(57)【要約】本発明は、動力車両に搭載され、燃料電池（１）、燃料電池に水素豊富なガスを供給するための改質器、空気圧縮手段（２１、２８）、および、改質器を制御するのに使われる制御ユニット（９）を具備する形式の、電力を発生するためのシステムに関する。本発明は、改質器が、燃料電池（１）の上流に並列に搭載された主低温プラズマ改質器（７）および副プラズマ改質器（８）を具備することを特徴とする。これに加えて、制御ユニット（９）によって制御される制御バルブ（１２）が、圧縮空気、燃料および水蒸気を、主改質器（７）のみに供給するか、または、両改質器（７、８）に同時に供給するために、２つの低温プラズマ改質器の上流に搭載される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
動力車両に搭載され、電力を発生するためのシステムであり、燃料電池（１）と、燃料電池に水素豊富なガスを供給する改質器と、空気圧縮機（２１、２８）と、改質器の動作を制御するための制御ユニット（９）とを具備する形式のものであって、改質器は、燃料電池（１）の上流において並列に搭載された主低温プラズマ改質器（７）と副低温プラズマ改質器（８）とを具備し、制御ユニットによって制御される制御バルブ（１２）が２つの低温プラズマ改質器の上流に搭載され、圧縮空気、燃料および水蒸気を、主改質器（７）のみに、または、両改質器（７、８）に同時に供給することを特徴とするシステム。
【請求項２】
請求項１に記載のシステムにおいて、主改質器（７）が副改質器（８）の公称容量よりも高い公称容量を持っていることを特徴とするシステム。
【請求項３】
請求項２に記載のシステムにおいて、主改質器（７）の公称容量が、電力発生システムに要求される最大全容量の７０％から８５％、好ましくは８０％に相当することを特徴とするシステム。
【請求項４】
請求項２または３に記載のシステムにおいて、副改質器（８）の公称容量が、電力発生システムに要求される最大全容量の１５％から３０％、好ましくは２０％に相当することを特徴とするシステム。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載のシステムにおいて、改質器で製造されたガスを、製造されたＣＯのＣＯ２への酸化によって、純化するための手段（４２、４４、４６）を具備することを特徴とするシステム。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかに記載のシステムにおいて、圧縮空気と、燃料電池で使われなかった水素豊富ガスとの供給を受ける燃焼器（１３）、および、燃焼器と組み合わされて改質器に供給される流体の温度を高めるための熱交換手段（１５）を具備することを特徴とするシステム。
【請求項７】
低温プラズマ改質によって製造される水素豊富なガスの供給を受ける燃料電池が装備された動力車両における電力を発生するための方法であり、２つの区別された低温プラズマ改質器（７、８）が使われ、両改質器への燃料供給が、要求される出力の大きさに応じて、交互に、または、同時に行われるように制御されることを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項７に記載の方法において、２つの改質器のうちの一方は連続的に燃料供給を受け、他方は、付加的な電力の要求に対応する過渡期のみにおいて、燃料供給を受けることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気的駆動または推進の機構を具備する動力車両に搭載される、電力を発生するためのシステム関する。
【背景技術】
【０００２】
このようなハイブリッドの発電機は、一般に、燃料電池と、異なる燃料（ガソリン、ディーゼル油、エタノール、他）を受け入れることが可能でターボチャージャと蓄電池とを伴った改質器とを具備し、その全体は電子制御ユニットによって制御される。このような発電機は、補助動力源として、動力車両を駆動するのに使用される。動力車両の場合、このような発電機は、車両に搭載されている、電力を消費する種々の装置に電力を供給することに使われてもよい。
