JP2010524812A - 二段式改質器および改質器の動作方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、燃料および酸化体を改質物（２６；１２６）に変換する改質器（１０；１００）であって、第１の燃料供給部（１２；１１２）および第１の酸化体供給部（１６；１１６）を介して燃料および酸化体の混合物が供給される酸化ゾーン（２０；１２０）と、酸化ゾーン（２０；１２０）の下流に、第２の燃料供給部（１４；１１４）を介して追加的な燃料が供給される噴射および混合物生成ゾーン（２２；１２２）とを含む改質器（１０；１００）において、噴射および混合物生成ゾーン（２２；１２２）に追加的な酸化体を供給可能な第２の酸化体供給部（１８；１１８）が設けられていることを特徴とする改質器（１０；１００）に関する。本発明によれば、第２の酸化体供給部（１８；１１８）を第２の燃料供給部（１４；１１４）に対して、第２の燃料供給部（１４；１１４）の上流の領域に酸化体バッファを生成して、酸化ゾーン（２０；１２０）の混合物から第２の燃料供給部（１４；１１４）への熱伝達を低減するように配置する。また、本発明は、そのような改質器（１０；１００）を動作させる方法にも関する。

Description

本発明は、燃料および酸化剤を改質物(reformate)に変換する改質器に関し、前記改質器は、第１の燃料供給部および第１の酸化剤供給部を介して燃料および酸化剤の混合物が供給される酸化ゾーンと、酸化ゾーンの下流に配置され、第２の燃料供給部を介して追加的な燃料が供給される噴射および混合物生成ゾーンと、を備え、前記改質器には、噴射および混合物生成ゾーンに追加的な酸化剤を供給可能な第２の酸化剤供給部が設けられている。

本発明はさらに、そのような改質器を動作させる方法に関する。

一般的な改質器は、燃料電池または燃料電池スタックの動作に関連して、水素に富んだガス混合物である改質物を生成しかつそれを燃料電池または燃料電池スタックに供給するために使用することが多い。電気化学的プロセスに基づいて、燃料電池は、前記水素に富んだガスを供給するため電気エネルギーを生成できる。そのような燃料電池を、例えば、追加的な動力源、いわゆるＡＰＵ（補助動力装置）として自動車の分野で使用する。燃料および酸化剤を改質物に変換する改質器の改質プロセスは、様々な原理によってもたらされる。例えば、発熱反応で燃料の一部を酸化させる接触改質が公知である。さらに、炭化水素の改質物を生成するいわゆる「水蒸気改質」が公知である。ここで、炭化水素は、吸熱反応において水蒸気によって水素に変換される。上述の２つの原理の組み合わせ、すなわち、発熱反応と、水蒸気改質のためのエネルギーが炭化水素を燃焼させることから得られる吸熱反応による水素の生成と、に基づいた改質を、自己熱改質と称す。

