JP2019505975A - Reformer including an extruded guide wall perpendicular to the flow path - Google Patents

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Abstract

燃料電池システム(1)内の改質器(6)を製造するために、燃料電池(2)に用いられるシンガスへの変換中に蒸気が通る蛇行状流路(15)のためのガイド壁(17)を有する異形材(31)が押し出される。
【選択図】図1
A guide wall for a serpentine channel (15) through which steam passes during conversion to syngas used in the fuel cell (2) to produce the reformer (6) in the fuel cell system (1) ( The profile (31) with 17) is extruded.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、燃料電池システム内の改質器の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a reformer in a fuel cell system.

発電用燃料電池のための液体燃料を使用するときには、液体燃料から、大量の気体水素を含有するシンガスとも呼ばれる合成ガスに変換することによって、燃料電池のための水素が生成される。液体燃料の一例はメタノールと水との混合物であるが、しかし他の液体燃料、特にエタノールを含む他のアルコールを使用することもできる。変換のために、液体燃料を蒸発器内で蒸発させ、そして改質器内で触媒変換させることによって、燃料電池のためのシンガスを提供する。必要な変換温度250〜300℃に達するために、改質器は、例えばバーナーからの排ガスによって加熱されなければならない。バーナーのガスの温度は典型的には350〜400℃である。   When using a liquid fuel for a power generation fuel cell, hydrogen for the fuel cell is produced by converting the liquid fuel into a synthesis gas, also called a syngas containing a large amount of gaseous hydrogen. An example of a liquid fuel is a mixture of methanol and water, but other liquid fuels, particularly other alcohols including ethanol, can also be used. For conversion, a syngas for the fuel cell is provided by evaporating liquid fuel in the evaporator and catalytic conversion in the reformer. In order to reach the required conversion temperature of 250-300 ° C., the reformer must be heated, for example by exhaust gas from a burner. The temperature of the burner gas is typically 350-400 ° C.

改質器の一般例がEngland氏の特許文献に開示されている(例えば、特許文献1参照。)。高温排ガスと改質器との間の適切な熱伝達のために、改質器は、巻かれたコルゲート金属又は押し出された金属のラジエータコア内に挿入され、これにろう付けされている。このアプローチは熱交換器分野に類似している。この分野では、一般的な教示内容は、管を押し出し、そして管の外壁に薄いフィンをろう付けすることにより、フィンに沿って流れる媒体から熱伝達を行うことである。このような押し出し管の内部では、押し出し方向と同じ方向に液体が流れる。このことは、熱交換器の技術分野における伝統的な考えに従ったものである。熱交換器の一般的技術からは、押し出しアルミニウムコア上にクラッディング又は粉末スプレーを用いることが知られている。別の特許文献に開示された例の場合(例えば、特許文献2参照。)、熱交換器の押し出しアルミニウムコア上へコルゲートフィンをろう付けするために、粉末ろう付け剤のスプレー塗布が用いられる。ろう付け前にコルゲートフィンにクラッディングを施すことがさらに別の特許文献に開示されている(例えば、特許文献3参照。)。   A general example of a reformer is disclosed in Patent Document of England (see, for example, Patent Document 1). For proper heat transfer between the hot exhaust gas and the reformer, the reformer is inserted into a rolled corrugated metal or extruded metal radiator core and brazed to it. This approach is similar to the heat exchanger field. In this field, the general teaching is to conduct heat transfer from the media flowing along the fins by extruding the tubes and brazing the thin fins to the outer wall of the tubes. Inside such an extrusion tube, the liquid flows in the same direction as the extrusion direction. This is in accordance with traditional ideas in the technical field of heat exchangers. From the general art of heat exchangers it is known to use a cladding or powder spray on an extruded aluminum core. In the case of an example disclosed in another patent document (see, for example, Patent Document 2), spray application of powder brazing agent is used to braze the corrugated fins onto the extruded aluminum core of the heat exchanger. Another patent document discloses that the corrugated fin is clad before brazing (see, for example, Patent Document 3).

また、別の特許文献に開示された、押し出し改質器モジュールのシリンダ本体は、流れ方向に沿って複数のチャネルを有しており、このことは押し出しに関する伝統的な考えを反映している(例えば、特許文献4参照。)。   In addition, the cylinder body of the extrusion reformer module disclosed in another patent document has a plurality of channels along the flow direction, which reflects the traditional idea of extrusion ( For example, see Patent Document 4.)

押し出しは、流体流が不変の断面を有する方向に沿っている導管のために一般に用いられる方法であるものの、押し出しは、流れが不変の断面を有する方向に沿っていない、より複雑な構造を有する改質器のために用いるためには、明らかに有利な方法とは言えない。   While extrusion is a commonly used method for conduits where the fluid flow is along a direction having a constant cross section, extrusion has a more complex structure where the flow is not along a direction having a constant cross section. It is clearly not an advantageous method to use for the reformer.

高温プロトン電解質膜(HTPEM)燃料電池とも呼ばれる高温プロトン交換膜燃料電池は、比較的高いCO濃度に耐え、ひいては改質器と燃料電池スタックとの間にPrOX反応器を必要としない点で有利である。このような理由から、シンプルで軽量、且つ低廉な改質器を使用することができる。このような改質器は、例えば自動車産業のためのコンパクトな燃料電池システムを提供する目的に沿って、システムの全体寸法及び重量を最小化する。しかしながら、小型サイズでありながら効率的であるために、改質器は充分に長い反応経路を必要とする。この反応路は、小型改質器の外側寸法よりも著しく長いのが典型的である。低重量であることと、寸法が小さいことと、反応路が長いこととを組み合わせるために、反応経路は潜在的に蛇行路として形成されるので、反応物質は改質器を通るジグザグ曲線に追従しなければならない。   High temperature proton exchange membrane fuel cells, also called high temperature proton electrolyte membrane (HTPEM) fuel cells, are advantageous in that they can withstand relatively high CO concentrations and thus do not require a PrOX reactor between the reformer and the fuel cell stack. is there. For this reason, a simple, lightweight and inexpensive reformer can be used. Such a reformer minimizes the overall size and weight of the system, for example in line with the objective of providing a compact fuel cell system for the automotive industry. However, to be efficient while being small in size, the reformer requires a sufficiently long reaction path. This reaction path is typically significantly longer than the outer dimensions of the small reformer. To combine the low weight, small dimensions, and long reaction path, the reaction path is potentially formed as a serpentine path so that the reactants follow a zigzag curve through the reformer. Must.

このような蛇行状流路は、ある特許文献に開示されているようなマイクロ反応器からも知られている(例えば、特許文献5参照。)。この場合、製造方法はミリング加工又はモールディングとして開示されている。典型的には、ミリング加工は固体ブロックの所定の深さまで行われ、ベースは固体プレートとして残り、基底部から構造が延びる。ミリング加工又はモールディングは燃料電池技術における蛇行状構造のために提案された一般的な方法である。一例は、別の特許文献に開示されているような、蛇行状流路を備えた固体バイポーラ板の製造である(例えば、特許文献6参照。)。   Such a meandering flow path is also known from a microreactor as disclosed in a certain patent document (for example, see Patent Document 5). In this case, the manufacturing method is disclosed as milling or molding. Typically, milling is performed to a predetermined depth of the solid block, the base remains as a solid plate, and the structure extends from the base. Milling or molding is a common method proposed for serpentine structures in fuel cell technology. An example is the manufacture of a solid bipolar plate with a serpentine channel as disclosed in another patent document (see, for example, patent document 6).

種々の技術分野のこれらの開示内容から、押し出しは、管の軸線に沿って不変のプロフィールを備えた管を製造するのに有用な一般的に用いられる方法であって、押し出し方向と同じ方向にある、不変の断面を有する方向に沿って流体流が流れる方法であり、これに対して、ミリング加工は、流れが押し出し方向に沿わない、例えば蛇行状流路に沿う、より複雑なプロフィールのための典型的な方法である、と思われる。   From these disclosures in various technical fields, extrusion is a commonly used method useful for manufacturing tubes with invariant profiles along the tube axis, in the same direction as the extrusion direction. A method in which a fluid flow flows along a direction having an invariant cross-section, whereas milling is due to a more complex profile where the flow does not follow the extrusion direction, for example along a serpentine channel. It seems to be a typical method.

ミリング加工は用途が広く、複雑なプロフィールのための調節が容易である。しかしながら、ミリング加工は比較的低速であり、ひいては大量生産には最適ではないという欠点を有する。またミリング加工は大量の材料廃棄物が生じることをほのめかす。それというのも、ブロック、例えばアルミニウムブロックからミリング加工によって除去される材料が有用でなく、廃棄しなければならないからである。モールディングは大量生産にはより適しているが、しかし、容積を取り囲む閉じた構造には適していない。このような理由から、モールディングは製造方法に制約を課し、付加的な集成工程を必要とする。またモールディングは異なるサイズに対して異なるモールド型を必要とし、このことは製造コストを高くする。   Milling is versatile and easy to adjust for complex profiles. However, milling has the disadvantage of being relatively slow and thus not optimal for mass production. Milling also implies that a large amount of material waste is generated. This is because the material removed by milling from a block, such as an aluminum block, is not useful and must be discarded. Molding is more suitable for mass production, but not for a closed structure that surrounds the volume. For these reasons, molding imposes restrictions on the manufacturing method and requires additional assembly steps. Molding also requires different molds for different sizes, which increases manufacturing costs.

従って、複雑な形状、特に蛇行状流路を備えた燃料電池改質器の別の製造方法を見いだすことが望ましい。   Accordingly, it is desirable to find another method of manufacturing a fuel cell reformer with a complex shape, particularly a serpentine channel.

米国特許第7976787号明細書U.S. Pat. No. 7,976,787 欧州特許第595601号明細書European Patent No. 595601 欧州特許第417894号明細書EP 417894 specification 中国実用新案第202510702号明細書China Utility Model No. 202517022 Specification 米国特許第8574500号明細書US Pat. No. 8,574,500 国際公開第2009/010067号International Publication No. 2009/010067

従って、本発明の目的は、技術の改善を提供することである。具体的には、特に真直ぐな管から逸脱した複雑な形状のために、燃料電池システム内の燃料改質器の改善された製造方法を提供することが目的である。改質器のための有意義な形態の1つは、改質器を通る蛇行状流路であり、改善された製造方法を見いだすことが目的である。この目的は下記の燃料電池システムの製造方法によって解決される。   Accordingly, it is an object of the present invention to provide an improvement in technology. In particular, it is an object to provide an improved method of manufacturing a fuel reformer in a fuel cell system, especially because of the complex shape deviating from a straight tube. One significant form for a reformer is a serpentine flow path through the reformer, with the goal of finding an improved manufacturing method. This object is solved by the following manufacturing method of the fuel cell system.

製造に際して、押し出しによって金属異形材を提供し、改質器ハウジングを提供するために、金属異形材を、異形材に対して垂直方向に切断する。改質器内部に触媒を提供し、切断された端部を壁エレメントで覆うことにより容積を閉じる。一方の端部に蒸発器を接続し、反対側の端部に燃料電池を接続する。高温ガスによる改質器の加熱に備えて、外面に熱伝導薄層が任意に設けられる。   During manufacture, the metal profile is cut perpendicular to the profile to provide the metal profile by extrusion and to provide a reformer housing. The catalyst is provided inside the reformer and the volume is closed by covering the cut end with a wall element. An evaporator is connected to one end, and a fuel cell is connected to the opposite end. In preparation for heating the reformer with hot gas, a thin heat conducting layer is optionally provided on the outer surface.

