УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫРАБОТКИ ВОДОРОДА И ОБОРУДОВАННАЯ ИМ СИСТЕМА ТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА
APPARATUS FOR PRODUCING HYDROGEN AND FUEL CELL SYSTEM EQUIPPED WITH SAID APPARATUS

Область техники
Настоящее изобретение касается устройства для выработки водорода, сконструированного для получения богатого водородом водородсодержащего газа при использовании в качестве исходного газа углеводородного топлива, такого как бытовой газ и сжиженный природный газ (LPG), а также касается системы топливного элемента, включающей в себя топливный элемент, сконструированный для выработки электрической энергии путем использования водородсодержащего газа, полученного с помощью упомянутого выше устройства.
Уровень техники
Система топливного элемента, способная эффективно генерировать электрическую энергию в малом масштабе, облегчает формирование системы для использования тепловой энергии, выделяемой во время выработки электрической энергии. По этой причине была разработана система топливного элемента как распределенная система для выработки энергии с высокой эффективностью использования энергии. Данная система топливного элемента включает в себя топливный элемент, сконструированный так, чтобы превращать химическую энергию водородсодержащего топливного газа и химическую энергию окислительного газа в электрическую энергию с помощью определенной электрохимической реакции. Электрическая энергия, генерируемая топливным элементом, подается от системы топливного элемента на электрическую нагрузку.
Инфраструктура для водородсодержащего топливного газа, используемого в системе топливного элемента, в общем, еще не построена. Поэтому система топливного элемента обычно включает в себя устройство для выработки водорода для выработки топливного газа. Такое устройство для выработки водорода, обеспеченное для системы топливного элемента, включает в себя, например, ячейку реформинга, включающую в себя катализатор реформинга, и горелку сгорания, расположенную возле ячейки реформинга или встроенную в нее. Горелка для сжигания обеспечена вентилятором сгорания. В горелке сгорания сгорание происходит путем использования ненужного топливного газа (далее называемого "отходящий газ"), выходящего из топливного элемента, и воздуха для сгорания, подаваемого от вентилятора сгорания. Устройство для выработки водорода производит обогащенный водородом газ сгорания путем использования реакции парового реформинга, протекающей в ячейке реформинга с помощью исходного газа, такого как природный газ, воды и катализатора реформинга, нагреваемого данной горелкой сгорания.
Различные устройства для выработки водорода были предложены с точки зрения снижения размера, более высокой эффективности, улучшенной стабильности работы и снижения стоимости. Например, конфигурация реформинга, имеющая компактную, цилиндрическую и вертикально вытянутую форму, или цилиндрическая конфигурация, имеющая интегрированную структуру, включающую в себя ячейку реформинга и ячейку устранения моноксида углерода, предлагается в качестве общей конфигурации (смотри, например, патентные документы 1 и 2).
Кроме того, известно устройство для выработки водорода, включающее в себя цилиндрическую ячейку реформинга, сконструированную так, чтобы окружать горелку сгорания, чтобы улучшить тепловую эффективность (смотри, например, патентный документ 3). Устройство для выработки водорода, описанное в патентном документе 3, включает в себя ячейку реформинга, сконструированную так, чтобы осуществлять реакцию парового реформинга, и ячейку сдвига, сконструированную так, чтобы осуществлять реакцию сдвига, чтобы снижать содержание моноксида углерода в газе, которые интегрально вмещаются в цилиндрический контейнер. Цилиндрический контейнер соединяется с трубами, которые формируют проточный канал для подачи исходного газа, отходящего газа, воды и воздуха для целей сгорания и проточный канал для выпуска водорода, выпускаемого из устройства для выработки водорода, и выхлопных газов сгорания, выпускаемых из горелки сгорания.
Устройство для выработки водорода обычно весит от 10 до 20 кг. По этой причине было предложено, что устройство для выработки водорода поддерживается на раме системы топливного элемента и прикрепляется к ней, когда собирается как система топливного элемента вместе с топливным элементом (смотри, например, патентный документ 4). В устройстве для выработки водорода, описанном в патентном документе 4, когда ячейка реформинга и ячейка сдвига СО расположены отдельно друг от друга, соединительная труба для присоединения теплообменника к ячейке реформинга находится между ячейкой реформинга и ячейкой сдвига СО. Как описано в патентном документе 1, топливная горелка, ячейка реформинга, теплообменник, ячейка сдвига СО и ячейка окисления СО интегрально сформированы ввиду: снижения эффективности, вызванного рассеянием тепла от соединительной трубы, которая связывает теплообменник, расположенный между ячейкой реформинга и ячейкой сдвига СО, к ячейке реформинга, в случае, когда ячейка реформинга и ячейка сдвига СО являются отдельно обеспеченными; и повреждения, вызываемого концентрацией термических напряжений в соединении между соединительной трубой и ячейкой реформинга или теплообменником. Кроме того, в устройстве реформинга топлива, вставленном в основную пакетную ячейку системы топливного элемента, устройство реформинга топлива присоединяется к данной основной пакетной ячейке так, что относительно низкотемпературная часть или часть, требующая охлаждения, присоединяется к основной пакетной ячейке с помощью фланцевой части. Соответственно, предотвращается снижение эффективности, вызванное теплом, рассеиваемым посредством данного соединительного узла. Например, в горелке сгорания, обеспеченной в устройстве реформинга, фланцевая часть, которая является относительно низкотемпературной частью, расположенной вблизи части для ввода топлива/воздуха и анодного отходящего газа, присоединяется к кронштейну, и устройство реформинга сконструировано так, чтобы косвенным образом поддерживаться основной пакетной ячейкой посредством данного кронштейна.
Документы предшествующего уровня техники
Патентные документы
Патентный документ 1: JP-А-2005-306658
Патентный документ 2: JP-А-2004-149402
Патентный документ 3: JP-А-2008-063171
Патентный документ 4: JP-А-2002-284506
Однако в устройстве для выработки водорода слой катализатора реформинга (ячейка реформинга) нагревается до высокой температуры от 600°С до 700°С во время работы, и, следовательно, металлическая структура, служащая в качестве основного элемента устройства для выработки водорода, находящаяся при температуре, при которой слой катализатора реформинга может вызывать реакцию, также находится при подобной температуре. Так как металлическая структура подвергается тепловому расширению соответственно температуре, большие напряжения иногда возникают в данной металлической структуре в ее вертикальном направлении по причине теплового расширения. Если такое напряжение возникает, когда трубы, такие как газовая труба и водяная труба, или соединение между металлической структурой и внешней опорой находится верхняя часть или нижняя часть данной металлической структуры, большое напряжение может воздействовать на данную трубу или соединение, вызывая повреждение, такое как деформация, образование трещин или разрушение.
Целью настоящего изобретения является обеспечение устройства для выработки водорода и оборудованную им систему топливного элемента, которые снижают возможность разрушения элементов, таких как различные трубы, присоединенные к основному элементу устройства для выработки водорода, по причине термических напряжений, вызванных тепловым расширением во время работы и усадкой при охлаждении во время остановок.
Устройство для выработки водорода настоящего изобретения содержит: основное тело, содержащее ячейку сгорания, которая обеспечена в нем и сконструирована так, чтобы сжигать определенную среду, способную к выработке водорода; и множество труб, присоединенных к данному основному телу, позволяющих определенной среде втекать в основное тело и вытекать из него, где температурный градиент образуется в основном теле при работе ячейки сгорания, из-за чего высокотемпературная часть и низкотемпературная часть образуются в основном теле, где все из множества труб находятся в низкотемпературной части и где упомянутое устройство для выработки водорода дополнительно содержит опору, которая поддерживает основное тело с внешней стороны низкотемпературной части.
