(57)【要約】割合に応じて増減可能な電力要件に適合した燃料電池（６８）を作動させる、水素富化されたガスを生産するためのマイクロコンポーネント水蒸気改質器システム。水蒸気改質器システムは、層流モジュールにおいて、気化された炭化水素が水素成分を有する燃料電池オフガスと混合され、燃焼されて、気化器（１４、１８、および２２）および水蒸気改質器（３４）を加熱するサイクルを用いる。気化された炭化水素および水蒸気は、供給原料として水蒸気改質器（３４）中に導入されて、合成ガスを生成させ、合成ガスが熱交換器（３８，４６、および５４）内で冷却され、転化反応器（４２および５０）内で、また選択的酸化反応器（６０）内で精製される。得られた水素ガスは、水素燃料電池（６８）中に導入できる。燃料電池（６８）からのオフガスは、再循環されて、システム・サイクルにおいて使用するための水素および水を提供する。
2005504428.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素組成物および水から水素を富化した合成ガスを生成するためのマイクロコンポーネントシステムであって、
気化された炭化水素および水蒸気からなる供給原料を生成するミキサと、供給原料をその中に導く水蒸気改質器と、燃料電池オフガスおよび気化された炭化水素から熱エネルギーを発生させて水蒸気改質器を加熱する燃焼器と、水蒸気改質器内で生成される合成ガスのための水蒸気改質器からの出口とを備え、システムにおける少なくとも１つの段階において流体間のエネルギー交換を行うための流体の層流を提供する手段を含むシステム。
【請求項２】
炭化水素組成物および水から水素を富化した合成ガスが生成される、請求項１に記載のマイクロコンポーネント動力源であって、
水素を消費し、水素を含有するオフガスを排出する燃料電池と、
燃料電池オフガスを燃焼させて熱エネルギー源を提供する燃焼器と、
水蒸気改質器に熱を伝達するための、熱エネルギー源と相互接続されている熱交換器と、
供給源からサイクル中に炭化水素組成物および水を導入する手段と、
炭化水素組成物および水の混合物を受け入れ、混合物を接触改質して水素を富化した合成ガスを生成する水蒸気改質器と、
燃料電池中に水素を富化したガスを導入するための、水蒸気改質器と燃料電池との間の流入経路と
を備え、それらがサイクル中に相互接続されている動力源。
【請求項３】
熱交換器が、熱が交換される流体を隣接する層流に導く請求項１または請求項２に記載のデバイス。
【請求項４】
層流を提供する手段が、流体流と接触している触媒的に活性な表面を含む請求項１または請求項２に記載のデバイス。
【請求項５】
水蒸気改質器からのガスを冷却する第２の熱交換器と、水性ガス転化反応器と、選択的酸化反応器とを含み、それにより主に水素からなるガスが燃料電池に導入される請求項２に記載のシステム。
【請求項６】
燃料電池オフガス、液体炭化水素組成物および水の少なくとも１つを別々に貯蔵する、１つまたは複数の貯蔵タンクを含む請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
インライン式のゼオライト分解器を含む請求項２に記載のシステム。
【請求項８】
燃料電池と作動的に組み合わされている請求項１、または請求項２、または請求項５、または請求項６、または請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
層流のための隣接し合う部分を有する熱交換器を備える始動モジュールであって、一つの部分において外部供給源からの水素が燃焼されて熱エネルギーを提供し、そして、隣接する部分において炭化水素流体が気化されてシステム中での流体の気化と水蒸気改質とを開始させるモジュールを含む請求項２に記載のシステム。
【請求項１０】
燃料電池を作動させるためのマイクロコンポーネント組立体において有用なサイクルであって、
水素成分を含むガス混合物を燃焼させて、少なくとも１つの気化器および水蒸気改質器を加熱する工程と、
気化された炭化水素および水の混合物を提供し、混合物を水蒸気改質器中に導入して供給ガスを生成する工程と、
