JP4546736B2 - Ｐｅｍ型燃料電池電力設備用の水蒸気発生器 - Google Patents

Description

本発明は、高分子電解質膜（ＰＥＭ）型燃料電池電力設備の作動に付随するさまざまな種類の燃料を燃焼させる水蒸気発生器アッセンブリに関する。より詳細には、本発明は、アノード排出物流れを燃焼させて燃料電池電力設備に使用するための水蒸気を生成するガソリン燃焼器および触媒燃焼器の両方を含む燃焼器アッセンブリを用いる、上述した特徴を有する水蒸気発生器アッセンブリに関する。

高分子電解質膜（ＰＥＭ）型燃料電池は、一般には約１００°Ｆ（３８℃）から約２００°Ｆ（９３℃）の範囲の相対的に低い温度で、通常は本質的に周囲圧力で作動する。ＰＥＭ型電池のアノード排出物気体流れは、主に、水、二酸化炭素、および少量の水素を含有する。効率と放出の理由で、燃料が燃料電池電力設備を通過した後にアノード排出物気体流れの中に残っている燃料は、ＰＥＭ型電池電力設備の作動中に使用される必要がある。しかしながら、これは、従来の均一燃焼器を用いては行うことができない。作動のための付加的なエネルギーを提供するように燃料電池電力設備からのアノード排出物気体流れを従来利用できないのは、ａ）アノード排出物流れの中の水およびＣＯ₂含有量が高く、また、ｂ）アノード排出物流れの水素含有量が低いからである。

電力設備の作動のためのエネルギーを提供してシステム効率を向上させるように、また放出レベルを低減するように、ＰＥＭ型燃料電池電力設備内のアノード排出物気体流れを利用できるのは、有利なことである。

本発明は、電力設備の作動のためのエネルギーを提供するようにＰＥＭ型燃料電池電力設備のアノード排出物流れを利用するためのシステムに関する。本発明は、アノード排出物気体流れの燃焼に、燃料電池電力設備内の改質器のための水蒸気を生成するのに使用できる熱を生成させる。また、本発明は、より低い質のアノード排出物燃料を処理するように設計された触媒および熱交換器構成部材に損傷を与えずに、従来の燃料の燃焼を可能とすることにより、始動可能性を提供する。本発明の燃焼装置は、触媒燃焼器部材の前にガソリン（または他の従来の燃料）均一燃焼器（アノード排出物と空気のための混合器として機能する）を備える、組合せ燃焼器／混合器アッセンブリを含む。燃焼器アッセンブリは、さらに、１つまたは複数の熱交換コイルを含み、この熱交換コイルを通って水が流れ、水は、燃料の燃焼またはアノード排出物流れの燃焼によって水蒸気に変換される。

ＰＥＭ型燃料電池電力設備は、低温電力設備であり、約１００°F（３８℃）から約２００°F（９３℃）の範囲の温度で、好ましくは約１８０°F（８２℃）で、また、好ましくは実質的に周囲圧力で作動する。任意の形態の水蒸気改質器を使用するＰＥＭ型燃料電池では、電池スタック廃熱からの水蒸気生成は、それが、４００°F（２０４℃）のリン酸型電池を用いるようには随意でなく、そのため、代替の水蒸気生成方法が必要である。その結果、アノード排出物エネルギーが、水蒸気を生成するための主要な熱源であるが、アノード排出物は、主に、少量のＨ₂、ＣＯ₂、水の蒸気、自熱式改質器の場合はさらにいくらかのＮ₂から成る。アノード排出物流れの中の水素は、通常、標準的な燃焼可能性レベルより少なく、従って、触媒燃焼器が必要となる。

従って、本発明の目的は、ＰＥＭ型燃料電池電力設備のアノード側からの排出物気体流れを燃焼させるように機能する触媒燃焼器を利用するＰＥＭ型燃料電池電力設備を提供することである。