В данной конфигурации все из различных труб расположены в части основного тела, которая имеет низкую температуру во время работы, и опора основного тела также находится в низкотемпературной части. В низкотемпературной части термические напряжения, вызываемые тепловым расширением основного тела во время работы и усадкой при охлаждении основного тела во время остановки, являются относительно небольшими. Поэтому настоящая конфигурация может снижать возможность того, что трубы, основное тело и опора повреждаются от термических напряжений.
Предпочтительно, в данном устройстве для выработки водорода, тело, образующее трубчатые отверстия, имеющее трубчатое отверстие, используемое для соединения, по меньшей мере, с частью из множества труб, обеспечено в низкотемпературной части основного тела, и опора присоединяется к телу, образующему трубчатые отверстия, чтобы поддерживать основное тело.
В данной конфигурации, по меньшей мере, часть из множества труб и опора присоединяются к телу, образующему трубчатые отверстия, расположенному в низкотемпературной части. Поэтому становится возможным сильнее предотвращать разрушение труб, основного тела и опоры, вызванное термическими напряжениями.
Предпочтительно, все из множества труб присоединяются к данному телу, образующему трубчатые отверстия.
В данной конфигурации все из множества труб присоединяются к телу, образующему трубчатые отверстия. Поэтому становится возможным сильнее предотвращать разрушение труб, основного тела и опоры, вызванное термическими напряжениями. Кроме того, можно облегчить сборку и обслуживание устройства для выработки водорода.
Предпочтительно, в данном устройстве для выработки водорода основное тело содержит: ячейку реформинга, сконструированную так, чтобы подвергать исходный газ, служащий в качестве определенной среды, и пар реакции реформинга, тем самым генерируя реформированный газ, содержащий водород; ячейку сдвига, сконструированную так, чтобы уменьшать содержание моноксида углерода в реформированном газе с помощью реакции сдвига СО; и ячейку окисления, сконструированную так, чтобы подвергать реформированный газ, в котором содержание моноксида углерода уменьшено с помощью ячейки сдвига, окислению СО при соединении с кислородом, тем самым дополнительно уменьшая содержание моноксида углерода, и множество труб и опора находятся на более низкотемпературной стороне низкотемпературной части, чем ячейка сдвига и ячейка окисления.
В данной конфигурации различные трубы и данная опора основного тела находятся на более низкотемпературной стороне низкотемпературной части, чем ячейка сдвига и ячейка окисления. Поэтому данная конфигурация может предотвращать разрушение труб, основного тела и опоры, вызываемое термическими напряжениями.
Предпочтительно помещать ячейку реформинга, ячейку сдвига и ячейку окисления так, чтобы не перекрывались в направлении температурного градиента.
Устройство для выработки водорода часто конструируют так, чтобы оно становилось длиннее в направлении температурного градиента. При тепловом расширении данные элементы могут становиться длиннее в направлении температурного градиента с высокой возможностью. Данная конфигурация может подавлять влияние распространения из-за теплового расширения.
Предпочтительно, теплоизолятор обеспечивается между основным телом и опорой, и пространство обеспечивается между теплоизолятором и гранью основного тела на высокотемпературной стороне, которая противостоит теплоизолятору. Более предпочтительно, данное пространство имеет большую длину, чем длина распространения основного тела, когда основное тело термически расширяется во время работы ячейки сгорания.
В данной конфигурации, даже когда основное тело увеличивается по причине теплового расширения во время работы, основное тело не сталкивается с теплоизолятором. Поэтому поддерживается стабильное исполнение тепловой изоляции.
Предпочтительно, тело, образующее трубчатые отверстия, прикрепляется к опоре, по меньшей мере, в двух частях, расположенных так, чтобы оставлять посередине трубчатые отверстия.
В данной конфигурации, тело, образующее трубчатые отверстия, прикрепляют к опоре, по меньшей мере, в двух частях, тогда как трубчатые отверстия остаются посередине между данными частями. Следовательно, предотвращается деформация из-за термических напряжений. Соответственно, так как движение трубчатых отверстий также подавляется, можно более эффективно предотвращать разрушение труб, присоединенных к трубчатым отверстиям.
Предпочтительно, тело, образующее трубчатые отверстия, расположено у одного конца основного тела, в осевом направлении основного тела.
В данной конфигурации, основное тело поддерживается опорой вблизи одного конца основного тела посредством тела, образующего трубчатые отверстия. Следовательно, основное тело может термически, свободно деформироваться в направлении другого конца основного тела, который не удерживается опорой. Соответственно, можно предотвращать возникновение повреждения в особом месте основного тела, которое вызывается термическими напряжениями.
Предпочтительно, теплоизолятор обеспечивается между основным телом и телом, образующим трубчатые отверстия.
В данной конфигурации, данный теплоизолятор может предотвращать теплопроводность от основного тела к телу, образующему трубчатые отверстия. Следовательно, изменение температуры, возникающее в теле, образующем трубчатые отверстия, может дополнительно снижаться. Когда возникает изменение температуры между работой устройства для выработки водорода и его остановкой, термические напряжения, образующиеся вблизи трубчатых отверстий, могут быть снижены.
Обеспечена система топливного элемента, содержащая устройство для выработки водорода и топливный элемент, сконструированный так, чтобы производить электрическую энергию путем использования водородсодержащего газа, подаваемого из устройства для выработки водорода.
Данная система топливного элемента обеспечивает предотвращение разрушения и повреждения труб устройства для выработки водорода, тем самым делая работу системы топливного элемента стабильной, а срок службы системы топливного элемента более продолжительным.
Устройство для выработки водорода или система топливного элемента настоящего изобретения могут предотвращать повреждение или разрушение частей устройства для выработки водорода, вызванные термическими нагрузками, возникающими в связи с повторяющимися запусками и остановками. Таким образом, стабильность устройства и системы улучшается, тем самым увеличивая срок службы данного устройства и системы.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 представляет собой блок-схему, показывающую общую конфигурацию системы топливного элемента первого варианта осуществления.
Фиг.2 представляет собой продольный вид в разрезе основной части основного элемента устройства для выработки водорода первого варианта осуществления.
Фиг.3 представляет собой увеличенный вид части на фиг.2.
Фиг.4 представляет собой вид спереди устройства для выработки водорода.
Фиг.5(а) представляет собой вид сверху устройства для выработки водорода, фиг.5(b) представляет собой вид сверху устройства для выработки водорода для объяснения первой модификации расположения крепежного элемента, а фиг.5(с) представляет собой вид сверху устройства для выработки водорода для объяснения второй модификации расположения крепежного элемента.
Фиг.6 представляет собой вид спереди модификации устройства для выработки водорода.
Фиг.7 представляет собой вид спереди устройства для выработки водорода, показывающий модификацию держателя.
Фиг.8 представляет собой вид в разрезе, показывающий общую конфигурацию генератора водорода (устройства для выработки водорода) второго варианта осуществления.
Способ осуществления данного изобретения
Варианты осуществления настоящего изобретения подробно описываются ниже со ссылкой на чертежи. В данных чертежах идентичные или аналогичные элементы обозначаются одинаковыми численными позициями, и их повторные объяснения опускаются.
(Первый вариант осуществления)
Сначала описывается общая конфигурация системы топливного элемента, включающей в себя устройство для выработки водорода первого варианта осуществления настоящего изобретения. Фиг.1 представляет собой блок-схему, показывающую общую конфигурацию системы топливного элемента настоящего изобретения.
