(57)【要約】  本発明は、燃料電池システム（１０）のための改質器（１２）に関する。前記改質器は、貯蔵された燃料を、酸化剤と反応させるための一次燃料供給装置（５０、６２）によって供給可能である酸化ゾーン（４８）と、酸化ゾーン（４８）の下流側に配置され、貯蔵された燃料を、酸化ゾーン（４８）から出現する物質と混合するための二次燃料供給装置（５６、６４）によって供給可能である混合ゾーン（５４）とを備える。一次燃料供給装置（５０、６２）によって供給される燃料が、等級および／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、二次燃料供給装置（５６、６４）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一次燃料供給装置（５０、６２）および二次燃料供給装置（５６、６４）が適応される点で、本発明は特徴づけられる。本発明は、さらに、前記改質器を備える燃料電池システム、前記燃料電池システムを備える車両、及び前記改質器を作動させる方法に関する。
2009543303.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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の一次燃料供給装置（５０、６２）によって受け取る酸化ゾーン（４８）と、
前記酸化ゾーン（４８）の下流側に配置され、タンクに貯蔵された燃料の供給を前記酸化ゾーン（４８）から出現する物質と混合する二次燃料供給装置（５６、６４）によって受け取る混合ゾーン（５４）と、を備え、
前記一次燃料供給装置（５０、６２）および二次燃料供給装置（５６、６４）は、前記一次燃料供給装置（５０、６２）によって供給される燃料が、等級および／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、前記二次燃料供給装置（５６、６４）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に設けられることを特徴とする燃料電池システム（１０）用の改質器（１２）。
【請求項２】
前記一次燃料供給装置（６２）は、供給圧力が最大１０バールの低圧供給装置であり、また前記二次燃料供給装置（６４）は、供給圧力が５０バール以上の高圧供給装置であることを特徴とする請求項１に記載の改質器（１２）。
【請求項３】
前記二次燃料供給装置（６４）は、供給圧力が５０バールないし１００バールの高圧供給装置であることを特徴とする請求項２に記載の改質器（１２）。
【請求項４】
前記二次燃料供給装置（６４）は、供給圧力が９００バールないし１１００バールの高圧供給装置であることを特徴とする請求項２に記載の改質器（１２）。
【請求項５】
前記一次燃料供給装置（５０）は、第１の燃料タンク（１６）に接続されるように設けられ、また前記二次燃料供給装置（５６）は、別の第２の燃料タンク（２０）に接続されるように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（１２）。
【請求項６】
前記請求項のいずれかに記載の改質器（１２）を備える燃料電池システム（１０）。
【請求項７】
請求項６に記載の燃料電池システム（１０）を備える自動車両。
【請求項８】
２つの燃料タンク（１６、２０）が設けられ、一方の燃料タンク（１６）が前記改質器（１２）の前記一次燃料供給装置（５０）に接続され、また前記第２の燃料タンク（２０）が前記二次燃料供給装置（５６）に接続されることを特徴とする請求項７に記載の自動車両。
【請求項９】
燃料電池システム（１０）の改質器（１２）を動作させるための方法であって、
燃料タンク（１６、６０）から酸化ゾーン（４８）へ燃料を供給するステップであって、前記酸化ゾーン（４８）で前記燃料と酸化剤とが反応するステップと、
燃料タンク（２０、６０）から前記酸化ゾーン（４８）の下流側に配置される混合ゾーン（５４）へ燃料を供給するステップであって、前記混合ゾーン（５４）で前記酸化ゾーン（４８）から出現する物質と前記燃料とを混合することができるステップと、を含み、
前記酸化ゾーン（４８）に供給される燃料は、等級および／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、前記混合ゾーン（５４）に供給される燃料とは異なることを特徴とする方法。
【請求項１０】
前記燃料は最大１０バールの供給圧力で前記酸化ゾーン（４８）に供給され、また前記混合ゾーン（５４）に供給される前記燃料は５０バール以上の供給圧力を有することを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記混合ゾーン（５４）に供給される前記燃料は５０バール〜１００バールの供給圧力で供給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】
前記混合ゾーン（５４）に供給される前記燃料は９００バール〜１１００バールの供給圧力で供給されることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記酸化ゾーン（４８）に供給される前記燃料は第１の燃料タンク（１６）から供給され、また前記混合ゾーン（５４）に供給される前記燃料は別の第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９から１２まで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、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一次燃料供給装置によって受け取る酸化ゾーンと、酸化ゾーンの下流側に配置された、タンクに貯蔵された燃料の供給を酸化ゾーンから出現する物質と混合するための二次燃料供給装置によって受け取る混合ゾーンとを備えた、燃料電池システムのための改質器に関する。
【０００２】
また、本発明は、１つのこのような改質器を備えた燃料電池システムに関し、また、１つの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。
