JP2002516468A - 燃料電池装置と燃料電池装置によって電気エネルギーを発生する方法 - Google Patents
燃料電池装置と燃料電池装置によって電気エネルギーを発生する方法Info
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Abstract
Description
、エネルギー担体、特に液状原料から水素を発生するための改質ユニットを備え
、この改質ユニットと燃料電池ユニットの間に、一酸化炭素を二酸化炭素に変換
するための酸化装置が配置されている、請求項1の上位概念に記載した、特に自
動車の駆動装置としての燃料電池装置に関する。本発明は更に、燃料電池ユニッ
トを運転するために、水素が改質プロセスで空気を供給しながら原料から発生さ
せられ、改質プロセスの後でかつ燃料電池ユニットの前に一酸化炭素が二酸化炭
素に酸化される、請求項15の上位概念に記載した、特に自動車の駆動装置のた
めの、燃料電池装置によって電気エネルギーを発生するための方法に関する。
の水素発生器はオートサーミック改質ユニット内でメタノールと空気の混合気か
ら水素を発生する。この場合、改質ユニット内に熱電対が配置され、改質ユニッ
ト内の熱電対の場所の温度が上昇するにつれて空気供給が減らされるように、こ
の熱電対がメタノールと空気の混合気への空気供給に影響を与える。
この場合、メタノールと空気の混合気が触媒を通って半径方向に流れるように、
触媒はメタノールと空気の混合気のための入口管の周りに配置されている。
29323号公報には燃料電池電流発生装置が開示されている。この場合、改質
ユニット内でメタノールと水素の混合気から水素が発生させられる。この水素は
電気的なエネルギーを発生するための後続配置の燃料電池に供給される。改質器
内で充分な反応熱を発生するために、メタノールの一部がメタノールと水の混合
気に添加されないで、付加的なバーナー内で燃焼される。
らなる駆動バッテリを備えた電気自動車が知られている。この場合、燃料電池は
走行風によって冷却されるように配置されている。
97号、第20/21頁の記事“分かったぞ?(Heureka?) ”には、燃料電池駆
動装置を備えた自動車が記載されている。この場合、燃料電池を運転するために
必要な水素は自動車自体でベンジンから作られる。その際、多段プロセスでベン
ジンが水素に変換される。変換の前に、ベンジンは蒸発器内で加熱によってガス
状の状態になる。部分燃焼反応器内で酸素不足状態で水素と一酸化炭素が発生す
る。一酸化炭素を酸化するために、酸化銅触媒と酸化亜鉛触媒が設けられている
。この場合、水蒸気は反応のための酸素供与体として供給される。他のステップ
では、最後の約1%の一酸化炭素が慣用のプラチナ酸化触媒内で空気を供給しな
がら後燃焼させられる。このようにして得られた、水素、一酸化炭素および二酸
化炭素はまだ10ppmの一酸化炭素を含んでいる。これは後続配置の燃料電池
にとって問題がない。従って、熱交換器で約80°Cに冷却した後で、ガスは燃
料電池に案内される。
72巻、第34〜39頁の記事“代替燃料”により、自動車用の類似の燃料電池
装置が知られている。この場合、メタノール改質ユニットが燃料電池用水素を発
生するために設けられている。この場合、水素と酸素の電気化学的な反応時に発
生する水は改質プロセスのために再び使用される。改質プロセスのために脱イオ
ン化された水とメタノールが混合され、蒸発され、250°Cの温度で水素と二
酸化炭素に変換される。この水素は燃料電池に供給され、この燃料電池はこの水
素を空気中酸素と共に触媒プロセスで電気的なエネルギーと水に変換する。蒸発
と改質プロセスのために必要な熱エネルギーは燃料電池の後に接続配置された触
媒バーナーで発生させられる。このバーナーは燃料電池からの残留ガスで運転さ
れる。このガスは水素を含んでいる。なぜなら、燃料電池装置が供給される水素
の約75%だけを利用するからである。充分な残留水素が触媒バーナーに供され