より詳細に述べるならば、以下のように有利な形態が提供される。押し出し異形材は、互いに対面する押し出された2つの対向壁を、壁間に所定の距離を置き且つ壁間に所定の容積を備えた状態で含む。この容積は最終的には蒸気からシンガスへの変換のために用いられる。2つの壁のそれぞれは、壁の間の距離の半分よりも長い距離だけ2つの壁のそれぞれから反対側の壁に向かって延びる、押し出された相互に間隔を置いたガイド壁から成る群を一体的に含む。例えば、ガイド壁の長さは、対向壁の間の距離の60%〜90%である。ガイド壁は、2つの壁のそれぞれに櫛状構造を形成している。2つの櫛状構造は互いに対面していて、互いに噛み合い且つ押し出し方向に対して垂直方向に蛇行状流路を形成するように、横方向に互いにオフセットされている。従って、押し出し方向に対して垂直方向に容積を横切って、ガスは直線に沿って移動することはできず、蛇行状の細長く延びる経路に追従しなければならない。   In more detail, the following advantageous forms are provided. The extruded profile includes two extruded opposing walls facing each other with a predetermined distance between the walls and a predetermined volume between the walls. This volume is ultimately used for the conversion of steam to syngas. Each of the two walls is an integral group of extruded spaced apart guide walls extending from each of the two walls toward the opposite wall by a distance greater than half the distance between the walls. Including. For example, the length of the guide wall is 60% to 90% of the distance between the opposing walls. The guide wall forms a comb-like structure on each of the two walls. The two comb structures face each other and are offset from each other in the lateral direction so as to mesh with each other and form a serpentine channel in a direction perpendicular to the extrusion direction. Thus, the gas cannot travel along a straight line across the volume in a direction perpendicular to the extrusion direction, but must follow a meandering elongated path.

例えば、異形材は、2つの対向壁がさらなる壁、典型的には2つの互いに対面するさらなる壁によって結合されたボックス異形材として押し出すことにより、方形断面プロフィールを有するボックスを提供する。或いは、異形材はボックス異形材の2つの押し出し半部として提供される。これらの半部は押し出し後、次いで集成することによりボックス異形材にする。例えば、各半部は2つの対向壁のうちの一方と、その一方の壁から延びる、相互に間隔を置いたガイド壁から成る一方の群だけとを含み、そして集成体は、互いに対向する側からガイド壁を提供し、蛇行状流路を形成する。   For example, a profile provides a box with a square cross-sectional profile by extruding two opposing walls as a box profile joined by additional walls, typically two additional walls facing each other. Alternatively, the profile is provided as two extruded halves of the box profile. These halves are extruded and then assembled into box profiles. For example, each half includes only one of two opposing walls and one group of mutually spaced guide walls extending from one of the walls, and the assembly is on opposite sides. A guide wall is provided to form a serpentine flow path.

例えば、ガイド壁が一定の周期(period)で等しい間隔を置いて設けられ、半部異形材において四分の一の周期分だけ、押し出し方向に対して垂直方向に非対称的にオフセットされる場合、2つの半部は、単一の異形材を押し出し、次いでこの異形材を2つの等しい長さの区分に切断することによって提供することができる。集成に際しては、一方の区分は押し出し方向で提供し、そして他方の半部は押し出し方向の周りを180度回転させ、そして押し出し方向に対して垂直な線の周りを180度回転させる。四分の一の周期分のオフセットにより、ガイド壁は、互いに対向して延びる噛み合ったガイド壁の間に半分の周期を有する状態で噛み合うことになる。   For example, when the guide walls are provided at equal intervals in a certain period and are offset asymmetrically in the direction perpendicular to the extrusion direction by a quarter period in the half profile, The two halves can be provided by extruding a single profile and then cutting the profile into two equal length sections. During assembly, one section is provided in the extrusion direction and the other half is rotated 180 degrees around the extrusion direction and 180 degrees around a line perpendicular to the extrusion direction. Due to the offset of a quarter period, the guide walls mesh with each other with half the period between the meshing guide walls extending opposite to each other.

有用な材料の一例は、アルミニウム又はアルミニウム合金、例えば展伸用合金である。熱伝導率は、異形材の外側から改質器内部の容積内へ熱を伝導するために比較的高い。それというのも、この容積は燃料蒸気からシンガスへの触媒変換のために使用されることになり、このためには典型的には約250℃を上回る温度が必要となるからである。例えば300度を上回る温度のバーナーガスに耐えるために、合金は、アルミニウム及びマグネシウムを含有する5000シリーズ、又はアルミニウム、マグネシウム、及びケイ素を含有する6000シリーズの展伸用アルミニウム合金であると有利である。   An example of a useful material is aluminum or an aluminum alloy, such as a wrought alloy. The thermal conductivity is relatively high because it conducts heat from outside the profile into the volume inside the reformer. This is because this volume will be used for the catalytic conversion of fuel vapor to syngas, which typically requires temperatures above about 250 ° C. For example, to withstand burner gases at temperatures above 300 degrees, the alloy is advantageously a 5000 series aluminum alloy containing aluminum and magnesium, or a 6000 series aluminum alloy containing aluminum, magnesium and silicon. .

容積内へ蒸気を流入させ、且つ容積からシンガスを流出させるために、蛇行状蒸気流路の対向する端部で、異形材に蒸気入口及びシンガス出口が設けられる。例えば、金属異形材に穴が形成され、これらの穴に導管が取り付けられる。導管は、液体燃料蒸発器を蒸気入口に、そして燃料電池をシンガス出口に流体流接続するために、後で使用される。   A steam inlet and a syngas outlet are provided in the profile at opposite ends of the serpentine steam channel to allow the steam to flow into the volume and the syngas to flow out of the volume. For example, holes are formed in the metal profile and conduits are attached to these holes. The conduit is later used to fluidly connect the liquid fuel evaporator to the vapor inlet and the fuel cell to the syngas outlet.

改質器の所望の幅に応じて、押し出し方向に対して垂直方向に、かつ蛇行状流路に対しても垂直方向に異形材を切断する。押し出しにより、単一の押し出し異形材が複数の改質器ハウジングのための部分を提供することができる。これらの部分のそれぞれは、目的に適した長さで押し出し異形材から切断される。例えば、異形材の1つの切断片は短く、単一の燃料電池スタックに接続される改質器のために使用することができ、また別の切断片は長く、複数の燃料電池スタックにシンガスを提供する改質器のために使用することができる。   Depending on the desired width of the reformer, the profile is cut perpendicular to the extrusion direction and also perpendicular to the serpentine channel. Extrusion allows a single extrusion profile to provide portions for multiple reformer housings. Each of these parts is cut from the extruded profile at a length suitable for the purpose. For example, one cut piece of profile is short and can be used for a reformer connected to a single fuel cell stack, and another cut piece is long and syngas is applied to multiple fuel cell stacks. It can be used for the reformer provided.

このように、押し出しは、改質器の製造を単純化するだけではなく、サイズ調節に関して融通性が高いことが判る。モールディングの場合、このような融通性は与えられない。それというのもそれぞれのサイズ変更は、異なるモールディング型を必要とするからである。小型及び大型の改質器に関連する作業は、押し出しを利用すると、さほど大きく異ならない。このことはまた、ミリング加工が製造に用いられる場合と著しく対照的である。ミリング加工は概ね多用途ではあるものの、改質器が大きくなればなるほど、ミリング加工を実施するのに多くの時間がかかり、また、極めて深いところまで行われるミリング加工は精度及び安定性に関して機械的に困難である。このような理由からミリング加工は、大量のミリング材料が廃棄されるという不都合な点に加えて、大型の改質器にも適していない。全体的に見て、改質器を製造するための押し出しはいくつかの側面において有利である。   Thus, it can be seen that extrusion not only simplifies the production of the reformer, but is also flexible in terms of size adjustment. In the case of molding, such flexibility is not given. This is because each size change requires a different molding type. The work associated with small and large reformers is not much different when using extrusion. This is also in stark contrast to the case where milling is used in manufacturing. Although milling is generally versatile, the larger the reformer, the more time it takes to perform the milling process, and the milling that is performed to a very deep depth is mechanical in terms of accuracy and stability. It is difficult to. For these reasons, milling is not suitable for large reformers, in addition to the disadvantage that a large amount of milling material is discarded. Overall, extrusion to produce a reformer is advantageous in several aspects.

触媒材料、例えば触媒ペレットが容積内へ挿入される。容積は次いで、ハウジング内部の容積中で燃料蒸気をシンガスへ触媒変換するための閉じられた改質器ハウジングを提供する壁エレメントによって閉じられる。   A catalyst material, such as catalyst pellets, is inserted into the volume. The volume is then closed by a wall element that provides a closed reformer housing for catalytic conversion of fuel vapor to syngas in the volume inside the housing.

動作中、ハウジング内部の触媒変換プロセスのための適切な温度、典型的には、燃料がメタノールと水との混合物である場合には250〜300度、そして高級アルコール又はディーゼルが燃料として使用される場合にはより高い温度を提供するために、改質器ハウジングが加熱される。   In operation, a suitable temperature for the catalytic conversion process inside the housing, typically 250-300 degrees when the fuel is a mixture of methanol and water, and higher alcohol or diesel is used as the fuel In some cases, the reformer housing is heated to provide a higher temperature.

改質器内の温度を調節するために電気的加熱が可能ではあるものの、この必要な熱を提供する有用な方法は、金属異形材の外側に沿って高温ガスを導くことであり、ハウジングの金属は熱を改質器容積内へ導入する。高温ガスからの効率的な熱伝達のために、ハウジングの外側に平行金属薄層をろう付けする。例えばこのような薄層を提供するために、薄いシート材料を折り畳むことによりコルゲート構造にし、改質器ハウジングの外側にろう付けする前にその表面上にろう付け剤クラッディングを施す。任意には、薄層は異形材の少なくとも2つの側、例えば互いに対向する側に設けられる。高い熱伝達効果を得るために、異形材の最大の側のうちの1つ又は2つ以上が薄層で覆われると有利である。例えば、改質器容積が2つの長辺と2つの短辺とを備えた長方形断面を有する場合、薄層は長辺側に設けられる。   Although electrical heating is possible to regulate the temperature in the reformer, a useful way to provide this necessary heat is to direct hot gas along the outside of the metal profile, The metal introduces heat into the reformer volume. A thin layer of parallel metal is brazed to the outside of the housing for efficient heat transfer from the hot gas. For example, to provide such a thin layer, a thin sheet material is folded into a corrugated structure and brazed on its surface before brazing to the outside of the reformer housing. Optionally, the thin layer is provided on at least two sides of the profile, for example on opposite sides. In order to obtain a high heat transfer effect, it is advantageous if one or more of the largest sides of the profile are covered with a thin layer. For example, if the reformer volume has a rectangular cross section with two long sides and two short sides, the thin layer is provided on the long side.

薄層に沿って高温ガスを案内するために、改質器ハウジングはケーシングによって取り囲まれる。ケーシングはガスが薄層表面に沿って案内されるように、平行金属薄層の一方の端部にバーナーガス入口を、そして反対側の端部にバーナーガス出口を有している。バーナーガス入口は次いで、バーナーに流体流接続される。   In order to guide the hot gas along the lamina, the reformer housing is surrounded by a casing. The casing has a burner gas inlet at one end of the parallel metal lamina and a burner gas outlet at the opposite end so that the gas is guided along the lamina surface. The burner gas inlet is then fluidly connected to the burner.