供給ガスを冷却し、供給ガスを水素燃料電池中に導入する工程と、
燃料電池からのオフガスを燃焼させて、気化器および水蒸気改質器を加熱する工程と
を含むサイクル。
【請求項１１】
請求項１に記載の漸増的に割合に応じて増減可能な動力源であって、あらかじめ決められた大きさの割合に応じて増減可能な動力の増分が、層流ユニットの容量によって決まる動力源。
【請求項１２】
層流ユニットが、幅対深さのアスペクト比として約１：１０から約１：１００を有する微小流路である請求項１１に記載のデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素ガスを生産するためのマイクロコンポーネント炭化水素水蒸気改質器システム、およびシステムにおいて有用な反応サイクルに関する。具体的には、本システムは、漸増的かつ／または割合に応じて増減可能なエネルギーを必要とする、自動車の用途および他の独立系に適した燃料電池を作動させるのに有用なマイクロコンポーネント装置およびサイクルに関する。
【背景技術】
【０００２】
水素燃料電池は、非汚染的な、高効率の動力源である。「ｗｗｗ．ｅｒｅｎ．ｄｏｅ．ｇｏｖ／ＲＥ／ｈｙｄｒｏｇｅｎ＿ｆｕｅｌ＿ｃｅｌｌｓ．ｈｔｍｌ」。例えば、Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌｓ  Ｇｒｅｅｎ  Ｐｏｗｅｒ、Ｌｏｓ  Ａｌａｍｏｓ  Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ、Ｕ．Ｓ．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ  ｏｆ  Ｅｎｅｒｇｙ、１９９９を参照されたい。
【０００３】
独立した水素源を必要とする、自動車、輸送、移動体、および「小規模」用途（ラップトップ・コンピュータの駆動から、一家庭全部への電力供給まで様々な）における燃料電池の使用が（燃料電池の望ましい特性にもかかわらず）、独立した用途に適した寸法を有する、利便的、安全かつ／または移動可能な水素の供給源を入手することができないために妨げられている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
電力を生産する燃料電池に原料供給するのに使用されるシステムなどの、水素富化されたガスを生成させる炭化水素水蒸気改質器システムを提供することが、本発明の目的である。利便的であり、安全であり、かつ、小規模の用途に適合可能であり、また、増加的に割合に応じて調節することができ、あらかじめ決められた電力要件に合わせて調節することが可能であるような構成であり、かつ、そのようなサイクルを用いるシステムを提供することが、さらなる目的である。
【０００５】
燃料電池技術における従来技術の慣例では、一般に自動車用として、オートサーマル改質システムを使用しており、そのシステムでは、一連の知られている化学反応により、炭化水素、水、および空気を、水素富化されたガスに変換し、そのガスを燃料電池に供給している。水蒸気改質システムは知られているが、従来技術においては、自動車の用途への水蒸気改質器システムの適合性について懐疑的である。「Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ」、Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒ、Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ  ２０００、ｐａｇｅｓ  ７８  ｅｔ  ｓｅｑ．を参照されたい。これに反して、本発明のシステムは、自動車および他の所定の電力を必要とする用途向けの水蒸気改質プロセスの使用を可能とし、改良された作動効率を達成し、かつ、独立したモジュール組立体における割合に応じて増減可能な作動、および拡張に適応している。