JP2006511926A - 燃料電池の改質装置を始動するための複合油中水中油（ｏ／ｗ／ｏ）エマルジョン組成物 - Google Patents

Abstract

本発明は、燃料電池システムの改質装置を始動するためのエマルジョン組成物に関する。より詳しくは、本発明は、燃料電池システムの改質装置を始動するための、炭化水素燃料、水、ならびにアルコキシル化アルキルアルコール、アルコキシル化アルキルエステルおよびアルキルポリグリセロール界面活性剤を含む油中水中油（Ｏ／Ｗ／Ｏ）エマルジョン組成物を含む。

Description

本発明は、燃料電池システムの改質装置の始動時に用いるための組成物に関する。より詳しくは、本発明は、燃料電池システムの改質装置の始動時に用いるための、炭化水素燃料、水、および界面活性剤を含むエマルジョン組成物を含む。

部分酸化、スチーム改質装置または自熱改質装置、もしくはそれらの組合わせを用いて、水素を炭化水素から生成する燃料電池システムは、水を常時存在させて、改質、水性ガスシフト、および燃料電池スタックの給湿のための反応体として供する必要がある。水は、通常の暖気運転において、燃料電池スタックの一生成物であることから、燃料電池スタックから生成された水は、改質装置にリサイクルされるであろう。改質装置の始動に際しては、液体の水が、炭化水素燃料と十分に混合され、エマルジョンとして改質装置に供給されることが好ましい。本発明は、燃料電池システムの改質装置の始動時に用いるのに適切な複合油中水中油エマルジョン組成物を提供する。

米国特許第５，８２７，４９６号明細書 Ｊ．ベントレー、Ｂ．Ｍ．バーネット、およびＳ．ハインケ（Ｊ．Ｂｅｎｔｌｅｙ，Ｂ．Ｍ．Ｂａｒｎｅｔｔ，ａｎｄ Ｓ．Ｈｙｎｋｅ）著「１９９２年燃料電池セミナー−特別抄録」（第４５６頁、１９９２年）

本発明の一実施形態は、燃料電池システムの改質装置の始動時に用いるのに適切なエマルジョン組成物を提供する。これは、炭化水素、水、および二つのタイプの界面活性剤のそれぞれからの少なくとも一種の界面活性剤を含む。一つのタイプの界面活性剤（タイプＡ）は、アルコキシル化アルキルアルコール、アルコキシル化アルキルモノエステルおよびアルコキシル化アルキルジエステルからなる群から選択される。他のタイプの界面活性剤（タイプＢ）は、アルキルポリグリセロールモノエステルおよびアルキルポリグリセロールジエステルからなる群から選択される。

好ましい実施形態においては、エマルジョン組成物は、複合油中水中油エマルジョンである。

本発明の他の実施形態においては、炭化水素、水、ならびにタイプＡおよびタイプＢ界面活性剤を低剪断で混合する工程を含む複合油中水中油エマルジョンの調製方法を提供する。

本発明のエマルジョン組成物は、燃料電池システムの改質装置を始動するのに用いられるであろう。好ましい実施形態においては、エマルジョン組成物は、以下に記載される改良燃料電池システムの改質装置を始動するのに用いられるであろう。改良燃料電池システムは、始動システムが作動可能に接続された従来の燃料電池システムを含む。従来の燃料電池システムおよび改良燃料電池システムを、次に記載する。

従来の燃料電池システムは、燃料源、水源、空気源、改質装置、水性ガスシフト反応器、ＣＯをＣＯ_２に転化するための反応器、および燃料電池スタックを含む。互いに作動可能に接続された複数の燃料電池は、燃料電池スタックと呼ばれる。図１は、先行技術の水素生成装置の一実施形態の概略図を示す。これは、炭化水素液体燃料に基き、部分酸化／スチーム改質を用いて、燃料をシンガス混合物に転化する。このシステムの設計は、水を改質装置に供給して自熱改質を行うことを可能にすることを除いて、Ａ．Ｄ．リトル（Ａ．Ｄ．Ｌｉｔｔｌｅ）によって開発されたものに類似している（非特許文献１）。図１のプロセスは、次のように構成される。すなわち、燃料は、燃料タンク（１）に貯蔵される。燃料は、必要に応じて、改質装置（３）に入る前に予熱器（２）を通って供給される。空気は、空気予熱器（５）によって予熱された後、改質装置（３）に供給される。水は、貯蔵タンク（６）に貯蔵される。熱交換器（７）は、タンク（６）の一部分と一体化され、それが低い操作温度で凍結するであろう場合には、水の一部分を融解するのに用いられるであろう。タンク（６）からのいくらかの水は、改質装置（３）に入る前に、ストリーム（９）を経て予熱器（８）に供給される。改質されたシンガス生成物は、ストリーム（１０）を経るタンク（６）からのさらなる水と組合わされる。この給湿されたシンガス混合物は、次いで、反応器（１１）に供給される。これは、水性ガスシフト（Ｈ_２を製造するためのＣＯおよび水の反応）、およびＣＯ浄化を行う。Ｈ_２リッチの燃料ストリームは、次いで、燃料電池（１２）に入り、そこでそれは、空気（示されない）と電気的に反応して、電気、廃熱、および気化された水を含む排ガスストリームを製造する。本明細書で用いられる水素−酸素燃料電池は、水素リッチの燃料が水素または水素含有ガスであり、酸素が空気から得られるであろう燃料電池を含む。このストリームは、凝縮器（１３）を通過して、水蒸気の一部分を回収する。これは、ストリーム（１４）を経て水貯蔵容器（６）にリサイクルされる。部分的に乾燥された排ガスストリーム（１５）は、大気に放出される。構成要素３（改質装置）および１１（水性ガスシフト反応器）は、一般的な燃料処理装置を含む。

