(57)【要約】【課題】コンパクトで、効率がよく、多様な燃料改質器で使用できる統合燃料噴射・混合装置を提供する。【解決手段】燃料噴射・混合装置１０は霧化ガス流の存在のもとで液体燃料を吸い出し、発生する燃料噴射器１４と、燃料と加熱ガスまたは蒸気との混合を増進するため霧化燃料と補助流体とが導入される末広・先細型混合室４９と、均一性と均質性とをより高めるため燃料混合気を安定させるように混合室４９の中心に上混合室部２０と下混合室部２２との間に配置されるミキサー／スワーラー３０とを備える。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料改質器に導入する液状流体を霧化し、混合するための統合燃料噴射・混合装置であって、
圧力のもとで液状流体の微細な液滴を発生する、噴射器チップを有する流体噴射器と、
燃料混合気を供給するため前記流体噴射器の前記噴射器チップの出口と流体連通し、前記流体噴射器からの液状流体の微細な液滴を霧化し、第２の流体と混合する混合室と、
前記混合室内に構成され、配置され、前記燃料改質器に通じる入口を通して混合気を導入する前に混合気を安定させるミキサー／スワーラーと
を備える統合燃料噴射・混合装置。
【請求項２】
前記燃料改質器が蒸気改質器、自己熱改質器および触媒部分酸化改質器からなる群から選ばれる請求項１記載の統合燃料噴射・混合装置。
【請求項３】
前記流体噴射器が単一型噴射器を備える請求項１記載の統合燃料噴射・混合装置。
【請求項４】
前記流体噴射器がサイフォン型噴射器である請求項１記載の統合燃料噴射・混合装置。
【請求項５】
前記流体噴射器が微細な燃料液滴を吸い出し、発生するガスアシスト式噴射器である請求項１記載の統合燃料噴射・混合装置。
【請求項６】
前記流体噴射器が微細な燃料液滴を発生するためにサイフォン原理および圧力旋回技術の少なくとも１つを使用する請求項１記載の統合燃料噴射・混合装置。
【請求項７】
前記混合室が末広・先細型混合室である請求項１記載の統合燃料噴射・混合装置。
【請求項８】
燃料液滴が高速で前記混合室に流入する請求項１記載の統合燃料噴射・混合装置。
【請求項９】
前記第２の流体が加熱気流または過熱蒸気を有する請求項１記載の統合燃料噴射・混合装置。
【請求項１０】
前記加熱気流または過熱蒸気が前記燃料噴射器の前記噴射器チップの周囲に均一に供給される請求項９記載の統合燃料噴射・混合装置。
【請求項１１】
前記ミキサー／スワーラーが前記混合室の中心部に配置される請求項１記載の統合燃料噴射・混合装置。
【請求項１２】
前記ミキサー／スワーラーがより良好な混合とより均一な液滴サイズとを与えるため高速の燃料液滴を減速することで、前記燃料混合気を安定させる請求項１記載の統合燃料噴射・混合装置。
【請求項１３】
前記ミキサー／スワーラーが高速の燃料液滴を前記燃料改質器の入口全域にわたって均一に再分布させることで、前記燃料混合気を安定させる請求項１記載の統合燃料噴射・混合装置。
【請求項１４】
前記ミキサー／スワーラーが共旋回および逆旋回動作を与える単一スワーラーならびに２重スワーラーを含む群から選ばれる請求項１記載の統合燃料噴射・混合装置。
【請求項１５】
２重スワーラーが望ましい旋回方向を与える１個ないしそれ以上のベーンを有する、複数のインナ・スワーラーと、別の望ましい旋回方向を与える１個ないしそれ以上のベーンを有する、複数のアウタ・スワーラーとを備える請求項１４記載の統合燃料噴射・混合装置。
【請求項１６】
前記複数のアウタ・スワーラーの望ましい旋回方向が前記複数のインナ・スワーラーの旋回方向と反対方向である請求項１５記載の統合燃料噴射・混合装置。
【請求項１７】
前記統合燃料噴射・混合装置がさらに液状流体の均一なサイズの微細な液滴を発生する１層ないしそれ以上のメッシュ型スクリーンを備える請求項１記載の統合燃料噴射・混合装置。
【請求項１８】
前記混合室が続けて流動させるために前記混合室の内面に集まる流体のための径路を与え、前記流体に延長気化時間を付与する１条ないしそれ以上の反垂れ落ち／反炭素溝を備えるように構成され、配置される請求項１記載の統合燃料噴射・混合装置。
【請求項１９】
前記混合室が続けて流動させるために前記混合室の内面に集まる流体のための径路を与え、前記流体に延長気化時間を付与する１本ないしそれ以上のろう付けワイヤを備えるように構成され、配置される請求項１記載の統合燃料噴射・混合装置。
【請求項２０】
前記ミキサー／スワーラーが続けて流動させるために前記前記ミキサー／スワーラーの表面に集まる流体のための径路を与え、前記流体に延長気化時間を付与する１条ないしそれ以上の反垂れ落ち／反炭素溝を備えるように構成され、配置される請求項１記載の統合燃料噴射・混合装置。
【請求項２１】
前記ミキサー／スワーラーが続けて流動させるために前記ミキサー／スワーラーの表面に集まる流体のための径路を与え、前記流体に延長気化時間を付与する１本ないしそれ以上のろう付けワイヤを備えるように構成され、配置される請求項１記載の統合燃料噴射・混合装置。
【請求項２２】
均質な燃料混合気を触媒反応器に供給する方法であって、
液状流体の微細な液滴を吸い出し、発生し、
前記微細な燃料液滴を混合室に導き、
前記微細な燃料液滴の霧化を増進するため１ないしそれ以上の他の流体を前記混合室に導き、
均質な燃料混合気を供給するため前記１ないしそれ以上の他の流体を前記微細な燃料液滴と混合し、
前記均質な燃料混合気を前記混合室を通して安定させる
ステップを含む方法。
【請求項２３】
液状流体の微細な液滴を吸い出し、発生するステップが均一なサイズの微細な液滴を吸い出し、発生することを含む請求項２２記載の方法。
【請求項２４】
液状流体の微細な液滴を吸い出し、発生するステップが前記微細な液滴を発生するためサイフォン原理および圧力旋回技術の少なくとも１つを使用することを含む請求項２２記載の方法。
【請求項２５】
前記微細な液滴を混合室に導くステップが前記微細な液滴を高速で前記混合室に導入することを含む請求項２２記載の方法。
【請求項２６】
前記他の１つないしそれ以上の流体を前記混合室に導くステップが前記他の流体が前記混合室に流入するとき、前記他の１つないしそれ以上の流体を前記微細な液的の周囲に均一に導くことを含む請求項２２記載の方法。
【請求項２７】
前記他の１つないしそれ以上の流体を前記混合室に導くステップが加熱気流および蒸気流の少なくとも１つを前記混合室に導くことを含む請求項２２記載の方法。
【請求項２８】
前記均質な燃料混合気を安定させるステップがミキサー／スワーラーを用いて高速で、均質な燃料混合気を減速することを含む請求項２２記載の方法。
【請求項２９】
前記均質な燃料混合気を安定させるステップが前記燃料混合気を触媒改質器の入口域全域にわたって均一に再分布させることを含む請求項２２記載の方法。
【請求項３０】
さらに、前記燃料混合気の均一性を向上するため前記燃料混合気をメッシュ装置を通して導入するステップを含む請求項２２記載の方法。
【請求項３１】
さらに、前記混合室またはミキサー／スワーラーの表面に蓄積する燃料液滴の気化を促進するステップを含む請求項２２記載の方法。
【請求項３２】