本発明は、小型であり、また、特定の状況について必要な電力により決められる流量に関して、体積的に割合に応じて増減できる利点を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の好ましい実施形態において、燃料電池を作動させるため、エネルギー・バランスのとれた反応サイクルにより、ガソリン、すなわちイソオクタン（Ｃ８Ｈ１８）モデルにより近似される性状を有する炭化水素組成物（ＣＸＨＹ）の液体混合物、および水（Ｈ２Ｏ）を、水素（Ｈ２）富化された合成ガスに変換する。外部熱源によりサイクルを始動し、本システムの水蒸気改質サイクルは、炭化水素源により、原料供給され、また一部燃料供給される。本システムのより高い効率、および本発明により生産される合成ガス中の増加されているＨ２濃度は、オートサーマルシステムと対照的である。オートサーマルシステムでは、ガソリン、水および空気を、水素（Ｈ２）富化された合成ガスに変換する。空気の添加は、システム効率を低下させ、また一般に、モル分率約０．４５の高濃度の窒素とともに、約０．３から約０．４の範囲にあるモル分率を有するＨ２濃度を生成させ、高い流量速度、反応室におけるより短い接触時間、およびより大きい反応器寸法を必要としている。
【０００７】
本発明の水蒸気改質サイクルおよびシステムにより、モル分率範囲約０．６５から約０．７５のＨ２濃度のものが生成される。水蒸気改質器を用いると、サイクルでは、一連の触媒反応器および熱交換器を通してガソリン（または他の適切な炭化水素）の流れを供給して、水素（Ｈ２）富化された合成ガスを生産し、システム・サイクルにおける燃料電池を作動させる。水蒸気改質プロセスを駆動し、システム中に導入される液体を気化させる外部エネルギーは、周囲空気が混合された燃料電池オフガスおよびガソリンにより生成される。外部エネルギーは、熱を発生させて、新規なマイクロコンポーネント反応器および熱交換器モジュールならびにデバイスにおける、水蒸気改質および気化プロセスを駆動する。
【０００８】
水素は、適切な方法により少量貯蔵され、貯蔵部から、サイクルを始動する気化器を含む起動器モジュールに導入される。その後、サイクルは、燃料電池オフガスとガソリンとを組み合わせたもので作動し、燃料電池にエネルギーとして供給するのに有用な合成ガスを生産する。本システムは、外部供給源からの水素の連続的な注入を必要としない。
【０００９】
本発明は、図面を参照し、下記の好ましい実施形態の記述によって、より全面的に説明される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
一般的に記述すると、本発明のシステムおよびサイクルは、液体の、または気化した炭化水素から、水素富化されたガスを生成させる水蒸気改質器システムである。一実施形態において、Ｈ２を生成させるサイクル、好ましくは燃料電池を作動させるサイクルにおいて、ガソリンが水蒸気改質される。このサイクルにおいて、燃料電池のオフガスを、サイクルを作動させる熱エネルギー源として利用している。気化した炭化水素を、水素成分を有する燃料電池オフガスと混合し、燃焼させて、改質器を加熱する。気化した炭化水素と水蒸気とを水蒸気改質器中に導入して、主としてＨ２、ＣＯ２、ＣＯ、Ｈ２Ｏ、およびＣＨ４を含む合成ガスを生成させる。ガスを冷却する。ＣＯを除去する。得られた主として水素ガスは、水素燃料電池中に供給される。
【００１１】
水およびガソリンは気化させられ、次いで混合される。混合物は処理され、最終的に高温の水蒸気改質器に導かれ、次いで水性ガス転化反応器に導かれ、そこで、次式により近似される公知の反応で水素が生成される：Ｃ８Ｈ１８＋１２Ｈ２Ｏ＝４ＣＯ＋４ＣＯ２＋２１Ｈ２、および、ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２。
【００１２】
得られたＨ２富化合成ガスは、次いで、燃料電池中に導入される前に、反応器内で選択的に酸化される。燃料電池では、合成ガス混合物中の約６０％から約９０％のＨ２が利用されるであろう。残留している未利用のＨ２は、燃料電池から出て、炭化水素（ガソリン）と混合されて、システムにおける熱交換，気化、水蒸気改質器、ならびに水性ガス転化処理器および反応器を運転するエネルギーを供給する。
【００１３】
