JP2005505097A - 燃料電池の水素発生器用の点火システム - Google Patents

燃料電池の水素発生器用の点火システム Download PDF

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Abstract

必要に応じて燃料電池の水素生成サイクルを始動させるための点火システムであって、隣り合う加熱器（１ｃ／ｈ、２ｃ／ｈ）／気化器（１ｖ、２ｖ）の関係で相互接続された熱交換器機能（１、２）を含み、そこではモジュール（１）内の第１の熱交換器区画（１ｃ／ｈ）が水素の豊富なガスの供給源（３）に接続されることで水素サイクル内で使用する液状炭化水素（４）の気化を開始するための初期エネルギー爆発を供給し、システムが立ち上がった後は、モジュール区画（１）が不活化されるか、または水素生成サイクル内に集積化されることが可能である。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用の水素供給源を供給するために使用される水素発生処理のための点火システムに関する。マイクロ構成要素の開始モジュールが供給される。概して、本発明は貯蔵された水素の少量の燃焼から由来する瞬時の爆発を伴なう水素発生燃料電池システムに着手する。いったん始動すると、必要に応じて所定の量で分離型または可動性の供給源が望まれる自動車およびその他の拡張可能な電力要求物用の燃料電池を作動させるために集積システムが水素ガスを生成する。
【背景技術】
【０００２】
水素燃料電池は非汚染型で高効率の電力源である。例えば、「Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ Ｇｒｅｅｎ Ｐｏｗｅｒ」、Ｌｏｓ Ａｌａｍｏｓ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ、Ｕ．Ｓ．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｅｎｅｒｇｙ、１９９９年＜ｗｗｗ．ｅｒｅｎ．ｄｏｅ．ｇｏｖ／ＲＥ／ｈｙｄｒｏｇｅｎ＿ｆｕｅｌ＿ｃｅｌｌｓ．ｈｔｍｌ＞を参照されたい。それらの望ましい特性にもかかわらず、車両にとって適切なサイズおよび動作特性（例えば迅速な始動と停止）を有する便利で安全かつ可動性の水素供給源あるいはその他可動性もしくは所定の出力要求量が利用可能ではないために自動車および輸送用途における燃料電池の使用は遅れている。
【０００３】
【非特許文献１】
「Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ Ｇｒｅｅｎ Ｐｏｗｅｒ」、Ｌｏｓ Ａｌａｍｏｓ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ、Ｕ．Ｓ．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｅｎｅｒｇｙ、１９９９年＜ｗｗｗ．ｅｒｅｎ．ｄｏｅ．ｇｏｖ／ＲＥ／ｈｙｄｒｏｇｅｎ＿ｆｕｅｌ＿ｃｅｌｌｓ．ｈｔｍｌ＞
【非特許文献２】
「Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒ」、２０００年９月、７８頁以降
【特許文献１】
係属出願の出願番号０９／８０３，５９２号
【特許文献２】
係属出願の出願番号０９／６２７，２６７号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、電力発生用燃料電池に供給するための水素ガスを発生するサイクルのために必要に応じて点火システムを供給することである。本発明のさらなる目的は、信頼性があり、便利、安全、かつ自動車、移動電話、およびその他の必要に応じて始動が要求される分離型低電力要求用途に使用される燃料電池システムに適した点火システムを供給することである。
【０００５】
