专利名称：氢生成器与配备氢生成器的燃料电池系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及氢生成器及具有该氢生成器的燃料电池系统，该氢生成器向使用氢进行发电的燃料电池供给通过使含有碳和氢的化合物与水发生反应而生成的改性气体。
背景技术：
作为供给燃料电池的氢的生成方法，通常使用水蒸气改性反应。这种水蒸气改性反应，通过钌催化剂，使例如作为原料的城市用气与水蒸气在大于600℃小于800℃的高温下发生反应，从而生成以氢为主要成分的改性气体。
如前所述，作为通过水蒸气改性反应而生成改性气体的现有的氢生成器的具体的实例，可以是图12所示的多层同心的圆筒形装置(例如参照专利文献1)。
图12是专利文献1中示出的现有氢生成器简要结构的截面图。如图12所示，这种现有的氢生成器是由以同一中心轴设置的若干筒体、燃烧器73、设置在由各个筒体形成的空间内的改性催化剂层88、变换催化剂层87、选择氧化催化剂层86等构成，其中燃烧器73设置在最内侧的筒体93的中心位置，它用于生成作为用来加热原料以发生水蒸气改性反应的热源的燃烧气体74。
在这种现有的氢生成器中，改性用水72首先被供给至加热器75，并通过流经该加热器75下方的燃烧气体74进行加热。于是，改性用水72的一部分以蒸发的状态，通过连接管76向下流向城市用气71的供给通路77。
这样，流经加热器75下方的燃烧气体74，作为低热值的排出气体92而排出到氢生成器的外部。
在连接管76与供给通路77的连接部分中，通过连接管76的一部分是由蒸发的改性用水72与通过供给通路77的城市用气71混合而成。于是，混合的城市用气71及改性用水72被供给至蒸发器78。
蒸发器78由外筒79、内筒80及配置在它们之间的中筒81和底板82构成。中筒81与外筒79之间设置有缠绕成螺旋状的圆杆83，通过该圆杆83形成螺旋状的下降流路84。此外，在内筒80与中筒81之间形成上升流路85。
下降流路84被流经与其外侧相接而设置的选择氧化催化剂层86内的生成气体加热至大于100℃小于150℃。另一方面，上升流路85被流经与其内侧相接而设置的变换催化剂层87内的生成气体加热至大于250℃小于350℃。因此，在一部分蒸发的改性用水72与城市用气71的混合物之中，大部分的改性用水72在下行流经下降流路84内时蒸发，此处未蒸发的改性用水72也会在上行流经上升流路85内时而完全蒸发。于是，水蒸气与城市用气71混合而成的原料气体在上升流路85内被加热至大于200℃小于300℃，而后被而供给至改性催化剂层88。
原料气体通过改性催化剂层88内时，被隔着筒体逆向流动的高温燃烧气体74加热至大于600℃小于800℃，从而发生水蒸气改性反应。这样，原料气体就转化为由氢、一氧化碳、二氧化碳及水蒸气构成的生成气体。
此生成气体上行流经返回流路89内时，与流经改性催化剂层88内的原料气体进行热交换，被冷却至350℃后流入变换催化剂层87。在变换催化剂层87内，生成气体中的一氧化碳与水蒸气发生反应，进行转化为二氧化碳及氢的变换反应，于是，生成气体中的一氧化碳浓度降低。该反应是放热反应，该反应热及生成气体中的可感热，通过上行流经上升流路85内的改性用水72的蒸发以及产生的水蒸气与城市用气71的加热而被消除。在变换催化剂层87的出口，生成气体被冷却至150℃左右。该生成气体与从氢生成器的外部供给的一氧化碳氧化用空气90混合。之后，由残留在选择氧化催化剂层86内的一氧化碳、从外部供给的空气中的氧气及生成气体进行选择氧化反应。这样，作为一氧化碳浓度在10ppm以下的生成气体91被供给至燃料电池。
前述的选择氧化反应也是放热反应，该反应热及生成气体中的可感热，通过下行流经蒸发器78的下降流路84内的改性用水72的蒸发而被消除。在选择氧化催化剂层86的出口，生成气体91的温度被冷却至100℃。
于是，蒸发器78中，从内筒80开始被加热至大于250℃小于350℃，与此同时，从外筒79开始被加热至大于100℃小于150℃，于是改性用水72蒸发，蒸发得到的水蒸气与城市用气71混合。于是，混合的水蒸气与城市用气71被加热至大于200℃小于300℃。
下降流路84内缠绕成螺旋状的圆杆83，通过使供给至下降流路84的改性用水72沿外筒79的内面周围流下，从而确保其充足的导热面积。
这样，通过一体化配置改性催化剂层88、变换催化剂层87、选择氧化催化剂层86及蒸发器78，就可以实现氢生成器的小型化。而且，通过从装置的中央部分向周围部分配置从高温部分至低温部分，这可以抑制散热损失，从而提高氢生成器的热效率。
另一方面，作为提高具有用于燃料电池的氢生成器的蒸发器的性能的技术方案，提出的是图13所示的配备具有毛细管力的吸水构件的装置(例如，参照专利文献2)。此蒸发器是多级叠加单级蒸发器而形成的板式蒸发器，它使甲醇等液体燃料蒸发并供给至改性器。
图13是专利文献2示出的现有氢生成器的蒸发器的简要结构的截面图。如图13所示，该蒸发器具有用来进行蒸发液蒸发的圆柱形的蒸发室115。在该蒸发室115的外围设置有与蒸发室115同轴设置的圆筒形加热室116。蒸发室115与加热室116被隔板118隔开。
