KR20060007376A - 급속 시동 연료 개질 시스템 및 기술 - Google Patents

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steam
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그레그 에이. 휘야트
크리스토퍼 엠. 피셔
제임스 엠. 데이비스
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바텔리 메모리얼 인스티튜트
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Abstract

탑재형 연료 처리기는 마이크로채널 증기 개질 반응기(30) 및 연소 개스와 직렬로 가열된 물 증발기(40)를 구비한다. 개질기(30)와 증발기(40)는 모두 연소 측의 낮은 압력 강하를 허용하는 교차-유동 패널 구성이다. 연료는 증기 안으로 직접적으로 분사되며, 급속 냉간 시동 동안에, 연소 개스 유동 비율과 탄소에 대한 증기의 비율은 정상 상태 작동 값에 비하여 실질적으로 증가된다. 급속 냉간 시동은 관리 가능한 양의 전력 소비와 함께 30 초 이내에서 달성될 수 있어서, 자동차 연료 전지의 적용예들에서 사용되는데 따른 장애를 제거한다.

Description

급속 시동 연료 개질 시스템 및 기술{Rapid start fuel reforming systems and techniques}
본 출원은 2003.5.16. 자로 제출된 미국 가출원 제 60/471,130 호 및 2004.2.18. 자로 제출된 제 60/546,107 호에 의한 우선권을 주장한다.
본 발명은 일 형태에 있어서 연료 전지에 수소 농후 연료 흐름을 제공하기 위한 연료 재생 시스템에 관한 것이며, 보다 상세하게는 급속한 시동과 효율적인 작동이 가능한 시스템에 관한 것이다.
연료 전지들은 연료와 산소의 전기 화학적 반응으로부터 에너지를 발생시키는 장치이며, 이들은 높은 효율과 상대적으로 환경 친화적인 부산물 때문에 현저한 대체 에너지로 간주된다. 많은 연료 전지들이 전지용 연료로서 수소를 사용하도록 설계되고 있지만, 차량에서의 용도나, 또는 휴대용 발전기, 보조 동력 유니트(auxiliary power unit; APU) 또는 백업 동력 공급부와 같은 많은 적용예에 대하여, 다량의 필요한 수소 개스를 생산하고 그리고/또는 저장하는 것이 현재 실질적이지 않다. 이러한 문제점을 해결하도록, 보다 용이하게 이용 가능하거나 또는 쉽게 저장된 소스로부터 필요시에 수소를 생산하는 시스템들이 개발되고 있다.
그러한 접근들중 하나는 탄화수소 연료를 사용 가능한 산소로 처리하거나 또 는 개질시키는(reforming) 것을 포함한다. 그러한 접근의 장점은 탄화수소 연료가 전체적으로 저장이 용이하고, 현저한 분포의 기반 시설이 몇 가지 유용한 탄화수소들, 예를 들면, 개솔린, 디이젤 연료, 천연 가스등을 위하여 이미 존재한다는 것이다. 통상적으로 채용된 주요 탄화수소 개질 반응은 적절한 산소의 산출을 달성하도록 현저한 양의 가열 및/또는 상승된 반응 온도를 필요로 한다. 이러한 높은 온도들 및/또는 열의 필요성은, 연료 전지가 생산된 수소로부터 유용한 에너지의 생산을 개시할 수 있기 전의 개시 및, 기간 지속 동안에 에너지 소모의 비율과 같은, 시스템 개시에 대한 문제점을 나타낸다.
예를 들면, 증기 개질 반응은 통상적으로 촉매의 존재 하에 탄화수소를 일산화탄소와 수소로 산화시키도록 증기를 사용한다. 증기 개질은 강력한 흡열 반응이고 통상적으로 수소의 평형 산출을 향상시키고 그리고 역동성을 향상시키기 위하여 고온에서 수행된다. 증기 개질에 기초한 연료 처리 시스템은 자동차에 대한 적용을 위해서 본 발명자들에 의해 개발되었다 (2002 AIChE Spring National Meeting에서의 G. A. Whyatt 등의 Progress on the Development of a Microchannel Steam Reformer For Automotive Application 참조). 그러나 이러한 시스템은 주위 온도로부터 합리적인 증기 개질의 비율이 달성되었을 약 650°의 작동 온도로 시동하는데 20 분 정도의 시간이 소요되었다. 이것은 상업적인 실용성을 저해하며 미국 에너지성에 의해 설정된 탑재 연료 프로세서에 대한 시동 시간인 1 분 X 2005 및 30 초 X 2010 미만의 시간을 맞추지 못한다. 따라서, 향상을 필요로 하는데, 본 발명의 개시된 바는 극적으로 단축된 시동 시간이 가능한 증기 개질에 기초한 연료 처리 시 스템을 설명한다.
그러나, 본 발명이 출원인의 선행의 자동 증기 개질을 위한 시동 시간을 감소시키려는 노력으로부터 이루어졌을지라도, 본 발명이 그에 제한된 것은 아니라는 점이 이해되어야 한다. 예를 들면, 본 발명은 현저한 가열의 필요성을 가진 다른 유형의 연료 프로세서들과 관련하여 그리고 다양한 에너지 발생 적용예를 위해서 적용될 수 있다. 더욱이, 본 발명의 연료 프로세서들에서 유용한 특정의 구성 요소들과 기술들은 다른 연료 처리 시스템에서도 유용하다. 그러한 예로서 2 개의 유체를 효율적으로 혼합시키는 신규한 믹서(mixer) 및, 마이크로채널(microchannel) 유체 처리 장치에서 마이크로채널의 그룹으로 개스의 흐름을 분포시키기 위한 향상된 헤더 디자인을 들 수 있다.
본 발명은 개별적인 유체 처리 구성 요소들 및 다양한 적용예에서 유용한 기술들뿐만 아니라 연료 처리를 위한 기술들과 시스템을 제공한다. 여기에서 포괄된 발명의 실제 특징은 여기에 첨부된 청구항들을 기준으로만 결정되지만, 여기에 개시된 구현예들의 특징인 본 발명의 특정한 측면들은 다음과 같이 요약된다.
일 특징에 따르면, 연료 전지를 작동시키기 위한 방법은 연료 개질 반응기 및, 상이한 질량 유량에서 개질 반응기의 가열측을 통하여 연소 개스를 선택적으로 이송시키기 위한 적어도 하나의 송풍기를 구비하는 연료 전지 시스템을 제공하는 단계; 반응기의 가열측을 통해 유동하는 연소 개스로써 반응기의 개질 측을 가열함으로써 개질 반응기를 시동시키는 단계; 및, 가열 측을 통해 유동하는 연소 개스로부터의 열을 가지고 개질 측에서 흡열 개질 반응을 구동함으로써 개질 증기를 발생시키도록 반응기를 작동시키는 단계를 구비한다. 개선예에서, 시동하는 동안에 가열 측을 통한 연소 개스의 질량 유량은 작동하는 동안에 가열 측을 통한 연소 개스의 질량 유량의 적어도 약 5 배이다.
다른 특징에 따르면, 본 발명의 방법은, 채널의 내부 온도를 시동 온도로부터 약 30 초 이내에 상승된 작동 온도로 상승시키기에 충분한 질량 유량으로 가열 채널을 통하여 유동하는 고온의 개스를 가지고 연료 개질기의 흡열 반응 채널을 가열함으로써 연료 개질기를 시동시키는 단계를 구비하며; 여기에서 시동 온도는 약 50℃ 미만이고 상승된 작동 온도는 약 600℃ 이상이다.
다른 특징에 따르면, 연료 전지 시스템은 연료 전지; 증기와 탄화수소로부터 연료 전지에 의해 사용되는 수소를 발생시키도록 작동될 수 있는 증기 개질기; 및, 증기를 증기 개질기로 공급하기 위한 증발기;를 구비하며, 증기 개질기는 제 1 면과 제 2 면을 한정하는 패널이고 각각의 면의 길이와 폭은 면들 사이의 거리보다 실질적으로 크다.
다른 특징에 따르면, 연료 전지 시스템은 연료 전지; 연료 전지에 의해 사용되도록 개스성 유입 증기를 개질물 유출 흐름으로 변환시키는 증기 개질기; 과열 증기를 제공하고 증기 개질기의 가열측으로부터 하류측으로 가열측을 가지는 증발기; 및, 액체 연료를 과열된 증기 안으로 분사하여 개질기로의 개스성 유입 증기를 발생시키도록 개질기와 증발기 사이에 있는 연료 분사기;를 구비한다.
다른 특징에 따르면, 시스템은 개질 측과 가열 측을 가지는 증기 개질기; 개질기의 개질 측으로부터 상류에 있는 증발 측과 개질기의 가열 측으로부터 하류에 있는 가열 측을 가지는 물 증발기; 및, 증발 측과 개질 측 사이의 유동성인 연료 분사기;를 구비하고, 연료 분사기는 연료 개질 작동 동안에 개질 측으로 개스성 유입 증기를 발생시키도록 액체 연료를 과열된 증기로 분무하게끔 구성되고, 증발기와 증기 개질기의 적어도 하나는 가열측 유동 경로들중 유입부를 한정하는 유입면과 가열측 유동 경로들중 유출부를 한정하는 유출면을 한정하고, 각각의 면들은 면들 사이의 거리보다 실질적으로 큰 길이와 폭을 가진다.
다른 특징에 따르면, 주문형 연료 개질 시스템은 가열 측을 가지는 증기 개질기; 증기 개질기를 위한 증기를 발생시키고 증기 개질기의 가열측으로부터 하류에 가열 측을 가지는 물 증발기; 및 고온 개스를 증기 개질기의 가열측으로 공급하기 위한 연소 영역;을 구비하고, 증기 개질기와 증발기의 가열 측들은 각각 한쌍의 면들 사이에 다중의 유동 경로들을 구비하고, 각각의 면들의 길이와 폭은 면들 사이의 거리 보다 실질적으로 크다.
다른 특징에 따르면, 유체 처리 장치는 일체로 접합된 시이트들의 적층부를 구비하고, 적층부는 반대 단부들에 정렬된 헤더 개구를 가지는 교번하는(alternative) 오목한 시이트들을 구비하고, 시이트 안의 요부들은 제 1 의 유동 경로들과 별개인 복수개의 유동 경로들과 헤더 개구(header openings)들 사이에 복수개의 제 1 유동 경로들중 적어도 일부를 한정하고; 제 1 유동 경로들의 가장 작은 치수는 약 0.025 인치 보다 작으며; 정렬된 헤더 개구들은 형상에 있어서 높은 면 비율(aspect ratio)이고 제 1 유동 경로들에 대한 유입 헤더와 유출 헤더의 적어도 일부분을 형성한다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 유체 처리 장치는 일체로 접합된 얇은 시이트들의 적층부를 구비하고, 적층부는 반대 단부들에서 정렬된 헤더 개구들을 가지는 교번의 오목한 시이트를 구비하고, 시이트들의 요부는 헤더 개구들의 제 1 의 것들 사이에 복수개의 제 1 의 마이크로채널 유동 경로를 한정하고 헤더 개구들의 다른 것들 사이에 복수개의 제 2 의 마이크로채널 유동 경로를 한정하며; 정렬된 헤더 개구들은 형상에 있어서 높은 면비율이고 제 1 의 마이크로채널 유동 경로들중 하나로의 입구 영역에서 누적된 유동 단면적은 입구 영역으로부터 실질적인 거리로 이격된 제 1 유동 경로 안의 유동 단면적의 약 50 % 이내이다.
