JP4418851B2 - 燃料および空気を反応させて改質ガスにするシステム - Google Patents

燃料および空気を反応させて改質ガスにするシステム Download PDF

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Description

本発明は、反応スペースをもつ改質器と、反応スペースに燃料／空気混合気を供給するためのノズルと、ノズルに燃料を供給するための少なくとも１つの供給配管と、ノズルに空気を供給するための少なくとも１つの入口経路とを含む、燃料および空気を反応させて改質ガスにするシステムに関する。
化学エネルギーを電気エネルギーに変換するためのシステムが一般的に使用される。この目的のために、燃料および空気が、好ましくは燃料／空気混合気の形で、改質器に供給される。それから改質器の内部で、好ましくは部分酸化プロセスを実施することによって、燃料が大気中の酸素と反応する。
こうして製造された改質ガスは、それから燃料電池または燃料電池のスタックにそれぞれ供給され、改質ガスの一部としての水素および酸素の制御された反応によって電気エネルギーが放出される。
すでに述べたように、改質ガスを製造するために部分酸化プロセスが実施されるように改質器を設計することは可能である。この場合、燃料としてディーゼルを使用する場合、部分酸化の前に予備反応を実施することが特に有用である。このようにして、長連鎖のディーゼル分子を、最後に改質器の動作を促進させる「冷炎」を伴う短連鎖の分子に変換することができる。一般に、混合気は改質器の反応域に供給され、Ｈ2とＣＯに変換される。改質器の別の成分は、空気由来のＮ2や、空気中の割合および温度に依存しているが、おそらくＣＯ2、Ｈ2Ｏ、及びＣＨ4である。通常運転では、燃料の質量流量は必要な電力に対応して制御され、空気の質量流量は、λ＝０．４の範囲の空気比を得るように制御される。改質反応を様々なセンサ、例えば温度センサおよび気体センサで監視することができる。
部分酸化プロセスの他に、自熱改質を同様に実施することができる。自熱改質とは対照的に、部分酸化プロセスは、理論値に満たない量の酸素が供給されることが引き起こされる。例えば、混合気はλ＝０．４の空気比をもつ。部分酸化は発熱反応であり、したがって改質器の所望されていない加熱が、問題がある方法で起こることがある。又、部分酸化が増大したすすの形成をもたらす傾向がある。すすの形成を防止するために、空気比λをより小さく選ぶことができる。これは、酸化に使用される酸素の一部が蒸気によって供給されて実現される。蒸気を伴う酸化は吸熱反応なので、全体として、熱が放出されず、また消費されないように、燃料、酸素および蒸気の割合を調整することが可能である。したがって、このように実現された自熱改質は、すすの形成および改質器の所望されない過熱の問題を取り除く。
改質器の内部で、酸化の後にさらに気体を処理する工程を実施することも同様に可能であり、特に部分酸化の下流側でメタン化させることが可能である。
例えば、一般に使用される燃料電池システムは、一般に室温と約１００°Ｃの間の動作温度で動作することができるＰＥＭシステム（ＰＥＭ＝水素イオン交換膜）である。低い動作温度のため、このタイプの燃料電池はしばしば移動式の応用例、例えば自動車で使用される。
又、高温燃料電池は、いわゆるＳＯＦＣシステム（ＳＯＦＣ＝固体酸化物燃料電池）として知られている。これらのシステムは、例えば、固体電解質（固形酸化物）が温度範囲約８００℃で動作することによって、酸素イオン輸送を行うことができる。そのような高温燃料電池の利点は、特にＰＥＭシステムと比較して、機械的および化学的負荷に対して頑丈なことにある。
一般的なシステムに関連する燃料電池の応用分野として、固定した応用例だけでなく、自動車分野の応用例、例えば補助電源装置（ＡＰＵ）も考えられる。
