(57)【要約】  燃料源（２９）から水素（３９）を製造する燃料処理装置（１５）。燃料処理装置（１５）は改質器（３２）及び燃焼器（３０）から構成される。改質器（３２）は水素（３９）を製造するために触媒を含む。大容積改質室は改質器（３２）において使用される触媒の量を増加させ、その結果として所定の燃料処理装置の寸法における水素製造量を増加させる。燃焼器（３０）は熱を改質器（３２）へ供給する。熱伝達を増加させるために、１個又は複数の燃焼器が改質器の複数の側面を取り囲み得る。デュワー（１５０）は燃料処理装置（１５）の熱管理を更に向上させると共に燃焼器効率を向上させるために使用され得る。デュワー（１５０）は、燃焼器（３０）が空気（３１）を受け取る前に流入空気（３１）を受け取る１個以上のデュワー室を含む。空気（３１）は燃焼器（３０）により発生した熱を使用して、デュワー（１５０）室内で予熱される。
2007524562.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料源から水素を製造する燃料処理装置であって、
前記燃料源を受け取るように構成されると共に水素を産出するように構成され、且つ水素の製造を促進する触媒を含む改質器と、
前記改質器が前記燃料源を受け取る前に該燃料源を加熱するように構成されたボイラと、
前記改質器へ熱を供給すると共に該改質器の周りに環状に配置されるように構成される少なくとも１個の燃焼器と
を含むことを特徴とする燃料処理装置。
【請求項２】
前記少なくとも１個の燃焼器は前記改質器の断面周縁を５０パーセントより多く取り囲むことを特徴とする請求項１の燃料処理装置。
【請求項３】
前記少なくとも１個の燃焼器は前記改質器の断面周縁を７５パーセントより多く取り囲むことを特徴とする請求項２の燃料処理装置。
【請求項４】
前記少なくとも１個の燃焼器は前記改質器の断面周縁を９０パーセントより多く取り囲むことを特徴とする請求項３の燃料処理装置。
【請求項５】
前記少なくとも１個の燃焼器は二辺で前記改質器と接することを特徴とする請求項１の燃料処理装置。
【請求項６】
前記少なくとも１個の燃焼器は三辺で前記改質器と接することを特徴とする請求項５の燃料処理装置。
【請求項７】
前記少なくとも１個の燃焼器は四辺で前記改質器と接することを特徴とする請求項６の燃料処理装置。
【請求項８】
前記少なくとも１個の燃焼器は、非平面断面形状を有する第１燃焼室を含むことを特徴とする請求項１の燃料処理装置。
【請求項９】
前記少なくとも１個の燃焼器は、非四辺形断面形状を有する第１燃焼室を含むことを特徴とする請求項１の燃料処理装置。
【請求項１０】
前記少なくとも１個の燃焼器は、非四辺形断面形状を有する第２燃焼室を更に含むことを特徴とする請求項９の燃料処理装置。
【請求項１１】
前記第１燃焼室及び第２燃焼室は集合的に四辺で前記改質器と接することを特徴とする請求項１０の燃料処理装置。
【請求項１２】
前記改質器を収容する共に前記少なくとも１個の燃焼器を収容し、且つ該少なくとも１個の燃焼器が前記燃料源又は酸素を受け取る前に該燃料源又は酸素を受け取るように構成されたデュワー室を形成する一組のデュワー壁を含むデュワーを更に含むことを特徴とする請求項１の燃料処理装置。
【請求項１３】
前記デュワーは前記一組のデュワー壁の内壁に設けられる放射層を含み、該放射層は該内壁の放射熱反射を向上させることを特徴とする請求項１２の燃料処理装置。
【請求項１４】
前記デュワーは、前記デュワー室を通過する空気が前記少なくとも１個の燃焼器において
発生した熱を受け取るように構成されることを特徴とする請求項１２の燃料処理装置。
【請求項１５】
前記デュワーは前記少なくとも１個の燃焼器を断面において環状に取り囲むことを特徴とする請求項１の燃料処理装置。
【請求項１６】
前記デュワーは第２デュワー室を含むことを特徴とする請求項１の燃料処理装置。
【請求項１７】
前記第２ボイラは前記少なくとも１個の燃焼器から熱を受け取るように構成されることを特徴とする請求項１７の燃料処理装置。
【請求項１８】
前記燃料処理装置は、前記改質器、少なくとも１個の燃焼器及びボイラを画定する壁に含まれる共通の材料を有するモノリシック構造を含むことを特徴とする請求項１の燃料処理装置。
【請求項１９】
前記共通の材料は金属から成ることを特徴とする請求項１８の燃料処理装置。
【請求項２０】
前記モノリシック構造は単一の押出し成形又は鋳込み成形で形成されることを特徴とする請求項１９の燃料処理装置。
【請求項２１】
前記燃料処理装置は前記改質器及び少なくとも１個の燃焼器により共有されると共に、該少なくとも１個の燃焼器及び改質器の間における直交方向の伝導熱伝達を許容する非平面壁から成ることを特徴とする請求項１の燃料処理装置。
【請求項２２】
前記ボイラは前記少なくとも１個の燃焼器から熱を受け取るように構成されることを特徴とする請求項２１の燃料処理装置。
【請求項２３】
前記少なくとも１個の燃焼器が前記燃料源を受け取る前に該燃料源を加熱するように構成される第２ボイラを更に含むことを特徴とする請求項２２の燃料処理装置。
【請求項２４】
燃料源から水素を製造する燃料処理装置であって、
該燃料源を受け取るように構成されると共に水素を産出するように構成され、且つ水素の製造を促進する触媒を含み、約０．１立方センチメートルより大きく且つ約５０立方センチメートル未満の容積を有する改質室を含む改質器と、該改質室は断面幅と断面幅の三分の一よりも大きい断面高さにより特徴付けられ、
前記改質器が前記燃料源を受け取る前に該燃料源を加熱するように構成されるボイラと、
前記改質器へ熱を供給するように構成される少なくとも１個の燃焼器と
を含むことを特徴とする燃料処理装置。
【請求項２５】
前記改質室は断面が実質的に非四辺形であることを特徴とする請求項２４の燃料処理装置。
【請求項２６】
前記改質室は実質的に楕円形の断面を含むことを特徴とする請求項２４の燃料処理装置。
【請求項２７】
前記改質室は実質的に円形の断面を含むことを特徴とする請求項２６の燃料処理装置。
【請求項２８】
前記改質室は約０．５立方センチメートルから約２．５立方センチメートルの間の容積を備えることを特徴とする請求項２４の燃料処理装置。
【請求項２９】
前記断面高さは前記断面幅の二分の一よりも大きいことを特徴とする請求項２４の燃料処
理装置。
【請求項３０】
前記断面高さは前記断面幅よりも大きいことを特徴とする請求項２４の燃料処理装置。
【請求項３１】
前記少なくとも１個の燃焼器は非四辺形断面形状を有する第１燃焼室を含むことを特徴とする請求項２４の燃料処理装置。
【請求項３２】
前記少なくとも１個の燃焼器は二辺で前記改質器と接することを特徴とする請求項３１の燃料処理装置。
【請求項３３】
前記少なくとも１個の燃焼器は非四辺形断面形状を含む第２燃焼室を更に含むことを特徴とする請求項３１の燃料処理装置。
【請求項３４】
前記第１燃焼室及び第２燃焼室は集合的に四辺で前記改質器と接することを特徴とする請求項３３の燃料処理装置。
【請求項３５】
前記少なくとも１個の燃焼器は前記改質器の周縁を５０パーセントよりも多く取り囲むことを特徴とする請求項１の燃料処理装置。
【請求項３６】
前記少なくとも１個の燃焼器は前記改質器の周縁を９０パーセントよりも多く取り囲むことを特徴とする請求項３５の燃料処理装置。
【請求項３８】
前記ボイラは前記少なくとも１個の燃焼器から熱を受け取るように構成されることを特徴とする請求項２４の燃料処理装置。
【請求項３９】
前記燃料処理装置は、前記改質器、燃焼器及びボイラを画定する壁に含まれる共通の材料を有するモノリシック構造を含むことを特徴とする請求項２４の燃料処理装置。
【請求項４０】
前記共通の材料は金属から成ることを特徴とする請求項３９の燃料処理装置。
【請求項４１】
前記モノリシック構造は単一の押出し成形で形成されることを特徴とする請求項４０の燃料処理装置。
【請求項４２】
前記触媒はペレットから成ることを特徴とする請求項２４の燃料処理装置。
【請求項４３】
前記ペレットは約３００ミクロンから約１５００ミクロンの範囲内にある直径を有することを特徴とする請求項４２の燃料処理装置。
【請求項４４】
燃料源から水素を製造する燃料処理装置であって、
前記水素燃料源を受け取るように構成されると共に水素を産出するように構成され、且つ水素の製造を促進する触媒を含む改質器と、
前記改質器へ熱を供給するように構成される燃焼器と、
前記改質器及び燃焼器を少なくとも部分的に収容すると共にデュワー室を形成する一組のデュワー壁を含むデュワーと、該室は前記燃焼器がプロセスガス又はプロセス液を受け取る前に該プロセスガス又はプロセス液を受け取るように構成され、
前記デュワーを少なくとも部分的に収容すると共に前記改質器及び燃焼器へ外部機械的保護を提供する一組のハウジング壁を含むハウジングと
を含むことを特徴とする燃料処理装置。
【請求項４５】
前記デュワーは、前記デュワー室を通過するプロセスガス又はプロセス液が前記燃焼室で
発生した熱を受け取るように構成されることを特徴とする請求項４４の燃料処理装置。
【請求項４６】
前記デュワーは、前記デュワー室を通過するプロセスガス又はプロセス液が前記燃焼器の壁から直接的に熱を受け取るように構成されることを特徴とする請求項４５の燃料処理装置。
【請求項４７】
前記デュワーは、前記デュワー室を通過するプロセスガス又はプロセス液が前記燃焼器から間接的に熱を受け取るように構成されることを特徴とする請求項４５の燃料処理装置。
【請求項４８】
前記デュワーは前記一組のデュワー壁の内面に設けられる放射層を含み、該放射層は該内面の放射熱反射を向上させることを特徴とする請求項４４の燃料処理装置。
【請求項４９】
前記燃焼器は約２００°Ｃよりも高い温度で作動し、前記ハウジングの外側は約５０°Ｃ未満に維持されることを特徴とする請求項４４の燃料処理装置。
【請求項５０】
前記燃焼器の壁は前記ハウジングの壁から１０ミリメートル程度であることを特徴とする請求項４９の燃料処理装置。
【請求項５１】
前記デュワーは第２デュワー室を含むことを特徴とする請求項４４の燃料処理装置。
【請求項５２】
前記第２デュワー室は前記デュワー及びハウジングの間に形成される空間から成ることを特徴とする請求項５１の燃料処理装置。
【請求項５３】
前記プロセスガス又はプロセス液は前記第１デュワー室に流入する前に前記第２デュワー室を通過することを特徴とする請求項５３の燃料処理装置。
【請求項５４】
前記デュワーは断面螺旋形状を備えることを特徴とする請求項４４の燃料処理装置。
【請求項５５】
前記デュワーは前記燃焼器を断面において環状に取り囲むことを特徴とする請求項４４の燃料処理装置。
【請求項５６】
前記燃焼器は該燃焼器の壁にウォッシュコートが施された触媒を備えることを特徴とする請求項５５の燃料処理装置。
【請求項５７】
前記デュワーは前記燃焼器の周りで断面において螺旋形になる螺旋状壁を備えることを特徴とする請求項５６の燃料処理装置。
【請求項５８】
前記デュワーは前記螺旋状壁の一部を含むと共に、前記燃焼器は前記ウォッシュコートを含む螺旋状壁の第２部分から成ることを特徴とする請求項５７の燃料処理装置。
【請求項５９】
燃料処理装置において水素を製造する方法であって、該燃料処理装置は燃焼器と、改質器と、該燃焼器及び改質器を少なくとも部分的に収容するデュワーとを含み、
前記燃焼器において熱を発生させる工程と、
プロセスガス又はプロセス液をデュワー室を通過させる工程と、
前記燃焼器で発生した熱を利用して前記プロセスガス又はプロセス液を前記デュワー室で加熱する肯定と、
前記プロセスガス又はプロセス液が前記デュワー室で加熱された後に、該プロセスガス又はプロセス液を前記燃焼器へ供給する工程と、
前記燃焼器で発生した熱を前記改質器へ伝達する工程と、
水素を製造するために燃料源を改質する工程と
を含むことを特徴とする方法。
【請求項６０】
前記プロセスガス又はプロセス液は、該プロセスガス又はプロセス液が前記燃焼室を通過する方向と少なくとも部分的に逆行する方向へ、前記デュワー室を通過することを特徴とする請求項５９の方法。
【請求項６１】
前記デュワー室は前記燃焼器の壁及び前記デュワーの一組の壁の間に形成される空間から成ることを特徴とする請求項５９の方法。
【請求項６２】
前記燃料処理装置は前記デュワーを収容するハウジングを備えることを特徴とする請求項５９の方法。
【請求項６３】
前記ハウジング及びデュワーは、前記デュワー室が前記プロセスガス又はプロセス液を受け取る前に、該プロセスガス又はプロセス液を受け取る第２デュワー室を形成することを特徴とする請求項６２の方法。
【請求項６４】
前記燃焼器で発生する熱を使用して、前記第２デュワー室において前記プロセスガス又はプロセス液を加熱する工程を更に含むことを特徴とする請求項６３の方法。
【請求項６５】
前記デュワー室のプロセスガス又はプロセス液は、前記燃焼器及びデュワーにより共有される壁からの熱を使用して加熱されることを特徴とする請求項５９の方法。
【請求項６６】
前記プロセスガス又はプロセス液を加熱する工程は、前記共有された壁及び前記デュワー室のプロセスガス又はプロセス液の間の対流熱伝達を含むことを特徴とする請求項６５の方法。
【請求項６７】
前記デュワー室のプロセスガス又はプロセス液は、前記燃焼器から前記デュワー壁へ熱が伝達した後に、前記デュワー壁からの熱を使用して加熱されることを特徴とする請求項５９の方法。
【請求項６８】
前記デュワー及び燃焼器により共有される壁からの伝導熱伝達を介して、前記熱は前記デュワー壁へ伝達することを特徴とする請求項６７の方法。
【請求項６９】
前記デュワー及び燃焼器により共有される壁からの放射熱伝達を介して、前記熱は前記デュワー壁へ伝達することを特徴とする請求項６８の方法。
【請求項７０】
前記デュワーは、前記内壁に設けられ、該内壁の放射熱反射を向上させる放射層を含むことを特徴とする請求項６９の方法。
【請求項７１】
前記デュワーは前記燃焼器の周りにおいて断面で螺旋形をなす壁から成ることを特徴とする請求項５９の方法。
【請求項７２】
燃料処理装置の熱を管理する方法であって、該燃料処理装置は燃焼器と、改質器と、該燃焼器及び改質器を少なくとも部分的に収容するデュワーとを含み、
前記燃焼器において熱を発生させる工程と、
プロセスガス又はプロセス液をデュワー室を通過させる工程と、
前記燃焼器で発生した熱を使用して、前記プロセスガス又はプロセス液を加熱する工程と
を含むことを特徴とする方法。
【請求項７３】
前記プロセスガス又はプロセス液が前記燃焼室を通過する方向と少なくとも部分的に逆行する方向へ、該プロセスガス又はプロセスガスはデュワー室を通過することを特徴とする請求項７２の方法。
【請求項７４】
前記デュワー室は前記燃焼器の壁及び前記デュワーの一組の壁の間に形成される空間から成ることを特徴とする請求項７２の方法。
【請求項７５】
前記燃料処理装置は前記デュワーを収容するハウジングを備えることを特徴とする請求項７２の方法。
【請求項７６】
前記ハウジング及びデュワーは、前記デュワー室が前記プロセスガス又はプロセス液を受け取る前に該プロセスガス又はプロセス液を受け取る第２デュワー室を形成することを特徴とする請求項７５の方法。
【請求項７７】
前記燃焼器で発生した熱を使用して、前記プロセスガス又はプロセス液を前記第２デュワー室で加熱する工程を更に含むことを特徴とする請求項７６の方法。
【請求項７８】
前記燃焼器は約２００°Ｃより高い温度で作動すると共に、前記ハウジングの外側は該燃焼器における発熱の間は約５０°Ｃ未満に維持されることを特徴とする請求項７６の方法。
【請求項７９】
前記デュワー室のプロセスガス又はプロセス液は、前記燃焼器及びデュワーにより共有される壁からの熱を使用して加熱されることを特徴とする請求項７２の方法。
【請求項８０】
前記プロセスガス又はプロセス液を加熱する工程は、前記共有壁及び前記デュワー室のプロセスガス又はプロセス液の間の対流熱伝達から成ることを特徴とする請求項７８の方法。
【請求項８１】
前記デュワーは前記燃焼器の周りにおいて断面が螺旋形をなす壁を備えることを特徴とする請求項７２の方法。
【請求項８２】
前記燃焼器は該燃焼器の壁にウォッシュコートが施された触媒を備えることを特徴とする請求項７２の方法。
【請求項８３】
前記デュワーは前記燃焼器の周りにおいて断面が螺旋形をなす螺旋状壁を備えることを特徴とする請求項８２の方法。
【請求項８４】
前記デュワーは前記螺旋状壁の一部を含むと共に、前記燃焼器は前記ウォッシュコートを含む前記螺旋状の第２部分を備えることを特徴とする請求項８３の方法。
【請求項８５】
燃料源から水素を製造する燃料処理装置であって、
第１基板に設けられる一組の改質器導管を含むと共に、前記燃料源からの水素の製造を促進する改質器触媒を含む改質器と、
第２基板に設けられる一組の導管を含むと共に、前記改質器が前記燃料源を受け取る前に該燃料源を加熱するように構成されるボイラと、
