JP2002356304A - 燃料とオキシダントを混合するための装置 - Google Patents
燃料とオキシダントを混合するための装置Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 燃料とオキシダントをＰＯＸ部に入れる前に
完全に混合すると共に混合気の早すぎる燃焼を防止す
る。 【解決手段】 水素を燃料電池に供給する自熱式改質装
置で使用するため燃料とオキシダントを混合する装置
は、混合容器（１０）と、気体燃料又はオキシダントに
容器内を通過させるための容器への第１の入口（４）及
び第２の入口と、自熱式改質装置に隣接する、容器から
の出口（６０）とを含む。入口の排出端は、互いに離れ
且つ容器から出る燃料とオキシダントの混合気を燃焼さ
せるＰＯＸ反応器（６１）の近傍の出口から隔てられ
る。第１の入口には、燃料又はオキシダントが中を通る
複数の管（２４）が伸張するプレート（２６）が設けら
れる。管は、気体燃料又はオキシダントが管の端部（３
０）から排出されるまで燃料がオキシダントに触れない
よう容器内で出口に向かって伸張し、燃料とオキシダン
トがＰＯＸ反応器に流れる前に気体状態で混合する。
完全に混合すると共に混合気の早すぎる燃焼を防止す
る。 【解決手段】 水素を燃料電池に供給する自熱式改質装
置で使用するため燃料とオキシダントを混合する装置
は、混合容器（１０）と、気体燃料又はオキシダントに
容器内を通過させるための容器への第１の入口（４）及
び第２の入口と、自熱式改質装置に隣接する、容器から
の出口（６０）とを含む。入口の排出端は、互いに離れ
且つ容器から出る燃料とオキシダントの混合気を燃焼さ
せるＰＯＸ反応器（６１）の近傍の出口から隔てられ
る。第１の入口には、燃料又はオキシダントが中を通る
複数の管（２４）が伸張するプレート（２６）が設けら
れる。管は、気体燃料又はオキシダントが管の端部（３
０）から排出されるまで燃料がオキシダントに触れない
よう容器内で出口に向かって伸張し、燃料とオキシダン
トがＰＯＸ反応器に流れる前に気体状態で混合する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本出願は、水素を燃料電池に
供給するための燃料処理装置に係り、より詳しくは、自
熱式改質装置での使用に備えた燃料とオキシダントの混
合に関する。
供給するための燃料処理装置に係り、より詳しくは、自
熱式改質装置での使用に備えた燃料とオキシダントの混
合に関する。
【０００２】
【従来技術】燃料電池は、化学物質、即ち燃料とオキシ
ダントを継続的に直流電気に変換するための電気化学装
置である。燃料電池は、２つの電子伝導体電極をイオン
伝導性電解質により隔て、燃料、オキシダント、及び反
応生成物が継続的に電池を出入りするようにして構成さ
れている。燃料電池は、必要に応じて電池に送給される
化学燃料から電気が作られるので作動寿命が理論的には
無限であるという点においてバッテリとは異なる。燃料
がアノード（陰極）で酸化されると、外部回路に電子が
与えられる。オキシダントは、電子をアノードから受け
取りカソードで還元される。電子の移動と同時に、電解
質中のイオン電流が回路を完成させる。燃料としては、
水素及び炭素系材料から酸化還元化合物、アルカリ金
属、及び生化学材料までが範囲に含まれる。水素と酸素
をベースにした燃料電池は、基本的エネルギー源として
重要な将来性を有している。この型式の電池は、電気自
動車用の動力源として使用するために開発途上にあり、
水素は、メタノール、ガソリン、ディーゼル燃料などか
ら引き出される。
ダントを継続的に直流電気に変換するための電気化学装
置である。燃料電池は、２つの電子伝導体電極をイオン
伝導性電解質により隔て、燃料、オキシダント、及び反
応生成物が継続的に電池を出入りするようにして構成さ
れている。燃料電池は、必要に応じて電池に送給される
化学燃料から電気が作られるので作動寿命が理論的には
無限であるという点においてバッテリとは異なる。燃料
がアノード（陰極）で酸化されると、外部回路に電子が
与えられる。オキシダントは、電子をアノードから受け
取りカソードで還元される。電子の移動と同時に、電解
質中のイオン電流が回路を完成させる。燃料としては、
水素及び炭素系材料から酸化還元化合物、アルカリ金
属、及び生化学材料までが範囲に含まれる。水素と酸素
をベースにした燃料電池は、基本的エネルギー源として
重要な将来性を有している。この型式の電池は、電気自
動車用の動力源として使用するために開発途上にあり、
水素は、メタノール、ガソリン、ディーゼル燃料などか
ら引き出される。
【０００３】ＰＥＭ燃料電池のような燃料電池が、内燃
機関に代わるものとして電気動力設備を始め多くの用途
に提案されている。ＰＥＭ燃料電池は、当該技術分野で
周知されており、一方の表面にアノードを他方の表面に
カソードを有する、薄くて陽子を伝達可能な固体ポリマ
ー膜−電解質を備えている、ＭＥＡとも呼ばれる「膜電
極アッセンブリ」を含んでいる。固体ポリマー電解質