【０００３】
一般に、燃料電池は、水素豊富なガスと、酸素豊富なガス例えば周囲の空気とを供給される電気化学的発電機である。特に、自動車産業では、ＰＥＭＦＣと呼ばれる水素イオン交換膜を持った燃料電池が用いられる。他の種類の燃料電池、例えば、ＳＯＦＣと呼ばれる固体酸化物燃料電池も用いられ、それを動作させる方法は、より簡単である。すべての場合において、燃料電池に供給される水素豊富なガスは、車両内のタンクに貯蔵されるであろうから、そのことは、そのようなタンクの、条件を満たすように制限された大きさのために、自給運転時間を制限する。水素豊富なガスは、また、車両内で、改質器を用いて、水素を含有する燃料から製造されることもできる。この解は、通常の車両と同程度の自給運転時間を実現するのに役立ち、現存する燃料供給ネットワークから恩恵を受けることにも役立ち、ＣＯ２と大気汚染ガスを減らすことにもつながる。
【０００４】
一般に使われている改質器は触媒式改質器と熱交換器とを具備している。第１段階で、熱交換器を通過することによって予備加熱された燃料は触媒反応によって改質される。この後、製造された水素豊富なガスの純化段階が続く。この純化は、改質段階で製造された一酸化炭素の存在量を減らし、燃料電池の損傷を避けるのに役立つ。
【０００５】
好ましくは、改質器に供給される空気の圧力は、圧縮機によって増加される。好ましくは、水蒸気改質と部分酸化とのエネルギー平衡点を表わす熱自立型動作状態に近い定常状態で動作する。この目的のために、改質器入り口に運ばれる燃料、それは炭化水素燃料である、の量、酸素含有空気の量および製造される水蒸気の量は、一般に車両に搭載されているタンクに存在する水の温度を高めることによって、適当に制御される。
【０００６】
熱自立型の触媒式改質器（ＡＴＲと呼ばれる）によって製造された改質物は、それから、好ましくは、一酸化炭素を除去するために、２段階の純化工程を通過し、その純化は、ＷＧＳ（英語で"Water Gas Shift"）という呼称で呼ばれる水性ガスシフト反応によって行われ、その水性ガスシフト反応は、第１の高温反応段階（ＨＴＳ）と第２の低温反応段階（ＬＴＳ）との２段階からなるであろう。ガスは、それから、選択酸化段階ＰｒＯｘを通過し、上記の段階とこの段階との組み合わせによって、ガス中に存在する、触媒式改質器によって製造された一酸化炭素ＣＯのほとんどがＣＯ２に変換される。
【０００７】
改質器の種々の構成要素を、それぞれの最高効率で動作させるために、各構成要素は最適な温度に加熱されなければならない。例えば、ガソリンを改質する場合には、熱自立型の改質器（ＡＴＲ）に対しては８００℃であり、高温水性ガスシフト反応段階（ＨＴＳ）に対しては３５０℃であり、低温水性ガスシフト反応段階（ＬＴＳ）に対しては２５０℃であり、選択酸化段階（ＰｒＯｘ）に対しては１５０℃である。
【０００８】
純化工程の後、水素豊富なガスは、燃料電池に運ばれ、電気化学反応によって部分的に酸化され、電力を発生する。燃料電池で消費されなかった水素豊富なガス、すなわち、化学量論的反応比を超える量の水素を含むガスは、触媒式燃焼器で、改質器に供給するための水を水蒸気にするための加熱、および、改質器に供給される反応物、すなわち、実質的に燃料と圧縮空気の加熱のために使われる。
【０００９】
冷めた状態から起動する過程では、改質システムの種々の構成要素をそれぞれの最適動作温度にまで高める必要があり、これらの構成要素に熱を供給するために燃焼器が使われる。比較的高い熱慣性のために、温度の上昇時間は比較的長いことが知られ、一般に、それは２から５分の間であり、このことは、電気自動車の事情に相当な困難をもたらす。同様のことが、例えば、車両の運転者からの突然の加速要求による負荷の変化においても起こる。