前記混合室またはミキサー／スワーラーの表面に蓄積する燃料液滴の気化を促進するステップが前記燃料液滴のさらなる気化を促進するため前記表面に集まる燃料液滴を流動させるように前記混合室の露出表面または前記ミキサー／スワーラーの露出表面に沿って１条またはそれ以上の流路または径路を与えることを含む請求項２２記載の方法。
【請求項３３】
前記混合室の内面に沿って１条ないしそれ以上の流路または径路を与えるステップが１条ないしそれ以上のら旋溝または１本ないしそれ以上のろう付けワイヤの少なくとも１つを与えることを含む請求項２２記載の方法。
【請求項３４】
前記均質な燃料混合気を供給するため前記他の１ないしそれ以上の流体を微細な燃料液滴と混合するステップが前記微細な燃料液滴と前記他の１ないしそれ以上の流体との均一な混合を増進するため補助流体を前記混合室に導入することを含む請求項２２記載の方法。
【請求項３５】
前記補助流体を導入するステップが加熱気流および蒸気流の少なくとも１つを前記混合室に導入することを含む請求項３４記載の方法。
【請求項３６】
混合気を触媒改質器に導入する前に均質な燃料混合気を供給するための統合燃料噴射・混合装置であって、
液状流体の液滴を発生する、噴射器チップを有する流体噴射器と、
燃料混合気を供給するため前記流体噴射器の前記噴射器チップの出口と流体連通し、前記流体噴射器からの液状流体の微細な液滴を霧化し、第２の流体と混合する混合室と、
前記混合室と流体連通し、前記燃料改質器に均質な燃料混合気を導入するため均質な混合気を安定させるミキサー／スワーラーと
を備える統合燃料噴射・混合装置。
【請求項３７】
燃料改質器に導入する液状流体を霧化し、混合するための統合燃料噴射・混合装置であって、
液状流体の液滴を発生する、噴射器チップを有する噴射手段と、
混合気を供給するため前記噴射手段の前記噴射器チップの出口と流体連通し、前記噴射手段からの液状流体の微細な液滴を霧化し、第２の流体と混合する混合手段と、
前記燃料改質器に通じる入口を通して混合気を導入する前に前記混合手段内で燃料混合気を安定させるため構成され、配置される旋回手段と
を備える統合燃料噴射・混合装置。
【請求項３８】
液体燃料を水素リッチ流体に改質するための燃料改質器であって、前記燃料改質器が前記燃料改質器に導入する液状流体を霧化し、混合するための統合燃料噴射・混合装置を備え、前記統合燃料噴射・混合装置が
圧力のもとで液状流体の微細な液滴を発生する、噴射器チップを有する流体噴射器と、
燃料混合気を供給するため前記流体噴射器の前記噴射器チップの出口と流体連通し、前記流体噴射器からの液状流体の微細な液滴を霧化し、第２の流体と混合する混合室と、
前記混合室内に構成され、配置され、前記燃料改質器に通じる入口を通して混合気を導入する前に燃料混合気を安定させるミキサー／スワーラーと、
燃料混合気を水素リッチ流体に改質する触媒反応器と
を備える燃料改質器。
【請求項３９】
燃料電池のための改良物であって、前記改良物が液体燃料を水素リッチ流体に改質する燃料改質器を備え、前記燃料改質器が前記燃料改質器に導入する液状流体を霧化し、混合するための統合燃料噴射・混合装置を備え、前記統合燃料噴射・混合装置が
圧力のもとで液状流体の微細な液滴を発生する、噴射器チップを有する流体噴射器と、
燃料混合気を供給するため前記流体噴射器の前記噴射器チップの出口と流体連通し、前記流体噴射器からの液状流体の微細な液滴を霧化し、第２の流体と混合する混合室と、
前記混合室内に構成され、配置され、前記燃料改質器に通じる入口を通して混合気を導入する前に燃料混合気を安定させるミキサー／スワーラーと、
燃料混合気を水素リッチ流体に改質する触媒反応器と
を備える燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料噴射・混合装置および燃料混合方法に関する。特に、本発明は燃料電池で使用する水素リッチガスを発生する燃料改質器で使用する統合燃料噴射・混合装置および燃料混合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は天然ガスのような燃料源から電気出力を発生する、代替的エネルギ発生装置であり、在来の発電用装置と比べてエネルギ効率が高く、汚染物質の排出量が少ないという、特徴がある。特に、燃料電池は天然ガスまたはエタノールのようなガスに含まれる、たとえば水素ガス（Ｈ2）と、たとえば空気もしくは酸素ガス（Ｏ2）のような酸化剤との反応で電気出力を発生する電気機械装置である。これらのガスは電流と、比較的無害である水という副成物とを発生する。
【０００３】
たとえば、水素ガス（Ｈ2）のような燃料は次の式に従って触媒が水素イオン（Ｈ+）のような陽子と電子（ｅ‐）とに解離を促す第１の電極（陽極）に導かれる。
【０００４】
Ｈ2 触媒＞２Ｈ+）＋２ｅ-
電子（ｅ-）は電子を第２の電極（陰極）に引き寄せる電気回路に集まる。電子は陽極から使用できる電流、すなわち電力を発生する陰極へと流れる。陽子（Ｈ+）は空気または酸素ガス（Ｏ2）のような酸化剤が同時発生的に導入される陰極へ電解質膜を通って移動する。この酸化剤と陰極触媒とは水素陽子および電子と電気化学的に反応し、この結果、次の式に従って水と熱とを発生する。
【０００５】
２Ｈ+＋1/2Ｏ2＋２ｅ- 触媒＞Ｈ2Ｏ＋熱
高い製造コストに加えて、燃料電池工業は燃料電池装置が広範な電力発生用途に十分に商業的に利用される以前に解決しなければならない幾つかの重大な課題に直面する。これらの課題はこれに限られないが、次のことを含む。電気化学的損失をより小さくする革新的陽極／電解質／陰極材料；耐久性のある燃料電池相互接続；改良された密封コーン部セプト；適合性のある金属相互接続；先進的スタック冷却法；低コストによる組立工程；すす／炭素堆積機構についての理解；高効率改質器；脱硫装置。
【０００６】
燃料電池の種類はとりわけリン酸型、イオン交換膜型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型およびアルカリ型と、数多くある。多様な燃料電池の種類の中で固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）は他の電力発生用燃料電池装置を上回る多くの利点を呈する。たとえば、ＳＯＦＣはエネルギ効率が最も高く、低コストの触媒材料を用いることを許容する。さらに、現在の研究によれば、ＳＯＦＣはおそらく最も信頼できる電力発生技術の一つである。これに加えて、ＳＯＦＣは燃料消費と汚染物質と改善するため従来のガスタービン・エンジンと統合するのに最も適する。最も重要な点として、ＳＯＦＣ装置は炭化水素燃料を用いて直接運転でき、現存する燃料設備を十分に利用することが可能である。これらの重要な利点のために燃料電池工業は補助発電ユニットで使用されるＳＯＦＣ装置の液体炭化水素燃料を水素リッチガスに効率よく変換できる簡素で、効率のよい燃料改質器を開発することに苦心して取り組み、今日まできた。
【０００７】
