(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素燃料及び通電加熱可能なモノリシック触媒構造体を用いてガスタービンエンジンを始動させるための方法であって、
前記触媒構造体により燃焼ガスを生成し、ガスタービンエンジンに供給するため、少なくともその最初の部分が電気加熱され、下記ステップを含む方法。
ａ．前記触媒構造体の電気加熱部分に電力を与え、定常状態で炭化水素燃料を燃焼させたときの定常温度に対して１００℃以内にまで該触媒構造体を予熱するステップ。
ｂ．定常状態で完全な燃焼を起こすような炭化水素燃料及び酸素含有ガスの混合体と、前記ａステップで予熱された触媒構造体とを接触させるステップ。
ｃ．下記ｉ〜ｉｖのいずれかの場合に、電力をオフにするステップ。
ｉ．炭化水素燃料と酸素との反応による反応熱が触媒を定常状態に維持するのに十分であるとき。
ｉｉ．燃焼器出口における炭化水素燃料／酸素含有混合体が、所定の温度限界に達するとき。
ｉｉｉ．該接触ステップが開始されてから所定の期間が経過したとき。
ｉｖ．該触媒の出口における部分的に燃焼された該炭化水素燃料酸素含有混合体が所定の温度に達するとき。
【請求項２】
触媒構造体の温度を監視し、定常温度に対する温度の変動に応答して、触媒構造体を加熱するための電力を変調させる請求項１に記載のガスタービンエンジンの始動方法。
【請求項３】
定常温度に対して上下１００℃未満の温度変動が生じたときに、電力を変調させる請求項２に記載のガスタービンエンジンの始動方法。
【請求項４】
触媒構造体が定常状態に達した後の５〜３０秒間に、電力を変調させる請求項１記載のガスタービンエンジンの始動方法。
【請求項５】
触媒構造体出口における混合体の温度が、定常状態の触媒構造体の出口温度より２５〜１００℃以下となったときに電力をオフにする請求項１記載のガスタービンエンジンの始動方法。
【請求項６】
触媒構造体の定常動作温度が、８００℃〜１０００℃の範囲にある請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載のガスタービンエンジンの始動方法。
【請求項７】
モノリシック触媒構造体は、耐熱性の薄い金属フォイルから成り、
前記金属フォイルの少なくとも１つは波形状であり、
前記金属フォイルを共に積み重ねることで、炭化水素燃料及び酸素含有ガス混合体が通過する複数の長軸方向のチャネルが隣接するように形成されており、
前記チャネルの少なくとも一部が触媒でコーティングされ、残りのチャネルは触媒でコーティングされておらず、
前記金属フォイルの少なくとも一部は、電気絶縁性コーティングでコーティングされ、
前記金属フォイルは、電極と接続され、及び、互いに接続されることによって電気回路を形成し、電力を付与することで電流が流れ加熱されるようになっている、
請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載のガスタービンエンジンの始動方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（発明の背景）
本発明は、概して、電気加熱触媒構造体およびガスタービンエンジンを始動させるための方法に関する。触媒燃焼システムが、炭化水素燃料を燃焼するタービンまたはエンジンのために既に提案されている。この触媒燃焼システムは、燃焼されない炭化水素、および一酸化炭素および亜酸化窒素（ＮＯｘ）等の他の望ましくない燃焼副生物の量を減らすために使用される。典型的には、触媒燃焼システムは、定常動作状態が一旦達成されると、これらの望ましくない排気の量の低減にかなり有効である。しかし、タービンまたはエンジンの初期の始動期間中には、排気量は、望ましい限界を越え得る。
【０００２】
望ましくない排気量は、通常、始動状態の間、より多くなる。なぜなら、触媒が、最も効果的な温度ではないからである。より少ない排気を達成するために用いられてきた方法の１つは、炭化水素燃料と共に触媒燃焼システムに供給される空気を前もって加熱することによって、触媒をより速く望ましい動作温度に上げることである。より少ない排気をより速く達成するための別の方法は、触媒を予熱することである。
【０００３】
典型的には、触媒構造体は、触媒反応性（ｃａｔａｌｙｔｉｃａｌｌｙ  ｒｅａｃｔｉｖｅ）物質でコーティングされ、燃料／空気ストリーム中に配置される金属またはセラミック基板である。触媒は、典型的には、第８属貴金属または白金属金属であり、触媒構造体上を通過する燃料／空気混合体と反応する。触媒に対する燃料／空気混合体の反応率は、温度に依存し、典型的には、低温では低いまたは存在せず、特定のより高い温度範囲において最も効率的且つ制御可能であり、ある公知の高温を越えると、触媒は、失活を受ける、および／または反応が制御不能になる。従って、触媒が設置されるシステムの動作温度に耐え、最も効率的な動作温度範囲に素早く上げられることが可能であるが、触媒の失活および／または暴走反応を防止するために、この望ましい動作温度範囲内に維持され得るように触媒構造体を設計することが重要である。
【０００４】
触媒が理想の動作温度範囲に達するまでは、燃料空気混合体中の燃料の燃焼は、不完全である可能性が高い。燃料／空気混合体の導入前、または燃料／空気混合体の導入と同時に触媒構造体を加熱することによって、触媒が、燃焼される燃料量の同時発生的な増加と共に、十分な動作温度範囲にまで上げられ得ることが既に示されている。このことは、次に、始動期間中の排気量の減少につながる。ガスタービンの始動中の排気を低減するために触媒構造体を電気加熱することは、当該分野において公知である。例えば、Ｐｆｅｆｆｅｒｌｅの米国特許第５、４４０、８７２号は、触媒燃焼システムを用いてガスタービンの始動時の排気を減少させるように設計された触媒を記載する。Ｐｆｅｆｆｅｒｌｅの’８７２号は、加熱が速く生じるように、非常に低質量の「ミクロリチウム触媒」を用いる。Ｐｆｅｆｆｅｒｌｅは、燃料を導入する前に触媒の温度を上げるための電気加熱の使用も提唱する。触媒が、燃料／空気混合体の断熱燃焼温度で動作するので、このシステムは、６００°Ｋから１２５０°Ｋ（３２７Ｃから９７７℃）の範囲の温度に限定される。これは、この技術を低いタービン入口温度のガスタービンに限定する低温である。本発明の技術は、低燃焼器出口温度に限定されず、最高で１５００Ｃの燃焼出口温度で実証されている。
【０００５】
電気加熱触媒のさらなる例は、Ｗｈｉｔｔｅｎｂｅｒｇｅｒの米国特許第５、０７０、６９４号に開示される。Ｗｈｉｔｔｅｎｂｅｒｇｅｒの’６９４号は、鑞付け材料と薄い金属ストリップとの交互のストリップ（これらは全て中央電極に融着される）から成る電気加熱触媒構造体を記載する。フォイルユニットは、触媒コーティングのスラリーを含有する槽中に浸すことによって触媒反応性にされ、次に、螺旋状に巻かれ、導電性外部ケーシング内に入れられる。次に、電流が、構造体を加熱するために外部ケーシングから中央電極に通される。この装置は、自動車の適用に用いるために設計され、１２から２４ボルトの範囲の電圧源と、約６５０Ｃの始動温度を用いる。Ｗｈｉｔｔｅｎｂｅｒｇｅｒの’６９４号の触媒構造体（全ての表面は、触媒反応性であり、互いに絶縁されていない）は、高電圧を用いた適用における使用を禁止している。なぜなら、この構造体において短絡および不均一な加熱が生じ得るからである。それとは対照的に、本発明の構造体は、導電部材間に絶縁性バリヤを設け、それによって、短絡がないことを保証する。さらに、本発明の構造体は、アーキングまたは過熱の損傷を受けることなく構造体が均一に加熱されている状態で、約１００ボルト以上の電圧で動作し得る。
【０００６】
上記の電気加熱触媒ユニット例では、電気の流路を完成させるために、中央に配置された電極を使用した。ガスタービン中で触媒構造体を用いる適用においては、電極等の触媒床の構造における不規則性は、流れの乱れ、または不規則な流れパターンを生じさせ、それによって、過熱点（ｈｏｔ  ｓｐｏｔ）または燃料／空気混合体の早期点火さえ引き起こされ、結果的に構造体を破壊し得る。中央電極を使用しない電気加熱触媒構造体が、Ｂｒｕｎｓｏｎらの米国特許第５、２３２、６７１号に記載される。Ｂｒｕｎｓｏｎの’６７１号は、絶縁性バリヤで分離された２つのグループの触媒反応性フォイルを有する螺旋状に巻かれた構造体を記載する。別個のグループ中の各フォイルは、電圧源の一方の極に接続され、全てのフォイルは、構造体の中央で互いに接続される。この接続方法は、各フォイルを他のフォイルに対して並列に配置し、それによって、フォイルの利用可能な抵抗を最小限に抑える。Ｂｒｕｎｓｏｎの’６７１号におけるフォイルはまた、ピンまたは他の種類の圧着装置によって構造体の中央において接続される。それとは対照的に、本発明の技術は、互いに直列に配置され、それによって利用可能な抵抗を最大限にするフォイルを有する。本発明のある実施形態は、電極またはピン等の中央支持部材を持たない構造体も提供する。
【０００７】
Ｄａｌｌａ  Ｂｅｔｔａらの米国特許第５、２５０、４８９号は、螺旋形状に形成され、完全熱交換（ｉｎｔｅｇｒａｌ  ｈｅａｔ  ｅｘｃｈａｇｅ）を有する触媒構造体を開示する。本発明とは対照的に、この開示は、電気加熱触媒（ＥＨＣ）ではなく、この開示は、ＥＨＣに必要とされる電気的配慮および断熱特性に関する要件を何ら教示または示唆していない。
【０００８】
（発明の要旨）
本発明は、電気加熱触媒（ＥＨＣ）と、この電気加熱触媒を用いた炭化水素燃料／酸素を含有するガス混合体を燃焼させるためのガスタービンエンジンの始動方法とに関する。より具体的には、本発明は、タービンまたは触媒構造体が用いられるあらゆる他のシステムの始動前に所定の温度にまで電気加熱され、それによって、システムの始動時の排気を減少させる触媒構造体である。本発明のある好適な実施形態では、電力は、燃料／酸素含有混合体が導入された後のある一定の期間維持され得る。