図面をここで参照すると、図１には、本発明に従って形成され、全体が番号１２によって示される、固体高分子電解質膜（ＰＥＭ）型燃料電池電力設備の概略図が示される。電力設備１２は、改質器１６のための水蒸気を生成するとともに、始動時に電力設備部品の温度を上昇させるための熱を供給する、複数燃料燃焼器／水蒸気発生ステーション１４を含む。改質器１６は、ガソリン、ディーゼル、エタノール、メタノール、天然ガス、その他などの炭化水素燃料を、電力設備１２内の活性燃料電池スタック１８に使用するのに適した水素に富む気体の流れに変換する。水蒸気発生器ステーション１４は、水蒸気を生成し、この水蒸気は、ライン２０を介して改質器１６に供給される。改質される燃料は、ライン２２を介して改質器１６に供給され、自熱式改質器の場合は、空気が、ライン２４を介して改質器１６に供給される。改質済み燃料気体流れは、ライン２６を介して改質器から流出し、熱交換器２８を通過し、熱交換器２８は、改質済み燃料気体流れを冷却する。改質済み燃料気体流れは、次に、シフト反応ステーション３０を通って流れ、そこで、燃料気体流れの中のＣＯの大部分が、ＣＯ₂に変換される。燃料気体流れは、ライン３２を介してステーション３０から流出し、熱交換器３４を通過し、そこで、燃料気体流れは、冷却される。燃料気体流れは、次に、選択的酸化器３６を通過し、そこで、燃料気体流れの中に残っているＣＯは、さらに、低減され、それから、ライン３８を通して電力設備の燃料電池スタック１８に供給される。改質済み燃料は、スタック１８内の燃料電池のアノード側を通過する。

始動時に、燃料気体流れは、ライン５２を通してライン３８から抜き出されることによりスタックをバイパスし、ライン５２は、加熱のための付加的な燃料を提供するとともに放出を最低限に抑えるために、燃焼器／混合器水蒸気発生器ステーション１４に接続する。弁５４が、ライン５２を通る燃料の流れを制御するように機能し、弁５４は、燃料電池電力設備作動プロセッサコントローラ（図示せず）によって駆動される。ステーション１４からの燃焼器排出物は、ライン５６を介してステーション１４から除去され、ライン５６は、排出物の流れを凝縮器５８に導き、そこで、水が、排出物の流れから凝縮する。水凝縮物は、凝縮器５８からライン６０を通して水タンク４８に移動され、脱水済み排出部流れは、排出口６２を通して電力設備１２から排出される。水貯蔵タンク４８からの水は、ライン６４を通して水蒸気発生器ステーション１４に供給される。

一旦、燃料電池電力設備１２が、作動温度に到達すると、弁５４は、閉にされ、ライン６８内の弁６６が、電力設備コントローラによって開にされることになる。ライン６８は、燃料電池スタックのアノード排出物流れをステーション１４に導き、そこで、アノード排出物流れの中の炭化水素は、燃焼される。アノード排出物流れは、水と炭化水素を両方とも含有する。電力設備１２の始動時に、ステーション１４には、ライン７０を通して空気と、ライン７２を通して燃焼のための原料燃料と、さらには、ライン５２を通して供給されるアノードバイパス気体とが供給できる。燃料は、天然ガス、ガソリン、エタノール、メタノール、水素、または他の燃焼可能な物質とすることができる。空気は、燃焼可能燃料の供給源にかかわらず、常に、ライン７０を通してステーション１４に供給される。

図２をここで参照すると、電力設備１２の燃焼器／混合器水蒸気発生器ステーション１４の一実施態様の詳細が示される。ステーション１４は、第１の混合器／燃焼器室７４を含み、そこで、燃料（燃料分の少ない燃料アノード排出物以外）と空気が、始動時に水蒸気を生成するように、旋回安定化燃焼式の燃焼器内で燃焼される。このガソリン燃焼器の高温排出物は、第１の熱交換器８２を通過し、第１の熱交換器８２は、ガソリン燃焼器排出物の温度を、触媒燃焼器２に許容可能なレベルに低減する。触媒燃焼器２は、ガソリン燃焼器排出物流れによって加熱され、さらに、それは、ガソリン燃焼器からの一酸化炭素放出を低減するのに使用される。気体流れディフューザ３が、ガソリン燃焼器排出物またはアノード排出物の拡散流を触媒燃焼器２に提供するのに使用され得る。