は、通常、ペルフルオロスルホン酸のようなイオン交換
樹脂から作られる。アノード／カソードは、通常、細か
く分割された触媒粒子（しばしば炭素粒子上に担持され
ている）を陽子伝導性樹脂と混合して構成されている。
ＭＥＡは、1）アノード及びカソードの集電器として機
能し、２）燃料電池の気体反応物を各アノード及びカソ
ードの表面上に分配するための通路を保有する、1対の
導電性要素の間にサンドイッチ状に挟まれている。ＰＥ
Ｍ燃料電池では、水素がアノード反応体（燃料）であ
り、酸素がカソード反応体（オキシダント）である。
機関に代わるものとして電気動力設備を始め多くの用途
に提案されている。ＰＥＭ燃料電池は、当該技術分野で
周知されており、一方の表面にアノードを他方の表面に
カソードを有する、薄くて陽子を伝達可能な固体ポリマ
ー膜−電解質を備えている、ＭＥＡとも呼ばれる「膜電
極アッセンブリ」を含んでいる。固体ポリマー電解質
は、通常、ペルフルオロスルホン酸のようなイオン交換
樹脂から作られる。アノード／カソードは、通常、細か
く分割された触媒粒子（しばしば炭素粒子上に担持され
ている）を陽子伝導性樹脂と混合して構成されている。
ＭＥＡは、1）アノード及びカソードの集電器として機
能し、２）燃料電池の気体反応物を各アノード及びカソ
ードの表面上に分配するための通路を保有する、1対の
導電性要素の間にサンドイッチ状に挟まれている。ＰＥ
Ｍ燃料電池では、水素がアノード反応体（燃料）であ
り、酸素がカソード反応体（オキシダント）である。
【０００４】車両に用いる場合には、炭素の結合した水
素系燃料（例えば、メタン、ガソリン、メタノール等）
を使用することが望ましい。燃料電池に使用する水素源
としては、積み込み前の保管が容易で、全国的に便利に
供給できるサービスステーションのインフラがあるの
で、このような液体の燃料が望ましい。これら燃料は、
燃料電池に燃料補給するためには、解離させて水素成分
を解放せねばならない。解離反応は、燃料処理装置を構
成している一連の反応器の内の1番目の反応器である、
いわゆる「一次反応器」において行われる。燃料処理装
置内の他の反応器は、一次反応器により生成された水素
からＣＯを除去する役目を果たす。ガソリン用のこのよ
うな反応器１つとしては、例えば、しばしば「自熱式改
質装置」と呼ばれる２段階化学反応器が知られている。
自熱式改質装置（ＡＴＲ）では、ガソリンと水蒸気（ス
チーム）が空気と混合され、２つの反応器部、即ち、最
初に「部分酸化」（ＰＯＸ）部、そして２番目にスチー
ム改質（ＳＲ）部、を順に通過させる。ＰＯＸ部では、
はだか火又は触媒を用いて、ガソリンを理論空気量以下
の空気と発熱反応させ一酸化炭素、水素、及びメタンの
ような低級炭化水素を発生させる。高温ＰＯＸ反応生成
物は、ガソリンと共に導入されたスチームと共にＳＲ部
に送られ、そこで低級炭化水素及び微量の一酸化炭素は
スチームと反応して、主に水素、二酸化炭素、及び一酸
化炭素から成る改質ガスを発生させる。ＳＲ反応は吸熱
反応であるが、自身に必要とされる熱は、発熱型のＰＯ
Ｘ部で発生しＰＯＸ部の流出気によりＳＲ部へと搬入さ
れた熱から、又は燃料電池システムの他の部分（例えば
燃焼器）から得られる。このような自熱式改質器の１つ
が、１９９８年３月５日発行の国際特許公告番号第ＷＯ
９８／０８７７１号に記載されている。
素系燃料（例えば、メタン、ガソリン、メタノール等）
を使用することが望ましい。燃料電池に使用する水素源
としては、積み込み前の保管が容易で、全国的に便利に
供給できるサービスステーションのインフラがあるの
で、このような液体の燃料が望ましい。これら燃料は、
燃料電池に燃料補給するためには、解離させて水素成分
を解放せねばならない。解離反応は、燃料処理装置を構
成している一連の反応器の内の1番目の反応器である、
いわゆる「一次反応器」において行われる。燃料処理装
置内の他の反応器は、一次反応器により生成された水素
からＣＯを除去する役目を果たす。ガソリン用のこのよ
うな反応器１つとしては、例えば、しばしば「自熱式改
質装置」と呼ばれる２段階化学反応器が知られている。
自熱式改質装置（ＡＴＲ）では、ガソリンと水蒸気（ス
チーム）が空気と混合され、２つの反応器部、即ち、最
初に「部分酸化」（ＰＯＸ）部、そして２番目にスチー
ム改質（ＳＲ）部、を順に通過させる。ＰＯＸ部では、
はだか火又は触媒を用いて、ガソリンを理論空気量以下
の空気と発熱反応させ一酸化炭素、水素、及びメタンの
ような低級炭化水素を発生させる。高温ＰＯＸ反応生成
物は、ガソリンと共に導入されたスチームと共にＳＲ部
に送られ、そこで低級炭化水素及び微量の一酸化炭素は
スチームと反応して、主に水素、二酸化炭素、及び一酸
化炭素から成る改質ガスを発生させる。ＳＲ反応は吸熱
反応であるが、自身に必要とされる熱は、発熱型のＰＯ
Ｘ部で発生しＰＯＸ部の流出気によりＳＲ部へと搬入さ
れた熱から、又は燃料電池システムの他の部分（例えば
燃焼器）から得られる。このような自熱式改質器の１つ
が、１９９８年３月５日発行の国際特許公告番号第ＷＯ
９８／０８７７１号に記載されている。
