JP2006501435A - 後燃焼装置 - Google Patents

Abstract

改質プロセス及び／又は燃料電池プロセスからの残留ガスを後燃焼させるための、特に水素を得るための化学的な改質器用の後燃焼装置（１）が、燃料と燃焼可能な残留ガスを燃焼室（８）に分配するための少なくとも１つのノズル（２）と、少なくとも１つの空気供給部（３）とを有している。燃焼室（８）には少なくとも部分的に、耐熱性の連続気泡型発泡セラミック（４）が充填されている。

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載の形式の後燃焼装置を起点としている。

燃料電池により支持されている搬送システムでは、必要な水素を炭化水素を含む燃料から得るために、いわゆる化学的な改質器が使用される。

化学的な改質器の最適な運転温度は大概、周囲の温度を大きく上回っている。特に、個人的な交通手段のための車両においてはこのことは問題となる。車両の停止段階が多数行われるとコールドスタート段階が多数回行われることになり、このようなコールドスタート段階では、特に化学的な改質器が良好には働かない。極めて僅かな負荷では、改質器は場合によっては、改質器中に発生した熱によって最適な運転温度に達せず、または最適な運転温度を運転中に失ってしまう。

従って、燃料電池により支持されている、化学的な改質器を備えた駆動システムでは特に、後燃焼装置を設けることが有利である。この後燃焼装置は特に、例えば燃料電池プロセスからの燃焼可能な残留ガスや排ガスを熱に変換し、このガスが制御不能に周囲へ放出されることを回避することによりエミッションを減じるという課題を有している。得られた熱は例えば改質器または燃料電池に供給され、これらを迅速に運転温度にもたらし、コールドスタート段階を短縮する。さらに得られた熱は、改質器および燃料電池の、その都度必要な運転温度を維持するために使用される。これにより最適な運転温度の維持が部分負荷運転でも保証される。

後燃焼装置は燃焼可能な残留ガス、例えば燃料電池からの残留水素または触媒燃焼器の残留ガスを、炎を形成しながら、場合によっては部分的に触媒的に燃焼させ、化学的な改質器に熱的に連結されている。しかしながら燃焼可能な残留ガスの熱作用だけでは、十分な大きさの熱出力を得るためには不十分である場合が多い。従って主として付加的に、または単独的に後燃焼装置へと燃料を調量して入れる。この場合、有利には液状の燃料は、手間のかかる欠陥の多い装置によって微細に分配されて、できるだけ小さな液滴直径を有した液滴ガスとして燃焼室に噴射される。小さな液滴直径（Sauterdurchmesser: ザウタ直径）は、燃料でできるだけ大面積で酸素と熱とに接触させ、これにより燃焼過程をできるだけ完全に行うために必要である。

この場合欠点は、小さい液滴直径を有した液滴ガスを形成するための調量装置は極めて手間がかかり、コストがかかり、エラーが多いことにある。必要な僅かな液滴直径は、しばしば高い燃料圧の使用によってしか得られず、この場合、高い圧力を得るためには、比較的多くの出力を要し、特に圧力を形成するための装置は大きなスペースを要する。このような調量装置はさらに通常極めて小さな調量開口を有しており、このような開口は燃焼残留物もしくは堆積により、分配装置の分配特性を許容できない程、制御不能に変更してしまう。燃焼室内で生じる高い温度のために、調量装置に生じる高い温度のため、調量装置は空間的に燃焼室から分離されなければならず、燃料を直接燃焼室に分配することはできない。そのため必要な、燃料を調量装置から燃焼室に搬送する分配導管では、内部にある燃料が例えば停止状態で気化し、制御不能に逃げてしまう恐れがある。このようなことはとりわけ制御不能な大きな有害物質放出を引き起こす。高い燃料圧の使用に対して選択的に、または補助的に、燃料の微細な霧化のために空気補助を行う手段が公知である。この場合、燃料もしくは残留ガスは燃焼前に十分な長さ空気によって渦流化される。この場合の欠点は、比較的大きな所要スペース、空気調量の手間のかかる外乱を受けやすい制御、付加的な所要エネルギ等である。

最後に、特に僅かな出力のもとでは、燃焼室内の継続燃焼する開かれた炎が予期せず突然消えてしまう恐れがある。後燃焼装置の熱出力は従って下方に向かって著しく制限されている。さらに、燃料供給を遮断する、または炎を再点火するためには常に所定の所要時間を要する。この時間で、燃料もしくは残留ガスが燃焼室内に集められる。このことは再点火に不都合に影響を与え、場合によっては存在する触媒が損傷され、燃焼していない燃料もしくは残留ガスは大気中に逃げる。上述した全てのことにかかわらず、後燃焼装置の排ガス中には燃焼されていないもしくは完全には燃焼されていない部分が残っている。これは部分的に有毒であり、または化学的に攻撃的である。このことは著しい環境汚染となり材料負荷となる。さらには、燃料もしくは残留ガスの発熱量は不完全にしか利用されない。

