(57)【要約】本発明は、特に燃料電池で電力を発生する始動過程中に水素含有ガスを用意するための改質設備の運転方法に関する。本発明に基づき、供給流（２）を第１改質装置（１）に導入し、該改質装置から排出流（３）を排出し、この排出流から少なくとも１つの部分排出流（４）を分岐し、部分供給流（５）として再び供給流に導入し、これにより少なくとも部分的に循環流（２、３、４、５）を形成する。部分排出流（４）の組成は、第１改質装置からの排出時の、排出流の組成に合致する。本発明は、この方法を実施するための改質設備にも関する。本発明は、水素発生時の効率が高く、且つ改質設備の運転開始迄の時間が特に短いという利点を有する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
特に燃料電池（８）で電力を発生する始動過程中に水素含有ガスを供給する改質設備の運転方法において、供給流（２）を第１改質装置（１）に導入し、該第１改質装置（１）から排出流（３）を排出し、該排出流（３）から少なくとも１つの部分排出流（４）を分岐し、部分供給流（５）として再び供給流（２）に導入し、もって少なくとも部分的に循環流（２、３、４、５）を形成し、部分排出流（４）の組成を、第１改質装置（１）からの排出時の排出流（３）の組成に合致させることを特徴とする方法。
【請求項２】
循環流（２、３、４、５）を加熱することを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
循環流（２、３、４、５）をポンプ（６）により搬送することを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
【請求項４】
循環流（２、３、４、５）を第２改質装置（７）を経て流すことにより加熱することを特徴とする請求項１から３の１つに記載の方法。
【請求項５】
循環流（２、３、４、５）を炭化水素の部分酸化により加熱することを特徴とする請求項１から４の１つに記載の方法。
【請求項６】
循環流（２、３、４、５）を電熱により加熱することを特徴とする請求項１から５の１つに記載の方法。
【請求項７】
循環流（２、３、４、５）を少なくとも部分的に燃料電池（８）を経て流すことを特徴とする請求項１から６の１つに記載の方法。
【請求項８】
循環流（２、３、４、５）が、供給流（２）に導入する入口流（９）より多いことを特徴とする請求項１から７の１つに記載の方法。
【請求項９】
循環流（２、３、４、５）が入口流（９）の少なくとも１０倍の量を有することを特徴とする請求項９記載の方法。
【請求項１０】
改質設備を遠隔制御（１０）で運転することを特徴とする請求項１から９の１つに記載の方法。
【請求項１１】
改質設備を第１センサ（１１）の信号で運転することを特徴とする請求項１から１０の１つに記載の方法。
【請求項１２】
第１又は第２改質装置（１、７）の作動温度を２０秒内、好適には１０秒内、特に５秒内に得ることを特徴とする請求項１から１１の１つに記載の方法。
【請求項１３】
第１センサ（１１）により特性量を決定し、該量で供給量（２）、排出量（３）、部分排出量（４）および部分供給流（５）の少なくとも１つの大きさを調整することを特徴とする請求項１から１２の１つに記載の方法。
【請求項１４】
特性量が循環流（２、３、４、５）における物質濃度、特に水素濃度に比例することを特徴とする請求項１から１３の１つに記載の方法。
【請求項１５】
特性量が循環流（２、３、４、５）における物理量、特に温度に比例することを特徴とする請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
循環流（２、３、４、５）を、その温度が所定温度、特に１００℃より低いときに加熱することを特徴とする請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
