JP2003529896A - 燃料を気化及び/又は過熱する方法 - Google Patents

燃料を気化及び/又は過熱する方法

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Abstract

(57)【要約】 燃料電池装置のガス発生系に供給するための燃料又は燃料/水混合物(この場合燃料は特にメタノールである)を気化及び/又は過熱するための方法。このために必要な熱エネルギーを発生させるために燃料及び/又はガス発生系の廃ガスを触媒燃焼させる。燃料を酸素含有ガス及び燃料電池(3)及び/又はガス発生系(2)の廃ガスからなる体積流に流動方向で触媒燃焼の前方で計量供給する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】 本発明は、請求項1の上位概念に詳細に定義された形式の燃料又は燃料/水混
合物を気化及び/又は過熱する方法に関すする。更に、本発明は、前記方法を実
施する装置に関する。
【0002】 技術の水準から、媒体の気化及び/又は過熱のために適当である熱交換器は公
知である。例えばDE4426692C1には、反応体通路を備えた上下に重ね
合わされたシートから形成された熱交換器が記載されている。
【0003】 この場合には、熱交換器の第1の領域を流動する反応体は、第1の領域と熱伝
導結合された、熱交換器の第2の領域内を流動する伝熱媒体によって加熱及び/
又は気化される。
【0004】 DE19639150C2には、可燃物の接触酸化が行われる中央加熱装置が
記載されている。この際に発生した熱エネルギーは、次いで例えば伝熱体に供給
しかつそうして前記熱交換器の作動のために利用することができる。使用される
可燃物は、接触的に酸化させることができる任意のガス状又は液状媒体であって
よい。可燃物の例として、前記特許明細書はガス発生のための出発物質、この場
合にはメタノール、ガス発生で発生した生成ガス又は燃料電池の水素含有廃ガス
を挙げている。
【0005】 今や、このような気化器を燃料電池装置に供給するための相応するガス発生系
に挿入すると、特に負荷の急激な変化の際に極めて悪い動的応答特性が生じる。
それというのも、気化器は反応連鎖の第1の構成要素であり、一方加熱領域内で
は通常燃料電池及び/又はガス発生系の廃ガスで熱エネルギーは発生されるので
、気化器は要求される負荷の急激な変化に遅延して追従できる過ぎないからであ
る。
【0006】 気化器と、最終的に要求される出力を発生する燃料電池との間にガス発生系の
複数の反応室があり、これらはその構造に基づきその都度異なる応答時間を有し
、かつ燃料電池と一緒に熱エネルギーを発生させるために必要な廃ガスを提供す
る。従って、この気化領域と燃焼領域の間のフィードバックに基づき、全装置の
極めて不満足な動的応答特性が生じ、このことは特に自動車において燃料電池装
置を可動設置する際には極めて不利であることが立証されている。
【0007】 従って、本発明の課題は、極めて急速な動的応答特性が達成される、燃料電池
装置のガス発生系に供給するための燃料又は燃料/水混合物を気化及び/又は過
熱する方法を提供することである。
【0008】 前記課題は、本発明により請求項1の特徴部分に記載の方法により解決される
【0009】 燃料自体の一部を酸素含有ガス(これは特に空気であってよいが、しかしまた
燃料電池の酸素含有カソード廃ガス、又は両者の混合物であってよい)、及び燃
料電池及び/又はガス発生系の廃ガスからなる体積流に計量供給することにより
、体積流のエネルギー含量を急速な動的応答特性で高めることができ、それによ
り触媒燃焼も極めて急速に一層高い熱エネルギーを提供することができるという
利点が生じる。それにより、燃料又は燃焼/水混合物の少なくとも近似値的に遅
延のない気化及び/又は過熱が可能であり、ひいては高められた出力要求に極め
て急速に反応させることができる。従って、特に有利に、さほどの時間的遅延な
く、要求される高められた出力を発生するために必要な量の気化及び/又は過熱
された燃料及び/又は燃焼/水混合物がガス発生系に供給される。
【0010】 もう1つの利点は、必要な熱量及びひいては燃料電池装置によって必要とされ
る出力に依存して行うことができる計量供給が本来の触媒燃焼の前に行われ、か
つそれに伴い燃焼及び燃焼が行われる空間から、添加される付加的な燃料の細分
及び/又は気化にためにさらなる熱エネルギーが奪われないことから生じる。