前記改質器へ熱を供給するように構成されると共に、前記ボイラへ熱を供給するように構成される燃焼器と、
前記第１基板の一部及び前記第２基板の一部を通過するコンプライアント固定力を付与することにより、前記改質器及び燃焼器の前記燃料処理装置内における位置を維持するように構成されるドックと
を含むことを特徴とする燃料処理装置。
【請求項８６】
前記固定力を遮ると共に前記コンプライアント固定力の上限値を定めるコンプライアント材料を更に含むことを特徴とする請求項８５の燃料処理装置。
【請求項８７】
前記ドックは該ドックの第１壁に形成されたねじ穴に入るねじを含むことを特徴とする請求項８５の燃料処理装置。
【請求項８８】
前記第１壁に対向するドック壁の間に設けられるコンプライアント材料を更に含み、該コンプライアント材料は前記ねじにより与えられる固定力を遮ると共に、該コンプライアント固定力の上限値を定めることを特徴とする請求項８７の燃料処理装置。
【請求項８９】
前記コンプライアント材料は前記第１基板の一部における圧力変動を低減することを特徴とする請求項８５の燃料処理装置。
【請求項９０】
前記ドックは前記改質器から前記燃料処理装置の外部への該ドックに含まれる壁を通る水素の移送を許容するように構成されることを特徴とする請求項８５の燃料処理装置。
【請求項９１】
前記ドックは前記燃料処理装置の外部から前記改質器への該ドックに含まれる壁を通る前記燃料源の移送を許容するように構成されることを特徴とする請求項８５の燃料処理装置。
【請求項９２】
前記ドックは受口を含み、該受口はガス又は液体を該受口及び前記改質器の間で移送するマニホルドへ開放することを特徴とする請求項９１の燃料処理装置。
【請求項９３】
前記受口は前記燃料源を前記燃料処理装置へ移送する管を受け入れるように構成されることを特徴とする請求項９２の燃料処理装置。
【請求項９４】
前記ドックは前記管及び第１基板の間における機械的応力の移動を低減するように構成されることを特徴とする請求項９３の燃料処理装置。
【請求項９５】
前記第１基板に近接して設けられると共に前記改質器導管を被覆するように構成される板を更に含むことを特徴とする請求項８５の燃料処理装置。
【請求項９６】
前記ドックに取り付けられる外殻を更に含み、該ドック及び外殻は集合的に前記改質器、ボイラ及び燃焼器を取り囲むことを特徴とする請求項８５の燃料処理装置。
【請求項９７】
前記第１基板はシリコン、シリコン合金又は金属から構成されることを特徴とする請求項８５の燃料処理装置。
【請求項９８】
前記改質器導管はエッチング工程を使用してシリコン又は金属に形成されることを特徴とする請求項８５３の燃料処理装置。
【請求項９９】
前記改質器触媒は前記改質器導管上に設けられるウォッシュコートを含むことを特徴とする請求項８５の燃料処理装置。
【請求項１００】
前記改質器導管は約２０ミクロンから約４００ミクロンの間の幅を備えることを特徴とする請求項８５の燃料処理装置。
【請求項１０１】
前記改質器導管は約２対１から約１００対１の深さ対幅の比率を備えることを特徴とする
請求項８５の燃料処理装置。
【請求項１０２】
前記燃焼器は前記燃料源を使用して熱の発生を促進する触媒を含む触媒燃焼器であることを特徴とする請求項８５の燃料処理装置。
【請求項１０３】
燃料源から水素を製造する燃料処理装置であって、
第１基板に設けられる一組の改質器導管を含むと共に、前記燃料源からの水素の製造を促進する改質器触媒を含む改質器と、
第２基板に設けられる一組の導管を含むと共に、前記改質器が前記燃料源を受け取る前に該燃料源を加熱するように構成されるボイラと、
前記燃料源を使用して熱の発生を促進する触媒を含むと共に、前記第１基板及び第２基板へ熱を供給するように構成され、且つ前記第１基板及び第２基板の一方に設けられる一組の導管を含む触媒燃焼器と
を含むことを特徴とする燃料処理装置。
【請求項１０４】
前記燃焼器触媒は前記燃焼器導管上に設けられるウォッシュコートを含むことを特徴とする請求項１０３の燃料処理装置。
【請求項１０５】
前記第１基板はシリコン、シリコン合金又は金属を含むことを特徴とする請求項１０３の燃料処理装置。
【請求項１０６】
前記燃焼器導管はエッチング工程を使用してシリコン、シリコン合金又は金属に形成されることを特徴とする請求項１０５の燃料処理装置。
【請求項１０７】
前記燃焼器導管は約２０ミクロンから約４００ミクロンの間の幅を備えることを特徴とする請求項１０３の燃料処理装置。
【請求項１０８】
前記改質器燃焼器は前記燃焼器導管上に設けられるウォッシュコートを含むことを特徴とする請求項１０３の燃料処理装置。
【請求項１０９】
前記燃焼器導管は約２対１から約１００対１の深さ対幅の比率を備えることを特徴とする請求項１０３の燃料処理装置。
【請求項１１０】
前記第１基板及び第２基板の他方に設けられる第２組の燃焼器導管を更に含むことを特徴とする請求項１０３の燃料処理装置。
【請求項１１１】
前記第１基板及び第２基板は相互に接触するように配置されると共に、前記燃焼器導管の第１組の導管は前記燃焼器導管の第２組の導管へ開放することを特徴とする請求項１１０の燃料処理装置。
【請求項１１２】
燃料源から水素を製造する燃料処理装置であって、
第１基板に設けられる一組の改質器導管を含むと共に、前記燃料源からの水素の製造を促進する改質器触媒を含む改質器と、
前記改質器へ熱を供給するように構成される燃焼器と、
前記改質器及び燃焼器を収容すると共に、該改質器が前記燃料源又は酸素を受け取る前に該燃料源又は酸素を受け取るように構成されたデュワー室を形成する一組のデュワー壁を含むデュワーと
を含むことを特徴とする燃料処理装置。
【請求項１１３】
前記デュワーは前記一組のデュワー壁の内壁に設けられる放射層を含み、該放射層は該内
壁の放射熱反射を向上させることを特徴とする請求項１１２の燃料処理装置。
【請求項１１４】
前記デュワーは、前記デュワー室を通過する空気が前記燃焼器で発生した熱を受け取るように構成されることを特徴とする請求項１１２の燃料処理装置。
【請求項１１５】
前記デュワーは第２デュワー室を含むことを特徴とする請求項１１２の燃料処理装置。
【請求項１１６】
空気は前記第１デュワー室に入る前に第２デュワー室を通過することを特徴とする請求項１１２の燃料処理装置。
【請求項１１７】
前記燃焼器は前記燃料源を使用して熱の発生を促進する触媒を含む触媒燃焼器であることを特徴とする請求項１１２の燃料処理装置。
【請求項１１８】
前記触媒燃焼器は一組の燃焼器導管を含むと共に、該燃焼器触媒は該燃焼器導管上に設けられるウォッシュコートを含むことを特徴とする請求項１１７の燃料処理装置。
【請求項１１９】
前記改質器導管は約２０ミクロンから約４００ミクロンの間の幅を備えることを特徴とする請求項１１２の燃料処理装置。
【請求項１２０】
前記第１基板はシリコン又は金属を含むことを特徴とする請求項１１２の燃料処理装置。
【請求項１２１】
前記改質器導管はエッチング工程を使用してシリコン、シリコン合金又は金属に形成されることを特徴とする請求項１２０の燃料処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池技術に関する。とりわけ、本発明は水素を発生させると共に携帯用途での使用に適した燃料処理装置に関する
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は電気を発生させるために水素及び酸素を電気化学的に結合させる。周囲の空気は容易に酸素を調達する。しかしながら、水素の調達は労働力の供給を要求する。気体水素は携帯燃料としてのその実用性を低減させる低エネルギ密度を有する。液体酸素は適切なエネルギ密度を有するものであり、極度の低温及び高圧で貯蔵されなければならず、液体水素の貯蔵及び輸送が厄介であった。
【０００３】
改質水素供給は水素を生産するために燃料源を処理する。燃料源は水素キャリアとして作用する。現在入手可能な炭化水素燃料源にはメタノール、エタノール、ガソリン、プロパン及び天然ガスが含まれる。液体炭化水素燃料源は高エネルギ密度と容易に貯蔵及び輸送される能力とを提供する。燃料処理装置は炭化水素燃料源を改質すると共に水素を生産する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
燃料電池の発展はこれまでのところ、電力バックアップのための工業用サイズの生成器等、大規模な用途に集中してきた。大衆消費電子機器及び他の携帯電力用途では、近年リチウムイオン及び同様のバッテリテクノロジーに依存している。エレクトロニクス等の携帯用途用燃料処理装置が好ましいが、未だ商業的に入手不能である。また、燃料処理装置の寸法を減少させ、或いは燃料処理装置の効率を向上させる技術は大いに有益である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は燃料源から水素を製造する燃料処理装置に関する。燃料処理装置は改質器及び燃焼器を含む。改質器は燃料源からの水素の製造を促進する触媒を含む。改質器に使用され得る触媒の量を増加させると共に所定の燃料処理装置寸法における水素産出量を増加させる大容積改質室構成が提供される。燃焼器は改質器へ熱を供給する。改質器への熱伝達を増大させるために、１個以上の燃焼器は改質器の複数の側面を取り囲むように構成されてもよい。
【０００６】
熱損失を減少させると共に燃焼器効率を向上させることにより、燃料処理装置の熱管理を向上させるデュワーについても説明されている。デュワーは反応器がプロセスガス又はプロセス液を受け取る前に、流入プロセスガス又はプロセス液を受け取る１個以上のデュワー室を含む。デュワーは熱が燃料処理装置から逃げる前に、デュワー室を通過する流入プロセスガス又はプロセス液が燃焼器で発生した熱を遮るように構成される。このようにして流入プロセスガス又はプロセス液をデュワー室を通過させることにより、３つの機能が果たされる：ａ）燃焼器で発生した熱が燃料処理装置の外部へ到達する前における熱発散の積極的な冷却、及びｂ）空気の燃焼器による受け入れ前の加熱、及びｃ）熱の吸収及び燃焼器へ戻す循環による燃焼器効率の向上。燃焼器が熱を発生させるために触媒燃焼に依存する時には、燃焼器において発生した熱は、プロセスガス又はプロセス液の温度に応じて、燃焼器の冷たいプロセスガス又はプロセス液を温める。これにより改質器から熱を奪い、燃焼器の加熱効率を低下させ、且つ一般的には燃料源がより多く消費されることとなる。従ってデュワーは流入プロセスガス又はプロセス液を燃焼器に到達する前に予熱し、従って燃焼器は改質器に伝達するより少ない熱をプロセスガス又はプロセス液へ伝達す
る。
【０００７】
一態様において、本発明は燃料源から水素を製造する燃料処理装置に関する。燃料処理装置は燃料源を受け取るように構成されると共に、水素を産出するように構成され、且つ水素の製造を促進する触媒を含む改質器を備える。燃料処理装置はまた、改質器が燃料源を受け取る前に燃料源を加熱するように構成されるボイラを備える。燃料処理装置は更に、改質器へ熱を供給するように構成されると共に、改質器の周りに環状に設けられる少なくとも１個の燃焼器を含む。燃焼処理装置はまた、燃焼器液体燃料供給物を加熱するボイラを備えてもよい。
【０００８】
別の態様において、本発明は燃料源から水素を製造する燃料処理装置に関する。燃料処理装置は燃料源を受け入れるように構成されると共に水素を産出するように構成され、且つ水素の製造を促進する触媒を含む改質器を備える。改質器はまた約０．１立法センチメートルよりも大きく約５０立方センチメートル未満の容積を有し、且つ断面幅及び断面幅の三分の一よりも大きい断面高さにより特徴付けられる改質室を含む。燃料処理装置はまた、改質器が燃料源を受け取る前に燃料源を加熱するように構成されるボイラを備える。燃料処理装置は更に改質器へ熱を供給するように構成される少なくとも１個の燃焼器を備える。
【０００９】
更に別の態様において、本発明は燃料源から水素を製造する燃料処理装置に関する。燃料処理装置は水素燃料源を受け取るように構成されると共に、水素を産出するように構成され、且つ水素の製造を促進する触媒を含む改質器を備える。燃料処理装置はまた、改質器へ熱を供給するように構成される燃焼器を備える。燃料処理装置は更に、改質器及び燃焼器を少なくとも部分的に収容すると共に、燃焼器が流入プロセスガス又はプロセス液を受け取る前に流入プロセスガス又はプロセス液を受け取るように構成されるデュワー室を形成する一組のデュワー壁を備えたデュワーを含む。燃料処理装置はまた、デュワーを少なくとも部分的に収容すると共に、改質器及び燃焼器へ外部機械的保護を提供する一組のハウジング壁を含むハウジングを備える。
【００１０】
更に別の態様において、本発明は燃料処理装置における熱管理方法に関する。燃料処理装置は燃焼器と、改質器と、燃焼器を少なくとも部分的に収容するデュワーとを備える。本方法は燃焼器で熱を発生させる工程を含む。本方法はまた、流入プロセスガス又はプロセス液をデュワー室を通過させる工程を含む。本方法は更に、燃焼器で発生した熱を使用して、流入プロセスガス又はプロセス液をデュワー室で加熱する工程を含む。
【００１１】
別の態様において、本発明は燃料処理装置における水素製造方法に関する。燃料処理装置は燃焼器と、改質器と、燃焼器及び改質器を少なくとも部分的に収容するデュワーとを備える。本方法はまた、流入プロセスガス又はプロセス液をデュワー室を通過させる工程を含む。本方法は更に、燃焼器で発生した熱を使用して、流入プロセスガス又はプロセス液をデュワー室で加熱する工程を含む。本方法はまた、流入プロセスガス又はプロセスガスがデュワー室で加熱された後に、そのプロセスガス又はプロセス液を燃焼器へ供給する工程を含む。本方法はまた、燃焼器で発生した熱を改質器へ伝達する工程を含む。本方法は更に、水素を製造するために燃料源を改質する工程を含む。
【００１２】
一態様において、本発明は燃料源から水素を製造する燃料処理装置に関する。燃料処理装置は第１基板に設けられる一組の改質器導管を含む改質器を備える。改質器はまた燃料源からの水素の製造を促進する改質器触媒を含む。燃料処理装置は更に、第２基板に設けられる一組の導管を含むと共に、改質器が燃料源を受け取る前に燃料源を加熱するように構成されるボイラを備える。燃料処理装置はまた、改質器へ熱を供給するように構成されると共に、ボイラへ熱を供給するように構成される燃焼器を備える。燃料処理装置はまた
、第１基板の一部及び第２基板の一部を通過するコンプライアント固定力を付与することにより、改質器及びボイラの燃料処理装置内における位置を維持するように構成されるドックを備える。
【００１３】
別の態様において、本発明は燃料源から水素を製造する燃料処理装置に関する。燃料処理装置は第１基板に設けられる一組の改質器導管を含む改質器を備える。改質器はまた、燃料源からの水素の製造を促進する改質器触媒を含む。燃料処理装置は更に、第２基板に設けられる一組の導管を含むと共に、改質器が燃料源を受け取る前に燃料源を加熱するように構成されるボイラを備える。燃料処理装置はまた、燃料源を使用して熱の発生を促進する触媒を含むと共に、第１基板及び第２基板へ熱を供給するように構成され、且つ第１基板及び第２基板の一方に設けられる一組の導管を含む触媒燃焼器を備える。
【００１４】
更に別の態様において、本発明は燃料源から水素を製造する燃料処理装置に関する。燃料処理装置は第１基板に設けられる一組の改質器導管を含む改質器を備える。改質器はまた燃料源からの水素の製造を促進する改質器触媒を含む。燃料処理装置は更に、改質器へ熱を供給するように構成される燃焼器を備える。燃料処理装置はまた、改質器及び燃焼器を収容すると共に、改質器が燃料源又は水素を受け取る前に燃料源又は酸素を受け取るように構成されるデュワー室を形成する一組のデュワー壁を含むデュワーを備える。
【００１５】
本発明のこれら及び他の特徴並びに効果は、以下の本発明の説明及び関連図面において説明される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明を添付の図面に図示する幾つかの好適な実施形態を参照して詳細に説明する。以下の説明において、本発明の完全な理解が得られるように、多数の特定の詳細が記載されている。しかし当該技術分野に属する者であれば当然のことながら、本発明はこれらの特定の詳細の幾つか又は全部を用いることなく実施されてもよい。別の例では、本発明を無駄に曖昧にしないように、周知のプロセス工程及び／又は構造は詳細に説明されていない。
【００１７】
図１Ａは本発明の一実施形態に係る電気エネルギ生産用燃料電池システム１０を示す。燃料電池システム１０は貯蔵装置６、燃料処理装置１５及び燃料電池２０を備える。
