(57)【要約】本発明は、燃料油および水を、エマルジョンとして燃料電池の改質装置に供給するため、かつ燃料電池自動車を始動するための始動システムを含む。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）液体炭化水素質燃料油を水素含有ガスに転換する燃料電池改質装置、および燃料電池、ならびに
（ｂ）前記改質装置に接続され、エマルジョンの供給源を含む燃料電池始動システム
を含むことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の前記燃料電池システムを含む自動車であって、前記燃料電池システムによって始動され、その後前記燃料電池によって駆動されることを特徴とする自動車。
【請求項３】
前記エマルジョンの供給源は、燃料油を提供する手段、水を提供する手段、およびエマルジョンを形成する手段を含むことを特徴とする請求項２に記載の自動車。
【請求項４】
前記燃料電池始動システムは、
（ａ）燃料油容器
（ｂ）水容器
（ｃ）界面活性剤容器、および
（ｄ）前記燃料油容器が接続され、前記界面活性剤容器が接続され、前記水容器が接続され、前記改質装置に接続されたエマルジョン容器
を含むことを特徴とする請求項３に記載の自動車。
【請求項５】
前記燃料電池始動システムは、不凍液容器および温度センサーをさらに含み、前記不凍液容器は前記水容器に接続され、前記水容器は温度センサーに接続され、また前記温度センサーは不凍液容器に接続され、不凍液を前記水容器中に分配するように信号が送られることを特徴とする請求項４に記載の自動車。
【請求項６】
前記始動システムは、始動処理装置をさらに含み、前記燃料油、水および界面活性剤容器、ならびに前記エマルジョン容器は、前記始動処理装置に接続され、その結果前記始動処理装置は、前記燃料油、水および界面活性剤容器に信号を送って、その各内容物が前記エマルジョン容器に分配され、また前記エマルジョン容器に信号を送って、その内容物が前記燃料電池改質装置に分配されることを特徴とする請求項４に記載の自動車。
【請求項７】
前記燃料油容器は、従来の燃料電池システムの燃料油容器であることを特徴とする請求項４に記載の燃料油容器。
【請求項８】
前記水容器は、従来の燃料電池システムの水貯蔵容器であることを特徴とする請求項４に記載の水容器。
【請求項９】
前記不凍液容器は、自動車のワイパー容器であることを特徴とする請求項４に記載の不凍液容器。
【請求項１０】
前記エマルジョン容器は、インライン混合容器であることを特徴とする請求項４に記載のエマルジョン容器。
【請求項１１】
スタティックミキサーをさらに含むことを特徴とする請求項４に記載のエマルジョン容器。
【請求項１２】
（ａ）燃料油容器、（ｂ）水容器、（ｃ）不凍液容器、および（ｄ）エマルジョン容器を含み、前記燃料油容器は、燃料油移送手段を経て前記エマルジョン容器に接続され、前記水容器は、水移送手段を経て前記エマルジョン容器に接続され、前記不凍液容器は、不凍液移送手段を経て前記エマルジョン容器に接続され、前記燃料油および水容器は、車載予備始動処理装置に接続され、前記車載予備始動処理装置は、各前記容器に信号を送って、その各内容物が前記エマルジョン容器に分配され、前記エマルジョン容器は、出口コネクターを経て従来の燃料電池改質装置に接続され、前記エマルジョン容器は、車載始動処理装置に接続され、前記車載始動処理装置は、前記エマルジョン容器に信号を送って、前記エマルジョン容器の内容物が、前記燃料電池改質装置に分配されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池始動システム。
【請求項１３】
界面活性剤または界面活性剤混合物を固体またはゲル形態でさらに含み、前記界面活性剤または界面活性剤混合物は、前記燃料油が前記エマルジョン容器中に分配された時点での、前記燃料油中の界面活性剤の濃度５０〜５００ｐｐｍを提供する速度で前記燃料油中に放出されることを特徴とする請求項１０に記載の燃料油容器。
【請求項１４】
界面活性剤または界面活性剤混合物を固体またはゲル形態でさらに含み、前記界面活性剤または界面活性剤混合物は、前記水が前記エマルジョン容器中に分配される時点での、前記水中の界面活性剤の濃度５０〜５００ｐｐｍを提供する速度で前記水中に緩やかに放出されることを特徴とする請求項１０に記載の水容器。
【請求項１５】
前記エマルジョンは、燃料油中水エマルジョンとして貯蔵されることを特徴とする請求項４に記載の自動車。
【請求項１６】
前記界面活性剤容器は、重量％比が９９：１〜３０：７０の界面活性剤と燃料油の混合物を含むことを特徴とする請求項５に記載の自動車。
【請求項１７】
前記重量％比は、６０：４０であることを特徴とする請求項１６に記載の自動車。
【請求項１８】
水性ガスシフト装置をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項１９】
