(57)【要約】  本発明は、燃料および酸化剤をガス状リフォーメートに反応させるための改質器に関する。当該改質器は、酸化ゾーン（１０）と、蒸発ゾーン（１６）と、触媒Ｈ２生成のためのゾーン（２０）とを備える。燃料および酸化剤のガス状混合物は、酸化のために酸化ゾーン（１０）に供給可能であり、そのプロセスでは酸化剤含有排気ガスが生成される。燃料および蒸発器ガスは、蒸発ゾーン（１６）に供給可能であり、燃料を含有した蒸発器ガス混合物を生成し、また、蒸発燃料および酸化剤含有排気ガスを含有する発火性改質ガス混合物は、触媒Ｈ２を生成するゾーン（２０）に供給可能であり、ガス状リフォーメートを生成する。蒸発ゾーン（１６）における自己発火の危険を少なくするために、酸化ゾーン（１０）から酸化剤含有排気ガスが供給可能であるとともに蒸発ゾーン（１６）から燃料含有蒸発器ガスが供給可能である混合および供給装置手段（２８）が、触媒Ｈ２生成のためのゾーン（２０）の上流に設けられ、改質ガス混合物を生成して当該改質ガス混合物を触媒Ｈ２生成のためのゾーン（２０）に供給する。触媒Ｈ２生成のためのゾーン（２０）で生成されたリフォーメートを蒸発器ガスとして蒸発ゾーン（１６）に再循環させるための再循環手段（２６）が設けられている。本発明は、さらに、燃料および酸化剤をガス状リフォーメートに反応させるための対応する方法に関する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料および酸化剤を前記ガス状リフォーメートに反応させるための改質器であって、酸化ゾーン（１０）と、蒸発ゾーン（１６）と、触媒Ｈ２生成のためのゾーン（２０）とを備え、前記酸化ゾーン（１０）が、酸化剤含有排気ガスを生成する際の酸化のための燃料および酸化剤のガス状混合物の供給を受け取ることができ、前記蒸発ゾーン（１６）が、燃料を含有した蒸発器ガス混合物を生成するための燃料および蒸発器ガスの供給を受け取ることができ、また、前記触媒Ｈ２生成のためのゾーン（２０）が、蒸発燃料および酸化剤含有排気ガスを含有した、ガス状リフォーメートを生成するための発火性改質ガス混合物の供給を受け取ることができ、前記改質ガス混合物を生成してそれを前記触媒Ｈ２生成のためのゾーン（２０）に供給するための混合および供給装置手段（２８）が、前記触媒Ｈ２生成のためのゾーン（２０）への入力の上流側に挿入される一方で、前記混合および供給装置手段（２８）が、酸化剤含有排気ガスの供給を前記酸化ゾーン（１０）から受け取ることができるとともに他方では燃料を含有した蒸発器ガス混合物を前記蒸発ゾーン（１６）から受け取ることができ、前記触媒Ｈ２生成のためのゾーン（２０）で生成されたリフォーメートを蒸発器ガスとして前記蒸発ゾーン（１６）に戻すための手段（２６）が設けられることを特徴とする改質器。
【請求項２】
前記混合および供給装置手段がインジェクタ（２８）として設計されたことを特徴とする請求項１に記載の改質器。
【請求項３】
前記インジェクタ（２８）が、酸化剤含有排気ガスの供給によってパワーが供給されることを特徴とする請求項２に記載の改質器。
【請求項４】
前記戻り手段（２６）が、戻されたリフォーメートをそれぞれ冷却し、蒸発器内で煤の酸化を開始させるための熱交換器手段（３０）を備えたことを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の改質器。
【請求項５】
前記熱交換器手段（３０）が、必要に応じて作動および停止させることができるように構成されることを特徴とする請求項４に記載の改質器。
【請求項６】
前記触媒Ｈ２生成のためのゾーン（２０）からリフォーメートを吐出させるための前記戻り手段（２６）が、前記触媒Ｈ２生成のためのゾーン（２０）で動作状態であることを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の改質器。
【請求項７】
