JP2005507137A - 燃料処理システム用の燃料を調製するためのシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

燃料電池システムは、水素に富む気体（１９）を反応させるための燃料電池と、炭化水素燃料−水蒸気混合物（１８）を前記水素に富む気体に変換するための燃料処理装置システム（１０）と、（ａ）過熱燃料を提供するように炭化水素燃料（１２）を過熱するための構造（１４）と（ｂ）炭化水素燃料−水蒸気混合物を提供するように前記過熱燃料と水を混合するための構造（１６）とを含む炭化水素燃料−水蒸気混合物を調製するシステムと、を備える。

Description

【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、燃料電池システムに必要な燃料を生成する燃料処理システム用の原材料を調製するためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、一般に、アノードと、カソードと、アノードとカソードを分離する電解質とから成る。燃料電池は、燃料反応物気体を使用し、この燃料反応物気体は、一般に水素に富む流れであって燃料電池のアノード内に導入され、一方、酸化剤反応物気体、通常は空気が、燃料電池のカソード内に導入される。アノード内の触媒が、水素を酸化させ、その結果、水素イオンが生成し、この水素イオンは、電解質を通ってカソードへ流れ、それによって、燃料電池の両端に電位差が生じる。
【０００３】
さまざまな種類の燃料電池、すなわち、特に、高分子電解質膜（ＰＥＭ）型燃料電池、リン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）、およびアルカリ型燃料電池（ＡＦＣ）などがある。
【０００４】
燃料処理ユニット、通常はさまざまな種類の改質器が、炭化水素燃料から所望の水素に富む気体状の流れを生成するのに使用される。一般に、そのような改質器は、所望の反応を行うのに燃料と共に水蒸気を必要とする。いくつかの場合は、燃料処理ユニットは、例えば燃料処理ユニットが自熱式改質器のときは、加熱された空気も必要とする。
【０００５】
図１は、燃料、この場合はメタン（ＣＨ₄）が、水をボイラに通すことにより生成された水蒸気の別の流れと共に、触媒水蒸気改質器に供給される、従来の概略図を示す。触媒水蒸気改質器は、所望のように炭化水素を水と反応させ、それによって、燃料電池に導入するための水素に富む流れを生成する。
【０００６】
図２は、燃料と水蒸気が、調製され、上述したように改質器に供給され、同様に、加熱された空気の流れが、空気を熱交換器に通すことにより供給される、別の既知のシステムを示す。この場合の燃料処理ユニットは、自熱式改質器（ＡＴＲ）、または触媒部分酸化装置（ＣＰＯＸ）である。
【０００７】
燃料電池は、設備の大きさが重要である輸送用途と車両用途の少なくとも一方を含むさまざまな環境で使用するのが望まれている。水を加熱して水蒸気を供給する図１および図２に例示されたようなボイラが必要であると、電力設備のための空間の必要性が増加する。さらに、このような水循環システムは、水蒸気を生成するのに最初の始動からかなりの長さの時間を必要としており、また、このようなシステムの凍結も、問題である。
【０００８】
既知のシステムのさらなる欠点は、水蒸気を生成するのにボイラを使用することによって、水蒸気：炭化水素比の制御が困難となり、それによって、過剰の炭素が、改質器内に存在することになる場合もあり、これは、ユニットのコークス化または詰まり（ｆｏｕｌｉｎｇ）となり得る。
【０００９】
好ましくは得られる電力設備に必要な空間がより少なくなる、燃料電池用の燃料および燃料成分を調製するための改善されたシステムおよび方法の必要性が存続していることは明らかである。
【００１０】
従って、本発明の主要な目的は、従来のシステムの特定の構成要素が除去できて、燃料電池および関連する構成要素に必要な空間が低減される、燃料電池用の燃料の調製のためのシステムおよび方法を提供することである。
【００１１】
本発明のさらなる目的は、炭化水素に対する水蒸気の比率の制御が容易にされて、炭素堆積（ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）および触媒失活が低減される、そのようなシステムおよび方法を提供することである。