본 발명의 특징에 따르면, 제 1 유체 흐름을 제 2 유체 흐름과 혼합하는 장치는 일체로 접합된 얇은 시이트들의 적층부를 구비하고, 적층부는 교번하는 오목한 시이트들을 구비하고, 시이트들 안의 요부는 제 1 유체를 적층부의 유출면으로 이송시키기 위한 다수의 제 1 유동 경로들과, 제 2 유체를 적층의 유출면으로 이송시키기 위한 다수의 제 2 유동 경로들중 적어도 일부를 한정하고, 시이트들은 제 1 의 유체를 제 1 의 유동 경로들에 분포시키도록 정렬된 헤더 구멍들의 적어도 하나의 세트를 더 구비하며; 제 1 및 제 2 유동 경로들은 적층되어 있는 동안에 열접촉(thermal contact)되고; 제 1 및 제 2 유체들은 그들 각각의 유동 경로들에서 배출시에 혼합되도록 1 유동 경로들중 유출부가 제 2 유동 경로들중 유출부들 사이에 있게 된다.
이러한 특징들과 다른 특징들은 아래에 설명될 것이다.
본 발명의 특징들이 특히 청구항들에 나타날지라도, 본 발명 자체 및 그것이 제작되고 사용될 수 있는 방식은 본 발명의 일부를 형성하는 첨부된 도면을 참조하여 다음의 상세한 설명을 참조함으로써 보다 잘 이해될 수 있다.
도 1 은 일 구현예에 따른 연료 전지 시스템의 전체의 개략적 다이아그램이다.
도 2 는 도 1 의 연료 전지 시스템의 개질 하위시스템에 대한 전체의 개략적 다이아그램이다.
도 3 은 다른 구현예에 따른 연료 전지 시스템의 전체의 개략적 다이아그램이다.
도 4 는 다른 구현예에 따른 연료 전지 시스템의 전체의 개략적 다이아그램이다.
도 5 는 직렬 유동인 다수의 개질기와 증발기들을 가열하기 위한 배치에 대한 전체의 개략적인 다이아그램이다.
도 6 은 평행한 유동 작동으로 도시된, 직렬 또는 병렬 유동으로 다수의 연료 개질기와 증발기를 가열하기 위한 배치에 대한 전체의 개략적 다이아그램이다.
도 7 은 도 6 의 배치를 직렬 유동의 작동으로 도시하는 전체의 개략적인 다이아그램이다.
도 8 은 도 2 의 연료 개질기의 사시도이다.
도 9 는 도 2 의 증발기의 사시도이다.
도 10 은 도 2 에 믹서에 대한 사시도이다.
도 11 은 도 10 의 믹서를 위한 유체(2) 유동 채널을 만들도록 사용된 시이트의 평면도이다.
도 12 는 도 10 의 믹서를 위한 유체(1) 유동 채널을 만들도록 사용된 시이트의 평면도이다.
도 13 은 도 10 의 믹서를 위한 유체(1) 유입 헤더로부터 유체(1) 유동 채널로의 분배 채널을 만들도록 사용된 시이트의 평면도이다.
도 14 는 도 2 의 공기/공기 복열기에 대한 사시도이다.
도 15 는 도 14 의 복열기를 만들도록 사용된 시이트이다.
도 15a 는 2 개의 근접한 헤더 구멍들을 나타내는 도 15 의 부분적인 확대도이다. 도 16a-c 는 본 발명의 예에 따른 복열기 우회 없이 급속한 냉각 시동중에 도 2 시스템으로부터 수집된 데이터들에 대한 도면이다.
도 16a 는 시간에 대한 개질 유량의 도면이다.
도 16b 는 개질기, 개질기의 유출부 및, 증발기의 유출부로의 유입부에서 시간에 걸친 연소 개스 온도의 도면이다.
도 16c 는 복열기 증기/연료 유입부, 증발된 증기의 유출부, 개질기 유입부, 개질기 유출부 및, 복열기의 개질물 유출부에서 시간에 걸친 개질 측의 온도에 대한 도면이다.
도 16d 는 복열기 우회(bypass)를 가지고 급속한 냉 시동을 하는 동안에 도 2 시스템으로부터 수집된 데이터의 대표적인 도면들이다.
도 16e 는 개질기로의 유입부, 개질기의 유출부 및, 증발기의 유출부에서 시간에 걸친 연소 개스 온도의 도면이다.
도 16f 는 복열기 증기/연료 유입부, 증발기 증기 유출부, 개질기 유입부, 개질기 유출부 및, 복열기 개질물 유출부에서의 시간에 대한 개질 측 온도들에 대한 도면이다.
도 17 은 예들 들어 설명된 급속한 시동 이후의 측정 농도 뿐만 아니라 표시된 시동 S:C 비율 목표들과 함께, 다양한 온도들에서의 이소옥탄 공급의 증기 개질에 대한 증기 대 탄소 비율에 대하여 평형 CO 농도를 나타내는 도면이다.
본 발명의 원리를 이해할 목적으로, 도면에 도시된 구현예들이 참조될 것이며 구현예들을 설명하도록 특정의 용어들이 사용될 것이다. 그럼에도 불구하고, 본 발명의 범위는 첨부된 청구 범위를 참조하여 평가되어야 하므로 발명의 범위에 대한 제한이 의도되어서는 아니된다. 설명된 장치들에서 대안 및 다른 수정예들과, 여기에 설명된 바와 같은 본 발명의 원리들에 대한 다른 적용들은 본 발명이 속한 기술 분야의 당업자들에게 정상적으로 이루어지는 것으로 생각된다.
일 형태에 있어서, 본 발명은 교차 유동 패널 구성의 물 증발기와 증기 개질 반응기를 구비하는 연료 처리기를 제공한다. 이들은 연소 개스로써 연속하여 가열되며, 급속한 냉간 시동 동안에, 연소 개스는 패널들의 반대되는 면들을 통하여 실질적으로 상승된 유량으로 유동하여 개질기가 60 초 이하에서 작동 온도로 오게 한다. 패널들은 시동중의 증가된 유동 동안에조차도 상대적으로 낮은 가열 측 압력 강하를 가지도록 설계되어, 급속 냉간 시동 동안에 전체적인 동력의 손실은 용이하게 이용 가능한 배터리 전원 소스에 적합할 수 있다. 개질 반응기와 물 증발기는 마이크로채널 구성 요소일 수 있는데, 즉, 이들은 유동 경로들이 1 mm 미만의 특징적인 치수를 가지는 경우이다.
이제 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 구현예에 따른 연료 전지 시스템(20)이 도시되어 있다. 연료 전지 시스템(20)은 소위 PEM (양자 교환 멤브레인, proton exchange membrane) 연료 전지(90)[a.k.a SPE (solid polymer electrolyte) 연료 전지]에 기초한 것인데, 이는 자동차에 대한 적용에 유리한 연료 전지로 간주된다. 시스템(20)은 탄화수소 연료, 공기 및 물로부터 유용한 전기 에너지를 발생시키도록 구성되며, 시스템(20)은 연료 개질기(30), 물 증발기(40), 물 개스 변환(Water gas shift, WSG) 반응기(70), 우선 산화(preferential oxidation, PROX) 반응기(80) 및, PEM 연료 전지(90)를 구비한다.
PEM 연료 전지(90)로부터의 애노드(anode) 배기(28)와 연소 연료(22)는 공기(26 및/또는 24)와 연소되고, 결과적인 고온 개스(32)는 개질기(30)의 가열 측을 통하여 유동한다. 유출 개스(34)는 다음에 증발기(40)의 가열 측을 통하여 보내진다. 개스(36) 안에 남아있는 열은 연소 개스가 물의 복원을 위해서 배기부(54)로 유출되기 이전에 복열기(50) 안에 포획된다. 물(38)은 증발기(40)의 증발측으로 공급되고, 연료(42)는 증발기(40)로부터의 증기(44) 출력의 안으로 혼합되어 이후에 복열기(60)에서 가열되어 개질기(30)로의 개스성 유입(46)을 발생시킨다.
연료(42)는 통상적으로 탄화수소일 것이며 그 어떤 종래의 방식으로든 증기 (44)에 부가될 수 있다. 예를 들면, 분리된 연료 증발기는 증기(44)를 혼합하기 이전에 연료를 증발시키도록 제공될 수 있다. 그러나, 분리된 연료 증발기는 냉간 시동 동안에 가열될 필요가 있는 부가적인 구성 요소이다. 설명된 구현예에 있어서, 분리된 연료 증발기가 채용되지는 않는다. 오히려, 액체 연료(42)가 연료 분사기 또는 분무기를 통하여 증기(44) 안으로 직접적으로 분사된다. 이러한 방식으로, 과열된 증기(44)로부터의 열은 연료를 증발시키는 역할을 한다.
개질기(30)는 개질 측(reforming side)을 가지는 증기 개질 반응기로서, 수소와 일산화탄소를 함유하는 개질물(48)을 발생시키도록 유입부(46) 안에 탄화수소와 증기를 반응시키기 위한 촉매를 함유한다. 채용된 연료(42)의 유형에 따라서, 그 어떤 다양한 증기 개질 촉매라도 사용될 수 있다. 메탄올-특정의 촉매들이 개질물 안에 1 % 미만의 CO 로써 저온 전환되는 것이 알려져 있다. 다른 촉매들이 광범위의 탄화수소들에 적용될 수 있으며 거의 평형의 CO 농도를 가진 개스 혼합물을 발생시킨다. 마이크로채널 증기 개질기에서 달성될 있는 질량 이송과 열의 높은 비율을 이용하도록, 매우 활성이 높은 촉매들이 선호된다. 마이크로채널에서의 증기 메탄 개질을 수행하기 위한 특정의 기술 및 적절한 촉매의 예는 미국 특허 제 6,488,838 호에 개시되어 있다.