「改質」水素供給は水素を製造するために燃料源を処理する。図示するように、改質水素供給は燃料処理装置１５及び燃料源貯蔵装置１６を備える。貯蔵装置１６は燃料源１７を貯蔵すると共に、携帯及び／又は使い捨て燃料カートリッジを含んでいてもよい。使い捨てカートリッジは消費者に瞬間的な再充電を提供する。一実施形態において、カートリッジは硬質プラスチックディスペンサケース内に折り畳み式袋を含む。独立した燃料ポンプは一般的に、貯蔵装置１６からの燃料源１７の流れを制御する。システム１０が以下のように取り付けられるならば、燃料電池２０の要求電力レベル出力により定められる流速で燃料源１７を処理装置１５へ送達するために、制御システムは燃料源１７を計量しながら供給する。
【００１８】
燃料源１７は水素キャリアとして作用すると共に、水素を分離させるように処理され得る。燃料源１７はいかなる水素保有燃料流、炭化水素燃料又はアンモニア等の他の水素燃料源を含んでいてもよい。本発明での使用に適した現在入手可能な炭化水素燃料源１７には例えばガソリン、Ｃ１〜Ｃ４炭化水素、それらの酸化類似体、及び／又はそれらの結合体が含まれる。幾つかの炭化水素及びアンモニア製品はまた適切な燃料源１７を生産し得る。液体燃料源１７は高エネルギ密度と、容易に貯蔵及び輸送される能力を提供する。貯蔵装置１６は燃料混合物を収容し得る。燃料処理装置１５が水蒸気改質器を含む時には、貯蔵装置１６は炭化水素燃料源及び水の燃料混合物を保有する。炭化水素燃料源／水燃料
混合物は、水の中における燃料源の割合として表されることが多い。一実施形態において、燃料源１７は１パーセントから９９．９パーセントの範囲内にある水内メタノール又はエタノール濃度を備える。５〜１００パーセントの水内濃度を備えたブタン、プロパン、ガソリン、ミリタリグレード「ＪＰ８」等の他の液体燃料が、貯蔵装置１６内に保有されてもよい。特定の実施形態において、燃料源１７は容積で６７パーセントのメタノールを含む。
【００１９】
燃料処理装置１５は炭化水素燃料源１７を処理し、且つ水素を産出する。炭化水素燃料処理装置１５は水素を製造するために、触媒が存在する状態で炭化水素燃料源１７を加熱及び処理する。燃料処理装置１５は改質器を含み、改質器は液体又は気体炭化水素燃料源１７を水素及び二酸化炭素に変換する触媒装置である。改質という用語がここでは使用されているが、改質とは燃料源から水素を製造する工程のことを言う。燃料処理装置１５は純酸素又はガス流を有する水素を産出する。燃料処理装置１５については以下に更に詳細に説明する。
【００２０】
燃料電池２０は電気化学的に水素及び酸素を水に変換し、その工程で電気及び熱を発生させる。大気は一般的に酸素を燃料電池２０へ供給する。酸素の供給のために、純酸素源又は直接酸素源も使用され得る。燃料電池２０の構成要素の温度に応じて、水は水蒸気として生じることが多い。電気化学反応はまた、多くの燃料電池の副産物として一酸化炭素を産出する。
【００２１】
一実施形態において、燃料電池２０は家庭用電化製品のような携帯用途での使用に適した低容積高分子電解質膜（ＰＥＭ）燃料電池である。高分子電解質膜燃料電池は電気エネルギ発生電気化学反応を実行する膜電極アセンブリ４０を備える。膜電極アセンブリ４０は水素触媒、酸素触媒、及びａ）陽子を選択的に伝導させ、且つｂ）水素触媒を酸素触媒から電気的に分離させるイオン伝導膜を含む。水素ガス分配層は水素触媒を含み、且つその層を通る水素の拡散を可能にする。酸素ガス分配層は酸素触媒を含み、且つその層を通る酸素及び水素陽子の拡散を可能にする。イオン伝導膜は水素及び酸素ガス分配層を分離させる。化学用語では、陽極は水素ガス分配層及び水素触媒を備える一方で、陰極は酸素ガス分配層及び酸素触媒を備える。
【００２２】
ＰＥＭ燃料電池は一組のバイポーラ板を有する燃料電池スタックを含むことが多い。膜電極アセンブリは２個のバイポーラ板の間に設けられる。水素分配４３は１個の板上において導管領域を介して生じる一方で、水素分配４５は第２の対向板上において導管領域を介して生じる。即ち、第１導管領域は水素を水素ガス分配層へ分配する一方で、第２導管領域は酸素を酸素ガス分配層へ分配する。「バイポーラ」という用語は電気的に２個の膜電極アセンブリ層の間に挟持される（１枚の板又は２枚の板のいずれかの）バイポーラ板を言う。この場合、バイポーラ板は１個の近接する膜電極アセンブリの負極として作用すると共に、バイポーラ板の対向面に配置される第２近接膜電極アセンブリの正極として作用する。
【００２３】
電気用語では、陽極は水素ガス分配層、水素触媒及びバイポーラ板を含む。陽極は燃料電池２０の負極として作用すると共に、例えば外部回路へ動力を供給するために外部で使用され得るように、水素分子から解放された電子を伝導する。燃料電池スタックでは、スタックの各層において獲得されたポテンシャルを付加するように、バイポーラ板は直列に連結される。電気用語では、陰極は酸素ガス分配層、酸素触媒及びバイポーラ板を含む。陰極は燃料電池２０の正極を表すと共に、電子を外部電気回路から酸素触媒へ戻るように伝導し、そこで電子は水を形成するべく水素イオン及び酸素と再結合する。
【００２４】
水素触媒は水素を陽子と電子とに分離させる。イオン伝導膜は電子を遮断すると共に、
化学陽極（水素ガス分配層及び水素触媒）を化学陰極から電気的に隔離する。イオン伝導膜はまた、帯電イオンを選択的に伝導する。電気的には、陽極は電子を（電気が生じさせられる）負荷又は（エネルギが貯蔵される）バッテリへ伝導する。その一方で、陽子はイオン伝導膜を通り移動して、酸素と結合する。陽子及び使用された電子は続いて陰極側で接触し、且つ水を形成するべく酸素と結合する。酸素ガス分配層内の酸素触媒はこの反応を促進する。一般的な酸素触媒には、炭素紙又は布に極めて薄く被覆されるプラチナ粉が含まれる。多くの構成では、水素及び酸素と接触するプラチナの表面積を増加させるために、粗面を呈し且つ多孔質の触媒を採用する。
【００２５】
一実施形態において、燃料電池２０は一組のバイポーラ板を備え、各板は両面に水素及び酸素を分配する導管領域を含む。一方の導管領域は水素を分配する一方で、反対面の管路領域は酸素を分配する。膜電極アセンブリが近接するバイポーラ板の各対の間に設けられた「燃料電池スタック」を生産するために、複数のバイポーラ板が積み重ねられ得る。燃料電池２０における電気発生プロセスは発熱を伴うので、燃料電池２０は燃料電池から放熱するために熱管理システムを導入してもよい。燃料電池２０はまた、燃料電池内における湿度レベルを管理するために、多数の加湿板（ＨＰ）を利用してもよい。本発明での使用に適した燃料電池の更なる説明には、発明者としてイアン  ケイ（Ｉａｎ  Ｋａｙｅ）を挙げると共に本特許出願と同日に出願された「マイクロ燃料電池構造」と題する、同一に所有されている同時係属特許出願に含まれる。本出願はあらゆる目的で参照することにより組み入れられる。
【００２６】
本発明は主にＰＥＭ燃料電池について説明するが、当然のことながら、本発明は他の燃料電池構造に実施されてもよい。これらの燃料電池構造間の主な相違点は、使用されるイオン伝導膜の種類にある。一実施形態において、燃料電池２０はイオン交換に液体燐酸を使用する燐酸燃料電池である。固体酸化物燃料電池はイオン交換のために硬質且つ孔を有さないセラミック化合物を使用し、本発明での使用に適している。一般的に、いかなる燃料電池構造であっても、ここに記載する改良型燃料処理装置から効果を得られる。他の燃料電池構造には、ダイレクトメタノール、アルカリ及び溶融炭酸塩形燃料電池が含まれる。
【００２７】
燃料電池２０は幅広い用途に使用され得るＤＣ電圧を発生させる。例えば、燃料電池２０により発生した電力は、モータ又は光源に動力を供給するために使用されてもよい。一実施形態において、本発明は２００ワット未満の動力（正味値又は合計値）を出力するように構成された「小型」燃料電池を提供する。この寸法の燃料電池は一般的に「マイクロ燃料電池」と呼ばれると共に、携帯用電子機器への使用に最適である。一実施形態において、燃料電池２０は約１ミリワットから約２００ワットが生じるように構成される。別の実施形態において、燃料電池２０は約３ワットから約２０ワットを生じさせる。燃料電池２０はまた自立型燃料電池であってもよく、この燃料電池はａ）酸素及びｂ）水素又は炭化水素燃料供給物を有する限り電力を生じさせる単一ユニットである。約４０ワットから約１００ワットを出力する燃料電池２０はラップトップ型コンピュータに最適である。
【００２８】
図１Ｂは本発明の特定の実施形態に係る燃料電池システム１０の概略的な作動を示す。図示するように、燃料電池システム１０は燃料容器１６と、水素燃料源１７と、燃料処理装置１５と、燃料電池２０と、複数のポンプ２１と、ファン３５と、燃料管及びガス管と、１個以上の弁２３とを備える。本発明では主に燃料源１７としてメタノールについて説明するが、当然のことながら、本発明は上記に挙げたような他の燃料源１７も使用し得る。
【００２９】
燃料容器１６は水素燃料源１７としてのメタノールを貯蔵する。燃料容器１６の出口２６はメタノール１７を水素燃料源管２５へ供給する。図示するように、管２５は２本の管
、即ちメタノール１７を燃料処理装置１５の燃焼器３０へ移送する第１管２７と、メタノールを燃料処理装置内の改質器３２へ移送する第２管９とに分岐する。管２５，２７及び２９は例えばプラスチック製の管であってもよい。管に圧力をかけると共に、所望するのであれば燃料源を独立した速度で送るために、別個のポンプ２１ａ及び２１ｂが管２７及び２９の夫々に設けられる。本実施形態において、システム１０へ液体メタノールを送るためには、ペンシルベニア州プリマウスミーティング（Ｐｌｙｍｏｕｔｈ  Ｍｅｅｔｉｎｇ）にあるインステック（Ｉｎｓｔｅｃｈ）により供給されるようなモデルＰ６２５ポンプが適している。貯蔵装置１６及び燃料処理装置１８間において管２９に載置される流量センサ即ち弁２３は、貯蔵装置１６及び改質器３２間におけるメタノール１７の移動量を検出し且つ伝達する。センサ即ち弁２３及び記憶されたソフトウェアからの指示を実行する処理装置によって与えられるデジタル制御等の適切な制御と合わせて、ポンプ２１ｂは貯蔵装置１６から改質器３２へのメタノール１７の供給を調整する。
【００３０】
ファン３５ａは酸素及び空気を大気室から管３１を通り燃料処理装置１５の調整器３６へ送出する。ファン３５ｂは酸素及び空気を大気室から管３３を通り燃料処理装置１５の調整器３６へ送出する。本実施形態において、酸素及び空気を燃料電池システム１０のために送出するには、カリフォルニア州にあるアッダ（Ａｄｄａ）ＵＳＡにより供給されるモデルＡＤ２００５ＤＸ−Ｋ７０ファンが適している。ファン３７は冷却空気を燃料電池２０の上方及びその熱伝達付属装置４６へ吹き出す。
【００３１】
燃料処理装置１５はメタノール１７を貯蔵装置１６から受け取ると共に、水素を産出する。燃料処理装置１５は燃焼器３０と、改質器３２と、ボイラ３４と、デュワー１５０とを備える。燃焼器３０は管２７からのメタノール１７を受け取る入口と、メタノールが存在する状態で熱を発生させる触媒とを含む。一実施形態において、燃焼器３０は加熱ガスを管４１へ排出する出口を含み、管４１は燃料電池を予熱すると共に、燃料電池２０を当初に作動させる時に必要な予熱時間を早めるために、加熱ガスを燃料電池２０の熱伝達付属装置４６の上方へ送出する。燃焼器３０の出口はまた、加熱ガスを大気室へ排出してもよい。
【００３２】
ボイラ３４は管２９からメタノール１７を受け取る入口を含む。ボイラ３４の構成により、改質器３２がメタノール１７を受け取る前に、燃焼器３０において生じた熱がボイラ３４内のメタノール１７を加熱するのを許容する。ボイラ３４は加熱メタノール１７を改質器３２へ供給する出口を含む。
【００３３】
改質器３２はボイラ３４から加熱メタノール１７を受け取る入口を含む。改質器３２の触媒はメタノール１７と反応して、水素及び二酸化炭素を生じさせる。この反応は僅かに吸熱を伴い、燃焼器３０から熱を奪う。改質器３２の水素出口は水素を管３９へ送る。一実施形態において、燃料処理装置１５はまた、改質器３２の水素排出を遮断すると共に、排出内における一酸化炭素の量を減少させる優先酸化剤を含む。優先酸化剤は、例えば二酸化炭素よりも一酸化炭素に優先的な例えばルテニウム又はプラチナに基づいて、空気入口からの酸素を優先酸化剤及び触媒へ使用する。
【００３４】
デュワー１５０は空気が燃焼器３０に流入する前に、プロセスガス又はプロセス液を予熱する。デュワー１５０はまた、熱が燃料処理装置１５から逃げる前に、流入するプロセス液又はプロセスガスを加熱することにより、燃料電池１５からの熱損失を低減させる。ある点では、デュワー１５０は燃料処理装置の熱管理及び熱効率を向上させるために、燃料処理装置１５の廃熱を使用する調整器として作用する。即ち、燃焼器３０からの廃熱は、燃焼器内の空気への熱伝達を減少させて、より多くの熱が改質器３２へ伝達するように、燃焼器３０に供給される流入空気を予熱するために使用されてもよい。デュワー１５０については以下に更に詳細に説明する。
【００３５】
管３９は水素を燃料処理装置１５から燃料電池２０へ移送する。気体送出管３１，３３及び３９は、例えばポリマー又は金属性の管から構成されてもよい。燃料電池へ送出される水素の量を検出し且つ伝達するために、水素流量センサ（図示なし）が管３９に付加されてもよい。水素流量センサ及び記憶されたソフトウェアからの指示を実行する処理装置によって与えられるデジタル制御等の適切な制御と合わせて、燃料処理装置１５は燃料電池２０への水素ガス供給量を調整する。
【００３６】
燃料電池２０は管３９から水素を受け取ると共に、その水素を１個以上のバイポーラ板及びその水素分配導管へ送出するために水素吸入マニホルドへ送出する。燃料電池２０の酸素入口ポートは管３３から酸素を受け取ると共に、その酸素を１個以上のバイポーラ板及びその酸素分配導管へ送出するために酸素吸入マニホルドへ送出する。陽極排出マニホルドは水素分配導管からの気体を収集すると共に、その気体を陽極排気ポートへ送出する。陽極排出ポートは排気ガスを大気室へ流出させる。陰極排気マニホルドは酸素分配導管からの気体を収集すると共に、その気体を陰極排出ポートへ送出する。
【００３７】
図１Ｂに示す燃料電池システム１０の概略的な作動は例証的なものであり、反応物及び副生成物配管等の燃料電池システム構成の他の変形物も企図される。図１ｂに示す構成要素に加えて、システム１０はまた電子制御装置、付加的なポンプ及び弁、追加されるシステムセンサ、マニホルド、熱交換器、及び当該技術分野に属する者には周知であり、且つ簡潔にするためにここでは省略されるシステム１０の機能を実行するのに便利な電気インターコネクト等の他の要素を含んでもよい。
【００３８】
図１Ｃは未使用の水素を燃料電池２０から燃焼器３０へ戻るように経由させる燃料システム１０の一実施形態を示す。燃焼器３０は熱を発生させるために未使用の水素と反応する触媒を含む。燃料電池２０内における水素の消費は不完全であることが多く、またアノード排ガスは未使用の水素を含むことが多いので、アノード排ガスを燃焼器３０を経由させることにより、燃料電池システム１０は燃料電池２０内の未使用水素を利用することができ、またシステム１０内における水素の使用量及び効率を上昇させることができる。未使用の水素という用語がここで使用されているが、一般的には燃料電池からの水素産出物のことを言う。
【００３９】
管５１は未使用の水素を燃料電池２０から燃料処理装置１５の燃焼器３０へ送出するように構成される。図１Ｃにおいて、燃焼器３０は２個の入口、即ち水素燃料源１７を受け取るように構成される入口５５と、管５１から水素を受け取るように構成される入口５３とを含む。アノードガス収集導管は水素を燃料処理装置１５から各膜電極アセンブリ層へ分配するものであり、未使用の水素を収集し且つ排出する。入口ファンは燃料処理装置１５の出口から燃料電池２０の陽極入口へ水素を送出する管３９を加圧する。入口ファンはまた、燃料電池２０内の水素を分配するために、アノードガス収集導管を加圧する。一実施形態において、管５１内の気体を燃料処理装置１５へ戻す送出は、例えばアノード排ガスマニホルドにおけるアノードガス分配導管の排ガス圧力に左右される。別の実施形態において、管５１を加圧すると共に、未使用の水素を燃料処理装置１５へ戻すために、特別のファンが管５１に加えられる。
【００４０】
燃焼器３０はまた、燃料電池２０に含まれる酸素排ガスから酸素を受け取るように構成される入口５９を含む。カソードガス収集導管は大気室から各膜電極アセンブリ層へ酸素及び空気を分配するものであり、未使用の酸素を収集し且つ排出する。管６１は未使用の酸素を排気マニホルドから入口５９へ送出し、排気マニホルドは各カソードガス収集導管からの酸素を収集する。従って燃焼器３０は２個の酸素入口、即ち入口５９と、デュワー１５０を通る送出の後に大気室からの酸素を受け取るように構成される入口５７とを含む
