ГЕНЕРАТОР ВОДОРОДА И ИСТОЧНИК ЭНЕРГИИ С ТОПЛИВНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ
HYDROGEN GENERATOR AND ENERGY SOURCE WITH FUEL CELL

Область техники
Настоящее изобретение относится к генератору водорода, выполненному с возможностью получать произведенный газ, содержащий высокую концентрацию водорода, путем использования такого углеводородного топлива, как бытовой газ и сжиженный нефтяной газ (LPG), в качестве сырьевого газа, и также относится к источнику энергии с топливным элементом, включающим в себя топливный элемент, выполненный с возможностью давать электроэнергию с помощью использования водорода, производимого генератором водорода.
Уровень техники
Энергетический топливный элемент в основном включает: генератор водорода, выполненный с возможностью получать произведенный газ, содержащий высокую концентрацию водорода; и топливный элемент, выполненный с возможностью давать электроэнергию путем использования водорода, полученного генератором водорода.
Генератор водорода включает в себя: блок для риформинга, выполненный с возможностью давать реформированный газ, содержащий водород, метан, монооксид углерода (в количестве примерно от 10 до 15%), диоксид углерода и пар, подвергая сырьевой газ и пар реакции парового риформинга, используя катализатор риформинга, в котором углеводородное топливо, такое как бытовой газ и сжиженный нефтяной газ, используют в качестве сырьевого газа; и блок для удаления СО, выполненный с возможностью удалять монооксид углерода, проявляющего отравляющее действие на топливный элемент от реформированного газа.
Когда в качестве топливного элемента используют топливный элемент с протонообменной мембраной, то концентрация монооксида углерода, содержащегося в реформированном газе, должна быть удалена до примерно 10 миллионных частей (ppm) (parts per million). Обычно блок для удаления СО включает в себя двухступенчатые блоки, которые включают в себя блок конверсии, выполненный с возможностью удалять монооксид углерода до примерно 0,5% путем реакции смещения, используя катализатор конверсии; и блок селективного окисления, выполненный с возможностью смешивать монооксид углерода и кислород путем использования катализатора селективного окисления, таким образом, окисляя монооксид углерода посредством реакции селективного окисления и уменьшая концентрацию СО до 10 миллионных частей или менее.
С точки зрения уменьшения размера, улучшения эффективности, улучшения характеристики запуска, улучшения стабильности управления, а также снижения затрат, присущих упрощению конструкции, предлагают различные устройства в качестве генератора водорода. В качестве примера этого, для того чтобы осуществить компактный, высокоэффективный генератор водорода, предложен генератор водорода, включающий в себя блок риформинга и блок удаления СО, которые объединяют, и также блок испарения, который обеспечивают полностью смежным со слоем катализатора вместо обеспеченного снаружи генератора водорода. Согласно конструкции достигается оптимальный тепловой баланс и стабильная работа наряду с тем, что генератор водорода используют до максимальной степени, таким образом, уменьшая размер конструкции генератора водорода и также уменьшая стоимость генератора водорода.
Однако когда рабочее состояние генератора водорода (например, нагрузка по выработке электроэнергии на топливный элемент в генераторе водорода, встроенного в систему топливного элемента) изменяется, то производимое количество водорода уменьшают или повышают путем изменения подачи количества сырьевого материала и подачи количества воды. Когда подачу количества воды изменяют от малого количества до большого количества, то большее количество воды подается в блок испарения воды.
Блок испарения воды выполняют с возможностью балансировать, чтобы испарить воду с помощью тепла отходящего из горелки газа горения, окружающего блок испарения воды, и тепла слоя катализатора. Однако когда большое количество воды подается внезапно, то поданная вода испаряется не полностью по ситуации, таким образом, некоторое количество неиспаренной воды может быть подано в катализатор риформинга в виде капли.
Когда капли подаются в катализатор риформинга, то капли поглощают латентную теплоту катализатора риформинга во время испарения капель, так что температура катализатора риформинга локально и внезапно падает. Падение температуры также вызывает падение температуры катализа, локализованное на окружающих участках. В результате, преобразующийся катализатор полностью не может поддерживать стабильное температурное состояние из этого, что может быть причиной колебаний количества полученного водорода.
В катализаторе, снабженном каплями, может произойти мгновенное падение температуры, так что катализатор может получать тепловой удар, и может иметь место растрескивание или расслоение. Соответственно, в конструкции из материалов, использованных при экспертизе заявки, второй блок испарения обеспечивают в более низкой части нижней стороны блока испарения воды, и перегородку обеспечивают на более низкой части и части стороны второго блока испарения. Согласно конструкции, даже если капли будут выбрасываться из блока испарения, капли будут захватываться более низкой частью второго блока испарения, и только пар, генерированный испаряющимися каплями, которые были захвачены, посылается из второго блока испарения (смотри, например, патентный документ № 1).
Документ известного уровня техники
Патентный документ
Патентный документ 1: JP-A-2008-63171
Однако повышение числа компонентов и сложность конструкции может вести к повышению стоимости компонентов или производственных затрат. К тому же, когда блок испарения, который, довольно длинный, является достаточным, чтобы завершить испарение воды, формируют без использования такого отлавливающего устройства, то размер в целом генератора водорода увеличивается, и площадь поверхности генератора становится большой. Таким образом, количество выделяющейся теплоты становится больше, что ухудшает эффективность генератора водорода (т.е. эффективное использование тепла). К тому же увеличение в размере генератора также ведет к повышению стоимости, так что ценность генератора водорода ухудшается.
