(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
触媒バーナ装置（１１０）であって、
触媒（１４）がその内部に配置された反応室（１３）を有するハウジング（１２）を有する触媒バーナユニット（１０）を少なくとも備え、前記触媒（１４）が、熱を生成するために、燃料、特には水素含有流体を、酸化剤、特には空気と反応させるように適合されており、前記ハウジング（１２）が、流体流を前記ハウジング（１２）内に供給するための流体入口（１６）と、流体流を前記ハウジング（１２）から排出するための流体出口（１８）とを有し、
前記触媒バーナ装置（１１０）が、さらに、燃料と酸化剤とがその内部で混合される混合室（２６）を形成している混合ユニット（２０）を備え、該混合ユニット（２０）が、燃料入口（２２）、酸化剤入口（２４）、及び、燃料−酸化剤−混合物出口を含み、
触媒バーナユニット（１０）の前記流体入口（１６）が、前記混合ユニット（２０）の前記燃料−酸化剤−出口（２８）に、前記燃料−酸化剤−混合物を前記混合室（２６）から触媒バーナユニット（１０）の反応室（１３）に移動させるために合流している、触媒バーナ装置（１１０）において、
前記混合室（２６）の前記燃料入口（２２）が前記混合ユニット（２０）の前記酸化剤入口（２４）の上流に配置され、
燃料入口（２２）及び酸化剤入口（２４）が、前記燃料−酸化剤−混合物出口を通って前記触媒バーナの前記反応室（１３）に流れる流体主流の方向（３０）に角度付けされて配置され、
前記燃料入口（２２）及び酸化剤入口（２４）が、長手方向軸（Ａ２２，Ａ２４）を有する少なくとも１つのパイプとして設計され、これにより、燃料（３８）及び酸化剤（４０）の方向付けられた流体流が前記混合室（２６）内に導入され、
前記燃料入口（２２）及び前記酸化剤入口（２４）の前記長手方向軸が前記混合室（２６）の断面平面（４２）に対して前記混合室（２６）の上部ベースプレート（３６）に向けて傾斜していることを特徴とする、触媒バーナ装置（１１０）。
【請求項２】
前記混合室が、少なくとも１つの側面（３２）により接続された２つのベースプレートを有し、前記燃料−酸化剤−出口が前記ベースプレートの一方に配置され、且つ、前記酸化剤入口（２４）が前記側面に配置され、前記混合室（２６）の前記燃料−酸化剤−出口がパイプ形状であり、且つ前記混合ユニット（２０）の混合室（２６）内に延在し、好ましくは、前記パイプ形状の燃料−酸化剤−出口の長さ（Ｌ）が、少なくとも前記酸化剤入口（２４）を超えて延在している、請求項１に記載の触媒バーナ装置（１１０）。
【請求項３】
前記混合室（２６）が角柱形状又は円筒状に形成され、且つ、２つのベースプレート（３４；３６）及び少なくとも３つの側面側又はマントル側（３２）を有し、前記燃料入口（２２）及び前記酸化剤入口（２４）が前記側面又は前記マントル側（３２）に配置され、且つ、燃料−酸化剤−混合物出口（２８）が前記ベースプレート（３４；３６）の一方に配置されている、請求項１または２に記載の触媒バーナ装置（１１０）。
【請求項４】
前記方向付けられた流体流（３８；４０）が前記混合室（２６）の長手方向軸からずらされており、それにより、少なくとも１つの接線方向流体流を提供する、請求項１又は３に記載の触媒バーナ装置（１１０）。
【請求項５】
前記酸化剤入口（２４）及び／又は前記燃料入口（２２）が互いに対してほぼ直角に配置されている、請求項１乃至４のいずれかに記載の触媒バーナ装置（１１０）。
【請求項６】
燃料電池技術に基づいた補助動力組立体（１００）であって、少なくとも、
−炭化水素燃料（１０５）を、燃料電池（１０６）のための水素リッチガス（１０４）に、少なくとも炭化水素燃料（１０５）及び水蒸気（１１４）を用いることにより変換するように適合された燃料処理組立体（１０２）と、
−補助動力（１０７）を提供するための、前記燃料処理組立体（１０２）の下流の少なくとも１つの燃料電池又は燃料電池スタック（１０６）と、
−前記燃料電池スタック（１０６）の下流の触媒バーナ装置（１０）であって、酸化剤と水素とを反応させて熱（１１２）を発生させるために、前記燃料電池又は燃料電池スタック（１０６）から放出される未使用の水素（１０８）を、酸化剤及び触媒（１４）を用いて燃焼させるように適合された触媒バーナユニット（１０）とを備え、前記熱を使用して前記燃料処理組立体（１０２）にて使用される水蒸気（１１４）を生成する前記補助動力組立体において、