発明の利点
請求項１の特徴を有する本発明による後燃焼装置はこれに対して、燃料を連続気泡型の耐熱性の発泡セラミックに調量分配することにより、微細な燃料滴を得るためのコストのかかる霧化装置を使用せずに、極めて良好な燃料分配を燃焼室内もしくは発泡セラミック内で行うことができる。これに伴う空気中酸素との比較的大きな接触面積により、供給される燃料および残留ガスのほぼ完全な燃焼、ひいては、極めて良好な効率、僅かな有害物質放出が得られる。発泡セラミック内で燃料の分配が行われるので、燃焼室もしくは発泡セラミック内へ燃料を跳梁して入れる調量装置もしくは燃料ノズルへの要求も極めて僅かになる。

発泡セラミックの僅かな熱容量と、発泡セラミックにおいて均質に広域に分配される燃焼プロセスにより、発泡セラミックは極めて迅速に加熱し、これにより短い稼動時間後に既に、および場合によっては生じる燃料供給の短時間の遮断の後に既に、燃料供給を再開する際に例えば点火プラグまたは類似のものによる火花点火は必要ではないことが多い。

有利にはさらに、発泡セラミックは、調量された燃料の一部を、すぐに点火せずにまず最初に吸収することができる。むしろ燃料の一部は最初に発泡セラミックに分配されてからその表面で点火される。即ち発泡セラミックは、所定の量の燃料をまず最初に貯えることができる。この特性は例えば、例えばグローコイルによる火花点火が不十分にしか得られない場合に常温の状態から後燃焼装置を始動させる際に有利である。何故ならば燃料は不完全燃焼で燃焼室からすぐには逃出できないからである。むしろ燃料は発泡セラミックに貯えられ、燃焼のためにさらに提供される。燃焼室における突燃過程もしく点火能力以上に燃料・空気混合物を濃縮することはしたがってほぼ回避される。

発泡セラミックのジオメトリックな形状とはほぼ関係なく燃料の分配が優先的に自動的に行われるならば、さらに極めて有利である。これにより、例えば発泡セラミックと燃焼室との間の熱的な連結もしくは後燃焼装置の別のエレメントとの熱的な連結を改善するために、燃焼室もしくは後燃焼装置において発泡セラミックを極めて適応するように配置することができる。

さらに本発明による後燃焼装置が、極めて大きな熱出力範囲を有しており、これは特に極めて小さな熱出力を調整できることにより可能である。このように調節可能な極めて小さな熱出力もしくは燃焼出力により、特に個人自動車において負荷交換過程の際に典型的である、有害物質の多い、材料負荷がかかる、効率を悪化させる後燃焼装置のオン・オフ過程が回避される。

本発明による後燃焼装置の有利な別の構成は請求項２以下に記載されている。

発泡セラミックが少なくとも部分的に炭化ケイ素から成っていると後燃焼装置はさらに有利に構成される。炭化ケイ素は極めて耐熱的であり、熱伝導性に優れ、これにより発泡セラミックに比較的僅かな密度において良好な機械的剛性を与える。さらに炭化ケイ素は電流を比較的よく通す。この良好な導電性は測定技術的な目的で利用され、例えば温度を、電流と電圧によって導き出される電気抵抗を介して検出することができる。または燃焼プロセスは、特に電流の熱作用によって影響を与えられ、制御され、または例えば触媒燃焼の場合は、例えば部分負荷運転で完全に得られる。

発泡セラミックが、例えば熱的または化学的に行うことができるいわゆる網状化によって連続気泡型にされると有利である。これにより極めて高い割合で連続気泡性が得られ、さらに孔サイズは極めて軽量、例えば０．０５〜５ｍｍの範囲であって、このサイズは発泡セラミック製造の際に調節される。

有利には、発泡セラミックは、燃焼室の壁の少なくとも一部と熱伝導的に良好に接触する。何故ならば、これにより熱を迅速かつ効果的に、例えば改質器または例えば触媒バーナまたは燃料室のようなプロセス技術的な構成部分に放出できるからである。

発泡セラミックが有利には、例えば白金または白金を含む合金から成る触媒層によって被覆される。これにより、燃焼プロセスは例えば少なくとも部分的に触媒により、炎を形成することなく行われる。

本発明による後燃焼装置はさらに点火装置を有しており、これにより後燃焼装置における燃焼プロセスが、いつでもそれほどの始動時間なしに、特に燃料調量の短時間の遮断後に開始される。この場合、外部の温度もしくは後燃焼装置の温度は重要ではない。点火装置は特に簡単かつコンパクトにグローコイルまたはグロープラグとして形成することができる。この場合、このような点火装置は有利には、発泡セラミックとノズルの間または発泡セラミック内に設けられる。