特に燃料電池（８）で電力を発生する始動過程中に水素含有ガスを供給する改質設備において、少なくとも１つの第１改質装置（１）と、供給管（１８）と、排出管（１９）と、排出管（１９）を供給管（１８）に接続する配管（１５）とを備え、第１改質装置（１）から排出される排出流（３）の部分排出流（４）が、配管（１５）を経て供給管（１８）に導かれて少なくとも部分的に循環流（２、３、４、５）を形成し、部分排出流（４）の組成が、第１改質装置（１）からの排出時、排出流（２）の組成に合致することを特徴とする設備。
【請求項１８】
配管（１５）に配置された加熱装置（１２）を備えることを特徴とする請求項１７記載の設備。
【請求項１９】
加熱装置（１２）が第２改質装置であることを特徴とする請求項１８記載の設備。
【請求項２０】
電熱装置（１２）を備えることを特徴とする請求項１８記載の設備。
【請求項２１】
配管（１５）に配置されたポンプ（６）を備えることを特徴とする請求項１７から２０の１つに記載の設備。
【請求項２２】
改質設備を遠隔制御で運転開始するための遠隔制御装置（１０）を備えることを特徴とする請求項１７から２１の１つに記載の設備。
【請求項２３】
循環流（２、３、４、５）を調整するための第１センサ（１１）を備えることを特徴とする請求項１７から２２の１つに記載の設備。
【請求項２４】
第１センサ（１１）が温度センサであることを特徴とする請求項２３記載の設備。
【請求項２５】
第１センサ（１１）が物質、特に水素の濃度センサであることを特徴とする請求項２３記載の設備。
【請求項２６】
燃料電池で運行する車両の運転者が車両に乗車する前に、改質装置を始動させる第２センサ（１３）を備えることを特徴とする請求項１７から２４の１つに記載の設備。
【請求項２７】
循環流（２、３、４、５）が流れる空間の体積が、改質設備の運転開始時間と水素富化ガスの時間的な平均体積流量との積に匹敵することを特徴とする請求項１７から２６の１つに記載の設備。
【請求項２８】
方向切換弁（１４）が、供給管（１８）、排出管（１９）および配管（１５）の少なくとも１つに配置されたことを特徴とする請求項１７から２７の１つに記載の設備。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、特に燃料電池で電力を発生する始動過程中に水素含有ガスを用意するための改質設備とその運転方法に関する。
【０００２】
エネルギ問題の討議の流れの中で、燃料電池の利用がますます考慮され、燃料電池に必要な水素を現場で炭化水素から製造する改質器が開発されている。利用する炭化水素に応じ、改質器内で種々の化学反応が進行する。
【０００３】
ある応用分野では、燃料電池に負荷が急速に変化するかなり大きな負荷変化が生ずる。この場合、改質器は急速に十分な量の水素を発生する働きをしなければならない。この問題は、特に自動車分野の用途で始動過程中に、改質器が水素を発生する触媒反応に必要な温度に早く達せねばならないときに生ずる。
【０００４】
米国特許第５４３３０７２号明細書で、内燃機関の排気ガス内の有害物質を減少する触媒が知られている。該触媒はセンサの制御下に電気的に予熱され、この結果その触媒は、運転者が車両に乗車する際に、既に触媒反応にとって必要な温度に達しており、追加的な待ち時間は生じない。
【０００５】
本発明の課題は、特に燃料電池で電力を発生する始動過程中に水素含有ガスを用意する改質設備の運転方法とこれを実施する改質設備を提供することにある。
【０００６】
本発明の課題は、請求項１に記載の改質設備の運転方法および請求項１７に記載の改質設備により解決される。
【０００７】
特に燃料電池で電力を発生する始動過程中に水素含有ガスを用意する本発明に基づく改質設備の運転方法において、供給流を第１改質装置に導入し、該装置から排出流を排出し、この排出流から少なくとも１つの部分排出流を分岐し、部分供給流として再び供給流に導入し、これにより少なくとも部分的に循環流を形成する。供給流は主に２つの部分流、即ち部分供給流と、反応に必要な炭化水素を含む入口流とから成る。排出流は第１改質装置から排出されたガス流であり、未転換抽出物と第１改質装置の生成物を含む。供給流、排出流、部分排出流および部分供給流は少なくとも部分的に循環流を形成する。この場合、部分排出流の組成は、第１改質装置からの排出時の、排出流の組成に相当する。この関係で部分的に、排出流の一部しか戻されないと言える。循環流は２つの利点を持つ。まず第１に、循環流の運動により触媒層におけるガス境界層厚が減少して効率的な触媒作用が生ずるので、第１改質装置を効果的に利用できる。また第２に、かくして、特に燃料電池で電力を発生する始動過程中に、多量の水素を用意できる。部分排出流の組成は、第１改質装置からの排出時の、排出流の組成に相当する。この結果、例えばガス浄化に関し大きな柔軟性が得られる。即ち、必要に応じ部分排出流か、排出流から部分排出流の分岐後に残る残留排出流だけを浄化するか、それらの両方を浄化することができる。