ない場合には、燃料タンクからのメタノールが改質器の熱を回収するために使用
される。改質器で発生したガスを水素成分と共に導入開始する前に、このガスは
触媒反応によって浄化される。この場合、一酸化炭素が二酸化炭素に変換される
。自動車用の燃料電池装置の図示実施の形態では、メタノール改質器は蒸発器、
改質器および一酸化炭素用酸化ユニットを備えている。
のダイナミック出力制御のための方法と装置が開示されている。この燃料電池は
電気式駆動ユニットに電気エネルギーを供給する。アクセルペダル位置に対応す
る要求出力から出発して、空気流量が計算される。この空気流量は燃料電池によ
って目標出力を準備するために必要である。燃料電池の吸込み管路内に配置した
コンプレッサは必要な空気流に対応してその回転数が調節される。
が知られている。この場合、プロセス空気が燃料電池に入る前に圧縮機によって
圧縮される。燃料電池を通過した後で、排出される排気はエネルギーを回収する
ためにタービンを経て減張される。この場合、タービン、圧縮機および付加的な
駆動モータは共通の軸に配置されている。圧縮機は回転数を変更可能に形成され
、排気を減張するためのタービンとしての膨張器と共に共通の軸に配置されてい
る。吸収力を変更する膨張器の使用によって、燃料電池のための空気流調節が行
われる。
る。このねじコンプレッサは2つのポンプ室を備えている。第1のポンプ室の出
口は第2のポンプ室の二次入口に接続されている。
置用の電気エネルギーを発生するための経済的で環境に優しい使用が可能となる
ように、冒頭に述べた種類の燃料電池装置を改良することである。
池装置によって、および請求項15に記載した特徴を有する上記種類の方法によ
って解決される。本発明の有利な実施形は従属請求項に記載されている。
質ユニットと燃料電池ユニットに付設されている。
ず、燃料電池ユニットのアノードとカソードのために同じ圧力が提供されるとい
う利点がある。これはアノードとカソードの作用のためにきわめて重要である。
燃料電池ユニットのカソードに空気を供給するために、比較的に低い圧力、例え
ば約2.5〜3.5バール、特に約3バールの圧力の空気流が圧縮機の第1段か
ら取り出され、主として改質ユニット18の空気供給に役立つ圧縮機の第2段か
ら、比較的に高い圧力、例えば約3.2〜4.2バール、特に約3.7バールの
圧力の空気流が取り出される。第2段のこの高い圧力は、改質ユニットから酸化
ユニットを経て燃料電池ユニットへの他の経路で発生する圧力損失を最初から考
慮する。
0.5〜0.9バール、特に0.7バールである。
じコンプレッサまたは遠心圧縮機として形成可能である。
けることができる。この水噴射装置は酸化装置に水を噴射する。
に、燃料電池ユニットのための高い割合の水素成分によって、充分な冷却または
予冷が達成されるので、プロセスガスがコストのかかる冷却装置なしにまたはコ
ストがあまりかからない冷却装置によって燃料電池ユニットに案内可能であると
いうことにある。更に、噴射された水は一酸化炭素の酸化のために必要な酸素を
供給する。この場合同時に、酸化反応によって、付加的な水素が遊離するので、
酸化のための別個の酸素供給を量的に低減することができ、同時に酸化装置内の
水素富化が燃料電池装置を小型にする。これは燃料電池装置の必要スペースと装
置コストを低減する。
たは空気のための混合器を備えている。
ノードからの排気流内に、水分離装置、特に凝縮器が設けられ、この凝縮器が排
気を含む水を分離し、オートサーミック改質ユニットの前に接続配置された水貯
蔵装置に供給することにより、改質プロセスのために多量の水を一緒に運ぶ必要
なしに、閉鎖水回路が達成される。
電池ユニット、燃料電池ユニットのカソードの空気供給部およびまたは改質ユニ
ットの空気供給部を冷却する。
ーナーが設けられ、この触媒バーナーが燃料電池ユニットのアノードからの排気
を燃焼し、その廃熱を熱交換器を経て改質ユニットに供給する。
器に接続されていることによって達成される。
に二段型コンプレッサが燃料電池ユニットの空気流内に設けられ、膨張器とコン