【０００３】
さらに、本発明は、燃料タンクから酸化ゾーンへ燃料を供給するステップであって、燃料と酸化剤が反応するステップと、燃料タンクから酸化ゾーンの下流側に配置された混合ゾーンへ燃料を供給するステップであって、混合ゾーンで燃料を酸化ゾーンから出現する物質と混合することができるステップとを含む、燃料電池システムの改質器を動作させるための方法に関する。
【背景技術】
【０００４】
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放出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で反応するため、燃料電池のアノード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、これは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、その改質器で燃料が酸化剤と反応する。改質器によって生成されたリフォーメートは、それぞれ燃料電池スタックである燃料電池に供給され、リフォーメートの成分としての水素および酸化剤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。汎用改質器の１つは、特許文献１で知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【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】
【０００６】
本発明の目的は、改質器の最適動作を達成することができるよう、汎用改質器、汎用燃料電池システム、汎用自動車両および改質器を動作させるための汎用方法を洗練させることである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この目的は、独立請求項によって達成される。
【０００８】
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。
【０００９】
本発明による改質器は、等級および／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、一次燃料供給装置によって供給される燃料と二次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、一次燃料供給装置および二次燃料供給装置が設計される点では、概ね従来技術に基づいており、本発明は、酸化ゾーンと混合ゾーンとでは、蒸発の品質に対する要求事項が異なることを発見したことに基づいている。酸化ゾーンでは、結果として生じる燃焼が均質であり、したがって均質なガス混合物が混合ゾーンに流入するように良好に燃料が蒸発する場合に十分であり、一方、混合ゾーンでは、蒸発に対するさらに高い要求事項が要求される。混合ゾーンでは、均質な蒸発の達成を保証しなければならず、また、それと同時に、酸化ゾーンから流入するガス混合物と燃料蒸気とを均質に混合しなければならない。これは、一次燃料供給装置によって供給される燃料が、等級および／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、二次燃料供給装置によって供給される燃料とは異なる点で、本発明によってより効果的に達成されるが、本発明によれば、対応するゾーンにおける蒸発のための最適開始条件が得られるようにこれらのパラメータを選択し、かつ、適合させることができる点で従来技術に優る利点であり、本発明によれば改質器の動作を改善することができるため、これには、性能モジュラリティ、つまり改質器の動作範囲がより広いという他の利点がある。これは、実際問題として、本発明によれば、１つの等級の燃料（たとえばディーゼル）を改質器の酸化ゾーンで燃焼させることができ、一方、混合ゾーンで、酸化ゾーン燃焼による生産ガスへの改質のための遊離体として別の等級の燃料（たとえばガソリン）を混ぜ合わせることができることを意味している。
【００１０】
本発明による改質器は、一次燃料供給装置が、供給圧力が最大１０バールの低圧供給装置であり、また、二次燃料供給装置が、供給圧力が５０バール以上の高圧供給装置である点で、より効果的に洗練させることができる。蒸発に対する要求事項がより高いため、混合ゾーンには高価な高圧供給装置を利用することが有利である。一方、酸化ゾーンにはより安価な低圧供給装置の使用で十分である。はるかに高価な高圧供給装置が酸化ゾーンから排除されるため、これには、エネルギーが節約されるだけでなく、同じくコストが節約される利点がある。
【００１１】
これは、とりわけ、二次燃料供給装置が、供給圧力が５０バールないし１００バールの高圧供給装置の場合がそうである。
【００１２】
代替として、二次燃料供給装置は、供給圧力が９００バールないし１１００バールの高圧供給装置であってもよい。
【００１３】
さらに、本発明による改質器は、一次燃料供給装置が第１の燃料タンクに接続されるように設計され、また、二次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ている点で洗練させることができる。酸化ゾーンおよび混合ゾーンに等級が異なる燃料を供給することにより、様々な等級の燃料の蒸発の温度、エンタルピーおよび速度が異なるため、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化されるように個々の等級を選択することができる。
【００１４】
さらに、本発明によれば、燃料電池システムおよび上記の利点を組み込んだ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。
【００１５】
