專利名稱：燃料處理裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及生成用于燃料電池的燃料氣體的燃料處理裝置。
背景技術：
家庭用熱電聯(lián)供(cogeneration)系統(tǒng)等燃料電池系統(tǒng)包括生成含有氫的燃料 氣體的燃料處理裝置；以及利用由燃料處理裝置生成的燃料氣體來發(fā)電的燃料電池。
燃料處理裝置包括改質部，通過水蒸氣改質反應，從水蒸氣和碳氫類燃料等原料 氣體生成以氫為主要成分的富氫氣體；以及一氧化碳去除部，從富氫氣體中去除對燃料電 池的催化劑具有毒化作用的一氧化碳。 —氧化碳去除部進一步包括變換部，通過由CO變換催化劑進行的轉換反應，使 富氫氣體中的一氧化碳濃度降低至O. 5%左右；選擇氧化部，通過由CO選擇氧化催化劑進 行的選擇氧化反應，進一步使富氫氣體中的一氧化碳濃度降低至10ppm以下左右；以及混 合流路，將變換部和選擇氧化部連接?；旌狭髀肥怯糜趯淖儞Q部排出的富氫氣體和空氣 混合的流路。為了在混合流路內將富氫氣體和空氣混合，已知有將空氣供給到富氫氣體流 過的混合流路的方法(例如參照專利文獻1)。 圖1A和圖IB表示已提出的燃料處理裝置(例如參照專利文獻1)中的混合流路 的剖面圖。 如圖1A和圖IB所示，混合流路10將變換部20和選擇氧化部30連接?；旌狭髀?IO還與空氣供給管(40、41)連接。而且，空氣供給管(40、41)延伸至混合流路10的橫截面 的中心為止。圖1A和圖1B中的虛線箭頭表示富氫氣體的流向，實線箭頭表示空氣的流向。
如圖1A所示，經由空氣供給管40將空氣供給到富氫氣體流過的混合流路10內， 由此能夠將富氫氣體和空氣混合。另外，如圖1B所示，經由在空氣供給管41的前端形成的 多個開口部42將空氣供給到富氫氣體流過的混合流路10內，由此能夠將富氫氣體和空氣 混合。 另外，由于空氣供給管延伸至混合流路10的橫截面的中心為止，所以能夠將空氣 供給到富氫氣體的流速較快的混合流路10的橫截面的中心，促進富氫氣體和空氣的混合。
通常，流過混合流路10內的富氫氣體的流量是從空氣供給管供給的空氣流量的 約20倍左右。 這樣，若流過混合流路內的富氫氣體的流量較多，所供給的空氣的流量較小，則空 氣的流速較慢，通過供給空氣而在混合流路內形成的旋渦較小。若所形成的旋渦較小，則在 混合流路內不能充分地混合富氫氣體和空氣。另外，也考慮為了加快空氣的流速而使空氣 的噴出孔較小，但此時，壓力損失較大。 另外，如上所述由于富氫氣體的流量較大，所以在圖1A和圖1B所示的、使空氣流 入富氫氣體流過的混合流路的方式中也存在壓力損失較大的問題。 這樣，在圖1A和圖1B所示的、將空氣供給到富氫氣體流過的混合流路的方式中存 在下述問題，即，無法將富氫氣體和空氣充分混合且壓力損失較大。
為了解決這樣的問題，提出了將富氫氣體供給到空氣流過的混合流路的方式(例 如參照專利文獻2)。圖2是專利文獻2公開的燃料處理裝置中的混合流路10的立體圖。
如圖2所示，混合流路10通過填充了富氫氣體的室50內且具有多個氣體供給口 11。氣體供給口遍及混合流路10的全長地形成?；旌狭髀?0的上游端連接到空氣供給部， 混合流路10的下游端連接到選擇氧化部。 接著，說明在圖2所示的混合流路10內使富氫氣體和空氣混合的步驟。首先，從空 氣供給部將空氣供給到混合流路10內。其后，經由設置在混合流路的多個氣體供給口 11， 將富氫氣體供給到混合流路10內。 在圖2所示的、將富氫氣體供給到空氣流過的混合流路的方式的混合流路中，由
于將流量較多的富氫氣體供給到流量較少的空氣流過的混合流路內，所以富氫氣體高流速
地被供給到混合流路內。因此，與圖1A和圖1B所示的混合流路相比，能夠高效率地混合富
氫氣體和空氣。 現(xiàn)有技術文獻 專利文獻 專利文獻1 :特開2003-226504號公報
專利文獻2 :特開2004-262725號公報 但是，即使是圖2所示的混合流路，也存在無法充分混合富氫氣體和空氣的問題。 特別是，在為了抑制壓力損失而減少富氫氣體的供給量情況下，在圖2所示的混合流路內， 無法充分混合富氫氣體和空氣。若混合流路內的富氫氣體和空氣不充分混合，則即使增加 空氣的供給量，富氫氣體中的一氧化碳在選擇氧化部也不被氧化，從而所生成的燃料氣體 的一氧化碳濃度較高。若燃料氣體中的一氧化碳濃度較高，則燃料電池的催化劑被毒化。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于供給，具有壓力損失較低、能夠有效混合富氫氣體和空氣的混 合流路，生成一氧化碳濃度較低的燃料氣體的燃料處理裝置。 本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)通過將混合流路分成供給富氫氣體的區(qū)域以及用于使富氫氣體和 空氣擴散且使富氫氣體和空氣混合的區(qū)域，并且適當?shù)剡x擇用于使富氫氣體與空氣混合的 區(qū)域的長度，能夠充分地混合富氫氣體和空氣，并進一步進行研究，從而完成本發(fā)明。
