JP2009543305A - 改質器およびアフターバーナを備えた燃料電池システム - Google Patents

Abstract

本発明は、貯蔵された燃料が、酸化剤との反応のため、燃料供給装置（５０）によって供給されうる酸化ゾーン（４８）を有する改質器（１２）と、貯蔵された燃料が、酸化剤との反応のため、燃料供給装置（６２）によって供給されうる酸化ゾーン（６０）を有するアフターバーナ（３６）とを備える燃料電池システム（１０）に関する。本発明は、改質器の燃料供給装置（５０）によって供給される燃料が、グレードおよび／または集合の状態および／または供給圧力および／または供給温度に関して、アフターバーナ（３６）の燃料供給装置（６２）によって供給される燃料とは異なるように、改質器（１２）の燃料供給装置（５０）およびアフターバーナ（３６）の燃料供給装置（６２）が燃料を供給するように適合される点で、特徴づけられる。また本発明は、燃料電池システムを備える自動車と、前記燃料電池システムを動作させる方法とに関する。

Description

本発明は、タンクに貯蔵された燃料の供給を、酸化剤と反応させるための燃料供給装置によって受け取る酸化ゾーンを備えた改質器と、タンクに貯蔵された燃料の供給を、酸化剤と反応させるための燃料供給装置によって受け取る酸化ゾーンを備えたアフターバーナとを備えた燃料電池システムに関する。

本発明は、さらに、 このような燃料電池システムを備えた自動車両に関する。

また、本発明は、燃料タンクから改質器の酸化ゾーンへ燃料を供給するステップであって、この酸化ゾーンで燃料が酸化剤と反応するステップと、燃料タンクからアフターバーナの酸化ゾーンへ燃料を供給するステップであって、この酸化ゾーンで燃料が酸化剤と反応するステップとを含む、燃料電池システムを動作させる方法に関する。

燃料電池システムは、化学エネルギーを電気エネルギーに変換する役割を果たしている。このようなシステムの中心エレメントは、水素と酸素の制御された反応によって電気エネルギーが解放される燃料電池である。燃料電池システムは、通常の実践として燃料を処理することができなければならない。水素および酸素は燃料電池の中で反応するため、燃料電池の陽極に供給されるガスが高い割合の水素を有するように使用燃料を条件付けなければならず、それが改質器の役割である。そのために、改質器は、燃料および空気であることが好ましい酸化剤の供給を受け取り、その改質器の中で燃料が酸化剤と反応する。従来技術による改質器は、特許文献１で知られている。一方では、燃料電池システムの燃焼排気ガスを最少量の毒性放出で環境に放出するために、また、他方では、燃料電池システムの様々なコンポーネントおよび媒体流供給装置を予熱するための熱源を提供するために、燃料電池システムの中にアフターバーナが提供されている。従来技術によるアフターバーナは、特許文献２で知られている。

ドイツ特許ＤＥ １０３ ５９ ２０５ Ａ１ ドイツ特許ＤＥ １０ ２００４ ０４９ ９０３ Ａ１

本発明の目的は、燃料電池システムの最適動作を達成するために、汎用燃料電池システム、汎用自動車両および燃料電池システムを動作させる汎用方法を洗練させることである。

この目的は、独立請求項によって達成される。

本発明の有利な態様および他の実施形態は、従属請求項に記載されている。

本発明による燃料電池システムは、改質器の燃料供給装置およびアフターバーナの燃料供給装置が、グレードおよび／または集合の状態および／または供給圧力および／または供給温度に関して、改質器の燃料供給装置によって供給される燃料と、アフターバーナの燃料供給装置によって供給される燃料が異なるように燃料を供給するように設計されている点では、一般的な従来技術に基づいている。本発明による燃料電池システムは、従来技術と比較した場合、これらのパラメータを個別化することができ、それにより、それぞれ改質器およびアフターバーナの対応する酸化ゾーンで蒸発を達成するための最適条件を得ることができる利点があり、さらに、本発明によれば、個々のケースに即した構造設計に改善され、かつ、適合された改質器およびアフターバーナを動作させることができるため、燃料電池システムの動作範囲がより広いという利点がある。これは、たとえば、生成される電気に無関係に加熱するために、追加熱出力をアフターバーナの中で利用することができるように燃料電池システムを動作させなければならない場合にとりわけ有利である。本発明によれば、グレードおよび／または集合の状態および／または供給圧力および／または供給温度に関して、改質器の燃料とは異なる燃料を使用してアフターバーナを動作させることにより、改質器に同じ効果を生じさせることなく、とりわけ高い熱出力を生成することができる。この構造の場合、改質器は、最小の出力で、さらにはシャット・オフで動作することができる。また、静止動作の場合、燃料電池システムの他のコンポーネントにこの影響が及ぶことなく熱出力が最大化されるように、アフターバーナの酸化ゾーンで燃焼を操作することができる。