システムと相互接続されている適切な容器内に貯蔵されている、燃料電池オフガスからの水素を用い、サイクルが始動される。立ち上げ後、サイクルは独立に稼働する。適切な始動デバイスが、我々の出願「Ｍｉｃｒｏ  Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ  Ｓｔａｒｔ  Ｍｏｄｕｌｅ  ｆｏｒ  ａ  Ｈｙｄｒｏｇｅｎ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍ」（出願予定）中に記載されている。始動デバイスは、貯蔵された燃料電池オフガスの水素により始動される気化器および燃焼器を含むモジュールである。一旦始動され、稼働していると、システムの熱エネルギー源は、気化した炭化水素および燃料電池オフガスを含み、これらがシステムを運転させるエネルギーを提供する。オフガス／炭化水素混合物は、本明細書に記載される処理シーケンスに合致して逐次相互接続される、システム内の、マイクロコンポーネント気化器および水蒸気改質器デバイスにおいて触媒的に燃焼される。水蒸気改質器処理の後、ガス混合物中にＨ２が生成し、次いでガス混合物が、燃料電池中に供給される前に水性ガス転化反応器内で処理され、そして選択的に酸化されて、そうでなければ燃料電池を被毒させる恐れのあるＣＯを除去する。
図１に例示しているシステムおよびサイクルの一例を、以下に記述する。
【実施例１】
【００１４】
図１を参照すると、炭化水素燃料を処理して、水素を生成させるための燃料処理装置には、第１および第２の燃料気化器１４および２２、水気化器１８、気化した燃料と燃料電池オフガスとを混合するミキサ２６、第１の熱交換器３０、水蒸気改質器３４、第２の熱交換器３８、第１の水性ガス転化反応器４２、第３の熱交換器４６、第２の水性ガス転化反応器５０、第４の熱交換器５４、選択的酸化反応器６０、燃料電池オフガスを貯蔵する貯蔵タンク６４、および燃料電池スタック６８が含まれる。
【００１５】
燃料処理装置において、炭化水素燃料、好ましくはガソリンなどの液体燃料は、第１の燃料気化器１４により気化される。（一実施形態において、気化器１４向けのエネルギーは、緩衝部または他の貯蔵部内に保持される燃料電池オフガスの燃焼によって提供できる）。気化された燃料は、燃料処理装置が加熱されて運転されるまで、貯蔵タンク６４からの貯蔵された燃料電池オフガスまたは水素と、ミキサ２６内で混合され、燃料処理装置が運転された時点で、気化された液体炭化水素燃料は、ミキサ２６内で、燃料電池スタック６８からの燃料電池オフガスと混合される。ミキサ２６からの燃料電池オフガスと気化された燃料との混合物は、水を気化させる水気化器１８中に導入され、主として触媒的に燃焼され、水の温度を周囲温度（およそ２５℃）からおよそ３５０℃まで上昇させる。オフガス／炭化水素混合物は、また、触媒燃焼のために第２の燃料気化器２２および水蒸気改質器３４にも導入される。全体にわたってもたらされる温度は、特定の実験モデルに関連しており、コンポーネントデザイン、システムの触媒および熱特性、全体的許容誤差、流量速度および他の設計および反応基準に依存する変数である。
【００１６】
第２の燃料気化器２２において、水蒸気改質器３４向けの炭化水素燃料が気化され、供給流の温度は、周囲温度（およそ２５℃）からおよそ３５０℃まで上昇する。第２の燃料気化器２２からの気化された燃料と、水気化器１８からの水蒸気とが混合されて、第１の熱交換器３０まで供給される。燃料と水蒸気との混合物は、およそ７００℃まで加熱されて、水蒸気改質器３４まで供給される。水蒸気改質器３４では、燃料および水蒸気は、触媒誘起反応を受けて、Ｈ２、ＣＯ２、ＣＯ、Ｈ２Ｏ、およびＣＨ４を含む合成ガスを生成させる。水蒸気改質器３４内で発生する熱は、熱交換器３０および燃焼器２２に戻される。伝熱がより高温からより低温へと行われる場合、伝熱式熱交換器モジュール（すなわち、触媒なしで）が利用できる。
【００１７】