改質器の信頼のおける動作のため、燃料または燃料／空気混合気をそれぞれに改質器の反応スペースに適切な方法で供給することが重要である。例えば、燃料および空気の十分な混合、ならびに改質器の反応スペースでの燃料／空気混合気の十分な分布は改質器の動作のために有利である。この開示の範囲内で、改質器の反応スペースに導入されるべき、または導入された物質について言及するとき、燃料／空気混合気について常に言及されている。しかし、導入された物質を燃料および空気の混合気に限定するものではない。むしろ、自熱改質の場合での蒸気など、他の物質も追加で導入することもできる。ここでは、燃料／空気混合気という用語は、この一般的な形で理解されたい。
本発明の基礎となる目的は、改質器の反応スペースに燃料／空気混合気を導入することに関して有利な特性を有する、燃料および空気を反応させて改質ガスにするためのシステムを提供することである。
この目的は、独立クレームの特徴によって解決される。
本発明の有利な実施形態および発展は、従属クレームに示されている。
本発明は、ノズルが燃料を供給するための少なくとも１つの供給配管がほぼ軸方向および中心方向へ通じると共に、少なくとも１つの入口経路がほぼ接線方向へ通じ、そしてノズル出口へ抜け出ている渦流室を有し、前記渦流室がその中へ気体媒体用の入口経路が通じている先が狭くなる螺旋経路と、ノズル出口へ向かう方向で軸方向に渦流室と近接し、燃料を供給するために前記供給配管路を通じ、ノズル出口へ抜け出ているギャップ・スペースと、を含む一般的なシステムに基づいている。したがって、本発明の配置は、すなわち一般的な液体媒体用の燃料供給が前記ギャップ・スペースの方へ通じる一方で、空気または気体媒体用の前記入口経路が一般的に環状スペースに通じることをもたらす。前記のものは、順々に前記ノズル出口に通じており、その周辺エッジを通って環状スペースに合流するか、または前記のものに通じるかしている。したがって、環状スペースは、渦室の機能を果たし、その渦流室の中に気体媒体が比較的大きな内径を通って少なくともほぼ接線方向に渦流室の中心長手方向軸から比較的大きな距離をおいて導入される。この渦室または螺旋経路から、それぞれ気体媒体が小さな軸方向延長部をもつ室内に導入される。この場合は、この室をギャップ・スペースと呼ぶ。小さい軸方向の延長部は、相当低い圧力損失を保証できるように選択される。螺旋経路とギャップ・スペースから構成される渦流室を提供する本発明のシステムにおける必須の態様は、気体媒体を環状スペースに低速で導入し、前記のものをその中で加速して、前記のものを高速でギャップ・スペースに導入することを目的とした回転の維持に関係する。この場合も又ノズル出口と呼ばれるギャップ・スペースの軸方向出口において、それによって負圧が供給されることによりギャップ・スペースを通って軸方向に流れる液体媒体が霧状にされる。従来技術でよく知られた遠心送風機のディフレクタの設計の通常の態様に従って、螺旋経路のレオロジーの設計を実施することができる。
本発明によるシステムは、渦流経路の一方の端壁、すなわち内壁または外壁が円筒形形状に形成されており、渦流経路の他方の端壁が螺旋形状に形成されている点において特に有利な設計をもつ。このようにして、螺旋形状部品および前記のものの中心に挿入された円筒形部品を備える機械加工された部品から、螺旋経路を２つの部品で製造することができる。
特に好ましくは、液体媒体用の入口経路が、ノズル出口に対して同軸に配置される。
具体的には、液体媒体が、こうして中心長手方向軸と軸合わせをした、渦流室のギャップ・スペースに小さい内径を通って中心へ送り込まれ、前記内径に直接対向するギャップ・スペースの側で、別のより大きな内径を通って放出される。すなわちそのより大きな内径がノズル出口を形成する。
この接続において、ノズル出口が、渦流室のギャップ・スペースのエンド・プレート内でノズル内径によって画定されることが特に好ましい。
ギャップ・スペース側のノズル出口内径のエッジを、液体および気体媒体の混合気をノズル出口に送り出すのに必要な圧力を最小に抑えるために、丸くすることができる。別の有利な実施形態では、同じ目的のために、このエッジを面取りし、または鋭角にすることも可能である。