液体炭化水素燃料は部分酸化、蒸気または自己熱改質法によって水素リッチガスに改質することができる。ＳＯＦＣで使用される燃料改質装置に求められる主な条件は構造が簡素で、サイズおよび重量が小さく、製造コストが安く、運転圧力および温度が低く、変換効率が良好で、炭素、硫黄に対して耐性があり、多様な燃料を受け入れ可能であり、熱改質が最大で、保守停止時間が短く、始動時間が早く、過渡運転を許容できることである。
【０００８】
現存する燃料処理技術に関する検討によれば、大部分の燃料改質器は原型モデルか、実物宣伝の段階にある。手短にいえば、現行技術の燃料改質器は商業用途あるいは軍事用途のための厳格な条件を未だに満たすことができない。特に、現行技術の燃料改質器は重さが重く、物理的なサイズが大きく、変換効率が中位の値を呈する。さらに、大部分の燃料改質器は炭素成分の堆積に陥り易く、運転を継続するために堆積物を頻繁に除去するか、あるいは酸素／炭素（Ｏ／Ｃ）比を高く保つどちらかの方法を必要とする。しかしながら、Ｏ／Ｃ比を高く保って運転するのは全システム効率を低下させる。また、燃料改質器に使用される現行の触媒は硫黄レベルが高い燃料を許容できず、したがって、脱硫処理した液体燃料を必要とする。
【０００９】
別の本発明に関係するＳＯＦＣ改質器にとって重要な問題は液体燃料を霧化し、加熱空気および／または過熱蒸気と混合することである。触媒反応器に流入する前に燃料混合気を均一にするのに失敗したとき、ホット・スポットが発生し、炭素の堆積物が生じる。さらに、混合室および／または触媒反応器に入るガス流が不均一になったとき、性能の低下が著しくなり、改質器効率が大きく減少する。最後に、触媒反応器はまた炭素およびすすの堆積とその成長で圧力損失が大きくなり、触媒反応器を通過するガス流を強制流動させるため一段と圧力または運動量を高める必要がある。
【００１０】
図１を参照すると、従来技術による燃料改質器装置１０が示される。典型的には燃料改質器装置１０は触媒反応器３に接続される統合燃料噴射・混合装置１０を備える。理想的には燃料噴射器１は混合室２に装着され、それ以外では連結される。この燃料噴射／混合室は水素リッチガスをつくり出す触媒反応器３に均一または均一に近い燃料混合気を供給する。
【００１１】
特に、たとえば天然ガス、ディーゼル燃料、ジェット燃料、ガソリン、灯油および同様な燃料のような液体炭化水素燃料は、たとえば燃料調節弁６を通して燃料噴射器１に供給することができる。燃料の霧化に力を貸すために、たとえば調節弁７を通して同時に加熱ガス流４が燃料噴射器１に供給される。この霧化に用いるガス流４は改質器の種類によって蒸気または加熱気流のどちらかである。蒸気あるいは自己熱改質器の場合、蒸気流が霧化ガス流４として使用される。一方、部分酸化触媒改質器の場合、加熱空気が霧化ガスとして使用される。
【００１２】
大部分の燃料改質用途について、混合室２に均一な補助流体流５を供給すること、特に燃料噴射器１の出口の周囲に均一な補助流体流５を供給することがより好ましい。このような均一な流れを供給することにより補助流体流５は混合処理を高い効率で行い、また混合室２の壁面に粘着し、または付着する燃料液滴量を最小にすることができる。３つの供給流の要求流量を全て調節するためにコントローラ８が使用される。特に、コントローラ８は燃料調節弁６によって燃料噴射器１に流れる燃料量を調節し、調節弁７によって燃料噴射器１および／または混合室２に流れる蒸気または加熱気流の供給量を調節することができる。
【００１３】
コンパクトで、効率がよい燃料改質器装置を開発するため上記に列挙した技術的問題を克服する、統合燃料噴射・混合装置を提供することは望ましい。多様な形式の燃料改質器に容易に取り込むことができる噴射・混合装置を提供することもまた望ましい。新規な燃料噴射装置ははより高い変換効率を示すだけでなく、構成要素が少なく、製造コストが安価で、サイズが一段とコンパクトでなければならない。最後に、炭素の堆積に関わる問題をなくし、耐用期間を延ばすことのできる噴射・混合装置を提供することは望ましい。
【発明の開示】
【００１４】
最も広い意味で本発明は燃料改質器および燃料電池と共に使用する統合燃料噴射・混合装置に関する。燃料改質器は、たとえば固体酸化物燃料電池のような燃料電池で使用する水素リッチガスを発生するため液体炭化水素燃料を用いて運転される。好ましくは、本実施例の燃料噴射・混合装置は蒸気改質器、触媒部分酸化改質器および／または自己熱改質器と共に運転するように構成され、配置される。
【００１５】
好ましい実施例において、本発明はガスアシスト式単一型燃料噴射器と、安定ミキサー／スワーラーと、末広・先細混合室とを備える統合燃料噴射・混合装置を提供する。この噴射装置は多様な運転条件で短距離で液体燃料を効果的に霧化し、完全に気化し、混合する能力がある。混合室には混合操作で混合に力を貸す補助流体を導く。混合室内部では中心本体の周囲を旋回する霧化燃料を制限し、霧化燃料を一方の側に散らしまたは寄せるように流動安定ミキサー／スワーラーが使用される。
【００１６】
これらの構成要素は燃料改質器の多様な条件を満たすためコンパクトなユニットとして適当にまとめることができる。任意の手段として、噴射・混合装置は混合室の壁面にメッシュ型スクリーンおよび／または反垂れ落ち溝および反炭素旋回溝を備えることができる。したがって、本実施例の装置は燃料の霧化・混合で優れた性能を示すだけでなく、炭素の堆積を許容し、耐用期間を延ばすことができる。
【００１７】
触媒反応器に流入する前に供給流、すなわち液体燃料、蒸気流および加熱気流を均質な燃料混合気の状態で用意することは本発明の目的である。微細な液滴を吸い出し、発生するためガスアシスト式単一型燃料噴射器が利用される。好ましい実施例において、燃料噴射器は均一なサイズ分布で微細な燃料液滴を供給するため圧力旋回および／またはサイフォン原理の双方を備えるように構成され、配置される。圧力作用で液体燃料はスワーラー内部に配置された圧力旋回噴射器チップを通って強制流動する。改質器の種類によって加熱気流または蒸気流が流体の霧化と混合とに力を貸すスワーラーのスピン孔に向けて供給される。これに代えて、別の実施例では、ガスアシスト式燃料噴射器がサイフォン原理だけを利用するように構成され、配置される。
【００１８】
燃料液滴は加熱気流および／または蒸気流と完全に混合される、末広・先細混合室に高速で導かれる。したがって、本発明の別の目的は燃料液滴が混合室の壁面に粘着し、またはコーナ域の近くに集まるのを防ぐため中心霧化燃料の周囲を取り囲むように均一な補助気流を混合室に導く手段および方法を提供することである。
【００１９】
霧化燃料と周囲を取り囲む補助流体とは、次いで混合室の中央部に配置されるミキサー／スワーラーを通って強制流動する。ミキサー／スワーラーは高速の液滴を減速し、改質器の入口全域にわたって燃料混合気を均一に再分布させるために使用される。
【００２０】
さらに、別の実施例において、本発明は改質部に流入する前に補助気流の混合と均一性とをさらに高めるためメッシュ型スクリーン層を組み込む混合室を開示する。
【００２１】
本発明のさらに別の目的は液滴が壁面に突き当たり、燃料の集積で炭素の堆積が起こる可能性を許容する混合室を提供することにある。
【００２２】