異形材が押し出されることに基づき、押し出された異形材が異形材の押し出し方向に沿って不変の断面を有する限り、ストレート形状又は屈曲形状、例えば波形状を含む、種々の断面形状で壁を容易に形成することができる。ガイド壁の形状は、押し出し方向に対して垂直方向の蛇行状流路を通る蒸気及びシンガスの流速に影響を与える。加えて、ガイド壁は任意には羽根を備えることにより、乱流及び混合を形成し、そして触媒変換プロセスの最適化のために蛇行状流路の中央へ向かってガスを案内する。例えば、断面で見て、ガイド壁は、2つの対向壁の一方から他方へ延びる真直ぐの又は湾曲したステムを含む。そしてステムは、蛇行状蒸気流路に沿って障害物及び相応の乱流を提供するために、ステムから延びる羽根、例えばステムから横方向に延びる羽根を含む。ステムに複数の羽根が設けられる場合には、断面で見て魚の骨の形状が1つの選択肢となる。   As long as the profiled material is extruded, as long as the profiled profile has an invariable cross section along the extrusion direction of the profiled material, the wall can be easily made with various cross-sectional shapes, including straight or bent shapes, for example wave shapes Can be formed. The shape of the guide wall affects the flow rates of the steam and syngas that pass through the serpentine channel perpendicular to the extrusion direction. In addition, the guide wall optionally comprises vanes to create turbulence and mixing and to guide the gas toward the center of the serpentine channel for optimization of the catalytic conversion process. For example, in cross-section, the guide wall includes a straight or curved stem that extends from one of the two opposing walls to the other. The stem then includes vanes extending from the stem, eg, vanes extending laterally from the stem, to provide obstructions and corresponding turbulence along the serpentine steam flow path. When the stem is provided with a plurality of blades, the shape of the fish bone is one option when viewed in cross section.

押し出された異形材のための材料の例は、アルミニウム、アルミニウム合金であり、押し出しに典型的に適したものは、1000−6000−7000シリーズのアルミニウム合金である。   Examples of materials for extruded profiles are aluminum, aluminum alloys, and those typically suitable for extrusion are 1000-6000-7000 series aluminum alloys.

薄層のための材料の例は、580〜600℃の温度で溶融可能なろう付け剤のクラッディング層を有する曲げられたアルミニウム合金フォイルである。   An example of a material for the thin layer is a bent aluminum alloy foil with a brazing cladding cladding layer that can be melted at a temperature of 580-600 ° C.

触媒材料の例は、白金又はニッケル系触媒、又はCuZn系触媒である。これらの触媒は、メタノール及びその他のアルコール及び炭化水素を改質する用途に典型的によく適している。例えば触媒は、直径0.5〜10mm及び高さ0.5〜10mmのサイズを有する円筒形又は球形ペレットとして提供される。或いは、ペレットは同様のサイズを有するが、しかし他の幾何学的形状、例えば中空部分を有する又は有しない台形、立方体、六面体の断面、又はこれらの組み合わせを有する。   Examples of the catalyst material are platinum or nickel-based catalysts, or CuZn-based catalysts. These catalysts are typically well suited for applications that reform methanol and other alcohols and hydrocarbons. For example, the catalyst is provided as a cylindrical or spherical pellet having a diameter of 0.5-10 mm and a height of 0.5-10 mm. Alternatively, the pellets have a similar size, but other geometric shapes, such as trapezoids, cubes, hexahedral cross sections, or combinations thereof, with or without hollow portions.

上記の理由から、蛇行状流路を有する燃料電池改質器の伝統的なミリング加工又はモールディングと比較して、このような改質器の製造に押し出しを用いることは、製造速度及びコスト低減、並びにサイズ調節のし易さの点から見て、多数の利点をほのめかす。   For the above reasons, using extrusion in the manufacture of such reformers compared to traditional milling or molding of fuel cell reformers with serpentine channels reduces production speed and cost, In addition, many advantages are implied from the viewpoint of ease of size adjustment.

図面を参照しながら本発明をより詳細に説明する。   The present invention will be described in more detail with reference to the drawings.

図1は、燃料電池システムの一例を示す。FIG. 1 shows an example of a fuel cell system. 図2は、蛇行状流路を備えたコンパクトな改質器の一例を示す。FIG. 2 shows an example of a compact reformer with a serpentine channel. 図3は、薄層がろう付けされた押し出し改質器を示す。FIG. 3 shows an extrusion reformer with a thin layer brazed. 図4は、ろう付けされた薄層のための種々異なるプロフィールを示す。FIG. 4 shows different profiles for the brazed lamina.

図1は燃料電池システム1を開示している。燃料電池システム1は燃料電池スタック2を含む。燃料電池スタック2には、液体燃料、例えばメタノールと水との混合物が燃料供給タンク3から供給される。液体導管4内では、液体燃料は蒸発器5内へ案内される。蒸発器5内で、液体燃料の温度は燃料が蒸発するまで上昇させられる。蒸気は蒸気入口23を通って改質器6内へ供給される。改質器は、例えば任意には銅を含む触媒7を使用することによって、蒸気をシンガスへ触媒的に変換する。シンガスは主に水素と二酸化炭素と低含量の水ミストと一酸化炭素とから成る。シンガスはシンガス出口24と、改質器6の外側の導管8とを通って、燃料電池スタック2の、プロトン電解質膜のアノード側へ供給される一方、典型的には空気に由来する酸素が給気部10からプロトン電解質膜のカソード側へ供給される。   FIG. 1 discloses a fuel cell system 1. The fuel cell system 1 includes a fuel cell stack 2. A liquid fuel, for example, a mixture of methanol and water, is supplied from the fuel supply tank 3 to the fuel cell stack 2. Within the liquid conduit 4, the liquid fuel is guided into the evaporator 5. Within the evaporator 5, the temperature of the liquid fuel is raised until the fuel evaporates. The steam is supplied into the reformer 6 through the steam inlet 23. The reformer catalytically converts the steam to syngas, for example by using a catalyst 7 optionally containing copper. Syngas is mainly composed of hydrogen, carbon dioxide, low water mist and carbon monoxide. The syngas is supplied to the anode side of the proton electrolyte membrane of the fuel cell stack 2 through the syngas outlet 24 and the conduit 8 outside the reformer 6, while oxygen derived from air is typically supplied. The gas is supplied from the gas part 10 to the cathode side of the proton electrolyte membrane.

改質器6内の変換プロセスに適した温度、例えば約280℃に達するためには、典型的には燃焼のためにアノード廃ガス12を使用するバーナー11が採用されると有利である。例えば、バーナー11の排ガス13は温度が350〜400℃であり、典型的には図示のように、改質器6の外壁に沿って排ガス13をケーシング32の内部で案内することによって、改質器6の壁を加熱するために使用される。ガス13はまた、蒸発器5を加熱するために使用されると有利である。   In order to reach a temperature suitable for the conversion process in the reformer 6, for example about 280 ° C., it is advantageous to employ a burner 11 which typically uses the anode waste gas 12 for combustion. For example, the exhaust gas 13 of the burner 11 has a temperature of 350 to 400 ° C., and is typically reformed by guiding the exhaust gas 13 along the outer wall of the reformer 6 inside the casing 32 as illustrated. Used to heat vessel 6 wall. The gas 13 is also advantageously used to heat the evaporator 5.

任意には、蒸発器5内の蒸発に際しては、120〜200℃の高い温度、例えば170℃の冷却液14が燃料電池スタック2の出口部分から蒸発器5内へ、冷却液から液体燃料へこれを蒸発させるために熱を伝達するように案内される。   Optionally, when evaporating in the evaporator 5, the coolant 14 having a high temperature of 120 to 200 ° C., for example, 170 ° C. is transferred from the outlet portion of the fuel cell stack 2 to the evaporator 5, and from the coolant to the liquid fuel. Guided to transfer heat to evaporate.

一例としては、下記パラメータが適用される。5kWを送達するHTPEMスタックの場合、典型的な寸法は0.5m×0.25m×0.15mである。例えば、バーナー、蒸発器、及び改質器を含む燃料電池スタックの重量は約20kgであり、電子装置、冷却液ポンプ、第1熱交換器及び弁を含む燃料電池システム全体の重量は40〜45kgのオーダーである。   As an example, the following parameters are applied. For an HTPEM stack delivering 5 kW, a typical dimension is 0.5 m × 0.25 m × 0.15 m. For example, the weight of the fuel cell stack including the burner, the evaporator, and the reformer is about 20 kg, and the weight of the entire fuel cell system including the electronic device, the coolant pump, the first heat exchanger, and the valve is 40 to 45 kg. It is an order.

図2は、蛇行状流路15を備えた可能な改質器6を示す断面図である。蛇行状流路15は、ガイド壁17の2つの櫛状集合16によって提供される。ガイド壁17は、互いに対面する対向壁18,19から延び、櫛歯周期(comb-period)20の半分だけ相互にオフセットされている。ガイド壁17の長さ21は、対向壁18,19の間の距離22の半分よりも大きく、これにより、蒸気の真直ぐな運動を防止し、蒸気を強制的に蛇行状流路15に沿って動かす。例えばガイド壁の長さ21は、対向壁18,19の間の距離22の60%〜90%である。   FIG. 2 is a cross-sectional view showing a possible reformer 6 with a serpentine channel 15. The serpentine channel 15 is provided by two comb-like sets 16 of guide walls 17. The guide walls 17 extend from facing walls 18 and 19 facing each other and are offset from each other by half of a comb-period 20. The length 21 of the guide wall 17 is greater than half the distance 22 between the opposing walls 18, 19, thereby preventing straight movement of the steam and forcing the steam along the serpentine channel 15. move. For example, the length 21 of the guide wall is 60% to 90% of the distance 22 between the opposing walls 18 and 19.

改質器6は、蛇行状流路15の一方の端部に燃料蒸気のための入口23を、そして蛇行状流路15の反対側の端部にシンガスのための出口24を含む。改質器6の内部には、蛇行状流路15に沿って、改質器の触媒材料25が、例えば図示のようなペレットとして提供されている。ペレット25は改質器6の1つの角隅にだけ図示されているが、しかし現実には蛇行状流路15の全体にわたって、そして蛇行状流路15に沿って分配されている。   The reformer 6 includes an inlet 23 for fuel vapor at one end of the serpentine channel 15 and an outlet 24 for syngas at the opposite end of the serpentine channel 15. Inside the reformer 6, along with the meandering flow path 15, the reformer catalyst material 25 is provided as pellets as shown in the figure, for example. The pellets 25 are shown only at one corner of the reformer 6, but in reality are distributed throughout the serpentine channel 15 and along the serpentine channel 15.

別の実施態様として、蛇行状流路15は、蛇行状流路15の断面がシンガス出口24に向かって増大するという点において、大きくなってもよい。このようにすれば、蒸気及び生成されたシンガスが変換中に徐々に膨張するのを可能になる。この場合、櫛歯周期20は一定ではなく、蒸気入口23からシンガス出口24への距離に沿って増大する。   As another embodiment, the serpentine channel 15 may be larger in that the cross section of the serpentine channel 15 increases toward the syngas outlet 24. In this way, the steam and the generated syngas can be gradually expanded during the conversion. In this case, the comb period 20 is not constant, and increases along the distance from the steam inlet 23 to the syngas outlet 24.

図2の改質器6はボックス形押し出し異形材31として提供される。しかしながら、2つの押し出し異形材31a,31bを集成することによって改質器を形成することもできる。2つの押し出し異形材は、破断線34によって示されているような異形材31の個所に沿って集成体接触領域を有している。   The reformer 6 of FIG. 2 is provided as a box-shaped extruded profile 31. However, a reformer can also be formed by assembling two extruded profiles 31a, 31b. The two extruded profiles have an assembly contact area along the location of the profile 31 as indicated by the break line 34.

