专利名称：变换装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种由催化剂引起的水煤气移位反应变换改性气体用的变换装置，该改性气体是由部分氧化反应改性碳水化合物类的原料气体而生成的。
背景技术：
一般，通过改性碳水化合物和甲醇可以生成氢气，由这样地改性生成氢气的燃料改性装置可以使用于燃料电池和氢气发动机等。
作为这样的改性装置，如过去例如特开平11-67256号公报所示的那样，是组装在燃料电池装置中。该燃料改性装置具有充填了对部分氧化反应呈活性的催化剂的燃料改性器，将原料气体导入该燃料改性器，由其部分氧化反应产生具有氢气的改性气体。
另外，为了减少如上所述地生成的改性气体中的CO(一氧化碳)而且提高氢气收获率，在变换装置的移位反应部中由变换催化剂使改性气体进行水煤气移位反应进行变换。
即，在该水煤气气体移位反应中，如下式所示地一氢气化碳被水氧化而变化为二氧化碳和氢气。
可是，这种变换装置，其移位反应部的耐热性低，由于不能将来自改性反应部的高温度(例如700℃)的改性气体在其高温状态下导入进行反应，因此，将移位反应部分为高温移位反应部和低温移位反应部，将改性反应部的改性气体降温到例如400℃后导入高温移位反应部，将从其高温移位反应部出来的改性气体在降温到例如200℃后导入低温移位反应部。
但是，在这种情况下，需要控制分别流入高温及低温移位反应部中的入口温度，因此，装置的构造变复杂。
另外，由于在上述那样的反应速度快的高温条件下不能进行反应，因此可以变换改性气体的温度范围不能避免地被限定。
另外，在高温条件下的水性移位反应中，为了确保催化剂的耐热性，需要大量的催化剂，因此，有增大热容量使负荷变动的响应性和起动时的特性变差的问题。
本发明是鉴于上述问题点而做成的，其目的是通过对上述变换装置的构造进行改进，使得在其移位反应部中可以使来自改性反应部的高温改性气体直接地进行移位反应，并且使变换装置构造简单。
发明的公开为了达到上述目的，在本发明中，在变换装置的移位反应部中，使来自改性反应部的改性气体一边与朝向改性反应部的原料气体或热回收气体进行热交换一边进行移位反应。
具体地说，在本发明中，变换装置具有移位反应部(10)，该移位反应部由变换催化剂使富含氢气的改性气体进行水煤气移位反应而进行变换，该改性气体是在改性反应部(6)中由含有部分酸化的反应从原料气体生成的，其特征在于，上述移位反应部(10)直接将来自上述改性反应部(6)的改性气体导入改性气体通路(11)中，一边与上述原料气体进行热交换一边进行移位反应。
由此，来自改性反应部(6)的高温改性气体直接导入移位反应部(10)，其改性气体在移位反应部(10)一边与供给于改性反应部(6)中的原料气体通路(3)内的原料气体进行热交换，一边由水煤气移位反应进行变换。因此，从改性反应部(6)出来的改性气体在高温的状态下被变换，将其改性气体在从反应速度高的高温状态到反应速度低但反应平衡性优良的低温状态的宽的温度范围中进行变换。
而且，不需要控制改性气体的温度，可以使变换装置的构造简单。
另外，通过减少移位反应部(10)的变换催化剂的充填量，可以减少其热容量，从而可以良好地维持负荷变动的响应性和起动时的特性。
上述移位反应部(10)的变换催化剂可以使用具有耐热性的贵金属类的催化剂、或移位反应部(10)的变换催化剂将Pt或Pt、Ru的合金作为活性金属来使用。这样，可以得到在上述高温中进行移位反应所希望的变换催化剂。即，如果使用具有耐热性的贵金属类的催化剂时，催化剂的耐用性高，可以在宽的温度区域中维持高的活性。另外，在做成为将Pt或Pt、Ru的合金作为活性金属来使用时，在高温下活性变高，难以产生甲烷化过程。
上述移位反应部(10)的变换催化剂可以使用涂敷或担持在多孔质材料上的催化剂。该多孔质材料由于表面积大，因此，在移位反应部(10)中可以使变换催化剂和改性气体的接触面积大，从而使反应速度快，同时，还可以使热的辐射效率增大。
上述多孔质材料，可以采用发泡金属、堇青石或陶瓷等任何一种。因此，得到特别是可确保增大与改性气体的接触面积所希望的多孔质材料。
也可以在上述移位反应部(10)的周围可以设置对改性反应部(6)供给原料气体的原料气体通路(3)，由此，移位反应部(10)周围的原料气体通路(3)的原料气体由移位反应部(10)中的反应热加热，为了原料气体的预热回收移位反应部(10)中的反应热，由此，可以由该自己的热回收提高变换装置的热效率。
这时，在壳体(1)内一体地设有移位反应部(10)和原料气体通路(3)。由此，可以实现变换装置构造简单化，降低成本。
