JP2012520234A - 燃料改質器の燃料噴射装置及び方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、燃料改質器内に炭化水素燃料を噴射する装置及び方法であって、前記燃料噴射装置の温度は前記燃料の加熱と前記噴射装置の冷却が同時に作動して調整される、前記装置及び方法に関する。
【選択図】図１

Description

本発明は、特に、炭化水素燃料から水素リッチガスを生成する燃料改質器の燃料噴射装置及び燃料噴射方法であって、燃料噴射装置から噴射される燃料が、燃料噴射装置内に配置される加熱要素によって加熱される装置及び方法に関する。

車両に電気エネルギーを供給する燃料電池の作動には水素が必要である。水素は、タンクに直接貯蔵できるが、こうした貯蔵は技術的に複雑であり、しかも水素には爆発性があるため危険である。このため、触媒変換によって、好ましくは液体の炭化水素燃料から水素リッチガスを生成するのが有用であることが証明されている。炭化水素の触媒変換は、複数の連続的ステップで実施される。すなわち、実際の改質ステップにおいて、熱力的平衡に従って、炭化水素が、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、及び水蒸気を含む水素リッチガスに分解され、さらには、次段階の水性ガスシフト反応において、一酸化炭素と水が、触媒により二酸化炭素と水素に変換される。

上記方法における第１ステップ、すなわち、炭化水素燃料の水素リッチガスへの触媒変換では、いわゆる燃料改質器が用いられる。燃料改質器の良好な動作モードについて、水素リッチガスへの炭化水素燃料の効果的かつ効率的な変換は、特に反応物質の良好な混合に左右されることが明らかにされている。そのような混合のためには、炭化水素燃料を燃料改質器に噴霧するのが有用であり、これによって、炭化水素燃料の良好な霧化又は気化を達成できることが証明されている。

炭化水素燃料の霧化又は気化の品質は、とりわけ燃料の粘度に左右される。炭化水素燃料を予熱することによって、燃料の粘度を高めることができ、これにより、炭化水素燃料の有利なレベルの粘度を達成できる。このような有利なレベルの粘度に関して、炭化水素燃料の相応する温度は、典型的に約５０℃〜約８０℃である。

最新の技術から、起動ステップ中に炭化水素燃料を予熱して、燃料を好ましい温度に維持する予熱要素を備える複数の燃料噴射ノズルが知られている。こうした燃料噴射ノズルは、例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３、又は特許文献４に記載されている。

予熱装置を備えるこれら公知の燃料噴射装置に伴う課題は、起動ステップ後の燃料の温度をいかにして調節するかである。公知の燃料改質器は、典型的に約６００℃〜約９００℃の温度で動作するため、燃料改質器に取り付けられている燃料噴射ノズルも加熱されてしまう。それによって、燃料の温度も上昇し、その結果、燃料の有利なレベルの粘度の達成を可能にする約５０℃〜約８０℃の望ましい温度範囲を維持できなくなる。

さらに、燃料噴射ノズルが高温になるため、コークス及び／又はすすが、燃料噴射ノズルに付着する可能性がある。従って、炭化水素燃料の温度を制御して、調節する必要がある。この目的のために、複雑な温度調節回路を用いることが知られており、こうした回路は、例えば、炭化水素燃料を望ましい温度範囲に維持する複数の作動弁を含む。

欧州特許第１，３２３，９１８号明細書 米国特許出願公開第２００６／０１５９４３７号明細書 欧州特許第１，８０１，９０７号明細書 米国特許出願公開第２００５／０２２７１３０号明細書

従って、本発明の目的は、炭化水素燃料を燃料改質器に噴射する燃料噴射装置及び方法であって、より少数の制御機能で、燃料を所望の温度範囲内に維持することを可能にする装置及び方法を提供することである。

この目的は、燃料噴射装置、特に請求項１に記載の燃料噴射ノズル、並びに請求項１４に記載の炭化水素燃料の噴射方法によって解決される。さらに別の請求項には、請求される本発明の有利な改善事項及び好ましい別の発展事項を記載する。

