(57)【要約】  本発明は、反応物ガス混合物が流入するチャンバ入口（２０）と、改質したガスが流出するチャンバ出口（２４）とを備えたチャンバ（２６）を備え、チャンバの中に触媒活性媒体が配置された、燃料電池のための改質器（１０）に関する。本発明によれば、外部円筒状パイプ壁（１４）および内部円筒状画定壁（１６）を備え、外部パイプ壁（１４）と内部画定壁（１６）の間にチャンバ（２６）が配置された熱パイプ（１２）を備えた改質器（１０）が提供される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応物ガス混合物が流入するチャンバ入口（２０）と、改質したガスが流出するチャンバ出口（２４）とを備えたチャンバ（２６）を備え、前記チャンバ（２６）の中に触媒活性媒体が配置された、燃料電池のための改質器（１０）であって、前記改質器（１０）が、外部円筒状パイプ壁（１４）および内部円筒状画定壁（１６）を備え、前記外部パイプ壁（１４）と前記内部画定壁（１６）の間に前記チャンバ（２６）が配置された熱パイプ（１２）を備えることを特徴とする燃料電池のための改質器（１０）。
【請求項２】
前記チャンバ入口（２０）が前記熱パイプ（１２）の第１の軸方向の端部（１８）の近くに配置され、前記チャンバ出口（２４）が前記熱パイプ（１２）の第２の軸方向の端部（２２）の近くに配置されることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池のための改質器（１０）。
【請求項３】
前記チャンバ（２６）が、前記チャンバ入口（２０）とチャンバ出口（２４）の間に螺旋状に構成されることを特徴とする、請求項１または２に記載の燃料電池のための改質器（１０）。
【請求項４】
前記チャンバ（２６）が、前記内部円筒状画定壁（１６）に機械加工された通路（２８）によって形成されることを特徴とする、前記請求項のいずれかに記載の燃料電池のための改質器（１０）。
【請求項５】
前記内部画定壁（１６）が、液体金属の充填物を備えた内部チャンバ（３２）を囲むことを特徴とする、前記請求項のいずれかに記載の燃料電池のための改質器（１０）。
【請求項６】
前記液体金属がナトリウムまたはリチウムであることを特徴とする、請求項５に記載の燃料電池のための改質器（１０）。
【請求項７】
前記熱パイプ（１２）の前記第２の軸方向の端部（２２）の近くに熱交換器（３４）が配置され、前記熱交換器（３４）によって、前記熱パイプ（１２）から前記燃料電池の他のシステム・コンポーネント（４４）へ熱エネルギーが輸送されることを特徴とする、前記請求項のいずれかに記載の燃料電池のための改質器（１０）。
【請求項８】
前記燃料電池が混合物形成デバイス（４４）を備え、前記熱交換器（３４）によって前記熱パイプ（１２）から前記混合物形成デバイス（４４）へ熱エネルギーが輸送されることを特徴とする、請求項７に記載の燃料電池のための改質器（１０）。
【請求項９】
前記燃料電池に陰極空気が供給され、前記熱交換器（３４）によって前記熱パイプ（１２）から前記陰極空気へ熱エネルギーが輸送されることを特徴とする、請求項７または８に記載の燃料電池のための改質器（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、反応物ガス混合物が流入するチャンバ入口と、改質したガスが流出するチャンバ出口とを備えたチャンバを備え、チャンバの中に触媒活性媒体が配置された、燃料電池のための改質器に関する。
【背景技術】
【０００２】
汎用改質器は、多くの適用分野を有しており、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働きをしている。この水素が豊富なガス混合物から、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は、たとえば自動車両の補助動力装置（ＡＰＵ）として利用されている。
【０００３】
改質器の設計は、豊富な様々な要因によって左右される。反応システムの特性を考慮することに加えて、経済的に具体化することができることが重要であり、たとえば、とりわけその環境への改質器の統合に関しても、後者には、同じく反応器への材料およびエネルギーの入口流および反応器からの材料およびエネルギーの出口流を処理する方法が含まれる。したがって、改質器の適用および環境に応じて、様々な改質方法に適用があり、そのため、異なる改質器構造が必要である。
【０００４】
改質過程の一例は、空気と燃料の混合物が、触媒活性媒体を使用した発熱反応で、水素が豊富な改質油に変換されるいわゆる触媒改質器であり、この水素が豊富な改質油を使用して燃料電池を動作させることができる。これは、触媒部分酸化（ＣＰＯＸ）である。燃料／空気混合物のこの触媒変換では、反応を流れの方向に沿った２つの異なるゾーンに分割することができる。触媒活性媒体が流入すると、最初に強い発熱酸化反応が生じ、次に、生じた中間生成物が、後続する触媒活性媒体のゾーンで改質される。この改質過程は、温度が著しく低下する吸熱反応であり、したがって変換損失が伴う。
【０００５】