【００１０】
燃料電池を用いて動力車両に電力を供給するための水素発生器の例として、特許出願ＷＯ−Ａ−００/４２６７１、特許ＵＳ−Ａ−５３３５６２８および特許出願ＵＳ−Ａ−２００２/４１５２を引用することができる。
【００１１】
特許出願ＷＯ−Ａ−００/３１８１６は、特定な型の動作、例えば異なる車両スピードに適した複数の異なるパワー・モジュールを具備する改質システムを記載している。
【００１２】
フランス特許出願ＦＲ−Ａ−２８４９２７８（ルノー）は、おもな構成要素が２倍化されている改質システムを記載している。
【００１３】
冷めた状態から起動する過程では、１つの低出力改質チャネルを使うことが可能であり、それによって、起動時間が短縮する。これに対して、正常の動作状態においては、２つの改質チャネルは、最高出力に貢献するために、同時に使用される。
【００１４】
低温プラズマすなわち非熱的プラズマ改質器もまた知られていて、それは、水素含有燃料のイオン化を許し、これによって、触媒式改質に使われる触媒を置き換えることを許す。
【００１５】
特許出願ＷＯ−Ａ−９８/２８２２３は、例えば、そのような改質のための低温プラズマ反応室を記載している。
【００１６】
特許ＵＳ−Ａ−５８５２９２７に、ターボチャージャから圧縮空気の供給を受ける低温プラズマ改質器を具備する水素発生器が記載されている。
【００１７】
水素豊富なガスを燃料電池またはエンジンに供給するために、このような低温プラズマ改質器を使用することは、例えば、特許ＵＳ−Ａ−５４０９７８４、ＵＳ−Ａ−４６９０７４３およびＵＳ−Ａ−５４３７２５０に記載されている。
【００１８】
すべての場合において、低温プラズマは、高圧電源に接続し改質空間に電気アークを発生する１つまたは複数の励起電極を用いて造られる。
【００１９】
このような低温プラズマ改質方法は、反応温度を下げ、実質的に即時の改質と水素豊富なガスの発生とを許すという利点を持っている。しかしながら、プラズマ改質器は、一般に使用されている触媒式改質器に比べて効率が低いという欠点を持っていることが判明している。
【００２０】
ヨーロッパ特許出願ＥＰ−Ａ−１１９３２１８は、触媒式改質器と低温プラズマ改質器との混合使用を記載している。この２つの改質器は、並列に搭載され、それらの動作は、動力車両の起動時には低温プラズマ改質器が用いられ、動力車両の正常運転時には触媒式改質器が用いられるように制御される。プラズマ改質反応器は、このように、触媒式改質反応器が適温に到達するまで活性化される。触媒式改質器は、さらに、この装置に供給する燃料と水とを気化させるための燃焼器と組み合わされる。
【特許文献１】特許出願ＷＯ−Ａ−９８/２８２２３
【特許文献２】特許ＵＳ−Ａ−５８５２９２７
【特許文献３】特許ＵＳ−Ａ−５４０９７８４
【特許文献４】特許ＵＳ−Ａ−４６９０７４３
【特許文献５】特許ＵＳ−Ａ−５４３７２５０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
本発明の課題は、特に動力車両の、燃料電池に水素豊富なガスを供給するための改質反応器と方法であり、速やかな起動と、要求される負荷が急激に上昇したときの過渡状態への速やかな対応とを許すものである。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
この目的のために、１つの実施例においては、動力車両に搭載され、燃料電池を具備する形式の電力発生システムが、燃料電池に水素豊富なガスを供給するための改質器と、空気圧縮機と、改質器の動作を制御するための制御ユニットとを具備する。改質器は、燃料電池の上流に、並列に搭載された、主低温プラズマ改質器と副低温プラズマ改質器とを具備する。制御ユニットによって制御される制御バルブが、２つの低温プラズマ改質器の上流に搭載され、圧縮空気と、燃料蒸気と水蒸気とを、主改質器のみに、あるいは、同時に両方の改質器に供給する。