개질물(48)은 열의 일부를 복원시키도록 복열기(recuperator, 60)를 통과한다. 개질물(48)은 일산화탄소와 같은 불순물을 포함하게 되는데, 이것은 PEM 전지(90)를 보호하도록 제거되어야 한다. 시스템(20) 안에서, 개질물(48)을 경로(52,66,68)를 따라서 물 개스 변환 반응기(70)를 통해 통과시키고, 다음에 산소를 공급하도록 공기(64)를 부가한 이후에, 우선 산화 반응기(60)로 통과시킴으로써 정화가 달성된다. 물 개스 변환 및 우선 산화 반응 양쪽에 대한 냉각에는 공기(62,60)와 같은 적절한 냉각 유체가 제공된다. 단일의 송풍기나 또는 공기 소스(56)가 모든 시스템의 공기의 필요성을 위하여 채용될 수 있지만, 반응기(70,80)와 연료 전지(90)의 변화하는 수요를 수용하는 개별의 송풍기들이 공기 공급 라인(56)의 점선으로 된 부분들을 따라서 채용될 수도 있다.
PEM 연료 전지(230)에서, 정화된 수소(68)는 애노드 측에 공급되는데 여기에서 수소는 2 개의 수소 이온과 2 개의 전자로 분리된다. 수소 이온들은 연속적으로 물에 의해 습윤되는 수산화물 고체 전해질을 통과함으로써 애노드로부터 캐소드로 이동한다. 전자들은 전력을 공급하도록 외부 회로에서 애노드로부터 캐소드로 통과한다. 캐소드에서 수소 이온들과 전자들은 공기(58)내의 산소와 반응하고, 물 증기와 산소가 고갈된 공기를 포함하는 결과적인 배기 흐름(27)은 다른 공기 배출물과 결합되고, 복열기(50)에서 가열되며, 다음에 도면 번호 26 의 부분을 통해서 연소에 공급될 수 있다.
이제 도 2를 참조하면, 도 1 의 연료 전지 시스템(20)의 연료 개질 서브-시스템(100)이 개략적으로 도시되어 있다. 연료 개질 서브시스템(100)은 시동하는 동안에 개질기(30)와 증발기(40)의 급속한 가열을 제공하도록, 그리고 다음에 작동 동안에 보다 적절한 가열 수요를 충족시키도록 설계된다. 이후에 설명될 구현예에서 보다 상세하게 설명되는 바로서, 시동 동안에 그리고 작동 동안에 가열을 변화시키기 위한 기본적인 메카니즘은 연소 개스의 변화하는 유량이다. 공기 유입부 (25)는 필요에 따라서 (즉, 시동을 위해) 공기(26)와 보조적인 공기(24)를 수용하며, 공기를 적절한 송풍기나 또는 송풍기들(미도시)로써 믹서(110)를 통해 전달한다. 믹서(110)는 또한 연료(114)를 수용하며 연료/공기 혼합물을 연소 영역(111) 안으로 제공한다. 연소 영역(111)의 내부 표면(114)은 스파크 플러그(112)를 수용하는 포트(port)를 구비하는데, 스파크 플러그는 연료/공기 혼합물을 점화한다. 결과적인 고온의 연소 개스는 개질기(30)를 통해서 그것의 가열 측 유입면(116)으로부터 그것의 가열 측 유출면(118)으로 향하게 되고, 다음에 증발기(40)를 통해서 그것의 유입면(120)으로부터 그것의 유출면(122)으로 향한다. 증발기(40)의 가열 측의 유출부(36)는 배기(54)의 이전에 공기 복열기(50)를 통하여 정상적으로 배향되지만, 밸브(104)는 복열기(50)를 우회하는 보조적인 배기(102)에 대한 접근을 제공한다. 복열기(50)를 통한 연소 개스 유동에 기인하는 부가적인 압력 강하를 감소시키거나 또는 제거하도록 보조적인 배기(102)가 시동 동안에 부분적으로 또는 완전히 채용될 수 있다.
부식을 방지하기 위하여, 내부 표면(114)이 비금속이도록 연소 영역(111)이 구성되는 것이 바람직스럽다. 예를 들면 금속성의 외피(out shell)는 내부 표면이 개질기(110)의 유입면(116)과 맞닿는 지점까지 절연 물질로 라이닝될 수 있다. 실험실 설계의 편리성을 위하여, 시스템(200)은 연소 연료로서 수소를 사용하도록 구성되었다. 도 10 내지 도 13 과 관련하여 아래에 설명되는 믹서(110)는 챔버(111) 안에서 고른 연소를 달성하도록 수소 개스를 공기 안으로 효과적으로 분포시키게끔 사용되었다. 다른 구현예에서, 연료(22)는 개솔린과 같은 액체 연료(42) 같은 것이 며, 스파크 연소를 위하여 액체 연료(즉, 개솔린)를 분사하는 연료 분사기 또는 분무기들은 믹서(110)를 대체시킨다. 촉매 연소나 또는 스파크와 촉매 연소의 결합이 채용되어 열을 개질기(30)와 증발기(40)로 공급할 수도 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 채용된 개질기(30)와 증발기(40)는 도 8 및 도 9 에 도시된 바와 같이 각각 교차-유동 패널의 구성이다. 보다 상세하게는, 가열 측이 개질기(30)와 증발기(40)의 유입면(116,120)과 유출면(118,122)들 사이의 각각 다수의 작은 유동 채널(425)들로 구성된다. 이러한 유입면과 유출면들의 길이(L)와 폭(W)은 패널 두께(T) 또는 면들 사이의 거리보다 각각 실질적으로 크다. 예를 들면, 길이(L)와 폭(W)은 패널 두께(T)보다 적어도 2, 3, 또는 5 배들일 수 있다.
개질기(30)와 증발기(40)는 일체로 접합된 얇은 시이트들의 적층부로부터 구성될 수 있는데, 여기에서 시이트들 안의 요부들은 장치를 통한 유동 경로들의 적어도 일부분을 한정한다. 예를 들면, 도 8 에 도시된 바와 같이, 개질기(3)는 가열 측 시이트(420)들과, 상부 및 저부 플레이트 사이에 샌드위치된 개질 측 시이트(430)들의 교번하는 적층부를 구비한다. 가열 측 유동 채널(425)들은 가열 측 시이트(420) 안에 형성된다. 각각의 시이트(420,430)들은 증기/연료 유입부(46)와 개질물 유출부(48)에 정렬된 헤더 구멍(header holes)(미도시)을 가지며, 개질 측 시이트(430)는 구멍들 사이에서 개질 유동 채널들(미도시)을 한정한다.
마찬가지로, 도 9 에 도시된 바와 같이, 증발기(40)는 가열 측 시이트(520))와 개질 측 시이트(530)의 교번하는 적층부를 구비하는데, 가열 측 유동 채널(425)들이 가열 측 시이트(520)들 안에 형성된다. 각각의 시이트(520,530)들은 물 유입 부(38)와 증기 유출부(44)에 정렬된 헤더 구멍들(미도시)을 가지며, 증발 측 시이트(530)들은 구멍들 사이에 증발 유동 채널(미도시)을 한정한다.
개질기(30)(그리고/또는 증발기(40)) 안의 열 전달 효율을 향상시키도록, 개질 유동 채널들(증발 유동 채널들) 또는 가열 유동 채널들(425), 또는 그 양쪽이 마이크로채널의 범위에서 가장 작은 치수를 가지는데, 예를 들면 약 0.1 인치 보다 작거나, 또는 0.5 인치보다 작거나, 또는 0.025 인치 보다 작다. 다른 측면에 있어서, 가열 유동 채널(425)들 및/또는 개질 (또는 증말) 유동 채널들은 그것을 통한 유동의 레이놀즈 수(Re)가 층류 유동의 범위에 있도록, 예를 들면 약 2,000 미만이도록 크기가 정해진다. 예를 들면, 정상 상태의 작동 동안에, 연소 개스 유동은 약 100 - 500 의 Re 일 수 있으며, (이후에 설명될) 급속 시동 동안에 연소 유동은 약 1000 의 Re 일 수 있다. 개질기(30)와 증발기(40)에 대하여 채용될 수 있는 이들 및 다른 적절한 유체 처리 유니트들의 구성에 대한 부가적인 상세 내용은 공동 소유의 미국 특허 출원 제 10/164,969 호 (2002.6.6) "유체 처리 장치 및 방법" (또한 PCT/US/02/18079) 및, 공동 소유의 미국 특허 출원 제 10/385,831 호 (2003.3.11) "온도 제어를 가진 마이크로채널 반응기"에 설명되어 있다.
도 8 및 도 9 의 교차-유동 패널 구성에 있어서, 가열 측 유동 채널(425)들은 증발기 또는 개질 유동 채널들 보다 장치(30,40)를 통해서 상대적으로 짧은 길이이다. 예를 들면 이들은 증발 또는 개질 유동 채널 길이의 단지 각각 1/4, 1/8, 1/16 또는 1/40 이다. 압력 강하는 유동 경로의 길이와 유동 경로 치수의 감소와 함께 증가되기 때문에, 이러한 짧은 길이는 가열 측을 통한 압력 강하가 거의 대기 압의 상대적으로 낮은 레벨에 있을 수 있게 하여, 특정의 적용예에서 유용한 특정의 설계 장점을 제공한다.
예를 들면, 시스템(200)에서, 시동 및 작동시의 열의 필요는 연소 개스에 의해 제공된다. 작동의 일 모드에 있어서, 급속한 냉간 시동을 달성하는데 필요한 급속의 가열은, 정상적인 작동 동안인 온도에서의 질량 유량에 비하여, 연소 개스의 현저하게 증가된 질량 유량에 의해 제공된다. 특정한 형태에 있어서, 시동 동안에 질량 유량에서의 이러한 증가는 정상 상태 작동 동안의 연소 개스의 질량 유량의 적어도 2 배이거나, 또는 적어도 3 배이거나, 또는 적어도 5 배이다. 7 내지 10 배의 증가들도 고려된다. 단일의 가변 속도 송풍기나 또는 한쌍의 송풍기들 (예를 들면, 대-소 유동 송풍기)이 연료(22)에서의 대응하는 증가들과 관련하여 유량을 변화시키도록 채용될 수 있다. 선택적으로는, 개질기(30)를 둘러싸거나 또는 그 안에 함입된 전기 가열기를 통하는 것과 같은 보충적인 가열이 시동하는 동안에 채용될 수 있다.
개질기의 급속한 가열을 달성하기 위한 부가적인 메카니즘은 매우 높은 연소 개스 온도로써 작동되는데, 특정의 구현예들에서, 개질기(30)의 디자인은 연소 개스 온도가 개질기(30)의 최대로 허용 가능한 서비스 온도를 크게 초과할 수 있도록 선택된다. 도 2 의 서브시스템에서, 가장 높은 온도들은 유입면(116)에서 개질기에 의해 경험될 것이다. 따라서, 개질기의 면(116)의 온도는 그것의 최대로 허용 가능한 서비스 온도를 초과할 수 없기 때문에 면(116)에서의 연소 개스 온도에 대한 제한이 있게 된다. 이러한 것은 채용된 재료에 달려 있으며 크리프(creep) 및/또는 부식에 기인한 품질 저하가 연속적인 약 1000 시간의 작동 이후에 현저해지는 온도에서 참조된 것이다. 아래에 설명된 예들에서, 개질기는 316L 스테인리스 스틸로 구성되었기 때문에, 최대의 서비스 온도는 약 650℃ 이었다. 그럼에도 불구하고, 개질기(300)는 짧은 기간의 시험에는 현저한 품질 저하 없이 약 1000℃ 의 면(116)에서 연소 개스 유입 온도를 견딜 수 있었으며, 이는 1000 ℃를 받고 있음에도 불구하고, 개질기(30)의 유입면(116)은 1000℃ 에 접근하지 않았다는 것을 의미한다. 인코넬 합금(Inconel alloy)과 같은 실질적으로 최대의 작동 온도를 가진 재료로 개질기를 제조하는 것도 고려된다.
