JP2007507068A - 固体酸化物燃料電池を基にした補助電源装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、エンジン排気ガス用出口を有する内燃機関と併用して発電するための補助電源装置（ＡＰＵ）であって、該補助電源装置（ＡＰＵ）は、１）燃料用入口（６ｂ）と空気及び／又はエンジン排気ガス用入口とオフガス用出口とを備えた固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ，９）、及び２）前記固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ，９）の前記燃料用入口（６ｂ）に連結された出口（６ａ）と反応物用入口（４ｂ）とを有する接触部分酸化改質装置（ＣＰＯｘ，５）を備え、前記反応物用入口（４ｂ）が、燃料用入口（１）とエンジン排気ガス用入口（２）と前記接触部分酸化改質装置（ＣＰＯｘ）の前記入口（４ｂ）に連結された出口（４ａ）とを有する蒸発器（３）を介して内燃機関の前記エンジン排気ガス用出口に連結されていることを特徴とする補助電源装置に関する。本発明はさらに、このようなＡＰＵを用いた炭化水素燃料からの発電方法に関する。

Description

本発明は、内燃機関と併用して発電するための補助電源装置（ＡＰＵ）、及びこのＡＰＵを用いて発電する方法に関する。

固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）技術は、主に搭載式の補助電源装置（ＡＰＵ）として輸送産業に応用するために開発されてきた。とりわけ、ＳＯＦＣを基にしたＡＰＵ技術は、乗用車、例えば空調システム、照明、電動窓、ブレーキ及びステアリングシステムなどに電力を提供する。

ＳＯＦＣを基にしたＡＰＵシステムは、一旦始動したシステムに燃料を供給するための改質装置システムを利用することができる。現在までのところ最良の改質装置は部分酸化改質装置（ＣＰＯｘ）であり、これは、燃料と空気を使用して主に水素、一酸化炭素及び窒素に接触転化させる。これは、暑い箱の内部に収容され、高温にて動作する。このような改質装置は、例えばＷＯ９９／１３５２１及びＵＳ２００２／００２５４５８に開示されている。従来技術による改質装置には、主プレナムチャンバ内にあるバルブを介して燃料と空気が供給される。この燃料は、インジェクターにより断熱壁を通って導入される。主に一酸化炭素と水素の混合物からなるＣＰＯｘからの出力は、ＳＯＦＣスタックに直接供給される。このシステムはいくつかの欠点を有し、特に熱交換器、予熱器及び送風機を使用する必要がある。これらの要素は、燃料システムを複雑で高価なものにする。さらに、ＷＯ９９／１３５２１及びＵＳ２００２／００２５４５８によると、このＣＰＯｘは、炭化水素燃料を熱風と混合してその混合物を燃焼又は酸化させる。このような改質装置により、ＳＯＦＣへの単一の燃料送出が可能となるが、改質装置内は非常に高温になり、触媒の劣化とコークスの堆積が加速される。
ＷＯ９９／１３５２１ ＵＳ２００２／００２５４５８

そのため、そのような装置を用いる方法であって、これらの欠点のないものが必要とされている。

現在、内燃機関の排気ガスを用いて部分酸化改質装置に供給される酸素の少なくとも一部を置き換えると、これらの問題は解消できることが分かった。

したがって、本発明は、エンジン排気ガス用出口を有する内燃機関と併用して発電するための補助電源装置（ＡＰＵ）であって、該補助電源装置（ＡＰＵ）は、
１）燃料用入口と空気及び／又はエンジン排気ガス用入口とオフガス用出口とを備えた固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）、及び
２）前記固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）の前記燃料用入口に連結された出口と反応物用入口とを有する接触部分酸化改質装置（ＣＰＯｘ）、
を備え、前記反応物用入口が、燃料用入口とエンジン排気ガス用入口と前記接触部分酸化改質装置（ＣＰＯｘ）の前記入口に連結された出口とを有する蒸発器を介して内燃機関の前記エンジン排気ガス用出口に連結されていることを特徴とする補助電源装置に関する。

この発明の利点は、特に、熱交換器が不要なことであることである。というのは、エンジンの排気ガスの過剰圧力がブロワーを活用し、このことが電気の余分な損失を生じさのに対して、既にあるエンジンの排気ガスにおける熱が利用可能であるからである。本方法は従来技術に対してさらなる利点を有する、例えば、既に水がエンジン排気ガス中に存在し、水のリサイクリング及び余分な蒸発をさせる。さらに、高い断熱温度が避けられ、ＳＯＦＣ内でのコークスの形成が少なく熱衝撃が小さいので触媒の寿命が延び、さらにまた、燃料の消費は最小に保つ一方でエンジンの排気ガスがＣＰＯｘ及びＳＯＦＣを始動温度まで予熱しているときには、装置の始動が簡単である。

