(57)【要約】　　【課題】　改質器内で水素を回収する為に分解可能な炭化水素／混合材混合気を製造する。　　【解決手段】　多孔質蒸発部材（１６）と、多孔質蒸発部材（１６）に炭化水素を供給するための炭化水素供給ダクト装置（１８）と、混合気を形成するために提供された混合材の少なくとも一部を、蒸発部材（１６）を介して導くための混合材誘導装置（２８）とを備える蒸発装置である。【選択図】　　図１　
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
　特に、改質器内で水素を回収する為に分解可能な炭化水素／混合材混合気を製造するための蒸発装置であって、
　多孔質蒸発部材（１６、１６ａ）と、
　該多孔質蒸発部材（１６、１６ａ）に炭化水素を供給するための炭化水素供給ダクト装置（１８、１８ａ）と、
　混合気を形成するために提供された該混合材の少なくとも一部を、該蒸発部材（１６、１６ａ）を介して導くための混合材誘導装置（２８、２８ａ）と、
　を備える蒸発装置。
【請求項２】
　前記蒸発部材（１６、１６ａ）が多数の混合材通気穴（３８）を有する、請求項１に記載の蒸発装置。
【請求項３】
　前記蒸発部材（１６）には、電動加熱装置（２０）が取り付けられている、請求項１または請求項２に記載の蒸発装置。
【請求項４】
　前記加熱装置（２０）は、前記蒸発部材を通る混合材の流れに対して、前記蒸発部材（１６）の上流側にこれと熱伝達接触するように配される、請求項３に記載の蒸発装置。
【請求項５】
　前記加熱装置（２０）には、前記蒸発部材（１６）に向かって流れる混合材から前記加熱装置を遮蔽するための遮蔽装置（３４）が取り付けられている、請求項４に記載の蒸発装置。
【請求項６】
　前記遮蔽装置（３４）が、混合材通気穴（３６）を有する遮蔽板（３４）を備える、請求項５に記載の蒸発装置。
【請求項７】
　前記加熱装置（２０）が、少なくとも局部的に曲折しているかまたは螺旋状になっている加熱部材（２２）を有する、請求項３ないし請求項６のいずれか一項に記載の蒸発装置。
【請求項８】
　前記蒸発部材（１６）が、前記加熱部材（２２）によって囲まれた空間領域内に少なくとも部分的に配される、請求項７に記載の蒸発装置。
【請求項９】
　電動混合材加熱装置（５４ａ）が、前記蒸発部材（１６）を介して流れる前記混合材の通気に対して、混合材誘導装置（２８）の上流域内に前記蒸発部材（１６）から離して配される、請求項１または請求項２に記載の蒸発装置。
【請求項１０】
　混合／燃焼室（４０、４０ａ）は、前記蒸発部材（１６、１６ａ）を通る混合材の流れに対して、前記蒸発部材（１６、１６ａ）の下流に配され、当該混合／燃焼室（４０、４０ａ）内に導入された混合気は、同室内において、点火部材によって点火される、請求項１ないし請求項９のいずれか一項に記載の蒸発装置。
【請求項１１】
　混合気を形成するために提供される前記混合材にプロセス熱を伝達するための熱交換装置（４８、４８ａ）を有する、請求項１ないし請求項１０のいずれか一項に記載の蒸発装置。
【請求項１２】
　請求項１ないし請求項１１のいずれか一項に記載の蒸発装置（１０、１０ａ）を備える、炭化水素／混合材混合気から水素を回収するための改質器。
【請求項１３】
　前記混合材が空気および／または水蒸気を備える、請求項１２に記載の改質器。
【請求項１４】
　請求項１ないし請求項１１のいずれか一項に記載の、炭化水素／混合材混合気を製造するための蒸発装置を備える、炭化水素／混合材混合気の燃焼によって熱を発生させるための加熱装置。
【請求項１５】
　請求項１ないし請求項１１のいずれか一項に記載の、炭化水素／混合材混合気を製造するための蒸発装置を含む、内燃機関によって排出されるガスを浄化するための排気ガス浄化システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
　本発明は、蒸発装置、特に、改質器内で水素を回収する為に分解可能な炭化水素／混合材混合気を製造するための蒸発装置に関する。
【０００２】
