬59B的內(nèi)側(cè)，并使多孔質(zhì)金屬59A與內(nèi)筒10的外面接觸。與多孔質(zhì)金屬59B相比，使用多孔質(zhì)金屬59A，水的流路很少被遮擋，因此，通過使多孔質(zhì)金屬59形成雙層構(gòu)造，就可以提高吸水速度。
此外，作為內(nèi)筒面吸水構(gòu)件，除了前述幾項(xiàng)以外，圖9所示構(gòu)造也有效果。圖9是對(duì)薄板進(jìn)行說明的說明圖，該薄板安裝在本發(fā)明的氫生成器所配備的蒸發(fā)器的內(nèi)筒外面。(a)是該內(nèi)筒及薄板構(gòu)造的截面圖，(b)是該薄板構(gòu)造的平面圖。
如圖9(a)及(b)所示，薄板60是通過蝕刻加工，按照孔與孔的間距為p，打若干直徑d的孔61而形成的。此處，孔61的直徑d定為0.1mm，間距p為0.3mm，薄板60的厚度為0.1mm。
把按照上述方式構(gòu)成的薄板60擴(kuò)散接合在內(nèi)筒10的外面。這樣，如圖9(a)所示，內(nèi)筒10的外面形成凹凸構(gòu)造。這種凹凸構(gòu)造不僅可作為內(nèi)筒吸水構(gòu)件，還可以作為促進(jìn)沸騰的沸騰中心。此外，孔61的形狀并不局限于圓形，也可以是如長(zhǎng)橢圓形或菱形等適宜的形狀。
在這里把預(yù)先打孔61而形成的薄板60接合在內(nèi)筒10的外面，從而在內(nèi)筒10的外面形成凹凸構(gòu)造，但是，也可以通過蝕刻加工在內(nèi)筒10的外面直接設(shè)置若干凹部，從而形成凹凸構(gòu)造。此外，并不局限于蝕刻加工，也可以通過噴砂加工在內(nèi)筒10的外面形成細(xì)微的凹凸。還可以通過激光加工在內(nèi)筒10的外面形成間距為0.1mm左右的圍棋盤格形狀的槽。此處，如果通過激光加工在內(nèi)筒10的外面形成凹凸構(gòu)造，進(jìn)行加工時(shí)由于再粘結(jié)而熔敷的金屬粒子，加工后的內(nèi)筒10的外面明顯粗糙的地方則具有良好的吸水性能及沸騰性能。如果通過酸洗處理等除去該加工面的粗糙部分，此時(shí)應(yīng)留意這些性能會(huì)顯著下降。如果上述的孔或槽的間隔，即凹凸的間隔過大則性能下降。相反，如果過窄則吸水量會(huì)減少。因此，這些間隔要大于0.05mm小于1mm。
為使內(nèi)筒面吸水構(gòu)件33吸入全部?jī)?chǔ)存在蒸發(fā)器32內(nèi)的改性用水2，最好使內(nèi)筒面吸水構(gòu)件33的下端與底板12接觸?？紤]到蒸發(fā)器32的組裝精度，很難使內(nèi)筒面吸水構(gòu)件33的下端與底板12完全接觸，最好使內(nèi)筒面吸水構(gòu)件33的下端與底板12保持?jǐn)?shù)mm以下的距離。此外，內(nèi)筒面吸水構(gòu)件33的上端最好達(dá)到中筒11的大致上端，但是為了確保預(yù)導(dǎo)熱及蒸發(fā)所需的面積，只要能夠獲得足夠的吸水高度，內(nèi)筒面吸水構(gòu)件33的上端可一直延伸至其高度。
改性用水吸入內(nèi)筒面吸水構(gòu)件33的上端部為止之前，必要量的改性用水2被蒸發(fā)，于是有內(nèi)筒面吸水構(gòu)件33變干燥的情況。因此，內(nèi)筒面吸水構(gòu)件33的材料的導(dǎo)熱率，最好高于構(gòu)成內(nèi)筒10的材料的導(dǎo)熱率。其原因在于，如果內(nèi)筒面吸水構(gòu)件33的材料的導(dǎo)熱率比內(nèi)筒10的導(dǎo)熱率小，則內(nèi)筒面吸水構(gòu)件33就成為導(dǎo)熱時(shí)的熱阻。內(nèi)筒10通常是用不銹鋼所制造的，所以，內(nèi)筒面吸水構(gòu)件33的素材最好是金屬。前面已經(jīng)對(duì)玻璃纖維的織物的蒸發(fā)速度進(jìn)行了闡述，像玻璃纖維這樣導(dǎo)熱率小的材料不太適合用作內(nèi)筒面吸水構(gòu)件33。