図２は、従来の燃料電池システムに接続するための、燃料電池始動システムの一形態の概略図を示す。図２のシステムは、次のように構成される。すなわち、燃料は燃料容器（１）に、水は水容器（２）に、不凍液は不凍液容器（３）に、界面活性剤は界面活性剤容器（４）に貯蔵され、エマルジョンは、エマルジョン容器（５）中で製造される。燃料（１）および界面活性剤容器（４）は、それぞれ、別個の移送ライン（６）および（７）を経てエマルジョン容器（５）に接続される。水容器（２）は、移送ライン（８）を経てエマルジョン容器（５）に接続されて、水または水−アルコール混合物をエマルジョン容器に分配する。水容器は、さらに、移送ライン（９）を経て不凍液容器（３）に接続される。エマルジョン容器は、ミキサーを取付けられる。エマルジョン容器（５）からの出口ライン（１０）は、従来システムの燃料電池改質装置［図１に示される改質装置（３）など］に接続される［すなわち、図１の改質装置（３）は、図２に示される改質装置（１１）に等しい。］。燃料、水および界面活性剤容器は、全て独立に、始動用マイクロプロセッサー（１２）に接続され、その信号が、燃料、水および界面活性剤をエマルジョン容器中に分配することを開始する。水容器は、温度センサー（１３）に接続される。これは、水容器中の水の温度を検知する。温度センサーは、電池（示されない）および不凍液容器に接続される。温度センサーは、水容器の加熱、または所望により、不凍液の分配を引起こす。上記された燃料電池始動のための形態は、始動システムの一つの限定しない例である。他の形態も、また、用いられるであろう。

始動システムの別の実施形態においては、水容器は、従来の燃料電池システムの水貯蔵室である。始動システムの他の実施形態においては、エマルジョン容器は、排除される。燃料、水および界面活性剤は、図２に示される移送ライン（１０）中に直接分配される。この実施形態においては、移送ライン（１０）は、インラインミキサーを取付けられる。典型的なインラインミキサーは、技術的に知られたインライン混合装置を取付けた管状容器からなる。インライン混合装置の限定しない一例は、流体流に垂直に取付けられた一連の羽根である。他の例は、一連の制限オリフィスであり、そこを通って流体が伝播される。インラインミキサーは、流体混合の当業者には知られる。管の円周に対する、羽根の数およびその角度の配置は、インラインミキサーの設計の当業者には知られる。超音波処理装置も、また、インライン混合装置として用いられるであろう。インライン混合のための超音波処理装置は、移送ライン（１０）に沿って配置された単一の超音波処理装置ホーンまたは複数の超音波処理装置ホーンを含む。

燃料および界面活性剤を含む混合物は、同時に、水と共にインラインミキサーの前方部分中に注入されるであろう。別に、水および界面活性剤を含む混合物は、同時に、燃料と共にインラインミキサーの前方部分中に注入されるであろう。燃料、水および界面活性剤は、それらがインラインミキサーを通って流れる際に混合されて、エマルジョンを形成する。インラインミキサーの後方部分は、エマルジョンを、注入ノズルを通して改質装置に送出する。

改良燃料電池システムの一機能は、始動時に、燃料および水がエマルジョンとして改質装置に送出されることである。エマルジョンを始動時に用いる一つの利点は、十分に混合された水／燃料の注入が達成されることである。これは、改質装置の始動効率を向上するであろう。エマルジョンを用いる他の利点は、燃料−水混合物が、個々の成分の蒸気を改質装置中に導入することとは対照的に、改質装置中に噴霧されるであろうことである。燃料および水をエマルジョン噴霧として送出することは、燃料および水を気化された状態で送出することに勝る改質装置性能の利点を有する。さらに、エマルジョンを噴霧することは、成分を気化して蒸気を改質装置に送出することに勝る機械的利点を有する。本明細書に記載された改良燃料電池の始動システムで用いるのに適切なエマルジョンの望ましい特徴は、（ａ）エマルジョンを低剪断で形成可能であること、（ｂ）界面活性剤は７００℃未満の温度で分解可能であること、（ｃ）エマルジョンの粘度は容易にポンプ輸送可能であること、および（ｄ）エマルジョンは低温で安定であることである。本発明のエマルジョンは、これらおよび他の望ましい特性を有する。

