JP2002505510A - 一体化された動力モジュール - Google Patents
一体化された動力モジュールInfo
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Abstract
(57)【要約】
熱および電気的な動力を作り出すための一体化された動力モジュールは、燃料(156)および空気(112)の吸入口、改質チャンバ(116)、燃料電池スタック(118)および燃焼室(120)を含むハウジング(110)内に設けられる。空気のような酸素を含んだガスは、流路(114)に沿ってモジュール内に一方向へ導入され、反応チャンバ内で生じて隣接する流路内を好ましくは反対方向に移動する反応生成物との熱交換を行って予熱される。燃料および酸素を含んでいるガスのための噴射器を有したノズル(169)がこれらのガスを改質器室の内部に供給すると、適切な装置によって点火される。改質器室からの反応生成物は、水素ガスのような反応生成物のいくらかを消費する燃料電池に、酸化ガスとして作用する反応室からの酸素と共に供給される。カソードおよびアノードの間の交換は、通常は蒸気として吸収されて燃料電池から取り出される水の生成と共に、電気を発生させる。燃料電池によって作り出された電流は外側に取り出されてユーザに供給されるが、水素は下流の燃焼室内で燃焼させられて加熱のための追加の熱エネルギ源を提供する。動力モジュールの別の実施例においては、燃料電池がシフト反応装置および水素浄化装置として用いられる。このモジュールの主要な生成物は、熱および精製された水素ガスである。
Description
【0001】 発明の属する技術分野 本発明は全般的に、熱だけではなく電流をも発生させることができ、かつター
ビンの運転や住居若しくは職場の暖房を含む種々の目的のために用いることがで
きる動力モジュールに関する。より詳しくは、本発明は、燃料電池スタックを介
して電流を生じさせるためにその後で用いる水素を生産するべく、部分酸化反応
装置(改質器)を利用する一体化されたモジュールである。過剰な水素およびガ
ス生成物は、燃料電池の下流の燃焼室において追加の熱を生産するために用いる
ことができる。これに対して、燃料電池は、下流の設備のために若しくは生成ガ
スを精製するために部分酸化生成ガスを処理するように設計された、電気化学反
応装置または拡散膜で置き換ることができる。
ビンの運転や住居若しくは職場の暖房を含む種々の目的のために用いることがで
きる動力モジュールに関する。より詳しくは、本発明は、燃料電池スタックを介
して電流を生じさせるためにその後で用いる水素を生産するべく、部分酸化反応
装置(改質器)を利用する一体化されたモジュールである。過剰な水素およびガ
ス生成物は、燃料電池の下流の燃焼室において追加の熱を生産するために用いる
ことができる。これに対して、燃料電池は、下流の設備のために若しくは生成ガ
スを精製するために部分酸化生成ガスを処理するように設計された、電気化学反
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【0002】 発明の背景 熱および電気を含むエネルギ源の生成および居住者市場の小ユーザおよび産業
市場の大ユーザに対する供給においては、汚染生成物の制御、改良されたエネル
ギ効率および費用効果が重大な問題である。
市場の大ユーザに対する供給においては、汚染生成物の制御、改良されたエネル
ギ効率および費用効果が重大な問題である。
【0003】 これらの問題を扱う従来の試みは、典型的に大規模で資本集約的な設備および
工程を伴っている。例えば、従来技術は複雑な設備を用いて、若しくは大規模な
エネルギ設備においてより清浄に燃焼する燃料を用いることにより、汚染を制御
しようと努めてきた。同じように、主要なエネルギ消費を減少させる効率ゲイン
は、このプロセスを実行することにより、若しくはエネルギサイクルを結合する
ことによって(例えば大きな複合サイクル発電所)実現されてきた。
工程を伴っている。例えば、従来技術は複雑な設備を用いて、若しくは大規模な
エネルギ設備においてより清浄に燃焼する燃料を用いることにより、汚染を制御
しようと努めてきた。同じように、主要なエネルギ消費を減少させる効率ゲイン
は、このプロセスを実行することにより、若しくはエネルギサイクルを結合する
ことによって(例えば大きな複合サイクル発電所)実現されてきた。
【0004】 より大規模な工業的および商業的な設備においては、電気エネルギを生産する
ことの複合的な利益を現地で提供するとともに副産物である熱エネルギを回収し
て使用できるようにするために、熱電併給システムシステムが用いられてきた。
しかしながら、そのような従来技術は一般的に小規模なシステムにおいては経済
的でなかった。例えば、燃料電池技術は例外的に高い効率および環境的な利点を
提供するが、少量生産に伴う燃料電池スタックの高いコスト、および独特かつ個
別的な部品でパッケージされたシステムの複雑さが、この技術が価格競争力を得
ることを妨げてきた。より大きなスケールのシステムがシステムの複雑さのイン
パクトを減少させるべく開発されてきたが、これらのプラント1つ当たりの増大
した資本リスクが、利点を検証するとともに耐久性を改善するための充分なデモ
ンストレーションを妨げ、したがってそのようなシステムの大規模な生産を妨げ
てきた。それに加えて、比較的シンプルな、燃料供給源として純粋な水素を用い
る小規模の燃料電池ユニットがいくつかの利点を示しているが、純粋水素の高い
コストおよび水素を供給するための大規模なインフラの欠乏がこの取り組みを制
限してきた。
ことの複合的な利益を現地で提供するとともに副産物である熱エネルギを回収し
て使用できるようにするために、熱電併給システムシステムが用いられてきた。
しかしながら、そのような従来技術は一般的に小規模なシステムにおいては経済
的でなかった。例えば、燃料電池技術は例外的に高い効率および環境的な利点を
提供するが、少量生産に伴う燃料電池スタックの高いコスト、および独特かつ個
別的な部品でパッケージされたシステムの複雑さが、この技術が価格競争力を得
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した資本リスクが、利点を検証するとともに耐久性を改善するための充分なデモ
ンストレーションを妨げ、したがってそのようなシステムの大規模な生産を妨げ
てきた。それに加えて、比較的シンプルな、燃料供給源として純粋な水素を用い
る小規模の燃料電池ユニットがいくつかの利点を示しているが、純粋水素の高い
コストおよび水素を供給するための大規模なインフラの欠乏がこの取り組みを制
限してきた。
【0005】 従来技術の代表は米国特許第3,516,807号であるが、ここでは燃焼室
の出口で加熱された空気が供給される混合チューブが反応チャンバに設けられて
いる。この構造が意味する目的のうちの1つは、燃料電池ために自由な水素を供
給することである。この構造は、しかしながら、急速に蓄積しがちでありしたが
って燃焼プロセスを遅らせ若しくは停止させる、カーボンまたは他の種類の付着
物の原因となりそうな配管または流路装置に依存している。この技術および他の
従来技術の装置はまた、典型的に水素生産に伴う副産物である熱を利用すること
、若しくは商業的に使用可能な充分な量の電流の生産に失敗している。
の出口で加熱された空気が供給される混合チューブが反応チャンバに設けられて
いる。この構造が意味する目的のうちの1つは、燃料電池ために自由な水素を供
給することである。この構造は、しかしながら、急速に蓄積しがちでありしたが
って燃焼プロセスを遅らせ若しくは停止させる、カーボンまたは他の種類の付着
物の原因となりそうな配管または流路装置に依存している。この技術および他の
従来技術の装置はまた、典型的に水素生産に伴う副産物である熱を利用すること
、若しくは商業的に使用可能な充分な量の電流の生産に失敗している。
【0006】 さらに、これらの問題を扱う試みは、無公害の燃料を使用する点で固有の他の
試みと同様に、変換装置および副産物を処理する設備の点においてより多額な費
用に帰結してきた。無公害若しくは低公害燃料の使用もまた多額の設備費用、お
よび工業的および居住ユーザの両方に対して効率的に市販できないようなわずら
わしい制御に帰結した。
試みと同様に、変換装置および副産物を処理する設備の点においてより多額な費
用に帰結してきた。無公害若しくは低公害燃料の使用もまた多額の設備費用、お
よび工業的および居住ユーザの両方に対して効率的に市販できないようなわずら
わしい制御に帰結した。
【0007】 世界的な人口増加および生活水準の改善により、電気および熱の必要性は実質
的に増加すると思われる。従来技術の大規模な中央設備および大規模なインフラ
を用いるそのような増大したエネルギ需要に対する設備は、非常に資本集約的で
ある。既存の燃料供給源を用いて電気および熱を供給することができる、小規模
で、経済的かつ無公害の一体化された動力モジュールが入手できることは、人口
増加に伴うエネルギ需要が増加するときに、インフラおよび送電設備における巨
額の設備投資の必要性を排除することができる。
的に増加すると思われる。従来技術の大規模な中央設備および大規模なインフラ
を用いるそのような増大したエネルギ需要に対する設備は、非常に資本集約的で
ある。既存の燃料供給源を用いて電気および熱を供給することができる、小規模
で、経済的かつ無公害の一体化された動力モジュールが入手できることは、人口
増加に伴うエネルギ需要が増加するときに、インフラおよび送電設備における巨
額の設備投資の必要性を排除することができる。
【0008】 発明の要約 本発明は、前述した問題および障害を取り除くとともに、実質的に無公害な熱
および電力の複合的な供給源を提供する。本発明の一つの形態においては、単一
の一体化された、簡略化された内部熱伝達および経済的なシステムを達成するべ
く統合された構成要素を有するモジュールが提供される。さらに、排ガスを最小
にしつつ効率を最大とするように流入燃料の使用が実行される。
および電力の複合的な供給源を提供する。本発明の一つの形態においては、単一
の一体化された、簡略化された内部熱伝達および経済的なシステムを達成するべ
く統合された構成要素を有するモジュールが提供される。さらに、排ガスを最小
にしつつ効率を最大とするように流入燃料の使用が実行される。
【0009】 本発明の一実施例によれば、そのような目的は、住居用電気機器、商用設備お
よび工業プロセスのためのエネルギ源として役立つ、小型のモジュール発電装置
によって達成される。好ましい実施例においては、この装置の各ステージは、吸
入プロセスガスが種々の下流の構成要素を冷却するとともに再生的な予熱によっ
て上流の構成要素をより高い温度に加熱するように、熱的に一体化される。
よび工業プロセスのためのエネルギ源として役立つ、小型のモジュール発電装置
によって達成される。好ましい実施例においては、この装置の各ステージは、吸
入プロセスガスが種々の下流の構成要素を冷却するとともに再生的な予熱によっ
て上流の構成要素をより高い温度に加熱するように、熱的に一体化される。
【0010】 本発明の好適な実施例においては、実行される第1の燃料消費は、引き続いて
下流のステージで処理される水素を含むガス流れを作り出すために燃料リッチレ
ベル(すなわち約0.8未満の空燃比)で稼働する、部分酸化改質器を必要とす
る。改質器プロセスにおける空燃比は好ましくは約0.1〜0.7であり、最も
好ましくは約0.2〜0.4である。第2ステージは、化学量論的にバランスし
た領域であり、そこでは従来の燃焼設備における汚染を引き起こす不必要な側の
反応なしに、電気への高い効率での転換のために燃料が酸素と電気化学的に反応
する。最後に、第3ステージは、燃料リーン(すなわち約1.1より大きい空燃
比の)燃焼室であらゆる残留燃料を消費する。第3ステージの燃焼室における空
燃比は、好ましくは約1.4より上である。この第3ステージは、全ての反応し
なかった燃料の除去を確実にするばかりでなく、多数の用途において有用な追加
の熱エネルギを生成する。燃料流れ内に存在する水素がこのような高い空燃比に
おける安定した動作を許容するので、最終ステージは不必要な汚染(例えば熱N
Ox)を生じさせない。他の好適な実施例において、第2ステージは電流を作り
出すための燃料電池を含む。この他の実施例においては、圧縮ばねまたは圧縮ば
ねのセットが、燃料電池上に機械的な力を負荷するために用いられる。
下流のステージで処理される水素を含むガス流れを作り出すために燃料リッチレ
ベル(すなわち約0.8未満の空燃比)で稼働する、部分酸化改質器を必要とす