【０００５】ＡＴＲの下流で、ＳＲ流出気に含有されて
いる一酸化炭素が除去され、又は少なくとも、燃料電池
のアノード触媒に無害な非常に低い濃度（例えば、約２
０ｐｐｍ未満）にまで還元される。これを行うため、燃
料処理装置は、ＣＯのＳＲ流出気に、最初にいわゆる
「水−ガス転換（water-gas-shift）」反応を起こさせ
（即ち、ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋Ｈ2）、次いでそれをい
わゆる「優先酸化反応」において酸素（即ち、空気）と
反応させる（即ち、ＣＯ＋１／２Ｏ2→ＣＯ2）ことによ
り、ＣＯのＳＲ流出気を洗浄することが知られている。
ＣＯ洗浄されＨ2が増えた改質気は、次に燃料電池に供
給される。
いる一酸化炭素が除去され、又は少なくとも、燃料電池
のアノード触媒に無害な非常に低い濃度（例えば、約２
０ｐｐｍ未満）にまで還元される。これを行うため、燃
料処理装置は、ＣＯのＳＲ流出気に、最初にいわゆる
「水−ガス転換（water-gas-shift）」反応を起こさせ
（即ち、ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋Ｈ2）、次いでそれをい
わゆる「優先酸化反応」において酸素（即ち、空気）と
反応させる（即ち、ＣＯ＋１／２Ｏ2→ＣＯ2）ことによ
り、ＣＯのＳＲ流出気を洗浄することが知られている。
ＣＯ洗浄されＨ2が増えた改質気は、次に燃料電池に供
給される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】気体燃料と気体オキシ
ダントを、ＰＯＸ部に入れる前に完全に混合させること
が、ＡＲＴを効果的に作動させる上で非常に望ましい。
ＰＯＸ部の上流の加熱環境内にオキシダントが存在する
ことに起因し、混合物が早すぎる燃焼を起こさないよう
することもとりわけ重要である。本発明は、ＰＯＸ反応
器に供給される燃料とオキシダントの混合を改善して、
混合気が反応器に入る前の早すぎる段階での燃焼又は閃
光発生を排除し、それによりＰＯＸの上流での炭素粒子
（即ち、すす）の形成をなくすことに着目している。
ダントを、ＰＯＸ部に入れる前に完全に混合させること
が、ＡＲＴを効果的に作動させる上で非常に望ましい。
ＰＯＸ部の上流の加熱環境内にオキシダントが存在する
ことに起因し、混合物が早すぎる燃焼を起こさないよう
することもとりわけ重要である。本発明は、ＰＯＸ反応
器に供給される燃料とオキシダントの混合を改善して、
混合気が反応器に入る前の早すぎる段階での燃焼又は閃
光発生を排除し、それによりＰＯＸの上流での炭素粒子
（即ち、すす）の形成をなくすことに着目している。
【０００７】本発明の目的は、燃料又はオキシダントの
一方を容器に第１位置で導入し、次いで燃料又はオキシ
ダントの残りの一方を、混合気が容器内を再循環するの
ではなく直接に容器の出口まで燃焼せずに進むような、
第１の位置より十分に下流の第２の位置で導入すること
により燃料とオキシダントを混合するための混合容器
を、入口のところに有するＰＯＸ反応器を提供すること
である。燃料（又はオキシダント）は、オキシダント
（又は燃料）が混合容器に導入される場所のずっと下流
にＰＯＸ反応器の方向に伸張している、間隔を密に配置
された複数の管から入口を出るので、これにより混合気
がＰＯＸ反応器に入る前に気体燃料が混合容器のオキシ
ダントに曝される時間が短縮され、実質的に燃料の早す
ぎ燃焼及びその結果としてのすすの形成が防止される。
一方を容器に第１位置で導入し、次いで燃料又はオキシ
ダントの残りの一方を、混合気が容器内を再循環するの
ではなく直接に容器の出口まで燃焼せずに進むような、
第１の位置より十分に下流の第２の位置で導入すること
により燃料とオキシダントを混合するための混合容器
を、入口のところに有するＰＯＸ反応器を提供すること
である。燃料（又はオキシダント）は、オキシダント
（又は燃料）が混合容器に導入される場所のずっと下流
にＰＯＸ反応器の方向に伸張している、間隔を密に配置
された複数の管から入口を出るので、これにより混合気
がＰＯＸ反応器に入る前に気体燃料が混合容器のオキシ
ダントに曝される時間が短縮され、実質的に燃料の早す
ぎ燃焼及びその結果としてのすすの形成が防止される。
【０００８】
【課題を解決するための手段】燃料電池に水素を提供す
るＡＴＲへの供給に備え、燃料とオキシダントを混合す
るための装置について説明する。本装置は、気体燃料
（又はオキシダント）を通過させるための第1の入口
と、気体オキシダント（又は燃料）を通過させるための
第２の入口とが容器内の流れの方向に互いに離間して配
置された混合容器を備えており、この混合容器には、更
に、これらの入口から間隔を置いて、且つ混合容器から
出る燃料とオキシダントの混合気を部分的に燃焼させる
ＰＯＸ反応器に隣接して、出口が設けられている。第1
の入口にはプレートが設けられており、プレートから
は、中を燃料又はオキシダントが通過する複数の管が伸
張している。管は、燃料（又はオキシダント）を第２の