図3は、図2の改質器と同様の、押し出し改質器6の構造を示す三次元図である。改質器6の金属異形材31は、一定の周期の半分だけオフセットされたガイド壁17から成る2つの櫛形集合を含んでおり、ガイド壁の長さは対向する壁の間の距離の概ね75%に相当する。改質器6は、一方の端部に蒸気入口23を含み、画像では見ることのできない反対側の端部に、相応するシンガス出口を含む。蛇行状流路15に対して垂直の方向から見たときの改質器6の端部26は、開いた状態で示されてはいるが、しかし通常は壁エレメントで閉じられている。4つの角隅27は、安定化用の四分円異形材28を含む。これらの四分円異形材28は、4つの角隅のうちの1つで合流する2つの壁区分のそれぞれを結合する。   FIG. 3 is a three-dimensional view showing the structure of the extrusion reformer 6, similar to the reformer of FIG. The metal profile 31 of the reformer 6 includes two comb sets of guide walls 17 that are offset by half a fixed period, the length of the guide walls being approximately 75 of the distance between the opposing walls. %. The reformer 6 includes a steam inlet 23 at one end and a corresponding syngas outlet at the opposite end that is not visible in the image. The end 26 of the reformer 6 when viewed from a direction perpendicular to the serpentine channel 15 is shown open, but is usually closed with a wall element. The four corners 27 include a stabilizing quadrant 28. These quadrants 28 join each of the two wall sections that meet at one of the four corners.

蛇行状流路15に対して法線方向から見られるように、改質器6は長方形であり、この長方形は、ガイド壁17の櫛状集合が延びる起点となる2つの対向する長辺と、蒸気入口23とシンガス出口とがそれぞれ設けられた短辺とを有している。長辺側には金属薄層29が設けられており、金属薄層は典型的には改質器6の押し出し部分の長辺側にろう付けされている。これらの薄層29は、バーナー11の排ガス13からの適切な熱伝達を保証する。排ガス13は薄層29に沿って案内され、薄層29を加熱する。次いで薄層29は熱を改質器6の押し出し部分に伝導する。熱は次いで、改質器の内壁18,19上に熱を提供するために壁を通して伝導される。   As can be seen from the normal direction to the meandering flow path 15, the reformer 6 is a rectangle, which has two opposing long sides from which the comb-like assembly of the guide walls 17 extends, It has short sides provided with a steam inlet 23 and a syngas outlet, respectively. A thin metal layer 29 is provided on the long side, and the thin metal layer is typically brazed to the long side of the extruded portion of the reformer 6. These thin layers 29 ensure proper heat transfer from the exhaust gas 13 of the burner 11. The exhaust gas 13 is guided along the thin layer 29 and heats the thin layer 29. The thin layer 29 then conducts heat to the extruded portion of the reformer 6. Heat is then conducted through the walls to provide heat on the reformer inner walls 18,19.

製造に際して、ガイド壁17に対して平行な方向に異形材を押し出す。有用な材料はアルミニウム及びアルミニウム含有合金を含む。押し出されたら、押し出し方向30に対して垂直方向に異形材を切断する。改質器6を開始する前に、開いた端部26を壁エレメントで覆う。蛇行状流路15の各端部には、蒸気入口のために開口23が設けられ、そしてシンガス出口のためにさらなる開口が設けられる。改質器6の外側に沿って案内される高温空気13からの熱を受容し得る表面積を増大させるように、1つの側、又は2つの側、又は3つ以上の側を金属薄層29で覆う。例えば、図3に示されているように、2つの最大の側を薄層29で覆う。薄層29は蛇行状流路15に対して平行に延びる。蛇行状流路15は押し出し方向30に対して垂直であり、且つガイド壁17に対して垂直である。図3に見られるように、薄層29の端部には、排ガスを放出する前にこれを収集するための漏斗状ガイド31が設けられている。   In manufacturing, the deformed material is extruded in a direction parallel to the guide wall 17. Useful materials include aluminum and aluminum containing alloys. When extruded, the deformed material is cut in a direction perpendicular to the extrusion direction 30. Before starting the reformer 6, the open end 26 is covered with a wall element. Each end of the serpentine channel 15 is provided with an opening 23 for the steam inlet and a further opening for the syngas outlet. A thin metal layer 29 on one side, or two sides, or more than two sides, to increase the surface area that can receive heat from the hot air 13 guided along the outside of the reformer 6 cover. For example, as shown in FIG. 3, the two largest sides are covered with a thin layer 29. The thin layer 29 extends parallel to the serpentine flow path 15. The serpentine channel 15 is perpendicular to the extrusion direction 30 and perpendicular to the guide wall 17. As can be seen in FIG. 3, a funnel-shaped guide 31 is provided at the end of the thin layer 29 to collect the exhaust gas before it is released.

改質器6が蛇行状流路15に対して垂直方向に押し出され、この蛇行状流路15に沿って蒸気とシンガスとが改質器6を横切って流れるので、改質器6は1つ又は複数の燃料電池スタック2の幅に対して正確な幅に容易に切断することができる。図3に示されているように、改質器6は3つの燃料電池スタック2にシンガスを提供し、これら3つの燃料電池スタック共同の全幅に相当する幅を有している。押し出し異形材の切断後に残る開いた側26は、改質器6の使用の準備をするときに壁エレメント(図示せず)によって覆われる。   The reformer 6 is pushed out in a direction perpendicular to the serpentine flow path 15, and steam and syngas flow across the reformer 6 along the serpentine flow path 15. Or it can be easily cut into an accurate width with respect to the width of the plurality of fuel cell stacks 2. As shown in FIG. 3, the reformer 6 provides syngas to the three fuel cell stacks 2 and has a width corresponding to the entire width of the three fuel cell stacks. The open side 26 remaining after cutting the extruded profile is covered by a wall element (not shown) when preparing the reformer 6 for use.

図4に示されているように、薄層29は種々の形態、例えばプレーン、孔付き、鋸歯状、又はヘリンボーンタイプの薄層に成形することができる。例示したものは可能な形状を包括的に網羅してはいるのではない。図示の薄層は折り畳むことにより、方形断面プロフィールを有するコルゲーション形状になっているものの、三角形又は準正弦曲線状の断面プロフィールも可能である。   As shown in FIG. 4, the thin layer 29 can be formed into various forms, such as a plain, perforated, serrated, or herringbone type thin layer. The illustrations are not exhaustive of possible shapes. Although the illustrated lamina is folded into a corrugation shape with a square cross-sectional profile, a triangular or quasi-sinusoidal cross-sectional profile is also possible.

図5に示された1実施態様の一部では、ガイド壁17はステム32と、ステム32から横方向に延びる羽根33とを含む。羽根34は、図示されたもの以外の形状、及びステム32に対する他の角度を有することができる。或いは、ステム33は湾曲し、図5に示されているように真直ぐではない。   In one embodiment shown in FIG. 5, the guide wall 17 includes a stem 32 and vanes 33 extending laterally from the stem 32. The vanes 34 may have shapes other than those shown and other angles with respect to the stem 32. Alternatively, the stem 33 is curved and not straight as shown in FIG.

本発明は、燃料電池システム内の改質器の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a reformer in a fuel cell system.

発電用燃料電池のための液体燃料を使用するときには、液体燃料から、大量の気体水素を含有するシンガスとも呼ばれる合成ガスに変換することによって、燃料電池のための水素が生成される。液体燃料の一例はメタノールと水との混合物であるが、しかし他の液体燃料、特にエタノールを含む他のアルコールを使用することもできる。変換のために、液体燃料を蒸発器内で蒸発させ、そして改質器内で触媒変換させることによって、燃料電池のためのシンガスを提供する。必要な変換温度250〜300℃に達するために、改質器は、例えばバーナーからの排ガスによって加熱されなければならない。バーナーのガスの温度は典型的には350〜400℃である。   When using a liquid fuel for a power generation fuel cell, hydrogen for the fuel cell is produced by converting the liquid fuel into a synthesis gas, also called a syngas containing a large amount of gaseous hydrogen. An example of a liquid fuel is a mixture of methanol and water, but other liquid fuels, particularly other alcohols including ethanol, can also be used. For conversion, a syngas for the fuel cell is provided by evaporating liquid fuel in the evaporator and catalytic conversion in the reformer. In order to reach the required conversion temperature of 250-300 ° C., the reformer must be heated, for example by exhaust gas from a burner. The temperature of the burner gas is typically 350-400 ° C.

改質器の一般例がEngland氏の特許文献に開示されている(例えば、特許文献1参照。)。高温排ガスと改質器との間の適切な熱伝達のために、改質器は、巻かれたコルゲート金属又は押し出された金属のラジエータコア内に挿入され、これにろう付けされている。このアプローチは熱交換器分野に類似している。この分野では、一般的な教示内容は、管を押し出し、そして管の外壁に薄いフィンをろう付けすることにより、フィンに沿って流れる媒体から熱伝達を行うことである。このような押し出し管の内部では、押し出し方向と同じ方向に液体が流れる。このことは、熱交換器の技術分野における伝統的な考えに従ったものである。熱交換器の一般的技術からは、押し出しアルミニウムコア上にクラッディング又は粉末スプレーを用いることが知られている。別の特許文献に開示された例の場合(例えば、特許文献2参照。)、熱交換器の押し出しアルミニウムコア上へコルゲートフィンをろう付けするために、粉末ろう付け剤のスプレー塗布が用いられる。ろう付け前にコルゲートフィンにクラッディングを施すことがさらに別の特許文献に開示されている(例えば、特許文献3参照。)。   A general example of a reformer is disclosed in Patent Document of England (see, for example, Patent Document 1). For proper heat transfer between the hot exhaust gas and the reformer, the reformer is inserted into a rolled corrugated metal or extruded metal radiator core and brazed to it. This approach is similar to the heat exchanger field. In this field, the general teaching is to conduct heat transfer from the media flowing along the fins by extruding the tubes and brazing the thin fins to the outer wall of the tubes. Inside such an extrusion tube, the liquid flows in the same direction as the extrusion direction. This is in accordance with traditional ideas in the technical field of heat exchangers. From the general art of heat exchangers it is known to use a cladding or powder spray on an extruded aluminum core. In the case of an example disclosed in another patent document (see, for example, Patent Document 2), spray application of powder brazing agent is used to braze the corrugated fins onto the extruded aluminum core of the heat exchanger. Another patent document discloses that the corrugated fin is clad before brazing (see, for example, Patent Document 3).

また、別の特許文献に開示された、押し出し改質器モジュールのシリンダ本体は、流れ方向に沿って複数のチャネルを有しており、このことは押し出しに関する伝統的な考えを反映している(例えば、特許文献4参照。)。押し出し方向と平行な流れが、Caze氏らの特許文献に開示されている流体処理装置に開示されている(例えば、特許文献5参照。)。対向する方向の流れを有する小型の一体型の熱交換器は、ある非特許文献に開示されている(例えば、非特許文献1参照。)。また、熱交換器について、別の非特許文献にも開示されている(例えば、非特許文献2参照。)。 In addition, the cylinder body of the extrusion reformer module disclosed in another patent document has a plurality of channels along the flow direction, which reflects the traditional idea of extrusion ( For example, see Patent Document 4.) A flow parallel to the extrusion direction is disclosed in a fluid processing apparatus disclosed in Caze et al. (See, for example, Patent Document 5). A small integrated heat exchanger having a flow in an opposing direction is disclosed in a certain non-patent document (for example, see Non-patent document 1). The heat exchanger is also disclosed in another non-patent document (for example, see Non-patent document 2).

