(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料で動作する高温燃料電池スタック（１０）と、前記高温燃料電池スタック（１０）の上流に配置された、前記燃料を精製するための改質装置（１１）と、アノード排ガスを前記改質装置（１１）に少なくとも部分的に再循環させるための再循環導管（１３）と、前記燃料を前記アノード排ガスに供給するための装置と、を有するエネルギー生成装置であって、
前記燃料を供給するための装置が、蒸発装置（２０）として構成され、燃料供給導管（２２）の領域に蒸発フリース（２３）を備えたハウジング（２１）を有しており、前記蒸発フリース（２３）には、前記再循環導管（１３）からの高温の前記アノード排ガスを供給することが可能であり、
前記蒸発装置（２０）の前記ハウジング（２１）は、前記エネルギー生成装置の排ガスチャンバ（２６）内に配置されており、前記排ガスチャンバ（２６）は、前記エネルギー生成装置の高温の排ガスを受容し、
前記蒸発装置（２０）の前記ハウジング（２１）が、側面の略接線方向に合流する、前記アノード排ガスのためのガス入口（２５）を有しているエネルギー生成装置。
【請求項２】
前記蒸発装置（２０）の前記ハウジング（２１）が、円筒状に構成されており、一方の側には、前記燃料のための前記燃料供給導管（２２）を有しており、反対側には、前記アノード排ガスと蒸発した燃料とから成る反応ガスのための、ガス出口（２４）を有していることを特徴とする請求項１に記載のエネルギー生成装置。
【請求項３】
前記蒸発フリース（２３）が、平らな、円板状のフリースであることを特徴とする請求項１あるいは２に記載のエネルギー生成装置。
【請求項４】
前記蒸発装置（２０）の前記ハウジング（２１）が、薄肉部材から成る、円筒状の構造物として構成されており、前記ハウジング（２１）のカバー面は、前記蒸発フリース（２３）の領域において、前記排ガスチャンバ（２６）の壁面（２７）によって形成されていることを特徴とする請求項３に記載のエネルギー生成装置。
【請求項５】
前記蒸発装置（２０）が、前記蒸発フリース（２３）に配設された発熱体を有していることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のエネルギー生成装置。
【請求項６】
高温のキャリアガスと、上流に配置された改質装置（１１）を有する高温燃料電池スタック（１０）を動作させるための液体の燃料とから反応ガスを生成するための蒸発装置（２０）であって、
前記蒸発装置（２０）が、円筒状のハウジング（２１）を有しており、前記ハウジング（２１）は、一方の側には、前記燃料のための、中央の燃料供給導管（２２）と蒸発フリース（２３）とを有しており、反対側には、前記反応ガスのための、ガス出口（２４）を有しており、かつ側面の略接線方向に合流する、高温の前記キャリアガスのためのガス入口（２５）が設けられており、該ガス入口（２５）によって、前記蒸発フリース（２３）に高温の前記キャリアガスを供給することが可能である蒸発装置（２０）。
【請求項７】
前記蒸発フリース（２３）が、少なくとも部分的に、構成要素として金属又はセラミックを有しているか、又は、金属又はセラミックから成ることを特徴とする請求項６に記載の蒸発装置（２０）。
【請求項８】
前記蒸発フリース（２３）に配設された発熱体を有していることを特徴とする請求項６又は７に記載の蒸発装置（２０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体の燃料で動作する高温燃料電池スタックと、燃料電池スタックの上流に配置された、燃料を精製するための改質装置と、アノード排ガスを改質装置に少なくとも部分的に再循環させるための再循環導管と、液体の燃料をアノード排ガスに供給するための装置と、を有するエネルギー生成装置に関する。さらに、本発明は、アノード排ガス等の高温のキャリアガスと、上流に配置された改質装置を有する高温燃料電池スタックを動作させるための液体の燃料とから反応ガスを生成するための蒸発装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