可以设置由辐射使移位反应部(10)中的反应热和显热与原料气体通路(3)的原料气体热交换的热交换器(15)。这样，可以增大移位反应部(10)与原料气体之间的热交换速度，从而提高传热效率。
上述移位反应部(10)的改性气体通路(11)可以做成为改性气体从移位反应部(10)中心侧向外周侧流动的形式。这样，可以使移位反应部(10)的入口部到出口部的温度不同，从而形成温度分布。
这时，可以将与移位反应部(10)中的改性气体的流动方向下游侧部分与原料气体通路(3)的距离做得比上游侧部分与原料气体通路(3)的距离大，根据该构造，可以使由移位反应部(10)的辐射所进行的向原料气体通路(3)的热交换量在移位反应部(10)中的改性气体的流动方向上下游侧部分相互不同地进行变化，可以将移位反应部(10)的出口部分的温度保持为基本一定。
上述热交换器(15)可以做成具有面对原料气体通路(3)的传热翅片(16)的构造。这样，可以进一步提高传热效率。
可以将上述传热翅片(16)沿原料气体通路(3)设置多个，将这些多个的传热翅片(16)的移位反应部(10)中的改性气体的流动方向上游侧的间距比下游侧的窄，由此，可以顺利地进行移位反应部(10)与原料气体之间的热交换。
也可以设有具有面临上述改性气体通路(11)的改性气体侧传热翅片(21)和面临原料气体通路(3)的原料气体侧传热翅片(22)的、将移位反应部(10)的反应热和显热与原料气体通路(3)的原料气体进行热交换的热交换器(23)。而且，移位反应部(10)的变换催化剂至少涂敷或担持在上述改性气体侧传热翅片(21)上。这样移位反应部(10)的改性气体通路(11)的改性气体与面临改性气体通路(11)的改性气体侧传热翅片(21)的变换催化剂接触进行移位反应。该反应热从感性气体侧传热翅片(21)通过原料气体侧传热翅片(22)传递到原料气体通路(3)的原料气体。在这时也可以提高从移位反应部(10)向原料气体的传热效率。
将上述改性反应部(6)、原料气体通路(3)和移位反应部(10)一体地设在壳体(1)内。由此，可以进一步使变换装置的构造简单，从而实现降低成本。
另外，具有由变换催化剂使在改性反应部(6)中由含有部分氧化的反应从原料气体生成的富含氢气的改性气体进行水煤气移位反应进行变换的移位反应部(10)的变换装置，也可以构成为，上述移位反应部(10)一边使来自改性反应部(6)的改性气体与热回收气体进行热交换一边进行移位反应。
由此，来自改性反应部(6)的高温改性气体在移位反应部(10)中一边与热回收气体进行热交换一边由水煤气移位反应进行变换。由此，从改性反应部(6)出来的改性气体在高温的状态下进行变换，将其改性气体在从反应速度高的温度状态到反应速度低但反应平衡性良好的低温状态的宽的温度范围中进行变换。
即通过来自改性反应部(6)的高温改性气体和热回收气体的热交换，在移位反应部(10)中，在改性气体的入口侧温度变高反应速度增大，另外，在出口侧温度降低反应速度变低，可以热平衡地降低CO浓度。
而且，不需要控制改性气体的温度，可以使变换装置的构造简单。
另外，通过在移位反应部(10)中的热交换，可以将其高温的排热作为热回收气体进行回收。
另外，通过降低移位反应部(10)的变换催化剂的充填量，可以减少其热容量，可以良好地维持负荷变动的响应性和起动(10)的特性。
在这种情况下，与上述相同，移位反应部(10)的变换传感器催化剂是具有耐热性的贵金属类的催化剂。由于具有耐热性的贵金属类的催化剂的耐久性高，因此，可以在宽的温度区域中维持高活性。
另外，移位反应部(10)的变换催化剂是将Pt或Pt、Ru的合金作为活性金属使用的催化剂。在使用将该将Pt或Pt、Ru的合金作为活性金属使用的催化剂时，在高温中活性变高，难以产生甲烷化过程。
上述移位反应部(10)的变换催化剂是涂敷或担持在多孔质材料上的催化剂。该多孔质材料由于表面积大，因此，在移位反应部(10)中可以使变换催化剂和改性气体的接触面积大，从而使反应速度快，同时，还可以使热的辐射效率增大。
上述多孔质材料，可以采用发泡金属、堇青石或陶瓷等任何一种。因此，容易得到特别是可确保增大与改性气体的接触面积所希望的多孔质材料。
上述移位反应部(10)的变换催化剂是由涂敷或担持在金属构成的催化剂载体上的催化剂。因此，可以得到通过将与改性气体通路(11)面临的催化剂与热回收气体热交换进行冷却的所希望的催化剂载体。
也可以在催化剂载体的周围设置上述热回收气体流动的热回收气体通路(37)，这样，由于催化剂载体由热回收气体通路(37)围着，因此，可以提高热效率。
上述热回收气体可以是空气。通过将该空气作为热回收气体，可以在高温热回收中即使在部分载荷时也可以进行稳定的热交换，可以容易获得容易利用的热回收气体。
