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JP2000281312A - 燃料電池用改質装置 - Google Patents

燃料電池用改質装置

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Publication number
JP2000281312A
JP2000281312A JP11093161A JP9316199A JP2000281312A JP 2000281312 A JP2000281312 A JP 2000281312A JP 11093161 A JP11093161 A JP 11093161A JP 9316199 A JP9316199 A JP 9316199A JP 2000281312 A JP2000281312 A JP 2000281312A
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Japan
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combustion gas
steam
catalyst layer
fuel
reformer
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JP11093161A
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Taketoshi Ouki
丈俊 黄木
Akio Kawakami
彰雄 河上
Osamu Tajima
収 田島
Akira Fujio
昭 藤生
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Sanyo Electric Co Ltd
Original Assignee
Sanyo Electric Co Ltd
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

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  • Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 小型化が可能な燃料電池用改質装置を提供す
る。 【解決手段】 改質触媒が充填された触媒層３７を有す
る筒体２１と、この筒体２１内に燃焼ガスを供給するバ
ーナ２２とを備え、このバーナ２２からの燃焼ガスによ
り触媒層３７を昇温し、この昇温した触媒層３７に燃料
と水蒸気を導いて水素を生成する燃料電池用改質装置に
おいて、筒体２１内に燃焼ガスの熱により水を加熱して
水蒸気を生成する水蒸気生成室４２を設け、この水蒸気
生成室４２に燃料と水との混合物を導いて、この水蒸気
生成室４２から燃料と水蒸気との混合物を導出し、この
水蒸気と燃料との混合物を触媒層３７に導いて水素を生
成する構成とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、燃焼器で加熱され
た触媒下で燃料及び水蒸気を水蒸気改質反応させて水素
を生成する燃料電池用改質装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】一般に、炭化水素系燃料から水素を生成
して、この水素と空気中の酸素を用いて発電を行う燃料
電池発電システムが知られており、この燃料電池発電シ
ステムでは炭化水素系燃料を水素に変換するために改質
装置（燃料電池用改質装置）が用いられる。
【０００３】図４において、符号１００は従来の燃料電
池システムの改質装置を示し、この改質装置１００は改
質器本体１０１とこの改質器本体１０１に水蒸気を供給
する別体の水蒸気発生機１０２とを備える。
【０００４】改質器本体１０１は円筒体１１１を備え、
この円筒体１１１の端部にはバーナ１１２が内蔵され、
また円筒体１１１には送風機１１３が設けられる。バー