К тому же, когда проток блока испарения воды образуется как единственный блок путем пространственного расположения, в котором блок испарения и слой катализатора обеспечивают смежными друг с другом (патентный документ 1), то слой катализатора и блок испарения равномерно обмениваются теплом в направлении потока из слоя катализатора. В слое катализатора, таком как слой катализатора конверсии и слой катализатора селективного окисления, реакция конверсии или реакция селективного окисления имеет место в верхней части слоя катализатора, которая находится в ближайшей окрестности его входа. Поэтому температура верхней части слоя катализатора повышается из-за теплоты реакции. Тем временем, температура средней части потока катализаторного слоя или нижней части этого около выхода понижается из-за обмена теплом между слоем катализатора и блоком испарения воды.
Поэтому температура верхней части слоя катализатора повышается, а температура нижней части понижается. Характеристики катализатора ухудшаются, если температура слоя катализатора слишком высокая и слишком низкая. К тому же, когда температура слоя катализатора слишком высокая, то катализатор ухудшается высокой температурой. Следовательно, катализатор следует использовать при температуре теплостойкости или ниже. Если в слое катализатора существует большое температурное распределение, то характеристики катализатора не могут быть в достаточной мере гарантированы.
Целью настоящего изобретения является обеспечить генератор водорода, который может надлежащим образом поддерживать температуру, по меньшей мере, одного из слоев катализатора риформинга, слоя катализатора конверсии и селективного окисляющего слоя и который демонстрирует стабильное функционирование.
Для того чтобы решить вышеупомянутые проблемы, генератор водорода согласно настоящему изобретению включает в себя: линию блока сырьевого материала, выполненную с возможностью подавать сырьевой газ; блок подачи воды, выполненный с возможностью подавать воду; блок испарения воды, присоединенный к блоку подачи сырьевого материала и блоку подачи воды, и выполненный с возможностью превращать поданную воду в пар и смешивать пар с сырьевым газом; горелку, присоединенную к блоку подачи топлива, выполненного с возможностью подавать топливный газ, и блок подачи воздуха, выполненный с возможностью подавать воздух для горения; проток для отходящего газа горения, который обеспечивают на внутренней стороне, нежели блок испарения воды, и через который течет отходящий газ горения; слой катализатора риформинга, выполненный с возможностью получать газовую смесь, подаваемую из блока испарения воды, и производить реформированный газ, содержащий водород, путем реакции парового риформинга газовой смеси с катализатором риформинга; и блок уменьшения монооксида углерода, расположенный снаружи блока испарения воды и выполненный с возможностью получать реформированный газ и уменьшать количество монооксида углерода, содержащегося в реформированном газе, при этом блок испарения воды включает в себя элемент протока, обеспеченный на наружной стороне протока для отходящего газа горения, и определяющий проток через который текут сырьевой газ и вода, и при этом шаг элемента протока в блоке испарения воды изменяется согласно, по меньшей мере, одному из величины теплообмена между протоком для отходящего газа горения и блоком испарения воды и величины теплообмена между блоком испарения воды и блоком уменьшения монооксида углерода.
Преимущества изобретения
Согласно изобретению шаг элемента протока в блоке испарения воды изменяется согласно, по меньшей мере, одному из величины теплообмена между протоком для отходящего газа горения и блоком испарения воды и величины теплообмена между блоком испарения воды и блоком уменьшения моноооксида углерода, таким образом, температура слоя катализатора риформинга может поддерживаться соответственно, и функционирование генератора водорода можно стабилизировать.
Краткое описание чертежей
Фигура 1 представляет собой принципиальную схему, показывающую генератор водорода первого варианта воплощения настоящего изобретения.
Фигура 2 представляет собой принципиальную схему генератора водорода второго варианта воплощения настоящего изобретения.
Фигура 3 представляет собой характерную диаграмму для катализатора конверсии.
Фигура 4 представляет собой характерную диаграмму для катализатора селективного окисления.
Предпочтительный вариант изобретения
Генератор водорода первого изобретения включает в себя: линию блока подачи материала, выполненную с возможностью подавать сырьевой газ; блок подачи воды, выполненный с возможностью подавать воду; блок испарения воды, присоединенный к блоку подачи сырьевого материала и блоку подачи воды, и выполненного с возможностью превращать поданную воду в пар и смешивать пар с сырьевым газом; горелку, присоединенную к блоку подачи топлива, выполненного с возможностью подавать топливный газ к блоку подачи воздуха, выполненному с возможностью подавать воздух для горения; проток для отходящего газа горения обеспечивают на внутренней стороне блока испарения воды и через который из горелки течет отходящий газ горения; слой катализатора риформинга, выполненный с возможностью получать газовую смесь, поданную из блока испарения воды, и производить реформированный газ, содержащий водород, путем реакции парового риформинга газовой смеси с катализатором риформинга; и блок уменьшения монооксида углерода, расположенный на внешней стороне блока испарения воды, и выполненный с возможностью получать реформированный газ и уменьшать количество монооксида углерода, содержащегося в реформированном газе, при этом блок испарения воды включает в себя элемент протока, обеспеченный на внешней стороне протока для отходящего газа горения, и определяющий проток, через который текут сырьевой газ и вода, и при этом шаг элемента протока в блоке испарения воды изменяется согласно, по меньшей мере, одному из величины теплообмена между протоком для отходящего газа горения и блоком испарения воды и величины теплообмена между блоком испарения воды и блоком уменьшения монооксида углерода.