先行技術は、とりわけ、連続サイクルが始動可能になる前の開始モードで長時間を必要とするために自動車で使用することが困難な水蒸気改質水素処理システムを考慮している。「Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒ」、２０００年９月、７８頁以降を参照されたい。自動車または他の移動型電力源の始動時の遅れおよび困難性は、そのような用途では必要に応じた使用が前提条件であるために、技術の受容可能性に悪影響を与える。水素貯蔵の必要性が同様に自動車、移動電話およびその他の消費者の燃料電池の使用を遅らせてきた。
【０００６】
本発明の一目的は、燃料電池の積層体を伴なって使用される水素発生システムのガス生成サイクルを始動するための開始モジュールを供給することである。好ましい実施形態では、自動車、移動電話およびその他必要に応じた即時性の用途で水素燃料電池を作動させる水蒸気改質処理のための信頼性があって効率的な高速始動を可能にする装置を供給することが目的である。燃料電池システムで、本発明は水素生成サイクルを開始するために充分なエネルギーの即時性の爆発を供給し、かつシステム内の水素貯蔵に関する容積および量の必要性を削減する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明では、外部供給源から入る少量の水素ガスが触媒反応で爆発させられることで液状炭化水素を気化して燃料電池システム内の水素生成処理を本質的に即時に開始するための熱源を供給する。いったん開始されると、システム内の連続的に均衡を保たれる反応サイクルがガソリン（イソオクタンＣ８Ｈ１８成分で模範例が示される５０種以上の混合物）のような液状炭化水素と水を、燃料電池を作動させるための水素（Ｈ２）の豊富なガス燃料へと変換する。
本発明は、図面を見ながら考察される好ましい実施形態の以下の説明でさらに充分に述べられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明は、燃料電池を作動させるために水素を供給する水蒸気改質システムもしくは自動熱システム内の反応を始動するための点火システムもしくは開始モジュールである。貯蔵された水素少量の燃焼から達成されるエネルギーの即時性の爆発が水素生成サイクルを始動させる。本システムは、層流の流体流を方向付ける１つまたは複数の側方に隣接する通路内で生じる気化器および熱交換器の機能を有する一対のモジュールまたは単一のモジュールを利用する。システム内で水素と炭化水素のための流路と相互接続された調節バルブが点火処理を制御する。図１は、２マイクロ構成要素の熱交換器（「ＨＥＸ」ユニット）１と２を含み、それぞれが水素３と液状炭化水素４の貯蔵装置に制御バルブＶａ、Ｖｂ、ＶｃおよびＶｄによって相互接続された気化器１ｖと２ｖおよび燃焼器／加熱器１ｃ／ｈと２ｃ／ｈ区画を有するシステムの実施形態を示す。点火システムは、開始時およびその後に水素発生／燃料電池連鎖系のために気化炭化水素６を供給するように水素発生／燃料電池連鎖系に操作可能に相互接続される。開始後に、点火ＨＥＸユニット２は水素発生／燃料電池連鎖系から燃料電池のオフガス５を受け取ることで炭化水素気化器のための燃焼熱エネルギーを供給する。
【０００９】
開始時に、バルブＶｃが開くことで付随する水素発生／燃料電池連鎖系が始動するまでの限定された期間について水素流が点火モジュール内に導入される。水素が触媒反応で燃焼することで第１のＨＥＸユニット１の加熱器側１ｃ／ｈに導入される熱を供給する。バルブＶａが開き、液状炭化水素がユニット１の気化器側１ｖへと方向付けられる。気化炭化水素がバルブ１ｖへと流出し、触媒反応で燃焼させられる気化炭化水素をＨＥＸユニット２の２ｃ／ｈ側へと方向付けるためにバルブＶｄが切り換えられる。燃焼は１ｃ／ｈおよび２ｃ／ｈの手前または内部で生じる可能性がある。発生した燃焼熱が、バルブＶｂを開くことで気化器側２ｖに導入される液状炭化水素を気化させる。２ｖ内の気化炭化水素の主要割合６が燃料電池用の水素発生システムへと方向付けられ、約３質量％から約１２質量％の程度の気化炭化水素の少量割合７がユニット２の加熱器／燃焼器側２ｃ／ｈへと循環される。水素発生システムがいったん始動すると、バルブＶａとＶｃが閉じられ、ＨＥＸモジュール１が不活化される。ＨＥＸユニットに導入される熱エネルギーのための燃焼源を供給するために、熱交換器２の加熱器／燃焼器２ｃ／ｈの側に向けられた炭化水素流の中に燃料電池のオフガス５が導入される。