另外，上述热回收气体也可以是燃料电池(31)中的氧极(34)侧(空气极侧)的排气(废气)。若这样地将燃料电池(31)的排气作为回收气体，不需要重新准备如上所述的空气作为热回收气体，可以直接利用燃料电池(31)的以有的排气。另外，也不需要将空气作为回收气体时使其流动的鼓风机和其动力。
附图的简单说明
图1是表示本发明的实施例1的变换装置的剖面图。
图2是图1的II-II线剖面图。
图3是表示实施例2的相当于图1的图。
图4是图3的IV-IV线剖面图。
图5是表示实施例3的相当于图4的图。
图6是表示本发明的实施例4的变换装置的剖面图。
图7是图6的VII-VII线的剖面图。
图8是表示实施例4的燃料电池装置的电路图。
图9是表示实施例5的相当于图6的图。
图10是图9的X-X线剖面图。
图11是表示实施例6的相当于图10的图。
为了实施本发明的最佳方式将用于实施本发明的最佳形式作为实施例进行说明。
(实施例1)图1和图2表示本发明的实施例1的变换装置A，该变换装置在燃料电池装置(参照图8)中是用于使从含有城市气体和加湿空气的原料气体改性的改性气体进行水煤气移位反应进行变换。
在图1和图2中，1是变换装置A的有底圆筒状的壳体1，在该壳体1的内部配设着圆筒状的隔壁2，该隔壁2将壳体1内划分为内侧空间和外侧空间，该隔壁2与壳体1形成为一体。在隔壁2中，壳体1底部侧(图1中上侧)的端部被局部地切掉、使上述内侧和外侧空间相互连通，该连通部和外侧空间本身构成为原料气体通路3。在该原料气体通路3中，外侧空间的壳体1开口侧(图1中下侧)的端部构成为原料气体入口4。该原料气体入口4与图外的原料气体管连接，从该原料气体管供给的原料气体(含有城市和加湿空气)经过原料气体入口4供给到壳体1和隔壁2之间的原料气体通路3。
在上述隔壁2内的内侧空间中，在壳体1的底部侧设有改性反应部6，该改性反应部6用于改性上述原料气体由含有部分氧化的反应从原料气体生成富含氢气的改性气体，该改性反应部6的壳体1的底部侧的入口6a与对应于上述壳体1底部的原料气体通路3连通。
上述改性反应部6未详细图示，它由具有充填在隔壁2内的蜂窝构造的陶瓷或铝等的圆柱状柱体构成，在该柱体中，沿壳体1的轴向(图1中的上下方向)贯通的许多贯通孔是气体通路。在柱体中载持着Pt、Rh、Ru等的贵金属类催化剂，在通过该柱体的气体通路期间，原料气体由催化剂产生部分氧化反应而改性为富含氢气的改性气体。
另外，在上述隔壁2的内侧空间中，在改性反应部6的周围以气密充填的状态下配置着耐火性的隔热材料7，由该隔热材料7控制改性反应部6和原料气体通路3之间的热移动量。
另外，在隔壁2内的内侧空间中，在壳体1开口侧(图1中的下侧)的空间内为了降低改性气体中的CO浓度且提高氢气的回收量，设有移位反应部10，该移位反应部10由变换催化剂使改性气体水煤气移位反应而变换改性气体。即，在上述移位反应部10的周围配设对改性反应部6供给原料气体的原料气体通路3，该移位反应部10和原料气体通路3与上述改性反应部6一起一体地设在壳体1内。
上述移位反应部10的构成为，将来自上述改性反应部6的出口部6b的改性气体直接导入改性气体通路11，一边与上述原料气体热交换一边进行移位反应。具体地讲移位反应部10，具有由发泡金属、堇青石、陶瓷构成的多孔质材料构成的催化剂载体12，在该催化剂载体12上涂敷或载持用于进行移位反应的变换催化剂。上述变换催化剂是具有耐热性的贵金属类催化剂，具体地讲是将Pt或Pt、Ru的合金作为活性金属使用的催化剂。
上述催化剂载体12是从壳体1底部侧朝向开口侧外径逐渐变小的圆锥台形状，在其中心部开设中心孔13，该中心孔13贯通壳体1的轴线方向构成改性气体通路11的一部分。该中心孔13的与改性反应部6相反侧的下游侧的端部封闭着，从改性反应部6的出口部6b导入移位反应部10的改性气体的大半部分流入催化剂载体12的中心孔13，从其中心孔13朝向半径方向外侧地通过催化剂载体12流到催化剂载体12的外周面和隔壁2之间的空间中，另外，剩余的改性气体从催化剂载体12的上游侧端面直接进入催化剂载体12内，同样地朝向半径方向外侧流路催化剂载体12外周面的空间，沿这些改性气体的流动构成上述改性气体通路17。
而且，由于上述那样的催化剂载体12的圆锥台形状，在移位反应部10的催化剂载体12外周面上，改性气体的流动方向下游侧部分(图1中的下侧部分)与原料气体通路3的距离比改性气体的流动方向上游侧部分(图1中的上侧部分)与原料气体通路3的距离设定得大。