　改質器は、炭化水素または炭化水素含有物質を触媒反応によって分解するのに使用し、これによって水素を放出または回収することができる。この水素は、例えば、電気エネルギーを生産するための燃料電池に使用できるが、この他にも、例えば、内燃機関の排気ガス誘導システム内で行われる排気ガス処理に使用することができる。改質器内で触媒反応を効果的に行うには、まず、反応の初期段階において触媒材周辺の温度を約３２０℃程度の比較的高い温度にしなければならない。さらに、例えば空気（必要に応じて水蒸気を加える）と炭化水素による混合気の混ざり具合を、できる限り均質な状態で触媒材に入れることが必要である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
　本発明は、例えば改質器内で水素を回収する為に分解可能な炭化水素／混合材混合気を製造するとともに、混合気形成用の混合材と炭化水素を有利に混合できる、蒸発装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
　本発明によれば、本発明の目的は、特に改質器内で水素を回収する為に分解可能な炭化水素／混合材混合気を製造するための蒸発装置であって、多孔質蒸発部材と、この多孔質蒸発部材に炭化水素を供給するための炭化水素供給ダクト装置と、混合気を形成するために提供された混合材の少なくとも一部を、蒸発部材を介して導くための混合材誘導装置と、を備える蒸発装置によって達成される。
【０００５】
　混合気を形成するために提供される混合材またはその一部が、液体炭化水素（例えばディーゼル燃料）を吸収した多孔材を通過することによって、混合材と炭化水素が、多孔質部材中で確実に接触する。このとき、一方では、運搬効果が（transport effect）得られ、つまり、多孔質部材中の炭化水素が、多孔質部材を通過する混合材によって同伴（連行）され、もう一方では、ある程度の混合気が多孔質部材中で既に製造される。
【０００６】
　多孔質蒸発部材を介した混合材の通過を向上させるために、前記蒸発部材に多数の混合材通気穴を設けることが提案される。通常、混合材通気穴の断面の大きさは、多孔材の気穴の平均断面よりも大きいため、混合材は、混合材通気穴に対応する領域で多孔材を通過する。
【０００７】
　とりわけ各種システム領域がまだ比較的冷たい状態である始動段階（starting phase）における、多孔質蒸発部材内での燃料の蒸発をサポートするため、電動加熱装置を蒸発部材に取り付けることが提案される。この加熱装置は、蒸発部材を通る混合材の流れに対して、蒸発部材の上流側にこれと熱伝達接触する態様で配されるのが好ましい。
【０００８】
　加熱装置がもたらす熱の大部分を確実に使用して、多孔質部材または多孔質部材中で蒸気化される液体炭化水素を加熱するため、この加熱装置に、蒸発部材に向かって流れる混合材から加熱装置を遮蔽するための、遮蔽装置を設けることが提案される。この遮蔽装置は、例えば混合材通気穴を有する遮蔽板を含む。多孔質部材を通過する混合材に対する流れ抵抗をできる限り低減するため、遮蔽装置の混合材通気穴を、蒸発部材の混合材通気穴と揃えることが好ましい。
【０００９】
　多孔質蒸発部材の表面全体をできる限り均等かつ効果的に加熱するため、加熱装置に、少なくとも局部的に曲折しているかまたは螺旋状になっている加熱部材を設けることが提案される。加熱部材によって囲まれた空間領域内に蒸発部材を少なくとも部分的に配することによって、多孔質蒸発部材をさらに効果的に加熱することができる。
【００１０】
　他の実施形態では、電動混合材加熱装置が、蒸発部材を介して流れる混合材の通気に対して、混合材導入装置の上流域内に蒸発部材から離して配される。この例では、電動加熱装置が供給する熱は、多孔質蒸発部材に直に導入されず、多孔質蒸発部材を通って導かれる混合材を加熱するのに使用される。加熱された混合材が多孔質蒸発部材に入ると、多孔質蒸発部材およびこれに含まれる液体燃料が加熱される。
【００１１】
　冒頭に記載した通り、効果的な触媒処理を行うには、触媒周辺のシステム部品の温度が約３００℃以上でなくてはならない。特に始動段階においてなるべく早くこの温度まで近づけるために、混合／燃焼室を、蒸発部材を通る混合材の流れに対して、蒸発部材の下流に配し、混合／燃焼室内に導入された混合気を、同室内において、点火部材によって点火することが提案される。混合気の少なくとも一部を、触媒材の上流側にある領域内で燃焼することにより、燃焼の結果発生した高温排気ガスが触媒材の方向に流れるとともに、触媒材または触媒材を内包するシステム領域を急速に加熱する。そして、この領域の温度が充分に高温になると、例えば炭化水素と混合材の混合比を変化させる等によって燃焼を止め、その後、適切な混合比を設定して、触媒反応を継続または開始させる。