也就是說，本發(fā)明涉及以下所示的燃料處理裝置。、用于燃料電池的燃料處理裝置，包括改質部，其生成含有一氧化碳和水的富氫 氣體；變換部，其使所述富氫氣體中的一氧化碳和水反應而生成含有低濃度的一氧化碳的 富氫氣體；混合流路，其將所述含有低濃度的一氧化碳的富氫氣體與含有氧的空氣混合而 生成混合氣體；空氣供給部，其與所述混合流路的上游端連接，將空氣供給到所述混合流 路；以及選擇氧化部，其與所述混合流路的下游端連接，使所述混合氣體中的一氧化碳與氧 反應而生成燃料氣體，所述混合流路由上游側的氣體供給區(qū)域和下游側的氣體擴散區(qū)域構 成，并且具有將所述氣體供給區(qū)域和所述變換部連接的兩個以上的氣體供給口，所述氣體 擴散區(qū)域的長度為所述氣體供給區(qū)域的長度的0. 5 2倍。、如[1]所述的燃料處理裝置，所述兩個以上的氣體供給口沿所述混合流路的長 軸排列，并且所述兩個以上的氣體供給口中的一個氣體供給口的在所述混合流路的圓周方向上的位置與其他的氣體供給口的在所述混合流路的圓周方向上的位置不同。、如[2]所述的燃料處理裝置，所述一個氣體供給口的在所述混合流路的圓周方
向上的位置與其他的氣體供給口的在所述混合流路的圓周方向上的位置對向。、如[1] [3]中任一個所述的燃料處理裝置，所述氣體供給口中，最上游側的氣
體供給口的口徑最大，最下游側的氣體供給口的口徑最小。、如[1] [4]中任一個所述的燃料處理裝置，還包括兩個以上的隔堤，其設置在 所述混合流路內，所述隔堤阻擋所述氣體供給口附近的混合流路內的一部分氣體的流動。
、如[1] [5]中任一個所述的燃料處理裝置，所述氣體供給口的口徑朝向所述混 合流路逐漸縮小。 根據本發(fā)明，由于在混合流路內富氫氣體與空氣充分混合，所以能夠在選擇氧化 部中高效率地氧化富氫氣體內的一氧化碳。因此，本發(fā)明的燃料處理裝置能夠生成一氧化 碳濃度較低的燃料氣體。 進而，經由多個氣體供給口將氣體供給到空氣流過的混合流路內，從而能夠將混 合流路的上游側的流速抑制得較低。由此，與使富氫氣體一起流入混合流路的情況相比，能 夠降低壓力損失。


圖1是以往的燃料處理裝置的混合流路的剖面圖。圖2是以往的燃料處理裝置的混合流路的立體圖。圖3是通過本發(fā)明的燃料處理裝置生成燃料氣體的流程。圖4是實施方式1的燃料處理裝置的方框圖。圖5是實施方式1的燃料處理裝置的剖面圖。圖6是實施方式1的混合流路的剖面圖。圖7是表示實施方式2的混合流路的圖。圖8是表示實施方式3的混合流路的圖。圖9是實施方式4的混合流路的剖面圖。圖10是實施方式5的混合流路的剖面圖。圖11是實施方式6的混合流路的剖面圖。圖12是表示在實施例中進行了解析的混合流路的形狀的圖。圖13是表示實施例的解析結果的圖。符號說明l燃燒部2蒸發(fā)部3改質部4變換部5選擇氧化部6燃料電池堆100 、 200 、 300 、 400 、 500 、 600混合流路101空氣流入口
110、210、310、410、510、610氣體供給區(qū)域 120氣體擴散區(qū)域 111、211、311、411、511、611第一氣體供給口 112、212、312、412、512、612第二氣體供給口 213、313第三氣體供給口 214第四氣體供給口 401隔堤
具體實施例方式
本發(fā)明的燃料處理裝置是用于使含有碳類燃料或酒精的原料氣體和水蒸氣發(fā)生 水蒸氣改質反應而生成燃料電池用的燃料氣體的裝置。 本發(fā)明的燃料處理裝置包括燃燒部、蒸發(fā)部、改質部、變換部、空氣供給部、混合 流路以及選擇氧化部。 燃燒部是用于對改質部和蒸發(fā)部進行加熱的機構。只要燃燒部能夠形成火炎并不 特別限定，例如為燃燒器。 蒸發(fā)部是用于使水蒸發(fā)而生成水蒸氣并將原料氣體和水蒸氣混合的機構。蒸發(fā)部 與燃燒部、改質部、變換部以及選擇氧化部進行熱交換，使水蒸發(fā)而生成水蒸氣。所生成的 水蒸氣在蒸發(fā)部與原料氣體混合。 改質部是包含釕類或鎳類的催化劑，并且是用于通過水蒸氣改質反應而從由蒸發(fā) 部供給的原料氣體和水蒸氣生成富氫氣體的機構。而且，由改質部生成的富氫氣體包含一 氧化碳和水蒸氣。由改質部生成的富氫氣體的一氧化碳濃度例如為7 13%。
