JP2006506793A - Ｐｅｍ燃料電池電力プラントにおけるアノード排出ガス流を燃焼するバーナ - Google Patents
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Abstract
高分子電極膜(ＰＥＭ)燃料電池電力プラント(１２)からのアノード排気ガスストリームを触媒作用バーナ(２)が燃焼する。バーナにコートされる触媒は、白金、ロジウム、パラジウム、又はこれらの混合物を用いることができる。バーナは格子で形成された連続気泡を含む。セルは触媒作用バーナ全体で相互に連結している。バーナはアノード排気ストリーム中の水素を燃焼することが可能である。触媒作用バーナは大きな表面積を有し、バーナの体積の約７０％〜９０％は通気孔であることが好ましい。バーナはアノード排気ガスストリーム入り口から出口までに約２〜約３水インチという低い圧力降下である。バーナアセンブリは本質的に大気圧及び約１７００°Ｆ(９２７°Ｃ)までの温度で運転する。燃料電池アセンブリの通常運転の間、アノード排気をバーナは燃焼する。バーナはガソリン、ガソリン燃焼生成物、又はアノードバイパスガスにより不利な影響を受けない。アノードバイパスガスは改質された燃料ガスであり、燃料電池スタック燃料注入ラインから分岐される。
Description
本発明は触媒作用を有するバーナに関するものであり、このバーナは高分子電極膜(ＰＥＭ)燃料電池からのアノード排出ガスストリームを燃焼してＰＥＭ燃料電池電力プラントで使用する熱を発生する。
高分子電極膜(ＰＥＭ)燃料電池は比較的低温で機能するが、これは一般的に約１００°Ｆ(３８°Ｃ)〜約２００°Ｆ(９３．３°Ｃ)の範囲で、本質的に大気圧である。ＰＥＭ燃料電池アノード排出ガスストリームは主に水分、二酸化炭素、及び少量の水素を含む。効率及び排出物の点から、燃料電池電力プラントセルを通過したアノード排出ガスストリームに残存する燃料は、ＰＥＭ燃料電池電力プラントの運転に使用すべきである。しかし、これは従来のメタルバーナでは不可能である。このようにＰＥＭ燃料電池電力プラントからのアノード排出ガスストリームを利用して運転のための追加エネルギーを生成することができないのは：ａ）アノードガスストリームには水分及び二酸化炭素が多く含まれる；及びｂ）アノードガスストリームは水素含有量が少ない、ということに起因する。さらに、流れの高いターンダウン比から従来のバーナの性能を超えるものが必要となる。
ＰＥＭ燃料電池電力プラントにおけるアノード排出ガスストリームを利用してシステム効率を改善するために電力プラントを運転するエネルギーを生成し、電力プラントの排出レベルを低減することが望まれる。
本発明はバーナに関し、このバーナはＰＥＭ燃料電池電力プラントのアノード排気流を燃焼して電力プラントの運転エネルギーを生成する効果を有する。
ＰＥＭ燃料電池電力プラントは低温電力プラントであり、約１００°Ｆ(３８°Ｃ)〜約２００°Ｆ(９３．３°Ｃ)の範囲、好ましくは約１８０°Ｆ(８２．２°Ｃ) で運転し、好ましくは本質的に大気圧で運転する。蒸気改質器の形式を用いるＰＥＭ燃料電池にとって、電池スタック排熱から蒸気を生成することは、４００°Ｆ(２０４°Ｃ)リン酸電池のようには選択肢とはならず、したがって代替の蒸気生成方法が必要となる。結果として、アノード排気エネルギは蒸気を生成するための熱の主要なエネルギ源となる。しかし、アノード排気はたいていＣＯ2、水蒸気とともに少量のＨ2からなり、自熱改質器、触媒部分酸化改質器、又は部分酸化改質部の場合には、Ｎ2を含む。アノード排気ストリーム中の水素は一般的には通常の燃焼可能なレベルよりも少ない、そこでアノード排気ガスストリームを燃焼するために触媒作用多孔性バーナを用いる。
本発明のバーナは、ＰＥＭ電池アノード排気ガスストリームを燃焼して熱を生成することができる。この熱は燃料電池電力プラントの改質器に用いる蒸気生成に、又は電力プラント運転の他の目的のために、又は環境のために用いることが可能である。本発明のバーナは電力プラント運転開始時に利用されるガソリン又はガソリン燃焼生成物に対してダメージを受けない。本発明のバーナは触媒作用多孔性セラミック連続気泡のォームバーナ部を含んでいる。バーナにコートされている触媒には、白金、ロジウム、パラジウム、及びこれらの混合物を用いることが可能である。バーナ本体は連続気泡の金属フォーム、又はセラミックフォームがこのましい。これは約７０％〜約９０％の範囲の連続気泡多孔率を提供する。この程度の多孔率を有すると、ガスストリームの燃焼のほとんどはバーナ本体の内部で起こる。そして、バーナ本体の入り口から出口までの圧力低下は運転条件において約２から約３水インチくらいの低さにすることが可能である。この多孔性の程度によりバーナ運転圧力を本質的に大気圧することが可能である。バーナの運転温度は約１７００°Ｆ(９２７°Ｃ)まで上げることが可能であるが、好ましくは１１９５°Ｆ(６４６°Ｃ)より低い方がよい。