リフォーメートを吐出させるための前記戻り手段（２６）が、前記触媒Ｈ２生成のためのゾーン（２０）の下流側のゾーンで動作状態であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の改質器。
【請求項８】
リフォーメートを吐出させるための前記戻り手段（２６）が、前記触媒Ｈ２生成のためのゾーン（２０）の下流側の燃料電池（２２）のアノード排気ガス・コンジットで動作状態であることを特徴とする請求項７に記載の改質器。
【請求項９】
前記混合機および供給装置手段（２８）と前記蒸発ゾーン（１６）の間に、前記蒸発器ガス混合物から汚染を除去するためのガス・クリーナ（３２）が設けられることを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の改質器。
【請求項１０】
燃料および酸化剤を前記ガス状リフォーメートに反応させるための方法であって、酸化剤含有排気ガスを生成する際に酸化ゾーン（１０）でガス状酸化剤と混合された燃料を酸化するステップと、蒸発ゾーン（１６）で、燃料を蒸発器ガスと共に燃料含有の蒸発器ガス混合物へ蒸発させるステップと、ガス状リフォーメートを生成するために、触媒Ｈ２生成のためのゾーン（２０）で、蒸発燃料および酸化剤含有排気ガスを含有した改質ガス混合物を改質するステップとを含み、前記改質ガス混合物を生成するために、酸化剤含有排気ガスが燃料を含有した蒸発器ガス混合物と混合されて前記触媒Ｈ２生成のためのゾーン（２０）に供給され、前記触媒Ｈ２生成のためのゾーン（２０）で生成されたリフォーメートが、蒸発器ガスとして前記蒸発ゾーン（１６）に戻されることを特徴とする方法。
【請求項１１】
戻されるリフォーメートから、戻りの間、熱が引き出されることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記蒸発器ガス混合物が、前記酸化剤含有排気ガスと混合される前に、その汚染が浄化されることを特徴とする請求項１０または１１のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料および酸化剤をガス状リフォーメートに反応させるための改質器（リフォーマー）に関する。改質器は、酸化ゾーン、蒸発ゾーンおよび触媒Ｈ２生成のためのゾーンを備えている。酸化ゾーンは、酸化剤含有排気ガスを生成する際に酸化のための燃料および酸化剤のガス状混合物の供給を受け取ることができ、蒸発ゾーンは、燃料を含有した蒸発器ガス混合物を生成するための燃料および蒸発器ガスの供給を受け取ることができる。また、触媒Ｈ２生成のためのゾーンは、蒸発燃料および酸化剤含有排気ガスを含有した、ガス状リフォーメートを生成するための発火性改質ガス混合物の供給を受け取ることができる。
【０００２】
本発明は、さらに、燃料および酸化剤をガス状リフォーメートに反応させるための方法に関する。この方法には、酸化剤含有排気ガスを生成するために、ガス状酸化剤と混合された燃料を酸化ゾーンで酸化させるステップと、蒸発ゾーンで、燃料を蒸発器ガスと共に、燃料を含有した蒸発器ガス混合物に蒸発させるステップと、ガス状リフォーメートを生成するために、触媒Ｈ２生成のためのゾーンで、蒸発燃料および酸化剤含有排気ガスを含有した改質ガス混合物を改質させるステップが含まれている。
【背景技術】
【０００３】
特許文献１で知られている汎用改質器および汎用方法は、豊富な応用分野を有しているが、それらは、とりわけ、水素が豊富なガス混合物を燃料電池に供給するように作用しており、それにより、電気化学反応に基づいて電気エネルギーを生成することができる。このような燃料電池には、たとえば自動車分野における補助動力装置（ＡＰＵ）としての応用がある。
【０００４】