【００２３】
好ましくは、主改質器は副改質器よりも高い公称容量を持つ。
【００２４】
主改質器の公称容量は、例えば、電力発生システムのために要求される最大全容量の７０％から８５％、好ましくは８０％に相当するとよい。
【００２５】
同様に、副改質器の公称容量は、例えば、電力発生システムのために要求される最大全容量の１５％から３０％、好ましくは２０％に相当するとよい。
【００２６】
このようにして、主改質器は、その最高効率点で恒久的に機能することができ、副改質器は、付加的出力要求に対応する過渡期における付加的出力を供給するためにのみ活性化されればよい。
【００２７】
システム全体のエネルギー効率は、両改質器が常にそれぞれの最高効率点で動作するために、大きく改善される。
【００２８】
主改質器の構成要素の使用寿命は、この改質器が恒久的に、すなわち、起動と停止の繰り返しよりも厳しくない定常状態条件下で動作するので、長くなる。
【００２９】
このシステムは、また、改質器によって製造されたガスを、製造されたＣＯをＣＯ２に酸化することによって、純化する手段を具備していてもよい。
【００３０】
都合よく、このシステムは、さらに、圧縮空気と燃料電池で使われなかった水素豊富なガスとの供給を受ける燃焼器と、燃焼器と組み合わされて改質器へ供給される燃料の温度を高めるための熱交換手段を具備する。
【００３１】
最後に、補助的な蓄電池もまた装備されていてよい。しかしながら、そのような蓄電池の出力要求は、上記の改質器の使用のお陰で、非常に小さい。
【００３２】
本発明は、また、燃料電池が装備された動力車両において電力を発生するための方法に関し、その動力車両において、燃料電池は低温プラズマ改質によって製造される水素豊富なガスの供給を受け、２つの区別された低温プラズマ改質器が使われ、その２つの改質器への燃料供給は、要求される出力量に応じて、交互に行われるか、または、同時に行われるように制御される。
【００３３】
好ましくは、２つの改質器のうちの一方は連続的に燃料供給を受け、他方は、付加的電力の要求に相当する過渡期にのみ燃料供給を受ける。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
動力車両に搭載され、燃料電池を具備する電力発生システムの主要な構成要素を模式的に示す、ここに添付された図１によって説明され、制限を受けない例として用いられる実施例の詳細な記述を学ぶことによって、本発明は、さらに良く理解されるであろう。
【００３５】
図１に示されるように、電力発生システムは、全体が符号１で示される燃料電池を具備し、その燃料電池は、図１において陰極区画２と陽極区画３とで表された、単一電池の積み重ねを持ち、全体は、さらに、冷却区域４において冷却流体の流れによって冷却され、冷却回路５は過剰な熱を取り去るための放熱器６を具備する。燃料電池１は、その出力接続１ａから電力を供給する。
【００３６】
燃料電池１の陽極区画３は、主低温プラズマ改質器７と副低温プラズマ改質器８とを用いる炭化水素含有燃料の改質で生じた水素豊富なガスの供給を受ける。改質器７及び８は、例えば、高電圧電力を供給され低温プラズマを発生させるための電気アークを生じることができる種々の電極を具備する。これに関連して、例えば、緒言において述べられた従来技術を参照することができる。
【００３７】
図１において模式的に示された改質器７および８は、実際に、反応器と、矢印１０と１１とによって示された電力供給路とを具備する。
【００３８】
全体が符号１２で表される制御バルブが、プラズマ改質器７および８の上流に、改質器７および８への燃料供給を制御するために搭載されている。
【００３９】
制御バルブ１２は、符号９で示され、その入力９ａを経由して電力発生システムの動作に関する種々のデータを受け取る電子制御ユニットＥＣＵ符号９によって制御される。
【００４０】