【０００８】
本発明の一実施態様では循環流を加熱する。炭化水素の触媒転換の形式に応じて反応は発熱又は吸熱下に進む。吸熱反応なら、燃料や触媒を触媒の作動温度に加熱し、維持せねばならない。発熱反応なら、反応開始後の加熱は要らない。
【０００９】
本発明のある実施態様では、循環流をポンプにより搬送する。ガス流の運動により、触媒における流れ境界層が減少し、この結果改質装置の高い効率が得られる。従って、水素発生量が同じなら、改質装置は小形化でき、この結果、コスト上の利点が生ずる。上記ポンプは例えば圧縮機と同義語でもある。改質設備を加圧下で運転するとき、場合により生ずる圧力損失を補償するため、ポンプにより部分流を圧縮すると有利である。この場合、圧縮機の動力が小さくて済むよう、部分流の体積流を入口流の体積流より少なくすると有利である。
【００１０】
本発明の他の実施態様では、循環流は第２改質装置を経て流れ、該装置で加熱される。第１、第２改質装置の組合せで、一方の改質装置で発生した熱を、他方の装置の運転に利用できる。一方の改質装置での発熱反応と他方の改質装置での吸熱反応との組合せで、全体として改質設備の効率を大きく向上できる。この場合、循環流に熱を加え又はこれから排出する必要がない。
【００１１】
本発明の有利な実施態様では、循環流を電気的に加熱する。電力を発生する始動過程中に、電気的な加熱は、特に単純な手段で行える。この結果、触媒の所要の作動温度が一気に、即ち数秒内に得られる。本発明の他の実施態様では、循環流を炭化水素の部分酸化により加熱する。
【００１２】
本発明の他の実施態様では、循環流は少なくとも部分的に燃料電池を経て流れる。この結果、一方では燃料電池で発生した熱を改質装置の加熱に利用し、他方では改質装置で発生した水素を直ちに燃料電池で利用できる。更に、ガスの流れとこれに伴う境界層厚の減少とにより、燃料電池の効率が高まり、この結果燃料電池を小形・安価にできる。
【００１３】
本発明に基づく方法の有利な実施態様では、循環流は、供給流に導入される入口流より非常に多い。このため、ガス分子が改質装置を平均的に数回通過し、かくして触媒転換の確率が増大する。本発明の方法の特別な実施態様では、循環流は入口流の少なくとも１０倍の量を有する。
【００１４】
本発明の方法の有利な実施態様では、改質設備を遠隔制御で運転する。これにより、例えば自動車に改質設備を利用する際、運転者は、車両に乗車する前に既に改質設備を始動させ、自動車の早い運転開始を可能にできる。
【００１５】
本発明の有利な実施態様では、改質設備を第１センサの信号で動作させる。このため改質設備を早急に必要な温度に到達させられる。これは、特に例えば自動車の始動時等、燃料電池の運転始動過程を、できるだけ早く行わねばならない際に重要である。
【００１６】
本発明の他の実施態様では、第１又は第２改質装置の作動温度は２０秒、好適には１０秒、特に５秒内に得られる。自動車での改質装置付き燃料電池の採用可能性は、必要な電力が得られる迄の時間に大きく左右される。本発明に基づく循環流により、是認できる始動時間が得られる。
【００１７】
本発明の他の実施態様では、第１センサにより特性量を決定し、この特性量により、供給量、排出量、部分排出量および部分供給流の少なくとも１つの大きさを調整する。例えば水素が消費されないとき、入口流又は出口流を止める。循環流は最大水素濃度が得られる迄維持し、続いて減少させる。循環流の大きさはまた、他の物質濃度或いは温度又は圧力に関係して調整できる。
【００１８】
