JP4975958B2 - 燃料電池システム内の改質器のためのバーナ - Google Patents

Description

本発明は、有利には燃料電池のための燃料を改質するための改質器内に反応温度を生ぜしめるための、改質器のためのバーナであって、改質ガスおよび／またはアノード残留ガスの、バーナへの少なくとも部分的な戻し案内が行われる形式のものに関する。

燃料電池または燃料電池システムはその運転のために水素を必要とする。水素は有利には炭化水素から改質される。炭化水素の改質のために、改質器が使用される。改質器内で進行する改質プロセスのために、一般にエネルギが必要である。このエネルギは改質器に内的にかつ／または外的に供給されることができる。外的な熱供給の場合、改質器は従来慣用のプレミックスバーナにより加熱される。

内的な熱供給の場合、このエネルギは発熱反応、例えば反応器内での反応体の部分的な酸化により生ぜしめられることができる。ただし、始動期のために付加的に、熱の外的な供給が、内的な熱供給を備えた反応器の場合にも必要である。

この付加的なエネルギを改質器に供給できるようにするために、バーナが改質器に接続される。その結果、バーナにより生ぜしめられた熱は、改質反応が進行できる程度に改質器を加熱する。バーナへの燃料の供給は有利には、改質器に供給されるのと同じ燃料により実施される。

つまり、この燃料は例えばガソリンのような炭化水素である。バーナは、供給される炭化水素の火炎速度および燃焼のために必要な空気もしくはこの空気内に存在する酸素の火炎速度に応じて、高い効率を有する安定した運転を保証するように調節されている。

燃料電池システムおよび改質器の始動期には、燃料の、水素への改質時に、まだ比較的低い成分の水素を有していて、付加的になお高い値の一酸化炭素を含む改質ガスが生成される。低い成分の水素と高い成分の一酸化炭素とを有する改質ガスは燃料電池にまだ供給されることができない。それというのも、燃料電池はそのような混合物での運転には不適であるからである。

ただし、生成された水素が高価値な燃料である上に、システムのための、可能な限り良好な効率を得ようとするために、暖機期に生成される改質物は収容される。この高価値なエネルギ担体を改質プロセスにやはり供給することが試みられる。これにより、損失は減じられる。

付加的に、燃料電池のアノード残留ガスが運転中にバーナを介してやはり改質プロセスに供給されるようになっている。

別の運転状態、すなわち強い負荷変動時にやはり、燃料電池の要求を満たせない改質ガスが生成されるもしくは過度に多くの改質物が生成されるという事態が起こり得る。この改質ガスも上に述べたようなやり方でやはり改質プロセスに供給される。

水素の火炎速度が炭化水素の火炎速度に比べて著しく高いという事実に基づいて、従来慣用の火炎バーナは、炭化水素に対して付加的な水素の、ある特定の割合でのみ運転され得る。水素の成分が燃料に対する所定の割合を越えると、バーナ内で逆火（Ｒｕｅｃｋｚｕｅｎｄｕｎｇ）が生じる。逆火が起こると、火炎は消失する。それにより、バーナはもはや運転可能な状態ではなく、バーナを適当に再始動する措置がとられなければならない。

そのような結果を回避するために、始動期の、Ｈ_２リッチの部分改質されたガスを使用するためには、２つのバーナが１つの改質器のために使用されなければならなかった。その結果、一方のバーナは炭化水素を燃焼させ、第２のバーナは、付加的に生じる、既に部分改質された水素リッチのガスを燃焼させる。ただしこのことにより、所要スペースが増すと共に、付加的に、経済的かつ技術的な手間も増すことで、燃料電池システムの採算性は狭められてしまう。

したがって本発明の課題は、冒頭で述べた形式のバーナを改良して、バーナの運転時に、逆火の危険が減じられるまたは完全に取り除かれるようにすることである。

上記課題を解決した本発明の構成によれば、バーナ排出ガスのための、バーナへの戻し案内部が存在しているようにした。

従属請求項に、本発明の有利な構成および変化形のその他の特徴が見て取れる。

本発明のように構成されていると、バーナ排出ガスの戻し案内により、バーナ内の混合物の火炎速度は減じられることができる、もしくは炭化水素に比べて明らかに高い火炎速度を備えた、付加的に混合された水素ガスの混合物はもはや、バーナ内での、上記の欠点を伴う「逆火」または「逆行」を招くほど急激には燃焼し得なくなる。

すなわち、バーナ排出ガスを本発明により戻し案内することによって、唯一のバーナでもって、炭化水素も、明らかに高い火炎速度を有する付加的に混合された燃料も同時に燃焼されることが可能である。