自己熱式の改質を行う一般的な改質器は、例えば、特許文献１から公知である。従来技術による前記改質器は、２つの燃料供給部と２つの酸化剤供給部とを備え、それぞれ、前記２つの供給部の一方が酸化ゾーンと噴射および混合物生成ゾーンとに設けられている。このようにして、改質器における温度プロフィールを明確に均質化するので、改質器の動きを改善することができる。それゆえ、この公知の改質器では、まず、燃料および通常空気である酸化剤を改質器の酸化ゾーンに供給し、そこで燃料の一部を酸化剤によって完全に酸化させる。酸化により、以下いわゆる蒸気ガス(smoke gas)と称すガス状酸化生成物が生成される。次に、前記蒸気ガスは、酸化ゾーンの下流に設けられた改質器の噴射および混合物生成ゾーンに入り、そこで、第２の燃料供給部を介して追加的な燃料が新たに供給される。それゆえ、噴射および混合物生成ゾーンにおいて追加的な燃料の蒸発が起こり、その結果、改質に必要な化学量論未満の燃料／空気比がこの混合物において得られる。次いで、前記混合物は、例えば、改質器の触媒コンバータによって少なくとも一部分が形成される改質ゾーンに供給される。特許文献１によれば、第２の酸化剤供給部も設け、それを介して追加的な酸化剤を噴射および混合物生成ゾーンに供給することが可能である。前記第２の酸化剤供給部は、改質プロセスを最適化する働きをし、かつ改質プロセスに影響を及ぼす別のパラメータを与える。しかしながら、特許文献１による前記改質器は、噴射および混合物生成ゾーンの高温蒸気ガスによって相当な量の熱が第２の燃料供給部、特に第２の燃料供給部の蒸発フリース(evaporator fleece)に伝達されるという欠点を有する。この熱伝達によって、第２の燃料供給部または第２の燃料供給部への供給ラインにおいて、供給される燃料の少なくとも一部分の予蒸発が発生する。ここで、前記予蒸発は、制御されずに燃料に気泡を形成してしまい、それにより、第２の燃料供給部を通して不均一で脈動的に燃料を供給してしまう。また、第２の燃料供給部を通る前記不均一な燃料供給は、改質器内部でのススの発生が増大するため、改質器の動きを不安定にし、温度変化を激しくし、圧力を上昇させる。

独国特許出願公開第１０３５９２０５号明細書

したがって、本発明は、一般的な改質器およびそのような改質器を動作させる方法をさらに発展させて、多段式改質器において改質プロセス制御をより安定させるという目的に基づく。

本発明による改質器は、第２の酸化剤供給部が、第２の燃料供給部の前の領域に酸化剤バリアクッション(barrier oxidising agent cushion)を生成するように第２の燃料供給部に対して配置されて、酸化ゾーンからの混合物から第２の燃料供給部への熱伝達を低減させる一般的な技術に基づく。第１および第２の酸化剤供給部を使用して、酸化剤を、段式の、この場合二段式の改質器の対応するゾーンへ供給する。この場合、酸化剤の総必要量の好ましくは８０％〜９０％が、第１の酸化剤供給部を介して酸化ゾーンに供給される。このようにして、十分なラムダまたは空気数(air number)、例えば、１．２超のラムダまたは空気数が確実となる。酸化剤の残りの量、すなわち酸化剤の総量の１０％〜２０％は、第２の酸化剤供給部を介して噴射および混合物生成ゾーンにおいて供給される。この場合、第２の酸化剤供給部は、噴射および混合物生成ゾーンにおいて第２の燃料供給部の前に冷たい酸化剤の酸化剤バリアクッションが形成され、かつそれにより、蒸気ガスによる第２の燃料供給部への熱伝達が少なくとも低減されるように、第２の燃料供給部に対して形成される。このようにして第２の燃料供給部内の熱伝導がさらに低減される。それゆえ、追加的な冷却能力を必要としないため、第２の燃料供給部を冷却するための外付けの別個の冷却装置を省略できる。蒸気ガスまたは酸化ゾーンからの混合物の空気数が低いまたはラムダが低いため、改質ゾーン、例えば、改質ゾーンを形成する触媒コンバータの冷却を、高温の蒸気ガス流によって抑制することができる。これは、例えば、酸化ゾーンの蒸気ガスと改質ゾーンを形成する触媒コンバータとの間の熱伝達を壁により高めることによって行われる。

本発明による改質器は、追加的な酸化剤が、少なくとも部分的に第２の燃料供給部と接触した後に、酸化ゾーンからの混合物と混合されるようにさらに発展させることが有利である。これは、例えば、第２の燃料供給部に対する第２の酸化剤供給部の特定の配置によって実現される。具体的には、第２の酸化剤供給部を、第２の燃料供給部を取り囲む管として形成することが考えられる。