押し出しは、流体流が不変の断面を有する方向に沿っている導管のために一般に用いられる方法であるものの、押し出しは、流れが不変の断面を有する方向に沿っていない、より複雑な構造を有する改質器のために用いるためには、明らかに有利な方法とは言えない。   While extrusion is a commonly used method for conduits where the fluid flow is along a direction having a constant cross section, extrusion has a more complex structure where the flow is not along a direction having a constant cross section. It is clearly not an advantageous method to use for the reformer.

高温プロトン電解質膜(HTPEM)燃料電池とも呼ばれる高温プロトン交換膜燃料電池は、比較的高いCO濃度に耐え、ひいては改質器と燃料電池スタックとの間にPrOX反応器を必要としない点で有利である。このような理由から、シンプルで軽量、且つ低廉な改質器を使用することができる。このような改質器は、例えば自動車産業のためのコンパクトな燃料電池システムを提供する目的に沿って、システムの全体寸法及び重量を最小化する。しかしながら、小型サイズでありながら効率的であるために、改質器は充分に長い反応経路を必要とする。この反応路は、小型改質器の外側寸法よりも著しく長いのが典型的である。低重量であることと、寸法が小さいことと、反応路が長いこととを組み合わせるために、反応経路は潜在的に蛇行路として形成されるので、反応物質は改質器を通るジグザグ曲線に追従しなければならない。   High temperature proton exchange membrane fuel cells, also called high temperature proton electrolyte membrane (HTPEM) fuel cells, are advantageous in that they can withstand relatively high CO concentrations and thus do not require a PrOX reactor between the reformer and the fuel cell stack. is there. For this reason, a simple, lightweight and inexpensive reformer can be used. Such a reformer minimizes the overall size and weight of the system, for example in line with the objective of providing a compact fuel cell system for the automotive industry. However, to be efficient while being small in size, the reformer requires a sufficiently long reaction path. This reaction path is typically significantly longer than the outer dimensions of the small reformer. To combine the low weight, small dimensions, and long reaction path, the reaction path is potentially formed as a serpentine path so that the reactants follow a zigzag curve through the reformer. Must.

このような蛇行状流路は、ある特許文献に開示されているようなマイクロ反応器からも知られている(例えば、特許文献参照。)。この場合、製造方法はミリング加工又はモールディングとして開示されている。典型的には、ミリング加工は固体ブロックの所定の深さまで行われ、ベースは固体プレートとして残り、基底部から構造が延びる。ミリング加工又はモールディングは燃料電池技術における蛇行状構造のために提案された一般的な方法である。一例は、別の特許文献に開示されているような、蛇行状流路を備えた固体バイポーラ板の製造である(例えば、特許文献参照。)。ミリング加工又はモールディングの別の例がさらに別の特許文献に開示されている(例えば、特許文献8参照。)。また、さらに別の特許文献において、流路が、蛇行状であり、かつ、対向して配置された2つの板から延びている延長突出部の長手方向と平行である、マイクロ流路の改質器の製造のための鋳造及び鍛造が開示されている(例えば、特許文献9参照。)。この文献では、押し出しが代替手段として言及されているが、記載や例示されていない。 Such a meandering flow path is also known from a microreactor as disclosed in a certain patent document (for example, see Patent Document 6 ). In this case, the manufacturing method is disclosed as milling or molding. Typically, milling is performed to a predetermined depth of the solid block, the base remains as a solid plate, and the structure extends from the base. Milling or molding is a common method proposed for serpentine structures in fuel cell technology. An example is the manufacture of a solid bipolar plate with serpentine channels as disclosed in another patent document (see, for example, patent document 7 ). Another example of milling or molding is disclosed in another patent document (for example, see Patent Document 8). In still another patent document, the flow path is serpentine and is parallel to the longitudinal direction of the extended protrusions extending from the two plates arranged opposite to each other. Casting and forging for the production of a vessel has been disclosed (for example, see Patent Document 9). In this document, extrusion is mentioned as an alternative, but is not described or exemplified.

種々の技術分野のこれらの開示内容から、押し出しは、管の軸線に沿って不変のプロフィールを備えた管を製造するのに有用な一般的に用いられる方法であって、押し出し方向と同じ方向にある、不変の断面を有する方向に沿って流体流が流れる方法であり、これに対して、ミリング加工は、流れが押し出し方向に沿わない、例えば蛇行状流路に沿う、より複雑なプロフィールのための典型的な方法である、と思われる。   From these disclosures in various technical fields, extrusion is a commonly used method useful for manufacturing tubes with invariant profiles along the tube axis, in the same direction as the extrusion direction. A method in which a fluid flow flows along a direction having an invariant cross-section, whereas milling is due to a more complex profile where the flow does not follow the extrusion direction, for example along a serpentine channel. It seems to be a typical method.

ミリング加工は用途が広く、複雑なプロフィールのための調節が容易である。しかしながら、ミリング加工は比較的低速であり、ひいては大量生産には最適ではないという欠点を有する。またミリング加工は大量の材料廃棄物が生じることをほのめかす。それというのも、ブロック、例えばアルミニウムブロックからミリング加工によって除去される材料が有用でなく、廃棄しなければならないからである。モールディングは大量生産にはより適しているが、しかし、容積を取り囲む閉じた構造には適していない。このような理由から、モールディングは製造方法に制約を課し、付加的な集成工程を必要とする。またモールディングは異なるサイズに対して異なるモールド型を必要とし、このことは製造コストを高くする。   Milling is versatile and easy to adjust for complex profiles. However, milling has the disadvantage of being relatively slow and thus not optimal for mass production. Milling also implies that a large amount of material waste is generated. This is because the material removed by milling from a block, such as an aluminum block, is not useful and must be discarded. Molding is more suitable for mass production, but not for a closed structure that surrounds the volume. For these reasons, molding imposes restrictions on the manufacturing method and requires additional assembly steps. Molding also requires different molds for different sizes, which increases manufacturing costs.

従って、複雑な形状、特に蛇行状流路を備えた燃料電池改質器の別の製造方法を見いだすことが望ましい。   Accordingly, it is desirable to find another method of manufacturing a fuel cell reformer with a complex shape, particularly a serpentine channel.

米国特許第7976787号明細書U.S. Pat. No. 7,976,787 欧州特許第595601号明細書European Patent No. 595601 欧州特許第417894号明細書EP 417894 specification 中国実用新案第202510702号明細書China Utility Model No. 202517022 Specification 米国特許出願公開第2010/143215号明細書US Patent Application Publication No. 2010/143215 米国特許第8574500号明細書US Pat. No. 8,574,500 国際公開第2009/010067号International Publication No. 2009/010067 米国特許出願公開第2007/068076号明細書US Patent Application Publication No. 2007/068076 米国特許出願公開第2006/0141295号明細書US Patent Application Publication No. 2006/0141295

Huisheng Zhang氏、Lijin Wang氏、Shilie Weng氏、Ming Su氏らによって著された「電子ジャーナル」(Journal of Power Sources)第183号 (2008)の第282頁〜第294頁の「高温燃料電池システムに用いられる小型熱交換改質器についての性能調査(Performance research on the compact heat exchange reformer used for high temperature fuel cell systems)」と題する記事“High-temperature fuel cell system” on pages 282 to 294 of “Journal of Power Sources” No. 183 (2008), written by Huisheng Zhang, Lijin Wang, Shilie Weng, Ming Su et al. Article titled "Performance research on the compact heat exchange reformer used for high temperature fuel cell systems" 2011年にシュトゥットガルトにおいて開催されたCOOML会議においてSAS SYNGAS のP. Gateau氏、SIMTACのPatrick Namy氏及びCOMSOL FranceのNicolas Huc氏によって著された、「ハニカム型の熱交換器とフィン型の熱交換器の比較(Comparison between honeycomb and fin heat exchangers)」と題する会議論文At the COOML meeting in Stuttgart in 2011 by SAS SYNGAS P. Gateau, SIMTAC Patrick Namy and COMSOL France Nicolas Huc, “Honeycomb heat exchanger and fin heat Conference paper entitled `` Comparison between honeycomb and fin heat exchangers ''

従って、本発明の目的は、技術の改善を提供することである。具体的には、特に真直ぐな管から逸脱した複雑な形状のために、燃料電池システム内の燃料改質器の改善された製造方法を提供することが目的である。改質器のための有意義な形態の1つは、改質器を通る蛇行状流路であり、改善された製造方法を見いだすことが目的である。この目的は下記の燃料電池システムの製造方法によって解決される。   Accordingly, it is an object of the present invention to provide an improvement in technology. In particular, it is an object to provide an improved method of manufacturing a fuel reformer in a fuel cell system, especially because of the complex shape deviating from a straight tube. One significant form for a reformer is a serpentine flow path through the reformer, with the goal of finding an improved manufacturing method. This object is solved by the following manufacturing method of the fuel cell system.

製造に際して、押し出しによって金属異形材を提供し、改質器ハウジングを提供するために、金属異形材を、異形材に対して垂直方向に切断する。改質器内部に触媒を提供し、切断された端部を壁エレメントで覆うことにより容積を閉じる。一方の端部に蒸発器を接続し、反対側の端部に燃料電池を接続する。高温ガスによる改質器の加熱に備えて、外面に熱伝導薄層が任意に設けられる。   During manufacture, the metal profile is cut perpendicular to the profile to provide the metal profile by extrusion and to provide a reformer housing. The catalyst is provided inside the reformer and the volume is closed by covering the cut end with a wall element. An evaporator is connected to one end, and a fuel cell is connected to the opposite end. In preparation for heating the reformer with hot gas, a thin heat conducting layer is optionally provided on the outer surface.

より詳細に述べるならば、以下のように有利な形態が提供される。押し出し異形材は、互いに対面する押し出された2つの対向壁を、壁間に所定の距離を置き且つ壁間に所定の容積を備えた状態で含む。この容積は最終的には蒸気からシンガスへの変換のために用いられる。2つの壁のそれぞれは、壁の間の距離の半分よりも長い距離だけ2つの壁のそれぞれから反対側の壁に向かって延びる、押し出された相互に間隔を置いたガイド壁から成る群を一体的に含む。例えば、ガイド壁の長さは、対向壁の間の距離の60%〜90%である。ガイド壁は、2つの壁のそれぞれに櫛状構造を形成している。2つの櫛状構造は互いに対面していて、互いに噛み合い且つ押し出し方向に対して垂直方向に蛇行状流路を形成するように、横方向に互いにオフセットされている。従って、押し出し方向に対して垂直方向に容積を横切って、ガスは直線に沿って移動することはできず、蛇行状の細長く延びる経路に追従しなければならない。   In more detail, the following advantageous forms are provided. The extruded profile includes two extruded opposing walls facing each other with a predetermined distance between the walls and a predetermined volume between the walls. This volume is ultimately used for the conversion of steam to syngas. Each of the two walls is an integral group of extruded spaced apart guide walls extending from each of the two walls toward the opposite wall by a distance greater than half the distance between the walls. Including. For example, the length of the guide wall is 60% to 90% of the distance between the opposing walls. The guide wall forms a comb-like structure on each of the two walls. The two comb structures face each other and are offset from each other in the lateral direction so as to mesh with each other and form a serpentine channel in a direction perpendicular to the extrusion direction. Thus, the gas cannot travel along a straight line across the volume in a direction perpendicular to the extrusion direction, but must follow a meandering elongated path.