合成ガスは、水蒸気改質器から出て第２の熱交換器３８を通過し、そこで合成ガスに水を加えて、およそ４５０℃まで合成ガスを冷却する。次いで、合成ガスは、第１の水性ガス転化反応器４２を通過して、合成ガス混合物からのＣＯ成分ガスの比率を低下させる。次いで、合成ガスは、第３の熱交換器４６を通過して、そこで水が加えられて、合成ガスはおよそ２５０℃まで冷却される。次いで、合成ガスは、第２の水性ガス転化反応器５０を通過して、合成ガスからのＣＯ成分がさらに低下させられる。水性ガス転化反応器において、触媒誘起反応はＣＯ＋Ｈ２Ｏ←→Ｈ２＋ＣＯ２である。第２の水性ガス転化反応器５０を出た後、ガスは、第４の熱交換器５４を通過して、第４の熱交換器が合成ガス温度をおよそ１００℃まで冷却させる。最後に、合成ガスは、選択的酸化反応器６０を通過して、燃料電池列６８に向かう。次いで、燃料電池からのオフガスは、ミキサ２６および／または貯蔵／緩衝タンク６４に戻る経路をとる。燃料電池６８において生成される水は、システムに循環でき、例えば、第２および第３の熱交換器３８および４６に水を添加し、または供給原料として貯蔵される。
【００１８】
第１および／または第２の燃料気化器１４および２２の後ろに、当技術分野で知られているゼオライト分解器を置いて、ガソリンなどの炭化水素燃料を、水気化器１８および水蒸気改質器３４を加熱するとき、より容易に触媒燃焼させることができるより軽質な炭化水素に分解することができる。
【００１９】
図１Ａ、図１Ｂ、図１Ｃおよび図１Ｄは、横断面図として、本システムにおいて使用しているシステム構成要素である、気化器１４、１８および２２、熱交換器３０、３８、４６および５４、水蒸気改質器３４、ならびに、水性ガス転化反応器４２および５０の特性を示している。図１Ａにおける気化器２００を一例として用いると、別々の層流流体流が、層流流体流を導くための隣接する流路を形成するセパレータ２０３を有する、マイクロコンポーネント構造体における隣接する容積２０１および２０２を通って、導かれる。気化器では、液体の水または炭化水素組成物が、構成要素組立体の一方の容積２０１を通過し、構成要素組立体の隣接する容積２０２における加熱されたガスの流体流との伝導による熱交換の結果として気化される。
【００２０】
本システムのための熱交換器は、同様に構成されたマイクロコンポーネントデバイスである。図１Ｂに示している熱交換器３００は、デバイスにおけるセパレータ３０３の両面で、隣接する容積３０１および３０２を通って導かれる別々の層流流体流の流路であって、それぞれの流体が気化された液体かまたはガス状態にあるかどうかによって、主として伝導または拡散により２つの隣接する流路間で、熱エネルギーを交換できる流路を提供している。
【００２１】
同様に、図１Ｃの４００として示している水蒸気改質器３４は、デバイス中のセパレータ４０３の両面にある隣接する容積、最適には接触反応室４０１および流体流熱源４０２を通って導かれる別々の層流流体流の流路であって、セパレータの両面にあるガス流間で、主として拡散および伝導により熱を交換する流路を提供している。
【００２２】
水／ガス転化反応器４２および５０は、セパレータによって、その両面で画定された、流体流を導く別々の流路を有する、同様に構成されたデバイスであり、図１Ｄの反応器５００に示しているように、流路セパレータ５０３により形成された別々の流路５０１および５０２を有している。
【００２３】
反応が起こるモジュールでは、反応が起こるセパレータ構成要素の側面を、モジュール内のセパレータのその側面において適切なプロセス反応を誘起する適切な触媒で、最適に被覆している。
【００２４】
図３Ａは、拡大詳細図として、本システムにおいて用いられるマイクロコンポーネント組立体の波形板セパレータ要素、ならびに、セパレータと両側の流体流との関係を例示している。波形板の両面上にある別々の流体流は、同一方向または反対方向とすることができる。図３Ａにおいて、成形されるかまたは折り重ねられた波形板３２０は、２つの対向面３２１および３２２（３２２は触媒材料３２４で被覆されているのが示される）を有し、熱交換器組立体において、それぞれ層流流体流３３１および３３２に曝されている。本システムにおいて用いられる、このような型のデバイスは、本出願の譲受人により所有される、「Ｍｕｌｔｉ−ｐｕｒｐｏｓｅ  Ｍｉｃｒｏ  Ｃｈａｎｎｅｌ  Ｍｉｃｒｏ  Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ」として２０００年７月２８日出願の、米国特許出願第０９／６２７２６７号中に記載されている。