【０００９】
概して、本発明の電気加熱触媒構造体は、両方が波形の、または波形および平坦な少なくとも２つの耐熱の薄い金属フォイルストリップから成る。これらのフォイルは、取り付け点で互いに取り付けられ、２つのフォイルは、一方が他方の上に積み重ねられている。ある好適な実施形態では、２つのフォイルは、螺旋状構造体を形成するように取り付け点から開始して一緒に巻かれる。ある代替の実施形態では、少なくとも１組の積み重ねられたフォイル、またはより好適には、複数のフォイル組が、触媒構造体を構成する。どちらの実施形態においても、フォイルは、複数の隣接する長軸方向のチャネルが、触媒構造体を通して燃料／酸素含有ガス混合体を受取け渡しするために形成されるように、共に積み重ねられる。フォイルの少なくともある部分は、フォイル表面の少なくともある部分上に、電気絶縁性コーティングを有する。さらに、燃焼触媒は、長軸方向チャネルの少なくとも一部が触媒でコーティングされた表面の少なくとも一部を有するようにフォイルの一部の少なくとも一面上にコーティングされる。触媒を用いてチャネル表面の一部のみをコーティングすることによって、触媒反応の熱が、伝導および対流の両方によって、触媒反応を起こしているガスストリームおよび非反応ガスストリームの両方に伝達される完全熱交換が提供される。
【００１０】
触媒構造体は、２つの電極を触媒構造体に取り付け、これらの電極を電力源に接続させることによって電気加熱される。本発明のある好適な実施形態では、取り付け点で共に取り付けられていない構造体を構成する２つのフォイルの端部が、螺旋状構造体の周囲に配置され、電極は、フォイルに取り付けられ、電力源に接続されている。電力を加えるする際に、電流は、第１の電極から第２の電極へとフォイルのある部分を通って流れ、それによってフォイルを加熱する。ある代替の実施形態では、中央電極が、２つのフォイルの取り付け点で取り付けられ、１つ以上の電極が、触媒構造体の周囲でフォイルに取り付けられる。直列または並列の回路設計が、どちらの実施形態でも使用され得るが、直列回路設計が好ましい。
【００１１】
本発明の別の局面は、上記のような電気加熱触媒構造体を使用し、それによって、タービンに動力を供給するために使用される炭化水素燃料／酸素含有ガス混合体の燃焼に影響を与え、その結果、燃焼されない炭化水素および一酸化炭素の排気量が最小限に抑えられ、暴走触媒反応および触媒分解が回避される、ガスタービンエンジンを始動させる方法に関する。本発明のこの局面においては、電力が、まず電気加熱触媒構造体に与えられ、それによって燃料／酸素含有ガス混合体を燃焼させる際の約１００℃の触媒構造体の定常動作温度の範囲内に触媒を予熱し、この時点で、予熱された触媒構造体は、燃料／酸素含有ガス混合体と接触し、それによって燃焼反応が始まり、次に、触媒構造体を加熱する電力が、以下の状態のいずれかが満たされたときに止められる：
（ｉ）該触媒構造体上の燃料および酸素の反応によって放出される反応熱が、該触媒構造体を定常動作温度に維持するのに十分である、または
（ｉｉ）燃焼器の出口における燃料／酸素含有混合体が、所定の温度限界に達する、または
（ｉｉｉ）該接触ステップが開始されてから所定の期間が経過した、または
（ｉｖ）触媒出口における部分的に燃焼された燃料／酸素含有混合体が所定の温度に達する。
【００１２】
本発明の様々な目的および利点は、添付の図面に照らして読めば、以下の好適な実施形態の詳細な説明から当業者には明らかとなるであろう。
【００１３】
（好適な実施形態の詳細な説明）
ここで図面を参照すると、図１ａには、本発明による電気加熱触媒（ＥＨＣ）燃焼構造体またはユニット１０が示されている。図１ａからわかるように、本発明のＥＨＣユニット１０は、電気加熱される導電性の触媒支持体および燃焼触媒から成る概ね円柱状のモノリシック構造体である。ある実施形態では、この構造体は、燃焼ガス混合体が複数の長軸方向に延長するチャネルを通って流れるように、螺旋状に巻かれる、または螺旋状に組立てられる。電極は、触媒支持体に接続され、電圧が与えられ、それによって、触媒構造体の抵抗性（ジュール）加熱が生じる。触媒材料は、触媒でコーティングされた表面上で生成されている熱が、完全熱交換を介して、触媒支持体を通って隣接するチャネルを通って流れるガス混合体へと伝達されることを可能にする長軸方向に延長するチャネルの一部の上にのみ配置される。
【００１４】
概して、ＥＨＣ燃焼構造体の設計は、４つの主な基準を考慮する。すなわち、１）構造体の物理的な幾何学的形状および寸法；２）構造体の電気加熱される部分；３）構造体の触媒部分；および４）構造体の熱伝達部分である。これらの４つの基準の詳細を説明する前に、このような電気加熱触媒燃焼構造体が用いられるシステムを理解することが重要である。
【００１５】
ＥＨＣが内部で使用され得るシステムの種類の１つは、ガスタービンエンジンである。図２を参照すると、概して、コンプレッサ３２、触媒燃焼室３４、およびタービン３６から構成される燃焼ガスタービンが示されている。外気３１は、所定のより高い圧力およびより高い温度を有する圧縮空気を生成するコンプレッサ３２に供給される。圧縮空気は、ソレノイドまたは空気圧式アクチュエータ等の任意の適切なアクチュエータ４２によって作動させられるバイパスバルブ４１を通される。通常、バイパスバルブ４１は、所望の動作領域内にこの燃焼室内における動作状態を制御するために、触媒燃焼室３４に指向される空気量を制御するように設定される。空気予熱部４３をガスタービンの始動時に使用し、それによって、液体燃料を気化させるために必要な入口温度を得ると共に、温度が、典型的には２００から４００℃の燃焼器の動作ウィンドウの範囲内に入るようにする。熱は、この予熱部４３において、電気抵抗性（ジュール）加熱によって提供され得る。通常、この予熱部４３は、ガスタービンが最初に動かされるときに使用される。他の動作状態中には、予熱部４３は、使用されなくてもよい。次に、圧縮空気が、燃料混合部４４中で、適切な炭化水素燃料と混合される。燃料スプレーノズル４５は、炭化水素燃料を燃料混合部４４の入口に供給するために使用される。炭化水素燃料と空気との均一な混合の後に、混合体は、本発明に従って電気加熱される触媒１０に渡される。圧縮空気および炭化水素燃料が、触媒の存在下で共に反応した後に、その結果生じたより高い温度および圧力の燃焼生成物ガス混合体が、タービン３６に渡され、タービン３６において、このガスのエネルギーが、タービン軸３７の回転エネルギーに変換される。タービン軸３７の回転エネルギーは、コンプレッサ３２およびジェネレータ４９等の任意の他の出力装置を駆動させるために使用される。スタータモータ４８もまた、ガスタービンを始動させるために軸３７に接続され得る。
【００１６】
典型的には、ＥＨＣユニット１０を有するガスタービンエンジンは、炭化水素燃料をエネルギーに変換するプロセスから生じる排気を減少させるための産業的利用において用いられる。しかし、ＥＨＣユニット１０は、自動車における使用等の非産業的利用における使用のためにも設計され得る。現在、自動車からの排気もまた、公害源として厳しい精査を受けている。従って、自動車の適用において本発明によるＥＨＣユニット１０を使用することは、利点があり、効果的である。ＥＨＣが使用される適用の種類とは無関係に、以下の４つの設計基準が考慮されなければならない。
【００１７】
（ＥＨＣ構造体の物理的な幾何学的形状および寸法）
図１ａを参照すると、本発明のＥＨＣは、概して１０で示されている。この図では、ＥＨＣユニットは、平坦フォイル１４および波形フォイル１２から成るように図示されている。
【００１８】
ＥＨＣユニット１０を形成するために、平坦フォイル１４および波形フォイル１２は、一方が他方の上に積み重ねられ、取り付け点２０において、一方の端部に沿って共に接続され、螺旋形状に巻かれる。概して、ＥＨＣは、共に積み重ねられた際に、波形が重なり合わないが、明確な長軸方向チャネルを形成するように、平坦および波形、または両方が波形の任意の重なり合わないフォイルの組から形成され得る。
【００１９】
フォイルは、所望の形状およびＥＨＣユニット１０が使用される適用に応じて様々な方法で巻かれ得る。一般的に、取り付け点２０は、触媒構造体１０の中央にある。図１ａは、触媒構造体の中央にある場合の取り付け点２０の詳細を示す。溶接、鑞付け、および圧着を含む（ただし、これらに限定されることはない）従来の方法が、波形フォイル１２および平坦フォイル１４を共に接続させるために使用され得る。あるいは、２つのフォイルは、波形フォイル１２および平坦フォイル１４の隣接する端部を、円柱状のロッド（不図示）に形成された長軸方向に延長するスロットに挿入することによって共に接続され得る。接続されたフォイルは、次に、ロッドの周りに巻き付けられ、それによって、円柱状のモノリシック構造体が形成される。概して、あらゆる取り付け、または接続方法の主要な要件は、電流が２つのフォイル間を直列または並列で流れることが可能なように、２つのフォイルを接続させることである。さらに、取り付け手順には、フォイルの表面処理（例えば、しっかりした接続を保証するためのサンドブラスティング）等の良い製造上の作業が含まれるべきである。
【００２０】
図１ａに示されるように平坦フォイル１４および波形フォイル１２が共に配置され、螺旋形状に巻かれると、結果的に、ＥＨＣユニット１０の軸に対して長軸方向に（または軸方向に）延長し、ＥＨＣユニット１０の全長さに沿って延長する複数のチャネルが形成される。波形パターンの選択は、各空気チャネル１６の開口部の形状および大きさを決定する。波形の形状によって、各チャネル１６における空気の流れパターンも決定される。２つの典型的な波形形状には、ヘリングボーンパターンおよび直線波形（それぞれ、図１ｃおよび図１ｄの平面図に示される）が含まれる。これらの波形タイプは、フォイルを直線の層状構造体に一緒に積み重ねる、または２つ以上のフォイルを積み重ねた後に螺旋状に巻くことによってＥＨＣユニットを形成するために、様々な組合わせで組合わせられ得る。大量の熱が触媒反応で生成されるので、チャネル中で乱れた空気の流れを持つことが重要であり、波形は、この必要性を満たすように設計されるべきである。触媒が波形フォイル１２上に堆積される場合に、波形フォイル１２の表面積によって、ＥＨＣユニット１０に存在する触媒反応性物質の量も決定され得る。従って、波形は、これも考慮して設計されるべきである。