。燃料電池２０内における酸素の消費は不完全であることが多く、またカソード排ガスは未使用の酸素を含むので、カソード排ガスを燃焼器３０を再経由させることにより、燃料電池システム１０は燃料電池２０内の未使用の酸素を使用することが可能となり、またシステム１０における酸素使用量及び効率を上昇させることが可能となる。
【００４１】
一実施形態において、燃料処理装置１５は水素を産出するために水蒸気のみを必要とする水蒸気改質器である。燃料電池システム１０での使用に適した改質器の幾つかの種類には、水蒸気改質器、自動熱改質器（ＡＴＲ）、触媒部分酸化剤（ＣＰＯＸ）が含まれる。ＡＴＲ及びＣＰＯＸ改質器は空気を燃料及び水蒸気混合物と混合させる。ＡＴＲ及びＣＰＯＸシステムはメタノール、ディーゼル、レギュラー無鉛ガソリン及び他の炭化水素等の燃料を改質する。特定の実施形態において、貯蔵装置１６はメタノール１７を燃料処理装置１５へ供給し、燃料処理装置１５は約２５０°Ｃ以下でメタノールを改質して、温度が最小限に抑えられる用途での燃料電池システム１０の使用を可能にする。
【００４２】
図２Ａは本発明の一実施形態に係る燃料処理装置１５の断面側面図を示す。図２Ｂは処理装置１５の中間面を通るように切断された燃料処理装置１５の断面前面図を示しており、また端板８２の特徴を示す。燃料処理装置１５は水素を製造するためにメタノールを改質する。燃料処理装置１５はモノリシック構造１００と、端板８２及び８４と、改質器３２と、燃焼器３０と、ボイラ３４と、ボイラ１０８と、デュワー１５０と、ハウジング１５２を備える。本発明は次に水素製造のためのメタノールの消費について説明するが、当然のことながら本発明の燃料処理装置は、当該技術分野に属する者であれば認識し得るような他の燃料源を消費してもよい。
【００４３】
「モノリシック」という用語がここでは使用されているが、燃料処理装置１５に使用される複数の構成要素の少なくとも一部を含む単一及び一体化構造のことを言う。図示するように、モノリシック構造１００は改質器３２と、燃焼器３０と、ボイラ３４と、ボイラ１０８とを含む。モノリシック構造１００はまた、改質器３２、燃焼器３０及びボイラ３４のための結合配管入口及び出口を含む。モノリシック構造１００は構造体を構成する共通の材料１４１から成る。共通の材料１４１は改質器３０、燃焼器３２及びボイラ３４，１０８を画定する壁に含まれる。即ち、壁１１１，１１９，１２０，１２２，１３０，１３２，１３４，１３６は全て共通の材料１４１から成る。共通の材料１４１は銅、シリコン、ステンレス鋼、インコネル、及び好ましい熱伝達特性を呈する他の金属／合金等の金属から構成されてもよい。モノリシック構造１００及び共通の材料１４１は燃料処理装置１５の製造を簡易にする。例えば、共通の材料１４１として金属を使用することにより、モノリシック構造１００は押出し成形又は鋳込み成形により形成され得る。ある場合では、モノリシック構造１００は端板８２及び８４の間の断面寸法が一貫していると共に、一回の押出し成形において形成された銅のみから成る。共通の材料１４１はまた例えばセラミックを含む。セラミックモノリシック構造１００は焼結により形成されてもよい。
【００４４】
ハウジング１５２は燃焼器３０及び改質器３２等の燃料処理装置１５の内部構成要素へ機械的保護を提供する。ハウジング１５２はまた、処理装置１５の外側環境からの隔離を提供すると共に、燃料処理装置１５と気体及び液体連通するための入口及び出口ポートを含む。ハウジング１５２はデュワー１５０を少なくとも部分的に収容すると共に、燃料処理装置１５の構成要素に対する外部の機械的保護を提供する一組のハウジング壁１６１を含む。壁１６１は例えば金属又は剛性ポリマー等の適当な硬い材料から成る。デュワー１５０は燃料処理装置１５の熱管理を向上させるものであり、図４Ａに関連して更に詳細に説明する。
【００４５】
また、モノリシック構造１００及び端板８２，８４は改質器３２、燃焼機３０、ボイラ３４、ボイラ１０８及びそれらの室を構造的に画定する。モノリシック構造１００及び端
板８２，８４は図２Ａでは例示を目的として別個に図示されているが、図４ａではそれらを合わせて示している。
【００４６】
図２Ｂを参照すると、改質器３２がメタノールを受け取る前にボイラ３４はメタノールを加熱する。ボイラ３４は燃料源入口８１を介してメタノールを受け取り、燃料源入口８１は図１Ｂのメタノール供給管２７と結合する。改質器３２の触媒１０２を介するメタノールの改質及び水素の製造ではメタノールの温度上昇が必要とされることが多いので、燃料処理装置１５はボイラ３４を介した改質器３２による受け取りの前にメタノールを予熱する。ボイラ３４は燃焼器３０で発生した熱を受け取るために、燃焼器３０に近接して設けられる。モノリシック構造を通る燃焼器３０からボイラ３４への伝導を介して、またボイラ３４の壁からその壁を通過するメタノールへの対流を介して、熱は移動する。一実施形態において、ボイラ３４は液体メタノールを気化させるように構成される。次にボイラ３４は触媒１０２との気体相互作用のために、気体メタノールを改質器３２へ移動させる。
【００４７】
改質器３２はメタノールをボイラ３４から受け取るように構成される。モノリシック構造１００の壁（図３Ａの断面図を参照）及び端板８２及び８４の端壁１１３（図２Ｂ）は改質室１０３の寸法を画定する。一実施形態において、端板８２及び／又は端板８４は、ボイラ３４から排出させられた加熱メタノールを改質器３２へ経由させる管路９５（図２Ａ）をも含む。続いて加熱メタノールはモノリシック構造１００の一端において改質室１０３に流入すると共に、改質器排気口が設けられた他端へ移動する。別の実施形態において、改質器３２壁に設けられた穴は管又は供給からの流入加熱メタノールを受け取る。入口穴即ちポートが改質器３２の適切な壁１１１又は１１３に設けられても良い。
【００４８】
改質器３２は水素の製造を促進する触媒１０２を含む。触媒１０２はメタノール１７と反応すると共に、水素ガス及び二酸化炭素の製造を促進する。一実施形態において、触媒１０２は多孔質ベッドを形成するように充填させられた、或いは改質室１０３の容積に適切に充填されたペレットから成る。一実施形態において、ペレットの寸法は流入するメタノールと接触する表面積量が最大になるように構成される。約５０ミクロンから約１．５ミリメートルの範囲に亘るペレットの直径が多くの用途に対して適当である。約３００ミクロンから約１５００ミクロンの範囲に亘るペレットの直径は、改質室１０３での使用に適している。ペレットの寸法及び充填はまた、改質室１０３を通り発生する圧力降下を制御するように変更させられてもよい。一実施形態において、約１．３８から約３４．４８キロパスカル（約０．２から約５ｐｓｉ）のゲージ圧降下が、改質室１０３の入口及び出口間では適切である。改質室１０３の寸法が増加すると触媒１０２のペレット直径も増加することから、ペレット寸法は例えば改質室１０３の断面寸法と相対的に変化してもよい。一実施形態において、ペレット直径（ｄ）の断面高さ１１７（Ｄ）に対する比率は、約０．０１２５から約１までの範囲内であってもよい。約５から約２０までのＤ／ｄ率もまた、多くの用途に適当である。充填密度もまた、改質室１０３内における触媒１０２の充填を特徴づける。銅亜鉛触媒１０２では、約０．３グラム／ミリメートルから約２グラム／ミリメートルの充填密度が適している。約０．９グラム／ミリメートルから約１．４グラム／ミリメートルの充填密度は、図３Ａに示す実施形態に適している。
【００４９】
適当な触媒１０２は、メタノールが炭化水素燃料源１７として使用される時にアルミナペレット上にＣｕＺｎを含んでもよい。触媒１０２として適した他の材料は、例えばニッケル、プラチナ、パラジウム、或いは他の貴金属触媒を単独で、又は組み合わせたものに基づく。触媒１０２ペレットは、当該技術分野に属する者には周知である多くの供給業者から商業的に入手可能である。ペレット触媒はまた、改質室１０３に設けられる阻流システム内に設けられてもよい。阻流システムは燃料源を非直線経路に沿って案内する一組の壁を含む。阻流は気体メタノール及びペレット触媒１０２間における相互作用を向上させ
るように、室１０３内における気体メタノールの流れを緩慢にすると共に制御する。或いは触媒１０２、は金属スポンジ又は金属発泡体に被覆された、上記に挙げられた触媒材料から成る。改質室１０３の壁へのる所望の金属触媒材料のウォッシュコートもまた、改質器３２に使用され得る。
【００５０】
改質器３２は水素を産出するように構成されると共に、改質器３２で形成された水素を燃料処理装置１５の外部と連通させる出口ポート８７を含む。燃料電池システム１０において、ポート８７は燃料電池２０内に水素分配４３へ提供するために、水素を管３９と連通させる。ポート８７は端板８の壁に設けられると共に、壁（図２Ｂを参照）を貫通する穴を含む。出口穴ポートは適当な壁１１１又は１１３に設けられてもよい。
【００５１】
改質器３２における水素の製造は僅かに吸熱を伴い、燃焼器３０から熱を奪う。燃焼器３０は熱を発生させると共に、熱を改質器３２へ供給するように構成される。燃焼器３０は以下に更に詳細に説明するように、改質器３２の周りに環状に設けられる。図２Ｂに示すように、燃焼器３０は２個の燃焼器（又は燃焼器部）３０ａ及び３０ｂと、改質器３２を取り囲む夫々の燃焼室１０５ａとから成る。燃焼器３０はボイラ１０８から一方の端板８２又は８４に形成された導管を介してメタノールを受け取る入口を含む。一実施形態において、燃焼器入口は燃焼室１０５ａに開放する。続いてメタノールは燃焼室１０５ａの全長に亘り、メタノールを燃焼室１０５ａから燃焼室１０５ｂへ経由させる端板８２に設けられた管路へ移動する。続いてメタノールは燃焼室１０５ｂの全長１４２を通り燃焼器排気口８９へ移動する。別の実施形態において、燃焼器入口は両方の室１０５ａ及び１０５ｂに開放する。続いてメタノールは、両方の室１０５ａ及び１０５ｂの全長１４２を通り燃焼排気口８９へ移動する。
【００５２】
一実施形態において、燃焼器３０は熱を発生させるために触媒燃焼を利用する。各燃焼室１０５内に設けられた触媒１０４は室を通過させられた燃焼器燃料が熱を発生させるのを助長する。一実施形態において、メタノールは燃焼器３０において熱を発生させると共に、触媒１０４はメタノールの発熱を促進にする。別の実施形態において、燃料電池２０からの廃水素は触媒１０４の存在下で熱を発生させる。適当な燃焼器触媒１０４には例えば、適当な支持体に被覆されるプラチナ又はパラジウム、又はアルミナペレットが含まれてもよい。触媒１０４に適応する他の材料には鉄、酸化錫、他の貴金属触媒、還元性酸化物及びそれらの混合物が含まれる。触媒１０４は小型ペレットとして、当該技術分野に属する者には周知な多くの小売業者から商業的に入手可能である。ペレットは多孔質ベッドを形成するように燃焼室１０５に充填され、或いは燃焼室容積に適当に充填される。触媒１０４ペレット寸法は燃焼室１０５の断面寸法と相対的に変更されてもよい。触媒１０４はまた金属製スポンジ又は金属製発泡体に被覆される上記に挙げた触媒材料、又は燃焼室１０５の壁に被覆されるウォッシュコートから成る。燃焼器出口ポート８９（図２Ａ）は燃焼器３０において形成された排ガスを燃料処理装置１５の外部と連通させる。
【００５３】
幾つかの燃料源は燃焼器３０において温度の上昇に伴い付加的に発熱し、又はより効率的に発熱する。燃料処理装置１５は燃焼器３０が燃料源を受け取る前にメタノールを加熱するボイラ１０８を含む。この場合、ボイラ１０８は燃料源入口８５を経由してメタノールを受け取る。ボイラ１０８は燃焼器３０において発生した熱を受け取るために、燃焼器３０に近接して設けられる。燃焼器３０からボイラ１０８へのモノリシック構造を通る伝導を介して、且つボイラ１０８壁からその壁を通過するメタノールへの対流を介して熱は移動する。
【００５４】
酸素を含む空気は空気入口ポート９１を経由して燃料処理装置１５へ流入する。燃焼器３０はメタノールの触媒燃焼のために酸素を使用する。図４Ａ及び図４Ｂについて以下に更に詳細に説明するように、空気は先ずデュワーの孔を通過する前にデュワー１５０の外
側に沿って、且つデュワー１５０の内側に沿って移動する。これにより、空気は燃焼器３０の空気入口ポート９３により受け取られる前に加熱される。
【００５５】
図３Ａは本発明の一実施形態に係るモノリシック構造１００を中間面１２１で切断した断面前面図を示す。モノリシック構造１００は端板８２から端板８４へ延在する。図３Ａに示すモノリシック構造１００の断面は端板８２における構造体１００の一端から端板８４における構造体１００の他端へ延在する。モノリシック構造１００は端板８２及び８４の間に、改質器３２、燃焼器３０、ボイラ３４及びボイラ１０８を含む。
【００５６】
改質器３２は改質室１０３を含み、改質室１０３は改質触媒１０２を含み、燃料源入口へ（燃料処理装置１５のボイラ３４から）開放し、且つ水素出口８７へ開放する燃料処理装置１５の大容積空間である。側壁１１１は改質器３２及びその改質室１０３のために非平面断面形状を画定する。端板８２及び８４の壁１１３は室１０３のいずれかの端部において改質室１０３を閉鎖すると共に、室１０３への入口及び出口ポートを含む。
【００５７】
改質室１０３は非平面容積を含む。非平面改質室１０３という用語がここでは使用されているが、実質的に非平面又は非直線的な断面形状のことを言う。断面とは燃料処理装置又は構成要素を通るように切断した平面薄片のことを言う。複数の燃料処理装置構成要素（例えば燃焼器３０及び改質器３２の両方）を含む断面では、断面は両構成要素を含む。図３Ａに示す垂直方向及び前面断面１２１では、図示する断面寸法はモノリシック構造１００について端板８２から端板８４まで一貫していると共に、各断面１２１（図２Ａ）において一貫している。
【００５８】
改質器３２及びその改質室１０３は四角形又は非四角形断面形状を使用してもよい。４個の側面は断面が四角形の改質室１０３を画定する。４個の略直交する側面は矩形及び四角の四角形改質器３２を画定する。非四角形改質器３２はより多くの又はより少ない側面を有する断面形状寸法、楕円形状（図３Ｂを参照）、またより複雑な断面形状を使用してもよい。図３Ａに示すように、改質器３２は面取りコーナを備えた６個の側面が付けられた断面「Ｐ形状」を含む。改質器３２の１個のコーナ部は、ボイラ３４を燃焼器３０に近接させるために、モノリシック構造１００から取り除かれる。
【００５９】
改質室１０３は断面幅１１５及び断面高さ１１７により特徴付けられる。改質室１０３の断面を亘る方向における室１０３の内壁１１１間の最大直線距離が、断面幅１５５を定める。幅１１５と直交する方向における室１０３の内壁１１１間の最大直線距離が、断面高さ１１７を定める。図示するように、断面高さ１１７は断面幅１１５の三分の一より大きい。この高さ／幅関係は、所定の燃料処理装置１５に対する改質室１０３の容積を増加させる。一実施形態において、断面高さ１１７は断面幅１１５の二分の一より大きい。別の実施形態では、断面高さ１１７は断面幅１１５よりも大きい。
【００６０】
再度図２Ａを参照すると、改質室１０３は端板８２におけるモノリシック構造１００の一端から端板８４における構造１００の他端まで延在する（幅１１５及び高さ１１７と直交する方向における）長さ１４２を含む。一実施形態において、改質室１０３は２０対１未満の長さ１４２対幅１１５の比率を有する。より長手状ではない構成では、改質室１０３は１０対１未満の長さ１４２対幅１１５の比率を有する。
【００６１】
改質器３２は大容積改質室１０３を備える。この改質室１０３の三次元構造は、改質室がマイクロ導管として平面基板にエッチングされているマイクロ燃料処理装置の構成と対照をなす。改質室１０３の非平面形状は改質器３２のより大きい容積を許容すると共に、所定寸法の燃料処理装置１５に対するより多くの触媒１０２を許容する。これにより処理され得るメタノールの量が増加すると共に、特定の燃料処理装置１５寸法に対する水素産
出量が増加する。従って改質器３２は、燃料処理装置の寸法が重要であり或いは制限される携帯用途において、燃料処理装置１５の適合性及び性能を向上させる。換言すれば、入口及び出口配管並びにポートの寸法が僅かに変化する一方で、改質室１０３の容積が増加するので、これにより燃料処理装置１５は水素の産出量を増加させると共に形態用途における出力密度を増加させる一方で、結合される配管の寸法及び重量を相対的に一定に維持することができる。一実施形態において、改質室１０３は約０．１立方センチメートルよりも大きく且つ約５０立方センチメートル未満の容積を備える。幾つかの実施形態において、約０．５立方センチメートルから約２．５立方センチメートルの間の改質器３２の容積が、ラップトップコンピュータの用途に適している。
【００６２】
燃料処理装置１５は少なくとも１個の燃焼器３０を含む。各燃焼器３０は燃焼室１０４を含む。触媒燃焼器３０では、燃焼室１０５は燃料処理装置１５において、触媒１０４を含む大容積空間である。燃焼室１０５との連通、又は燃焼器の反応及び生産のために、燃焼室１０５は直接的又は間接的に、（燃料処理装置１５のボイラ１０８から）燃料源入口に開放し、空気入口９３に開放し、且つ燃焼器排気口８９に開放してもよい。
