JP4262478B2 - 燃料電池装置内の予冷器 - Google Patents

Description

【０００１】
【背景技術】
本発明は、燃料電池装置に関し、より詳細には、電気を生成するための自熱式改質器燃料電池装置に関する。
【０００２】
電気を生成する燃料電池電力設備は、当業技術内でよく知られている。米国特許第３，９７６，５０７号は、周囲圧力より高い圧力において作動する加圧燃料電池電力設備を開示する。米国特許第３，９７６，５０７号に開示される電力設備は、電気を生成するのに効果的かつ有用であるとはいえ、設備が圧力下で作動するという事実によって、車両用途での自熱式改質器燃料電池装置にとってそれほど有用ではなくなる。低圧自熱式改質器燃料電池装置では、装置の大きさ、および装置作動時に経験される圧力降下が、車両用途に有用で効果的な小型の装置を製造する際の重要な要因である。
【０００３】
当然、装置内で使用するのに適した小型の大きさを維持しながら、周囲圧力において効果的に作動できる自熱式改質器燃料電池装置を製造するのは、非常に望ましいことであろう。上述したことを実現するために、自熱式改質器燃料電池装置内の各構成要素は、装置内で生じ得る許容できる圧力降下とそのような装置を現実的なものとするのに必要な大きさの上での制限、制約とを考慮するように設計される必要がある。従って、装置構成要素のいずれを用いても達成できる大きさと圧力降下のどのような節減も大いに望ましい。従って、本発明の主な目的は、自熱式改質器燃料電池装置内で有用な小型の予冷器を提供することである。
【０００４】
本発明の特定の目的は、最小限の圧力降下を確実なものとしながら、改質器出口気体の流れの温度を低下させるのに効果的な小型の予冷器を提供することである。
【０００５】
本発明のなおさらなる目的は、改質器出口気体の流れを所望の温度に効果的に冷却しかつ予冷器に使用される全ての水を蒸発させる、のに十分な滞留時間を与える小型の予冷器を、自熱式改質器と低温シフト変成装置の間に設けることである。
【０００６】
本発明のなおさらなる目的は、圧力降下を制限しながら効果的な仕方で改質器出口気体の流れを冷却する方法を提供することである。
【０００７】
本発明のさらなる目的、利点は、以下に明らかになるであろう。
【０００８】
【発明の開示】
上述した目的、利点は、近周囲圧力（ｎｅａｒ ａｍｂｉｅｎｔ ｐｒｅｓｓｕｒｅ）で作動する自熱式改質器燃料気体装置において、自熱式改質器と低温シフト変成装置の間に予冷器を設けることによる本発明によって得られる。予冷器は、噴霧水入口を含み、さらに改質気体用の入口を含み、この改質気体用入口は、噴霧水入口の周りに環状に配列されかつ予冷器の長手軸線に対して鋭角に配列された複数の噴出口を備え、それによって、この冷却器内に旋回しかつ再循環する改質気体の流れを生成することで、滞留時間を増大させ、それによって、高温の改質気体を効果的に冷却する。
【０００９】
しかしながら、留意されるように、熱水蒸気改質器、部分酸化装置などの他の型式の燃料処理装置も、そのような装置を組み込んだ燃料電池装置内での小型の予冷器の使用から利益を得ることができるであろう。
【００１０】
本発明は、さらに、冷却された改質気体が、気体の流れに実質的に水滴が存在しない所望の温度に確実になるように、近周囲圧力において作動する自熱式改質器からの改質出口気体を冷却する方法に向けられる。予冷器内の全ての水を蒸発させることで、この方法によって、予冷器の入口から予冷器の出口への最小限の圧力降下が確実になる。
【００１１】
本発明のさらなる特徴、利点は、添付の図面に例示される、本発明の好ましい実施態様の以下の詳細な説明に照らして、より十分に明らかになるであろう。
【００１２】
【発明を実施するための最良の形態】
本発明の装置の作用は、図１〜図４を参照して以下に説明する。
【００１３】
図１は、本発明の方法を実施するように本発明の予冷器を使用できる自熱式改質器燃料電池装置の概略図である。理解されるように、予冷器は、天然ガス、ガソリン、ディーゼル燃料、ナフサ、燃料油、同様の炭化水素などの燃料を使用する燃料処理装置を備えるどのような燃料電池装置内でも使用できる。本発明は、ガソリンを燃料とする自熱式改質器燃料電池装置内での使用に関して説明する。