前記燃料油は、ガソリン、灯油、ジェット、またはディーゼル燃料油、およびこれらの組合せであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項２０】
前記燃料油は、含酸素化合物を含むことを特徴とする請求項１９に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の始動システムに関する。より詳しくは、本発明は、燃料油および水を、エマルジョンとして改質装置に供給するため、かつ自動車を始動するための始動システムを含む。
【背景技術】
【０００２】
自動車のために設計された燃料電池は、スチーム改質、水性ガスシフト、およびスタックの給湿のための反応体として供するのに、水を常時存在させる必要がある。通常の暖機操作においては、水は、燃料電池システムの一生成物であり、また燃料油処理装置にリサイクルされるであろうことから十分な量で存在する。しかし、改質装置を始動するためには、液体の水が、利用可能でなければならない。本発明は、始動時の改質装置に対して、利用可能な液体の水を調製するシステムを提供する。本始動システムにより、始動前に、燃料油および水のエマルジョンが車上で調製される。
【０００３】
【非特許文献１】
Ｊ．ベントレー、Ｂ．Ｍ．バーネット、およびＳ．ハインケ著「１９９２年燃料電池セミナー−特別抄録」（第４５６頁、１９９２年）（Ｊ．Ｂｅｎｔｌｅｙ，Ｂ．Ｍ．Ｂａｒｎｅｔｔ  ａｎｄ  Ｓ．Ｈｙｎｋｅ，１９９２  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｅｍｉｎａｒ−Ｅｘｔ．Ａｂｓ．，４５６，１９９２）
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、改質装置、燃料電池、および始動システムを含む燃料電池システムである。本始動システムには、水、燃料油、および界面活性剤を含むエマルジョンの供給源が含まれる。好ましい実施形態においては、本燃料電池システムには、水性ガスシフト装置が含まれて、ＣＯが低減される。
【０００５】
本発明の他の好ましい実施形態においては、本燃料電池システムには、通常の燃料電池システム、ならびに自動車を始動するのに燃料油および水のエマルジョンを提供するための始動システムが含まれる。自動車が本始動システムによって始動された後、通常の燃料電池システムが、自動車を操作するのに代わる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
本発明は、通常の燃料電池システムを始動システムと組合せて、始動動力を自動車に与えることによって、自動車が始動される。従来の燃料電池システムには、燃料油の供給源、水の供給源、空気の供給源、改質装置、水性ガスシフト反応器、および燃料電池が含まれる。燃料電池には、多くの燃料電池が積重ねで含まれるであろう。
【０００７】
図１は、先行技術の水素生成装置の一実施形態の概略を示す。これは、炭化水素液体燃料油に基づき、また部分酸化／スチーム改質を用いて、燃料油が合成ガス混合物に転換される。このシステムの設計は、水を改質装置に供給して自動熱改質を行うことを斟量する点を除いては、Ａ．Ｄ．リトル（Ａ．Ｄ．Ｌｉｔｔｌｅ）によって開発されたものに類似である（参照：（非特許文献１））。図１の方法は、次のように構成される。燃料油は、燃料油タンク（１）に貯蔵される。燃料油は、必要に応じて、改質装置（３）に入る前に予熱器（２）を通って供給される。水は、貯蔵タンク（６）に貯蔵される。熱交換器（７）は、タンク（６）の一部と一体化され、それが低い操作温度で凍結するであろう場合には、水の一部を融解するのに用いられるであろう。タンク（６）からのいくらかの水は、改質装置（３）に入る前に、ストリーム（９）を経て予熱器（８）に供給される。改質されたシンガス生成物は、ストリーム（１０）を経るタンク（６）からの追加の水と組合される。この給湿されたシンガス混合物は、次いで、反応器（１１）に供給されて、水性ガスシフト（反応（１）によって、ＣＯおよび水を反応させて、より多くのＨ２が製造される）、およびＣＯ浄化が行なわれる。Ｈ２リッチの燃料油ストリームは、次いで、燃料電池（１２）に入り、そこでそれは、空気（図示せず）と電気的に反応して、電気、廃熱、および気化された水を含む排出ガスストリームが製造される。本明細書で用いられる水素−酸素燃料電池には、水素リッチの燃料油が水素または水素含有ガスであり、酸素が空気から得られるであろう燃料電池が含まれる。このストリームは、コンデンサー（１３）を通って送られて、水蒸気の一部が回収される。これは、ストリーム（１４）を経て水貯蔵容器（６）にリサイクルされる。一部が脱水された排出ガスストリーム（１５）は、大気中に放出される。構成要素３および１１は、一般的な燃料油処理装置を含む。
【０００８】
