(57)【要約】  燃料電池設備用の改質されるべき燃焼ガスを加湿および加熱するための装置であって、加湿および加熱されるべき燃焼ガスが所定の流動経路を貫流するハウジング（１）と、熱交換器（４）と、燃焼ガスの加湿に用いられる水を供給するための装置とを具備し、前記ハウジングが、燃焼ガス用に上部領域に配置された入口（２）と下方に配置された出口（３）とを有し、さらに、前記熱交換器が、ハウジング内に配置されており、この熱交換器の中を、加湿および加熱されるべき燃焼ガスとは逆方向に、必要な熱を供給する熱媒体が下方から上方に貫流することができる装置に関する。加湿に用いられる水を供給するための前記装置は、ハウジングの下部領域に配置されたスペース（５）を有し、このスペースにおいて、前記水が、加熱のために熱交換器の下部領域に伝熱接触し、さらに、水を供給するための前記装置が、上記スペースで気化された水をハウジングの上部領域へ搬送するために、上記スペースから上方へ延びる蒸気流動経路（６）を有する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池設備用の改質されるべき燃焼ガスを加湿および加熱するための装置であって、加湿および加熱されるべき燃焼ガスが所定の流動経路を貫流するハウジング（１）と、熱交換器（４）と、燃焼ガスの加湿のために用いられる水を供給するための装置とを具備し、前記ハウジングが、燃焼ガス用に上部領域に配置された入口（２）と下方に配置された出口（３）とを有し、かつ、前記熱交換器が、ハウジング（１）の内部に配置されており、この熱交換器の中を、加湿および加熱されるべき燃焼ガスとは逆方向に、必要な熱を供給する熱媒体が下方から上方に貫流することができる装置において、
加湿のために用いられる水を供給するための前記装置が、ハウジング（１）の下部領域に配置された、加湿用の水を収容するスペース（５）を有し、このスペースにおいて、前記水が、加熱のために熱交換器（４）の下部領域に伝熱接触し、かつ、水を供給するための前記装置が、上記スペース（５）で気化された水をハウジングの上部領域へ搬送するために、上記スペース（５）から上方へ延びる蒸気流動経路（６）を有していること、および、加湿および加熱されるべき燃焼ガス用の所定の前記流動経路（７）が、ハウジング（１）の上部領域（８）において前記蒸気流動経路（６）に接続されており、さらに、この蒸気流動経路（６）から分かれて、熱交換器（４）に伝熱接触しながら下方に向かって、加湿および加熱済みの燃焼ガス用の出口（３）へ延びていることを特徴とする装置。
【請求項２】
前記蒸気流動経路（６）が、ハウジング（１）内において前記スペース（５）から上方へ延びる通路によって形成されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記蒸気流動経路（６）を形成する通路が、ハウジング（１）内の中央に配置されており、前記熱交換器（４）が、前記蒸気流動経路（６）を包囲する間隙に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記蒸気流動経路（６）を包囲する間隙が、加湿および加熱されるべき燃焼ガス用の所定の前記流動経路（７）を形成することを特徴とする請求項３に記載の装置。
【請求項５】
加湿および加熱されるべき燃焼ガスを、上方に位置する前記入口（２）から下方に位置する前記出口（３）まで強制的に導くための構成要素（７ａ、７ｂ）が、前記蒸気流動経路（６）を包囲する間隙に備えられていることを特徴とする請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記構成要素（７ａ、７ｂ）がバッフルプレートによって形成されており、これらのバッフルプレートが、前記蒸気流動経路（６）を包囲する間隙において、前記蒸気流動経路（６）を形成する通路とハウジング（１）との間に延びていることを特徴とする請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記バッフルプレート（７ａ、７ｂ）が、それぞれ、前記蒸気流動経路（６）を形成する通路の周囲の一部分にわたって延設されており、互いに高さをずらして配置されていることを特徴とする請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記バッフルプレート（７ａ、７ｂ）が、前記蒸気流動経路（６）を形成する通路の周囲の一部分にわたって延設された、水平に配置されている第１の部分を有することを特徴とする請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記バッフルプレート（７ａ、７ｂ）が、前記蒸気流動経路（６）を包囲する間隙の高さの一部分にわたって延設された、垂直に配置されている第２の部分を有し、これにより、加湿および加熱されるべき燃焼ガス用の所定の前記流動経路（７）が、前記蒸気流動経路（６）を形成する通路を包囲した、複数の段を有する螺旋の形態に構成されていることを特徴とする請求項７または８に記載の装置。