【００１４】
図１をさらに参照すると、燃料電池装置１０は、自熱式改質器（ＡＴＲ）１２を含み、自熱式改質器１２は、ライン１４を通してガソリン、水蒸気、および空気から成る気体混合物を受け取り、この気体混合物は、改質器１２内で主に窒素、水素、二酸化炭素、水蒸気、および一酸化炭素から成る改質気体へと改質される。改質気体は、ライン１６を通って改質器から流出し、予冷器４０へ流入し、そこで、改質気体は、以下に説明するように本発明に従って処理される。改質器１２から排出された高温の改質気体は、予冷器４０へ流入するとき、約３１６から４８２℃（約６００から９００°Ｆ）の間の温度である。予冷器は、シフト変成装置２２内への導入の前に予冷器の出口ライン２０において、気体の流れの温度を、２６０℃（５００°Ｆ）より低い温度または２６０℃（５００°Ｆ）と同じ温度に低下させるように機能する。シフト変成装置２２は、窒素、二酸化炭素、水蒸気、一酸化炭素、および水素を含有する冷却された改質気体を受け取り、シフト変成装置から流出する気体が、主に窒素、二酸化炭素、および水素から成る気体混合物となるように、改質気体の一酸化炭素の大部分を変換させる触媒の存在下、改質気体を処理する。排出ライン２４は、気体混合物を選択的酸化器装置２６へ供給し、そこで、残っているどのような一酸化炭素も、さらに低減され、気体は、ライン２８により燃料電池３０へ供給される。
【００１５】
本発明の予冷器を使用するガソリンを燃料とする自熱式改質器燃料電池装置は、垂直下向きの配向で取り付けられた予冷器とともに近周囲圧力において作動するように構成される。従って、装置内の圧力降下は、非常に正確に制御する必要がある。燃料電池の定格出力で入口から出口へと予冷器を横断する圧力降下は、水柱２５．４ｃｍ（１０インチ）より小さい必要がある。さらに、予冷器の大きさは、空間容量が限られている移動式の燃料電池装置内で使用するために小型である必要がある。最後に、本発明の予冷器は、小型でありかつその入口から出口への圧力降下を最小限に抑えながら、高温の改質気体の温度を、シフト変成装置内で使用される触媒を損傷せずに装置が効果的に作動するような所望のシフト変成装置入口温度に低下させる必要もある。予冷器は、車両用燃料電池電力設備での使用が考えられたとはいえ、据え付け型燃料電池電力設備への他の用途も考えられる。
【００１６】
図２から図４は、大きさ、圧力降下、および温度低下に関する上述した仕様の全てを満たす本発明に従う予冷器構成を例示する。図２は、本発明の予冷器の断面図である。予冷器４０は、長手軸線Ａの周りに延びる細長い室４４を画成するハウジング４２を含む。ハウジング４２は、室４４への改質気体入口４６と、シフト変成装置への冷却された改質気体の排出のための冷却済改質気体出口４８とを画成する。再循環−冷却領域５２を内部に画成する直径ｄのスリーブ部材５０が、ハウジング４２内の室４４内に配置される。スリーブ５０は、当業技術内で知られるどのような仕方によっても室４４内に支持できる。スリーブ５０は、ハウジング４２の一部とともに環状空間５４を画成する。再循環−冷却領域５２への一次高温気体入口を画成するディスク部材（すなわち、スワーラー）５６が、スリーブ５０の上流側にある。この入口とディスク５６の詳細は、以下に説明する。図２、図３から理解できるように、ディスクには、ライン６２に接続されるノズル６０を受け入れる孔５８が設けられており、そして次に、ライン６２は、図示されない冷水源に接続される。
【００１７】
スリーブ５０は、環状空間５４を再循環−冷却領域と連通させるための複数の孔６４を含む。スリーブ５０内の孔６４は、好ましくは、混合機ノズル６０から下流へ１スリーブ直径の位置に配置される。孔の位置の変更は、０．５から１．５スリーブ直径とすることができ、１．０直径が好ましい。一列の孔だけが示されており、好ましいとはいえ、一列より多い列も、０．５から１．５スリーブ直径（ｄ）の間のさまざまな位置に使用できる。さらに、列ではなくて、孔は、任意に配置できる。シール６６が、環状空間５４内に設けられており、入口４６に流入する高温改質気体が、最初に本発明の再循環−冷却領域５２を通って流れずに、出口４８を通って排出され得ることが確実に生じないように、環状空間をシールする。高温改質気体は、ディスク５６内に設けられた一次入口を通って、あるいは、孔６４により構成される二次入口を通って、再循環−冷却領域５２へ流入する。孔６４を通って再循環−冷却領域５２へ流入する気体に比較したスワーラー５６により再循環−冷却領域５２へ流入する気体の割合は、５０／５０が好ましい。２つの流入位置の間で分割される気体の割合の変更は、２５／７５から７５／２５であり、５０／５０が好ましい。