【００２５】
図３Ｂに示している水蒸気改質器室としての一実施形態において、波形板３２１の一方の側には、セパレータ板のその側面上における、流体流中の水蒸気改質反応を増進させる金属酸化物触媒材料３２１Ａの皮膜が形成されている。水蒸気改質反応を維持するには、交換器中に熱を入力する必要がある。水蒸気改質反応のために７００℃を持続する熱は、触媒３２１Ｂで被覆されている反対側のセパレータ板上の、水素を含有する燃料電池オフガスおよび／またはガソリンなどの可燃材料および空気の混合物の、セパレータの両面上の流体流中における、さらなる触媒誘起発熱反応により提供される。一例において、波形板の要素の中心点（頂部から頂部）は、およそ３．０ミリメートル離れている。好ましい水蒸気改質器は、高い熱流束を有するマイクロコンポーネント組立体であって、熱交換器の分かれた区画が、一方の側面上に酸化触媒を有し（発熱的であり、熱を供給）、また、他方の側面上に水蒸気改質触媒を有する（吸熱的である）、薄い板で仕切られており、薄い板において伝熱が伝導により起こる、組立体である。セパレータの両面上の流体流は、同一（並流）または反対（向流）方向のものとすることができる。
【００２６】
本システムにおいて用いられる種々のモジュールにおいて、セパレータは、およそ１００ミクロンから最大１０００ミクロンの程度の厚さで、できる限り薄く、かつ堅くすべきである。Ｉｎｃｏｎｅｌ（登録商標）が有用な材料である。設計パラメータは、薄さを、セパレータの剛性および伝熱特性、すなわちΔＴ°／厚さ、と調整する点に依存する。サイクルの稼働において、水蒸気改質器内を通る流体の流量速度、水蒸気改質速度、両側面の触媒、酸化触媒の能力および酸化側における流量速度によって、流体間の伝熱が最適にバランスされる。水蒸気改質側における熱利用および／または触媒特性は設計因子である。
【００２７】
図３Ｃは、上部および下部側面３３５Ａおよび３３５Ｂを有する筺体内で、セパレータの両側で層流流路を形成する波形板セパレータ３２１を有する、マイクロコンポーネントモジュール３２０の一断面を示している。明確のため、モジュールの左側および右側、ならびに、流路内の流れのための入口および出口オリフィスは、図示していない。上述のように、気化器、熱交換器、水蒸気改質器および水／ガス転化デバイスに適応される有用なマイクロコンポーネント組立体は、本出願の譲受人により所有される同時係属の出願第０９／６２７２６７号中に記載されている。
【００２８】
図１に示している種々のシステムモジュールを参照して、下記の第Ｉ表は、図面における参照数字、機能および達成される反応、ならびに、それらのモジュールにおいて達成された流体処理に関連した近似的な好ましい（設計最適）温度と、モジュールを関連付けている：
【表１】
2005504428.tif 000003
【００２９】
試験およびシミュレーションにより決定された現在の最適温度および範囲を提供しているが、最適温度および範囲は、成分、層流特性およびシステム設計パラメータ間の相互関連性によって決まる。モジュール３８および４６は、主として、モジュールの一方の側に熱を提供して、他方の側を流れる水を気化させる（蒸気）水気化器であり、設計因子によるが、水／蒸気流の反対側の側面には発熱触媒を必要としない。
【００３０】
同様なやり方で、第ＩＩ表（図１および図２と関連させて考察する）は、マイクロコンポーネントモジュールを、対向面上を通過する流体流の機能および／または反応、ならびに、それぞれのセパレータ側面の触媒性状に関する、デバイスにおけるセパレータの両面の性状に関連付けている。実施例に関連して特定される有用な触媒には、白金、パウジウム、セリウム、水酸化アルミニウムおよび酸化第一銅が含まれる。特定の機能については、他の適切な触媒で置き換えることができる。定常状態のシミュレーションにおいて、水蒸気改質器および水性ガス転化反応器についての触媒の組成は、因子とはならない。
【表２−１】
2005504428.tif 000004
