專利名稱：改性器的制作方法
技術領域：
本發明涉及然料電池的燃料改性裝置所使用的改性器，具體涉及利用使燃燒器燃燒了時的排氣，加熱雙重圓筒狀的改性容器的內側及外側這兩側面，進而通過在改性容器內配設用于使生成的改性氣體流過的回氣管來提高熱效率的改性器。
背景技術：
燃料電池，與電分解水的工藝相反，是使從烴原料生成的氫氣和氧產生化學反應，利用該化學反應時產生的電和熱(溫水)的電池。
上述燃料電池，作為烴原料，采用粗汽油、煤油等石油系燃料或城市煤氣等，通過混合該烴原料和水蒸氣形成氣態的改性氣體燃料，通過與改性催化劑一同加熱該改性氣體燃料生成氫氣。
因此，燃料電池，最重要的研究課題是，如何高效率地從烴原料生成氫氣，關于生成氫氣的燃料改性裝置及改性器，公開了各式各樣的技術。
例如，在專利文獻1中，公開了一種燃料改性裝置的技術，是作為一個單元匯總改性器及其相關設備的燃料改性裝置，其具備真空絕熱容器，以該真空絕熱容器的內側空間作為改性器的燃燒氣體的流路，并具有多根改性管，其與燃燒氣體的流路并列設置，并且在其內部裝填改性催化劑，通過使原料氣體(改性氣體燃料)流通而使之進行改性。
根據此技術，由于即使不使用陶瓷纖維等絕熱材料，也能夠用真空絕熱容器絕熱，因此能夠實現燃料改性裝置的小型化及熱效率的提高。
此外，在專利文獻2中，公開了一種單管圓筒式改性器的技術，該技術具備在改性催化劑層的前級設置有具有填充物的預熱層的、圓筒狀的改性容器，通過使排氣沿改性容器的內側側面流動而加熱改性容器，使生成在改性容器內的氫氣沿形成在改性容器的外側側面上的流路流動。
根據該技術，通過設置預熱層，不需要原料預熱器，能夠高效率地攪拌原料，并且能夠降低熱量消耗。此外，通過利用翼等將各通路等的內部形成螺旋狀，能夠得到均勻的溫度分布，此外，由于能夠提高熱回收效率，因此能夠將出口溫度設定為期望的溫度。
專利文獻1特開2003-327405號公報(權利要求1、2、3、4，圖1)專利文獻2特開2002-187705號公報(權利要求1，圖1)但是，專利文獻1所記載的燃料改性裝置，雖然通過真空絕熱容器能夠提高熱效率，但是，例如，在假設是發電量為1KW程度的小型燃料電池的情況下，如要將改性器中的熱效率規定為相同程度，需要更加降低單位面積的散熱量。
通常，若將燃料改性裝置小型化，則熱效率就降低，但是期望即使小型化，也不降低熱效率，優選可更加提高熱效率的改性器。
此外，根據專利文獻2所記載的單管圓筒式改性器，雖然使排氣沿改性容器的內側側面流動，并且使生成在改性容器內的氫氣沿形成在改性容器的外側側面的流路流動，但需要更加提高熱效率。
發明內容
本發明的目的在于，提供一種可解決上述問題的、即使小型化也能提高熱效率的改性器。
為實現上述目的，本發明的改性器，是一種從烴原料生成改性氣體的改性器，其構成具備改性容器，其具有內側筒狀體和外側筒狀體；填充在該改性容器內的改性催化劑；熱源，用于加熱該改性催化劑及供給到所述改性容器的所述烴原料；排氣外側流路，使來自所述熱源的排氣沿所述改性容器的外側側面流動；排氣內側流路，使來自所述熱源的排氣沿所述改性容器的內側側面流動。
如果這樣構成，由于能夠擴大相對排氣的改性容器的單位面積的導熱面積，因此能夠縮小改性容器，結果能夠提高熱效率。
此外，本發明的改性器，其構成是，所述排氣外側流路由所述外側筒狀體和外殼筒形成，并且所述排氣內側流路由所述內側筒狀體和內側輻射筒形成。
如果這樣構成，即使在將改性器設計成縱型的情況下，也能夠容易用簡易的結構實現排氣內側流路和排氣外側流路。
