JP2010503597A - 改質器 - Google Patents

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Abstract

本発明は、燃料（１４）および酸化剤（１６）を供給できる第１の媒体供給領域（１２）と、第１の媒体供給領域（１２）に続く、第１の媒体供給領域に供給された媒体が少なくとも部分的に反応して燃焼排ガス（２０）を形成する酸化ゾーン（１８）と、少なくとも燃料（２４）を供給できる第２の媒体供給領域（２２）と、酸化ゾーン（１８）および第２の媒体供給領域に続く、燃料／燃焼排ガス混合物（２８）を生成できる混合物生成ゾーン（２６）と、混合物生成ゾーン（２６）に続く、燃料／燃焼排ガス混合物（２８）を触媒改質できる改質ゾーン（３０）と、を有する改質器（１０）に関する。本発明によれば、混合物生成ゾーンの容積を２０〜９０ｃｍ３とすることを提供する。

Description

本発明は、燃料および酸化体の供給を受けるための第１の媒体供給部分と、第１の媒体供給部分に続く、第１の媒体供給部分に供給される媒体が少なくとも部分的に反応して燃焼排ガスになる酸化ゾーンと、少なくとも燃料の供給を受けるための第２の媒体供給部分と、酸化ゾーンおよび第２の媒体供給部分に続く混合物生成ゾーンであって、燃料／燃焼排ガス混合物が生成され得る混合物生成ゾーンと、混合物生成ゾーンに続く、燃料／燃焼排ガス混合物が触媒改質可能である改質ゾーンとを含む改質器に関する。
そのような改質器は、天然ガス、ガソリンまたはディーゼルなどの炭化水素から、水素に富んだ改質物（ｒｅｆｏｒｍａｔｅ）を生成して燃料電池のアノード端に供給し、電気を生成することに応用されている。例えば、独国特許出願公開第１０３ ５９ ２０５Ａ１号明細書に記載されている上述の多段の燃料供給装置は、特に、温度の経時変化を均質にする働きをする。酸化ゾーンでは、供給される燃料部分の全てが、空気によって完全に酸化され、反応中および反応後、酸化ゾーンに同心状に配置された改質ゾーンを流れ過ぎる。これにより、触媒を加熱し得る。酸化により生じた燃焼排ガスが触媒に入る前に、燃焼排ガスは別の燃料と混合されるので、改質ゾーンに燃料／燃焼排ガス混合物を供給することができる。供給空気および供給燃料の全量は、改質に重要な空気比のパラメータを表す。空気比は全体で０．４の領域にある必要がある。空気比をさらに微調整するためには、第２の媒体供給部分に別の酸化体の供給を提供してもよい。
上述のシステムと併せて、混合物生成ゾーンにおいて生成された燃料／燃焼排ガス混合物の自己着火が問題となる可能性がある。混合物が触媒に入る前のそのような自己着火によって、燃料が無差別的に反応するためにシステムをすすで汚してしまい、その結果、改質器の産出量が低下し、かつその耐用寿命が短くなる。さらに、過度の高温が、改質ゾーンの入口部分において発生する。この問題を避けるために、既に、混合物生成温度を混合物の発火温度よりも低く下げることが提案されている。このために、冷却媒体として追加的な媒体流れが必要となるため、システム全体が不必要に複雑になる。
本発明は、混合物生成ゾーンにおける不必要な自己着火を単純に排除するように改質器を精巧な構成にする目的に基づく。
この目的は、独立請求項の特徴によって達成される。
本発明の有利な実施形態は、従属請求項から明らかとなる。
本発明は一般的な改質器よりも、混合物生成ゾーンの容積が２０〜９０ｃｍ３の範囲であるという点で精巧に構成されている。混合物生成ゾーンの容積を好適に選択することによって、単に改質器を流れる媒体の動力学に基づいて自己着火を回避できる、すなわち、もはや冷却を必要としない。
特に、混合物生成ゾーンの容積が４０〜６０ｃｍ３の範囲であることが好都合である。
そのような混合物生成ゾーンの容積と併せて、４０〜２００Ｌ／分の範囲の燃焼排ガス流量を受けることが好適である改質器を提供することが有利である。
前述の混合物生成ゾーンの容積範囲と併せたこの範囲の燃焼排ガス流により、燃焼排ガス流量は、混合物生成ゾーンにおいて１０〜１００ミリ秒の範囲で滞留する。この範囲の滞留時間は、混合物生成ゾーンにおいて生成される混合物では典型的な遅延着火の平均時間の範囲の大きさにある。滞留時間が自己着火のための時間と比較して十分に短い場合には、自己着火を確実に抑止できる。
これは、改質器を混合物生成ゾーンにおいて７００〜９５０℃の範囲の温度で作動できる条件においても達成可能であり、これは、さらなる介入なく一般に混合物生成ゾーンにおいて存在する温度である。
本発明は、単に混合物生成ゾーンの容積を好適に選択することにより、混合物生成ゾーンにおける混合物の自己着火を回避できるという発見に基づく。関連する容積を規定することは、とりわけ主用途を実現する役目を果たし、かつ前述の燃焼排ガス流量を利用することにより、２〜５ｋＷの範囲のシステム性能を提供することができる。
以下、本発明を、好ましい実施形態の一例として添付の図面を参照して詳細に説明する。
本発明による改質器を示す概略図である。
ここで図１を参照すると、改質器１０が、燃料１４および酸化体１６、すなわち具体的には空気の供給を受ける第１の媒体供給部分１２をどのように有するかを示す。第１の媒体供給部分１２には酸化ゾーン１８が続き、酸化ゾーンにおいて、供給される媒体が少なくとも部分的に反応させられて、燃焼排ガス２０が生成される。次に、得られる燃焼排ガス２０は混合物生成ゾーン２６に接近する。混合物生成ゾーン２６は、第２の媒体供給部分２２を介して別の燃料２４の供給を受け、燃料／燃焼排ガス混合物２８をもたらし、それは次に改質ゾーン３０に供給される。改質ゾーン３０では、燃料／燃焼排ガス混合物を触媒改質して、最終的に改質物３２として排出する。次に改質物３２を別の用途、具体的には燃料電池に利用することができる。
本発明によれば、燃料／燃焼排ガス混合物２８の自己着火を回避する容積を有する混合物生成ゾーンを提供する。２〜５ｋＷの範囲のシステム出力を前提とする容積は、４０〜６０ｃｍ３の範囲においてこれを達成することが可能である。この構成では、混合物生成ゾーンが厳密に定められた範囲にあることは必須条件ではないが、その代わりに、混合物生成ゾーンから酸化ゾーン１８、改質ゾーン３０および第２の媒体供給部分２２へ滑らかに移ることが一般的である。しかしながら、その別の方法として、自己着火による望ましくない影響を安全に回避するために、改質器の容積を好適に厳密に設計することによって混合物生成ゾーンを厳密に規定することも可能である。これは、例えば、混合物を生成するゾーンを微調整するオリフィスまたは他の導管手段を含むことによって達成可能であり、それゆえ混合物生成ゾーンの容積を厳密に規定できる。
上述の説明、図面で開示し、かつ特許請求した本発明の特徴は、本発明をそれ自体または任意の組み合わせの双方において達成するために必要なものでありうることを理解されたい。
１０…改質器、１２…媒体供給部分、１４…燃料、１６…酸化体、１８…酸化ゾーン、２０…燃焼排ガス、２２…媒体供給部分、２４…燃料、２６…混合物生成ゾーン、２８…燃料／燃焼排ガス混合物、３０…改質ゾーン、３２…改質物