ナ１１２には燃焼用燃料ガス管１１６と燃料電池未反応
ガス管１１７とが接続され、それぞれを通じて燃焼用燃
料ガスと燃料電池未反応ガスとがバーナ１１２に供給さ
れる。
【０００５】また、円筒体１１１には多重仕切壁を有す
る熱交換円筒体１１４が取り付けられ、この熱交換円筒
体１１４は４重筒壁構造になっており、内側から第１の
筒壁１２１、第２の筒壁１２２、第３の筒壁１２３、第
４の筒壁１２４を備え、第２の筒壁１２２と第３の筒壁
１２３の間には改質触媒が充填されて触媒層１３１が形
成される。また、熱交換円筒体１１４には、燃焼排ガス
管１２５、改質ガス管１２６、混合ガス管１２７が接続
される。混合ガス管１２７は途中で燃料ガス管１２８と
水蒸気管１２９とに分岐され、水蒸気管１２９には前記
水蒸気発生機１０２に接続される。符号１３０は水蒸気
発生機１０２に水を供給する水管を示す。
【０００６】バーナ１１２で燃焼が行われている時に
は、この燃焼によって発生した燃焼ガスが点線矢印方向
に移動する。すなわち、燃焼ガスは円筒体１１１の内
部、円筒体１１１と第１の筒壁１２１の間、第３の筒壁
１２３と第４の筒壁１２４の間、燃焼排ガス管１２５の
内部を移動して燃焼ガスは外部に導かれる。
【０００７】また、水蒸気発生機１０２には水管１３０
を通じて水が供給され、この水は水蒸気発生機１０２で
水蒸気に変換され、この水蒸気は水蒸気管１２９に供給
され、この水蒸気管１２９の水蒸気と燃料ガス管１２８
からの燃料ガスとが合流して混合ガスとなる。燃料ガス
と水蒸気との混合ガスは、混合ガス管１２７を通じて改
質装置１００に供給され、この改質装置１００では、混
合ガスは第１の筒壁１２１と第２の筒壁１２２の間を通
り、ここで混合ガスは燃焼ガスによって予熱される。そ
して、この予熱された混合ガスは、触媒層１３１を通る
ときには適切な反応温度（例えば６００〜７００℃）に
まで昇温されて水蒸気改質され、水素と一酸化炭素を含
む改質ガスに転換される。その後、改質ガスは、改質ガ
ス管１２６を通じて例えば一酸化炭素を二酸化炭素に変
成する一酸化炭素変成装置（図示せず）に送られる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述の
改質装置１００では、改質器本体１０１に水蒸気を供給
するために、改質器本体１０１とは別体の水蒸気発生機
１０２が設けられているので、改質装置１００が大型化
するという問題がある。
【０００９】そこで、本発明の目的は、上述した従来の
技術が有する課題を解消し、小型化が可能な燃料電池用
改質装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
改質触媒が充填された触媒層を有する筒体と、この筒体
内に燃焼ガスを供給する燃焼器とを備え、この燃焼器か
らの燃焼ガスにより前記触媒層を昇温し、この昇温した
触媒層に燃料と水蒸気を導いて水素を生成する燃料電池
用改質装置において、前記筒体内に前記燃焼ガスの熱に
より水を加熱して水蒸気を生成する水蒸気生成室を設
け、この水蒸気生成室に前記燃料と水との混合物を導い
て、この水蒸気生成室から燃料と水蒸気との混合物を導
出し、この水蒸気と燃料との混合物を前記触媒層に導い
て水素を生成する構成としたことを特徴とするものであ
る。
【００１１】この発明によれば、筒体内に燃焼ガスの熱
により水を加熱して水蒸気を生成する水蒸気生成室を設
けたので、燃料電池用改質装置の小型化が可能となる。
【００１２】請求項２記載の発明は、改質触媒が充填さ
れた触媒層を有する筒体と、この筒体内に燃焼ガスを供
給する燃焼器とを備え、この燃焼器からの燃焼ガスによ
り前記触媒層を昇温し、この昇温した触媒層に燃料と水
蒸気を導いて水素を生成する燃料電池用改質装置におい
て、前記筒体の燃焼ガス供給部の近くに当該燃焼ガスの
熱により水を加熱して水蒸気を生成する水蒸気生成室を
設け、この水蒸気生成室に前記筒体の燃焼ガス排出部側
から前記触媒層を貫通して延びる導入管を通じて前記燃
料と水との混合物を導いて、この水蒸気生成室から燃料