此外，本發明的改性器，其構成是，所述排氣內側流路及/或排氣外側流路的至少一部形成為螺旋狀。
如果這樣構成，由于能夠提高排氣的導熱效率，從而能夠提高改性器的熱效率。
此外，本發明的改性器，其構成是，所述排氣內側流路及/或排氣外側流路的螺旋形狀設為間距可變及/或位置可移動。
如果這樣構成，由于能夠通過相對于填充在改性容器內的改性催化劑調節間距間隔，從而控制加熱溫度，所以，例如，能夠用最適合的加熱溫度加熱位于改性容器的下部的改性催化劑，無論填充的位置如何，都能夠有效利用改性催化劑。
此外，即使在催化劑因繼續使用而部分劣化的情況下，通過調節間距的位置·間隔，也能夠優先加熱未劣化的有效的催化劑。
此外，本發明的改性器，其構成是，在所述改性容器內設置有使生成的所述改性氣體流過的改性氣體流路。
如果這樣構成，由于能夠有效利用具有生成的改性氣體的高熱量，加熱改性催化劑及改性氣體燃料，因此能夠更加提高熱效率。
此外，本發明的改性器，其構成是，作為所述改性氣體流路，使用多根回氣管。
如果這樣構成，由于能夠擴大改性氣體流路的導熱面積，利用改性氣體的顯熱高效率地加熱改性催化劑及改性氣體燃料，因此能夠更加提高熱效率。
此外，本發明的改性器，其構成是，所述內側筒狀體及/或外側筒狀體設有彎折部及/或凹凸。
如果這樣構成，由于能夠增加相對排氣的導熱面積，因此能夠更加提高熱效率。
此外，本發明的改性器，其構成是，以相對于所述熱源的同心狀設置有所述改性容器、排氣內側流路及排氣外側流路。
如果這樣構成，由于能夠在圓周方向大致均勻地加熱填充在改性容器內的改性催化劑，因此能夠有效地利用改性催化劑。
(發明的效果)根據本發明的改性器，由于排氣能夠沿改性容器的內側及外側這兩側面流動，因此能夠擴大相對于排氣的改性容器的導熱面積，能夠提高熱效率。此外，通過使生成的改性氣體流過形成在改性容器內的流路，能夠有效利用高溫的改性氣體具有的熱量，能夠更加提高熱效率。
另外，通過將排氣內側流路及/或排氣外側流路的螺旋形狀設定成間距可變及/或位置可移動，對于填充在改性容器內的改性催化劑，能夠控制加熱溫度，無論填充的位置如何，都能夠有效利用改性催化劑。
圖1是根據本發明的第1實施方式的改性器的簡圖，圖1(a)表示上面方向剖面圖，圖1(b)表示A-A剖面圖。
圖2是根據第1應用例的改性容器的要部的簡要放大圖，圖2(a)表示設置有彎折部的剖面圖，圖2(b)表示設置有凹凸的剖面圖。
圖3是根據第2應用例的改性容器的要部的簡要放大圖。
圖4是根據本發明的第2實施方式的改性器的外部散熱片的簡圖，圖4(a)表示放大剖面圖，圖4(b)表示安裝剖面圖。
圖5是根據第3應用例的改性器的外部散熱片的簡圖，圖5(a)表示放大剖面圖，圖5(b)表示安裝剖面圖。
圖6是根據本發明的第3實施方式的改性器的簡圖，圖6(a)表示上面方向剖面圖，圖6(b)表示B-B剖面圖。
圖中1、1a、1b、1c-改性器，2-燃燒器，2c-管，3-內側輻射筒，4-改性容器，5-真空絕熱容器，6-回氣管，7、7a-散熱片，21-火苗，41、41a-內側筒狀體，42、42a-外側筒狀體，41b、42b-彎折部，41c、42c-凹凸，43-改性催化劑，44-改性氣體燃料供給管，30-排氣內側流路，50-排氣外側流路，51-外殼筒，52-絕熱材，60-氣體流路，61-隔板，62-氣體排出口，71、71a-散熱片主體，72-散熱片筒身部，73-安裝用螺桿，74-螺母。
具體實施例方式圖1是根據本發明的第1實施方式的改性器的簡圖，圖1(a)表示上面方向剖面圖，圖1(b)表示A-A剖面圖。