エマルジョン容器またはインラインミキサーから改質装置中に送出された流体は、燃料電池システムの改質装置を始動するのに適切な本発明のエマルジョン組成物である。改質装置がエマルジョン組成物を用いて始動されると、それは、炭化水素およびスチーム組成物への切替えがなされるまでの間、用いられ続けるであろう。典型的には、始動時間は、燃料電池システムが動力源である装置によって、０．５分〜３０分の範囲であろう。本発明のエマルジョン組成物は、炭化水素、水および界面活性剤を含む。好ましい実施形態においては、エマルジョンは、さらに、低分子量のアルコールを含む。エマルジョン組成物の他の好ましい実施形態は、複合油中水中油（Ｏ／Ｗ／Ｏ）エマルジョンである。

水中油（Ｏ／Ｗ）エマルジョンは、油小滴が水中に分散されたものである。油中水（Ｗ／Ｏ）エマルジョンは、水小滴が油中に分散されたものである。水中油エマルジョンは、水を連続相として有する。油中水エマルジョンは、油を連続相として有する。これらは、単純なエマルジョンである。対照的に、水が油中に分散され、該分散された水が、さらにその中に分散された油を有する場合には、これらのエマルジョンは、複合エマルジョンであり、油中水中油（Ｏ／Ｗ／Ｏ）エマルジョンと呼ばれる。複合油中水中油エマルジョンを形成するのに必要な界面活性剤のタイプは、エマルジョンを構成する油および水相に独特なものである。複合油中水中油エマルジョンは、油を連続相として有する。

本発明においては、好ましい油は炭化水素である。本発明のエマルジョン組成物の炭化水素成分は、３０°Ｆ（−１．１℃）〜５００°Ｆ（２６０℃）、好ましくは５０°Ｆ（１０℃）〜３８０°Ｆ（１９３℃）の範囲で沸騰するいかなる炭化水素でもあり、硫黄含有量は、約１２０ｐｐｍ未満、より好ましくは２０ｐｐｍ未満であり、最も好ましくは、硫黄は全く含まれない。エマルジョンに適切な炭化水素は、当業者に知られる原油精製プロセスから得られるであろう。低硫黄のガソリン、ナフサ、ディーゼル燃料、ジェット燃料、灯油は、本発明のエマルジョンを調製するのに用いられるであろう炭化水素の限定しない例である。３０°Ｆ（−１．１℃）〜７００°Ｆ（３７１℃）の範囲で沸騰するフィッシャー−トロプシュ誘導パラフィン燃料、より好ましくはＣ_５〜Ｃ_１０炭化水素を含むナフサも、また、用いられるであろう。

本発明のエマルジョン組成物の水成分は、元素周期律表の長周期型における第Ｉ族および第ＩＩ族元素のハロゲン化物、硫酸塩および炭酸塩を実質的に含まない水を含む。蒸留され、かつ脱イオンされた水が適切である。燃料電池システムの運転から生成された水が好ましい。水−アルコール混合物もまた、用いられるであろう。メタノール、エタノール、ｎ−およびｉｓｏ−プロパノール、ｎ−、ｉｓｏ−およびｓｅｃ−ブタノール、エチレングリコール、プロピレングリコール、ブチレングリコール、ならびにそれらの混合物からなる群から選択される低分子量のアルコールが好ましい。水：アルコールの比率は、約９９．１：０．１〜約２０：８０、好ましくは９０：１０〜７０：３０の範囲であろう。

本発明のエマルジョン組成物の必須成分は、二つのタイプの界面活性剤のそれぞれからの少なくとも一種の界面活性剤を含む界面活性剤混合物である。一つのタイプの界面活性剤（タイプＡ）は、アルコキシル化アルキルアルコール、アルコキシル化アルキルモノエステルおよびアルコキシル化アルキルジエステルからなる群から選択される。他のタイプの界面活性剤（タイプＢ）は、アルキルポリグリセロールモノエステルおよびアルキルポリグリセロールジエステルからなる群から選択される。

タイプＡ界面活性剤は、アルコキシル化アルキルアルコール、アルコキシル化アルキルモノエステルおよびアルコキシル化アルキルジエステルを含む。これは、それぞれ、次に示される一般化学構造１ａ）、１ｂ）、および１ｃ）を有する。
構造−１ａ）：Ｒ−（ＣＨ_２）_ｎ−Ｏ−（Ｍ−Ｏ）_ｍ−Ｈ
構造−１ｂ）：Ｒ−（ＣＨ_２）_ｎ−ＣＯ−Ｏ−（Ｍ−Ｏ）_ｍ−Ｈ
構造−１ｃ）：Ｒ−（ＣＨ_２）_ｎ−ＣＯ−Ｏ−（Ｍ−Ｏ）_ｍ−ＣＯ−（ＣＨ_２）_ｎ−Ｒ
（式中、Ｒはメチル基であり、ｎは約５〜１７の整数であり、ｍは約２〜５０の整数であり、ＭはＣＨ_２−ＣＨ_２、ＣＨ_２−ＣＨ_２−ＣＨ_２、ＣＨ_２−ＣＨ−ＣＨ_３、ＣＨ_２−ＣＨ_２−ＣＨ_２−ＣＨ_２、ＣＨ_２−ＣＨ−（ＣＨ_３）−ＣＨ_２、またはそれらの混合物である。）
好ましくは、タイプＡ界面活性剤（アルコキシル化アルキルアルコール、アルコキシル化アルキルモノエステルおよびアルコキシル化アルキルジエステル）において、アルコキシル化基は、エトキシル化基である。すなわち、好ましいＭは、構造−１ａ）、構造−１ｂ）および構造−１ｃ）において、ＣＨ_２−ＣＨ_２である。