入口の下流で且つ容器の出口付近に排出するように混合
容器内に伸びているので、燃料は、気体燃料（又はオキ
シダント）が管から出るまではオキシダントと接触する
ことはなく、従って燃料は、オキシダントとＰＯＸ反応
器内へ（例えば、触媒型ＰＯＸ反応器の触媒反応床へ
と）入る直前に気体状態で混合される。
るＡＴＲへの供給に備え、燃料とオキシダントを混合す
るための装置について説明する。本装置は、気体燃料
（又はオキシダント）を通過させるための第1の入口
と、気体オキシダント（又は燃料）を通過させるための
第２の入口とが容器内の流れの方向に互いに離間して配
置された混合容器を備えており、この混合容器には、更
に、これらの入口から間隔を置いて、且つ混合容器から
出る燃料とオキシダントの混合気を部分的に燃焼させる
ＰＯＸ反応器に隣接して、出口が設けられている。第1
の入口にはプレートが設けられており、プレートから
は、中を燃料又はオキシダントが通過する複数の管が伸
張している。管は、燃料（又はオキシダント）を第２の
入口の下流で且つ容器の出口付近に排出するように混合
容器内に伸びているので、燃料は、気体燃料（又はオキ
シダント）が管から出るまではオキシダントと接触する
ことはなく、従って燃料は、オキシダントとＰＯＸ反応
器内へ（例えば、触媒型ＰＯＸ反応器の触媒反応床へ
と）入る直前に気体状態で混合される。
【０００９】更に、ＰＯＸ反応器への供給に備え容器内
で燃料とオキシダントを混合する方法が説明されてお
り、この方法は、燃料又はオキシダントに容器の第1の
入口を通過させ、燃料又はオキシダントに容器の第２の
入口を通過させることにより気体燃料と気体オキシダン
トを混合する工程から成っており、両入口は互いに離し
て設けられ、且つ混合容器から出てくる燃料−オキシダ
ント混合気を部分的に燃焼させるＰＯＸ付近にある出口
からも離して配置されており、更に、第1の入口にはプ
レートが設けられていて、プレートからは、中を燃料又
はオキシダントが通過する複数の管が伸張しており、当
該管は、混合容器の中へ容器の出口付近まで伸張し、そ
の気体を第２の入口の排出点の下流に排出するので、気
体燃料又はオキシダントが管から出るまでは燃料がオキ
シダントに接触せず、従って、燃料は、燃料−オキシダ
ント混合気が出口を通りＰＯＸ反応器へと入る直前に、
オキシダントと気体状態で混合されるようになってい
る。
で燃料とオキシダントを混合する方法が説明されてお
り、この方法は、燃料又はオキシダントに容器の第1の
入口を通過させ、燃料又はオキシダントに容器の第２の
入口を通過させることにより気体燃料と気体オキシダン
トを混合する工程から成っており、両入口は互いに離し
て設けられ、且つ混合容器から出てくる燃料−オキシダ
ント混合気を部分的に燃焼させるＰＯＸ付近にある出口
からも離して配置されており、更に、第1の入口にはプ
レートが設けられていて、プレートからは、中を燃料又
はオキシダントが通過する複数の管が伸張しており、当
該管は、混合容器の中へ容器の出口付近まで伸張し、そ
の気体を第２の入口の排出点の下流に排出するので、気
体燃料又はオキシダントが管から出るまでは燃料がオキ
シダントに接触せず、従って、燃料は、燃料−オキシダ
ント混合気が出口を通りＰＯＸ反応器へと入る直前に、
オキシダントと気体状態で混合されるようになってい
る。
【００１０】
【発明の実施の形態】本発明は、図面と関連付けて以下
に記述する詳細な説明に照らし合わせ考察することによ
り、深く理解頂けるであろう。図面中、同種の部分には
同一の参照番号を付した。
に記述する詳細な説明に照らし合わせ考察することによ
り、深く理解頂けるであろう。図面中、同種の部分には
同一の参照番号を付した。
【００１１】本発明は、燃料電池に水素を供給するＡＴ
Ｒでの使用に備えて燃料とオキシダントを混合するため
の装置に関する。燃料−オキシダントの混合気は、ＡＴ
Ｒ内のＰＯＸ反応器に、ＰＯＸ反応器の上流で自己着火
できる前にその中で燃焼させるために送られる。
Ｒでの使用に備えて燃料とオキシダントを混合するため
の装置に関する。燃料−オキシダントの混合気は、ＡＴ
Ｒ内のＰＯＸ反応器に、ＰＯＸ反応器の上流で自己着火
できる前にその中で燃焼させるために送られる。
【００１２】自熱式改質器では、空気と燃料とスチーム
の流れは、ＰＯＸ反応器部に入る前に完全に混合しなけ
ればならない。更にシステムの効率性の面から、混合前
にこれらの流れに熱を加えることが望ましい。しかしな
がら、ＡＴＲの典型的に高い温度（約５００−６００
℃）では、炭化水素系燃料の自己着火遅延時間（１０−
１００ｍｓ）は比較的短い。混合気がＰＯＸ反応器に入
る前に自己着火が起きれば、気相反応によって、ＰＯＸ
反応器を汚す望ましくない炭素沈殿物（即ち、すす）が
形成され易くなる。触媒型ＰＯＸ反応器では、このすす
は触媒を汚染し、触媒の効果を下げ、これを通過する際
の圧力低下が大きくなることから、とりわけ厄介であ
る。従って、供給を受ける燃料電池が最大出力であると
きに、燃料とオキシダントのミキサー内での滞留時間が