在該圖中，改性器1的構成是，從中心部朝外周方向設置燃燒器2、內側輻射筒3、改性容器4及真空絕熱容器5。
本實施方式的改性器1，是裝入燃料電池的燃料改性裝置中的改性器，雖未圖示，但在改性器1的下方設有燃料改性裝置所需的相關設備，例如水蒸發器、烴原料氣化器、混合烴原料和水蒸氣的混合噴嘴等。
另外，本發明的改性器1，不只局限于作為燃料改性裝置被單元化時，例如，也可以以與水蒸發器等獨立的狀態用于燃料電池。
改性容器4，是具備內側筒狀體41和外側筒狀體42的筒狀的密封容器，內部填充有改性催化劑40。
該改性容器4，將內側筒狀體41和外側筒狀體42形成為圓筒，形成為在這些圓筒上焊接圓環狀的上蓋43及底蓋(未圖示)的雙重圓筒。
另外，改性容器4的內側筒狀體41和外側筒狀體42，不局限于上述形狀，例如，如圖2(a)所示，也可以設計成內側筒狀體41a和外側筒狀體42a，在其上形成有用于增加導熱面積的彎折部41b、42b。此外，也可以代替彎折部41b、42b，如圖2(b)所示，設計成形成凹凸41c、42c的形狀。如果如此形成，由于增加相對排氣的導熱面積，從而能夠更加提高熱效率。
此外，關于改性容器4，有8根改性氣體燃料供給管44在圓周方向以等間隔與底蓋連結，經由該改性氣體燃料供給管44向改性容器4供給改性氣體燃料。如此，通過在圓周方向按等間隔配設改性氣體燃料供給管44，能夠以在圓周方向大致均勻的狀態供給改性氣體燃料，能夠以在圓周方向大致相同的狀態使改性容器4內的改性催化劑40反應。
供給到改性容器4的改性氣體燃料，一邊沿改性容器4內部上升，一邊被改性催化劑40改性成氫氣。
另外，改性氣體燃料供給管44，也不局限于8根，例如，也可以是16根或24根等。
改性容器4，作為用于回收容器上部的空隙45中生成的氫氣的氫氣流路，在上述改性氣體燃料供給管44的之間配設有8根回氣管6。此外，改性容器4，以在容器上部形成空隙45的方式，被填充改性催化劑40，回氣管6，被安裝為，以貫通底蓋的狀態，回氣管6的前端從填充的改性催化劑40的上面突出，以向改性容器4的下方排出滯留在空隙45中的氫氣。
此處，由于通過在改性氣體燃料供給管44的之間配設各回氣管6，從改性氣體燃料供給管44供給的改性氣體燃料大致向上方流動，因此能夠防止出現發生偏流的不良狀況，能夠使改性催化劑40的反應速度在圓周方向大致均勻。因此，直到改性催化劑40的壽命用盡都能以穩定的狀態生成氫氣。
此外，通過在改性容器4的內部設置回氣管6，由于在生成的高溫氫氣沿回氣管6內流動時，加熱周圍的改性催化劑40及改性氣體燃料，因此能夠提高該部分的熱效率。
此外，在本實施方式中，作為氫氣流路使用回氣管6，但也不局限于此構成，如圖3所示，也可以在內側筒狀體41和外側筒狀體42的之間，在垂直方向焊接隔板61，在圓周方向按等間隔形成4條氣體流路60。
該氣體流路60，由于結構簡單，因此能夠實現制造成本的降低。
另外，經過了氣體流路60的氫氣，從氣體排出口62向氣體排出管(未圖示)流出。
改性器1，在改性容器4的下方中心部設置燃燒器2，在該燃燒器2和改性容器4的之間，以使來自燃燒器2的火苗21不與改性容器4直接接觸的方式，設置具有與改性容器4大致同等高度的內側輻射筒3。在該內側輻射筒3和改性容器4的之間形成排氣內側流路30，通過燃燒器2吹向上方的部分排氣，經過該排氣內側流路30向下方向流動，此時與改性容器4的內側側面接觸，加熱改性容器4。
此外，在外殼筒51和改性容器4的外側筒狀體42的之間形成排氣外側流路50，被燃燒器2吹向上方的排氣的殘余部分，經過該排氣外側流路50向下方向流動。此時，排氣與改性容器4的外側側面接觸，加熱改性容器4。