另外，上述催化剂载体12的外周面与隔壁2的周围的原料气体通路3相对地配置着，由此，设有由辐射使移位反应部10的反应热和显热与原料气体通路3的原料气体进行热交换的热交换器15(在图中用空心箭头表示热交换时的热的移动)。该热交换器15在隔壁2的外周面处在与移位反应部10对应的反应部上具有与上述原料气体通路3面临地突出设置的多个传热翅片16、16、…，这些传热翅片16、16、…沿原料气体通路3并列着，其间距在移位反应部10中的改性气体的流动方向上游侧(图1中的上侧)比下游侧窄。
上述移位反应部10中的壳体1开口侧的端部作为改性气体出口18，该改性气体出口18与图外的燃料电池(参照图8)连接。另外，在图1和图2中，19是用于隔热的覆盖壳体1周围的隔热材料。
因此，在该实施例中，在变化装置A的平常运转时，从原料气体管供给的原料气体(含有城市气体和加湿空气)经过原料气体入口4被导入壳体1内，供给到其壳体1和隔壁2之间的原料气体通路3。该原料气体通路3的由热交换器15以辐射接受移位反应部10的反应热和显热而被预热到规定温度。这样，由与改性气体的热交换被预热的原料气体通过原料气体通路3流到壳体1底部侧，在其期间改性反应部6的反应热经过隔热材料7和隔壁2传递到原料气体中，由该传热再加热原料气体。
通过了上述原料气体通路3的原料气体从壳体1底部侧的入口部6a流入改性反应部6内，在其蜂窝构造的柱体中的气体通路中与催化剂反应，由于含其有部分氧化的反应改性为富含氢气的改性气体。另外，上述改性反应部6中的反应热通过隔热材料7和隔壁传递到后续的流动在原料气体通路3中的原料气体。
在上述改性反应部6中从原料气体生成的高温改性气体从改性反应部6的出口部6b被导入壳体1的开口侧的隔壁2内的移位反应部10中，通过其催化剂载体12，在通过其载体12期间，由催化剂载体12上的变换催化剂进行水煤气移位反应，降低CO并变换为氢气收获率高的改性气体。而且从该移位反应部10出来的改性气体经过改性气体18送出，然后，供给到燃料电池。
那时，由于为了由辐射将上述移位反应部10的反应热和显热与原料气体通路3的原料气体进行热交换而设有热交换器15，因此，在移位反应部10中，改性气体一边与原料气体通路3内的原料气体进行热交换而降温一边被变换。因此，从改性反应部6的出口6b出来的高温改性气体在其高温度的状态下直接被导入移位反应部10被变换。因此，可以将改性气体在从反应速度快的高温状态到反应速度慢但反应平衡性好的低温状态的宽温度范围内变换改性气体。
另外，由于这样地将来自改性反应部6的改性气体直接导入移位反应部10进行变换，因此，不需要来自改性反应部6的改性气体的温度控制，可以使变换装置A的构造简单化，通过减少其热能量可以良好地维持负荷变动的响应性和起动时的特性。
另外，上述移位反应部10的变换催化剂由于将Pt或Pt、Ru合金作为活性金属使用而具有耐热性，因此，可以良好地进行上述高温度下的移位反应。而且，上述变换催化剂涂敷或载持在由发泡金属、堇青石或陶瓷的任何一种材料构成的表面积大的多孔质材料上，因此，在移位反应部10中增大了变换催化剂和改性气体的接触面积，提高了反应速度，并可以增大热辐射效率。
另外，从上述改性反应部6的出口部6b导入移位反应部10的改性气体从催化剂载体12的中心侧朝向外周侧流动。即，其改性气体的大半部分从催化剂载体12的中心孔13朝向半径方向外侧通过催化剂载体12流入催化剂载体12外周面与隔壁2之间的空间，剩余的改性气体从催化剂载体12的上游侧端面直接进入催化剂载体12内，同样地朝向半径方向外侧流入催化剂载体12的外周面的空间。由此，使从移位反应部10的入口部到出口部的温度不同，可以形成温度分布。
另外，上述移位反应部10中的催化剂12形成为圆锥台形状，其外周面的改性气体的流动方向下游侧部分与原料气体通路3的距离比该上游侧部分与原料气体通路3的距离大，因此，由上述移位反应部10的辐射向原料气体通路3的热交换量在移位反应部10中的改性气体的流动方向上下游侧部分相互不同地进行变化，可以将移位反应部10的出口部的温度保持为大致一定。
另外，如上所述，移位反应部10周围的原料气体通路3的原料气体由热交换器15传递移位反应中10的反应热而被加热，因此，可以为了原料气体的预热来回收移位反应部10的反应热，由该自己的热回收可以提高变换装置A的热效率。而且，上述热交换器15具有面临原料气体通路3的传热翅片16、16、…，因此，可以增大移位反应部10和原料气体之间的热交换速度，从而可以提高传热效率。
另外，上述热交换器15的传热翅片16、16、…沿原料气体通路3设置多个，该多个传热翅片16、16、…的间距在改性气体流动方向上下游侧不同，其上游侧的间距比下游侧窄，因此，可以顺利地进行移位反应部10和原料气体通路3的原料气体之间的热交换。
由于在壳体1内一体地设置上述改性反应部6、原料气体通路3及移位反应部10，因此，变换装置A的构造简单，可以实现降低成本。
