JP2005281695A - 電気化学燃料脱酸素装置 - Google Patents

Abstract

【課題】安価で体積及び重量効率のよい装置においてコーキングを最小限に抑える炭化水素燃料の脱酸素のための方法及び装置を提供する。
【解決手段】エネルギー転換装置１２のための燃料システム１０は、酸素の水への転換を通じて燃料から酸素を除去するために電気化学転換装置を有する脱酸素器装置１４を含む。電気化学転換装置は、燃料の流れの中に配置されている。燃料側では１／２Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻＝＞Ｈ_２Ｏ、対して反対側では反対の反応が起こる。次いで水は電気化学転換装置から収集され及び／又は装置から放出される。
【選択図】図１

Description

この発明は、燃料から溶存酸素を除去することに関し、より詳細には、酸素を水に電気化学的に転換させることに関する。

炭化水素ジェット機用燃料における溶存酸素の存在は、望まない副産物を生じる酸化反応を支持するので、反対すべきものとなり得る。ジェット機用燃料はしばしば、航空機内の様々なシステムのための冷却液として航空器内で利用される。ジェット機用燃料に空気が溶解すると約７０ｐｐｍの酸素濃度となる。空気にさらされた燃料が３５０°Ｆと８５０°Ｆとの間に加熱されるとき、酸素は燃料のフリーラジカル反応を開始し、「コークス」又は「コーキング」と一般に称される堆積物が生じる。コークスは燃料ラインに不利益であり得、燃焼を抑制する可能性がある。そのような堆積物の形成は、意図された熱交換機能又は効率的な燃料の注入のどちらかに関して、燃料供給システムの通常の機能を弱めることがある。

通常、酸素濃度を２ｐｐｍに下げれば、コーキング問題を克服する上で十分である。様々な従来の燃料脱酸素技術が現在利用されている。航空機の分野で利用される一つの従来の燃料安定化装置（Fuel Stabilization Unit (FSU)）は、酸素を透過する膜を横切る酸素圧力勾配を誘導することによってジェット機用燃料から酸素を除去する。非常に効果的ではあるが、勾配は膜の一側の真空によって生み出される。真空はまた膜に機械的な力を導入するので、膜は、比較的高価な多孔質ステンレス鋼プレートに支持され、装置の大きさが相対的に増加することを要求する拡散隔膜となり得る。機械的ポンプ及び真空ハウジングがまた要求され、これは装置の大きさ及び重さをさらに増加させる。

したがって、安価で体積及び重量効率のよい装置においてコーキングを最小限に抑える炭化水素燃料の脱酸素のための方法及び装置を提供することが望まれている。

この発明に係るエネルギー転換装置のための燃料システムは、酸素の水への転換を通じて燃料から酸素を除去する電気化学転換装置を備えた脱酸素器装置を含む。プロトン交換膜型燃料電池と一般に称されるような電気化学転換装置は、第１電極、第２電極、及び第１電極と第２電極との間の電解液、を含む。

第１電極は燃料の流れと接触して配置される。燃料側では、電気化学反応：１／２Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻＝＞Ｈ_２Ｏによって酸素が水に転換される。水は、燃料の流れに留まるか又は電解液に吸収され得る。第２電極は、電解液によって第１電極及び燃料の流れから分離される。第２電極側では、多くの反応が起こり得る。最も単純な場合には、反対の反応、Ｈ_２Ｏ＝＞１／２Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻、のみが起こり、かくして水は消費され酸素が解放される。この場合、装置は、電気化学酸素ポンプのように作用し、第１電極で燃料の流れから酸素を除去し、電解液によって燃料の流れから分離された第２電極に酸素を堆積させる。第２電極で消費された水は、電解液によって又は外部から供給されねばならない。第２電極で解放された酸素は発散されねばならない。

この発明は、電極が直接燃料と接触するので従来の酸素透過膜を排除する。この発明はまた、絶対圧力差、酸素透過膜、及びポンプのような可動部を備えた構成要素の必要性も排除する。

したがって、この発明は、安価で体積及び重量効率のよいシステムにおいてコーキングを最小限に抑えるための炭化水素燃料の脱酸素方法及び装置を提供する。

この発明の様々な特徴及び優位点は、次の現在の好ましい実施例の詳細な説明から当業者に明らかとなろう。詳細な説明に伴う図面は、図面の簡単な説明において簡単に述べられ得る。