【0011】 本発明の特に有利な実施態様によれば、燃料を酸素含有ガス及び燃料電池及び
/又はガス発生系の廃ガスからなる体積流に噴霧する。この際、噴霧ために必要
なエネルギーは、体積流及び導入すべき燃料の圧力もしくは流速から取り出すこ
とができる。即ち、微粒子で体積流内に分散された燃料は、触媒燃焼の機能を保
証するために十分である。
【0012】 このために、本発明の前記実施態様において、装置は体積流内で狭窄によって
流速を上げかつこの領域内で燃料を体積流内に導入するガス補助ノズルを有する
。その際、体積流の流動エネルギーにより、燃料は体積流内で噴霧される。
【0013】 それによって、触媒燃焼のために反応室に、必要なガス及び付加的な微細分さ
れた燃焼からなる混合物が到達し、該混合物は熱エネルギーをさらに大して吸収
することがなく触媒燃焼することがきる。従って、全体として燃焼の際に発生す
る熱エネルギーは直接燃料又は燃焼/水混合物の気化及び/又は過熱のために利
用され、ひいては燃料電池装置は極めて急速に要求される急激な負荷の変化に反
応することができるという利点が生じる。
【0014】 本発明の別の実施態様及び本発明による方法を実施するために可能な装置は、
従属請求項及び図面により以下に原理的に説明する実施例から明らかである。
【0015】 唯一の添付図は、相応する熱交換器1を示し、該熱交換器に原理的に示された
ガス発生系2及び燃料電池3が引き続いている。その際、熱交換器1は、互いに
熱伝導接触しているが、それぞれ貫流する流体に対しては互いにシールされてい
る2つの領域1a、1bを有する。
【0016】 この場合、熱交換器1の領域1bは、供給された物質の触媒燃焼にために必要
となる、原理的に示された触媒被覆4,触媒充填体又は同種のものを有する。熱
交換器1の領域1bにおける触媒燃焼の際に発生する熱エネルギーは、次いで熱
交換器1の他方の領域1a内に達する。領域1aに供給された液体燃料又は液体
燃料/水混合物(この場合、図示の実施例においては、メタノール/水混合物(
CHOH+HO)が問題とされるべきである)は、触媒燃焼に由来する熱エ
ネルギーにより熱交換器1の領域1a内で気化される。
【0017】 熱エネルギーが十分であれば、更に熱交換器1の領域1aで水及びメタノール
からなる蒸気状もしくはガス状混合物の過熱が生じる。次いで、この水及びメタ
ノールからなる混合物は、原理的に示され、その作動形式が自体公知であるガス
発生系2に達し、かつ場合により任意のガス洗浄工程(図示せず)後に燃料電池
に達する。
【0018】 この構成要素2,3の作動形式は自体公知でありかつ本発明にとっては何らそ
れ以上重要ではないので、これに関しては詳細には言及しない。
【0019】 次いで、燃料電池3は要求される出力を電力の形で放出する。両者に構成要素
2,3において、但し主として燃料電池3のアノード室内に、燃焼可能な残留物
質、例えば残留メタノール又は残留水素を有する廃ガスが発生する。この廃ガス
は、破線で示された矢印に基づき少なくとも部分的に導管5に達成し、該導管を
介して該廃ガスを再び触媒燃焼のために熱交換器1の領域1bに供給することが
できる。
【0020】 今や、衝撃的に燃料電池3から高い出力Pが要求される場合には、もちろん熱
交換器1内で気化されるメタノール/水混合物の量も可能なかぎり急速に高めら
れねばならい。
【0021】 この場合、全装置の摩擦のない作動のためには、この付加的に供給される量の
メタノール/水混合物が少なくとも近似値的に遅延なく気化されることが必要で
ある。
【0022】 いまや確かに、気化のために熱エネルギーを発生させるためには主として燃料
電池3及びガス発生系2の廃ガスが利用されるという問題が生ずる。しかし、高
められた出力要求の時点で、なお高められた蒸気量は提供されないために、廃ガ
スの量はなお増大されていないので、このフィードバックに基づきメタノール/
水混合物の気化における時間的遅延、ひいては出力要求と、燃料電池3による要
求される出力Pの実際に可能な放出との間に時間的遅延が生じる。
【0023】 この問題は、導管部材6を介して燃料メタノール(CHOH)をその液状形
でガス発生系2及び/又は燃料電池3の廃ガスからなる体積流に供給することに
より解決される。
【0024】 燃焼を改良するために、この廃ガスは予め既に接続部材7を介して流入する酸
素含有ガス(O)、ここでは特に空気又は燃料電池3のアノード室の酸素含有