【請求項１０】
前記熱交換器（４）が、熱媒体が貫流可能な、垂直に延設された複数の管を有する管束熱交換器として形成されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つに記載の装置。
【請求項１１】
前記熱交換器（４）の管が、前記バッフルプレート（７ａ、７ｂ）を垂直に貫通することによって、加湿および加熱されるべき燃焼ガス用の所定の前記流動経路を形成する、前記蒸気流動経路（６）を包囲した間隙に配置されていることを特徴とする、請求項６〜９のいずれか１つと関連している、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記熱交換器（４）の管が、下部管床（１ａ）と上部管床（１ｂ）との間に延びるように配置されていて、これらの管床（１ａ、１ｂ）に対して密封されていること、および、前記管床（１ａ、１ｂ）が、ハウジング（１）の下端および／または上端に設けられたフード（１１、１２）と共に、熱交換器（４）の管を貫流する熱媒体用のそれぞれ入口側および出口側の収集スペースを形成することを特徴とする請求項１０または１１に記載の装置。
【請求項１３】
加湿のために備えられる水を収容するために用いられる前記スペース（５）が、前記下部管床（１ａ）の上方に設けられており、前記熱交換器（４）の管の下部領域によって加熱可能であって、熱交換器のこれらの管が、前記下部管床（１ａ）から出て、前記スペース（５）内を通っていることを特徴とする請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記スペース（５）が上部壁（５ａ）を有し、この上部壁が、加湿および加熱されるべき燃焼ガス用の前記流動経路（７）側において前記スペースを画定し、また、この上部壁が開口部（５ｂ）を有し、この開口部において、前記蒸気流動経路（６）を形成する通路が前記スペース（５）に接続されていることを特徴とする請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
加湿および加熱されるべきガス用の前記流動経路（７）の下部領域が、蒸気／凝縮水収集器（７ｃ）として形成されていることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１つに記載の装置。
【請求項１６】
前記熱交換器（４）が、熱媒体として用いられる高温カソード排ガスを受け取るために、燃料電池設備のカソード出口に接続されていることを特徴とする請求項１〜１５のいずれか１つに記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１に記載された、燃料電池設備用の改質されるべき燃焼ガスを加湿および加熱するための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池設備、特に溶融炭酸塩型燃料電池を備えた燃料電池設備では、燃料電池の動作に用いられる燃焼ガスは、原料ガスを改質することによって得られることが多く、その際、原料ガスは、改質のために炭化水素／水蒸気混合物として用意される。
【０００３】
特許文献１によって公知である装置が、溶融炭酸塩型燃料電池設備用の改質されるべきガスを加湿および加熱するために用いられる。この公知の装置は、加湿および加熱されるべき燃焼ガスが所定の流動経路を貫流できるハウジングを具備し、このハウジングが、加湿および加熱されるべき燃焼ガス用の入口を上部領域に有し、かつ、加湿および加熱済みの燃焼ガス用の出口を下方位置に有する。ハウジング内に熱交換器が配置されており、この熱交換器の中を、加湿および加熱されるべき燃焼ガスとは逆方向に、必要な熱を供給する熱媒体が下方から上方に貫流することができる。さらに、燃焼ガスの加湿に用いられる水を供給するための装置が備えられている。熱交換器は、相互に離間して配置された幾つかの熱交換器プレートによって形成されており、これらの熱交換器プレートの中を熱媒体が下方から上方へ貫流することができる。これらの熱交換器プレートの間隙には、加湿および加熱されるべき燃焼ガスが、熱媒体とは逆方向に、上方に位置する燃焼ガス入口から、下方に位置する燃焼ガス出口へ導かれる。燃焼ガスの加湿に用いられる水を供給するための装置は、ハウジングの上部領域に水平かつ相互に平行に配置された幾つかの細管によって形成されており、これらの管は、それぞれ、燃焼ガスを導く熱交換器プレートの間隙へ延設されており、これらの管に、外部から分配器を介して加湿水が供給される。加湿水は、細管から、燃焼ガスを導く間隙へと噴入され、気化される。