【００１０】
水素の貯蔵源から由来する入り口オリフィスが触媒反応で燃焼させられる少量の水素を導くことで初期の始動用熱エネルギーを供給する。同時に液状炭化水素が、熱交換器ユニット中の気化器内に導入され、水素生成システム内の処理のために気化される。燃料電池のオフガス中の成分といった貯蔵水素が、気化器を加熱するためのスタータ始動剤として使用される。貯蔵水素の或る量が供給原料中の気化炭化水素と混合されて水素改質システム内の燃焼器加熱器へと向けられることもやはり可能である。
【００１１】
少量の外部水素の初期燃焼が水素生成サイクルを開始する。いったん開始すると、水素生成／燃料電池連鎖系の反応剤の化学量論的な量が、所定のサイクルに従ってシステムが走るときに燃料電池から引き出される電力に関係なく低圧の動作サイクルで均衡を保って維持される。本点火システムは、特に、２００１年３月９日出願の著者らの係属出願の出願番号０９／８０３，５９２号に記載されている水蒸気改質の燃料電池システムで使用するのに適しているが、しかし本点火システムは自動熱システムに適合する可能性がある。本スタータは水素によってエネルギー活性化されるか、そうでない場合は水蒸気改質装置の近くに保存される点火ステージの燃焼器を有する。いったん動作すると、水素生成サイクルのための燃料源は燃料電池のオフガス、炭化水素、および水を含み、モジュールの開始機能が燃料電池システムの一要素として要求されることはない。
【００１２】
本発明の点火システムと相互接続された移動電話の燃料電池の範例を図１Ａに示す。水蒸気改質装置を基本とする燃料処理システム１０は燃料電池の積層体１１と相互接続され、それが今度は逆にオフガス・バッファ１２と接続する。水蒸気改質システムはそのサイクルから由来する燃料電池のオフガスを利用してシステム内の燃焼器と熱交換器の装置（例えばユニット１０ｃとＨＥＸユニット１４の区画１４ｃ）で使用するための燃焼と熱エネルギーを供給する。水素生成システムは水源１５（これは燃料電池のオフガスから由来する貯蔵再生凝縮物を含む可能性がある）および炭化水素貯蔵ユニット１６を含む。炭化水素タンク１６はスタータ２０および水素改質システムに操作可能に相互接続される。第１の実施形態のスタータ２０は一対のマイクロ構成要素の気化器／燃焼器式熱交換器ユニット２１と２２を含み、各々が分離して隣り合う燃焼器２１ｃと２２ｃおよび気化器２１ｖと２２ｖ区画を有する。スタータは、点火システムとそれに関連する水素生成サイクルの相互接続を制御するようにシステム内で水素と炭化水素の流量を調節するための制御バルブＶ１、Ｖ２、Ｖ３およびＶ４を含む。
【００１３】
作動された燃料電池の積層体１１は、システム内で循環されるＨ２、ＣＯ２、および水蒸気（Ｈ２Ｏ）を含むオフガスを発生する。特異的なＨ２サイクルは、分離型燃料電池ユニットの一部であるが、本発明の重要な要素ではない。スタータ２０は集積モジュールとして設けられる。好ましい実施形態では、熱交換器の区画の内部構造は、本出願の譲受人によって所有され、ここで参考資料で全文を取り入れられる２０００年７月２８日出願の係属出願の出願番号０９／６２７，２６７号と２００１年３月９日出願の出願番号０９／８０３，５９２号で述べられている。
【００１４】
図１Ａに示したように、スタータ２０は一対のマイクロ構成要素の熱交換器ユニット２１と２２を含み、各々が気化器２１ｖと２２ｖ区画と隣り合う燃焼器区画２１ｃと２２ｃを有する。
【００１５】