유입면(116)에서의 개스 온도가 유입면(116)에서의 개질기의 최대 서비스 온도를 크게 초과할 수 있는 한가지 이유는 개질 측으로의 우수한 열 전달 효율 때문이다. 다른 이유는 패널을 통한 (즉, 면(116)으로부 면(118)으로의) 열전도 때문이다. 패널 두께(T)가 상대적으로 작을 때, 패널을 통한 이러한 면-대-면의 열 전도는 개질기의 유입면과 유출면(116,118) 사이의 온도 차이를 감소시킨다. 따라서, 본 발명의 특정한 면들에 있어서, 개질기는 개질기(30)의 최대로 허용 가능한 서비스 온도 보다 적어도 100℃ 가 큰 연소 개스 유입 온도로 작동된다 (적어도 시동 동안에 그러하다). 다른 면에서는 이것은 적어도 200℃ 또는 300℃ 로써 크다.
공기로 움직이는 매우 다양한 장비가 이용 가능한 반면에, 비용(그리고 중량)은 전체적으로 달성 가능한 압력 강하와 함께 증가한다. 하단에서, 다양한 값싼 팬(fan)들과 원심 송풍기들이 5 인치 물의 압력(5 inches of water)보다 작은, 보다 통상적으로는 3 인치 물의 압력보다 작은 압력에서 공기를 제공할 수 있다. 래 디얼 송풍기(radial blower)들과 같은 약간 값비싼 모델들은 전체적으로 8 내지 12 인치의 물의 압력을 제공할 수 있다. 상당히 값비싼 재생 송풍기(regenerative blower)들은 140 인치의 물의 압력 또는 5 psi 로 제공될 수 있으며, 마지막으로, 가장 값비싸고, 가장 크고 무거운 사양은 양변위의 콤프레서(positive displacement compressor)와 송풍기인데, 이들은 최대 100 psi 또는 그 이상의 압력을 발생시키는 회전 로브(lobe), 미끄럼 베인 및 왕복 피스톤 콤프레서들과 같은 것이다. 상대적으로 낮은 연소 측 압력 강하를 가지도록 연료 프로세서(100)를 설계하는 것은 저렴한 가격과 경량의 장비를 사용할 수 있게 하여, 휴대용의 적용예에 있어서 현저한 장점을 가질 수 있다.
더욱이, 팬 모터의 동력 요건 뿐만 아니라 팬으로부터 배출되는 공기 마력은 유체 유량과 제공된 압력 증가에 직접적으로 비례한다. 따라서, 4 인치의 물의 압력으로 주어진 공기 유동을 제공하는 것은 동일한 유동이 5 psi에서(138 인치의 물의 압력에서) 제공되었을 때의 단지 3 % 의 동력만을 필요로 한다. 예를 들면, 자동차의 적용예에서, 시동 동안의 공기 운동에 필요한 동력은 차량에 의해 운반되는 배터리와 같은 교류 에너지 소스에 의해 공급될 필요가 있다. 많은 동력이 필요할수록, 더 크고, 더 무거운 배터리들이 있어야 한다. 반대로, 시동하는 동안에 연소 개스를 구동하는데 소비되는 동력의 양이 적을수록, 시동하는 동안에 보다 적은 배터리 동력이 필요하다. 예를 들면, 50 kWe PEM 연료 전지용으로 개질물을 제공하도록 크기가 정해진 시스템(100)은 대기압에 근접한 압력에서 약 600 scfm 의 시동 공기 유량을 이용할 수 있을 것이 기대된다. 10 인치의 물의 압력에서 작동하는 75 % 효율의 송풍기에 대하여, 이는 약 931 와트를 필요로 하는데, 이것은 종래의 납-산 자동차 배터리에 의해서 도달할 수 있는 전력의 수준이다.
본 발명의 증기 개질 시스템은 다양한 설계로 이루어질 수 있으며, 특정한 설계가 여기에 설명된 특정의 장점을 달성할 수 있는 반면에, 모든 설계들이 모든 장점을 달성하지는 않을 것이라는 점이 이해된다. 그럼에도 불구하고, 시동 동안에 공기 유동 에너지의 수요가 연료 전지의 정상 상태 전기 출력의 약 8 % 보다 작은 양이거나, 또는 4 % 보다 작거나 또는 2 % 보다 작은 양이 되도록 구성된 증기 개질 시스템(100)을 가지는 것이 본 발명의 일 특징이라는 점이 이해되어야 한다. 부가적이거나 또는 다른 측면에서는 시동 동안에 개질기와 증발기의 가열 측을 통한 압력 강하가 1 psi 보다 실질적으로 낮도록, 예를 들면 각각의 유니트에 걸쳐서 약 10 인치의 물의 압력보다 낮도록 시스템(100)이 구성된다. 다른 형태에서는 각각의 유니트를 통한 압력 강하가 각각 8 인치의 물의 압력 보다 낮거나, 또는 각각 4 인치의 물의 압력 보다 낮다. 또한 부가적이거나 또는 다른 면에서는 주위 온도로부터 작동 온도로의 시동 시간이 60 초 보다 짧도록, 바람직스럽게는 30 초 보다 짧도록, 그리고 보다 바람직스럽게는 약 15 초 보다 짧도록 시스템(100)이 구성된다.
연료 처리 시스템(100)의 시동 동안에 제어 변수들은 증발기로 공급된 물(38)과 연료(42)의 상대적인 양을 포함하거나, 또는 동등하게는 개질기(30)로의 유입부(46) 안에서 탄소에 대한 증기 비율(S:C)의 선택을 포함한다. 본 발명의 일 면에서, 이러한 S:C 비율은 실질적으로 시스템(100)의 정상 상태 작동 동안에 채용된 S:C 의 비율보다 크며, 예를 들면 4배, 6 배, 또는 8 배로 크다. 이렇게 증가된 S:C 의 비율은 다양한 목적을 위한 역할을 한다. 우선, 높은 비율의 증기는 열을 도 1 의 WGS 반응기(70)와 PROX 반응기(80)와 같은(또는 이하에 설명되는 바와 같은 도 3 의 멤브레인 분리기(210)), 하류의 수소 정화 구성부들에 전달한다. 이것은 구성부들이 작동 온도에 도달하게 하거나, 또는 다른 가열원과 사용될 경우에 구성부들의 시동 시간을 감소시키도록 사용될 수 있다.
시동 동안에 높은 S:C 비율의 다른 목적은 개질기 출력(48)에서의 CO 농도를 감소시키는 것이다. 예를 들면, 도 17 은 이소옥탄 공급의 증기 개질에 대한 다양한 온도들에 대하여 평형의 CO 함유량과 S:C 비율 사이의 관계를 나타낸다. 도면 번호 18 내지 24 사이에서 목표가 된 S:C 비율은 개질물내에서의 CO 함량이 < 4 % 로 감소되도록 선택된다. WGS 반응기 (또는 다른 정화 장비)가 온도에 도달하고 있는 동안에, 개질물을 정화하는데 대량의 CO 를 변환시킬 수는 없다. 따라서, 개질물(48)의 CO 함량을 감소시키는 것은 그것이 온도에 도달하는 동안에 높은 WGS 활성에 대한 수요를 감소시키는 것이다.
많은 적용예에 있어서, S:C 비율을 포함하는 각각의 제어 변수들, 연료 공급 비율 및 송풍기(들)의 속도는 시동 콘트롤러(미도시)에 의해 제어될 것이라는 점이 이해되어야 한다. 콘트롤러는 시스템의 작동 조건을 분석하는데 하드웨어(예를 들면, 컴퓨터) 및 로직(예를 들면 소프트웨어)을 구비할 수 있다. 이러한 콘트롤러는 시스템을 통하여 입력 센서들로부터 적절한 입력을 수신할 수 있는데, 예를 들면 연소 개스 흐름을 따라서 그리고 개질물(48) 내의 온도 센서들과 같은 것이며, 로직은 시동의 S:C 비율 및 연소 개스 유량으로부터 정상 상태의 파라미터들로 언제 변화될 것인지를 결정한다.
증기 개질 서브시스템(100)은 다양한 연료 전지 환경에 적합화될 수 있다는 점이 이해되어야 한다. 예를 들면, 다른 구현예에 따른 연료 전지 시스템(200)은 도 3 에 도시되어 있다. 시스템(200)이 개질물(52)을 정화하는데 수소 멤브레인 분리기(210)를 채용하는 것을 제외하고는 연료 전지 시스템(200)이 도 1 의 시스템과 같이 기능할 것이다. 멤브레인은 통상적으로 수소를 선택적으로 통과시킬 수 있는 필름이거나 또는 재료이다. 보유측(retentate side)으로 지칭되는 멤브레인의 유입측은 통상적으로 삼투 측(permeate side)으로 지칭되는 유출 측보다 높은 압력이다. 삼투 측과 보유 측 사이의 압력 차이는 수소의 분리를 구동시키는 것을 보조한다. 적절한 멤브레인들은 예를 들면 팔라듐 및 은 또는 구리를 가진 팔라듐의 합금으로 제작된 얇은 튜브나 포일(foil)들을 포함한다. 수소 삼투체로 지칭되는 멤브레인(210)을 떠나는 정화된 수소 흐름(214)은 냉각기(220) 안에서의 공기 흐름(56)에 의해 냉각된 이후에 연료 전지(230)로 공급된다. 멤브레인 또는 보유체(212)를 통과하지 않는 물질은 연소를 위해서 재순환되어 과정의 열을 제공할 수 있다.
다른 구현예들에서, 알카라인 연료 전지, 인산 연료 전지, 또는 용융 탄산염 연료 전지들과 같은 상이한 유형의 연료 전지가 사용된다. 예를 들면, 도 4 는 고체 산화물 연료 전지(310)를 채용한 시스템(300)을 도시한다.