特に有利な方法では、本発明によるシステムは、ノズル出口の軸方向の長さが、０．０５ｍｍから１ｍｍ、特に０．１ｍｍから０．５ｍｍであるように構成される。
特に好ましくは、二次空気が反応スペースに流入できるような手段が提供される。この接続において、ノズルを通って反応スペースに入る空気、すなわち燃料／空気混合気にある空気を一次空気と呼ぶことができる。二次空気が、反応スペースのハウジング内の二次空気内径を通って有利に送り出される。空気を一次空気と二次空気に分けることは、ノズルの出口において濃厚で簡単に着火可能な混合気を提供するために有用であり得る。これは、ここでは改質器がバーナの方法で有利に動作するので、このシステムの始動動作の際に特に有用である。
本発明は、ノズルが予熱プラグを保持するための手段をもつ点において有利に発展させられる。ノズルに対する予熱プラグの位置は、改質器の優れた始動挙動に関する重要な要素である。従来技術の装置では、予熱プラグは、一般に改質器のハウジングによって保持されるので、これはノズルに対する位置の変動をもたらすことがあった。ノズル自体は予熱プラグを保持する手段を有する発明性のあるノズルの特性によって、そのような誤差を排除することができる。この予熱プラグは、ノズルに対して常に同じ位置をとる。
本発明の別の好ましい実施形態では、予熱プラグを保持する手段をノズル軸に対してある角度なして延びる内径として実現することが理解される。適切な位置決めのためには、そのとき予熱プラグが内径中に単に導入されるだけである。予熱プラグの上、かつ／または内径の内部での停止が、予熱プラグがノズルに対して最適な位置に導かれることを保証する。
本発明は、螺旋経路とギャップ・スペースから構成される渦流室を用いて、特に有利な回転の維持が得られるという知識に基づいている。その結果、気体媒体、すなわち特に空気を環状スペース中に低速で導入することができると共に、前記のものをその中で加速することができ、そこから前記のものを高速でギャップ・スペース中に導入することができる。このようにして、負圧がギャップ・スペースの出口でもたらされ、したがってギャップ・スペース中を流れる液体媒体、すなわち特に燃料がそれぞれ霧化されまたは霧状にされる。
次に、本発明を、添付の図面に関する好ましい実施形態を用いた実施例によって説明する。
以下の図の説明において、同じまたは類似の構成要素は、同じ参照番号で示される。
図１は、本発明を使用できるシステムの概略ブロック回路図を示す。ポンプ２４０を通って、燃料２１６が改質器２１４に供給される。さらに、空気２１８が、送風器２４２を通って改質器２１４に供給される。弁手段２２２を経て、改質器２１４で製造された改質ガス２２０が燃料電池２１２の陽極２２４に達する。送風器２２６を通って、陰極供給空気２２８が燃料電池２１２の陰極２３０に供給される。燃料電池２１２は、電気エネルギー２１０を発生する。陽極廃棄ガス２３４および陰極廃棄空気２３６は、バーナ２３２に供給される。改質ガスも同様に、弁手段２２２を通ってバーナ２３２に供給することができる。熱交換器２３８内で、バーナ２３２に発生した熱エネルギーを陰極廃棄空気２２８に供給し、これにより前記のものが予熱される。廃棄ガス２５０は、熱交換器２３８から流出する。
以下に図示する図に関して記載するシステムは、燃料／空気混合気を改質器２１４に供給するために使用することができる。
図２に参照番号１０で全体として示された低圧噴霧器は、改質器の壁１２に挿入された二流体ノズル１１を含む。詳細には、二流体ノズル１１は、壁１２の円筒形盲穴内径２７に後側から同一平面で挿入されている中実の円筒形ベース本体１３を含む。盲穴内径２７を画定する比較的薄肉の壁１２の壁部分１２Ａは、円筒形開口２８によって遮られる。図２の右側で二流体ノズル１１の改質器への出口に対応するベース本体１３は、先が狭くなる螺旋経路１９の外部エッジを画定する凹部１６をもつ。
