(57)【要約】  燃料電池システム（１）内の改質器（６）を製造するために、燃料電池（２）に用いられるシンガスへの変換中に蒸気が通る蛇行状流路（１５）のためのガイド壁（１７）を有する異形材（３１）が押し出される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システム（１）の製造方法において、
前記製造方法が、
押し出しにより金属異形材（３１）を提供するステップであって、前記押し出された異形材（３１）が、押し出された対向する２つの壁（１８，１９）を、前記対向する２つの壁（１８，１９）の間に所定の距離（２２）を有し且つ前記対向する２つの壁の間に所定の容積を有する状態で含み、前記対向する２つの壁（１８，１９）のそれぞれが、前記壁（１８，１９）の間の前記距離（２２）の半分よりも長い距離（２１）だけ前記２つの対向壁（１８，１９）のそれぞれから延びる、押し出された相互に間隔を置いた複数のガイド壁（１７）から成る群を一体的に含み、前記ガイド壁（１７）が前記対向する２つの壁（１８，１９）のそれぞれに櫛状構造を形成しており、前記２つの櫛状構造が互いに対面していて、互いに噛み合い且つ前記押し出し方向（３０）に対して垂直方向に蛇行状蒸気流路（１５）を形成するように、横方向にオフセットされている、ステップと、
前記蛇行状蒸気流路（１５）の対向する端部で前記異形材（３１）内に蒸気入口（２３）及びシンガス出口（２４）を設ける、ステップとを含み、
前記製造方法が、さらに、
前記押し出し方向（３０）に対して垂直方向に前記異形材（３１）を切断し、前記容積内へ触媒材料（２５）を挿入し、そして前記容積内で燃料蒸気をシンガスに触媒変換するために、閉じられた改質器（６）のハウジングを提供するための壁エレメントによって前記容積を閉じる、ステップと、
平行金属薄層（２９）を前記ハウジングの外側に、前記平行金属薄層（２９）から前記金属異形材（３１）へそして前記容積内へ熱を伝導するためにろう付けする、ステップと、
前記ハウジング及び前記平行金属薄層（２９）をケーシング（３２）によって取り囲み、前記ケーシング（３２）は、前記平行金属薄層（２９）の一方の端部にバーナーガス入口を、そして反対側の端部にバーナーガス出口を有する、ステップと、
前記蒸気入口（２３）に液体燃料蒸発器（５）を接続し、前記シンガス出口（２４）に燃料電池を接続し、そして前記バーナーガス入口にバーナー（１１）を接続する、ステップとを含む、燃料電池システム（１）の製造方法。
【請求項２】
前記ガイド壁（２７）の長さ（２１）が、前記対向する２つの壁（１８，１９）の間の距離（２２）の６０％〜９０％である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ガイド壁（１７）が断面図で見て、前記対向する２つの壁（１８，１９）から延びるステム（３３）を含み、前記ステムが、前記蛇行状蒸気流路（１５）に沿って障害物及び相応の乱流を提供するために、前記ステム（３３）から延びる複数の羽根（３４）を含む、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記ガイド壁（１７）が、断面図で見て魚の骨の形状として押し出される、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記異形材（３１）が、前記対向する２つの壁（１８，１９）がさらなる壁によって結合された状態で、ボックス異形材として押し出される、請求項１〜４のいずれか1項に記載の方法。
【請求項６】
前記異形材（３１）が、ボックス異形材（３１）の２つの押し出された半部（３１ａ，３１ｂ）として提供され、各半部（３１ａ，３１ｂ）は、前記対向する２つの対向壁（１８，１９）の一方を含み、そして押し出された相互に間隔を置いた複数のガイド壁（１７）から成る１つの群を有しており、前記方法が、前記２つの半部（３１ａ，３１ｂ）を押し出し後に集成することによりボックス異形材（３１）にする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
前記触媒材料（２５）が触媒ペレットとして提供され、そして前記方法が、前記ガイド壁（１７）の間の前記容積を前記触媒ペレットで充填することを含み、前記触媒ペレットのサイズが０．５〜１１ｍｍである、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法によって製造された燃料電池システム（１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム内の改質器の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
発電用燃料電池のための液体燃料を使用するときには、液体燃料から、大量の気体水素を含有するシンガスとも呼ばれる合成ガスに変換することによって、燃料電池のための水素が生成される。液体燃料の一例はメタノールと水との混合物であるが、しかし他の液体燃料、特にエタノールを含む他のアルコールを使用することもできる。変換のために、液体燃料を蒸発器内で蒸発させ、そして改質器内で触媒変換させることによって、燃料電池のためのシンガスを提供する。必要な変換温度２５０〜３００℃に達するために、改質器は、例えばバーナーからの排ガスによって加熱されなければならない。バーナーのガスの温度は典型的には３５０〜４００℃である。
【０００３】
改質器の一般例がEngland氏の特許文献に開示されている（例えば、特許文献１参照。）。高温排ガスと改質器との間の適切な熱伝達のために、改質器は、巻かれたコルゲート金属又は押し出された金属のラジエータコア内に挿入され、これにろう付けされている。このアプローチは熱交換器分野に類似している。この分野では、一般的な教示内容は、管を押し出し、そして管の外壁に薄いフィンをろう付けすることにより、フィンに沿って流れる媒体から熱伝達を行うことである。このような押し出し管の内部では、押し出し方向と同じ方向に液体が流れる。このことは、熱交換器の技術分野における伝統的な考えに従ったものである。熱交換器の一般的技術からは、押し出しアルミニウムコア上にクラッディング又は粉末スプレーを用いることが知られている。別の特許文献に開示された例の場合（例えば、特許文献２参照。）、熱交換器の押し出しアルミニウムコア上へコルゲートフィンをろう付けするために、粉末ろう付け剤のスプレー塗布が用いられる。ろう付け前にコルゲートフィンにクラッディングを施すことがさらに別の特許文献に開示されている（例えば、特許文献３参照。）。
【０００４】
また、別の特許文献に開示された、押し出し改質器モジュールのシリンダ本体は、流れ方向に沿って複数のチャネルを有しており、このことは押し出しに関する伝統的な考えを反映している（例えば、特許文献４参照。）。
【０００５】
押し出しは、流体流が不変の断面を有する方向に沿っている導管のために一般に用いられる方法であるものの、押し出しは、流れが不変の断面を有する方向に沿っていない、より複雑な構造を有する改質器のために用いるためには、明らかに有利な方法とは言えない。
【０００６】