이제까지 설명된 연료 개질이 단지 유일의 연료 개질기(30)를 사용하는 반면에, 다수의 개별 연료 개질기들이 사용된 적용예들이 고려된다. 도 5 는 단일의 증발기(40)와 직렬인 한 그룹의 연료 개질기(30)를 작동시키기 위한 하나의 배치를 개략적으로 도시한다. 공기는 댐퍼(176)의 위치에 따라서 대용량(B2) 또는 소용량의 송풍기(B1)에 의해 가열 경로(170)를 따라서 공급된다. 도 5 에 도시된 바와 같은 급속 시동을 위해서 위치되었을 때, 대용량 송풍기는 공기를 경로(170)로 하방향으로 일련의 패널 유형 개질기(30)를 통하여 구동한다. 일련의 연료 분사 포트(172)는 각각의 개질기(30)와 증발기(40)의 상류에 있다. 이러한 포트(172)들은 개별의 개질기(30)를 가열하도록 각각의 패널 앞에서 촉매로 또는 스파크로 연소된 연료를 공급한다. 가열 경로(170)를 따른 온도들이 측정될 수 있으며 분사기(172)들의 각각의 세트에 공급된 연료의 양은 모든 개질기(30)의 고른 가열을 보장하도록 제어될 수 있다. 증발기(40)를 통과한 이후에, 연소 개스는 복귀 경로(174)를 따름으로써, 직렬인 제 1 개질기(30)로부터 상류로 공기와 열교환된다.
도 6 및 도 7 은 정상 작동 동안에는 직렬 유동이지만 시동 동안에는 병렬 유동으로 작동하도록 구성된 증발기와 개질기(30)의 일 그룹을 도시한다. 도 6 에 도시된 바와 같이, 시동 동안에 대용량의 송풍기(B2)는 활성이 되며 연료는 단일 세트의 포트(173)들을 통해 공급되고 있다. 결과적인 연소 개스는 개질기(30)와 증발기(40)를 통하여 병렬의 유동으로 이동한다. 시동 이후에, 일련의 댐퍼(180,181 그리고 183,184)들은 보다 작은 용량의 송풍기(B1)로부터 하류에 개질기(30)들을 직렬 유동으로 배치하도록 작동되며, 연료는 위의 도 5 와 관련하여 설명된 바와 같이 분사기(172)를 통하여 공급된다.
이제 도 10 내지 도 13을 참조하면, 믹서(110)의 부가적인 특징들이 도시되어 있다. 위에 설명된 바와 같이, 믹서(110)는 연소 이전에 수소 개스를 공기에 효 율적으로 혼합하도록 도 2 의 실험실 버전에서 채용되었다. 그러나, 보다 일반적으로는, 2 개의 유체들이 효과적으로 혼합될 수 필요가 있는 경우에 그 어떤 유체 처리 환경에서도 사용될 수 있다. 믹서(110)는 패널 구성이며 증발기(40)와 개질기(30)에 대하여 위에서 설명된 바와 같이 일체로 접합된 얇은 시이트들로 구성된다. 도 11 내지 도 13 은 개별의 시이트(380,390,400)들을 도시하는데, 여기에서 교차 해칭은 (에칭에 의해 형성된) 요부를 나타내도록 사용된다. 미국 특허 출원 제 10/164,969 호에서 보다 완전하게 설명된 바와 같이, 이러한 경우에 다수의 동일한 믹서(110)를 위한 시이트들은 단일의 쐐기(shim) 위에 나란히 나타나서 접합 공정을 용이하게 하고 접합 이후에 분리된다. 접합은 확산 접합이며, 각각의 쐐기의 좌측과 우측의 마진(margin)은 구멍을 가져서, 상기 구멍이 확산 접합 동안에 압력을 적용하기 위한 외부 램(ram)과 정렬된다. 시이트들은 도 10a 에 표시된 바와 같이 적층되며 각각의 시이트들은 제 1 의 유체 헤더(header)를 형성하도록 적층부내에 정렬된 한쌍의 헤더 구멍(352)을 가진다.
제 2 의 유체 유동 채널(354)들은 배면(미도시)에 유입부를 가지고 혼합면(350)에 유출부를 가지며, 한쌍의 면하는 시이트(380)들로부터 구성된다. 제 1 의 유체 유동 채널(392)로의 유입부는 믹서(110)에 대하여 내측에 있으며 유출부는 혼합면(350)상에서 제 1 의 유체 채널(354)들의 유출부들 사이에 있게 된다. 설명된 구현예에 있어서, 제 1 의 유체 채널(392)은 제 2 의 유체 채널(354) 보다 실질적으로 얕게 구성되며 이들은 그들의 유출부에서 혼합면(350) 상에 지지용 립(support rib, 394)을 구비한다. 일 형태에 있어서, 제 1 의 유체 유동 채널(392) 들은 제 2 의 유체 유동 채널(392)들의 전체 높이의 약 1/4 이다.
작동에 있어서, 제 1 의 유체는 (도 10 의 도면에서) 믹서(110)의 상부로 들어가고 내부 분배 시이트(400)의 비비꼬인 채널(404)의 안으로 통과된다. 비비꼬인 채널(404)들은 제 1 의 유체를 배면을 향하여 믹서(110)의 배면 바로 내측에 있는 구멍(402)들로 이송시킨다. 제 1 의 유체는 구멍(402)을 통하여 시이트(400) 안에서 제 1 의 유체 유동 채널(392) 안으로 강하하며 다음에 혼합면(35)에 있는 유출부로 가도록 챔버(392)의 길이를 유동한다. 혼합면(350)상의 상이한 유체 채널의 서로 끼워진 유출부는 유체를 효율적으로 혼합시키는 역할을 한다. 또한, 경로(392,354)들은 장치를 통하여 열접촉 상태에 있어서 온도 그래디언트를 감소시키게 되며, 만일 그렇지 않다면 분배 불량이 될 것이다.
양쪽 유체들의 유동이 층류이도록 유동 채널들은 마이크로채널 스케일이며, 열전달의 주요 부분들이 채널(354,392)들 사이에 발생하도록 쐐기들이 설계되는데, 상기 유체들은 함께 흐르는 유동이다. 마이크로채널 내의 열 전달은 높이가 낮으면 열 전달 계수가 증가되는 상태로 채널의 높이에 직접적으로 관련되기 때문에, 높이에 있어서 분배 채널(404) 보다 낮게 채널(392)들을 설계함으로써 이러한 것이 달성될 수 있다. 또한 채널(392)내의 유체(1)에 대하여 압력 강하를 집중시키는 역할을 하여, 균일한 분배에 더욱 기여한다.
믹서(11)가 다양한 적용예에서 적용될 수 있고, 실질적으로 어느 때라도 2 개 유체들의 균일한 제어된 혼합을 달성할 필요가 있다는 점이 이해되어야 한다. 하나의 적용예는 연소(촉매 연소 또는 화염 연소) 이전에 2 개의 유체들을 혼합시 키는 것이다. 연료의 균일한 혼합을 공기 안으로 제공함으로써, 촉매상의 열 발생이 고도로 균일해져서, 촉매의 품질을 저하시키거나 또는 촉매의 성능을 감소시킬 수 있는 촉매 상의 국부적인 열 변화를 방지할 것으로 믿어진다.
다른 예는 증기 개질기 이전에 증기와 증발된 연료를 혼합시키는 것이다. 반응물을 증기 개질기 안으로 도입하기 이전에 증기와 연료의 균일한 혼합물을 가질 필요가 있으며, 국부적으로 낮은 증기 비율들이 코킹(coking)에 이른다. 균일한 혼합은 이러한 위험성을 감소시키며 증기를 발생시켜야 하는 필요성을 감소시키기 때문에 에너지를 절감할 수 있다.
다른 예는 개스를 왕복 피스톤 엔진 안으로 도입하기 이전에 혼합시키는 것이다. 일부 적용예들에 있어서, 피스톤으로의 유입 공기에 대한 개스성 첨가제의 도입이 고려되는데, 주로 NOx 의 감소를 위해서 그러하다. 이처럼 부가되는 개스는 수소이거나 또는 개질기로부터의 개질물이거나 또는 엔진으로 다시 재순환되고 있는 배기 개스일 수 있다. 디이젤 엔진의 경우에, 이러한 장치는 유입 공기와 재순환 배기 개스의 균일한 혼합을 제공한다. 이는 매연 발생의 부위와 엔진 동력 출력에 있어서 역효과들이 발생하기 전에 허용될 수 있는 보다 큰 범위의 배기 개스 재순환을 만드는 장점을 가질 것이다.
다른 적용예는 상승된 온도 개스 흐름의 습윤(humidification)이다. 증기를 고온의 유동 개스 흐름에 부가할 필요가 있다면, 증기는 유체(1)로서 유동 흐름(2)의 안으로 부가될 수 있다. 이러한 적용예에 있어서, 온도는 장치 내에서의 응축이 회피되도록 하는 것이어야 하는데, 이는 그러한 응축이 균일한 유동 조건들을 혼란 에 빠트릴 수 있기 때문이다.
다른 적용예는 유체에 대한 혼합 시간을 단축시키는 것이다. 일부 적용예들에 있어서 2 개의 반응물들의 혼합 시간은 원치 않는 측의 반응들의 범위에 영향을 미칠 수 있다. 반응물들의 급속한 혼합은 소망되는 생산물의 산출을 최대화시킬 수 있다. 이것은 높은 전단 믹서(shear mixer)를 사용함으로써 항상 달성된다. 이러한 혼합 장치(110)를 통하여 상기와 같은 과정에 반응물들을 공급함으로써, 소망되는 혼합물을 얻는 시간이 최소화될 수 있다. 유체들을 혼합시키는 것의 곤란성에 대하여 기계적인 믹서와 연관하여 장치를 사용할 수 있어서 짧은 길이의 시간 동안에 완전히 균일한 혼합물이 달성된다. 이것은 출력이 유체들에 대한 혼합 시간과 관련된 경우에 있어서 공정들의 증가된 생산성뿐만 아니라 혼합이 강화된 공정들과 연관된 시간과 에너지 비용을 감소시킬 수 있다.
이제 도 14, 도 15 및 도 15a를 참조하면, 도 2 의 복열기(50)의 부가적인 특징들이 도시되어 있다. 복열기는 위에서 설명된 바와 같이 얇은 시이트들의 적층부로서 구성되지만, 유일한 박편(薄片, shim)만을 사용한다(도 15). 박편의 에칭된 측은 서로 면하는 같은 헤더들을 가진 다음 박편의 에칭된 측을 면하면서 조립된다. 그러한 박편의 쌍은 헤더 구멍(615)들에 개방된 단일의 유동 경로(650)를 한정한다. 이러한 유동 경로(650)는 박편의 쌍이 도 15 에 도시된 바와 같은 저부의 박편을 가진 적층부내에서 배향되는지 또는 (에칭된 측이 위로 유지되면서) 180°로 회전되는지의 여부에 따라서 제 1 의 유체 유동 경로나 또는 제 2 의 유체 유동 경로로서 기능한다. 박편이 180°로 회전할 때, 모든 헤더 구멍(615,625)들이 정렬됨 으로써, 유동 경로(650)로 개방된 헤더 구멍(615)들의 세트는 적층부의 근접한 층들에서 유동 경로(650)에 근접한 헤더 구멍(625)들과 정렬된다는 점이 이해되어야 한다.