隔板118的蒸发室115一侧的面上，设置有纤维及多孔质烧结体构成的具有毛细管力的吸水构件119。此外，在蒸发室115的上部设置有液滴收集构件111，同样在下部设置有液体分配构件120，用于把通过供给通路114从外部供给的液体燃料113供给至吸水构件119。
通过蒸发室115产生的蒸气10，从蒸发室115的开口的上部排出至外面。
上述构造的现有蒸发器中，经过供给通路114的液体燃料113，通过液体分配构件120供给至吸水构件119。于是，液体燃料113通过吸水构件119的毛细管力而扩散至整个吸水构件119。这样，就可以增大液体燃料113的蒸发面积，因此，即使蒸发室115较小也能满足需要。所以，如果按照上述构造，就可以使整个蒸发器小型化。
专利文献1特开2002-187705号公报(图1)专利文献2特开2001-64658号公报(图1)参照图12所说明的现有氢生成器，为确保下降流路84的导热面积，设置圆杆83以形成螺旋状流路。但是，如果该圆杆83与外筒79及内筒81之间产生缝隙，则改性用水72从该缝隙流出，这样就无法确保充足的导热面积。为此，需要以使圆杆83与外筒79及内筒81之间不会产生缝隙的方式配置圆杆83。有时需要通过焊接或铜焊其中一个筒面与圆杆83，使之没有缝隙地固定在一起，而使另一个筒紧压圆杆83侧而设置。这样，不仅制造工艺复杂，而且要求各个零件的制造精度非常严密，因此使制造成本增加。
氢生成器在稳定运转时，蒸发器78从其内侧及外侧两侧加热至前述范围的温度，但是由于氢生成器启动时，整个氢生成器冷却至大气温度，所以供给城市用气71之前，先点火燃烧器73，通过燃烧气体74升高整个氢生成器的温度。此时，由于改性用水72的蒸发潜热大而很难蒸发，还有供给城市用气71时，如果氢生成器内没有足够的水蒸气，城市用气71就会热解，改性催化剂层88内析出碳而使催化剂劣化。因此，与城市用气71相比，需要优先供给改性用水72，以使氢生成器内充满水蒸气。于是，燃烧器73点火之后短时间内，开始供给改性用水72。但是，如图12所示，蒸发器78的构造为不能使其通过燃烧气体74而直接加热，而是通过从氢生成器的中央部的导热及由加热器75加热的改性用水72来间接加热的结构。所以，启动后的短时间内，蒸发器78不能产生水蒸气。这样，蒸发器78中继续储存改性用水52。因此，蒸发储存在蒸发器78内的改性用水52需要很长时间。所以，现有的氢生成器存在的问题是启动时间过长。
另一方面，参照图13所说明的现有的蒸发器中，因在氢生成器之外需要设置该蒸发器，所以，从蒸发器至氢生成器之间的蒸汽配管及使高温流体与蒸发器连接的配管中发生散热损失。因此，出现了氢生成器的热效率下降的问题。
发明内容
本发明就是鉴于上述情况而提出的，其目的在于提供一种构造简单，蒸发性能优良，且热效率高的氢生成器。
为解决上述课题，本发明的氢生成器具有产生燃烧气体的燃烧部；设置在该燃烧部的周围，利用来自前述燃烧部产生的燃烧气体的导热，通过使至少包含由碳和氢构成的化合物的原料与水蒸气进行的水蒸气改性反应而生成包含氢的改性气体的改性器；以及具有设置在前述燃烧部周围的内筒、设置在该内筒周围的外筒、以及塞住前述内筒与前述外筒之间形成的筒状空间下部的底板，通过蒸发供给至前述筒状空间的水而生成水蒸气，并把该水蒸气供给至前述改性器的蒸发器。在前述筒状空间内设置有具有吸水性的吸水构件。
按照上述构造，就可以通过设置在筒状空间内的吸水构件而提高蒸发性能。因此，启动氢生成器时，即使蒸发器内储存有水，也可以使水迅速蒸发，所以，与现有的氢生成器相比，可以缩短氢生成器的启动时间。
因可以稳定地向改性器供给水蒸气，所以可以轻松地应对如载荷波动等。
前述发明的氢生成器的优选是，前述筒状空间内设置有第1蒸发室与第2蒸发室，在第1蒸发室内形成有使从上方供给的水向下方流动的下降流路，在设置在该第1蒸发室内侧的第2蒸发室内，形成有使前述第1蒸发室内的水进行蒸发所产生的水蒸气向上方流动的上升流路，前述吸水构件设置在前述第1蒸发室内。
前述发明的氢生成器的优选是，前述内筒与前述外筒之间配置着中筒，前述第1蒸发室设置在前述外筒与前述中筒之间形成的筒状空间内，前述第2蒸发室设置在前述内筒与前述中筒之间形成的筒状空间内，前述吸水构件设置在前述外筒的前述第1蒸发室一侧的面上。
前述发明的氢生成器的优选是，前述筒状空间内设置有第1蒸发室与第2蒸发室。在第1蒸发室内形成使从上方供给的水向下方流动的下降流路，在设置在该第1蒸发室内侧的第2蒸发室内，形成使前述第1蒸发室内的水进行蒸发所产生的水蒸气向上方流动的上升流路。前述吸水构件设置在前述第2蒸发室内。
前述发明的氢生成器的优选是，前述内筒与前述外筒之间配置中筒，前述第1蒸发室设置在前述外筒与前述中筒之间形成的筒状空间内，前述第2蒸发室设置在前述内筒与前述中筒之间形成的筒状空间内，前述吸水构件设置在前述外筒的前述第2蒸发室一侧的面上。
前述发明的氢生成器的优选是，前述筒状空间内设置有第1蒸发室与第2蒸发室。在第1蒸发室内形成使从上方供给的水向下方流动的下降流路，在设置在该第1蒸发室内侧的第2蒸发室内，形成使前述第1蒸发室内的水进行蒸发所产生的水蒸气向上方流动的上升流路，前述吸水构件设置在前述第1蒸发室内及前述第2蒸发室内。