【表２−２】
2005504428.tif 000005
【実施例２】
【００３１】
第２の実施例を、図４に示している。稼働において、プロセスは、炭化水素および水の燃料源について、自己持続式である。ガソリンおよび水を燃料電池列に供給する水素富化したガスに変換するバランスのとれた等温反応器が提供される。ガソリン蒸気が、本システムにおいて加熱に用いる全ての燃焼器に供給される。ガソリンは、燃料（燃焼器の熱源として）、および、水素富化したガスの生産に用いる原料の両方である。燃焼器において、触媒により誘起される触媒燃焼反応によって、ガソリンから熱が発生する。上記で説明したセパレータの反対側上にある流体に、熱が伝達される。貯蔵している水素は、システムを始動して、第１の気化器で燃焼を開始するときだけ使用される。
【００３２】
図４は、始動デバイスおよび燃料タンクに関連して本システムを示し、またマイクロコンポーネントモジュールと、システムにおける流体流に含まれるそれらの要素との関係をも例示している。図４において、外部燃料列は、所定量の水（Ｈ２Ｏ）、ガソリン（または他の炭化水素燃料）、および燃料電池オフガス（または水素（Ｈ２））を貯蔵するための、別個の貯蔵タンクを含む。始動モジュールは、共通のモジュール中に組み立てられた燃焼器、気化器、および燃焼器として示されたそれぞれの要素を含む。言及したように、立上げデバイスは、提出予定の我々の出願中に記載されている。この処理装置を始動する場合、空気を混合した水素を燃焼器中に導入してガソリンを気化させるのに十分な熱を発生させ、水素と混合されて燃焼器に熱エネルギーを供給する炭化水素蒸気を生成させる。システムにおいて、いったん流体流と反応とのバランスがとれると、貯蔵されている水素の流れが止まり、システムにおける気化器および燃焼器が、図１に示す気化器１４と同等の、連続的な反応サイクルで作動する。
【００３３】
第ＩＩＩ表は、図４に示している始動デバイスの燃焼器、気化器、および燃焼器の要素の性状を記述している。始動デバイスは、図３Ｃに示している組立体の特性を有するユニットを「サンドイッチ」したものとして構成できる。
【表３】
2005504428.tif 000006
【００３４】
ガソリンの広く行きわたった生産および流通網、そして、水蒸気改質プロセスにおける供給原料としてのその一般的入手可能性および有用性のために、本発明においてはガソリンが好ましい燃料である。システムの仮想モデル化において、イソオクタン（Ｃ８Ｈ１８）は、モデル基準における水蒸気改質のために、熱エネルギー（燃料電池オフガスと混合されて）を提供し、供給原料成分を提供する好ましい実施形態炭化水素であった。ガソリンは、およそ５０以上の炭化水素、ＣＸＨＹ、を含む混合物であり、イソオクタンＣ８ＨＹは、仮想プロセス・シミュレーションにおいてモデルとして用いている代用物である。
【００３５】
本システムは、割合に応じて増減可能であるので様々な電力要件に適合し、本システムにおいては、逐次増加型設計ユニットが個別的なＨＥＸ（熱交換、触媒、反応器および処理装置）ユニットにおける流路の数、ならびに、ＨＥＸユニットの数によって決定される。あらかじめ決められた点から点までの間隙を有するユニットにおける流路は、最大化された表面積全体にわたって流体流が通過することが可能な、最大の深さを有するように最適に設計される。例えば、流路の長さは、流体増分の滞留時間を決定し、そしてまた、流路における圧力変化に依存している。（触媒被覆の厚さを見込んだ）公称流路間隙２５０ミクロン＋／−５０ミクロンを有する流路ユニットの一例では、流路間隔の深さに対するアスペクト比は、約１：１０または１：２５から１：１００の範囲にあるものとすることができ、設計パラメータとして表面積および反応効率を最大限とする、設計的配慮により決定される。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本システムは、全体的電力生産範囲が数ワットから数メガワットにわたって割合に応じて増減可能なエネルギー変換ユニットであり、選択によりまたは必要性によって、配給型ではなく、独立した水素供給源を要するロボット工学、ラップトップ・コンピュータ、超小型電子デバイス、自動車エンジン、水素燃料補給ステーション、ならびに他の移動体および固定場所用途において有用である。