本発明の上記以外の目的および利点は添付図面と詳細な説明とから当業者に明らかになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
再び図１を参照すると、燃料電池と共に使用するための燃料改質器１０の簡素化した系統図が示される。好ましくは、この燃料改質器１０は燃料噴射装置１と触媒反応器３と一体化され、流体連通している混合装置２とを備える。たとえば、液体炭化水素燃料のような液体燃料が燃料調節弁６を通して燃料噴射器（噴射手段）１に導入される。燃料調節弁６は燃料噴射器１に導入される燃料９の量と圧力とを調節する。同時に、霧化ガス流のようなガス流４が調節弁（すなわち蒸気／気流調節弁）７を通して燃料噴射器１に導入される。調節弁７は燃料噴射器１に導入される霧化ガス流４の量と速度とを調節する。
【００２４】
改質器の種類によって霧化ガス流４は過熱蒸気流または加熱気流あるいはその２つの流体の組み合わせを有する。好ましくは、蒸気および自己熱改質器の場合、燃料噴射器１に導入される霧化ガス流４は蒸気流であり、触媒部分酸化改質器の場合、燃料噴射器１に導入される霧化ガス流４は加熱気流である。
【００２５】
大部分の燃料改質用途において、補助流体流５、たとえば蒸気流または加熱気流を混合室２に導くことが好ましい。混合室２への補助流体流５の導入は燃料液滴を混合するのにさらに力を貸し、燃料液滴が混合室２の壁面に付着するのを防ぎ、または最小にする。好ましくは、補助流体流５は燃料噴射器１の燃料出口の周囲に均一に供給される。
【００２６】
調節弁、すなわち蒸気／気流調節弁７は混合室２に導入される補助流体流５の量と速度とを調節することができる。したがって、単独の弁として説明しているが、調節弁、すなわち蒸気／気流調節弁７は１個ないしそれ以上の弁を備えることができる。いずれか１つまたは３つ全ての供給流４、５、９、すなわち液体燃料９、蒸気流４、補助流体流５について必要とされる流量を制御し、調節するためコーン部トローラ８が使用される。このようなコーン部トローラ８はこの技術分野ではよく知られており、ここでは詳しく説明しない。
【００２７】
従来の燃料改質器１０を説明したので、いまから本発明の第１の実施例に従って統合燃料噴射・混合装置１０を説明する。図２を参照すると、自己熱改質器（ＡＴＲ）用統合燃料噴射・混合装置１０が示される。好ましくは、本実施例の燃料噴射・混合装置１０は燃料噴射器（すなわち、噴射手段）１４と、混合室（すなわち、混合手段）４９と、安定ミキサー／スワーラー（すなわち、安定手段）３０とを備える。燃料噴射器１４は液体炭化水素燃料を霧化し、多様な運転条件で短距離で燃料を完全に気化し、混合する能力を有する。混合室４９には混合操作に力を貸す補助流体を導く。混合室４９内部では流動安定ミキサー／スワーラー３０が霧化燃料を一方の側に散らし、または寄せるように混合室４９の中心で旋回する霧化燃料を制限するのに力を貸す。さらに、燃料噴射・混合室４９／安定ミキサー／スワーラー３０の組み合わせは均一なまたは均一に近い液滴径の燃料混合気を、たとえばＳＯＦＣのような燃料電池に導くことができる水素リッチガスに変換する触媒反応器６０に供給するため構成され、配置される。
【００２８】
本発明の第１の実施例の一様相において、燃料噴射器１４は噴射器ハウジング・ユニット１２内に効果的に配置されるガスアシスト式単一型噴射器１４である。このガスアシスト式単一型噴射器１４は加圧された液体燃料の微細な流体を吸い出し、発生するように構成され、配置される。好ましい実施例において、燃料噴射器１４は均一なまたは均一に近いサイズ分布で微細な燃料液滴を供給するため圧力旋回および／またはサイフォン原理の双方を備えるように構成され、配置される。
【００２９】
噴射器ハウジング・ユニット１２は混合室４９と流体連通し、これ以外では効果的に連結するように構成され、配置される。好ましくは、噴射器ハウジング・ユニット１２はハウジング・ユニット１２を計画および計画しない保守点検のため、あるいは交換目的のために容易に取り外しできるように取り付け、固定することができる。当業者は噴射器ハウジング・ユニット１２を混合室４９に取り付ける無数の方法を熟知しており、その全てが本開示の範囲と本質とに含まれる。
【００３０】
図３を参照していまから燃料噴射器１４の好ましい実施例の構造と操作方法とを説明する。図３は均一なまたはほぼ均一なサイズ、すなわち一様な液滴径の燃料液滴を供給するため圧力旋回およびサイフォン原理を利用するように構成され、配置される燃料噴射器１４の横断面を示す。好ましくは、燃料噴射器１４、すなわちガスアシスト式燃料噴射器１４は噴射器本体１７と、燃料管１５と、圧力旋回霧化チップ１６と、ガス・スワーラー２４と、出口部４４とを備える。本発明の一様相において、燃料噴射器１４は噴射器ハウジング・ユニット１２の中心または中心近くに構成され、配置される。
【００３１】
好ましい実施例において、燃料管１５は噴射器本体１７の中心部に配置される空域として構成され、配置される。燃料管１５は、たとえば加圧された液体炭化水素燃料のような液体が基部から末端部にかけて流動する通路５１を備える。液体燃料が炭素堆積層を形成するのを防ぐ熱遮蔽手段として燃料管１５と噴射器本体１７との間に環状通路６２が備えられる。好ましくは、燃料管１５の基部は燃料源と流体連通し、燃料管１５の末端部はオリフィス・コーン部３６内部に構成され、配置される燃料分配器３８と流体連通し、すなわち固く圧着されている。本発明の一様相において、オリフィス・コーン部３６は圧力旋回霧化チップ１６を形成するため燃料管１５の末端部に、たとえばろう付けで固く取り付けられる。
【００３２】
好ましくは、圧力旋回霧化チップ１６は燃料噴射器１４の出口部４４内部に備えられるガス・スワーラー２４の中心に合わせるように構成され、配置される。より好ましくは、圧力旋回霧化チップ１６はガス・スワーラー２４と同心を保つように構成され、配置される。
【００３３】
燃料噴射操作中、液体炭化水素燃料が、たとえばポンプで昇圧されて燃料噴射器１４の燃料管１５の基部に導入される。液体燃料は通路５１内部を燃料管１５全長にわたり燃料が排出される末端部まで流動する。好ましくは、液体燃料は圧力旋回霧化チップ１６を通って中空霧化燃料として旋回室５５に放出される。より好ましくは、液体燃料は燃料分配器３８の旋回室５５に流入する前に燃料管１５の通路５１を通って環状空間５３にかけて強制流動する。したがって、この圧力のもとで液体燃料は燃料オリフィス５８を通過して円錐シート状になり、ガス・スワーラー２４に達する。
【００３４】
液体燃料が環状空間５３に排出されると同時に、燃料シートは燃料霧化と混合とを増進する、たとえば高温蒸気流または加熱気流のような霧化ガス流４に直接触れ、混合される。図３を参照すると、霧化ガス流４は、好ましくは入口部１８を通って旋回室５５に導入される。より好ましくは、霧化ガス流４はガス・スワーラー２４内部に構成され、配置される複数のスピン孔６４のどれかに流入する前に環状通路６２に導入される。スピン孔６４は霧化ガス流４がスピン孔６４から流出するとき、霧化ガス流４が燃料の液体シートの周囲を旋回し、噴射器最後の排出オリフィス６６の近くでせん断力を生じるように流出する霧化ガス流４を望ましい方向に向ける。霧化ガス流４で生じる旋回ガス流とせん断作用とは液滴サイズを均一にまたはほぼ均一にする。霧化ガス流４の入口圧力は望ましい液滴サイズを達成するために少なくとも６８９５Ｐａ（１ｐｓｉｇ）である。
