JP2009504558A - 燃料電池システムおよび改質器の作動方法 - Google Patents

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Abstract

本発明は、リフォーメート(16)を得るために、燃料(12)および酸化剤(14)を反応させる改質器(10)ならびに、リフォーメート(16)が送り込まれる少なくとも1つの燃料電池(18)を含む燃料電池システムに関する。改質器(10)は、改質器バーナ(20)と改質器触媒(22)を備えつけられる。燃料電池(18)のアノード廃ガス(26)および/またはリフォーメート(16)および/または燃料電池(18)より下流に取り付けられたアフターバーナ(30)の廃ガス(28)を送り込む手段(24)が改質器バーナ(20)と改質器触媒(22)の間に提供される。本発明は、リフォーメート(16)を得るために燃料(12)および酸化剤(14)を反応させるための、改質器(10)を作動する方法にも関する。

Description

本発明は、燃料および酸化剤をリフォーメートに変換するための改質器と、リフォーメートが供給される少なくとも1つの燃料電池とを含む燃料電池システムに関する。本発明は、さらに燃料および酸化剤をリフォーメートに変換するための改質器を作動する方法に関する。
図1は、炭化水素を用いるために設計された既知の単純な燃料電池システムを示す。図1に示した燃料電池システムは燃料ポンプ144によって燃料112を供給される改質器110を含む。図示した場合では、改質器110は、さらにファン146によって送達される空気と、インジェクタ124によって導入されるアノード廃ガス126とからなる酸化剤114を供給される。アノード廃ガス126は、燃料電池ファン150が配置され、改質器110によって生成されたリフォーメート116を供給される燃料電池118によって生じる。リフォーメート116は、燃料電池118中で燃料電池ファン150によって送達されるカソード空気を使って電流と熱に変換される含水素気体である。図示した場合では、戻らないアノード廃ガスの一部は、アフターバーナ・ファン152が配置されたアフターバーナ130に供給される。アフターバーナ130では、使い果たしたリフォーメートをアフターバーナ・ファン152によって送達される空気と共に、少ない排出量のCOおよびNOを含む燃焼廃ガスに変換するステップが実行される。
図1に図示された燃料電池システムでは、アノード廃ガス126の吸気は、改質器の上流で(冷たい)空気を用いて遂行される。したがって、その結果生じる高温のために、好ましくない動作条件の下で、空気/アノード廃ガス混合は可燃性であることがあり、点火する可能性もあり、また改質器110を損傷する恐れもある。アノード廃ガス126の吸気が冷たい空気を使って遂行される場合に、望ましくないスーティングが発生することがある。
混合ガスの点火による改質器の損傷が回避され、また望ましくないスーティングが現行技術と比べて少なくとも低減されるように、包括的な燃料電池システムおよび方法をさらに発展させることが、本発明の目的である。
前記目的は、独立の請求項の要点によって解決される。
本発明の有利な実施形態およびさらなる発展は従属の請求項から明らかになるであろう。
本発明による燃料電池システムは、改質器が改質器バーナと、改質器触媒とを含み、かつ燃料電池システムからアノード廃ガス、および/またはリフォーメート、および/または燃料電池の下流のアフターバーナから廃ガスを供給する手段が、改質器バーナと改質器触媒の間に配置されるという点で包括的な現行技術に基づく。この解決策の場合、改質器バーナを出るスモーク・ガスは空気より低い酸素濃度を有するので望ましくない火炎形成の確率は少なくともかなり低い方である。改質器バーナと改質器触媒の間の混合ガス中に望ましくない火炎形成が生じる、起こりそうもない場合では、例えば改質器バーナ内の燃焼のラムダ値の変化によって直ちに調整することができる。本発明による解決策の他の利点は、戻されたアノード廃ガスが高温のスモーク・ガスに供給され、その結果、少なくともアノード廃ガスの混合ガスの顕著な冷却は起こらず、それによってスーティングは現行技術に比べて少なくとも著しく減少させることができる。上記では、改質器バーナの入口よりその出口の所で改質器バーナ中に生じる燃料の燃焼のためにより多い量のガスが利用でき、それによってより大きいパーセンテージのアノード廃ガスが戻されてよいことが利点である。