プレッサが共通の軸に配置されていることにより、エネルギー回収が達成される
。
池ユニットに供給され、圧縮機の第2段から空気が改質ユニットに供給される。
ず、燃料電池ユニットのアノードとカソードのために同じ圧力が提供されるとい
う利点がある。これはアノードとカソードの作用のためにきわめて重要である。
燃料電池ユニットのカソードに空気を供給するために、比較的に低い圧力、例え
ば約2.5〜3.5バール、特に約3バールの圧力の空気流が圧縮機の第1段か
ら取り出され、主として改質ユニット18の空気供給に役立つ圧縮機の第2段か
ら、比較的に高い圧力、例えば約3.2〜4.2バール、特に約3.7バールの
圧力の空気流が取り出される。第2段のこの高い圧力は、改質ユニットから酸化
ユニットを経て燃料電池ユニットへの他の経路で発生する圧力損失を最初から考
慮する。
酸化装置に設けられている。
に、燃料電池ユニットのための高い割合の水素成分によって、充分な冷却または
予冷が達成されるので、プロセスガスがコストのかかる冷却装置なしにまたはコ
ストがあまりかからない冷却装置によって燃料電池ユニットに案内可能であると
いうことにある。更に、噴射された水は一酸化炭素の酸化のために必要な酸素を
供給する。この場合同時に、酸化反応によって、付加的な水素が遊離するので、
酸化のための別個の酸素供給を量的に低減することができ、同時に酸化装置内の
水素富化が燃料電池装置を小型にする。これは燃料電池装置の必要スペースと装
置コストを低減する。
電池ユニットのカソードに、圧縮された空気が供給されることにより、燃料電池
ユニットの付加的な効率上昇が達成可能である。
ノードからの排気流から、水が分離され、改質プロセスに供給されることにより
、改質プロセスのための多量の水を一緒に運ぶ必要なしに、閉鎖された水回路が
達成可能である。
ユニットのアノードからの排気が燃焼させられ、その廃熱が改質プロセスに供給
される。
り、改質プロセスのための代替的な熱発生が達成される。
用される。
基づく本発明の次の説明から明らかになる。図は本発明による燃料電池装置の有
利な実施の形態のブロック図である。
えた燃料電池ユニット10のための水素が改質ユニット18によって発生させら
れる。この改質装置は混合器20、熱交換器22、蒸発器24および触媒改質器
26を備えている。水素を発生するために、例えば原料としてのメタノールがメ
タノールタンク28から、そして水が水タンク30から混合器20に供給される
。蒸発器24において、メタノールと水の混合物が蒸発させられ、触媒改質器2
6において触媒反応で、高い割合の水素を有する生ガス32の形をした反応ガス
が発生する。
池ユニット10に入る前に除去しなければならない。そのために、生ガス32を
酸化ユニット34に案内しなければならない。この酸化ユニットでは、管路36
から空気を供給しながら、一酸化炭素が二酸化炭素(CO2 )に酸化されるので
、20ppmより小さなCO含有量となる。同時に、水タンク30から管路44
を経て水が供給される。この場合、供給される水は噴射装置46によって酸化ユ
ニット34内に噴射される。これは酸化ユニット34内で反応ガスを同時に冷却
することになる。このようにして発生し冷却された清浄ガスから、アノードガス
凝縮器40内で、水が除かれる。この水は管路42を経て水タンク30に戻され
る。続いて、水素の高い含有率を有する清浄ガス38は、燃料電池ユニット10
のアノード12に案内される。清浄ガス38は例えば約180〜200°Cの温
度の50%のH2 、25%のN2 そして25%のCO2 を含んでいる。アノード
ガス凝縮器40では、清浄ガスはアノード12に入る前に例えば約85°Cに冷
却される。
機49から、圧縮された空気が管路48を経て燃料電池ユニット10に供給され
る。すべての空気管路は図1において破線で示してある。これにより、燃料電池
ユニットは公知の如く、次の反応 H2 +1/2 O2 → H2 O +電気エネルギー によって電気エネルギーを生じる。この電気エネルギーは電極12,14で取り
