JP2010515644A - 改質システム、改質システムを操作する方法、及び燃料電池システム - Google Patents

改質システム、改質システムを操作する方法、及び燃料電池システム Download PDF

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Abstract

本発明は、水素富化改質物を生成するための改質器システムであって、改質器（１０）を備え、改質器（１０）に燃料（１２）及び酸化剤（１４）を供給することができる改質器システムに関する。本発明は、改質器（１０）に供給される燃料（１２）を、流体（１４、１６、２２）によって少なくともある程度は冷却することができ、前記流体が、燃料を冷却することに加えて、改質器システム内又は改質器システムが組み込まれた上位システム内で何らかの作用を有することを特徴とする。また、本発明は、水素富化改質物を発生するための方法、及び本発明による改質システムを備える燃料電池システムに関する。

Description

本発明は、水素富化改質物を発生するための改質器システムであって、改質器を備え、改質器に燃料及び酸化剤を供給することができる改質器システムに関する。
本発明は、さらに、水素富化改質物を生成するための方法であって、改質器を備え、改質器に燃料及び酸化剤を供給することができる方法に関する。
本発明は、さらに、燃料電池システムに関する。
改質器システムは、燃料及び酸化剤から水素富化改質物を生成するために使用される。燃料電池システムでは、前記改質物は、次いで、開始物質である水素及び酸素から電気エネルギーを発生させる燃料電池構成に供給されることがある。
改質器内部での熱力学及び反応速度論プロセスは複雑である。それらは、特に、供給される物質、すなわち気体又は液体燃料と、酸化剤として一般に供給される空気との性質に依存する。いずれにせよ、改質器システム及び燃料電池システムの安定な動作を保証することができるように、改質器内部でのプロセスをできるだけ再現性のあるものにすることが望まれている。
本発明は、安定な改質操作を実現することができるように、改質器に供給される物質の性質を改良するという目的に基づいており、これは、特に、デバイス複雑性が低く、効率が良く信頼性のある手段を取ることによって実現されるべきである。
前記目的は、独立請求項の特徴によって解決される。
本発明の有利な実施形態は、従属請求項で特定される。
本発明は、改質器に供給される燃料が、燃料を冷却する作用に加えて、改質器システム内部又は改質器システムが組み込まれた親システム内部で他の作用も有する流体によって少なくともある程度は冷却可能である全般的な改質器システムに基づく。改質器に供給される燃料の冷却は、改質器の動作に対して有利な効果を有する場合があることが判明している。これは、一方では、燃料自体の温度に関係し、他方では、動作中に概して不変の温度を有する燃料の提供に関係する。そのような冷却は、燃料と流体との間の熱交換関係を確立することによって特に効率的に提供することができ、その流体は、単なる冷却作用に加えて、改質器システム内部又は親システム内部で他の作用も有することがある。
例えば、流体が、酸化剤として改質器に供給される空気であることが想定されうる。
また、流体が、改質器の下流にある燃料電池構成用のカソード供給空気として使用される空気とすることも可能である。
本発明のさらに有用な実施形態によれば、流体は、改質器の下流にあるアフターバーナー用の燃焼空気として使用される空気である。
また、流体が、改質器システムを設けられた自動車の内燃機関を冷却する働きもする冷却流体であることも想定されうる。
さらに、流体が、改質器の構成要素を冷却するために使用される空気であることも想定されうる。
デバイスに関して、本発明による改質器システムは、入れ子式に配設された２つのパイプを通して流体と燃料とを案内することにより、特に有用に実現される場合がある。例えば、改質器に供給されるプロセス空気が、燃料パイプを取り囲むパイプを通して改質器内に導入される場合がある。同等の解決策が、他の空気及び液体の流れに関連して選択されることがある。
本発明は、改質器に供給される燃料が、燃料冷却作用に加えて、改質器システム内又は改質器システムが組み込まれた親システム内で他の作用も有する流体によって少なくともある程度は冷却される全般的な方法に基づく。このようにすると、本発明による改質器システムの利点及び特徴は、方法の枠組においても実現される。これはまた、以下で説明する本発明による方法の特に好ましい実施形態にも当てはまる。
さらに、これは、流体が、酸化剤として改質器に供給される空気であることにより、有用に改良される。
さらに、流体が、改質器の下流にある燃料電池構成用のカソード空気として使用される空気である場合も想定されうる。
別の選択肢は、流体が、改質器の下流にあるアフターバーナー用の燃焼空気として使用される空気であることである。
また、流体は、改質器システムを設けられる自動車の内燃機関を冷却するためにも使用される冷却液であることも可能である。
さらに、流体は、改質器の構成要素を冷却するために使用される空気であることも想定されうる。
本発明による方法は、入れ子式に配設された２つのパイプを通して流体と燃料とが案内されることにより、特に有用に実現可能である。
本発明は、さらに、本発明による改質器システムを備える燃料電池システムに関する。
次に、本発明を、添付図面を参照しながら、特に好ましい実施形態に関して例示的に説明する。