【００３５】
燃料噴射器１４の好ましい実施例の構造と操作方法とを説明したので、いまから実施例の燃料噴射・混合装置１０の混合室４９およびミキサー／スワーラー３０の構造と関連する操作方法とを説明する。図２を参照すると、上混合室部２０（以下、上部２０と称する）と、好ましくは中心に配置される安定ミキサー／スワーラー３０で分離され、または図に描かれた下混合室部２２（以下、下部２２と称する）とを備える混合室４９が示される。好ましい実施例において、ミキサー／スワーラー３０は混合室４９の壁に固く取り付けられる複数のベーン３２またはスポーク７６を備える。
【００３６】
好ましくは、混合室４９は末広・先細型混合室である。ここで、上部２０はコーン部の小さい開口が燃料噴射器１４の出口オリフィス６６の近くに配置され、コーン部の大きい開口が安定ミキサー／スワーラー３０の近くに配置される、すなわち上部２０が末広になるようにコーン状に形成される。より好ましくは、混合室４９の下部２２はコーン部の大きい開口が安定ミキサー／スワーラー３０の近くに配置され、コーン部の小さい開口が触媒反応器６０の近くに配置される、すなわち下部２２が先細になるようにコーン状に形成される。
【００３７】
図２および図７を参照すると、好ましい実施例において、混合室４９の上部２０は接続域８０で混合室４９の下部２２に取り外し可能に取り付け、固定することができる。好ましくは、混合室４９の上部２０と下部２２とには上部２０を下部２２にねじで固定できるように適合する複数のねじ（図示せず）が備えられる。これに代えて、混合室４９の上部２０と下部２２とはしまり嵌めで取り外し可能に取り付け、固定することができる。任意の手段として、上部２０と下部２２との接続域の気密を保つためにガスケット・リング（図示せず）を使用することができる。
【００３８】
このミキサー／スワーラー３０は液滴を減速し、燃料混合気を触媒反応器６０に入口全域にわたってより均一に再分布させるために使用される。結果として、ミキサー／スワーラー３０は燃料混合気の均一性と均質性とを高める。さらに、流動安定ミキサー／スワーラー３０はミキサー／スワーラー３０の中心本体、すなわちハブ３９の周囲を旋回する霧化燃料を制限し、一方の側に霧化燃料を散らし、または寄せるのに力を貸す。
【００３９】
特に、霧化燃料と供給流５とが下流に流動したとき、双方の流れは中心本体、すなわちハブ３９の周囲に均一に混合気を向けるミキサー／スワーラー３０に達する。ミキサー／スワーラー３０が多数のら旋状ベーン３２を備えるので、ベーン３２が周囲を流れる霧化燃料と供給流５とに適度な旋回を生じさせ、流動速度を下げ、混合気の均一性を向上することができる。
【００４０】
ミキサー／スワーラー３０は供給流が触媒反応器６０に流入する前に混合および均一性の程度、すなわち完全性を決定する際に重要な役割を演じる。ミキサー／スワーラー３０はまた高速霧化ガスで生じた高速液滴の速度を下げるのに力を貸す。使用される改質器の条件によってミキサー／スワーラー３０は異なるら旋ベーン３２および多様な旋回方向を含む、多様な設計を持つことができる。
【００４１】
図５および図６は２個のミキサー／スワーラー３０の実施例についての斜視図を示す。図５は中心ハブ３９に固く取り付けた６個のら旋ベーン３２を備える単一型ミキサー／スワーラー３０を示す。中心ハブ３９にはコーン部３５、３７が取り付けられる。上流側コーン部３５は複数のら旋ベーン３２間の通路に霧化燃料を振り分け、案内するため混合室４９の上部２０に配置される。ら旋ベーン３２を通過する霧化燃料を振り分け、案内することにより霧化燃料が触媒反応器６０の方向へ流動するとき、混合気の再分布をより均一にすることができる。図５に示される単一型ミキサー／スワーラー３０は６個のら旋ベーン３２を示すが、ら旋ベーン３２の数は例示を目的に示したもので、本発明は６ベーンのミキサー／スワーラー３０に限定されるように解釈されるべきでない。
【００４２】
このミキサー／スワーラー３０のベーン３２は単一型ミキサー／スワーラー３０に対して望ましい旋回方向を与えるように配置され、正しく向けられる。さらに、ベーン３２はミキサー／スワーラー３０下流、すなわち混合室４９の下部２２で渦の発生を最小にするように向けられ、または角度を決められる。このような渦は液滴に望ましくない局所的集中を生じさせ、混合気の望ましい均一性を損ねることになる。したがって、ベーン３２の角度はあまり険しくするべきでない。好ましくは、望ましいベーン角度は約２０度よりも小さい角度である。特に望ましいベーン角度は約１０度から約２０度の間である。
【００４３】
好ましくは、ベーン３２はまた最高の性能を達成するために霧化燃料および供給流５の方向に整合する旋回方向を生じさせる。典型的には、共旋回ミキサー／スワーラー３０では上部２０に流れた霧化燃料と供給流５とを下部２２方向に吸引し、壁面を濡らすのを最小にするようにベーン３２が構成され、配置される。しかし、逆旋回ミキサー／スワーラー３０では上部２０に流れた霧化燃料および供給流５とを減速し、混合をより促進し、液滴サイズをより均一にするようにベーン３２が構成され、配置される。
【００４４】
当業者はミキサー／スワーラー３０の下流に渦を発生させず、中心再循環域を生じないようにミキサー／スワーラー３０の旋回強さを調整する必要があることを理解する。燃料噴射器１４とミキサー／スワーラー３０との間の距離は逆流から生じる問題と、ミキサーの上流域に堆積する燃料とを最小にするため適当な値に維持することが重要である。
【００４５】
図６は供給流が触媒反応器６０に流入する前に混合と均一性とをさらに増進する２重型ミキサー／スワーラー７５の一実施例を示す。このミキサー／スワーラー７５は複数のインナ・ベーン７２と複数のアウタ・ベーン７４とを備える。好ましくは、ミキサー／スワーラー７５は複数のスポーク７３がそこから半径方向に延び、外周部７９で尽きる中心ハブ７１を備える。好ましくは、インナ・リング７８は複数の各スポーク７３に沿い、外周部７９と中心ハブ７１とに同心に構成され、配置される。隣接する一対のスポーク７３間に複数のアウタ・ベーン７４が備えられる。このアウタ・ベーン７４はミキサー／スワーラー７５に望ましい旋回方向を与えるため望ましいベーン角度に向けられる。ベーン角度と旋回方向とによって供給流間の混合程度を変えることは容易に達成することができる。上述した単一型スワーラー３０のようにベーン角度は渦と他の障害とを避けるためあまり険しくするべきでない。好ましくは、望ましいベーン角度は約２０度よりも小さい角度である。より好ましくは、ベーン角度は約１０度から約２０度の間の角度である。
【００４６】
