(57)【要約】  本発明は、燃料（３２）および酸化剤（３４）を改質油（３０）に転化するための改質装置（１０）に関し、この改質装置（１０）は、触媒入口（３６）を介して燃料（３２）および酸化剤（３４）を流すことができる触媒装置（１２）と、熱交換器（１４）とを含む。本発明によれば、熱交換器（１４）は、触媒入口（３６）に隣接している触媒装置（１２）の少なくとも一部と熱交換伝達状態にある。本発明はさらに、このような改質装置（１０）の動作方法に関する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料（３２）および酸化剤（３４）を改質油（３０）に転化するための改質装置（１０）であって、触媒入口（３６）を介して前記燃料（３２）および前記酸化剤（３４）を流すことができる触媒手段（１２）と、熱交換器（１４）とを含む改質装置（１０）において、
前記熱交換器（１４）と、前記触媒入口（３６）に隣接して配置される前記触媒手段（１２）の少なくとも一部との間に熱伝達関係があることを特徴とする改質装置（１０）。
【請求項２】
前記一部が、前記触媒入口（３６）から触媒出口（３８）の方向に、前記触媒入口（３６）を通過して所定の程度延在していることを特徴とする請求項１に記載の改質装置（１０）。
【請求項３】
混合気形成室（２４）であって、前記酸化剤（３４）および前記燃料（３２）をそれに供給することができるとともにそれを介して前記酸化剤（３４）と前記燃料（３２）との混合気を前記触媒手段（１２）に供給することができるようになっている混合気形成室（２４）が、前記触媒手段（１２）の上流に設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の改質装置（１０）。
【請求項４】
室（２６）であって、それを通して前記酸化剤（３４）が流れることができるとともに連結部（２８）を介して前記熱交換器（１４）に連結される室（２６）が、前記混合気形成室（２４）の上流に設けられ、前記酸化剤（３４）が、前記室（２６）を介して前記熱交換器（１４）に少なくとも部分的に供給可能であることを特徴とする請求項３に記載の改質装置（１０）。
【請求項５】
少なくとも、前記混合気形成室（２４）に行き渡っている圧力と、前記熱交換器（１４）に行き渡っている圧力との間の圧力差および／または前記触媒入口（３６）における温度が、少なくとも１つのセンサーによって検出可能であることを特徴とする請求項４に記載の改質装置（１０）。
【請求項６】
前記改質装置（１０）に割り当てられる制御／調整手段が設けられ、前記制御／調整手段は、少なくとも前記検出された圧力差および／または前記検出された温度に基づいて前記改質装置の空気係数を制御／調整することができることを特徴とする請求項５に記載の改質装置（１０）。
【請求項７】
前記制御／調整手段が、少なくとも、前記熱交換器（１４）への熱交換器流体供給および／または前記混合気形成室（２４）への酸化剤供給を調節することによって、前記改質装置（１０）の空気係数を制御／調整することができることを特徴とする請求項６に記載の改質装置（１０）。
【請求項８】
燃料（３２）および酸化剤（３４）を改質油（３０）に転化するための改質装置（１０）の動作方法であって、前記改質装置（１０）が、触媒入口（３６）を介して前記燃料（３２）および前記酸化剤（３４）を流すことができる触媒手段（１２）と、熱交換器（１４）とを含む方法において、
前記熱交換器（１４）との間に熱伝達関係があり、少なくとも前記触媒入口（３６）に隣接して配置される前記触媒手段（１２）の一部における温度が、前記熱交換器（１４）へのまたは前記熱交換器（１４）からの熱伝達を調節することによって制御または調整されることを特徴とする方法。
【請求項９】
前記温度が、前記触媒入口（３６）から触媒出口（３８）の方向に、前記触媒入口（３６）を通過して所定の程度延在する前記一部において制御または調整されることを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記酸化剤（３４）と前記燃料（３２）との混合気が生成される混合気形成室（２４）を介して、前記触媒手段（１２）に前記酸化剤（３４）および前記燃料（３２）が供給されることを特徴とする請求項８または９に記載の方法。
【請求項１１】
前記酸化剤（３４）が、前記混合気形成室（２４）に達する前に、前記混合気形成室（２４）に連結された室（２６）に供給され、前記室（２６）が、前記酸化剤（３４）が少なくとも部分的に前記熱交換器（１４）に供給可能であるように連結部（２８）を介して前記熱交換器（１４）に連結されることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