Согласно первому изобретению шаг элемента протока блока испарения воды меняется согласно, по меньшей мере, одному из величины теплообмена между протоком для отходящего газа сгорания и блоком испарения воды и величины теплообмена между блоком испарения воды и блоком уменьшения углерода. Температуру слоя катализатора риформинга и температуру блока уменьшения углерода можно, таким образом, поддерживать соответственно, так что функционирование генератора водорода может быть стабилизировано.
Согласно второму изобретению, особенно в генераторе водорода первого изобретения, шаг элемента протока в блоке испарения воды устанавливают небольшим в части, где желательно повышение, по меньшей мере, одного из величины теплообмена между протоком для отходящего газа горения и блоком испарения воды, и величины теплообмена между блоком испарения воды и блоком уменьшения монооксида водорода.
Согласно второму изобретению шаг элемента протока в блоке испарения воды делают небольшим в части, где желательно повышение величины теплообмена, таким образом, можно поддерживать соответственно температуру слоя катализатора риформинга и температуру блока уменьшения монооксида углерода, что может стабилизировать функционирование генератора водорода.
Согласно третьему изобретению, особенно в генераторе водорода первого или второго изобретения, нижнюю часть блока испарения воды выполняют с возможностью такой, что в величине теплообмена между протоком для отходящего газа горения и блоком испарения воды величина теплообмена между протоком для отходящего газа горения и нижней частью блока испарения воды становится больше, чем величина теплообмена между протоком для отходящего газа горения и частью блока испарения воды, за исключением нижней части этого.
Согласно третьему изобретению нижняя часть блока испарения воды выполнена с возможностью такой, что величина теплообмена между нижней частью блока испарения воды и протоком для отходящего газа горения становится больше, чем величина теплообмена между частью блока испарения воды, за исключением нижней части этого, и протоком для выходящего газа горения. Следовательно, предотвращается подача капель в слой катализатора риформинга, что может стабилизировать функционирование генератора водорода.
Согласно четвертому изобретению, особенно в генераторе водорода любого одного из первого-третьего изобретений, элемент протока блока испарения воды включает в себя двойные цилиндры и спиральную часть отсека, зажатую между цилиндрами, и шаг части отсека в нижней части блока испарения воды меньше, чем шаг элемента отсека в части блока испарения воды, за исключением нижней части этого.
Согласно четвертому изобретению шаг части отсека в нижней части блока испарения воды изготовлен меньшим, чем шаг части отсека в части блока испарения воды, за исключением нижней части этого. Следовательно, величина теплообмена между нижней частью блока испарения воды и протоком для отходящего газа горения может быть повышена с помощью простой конструкции.
Согласно пятому изобретению, особенно в генераторе водорода первого или второго изобретения, блок уменьшения монооксида углерода включает в себя слой катализатора конверсии, выполненный с возможностью получать реформированный газ и уменьшать количество монооксида углерода в реформированном газе путем реакции смещения, используя катализатор конверсии, слой катализатора конверсии располагают смежным с наружной частью блока испарения воды, и слой катализатора выполнен с возможностью такой, что величина теплообмена между блоком испарения воды и верхней частью слоя катализатора конверсии в потоке реформированного газа становится больше, чем величина теплообмена между блоком испарения воды и частью слоя катализатора конверсии, за исключением верхней части этого в потоке реформированного газа.
Согласно пятому изобретению величину теплообмена между блоком испарения воды и верхней частью слоя катализатора конверсии в потоке реформированного газа делают больше, чем величина теплообмена между блоком испарения воды и частью слоя катализатора конверсии, за исключением верхней части этого в потоке реформированного газа. Следовательно, распределение температуры всего катализатора конверсии делают небольшим, таким образом, приводя весь катализатор конверсии в такое температурное состояние, в котором катализатор конверсии проявляет большинство своих свойств. Таким образом, реализуют стабильное функционирование генератора водорода.
Согласно шестому изобретению, особенно в генераторе водорода пятого изобретения, элемент протока блока испарения воды включает в себя двойные цилиндры и спиральную часть отсека, зажатую между цилиндрами, и шаг части отсека в блоке испарения воды около верхней части слоя катализатора конверсии меньше, чем шаг части отсека в блоке испарения воды, расположенной смежной с частью слоя катализатора конверсии, за исключением верхней части этого.
Согласно шестому изобретению шаг части отсека в блоке испарения воды около верхней части слоя катализатора конверсии меньше, чем шаг части отсека в блоке испарения воды, размещенной смежной со слоем катализатора конверсии, за исключением верхней части этого. Следовательно, величина теплообмена между блоком испарения воды и верхней частью слоя катализатора конверсии в потоке реформированного газа может быть сделана больше с помощью простой конструкции.