(底板面吸水構(gòu)件)下面，對(duì)本發(fā)明的氫生成器100的底板面吸水構(gòu)件35的作用進(jìn)行說明。
作為底板面吸水構(gòu)件35的材料，采用與內(nèi)筒面吸水構(gòu)件33相同的材料。這樣，底板面吸水構(gòu)件35就具有促進(jìn)改性用水2沸騰的多個(gè)沸騰中心。因此，通過設(shè)置底板面吸水構(gòu)件35可以加劇改性用水2的沸騰，這樣，就可以縮短氫生成器100的啟動(dòng)時(shí)間及產(chǎn)生安全且穩(wěn)定的水蒸氣。
此外，底板面吸水構(gòu)件35與內(nèi)筒面吸水構(gòu)件33略微接觸時(shí)，例如即使氫生成器100傾斜地設(shè)置時(shí)，儲(chǔ)存在蒸發(fā)器32下部的水也可通過底板面吸水構(gòu)件35而可靠地供給至內(nèi)筒面吸水構(gòu)件33。
(外筒面吸水構(gòu)件)下面，對(duì)本發(fā)明的氫生成器100的外筒面吸水構(gòu)件34的作用進(jìn)行說明。
從連接管6流向供給通路7的改性用水2流入第1蒸發(fā)室14時(shí)，改性用水2并非均等地流入外筒9的內(nèi)面(第1蒸發(fā)室14一側(cè)的面)。如前所述，改性用水2的流量通常很少，只有大約每分鐘10g，因此，改性用水2以一股至若干股的流量流入外筒9的內(nèi)面。在參照?qǐng)D12所說明的現(xiàn)有氫生成器中，設(shè)置螺旋狀的圓桿83，這樣，改性用水72使外筒79內(nèi)面的多個(gè)面濕潤(rùn)，能夠增大導(dǎo)熱面積，從而有利于沸騰及蒸發(fā)。在本發(fā)明中，取代現(xiàn)有氫生成器的螺旋狀圓桿83，通過點(diǎn)焊焊接把作為外筒面吸水構(gòu)件34的帶狀多孔質(zhì)金屬固定在外筒9的內(nèi)面。此處，外筒面吸水構(gòu)件34與內(nèi)筒面吸水構(gòu)件33是用相同的多孔質(zhì)金屬構(gòu)成的。
如果本發(fā)明中所使用的多孔質(zhì)金屬的孔徑為0.2mm，則有些小，如果它與水接觸時(shí)，如上所述，由于多孔質(zhì)金屬的毛細(xì)管力，水迅速穿過該多孔質(zhì)金屬的孔內(nèi)而流走。參照?qǐng)D10對(duì)其形狀進(jìn)行說明。
圖10是外筒9構(gòu)造的截面圖。如圖10所示，在本實(shí)施方式中，帶狀的外筒面吸水構(gòu)件34以螺旋狀纏繞而固定在外筒9的內(nèi)面。此外，在圖10中，F(xiàn)是改性用水流入的位置，改性用水從此位置F按G所示的股狀而流入。
改性用水與外筒面吸水構(gòu)件34接觸時(shí)，改性用水穿過外筒面吸水構(gòu)件34的細(xì)孔內(nèi)而流入，因此，改性用水穿過螺旋狀配置的外筒面吸水構(gòu)件34內(nèi)呈螺旋狀流入。于是，改性用水可以覆蓋外筒9內(nèi)面的幾乎整個(gè)面積，因此，與現(xiàn)有的氫生成器相比，使用本發(fā)明的氫生成器可以大大增加導(dǎo)熱面積。而且，通過多孔質(zhì)金屬增大導(dǎo)熱面積，不僅可以加速其增大部分面積的改性用水的蒸發(fā)，內(nèi)筒面吸水構(gòu)件33與外筒面吸水構(gòu)件34同樣，由于沸騰中心的增加而進(jìn)一步促進(jìn)蒸發(fā)。因此，改性用水2通過螺旋狀的外筒面吸水構(gòu)件34的細(xì)孔而流入的過程中，被迅速加熱而蒸發(fā)。與內(nèi)筒面吸水構(gòu)件33的蒸發(fā)相同，此蒸發(fā)也是安全穩(wěn)定的。這樣可以確保水蒸氣改性反應(yīng)的生成物的組成的穩(wěn)定性以及生成氫氣量的穩(wěn)定性。