本発明のバーナは特に変化し得る要求に応じて電気を発電するようにＰＥＭ電力プラントを利用する移動式の環境に役に立つ。この移動式の環境には、自動車、バス、又は他の輸送手段がある。セルスタックから生じたアノード排気ガスストリームを燃焼してシステムのための熱を生成するＰＥＭ燃料電池により発電した電気により輸送手段を運転する場合には、バーナは比較的高いターンダウン比を有することが必要となる。ターンダウン比とは燃料及び空気の流入比の最大値と燃料及び空気の流量比の最小値との比である。従来のバーナのターンダウン比３：１に対し本発明のバーナは１０：１のターンダウン比を有する。１０：１のターンダウン比は従来のバーナにはない。それは従来のバーナが直面しているブローオフ、フラッシュバック、又は消火の問題による。さらに、大気圧又はそれに近い圧力での自動車の使用においては、全体のシステム効率のためにシステム入口から出口までのバーナを含む圧力降下が最小になる必要がある。
よって、本発明はＰＥＭ燃料電池電力プラントのアノードから生じる排気ガスストリームを燃焼する触媒作用バーナを提供することを目的とする。
本発明は、電力プラント運転開始時の、ガソリン燃焼生成物又はＰＥＭ燃料電池電力プラントアノードバイパスガスにより不利な影響を受けないことを特徴とするバーナを提供することをさらに目的とする。
本発明の他の目的は、バーナの単位体積当たりの非常に大きな触媒化された表面積を有するような高い連続気泡気孔率を有することを特徴とするバーナを提供することである。
本発明のさらなる目的は、本質的に大気圧で運転可能で、バーナ入口から出口までの圧力降下が低いことを特徴とするバーナを提供することである。
後述の図面を参照した発明の実施例の詳細な記載からこれら及び他の本発明の目的はさらに容易に明らかとなる。
図１は、固体高分子電極膜(ＰＥＭ)燃料電池電力プラントの略図である。これは符号１２で表示され、本発明に基づいて構成されている。電力プラント１２はマルチ燃料バーナ／蒸気発生部１４を含む。これは改質部１６に対して蒸気を発生させ、かつ、運転開始の時に、電力プラントコンポーネントの温度を上昇させる熱を生成する。改質部１６は、ガソリン、ディーゼル、エタノール、メタノール、天然ガスなどの炭化水素燃料を水素を多く含むガスストリームに改質する。このガスストリームは電力プラント１２内の活性燃料電池スタック１８での使用に適している。蒸気発生部１４は蒸気を生成する。この蒸気はライン２０を介して改質部１６に供給される。改質される燃料はライン２２を介して改質部１６に供給され、そしてオートサーマル改質部の場合には空気がライン２４を介して改質部１６に供給される。改質燃料ガスストリームは改質部１６からライン２６を経て排出され、改質燃料ガスストリームを冷却する熱交換器２８を通過する。改質燃料ガスストリームはシフト反応部３０に流入し、そこで燃料ガスストリームに含まれるＣＯの大部分がＣＯ2に改質される。燃料ガスストリームはライン３２を経て、シフト反応部３０から流入し、燃料ガスストリームが冷却される熱交換器３４を通過する。燃料ガスストリームは選択的酸化部３６を通過し、ここで燃料ガスストリーム内に残存するＣＯがさらに低減され、そこからライン３８を通過して電力プラント燃料電池スタック１８にいたる。改質燃料は電力プラント燃料電池スタック１８内の燃料電池のアノード側を通過する。
運転開始の間、ガスストリームは加熱のための追加燃料を供給するため、及び排出を最小限にするために、ライン３８からバーナ／ミキサ蒸気発生部１４に接続するライン５２を通過してブリードオフすることにより燃料電池スタック１８を迂回する。バルブ５４はライン５２を通過する燃料の流れを制御する。バルブ５４は燃料電池電力プラント運転プロセッサコントローラ(図示省略)により作動する。蒸気発生部１４からのバーナ排気はライン５６を経て蒸気発生部１４から除去される。このライン５６は排気ストリームをコンデンサ５８に導入させ、ここで水分が排気ストリーム外に凝縮される。水凝縮物はコンデンサ５８から水タンク４８にライン６０を介して移送される。脱水した排気ストリームは通気孔６２から電力プラント２の外に排出される。水貯蔵タンク４８の水はライン６４を介して蒸気発生部１４に供給される。