開始モジュール２０は、液状炭化水素（例えばガソリン）供給源１６および外部のＨ２供給源または、そうでなければシステムの循環系の中で発生および再生されるＨ２成分を有する貯蔵した燃料電池オフガスであることも可能なＨ２ガス供給源１８と相互接続される。必要であれば設けられる燃料電池サイクル内のオフガス用のバッファ・タンクは１２で示される。バルブＶ１、Ｖ２、Ｖ３およびＶ４は点火システムおよびその水素改質装置／燃料電池システムとの相互接続を制御する。
【００１６】
点火時に、バルブＶ１がバルブＶ２と同時、もしくは少し前に開かれる。バルブＶ１の開動作は貯蔵されたＨ２を貯蔵ユニット１８から熱交換ユニット２１の燃焼器区画２１ｃへと導入し、そこで触媒反応による水素の燃焼によって熱エネルギーが即時的に作り出される。液状炭化水素がタンク１６から隣接する気化器区画２１ｖ内に導入され、同様に即時的に気化され、開いたバルブＶ３を通って熱交換モジュール２２の燃焼器区画２２ｃに進み、そこで開いたバルブＶ１によって可能となる液状炭化水素の追加の流量が気化器区画２２ｖに導入される。区画２２ｖ内で、炭化水素が気化され、その一部が今度は逆に燃焼器区画２２ｃに導入される。バルブＶ４は気化炭化水素の一部の燃焼器２２ｃへのフィードバックおよび水素発生燃料電池サイクル内への気化炭化水素の導入を可能にし、そこで気化炭化水素の燃焼が水蒸気改質反応を始動させるのに充分な熱を発生する。サイクルの開始後に、バルブＶ１が気化器２１ｖへの炭化水素の流れを閉じ、バルブＶ２が閉じて燃焼器２１ｃへの水素の流れを終了させる。気化器２１ｖへの逆流を防止するためにＶ３が閉じられる。Ｖ１は気化器２２ｖへの液状炭化水素の流れを可能にし続け、そこでは、いったん水蒸気改質または自動熱サイクルが始まると、バルブＶ４を通して導入され、気化炭化水素の或る割合と混合された燃料電池のオフガスを含む水素が、燃料電池サイクルの動作時のシステム内の燃焼器のためのエネルギー源を供給する。図１Ｂは点火ユニットと自動の熱的水素生成サイクルの相互接続を示すものであり、追加の気化器１４’／燃焼器１４ｃ’のＨＥＸユニットを示している。
【００１７】
表１は、システム内の２つのＨＥＸユニット２１と２２のマイクロ構成要素の熱交換器の特性を与える。それぞれのモジュール区画を分離するセパレータ波板の機能およびその上の触媒を記載している。
【００１８】
表１ ： モジュール区画特性
Figure 2005505097
【００１９】
図２Ａは、熱交換マイクロ構成要素群とバルブ群を含むユニットとしての点火システムを例示しており、本システムの相互接続は、水素生成システム、および点火システムと共に使用される燃料電池装置から分離している。図２Ｂは本システムの適応を示しており、そこではＨＥＸユニットの加熱器側が触媒を含んでいない。水素供給源とＨＥＸユニットの１ｈ側への流路の間に金属発泡体触媒１ｍ（触媒材料で充満された金属発泡体）のユニットがあり、それが水素の燃焼を始動させる。ユニット１ｍ内の触媒反応による水素の燃焼から由来する熱は、この範例では交換器内の波板の反対側に導入される液状炭化水素の気化を誘発させるための単なる熱交換器として機能するマイクロ構成要素のＨＥＸ装置の１ｈ側に導入される。
【００２０】
図３Ａはシステムのスタータとして利用される単一ユニットのマイクロ構成要素を描いている。上記の実施形態のように、このマイクロ構成要素の熱交換器アセンブリは、アセンブリ内の波板セパレータの対向する両側で層流の流路に接続された入り口および出口ポートを供えたエンクロージャを有する。図３Ａの実施形態では、点火ユニットは、ＨＥＸユニットの対向する両側で燃焼器３０ｃと気化器３０ｖの区画を備えた熱交換器モジュール３０を含む。バルブＶ３５はシステム内への炭化水素の流量を制御する。ＨＥＸユニットの対向する両側は互いに相互接続され、バルブＶ３１とＶ３２によって燃料電池システムと相互接続される。開始時のユニットに対する水素と炭化水素の別々の供給はバルブＶ３１とＶ３５によって制御される。開始時に、Ｖ３１とＶ３５が開いてＨＥＸユニット３０の対向する両側で触媒燃焼器３０ｃへの水素流入と気化器３０ｖへの炭化水素流入を可能にする。