(57)【要約】【課題】  外部からの熱供給をできるだけ少なくして運転できる燃料電池用に水素を生成するための自熱改質器の提供。【解決手段】  この課題は、水素リッチ生成ガスを製造する装置において、−  燃料／酸化剤混合物の導入口、水／キャリヤーガス混合物の導入口、触媒面及び水素リッチ生成ガスの出口を有する反応室を持ちそして前記出口及び前記反応室自身の両方を囲む第一の熱交換器を持つ改質器部分、−  燃料電池からの残留アノードガスの入口、酸化剤の入口、触媒面を持つバーナー室並びに第二及び第三の熱交換器を持つ燃焼部分を有し、−  その際に前記改質器部分及び前記燃焼部分が、互いに直接的に隣接して配置されておりそして水蒸気／キャリヤーガス混合物を供給するのに及び水素リッチ生成ガスを案内するのに適する導管によって連結されていることを特徴とする、上記装置によって解決される。【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素リッチ生成ガスを製造する装置において、
−  燃料／酸化剤混合物の導入口、水／キャリヤーガス混合物の導入口、触媒面及び水素リッチ生成ガスの出口を有する反応室を持ちそして前記出口及び前記反応室自身の両方を囲む第一の熱交換器を持つ改質器部分、
−  燃料電池からの残留アノードガスの入口、酸化剤の入口、触媒面を持つバーナー室並びに第二及び第三の熱交換器を持つ燃焼部分を有し、
−  その際に前記改質器部分及び前記燃焼部分が、互いに直接的に隣接して配置されておりそして水蒸気／キャリヤーガス混合物を供給するのに及び水素リッチ生成ガスを案内するのに適する導管によって連結されている
ことを特徴とする、上記装置。
【請求項２】
バーナー室に、変換されたアノード排ガスのための出口がありそして第二の熱交換器が該出口並びにバーナー室自身を取り囲んでいる、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
第一の熱交換器と第二の熱交換器とを連結している、水蒸気／キャリヤーガス混合物のための導管並びに装置に水蒸気／キャリヤーガス混合物を供給する導管を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
第一の熱交換器と第二の熱交換器に相前後して連結する、水蒸気／キャリヤーガス混合物のための導管並びに前記装置に水蒸気／キャリヤーガス混合物を供給する導管を有する、請求項１〜３のいずれか一つに記載の装置。
【請求項５】
第一の熱交換器及び第二の熱交換器として螺旋状熱交換器を有する、請求項１〜４のいずれか一つに記載の装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一つに記載の装置を運転する方法において、
−  混合室に一つの導管を通して水蒸気／キャリヤーガス混合物を供給しそして燃料／酸化剤混合物を、ノズルに通して供給し、
−  燃料／水蒸気／酸化剤／キャリヤーガス混合物を反応室において発熱反応及び吸熱反応で接触的に水素リッチ生成ガスに転化し、
−  燃料電池からの残留アノードガスをバーナー室において発熱反応で有害物質の少ない排ガスに接触的に転化し、
−  水を水蒸気／キャリヤーガス混合物中で水蒸気に蒸発するために必要な熱の一部を、水素リッチの生成ガス、及び有害物質の少ないバーナーの排ガスの前記反応室の冷却によって供給する
ことを特徴とする、上記方法。
【請求項７】
必要とされる熱を少なくとも一つの熱交換器によって供給する、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