る。改質器プロセスにおける空燃比は好ましくは約0.1〜0.7であり、最も
好ましくは約0.2〜0.4である。第2ステージは、化学量論的にバランスし
た領域であり、そこでは従来の燃焼設備における汚染を引き起こす不必要な側の
反応なしに、電気への高い効率での転換のために燃料が酸素と電気化学的に反応
する。最後に、第3ステージは、燃料リーン(すなわち約1.1より大きい空燃
比の)燃焼室であらゆる残留燃料を消費する。第3ステージの燃焼室における空
燃比は、好ましくは約1.4より上である。この第3ステージは、全ての反応し
なかった燃料の除去を確実にするばかりでなく、多数の用途において有用な追加
の熱エネルギを生成する。燃料流れ内に存在する水素がこのような高い空燃比に
おける安定した動作を許容するので、最終ステージは不必要な汚染(例えば熱N
Ox)を生じさせない。他の好適な実施例において、第2ステージは電流を作り
出すための燃料電池を含む。この他の実施例においては、圧縮ばねまたは圧縮ば
ねのセットが、燃料電池上に機械的な力を負荷するために用いられる。
【0011】 本発明の特有の利点は、プロセスガスの予熱および生成ガスの冷却を生じさせ
る一体化された設計および動力モジュールの構造と、3つのステージ内における
この装置の構成要素であり、インターフェースの複雑さおよび設備を最小化して
いる。本発明の一態様においては、冷たい吸入プロセスガスがモジュール内に入
って燃料電池モジュールおよび関連する燃料電池圧縮ハードウェアを冷却すると
同時に、燃料電池および改質器における反応のためにプロセスガスが予熱され、
それによって効率が高まる。吸入プロセスガスが部分酸化改質器の方へ進行する
と、改質器生成ガスの冷却と同時に追加の予熱が達成される。一実施例において
は、燃料電池に入る前に改質器生成ガスを充分に冷却するために空気の流れを増
加させる。この過剰空気は、次いで改質器および燃料電池をバイパスして燃料リ
ーン燃焼プロセスに入る。これは、水による冷却の必要性を除去する。水から蒸
気への蒸発による冷却は、最終的に燃料電池のアノードプロセスガスの温度を制
御する。
る一体化された設計および動力モジュールの構造と、3つのステージ内における
この装置の構成要素であり、インターフェースの複雑さおよび設備を最小化して
いる。本発明の一態様においては、冷たい吸入プロセスガスがモジュール内に入
って燃料電池モジュールおよび関連する燃料電池圧縮ハードウェアを冷却すると
同時に、燃料電池および改質器における反応のためにプロセスガスが予熱され、
それによって効率が高まる。吸入プロセスガスが部分酸化改質器の方へ進行する
と、改質器生成ガスの冷却と同時に追加の予熱が達成される。一実施例において
は、燃料電池に入る前に改質器生成ガスを充分に冷却するために空気の流れを増
加させる。この過剰空気は、次いで改質器および燃料電池をバイパスして燃料リ
ーン燃焼プロセスに入る。これは、水による冷却の必要性を除去する。水から蒸
気への蒸発による冷却は、最終的に燃料電池のアノードプロセスガスの温度を制
御する。
【0012】 他の利点は、部分酸化改質器の設計にある。酸素を含むガス(すなわち空気)
および燃料ガスの適切な予熱および混合は、安定した作動を達成し、かつ下流の
燃料電池および低排ガス燃焼室のために適当な量の水素ガスを生成するために必
要である。このために、始動後における酸素を含むガスの適切な予熱と協働し、
反応チャンバへの噴射に応じて酸素を含むガスと燃料ガス若しくは蒸気との完全
で均一な混合を生じさせる、特別に設計されたノズルが開発された。さらに反応
チャンバは、米国特許第5,229,536号に開示されているように、噴射さ
れて混合されたガスが改質器チャンバの(好ましくは、後部の若しくは対向する
)壁に衝突してさらに混合されるように設計されている。なお、米国特許第5,
229,536号の開示は、この参照によって本願明細書に組み込まれるものと
する。
および燃料ガスの適切な予熱および混合は、安定した作動を達成し、かつ下流の
燃料電池および低排ガス燃焼室のために適当な量の水素ガスを生成するために必
要である。このために、始動後における酸素を含むガスの適切な予熱と協働し、
反応チャンバへの噴射に応じて酸素を含むガスと燃料ガス若しくは蒸気との完全
で均一な混合を生じさせる、特別に設計されたノズルが開発された。さらに反応
チャンバは、米国特許第5,229,536号に開示されているように、噴射さ
れて混合されたガスが改質器チャンバの(好ましくは、後部の若しくは対向する
)壁に衝突してさらに混合されるように設計されている。なお、米国特許第5,
229,536号の開示は、この参照によって本願明細書に組み込まれるものと
する。
【0013】 発明の詳細な説明 ここで図面を参照すると、類似の数字は対応する部分を示しているが、図1a
の断面ブロック図は本発明に係る一体化された動力モジュールの主要構成要素の
配置を、それらの構成要素を通過するプロセス空気、プロセス燃料の流れ経路お
よび生成ガスの流れと共に示している。図1Aに示したように、一体化された動
力モジュールはハウジング110を備えており、かつその内部には改質器116
、燃料電池118および燃焼室120が単一の断熱組立体に一体化されている。
これらの構成要素の具体的な詳細は、本発明の他の特徴と同様に、図1B乃至図
4Bと共に記述される。
の断面ブロック図は本発明に係る一体化された動力モジュールの主要構成要素の
配置を、それらの構成要素を通過するプロセス空気、プロセス燃料の流れ経路お
よび生成ガスの流れと共に示している。図1Aに示したように、一体化された動
力モジュールはハウジング110を備えており、かつその内部には改質器116
、燃料電池118および燃焼室120が単一の断熱組立体に一体化されている。
これらの構成要素の具体的な詳細は、本発明の他の特徴と同様に、図1B乃至図
4Bと共に記述される。
【0014】 図1Aを詳細に参照すると、吸入空気112はハウジング110の一端側にあ
る吸入チューブ113から入って来る。なおハウジングは任意の形状とすること
ができるが、効率の改善、コスト低減および製造の容易化のために好ましくは円
筒状である。吸入空気112は、一つ若しくは複数の圧縮ばね124の形を取る
バリヤと熱交換の関係にある外側の環状空間114に沿って移動する。圧縮ばね
124は燃焼室120を囲むとともに吸入空気112によって冷却される。圧縮
ばね124のばね力は、この冷却によって部分的に維持される。圧縮ばね124
はハウジング110の端部(好ましくは上端)と圧縮プレートセット133との
間で作用して燃料電池118上に機械的な力を負荷する。好ましくは、圧縮プレ
ートセット133は、図1Bに関連してより詳細に記述される個々のプレート1
30、131および132から成る。
る吸入チューブ113から入って来る。なおハウジングは任意の形状とすること
ができるが、効率の改善、コスト低減および製造の容易化のために好ましくは円
筒状である。吸入空気112は、一つ若しくは複数の圧縮ばね124の形を取る
バリヤと熱交換の関係にある外側の環状空間114に沿って移動する。圧縮ばね
124は燃焼室120を囲むとともに吸入空気112によって冷却される。圧縮
ばね124のばね力は、この冷却によって部分的に維持される。圧縮ばね124
はハウジング110の端部(好ましくは上端)と圧縮プレートセット133との
間で作用して燃料電池118上に機械的な力を負荷する。好ましくは、圧縮プレ
ートセット133は、図1Bに関連してより詳細に記述される個々のプレート1
30、131および132から成る。
【0015】 環状空間114に沿った吸入空気112の移動は、可撓性バリヤ壁126を介
して燃料電池118の冷却を生じさせる。好ましくは、図1Aに示されるように
、燃料電池118は燃焼室120の下側に配置される。吸入空気112の一部は
、燃料電池118のカソードマニホールドに酸素を供給するためにオリフィス1
28を介してその向きが転じられる。オリフィス128は、環状空間114の最
上部と底部との間の任意の適切位置に配置することができるとともに、吸入空気
112を適切な流量および吸入温度で燃料電池118内に導入および分配できる
ような任意の適切形状とすることができる。
して燃料電池118の冷却を生じさせる。好ましくは、図1Aに示されるように
、燃料電池118は燃焼室120の下側に配置される。吸入空気112の一部は
、燃料電池118のカソードマニホールドに酸素を供給するためにオリフィス1
28を介してその向きが転じられる。オリフィス128は、環状空間114の最
上部と底部との間の任意の適切位置に配置することができるとともに、吸入空気
112を適切な流量および吸入温度で燃料電池118内に導入および分配できる
ような任意の適切形状とすることができる。
【0016】 環状空間114を通って燃料電池118の下側に流れる残りの吸入空気112
は、熱交換壁172を介して改質器116の生成物ガスから連続的に熱を吸収す
る(すなわち、それによって予熱される)。好ましくは、吸入空気112は少な
くとも華氏1000度まで予熱され、最も好ましくは効率を高めるために華氏1
000度乃至1800度まで予熱される。
は、熱交換壁172を介して改質器116の生成物ガスから連続的に熱を吸収す
る(すなわち、それによって予熱される)。好ましくは、吸入空気112は少な
くとも華氏1000度まで予熱され、最も好ましくは効率を高めるために華氏1
000度乃至1800度まで予熱される。
【0017】 吸入燃料156の少なくとも一部(すなわちすべて若しくはその一部)は、ハ
ウジング110上の任意の適切位置に配置される導管158を介して燃料噴射器
160に供給される。この吸入燃料は、任意の可燃性燃料若しくは燃料/蒸気混
合物から構成することができる。(改質器生成ガスと熱接触している)熱交換壁
172または予熱された吸入空気112のいずれか若しくはその両方との接触に
よって吸入燃料156が予熱されるように、導管158は環状空間114内に挿
入されている。吸入燃料156は、好ましくは華氏500度〜1000度に予熱
される。環状空間114を囲む分離されたシェルまたは熱交換壁172若しくは
環状空間114内の予熱空気との接触によって吸入燃料156を予熱する他の手
段を含む、導管158の他の実施例も実施可能である。
ウジング110上の任意の適切位置に配置される導管158を介して燃料噴射器
160に供給される。この吸入燃料は、任意の可燃性燃料若しくは燃料/蒸気混
合物から構成することができる。(改質器生成ガスと熱接触している)熱交換壁
172または予熱された吸入空気112のいずれか若しくはその両方との接触に
よって吸入燃料156が予熱されるように、導管158は環状空間114内に挿
入されている。吸入燃料156は、好ましくは華氏500度〜1000度に予熱
される。環状空間114を囲む分離されたシェルまたは熱交換壁172若しくは
環状空間114内の予熱空気との接触によって吸入燃料156を予熱する他の手
段を含む、導管158の他の実施例も実施可能である。
【0018】 予熱された吸入空気112および吸入燃料156は、後に詳述される燃料噴射
器160および空気噴射器22を含むノズル169を介して改質器116に導入
される。吸入空気112および吸入燃料156は、改質器116内への噴射によ
って混合される。空気/燃料の混合を提供可能な種々のノズルは、当業者にとっ
ては明らかである。適切なノズル構造の実例は、図2A、2B、2Cおよび2D
に関連してより詳細に論じられる。加えて、燃料噴射器および空気噴射器が同一
であるように(例えば、ノズルが燃料およびガスのための単一の噴射器を備える
ように)、燃料およびガスを改質器内に導入する前に混合することもできる。
器160および空気噴射器22を含むノズル169を介して改質器116に導入
される。吸入空気112および吸入燃料156は、改質器116内への噴射によ
って混合される。空気/燃料の混合を提供可能な種々のノズルは、当業者にとっ
ては明らかである。適切なノズル構造の実例は、図2A、2B、2Cおよび2D
に関連してより詳細に論じられる。加えて、燃料噴射器および空気噴射器が同一
であるように(例えば、ノズルが燃料およびガスのための単一の噴射器を備える
ように)、燃料およびガスを改質器内に導入する前に混合することもできる。
【0019】 再び図1Aを参照すると、予熱された吸入空気112および吸入燃料156が
ノズル169によって改質器116に噴射されると、燃料リッチなレベル(すな
わち空気/燃料混合比が約0.8未満)での部分酸化燃焼が生じる。空気/燃料
混合比は、好ましくは約0.1〜0.7であり、最も好ましくは約0.2〜0.