汎用方法は、酸化ゾーンに供給される燃料が、等級および／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、混合ゾーンに供給される燃料とは異なる点で、より効果的に洗練させることができる。また、本発明による方法の範囲においては、本発明は、同じく、酸化ゾーンにおける蒸発の品質に対する要求事項と混合ゾーンにおける蒸発の品質に対する要求事項が異なっていることを発見したことに基づいている。酸化ゾーンでは、燃焼が均質であり、したがって均質なガス混合物が混合ゾーンに流入するように良好に燃料が蒸発する場合に十分であり、一方、混合ゾーンでは、蒸発に対するさらに高い要求事項が要求される。混合ゾーンでは均質な蒸発が要求され、それと同時に、酸化ゾーンからのガス混合物と燃料蒸気とを均質に混合しなければならない。これは、一次燃料供給装置によって供給される燃料が、等級および／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、二次燃料供給装置によって供給される燃料とは異なる点で、本発明によってより効果的に達成されるが、本発明によれば、対応するゾーンにおける蒸発のための最適開始条件が得られるようにこれらのパラメータを選択し、かつ、適合させることができる点で従来技術に優る利点であり、本発明によれば改質器の動作を改善することができるため、これには、性能モジュラリティ、つまり改質器の動作範囲がより広いという他の利点がある。これは、実際問題として、本発明によれば、１つの等級の燃料（たとえばディーゼル）を改質器の酸化ゾーンで燃焼させることができ、一方、混合ゾーンで、酸化ゾーン燃焼による生産ガスへの改質のための遊離体として別の等級の燃料（たとえばガソリン）を混ぜ合わせることができることを意味している。
【００１６】
さらに、本発明による方法は、燃料が最大１０バールの供給圧力で酸化ゾーンに供給され、また、混合ゾーンに供給される燃料が５０バール以上の供給圧力を有している点で、より効果的に洗練させることができる。
【００１７】
したがって、詳細には、混合ゾーンに供給される燃料は、５０バールないし１００バールの供給圧力を有している。
【００１８】
代替として、混合ゾーンに供給される燃料は、９００バールないし１１００バールの供給圧力にすることも可能である。
【００１９】
さらに、本発明による方法は、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、混合ゾーンに供給される燃料が別の第２の燃料タンクから供給される点で洗練させることができる。酸化ゾーンおよび混合ゾーンに等級が異なる燃料を供給することにより、様々な等級の燃料の蒸発の温度、エンタルピーおよび速度が異なるため、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化されるように個々の等級を選択することができる。
【００２０】
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、例によって詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】第１の実施形態例による燃料電池システムを示す線図である。
【図２】第１の実施形態例による改質器を示す線図である。
【図３】第２の実施形態例による燃料電池システムを示す線図である。
【図４】第２の実施形態例による改質器を示す線図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１を参照すると、第１の実施形態例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２の燃料タンク２０から第２の燃料ライン１８を介して燃料の供給を受け取っている。適切な等級の燃料は、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等級の燃料である。第１の実施形態例の範囲においては、第１の燃料タンク１６の燃料の等級と、第２の燃料タンク２０の燃料の等級とは異なっており、したがって第１の燃料タンク１６にディーゼルを貯蔵し、また、第２の燃料タンク２０にガソリンを貯蔵することが有利である。さらに、第１の酸化剤ライン２２を介して、酸化剤、たとえば空気が改質器１２に供給されている。改質器１２によって生成されたリフォーメートは、リフォーメートライン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ートは、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、カソード供給空気ライン２８を介して供給されるカソード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を介して取り出されることができる。図に示されている例では、アノード排気ガス・ライン３２を介してアフターバーナ３６の混合機３４にアノード排気ガスが供給される。アフターバーナ３６は、第１の燃料タンク１６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。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、減損したアノード排気ガスが燃料および酸化剤の供給と反応して燃焼排気ガスになり、この燃焼排気ガスが、混合機４２の中で、カソード排気ガス・ライン４４を介して燃料電池スタック２６から混合機４２へ供給されるカソード排気ガスと混合される。害毒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から流出する前にカソード供給空気を予熱する。
【００２３】