前述发明的氢生成器的优选是，前述内筒与前述外筒之间配置中筒，前述第1蒸发室设置在前述外筒与前述中筒之间形成的筒状空间内，前述第2蒸发室设置在前述内筒与前述中筒之间形成的筒状空间内，前述吸水构件设置在前述外筒的前述第1蒸发室一侧的面上及前述内筒的前述第2蒸发室一侧的面上。
前述发明的氢生成器中，前述吸水构件优选为设置在前述底板的上面。
前述发明的氢生成器中，前述吸水构件优选是多孔质材料、网状材料或纤维状材料。
前述发明的氢生成器中，设置在前述外筒的前述第1蒸发室一侧的面上的吸水构件，优选为以螺旋状配置。
前述发明的氢生成器中，设置在前述内筒的前述第2蒸发室一侧的面上的吸水构件，优选为由具有多个孔的材料构成，在前述内筒的前述第2蒸发室一侧的面与前述吸水构件之间，设置大于该吸水构件的平均孔径的空间。
前述发明的氢生成器中，设置在前述内筒的前述第2蒸发室一侧的面上的吸水构件的导热率，优选为大于前述内筒的导热率。
前述发明的氢生成器中，前述吸水构件优选是通过对前述外筒的前述第1蒸发室一侧的面进行粗糙加工而形成。
前述发明的氢生成器中，前述吸水构件优选是通过对前述内筒的前述第2蒸发室一侧的面进行粗糙加工而形成。
前述发明的氢生成器中，前述吸水构件优选是通过对前述外筒的前述第1蒸发室一侧的面及前述内筒的前述第2蒸发室一侧的面进行粗糙加工而形成。
前述发明的氢生成器中，通过前述粗糙加工而形成凹凸的间隔优选是0.05mm以上1mm以下。
而且，前述发明的氢生成器中，前述粗糙加工优选为通过蚀刻加工、激光加工或喷砂加工而进行。
本发明的燃料电池系统具有本发明的第一方面至第17方面的任一方面所述的氢生成器，和使用含有氧的氧化气体及由前述氢生成器供给的改性气体来进行发电的燃料电池。
本发明的氢生成器具有优良的效果，它虽然构造简单，但可以提高蒸发性能，而且可以减少散热损失。
图1为本发明的氢生成器的简要结构的截面图。
图2为本发明的氢生成器具有的蒸发器的简要结构的截面图。
图3为实验装置简要结构的截面图。
图4为设置吸水构件时蒸发室内的水的蒸发速度的变化，及未设置吸水构件时相同的蒸发速度的变化的图表。
图5为设置吸水构件时蒸发室内的内筒规定位置的温度变化，及未设置吸水构件时相同的温度变化的图表。
图6为内筒面吸水构件构造的一个实例的截面图。
图7为内筒面吸水构件构造的一个实例的截面图。
图8为内筒面吸水构件构造的一个实例的截面图。
图9为对安装在本发明的氢生成器所配备的蒸发器的内筒外面的薄板进行说明的说明图。(a)是该内筒及薄板构造的截面图，(b)是该薄板构造的平面图。
图10为本发明的氢生成器所具有的蒸发器的外筒构造的截面图。
图11为本发明的氢生成器所具有的蒸发器的外筒构造的截面图。
图12为现有氢生成器的简要结构的截面图。
图13为现有氢生成器所具有的蒸发器的简要结构的截面图。
符号说明1城市用气；2改性用水；3燃烧器；4燃烧气体；5加热器；6连接管；7供给通路；9外筒；10内筒；11中筒；12底板；14第1蒸发室；15第2蒸发室；16选择氧化催化剂层；17变换催化剂层；18改性催化剂层；20一氧化碳氧化用空气；21生成气体；22排出气体；23燃烧室；24燃烧气体流路；25排气出口；26改性器；27改性气体流路；28隔热材料；29一氧化碳转换器；30一氧化碳清除器；31生成气体排出口；32蒸发器；33内筒面吸水构件；34外筒面吸水构件；35底板面吸水构件；36安装座；37原料气体供给口；38供水口；39空气供给口；41连接管；43吸水构件；46内筒；47加热器；48外筒；49供水管；50水蒸气排出管；51蒸发室；52改性用水；53吸水构件；54金属丝网；55铁丝；56垫片；57多孔质金属；58突起部；59多孔质金属；60薄板；61孔；100氢生成器；101燃料电池；102实验装置。
具体实施例方式
下面参照附图对本发明的实施方式进行详细的阐述。
图1是本发明的氢生成器的简要结构的截面图。如图1所示，本发明的氢生成器100具有用于产生燃烧气体4的燃烧器3、和设置在此燃烧器3下方的圆筒形燃烧室23。此燃烧室23的外围，设置有与燃烧室23同轴的筒状燃烧气体流路24，用以使燃烧器3产生的燃烧气体4从下方流向上方。燃烧气体流路24与形成于氢生成器100的侧面的上部的排气出口25连接。流经燃烧气体流路24的燃烧气体4，作为排出气体22从排气出口25排出。
此外，本发明的氢生成器100的侧面的上部，除了排气出口25之外，还有用来向氢生成器100供给改性用水2的供水口38、用来向氢生成器100供给城市用气1的原料气体供给口37、以及向外部排出应供给至燃料电池101的生成气体21的生成气体排出口31。另外，氢生成器100的侧面的下部，形成用来向氢生成器100供给一氧化碳氧化用空气20的空气供给口39。
前述的燃烧器3通过安装座36而安装在燃烧室23的内侧。此安装座36与燃烧气体流路24之间，形成作为流路的加热器5，用来对供水口38所供给的改性用水2进行加热。
加热器5通过设置在与供水口38对置位置的连接管6，与城市用气1的供给通路7连接，而城市用气1与原料气体供给口37连接。在连接管6与供给通路7的连接部分，通过加热器5进行加热而部分蒸发的改性用水2与城市用气1混合。于是，混合后的改性用水2和城市用气1被供给至后述的蒸发器32。