【００１２】
本発明のなお別の目的は、始動時間が低減され、かつ、凍結水に対する潜在的な問題が解消される、システムおよび方法を提供することである。
【００１３】
本発明の他の目的および利点は、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】
【００１４】
本発明に従うと、上述した目的および利点は、容易に達成された。
【００１５】
本発明に従うと、水素に富む気体を反応させるための燃料電池と、炭化水素燃料−水蒸気混合物を前記水素に富む気体に変換するための燃料処理システムと、過熱燃料を提供するように炭化水素燃料を過熱する手段と前記炭化水素燃料−水蒸気混合物を提供するように前記過熱燃料と水を混合する手段とを含む前記炭化水素燃料−水蒸気混合物を調製する手段と、を備える燃料電池システムが、提供される。
【００１６】
本発明にさらに従うと、燃料処理システム用の気体の流れに水蒸気を添加する方法が、提供され、この方法は、気体の流れを提供し、少なくとも約２６０℃の温度を有する加熱された流れを提供するように前記気体の流れを加熱し、水を水蒸気に変換して気体−水蒸気混合物を提供するように前記加熱された流れに液体の水を添加し、前記気体−水蒸気混合物を燃料処理システムに供給する、ことを含む。
【００１７】
本発明のシステムおよび方法は、炭化水素燃料と混合される所望の水蒸気を提供するのに使用でき、さらに、ＡＴＲまたはＣＰＯＸユニットの場合は、加湿された空気を改質器に提供するのに使用でき、それによって、水蒸気を生成するためのボイラの必要性が完全に解消でき、それによって、本発明に従う所望の燃料電池システムにより占有された空間が低減される。通常の燃料としては、メタン、天然ガス、ガソリン、ディーゼル燃料、ナフサなどが挙げられる。
【００１８】
本発明の好ましい実施態様の詳細な説明は、添付の図面を参照して、以下の通りである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明は、燃料電池システムに関し、より詳細には、燃料電池システム用の燃料を調製するためのシステムおよび方法に関する。
【００２０】
燃料電池は、一般に、アノードと、カソードとを含み、電解質が、アノードとカソードの間に配置されており、燃料電池は、水素に富む流れをアノードに供給しながら、酸化剤反応物気体をカソードに供給することにより作動して、電解質を横切って電位を生成する。アノードに供給するのに適した水素に富む気体の調製は、工業上は問題となっており、本発明は、この問題の解決を与える。
【００２１】
図３は、燃料処理システム１０、この場合は、本発明に従う物質の供給を伴う触媒水蒸気改質器、を例示する。上述したように、燃料処理装置システム１０は、当業技術内で知られており、触媒作用によって炭化水素／水蒸気混合物を燃料電池のアノードに適した水素に富む気体に改質する。図３に示されるように、本発明に従うと、炭化水素の流れ１２が、提供され、例えば概略例示される熱交換器１４を用いて加熱されて、加熱された流れが提供される。液相の水が、加熱された炭化水素の流れの中に注入または混合され、炭化水素の流れからの熱が、水を蒸発させるのに役立ち、それによって、所望の炭化水素／水蒸気混合物１８が提供される。図３に示されるように、複数の熱交換器１４を提供するとともに、複数の注入位置１６において水を注入するのが、望ましいものとなり得る。注入位置１６は、図示するように各熱交換器１４の出口の下流に位置するのが好ましい。
【００２２】
特に適した炭化水素の流れとしては、メタン、天然ガス、ガソリン、ディーゼル燃料、ナフサ、およびこれらの混合物が挙げられる。
【００２３】
熱交換器１４は、炭化水素の流れを少なくとも約１８９℃、より好ましくは約１８９℃から約２６０℃の間の温度に加熱するように作動されるのが好ましいものとなり得る。メタンでは、これは、炭素堆積（燃料熱分解）の問題がなく妥当であると考えられる温度であり、さらに、流れを所望のレベル、例えば約１８９℃または最低でも混合物の露点、よりも下に冷却せずに、十分な量の水が蒸発され得るほど十分に高いものである。
【００２４】
加熱工程および水注入工程を繰り返すことにより、炭化水素／水蒸気混合物は、メタンに対する所望の水の比率、例えば、モル基準で少なくとも約３、を有するように調製され得る。
【００２５】