ＣＰＯＸ改質器の場合、生成される、改質器の入口ゾーンに生じた熱は非常に高いため、中に含まれている材料が損傷することがあり、たとえば触媒活性媒体が非活性化されるか、あるいは基板材料が破壊されることがある。酸化ゾーンによって解放された反応熱を改質ゾーンへもたらすことができないため、改質過程の制御が問題になり、したがって、通常、反応のポリトロープ処理を回避する手立てはないが、変換の程度が低いことを特徴としている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
反応物ガス混合物をより良好に改質ガスに変換するために、本発明によれば、外部円筒状パイプ壁および内部円筒状画定壁を有し、外部パイプ壁と内部画定壁の間にチャンバが配置された熱パイプを備えた改質器が提供される。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の骨子は、高速熱輸送を備えた熱パイプを使用して、半径方向および軸方向の両方に等温の温度分布を触媒活性媒体に達成することである。
【０００８】
好ましい一実施形態では、熱パイプの第１の軸方向の端部の近くにチャンバ入口が配置され、また、熱パイプの第２の軸方向の端部の近くにチャンバ出口が配置されているため、熱パイプの軸方向の可能な限り広い範囲にわたって温度を補償することができる。
【０００９】
チャンバは、チャンバ入口とチャンバ出口の間に螺旋状に構成されることがとりわけ好ましく、それにより、微小流量断面表面によって半径方向の温度勾配が同じく最小化される。
【００１０】
本発明の他の実施形態については、従属請求項を参照されたい。
【００１１】
以下、本発明について、図面を参照して、実例実施形態によって詳細に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１を参照すると、以下で記述される燃料電池システムのための改質器１０が示されている。改質器１０は、いずれも円形円筒状の外部パイプ壁１４および内部画定壁１６を備えた熱パイプ１２を備えている。熱パイプ１２の第１の軸方向の端部１８にはチャンバ入口２０が提供されており、このチャンバ入口２０を介して、たとえば空気および蒸発した燃料からなる反応物ガス混合物を改質器の中に流入させることができる。熱パイプ１２の第２の軸方向の端部２２にはチャンバ出口２４が配置されており、このチャンバ出口２４を介して、改質したガスを改質器１０から流出させることができる。外部パイプ壁１４および内部画定壁１６は、チャンバ入口２０とチャンバ出口２４の間に展開しているチャンバ２６を画定している。図に示す実施形態のチャンバ２６は、この事例では、チャンバ入口２０とチャンバ出口２４の間に螺旋状に構成されている。これは、内部円筒状画定壁１６に機械加工された通路２８によって達成される。熱パイプ１２の半径方向の通路２８の寸法Ａは、熱パイプ１２の半径Ｒより小さい。螺旋状の通路２８の中には、触媒活性媒体３０が配置されている。図に示すこの実施形態では、触媒活性媒体３０はペレットの形態である。内部画定壁１６に機械加工された通路２８は、合計３つの接触表面を熱輸送に利用することができるため、触媒活性媒体３０と内部画定壁１６の間に、熱輸送デバイスとして機能する有効な伝熱表面を付与している。内部画定壁１６は、液体金属の充填物を備えた内部チャンバ３２を囲む。液体金属充填物は、とりわけ１１００℃までの範囲の温度に極めて適しており、リチウムまたはナトリウムであることが好ましい。液体金属充填物としてナトリウムを使用する場合、内部画定壁１６をステンレス鋼製にすることができる利点がある。
【００１３】
熱パイプ１２の第２の軸方向の端部２２の領域には熱交換器３４が配置されており、この熱交換器３４によって、熱パイプ１２から燃料電池の他のシステム・コンポーネント、とりわけパイプ３６を流れる液体またはガス媒体へ熱エネルギーを輸送することができ、そこからさらに他のシステム・コンポーネントへ熱エネルギーを輸送することができる。これについては、以下でより詳細に説明する。
【００１４】
次に図３を参照すると、蒸発器４２が接続されている媒体輸送デバイス４０に接続された燃料供給ライン３９によって改質器１０を燃料電池システム３８に結合する方法が示されている。燃料供給ライン３９および空気供給ライン４６は混合物形成デバイス４４に接続されており、混合物形成デバイス４４はチャンバ入口２０に接続されている。改質器１０のチャンバ出口２４には燃料電池スタック４８が接続されており、燃料電池スタック４８にはアフターバーナ５０が接続されている。改質器１０のチャンバ出口２４への接続に加えて、燃料電池スタック４８は、また陰極空気供給ライン５２を特徴としている。
【００１５】
次に、燃料電池システム３８の改質器１０の機能ならびに改質器１０が全体としてシステムに含まれている様子について説明する。
【００１６】