Согласно седьмому изобретению, особенно в генераторе водорода первого или второго изобретения, блок уменьшения монооксида углерода включает в себя: слой катализатора конверсии, выполненный с возможностью получать реформированный газ и уменьшать монооксид углерода в реформированном газе путем реакции смещения, используя катализатор конверсии; и слой катализатора селективного окисления, в который вводят конвертированный газ из слоя катализатора конверсии, и в котором катализатор селективного окисления уменьшает монооксид углерода в конвертированном газе путем подачи окислителя, слой катализатора селективного окисления размещают смежным с наружной частью блока испарения воды, и величина теплообмена между блоком испарения воды и верхней частью слоя катализатора селективного окисления в потоке реформированного газа становится больше, чем величина теплообмена между блоком испарения воды и частью слоя катализатора селективного окисления, за исключением верхней части этого в потоке реформированного газа.
Согласно седьмому изобретению величину теплообмена между блоком испарения воды и верхней частью слоя катализатора селективного окисления в потоке реформированного газа делают больше, чем величина теплообмена между блоком испарения воды и частью слоя катализатора селективного окисления, за исключением верхней части этого в потоке реформированного газа. Таким образом, температурное распределение всего катализатора селективного окисления делают небольшим, таким образом, приводя весь катализатор селективного окисления в такое температурное состояние, в котором катализатор селективного окисления легко проявляет большинство своих свойств. Таким образом, реализуют стабильное функционирование генератора водорода.
В источнике энергии с топливным элементом восьмого изобретения, особенно согласно водородному генератору седьмого изобретения, элемент протока блока испарения воды включает двойные цилиндры и спиральную часть отсека, зажатую между цилиндрами, и при этом шаг части отсека в блоке испарения воды около верхней части слоя катализатора селективного окисления меньше, чем шаг части отсека в блоке испарения воды, смежной с частью слоя катализатора селективного окисления, за исключением верхней части этого.
Согласно восьмому изобретению шаг части отсека около верхней части слоя катализатора селективного окисления делают меньше, чем шаг части отсека в части слоя катализатора селективного окисления, за исключением верхней части этого. Величина теплообмена между блоком испарения воды и верхней частью слоя катализатора селективного окисления в потоке реформированного газа может быть сделана больше с помощью простой конструкции.
В источник энергии с топливным элементом девятого изобретения включается генератор водорода любого одного из четвертого, шестого или восьмого изобретений, спиральная часть отсека включает металлический круглый стержень.
Согласно девятому изобретению спиральная часть отсека может быть изготовлена с помощью простой конструкции.
В источник энергии с топливным элементом десятого изобретения включается генератор водорода любого одного из первого-девятого изобретений.
Согласно десятому изобретению источник энергии с топливным элементом может стабильно работать с помощью обеспечения генератора водорода, который реализует осуществление стабильной работы.
Варианты воплощения изобретения описаны ниже со ссылкой на чертежи.
(Первый вариант воплощения)
Фигура 1 показывает генератор водорода первого варианта воплощения настоящего изобретения. Генератор водорода включает в себя горелку 4. Горелка 4 смешивает топливный газ, поданный из блока 1 подачи топливного газа, с воздухом, поданным из воздушного вентилятора 3 и доставленным через воздушный проток 2, таким образом, зажигая огонь. Отходящий газ горения, полученный с помощью горелки 4, затекает в проток 16 для отходящего газа горения, размещенный внутри цилиндра 100, и выгружается наружу из генератора водорода через выпуск 13.
Блок 7 испарения воды размещают снаружи протока 16 для отходящего газа горения. Блок 7 испарения воды получает сырьевой газ из блока 5 подачи сырьевого газа и воду из блока 6 подачи воды, и смешивает поданную воду в виде пара с сырьевым газом. Блок 7 испарения воды устроен так, что металлический круглый стержень 8, служащий в качестве спиральной части отсека, зажат между цилиндром 100 и цилиндром 101, для того чтобы образовать пространство между круглым стержнем 8, и что сырьевой газ и вода направляются через пространство вдоль круглого стержня 8. Следовательно, пространство блока 7 испарения воды отделено спиральным круглым стержнем 8, чтобы, таким образом, образовать спиральный проток, окружающий внешнюю периферию цилиндра 100. Иначе говоря, блок 7 испарения воды включает в себя металлический круглый стержень 8, расположенный снаружи протока 16 для отходящего газа горения и служащий в качестве элемента протока, через который текут сырьевой газ и вода.
Для того чтобы эффективно использовать теплоту сгорания от горелки 4, генератор полностью покрывают теплоизоляционным материалом 17.
Спиральный шаг круглого стержня 8 в нижней части блока 7 испарения воды делают меньше, чем спиральный шаг круглого стержня 8 в промежуточной части потока блока 7 испарения воды и спиральной части круглого стержня 8 в верхней части этого. Газовую смесь, содержащую газ сырьевого материала и пар, и посылаемую из блока 7 испарения воды, подают в слой 9 катализатора риформинга, расположенный снаружи протока 16 для отходящего газа горения и в нижней части блока 7 испарения воды.