知られている方法は、実質的に３段プロセスを表している。第１段では、酸化ゾーンが、炭化水素を含有した燃料の供給、たとえばディーゼルを受け取り、受け取った燃料の供給を酸化、つまり発熱反応で燃焼させる。それにより、典型的には８００℃ないし１０００℃の熱さの排気ガスが生成される。この排気ガスは、依然として、酸化剤すなわち典型的には酸素を含有した燃焼空気の十分な初期酸素濃度を有している。次に、酸素を含有した熱排気ガスが蒸発ゾーンに導入され、そこでさらに燃料がディスペンスされる。典型的には液体燃料が使用されるが、その場合、温度が高いために液体燃料が蒸発し、燃料および排気ガスの発火性混合物が形成され、次に、この発火性混合物が、触媒Ｈ２生成のためのゾーンで、典型的には、触媒部分酸化（ＣＰＯＸ）プロセスとして知られているプロセスで、部分酸化触媒を利用して、水素が豊富なガス、合成ガスまたはリフォーメートに改質される。リフォーメートは、引き続いて燃料電池に供給され、そこで、酸素と相俟って、知られている原理に従って水が形成され、電気エネルギーを生成するために使用される。
【０００５】
知られているこのプロセスの欠点は、発火性混合物が蒸発ゾーンで形成されるため、下流側の触媒が煤で汚され、プロセスの中断が余儀なくされることになる自然自己発火の危険があることである。自然自己発火は、現在、蒸発燃料に対する燃焼の割合を高度に正確に制御することによって対処されており、そのために、改質器を安定して動作させることができるパラメータの範囲が著しく制限されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】ドイツ特許ＤＥ  １０３  ５９  ２０５  Ａ１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記の欠点が少なくとも部分的に克服され、かつ、とりわけ、安定した動作を可能にする動作パラメータの変動範囲を広くする、燃料および酸化剤をリフォーメートに反応させるための改質器および方法を利用可能にする目的に基づいている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この目的は、独立請求項の特徴によって達成される。
【０００９】
本発明の有利な実施形態は、従属請求項に記載されている。
【００１０】
本発明は、改質ガス混合物を生成し、かつ、それを触媒Ｈ２生成のためのゾーンに供給するための混合および供給装置手段が、触媒Ｈ２生成のためのゾーンへの入力の上流側に挿入され、該混合および供給装置手段が、一方では酸化剤含有排気ガスの供給を酸化ゾーンから受け取ることができ、また、他方では燃料を含有した蒸発器ガス混合物を蒸発ゾーンから受け取ることができ、触媒Ｈ２生成のためのゾーンで生成されたリフォーメートを蒸発器ガスとして蒸発ゾーンに戻すための手段が提供されている点で、汎用改質器に基づいている。
【００１１】
本発明は、改質ガス混合物を生成するために、改質ガス混合物を生成するための酸化剤含有排気ガスを蒸発器ガス混合物と混合するステップと、その混合物を触媒Ｈ２生成のためのゾーンに供給するステップとが含まれており、また、触媒Ｈ２生成のためのゾーンで生成されたリフォーメートが蒸発器ガスとして蒸発ゾーンに戻される点で、汎用方法に基づいている。
【００１２】
以下、本発明による改質器の効果および利点、ならびに本発明による方法の効果および利点について、併せて説明する。
【００１３】
本発明の範囲によれば、従来技術とは対照的に、酸化ゾーンからの熱排気ガスは、蒸発ゾーンで蒸発器ガスとして使用されないが、その代わりに改質ゾーンで生成されるリフォーメートが蒸発器ガスとして蒸発ゾーンに戻され、そこで燃料と共に濃縮される。濃縮された燃料は、リフォーメートの温度が高いため、蒸発する。
【００１４】
酸化剤が少ないため、水素添加リフォーメートが蒸発燃料と相俟って発火性混合物を形成することはなく、したがって蒸発ゾーンにおける自然自己発火の危険が回避される。下流側の混合および供給装置手段によって最初に発火性混合物が生成され、混合および供給装置手段の中で、蒸発ゾーンからの燃料濃縮リフォーメートと酸化ゾーンからの酸化剤含有排気ガスとを混合することにより、発火性改質ガス混合物が形成され、触媒Ｈ２生成のためのゾーンに供給される。