熱交換器１５が、２つの改質器７および８への燃料供給の上流に設置される。燃焼器１３は、圧縮空気を入り口１３ａから受け取り、燃料電池１の陽極区画３から流出する水素豊富なガスと燃料電池で使われなかった水素豊富なガスとを入り口１３ｂから受け取る。
【００４１】
燃焼器１３から流出する高温の燃焼ガスは、出口１３ｃを経由して、熱交換器１５へ送られる。熱交換器１５を通して流れるガスは、熱を放出し、熱交換器１５の出口につながる通路１８を経由してタービン１９に運ばれ、タービン１９は、排出ガスが持つ残留エネルギーを、ガスが排出管１４から排出される前に、回収する。
【００４２】
改質器７および８への空気供給のために、入り口通路２０から流入する空気は、モータ２２で駆動される第１の圧縮段階２１で第１の圧縮を受ける。中間圧力の圧縮空気は、通路２３によって、放熱器２６を具備する冷却回路２５に搭載された熱交換器２４に運ばれ、そこで熱の一部を失う。これによって部分的に冷却された圧縮空気は、通路２７を経由して、第２の圧縮段階２８の入り口に運ばれ、第２の圧縮段階２８はターボチャージャの一部分であり、そのターボチャージャは、高圧圧縮機２８を駆動するために、高圧圧縮機２８と同じシャフト２９に取り付けられたタービン１９をも具備する。第２の圧縮段階２８から流出する高圧圧縮空気は、それから、通路３０および３１を経由して、熱交換器１５へ運ばれ、そこでさらに加熱される。熱交換器１５の出口で、高温の圧縮空気は、主プラズマ改質器７へ通路３２を経由して運ばれることができ、副プラズマ改質器８へ通路３３を経由して運ばれることができる。この供給は、模式的に符号１２ａ、１２ｂ、１２ｃで示された３つの３方向バルブを具備する制御バルブで制御される。
【００４３】
図示されていない、車両に搭載されているタンク中に溜められている液体燃料は通路３４によって熱交換器１５に運ばれ、そこで気化される。このように気化された燃料は、主プラズマ改質器７の入り口へ通路３５を経由して、副プラズマ改質器８の入り口へ通路３６を経由して、バルブ１２ｂの向きに応じて、運ばれる。
【００４４】
車両に搭載され、水を溜めたタンクであって、随意的に、システム自体の動作によって生じる水も溜めているタンクから流出する水は、液体状態で、通路３７を経由して熱交換器１５の入り口まで運ばれ、そこで気化され、それから、主プラズマ改質器７の入り口へ通路３８を経由して、副プラズマ改質器８の入り口へ通路３９を経由して運ばれる。図示された例においては、液体の水は、通路３７ａを経由して供給されてから種々の熱交換器４０で加熱され、通路３７を経由して、熱交換器１５へ運ばれる。
【００４５】
低温プラズマ改質器７および８によって製造された水素豊富なガスは、通路４１ａおよび４１ｂを経由して流出し、それから、熱交換器４０を通る水に熱の一部分を与えてから、反応器４２内の第１の高温水性ガスシフト反応段階ＨＴＳに運ばれる。反応器４２の出口で、部分的に純化された水素豊富なガスは、第２の熱交換器４０を通って、供給される水を加熱し、通路４３を経由して、符号４４の反応器内の第２の低温水性ガスシフト反応純化段階ＬＴＳへ運ばれる。この一酸化炭素変換の後、反応器４４から流出するガスは、通路４５を経由して、熱交換器４０を通過して、通路３７ａから供給される水の加熱に熱の一部分を役立てた後、選択酸化反応器４６へ運ばれる。選択酸化反応器ＰｒＯｘ、符号４６、は、また、圧縮機２８からなる第２の圧縮段階に通路３０を経由して接続する通路４７を経由して、圧縮空気を受け取る。
【００４６】
選択酸化反応器４６の出口で、ガスは、通路４８を経由して陽極前凝縮器４９へ運ばれ、ガスに含まれる水分はほとんど除去される。ガスは、それから、通路５０を経由して、燃料電池１の陽極区画３の入り口に運ばれる。陽極区画の出口で、通路５１を経由して運ばれるガスは、陽極凝縮器５２を通り、そこで、含んでいる水分のほとんどを奪われ、通路５３によって燃焼器１３の入り口１３ｂへ運ばれる。燃料電池において使われなかった過剰の水素は、燃焼器１３における燃焼に使われる。