Реформированный газ, направленный из слоя 9 катализатора риформинга, подают в слой 10 катализатора конверсии, помещенный снаружи блока 7 испарения воды. К тому же, конвертированный газ, направленный из слоя 10 катализатора конверсии, смешивают с воздухом из блока 14 подачи, селективно окисляющего воздух, и потом подают в слой 11 катализатора селективного окисления, который находится в верхней части слоя 10 катализатора конверсии снаружи блока испарения воды. Произведенный газ из слоя 11 катализатора селективного окисления направляют из генератора водорода через выпуск 12 произведенного газа, как произведенный газ, содержащий высокую концентрацию водорода с монооксидом углерода в количестве 10 миллионных частей или менее. Слой 10 катализатора конверсии получает реформированный газ и уменьшает монооксид углерода в реформированном газе путем реакции смещения катализатора конверсии. Конвертированный газ течет из слоя 10 катализатора конверсии и в слой 11 катализатора селективного окисления, и окислитель подают к слою 11 катализатора селективного окисления, таким образом, слой 11 катализатора селективного окисления уменьшает монооксид углерода в конвертированном газе посредством катализатора селективного окисления. Комбинацию слоя 10 катализатора конверсии со слоем 11 катализатора селективного окисления называют как блок уменьшения монооксида углерода. Однако блок уменьшения монооксида углерода может включать в себя, по меньшей мере, слой 10 катализатора конверсии.
Топливный газ, воздух, подаваемые к горелке 4, сырьевой газ, вода, подаваемая в блок 7 испарения воды, и селективно окисляющий воздух, подаваемый к конвертированному газу из слоя 10 катализатора конверсии, могут регулироваться блоком 1 подачи топливного газа, воздушным вентилятором 3, блоком 5 подачи сырьевого газа, блоком 6 подачи воды, и блоком 14 подачи селективно окисляющего воздуха посредством сигнала от блока 15 управления.
Блок 1 подачи топливного газа, воздушный вентилятор 3, блок 5 подачи сырьевого газа, блок 6 подачи воды и блок 14 подачи селективно окисляющего воздуха выполнены с такой возможностью, чтобы быть способными регулировать соответствующие подачи (топливного газа, сырьевого газа, воды, горючего газа, такого как отходящий газ, и воздуха). Компоновка для регулирования расхода может быть питающим насосом (средства привода), способным на изменение расхода выгрузки подачи, или механизмом управления потоками, включая комбинацию источника подачи и клапана для регулирования расхода подачи, расположенного в нижней части протока.
Теперь описывается работа соответствующих блоков генератора водорода, включая вышеприведенную компоновку.
Горелка 4 смешивает топливный газ с воздухом и подвергает газовую смесь воздействию высоковольтного электрического разряда (компоновка для электрического разряда не показана), таким образом, зажигая огонь и давая высокотемпературный отходящий газ горения, и подает газ в проток 16 для отходящего газа горения.
Блок 7 испарения воды, который получил воду и сырьевой материал, испаряет воду с помощью тепла от отходящего газа горения в протоке 16 для отходящего газа горения, текущего через внутреннюю сторону блока 7 испарения воды через теплообменник. Одновременно пар смешивается с сырьевым газом, текущим через такой же проток в блоке 7 испарения воды, и получающийся в результате газ подается как газовая смесь в слой 9 катализатора риформинга. Слой 9 катализатора риформинга нагревают (обычно до 600-700°C) высокотемпературным отходящим газом горения, текущим на внутренней стороне слоя 9 катализатора риформинга. Газовая смесь, содержащая сырьевой газ и пар, подается в слой 9 катализатора риформинга, таким образом, реформированный газ, содержащий водород, монооксид углерода и диоксид углерода, производят с помощью реакции парового риформинга.
Слой 10 катализатора конверсии поддерживают при температуре (150-300°C), оптимальной для реакции смещения, путем теплообмена с блоком 7 испарения воды, расположенным смежным со слоем 10 катализатора и на внутренней стороне слоя 10 катализатора. Монооксид углерода высокой концентрации (10-15%) в реформированном газе превращают в диоксид углерода, таким образом, концентрация монооксида углерода уменьшается до низкого уровня (около 0,5%). Слой 11 катализатора селективного окисления также поддерживают при температуре (около 150°C), оптимальной для реакции селективного окисления, с помощью тепла, обмененного с блоком 7 испарения воды, расположенного смежным со слоем 11 катализатора селективного окисления и на внутренней стороне слоя 11 катализатора селективного окисления. Воздух, подаваемый из блока 14 подачи воздуха селективного окисления, примешивают в конвертированный газ, таким образом, монооксид углерода в конвертированном газе уменьшается до ультра-малых концентраций 10 миллионных частей или менее с помощью реакции селективного окисления.
Если приводящая нагрузка (т.е. произведенное количество водорода) генератора водорода изменяется, то блок 15 управления изменяет условия подачи так, чтобы приспособиться к приводящей нагрузке. Например, если получена команда для изменения условия (TDR 50) для получения количества водорода, которое составляет 50% от расчетного режима, до условия (TDR 100) для получения количества водорода, соответствующего расчетному режиму, то блок 5 подачи сырьевого газа, блок 6 подачи воды и блок 14 подачи воздуха для селективного окисления регулируются в соответствии с сигналом из блока 15 управления, таким образом, увеличиваются количество сырьевого газа, величина подачи воды и количество воздуха для селективного окисления.
В это время блок 7 испарения воды повышает количество воды из условия, при котором необходимую воду для TDR 50 подали к количеству воды, требуемому для TDR 100 (например, 10 г/мин). Обычно количество воды, требуемое для TDR 100, составляет приблизительно вдвое больше количества воды, требуемое для TDR 50 (например, 5 г/мин). Поэтому точка завершения испарения в блоке 7 испарения сдвигается вниз.