本発明による燃料電池システムは、改質器の燃料供給装置が第１の燃料タンクに接続されるように設計され、また、アフターバーナの燃料供給装置が別の第２の燃料タンクに接続されるように設計される点で、有利に洗練させることができる。改質器の酸化ゾーンおよびアフターバーナの酸化ゾーンにグレードが異なる燃料を供給することにより、様々な燃料グレードの蒸発の温度、エンタルピーおよび速度が様々であるため、本発明によれば、対応するゾーンにおける蒸発および関連する反応が最適に進行するように燃料グレードを選択することができる。

さらに、本発明によれば、上で、それに対応して説明した利点を提供するこのような燃料電池システムを備えた自動車両が提供される。

汎用方法は、改質器の酸化ゾーンに供給される燃料が、グレードおよび／または集合の状態および／または供給圧力および／または供給温度に関して、アフターバーナの酸化ゾーンに供給される燃料とは異なる点で、より有利に洗練されることができる。また、本発明による方法の範囲においては、これは、これらのパラメータを個別化することができ、それにより、それぞれ改質器およびアフターバーナの対応する酸化ゾーンで蒸発を達成するための最適条件を達成することができる点で、従来技術に優る利点であり、さらに、個々のケースに即した構造設計に改善され、かつ、適合された改質器およびアフターバーナを動作させることができるため、燃料電池システムの動作範囲がより広いという利点がある。これは、たとえば、生成される電気に無関係に加熱するために、追加熱出力をアフターバーナで利用することができるように燃料電池システムを動作させなければならない場合にとりわけ有利である。グレードおよび／または集合の状態および／または供給圧力および／または供給温度に関して、改質器の燃料とは異なる燃料を使用してアフターバーナを動作させることにより、改質器に同じ効果を生じさせることなく、とりわけ高い熱出力を生成することができる。この構造の場合、改質器は、最小の出力で、さらにはシャット・オフで動作することができる。静止動作の場合、燃料電池システムの他のコンポーネントにこの影響が及ぶことなく熱出力が最大化されるように、アフターバーナの酸化ゾーンで燃焼を操作することができる。

さらに、本発明による方法は、改質器の酸化ゾーンに供給される燃料が第１の燃料タンクから供給され、また、アフターバーナの酸化ゾーンに供給される燃料が第２の燃料タンクから供給される点で、より有利に洗練させることができる。改質器の酸化ゾーンおよびアフターバーナの酸化ゾーンにグレードが異なる燃料を供給することにより、様々な燃料グレードの蒸発の温度、エンタルピーおよび速度が様々であるため、本発明によれば、対応するゾーンにおける蒸発および関連する反応が最適に進行するように、燃料グレードを選択することができる。

以下、本発明の好ましい実施形態について、添付の図面を参照して、実例によって詳細に説明する。

第１の実例実施形態による燃料電池システムを示す線図である。 第１の実例実施形態による改質器を示す線図である。 第１の実例実施形態によるアフターバーナを示す線図である。 第２の実例実施形態による燃料電池システムを示す線図である。