Как показано на фиг.1, система 100 топливного элемента имеет топливный элемент 60, который подает топливный газ и окислительный газ и генерирует электричество и тепло; устройство для выработки водорода (устройство для выработки топливного газа) 76, которое генерирует богатый водородом топливный газ и подает данный газ в топливный элемент 60; и узел 77 подачи окислительного газа, который снабжает топливный элемент 60 окислительным газом. В настоящем варианте осуществления окислительным газом является воздух, и узел 77 подачи окислительного газа включает в себя, например, воздушный вентилятор, такой как компрессор, и увлажнитель для увлажнения воздуха, подаваемого из воздушного вентилятора в сжатом состоянии.
Устройство 76 для выработки водорода питается исходным газом из источника исходного газа (источник исходного газа) 81 и водой из источника воды (источник подачи воды) 82. Источник 81 исходного газа представляет собой, например, проточный регулятор, который регулирует скорость подачи исходного газа, служащего в качестве источника исходного газа, такого как бытовой газ и пропановый газ. Более конкретно, проточный регулятор изготовлен из клапана проточного регулятора, насоса и двухпозиционного клапана. Источник 82 воды изготовлен из, например, регулятора скорости потока для регулирования скорости подачи воды из городской водной инфраструктуры или подобного, служащей в качестве источника снабжения водой; более конкретно, из регулятора скорости потока, насоса и двухпозиционного клапана. Устройство 76 для выработки водорода производит топливный газ (водородсодержащий газ), применяемый в качестве восстановительного газа топливным элементом 60, используя подаваемый исходный газ и воду, и тепло, происходящее от камеры сгорания (ячейки сгорания) 4. Конфигурация устройства 76 для выработки водорода подробно описывается ниже.
Топливный элемент 60 может быть образован, например, с помощью полиэлектролитного топливного элемента с МЕА, который включает в себя полиэлектролитную мембрану, которая имеет протонную проводимость с избирательным переносом протонов во влажном состоянии, и пару электродов, состоящую из анода и катода. В топливном элементе 60 топливный газ, подаваемый на анод, и окислительный газ, подаваемый на катод, электрохимически реагируют друг с другом, генерируя электричество, тепло и воду.
Выходные концы топливного элемента 60 присоединяются к выходному контроллеру 75, имеющему инвертер для преобразования электрической энергии постоянного тока, генерируемой топливным элементом 60, в электрическую энергию переменного тока. Выходной контроллер 75 присоединяется к силовой нагрузке. Мощность выработки электричества топливного элемента 60 регулируется выходным контроллером 75.
Топливный элемент 60 выпускает избыточный топливный газ, который не был использован для реакции. Отходящий газ (анодный отходящий газ), содержащий данный избыточный топливный газ, подается в камеру сгорания 4 и используется в качестве топлива в камере сгорания. Топливный элемент 60 выпускает избыточный окислительный газ. Другой отходящий газ, содержащий избыточный окислительный газ (катодный отходящий газ), выпускается в воздух.
Дается подробное объяснение устройства 76 для выработки водорода. Фиг.2 представляет собой продольный вид в разрезе основной части основного элемента устройства для выработки водорода настоящего варианта осуществления, и фиг.3 представляет собой увеличенный вид части на фиг.2.
Как показано на фиг.1-3, устройство 76 для выработки водорода включает в себя основное тело устройства для выработки водорода (основное тело) 78. Основное тело 78 включает в себя ячейку реформинга (ячейку реформинга) 8, ячейку сдвига 10а, ячейку окисления 10b и камеру сгорания 4, которые находятся в корпусе 3. Корпус 3, вмещающий ячейку реформинга 8 и камеру сгорания 4, описанные выше, образует внешнюю поверхность (внешний двор) основного тела 78 устройства для выработки водорода. Корпус 3 включает в себя стакан 3а, который изготовлен из цилиндрического элемента, имеющего открытый верхний конец и закрытый нижний конец, и фланец 3b, расположенный на открытом верхнем конце стакана 3а. Фланец 3b действует как один из составляющих элементов держателя 65 для удерживания основного тела 78 устройства для выработки водорода на опоре 70, описываемой ниже.
Желательно, чтобы тело 62, образующее трубчатые отверстия, настоящего изобретения находилось у нижнего по ходу конца основного тела 78 устройства для выработки водорода, который является относительно низкотемпературной частью основного тела 78 устройства для выработки водорода, если смотреть от направления выпуска пламени из камеры сгорания 4. Более конкретно, температурный градиент возникает в продольном направлении (направление высоты в данном варианте осуществления) основного тела 78 устройства для выработки водорода в результате работы камеры сгорания 4, вследствие чего высокотемпературная часть и низкотемпературная часть образуются в основном теле 78 устройства для выработки водорода. На фиг.2 нижняя сторона основного тела 78 устройства для выработки водорода является высокотемпературной частью, а его верхняя сторона является низкотемпературной частью. Более конкретно, тело 62, образующее трубчатые отверстия, в форме пластины размещается так, чтобы закрывать верхнее концевое отверстие корпуса 3. Листовой теплоизолирующий элемент 61 находится между телом 62, образующим трубчатые отверстия, обеспеченным на основном теле 78 устройства для выработки водорода, и фланцем 3b корпуса 3. Тело 62, образующее трубчатые отверстия, и фланец 3b корпуса 3 скрепляются вместе с помощью скрепляющих элементов 67, таких как болты и гайки.
Трубчатые отверстия образованны в теле 62, образующем трубчатые отверстия. Данные трубчатые отверстия находятся в обоюдном сообщении с, по меньшей мере, некоторыми из труб в трубной группе, состоящей из труб для подачи различных газов и воды (или определенной среды, способной производить водород) в основное тело 78 устройства для выработки водорода и труб, через которые текут различные газы, выпускаемые из основного тела 78 устройства для выработки водорода. Трубные соединения 63 обеспечены для труб, которые находятся в обоюдном сообщении с соответствующими трубчатыми отверстиями. Тело 62, образующее трубчатые отверстия, присоединяется к соответствующим проточным каналам в основном теле 78 устройства для выработки водорода посредством трубных соединений 63. Трубчатые отверстия, используемые для установления обоюдного сообщения с трубами, образующими некоторые из проточных каналов снаружи основного тела 78 устройства для выработки водорода, сформированы в теле 62, образующем трубчатые отверстия. Более конкретно, данные трубы включают в себя канал 52 подачи исходного газа для подачи исходного газа из источника 81 исходного газа в ячейку реформинга; канал 53 подачи воды для подачи воды из источника 82 воды в ячейку 6 предварительного испарения; канал 58 подачи воздуха окисления для подачи воздуха окисления из источника 84 воздуха окисления на катализатор 9b окисления СО; канал 54 подачи воздуха сгорания для подачи воздуха сгорания из источника 83 воздуха сгорания в камеру сгорания 4; канал 56 выпуска газа сгорания для выпуска выхлопного газа сгорания, образованного в камере сгорания 4 наружу из устройства 76 для выработки водорода; и канал 57 подачи топливного газа для подачи топливного газа в топливный элемент 60. Как упоминается выше, тело 62, образующее трубчатые отверстия, служит в качестве концентрированного трубного элемента, к которому присоединяются трубы концентрированным образом. В результате того, что трубы, присоединенные к основному телу 78 устройства для выработки водорода, присоединяются к телу 62, образующему трубчатые отверстия, концентрированным образом, как указано выше, может облегчаться сборка и обслуживание устройства 76 для выработки водорода. Канал 52 подачи исходного газа, канал 58 подачи воздуха окисления, канал 54 подачи воздуха сгорания, канал 56 выпуска газа сгорания и канал 57 подачи топливного газа делают из металлических труб, таких как трубы из нержавеющей стали. Канал 53 подачи воды делают из трубы, сделанной из резины.