變換部是用于從由改質部生成的富氫氣體生成含有低濃度的一氧化碳的富氫氣 體的機構。變換部包含白金類或銅/鋅類的催化劑，并且通過轉換反應，從由改質部生成的 富氫氣體中的一氧化碳和水，生成二氧化碳和氫。這里，所謂"一氧化碳濃度較低"，指的是 一氧化碳濃度為0.5%以下。 混合流路是用于將由變換部生成的一氧化碳濃度較低的富氫氣體與空氣混合而 生成混合氣體的流路?；旌狭髀肥抢缬蓤A管或矩形管構成的區(qū)域。優(yōu)選的是，混合流路 是由圓管構成的管狀的區(qū)域。混合流路的上游端與將空氣供給到混合流路的空氣供給部連 接?？諝夤┙o部是例如泵等?；旌狭髀返南掠味诉B接到后述的選擇氧化部。
本發(fā)明的混合流路采用的方式為，經由氣體供給口將富氫氣體供給到空氣預先流 入的混合流路內，由此將富氫氣體和空氣混合。因此，本發(fā)明的混合流路具有與變換部連接 的多個氣體供給口。經由多個氣體供給口將通過了變換部的富氫氣體供給到混合流路內。 在后面敘述氣體供給口的結構。 選擇氧化部是用于使在混合流路生成的混合氣體中的一氧化碳和氧發(fā)生反應而 生成燃料氣體的機構。在選擇氧化部中，通過氧使在變換部沒有發(fā)生反應而殘存的混合氣 體中的一氧化碳被氧化，成為二氧化碳。由此，使混合氣體中的一氧化碳濃度為10ppm以 下，生成燃料氣體。 具有這樣的結構的燃料處理裝置能夠適用于含有燃料電池堆的家庭用熱電聯(lián)供 系統(tǒng)等的燃料電池系統(tǒng)等。在這樣的家庭用熱電聯(lián)供系統(tǒng)中，也可以通過冷凝器去除來自燃料電池堆的陽極的廢氣(offgas)中的水分，并將其再次導入燃料處理裝置，作為燃燒部
的燃料來使用。而且，來自陽極的廢氣也可以與改質部進行熱交換。 接著，參照附圖3說明由本發(fā)明的燃料處理裝置生成燃料氣體的流程。 首先，將水和原料氣體即甲烷供給到蒸發(fā)部。將水和原料氣體供給到蒸發(fā)部后，水
在蒸發(fā)部內被加熱而成為水蒸氣。水蒸氣和原料氣體在蒸發(fā)部內被混合(SIOOO)。 其后，原料氣體和水蒸氣流入改質部。在改質部中通過以下的水蒸氣改質反應，從
原料氣體和水蒸氣生成含有一氧化碳的富氫氣體(S1001)。另外，富氫氣體含有未進行反應
的水蒸氣。 CH4+H20 — C0+3H2 由改質部生成的富氫氣體流入變換部。在變換部中，通過以下的轉換反應，從由改 質部生成的富氫氣體生成含有低濃度的一氧化碳的富氫氣體(S1002)。
C0+H20 — C02+H2 由變換部生成的、含有低濃度的一氧化碳的富氫氣體經由氣體供給口，流入空氣 正在流過的混合流路，所述空氣預先由空氣供給部供給。在混合流路內，含有低濃度的一氧 化碳的富氫氣體和空氣混合而生成混合氣體(S1003)。 在混合流路生成的混合氣體流入選擇氧化部。在選擇氧化部中，混合氣體中的氧
和在變換部未被氧化的一氧化碳發(fā)生反應， 一氧化碳被氧化，混合氣體中的一氧化碳濃度
降低至10卯m以下(S1004)。將通過了選擇氧化部的氣體作為燃料氣體取出。 這樣生成的燃料氣體從選擇氧化部流出，供給到燃料電池。燃料電池利用燃料氣
體中的氫和空氣等含有氧的氧化氣體來發(fā)電。 如上所述，在步驟S1003中，通過變換部后的富氫氣體和空氣在混合流路內被混 合而生成混合氣體。然而，在使富氫氣體流入空氣流過的混合流路的方式(參照圖2)中， 有時在混合流路內無法充分混合富氫氣體和空氣。若富氫氣體和空氣在未完全混合的狀態(tài) 下流入選擇氧化部，則富氫氣體中的一氧化碳不能被充分氧化，燃料氣體的一氧化碳濃度 較高。 本發(fā)明的燃料處理裝置的特征在于，能夠在混合流路內充分混合富氫氣體和空
氣。具體而言，在本發(fā)明中，混合流路由上游側的氣體供給區(qū)域和下游側的氣體擴散區(qū)域構
成，并且具有將氣體供給區(qū)域和變換部連接的氣體供給口 。也就是說，在本發(fā)明中，氣體供
給區(qū)域經由氣體供給口而與變換部連接，氣體擴散區(qū)域不具有氣體供給口。 氣體供給區(qū)域是混合流路中的、供給富氫氣體的區(qū)域。氣體供給區(qū)域通過多個氣
體供給口而與變換部連接。因此，由變換部生成的含有低濃度的一氧化碳的富氫氣體經過
氣體供給口 ，流入混合流路的氣體供給區(qū)域內。 氣體供給口的數(shù)目并不特別限定，例如為2 6個。另夕卜，氣體供給口的口徑可以 根據混合流路的長度以及直徑來適當選擇，例如為2 5mm。優(yōu)選的是，氣體供給口沿混合 流路的長軸相隔規(guī)定間隔地排列。另外，各個氣體供給口的在混合流路的圓周方向上的位 置可以相同(參照實施方式l)，也可以不同(參照實施方式2)。 在各個氣體供給口的在混合流路的圓周方向上的位置不同時，優(yōu)選的是，一個氣 體供給口的在混合流路的圓周方向上的位置與其他氣體供給口的在混合流路的圓周方向 上的位置對向(參照實施方式2)。通過使各個氣體供給口的在混合流路的圓周方向上的位置不同，能夠促進富氫氣體和空氣的攪拌。 另外，優(yōu)選的是，最上游側的氣體供給口的口徑最大，最下游側的氣體供給口的口 徑最小(參照實施方式3)。更具體而言，優(yōu)選的是，氣體供給口的口徑沿流過混合流路的氣 體的方向逐漸縮小。 氣體擴散區(qū)域不具有氣體供給口，并且是用于確保富氫氣體和空氣通過擴散效果 而被均勻混合所需時間的區(qū)域。因此，氣體擴散區(qū)域設計為，通過了氣體供給區(qū)域的富氫氣 體和空氣到達選擇氧化部為止需要一定的時間。由此，通過了氣體供給區(qū)域的富氫氣體和 空氣在流過氣體擴散區(qū)域的過程中，通過擴散效果被充分混合。 具體而言，氣體擴散區(qū)域具有一定量的體積，以使通過了氣體供給區(qū)域的富氫氣