(实施例2)图3和图4表示本发明的实施例2(在以下的实施例中对与图1和图2相同的部分赋予相同的符号，省略其详细说明)，是改变了移位反应部10的构造的变换装置。
即，在该实施例中，变换装置A的壳体1是有底角筒状，在其壳体1内部配设着一对相对的隔壁2、2，该一对相对的隔壁2、2将壳体1内划分为一个内侧空间和二个外侧空间，该两隔壁2、2与壳体1形成为一体(参照图4)。在上述各隔壁中，壳体1底部侧(图3中的上侧)的端部有缺口而连通上述内侧和外侧空间。该内侧和外侧空间之间的连通部和两外侧空间本身构成为原料气体通路3。
另外，在移位反应部10上未设置上述实施例1那样的催化剂载体12。代替其，在与移位反应部10对应的部分的两侧壁2、2的内面间一体地跨架着多个改性气体侧传热翅片21、21、…，该改性气体侧传热翅片21、21、…沿壳体1的中心线方向延伸并面对两隔壁2、2间的改性气体通路11(内部空间)。
另外，在上述各隔壁2的外面上突出设置着多个原料气体侧传热翅片22、22、…，该原料气体侧传热翅片22、22、…沿壳体1的轴线延伸并与原料气体通路3面临，由该改性气体侧传热翅片21、21、…和原料气体侧传热翅片22、22、…构成在改性气体通路11内的改性气体和原料气体通路3内的原料气体之间进行热交换的热交换器23。
而且，面临上述改性气体通路11的各改性气体侧传热翅片21、各隔壁2及壳体1由金属质，构成催化剂载体，在该各改性气体侧传热翅片21的表面、各隔壁2的内面及壳体1的内面上涂敷或载持构成移位反应部10的变换催化剂(该变换催化剂的位置在图4中用粗实线表示)。其它的构造与上述实施例1相同。另外，上述变换催化剂也可以涂敷或载持在至少各改性气体侧传热翅片21、21、…的表面上。
因此，在该实施例的情况下，当从改性反应部6的出口部6b出来的高温改性气体供给到移位反应部10的改性气体10的反应部11时，其改性气体在流动在改性气体通路11中的期间，与面临改性气体通路11的各改性气体侧传热翅片21的表面、各隔壁2的内面及壳体1的内面的变换催化剂接触进行移位反应。而且，其反应热从改性气体侧传热翅片21、21、…通过原料气体侧传热翅片22、22、…传递到原料气体通路3的原料气体。因此，在这种情况下也可以获得与上述实施例1相同的作用效果。另外，可以提高从移位反应部10向原料气体的传热效率。
(实施例3)图5表示实施例3，是在上述实施例2构成中变更了壳体1和隔壁2等形状。即，在该实施例中，与上述实施例1相同地壳体1和壳体2构成为相互同心地配置的圆筒状。
而且，热交换23的原料气体侧传热翅片22、22、…突设于隔壁2外周面上，改性气体侧传热翅片21、21、…将改性气体通路11划分为多个部分的突设在隔壁2的内面上，该改性气体侧传热翅片21的表面直隔壁2的内面载持或涂敷着变换催化剂。因此，在该实施例中也可以获得与上述实施例2相同的作用效果。
另外，在上述实施例1～3中，在壳体1内一体地设置原料气体通路3、改性反应部6及移位反应部10，但是，也可以改性反应部6作为独立体，只有原料气体通路3和移位反应部10一体地设在壳体内。
(实施例4)图6～图8表示本发明的实施例4，在上述各实施例中，在移位反应部10中将改性气体一边与原料气体热交换一边使其移位反应，而本实施例4是使改性气体一边与热回收气体热交换一边使其进行移位反应。
即，图8表示实施例4的燃料电池系统，31是公知的固体高分子形燃料电池，该燃料电池31具有作为阳极的氢极33(燃料极)和作为阴极的氧极34(空气极)，该氢极33和氧极34是夹着由固体高分子构成的电解质的电池本体32地被配置的催化剂电极，向上述氢极33供给含有氢气的改性气体，另外，向氧极34供给含有氧气的空气而使其进行电极反应，在两电极33、34之间产生电动势。
上述燃料电池31的氢极33通过氢极气体通路36与排气用燃烧器38连接，氧极34通过作为氧极排气通路的回收气体通路与排气用燃烧器38连接，将从燃料电池31的氢极33排出的氢极侧排气和从氧极34排出的氧极侧分别送到排气用燃烧器38使其燃烧。
K是改性装置，该改性装置改性含有上述城市气体和加湿空气的原料气体生成富含氢气的改性气体而供给上述燃料电池31的氢极33，该改性装置K除了变换装置A中的上述改性反应部6和移位反应部10之外还具有高温侧及低温侧的CO选择氧化反应部40、41。上述改性反应部6和移位反应部10与上述各实施例1～3不同，独立地被设置着。
在上述改性反应部6和移位反应部10之间的改性通路11上设有原料气体预热器52，由该原料气体预热器52回收为了在移位反应部10变换CO而冷却在改性反应部6中生成的改性气体并回收其排热的同时，由其回收的排热预热供给到改性反应部6的原料气体通路3内的原料气体。
