JP2005534604A - 燃料改質器からの改質ガスを用いて加圧空気を生成する方法及び装置 - Google Patents

Abstract

動力システムを動作させる方法は、改質ガスを生成するために燃料改質器（１２）を動作させるステップを含む。改質ガスは、ターボチャージャ（５０）のタービン（５２）を通過し、これにより、ターボチャージャ（５０）のコンプレッサ（２６）を駆動する。コンプレッサ（２６）によって生成された加圧空気は、燃料改質器（１２）の空気入口（３６）に供給される。ターボチャージャ（５０）のタービン（５２）を出た改質ガスは、エンジンの吸気口（１８）、排出物低減デバイス（２０）、又は燃料電池（２２）といったコンポーネント（１６）へ送られる。こうした方法によって動作させる燃料改質システムも開示される。

Description

本開示は、搭載型燃料改質システムと搭載型燃料改質システムの方法とに関する。

燃料改質器は、炭化水素燃料を改質ガスへと改質する働きをする。車両又は固定発電装置に関連する燃料改質器などの搭載型燃料改質器の場合、燃料改質器によって生成される改質ガスは、内燃機関の動作における燃料又は燃料添加剤として利用してよい。改質ガスは、更に、内燃機関に関連する排出物低減デバイスを再生又はその他の形で調整するのに利用してよく、或いは燃料電池用の燃料として利用してもよい。

本開示の一態様によれば、燃料改質システムは、燃料改質器からの改質ガスの流動によって駆動されるエキスパンダを含む。エキスパンダの出力は、燃料改質器で使用する加圧空気を生成するコンプレッサを駆動する。

本開示の別の態様によれば、燃料改質システムは、ターボチャージャと燃料改質器とを含む。ターボチャージャは、燃料改質器の空気入口に流体的に結合された加圧空気出口と、燃料改質器の改質ガス出口に流体的に結合された改質ガス入口とを有する。ターボチャージャは、燃料改質器からの改質ガスの流動によって駆動されるタービンを有する。タービンはコンプレッサを駆動し、加圧空気を燃料改質器に供給する。タービンの出口は、エンジンの吸気口、排出物低減デバイス、又は燃料電池といったコンポーネントに流体的に結合される。

本開示の別の態様によれば、動力システムを動作させる方法は、加圧空気を生成するために、ターボチャージャのタービンを介して、燃料改質器からの改質ガスを送るステップを含む。加圧空気は、燃料改質器の空気入口へ供給される。ターボチャージャのタービンを出た改質ガスは、エンジンの吸気口、排出物低減デバイス、又は燃料電池といったコンポーネントへ送られる。

本開示の概念には様々な変形及び代替形態の余地があるが、その具体的な例示的実施形態は、図面に例として図示されており、本明細書において詳細に説明される。しかしながら、開示した特定の形態に本開示を限定する意図はなく、逆に、付記した特許請求の範囲よって定義される本発明の趣旨及び範囲内にある全ての変形例、等価物、及び代替物を対象とすることを理解されたい。

＜＜関連出願の相互参照＞＞
本願は、その開示内容を本願明細書に援用する２００２年８月５日提出の米国仮特許出願第６０／４０１，０９５号に基づく優先権を主張する。

相互参照は、本願と同じ譲受人に譲渡され且つ本願と同時に出願されると共にその開示内容を本願明細書に援用する同時係属中の米国特許出願第ＸＸ／ＸＸＸ，ＸＸＸ号（代理人整理番号第９５０１−７２８８７）の「エンジンの真空を用いて燃料改質器へ空気を送る方法及び装置」と、同時係属中の米国特許出願第ＸＸ／ＸＸＸ，ＸＸＸ号（代理人整理番号第９５０１−７２８８６）の「ターボチャージャを用いて燃料改質器へ空気を送る方法及び装置」と、に対してなされる。