最終の結果物は、燃料処理装置システム１０に適した炭化水素／水蒸気混合物１８であり、この燃料処理装置システム１０は、当業技術内で知られるように熱と触媒を用いて、所望のように炭化水素／水蒸気混合物を変換する。
【００２６】
当業技術内でよく知られるように、メタンの変換に関わる燃料処理装置システム内の基本的な反応は、ＣＨ₄とＨ₂ＯのＨ₂とＣＯ₂への変換であり、これによって、燃料電池のための必要な水素の供給が提供される。ＡＴＲまたはＣＰＯＸ改質器の場合には、実際上は、Ｎ₂ばかりでなく、いくらかのＣＯとＨ₂Ｏが、流れの中に存在することになる。
【００２７】
図３を図１と比較することにより、水蒸気ボイラそれ自体であるような、水を沸騰させて水蒸気を提供する工程が、完全に除去されることが、容易に明らかとなるであろう。これは、有利なことには、燃料電池および燃料処理装置システムのさまざまな構成要素により占有される空間を低減し、また、従来のボイラとこのボイラに向けられる水の供給とを用いて可能であるより非常に迅速に水蒸気が本発明に従って生成されることで燃料電池システムの最初の始動におけるどのような遅延も低減される。さらに、いっそう有利なことには、水システムの凍結にともなう問題の可能性の低減および解消の少なくとも一方が達成される。
【００２８】
本発明のシステムおよび方法のなおさらなる利点は、炭化水素に対する水の全体の比率、より詳細には、炭素に対する水の全体の比率が、本発明のシステムおよび方法において特異的に制御され得る。図１に例示されるものなどのような従来のプロセスでは、ボイラから流出する水蒸気量のモニタおよび制御の少なくとも一方を行って炭素に対する水のモル比を制御するように、付加的な機器を使用する必要がある。これは、炭素に対する水の不十分な比率によって、両方とも望ましくないコークス化と炭素の触媒水蒸気改質器の構成要素上への堆積の少なくとも一方が生じ得るので、特に望ましいが、一方、水の既知の量または流れを炭化水素燃料に直接添加することで、確実に、かつ付加的な機器なしで、この比率の制御が可能となる。
【００２９】
図３は、所望のように炭化水素の流れを加熱するのに必要な、熱交換器１４に供給される熱を示す。本発明に従うと、この熱は、有利なことには、システムの他の構成要素により生成される廃熱から得ることができる。例えば、廃熱は、燃焼器内でアノード排気を燃焼することにより、または、改質器プロセス排気を冷却することにより、生成され、このような熱は、本発明のシステムおよび方法に使用するための優れた供給源である。
【００３０】
図４をここで参照すると、上述したように、特定の種類の燃料処理システムは、炭化水素および水蒸気ばかりでなく空気の供給を必要とする。図４は、このような種類である自熱式またはＣＰＯＸ改質器としての燃料処理装置システム１０を示す。このような改質器では、空気が、ある程度の湿度を有するのが望ましく、それによって、付加的な水が改質器内へ運ばれ、この付加的な水は、燃料の流れの中に添加するのに必要とされる水を低減する。
【００３１】
本発明に従うと、これは、水蒸気を生成するためのボイラなしに、空気の流れを直接加熱しかつ加熱された流れの中に水を注入することによって、有利に達成される。図４は、燃料処理装置システム１０と、熱交換器２２を通って流される炭化水素の流れ２０とを示す。図３の実施態様でのように、水の供給が、提供され、熱交換器２２から流出する加熱された炭化水素の流れの中に注入位置２４において注入され、それによって、水は蒸発して、所望の炭化水素／水蒸気混合物が生成される。
【００３２】
同様に図示されるように、空気の流れ２６が、提供され、加熱器２８に供給され、水が、加熱器２８の下流にある注入位置３０において注入され、それによって、水は加熱された空気の流れと混合されて、空気の湿度または露点を上昇させる。結果として得られた炭化水素／水蒸気混合物３２および加湿空気３４は、次に、本発明に従って有利なことには燃料処理装置１０に供給される。図４に示すように、これらの流れは、改質器に供給される前に混合されることができ、あるいは、所望に応じて、別々に導入されることができる。
【００３３】
本発明のこの態様に従うと、空気の流れは、好ましくは、システム内の利用可能な廃熱源を用いてできる限り高い温度に加熱され、最低としては、所望のように十分な量の水が蒸発するほど十分に高い温度に、加熱される。さらに、一続きの熱交換器および水注入位置を利用するこの工程を実行することにより、有利なことには、所望のように高い露点を有する加熱空気の流れが提供できる。加熱空気の流れは、燃料の流れと混合されるときに、燃料に対する水蒸気のモル比が少なくとも約３となるよう選択された露点を有するように調製されるのが、好ましい。