【０００４】
特許文献２および特許文献３によって、それぞれ、改質されるべき燃焼ガスを加湿および加熱するための装置が公知である。これらの装置では、ハウジング内に、上部管床と下部管床との間に延びる管束熱交換器が備えられており、その管の中を、加湿および加熱されるべき燃焼ガスが下方から上方へ貫流される。燃焼ガスの加湿に用いられる水は、上部管床の上方から供給され、熱交換器の管の内部を下方へ流れて、そこで、その水を上方へ流れる燃焼ガスが受け取る。これらの管床間の領域に、熱交換器の管の外側周囲に、熱媒体として用いられる高温蒸気が、管の内部を流れる燃焼ガスとは逆方向に流される。
【０００５】
特許文献４は、炭化水素／水蒸気混合物を予加熱するための方法および装置を開示している。ここでは、単体の熱交換器において、供給された炭化水素の予加熱、水蒸気の生成と過加熱、および、炭化水素／水蒸気混合物の生成と予加熱が行われることが想定されている。このために、５つのゾーンが上下に重ねて配置された垂直構造の熱交換器が備えられており、これらのゾーンのうち、１つの熱交換ゾーンが、炭化水素を予加熱して水蒸気で飽和させるために設けられている。この熱交換ゾーンは、ハウジング内部に、垂直に配置された熱交換管を有し、これらの管の中を、加湿および加熱されるべき炭化水素が、水とは逆方向に上方へ導かれる。水は、上方から注入されて熱交換管の中を下方へ流れる。加熱媒体として、改質生成物が、熱交換管の上方外側を炭化水素とは逆方向に上方から下方へ導かれる。この公知の装置の場合、上記ゾーンの上方の直ぐ近くに、別の熱交換ゾーンが設けられている。この熱交換ゾーンも同様の構造を有しており、所望の水蒸気濃度が得られるまで、ガス状の炭化水素をさらに加熱して引き続き水蒸気で飽和させるために用いられる。
【０００６】
特許文献５によって公知である管束熱交換器は、ハウジング内に垂直に配置された管束を有し、この管束の両終端が上部管床あるいは下部管床によって保持されている熱交換器である。管床の上方あるいは下方に配置された収集スペースの上方において、加熱ガスが管束の管の内部を導かれ、一方、加熱されるべきガスは、それとは逆方向に、熱交換器のハウジングと管束の管との間の空隙の中を導かれる。
【０００７】
最後に、特許文献６において、炭化水素を含有する燃焼ガス／水蒸気混合物を、燃料電池を動作させるための水素濃度の高い燃焼ガスに変換するための様々な方法および装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００６／００９７４１２号明細書
【特許文献２】特開昭６０−１１２６０４号公報の抄録
【特許文献３】特開昭６３−２６０８０１号公報の抄録
【特許文献４】欧州特許第０３２０４４０号明細書
【特許文献５】独国特許出願公開第３５０２１１６号明細書
【特許文献６】米国特許出願公開第２００３／００２７０２５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の課題は、燃料電池設備用の改質されるべき燃焼ガスを加湿および加熱するための、簡単な構造を有する有効な装置を提示することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この課題は、請求項１に記載の特徴を有する装置によって解決される。本発明に係る装置の有利な実施形態および別態様については、従属請求項にその特徴が記載されている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によって提示される、燃料電池設備用の改質されるべき燃焼ガスを加湿および加熱するための装置は、加湿および加熱されるべき燃焼ガスが所定の流動経路を貫流するハウジングと、熱交換器と、燃焼ガスの加湿に用いられる水を供給するための装置とを具備し、前記ハウジングは、燃焼ガス用に上部領域に配置された入口と下方に配置された出口とを有し、さらに、前記熱交換器は、ハウジングの内部に配置されており、この熱交換器の中を、加湿および加熱されるべき燃焼ガスとは逆方向に、必要な熱を供給する熱媒体が下方から上方に貫流することができる。本発明では、加湿のために用いられる水を供給するための装置は、ハウジングの下部領域に配置された、加湿用の水を収容するスペースを有し、このスペースにおいて、水は、加熱のために熱交換器の下部領域に伝熱接触する。さらに、水を供給するためのこの装置は、上記スペースから上方へ延びる蒸気流動経路を有し、この経路を用いて、上記スペースで気化された水をハウジングの上部領域へ搬送する。その際、加湿および加熱されるべき燃焼ガス用の所定の流動経路は、ハウジングの上部領域において蒸気流動経路に接続されており、さらに、蒸気流動経路から分かれて、熱交換器に伝熱接触しながら下方に向かって、加湿および加熱済みの燃焼ガス用の出口へ延びている。