水を水蒸気／キャリヤーガス混合物中の水蒸気に蒸発するために必要な熱の一部をバーナー室によって追加的に供給する、請求項６又は７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池に使用するための水素リッチのガス混合物を製造するための自熱改質装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ポリマー電解質膜（ＰＥＭ）式燃料電池を運転するために、一般に純粋な水素が必要とされる。炭化水素からの水素リッチ生成ガスの製造は一般に改質装置を使用して行われる。この場合、燃料、一般にアルコール（例えばメタノール又はエタノール）又は炭化水素（例えば、メタン、天然ガス、プロパン、ディーゼル燃料、灯油）と水、酸化剤又は水及び酸化剤とから接触的に又は非接触的にいわゆる改質生成物が生成される。これらの改質生成物は、一般に二段階シフト反応器及び続く優先的酸化反応よりなる多段階ガス浄化で浄化されそして次にポリマー電解質膜式燃料電池に供給される。ポリマー電解質膜式燃料電池からの残留アノードガスは酸化剤を用いてバーナーで転化される。
【０００３】
一般に個々の化学反応は色々な温度で行われる。例えば改質反応は２５０〜９００℃で、続く改質生成物の浄化はシフト反応器で２００〜４００℃でそして優先的に酸化するためには反応器で５０〜２００℃で行われる。更に個々の反応では一部の熱が発生されるか又は追加的な熱も必要とされる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の課題は、外部からの熱供給をできるだけ少なくして運転できる燃料電池用に水素を生成するための自熱改質器を提供することである。特に自熱改質器は改質工程に必要とされる水蒸気を供給すべきであり、かつ、バーナーのバーナー排ガスの熱を利用するべきである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の根底となる思想は、改質とアノード排ガスの後燃焼とを熱的に関連付けて、かかる装置を定置運転の間にほぼ自熱的に運転できることにある。
【０００６】
本発明の改質器／バーナーシステムは、バーナー排ガス及び改質生成物の熱を利用することによって、自熱改質に必要とされる水を蒸発させる問題を有利にも解決した。更に、改質生成物からの熱の搬出によって、改質生成物の温度が同時に後続の浄化段階、脱硫又は高温シフト反応段階の温度レベルに下げられる。
【０００７】
この目的のために、本発明の装置は改質器部分とバーナー部分とを有している。改質器部分には、ノズルを介して燃料及び酸化剤を供給することを可能とする第一の入口並びに供給導管を通して水蒸気／キャリヤーガス混合物を供給することを可能とする第二の入口を有する第一の混合室が配置されている。自熱改質器を運転する時に、酸化剤が燃料、水蒸気及びキャリヤーガスと混合されそして液体燃料（例えばディーゼル燃料、灯油）が蒸発される。この混合物は次いで反応室において活性触媒面に接して導かれ、水素リッチ混合物（改質生成物）に転化される。この工程の間に放出される熱は第一の熱交換器及び更に第二の熱交換器によって吸収される。本発明の装置を通して引き出すことのできる改質生成物はそれによって冷却される。次にこの改質生成物は有利には、場合によっては下流にあるガス浄化段階に必要とされる温度を有している。
【０００８】
同時に、燃料電池、特にＰＥＭからの残留アノードガスは本発明の装置のバーナー部分に供給される。この残留アノードガスも必要量の酸化剤と一緒に、発熱反応が行われる触媒表面に同様に供給される。この方法で放出される熱は第三の熱交換器によって吸収される。冷却された排ガスは次に本発明の装置から除かれる。一般に、接触反応であるために、有害物質が少ない。
【０００９】
改質器部分での化学的転化反応に必要とされる水／キャリヤーガス混合物は、供給導管を通して本発明の装置に導入されそして第一及び第二の熱交換器を通して案内される。この場合、水が完全に蒸発されそして混合物が過剰加熱されるように加熱される。次に水蒸気／キャリヤーガス混合物は改質器部分において供給導管を通して、蒸発された燃料／酸化剤混合物に供給される。  
【００１０】