図１を参照すると、燃料改質器１２とエキスパンダ／コンプレッサ組立体１４とを有する燃料改質システム１０が図示されている。本明細書で説明する燃料改質器１２は、例えば、触媒式燃料改質器、熱式燃料改質器、蒸気式燃料改質器、又は他の任意の種類の燃料改質器等、任意の種類の燃料改質器として実施してよい。本開示の燃料改質器１２は、更に、プラズマ式燃料改質器として具体化してもよい。プラズマ式燃料改質器は、プラズマを使用して、空気と炭化水素燃料との混合物を、特に水素ガス及び一酸化炭素を多く含む改質ガスへ転換する。プラズマ式燃料改質器を含むシステムは、Ｒａｂｉｎｏｖｉｃｈらに発行されている米国特許第５，４２５，３３２号と、Ｒａｂｉｎｏｖｉｃｈらに発行されている米国特許第５，４３７，２５０号と、Ｂｒｏｍｂｅｒｇらに発行されている米国特許第５，４０９，７８４号と、Ｃｏｈｎらに発行されている米国特許第５，８８７，５５４号とにおいて開示されており、これらの開示はそれぞれ、参照により本明細書に組み込むものとする。プラズマ式燃料改質器を含むシステムのその他の例は、２００２年５月３０日に提出されたＡ．Ｒａｂｉｎｏｖｉｃｈ、Ｎ．Ａｌｅｘｅｅｖ、Ｌ．Ｂｒｏｍｂｅｒｇ、Ｄ．Ｃｏｈｎ、及びＡ．Ｓａｍｏｋｈｉｎの同時係属中の米国特許出願第１０／１５８，６１５号の「大容積放電装置を有する低電流プラズマトロン燃料コンバータ」と、２００３年４月１１日に提出されたＡ．Ｒａｂｉｎｏｖｉｃｈ、Ｎ．Ａｌｅｘｅｅｖ、Ｌ．Ｂｒｏｍｂｅｒｇ、Ｄ．Ｃｏｈｎ、及びＡ．Ｓａｍｏｋｈｉｎの同時係属中の米国特許出願第１０／４１１，９１７号の「分離気流制御を有するプラズマトロン燃料コンバータ」と、において開示されており、両開示は本明細書に援用される。

以下の説明の目的から、本開示の概念は、プラズマ式燃料改質器について説明される。しかしながら、前述したように、本開示の燃料改質器は任意の種類の燃料改質器として実施してよく、本明細書に付記した請求項は、その中で明白に定義されない限り、任意の特定の種類の燃料改質器に限定されると解釈するべきではない。

プラズマ式燃料改質器１２は、車両又は固定発電装置の搭載型燃料改質システムの構築に使用してよい。搭載型プラズマ式燃料改質器１２によって生成された改質ガスは、車両又は固定発電装置に関連するコンポーネント１６へ供給してよい。例えば、燃料改質器によって生成された改質ガスは、内燃機関１８（図３参照）の動作における燃料又は燃料添加剤として利用してよく、これにより、エンジンの効率は増大すると同時に、エンジンが発生する排出物は減少する。搭載型プラズマ式燃料改質器１２によって生成された改質ガスは、更に、内燃機関に関連する排出物低減デバイス２０（図４参照）を再生又はその他の形で調整するのに利用してもよい。加えて、車両又は固定発電装置が例えば補助動力装置（ＡＰＵ）等の燃料電池２２を装備している場合、搭載型プラズマ式燃料改質器１２からの改質ガスは、更に、燃料電池２２（図５参照）のための燃料として使用してもよい。

プラズマ式燃料改質器１２は、燃料と空気との混合物を処理し、改質ガスを生成する。燃料は、ガソリン又はディーゼル燃料といった任意の種類の炭化水素燃料にしてよい。例示的な実施形態において、プラズマ式燃料改質器１２によって改質される燃料は、車両のエンジン又は固定発電装置によって燃焼される燃料と同じ種類である。

エキスパンダ／コンプレッサ組立体１４は、エキスパンダ２４とコンプレッサ２６とを含む。エキスパンダ２４は、内部を通過する加熱流体の流動の結果として機械的出力を発生させる任意の種類のエキスパンダとして具体化してよい。例えば、図２に関して後に更に詳細に説明するように、エキスパンダ２４は、タービンとして具体化してよい。この場合、燃料改質器１２からの高温改質ガスは、タービンを駆動して、機械的出力を発生させる。

代替として、エキスパンダ２４は、ピストン式エキスパンダとして具体化してよい。この場合、燃料改質器１２からの高温改質ガスは、多数のピストンを駆動し、そして次にピストンが機械的出力を発生させる。ピストン式エキスパンダの例は、米国特許第６，２８３，７２３号と、第５，１１４，３２１号と、第５，００４，４０４号と、第４，９０７，９５０号とに記載されており、それぞれ本明細書に援用される。エキスパンダ２４（及びコンプレッサ２６）として、一体型のピストン式エキスパンダ及びコンプレッサを有する組立体を利用してもよい。こうした一体型の組立体は、米国特許第６，２８３，７２３号において説明されており、コロラド州ボルダーのＶａｉｒｅｘ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎが市販している。