【００１２】
本発明の１つの有利な実施形態では、蒸気流動経路が、ハウジングの内部に上記スペースから上方へ延びる通路によって形成されている。
【００１３】
本発明の１つの有利な実施形態では、蒸気流動経路を形成する通路が、ハウジング内の中央に配置されており、熱交換器が、蒸気流動経路を包囲する間隙に配置されている。
【００１４】
好ましくは、蒸気流動経路を包囲する間隙は、加湿および加熱されるべき燃焼ガス用の所定の流動経路を形成する。
【００１５】
本発明の１つの別態様では、加湿および加熱されるべき燃焼ガスを、上方に位置する入口から下方に位置する出口まで強制的に導くための構成要素が、蒸気流動経路を包囲する間隙に備えられている。
【００１６】
この構成要素は、蒸気流動経路を包囲する間隙において、蒸気流動経路を形成する通路とハウジングとの間に延びるバッフルプレートによって形成することができる。
【００１７】
好ましくは、これらのバッフルプレートはそれぞれ、蒸気流動経路を形成する通路の周囲の一部分にわたって延設されており、互いに高さをずらして配置されている。
【００１８】
バッフルプレートは、蒸気流動経路を形成する通路の周囲の一部分にわたって延設された、水平に配置されている第１の部分を有していてもよい。
【００１９】
また、バッフルプレートは、蒸気流動経路を包囲する間隙の高さの一部分にわたって延設された、垂直に配置されている第２の部分を有していてもよく、これにより、加湿および加熱されるべき燃焼ガス用の所定の流動経路は、蒸気流動経路を形成する通路を包囲した、複数の段を有する螺旋の形態に構成されている。
【００２０】
熱交換器は、熱媒体が貫流可能な、垂直に延設された複数の管によって形成することもできる。
【００２１】
熱交換器の管は、バッフルプレートを垂直に貫通することによって、加湿および加熱されるべき燃焼ガス用の所定の流動経路を形成する、蒸気流動経路を包囲した間隙に配置することもできる。
【００２２】
好ましくは、熱交換器の管は、下部管床と上部管床との間に延びるように配置されていて、管床に対しては密封されている。その際、これらの管床は、ハウジングの下端および／または上端に設けられたフードと共に、熱交換器の管を貫流する熱媒体用のそれぞれ入口側および出口側の収集スペースを形成する。
【００２３】
本発明の１つの有利な実施形態では、加湿のために備えられる水を収容するために用いられるスペースが、下部管床の上方に設けられており、熱交換器の管の下部領域によって加熱可能である。熱交換器の管は、下部管床から出て、このスペース内を通っている。
【００２４】
このスペースは上部壁を有してもよく、この上部壁が、加湿および加熱されるべき燃焼ガス用の流動経路側において、このスペースを画定する。また、この上部壁は開口部を有し、この開口部において、蒸気流動経路を形成する通路がこのスペースに接続されている。
【００２５】
本発明の１つの別態様では、加湿および加熱されるべきガス用の流動経路の下部領域が、蒸気／凝縮水収集器として形成されている。
【００２６】
本発明の１つの有利な実施形態では、熱交換器が、熱媒体として用いられる高温カソードガスを受け取るために、燃料電池設備のカソード出口に接続されている。
【００２７】
以下において、本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の１つの実施例に準拠した、燃料電池設備用の改質されるべき燃焼ガスを加湿および加熱するための装置の垂直断面を示す幾分模式化した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
図に示された装置は、ハウジング１を有し、このハウジング内に、加湿および加熱されるべき燃焼ガス用の所定の流動経路７が備えられている。この流動経路は、ハウジング１の上部領域に位置する、加湿および加熱されるべき燃焼ガス用の入口２から、下方に位置する、加湿および加熱済みの燃焼ガス用の出口３まで延びている。燃焼ガス用のこの流動経路７は、一方の側がハウジング１によって画定され、もう一方の側が通路によって画定されており、この通路は、ハウジング１内の中央に配置されていて、水蒸気用の蒸気流動経路を形成する。水蒸気は、入口２から供給された燃焼ガスを加湿するために用いられる。加湿に用いられる水はスペース５内に保持されており、このスペースは本装置の下部領域に設けられている。このスペース５は上部壁５ａによって画定されている。この上部壁は、加湿および加熱されるべき燃焼ガス用の流動経路７側においてこのスペースを画定し、また、開口部５ｂを有しており、この開口部において、蒸気流動経路６を形成する上記通路がこのスペース５に接続されている。