ガソリン始動燃焼器は、２つの目的を有する。始動時に、触媒燃焼器が作動する前に、それは、水蒸気発生のための高温気体を生成するのに使用される。それは、微細に霧化されたガソリン液滴を空気と混合しかつガソリンを燃焼させることにより、これを行う。ガソリンは、圧力噴霧燃料噴射器によって燃焼器内へ導入され、スワーラ、さらに一連の一次および二次希釈孔を通って流入する空気と混合される。空気入口孔の適切な大きさおよび配置によって、燃料噴射器の近傍に安定した再循環区域が形成され、これによって、一旦、点火が生じると点火器を駆動する必要なしに、安定した燃焼が保証される。また、これによって、燃料の完全な燃焼と、相対的に均一な出口温度プロフィールが生じる。

ガソリン燃焼器の他の目的は、触媒燃焼器で燃焼させる前に空気とアノード排出物気体を予混合する、空気／アノード排出物混合器としてのものである。始動燃焼器は、電力設備の作動に必要とされる水蒸気を生成するためにアノード排出物中に残留する水素が触媒燃焼器で燃焼されるときの通常の電力設備の作動中は、この混合器モードで機能する。

燃料処理システムの始動時に、ガソリン燃焼器７４からの高温気体は、水に熱を移動するのに使用され、この水は、循環ポンプ７８によって、第１の熱交換器８２を通り、それから第２の熱交換器８８、さらには第３の熱交換機８９を通ってポンプ供給される。循環ポンプの流量は、いつでも熱交換器８２、８８、および８９内で二相流を維持するのに十分に高いものである。維持される二相（液体／気体）成分流れは、制御に必要なものを単純化し、熱交換器の大きさを制限する。この二相流の流れは、水蒸気アキュムレータ７６内へとポンプ供給され、そこで、液体水は、また熱交換器８２、８８、および８９を通して再循環され、一方、飽和水蒸気は、燃料処理システムに使用するためにアキュムレータ７６から抽出される。循環ポンプ７８への供給水は、適切なレベルにアキュムレータ内の液体レベルを維持するように提供される。燃料処理システムが、低質改質物を生成し始めると、この改質物は、燃料電池のアノードをバイパスし、ガソリン燃焼器７４の混合セクション内へ供給されて、燃焼される。

通常作動中は、燃料電池アノード排出物は、空気と一緒に燃焼器／混合器７４に供給される。燃焼器／混合器７４は、空気／アノード排出物混合器として機能する。燃料電池アノード排出物を空気と混合した後で、結果として得られる混合物は、始動段階中にガソリン燃焼器として作動するその能力を低減せずに、触媒燃焼器２内へ供給される。アノード排出物混合物は、触媒燃焼器２内で触媒的に燃焼される。触媒燃焼器２からの放射熱および対流熱は、熱交換器コイル８８へと移動し、対流熱移動の残りは、熱交換器８９内で生じる。始動作動中に、循環ポンプ７８は、熱交換器内で二相流を維持し、飽和水蒸気は、アキュムレータ７６から抽出される。

容易に理解されるように、本発明のアッセンブリによって、アノード排出物の使用は、アッセンブリ内に触媒燃焼器を備えることに起因して、ＰＥＭ型燃料電池電力設備を作動させるための水蒸気生成用の熱源として使用されるのが可能となる。補助ガソリンまたは他の従来の炭化水素燃料燃焼器を備えることで、アッセンブリは、電力設備のための水蒸気を生成するエネルギー供給源としてアノード排出物流れを使用する前に、作動温度まで燃料電池電力設備を到達させることができる。アッセンブリの補助燃焼器部分内に空気スワーラを備えることで、アッセンブリの触媒燃焼器部分内での燃焼の前にアノード排出物流れと空気の適切な混合が可能となる。

本発明に従って形成されたアノード排出物気体流れ燃焼ステーションを含む固体高分子電解質膜型燃料電池電力設備アッセンブリの概略図。 本発明の電力設備アッセンブリに使用するための燃焼器／水蒸気発生ステーションの一実施態様の概略図。