タイプＢ界面活性剤は、アルキルポリグリセロールモノエステルおよびアルキルポリグリセロールジエステルを含む。これは、それぞれ、次に示される一般化学構造２ａ）および２ｂ）を有する。
構造−２ａ）：Ｒ’−ＣＯ−Ｏ−ＣＨ_２−ＣＨＯＨ−ＣＨＯＨ−（ＣＨＯＨ−ＣＨＯＨ−ＣＨＯＨ）_ｐ−ＣＨＯＨ−ＣＨＯＨ−ＣＨ_２ＯＨ
構造−２ｂ）：Ｒ’−ＣＯ−Ｏ−ＣＨ_２−ＣＨＯＨ−ＣＨＯＨ−（ＣＨＯＨ−ＣＨＯＨ−ＣＨＯＨ）_ｐ−ＣＨＯＨ−ＣＨＯＨ−ＣＨ_２−Ｏ−ＣＯ−Ｒ’
（式中、Ｒ’は、炭素原子２〜２６個のアルキル基であり、ｐは、約０〜１５の整数である。）

アルコキシル化アルキルアルコール、アルコキシル化アルキルモノエステル、アルコキシル化アルキルジエステル、アルキルポリグリセロールモノエステルおよびアルキルポリグリセロールジエステルにおける用語“アルキル”とは、飽和アルキル炭化水素、不飽和アルキル炭化水素、またはそれらの混合物を表すことを意味する。

好ましくは、タイプＡおよびタイプＢ界面活性剤は、２５０℃〜７００℃の温度範囲で分解する。好ましくは約７００℃において、実質的に全ての界面活性剤は分解する。エマルジョン組成物中のタイプＡ＋タイプＢ界面活性剤の全濃度は、０．０１〜５ｗｔ％の範囲にある。タイプＡ＋タイプＢ界面活性剤の好ましい全濃度は、０．０５〜１ｗｔ％の範囲にある。タイプＡ／タイプＢの比率は、１：１〜１：４の範囲にあろう。すなわち、等量のタイプＡ＋タイプＢ界面活性剤〜タイプＡ界面活性剤より４倍多いタイプＢ界面活性剤である。タイプＡ／タイプＢ界面活性剤の好ましい比率は、１：１〜１：２であり、より好ましくはタイプＡ／タイプＢ界面活性剤＝１：１である。

エマルジョン中の炭化水素：水の比率は、炭化水素および水の重量を基準として、４０：６０〜６０：４０の範囲であろう。エマルジョン中の水分子：炭素原子の比率では、比率は、０．２５〜３．０であろう。水分子：炭素原子の比率は、０．９〜１．５が好ましい。

燃料電池の改質装置の始動システムにおいては、タイプＡおよびタイプＢ界面活性剤を含む界面活性剤混合物を、濃縮界面活性剤溶液として貯蔵することが好ましい。濃縮界面活性剤溶液は、該界面活性剤混合物および炭化水素を含むであろう。別に、濃縮界面活性剤溶液は、該界面活性剤混合物および水を含むであろう。濃縮界面活性剤溶液中の界面活性剤の量は、炭化水素および水の重量を基準として、界面活性剤約８０％〜約３０ｗｔ％の範囲で異なるであろう。任意に、濃縮界面活性剤溶液は、該界面活性剤混合物を、水−アルコール溶媒中に含むであろう。界面活性剤の量は、水−アルコール溶媒の重量を基準として、約８０ｗｔ％〜約３０ｗｔ％の範囲で異なるであろう。水−アルコール溶媒中の水：アルコールの比率は、約９９：１〜１：９９の範囲であろう。濃縮界面活性剤溶液を貯蔵するのに用いられる炭化水素、水およびアルコールは、好ましくは、エマルジョンを構成するものであり、これは前節に記載される。

油中水中油エマルジョンは、油、水、ならびにタイプＡおよびタイプＢ界面活性剤の混合物を混合することによって調製されるであろう。一般に、Ｏ／Ｗ／Ｏエマルジョンと呼ばれる油中水中油エマルジョンは、単純な水中油または油中水エマルジョンより複雑であり、またそれとは異なる。したがって、油中水中油エマルジョンは、通常、複合油中水中油エマルジョンと呼ばれる。複合油中水中油エマルジョンを形成するための好ましい方法の一つは、先ず、油および水の必要量をタイプＢ界面活性剤と混合して、水中油エマルジョンおよび過剰の油を形成することである。水中油エマルジョンおよび過剰の油に、次いで、タイプＡ界面活性剤が添加され、混合物は混合されて、複合油中水中油エマルジョンを形成する。より好ましい方法は、炭化水素、水、または水−アルコール溶媒中に溶解されたタイプＡおよびタイプＢ界面活性剤を含む濃縮界面活性剤溶液を、油および水の混合物に加え、その後低剪断で混合することである。低剪断混合は、１〜５０秒^−１の剪断速度範囲、または混合エネルギーで表されて、０．１５×１０^−５〜０．１５×１０^−３ｋＷ／流体リットルの混合エネルギー範囲の混合であろう。混合エネルギーは、流体混合の当業者によって計算されるであろう。混合源の出力、混合される流体の容積、および混合時間は、混合エネルギーを計算する際に用いられるパラメーターのいくつかである。インラインミキサー、低剪断スタティックミキサー、低エネルギー超音波処理装置は、低剪断混合を与える手段の限定しない例のいくつかである。