Трубное соединение 63 включает в себя, например, соединение. Например, быстро скрепляющее соединение, использующее быстрое крепление в форме зажима, пригодно в качестве такого соединения, вследствие чего может быть достигнуто уменьшение числа трубных операций, выполняемых рабочим, и одинаковых операций.
Корпус 3 сконструирован путем концентрического расположения цилиндрического внутреннего стакана 1 и цилиндрического внешнего стакана 2, выровненных вертикально в осевом направлении. Камера сгорания 4 находится в центре внутреннего радиуса внутреннего стакана 1, и топливный газ сгорания подается из топливного элемента в камеру сгорания 4 с помощью канала 51 потока отходящего газа, а воздух сгорания подается из источника 83 воздуха сгорания в канал 54 подачи воздуха сгорания. Источник 83 воздуха сгорания включает в себя, например, нагнетательный вентилятор. Пространство между камерой сгорания 4 и внутренним стаканом 1 разделено цилиндром 21 сгорания, расположенным концентрически относительно внутреннего стакана 1, вследствие чего канал 5 потока газа сгорания формируется между ними вдоль внутреннего радиуса внутреннего стакана 1. Канал 5 потока газа сгорания находится в обоюдном соединении с каналом 56 выпуска газа сгорания. Посредством такой конфигурации горячий газ сгорания, образующийся при сгорании топливного газа сгорания в камере сгорания 4, поднимается вверх вдоль канала 5 потока газа сгорания, вследствие чего газ сгорания выпускается наружу в виде выхлопного газа сгорания через канал 56 выпуска газа сгорания.
Верхняя часть цилиндрического пространства между внутренним стаканом 1 и внешним стаканом 2 разделена цилиндрической разделяющей пластиной 35, расположенной концентрически относительно внутреннего стакана 1. В результате ячейка 6 предварительного испарения концентрически располагается так, чтобы быть обращенной к внутреннему стакану 1, а ячейка 10 снижения моноксида углерода концентрически располагается так, чтобы быть обращенной к внешнему стакану 2. Ячейка 6 предварительного испарения сформирована в виде цилиндрического пространства вдоль внешней периферийной поверхности внутреннего стакана 1. Направляющий элемент 33 спирально накручен с заданным интервалом вокруг внешней периферийной поверхности внутреннего стакана 1 в ячейке 6 предварительного испарения, вследствие чего спиральный канал образуется в ячейке 6 предварительного испарения.
Канал 52 подачи исходного газа и канал 53 подачи воды присоединяются к верхнему концу ячейки 6 предварительного испарения. Далее, ячейка 8 реформинга располагается ниже ячейки 6 предварительного испарения. Ячейка 8 реформинга сформирована цилиндрически, оставаясь в контакте с внешней периферийной поверхностью внутреннего стакана 1, так, что ячейка 8 реформинга заполнена катализатором 7 реформинга.
Ячейка 10 снижения моноксида углерода сформирована цилиндрически на внешней периферийной стороне верхней части ячейки 6 предварительного испарения так, чтобы охватывать ячейку 6 предварительного испарения. Газы, проходящие через верхнюю часть ячейки 6 предварительного испарения и ячейку 10 снижения моноксида углерода, могут обмениваться теплом друг с другом. Соединяющие порты 36 образованы в вертикальном направлении в множестве положений на разделяющей пластине 35, которая находится на внешней периферийной стороне нижней части ячейки 6 предварительного испарения. Цилиндрическая разделяющая стенка 11, имеющая отверстие 12, обеспечена на внешней периферийной стороне разделяющей пластины 35. Цилиндрическая теплообменная пластина 38 расположена на внешней периферийной стороне разделяющей стенки 11. Направляющая траектория 13 образуется между разделяющей пластиной 35 и разделяющей стенкой 11, и канал 14 потока смешанного газа образован между разделяющей стенкой 11 и теплообменной пластиной 38. Ячейка 6 предварительного испарения и направляющая траектория 13 находятся в обоюдном сообщении друг с другом посредством соединяющих портов 36. Направляющая траектория 13 и канал 14 потока смешанного газа находятся в обоюдном сообщении друг с другом посредством отверстия 12. Канал 14 потока смешанного газа и ячейка 8 реформинга находятся в обоюдном сообщении друг с другом посредством приточных портов 39. С помощью данной конфигурации смешанный газ, который состоит из пара и исходного газа, нагретого при прохождении через ячейку 6 предварительного испарения, течет в ячейку 8 реформинга посредством направляющей траектории 13 и канала 14 потока смешанного газа.
Внутренний радиус внешнего стакана 2 находится на внешней периферийной стороне теплообменной пластины 38. Канал 16 потока реформированного газа образован между теплообменной пластиной 38 и внешним стаканом 2. Канал 16 потока реформированного газа находится в обоюдном сообщении с ячейкой 8 реформинга посредством выходного порта 40, принадлежащего теплообменной пластине 38, и далее в сообщении с ячейкой 10 снижения моноксида углерода посредством приточного порта 41, открытого в верхней части канала 16 потока реформированного газа. С помощью данной конфигурации газ (далее называемый "реформированный газ"), содержащий большое количество водорода, который был получен с помощью ячейки 8 реформинга с помощью реакции парового реформинга между исходным газом и паром, течет в канал 16 потока реформированного газа из ячейки 8 реформинга. Проходя через канал 16 потока реформированного газа, реформированный газ обменивается теплом с газом, проходящим через канал 14 потока смешанного газа с помощью теплообменной пластины 38, охлаждается и течет в ячейку 10 снижения моноксида углерода.
Ячейка 10 снижения моноксида углерода включает в себя две стадии: а именно ячейку 10а сдвига, заполненную катализатором 9а сдвига СО, служащим в качестве катализатора снижения содержания моноксида углерода, и ячейку 10b окисления, заполненную катализатором 9b окисления СО, служащим в качестве катализатора снижения моноксида углерода. Ячейка 10а сдвига расположена ниже по ходу, а ячейка 10b окисления расположена выше по ходу таким образом, что ячейка 10а сдвига действует как предшествующая стадия, а ячейка 10b окисления действует как последующая стадия в направлении потока реформированного газа. Канал 19 потока воздуха окисления, который питается воздухом окисления из источника 84 воздуха окисления посредством канала 58 подачи воздуха окисления, обеспечен между ячейкой 10а сдвига и ячейкой 10b окисления. Канал 57 подачи топливного газа для подачи топливного газа в топливный элемент 60 присоединен к верхнему концу ячейки 10 снижения моноксида углерода. С помощью данной конфигурации реформированный газ, текущий в ячейку 10 снижения моноксида углерода, преобразуется в топливный газ, имеющий уменьшенное количество моноксида углерода, при прохождении через ячейку 10а сдвига и ячейку 10b окисления и подается в топливный элемент 60 с помощью канала 57 подачи топливного газа.
Теперь дается объяснение способу выработки топливного газа в устройстве 76 для выработки водорода, имеющем вышеописанную конфигурацию.
В устройстве 76 для выработки водорода исходный газ подается в ячейку 6 предварительного испарения посредством канала 52 подачи исходного газа, и вода подается в ячейку 6 предварительного испарения с помощью канала 53 подачи воды. При прохождении через ячейку 6 предварительного испарения исходный газ и вода нагреваются, и вода испаряется в пар. Ячейка 6 предварительного испарения нагревается с помощью газа сгорания, текущего через канал 5 потока газа сгорания. Тепло, происходящее от реакции сдвига СО и реакции окисления СО, протекающих в ячейке 10 снижения моноксида углерода, также распространяется в ячейку 6 предварительного испарения, дополнительно нагревая ячейку 6 предварительного испарения. Смешанный газ, состоящий из исходного газа и пара, нагретых с помощью ячейки 6 предварительного испарения, затем проходит по направляющей траектории 13 и каналу 14 потока смешанного газа, втекая в ячейку 8 реформинга в достаточно смешанном состоянии. В ячейке 8 реформинга исходный газ и пар вызывают реакцию реформинга с помощью каталитического действия катализатора 7 реформинга, тем самым генерируя богатый водородом, реформированный газ. Реакция парового реформинга является эндотермической реакцией, и ячейка 8 реформинга нагревается с помощью газа сгорания, текущего через канал 5 потока газа сгорания, вследствие чего протекает данная реакция.
