(57)【要約】近周囲圧力において作動される自熱式改質器燃料気体システムにおける、自熱式改質器とシフト変成装置の間の予冷器。予冷器は、噴霧水入口と、改質気体のための入口と、予冷器内で水の蒸発のために利用できる表面積を増加し、それによって高温改質気体を効果的に冷却するための高表面積材料の充填物とを含む。【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素燃料を水素および一酸化炭素を含有する高温気体に変換するための装置と、
変換装置の下流にあり、改質気体を主に水素および二酸化炭素に変換するためのシフト変成装置と、
シフト変成装置の下流にあり、シフト変成装置からの水素を反応させるための燃料電池と、
シフト変成装置の上流かつすぐ近くにあり、垂直下向き位置に配置され、改質気体をシフト変成装置内への導入前に所望の温度に冷却するためのシフト変成装置予冷器と、
を備える燃料電池システムであって、
前記予冷器は、改質気体入口および改質気体出口を有する室を画成するハウジングと、室内に配置された高表面積材料と、この高表面積材料へ冷却水を導くための水入口とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記材料は、スチールウール、セラミックペレット、網状セラミックフォーム、網状金属フォーム、およびハニカムモノリスから成る群より選択されることを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項３】
定格出力を有するとともに近周囲圧力において作動する炭化水素を燃料とする改質気体燃料電池システムにおいて、改質気体をシフト変成装置に供給する前に燃料処理装置からの改質気体を冷却する方法であって、
高温気体入口と、冷却気体出口と、水入口とを有する冷却領域を設け、
８００から１２００°Ｆの間の温度における改質気体を高温気体入口に供給し、
冷却領域に高表面積材料を充填し、
液滴として水を噴霧しかつこの液滴を高表面積材料および改質気体と接触させ、それによって、改質気体を冷却するとともに水を蒸発させ、
改質気体が４００から５００°Ｆの間の温度であり、気体の流れに実質的に水滴がない、冷却改質気体を冷却領域から除去する、
ことを含むことを特徴とする方法。
【請求項４】
前記燃料処理装置は、自熱式改質器、熱水蒸気改質器、および部分酸化装置から成る群より選択されることを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
【請求項５】
定格出力における改質気体入口から改質気体出口への圧力降下が、水柱１０インチより小さいことを特徴とする請求項３記載の方法。
【請求項６】
表面積は、４００から６００ｆｔ2／ｆｔ3の間であることを特徴とする請求項３記載の方法。
【請求項７】
前記材料は、スチールウール、セラミックペレット、金属ペレット、網状セラミックフォーム、網状金属フォーム、およびハニカムモノリスから成る群より選択されることを特徴とする請求項３記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関し、より詳細には、発電のための改質燃料燃料電池システムに関する。改質燃料燃料電池システムは、当業技術内で一般に知られている３種類の燃料処理装置、すなわち触媒水蒸気改質器、自熱式改質器、および触媒部分酸化器のうちの１つを通常使用する。
【背景技術】
【０００２】
発電のための燃料電池電力設備は、当業技術内でよく知られている。米国特許第３，９７６，５０７号には、周囲圧力より高い圧力で作動する加圧された燃料電池電力設備が開示されている。米国特許第３，９７６，５０７号に開示されている電力設備は、発電のためには効果的かつ有用であるとはいえ、設備が加圧下で作動するという事実によって、この電力設備は、乗物用での改質燃料燃料電池システムとしては、それほど有用ではなくなる。低圧改質燃料燃料電池システムでは、システムの作動中に経験される圧力降下とシステムの大きさは、乗物用に使用できる効果的、小型のシステムを製造する際の重要な要因である。
【０００３】
システム内で使用するのに適した小型の大きさを維持しながら周囲圧力で効果的に作動できる改質燃料燃料電池システムを製造するのは当然非常に望ましいであろう。上述したものを達成するためには、改質燃料燃料電池システム内の各構成要素は、システム内で生じ得るであろう許容できる圧力降下と、そのようなシステムを実用化するのに必要とされる大きさの制限上の制約とを考慮するような仕方で設計する必要がある。従って、システム構成要素のどれかによって達成できる圧力降下と大きさのどのような節約も、非常に望ましい。従って、本発明の主な目的は、改質燃料燃料電池システム内で有用な小型の予冷器を提供することである。