本発明による改質器システムの第１の実施形態の概略図である。 本発明による改質器システムの第２の実施形態の概略図である。 本発明による改質器システムの第３の実施形態の概略図である。 本発明による方法を説明するための流れ図である。
以下の図面の説明において、同一の参照番号は、同一又は同等の構成要素を表す。
図１は、本発明による改質器システムの第１の実施形態の概略図を示す。２つのプロセス段階を含む改質プロセス用に設計された改質器１０が図示される。改質器１０の第１のセクション３４には、ポンプ３６及びファン３８によって燃料１２又は空気１４が供給される。前記第１のセクション３４で、発熱酸化反応が行われ、その生成物が第２のセクション４０に供給される。前記第２のセクション４０には、別のポンプ４２によってさらなる燃料４６が供給される。次いで、触媒コンバータを設けられた第２のセクション４０で、実際の吸熱改質が行われ、水素富化改質物４４が生成され、この改質物４４は、その後、他の用途、特に燃料電池スタックに利用することができる。ポンプ３６の下流に、燃料を改質器１０に供給するための燃料ライン２４が設けられている。同様に、空気１４を改質器１０に導入するためのライン２８が、ファン３８の下流に設けられている。前記ライン２４、２８は、少なくとも部分的に、空気含有ライン２８が燃料含有ライン２４を取り囲むように構成され、それにより燃料１２が冷却される。
図２は、本発明による改質器システムの第２の実施形態の概略図を示す。ここに図示されるシステムは、改質器１０の第１のセクション３４への空気及び燃料供給に関して、図１に関連して説明した改質器システムとは異なる。改質器１０の第１のセクション３４で使用されるプロセス空気１４は、燃料を冷却するために事前に使用されることなく、前記セクション３４に直接供給される。この第２の実施形態の場合、燃料１２は空気１６によって冷却され、空気１６は、その冷却作用を果たした後に、燃料電池スタックのカソード１８又はアフターバーナー２０に供給される。ここでも、燃料１２及び空気１６用のライン２４、２６は、図１に示される構成と同等なパイプインパイプ構造を形成する。
したがって、図２は、燃料を冷却するために使用される空気１６が、改質器システム自体においてさらに使用されるためのものではなく、親システム、この場合には燃料電池スタック及びアフターバーナーを備える燃料電池システムの構成要素に供給される実施形態を示す。改質器の燃料を冷却する作用に加えて自動車の内燃機関を冷却する作用も実現する自動車の冷却液を使用して、同等に燃料１２が冷却される場合もある。
図３は、本発明による改質器システムの第３の実施形態の概略図を示す。酸化セクション３４への混合物供給に関して、図３は、図１による第１の実施形態と同様に設計される。さらに、改質器１０の改質セクション４０に供給される燃料４６が冷却される。この目的で、さらなるファン４８が設けられ、このファン４８は、ライン３２を通して改質セクション４０に空気を供給する。改質セクション４０内に燃料４６を導入するためのライン３０が、空気誘導ライン３２によって少なくとも部分的に取り囲まれる。また、燃料ライン３０を冷却することに加えて、この目的で供給される空気２２は、実際の改質セクション４０の上流にある蒸発セクション２４も冷却する。
図３は、改質器システムの一実施形態を示し、改質器システムの第１のセクション３４に、燃料１２及び空気１４が反応物として供給され、第２のセクション４０には、さらなる燃料４６のみが外部から供給される。また、第２のセクション４０にさらなる空気が供給されることも可能である。また、このプロセス空気は、燃料供給を冷却するために使用される場合もある。
図３による実施形態は、改質器１０の第１のセクション３４への混合物の供給に関して図１による実施形態に基づく。図２に関連して説明したように、改質器１０の第１のセクション３４のための燃料冷却を実現すること、及びこれに基づいて、図３に示されるように、第２のセクション４０のための燃料冷却を実現することも可能である。また、第１のセクション３４のための燃料冷却を省くことも可能である。
図４は、本発明による方法を説明するための流れ図を示す。本発明による操作方法の第１のステップＳ０１で、改質器に供給される燃料が空気によって冷却されることが想定される。次いで、後続のステップＳ０２で、冷却のために使用された空気が、プロセス空気として使用される。これは、例えば、改質器の酸化区域又は改質区域に供給される。また、改質器の構成要素又は燃料電池スタックの他の構成要素を冷却するために空気を使用することも可能である。さらに、空気は、カソード供給空気として、又はアフターバーナー用の燃焼空気として使用することもできる。冷却に空気を利用することに加えて、燃料を冷却するために自動車の内燃機関の冷却液を使用し、そのようにして冷却液に二重の作用を与えることも可能である。
上述の説明、図面、及び特許請求の範囲に開示される本発明の特徴は、個別に、さらには任意の組合せで本発明を実現するのに重要なものとなりうる。
１０ 改質器
１２ 燃料
１４ 空気／流体
１６ 空気／流体
１８ カソード
２０ アフターバーナー
２２ 空気／流体
２４ ライン／パイプ
２６ ライン／パイプ
２８ ライン／パイプ
３０ 燃料ライン／パイプ
３２ 空気誘導ライン／パイプ
３４ 第１のセクション／酸化セクション
３６ ポンプ
３８ ファン
４０ 第２のセクション／改質セクション
４２ ポンプ
４４ 改質物
４６ 燃料
４８ ファン