【００１８】
ノズル６０は、内部で高温改質気体を冷却する再循環−冷却領域内へ導入する水を噴霧する。ノズル６０は、当業技術内で知られるどのようなノズルの形態をとることもでき、約１２．２ｋｇ／ｈｒ（約２７ｌｂｓ．／ｈｒ．）の水である定格流れ条件において約１００μｍより小さな水滴を与えるように構成する必要がある。
【００１９】
冷却された改質気体は、再循環−冷却領域５２から冷却済気体出口６８を通って流出し、冷却済気体出口６８は、この気体を、ハウジング４２の改質気体出口４８へ連通させる。室７０（蒸発領域）が、出口６８と出口４８の間に画成されており、本発明の好ましい実施態様においては、出口４８を通って排出される冷却された改質気体内に水滴が確実に存在しなくなるように、予冷器４０内で水滴の蒸発を完了させる高表面積材料を充填できる。さらに、室７０内に充填された材料は、出口４８を通る排出の前に改質気体の流れを冷却するのも助ける。室７０内に使用される適切な材料は、スチールウール、セラミックペレット、金属ペレット、網状セラミック発泡体、金属発泡体などを含む。
【００２０】
図３、図４から理解できるように、ディスク５６には、上述したように水ノズル６０を受け入れる中央開口部５８周りに配列された複数の孔が設けられる。孔８０が、長手軸線Ａに対して鋭角α（図４参照）にディスク５６を通る。この角度は、一般に４５°と８５°の間であり、約６０°が好ましい。さらに、孔すなわち噴出口８０は、ディスク周りに径方向に配置されており、それらは、長手軸線Ａと交差せず、むしろ、鋭角β（図３参照）にディスクを通って、プレート５６内の孔５８に対して実質的に接線となっている位置まで延びる。βは、４５°である。これについては、特に図３を参照のこと。上述したように噴出口８０を配置することで、噴出口８０を通って入口に流入する高温改質気体が、再循環−冷却領域５２内に旋回流を形成し、この旋回流は、噴霧水との改質気体の理想的な混合を与え、再循環−冷却領域内における改質気体の滞留時間を増大させる。また、スリーブ５０内に複数の入口６４を設けることで、入口６４を通って流入する高温改質気体によって、再循環−冷却領域内での高温気体および噴霧水のさらなる再循環が生じることになる。旋回、再循環流の結果として得られた増大された滞留時間は、２つの重要な機能を可能とする。第１に、再循環−冷却領域内に導入された水は、効果的に蒸発することができ、第２に、改質気体は、所望のように冷却されることになる。これは、装置をより小さくできる滞留時間の実質的増大があるという事実によって、本質的に小型の予冷器において達成される。
【００２１】
さらに、上述したように、必要とされる冷却された改質気体の流れが得られることに加えて、入口４６から出口４８への圧力降下を水柱２５．４ｃｍ（１０インチ）以下に制限するように、予冷器４０内での水の実質的に完全な蒸発を確実にすることが望ましい。水の完全な蒸発は、本発明の予冷器内において、（１）滞留時間を増大させ、（２）室７０内に高表面積材料を備えることによって、確実となる。高表面積材料７０は、気体の旋回流によりスリーブ５０の内壁上に形成されたどのような水滴も、確実に、この材料内へ入り込むとともに、出口４８を通る前にその内部で蒸発することになる。
【００２２】