燃烧气体流路24的外围，设置有与燃烧室23同轴的筒形改性器26。此改性器26内容有填充有改性催化剂的改性催化剂层18，在该改性催化剂层18内使城市用气1进行水蒸气改性反应，从而生成改性气体。
改性器26的外围，与燃烧室23同轴地设置作为在该改性器26内生成的改性气体的流路的筒形改性气体流路27；在该改性气体流路27的外围，与燃烧室23同轴地设置以隔热材料28隔开的筒状一氧化碳(CO)转换器29。一氧化碳转换器29内是填充有变换催化剂的变换催化剂层17，在此变换催化剂层17内，使流经改性气体流路27的改性气体发生变换反应，从而降低该改性气体的一氧化碳浓度。
一氧化碳转换器29的外围，与燃烧室23同轴地设置有后述结构的筒形蒸发器32。如前所述，该蒸发器32中，供给在连接管6与供给通路7的连接部分混合的改性用水2及城市用气1。
蒸发器32的外围，与燃烧室23同轴地设置有与空气供给口39相连的筒状一氧化碳清除器30。此一氧化碳清除器30内是填充有选择氧化催化剂的选择氧化催化剂层16，在此选择氧化催化剂层16内，使从一氧化碳转换器29排出的改性气体与从空气供给口39供给的一氧化碳氧化用空气20发生反应，从而减低该改性气体的一氧化碳浓度。
一氧化碳清除器30与生成气体排出口31相连。在改性器26中生成并流经一氧化碳转换器29及一氧化碳清除器30内的改性气体，作为生成气体21从生成气体排出口31排出。
氢生成器100的外侧设置有燃料电池101，从生成气体排出口31排出的生成气体21被供给至该燃料电池101。燃料电池101利用由氢生成器100供给的生成气体21与作为氧化气体的空气，通过众所周知的方法进行发电。由氢生成器100及燃料电池101就构成本发明的燃料电池系统。
图2是本发明的氢生成器100所具备的蒸发器32的简要结构的截面图。如图2所示，蒸发器32具有外筒9、内筒10、以及配置在外筒9与内筒10之间的中筒11、还有塞住筒形空间下部的底板12，该筒形空间通过连接外筒9的下端与内筒10的下端而形成于外筒9与内筒10之间。此处，中筒11并不延伸至底板12，而是在中筒11的下端与底板12之间，按照规定宽度形成横贯四周的缝隙。
由外筒9及中筒11形成的筒形空间内设置第1蒸发室14。此外，由内筒10及中筒11形成的筒形空间内设置第2蒸发室15。第1蒸发室14及第2蒸发室15通过前述的中筒11与底板12之间的缝隙连通。
内筒10的外面(第2蒸发室15一侧的面)设置有内筒面吸水构件33，外筒9的内面(第1蒸发室14一侧的面)设置有外筒面吸水构件34。此外，底板12的上面设置有底板面吸水构件35。内筒面吸水构件33、外筒面吸水构件34及底板面吸水构件35都是以不锈钢为材质制造的厚度为0.5mm的多孔质金属，具有平均孔径为0.2mm的贯穿孔，它们通过点焊固定在各个筒面或板面上。此处，内筒面吸水构件33被设置在内筒10的大致整个外面，它的下端与底板面吸水构件35相连。由带状的多孔质金属制造的外筒面吸水构件34，呈螺旋状卷绕设置在外筒9的内面。还有，底板面吸水构件35被设置成覆盖底板12的大致整个上面。
第1蒸发室14的上部与供给通路7相连。由此供给通路7供给的改性用水2与城市用气1的混合物下行流经第1蒸发室14内。即，第1蒸发室14中形成此混合物的下降流路。
于是，改质用水2与城市用气1的混合物下行流经第1蒸发室14内时，通过流经选择氧化催化剂层16内的生成气体，该混合物被加热至大于100℃小于150℃，选择氧化催化剂层16被容纳在与外筒9相接的一氧化碳清除器30内。于是，下行流经第1蒸发室14内的改性用水2蒸发。其结果是水蒸气与城市用气1的混合物上行流经第2蒸发室15内。即，第2蒸发室15内形成该混合物的上升流路。这样，水蒸气与城市用气1的混合物上升流经第2蒸发室15内时，通过流经变换催化剂层17内的生成气体被加热至大于250℃小于350℃，变换催化剂层17被容纳在与内筒10相接的一氧化碳转换器29内。
第2蒸发室15的上部与用于连接该第2蒸发室15与改性器26的连接管41相连。经过第1蒸发室14及第2蒸发室15的改性用水2与城市用气1的混合物，通过连接管41被供给至改性器26。
此外，如果是一般家庭用的发电输出为1千瓦左右的燃料电池系统，向具有该燃料电池系统的氢生成器供给的城市用气的流量为每分钟4L左右，同样，改性用水的流量为每分钟10g左右。因此，本发明中也把向氢生成器100供给的城市用气1的流量定为每分钟4L左右，同样，改性用水的流量为每分钟10g左右。
接下来，对内筒面吸水构件33、底板面吸水构件35及外筒面吸水构件34的作用进行说明。
(内筒面吸水构件)关于内筒面吸水构件33的作用，参照用后述结构的实验装置进行实验所得到的实验结果进行说明。
图3是实验装置简要结构的截面图。如图3所示，实验装置102具有不锈钢制的内筒46、玻璃制的外筒48。内筒46的内侧附设有圈状的加热器47。
内筒46与外筒48之间所形成的空间内设置有蒸发室51。此蒸发室51的侧面的上部设置有供水管49及水蒸气排出管50。供水管49向实验装置102供水，水蒸气排出管50把该蒸发室51内产生的水蒸气排至外面。