このために、本発明の特別な実施形態では、バーナが、少なくとも２つの、異なる火炎速度を有する燃料を燃焼させ得るようになっていることができる。それにより、改質器の始動運転時に発生する、高いとはいえ燃料電池の運転のためには不十分なＨ_２成分を有する改質ガスが直接バーナに供給されることもできるし、燃料電池の出口で再度回収され得るアノード残留ガスが供給されることもできる。

それゆえ、バーナの順調な運転のために、これに対して改変された構成では、量調整ユニットが、バーナに戻し案内される排出ガスおよび／または改質ガスのために存在しているようになっていることができる。

そのような実施形態では例えば、量調整ユニットが、バーナに戻し案内される排出ガスの流動速度に依存しているようになっていてもよい。別の実施形態では例えば、量調整ユニットが、バーナに戻し案内される改質ガスおよび／またはアノード残留ガスの火炎速度に依存しているようになっていることができる。

これにより、バーナ内での燃焼に対し、バーナ排出ガスの流動速度の調整を介して、またはより高い火炎速度を有する付加的に供給された燃料（一般的には、改質された水素である）の火炎速度の調整を介して影響を及ぼすことが可能になる。

本発明の別の実施形態では、量調整ユニットが、バーナに戻し案内される改質ガスおよび／またはアノード残留ガスの、バーナ内で支配的な流動速度に依存しているようになっていることができる。

このために、例えば直接バーナ内のパラメータを検出する量調整ユニットが設けられていることができる。先に挙げた両実施形態では、例えば、量調整ユニットがバーナ外のパラメータを検出することが可能である。

別の実施形態では、センサおよび／またはアクチュエータユニットが、バーナの排出ガスのための戻し案内部に存在しているようになっていることができる。そこでは例えば、バーナの、戻し案内される排出ガスの質および量が量調整ユニットとの協働で検出され、影響を及ぼされることができる。

これにより例えば、排出ガスの組成およびバーナ内で支配的な流動速度に依存して、多かれ少なかれ排出ガスがバーナに、バーナ内の、可能な限り最適な火炎速度を達成するために供給され得ることが可能である。

別の実施形態では、センサおよび／またはアクチュエータユニットが、水素リッチの改質ガスのための戻し案内部に設けられているようになっている。これにより例えば、やはりバーナへの改質ガスの供給の、量的かつ質的な監視が実施されることができる。相応のパラメータが例えば量調整ユニットに供与されることができる、もしくはこの量調整ユニットから、水素リッチの改質ガスのためのまたはバーナの排出ガスの戻し案内のための、相応のセンサおよびアクチュエータユニットに伝送されることもできる。

別の実施形態では、バーナが火炎バーナ（Ｆｌａｍｍｂｒｅｎｎｅｒ）として形成されているようになっていることができる。その際例えば、バーナの運転のために、燃料を案内する管路が存在しているようになっていてもよい。その際、特別な実施形態では、燃料が炭化水素であるようになっていることができる。

つまり、バーナの運転のために意図された燃料を案内する管路に、選択的に、改質器の供給とは別個に、燃料が供給されることができる。ただし、改質器のための供給管路に接続された管路を介して供給される炭化水素が供給されてもよい。

これらの特徴により、改質器内に反応温度を生ぜしめるための、改質器のためのバーナを１つだけ設ければよいようになる。それにより、改質ガスおよび／またはアノード残留ガスの、バーナへの少なくとも部分的な戻し案内を実施する、有利には燃料電池のための燃料の改質のために、水素を含む改質ガスおよび／または戻し案内されるアノード残留ガスの、戻し案内される量に依存して、多かれ少なかれバーナ排出ガスが燃焼室内に戻し案内されることができる。それにより、火炎速度が引き下げられるもしくはバーナ内の流動速度が高められる。これにより、混合された水素成分の高い火炎速度に基づく、バーナ内での逆火は成功裡に回避される。

以下に図面を参照しながら本発明の実施例につき詳説する。

添付の図面には、燃料電池２、燃料改質器３および本発明によるバーナ４を備えた燃料電池システム１が示されている。

バーナ４は改質器３を加熱する。改質器３は改質された水素を、管路１０を介して燃料電池２に供給する。水素の、燃料電池２によって転換されなかった成分は戻し案内部８を介してアノード残留ガスとして再度回収され、接続部７および戻し案内部６を介してバーナ４に供給される。

管路１０には分岐９が示されている。この分岐９から、戻し案内部６を介して、水素リッチの改質ガスが取り出され、センサおよび／またはアクチュエータユニット１８を介してバーナ４に供給されることができる。それにより、ベース供給のために管路１３を介して燃料が供給されるバーナ４に付加的に、エネルギに富む改質ガスが供給されることができる。

ただし、このエネルギに富む改質ガスはベース燃料に比して明らかに高い火炎速度を有している。逆火を回避するために、本発明により、バーナ４のための排出ガス戻し案内部が設けられている。このために、バーナ４の排出ガスは少なくとも部分的に取り出され、運転に伴う状況に応じて、バーナ自体に再度供給される。