本発明のタイプＡおよびタイプＢ界面活性剤は、炭化水素（好ましくはナフサ）および蒸留水に添加され、低剪断混合を受ける場合に、複合油中水中油エマルジョンが形成される。水を、水／メタノール混合物（比率８０／２０〜６０／４０）に置換えることは、界面活性剤の乳化性能、または形成される複合油中水中油エマルジョンの性質を変えるものではない。

好ましい実施形態においては、燃料電池システムの改質装置は、複合油中水中油エマルジョンを用いて始動される。燃料電池の運転においては、複合油中水中油エマルジョン組成物が、改質装置の始動時に用いられ、炭化水素およびスチームへの切替えがなされる時間まで継続するであろうことが予想される。本発明の一実施形態は、燃料電池システムの改質装置に、先ず本発明のエマルジョン組成物を含む組成物を、次いで炭化水素／スチーム組成物を供給することである。複合油中水中油エマルジョン組成物は、炭化水素／スチーム組成物へのスムーズな移行を可能にする。

次の限定しない実施例および実験は、本発明を例証する。

［実施例１］
エマルジョンを形成するための界面活性剤の効果は、定量的に、炭化水素および水相の間における界面張力の減少によって表される。実験では、ナフサ（５０゜Ｆ〜４００゜Ｆの沸点範囲で留出する炭化水素混合物）を、炭化水素として用い、２回蒸留された脱イオン水を水相として用いた。表１に、界面張力データを示す。界面張力は、技術的に知られたペンダントドロップ法によって決定された。界面張力の９６％超の減少が観察された。これは、水および炭化水素相が、タイプＡおよびタイプＢ界面活性剤によって自然乳化されたことを示す。

［実施例２］
表１に示された代表的なタイプＡおよびタイプＢ界面活性剤に対する熱重量分析実験では、２５０℃〜７００℃の範囲の分解または熱分解が示された。約７００℃においては、実質的に全ての界面活性剤が分解される。

［実施例３］
エマルジョンは、それらの小滴サイズによって、マクロおよびミクロタイプのエマルジョンとして特徴付けられるであろう。マクロエマルジョンは、直径１ミクロン超の分散小滴を有する。ミクロエマルジョンは、直径１ミクロン未満の小滴サイズを有する。本明細書に記載される複合Ｏ／Ｗ／Ｏエマルジョンは、好ましくは、油中水マクロエマルジョンであり、かつ１ミクロン以下のサイズの油小滴が水中に分散される。したがって、好ましい油中水中油エマルジョンは、ミクロ−マクロＯ／Ｗ／Ｏエマルジョンとして示される。より好ましいＯ／Ｗ／Ｏエマルジョンは、ミクロ−ミクロＯ／Ｗ／Ｏエマルジョンである。染料を用いて炭化水素および水を着色することによって、光学顕微鏡分析により、エマルジョンタイプを、直接観察で決定することが可能となる。Ｏ／Ｗ／Ｏエマルジョンは、水中に分散された油小滴、および油中に分散された該水中油小滴を示すであろう。油および水の分散小滴のサイズは、顕微鏡によって、較正スケールを用いて決定されるであろう。

［実施例４］
水中油エマルジョンは、水を連続相として有し、一方油中水は、油を連続相として有する。好ましい油は炭化水素である。Ｏ／Ｗ／Ｏエマルジョンは、油連続である。導電率の測定は、理想的には、エマルジョンの相連続性を決定するのに適切である。水連続エマルジョンは、水相に典型的な導電率を有するであろう。炭化水素連続エマルジョンは、殆ど導電率を有さないであろう。油連続性を有するＯ／Ｗ／Ｏエマルジョンは、油または炭化水素に対応する導電率を有するであろう。