本発明による方法の他の実施態様では、特性量を循環流内の物質濃度、特に水素濃度に比例させる。これは、循環流を水素濃度に応じて調整することを可能にする。かくして、水素濃度の変化に対し循環流を非常に早く適合させられる。
【００１９】
本発明による方法の他の実施態様では、特性量は循環流における物理量、特に温度に比例している。
【００２０】
本発明に基づく方法の他の実施態様では、循環流の温度が所定温度、特に１００℃より低い際、循環流を加熱する。かくして、特に改質設備の始動過程で改質装置を素早く運転温度にし、排出流又は循環流内の水素濃度を、早く燃料電池の運転に必要な濃度にする。その温度の設定は、利用する改質装置に応じ行う。
【００２１】
特に燃料電池で電力を発生する始動過程中に水素富化ガスを用意する本発明に基づく改質設備は、供給管と排出管とを有する少なくとも１つの改質装置を備える。排出管と供給管を配管を経て互いに接続する。排出流の部分排出流を、配管を経て供給管に戻し、これにより、少なくとも部分的に循環流を形成する。改質装置において、炭化水素の触媒転換が、水素を発生しつつ進行する。部分排出流の組成は、第１改質装置からの排出時の、排出流の組成に相当している。
【００２２】
本発明の他の実施態様では、改質設備は循環流を加熱するための加熱装置を有する。特に改質設備の始動過程中、この加熱装置で、循環流を利用して改質装置を素早く運転温度に加熱し、かくして、排出流内の水素濃度を、是認できる時間内に十分高濃度にできる。この結果、排出流又は循環流で運転する燃料電池の迅速な運転開始が可能となる。
【００２３】
本発明の特別な実施態様では、改質設備は加熱装置として第２改質装置を備える。２つの改質装置の組合せで、例えば部分酸化に伴い発熱下に作動する改質装置を、例えば水蒸気改質に伴い吸熱下に作動する改質装置の加熱に利用できる。
【００２４】
本発明の他の実施態様では、改質設備は循環流加熱用の電熱装置を備える。
【００２５】
本発明の有利な実施態様では、改質設備はポンプを備える。ここでポンプは例えば圧縮機を同義語である。改質装置を加圧下で運転する際、場合により発生する圧力損失を補償すべく、ポンプで部分流を圧縮するとよい。循環流の体積流が入口流の体積流より少ないとき、圧縮機の仕事を減少できる利点がある。
【００２６】
本発明に基づく改質設備の有利な実施態様では、改質設備は、これを遠隔制御で運転開始する遠隔制御装置を備える。これを用い、改質設備を、例えば燃料電池で駆動する車両の運転者が車両に乗車する前に、既に改質装置の必要な温度が得られる迄運転する。この結果、追加的な待ち時間が不要になる。
【００２７】
本発明の他の実施態様では、改質設備は循環流調整用の第１センサを備える。特別な実施態様では、第１センサは温度センサである。これで、循環流および／又は第１改質装置の温度を測定する。本発明に基づく改質設備の他の有利な実施態様では、第１センサは物質、特に水素の濃度センサである。第１センサからのデータに基づき、炭化水素の添加量および／又は供給流、排出流、循環流、入口流、出口流、部分排出流、部分供給流の少なくとも１つの流量を調整する。
【００２８】
本発明の他の有利な実施態様では、改質設備に改質設備を早期に運転開始するための第２センサを設ける。該センサは、人の接近を、例えば光学的手段や機械式スイッチで検出し、かくして、運転者が接近した場合、運転者が車両に乗車する前に既に、改質設備を始動し、改質装置に必要な温度を得る。これにより、追加的な待ち時間が不要になる。
【００２９】
本発明に基づく改質設備の他の有利な実施態様で、循環流が流れる空間の体積は、改質設備の運転開始時間と水素富化ガスの正常状態において必要な時間的な平均体積流量との積に匹敵する。ここで改質設備の運転開始時間とは、スイッチを入れてから、改質設備が転換を始める迄に必要な時間である。この時間は、標準的に、炭化水素の触媒転換に必要な温度が得られる迄の時間で定まる。水素富化ガス流の時間的な平均流量は、水素の単位時間毎の平均消費量に相当する。これにより、燃料電池で電力を発生する始動過程で、水素の供給不足による電力低下が生じないよう保障する。
【００３０】
燃料電池の様式に応じ、特に改質設備の始動過程中に燃料電池を不純物による有害な作用から保護する補助的なガス浄化装置を、循環回路に一体に組み込むことが目的に適う。