エキスパンダ２４は、更に、スクリュ式エキスパンダ、スクロール式コンプレッサ／エキスパンダ、ハイブリッド式コンプレッサ／エキスパンダ（例えば、ターボコンプレッサ及びスクロール式コンプレッサ／エキスパンダの組み合わせ）、又は新規な形状寸法の容積式エキスパンダといった、その他の種類のエキスパンダとして具体化してもよい。

エキスパンダ２４からの機械的出力は、加圧空気を生成するためにコンプレッサ２６を駆動する。特に、エキスパンダ２４の出力は、コンプレッサを駆動するために、コンプレッサ２６に機械的に結合される。こうした方法において、空気入口４８を介してコンプレッサ２６に収容された空気は、加圧された後、プラズマ式燃料改質器１２へ供給される。

プラズマ式燃料改質器１２は、燃料改質器１２へ加圧空気を入れるための空気入口２８と、燃料改質器１２から改質ガスを放出するための改質ガス出口３０とを含む。本明細書においてプラズマ式燃料改質器１２は単一の空気入口（即ち、空気入口２８）のみを有するものとして説明されるが、燃料改質器１２は、分離された流れを有する多数の空気入口を含めて任意の数の空気入口と共に具体化してもよいと理解されたい。空気入口２８は、流体ライン３４を介して、コンプレッサ２６の加圧空気出口３２に流体的に結合される。

エキスパンダ２４は、プラズマ式燃料改質器１２からの改質ガスを入れるための改質ガス入口３６を有する。流体ライン３８は、プラズマ式燃料改質器１２の改質ガス出口３０を、エキスパンダ２４の改質ガス入口３６に結合する。エキスパンダ２４の改質ガス出口４０は、流体ライン４２を介して、システムコンポーネント１６に流体的に結合される。上記で言及したように、システムコンポーネント１６は、火花点火ガソリンエンジンのようなエンジン１８の吸気口の形態をとってよい。こうしたケースにおいて、改質ガスは、エンジン１８の燃料又は燃料添加剤として利用される。

システムコンポーネント１６は、更に、ディーゼルエンジンのような内燃機関の排気を処理する排出物低減デバイス２０の形態をとってよい。排出物低減デバイス２０は、トラップ又はＳＣＲ触媒のようなＮＯ_ｘ後処理デバイス、或いは煤粒子フィルタのような他の種類の低減デバイスとして具体化してよい。こうした方法において、デバイス２０は、内燃機関から放出される排気ガスに存在するＮＯ_ｘ、ＳＯ_ｘ、又は煤粒子のような化合物を除去するために利用される。

システムコンポーネント１６は、更に、燃料電池２２の形態をとってもよい。燃料電池２２は、任意の種類の燃料電池として実施してよい。例えば、燃料電池は、アルカリ型燃料電池（ＡＦＣ）、リン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）、プロトン交換膜型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）、溶融炭酸型燃料電池（ＭＣＦＣ）、又は他の任意の種類の燃料電池として実施してよい。

作動中には、プラズマ式燃料改質器１２によって生成された高温改質ガスに、エキスパンダ２４を通過させることにより、コンプレッサ２６を駆動する。エキスパンダ２４から出た改質ガスは、システムコンポーネント１６（例えば、エンジン１８の吸気口、排出物低減デバイス２０、又は燃料電池２２）に供給される。コンプレッサ２６によって生成された加圧空気は、プラズマ式燃料改質器１２の入口に供給され、これにより、改質器が必要とする加圧空気を提供する。

コンプレッサ２６を駆動することに加え、エキスパンダ２４は、発電機４４（図１に破線で図示）を駆動するのに利用してもよい。発電機４４は、システム要件に基づいて、ＤＣ又はＡＣ発電機として具体化してよい。発電機４４によって生成されたエネルギーは、車両又は発電装置に関連するコンポーネントで使用するためにバッテリー４６に蓄積してよい。発電機４４は、コンプレッサ２６と併せて使用してよく、或いは、代替として、コンプレッサ２６の代わりに使用してよく、この場合、発電機４４によって生成された電気エネルギーは、多数のコンポーネントの中で特に、燃料改質器１２に加圧空気を供給するための電動コンプレッサ（図示なし）に電力を供給するために使用してよい。

加えて、エキスパンダ／コンプレッサ組立体１４は、駆動モータ（図示なし）を備えた構成にしてもよい。駆動モータは、エキスパンダからの機械的出力のみでは燃料改質器１２の加圧空気の要求を満たすのに不十分である時期に、コンプレッサ２６を駆動するために、エキスパンダ２４に補助入力電力を提供するのに利用してよい。閉ループフィードバックメカニズムを使用して、エキスパンダ２４がコンプレッサ２６に対して十分な機械的入力を提供しているかどうかに応じて、駆動モータを選択的に作動及び作動停止させてよい。更に、駆動モータの使用によって、エキスパンダ／コンプレッサ組立体１４の始動を強化し、これにより、燃料改質器１２の迅速な始動を可能にしてもよい。具体的には、特定の状況において、駆動モータは、エキスパンダ／コンプレッサ組立体１４の機械的慣性を克服し、流体の力のみよりも高速で組立体１４を駆動するために使用してよい。