本発明は、高温装置、例えば燃料改質器又はガスタービンに取り付けるように構成される燃料噴射装置であって、燃料噴射装置の外側の冷却を実施すると同時に、加熱装置を用いて、炭化水素燃料の加熱も実施する、上記装置を提供する概念に基づくものである。加熱及び冷却を同時に行うことにより、良好な霧化のために望ましい粘度を有する炭化水素燃料が提供される。燃料噴射装置の外側の冷却は、高温装置、例えば燃料改質器から、燃料噴射装置への熱伝達を減少させることができ、これによって、噴射前の高温装置の熱による炭化水素燃料の不要な加熱を防止できる。

本発明の燃料噴射装置は、炭化水素燃料を受ける燃料噴射装置入口と、好ましくは燃料改質器に取り付けられるように構成される燃料噴射装置ソケットと、炭化水素燃料を好ましくは燃料改質器中に放出する燃料噴射装置出口とを含む。加熱装置は、好ましくは燃料噴射装置入口付近に配置して、冷却装置から断熱することができる。

好ましい実施形態では、冷却装置は、主として燃料噴射装置ソケットが冷却されるように構成する。燃料噴射装置ソケットは、好ましくは炭化水素燃料と熱接触しているため、上記の設計によって、噴射前に炭化水素燃料の予冷が行われることになる。燃料噴射装置ソケットはまた、燃料噴射装置出口とも熱接触していることから、燃料噴射装置ソケットを冷却すると、燃料噴射装置出口の冷却も行われる。これによって、燃料噴射装置のコークスの付着も最小限に抑えることができる。

さらに、燃料噴射装置の冷却を実施することによって、燃料噴射装置が非常に高温の環境（例えば、燃料改質器）にさらされる場合であっても、炭化水素燃料を好ましい燃料粘度に適した温度より低く、又はその温度に維持できる。炭化水素燃料の温度を感知する、且つ／又は加熱装置を調節する温度調節要素を設けることがさらに好ましい。これによって、燃料の温度が好ましい温度を下回る場合、炭化水素燃料を加熱でき、炭化水素燃料が好ましい温度である場合には、燃料の加熱を実施しない。

好ましい実施形態では、燃料噴射装置ソケットに、冷却液、好ましくは冷却水を供給することによって、冷却装置を提供でき、燃料噴射装置ソケットと燃料噴射装置出口は熱接触しているため、ソケットから、冷却は燃料噴射装置出口でも実施される。

冷却液は、好ましくは冷却液吸込管を通じて供給されるが、吸込管は、好ましくは冷却装置の内側壁と外側壁との間の空隙内に配置されて、燃料噴射装置ソケット付近で終了し、そこから、冷却液は、冷却装置の内側壁と外側壁との間に画定される空隙中に自由に流れ込むことができる。好ましくは、内側壁は、少なくともこの領域において、燃料噴射装置ソケットと熱接触している。さらに、冷却液を収集して、排出するように構成される、冷却液吐出管を設けることができる。この冷却液吐出管は、燃料噴射装置入口付近に配置するのが好ましい。

さらに別の実施形態においては、燃料噴射装置ソケットの周囲の少なくとも一部に冷却フィンを配置し、これによって燃料噴射装置ソケットを効率的に冷却することにより、燃料噴射装置ソケットと冷却液同士の熱接触が改善される。

別の好ましい実施形態においては、燃料案内要素、例えば案内管により、燃料噴射装置入口から燃料噴射装置ソケットを通じて燃料噴射装置出口に炭化水素燃料を案内する。その際、該案内要素の周囲に加熱装置を配置できる。好ましくは、加熱装置は、燃料案内要素の周りに巻かれた電熱線である。有利なことに、燃料案内要素と電熱線との間に、電気絶縁層を配置できる。

別の有利な実施形態では、電熱線を断熱層で被覆する。断熱層の厚さは、電熱線の厚さと同等か、又はこれより大きいのが好ましい。断熱層を被覆要素で被覆するのが好ましく、被覆要素は、好ましくはステンレス鋼から作製されており、冷却装置の内側壁として設計できる。