と水蒸気との混合物を導出し、この水蒸気と燃料との混
合物を前記触媒層に導いて水素を生成する構成としたこ
とを特徴とするものである。
【００１３】この発明によれば、筒体内に燃焼ガスの熱
により水を加熱して水蒸気を生成する水蒸気生成室を設
けたので、燃料電池用改質装置の小型化が可能となる。
また、導入管が触媒層を貫通するので、導入管内の燃焼
ガスと水が予熱されて熱交換率が向上する。
【００１４】請求項３記載の発明は、請求項２記載の発
明において、前記筒体の燃焼ガス排出部に熱交換室を形
成し、前記導入管は、この熱交換室を通して、前記触媒
層を貫通させることを特徴とするものである。
【００１５】この発明によれば、導入管が燃焼ガス排出
部の熱交換室に通されるので、導入管内の燃料ガス及び
水が予熱されて燃焼ガスと燃料ガス及び水との熱交換率
が向上する。
【００１６】請求項４記載の発明は、請求項２又は３記
載の発明において、前記筒体内に上部隔壁と下部隔壁と
で仕切られた室を形成し、この室に前記触媒層及び前記
水蒸気生成室を設け、上部隔壁と触媒層と下部隔壁とを
貫通して延びる複数のチューブを設け、前記燃焼ガス供
給部に供給される燃焼ガスを、複数のチューブを通し
て、前記燃焼ガス排出部に導くことを特徴とするもので
ある。
【００１７】この発明によれば、触媒層を貫通する複数
のチューブに燃焼ガスが通されるので、燃焼ガスと触媒
層との熱交換率が向上し、外部に排出される熱損失を減
少させることができる。
【００１８】請求項５記載の発明は、請求項１〜４のい
ずれか１項記載の発明において、前記水蒸気生成室内に
複数の金属粒を設けたことを特徴とするものである。
【００１９】この発明によれば、水蒸気生成室内に設け
られた複数の金属粒によって当該金属粒と水との接触面
積が大きくなり、また金属粒は熱伝導率が高いので、水
を速やかに昇温して気化させることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を図面
に基づいて説明する。
【００２１】図１において、符号Ｓは燃料電池発電シス
テムを示し、この燃料電池発電システムＳでは、天然ガ
ス、都市ガス、ナフサ等の燃料ガスから水素が生成さ
れ、この生成された水素と空気中の酸素とを化学反応さ
せて発電が行われる。この燃料電池発電システムＳは、
燃料ガスが供給される配管９１に接続された脱硫装置１
と、この脱硫装置１に配管９２を介して接続された改質
装置（燃料電池用改質装置）２と、この改質装置２に配
管９３を介して接続された一酸化炭素変成装置３と、こ
の一酸化炭素変成装置３に配管９４を介して接続された
一酸化炭素除去装置４と、この一酸化炭素除去装置４に
配管９５を介して接続された固体高分子型の燃料電池本
体５と、この燃料電池本体５に行き水管９６ａ及び戻り
水管９６ｂを介して接続された水タンク６とを備える。
前記燃料電池本体５は、燃料極（アノード）５ａ、空気
極（カソード）５ｂ、冷却部５ｃを備える。
【００２２】運転が開始されると、燃料ガスが配管９１
を通じて脱硫装置１に送られ、この脱硫装置１で燃料ガ
スから硫黄成分が除去される。この脱硫された燃料ガス
には配管９２で水が混入されて改質装置２に送られ、改
質装置２では、燃料ガスに混入された水が気化されて水
蒸気が生成され、この水蒸気と燃料ガスとから水蒸気改
質反応により水素と一酸化炭素を含む改質ガスが生成さ
れる。この生成された改質ガスは配管９３を通じて一酸
化炭素変成装置３に送られ、一酸化炭素変成装置３では
改質ガス中に含まれる一酸化炭素が水蒸気改質されて二
酸化炭素に変成され、改質ガスの一酸化炭素濃度は１％
程度に低減される。この改質ガスには空気が混入され、
配管９４を通じて一酸化炭素除去装置４に送られる。一
酸化炭素除去装置４では空気が混合された改質ガスに含
まれる一酸化炭素が選択酸化反応により二酸化炭素に転
換され、この改質ガスの一酸化炭素濃度は１０ｐｐｍ程
度に低減される。この改質ガスは配管９５を通じて燃料
電池本体５の燃料極５ａに送られ、燃料電池本体５では