熱交換器（図示なし）を、燃料改質器１２の出口３０とエキスパンダ２４の入口３６との間で使用してもよい。特定のシステム設計では、エキスパンダ２４に導入する前に改質ガスを冷却することが望ましい場合がある。

次に図２を参照すると、燃料改質システム１０の特定の例示的実施形態が図示されている。図２のシステムは、図１に関して前述した構造と同様の構造を含む。図２では、同じ参照符号を使用して、図１において前述した同様の構造を示しており、その付加的な説明は行わない場合がある。

図２のシステムにおいて、ターボチャージャ５０は、エキスパンダ／コンプレッサ組立体１４として利用される。ターボチャージャ５０は、コンプレッサ２６を駆動するためのタービン５２を含む。具体的には、タービン５２は、コンプレッサ２６に機械的に結合された出力シャフト（図示なし）を有し、これにより、タービン５２はコンプレッサ５４を駆動することができる。

図１に関する説明と同様に、プラズマ式燃料改質器１２の改質ガス出口３０は、タービン５２の入口３６に流体的に結合され、タービン５２の出口は、システムコンポーネント１６（例えば、エンジン１８の吸気口、排出物低減デバイス２０、又は燃料電池２２）に流体的に結合される。このようにして、燃料改質器１２によって生成された改質ガスは、燃料改質器１２からシステムコンポーネント１６へと送られる間に、タービン５２を駆動するのに使用される。

加圧空気は、ターボチャージャのコンプレッサ２６の出口３２から、プラズマ式燃料改質器１２の入口２８に供給される。具体的には、空気入口４８を通ってコンプレッサ２６に収容された未加圧の空気は、コンプレッサ２６によって加圧され、改質器１２での使用のために、燃料改質器１２の加圧空気入口２８へ送られる。

改質ガスは、コンプレッサ２６を駆動するのに必要なエネルギーを提供する。具体的には、改質ガスでは、（改質温度１１００°Ｋがタービン５２において６００°Ｋに冷却されることに基づいて）空気を２０バール（２ＭＰａ）超に圧縮するのに十分なエネルギー（エンタルピ）が利用できる。これは、圧縮空気についての改質器の実際の要件である約３バール（３００ｋＰａ）より大幅に高い。

加えて、改質ガスを冷却することで、更にタービン２４は、本質的に、熱交換器として機能する。このようにして、システムコンポーネント１６の一つに導入する前に改質ガスを冷却するための別個の熱交換器を使用する必要性を排除し得る。別のケースにおいて、こうした熱交換器は、サイズ又は複雑性を低減し得る。しかしながら、特定の構成においては、タービン５２の耐用年数を延ばすために、タービン２４へ導入する前に改質ガスを冷却するのが望ましい場合もあることに留意されたい。

本明細書で説明したように、本開示の概念は、多数の利点を有する。例えば、圧縮空気は、エンジン駆動又は電気コンプレッサを使用することなく、燃料改質器１２に提供される。これは、システムの運転効率を高めるだけでなく、システムのエンジンのレトロフィットを、排除はしないとしても減少させる。更に、改質器における空気の要求の増加と同時に、燃料改質器１２からの高温改質ガスの流れが増加するため、空気は、必要に比例して燃料改質器１２に供給される。更に、（例えば、エンジン又は燃料改質器からの排気ガスではなく）エキスパンダを作動させるために燃料改質器からの改質ガスを使用することで、熱交換器を使用することなく、システムコンポーネント１６に導入する前に、改質ガスを冷却し得る。

本開示の概念について、図面及び上記の説明において詳細に例示及び説明してきたが、こうした例示及び説明は、限定的ではなく例示的な性質のものとみなされるべきであり、例示的な実施形態のみが図示及び説明されており、本開示の趣旨に含まれるあらゆる変更及び変形を保護することが望ましいと理解されたい。

本明細書で説明したシステムの様々な特徴から生じる本開示の概念の複数の利点が存在する。本開示のシステムのそれぞれの代替実施形態は、説明した特徴の全てを含まずに、こうした特徴の利点の少なくとも一部から恩恵を受けてもよいことに留意されたい。当業者は、本開示の一つ以上の特徴を取り入れ、付記した特許請求の範囲によって定義される本発明の趣旨及び範囲内に含まれる、システムの独自の実施を容易に考案し得る。