В частности, при TDR 50 вода при комнатной температуре (примерно 20°C), поданная из блока 6 подачи воды, входит в блок 7 испарения воды и подогревается путем получения тепла отходящего газа горения, текущего через проток 16 для отходящего газа горения, тепла слоя 11 катализатора селективного окисления и тепла от слоя 10 катализатора конверсии. В результате испарение воды полностью заканчивается вблизи части середины потока слоя 10 катализатора конверсии, таким образом вода переходит в пар, имея температуру 100°C или выше.
Однако если количество воды подано при TDR 100, которое является удвоенным количеством воды, то испарение воды не кончается вблизи части середины потока слоя 10 катализатора конверсии, и вода находится в парожидкостном двухслойном состоянии, имея температуру 100°C в части середины потока. Поток течет еще вниз, чтобы, таким образом, получить тепло слоя 10 катализатора конверсии и тепло отходящего газа горения, таким образом, испарение воды заканчивается на выходе слоя 10 катализатора конверсии и в еще более нижней части.
Поскольку слой 9 катализатора риформинга существует ниже блока 7 испарения воды в это время, то точка завершения испарения отклоняется вниз, и испарение воды заканчивается в слое 9 катализатора риформинга после выхода из блока 7 испарения воды. В это время жидкая вода, имеющая температуру 100°C, подается в слой 9 катализатора риформинга. Поскольку испарение требует латентной теплоты, большое количество тепла окружающего катализатора будет поглощаться, и катализатор может прийти к температуре 100°C.
В частности, когда точка завершения испарения находится в части середины потока слоя 10 катализатора конверсии при TDR 50, то температура пара повышается из-за теплосодержания в нижней части относительно точки завершения испарения. Поэтому верхняя часть слоя 9 катализатора риформинга находится при высокой температуре 400°C.
Если количество воды повысили от этого состояния, как в TDR 100, так что состояние внезапно изменяется до состояния, в котором точка завершения испарения размещается в слое 9 катализатора риформинга, то температура верхней части слоя 9 катализатора риформинга резко падает от 400°C до 100°C. Когда термический шок из-за падения температуры распространяется на катализатор, может иметь место растрескивание катализатора.
К тому же падение температуры может иметь место во всем слое катализатора, таким образом, вынуждение падения температуры во всем слое катализатора, или температурное распределение, включая локально низкую температуру, могут иметь место из-за локального падения температуры. Если такое температурное состояние имеет место, то реакция риформинга слоя 9 катализатора риформинга не будет стабильно в достаточной мере осуществлена. В результате, произведенное количество водорода будет становиться меньше, или количество произведенного водорода будет становиться нестабильным.
В настоящем изобретении для того, чтобы промотировать теплопередачу в нижней части блока 7 испарения воды, для того чтобы предотвратить возникновение такой неудачи, шаг спирального круглого стержня 8 в нижней части блока 7 испарения воды делают меньше, чем шаг в части за исключением нижней части блока 7 испарения воды. Уменьшение шага может продлевать время, в течение которого вода, текущая вдоль спирального круглого стержня 8, достигает слоя 9 катализатора риформинга, что может продлевать время для получения водой тепла от отходящего газа горения, слоя 10 катализатора конверсии, а также окружающих высокотемпературных участков. Следовательно, вода полностью испаряется перед достижением слоя 9 катализатора риформинга.
Следовательно, шаг спирального круглого стержня 8, образованный в нижней части блока 7 испарения воды, делают меньше, чем шаг части за исключением нижней части блока 7 испарения воды, таким образом, спиральный проток в нижней части блока 7 испарения воды становится длиннее. Время движения воды, текущей через спиральный проток, также становится продолжительней, и величина теплообмена между нижней частью блока 7 испарения воды и протоком 16 для отходящего газа горения, соответствующего нижней части, становится больше. С помощью увеличения величины теплообмена вода полностью испаряется, а подача капель в слой 9 катализатора риформинга предотвращается, для того чтобы функционирование генератора водорода могло быть стабилизировано.
В варианте воплощения шаг между элементом протока (круглый стержень 8) блока 7 испарения воды изменяется согласно величине теплообмена между протоком 16 для отходящего газа горения и блоком 7 испарения воды. К тому же, шаг элемента протока (круглый стержень 8) блока 7 испарения воды в части, где желательно повышение величины теплообмена, делают маленьким. Следовательно, температура слоя катализатора риформинга может поддерживаться соответственно, и функционирование генератора водорода может быть стабилизировано.
Величина теплообмена, упоминающаяся в настоящем варианте воплощения, означает величину теплообмена на единицу площади.
(Второй вариант воплощения)
Фигура 2 показывает генератор водорода второго варианта воплощения настоящего изобретения. Конструкция блока 7 испарения воды второго варианта воплощения отличается от конструкции первого варианта воплощения, показанной на фигуре 1.
На фигуре 2 блок 7 испарения воды выполнен с возможностью такой, что вблизи слоя 10 катализатора конверсии шаг металлического круглого стержня 18, служащего в качестве спиральной части отсека блока 7 испарения, смежной с верхней частью слоя 10 катализатора конверсии в потоке реформированного газа, делают меньше, чем шаг спирального круглого стержня 18, размещенного смежным с частью слоя 10 катализатора конверсии за исключением верхней части этого.