いったん燃料電池システムが稼動するとＶ３１が閉じて水素の導入を遮断するが、しかし燃焼器３０ｃへの燃料電池オフガスの導入を可能にするために開く。気化器３０ｖを通る炭化水素の流れは、気化炭化水素の一部が調節バルブもしくはバルブ群３２によって制御される燃焼器３０ｃにフィードバックされながら継続する。気化炭化水素の大部分は燃料電池システムへと導入され、そこで気化炭化水素の一部は水蒸気もしくは自動の熱的改質装置内で処理され、さらなる部分は本システムのための熱エネルギーを供給するためにオフガスと混合される。図３Ａの装置は、水素と炭化水素の両方で有用な燃焼触媒を３０ｃ側で必要とする。
【００２１】
図３Ｂは図３ＡのＨＥＸ構造の代替となる実施形態を示しており、ＨＥＸユニットに先行して水素および炭化水素と共に使用される金属発泡体触媒燃焼器３１ｍと３３ｍをさらに含む。ここで、ＨＥＸユニットの３０ｈ区画は触媒活性ではないが、しかしＨＥＸユニットの気化器区画３０ｖのための熱交換器の一方の側として機能する。
【００２２】
図４Ａは燃焼器／気化器／燃焼器型マイクロ構成要素の開始装置のサンドイッチ型アセンブリを示している。表２はモジュールの区画の機能を特定し、それぞれのモジュール区画を分離するセパレータ波板の側部上の触媒を区別している。
【００２３】
表２ ： モジュール区画特性
Figure 2005505097
【００２４】
図４Ｂは図４ＡのＨＥＸ構造の代替となる実施形態を示しており、加熱器／気化器／加熱器型モジュール４０の加熱器側４０ｈＨと４０ｈＨＣへの流入に先行して４０ｃＨ（水素）と４０ｃＨＣ（炭化水素）の一方もしくは両方の流れの中で使用される金属発泡体の燃焼触媒をさらに含む。同様に、図４Ｃは、気化器モジュールへの水素と炭化水素の流れの中で炎もしくは火花で始動される燃焼器４０ｆＨと４０ｆＨＣを備えた実施形態を示している。これらの実施形態では、燃焼器（群）によって先行されるＨＥＸユニットの側部（群）は触媒活性ではないが、しかしＨＥＸユニットの気化器区画のための熱交換器内の加熱器として機能する。
【００２５】
様々なマイクロ構成要素の熱交換器モジュール・アセンブリの構造が図５Ａと５Ｂに示されており、図１Ａと１Ｂおよび２Ａと２Ｂ（２１と２２）および図３Ａと３Ｂ（３０）に相当する。これらのユニットはモジュールの波板の対向する両側で別々の区画に方向付けられた別々の層流の流体流を与える。このモジュールは上部、底部および側部（明瞭化の目的で正確な図面を図示しない）を備えたエンクロージャを含む。各々の燃焼器または気化器は流体流の導入と排出のための入り口と出口のオリフィスを有する。図５Ａはモジュール実施形態５０の断面図であり、上部５１、底部５３、および側部５２と５４を有するエンクロージャを示している。（前と後ろの側部は図示せず）図５Ｂのモジュールの図で、上部の入り口と出口のオリフィスは５１Ｉと５１Ｏで示され、底部側５３の入り口と出口のオリフィスが同様に構成される。波板セパレータ５５はモジュールを、板の対向する両側で加熱器／燃焼器５５Ａと気化器５５Ｂの区画に分離し、そこでユニット内の層流の流体流が生じる。
【００２６】
設計パラメータに応じて、個々のモジュール区画に関するモジュール区画を通る層流の流体流は同じ方向（共通流）または反対方向（逆流）であることが可能である。ユニット内の微細通路は所定のポイント・ツー・ポイントの分離を有し、最大表面積にわたって流体流が通過するのを可能にする最大深さ（高アスペクト比）を有するように最適設計される。これらの範例で言及したように、波板通路の側部は触媒コーティングを含むこともまたは含まないことも可能である。図５Ｃは、気化器側５５Ｖの反対側の通路壁の燃焼器側５５Ｃで触媒コーティングを備えた通路区画を示している。通路の長さは流体の区切りの対流時間を決定し、それは他方では通路内の圧力変化に応じて決まる。２５０ミクロン＋／−５０ミクロンの公称通路隙間を備えた代表的な通路ユニットでは、図５Ｄおよび図５ＥでＷ：Ｄとして示される通路幅と深さのアスペクト比は、通路内の表面積が設計パラメータとして最大化されるように１：１０から１：１００の範囲にあることが可能である。