【００１５】
本発明の他の利点は、蒸発器ガスとして使用されるリフォーメートに含まれている水素が、濃縮燃料の蒸発における煤の形成を少なくしていることである。燃料の蒸発は、通常、燃料に含まれている成分の沸点よりはるかに低い低蒸発温度でも十分に燃料が蒸発するように制御されたキャリア・ガスである。また、この蒸発温度の低減により、燃料の蒸発が非侵略的になり、したがって煤の形成が減少する。
【００１６】
混合および供給装置手段は、インジェクタとして有利にエンジニアリングされており、たとえば一方では、自然自己発火する危険のある発火性混合物を含んだ容積の大きい領域が形成されない利点を有している。また、他方では、触媒Ｈ２生成のためのゾーンへの発火性混合物の高速供給により、フラッシュバックが安全に除去される。
【００１７】
インジェクタは、排気ガスによってより効果的にパワーが供給される。つまり、発火性改質ガス混合物を混合し、かつ、供給するためのエネルギー源として、酸化ゾーンからの酸化剤含有排気ガスの運動エネルギーが利用されている。本発明によれば、インジェクタの機械的な特性を適切に設定することにより、コンポーネントの連続的な能動制御を必要とすることなく、酸化剤含有排気ガスと濃縮蒸発器ガスの混合比率を永久的に最適化することができる。インジェクタは、たとえばベンチュリ・ノズルの原理に基づいて動作させることができる。
【００１８】
上で言及したように、本発明によれば、濃縮燃料を蒸発ゾーンで比較的低い温度で蒸発させることができる利点が得られる。その一方で、触媒Ｈ２生成のためのゾーンで生成されるリフォーメートは、通常、極めて高い温度を有している。本発明の他の有利な一実施形態において、戻りの際にリフォーメートから熱が引き出される理由はそのためである。これは、たとえば、戻り手段が戻されたリフォーメートを冷却するための熱交換器手段を備えている点で、達成可能である。熱交換器手段は、必要に応じて作動および停止させることができることが好ましい。結果として得られる回復熱を利用して、たとえば下流側の燃料電池システム内のプロセス空気流を予熱することができ、また、触媒Ｈ２生成のためのゾーン、アフターバーナまたはシステムの他のコンポーネント内における燃料予熱のための熱源としての利用を想定することも可能である。
【００１９】
生成されたリフォーメートは、本発明に従って提供されるようにリフォーメートを蒸発ゾーンに戻す以外に、触媒Ｈ２生成のためのゾーンに直接分岐させることも可能である。つまり、戻り手段を触媒Ｈ２生成のためのゾーンの領域で利用することができる。そのために、触媒Ｈ２生成のためのゾーンにガス検知器を使用して、高い戻り率のガス流を確実にリサイクルさせることができる。一方、触媒Ｈ２生成のためのゾーンの下流側のゾーン、たとえば触媒Ｈ２生成のためのゾーンの下流側の燃料電池の直ぐ後段で戻り手段を利用することも可能である。燃料電池内における電気化学酸化の結果、酸素の濃度が高くなり、したがって戻りガス流のＯ／Ｃ比率が高くなり、延いては触媒のＯ／Ｃ比率が高くなり、煤の形成に決定的な影響を及ぼすことになる。熱力学の観点から、煤の形成は、Ｏ／Ｃ比率の増加に伴って減少するため、この点に関しては、煤の形成における運動効果の役割が小さい場合、戻りを改質器の後にする場合と比較すると、戻りを燃料電池の後にすることは有利である場合があるといえる。
【００２０】
通常、燃料電池に供給される水素は、そのすべてが酸素と反応して水になるわけではなく、したがって燃料電池アノードの排気ガスには、通常、有用な濃度の水素が含まれている。
【００２１】
当然、上で言及した戻り可能性の組合せを実現することも可能であるが、本発明の特殊な一実施形態において、蒸発ゾーンへのこのアノード排気ガスおよび排気ガスの戻りが提供されている理由はそのためである。
【００２２】