図１を参照すると、第１の実例実施形態による燃料電池システムの線図が示されている。自動車両に取り付けられる燃料電池システム１０は、第１の燃料タンク１６から第１の燃料ライン１４を介して燃料の供給を受け取る改質器１２を備えている。改質器１２は、さらに、第１の燃料タンク１６から第２の燃料ライン１８によって他の供給装置で燃料の供給を受け取っている。さらに、改質器１２は、第１の酸化剤ライン２２を介して、酸化剤の供給、たとえば空気の供給を受け取っている。改質器１２によって生成されたリフォーメイト（Ｒｅｆｏｒｍａｔｅ）は、リフォーメイトライン２４を介して燃料電池スタック２６に供給される。得られるリフォーメイトは、水素が豊富なガスであり、このガスが、燃料電池スタック２６で、陰極供給空気ライン２８を介して供給される陰極供給空気を使用して反応し、それにより電気および熱が生成される。生成された電気は、電気ターミナル３０を介して取り出す（ピック・オフする）ことができる。図に示されている実例では、陽極排気ガス・ライン３２を介してアフターバーナ３６の混合機３４に陽極排気ガスが供給される。アフターバーナ３６は、第２の燃料タンク２０から第３の燃料ライン３８を介して燃料の供給を受け取っている。第１および第２の燃料タンク１６、２０に適したグレードの燃料は、ディーゼル、ガソリン、バイオガス、天然ガスおよび従来技術で知られている他のグレードの燃料である。第１の実例実施形態の範囲においては、第１の燃料タンク１６の燃料のグレードと、第２の燃料タンク２０の燃料のグレードとは異なっている。さらに、アフターバーナ３６は、第２の酸化剤ライン４０を介して酸化剤の供給を受け取っている。アフターバーナ３６では、減損した陽極排気ガスが燃料および酸化剤と反応して燃焼排気ガス中に送り込まれ、この燃焼排気ガスが、混合機４２で、陰極排気空気ライン４４を介して燃料電池スタック２６から混合機４２へ供給される陰極排気空気と混合される。毒性の放出がほぼゼロの燃焼排気ガスは、熱交換器４６を通って流れ、最終的に燃料電池システム１０から流出する前に陰極供給空気を予熱する。

次に図２を参照すると、第１の実例実施形態による改質器の線図が示されている。改質器１２は酸化ゾーン４８を備えており、酸化ゾーン４８は、酸化ゾーン４８に燃料を供給する一次燃料供給装置５０を備えている。一次燃料供給装置５０は第１の燃料ライン１４に接続されており、一次燃料供給装置５０は、第１の燃料タンク１６に貯蔵されているグレードの燃料を供給している。酸化ゾーン４８は、さらに、第１の酸化剤ライン２２に接続された酸化剤供給装置５２を備えており、酸化ゾーン４８は、この酸化剤供給装置５２によって酸化剤の供給を受け取ることができる。酸化ゾーン４８では、燃焼反応または発熱総酸化反応による燃料と酸化剤の反応が生じ、それによって生じる熱生産ガスが下流側の混合ゾーン５４、つまり図２の右側へ流入する。図２では、改質器の個々のゾーンは、破線で互いに分割して示されている。これらのゾーンは、構造的特徴またはインターフェースによってなだらかに互いに分割することができる。混合ゾーン５４では、得られた生産ガス流が、二次燃料供給装置５６によって燃料の追加供給を受け取る。この実施例では、一次燃料供給装置および二次燃料供給装置５０、５６は、それぞれ、インジェクタおよび好ましくはベンチュリ・ノズルを備えている。しかしながら、多孔性蒸発器を備えた蒸発タイプの燃料供給装置によって燃料をそれぞれ酸化ゾーン４８および混合ゾーン５４に供給することも可能である。二次燃料供給装置５６は第２の燃料ライン１８に接続されており、第１の燃料タンク１６に貯蔵されている燃料を二次燃料供給装置５６に供給することができる。さらに、混合ゾーン５４が酸化剤の供給を受け取ることも可能である。追加燃料と混合されたガス混合物が改質ゾーン５８に流入し、そこで、好ましくは改質ゾーン５８の中に存在している触媒によって、吸熱反応で反応して水素が豊富なガス混合物になる。このリフォーメイトすなわち水素が豊富なガス混合物は、リフォーメイトライン２４を介して改質器１２から流出し、燃料電池スタック２６でさらに有効使用される。