出され、電動機52に供給可能である。二段型ねじコンプレッサ50は例えばカ
ソード14用の例えば約3バールの第1段54と、アノード12の供給される燃
焼ガス、すなわち脱水素清浄ガス38用の3,7バールの第2段56とを含んで
いる。ねじコンプレッサ50から更に取り出すことによって管路58を経て、圧
縮ガスがアノードガス凝縮器40の後の清浄ガス38に供給される。
ード排気60から水を分離し、管路64を経て水タンク30に供給する。カソー
ド排気流66には凝縮器68が設けられている。この凝縮器はカソード排気66
から水を取り除き、管路70を経て水タンク30に供給する。これにより、プロ
セスガスのために閉鎖水回路が形成されるので、改質ユニット18内で水素を製
造するために多量の水を一緒に運ぶ必要がない。
68およびカソード14への空気供給部48を冷却するために、別個の水回路7
2が設けられている。この水回路は波形の線で示してある。この別個の水回路7
2は冷却水容器74、イオン消失器を有する水容器76およびカソード14への
空気供給部48と混合器20への空気供給部における熱交換器78,80を備え
ている。
、アノード排気60は熱エネルギーを発生しながら更に燃焼する。この熱エネル
ギーは熱交換器22によって蒸発器24と触媒改質器26に供給され、そこで水
素を発生するための触媒反応を維持する。触媒バーナー82には管路84から空
気が供給される。水タンク30から管路86を経て触媒バーナー82の後に、水
が最適に供給される。メタノールタンク28から管路88を経て触媒バーナー8
2にメタノールを選択的に供給可能であるので、アノード排気流60が充分でな
い場合、例えば燃料電池装置のスタート時に、改質ユニット18のために充分な
熱エネルギー発生が保証される。
両排気流60,66が装置から出る前に、熱交換器92を経てアノード排気流6
0と熱的に結合される。
タービンは、二段型コンプレッサ50の手前に入口段として設けられている空気
98を吸い込むためのコンプレッサ96と共に、共通の軸100に設けられてい
る。これによって、カソード排気流66に含まれるエネルギーはコンプレッサ9
6内で空気98を圧縮するために回収される。
の形態の特別な利点は、自給自足の水回路30,40,42,62,64,68
,70と共に、酸化ユニット34で一酸化炭素(CO)を選択的に酸化する際に
、二段型コンプレッサ50とオートサーミック改質ユニット18を付加的に冷却
する水噴射装置46との組み合わせることによって生じる。
Claims (23)
- 【請求項1】 後続配置の燃料電池ユニット(10)を運転するために空気
を供給しながら、エネルギー担体、特に液状原料(28)から水素を発生するた
めの改質ユニット(18)を備え、この改質ユニット(18)と燃料電池ユニッ
ト(10)の間に、一酸化炭素を二酸化炭素に変換するための酸化装置(34)
が配置されている、特に自動車の駆動装置としての燃料電池装置において、空気
用二段型圧縮機(49)が改質ユニット(18)と燃料電池ユニット(10)に
付設されていることを特徴とする燃料電池装置。 - 【請求項2】 圧縮機(49)が燃料電池ユニット(10)のカソード(1
4)の空気供給のための第1段(54)と、改質ユニット(18)の空気供給の
ための第2段(56)を備え、第1段の圧力が第2段の圧力よりも低いことを特
徴とする請求項1記載の燃料電池装置。 - 【請求項3】 圧縮機(49)がピストン式圧縮機、ねじ圧縮機すなわちね
じコンプレッサ(50)または遠心圧縮機であることを特徴とする請求項1また
は2記載の燃料電池装置。 - 【請求項4】 第1段(54)の圧力が約2.5〜3.5バール、特に約3
バールであることを特徴とする請求項2または3記載の燃料電池装置。 - 【請求項5】 第2段(56)の圧力が約3.2〜4.2バール、特に約3
,7バールであることを特徴とする請求項2〜4のいずれか一つに記載の燃料電
池装置。 - 【請求項6】 第2段(56)の圧力が第2段の圧力(54)よりも約0.