このことは例えばセンサおよび／またはアクチュエータユニット１６を介して実施されることができる。センサおよび／またはアクチュエータユニット１６は例えばバーナ４の排出ガスのための戻し案内部５に位置していることができる。図中、戻し案内部５は分岐１１を介してバーナ４の排出ガス管路１２に接続されている。

実施例では、付加的に量調整ユニット１７がこのセンサおよび／またはアクチュエータユニット１６と一括に図示されている。ただし、量調整ユニット１７は原則的に燃料電池システム１の、あらゆる任意の、このために適した箇所に配置されていることができる。

空気もしくは酸素はバーナ４に、相応の開口を介して供給される。ただし、スペースが狭い場合には、バーナ４から離れて位置する箇所が空気または酸素の取り入れのために使用され、空気または酸素が管路１５によりバーナに供給されるのが有利であり得る。

改質器３には管路１４により燃料が、公知の形式で水素を改質法で得るために供給される。引き続いて、改質された水素は管路１０を介して燃料電池２に案内される。

改質器３の始動運転時または負荷変動時、燃料電池２にとって不適な、水素リッチの改質ガスが戻し案内部６を介して分岐部９で分岐され、センサおよび／またはアクチュエータユニット１８へと導かれる。その際、例えば導き通される改質ガスの量ならびに質は規定されることができる。付加的に、この体積流量の干渉は適当なセンサ手段の使用により実施されることができる。

しかし、センサおよび／またはアクチュエータユニット１８の配置は例えば直接、戻し案内部６および８の合流のための接続部７に配置されていてもよい。その際例えば、戻し案内部８も戻し案内部６も、このセンサおよび／またはアクチュエータユニット１８により監視もしくは干渉されるようになっていてもよい。

改質ガスが、燃料電池２によってその申し分のない運転のために要求される質を有していない場合、改質ガスはバーナ４に全効率の改善のために供給される。このために本発明では、バーナ４の排出ガスの、質的および／または量的に管理された戻し案内により、バーナが、バーナ４内での逆火が起こり得ないように運転されるようになっている。

燃料電池、燃料改質器および本発明によるバーナを備えた燃料電池システムを示す図である。

符号の説明

１ 燃料電池システム、 ２ 燃料電池、 ３ 燃料改質器、 ４ バーナ、 ５ 戻し案内部、 ６ 戻し案内部、 ７ 接続部、 ８ 戻し案内部、 ９ 分岐、 １０ 管路、 １１ 分岐、 １２ 排出ガス管路、 １３ 管路、 １４ 管路、 １５ 管路、 １６ センサおよび／またはアクチュエータユニット、 １７ 量調整ユニット、 １８ センサおよび／またはアクチュエータユニット

Claims (9)

1. 燃料を改質するための改質器内に反応温度を生ぜしめるための、改質器のためのバーナであって、改質ガスおよび／またはアノード残留ガスをバーナに少なくとも部分的に戻し案内するための第１の戻し案内部（６，８）を備える形式のものにおいて、バーナ（４）の排出ガス管路（１２）に、バーナ排出ガスをバーナ（４）に戻し案内するための第２の戻し案内部（５）が接続されており、該第２の戻し案内部（５）が、前記排出ガス管路（１２）を介して直接バーナ（４）に連通しており、かつバーナ（４）に戻し案内されるバーナ排出ガスの量を調整するための量調整ユニット（１７）を備えることを特徴とする、改質器のためのバーナ。
2. バーナ（４）が、少なくとも２つの、異なる火炎速度を有する燃料を燃焼させることができる、請求項１記載のバーナ。
3. 量調整ユニット（１７）が、バーナ（４）に戻し案内されるバーナ排出ガスの流動速度に依存している、請求項１または２記載のバーナ。
4. 量調整ユニット（１７）が、バーナ（４）に戻し案内される改質ガスおよび／またはアノード残留ガスの火炎速度に依存している、請求項１から３までのいずれか１項記載のバーナ。
5. 量調整ユニット（１７）が、バーナ（４）に戻し案内される改質ガスおよび／またはアノード残留ガスの、バーナ（４）内で支配的な流動速度に依存している、請求項１から４までのいずれか１項記載のバーナ。
6. バーナ（４）が火炎バーナである、請求項１から５までのいずれか１項記載のバーナ。
7. バーナ（４）の運転のために、燃料を案内する管路（１３）が存在している、請求項１から６までのいずれか１項記載のバーナ。
8. バーナ（４）に供給される燃料が炭化水素である、請求項１から７までのいずれか１項記載のバーナ。
9. 前記改質器が、燃料電池のための改質器である、請求項１から８までのいずれか１項記載のバーナ。

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