上述したように、本発明の方法は、予冷器内の高温の改質気体を、約３１６から４８２℃（約６００から９００°Ｆ）の間の入口温度から好ましくは約２０４から２６０℃（４００から５００°Ｆ）の間の出口温度に冷却することを必要とする。さらに、改質気体の冷却を助けるのに使用するどのような水も、排出前に冷却領域内で完全に蒸発させる必要がある。定格出力条件で上述したことを確実にするために、特定のパラメータを維持する必要がある。改質気体の質量流量は、約１３１．５から１５８．８ｋｇ／ｈｒ（約２９０から３５０ｌｂｓ．／ｈｒ．）の間にする必要があり、水の質量流量は、約１１．３から１５．９ｋｇ／ｈｒ（２５から３５ｌｂｓ／ｈｒ．）の間であり、滞留時間は、３０ミリ秒より長く、３０から５０ミリ秒の間が好ましい。入口水温度は、約３７．８から６５．６℃（１００から１５０°Ｆ）の間が望ましい。さらに、室７０内の材料の表面積は、約１３．１から１９．７ｃｍ ² ／ｃｍ ³ （約４００から６００ｆｔ²／ｆｔ³ ）の間とする必要がある。また、上述したように、定格出力での改質気体入口から改質気体出口への圧力降下は、水柱２５．４ｃｍ（１０インチ）より小さい。組立体は、定格出力から、定格出力の１０％の流量までの流れ条件で作動できる。低い流れ条件では、水滴の大きさは、たとえ１００μｍより大きくなり得るとはいえ、増大された滞留時間によって、注入された水の完全な蒸発が可能となる。
【００２３】
理解されるように、本発明は、ここに説明しかつ示した例示に限定されず、この例示は、本発明を実施する最良の実施形態の例示に過ぎず、部品の形態、大きさ、配置の変更、および作動の詳細の変更が可能である。本発明は、むしろ、特許請求の範囲によって規定された本発明の精神、範囲内の全てのそのような変更を含むものとされる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の予冷器を使用する自熱式改質器燃料電池装置の概略図。
【図２】 本発明に従う予冷器を通る断面図。
【図３】 本発明の予冷器内で使用される再誘導（ｒｅｄｉｒｅｃｔ）高温気体入口の上面図。
【図４】 本発明の予冷器内で使用される高温気体入口の側断面図。

Claims (28)

1. 炭化水素燃料を水素と一酸化炭素を含有する改質気体に変換する改質器と、
   前記改質器の下流にあり、改質気体を水素と二酸化炭素を含有する気体の流れに変換するシフト変成装置と、
   前記シフト変成装置の下流にあり、このシフト変成装置からの前記気体の流れの中の水素を反応させる燃料電池と、
   前記シフト変成装置の上流で前記改質器と前記シフト変成装置の間にあり、前記シフト変成装置内への導入の前に改質気体を所望の温度に冷却するシフト変成装置予冷器と、
   を備える燃料電池装置であって、前記予冷器は、
   長手軸線周りに延びるとともに改質気体入口と改質気体出口を有する細長い室を画定する、ハウジングであって、前記長手軸線が鉛直方向に配置され、前記改質気体入口が前記改質気体出口に対して鉛直下方の位置に配置された、ハウジングと、
   前記改質気体入口と前記改質気体出口の間で前記長手軸線周りに前記室内に取り付けられ、再循環−冷却領域を画定し、前記ハウジングの一部とともに環状空間を画定し、冷却済気体出口と、少なくとも１つの高温気体入口と、を有するスリーブ部材であって、前記再循環−冷却領域が該スリーブ部材の内側に位置し、前記環状空間が該スリーブ部材と前記ハウジングとの間に画定される、スリーブ部材と、
   噴霧水入口を中央に有するディスクと、
   を備え、前記ディスクは、前記噴霧水入口の周りに環状に配列されかつ前記長手軸線に対して鋭角αに配列されるとともに前記再循環−冷却領域内に旋回しかつ再循環する改質気体の流れを生成する複数の噴出口を、前記少なくとも１つの高温気体入口として備えることを特徴とする装置。
2. 前記改質気体が前記改質気体入口から直接前記改質気体出口へと流れるのを防止するシールが、前記環状空間内に配置されることを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 前記スリーブ部材は、直径ｄを有するとともに、複数のさらなる入口を有しており、これらの入口は、前記噴霧水入口から下流に０．５ｄと１．５ｄの間の位置に配置され、前記環状空間を前記再循環−冷却領域と連通させることを特徴とする請求項２記載の装置。
4. 前記複数のさらなる入口は、好ましくは、前記噴霧水入口から１．０ｄの位置に配置されることを特徴とする請求項３記載の装置。
5. 前記複数の噴出口と前記複数のさらなる入口との間で分割される改質気体の割合は、２５／７５から７５／２５の間であることを特徴とする請求項３記載の装置。