さらに、本発明による改質器を、第２の燃料供給部が、噴射および混合物生成ゾーンに供給される追加的な燃料が貫流する蒸発フリースを含むように、設計してもよい。例えば、第２の燃料供給部は、少なくとも部分的に管状であり、蒸発フリースは、管状の第２の燃料供給部に挿入されている。

さらに、本発明による改質器は、第２の酸化剤供給部と第２の燃料供給部との間に熱伝達関係が存在して、第２の燃料供給部を介して供給される追加的な燃料が、噴射および混合物生成ゾーンに入る前に第２の酸化剤供給部によって既に能動的に冷却されているように設計されてもよい。さらに、前記能動的冷却は、追加的な燃料の予蒸発を最大限回避するように第２の燃料供給部を冷却するために設けられてもよい。

好ましい実施形態では、本発明による改質器は、第１および第２の酸化剤供給部を共通の酸化剤ラインに結合させて、第１および第２の酸化剤供給部に酸化剤ラインを介して酸化剤を供給するようにさらに発展させてもよい。このようにして改質器の二段式の酸化剤供給を単純化することが可能となる。この場合、例えばファンのみを設けて、それによって酸化剤として空気を供給し、かつ両酸化剤供給部にその空気を供給してもよい。

これに関連して、本発明による改質器を、第１および第２の酸化剤供給部に向かう酸化剤の各体積流量が、共通の酸化剤ラインに設けられた分流弁(volume flow divider valve)によって調整可能であるようにさらに実現してもよい。それゆえ、酸化剤の総量を第１の酸化剤供給部および第２の酸化剤供給部への体積流量に分けることが可能となる。分流弁を可変制御することによって、改質器の対応する動作状態に依存して、第２の燃料供給部の前で温度レベルを特定的に調整することができる。分流弁を介して酸化剤を供給することによって、さらに、酸化剤として空気を使用し追加的なファンを必要としない場合、第１の酸化剤供給部と第２の酸化剤供給部との間の可変空気比を明確に調整してもよい。

本発明による方法は、第２の酸化剤供給部が、酸化剤供給中に第２の燃料供給部の前の領域に酸化剤バリアクッションを生成して、酸化ゾーンからの混合物から第２の燃料供給部への熱伝達を低減させるという一般的な技術に基づく。このようにして、本発明による改質器に関連して説明した利点は、同じくまたは同様に達成されるため、繰り返しを避けるために、本発明による改質器に関連してなされた対応する説明を参照されたい。

同じことが、以下の本発明による方法の好ましい実施形態に同様に当てはまり、同様に、繰り返しを避けるために、本願明細書において本発明による改質器に関連してなされた対応する説明を参照されたい。

本発明による方法は、好都合にも、追加的な酸化剤が、少なくとも部分的に第２の燃料供給部と接触した後に、酸化ゾーンからの混合物と混合されるように、さらに発展させることができる。

本発明による方法をさらに、噴射および混合物生成ゾーンに供給される追加的な燃料が第２の燃料供給部の蒸発フリースを貫流するように、実現してもよい。

本発明による方法をさらに、第２の燃料供給部に供給される追加的な燃料が、噴射および混合物生成ゾーンに投入される前に第２の酸化剤供給部によって既に能動的に冷却されているように、実現してもよい。

本発明による方法の好ましい実施形態では、共通の酸化剤ラインによって第１および第２の酸化剤供給部に酸化剤を供給することが考えられる。

これに関連して、本発明による方法は、第１および第２の酸化剤供給部に向かう酸化剤の各体積流量を、共通の酸化剤ラインに設けられた分流弁によって調整するようにさらに発展させることができる。