高温プロトン電解質膜（ＨＴＰＥＭ）燃料電池とも呼ばれる高温プロトン交換膜燃料電池は、比較的高いＣＯ濃度に耐え、ひいては改質器と燃料電池スタックとの間にＰｒＯＸ反応器を必要としない点で有利である。このような理由から、シンプルで軽量、且つ低廉な改質器を使用することができる。このような改質器は、例えば自動車産業のためのコンパクトな燃料電池システムを提供する目的に沿って、システムの全体寸法及び重量を最小化する。しかしながら、小型サイズでありながら効率的であるために、改質器は充分に長い反応経路を必要とする。この反応路は、小型改質器の外側寸法よりも著しく長いのが典型的である。低重量であることと、寸法が小さいことと、反応路が長いこととを組み合わせるために、反応経路は潜在的に蛇行路として形成されるので、反応物質は改質器を通るジグザグ曲線に追従しなければならない。
【０００７】
このような蛇行状流路は、ある特許文献に開示されているようなマイクロ反応器からも知られている（例えば、特許文献５参照。）。この場合、製造方法はミリング加工又はモールディングとして開示されている。典型的には、ミリング加工は固体ブロックの所定の深さまで行われ、ベースは固体プレートとして残り、基底部から構造が延びる。ミリング加工又はモールディングは燃料電池技術における蛇行状構造のために提案された一般的な方法である。一例は、別の特許文献に開示されているような、蛇行状流路を備えた固体バイポーラ板の製造である（例えば、特許文献６参照。）。
【０００８】
種々の技術分野のこれらの開示内容から、押し出しは、管の軸線に沿って不変のプロフィールを備えた管を製造するのに有用な一般的に用いられる方法であって、押し出し方向と同じ方向にある、不変の断面を有する方向に沿って流体流が流れる方法であり、これに対して、ミリング加工は、流れが押し出し方向に沿わない、例えば蛇行状流路に沿う、より複雑なプロフィールのための典型的な方法である、と思われる。
【０００９】
ミリング加工は用途が広く、複雑なプロフィールのための調節が容易である。しかしながら、ミリング加工は比較的低速であり、ひいては大量生産には最適ではないという欠点を有する。またミリング加工は大量の材料廃棄物が生じることをほのめかす。それというのも、ブロック、例えばアルミニウムブロックからミリング加工によって除去される材料が有用でなく、廃棄しなければならないからである。モールディングは大量生産にはより適しているが、しかし、容積を取り囲む閉じた構造には適していない。このような理由から、モールディングは製造方法に制約を課し、付加的な集成工程を必要とする。またモールディングは異なるサイズに対して異なるモールド型を必要とし、このことは製造コストを高くする。
【００１０】
従って、複雑な形状、特に蛇行状流路を備えた燃料電池改質器の別の製造方法を見いだすことが望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許第７９７６７８７号明細書
【特許文献２】欧州特許第５９５６０１号明細書
【特許文献３】欧州特許第４１７８９４号明細書
【特許文献４】中国実用新案第２０２５１０７０２号明細書
【特許文献５】米国特許第８５７４５００号明細書
【特許文献６】国際公開第２００９／０１００６７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
従って、本発明の目的は、技術の改善を提供することである。具体的には、特に真直ぐな管から逸脱した複雑な形状のために、燃料電池システム内の燃料改質器の改善された製造方法を提供することが目的である。改質器のための有意義な形態の１つは、改質器を通る蛇行状流路であり、改善された製造方法を見いだすことが目的である。この目的は下記の燃料電池システムの製造方法によって解決される。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
製造に際して、押し出しによって金属異形材を提供し、改質器ハウジングを提供するために、金属異形材を、異形材に対して垂直方向に切断する。改質器内部に触媒を提供し、切断された端部を壁エレメントで覆うことにより容積を閉じる。一方の端部に蒸発器を接続し、反対側の端部に燃料電池を接続する。高温ガスによる改質器の加熱に備えて、外面に熱伝導薄層が任意に設けられる。
【００１４】
より詳細に述べるならば、以下のように有利な形態が提供される。押し出し異形材は、互いに対面する押し出された２つの対向壁を、壁間に所定の距離を置き且つ壁間に所定の容積を備えた状態で含む。この容積は最終的には蒸気からシンガスへの変換のために用いられる。２つの壁のそれぞれは、壁の間の距離の半分よりも長い距離だけ２つの壁のそれぞれから反対側の壁に向かって延びる、押し出された相互に間隔を置いたガイド壁から成る群を一体的に含む。例えば、ガイド壁の長さは、対向壁の間の距離の６０％〜９０％である。ガイド壁は、２つの壁のそれぞれに櫛状構造を形成している。２つの櫛状構造は互いに対面していて、互いに噛み合い且つ押し出し方向に対して垂直方向に蛇行状流路を形成するように、横方向に互いにオフセットされている。従って、押し出し方向に対して垂直方向に容積を横切って、ガスは直線に沿って移動することはできず、蛇行状の細長く延びる経路に追従しなければならない。
【００１５】
例えば、異形材は、２つの対向壁がさらなる壁、典型的には２つの互いに対面するさらなる壁によって結合されたボックス異形材として押し出すことにより、方形断面プロフィールを有するボックスを提供する。或いは、異形材はボックス異形材の２つの押し出し半部として提供される。これらの半部は押し出し後、次いで集成することによりボックス異形材にする。例えば、各半部は２つの対向壁のうちの一方と、その一方の壁から延びる、相互に間隔を置いたガイド壁から成る一方の群だけとを含み、そして集成体は、互いに対向する側からガイド壁を提供し、蛇行状流路を形成する。
【００１６】
例えば、ガイド壁が一定の周期（period）で等しい間隔を置いて設けられ、半部異形材において四分の一の周期分だけ、押し出し方向に対して垂直方向に非対称的にオフセットされる場合、２つの半部は、単一の異形材を押し出し、次いでこの異形材を２つの等しい長さの区分に切断することによって提供することができる。集成に際しては、一方の区分は押し出し方向で提供し、そして他方の半部は押し出し方向の周りを１８０度回転させ、そして押し出し方向に対して垂直な線の周りを１８０度回転させる。四分の一の周期分のオフセットにより、ガイド壁は、互いに対向して延びる噛み合ったガイド壁の間に半分の周期を有する状態で噛み合うことになる。
【００１７】
有用な材料の一例は、アルミニウム又はアルミニウム合金、例えば展伸用合金である。熱伝導率は、異形材の外側から改質器内部の容積内へ熱を伝導するために比較的高い。それというのも、この容積は燃料蒸気からシンガスへの触媒変換のために使用されることになり、このためには典型的には約２５０℃を上回る温度が必要となるからである。例えば３００度を上回る温度のバーナーガスに耐えるために、合金は、アルミニウム及びマグネシウムを含有する５０００シリーズ、又はアルミニウム、マグネシウム、及びケイ素を含有する６０００シリーズの展伸用アルミニウム合金であると有利である。
【００１８】
容積内へ蒸気を流入させ、且つ容積からシンガスを流出させるために、蛇行状蒸気流路の対向する端部で、異形材に蒸気入口及びシンガス出口が設けられる。例えば、金属異形材に穴が形成され、これらの穴に導管が取り付けられる。導管は、液体燃料蒸発器を蒸気入口に、そして燃料電池をシンガス出口に流体流接続するために、後で使用される。
【００１９】