另外，在本實施方式中，作為絕熱手段，使用真空絕熱容器5和設在其內側的絕熱材52。此外，也能夠將收容絕熱材52的外殼筒51的內側側板用于向內側輻射熱。
此處，優選，相對于燃燒器2以同心狀設置改性容器4、排氣內側流路30及排氣外側流路50，如果如此設置，能夠在圓周方向大致均勻地加熱填充在改性容器4內的改性催化劑40，能夠有效地利用改性催化劑40。此外，由于能夠相對于圓周方向使反應條件大致相同，因此能夠防止出現生成的氫氣的濃度因圓周方向而不同的不良狀況。
另外，燃燒器2采用噴出1個火苗的構成，但也不局限于此方式的燃燒器，例如，也可以使用圓環狀噴出火苗的燃燒器。
接著，說明上述構成的改性器1的工作。
改性器1，如果首先點燃燃燒器2，則經過內側輻射筒3上升的排氣就沿排氣內側流路30及排氣外側流路50流動，從改性容器4的內側側面及外側側面這兩側面加熱改性容器4。然后，如果將改性容器4等加熱到規定的溫度，就從改性氣體燃料供給管44供給升溫到大約500℃的改性氣體燃料。
供給的改性氣體燃料，一邊沿改性容器4內上升一邊被加熱，同時通過改性催化劑40引起化學反應，在到達改性容器4的上部時，被改性成氫氣，同時被升溫成大約700℃的高溫氣體。
如上所述生成的氫氣，經過回氣管6被排向改性容器4的下方。另外，在通過回氣管6時，大約700℃的高溫氣體經由回氣管6加熱改性氣體燃料及改性催化劑40。
如此，本實施方式的改性器1，由于從內側及外側這兩面加熱改性容器4，因此能夠擴大導熱面積，提高熱效率。
此外，通過使生成的高溫的氫氣流向配設在改性容器4的內部的回氣管6，由于還能夠加熱改性氣體燃料及改性催化劑40，從而能夠更加提高熱效率。
圖4是根據本發明的第2實施方式的改性器的簡圖，圖4(a)表示軸向剖面圖，圖4(b)表示安裝剖面圖。
在該圖中，改性器1a的構成是，在排氣外側流路50上設置散熱片7。
散熱片7，由插入在外殼筒51內的散熱片筒身部72、和螺旋狀突設在該散熱片筒身部72的內面的散熱片主體71構成，通過排氣與散熱片7接觸而改變流動方向，能夠提高對改性容器4的導熱效率。
該散熱片7，通過在散熱片主體71上貫穿設置貫通孔，在該貫通孔內插入全部由螺桿構成的安裝用螺桿73，被固定在任意的高度位置。
另外，其它的構成與上述改性器1大致相同。
上述構成的改性器1a，由于能夠相對于改性容器4自由地調節散熱片7的高度位置，所以能夠調節改性容器4的高度方向的溫度。即，由于改性容器4內的改性催化劑40，在大約550～650℃的溫度范圍，高效率地進行化學反應，因此通過設置上述散熱片7，能夠強制調節上下方向的改性催化劑40的溫度。
如果如此構成，例如，在向改性容器4中填充大約相當于10年的量的改性催化劑40的情況下，假設改性容器4的下方的改性催化劑40，因溫度相對低而不能充分發揮性能，但是通過調節散熱片7的高度，對于從改性容器4的上部到下部的改性催化劑40來說，都能夠以最適合的溫度進行化學反應，能夠高效率且穩定地生成氫氣，同時能夠有效地使用改性催化劑40。
另外，在本實施方式中，在排氣外側流路50上設置散熱片7，但也可以在排氣內側流路30上設置具有大致相同的結構的散熱片。
此外，在本實施方式中，在排氣外側流路50的局部設置有散熱器7，但也不局限于此構成，例如，如圖5所示，也可以形成重疊不同間距的散熱片7a的構成，如此，能夠同時整體提高導熱效率。