【００６３】
燃焼器３０及び燃焼室１０５の数は構成に応じて変化してもよい。図３Ａのモノリシック構造１００は、２個の燃焼室１０５ａ及び１０５ｂを夫々有して、断面において改質器３２を実質的に取り囲む非連続的な室を形成する双対燃焼器３０ａ及び３０ｂ構成を含む。燃焼器３０ａはモノリシック構造１００に含まれる側壁１１９ａ（図３Ａ）と、燃焼室１０５ａを画定する端板８２及び８４上の端壁１１３（図２Ｂ）とから成る。同様に、燃焼器３０ｂはモノリシック構造１００に含まれる側壁１１９ｂ（図３Ａ）と、燃焼室１０５ｂを画定する端板８２及び８４上の端壁１１３（図２Ｂ）とから成る。図３Ｃのモノリシック構造１００は改質器３２を完全に取り囲む単一の燃焼室１０５ｂを備えた単一の燃焼器３０ｃを含む。図３Ｂの管状構成は、改質器２０２を完全に取り囲む４０個を越える燃焼器２０４を含む。図４Ｆのモノリシック構造４５２は、改質器３２を完全に取り囲む１０４個の燃焼室に分割される単一の燃焼器を含む。
【００６４】
図２Ｂを参照すると、燃焼器３０において発生した熱が改質器３２へ伝達するように、各燃焼器３０は改質器３２と相対的に構成される。一実施形態において、１個以上の燃焼器３０は改質器３２の周りに環状に配置される。改質器３２に対する少なくとも１個の燃焼器３０の環状構成という用語がここで使用されているが、改質器３２を取り囲む連続的又は非連続的な部分即ち室１０５を有するように構成され又は形成された燃焼器３０のことを言う。環状関係は断面において明白である。燃焼器及び改質器の構成では、取り囲むというのは、熱が燃焼器３０から改質器３２へ移動するように、改質器３２の周縁に接している又は隣接している燃焼器３０のことを言う。燃焼器３０ａ及び３０ｂは、構成に応じて異なる程度で、改質器３２の周縁の周りで改質器３２を取り囲んでいてもよい。少なくとも、１個以上の燃焼器３０が改質器３２の断面周縁を５０パーセントより多く取り囲む。これにより燃料処理装置１５は、燃焼器及び改質器が同一平面上にあり且つ同様な寸法を有し、また幾何学的論理により、燃焼器が改質器の周縁に５０パーセント未満だけ隣接する平面及び板構成とは相違する。一実施形態において、１個以上の燃焼器３０は改質器３２の断面周縁を７５パーセントよりも多く取り囲む。断面において燃焼器３０が改質器３２の周縁を取り囲む範囲が増加すると、燃焼器で発生した熱を介して改質器の容積を加熱するために使用され得る改質器３２の表面積が増加する。幾つかの燃料処理装置１５の構成では、１個以上の燃焼器３０が改質器３２の断面周縁を９０パーセントより多く取り囲む。図３Ｂに示す実施形態では、燃焼器３０は改質器３２の断面周縁全体を取り囲む。
【００６５】
本発明では改質器３２の周りに環状に設けられる燃焼機３０について以下に説明するが、当然のことながらモノリシック構造１００は逆の構成を備えてもよい。即ち、改質器３
２は燃焼器３０の周りに環状に設けられてもよい。この場合、改質器３２は燃焼器３０を取り囲む１個以上の連続的又は非連続的部分即ち室１０３から構成されてもよい。
【００６６】
一実施形態において、各燃焼器３０及びその燃焼室１０５は非平面断面形状を有する。非平面燃焼器３０は四辺形、より多くの又はより少ない側面を備えた非四辺形形状、楕円形状（円形／管状燃焼気３０の図３Ｂを参照）、又はより複雑な断面形状等の断面形状を用いてもよい。図３Ａに示すように各燃焼器３０は、改質器３２の周りで９０度に屈曲する（面取りコーナを備えた）６側面断面「Ｌ字」形状を含む。
【００６７】
従って各燃焼器３０は二辺で改質器３２と接する。この場合、Ｎ個の側面接触とは、燃焼器３０（及びその燃焼室１０５）が断面で接する改質器３２の側面の数Ｎのことを言う。従って、燃焼器３０ｂは改質器３２の右側及び下側と接する一方で、燃焼器３０ａは改質器３２の上側及び左側と接する。「Ｕ字状」燃焼器３０は３個の側面で三辺接触するように使用されてもよい。また燃焼器３０ａ及び３０ｂは、改質器３２の全４個の直交側面において、改質器３２と四辺接触するように使用されてもよい。図３Ｂの構成で使用される改質器３２は、改質器３２と四辺接触する複数の管状燃焼器を含む。図３Ｃは本発明の一実施形態に係り、改質室１０３を完全に取り囲む「Ｏ字状」を有する単一の燃焼器３０ｃを備えたモノリシック構造１００の断面前面図を示す。燃焼器３０ｃは改質器３２の周縁周りにおける連続室であり、且つ改質器３２と四辺接触する。
【００６８】
燃焼器３０で発生した熱は改質器３２へ直接的及び／または間接的に伝達する。図３Ａのモノリシック構造１００では、各燃焼器３０及び改質器３２は共通の壁１２０及び１２２を共有すると共に、各燃焼器３０において発生した熱は共通の壁１２０及び１２２を通る伝導熱伝達を介して改質器３２へ直接的に伝達する。壁１２０は燃焼器３０ｂの境界壁及び改質器３２の境界壁を形成する。図示するように、壁１２０の一方側は燃焼室１５０ｂへ開放する一方で、壁の別側は改質室１３０へ開放する。従って壁１２０は燃焼器３０ｂ及び改質器３２の間における直接的な伝導熱伝達を許容する。同様に、壁１２２は燃焼器３０ａの境界壁及び改質器３２の境界壁を形成し、燃焼室１０５ａへ開放すると共に改質室１０３へ開放し、且つ燃焼器３０ａ及び改質器３２の間における直接的な伝導熱伝達を許容する。壁１２０及び１２２は両方とも断面が非平面であると共に、燃焼器３０ｂ及び３０ａにより隣接させられた改質室１０３の複数の側面と接する。従って壁１２０は、複数の直交方向１２８及び１２９における燃焼器３０ａから改質器３２への直接的な伝導熱伝達を提供する。同様に壁１２２は、１２８及び１２９と反対方向における燃焼器３０ｂから改質器３２への直接的な伝導熱伝達を提供する。
【００６９】
ボイラ３４はモノリシック構造１００に含まれる円柱状壁１４３と、ボイラ室１４７を画定する端板８２及び８４（図２Ｂを参照）上の端壁１１３とから成る。円柱状壁１４３の断面は、経路端８２から経路端８４へ延在するボイラ３４の円柱形状を形成する。ボイラ８４は各燃焼器３０で発生した熱を受け取るために、燃焼器３０ａ及び３０ｂに近接して設けられる。モノリシック構造１００では、ボイラ３４は燃焼器３０ａと共通壁１３０を共有すると共に、燃焼器３０ｂと共通壁１３２を共有する。共通壁１３０及び１３２は各燃焼器３０からボイラ３４への直接的伝導熱伝達を許容する。ボイラ３４はまた、高温発熱燃焼器３０から吸熱性改質器３２へ一貫して移動する熱伝導を遮断するために、燃焼器３０及び改質器３２の間に配置される。
【００７０】
ボイラ１０８は、燃焼器３０がメタノールを受け取る前にメタノールを加熱するために、燃焼器３０から熱を受け取るように構成される。ボイラ１０８はまた、端板８２から端板８４へモノリシック構造１００を通り延在する円形断面を有する管形状から成る。ボイラ１０８は各燃焼器３０で発生した熱を受け取るために、燃焼器３０ａ及び３０ｂに近接して設けられ、燃焼器３０はメタノールを加熱するために使用される。ボイラ１０８は燃
焼器３０ａと共通壁１３４を共有すると共に、燃焼器３０ｂと共通壁１３６を共有する。共通壁１３４及び１３６は燃焼器３０ａ及び３０ｂからボイラ１０８への直接的伝導熱伝達を許容する。
【００７１】
図３Ｄは本発明の一実施形態に係る端板８２の外面図を示す。端板８２は燃料源入口８１と、燃料源入口８５と、水素出口ポーと８７と、燃焼器空気入口９３とを含む。燃料源入口８１は、改質器３２により受け取られる前にメタノールを加熱するために、外部メタノール供給源からボイラ３４へ（通常は液体で）メタノールを連通させる端板８２の端壁１１３に形成された穴即ちポートを含む。メタノール燃料源入口８５は、燃焼器３０により受け取られる前にメタノールを加熱するために、外部メタノール供給源からボイラ１０８へ（通常は液体で）メタノールを連通させる端板８２の端壁１１３に形成された穴即ちポートを含む。燃焼器空気入口９３は、デュワー１５０で予熱される前に大気室からの空気及び酸素を連通させる端板８２の端壁１１３に形成された穴即ちポートを含む。水素出口ポート８７は燃料処理装置１５の外側へ改質室１０３からの気体水素を連通させる。
【００７２】
ボルト穴１５３はモノリシック構造１００の羽部１４５に設けられる。ボルト穴１５３は羽部１４５を貫通するボルトの通過を許容すると共に、構造１００及び端板８２，８４の固定を可能にする。
【００７３】
図３Ｂは本発明の別の実施形態に係るモノリシック構造１００に代えて燃料処理装置１５に使用される管状構成２００の断面レイアウト図を示す。構成２００は改質器２０２、燃焼器２０４及びボイラ２０８を含む。
【００７４】
図３Ｂに示す断面構成２００は、構成２００の構成要素に対して気体を供給及び排出する入口及び出口ポートを含む端板（図示なし）間における円柱状長さに亘り一貫する。従って改質器２０２、燃焼室２１２、ボイラ２０６及びボイラ２０８の円形状は、端板間の円柱状長さ全体に延在する。端板はまた、管状燃焼器２３４の間等、個々の管の間における気体の経由に関連する。
【００７５】
改質器２０２は実質的に円形断面を画定する円柱状壁０３を含む。従って改質器２３２は、管状改質室２１０を画定する三次元中空円柱のようである。一般的に改質器２０２は、触媒１０２の収容、改質室２１０を通るメタノールの流通、改質室２１０における水素の製造、及び改質室２１０における水素の流通に適したいかなる楕円形状（円はおよそ等しい直交寸法の楕円を表す）を含んでもよい。図示するように、改質室２１０は実質的に等しい断面幅及び断面高さにより画定され、従って改質器２０２は１対１の断面アスペクト比を含む。
【００７６】
燃焼器２０４は各々が管状燃焼室２１２を画定する一組の円柱状壁２１４から成る。図示するように、管状構成２００は改質器３２の断面周縁を完全に取り囲む４０個を越える管状燃焼室２１２を含む。各管状燃焼室２１２は円柱状壁２１４により画定される実質的に円形断面を含む。各管状燃焼室２１２はメタノールからの熱の発生を促進にする触媒１０４を含む。燃焼器２０４は約２個から約２００個の円柱状壁２１４及び管状燃焼室２１２から成る。幾つかの構成では約１０個から約６０個の管状燃焼室２１２を含んでもよい。一実施形態において、各円柱状壁２１４は金属から構成されると共に、所望の外形寸法となるように押出し加工される。特定の実施形態では、円柱状壁２１４はニッケルから構成される。ニッケル壁２１４は亜鉛又はアルミニウム等の適当な基板上においてニッケルに電気めっきを施すことにより形成されてもよく、基板は続いてニッケル管を残すようにエッチングにより取り除かれてもよい。ニッケル壁２１４が上に形成される他の材料には、亜鉛、錫、鉛、蝋、又はプラスチックが含まれる。ニッケル壁２１４に加えて、壁２１４は金、銀、銅、ステンレス鋼、セラミックス、及び管状触媒１０４と問題を引き起こす
ことなく適当な熱特性を呈する材料が含まれてもよい。
【００７７】
図示するように、燃焼器２０４は改質器２０２の断面周縁を完全な環状に取り囲む。この場合燃焼器２０４は、改質器２０２の周りにおいて３つの異なる半径で円形に配置される管２１４の３個のリング状層２１６，２１８，２２０から成る。管２１４は各層２１６，２１８，２２０において改質器２０２と外接する。燃焼器３０の各管状室２１２において発生した熱は幾つかの経路、即ちａ）層２１４において管２１６を通り改質器２０２の壁へ至る熱伝導、ｂ）外層２１８及び２２０において管２１４を通り層２１６の管２１４及び改質器２０２の壁へ至る熱伝導、及び／又はｃ）外層２１８及び２２０における管２１４と管２１４の間の熱放射、続く改質器２０２の内方への伝導を経由して、直接的又は間接的に改質器２０２に伝わる。
【００７８】
ボイラ２０６は改質器２０２がメタノールを受け取る前にメタノールを加熱するように構成される。ボイラ２０６は燃焼器２０４からの熱を受け取ると共に、ボイラのための管形状を画定する円柱状壁２０７から成る。ボイラ２０６は各燃焼室２１２において発生した熱を受け取るために、燃焼管２１４に近接して設けられる。即ち、ボイラ２０６は第２リング状層２１８に配置されると共に、層２１６，２１８及び２２０の燃焼室２１２近くから熱を受け取る。燃焼器２０４は、各隣接管２１４の壁を通り且つ壁２０７を通る伝導を介して、熱をボイラ２０６に与える。
【００７９】
ボイラ２０８は燃焼器２０４がメタノールを受け取る前にメタノールを加熱するように構成される。ボイラ２０８は燃焼器２０４から熱を受け取ると共に、またボイラのために管形状を画定する円柱状壁２０９から成る。ボイラ２０６と同様に、ボイラ２０８は第２リング状層２１８に配置されると共に、層２１６，２１８，２２０の燃焼室２１２近くから熱を受け取る。
【００８０】
一実施形態において、モノリシック燃料処理装置１５は改質室１０３におけるガス流の方向において合わせて接合されると共に、組合せ線１２１において接合される複数の部分から成る。各部分は図３Ａに示すような共通の側面を有すると共に、ガス流の方向と直角をなすように接合又は蝋付けされる金属又はセラミック製の要素から構成されてもよい。或いは燃料処理装置１５は、端片８２及び８４により結合される領域を除き、改質器３２、燃焼器３０、ボイラ３４及びボイラ１０８の全部を結合する単一の長手モノリシック片から構成されてもよい。
【００８１】
別の実施形態において、燃料処理装置１５は断面で共に接合される複数片から成る。図３Ｅは本発明の別の実施形態に係る燃料処理装置１５を示す。この場合、燃料処理装置１５は３片、即ち下片２８０、中間片２８２及び蓋片２８４から成る。下片２８０及び中間片２８２は改質器３２及び２個の燃焼室３０を形成するように取り付けられる。蓋変２８４及び中間片２８２はボイラ３４及び１０８を形成するように取り付けられる。各片２０８，２８２及び２８４は共通の材料から構成されると共に、適当な寸法となるように押出し成形され又は鋳造されてもよい。それらの片の間の取り付けは、例えば化学結合から成る。
【００８２】
図４Ａは本発明の一実施形態に係る燃料処理装置１５の側断面図及びデュワー１５０により形成される空気の移動を示す。図４Ｂは燃料処理装置１５の前断面図を示すと共に、デュワー１５０により得られる熱管理利得を例証する。ここで述べる熱管理技術は燃料処理装置の構成要素として以下に説明されるが、当該技術分野に属する者であれば、本発明は一般用途のための熱管理方法を含むことは認識し得る。
【００８３】
燃料処理装置１５の燃焼器３０は熱を発生させると共に、一般的には高温で作動する。
２００°Ｃよりも高い燃焼器３０作動温度が一般的である。電子機器の製造の基準は、機器の最大表面温度を必然的に決める。ラップトップコンピュータ等の電子機器は、内部の熱を管理し且つ発散させるために、ファン又は冷却パイプ等の冷却装置を含むことが多い。電子機器へ熱を奪われる、電子機器の内部にある燃料処理装置は、熱損失に対処するために機器の冷却システムを必要とする。
【００８４】
一実施形態において燃料処理装置１５は、燃料処理装置１５の熱管理を改善するためにデュワーを備える。デュワー１５０は少なくとも部分的に、燃焼器３０等のハウジング１５２内部の構成要素を熱的に隔離させると共に、燃料処理装置１５内の熱を拘束する。デュワー１５０は燃料処理装置１５からの熱損失を低減させると共に、燃焼器３０及びハウジング１５２の外面間における熱勾配の管理を助ける。また以下に説明するように、デュワー１５０は空気が燃焼器３０により受け取られる前に空気を予熱する。
【００８５】
デュワー１５０は少なくとも部分的に燃焼器３０及び改質器３２を収容すると共に、デュワー室１５６及び室１５８を形成するのを助ける一組のデュワー壁１５４を含む。幾つかの実施形態では、デュワー１５０は断面図で、且つ燃焼器３０及び改質器３２の両端において、燃焼器３０及び改質器３２を完全に取り囲む。またデュワー１５０による包含がより少ないと、ここに説明する熱利得を得るのに適している。図４Ｅの多通路デュワー３００は断面で部分的にのみ燃焼器３０及び改質器３２を取り囲む。幾つかの場合では、デュワー１５０はモノリシック構造１００の全長に沿って完全に延在しておらず、また完全に包含しない。
【００８６】
図４Ｂに示すように、デュワー１５０は断面で燃焼器３０を環状に取り囲む。一組の壁１５４は図４Ｂに示すような矩形断面を形成するように、上及び下壁１５４ｂ及び１５４ｄと結合する側壁１５４ａ及び１５４ｃを含むと共に、図４Ａに示すような矩形断面を形成するように、上及び下壁１５４ｂ及び１５４ｄと結合する２個の端壁１５４ｃ及び１５４ｆを含む。端壁１５４ｆはその端壁１５４ｆを通る入口及び出口ポート８５，８７，８９の通路を許容する孔を含む。
【００８７】
デュワー室１５６はデュワー壁１５４内に形成されると共に、デュワー壁１５４内にモノリシック構造１００により占有されない全空間を備える。図４Ｂに示すように、デュワー室１５６はモノリシック構造１００を取り囲む。図４Ｂに示すように、室１５６はデュワー１５０の全４側面上において、モノリシック構造１００及び壁１５４の間に配管を備える。また、室１５６はモノリシック構造１００の両端上において、デュワー１５０の端壁及び端板８２及び８４の外面の間にエアポケットを備える（図４Ａ）。