改質器の所望の幅に応じて、押し出し方向に対して垂直方向に、かつ蛇行状流路に対しても垂直方向に異形材を切断する。押し出しにより、単一の押し出し異形材が複数の改質器ハウジングのための部分を提供することができる。これらの部分のそれぞれは、目的に適した長さで押し出し異形材から切断される。例えば、異形材の１つの切断片は短く、単一の燃料電池スタックに接続される改質器のために使用することができ、また別の切断片は長く、複数の燃料電池スタックにシンガスを提供する改質器のために使用することができる。
【００２０】
このように、押し出しは、改質器の製造を単純化するだけではなく、サイズ調節に関して融通性が高いことが判る。モールディングの場合、このような融通性は与えられない。それというのもそれぞれのサイズ変更は、異なるモールディング型を必要とするからである。小型及び大型の改質器に関連する作業は、押し出しを利用すると、さほど大きく異ならない。このことはまた、ミリング加工が製造に用いられる場合と著しく対照的である。ミリング加工は概ね多用途ではあるものの、改質器が大きくなればなるほど、ミリング加工を実施するのに多くの時間がかかり、また、極めて深いところまで行われるミリング加工は精度及び安定性に関して機械的に困難である。このような理由からミリング加工は、大量のミリング材料が廃棄されるという不都合な点に加えて、大型の改質器にも適していない。全体的に見て、改質器を製造するための押し出しはいくつかの側面において有利である。
【００２１】
触媒材料、例えば触媒ペレットが容積内へ挿入される。容積は次いで、ハウジング内部の容積中で燃料蒸気をシンガスへ触媒変換するための閉じられた改質器ハウジングを提供する壁エレメントによって閉じられる。
【００２２】
動作中、ハウジング内部の触媒変換プロセスのための適切な温度、典型的には、燃料がメタノールと水との混合物である場合には２５０〜３００度、そして高級アルコール又はディーゼルが燃料として使用される場合にはより高い温度を提供するために、改質器ハウジングが加熱される。
【００２３】
改質器内の温度を調節するために電気的加熱が可能ではあるものの、この必要な熱を提供する有用な方法は、金属異形材の外側に沿って高温ガスを導くことであり、ハウジングの金属は熱を改質器容積内へ導入する。高温ガスからの効率的な熱伝達のために、ハウジングの外側に平行金属薄層をろう付けする。例えばこのような薄層を提供するために、薄いシート材料を折り畳むことによりコルゲート構造にし、改質器ハウジングの外側にろう付けする前にその表面上にろう付け剤クラッディングを施す。任意には、薄層は異形材の少なくとも２つの側、例えば互いに対向する側に設けられる。高い熱伝達効果を得るために、異形材の最大の側のうちの１つ又は２つ以上が薄層で覆われると有利である。例えば、改質器容積が２つの長辺と２つの短辺とを備えた長方形断面を有する場合、薄層は長辺側に設けられる。
【００２４】
薄層に沿って高温ガスを案内するために、改質器ハウジングはケーシングによって取り囲まれる。ケーシングはガスが薄層表面に沿って案内されるように、平行金属薄層の一方の端部にバーナーガス入口を、そして反対側の端部にバーナーガス出口を有している。バーナーガス入口は次いで、バーナーに流体流接続される。
【００２５】
異形材が押し出されることに基づき、押し出された異形材が異形材の押し出し方向に沿って不変の断面を有する限り、ストレート形状又は屈曲形状、例えば波形状を含む、種々の断面形状で壁を容易に形成することができる。ガイド壁の形状は、押し出し方向に対して垂直方向の蛇行状流路を通る蒸気及びシンガスの流速に影響を与える。加えて、ガイド壁は任意には羽根を備えることにより、乱流及び混合を形成し、そして触媒変換プロセスの最適化のために蛇行状流路の中央へ向かってガスを案内する。例えば、断面で見て、ガイド壁は、２つの対向壁の一方から他方へ延びる真直ぐの又は湾曲したステムを含む。そしてステムは、蛇行状蒸気流路に沿って障害物及び相応の乱流を提供するために、ステムから延びる羽根、例えばステムから横方向に延びる羽根を含む。ステムに複数の羽根が設けられる場合には、断面で見て魚の骨の形状が１つの選択肢となる。
【００２６】
押し出された異形材のための材料の例は、アルミニウム、アルミニウム合金であり、押し出しに典型的に適したものは、１０００−６０００−７０００シリーズのアルミニウム合金である。
【００２７】
薄層のための材料の例は、５８０〜６００℃の温度で溶融可能なろう付け剤のクラッディング層を有する曲げられたアルミニウム合金フォイルである。
【００２８】
触媒材料の例は、白金又はニッケル系触媒、又はＣｕＺｎ系触媒である。これらの触媒は、メタノール及びその他のアルコール及び炭化水素を改質する用途に典型的によく適している。例えば触媒は、直径０．５〜１０ｍｍ及び高さ０．５〜１０ｍｍのサイズを有する円筒形又は球形ペレットとして提供される。或いは、ペレットは同様のサイズを有するが、しかし他の幾何学的形状、例えば中空部分を有する又は有しない台形、立方体、六面体の断面、又はこれらの組み合わせを有する。
【００２９】
上記の理由から、蛇行状流路を有する燃料電池改質器の伝統的なミリング加工又はモールディングと比較して、このような改質器の製造に押し出しを用いることは、製造速度及びコスト低減、並びにサイズ調節のし易さの点から見て、多数の利点をほのめかす。
【００３０】
図面を参照しながら本発明をより詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】図１は、燃料電池システムの一例を示す。
【図２】図２は、蛇行状流路を備えたコンパクトな改質器の一例を示す。
【図３】図３は、薄層がろう付けされた押し出し改質器を示す。
【図４】図４は、ろう付けされた薄層のための種々異なるプロフィールを示す。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
図１は燃料電池システム１を開示している。燃料電池システム１は燃料電池スタック２を含む。燃料電池スタック２には、液体燃料、例えばメタノールと水との混合物が燃料供給タンク３から供給される。液体導管４内では、液体燃料は蒸発器５内へ案内される。蒸発器５内で、液体燃料の温度は燃料が蒸発するまで上昇させられる。蒸気は蒸気入口２３を通って改質器６内へ供給される。改質器は、例えば任意には銅を含む触媒７を使用することによって、蒸気をシンガスへ触媒的に変換する。シンガスは主に水素と二酸化炭素と低含量の水ミストと一酸化炭素とから成る。シンガスはシンガス出口２４と、改質器６の外側の導管８とを通って、燃料電池スタック２の、プロトン電解質膜のアノード側へ供給される一方、典型的には空気に由来する酸素が給気部１０からプロトン電解質膜のカソード側へ供給される。
【００３３】
改質器６内の変換プロセスに適した温度、例えば約２８０℃に達するためには、典型的には燃焼のためにアノード廃ガス１２を使用するバーナー１１が採用されると有利である。例えば、バーナー１１の排ガス１３は温度が３５０〜４００℃であり、典型的には図示のように、改質器６の外壁に沿って排ガス１３をケーシング３２の内部で案内することによって、改質器６の壁を加熱するために使用される。ガス１３はまた、蒸発器５を加熱するために使用されると有利である。
【００３４】
任意には、蒸発器５内の蒸発に際しては、１２０〜２００℃の高い温度、例えば１７０℃の冷却液１４が燃料電池スタック２の出口部分から蒸発器５内へ、冷却液から液体燃料へこれを蒸発させるために熱を伝達するように案内される。
【００３５】