Реформированный газ, генерированный ячейкой 8 реформинга, течет в канал 16 потока реформированного газа. Поднимаясь через внутреннюю область канала 16 потока реформированного газа, реформированный газ обменивается теплом со смешанным газом, текущим через ячейку 8 реформинга и канал 14 потока смешанного газа, охлаждаясь до температуры, соответствующей реакциям в ячейке 10 снижения моноксида углерода. Реформированный газ, охлажденный таким образом до приблизительно 200-250°С, течет в ячейку 10а сдвига ячейки 10 снижения моноксида углерода, и моноксид углерода в реформированном газе устраняется посредством реакции сдвига СО. Реформированный газ, из которого моноксид углерода был удален с помощью ячейки 10а сдвига, течет в ячейку 10b окисления. С помощью действия катализатора окисления СО реформированный газ вызывает реакцию окисления СО с кислородом в воздухе окисления, подаваемом посредством канала 58 подачи воздуха окисления, и моноксид углерода в реформированном газе дополнительно устраняется. Реформированный газ, из которого моноксид углерода был удален с помощью ячейки 10 снижения моноксида углерода, подается в качестве топливного газа на анод топливного элемента 60 из ячейки 10 снижения моноксида углерода посредством канала 57 подачи топливного газа.
Теперь будет описан способ крепления устройства 76 для выработки водорода к корпусу системы 100 топливного элемента. Фиг.4 представляет собой вид спереди устройства для выработки водорода. Фиг.5(а) представляет собой вид сверху устройства для выработки водорода. Фиг.5(b) представляет собой вид сверху устройства для выработки водорода для объяснения первой модификации расположения крепежного элемента. Фиг.5(с) представляет собой вид сверху устройства для выработки водорода для объяснения второй модификации расположения крепежного элемента. Фиг.6 представляет собой вид спереди модификации устройства для выработки водорода. Фиг.7 представляет собой вид спереди устройства для выработки водорода, показывающий модификацию держателя. Трубы, присоединенные к телу 62, образующему трубчатые отверстия, опущены на фиг.5.
Как показано на фиг.4 и 5(а), устройство 76 для выработки водорода расположено в корпусе системы 100 топливного элемента вместе с топливным элементом 60 и другими, тогда как основное тело 78 устройства для выработки водорода поддерживается опорой 70. Опора 70 также может быть образована так, чтобы съемным образом прикрепляться к раме корпуса системы 100 топливного элемента или интегрироваться с рамой (основанием) корпуса системы 100 топливного элемента.
Каждая опора 70 включает в себя нижнюю пластину 71 и две, по существу, параллельных опорных стойки 72, 72, стоящих на нижней пластине 71. Каждая из опорных стоек 72 изогнута, по существу, под прямым углом в направлении противостоящей второй опорной стойки, немного укорачивая вершину стойки таким образом, что данная вершина становится, по существу, параллельна нижней пластине 71. Соответствующие опорные стойки 72 остаются в контакте с устройством 76 для выработки водорода посредством из вершин. Фланец 3b корпуса 3 подвешен поперек вершин двух опорных стоек 72, 72. Фланец 3b корпуса 3 и вершины опорных стоек 72 скрепляются с помощью крепежных элементов 66, таких как болты и гайки.
В вышеописанном, тело 62, образующее трубчатые отверстия, расположенное на основном теле 78 устройства для выработки водорода, прикрепляется к опоре 70 с помощью держателя 65, вследствие чего основное тело 78 устройства для выработки водорода поддерживает с помощью опоры 70. В настоящем изобретении фланец 3b корпуса 3, крепежные элементы 66, которые прикрепляют опору 70 к фланцу 3b, и крепежные элементы 67, которые прикрепляют фланец 3b к телу 62, образующему трубчатые отверстия, составляют держатель 65. Коротко говоря, тело 62, образующее трубчатые отверстия, косвенным образом поддерживается опорой 70 с помощью фланца 3b. Однако структура держателя 65 не ограничивается конфигурацией для косвенного крепления опоры 70, такого, как упоминается выше. Например, как показано на фиг.7, граничный край тела 62, образующего трубчатые отверстия, может также распространяться так, чтобы перекрывать вершины соответствующих опорных стоек 72, если смотреть сверху. Граничный край тела 62, образующего трубчатые отверстия, и соответствующие вершины опорных стоек 72 могут скрепляться посредством крепежных элементов 69, таких как болты и гайки, тем самым непосредственно прикрепляя тело 62, образующее трубчатые отверстия, к опоре 70. В этом случае держатель 65 для крепления тела 62, образующего трубчатые отверстия, к опоре 70 включает в себя граничный край тела 62, образующего трубчатые отверстия, и крепежные элементы 69.
Крепежный элемент 66 для крепления опоры 70 к фланцу 3b и телу 62, образующему трубчатые отверстия, занимает, по меньшей мере, два положения на держателе 65, тогда как трубчатые отверстия 62а, проделанные в теле 62, образующем трубчатые отверстия, находятся между ними. Вследствие чего снижается степень свободы термической деформации тела 62, образующего трубчатые отверстия, вызванной изменением температуры, когда устройство 76 для выработки водорода переключается между работой и остановкой, так что смещение трубчатых отверстий 62а соответственно изменению температуры уменьшается. Причина этого в том, что фланец 3b удерживается крепежными элементами 66, по меньшей мере, в двух положениях на опоре 70, тем самым предотвращая радиальную деформацию фланца 3b и, в свою очередь, также деформацию тела 62, образующего трубчатые отверстия. Следовательно, трубы, присоединенные к основному телу 78 устройства для выработки водорода с помощью тела 62, образующего трубчатые отверстия, становятся менее вероятно подверженными разрушению, которое будет вызываться повторяющимся запуском и остановкой устройства 76 для выработки водорода. Выражение "два положения, тогда как трубчатые отверстия 62а находятся между ними" означает два положения, которые симметричны относительно центральной линии G1, проходящей через центр G трубчатого отверстия 62а, когда на группу трубчатых отверстий 62а смотрят в направлении сечения, взятого вдоль направления, перпендикулярного направлению распространения устройства 76 для выработки водорода, так, как показано на фиг.5(а). Например, как показано на фиг.5(b), крепежные элементы 66 могут быть также обеспечены на одной стороне относительно линии G2, перпендикулярной центральной линии G1, а также один в каждом положении относительно центральной линии G1. Кроме того, как показано на фиг.5(с), крепежные элементы 66 могут также находиться в двух положениях, противоположных друг другу относительно центра G, находящегося между ними.
Как указано выше, тело 62, образующее трубчатые отверстия, которое прикрепляется к опоре 70 так, чтобы ограничиваться в движении, посредством держателя 65, выступает как часть устройства 76 для выработки водорода, которое испытывает относительно маленькую деформацию, когда устройство 76 для выработки водорода (основное тело 78 устройства для выработки водорода) термически деформируется. На фиг.2 нижняя сторона основного тела 78 устройства для выработки водорода становится высокотемпературной частью, а его верхняя сторона становится низкотемпературной частью. Тело 62, образующее трубчатые отверстия, находится в месте самой низкой температуры в низкотемпературной части (т.е. положении, самом дальнем от камеры сгорания 4). Соответственно, трубы, присоединенные к телу 62, образующему трубчатые отверстия, которое претерпевает небольшую деформацию, подвергаются меньшему влиянию термической деформации основного тела 78 устройства для выработки водорода и меньшим результирующим напряжениям по сравнению с теми, которые возникают, когда трубы присоединяют к другим частям устройства 76 для выработки водорода. Следовательно, можно предотвращать возникновение разрушения или повреждения устройства 76 для выработки водорода или присоединенных к нему труб, которые иначе вызывались бы концентрацией термических напряжений.