内筒46的外面(蒸发室51一侧的面)的大致整个表面设置有吸水构件53。作为此吸水构件53的材料，可以准备以下三种。(1)与本发明的氢生成器100内所设置的吸水构件相同的不锈钢制的多孔质金属(厚度为0.5mm，平均孔径为0.2mm)；(2)三层重叠的金属丝网(300筛眼，线径为48um)；(3)玻璃纤维制的厚度为1mm的织物。
使用上述构造的实验装置102进行如下实验。首先，通过供水管49向蒸发室51供给一定量的水52，于是，蒸发室51内储存一定量的水52。然后，用加热器47对内筒46进行加热，使蒸发室51内的水52沸腾并蒸发，测定出此时水52在不同时段的蒸发速度。此外，根据实验装置102的重量变化计算出此处水52的蒸发速度。
另外，准备一套在实验装置102的内筒46的外面未设置吸水构件53的实验装置，未设置此吸水构件53的实验装置中，也测定出水52在不同时段的蒸发速度。
图4表示设置吸水构件53时蒸发室51内的水52的蒸发速度的变化，及未设置吸水构件53时相同的蒸发速度的变化。图4中，A表示未设置吸水构件53时的蒸发速度的变化，B表示设置吸水构件53时的蒸发速度的变化。此处，图4所示的图表表示，加热器47开始进行加热，储存在蒸发室51内的水52减少至规定量的时刻开始的经过时间与各个经过时间内蒸发速度的关系。
如图4所示，未设置吸水构件53时，随着时间的经过，水52的蒸发速度直线下降。而设置吸水构件53时，尽管时间流逝，但水52的蒸发速度始终保持恒定值。
此外，通过观察玻璃制的外筒48可知，未设置吸水构件53时，在位于水52水位以下的内筒46的外面的多个地方，水急剧沸腾产生气泡。而设置吸水构件53时，在位于水52水位以下吸水构件53的大致整个表面，多产生细微的气泡。其原因在于，吸水构件53表面的多孔部的细微凹凸起到沸腾中心的作用，从而促进沸腾。此时细微气泡的产生保持稳定，这与未设置吸水构件43时急剧沸腾而产生气泡形成鲜明的对比。
此外，高于水52水位的部分，未设置吸水构件53时，内筒46的外面未见任何变化。与此相反，设置吸水构件53时，水借助吸水构件53的毛细管力而被吸上来，所以，吸水构件53的表面呈现湿润状态。这样，在吸水构件53内，高于水52水位的部分也作为导热面积而发挥作用，从中我们可知此部分也有水蒸发。
图3中Z所示位置，即内筒46的内面，比储存在蒸发室51内的水52的水位略低的位置，固定热电偶来测定温度变化，在图5中表示。图5中A表示未设置吸水构件53时位置Z的温度变化，B表示设置吸水构件53时位置Z的温度变化。
如图5所示，未设置吸水构件53时，经过时间到达a点之前，位置Z的温度缓慢上升，而后经过时间到达a点时，位置Z的温度急剧上升。像这样，经过时间到达a点时，位置Z的温度急剧上升，是因为经过时间到达a点时水52的水位比位置Z低。
另一方面，设置吸水构件53时，经过时间到达b点(规定时间比a点靠后的时刻)之前，位置Z的温度保持恒定，而后经过时间到达b点时，位置Z的温度急剧上升。像这样，经过时间到达b点之前，位置Z的温度保持恒定，而且即使水52的水位比位置Z低时(经过时间到达a点时)，位置Z的温度也不上升，这是因为通过吸水构件53的毛细管力，内筒46的大致整个外面起到蒸发或沸腾面的作用。另外，经过时间到达b点时，位置Z的温度急剧上升，是因为经过时间到达b点时，蒸发室51内的水52全部蒸发了。
从以上的实验结果可知，本发明的氢生成器100中，通过在蒸发器32的内筒10的外面设置内筒面吸水构件33，氢生成器100启动时，储存在蒸发器32的下部的改性用水2通过内筒面吸水构件33的毛细管力而上升，从而可增加导热面积。因此，与不设置这样的内筒吸水构件33的情况相比，即便蒸发器32小也可以确保充分的蒸发性能，所以，可以实现氢生成器100的小型化。
同样，通过设置内筒面吸水构件33，内筒面吸水构件33的表面的细微的凹凸起到沸腾中心的作用，因此可以增大蒸发速度。因此，氢生成器100启动时，即使蒸发器32内储存着改性用水2，也可以迅速地产生水蒸气，所以，可以缩短氢生成器100的启动时间。
当然，蒸发速度的增大，不仅在启动时，在氢生成器100稳定运转时及载荷波动时也有作用。特别是上述设置内筒面吸水构件33时，因其大致整个表面发生沸腾及蒸发，所以，可以产生安全稳定的水蒸气。与此相反，未设置内筒面吸水构件33时，因沸腾中心的数量有限，所以，只发生部分沸腾或在有限的沸腾中心发生急剧沸腾。这些现象会引起蒸发量的不稳定性以及因沸腾所产生的压力波动，从而产生供给至改性催化剂层18的水蒸气量在瞬间严重不足以及氢生成器100的压力波动。水蒸气量的严重不足会引起水蒸气改性反应的生成物的组成发生变化，氢生成器100的压力波动会引起在该氢生成器100中生成的氢气量发生变化。内筒面吸水构件33具有防止发生此类不良现象的作用。
这样，如在内筒10的蒸发面设置内筒面吸水构件33，进行蒸发时，则不仅可以增加水的蒸发速度，还可以保持较高的蒸发速度，而不会受储存在蒸发器32内水量的影响。此外，还可以确保氢生成器100中生成物的组成及量的稳定性。
此外，在前述的实验中，无论吸水构件53是前述(1)至(3)中的任何一种，都可以获得同样的结果。因此，作为内筒面吸水构件33的材料，可以使用前述(1)至(3)中的任何一种。