廃ガスと混合しておく。この体積流は、今や燃料電池3の要求される出力Pに依
存して計量供給可能な液体燃料を導管部材6から受容する。こうして生成した混
合物は、熱交換器1の領域1bに流入しかつそこで触媒燃焼される。
【0025】 この場合、熱交換器1の領域1b内で体積流内の個々の成分の混合及び/又は
気化のために、熱交換器1の領域1b内でメタノール/水混合物の気化のために
利用することができる熱エネルギーを奪わないために、領域1b内に既に廃ガス
、空気及びメタノールからなる均一に分配された混合物が流入することが重要で
ある。
【0026】 従って、導管部材6を介して供給された液状メタノールを均一に分配するため
に、体積流の流動エネルギーを液状メタノールに噴霧のために利用するガス補助
ノズル8を設置する。
【0027】 このために、導管部材6が導管5内に開口する領域は狭窄部9を有し、該狭窄
部は連続性の法則に基づき加速された流れ、従ってより高い流速を狭窄部9の領
域で発生する。その際、導管部材6を介して供給されたメタノールは導管部材6
を貫流する体積流によって受容されかつ該体積流に噴霧される。
【0028】 この場合、狭窄部9は、実施例に原理的に示されているように、ベンチュリー
ノズルの形式で構成されていてもよいが、しかしまた導管5内に突入する導管部
材6のランス状端部により構成されていてもよい(図示せず)。
【0029】 この場合、メタノールの計量供給は、導管部材6内の絞り装置10を介して又
は相応する調節可能な搬送装置(図示せず)を介して行うことができる。この場
合、その都度液状メタノールの、導管部材6を経て流動する体積流は燃料電池3
から要求される出力Pに依存して調節もしくは制御される。
【0030】 メタノールに関すると同様なことが、接続部材7を介して導管5に達する空気
に関しても当てはまる。この場合も、任意に、唯一の図面に破線で示される狭窄
部9’が形成されていてもよい。この場合、狭窄部9’の作用形式は液体メタノ
ールを供給する際の狭窄部9の作用形式と類似しているが、但しこの場合には狭
窄部9’においては2つのガス状媒体が相互に混合される。この場合、接続部材
7を介して導管5に供給される空気も、燃料電池3から要求される出力、ひいて
は熱交換器1内で必要な熱エネルギーに依存にして制御もしくは調節することが
できる。この場合、空気の体積流に影響を及ぼすことができるように、接続部材
7内に絞りフラップ11又は同種のものを挿入することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明による方法を実施するための装置の1実施例を示す略示図である。
【符号の説明】
1 熱交換器、 2 ガス発生系、 3 燃料電池、 4 触媒被覆、 5
導管、 6 導管部材、 7 接続部材、 8 ガス補助ノズル、 9、9’
狭窄部、 10 絞り装置、 11 絞りフラップ
【手続補正書】特許協力条約第34条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成13年11月23日(2001.11.23)
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項1
【補正方法】変更
【補正の内容】
【手続補正2】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0006
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0006】 気化器と、最終的に要求される出力を発生する燃料電池との間にガス発生装置
の複数の反応室があり、これらその構造に基づきその都度異なる応答時間を有し
、かつ燃料電池と一緒に熱エネルギーを発生させるために必要な廃ガスを提供す
る。従って、この気化領域と燃焼領域の間のフィードバックに基づき、全装置の
極めて不満足な動的応答特性が生じ、このことは特に自動車において燃料電池装
置を可動設置する際には極めて不利であることが立証されている。 本発明の方法に類似した方法は、EP0920064A1から公知である。該
方法では、メタノール及び水をリホーミング反応器内で熱ガスと熱接触により気
化もしくは過熱する。熱ガスは、アノード廃ガス及び空気が供給される触媒燃焼
装置内で発生させる。一定の作動段階で、付加的に液状メタノールを燃焼装置の
空気供給機構に導入する。この付加的な燃料を気化させるために、燃焼装置の流