非常に短くなるようにして、燃料電池が低出力にあると
きの滞留時間でも、自己着火遅延時間を超過しないよう
に、燃料とオキシダントを混合させることが必要であ
る。燃料処理装置内での滞留時間は、低出力では流量が
下がり圧力がほぼ一定であることから、増加する。
の流れは、ＰＯＸ反応器部に入る前に完全に混合しなけ
ればならない。更にシステムの効率性の面から、混合前
にこれらの流れに熱を加えることが望ましい。しかしな
がら、ＡＴＲの典型的に高い温度（約５００−６００
℃）では、炭化水素系燃料の自己着火遅延時間（１０−
１００ｍｓ）は比較的短い。混合気がＰＯＸ反応器に入
る前に自己着火が起きれば、気相反応によって、ＰＯＸ
反応器を汚す望ましくない炭素沈殿物（即ち、すす）が
形成され易くなる。触媒型ＰＯＸ反応器では、このすす
は触媒を汚染し、触媒の効果を下げ、これを通過する際
の圧力低下が大きくなることから、とりわけ厄介であ
る。従って、供給を受ける燃料電池が最大出力であると
きに、燃料とオキシダントのミキサー内での滞留時間が
非常に短くなるようにして、燃料電池が低出力にあると
きの滞留時間でも、自己着火遅延時間を超過しないよう
に、燃料とオキシダントを混合させることが必要であ
る。燃料処理装置内での滞留時間は、低出力では流量が
下がり圧力がほぼ一定であることから、増加する。
【００１３】本発明の望ましい特性は、燃料又はオキシ
ダントの何れか一方の分配型燃料噴射を、燃料又はオキ
シダントの他方を分配するための分配プレートの下流に
設けて、確実に、気体状の燃料又はオキシダントが混合
容器内の再循環ゾーンに噴射されないようにすることで
あり、そうしなければ内部での滞留時間が増加し、それ
により自己着火を引き起こすことになる。その目的は、
燃料とオキダントとの混合を最適化すると同時に、混合
気が混合容器内に存在する合計滞留時間を短縮すること
である。
ダントの何れか一方の分配型燃料噴射を、燃料又はオキ
シダントの他方を分配するための分配プレートの下流に
設けて、確実に、気体状の燃料又はオキシダントが混合
容器内の再循環ゾーンに噴射されないようにすることで
あり、そうしなければ内部での滞留時間が増加し、それ
により自己着火を引き起こすことになる。その目的は、
燃料とオキダントとの混合を最適化すると同時に、混合
気が混合容器内に存在する合計滞留時間を短縮すること
である。
【００１４】ここで図面の説明に入ると、図１は混合容
器１０であり、下流にあるＡＴＲ１２での使用に備え、
燃料とオキシダントを混合するための容器である。燃料
は、入口管１４を通って容器１０に導入される。入口管
１４は、その周囲に、混合容器１０のエンドキャップ２
２により画定される室２０全体に亘って気体燃料を分配
し易くする一連の孔１８を有している。気体燃料は、室
２０から、室２０を画定している第1の分配プレート２
６の全面に亘って間隔を空けて設けられている複数の管
２４を通り、実質的には混合室３２の内部に位置する管
の遠位端の開口部３０を抜けて出て行く。入口管１４
は、付帯の圧力タップ１５を有している。混合室３２
も、同様に付帯の圧力タップ３４を有している。
器１０であり、下流にあるＡＴＲ１２での使用に備え、
燃料とオキシダントを混合するための容器である。燃料
は、入口管１４を通って容器１０に導入される。入口管
１４は、その周囲に、混合容器１０のエンドキャップ２
２により画定される室２０全体に亘って気体燃料を分配
し易くする一連の孔１８を有している。気体燃料は、室
２０から、室２０を画定している第1の分配プレート２
６の全面に亘って間隔を空けて設けられている複数の管
２４を通り、実質的には混合室３２の内部に位置する管
の遠位端の開口部３０を抜けて出て行く。入口管１４
は、付帯の圧力タップ１５を有している。混合室３２
も、同様に付帯の圧力タップ３４を有している。
【００１５】ある好適な実施例では、スチームと空気
は、入口４０に導入され、管４６を介して環状マニホー
ルド手段４２に接線方向に入る。空気は、マニホールド
４２の第1の環状室41内でスチームと混ぜ合わされ、マ
ニホールド４２の内部に配置されマニホールド４２を第
1室４１と第２室４３に分割している多孔（即ち、透過
性の）金属隔壁４８を通り抜ける。多孔プレートは、平
均孔寸法が凡そ１００ミクロンであり、室４１内でのス
チームと空気の混合を促進する機能と、分配プレート５
０により画定されている室４３内に気体流を均一に分配
する機能を持っている。図４及び図５から分かるよう
に、分配プレート５０は、直径が管２４の直径よりも大
きくその中を管２４が通る複数の孔５２を有している。
スチーム−空気混合気は、管２４の外径と孔５２の内径
により画定される環状間隙５３を通って混合室３２内へ
入る。
は、入口４０に導入され、管４６を介して環状マニホー
ルド手段４２に接線方向に入る。空気は、マニホールド
４２の第1の環状室41内でスチームと混ぜ合わされ、マ
ニホールド４２の内部に配置されマニホールド４２を第
1室４１と第２室４３に分割している多孔（即ち、透過
性の）金属隔壁４８を通り抜ける。多孔プレートは、平