體和空氣到達選擇氧化部為止需要一定的時間。為了確保氣體擴散區(qū)域的體積，可以調節(jié)
氣體擴散區(qū)域的長度，也可以調節(jié)氣體擴散區(qū)域的直徑，但優(yōu)選的是，調節(jié)氣體擴散區(qū)域的
長度。例如，在通過增大氣體擴散區(qū)域的直徑來調節(jié)氣體擴散區(qū)域的體積時，氣體擴散區(qū)域
的混合流路中流過的富氫氣體和空氣的流速變慢，富氫氣體和空氣難以混合。 在調節(jié)氣體擴散區(qū)域的長度時，優(yōu)選根據氣體的性質或混合流路的直徑等適當選
擇氣體擴散區(qū)域的長度。具體而言，優(yōu)選的是，在假設混合流路的直徑為D (m)，流過氣體擴
散區(qū)域的氣體(富氫氣體和空氣)的流速(m/秒)為U，氣體擴散lm所需的時間(秒/m)
為t時，以下式定義氣體擴散區(qū)域的長度L。 L = UXDXt 通常，這樣的滿足上式的氣體擴散區(qū)域的長度為氣體供給區(qū)域的長度的0. 5 2倍。 在氣體擴散區(qū)域的長度為氣體供給區(qū)域的長度的0. 5倍以下時，有時在氣體擴散 區(qū)域內無法充分混合富氫氣體和空氣。另一方面，在氣體擴散區(qū)域的長度為氣體供給區(qū)域 的長度的兩倍以上時，裝置尺寸過大。而且，在氣體擴散區(qū)域的長度為氣體供給區(qū)域的長度 的兩倍以上時，有可能出現(xiàn)混合氣體的溫度下降，在選擇氧化部一氧化碳的氧化反應不充 分。而且，在氣體擴散區(qū)域的長度為氣體供給區(qū)域的長度的兩倍以上時，壓力損失較大。
也就是說，在本發(fā)明的燃料處理裝置中，由變換部生成的一氧化碳濃度較低的富 氫氣體1)經過氣體供給口，流入空氣流過的氣體供給區(qū)域，在該區(qū)域富氫氣體和空氣被攪 拌至某種程度，2)在經過氣體擴散區(qū)域的過程中，富氫氣體和空氣通過擴散效果被充分混 合而生成混合氣體。所生成的混合氣體流入選擇氧化部。 這樣，在本發(fā)明中，富氫氣體和空氣經過不具有氣體供給口的氣體擴散區(qū)域，即使 氣體供給區(qū)域內的富氫氣體和空氣的混合不充分，在通過氣體擴散區(qū)域過程中，也能充分 混合而生成混合氣體。 這樣，混合流路分為氣體供給區(qū)域和氣體擴散區(qū)域，使氣體擴散區(qū)域的長度為氣 體供給區(qū)域的長度的O. 5 2倍，由此，在混合流路內，能夠充分混合富氫氣體和空氣，并能 夠將富氫氣體與空氣的比率均等的混合氣體供給到選擇氧化部。因此，即使由于燃料電池 的運行狀況所生成的富氫氣體以及所供給的空氣的量變動時，本發(fā)明的燃料處理裝置也能 夠安定地供給燃料氣體。 另外，經由多個氣體供給口將氣體供給到空氣流過的混合流路內，由此能夠將混 合流路的上游側的流速抑制得較低。由此，與僅從一個供給口使富氫氣體流入混合流路的情況相比，能夠降低壓力損失(參照實施方式1)。
以下，參照

本發(fā)明的實施方式。
(實施方式1) 圖4表示實施方式1的燃料處理裝置的模式圖，圖5表示實施方式1的燃料處理 裝置的剖面圖。圖4中的陰影線箭頭表示熱能的移動，圖4和圖5中的實線箭頭表示氣體 (原料氣體、水蒸氣或富氫氣體)的流向。 如圖4和圖5所示，實施方式1的燃料處理裝置包括燃燒部1、蒸發(fā)部2、改質部 3、變換部4、混合流路100以及選擇氧化部5。 另外，如圖4所示，燃料處理裝置也可以與燃料電池堆6連接。在燃料處理裝置與 燃料電池堆6連接時，由選擇氧化部5生成的燃料氣體被供給到燃料電池堆6的陽極，燃料 電池堆6的陽極的廢氣經由冷凝器(未圖示)被供給到燃燒部1。 實施方式1的燃料處理裝置具有的特征在于混合流路100的結構。以下，詳細說 明混合流路100的結構。 圖6是圖5所示的燃料處理裝置的混合流路100的放大圖?；旌狭髀?00的全長 例如為100 200mm。而且，混合流路100的直徑根據燃料電池系統(tǒng)的輸出適當?shù)剡x擇。例 如，在燃料電池系統(tǒng)的輸出為750W時，混合流路100的截面的面積為12 50mm2。如圖6 所示，混合流路100由氣體供給區(qū)域100和氣體擴散區(qū)域120構成。 氣體供給區(qū)域110的長度例如為50 100mm。