通过内筒面吸水构件33的毛细管力吸入改性用水2，这对增加导热面积及蒸发面积非常重要。通过该毛细管力吸入的水的高度，因第2蒸发室15的宽度，即水流流路的宽度而变化。如果水量相同，则吸水的高度在该流路宽度狭窄的一侧变高。但是，不仅吸水高度，如吸水量及速度不超过蒸发量，则由于吸水过程中水进行蒸发，就无法增加导热面积及蒸发面积。基于这一点考虑，如使用多孔质金属作为内筒面吸水构件33，其平均孔径大致为大于0.1mm而小于0.5mm为优选。如使用金属丝网，要使用大于100小于500个筛眼的金属丝网。此外，因容易发生潮湿，优选为预先对内筒面吸水构件33的表面进行氧化处理。
使用实验装置102进行实验时，与吸水构件53单体的情况相比，通过缠绕铁丝而使吸水构件53固定在内筒46上，可知此时吸水速度就会提高。究其原因，是因为水流经吸水构件53与内筒46之间所形成的缝隙而快速上升。虽然水通过多孔质金属或金属丝网的细孔内而上升，但因细孔内被多孔质金属的框架或金属丝网的铁丝所遮挡，所以水的流路迂回曲折。与此相比，因吸水构件53与内筒46之间的缝隙内，流路未被遮挡，所以，吸水速度加快。此处，为了提高吸水速度，吸水构件53与内筒46之间的缝隙空间要大于吸水构件53的平均孔径。
综上所述，优选为，在本发明的氢生成器100中，如图6所示，在内筒面吸水构件的金属丝网54与内筒10之间的适当位置设置若干垫片56，然后缠绕铁丝55从而使金属丝网54固定在内筒10的外面，这样，金属丝网54与内筒10之间就形成大于金属丝网54平均孔径的若干缝隙C。于是，通过在金属丝网54与内筒10之间形成若干缝隙C，就可以提高吸水速度。
例如，如图7所示，把内筒面吸水构件的多孔质金属57点焊固定在内筒10的外面时(图中E表示点焊处)，在多孔质金属57的适当位置设置突起部58，并使此突起部58与内筒10的外面接触，这样，在多孔质金属57与内筒10之间，形成大于多孔质金属57平均孔径的若干缝隙D，此为优选。于是，通过在多孔质金属57与内筒10之间形成若干缝隙D，就可以提高吸水速度。
如图8所示，内筒面吸水构件的多孔质金属59，若是孔径较大的多孔质金属59A及孔径较小的多孔质金属59B的双层构造，也同样有效。此时，配置多孔质金属59时，要使多孔质金属59A位于多孔质金属59B的内侧，并使多孔质金属59A与内筒10的外面接触。与多孔质金属59B相比，使用多孔质金属59A，水的流路很少被遮挡，因此，通过使多孔质金属59形成双层构造，就可以提高吸水速度。
此外，作为内筒面吸水构件，除了前述几项以外，图9所示构造也有效果。图9是对薄板进行说明的说明图，该薄板安装在本发明的氢生成器所配备的蒸发器的内筒外面。(a)是该内筒及薄板构造的截面图，(b)是该薄板构造的平面图。
如图9(a)及(b)所示，薄板60是通过蚀刻加工，按照孔与孔的间距为p，打若干直径d的孔61而形成的。此处，孔61的直径d定为0.1mm，间距p为0.3mm，薄板60的厚度为0.1mm。
把按照上述方式构成的薄板60扩散接合在内筒10的外面。这样，如图9(a)所示，内筒10的外面形成凹凸构造。这种凹凸构造不仅可作为内筒吸水构件，还可以作为促进沸腾的沸腾中心。此外，孔61的形状并不局限于圆形，也可以是如长椭圆形或菱形等适宜的形状。
在这里把预先打孔61而形成的薄板60接合在内筒10的外面，从而在内筒10的外面形成凹凸构造，但是，也可以通过蚀刻加工在内筒10的外面直接设置若干凹部，从而形成凹凸构造。此外，并不局限于蚀刻加工，也可以通过喷砂加工在内筒10的外面形成细微的凹凸。还可以通过激光加工在内筒10的外面形成间距为0.1mm左右的围棋盘格形状的槽。此处，如果通过激光加工在内筒10的外面形成凹凸构造，进行加工时由于再粘结而熔敷的金属粒子，加工后的内筒10的外面明显粗糙的地方则具有良好的吸水性能及沸腾性能。如果通过酸洗处理等除去该加工面的粗糙部分，此时应留意这些性能会显著下降。如果上述的孔或槽的间隔，即凹凸的间隔过大则性能下降。相反，如果过窄则吸水量会减少。因此，这些间隔要大于0.05mm小于1mm。
为使内筒面吸水构件33吸入全部储存在蒸发器32内的改性用水2，最好使内筒面吸水构件33的下端与底板12接触。考虑到蒸发器32的组装精度，很难使内筒面吸水构件33的下端与底板12完全接触，最好使内筒面吸水构件33的下端与底板12保持数mm以下的距离。此外，内筒面吸水构件33的上端最好达到中筒11的大致上端，但是为了确保预导热及蒸发所需的面积，只要能够获得足够的吸水高度，内筒面吸水构件33的上端可一直延伸至其高度。
改性用水吸入内筒面吸水构件33的上端部为止之前，必要量的改性用水2被蒸发，于是有内筒面吸水构件33变干燥的情况。因此，内筒面吸水构件33的材料的导热率，最好高于构成内筒10的材料的导热率。其原因在于，如果内筒面吸水构件33的材料的导热率比内筒10的导热率小，则内筒面吸水构件33就成为导热时的热阻。内筒10通常是用不锈钢所制造的，所以，内筒面吸水构件33的素材最好是金属。前面已经对玻璃纤维的织物的蒸发速度进行了阐述，像玻璃纤维这样导热率小的材料不太适合用作内筒面吸水构件33。
(底板面吸水构件)下面，对本发明的氢生成器100的底板面吸水构件35的作用进行说明。