燃料、エンジン排気ガス、及び場合によっては酸素含有ガス（供給原料）が送り込まれるＣＰＯｘ反応器は、円筒形状とし得る反応器又は外壁を含む。この外壁は約１３００℃までの温度に耐えることができ且つ実質的に炭化水素の酸化又は炭素の形成に対して化学的に不活性である金属、石英又はその他の材料から作ることができる。適する材料として、石英で内側を覆ったスチール、高温セラミック、セラミック金属複合材料、ニッケルを基にした超合金、コバルトを基にした超合金、並びに一般に、高温金属及びセラミックコーティングで保護された金属が挙げられる。外壁内には、供給原料が反応器を通るようにするだけでなく触媒反応ゾーン内に熱を封じ込めるための放射シールドを設けてもよい。このシールドは、円筒プラグの形状にて構成し、かなりの空隙容量（すなわち空隙率）を有する高温セラミックから作ることができる。このシールドは、ジルコニア、アルミナ及びサーメットなどの材料から作ることができる。このシールドは、反応器の上流と下流に設けることができるが、反応器を取り囲む又はすっぽり包むように有効に配置することもできる。

このシールドは、部分酸化反応が起こる触媒反応ゾーンの領域を定める。さらに、このシールドにより、触媒反応ゾーン内で触媒反応温度を維持するための手段が与えられる。この反応ゾーンが特定の反応温度にないならば、部分酸化反応は開始できない。したがって、最初は反応ゾーン内の反応温度を、高温のエンジンの排気ガスにより与えることができる。

しかしながら、特定の反応温度は、触媒上での硫黄の形成、不完全な酸化、及び副生成物の形成などのようなＣＰＯｘの処理への悪影響を与え得る。これらの悪影響を避けようと努めつつ反応温度の所望の効果を達成するために、本発明では反応温度は約６００℃〜１２００℃の範囲の温度に維持されるのが有効である。

反応ゾーン内には触媒が配置され、この触媒が、供給原料を部分酸化させる工程又は作用に触媒作用を及ぼすよう働く。この触媒はさまざまに異なり得るが、本発明の好ましい実施態様では、触媒は多孔質セラミック又は金属モノリス上、好ましくはセラミックフォーム上に担持された貴金属を含むことが想定される。好ましいセラミック材料はジルコニアを含む。それによって、供給原料が反応ゾーンに入り、そこで触媒と接触するが、この接触は、触媒接触時間を規制することにより制御される。主に、この接触時間は、供給原料の流量と触媒の構成により制御される。

液空間速度（ＬＨＳＶ）を約０．５ｈ^-１より大きく、好ましくは約０．５ｈ^-１〜７５ｈ^-１の範囲に維持するのが有利である。ＬＨＳＶは、触媒の単位体積当たりの液化炭化水素の流量として定義され、触媒の体積は、モノリスにより占められる体積として定義される。触媒により作られる流路がより曲がりくねるほど、接触時間も増す。部分酸化を最大化し且つ水素と一酸化炭素のさらなる酸化を最小化するために、接触時間の継続期間が制御される。有効な接触時間は約５００ミリ秒以下である。接触時間の好ましい範囲は約１０〜５００ミリ秒である。さらに好ましくは、接触時間は約５０〜２００ミリ秒であり、特に、約１００ミリ秒である。

上述した反応パラメータの結果として、反応ゾーン内での部分酸化によってＣＰＯｘ反応器から出て行き得る合成ガスが生成される。この合成ガスは、実質的に水素ガス、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気、硫化水素、メタン、微量の未転化の炭化水素、微量の他の硫黄化合物、及び窒素を含む。

この高温の合成ガスは、燃料用入口を介して固体酸化物燃料電池の中に放出される。空気及び／又はエンジン排気ガス用の入口を介して、ＳＯＦＣにエンジン排気ガスを導入し得る。ＳＯＦＣは、複数の要素を備えた当該技術において公知の燃料電池であり、その各要素は、固体電解質層によって互いに分離された陽極層と陰極層とを含む。陰極から固体電解質層を通って陽極への電荷移動は、酸素イオンにより行われる。

固体酸化物燃料電池の全体の陰極反応は、
^１／２Ｏ_２ ＋ ２ｅ^- → Ｏ^２-
であり、全体の陽極反応は、
Ｈ_２ ＋ ＣＯ ＋ Ｏ^２- → Ｈ_２Ｏ ＋ ＣＯ_２ ＋ ２ｅ^-
である。

よって、陽極のオフガスは二酸化炭素と水を含む。

ＳＯＦＣシステムの上記要素は当業者には知られており、例えば、平面状又は管状の固体酸化物燃料電池をそれぞれ形成する平板又は管である。一般に使用される陽極材料は、ニッケル及びイットリア安定化ジルコニアを含む。陰極層は、電子伝導性セラミック材料、一般にはペロブスカイト型構造をもった混合金属酸化物からなる多孔質層である。ランタン-ストロンチウム-マンガン酸化物が、一般に用いられる陰極材料である。固体酸化物燃料電池の固体電解質層は、酸素イオン伝導性であり、電子に対しては非常に限定された伝導性を有する。この層は密でガスを透過させない。一般にイットリア安定化ジルコニアが用いられる。