氣體擴散區(qū)域120的長度例如為 50 100mm。這樣通過使氣體擴散區(qū)域120的長度為氣體供給區(qū)域110的長度的0. 5 2 倍，能夠在混合流路100內充分混合富氫氣體和空氣(在后面敘述)。 氣體供給區(qū)域110與空氣流入口 101連接，并具有第一氣體供給口 111和第二氣 體供給口 112。空氣流入口 101和第一氣體供給口 111之間的間隔、第一氣體供給口 111和 第二氣體供給口 112之間的間隔以及第二氣體供給口 112和氣體供給區(qū)域110的下游端之 間的間隔相等。 另一方面，氣體擴散區(qū)域120不具有氣體供給口。在燃料電池系統(tǒng)的輸出為750w， 氣體供給口的面積例如為12 40mm2。 接著，說明流過混合流路100的富氫氣體和空氣的流動。圖6中的箭頭表示空氣 和富氫氣體的流向。 如圖6所示，在氣體供給區(qū)域IIO，流動著預先從空氣流入口 101供給的空氣。而 且，通過了變換部4的富氫氣體經過第一氣體供給口 111和第二氣體供給口 112，流入氣體 供給區(qū)域IIO。富氫氣體的流量是空氣流量的約20倍。 這樣，在本實施方式中，由于流量較多的富氫氣體經過氣體供給孔流入流量較少 的空氣流過的氣體供給區(qū)域110內，所以富氫氣體的流入速度較快，使流入的富氫氣體在 氣體供給區(qū)域110內產生漩渦，從而能夠促進氣體供給區(qū)域110內的富氫氣體和空氣的攪 拌。 氣體供給區(qū)域110內的攪拌至某種程度后的富氫氣體和空氣流入氣體擴散區(qū)域 120。氣體擴散區(qū)域120的長度設定為，能夠確保富氫氣體和空氣通過擴散效果而被充分混 合的時間。因此，富氫氣體和空氣在流過氣體擴散區(qū)域120的過程中，通過擴散效果被充分 混合。
這樣，根據本實施方式，混合流路分為氣體供給區(qū)域和氣體擴散區(qū)域，氣體擴散區(qū) 域的長度為氣體供給區(qū)域的長度的約0. 5 2倍，因此在混合流路內能夠充分混合富氫氣 體和空氣。由此，能夠將富氫氣體和空氣的比率均等的混合氣體供給到選擇氧化部。
另外，與富氫氣體的氣體供給口為一個的情況相比，通過設置兩個富氫氣體的氣 體供給口，能夠降低壓力損失。以下，說明設置兩個氣體供給口與降低壓力損失之間的關 系。 假設從空氣流入口 101至第一氣體供給口 111間的壓力損失為P0，第一氣體供給 口 lll和第二氣體供給口之間的壓力損失為Pl，第二氣體供給口 112和氣體供給區(qū)域110 的下游端之間的壓力損失為P2時，如下式(1)定義氣體供給區(qū)域110整體的壓力損失P。
P = P0+P1+P2 (1) 在層流時，壓力損失與氣體的流量成比例。因此，假設從空氣流入口 101至第一 氣體供給口 111間的氣體流量為QO，第一氣體供給口 lll和第二氣體供給口之間的氣體流 量為Ql，第二氣體供給口 112和氣體供給區(qū)域110的下游端之間的氣體流量為Q2，從第一 氣體供給口和第二氣體供給口供給均等量的富氫氣體時，則如下式(2)定義各個壓力損失 (P0、P1、P2)。 P0 = a XQ0XL
Pl = P XQ1XL
P2 = P XQ2XL
Q2 = 2XQ1+Q0 (2) 這里，L是指氣體供給區(qū)域110的全長的1/3的長度，a和|3是指氣體的粘性和
流路寬度的函數(shù)。如上所述，由于空氣流量是富氫氣體的流量的1/20左右，所以可以將其
近似為"0"。因此，可以如下式(3)定義氣體流量。 Q0 " 0 Q2 = 2XQ1 (3) 因此，可以如下式(4)，定義氣體供給區(qū)域110具有兩個氣體供給口的情況下的、 氣體供給區(qū)域110的壓力損失P。
P = 3XPQ1XL (4) 另一方面，氣體供給區(qū)域110不具有第二氣體供給口 112，僅由第一氣體供給口
111供給富氫氣體時，自第一氣體供給口 111起，下游的氣體供給區(qū)域110內的氣體流量恒
定。因此，如下式(5)定義氣體供給區(qū)域110內的壓力損失P'。 P0 = a XQ0XL Pl = P X2Q1XL P2 = P X2Q1XL P， = P0+P1+P2 (5) 因此，在氣體供給口為一個時，如下式(6)定義氣體供給區(qū)域110內的壓力損失 P，。 p， = 4X P Q1XL (6) 基于式(4)和式(6)，在設置了兩個氣體供給口時，與氣體供給口僅為一個的情況 相比，能夠使壓力損失約為其3/4倍。而且，在沿混合流路中的流向，等間隔地排列氣體供給口時，通過增加氣體供給口的數(shù)目，能夠進一步降低壓力損失。
因此，通過使用實施方式1中記載的燃料處理裝置，能夠以低壓力損失混合富氫