【００１２】
　また、本発明の改質器に、混合気を形成するために提供される混合材にプロセス熱を伝達するための熱交換装置を取り付けても良い。このプロセス熱は、触媒材を通過するガス物質によって伝達される熱または燃料電池内で発生したプロセス熱であり、これは、多孔質蒸発部材を少なくとも部分的に通過する混合材を予め温めておくのに使用される。これはつまり、多孔質蒸発部材中の液体炭化水素を蒸発させるのに必要な熱エネルギーは、熱交換器内で予熱された混合材によって充分に伝達されるため、一旦処理が始まってしまえば、つまり、触媒反応が始まれば、それ以降は電動加熱部材を作動させる必要がないということを意味する。
【００１３】
　また、本発明は、本発明に係る蒸発装置を有する改質器に関する。
【００１４】
　本発明に係る蒸発装置の重要な用途は、改質器、つまり、例えば燃料電池内で電気エネルギーを生産するために炭化水素／混合材混合気から水素を製造するシステムであるが、本発明の蒸発装置は、これ以外の用途にも当然使用することができる。例えば、蒸発した燃料を別の燃焼媒体（例えば、燃焼用空気または他の混合材）と併せて燃焼し、燃焼排気ガスに伝達された熱を、熱交換器内において加熱すべき新たな空気または他の媒体に伝達するという加熱装置に使用することができる。さらに他の用途としては、内燃機関によって排出された排気ガスを浄化するという使用法もある。従って、炭化水素と混合材（通常は空気）による点火し易い混合気を製造するための排気ガス誘導システム（例えば、自動車の排気システム）に、本発明の蒸発装置を使用することもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
　本発明の説明を、添付の図を参照しながら、好適実施形態を用いて記載する。
【００１６】
　図１に、本発明の改質器１０を示す。この改質器１０は、例えば、筒状の細長いハウジング１２を備える。多孔質蒸発部材１６は、例えば平板または円盤の形状を有し、環状支持部１４によってハウジング１２内に支持されている。この多孔質蒸発部材１６は、例えば、プレス加工されかつ焼結されたワイヤ、織材または編み材、フォームセラミック（foam ceramic）、不織材、格子構造材、紡績糸、などから形成することができる。燃料供給ダクト装置１８は、複数の周辺領域で蒸発部材１６と繋がっており、これによって、液体燃料（例えばディーゼル燃料）が周辺部全体になるべく均等に行き渡るように、液体燃料を蒸発部材１６に供給することができる。蒸発部材１６の片側には、これと一体的に電動加熱装置２０が取り付けられている。電動加熱装置２０は、例えば螺旋状または蛇行状に曲がった加熱部材２２を備えてよく、この加熱部材２２は蒸発部材１６と直に接触して熱を伝達する。加熱装置２０が起動すると、蒸発部材１６が加熱され、液体燃料またはこれに含まれる炭化水素の蒸気化が進行または開始する。
【００１７】
　ハウジング１２の内部空間は、蒸発部材１６によって上流域２４と下流域２６とに分割される。上流域２４は、空気誘導装置２８の少なくとも一部を形成し、この空気誘導装置２８によって、混合材またはその一部としての空気が、蒸発した燃料または炭化水素とともに、下流域２６内に提供された触媒３０に供給され、水素を回収するために使用される。こうして空気の少なくとも一部はハウジング１２の上流域２６を通過し、多孔質蒸発部材１６まで流れる。送風機（図示されない）等によって先へ送られた空気は、多孔質蒸発部材１６を貫通し、この一方で、多孔質蒸発部材１６内に既に存在する蒸発燃料を同伴するかまたは蒸発を増進させる。この空気の通気によって、より良い蒸発が得られるだけでなく、空気と燃料をより上手く混合することができる。空気は、蒸発部材１６に入る前に、加熱装置２０の例えば各コイル部分または加熱部材部分の間に形成される空間を通過する。加熱装置２０による熱を、上流域内を流れる空気を加熱するためではなく、蒸発部材１６またはこれに含まれる燃料を加熱するためにのみ実質的に使用するため、加熱装置２０またはこの加熱部材２２は遮蔽装置によって流入する空気から遮蔽される。この例を図２に概略的に示す。図２は多孔質蒸発部材１６を示し、この上流側には加熱部材２２をともなう加熱装置２０が配置されている。加熱部材２２の様々な箇所（例えば、渦巻状または螺旋状部分の間に形成される空間）には穴３２が形成されるが、加熱部材２２がいくらか板状である場合には、穴状の開口が形成される。