図１は、エネルギー転換装置（energy conversion device：ＥＣＤ）１２のための燃料システム１０の一般的な透視図を示す。脱酸素器装置１４は、貯水槽１６から液体燃料Ｆを受け取る。燃料Ｆは通常、ジェット機用燃料のような炭化水素である。ＥＣＤ１２は様々な形態で存在し得、ＥＣＤにおいて燃料は、もし溶存酸素があらゆる有意な範囲まで燃料に存在するならば、処理、燃焼、又はある形態のエネルギー放出のための偶発的な使用の前のある段階で自動酸化反応及びコーキングを支持するのに十分な熱を得る。

ＥＣＤ１２の一形態は、ガスタービンエンジン、特に高性能航空機におけるそのようなエンジンである。通常、燃料はまた、航空機の一つ又は複数のコンポーネントシステムのための冷却液としても役に立ち、いずれにしても燃焼の直前に燃料注入器に届けられるときに加熱されるようになる。

熱交換部１８は、熱交換関係で燃料が通過するシステムを表す。熱交換部１８はＥＣＤ１２と直接結合され得る及び／又はより大きなシステムのどこかに分配され得るということを理解されたい。熱交換システム１８は、代わりに又は付加的に、システムの全体にわたって分配された複数の熱交換を含み得る。

一般的に理解されるように、貯水槽１６に格納されている燃料Ｆは通常、ことによると７０ｐｐｍの飽和レベルで溶存酸素を含む。燃料ポンプ２０は、貯水槽１６から燃料Ｆを汲み出す。燃料ポンプ２０は、燃料貯水槽導管２２及びバルブ２４を介して貯水槽１６と連絡し、脱酸素器装置１４の燃料インレット２６に送る。ポンプ２０にかけられる圧力は、脱酸素器装置１４及び燃料システム１０の他の部分を介して燃料Ｆを循環させるのを助ける。燃料Ｆが脱酸素器装置１４を通過するとき、燃料に溶けている酸素は水Ｗに選択的に転換され、燃料Ｆに留まるか又は脱酸素器装置に吸収されるかどちらかである。脱酸素器装置は、貯水槽２８によって供給された水を消費し、酸素を生成する。酸素は２８でシステム１０から収集及び／又は放出される。

脱酸素された燃料Ｆは、脱酸素器装置１４の燃料アウトレット３０から脱酸素済燃料導管３２を介して、熱交換装置１８及びガスタービンエンジンの燃料注入器のようなＥＣＤ１２へ流れる。脱酸素された燃料の一部は、再循環導管３４によって表されるように、脱酸素器装置１４及び／又は貯水槽１６へ再循環され得る。特定の構成要素配置が図示の実施例に開示されているが、他の配置が当の発明によって利益を得るであろうことは理解されたい。

図２を参照すると、脱酸素器装置１４は好ましくは、酸素の水への転換を通じて燃料から酸素を除去する電気化学転換装置３６を含む。電気化学転換装置３６は、燃料導管３８（概略的に示されている）に沿って配置されている。電気化学転換装置３６は好ましくは、ＥＣＤ１２への燃料の流れと等しい速度で酸素を除去するような大きさに作られている。これにより、電気化学転換装置３６ １２はＥＣＤ１２のオンライン操作の間に燃料の使用と一致した流量で酸素を除去する。電気化学転換装置３６はＥＣＤ１２の前の燃料システム１０内のどこかに配置され得、一直線の導管以外の様々な形態を取り得、これにより代わりに又は付加的に、装置表面への酸素の対流伝達及び／又はより短い拡散距離が与えられ得ることは理解されたい。

電気化学転換装置３６は、第１電極４０、第２電極４２、及びイオン導電性要素又はプロトン交換電解液と一般に称されるような第１電極と第２電極との間の電解液４４を含む。電解液４４が実質的に非多孔性かつ電気的絶縁性であるのに対して、第１電極４０及び第２電極４２は通常、多孔性かつ電気的導電性に作られている。電極及び電解液は通常、一体にラミネートされ、機械的結合を形成するとともに、イオンが３つの構成要素間を移動するのを可能にする。第１電極４０及び第２電極４２は、互いに、好ましくは燃料導管３８から電気的に絶縁されねばならない。これは好ましくは、どちらの電極よりも物理的に大きな電解液要素を用いて第１電極及び第２電極を組立体３６にラミネートすることによって達成される。電解液４４は好ましくは、第１電極が燃料の流れと連絡するように、燃料導管３８の一部を形成する。電極−電解液組立体は、図２に比較的線形の部材として図示されているが、この組立体３６ａは、代わりに又は付加的に、あらゆる構成とすることができ、管状断面又は同様のもの（図３Ａ）のような燃料導管３８ａのどんな部分も形成することができることは理解されたい。