本システムは、層流流路容量に基づく小型「ユニット」の使用によってモジュール的かつ割合に応じて増減可能であり、逐次増加型に集成して、あらかじめ決められた最大電力の電源を提供できる、マイクロコンポーネントデバイスから組み立てられている。例えば、４つの２５ｋＷユニットを逐次増加型に一組にして１００ｋＷを提供し、稼働させて連続的な０〜１００ｋＷ範囲を提供でき、かつ／または、５０〜７５ｋＷ範囲などの最適電力ニーズ向けに構成できる。
【００３７】
流体は、１００ｐｓｉ未満程度の差圧による圧力低下である圧力差の結果として、流路を通って流れる。流路を通る層流は、システムにおいて低い圧力低下をもたらす。水は、システム排気からの凝縮物の形態にあり、ガソリンまたは炭化水素成分が圧力のもとに導入されるので、ポンプで導入される。システムにおける反応バランスは、ポンプおよび圧縮機を可変的に調節して、反応がバランスされるように、流体流を維持することにより達成される。
【００３８】
本システムにおいて、ガソリンの他に、またはガソリンと組み合わせて、メタノールおよびエタノールを使用できる。メタンはガスであり、気化させる必要がないであろう。言及したように、メタノール、エタノール、メタン、エタン、プロパン、ブタン、および他の炭化水素燃料、ならびにそれらの混合物などの他の炭化水素燃料源を、本明細書において記述した特性を有する、バランスの取れた反応サイクルが得られる適切な化学量論的変形形態に従い、好ましい実施形態から適応させた本システムのサイクルにおいて、燃焼源または水素ガス前駆体として利用できる。これらの炭化水素のあるものは、液体として貯蔵されるが、本例では、ガスとしてシステムに導入でき、サイクル開始段階でのシステムにおける気化器構成要素の必要性がなくなる。
【００３９】
本発明を詳細に記述してきたので、当分野の技術者には、本開示が与えられれば、本明細書に記載される本発明の概念の精神から逸脱することなく、本発明に改変を行うことができると理解されるであろう。むしろ、本発明の範囲は、添付する特許請求の範囲により決められると意図するものである。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本システムおよびサイクルの概略を示す図である。
【図１Ａ】本システムに用いられる気化器構成要素デバイスの特性を示す図である。
【図１Ｂ】本システムに用いられる熱交換器構成要素デバイスの特性を示す図である。
【図１Ｃ】本システムに用いられる水蒸気改質器構成要素デバイスの特性を示す図である。
【図１Ｄ】本システムに用いられる水／ガス転化構成要素デバイスの特性を示す図である。
【図２】図１において特定される同様のモジュールと相関させた、指定されたモジュールにおける代表的な工程温度を示す図である。
【図３Ａ】本システムに用いられるマイクロコンポーネント組立体デバイスにおいて、層流流体流を導く流路を示す拡大透視詳細図である。
【図３Ｂ】セパレータの両側の流体流中で起こる異なった反応を促進する異なった触媒組成物を両面上に有する、層流マイクロコンポーネントモジュールにおいて有用な、波形板セパレータの断面を示す図である。
【図３Ｃ】流体流を導くセパレータ板の両面上の流路を示す、層流マイクロコンポーネントモジュールの一部の透視横断面詳細図である。
【図４】始動モジュールを利用する本発明の実施形態を図示し、また水素燃料電池とともに用いる本システムにおける流体流および主な構成要素をも示す図である。
【図１】
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【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４】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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