均孔寸法が凡そ１００ミクロンであり、室４１内でのス
チームと空気の混合を促進する機能と、分配プレート５
０により画定されている室４３内に気体流を均一に分配
する機能を持っている。図４及び図５から分かるよう
に、分配プレート５０は、直径が管２４の直径よりも大
きくその中を管２４が通る複数の孔５２を有している。
スチーム−空気混合気は、管２４の外径と孔５２の内径
により画定される環状間隙５３を通って混合室３２内へ
入る。
【００１６】本発明の目的は、管２４の端部３０と容器
の出口端６０との間の位置３３での気体燃料と気体オキ
シダント（好適には空気とスチーム）の混合をやり易く
することと、オキシダント−燃料の混合気が再循環して
混合室３２の領域６２に戻るのを防ぐことである。これ
に関して、入口導管４６の底部つまり参照番号４７の位
置に想像線を引くことにする。想像線４７と第２の分配
プレート５０との間の室３２の上部６２は、高温再循環
ゾーンであり、そこには閉じ込められた気体の滞留時間
を引き延ばす乱流及び渦流が存在している。本発明の目
的は、管２４の端部３０から出てくる気体燃料を、再循
環ゾーンに入らないようにし、管端部３０と容器出口６
０の間の領域内でオキシダントと完全に混ぜ合わせ、そ
の全てをＰＯＸ反応器１２の触媒床６１に向けて移動さ
せ続けることである。
の出口端６０との間の位置３３での気体燃料と気体オキ
シダント（好適には空気とスチーム）の混合をやり易く
することと、オキシダント−燃料の混合気が再循環して
混合室３２の領域６２に戻るのを防ぐことである。これ
に関して、入口導管４６の底部つまり参照番号４７の位
置に想像線を引くことにする。想像線４７と第２の分配
プレート５０との間の室３２の上部６２は、高温再循環
ゾーンであり、そこには閉じ込められた気体の滞留時間
を引き延ばす乱流及び渦流が存在している。本発明の目
的は、管２４の端部３０から出てくる気体燃料を、再循
環ゾーンに入らないようにし、管端部３０と容器出口６
０の間の領域内でオキシダントと完全に混ぜ合わせ、そ
の全てをＰＯＸ反応器１２の触媒床６１に向けて移動さ
せ続けることである。
【００１７】オキシダント−燃料の混合気を再循環領域
へ移動させずに急速混合を実現するため、燃料は、多数
（１００個程度）の小直径燃料管２４（図４及び図５参
照）により空気−スチーム流内に分配される。多数の噴
射点に亘って燃料を空気−スチーム流に分配することに
より、管端部付近（即ち、管端から下流側へ短い距離の
範囲内）での均一な混合が確保される。これら噴射点の
間隔が狭いほど、均一な混合を実現するために必要な下
流側の距離は短い。この点に関し、混合に必要な下流側
の距離は、噴射点（即ち、管端部３０）の間隔によって
決まる。乱流ジェット展開速度に基づき、混合には、燃
料管２４の間隔の約６倍の距離が必要とされる。確実に
短い滞留時間とするためには、燃料を含有している再循
環ゾーンを無くさなければならない。これは、燃料を小
径の燃料管２４の端部３０で噴射し、これらの管の端部
を空気及びスチームの分配プレート５０の十分下流に配
置し、このプレートに伴う再循環ゾーンへの燃料の噴射
を回避することにより実現される。この再循環ゾーン
は、空気及びスチーム噴射プレート５０の孔５２と孔５
２の間隔の凡そ２．５倍の距離分、下流に広がってい
る。燃料が、高温の空気とスチームの流れによる燃料管
２４を通る熱伝導により加熱されることがないように、
燃料管２４は過度に長く（噴射プレート５０から再循環
ゾーンの端を過ぎ越すだけの長さでよい）してはならな
い。燃料を過度に加熱（約６００℃まで）すると、燃料
の望ましくない分解を招きかねない。
へ移動させずに急速混合を実現するため、燃料は、多数
（１００個程度）の小直径燃料管２４（図４及び図５参
照）により空気−スチーム流内に分配される。多数の噴
射点に亘って燃料を空気−スチーム流に分配することに
より、管端部付近（即ち、管端から下流側へ短い距離の
範囲内）での均一な混合が確保される。これら噴射点の
間隔が狭いほど、均一な混合を実現するために必要な下
流側の距離は短い。この点に関し、混合に必要な下流側
の距離は、噴射点（即ち、管端部３０）の間隔によって
決まる。乱流ジェット展開速度に基づき、混合には、燃
料管２４の間隔の約６倍の距離が必要とされる。確実に
短い滞留時間とするためには、燃料を含有している再循
環ゾーンを無くさなければならない。これは、燃料を小
径の燃料管２４の端部３０で噴射し、これらの管の端部
を空気及びスチームの分配プレート５０の十分下流に配
置し、このプレートに伴う再循環ゾーンへの燃料の噴射
を回避することにより実現される。この再循環ゾーン
は、空気及びスチーム噴射プレート５０の孔５２と孔５
２の間隔の凡そ２．５倍の距離分、下流に広がってい
る。燃料が、高温の空気とスチームの流れによる燃料管
２４を通る熱伝導により加熱されることがないように、
燃料管２４は過度に長く（噴射プレート５０から再循環
ゾーンの端を過ぎ越すだけの長さでよい）してはならな
い。燃料を過度に加熱（約６００℃まで）すると、燃料