【００２７】
燃焼区画は、図２Ｂと３Ｂの実施形態で言及したように、燃焼を誘発させるための触媒を含む。触媒燃焼器は、ＨＥＸ炭化水素気化器の加熱器区画で燃焼が生じる必要性を排除するようにモジュールに先行することが可能である。そのような実施形態では、モジュールは波板セパレータの両側で触媒の無いマイクロ構成要素の熱交換器である。
【００２８】
図６Ａ、図６Ｂおよび図６Ｃは熱交換器の気化器／燃焼器ユニットのサンドイッチ型アセンブリを例示している。図６Ａは、図５Ｂに示したようなＨＥＸモジュールの積層化されるかまたは隣接するユニット５０と５０’を示している。図６Ｂと図６Ｃは燃焼器／気化器／燃焼器アセンブリの断面図と拡大図であり、そこでは２枚の別々の波板６５と６６が図４Ａに関して説明したようなユニットの動作区画６０ｃＨ（水素燃焼器）、６０ｖ（炭化水素気化器）および６０ｃＨＣ（炭化水素燃焼器）を規定している。適切な面板マニホールドが流体流をユニットの中央気化区画へと導入する。図６Ｃの範例では、燃焼器−加熱器／気化器および燃焼器−加熱器の区画それぞれに関する入り口と出口のオリフィスが６１Ｉと６１Ｏ、６５Ｉと６５Ｏおよび６３Ｉと６３Ｏで示される。流れは隣り合う通路区画で両方向に、物理的に共通流または逆流であることが可能であるので、入り口と出口は流体流の方向を限定する用語として意図されるわけではない。同様に、示したオリフィスは、ＨＥＸモジュールの指定された区画のそれぞれの通路内に流体流を適切に方向付ける交互に形成された開口および／またはマニホールドを含むことが可能である。上記で検討したように、例えば図２Ｂ、３Ｂ、４Ｂおよび４Ｃに示したように水素もしくは炭化水素の燃焼器がそれぞれの加熱器側に先行するとき、触媒はＨＥＸモジュールの加熱器側通路に含まれることを必要としなくなる可能性がある。
【００２９】
ガソリンのような燃料が本システムで使用するのに好ましい炭化水素であり、なぜならばその広汎な生産と流通のネットワーク、その一般的な入手可能性および水素改質処理の供給原料としての実用性のためである。開始モジュールは、増分の設計ユニットがユニット区画内の通路の数によって決定される変化する要求性に合致するようなマイクロ構成要素として規模設定することが可能である。流体流は１００ｐｓｉ未満の差圧降下の程度の圧力差の結果として通路を通って導入される。燃料電池システムの排気から凝縮される形の水は、炭化水素成分が減圧で導入されるときにポンプを通じて導入される。システム内の反応の均衡は、反応の均衡がとられるように流体流を維持するためにポンプとコンプレッサの圧力を多様に調節することによって達成される。
【００３０】
本発明を詳細に説明してきたが、本開示を前提とすると当業者は、ここに述べた発明の概念の精神から逸脱することなく本発明に改造が為され得ることを理解するであろう。むしろ、本発明の範囲が添付の特許請求項によって決定されることを意図する。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】点火システムの実施形態の概略図である。
【図１Ａ】燃料電池を作動させるために水素を生成するための水蒸気改質処理と関連させて点火システムを示す概略図である。
【図１Ｂ】燃料電池を作動させるための自動熱システムの水素と関連させて点火システムを示す概略図である。
【図２Ａ】（ａ）水素ガスと液状炭化水素の開始供給源、および今度は逆に（ｂ）水素生成／燃料電池連鎖系と相互接続された２マイクロ構成要素の燃焼器／気化器式熱交換器ユニットを備えた点火システムを示す図である。
【図２Ｂ】図２Ａのシステムの代替となる実施形態を示す図であって、触媒反応による水素の前置き燃焼器が熱交換ユニットにエネルギーを供給する。
【図３Ａ】開始のために少量で使用される水素の供給源および炭化水素燃料供給源と相互接続された単一マイクロ構成要素の燃焼器／気化器式熱交換器ユニットを備えた点火システムの範例を示す図である。