燃料は、燃料供給ライン３９を介して、媒体輸送デバイス４０によって蒸発器４２に供給され、蒸発器４２で気相に変換される。次に、蒸発した燃料が混合物形成デバイス４４に流入する。空気供給ライン４６によって混合物形成デバイス４４に空気が供給され、蒸発した燃料と混合される。次に、燃料／空気混合物がチャンバ入口２０を介して改質器１０の中に導入される（図１）。次に、燃料／空気混合物が触媒活性媒体３０に流入し、触媒活性媒体３０によって燃料／空気混合物が中間生成物に改質される。まず第一に、酸化物反応によって解放された反応熱が熱パイプ１２によって内部チャンバ３２の充填物へ輸送される。次に、熱パイプ１２の第１の軸方向の端部１８の領域に解放された反応熱が、内部チャンバ３２の充填物を介して、熱パイプ１２の第２の軸方向の端部２２の領域へ輸送される。これには、熱パイプ１２の軸方向の全範囲にわたって事実上一定の温度プロファイル（図２の実線曲線を参照されたい）を達成するために、熱パイプ１２の第１の軸方向の端部１８における、ポリトロープ反応モード（図２の破線曲線を参照されたい）の場合に当然生じるホット・スポットを回避することが意図されている。熱パイプ１２の第１の軸方向の端部１８で物質化された中間生成物は、次に、熱パイプ１２の第２の軸方向の端部２２の領域の通路２８へ輸送され、そこで改質される。内部チャンバ３２内の熱エネルギーを、熱パイプ１２の第１の軸方向の端部１８から熱パイプ１２の第２の軸方向の端部２２の領域へ輸送することにより、熱力学的平衡が著しくシフトする。
【００１７】
次に図２を参照すると、チャンバ入口２０の領域の熱パイプ１２の第１の軸方向の端部１８における、従来技術のポリトロープ反応モード（図３の破線曲線を参照されたい）で生じるようなホット・スポットが回避される様子、および熱パイプ１２を使用することによって、チャンバ入口２０とチャンバ出口２４の間の熱パイプ１２の軸方向の全範囲にわたって事実上一定の温度プロファイル（図２の実線曲線を参照されたい）が得られる様子が示されている。熱パイプ１２のいずれの領域においても、触媒活性媒体および基板材料の寿命を縮めないためには超えてはならない最大温度Ｔｍａｘを超えていないため、ホット・スポットが安全に回避される。
【００１８】
チャンバ出口２４に出現する改質したガスは、次に、燃料電池スタック４８（図３を参照されたい）に供給され、そこで、知られている方法および手段によって電気エネルギーが解放される。ガスは、燃料電池スタック４８から流出してアフターバーナ５０へ導かれ、そこでさらに活用される。
【００１９】
燃料電池システム３８は、全体で、チャンバ入口２０における反応物ガス混合物の質量の流れを関数とする過剰の熱エネルギーを有しているため、熱交換器３４によってこの過剰の熱エネルギーを燃料電池システム３８の他のシステム・コンポーネントに利用することができる。このようなシステム・コンポーネントは、燃料電池スタック４８の陰極空気供給ライン５２の陰極空気である混合物形成デバイス４４であってもよい。その場合、熱交換器３４のパイプ３６は、それに応じて空気供給ライン４６または陰極空気供給ライン５２に接続しなければならない。熱交換器３４からの熱エネルギーは、電気エネルギーおよび熱を供給するための複合システムである場合、加熱システムに直接供給することも可能である。
【００２０】
本発明による改質器によれば、既に説明した、熱パイプ１２内の等温温度分布に加えて、改質の制御が著しく単純化され、かつ、材料の流れに関して、その調整能力が強化されるため、改質したガスの産出が著しく増加する。また、通路２８に様々な触媒活性媒体を利用することにより、反応の処理をさらに最適化することができる。２つの改質器１０を適切な配管および弁を介して結合することにより、２つの改質器を交互に利用し、かつ、再生することができる。つまり、２つの改質器のうちの第１の改質器を再生している間、第２の改質器を使用して、燃料電池システム３８を動作させるための改質ガスを供給し、第１の改質器の再生が終了すると、減損した第２の改質器と交換し、第１の改質器を使用して燃料電池システム３８のための改質ガスを再度生成することができる。もっと高いガスの処理能力を必要とする場合、複数の改質器１０を並列に動作させることができるため、利用可能な様々な燃料を液体およびガスの両方の形態で使用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１の実施形態の改質器の断面図である。
【図２】ポリトロープ・モードにおける改質器の軸方向の温度プロファイル（破線）および等温モードにおける改質器の軸方向の温度プロファイル（実線）をプロットしたグラフである。
【図３】改質器を備えた燃料電池システムを示す線図である。
【符号の説明】
【００２２】
１０  改質器
１２  熱パイプ
１４  外部パイプ壁
１６  内部画定壁
１８  熱パイプの第１の軸方向の端部
２０  チャンバ入口
２２  熱パイプの第２の軸方向の端部
２４  チャンバ出口
２６  チャンバ
２８  通路
３０  触媒活性媒体
３２  内部チャンバ
３４  熱交換器
３６  パイプ
３８  燃料電池システム
３９  燃料供給ライン
４０  媒体輸送デバイス
４２  蒸発器
４４  混合物形成デバイス
４６  空気供給ライン
４８  燃料電池スタック
５０  アフターバーナ
５２  陰極空気供給ライン
【図１】
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【図１ａ】
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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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