Кроме того, в настоящем варианте осуществления теплоизолирующий элемент 61 обеспечивается между телом 62, образующим трубчатые отверстия, и фланцем 3b корпуса 3, тем самым блокируя теплопроводность от фланца 3b к телу 62, образующему трубчатые отверстия. Следовательно, когда основное тело 78 устройства для выработки водорода подвергается изменению температуры, результирующее изменение температуры в теле 62, образующем трубчатые отверстия, и трубах, присоединенных к нему, может дополнительно уменьшаться. Следовательно, можно ожидать эффекта дополнительного уменьшения термической деформации и термических напряжений тела 62, образующего трубчатые отверстия, и присоединенных к нему труб.
В данном варианте осуществления тело 62, образующее трубчатые отверстия, обеспечивается на одном конце корпуса 3 (основного тела 78 устройства для выработки водорода), в аксиальном направлении корпуса 3. Более конкретно, основное тело 78 устройства для выработки водорода поддерживается вблизи одного конца корпуса 3 опорой 70 с помощью тела 62, образующего трубчатые отверстия, и держателя 65. Кроме того, некоторое пространство обеспечивается между внешней поверхностью основного тела 78 устройства для выработки водорода (за исключением фланца 3b корпуса 3, который образует держатель 65) и опорой 70. Более конкретно, некоторое пространство существует между нижней поверхностью основного тела 78 устройства для выработки водорода и нижней пластиной 71 опоры 70, и некоторое пространство также существует между боковой поверхностью основного тела 78 устройства для выработки водорода и опорными стойками 72, 72 опоры 70. Основное тело 78 устройства для выработки водорода отделено от опор на таком достаточном расстоянии, что основное тело 78 устройства для выработки водорода не контактирует с опорой 70, даже когда термически расширяется.
Даже когда основное тело 78 устройства для выработки водорода подвергается термической деформации (тепловое расширение и сжатие при охлаждении), данная конфигурация позволяет основному телу 78 устройства для выработки водорода свободно претерпевать термическую деформацию без ограничения держателем 65. Дополнительно, основное тело 78 устройства для выработки водорода также подвергается термической деформации без помехи от опоры 70. Следовательно, может предотвращаться разрушение и повреждение устройства 76 для выработки водорода, которые иначе вызывались бы концентрацией термических напряжений.
Также желательно, чтобы тело 62, образующее трубчатые отверстия, располагалось на нижней стороне основного тела 78 устройства для выработки водорода, если смотреть в направлении испускания пламени из камеры сгорания 4. Более конкретно, желательно, чтобы тело 62, образующее трубчатые отверстия, находилось в положении, противоположном направлению испускания пламени из камеры сгорания 4, которое становится самым горячим в основном теле 78 устройства для выработки водорода; другими словами, в положении, где относительно небольшое температурное изменение и относительно небольшая термическая деформация возникают, когда основное тело 78 устройства для выработки водорода переключается между работой и остановкой. Фланец 3b корпуса 3, к которому крепится тело 62, образующее трубчатые отверстия, расположен на корпусе 3 в месте, самом дальнем от камеры сгорания 4. Напряжения, возникающие между опорой 70 и держателем 65, и напряжения, возникающие между телом 62, образующим трубчатые отверстия, и держателем 65, могут, тем самым, дополнительно снижаться, так что термическая усталость может уменьшаться.
В данном варианте осуществления принята конфигурация, в которой тело 62, образующее трубчатые отверстия, различные трубы и опора 70 находятся на низкотемпературной стороне, которая представляет собой часть с меньшей температурой, чем ячейка 10а сдвига и ячейка 10b окисления; а именно на стороне, удаленной от камеры сгорания 4.
В настоящем варианте осуществления все трубы, присоединенные к устройству 76 для выработки водорода, присоединяются к телу 62, образующему трубчатые отверстия, концентрированным образом. Данная конфигурация позволяет эффективно уменьшать повреждение труб. Однако канал 53 подачи воды данных труб образован из гибкой трубы, сделанной из смолы, и может подвергаться термической деформации. По этой причине, как показано, например, на фиг.6, труба, образующая канал 53 подачи воды, может также присоединяться к другой части, отличной от тела 62, образующего трубчатые отверстия (например, стакану 3а корпуса 3).
Кроме того, не все металлические трубы должны присоединяться к телу 62, образующему трубчатые отверстия. Пока множество труб из группы труб присоединяется к телу 62, образующему трубчатые отверстия, вышеуказанное преимущество может достигаться в некоторой степени, где данная группа труб включает в себя трубу, образующую канал 52 подачи исходного газа, с помощью которого исходный газ подается из источника 81 исходного газа; трубу, образующую канал 53 подачи воды, с помощью которого вода подается из источника 82 воды; трубу, образующую канал 58 подачи воздуха окисления, с помощью которого воздух окисления подается из источника 84 воздуха окисления; трубу, образующую канал 54 подачи воздуха сгорания, с помощью которого воздух сгорания подается из источника 83 воздуха сгорания; трубу, образующую канал 56 выпуска газа сгорания, с помощью которого выпускается выхлопной газ сгорания, образующийся в камере сгорания 4; и трубу, образующую канал 57 подачи топливного газа, с помощью которого топливный газ подается в топливный элемент 60. Однако желательно, чтобы все металлические трубы в данной группе труб присоединялись к телу 62, образующему трубчатые отверстия.
В данном варианте осуществления дается объяснение конфигурации, в которой устройство 76 для выработки водорода выполнено путем интегрального расположения ячейки 8 реформинга, ячейки 10а сдвига и ячейки 10b окисления в одном корпусе 3. Однако устройство для выработки водорода не ограничивается данной конфигурацией. Настоящее изобретение может также применяться, например, к конфигурации, в которой ячейка 8 реформинга, ячейка 10а сдвига и ячейка 10b окисления обеспечены в соответствующих независимых контейнерах.
В данном варианте осуществления тело 62, образующее трубчатые отверстия, обеспечено в стороне от корпуса 3 в основном теле 78 устройства для выработки водорода. Даже когда тело 62, образующее трубчатые отверстия, не обеспечено, преимущество настоящего изобретения может быть достигнуто путем расположения всех труб и опоры в низкотемпературной части.
(Второй вариант осуществления)
Генератор водорода (устройство для выработки водорода) второго варианта осуществления настоящего изобретения описывается теперь со ссылкой на фиг.8. Как показано на фиг.8, генератор водорода второго варианта осуществления настоящего изобретения включает в себя металлическую структуру (основное тело устройства для выработки водорода) 200, служащую в качестве реакционного контейнера, включающего в себя катализаторы, ячейку испарения воды, горелку и другое; теплоизолятор 101, который покрывает металлическую структуру 200; и раму (опору) 102, которая фиксирует металлическую структуру 200 и теплоизолятор 101, составляя генератор водорода. Генератор водорода настоящего варианта осуществления эквивалентен устройству 76 для выработки водорода первого варианта осуществления. Металлическая структура 200 эквивалентна основному телу 78 устройства для выработки водорода первого варианта осуществления.