4である。
ノズル169によって改質器116に噴射されると、燃料リッチなレベル(すな
わち空気/燃料混合比が約0.8未満)での部分酸化燃焼が生じる。空気/燃料
混合比は、好ましくは約0.1〜0.7であり、最も好ましくは約0.2〜0.
4である。
【0020】 空気/燃料混合物は(例えば点火プラグによって)点火され、典型的には、華
氏2300度〜3000度の範囲の改質温度が達成される。次いで改質器生成ガ
スは改質器116を通過して流路168内に出て、それによって環状空間114
と熱交換関係にある熱交換壁172を加熱する。流路168内のガスの速度は、
好ましくは熱伝達を増すために高く保たれる。水および/または蒸気を吸入口1
66を介して導入し、流路168内の改質器生成ガス内に噴射することができる
。吸入口166は任意の適切位置に配置することができる。流路168内への噴
射に先だつ吸入口166内における水の蒸発を容易にするために、吸入口166
を熱交換壁172と熱接触させることができる。水蒸気は、これによって改質器
生成ガス流の温度を急冷させる。好ましくは、改質器生成ガスの温度は、燃料電
池の必要条件および生成ガスの安定性に基づいてほぼ華氏1300度まで下げら
れる。
氏2300度〜3000度の範囲の改質温度が達成される。次いで改質器生成ガ
スは改質器116を通過して流路168内に出て、それによって環状空間114
と熱交換関係にある熱交換壁172を加熱する。流路168内のガスの速度は、
好ましくは熱伝達を増すために高く保たれる。水および/または蒸気を吸入口1
66を介して導入し、流路168内の改質器生成ガス内に噴射することができる
。吸入口166は任意の適切位置に配置することができる。流路168内への噴
射に先だつ吸入口166内における水の蒸発を容易にするために、吸入口166
を熱交換壁172と熱接触させることができる。水蒸気は、これによって改質器
生成ガス流の温度を急冷させる。好ましくは、改質器生成ガスの温度は、燃料電
池の必要条件および生成ガスの安定性に基づいてほぼ華氏1300度まで下げら
れる。
【0021】 部分的に冷却された改質器生成物ガス流れは、燃料電池118と改質器116
との間に配置されている集電装置壁31に設置された導管190を介して、流路
168から燃料電池の陽極マニホールドに流れる。オリフィス128によって燃
料電池118に向きが転じられた吸入空気112は、燃料電池のカソードマニホ
ールドに入る。好ましくは、汚染を生成する求めない側の反応なしに、高い効率
で電気を生み出すべく燃料が電気化学的に酸素と反応するように、燃料電池は理
論空燃比的にバランスが取れた状態の下で運転される。燃料電池118は、外部
での使用のために電極10および12を介して取り出すことができる直流を生成
するが、電極10および12はモジュール上の種々の位置に適切に配置すること
ができる。電圧および電流出力は、燃料電池の面積、電池の数および能力に依存
する。
との間に配置されている集電装置壁31に設置された導管190を介して、流路
168から燃料電池の陽極マニホールドに流れる。オリフィス128によって燃
料電池118に向きが転じられた吸入空気112は、燃料電池のカソードマニホ
ールドに入る。好ましくは、汚染を生成する求めない側の反応なしに、高い効率
で電気を生み出すべく燃料が電気化学的に酸素と反応するように、燃料電池は理
論空燃比的にバランスが取れた状態の下で運転される。燃料電池118は、外部
での使用のために電極10および12を介して取り出すことができる直流を生成
するが、電極10および12はモジュール上の種々の位置に適切に配置すること
ができる。電圧および電流出力は、燃料電池の面積、電池の数および能力に依存
する。
【0022】 陽極排気ガスは、比較的温度が低い吸入空気112と熱接触状態にある可撓性
熱伝達バリヤ壁126との接触によってその温度が急冷された後、出口流路13
4を通過して燃料電池118を出て燃焼室120に至る。陽極排気ガスの温度は
華氏で約1500度であるが、それは燃料電池のタイプと能力、可撓性バリヤ壁
126を介した熱伝達および吸入口166で噴射される水の度合いによって決ま
る。燃料電池118からのカソード排気ガスは、(図4Bに示された)導管12
9によって燃焼室120に導かれる。
熱伝達バリヤ壁126との接触によってその温度が急冷された後、出口流路13
4を通過して燃料電池118を出て燃焼室120に至る。陽極排気ガスの温度は
華氏で約1500度であるが、それは燃料電池のタイプと能力、可撓性バリヤ壁
126を介した熱伝達および吸入口166で噴射される水の度合いによって決ま
る。燃料電池118からのカソード排気ガスは、(図4Bに示された)導管12
9によって燃焼室120に導かれる。
【0023】 燃焼室120は、後に詳述するが、好ましくは燃料リーンレベルすなわち、空
気/燃料混合比が約1.1より高い、最も好ましくは約1.4より高いレベルで
運転される。燃焼室は好ましくは、反応工程から回収されおよび/または燃焼に
よって生じた熱エネルギを下流のユーザまたは装置に供給するための、熱伝達コ
イル142等の熱回収装置を備える。このモジュールからの排気ガス144は、
(図1Bに示された)排気ダクト141を通ってこのシステムを出る。
気/燃料混合比が約1.1より高い、最も好ましくは約1.4より高いレベルで
運転される。燃焼室は好ましくは、反応工程から回収されおよび/または燃焼に
よって生じた熱エネルギを下流のユーザまたは装置に供給するための、熱伝達コ
イル142等の熱回収装置を備える。このモジュールからの排気ガス144は、
(図1Bに示された)排気ダクト141を通ってこのシステムを出る。
【0024】 ここで本発明の好適な実施例を参照すると、図1Bに示されるように、ハウジ ング110は、熱損失を最小にするとともにユーザに対する外側の熱的な保護の
ために熱的に絶縁されている。繊維板、発泡体、および/またはそれらの絶縁特
性および温度適合性に応じて選択される素材を含む任意の絶縁材料を用いること
ができるが、これらには限定されない。ハウジング110はまた、燃焼室120
および圧縮ばね124に直接アクセスするために選択的に取り除くことができる
カバーフランジ111を備えている。カバーフランジ111を介した燃焼室12
0および圧縮ばね124の取り出しは、燃料電池118および改質器116への
アクセスおよび取り出しを許容する。一体化された動力モジュールの個々の構成
要素に対するアクセスの容易さは、メンテナンス、点検および必要ならば構成要
素を修理するために有用である。一つの実施例においては、圧縮ばね124は、
加熱されたときに圧縮力を増加させるように膨張する材料から成る。
ために熱的に絶縁されている。繊維板、発泡体、および/またはそれらの絶縁特
性および温度適合性に応じて選択される素材を含む任意の絶縁材料を用いること
ができるが、これらには限定されない。ハウジング110はまた、燃焼室120
および圧縮ばね124に直接アクセスするために選択的に取り除くことができる
カバーフランジ111を備えている。カバーフランジ111を介した燃焼室12
0および圧縮ばね124の取り出しは、燃料電池118および改質器116への
アクセスおよび取り出しを許容する。一体化された動力モジュールの個々の構成
要素に対するアクセスの容易さは、メンテナンス、点検および必要ならば構成要
素を修理するために有用である。一つの実施例においては、圧縮ばね124は、
加熱されたときに圧縮力を増加させるように膨張する材料から成る。
【0025】 本実施例においては、圧縮ばね124が、カバーフランジ111の下面と、プ
レート130、131および132を有した(図1Aに示されている)圧縮プレ
ートセット133の一番上にある圧縮プレート30との間に、機械的な力を作用
させている。可撓性バリヤ壁126は、ベローズに似せることができるが、改質
器116の上方に配置された集電装置壁31と密封的に係合するために、燃料電
池118を囲むとともに圧縮プレートセット133の下面若しくは周辺から下方
へ延在している。好ましくは、可撓性バリヤ壁126の下端と圧縮プレート13
0の外周との間に気密な面間シールを与えるために、リングシール若しくは溶接
が用いられる。同様に、リングシール若しくは溶接は、集電装置壁31と(i)
可撓性バリヤ壁126および(ii)熱交換壁172との間に気密なシールを提供
する。圧縮ばね124および可撓性のバリヤー壁126は、このモジュールが作
動する間、燃料電池118の熱膨張および熱収縮を許容する。
レート130、131および132を有した(図1Aに示されている)圧縮プレ
ートセット133の一番上にある圧縮プレート30との間に、機械的な力を作用
させている。可撓性バリヤ壁126は、ベローズに似せることができるが、改質
器116の上方に配置された集電装置壁31と密封的に係合するために、燃料電
池118を囲むとともに圧縮プレートセット133の下面若しくは周辺から下方
へ延在している。好ましくは、可撓性バリヤ壁126の下端と圧縮プレート13
0の外周との間に気密な面間シールを与えるために、リングシール若しくは溶接
が用いられる。同様に、リングシール若しくは溶接は、集電装置壁31と(i)
可撓性バリヤ壁126および(ii)熱交換壁172との間に気密なシールを提供
する。圧縮ばね124および可撓性のバリヤー壁126は、このモジュールが作
動する間、燃料電池118の熱膨張および熱収縮を許容する。
【0026】 電気絶縁プレート131は、圧縮プレート130と集電装置プレート132と
の間に配置されている。図1Bにおいては、集電装置プレート132は正(カソ
ード側)であるが、望む場合にはスタック極性を反転させることができる。正極
端子10は、集電装置プレート132と電気的に接触し、燃料電池によって発電
された電流にユーザが接続できるようにしている。
の間に配置されている。図1Bにおいては、集電装置プレート132は正(カソ
ード側)であるが、望む場合にはスタック極性を反転させることができる。正極
端子10は、集電装置プレート132と電気的に接触し、燃料電池によって発電
された電流にユーザが接続できるようにしている。
【0027】 図1Bに示されるように、燃焼室120は、モジュールの外側に排気ガス14
4を導くためにカバーフランジ111に取り付けられた排気ダクト141が設け
られている。カバーフランジ111をハウジング110から取り外すときには、
排気ダクト141をカバーフランジ111と共に移動することができる。排気ダ
クト141の底部は多孔性の表面要素14と係合し若しくは連結し、燃焼室12
0の基部としての役割を果たすとともにその物理的な寸法を決定している。表面
要素14が触媒作用を受けて自発的な点火作用を高めることができるが、燃焼室
120に火花点火源(図示せず)を設けることもできる。排気ダクト141内に
配置された取り外し可能な熱伝達コイル142は、下流若しくは外部で使用する
熱を回収するために設けられている。
4を導くためにカバーフランジ111に取り付けられた排気ダクト141が設け
られている。カバーフランジ111をハウジング110から取り外すときには、
排気ダクト141をカバーフランジ111と共に移動することができる。排気ダ
クト141の底部は多孔性の表面要素14と係合し若しくは連結し、燃焼室12
0の基部としての役割を果たすとともにその物理的な寸法を決定している。表面
要素14が触媒作用を受けて自発的な点火作用を高めることができるが、燃焼室
120に火花点火源(図示せず)を設けることもできる。排気ダクト141内に
配置された取り外し可能な熱伝達コイル142は、下流若しくは外部で使用する
熱を回収するために設けられている。
【0028】 図1Bにおける改質器116は、一体化された動力モジュールの底部近傍に配
置されるとともに、モジュール組立体の底部でベース162に対して支持された
底部シールプレート300から熱的に絶縁されている。点火プラグ174は、底
部シールプレート300およびベース162を貫通して改質器116の内部にま
で延在し、改質燃焼を始動させるときに点火するようになっている。
置されるとともに、モジュール組立体の底部でベース162に対して支持された
底部シールプレート300から熱的に絶縁されている。点火プラグ174は、底
部シールプレート300およびベース162を貫通して改質器116の内部にま
で延在し、改質燃焼を始動させるときに点火するようになっている。
【0029】 ハウジング110には、環状空間114内から空気を抽気し若しくは環状空間
114内へ空気を追加する役割を果たす、弁付きチューブ164および176を