一例としては、下記パラメータが適用される。５ｋＷを送達するＨＴＰＥＭスタックの場合、典型的な寸法は０．５ｍ×０．２５ｍ×０．１５ｍである。例えば、バーナー、蒸発器、及び改質器を含む燃料電池スタックの重量は約２０ｋｇであり、電子装置、冷却液ポンプ、第１熱交換器及び弁を含む燃料電池システム全体の重量は４０〜４５ｋｇのオーダーである。
【００３６】
図２は、蛇行状流路１５を備えた可能な改質器６を示す断面図である。蛇行状流路１５は、ガイド壁１７の２つの櫛状集合１６によって提供される。ガイド壁１７は、互いに対面する対向壁１８，１９から延び、櫛歯周期（comb-period）２０の半分だけ相互にオフセットされている。ガイド壁１７の長さ２１は、対向壁１８，１９の間の距離２２の半分よりも大きく、これにより、蒸気の真直ぐな運動を防止し、蒸気を強制的に蛇行状流路１５に沿って動かす。例えばガイド壁の長さ２１は、対向壁１８，１９の間の距離２２の６０％〜９０％である。
【００３７】
改質器６は、蛇行状流路１５の一方の端部に燃料蒸気のための入口２３を、そして蛇行状流路１５の反対側の端部にシンガスのための出口２４を含む。改質器６の内部には、蛇行状流路１５に沿って、改質器の触媒材料２５が、例えば図示のようなペレットとして提供されている。ペレット２５は改質器６の１つの角隅にだけ図示されているが、しかし現実には蛇行状流路１５の全体にわたって、そして蛇行状流路１５に沿って分配されている。
【００３８】
別の実施態様として、蛇行状流路１５は、蛇行状流路１５の断面がシンガス出口２４に向かって増大するという点において、大きくなってもよい。このようにすれば、蒸気及び生成されたシンガスが変換中に徐々に膨張するのを可能になる。この場合、櫛歯周期２０は一定ではなく、蒸気入口２３からシンガス出口２４への距離に沿って増大する。
【００３９】
図２の改質器６はボックス形押し出し異形材３１として提供される。しかしながら、２つの押し出し異形材３１ａ，３１ｂを集成することによって改質器を形成することもできる。２つの押し出し異形材は、破断線３４によって示されているような異形材３１の個所に沿って集成体接触領域を有している。
【００４０】
図３は、図２の改質器と同様の、押し出し改質器６の構造を示す三次元図である。改質器６の金属異形材３１は、一定の周期の半分だけオフセットされたガイド壁１７から成る２つの櫛形集合を含んでおり、ガイド壁の長さは対向する壁の間の距離の概ね７５％に相当する。改質器６は、一方の端部に蒸気入口２３を含み、画像では見ることのできない反対側の端部に、相応するシンガス出口を含む。蛇行状流路１５に対して垂直の方向から見たときの改質器６の端部２６は、開いた状態で示されてはいるが、しかし通常は壁エレメントで閉じられている。４つの角隅２７は、安定化用の四分円異形材２８を含む。これらの四分円異形材２８は、４つの角隅のうちの１つで合流する２つの壁区分のそれぞれを結合する。
【００４１】
蛇行状流路１５に対して法線方向から見られるように、改質器６は長方形であり、この長方形は、ガイド壁１７の櫛状集合が延びる起点となる２つの対向する長辺と、蒸気入口２３とシンガス出口とがそれぞれ設けられた短辺とを有している。長辺側には金属薄層２９が設けられており、金属薄層は典型的には改質器６の押し出し部分の長辺側にろう付けされている。これらの薄層２９は、バーナー１１の排ガス１３からの適切な熱伝達を保証する。排ガス１３は薄層２９に沿って案内され、薄層２９を加熱する。次いで薄層２９は熱を改質器６の押し出し部分に伝導する。熱は次いで、改質器の内壁１８，１９上に熱を提供するために壁を通して伝導される。
【００４２】
製造に際して、ガイド壁１７に対して平行な方向に異形材を押し出す。有用な材料はアルミニウム及びアルミニウム含有合金を含む。押し出されたら、押し出し方向３０に対して垂直方向に異形材を切断する。改質器６を開始する前に、開いた端部２６を壁エレメントで覆う。蛇行状流路１５の各端部には、蒸気入口のために開口２３が設けられ、そしてシンガス出口のためにさらなる開口が設けられる。改質器６の外側に沿って案内される高温空気１３からの熱を受容し得る表面積を増大させるように、１つの側、又は２つの側、又は３つ以上の側を金属薄層２９で覆う。例えば、図３に示されているように、２つの最大の側を薄層２９で覆う。薄層２９は蛇行状流路１５に対して平行に延びる。蛇行状流路１５は押し出し方向３０に対して垂直であり、且つガイド壁１７に対して垂直である。図３に見られるように、薄層２９の端部には、排ガスを放出する前にこれを収集するための漏斗状ガイド３１が設けられている。
【００４３】
改質器６が蛇行状流路１５に対して垂直方向に押し出され、この蛇行状流路１５に沿って蒸気とシンガスとが改質器６を横切って流れるので、改質器６は１つ又は複数の燃料電池スタック２の幅に対して正確な幅に容易に切断することができる。図３に示されているように、改質器６は３つの燃料電池スタック２にシンガスを提供し、これら３つの燃料電池スタック共同の全幅に相当する幅を有している。押し出し異形材の切断後に残る開いた側２６は、改質器６の使用の準備をするときに壁エレメント（図示せず）によって覆われる。
【００４４】
図４に示されているように、薄層２９は種々の形態、例えばプレーン、孔付き、鋸歯状、又はヘリンボーンタイプの薄層に成形することができる。例示したものは可能な形状を包括的に網羅してはいるのではない。図示の薄層は折り畳むことにより、方形断面プロフィールを有するコルゲーション形状になっているものの、三角形又は準正弦曲線状の断面プロフィールも可能である。
【００４５】
図５に示された１実施態様の一部では、ガイド壁１７はステム３２と、ステム３２から横方向に延びる羽根３３とを含む。羽根３４は、図示されたもの以外の形状、及びステム３２に対する他の角度を有することができる。或いは、ステム３３は湾曲し、図５に示されているように真直ぐではない。
【図１】
2019505975.tif 000003
【図２】
2019505975.tif 000004
【図３】
2019505975.tif 000005
【図４】
2019505975.tif 000006
【図５】
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【手続補正書】
【提出日】平成29年11月14日(2017.11.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム内の改質器の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
発電用燃料電池のための液体燃料を使用するときには、液体燃料から、大量の気体水素を含有するシンガスとも呼ばれる合成ガスに変換することによって、燃料電池のための水素が生成される。液体燃料の一例はメタノールと水との混合物であるが、しかし他の液体燃料、特にエタノールを含む他のアルコールを使用することもできる。変換のために、液体燃料を蒸発器内で蒸発させ、そして改質器内で触媒変換させることによって、燃料電池のためのシンガスを提供する。必要な変換温度２５０〜３００℃に達するために、改質器は、例えばバーナーからの排ガスによって加熱されなければならない。バーナーのガスの温度は典型的には３５０〜４００℃である。
【０００３】