本発明による燃料電池システムでは、さらに好ましくは、燃料電池からのアノード廃ガスおよび/またはリフォーメートおよび/または燃料電池の下流のアフターバーナからの廃ガスを供給するための手段が少なくとも1つのインジェクタを含むことが考慮される。このインジェクタは、改質器バーナから来るスモーク・ガスがそれを介して流れ、その時に例えば、アノード廃ガスを吸引する特にベンチュリの原理により動作するインジェクタであってよい。
本発明による燃料電池システムは、そこにあるガスを浄化するための手段が、燃料電池からアノード廃ガスおよび/またはリフォーメートおよび/または燃料電池の下流のアフターバーナから廃ガスを供給するための手段と改質器触媒の間に備えられるという点でさらに進展があってよいことが利点である。この場合には、より少ないパーセンテージの酸素が、バーナ触媒間に配置された第2混合形成ゾーン内にあり、触媒中におそらく不都合なホット・スポットの形成を回避することができる。加えて、水素の酸化の間に進展する高い水分含有量はおそらく必要な燃料の蒸発に対して有利であってよい(例えば、ディーゼル燃料またはガソリンなどの液体燃料を利用する場合)。
上に説明した文脈では、ガスを浄化するための手段はバーナ、特に触媒バーナを含むことが好ましい。このようなバーナは、改質バーナのような、多孔質バーナでよい。
本発明による燃料電池システムの場合では、改質器バーナと、改質器触媒と、燃料電池からアノード廃ガスおよび/またはリフォーメートおよび/または燃料電池の下流のアフターバーナから廃ガスを供給するための手段とを含む少なくとも2つの構成部品が、熱的に結合されていることがさらに好ましい。改質器に装着され、改質器バーナ、インジェクタ(もう1つのバーナを含んでいるかもしれない)および改質器触媒を含む構成部品の特に熱的な結合が、改質器触媒における、または改質プロセスに関し順に有利な効果を有してよい全改質器における温度分布に影響を及ぼすことができる。
本発明による燃料電池システムの、別の好ましいさらなる進展によれば、改質器触媒から来るリフォーメートを温度調整する手段を備えることも考慮される。このようにして、改質器触媒から来るリフォーメートを後続のプロセス・ステップのために適正な温度に調節することが可能である。この場合には、用途によってリフォーメートが燃料電池に供給される前に、適切なガス・ガイダンスによりリフォーメートを暖めたり冷やしたりすることが可能である。
上で説明した文脈では、例えば、改質器触媒を出るリフォーメートを温度調整する手段は、改質器によって生じた廃熱を改質器触媒を出るリフォーメートに伝える熱交換器を含むことが考慮されてよい。このような熱交換器は、例えば、それに限定されないが、改質器に付随するバーナに隣接して(直接)配置されたリフォーメート・ライン区間によって形成されてよい。
本発明による燃料電池システムの好ましい実施形態によれば、改質器のラムダ制御を実行するための手段を備えることが考慮される。この場合、ラムダ制御は、通常のように燃料の量または燃焼用空気の量の変化を通して提供されてよい。ラムダ制御を実行する手段は、特にマイクロプロセッサによって支援された方法で動作され、少なくとも1つのラムダ・プローブを含んでよい。
燃料電池からアノード廃ガスおよび/またはリフォーメートおよび/または燃料電池の下流のアフターバーナから廃ガスを供給するための手段が計量された供給で実行可能であることは、さらに本発明による燃料電池システムの利点と見なされる。アノード廃ガスが、例えば、可変に作動する、つまり戻りのガス量を調整可能であるインジェクタを介して供給される場合、改質器内の空燃(C/O)比により望ましいように影響を及ぼすことができる。
改質器を作動する本発明による方法は、改質器バーナと改質器触媒の間の区間が、燃料電池からアノード廃ガスおよび/またはリフォーメートおよび/または燃料電池の下流のアフターバーナから廃ガスを供給される点で包括的な現行技術に基づいている。このように本発明による燃料電池システムに関連して説明された特徴と利点は、同じまたは類似の方法で達成され、このため本発明による燃料電池システムに関連して所与の対応する説明に対し重複を避けるために参照がなされる。
同じことが、本発明による方法の以下の好ましい実施形態に対しても同じように当てはまり、この場合も同様に重複を避けるために本発明による燃料電池システムに関連して所与の対応する説明に対し参照がなされる。