選択的に設けることができる。これらのブリードチューブは、改質器116に供
給する酸素の量や予熱空気112の温度および/または改質器生成ガスと燃料電
池118に与える冷却レベルを制御するために求められる空気の流量調整を許容
する。これらは、空気噴射器22に適切な混合物を供給するために、流入空気の
温度および質量流量を制御するために利用される。弁付きチューブ176および
164にそれぞれ設けた空気弁178および179を制御するために、環状空間
114内に適切なセンサを設けることができる。加えて、蒸気若しくはメタンま
たはこれらの混合物を流路168に供給するために、補助的な吸入口166をハ
ウジング110に設けることができる。したがって、燃料電池118に導入する
前にガス生成物の構成要素を最適化することができる。
114内へ空気を追加する役割を果たす、弁付きチューブ164および176を
選択的に設けることができる。これらのブリードチューブは、改質器116に供
給する酸素の量や予熱空気112の温度および/または改質器生成ガスと燃料電
池118に与える冷却レベルを制御するために求められる空気の流量調整を許容
する。これらは、空気噴射器22に適切な混合物を供給するために、流入空気の
温度および質量流量を制御するために利用される。弁付きチューブ176および
164にそれぞれ設けた空気弁178および179を制御するために、環状空間
114内に適切なセンサを設けることができる。加えて、蒸気若しくはメタンま
たはこれらの混合物を流路168に供給するために、補助的な吸入口166をハ
ウジング110に設けることができる。したがって、燃料電池118に導入する
前にガス生成物の構成要素を最適化することができる。
【0030】 図1Bに示された実施例においては、吸入反応空気112は、吸入チューブ1
13を介して、ハウジング110の内壁と(i)圧縮ばね124(ii)可撓性バ
リヤ壁126および(iii)熱交換壁172との間の空間によって形成される環 状空間114内に導入される。比較的冷たい吸入空気112は、圧縮ばね124
を冷却する役割を果たす。吸入空気112の一部は燃料電池118に酸素を供給
するためにオリフィス128を通ってその向きが転じられ、向きが転じられた吸
入空気112は最終的に燃料電池118の中を流れ、そこにおいて吸入空気11
2の酸素が消費される。典型的に、オリフィス128に入る予熱された空気の温
度は華氏で約1000乃至1300度であるが、その温度は燃料電池のタイプに
よって定まる。所望の温度を達成するために、オリフィス128を任意の適切な
位置に配置することができる。温度上昇を生じさせるために、熱交換壁172に
沿って下方に延びる延長チューブを用いることができる。向きが転じられて酸素
が消費された空気の流れは、燃料電池118を出て(図4Bに示されている)カ
ソード出口マニホールド238に入り、最終的には(図4Bに示されている)導
管129と絶縁プレート131および圧縮プレート130を通過する。酸素が消
費された空気は、最後に予燃焼領域16に入るとともにポート140を通過して
燃焼室120に至る。
13を介して、ハウジング110の内壁と(i)圧縮ばね124(ii)可撓性バ
リヤ壁126および(iii)熱交換壁172との間の空間によって形成される環 状空間114内に導入される。比較的冷たい吸入空気112は、圧縮ばね124
を冷却する役割を果たす。吸入空気112の一部は燃料電池118に酸素を供給
するためにオリフィス128を通ってその向きが転じられ、向きが転じられた吸
入空気112は最終的に燃料電池118の中を流れ、そこにおいて吸入空気11
2の酸素が消費される。典型的に、オリフィス128に入る予熱された空気の温
度は華氏で約1000乃至1300度であるが、その温度は燃料電池のタイプに
よって定まる。所望の温度を達成するために、オリフィス128を任意の適切な
位置に配置することができる。温度上昇を生じさせるために、熱交換壁172に
沿って下方に延びる延長チューブを用いることができる。向きが転じられて酸素
が消費された空気の流れは、燃料電池118を出て(図4Bに示されている)カ
ソード出口マニホールド238に入り、最終的には(図4Bに示されている)導
管129と絶縁プレート131および圧縮プレート130を通過する。酸素が消
費された空気は、最後に予燃焼領域16に入るとともにポート140を通過して
燃焼室120に至る。
【0031】 燃料電池の下方では、向きが転じられなかった吸入空気112が熱交換壁17
2と熱交換を行うように通過し、環状空間168内の生成ガスから熱を取り出し
てそれを冷却する。吸入空気112は環状空間114に沿った移動の結果として
予熱され、華氏で約1000度〜1600度の温度、若しくはより高い温度で空
気噴射器22を介し改質器116に入る。
2と熱交換を行うように通過し、環状空間168内の生成ガスから熱を取り出し
てそれを冷却する。吸入空気112は環状空間114に沿った移動の結果として
予熱され、華氏で約1000度〜1600度の温度、若しくはより高い温度で空
気噴射器22を介し改質器116に入る。
【0032】 上述した空気の流れと並行して、吸入燃料156は導管158を介してモジュ
ールに入るとともに、熱交換壁172と熱接触状態にある熱交換表面159によ
って予熱される。予熱された吸入燃料156は、燃料噴射器160を介して改質
器116内に噴射される。同時に、前述したように、予熱された吸入空気112
は空気噴射器22を介して改質器116内に噴射される。吸入空気および吸入燃
料は改質器116内への噴射に伴って混合し始めるとともに、噴射器に対向しか
つその表面が空気および燃料の噴射方向と垂直な後部壁23(図1Bにおける改
質器116の上部壁)との衝突によってさらに混合される。そのような方法は米
国特許第5,207,185号、第5,529,484号および第5,441,
546号に詳細に記述されているが、それらの開示はこの引用によって本願明細
書に組み込まれたものとする。このような設計は燃料および空気の強化された混
合に帰着し、翻って高い燃焼効率に帰着する。図1Bは、改質器116内におけ
る燃料/空気混合物のプロセスフロー流路42を示している。フローリング17
0は、改質器116内における燃料/空気混合物の増大された再循環を促進し、
燃焼および混合を高める。
ールに入るとともに、熱交換壁172と熱接触状態にある熱交換表面159によ
って予熱される。予熱された吸入燃料156は、燃料噴射器160を介して改質
器116内に噴射される。同時に、前述したように、予熱された吸入空気112
は空気噴射器22を介して改質器116内に噴射される。吸入空気および吸入燃
料は改質器116内への噴射に伴って混合し始めるとともに、噴射器に対向しか
つその表面が空気および燃料の噴射方向と垂直な後部壁23(図1Bにおける改
質器116の上部壁)との衝突によってさらに混合される。そのような方法は米
国特許第5,207,185号、第5,529,484号および第5,441,
546号に詳細に記述されているが、それらの開示はこの引用によって本願明細
書に組み込まれたものとする。このような設計は燃料および空気の強化された混
合に帰着し、翻って高い燃焼効率に帰着する。図1Bは、改質器116内におけ
る燃料/空気混合物のプロセスフロー流路42を示している。フローリング17
0は、改質器116内における燃料/空気混合物の増大された再循環を促進し、
燃焼および混合を高める。
【0033】 例えば点火プラグ174によって改質器116内で燃焼が一旦始まると、燃焼
が生じ、ガス膨張および熱が改質器ポート20を介した改質器生成ガスの排出を
生じさせる。改質器116内では、典型的に華氏2300度乃至3000度の範
囲で燃料の部分酸化改質が生じる。
が生じ、ガス膨張および熱が改質器ポート20を介した改質器生成ガスの排出を
生じさせる。改質器116内では、典型的に華氏2300度乃至3000度の範
囲で燃料の部分酸化改質が生じる。
【0034】 改質器116内での部分酸化燃焼に続き、改質器生成ガスは、改質器116の
全長にわたって延在する流路168を介して外に出るとともに、導管190を介
して燃料電池118の陽極マニホールドに入る。選択的に、改質器生成物ガスは
、燃料電池118に導入される前に、吸入口166からの水、蒸気、メタンまた
は他の流体若しくはガスによって急冷される。これに対して、触媒を流路168
内に配置するとともに吸入口166を介して蒸気/燃料混合物を導入し、それに
よって所望の急冷効果を達成する吸熱性のスチームリホーミング反応を促進する
ことができる。燃料電池118では、改質器生成ガスの一酸化炭素(CO)が、
シフト反応によって二酸化炭素(CO2)および水素(H2)に転換される。燃
料電池118で生じた水は蒸発し、使い果たされた燃料流れと共に絶縁プレート
131および圧縮プレート130内に配置された出口流路134から出る。使い
果たされた燃料は、次いで燃料分配領域18に入るとともに多孔性の表面要素1
4を通って燃焼室120に入る。
全長にわたって延在する流路168を介して外に出るとともに、導管190を介
して燃料電池118の陽極マニホールドに入る。選択的に、改質器生成物ガスは
、燃料電池118に導入される前に、吸入口166からの水、蒸気、メタンまた
は他の流体若しくはガスによって急冷される。これに対して、触媒を流路168
内に配置するとともに吸入口166を介して蒸気/燃料混合物を導入し、それに
よって所望の急冷効果を達成する吸熱性のスチームリホーミング反応を促進する
ことができる。燃料電池118では、改質器生成ガスの一酸化炭素(CO)が、
シフト反応によって二酸化炭素(CO2)および水素(H2)に転換される。燃
料電池118で生じた水は蒸発し、使い果たされた燃料流れと共に絶縁プレート
131および圧縮プレート130内に配置された出口流路134から出る。使い
果たされた燃料は、次いで燃料分配領域18に入るとともに多孔性の表面要素1
4を通って燃焼室120に入る。
【0035】 図1Bに示されるように、燃料電池118は外部装置に電流を供給するための
電極10および12が設けられている。燃料電池118からの電気エネルギは、
集電装置壁31おいて集められるとともに導電性の可撓性バリヤ壁126を介し
て圧縮プレート130に流れ、その後圧縮ばね124におよびカバーフランジ1
11に配置された接地電極12に至る。接地電極12は、集電装置壁31と電気
的に接触しているハウジング110上の任意の適切な位置に配置することができ
る。電気エネルギは、次いで顧客側の負荷まで流れる。顧客側の負荷からの電子
は正極端子10に入るとともに集電装置プレート132に流れ、そこで燃料電池
118内に戻る。絶縁層175は、接地されているカバーフランジ111および
圧縮プレート130から正の電極10を絶縁する。絶縁プレート131は、集電
装置プレート132と圧縮プレート130および可撓性バリヤ壁126との間を
電気的に絶縁する。
電極10および12が設けられている。燃料電池118からの電気エネルギは、
集電装置壁31おいて集められるとともに導電性の可撓性バリヤ壁126を介し
て圧縮プレート130に流れ、その後圧縮ばね124におよびカバーフランジ1
11に配置された接地電極12に至る。接地電極12は、集電装置壁31と電気
的に接触しているハウジング110上の任意の適切な位置に配置することができ
る。電気エネルギは、次いで顧客側の負荷まで流れる。顧客側の負荷からの電子
は正極端子10に入るとともに集電装置プレート132に流れ、そこで燃料電池
118内に戻る。絶縁層175は、接地されているカバーフランジ111および
圧縮プレート130から正の電極10を絶縁する。絶縁プレート131は、集電
装置プレート132と圧縮プレート130および可撓性バリヤ壁126との間を
電気的に絶縁する。
【0036】 燃料電池118からのアノード排気ガスは、典型的に華氏で1500度乃至1
800度の温度で出口流路134を介して燃焼室120に至るが、その温度は燃
料電池のタイプ、性能および可撓性バリヤ壁126における熱伝達の度合いによ
って定まる。カソード排気ガスは、しかしながら(図4Bに示されている)導管
129を介して燃料電池118を出て、同じ温度で燃焼室120に至る。
800度の温度で出口流路134を介して燃焼室120に至るが、その温度は燃
料電池のタイプ、性能および可撓性バリヤ壁126における熱伝達の度合いによ
って定まる。カソード排気ガスは、しかしながら(図4Bに示されている)導管
129を介して燃料電池118を出て、同じ温度で燃焼室120に至る。