改質器の一般例がEngland氏の特許文献に開示されている（例えば、特許文献１参照。）。高温排ガスと改質器との間の適切な熱伝達のために、改質器は、巻かれたコルゲート金属又は押し出された金属のラジエータコア内に挿入され、これにろう付けされている。このアプローチは熱交換器分野に類似している。この分野では、一般的な教示内容は、管を押し出し、そして管の外壁に薄いフィンをろう付けすることにより、フィンに沿って流れる媒体から熱伝達を行うことである。このような押し出し管の内部では、押し出し方向と同じ方向に液体が流れる。このことは、熱交換器の技術分野における伝統的な考えに従ったものである。熱交換器の一般的技術からは、押し出しアルミニウムコア上にクラッディング又は粉末スプレーを用いることが知られている。別の特許文献に開示された例の場合（例えば、特許文献２参照。）、熱交換器の押し出しアルミニウムコア上へコルゲートフィンをろう付けするために、粉末ろう付け剤のスプレー塗布が用いられる。ろう付け前にコルゲートフィンにクラッディングを施すことがさらに別の特許文献に開示されている（例えば、特許文献３参照。）。
【０００４】
また、別の特許文献に開示された、押し出し改質器モジュールのシリンダ本体は、流れ方向に沿って複数のチャネルを有しており、このことは押し出しに関する伝統的な考えを反映している（例えば、特許文献４参照。）。押し出し方向と平行な流れが、Caze氏らの特許文献に開示されている流体処理装置に開示されている（例えば、特許文献５参照。）。対向する方向の流れを有する小型の一体型の熱交換器は、ある非特許文献に開示されている（例えば、非特許文献１参照。）。また、熱交換器について、別の非特許文献にも開示されている（例えば、非特許文献２参照。）。
【０００５】
押し出しは、流体流が不変の断面を有する方向に沿っている導管のために一般に用いられる方法であるものの、押し出しは、流れが不変の断面を有する方向に沿っていない、より複雑な構造を有する改質器のために用いるためには、明らかに有利な方法とは言えない。
【０００６】
高温プロトン電解質膜（ＨＴＰＥＭ）燃料電池とも呼ばれる高温プロトン交換膜燃料電池は、比較的高いＣＯ濃度に耐え、ひいては改質器と燃料電池スタックとの間にＰｒＯＸ反応器を必要としない点で有利である。このような理由から、シンプルで軽量、且つ低廉な改質器を使用することができる。このような改質器は、例えば自動車産業のためのコンパクトな燃料電池システムを提供する目的に沿って、システムの全体寸法及び重量を最小化する。しかしながら、小型サイズでありながら効率的であるために、改質器は充分に長い反応経路を必要とする。この反応路は、小型改質器の外側寸法よりも著しく長いのが典型的である。低重量であることと、寸法が小さいことと、反応路が長いこととを組み合わせるために、反応経路は潜在的に蛇行路として形成されるので、反応物質は改質器を通るジグザグ曲線に追従しなければならない。
【０００７】
このような蛇行状流路は、ある特許文献に開示されているようなマイクロ反応器からも知られている（例えば、特許文献６参照。）。この場合、製造方法はミリング加工又はモールディングとして開示されている。典型的には、ミリング加工は固体ブロックの所定の深さまで行われ、ベースは固体プレートとして残り、基底部から構造が延びる。ミリング加工又はモールディングは燃料電池技術における蛇行状構造のために提案された一般的な方法である。一例は、別の特許文献に開示されているような、蛇行状流路を備えた固体バイポーラ板の製造である（例えば、特許文献７参照。）。ミリング加工又はモールディングの別の例がさらに別の特許文献に開示されている（例えば、特許文献８参照。）。また、さらに別の特許文献において、流路が、蛇行状であり、かつ、対向して配置された２つの板から延びている延長突出部の長手方向と平行である、マイクロ流路の改質器の製造のための鋳造及び鍛造が開示されている（例えば、特許文献９参照。）。この文献では、押し出しが代替手段として言及されているが、記載や例示されていない。
【０００８】
種々の技術分野のこれらの開示内容から、押し出しは、管の軸線に沿って不変のプロフィールを備えた管を製造するのに有用な一般的に用いられる方法であって、押し出し方向と同じ方向にある、不変の断面を有する方向に沿って流体流が流れる方法であり、これに対して、ミリング加工は、流れが押し出し方向に沿わない、例えば蛇行状流路に沿う、より複雑なプロフィールのための典型的な方法である、と思われる。
【０００９】
ミリング加工は用途が広く、複雑なプロフィールのための調節が容易である。しかしながら、ミリング加工は比較的低速であり、ひいては大量生産には最適ではないという欠点を有する。またミリング加工は大量の材料廃棄物が生じることをほのめかす。それというのも、ブロック、例えばアルミニウムブロックからミリング加工によって除去される材料が有用でなく、廃棄しなければならないからである。モールディングは大量生産にはより適しているが、しかし、容積を取り囲む閉じた構造には適していない。このような理由から、モールディングは製造方法に制約を課し、付加的な集成工程を必要とする。またモールディングは異なるサイズに対して異なるモールド型を必要とし、このことは製造コストを高くする。
【００１０】
従って、複雑な形状、特に蛇行状流路を備えた燃料電池改質器の別の製造方法を見いだすことが望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許第７９７６７８７号明細書
【特許文献２】欧州特許第５９５６０１号明細書
【特許文献３】欧州特許第４１７８９４号明細書
【特許文献４】中国実用新案第２０２５１０７０２号明細書
【特許文献５】米国特許出願公開第２０１０／１４３２１５号明細書
【特許文献６】米国特許第８５７４５００号明細書
【特許文献７】国際公開第２００９／０１００６７号
【特許文献８】米国特許出願公開第２００７／０６８０７６号明細書
【特許文献９】米国特許出願公開第２００６／０１４１２９５号明細書
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】Huisheng Zhang氏、Lijin Wang氏、Shilie Weng氏、Ming Su氏らによって著された「電子ジャーナル」（Journal of Power Sources）第183号 (2008)の第282頁〜第294頁の「高温燃料電池システムに用いられる小型熱交換改質器についての性能調査(Performance research on the compact heat exchange reformer used for high temperature fuel cell systems)」と題する記事
【非特許文献２】２０１１年にシュトゥットガルトにおいて開催されたCOOML会議においてSAS SYNGAS のP. Gateau氏、SIMTACのPatrick Namy氏及びCOMSOL FranceのNicolas Huc氏によって著された、「ハニカム型の熱交換器とフィン型の熱交換器の比較(Comparison between honeycomb and fin heat exchangers)」と題する会議論文
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
従って、本発明の目的は、技術の改善を提供することである。具体的には、特に真直ぐな管から逸脱した複雑な形状のために、燃料電池システム内の燃料改質器の改善された製造方法を提供することが目的である。改質器のための有意義な形態の１つは、改質器を通る蛇行状流路であり、改善された製造方法を見いだすことが目的である。この目的は下記の燃料電池システムの製造方法によって解決される。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