Claims (5)

1. 燃焼器アッセンブリが、ＰＥＭ型燃料電池組立体内の電池スタックから出るアノード排出物気体を燃焼させるように作動可能である、高分子電解質膜（ＰＥＭ）型燃料電池電力設備の燃焼器アッセンブリであって、
   ａ） 触媒燃焼器と、
   ｂ） 触媒燃焼器に隣接しかつその中に開いている空気／アノード排出物気体混合ステーションと、
   ｃ） 触媒燃焼器と熱交換関係に配置された少なくとも１つの熱交換器と、
   を備え、
   熱交換器は、触媒燃焼器内で燃焼されるアノード排出物気体と空気の混合物から触媒燃焼器によって生成される熱を用いることによって、熱交換器内に含まれる水を、水と水蒸気の二相混合物に変換するように作動可能であり、
   前記燃焼器アッセンブリは、混合ステーションに付随してガソリンまたは他の従来の燃料の燃焼器をさらに含み、この従来の燃料の燃焼器は、ＰＥＭ型燃料電池電力設備の始動時に従来の燃料を燃焼させて、触媒燃焼器を加熱するためおよび熱交換器内の水および水蒸気の二相混合物を生成するための熱を生成するように作動可能であり、
   前記燃焼器アッセンブリは、触媒燃焼器と従来の燃焼器との間に配置された熱交換器をさらに備え、この熱交換器は、従来の燃焼器内で燃焼される従来の燃料と空気の混合物から従来の燃焼器によって生成される熱を用いることによって、熱交換器内に含まれる水を、水と水蒸気の二相混合物に変換するように作動可能であり、かつ従来の燃焼器内で燃焼される従来の燃料と空気の混合物から従来の燃焼器によって生成される熱を熱交換器内に含まれる水に移動させることによって、従来の燃焼器の排出物の温度を触媒燃焼器に許容可能なレベルに低減するように作動可能であることを特徴とする燃焼器アッセンブリ。
2. 前記燃焼器アッセンブリは、熱交換器から水と水蒸気の混合物を受け取るための気水分離器と、この気水分離器から燃料電池組立体の水蒸気改質器ステーションに水蒸気を輸送するための第１のラインと、この気水分離器から熱交換器に水を再循環させるための第２のラインとをさらに含むことを特徴とする請求項１記載の燃焼器アッセンブリ。
3. ａ） 触媒燃焼器と、ガソリンまたは他の従来の燃料の燃焼器と、触媒燃焼器と従来の燃焼器との間に配置された熱交換器とを備え、
   ｂ） 触媒燃焼器内で燃料電池アノード排出物気体流れを燃焼させ、
   ｃ） 燃料電池アノード排出物気体流れの燃焼によって生成された熱で水の流れを水と水蒸気の混合物に変換し、
   ｄ） この混合物からの水蒸気を燃料電池電力設備内の触媒燃料改質器に供給し、
   ｅ） 燃料電池電力設備の始動時に、従来の燃焼器内でガソリンなどの従来の燃料を燃焼させ、
   ｆ） 従来の燃料の燃焼によって生成された熱で触媒燃焼器を作動温度に到達させるとともに水の流れを水と水蒸気の混合物に変換し、
   ｇ） この混合物からの水蒸気を燃料電池電力設備内の触媒燃料改質器に供給し、
   ｈ） 熱交換器を用いて、従来の燃焼器の排出物の温度を触媒燃焼器に許容可能なレベルに低減する、
   ことを含むことを特徴とする、高分子電解質膜（ＰＥＭ）型燃料電池電力設備内の水蒸気改質器に使用するための水蒸気を生成する方法。
4. 前記混合物から水を収集し、この収集された水をまた触媒燃焼器に再循環させて、この収集され再循環された水を水と水蒸気の混合物に変換することをさらに含むことを特徴とする請求項３記載の方法。
5. アノード排出物を触媒燃焼器内へ導入する前に、空気とアノード排出物の旋回した混合物を提供することをさらに含むことを特徴とする請求項３記載の方法。

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