JP4452018B2 - ガソリンを燃料とする燃料電池の氷点下始動 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池内で燃料反応物として使用するためにガソリンを水素に変換する燃料処理に関し、より詳細には、温度が氷点下のときの始動時に、燃料気化器において、燃料処理システム水蒸気の代わりに、水を含んでいる不凍液溶液を使用することに関する。

脱硫器、改質器、シフト変成装置、および選択的酸化器から成る低温燃料電池用の燃料処理システムが知られている。脱硫器は、燃料から硫黄化合物を除去し、改質器は、燃料を水／水蒸気およびときには空気と反応させて主に水素、二酸化炭素、および一酸化炭素を生成し、シフト反応器は、水／水蒸気を一酸化炭素と反応させて水素および二酸化炭素を生成し、選択的酸化器は、一酸化炭素を酸素で酸化して二酸化炭素を生成する。現在使用されている主な３種類の改質器は、水蒸気改質器、自熱式改質器、および部分酸化改質器を含む。水蒸気改質器、自熱式改質器、およびシフト変成装置は、反応を生じさせるのに水が必要であり、部分酸化改質器は、水を使用しない。自熱式改質器および部分酸化改質器は、さらに、反応物として空気を必要とする。

高分子電解質膜型燃料電池電力設備の残留水総量は、数ガロン程度になり得る。このような量の氷を溶かすには何分間も必要とされる。輸送装置に使用される燃料電池電力設備は、約１０秒間内に始動されるという目標を有する。より寒い気候では、輸送装置内に使用される燃料電池電力設備は、氷点下の温度における始動が必要とされることになる。どのようなガソリン燃料処理システムにおいても、処理の最初の段階においてガソリンを気化させるのに気化器に水蒸気を提供する必要がある。しかしながら、水が凍るのを防止する、燃料処理装置に使用するために燃料電池電力設備内に水を貯蔵する方法はない。

本発明は、ガソリン燃料処理システムの気化器に使用するための凍っていない水の供給源と、氷点下の温度において数秒内で始動できる燃料電池電力設備と、氷点下の温度において迅速に始動できる、輸送装置に使用するのに適した燃料電池電力設備と、を提供できる。

本発明によれば、水を含んでいる不凍液溶液が、ガソリン燃料処理システム内のガソリン気化器に水蒸気を提供する、始動熱交換器に投入される通常の水の代わりに使用される。本発明によれば、水を含んでいる不凍液溶液が、始動熱交換器内で水蒸気に変換され、不凍液成分は、ガソリン燃料処理システムの改質器およびシフト変成装置内できれいに分解する。本発明によれば、適切な不凍液溶液には、メタノール−水、エタノール−水、グリセロール−水、エチレングリコール−水、およびプロピレングリコール−水が挙げられる。好ましくは、これらの溶液には、通常使用される添加剤および安定剤は、含まれない。

本発明は、ガソリンを燃料とする燃料電池電力設備により電力が供給される輸送装置内で使用するのに適した燃料処理システムの迅速な始動を提供する。

図を参照すると、供給源１１からの未処理ガソリンが、同一出願人が所有する米国特許第６，１５６，０８４号に開示されている方法などの既知の方法により、燃料処理システム１２内で脱硫されて、無硫黄ガソリンの供給源１３を提供する。無硫黄ガソリンは、ポンプ１６により遮断弁１７を通して、燃料処理システム１２の一般的な部分である気化器１９に供給される。また、ポンプ１６は、無硫黄ガソリンを弁２０を通して一般的な始動燃焼器２２に供給し、この始動燃焼器２２は、また、空気の適切な供給源２４から空気ポンプ２５を通して空気を受け取る。始動燃焼器の排気は、始動熱交換器２８の一方の要素２７に供給される。熱交換器の他方の要素２９は、通常は、燃料処理システム１２からライン３１および弁３０を通して水／水蒸気を受け取る。始動時には、ライン３１からの水が、弁３０および要素２９を通して流され、要素２９において、水は、水蒸気に変換され、水蒸気は、ライン３２により気化器１９に供給され、それによって、ガソリンが気化されて、従来の方法で、ガソリンを水素に富んだ流れに変換する処理が開始される。圧力検出器４０が、ライン３１内の水蒸気の圧力を検出することができ、始動の完了が示されると、弁２０が、閉にされることができ、始動燃焼器２２は、停止される。次に、定常状態の作動においては、水蒸気は、弁３０から要素２９を通り、ライン３２を通って気化器１９へと送られる。燃料処理システムは、ライン３７上の水素に富んだ流れを燃料電池３８に提供し、燃料電池３８は、また、ライン３９上の空気ポンプ２５から空気を受け取る。