燃料電池電力プラント１２が運転温度に達すると、電力プラントコントローラによってバルブ５４は閉じられ、ライン６８のバルブ６６が開けられる。ライン６８は燃料電池スタックアノード排気ストリームを蒸気発生部１４に導入させ、そこでアノード排気ストリーム中の残存する水素及び炭化水素が燃焼される。アノード排気ストリームは、水素、水、及び炭化水素を含む。電力プラント１２の運転開始の間は、蒸気発生部１４には、ライン７０を介して空気が供給され、かつ燃焼のための未処理の燃料がライン７２を介して供給されるとともに、アノードバイパスガスがライン５２を介して供給される。燃料には、天然ガス、ガソリン、エタノール、メタノール、水素、又は他の燃焼材料を用いることが可能である。空気は可燃燃料に関係なく常にライン７０を介して蒸気発生部に供給される。
図２には、電力プラント１２のバーナ／ミキサ蒸気発生部１４の実施例が記載されている。蒸気発生部１４は第一のミキサ／バーナチャンバ７４を有している。ミキサ／バーナチャンバ７４では、運転開始時の蒸気生成のために、燃料(希薄なアノード排気燃料以外)及び空気がスワール安定化燃焼バーナで燃焼される。このガソリンバーナの高温の排気は第一の熱交換器８２を通過する。ここでガソリンバーナ排気の温度を触媒作用バーナ２が許容できるレベルにまで下げる。触媒作用バーナ２はガソリンバーナ排気ストリームにより加熱される。そして、これはガソリンバーナからの一酸化炭素排出を低減することに使用される。ガスストリーム拡散部３はガソリンバーナ排気又はアノード排気の流れを触媒バーナ２に拡散することに使用される。
図３には、触媒作用バーナ２の詳細が記載されている。バーナ２は管状ホルダ９２を有しており、その内部には連続気泡フォームセラミック本体９４が配置されている。この本体は金属であってもよいことは重要である。バーナ２はまたハニカムの形式をとってもよい。本体９４の間隙は触媒化されている、すなわち、ロジウム、白金、パラジウム、及びこれらの混合物などの適宜な触媒によりコートされている。空気及び燃料の混合物は矢印Ａの方向によりバーナ２に流入する。このように、バーナ２の端９６は入口端であり、バーナ２の端９８は出口端である。バーナ２はまた、穿孔セラミック空気燃料分散プレート１００を有しており、これは複数の通路１０２を有している。分散プレート１００は燃料及び空気の流れを触媒作用セラミック本体９４に均等に分散させ、またアセンブリの運転中のフラッシュバックを防止する。分散プレート１００はまた連続気泡フォームの形態で形成することができる。この連続気泡フォームはバーナ２のポアサイズよりも小さなポアサイズを有している。炎が空気−燃料供給物の中に後退する速度が空気−燃料供給物の流速よりも大きくなったときにフラッシュバックは発生する。
ガソリンによる運転開始バーナには二つの目的がある。運転開始の間、触媒作用バーナの運転より前に、蒸気生成のための熱ガスを生成するためにバーナは使用される。これはガソリンの滴を精細に霧化して空気と混合し、ガソリンを燃焼させる。ガソリンは圧力霧化燃料インジェクタによりバーナに導入され、空気と混合される。この空気はスワラー、及び第一、第２の一連の希釈孔を通って流入する。空気流入孔の適当なサイズ調整及び位置調整により燃料インジェクタの付近に安定な再循環ゾーンを形成する。これは点火器に再度点火を行うことなく安定な燃焼を確保する。これは燃料の完全な燃焼をもたらし、比較的均一な出口温度プロファイルとなる。
ガソリンバーナの他の目的は、空気／アノード排気ミキサである。これは空気とアノード排気ガスとを触媒バーナで燃焼する前に混合するものである。アノード排気に残存する水素が触媒作用バーナで燃焼されて電力プラント運転に必要な蒸気を生成する場合に、通常の電力プラント運転の間、このミキサモードで運転開始用バーナは機能する。
燃料処理システムの運転開始の間、ガソリンバーナ７４からの熱ガスは熱を水に移送するために使用される。この水は循環ポンプ７８により第一熱交換器８２、それから第二熱交換器８８、及び第三熱交換器８９を通過して送られる。熱交換器８２、８８、８９中で二相フローを常に維持できるように循環ポンプの流速は十分に高い。このように二相(液体／気体)成分の流れを維持することで、制御要求を簡易なものにし、熱交換器の大きさを制限する。この二相フローストリームは蒸気蓄圧器７６に圧送され、そこで液体の水は熱交換器８２、８８、８９を通過して循環する。一方、燃料処理システムへの使用のために飽和蒸気は蓄圧器７６から抽出される。循環ポンプ７８に供給された水は蓄圧器の適当な水位を維持するために用いられる。燃料処理システムは低質の改質ガソリンを生成し始めると、この改質ガソリンは燃料電池のアノードを迂回して、ガソリンバーナ７４のミキサ部分に供給されて燃焼される。