Металлическая структура 200 прикрепляется к раме 102 с помощью удерживающего элемента 110. Вся внешняя периферия теплоизолятора 101 прикрепляется к раме 102. Рама 102 эквивалентна опоре 70 первого варианта осуществления.
Металлическая структура 200 имеет горелку 203, находящуюся в положении ниже, чем удерживающий элемент 110 металлической структуры 200. Горелка 203 смешивает топливный газ, подаваемый из трубы 201 топливного газа (эквивалентна каналу 51 потока отходящего газа первого варианта осуществления), с воздухом сгорания, подаваемым из трубы 202 воздуха сгорания (эквивалентна каналу 54 подачи воздуха сгорания первого варианта осуществления), тем самым генерируя пламя. Выхлопной газ камеры сгорания, производимый горелкой 203, выпускается из генератора водорода с помощью трубы 204 выхода выхлопного газа сгорания (эквивалентна каналу 56 выпуска газа сгорания первого варианта осуществления).
Ячейка 205 смешения-испарения воды, нагреваемая выхлопным газом горелки 203, питается исходным газом из трубы 206 исходного газа (эквивалентна каналу 52 подачи исходного газа первого варианта осуществления) и водой из водяной трубы 207 (эквивалентна каналу 53 подачи воды первого варианта осуществления). Они подаются в виде газовой смеси, состоящей из исходного газа и пара, в слой 208 катализатора реформинга (эквивалентен катализатору 7 реформинга и ячейке 8 реформинга первого варианта осуществления), расположенный в нижней части ячейки 205 смешения-испарения воды.
Реформированный газ, посылаемый из слоя 208 катализатора реформинга, подается в слой 209 катализатора сдвига (эквивалентен катализатору 9а сдвига СО и ячейке 10 сдвига первого варианта осуществления). Модифицированный газ, посылаемый из слоя 209 катализатора сдвига, подается в слой 210 катализатора избирательного окисления (эквивалентен катализатору 9b окисления СО и ячейке 10b окисления первого варианта осуществления) после смешивания с воздухом избирательного окисления из трубы 211 воздуха избирательного окисления (эквивалентна каналу 58 подачи воздуха окисления первого варианта осуществления). Полученный газ, выпускаемый из слоя 210 катализатора избирательного окисления, направляется из генератора водорода с помощью трубы 212 выхода полученного газа (эквивалентна каналу 57 подачи топливного газа первого варианта осуществления).
Теперь описывается работа соответствующих частей генератора водорода, имеющего вышеуказанную конфигурацию.
Горелка 203 смешивает топливный газ с воздухом и подвергает смешанный газ высоковольтному разряду (конфигурация разряда не показана), тем самым генерируя пламя и высокотемпературный выхлопной газ сгорания. Слой 208 катализатора реформинга и ячейка 205 смешения-испарения воды тем самым нагреваются, вследствие чего газ выпускается из генератора водорода с помощью трубы 204 выхода выхлопного газа сгорания.
Сырье, подаваемое из трубы 206 исходного газа, и вода, подаваемая из водяной трубы 207, получают тепло от выхлопного газа сгорания, текущего через внутреннюю часть ячейки 205 смешения-испарения воды, вследствие чего вода испаряется. Одновременно пар смешивается с исходным газом, текущим через тот же проточный канал в ячейке 205 смешения-испарения воды, и полученный газ подается в виде смешанного газа в слой 208 катализатора реформинга.
Слой 208 катализатора реформинга нагревается до 600°С-700°С с помощью высокотемпературного выхлопного газа сгорания, текущего через внутреннюю область слоя катализатора реформинга. В результате подачи в слой катализатора реформинга смешанного газа реформированный газ, содержащий водород, моноксид углерода, диоксид углерода и другие, получается по реакции парового реформинга.
Слой 209 катализатора сдвига превращает высокую концентрацию моноксида углерода (10-15%) в реформированном газе в диоксид углерода при 200°С-300°С по реакции сдвига, тем самым снижая концентрацию моноксида углерода (приблизительно 0,5%).
Слой 210 катализатора избирательного окисления смешивает модифицированный газ с воздухом, подаваемым из трубы 211 воздуха избирательного окисления, вследствие чего моноксид углерода в модифицированном газе снижется до очень низкой концентрации 10 ч/млн или менее при 100°С-200°С с помощью реакции избирательного окисления.
-6
Так как слой 208 катализатора реформинга уже нагрет до температуры 600°С-700°С, металлическая структура становится длиннее, чем ее исходное состояние до начала операции, соответственно материалу и температуре данной структуры. Например, когда металлическая структура представляет собой нержавеющую сталь, коэффициент теплового расширения данного материала составляет приблизительно 15×10[1/К]. Следовательно, когда вся металлическая структура нагревается до 700°С, данная структура расширяется приблизительно на 1% по сравнению с ее состоянием, достигнутым до начала работы (при 20°С).
Если длина металлической структуры равна 700 мм, данная структура будет расширяться на семь миллиметров. В реальности вся металлическая структура не находится при 700°С, и в металлической структуре существует распределение температуры, имеющее максимум при 700°С. Поэтому структура будет расширяться на несколько миллиметров короче, чем семь миллиметров.
В это время, когда трубы установлены и прикреплены на внешней поверхности устройства для выработки водорода, которое будет вертикально удлиняться на несколько миллиметров, сила, вызывающая удлинение на несколько миллиметров, будет приводить к потере места выхода. Данная сила может действовать как большое напряжение, тем самым вызывая повреждение, такое как деформация и образование трещин, труб или закрепленной части.
По этой причине в настоящем изобретении металлическая структура 200 прикрепляется к раме 102 посредством удерживающего элемента 110, обеспеченного сверху металлической структуры 200. Одновременно, труба 206 исходного газа, водяная труба 207, труба 211 воздуха избирательного окисления, труба 204 выхода выхлопного газа сгорания и труба 212 выхода полученного газа также помещаются в верхней части металлической структуры 200, присоединяясь к внешней поверхности генератора водорода.
Части, прикрепляемые с помощью металла, собраны в верхней части металлической структуры 200, вследствие чего часть металлической структуры, которая удлиняется посредством теплового расширения, выполнена в форме структуры, которая не ограничена в направлении вниз.
Даже когда труба 211 воздуха избирательного окисления, показанная на фиг.8, находится в положении, которое немного ниже, чем верхняя часть металлической структуры 200, верхняя часть металлической структуры 200 служит в качестве самой дальней по ходу части, где расположены водяная труба 207 и труба 206 исходного газа. Поэтому верхняя часть данной металлической структуры является низкотемпературной частью. Более конкретно, температурный градиент возникает в направлении высоты на фиг.8, как в первом варианте осуществления. Нижняя сторона металлической структуры 200 становится высокотемпературной частью, а ее верхняя сторона становится низкотемпературной частью. Удерживающий элемент 110 находится в положении с самой низкой температурой (т.е. положении, самом дальнем от горелки 203) низкотемпературной части.
Следовательно, верхняя часть металлической структуры 200 становится частью, которая подвергается наименьшему тепловому расширению. Даже когда трубы, такие как труба 211 воздуха избирательного окисления, находятся в положениях, которые немного ниже, чем верхняя часть, расширение, которое будет вызываться увеличением температуры во время работы, едва происходит, так что большие напряжения не действуют на данные трубы.
Следовательно, до тех пор пока трубы устанавливают в верхнюю часть металлической структуры 200 вместе с удерживающим элементом, даже когда металлическая структура сдерживается путем присоединения труб с внешней стороны генератора водорода, тепловое расширение едва возникает. Следовательно, трубы и удерживающий элемент не подвергаются напряжениям, и удерживаемое и скрепленное состояние металлической структуры не меняется между остановкой и работой. Следовательно, можно поддерживать стабильное состояние данной структуры.