次に図３を参照すると、第１の実例実施形態によるアフターバーナの線図が示されている。アフターバーナ３６は、燃料供給装置６２から燃料の供給を受け取る酸化ゾーン６０を備えている。燃料供給装置６２は第３の燃料ライン３８に接続されており、燃料供給装置６２は、第２の燃料タンク２０に貯蔵されているグレードの燃料の供給を受け取っている。この実施形態では、燃料供給装置６２は、インジェクタおよび好ましくはベンチュリ・ノズルであるが、多孔性蒸発器を備えた蒸発タイプの燃料供給装置によって燃料を酸化ゾーン６０に供給することも可能である。さらに、第２の酸化剤ライン４０に接続された酸化剤供給装置６４が提供されており、それにより酸化ゾーン６０の酸化剤は、酸化剤の供給を受け取ることができる。酸化ゾーン６０では、発熱酸化反応、すなわち可能な限り総燃焼に近い反応による燃料と酸化剤の反応が生じ、それによって生成された燃焼排気ガスが下流側の混合ゾーン６６、つまり図３の右側へ流入する。図３では、アフターバーナ３６の個々のゾーンは、破線で互いに分割して示されている。これらのゾーンは、構造的特徴またはインターフェースによってなだらかに互いに分割することができる。混合ゾーン６６では、得られた排気ガスが混合機３４によって陽極排気ガスと混合される。陽極排気ガスと混合されたガス混合物は燃焼ゾーン６８に流入する。図に示されている実例実施形態では、この燃焼ゾーン６８には多孔性ボディが充填されており、この多孔性ボディでガス混合物がほぼ総燃焼する。つまり、燃焼ゾーン６８の多孔性ボディ部分でガス混合物が白熱光を発するようになる。

第１の実例実施形態の一変形態様では、燃料は、第１の燃料タンク１６と第２の燃料タンク２０とで同じグレードの燃料が貯蔵されるが、その集合の状態（すなわち気体状、液体状）は異なっている。この構造によれば、たとえば、１つのタンクに特定の燃料を液体の状態で貯蔵し、同じグレードの燃料を別のタンクに気体の状態で貯蔵することができる。この気体状態での貯蔵は、上記の１つのタンクおよびそのタンクに対応する燃料ラインの両方に、他の燃料タンクより高い圧力を存在させ、燃料を気体の状態に維持することによって達成される。

第１の実例実施形態に以下の通りに使用されている参照数表示は、第１の実例実施形態における機能と同じ機能を有する同様のエレメントを識別しており、冗長な反復を避けるためにその説明は省略されていることに留意されたい。

次に図４を参照すると、第２の実例実施形態による燃料電池システムの線図が示されている。第２の実例実施形態の燃料電池システム１０は、第１および第２の燃料タンク１６および２０の代わりに、単一の燃料タンク７０のみが自動車両に取り付けられている点で、図１に示されている燃料電池システムとは異なっている。この燃料タンク７０は、第１、第２および第３の燃料ライン１４、１８、３８に同じグレードの燃料を供給している。この第２の実例実施形態では、改質器１２の一次燃料供給装置５０およびアフターバーナ３６の燃料供給装置６２は、改質器１２の一次燃料供給装置５０によって供給される燃料が、改質器１２の対応するゾーンに流入する際に、その温度がアフターバーナ３６の燃料供給装置６２によって供給される燃料の温度と異なることを特徴とするように構成され、あるいは動作している。そのために、一次燃料供給装置５０および燃料供給装置６２は、加熱器／冷却器（図示せず）を備えている。代替として、第１および／または第３の燃料ライン１４、３８の加熱器／冷却器によって、燃料のこの異なる供給温度を達成することも可能である。また、この温度差によって、改質器１２の一次燃料供給装置５０に供給される燃料の集合状態を、アフターバーナ３６の燃料供給装置６２に供給される燃料の集合状態とは異なったものにすることも可能である。

対応する図によって個々の実例実施形態およびそれらの変形態様が個別に説明されているが、様々な実例実施形態およびそれらの変形態様のあらゆる組合せおよび任意の組合せは、本発明の範囲内であることを明確に留意されたい。たとえば、異なるグレードの燃料が異なる温度で改質器およびアフターバーナに供給されるように第１および第２の実例実施形態を組み合わせることができる。