따라서, 도 14 는 도 15 의 박편 쌍의 교번하는 적층부로써 구성된 장치를 도시한다. 매니폴드는 제 2 유체에 대한 유입부(620) 및 유출부(630)를 만들도록 부가되었으며, 부분들이 다른 세트의 헤더 홀들의 베이스(640)로부터 절단되어서 제 2 유체에 대한 유입부(610)와 유출부(미도시)들을 만든다. 박편의 각각의 측부상에 홀수의 구멍(615,625)들이 있기 때문에 (이 경우에는 측부마다 5 개), 3 개의 제 1 유체 유입부(620)와 2 개의 제 1 유체 유출부(630)가 있게 된다 (또는 그 역이 된다). 마찬가지로, 역의 유동 열교환기 구성에는 3 개의 제 2 유체 유입부(610)와 단지 2 개의 유출부(미도시)들이 있게 된다.
도 15a 에 도시된 바와 같이, 헤더 구멍들(625,615)은 높은 면 비율(aspect ratio)의 구조이다. 보다 상세하게는, 이들이 베이스(640)의 길이의 적어도 2 배인 높이를 가진 삼각형이다. 구멍(615)들은 개별적인 유체가 유동 채널(650)로 진입하는 입구의 역할을 하는 2 개의 긴 측부(642)로서의 역할을 하며, 상대적으로 짧은 베이스(640)가 유동 채널(650)로부터 상대적으로 이탈되어 배치된다. 복수개의 지지용 리브(644)들은 유동 경로(650)로의 개구에 걸쳐있으며, 지지용 구조체(646)는 3 각형의 정점에 있다. 리브(644)들과 구조체(646)는 적층부의 확산 접합 구성 동안에 근접한 박편의 하부와 접합되고, 교번하는 층들 위에서 유동으로부터의 헤더 구멍의 시일을 보장한다.
이러한 높은 면 비율의 헤더 구멍들을 사용하는 것은 유동 경로(650)의 유입부 (그리고 유출부) 영역에서 단면적을 증가시키는 역할을 한다 (즉, 지지용 리브(644)들 사이와 가장자리(642)에 근접한 유동 경로(650)의 부분에서 그러하다). 그 목적은 이들 유입부 (또는 유출부) 영역들 위의 유체 유동에 대한 (즉, 각각의 헤더에 대한) 누적된 단면적을 유동 경로(650)의 중심에 보다 근접한 (즉, 유동 경로(650)의 유입 영역으로부터 이탈된) 유체 유동의 단면적에 보다 근접하게 맞추는 것이다. 단면적을 맞추는 것은 유체 속도들 맞추게 하여, 채널(650)을 통한 전체적인 유동에 대한 입구 및 출구 손실을 감소시킨다. 이러한 횡단 면적들을 정확히 맞추는 것이 실용적인 것이 아닐 수 있다. 일 형태에 있어서, 마이크로채널들에 대한 입구 (또는 출구) 영역에서 유동의 누적 단면적이 입구 (또는 출구) 영역으로부터 이격된 실제의 거리에서 마이크로채널 안의 유동 단면적의 약 50 % 이도록 헤더들이 설계된다. 보다 바람직스럽게는 약 30 %, 20 % 또는 10 % 내에 있도록 설계된다.
예를 들면, 역류 마이크로채널의 공기-공기 복열기에 대한 선행의 디자인들은 사각형의 헤더 구멍들을 채용하였는데, 여기에는 사각형의 단지 하나만이 유동 경로에 개방되었다. 결과적으로, 입구와 출구 영역들에서의 속도가 유동 경로 열교환 영역의 중간에서의 속도의 2 배 이상이다. 유동 경로(650)의 입구와 출구상에서 속도 변화를 줄이는 것은 압력 강하를 감소시키는 역할을 한다. 예를 들면, 도시된 층류 열교환기는 1 atm 압력의 등가인 몰 유동들(equi-molar flows) 사이에서 80 % 보다 큰 효율을 가질 수 있는데, 여기에서 각각의 공기 흐름에서의 압력 강하는 약 2.5 인치의 물의 압력보다 작다. 보다 일반적으로, 이러한 헤더 구멍들은 그 어떤 마이크로채널 장치에서도 사용될 수 있으며 마이크로채널 안으로 그리고 밖으로의 압력 손실들이 중요하다.
이제 본 발명의 구현예들의 특정한 특징들을 설명하는 특정의 예들에 대한 참조가 이루어질 것이다. 그러나, 이들 예들은 예시를 위해서 제공된 것이며 본 발명의 범위에 대한 제한이 그에 의해서 의도되지 않는다는 점이 이해되어야 한다.
예
연료 프로세서는 도 2 에 따라서 구성되었다. 개질기(30)는 316L 의 스테인리스 스틸 박편들의 적층부로부터 구성되었다. 적층부 안의 각각의 개질-측 유동 경로는 3 개의 박편들로부터 구성되었다. 촉매 펠트(felt)용으로 필요한 갭을 제공하는 중앙의 스페이서(spacer)는 대면하는 에칭된 박편들 사이에 개재되었는데, 이들 박편은 지지용 리브(support rib)를 가져서 펠트를 유지하고 펠트를 지나서 반응 유동 경로들을 한정한다. 반응 유동 경로들을 형성하기 위한 유사한 3 개의 박편 기술이 2003.3.11.자의 공동 소유인 미국 특허 출원 제 10/385,831 호에 보다 완전하게 설명되어 있다. 촉매 펠트는 패널의 가장자리에 접근용 슬릿들을 절단하고, 펠트를 면들 사이에서 스페이서 박편들 안으로 길이 방향으로 미끄러뜨리고, 다음에 가장자리를 금속편으로 다시 시일링함으로써 확산 접합 이후에 적층부에 부가되었다. 연소측은 0.02 인치의 깊은 연소 유동 채널을 만들도록 한쌍의 면하는 박편로부터 형성되었다. 이러한 박편들의 48 개 세트들이 적층되어서 3.6 인치의 높이, 2 인치의 폭 및 0.45 인치의 두께로써 측정되는 코어 박편 적층부를 가진 반 응기를 형성하도록 적층되었다.
증발기(40)도 316L 의 스테인레스 스틸 박편의 적층부로부터 구성되었다. 2002. 6.6. 자의 미국 특허 출원 제 10/164,969 호에 보다 상세하게 설명된 바와 같이, 한쌍의 면하는 에칭된 박편들이 증기/물의 유동 경로를 제공하였으며 한쌍의 면하는 에칭된 박편들이 연소 유동 경로들을 제공하였다. 증발 측 위에서, 물 채널은 0.005 인치의 깊이로 에칭되었으며 증기 채널은 0.01 인치의 조합된 에칭 깊이를 가진다. 연소 측은 0.01 인치의 조합된 에칭 깊이를 가진 채널을 가진다. 증발기는 29 개의 연소 개스 층들 사이에 있는 28 개의 증기/물의 층들로 구성되었다. 접합 이후에 상부와 저부 플레이트가 설치된 상태에서, 증발기는 약 5.25 인치의 길이, 3 인치의 폭 및 0.185 인치의 두께를 가졌다.
연료(42)는 이소옥탄이었으며, 개솔린을 시뮬레이션하도록 선택되었다. 실험실의 편의를 위해서, 연소 연료(22)는 수소 개스였다.
2 개의 신속한 시험을 위한 개질물의 유동과 시스템의 온도들이 도 16a 내지 도 16f 에 도시되어 있다. 연소 과정에 대한 공기 유량은 1000 slpm 이었다. 100 slpm 의 수소 유동은 마이크로-채널 믹서를 사용하여 공기의 흐름 안으로 혼합되었고, 필요한 열을 발생시키도록 스파크 플러그로써 점화되었다. 도 16a 내지 도 16c 는 밸브(108)가 폐쇄되고 그리고/또는 복열기 우회(106)가 작동되지 않은 상태의 시험을 나타낸다. 도 16d 내지 도 16f 는 복열기 우회(106)가 작동되는 상태로 비교 가능한 결과들을 나타낸다. 증기가 시스템으로부터 비응축성 개스를 변위시킬 때 짧은 개스의 펄스는 시스템으로부터 약 12 초에서 유동한다. 완전한 개질물 유 동은 이러한 2 개의 실험에 있어서 30 초(도 16a) 및 22 초(도 16d)에서 발생한다. 22 초의 시동 실험에 있어서, 유동은 샘플 라인(sample line)으로부터 유출되고 이후에 비어있는 샘플 실린더를 채우도록 전환된다. 건조에 기초한 조성물에 의해 제공되는 개질물의 개스 크로마토그래픽 분석은 72.3 % 의 H2, 6.1 % 의 CO, 19.1 % 의 CO2 및 0.24 % 의 CH4 이다. 낮은 전환율(69%)과 평형의 CO 농도(4 % 가 평형이었다)보다 높은 농도는 급속 시동 테스트에 관련되지 않은 촉매 문제에 기인한 것으로 믿어졌다. 연소 측상의 온도(도 16b, 도 16e)들은 패널 단면에 걸쳐서 고르게 이격된 8 개 써모커플들의 평균이었던 반면에, 개질 측(16c,16f)상의 온도들은 단일의 써모커플들을 나타낸다. 개질물 제조에서의 진동은 연료 펌프의 피스톤 행정의 주기에 해당한다. 펄스 감쇠기가 맥동을 제거할 수 있는 반면에, 이것은 변화의 응답을 느리게 할 수 있다.
복열기 우회를 가진 실험은 개질물의 생산을 조기에 달성했지만 그것이 우회의 결과였는지, 또는 두 번째 실험에서 연료 분사 라인 안에 빈 공간이 감소되어서 개질기에 연료가 빨리 도달하는 결과를 초래했었는지의 여부는 불명확하다. 복열기 우회를 이용하는 같은 시스템을 가진 차후의 실험(데이터는 도시되지 않음)은 12 초의 시동을 달성하였다. 이러한 차후의 실험에서, 연료 펌프는 정상 비율 보다 높게 시동되었으며, 일단 연료 개질이 발생하였다는 증거가 있었다면, 연료 펌프는 정상 상태의 비율로 낮춰졌다.
시동하는 동안에, (100 % 연료 유동을 가진) 탄소에 대한 카본(S:C)의 비율 은 18:1 내지 24:1의 범위에 있을 것으로 목표가 정해졌다. 위에서 설명된 바와 같이, 이러한 높은 비율의 증기는 열을 하류의 WGS 및 PROX 반응기들로 전달하여 그들을 최대 작동 온도로 오게 한다. 계획된 증기 비율과 하류 반응기들의 평가된 질량에 기초하여, WGS 및 PROX 반응기들은 이러한 S:C 의 범위에서 약 60 초 이내에 과도한 열을 가진 작동 온도로 가져갈 수 있다.