6. 前記分割される改質気体の割合は、５０／５０であることを特徴とする請求項５記載の装置。
7. 前記鋭角αは、前記長手軸線Ａに対し４５°から８５°の間であることを特徴とする請求項１記載の装置。
8. 前記鋭角αは、前記長手軸線Ａに対し６０°であることを特徴とする請求項１記載の装置。
9. 前記複数の噴出口は、径方向内向きに前記噴霧水入口へ延びることを特徴とする請求項７記載の装置。
10. 前記複数の噴出口は、前記噴霧水入口に対して接線となるように延びることを特徴とする請求項９記載の装置。
11. 前記噴霧水入口は、噴霧ノズルから成ることを特徴とする請求項１記載の装置。
12. 前記改質気体出口は、前記冷却済気体出口から離れており、前記ハウジング内の前記改質気体出口と前記冷却済気体出口との間に蒸発領域を画成することを特徴とする請求項１記載の装置。
13. 前記蒸発領域は、高表面積の材料を含むことを特徴とする請求項１２記載の装置。
14. 前記材料は、スチールウール、セラミックペレット、網状セラミック発泡体、および金属発泡体から成る群より選択されることを特徴とする請求項１３記載の装置。
15. 長手軸線周りに延びるとともに改質気体入口と改質気体出口を有する細長い室を画定する、ハウジングと、
    前記改質気体入口と前記改質気体出口の間で前記長手軸線周りに前記室内に取り付けられ、再循環−冷却領域を画定し、前記ハウジングの一部とともに環状空間を画定し、冷却済気体出口と、少なくとも１つの高温気体入口と、を有するスリーブ部材であって、前記再循環−冷却領域が該スリーブ部材の内側に位置し、前記環状空間が該スリーブ部材と前記ハウジングとの間に画定される、スリーブ部材と、
    噴霧水入口を中央に有するディスクと、
    を備え、前記ディスクは、前記噴霧水入口の周りに環状に配列されかつ前記長手軸線に対して鋭角αに配列されるとともに前記再循環−冷却領域内に旋回しかつ再循環する改質気体の流れを生成する複数の噴出口を、前記少なくとも１つの高温気体入口として備えることを特徴とする気体冷却装置。
16. 前記改質気体が前記改質気体入口から直接前記改質気体出口へと流れるのを防止するシールが、前記環状空間内に配置されることを特徴とする請求項１５記載の装置。
17. 前記スリーブ部材は、直径ｄを有するとともに、複数のさらなる入口を有しており、これらの入口は、前記噴霧水入口から下流に０．５ｄと１．５ｄの間の位置に配置され、前記環状空間を前記再循環−冷却領域と連通させることを特徴とする請求項１６記載の装置。
18. 前記複数のさらなる入口は、好ましくは、前記噴霧水入口から１．０ｄの位置に配置されることを特徴とする請求項１７記載の装置。
19. 前記複数の噴出口と前記複数のさらなる入口との間で分割される改質気体の割合は、２５／７５から７５／２５の間であることを特徴とする請求項１７記載の装置。
20. 前記分割される改質気体の割合は、５０／５０であることを特徴とする請求項１９記載の装置。
21. 前記鋭角αは、前記長手軸線Ａに対し４５°から８５°の間であることを特徴とする請求項１５記載の装置。
22. 前記鋭角αは、前記長手軸線Ａに対し６０°であることを特徴とする請求項１５記載の装置。
23. 前記複数の噴出口は、径方向内向きに前記噴霧水入口へ延びることを特徴とする請求項１５記載の装置。
24. 前記複数の噴出口は、前記噴霧水入口に対して接線となるように延びることを特徴とする請求項２３記載の装置。
25. 前記噴霧水入口は、噴霧ノズルから成ることを特徴とする請求項１５記載の装置。
26. 前記改質気体出口は、前記冷却済気体出口から離れており、前記ハウジング内の前記改質気体出口と前記冷却済気体出口との間に蒸発領域を画成することを特徴とする請求項１５記載の装置。
27. 前記蒸発領域は、高表面積の材料を含むことを特徴とする請求項２６記載の装置。
28. 前記材料は、スチールウール、セラミックペレット、網状セラミック発泡体、および金属発泡体から成る群より選択されることを特徴とする請求項２７記載の装置。

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