【0037】 燃焼室120の内部では、ポート140からの使い果たされた空気および多孔
性の表面要素14からの使い果たされた燃料が反応して燃焼し熱を発散させるが
、その熱は熱伝達コイル142を介して下流のユーザ若しくは装置によって回収
される。例えば、このようにして回収された熱エネルギは水を加熱するために用
いられが、加熱された水は必要に応じて、お湯若しくは熱を供給するために住居
または職場に循環される。最終的に、排気ガス144は排気ダクト141を通っ
て一体化された動力モジュールを出る。
性の表面要素14からの使い果たされた燃料が反応して燃焼し熱を発散させるが
、その熱は熱伝達コイル142を介して下流のユーザ若しくは装置によって回収
される。例えば、このようにして回収された熱エネルギは水を加熱するために用
いられが、加熱された水は必要に応じて、お湯若しくは熱を供給するために住居
または職場に循環される。最終的に、排気ガス144は排気ダクト141を通っ
て一体化された動力モジュールを出る。
【0038】 本発明の別の実施例においては、このモジュールは液体燃料システムであり、
吸入燃料156と予混合されるように蒸気若しくは空気がチューブ157を介し
て導入され、それによって改質器116内における改質反応を高めるとともに微
粒子の形成を防止する。
吸入燃料156と予混合されるように蒸気若しくは空気がチューブ157を介し
て導入され、それによって改質器116内における改質反応を高めるとともに微
粒子の形成を防止する。
【0039】 他の実施例においては、混合する導管138を介して空気を追加して導管12
9からの使い果たされた空気と混合し、および/または導管136を介して燃料
を追加して出口流路134からの使い果たされた空気と混合することによって、
燃焼室120内における燃焼を高めて追加の熱を発生させる。
9からの使い果たされた空気と混合し、および/または導管136を介して燃料
を追加して出口流路134からの使い果たされた空気と混合することによって、
燃焼室120内における燃焼を高めて追加の熱を発生させる。
【0040】 さらに他の実施例においては、予熱温度、プロセス冷却、湿度およびプロセス
化学量論的な組成/比率等の特性のさらなる制御を、種々の特徴または変更によ
って達成することができる。そのような特徴または変更の実例は、 (i)吸気口113を介して追加の空気を供給し、および/または空気弁178
および/または空気弁179を介した吸入空気112の一部の取り出し、それに
よって燃料電池118の冷却効果を高めること(この手順はまた、オリフィス1
28を介して燃料電池に入る空気の予熱温度のより良い制御に帰着する)、 (ii)空気弁178を介してモジュール内に追加の空気を供給することにより、
流路168を出る改質器生成ガスの冷却効果を高め、または改質器116内に入
る空気の予熱温度をより良く制御すること、 (iii)空気弁179を介して空気を追加し若しくは取り出すことにより、改質 器空気の予熱温度および改質器理論混合比をよりよく制御すること、および (iv)空気弁178および179を介して空気を取り出すとともに導管138を
介してモジュール内に空気を再噴射することにより、熱回収および全体効率を高
めること、を含む。要するに、一体化された動力モジュールの性能は、一つ若し
くは複数の弁、導管または吸入口を介し、それらには限定されないが酸素を含む
ガス、可燃性の燃料、水(または蒸気)/二酸化炭素、または空気等の少なくと
も一つのプロセスエンハンサを導くことにより一つ若しくは複数のパラメータを
制御することによって最適化することができる。制御可能なパラメータは、吸入
ガス、吸入燃料、噴射される燃料、噴射されるガス、改質器生成ガス、燃料電池
吸入ガス、アノード排気ガス、カソード排気ガス、燃焼室吸入ガス、および燃焼
室排気ガスを含む。本発明の一体化された動力モジュールの効率および性能を向
上させる他特徴および変更は、当業者にとって明らかである。
化学量論的な組成/比率等の特性のさらなる制御を、種々の特徴または変更によ
って達成することができる。そのような特徴または変更の実例は、 (i)吸気口113を介して追加の空気を供給し、および/または空気弁178
および/または空気弁179を介した吸入空気112の一部の取り出し、それに
よって燃料電池118の冷却効果を高めること(この手順はまた、オリフィス1
28を介して燃料電池に入る空気の予熱温度のより良い制御に帰着する)、 (ii)空気弁178を介してモジュール内に追加の空気を供給することにより、
流路168を出る改質器生成ガスの冷却効果を高め、または改質器116内に入
る空気の予熱温度をより良く制御すること、 (iii)空気弁179を介して空気を追加し若しくは取り出すことにより、改質 器空気の予熱温度および改質器理論混合比をよりよく制御すること、および (iv)空気弁178および179を介して空気を取り出すとともに導管138を
介してモジュール内に空気を再噴射することにより、熱回収および全体効率を高
めること、を含む。要するに、一体化された動力モジュールの性能は、一つ若し
くは複数の弁、導管または吸入口を介し、それらには限定されないが酸素を含む
ガス、可燃性の燃料、水(または蒸気)/二酸化炭素、または空気等の少なくと
も一つのプロセスエンハンサを導くことにより一つ若しくは複数のパラメータを
制御することによって最適化することができる。制御可能なパラメータは、吸入
ガス、吸入燃料、噴射される燃料、噴射されるガス、改質器生成ガス、燃料電池
吸入ガス、アノード排気ガス、カソード排気ガス、燃焼室吸入ガス、および燃焼
室排気ガスを含む。本発明の一体化された動力モジュールの効率および性能を向
上させる他特徴および変更は、当業者にとって明らかである。
【0041】 ここで図2Aを参照すると、そこには本発明において有用な同軸ノズル169
の要部拡大断面図が示されている。具体的には、改質器116の吸入口における
改質器ポート20は、好ましくは噴射器160および22の端部から流れ方向に
0.5〜3インチの厚みを有するフローリング170によって画成されている。
このノズル設計においては、燃料噴射器160が同軸ノズルの内側空間を有し、
かつ空気噴射器22が同軸ノズルの外側環状空間を有している。吸入燃料は、そ
れらには限定されないが天然ガス、エタノール、メタノール、ガソリン、灯油、
メタンおよびそれらと蒸気との混合物を含む、任意の適切な液体若しくはガス状
の燃料から成る。一対の噴射器22および160は、好ましくはノズル端部27
において境界線を共にしている。そのような構造については、ノズル端部27か
らの流れは自ら崩壊し、燃焼に先だって吸入空気/燃料の混合を強める。それに
加えて、燃料噴射器160および空気噴射器22のノズル端部27は、図2Aに
示されるように、好ましくは改質器ポート20と同一平面上若しくはそれより低
い平面内に配置される。ノズル端部27の位置決めは、所望の場合には、異なる
反応特性を達成するように調整される。改質器生成ガスの流れは、矢印によって
示されている。フローリング170によって画成される改質器ポート20は、燃
料および空気の妨げられない噴射を許容するに充分な寸法を有している。
の要部拡大断面図が示されている。具体的には、改質器116の吸入口における
改質器ポート20は、好ましくは噴射器160および22の端部から流れ方向に
0.5〜3インチの厚みを有するフローリング170によって画成されている。
このノズル設計においては、燃料噴射器160が同軸ノズルの内側空間を有し、
かつ空気噴射器22が同軸ノズルの外側環状空間を有している。吸入燃料は、そ
れらには限定されないが天然ガス、エタノール、メタノール、ガソリン、灯油、
メタンおよびそれらと蒸気との混合物を含む、任意の適切な液体若しくはガス状
の燃料から成る。一対の噴射器22および160は、好ましくはノズル端部27
において境界線を共にしている。そのような構造については、ノズル端部27か
らの流れは自ら崩壊し、燃焼に先だって吸入空気/燃料の混合を強める。それに
加えて、燃料噴射器160および空気噴射器22のノズル端部27は、図2Aに
示されるように、好ましくは改質器ポート20と同一平面上若しくはそれより低
い平面内に配置される。ノズル端部27の位置決めは、所望の場合には、異なる
反応特性を達成するように調整される。改質器生成ガスの流れは、矢印によって
示されている。フローリング170によって画成される改質器ポート20は、燃
料および空気の妨げられない噴射を許容するに充分な寸法を有している。
【0042】 図2Bを参照すると、ノズルが、センタロッド25と共に、同軸配置されたチ
ューブ23および24から構成されていることが判る。好ましくは、空気が空気
噴射器22を介して供給され、燃料が燃料噴射器160を介して供給されるが、
代りの組合せも実行可能である。センタロッド25の存在は、ノズル端部27に
おけるガスの混合を促進する。
ューブ23および24から構成されていることが判る。好ましくは、空気が空気
噴射器22を介して供給され、燃料が燃料噴射器160を介して供給されるが、
代りの組合せも実行可能である。センタロッド25の存在は、ノズル端部27に
おけるガスの混合を促進する。
【0043】 図2Cの実施例においては、センタロッド25はその内部中央に燃料流路33
が設けられたプラグ25に置き換えられている。デフレクタ29が燃料流路33
の軸線と同軸に配置されて、分散された燃料出口37を画成している。デフレク
タ29は、燃料出口37を横切って延在する支柱(図示せず)で支えることがで
きる。この構造により、蒸気/燃料混合物が好ましくは噴射器180を介して供
給されるとともに、空気が空気噴射器22を介して供給されるが、これらの供給
は置き換えることもできる。この構造は、デフレクタ29とチューブ23および
24の直径の適切な寸法設定、および適切な蒸気圧力により、蒸気流れが燃料出
口37を通過すると吸入燃料流路に吸い込みが生じるので、ノズルの出口端部に
おける混合を強めるとともにに蒸発を促進する。デフレクタ29はまた、燃料出
口37を提供する孔を有したキャップ付きチューブから作成することもできる。
孔は、また、改質器116内への噴射に先だつ空気および燃料の予混合を許容す
るために、チューブ24に孔を設けることもできる。
が設けられたプラグ25に置き換えられている。デフレクタ29が燃料流路33
の軸線と同軸に配置されて、分散された燃料出口37を画成している。デフレク
タ29は、燃料出口37を横切って延在する支柱(図示せず)で支えることがで
きる。この構造により、蒸気/燃料混合物が好ましくは噴射器180を介して供
給されるとともに、空気が空気噴射器22を介して供給されるが、これらの供給
は置き換えることもできる。この構造は、デフレクタ29とチューブ23および
24の直径の適切な寸法設定、および適切な蒸気圧力により、蒸気流れが燃料出
口37を通過すると吸入燃料流路に吸い込みが生じるので、ノズルの出口端部に
おける混合を強めるとともにに蒸発を促進する。デフレクタ29はまた、燃料出
口37を提供する孔を有したキャップ付きチューブから作成することもできる。
孔は、また、改質器116内への噴射に先だつ空気および燃料の予混合を許容す
るために、チューブ24に孔を設けることもできる。
【0044】 図2Dの実施例においては、図1Bの点火プラグ174にとって代わる火花点
火器402を囲むチューブ400によって、センタロッド25が形成されている
。火花点火器402は、導電性のロッド404および非導電性のスリーブ406
から作られる。密封リング408が圧力シールとして用いられている。
火器402を囲むチューブ400によって、センタロッド25が形成されている
。火花点火器402は、導電性のロッド404および非導電性のスリーブ406
から作られる。密封リング408が圧力シールとして用いられている。
【0045】 ここで図3Aを参照すると、他の実施例の反応器チャンバ54が示されている
が、この反応器チャンバ54は、その内部56が燃焼領域としての役割を果たす
とともに、吸入口58からの燃料ガスと吸入口60からの酸素を含んだガスとを
受け取る螺旋形のチューブ62が設けられている。燃料および酸素を含んでいる
ガスは、密接な混合物を提供するべく螺旋形チューブ62を通過する間に加熱さ
れ、次いで出口64からチャンバ56内に噴射される。これらのガスは図示され
るように後部壁66に直接衝突してさらに混合される。点火装置74が点火を始
めるために設けられている。反応生成物は、出口68から出る前に螺旋形チュー