本発明の方法は、改質器での化学反応と後続バーナーでの化学反応とを、最適な場合には改質反応に必要な全ての水蒸気を更に外部から熱を供給することなしに発生させることができるように熱的に関連付けている。更に、本発明の方法は、改質生成物の温度を後続のガス浄化に必要とされる温度に下げそしてバーナーで排ガスに転化される燃料電池残留アノードガスをも有利に冷却する。
【００１１】
本発明の方法は本発明の装置を用いて適切な仕方で反応させることができる。この装置は燃料／酸化剤混合物のための入口、水／キャリヤーガス混合物のための入口、触媒面及び改質生成物の第一の通路及び水／キャリヤーガス混合物のための第二の通路を持つ第一の熱交換器を有する改質器部分を有している。
【００１２】
更にこの装置は、燃料電池からの残留アノードガスのための入口、酸化剤のための入口、触媒面並びに第三の熱交換器、反応した残留アノードガスのための第一の通路及び水／キャリヤーガス混合物のための第二の通路を有している。
【００１３】
バーナー部分及び改質器部分は水蒸気／キャリヤーガス混合物のための少なくとも１つの供給導管を介して互いに構造的に連結されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下に、本発明の対象を２つの図を用いて更に詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されない。
図１：  改質器部分ＲＴと燃焼部分ＢＴとの間の熱流の概略的連結の説明図である。
図２：  本発明の装置の一つの実施態様の断面図である。
【００１５】
図中の記号は以下の意味を有する：
ＲＴ：  改質器部分
ＢＴ：  バーナー部分
ＲＲ：  反応室
ＢＲ：  バーナー室
ＭＫ１：第一の混合室
ＭＫ２：第二の混合室
ＷＴ１：第一の熱交換器
ＷＴ２：第二の熱交換器
ＷＴ３：第三の熱交換器
Ｃ／Ｏ：燃料／酸化剤混合物
Ｈ２Ｏ／Ｔ：水／キャリヤー混合物
Ｄ／Ｔ：水蒸気／キャリヤーガス混合物
ＲＥ：  改質生成物
ＡＲ：  残留アノードガス  
ＢＡ：  バーナー排ガス
ＡＲ／Ｏ：残留アノードガス／酸化剤混合物
ＢＺ：  バーナー供給手段
ＲＡ：  改質生成物出口
ＷＬＺ／ＤＡ：水及び空気供給／水蒸気出口
ＤＺ：  水蒸気供給
ＫＬＺ：燃料及び空気供給。
【００１６】
図１中に、自熱改質器の反応室（ＲＲ）及びバーナーのバーナー室（ＢＲ）を見ることができる。両方の室では発熱工程が行われる。ここで発生する熱の少なくとも一部は一方では改質生成物（ＲＥ）から第一の熱交換器（ＷＹ１）によって及びもう一方ではバーナー排ガス（ＢＡ）から第二の熱交換器（ＷＴ２）によって放出される。両方の熱交換器はこの熱を水／酸化剤混合物（Ｈ２Ｏ／Ｔ）を加熱するために利用され、次いで、この水／酸化剤混合物（Ｈ２Ｏ／Ｔ）は水蒸気／キャリヤーガス混合物（Ｄ／Ｔ）として第一の混合室に供給される。
【００１７】
図２は、改質器／バーナー−系の熱技術的に連結された改質器部分及びバーナー部分の断面図を図示している。左手側に混合室が配置されており、そこに一方から燃料／酸化剤混合物がそしてもう一方から水蒸気／キャリヤーガス混合物が別の供給導管を通して供給される。この混合物は、水素リッチ混合物に転化されることによって、触媒活性面を有する反応室に供給される。熱い改質生成物は右方向に流れ、その際に熱は改質器部分に螺旋状に配置されている第一の熱交換器に接して放出される。その後に改質生成物はバーナー部分に導入され、第三の熱交換器を貫流しそして次にこの系から流出する。
【００１８】
右手側では、残留アノードガスが該残留アノードガスを燃焼するのに必要な量の酸化剤と一緒に第二の混合室に入る。このガス混合物はバーナー室に導かれる。ここにも、完全酸化によって残留アノードガスを転化するために触媒が供給される。こうして浄化された熱いガスは第二及び第三の熱交換器によって冷やされそして除かれる。
【００１９】