請求項１乃至５のいずれかに記載の触媒バーナ装置（１１０）が用いられることを特徴とする、補助動力組立体（１００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１のプリアンブル及び請求項４のプリアンブルに定義されている触媒バーナ装置、並びに、請求項１２のプリアンブルに記載されている、燃料技術に基づく補助動力組立体に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池技術に基づいた補助動力装置において、エネルギーが燃料電池スタックにより供給される。燃料電池の動作のために、通常、水素が使用される。前記ＡＰＵ（補助動力装置）システムにおいて、水素は、通常、いわゆる燃料改質装置により生成され、この装置は、炭化水素燃料（例えばディーゼル）から触媒を用いて水素リッチガスを発生させる。幾つかの好ましい燃料改質プロセスにおいて、オートサーマル燃料改質プロセス又は水蒸気改質プロセスとして、水蒸気が燃料改質反応のために付加的に使用される。水蒸気の生成に必要な熱は、燃料電池又は燃料電池スタックの下流に配置された触媒バーナの使用により提供され得る。燃料電池スタックから放出される空気と余剰水素とが触媒上で燃焼されてエネルギーを発生し、水蒸気生成に用いられることができる。
【０００３】
公知の触媒バーナは、燃料（水素）の入口及び酸化剤（空気）の入口を有する反応室を画成しているハウジングを有し、燃料及び酸化剤が反応室に導入される。ハウジングは、さらに、入口の下流に配置された触媒を組み込んでおり、触媒上で水素と空気とが触媒により互いに反応する。公知の触媒バーナの問題点は、空気と水素とが互いに接触するとすぐに、触媒の上流で非制御下で反応することが多いことである。場合によっては、空気が燃料入口に入ることもあり、それにより非制御下での燃焼がパイプ内でも生じ得る。しかし、これらの非制御燃焼は、パイプと同様にバーナ自体も損傷する可能性がある。さらに、空気と燃料との混合は不均一であることが多く、その結果、触媒にホットスポットが発生し、触媒を損傷し、不都合な排出物を生成する可能性がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従って、本発明の目的は、パイプ内での水素の発火を防止し、且つ、空気と燃料との均一な混合物を提供する触媒バーナを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この目的は、請求項１に記載されている触媒バーナ、請求項４に記載されている触媒バーナ、及び、請求項１２に記載されている補助動力装置組立体により達成される。
【０００６】
以下に、少なくとも触媒バーナユニットと混合ユニットとを備えた触媒バーナ装置を提供する。前記触媒バーナユニットは、触媒がその内部に配置された反応室を画成しているハウジングを含む。前記触媒は、熱を生成するために、燃料（特には水素含有流体）を、酸化剤（特には空気）と反応させるように適合されている。前記ハウジングは、さらに、流体流を前記ハウジング内に供給するための流体入口と、流体流を前記ハウジングから排出するための流体出口とを有する。
【０００７】
そして、前記混合ユニットは、燃料と酸化剤とがその内部で混合される混合室を形成し、且つ、燃料入口及び酸化剤入口、並びに、燃料−酸化剤−混合物出口を含む。前記触媒バーナユニットの前記流体入口は、前記混合ユニットの燃料−酸化剤−出口に、前記混合室からの前記燃料−酸化剤−混合物が前記触媒バーナユニットの前記反応室に移動され得るように合流している。
【０００８】
燃料と酸化剤とが非制御下で互いに反応することを防止し、且つ、改善された混合を提供するために、前記混合室の前記燃料−酸化剤−出口はパイプ形状であり、前記混合ユニットの前記混合室内に延在している。前記混合室内に延在する前記パイプ形状の燃料−酸化剤−出口を用いることで、燃料及び酸化剤は、前記燃料−酸化剤−出口周囲の渦中にガイドされ、そして、前記燃料／酸化剤混合物が前記燃料−酸化剤−出口に入り得る前に、上向きに流されて流れの方向が変えられる。
【０００９】
本発明の文脈における「パイプ形状」（“pipe-shaped”）が、円筒形状又は角柱形状を有し得る細長い中空の要素を指すことに留意されたい。前記中空要素は、少なくとも２つの開口部を有する。少なくとも１つの第１の開口部が、燃料−酸化剤混合物の、前記中空要素への進入を可能にする。少なくとも１つの第２の開口部が、燃料−酸化剤混合物が前記中空要素から、そしてこれにより前記混合ユニットから出ていくことを可能にする。こうして、前記少なくとも１つの第１開口部は混合室の内部に配置される。また、第１開口部としての、１つより多くの開口部と、第２開口部としての、１つより多くの開口部とを設け得ることが明確に理解されよう。