5〜0.9バール、特に約0,7バール高いことを特徴とする請求項2記載の燃
料電池装置。 - 【請求項7】 改質ユニット(18)が原料(28)と空気のための混合器
(20)を備えていることを特徴とする請求項1記載の燃料電池装置。 - 【請求項8】 燃料電池ユニット(10)がカソード(14)からの排気流
(66)内におよびまたは燃料電池ユニット(10)がアノード(12)からの
排気流(60)におよびまたは水分離装置(40,62,68)、特に凝縮器が
酸化ユニット(34)からの清浄ガス流(38)内に設けられ、この凝縮器がガ
ス(38,60,66)内に含まれる水を分離し、改質ユニット(18)の手前
に接続配置された水貯蔵装置(30)に供給することを特徴とする請求項1〜7
のいずれか一つに記載の燃料電池装置。 - 【請求項9】 別個の水回路(72)が設けられ、この水回路が少なくとも
1個の水分離装置(40,62,68)、燃料電池ユニット(10,16)、燃
料電池ユニット(10)のカソード(14)の空気供給部(48)およびまたは
改質ユニット(18,20)の空気供給部を冷却することを特徴とする請求項8
記載の燃料電池装置。 - 【請求項10】 水の噴射装置(46)が酸化ユニット(34)に設けられ
、水をこの酸化ユニット内に噴射することを特徴とする請求項1〜9のいずれか
一つまたは複数に記載の燃料電池装置。 - 【請求項11】 触媒バーナー(82)が設けられ、この触媒バーナーが燃
料電池ユニット(10)のアノード(12)からの排気(60)を燃焼し、その
廃熱を熱交換器(22)を経て改質ユニット(18)に供給することを特徴とす
ることを特徴とする請求項1〜10のいずれか一つに記載の燃料電池装置。 - 【請求項12】 触媒バーナー(82)が原料のための貯蔵容器(28)に
接続されていることを特徴とする請求項11記載の燃料電池ユニット。 - 【請求項13】 膨張器(94)が燃料電池ユニット(10)のカソード(
14)の排気流(66)に設けられ、コンプレッサ(96)、特に二段型コンプ
レッサ(50)が燃料電池ユニット(10)の流入空気流(98)内に設けられ
、膨張器とコンプレッサが共通の軸(100)に配置されていることを特徴とす
る請求項1〜12のいずれか一つに記載の燃料電池装置。 - 【請求項14】 原料(28)が水素を含む物質、特にメタノールであるこ
とを特徴とする請求項1〜13のいずれか一つに記載の燃料電池装置。 - 【請求項15】 燃料電池ユニットを運転するために、水素が改質プロセス
で空気を供給しながら原料から発生させられ、改質プロセスの後でかつ燃料電池
ユニットの前に一酸化炭素が二酸化炭素に酸化される、特に自動車の駆動装置の
ための、燃料電池装置によって電気エネルギーを発生するための方法において、
二段型圧縮機の第1段から空気が燃料電池ユニットに供給され、第2段から空気
が改質ユニットに供給されることを特徴とする方法。 - 【請求項16】 圧縮機の第1段が、改質ユニットの空気供給のために役立
つ圧縮機の第2段よりも低い圧力で、空気を燃料電池ユニットのカソードに供給
することを特徴とする請求項15記載の方法。 - 【請求項17】 一酸化炭素を二酸化炭素に酸化する際に、水が噴射される
ことを特徴とする請求項15記載の方法。 - 【請求項18】 水が蒸気状またはエアゾール状に噴射されることを特徴と
する請求項17記載の方法。 - 【請求項19】 一酸化炭素の酸化と燃料電池ユニットとの間のプロセスガ
スおよびまたは燃料電池ユニットのカソードに、圧縮された空気が供給されるこ
とを特徴とする請求項15記載の方法。 - 【請求項20】 燃料電池ユニットのカソードからの排気流およびまたは燃
料電池ユニットのアノードからの排気流から、水が分離され、改質プロセスに供
給されることを特徴とする請求項15〜19のいずれか一つに記載の方法。 - 【請求項21】 燃料電池ユニットのアノードからの排気が燃焼させられ、
その廃熱が改質プロセスに供給されることを特徴とする請求項15〜20のいず
れか一つに記載の方法。 - 【請求項22】 原料が燃焼させられ、その熱エネルギーが改質プロセスに
供給されることを特徴とする請求項15〜21のいずれか一つに記載の方法。 - 【請求項23】 水素を含む物質、特にメタノールまたはベンジンが原料と
して使用されることを特徴とする請求項15〜22のいずれか一つに記載の方法
。
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