少なくとも、前記混合気形成室（２４）に行き渡っている圧力と、前記熱交換器（１４）に行き渡っている圧力との間の圧力差および／または前記触媒入口（３６）における温度が検出されることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記改質装置の空気係数が、少なくとも前記検出された圧力差および／または前記検出された温度に基づいて制御または調整されることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記改質装置（１０）の空気係数が、少なくとも、前記熱交換器（１４）への熱交換器流体供給および／または前記混合気形成室（２４）への酸化剤供給を調節することによって制御または調整されることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料および酸化剤を改質油に転化するための改質装置に関し、この改質装置は、触媒入口を介して燃料および酸化剤を流すことができる触媒手段と、熱交換器とを含む。
【背景技術】
【０００２】
本発明はさらに、このような改質装置の動作方法に関する。
【０００３】
自動車分野において、電気エネルギーを生成するために燃料電池を使用することは重要性を増している。例えば、補助動力装置（ＡＰＵ）を用いて車両の車載ネットワークにエネルギーを導入して、内燃機関の運転から独立して、車両内に配置された電力消費装置（ｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｃｏｎｓｕｍｅｒｓ）にそのように動力を供給することができるように、補助動力装置（ＡＰＵ）のさらなる発展が望まれている。
【０００４】
この電気エネルギーを生成するために、ＳＯＦＣ燃料電池（固体酸化物燃料電池）が用いられることが多く、ＳＯＦＣ燃料電池に改質装置から排出される改質油が供給されることにより、電気エネルギーの生成が可能となる。中でも特に、接触部分酸化が改質装置の改質のタイプとして知られており、この場合、改質油は、触媒を用いて、酸化剤および燃料から生成される。これに関連して、燃料、例えば天然ガス、ガソリンまたはディーゼル燃料が、例えば、酸化剤としての空気と混合され、触媒の内部または触媒手段の内部で酸化される。通常、主に、強い発熱反応が、触媒の触媒入口で起こり、これにより触媒入口の付近で温度が急上昇する。酸化剤または燃料の流れ方向に関して触媒入口の下流に位置する、触媒手段の触媒出口の付近では、主に、吸熱性の改質反応が起こり、これにより、触媒入口における温度と比べて、触媒温度が低下する。このように、改質装置の触媒において、一般に知られている、典型的な温度分布が得られる。触媒における過度に高い温度または触媒における閾値温度の超過を防ぐための１つの可能性は、改質装置の空気係数（ａｉｒ  ｎｕｍｂｅｒ）すなわちラムダ値（空燃比）を制御すること、すなわち改質装置における酸化剤供給速度または空気供給速度を調節することによるものである。このような制御は、例えば、改質装置内に空気を供給するための空気ファンの回転速度を調節することによって行われる。改質装置は酸化剤の酸素を触媒入口の付近または近傍において直接的に変換させる（ｃｏｎｖｅｒｔ）ので、それは強い温度勾配または温度変動を伴ってラムダ値が変化するよう反応する。少なくとも触媒入口の付近で起こる前記強い温度変動は、改質装置の空気係数の制御に深刻な悪影響を与える。さらに、触媒手段の過剰な加熱を完全になくすことができるほど十分正確に酸化剤の供給を調節できないことが多い。
【０００５】
特許文献１から、燃料および酸化剤を改質油に転化するためのシステムおよび方法は既知である。従来技術に従うこの文献には、改質プロセス中に生成される反応熱を改質装置から除去するための熱交換器を含む改質装置が記載されている。しかしながら、前記熱交換器は、この場合、改質装置の特定の構成要素にではなく、改質装置のある部分に割り当てられている。しかしながら、特に、中でも空気係数の可制御性が改質装置の特定の構成要素の動作温度に強く依存する場合、改質装置自体からの熱の除去は、改質装置の空気係数の可制御性を向上させるのに十分でない。さらに、改質装置の構成要素と関わらない熱除去は、敏感な構成要素の温度が、これらの構成要素の設計の際に基準とした温度範囲内に確実になるほど十分なものではない。
【０００６】
特に、触媒手段を含む改質装置に関して、改質装置の空気係数の制御がラムダ値を変化させるためにファンの回転速度を調節することによって行われる場合、触媒手段の過熱が特に起こりやすい。これに関して、回転速度の変化が穏やかであるにも関わらず、ラムダ値の変化は、比較的大きいため、温度の急上昇が同時に起こる。しかしながら、改質装置の構成要素と関わらない熱除去は、このような温度の急上昇を補償することができない。したがって、敏感な構成要素の過熱のリスクが残る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】独国特許出願公開第１０３  ５５  ４９４  Ａ１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