【００２１】
概して、波形は、螺旋状に巻かれた触媒構造体に対して１周につき少なくとも２回生じるべきであり、チャネル開口部１６の大きさおよび全体的な長さは、構造安定性の考慮およびＥＨＣが使用される適用の種類によって決定される。チャネル開口部１６の大きさは、波形フォイル１２の波形の高さおよびピークトゥーピーク距離の関数である。例えば、約３０ｋＷの電力出力を持つガスタービンに使用されるＥＨＣの場合には、ＥＨＣユニットは、５０ｍｍから１５０ｍｍの直径および５０から２００ｍｍの長さを有し、波形高さは、約０．８ｍｍから１．６ｍｍの範囲にあるべきであり、ピークトゥーピーク距離は、約１ｍｍから約３ｍｍの範囲にあるべきである。ヘリングボーンパターンが使用される場合には、波形の各直線部分のチャネル長さは、約１０から３０ｍｍの範囲にあるべきであり、これらのパターンは、約３°から２０°のチャネル角度を有するべきである。ただの例として、２０ｍｍのチャネル長さおよび６°のチャネル角度を有するヘリングボーンパターンの波形フォイル１２が使用され得る。このヘリングボーンパターンは、１．２０ｍｍの波形高さおよび２ｍｍのピークトゥーピーク周期も有する。ある直線波形パターンでは、この波形高さも、２ｍｍのピークトゥーピーク周期を持つ１．２ｍｍである。
【００２２】
螺旋状に巻かれたＥＨＣユニット１０に対する代替の一実施形態として、１組以上のフォイルが、ＥＨＣユニット１０を形成するために積み重ねられ得る。さらに、特定の大きさを持つヘリングボーンおよび直線タイプの波形形状のみが記載されたが、異なる大きさの他の波形形状が、本発明のＥＨＣユニット１０を作製するために使用され得ることが想像される。具体的には、波形フォイルは、触媒コーティングされたチャネルの屈曲度が非触媒コーティングチャネルの屈曲度とは異なるＤａｌｌａ  Ｂｅｔｔａらの米国特許第５、５１２、２５０号に記載されるような非対称構造体を形成するように共に積み重ねられ得る。’２５０号の特許の構造体は、本明細書中に参考として援用される。
【００２３】
（電気的設計考慮）
ＥＨＣユニット１０の電気加熱される機能を提供するためには、平坦フォイル１４および波形フォイル１２は、通常セラミックまたは金属材料である導電性の材料であって、触媒ユニット１０の動作温度にも耐え得る材料から作製されなければならない。金属材料が好ましい材料である。特定の種類の金属合金（ただし、これらに限定されることはない）には、鉄／クロミウム／アルミニウム（Ｆｅ／Ｃｒ／Ａｌ）、ニッケル／クロミウム／アルミニウム（Ｎｉ／Ｃｒ／Ａｌ）、またはアルミニウムを含む任意の合金が含まれる。好適な実施形態では、アルミニウム含有合金が用いられ、より好適には、１０から２０％のＣｒ（重量で）および５から１０％のＡｌ（重量で）を含有する（Ｆｅ／Ｃｒ／Ａｌ）合金、または１０から２０％のＣｒ（重量で）および５から１０％のＡｌを含有する（Ｎｉ／Ｃｒ／Ａｌ）合金が使用される。
【００２４】
上記のように、波形フォイル１２および平坦フォイル１４は、鑞付け、溶接、または圧着等によって、電流が一方のフォイルから他方のフォイルへと妨げられずに通過することが可能なように、一方の端部に沿って共に接続される。取り付け点２０の位置は、図１ｂを参照することによって最もよく理解できる。波形フォイル１２および平坦フォイル１４が一緒に巻かれる際に、接続された端部は、螺旋の中央に配置され、２つの自由端は、構造体の周囲に残される。この好適な実施形態では、波形フォイル１２および平坦フォイル１４は、同じ寸法および同じ合金であるが、多くの異なる形状および合金が使用され得ることが想像される。
【００２５】
平坦フォイル１４および波形フォイル１２を、構造体の中央の取り付け点２０と共に巻くことによって、波形フォイル１２および平坦フォイル１４の取り付けられていない端部が、ＥＨＣユニット１０の円周に位置する結果となる。フォイルの端部は、周囲のどこにでも配置され得る。図１ａは、端部同士が正反対にある好適な位置を示す。フォイルの端部の分離は、一般的に、電極間の短絡を最小限に抑えるために望ましい。
【００２６】
図１ａは、２つの電極が円周に位置するＥＨＣユニット１０のある好適な実施形態を示す。概して、ＥＨＣユニット１０は、周辺電極および中央電極を用いて任意の数のフォイルから作製され得る。図３ａは、２つの周辺電極を有する３つのフォイルを用いた実施形態を示す。図３ｂから図３ｅは、１つの中央電極および少なくとも１つの周辺電極を有する３フォイルユニットの実施形態の幾つかを示す。
【００２７】
ＥＨＣユニット１０が形成された後に、波形フォイル１２は、その自由端において電極２２に取付けられ、平坦フォイル１４は、その自由端において電極２４に取付けられる。概して、電極２２および２４は、低電気抵抗およびＥＨＣユニット１０の動作温度に耐えることを条件として、波形フォイル１２および平坦フォイル１４に取付けられ得る材料から作製されるべきである。
【００２８】
ＥＨＣユニット１０と共に使用されることが可能で、本発明の別の実施形態を構成する電極２２または２４の構成の１つが、図５ａに示される。この設計では、主電極体（概して５０で示される）は、２つの平坦金属溶接ストリップ５１および５６と、溶接ストリップの一方（５１または５６）の一端に固定された概ね半円筒形状のコネクタ部分またはソケット５２とから構成される。コネクタ部分５２は、さらに、電気リード線５４の挿入のための中央開口またはオリフィスを含む。電気リード線５４は、任意の適切な低抵抗の方法（例えば、鑞付けＢＡｇ−８等の高融点性鑞付けを用いたハンダ付け）によって電極２２に取付けられる。波形フォイル１２は、溶接ストリップ５１および５６の間に波形フォイル２２を挟持し、次に、溶接、圧着、またはハンダ付けを行う、あるいは、端部５７に沿って物理的および電気的接続を提供することによって、電極２２に取付けられる。一般的に、溶接ストリップ５１および５６に使用される材料は、Ｆｅ／Ｃｒ／Ａｌ合金またはＮｉ／Ｃｒ／Ａｌ合金等の耐酸化性金属（例えば、ペンシルバニアのＡｌｌｅｇｈｅｎｙ  Ｌｕｄｌｕｍが製造するＡｌｆａ−ＩＶ、日本の川崎製鉄が製造するＲｉｖｅｒｌｉｔｅ２０−５ＳＲ、またはインディアナのＨａｙｎｅｓ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌが製造するＨａｙｎｅｓ２１４）から作製されるべきである。リード線５４に適切な材料には、アルミニウム、銀、ニッケル、銅、ステンレススチール、またはアルミニウム含有合金が含まれる（ただし、これらに限定されることはない）。同様の材料および取付け方法が、中央電極が用いられる場合に、中央電極に使用され得る。
【００２９】
一般的に、最大２００アンペアまでの範囲の電流フローの場合に、電極コネクタ５２は、約０．１ｍｍから約３ｍｍの範囲の壁厚を有するべきである。平坦電極溶接ストリップ５１および５６は、約０．５ｍｍから約３ｍｍの範囲の厚さを有するべきである。ある好適な実施形態では、電極コネクタ５２は、約１ｍｍの壁厚を有し、溶接ストリップは、約２ｍｍの厚さを有する。
【００３０】
一例として、３組の同様の電極２２および２４を、０．６ｍｍ、０．９ｍｍ、および１．４ｍｍの壁厚を有するコネクタ部分５２と共に作製した。３組全てにおいて、溶接ストリップ５１および５６は、フォイルに溶接した後、２ｍｍの厚みを有していた。銀のリード線５４を、コネクタ部分５２中の円柱状穴５３内に挿入し、ＢＡｇ−８合金を用いて適所に鑞付けした。次に、これらの電極を、電源に接続し、それによって、電流を銀リード線を通してフォイル内に通した。図５に示されるような位置ＡおよびＢにおける測定温度を、以下の表１に示す。
【００３１】
【表１】
0003874399.tif 000002
これらのデータは、高電流によって、コネクタおよび電極構成部品の抵抗性加熱が生じることを示す。耐高温酸化性合金の場合には、比較的厚みのあるリード線コネクタ構成部品および電極構成部品が、ガスタービン燃焼器中に存在する典型的な空気の流れおよび空気温度の状態で低い動作温度を維持するために必要とされる。１００アンペアの電流の場合には、コネクタは、０．９ｍｍの厚みの範囲中にあるべきであり、全体的な電極の厚みは、２ｍｍの範囲にあるべきであり、２００アンペアもの電流の場合には、コネクタは、１．４ｍｍの厚みの範囲中にあるべきであり、電極は、４ｍｍの厚みであるべきである。
【００３２】
同様に、電力をＥＨＣユニットに運ぶ電気リード線もまた、抵抗性加熱する傾向があってはならない。このようなリード線に使用される最も一般的な導体材料は、その高導電性のために銅である。しかし、図５ｂに示されるように、銅は、非常に急速に酸化する。このテストの場合には、直径１．５ｍｍおよび長さ約３０ｍｍの銅ロッドを、反射炉内に配置し、５５０℃で加熱した。周期的に、銅ロッドを炉から取出し、重さを測った。重量の減少は、酸化銅の形成および減少のためであった。銀ロッドを用いた同様のテストも示される。これらの結果は、意味のあるものである。なぜなら、換熱式（ｒｅｃｕｐｅｒａｔｅｄ）ガスタービンは、５００から６００℃の燃焼器入口温度を有し、ＥＨＣユニットの入口におけるリード線および銅リード線は、急速に酸化するからである。
【００３３】