螺旋経路１９の内部には、ベース本体１３に対して同軸で、螺旋経路１９よりも長い軸方向延長部を有する盲穴の形状をした円筒形凹部１５が設けられる。螺旋経路１９へ軸方向に延びている前記凹部から突き出して、その螺旋経路の内部輪郭を画定する中実の円筒形部１７は、凹部１５の内部に固く静合して挿入される。螺旋経路１９は、二流体ノズル１１の渦流室の一部を形成する。気体媒体用の入口経路１８は、前記のものに接線方向へ通じている。入口経路１８は、その一番広い点で連続的に螺旋経路１９に合流する。螺旋経路１９は、その内側で一番狭い点で、分離リブ２０によって前記のものから分離されており、入口経路１８を基準に約３６０度の後の内側で終了する。盲穴内径２７は、その前端（ノズル出口端）で、エンド・プレート２１によってほとんど完全に閉じられており、ノズル出口２３を形成する中央ノズル内径によってだけ遮られる。中実の円筒部１７の軸方向延長部は、円筒部１７の前端表面（図２の右側表面）とエンド・プレート２１との間で、円筒部１７の端部表面が円形形状を有し、かつ全周囲にわたって螺旋経路１９に合流することによってギャップ・スペース２２が残されるように選択される。螺旋経路１９およびギャップ・スペース２２は、一緒になって二流体ノズル１１の渦流室を形成する。
ノズル出口２３を形成するノズル内径は、中心長手方向軸１４と軸合わせをしてエンド・プレート２１内に形成される。
二流体ノズル１１は、又液体媒体、特に燃料用供給配管２４も含んでおり、中心長手方向軸１４に対して同軸で延びる中実の円筒部１７の内径２５によって横切られ、内径２５の延長部により同一平面で受けられている。内径２５は、後側から進んできた円筒部１７内に組み込まれ、円筒部１７のほぼ半分の軸の長さまで延びる。円筒部１７内のこの内径に隣接して、より小さい直径の内径２６が設けられており、ギャップ・スペース２２に通じている。ギャップ・スペース２２の軸方向延長部は、むしろ低い圧力損失に応じて比較的小さくなっている。
二流体ノズル１１のベース本体１３は、中心長手方向軸に対してある角度をなして延びている内径（図示せず）を加えて有することができる。この目的のために、ベース本体１３は、図示されたものより大きい直径を有するか、あるいは、螺旋経路１９をより小さい必要スペースに配置することができる。その結果、そのような内径（図示せず）は予熱プラグ（図示せず）を受けることができるので、ノズル内径２３に対して予熱プラグ（図示せず）の位置をほとんどいかなる誤差もなく画定することができる。
低圧噴霧器１０の動作は、以下の通りである。入口経路１８を通って、気体媒体、特に空気が渦流室の螺旋経路１９に送り込まれ、この空気が螺旋経路を通って、一定の圧力下にある渦流室のギャップ・スペース２２に流れ込む。内径２６を通って、液体媒体、特に燃料がギャップ・スペース２２に送り込まれ、この燃料が加圧された気体媒体によって対向するノズル出口２３から放出され、それによって純度の高い液滴に引き裂かれる。
例えば、燃料を流量５００ｇ／時で導入することが望まれる場合、二流体ノズル１１の典型的寸法は、以下の通りである。すなわち、中心長手方向軸１４からの入口経路１８の距離は約８ｍｍであり、自由断面は約４ｍｍである。ギャップ・スペース２２の軸方向延長部は約０．６５ｍｍである。ノズル出口２３を形成するノズル内径の直径は、約２ｍｍで、その長さは０．０５ｍｍから１ｍｍ（最大の長さは約０．５ｍｍから１ｍｍ）である。そのような寸法の二流体ノズル１１の場合、液体媒体を霧状にするのに必要な最低圧力は３０ｍｂａｒである。
上記の説明、図面、および特許請求の範囲に開示された本発明の特徴は、個別にまたいかなる組み合わせの両方で本発明を実現するために必須であり得る。
本発明を使用することができるシステムの概略ブロック回路図である。 本発明によるシステムに使用するためのノズルの実施形態の部分軸方向の断面を示す図である。 図２に示すノズルの渦流室の環状スペースの断面を示す図である。
符号の説明