したがって、本発明は、改質装置の構成要素の過熱のリスクを低減すると同時に改質装置の空気係数を確実に制御することができるように、一般的な改質装置および改質装置の動作方法をさらに発展させる目的に基づくものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明による改質装置は、熱交換器と、触媒入口に隣接している触媒手段の少なくとも一部との間に熱伝達関係があるという点で、一般的な従来技術に基づいている。したがって、この触媒手段の一部は、改質動作の際に、熱交換器によって加熱されるとともに冷却され得ることが可能である。改質装置の空気係数の可制御性は、熱交換器への熱伝達を相応に調節することによって、触媒入口の付近の温度上昇を補償することができることによって向上される。したがって、改質装置の空気係数の制御の際の過熱のリスクが低減されるため、改質装置の可制御性が極めて向上される。
【００１０】
本発明による改質装置は、一部が、触媒入口から触媒出口の方向に、触媒入口を通過して所定の程度延在するようにさらに発展され得るのが有利である。一部は、この場合、例えば、触媒入口によって形成される触媒の一方の端部から、触媒の他方の端部によって形成される触媒出口の方向に所定の程度延在し得る。したがって、触媒入口は触媒手段の上流側の端部であり、触媒出口は触媒手段の下流側の端部である。前記一部は、触媒手段の約１／３の長さまたは触媒手段の１／２の長さを有するのが好ましい。
【００１１】
その上、本発明による改質装置は、酸化剤および燃料をそれに供給することができるとともにそれを介して酸化剤と燃料との混合気を触媒手段に供給することができる混合気形成室が触媒手段の上流に設けられるように実現され得る。さらに、熱交換器と混合気形成室の少なくとも一部との間に熱伝達関係があるのが好ましい。このように、混合気形成室において混合気の加熱または場合によっては冷却も既に行われ得る。
【００１２】
本発明による改質装置はさらに、連結部を介して熱交換器に連結されるとともにそれを介して酸化剤が少なくとも部分的に熱交換器に供給可能である、酸化剤が流れることができる室が混合気形成室の上流に設けられるように実施され得る。このように、改質装置の可制御性がさらに向上され；このとき、特に酸化剤と同じ流動する媒体が熱交換器を通過することが好ましい。本発明による改質装置に関して、熱交換器の空気が熱交換器流体として用いられ、改質装置の空気が酸化剤として用いられるのが好ましい。室と熱交換器との連結部により、改質装置の空気が、室と熱交換器との間の圧力差に応じて、熱交換器に流れ込むことができる。これは、改質装置の空気が、上記圧力差に応じて、熱交換器を介して、例えば熱交換器への連結部を成す孔を介して流出し得ることを意味している。この場合、熱交換器に行き渡っている圧力は、混合気形成室の圧力より低い。このように、通常生じたであろう、酸化剤の流出を可能にしないラムダ値または空気係数より低いラムダ値またはより低い空気係数が改質装置において確立され；燃料としての燃焼ガスおよび酸化剤としての改質装置の空気の導入物質量が、計算されたラムダ値を維持するように増加された場合でも、改質装置における空気係数はさらに、流出する酸化剤の所望量（ｄｅｓ  ａｍｏｕｎｔ）を調節することによって制御され得る。改質装置の空気係数の制御は、この場合、熱交換器空気供給および熱交換器と改質装置との間の圧力差によってさらに行われる。
【００１３】
さらに、改質装置は、少なくとも、混合気形成室に行き渡っている圧力と、熱交換器に行き渡っている圧力との間の圧力差および／または触媒入口における温度が少なくとも１つのセンサーによって検出可能であるように実現され得るのが有利である。したがって、改質装置の空気係数の制御は、例えば、センサーを用いた圧力差または温度の検出に基づいて行われ得る。
【００１４】
本発明による改質装置はさらに、改質装置に割り当てられる制御／調整手段が設けられるように実現され得、この制御／調整手段は、少なくとも検出された圧力差および／または検出された温度に基づいて、改質装置の空気係数を制御／調整することができる。熱交換器と改質装置との間の圧力差を用いて改質装置を制御する場合、制御パラメータが増大させられ（ｅｘｔｅｎｄｅｄ）、改質装置の空気係数は、改質装置ファンの回転速度が変化する際にもはやそれほど急に反応しない。この理由は、改質装置の空気体積流が分割されることにより、改質装置のラムダ値の変化がより小さくなるためである。
【００１５】