本発明は、自動車が始動システムによって始動される、改良された燃料電池システムを示す。これらの形態により、特に燃料電池の自動車用途について、通常の燃料電池システムを用いて自動車を始動する際に固有の多くの問題が解決される。
【０００９】
本始動システムの一実施形態は、燃料油、水、および界面活性剤を分配されるエマルジョン容器を含む。燃料油、水、および界面活性剤は、それぞれ、別個の燃料油、水および界面活性剤容器内に貯蔵される。燃料油、水、界面活性剤およびエマルジョン容器は、始動システムの主要な構成要素を構成する。燃料油、水および界面活性剤容器は、接続チューブまたはパイプを経てエマルジョン容器に接続される。エマルジョン容器は、注入ノズルを経て改質装置に接続される。エマルジョン容器が燃料油、水、および界面活性剤成分を受入れた後、エマルジョン容器の内部に取付けられたミキサー、好ましくはスタティックミキサーが、成分を混合して、エマルジョンが形成される。調製されたエマルジョンは、次いで、自動車を始動するのに必要な速度で、それに必要な時間をかけて改質装置に分配される。燃料油、水、および界面活性剤（ならびに不凍液、以下に述べられる）を分配する手段には、噴霧器、ベーパライザー、インジェクター、またはディスペンサーが含まれる。
【００１０】
水容器は、断熱されて、水が凝固することを防止することができる。あるいは、水容器は、電池に取付けられて、水が始動時に凝固状態にある場合に、始動時に、熱が容器に供給されることが可能である。水容器に取付けられた車載水温度センサーは、水容器を加熱するのに作動し、その結果水は、液体形態で保持することができる。水の凝固を防止するためのさらに他の方法は、アルコール、またはアルコール−水混合物からなる不凍液溶液を、水容器中の水に、水の凝固点を低下するのに十分な量で添加することである。不凍液溶液は、別個の不凍液容器中に貯蔵されることが可能である。不凍液容器は、水容器に接続される。車載水温度センサーは、不凍液を水室に分配するように作動する。不凍液容器は、メタノール、エタノール、プロパノール、エチレングリコール、プロピレングリコール、およびこれらの混合物からなる群から選択されたアルコールを含有することができる。水−アルコール混合物はまた、不凍液容器中に貯蔵されることが可能である。エマルジョン容器中に分配された流体においては、水：アルコール比は、約９９．１：０．１〜約２０：８０、好ましくは９０：１０〜７０：３０の範囲であることができる。
【００１１】
不凍液容器は、不凍液を水容器に提供し、同様に自動車のフロントガラスを清浄にするためのワイパー流体を提供するという二元機能を果すことができる。不凍液容器のこの二元機能は、別個のフロントガラスのワイパー容器、および始動システムの不凍液容器に対する必要性を排除することができる。
【００１２】
最初に、水を水容器中に充填することが好ましい。その後は、燃料電池からのリサイクル水が、引続く自動車の始動に必要な水を提供するであろう。通常の燃料電池システムの水貯蔵タンクは、始動時の水容器の目的を果すことができる。
【００１３】
燃料油容器は、自動車の燃料油容器、または別個の容器であってもよい。
【００１４】
界面活性剤は、界面活性剤容器に貯蔵されることが可能である。これは、界面活性剤濃縮物として貯蔵されることが好ましい。界面活性剤濃縮物は、適切な界面活性剤または界面活性剤混合物の燃料油中混合物を含むことができる。界面活性剤の量は、濃縮物の重量を基準として、約９９重量％〜約３０重量％の範囲で変化することができる。好ましくは、濃縮物は、６０％超の界面活性剤である。任意に、界面活性剤の濃縮物は、界面活性剤の水−アルコール溶剤中混合物を含むことができる。界面活性剤の量は、濃縮物の重量を基準として、約９９重量％〜約３０重量％の範囲で変化することができる。好ましくは、濃縮物は、６０％超の界面活性剤である。水：アルコール比は、約９９：１〜約１：９９の範囲であることができる。
【００１５】
本システムの他の実施形態においては、界面活性剤容器は、排除され、界面活性剤は、燃料油容器または水容器中に貯蔵される。この実施形態においては、界面活性剤は、燃料油または水容器中のいずれか、もしくは両容器中で、徐放性の固体またはゲルの形態にある。徐放性の固体またはゲルは、エマルジョンを形成するのに必要な界面活性剤の量を遊離する。放出特性は、燃料油または水中の界面活性剤濃度５０〜５５０ｐｐｍが達成されるものである。徐放性の界面活性剤の当業者により、これらの界面活性剤が設計することができる。この実施形態においては、本始動システムの主要な構成要素は、水、燃料油およびエマルジョン容器である。
【００１６】