加熱部材２２の上流側には遮蔽板３４が提供されており、この遮蔽板は、断熱材（例えば、セラミック材）でできていることが望ましい。この遮蔽板も、加熱部材２２の開口または通気領域３２と連結する穴３６を備えており、これによって、上流域２４内を流入する空気は、実質的に加熱部材２２には留まらず、開口または通気領域３２および３６を通過して、蒸発部材１６に突き当たる。蒸発部材１６は、空気用の通気穴３８を備え、これら通気穴３８は、穴３２および３６に対して空間的に割り当てられている。通気穴３８によって、流れ抵抗が低減されるとともに、流入する空気が様々な箇所で蒸発部材１６を通過し、燃料または炭化水素を同伴できるようになる。空気が通気穴３８から出る領域では渦を発生させ、これによって、蒸発した燃料と空気をより良く混ぜ合わせられる。燃料と混ぜられた空気は、その後、下流域、つまり混合／燃焼室４０にたどり着く。点火部材４２（例えば、点火グローピン）を備える混合／燃焼室４０では、前述の通りに形成された混合気（バイパス・ダクト４４を介して供給された別の空気とさらに混合される場合もある）が点火および燃焼される。さらに下流に行くと、火炎バリヤ４６（機能は後述する）が触媒３０の手前に配置されている。本発明によるシステムはさらに熱交換装置４８を有し、この装置によって、上流域２４に送り込まれる空気またはハウジング１２に通常送り込まれる空気を予め温めておくことができる。熱交換装置４８は、例えば触媒３０内の触媒反応によって生じたプロセス熱から、または、例えば燃料電池システムに関して使用した際に熱交換装置自体によって生じたプロセス熱から、空気に伝達する熱を回収することができる。
【００１８】
　図１に示すシステムの機能または動作を以下で説明する。
【００１９】
　始めの段階では各種システム部品は比較的冷たく、この段階で加熱装置２０が起動されると、蒸発部材１６内で燃料が蒸発される。上流域２４を流れる空気の温度は室温であり、プロセス熱がまだ生じていないために、熱交換装置４８での熱交換はまだ行うことができない。その後、上述の態様において空気と蒸発した燃料とを混ぜ合わせ、混合／燃焼室４０内に引火しやすい混合気が生まれる。この混合気が点火部材４２の励起によって点火されると、結果として生じる燃焼排気ガスが触媒３０に向かって流れる。これによって、燃焼排気ガスは大量の熱を伝達するが、この熱は、触媒材または触媒システム領域に伝達されるとともにこれらを加熱する。温度が充分に高温になると、つまり、触媒反応を開始または遂行できる温度になると、例えば燃料供給を一時的に中断するかまたは燃料と空気の混合比を変化させることによって、混合／燃焼室４０内における燃焼を終了させる。この後、触媒反応を行うのに適した燃料と空気の混合比を設定し、蒸発した燃料および可能であれば水蒸気で濃縮された空気は火炎バリヤ４６を通って下流域２６を流れ、触媒３０まで到達すると、そこで水素を回収するために分解される。先述したプロセス熱はここで発生するが、この熱は、熱交換装置４８内で、蒸発器１６内に送り込まれる空気に伝達され、これによって、予め温められた空気が上流域２４に到達するようになっている。空気に伝達された熱エネルギーのみでも十分に、送り込まれた燃料が蒸発するよう蒸発部材１６を加熱するかまたは加熱状態に保っておくことができる。従ってこれ以降、加熱装置２０を作動させる必要はなくなる。火炎バリヤ４６は、実質的には、触媒材から生じる逆引火または外部発火を避ける目的で提供されている。逆引火または外部発火は、触媒３０周辺の温度が非常に高くなり、触媒３０の上流側に位置する空間領域において混合気が発火する危険性が生じた場合に発生する。この場合、火炎バリヤ４６は、炎が混合／燃焼室４０に戻る方向で逸走するのを防ぐこともできる。混合／燃焼室４０内の燃料の自然発火も、火炎バリヤ４６によって防ぐことができる。
【００２０】
　上述した蒸発器１６は、多種多様に変更が可能である。特に、多孔質蒸発部材または加熱装置の部分を別の形状に変更することも当然可能である。変更例の一つを図３に示す。図３では、遮蔽板３４は例えば鋼材（steel metal material）で構成され、遮蔽板と加熱装置２０の加熱部材２２との間に断熱材４９を備えてもよい。加熱装置２０の後ろ側には、好適には加熱装置２０と直に接触する態様で、蒸発部材１６が配置される。遮蔽板３４の穴３６は好適には円筒状の肩部分５０に形成され、この肩部分５０は、流れ方向に短く延在するとともに、断熱材４８および好ましくは加熱装置２０を越えて蒸発部材１６の通気穴３８の領域またはその手前部分にまで至る。これによって、遮蔽板３４の穴３６の中を流れる空気は、蒸発部材１６、燃料またはこれに含まれる炭化水素と接触できるようになる。