本発明のとりわけ有利な他の一実施形態では、酸化剤含有排気ガスとの混合に先だって、蒸発器ガス混合物の汚染が浄化される。そのためには、混合機と供給装置手段の間、つまり、詳細にはインジェクタと蒸発ゾーンの間に、蒸発器ガス混合物から汚染を除去するためのガス・クリーナが提供されていることが好ましい。この構造の場合、これには、たとえば蒸発器ガスに含まれている金属または煤プリカーソルなどの触媒毒を吸収し、リフォーメートに含まれている水素との反応によって部分的に無害にする、知られている触媒保護デバイスを含むことができる。
【００２３】
上で説明したように、本発明は、リフォーメートを生成するための改質器および方法に関している。しかしながら、本発明は、リフォーメートが直接生成されない改質器の動作モードにも利点をもたらすことに留意されたい。本明細書においては再生モードと呼ばれているこのモードでは、蒸発ゾーンにおける燃料濃縮が非活性化され、したがって触媒Ｈ２生成のためのゾーンではリフォーメートは形成されない。その代わりに、燃焼排気ガスが酸化ゾーンから触媒Ｈ２生成のためのゾーンを通って流れる。再生モードでは、このガスは、戻り手段を介して蒸発ゾーンに供給され、かつ、触媒Ｈ２生成のためのゾーンに戻される前に、混合および供給装置手段を介して「フレッシュ」燃焼排気ガスと混合される。排気ガスをこの方法でリサイクルさせることにより、蒸発ゾーンおよび／または下流側のガス・クリーナに形成されるあらゆる煤付着物が燃焼し、それにより関連するエレメントが再生される。
【００２４】
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。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】従来技術による改質器の構造を示す線図である。
【図２】複数の任意選択の補助エレメントを備えた、本発明による改質器の構造を示す線図である。
【図３】本発明による改質器の代替実施形態の構造を示す線図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
図１を参照すると、従来技術による改質器の構造の線図が示されている。バーナ１０は、その中に酸化ゾーンを備えており、第１の供給装置コンジット１２を介して空気が供給され、また、第２の供給装置コンジット１４を介して液体燃料、たとえばディーゼルが供給されている。バーナ１０は、通常、燃焼空気および燃料の発火性ガス混合物を形成するための混合ゾーン（図示せず）を備えている。この混合ゾーンは、実際の酸化ゾーンの上流側に提供されている。燃焼によってバーナ１０内に生じる、同じく、燃焼中に反応しなかった酸化剤を含んだ排気ガスは、蒸発器１６の中に導かれ、そこで蒸発器ガスとして作用する。蒸発器１６は、蒸発器ガスと共に濃縮されるさらに他の液体燃料のための供給装置コンジット１８を備えている。供給装置コンジット１８を介して供給される液体燃料は、温度が高いため、蒸発する。この濃縮ガス、すなわち蒸発器ガスと蒸発燃料の混合物によって発火性改質器ガス混合物が形成され、触媒Ｈ２を生成するための、詳細にはＣＰＯＸ触媒を備えた下流側のゾーン２０へ供給される。触媒Ｈ２生成のためのゾーン２０の中に、下流側の燃料電池２２に供給することができる水素添加リフォーメートが触媒生成される。燃料電池の排気ガスは、図１に「システムへ」の吐出しで示されているシステムの構造に応じて適切に処理される。
【００２７】
次に図２を参照すると、本発明による改質器の線図が示されている。同様のコンポーネントは、図１と同様の参照符号表示で示されている。図２に示されている実施形態では、燃料電池の上流側にガス検知器２４が挿入されている。図２に示されている線図では、図に示されている構成要素は必ずしも対象構成要素ではなく、実質的に機能構成要素であることに留意されたい。したがって、触媒Ｈ２生成のためのゾーン２０の中にガス検知器２４を統合することも可能である。ガス検知器２４の機能は、触媒Ｈ２生成のためのゾーン２０に生成される水素添加リフォーメートの一部を戻りコンジット２６を介して蒸発器１６に戻すことである。つまり、従来技術とは異なり、蒸発器１６の中で蒸発器ガスとして使用されるのは、バーナ１０からの排気ガスではなく、戻りコンジット２６を介して戻されるリフォーメートである。