【００１０】
別の方法によれば、前記混合室の前記燃料入口は、前記酸化剤入口の上流に配置される。前記入口をこのようにずらして配置することが、酸化剤が燃料入口に侵入することを防止し、それにより、燃料の非制御下での発火を防止する。前記混合ユニットの前記混合室内に延在する、混合室のパイプ形状の燃料−酸化剤−出口をさらに設けることが好ましい場合であっても、このようなずらされた配置のみでも、改善された混合を提供し、且つ、非制御下での燃焼を防止できる。
【００１１】
好ましい実施形態によれば、前記パイプ形状の燃料−酸化剤−出口の長さが、酸化剤入口及び／又は燃料入口を超えて延在する。燃料−酸化剤−出口が、酸化剤入口及び燃料入口の両方を超えて延在するならば好ましいであろう。両方の実施形態において、渦及び流れの方向変更（再方向付け）が最大化され得る。
【００１２】
さらなる好ましい実施形態によれば、前記混合室の前記燃料入口が、前記酸化剤入口の上流に配置される。これにより、酸化剤が燃料入口に侵入して非制御下で反応することが確実に防止される。
【００１３】
さらなる好ましい実施形態によれば、前記燃料入口及び前記酸化剤入口は、前記燃料−酸化剤−混合物出口を通って前記触媒バーナの前記反応室に流れる流体主流の方向に角度付けされて配置されている。この角度付けされた配置は、前記流体が前記入口方向からその出口方向に方向変更される必要がある場合に有利に均一な混合を提供し、前記流体の混合が行われる。
【００１４】
燃料及び酸化剤から成る方向付けられた流体流を有するために、前記燃料入口及び／又は酸化剤入口が、長手方向軸を有する少なくとも１つのパイプとして設計され、これにより、前記方向付けられた流体流が提供されることが好ましい。
【００１５】
さらなる好ましい実施形態によれば、前記混合ユニットは、２つのベースプレートと、少なくとも３つの側面又はマントル側とを有する角柱状又は円筒形であり、前記燃料入口及び前記酸化剤入口が前記側面又は前記マントル側に配置され、前記燃料−酸化剤−混合物出口は、前記ベースプレートの一方に配置される。これにより、前記混合ユニットの幾何学的設計が、非常に均一な混合物が提供され得るように混合を補助する。
【００１６】
さらなる好ましい実施形態によれば、前記方向付けられた流体流の少なくとも一方が、前記混合室の長手方向軸からずらされ、これにより、少なくとも１つの接線方向の流体流が提供される。接線方向の流体流により、均一な混合が達成され得る。
【００１７】
さらなる好ましい実施形態によれば、前記燃料入口及び／又は前記酸化剤入口の前記長手方向軸は、前記混合室の断面平面に対して傾斜している。この傾斜した配置により、酸化剤及び燃料の、非制御下での発火、及び／又は、前記燃料パイプ内への酸化剤の不都合な侵入が回避される。
【００１８】
さらなる好ましい実施形態によれば、前記酸化剤入口と前記燃料入口とは、互いにほぼ直角に配置され、それにより、混合が促進され、尚且つ、不都合な発火も確実に回避される。
【００１９】
本出願のさらなる態様は、燃料電池技術に基づいた、少なくとも燃料処理組立体を備えた補助動力組立体に関する。この燃料処理組立体は、炭化水素燃料を、燃料電池のための水素リッチガスに、少なくとも炭化水素燃料及び水蒸気を用いることにより変換するように適合されている。前記処理組立体の下流に、補助動力を提供するための、少なくとも１つの燃料電池又は燃料電池スタックが配置されている。前記燃料電池の下流に、触媒バーナユニットが設けられている。この触媒バーナユニットは、空気又は酸素などの酸化剤と水素とを反応させて熱を発生させるために、前記燃料電池又は燃料電池スタックから放出される未使用の水素を、前記酸化剤及び触媒を用いて燃焼させるように適合されている。そして、前記熱は、前記燃料処理組立体で使用される水蒸気の生成に使用される。前記触媒バーナは上述のように設計される。
【００２０】
さらなる実施形態及び好ましい構成を、詳細な説明、図面及び添付の特許請求の範囲において定義する。
【００２１】
以下に、本発明を、図面に示されている実施形態により説明する。実施形態は例示的なものに過ぎず、保護の範囲を限定することを意図されていない。保護の範囲は、添付の特許請求の範囲によってのみ定義される。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】ＡＰＵシステムの概略図である。
【図２】触媒バーナの第１の好ましい実施形態の概略図である。