【００２１】
　さらに修正を加えるとすると、例えば螺旋状または蛇行する加熱部材２２間の空間に、蒸発部材１６を少なくとも局部的に貫通させ、これによって、加熱部材２２と蒸発部材１６の間の熱伝達接触を改良することができる。しかしこれにかかわらず、好適には、この場合の蒸発部材１６は、できる限り均等な燃料供給を促進するための円盤状の領域を有している。さらに、蒸発部材１６を加熱装置２０の上流側に配置することもでき、こうすることで、図２におけるこれら二つの部品の空間的な配置を入れ替えることもできる。この場合、加熱装置２０と蒸発部材１６の間には上記と同じ状態の熱伝達が保持され、さらに蒸発部材１６は、加熱装置２０に対する断熱も行うため、断熱のために他の部品を備える必要がなくなる。加熱装置２０を混合／燃焼室４０から遮蔽する必要がある場合には、例えば、蒸発部材に加熱装置２０を埋め込んでもよい。この場合、蒸発部材は、例えば二つの円盤状領域を備えるか、または少なくとも一つの円盤状領域を備えて加熱部材の各領域または各部分の間の空間を局部的に貫通するようにしてもよい。蒸発部材１６に対する加熱装置２０の位置に従って、蒸発部材１６対する燃料の供給を、加熱装置の下流側、上流側、あるいは加熱装置周辺のうちどこで行うかが決まる。
【００２２】
　図４は、本発明に係る蒸発器の他の実施形態を示す。先述した部品と、構造または機能が一致する部品については、「ａ」の印を付けて示してある。以下に、相違点だけを述べる。
【００２３】
　ここでは、蒸発部材１６ａに付随する加熱装置は存在しない。その代わりに、上流域２４ａの上流部分には空気加熱装置５４ａが提供され、誘導装置２８ａを通って上流域２４ａへと流れる空気を予め温めるようになっている。この後、温められた空気は蒸発部材１６に熱を伝達し、蒸発部材１６内に挿入された燃料を蒸発させるのに使用される。また、始動段階のみにおいて、電動空気加熱装置５４ａを起動するのが好ましい。その後、システム領域内でプロセス熱が生じると、この熱は、蒸発器１６ａに送り込まれる空気を予熱するために熱交換装置４８ａによって使用される。その後、空気加熱装置５４ａを停止する。しかしこの実施形態ではさらに、混合気を形成するために使用される空気の少なくとも一部が蒸発部材１６ａ（好適には、蒸発部材１６内に供された通気穴の領域）を通って流れ、これによって、蒸発部材１６ａの断面全体にわたって、空気（混合気形成に使用され、できれば水分または水蒸気で濃厚化された空気）と燃料または炭化水素が確実に混ぜ合わせられる。
【００２４】
　本発明によって、改質器内で使用できかつ可能であれば水蒸気で濃縮化された炭化水素／空気混合気を製造するための蒸発装置が提供され、この蒸発装置によって、通気断面全体にわたって空気と燃料が非常にうまく、つまり均質に、混合される。とりわけ、蒸発部材に通気穴を設けたことによって、蒸発部材を通って流れる空気に対する流れ抵抗を低減でき、さらに、空気または蒸発部材のどちらかを加熱するために直接作動する加熱装置を、始動段階においてのみ作動させることで、省エネに貢献できる。さらに、非常に均質な混合気が製造されることによって、触媒内では上質の触媒反応が起こり、残留物もわずかな量に抑えられる。また、混合気の形成については、混合材として水蒸気も使用できることを記載すべきであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る改質器の原理を説明するための縦断面図である。
【図２】加熱装置が取り付けられた、多孔質蒸発部材の縦断面図である。
【図３】他の実施形態における図２に対応する図である。
【図４】他の実施形態における改質器の図１に対応する図である。
【符号の説明】
【００２６】
１６　　多孔質蒸発部材
１８　　炭化水素供給ダクト装置
２８　　混合材誘導装置
３８　　混合材通気穴
【図１】
2004035400.tif 000003
【図２】
2004035400.tif 000004
【図３】
2004035400.tif 000005
【図４】
2004035400.tif 000006