本発明による方法の場合では、好ましくは区間において燃料電池からのアノード廃ガスおよび/またはリフォーメートおよび/または燃料電池の下流のアフターバーナからの廃ガスを、少なくとも1つのインジェクタにより供給することが考慮される。
本発明による方法に関連して、燃料電池からアノード廃ガスおよび/またはリフォーメートおよび/または燃料電池の下流のアフターバーナから廃ガスを供給した後に存在するガスが、少なくとも部分的に浄化されることがさらに利点と見なされる。
この関連では、利点のさらなる進展が、燃料電池からアノード廃ガスおよび/またはリフォーメートおよび/または燃料電池の下流のアフターバーナから廃ガスを供給した後に存在するガスが、バーナ、特に触媒バーナ内で浄化されることを規定する。
本発明による方法の少なくとも特定の実施形態では、改質器触媒を出るリフォーメートを温度調整することが考慮されてよい。
この関連では、例えば、改質器触媒を出るリフォーメートは、改質器によって生じた廃熱を改質器触媒を出るリフォーメートに伝える熱交換器によって温度調整されることが可能である。
改質器のラムダ制御が実行されることは、本発明による方法に対する特に利点と見なされる。
本発明による方法では、好ましくは、燃料電池からのアノード廃ガスおよび/またはリフォーメートおよび/または燃料電池の下流のアフターバーナからの廃ガスを計量された方法でその区間に供給することがさらに考慮される。
本発明の重要な基本的アイデアは、改質器内の望ましくない火炎形成および/または望ましくないスーティングを、戻されたアノード廃ガスを改質器の上流に導入せずに、改質器バーナと改質器触媒の間にすることによって特に回避することである。
本発明の有利な実施形態が、添付の図面を参照して例として以下でより詳細に説明される。
図2に示した本発明による燃料電池システムの実施形態は、燃料12と酸化剤14をリフォーメート16へ変換する改質器10を含む。この関連では、燃料12、例えばガソリンまたはディーゼル燃料が燃料ポンプ44によって改質器10に供給される。本事例では、改質器ファン46によって改質器10に供給される空気14が、酸化剤として働く。改質器10によって生成されたリフォーメート16の一部が燃料電池18または燃料電池スタックに供給され、燃料電池18に供給された水素含有気体のリフォーメートが燃料電池ファン50によって供給されたカソード空気を用いて燃料電池18内で電流と熱に変換される。本事例では、燃料電池18内の変換によって使い果たされたリフォーメートが、アフターバーナ・ファン52が配置されているアフターバーナ30、例えば多孔質バーナに供給される。
改質器10は、燃料12を供給される改質器バーナ20と酸化剤14とを含む。改質器10は、さらに燃料ポンプ48が配置されているバーナ触媒22を含む。改質器バーナ20と改質器触媒22の間の手段24が、改質器バーナ20を出たスモーク・ガスにアノード廃ガス26を供給できる手段によって提供される。追加的に、または代わりに破線によって示したように前記スモーク・ガスにリフォーメート16および/またはアフターバーナ30から廃ガス28を供給することが考慮されてよい。本事例では、手段24はベンチュリの原理に従って動作するインジェクタ32によって形成される。インジェクタ32は、好ましくはアノード廃ガス26および/またはリフォーメート16および/またはアフターバーナ廃ガス28の供給量を変えることができる。特に異なるガスがインジェクタ32を介して導入される場合、それぞれガスの供給量が調節できる1つまたは複数のバルブ装置またはファン(図示されてない)を提供することが有利であってよい。例えば、アノード廃ガス供給量を変えることによって改質器110内のC/O比に影響を及ぼすことが可能である。これは、絶対的に必要とはされないが、もう1つのバーナ34、例えば、触媒多孔質バーナが、図示した実施形態ではインジェクタ32と改質器触媒22の間に提供され、他のバーナ34に供給されたガスを浄化する。したがって少ないパーセンテージの酸素が改質器触媒22の混合形成ゾーン中に存在し、これが改質器触媒内でホット・スポット形成を回避することに寄与する。さらに、水素の酸化の間に形成する高いパーセンテージの水が、おそらく必要になる燃料の蒸発に対し有利であってよい(例えば、液体燃料を利用する場合)。