このようなエネルギー生成装置（補助動力装置、ＡＰＵ）は、自動車等で使用可能であり、電気エネルギー及び熱エネルギーを供給するために用いられる。
【０００３】
特許文献１からは、例えば、少なくとも１つの高温燃料電池を有するエネルギー生成装置が知られており、当該エネルギー生成装置においては、アノード排ガスのための再循環導管が設けられており、当該再循環導管は、アノード排ガスのための排出導管から、燃料を精製するための改質装置の供給導管に至る。改質装置の上流に配置された圧縮機の上流では、液体の燃料を高温のアノード排ガスに噴霧又は噴射するために用いられるインジェクタが再循環導管に合流する。燃料の噴射に用いられるノズル又はインジェクタは、高温環境での使用に適しておらず、したがって、コンパクトな構造が困難であるという欠点を有している。部分負荷運転におけるノズル及びインジェクタの噴霧パターンの不良も、欠点である。その結果、燃料の蒸発又は均質化が不十分になる。
【０００４】
特許文献２からは、ベンジン等の液体の炭化水素燃料で動作する高温燃料電池（ＳＯＦＣ）を有する燃料電池システムが知られている。アノード側では、液体の燃料のための改質装置が上流に配置されている。高温のアノード排ガスの一部は、アノード再循環を通じて、アノード回路に戻され、液体の燃料が、改質装置の上流に配置されたアノード送風機の上流で噴霧又は噴射される。そのために、噴霧器が設けられており、当該噴霧器を用いて、インジェクタを通じて、液体の燃料が導入される。当該装置についても、特許文献１で挙げた欠点が該当する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】オーストリア国特許発明第５０２１３１号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００２／０１１４９８８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の課題は、冒頭で述べた種類のエネルギー生成装置を、コンパクトなアセンブリが、特にＡＰＵで用いるために適切であるように改良することにある。その際、液体の燃料の正確な供給に関して改善が行われ、部分負荷運転においても反応ガスの均質化が実現すべきである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によると、本課題は、燃料を供給するための装置が、蒸発装置として構成され、燃料供給導管の領域に蒸発フリースを備えたハウジングを有していることによって解決される。当該蒸発フリースには、再循環導管からの高温のアノード排ガスを供給することが可能である。蒸発装置を用いて、液体のディーゼル燃料又はその他の炭化水素は、高温のキャリアガス、好ましくは再循環したアノード排ガスに供給され、完全に蒸発する。この際、燃料／ガス混合気が生成され、反応ガスとして、ＳＯＦＣシステム等の改質装置に供給され得る。
【０００８】
本発明によると、蒸発装置のハウジングは略円筒状に構成されており、一方の側には燃料のための中央の供給導管を有しており、反対側には反応ガスのための中央のガス出口を有している。さらに、蒸発装置のハウジングは、好ましくは接線方向に（tangential）合流するアノード排ガスのためのガス入口を有している。接線方向の合流によって、蒸発装置のハウジング内には、旋回流が生じる。当該旋回流は、蒸発フリースを通り過ぎる際に蒸発フリースに軽く接触し、部分負荷運転においても、均質な混合気を生成する。
【０００９】
最適な動作温度に迅速に達するために、蒸発装置のハウジングは、好ましくはエネルギー生成装置の排ガスチャンバ内に配置され得る。当該排ガスチャンバ内には、燃料電池スタック及び／又はエネルギー生成装置の始動燃焼器の高温の排ガスが誘導される。
【００１０】