第１電極４０及び第２電極４２の材料は好ましくは、不純物のない又は炭素に支持された、Ｐｔ又はＰｔ合金、例えばＰｔ−Ｉｒである。第２電極４２としてはＰｔ−Ｉｒが最も好まれる。膜電解液４４は好ましくはイオン導電性であり、プロトン交換膜に限定されると解釈されるべきではない。

電気化学転換装置３６は電源４６によって電力供給される。電気化学転換装置３６は、７０から２ｐｐｍの濃度差に対して２５℃で２２ｍＶの平衡ネルンスト電位（equilibrium Nernst potential）を有する濃淡電池を形成する。約２２ｍＶ＋過電圧が、所望の濃度減少に影響を及ぼすために供給される必要があるのみである。

第１電極４０は、燃料の流れＦと接触している燃料導管３８内に配置されている。第１電極４０は図２に薄い均一の層として示されているが、第１電極４０は好ましくは、拡散距離を短くするために層流境界層の混合を助ける構成及び／又は表面構造で製造される。この混合を達成するために、例えば、電気化学転換装置３６のみが、代わりに又は付加的に、（図３Ｂで概略的に図示された）混合インサート（mixer insert）として第１電極４０ａを用いて製造され得る。電気化学装置３６に対してより複合的な構造が可能であり、混合をさらに改善することができる。

図４Ａを参照すると、燃料導管３８ｂの一部を形成する管状形状としての電気化学装置３６ｂ、第１電極４０ｂが、蜂の巣構造（図４Ｂ）として形成され得る。電解液４４ｂは形状が管状であり、燃料導管３８ｂの一部を形成し、第２電極４２ｂは、電解液チューブよりも短い電解液チューブ４４ｂの外側のコーティングであり、燃料導管３８ｂから電気的に絶縁されている。すなわち、第２電極４２ｂが物理的に隔離され、生成された酸素又は他のガス排出物の排除を提供するための位置に配置される一方で、第１電極４０は、燃料と接触して配置される。あるいは、第１電極４０は、マクロ孔質とすることができ、燃料の流れに対する酸素拡散特性を改善するように燃料導管内の空間を埋めることができる。

燃料は一般的に不活性であり、第１電極４０と隣接する酸性の環境によって害されないであろう。しかしながら、第１電極４０は燃料の流れＦと接触するので、第１電極４０は、付着物を制限するためにバリヤ材４８でコーティングされ得る。バリヤ４８又は４８ｂは好ましくは、テフロン（登録商標）（AAF2400）又はHyflon (100) バリヤ材から製造される。

代わりに又は付加的に、燃料の外側の水電気分解反応のための過電圧は、燃料の外側の電極の電位を下げるために、Ｐｔ−Ｉｒのような合金触媒を用いることによって及び／又は〜１００ｐｐｍメタノールのような還元剤を燃料に加えることによって下げることができる。燃料の流れに加えられたメタノールは、電解液４４に吸収され、第２電極４２に伝達される。メタノールのある所で、第２電極４２での反応は、上述されたような水電気分解反応、Ｈ_２Ｏ＝＞１／２Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻から、低電位で起こる反応、ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ＝＞ＣＯ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻に変化する。

燃料は電気化学転換装置３６を流れ過ぎるので、酸素は、酸素を水に転換することによって燃料から電気化学的に除去される。酸素の除去は有意なコーキングを最小限度に抑える。ここで用いられているように「有意なコーキング」は、もし燃料システムのそのような部分に対して通常意図される管理事象間の間隔で起こっていたら反対を招くと考えられたであろうコーキングの最小量である。そのようなコーキングは、高い温度及び／又は収縮された流れの経路を有する燃料システムの一部で最も容易に起こる。

第２電極４２で生成された酸素又は二酸化炭素は、高いガス圧が脱酸素器で起こらないような雰囲気に発散されねばならない。また、第２電極４２での電気化学反応は水を要求する。貯水槽２８は、図１に示されるシステムにおいて両方の機能を提供する。これは好ましい実施例であるが、この発明にとって本質的ではない。

特定の段階の順番が示され、述べられ、クレームされたが、これら段階は、あらゆる順番で実施され、分離され、又はさもなければ示されない限りは組み合わされ得ること、この発明によって利益をなお得るであろうことは理解されたい。