例えば、異形材は、2つの対向壁がさらなる壁、典型的には2つの互いに対面するさらなる壁によって結合されたボックス異形材として押し出すことにより、方形断面プロフィールを有するボックスを提供する。或いは、異形材はボックス異形材の2つの押し出し半部として提供される。これらの半部は押し出し後、次いで集成することによりボックス異形材にする。例えば、各半部は2つの対向壁のうちの一方と、その一方の壁から延びる、相互に間隔を置いたガイド壁から成る一方の群だけとを含み、そして集成体は、互いに対向する側からガイド壁を提供し、蛇行状流路を形成する。   For example, a profile provides a box with a square cross-sectional profile by extruding two opposing walls as a box profile joined by additional walls, typically two additional walls facing each other. Alternatively, the profile is provided as two extruded halves of the box profile. These halves are extruded and then assembled into box profiles. For example, each half includes only one of two opposing walls and one group of mutually spaced guide walls extending from one of the walls, and the assembly is on opposite sides. A guide wall is provided to form a serpentine flow path.

例えば、ガイド壁が一定の周期(period)で等しい間隔を置いて設けられ、半部異形材において四分の一の周期分だけ、押し出し方向に対して垂直方向に非対称的にオフセットされる場合、2つの半部は、単一の異形材を押し出し、次いでこの異形材を2つの等しい長さの区分に切断することによって提供することができる。集成に際しては、一方の区分は押し出し方向で提供し、そして他方の半部は押し出し方向の周りを180度回転させ、そして押し出し方向に対して垂直な線の周りを180度回転させる。四分の一の周期分のオフセットにより、ガイド壁は、互いに対向して延びる噛み合ったガイド壁の間に半分の周期を有する状態で噛み合うことになる。   For example, when the guide walls are provided at equal intervals in a certain period and are offset asymmetrically in the direction perpendicular to the extrusion direction by a quarter period in the half profile, The two halves can be provided by extruding a single profile and then cutting the profile into two equal length sections. During assembly, one section is provided in the extrusion direction and the other half is rotated 180 degrees around the extrusion direction and 180 degrees around a line perpendicular to the extrusion direction. Due to the offset of a quarter period, the guide walls mesh with each other with half the period between the meshing guide walls extending opposite to each other.

有用な材料の一例は、アルミニウム又はアルミニウム合金、例えば展伸用合金である。熱伝導率は、異形材の外側から改質器内部の容積内へ熱を伝導するために比較的高い。それというのも、この容積は燃料蒸気からシンガスへの触媒変換のために使用されることになり、このためには典型的には約250℃を上回る温度が必要となるからである。例えば300度を上回る温度のバーナーガスに耐えるために、合金は、アルミニウム及びマグネシウムを含有する5000シリーズ、又はアルミニウム、マグネシウム、及びケイ素を含有する6000シリーズの展伸用アルミニウム合金であると有利である。   An example of a useful material is aluminum or an aluminum alloy, such as a wrought alloy. The thermal conductivity is relatively high because it conducts heat from outside the profile into the volume inside the reformer. This is because this volume will be used for the catalytic conversion of fuel vapor to syngas, which typically requires temperatures above about 250 ° C. For example, to withstand burner gases at temperatures above 300 degrees, the alloy is advantageously a 5000 series aluminum alloy containing aluminum and magnesium, or a 6000 series aluminum alloy containing aluminum, magnesium and silicon. .

容積内へ蒸気を流入させ、且つ容積からシンガスを流出させるために、蛇行状蒸気流路の対向する端部で、異形材に蒸気入口及びシンガス出口が設けられる。例えば、金属異形材に穴が形成され、これらの穴に導管が取り付けられる。導管は、液体燃料蒸発器を蒸気入口に、そして燃料電池をシンガス出口に流体流接続するために、後で使用される。   A steam inlet and a syngas outlet are provided in the profile at opposite ends of the serpentine steam channel to allow the steam to flow into the volume and the syngas to flow out of the volume. For example, holes are formed in the metal profile and conduits are attached to these holes. The conduit is later used to fluidly connect the liquid fuel evaporator to the vapor inlet and the fuel cell to the syngas outlet.

改質器の所望の幅に応じて、押し出し方向に対して垂直方向に、かつ蛇行状流路に対しても垂直方向に異形材を切断する。押し出しにより、単一の押し出し異形材が複数の改質器ハウジングのための部分を提供することができる。これらの部分のそれぞれは、目的に適した長さで押し出し異形材から切断される。例えば、異形材の1つの切断片は短く、単一の燃料電池スタックに接続される改質器のために使用することができ、また別の切断片は長く、複数の燃料電池スタックにシンガスを提供する改質器のために使用することができる。   Depending on the desired width of the reformer, the profile is cut perpendicular to the extrusion direction and also perpendicular to the serpentine channel. Extrusion allows a single extrusion profile to provide portions for multiple reformer housings. Each of these parts is cut from the extruded profile at a length suitable for the purpose. For example, one cut piece of profile is short and can be used for a reformer connected to a single fuel cell stack, and another cut piece is long and syngas is applied to multiple fuel cell stacks. It can be used for the reformer provided.

このように、押し出しは、改質器の製造を単純化するだけではなく、サイズ調節に関して融通性が高いことが判る。モールディングの場合、このような融通性は与えられない。それというのもそれぞれのサイズ変更は、異なるモールディング型を必要とするからである。小型及び大型の改質器に関連する作業は、押し出しを利用すると、さほど大きく異ならない。このことはまた、ミリング加工が製造に用いられる場合と著しく対照的である。ミリング加工は概ね多用途ではあるものの、改質器が大きくなればなるほど、ミリング加工を実施するのに多くの時間がかかり、また、極めて深いところまで行われるミリング加工は精度及び安定性に関して機械的に困難である。このような理由からミリング加工は、大量のミリング材料が廃棄されるという不都合な点に加えて、大型の改質器にも適していない。全体的に見て、改質器を製造するための押し出しはいくつかの側面において有利である。   Thus, it can be seen that extrusion not only simplifies the production of the reformer, but is also flexible in terms of size adjustment. In the case of molding, such flexibility is not given. This is because each size change requires a different molding type. The work associated with small and large reformers is not much different when using extrusion. This is also in stark contrast to the case where milling is used in manufacturing. Although milling is generally versatile, the larger the reformer, the more time it takes to perform the milling process, and the milling that is performed to a very deep depth is mechanical in terms of accuracy and stability. It is difficult to. For these reasons, milling is not suitable for large reformers, in addition to the disadvantage that a large amount of milling material is discarded. Overall, extrusion to produce a reformer is advantageous in several aspects.

触媒材料、例えば触媒ペレットが容積内へ挿入される。容積は次いで、ハウジング内部の容積中で燃料蒸気をシンガスへ触媒変換するための閉じられた改質器ハウジングを提供する壁エレメントによって閉じられる。   A catalyst material, such as catalyst pellets, is inserted into the volume. The volume is then closed by a wall element that provides a closed reformer housing for catalytic conversion of fuel vapor to syngas in the volume inside the housing.

動作中、ハウジング内部の触媒変換プロセスのための適切な温度、典型的には、燃料がメタノールと水との混合物である場合には250〜300度、そして高級アルコール又はディーゼルが燃料として使用される場合にはより高い温度を提供するために、改質器ハウジングが加熱される。   In operation, a suitable temperature for the catalytic conversion process inside the housing, typically 250-300 degrees when the fuel is a mixture of methanol and water, and higher alcohol or diesel is used as the fuel In some cases, the reformer housing is heated to provide a higher temperature.

改質器内の温度を調節するために電気的加熱が可能ではあるものの、この必要な熱を提供する有用な方法は、金属異形材の外側に沿って高温ガスを導くことであり、ハウジングの金属は熱を改質器容積内へ導入する。高温ガスからの効率的な熱伝達のために、ハウジングの外側に平行金属薄層をろう付けする。例えばこのような薄層を提供するために、薄いシート材料を折り畳むことによりコルゲート構造にし、改質器ハウジングの外側にろう付けする前にその表面上にろう付け剤クラッディングを施す。任意には、薄層は異形材の少なくとも2つの側、例えば互いに対向する側に設けられる。高い熱伝達効果を得るために、異形材の最大の側のうちの1つ又は2つ以上が薄層で覆われると有利である。例えば、改質器容積が2つの長辺と2つの短辺とを備えた長方形断面を有する場合、薄層は長辺側に設けられる。   Although electrical heating is possible to regulate the temperature in the reformer, a useful way to provide this necessary heat is to direct hot gas along the outside of the metal profile, The metal introduces heat into the reformer volume. A thin layer of parallel metal is brazed to the outside of the housing for efficient heat transfer from the hot gas. For example, to provide such a thin layer, a thin sheet material is folded into a corrugated structure and brazed on its surface before brazing to the outside of the reformer housing. Optionally, the thin layer is provided on at least two sides of the profile, for example on opposite sides. In order to obtain a high heat transfer effect, it is advantageous if one or more of the largest sides of the profile are covered with a thin layer. For example, if the reformer volume has a rectangular cross section with two long sides and two short sides, the thin layer is provided on the long side.

薄層に沿って高温ガスを案内するために、改質器ハウジングはケーシングによって取り囲まれる。ケーシングはガスが薄層表面に沿って案内されるように、平行金属薄層の一方の端部にバーナーガス入口を、そして反対側の端部にバーナーガス出口を有している。バーナーガス入口は次いで、バーナーに流体流接続される。   In order to guide the hot gas along the lamina, the reformer housing is surrounded by a casing. The casing has a burner gas inlet at one end of the parallel metal lamina and a burner gas outlet at the opposite end so that the gas is guided along the lamina surface. The burner gas inlet is then fluidly connected to the burner.

異形材が押し出されることに基づき、押し出された異形材が異形材の押し出し方向に沿って不変の断面を有する限り、ストレート形状又は屈曲形状、例えば波形状を含む、種々の断面形状で壁を容易に形成することができる。ガイド壁の形状は、押し出し方向に対して垂直方向の蛇行状流路を通る蒸気及びシンガスの流速に影響を与える。加えて、ガイド壁は任意には羽根を備えることにより、乱流及び混合を形成し、そして触媒変換プロセスの最適化のために蛇行状流路の中央へ向かってガスを案内する。例えば、断面で見て、ガイド壁は、2つの対向壁の一方から他方へ延びる真直ぐの又は湾曲したステムを含む。そしてステムは、蛇行状蒸気流路に沿って障害物及び相応の乱流を提供するために、ステムから延びる羽根、例えばステムから横方向に延びる羽根を含む。ステムに複数の羽根が設けられる場合には、断面で見て魚の骨の形状が1つの選択肢となる。   As long as the profiled material is extruded, as long as the profiled profile has an invariable cross section along the extrusion direction of the profiled material, the wall can be easily made with various cross-sectional shapes, including straight or bent shapes, for example wave shapes Can be formed. The shape of the guide wall affects the flow rates of the steam and syngas that pass through the serpentine channel perpendicular to the extrusion direction. In addition, the guide wall optionally comprises vanes to create turbulence and mixing and to guide the gas toward the center of the serpentine channel for optimization of the catalytic conversion process. For example, in cross-section, the guide wall includes a straight or curved stem that extends from one of the two opposing walls to the other. The stem then includes vanes extending from the stem, eg, vanes extending laterally from the stem, to provide obstructions and corresponding turbulence along the serpentine steam flow path. When the stem is provided with a plurality of blades, the shape of the fish bone is one option when viewed in cross section.

押し出された異形材のための材料の例は、アルミニウム、アルミニウム合金であり、押し出しに典型的に適したものは、1000−6000−7000シリーズのアルミニウム合金である。   Examples of materials for extruded profiles are aluminum, aluminum alloys, and those typically suitable for extrusion are 1000-6000-7000 series aluminum alloys.

薄層のための材料の例は、580〜600℃の温度で溶融可能なろう付け剤のクラッディング層を有する曲げられたアルミニウム合金フォイルである。   An example of a material for the thin layer is a bent aluminum alloy foil with a brazing cladding cladding layer that can be melted at a temperature of 580-600 ° C.