［実施例５］
タイプＢ界面活性剤アルキルポリグリセロール［構造２ａ）、Ｒ’＝Ｃ_１７、ｐ＝１］［アビエティックコーポレーション（Ａｂｉｅｔｉｃ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）からキャプロール３ＧＯ（Ｃａｐｒｏｌ ３ＧＯ）として販売される］０．５ｇを、イソオクタン（オレンジ色に着色される）６１ｇおよび水（青色に着色される）３９ｇに加え、フィッシャーヘメトロジー／ケミストリーミキサーモデル３４６（Ｆｉｓｈｅｒ Ｈｅｍｅｔｏｌｏｇｙ／Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ Ｍｉｘｅｒ Ｍｏｄｅｌ ３４６）を用いて混合した。混合を２５℃で５分間行った。混合物を、３０分間静置した。水中油エマルジョン、および分離して出た過剰の油が観察された。この混合物に、ポリエチレングリコール６００モノラウレート［構造１ｂ）、ｎ＝１０、ｍ＝６］［ヘンケルコーポレーション（Ｈｅｎｋｅｌ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）からエメレスト２６６１（Ｅｍｅｒｅｓｔ ２６６１）として販売される］０．６ｇ、およびポリエチレングリコール２００ジラウレート［構造１ｃ）、ｎ＝１０、ｍ＝２］（ヘンケルコーポレーションからエメレスト２６２２として販売される）０．４ｇを加え、混合物を、再度、上記されるように混合した。ミルク状の白色エマルジョンは、６時間の静置後でさえ全く相分離することなく観察された。ライツ光学顕微鏡を用いて、エマルジョンは、Ｏ／Ｗ／Ｏエマルジョンとして特徴付けられた。加えて、それは、実施例３に記載されたマクロ−マクロＯ／Ｗ／Ｏエマルジョンとして特徴付けられた。水の導電率は、４７マイクロｍｈｏとして、ナフサの導電率は、０．１マイクロｍｈｏとして、エマルジョンの導電率は、８マイクロｍｈｏとして記録された。これは、実施例４に記載された油連続性を追認するものであった。

［実施例６］
実施例５のエマルジョンは、剪断または混合なしに、２５℃で少なくとも６時間安定であった。比較として、安定化タイプＡおよびタイプＢ界面活性剤が省略され、単に炭化水素および水が混合された対照実験においては、得られたエマルジョン相は、混合を停止した際に、５秒以内に分離した。本発明のエマルジョンについて、さらに他の予期しない特徴は、エマルジョンが凍結されるか、または−５４℃に冷却された場合に、それらは凝固し、また融解されるか、または＋５０℃に加熱された場合に、エマルジョンは液化し、それらの安定性および複合油中水中油の性質を保持することである。この凍結−融解の安定特性は、独特であり、相が凍結または融解時に分離する単純なＯ／ＷまたはＷ／Ｏエマルジョンとは顕著に対照的である。

炭化水素、水、ならびに本発明のタイプＡおよびタイプＢ界面活性剤の混合物からなる安定な複合油中水中油エマルジョンを用いることは、炭化水素および水の不安定なエマルジョンを、（特許文献１）に記載される安定化界面活性剤なしに用いることに比較して、改質装置性能の利点およびその増大を有する。安定性、複合油中水中油の特質、および観察された独特の凍結−融解の安定特性は、本発明のエマルジョン組成物の少なくとも三つの顕著な特徴である。これは、従来の単純なエマルジョンに比較して、改質装置の性能を予想外に向上するであろう。

典型的な先行技術である従来の燃料電池システムの概略図を示す。 始動システムが改質装置に作動可能に結合された改良燃料電池システムの概略図を示す。

Claims (15)