上で説明した図には明確に示されていないが、たとえばポンプまたは送風機および／または制御弁などの対応する送出し手段を燃料ライン１４、１８および３８、酸化剤ライン２２および４０、ならびに陰極供給空気ライン２８に提供することができる。

以上の説明および図面の中で開示されている本発明の特徴、ならびに特許請求されている本発明の特徴は、場合によってはそれら自体またはそれらの任意の組合せの両方によって本発明を達成するための本質であることを理解されたい。

１０…燃料電池システム、１２…改質器、１４…第１の燃料ライン、１６…第１の燃料タンク、１８…第２の燃料ライン、２０…第２の燃料タンク、２２…第１の酸化剤ライン、２４…リフォーメイトライン、２６…燃料電池スタック、２８…陰極供給空気ライン、３０…電気ターミナル、３２…陽極排気ガス・ライン、３４…混合機、３６…アフターバーナ、３８…第３の燃料ライン、４０…第２の酸化剤ライン、４２…混合機、４４…陰極排気空気ライン、４６…熱交換器、４８…酸化ゾーン、５０…一次燃料供給装置、５２…酸化剤供給装置、５４…混合ゾーン、５６…二次燃料供給装置、５８…改質ゾーン、６０…酸化ゾーン、６２…燃料供給装置、６４…酸化剤供給装置、６６…混合ゾーン、６８…燃焼ゾーン、７０…燃料タンク

Claims (6)

1. タンクに貯蔵された燃料の供給を、酸化剤と反応させるため、燃料供給装置（５０）によって受け取る酸化ゾーン（４８）を有する改質器（１２）と、
   タンクに貯蔵された燃料の供給を、前記酸化剤と反応させるため、燃料供給装置（６２）によって受け取る酸化ゾーン（６０）を有するアフターバーナ（３６）と、を備え、
   前記改質器（１２）の前記燃料供給装置（５０）および前記アフターバーナ（３６）の前記燃料供給装置（６２）は、前記改質器の前記燃料供給装置（５０）によって供給される燃料が、グレードおよび／または集合の状態および／または供給圧力および／または供給温度に関して、前記アフターバーナ（３６）の前記燃料供給装置（６２）によって供給される燃料とは異なるように、燃料を供給するよう設計されることを特徴とする燃料電池システム（１０）。
2. 前記改質器（１２）の前記燃料供給装置（５０）は、第１の燃料タンク（１６）に接続されるように設計され、また前記アフターバーナ（３６）の前記燃料供給装置（６２）は、別の第２の燃料タンク（２０）に接続されるように設計されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム（１０）。
3. 前記請求項のいずれかに記載の燃料電池システム（１０）を備える自動車両。
4. ２つの燃料タンク（１６、２０）が設けられ、そのうちの一方（１６）は前記改質器（１２）の前記燃料供給装置（５０）に接続され、また第２の燃料タンク（２０）は前記アフターバーナ（３６）の前記燃料供給装置（６２）に接続されることを特徴とする請求項３に記載の自動車両。
5. 燃料タンク（１６、７０）から改質器（１２）の酸化ゾーン（４８）に燃料を供給するステップであって、前記酸化ゾーン（４８）で前記燃料が酸化剤と反応するステップと、
   燃料タンク（２０、７０）からアフターバーナ（３６）の酸化ゾーン（６０）に燃料を供給するステップであって、前記酸化ゾーン（６０）で前記燃料が前記酸化剤と反応するステップとを含む燃料電池システム（１０）を動作させる方法であって、
   前記改質器（１２）の前記酸化ゾーン（４８）に供給される燃料は、グレードおよび／または集合の状態および／または供給圧力および／または供給温度に関して、前記アフターバーナ（３６）の前記酸化ゾーン（６０）に供給される燃料とは異なることを特徴とする燃料電池システム（１０）を動作させる方法。
6. 前記改質器（１２）の前記酸化ゾーン（４８）に供給される前記燃料が第１の燃料タンク（１６）から供給され、また前記アフターバーナの前記酸化ゾーン（６０）に供給される前記燃料が別の第２の燃料タンク（２０）から供給されることを特徴とする請求項５に記載の方法。

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