燃料案内要素への熱伝導、ひいては燃料の温度は、好ましくは加熱要素付近に配置される単純なサーモスタットによって調節できる。サーモスタットは、好ましくは燃料案内要素の温度、ひいては燃料の温度を感知して、感知した温度に応じて加熱装置を制御する。

別の好ましい実施形態において、サーモスタットは、電熱線を調節でき、炭化水素燃料を約５０℃〜約８０℃の範囲にある好ましい温度に維持できる。

断熱層は、冷却装置から加熱燃料を離して維持しているため、冷却装置の温度制御は必要ない。従って、別の好ましい実施形態では、冷却液の量を調節する必要がない。

さらに別の好ましい実施形態において、好ましくは燃料噴射装置ソケットの領域にある外側管を、冷却装置の外側壁の周囲に配置するが、外側管の直径は、好ましくは冷却装置の外側壁の直径より大きくする。これによって、外側管は、燃料噴射装置の外側をその環境、例えば燃料改質器壁から断熱する。好ましくは、外側管の直径は、最大熱伝導距離をもたらすと同時に、燃料噴射装置全体の直径が過度に大きくならないように設計される。有利なことに、冷却装置の外側壁と外側管との間の空隙内に、断熱材料を設けることができる。この外側管は、（温度調節された）燃料噴射装置を高温の環境、例えば高温の燃料改質器壁から離して維持するため、環境、例えば高温の改質器が燃料噴射装置、ひいては燃料に及ぼす熱の影響をかなり軽減する。

さらに別の利点及び好ましい実施形態を、特許請求の範囲、説明及び図面に記載する。

以下、図面に示す好ましい実施形態を用いて、本発明の原理を説明することにする。従って、例として示す実施形態によって、本発明の請求範囲を限定する意図はなく、その範囲は、特許請求の範囲によってのみ定められるものとする。

本発明の燃料噴射装置の好ましい実施形態の概略的縦断面図を示す図である。 図１に示す好ましい実施形態の概略的横断面図を示す図である。

図１は、本発明の燃料噴射装置１の好ましい実施形態を示し、燃料噴射装置１は、燃料改質器（図示せず）の壁２に取り付けることができ、改質器は、炭化水素燃料から水素リッチガスを生成することになっている。燃料噴射装置１は、炭化水素燃料を受ける燃料噴射装置入口４と、好ましくは高温の装置（例えば、燃料改質器）に取り付けるように設計される燃料噴射装置ソケット６と、好ましくは高温の装置（例えば、燃料改質器の混合室）中に炭化水素燃料を放出する燃料噴射装置出口８とをさらに含む。炭化水素燃料は、燃料案内要素、特に燃料案内管１０中において、燃料噴射装置入口４から、燃料噴射装置ソケット６を通って燃料噴射装置出口８へと導かれる。燃料噴射装置ソケット６はさらに、本発明の別の燃料噴射装置部品の取付け台を設けるように構成される。

燃料噴射装置１は、以下の説明では、燃料改質器の壁２に取り付けられるものとして記載されているが、本発明の燃料噴射装置１は、液体又は気体の炭化水素燃料を噴射する別の高温装置のいずれにも使用可能であることに留意されたい。別の高温装置としては、例えばガスタービン又は内燃機関がある。

さらに、以下の説明では、燃料噴射装置は、例として、円筒状断面の形材を有するように示されているが、燃料噴射装置に好適であれば、それ以外のいずれの断面の形材も本発明の請求範囲に含まれる。

燃料噴射装置１は、少なくとも、外側管１２によって取り囲まれる燃料噴射装置ソケット６の領域にあり、該領域は、高温装置、例えば改質器壁２と接触する可能性があり、燃料噴射装置１の外側１４より大きな直径を有することによって、改質器壁２と燃料噴射装置１の外側１４との間に断熱をもたらす。

外側管１２の直径は、改質器壁２と燃料噴射装置１の外側１４との間の熱伝導距離が最大になるように選択する。好ましくは、燃料噴射装置１の直径全体が過度に大きくならないようにすることも考慮する。