本発明によると、アノード排ガス等の高温のキャリアガスと、上流に配置された改質装置を有する高温燃料電池スタックを動作させるための液体の燃料とから反応ガスを生成するための蒸発装置は、当該蒸発装置が略円筒形のハウジングを有しており、当該ハウジングは一方の側に燃料のための中央の供給導管と蒸発フリースとを有し、反対側に反応ガスのための中央のガス出口を有しており、高温のキャリアガスのために、好ましくは接線方向に合流するガス入口が設けられていることを特徴とする。
【００１１】
接線方向のガス入口と中央のガス出口との間の理想的な流れ方向ゆえに、蒸発装置の動作中に生じる圧力損失は小さく、体積が小さい場合でも、優れた蒸発率を達成することができる。
【００１２】
本発明の一実施例によると、改質触媒コンバータの入口に配置されたガス分配ハウジング（改質装置マニホールド）は、環状空間を有し得る。当該環状空間には、精製されるべき燃料／ガス混合気のための供給導管が合流しており、環状空間を起点に、環状空間から改質触媒コンバータの流入面への径方向の流入開口部が配置されている。この措置によって、触媒コンバータを通るガスフローの均質化が得られる。
【００１３】
本発明の一実施例によると、蒸発装置は、蒸発フリースに配設された発熱体、好ましくは電気的に加熱可能なグロープラグ、を有し得る。
【００１４】
以下に、一部概略的な図面を用いて、本発明を詳細に説明する。示されているのは以下の図である。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係るエネルギー生成装置を、蒸発装置の取り付け位置を含めて概略的に示した全体図である。
【図２】本発明に係るエネルギー生成装置の排ガスチャンバ内の蒸発装置の断面図である。
【図３】図２に係るエネルギー生成装置の立体図である。
【図４】本発明に係る蒸発装置の一実施例の断面図である。
【図５】図３に係る蒸発装置の取り付け位置を、一部概略的に示した立体的な全体図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１は、本発明に係るエネルギー生成装置を概略的に示した全体図である。エネルギー生成装置は、アノード側Ａ及びカソード側Ｋを有する高温燃料電池スタック１０（例えばＳＯＦＣ）を備えており、アノード側では、再循環導管１３を介して、ディーゼル等の液体の燃料の精製に用いられる改質装置１１が上流に接続されている。燃料Ｆは、燃料ポンプ１２を用いて蒸発装置２０に供給され、再循環導管１３からのアノード排ガスに導入又は供給され、空気Ｌ等の必要な酸化剤と共に、圧縮機１４を用いて、改質装置１１に供給される。
【００１７】
さらに、燃料Ｆを、エネルギー生成装置の始動サイクルの間に、燃料ポンプ１５を用いて、始動燃焼器１６に供給することが可能であり、当該燃料の排ガスは、酸化触媒コンバータ又は再熱器１７に誘導され、改質装置１１の触媒コンバータを加熱する。
【００１８】
圧縮機１８は、燃料電池スタック１０のカソード側Ｋに酸化剤（例えば空気、Ｌ）を供給するために用いられる。その際、酸化剤は熱交換器１９を通るように誘導される。当該熱交換器には、酸化触媒コンバータ１７の排ガスによって、廃熱が供給される。始動段階では、始動燃焼器１６も、圧縮機１８を通じて、必要な空気Ｌを供給される。
【００１９】
蒸発装置２０はハウジング２１を有しており、当該ハウジングは、燃料供給導管２２の領域に蒸発フリース２３を有しており、当該蒸発フリースは燃料を迅速に吸収し、大きな表面上に分配する。蒸発フリース２３には、再循環導管１３からの高温のアノード排ガスが供給されるので、燃料が蒸発する。
【００２０】
例えば図２及び図３に示されているように、蒸発装置２０のハウジング２１は、例えば円筒状に構成されており、一方のカバー面は、燃料のための中央の燃料供給導管２２と、直に隣接した蒸発フリース２３とを有しており、反対側のカバー面は、アノード排ガスと蒸発した燃料とから成る反応ガスのための中央のガス出口２４を有している。アノード排ガスのための接線方向に合流するガス入口２５は、蒸発装置ハウジング内部の旋回流を引き起こす。