供給される水／キャリヤーガス混合物は最初に第一及び第二の熱交換器を通して導かれ、そこにおいて改質生成物及びバーナー排ガスから放出される熱が吸収されそして水蒸気／キャリヤーガス混合物として混合室（１）に導くことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】は改質器部分ＲＴと燃焼部分ＢＴとの間の熱流の概略的連結の説明図である。
【図２】は本発明の一つの実施態様の断面図である。
【符号の説明】
【００２１】
ＲＴ：  改質器部分
ＢＴ：  バーナー部分
ＲＲ：  反応室
ＢＲ：  バーナー室
ＭＫ１：第一の混合室
ＭＫ２：第二の混合室
ＷＴ１：第一の熱交換器
ＷＴ２：第二の熱交換器
ＷＴ３：第三の熱交換器
Ｃ／Ｏ：燃料／酸化剤混合物
Ｈ２Ｏ／Ｔ：水／キャリヤー混合物
Ｄ／Ｔ：水蒸気／キャリヤーガス混合物
ＲＥ：  改質生成物
ＡＲ：  残留アノードガス  
ＢＡ：  バーナー排ガス
ＡＲ／Ｏ：残留アノードガス／酸化剤混合物
ＢＺ：  バーナー供給手段
ＲＡ：  改質生成物出口
ＷＬＺ／ＤＡ：水及び空気供給／水蒸気出口
ＤＺ：  水蒸気供給
ＫＬＺ：燃料及び空気供給
【図１】
2008543020.tif 000002
【図２】
2008543020.tif 000003
【手続補正書】
【提出日】平成20年2月8日(2008.2.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
自己熱改質装置において水素リッチ生成ガスを製造する装置において、
−  燃料／酸化剤混合物の導入口、水／キャリヤーガス混合物の導入口、触媒面及び水素リッチ生成ガスの出口を有する反応室を持ちそして前記出口及び反応室自身を囲む第一の熱交換器を持つ改質装置部分、
−  燃料電池からの残留アノードガスの入口、酸化剤の入口、触媒面を持つバーナー室及び該バーナー室を囲む第二の熱交換器を持つバーナー部分を持ち、
−  その際に前記改質部分及び前記バーナー部分が互いに直接的に隣接して配置されておりそして水蒸気／キャリヤーガス混合物を供給するのに及び水素リッチ生成ガスを案内するのに適する導管によって連結されている
ことを特徴とする、上記装置。
【請求項２】
水蒸気／キャリヤーガス混合物のための導管が第一の熱交換器を第二  の熱交換器に連結している、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
第一及び第二の熱交換器として螺旋状熱交換器を備えている、請求項１又は２に記載の装置。
【請求項４】
同様に前記バーナー室を囲んでいる別の第三の熱交換器を備えている、請求項１〜３のいずれか一つに記載の装置。
【請求項５】
第三の熱交換器が螺旋状熱交換器として形成されている、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一つに記載の装置を運転する方法において、
−  混合室に一つの導管を通して水蒸気／キャリヤーガス混合物を供給し及び燃料／酸化剤混合物を、ノズルに通して供給し、
−  燃料／水蒸気／酸化剤／キャリヤーガス混合物を反応室において発熱反応及び吸熱反応で接触的に水素リッチ生成ガスに転化し、
−  この場合に放出される熱を第一の反応室を取り囲む熱交換器に放出し、
−  燃料電池からの残留アノードガスをバーナー室において発熱反応で有害物質の少ない排ガスに接触的に転化し、
−  この場合に放出される熱を第二の反応室を取り囲む熱交換器に放出し、
−  水を水蒸気／キャリヤーガス混合物中で水蒸気に蒸発するために必要な熱の一部を、水素リッチの生成ガス、及び有害物質の少ないバーナー室からの排ガスの冷却によって供給し、その際に水蒸気／キャリヤーガス混合物を相前後する両方の熱交換器に通す
ことを特徴とする、上記方法。
【国際調査報告】
2008543020.tif 000004
2008543020.tif 000005
2008543020.tif 000006
2008543020.tif 000007
2008543020.tif 000008
2008543020.tif 000009