本発明の一様相において、複数の各スポーク７３はハブ７１とインナ・リング７８との間のスポーク７３部分がミキサー／スワーラー７５に望ましい旋回方向を与え、かつインナ・リング７８と外周部７９との間のスポーク７３部分がミキサー／スワーラー７５にハブ７１とインナ・リング７８との間のスポーク７３部分の旋回方向と反対である、望ましい旋回方向を与えるように向けられる。より好ましくは、インナ・リング７８と外周部７９との間のスポーク７３部分はミキサー／スワーラー７５にアウタ・ベーン７４の方向と同一である、望ましい旋回方向を与えるように向けられる。
【００４７】
結果として、インナ・ベーン７２とアウタ・ベーン７４とは流体流が逆に旋回するように構成され、配置される。より好ましくは、インナ・ベーン７２とアウタ・ベーン７４とはインナ・ベーン７２が減速する、すなわち霧化燃料および供給流５と逆向きの旋回方向を有し、アウタ・ベーン７４が加速する、すなわち霧化燃料および供給流５と同じ向きの旋回方向を有するように構成され、配置される。この２重型ミキサー／スワーラー７５内の逆旋回を伴う配置により混合気の均一性および均質性を保つ観点で優れた性能を与えることができる。
【００４８】
本発明の一様相に従って、運転中、燃料液滴が混合室の壁面に付着し、コーナ部に蓄積するのを防ぐため加熱された補助流体流５が中心の霧化燃料を取り囲むように混合室４９の上部２０に導入される。好ましくは、加熱された補助流体流５は複数の入口ポート２８、２９と特殊なスリーブ２６とを通して混合室４９の上部２０に導入される。図２および図４では、２個の入口ポート２８、２９だけを示すが、入口ポート２８、２９は例示を目的に示したもので、本発明は２個の入口ポートに限定されるように解釈されるべきでない。実際、本開示の範囲と本質とに背くことなく、２個以上あるいは単一の入口ポートを使用することができる。
【００４９】
混合室４９周辺域の均一性を高めるために加熱された補助流体流５がスリーブ２６の周方向に配置される複数の再分配開口７０を有する、たとえば円形スリーブのようなスリーブ２６を通して流動する。この特別に設計されたスリーブ２６は中心の霧化燃料を取り囲む均一な環状エア・カーテンを発生するために補助流体流５に再び向けた分配孔７０を備える。これは混合室４９の壁面に炭素の堆積が起こるのを保護するためである。
【００５０】
好ましくは、補助流体流５は燃料噴射器１４の軸と平行、またはほぼ平行である軸に沿ってスリーブ２６で囲われ、形成される環状通路３４から流出する。より好ましくは、加熱された補助流体流５は混合室４９の上部２０の壁面に向かって末広に広がらず、あるいは最小の広がりを伴って環状通路３４から流出する。
【００５１】
加熱された補助流体流５を混合室４９に向けることで、燃料噴射器１４の排出オリフィス６６から流出する高速霧化燃料は直ちに加熱流体流５に乗って激しい混合と気化のために混合室４９の中心部に流れる。
【００５２】
ＡＴＲ運転の場合、補助流体流５が周方向に均一に高速霧化燃料を完全に取り囲むように入口ポート２８、２９から加熱された補助流体流５が供給される。いま述べたことが起こらず、高速霧化燃料の流動方向がそれてしまう場合には触媒反応器６０の近くで混合気は不均一な流れになる。図４は混合室４９の上部２０と流体連通し、それ以外では効果的に連結される円形スリーブ２６を示す。この円形スリーブ２６は高速霧化燃料を取り囲む均一な気流を生じるのに力を貸す。好ましくは、入口ポート２８、２９から流れる補助流体流５はスリーブ２６の底部またはその近くでスリーブ壁面に突き当たるように向きを定め、スリーブ２６の外側に配置される環状空間６８を周方向に巡る補助流体流５を強制して生じさせる。混合室４９の上部２０では、旋回流体の圧力が循環する補助流体流５の圧力よりも低いので、循環する補助流体流５が圧力の低い上方向に引かれ、複数の再分配孔７０に達する。好ましくは、複数の再分配孔７０は補助流体流５が環状空間６８から再分配孔７０を通って環状通路３４に流れるとき、補助流体流５が下方に向くように構成され、配置される。
【００５３】
好ましくは、再度補助流体流５が燃料噴射器１４の軸と平行またはほぼ平行である軸に沿って環状通路３４から流出する。より好ましくは、加熱された補助流体流５は混合室４９の上部２０の壁面に向かって末広に広がらず、あるいは最小の広がりを伴って環状通路３４から流出する。
【００５４】
中心ミキサー／スワーラー３０が存在するため混合室４９の上部２０における流動構造は非常に複雑である。結果として、幾分かの霧化燃料の液適が混合室４９の壁面に向かって運ばれ、あるいは局所的に生じる逆方向の流れによって別々の区域に蓄積し、壁面が湿り条件になる。液体燃料が素早く気化しない場合、液体燃料は壁面に捕えられ、高温の熱のためにおそらく炭素またはコークスの堆積物になる。炭素堆積の可能性を最小にするため過剰な燃料を軽減するように混合室壁面にはら旋溝４０が形成される。このら旋溝４０は続けて流動させる液体燃料の延長径路を与える。この延長径路によって過剰な液体燃料は気化するための適当な滞留時間を持つことになり、改質器効率を大きく向上することができる。最も重要な点として、混合室壁面およびミキサー表面に集合した過剰な液体燃料が望ましくない温度勾配を生じる、触媒反応器６０表面への付着または内部への浸入を引き起こす、したたりあるいは垂れ落ちが生じないことである。このら旋溝４０は液滴の気化を助けるだけでなく、ライフル銃の銃身に刻む旋条と同様に混合室４９内で旋回する混合気を安定させるのに役立つ。好ましくは、ら旋溝４０の構成はら旋溝が混合過程および改質器操作に重大な影響を及ぼすことなく、炭素の堆積を許容する方法で構成され、配置される。
【００５５】
したがって、好ましい実施例において、壁面に集合する燃料液滴に延長気化時間を与えるために本発明は混合室４９の上部２０および下部２２の壁面および／または安定ミキサー／スワーラー３０の移行部８１の壁面にら旋溝４０を設けることを含む。これに代わるものでは、ら旋溝４０に代えて、またはそれと組み合わせてろう付けワイヤを使用することができる。これ以後、混合室４９の上部２０および下部２２の壁面と関係する“溝４０”はまたろう付けワイヤまたはろう付けワイヤと溝との組み合わせと呼ぶ。
【００５６】
好ましくは、溝４０は溝または燃料案内路を与えるためにら旋型に混合室４９の上部２０および下部２２の壁面に形成される。上部２０および下部２２の壁面に備えられる溝４０は壁面での炭素の堆積と液体燃料の集合とを可能にし、ただし溝の存在が延長時間期間のために燃料噴射・混合装置１０の性能には影響をもたらさないように構成され、配置される。好ましくは、燃料排出溝４０は横断面半円形の多条ら旋溝として備えられる。しかしながら、三角形、長方形、台形または他のいずれかの形状でら旋溝４０を刻むことで同じ目的を達成するようにしてもよい。しかしながら、溝の複雑さのために混合室４９の壁面に従来の加工方法を用いてら旋溝４０または案内路を刻むことあるいは形づくることが困難になる可能性がある。このような環境においては過剰な燃料を排出する案内通路を形成するためにインベストメント・キャスティング法または壁面に細いワイヤ３１をろう付けするどちらかの方法を用いることが好ましい。
【００５７】