【００８８】
室１５８はデュワー壁１５４の外側において、デュワー１５０及びハウジング１５２の間に形成される。室１５８はハウジング１５２内に、デュワー１５０により占有されない全空間を備える。図４Ｂに示すように、ハウジング１５２はデュワー１５０及び更に遠い内部モノリシック構造１００を包囲する。室１５８はデュワー１５０の全４側面及びハウジング１５２上において、壁１５４の間に配管を備える。また、室１５８はデュワー１５０及びハウジング１５２の両端上においてその間に、デュワー１５０及びハウジング１５２の間の接触及び伝導熱伝達を阻止するエアポケット１６７を備える。
【００８９】
デュワー１５０は、デュワー室１５６を通過したプロセスガス又はプロセス液が燃焼器３０で発生した熱を受け取るように構成される。プロセスガス又はプロセス液は例えば酸素、空気、又は燃料源１７等、燃料処理装置で使用されるいかなる反応物質を含んでもよい。従ってデュワー１５０は燃料処理装置１５へ２つの機能を提供する。即ちａ）熱が燃料処理装置の外側部に達する前にデュワー１５０は燃料処理装置１５内の構成要素の積極的な冷却を許容し、且つｂ）デュワー１５０は燃焼器３０へ進む空気を予熱する。前者で
は、より冷たい空気がより温かい燃料処理装置１５構成要素からの熱を吸収するように、空気は燃料処理装置１５を通り且つデュワー１５０の壁１５４を横切るように移動する。
【００９０】
図４Ａに示すように、ハウジング１５２はハウジング１５２の外側から室１５８への空気の通過を許容する空気入口ポート９１即ち穴を含む。ファンは通常空気を燃料処理装置１５へ直接的に供給すると共に、ポート９１を通り流入する空気を加圧する。上及び下壁１５４ｂ及び１５４ｄは、室１５８からデュワー室１５６へ空気が通過するのを可能にする空気入口ポート即ち穴を含む。空気は燃料処理装置１５を通り、次に空気入口ポート９１内へ、デュワー１５０の全長に沿って室１５８を通り、壁１５４ｂ及び１５４ｄの穴１７２を通り、室１５８へ流れるのと反対方向にデュワー１５０の全長に沿って戻るように室１５６を通り、空気が燃焼室３０へ流入するのを可能にする空気入口ポート１７６へ流れる。室１５８において、空気はａ）デュワー壁１５４の外面を横切るように移動すると共に、デュワー壁１５４からの熱を対流吸熱し、且つｂ）ハウジング１５２の内面を横切るように移動すると共に、（ハウジング１５２が空気よりも高温である時には）ハウジング１５２壁から熱を対流吸熱する。室１５６では、空気はａ）モノリシック構造１００の外面を横切るように移動すると共に、モノリシック構造１００の壁から熱を対流吸熱し、且つｂ）デュワー１５０の内面を横切るように移動すると共に、デュワー壁１５４から熱を対流吸熱する。
【００９１】
従って、燃焼器３０の外側上においてモノリシック構造１００の壁からデュワー室１５６を通過する空気への直接的対流熱伝達を介して、デュワーを通過する空気が燃焼器で発生した熱を受け取るように、デュワー１５０は構成される。デュワー１５０はまた、室１５６を通過した空気が燃焼器３０から間接的に熱を受け取るように構成される。間接的にというのはこの場合、燃焼器３０内で発生させられ、空気により受け取られる前に燃料処理装置１５の別の構造へ移動する熱のことを言う。
【００９２】
図４Ｃはデュワー１５０の壁１５４により生じさせられる熱経路の熱概略図を示す。燃焼器３０からの熱はモノリシック構造１００を通り、デュワー室１５６に開放する構造１００の表面へ伝導する。ここから、熱はａ）デュワー室１５６を通過する空気へ伝導することにより、空気を加熱し、ｂ）デュワー壁１５４の内壁１５５へ放熱し、そこから熱はデュワー室１５６を通過する空気へ対流で移動し、ｃ）デュワー壁１５４の内壁１５５へ放熱し、壁１５４を通りデュワー壁１５４の外面１５７へ伝導し、そこから熱はデュワー室１５８を通過する空気へ対流で移動し、且つｄ）デュワー壁１５４の内壁１５５へ放熱し、壁１５４を通りデュワー壁１５４の外面１５７へ伝導し、ハウジング１５２の壁へ放熱し、そこから熱はデュワー室１５８を通過する空気へ対流で移動する。
【００９３】
従ってデュワー１５０は、２本の対流放熱流、及び燃焼室３０（又は燃料処理装置１５の他の内部部品）において発生した熱が燃料処理装置から逃げるのを阻止する容積１５６及び１５８の積極的な空気冷却を提供する。
【００９４】
室１５６へ戻る熱の反射は燃料処理装置１５０から失われる熱量を減少させると共に、室１５６を通過する空気の加熱を促進させる。室１５６へ戻る放射性の反射を更に改善するためには、デュワー壁１５４の内面は壁１５４への放射性熱伝達を減少させるべく放射層１６０を含んでもよい（図４Ｂ又は図４Ｃを参照）。内面１５５の放射性熱反射を増加させるために、放射層１６０は１個以上の壁１５４上において内面１５５に設けられる。一般的に、放射層１６０に使用される材料は、壁１５４に使用される材料よりも低い放射率を有する。デュワー１５０の壁１５４への使用に適した材料には、例えばニッケル又はセラミックが含まれる。放射層１６０は金、プラチナ、銀、パラジウム、ニッケルから構成されてもよく、金属は内面１５５上にスパッタ被覆されてもよい。放射層１６０はまた低熱伝導率を有してもよい。この場合、放射層１６０は例えばセラミックから構成されて
もよい。
【００９５】
デュワー１５０がモノリシック構造１００を完全に封じ込める時には、次にデュワーは構造からの熱損失を制限すると共に、デュワー１５０及びハウジング１５２の外へ通過する熱量を減少させる。図４Ａ及び図４Ｂに図示するような燃料処理装置１５は、ハウジング１５２内に熱を封じ込め且つ燃料処理装置からの熱伝達を管理するのに適している。一実施形態において、燃焼器は約２００°Ｃよりも高い温度で作動すると共に、ハウジングの外側は約５０°Ｃ未満に維持される。燃料処理装置１５が小容積を占有する携帯用途の実施形態では、容積１５６及び１５８は相対的に小さく且つ狭小導管及び配管を備える。幾つかの場合では、容積１５６及び１５８内における導管の高さは５ミリメートル未満であり、モノリシック構造上における燃焼器３０の壁はハウジング１５２の壁から１０ミリメートル程度である。
【００９６】
デュワー１５０の使用により得られる熱利得はまた、エタノール及びガソリン等、水素製造のための燃料源としてより高温の燃焼燃料の使用を許容する。一実施形態において、デュワー１５０の使用により得られる熱管理利得は、１００°Ｃよりもかなり高く、且つ優先酸化剤が必要とされないような量まで改質器３２における一酸化炭素の製造が低下する程度の高温で、改質器３２がメタノールを処理するのを許容する。
【００９７】
上述したようにデュワー１５０は、燃焼器へ移動する空気を予熱することにより、燃料処理装置１５へ第２の機能を提供する。燃焼器３０は熱を発生させるために触媒の燃焼に頼る。燃焼器３０へ供給される空気内の酸素は、燃焼工程の一部として消費される。燃焼器３０で発生させられた熱は、空気の温度に応じて冷たい流入空気を加熱する。冷たい流入空気へのこの熱損失は燃焼器３０の加熱効率を低下させると共に、一般的にはメタノールのより大量の消費をもたらす。燃焼器３０の熱効率を増加させるために、燃焼器で発生させられた熱がより少なく流入空気へ移動するように、本発明は流入空気を加熱する。換言すれば、デュワー１５０により形成された室及び空気流は、空気が燃焼器に到達する前に燃焼器からの廃熱が予熱するのを可能にし、従って燃料電池１５の調整器として作用する。
【００９８】
図４Ａ及び図４Ｂの燃料処理装置１５はモノリシック構造１００を封じ込めているデュワー１５０を示しているが、本発明はまたデュワー１５０のための他の構造や、上述したデュワーの機能の一方又は両方を実施する燃焼器３０又は改質器３２とデュワー１５０間の関係を利用してもよい。図４Ｄは本発明の別の実施形態に係り、より温かいデュワー壁２４を越える冷たい空気流の伝導経路を伸長させる燃料処理装置１５の断面図を示す。燃料処理装置１５は燃焼器３０及び改質器３２のための管状構造を含む。
【００９９】
デュワー２５０は長手状熱伝達経路を横切るように冷たい流入空気を経由させる。デュワー２５０は燃料器３０及び改質器３２を取り囲む渦巻状壁２５４を断面において含む。螺旋状壁２５４は螺旋状デュワー室２５６を画定する。冷たい空気はデュワー入口２５２からデュワー室２５６に流入する。壁２５４の最も内側の部分２５７は燃焼器３００の外壁２５８に取り付けられる。燃焼器３０からの熱は螺旋状壁２５４を通り直線的に伝導する。従って、内部２５７は壁２５４の最暖部である一方で、壁２５４の入口２５２部分は一般的に最も冷たい。空気はデュワー室２５６を通り移動するにつれて、連続的に温まる。空気が内方へ移動するにつれて、壁２５４の温度は上昇し、空気への伝達に利用可能な熱量も増加する。空気の過渡的な温度に応じて、壁１５４から失われる熱量もまた空気が内方へ前進するにつれて増加する。
【０１００】
螺旋状デュワー２５０は冷たい流入空気と燃焼器により暖められた壁の間の対流相互作用を延長する。デュワー２５０はまた、及び燃料処理装置の中心からの所定半径方向にお
ける壁及び対流層の数を増加させる。図４Ｄに示すように、数が数えられる場合に応じて、デュワー２５０は所定半径方向において４〜５個の壁及び対流層を備える。半径方向における壁及び対流の数は構成に応じて変更する。一実施形態において、螺旋状デュワー２５０は燃料処理装置の中心から所定の半径方向において、１層から約５０までの壁及び対流層を備えるように構成される。３層から２０層が多くの用途に適当である。導管幅２６０は隣接する壁２５４の間の配管空間を確定する。一実施形態において、導管幅２６０は約四分の一ミリメートルから約５ミリメートルの範囲に亘る。
【０１０１】
螺旋状デュワー２５０はアルミニウム又は亜鉛等の除去層上にニッケルを電気めっきすることにより構成されてもよい。図４Ｈは本発明の別の実施形態に係り、初期構成の間にまき出し形態にある螺旋状デュワー２５０を示す。初期アルミニウム又は亜鉛層２６２は丸め工程の間に導管幅２６０を制御するように付加される。除去層２６２には引き続いて、選択された壁２１４の材料例えばニッケルが電気めっきされる。その後、アルミニウム又は亜鉛層が電気形成術を利用してエッチングにより取り除かれることにより、螺旋状デュワー２５０が残される。
【０１０２】
図４Ｈに示す螺旋状デュワー２５０はまた、改質器３２の周りに巻き付く型押し又は折り畳み式燃焼器構造２６４を利用している。図４Ｉ及び図４Ｊは、本発明の２つの実施形態に係る燃焼器３０の壁２６８上のウォッシュコート２６６を示す。図４Ｉの折り畳み式燃焼器構造２６４では、燃焼器触媒１０４を含むウォッシュコート２６６は壁２６８の両側に塗布される。
【０１０３】
螺旋状デュワー２５０への使用に適した平面壁２７０を図４Ｊに示す。平面壁２７０はその面に沿ってエッチングされ或いは配置される導管２７２を含む。次に燃焼器触媒１０４を含むウォッシュコート２６６が平面壁２７０及び導管２７２の表面上に付加される。
【０１０４】
図４Ｄに図示するような燃料処理装置１５は内部発生熱を拘束するのに非常に適している。一実施形態において、燃焼器３０は約３５０°Ｃよりも高温で作動すると共に、ハウジングの外側は約７５°Ｃ未満に維持される。これにより、例えばエタノール及びプロパン等の燃焼器３０内の燃料源を燃焼するのに、より高温を利用するのが容易になる。
【０１０５】
図４Ａ及び図４Ｄに図示するようなデュワーは「多通路」とみなされてもよい。なぜならば、より温かい面とより冷たい空気の間における対流熱伝達のために、流入空気が複数の表面上を通過するからである。図４Ａの実施形態は２通路システムを示しており、空気は２個のデュワー室を通過する一方で、図４Ｄの実施形態はＮ通路を示しており、Ｎは燃料処理装置の中心からの所定半径方向におけるデュワー壁の数である。
【０１０６】
図４Ｅは本発明の別の実施形態に係る多通路デュワー３００の断面図を示す。デュワー３００はハウジング壁３０４と連結する４個のデュワー壁３０２ａ〜３００ｄから成る。デュワー３００は部分的にモノリシック構造１００を収容する。デュワー壁３０２ａは、燃焼壁３００を含むモノリシック構造１００を取り囲むように、ハウジング壁３０４と協働する。デュワー壁３０２ｂ及びハウジング壁３０４はデュワー壁３０２ａ及び燃焼器３０を取り囲む。同様に、デュワー壁３０２ｂ及びハウジング壁３０４はデュワー壁３０２ｂを取り囲む一方で、デュワー壁３０２ｄ及びハウジング壁３０４はデュワ壁３０２ｃを取り囲む。デュワー壁３０２ａ〜３０２ｄは流入空気がより暖かい壁を通過して熱を受け取るために４個の容積を画定する。空気はデュワー入口ポート３１０に入り、デュワー室３−８ａを通過し、引き続いて室３０８ａ全体を移動した後にポート３１２を通りデュワー室３０８ｂへ流入する。次に空気は、燃焼器入口３１４へ入る前に室３０８ｃ及び３０８ｄへ連続的に至り且つ通過する。
【０１０７】
図４Ｆ及び図４Ｇは本発明の別の実施形態に係り、モノリシック構造４５２及び多通路デュワー４５０を含む燃料処理装置１５の断面図を示す。モノリシック構造４５２は、構造４５２の中心部に配置される複数の改質室４５４を含む。複数の燃焼室４５６は改質室４５４を取り囲み且つ四辺形状に改質室４５４と接する。改質器ボイラ４５８は燃焼室４５６の断面内に配置される一方で、燃焼器ボイラ４６０は断面の外部に配置される。
【０１０８】
デュワー４６２は４個のデュワー壁４６２ａ〜４６２ｄから成る。図４Ｆに示す断面において、デュワー壁４６２ａはモノリシック構造４５２を取り囲む。デュワー壁４６２ｂはデュワー壁４６２ａを取り囲み且つ閉じ込める。デュワー壁４６２ｃはデュワー壁４６２ｂを取り囲み且つ閉じ込める一方で、デュワー壁４６２ｄはデュワー壁４６２ｃを取り囲み且つ閉じ込める。デュワー壁４６２ａ〜４６２ｄは流入空気が通過し且つ熱を受け取るために、４個のデュワー容積を形成する。図４Ｇに示すように、空気はデュワー入口ポート４６４に入り、モノリシック構造４５２の全長に沿って室４６８ａの略全体を移動した後に、デュワー室４６８ａを通過し且つデュワー室４６８ｂに流入する。次に空気は、燃焼器入口４７０に入る前に、室４６８ｂから室４６８ｃ及び室４６８ｄへ連続的に移動する。
【０１０９】
図６Ａ〜図６Ｊは本発明の別の実施形態に係る燃料処理装置６１５を示す。図６Ａは燃料処理装置６１５の上面図を示す。図６Ｂ〜図６Ｆは様々な断面で得られる燃料処理装置６１５の側断面図を示す。図６Ｇ〜図６Ｊは様々な断面で得られる燃料処理装置６１５の前断面図を示す。図６Ｊは図６Ｇに示す燃料処理装置６１５の部分拡大側断面図を示す。
【０１１０】
燃料処理装置６１５は改質器６３２と、燃焼器６３０と、ボイラ６３４と、ドック６３８と、外殻６７５と、優先酸化剤６５０と、板６４１，６４９，６５３（図６Ｊ）から構成される。本発明は水素製造のためのメタノールの消費について以下に説明するが、当然のことながら本発明の燃料処理装置は、当該技術分野に属する者が認識し得る別の燃料源を消費してもよい。
【０１１１】
燃料処理装置６１５は基板６４０，６４２，６４４を含む。各基板６４０，６４２，６４４はそれら基板の両側に、２個の実質的に平面な面を備える。一実施形態において、各基板６４０，６４２，６４４はシリコンから構成され、それら基板６４０，６４２，６４４の一組は「チップセット」と呼ばれる。改質器６３２、燃焼器６３０、ボイラ６３４及び優先酸化剤６５０を形成するために、導管は基板６４０，６４２，６４４の一面に形成される。導管は基板に形成される溝のことを言う。各導管はその導管内を通る気体又は液体の移動を案内する。シリコン基板６４０，６４２，６４４は燃料処理装置６１５の構成のために、半導体製造技術の使用を許容する。特定の実施形態において、改質器導管６３７、燃焼器導管６３１及び／又はボイラ導管６３５は、ＤＲＩＥエッチング又はウェットエッチング等のエッチング工程を使用して、シリコン基板に形成される。別の実施形態において、各基板６４０，６４２，６４４はシリコン合金、炭化珪素、又はステンレス鋼、チタンまたはインコネル等の金属から構成される。金属は燃焼器６３２及び改質器６３０の間、及び燃焼器６３２及びボイラ６３４の間における熱伝達を促進する。基板６４０，６４２，６４４及びそれら基板に設けられる導管を製造するために、レイヤリング及びエッチング等のＭＥＭ製造技術が使用されてもよい。
【０１１２】
図６Ｂ、図６Ｇ及び図６Ｊを参照すると、改質器６３２がメタノールを受け取る前に、ボイラ６３４はメタノールを加熱する。ボイラ６３４は基板６４０の面６４０ａに設けられる一組のボイラ導管６３５を含む。板６４１は面６４０ａに取り付けられると共に、各導管６３５の開放側を被覆する。ボイラ６３４はその組みになったボイラ導管６３５の累積的寸法により決められる容積を含む。