製造に際して、押し出しによって金属異形材を提供し、改質器ハウジングを提供するために、金属異形材を、異形材に対して垂直方向に切断する。改質器内部に触媒を提供し、切断された端部を壁エレメントで覆うことにより容積を閉じる。一方の端部に蒸発器を接続し、反対側の端部に燃料電池を接続する。高温ガスによる改質器の加熱に備えて、外面に熱伝導薄層が任意に設けられる。
【００１５】
より詳細に述べるならば、以下のように有利な形態が提供される。押し出し異形材は、互いに対面する押し出された２つの対向壁を、壁間に所定の距離を置き且つ壁間に所定の容積を備えた状態で含む。この容積は最終的には蒸気からシンガスへの変換のために用いられる。２つの壁のそれぞれは、壁の間の距離の半分よりも長い距離だけ２つの壁のそれぞれから反対側の壁に向かって延びる、押し出された相互に間隔を置いたガイド壁から成る群を一体的に含む。例えば、ガイド壁の長さは、対向壁の間の距離の６０％〜９０％である。ガイド壁は、２つの壁のそれぞれに櫛状構造を形成している。２つの櫛状構造は互いに対面していて、互いに噛み合い且つ押し出し方向に対して垂直方向に蛇行状流路を形成するように、横方向に互いにオフセットされている。従って、押し出し方向に対して垂直方向に容積を横切って、ガスは直線に沿って移動することはできず、蛇行状の細長く延びる経路に追従しなければならない。
【００１６】
例えば、異形材は、２つの対向壁がさらなる壁、典型的には２つの互いに対面するさらなる壁によって結合されたボックス異形材として押し出すことにより、方形断面プロフィールを有するボックスを提供する。或いは、異形材はボックス異形材の２つの押し出し半部として提供される。これらの半部は押し出し後、次いで集成することによりボックス異形材にする。例えば、各半部は２つの対向壁のうちの一方と、その一方の壁から延びる、相互に間隔を置いたガイド壁から成る一方の群だけとを含み、そして集成体は、互いに対向する側からガイド壁を提供し、蛇行状流路を形成する。
【００１７】
例えば、ガイド壁が一定の周期（period）で等しい間隔を置いて設けられ、半部異形材において四分の一の周期分だけ、押し出し方向に対して垂直方向に非対称的にオフセットされる場合、２つの半部は、単一の異形材を押し出し、次いでこの異形材を２つの等しい長さの区分に切断することによって提供することができる。集成に際しては、一方の区分は押し出し方向で提供し、そして他方の半部は押し出し方向の周りを１８０度回転させ、そして押し出し方向に対して垂直な線の周りを１８０度回転させる。四分の一の周期分のオフセットにより、ガイド壁は、互いに対向して延びる噛み合ったガイド壁の間に半分の周期を有する状態で噛み合うことになる。
【００１８】
有用な材料の一例は、アルミニウム又はアルミニウム合金、例えば展伸用合金である。熱伝導率は、異形材の外側から改質器内部の容積内へ熱を伝導するために比較的高い。それというのも、この容積は燃料蒸気からシンガスへの触媒変換のために使用されることになり、このためには典型的には約２５０℃を上回る温度が必要となるからである。例えば３００度を上回る温度のバーナーガスに耐えるために、合金は、アルミニウム及びマグネシウムを含有する５０００シリーズ、又はアルミニウム、マグネシウム、及びケイ素を含有する６０００シリーズの展伸用アルミニウム合金であると有利である。
【００１９】
容積内へ蒸気を流入させ、且つ容積からシンガスを流出させるために、蛇行状蒸気流路の対向する端部で、異形材に蒸気入口及びシンガス出口が設けられる。例えば、金属異形材に穴が形成され、これらの穴に導管が取り付けられる。導管は、液体燃料蒸発器を蒸気入口に、そして燃料電池をシンガス出口に流体流接続するために、後で使用される。
【００２０】
改質器の所望の幅に応じて、押し出し方向に対して垂直方向に、かつ蛇行状流路に対しても垂直方向に異形材を切断する。押し出しにより、単一の押し出し異形材が複数の改質器ハウジングのための部分を提供することができる。これらの部分のそれぞれは、目的に適した長さで押し出し異形材から切断される。例えば、異形材の１つの切断片は短く、単一の燃料電池スタックに接続される改質器のために使用することができ、また別の切断片は長く、複数の燃料電池スタックにシンガスを提供する改質器のために使用することができる。
【００２１】
このように、押し出しは、改質器の製造を単純化するだけではなく、サイズ調節に関して融通性が高いことが判る。モールディングの場合、このような融通性は与えられない。それというのもそれぞれのサイズ変更は、異なるモールディング型を必要とするからである。小型及び大型の改質器に関連する作業は、押し出しを利用すると、さほど大きく異ならない。このことはまた、ミリング加工が製造に用いられる場合と著しく対照的である。ミリング加工は概ね多用途ではあるものの、改質器が大きくなればなるほど、ミリング加工を実施するのに多くの時間がかかり、また、極めて深いところまで行われるミリング加工は精度及び安定性に関して機械的に困難である。このような理由からミリング加工は、大量のミリング材料が廃棄されるという不都合な点に加えて、大型の改質器にも適していない。全体的に見て、改質器を製造するための押し出しはいくつかの側面において有利である。
【００２２】
触媒材料、例えば触媒ペレットが容積内へ挿入される。容積は次いで、ハウジング内部の容積中で燃料蒸気をシンガスへ触媒変換するための閉じられた改質器ハウジングを提供する壁エレメントによって閉じられる。
【００２３】
動作中、ハウジング内部の触媒変換プロセスのための適切な温度、典型的には、燃料がメタノールと水との混合物である場合には２５０〜３００度、そして高級アルコール又はディーゼルが燃料として使用される場合にはより高い温度を提供するために、改質器ハウジングが加熱される。
【００２４】
改質器内の温度を調節するために電気的加熱が可能ではあるものの、この必要な熱を提供する有用な方法は、金属異形材の外側に沿って高温ガスを導くことであり、ハウジングの金属は熱を改質器容積内へ導入する。高温ガスからの効率的な熱伝達のために、ハウジングの外側に平行金属薄層をろう付けする。例えばこのような薄層を提供するために、薄いシート材料を折り畳むことによりコルゲート構造にし、改質器ハウジングの外側にろう付けする前にその表面上にろう付け剤クラッディングを施す。任意には、薄層は異形材の少なくとも２つの側、例えば互いに対向する側に設けられる。高い熱伝達効果を得るために、異形材の最大の側のうちの１つ又は２つ以上が薄層で覆われると有利である。例えば、改質器容積が２つの長辺と２つの短辺とを備えた長方形断面を有する場合、薄層は長辺側に設けられる。
【００２５】
薄層に沿って高温ガスを案内するために、改質器ハウジングはケーシングによって取り囲まれる。ケーシングはガスが薄層表面に沿って案内されるように、平行金属薄層の一方の端部にバーナーガス入口を、そして反対側の端部にバーナーガス出口を有している。バーナーガス入口は次いで、バーナーに流体流接続される。
【００２６】