ブ62の内容物を加熱する。前述の構造は米国特許第5,299,536号に更
に詳細に記述されているが、その開示はこの参照によって本明細書に組み込まれ
る。図1Bの実施例における改質器116に代えて図3Aの反応チャンバを容易
に組み込めることは、当業者によって理解される。図3Aの実施例は、より低容
積の製品に適している。図3Bには図3Aの構造の変形例が示されているが、こ
こでは燃料および空気の流れが別々に保たれて、両方の流れの加熱が別個の螺旋
形チューブ62aおよび62b内で生じる。それに加えて、改質器内における空
気/燃料混合物の再循環を強めるためにフローリング70が出口64とほぼ同一
平面上に配置されている。これらの実施例においては、図1Bの機能的な熱交換
壁172および159が、構成要素58、60、62、62aおよび62bの壁
に置き換えられている。図1Bの導管190の機能は、出口68によって置き換
えられている。
が、この反応器チャンバ54は、その内部56が燃焼領域としての役割を果たす
とともに、吸入口58からの燃料ガスと吸入口60からの酸素を含んだガスとを
受け取る螺旋形のチューブ62が設けられている。燃料および酸素を含んでいる
ガスは、密接な混合物を提供するべく螺旋形チューブ62を通過する間に加熱さ
れ、次いで出口64からチャンバ56内に噴射される。これらのガスは図示され
るように後部壁66に直接衝突してさらに混合される。点火装置74が点火を始
めるために設けられている。反応生成物は、出口68から出る前に螺旋形チュー
ブ62の内容物を加熱する。前述の構造は米国特許第5,299,536号に更
に詳細に記述されているが、その開示はこの参照によって本明細書に組み込まれ
る。図1Bの実施例における改質器116に代えて図3Aの反応チャンバを容易
に組み込めることは、当業者によって理解される。図3Aの実施例は、より低容
積の製品に適している。図3Bには図3Aの構造の変形例が示されているが、こ
こでは燃料および空気の流れが別々に保たれて、両方の流れの加熱が別個の螺旋
形チューブ62aおよび62b内で生じる。それに加えて、改質器内における空
気/燃料混合物の再循環を強めるためにフローリング70が出口64とほぼ同一
平面上に配置されている。これらの実施例においては、図1Bの機能的な熱交換
壁172および159が、構成要素58、60、62、62aおよび62bの壁
に置き換えられている。図1Bの導管190の機能は、出口68によって置き換
えられている。
【0046】 一般に、本発明の構造は、燃料電池に対する実際的な商業上の上限があるけれ
ども、部品の大きさによってその適用が制限されることはない。
ども、部品の大きさによってその適用が制限されることはない。
【0047】 ここで図4Aおよび図4Bを参照すると、本発明に関して有効に用い得る燃料
電池スタックの2つの図が模式的に示されている。もちろん、改質器116で生
じる水素を利用することができる限りにおいて、他の電気化学的な変換装置を用
い得ることが理解される。
電池スタックの2つの図が模式的に示されている。もちろん、改質器116で生
じる水素を利用することができる限りにおいて、他の電気化学的な変換装置を用
い得ることが理解される。
【0048】 さらに、積み重ねられた矩形プレートが、積み重ねられた角の交点と可撓性バ
リヤ壁126の内部表面によって定義される外側マニホールド領域と共に図4A
および図4Bに示されているが、インタフェース流路190、134、128お
よび129の配置を変更して内側マニホールドを有した円形の平坦な電池若しく
は管状配列の電池を充分に用いることは、当業者によって容易に理解される。図
示された形態においては、電池を通過するガスの流れを分離するためにコーナシ
ール127が必要である。
リヤ壁126の内部表面によって定義される外側マニホールド領域と共に図4A
および図4Bに示されているが、インタフェース流路190、134、128お
よび129の配置を変更して内側マニホールドを有した円形の平坦な電池若しく
は管状配列の電池を充分に用いることは、当業者によって容易に理解される。図
示された形態においては、電池を通過するガスの流れを分離するためにコーナシ
ール127が必要である。
【0049】 図4Aにおいては、カソードプレート列180およびカソードガス流路180
aが、アノードプレート列182およびアノードガス流路182aと、適切な電
解質の層184およびセパレータプレート302によって分離されたアノードプ
レートおよびカソードプレートとによって交互に挟まれている。反応ガスの高い
温度と、アノードプレート上の高い水素含有量およびカソードプレート上の高い
酸素含有量により、中実な酸化物燃料電池においては以下の反応が生じる。 アノード H2 + O= → H2O + 2e− カソード 1/2O2 + 2e− → O= 全体 → H2 + 1/2O2 → H2O + 電気 + 熱
aが、アノードプレート列182およびアノードガス流路182aと、適切な電
解質の層184およびセパレータプレート302によって分離されたアノードプ
レートおよびカソードプレートとによって交互に挟まれている。反応ガスの高い
温度と、アノードプレート上の高い水素含有量およびカソードプレート上の高い
酸素含有量により、中実な酸化物燃料電池においては以下の反応が生じる。 アノード H2 + O= → H2O + 2e− カソード 1/2O2 + 2e− → O= 全体 → H2 + 1/2O2 → H2O + 電気 + 熱
【0050】 燃料電池118においては、電気化学反応は好ましくは固体の酸化物または溶
解した炭酸塩である電解質を用いるが、電導性および/または正若しくは負のイ
オンを伝動する(すなわちイオン伝導性の)他の電解質層も実行可能である。典
型的に、そのような燃料電池は華氏1000度〜1800度(摂氏600度〜1
000度)で稼働する。これらの動作温度では生じた水は直ちに蒸発し、ガスと
共に燃料電池から流出する。任意の適切な多孔性金属酸化物、導電性セラミック
または金属も、もちろん、電極として用いることができる。
解した炭酸塩である電解質を用いるが、電導性および/または正若しくは負のイ
オンを伝動する(すなわちイオン伝導性の)他の電解質層も実行可能である。典
型的に、そのような燃料電池は華氏1000度〜1800度(摂氏600度〜1
000度)で稼働する。これらの動作温度では生じた水は直ちに蒸発し、ガスと
共に燃料電池から流出する。任意の適切な多孔性金属酸化物、導電性セラミック
または金属も、もちろん、電極として用いることができる。
【0051】 好ましくは、1.4を超える燃料リッチな化学量論比で稼働している燃焼室1
20については、燃料電池のアノードおよびカソード排気ガスを燃焼室120に
供給して燃焼させることができる。1.4より高い比率に維持されると、低エミ
ッションの、特に熱いNOxが少ない燃焼が生じる。
20については、燃料電池のアノードおよびカソード排気ガスを燃焼室120に
供給して燃焼させることができる。1.4より高い比率に維持されると、低エミ
ッションの、特に熱いNOxが少ない燃焼が生じる。
【0052】 二酸化炭素、水素および熱を生じる反応を容易にするために、燃料電池スタッ
クのアノードに対する改質路炉生成ガスに蒸気を供給することができる。このこ
とは燃料電池アノード流路内の一酸化炭素を除去し、それによって好ましくない
汚染物質を最小にする。
クのアノードに対する改質路炉生成ガスに蒸気を供給することができる。このこ
とは燃料電池アノード流路内の一酸化炭素を除去し、それによって好ましくない
汚染物質を最小にする。
【0053】 再び図1Bを参照すると、アノードオフガスは出口流路134を通過するが、
燃焼室120に供給される前に導管136から供給される追加のメタン若しくは
天然ガス燃料と混合されることができる。このことは、運転開始時に熱伝達コイ
ル142を介して供給されるか追加の熱をユーザが必要とするときに有利である
。追加の空気は、完全な燃焼を援助するために導管138およびポート140を
介して供給される。カソードオフガスは、圧縮プレート130内に設置された、
(図4Bに示される)カソード出口マニホールド238を介して予燃焼室16内
に、次いで燃焼室120に供給される。
燃焼室120に供給される前に導管136から供給される追加のメタン若しくは
天然ガス燃料と混合されることができる。このことは、運転開始時に熱伝達コイ
ル142を介して供給されるか追加の熱をユーザが必要とするときに有利である
。追加の空気は、完全な燃焼を援助するために導管138およびポート140を
介して供給される。カソードオフガスは、圧縮プレート130内に設置された、
(図4Bに示される)カソード出口マニホールド238を介して予燃焼室16内
に、次いで燃焼室120に供給される。
【0054】 集電装置プレート132の一方の表面には、カバーフランジ111を貫通して
延びる、セラミックカラー175によって絶縁されたターミナル10が接続され
ている。集電装置プレート132の上方のものは、アノードオフガス出口流路1
34を含むセラミック絶縁プレート131である。圧縮プレート130は、絶縁
プレート131の一番上にセットされている。燃料電池118は、空気またはガ
スの影響を受けず、かつモジュールの作動する間に燃料電池118の膨張および
収縮を吸収するべく変形可能な、好ましくは導電性でステンレス鋼製の可撓性バ
リヤ壁126に囲まれる。可撓性バリヤ壁126と燃料電池プレートとの間の電
気的な絶縁は、コーナシール127によって達成される。可撓性バリヤ壁126
には、対向配置された(吸気口112から入って来る空気を受け入れる)オリフ
ィス128および(カソードオフガスの燃料電池内からの排出を許容する)導管
129が設けられている。
延びる、セラミックカラー175によって絶縁されたターミナル10が接続され
ている。集電装置プレート132の上方のものは、アノードオフガス出口流路1
34を含むセラミック絶縁プレート131である。圧縮プレート130は、絶縁
プレート131の一番上にセットされている。燃料電池118は、空気またはガ
スの影響を受けず、かつモジュールの作動する間に燃料電池118の膨張および
収縮を吸収するべく変形可能な、好ましくは導電性でステンレス鋼製の可撓性バ
リヤ壁126に囲まれる。可撓性バリヤ壁126と燃料電池プレートとの間の電
気的な絶縁は、コーナシール127によって達成される。可撓性バリヤ壁126
には、対向配置された(吸気口112から入って来る空気を受け入れる)オリフ
ィス128および(カソードオフガスの燃料電池内からの排出を許容する)導管
129が設けられている。
【0055】 部分酸化改質器からの反応ガス生成物は、大気中への排出若しくは他の反応の
ためにガス生成物を変化させるべく、シフト反応装置と関連して用い得ることも
また理解される。このために、燃料電池スタック118をシフト反応装置に置き
換えることができる。
ためにガス生成物を変化させるべく、シフト反応装置と関連して用い得ることも
また理解される。このために、燃料電池スタック118をシフト反応装置に置き
換えることができる。
【0056】 本発明の他の実施例においては、シフト反応装置/水素精製電気化学反応装置
が燃料電池118にとって代わる。そのような実施例における、システムの全体
的な機能は、システム外の使用のために水素ガスを作り出して精製することにあ
る。図1Bに示された実施例において、オリフィス128は、カソードガス流路
180a(図4A参照)に蒸気を提供するための吸入口166に接続されている
。蒸気および/または水素が流路180aからアノードガス流路182a内には
戻るが反対方向には行かないように横断漏洩を促進するべく、カソードガス流路
180a内の蒸気圧力は、アノードガス流路182aのプロセスガス圧力より高
く保たれている。オリフィス128は、吸入空気112には接続されていない。
燃料電池ハードウェアは水素濃縮器として運転されるが、それはカソードプレー
ト180の構造材料の変更が必要とするかもしれない。そのような変更は、当業
者にとって明らかである。外部供給源または電源装置からの電流が、電気化学装
置を通過する電子流れに強めるために用いられる。例えば、以下の反応が固体酸
化物電解質電池に生じる。 アノード H2 + O= → H2O + 2e− CO + H2O → H2 + CO2 カソード H2O + 2e− → H2 + O= 全体 H2O + CO → CO2 + 熱 水素混合ガス流れ → 精製ガス流れ内のH2
が燃料電池118にとって代わる。そのような実施例における、システムの全体