【０１１３】
ボイラ６３４は燃焼器６３０において発生した熱を受け取るために、燃焼器６３０に近接して設けられる。図示する実施形態において、ボイラ導管６３５は、燃焼器導管６３１（図６Ｊ）を含む基板６４０の面６４０ｂと反対側の基板６４０の面６４０ａ上に設けられる。次に熱は、１）燃焼器６３０からボイラ６３４への基板６４０を通る伝導を介して、及び２）ボイラ導管６３５の壁からその導管通過するメタノールへの対流を介して伝達する。一実施形態において、ボイラ６３４は液体メタノールを気化させるように構成される。ボイラ６３４を流出した気体メタノールは次に、触媒７０２との気体相互作用のために改質器６３２へ移動する。
【０１１４】
ボイラ６３４は燃料源入口６８１（図６Ｂ）を経由してメタノールを受け取り、燃料源入口６８１は図１Ｂのメタノール供給管２７と連結する。入口６８１はドック６３８の壁７２８ｂに設けられると共に、メタノールを燃料処理装置６１５へ送る管２７を受け入れるように構成される受口６８２を含む。入口マニホルド６８４は液体メタノールを受口６８２から基板及び基板６４０の改質器導管６３５へ送る。マニホルド６８４はコンプライアント材料７１０、基板６４０，６４２及び板６４１を貫通する孔即ち穴を含む。螺子７２６による材料７１０、基板６４０，６４０及び板６４１の圧縮は、マニホルド６８４を構成要素間で密封する。
【０１１５】
改質器６３２は基板６４２の一面６４２ｂに設けられる一組の改質器導管６３７を含む。板６４９はその面６４２ｂに取り付けられると共に、各導管６３７の開放側を被覆する。改質器６３２は一組の改質器導管６３７の累積的容積及び寸法により決められる容積を含む。即ち、改質器６３２は複数の導管６３７からの寄与を含む組立容積を含む。一実施形態において、導管６３７は断面が実質的に矩形である。約２０から約４００ミクロンの導管６３７の幅６３７ｂは、多くの用途に適合する。特定の実施形態において、導管６３７は約１００ミクロンの幅６３７ｂを含む。導管６３７の寸法を特徴付けるために、１個以上のアスペクト比が使用されてもよい。長さ６３７ｃ対幅６３７ｂの比率は、基板の面上における導管６３７の平面な面積を説明している。約１００００対１から約１０対１の長さ対幅の比率を有する導管６３７が、多くの用途に適合する。特定の実施形態において、導管６３７は約２００対１の長さ対幅比率を含む。約２対１から約１００対１の深さ対幅の比率を含む導管６３７が、多くの用途に適合する。特定の実施形態において、導管６３７は約６３０対１の深さ対幅の比率を含む。その導管の一組は少なくとも１個の導管を含む。改質器６３２の導管６３７の数及び寸法は、例えば燃料源及び改質器触媒７０２の製造能力に基づいて、燃料処理装置６１５の所望水素産出量に応じて変更してもよい。
【０１１６】
改質器６３２はメタノールが燃焼器６３４を通過した後にそのメタノールを受け取るように構成される。改質器６３２は導管６７１を介してメタノールを受け取り、導管６７１はボイラ６３４の導管６３５から改質器６３２の導管６３７（図２Ｂ）へ産出メタノールを移送する。即ち、導管６７１はメタノールを基板６４０の面６４０ａから連通させ、基板６４０及び６４２を通り抜け、且つ基板６４２の面６４２ｂ上の導管６３７に開放する。
【０１１７】
改質器６３２内の触媒７０２は水素の製造を促進する。触媒７０２はメタノール１７と作用し、且つ水素ガス及び二酸化炭素の製造を促進する。一実施形態において、触媒７０２は各導管６３７の上に設けられるウォッシュコートから成る。所望する触媒のウォッシュコートは基板にスパッタリング或いは噴霧され、且つ平坦面６４２ｂを維持するためにエッチングにより戻されてもよい。次に触媒７０２は各導管６３７の壁上に薄層として形成される。適当な触媒７０２の一つには、メタノールが炭化水素燃料源として使用される時にはＣｕＺｎを含む。触媒７０２に適した他の材料には例えばプラチナ、パラジウム、プラチナ／パラジウム混合物、及び他の貴金属触媒が含まれる。以下の材料の組み合わせ物も触媒７０２に使用され得る：Ｃｕ，Ｚｎ，Ｐｔ，Ｒｕ，Ｒｈ，酸化アルミニウム、酸
化カルシウム、酸化シリコン及び／又はイリジウム。
【０１１８】
優先酸化剤６５０は改質器６３２水素排ガスを遮断すると共に、排ガスにおける一酸化炭素の量を減少させる（図２Ｇ）。優先酸化剤６５０は基板６４４の一面６４４ｂ（図２Ｊ）に設けられる一組の酸化剤室６５１を含む。板６５３は面６４４ｂに取り付けられると共に、各酸化剤室６５１の開放側を被覆する。優先酸化剤６５０は一組のボイラ導管６５１の累積的な寸法により決められる容積を含む。優先酸化剤６５０は空気入口７０７（図２Ｃ）からの酸素を利用する。
【０１１９】
空気入口７０７は大気室からの空気を受け取ると共に、受口７１１及びマニホルド７１２を備える。受口７１１はドック６３８の壁７２８ｂに設けられると共に、空気を燃料処理装置６１５へ移送する管を受け入れるように寸法が決められる。受口７１１はマニホルド７１２へ開放しており、マニホルド７１２は空気を基板６４４の導管６５１へ移送する。即ち、マニホルド７１２は導管６５１へ開放するように、コンプライアント材料７１０を通り、板６４０を通り、基板６４２及び６４０を通り、板６４９を通り、スペーサ７３０を通り、基板６４４を通り抜ける。触媒７１４は導管６５１の壁上にウォッシュコートにより施されると共に、以下の材料の１個又は組み合わせから構成されてもよい：Ｃｕ，Ｚｎ，Ｐｔ，Ｒｕ，Ｒｈ，酸化アルミニウム，酸化カルシウム，酸化シリコン，イリジウム及び／又は二酸化炭素よりも一酸化炭素を優先する別の触媒。
【０１２０】
出口ポート８７は触媒６３２で形成された水素を燃料処理装置６１５の外へ連通させる（図２Ｅ）。図１Ｂの燃料電池システム１０において、ポート８７は燃料電池２０への水素供給のために水素を管３９へ送る。ポート８７はドック６３８の壁に設けられると共に、壁７２８を通り開放する受口７０１及びマニホルド７０３を含む。受口７０１は燃料処理装置６１５からの水素送出のために、管３９のための金属又はプラスチック製管を受け入れるように寸法が決められる。接着剤が管を受口７０１の内壁に固定してもよい。或いは、金属管は受口７０１の内壁に蝋付けされてもよい。燃料処理装置６１５が図示するような優先酸化剤６５０を含む時には、マニホルド７０３は水素を優先酸化剤６５０から基板６４４を通り、スペーサ７３０を通り、板６４９を通り、基板６４２及び６４０を通り、板６４０を通り、コンプライアント材料７１０を通り受口７０１へ移送する（図６Ｂ）。
【０１２１】
別の実施形態において、優先酸化剤６５０は燃料処理装置６１５に使用されず、且つ改質器６３２は燃料処理装置６１５から直接的に水素を産出するように構成される。この場合、改質器６３２内の導管６３７は燃料処理装置６１５からの水素送出のために、気体をマニホルド７０３へ供給する。燃料処理装置６１５が優先酸化剤を含まない時には、マニホルド７０３は水素を基板６４２の改質器導管６３７から基板６４２及び６４０を通り、板６４０を通り、コンプライアント材料７１０を通り受口７０１へ移送する。
【０１２２】
改質器６３２での水素の製造は僅かに吸熱性であり、熱を燃焼器６３０から奪う。燃焼器６３０は熱を発生させると共に、改質器６３２へ熱を供給するように構成される。燃焼器６３０は二組の燃焼導管６３１、即ち基板６４２の面６４２ａに設けられる第１組の導管６３１ａと、基板６４０の面６４０ｂに設けられる第２組の導管６３１ｂとを備える。対向面６４２ａ及び６４０ｂ上の導管６３１ａ及び６３１ｂが相互に開口するように、基板６４０及び６４２は位置決めされると共に取り付けられる。燃焼器６３０は燃焼導管６３１ａ及び導管６３１ｂの累積的な寸法により決められる容積を含む。
【０１２３】
燃焼器６３０、ボイラ６３４、及び優先酸化剤６５０は各々、夫々の（複数の）導管組における導管の累積容積及び寸法により決められる容積を含む。改質器導管６３７に関して上述した導管の寸法は、ボイラ６３４の導管６３５、燃焼器６３０の導管６３１、及び
優先酸化剤６５０の導管６５１に対しても使用され得る。従って、導管６３７に対して上述した導管の幅、導管の長さ対幅の比率、及び導管の深さ対幅の比率は、導管６３５、導管６３１、及び導管６５１にも適合する。
【０１２４】
一実施形態において、燃焼器６３０は熱を発生させるために触媒燃焼を利用する。燃焼器６３０の触媒７０４は、室を通過した燃焼器燃料が発熱するのを助ける。一実施形態において、メタノールが燃焼器６３０内で熱を発生させると共に、触媒７０４はメタノールを使用してメタノールの発熱を促進する。適切なメタノール燃焼器触媒７０４にはプラチナ、パラジウム、鉄、酸化錫、他の貴金属触媒、及び還元性酸化物が含まれてもよい。他の適当な触媒７０４材料には以下の材料の１個又はそれらの組み合わせが含まれる：Ｃｕ，Ｚｎ，Ｐｔ，Ｒｕ，Ｒｈ，酸化アルミニウム、酸化カルシウム、酸化シリコン、及び／又はイリジウム。別の実施形態において、燃料電池２０からの廃水素は、触媒７０４の存在下で発熱する。触媒７０４は当該技術分野に属する者には周知な多数の供給業者から商業的に入手可能である。一実施形態において、触媒７０４は各導管６３１上に設けられるウォッシュコートを備える。所望する触媒７０４のウォッシュコートは周知の混合、射出、蒸着及び還元法を使用して、マイクロ導管に射出されてもよい。次に触媒７０４は各導管６３１の壁上に薄く、多孔性であり、且つ高表面積の層として形成する。
【０１２５】
燃焼器６３０はメタノール１７を受け入れる入口７１４（図６Ｆ）を含む。燃焼器入口７１４はドック６３８の壁７２８ｂに設けられる受口７１６を備えると共に、メタノールを燃料処理装置６１５に移送する管２７（図１Ｂ）を受け入れるように構成される。メタノール入口マニホルド７１８はメタノールを受口７１６から基板６４０及び６４２に形成された燃焼器導管６３１へ移送する。
【０１２６】
酸素を含む空気は空気入口ポート６９１（図６Ｆ）を介してドック６３８へ流入する。燃焼器６３０はメタノールの触媒燃焼のために酸素を使用する。燃焼器出口ポート７２０（図６Ｄ）は燃焼器６３０において形成された排ガスを燃料処理装置６１５の外部と連通させる。燃焼器出口ポート７２０はドック６３８の壁に設けられると共に、排ガスを燃料処理装置６１５から離れるように移送する管を受け入れるように構成される受口７２２を備える。燃焼器出口マニホルド１２４は排ガスを導管６３１から受口７１６へ移送する。
【０１２７】
幾つかの燃料源は燃焼器６３０において、温度の上昇に伴い付加的な熱を発生させ、或いはより効率的に発熱する。一実施形態において燃料処理装置６１５は、燃焼器６３０が燃料源を受け取る前にメタノールを加熱するボイラを含む。この場合、ボイラは燃料源入口７１４を介してメタノールを受け取る。ボイラは燃焼器６３０で発生した熱を受け取るように、燃焼器６３０に近接して設けられる。
【０１２８】
燃焼器６３０は改質器６３２へ熱を供給するように構成されると共に、ボイラ６３４へ熱を供給するように構成される。一組の燃焼導管６３１ａを基板６４２に設けることにより、各燃焼導管６３１ａで発生した熱は基板６４２を通る伝導を介して、改質器６３２及び改質器６３２の導管６３７へ伝達することが可能になる。次に熱は各導管６３７付近の基板６４２から触媒７０２へ伝導する。熱はまた導管６３７へ対流によって移動すると共に、メタノールを加熱する。一組の燃焼器導管６３１ｂを基板６４０に設けることにより、各導管６３１ｂで発生した熱は基板６４０を通る伝導を介して、ボイラ６３４及びボイラ６３４の導管６４５へ伝達する。燃焼器６３０及び改質器６３２を同じチップ上に且つ相互に近接して載置することにより、熱が燃焼器触媒７０４から薄層分離基板６４２を介して改質器触媒７０２へ直接的に流れるのを可能にする。熱伝達は１個の触媒構造体から薄層固体を介して次の触媒マイクロ構造体へ伝導されるので、燃料処理装置６１５は燃焼器６３０から改質器６３２へ熱を伝達するために大きな熱伝達領域を必要としない。これにより燃料処理装置６１５の全体容積が減少する。燃焼器６３０は両方の基板６４０及び
６４２に燃焼器導管６３１を含む必要はない。１個の基板のみが一組の燃焼器導管６３１を含むならば、その一組の燃焼器導管を有する基板から他方の基板へ熱は伝導し、次にボイラ６３４又は改質器６３２へ伝導し得る。
【０１２９】
燃料処理装置６１５はこれまで触媒燃焼器６３２に関して説明されてきたが、当然のことながら本発明の幾つかの実施形態は、改質器へ熱を供給するように構成されると共に、ボイラへ熱を供給するように構成される電気燃焼器６３０を利用してもよい。電気燃焼器６３０は入力電流に呼応して熱を発生させる抵抗加熱素子を含む。電気燃焼器６３０は両方の基板６４０及び６４２へ伝導熱伝達を行うように、基板６４０及び６４２の間に設けられてもよい。
【０１３０】
板６４１，６４９及び６５３は、各板が隣接する基板の導管の開放部を被覆及び密封する。各板６４１，６４９，６５３はまたチップセットの機械的強度を増加させる。各板６４１，６４９，６５３は例えば適当な接着剤を使用して、基板へ取り付けられ且つ基盤と接着する。特定の実施形態において、板６４１，６４９，６５３はガラスから構成され、ガラスはシリコンと比較した時に低熱伝導性を有すると共に、燃料処理装置６１５からの総熱損失が減少する。
【０１３１】
ドック６３８は燃料処理装置６１５内における改質器６３２及びボイラ６３４の位置を維持する。ドックはネジ７２６と、一組のドック壁７２８と、スペーサ７３０と、コンプライアント材料７１０と、プロセスガス又はプロセス液の改質器６３２との間における移送のための受口６８４，７１１，７２２，７０１，７１６と、燃焼器６３０と、ボイラ６３４から構成される。ドック壁７２８は固定壁７２８ａと、固定壁７２８ａと対向する壁７２８ｂと、固定壁７２８ａ及び壁７２８ｂの間に延在する１個以上の側壁７２８ｃを含む（図６Ｃ）。固定壁７２８ａはネジ７２６を受け入れるためのねじ付き穴を含む。ネジ７２６の代わりに、チップセットをコンプライアント材料７１０及びドック６３８に対して押圧するために、ばねが使用されてもよい。ドック壁７２８は改質器６３２、ボイラ６３４及び燃焼器６３０を部分的に取り囲む囲いを形成するように結合してもよい。ドック壁７２８は例えばマイカガラス、セラミック、ガラス充填ポリエステル、又は銅等の金属から構成されてもよい。
【０１３２】
ドック６３８は基板６４０の一部及び基板６４２の一部を通過するコンプライアント固定力を付与してもよい。ネジ７２６が固定壁７２８ａにねじ入れられ、又はばねが板６５３へ圧縮力を付与するまでばねを圧縮させる。この圧縮力は基板６４０及び６４２並びに板６４１，６４９及び６５３を所定位置に固定すると共に、それらが操作の間に移動するのを阻止する。壁７２８ｂは幾何的に固定壁７２８ａと対向すると共に、ネジ７２６により与えられた圧縮力が積み重ねられた構成要素を通りその間を移動するにつれて、その圧縮力へ抵抗力を与える。ねじ７２６及び壁７２８ｂの間の圧縮力経路についておおよそ説明するために、ネジ７２６が板６５３及び壁７２８ｂと接する間の線７３２が使用されてもよい（図６Ｇ）。圧縮力はネジ７２６のネジ山に発生し、板６５３のネジ７２６と接する部分近くを通り伝達し、基板６４４の線７３２の付近部分を通り、スペーサ７３０の線７３２の付近部分を通り、板６４９の線７３２の付近部分を通り、基板６４２の線７３２の付近部分を通り、基板６４１の線７３２の付近部分を通り、コンプライアント材料７１０の線７３２の付近部分を通り、壁７２８ｂへと伝達する。この場合、ネジ７２６の圧縮力により影響を受ける基板６４０及び６４２の部分は、圧縮力が基板を通り伝達する部分に近づく端部から成る。一実施形態において、基板６４０及び６４２及び板６４１，６４９及び６５３は、ネジ７２６（又はばね）により付与される圧縮力を介して共に保持されると共に所定位置とされる片持ち梁に類似する。
【０１３３】
コンプライアント材料７１０はネジ７２６により与えられる固定力を遮ると共に、コン