К тому же блок 7 испарения воды выполнен с возможностью такой, что вблизи слоя 11 катализатора селективного окисления шаг металлического круглого стержня 18, служащего в качестве спиральной части отсека блока 7 испарения воды, смежного с верхней частью слоя 11 катализатора селективного окисления в потоке реформированного газа, делают меньше, чем шаг спирального круглого стержня 18, размещенного смежным с частью слоя 11 катализатора селективного окисления за исключением верхней части этого.
Слой 10 катализатора конверсии получает реформированный газ из слоя 9 катализатора риформинга, таким образом, количество СО от 10 до 15%, содержащееся в реформированном газе, уменьшается до 0,5% путем реакции смещения. Реакция смещения является экзотермической реакцией и обыкновенно имеет место в верхней части слоя 10 катализатора конверсии, снабжаемого реформируемым газом.
Фигура 3 показывает характерную диаграмму для СО относительно температуры катализатора конверсии. Из фигуры 3 видно, что концентрация СО увеличивается при обеих чрезмерно высокой температуре и чрезмерно низкой температуре.
Горячий реформированный газ подается из слоя 9 катализатора риформинга к слою 10 катализатора конверсии. Потом газ подвергается экзотермической реакции в верхней части слоя катализатора конверсии, газ течет по направлению к нижней части, наряду с тем, что сопровождается передачей тепла к блоку 7 испарения воды и отдачей тепла внешнему окружению слоя катализатора конверсии. Однако температура повышается от верхней части до нижней части слоя катализатора конверсии. Концентрация СО в конвертированном газе, подаваемом из слоя 10 катализатора конверсии, представляет характеристику такую, как например та, которая показана на фигуре 3 согласно температуре катализатора на выходе из слоя 10 катализатора конверсии. Следовательно, когда температура на выходе из слоя катализатора конверсии становится слишком низкой, СО в конвертированном газе доходит до 0,5% или более.
Следовательно, выход из слоя 10 катализатора конверсии выполнен с возможностью приобретать температуру, при которой концентрация СО не превышает 0,5%. Однако температуру на выходе из слоя катализатора конверсии устанавливают на определенном уровне, чтобы не стала слишком низкой, температура верхней части слоя 10 катализатора конверсии также повышается соответственно. Если температура катализатора является чрезмерно высокой, катализатор (Cu-Zn, Fe-Cr или подобное) на носителе катализатора, который показывает каталитическую реакцию, становится больше за счет агрегации, которая ухудшает каталитическое свойство. Поэтому необходимо предотвращать чрезмерно высокую температуру катализатора, чтобы не превышать температуру теплостойкости, при которой каталитическое свойство становится хуже.
С этой целью повышение температуры в верхней части слоя катализатора следует уменьшить, наряду с тем, что температура нижней части слоя катализатора устанавливается на высоком уровне до некоторой степени. Как описано во втором варианте воплощения, показанном на фигуре 2, шаг спирального круглого стержня 18 в верхней части слоя 10 катализатора конверсии делают меньше, чем шаг круглого стержня 18 в части слоя 10 катализатора конверсии, за исключением верхней части этого, таким образом, делая продолжительней период времени, в течение которого вода или пар, имеющий низкую температуру течет через блок 7 испарения воды. Величина теплообмена между блоком 7 испарения воды и верхней части слоя 10 катализатора конверсии, таким образом, повышается.
С этой целью температура слоя 10 катализатора конверсии может быть сдержана, чтобы не превысить температуру теплостойкости катализатора. Также температура нижней части слоя 10 катализатора может поддерживаться на более высоком уровне, для того чтобы можно было поддерживать стабильную характеристику генератора водорода.
Слой катализатора 11 селективного окисления получает конвертированный газ из слоя 10 катализатора конверсии и воздух из блока 14 подачи воздуха для селективного окисления, таким образом, количество 0,5% СО, содержащееся в конвертированном газе, уменьшается до 10 миллионных частей или менее посредством реакции селективного окисления. Реакция селективного окисления также является экзотермической реакцией и немедленно происходит, когда конвертированный газ и воздух подают в слой 11 катализатора селективного окисления.
Фигура 4 показывает характерную для СО диаграмму относительно температуры катализатора селективного окисления. Согласно фигуре 4, понятно, что количество СО становится высоким даже когда температура является чрезмерно высокой или низкой. Подобно слою 10 катализатора конверсии, температура слоя 11 катализатора селективного окисления понижается от верхней части до нижней части после экзотермической реакции, происшедшей в верхней части слоя 11 катализатора селективного окисления посредством передачи тепла к блоку 7 испарения воды и отдачи тепла внешнему окружению.
Реакция селективного окисления заканчивается в верхней части после вхождения в слой 11 катализатора селективного окисления. Поэтому состояние СО на выходе из слоя 11 катализатора селективного окисления определяется температурой верхней части. Предпочтительно, что верхняя часть устанавливается в температурном состоянии, в котором демонстрируется превосходная характеристика для СО, показанная на фигуре 4. Однако если температура чрезмерно понижается, температура на выходе из слоя 11 катализатора селективного окисления также понижается, с тем результатом, что температура произведенного газа, выходящего из слоя 11 катализатора селективного окисления, также понижается.