氣體和空氣。(實施方式2) 在實施方式1中，說明了各個氣體供給口的在混合流路的圓周方向上的位置相同 的形態(tài)。在實施方式2中，說明各個氣體供給口的在混合流路的圓周方向上的位置不同的 形態(tài)。 在實施方式2的燃料處理裝置中，除了氣體供給區(qū)域的氣體供給口的排列方式不 同以外，其他與實施方式1的燃料處理裝置相同。因此，在實施方式2中，僅說明混合流路 中的氣體供給區(qū)域。 圖7A是實施方式2的混合流路200中的氣體供給區(qū)域210的立體圖。如圖7A所 示，氣體供給區(qū)域210與空氣流入口101連接，并具有第一氣體供給口211、第二氣體供給口 212、第三氣體供給口 213以及第四氣體供給口 214。各個氣體供給口的在混合流路200的 圓周方向上的位置分別不同。而且，優(yōu)選的是，第一氣體供給口 211和第二氣體供給口 212 之間的在混合流路200的圓周方向上的間隔、第二氣體供給口 212和第三氣體供給口 213 之間的在混合流路200的圓周方向上的間隔以及第三氣體供給口 213和第四氣體供給口 214之間的在混合流路200的圓周方向上的間隔相等。 而且，第一氣體供給口 211的在混合流路200的圓周方向上的位置與第三氣體供 給口 213的在混合流路200的圓周方向上的位置對向，并且第二氣體供給口 212的在混合 流路200的圓周方向上的位置與第四氣體供給口 214的在混合流路200的圓周方向上的位 置對向。 接著，說明氣體供給區(qū)域210中的空氣和富氫氣體的流動。圖7B是圖7A所示的 氣體供給區(qū)域210的混合流路200的A-A線的剖面圖。圖7B中的箭頭表示空氣和富氫氣 體的流向。 如圖7B所示，在氣體供給區(qū)域210，流動著預先從空氣流入口 IOI供給的空氣。而 且，通過了變換部4的富氫氣體經過第一氣體供給口 211和第三氣體供給口 213，流入氣體 供給區(qū)域210。 如上所述，在本實施方式中，各個氣體供給口的在混合流路200的圓周方向上的 位置分別不同。由此，能夠在氣體供給區(qū)域210內促進富氫氣體和空氣的攪拌。以下，說明 各個氣體供給口的在混合流路200的圓周方向上的位置分別不同與在氣體供給區(qū)域210內 促進富氫氣體和空氣的攪拌之間的關系。 如圖7B所示，經由空氣流入口 101供給的空氣Al和經由第一氣體供給口 211流 入的富氫氣體H1被攪拌。另一方面，流過混合流路200的壁面上的、與第一氣體供給口 211 對向的壁面?zhèn)鹊目諝釧2有時未與富氫氣體H1攪拌而通過了形成有第一氣體供給口 211的 區(qū)域。特別是，在富氫氣體的供給量較少且富氫氣體的流入速度較慢時，空氣A2容易通過 而未與富氫氣體H1攪拌。 但是，在本實施方式中，第三氣體供給口 213配置在混合流路200的壁面上的、與 第一氣體供給口 211對向的壁面?zhèn)?。因此，未與富氫氣體H1混合而通過了的空氣A2和經 由第三氣體供給口 213流入的富氫氣體H2被攪拌。
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這樣，在本實施方式中，使各個氣體供給口的在混合流路的圓周方向上的位置不 同，由此即使在富氫氣體的流量較少時，也能夠促進氣體供給區(qū)域內的富氫氣體和空氣的 攪拌。(實施方式3) 在實施方式1和實施方式2中，說明了各個氣體供給口的口徑都相同的形態(tài)。在 實施方式3中，說明氣體供給口的口徑不同的形態(tài)。 在實施方式3的燃料處理裝置中，除了氣體供給區(qū)域的氣體供給口的排列方式不 同以外，其他與實施方式1的燃料處理裝置相同。因此，在實施方式3中，僅說明混合流路 中的氣體供給區(qū)域。 圖8A是本實施方式的混合流路300中的氣體供給區(qū)域310的立體圖。如圖8A所 示，氣體供給區(qū)域310與空氣流入口101連接，并具有第一氣體供給口311、第二氣體供給口 312以及第三氣體供給口 313?；旌狭髀?00的上游側的第一氣體供給口 311的口徑最大， 下游側的第三氣體供給口 313的口徑最小。這樣，在本實施方式中，其特征在于，沿在混合 流路300內氣體流動的方向，氣體供給口的口徑階梯性變小。 接著，說明氣體供給區(qū)域310中的空氣和富氫氣體的流動。圖8B是圖8A所示的 氣體供給區(qū)域310的混合流路300的A-A線的剖面圖。圖8B中的箭頭表示空氣和富氫氣 體的流向。 如圖8B所示，在氣體供給區(qū)域310，流動著預先從空氣流入口 IOI供給的空氣。而 且，通過了變換部4的富氫氣體經過第一氣體供給口 311、第二氣體供給口 312以及第三氣 體供給口 313，流入氣體供給區(qū)域310。 如上所述，由于空氣流量是富氫氣體流量的1/20左右，所以在未供給富氫氣體的 氣體供給區(qū)域310的上游，氣體流量較少。隨著經由氣體供給口富氫氣體流入，氣體的流量 階梯性變多。這樣，若氣體供給區(qū)域內的氣體的流量存在偏差，則有可能在氣體供給區(qū)域內 無法充分攪拌富氫氣體和空氣。 但是，在本實施方式中，由于上游側的第一氣體供給口 311的口徑較大，所以從上 游側的第一氣體供給口 311流入的富氫氣體的流量較多，并且由于下游側的第三氣體供給 口 313的口徑較小，所以從下游側的第三氣體供給口 313流入的富氫氣體的流量較小。因 此，使流過氣體供給區(qū)域310內的氣體的流量均勻化，從而能夠更有效地攪拌富氫氣體和 空氣。(實施方式4) 在實施方式4中，說明混合流路在氣體供給區(qū)域內具有多個隔堤的形態(tài)。