【０００４】
本発明の特定の目的は、最小限の圧力降下を確実にしながら燃料処理装置出口気体の流れの温度を低減するのに効果的な小型の予冷器を提供することである。
【０００５】
本発明のなおさらなる目的は、改質器出口気体の流れを所望の温度に効果的に冷却するとともに予冷器内で使用される全ての水を蒸発させるのに十分な滞留時間を与える小型の予冷器を燃料処理装置とシフト変成装置の間に提供することである。
【０００６】
本発明のまたさらなる目的は、圧力降下を制限しながら効果的な仕方で燃料処理装置出口気体の流れを冷却する方法を提供することである。
【０００７】
本発明のさらなる目的および利点は、以下に明らかになるであろう。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した目的および利点は、近周囲圧力（ｎｅａｒ  ａｍｂｉｅｎｔ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ）で作動する改質燃料燃料気体システム内において、燃料処理装置とシフト変成装置の間に予冷器を提供することにより本発明によって達成される。予冷器は、霧状化水入口と、改質気体のための入口と、予冷器内の水のために蒸発表面を増加して、より小型のユニット内で高温改質気体を効果的に冷却するための高表面積材料の充填物（ｐａｃｋｉｎｇ）とを含む。
【０００９】
本発明は、さらに、冷却改質気体が、気体の流れに実質的に水滴のない所望の温度に確実になるように、近周囲圧力で作動する燃料処理装置からの改質出口気体を冷却する方法へと向けられる。予冷器内の全ての水を蒸発させることにより、予冷器の入口から予冷器の出口への最小限の圧力降下を確実にする。
【００１０】
本発明のさらなる特徴および利点は、添付の図面に例示される本発明の好ましい実施態様の以下の詳細な説明に照らして、より十分に明らかとなるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の方法および装置は、図１および図２を参照して以下に説明する。
【００１２】
図１は、本発明の方法を実行するために本発明の予冷器を使用できる自熱式改質器燃料電池システムの概略図である。理解されるように、予冷器は、天然ガス、ガソリン、ディーゼル燃料、ナフサ、燃料油、および同様の炭化水素などの燃料を使用する燃料処理装置を有するどのような燃料電池システムにも使用され得る。本発明は、ガソリンを燃料とする自熱式改質器燃料電池システムへの使用に関して説明する。
【００１３】
図１をさらに参照すると、燃料電池システム１０が、自熱式改質器１２を含み、自熱式改質器１２は、ライン１４を通してガソリン、水蒸気、および空気から成る気体混合物を受け取り、この気体混合物は、改質器１２内で、主に窒素、水素、二酸化炭素、水蒸気、および一酸化炭素から成る改質気体に改質される。改質気体は、ライン１６を通して改質器から排出され、予冷器１８に流入し、そこで、改質気体は、以下に説明する仕方で本発明に従って処理される。改質器１２から排出される高温の改質気体は、予冷器１８に流入するとき、約８００から１２００°Ｆの間の温度である。予冷器は、シフト変成装置２２内に導入する前に予冷器の出口ライン２０において５００°Ｆと同じかそれより低い温度に気体の流れの温度を低下させるように機能する。シフト変成装置２２は、窒素、二酸化炭素、水蒸気、一酸化炭素、および水素を含有する冷却された改質気体を受け取り、触媒の存在下で改質気体を処理して、改質気体内の一酸化炭素の大部分を変換し、それによって、シフト変成装置から排出される気体は、主に、窒素、二酸化炭素、および水素から成る気体混合物となる。排出ライン２４は、気体混合物を選択的酸化器ユニット２６に供給し、そこで、どのような残りの一酸化炭素も、さらに低減され、気体は、ライン２８により燃料電池３０に供給される。
【００１４】