燃料液滴はミキサー／スワーラー３０にも蓄積するので、燃料を排出するら旋溝４０はまた中心本体３９、コーン部３５、３７および／またはベーン３２の表面に付着する炭素の堆積を最小にするためミキサー／スワーラー３０に設けることができる。好ましくは、燃料排出溝４０は横断面半円形で多条ら旋径路としてミキサー／スワーラー３０に備えられる。しかしながら、三角形、長方形、台形または他のいずれかの形状でら旋溝４０を刻むことで同じ目的を達成するようにしてもよい。しかしながら、溝の複雑さのためにミキサー／スワーラー３０の表面に従来の加工方法を用いてら旋溝４０または案内路を刻むことあるいは形づくることが困難になる可能性がある。このような環境においては過剰な燃料を排出する案内通路を形成するためにインベストメント・キャスティング法または壁面に細いワイヤ３１をろう付けするどちらかの方法を用いることが好ましい。
【００５８】
図７を参照すると、混合室４９の上部２０および下部２２との間の移行部８１に構成され、配置される複数の移行通路４２を有する、反垂れ落ち、反炭素ら旋溝４０の実施例の詳細が示される。図７において、下流に流れる前に混合室４９の壁面を巡る過剰な液体燃料を再分配するためら旋溝４０に代えて、下部２２全周にわたって環状溝部４５を形成している、数条の移行流路４２が設けられる。好ましくは、図７に示されるように、移行域８１の上流および下流端に２条の移行流路４２と２条の環状溝部４５とが備えられる。より好ましくは、移行流路４２の幅は炭素の堆積がこれらの領域で許容できるようにら旋溝４０の幅よりも大きい。
【００５９】
一般に、ら旋溝４０は混合室４９の内面壁および／または中心本体３９、ベーン３２またはコーン部３５、３７の表面に刻むことが好ましい。しかしながら、製造上の立場によれば、過剰な燃料を排出する排出通路を形成するためにミキサー／スワーラー３０のベーン３２の表面に細いワイヤ３１をろう付けすることは容易である。図５に示されるように、反垂れ落ちを目的に細いワイヤ３１を中心本体３９およびベーン３２の底部近くにろう付けすることができる。
【００６０】
図６はインベストメント・キャスティング法で製作されるさらに複雑な配置を有するミキサー／スワーラー７５を示す。一体の溝７６と凹型スカラップ７７とは過剰な燃料を導くために役立つ。改質器の運転中、ミキサー／スワーラー７５に過剰な燃料が集合したならば、燃料がベーン７４の底部のテーパ状後端に沿って混合室壁面方向に排出される。スワーラー７５のベーン７４の後端は少なくとも約１０度、好ましくは約２０度よりも小さいテーパであり、より好ましくは約１０度から約２０度の間のテーパであり、混合室壁面方向に流動する過剰な燃料のための自然押し出しをつくり出す。
【００６１】
第２の実施例において、本発明は他の液体燃料と共に使用するために構成され、配置される統合燃料噴射・混合装置を提供する。たとえば、本実施例の統合燃料噴射・混合装置は噴射器ユニットに対して２つの供給流を供給することで、蒸気改質器（ＳＲ）または触媒部分酸化改質器（ＣＰＯＸ）のどちらかとの適合性について向上することができる。さらに、当業者はＳＲまたはＣＰＯＸ改質器の運転条件を満たすために僅かの改良が噴射装置に適合するＡＴＲ用途に向けた図３で説明した噴射器出口コーン４４に合わせてなし得ることを理解する。
【００６２】
たとえば、図８は蒸気改質器または触媒部分酸化改質器のために使用される燃料噴射器の一実施例を示す。ＡＴＲ改質器と同様に液体炭化水素燃料は燃料管１５を通して噴射器１４に導入され、霧化ガス流４は入口ポート１８を通して導入される。好ましくは、ＳＲ改質器用霧化ガス流４は蒸気を過熱蒸気とし、ＣＰＯＸ改質器用霧化ガス流４は空気を加熱する。
【００６３】
蒸気および触媒部分酸化改質器用出口コーン８０は混合と壁面保護を目的として余剰ガス流が環状通路３４に流出するのを許容するように構成され、配置される。したがって、ガス・スワーラー２４の上流に配置される出口コーン８０を貫通する多数の流出孔８２が備えられる。ＳＲおよびＣＰＯＸ改質器を運転する場合、噴射器ハウジング・ユニット１２には入口ポート２８、２９が配置され、専ら噴射器および改質器の暖機を目的として使用される。
【００６４】
好ましい実施例において、燃料噴射器１４は全ての運転条件で約３０μｍよりも小さい液滴径を与える。しかしながら、予熱装置と組み合わせることなく、この要求を満たすことができる極めて少数の噴射方法がある。当業者によく知られたサイフォン噴射法は予熱装置を使用しないで極微細な液滴を生じる数少ない噴射法の一つである。したがって、サイフォン原理を使用する燃料噴射・混合装置は燃料ポンプを省略するため、あるいは燃料噴射・混合装置で利用可能な燃料圧力が著しく制限されるとき、特に有用である。
【００６５】
図９はサイフォン原理だけを用いた噴射器９８を使用する燃料噴射器の一実施例を示す。この噴射器９８はガス・スワーラー２４内部に配置される排出オリフィス５８を有する単純な直線燃料管１５からなる。液体燃料は燃料排出オリフィス５８と流体連通する、より好ましくは直接連通する燃料管１５を通して供給される。燃料管１５内部の液体燃料とガス・スワーラー２４内の霧化ガス流４との圧力差により真空が生じ、燃料管１５から排出オリフィス５８を通して燃料を外に吸い出すことができる。特に、霧化ガス流４はガス・スワーラー２４上のスピン孔６４を通って流動し、排出オリフィス５８の前に低圧の渦を形成する。この圧力差が生じる結果、液体を排出オリフィス５８の外に吸い出し、均一な分布を保ちながら、極めて微細な液滴を発生することができる。霧化ガス流４との激しい混合と霧化とは最後の排出オリフィス６６から流出する前に出口コーン４４内部で起こる。
【００６６】
実施例のサイフォン型噴射器９８は構造が簡素で、製作するのが容易である。しかしながら、サイフォン型噴射器９８の燃料量は霧化ガス流４の入口圧力に強く左右される。したがって、サイフォン型噴射器９８については燃料低下割合が小さく、制限要因となる可能性があるが、それは低出力燃料改質器システムの性能条件を満たす。
【００６７】
図１０を参照すると、別の燃料噴射・混合装置の改良例が示される。図１０は複数の、すなわち積層したメッシュ型スクリーン９２を有する２つのスワーラー・ミキサー９０を組み合わせる混合室４９の実施例を提供する。メッシュ型スクリーン９２を追加することは燃料混合気の均一性を一段と増進する。さらに、メッシュ型スクリーン９２は触媒反応器６０の入口域の近くで混合気をさらに一様に分布させる際に極めて有効である。
【００６８】
本発明の一様相において、メッシュ型スクリーンはステンレス鋼および他の合金鋼のような耐熱性および耐食性材料で製作される。メッシュ型スクリーンの開口の形は商業的に利用できる円形、長方形、台形および他の幾何学的形状を含む。同様に、開口サイズは商業的に利用できるサイズから選ぶ。当業者は開口のサイズと数とが多孔率に影響をもたらし、多孔率が混合に反比例する、すなわち多孔率が小さくなればなる程、より混合が進むことを理解する。しかしながら、多孔率が小さくなればなる程、燃料噴射・混合装置全体での圧力損失がより大きくなる。結果として、当業者は特定の目的に役立つ最も望ましいメッシュ型スクリーンの組み合わせをもたらすようにこれらの２つの影響についてバランスを取らなければならない。
【００６９】