異形材が押し出されることに基づき、押し出された異形材が異形材の押し出し方向に沿って不変の断面を有する限り、ストレート形状又は屈曲形状、例えば波形状を含む、種々の断面形状で壁を容易に形成することができる。ガイド壁の形状は、押し出し方向に対して垂直方向の蛇行状流路を通る蒸気及びシンガスの流速に影響を与える。加えて、ガイド壁は任意には羽根を備えることにより、乱流及び混合を形成し、そして触媒変換プロセスの最適化のために蛇行状流路の中央へ向かってガスを案内する。例えば、断面で見て、ガイド壁は、２つの対向壁の一方から他方へ延びる真直ぐの又は湾曲したステムを含む。そしてステムは、蛇行状蒸気流路に沿って障害物及び相応の乱流を提供するために、ステムから延びる羽根、例えばステムから横方向に延びる羽根を含む。ステムに複数の羽根が設けられる場合には、断面で見て魚の骨の形状が１つの選択肢となる。
【００２７】
押し出された異形材のための材料の例は、アルミニウム、アルミニウム合金であり、押し出しに典型的に適したものは、１０００−６０００−７０００シリーズのアルミニウム合金である。
【００２８】
薄層のための材料の例は、５８０〜６００℃の温度で溶融可能なろう付け剤のクラッディング層を有する曲げられたアルミニウム合金フォイルである。
【００２９】
触媒材料の例は、白金又はニッケル系触媒、又はＣｕＺｎ系触媒である。これらの触媒は、メタノール及びその他のアルコール及び炭化水素を改質する用途に典型的によく適している。例えば触媒は、直径０．５〜１０ｍｍ及び高さ０．５〜１０ｍｍのサイズを有する円筒形又は球形ペレットとして提供される。或いは、ペレットは同様のサイズを有するが、しかし他の幾何学的形状、例えば中空部分を有する又は有しない台形、立方体、六面体の断面、又はこれらの組み合わせを有する。
【００３０】
上記の理由から、蛇行状流路を有する燃料電池改質器の伝統的なミリング加工又はモールディングと比較して、このような改質器の製造に押し出しを用いることは、製造速度及びコスト低減、並びにサイズ調節のし易さの点から見て、多数の利点をほのめかす。
【００３１】
図面を参照しながら本発明をより詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】図１は、燃料電池システムの一例を示す。
【図２】図２は、蛇行状流路を備えたコンパクトな改質器の一例を示す。
【図３】図３は、薄層がろう付けされた押し出し改質器を示す。
【図４】図４は、ろう付けされた薄層のための種々異なるプロフィールを示す。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
図１は燃料電池システム１を開示している。燃料電池システム１は燃料電池スタック２を含む。燃料電池スタック２には、液体燃料、例えばメタノールと水との混合物が燃料供給タンク３から供給される。液体導管４内では、液体燃料は蒸発器５内へ案内される。蒸発器５内で、液体燃料の温度は燃料が蒸発するまで上昇させられる。蒸気は蒸気入口２３を通って改質器６内へ供給される。改質器は、例えば任意には銅を含む触媒７を使用することによって、蒸気をシンガスへ触媒的に変換する。シンガスは主に水素と二酸化炭素と低含量の水ミストと一酸化炭素とから成る。シンガスはシンガス出口２４と、改質器６の外側の導管８とを通って、燃料電池スタック２の、プロトン電解質膜のアノード側へ供給される一方、典型的には空気に由来する酸素が給気部１０からプロトン電解質膜のカソード側へ供給される。
【００３４】
改質器６内の変換プロセスに適した温度、例えば約２８０℃に達するためには、典型的には燃焼のためにアノード廃ガス１２を使用するバーナー１１が採用されると有利である。例えば、バーナー１１の排ガス１３は温度が３５０〜４００℃であり、典型的には図示のように、改質器６の外壁に沿って排ガス１３をケーシング３２の内部で案内することによって、改質器６の壁を加熱するために使用される。ガス１３はまた、蒸発器５を加熱するために使用されると有利である。
【００３５】
任意には、蒸発器５内の蒸発に際しては、１２０〜２００℃の高い温度、例えば１７０℃の冷却液１４が燃料電池スタック２の出口部分から蒸発器５内へ、冷却液から液体燃料へこれを蒸発させるために熱を伝達するように案内される。
【００３６】
一例としては、下記パラメータが適用される。５ｋＷを送達するＨＴＰＥＭスタックの場合、典型的な寸法は０．５ｍ×０．２５ｍ×０．１５ｍである。例えば、バーナー、蒸発器、及び改質器を含む燃料電池スタックの重量は約２０ｋｇであり、電子装置、冷却液ポンプ、第１熱交換器及び弁を含む燃料電池システム全体の重量は４０〜４５ｋｇのオーダーである。
【００３７】
図２は、蛇行状流路１５を備えた可能な改質器６を示す断面図である。蛇行状流路１５は、ガイド壁１７の２つの櫛状集合１６によって提供される。ガイド壁１７は、互いに対面する対向壁１８，１９から延び、櫛歯周期（comb-period）２０の半分だけ相互にオフセットされている。ガイド壁１７の長さ２１は、対向壁１８，１９の間の距離２２の半分よりも大きく、これにより、蒸気の真直ぐな運動を防止し、蒸気を強制的に蛇行状流路１５に沿って動かす。例えばガイド壁の長さ２１は、対向壁１８，１９の間の距離２２の６０％〜９０％である。
【００３８】
改質器６は、蛇行状流路１５の一方の端部に燃料蒸気のための入口２３を、そして蛇行状流路１５の反対側の端部にシンガスのための出口２４を含む。改質器６の内部には、蛇行状流路１５に沿って、改質器の触媒材料２５が、例えば図示のようなペレットとして提供されている。ペレット２５は改質器６の１つの角隅にだけ図示されているが、しかし現実には蛇行状流路１５の全体にわたって、そして蛇行状流路１５に沿って分配されている。
【００３９】
別の実施態様として、蛇行状流路１５は、蛇行状流路１５の断面がシンガス出口２４に向かって増大するという点において、大きくなってもよい。このようにすれば、蒸気及び生成されたシンガスが変換中に徐々に膨張するのを可能になる。この場合、櫛歯周期２０は一定ではなく、蒸気入口２３からシンガス出口２４への距離に沿って増大する。
【００４０】
図２の改質器６はボックス形押し出し異形材３１として提供される。しかしながら、２つの押し出し異形材３１ａ，３１ｂを集成することによって改質器を形成することもできる。２つの押し出し異形材は、破断線３４によって示されているような異形材３１の個所に沿って集成体接触領域を有している。
【００４１】
図３は、図２の改質器と同様の、押し出し改質器６の構造を示す三次元図である。改質器６の金属異形材３１は、一定の周期の半分だけオフセットされたガイド壁１７から成る２つの櫛形集合を含んでおり、ガイド壁の長さは対向する壁の間の距離の概ね７５％に相当する。改質器６は、一方の端部に蒸気入口２３を含み、画像では見ることのできない反対側の端部に、相応するシンガス出口を含む。蛇行状流路１５に対して垂直の方向から見たときの改質器６の端部２６は、開いた状態で示されてはいるが、しかし通常は壁エレメントで閉じられている。４つの角隅２７は、安定化用の四分円異形材２８を含む。これらの四分円異形材２８は、４つの角隅のうちの１つで合流する２つの壁区分のそれぞれを結合する。
【００４２】
蛇行状流路１５に対して法線方向から見られるように、改質器６は長方形であり、この長方形は、ガイド壁１７の櫛状集合が延びる起点となる２つの対向する長辺と、蒸気入口２３とシンガス出口とがそれぞれ設けられた短辺とを有している。長辺側には金属薄層２９が設けられており、金属薄層は典型的には改質器６の押し出し部分の長辺側にろう付けされている。これらの薄層２９は、バーナー１１の排ガス１３からの適切な熱伝達を保証する。排ガス１３は薄層２９に沿って案内され、薄層２９を加熱する。次いで薄層２９は熱を改質器６の押し出し部分に伝導する。熱は次いで、改質器の内壁１８，１９上に熱を提供するために壁を通して伝導される。
【００４３】