【図３】図２に示した混合ユニットの空間詳細の概略図である。
【図４】触媒バーナの第２の好ましい実施形態の概略図である。
【図５】図４に示した混合ユニットの空間詳細の概略図である。
【図６】図３及び図５に示した混合ユニットの概略上面図である。
【図７】図６の混合ユニットの概略側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下に、同一の又は類似の機能要素を、同一の参照符号で示す。
【００２４】
図１は、電力を供給するための燃料技術に基づいた補助動力装置ＡＰＵシステム１００の概略図である。ＡＰＵシステム１００は、炭化水素燃料１０５から水素リッチガス１０４を生成するように適合された燃料改質装置１０２を含む。水素リッチガス１０４は、燃料改質装置１０２の下流に配置された燃料電池スタック１０６に導入される。燃料電池スタックにおいて、電気エネルギー１０７が、プロトン電子膜のアノード側に水素を、カソード側に酸化剤をガイドすることにより生成される。そして、燃料電池スタックで使用されなかった余剰水素１０８が、触媒バーナ組立体１１０に移動されることができ、ここで、余剰水素１０８が空気と反応して熱１１２を生成する。そして、熱１１２は、水蒸気１１４を生成するために使用され、水蒸気１１４は、燃料改質装置１０２において、炭化水素燃料１０５を水素リッチガス１０８に変換するために用いられる。燃料改質プロセス及び触媒燃焼による副生成物、例えば、二酸化炭素及び窒素酸化物は、排気１１６として触媒バーナ１１０から排出され得る。
【００２５】
図２及び図４は、触媒バーナ組立体１１０の２つの代替実施形態の概略図である。図２及び図４に見られるように、バーナ組立体１１０は、少なくとも２つのユニット、すなわち、バーナユニット１０及び混合ユニット２０を備えている。バーナユニット１０は、触媒１４が組み込まれた反応室１３を画成しているハウジング１２を含む。さらに、ハウジング１２が、流体入口１６及び流体出口１８を含む。混合ユニット２０は、燃焼ユニット１０に近接して配置され、空気と水素との均一な混合物を提供するように適合されている。この混合物が、流体入口１６を通してハウジング１２内及び触媒１４に供給される。混合ユニット２０自体は燃料入口２２及び酸化剤入口２４を含み、燃料と酸化剤とが混合室２６内で混合され、燃料−酸化剤混合物出口２８を通って混合ユニット２０から放出され得る。図２及び図４は、さらに、燃料入口２２及び酸化剤入口２４が、混合ユニット２０からバーナユニット１０への流体流れ方向３０に向かって角度付けされていることを示している。
【００２６】
また、混合ユニット２０は、マントル側３２、並びに、２つのベースプレート３４及び３６を有する円筒形であり得る。円筒形状の代わりに、その他の任意の角柱形状も可能であり、その場合、２つのベースプレート３４および３６が、少なくとも３つの側面３２により接続される。
【００２７】
図２に示した第１の実施形態から分かるように、燃料−酸化剤−出口２８はパイプ形状の中空要素であり、その長さＬは、混合室２６の入口２２；２４の少なくとも一方を超えて延在する。パイプ形状の燃料−酸化剤出口２８が入口２２；２４の少なくとも一方を超えて延在することにより、燃料入口に酸化剤が侵入する（制御不能な燃焼を生じ得る）危険性を著しく低減する。さらに、燃料入口を酸化剤入口２４の上流に配置してもよく、これにより、非制御下での燃焼の危険性がさらに低減される。パイプ形状の燃料−酸化剤出口２８は、さらに、混合室２６内に配置された第１の開口部２８−１と、混合ユニット２０の底部プレート３４に設けられた第２の開口部２８−２とを含む。１つより多くの開口部を、第１の開口部及び／又は第２の開口部２８−１，２８−２として設け得ることに留意されたい。
【００２８】
図４に示す第２の実施形態に例示されているように、燃料入口２２が酸化剤入口２４の上流に配置され、これにより、燃料入口２２への酸化剤の侵入が回避される。これにより、燃料入口２２内での酸化剤と燃料との不都合な発火が回避される。図２の例示された実施形態とは異なり、燃料−酸化剤出口２８はパイプ形状ではなく、底部プレート３４の単純な開口部として設計されている。
【００２９】
図示されている両方の実施形態において、燃料−酸化剤混合物出口２８は、バーナユニット１０の流体入口１６に合流している。もちろん、パイプ形状の燃料−酸化剤出口２８を延長しても、或いは、燃料−酸化剤−混合物出口２８と流体入口１６とを流体接続する接続パイプを、バーナユニット１０と混合ユニット２０との間に配置してもよい。
【００３０】