代替のリード線材料は、３０９ステンレススチール等の耐酸化性ステンレススチール、ＦｅＣｒＡｌ合金、またはＮｉＣｒＡｌ合金である。これらの合金は、ＥＨＣユニットのリード線として使用された場合に、典型的には、より高い抵抗を有し、抵抗性加熱される（ｒｅｓｔｉｖｅｌｙ  ｈｅａｔｅｄ）。比較データが図５ｃに示され、図５ｃでは、始動期間中の状態に典型的な３５０℃の直交流の空気をあてながら計算された定常温度が、各リード線材料および直径毎に示される。図５ｃは、直径３ｍｍの３０９ステンレススチールのリード線が、５０アンペアの電流でさえ急速に過熱することを示す。３０９ステンレススチールのリード線の抵抗性加熱を最小限に抑えるためには、リード線の直径は、１０ｍｍでなければならない。他の鉄またはニッケルをベースとした合金も、同様に作用する。
【００３４】
銀は、一般的に、高価で融点が低いために、良いリード線材料とは考えられない。しかし、その特性によって、ＥＨＣ適用のためのリード線材料として、銀は、比類なく有用なものである。図５ｂに示されるように、銀は、５５０℃および実質的にそれより高い温度において、酸化に対して非常に安定している。図５ｄは、銀の非常に高い導電性の結果、抵抗性加熱は非常に少なく、それによって、１ｍｍの直径のリード線が５０アンペアの電流で使用され、２ｍｍの直径のリード線が１００から１５０アンペアで使用され、３ｍｍの直径のリード線が２５０アンペアを越える電流で使用され得る。驚いたことに、銀の９６０℃の融点は、この適用においては問題であるとは思われない。なぜなら、リード線またはコネクタのどの部分もこの温度に近づかないからである。さらに、非常に良好な低電気抵抗の接合が、銀のリード線と例えばＢＡｇ−８（７２％のＡｇおよび２８％のＣｕと８８０℃の融点とを有する）等の鉄をベースとした鑞付け合金との間に作られ得る。他の鑞付け合金が、鑞付け接合部におけるリード線およびコネクタ構成部品の動作温度に応じて使用され得る。
【００３５】
銀は、リード線材料としてかなり良く機能するが、銀および他の耐酸化性元素の合金が使用され得る。適切な合金元素には、白金、パラジウム、ロジウム、金、銅、およびニッケルが含まれる。また、銀の導電性リード線は、ワイヤ、ストリップ、またはＥＨＣユニットに接続し、且つ燃焼器壁を貫通して電力源に接続するように特別に設計されたコネクタであり得る。
【００３６】
本発明のある好適な実施形態では、２つのフォイルが、ＥＨＣユニット１０を形成するために使用される。２つのフォイルは、フォイルの自由端が、ＥＨＣユニット１０の円周に位置し、それによって、電極および電力リード線の取付けが容易になることを可能にする。ＥＨＣユニット１０に入る燃料／空気混合体を妨げないように、両方の電極を触媒構造体の周囲に有することが望ましい。自動車の排気エミッション制御の適用に使用されるＥＨＣユニット１０にはそれほど重要ではないが、このことは、ガスタービンの適用においては重要である。電極またはガスの流れにおけるあらゆる不規則性は、触媒の炎の上流を安定させ、それによって触媒を過熱し、触媒を破壊し得る保炎器として機能し得る。しかし、２つより多いフォイルを使用し、ＥＨＣユニット１０の円周に電極２２および２４を依然有することが可能である。図３ａは、螺旋を形成するために一緒に巻かれた場合に円周に電極を有する３つのフォイルを用いた構成を示す。図３ａに示される実施形態では、３つのフォイルの内の２つだけが、導電性部材である。
【００３７】
あるいは、本発明のＥＨＣユニット１０は、中央電極と、１つ以上の周辺電極を有するように構築され得る。図３ｂから図３ｅは、中央電極を用いるＥＨＣユニット１０の幾つかの代替の実施形態を模式的に示す。中央電極は、フォイルの取り付け点２０と同じ位置にある。図３ａから図３ｅに示される構成は、互いに隣接して配置された３つの異なるフォイルを使用する。次に、フォイルは、中央電極の周りに巻かれ、それによって螺旋状構造体が形成される。周辺電極２２および２４と同様に、中央電極は、図５ａに示されるように、フォイルに取付けられ得る。図示される３つのフォイルの設計は、導電性部材としての任意の数のフォイルを用いて、並列または直列電気回路に構成され得る。例えば、図３ｂは、３つの周辺電極接続および１つの中央電極を備えた、並列回路中で導電性部材として使用される各フォイルを有する３フォイルＥＨＣユニットを示す。図３ｃは、１つの周辺電極および１つの中央電極を備えた、導電性部材として使用される１つのフォイルを有する３フォイルＥＨＣユニットを示す。導電性部材として使用されないフォイルは、中央電極に電気接続され、それによって、フォイル間に見られる電圧を中央電極の電圧に基準化する。図３ｄは、１つの周辺電極および１つの中央電極を備えた、導電性部材として使用される１つのフォイルを有する３フォイルＥＨＣユニットを示す。導電性部材として使用されないフォイルは、回路に電気接続されず、それによって、最大電圧を電源電圧に基準化する。最後に、図３ｅは、３つのフォイル全てが互いに直列に接続された３フォイルＥＨＣユニットを示す。最大電圧は、３つのフォイル全てに対して見られる。これは、抵抗が最大で、所与の電圧に対して得られる電流が最小である構成である。
【００３８】
概して、導電性装置として使用されるフォイル数は、利用可能な電力供給およびＥＨＣユニット１０中の望ましい熱放散に基づいて選択されるべきである。フォイルの少なくとも一面は、通常、絶縁性の誘電体層でコーティングされ、この構成は、２層間に見られる最大電圧を制限するように選択され得る。以下の表２は、ＥＨＣユニットへの全電力が１０キロワットの場合の異なる３フォイル構成に関する電流および最大電圧（Ｖｍａｘ）の値を示す。
【００３９】
【表２】
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図３ａから図３ｅのＥＨＣ設計に使用される各フォイルは、同じでもよいし、異なるものでもよい。例えば、図３ｂの回路は、３つの異なるフォイル波形を利用し、螺旋に巻かれると、基本的に、図６に図示されるように見える。この図では、電極は、各フォイルに取付けられ、電源の同じコネクタに接続される。上記のように、この並列電気回路は、低い抵抗を有し、高電流を得る。
【００４０】
高抵抗および低電流を得るためには、図３ｅの直列回路が用いられ得る。この設計により、中央に電極が配置されるが、これは望ましくない場合がある。電流が全てのフォイルを貫流している直列回路ＥＨＣが、図４に示され、図４では、図示されるように６つのフォイルが一緒に積み重ねられ、接続されている。螺旋に巻かれると、ＥＨＣは、電極を周囲に有し、直列回路設計のために高抵抗を有する。触媒構造体の周囲に配置される電極に接続される直列回路電流フローを用いるこの設計およびあらゆる代替の設計は、本発明の最も好適な実施形態を構成する。
【００４１】
電流がフォイルを通過すると、フォイルの電気抵抗によって、ＥＨＣユニット１０が加熱される。この熱は、触媒層に伝導され、触媒が、フォイルの表面上を通る燃料／空気混合体と反応を起こす温度にまで上げられる。ＥＨＣユニット１０の抵抗は、利用可能な電力源と一致しなければならない。自動車の排気エミッション制御の適用においては、ＥＨＣユニット１０は、非常に急速に加熱し、１２から２４ボルトの電気入力で動作可能であるように設計されるべきである。自動車の運転者は、車に乗り込み、キーを差し込み、わずかな遅延で、または遅延なしにエンジンを始動させることが可能であるべきである。従って、自動車のＥＨＣユニットは、非常に急速に加熱し、冷たいエンジンからの排気を制御するように設計されるべきである。利用可能な電圧源が、通常は、低電圧（すなわち１２から２４ボルト）のバッテリであり、急速な加熱が望ましいので、ＥＨＣユニット１０は、低抵抗の材料で作製されるべきである。一例として、１２ボルトのシステムおよび２．５ｋＷの電力要求の場合には、触媒を素早く加熱するために、約０．０６オームの全抵抗および２０８アンペアの電流が必要とされる。あるいは、例えば１５０ボルト以上の高電圧源を有するハイブリッド車の場合には、２．５ｋＷの回路に必要とされる抵抗は、９オームであり、電流は１７アンペアである。ガスタービン中で使用するためのＥＨＣユニット１０は、バッテリ電圧に制限されることはなく、従って、同じ電力散逸に対して、結果としてより低い電流を持つ高抵抗を有するように構成され得る。
【００４２】
ＥＨＣユニット１０は、フォイルに電流を通すことによって加熱される。これは、フォイルが互いに絶縁状態にあることを必要とし、フォイルは、一般的に、少なくとも一面の上で誘電体（絶縁性）層でコーティングされ、それによって、フォイル同士が短絡することが阻止される。ＥＨＣユニット１０中のフォイルの表面上に使用される誘電体コーティングは、使用されている電圧および触媒反応の高動作温度に耐えるように選択されなければならない。典型的には、ＥＨＣユニット１０は、約１００ボルト以上の電圧範囲で動作し得る。これらの高い電圧を用いることにより、フォイル層間で使用するための高破壊電圧を有する誘電体コーティングが必要となる。適切な誘電体コーティングは、アルミナ、ジルコニア、または他の電気絶縁性セラミック材料を含む（ただし、これらに限定されることはない）任意のセラミック材料である。
【００４３】
（触媒設計考慮）
波形１２と、平坦または波形１４との触媒支持フォイルを最終的な螺旋形状に組み立てる前に、触媒材料および他のコーティングが、一連の幾つかのステップで塗布される。平坦フォイル１４および波形フォイル１２上の様々なコーティングを示すＥＨＣユニット１０の詳細な部分が、図７に示される。概して、これらのステップは、まず波形１２および平坦１４のフォイルを共に酸化させ、フォイルを誘電体または薄め塗膜（ｗａｓｈｃｏａｔ）（７２または７４）でコーティングすることを含む。さらに、一方のフォイルの一面の少なくとも一部が、任意且つ好適には薄め塗膜層７４が触媒を含むように薄め塗膜（上記を参照）に組込まれ得る触媒でコーティングされる。薄め塗膜および触媒層に加えて、両方のフォイルが、誘電体コーティング（不図示）でコーティングされ得る。