Claims (15)

  1. 水素富化改質物を生成するための改質器システムであって、
    改質器（１０）を備え、前記改質器（１０）に燃料（１２）及び酸化剤（１４）を供給することができる改質器システムにおいて、
    前記改質器（１０）に供給される前記燃料（１２）が、前記燃料を冷却する作用に加えて前記改質器システム内部又は前記改質器システムが組み込まれた親システム内部で他の作用も有する流体（１４、１６、２２）によって、少なくともある程度は冷却可能であることを特徴とする改質器システム。
  2. 前記流体が、酸化剤として前記改質器（１０）に供給される空気（１４）であることを特徴とする請求項１に記載の改質器システム。
  3. 前記流体が、前記改質器（１０）の下流にある燃料電池構成（１８）用のカソード供給空気として使用される空気（１６）であることを特徴とする請求項１に記載の改質器システム。
  4. 前記流体が、前記改質器（１０）の下流にあるアフターバーター（２０）用の燃焼空気として使用される空気（１６）であることを特徴とする請求項１に記載の改質器システム。
  5. 前記流体が、前記改質器システムを設けられた自動車の内燃機関を冷却する働きもする冷却流体であることを特徴とする請求項１に記載の改質器システム。
  6. 前記流体が、前記改質器（１０）の構成要素（２４）を冷却するために使用される空気（２２）であることを特徴とする請求項１に記載の改質器システム。
  7. 前記流体（１４、１６、２２）と前記燃料（１２）とが、入れ子式に配設された２つのパイプ（２４、２６、２８、３０、３２）を通して送られることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の改質器システム。
  8. 水素富化改質物を生成するための方法であって、
    改質器（１０）を備え、前記改質器（１０）に燃料（１２）及び酸化剤（１４）を供給することができる方法において、
    前記改質器（１０）に供給される前記燃料（１２）が、前記燃料を冷却する作用に加えて前記改質器システム内又は前記改質器システムが組み込まれた親システム内で他の作用を有する流体（１４、１６、２２）によって、少なくともある程度は冷却されることを特徴とする方法。
  9. 前記流体が、酸化剤として前記改質器（１０）に供給される空気（１４）であることを特徴とする請求項８に記載の方法。
  10. 前記流体が、前記改質器（１０）の下流にある燃料電池構成用のカソード供給空気として使用される空気（１６）であることを特徴とする請求項８に記載の方法。
  11. 前記流体が、前記改質器（１０）の下流にあるアフターバーナー用の燃焼空気として使用される空気（１６）であることを特徴とする請求項８に記載の方法。
  12. 前記流体が、前記改質器システムを設けられた自動車の内燃機関を冷却するためにも使用される冷却液であることを特徴とする請求項８に記載の方法。
  13. 前記流体が、前記改質器（１０）の構成要素（２４）を冷却するために使用される空気（２２）であることを特徴とする請求項８に記載の方法。
  14. 前記流体（１４、１６、２２）と前記燃料（１２）とが、入れ子式に配設された２つのパイプ（２４、２６、２８、３０、３２）を通して送られることを特徴とする請求項８〜１３のいずれか一項に記載の方法。
  15. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の改質器システムを備える燃料電池システム。
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