前述の説明は、制限によって規定されるのではなくむしろ典型的なものである。この発明の多くの修正及び変形が、上述の技術を考慮に入れて可能である。この発明の好ましい実施例が開示されてきたが、しかしながら、当業者は、ある修正がこの発明の範囲内に入るであろうことを理解されたい。したがって、添付の特許請求の範囲内で、本発明は詳細に説明されたものとは異なって実施され得ると理解されるべきである。この理由のために、特許請求の範囲は、本発明の実際の範囲及び内容を決定するよう考慮されるべきである。

この発明に係る燃料脱酸素器を使用する関連燃料システム及びエネルギー転換装置（ＥＣＤ）の一般的な概略ブロック図である。 この発明の脱酸素器装置のブロック図である。 電極−電解液組立体が燃料の流れの経路内に配置された脱酸素器装置の他の図である。 燃料の流れの経路内の混合断面として部分的に形成された脱酸素器装置の拡大図である。 蜂の巣断面に部分的に形成された脱酸素器装置の拡大図である。 図４Ａの４Ｂ−４Ｂ線視断面図である。

符号の説明

３６ 電気化学転換装置
４０ 第１電極
４２ 第２電極
４６ 電源
４８ バリヤ材
Ｆ 液体燃料

Claims (20)

1. 溶存酸素を含む液体燃料と接触している、前記溶存酸素を水に転換することに使用できる電気化学転換装置を備えることを特徴とする燃料システム。
2. 請求項１記載の燃料システムにおいて、
   前記電気化学転換装置は、前記液体燃料と接触する第１電極を備えることを特徴とする燃料システム。
3. 請求項２記載の燃料システムにおいて、
   前記第１電極は、バリヤ材で被覆されていることを特徴とする燃料システム。
4. 請求項２記載の燃料システムにおいて、
   前記第１電極は、層流境界層混合を生み出す表面構造を有することを特徴とする燃料システム。
5. 請求項２記載の燃料システムにおいて、
   前記第１電極は、多孔性であり、燃料と前記第１電極との間の接触領域を増加させるために、燃料が通過する導管状に形成されていることを特徴とする燃料システム。
6. 請求項１記載の燃料システムにおいて、
   前記電気化学転換装置に電力を供給するための電源をさらに備えることを特徴とする燃料システム。
7. 請求項１記載の燃料システムにおいて、
   前記電気化学転換装置と連絡している水収集装置をさらに備えることを特徴とする燃料システム。
8. 燃料システム内から溶存酸素を除去する方法であって、
   （１）溶存酸素を含む液体燃料と接触して電気化学転換装置を配置する段階と；
   （２）溶存酸素を水に電気化学的に転換する段階と；
   （３）液体燃料から水を分離する段階と；
   を備えることを特徴とする方法。
9. 請求項８記載の方法において、
   前記段階（１）は、液体燃料内に第１電極を配置する段階をさらに備えることを特徴とする方法。
10. 請求項９記載の方法において、
    約０から１００ｐｐｍの濃度で液体燃料に酸化可能剤を加える段階をさらに備えることを特徴とする方法。
11. 請求項８記載の方法において、
    前記電気化学転換装置に電力を供給して少なくとも２２ｍＶ＋過電圧を与える段階をさらに備えることを特徴とする方法。
12. 請求項１１記載の方法において、
    前記段階（２）は、燃料内の溶存酸素濃度を２ｐｐｍよりも下まで減少させる段階をさらに備えることを特徴とする方法。
13. 請求項８記載の方法において、
    前記段階（１）は、液体燃料の輸送経路内に第１電極を配置する段階をさらに備えることを特徴とする方法。
14. 請求項８記載の方法において、
    前記段階（１）は、液体燃料の輸送経路内に第１電極を配置する段階と；
    前記第１電極の表面構造を用いて層流境界層混合を生み出す段階と；
    をさらに備えることを特徴とする方法。
15. 請求項８記載の方法において、
    前記段階（１）は、前記電気化学転換装置内に濃淡電池を形成する段階をさらに備えることを特徴とする方法。
16. 請求項１５記載の方法において、
    第２電極で生成されたガスを発散させる段階をさらに備えることを特徴とする方法。
17. 請求項１０記載の方法において、
    前記段階（１）は、第２電極で酸化可能剤を酸化させる段階をさらに備えることを特徴とする方法。
18. 請求項９記載の方法において、
    ホルムアルデヒドを加える段階をさらに備えることを特徴とする方法。
19. 請求項９記載の方法において、
    アルコールを加える段階をさらに備えることを特徴とする方法。
20. 請求項９記載の方法において、
    エチレングリコールを加える段階をさらに備えることを特徴とする方法。

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