在實施方式4的燃料處理裝置中，除了混合流路在氣體供給區(qū)域內具有多個隔堤 以外，其他與實施方式l的燃料處理裝置相同。因此，在實施方式4中，僅說明混合流路中 的氣體供給區(qū)域。 圖9是表示實施方式4的混合流路400中的氣體供給區(qū)域410的剖面圖。如圖9 所示，氣體供給區(qū)域410與空氣流入口 101連接，并且具有多個隔堤401。隔堤401設置在 混合流路400的壁面上的、與氣體供給口對向的區(qū)域，阻擋氣體供給口附近的混合流路400 內的一部分氣體的流動。 接著，說明氣體供給區(qū)域410內的富氫氣體和空氣的流動。圖9中的箭頭表示富氫氣體和空氣的流向。如圖9所示，在氣體供給區(qū)域410，流動著預先從空氣流入口 101供給的空氣。而且，通過了變換部4的富氫氣體經過第一氣體供給口 411和第二氣體供給口412，流入氣體供給區(qū)域410。 在本實施方式中，通過配置在氣體供給口附近(稍稍上游側)的隔堤401將從空氣流入口 IOI流入的空氣引導到氣體供給口的附近。因此，即使經過氣體供給口流入的富氫氣體的流速較慢，僅在氣體供給口的附近形成漩渦時，由于通過隔堤401將空氣引導到氣體供給口附近，所以能夠充分攪拌富氫氣體和空氣。
(實施方式5) 在實施方式5中，說明氣體供給口的口徑朝向混合流路逐漸縮小的形態(tài)。
在實施方式5的燃料處理裝置中，除了氣體供給區(qū)域具有的氣體供給口的形狀不同以外，其他與實施方式1的燃料處理裝置相同。因此，在實施方式5中，僅說明混合流路中的氣體供給區(qū)域。 圖10是實施方式5的混合流路500中的氣體供給區(qū)域510的剖面圖。如圖10所示，氣體供給區(qū)域510與空氣流入口 IOI連接，并且具有第一氣體供給口 511和第二氣體供給口 512。第一氣體供給口 511和第二氣體供給口 512朝向混合流路500逐漸縮小。
接著，說明氣體供給區(qū)域510內的富氫氣體和空氣的流動。圖10中的箭頭表示富氫氣體和空氣的流向。如圖10所示，在氣體供給區(qū)域510，流動著預先從空氣流入口 IOI供給的空氣。而且，通過了變換部4的富氫氣體經過第一氣體供給口 511和第二氣體供給口512，流入氣體供給區(qū)域510。 在本實施方式中，氣體供給口的口徑朝向混合流路逐漸縮小，所以經過第一氣體供給口 511和第二氣體供給口 512流入氣體供給區(qū)域510的富氫氣體的流速變快。由此，能夠促進富氫氣體和空氣的攪拌。另外，通過提高經過氣體供給口流入的富氫氣體的流速，能夠增大由富氫氣體的流入而形成的漩渦，并促進富氫氣體和空氣的攪拌。
(實施方式6) 在實施方式6中，說明氣體供給口延伸至混合流路的橫截面的中心的形態(tài)。
在實施方式6的燃料處理裝置中，除了氣體供給區(qū)域具有的氣體供給口的形狀不同以外，其他與實施方式1的燃料處理裝置相同。因此，在實施方式6中，僅說明混合流路中的氣體供給區(qū)域。 圖11是實施方式6的混合流路600中的氣體供給區(qū)域610的剖面圖。如圖11所示，氣體供給區(qū)域610與空氣流入口 IOI連接，并且具有第一氣體供給口 611和第二氣體供給口 612。第一氣體供給口 611和第二氣體供給口 612延伸至混合流路600的橫截面的中心。 接著，說明氣體供給區(qū)域610內的富氫氣體和空氣的流動。圖11中的箭頭表示富氫氣體和空氣的流向。如圖11所示，在氣體供給區(qū)域510，流動著預先從空氣流入口 IOI供給的空氣。而且，通過了變換部4的富氫氣體經過第一氣體供給口 611和第二氣體供給口612，流入氣體供給區(qū)域610。 與混合流路600的壁面附近相比，流過混合流路600內的氣體的流速在混合流路600的橫截面的中心處較快。在本實施方式中，由于氣體供給口進行了延伸，所以能夠將經過氣體供給口流入的富氫氣體引導到氣體的流速較快的混合流路600的橫截面的中心處。由此，能夠促進富氫氣體和空氣的攪拌。實施例 在實施例中，使用計算機仿真來解析本發(fā)明的燃料處理裝置的混合流路中的富氫
氣體和空氣的流動。(使用的程序) 在仿真中使用了 ANSYS公司制的FLUENT6. 2。