図2に図示した燃料電池システムのさらに任意の特徴は、改質器触媒22を出たリフォーメート16がまず最初に温度調整されることである。このためにライン形式の手段36および熱交換器38が提供され、熱交換器38はリフォーメートを加熱するために改質器バーナ20の廃熱をリフォーメート16に伝え、その結果、リフォーメートは後続のプロセス・ステップのために最適の温度を有する。改質器触媒22を出たリフォーメートが、後続のプロセス・ステップに向けて高すぎる温度を有する場合、改質器触媒22を出たリフォーメート16は、ラインの巧みな配置によって冷やすことができる。このような場合、例えば迂回路(図示されてない)によって熱交換器38を迂回することもある。
図示した場合では、改質器10のラムダ制御を実行することができる、制御器の形式のさらなる手段40が提供される。改質器のラムダ制御は、燃料または空気の供給量を変化させる手段によって可能であり、最新のラムダ値は、好ましくはラムダ・プローブ(図示してない)によって検出され、制御に取り入れられる。ラムダ制御は、最初からインジェクタ32の周辺に望ましくない火炎が形成されるのを防ぐか、または、おそらく必要が生じたらそれを停止するため、特に有利である。
改質器を作動する本発明による方法は、図2に示した燃料電池システムを使用して以下のように実行できる。改質器10は、燃料12および酸化剤14をリフォーメート16に変換するために設けられている。ここで改質器10は、改質器バーナ20と、改質器触媒22とを含む。改質器バーナ20と改質器触媒22の間の区間42には、燃料電池18からアノード廃ガス26および/またはリフォーメート16および/または燃料電池18の下流のアフターバーナ30から廃ガス28が供給される。この場合、ガスの供給はインジェクタ32を介して遂行される。インジェクタ32を出る混合ガスは他のバーナ22によって浄化される。改質器触媒22を出るリフォーメート16の温度調整は、改質器バーナ20により生じた廃熱をリフォーメート16に伝える熱交換器38によって遂行される。改質器10のラムダ制御は制御器の形式の手段40によって実行される。インジェクタ32は、それを介して供給されるガス量を変更するためにさらに設計され、必要な場合、さらなるバルブ装置またはファンまたは同種のもの(図示されていない)がこのために設けられてよい。
上記説明、図面ならびに特許請求の範囲において開示された本発明の特徴は、個々にならびに任意に組合せて本発明を実現するのに重要であってよい。
導入部で既に説明した現行技術による燃料電池システムの概略図である。 本発明による方法を実行することも可能な、本発明による燃料電池システムの一実施形態を示す概略図である。
符号の説明
10…改質器、12…燃料、14…酸化剤、16…リフォーメート、18…燃料電池、20…改質器バーナ、22…改質器触媒、24…ガス供給手段、26…アノード廃ガス、28…廃ガス、30…アフターバーナ、32…インジェクタ、34…追加のバーナ、36…リフォーメートの温度調整手段、38…熱交換器、40…制御器、42…区間、44…燃料ポンプ、46…改質器ファン、48…燃料ポンプ、50…燃料電池ファン、52…アフターバーナ・ファン、110…改質器、112…燃料、114…酸化剤、116…リフォーメート、118…燃料電池、124…インジェクタ、126…アノード廃ガス、130…アフターバーナ、144…燃料ポンプ、146…ファン、150…燃料電池ファン、152…アフターバーナ・ファン

Claims (17)

  1. 燃料(12)および酸化剤(14)をリフォーメート(16)に変換するための改質器(10)と、リフォーメート(16)が供給される少なくとも1つの燃料電池(18)とを含む燃料電池システムにおいて、
    前記改質器(10)が、改質器バーナ(20)と、改質器触媒(22)を含み、
    前記燃料電池(18)からアノード廃ガス(26)および/またはリフォーメート(16)および/または前記燃料電池(18)の下流のアフターバーナ(30)から廃ガス(28)を供給する手段(24)が、前記改質器バーナ(20)と前記改質器触媒(22)の間に配置されることを特徴とする燃料電池システム。
  2. 前記燃料電池(18)からアノード廃ガス(26)および/またはリフォーメート(16)および/または前記燃料電池(18)の下流のアフターバーナ(30)から廃ガス(28)を供給する前記手段(24)が、少なくとも1つのインジェクタ(32)を含むことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。