製造に際して、ガイド壁１７に対して平行な方向に異形材を押し出す。有用な材料はアルミニウム及びアルミニウム含有合金を含む。押し出されたら、押し出し方向３０に対して垂直方向に異形材を切断する。改質器６を開始する前に、開いた端部２６を壁エレメントで覆う。蛇行状流路１５の各端部には、蒸気入口のために開口２３が設けられ、そしてシンガス出口のためにさらなる開口が設けられる。改質器６の外側に沿って案内される高温空気１３からの熱を受容し得る表面積を増大させるように、１つの側、又は２つの側、又は３つ以上の側を金属薄層２９で覆う。例えば、図３に示されているように、２つの最大の側を薄層２９で覆う。薄層２９は蛇行状流路１５に対して平行に延びる。蛇行状流路１５は押し出し方向３０に対して垂直であり、且つガイド壁１７に対して垂直である。図３に見られるように、薄層２９の端部には、排ガスを放出する前にこれを収集するための漏斗状ガイド３１が設けられている。
【００４４】
改質器６が蛇行状流路１５に対して垂直方向に押し出され、この蛇行状流路１５に沿って蒸気とシンガスとが改質器６を横切って流れるので、改質器６は１つ又は複数の燃料電池スタック２の幅に対して正確な幅に容易に切断することができる。図３に示されているように、改質器６は３つの燃料電池スタック２にシンガスを提供し、これら３つの燃料電池スタック共同の全幅に相当する幅を有している。押し出し異形材の切断後に残る開いた側２６は、改質器６の使用の準備をするときに壁エレメント（図示せず）によって覆われる。
【００４５】
図４に示されているように、薄層２９は種々の形態、例えばプレーン、孔付き、鋸歯状、又はヘリンボーンタイプの薄層に成形することができる。例示したものは可能な形状を包括的に網羅してはいるのではない。図示の薄層は折り畳むことにより、方形断面プロフィールを有するコルゲーション形状になっているものの、三角形又は準正弦曲線状の断面プロフィールも可能である。
【００４６】
図５に示された１実施態様の一部では、ガイド壁１７はステム３２と、ステム３２から横方向に延びる羽根３３とを含む。羽根３４は、図示されたもの以外の形状、及びステム３２に対する他の角度を有することができる。或いは、ステム３３は湾曲し、図５に示されているように真直ぐではない。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システム（１）の製造方法であって、
前記製造方法が、
金属異形材（３１）を提供するステップであって、前記異形材（３１）が、対向する２つの壁（１８，１９）を、前記対向する２つの壁（１８，１９）の間に所定の距離（２２）を有し且つ前記対向する２つの壁の間に所定の容積を有する状態で含み、前記対向する２つの壁（１８，１９）のそれぞれが、前記壁（１８，１９）の間の前記距離（２２）の半分よりも長い距離（２１）だけ前記２つの対向壁（１８，１９）のそれぞれから延びる、相互に間隔を置いた複数のガイド壁（１７）から成る群を一体的に含み、前記ガイド壁（１７）が前記対向する２つの壁（１８，１９）のそれぞれに櫛状構造を形成しており、前記２つの櫛状構造が互いに対面していて、互いに噛み合い且つ前記ガイド壁（１７）に対して垂直方向に蛇行状蒸気流路（１５）を形成するように、横方向にオフセットされている、ステップを含む、燃料電池システム（１）の製造方法において、
前記製造方法が、
前記金属異形材（３１）を前記ガイド壁（１７）に平行な押し出し方向（３０）に沿った押し出しつつ前記押し出し方向（３０）に対して垂直な前記蛇行状蒸気流路（１５）を前記金属異形材（３１）に提供する、ステップと、
前記蛇行状蒸気流路（１５）の対向する端部で前記異形材（３１）内に蒸気入口（２３）及びシンガス出口（２４）を設ける、ステップとを含み、
前記製造方法が、さらに、
前記押し出し方向（３０）に対して垂直方向に前記異形材（３１）を切断し、前記容積内へ触媒材料（２５）を挿入し、そして前記容積内で燃料蒸気をシンガスに触媒変換するために、閉じられた改質器（６）のハウジングを提供するための壁エレメントによって前記容積を閉じる、ステップと、
平行金属薄層（２９）を前記ハウジングの外側に、前記平行金属薄層（２９）から前記金属異形材（３１）へそして前記容積内へ熱を伝導するためにろう付けする、ステップと、
前記ハウジング及び前記平行金属薄層（２９）をケーシング（３２）によって取り囲み、前記ケーシング（３２）は、前記平行金属薄層（２９）の一方の端部にバーナーガス入口を、そして反対側の端部にバーナーガス出口を有する、ステップと、
前記蒸気入口（２３）に液体燃料蒸発器（５）を接続し、前記シンガス出口（２４）に燃料電池を接続し、そして前記バーナーガス入口にバーナー（１１）を接続する、ステップとを含む、燃料電池システム（１）の製造方法。
【請求項２】
前記平行金属薄層（２９）は前記ハウジングの外側から突出している、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記方法は、
薄いシート材料を折り畳むことによりコルゲート構造にし、前記改質器（６）の前記ハウジングの外側にろう付けする前にその表面上にろう付け剤クラッディングを施すステップを備える、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記平行金属薄層は、５８０〜６００℃の温度で溶融可能なろう付け剤のクラッディング層を有する曲げられたアルミニウム合金フォイルである、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記ガイド壁（２７）の長さ（２１）が、前記対向する２つの壁（１８，１９）の間の距離（２２）の６０％〜９０％である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記ガイド壁（１７）が断面図で見て、前記対向する２つの壁（１８，１９）から延びるステム（３３）を含み、前記ステムが、前記蛇行状蒸気流路（１５）に沿って障害物及び相応の乱流を提供するために、前記ステム（３３）から延びる複数の羽根（３４）を含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記異形材（３１）が、前記対向する２つの壁（１８，１９）がさらなる壁によって結合された状態で、ボックス異形材として押し出される、請求項１〜６のいずれか1項に記載の方法。
【請求項８】
前記異形材（３１）が、ボックス異形材（３１）の２つの押し出された半部（３１ａ，３１ｂ）として提供され、各半部（３１ａ，３１ｂ）は、前記対向する２つの対向壁（１８，１９）の一方を含み、そして押し出された相互に間隔を置いた複数のガイド壁（１７）から成る１つの群を有しており、前記方法が、前記２つの半部（３１ａ，３１ｂ）を押し出し後に集成することによりボックス異形材（３１）にする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
前記触媒材料（２５）が触媒ペレットとして提供され、そして前記方法が、前記ガイド壁（１７）の間の前記容積を前記触媒ペレットで充填することを含み、前記触媒ペレットのサイズが０．５〜１１ｍｍである、請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法によって製造された燃料電池システム（１）。
【国際調査報告】
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