その上、本発明による改質装置は、制御／調整手段が、少なくとも、熱交換器への熱交換器流体供給および／または混合気形成室への酸化剤供給を調節することによって、改質装置の空気係数を制御／調整することができるように形成され得る。このように、熱交換器へのおよび熱交換器からの熱伝達を調整または制御することができる。それに関連して、熱交換器内に流出する改質装置の空気の一部が決定され得るように圧力差も調節される。
【００１６】
本発明による方法は、熱交換器との間に熱伝達関係がある、少なくとも触媒入口に隣接している触媒手段の一部における温度が、熱交換器からのまたは熱交換器への熱伝達を調節することによって制御または調整されるという点で、一般的な従来技術に基づいている。このように、本発明による改質装置に関して説明される利点は、同様の方法または同じ方法で得られるため、繰り返しを避けるために、本発明による改質装置に関して与えられる説明が参照される。
【００１７】
同じことが、本発明による方法の以下の好ましい実施形態にも同様に当てはまり、同様に繰り返しを避けるために、これに関して本発明による改質装置に関して与えられる説明が参照される。
【００１８】
本発明による方法は、触媒入口から触媒出口の方向に、触媒入口を通過して所定の程度延在する一部において温度が制御または調整されるようにさらに発展され得るのが有利である。
【００１９】
本発明による方法は、酸化剤と燃料との混合気が生成される混合気形成室を介して、酸化剤および燃料が触媒手段に供給されるようにさらに実現され得る。
【００２０】
本発明による方法は、酸化剤が、混合気形成室に達する前に、混合気形成室に連結された室に供給されるようにさらに実現され得、前記室は、酸化剤が少なくとも部分的に熱交換器に供給可能であるように連結部を介して熱交換器に連結される。
【００２１】
その上、本発明による方法は、少なくとも、混合気形成室に行き渡っている圧力と、熱交換器に行き渡っている圧力との間の圧力差および／または触媒入口における温度が検出されるように実現され得る。
【００２２】
さらに、本発明による方法は、改質装置の空気係数が、少なくとも検出された圧力差および／または検出された温度に基づいて制御または調整されるように構成され得る。
【００２３】
本発明による方法は、その上、改質装置の空気係数が、少なくとも、熱交換器への熱交換器流体供給および／または混合気形成室への酸化剤供給を調節することによって制御または調整されるようにさらに発展され得る。
【００２４】
本発明の好ましい実施形態を、図を参照して例として以下に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明による方法を実施することができる本発明による改質装置の極めて概略化した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
図１は、本発明による方法を実施することができる本発明による改質装置１０の極めて概略化された図を示す。本実施形態では、改質装置１０が、ＳＯＦＣ燃料電池またはＳＯＦＣ燃料電池スタックを含む燃料電池システムの構成要素である。本発明による改質装置１０は、接触部分酸化を用いて改質することによって生成される、改質装置１０に供給される酸化剤３４および燃料３２の改質油３０を生成する働きをする。このように生成される改質油３０は、燃料電池スタックにも供給され、それによって燃料電池スタックは電気エネルギーを生成することができる。
【００２７】
改質装置１０は、燃料３２、すなわち、例えば、天然ガス、ガソリンまたはディーゼル燃料を、改質装置１０の混合気形成室２４に供給することができる燃料供給手段２０を含む。改質装置１０は、酸化剤３４（この実施形態では空気）を混合気形成室２４に供給することができる酸化剤供給手段２２をさらに含む。改質装置１０は、触媒入口を介して混合気形成室２４に連結される触媒手段１２をさらに含み、触媒入口から混合気形成室２４で形成される燃料３２と酸化剤３４との混合気が、触媒手段１２に入ることができる。その上、触媒手段１２は、触媒出口３８を備え、触媒出口３８を介して改質油３０を燃料電池または燃料電池スタック（図示せず）に供給することができる。この実施形態では、触媒入口３６および触媒出口３８はそれぞれ触媒手段１２の一端であり、酸化剤３４または燃料３２の流れ方向に関して、触媒入口３６は触媒手段１２の上流側端部を成し、触媒出口３８は触媒手段１２の下流側端部を成す。
【００２８】
この実施形態では、酸化剤３４は、酸化剤供給手段２２を介して混合気形成室２４に供給可能であるが、酸化剤供給手段２２によって供給される酸化剤３４は、混合気形成室２４に達する前に室２６を通って流れる。前記室２６は、必要に応じて、例えば管の形態または別の態様で形成可能であり、少なくとも部分的に、改質装置１０の熱交換器２４に隣接して延在する。室２６は、例えば１つまたは複数の孔の形態の連結部２８を介して熱交換器１４に連結される。熱交換器１４の一部と触媒手段１２との間に熱伝達関係がある。さらに、熱交換器１４の別の部分と混合気形成室２４との間に熱伝達関係がある。熱交換器流体（この実施形態では空気）が、供給手段１６を介して熱交換器１４に供給可能であり、熱交換の程度が熱交換器流体の供給および排出によって調節可能であるように、熱交換器流体は排出手段１８を介して排出可能である。したがって、この実施形態では、熱交換器流体および酸化剤３４は空気である。