通常の運転の間、燃料電池のアノード排気は空気とともにバーナ／ミキサ７４に供給される。このバーナ／ミキサ７４は空気／アノード排気ミキサの働きをする。燃料電池アノード排気を空気と混合した後、混合物は触媒作用バーナ２に供給され、運転開始段階におけるガソリンバーナとしての運転能力を低減することはない。アノード排気混合物は触媒作用バーナ２で触媒作用により燃焼される。触媒作用バーナ２からの放射及び対流熱が熱交換コイル８８に移送され、かつ熱交換器８９内での残余対流熱の移送が発生する。運転開始の間と同様に、循環ポンプ７８は熱交換器の中の二相フローを維持する、そして、蓄圧器７６から飽和蒸気が抽出される。
アセンブリに触媒作用バーナを包含させることで、本発明のバーナによりアノード排気をＰＥＭ燃料電池電力プラントを運転するための蒸気生成熱源として使用できることが容易に理解できる。補助のガソリン又は他の通常の炭化水素燃料バーナを包含させることにより、電力プラントのための蒸気生成のエネルギー源としてアノード排気ガスを使用する前に、触媒作用バーナが燃料電池電力プラントを運転温度まで引き上げることができる。アセンブリの補助バーナ部に空気スワラを包含させることにより、アセンブリの触媒作用バーナ部での燃焼の前に、空気をアノード排気ストリームに十分に混合させることが可能となる。
Claims (18)
- 高分子電極膜(ＰＥＭ)燃料電池電力プラントに使用するバーナ(２)であって、前記バーナはＰＥＭ燃料電池電力プラントの電池スタック(１８)から発生するアノード排気ガスを燃焼する作用を有し、多孔質触媒コート本体(９４)を含むことを特徴とするバーナ。
- 前記本体は連続気泡セラミックフォームであることを特徴とする請求項１に記載のバーナ。
- 前記本体は連続気泡金属フォームであることを特徴とする請求項１に記載のバーナ。
- アノード排気ガスを均等にバーナに分散させる作用を有する多孔性セラミック分散プレート(１００)をさらに有することを特徴とする請求項１に記載のバーナ。
- アノード排気ガスを均等にバーナに分散させる作用を有する多孔性金属分散プレート(１００)をさらに有することを特徴とする請求項１に記載のバーナ。
- 前記多孔性触媒−コート本体は、白金、ロジウム、パラジウム、及びこれらの混合物からなるグループから選択される触媒により覆われていることを特徴とする請求項１に記載のバーナ。
- 前記多孔性本体は該多孔性本体の体積の約７０％〜約９０％の開放気孔率を有することを特徴とする請求項１に記載のバーナ。
- 前記バーナは本質的に大気圧で運転することを特徴とする請求項１に記載のバーナ。
- 前記バーナは運転条件において入り口から出口までに約２〜約３水インチの圧力降下を有することを特徴とする請求項１に記載のバーナ。
- ＰＥＭ燃料電池電力プラント(１２)の電池スタック(１８)から発生するアノード排気ガスを燃焼する方法であって、
ａ)多孔性触媒−コート本体(９４)を準備するステップと、
ｂ)前記アノード排気ガス内の炭化水素が燃焼する条件下で該アノード排気ガスを前記本体に通過させるステップと、を含むことを特徴とする方法。 - 前記本体は連続気泡セラミックフォームであることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
- 前記本体は連続気泡金属フォームであることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
- アノード排気ガスを均等にバーナ(２)に分散させる作用を有する多孔性セラミック分散プレート(１００)を準備するステップをさらに有することを特徴とする請求項１０に記載の方法。
- アノード排気ガスを均等にバーナに分散させる作用を有する多孔性金属分散プレート(１００)を準備するステップをさらに有することを特徴とする請求項１０に記載の方法。
- 前記多孔性触媒−コート本体は、白金、ロジウム、パラジウム、及びこれらの混合物からなるグループから選択される触媒により覆われていることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
- 前記多孔性本体は該多孔性本体の体積の約７０％〜約９０％の開放気孔率を有することを特徴とする請求項１０に記載の方法。
- 前記バーナは本質的に大気圧で運転することを特徴とする請求項１０に記載の方法。
- 前記バーナは運転条件において入り口から出口までに約２〜約３水インチの圧力降下を有することを特徴とする請求項１０に記載の方法。
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