本発明は、多段式、具体的には二段式改質器に関連して、第２の燃料供給部が冷却されている場合に、前記第２の燃料供給部によって脈動的な燃料供給の防止を実現することに基づく。これは、一方では、第２の燃料供給部に対して特定的に向けられた第２の酸化剤供給部を用いて酸化剤バリアクッションを生成することによって達成する。その代わりにまたはそれに加えて、例えば第２の酸化剤供給部によって第２の燃料供給部の能動的冷却をもたらすことができ、この場合、第２の酸化剤供給部を、第２の燃料供給部に対して熱伝達する関係で隣接して配置してもよい。どちらの冷却概念も、組み合わせでならびに個別に実現することができる。

本発明を、以下、好ましい実施形態を用いて添付図面を参照して例示的に説明する。

本発明による方法を実施することができる本発明の第１の実施形態における本発明による改質器の概略図である。 本発明による方法を実施することができる本発明の第２の実施形態における本発明による改質器の概略図である。

図１に、本発明による方法を実施することができる本発明の第１の実施形態における本発明による改質器１０の概略図を示す。本発明による改質器１０は、第１の燃料供給部１２および第１の酸化剤供給部１６を介して燃料および酸化剤が供給される酸化ゾーン２０を備える。燃料としては、例えば、天然ガス、ディーゼル燃料またはガソリンが適しており、酸化剤は一般的に空気である。燃料および酸化剤が供給されることにより、混合物は、生成され、混合物は、酸化ゾーン２０に流入し、かつ酸化ゾーンで少なくとも部分的に酸化され、酸化ゾーン２０において蒸気ガスが発生する。そのため、酸化ゾーン２０では、空気数１（λ≒１）での発熱反応で燃料および酸化剤の変換が行われる。その後、混合物または蒸気ガスは、酸化ゾーン２０の下流側に設けられた噴射および混合物生成ゾーン２２に入るまたは流入する。噴射および混合物生成ゾーン２２には、第２の燃料供給部１４および第２の酸化剤供給部１８が設けられており、第２の燃料供給部および第２の酸化剤供給部は、噴射および混合物生成ゾーン２２にそれぞれ追加的な燃料および追加的な酸化剤を供給することができる。この場合、酸化ゾーン２０からの蒸気ガスの熱エネルギーは、第２の燃料供給部１４からの追加的な燃料の蒸発に貢献する。しかしながら、蒸気ガスを介した第２の燃料供給部１４への直接熱伝達を可能な限り低く保つために、第２の酸化剤供給部１８は、酸化剤供給中に第２の燃料供給部１４の前の領域に酸化剤バリアクッションが形成されるように構成されている。このようにして、酸化ゾーン２０からの混合物または蒸気ガスから第２の燃料供給部１４への熱伝達が低減される。具体的には、本実施形態において、第２の酸化剤供給部１８によって供給された酸化剤は、少なくとも部分的に第２の燃料供給部と接触した後で、酸化ゾーン２０からの混合物または蒸気ガスと混合されることが考えられる。加えて、第２の酸化剤供給部１８によって、第２の燃料供給部１４の能動的冷却(active cooling)が行われる。これは、第２の燃料供給部１４と第２の酸化剤供給部１８との間の熱伝達関係を確立することによって行われる。具体的には、第２の酸化剤供給部１８を形成する管の内部に同心状に配置された管として、第２の燃料供給部１４を形成する。それゆえ、第２の燃料供給部１４およびそれを通して供給される燃料の能動的冷却は、追加的な燃料が第２の酸化剤供給部１８を介して噴射および混合物生成ゾーン２２に投入される前に既に行われている。次に、噴射および混合物生成ゾーン２２で発生したガス混合物は、噴射および混合物生成ゾーン２２の下流に設けられた改質ゾーンに入る。改質ゾーンは、少なくとも部分的に触媒コンバータ２４によって形成されている。そこで、ガス混合物は、例えば、λ≒０．４での吸熱反応において改質物２６に変換される。その後、生成した改質物２６が、改質器出口を経由して触媒コンバータ２４から流出する。この場合、改質ゾーン２４および酸化ゾーン２０をそれらの間に熱伝達関係が存在するように設計し、その結果、吸熱反応に必要な熱は酸化ゾーン２０から取り出せるようにしてもよい。