정상 상태에서, 연소 측 유량은 100 내지 110 slpm (기준 21.1℃) 이었으며 압력 강하는 반응기에 걸쳐서 ~ 1.1 인치의 H2O 의 압력이고, 증발기에 걸쳐서 ~0.14 인치의 H2O 의 압력이었다. 현재의 급속 시동 실험에서, 완전한 개질물이 발생되고 있을 때인 30 초에서, 연소 측 공기 유량은 1000 slpm 에서 유지되었던 반면에 수소는 연소 유입이 1000C 미만을 유지하도록 시간에 따라 감소하였다. 반응기와 증발기의 패널에 걸친 압력 강하는 고유동 고온 조건하에서 각각 14 인치와 8 인치의 물의 압력이었다.
현재 시스템의 성능을 향상시키도록 몇 가지 변화들이 계획된다. 우선, 고온 작동이 가능하도록 반응기는 인코넬(Inconel) 합금으로 제작될 것이다. 이것은 개질기의 열적인 양을 현재 값의 < 1/3 로 감소시킬 것이다. 반응기 질량은 설계 변경을 통해서 부가적으로 40 % 가 감소될 것으로 예상된다. 사용되고 있는 전체 공기 유동은 낮은 공기 유량에서 높은 연소 온도를 사용함으로써 감소될 것이다. 연소 개스의 측에서 속도를 감속시키는 것과 함께 보다 높은 온도로 구동하는 힘은 (정상 상태 뿐만 아니라) 시동 동안에 공기 유동의 체적과 압력 요건을 감소시키도 록 사용될 것이다. 50 kWe 시스템에 대한 시동 공기 유동이 5 인치 내지 10 인치의 H2O 범위인 최대 압력 강하와 함께 450 내지 600 scfm 의 유동 범위에 있게 하는 것이 현재의 목표이다. 10 인치의 H2O 의 압력에서 600 scfm 을 제공하는 75 % 효율의 송풍기에 대한 기계적인 동력 입력은 931 와트이며, 이것은 종래의 납-산 자동차용 배터리의 범위에서의 공기 운동으로 평가된다.
본 발명은 도면과 상기의 설명에서 도시되어 설명되었지만, 이들은 예시적인 것이며 특징을 제한하지 않는 것으로 간주되어야 한다. 단지 특정의 구현예들이 도시되고 설명되었지만, 여기에 설명된 본 발명의 사상내에 속하는 모든 변형, 균등예 및 수정예들은 보호되어야 한다. 여기에 제공된 그 어떤 실험들, 실험예들 또는 실험된 결과들은 본 발명을 예시하기 위한 것으로 의도되며 본 발명의 범위와 관련하여 제한하거나 또는 한정하는 것으로 간주되어서는 아니된다. 또한, 여기에 설명된 그 어떤 이론, 작동 메카니즘, 증거 또는 발견은 본 발명의 이해를 더욱 증진시키는 것을 의미하는 것이며 본 발명을 그 어떤 방식으로든 그러한 이론, 작동의 메카니즘, 증거 또는 발견에 제한하도록 의도된 것은 아니다.
따라서, 본원의 설명과 첨부된 도면들의 상세한 내용이 본 발명의 범위를 특정한 예에 제한하도록 해석되어서는 아니된다. 오히려, 본 발명의 범위는 여기에 첨부된 청구항들과 관련하여 평가되어야만 한다. 청구항들을 읽는데 있어서 "하나", "적어도 하나" 및, "적어도 한 부분"과 같은 단어들이 사용될 때 청구항들에 반하여 특별하게 설명되지 않았다면 그것이 청구항들을 단지 하나의 품목에 제한하려 는 의도가 아니었다는 점이 이해되어야 한다. 또한 "적어도 한 부분" 그리고/또는 "일 부분"과 같은 용어가 사용될 때, 그에 반대되게 특별히 설명되지 않았다면 청구항들은 일 부분 및/또는 전체 품목을 포함할 수 있다. 마찬가지로, "입력" 또는 "출력"과 같은 용어가 전기 장치나 또는 유체 처리 유니트와 관련하여 사용되는 경우에, 문장에서 적절하게 단수 또는 복수 및 하나 또는 그 이상의 신호 채널이나 유체 라인들을 포함한다는 점이 이해되어야 한다. 마지막으로, 명세서에 인용된 모든 공보, 특허 및 특허 출원은 그들 각각이 여기에서 완전하게 개시되고 참조로서 포함되도록 상세하게 그리고 개별적으로 나타나는 것처럼 본 발명의 개시된 바와 일치 않는 범위에까지 참조로써 포함된다.
본 발명은 다양한 유형의 전지로서 사용될 수 있으며, 특히 자동차용 연료 전지로서 사용될 수 있다.

Claims (53)

  1. 연료 개질 반응기와 연료 개질 반응기의 가열측을 통하여 상이한 질량 유량으로 연소 개스를 선택적으로 이송시키기 위한 적어도 하나의 송풍기를 구비하는 연료 전지 시스템을 제공하는 단계;
    반응기의 가열 측을 통하여 유동하는 연소 개스로써 반응기의 개질 측을 가열함으로써 개질 반응기를 시동시키는 단계; 및,
    가열 측을 통하여 유동하는 연소 개스로부터의 열로써 개질 측상에서 흡열 개질 반응을 구동함으로써 개질물의 흐름을 발생시키도록 반응기를 작동시키는 단계;를 구비하고,
    시동 동안에 가열 측을 통하는 연소 개스의 질량 유량이 작동하는 동안에 가열 측을 통하는 연소 개스의 질량 유량의 적어도 약 5 배인 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    시동 동안에 개질 반응기의 가열 측을 가로지른 압력의 강하는 약 10 인치의 물의 압력보다 작은 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    시스템은 개질 반응기의 가열 측으로부터 하류측에 가열 측을 가지는 증발기 를 구비하고, 시동 동안에 개질 발생기의 가열 측과 증발기의 가열 측을 가로지르는 조합된 압력 강하는 약 10 인치의 물의 압력 보다 작은 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    시동 동안에 가열 측을 통하여 유동하는 연소 개스의 레이놀즈 수는 약 2000 보다 작은 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    연소 개스는 반응기의 가열 측을 통하여 반응기의 제 1 면으로부터 반응기의 제 2 면으로 유동하고, 제 1 면과 제 2 면들은 각각 면들 사이의 거리보다 실질적으로 큰 길이와 폭을 가지는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    시스템은 개질 반응기의 가열 측으로부터 하류에 가열 측을 가진 증발기를 구비하고, 증발기는 면들 사이의 거리보다 실질적으로 큰 길이와 폭을 각각 가지는 제 1 면과 제 2 면을 구비하고, 방법은 증발기의 가열 측을 통하여 증발기의 제 1 면으로부터 증발기의 제 2 면으로 연소 개스를 유동시키는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    증발기와 개질 반응기의 가열 측들 사이에 개입된 열 교환기가 존재하지 않는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    적어도 2 개의 송풍기들이 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    적어도 하나의 송풍기가 연료 전지 시스템의 정상 상태 전기 출력의 약 4 % 보다 작은 동력의 양을 소모시키는 동안 시동은 개질 측의 내부 온도를 약 50℃ 아래로부터 약 400℃ 이상으로 상승시키는 것을 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 약 30 초 보다 짧은 동안 채널들의 내부 온도를 시작 온도로부터 상승된 작동 온도로 상승시키기에 충분한 질량 유량에서 가열 채널을 통해 유동하는 고온 개스로써 연료 개질기의 흡열 반응 채널들을 가열함으로써 연료 개질기를 시동시키는 단계를 구비하고,
    시동 온도는 약 50℃ 보다 작으며 상승된 작동 온도는 약 600℃ 보다 큰 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    연료 개질기는 연료 전지에 결합되고, 고온의 개스는 적어도 하나의 전기 송풍기의 압력 하에 유동하며, 가열하는 동안에 적어도 하나의 송풍기에 의한 전기 동력의 총 소모는 연료 전지로부터의 최대인 정상 상태 전기 동력 출력의 약 8 % 보다 작은 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    가열 이후에, 개질물 흐름을 발생시키도록 고온의 개스에 의해 공급된 열로써 연료 개질기를 상승된 작동 온도에서 작동시키는 단계;를 더 구비하고,
    시동 동안에 가열 측을 통한 고온 개스의 질량 유량은 작동 동안에 가열 측을 통한 연소 개스의 질량 유동의 적어도 약 3 배인 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 10 항 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    연료 개질기는 증기 개질기인 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    시동 동안에 가열 측을 통한 고온 개스의 질량 유량은 작동 동안에 가열 측을 통한 연소 개스의 질량 유량의 적어도 약 5 배인 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제 13 항에 있어서,
    증기 개질기로의 증기 유입 흐름을 발생시키도록 액체 연료를 과열된 증기로 분무시키는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제 10 항에 있어서,
    고온의 개스는 연소 배기 가스인 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제 10 항에 있어서,
    개질기는 제 1 및 제 2 의 면을 한정하고 각각의 면은 면들 사이의 거리보다 실질적으로 큰 길이와 폭을 가지며, 가열 채널은 면들 사이의 유동 경로들인 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 연료 전지;
    연료 전지에 의해 사용되기 위한 수소를 증기와 탄화수소들로부터 발생시키도록 작동될 수 있는 증기 개질기; 및
    증기를 증기 개질기로 공급하기 위한 증발기;를 구비하고,
    증기 개질기는 제 1 면과 제 2 면을 한정하는 패널이고,
    각각의 면의 길이와 폭은 면들 사이의 거리보다 실질적으로 큰 것을 특징으로 하는 시스템.
  19. 제 18 항에 있어서,
    증기 발생기의 제 1 면으로부터 제 2 면으로의 다수의 개질기 가열 채널을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  20. 제 19 항에 있어서,
    증발기는 제 1 면과 제 2 면을 한정하고 그것을 통하여 다수의 증발기 가열 채널을 가지는 패널이며, 증발기 가열 채널은 개질기 가열 채널들로부터 하류측에 있는 것을 특징으로 하는 시스템.
  21. 제 20 항에 있어서,
    시스템의 시동과 시스템의 작동 동안에 상이한 유량으로 개질기와 증발기 가열 채널을 통해서 고온 개스를 이송시키기 위한 가변 속도의 송풍 수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  22. 연료 전지;
    개스성의 유입 증기를 연료 전지에 의해 사용되기 위한 개질물 유출 흐름으로 변환시키는 증기 개질기;
    과열된 증기를 제공하고 증기 개질기의 가열 측으로부터 하류에 가열 측을 가지는 증발기; 및
    개질기로의 개스성 유입 흐름을 발생시키도록 액체 연료를 과열된 증기 안으로 분사시키기 위한, 증발기와 개질기 사이의 연료 분사기;를 구비하는 시스템.