【００３４】
図４の実施態様は、炭化水素と混合するための水蒸気用のボイラの必要性を解消するのに関連した、図３の実施態様に関連して説明したのと同じ利点を有する。さらに、本発明のこの実施態様によって、燃料処理装置システムと共に使用するのに好ましい、内部に混合される十分な程度の水を有する空気の流れが提供でき、それによって、燃料の流れの中への水の添加の必要性が低減する。
【００３５】
さらに、本発明のこの実施態様に従うと、熱交換器２２、２８に提供される熱は、図３の実施態様と同様に、他のプロセス構成要素により生成される廃熱から、例えば、アノード排気燃焼器、改質器プロセス出口などから、得ることができる。
【００３６】
理解されるように、図４の実施態様は、有利なことには、ボイラおよび付随する構成要素の必要性を解消しながら、改質器に供給するための炭化水素／水蒸気混合物、および加湿空気を提供する。これは、特に有利であり、本発明に従う燃料電池および燃料処理装置システムを、空間の低減が望ましい輸送または他の使用に特によく適したものにする。
【００３７】
図５をここで参照すると、本発明のさらなる態様が例示される。図５は、本発明に従う概略図を示したものであり、ここでは、炭化水素燃料と水が、一続きの４つの熱交換器１４と３つの液体の水の注入位置１６を通して供給されて、所望の炭化水素／水蒸気混合物への段階的な加熱および注入が行われる。
【００３８】
図６を参照すると、本発明に従う水注入位置の数とＣＨ₄１モル当たりの水の累積モル数との関係を示す図が提供される。図示されるように、気体が２６０℃に加熱されるとともに、十分な水が混合物を１８９℃に冷却するのに添加される場合は、３よりも大きな、メタンに対する水のモル比が、１６個の注入位置と共に到達され得る。図５に例示される構造を利用すると、これは、容易に達成でき、所望のような優れた炭化水素／水蒸気混合物の生成が提供する。
【００３９】
理解されるように、本願の開示は、炭化水素燃料としてメタンを用いて与えられているとはいえ、他の炭化水素燃料も、本発明のシステムおよび方法に従って使用するのに同様に適用可能である。さらに、燃料処理装置システム１０は、図３および図４において触媒水蒸気改質器、および自熱式（ＡＴＲ）またはＣＰＯＸ改質器などの断熱式改質器としてそれぞれ示されているとはいえ、他の種類の燃料処理装置システム、例えば、熱水蒸気改質器、複合型（ｈｙｂｒｉｄ）改質器、循環型（ｃｙｃｌｉｃ）改質器なども、本発明に従う物質を用いて作動できる。実際、本発明のシステムおよび方法は、より広いその適用において、加熱気体／水蒸気混合物を提供するのが望ましいどのような種類のプロセスにも容易に適用できる。さらに、本発明のシステムおよび方法は、高分子電解質膜（ＰＥＭ）型燃料電池と共に使用するのに特によく適しているとはいえ、このシステムおよび方法は、同様に、他の種類の燃料電池にも有効である。
【００４０】
理解されるように、本発明は、ここに説明しかつ示した例示に限定されず、この例示は、本発明を実施する最良の実施形態の例示に過ぎず、部品の形態、大きさ、配置の変更、および作動の詳細の変更が可能である。本発明は、むしろ、特許請求の範囲によって規定された本発明の精神、範囲内の全てのそのような変更を含むものとされる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】触媒水蒸気改質器を用いる従来のプロセスを例示する概略図。
【図２】自熱式またはＣＰＯＸ改質器を用いる従来のプロセスを例示する概略図。
【図３】触媒水蒸気改質器を使用する本発明に従うシステムおよび方法を例示する概略図。
【図４】自熱式またはＣＰＯＸ改質器を利用する本発明に従うシステムおよび方法を例示する概略図。
【図５】本発明に従う燃料／水蒸気混合物調製システムを例示するさらなる概略図。
【図６】累積水とＣＨ₄炭化水素燃料の間のモル関係、および、ＣＨ₄１モル当たりの局所水注入を例示するグラフ。

Claims (21)

1. 水素に富む気体を反応させるための燃料電池と、
   炭化水素燃料−水蒸気混合物を前記水素に富む気体に変換するための燃料処理装置システムと、