1. 燃料電池スタックで用いるための水素含有ガスを製造する改質装置を含む燃料電池システムにおいて、
   該改質装置に、その始動時に、（ａ）少なくとも４０ｗｔ％の炭化水素、（ｂ）３０〜６０ｗｔ％の水、および（ｃ）０．０１〜５ｗｔ％の界面活性剤混合物を含むエマルジョン組成物を供給する工程を含み、
   その際、該界面活性剤混合物は、二つのタイプの界面活性剤のそれぞれからの少なくとも一種の界面活性剤を含み、一つのタイプの界面活性剤は、アルコキシル化アルキルアルコール、アルコキシル化アルキルモノエステルおよびアルコキシル化アルキルジエステルからなる群から選択される界面活性剤を含み、他のタイプの界面活性剤は、アルキルポリグリセロールモノエステルおよびアルキルポリグリセロールジエステルからなる群から選択される界面活性剤を含み、さらに、該アルコキシル化アルキルアルコールは、次式（１）によって表され、該アルコキシル化アルキルモノエステルは、次式（２）によって表され、該アルコキシル化アルキルジエステルは、次式（３）によって表され、該アルキルポリグリセロールモノエステルは、次の一般式（４）によって表され、該アルキルポリグリセロールジエステルは、次の一般式（５）によって表されることを特徴とする燃料電池システム。
   Ｒ−（ＣＨ_２）_ｎ−Ｏ−（Ｍ−Ｏ）_ｍ−Ｈ （１）
   Ｒ−（ＣＨ_２）_ｎ−ＣＯ−Ｏ−（Ｍ−Ｏ）_ｍ−Ｈ （２）
   Ｒ−（ＣＨ_２）_ｎ−ＣＯ−Ｏ−（Ｍ−Ｏ）_ｍ−ＣＯ−（ＣＨ_２）_ｎ−Ｒ （３）
   ［式（１）〜（３）中、Ｒはメチル基であり、ｎは５〜１７の整数であり、ｍは２〜５０の整数であり、ＭはＣＨ_２−ＣＨ_２、ＣＨ_２−ＣＨ_２−ＣＨ_２、ＣＨ_２−ＣＨ−ＣＨ_３、ＣＨ_２−ＣＨ_２−ＣＨ_２−ＣＨ_２、ＣＨ_２−ＣＨ−（ＣＨ_３）−ＣＨ_２、またはそれらの混合物である。］
   Ｒ’−ＣＯ−Ｏ−ＣＨ_２−ＣＨＯＨ−ＣＨＯＨ−（ＣＨＯＨ−ＣＨＯＨ−ＣＨＯＨ）_ｐ−ＣＨＯＨ−ＣＨＯＨ−ＣＨ_２ＯＨ （４）
   Ｒ’−ＣＯ−Ｏ−ＣＨ_２−ＣＨＯＨ−ＣＨＯＨ−（ＣＨＯＨ−ＣＨＯＨ−ＣＨＯＨ）_ｐ−ＣＨＯＨ−ＣＨＯＨ−ＣＨ_２−Ｏ−ＣＯ−Ｒ’ （５）
   ［式（４）〜（５）中、Ｒ’は炭素原子２〜２６個のアルキル基であり、ｐは０〜１５の整数である。］
2. 前記エマルジョン組成物は、さらに、該エマルジョン組成物の全重量を基準として、（ｄ）２０ｗｔ％までのアルコールを含み、その際、該アルコールは、メタノール、エタノール、ｎ−プロパノール、ｉｓｏ−プロパノール、ｎ−ブタノール、ｓｅｃ−ブチルアルコール、ｔｅｒｔ−ブチルアルコール、ｎ−ペンタノール、エチレングリコール、プロピレングリコール、ブチレングリコールおよびそれらの混合物からなる群から選択されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記炭化水素は、沸点が−１℃〜２６０℃の範囲にあることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記水は、実質的に、元素周期律表の長周期型における第Ｉ族および第ＩＩ族元素のハロゲン化物塩、硫酸塩および炭酸塩を含まないことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
5. 前記エマルジョンは、複合油中水中油エマルジョンであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
6. 前記アルコキシル化アルキルアルコール、アルコキシル化アルキルモノエステル、アルコキシル化アルキルジエステル、アルキルポリグリセロールモノエステルおよびアルキルポリグリセロールジエステルは、２５０〜７００℃の範囲の温度で熱分解することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
7. 前記アルコキシル化アルキルアルコール、アルコキシル化アルキルモノエステルおよびアルコキシル化アルキルジエステルにおいて、アルコキシル化基は、エトキシル化基であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
8. 複合油中水中油エマルジョンを調製するための方法であって、該調製方法は、０．１５×１０^−５〜０．１５×１０^−３ｋＷ／流体リットルの範囲の混合エネルギーで、（ａ）少なくとも４０ｗｔ％の炭化水素、（ｂ）３０〜６０ｗｔ％の水、および（ｃ）０．０１〜５ｗｔ％の界面活性剤混合物を混合する工程を含み、
   その際、該界面活性剤混合物は、二つのタイプの界面活性剤のそれぞれからの少なくとも一種の界面活性剤を含み、一つのタイプの界面活性剤は、アルコキシル化アルキルアルコール、アルコキシル化アルキルモノエステルおよびアルコキシル化アルキルジエステルからなる群から選択される界面活性剤を含み、他のタイプの界面活性剤は、アルキルポリグリセロールモノエステルおよびアルキルポリグリセロールジエステルからなる群から選択される界面活性剤を含み、さらに、該アルコキシル化アルキルアルコールは、次式（１）によって表され、該アルコキシル化アルキルモノエステルは、次式（２）によって表され、該アルコキシル化アルキルジエステルは、次式（３）によって表され、該アルキルポリグリセロールモノエステルは、次の一般式（４）によって表され、該アルキルポリグリセロールジエステルは、次の一般式（５）によって表されることを特徴とする複合油中水中油エマルジョンの調製方法。