【００４４】
上記のように、触媒支持フォイルは、好適には、アルミニウム含有合金である。平坦１４および波形１２のフォイルの両方は、まず空気中で８０から１１０℃の範囲の温度で酸化され、それによって、薄め塗膜層または誘電体コーティング層のより良好な取り付けのために粗くて化学反応を起こす表面を提供する表面上に、アルミニウムがアルミナウィスカ、クリスタル、または層を形成する。概して、異なる印加電気ポテンシャルを有するフォイルの表面は、これら２つのフォイルを互いに電気的に絶縁するために、誘電体コーティングでコーティングされる。これらのフォイルの他方の面は、触媒の設計要件に応じて、薄め塗膜層および触媒でコーティングされ得る。場合によっては、フォイル間の向上した電気絶縁を提供するために、第２の面を誘電体コーティングでコーティングする、または薄め塗膜および触媒層の下に誘電体コーティング層を加えることさえ望ましい場合がある。例えば、図７に示されるように、平坦フォイル１４は、一面を誘電体コーティング７２でコーティングされ、反対の面は、薄め塗膜および触媒層７４でコーティングされている。これに対して、波形フォイル１２は、両面を誘電体コーティング７２でコーティングされている。
【００４５】
概して、異なる種類の支持フォイル上で使用される薄め塗膜の種類の選択は、以下により詳しく記載されるように、ＥＨＣユニット１０の設計（２つのフォイル、３つのフォイル等）、使用される触媒の選択、および触媒が塗布される場所による。従って、これらの決定は、本発明の具体的な適用の各々に対して決定するように、当業者に任される。
【００４６】
一般的に言えば、誘電体層と薄め塗膜および触媒層との両方（７２または７４）は、吹付け塗り、直接的な塗布、支持フォイルを薄め塗膜に浸すこと、または他の任意の適切な方法によって塗布され得る。典型的には、層７２または７４は、約３から５０マイクロメータの範囲の厚みを有する。誘電体層に適切な材料には、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化チタン、またはこれらの酸化物の混合物が含まれる（ただし、これらに限定されることはない）。これらの酸化物は、高温で構造体を安定させるための添加物（例えば、酸化ジルコニウムへ添加したイットリウム、カルシウムおよびマグネシウム添加物等）を含有し得る。
【００４７】
薄め塗膜および触媒層７４は、支持フォイルの一方の一面の少なくとも一部上にコーティングされる。薄め塗膜としての使用に適した材料には、酸化アルミニウム、バリウム、ランタン、シリコン、または表面積の熱焼結および損失を防止または低減するための他の成分等の添加物を含有する酸化アルミニウム、シリコン等の添加物を含んだ、または含まない酸化ジルコニウムが含まれる（ただし、これらに限定されることはない）。薄め塗膜は、好ましくは、２から２００ｍ2／ｇの中から高程度の表面積を有する。
【００４８】
燃料と酸素との反応に対して活性の触媒が、多孔性の薄め塗膜層の表面内および表面上に堆積される。適切な触媒材料には、第８属貴金属、またはパラジウム、ルテニウム、ロジウム、白金、オスミウム、およびイリジウムから成る白金属金属が含まれるが、これらに限定されることはない。メタンまたはメタン含有燃料の場合には、好適な触媒は、パラジウム、白金、またはパラジウムおよび白金の混合物である。ガソリン、ディーゼル燃料、アルコール燃料、または様々な他の炭化水素燃料等の他の燃料の場合には、パラジウムおよび白金が好適な触媒である。しかし、その他の燃料の場合には、銅、コバルト、マンガン、クロミウム、ニッケル、または他の元素との混合物中の純酸化物としての、または第２の酸化物上に分散された他の活性ベースメタル酸化物触媒等のベースメタル酸化物触媒を含む低活性触媒が使用され得る。
【００４９】
触媒は、金属錯体、化合物、または金属分散を用いた様々な異なる方法で、薄め塗膜層上に組込まれ得る。化合物または錯体は、水または炭化水素に可溶性であり得る。一般的に、薄め塗膜層中に触媒金属を分散した形態のまま残しながら、液体キャリアが、揮発または分解によって触媒キャリアから除去可能であることだけが必要とされる。好適な混合のパラジウム／白金触媒の場合には、亜硝酸パラジウムアンモニウムが、亜硝酸白金アンモニウムと水および過剰の硝酸中で混合され、それによって、ＳｉＯ2／ＺｒＯ2の薄め塗膜処理された支持フォイル上にスプレーされ、その後に乾燥され、高温で空気中で焼成される溶液が形成される。
【００５０】
薄め塗膜および触媒層の代替の調製手順は、薄め塗膜および触媒の成分の混合物を調製し、この混合物を１つの動作でフォイル表面に塗布することである。あるいは、触媒は、注入または他の適切な手順によって薄め塗膜の固体上に堆積され、薄め塗膜表面上で触媒を固定するために熱処理される。
【００５１】
熱伝達設計考慮
触媒支持フォイルの一面だけを触媒でコーティングすることによって、触媒作用が及ぼされていない反対側の表面に対して非常に効率的な熱交換機構が触媒表面に与えられる。図８中で概して８０で示される簡略化された触媒構造体に例示されるように、平坦支持フォイル１４の一面のみが触媒８４でコーティングされる場合には、燃料／空気混合体が触媒構造体８０上を通過する際に、反応ガスフロー８６および非反応ガスフロー８８の両方が生じる。触媒表面上の燃料および空気の触媒反応から生成される熱は、反応ガスフロー８６に伝達され、平坦支持フォイル１４を通って支持フォイルの反対側の非反応ガスフロー８８にも伝達される。従って、この簡略化構成では、触媒反応によって生成された熱が、伝導および対流によって、反応ガスフロー８６およびヒートシンクとして機能する触媒支持平坦フォイル１４の両方に伝達されるので、触媒構造体は「完全熱交換」を有する。支持平坦フォイル１４の熱は、次に、触媒コーティング８４の反対側に位置する非反応ガスストリーム８８によって除去される。
【００５２】
完全熱交換のこの概念は、本発明のＥＨＣユニット１０に適用され得る。その場合には、平坦フォイル１４または波形フォイル１２の一方が、一面だけ触媒でコーティングされ、螺旋構造体に巻かれる場合に、結果的に生じる構造体は、複数のチャネルを有し、各チャネルの一部のみが触媒でコーティングされている構造体である。触媒コーティングを有するチャネルの部分の表面上を流れる燃料／空気混合体により、燃料および空気の反応が生じ、それによって、熱が生成される。熱は、同チャネルを流れる燃料／空気混合体に伝達され、且つ、チャネル壁（薄め塗膜および触媒層と支持フォイルとから構成される）を介して、隣接するチャネル中を流れる燃料／空気混合体ストリームに伝達される。これは、図７を参照することによって理解することができ、図７では、チャネル７７が、このチャネルの一部に薄め塗膜コーティング７４を含有する触媒を有する。触媒層７４で生成された熱は、チャネル７７中を流れる燃料／空気ストリームに伝達され、誘電体層および波形フォイル１２から構成されるチャネル壁を介して、チャネル７８中を流れる非反応燃料／空気ストリームにも伝達される（チャネル７８中を流れる燃料／空気ストリームは、チャネル７８中には触媒７４が存在しないので触媒反応を起こさない）。
【００５３】
完全熱交換を利用する触媒構造体の例が、Ｄａｌｌａ  Ｂｅｔｔａらに発行された米国特許第５，２５０，４８９号に示され、この特許の開示は、その全文が本明細書中に援用される。基板を過熱すること、および基板が溶けることを避けるため、および暴走触媒反応を阻止するために、触媒構造体の壁の温度を制限することが重要である。燃焼が触媒表面で生じるにつれ、触媒および金属基板の温度は上昇し、上記のように、ＩＨＥ触媒構造体中のチャネルの触媒側と非触媒側の両方で、熱がガスフロー中で伝導および放散される。このことは、触媒基板の温度を制限する助けとなり、触媒コーティングされた壁の温度を約７００℃から１０００℃の範囲に維持する助けとなる。概して、ＩＨＥ設計を含むＥＨＣユニット１０の熱伝達設計は、触媒基板の温度を、それを越えると触媒および支持フォイルの損傷が生じる最大温度に制限しなければならない。この最大温度は、支持フォイルに使用される材料の種類および使用される触媒の種類によるが、この最大温度は、典型的には約１１００℃である。
【００５４】
多数の熱伝達構成が触媒構造体のために設計され得る。例えば、触媒構造体は、幾つかのチャネルが完全に触媒でコーティングされ、隣接するチャネルが触媒コーティングを全く持たないように設計され得る。あるいは、触媒構造体は、幾つかのチャネルのみが、触媒層でコーティングされた一部の壁を有するように設計され得る。最後に、全てのチャネルが、触媒で部分的にコーティングされてもよい。全チャネルが少なくとも部分的に触媒でコーティングされるこの後者のタイプの構成は、好適な実施形態である。なぜなら、燃料のほとんど、または燃料の全てが触媒によって燃焼されるべきであり、それでも、触媒反応によって生成された熱が効率的に除去され得るからである。
【００５５】
本発明によるＥＨＣユニット１０の構造体を説明したが、以下には、本発明のＥＨＣユニット１０を用いたガスタービンを始動させる方法を説明する。
【００５６】
ガスタービンの始動方法
概して、ガスタービンを始動させる方法は、電力を触媒構造体に与え、それによって触媒を所定の温度限界にまで加熱するステップと、次に、燃料／酸素含有ガス（例えば空気）混合体を触媒構造体に導入するステップとを含む。触媒構造体への電力は、触媒反応の熱が触媒を定常状態に維持するのに十分であるとき、またはある一定の期間が経過したときを含む（ただし、これらに限定されることはない）幾つかの状態の１つが満たされた場合に止められ得る。
【００５７】