プライアント固定力の上限値を確定する。図６Ｄに示すように、コンプライアント材料７１０は板６４１及び壁７２８ｂの間に設けられると共に、板６４１及び壁７２８ｂの間で固定力を遮る。コンプライアント材料７１０は周知であると共に、ネジ７２６により与えられる圧縮力の上限値を設定する所定のコンプライアンスを有する材料を含む。一実施形態において、材料７１０は基板６４０及び６４２の剛性又は弾性率よりも小さい剛性又は弾性率を備える。次に材料７１０のコンプライアンスは、基板６４０及び６４２への応力が材料７１０へ伝わるのを可能にする。これにより基板６４０及び６４２上への局所的な応力が減少すると共に、基板６４０及び６４２の応力の上限値が設定される。基板６４０及び６４２がシリコン等の脆弱な材料から構成される時には、基板６４０及び６４２の外部応力への機械的緩衝作用及び保護を増加させることにより、材料７１０は燃料処理装置６１５の機能的譲歩を阻止する。基板６４０及び６４２並びに板６４１及び６４９上の力へ機械的緩衝作用を供給することにより、コンプライアント材料７１０は基板６４０又は６４２及びドック６３８の受口に取り付けられた管の間における機械的応力の移動を減少させる。コンプライアント材料７１０の変形はまた、基板６４０及び６４２の材料７１０付近部分における圧力変化を減少させる。コンプライアント材料７１０はまた、各構成要素の熱膨張及び収縮に起因して基板６４０及び６４２と板６４１及び６４９との間に誘発される応力を減少させて、より頑丈な機械的構造とすると共に、改質器６３２、ボイラ６３４及び燃焼器６３０の保護を増強する。コンプライアント材料７１０への使用に適した材料には高温シリコン、テフロン（登録商標）、又は適当なコンプライアンスを備えると共に燃料処理装置６１５に使用される高温での取り扱い能力を備えた他の材料が含まれる。特定の実施形態において、コンプライアント材料７１０は、デラウエア州ウィルミントン（Ｗ  ｉｌｍｉｎｇｔｏｎ）にあるグラフテックインターナショナル（ＧｒａｆＴｅｃｈ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ）により供給されるグラフォイル（Ｇｒａｆｏｉｌ）から構成される。
【０１３４】
一実施形態において、コンプライアント材料７１０は板６４０及び壁内部７２８ｂの間において入口及び出口ポートを密封するガスケットとして作用する。ガス流を密封するのに加えて、ガスケットはまたチップセットをドック６３８及びデュワー１５０（以下を参照）から熱的に隔離することにより、燃料処理装置６１５からの総熱損失を低減する。
【０１３５】
スペーサ７３０は基板６４２及び基板６４４の隔離を維持する。これにより基板６４２からより冷たい基板６４４への熱伝達が減少すると共に、より多くの熱を基板６４２に維持し且つ改質器６３２（例えば触媒７０２又は導管６３７のメタノール）へ伝達するのを許容する。一実施形態において、スペーサ７３０はセラミック等の硬く低熱伝導性の材料から成る。或いは、スペーサ７３０は燃料処理装置６１５において力を更に制御すると共に、基板６４０及び６４２並びに板６４１及び６４９を保護するために、別のコンプライアント材料７１０層から構成されてもよい。
【０１３６】
ドック壁７２８は基板６４０及び６４２、板６４１及び６４９、改質器６３２、燃焼器６３０、ボイラ６３４等、燃料処理装置６１５の内部構成要素への機械的保護を提供する。外殻６７５はドック６３８へ取り付けられると共に、燃料処理装置６１５の内部構成要素への機械的保護をも提供する。外殻６７５は、改質器６３２、燃焼器６３０及びボイラ６３４を少なくとも部分的に収容する一組の壁７７を含む。壁７７は例えば金属、セラミック、又は硬質ポリマー等の適当に硬い材料から成る。外殻６７５は接着剤を使用して、或いは１個以上のネジを介してドック６３８に取り付けられてもよい。外殻６７５及びドック６３８は改質器６３２、燃焼器６３０及びボイラ６３４を集合的に取り囲む。デュワー１５０に関して説明したように、外殻６７５及びドック６３８は燃料処理装置６１５の熱管理利得にも貢献する。
【０１３７】
燃料処理装置６１５は圧縮力を提供するためにネジ７２６を含むが、改質器及びボイラ
の燃料処理装置内における位置を維持するべく力を付与するために、他の機械的手段が利用されることも企図される。例えば、ネジ７２６は圧縮力をチップセットへ与えるように構成されるばねクリップ又はシムと取り替えられてもよい。
【０１３８】
ドック６３８はまた、燃料処理装置６１５に対する気体及び液体連通のために入口及び出口ポートを含む。上述したポート６８１及び受口６８２を介して、ドック６３８は燃料処理装置６１５の外側から壁７２８ｂを通り改質器６３２へのメタノールの移送を許容する。同様に、上述したポート８７及び受口７０１を介して、ドック６３８は改質器から燃料処理装置の外部へ、ドックに含まれる壁を通り水素の移送を許容する。従ってドック６３８はまた、ドック６３８により保持される構成要素に対する気体及び液体の相互接続を提供する。
【０１３９】
図５は本発明の一実施形態に係る燃料処理装置の水素発生プロセスフロー５００を示す。燃料処理装置は燃焼器と、改質器と、燃焼器及び改質器を少なくとも部分的に収容するデュワーから構成される。本発明はこれまでデュワーについて、ここに説明する環状改質器及び燃焼器の構成に関して説明してきたが、ここに説明するデュワーはまた、他の改質器及び燃焼器の構成において熱を保持するのにも有用であることが予想される。多くの構造では平坦な燃焼器の上部又は下部に設けられる平面改質器を利用する。シリコンに加工されるマイクロ導管構成は一般にこのような積重ね平面構造を利用するとともに、ここに説明するデュワーから利益を得る。
【０１４０】
プロセスフロー５００は燃焼器において熱を発生させることにより開始する（５０２）。触媒燃焼器構造は上述したような、或いはシリコン上のマイクロ導管構成を含んでもよい。本発明への使用に適したマイクロ導管燃料処理装置の更なる説明は、発明者としてイアン・ケイ（Ｉａｎ  Ｋａｙｅ）の名前が挙げられると共に、本特許出願と同日に出願された「平面マイクロ燃料処理装置」と題された、一般に所有された同時係属特許出願に含まれる。この出願はあらゆる目的で参照することにより組み入れられる。燃焼器の触媒は、加熱燃料の存在下で発熱を促進する。燃焼器はまた、入力電流に呼応して熱を発生させる抵抗発熱素子を含む電気燃焼器を利用してもよい。
【０１４１】
空気はデュワーのポートへ流入すると共に、デュワー室を通過する（５０４）。図４Ａのデュワーでは、燃焼器３０及びデュワー１５０は壁を共有すると共に、空気は燃焼室１０５を通過する方向に少なくとも部分的に逆行する方向へ、デュワー室１５６を通過する。
【０１４２】
次に空気は、燃焼器で発生した熱を利用して、デュワー室内で加熱される（５０６）。熱は燃焼器３０からデュワー室１５６へ伝導熱伝達を介して移動する。熱はまた、燃焼器からデュワー室へ対流及び／又は放射熱伝達を介して移動する。デュワー室で一度、空気は燃焼室の壁から空気への対流熱伝達を介して一般的に加熱される。一実施形態において、デュワーは燃焼器と壁を共有すると共に、デュワー室内の空気は共有された壁からの熱を使用して加熱される。燃焼器壁からの熱はまた、デュワーの他の壁へ移動してもよく、熱が供給壁から別の共有されていないデュワー壁へ移動した後に、デュワー室において空気を加熱する。共有された壁と共有されていないデュワー壁の間を移動する熱は、接続された壁の間の伝導、或いは対向する壁の間の放射により伝達する。
【０１４３】
プロセスフロー５００は次に、空気がデュワー室で加熱された後に、その暖められた空気を燃焼器へ供給する（５０８）。一般的には燃料処理装置は、デュワー室への出口と燃焼器の入口とを、加熱された空気がそれらの間を通過するのを可能にする中間配管と共に含む。図２Ａに示す燃料処理装置では、燃焼器の両端においてデュワー１５０及び燃焼器３０の間の空間は、デュワーから燃焼器へ空気を経由させる。
【０１４４】
その空気は次に、熱を発生させるべく、触媒燃焼のために燃焼器で使用される。発生した熱は次に燃焼器から改質器へ伝達される（５１０）。改質器において、熱は次に水素を発生させるべく、燃料源の改質に使用される。
【０１４５】
プロセスフロー５００の最初の三要素（５０２，５０４及び５０６）はまた、燃料処理装置における熱管理方法を形成する。この場合、燃焼器において発生した熱は（５０２）デュワー内の空気へ移動する（５０４）。デュワー１５０は少なくとも部分的に、燃焼器等の燃料処理装置ハウジング内の構成要素を熱的に隔離すると共に、燃料処理装置内の熱を封じ込める。従ってデュワーは燃料処理装置からの熱損失を低減すると共に、燃焼器及びハウジング外面の間の温度勾配を管理するのを助ける。デュワーはまた、広大な及び／又は複数のデュワー室を収容し、空気はデュワー室を通過して、燃焼室において発生した熱により加熱される。図４Ａはデュワー及び燃料処理装置のハウジングの間に形成される第２デュワー室１５８を示す。空気は先ず室１５８を通過し、次にデュワー室１５６へ流入する。図４Ｄは広大なデュワー室４０８を含む螺旋状デュワーを示す。この場合デュワー２５０は、流入空気が燃焼器に近づくにつれて益々熱を供給する１個の壁を含む。図４Ｅは４個の部分的なデュワー室３０８を含むデュワー３００を示しており、各デュワー室は流入する空気を燃焼器に近づくにつれて順々に加熱する。図４Ｆは４個の環状同心矩形デュワー室４０８を含むデュワーを示しており、各デュワー室４０８は流入する空気が燃焼器へ移動するにつれて順々に加熱する。
【０１４６】
本発明を幾つかの実施形態に関して説明してきたが、簡潔にするために省略されてきた、本発明の範囲内にある変更物、置換物及び同等物がある。例えば、改質器３２は図３Ａに示すように面取りコーナを含むが、本発明は改質器３２に面取りが施されていないコーナを利用してもよい。また、本発明を大容積改質器３２を形成するモノリシック構造１００に関して説明してきたが、本発明はモノリシック構造に設けられる大容積改質器に限定されない。従って、本発明の範囲は添付の請求項を基準にして決定されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【０１４７】
【図１Ａ】本発明の一実施形態に係る電気エネルギ生産用燃料電池システムを示す図。
【図１Ｂ】本発明の特定の実施形態に係るＡの燃料電池システムの概略作動図。
【図１Ｃ】水素を燃料電池のアノード排ガスから燃料処理装置の燃焼器へ戻るように経由させるＡの燃料電池システムの一実施形態を示す図。
【図２Ａ】本発明の一実施形態に係り、図１Ａの燃料電池システムに使用される燃料処理装置を示す断面側面図。
【図２Ｂ】図１Ａの燃料電池システムに使用される燃料処理装置を示す燃料処理装置の中間面を通る断面前面図。
【図３Ａ】本発明の一実施形態に係り、図２Ａの燃料処理装置に利用されるモノリシック構造を示す断面前面図。
【図３Ｂ】本発明の別の実施形態に係る燃料処理装置に使用される管状構成の断面レイアウト図。
【図３Ｃ】本発明の一実施形態に係り、改質室を完全に取り囲む「Ｏ字形状」を有する単一の燃焼器を含む燃料処理装置のモノリシック構造を示す断面前面図。Ｄは図２Ａの燃料処理装置に使用される端板を示す外面図。Ｅは本発明の別の実施形態に係る燃料処理装置１５を示す図。
【図４Ａ】本発明の一実施形態に係り、図２Ａの燃料処理装置及びデュワーにより形成される空気の移動を示す側面断面図。
【図４Ｂ】図２Ａの燃料処理装置において、デュワーにより得られる熱管理利得を図示する前面断面図。
【図４Ｃ】図２Ａの燃料処理装置に使用されるデュワー壁により形成される熱経路を示す熱概略図。
【図４Ｄ】本発明の別の実施形態に係り、空気がデュワー壁を越えて流れる対流経路を増加させる燃料処理装置を示す断面図。
【図４Ｅ】本発明の別の実施形態に係るデュワーを示す図。
【図４Ｆ】本発明の別の実施形態に係り、モノリシック構造及び多通路デュワーを含む燃料処理装置を示す断面図。
【図４Ｇ】本発明の別の実施形態に係り、モノリシック構造及び多通路デュワーを含む燃料処理装置を示す断面図。
【図４Ｈ】Ｈは本発明の別の実施形態に係り、初期構造の間における巻き出し形状の渦巻状デュワーを示す図。Ｉ及びＪは本発明の２個の実施形態に係り、燃焼器の壁のウォッシュコートを示す図。
【図５】本発明の一実施形態に係り、燃料処理装置における水素発生プロセスフローを示す図。
【図６Ａ】本発明の一実施形態に係る燃料処理装置を示す上面図。
【図６Ｂ】図６ＡのＫ−Ｋ線における側断面図。
【図６Ｃ】図６ＡのＬ−Ｌ線における側断面図。
【図６Ｄ】図６ＡのＡ−Ａ線における側断面図。
【図６Ｅ】図６ＡのＭ−Ｍ線における側断面図。
【図６Ｆ】図６ＡのＮ−Ｎ線における側断面図。
【図６Ｇ】図６ＡのＢ−Ｂ線における前断面図。
【図６Ｈ】図６ＡのＣ−Ｃ線における前断面図。
【図６Ｉ】図６ＡのＤ−Ｄ線における前断面図。
【図６Ｊ】図６Ｇの部分拡大図。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図４Ｅ】
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【図４Ｆ】
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【図４Ｇ】
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【図４Ｈ】
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【図４Ｉ】
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【図４Ｊ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図６Ｅ】
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【図６Ｆ】
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【図６Ｇ】
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【図６Ｈ】
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【図６Ｉ】
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【図６Ｊ】
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【手続補正書】
【提出日】平成19年6月25日(2007.6.25)
【手続補正１】
【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】
燃料源から水素を製造する燃料処理装置であって、
前記燃料源を受け取るように構成されると共に水素を産出するように構成され、且つ水素の製造を促進する触媒を含む改質器と、
前記改質器が前記燃料源を受け取る前に該燃料源を加熱するように構成されたボイラと、
前記改質器へ熱を供給すると共に該改質器の周りに環状に配置されるように構成される少なくとも１個の燃焼器と
を含むことを特徴とする燃料処理装置。
【請求項２】
前記燃料処理装置は前記改質器及び少なくとも１個の燃焼器により共有されると共に、該少なくとも１個の燃焼器及び改質器の間における直交方向の伝導熱伝達を許容する非平面壁から成ることを特徴とする請求項１に記載の燃料処理装置。
【請求項３】
前記少なくとも１個の燃焼器は前記改質器の断面周縁を５０パーセントより多く取り囲むことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料処理装置。
【請求項４】
前記少なくとも１個の燃焼器は前記改質器の断面周縁を９０パーセントより多く取り囲むことを特徴とする請求項３に記載の燃料処理装置。
【請求項５】
前記改質器を収容する共に前記少なくとも１個の燃焼器を収容し、且つ該少なくとも１個の燃焼器が前記燃料源又は酸素を受け取る前に該燃料源又は酸素を受け取るように構成されたデュワー室を形成する一組のデュワー壁を含むデュワーを更に含むことを特徴とする請求項１乃至４に記載の燃料処理装置。
【請求項６】
前記燃料処理装置は、前記改質器、少なくとも１個の燃焼器及びボイラを画定する壁に含まれる共通の材料を有するモノリシック構造を含むことを特徴とする請求項１乃至５に記載の燃料処理装置。
【請求項７】
前記モノリシック構造は単一の押出し成形又は鋳込み成形で形成される金属から成ることを特徴とする請求項６に記載の燃料処理装置。
【請求項８】
燃料処理装置において水素を製造する方法であって、該燃料処理装置は燃焼器と、改質器と、該燃焼器及び改質器を少なくとも部分的に収容するデュワーとを含み、
前記燃焼器において熱を発生させる工程と、
プロセスガス又はプロセス液をデュワー室を通過させる工程と、
前記燃焼器で発生した熱を利用して前記プロセスガス又はプロセス液を前記デュワー室で加熱する工程と、
前記プロセスガス又はプロセス液が前記デュワー室で加熱された後に、該プロセスガス又はプロセス液を前記燃焼器へ供給する工程と、
前記燃焼器で発生した熱を前記改質器へ伝達する工程と、
水素を製造するために燃料源を改質する工程とを含むことを特徴とする方法。
【請求項９】
前記デュワー室のプロセスガス又はプロセス液は、前記燃焼器及びデュワーにより共有される壁からの熱を使用して加熱されることを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記燃焼器及びデュワー及び燃焼器により共有される壁からの伝導熱伝達を介して、前記熱は内部デュワー壁へ伝達することを特徴とする請求項９に記載の方法。
【国際調査報告】
2007524562.tif 000034