燃料案内管１０は、燃料噴射装置１の好ましくは中央に配置するが、燃料案内管１０は、その外側に対し電気的に絶縁する電気絶縁膜１６で被覆できる。絶縁膜１６の外側に、電熱線１８を設けるが、電熱線は、燃料案内管１０を加熱することによって、炭化水素燃料を加熱する加熱装置を提供する。電熱線１８は、好ましくはカンタル合金（ｃａｎｔｈａｌ）から作製されたものである。

燃料案内管１０の温度は、サーモスタット２０によって調節されるが、これは、サーモスタット２０によって検知される燃料案内管１０の温度に応じて電熱線１８に伝達される電気エネルギーを制御する。

電熱線１８は、断熱層２２によって被覆され、断熱層は、好ましくはステンレス鋼から作製される被覆管２４によって被覆されている。断熱層２２の厚さは、好ましくは、電熱線１８の厚さと同等か、若しくはこれより大きい。

言うまでもなく、前述のように、燃料噴射装置１が円筒形状を呈していない場合、上記の管もまた、円筒状の要素として設計される必要はなく、好適な設計及び形状を呈していてよい。

被覆管２４の外側には、冷却装置が配置される。冷却装置は、好ましくは、冷却水などの冷却液２６を燃料噴射装置ソケット６に送ると共に、温まった冷却液を排出し、これによって燃料噴射装置ソケット６を冷却する装置である。燃料噴射装置ソケット６は、燃料噴射装置出口８及び燃料案内管１０と熱接触しているため、燃料及び燃料噴射装置出口８から冷却液２６に熱が伝導される。外側管１２は、燃料噴射装置外側１４と改質器壁２との間に、従ってまた、冷却装置外側と改質器壁２との間にも断熱をもたらすことから、冷却装置は、燃料噴射装置が取り付けられている高温装置（図１では燃料改質器）による影響を受けない。

図１及び図２に例示される好ましい実施形態からわかるように、冷却装置は、被覆管２４によって付与できる内壁と、燃料噴射装置１の外側１４を付与できる外側壁とを含んでいてもよい。

冷却装置は、さらに冷却液吸込管２８を含むが、これは、冷却液２６、特に冷却水を燃料噴射装置入口４から燃料噴射装置ソケット６に向かわせる。冷却液吸込管２８は、燃料噴射装置出口８付近で終了し、冷却液２６が、内側壁を画定する被覆管２４と、冷却装置の外側壁１４との間に画定される空隙３０中に流れ込むようにする。温まった冷却液２６は、燃料噴射装置入口４の方向に戻るように向けられ、そこで、冷却液は、冷却液吐出管３２によって燃料噴射装置入口４付近で収集された後、排出される。冷却液２６の流れは、図１において矢印でも示している。

燃料噴射装置ソケット６の周囲の少なくとも一部に、さらに冷却フィン３４を配置できるが、該フィンは、空隙３０内に自由に流れ込む冷却液２６と燃料噴射装置ソケット６との間の熱接触を改善する。これによって、燃料噴射装置ソケット６を通って流れる炭化水素燃料を効率的に冷却できる。

冷却液２６は、燃料噴射装置入口４から燃料噴射装置出口８まで案内されるうちに、温度が徐々に上昇する。加熱された冷却液２６が燃料噴射装置ソケット６に向かわないようにするため、冷却液吐出管３２を燃料噴射装置入口４の近傍に設ける。

断熱層２２が、加熱された燃料を冷却液２６から断熱するため、通常、冷却液量の制御を行う必要はない。

図１に示す燃料噴射装置ソケット６の出口に配置される冷却装置は、燃料噴射装置１の外側１４を冷却できるというさらなる利点を有する。冷却された燃料噴射装置ソケット６はまた、燃料噴射装置出口８とも熱接触しているため、燃料噴射装置１でのコークスの付着を防止できる。それにもかかわらず、加熱装置１８が燃料の最適粘度に適した温度を提供することから、燃料噴射装置１によって燃料改質器（図示せず）中に噴霧される燃料の温度には影響がない。