上記の概略的な方法は、図９ａおよび図９ｂを用いて最もよく説明できる。ガスタービンシステムは、空気３１を圧縮し、それによって、ダイバータバルブ４１、電気予熱器４３、および燃焼器４７を通り、次に、機械動力を生成し、それによって典型的には電気ジェネレータであるロード４９を駆動させるパワータービン４８上に進む高圧流を生成するコンプレッサ３２から構成される。燃焼された燃料および空気は、排気９８によってガスタービンから出る。ガスタービンを駆動させるエネルギーは、燃焼器４７において生成され、この燃焼器では、燃料が、インジェクタ４５を介して注入されると共に空気と混ぜられ、それによって触媒１０上を流れる燃料／空気混合体が形成され、触媒および下流のポスト触媒燃焼ゾーン３５中で燃焼される。
【００５８】
燃料インジェクタ４５は、燃料を流動空気ストリーム内に注入し、比較的均一な燃料／空気混合体を触媒入口３３において生成するべきである。メタンまたは天然ガス等の気体燃料の場合には、燃料インジェクタは、燃料を注入し、燃料を空気と混合させ、当業者に公知の設計の何れのものでもよい。ガソリン、ディーゼル燃料、またはアルコール燃料等の液体燃料の場合には、燃料インジェクタは、好ましくは、燃料を微液滴のスプレーで注入し、燃料を気化させ、それによって、触媒入口において均一なガス混合体が作られる。あるいは、燃料インジェクタ４５は、燃料蒸気（この燃料蒸気は、次に気体として空気ストリーム中に注入される）を作る予備気化器（ｐｒｅｖａｐｏｒｉｚｅｒ）から構成され得る。燃料インジェクタは、図９ｂに模式的に示されるように、基本的に空気流中に配置されるインライン装置の形態をとることが可能で、スワラ、部分ブロック混合装置、空気流の逆転、または当業者に公知の他の設計等の空気混合装置を組み込み得る。制御の一般的な方法は、以下に説明する様々なセンサを利用し得る。サーモカップルまたは抵抗温度測定装置９０は、触媒ユニット１０中に配置され得る。これらのサーモカップルは、触媒の金属フォイル表面（触媒コーティングされたフォイルまたは非触媒コーティングフォイルのどちらか）に取り付けられ得る。あるいは、温度センサが、触媒９２のすぐ下流に配置され、それによって、触媒を出ていくガス温度を測定し得る。これらの温度センサは、コントローラ１００に接続される。コントローラは、燃焼器４７内に入る空気を予熱する電力を制御する電力コントローラ５０にも電気接続される。さらに、コントローラは、ＥＨＣ触媒に接続され、且つＥＨＣ触媒に送られる電力を制御する電力コントローラ５２に接続される。コントローラ１００もまた、ダイバータバルブ４１および燃料制御バルブ５１を制御する。電子コントローラ１００が、上記の信号およびガスタービンシステムの動作状態に関連する他の信号を処理し、次に、システム中で使用される構成部品の幾つかに出力信号を提供することによって、始動方法を自動的に制御するために使用され得る。例えば、電子コントローラ１００は、ある特定の状態が検出されると、触媒構造体に供給される電力を止めるために使用され得る。あるいは、電子コントローラ１００は、バイパスバルブ４１または燃料供給ノズル４５を動作させるために使用され得る。
【００５９】
この始動方法は、検出された動作パラメータに基づいて自動的に制御され得ることが想像されるが、電子コントローラ１００または自動制御を達成するために使用される他の装置の種類は、本発明の方法にとって決定的なものではない。しかし、一般的に、コントローラ１００は、複数の電気入力信号に応答して１つ以上の電気出力信号を生成するようにプログラムされ得る従来のマイクロプロセッサまたは同様の演算装置として具体化され得る。コントローラ１００は、算術演算を実行し、１つ以上のアルゴリズムの制御の下でデータを処理するためのアナログおよび／またはデジタル電子計算および論理回路部を有する中央処理装置を含み得る。また、ＣＰＵは、ＥＨＣユニット１０およびガスタービンシステム等のＥＨＣユニット１０が使用されるシステムの様々な動作パラメータを測定する多数のセンサから入力信号を受け取る。コントローラ１００は、所定のデータを格納するための読出し専用メモリ（ＲＯＭ）、計算データまたは入力データを格納するためのランダムアクセスまたはデータメモリ（ＲＡＭ）、および制御アルゴリズムを格納するための制御メモリ等の１つ以上のメモリモジュールも含み得る。
【００６０】
ガスタービンの本発明の始動方法の第１のステップは、スタータ４２を用いることによって、コンプレッサ／タービンシステムを回転させ、それによって、空気が、コンプレッサ４０、燃焼器４７、およびタービン４８中を通される。望ましい回転速度では、電力コントローラ５０を作動させることによって、電力が電気ヒータ４３に与えられる。また、ある所定の状態では、電力コントローラ５２が、ＥＨＣ触媒ユニット１０に電力を与えるために作動させられる。時間または温度センサ９０または９２中のある設定温度に達することのどちらかによって選択されるある所定の時点で、燃料制御バルブ５１を作動させることによって燃料フローが開始され、それによって燃料を予熱された空気流中に導入し、触媒１０および電力をタービン４８に供給する燃焼器４７中で燃焼が開始される。
【００６１】
本発明のある好適な実施形態では、触媒基板は、燃料／空気混合体が導入される前に、触媒の通常の定常動作温度に対して約１００℃以内に触媒温度が到達するまで電気加熱される。予想され得るように、定常動作温度は、触媒の種類毎に異なる。しかし、一例として、好適な混合パラジウム／白金触媒の場合には、この触媒の定常動作温度は、約７００℃から約９００℃の間である。より好適には、燃料／空気混合体は、触媒基板温度が、触媒の通常の定常動作温度に対して約５０℃以内に到達するまで導入されない。
【００６２】
触媒構造体に供給される電力量は、一定でもよいし、変調されてもよいし、その両方の組み合わせでもよい。あるいは、電力は、測定された触媒基板温度の変動に応答して変調されてもよい。例えば、ＥＨＣに対する電力および燃料のフローは、予め設定された時間シーケンスで制御され得る（ＥＨＣ電力は、予め設定された期間中オンにされ、次に、燃料フローがオンにされ、ＥＨＣ電力は、予め選択された時間にオフにされる）。あるいは、ＥＨＣ電力は、温度センサ９０または９２からなどの測定温度に基づいて制御され得る。ＥＨＣ電力は、触媒基板がその定常動作温度に近づくまで高レベルでオンにされ、次に、ＥＨＣ電力は、その定常温度に触媒を維持するために変調され、燃料がオンにされ得る。燃料が触媒上で反応するので、触媒温度は、急速に上昇し、コントローラが、ＥＨＣ電力をオフにする。様々な異なる制御スキームが、当業者によって考案され、これらのスキームは、コントローラ１００の制御アルゴリズムに組み込まれ得る。
【００６３】
これらの制御スキームの有効性は、図９ａの排気９８中のＣＯ、ＵＨＣ（未燃焼の炭化水素）、およびＮＯｘのレベルを監視することによって、ガスタービンシステムからの全排気量を測定することによって決定される。
【００６４】
所望の触媒基板温度が達成されると、燃料／空気混合体が、触媒燃焼室３４内に導入される。燃料および空気の両方が燃焼室３４に導入される際の量、レート、温度、および圧力は、多くの要素、特にガスタービンエンジンの設計および動作特性による。ＥＨＣ触媒の大きさは、ガスタービンの大きさ、空気流特性、および燃料空気比によって決定される。ガスタービンおよびＥＨＣ触媒の大きさとは無関係に、触媒の通常の定常動作温度は、典型的に、約７００℃から約１０００℃の範囲にある。さらに、燃料／空気混合体に対する理論上の断熱燃焼温度は、約１１００℃から約１６００℃の範囲にあり得る。
【００６５】
ＥＨＣユニット１０への電力は、幾つかの状態の１つが生じた場合に停止される。ある実施形態では、この状態は、燃料および空気の触媒反応の熱が、触媒を定常動作温度に維持するのに十分である場合であり得る。この状態は、測定された触媒基板温度が、燃料の反応によって上昇し始めた時に生じる。コントローラ１００は、この温度上昇を検出し、ＥＨＣ電力を減少させる、または止める。
【００６６】
別の実施形態では、ＥＨＣユニット１０の入口、中央、および出口部分に配置されるサーモカップルを含む追加のサーモカップルが、触媒層の基板温度を測定するために使用され得る。この実施形態では、これらの３つの触媒基板温度が監視され、それらの内の１つ、またはそれらの何れかの組み合わせが所定の限界値に達すると、電力がオフにされる。いずれにしても、基板温度が、約１０５０℃の最大触媒基板温度を越えることが許容されるべきではない。また別の実施形態では、触媒構造体９６の出口において燃焼された燃料／空気混合体を測定するサーモカップル、または下流９８で使用されるサーモカップルが、電力を止めるために使用され得る。例えば、電力は、これらのガスの出口温度の一方が定常出口ガス温度を越える場合に止められ得る。本明細書中に記載される好適な実施形態では、この温度は、７５０から８００℃である。
【００６７】
（実施例）
以下の実施例は、本発明のＥＨＣユニット１０の構造および始動状態の下でのそれらの性能を説明する。
【００６８】
実施例１
この実施例は、ＥＨＣユニット１０の調製と、燃料／空気混合体の導入前に触媒表面の電気的予熱を行わない、始動状態の下でのＥＨＣユニットの使用とを説明する。
【００６９】
ＥＨＣユニットの調製
第１のＳｉＯ2−ＺｒＯ2薄め塗膜を、まず、２０．８ｇのテトラエチルオルトシリケイトを４．５７ｃｃの２ｍＭの硝酸および１２．７ｇのエタノールと混ぜることによって調製した。この混合物を、１００ｍ2／ｇｍの比表面積を有する１００ｇのジルコニア粉末に加えた。その結果生じた個体を、約２４時間の間密封したガラス容器中で熟成させ、後に乾燥させた。この乾燥固体の大部分を、空気中１０００℃で焼成し、残りの部分を空気中５００℃で焼成した。ゾルは、１０００℃で焼成された１５２ｇのＳｉＯ2／ＺｒＯ2粉末および５００℃で焼成された１５．２ｇのＳｉＯ2／ＺｒＯ2粉末を、３．９３ｇの９８％Ｈ２ＳＯ４および３１０ｃｃの蒸留水と混ぜることによって調製した。最後に、この混合物を、ＺｒＯ2粉砕媒体を用いて、８時間の間粉砕し、それによってＳｉＯ2／ＺｒＯ2ゾルを生成した。