另外，在上述移位反应部10上分别通过改性气体通路11连接着上述CO选择氧化反应部40、41。该CO选择氧化反应部40、41在氢气环境下由选择部分氧化催化剂使在移位反应部10中被变换的改性气体反应，除去改性气体中的CO，进一步降低其CO浓度。而且，低温侧CO选择氧化反应部41通过改性气体通路与上述燃料电池31的氢极33连接着。
在燃料电池系统中附设着冷却水供给系统，该冷却水供给系统具有储存温水的储热水罐43。在该储存热水罐的供给部上连接着冷却水通路44的上游端，该冷却水通路44的下游端与相同的储存热水罐43的回收部连接。另外，在冷却水通路44的上游端配着循环泵45。由该循环泵45使水在储存热水罐43和冷却水通路44之间循环。
上述循环泵45下游侧的冷却水通路44上分别从上游侧顺序地串联地连接着电池冷却部46和燃烧器热回收部47，该电池冷却部46由用从循环泵45排出的水冷却燃料电池31回收其排热的热交换器构成，该燃烧器热回收部47由冷却从上述排气用燃烧器38排出的燃烧气体并回收其排热的热交换器构成。
49是排出气体的鼓风机，在该鼓风机49上连接着空气供给通路50的上游端，该空气供给通路50的下游端与燃料电池31的氧极34连接，将从鼓风机49来的空气(氧气)通过空气供给通路50供给到燃料电池31的氧极34。在上述燃料电池31的氧极34和排气用燃烧器38之间的热回收气体通路37的途中并列分支地连接着热交换器51、热交换器52和热交换器53，该热交换器51冷却从低温侧的CO选择氧化反应部41到燃料电池31的改性气体并回收其排热，该热交换器52冷却从高温侧的CO选择氧化反应部40到低温侧的CO选择氧化反应部41的改性气体并回收其排热，该热交换器53冷却在移位反应部10中生成的改性气体并回收其排热。
另外，在上述三个热交换器51～53下游侧的热回收气体通路37上串联地连接着热交换器26，该热交换器26设在移位反应部10中并在移位反应部10中冷却来自改性反应部6的改性气体并回收其排热，由此，移位反应部10一边使来自改性反应部6的改性气体在上述热交换器26中与热回收气体的热交换一边进行移位反应。
如图6和图7放大地表示的那样，变换装置A中的移位反应部10的壳体1是角筒状，其壳体1的内部由一对相对置的隔壁2、2划分为一个内侧空间和二个外侧空间，内侧空间构成为改性气体通路11，两外侧空间构成为热回收气体通路37。因此，上述热回收通路37局部地设在改性气体通路11内的后述的催化剂载体12的周围。
在用上述壳体1的内面和两隔壁2、2的内面包围的内部空间(改性气体通路11)中配置着由堇青石或陶瓷构成的多孔质材料构成的催化剂载体12，该催化剂载体12与改性气体通路11面临，在该催化剂载体12上涂敷或载持用于进行移位反应的具有耐热性的贵金属类变换催化剂。上述变换催化剂具体地讲是作为活性气体使用的是Pt或Pt、Ru的合金的催化剂。
另外，在上述各隔壁2的外面上突出设置着面临热回收气体通路37并沿其内部的热回收气体的流动方向延伸的多个传热翅片16、16、…，由该传热翅片16、16、…及隔壁2、2构成上述热交换器26，该热交换器26在改性气体通路11内的改性气体和热回收气体37内的热回收气体(燃料电池31的氧极34侧的排气)之间进行热交换。
因此，在本实施例中，当从改性反应部6出来的高温改性气体供给到移位反应部10的改性气体通路11时，其改性气体在流动在改性气体通路11中期间与涂敷或载持在催化剂载体12上的变换催化剂接触而进行移位反应。而且，其反应热通过热交换器26的传热翅片16、16、…及隔壁2、2传递到热回收气体通路37内的热回收气体(燃料电池31的氧极34侧的排气)。
这样，来自改性反应部6的高温改性气体在移位反应部10中一边与由燃料电池31的氧极34侧的排气构成的热回收气体进行热交换一边由水煤气移位反应被变换，因此，来自改性反应部6的改性气体在高温状态下被变换，可以将其改性气体在从反应速度快的高温状态到反应速度慢但对反应平衡有利的低温状态的宽的温度范围中进行变换。即，通过来自改性反应部6的高温改性气体和热回收气体的热交换，在移位反应部10侧，在改性气体入口侧温度变高，反应速度变大，在出口侧温度降低，反应速度降低，可以热平衡地降低CO浓度。
并且，不需要控制改性气体的温度，可以使变换装置A的构造简单。
另外，可以降低移位反应部10的变换催化剂的充填量，使其热容量减少，从而良好地维持负荷变动的响应性和起动时的特性。
另外，与上述实施例同样地，由于移位反应部10的变换催化剂是具有耐热性的贵金属类催化剂，因此，可以在宽的温度范围区域维持高的活性。