Когда температура произведенного газа доходит до уровня, равного температуре конденсации или менее из-за чрезмерного понижения температуры произведенного газа, то может наступить температура конденсации пара в произведенном газе. Если наступает температура конденсации и если вода с температурой конденсации подается в слой 11 катализатора селективного окисления, то тепло катализатора, имеющего высокую температуру, будет поглощаться повторным испарением воды при температуре конденсации, после чего температура катализатора понижается.
Температурный баланс слоя 11 селективного катализатора тогда понижается, таким образом, являясь причиной температуры в верхней части слоя катализатора селективного окисления, что может аннулировать СО, содержащийся в произведенном газе из уменьшенного до уровня 10 миллионных частей или менее. Более того, вода (вода от конденсации) испаряется в месте, отличающемся от обычного места. По этой причине, происходит большое изменение объема из-за превращения воды в пар при испарении, и стабильная характеристика всего генератора водорода не может поддерживаться по причинам турбулентности (пульсации) в газе, текущем во внутренней части генератора водорода.
Следовательно, для того чтобы предотвратить повышение температуры верхней части слоя катализатора, несмотря на то что падение температуры в нижней части слоя 11 катализатора селективного окисления подавляется, величина теплообмена между блоком 7 испарения воды и верхней частью слоя 11 катализатора селективного окисления должна быть увеличена. Как описано в варианте воплощения, шаг спирального круглого стержня 18 в верхней части слоя 11 катализатора селективного окисления делают меньше, чем шаг круглого стержня 18 в части слоя 11 катализатора селективного окисления, за исключением верхней части этого, таким образом, делая период времени, в течение которого вода с низкой температурой или пар течет через блок 7 испарения воды более продолжительным, чем период времени, в течение которого вода или пар течет через оставшуюся часть слоя 11 катализатора селективного окисления, таким образом, величина теплообмена между блоком 7 испарения воды и слоем 11 катализатора селективного окисления увеличивается. Повышение температуры в верхней части слоя 11 катализатора селективного окисления, таким образом, предотвращается, так что температурное распределение от верхней части до нижней части может быть сделано меньшим. Таким образом, может быть реализована стабильная работа генератора водорода.
В данном варианте воплощения шаг между элементом протока (круглый стержень 8) блока 7 испарения воды изменяют согласно величине теплообмена между протоком 16 для отходящего газа горения и блоком уменьшения монооксида углерода (слой 10 катализатора конверсии и слой 11 катализатора селективного окисления). Более того, шаг между элементом протока (круглый стержень 8) блока 7 испарения воды делают меньше в месте, где желательно увеличение величины теплообмена. В результате температура слоя катализатора риформинга может поддерживаться соответственно, и функционирование генератора водорода может быть стабилизировано.
Величина теплообмена, упоминаемая в настоящем описании, означает величину теплообмена на единицу площади.
В варианте воплощения как шаг спирального круглого стержня 18 в верхней части слоя 10 катализатора конверсии, так и шаг спирального круглого стержня 18 в нижней части слоя 11 катализатора селективного окисления делают меньше. Однако шаги могут быть выполнены раздельно с тем, чтобы приспособить к генератору водорода. Например, только шаг круглого стержня 18 в верхней части слоя 10 катализатора конверсии может быть сделан меньше, или только шаг круглого стержня 18 в верхней части слоя 11 катализатора селективного может быть сделан меньше.
Может быть принята конструкция, в которой первый вариант воплощения и второй вариант воплощения могут одновременно функционировать в комбинации.
В вариантах воплощения проток в блоке 7 испарения воды образуется путем использования спиральных круглых стержней 8 и 18. Однако для образования протока может также быть использован материал, имеющий любую форму, такой как спиральный пластинчатый или трубчатый материал, при условии, что материал дает возможность плавного течения воды по спиральной форме, имея функцию секционирования.
Более того, стабильная работа источника энергии с топливным элементом становится возможной путем обеспечения источника энергии с топливным элементом с генератором водорода, описанным в первом или втором варианте воплощения.
Настоящее изобретение не ограничивается описаниями, предложенными для вариантов воплощения, и может быть подвергнуто модификациям и изменениям, придуманным специалистами в данной области техники на основании описаний спецификации и хорошо известных техник. Модификации и изменения должны попадать в объем, в котором испрашивается защита.
Настоящее изобретение основано на японской заявке на патент (заявка № JP 2008-128024), зарегистрированной 15 мая 2008 года, полный предмет которого включен в настоящее описание посредством этой ссылки.
Промышленное применение
Генератор водорода настоящего изобретения реализует стабильную подачу водорода в виде оборудования, которое компактно, высокоэффективно и достигает низкой стоимости. Генератор водорода полезен, например, в качестве оборудования для снабжения произведенным газом, содержащим водород, бытовой системы топливных элементов.
Описание ссылочных знаков
1. Блок подачи топливного газа
2. Проток для воздуха
3. Воздушный вентилятор
4. Горелка
5. Блок подачи сырьевого газа
6. Блок подачи воды
7. Блок испарения воды
8, 18. Круглый стержень
9. Слой катализатора риформинга
10. Слой катализатора конверсии
11. Слой катализатора селективного окисления
12. Выход произведенного газа
13. Выпуск
14. Блок подачи воздуха для селективного окисления
15. Блок управления
16. Проток для отходящего газа горения
17. Изоляционный материал
100. Цилиндр
101. Цилиндр