【００７０】
ＳｉＯ2ゾルは、マサチューセッツ州のアッシュランドのＰＱ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎが製造するＮｙａｃｏｌ  Ｃｏｌｌｏｉｄａｌ  Ｓｏｌ  ２０３４と示された市販のコロイド状シリコン酸化物ゾルから成るものであった。
【００７１】
平坦フォイル触媒支持体は、２０％のＣｒ、５％のＡｌ、および残りがＦｅの組成を持つＦｅ／Ｃｒ／Ａｌ合金から作製した。５０マイクロメータの厚みおよび７５ｍｍの幅を有する金属フォイルストリップを、まず、空気中９００℃で処理し、それによって、表面酸化物コーティングを形成した。平坦フォイルの一面を、約５マイクロメータの厚みにＳｉＯ2のコロイドゾルを用いてスプレーした。次に、コーティングされた平坦フォイルを、空気中１０５０℃で焼成した。次に、平坦フォイルの反対の面を、約４０マイクロメータの厚みにＳｉＯ2／ＺｒＯ2薄め塗膜を用いてスプレーした。コーティングされたフォイルを、再び、空気中１０５０℃で焼成した。次に、混合パラジウム／白金触媒を、最初にパラジウム／白金溶液を調製することによってＳｉＯ2／ＺｒＯ2薄め塗膜でコーティングされた平坦フォイルの面に塗布した。パラジウム／白金溶液は、Ｐｄ（ＮＨ３）２（ＮＯ２）２およびＰｔ（ＮＨ３）２（ＮＯ２）２を、水および過剰の硝酸中で溶解し、それによって、約０．１ｇＰｄ／ｍｌおよび約６のＰｄ／Ｐｔ比の溶液を生成することによって作った。パラジウム／白金溶液を、平坦フォイルのＳｉＯ2／ＺｒＯ2コーティングされた面上に、ＳｉＯ2／ＺｒＯ2に対して約０．２５ｇＰｄ／ｇのローディング量になるようにスプレーした。
【００７２】
波形支持フォイルも、同じ５０マイクロメータの厚みのＦｅ  Ｃｒ  Ａｌ合金フォイルから作製した。幅が７６ｍｍと測定され、約１．２ｍｍの高さの直線波形を有するストリップを、まず、空気中９００℃で処理し、それによって、表面酸化物コーティングを形成した。波形フォイルの両面に、約５マイクロメータの厚みにコロイド状ＳｉＯ2ゾルを用いてスプレーした。次に、コーティングされた波形フォイルを空気中１０５０℃で焼成した。
【００７３】
次に、触媒構造体を、まず両方のフォイルの端部をサンドブラストし、それによって酸化物コーティングを除去することによって組み立てた。波形フォイルおよび平坦フォイル各々の一端を、円柱状ロッドの中央の長軸方向に延長するスロットに挿入した。次に、このアセンブリを、ロッドの長さに沿って溶接した。次に、２つのフォイルを中央ロッドの周りで巻き、それによって、円柱状の触媒構造体を形成した。フォイルの残りの端部もまた、サンドブラストによってきれいにし、図５に図示されるものに類似した平坦電極構造体に溶接した。銀のリード線を外側電極および中央の円柱状ロッド（これは電極としても機能している）に取り付けた。その結果生じた螺旋状に巻かれた触媒構造体は、直径が５０ｍｍで、長さが７５ｍｍであると測定され、中央電極および周辺電極を有していた。さらに、結果的に生じた触媒構造体は、チャネルの半分において触媒コーティングされた壁を有していた。
【００７４】
制御された流速で触媒構造体に空気を通す規定、および空気が燃焼反応器に入る前に空気を予熱する規定を有する燃焼反応器テストシステムにＥＨＣユニット１０を設置した。さらに、燃焼反応器システムは、液体燃料を流動空気ストリームに注入する規定と、燃料および空気が燃焼反応器に入る前にそれらを均一に混ぜる規定とを含んでいた。電気リード線を、燃焼反応器の壁を通して挿入し、中央電極および周辺電極に接続した。反応器の外側において、電気リード線を、ＤＣ電源に接続した。ＥＨＣユニットの性能を測定するために追加の装置を設置した（触媒コーティングされた平坦フォイルの基板温度を測定するためのサーモカップル、触媒構造体を離れた直後の部分的に燃焼されたガス混合体の温度を測定するためのサーモカップル、および触媒ユニットの約８０ｃｍ下流に位置した反応器の出口における燃焼されたガス混合体の温度を測定するための第３のサーモカップルを含む）。さらに、水冷式ガスサンプリングプローブを、触媒構造体の約８２ｃｍ下流の反応器中に設置し、それによって、燃焼器テストリグの出口でガスの組成を測定した。
【００７５】
始動テスト装置
ＥＨＣユニットの性能および始動プロシージャを評価するために、テストリグを用いて、図９ａおよび図９ｂに示される燃焼システムをシミュレートした。このテストシステムは、以下のアイテムから構成された：
・所望の空気流を提供するための空気コンプレッサおよびフロー制御システム；
・燃焼器４７に入る空気ストリームを予熱するための電気ヒータ４３に類似した電気ヒータ；
・燃料インジェクタ、触媒、およびポスト触媒反応ゾーンを含む図９ｂに図示される燃焼反応器と基本的に同様の燃焼反応器；
・ＥＨＣの電極に電気接続すると共に、ＥＨＣユニットへの電力を制御し得るＤＣ電源に接続するように、燃焼器の壁を貫通した電気リード線；
・基板温度を測定するためにＥＨＣ内に設置されたサーモカップル、ＥＨＣユニットから出るガスの温度を測定するための触媒のすぐ下流にあるサーモカップル、および燃焼部３５の端部に配置されるサーモカップル；および
・燃焼器の排気、特にＣＯおよびＵＨＣ（未燃焼の炭化水素）の組成を測定するための燃焼部３５の端部に配置されるガスサンプリングプローブ。
【００７６】
始動テスト状態
以下のステップを用いて、始動状態下での上記のＥＨＣユニットをテストした：
１．燃焼反応器を通る空気流を、１分あたり２４０標準リットル（ＳＬＰＭ）に設定した。この値は、典型的な触媒燃焼性能に必要な触媒の必須の大きさに調節された場合の点火速度でガスタービン中に存在する空気流と一致する。
【００７７】
２．空気を４５０℃に予熱した。
【００７８】
３．電力を触媒に与えなかった。
【００７９】
４．イソオクタン燃料を、７．９ｇ／ｍｉｎの流量で供給した。燃料の注入は、図１０ａに示される７５秒の時点で開始した。
【００８０】
５．触媒基板および燃焼されたガス混合体の温度および排気量を、このテストの間中監視した。
【００８１】
このテストの結果を図１０ａから図１０ｃに示す。図１０ａは、イソオクタンが触媒上で反応し、触媒の温度を上昇させる際の触媒基板における温度プロフィールを示す。さらに、図１０ａは、ＥＨＣユニット１０の出口および反応器の出口における燃焼されたガス混合体の温度もまた、反応器の内部で生じている触媒反応によって上昇することを示す。計算された燃焼反応器出口温度は、燃料の完全な燃焼が反応器中で起こる場合に生じる温度である。燃焼器出口温度は、燃焼器のテストリグの壁を通る熱損失のために、計算された燃焼器出口温度より低い。
【００８２】
図１０ｂおよび１０ｃは、これらのテスト状態の下で生じた、未燃焼の炭化水素（ＵＨＣ）および一酸化炭素（ＣＯ）の全排気量を示す。燃やされていない燃料は、温度が燃料およびＣＯを完全に燃焼させるほど十分高く上がるまでは、触媒構造体を通って逃げ、非常に高レベルの燃焼反応器から出る。各種類の排気毎の濃度対時間曲線の積分は、その排気に関する総量を提供する。図１０ｂおよび図１０ｃは、ＵＨＣに関する積分排気量は、１３５３ｍｇであり、ＣＯの積分排気量は、８２ｍｇであった。これらの始動時レベルは、非常に高く、許容範囲を越えた高い総排気量につながる。
【００８３】
実施例２
この実施例は、燃料／空気混合体の導入前に触媒表面の電気予熱を行うＥＨＣユニット１０の使用を示す。
【００８４】
ＥＨＣユニットの調製
このテストに用いた触媒およびテストシステムは、実施例１のものと同じである。この場合、電力は、燃料を導入する前に触媒に与えられる。
【００８５】
始動テスト状態
１．燃焼反応器を通る空気流を、１分あたり２４０標準リットル（ＳＬＰＭ）に設定した。この値は、点火速度でガスタービン中に存在する空気流と一致する。
【００８６】
２．空気を４５０℃に予熱した。
【００８７】
３．７５０℃の触媒基板温度を達成するために電力を触媒ユニットに与えた。
【００８８】
４．イソオクタン燃料のフローを、７．９ｇ／ｍｉｎの流量で開始した。燃料の注入は、図１１ａに示されるように約１８秒の時点で開始した。触媒温度が燃料との反応によって８００℃に達すると、電力を止めた。
【００８９】
５．触媒基板および燃焼されたガス混合体の温度および排気量を、このテストの間中監視した。
【００９０】
このテストの結果を図１１ａから図１１ｃに示す。図１１ａは、燃料が最初に注入された際に触媒基板温度が約９００℃の最大値にまで上昇し、その後、約８００℃の定常動作温度に戻ったことを示す。図１１ａはまた、触媒構造体の出口および燃焼反応器の出口における燃焼されたガス混合体のより高い温度を示す。
【００９１】
図１１ｂおよび図１１ｃは、それぞれＵＨＣおよびＣＯの積分総排気量を示す。これらの動作状態の下で、ＵＨＣの総量は、４．２ｍｇであり、ＣＯの総量は、約１３ｍｇであった。これらの結果は、触媒を電気的に予熱することにより、始動状態期間中の排気量が大きく減少され得ることを示す。より具体的には、実施例２で用いられた始動状態によって、ＵＨＣ排気量が９９．７％減少し、ＣＯ排気量が８４％減少した。これらの結果に基づいて、ガスタービンの始動中にＵＨＣユニットを使用することによって、始動期間中の全積分排気量が大幅に減少され得ることが明らかである。
【００９２】
実施例３
この実施例は、燃料オン対電力オフの正確なシーケンスおよびタイミングが、排気量の総体的な減少にとって重要であることを示す。電力オフが早すぎると、燃料反応速度が十分に速くなる前に、触媒温度が低下する可能性があり、触媒後の均一な燃焼の開始が遅れる。さらに、かなりの燃料が燃焼室から逃げ、望ましくない排気として現れる。電力のオフが遅すぎると、触媒は、過熱される可能性があり、損傷を受け得る。
【００９３】
ＥＨＣユニットの調製