さらに加えて配置される外側管１２もまた、高温装置、例えば燃料改質器の反応器壁２から燃料噴射装置１への熱伝導を防止する。従って、燃料噴射装置１及び燃料の温度は、高温の環境による影響を受けない。

図２は、図１の線Ｉに沿った、図１に示す本発明の燃料噴射装置１の断面を示す図である。

図２は、中央に最小の直径を有する燃料案内管１０を備える燃料噴射装置１の積層構造を示す。燃料案内管１０は、電気絶縁層１６によって被覆されており、電気絶縁層１６の周りには電熱線１８が巻かれている。電熱線１８は、断熱層２２によって被覆され、断熱層は、被覆管２４によって覆われている。断熱層２２は、図２に示すように電熱線１８を被覆できるが、電熱線１８を断熱層２２の中に埋め込むことも可能である。

冷却装置は、被覆管２４の外側に設けられているが、これによって、被覆管２４が冷却装置の内側壁を付与する。冷却装置の外側壁１４は、同時に、燃料噴射装置１の外側１４でもあり、これも内側壁と同様にステンレス管であってよい。被覆管２４と冷却装置の外側壁１４との間の空隙３０には、冷却液２６を燃料噴射装置ソケット６に案内する冷却液吸込み管２８が配置されている。

燃料噴射装置１全体が、少なくとも燃料噴射装置ソケット６の領域（図１では、線Ｉを越えて燃料噴射装置入口４に向けて延びている）において、外側管１２によって取り囲まれており、これにより、燃料噴射装置１が取り付けられる高温装置（図１では、改質器）の断熱が達成される。

燃料噴射装置１内部の炭化水素燃料を加熱すると同時に、好ましくはサーモスタット２０（図１）によって制御される方法で冷却水を加えることで燃料噴射装置の外側を冷却することによって、燃料噴射装置の内側及び外側へのコークス及びすすの付着をかなり減少する、あるいは、最良の場合には、防止することができ、しかもその際、燃料は、燃料の有利な粘度に最適な温度で維持される。

１ 燃料噴射装置
２ 改質器壁
４ 燃料噴射装置入口
６ 燃料噴射装置ソケット
８ 炭化水素燃料噴射装置出口
１０ 炭化水素燃料案内要素
１２ 外側管
１４ 燃料噴射装置外側
１６ 電気絶縁
１８ 電熱線
２０ サーモスタット
２２ 断熱
２４ 被覆管
２６ 冷却液
２８ 冷却液吸込管
３０ 外側管２４と燃料噴射装置外側壁１４との間の空隙
３２ 冷却液吐出管
３４ 冷却フィン

Claims (16)