【００３０】
熱交換器４が、ハウジング１の内部に配置されており、この熱交換器の中を、加湿および加熱されるべき燃焼ガスとは逆方向に、必要な熱を供給する熱媒体が下方から上方に貫流することができる。この熱交換器は、管束熱交換器として形成されており、熱媒体が貫流可能な、垂直に延設された複数の管を有する。図から明らかなように、熱交換器４の管は、下部管床１ａと上部管床１ｂとの間に延設されており、管床１ａ、１ｂに対して密封されている。
【００３１】
加湿のために備えられる水を収容するために用いられるスペース５は、下部管床１ａの上方に設けられており、熱交換器４の管の下部領域によって加熱可能である。熱交換器の管は、下部管床１ａから出て、このスペース５内を上方に向かって延びている。
【００３２】
管床１ａ、１ｂは、ハウジング１の下端および／または上端に設けられたフード１１、１２と共に、熱交換器４の管を下方から上方へ貫流する熱媒体用のそれぞれ入口側および出口側の収集スペースを形成する。
【００３３】
加湿および加熱されるべき燃焼ガス用の所定の流動経路７は、ハウジング１の上部領域において、スペース５から上方へ延びている、通路６によって形成された蒸気流動経路に接続されており、さらに、蒸気流動経路６から分かれて、熱交換器４の管に伝熱接触しながら下方に向かって出口３へ延びており、そこで、加湿および加熱済みの燃焼ガスが放出される。加湿および加熱されるべき燃焼ガス用の所定の流動経路７は、外部がハウジング１によって画定されており、内部が、蒸気流動経路を形成する通路６によって画定されているが、この流動経路は、バッフルプレート７ａ、７ｂの形態である構成要素を有し、これらのバッフルプレートによって、加湿および加熱されるべき燃焼ガスが、上方に位置する入口２から下方に位置する出口３まで強制的に螺旋状に導かれる。これらのバッフルプレート７ａ、７ｂは、燃焼ガス用の所定の流動経路７において、蒸気流動経路を形成する通路６とハウジング１との間にこの間隙の全幅にわたって延設されている。バッフルプレート７ａ、７ｂは、それぞれ、通路６の周囲の一部分にわたって延設され、互いに高さをずらして配置されている。図の実施例では、バッフルプレート７ａ、７ｂは、通路６の周囲の一部分にわたって延設された、水平に配置されている第１の部分と、上記間隙の高さの一部分にわたって延設された、垂直に配置されている第２の部分とを有し、これにより、加湿および加熱されるべき燃焼ガス用の所定の流動経路７は、複数の段を有する螺旋の形に形成されて、この螺旋が、唯一の通過可能な通り道となって、燃焼ガスを入口２から出口３まで強制的に導くことになる。
【００３４】
熱交換器４の管は、間隙７によって形成された、燃焼ガス用の所定の流動経路内において、バッフルプレート７ａ、７ｂの水平部分を貫通する。
【００３５】
ハウジング１の上部領域８に形成された、燃焼ガスと水蒸気との混合物が、熱交換器４の管によって導かれる熱媒体とは逆方向に、所定の流動経路７を介して下方へ導かれるとき、この混合物は次第に過加熱され、その結果、燃焼ガスと過加熱された蒸気との混合物が出口から得られる。下部フード１１から供給される熱媒体は、例えば、約６００℃の高温ガスの形で用意することができる。その場合、過加熱された蒸気と燃焼ガスとの混合物は、例えば５００℃から５５０℃の温度で出口３から得ることができる。
【００３６】
フード１１によって形成された熱媒体用入口が燃料電池設備のカソード出口に接続されていることで、高温のカソードガスを熱媒として用いることができるように、熱交換器４は、加湿および加熱済みの燃焼ガスを提供する対象である燃料電池設備の内部に配置することができる。従って、燃料電池から出た高温のカソード排ガスを含む顕熱を利用して、流動経路７内の燃焼ガスを加熱および加湿することができる。
【００３７】
図に示された実施例の場合、加湿および加熱されるべき燃焼ガス用の流動経路７の下部領域が、蒸気／凝縮水収集器７ｃとして形成されている。
【符号の説明】
【００３８】
１  ハウジング
１ａ  下部管床
１ｂ  上部管床
２  入口
３  出口
４  熱交換器
５  スペース
５ａ  上部壁
５ｂ  開口部
６  蒸気流動経路
７  燃焼ガス用の流動経路
７ａ  バッフルプレート
７ｂ  バッフルプレート
７ｃ  蒸気／凝縮水収集器
８  ハウジングの上部領域
１１  フード
１２  フード
【図１】
2011501867.tif 000003
【国際調査報告】
2011501867.tif 000004
2011501867.tif 000005
2011501867.tif 000006
2011501867.tif 000007
2011501867.tif 000008
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