的な機能は、システム外の使用のために水素ガスを作り出して精製することにあ
る。図1Bに示された実施例において、オリフィス128は、カソードガス流路
180a(図4A参照)に蒸気を提供するための吸入口166に接続されている
。蒸気および/または水素が流路180aからアノードガス流路182a内には
戻るが反対方向には行かないように横断漏洩を促進するべく、カソードガス流路
180a内の蒸気圧力は、アノードガス流路182aのプロセスガス圧力より高
く保たれている。オリフィス128は、吸入空気112には接続されていない。
燃料電池ハードウェアは水素濃縮器として運転されるが、それはカソードプレー
ト180の構造材料の変更が必要とするかもしれない。そのような変更は、当業
者にとって明らかである。外部供給源または電源装置からの電流が、電気化学装
置を通過する電子流れに強めるために用いられる。例えば、以下の反応が固体酸
化物電解質電池に生じる。 アノード H2 + O= → H2O + 2e− CO + H2O → H2 + CO2 カソード H2O + 2e− → H2 + O= 全体 H2O + CO → CO2 + 熱 水素混合ガス流れ → 精製ガス流れ内のH2
【0057】 最終結果は、CO/H2OからCO2へのシフト反応を促進してアノードガス
流路182a内の混合ガス流れからカソードガス流路180a内への水素の移動
を促進することになる。本実施例においては、カソード出口マニホールド238
は導管129に接続されているが、導管129は予燃焼室16には接続されてい
ない。導管129はハウジング110の外部に接続されて、精製された湿った水
素を他のいくつかの使用若しくは装置に供給する。本実施例において、電気化学
反応装置の下流の燃焼室120に導管138によって空気が供給され、流路13
4を通ってシフト反応装置/精製電気化学装置から排出されるあらゆる残留水素
若しくは一酸化炭素の燃焼を容易にしている。
流路182a内の混合ガス流れからカソードガス流路180a内への水素の移動
を促進することになる。本実施例においては、カソード出口マニホールド238
は導管129に接続されているが、導管129は予燃焼室16には接続されてい
ない。導管129はハウジング110の外部に接続されて、精製された湿った水
素を他のいくつかの使用若しくは装置に供給する。本実施例において、電気化学
反応装置の下流の燃焼室120に導管138によって空気が供給され、流路13
4を通ってシフト反応装置/精製電気化学装置から排出されるあらゆる残留水素
若しくは一酸化炭素の燃焼を容易にしている。
【0058】 水素発電/精製システムの他の実施例においては、オリフィス128に入る前
に少量の吸入空気112を吸入口166からの蒸気と組み合わせることができる
。この混合物はカソードガス流路180a内に入り、そこにおいては上述した水
素濃縮プロセスを駆動する電位を生じさせるカソード表面に酸素が反応する。 外部への電気接続は、電気化学装置が必要とするエネルギを取り出し若しくは補
充するために用いられる。
に少量の吸入空気112を吸入口166からの蒸気と組み合わせることができる
。この混合物はカソードガス流路180a内に入り、そこにおいては上述した水
素濃縮プロセスを駆動する電位を生じさせるカソード表面に酸素が反応する。 外部への電気接続は、電気化学装置が必要とするエネルギを取り出し若しくは補
充するために用いられる。
【0059】 水素発電/精製システムの他の実施例においては、燃料電池118は、混合ガ
ス流れ内の他のガス、水素は通過させるが、とりわけ窒素、二酸化炭素および一
酸化炭素は通過させない、金属および/またはセラミック製の拡散膜から製造さ
れる。これらの拡散膜は2つの側(すなわち混合ガス側および精製された生成ガ
ス側)を有するとともに、多孔性のセラミック構造によって支持され若しくは支
持されない。拡散膜が水素ガスは通過させるが混合ガスの他の要素は通過させな
いので、水素ガスのみが膜を通って混合ガス側から精製された生成ガス側に拡散
することができる。膜は、燃料電池の電解質層184およびセパレータプレート
302にとって代わり、カソードプレート180およびアノードプレート182
が除去される。アノードガス流路182a側の膜表面に表面コーティングを追加
することができる。本実施例において、アノードガス流路182a内の混合ガス
流れ中の水素ガスの分圧が膜を介したカソードガス流路への水素の移動を駆動し
、精製された水素は導管129を介してハウジング110から出る。吸入口16
6からの蒸気は、オリフィス128を介してカソードガス流路180aに流れる
。カソードガス流路180a内の蒸気の圧力は、アノードガス流路182a内の
混合ガス流れの圧力より高く保たれる。この蒸気は、2つの重要な機能を有する
。第1の機能は、カソードガス流路180aからアノードガス流路182aへの
横断漏れを確実なものとし、それによって流路180a内の生成ガスの純度を維
持することである。第2の機能は、下流で凝縮器を用いて容易に分離されて取り
除かれる水蒸気に対するカソードガス流路180a内の水素分圧を減少させるこ
とである。アノードガス流路182a内の混合ガス流れが逆流方向であることと
カソードガス流路180a内の蒸気/精製された水素とによって、(例えば、ア
ノードガス流路182a内の混合ガス流れからカソードガス流路180a内の精
製された水素流れに全ての水素が移動するわけではないが)非常に高い採収率下
にあっても正の水素分圧駆動力を維持することができる。
ス流れ内の他のガス、水素は通過させるが、とりわけ窒素、二酸化炭素および一
酸化炭素は通過させない、金属および/またはセラミック製の拡散膜から製造さ
れる。これらの拡散膜は2つの側(すなわち混合ガス側および精製された生成ガ
ス側)を有するとともに、多孔性のセラミック構造によって支持され若しくは支
持されない。拡散膜が水素ガスは通過させるが混合ガスの他の要素は通過させな
いので、水素ガスのみが膜を通って混合ガス側から精製された生成ガス側に拡散
することができる。膜は、燃料電池の電解質層184およびセパレータプレート
302にとって代わり、カソードプレート180およびアノードプレート182
が除去される。アノードガス流路182a側の膜表面に表面コーティングを追加
することができる。本実施例において、アノードガス流路182a内の混合ガス
流れ中の水素ガスの分圧が膜を介したカソードガス流路への水素の移動を駆動し
、精製された水素は導管129を介してハウジング110から出る。吸入口16
6からの蒸気は、オリフィス128を介してカソードガス流路180aに流れる
。カソードガス流路180a内の蒸気の圧力は、アノードガス流路182a内の
混合ガス流れの圧力より高く保たれる。この蒸気は、2つの重要な機能を有する
。第1の機能は、カソードガス流路180aからアノードガス流路182aへの
横断漏れを確実なものとし、それによって流路180a内の生成ガスの純度を維
持することである。第2の機能は、下流で凝縮器を用いて容易に分離されて取り
除かれる水蒸気に対するカソードガス流路180a内の水素分圧を減少させるこ
とである。アノードガス流路182a内の混合ガス流れが逆流方向であることと
カソードガス流路180a内の蒸気/精製された水素とによって、(例えば、ア
ノードガス流路182a内の混合ガス流れからカソードガス流路180a内の精
製された水素流れに全ての水素が移動するわけではないが)非常に高い採収率下
にあっても正の水素分圧駆動力を維持することができる。
【0060】 上述したように、本発明は広範囲にわたる用途を有するいくつかの実施例を提
供するが、構造の寸法設定に関する限りは、必要な熱、電気エネルギおよび/ま
たは特定の用途のための精製された水素を生じさせるために当業者が容易になし
得る。この技術分野の当業者にとって明らかなように、本発明の趣旨から変化す
ることなしに種々の変更および同等の置換を上述した本発明に組み込むことがで
きる。それに加えて、前述の説明においては、本発明のある態様および要素を記
述するために特定の用語が用いられているが、他の同等の記述的な用語に置き換
え得ることを当業者は理解するであろう。例えば、本願明細書において用いられ
る「空気」という用語は、便宜上、一体化された動力モジュールに適切な任意の
酸素を含むガスのことを言う。さらに、本願明細書において提示された実施例は
説明を目的とするだけであり、以下の請求項の範囲に対する限定として作用する
ものではない。
供するが、構造の寸法設定に関する限りは、必要な熱、電気エネルギおよび/ま
たは特定の用途のための精製された水素を生じさせるために当業者が容易になし
得る。この技術分野の当業者にとって明らかなように、本発明の趣旨から変化す
ることなしに種々の変更および同等の置換を上述した本発明に組み込むことがで
きる。それに加えて、前述の説明においては、本発明のある態様および要素を記
述するために特定の用語が用いられているが、他の同等の記述的な用語に置き換
え得ることを当業者は理解するであろう。例えば、本願明細書において用いられ
る「空気」という用語は、便宜上、一体化された動力モジュールに適切な任意の
酸素を含むガスのことを言う。さらに、本願明細書において提示された実施例は
説明を目的とするだけであり、以下の請求項の範囲に対する限定として作用する
ものではない。
【図1A】 本発明の一実施例の主要構成要素および種々の構成要素を通過するプロセス流
れを図示する断面ブロック図。
れを図示する断面ブロック図。
【図1B】 本発明の好適な実施例の断面図。
【図2A】 本発明において有用な噴射器ノズルの断面図
【図2B】 本発明において有用な噴射器ノズルの断面図
【図2C】 本発明において有用な噴射器ノズルの断面図
【図2D】 本発明において有用な噴射器ノズルの断面図
【図3A】 本発明の改質器チャンバの他の実施例の断面図。
【図3B】 本発明の改質器チャンバの他の実施例の断面図。
【図4A】 燃料電池スタックの一実施例の断面図。
【図4B】 図1B中の4B―4B破断線に沿った燃料電池の立面図。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01M 8/24 H01M 8/24 R (81)指定国 EP(AT,BE,CH,CY, DE,DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,I T,LU,MC,NL,PT,SE),OA(BF,BJ ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GW,ML, MR,NE,SN,TD,TG),AP(GH,GM,K E,LS,MW,SD,SL,SZ,UG,ZW),E A(AM,AZ,BY,KG,KZ,MD,RU,TJ ,TM),AL,AM,AT,AU,AZ,BA,BB ,BG,BR,BY,CA,CH,CN,CU,CZ, DE,DK,EE,ES,FI,GB,GD,GE,G H,GM,HR,HU,ID,IL,IN,IS,JP ,KE,KG,KP,KR,KZ,LC,LK,LR, LS,LT,LU,LV,MD,MG,MK,MN,M W,MX,NO,NZ,PL,PT,RO,RU,SD ,SE,SG,SI,SK,SL,TJ,TM,TR, TT,UA,UG,UZ,VN,YU,ZW (72)発明者 デイビッド、モアード アメリカ合衆国カリフォルニア州、パサデ ナ、エス.エル、モリノ、アベニュ、1545 Fターム(参考) 3G019 AB02 KA15 5H026 AA05 AA06 CX10 5H027 AA05 AA06 BA01 MM01 MM12 【要約の続き】 の熱エネルギ源を提供する。動力モジュールの別の実施 例においては、燃料電池がシフト反応装置および水素浄 化装置として用いられる。このモジュールの主要な生成 物は、熱および精製された水素ガスである。
Claims (33)
- 【請求項1】 可燃性燃料を熱および電気エネルギに変換するための一体化された動力モジュ
ールであって、 外側のハウジングと、 前記ハウジングを通って延びるとともに前記動力モジュール内において処理す
る可燃性の吸入燃料がその内部を通って供給される燃料吸入路と、 前記ハウジングを通って延びるとともに前記動力モジュール内において処理す
る酸素を含んだガスがその内部を通って供給される燃料吸入路と、 燃焼に先だって前記吸入ガスの第1の部分を加熱するための手段と、 約0.8未満の化学量論的ガス/燃料比で前記吸入燃料および前記加熱された
第1のガス部分を燃焼させるための、前記ハウジング内に設けられた部分酸化改