燃料電池内では、すべての要素、すなわち上記管又は板は、互いに電気的に接続されている。

本発明によるＡＰＵの通常運転中、合成ガスが燃料用入口を介して上記要素の陽極側に供給される。酸素含有ガス及び／又はエンジン排気ガスは、空気及び／又はエンジン排気ガス用の入口を介して上記要素の陰極側に供給される。好ましい実施態様では、酸素含有ガス、好ましくは空気がエンジン排気ガスと予め混合され、その結果得られる混合物が空気及び／又はエンジン排気ガス用の入口を介して各要素の陰極側に供給される。陰極及び陽極反応が起こることで、発電が行われ、酸化炭素、水及び水素を含んだ陽極オフガスが上記要素の陽極側で生成される。上記要素の陰極側では激減した空気が形成される。

好ましい炭化水素燃料は、ディーゼル、ガソリン及び特殊燃料電池グレードの燃料を含む。

したがって、本発明はさらに、炭化水素燃料から発電する方法であって、上記記載の補助電源装置において、
ａ）炭化水素燃料とエンジン排気ガスの両方を前記蒸発器に導入し；
ｂ）その後、蒸発又は部分的に蒸発させた燃料とエンジン排気ガスとの混合物を前記接触部分酸化改質装置（ＣＰＯｘ）に導入して合成ガスに転化し；そして
ｃ）前記合成ガスを前記燃料用入口を介して前記固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）に導入し、かつ酸素含有ガス及び／又はエンジン排気ガスを前記空気及び／又はエンジン排気ガス用入口を介して前記固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）に導入して発電する上記方法に関する。

好ましい方法では、燃料用の入口を介して合成ガスをＳＯＦＣに導入し、エンジン排気ガスを空気及び／又は排気ガス用の入口を介してＳＯＦＣに導入する。本発明の別の好ましい実施態様では、空気などの酸素含有ガスとの混合物としてエンジン排気ガスを蒸発器に導入する。

本発明によるＡＰＵ及び方法を図面により説明する。

図１は、内燃機関と併用して運転される発電用の補助電源装置（ＡＰＵ）のブロック図を示し、このＡＰＵは、燃料用の導管６と、空気及び／又はエンジン排気ガス用の導管７と、オフガス用の導管１０とを備えた固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）９、および導管６を介してＳＯＦＣ９の入口６ｂに連結された出口６ａと反応物用の入口４ｂとを有する接触部分酸化改質装置５を含む。この反応物は、炭化水素燃料と酸素源としての少なくともエンジン排気ガスとを含み、これらは蒸発器３を介してＣＰＯｘ５の入口に運ばれる。この蒸発器３は、燃料用の入口１と、エンジン排気ガス用の入口２と、導管４を介してＣＰＯｘ５の入口４ｂに連結された出口４ａとを有する。

内燃機関と併用して運転される発電用の補助電源装置（ＡＰＵ）のブロック図を示す。

符号の説明

３ 蒸発器
５ 接触部分酸化改質装置（ＣＰＯｘ）
９ 固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）

Claims (6)

1. エンジン排気ガス用出口を有する内燃機関と併用して発電するための補助電源装置（ＡＰＵ）であって、該補助電源装置（ＡＰＵ）は、
   １）燃料用入口と空気及び／又はエンジン排気ガス用入口とオフガス用出口とを備えた固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）、及び
   ２）前記固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）の前記燃料用入口に連結された出口と反応物用入口とを有する接触部分酸化改質装置（ＣＰＯｘ）、
   を備え、前記反応物用入口が、燃料用入口とエンジン排気ガス用入口と前記接触部分酸化改質装置（ＣＰＯｘ）の前記入口に連結された出口とを有する蒸発器を介して内燃機関の前記エンジン排気ガス用出口に連結されていることを特徴とする補助電源装置。
2. 炭化水素燃料から発電する方法であって、請求項１に記載の補助電源装置において、
   ａ）炭化水素燃料とエンジン排気ガスの両方を前記蒸発器に導入し；
   ｂ）その後、蒸発又は部分的に蒸発させた燃料とエンジン排気ガスとの混合物を前記接触部分酸化改質装置（ＣＰＯｘ）に導入して合成ガスに転化し；そして
   ｃ）前記合成ガスを前記燃料用入口を介して前記固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）に導入し、かつ酸素含有ガス及び／又はエンジン排気ガスを前記空気及び／又はエンジン排気ガス用入口を介して前記固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）に導入して発電する上記方法。
3. エンジン排気ガスを前記空気及び／又はエンジン排気ガス用入口を介して前記固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）に導入する請求項２に記載の方法。
4. 前記エンジン排気ガスを酸素含有ガスとの混合物として前記蒸発器に導入する請求項２又は３に記載の方法。
5. 前記酸素含有ガスが空気である請求項４に記載の方法。
6. 前記炭化水素燃料としてディーゼル又はガソリン、好ましくはディーゼルを用いる請求項２〜５のいずれか一項に記載の方法。