触媒材料の例は、白金又はニッケル系触媒、又はCuZn系触媒である。これらの触媒は、メタノール及びその他のアルコール及び炭化水素を改質する用途に典型的によく適している。例えば触媒は、直径0.5〜10mm及び高さ0.5〜10mmのサイズを有する円筒形又は球形ペレットとして提供される。或いは、ペレットは同様のサイズを有するが、しかし他の幾何学的形状、例えば中空部分を有する又は有しない台形、立方体、六面体の断面、又はこれらの組み合わせを有する。   Examples of the catalyst material are platinum or nickel-based catalysts, or CuZn-based catalysts. These catalysts are typically well suited for applications that reform methanol and other alcohols and hydrocarbons. For example, the catalyst is provided as a cylindrical or spherical pellet having a diameter of 0.5-10 mm and a height of 0.5-10 mm. Alternatively, the pellets have a similar size, but other geometric shapes, such as trapezoids, cubes, hexahedral cross sections, or combinations thereof, with or without hollow portions.

上記の理由から、蛇行状流路を有する燃料電池改質器の伝統的なミリング加工又はモールディングと比較して、このような改質器の製造に押し出しを用いることは、製造速度及びコスト低減、並びにサイズ調節のし易さの点から見て、多数の利点をほのめかす。   For the above reasons, using extrusion in the manufacture of such reformers compared to traditional milling or molding of fuel cell reformers with serpentine channels reduces production speed and cost, In addition, many advantages are implied from the viewpoint of ease of size adjustment.

図面を参照しながら本発明をより詳細に説明する。   The present invention will be described in more detail with reference to the drawings.

図1は、燃料電池システムの一例を示す。FIG. 1 shows an example of a fuel cell system. 図2は、蛇行状流路を備えたコンパクトな改質器の一例を示す。FIG. 2 shows an example of a compact reformer with a serpentine channel. 図3は、薄層がろう付けされた押し出し改質器を示す。FIG. 3 shows an extrusion reformer with a thin layer brazed. 図4は、ろう付けされた薄層のための種々異なるプロフィールを示す。FIG. 4 shows different profiles for the brazed lamina.

図1は燃料電池システム1を開示している。燃料電池システム1は燃料電池スタック2を含む。燃料電池スタック2には、液体燃料、例えばメタノールと水との混合物が燃料供給タンク3から供給される。液体導管4内では、液体燃料は蒸発器5内へ案内される。蒸発器5内で、液体燃料の温度は燃料が蒸発するまで上昇させられる。蒸気は蒸気入口23を通って改質器6内へ供給される。改質器は、例えば任意には銅を含む触媒7を使用することによって、蒸気をシンガスへ触媒的に変換する。シンガスは主に水素と二酸化炭素と低含量の水ミストと一酸化炭素とから成る。シンガスはシンガス出口24と、改質器6の外側の導管8とを通って、燃料電池スタック2の、プロトン電解質膜のアノード側へ供給される一方、典型的には空気に由来する酸素が給気部10からプロトン電解質膜のカソード側へ供給される。   FIG. 1 discloses a fuel cell system 1. The fuel cell system 1 includes a fuel cell stack 2. A liquid fuel, for example, a mixture of methanol and water, is supplied from the fuel supply tank 3 to the fuel cell stack 2. Within the liquid conduit 4, the liquid fuel is guided into the evaporator 5. Within the evaporator 5, the temperature of the liquid fuel is raised until the fuel evaporates. The steam is supplied into the reformer 6 through the steam inlet 23. The reformer catalytically converts the steam to syngas, for example by using a catalyst 7 optionally containing copper. Syngas is mainly composed of hydrogen, carbon dioxide, low water mist and carbon monoxide. The syngas is supplied to the anode side of the proton electrolyte membrane of the fuel cell stack 2 through the syngas outlet 24 and the conduit 8 outside the reformer 6, while oxygen derived from air is typically supplied. The gas is supplied from the gas part 10 to the cathode side of the proton electrolyte membrane.

改質器6内の変換プロセスに適した温度、例えば約280℃に達するためには、典型的には燃焼のためにアノード廃ガス12を使用するバーナー11が採用されると有利である。例えば、バーナー11の排ガス13は温度が350〜400℃であり、典型的には図示のように、改質器6の外壁に沿って排ガス13をケーシング32の内部で案内することによって、改質器6の壁を加熱するために使用される。ガス13はまた、蒸発器5を加熱するために使用されると有利である。   In order to reach a temperature suitable for the conversion process in the reformer 6, for example about 280 ° C., it is advantageous to employ a burner 11 which typically uses the anode waste gas 12 for combustion. For example, the exhaust gas 13 of the burner 11 has a temperature of 350 to 400 ° C., and is typically reformed by guiding the exhaust gas 13 along the outer wall of the reformer 6 inside the casing 32 as illustrated. Used to heat vessel 6 wall. The gas 13 is also advantageously used to heat the evaporator 5.

任意には、蒸発器5内の蒸発に際しては、120〜200℃の高い温度、例えば170℃の冷却液14が燃料電池スタック2の出口部分から蒸発器5内へ、冷却液から液体燃料へこれを蒸発させるために熱を伝達するように案内される。   Optionally, when evaporating in the evaporator 5, the coolant 14 having a high temperature of 120 to 200 ° C., for example, 170 ° C. is transferred from the outlet portion of the fuel cell stack 2 to the evaporator 5, and from the coolant to the liquid fuel. Guided to transfer heat to evaporate.

一例としては、下記パラメータが適用される。5kWを送達するHTPEMスタックの場合、典型的な寸法は0.5m×0.25m×0.15mである。例えば、バーナー、蒸発器、及び改質器を含む燃料電池スタックの重量は約20kgであり、電子装置、冷却液ポンプ、第1熱交換器及び弁を含む燃料電池システム全体の重量は40〜45kgのオーダーである。   As an example, the following parameters are applied. For an HTPEM stack delivering 5 kW, a typical dimension is 0.5 m × 0.25 m × 0.15 m. For example, the weight of the fuel cell stack including the burner, the evaporator, and the reformer is about 20 kg, and the weight of the entire fuel cell system including the electronic device, the coolant pump, the first heat exchanger, and the valve is 40 to 45 kg. It is an order.

図2は、蛇行状流路15を備えた可能な改質器6を示す断面図である。蛇行状流路15は、ガイド壁17の2つの櫛状集合16によって提供される。ガイド壁17は、互いに対面する対向壁18,19から延び、櫛歯周期(comb-period)20の半分だけ相互にオフセットされている。ガイド壁17の長さ21は、対向壁18,19の間の距離22の半分よりも大きく、これにより、蒸気の真直ぐな運動を防止し、蒸気を強制的に蛇行状流路15に沿って動かす。例えばガイド壁の長さ21は、対向壁18,19の間の距離22の60%〜90%である。   FIG. 2 is a cross-sectional view showing a possible reformer 6 with a serpentine channel 15. The serpentine channel 15 is provided by two comb-like sets 16 of guide walls 17. The guide walls 17 extend from facing walls 18 and 19 facing each other and are offset from each other by half of a comb-period 20. The length 21 of the guide wall 17 is greater than half the distance 22 between the opposing walls 18, 19, thereby preventing straight movement of the steam and forcing the steam along the serpentine channel 15. move. For example, the length 21 of the guide wall is 60% to 90% of the distance 22 between the opposing walls 18 and 19.

改質器6は、蛇行状流路15の一方の端部に燃料蒸気のための入口23を、そして蛇行状流路15の反対側の端部にシンガスのための出口24を含む。改質器6の内部には、蛇行状流路15に沿って、改質器の触媒材料25が、例えば図示のようなペレットとして提供されている。ペレット25は改質器6の1つの角隅にだけ図示されているが、しかし現実には蛇行状流路15の全体にわたって、そして蛇行状流路15に沿って分配されている。   The reformer 6 includes an inlet 23 for fuel vapor at one end of the serpentine channel 15 and an outlet 24 for syngas at the opposite end of the serpentine channel 15. Inside the reformer 6, along with the meandering flow path 15, the reformer catalyst material 25 is provided as pellets as shown in the figure, for example. The pellets 25 are shown only at one corner of the reformer 6, but in reality are distributed throughout the serpentine channel 15 and along the serpentine channel 15.

別の実施態様として、蛇行状流路15は、蛇行状流路15の断面がシンガス出口24に向かって増大するという点において、大きくなってもよい。このようにすれば、蒸気及び生成されたシンガスが変換中に徐々に膨張するのを可能になる。この場合、櫛歯周期20は一定ではなく、蒸気入口23からシンガス出口24への距離に沿って増大する。   As another embodiment, the serpentine channel 15 may be larger in that the cross section of the serpentine channel 15 increases toward the syngas outlet 24. In this way, the steam and the generated syngas can be gradually expanded during the conversion. In this case, the comb period 20 is not constant, and increases along the distance from the steam inlet 23 to the syngas outlet 24.

図2の改質器6はボックス形押し出し異形材31として提供される。しかしながら、2つの押し出し異形材31a,31bを集成することによって改質器を形成することもできる。2つの押し出し異形材は、破断線34によって示されているような異形材31の個所に沿って集成体接触領域を有している。   The reformer 6 of FIG. 2 is provided as a box-shaped extruded profile 31. However, a reformer can also be formed by assembling two extruded profiles 31a, 31b. The two extruded profiles have an assembly contact area along the location of the profile 31 as indicated by the break line 34.

図3は、図2の改質器と同様の、押し出し改質器6の構造を示す三次元図である。改質器6の金属異形材31は、一定の周期の半分だけオフセットされたガイド壁17から成る2つの櫛形集合を含んでおり、ガイド壁の長さは対向する壁の間の距離の概ね75%に相当する。改質器6は、一方の端部に蒸気入口23を含み、画像では見ることのできない反対側の端部に、相応するシンガス出口を含む。蛇行状流路15に対して垂直の方向から見たときの改質器6の端部26は、開いた状態で示されてはいるが、しかし通常は壁エレメントで閉じられている。4つの角隅27は、安定化用の四分円異形材28を含む。これらの四分円異形材28は、4つの角隅のうちの1つで合流する2つの壁区分のそれぞれを結合する。   FIG. 3 is a three-dimensional view showing the structure of the extrusion reformer 6, similar to the reformer of FIG. The metal profile 31 of the reformer 6 includes two comb sets of guide walls 17 that are offset by half a fixed period, the length of the guide walls being approximately 75 of the distance between the opposing walls. %. The reformer 6 includes a steam inlet 23 at one end and a corresponding syngas outlet at the opposite end that is not visible in the image. The end 26 of the reformer 6 when viewed from a direction perpendicular to the serpentine channel 15 is shown open, but is usually closed with a wall element. The four corners 27 include a stabilizing quadrant 28. These quadrants 28 join each of the two wall sections that meet at one of the four corners.

蛇行状流路15に対して法線方向から見られるように、改質器6は長方形であり、この長方形は、ガイド壁17の櫛状集合が延びる起点となる2つの対向する長辺と、蒸気入口23とシンガス出口とがそれぞれ設けられた短辺とを有している。長辺側には金属薄層29が設けられており、金属薄層は典型的には改質器6の押し出し部分の長辺側にろう付けされている。これらの薄層29は、バーナー11の排ガス13からの適切な熱伝達を保証する。排ガス13は薄層29に沿って案内され、薄層29を加熱する。次いで薄層29は熱を改質器6の押し出し部分に伝導する。熱は次いで、改質器の内壁18,19上に熱を提供するために壁を通して伝導される。   As can be seen from the normal direction to the meandering flow path 15, the reformer 6 is a rectangle, which has two opposing long sides from which the comb-like assembly of the guide walls 17 extends, It has short sides provided with a steam inlet 23 and a syngas outlet, respectively. A thin metal layer 29 is provided on the long side, and the thin metal layer is typically brazed to the long side of the extruded portion of the reformer 6. These thin layers 29 ensure proper heat transfer from the exhaust gas 13 of the burner 11. The exhaust gas 13 is guided along the thin layer 29 and heats the thin layer 29. The thin layer 29 then conducts heat to the extruded portion of the reformer 6. Heat is then conducted through the walls to provide heat on the reformer inner walls 18,19.