【００４７】
燃料電池１の陰極区画２は、通路５４を経由して、圧縮機２８によって実現している第２の圧縮段階から流出する圧縮空気を受け取る。燃料電池１の陰極区画２の出口で、燃焼ガスは、通路５５を経由して、陰極凝縮器５６に運ばれ、そこで、含んでいる水分のほとんどを奪われ、それから、通路５７および５８を経由して、排気管１４を通って流出する前にタービン１９の入り口へ運ばれる。
【００４８】
種々の凝縮器４９、５２および５６は、すべて、放熱器６０を具備する冷却回路５９によって冷却され、種々の凝縮器は、ここに添付された図１に示されるように、冷却回路において並列に搭載されている。
【００４９】
制御ユニット９は、接続６１を通じて制御バルブ１２を制御することができる。
【００５０】
改質器７および８の形式のプラズマ改質器は、水素含有化合物を水素に変換するのに役立つ。一般に、熱的プラズマと低温すなわち非平衡プラズマが知られている。本発明によれば、図示されていない、電源から電力の供給を受ける複数の電極を有する低温プラズマ改質器が実質的に使われる。このようなプラズマ改質器は、比較的低い、一般に７０％より低い、エネルギー効率を持っている。しかしながら、改質反応が、ほとんど瞬時に立ち上がるので、水素豊富なガスが出口において、非常に速く得られる。主改質器７は、その分担として、実質的に、要求される全容量の７０％から８５％、好ましくは８０％に相当する容量を持つ。したがって、主改質器７は、恒久的に動作して、通常要求される電力を供給する。副改質器８は、その分担として、より低い容量、例えば、要求される全容量の１５％から３０％、好ましくは２０％に相当する容量を持つ。そこで、副改質器８は、制御ユニット９の制御によって、付加的出力が要求されたときにのみ活性化される。
【００５１】
図１に示されているように、改質システムは、以下のように動作する。
【００５２】
起動時においては、燃料電池１へ非常に速く水素を供給するために、主改質器７のみが使用される。この目的のために、起動時、制御ユニットは、制御バルブを、主改質器７に、圧縮空気を通路３２経由で、燃料を通路３５経由で、そして、水蒸気を通路３８経由で供給するように制御する。
【００５３】
プラズマ改質器７によってほとんど瞬時に製造された水素は、変換段階４２、４４と選択酸化反応器４６とによって適当に純化された後、燃料電池１へ送られる。
【００５４】
起動後、そして電力発生システムの正常な動作中は、水素豊富なガスは、実質的に主改質器７によって供給され、主改質器７は、車両の電力要求を満たすのに十分な流れを供給する。
【００５５】
もしも、例えば、公称容量の８０％を超える出力の要求が感じられたときに、制御ユニット９は、制御バルブ１２に、副改質器８へ、付加的に、圧縮空気と燃料と水蒸気とを供給するように、働きかける。このような低温プラズマ改質器の非常に速い反応速度のお陰で、付加的な出力要求はただちに満たされる。
【００５６】
本発明のお陰で、システム全体のエネルギー効率は、各改質器がそれぞれの最高効率に近い点で動作するので、改善される。これに加えて、主改質器は、実質的に定常状態で恒久的に動作するので、それが、システムの構成要素の使用寿命を長くする。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】動力車両に搭載され、燃料電池を具備する電力発生システムの主要な構成要素を模式的に示す図である。
【図１】
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【国際調査報告】
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2008523552.tif 000007
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