在圖10中，H1表示改性用水所流經(jīng)的區(qū)域，H2表示由于高于與改性用水接觸位置而改性用水所無法流經(jīng)的區(qū)域。該區(qū)域H2作為由于改性用水2通過毛細(xì)管力而被吸入的導(dǎo)熱面而有效。
這樣，按照螺旋狀把外筒面吸水構(gòu)件34固定在外筒9的內(nèi)面，就可以不需要參照?qǐng)D12所說明的現(xiàn)有氫生成器中所需要的圓桿83。因此，可以大大簡(jiǎn)化本發(fā)明的氫生成器100的蒸發(fā)器32的構(gòu)造及制造流程。這樣，可以達(dá)到降低氫生成器100的制造成本的目的。
外筒面吸水構(gòu)件34的孔徑及厚度，螺旋狀的寬度及間隔可根據(jù)需要使用最佳的種類，例如，可以在外筒9的上部與下部改變螺旋的形狀。此外，無需使外筒面吸水構(gòu)件34的螺旋配置至外筒9的最下部，例如，如圖11所示，螺旋形狀一直延伸至外筒9的中間，其以下部分可以是如34’圓筒形狀。還有，此處的外筒面吸水構(gòu)件34是多孔質(zhì)金屬，可以使用能適用于內(nèi)筒面吸水構(gòu)件33的吸水構(gòu)件。還可以在外筒9的內(nèi)面以螺旋狀進(jìn)行粗糙加工。
此處對(duì)螺旋狀配置的外筒面吸水構(gòu)件34進(jìn)行說明，但是外筒面吸水構(gòu)件34的形狀并非局限于螺旋狀。即使外筒面吸水構(gòu)件34的形狀設(shè)置成螺旋狀以外的其它形狀，與未設(shè)外筒面吸水構(gòu)件34時(shí)相比，仍可以擴(kuò)大導(dǎo)熱面積，這樣，氫生成器100就具有優(yōu)良的蒸發(fā)性能。
本發(fā)明的氫生成器100的蒸發(fā)器32中，并非一定需要中筒11，水蒸氣與城市用氣1在中筒11中的混合接觸時(shí)間延長(zhǎng)，則兩者的混合效果越好。如果這些混合不充分，則供給改性催化劑層18的水蒸氣及城市用氣1的比例就不均等，這樣，就會(huì)引起生成氣體的組成發(fā)生改變。蒸發(fā)器32中設(shè)置中筒11，則可以防止生成氣體的組成發(fā)生改變。
此處在內(nèi)筒10的外面、外筒9的內(nèi)面及底板12的表面這三個(gè)地方使用吸水構(gòu)件，但并不一定要在這三個(gè)地方全配置吸水構(gòu)件，即使只在其中任何一個(gè)面或兩個(gè)面上設(shè)置吸水構(gòu)件，也同樣可獲得相應(yīng)的效果。
此處，改性用水從外筒9的上部供給第1蒸發(fā)室14。其原因在于，第2蒸發(fā)室15從內(nèi)筒10一側(cè)被加熱至250℃以上350℃以下，與此同時(shí)，第1蒸發(fā)室14從外筒9一側(cè)被加熱至100℃以上150℃以下。如改性用水2從內(nèi)筒10一側(cè)向第2蒸發(fā)室15供給，則改性用水2就直接接觸250℃以上350℃以下的高溫面。如果水接觸這樣的高溫面，即便該面有吸水構(gòu)件，水也會(huì)迅速沸騰而不會(huì)通過吸水構(gòu)件流入。為此，改性用水2需要從低溫側(cè)的外筒9一側(cè)的面向第1蒸發(fā)室14供給。
此處，對(duì)使用改性用水作為被蒸發(fā)液體的情況進(jìn)行說明。被蒸發(fā)液體并非局限于改性用水，例如也可以使用甲醇等液體燃料作為被蒸發(fā)液體。無庸諱言，此時(shí)，本發(fā)明的氫生成器也同樣有效。
本發(fā)明的氫生成器100中，因蒸發(fā)器32與氫生成器100是一體配置，所以，可以抑制在蒸發(fā)器32中產(chǎn)生的水蒸氣及作為加熱源的液體的散熱損失。這樣，與現(xiàn)有的氫生成器相比，本發(fā)明的氫生成器100的熱效率高。
工業(yè)上的可利用性本發(fā)明的氫生成器可用于需要高蒸發(fā)性能的燃料電池系統(tǒng)的氫生成器等。
權(quán)利要求