１０…低圧噴霧器、１１…二流体ノズル、１２…壁、１２Ａ…壁部分、１３…ベース本体、１４…中心長手方向軸、１５…円筒形凹部、１６…凹部、１７…円筒形部分、１８…入口経路、１９…螺旋経路、２０…分離リブ、２１…エンド・プレート、２２…ギャップ・スペース、２３…ノズル内径、２４…供給配管、２５…内径、２６…より小さい直径の内径、２７…盲穴内径、２８…開口（１２中の）、２１０…電力、２１２…燃料電池、２１４…改質器、２１６…燃料、２１８…空気、２２０…改質ガス、２２２…弁手段、２２４…陽極、２２６…送風器、２２８…陰極供給空気、２３０…陰極、２３２…バーナ、２３４…陽極廃棄ガス、２３６…陰極廃棄空気、２３８…熱交換器、２４０…ポンプ、２４２…送風器、２５０…廃棄ガス

Claims (10)

  1. 反応スペースをもつ改質器（２１４）と、燃料／空気混合気を前記反応スペースに供給するためのノズル（１１）と、燃料（２１６）を前記ノズルに供給するための少なくとも１つの供給配管（２４）と、空気を前記ノズルに供給するための少なくとも１つの入口経路（１８）とを含む、燃料（２１６）および空気（２１８）を反応させて改質ガス（２２０）にするシステムにおいて、
    前記ノズル（１１）は、渦流室（１９，２２）を含み、前記渦流室へ燃料（２１６）を供給するための前記少なくとも１つの供給配管（２４）は、ほぼ軸方向および中心方向へ前記渦流室に通じ、かつ、前記少なくとも１つの入口経路（１８）は、ほぼ接線方向へ前記渦流室に通じ、前記渦流室からノズル出口（２３）が出ており、
    前記渦流室（１９、２２）は、その中に気体媒体用の前記入口経路（１８）が通じる先が狭くなる螺旋経路（１９）と、前記ノズル出口（２３）へ向かう方向へ軸方向で前記渦流室に近接するギャップ・スペース（２２）とを含み、前記ギャップ・スペースへ燃料（２１６）を供給するための供給配管路（２４）が通じており、前記ギャップ・スペースからノズル出口（２３）が出ることを特徴とするシステム。
  2. 前記螺旋経路（１９）の一方の端壁（内壁または外壁）は、円筒形形状を有し、他方の端壁は、螺旋形状を有することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
  3. 液体媒体用の入口経路（２６）は、前記ノズル出口（２３）に対して同軸に配置されることを特徴とする請求項１または２に記載のシステム。
  4. 液体媒体は、前記渦流室（１９、２２）の中心長手方向軸（１４）と軸合わせされた内径（２５、２６）を通って、前記ギャップ・スペースに対して中心に送り込まれ、前記内径（２５、２６）に直接対向する前記ギャップ・スペース（２２）の側から、前記ノズル出口（２３）を形成する別の内径を通って放出され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システム。
  5. 前記ノズル出口（２３）は、前記渦流室（１９、２２）の前記ギャップ・スペース（２２）のエンド・プレート（２１）内のノズル内径によって画定されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のシステム。
  6. 前記渦流室（１９、２２）の前記ギャップ・スペース（２２）側の前記ノズル出口（２３）のエッジは、丸くされ、面取りされ、または鋭角にされることを特徴とする請求項４に記載のシステム。
  7. 前記ノズル出口（２３）の軸の長さが、０．０５０ｍｍから１ｍｍであることを特徴とする請求項４または５に記載のシステム。
  8. 前記ノズル（１１）は、予熱プラグを保持する手段を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載のシステム。
  9. 前記予熱プラグを保持する手段は、前記ノズル軸に対してある角度をなして延びる内径として実現されることを特徴とする請求項８に記載のシステム。
  10. 前記ノズル出口（２３）の軸の長さが、０．１ｍｍから０．５ｍｍであることを特徴とする請求項４または５に記載のシステム。
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