另外，移位反应部10的变换催化剂是活性金属使用Pt或Pt、Ru的合金，因此，在高温下活性变高，难以产生甲烷化过程。
再者，上述移位反应部10的变换催化剂涂敷或载持在由多孔质材料构成的催化剂载体12上，因此，在移位反应部10时变换催化剂和改性气体的接触面积增大从而加快了反应速度，同时，增大了热的辐射效率。
另外，上述多孔质材料是发泡金属、堇青石或陶瓷的任何一种材料，可以容易获得特别是可以确保与改性气体的接触面积增大的多孔质材料。
另外，由于上述热回收气体通路37部分地设置在催化剂载体12的周围，由热回收气体通路37围着催化剂载体12，可以提高热效率。另外，该热回收气体通路37也可以围着改性气体通路11的催化剂载体12的整个周围地进行设置。
另外，上述热回收气体由于是燃料电池31中的氧极34侧的排气，不需要向将空气作为热回收气体使用的那样地，要重新准备空气，可以直接利用燃料电池31的已有的排气，同时也不需要用于将空气作为热回收气体而使其流动的鼓风机及其动力。
也可以如上所述地将空气用作热回收气体，这时通过将空气作为热回收气体，在高温热回收中即使在部分负荷时也可以进行稳定的热交换，有容易获得容易利用的热回收气体的优点。
(实施例5)图9和图10表示实施例5，是改变了上述实施例4中的移位反应部10的构造的实施例。
即，在该实施例中，与上述实施例2相同地在变换装置A的移位反应部10中的壳体1内的两隔壁2、2内面间一体地跨架着多个改性气体侧传热翅片21、21、…，该多个改性气体侧传热翅片21、21、…面临两隔壁2、2间的改性气体通路11(内部空间)并且沿其内部的改性气体的流动方向延伸。另外，在各隔壁2的外面上突出设置着多个热回收气体侧传热翅片25、25、…，该多个热回收气体侧传热翅片25、25、…面对热回收气体通路37地沿壳体1的轴向延伸，由这些改性气体侧传热翅片21、21、…和热回收气体侧传热翅片25、25、…构成热交换器26，该热交换器26用于在改性通路11内的改性气体和热回收气体通路37内的热回收气体之间进行热交换。
在与上述改性气体通路11面临的各改性气体侧传热翅片21的表面、各隔壁2的内面及壳体1的内面(这些由金属质构成催化剂载体)上涂敷或载持着构成移位反应部10的变换催化剂(其位置在图10中用粗实线表示)。其它的构成与上述实施例4相同。
在该实施例中，当来自改性反应部6的高温改性气体供给到移位反应部10的改性气体通路11时，在其改性气体流动在改性气体通路11中的期间，与面临的各改性气体侧传热翅片21的表面、各隔壁2的内面及壳体1的内面的变换催化剂接触进行移位反应。而且其反应热从改性气体侧传热翅片21、21、…通过热回收气体侧传热翅片25、25、…传递到热回收气体通路37的热回收气体中。因此，在这种情况下也可以得到与上述实施例4相同的作用效果。
另外，上述变换催化剂，由于涂敷或载持在金属质的构成催化剂载体的各改性气体侧传热翅片21的表面、各隔壁2的内面及壳体1的内面上，因此，可以在移位反应部10中提高从改性气体向热回收气体的传热效率，可以获得由与热回收气体的热交换冷却面临改性气体通路11的变换催化剂所希望的催化剂载体。
(实施例6)图11表示实施例6，是在上述实施例的构成中将壳体1的隔壁2等的形状变更为圆形状。
即，在该实施例中，与上述实施例3相同，壳体1和隔壁2做成为相互同心状地配置着圆筒状的构件。另外，热交换器26的热回收侧传热翅片25、25、…突出设置在隔壁2的外周面上；改性气体侧传热翅片21、21、…突出设置在隔壁2的内面上，并将改性气体通路11划分为多个部分；在该改性气体侧传热翅片21的表面至隔壁2的内面(都是金属质的催化剂载体)上载持或涂敷的变换催化剂。因此，在该实施例中也可以获得与上述实施例5相同的作用效果。
另外，本发明当然也可以适用于使用于上述实施例那样的原料电池系统以外的改性装置。
产业上的可利用性本发明，在从反应速度快的高温状态到对于反应平衡性有利的低温状态的宽的温度范围中变换从改性反应部出来的改性气体，可以实现变换温度范围的扩大的同时可以谋求不需要改性气体的温度控制使变换装置的构成简单化，还可以谋求移位反应部的变换催化剂的充填量的降低，在可提高燃料电池或氢发动机等的使用性这一点上其产业上的可利用性高。
权利要求
1.变换装置，具有移位反应部(10)，该移位反应部(10)由变换催化剂使在改性反应部(6)中由含有部分氧化的反应从原料气体生成的富含氢气的改性气体进行水煤气移位反应来变换其改性气体，其特征在于，上述移位反应部(10)构成为将来自上述改性反应部(6)的改性气体直接导入改性气体通路(11)一边与上述原料气体热交换一边进行移位反应。