質器であって、前記吸入燃料および加熱された前記第1のガス部分を受け入れる
ためのポートと、それを通して酸素を含む生成ガスを排出流路内に排出するため
のポートとを有し、前記受け入れのためのポートおよび前記排出のためのポート
が同一若しくは異なる部分酸化改質器と、 前記部分酸化改質器へ前記吸入燃料および前記加熱された第1のガス部分を噴
射するための、前記部分酸化改質器のポートの近傍に端部を有するノズルであっ
て、噴射された燃料と噴射されたガスとを改質炉の壁面上に衝突させてそれによ
って両者を互いに混合させるように構成された燃料噴射器およびガス噴射器を有
し、前記燃料噴射器および前記ガス噴射器が同一若しくは異なるノズルと、 前記部分酸化改質器の排出流路からの酸素を含む生成物ガスの少なくとも一部
分および前記吸入ガスの第2の部分を受け入れるとともに電気化学的に処理して
熱および電気エネルギを生じさせる、前記ハウジング内に設けられた燃料電池で
あって、少なくとも一つのアノードと、少なくとも一つのカソードと、その内部
にアノード排気ガスが排出されるアノード出口流路およびその内部にカソード排
気ガスが排出されるカソード出口流路を有し、前記アノードおよび前記カソード
が電解質層によって分離されている燃料電池と、 前記燃料電池によって作り出された電流を外部負荷に供給するために有用なカ
ソードターミナルおよびアノードターミナルと、 燃料電池排気ガスの少なくとも一部分を受け入れるとともに、少なくとも約1
.1の化学量論的ガス/燃料比で前記吸入ガスの第3の部分と共に燃焼させて熱
エネルギを作り出す、前記ハウジング内に設けられた燃焼室と、 を備えることを特徴とする一体化された動力モジュール。 - 【請求項2】 前記吸入燃料を燃焼前に加熱するための手段をさらに備えることを特徴とする
、請求項1に記載の一体化された動力モジュール。 - 【請求項3】 前記部分酸化改質器内の前記燃料/ガス混合物に点火して燃焼を生じさせるた
めの手段をさらに備えることを特徴とする、請求項1に記載の一体化された動力
モジュール。 - 【請求項4】 一つ若しくは複数の弁をさらに備え、 前記一つ若しくは複数の弁は、ハウジングを通って延びるとともに、吸入ガス
、吸入口燃料、噴射された燃料、噴射されたガス、改質炉生成ガス、燃料電池吸
入ガス、アノード排気ガス、カソード排気ガス、燃焼室吸入ガスおよび燃焼室排
気ガスを含むグループから選択される少なくとも1つのパラメータに対する温度
、組成、および/または湿気の制御を提供することを特徴とする、請求項1に記
載の一体化された動力モジュール。 - 【請求項5】 前記パラメータに対する制御は、酸素を含むガス、可燃性の燃料、水、蒸気、
二酸化炭素および空気を含むグループから選択される少なくとも一つの反応エン
ハンサを、一つ若しくは複数の弁に導くことによって達成されることを特徴とす
る、請求項1に記載の一体化された動力モジュール。 - 【請求項6】 前記ハウジングは、取り外し可能なカバーを有することを特徴とする、請求項
1に記載の一体化された動力モジュール。 - 【請求項7】 前記燃料吸入路は、ガス状燃料の供給源に接続されることを特徴とする、請求
項1に記載の一体化された動力モジュール。 - 【請求項8】 前記ガス吸入路は、酸素を含むガスの供給源に接続されることを特徴とする、
請求項1に記載の一体化された動力モジュール。 - 【請求項9】 前記加熱手段は前記動力モジュール内の一つ若しくは複数の熱交換壁を有する
ことを特徴とする、請求項1に記載の一体化された動力モジュール。 - 【請求項10】 前記熱交換壁のうちの少なくとも1つが前記部分酸化改質器による生成ガスと
熱的に接触状態にあることを特徴とする、請求項9に記載の一体化された動力モ
ジュール。 - 【請求項11】 前記動力モジュールから前記ハウジングの外側に排気ガスを導くための、前記
ハウジングを通って延びる排気ダクトをさらに備えることを特徴とする、請求項
1に記載の一体化された動力モジュール。 - 【請求項12】 前記動力モジュールによって作り出された熱エネルギの一部を回収するための
熱伝達コイルをさらに備えることを特徴とする、請求項1に記載の一体化された
動力モジュール。 - 【請求項13】 前記燃料電池内の前記カソードおよび前記アノード上に圧縮力を作用させる少
なくとも一つの圧縮ばねを前記ハウジング内にさらに備えることを特徴とする、
請求項1に記載の一体化された動力モジュール。 - 【請求項14】 前記ノズルは同軸形式のものであり、この同軸形式のノズルは内側および外側
の環状空間を画成する同軸配置された少なくとも2つのチューブを有し、前記画
成された空間のうちの少なくとも1つが燃料噴射器として機能するとともに他の
空間のうちの少なくとも1つがガス噴射器として機能することを特徴とする、請
求項1に記載の一体化された動力モジュール。 - 【請求項15】 前記ノズルは、第2のチューブ内に配置された第1のチューブを含む同軸配置
された少なくとも2つのチューブと、前記第1のチューブ内に配置されたロッド
と、を有しており、 それによって前記第1のチューブと前記第2のチューブとの間に外側環状空間
を画成するとともに前記第1のチューブと前記ロッドとの間に内側環状空間を画
成し、 かつ前記環状空間のうちの少なくとも1つが燃料噴射器として機能するととも
に少なくとも1つの他の前記環状空間がガス噴射器として機能することを特徴と
する、請求項1に記載の一体化された動力モジュール。 - 【請求項16】 前記ロッドは、前記噴射された燃料およびガスに点火するために有用な火花点
火装置の周りに同軸に配置されて前記火花点火装置を囲むチューブからなること
を特徴とする、請求項15に記載の一体化された動力モジュール。 - 【請求項17】 前記電解質層は、イオン伝導性を有するセラミック膜から成ることを特徴とす
る、請求項1に記載の一体化された動力モジュール。 - 【請求項18】 前記セラミック膜は、電気伝導性も有していることを特徴とする、請求項17
に記載の一体化された動力モジュール。 - 【請求項19】 電解質層が溶融炭酸塩から成ることを特徴とする、請求項1に記載の一体化さ
れた動力モジュール。 - 【請求項20】 一体化された動力モジュールを用いて燃料を電気および熱エネルギに変換する
方法であって、 (a)前記動力モジュールに酸素を含む吸入ガスを導く段階と、 (b)前記動力モジュールに吸入燃料を導く段階と、 (c)前記酸素を含むガスの第1の部分を加熱する段階と、 (d)前記吸入燃料および前記加熱された第1のガス部分をノズルを介して改質
器内および前記改質器の壁に対して噴射して、前記噴射された燃料および前記噴
射されたガスの混合を生じさせる段階と、 (e)前記噴射された燃料/ガス混合物を前記改質器内において約0.8未満の
化学量論的ガス/燃料比で部分的な酸化状態の下で燃焼させて水素を含む生成ガ
スおよび熱エネルギを作り出す段階と、 (f)前記改質器によって作り出された水素を含む生成ガスおよび前記吸入ガス
の第2の部分を、カソードおよびアノードを有して熱および電気エネルギを生じ
させるとともにカソード排気ガスおよびアノード排気ガスを排出する燃料電池内
において電気化学的に処理する段階と、 (g)前記アノード排気ガスおよびカソード排気ガスと前記吸入ガスの第3の部
分とを少なくとも約1.1の化学量論的ガス/燃料比において前記燃焼室内で燃
焼させて熱エネルギを作り出す段階と、 を備えることを特徴とする方法。 - 【請求項21】 改質器内に噴射する前に吸入燃料を加熱する段階を更に備えることを特徴とす
る、請求項20に記載の方法。 - 【請求項22】 改質器内の燃焼が約0.1乃至約0.7の間の化学量論的ガス/燃料比で実行
されることを特徴とする、請求項20に記載の方法。 - 【請求項23】 改質器内の燃焼が約0.2乃至約0.4の間の化学量論的ガス/燃料比で実行
されることを特徴とする、請求項20に記載の方法。 - 【請求項24】 燃焼室内の燃焼が約1.4より大きい化学量論的ガス/燃料比で実行されるこ
とを特徴とする、請求項20に記載の方法。 - 【請求項25】 可燃性燃料を熱および電気エネルギに変換するための一体化された動力モジュ
ールであって、 外側のハウジングと、 前記ハウジングを通って延びるとともに前記動力モジュール内で処理するため
の可燃性燃料がそれを通って供給される燃料吸入路と、 前記ハウジングを通って延びるとともに前記動力モジュール内で処理するため
の酸素を含むガスがそれを通って供給されるガス吸入路と、 前記吸入ガスの第1の部分を燃焼前に加熱するための手段と、 前記吸入燃料および前記加熱された第1のガス部分を約0.8未満の化学量論
的ガス/燃料比において前記ハウジング内で燃焼させて水素を含む生成ガスを作
り出す部分酸化改質器であって、前記吸入燃料および前記加熱された第1のガス
部分を受け入れるためのポートと、それを通って前記生成ガスを前記排出流路に
排出するためのポートとを有し、前記受け入れるためのポートおよび前記排出す
るためのポートが同一若しくは異なる改質器と、 前記改質器に前記吸入燃料および前記加熱された第1のガス部分を前記改質器
に噴射するための、前記改質器のポートの近傍に端部を有するノズルであって、
燃料噴射器およびガス噴射器を有するとともに前記噴射された燃料および前記噴
射されたガスを前記改質炉の壁に衝突させることによって互いに混合させるよう
に構成された、前記燃料噴射器および前記ガス噴射器が同一若しくは異なるノズ
ルと、 前記改質器の排出流路からの前記水素を含む生成ガスを受け入れて電気化学的
に処理し前記水素ガスを分離するとともに、それによって精製された水素ガス流
れを提供する、前記ハウジング内に設けられた電気化学反応装置と、 を備えることを特徴とする一体化された動力モジュール。 - 【請求項26】 燃焼前に吸入燃料を加熱するための手段をさらに備えることを特徴とする、請
求項25に記載の一体化された動力モジュール。 - 【請求項27】 電気化学反応装置の下流で前記電気化学反応装置が排出する水素および一酸化
炭素を燃焼させる燃焼室をさらに備えることを特徴とする、請求項25に記載の
一体化された動力モジュール。 - 【請求項28】 一酸化炭素、蒸気および水素を含んでいるガス混合物内の水素濃度を高める方法
であって、 (a)アノードおよびカソードを有する電気化学反応装置にガス混合物を導入す
る段階と、 (b)アノードにガス混合物を導く段階と、 (c)カソードに水を導く段階と、 (d)電気化学反応装置に電流を流す段階と、 (e)一酸化炭素/水(CO/H2O)のシフト反応からアノードに二酸化炭素
および水素の生成ガスを発生させる段階と、 (f)カソードに水素の生成ガスを発生させる段階と、 (g)アノードおよびカソードの生成ガスを電気化学反応装置の外側に導く段階
と、 を備えることを特徴とする方法。 - 【請求項29】 カソードに導かれる水が蒸気であることを特徴とする請求項28に記載の方法
。 - 【請求項30】 混合ガスの第1の側および純粋に生成されたガスの第2の側を有するとともに
水素ガスを透過可能な拡散膜を用いてガス混合物を精製する方法であって、 前記ガス混合物を前記拡散膜の第1の側に沿わせて第1の方向に導く段階と、 蒸気を前記拡散膜の第2の側に沿わせて第2の方向に導く段階と、備え、 前記第1の方向が実質的に前記第2の方向とは反対方向であることを特徴とす
る方法。 - 【請求項31】 前記蒸気の圧力が前記ガス混合物の圧力より高いことを特徴とする、請求項3
0に記載の方法。 - 【請求項32】 前記蒸気および精製された前記生成ガスがコンデンサに導かれ、前記コンデン
サで前記蒸気が精製された前記生成ガスから分離されることを特徴とする、請求
項30に記載の方法。 - 【請求項33】 燃料およびガスを噴射するためのノズルであって、 第2のチューブ内に配置された第1のチューブを有する同軸配置された少なく
とも2つのチューブと、 前記第1のチューブ内に配置されたロッドと、を備え、 前記第1のチューブと前記第2のチューブとの間に外側環状空間が画成される
とともに、前記第1のチューブと前記ロッドとの間に内側環状空間が画成され、 前記環状空間のうちの少なくとも1つが燃料噴射器として機能するとともに少
なくとも1つの他の前記環状空間がガス噴射器として機能し、 前記ロッドは、噴射された燃料およびガスに点火するために有用な火花点火装
置の周りに同軸に配置されてとともに前記火花点火装置を囲むチューブから構成
されていることを特徴とするノズル。
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