1.一種氫生成器，其特征在于，具有產(chǎn)生燃燒氣體的燃燒部；設(shè)置在該燃燒部的周圍，利用由所述燃燒部產(chǎn)生的燃燒氣體的導(dǎo)熱，通過使至少含有由碳和氫所構(gòu)成的化合物的原料與水蒸氣進(jìn)行的水蒸氣改性反應(yīng)而生成含有氫的改性氣體的改性器；以及具有設(shè)置在所述燃燒部周圍的內(nèi)筒、設(shè)置在該內(nèi)筒周圍的外筒、以及塞住所述內(nèi)筒與所述外筒之間形成的筒狀空間下部的底板，通過使供給至所述筒狀空間的水蒸發(fā)而生成水蒸氣，并把該水蒸氣供給至所述改性器的蒸發(fā)器，在所述筒狀空間內(nèi)設(shè)置具有吸水性的吸水構(gòu)件。
2.如權(quán)利要求1所述的氫生成器，其特征在于，在所述筒狀空間內(nèi)設(shè)置形成有使從上方供給的水向下方流動(dòng)的下降流路的第1蒸發(fā)室，和設(shè)置在該第1蒸發(fā)室內(nèi)側(cè)的、形成有使所述第1蒸發(fā)室內(nèi)的水蒸發(fā)所產(chǎn)生的水蒸氣向上方流動(dòng)的上升流路的第2蒸發(fā)室，所述吸水構(gòu)件設(shè)置在所述第1蒸發(fā)室內(nèi)。
3.如權(quán)利要求2所述的氫生成器，其特征在于，在所述內(nèi)筒與所述外筒之間配置中筒，所述第1蒸發(fā)室設(shè)置在所述外筒與所述中筒之間形成的筒狀空間內(nèi)，所述第2蒸發(fā)室設(shè)置在所述內(nèi)筒與所述中筒之間形成的筒狀空間內(nèi)，所述吸水構(gòu)件設(shè)置在所述外筒的所述第1蒸發(fā)室一側(cè)的面上。
4.如權(quán)利要求1所述的氫生成器，其特征在于，在所述筒狀空間內(nèi)設(shè)置形成有使從上方供給的水向下方流動(dòng)的下降流路的第1蒸發(fā)室，和設(shè)置在該第1蒸發(fā)室內(nèi)側(cè)的、形成有使所述第1蒸發(fā)室內(nèi)的水蒸發(fā)所產(chǎn)生的水蒸氣向上方流動(dòng)的上升流路的第2蒸發(fā)室，所述吸水構(gòu)件設(shè)置在所述第2蒸發(fā)室內(nèi)。
5.如權(quán)利要求4所述的氫生成器，其特征在于，在所述內(nèi)筒與所述外筒之間配置中筒，所述第1蒸發(fā)室設(shè)置在所述外筒與所述中筒之間形成的筒狀空間內(nèi)，所述第2蒸發(fā)室設(shè)置在所述內(nèi)筒與所述中筒之間形成的筒狀空間內(nèi)，所述吸水構(gòu)件設(shè)置在所述內(nèi)筒的所述第2蒸發(fā)室一側(cè)的面上。
6.如權(quán)利要求1所述的氫生成器，其特征在于，在所述筒狀空間內(nèi)設(shè)置形成有使從上方供給的水向下方流動(dòng)的下降流路的第1蒸發(fā)室，和設(shè)置在該第1蒸發(fā)室內(nèi)側(cè)的、形成有使所述第1蒸發(fā)室內(nèi)的水蒸發(fā)所產(chǎn)生的水蒸氣向上方流動(dòng)的上升流路的第2蒸發(fā)室，所述吸水構(gòu)件設(shè)置在所述第1蒸發(fā)室內(nèi)及所述第2蒸發(fā)室內(nèi)。
7.如權(quán)利要求6所述的氫生成器，其特征在于，在所述內(nèi)筒與所述外筒之間配置中筒，所述第1蒸發(fā)室設(shè)置在所述外筒與所述中筒之間形成的筒狀空間內(nèi)，所述第2蒸發(fā)室設(shè)置在所述內(nèi)筒與所述中筒之間形成的筒狀空間內(nèi)，所述吸水構(gòu)件設(shè)置在所述外筒的所述第1蒸發(fā)室一側(cè)的面上及所述內(nèi)筒的所述第2蒸發(fā)室一側(cè)的面上。
8.如權(quán)利要求1至權(quán)利要求7中任一項(xiàng)所述的氫生成器，其特征在于，所述吸水構(gòu)件設(shè)置在所述底板的上面。
9.如權(quán)利要求1至權(quán)利要求8中任一項(xiàng)所述的氫生成器，其特征在于，所述吸水構(gòu)件是多孔質(zhì)材料、網(wǎng)狀材料或纖維狀材料。