本発明における予冷器を用いるガソリンを燃料とする自熱式改質器燃料電池システムは、近周囲圧力において作動するように設計されており、予冷器は、垂直下向きの配置で通常取り付けられる。従って、システム圧力降下は、非常に正確な仕方で制限されかつ制御される必要がある。燃料電池の定格出力における入口から出口へ予冷器を横断する圧力降下は、水柱１０インチより小さくなる必要がある。さらに、予冷器の大きさは、空間容量が限られている移動式の燃料電池システム内に使用するために小型である必要がある。最後に、本発明の予冷器は、小型でありかつその入口から出口への圧力降下を最小限に抑えながら、システムがシフト変成装置内で使用される触媒に損傷を与えることなく効果的に作動するように、高温の改質気体の温度を所望のシフト変成装置入口温度に低下させる必要もある。予冷器は、乗物用の燃料電池電力設備用のために考えられたとはいえ、他の据え付け型燃料電池電力設備への用途も構想されている。
【００１５】
図２は、大きさ、圧力降下、および温度低下に関して上述した全ての仕様を満たす本発明に従う予冷器の構成を例示する。図２は、予冷器の断面図である。予冷器４０は、室４４を画成するハウジング４２を備える。ハウジング４２は、室４４への改質気体入口４６と、シフト変成装置へ冷却された改質気体を排出するための冷却改質気体出口４８とを有する。ハウジング４２内の室４４内に、高表面積粒状材料５０が配置される。
【００１６】
ノズル６０が、室４４内の高温の改質気体を冷却するためにライン５２を介して室４４内に導入される水を霧状にする。ノズル６０は、当業技術内で知られるどのようなノズルの形態を取ることもでき、約２７  ｌｂｓ．／ｈｒ．の水である定格の流量条件で約１００ミクロンより小さな水滴を提供するように設計する必要がある。上述したように、室４４には、予冷器４０内で水滴の蒸発を完了させる高表面積材料を充填でき、それによって、出口４８を通って排出される冷却改質気体内に水滴が確実に存在しなくなる。さらに、室４４内にぎっしり詰まった材料は、出口４８を通って排出される前に改質気体の流れを冷却するのも助ける。室４４内に使用される適切な材料としては、スチールウール、セラミックペレット、金属ペレット、網状セラミックフォーム、網状金属フォーム、およびハニカムモノリスなどが挙げられる。
【００１７】
必要とされる冷却改質気体の流れを得るのに加えて、予冷器４０内の水の蒸発を確実に実質的に完了させ、それによって、入口４６から出口４８への圧力降下を水柱１０インチを超えないように制限するのが好ましい。水の完全な蒸発は、室４４内に高表面積材料を備えることにより本発明の予冷器内で確実になる。高表面積材料によって、水滴は、出口４８を通って流れる前に内部で確実に蒸発することになる。
【００１８】
上述したように、本発明の方法は、約８００から１２００°Ｆの間の入口温度から好ましくは４００から５００°Ｆの間の出口温度へと予冷器内の高温改質気体を冷却する必要がある。さらに、改質気体の冷却を助けるのに使用されるどのような水も、排出される前に冷却領域内で完全に蒸発する必要がある。定格出力条件で上述したことを確実にするために、特定のパラメータが維持される必要がある。改質気体の質量流量は、約２９０から３５０  ｌｂｓ．／ｈｒ．の間とする必要があり、水の質量流量は、２５から３５  ｌｂｓ／ｈｒ．の間とする必要がある。入口水温度は、望ましくは、１００から１５０°Ｆの間である。さらに、室内の材料５０の表面積は、約４００から６００ｆｔ2／ｆｔ3の間とする必要がある。また、上述したように、定格出力での改質気体入口から改質気体出口への圧力降下は、水柱１０インチより小さい。組立体は、定格出力から、低くは定格出力の約１０％の流量までの流量条件で作動できる。低い流量条件では、増加した滞留時間によって、注入された水の完全な蒸発が可能となる。
【００１９】
理解されるように、本発明は、ここに説明しかつ示した実例に限定されるものではなく、この実例は、本発明を実施する最良の態様の単なる例示として見なす必要があり、また、部品の形態、大きさ、配置、および作動の詳細の変更が可能である。むしろ、本発明は、請求項に規定される本発明の精神および範囲内での全てのそのような変更を包含するように意図される。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の予冷器を使用する自熱式改質器燃料電池システムの概略図。
【図２】本発明に従う予冷器の断面図。
【図１】
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【図２】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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