【００２９】
本発明による改質装置１０を動作させるための本発明による方法は以下のとおりである。まず、酸化剤供給手段２２および燃料供給手段２０によって、混合気形成室２４に酸化剤３４および燃料３２が供給される。混合気形成室２４では、酸化剤３４と燃料３２との混合気が、例えば、該当する酸化剤供給によって生成され得る角運動量を、酸化剤が混合気形成室に達する前に酸化剤に加えることなどによる、当業者に公知の方法で生成される。混合気は、触媒入口３６を介して触媒手段１２に導入され、触媒手段１２を通って触媒出口３８へと流れる。本明細書においては、接触部分酸化を用いた改質プロセスにおいて、混合気は改質油３０に転化される。特に触媒入口３６の付近においてこのようにして起こる発熱反応のため、触媒手段１２の温度は、主に触媒入口３６の付近または近傍において上昇する。これに対して、主に吸熱性の改質反応のために、触媒入口３６の付近の温度と比較して低い温度が、触媒出口３８の付近で示される。触媒手段１２の過熱を防ぐために、主に触媒入口３６の付近において、中でも特に混合気形成室２４における酸化剤供給または空気供給量が、改質装置１０の空気係数が相応して変化されるように制御される。このように、触媒入口付近における触媒手段３６の過熱を一般に防ぐことができる。しかしながら、触媒手段１２の強い温度変動および改質装置１０の空気係数の変動を同様に防ぐために、さらに熱交換器流体供給／排出が調節される。一方、この結果、触媒手段１２から熱交換器１４への熱除去が行われ、熱交換器１４は、熱交換器流体によって熱を除去する。他方、熱交換器１４に行き渡っている圧力と、混合気形成室２４に行き渡っている圧力との間の圧力差がこのように調節される。前記圧力差は、中でも特に、酸化剤供給および熱交換器流体供給／排出の調節に依存する。例えば、改質装置１０の空気係数の過度の変化およびそれに伴う触媒手段１２の温度変動を防ぐために、熱交換器内の圧力が混合気形成室２４内の圧力より低くなる程度に、熱交換器に熱交換器流体がまず供給される。したがって、酸化剤３４は、混合気形成室２４に達する前に、室２６の連結部２８を介して熱交換器１４に流れ込み、それによって、まず空気係数の増加量が低減され得る。このように、さらに改質装置における不適切に高い空気係数変動およびこれに伴う触媒手段１２の不適切に高い温度上昇が防止される。このように、圧力差およびそれに伴って熱交換器に流れ込む酸化剤３４の体積流が、熱交換器流体供給／排出によって、調節され、細かく計量され得る。したがって、不適切に高い空気係数変動がまず防止されるように、圧力差は、酸化剤供給および熱交換器流体供給／排出をそれぞれ調節することによって調節可能である。同時に熱交換器１４を介して少なくとも触媒入口３６の付近において、熱交換器１４によって熱が除去される。このように、さらに触媒手段１２の過熱が防止される。熱交換器１４に行き渡っている圧力と、混合気形成室２４に行き渡っている圧力との間の圧力差が、圧力差センサーによって検出可能であり、それぞれの酸化剤および熱交換器流体供給の検出も可能であるのが好ましい。それに加えて、またはその代わりに、温度センサーによって、触媒入口３６の付近の温度を検出することも実現可能である。特性とともに温度から、該当する酸化剤および熱交換器流体供給および優勢な空気係数を決定してもよい。
【００３０】
これに対し、例えば改質装置１０がバーナーの形態で動作されるべき場合に熱交換器１２は、当然ながら、触媒手段１２を加熱する働きもし得る。
【００３１】
上記の説明、図面および特許請求の範囲において開示された本発明の特徴は、本発明を個々に、および任意に組み合わせて実現するのに重要なものであり得る。
【符号の説明】
【００３２】
１０  改質装置
１２  触媒手段
１４  熱交換器
１６  供給手段
１８  排出手段
２０  燃料供給手段
２２  酸化剤供給手段
２４  混合気形成室
２６  室
２８  連結部
３０  改質油
３２  燃料
３４  酸化剤
３６  触媒入口
３８  触媒出口
【図１】
2010523464.tif 000003
【国際調査報告】
2010523464.tif 000004
2010523464.tif 000005
2010523464.tif 000006
2010523464.tif 000007
2010523464.tif 000008
2010523464.tif 000009