【００２１】
蒸発フリース２３は、エネルギー生成装置の動作中における２５０℃から６００℃の範囲の高温でも状態を保ち得る、平らな、好ましくは円板状の金属フリース又はセラミックフリースから成る。この、比較的高い温度には、特にエネルギー生成装置の始動運転において到達する。
【００２２】
図２によると、蒸発装置２０のハウジング２１は、エネルギー生成装置の排ガスチャンバ２６内に配置されており、排ガスチャンバ２６は、燃料電池スタック（図示されていない）及び始動燃焼器１６の高温の排ガスを収集し、出口２９を通じて、熱交換器１９（図１を参照）に供給する。利点として挙げられるのは、コンパクトな構造と、蒸発装置の動作に必要な熱的エネルギーの供給とである。当該装置の高温内部領域と低温外部領域との間の分割線は、一点鎖線で示されており、蒸発装置２０のハウジング２１は、例えば金属薄板による円筒状構造物として構成され、排ガスチャンバの壁面２７に、溶接等で固定され得る。ハウジング２１は、装置２０の蒸発率を高めるために、円錐状又は円錐台状に構成されるか、又は、その他の流体技術的に最適な形状を有することが可能である。ハウジング２１のカバー面は、蒸発フリース２３の領域において、排ガスチャンバ２６の壁面２７によって形成され得る。
【００２３】
図３の、切開された立体図は、取り外された状態の蒸発装置２０を示しており、蒸発フリース２３を支持するための支持リング３０が視認できる。
【００２４】
図４に係る実施例は、補助加熱装置が設けられている蒸発装置２０を示している。蒸発装置２０は、蒸発フリース２３に配設された発熱体、好ましくは電気的に加熱可能なグロープラグ２８を有している。蒸発フリース２３の上方及び／又は下方に、電気加熱マット又は電気加熱コイルを配置することも可能である。このような蒸発装置を、排ガスチャンバ２６の外側に配置し、急速に動作温度に到達させることも可能である。
【００２５】
図５の、一部概略的な全体図は、排ガスチャンバ２６内での蒸発装置２０の好ましい配置を示しており、当該蒸発装置には、開口部３１を通って酸化触媒コンバータ１７を離れた高温の排ガスが流入し、蒸発装置２０のハウジング２１を加熱する。酸化触媒コンバータ１７は、同じく排ガスチャンバ２６内に配置された始動燃焼器１６と、燃料電池スタックの排ガスとのための再熱器として用いられる。
【００２６】
ハウジング２１の上側カバー面は、排ガスチャンバ２６の壁面２７によって形成されており、それによって、蒸発装置２０への燃料供給導管を、有利なことに、低温の外部領域（排ガスチャンバ２６の外側）に配置することができる。
【００２７】
蒸発装置２０内で生成された燃料／ガス混合気（反応ガス）は、ガス排出導管２４を通じて排ガスチャンバ２６から排出され、空気Ｌを添加された後、低温の外部領域に配置された圧縮機１４に供給される。圧縮の後、反応ガスは、再び高温の排ガスチャンバ２６に入り込んだ供給導管３２を通って改質装置１１に到達する。
【００２８】
始動燃焼器１６に関連して、酸化触媒コンバータ１７に合流する始動燃焼器１６の燃焼室３３が破線で示されている。
【符号の説明】
【００２９】
１０  高温燃料電池スタック
１１  改質装置
１２  燃料ポンプ
１３  再循環導管
１４  圧縮機
１５  燃料ポンプ
１６  始動燃焼器
１７  酸化触媒コンバータ又は再熱器
１８  圧縮機
１９  熱交換器
２０  蒸発装置
２１  ハウジング
２２  燃料供給導管
２３  蒸発フリース
２４  ガス出口
２５  ガス入口
２６  排ガスチャンバ
２７  壁面
２８  グロープラグ
２９  出口
３０  支持リング
３１  開口部
３３  燃焼室
Ａ  アノード側
Ｆ  燃料
Ｋ  カソード側
Ｌ  空気
【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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