燃料電池は、既知のように、生成水を生成するとともに、冷却水を使用し、燃料処理システムは、この水のいくらかを使用し、水は、ライン４１を通して燃料処理システム１２と燃料電池３８の間で交換される。燃料電池の作動は、一般的なものである。

本発明によると、始動時に、弁３０によって、要素２９は、貯蔵器４６からポンプ４４によりライン４２を通して弁３０に提供される不凍液の水溶液を受け取ることになる。氷点下始動時に貯蔵器４６からの水を含んでいる不凍液溶液は、飛沫同伴される不凍液成分を含む水蒸気に変換され、ライン３２を通って気化器１９へと流される。圧力検出器４０は、ライン３１内の水蒸気の存在を検出することができ、始動の完了が示される。次に、選択弁４２が、ライン４２からライン３１へと切り換えられることになり、弁２０は、閉にされることになり、それによって、従来のように、始動燃焼器２２が停止される。次に、燃料気化器は、燃料処理システム１２からライン３１を通って提供される水蒸気に応答する。

本発明は、輸送装置内の燃料電池電力設備に使用するためにガソリンを水素に富んだ流れに変換する燃料処理装置に使用するのによく適している。給油所で現在容易に入手できる不凍液には、ラジエーター不凍液として販売されているエチレングリコールおよびプロピレングリコール、および、ドライガスとして販売されているメタノールが挙げられる。しかしながら、所望ならば、他の不凍液も提供でき、いくつかの例は、上に挙げられている。本発明は、ＰＥＭ型燃料電池を用いる輸送装置電力設備に使用するのに特によく適しているが、本発明は、改質器およびシフト変成装置内できれいに分解することになるどのような不凍液溶液も使用する冷たい気候で作動するどのような燃料電池にも使用できる。

システムの始動部分の詳細を例示する、ガソリンを燃料とする燃料電池電力設備の概略図。

Claims (2)

1. 水蒸気を用いてガソリン供給源からのガソリンを気化させるガソリン気化器と、
   気化したガソリンを水素に富んだ流れに改質するとともに、始動後は、燃料電池からの水を水蒸気に変換する燃料処理システムと、
   前記ガソリン供給源からのガソリンおよび空気供給源からの空気を消費して高温排気を提供する始動燃焼器と、
   水を含んでいる不凍液溶液の供給源と、
   始動熱交換器の第１の要素が、前記高温排気を受け取り、始動熱交換器の第２の要素が、氷点下の温度における始動時に、前記水を含んでいる不凍液溶液の供給源から水を含んでいる不凍液溶液を受け取って、水蒸気を前記ガソリン気化器に提供し、始動後は、前記燃料処理システムからの前記水蒸気を前記ガソリン気化器に送る、始動熱交換器と、
   を備えることを特徴とする燃料電池電力設備。
2. 燃料電池電力設備の始動方法であって、前記燃料電池電力設備は、
   水蒸気を用いてガソリン供給源からのガソリンを気化させるガソリン気化器と、
   気化したガソリンを水素に富んだ流れに改質するとともに、始動後は、燃料電池からの水を水蒸気に変換する燃料処理システムと、
   前記ガソリン供給源からのガソリンおよび空気供給源からの空気を消費して高温排気を提供する始動燃焼器と、
   水を含んでいる不凍液溶液の供給源と、
   始動熱交換器の第１の要素が、前記高温排気を受け取り、始動熱交換器の第２の要素が、始動後は、前記燃料処理システムからの前記水蒸気を前記ガソリン気化器に送る、始動熱交換器と、
   を備えており、該始動方法は、
   氷点下の温度における始動時に、水蒸気を前記ガソリン気化器に提供するように、前記水を含んでいる不凍液溶液の供給源から水を含んでいる不凍液溶液を前記始動熱交換器の第２の要素に提供する、
   ことを含むことを特徴とする方法。

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