【００２８】
バーナ１０からの排気ガスならびに蒸発器１６からの濃縮蒸発器ガスは、共に、バーナ１０からの排気ガスによってパワーが供給されるノズルとして設計されることが好ましいインジェクタ２８に供給される。インジェクタ２８の中でこれらの２つのガス流が混合され、結果として得られる発火性混合物が触媒Ｈ２生成のためのゾーン２０へ供給される。
【００２９】
図２に示されている実施形態では、その性質が任意選択であることを示すために図２には破線で示されているように、戻りコンジット２６の中に任意選択の熱交換器３０が統合されている。この熱交換器３０は、必要に応じて起動および停止させることができ、また、とりわけ、戻りコンジット２６を介して戻されるリフォーメートを冷却する役割を果たすように適合させることができることが好ましい。熱交換器３０は、蒸発器１６内の温度を最適範囲に維持するための能動温度コントローラとして使用することができる。さらに、この熱交換器を使用して、煤の発火温度が得られるように蒸発器内の温度を設定することができ、したがって煤の酸化を開始させ、延いては蒸発器から煤を除去することができる。つまり、蒸発器を再生することができる。
【００３０】
図２に示されている実施形態の他のオプションとして、蒸発器１６とインジェクタ２８の間に配置されたガス・クリーナ３２を提供することができる。このガス・クリーナ３２は、ガス流からのいわゆる触媒毒を除去し、有害な化合物（煤プリカーソル）を安全な化合物にそれぞれ変換する働きをしている。この変換は、たとえばアセチレン、エチレン、多環式芳香族化合物の水素添加によって戻される水素によって実施することができる。
【００３１】
次に図３を参照すると、図２に示されている構造とほぼ同じ構造が示されている。この場合も同様のコンポーネントは同様の参照符号表示で識別されている。しかしながら、図２とは異なり、図３は、ガス検知器２４がここでは如何にして機能的に燃料電池２２の下流側に配置されているかを示しており、本発明のこの変形態様は、燃料電池２２のアノード排気ガスのリサイクリングを可能にしている。
【００３２】
当然、図に示されている実施形態および特定の説明の中で考察されている実施形態は、単に本発明の実例態様として意図されたものにすぎず、当業者は、広範囲にわたるその思い通りの自由な可能変形形態を有していることを理解されたい。たとえば、蒸発器１６が、触媒Ｈ２生成のためのゾーン２０からのリフォーメートの供給と、蒸発器ガスとしての燃料電池２２からの燃料電池排気ガスの両方を受け取るように、図２および図３に示されている実施形態を組み合わせることができる。
【００３３】
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。
【符号の説明】
【００３４】
１０…バーナ、１２…空気供給装置コンジット、１４…燃料供給装置コンジット、１６…蒸発器、１８…燃料供給装置コンジット、２０…触媒Ｈ２生成のためのゾーン、２２…燃料電池、２４…ガス検知器、２６…戻りコンジット、２８…インジェクタ、３０…熱交換器、３２…ガス・クリーナ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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2009543753.tif 000007
2009543753.tif 000008
2009543753.tif 000009
2009543753.tif 000010
2009543753.tif 000011