実施例３に用いた触媒およびテストシステムは、実施例１および実施例２に記載されたものに類似する。このテストでは、使用した燃料は、高級炭化水素の微量成分を有する、主にメタンから成る天然ガスであった。ＥＨＣユニットは、１つの平坦フォイルおよび１つの波形フォイルを用いた２つのフォイルの螺旋状に巻かれたＥＨＣユニットであった。このテストにおいて波形フォイルは、１．２０ｍｍの波形高さおよび２ｍｍのピークトゥーピーク周期を有するヘリングボーンパターンに形成した。ヘリングボーンパターンは、２０ｍｍのチャネル長さおよび６のチャネル角度を有していた。平坦フォイルを触媒でコーティングした前のテストとは異なり、このテストにおいては、波形フォイルが、触媒でコーティングされた一面を有していた。薄め塗膜の調製および塗布は、実施例１に記載したのと同じであった。
【００９４】
始動テスト状態
この実施例においてＥＨＣユニットをテストするために以下の状態を用いた：
１．燃焼反応器を通る空気流を、２４０ＳＬＰＭに設定した。
【００９５】
２．空気を４５０℃に予熱した。
【００９６】
３．９５０℃の触媒基板温度を達成するために電力をＥＨＣユニットに与えた。
【００９７】
４．天然ガス燃料を、７．９ｇ／ｍｉｎの流量で供給した。燃料は、１８秒の時点で注入した。
【００９８】
５．燃料をオンにし、燃料をオンした後の選択された時間間隔後に、ＥＨＣ電力をオフにした。
【００９９】
６．触媒基板および燃焼されたガス混合体の温度および排気量を、このテストの間中監視した。
【０１００】
表３および図１１は、このテストのデータを含む。
【０１０１】
【表３】
0003874399.tif 000004
これらのデータは、ＥＨＣユニット１０への電力をオンにしておくべき閾値期間（これによって、望ましくない排気量が大幅に減少する）が存在することを実証する。燃料がオンにされた後にＥＨＣ電力がオンに維持される時間を増やすことによって、始動過渡期間中のＵＨＣ排気量は、４２００ｍｇから２０ｍｇに減少され、ＣＯは、４９から２３に減少され得る。触媒のＩＨＥ構造体のために、燃料の一部のみが触媒中で燃焼される。触媒から出る時の温度が、均一な燃焼を開始するには低すぎる場合には、このまだ燃えていない燃料が、燃焼器から出て、大気中に放出される。これは、明らかに、図１２に示されるように、触媒基板温度がたった５５０℃であり、反応中の燃料によって定常温度にまで加熱されるのに非常に長い時間が必要とされる１回目のケースである。ＥＨＣ電力を与えることによっって、触媒基板温度が定常値（この実施例では９３０℃）にまで上昇する。しかし、ＥＨＣ電力の除去が、２回目および３回目の場合のように早すぎると、触媒基板温度は低下し、必要とされる触媒出口温度を提供しない。燃料がオンにされ、触媒上で反応を始めた後も長い間ＥＨＣ電力がオンにされ続けると、触媒温度は、定常温度をはるかに越えて上昇し得る。これらのデータは、最小の排気量を達成するために、燃料フローの開始後にＥＨＣ電力が維持されるべき最適な期間が存在することを明らかに示す。さらに、これらの結果は、ＥＨＣ電力を変調するための制御システムを用いて比較的一定の触媒基板温度を維持することは、好適な動作モードであることを示す。
【０１０２】
特許法の規定に従って、本発明の動作の原理およびモードを、その好適な実施形態において説明および例示した。しかし、本発明は、本発明の精神または範囲から逸脱することなく、具体的に説明および例示されたものとは異なるように実施され得ることが理解されなければならない。
【図面の簡単な説明】
【図１ａ】  図１ａは、本発明の螺旋状に巻かれた電気加熱触媒（ＥＨＣ）ユニットの端部を前にした正面図である。
【図１ｂ】  図１ｂは、ＥＨＣユニットの中央における平坦フォイルと波形フォイルとの取り付け点の詳細図である。
【図１ｃ】  図１ｃは、ヘリングボーン波形タイプの側面図である。
【図１ｄ】  図１ｄは、直線波形タイプの側面図である。
【図２】  図２は、ガスタービンエンジンのブロック図である。
【図３ａ】  図３ａは、中央電極および少なくとも１つの周辺電極を有する３つのフォイルＥＨＣユニットの模式図である。
【図３ｂ】  図３ｂは、中央電極および少なくとも１つの周辺電極を有する３つのフォイルＥＨＣユニットの模式図である。
【図３ｃ】  図３ｃは、中央電極および少なくとも１つの周辺電極を有する３つのフォイルＥＨＣユニットの模式図である。
【図３ｄ】  図３ｄは、中央電極および少なくとも１つの周辺電極を有する３つのフォイルＥＨＣユニットの模式図である。
【図３ｅ】  図３ｅは、中央電極および少なくとも１つの周辺電極を有する３つのフォイルＥＨＣユニットの模式図である。
【図４】  図４は、周辺電極を有する６フォイル直列ＥＨＣユニットの模式図である。
【図５ａ】  図５ａは、典型的な電極および本発明による電力リード線の取り付けの図である。
【図５ｂ】  図５ｂは、本発明による、および本発明によらない様々な電気リード線材料の抵抗性加熱および耐酸化性に関する性能を示すテスト結果のグラフである。
【図５ｃ】  図５ｃは、本発明による、および本発明によらない様々な電気リード線材料の抵抗性加熱および耐酸化性に関する性能を示すテスト結果のグラフである。
【図５ｄ】  図５ｄは、本発明による、および本発明によらない様々な電気リード線材料の抵抗性加熱および耐酸化性に関する性能を示すテスト結果のグラフである。
【図６】  図６は、３つの周辺電極および１つの中央電極を有する３フォイルＥＨＣユニットの模式図である。
【図７】  図７は、構造体の様々な層を示すＥＨＣユニットのクローズアップ切取り断面図である。
【図８】  図８は、触媒でコーティングされた触媒支持フォイルの一面と、触媒で全くコーティングされていない反対側の面とを有する簡略化した触媒構造体の斜視図である。
【図９ａ】  図９ａは、図２に示されたブロック図の詳細な部分であり、この詳細図は、ガスタービンを動作させるために有用な計装を示す。
【図９ｂ】  図９ｂは、図２に示されたブロック図の詳細な部分であり、この詳細図は、ガスタービンを動作させるために有用な計装を示す。
【図１０ａ】  図１０ａは、本発明によるＥＨＣユニットが、燃料／空気混合体の導入前に触媒構造体を電気的に予熱することなく燃焼反応器中で用いられたテストの温度および排気の結果である。
【図１０ｂ】  図１０ｂは、本発明によるＥＨＣユニットが、燃料／空気混合体の導入前に触媒構造体を電気的に予熱することなく燃焼反応器中で用いられたテストの温度および排気の結果である。
【図１０ｃ】  図１０ｃは、本発明によるＥＨＣユニットが、燃料／空気混合体の導入前に触媒構造体を電気的に予熱することなく燃焼反応器中で用いられたテストの温度および排気の結果である。
【図１１ａ】    図１１ａは、本発明によるＥＨＣユニットが、燃料／空気混合体の導入前に触媒構造体を電気的に予熱して、燃焼反応器中で用いられたテストの温度および排気の結果である。
【図１１ｂ】    図１１ｂは、本発明によるＥＨＣユニットが、燃料／空気混合体の導入前に触媒構造体を電気的に予熱して、燃焼反応器中で用いられたテストの温度および排気の結果である。
【図１１ｃ】    図１１ｃは、本発明によるＥＨＣユニットが、燃料／空気混合体の導入前に触媒構造体を電気的に予熱して、燃焼反応器中で用いられたテストの温度および排気の結果である。
【図１２】  図１２は、触媒構造体の出口壁温度に対する、燃料が導入された後のＥＨＣへの電力供給の時間を変化させることの影響を示す。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図１ｃ】
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【図１ｄ】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図３ｃ】
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【図３ｄ】
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【図３ｅ】
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【図４】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図５ｃ】
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【図５ｄ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９ａ】
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【図９ｂ】
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【図１０ａ】
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【図１０ｂ】
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【図１０ｃ】
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【図１１ａ】
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【図１１ｂ】
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【図１１ｃ】
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【図１２】
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