  3. そこにある前記ガスを浄化する手段(34)が、前記燃料電池(18)からアノード廃ガス(26)および/またはリフォーメート(16)および/または前記燃料電池(18)の下流のアフターバーナ(30)から廃ガス(28)を供給する前記手段(24)と前記改質器触媒(22)の間に備えられることを特徴とする請求項1または2に記載の燃料電池システム。
  4. 前記ガスを浄化する前記手段(34)が、バーナ(34)、特に触媒バーナ(34)を含むことを特徴とする請求項3に記載の燃料電池システム。
  5. 少なくとも2つの前記構成部品が、前記改質器バーナ(18)と、前記改質器触媒(20)と、燃料電池(18)からアノード廃ガス(26)および/またはリフォーメート(16)および/または前記燃料電池(18)の下流の前記アフターバーナ(30)から廃ガス(28)を供給するための手段(24)とを含む構成部品のうち少なくとも2つが熱的に結合されていることを特徴とする請求項1から4の一項に記載の燃料電池システム。
  6. 前記改質器触媒(22)を出たリフォーメート(16)を温度調整するための手段(36)が備えられることを特徴とする請求項1から5の一項に記載の燃料電池システム。
  7. 前記改質器触媒(20)を出たリフォーメート(16)を温度調整するための手段(36)が、前記改質器触媒(22)を出た前記リフォーメート(16)に前記改質器(10)によって生じた廃熱を伝える熱交換器(38)を含むことを特徴とする請求項6に記載の燃料電池システム。
  8. 前記改質器(10)のラムダ制御を実行する手段(40)が備えられることを特徴とする請求項1から7の一項に記載の燃料電池システム。
  9. 前記燃料電池(18)からアノード廃ガス(26)および/またはリフォーメート(16)および/または前記燃料電池(18)の下流のアフターバーナ(30)から廃ガス(28)を供給する前記手段(24)が、計量して供給することができることを特徴とする請求項1から8の一項に記載の燃料電池システム。
  10. 燃料(12)および酸化剤(14)をリフォーメート(16)に変換する改質器(10)の作動方法において、
    改質器バーナ(20)と改質器触媒(22)の間の区間(42)が、燃料電池(18)からアノード廃ガス(26)および/またはリフォーメート(16)および/または燃料電池(18)の下流のアフターバーナ(30)から廃ガス(28)を供給されることを特徴とする作動方法。
  11. 前記区間(42)が、前記燃料電池(18)から前記アノード廃ガス(26)および/または前記リフォーメート(16)および/または前記燃料電池(18)の下流のアフターバーナ(30)から前記廃ガス(28)を少なくとも1つのインジェクタ(32)を介して供給されることを特徴とする請求項10に記載の方法。
  12. 前記燃料電池(18)から前記アノード廃ガス(26)および/または前記リフォーメート(16)および/または前記燃料電池(18)の下流のアフターバーナ(30)から前記廃ガス(28)を供給する前記ステップの後に存在する前記ガスが、少なくとも部分的に浄化されることを特徴とする請求項10または11に記載の方法。
  13. 前記燃料電池(18)から前記アノード廃ガス(26)および/または前記リフォーメート(16)および/または前記燃料電池(18)の下流のアフターバーナ(30)から前記廃ガス(28)を供給する前記ステップの後に存在する前記ガスが、バーナ(34)、特に触媒バーナ(34)において浄化されることを特徴とする請求項12に記載の方法。
  14. 前記改質器触媒(22)を出たリフォーメート(16)が温度調整されることを特徴とする請求項10から13の一項に記載の方法。
  15. 前記改質器触媒(20)を出たリフォーメート(16)が、前記改質器(10)によって生じた廃熱を前記改質器触媒(22)を出た前記リフォーメート(16)に伝える熱交換器(38)によって温度調整されることを特徴とする請求項14に記載の方法。
  16. 前記改質器(10)のラムダ制御が実行されることを特徴とする請求項10から15の一項に記載の方法。
  17. 前記燃料電池(18)から前記アノード廃ガス(26)および/または前記リフォーメート(16)および/または前記燃料電池(18)の下流のアフターバーナ(30)から前記廃ガス(28)が、計量されて前記区間(42)に供給されることを特徴とする請求項10から16の一項に記載の方法。
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