Claims (5)

  1. 燃料（１４）および酸化体（１６）の供給を受けるための第１の媒体供給部分（１２）と、
    前記第１の媒体供給部分（１２）に続く、前記第１の媒体供給部分に供給された媒体が少なくとも部分的に反応して燃焼排ガス（２０）となる酸化ゾーン（１８）と、
    少なくとも燃料（２４）の供給を受けるための第２の媒体供給部分（２２）と、
    前記酸化ゾーン（１８）および前記第２の媒体供給部分に続き、かつ燃料／燃焼排ガス混合物（２８）を生成できる混合物生成ゾーン（２６）と、
    前記混合物生成ゾーン（２６）に続く、前記燃料／燃焼排ガス混合物（２８）が触媒改質可能である改質ゾーン（３０）と
    を含む改質器（１０）において、
    前記混合物生成ゾーンの容積が２０〜９０ｃｍ３の範囲であることを特徴とする改質器（１０）。
  2. 前記混合物生成ゾーンの容積が４０〜６０ｃｍ３の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の改質器（１０）。
  3. 前記改質器が、４０〜２００Ｌ／分の範囲の燃焼排ガス流量を受けるのに好適であることを特徴とする請求項１または２に記載の改質器（１０）。
  4. 前記燃焼排ガス流量が、前記混合物生成ゾーンに１０〜１００ミリ秒の範囲で滞留することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の改質器（１０）。
  5. 前記改質器が、前記混合物生成ゾーンにおいて７００〜９５０℃の範囲の温度において作動可能であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の改質器（１０）。
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