次に図２を参照すると、第１の実施形態例による改質器の線図が示されている。改質器１２は、一次燃料供給装置５０から燃料の供給を受け取る酸化ゾーン４８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に貯蔵されている等級の燃料を供給している。さらに、第１の酸化剤ライン２２に接続された、酸化ゾーン４８に酸化剤を供給することができる酸化剤供給装置５２が提供されている。酸化ゾーン４８の範囲では、燃焼すなわち発熱総酸化反応による燃料と酸化剤の反応が生じる。それによって得られる熱生産ガスが、下流側、つまり図２の右側に示されている混合ゾーン５４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画定されている。これらのゾーンは、構造的特徴または界面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、得られた生産ガスが、二次燃料供給装置５６によって追加ガスと混合される。この実施形態例では、一次燃料供給装置５０および二次燃料供給装置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２の燃料タンク２０に貯蔵されている燃料を、第１の燃料タンク１６からの燃料供給以外の燃料供給によって二次燃料供給装置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、水素が豊富なガス混合物になる。このリフォーメートすなわち水素が豊富なガス混合物は、リフォーメートライン２４を介して改質器１２から流出し、燃料電池スタック２６でさらに有効使用可能である。
【００２４】
第１の実施形態例の一変形態様では、燃料は、第１の燃料タンク１６と第２の燃料タンク２０とで同じ等級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、同じ等級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、他の燃料ライン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。
【００２５】
以下の通りに使用されている参照数表示は、第１の実施形態例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。
【００２６】
次に図３を参照すると、第２の実施形態例による燃料電池システムの線図が示されている。第２の実施形態例の燃料電池システム１０は、第１の燃料タンク１６および第２の燃料タンク２０の代わりに、単一の燃料タンク６０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６０は、第１、第２および第３の燃料ライン１４、１８、３８に同じ等級の燃料を供給している。
【００２７】
次に図４を参照すると、第２の実施形態例による改質器の線図が示されている。第２の実施形態例の改質器１２は、図２に示されている一次燃料供給装置の代わりに、低圧供給装置システムとして構成された一次燃料供給装置６２を備えている。この一次燃料供給装置６２は、単一等級ノズルを備えた低圧インジェクタであることが好ましいが、多孔性蒸発器を備えた蒸発タイプの燃料供給装置、たとえば蒸発器フリース（金属フォーム）タイプの燃料供給装置であってもよい。低圧供給装置システムは、最大１０バールの供給圧力で動作する。第２の実施形態例の改質器１２は、さらに、高圧システムとして設計された二次燃料供給装置６４を備えている。この高圧システムは、たとえばコモンレール・システムを使用して達成することができる９００バールないし１１００バールの圧力で動作し、好ましくは約１０００バールの圧力で動作させることができるインジェクタ・システムである。代替として、たとえばサージ圧インジェクタ・システムによって達成することができる５０バールないし１００バールの供給圧力でこの高圧供給装置システムを動作させることも可能である。
【００２８】
第２の実施形態例の一変形態様では、一次燃料供給装置６２はインジェクタとして設けられており、また、二次燃料供給装置６４は、多孔性蒸発器、たとえば金属フォーム蒸発器を備えた蒸発タイプの燃料供給装置として設けられる。
【００２９】
第２の実施形態例の第２の変形態様では、一次燃料供給装置６２および二次燃料供給装置６４は、一次燃料供給装置６２によって供給される、改質器１２の対応するゾーンに供給される燃料が、二次燃料供給装置６４によって供給される燃料とは異なる温度を有するように設けられ、あるいは動作する。代替として、第１の燃料ライン１４および／または第２の燃料ライン１８の加熱器または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、この温度差を使用して、二次燃料供給装置６４における燃料の集合状態とは異なる集合状態で一次燃料供給装置６２の燃料を供給することができる。
【００３０】
対応する図によって個々の実施形態例およびそれらの変形態様が個別に説明されているが、様々な実施形態例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、高圧燃料供給装置および低圧燃料供給装置を備えた改質器に異なる等級の燃料が供給されるように第１および第２の実施形態例を組み合わせることができる。
【００３１】
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、ならびにカソード供給空気ライン２８に提供することができる。
【００３２】
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】
【００３３】
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…リフォーメートライン、２６…燃料電池スタック、２８…カソード供給空気ライン、３０…電気ターミナル、３２…アノード排気ガス・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…カソード排気空気・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…燃料タンク、６２…一次燃料供給装置、６４…二次燃料供給装置
【図１】
2009543303.tif 000003
【図２】
2009543303.tif 000004
【図３】
2009543303.tif 000005
【図４】
2009543303.tif 000006
【国際調査報告】
2009543303.tif 000007
2009543303.tif 000008
2009543303.tif 000009
2009543303.tif 000010
2009543303.tif 000011
2009543303.tif 000012