別の有利な構成は、ノズルを更に良好な燃料分配を可能にするスワールノズルとして形成することにより得られる。

実施例の説明
次に本発明の実施例を一例として説明する。

図１に示した本発明による後燃焼装置１の実施例は、管円筒状のケーシング５と、その内部に位置する燃焼室８とを有している。燃焼室８は側方でケーシング５によって、上方で上方リング９によって、下方で下方リング１０によってケーシング５内で制限されている。上方リング９はノズル２に対して、下方リング１０は流出室１１に対して燃焼室８の境界を定めている。燃焼室８にはこの実施例では完全に発泡セラミック４が充填されている。発泡セラミック４の気泡は横方向および長手方向で互いに接続されていて、特に良好な貫流とほぼ完全な燃焼を可能にする。

原理的な図として部分断面図が図２に示されている。支持発泡体１２に埋め込まれた気泡１３が示されている。

発泡セラミックは、例えばポリウレタンフォームのような支持発泡体１２の例えば網状化と、次いで行われる炭化ケイ素懸濁液、例えば水中に懸濁する炭化ケイ素から成る粉末セラミックによる処理により得られる。

炎領域６はノズル２を基点として楕円形に、燃焼室８に位置する発泡セラミック４を貫通し、流出室１１で終わっている。炎領域６はこの場合、例示されているだけであり、例えば発泡セラミック４に対するノズル２の位置、燃焼圧、発泡セラミック４の気泡サイズ、燃料の特性に応じて変化する。特に、炎の形成を発泡セラミック４全体において形成したり、触媒燃焼の際に炎の形成を完全に中断したり、発泡セラミック４の部分でのみ可能にすることができる。

ノズル２は発泡セラミック４とは反対側の軸方向の端部で燃料、残留ガス、空気またはこれらの成分の混合物を受容し、この混合物を発泡セラミック４に面した軸方向の下端部で、開口（図示せず）を通して発泡セラミック４内に調量して入れる。さらに空気が空気供給部３を介して燃焼室８もしくは燃焼部に供給される。残留ガス・空気混合物または残留ガス・酸素混合物の導入も空気供給部３を介して可能である。燃料または残留ガスまたはこれらの成分の混合物は、発泡セラミック４の熱い表面において空気及び／又は酸素によって燃焼しもしくは運転中に化学反応する。

しかしながら燃焼過程は、点火装置（図示せず）によってももたらす、もしくは維持することもできる。このような燃焼装置は例えば電気的なグロープラグまたはグローコイルとしてノズル２と発泡セラミック４との間に設けられている。点火装置を発泡セラミック４内に設けることも可能である。また点火装置を、発泡セラミック４全体または少なくとも発泡セラミック４の一部が電気的に加熱され、これにより点火装置が形成されるように形成することも考えられる。最後に発泡セラミック４は外部からも、またはワイヤを設けることにより加熱することができる。燃料及び／又は残留ガスの酸化が行われると、燃焼ガスが下方に向かって逃げ、下方リング１０を通って流出室１１へ到り、ここで流出開口７から逃出する。

後燃焼装置１もしくはケーシング５は大面積で化学的な改質器及び／又は燃料電池（図示せず）に良好に熱伝導を行うように接触している。この場合、この接触は遮断可能に行うことができる。

本発明による後燃焼装置の一実施例を示した概略図である。 連続気泡型の発泡セラミックの部分断面図を原理的な図として示した図である。

Claims (10)

1. 改質プロセス及び／又は燃料電池プロセスからの残留ガスを後燃焼させるための、特に水素を得るための化学的な改質器用の後燃焼装置（１）であって、燃料と燃焼可能な残留ガスを燃焼室（８）に分配するための少なくとも１つのノズル（２）と、少なくとも１つの空気供給部（３）とを有している形式のものにおいて、
   燃焼室（８）に少なくとも部分的に、耐熱性の連続気泡型発泡セラミック（４）が充填されていることを特徴とする後燃焼装置。
2. 発泡セラミック（４）が少なくとも部分的に炭化ケイ素から成っている、請求項１記載の後燃焼装置。
3. 発泡セラミック（４）が網状化により連続気泡型に形成されている、請求項１または２記載の後燃焼装置。
4. 発泡セラミック（４）が電気的に加熱可能である、請求項１から３までのいずれか１項記載の後燃焼装置。
5. 発泡セラミック（４）が、燃焼室（８）の壁の少なくとも一部に、熱伝導的に良好に接触している、請求項１から４までのいずれか１項記載の後燃焼装置。
6. 発泡セラミック（４）が部分的に触媒的な層、特に白金によって覆われている、請求項１から５までのいずれか１項記載の後燃焼装置。
7. 後燃焼装置（１）が点火装置を有している、請求項１から６までのいずれか１項記載の後燃焼装置。
8. 点火装置が電気的なグローコイル（１４）またはグロープラグとして形成されている、請求項７記載の後燃焼装置。
9. 点火装置が発泡セラミック（４）とノズル（２）との間に、または発泡セラミック（４）内に設けられている、または形成されている、請求項７または８記載の後燃焼装置。
10. ノズル（２）がスワールノズルまたは多孔ノズルとして形成されている、請求項１から９までのいずれか１項記載の後燃焼装置。

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