1. 炭化水素燃料を加熱する加熱装置（１８）を有し、特に炭化水素燃料から水素リッチガスを生成する燃料改質器の燃料噴射装置であって、燃料噴射装置（１）が、燃料噴射装置（１）の外側を冷却する冷却装置（２６、２８、３０、３２）をさらに含むことを特徴とする、装置。
2. 炭化水素燃料を受ける燃料噴射装置入口（４）と、好ましくは燃料改質器に取り付けられるように構成される燃料噴射装置ソケット（６）と、炭化水素燃料を好ましくは燃料改質器中に放出する燃料噴射装置出口（８）とをさらに含み、前記冷却装置（２６、２８、３０、３２）がさらに、燃料噴射装置ソケット（６）及び／又は燃料噴射装置出口（８）の冷却を達成するように構成されている、請求項１に記載の燃料噴射装置（１）。
3. 前記加熱装置（１８）を前記冷却装置（２６、２８、３０、３２）から断熱するように構成される断熱層（２２）をさらに含む、請求項１又は２に記載の燃料噴射装置（１）。
4. 前記加熱装置が、前記断熱層（２２）によって被覆される、且つ／又は該断熱層中に埋め込まれている、請求項３に記載の燃料噴射装置（１）。
5. 前記加熱装置（１８）が、被覆要素（２４）によって被覆され、また、前記冷却装置（２６、２８、３０、３２）が、被覆要素（２４）の外側に配置されており、好ましくは前記断熱層（２２）が、前記加熱装置（１８）と被覆要素（２４）との間に配置される、請求項１ないし４のいずれか一項に記載の燃料噴射装置（１）。
6. 前記冷却装置（２６、２８、３０、３２）が、内側壁及び外側壁を有し、また、冷却液、好ましくは冷却水が、該内側壁と外側壁との間の空隙（３０）内に入っており、且つ／又は該内側壁が、好ましくは前記被覆要素（２４）と一体型の要素として設計される、請求項５に記載の燃料噴射装置（１）。
7. 前記冷却装置（２６、２８、３０、３２）が、好ましくは前記内側壁と外側壁との間の空隙（３０）内に配置されて、且つ／又は前記燃料噴射装置ソケット（６）付近で終了する冷却液吸込管（２８）と、好ましくは前記内側壁と外側壁との間の空隙（３０）内に配置されて、且つ／又は前記燃料噴射装置入口（４）付近で冷却液を収集するように設計されている、冷却液吐出管（３２）とをさらに含む、請求項６に記載の燃料噴射装置（１）。
8. 前記冷却装置（２６、２８、３０、３２）が、冷却フィン（３４）をさらに含み、該フィンは、好ましくは前記燃料噴射装置ソケット（６）付近に配置される、請求項１ないし７のいずれか一項に記載の燃料噴射装置（１）。
9. 前記冷却装置（２６、２８、３０、３２）又は少なくともその一部を被覆する外側被覆要素（１２）をさらに含み、該要素は、好ましくは前記燃料噴射装置ソケット（６）付近に配置され、外側被覆要素（１２）は、好ましくは燃料噴射装置（１）と燃料噴射装置環境、特に燃料改質器壁（２）との間の断熱を達成するように構成される、請求項１ないし８のいずれか一項に記載の燃料噴射装置（１）。
10. 前記燃料噴射装置（１）が、燃料噴射装置入口（４）から燃料噴射装置出口（８）に炭化水素燃料流を案内する燃料案内要素（１０）をさらに含み、該燃料案内要素（１０）は、好ましくは燃料噴射装置（１）において中央に配置され、且つ／又は好ましくは加熱装置（１８）によって取り囲まれている、請求項２〜９のいずれか一項に記載の燃料噴射装置（１）。
11. 前記加熱装置（１８）が、好ましくはカンタル合金（ｃａｎｔｈａｌ）から作製された電熱線であり、該電熱線は、前記燃料案内要素（１０）の周りに巻かれており、好ましくは、前記燃料案内要素（１０）が、特に電気絶縁膜（１６）によって、前記加熱装置（１８）から電気的に絶縁されている、請求項１０に記載の燃料噴射装置（１）。
12. 前記燃料噴射装置ソケット（６）が、前記燃料案内要素（１０）と熱接触している、請求項２〜１１のいずれか一項に記載の燃料噴射装置（１）。
13. 前記燃料案内要素（１０）の温度を調節し、これによって、前記燃料案内要素（１０）内の炭化水素燃料の温度を調節する温度調節要素（２０）、好ましくはサーモスタットをさらに含む、請求項１ないし１２のいずれか一項に記載の燃料噴射装置（１）。
14. 燃料改質器噴射装置（１）を用いて、燃料改質器中に炭化水素燃料を噴射する方法であって、
    −加熱装置（１８）を用いて、炭化水素燃料を加熱するステップと、
    −冷却装置（２６、２８、３０、３２）を用いて、燃料噴射装置（１）の外側を冷却するステップと、
    −炭化水素燃料の加熱及び／又は燃料噴射装置（１）の外側の冷却を制御することによって、炭化水素燃料の実際温度を予め定めた温度範囲内に維持するステップとを含む、方法。
15. 前記炭化水素燃料が、その噴射前に、前記冷却装置（２６、２８、３０、３２）を用いて冷却される、請求項１４に記載の方法。
16. 請求項１〜１３のいずれか一項に記載の燃料噴射装置（１）が用いられる、請求項１４又は１５に記載の方法。

Images