【図３Ｂ】図３Ａのシステムの代替となる実施形態を示す図であって、熱交換器ユニットの前に水素と炭化水素の前置き燃焼器を含む。
【図４Ａ】２つの燃焼器／気化器の熱交換器ユニットを単一の構成成分に組み合わせた集積モジュールを備えた実施形態を示す図である。
【図４Ｂ】２つの加熱器／気化器の熱交換器ユニットを単一のシステムに組み合わせた集積モジュールを備えた実施形態を示す図であって、加熱器／気化器／加熱器モジュールに向かうそれぞれの流路に水素もしくは炭化水素または両方のための金属発泡体の燃焼器を有する。
【図４Ｃ】システム内で集積化された加熱器／気化器／加熱器の熱交換器ユニットを備えた実施形態を示す図であって、それぞれの流路に水素もしくは炭化水素または両方のための炎燃焼器を有する。
【図５Ａ】波板の熱交換器組み立て体の断面図である。
【図５Ｂ】波板の熱交換器組み立て体の透視図（側部を除去）である。
【図５Ｃ】セパレータの一方の側に触媒を備えた波板の通路区画の詳細図、および通路幅対通路深さのアスペクト比である。
【図５Ｄ】波板の通路の図である。
【図５Ｅ】角度のある通路の図である。
【図６Ａ】加熱燃焼器／気化器／加熱燃焼器構造を備えた２枚の波板モジュールの実施形態の断面図である。
【図６Ｂ】加熱燃焼器／気化器／加熱燃焼器構造を備えた２枚の波板モジュールの実施形態の断面図である。
【図６Ｃ】加熱燃焼器／気化器／加熱燃焼器構造を備えた２枚の波板モジュールの実施形態の拡大図である。

Claims (25)

  1. 燃料電池システムを作動させるために水素ガス生成サイクルの開始を必要に応じて始動させるためのモジュールであって、
    内部のセパレータの対向する両側で層流の流体流を方向付ける微細通路を中に有する共同作用するように係合可能なマイクロ構成要素の熱交換器を含み、該熱交換器が切り換え可能な水素供給源および液状炭化水素供給源と次の関係、すなわち
    開始モードで、第１の熱交換器の第１の側が水素供給源と相互接続され、第１の熱交換器の第２の側が液状炭化水素供給源と相互接続され、それによって、スイッチを開くと水素と炭化水素が熱交換器のそれぞれ第１および第２の側に導入され、中に導入される炭化水素を気化させるために第１の側が即時的な熱エネルギーを第２の側に供給し、かつ第２の側が、気化炭化水素が第２の熱交換器の第１の側に導入されることでその第２の側に熱エネルギーを供給してその第２の側に導入される炭化水素を気化させるように第２の熱交換器と相互接続され、
    第２の熱交換器の第２の側が、第２の側から出る気化炭化水素がその中の燃焼器のためのエネルギー供給源として、かつ水素生成のための供給原料成分として水素生成サイクル内に導入されるような関係でガス生成サイクルと相互接続され、その後、ガス生成サイクルが始動すると第２の熱交換器の第１の側が燃料電池システムから由来するオフガスに接続され、第１の側に向かう水素の流れと第１の熱交換器の第２の側に向かう炭化水素の流れが遮断されるような関係で動作可能なように相互接続されるモジュール。
  2. 少なくとも１つの前記熱交換器の一方の側が熱エネルギー発生のための燃焼器を含み、かつ触媒を含む、請求項１に記載の開始モジュール。
  3. 前記燃焼器が層流の流体流を方向付けるための微細通路を含み、そこでは通路の側部区分が触媒でコーティングされる、請求項２に記載の開始モジュール。
  4. 前記燃焼器が、熱交換器と相互接続された金属発泡体の触媒モジュールを含む、請求項２に記載の開始モジュール。
  5. 前記燃焼器が火炎燃焼器を含む、請求項２に記載の開始モジュール。
  6. 前記触媒がプラチナおよびパラジウムのうちの１つまたは複数から選択される、請求項２または３または４に記載の開始モジュール。
  7. 水素が触媒モジュール内で燃焼し、燃焼から出る熱エネルギーが第１の熱交換器の第１の側へと導入される、請求項４に記載の開始モジュール。
  8. 前記水素ガス生成用反応器が水蒸気改質装置である、請求項１に記載の開始モジュール。