【００３１】
本発明による改質設備の他の有利な実施態様では、方向切換弁を、供給管、排出管および／又は配管に配置する。これにより、各配管での体積流を単純な構造で調整できる。
【００３２】
以下図を参照して、本発明の方法と装置の利点と特徴を説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００３３】
図１は、配管１５を経て互いに接続された改質装置１と、加熱装置１２と、ポンプ６とを備えた本発明による改質設備を示す。炭化水素含有入口流９が入口管１８を経て系統に導入される。方向切換弁１４で入口流９に、配管１５を経て部分供給流５が導入され、この結果、入口流９と部分供給流５とで供給流２が形成される。該供給流２は改質装置１で触媒転換される。改質装置１から排出管１９を経て流出する排出流３は、排出管１９上の方向切換弁１４で分割される。排出流３の少なくとも１つの部分排出流４は配管１５に導かれる。供給流２、排出流３、部分排出流４および部分供給流５は循環流を形成する。
【００３４】
第１センサ１１は、配管１５内で、部分排出流４又は部分供給流５内の水素濃度を測定する。ポンプ６は遠隔制御装置１０で操作する。該ポンプ６は例えば圧縮機でもよい。加熱装置１２は部分排出流４を加熱する。加熱装置１２は電気的に作動するが、熱交換器として形成してもよい。また加熱装置１２として、発熱下に作動する第２改質装置を利用できる。部分排出流４と部分供給流５の組成は同じである。
【００３５】
図２は、図１の加熱装置１２を、第２改質装置７と燃料電池８で置換した改質設備を示す。第２改質装置７は、部分酸化とそれに伴う発熱反応により、循環流を加熱しおよび／又はＣＯ含有量を低減する機能を果たす。配管１５に燃料電池８を一体に組み入れることで、燃料電池８に水素を直接供給できる。大きな負荷変動下での長時間の運転に対し、燃料電池８の熱を循環流内で、そしてこれに伴い改質装置で用いる。この際前記熱は、炭化水素を転換するための吸熱反応、例えば水蒸気改質に利用する。燃料電池８が短時間水素を使用しないとき、燃料電池８の熱を、大きな電力が必要となる次の負荷のためにまず蓄え、そして利用する。第２センサ１３を車両の座席に圧力センサとして設け、運転者が着席した際に作動させ、信号を発してポンプ６を始動する。これに伴い、改質設備が始動する迄乗員が待たねばならない時間を短縮できる。
【００３６】
図３は、図１と異なる改質設備を示す。ここでは、燃料電池８を配管１５にではなく、排出管１９に組み入れている。燃料電池８の排気流１７を、まず部分的に配管２０を経て部分排出流４に導入する。これにより、特に始動過程中に、水素の著しく高い利用効率が得られる。
【００３７】
本発明は、特に循環流の形成で、触媒反応の利用し水素含有ガスを発生する際に、特に高い効率を得、且つ改質設備を運転開始する迄の時間を大幅に短縮できる利点を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】
循環流を加熱するための加熱装置を備えた改質設備の概略構成図。
【図２】
第２改質装置と燃料電池とを備えた改質設備の概略構成図。
【図３】
加熱装置と燃料電池とを備えた改質設備の概略構成図。
【符号の説明】
１、７  改質装置、２  供給流、３  排出流、４  部分排出流、５  部分供給流、６  ポンプ、８  燃料電池、９  入口流、１０  遠隔制御装置、１１、１３  センサ、１２  加熱装置、１４  方向切換弁、１５、２０  配管、１６  出口流、１７  排気流、１８  供給管、１９  排出管
【国際公開パンフレット】
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2004517458.tif 000021
【国際調査報告】
2004517458.tif 000022
2004517458.tif 000023
2004517458.tif 000024
2004517458.tif 000025
2004517458.tif 000026
2004517458.tif 000027