の望ましくない分解を招きかねない。
【００１８】別のやり方としては、混合は、１）燃料及
びスチームは管２４を通して（そして、空気はプレート
５０を通して）噴射することにより、又は、２）空気は
管２４を通して（そして、燃料とスチームはプレート５
０を通して）噴射することにより、又は、３）空気とス
チームは管２４を通して（そして、燃料はプレート５０
を通して）噴射することにより、行ってもよい。
びスチームは管２４を通して（そして、空気はプレート
５０を通して）噴射することにより、又は、２）空気は
管２４を通して（そして、燃料とスチームはプレート５
０を通して）噴射することにより、又は、３）空気とス
チームは管２４を通して（そして、燃料はプレート５０
を通して）噴射することにより、行ってもよい。
【００１９】管２４の寸法は、所望される混合の量の他
にも、オキシダント及び燃料の流れによって、広範囲に
変化させることができる。管２４は、外径が約０．１５
７ｃｍ（約０．０６２５インチ）で壁厚が約０．０４０
６ｃｍ（約１６ミル）であるのが有効であると分かって
いる。管２４をこのような寸法にすると、孔５２の直径
は約０．３９ｃｍ（約０．１５４インチ）にして、環状
間隙５３の断面積が約０．９９４ｃｍ2（約０．０１５
６平方インチ）となるようにするのが望ましい。構成要
素の寸法は、上記のように大きく変化させることができ
るが、一般的には関係する流れの流量の関数として変化
する。気体燃料は、燃料とオキシダントの合計気体混合
物の１０％から４０％である。好ましくは、混合気の約
２５％であるのがよい。
にも、オキシダント及び燃料の流れによって、広範囲に
変化させることができる。管２４は、外径が約０．１５
７ｃｍ（約０．０６２５インチ）で壁厚が約０．０４０
６ｃｍ（約１６ミル）であるのが有効であると分かって
いる。管２４をこのような寸法にすると、孔５２の直径
は約０．３９ｃｍ（約０．１５４インチ）にして、環状
間隙５３の断面積が約０．９９４ｃｍ2（約０．０１５
６平方インチ）となるようにするのが望ましい。構成要
素の寸法は、上記のように大きく変化させることができ
るが、一般的には関係する流れの流量の関数として変化
する。気体燃料は、燃料とオキシダントの合計気体混合
物の１０％から４０％である。好ましくは、混合気の約
２５％であるのがよい。
【００２０】ここに開示する本発明の形態は、現時点で
好適な実施例を構成しているが、他にも多くの態様を取
ることができる。ここでは、本発明の可能な全ての等価
な形態又は分岐形態について述べることを意図してはい
ない。本明細書に使用する用語は単に説明のためのもの
で限定を目的としていないこと、及び、本発明の精神及
び範囲を逸脱することなく、様々な変更が行われ得るこ
とを理解されたい。
好適な実施例を構成しているが、他にも多くの態様を取
ることができる。ここでは、本発明の可能な全ての等価
な形態又は分岐形態について述べることを意図してはい
ない。本明細書に使用する用語は単に説明のためのもの
で限定を目的としていないこと、及び、本発明の精神及
び範囲を逸脱することなく、様々な変更が行われ得るこ
とを理解されたい。
【図１】本発明の気体燃料及び気体オキシダントを混合
するための混合容器を示す正面図である。
するための混合容器を示す正面図である。
【図２】図１の上面図である。
【図３】図１の３−３線に沿った側断面図である。
【図４】図１の４−４線に沿った断面図である。
【図５】図4の５−５線に沿った部分断面図である。
１０ 混合容器 １２ 自熱式改質装置 １４ 入口管 １５ 圧力タップ １８ 孔 ２０ 室 ２２ 混合容器のエンドキャップ ２４ 管 ２６ 第１の分配プレート ３０ 管の端部 ３２ 混合室 ３３ 混合位置 ３４ 圧力タップ ４０ 入口 ４１ 第１の環状室 ４２ 環状マニホルド手段 ４３ 第２の環状室 ４６ 入口導管 ４８ 多孔金属隔室 ５０ 分配プレート ５２ 複数の孔 ５３ 環状間隙 ６０ 容器の出口端 ６１ 触媒床 ６２ 高音再循環領域
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4G040 EA02 EA03 EA06 EA07 EB03 EB04 5H026 AA06 5H027 AA06 BA01
Claims (8)
- 【請求項１】 自熱式改質装置への供給に備えて気体燃
料とオキシダントを混合するための装置において、 前記燃料と気体オキシダントを混合するための混合容器
と、 前記燃料とオキシダントに前記混合容器の中を移動させ
るための、前記容器への第１及び第２の入口であって、
前記容器内の流れの方向に互いに離れて配置された排出
端部を有する、前記第１及び第２の入口と、 前記入口から間隔を隔てられ且つ部分酸化（ＰＯＸ）反
応器に隣接して配置された、前記混合容器からの出口で
あって、該部分酸化反応器は、該混合容器を出て行く前
記燃料とオキシダントの混合気を燃焼させる、前記出口
と、を備えており、 前記第1の入口は、前記燃料又はオキシダントが流れ出
る排出端部をそれぞれに有している複数の管を備え、前