図１は、燃料改質器とエキスパンダ／コンプレッサ組立体とを有する燃料改質システムの簡略ブロック図である。 図２は、図１と同様の簡略ブロック図だが、ターボチャージャとして具体化されたエキスパンダ／コンプレッサを図示する簡略ブロック図である。 図３は、燃料改質器によって生成された改質ガスを受領する様々なコンポーネントの簡略ブロック図である。 図４は、燃料改質器によって生成された改質ガスを受領する様々なコンポーネントの簡略ブロック図である。 図５は、燃料改質器によって生成された改質ガスを受領する様々なコンポーネントの簡略ブロック図である。

Claims (19)

1. 燃料改質システムを動作させる方法であって、
   改質ガスを生成するために燃料改質器を動作させるステップと、
   加圧空気を生成するために、ターボチャージャのタービンを介して前記改質ガスを送るステップと、
   前記加圧空気を前記燃料改質器の空気入口へ送るステップと、
   を備える方法。
2. 前記タービンから出る前記改質ガスを内燃機関の吸気口へ送るステップを更に備える、請求項１に記載の方法。
3. 前記改質ガスは水素リッチなガスを含み、
   前記改質ガスを送るステップは、前記水素リッチなガスに前記タービンを通過させ、内燃機関の吸気口へ送るステップを備える、
   請求項１に記載の方法。
4. 前記タービンから出る前記改質ガスを排出物低減デバイスへ送るステップを更に備える、請求項１に記載の方法。
5. 前記改質ガスは水素リッチなガスを含み、
   前記改質ガスを送るステップは、前記水素リッチなガスに前記タービンを通過させ、排出物低減デバイスへ送るステップを備える、
   請求項１に記載の方法。
6. 前記タービンの出力により発電機を駆動するステップを更に備える、請求項１に記載の方法。
7. 前記ターボチャージャは前記タービンに結合されたコンプレッサを有し、
   前記改質ガスを送るステップは、前記タービンの出力により前記コンプレッサを駆動するステップを備える、
   請求項１に記載の方法。
8. 前記燃料改質器は空気入口を有するプラズマ式燃料改質器を備え、
   前記加圧空気を送るステップは、前記プラズマ式燃料改質器の前記空気入口を介して前記加圧空気を送るステップを備える、
   請求項１に記載の方法。
9. 燃料改質システムであって、
   （ｉ）改質ガス入口を備えたタービンと、（ｉｉ）加圧空気出口を備えたコンプレッサとを有するターボチャージャと、
   （ｉ）前記コンプレッサの前記加圧空気出口に流体的に結合された空気入口と（ｉｉ）前記タービンの前記改質ガス入口に流体的に結合された改質ガス出口とを有する燃料改質器と、
   を備える燃料改質システム。
10. 前記ターボチャージャは、内燃機関の吸気口に流体的に結合された改質ガス出口を有する、請求項９に記載のシステム。
11. 前記ターボチャージャは、排出物低減デバイスに流体的に結合された改質ガス出口を有する、請求項９に記載のシステム。
12. 前記タービンの出力に結合された入力を有する発電機を更に備える、請求項９に記載のシステム。
13. 前記燃料改質器はプラズマ式燃料改質器を備える、請求項９に記載のシステム。
14. 燃料改質システムであって、
    改質ガス入口を有するエキスパンダと、
    前記エキスパンダに機械的に結合されて、加圧空気出口を有するコンプレッサと、
    （ｉ）前記コンプレッサの前記加圧空気出口に流体的に結合された空気入口と（ｉｉ）前記エキスパンダの前記改質ガス入口に流体的に結合された改質ガス出口とを有する燃料改質器と、
    を備える燃料改質システム。
15. 前記エキスパンダは、内燃機関の吸気口に流体的に結合された改質ガス出口を有する、請求項１４に記載のシステム。
16. 前記エキスパンダは、排出物低減デバイスに流体的に結合された改質ガス出口を有する、請求項１４に記載のシステム。
17. 前記エキスパンダの出力に機械的に結合された入力を有する発電機を更に備える、請求項１４に記載のシステム。
18. 前記燃料改質器はプラズマ式燃料改質器を備える、請求項１４に記載のシステム。
19. 前記エキスパンダは、タービンと、ピストン式エキスパンダと、スクリュ式エキスパンダと、スクロール式エキスパンダと、新規な形状寸法の容積式エキスパンダとで構成されるグループから選択される、請求項１４に記載のシステム。
    
    

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