出領域に熱交換器が配置されており、該熱交換器により燃焼装置の熱廃ガスから
のエネルギーを空気/メタノール流に伝達しかつそれによりメタノールを気化さ
せる。このシステムにおける欠点は、熱廃ガスから付加的な燃料の気化のために
必要なエネルギーが奪われ、ひいてはリフォーミング反応器の加熱のためにはも
はや利用されないことである。
【手続補正3】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0007
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0007】 従って、本発明の課題は、極めて急速な動的応答特性が達成される、燃料電池
装置のガス発生系に供給するための燃料又は燃料/水混合物を気化及び/又は過
熱する改良された方法を提供することである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01M 8/04 H01M 8/04 N Fターム(参考) 3K017 BE04 3K068 AA01 BB01 BB23 EA03 4G140 EA02 EA06 EB03 EB04 EB12 EB44 5H027 AA08 BA09 DD09

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 必要な熱エネルギーを発生させるために燃料電池及び/又は
    ガス発生系の廃ガスを酸素含有ガスと一緒に触媒燃焼させることにより、燃料又
    は燃料/水混合物(この場合燃料は特にメタノールである)を気化及び/又は過
    熱する方法において、燃料を酸素含有ガス及び燃料電池(3)及び/又はガス発
    生系(2)の廃ガスからなる体積流に流動方向で触媒燃焼の前方で計量供給する
    ことを特徴とする、燃料を気化及び/又は過熱する方法。
  2. 【請求項2】 燃料をガス補助ノズルを用いて酸素含有ガス及び燃料電池(
    3)及び/又はガス発生系(2)の廃ガスからなる体積流内に噴霧する請求項1
    記載の方法。
  3. 【請求項3】 燃料の量並びに体積流内に含有される酸素含有ガスの量を気
    化にために必要な熱エネルギーに依存して燃料電池(3)及び/又はガス発生系
    (2)の廃ガスの体積流に計量供給する、請求項1又は2記載の方法。
  4. 【請求項4】 請求項1、2又は3の1つに記載の燃料又は水/燃料混合物
    を気化及び/又は過熱する方法を実施する装置であって、熱交換器が、互いに熱
    伝導結合している少なくとも2つの互いに分離された領域を有し、かつ第1の領
    域内で燃料又は燃料/水混合物が気化及び/又は過熱する形式にものにおいて、
    第2の領域が触媒燃焼のための触媒(4)を有し、かつ触媒燃焼のために燃料電
    池(3)及び/又はガス発生系(2)の廃ガスを供給するために導管(5)が設
    けられており、その際導管(5)は燃料電池(3)及び/又はガス発生系(2)
    の供給される廃ガスの流動方向で熱交換器(1)の前方に狭窄部(9)を有し、
    該狭窄部の領域内で燃料は導管部材(6)を介して供給可能であり、かつ導管(
    5)は燃料電池及び/又はガス発生系の廃ガスの流動方向で狭窄部(9)の前方
    に接続部材(7)を有し、該接続部材により酸素含有ガスが供給可能であること
    を特徴とする、燃料を気化及び/又は過熱する装置。
  5. 【請求項5】 導管部材(6)がそれを貫流する燃料体積流を制御又は調節
    するための装置(10)を有する、請求項4記載の装置。
  6. 【請求項6】 狭窄部(9)の領域がベンチュリーノズルの形式で形成され
    ている、請求項4又は5記載の装置。
  7. 【請求項7】 導管部材(6)が一種のランスとして形成されており、該ラ
    ンスが狭窄部(9)の領域内で導管(9)内に突入している、請求項4又は5記
    載の装置。
  8. 【請求項8】 接続部材(7)が絞り装置(11)を有する、請求項4から
    7までのいずれか1項記載の装置。
  9. 【請求項9】 接続部材(7)がもう1つの狭窄部(9’)の領域で導管(
    5)内に開口する、請求項4から8までのいずれか1項記載の装置。
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