作为底板面吸水构件35的材料，采用与内筒面吸水构件33相同的材料。这样，底板面吸水构件35就具有促进改性用水2沸腾的多个沸腾中心。因此，通过设置底板面吸水构件35可以加剧改性用水2的沸腾，这样，就可以缩短氢生成器100的启动时间及产生安全且稳定的水蒸气。
此外，底板面吸水构件35与内筒面吸水构件33略微接触时，例如即使氢生成器100倾斜地设置时，储存在蒸发器32下部的水也可通过底板面吸水构件35而可靠地供给至内筒面吸水构件33。
(外筒面吸水构件)下面，对本发明的氢生成器100的外筒面吸水构件34的作用进行说明。
从连接管6流向供给通路7的改性用水2流入第1蒸发室14时，改性用水2并非均等地流入外筒9的内面(第1蒸发室14一侧的面)。如前所述，改性用水2的流量通常很少，只有大约每分钟10g，因此，改性用水2以一股至若干股的流量流入外筒9的内面。在参照图12所说明的现有氢生成器中，设置螺旋状的圆杆83，这样，改性用水72使外筒79内面的多个面湿润，能够增大导热面积，从而有利于沸腾及蒸发。在本发明中，取代现有氢生成器的螺旋状圆杆83，通过点焊焊接把作为外筒面吸水构件34的带状多孔质金属固定在外筒9的内面。此处，外筒面吸水构件34与内筒面吸水构件33是用相同的多孔质金属构成的。
如果本发明中所使用的多孔质金属的孔径为0.2mm，则有些小，如果它与水接触时，如上所述，由于多孔质金属的毛细管力，水迅速穿过该多孔质金属的孔内而流走。参照图10对其形状进行说明。
图10是外筒9构造的截面图。如图10所示，在本实施方式中，带状的外筒面吸水构件34以螺旋状缠绕而固定在外筒9的内面。此外，在图10中，F是改性用水流入的位置，改性用水从此位置F按G所示的股状而流入。
改性用水与外筒面吸水构件34接触时，改性用水穿过外筒面吸水构件34的细孔内而流入，因此，改性用水穿过螺旋状配置的外筒面吸水构件34内呈螺旋状流入。于是，改性用水可以覆盖外筒9内面的几乎整个面积，因此，与现有的氢生成器相比，使用本发明的氢生成器可以大大增加导热面积。而且，通过多孔质金属增大导热面积，不仅可以加速其增大部分面积的改性用水的蒸发，内筒面吸水构件33与外筒面吸水构件34同样，由于沸腾中心的增加而进一步促进蒸发。因此，改性用水2通过螺旋状的外筒面吸水构件34的细孔而流入的过程中，被迅速加热而蒸发。与内筒面吸水构件33的蒸发相同，此蒸发也是安全稳定的。这样可以确保水蒸气改性反应的生成物的组成的稳定性以及生成氢气量的稳定性。
在图10中，H1表示改性用水所流经的区域，H2表示由于高于与改性用水接触位置而改性用水所无法流经的区域。该区域H2作为由于改性用水2通过毛细管力而被吸入的导热面而有效。
这样，按照螺旋状把外筒面吸水构件34固定在外筒9的内面，就可以不需要参照图12所说明的现有氢生成器中所需要的圆杆83。因此，可以大大简化本发明的氢生成器100的蒸发器32的构造及制造流程。这样，可以达到降低氢生成器100的制造成本的目的。
外筒面吸水构件34的孔径及厚度，螺旋状的宽度及间隔可根据需要使用最佳的种类，例如，可以在外筒9的上部与下部改变螺旋的形状。此外，无需使外筒面吸水构件34的螺旋配置至外筒9的最下部，例如，如图11所示，螺旋形状一直延伸至外筒9的中间，其以下部分可以是如34’圆筒形状。还有，此处的外筒面吸水构件34是多孔质金属，可以使用能适用于内筒面吸水构件33的吸水构件。还可以在外筒9的内面以螺旋状进行粗糙加工。
此处对螺旋状配置的外筒面吸水构件34进行说明，但是外筒面吸水构件34的形状并非局限于螺旋状。即使外筒面吸水构件34的形状设置成螺旋状以外的其它形状，与未设外筒面吸水构件34时相比，仍可以扩大导热面积，这样，氢生成器100就具有优良的蒸发性能。
本发明的氢生成器100的蒸发器32中，并非一定需要中筒11，水蒸气与城市用气1在中筒11中的混合接触时间延长，则两者的混合效果越好。如果这些混合不充分，则供给改性催化剂层18的水蒸气及城市用气1的比例就不均等，这样，就会引起生成气体的组成发生改变。蒸发器32中设置中筒11，则可以防止生成气体的组成发生改变。
此处在内筒10的外面、外筒9的内面及底板12的表面这三个地方使用吸水构件，但并不一定要在这三个地方全配置吸水构件，即使只在其中任何一个面或两个面上设置吸水构件，也同样可获得相应的效果。
此处，改性用水从外筒9的上部供给第1蒸发室14。其原因在于，第2蒸发室15从内筒10一侧被加热至250℃以上350℃以下，与此同时，第1蒸发室14从外筒9一侧被加热至100℃以上150℃以下。如改性用水2从内筒10一侧向第2蒸发室15供给，则改性用水2就直接接触250℃以上350℃以下的高温面。如果水接触这样的高温面，即便该面有吸水构件，水也会迅速沸腾而不会通过吸水构件流入。为此，改性用水2需要从低温侧的外筒9一侧的面向第1蒸发室14供给。
此处，对使用改性用水作为被蒸发液体的情况进行说明。被蒸发液体并非局限于改性用水，例如也可以使用甲醇等液体燃料作为被蒸发液体。无庸讳言，此时，本发明的氢生成器也同样有效。
本发明的氢生成器100中，因蒸发器32与氢生成器100是一体配置，所以，可以抑制在蒸发器32中产生的水蒸气及作为加热源的液体的散热损失。这样，与现有的氢生成器相比，本发明的氢生成器100的热效率高。
工业上的可利用性本发明的氢生成器可用于需要高蒸发性能的燃料电池系统的氢生成器等。