   Ｒ−（ＣＨ_２）_ｎ−Ｏ−（Ｍ−Ｏ）_ｍ−Ｈ （１）
   Ｒ−（ＣＨ_２）_ｎ−ＣＯ−Ｏ−（Ｍ−Ｏ）_ｍ−Ｈ （２）
   Ｒ−（ＣＨ_２）_ｎ−ＣＯ−Ｏ−（Ｍ−Ｏ）_ｍ−ＣＯ−（ＣＨ_２）_ｎ−Ｒ （３）
   ［式（１）〜（３）中、Ｒはメチル基であり、ｎは５〜１７の整数であり、ｍは２〜５０の整数であり、ＭはＣＨ_２−ＣＨ_２、ＣＨ_２−ＣＨ_２−ＣＨ_２、ＣＨ_２−ＣＨ−ＣＨ_３、ＣＨ_２−ＣＨ_２−ＣＨ_２−ＣＨ_２、ＣＨ_２−ＣＨ−（ＣＨ_３）−ＣＨ_２、またはそれらの混合物である。］
   Ｒ’−ＣＯ−Ｏ−ＣＨ_２−ＣＨＯＨ−ＣＨＯＨ−（ＣＨＯＨ−ＣＨＯＨ−ＣＨＯＨ）_ｐ−ＣＨＯＨ−ＣＨＯＨ−ＣＨ_２ＯＨ （４）
   Ｒ’−ＣＯ−Ｏ−ＣＨ_２−ＣＨＯＨ−ＣＨＯＨ−（ＣＨＯＨ−ＣＨＯＨ−ＣＨＯＨ）_ｐ−ＣＨＯＨ−ＣＨＯＨ−ＣＨ_２−Ｏ−ＣＯ−Ｒ’ （５）
   ［式（４）〜（５）中、Ｒ’は炭素原子２〜２６個のアルキル基であり、ｐは０〜１５の整数である。］
9. 前記混合は、インラインミキサー、スタティックパドルミキサー、超音波処理装置またはそれらの組合わせによって行われることを特徴とする請求項８に記載の複合油中水中油エマルジョンの調製方法。
10. 前記混合は、１秒〜１５分の範囲の時間で行われることを特徴とする請求項８に記載の複合油中水中油エマルジョンの調製方法。
11. （ａ）少なくとも４０ｗｔ％の炭化水素、（ｂ）３０〜６０ｗｔ％の水、および（ｃ）０．０１〜５ｗｔ％の界面活性剤混合物を含む複合油中水中油エマルジョンであって、
    該界面活性剤混合物は、二つのタイプの界面活性剤のそれぞれからの少なくとも一種の界面活性剤を含み、一つのタイプの界面活性剤は、アルコキシル化アルキルアルコール、アルコキシル化アルキルモノエステルおよびアルコキシル化アルキルジエステルからなる群から選択される界面活性剤を含み、他のタイプの界面活性剤は、アルキルポリグリセロールモノエステルおよびアルキルポリグリセロールジエステルからなる群から選択される界面活性剤を含み、さらに、該アルコキシル化アルキルアルコールは、次式（１）によって表され、該アルコキシル化アルキルモノエステルは、次式（２）によって表され、該アルコキシル化アルキルジエステルは、次式（３）によって表され、該アルキルポリグリセロールモノエステルは、次の一般式（４）によって表され、該アルキルポリグリセロールジエステルは、次の一般式（５）によって表されることを特徴とする複合油中水中油エマルジョン。
    Ｒ−（ＣＨ_２）_ｎ−Ｏ−（Ｍ−Ｏ）_ｍ−Ｈ （１）
    Ｒ−（ＣＨ_２）_ｎ−ＣＯ−Ｏ−（Ｍ−Ｏ）_ｍ−Ｈ （２）
    Ｒ−（ＣＨ_２）_ｎ−ＣＯ−Ｏ−（Ｍ−Ｏ）_ｍ−ＣＯ−（ＣＨ_２）_ｎ−Ｒ （３）
    ［式（１）〜（３）中、Ｒはメチル基であり、ｎは５〜１７の整数であり、ｍは２〜５０の整数であり、ＭはＣＨ_２−ＣＨ_２、ＣＨ_２−ＣＨ_２−ＣＨ_２、ＣＨ_２−ＣＨ−ＣＨ_３、ＣＨ_２−ＣＨ_２−ＣＨ_２−ＣＨ_２、ＣＨ_２−ＣＨ−（ＣＨ_３）−ＣＨ_２、またはそれらの混合物である。］
    Ｒ’−ＣＯ−Ｏ−ＣＨ_２−ＣＨＯＨ−ＣＨＯＨ−（ＣＨＯＨ−ＣＨＯＨ−ＣＨＯＨ）_ｐ−ＣＨＯＨ−ＣＨＯＨ−ＣＨ_２ＯＨ （４）
    Ｒ’−ＣＯ−Ｏ−ＣＨ_２−ＣＨＯＨ−ＣＨＯＨ−（ＣＨＯＨ−ＣＨＯＨ−ＣＨＯＨ）_ｐ−ＣＨＯＨ−ＣＨＯＨ−ＣＨ_２−Ｏ−ＣＯ−Ｒ’ （５）
    ［式（４）〜（５）中、Ｒ’は炭素原子２〜２６個のアルキル基であり、ｐは０〜１５の整数である。］
12. さらに、前記エマルジョンの全重量を基準として、（ｄ）２０ｗｔ％までのアルコールを含み、その際、該アルコールは、メタノール、エタノール、ｎ−プロパノール、ｉｓｏ−プロパノール、ｎ−ブタノール、ｓｅｃ−ブチルアルコール、ｔｅｒｔ−ブチルアルコール、ｎ−ペンタノール、エチレングリコール、プロピレングリコール、ブチレングリコールおよびそれらの混合物からなる群から選択されることを特徴とする請求項１１に記載の複合油中水中油エマルジョン。
13. 前記アルコキシル化アルキルアルコール、アルコキシル化アルキルモノエステルおよびアルコキシル化アルキルジエステルにおいて、アルコキシル化基は、エトキシル化基であることを特徴とする請求項１１に記載の複合油中水中油エマルジョン。
14. 前記エマルジョンは、３〜１５ｍｈｏ（２５℃）の範囲の導電率を有することを特徴とする請求項１１に記載の複合油中水中油エマルジョン。
15. 前記エマルジョンは、−５４℃〜＋５０℃の温度範囲で、凍結融解サイクルに対して安定であることを特徴とする請求項１１に記載の複合油中水中油エマルジョン。

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