  23. 제 22 항에 있어서,
    적어도 하나의 송풍기와 콘트롤러를 더 구비하고,
    콘트롤러는 시스템의 시동 단계와 작동 단계 동안에 적어도 하나의 송풍기가 고온의 개스를 가열 측을 통하여 실질적으로 상이한 질량 유량으로 선택적으로 이송시키도록 작동될 수 있는 것을 특징으로 하는 시스템.
  24. 제 22 항 또는 제 23 항에 있어서,
    증발기와 증기 개질기의 가열 측들 사이에 개입되는 열 교환기가 없는 것을 특징으로 하는 시스템.
  25. 제 24 항에 있어서,
    적어도 하나의 증발기와 증기 개질기는 가열 측 유동 경로들로의 유출부를 한정하는 유출면과, 가열 측 유동 경로들로의 유입부를 한정하는 유입면을 한정하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  26. 제 25 항에 있어서,
    가열 측 유동 경도들의 가장 작은 치수는 약 0.05 인치 보다 작은 것을 특징으로 하는 시스템.
  27. 개질 측과 가열 측을 가지는 증기 개질기;
    개질기의 개질 측으로부터 상류에 있는 증발 측과 개질기의 가열 측으로부터 하류에 있는 가열 측을 가지는 물 증발기; 및
    증발 측과 개질 측 사이에 유동하는 연료 분사기;를 구비하고,
    연료 분사기는 연료 개질 작동 동안에 개질 측으로 개스성 유입 흐름을 발생시키도록 액체 연료를 과열된 흐름으로 분무하도록 구성되고; 그리고
    증발기와 증기 개질기들중 적어도 하나는 가열 측 유동 경로들로의 유입부를 한정하는 유입면과 가열 측 유동 경로들로의 유출부를 한정하는 유출면을 한정하며, 각각의 면들은 면들 사이의 거리 보다 실질적으로 큰 길이와 폭을 가지는 것을 특징으로 하는 시스템.
  28. 제 27 항에 있어서,
    연소 개스를 증기 개질기의 가열 측 안으로 이송시키기 위한 내표면을 한정하는 연소 개스 도관을 더 구비하고, 증기 개질기의 가열 측에 근접한 내부 표면의 주요 부분은 실질적으로 비 금속성인 것을 특징으로 하는 시스템.
  29. 제 27 항에 있어서,
    개질 측의 개질물 유출부 내에서 수소로부터 동력을 발생시키도록 개질 측으로부터 하류의 연료 전지를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  30. 제 29 항에 있어서,
    연료 전지는 차량의 동력을 공급하고, 증기 개질기의 온도는, 연료 전지로부터의 최대 정상 상태의 전력 출력의 약 4 % 보다 적은 동력의 양을 소비하는 동안에, 고온 개스를 가열 측을 통하여 유동시킴으로써 30 초 보다 적은 시동 동안에 주위 온도로부터 상승된 작동 온도로 상승되도록 작동될 수 있는 것을 특징으로 하는 시스템.
  31. 가열 측을 가지는 증기 개질기;
    증기 개질기를 위한 증기를 발생시키고 증기 개질기의 가열측으로부터 하류에 가열 측을 가지는 물 증발기; 및
    고온 개스를 증기 개질기의 가열 측에 공급하기 위한 연소 영역;을 구비하고,
    증기 개질기와 증발기의 가열 측들 각각은 한쌍의 면들 사이에 다수의 유동 경로들을 구비하고, 면들 각각의 길이와 폭은 면들 사이의 거리 보다 실질적으로 큰 것을 특징으로 하는 시스템.
  32. 제 31 항에 있어서,
    유입 흐름을 증기 개질기로 발생시키도록 액체 연료를 증발기로부터의 과열 증기 안으로 도입하도록 작동될 수 있는 연료 분사기를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  33. 제 31 항에 있어서,
    시스템이 시동되고 있는지 또는 정상 상태의 작동인지의 여부에 따라서 개질기의 유입부의 탄소 비율에 대한 증기와 고온 개스의 유량을 변화시키도록 작동될 수 있는 콘트롤러를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  34. 제 33 항에 있어서,
    콘트롤러는 개질기의 제 1 면의 금속 온도 보다 적어도 200℃ 로 높은 개질기의 제 1 면의 고온 개스 온도를 가지도록 작동될 수 있는 것을 특징으로 하는 시스템.
  35. 제 34 항에 있어서,
    정상 상태 작동 동안에 반응기의 제 1 면에서 고온 개스의 온도는 개질기 구성 재료에 대한 최대 작동 온도보다 높은 것을 특징으로 하는 시스템.
  36. 제 1 항 또는 제 12 항에 있어서,
    시동 동안의 S:C 의 비율은 작동 동안보다 적어도 약 4 배로 큰 것을 특징으로 하는 방법.
  37. 제 36 항에 있어서,
    시동 동안에 S:C 의 비율은 작동 동안 보다 적어도 8 배 큰 것을 특징으로 하는 방법.
  38. 제 5 항에 있어서,
    반응기의 제 1 면에서 고온 개스의 온도는 작동 동안에 반응기의 제 1 면의 온도 보다 적어도 200 ℃ 로 높은 것을 특징으로 하는 방법.
  39. 제 1 항에 있어서,
    유입부에서의 고온 개스가 최대 작동 온도 보다 적어도 약 200 ℃ 높을 때 유입부에서의 금속 온도가 최대 작동 온도를 초과하는 것을 방지하도록 유입부로부터 이탈하여 반응기의 가열 측으로 반응기를 통하여 열을 전도시키는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.
  40. 일체로 접합된 얇은 시이트의 적층부를 구비하고, 적층부는 반대편 단부들에 정렬된 헤더 개구부들을 가진 교번하는 오목한 시이트들을 구비하며, 시이트들내의 요부들은 복수개의 제 1 마이크로채널의 유동 경로들을, 헤더의 개구부들과, 제 1 유동 경로들과는 별개인 복수개의 제 2 유동 경로들 사이에 한정하고,
    정렬된 헤드 개구부들은 형상에 있어서 높은 면 비율(aspect ratio)이고, 제 1 의 마이크로채널 유동 경로의 하나에 대한 입구 영역에서의 누적된 유동 단면적은 입구 영역으로부터 실질적으로 이격된 거리에서 제 1 유동 경로내의 유동 단면적의 약 20 % 이내인 것을 특징으로 하는 유체 처리 장치.
  41. 제 40 항에 있어서,
    정렬된 헤더 개구부들은 시이트들의 반대 단부들에서 개구부들을 연결하는 선에 전체적으로 평행한 주축(major axis)을 가지는 것을 특징으로 하는 유체 처리 장치.
  42. 제 40 항에 있어서,
    헤더 개구부들은 적어도 3 개 측들을 전체적으로 한정하는 형상을 가지고, 2 개의 측들은 제 3 의 측보다 실질적으로 길며, 2 개의 긴 측들은 상대적으로 제 1 유동 경로들에 근접하고 짧은 측은 제 1 의 유동 경로들로부터 상대적으로 이격된 것을 특징으로 하는 유체 처리 장치.
  43. 제 42 항에 있어서,
    헤더 개구부들은 삼각형인 것을 특징으로 하는 유체 처리 장치.
  44. 제 40 항에 있어서,
    헤더 개구부들의 면 비율은 적어도 약 2:1 인 것을 특징으로 하는 유체 처리 장치.
  45. 제 40 항에 있어서,
    입구 영역내의 누적된 유동 단면적은 입구 영역으로부터 실질적으로 이격된 거리에서 유동 단면적의 약 10 % 이내인 것을 특징으로 하는 유체 처리 장치.
  46. 제 40 항에 있어서,
    장치는 1 atm 의 기압인 2 개의 등가 몰 유동(equimolar flow)들 사이에서 80 % 의 효율 보다 클 수 있는 층류의 열 교환인 것을 특징으로 하는 유체 처리 장치.
  47. 일체로 접합된 얇은 시이트들의 적층부를 구비하고, 적층부는 반대 단부들에서 정렬된 헤더 개구부들을 가지는 교번하는 요부 시이트들을 구비하며, 시이트들 안의 요부들은 헤더 개구부들의 제 1 의 것들 사이에 복수의 제 1 의 마이크로채널 유동 경로들과, 헤더 개구부들의 다른 것들 사이에 복수의 제 2 의 마이크로채널 유동 경로들을 한정하고,
    정렬된 헤더 개구부들은 형상에 있어서 높은 면 비율이고, 제 1 마이크로채널 유동 경로의 하나에 대한 입구 영역내의 누적된 유동 단면적은 입구 영역으로부터 실질적으로 이격된 거리에서 유동 경로내의 유동 단면적의 약 50 % 이내인 것을 특징으로 하는 유체 처리 장치.
  48. 제 1 의 유체 흐름을 제 2 의 유체 흐름과 혼합시키기 위한 장치로서,
    일체로 접합된 얇은 시이트들의 적층부를 구비하고, 적층부는 교번하는 오목 한 시이트들을 구비하며, 시이트들 안의 요부들은 제 1 의 유체를 적층부의 유출면으로 이송시키기 위한 다수의 제 1 유동 경로들과, 제 2 유체를 적층부의 유출면으로 이송시키기 위한 다수의 제 2 유동 경로들중 적어도 일부를 한정하고, 시이트들은 제 1 의 유체를 제 1 의 유동 경로들로 분배하기 위한 정렬된 헤더 구멍들중 적어도 하나의 세트를 더 구비하고;
    제 1 및 제 2 유동 경로들은 적층부내에 있는 동안에 열접촉되고;
    제 1 및 제 2 유체들이 그들의 개별 유동 경로로부터 배출될 때 혼합되도록 제 1 경로들중 유출부들은 제 2 유동 경로들의 유출부들 사이에 있는 것을 특징으로 하는 혼합 장치.
  49. 제 48 항에 있어서,
    제 1 및 제 2 유동 경로들중 적어도 하나는 약 0.05 인치보다 작은 적어도 하나의 치수를 가지는 것을 특징으로 하는 혼합 장치.
  50. 제 48 항에 있어서,
    다수의 제 2 유동 경로들은 적층부의 유출면에 반대인 적층부의 유입면상에 유입부를 가지는 것을 특징으로 하는 혼합 장치.
  51. 제 50 항에 있어서,
    적층부의 유입면과 유출면 각각은 면들 사이의 거리보다 실질적으로 큰 길이 와 폭을 가지는 것을 특징으로 하는 혼합 장치.
  52. 제 51 항에 있어서,
    다수의 제 2 유동 경로들은 면들 사이의 거리와 거의 같은 길이를 가지는 것을 특징으로 하는 혼합 장치.
  53. 제 48 항에 있어서,
    적어도 10 개의 제 1 유동 경로들과 적어도 10 개의 제 2 유동 경로들이 있는 것을 특징으로 하는 혼합 장치.
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