図３及び図５は、それぞれ、図２及び図４に示した混合ユニット２０の詳細な空間図である。図３及び図５に示されているように、燃料入口２２及び酸化剤入口２４はマントル側３２に配置され、燃料酸化剤混合物出口２８は、底部ベースプレート３４に／その内部に配置される。燃料入口２２及び酸化剤入口２４は、長手方向軸Ａ２２，Ａ２４を有するパイプ形状であり、これにより、方向付けられた燃料流３８及び酸化剤流４０がそれぞれ提供される。これらの方向付けられた流れ３８及び流れ４０は、混合ユニット２０の壁部３２により偏向されて円運動４１になり、これにより乱流が反応室２６に導入される。これにより、燃料と酸化剤の混合が行われる。これに加え、混合ガス流に、その円運動が、出口２８を通る直線運動になるように流れの方向変更をしなければならない。これにより、流体流にさらに摂動が生じて、混合の均一性がさらに高められ得る。図３からさらに分かるように、パイプ形状の燃料−酸化剤出口２８が、流体流の誘起された渦巻運動及び方向変更を強化し、それにより混合が促進される。
【００３１】
さらに、パイプ形状の燃料−酸化剤出口２８を使用する場合には、燃料入口２２と酸化剤入口２４とが同一高さであり得ることに留意すべきである。パイプ形状の燃料−酸化剤出口２８を有さない同一高さの配置も可能ではあるが、酸化剤が燃料パイプ２２に侵入する危険性が増す。従って、この場合、酸化剤が燃料入口２２に侵入するのを防止するために、燃料入口２２を酸化剤入口２４の上流に配置することが好ましい。
【００３２】
最適な混合を提供するために、図６の上面図に示されているように、燃料入口２２と酸化剤入口２４とは、それぞれの流体流が混合室に接線方向に進入するように配置される。接線方向の投入（interjection）により、チャンバ２６内での渦巻運動と、それにより、混合の均一性とが最大化され得る。
【００３３】
図７ａ及び図７ｂは、混合装置２０のさらなるオプションの詳細を示す。図示されている側面図から分かるように、燃料入口パイプ２２の軸Ａ２２、酸化剤入口パイプ２４の軸Ａ２４は、それぞれ、混合ユニット２０断面平面４２に対して所定の角度α；βだけ傾斜され得る。通常、これらの角度α；βは比較的小さく、好ましくは１０°未満である。これは、所望の均一な混合を展開させるために、流体流が混合室２６内で十分に長い滞留時間を有することを保証するためである。また一方で、この傾斜は、さらに、酸化剤２４を通って流れる空気が燃料パイプ２２に侵入しないことも保証する。角度α；βは、同一の、又は異なる傾斜を提供し得る。
【００３４】
概して、本発明の混合ユニットは、パイプ内での水素の発火を防止する。さらに、この混合ユニットは、触媒燃焼プロセス中に生成される不都合な副生成物の排出も低減する。なぜなら、全ての可燃性ガスが、均一な混合により燃焼されるからである。さらに、完全燃焼に到達して、温度を、触媒中で行われるメタン燃焼に適した所望の温度に上昇させるために必要な余剰空気が非常に少ないため、不都合な副生成物の量が減少する。従って、触媒バーナの効率を反応器温度として最大化でき、従って、メタン転化率が所望の範囲内で迅速である。
【符号の説明】
【００３５】
１００  補助動力装置
１０２  燃料改質装置
１０４  水素リッチガス
１０５  炭化水素燃料
１０６  燃料電池スタック
１０７  電気
１０８  水素
１１０  触媒バーナ
１１２  熱
１１４  水蒸気生成
１０    触媒バーナユニット
１２    ハウジング
１４    触媒
１６    流体入口
１８    流体出口
２０    混合ユニット
２２    燃料入口
２４    酸化剤入口
２６    混合室
２８    燃料−酸化剤混合物出口
２８−１； ２８−２  開口部
３０    混合室から反応室への流体流の方向
３２    マントル側
３４    底部ベースプレート
３６    上部ベースプレート
３８    燃料流の方向
４０    酸化剤流の方向
４２    断面平面
Ｌ      燃料−酸化剤出口の長さ
Ａ２２    燃料入口の長手方向軸
Ａ２４    酸化剤入口の２２長手方向軸
【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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【図６】
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【図７】
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