10.如權(quán)利要求2、權(quán)利要求3、權(quán)利要求6或權(quán)利要求7所述的氫生成器，其特征在于，設(shè)置在所述外筒的所述第1蒸發(fā)室一側(cè)的面上的吸水構(gòu)件配置成螺旋狀。
11.如權(quán)利要求4至權(quán)利要求7中任一項(xiàng)所述的氫生成器，其特征在于，設(shè)置在所述內(nèi)筒的所述第2蒸發(fā)室一側(cè)的面上的吸水構(gòu)件，由具有多個(gè)孔的材料構(gòu)成，在所述內(nèi)筒的所述第2蒸發(fā)室一側(cè)的面與所述吸水構(gòu)件之間，設(shè)置大于該吸水構(gòu)件的平均孔徑的空間。
12.如權(quán)利要求4至權(quán)利要求7中任一項(xiàng)所述的氫生成器，其特征在于，設(shè)置在所述內(nèi)筒的所述第2蒸發(fā)室一側(cè)的面上的吸水構(gòu)件的導(dǎo)熱率，大于所述內(nèi)筒的導(dǎo)熱率。
13.如權(quán)利要求3所述的氫生成器，其特征在于，所述吸水構(gòu)件是通過對(duì)所述外筒的所述第1蒸發(fā)室一側(cè)的面進(jìn)行粗糙加工而形成。
14.如權(quán)利要求5所述的氫生成器，其特征在于，所述吸水構(gòu)件是通過對(duì)所述內(nèi)筒的所述第2蒸發(fā)室一側(cè)的面進(jìn)行粗糙加工而形成。
15.如權(quán)利要求7所述的氫生成器，其特征在于，所述吸水構(gòu)件是通過對(duì)所述外筒的所述第1蒸發(fā)室一側(cè)的面及所述內(nèi)筒的所述第2蒸發(fā)室一側(cè)的面進(jìn)行粗糙加工而形成。
16.如權(quán)利要求13至權(quán)利要求15中任一項(xiàng)所述的氫生成器，其特征在于，通過所述粗糙加工而形成凹凸的間隔在0.05mm以上1mm以下。
17.如權(quán)利要求13至權(quán)利要求16中任一項(xiàng)所述的氫生成器，其特征在于，所述粗糙加工是通過蝕刻加工、激光加工或噴砂加工而進(jìn)行。
18.一種燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，包括如權(quán)利要求1至權(quán)利要求17中任一項(xiàng)所述的氫生成器；和使用含有氧氣的氧化氣體及由所述氫生成器供給的改性氣體進(jìn)行發(fā)電的燃料電池。
全文摘要
本發(fā)明提供一種構(gòu)造簡(jiǎn)單，蒸發(fā)性能優(yōu)良，高熱效率的氫生成器，及配備該氫生成器的燃料電池系統(tǒng)。其具有產(chǎn)生燃燒氣體的燃燒器；設(shè)置在該燃燒器的周圍，利用由燃燒器產(chǎn)生的燃燒氣體的導(dǎo)熱，通過使至少包含由碳和氫所構(gòu)成的化合物的原料與水蒸氣進(jìn)行的水蒸氣改性反應(yīng)而生成包含氫的改性氣體的改性器；以及具有設(shè)置在燃燒部周圍的內(nèi)筒、設(shè)置在該內(nèi)筒周圍的外筒、以及塞住前述內(nèi)筒與前述外筒之間形成的筒狀空間下部的底板，通過使供給至前述筒狀空間的水蒸發(fā)而生成水蒸氣，并把該水蒸氣供給至前述改性器的蒸發(fā)器。在前述筒狀空間內(nèi)設(shè)置具有吸水性的吸水構(gòu)件。
文檔編號(hào)H01M8/06GK1497757SQ200310100289
公開日2004年5月19日 申請(qǐng)日期2003年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月10日
發(fā)明者田村佳央, 向井裕二, 前西晃, 麻生智倫, 二, 倫 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社