製造に際して、ガイド壁17に対して平行な方向に異形材を押し出す。有用な材料はアルミニウム及びアルミニウム含有合金を含む。押し出されたら、押し出し方向30に対して垂直方向に異形材を切断する。改質器6を開始する前に、開いた端部26を壁エレメントで覆う。蛇行状流路15の各端部には、蒸気入口のために開口23が設けられ、そしてシンガス出口のためにさらなる開口が設けられる。改質器6の外側に沿って案内される高温空気13からの熱を受容し得る表面積を増大させるように、1つの側、又は2つの側、又は3つ以上の側を金属薄層29で覆う。例えば、図3に示されているように、2つの最大の側を薄層29で覆う。薄層29は蛇行状流路15に対して平行に延びる。蛇行状流路15は押し出し方向30に対して垂直であり、且つガイド壁17に対して垂直である。図3に見られるように、薄層29の端部には、排ガスを放出する前にこれを収集するための漏斗状ガイド31が設けられている。   In manufacturing, the deformed material is extruded in a direction parallel to the guide wall 17. Useful materials include aluminum and aluminum containing alloys. When extruded, the deformed material is cut in a direction perpendicular to the extrusion direction 30. Before starting the reformer 6, the open end 26 is covered with a wall element. Each end of the serpentine channel 15 is provided with an opening 23 for the steam inlet and a further opening for the syngas outlet. A thin metal layer 29 on one side, or two sides, or more than two sides, to increase the surface area that can receive heat from the hot air 13 guided along the outside of the reformer 6 cover. For example, as shown in FIG. 3, the two largest sides are covered with a thin layer 29. The thin layer 29 extends parallel to the serpentine flow path 15. The serpentine channel 15 is perpendicular to the extrusion direction 30 and perpendicular to the guide wall 17. As can be seen in FIG. 3, a funnel-shaped guide 31 is provided at the end of the thin layer 29 to collect the exhaust gas before it is released.

改質器6が蛇行状流路15に対して垂直方向に押し出され、この蛇行状流路15に沿って蒸気とシンガスとが改質器6を横切って流れるので、改質器6は1つ又は複数の燃料電池スタック2の幅に対して正確な幅に容易に切断することができる。図3に示されているように、改質器6は3つの燃料電池スタック2にシンガスを提供し、これら3つの燃料電池スタック共同の全幅に相当する幅を有している。押し出し異形材の切断後に残る開いた側26は、改質器6の使用の準備をするときに壁エレメント(図示せず)によって覆われる。   The reformer 6 is pushed out in a direction perpendicular to the serpentine flow path 15, and steam and syngas flow across the reformer 6 along the serpentine flow path 15. Or it can be easily cut into an accurate width with respect to the width of the plurality of fuel cell stacks 2. As shown in FIG. 3, the reformer 6 provides syngas to the three fuel cell stacks 2 and has a width corresponding to the entire width of the three fuel cell stacks. The open side 26 remaining after cutting the extruded profile is covered by a wall element (not shown) when preparing the reformer 6 for use.

図4に示されているように、薄層29は種々の形態、例えばプレーン、孔付き、鋸歯状、又はヘリンボーンタイプの薄層に成形することができる。例示したものは可能な形状を包括的に網羅してはいるのではない。図示の薄層は折り畳むことにより、方形断面プロフィールを有するコルゲーション形状になっているものの、三角形又は準正弦曲線状の断面プロフィールも可能である。   As shown in FIG. 4, the thin layer 29 can be formed into various forms, such as a plain, perforated, serrated, or herringbone type thin layer. The illustrations are not exhaustive of possible shapes. Although the illustrated lamina is folded into a corrugation shape with a square cross-sectional profile, a triangular or quasi-sinusoidal cross-sectional profile is also possible.

図5に示された1実施態様の一部では、ガイド壁17はステム32と、ステム32から横方向に延びる羽根33とを含む。羽根34は、図示されたもの以外の形状、及びステム32に対する他の角度を有することができる。或いは、ステム33は湾曲し、図5に示されているように真直ぐではない。   In one embodiment shown in FIG. 5, the guide wall 17 includes a stem 32 and vanes 33 extending laterally from the stem 32. The vanes 34 may have shapes other than those shown and other angles with respect to the stem 32. Alternatively, the stem 33 is curved and not straight as shown in FIG.

Claims (8)

燃料電池システム(1)の製造方法において、
前記製造方法が、
押し出しにより金属異形材(31)を提供するステップであって、前記押し出された異形材(31)が、押し出された対向する2つの壁(18,19)を、前記対向する2つの壁(18,19)の間に所定の距離(22)を有し且つ前記対向する2つの壁の間に所定の容積を有する状態で含み、前記対向する2つの壁(18,19)のそれぞれが、前記壁(18,19)の間の前記距離(22)の半分よりも長い距離(21)だけ前記2つの対向壁(18,19)のそれぞれから延びる、押し出された相互に間隔を置いた複数のガイド壁(17)から成る群を一体的に含み、前記ガイド壁(17)が前記対向する2つの壁(18,19)のそれぞれに櫛状構造を形成しており、前記2つの櫛状構造が互いに対面していて、互いに噛み合い且つ前記押し出し方向(30)に対して垂直方向に蛇行状蒸気流路(15)を形成するように、横方向にオフセットされている、ステップと、
前記蛇行状蒸気流路(15)の対向する端部で前記異形材(31)内に蒸気入口(23)及びシンガス出口(24)を設ける、ステップとを含み、
前記製造方法が、さらに、
前記押し出し方向(30)に対して垂直方向に前記異形材(31)を切断し、前記容積内へ触媒材料(25)を挿入し、そして前記容積内で燃料蒸気をシンガスに触媒変換するために、閉じられた改質器(6)のハウジングを提供するための壁エレメントによって前記容積を閉じる、ステップと、
平行金属薄層(29)を前記ハウジングの外側に、前記平行金属薄層(29)から前記金属異形材(31)へそして前記容積内へ熱を伝導するためにろう付けする、ステップと、
前記ハウジング及び前記平行金属薄層(29)をケーシング(32)によって取り囲み、前記ケーシング(32)は、前記平行金属薄層(29)の一方の端部にバーナーガス入口を、そして反対側の端部にバーナーガス出口を有する、ステップと、
前記蒸気入口(23)に液体燃料蒸発器(5)を接続し、前記シンガス出口(24)に燃料電池を接続し、そして前記バーナーガス入口にバーナー(11)を接続する、ステップとを含む、燃料電池システム(1)の製造方法。
In the manufacturing method of the fuel cell system (1),
The manufacturing method is
Providing a metal profile (31) by extrusion, wherein the extruded profile (31) is extruded into two opposing walls (18, 19) and the two opposing walls (18 , 19) with a predetermined distance (22) and a predetermined volume between the two opposing walls, each of the two opposing walls (18, 19) being A plurality of extruded, spaced-apart, plurality extending from each of the two opposing walls (18, 19) by a distance (21) longer than half of the distance (22) between the walls (18, 19). A group of guide walls (17) is integrally included, and the guide wall (17) forms a comb-like structure on each of the two opposing walls (18, 19). Are facing each other, meshing with each other and Serial serpentine vapor flow path in a direction perpendicular to the extrusion direction (30) (15) so as to form a are offset laterally, the steps,
Providing a steam inlet (23) and a syngas outlet (24) in the profile (31) at opposite ends of the serpentine steam channel (15),
The manufacturing method further comprises:
For cutting the profile (31) in a direction perpendicular to the extrusion direction (30), inserting a catalyst material (25) into the volume, and catalytic conversion of fuel vapor into syngas in the volume Closing the volume with a wall element to provide a closed reformer (6) housing; and
Brazing a thin parallel metal layer (29) to the outside of the housing to conduct heat from the parallel metal thin layer (29) to the metal profile (31) and into the volume;
The housing and the thin parallel metal layer (29) are surrounded by a casing (32), the casing (32) having a burner gas inlet at one end of the thin parallel metal layer (29) and the opposite end. Having a burner gas outlet in the part, and
Connecting a liquid fuel evaporator (5) to the vapor inlet (23), connecting a fuel cell to the syngas outlet (24), and connecting a burner (11) to the burner gas inlet. Manufacturing method of fuel cell system (1).
前記ガイド壁(27)の長さ(21)が、前記対向する2つの壁(18,19)の間の距離(22)の60%〜90%である、請求項1に記載の方法。   The method according to claim 1, wherein the length (21) of the guide wall (27) is between 60% and 90% of the distance (22) between the two opposing walls (18, 19). 前記ガイド壁(17)が断面図で見て、前記対向する2つの壁(18,19)から延びるステム(33)を含み、前記ステムが、前記蛇行状蒸気流路(15)に沿って障害物及び相応の乱流を提供するために、前記ステム(33)から延びる複数の羽根(34)を含む、請求項1又は2に記載の方法。   The guide wall (17) includes a stem (33) extending from the two opposing walls (18, 19) when viewed in a cross-sectional view, the stem obstructing along the serpentine steam channel (15) 3. A method according to claim 1 or 2, comprising a plurality of vanes (34) extending from said stem (33) to provide an object and corresponding turbulence. 前記ガイド壁(17)が、断面図で見て魚の骨の形状として押し出される、請求項3に記載の方法。   4. The method according to claim 3, wherein the guide wall (17) is extruded as a fish bone shape when viewed in cross-section. 前記異形材(31)が、前記対向する2つの壁(18,19)がさらなる壁によって結合された状態で、ボックス異形材として押し出される、請求項1〜4のいずれか1項に記載の方法。   5. The method according to claim 1, wherein the profile (31) is extruded as a box profile with the two opposing walls (18, 19) joined by a further wall. 6. . 前記異形材(31)が、ボックス異形材(31)の2つの押し出された半部(31a,31b)として提供され、各半部(31a,31b)は、前記対向する2つの対向壁(18,19)の一方を含み、そして押し出された相互に間隔を置いた複数のガイド壁(17)から成る1つの群を有しており、前記方法が、前記2つの半部(31a,31b)を押し出し後に集成することによりボックス異形材(31)にする、請求項1〜4のいずれか1項に記載の方法。   Said profile (31) is provided as two extruded halves (31a, 31b) of the box profile (31), each half (31a, 31b) being said two opposing walls (18 , 19) and a group of extruded guide walls (17) spaced apart from each other, the method comprising said two halves (31a, 31b) 5. The method according to any one of claims 1 to 4, wherein the box profile (31) is assembled by assembling after extrusion. 前記触媒材料(25)が触媒ペレットとして提供され、そして前記方法が、前記ガイド壁(17)の間の前記容積を前記触媒ペレットで充填することを含み、前記触媒ペレットのサイズが0.5〜11mmである、請求項1〜6のいずれか1項に記載の方法。   The catalyst material (25) is provided as catalyst pellets, and the method comprises filling the volume between the guide walls (17) with the catalyst pellets, wherein the catalyst pellet size is 0.5 to The method according to claim 1, which is 11 mm. 請求項1〜7のいずれか1項に記載の方法によって製造された燃料電池システム(1)。   A fuel cell system (1) manufactured by the method according to any one of claims 1-7.
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