本始動システムの他の実施形態は、インラインミキサーを含む。燃料油および界面活性剤を含む混合物は、同時に、水と一緒にインラインミキサーの前方部分中に注入される。あるいは、水および界面活性剤を含む混合物は、同時に、燃料油と一緒にインラインミキサーの前方部分中に注入される。燃料油、水、および界面活性剤は、それらがインラインミキサーを通って流れる際に混合される。インラインミキサーシステムの後方部分は、エマルジョンを受入れ、それを、注入ノズルを通して改質装置に分配する。インラインミキサーは、流体を混合する当業者には周知である。インラインミキサーの一つの例は、内部羽根を取付けられたチューブである。チューブ円周への羽根の数および角度の配置は、インラインミキサーの設計の当業者には周知である。
【００１７】
図２は、本発明の燃料電池始動システムの一形態の概略を示す。図２のシステムは、次のように構成される。つまり、燃料油は燃料油容器（１）に、水は水容器（２）に、界面活性剤は界面活性剤容器（３）に、不凍液は不凍液容器（４）に貯蔵され、エマルジョンは、エマルジョン容器（５）中で調製される。燃料油および界面活性剤容器（１）および（３）は、それぞれ、別々の移送ライン（６）および（７）を経てエマルジョン容器（５）に接続される。水容器（２）は、移送ライン（８）を経てエマルジョン容器（５）に接続されて、水または水−アルコール混合物がエマルジョン容器に分配される。水容器は、さらに、移送ライン（９）を経て不凍液容器（４）に接続される。エマルジョン容器は、ミキサーを取付けられる。エマルジョン容器（５）からの出口ライン（１０）は、燃料電池改質装置に接続されて、始動時に、エマルジョンが改質装置内に分配される。燃料油、水および界面活性剤容器は、全て独立に、車載始動処理装置に接続され、その信号により、燃料油、水、および界面活性剤のエマルジョン室中への分配が開始される。水容器は、温度センサーに接続され、これにより、水容器中の水の温度が検知される。温度センサーは、電池および不凍液容器に接続される。温度センサーは、所望により、水容器の加熱または不凍液の分配を引起こす。
【００１８】
本システムの一実施形態においては、水容器は、通常の燃料電池システムの水貯蔵室である。
【００１９】
本始動システムの他の実施形態においては、インラインミキサーは、エマルジョン容器を代替する。燃料油、水、および界面活性剤は、インラインミキサーの前方端部中に分配される。インラインミキサーは、技術的に知られたインライン混合装置を取付けた管状容器からなる。インライン混合装置の一例は、流体流に垂直に取付けられた一連の羽根である。他の例は、一連の制約オリフィスであり、そこを通って混合物が伝達される。燃料油、水、および界面活性剤は、混合されて、エマルジョンを形成する。インラインミキサーは、出口を取付けられ、そこを通ってエマルジョンが、改質装置内に分配される。
【００２０】
本発明の始動システムの一つの利点は、始動時に、燃料油および水がエマルジョンとして改質装置に分配されることである。始動時には、従来のシステムは、水を全く有さない。エマルジョンを用いる利点には、始動時の水の入手可能性、および注入時の十分に混合された水／燃料油が含まれる。
【００２１】
エマルジョンを噴霧として分配することが好ましい。噴霧としての分配は、気化に勝る利点を有する。これは、図１に示された通常の燃料電池システムと対照的であり、その際、燃料油および空気は、別個の反応体として、スチームなしに改質装置中に注入される。
【００２２】
エマルジョン容器またはインラインミキサーから改質装置中に分配された流体は、水中燃料油または燃料油中水エマルジョンであろう。さらに、水中燃料油または燃料油中水エマルジョンは、マクロエマルジョンまたはミクロエマルジョン、もしくはこれらの混合物であってもよい。水中燃料油エマルジョンは、燃料油の液滴が水中に分散されたものである。燃料油中水エマルジョンは、水の液滴が燃料油中に分散されたものである。両タイプのエマルジョンは、所望の液滴サイズ分布のエマルジョンを形成するのに、適切な界面活性剤を必要とする。分散相の平均液滴サイズが１ミクロン未満のサイズである場合には、エマルジョンは、一般にミクロエマルジョンと呼ばれる。分散相の液滴の平均液滴サイズが１ミクロン超のサイズである場合には、エマルジョンは、一般にマクロエマルジョンと呼ばれる。エマルジョンの当業者は、所望のエマルジョンのタイプに対して、適切な界面活性剤を選択するであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、典型的な先行技術の従来の燃料電池システムの概略図を示す。
【図２】図２は、本発明の燃料電池始動システムについて、一実施形態の概略を示す。
【図１】
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【図２】
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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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