本発明による改質器１０を動作させる本発明における方法は、以下の通りである。第１に、燃料および酸化剤この場合空気を、第１の燃料供給部１２および第１の酸化剤供給部１６を介して酸化ゾーン２０に供給する。このようにして、ガス混合物は、生成され、それが少なくとも部分的に酸化されて、酸化ゾーン２０に酸化混合物または蒸気ガスを発生させる。次に、このようにして発生した蒸気ガスは、酸化ゾーン２０から噴射および混合物生成ゾーン２２へ流れる。噴射および混合物生成ゾーン２２において蒸気ガスに、第２の燃料ダクト１４を介して追加的な燃料が供給され、第２の酸化剤供給部１８を介して追加的な酸化剤がさらに供給される。ここで、追加的な酸化剤が第２の酸化剤供給部１８に供給されるため、酸化剤バリアクッションが第２の燃料供給部１４の前の領域に形成されて、酸化ゾーン２０からの混合物または蒸気ガスから第２の燃料供給部１４への熱伝達が低減される。次に、このようにして生成されたガス混合物は、改質ゾーンを形成する触媒コンバータ２４に入り、そこで改質物２６に変換され、改質器出口を経由して改質器１０から排出される。

図２は、本発明の第２の実施形態における本発明による改質器１００概略図を示す。繰り返しを避けるために、本実施形態の説明では第１の実施形態との差異のみを説明し、第２の実施形態の同一または類似の構成要素には、第１の実施形態の構成要素に使用したものと類似の符号を付す。第２の実施形態は、第１および第２の酸化剤供給部１１６および１１８が、分流弁１２８を介して共通の酸化剤ライン１３０に結合されている点で第１の実施形態とは異なる。また、酸化剤ライン１３０は、酸化剤を供給するための酸化剤供給装置にも結合されている、すなわち、酸化剤として空気を使用する場合、酸化剤供給装置をファンとして形成する。分流弁１２８を用いて、第１および第２の酸化剤供給部１６および１８からの対応する体積流量を供給してもよい。このようにして、共通の酸化剤ライン１３０に酸化剤を供給するのに必要な酸化剤供給装置は１つのみとなる。

上述の説明、図面ならびに特許請求の範囲で開示した本発明の特徴は、本発明を個別にならびにいずれかの組み合わせで実現するために重要である。

１０，１００ 改質器、１２，１１２ 第１の燃料供給部、１４，１１４ 第２の燃料供給部、１６，１１６ 第１の酸化剤供給部、１８，１１８ 第２の酸化剤供給部、２０，１２０ 酸化ゾーン、２２，１２２ 噴射および混合物生成ゾーン、２４，１２４ 触媒コンバータ装置、２６，１２６ 改質物、１２８ 分流弁、１３０ 酸化剤ライン

Claims (12)