燃料極５ａに導入された改質ガス中の水素と空気極５ｂ
に導入された空気中の酸素との間で電気化学反応が行わ
れて発電される。この燃料電池本体５における反応は発
熱反応であるため、水タンク６の水が往き水管９６ａを
通じて冷却部５ｃに送られて燃料電池本体５を冷却し、
この冷却によって昇温した水は戻り水管９６ｂを介して
水タンク６に戻る。
【００２３】図２において、符号２０は前述した改質装
置２の改質器本体を示し、この改質器本体２０は円筒体
２１を備え、この円筒体２１の下端部にはバーナ２２が
内蔵される。このバーナ２２には燃焼用燃料ガスを当該
バーナ２２に導く燃焼用燃料ガス管２３と前記燃料電池
本体５の燃料極５ａで使用されなかった水素を含む改質
ガス（燃料電池未反応ガス）を導く未反応ガス管２４と
が接続される。
【００２４】また、円筒体２１の下部には燃焼室３０ａ
を有する燃焼ガス供給部３０が形成されると共に円筒体
２１の上部には熱交換室３１ａを有する燃焼ガス排出部
３１が形成され、燃焼室３０ａと熱交換室３１ａの間に
は一対の下部隔壁３２ａ及び上部隔壁３２ｂで仕切られ
た円筒形状の反応室（室）３３が形成される。この反応
室３３には下部隔壁３２ａから上部隔壁３２ｂに向けて
延びる複数のチューブ３４が設けられ、各チューブ３４
の内部空間は燃焼室３０ａ及び熱交換室３１ａに連通し
ている。また、反応室３３のチューブ外側空間は、複数
の孔を有する一対の下部多孔仕切板（例えばパンチング
メタル）３５ａ及び上部多孔仕切板３５ｂで仕切られ、
下部多孔仕切板３５ａから上方に延びる導入管３６ａが
下部多孔仕切板３５ａ及び前記上部隔壁３２ｂを貫通し
ている。導入管３６ａ及び複数のチューブ３４は、図３
に示すように、円筒体２１内にほぼ等間隔で並置され
る。また、下部多孔仕切板３５ａ及び上部多孔仕切板３
５ｂの間には改質触媒が充填されて触媒層３７が形成さ
れる。上部多孔仕切板３５ｂと上部隔壁３２ｂとの間に
はガス合流室３８が形成され、このガス合流室３８は触
媒層３７に該下部多孔仕切板３５ｂの孔を介して連通す
る。下部多孔仕切板３５ａと下部隔壁３２ａとの間には
複数のステンレス粒（金属粒）４１が収納された水蒸気
生成室４２が形成され、この水蒸気生成室４２は触媒層
３７に下部多孔仕切板３５ａの孔を介して連通すると共
に前記導入管３６内に連通している。
【００２５】導入管３６は燃焼ガス排出部３１内に形成
された熱交換室３１ａまで延びており、この熱交換室３
１ａ内の導入管３６ｂは円筒体２１の内面に沿って螺旋
状に巻回されている。この導入管３６ｂは、熱交換室３
１ａから円筒体２１を貫通して改質器本体２１外部の前
記配管９２（図１）に接続されている。
【００２６】燃料電池発電システムＳの運転時には、燃
焼用燃料ガスが燃焼用燃料ガス管２３を通じてバーナ２
２に供給されてバーナ２２で燃焼が行われる。この燃焼
ガスは、点線矢印方向に移動する。
【００２７】すなわち、燃焼ガスは、燃焼ガス供給部３
０の燃焼室３０ａを通って反応室３３のチューブ３４内
部に導かれ、水蒸気生成室４２、この水蒸気生成室４２
内の複数のステンレス粒４１、触媒層３７、ガス合流室
３８等を加熱した後、燃焼ガス排出部３１内の熱交換室
３１ａに導かれ、螺旋状の導入管３６ｂを加熱して改質
器本体２０の外部に導かれる。
【００２８】一方、燃料ガスと水の混合物が配管９２を
通じて改質器本体２０に導入されて、実線矢印方向に移
動する。
【００２９】すなわち、燃料ガスと水の混合物は、螺旋
状の導入管３６ｂ内に導かれ、この螺旋状の導入管３６
ｂで燃焼室３１ａを流れる燃焼ガスによって予熱され、
反応室３３の導入管３６ａ内で燃焼ガスによって加熱さ
れた触媒層３７から更に予熱される。この予熱された混
合物は水蒸気生成室４２に導かれ、燃焼ガスによって加
熱された水蒸気生成室４２の内壁やこの水蒸気生成室４
２に収納されたステンレス粒４１により昇温して混合物
に含まれる水が気化されて水蒸気が発生し、この発生し
た水蒸気と燃料ガスとの混合ガスは燃焼ガスによって加
熱（６００〜７００℃）された触媒層３７に導入され