記複数の管は、前記混合容器内に前記出口に向かって伸
張し、前記管の排出端部が前記第２の入口の排出端部の
下流に位置し、前記燃料−オキシダントの混合気の前記
容器内での早期燃焼を防ぐために、前記燃料とオキシダ
ントが、前記部分酸化反応器に十分接近したところで混
合されるようになっている、装置。 - 【請求項２】 前記第1の入口は、燃料を通過させるよ
うに形成されている、請求項１に記載の装置。 - 【請求項３】 前記第２の入口は、前記管が中を通って
伸張する複数の孔を有するプレートを備えている、請求
項１に記載の装置。 - 【請求項４】 前記第２の入口は、前記オキシダントを
通過させるように配置されている、請求項３に記載の装
置。 - 【請求項５】 前記第２の入口は、多孔隔壁により第1
の室と第２の室とに分割されている、請求項１に記載の
装置。 - 【請求項６】 前記第２の入口は、スチームを通過させ
るように配置されている、請求項１に記載の装置。 - 【請求項７】 燃料電池に水素を供給する自熱式改質装
置に、燃料と空気の混合気を供給する方法において、 （ａ）燃料又は空気の内の一方を混合容器に第１の位置
で投入する工程と、 （ｂ）前記自熱式改質装置に隣接したところで燃料と空
気の実質的に均一な混合気を形成するために、前記燃料
又は空気の内の他方を、前記混合容器内の前記燃料又は
空気の内の一方に、前記第１の位置の下流に位置する複
数の場所で噴射する工程であって、前記複数の場所は、
前記場所の上流への前記混合気の再循環を実質的に妨げ
ることができるように、前記場所の直ぐ近傍で且つ前記
第１の位置から十分に離れているところに前記混合気を
形成するのに数が十分にある、噴射工程と、 （ｃ）前記混合気を、前記混合容器から前記自熱式改質
装置へと排出する工程と、から成り、これにより前記自
熱式改質装置の上流での前記混合容器内の前記混合気の
早すぎる燃焼を回避する、方法。 - 【請求項８】 燃料電池に水素を供給する自熱式改質装
置に、燃料と空気の混合気を供給する方法において、 （ａ）実質的に均一な第１の混合気を形成するために、
空気又は燃料の内の一方にスチームを混合する工程と、 （ｂ）前記第1の混合気を混合容器に第1の位置で投入す
る工程と、 （ｃ）前記自熱式改質装置に隣接したところに燃料スチ
ームと空気の実質的に均一な第２の混合気を形成するた
めに、前記燃料又は空気の内の他方を、前記混合容器内
の前記第１の混合気に、前記第１の位置の下流に位置す
る複数の場所で噴射する工程であって、前記複数の場所
は、前記場所の上流への前記第２の混合気の再循環を実
質的に妨げることができるように、前記場所の直ぐ近傍
で且つ前記第１の位置から十分に離れているところに前
記第２の混合気を形成するのに数が十分にある、噴射工
程と、 （ｃ）前記第２の混合気を、前記混合容器から前記自熱
式改質装置へと排出する工程と、から成り、これにより
前記自熱式改質装置の上流での前記混合容器内の前記第
２の混合気の早すぎる燃焼を回避する、方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US09/820600 | 2001-03-30 | ||
| US09/820,600 US6596424B2 (en) | 2001-03-30 | 2001-03-30 | Apparatus for mixing fuel and an oxidant |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002356304A true JP2002356304A (ja) | 2002-12-13 |
Family
ID=25231258
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002095310A Pending JP2002356304A (ja) | 2001-03-30 | 2002-03-29 | 燃料とオキシダントを混合するための装置 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (2) | US6596424B2 (ja) |
| JP (1) | JP2002356304A (ja) |
| DE (1) | DE10207536A1 (ja) |
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| KR101388800B1 (ko) | 2012-03-09 | 2014-04-24 | 정천섭 | 발전용 연료전지의 가습기 |
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| KR100626089B1 (ko) | 2004-12-31 | 2006-09-21 | 삼성에스디아이 주식회사 | 액체연료 혼합장치 및 이를 구비한 직접액체연료전지 시스템 |
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