1. 燃料および酸化剤を改質物（２６；１２６）に変換するための改質器（１０；１００）であって、
   当該改質器は、第１の燃料供給部（１２；１１２）および第１の酸化剤供給部（１６；１１６）を介して燃料および酸化剤の混合物が供給される酸化ゾーン（２０；１２０）と、前記酸化ゾーン（２０；１２０）の下流に設けられ、第２の燃料供給部（１４；１１４）を介して追加的な燃料が供給される噴射および混合物生成ゾーン（２２；１２２）と、を備え、
   前記噴射および混合物生成ゾーン（２２；１２２）には、追加的な酸化剤を供給可能な第２の酸化剤供給部（１８；１１８）が設けられている改質器（１０；１００）において、
   前記第２の酸化剤供給部（１８；１１８）は、前記第２の燃料供給部（１４；１１４）の前の領域に酸化剤バリアクッションを生成するように前記第２の燃料供給部（１４；１１４）に対して配置され、前記酸化ゾーン（２０；１２０）からの前記混合物から前記第２の燃料供給部（１４；１１４）への熱伝達を低減させることを特徴とする改質器。
2. 前記追加的な酸化剤が、少なくとも部分的に前記第２の燃料供給部（１４；１１４）と接触した後で、前記酸化ゾーン（２０；１２０）からの前記混合物と混合されることを特徴とする請求項１に記載の改質器。
3. 前記第２の燃料供給部（１４；１１４）が、前記噴射および混合物生成ゾーン（２２；１２２）に供給される前記追加的な燃料が貫流する蒸発フリースを備えることを特徴とする請求項１または２に記載の改質器。
4. 前記第２の酸化剤供給部（１８；１１８）と前記第２の燃料供給部（１４；１１４）との間に熱伝達関係が存在し、
   前記第２の燃料供給部（１４；１１４）を介して供給される前記追加的な燃料は、前記噴射および混合物生成ゾーン（２２；１２２）に入る前に前記第２の酸化剤供給部（１８；１１８）によって既に能動的に冷却されてい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。
5. 前記第１および第２の酸化剤供給部（１１６、１１８）は、共通の酸化剤ライン（１３０）に結合され、
   前記第１および第２の酸化剤供給部（１１６、１１８）には、前記酸化剤ラインを介して酸化剤が供給され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。
6. 前記第１および第２の酸化剤供給部（１１６、１１８）への酸化剤の各体積流量は、前記共通の酸化剤ライン（１３０）に設けられた分流弁（１２８）によって調節可能であることを特徴とする請求項５に記載の改質器。
7. 燃料および酸化剤を改質物（２６；１２６）に変換する改質器（１０；１００）を動作させる方法であって、
   前記改質器は、第１の燃料供給部（１２；１１２）および第１の酸化剤供給部（１６；１１６）を介して燃料および酸化剤の混合物が供給される酸化ゾーン（２０；１２０）と、前記酸化ゾーン（２０；１２０）の下流に配置され、第２の燃料供給部（１４；１１４）を介して追加的な燃料が供給される噴射および混合物生成ゾーン（２２；１２２）と、を備え、
   前記噴射および混合物生成ゾーン（２２；１２２）には、追加的な酸化剤を供給可能な第２の酸化剤供給部（１８；１１８）が設けられている方法において、
   前記第２の酸化剤供給部（１８；１１８）は、酸化剤供給中に前記第２の燃料供給部（１４；１１４）の前の領域に酸化剤バリアクッションを生成し、前記酸化ゾーン（２０；１２０）からの前記混合物から前記第２の燃料供給部（１４；１１４）への熱伝達を低減させることを特徴とする方法。
8. 前記追加的な酸化剤は、少なくとも部分的に前記第２の燃料供給部（１４；１１４）と接触した後で、前記酸化ゾーン（２０；１２０）からの前記混合物と混合されることを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 前記噴射および混合物生成ゾーン（２２；１２２）に供給される前記追加的な燃料は、前記第２の燃料供給部（１４；１１４）の蒸発フリースを貫流することを特徴とする請求項７または８に記載の方法。
10. 前記第２の燃料供給部（１４；１１４）に供給される前記追加的な燃料が、前記噴射および混合物生成ゾーン（２２；１２２）に入る前に前記第２の酸化剤供給部（１８；１１８）によって既に能動的に冷却されていることを特徴とする請求項７〜９のいずれか一項に記載の方法。
11. 前記第１および第２の酸化剤供給部（１１６、１１８）は、共通の酸化剤ライン（１３０）から酸化剤を供給されることを特徴とする請求項７〜１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 前記第１および第２の酸化剤供給部（１１６、１１８）への酸化剤の各体積流量は、前記酸化剤ライン（１３０）に設けられた分流弁（１２８）によって調整可能であることを特徴とする請求項１１に記載の方法。

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