此外，在將間距窄的散熱片7重疊在上級上時，能夠重點使用改性容器4的上部的改性催化劑40，此外，雖未圖示，但在將散熱片7重疊在下級上時，能夠重點使用改性容器4的下部的改性催化劑40。即，例如，由于通過在定期維修時改變散熱片7、7a重疊的順序，能夠變更散熱片(螺旋形狀)的間距，因此不管高度位置如何，都能夠將改性催化劑40加熱到最適合的溫度，能夠有效地使用改性催化劑40全部。
以上，以優選的實施方式說明了本發明的改性器，但是本發明的改性器，并不只局限于上述的實施方式，當然能夠在本發明的范圍內實施種種變更。
例如，改性器1的內側筒狀體41及外側筒狀體42，也可以形成為在軸向上設置彎折部的折皺狀的形狀，即使如此設計，也能夠增大與排氣的導熱面積，能夠提高熱效率。
此外，在固體氧化物型燃料電池(SOFC)中，除發電時的發熱外，由于通常在管燃料電池出口燃燒剩余的氫，因此產生高溫的排氣。在此種情況下，如圖6所示，也可以作為熱源代替燃燒器，采用SOFC的燃料電池2c。如此，改性器1，通過利用從管2c排出的高溫排氣，能夠簡化結構，實現制造成本的降低，同時能夠提高整體的能源效率。
另外，燃料電池2c的數量規定為1個或2個以上。因此，燃料電池2c包括集中單個燃料電池的組套(stack)或燃料電池群(bundle)等。此外，從燃料電池2c排出的高溫水蒸氣等，作為來自熱源的排氣發揮功能。
(產業上的可利用性)本發明的改性器，不局限于作為催化劑采用改性催化劑、作為反應氣體采用改性氣體燃料時，例如，作為按規定的溫度采用催化劑進行化學反應的反應裝置，也能夠應用本發明。
權利要求
1.一種改性器，從烴原料生成改性氣體，其特征在于，具備改性容器，其具有內側筒狀體和外側筒狀體；填充在該改性容器內的改性催化劑；熱源，用于加熱該改性催化劑及供給到所述改性容器的所述烴原料；排氣外側流路，使來自所述熱源的排氣沿所述改性容器的外側側面流動；排氣內側流路，使來自所述熱源的排氣沿所述改性容器的內側側面流動。
2.如權利要求1所述的改性器，其特征在于所述排氣外側流路由所述外側筒狀體和外殼筒形成，并且所述排氣內側流路由所述內側筒狀體和內側輻射筒形成。
3.如權利要求1或2所述的改性器，其特征在于所述排氣內側流路及/或排氣外側流路的至少一部形成為螺旋狀。
4.如權利要求3所述的改性器，其特征在于所述排氣內側流路及/或排氣外側流路的螺旋形狀設為間距可變及/或位置可移動。
5.如權利要求1～4中任一項所述的改性器，其特征在于在所述改性容器內設置有使生成的所述改性氣體流過的改性氣體流路。
6.如權利要求5所述的改性器，其特征在于作為所述改性氣體流路，使用多根回氣管。
7.如權利要求1～6中任一項所述的改性器，其特征在于所述內側筒狀體及/或外側筒狀體設有彎折部及/或凹凸。
8.如權利要求1～7中任一項所述的改性器，其特征在于以相對于所述熱源的同心狀設置有所述改性容器、排氣內側流路及排氣外側流路。
全文摘要
本發明提供一種從烴原料生成改性氣體的改性器(1)，其構成具備改性容器(4)，其具有內側筒狀體(41)和外側筒狀體(42)；填充在該改性容器(4)內的改性催化劑(40)；燃燒器(2)，用于加熱該改性催化劑(40)及改性氣體燃料；排氣外側流路(50)，使燃燒器(2)的排氣沿改性容器(4)的外側側面流動；排氣內側流路(30)，使燃燒器(2)的排氣沿改性容器(4)的內側側面流動；作為改性氣體流路的多根回氣管(6)。
文檔編號H01M8/06GK1914118SQ20058000352
公開日2007年2月14日 申請日期2005年1月24日 優先權日2004年1月30日
發明者東野和志 申請人:出光興產株式會社