权利要求
1.一种氢生成器，其特征在于，具有产生燃烧气体的燃烧部；设置在该燃烧部的周围，利用由所述燃烧部产生的燃烧气体的导热，通过使至少含有由碳和氢所构成的化合物的原料与水蒸气进行的水蒸气改性反应而生成含有氢的改性气体的改性器；以及具有设置在所述燃烧部周围的内筒、设置在该内筒周围的外筒、以及塞住所述内筒与所述外筒之间形成的筒状空间下部的底板，通过使供给至所述筒状空间的水蒸发而生成水蒸气，并把该水蒸气供给至所述改性器的蒸发器，在所述筒状空间内设置具有吸水性的吸水构件。
2.如权利要求1所述的氢生成器，其特征在于，在所述筒状空间内设置形成有使从上方供给的水向下方流动的下降流路的第1蒸发室，和设置在该第1蒸发室内侧的、形成有使所述第1蒸发室内的水蒸发所产生的水蒸气向上方流动的上升流路的第2蒸发室，所述吸水构件设置在所述第1蒸发室内。
3.如权利要求2所述的氢生成器，其特征在于，在所述内筒与所述外筒之间配置中筒，所述第1蒸发室设置在所述外筒与所述中筒之间形成的筒状空间内，所述第2蒸发室设置在所述内筒与所述中筒之间形成的筒状空间内，所述吸水构件设置在所述外筒的所述第1蒸发室一侧的面上。
4.如权利要求1所述的氢生成器，其特征在于，在所述筒状空间内设置形成有使从上方供给的水向下方流动的下降流路的第1蒸发室，和设置在该第1蒸发室内侧的、形成有使所述第1蒸发室内的水蒸发所产生的水蒸气向上方流动的上升流路的第2蒸发室，所述吸水构件设置在所述第2蒸发室内。
5.如权利要求4所述的氢生成器，其特征在于，在所述内筒与所述外筒之间配置中筒，所述第1蒸发室设置在所述外筒与所述中筒之间形成的筒状空间内，所述第2蒸发室设置在所述内筒与所述中筒之间形成的筒状空间内，所述吸水构件设置在所述内筒的所述第2蒸发室一侧的面上。
6.如权利要求1所述的氢生成器，其特征在于，在所述筒状空间内设置形成有使从上方供给的水向下方流动的下降流路的第1蒸发室，和设置在该第1蒸发室内侧的、形成有使所述第1蒸发室内的水蒸发所产生的水蒸气向上方流动的上升流路的第2蒸发室，所述吸水构件设置在所述第1蒸发室内及所述第2蒸发室内。
7.如权利要求6所述的氢生成器，其特征在于，在所述内筒与所述外筒之间配置中筒，所述第1蒸发室设置在所述外筒与所述中筒之间形成的筒状空间内，所述第2蒸发室设置在所述内筒与所述中筒之间形成的筒状空间内，所述吸水构件设置在所述外筒的所述第1蒸发室一侧的面上及所述内筒的所述第2蒸发室一侧的面上。
8.如权利要求1至权利要求7中任一项所述的氢生成器，其特征在于，所述吸水构件设置在所述底板的上面。
9.如权利要求1至权利要求8中任一项所述的氢生成器，其特征在于，所述吸水构件是多孔质材料、网状材料或纤维状材料。
10.如权利要求2、权利要求3、权利要求6或权利要求7所述的氢生成器，其特征在于，设置在所述外筒的所述第1蒸发室一侧的面上的吸水构件配置成螺旋状。
11.如权利要求4至权利要求7中任一项所述的氢生成器，其特征在于，设置在所述内筒的所述第2蒸发室一侧的面上的吸水构件，由具有多个孔的材料构成，在所述内筒的所述第2蒸发室一侧的面与所述吸水构件之间，设置大于该吸水构件的平均孔径的空间。
12.如权利要求4至权利要求7中任一项所述的氢生成器，其特征在于，设置在所述内筒的所述第2蒸发室一侧的面上的吸水构件的导热率，大于所述内筒的导热率。
13.如权利要求3所述的氢生成器，其特征在于，所述吸水构件是通过对所述外筒的所述第1蒸发室一侧的面进行粗糙加工而形成。
14.如权利要求5所述的氢生成器，其特征在于，所述吸水构件是通过对所述内筒的所述第2蒸发室一侧的面进行粗糙加工而形成。
15.如权利要求7所述的氢生成器，其特征在于，所述吸水构件是通过对所述外筒的所述第1蒸发室一侧的面及所述内筒的所述第2蒸发室一侧的面进行粗糙加工而形成。
16.如权利要求13至权利要求15中任一项所述的氢生成器，其特征在于，通过所述粗糙加工而形成凹凸的间隔在0.05mm以上1mm以下。
17.如权利要求13至权利要求16中任一项所述的氢生成器，其特征在于，所述粗糙加工是通过蚀刻加工、激光加工或喷砂加工而进行。
18.一种燃料电池系统，其特征在于，包括如权利要求1至权利要求17中任一项所述的氢生成器；和使用含有氧气的氧化气体及由所述氢生成器供给的改性气体进行发电的燃料电池。
全文摘要
本发明提供一种构造简单，蒸发性能优良，高热效率的氢生成器，及配备该氢生成器的燃料电池系统。其具有产生燃烧气体的燃烧器；设置在该燃烧器的周围，利用由燃烧器产生的燃烧气体的导热，通过使至少包含由碳和氢所构成的化合物的原料与水蒸气进行的水蒸气改性反应而生成包含氢的改性气体的改性器；以及具有设置在燃烧部周围的内筒、设置在该内筒周围的外筒、以及塞住前述内筒与前述外筒之间形成的筒状空间下部的底板，通过使供给至前述筒状空间的水蒸发而生成水蒸气，并把该水蒸气供给至前述改性器的蒸发器。在前述筒状空间内设置具有吸水性的吸水构件。
文档编号H01M8/06GK1497757SQ200310100289
公开日2004年5月19日 申请日期2003年10月10日 优先权日2002年10月10日
发明者田村佳央, 向井裕二, 前西晃, 麻生智伦, 二, 伦 申请人:松下电器产业株式会社