る。この触媒層３７の触媒下で水蒸気改質反応が行わ
れ、水素と一酸化炭素とを含む改質ガスに転換される。
尚、触媒層３７に導入される混合ガスは十分に予熱され
ているので、吸熱反応である水蒸気改質反応が活発に行
われる触媒層３７の混合ガス入口部３７ａの温度低下が
防止され、触媒層３７における水蒸気改質効率の低下を
防止できる。そして、改質ガスはガス合流室３８を介し
て配管９３に導かれ、この配管９３を通じて前記一酸化
炭素変成装置３（図１）に送られる。
【００３０】本実施形態によれば、筒体２１内に燃焼ガ
スの熱により水を加熱して水蒸気を生成する水蒸気生成
室４２が設けられるので、改質装置２の小型化が可能と
なる。また、導入管３６ａが触媒層３７を貫通するの
で、導入管３６ａ内の燃焼ガスと水が高温の触媒層３７
により予熱されて燃焼ガスと燃料ガス及び水との熱交換
率を向上させることができる。また、螺旋状に形成され
た導入管３６ｂが燃焼ガス排出部３１の熱交換室３１ａ
内に通されるので、導入管３６ｂ内の燃料ガス及び水が
予熱されて燃焼ガスと燃料ガス及び水の熱交換率が向上
し、外部に排出される熱損失を減少させることができ
る。また、触媒層３７を貫通する複数のチューブ３４に
燃焼ガスが通されるので、燃焼ガスと触媒層３７との熱
交換率が向上し、外部に排出される熱損失を減少させる
ことができる。また、水蒸気生成室４２内に設けられた
複数のステンレス粒４１によって当該ステンレス粒４１
と水との接触面積が大きくなると共にステンレス粒４１
は熱伝導率が高いので、水を速やかに昇温して気化させ
ることができる。
【００３１】以上、実施形態に基づいて本発明を説明し
たが、本発明はこれに限定されるものでないことは明ら
かである。本実施形態では、水蒸気生成室４２内に複数
のステンレス粒４１が収納されるが、水蒸気生成室４２
に例えば別の金属製の突起群を設けてもよい。
【００３２】
【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、筒体内に
燃焼ガスの熱により水を加熱して水蒸気を生成する水蒸
気生成室を設けたので、燃料電池用改質装置の小型化が
可能となる。
【００３３】請求項２記載の発明によれば、筒体内に燃
焼ガスの熱により水を加熱して水蒸気を生成する水蒸気
生成室を設けたので、燃料電池用改質装置の小型化が可
能となる。また、導入管が触媒層を貫通するので、導入
管内の燃焼ガスと水が高温の触媒層により予熱されて燃
焼ガスと燃料ガス及び水との熱交換率が向上する。
【００３４】請求項３記載の発明によれば、導入管が燃
焼ガス排出部の熱交換室に通されるので、導入管内の燃
料ガス及び水が予熱されて燃焼ガスと燃料ガス及び水の
熱交換率が向上する。
【００３５】請求項４記載の発明によれば、触媒層を貫
通する複数のチューブに燃焼ガスが通されるので、燃焼
ガスと触媒層との熱交換率が向上し、外部に排出される
熱損失を減少させることができる。
【００３６】請求項５記載の発明によれば、水蒸気生成
室内に設けられた複数の金属粒によって当該金属粒と水
との接触面積が大きくなり、また金属粒は熱伝導率が高
いので、水を速やかに昇温して気化させることができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料電池発電システムを示すブロック図であ
る。
【図２】本実施形態による改質装置を示す断面図であ
る。
【図３】図２のＡ−Ａ断面図である。
【図４】従来の改質装置を示す断面図である。
【符号の説明】
Ｓ 燃料電池発電システム ２ 改質装置（燃料電池用改質装置） ２０ 改質器本体 ２１ 円筒体（筒体） ２２ バーナ（燃焼器） ３０ 燃焼ガス供給部 ３０ａ 燃焼室 ３１ 燃焼ガス排出部 ３１ａ 熱交換室 ３２ａ 下部隔壁 ３２ｂ 上部隔壁 ３４ チューブ ３７ 触媒層 ４２ 水蒸気生成室