図１０に示されるメッシュ型スクリーン９２は３層であるが、本発明はこれに限定されるように解釈されるべきでない。実際、当業者は混合室の圧力損失条件を満足するようにメッシュ型スクリーン９２の数と多孔率とを選べることを理解する。たとえば、最適の混合性能を達成するために６０％またはそれ以下の総多孔率を有する、少なくとも２層のメッシュ型スクリーン９２を使用することは好ましい。しかしながら、本発明はこれに限定されるように解釈されるべきでない。
【００７０】
本発明の一様相において、１層のメッシュ型スクリーン９２の多孔率は約３０％から約８０％の間である。複数のメッシュ型スクリーン９２を使用するとき、そのスクリーンの多孔率は変えることができ、あるいは同一であってもよい。たとえば、３層のメッシュ型スクリーン９２の場合、最上流のスクリーン９２ａと最下流のスクリーン９２ｃとが６０％の多孔率を有し、内部スクリーン９２ｂが４０％の多孔率を有するように構成する。当業者は望ましい条件を達成するスクリーンの多孔率と数との無数の組み合わせを理解する。
【００７１】
燃料噴射・混合装置の数例の実施例を説明したので、いまから、たとえば燃料電池に水素リッチガスを供給する触媒反応器に均質な燃料混合気を供給する方法を説明する。図１１は実施例の方法についてのフローチャートを示す。好ましくは、本発明方法は液状流体の微細な燃料液滴を吸い出し、発生し（ステップ１）；微細な燃料液滴を混合室に導き（ステップ２）；燃料液滴の霧化を増進するため、たとえば加熱気流および／または蒸気流のような他の１またはそれ以上の流体を混合室に導き（ステップ３）；燃料混合気を供給するため１またはそれ以上の流体を微細な液滴と混合し（ステップ４）；スワーラー／ミキサーを用いて混合室内に微細な混合気を安定させる（ステップ５）ステップを含む。この後、燃料混合気は混合気が燃料電池用燃料として用いられる水素リッチガスに変換される触媒反応器に導入される（ステップ８）。
【００７２】
好ましくは、液状流体の微細な燃料液滴を吸い出し、発生するステップ（ステップ１）は均一なサイズの液状流体の微細な燃料液滴を吸い出し、発生することを含む。より好ましくは、液状流体の微細な燃料液滴を吸い出し、発生するステップは微細な液滴を発生するためにサイフォン原理および／または圧力旋回技術を用いることを含む。
【００７３】
本発明の一様相において、微細な燃料液滴を混合室に導くステップ（ステップ２）は微細な燃料液滴を非常に高速で混合室に導くことを含む。より好ましくは、微細な燃料液滴を混合室に導くステップは液体シートまたは円錐状液体シートで微細な液滴を導くことを含む。
【００７４】
好ましい実施例において、他の１ないしそれ以上の流体を混合室に導くステップ（ステップ３）は流体が初めに混合室に流入したとき、他の１ないしそれ以上の流体を微細な燃料液滴に周囲に均一に導くことを含む。好ましくは、他の１ないしそれ以上の流体は加熱気流または蒸気あるいはその２つの流体の組み合わせのいずれかである。
【００７５】
本発明の別の様相において、他の１ないしそれ以上の流体を微細な液滴と混合するステップ（ステップ４）はさらに微細な液滴と１ないしそれ以上の流体との均一な混合を増進するために補助流体を混合室に導くことを含む。より好ましくは、補助流体を導くステップは加熱気流および蒸気流の少なくとも１つを混合室に導くことを含む。
【００７６】
好ましくは、均質な燃料混合気を安定させるステップ（ステップ５）はスワーラー／ミキサーを用いて高速である均質な燃料混合気を減速することを含む。より好ましくは、均質な燃料混合気を安定させるステップは燃料混合気を触媒改質器の入口全域にわたって均一に再分布させることを含む。
【００７７】
本発明方法は任意のステップとして、燃料混合気の均一性を向上するために混合気をメッシュ型スクリーンを通して導入するステップ（ステップ６）を含む。先により詳しく述べたように、メッシュ装置は混合気の均一性を一段と高める。さらに、任意のステップとして、本発明方法は混合室の壁面またはミキサー／スワーラーの表面に蓄積する燃料の気化を促進するステップ（ステップ７）を含む。好ましい実施例において、ステップ７は混合室の内面および／またはミキサー／スワーラーの表面に沿って１条ないしそれ以上の流路または径路を与えることを含む。たとえば、１条ないしそれ以上のら旋溝または１本ないしそれ以上のろう付けワイヤのような少なくとも１条からなる流路または径路は混合室の内面またはミキサー／スワーラーの表面に集まる燃料液滴を流動させる溝または通路をもたらす。流路または径路によって与えられる延長径路により燃料液滴の気化をさらに促進することができる。この後、混合気が燃料電池用燃料として使用される、水素リッチガスに変換される触媒反応器に混合気を導く（ステップ８）。
【００７８】
本発明の信頼できる実施例を説明したが、当業者が本発明の本質と範囲とから離れることなく、ここに開示された概念と統合できる他の実施例を使用できることは明らかである。ここに説明された実施例は全ての点で例示として、そして限定されないように考慮されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】図１は従来の簡素な燃料改質装置の模式図である。
【図２】図２は本発明に従う自己熱改質器に設けられた統合燃料噴射・混合装置の一実施例を示す一部切り欠き断面図である。
【図３】図３は図２の統合燃料噴射・混合装置用ガスアシスト式単一型噴射器の一実施例を示す横断面図である。
【図４】図４は本発明に従う入口気流スリーブの一実施例を示す断面図である。
【図５】図５は本発明に従う単一ミキサーの一実施例を示す斜視図である。
【図６】図６は本発明に従う２重ミキサーの一実施例を示す斜視図である。
【図７】図７は本発明に従う混合室壁面に形成されるら旋溝および環状溝の一実施例を示す斜視図である。
【図８】図８は蒸気改質器または触媒部分酸化改質器向けに設計されたガスアシスト式単一型噴射器の一実施例を示す断面図である。
【図９】図９は本発明に従って使用されるサイフォン型噴射器の一実施例を示す断面図である。
【図１０】図１０は本発明に従う混合能力および流動の均一性を高めるメッシュ型スクリーン層を組み込んだ混合室の一実施例を示す断面図である。
【図１０ａ】図１０ａは図１０に示されるメッシュ型スクリーンの斜視図である。
【図１１】図１１は水素リッチガスを供給するための均質な燃料混合気を触媒反応器に供給する、好ましい方法のフローチャートである。
【符号の説明】
【００８０】
１０…  燃料噴射・混合装置
１４…  燃料噴射器
２４…  ガス・スワーラー
３０、７５…  ミキサー／スワーラー
３１…  ワイヤ
３２…  ベーン
４０…  ら旋溝
４５…  環状溝
４９…  混合室
６０…  触媒反応器
９２…  メッシュ型スクリーン
９８…  噴射器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１０ａ】
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【図１１】
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