Однако исключены проволоки, которые не являются трубами; они являются очень гибкими, такие как датчики температуры, и они присоединяются к внешней поверхности генератора водорода. Даже когда данные проволоки находятся в нижней части металлической структуры 200 и присоединены к внешней поверхности, данная структура не будет подвергать воздействию.
В настоящем варианте осуществления теплоизолятор 101 находится снаружи металлической структуры 200. Дополнительно, первое пространство 103 обеспечивается между дном металлической структуры 200, которое противоположно части металлической структуры 200, оборудованной удерживающим элементом, и теплоизолятором 101 таким образом, что металлическая структура 200 не вредит теплоизолятору 101, когда увеличивается во время работы.
С помощью данного пространства положение теплоизолятора 101 остается стабильным во время остановки и работы безотносительно к состоянию металлической структуры 200. Теплоизолятор не будет понемногу расширяться, и не возникнет зазор. Таким образом, может поддерживаться стабильное исполнение теплоизоляции.
Пока данное пространство имеет длину 1% или больше от расстояния между дном металлической структуры 200 и удерживающим элементом 110, можно избежать возникновения вредного воздействия, которое иначе вызывалось бы тепловым расширением.
Что касается конфигурации генератора водорода, в которой слой 208 катализатора реформинга, слой 209 катализатора сдвига и слой 210 катализатора избирательного окисления не перекрывают друг друга в направлениях их высоты (не перекрывают друг друга в направлении температурного градиента), данная конфигурация становится длиннее, особенно в направлении высоты. Следовательно, данная структура имеет высокий потенциал расширения гораздо длиннее, когда подвергается тепловому расширению, и, следовательно, конфигурация настоящего изобретения более эффективна.
Часть, где обеспечивается пространство между металлической структурой 200 и теплоизолятором 101, не ограничивается только дном металлической структуры 200, противоположным ее удерживающему элементу, но также положением, где металлическая структура 200 может вредно влиять на теплоизолятор 101 с высокой вероятностью, когда термически расширяется, принимая во внимание расстояние от удерживающего элемента 110 металлической структуры 200 и температуру. Данная часть задается как второе пространство 104, такое как показано на фиг.8.
Структурные различия, существующие между первым вариантом осуществления и вторым вариантом осуществления, могут быть приняты в другом варианте осуществления, если они не препятствуют обеспечению первоначального преимущества данного изобретения.
Настоящее изобретение основано на японской патентной заявке № 2008-192200, зарегистрированной 25 июля 2008 г., и японской патентной заявке № 2008-230537, зарегистрированной 9 сентября 2008 г., полное содержание которых включено сюда посредством ссылки.
Хотя объяснения были даны к соответствующим вариантам осуществления настоящего изобретения, настоящее изобретение не ограничивается конкретными вариантами осуществления настоящего изобретения. Настоящее изобретение может подвергаться изменениям или модификациям специалистами в соответствие с описанием данной патентной заявки, а также хорошо известным технологиям, и будет попадать в диапазон, где испрашивается правовая защита.
Устройство для выработки водорода настоящего изобретения позволяет уменьшать возможность разрушения различных труб, присоединенных к основному телу устройства для выработки водорода, из-за термических напряжений от теплового расширения, возникающего во время работы, и сжатия при охлаждении, возникающего во время остановки. Настоящее изобретение может широко применяться к устройству для выработки водорода, имеющему ячейку реформинга и камеру сгорания. Дополнительно, система топливного элемента, имеющая такое устройство для выработки водорода, пригодна для применения с домашней системой топливного элемента или подобной.
Описание численных обозначений
1 ВНУТРЕННИЙ СТАКАН
2 ВНЕШНИЙ СТАКАН
3 ЦИЛИНДРИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ
3а СТАКАН
3b ФЛАНЕЦ
4 КАМЕРА СГОРАНИЯ
5 КАНАЛ ПОТОКА ТОПЛИВНОГО ГАЗА
6 ЯЧЕЙКА ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО ИСПАРЕНИЯ
7 КАТАЛИЗАТОР РЕФОРМИНГА
8 ЯЧЕЙКА РЕФОРМИНГА
9а КАТАЛИЗАТОР СДВИГА СО
9b КАТАЛИЗАТОР ОКИСЛЕНИЯ СО
10 ЯЧЕЙКА СНИЖЕНИЯ МОНОКСИДА УГЛЕРОДА
10а ЯЧЕЙКА СДВИГА
10b ЯЧЕЙКА ОКИСЛЕНИЯ
51 КАНАЛ ПОТОКА ОТХОДЯЩЕГО ГАЗА
52 КАНАЛ ПОДАЧИ ИСХОДНОГО ГАЗА
53 КАНАЛ ПОДАЧИ ВОДЫ
54 КАНАЛ ПОДАЧИ ВОЗДУХА СГОРАНИЯ
56 КАНАЛ ВЫПУСКА ГАЗА СГОРАНИЯ
57 КАНАЛ ПОДАЧИ ТОПЛИВНОГО ГАЗА
58 КАНАЛ ПОДАЧИ ВОЗДУХА ОКИСЛЕНИЯ
60 ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ
61 ТЕПЛОИЗОЛИРУЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ
62 ТЕЛО, ОБРАЗУЮЩЕЕ ТРУБЧАТЫЕ ОТВЕРСТИЯ
63 ЭЛЕМЕНТ ПРИСОЕДИНЕНИЯ ТРУБЫ
65 ДЕРЖАТЕЛЬ
66 КРЕПЕЖНЫЙ ЭЛЕМЕНТ
70 ОПОРА
71 НИЖНЯЯ ПЛАСТИНА
72 СТОЙКА
75 ВЫХОДНОЙ КОНТРОЛЛЕР
76 УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫРАБОТКИ ВОДОРОДА
77 УЗЕЛ ПОДАЧИ ОКИСЛИТЕЛЬНОГО ГАЗА
78 ОСНОВНОЕ ТЕЛО УСТРОЙСТВА ДЛЯ ВЫРАБОТКИ ВОДОРОДА
81 ИСТОЧНИК ИСХОДНОГО ГАЗА
82 ИСТОЧНИК ВОДЫ
83 ИСТОЧНИК ВОЗДУХА СГОРАНИЯ
84 ИСТОЧНИК ВОЗДУХА ОКИСЛЕНИЯ
100 СИСТЕМА ТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА
101 ТЕПЛОИЗОЛЯТОР
102 РАМА
103 ПЕРВОЕ ПРОСТРАНСТВО
104 ВТОРОЕ ПРОСТРАНСТВО
110 УДЕРЖИВАЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ
200 МЕТАЛЛИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА
201 ТРУБА ТОПЛИВНОГО ГАЗА
202 ТРУБА ВОЗДУХА СГОРАНИЯ
203 ГОРЕЛКА
204 ТРУБА ВЫХОДА ВЫХЛОПНОГО ГАЗА СГОРАНИЯ
205 ЯЧЕЙКА СМЕШЕНИЯ ИСПАРЕНИЯ ВОДЫ
206 ТРУБА ИСХОДНОГО ГАЗА
207 ВОДЯНАЯ ТРУБА
208 СЛОЙ КАТАЛИЗАТОРА РЕФОРМИНГА
209 СЛОЙ КАТАЛИЗАТОРА СДВИГА
210 СЛОЙ КАТАЛИЗАТОРА ИЗБИРАТЕЛЬНОГО ОКИСЛЕНИЯ
211 ТРУБА ВОЗДУХА ИЗБИРАТЕЛЬНОГО ОКИСЛЕНИЯ
212 ТРУБА ВЫХОДА ПОЛУЧЕННОГО ГАЗА