   （ａ）過熱燃料を提供するように炭化水素燃料を過熱する手段と、（ｂ）炭化水素燃料−水蒸気混合物を提供するように前記過熱燃料と水を混合する手段とを含む、炭化水素燃料−水蒸気混合物を調製する手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記過熱する手段は、炭化水素燃料を含有する流れを過熱するための直列に配置された複数の熱交換器を備え、前記水を混合する手段は、水注入位置が、前記複数の熱交換器の各熱交換器の下流にそれぞれ位置する、複数の水注入位置を備えることを特徴とする請求項１記載のシステム。
3. （ａ）加熱空気の流れを提供するように空気の流れを加熱する手段と、（ｂ）加湿空気の流れを提供するように前記加熱空気の流れと水を混合する手段とを含む、加湿空気の流れを燃料処理装置システムに提供する手段をさらに備えることを特徴とする請求項１記載のシステム。
4. 前記加熱する手段は、空気を含有する流れを加熱するための直列に配置された複数の熱交換器を備え、前記水を混合する手段は、少なくとも１つの前記複数の熱交換器の下流に位置する少なくとも１つの水注入位置を備えることを特徴とする請求項３記載のシステム。
5. 前記複数の熱交換器のための熱は、燃料電池と燃料処理装置システムの少なくとも１つからの廃熱を含むことを特徴とする請求項３記載のシステム。
6. 前記加熱する手段のための熱は、燃料電池と燃料処理装置システムの少なくとも１つからの廃熱を含むことを特徴とする請求項１記載のシステム。
7. 前記燃料電池は、高分子電解質膜（ＰＥＭ）型燃料電池であることを特徴とする請求項１記載のシステム。
8. 燃料処理システムのための気体の流れに水蒸気を添加する方法であって、
   気体の流れを提供し、
   少なくとも約１８９℃の温度を有する加熱された流れを提供するように前記気体の流れを加熱し、
   水を水蒸気に変換して気体−水蒸気混合物を提供するように前記加熱された流れに液体の水を添加し、
   前記気体−水蒸気混合物を燃料処理システムに供給する、
   ことを含むことを特徴とする方法。
9. 前記気体の流れは、炭化水素燃料であり、燃料処理システムは、この炭化水素燃料を燃料電池のための水素に富む気体の流れに変換することを特徴とする請求項８記載の方法。
10. 前記炭化水素燃料は、メタン、天然ガス、ガソリン、ディーゼル燃料、ナフサ、およびこれらの混合物から成る群より選択されることを特徴とする請求項９記載の方法。
11. 前記気体の流れは、メタンであることを特徴とする請求項９記載の方法。
12. 前記加熱することは、炭化水素燃料を過熱することを含むことを特徴とする請求項９記載の方法。
13. 前記加熱することは、前記気体の流れを約１８９℃から約２６０℃の間の温度に加熱することを含むことを特徴とする請求項９記載の方法。
14. 前記添加することは、少なくとも約１８９℃の温度を有する前記気体−流れ混合物を提供するように前記液体の水を添加することを含むことを特徴とする請求項９記載の方法。
15. 前記気体−水蒸気混合物が少なくとも約３の炭化水素燃料に対する水のモル比を有するまで気体−水蒸気混合物と共に前記加熱することおよび前記添加することを繰り返すことをさらに含むことを特徴とする請求項９記載の方法。
16. 加湿空気の流れを前記燃料処理システムに供給することをさらに含むことを特徴とする請求項８記載の方法。
17. 前記加湿空気の流れを供給することは、空気を含有する流れを提供し、加熱された流れを提供するように前記流れを加熱し、加湿空気の流れを提供するように前記加熱された流れに液体の水を添加する、ことを含むことを特徴とする請求項１６記載の方法。
18. 前記燃料の流れと混合されたときに燃料に対する水蒸気のモル比が少なくとも約３となるよう選択された露点を有する最終の加湿空気の流れを生成するように、加湿空気の流れと共に前記加熱することおよび前記添加することを繰り返すことをさらに含むことを特徴とする請求項１７記載の方法。
19. 前記加熱することのための熱は、燃料処理装置システムと燃料電池の少なくとも１つから得られる廃熱であることを特徴とする請求項１６記載の方法。
20. 前記加熱することのための熱は、燃料処理装置システムと燃料電池の少なくとも１つから得られる廃熱であることを特徴とする請求項９記載の方法。
21. 前記燃料電池は、高分子電解質膜（ＰＥＭ）型燃料電池であることを特徴とする請求項９記載の方法。

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