  9. 前記水素ガス生成用反応器が自動熱式改質装置である、請求項１に記載の開始モジュール。
  10. 共同作用するように係合可能な前記熱交換器が２つの別々に封入されたユニットを含み、各々が波板で分けられた中央容積を有し、そこでは波板の一方の側の容積が加熱器通路を含み、波板の反対側が気化器通路を含む、請求項１に記載の開始モジュール。
  11. 共同作用するように係合可能な前記熱交換器が、隙間を開けて同じエンクロージャの容積内に配置された一対の波板セパレータを含み、該セパレータが波板の対面する側の間に配置された中央の気化器区画を規定し、かつ第１と第２の燃焼器／加熱器区画を波板の反対側に面する側に分離する、請求項１に記載の開始モジュール。
  12. 第２の熱交換器の第２の側から出る前記気化炭化水素の少量部分が第２の熱交換器の第１の側に導入され、その反対側の気化器のためのエネルギー源を供給する、請求項１に記載の開始モジュール。
  13. 前記気化炭化水素の少量部分が約３質量％から約３質量％の程度である、請求項１２に記載の開始モジュール。
  14. 第２の熱交換器の第２の側から出て第２の熱交換器の第１の側に導入される前記気化炭化水素の少量部分が燃料電池のオフガスと混合される、請求項１２に記載の開始モジュール。
  15. セパレータ内に形成された前記微細通路が１：１００未満の幅対深さのアスペクト比を有する、請求項１に記載の開始モジュール。
  16. セパレータ内に形成された前記微細通路が１：１０よりも大きい幅対深さのアスペクト比を有する、請求項１に記載の開始モジュール。
  17. 燃料電池システムを作動させるために水素ガス生成サイクルの開始を必要に応じて始動させるためのモジュールであって、
    内部のセパレータの対向する両側で層流の流体流を方向付ける微細通路を中に有するマイクロ構成要素の熱交換器を含み、それが切り換え可能な水素供給源および液状炭化水素供給源と次の関係、すなわち
    開始モードで、熱交換器の第１の側が水素供給源と相互接続され、熱交換器の第２の側が液状炭化水素供給源と相互接続され、それによって、スイッチが開くと水素と炭化水素が熱交換器のそれぞれ第１および第２の側に導入され、中に導入される炭化水素を気化させるために第１の側が即時的な熱エネルギーを第２の側に供給し、第２の側がさらに、気化炭化水素の少量部分が熱交換器の第１の側に導入されることで反対側に熱エネルギーを供給し、第２の側から出る気化炭化水素の多量部分が中の燃焼器のためのエネルギー供給源として、かつ水素生成のための供給原料成分として水素生成システム内に導入されるような関係で第１の側と相互接続され、
    その後、ガス生成サイクルが始動すると熱交換器の第１の側が燃料電池システムから由来するオフガスに接続され、第１の側に向かう水素の流れが遮断されるような関係で相互接続されるモジュール。
  18. 前記気化炭化水素の少量部分が質量で約３％から約３％の程度である、請求項１７に記載の開始モジュール。
  19. 前記熱交換器の第１の側が触媒を含む、請求項１７に記載の開始モジュール。
  20. 触媒燃焼器が水素供給源または炭化水素供給源の間に挿入される、請求項１７に記載の開始モジュール。
  21. 前記触媒燃焼器が水素供給源と炭化水素供給源の間に挿入される、請求項１８に記載の開始モジュール。
  22. 火炎燃焼器が水素供給源および炭化水素供給源のうちの１つまたは複数の間に挿入される、請求項１７に記載の開始モジュール。
  23. 触媒がプラチナおよびパラジウムのうちの１つまたは複数から選択される、請求項１７に記載の開始モジュール。
  24. 触媒燃焼器が金属発泡体を含むモジュールを有する、請求項１８に記載の開始モジュール。
  25. 前記金属発泡体がプラチナおよびパラジウムのうちの１つまたは複数を含む、請求項２４に記載の開始モジュール。
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