(混合流路的形狀) 圖12表示在實施例中進行了解析的混合流路100的形狀。如圖12所示，混合流路
100由半圓形的圓管構成。圓管的內徑設為6mm。半圓的直徑設為120mm。而且，氣體供給
區(qū)域110的長度設為94mm，氣體擴散區(qū)域的長度設為94mm。在氣體供給區(qū)域IIO，沿氣體的
流向排列了氣體供給口 111。氣體供給口 111的口徑設為4mm。如圖12所示，相隔22.5°
地配置了四個氣體供給口。(空氣和富氫氣體的流量) 空氣的流量設為0. 6L/min，富氫氣體的流量設為18L/min。(富氫氣體的組成) 如下那樣設定了富氫氣體的組成。 甲烷1.8%，水蒸氣18. 7%，二氧化碳15. 4%，一氧化碳0. 2%，氫63. 9%。
(測定位置) 如圖13所示，相隔18°地測定了氣體擴散區(qū)域的截面中的氧的摩爾濃度和一氧化碳的摩爾濃度的比率(氧的摩爾濃度/一氧化碳的摩爾濃度)?？諝庵泻醒酰粴錃怏w中含有一氧化碳，所以氧的摩爾濃度和一氧化碳的摩爾濃度的比率的偏差越小，表明富氫氣體與空氣越充分被混合。
(解析結果) 圖13表示實施例的解析結果。如圖13所示，在氣體擴散區(qū)域的最上游的截面(1)處，氧的摩爾濃度和一氧化碳的摩爾濃度的比率的偏差的范圍為2. 4 4. 0。另一方面，在截面(2)處，氧的摩爾濃度和一氧化碳的摩爾濃度的比率的偏差的范圍為2. 8 3. 2，在截面(3)處為2.8 3.0。另外，在截面(5)處，未能確認到氧的摩爾濃度和一氧化碳的摩爾濃度的比率的偏差。 上述解析結果表明，僅在氣體供給區(qū)域存在富氫氣體和空氣的混合不充分，但如本發(fā)明，通過在氣體供給區(qū)域之后設置氣體擴散區(qū)域，能夠充分混合富氫氣體和空氣。
本申請主張基于2008年5月30日提交的特愿第2008-143028的優(yōu)先權。該申請
說明書中所記載的內容全都被本申請說明書引用。
工業(yè)實用性 本發(fā)明的燃料處理裝置能夠穩(wěn)定地生成用于燃料電池的燃料氣體。因此，本發(fā)明的燃料處理裝置對于家庭用熱電聯(lián)供系統(tǒng)等燃料電池系統(tǒng)極為有用
權利要求
用于燃料電池的燃料處理裝置，包括改質部，其生成含有一氧化碳和水的富氫氣體；變換部，其使所述富氫氣體中的一氧化碳和水反應而生成含有低濃度的一氧化碳的富氫氣體；混合流路，其將所述含有低濃度的一氧化碳的富氫氣體與含有氧的空氣混合而生成混合氣體；空氣供給部，其與所述混合流路的上游端連接，將空氣供給到所述混合流路；以及選擇氧化部，其與所述混合流路的下游端連接，使所述混合氣體中的一氧化碳與氧反應而生成燃料氣體，所述混合流路由上游側的氣體供給區(qū)域和下游側的氣體擴散區(qū)域構成，并且具有將所述氣體供給區(qū)域和所述變換部連接的兩個以上的氣體供給口，所述氣體擴散區(qū)域的長度為所述氣體供給區(qū)域的長度的0.5～2倍。
2. 如權利要求1所述的燃料處理裝置，所述兩個以上的氣體供給口沿所述混合流路的長軸排列，所述兩個以上的氣體供給口中的一個氣體供給口的在所述混合流路的圓周方向上的位置與其他的氣體供給口的在所述混合流路的圓周方向上的位置不同。
3. 如權利要求2所述的燃料處理裝置，所述一個氣體供給口的在所述混合流路的圓周方向上的位置與其他的氣體供給口的在所述混合流路的圓周方向上的位置對向。
4. 如權利要求1所述的燃料處理裝置，所述氣體供給口中，最上游側的氣體供給口的口徑最大，最下游側的氣體供給口的口徑最小。
5. 如權利要求1所述的燃料處理裝置，還包括兩個以上的隔堤，其設置在所述混合流路內，所述隔堤阻擋所述氣體供給口附近的混合流路內的一部分氣體的流動。
6. 如權利要求1所述的燃料處理裝置，所述氣體供給口的口徑朝向所述混合流路逐漸縮小。
全文摘要
一種用于燃料電池的燃料處理裝置，其包括改質部，其生成含有一氧化碳和水的富氫氣體；變換部，其使所述富氫氣體中的一氧化碳和水反應而生成含有低濃度的一氧化碳的富氫氣體；混合流路，其將所述含有低濃度的一氧化碳的富氫氣體與含有氧的空氣混合而生成混合氣體；空氣供給部，其與所述混合流路的上游端連接，將空氣供給到所述混合流路；以及選擇氧化部，其與所述混合流路的下游端連接，使所述混合氣體中的一氧化碳與氧反應而生成燃料氣體，所述混合流路由上游側的氣體供給區(qū)域和下游側的氣體擴散區(qū)域構成，并且具有將所述氣體供給區(qū)域和所述變換部連接的兩個以上的氣體供給口，所述氣體擴散區(qū)域的長度為所述氣體供給區(qū)域的長度的0.5～2倍。
文檔編號C01B3/38GK101743192SQ200980000550
公開日2010年6月16日 申請日期2009年5月26日 優(yōu)先權日2008年5月30日
發(fā)明者信岡政樹, 吉本美由紀, 宮崎雅保, 島和也, 永井宏幸 申請人:松下電器產業(yè)株式會社