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田島 収 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三 洋電機株式会社内 (72)発明者 藤生 昭 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三 洋電機株式会社内 Ｆターム(参考） 4G040 EA03 EA06 EB14 EB23 EB44 5H027 AA02 BA01 BA09 BA16 BA17

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 改質触媒が充填された触媒層を有する筒
    体と、この筒体内に燃焼ガスを供給する燃焼器とを備
    え、この燃焼器からの燃焼ガスにより前記触媒層を昇温
    し、この昇温した触媒層に燃料と水蒸気を導いて水素を
    生成する燃料電池用改質装置において、前記筒体内に前
    記燃焼ガスの熱により水を加熱して水蒸気を生成する水
    蒸気生成室を設け、この水蒸気生成室に前記燃料と水と
    の混合物を導いて、この水蒸気生成室から燃料と水蒸気
    との混合物を導出し、この水蒸気と燃料との混合物を前
    記触媒層に導いて水素を生成する構成としたことを特徴
    とする燃料電池用改質装置。
  2. 【請求項２】 改質触媒が充填された触媒層を有する筒
    体と、この筒体内に燃焼ガスを供給する燃焼器とを備
    え、この燃焼器からの燃焼ガスにより前記触媒層を昇温
    し、この昇温した触媒層に燃料と水蒸気を導いて水素を
    生成する燃料電池用改質装置において、前記筒体の燃焼
    ガス供給部の近くに当該燃焼ガスの熱により水を加熱し
    て水蒸気を生成する水蒸気生成室を設け、この水蒸気生
    成室に前記筒体の燃焼ガス排出部側から前記触媒層を貫
    通して延びる導入管を通じて前記燃料と水との混合物を
    導いて、この水蒸気生成室から燃料と水蒸気との混合物
    を導出し、この水蒸気と燃料との混合物を前記触媒層に
    導いて水素を生成する構成としたことを特徴とする燃料
    電池用改質装置。
  3. 【請求項３】 前記筒体の燃焼ガス排出部に熱交換室を
    形成し、前記導入管は、この熱交換室を通して、前記触
    媒層を貫通させることを特徴とする請求項２記載の燃料
    電池用改質装置。
  4. 【請求項４】 前記筒体内に上部隔壁と下部隔壁とで仕
    切られた室を形成し、この室に前記触媒層及び前記水蒸
    気生成室を設け、上部隔壁と触媒層と下部隔壁とを貫通
    して延びる複数のチューブを設け、前記燃焼ガス供給部
    に供給される燃焼ガスを、複数のチューブを通して、前
    記燃焼ガス排出部に導くことを特徴とする請求項２又は
    ３記載の燃料電池用改質装置。
  5. 【請求項５】 前記水蒸気生成室内に複数の金属粒を設
    けたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載
    の燃料電池用改質装置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US7527661B2 (en) 2005-04-18 2009-05-05 Intelligent Energy, Inc. Compact devices for generating pure hydrogen
JP2011057538A (ja) * 2009-09-14 2011-03-24 Green Hydrotec Inc 水素発生器及び水素発生装置
JP2015508381A (ja) * 2011-12-30 2015-03-19 ドゥサン ヘヴィー インダストリーズ アンド コンストラクション カンパニー リミテッド 熱交換型予備改質器
CN111661819A (zh) * 2020-06-01 2020-09-15 陈伟明 一种制氢机混合气转化燃烧系统

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