2.如权利要求1所述的变换装置，其特征在于，移位反应部(10)的变换催化剂是具有耐热性的贵金属类的催化剂。
3.如权利要求2所述的变换装置，其特征在于，移位反应部(10)的变换催化剂是将Pt或Pt、Ru作为活性金属使用的催化剂。
4.如权利要求2所述的变换装置，其特征在于，移位反应部(10)的变换催化剂涂敷或载持在多孔质材料上。
5.如权利要求4所述的变换装置，其特征在于，多孔的材料是发泡金属、堇青石或陶瓷的任何一种材料。
6.如权利要求1所述的变换装置，其特征在于，在移位反应部(10)的周围设有对改性反应部(6)供给原料气体的原料气体通路(3)。
7.如权利要求6所述的变换装置，其特征在于，移位反应部(10)和原料气体通路(3)一体地设在壳体(1)内。
8.如权利要求6所述的变换装置，其特征在于，设有由辐射使移位反应部(10)的反应热和显热与原料气体通路(3)的原料气体热交换的热交换器(15)。
9.如权利要求8所述的变换装置，其特征在于，移位反应部(10)的改性气体通路(11)做成为改性气体从移位反应部(10)的中心侧向外周侧流动的形式。
10.如权利要求9所述的变换装置，其特征在于，移位反应部(10)中的改性气体的流动方向下游侧部分的与原料气体通路(3)的距离比上游侧部分的与原料气体通路(3)的距离大。
11.如权利要求8所述的变换装置，其特征在于，热交换器(15)具有面临原料气体通路(3)的传热翅片(16)。
12.如权利要求11所述的变换装置，其特征在于，传热翅片(16)沿原料气体通路(3)设置多个，上述多个传热翅片(16)的移位反应部(10)中的改性气体流动方向上游侧的间距比下游侧窄。
13.如权利要求7所述的变换装置，其特征在于，设有热交换器(23)，该热交换器(23)具有面临改性气体通路(11)的改性气体侧传热翅片(21)和面临原料气体通路(3)的原料气体侧传热翅片(22)，使移位反应部(10)的反应热和显热与原料气体通路(3)的原料气体热交换；移位反应部(10)变换催化剂至少涂敷或载持在上述改性气体侧传热翅片(21)上。
14.如权利要求7所述的变换装置，其特征在于，改性反应部(6)、原料气体通路(3)及移位反应部(10)一体地设在壳体(1)内。
15.变换装置，具有移位反应部(10)，该移位反应部(10)由变换催化剂使在改性反应部(6)中由含有部分氧化的反应从原料气体生成的富含氢气的改性气体水煤气移位反应来变换其改性气体，其特征在于，上述移位反应部(10)构成为，将来自上述改性反应部(6)的改性气体一边与热回收气体热交换一边进行移位反应。
16.如权利要求15所述的变换装置，其特征在于，移位反应部(10)的变换催化剂是具有耐热性的贵金属类的催化剂。
17.如权利要求16所述的变换装置，其特征在于，移位反应部(10)的变换催化剂是将Pt或Pt、Ru的合金作为活性金属使用的催化剂。
18.如权利要求16所述的变换装置，其特征在于，移位反应部(10)的变换催化剂涂敷或载持在多孔质材料上。
19.如权利要求18所述的变换装置，其特征在于，多孔的材料是发泡金属、堇青石或陶瓷的任何一种材料。
20.如权利要求16所述的变换装置，其特征在于，移位反应部(10)的变换催化剂涂敷或载持在由金属构成的催化剂载体上。
21.如权利要求15～20中的任何一项所述的变换装置，其特征在于，流动热回收气体的热回收气体通路(37)设在催化剂载体的周围。
22.如权利要求15～21中的任何一项所述的变换装置，其特征在于，热回收气体是空气。
23.如权利要求15～21中的任何一项所述的变换装置，其特征在于，热回收气体是燃料电池(31)中的氧极(34)侧的排气。
全文摘要
为了降低在改性反应部(6)中通过含有部分氧化的反应从燃料气体中生成的富含氢气的改性气体中的CO并且提高氢气收获率,其目的是在移位反应部(10)中由变换催化剂使其改性气体水煤气移位反应进行变换时,在移位反应部(10)中可以将来自改性反应部(6)的高温的改性气体原样地进行移位反应,使变换装置成为简单的构造,将来自改性反应部(6)的改性气体直接导入移位反应部(10)的改性气体通路(11)一边与原料气体热交换一边使其进行移位反应。在从反应速度快的高温状态到反应速度平衡性好的低温状态的宽的温度范围中变换从改性反应部(6)出来的改性气体,谋求变换温度范围的扩大的同时、谋求不需要改性气体的温度控制而使变换装置的构成简单化。
文档编号H01M8/06GK1341076SQ00804333
公开日2002年3月20日 申请日期2000年11月8日 优先权日1999年12月28日
发明者松井伸树, 池上周司, 冈本康令, 米本和生 申请人:大金工业株式会社