JP2001520576A - ガスを生成するための装置及び方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 下流側処理部（１２）で使用するための所望のアウトプットガス（Ｓ）を、供給燃料（Ｆ）から生成する装置（１０）が開示している。この装置は、所望のアウトプットガス（Ｓ）を生成するための複数の燃料処理ユニット（１４）を有し、これらの複数の各燃料処理ユニット（１４）は、燃料処理を促進するために下流側処理部（１２）からの廃ガスの排出（Ｇ）を利用する改質装置を含む。各燃料処理ユニットは、全容量までの範囲にわたって作動可能となっており、これらの複数の各燃料処理ユニットは、燃料を処理するための集合的な処理機構として相互に接続されている。下流側処理部（１２）の補給要求（ＬＳ）の必要条件に応答して、複数の燃料処理ユニット（１４）を制御する制御装置（１６）が提供されている。この制御装置（１６）は、各燃料処理ユニットのそれぞれの作動レベルを調整することで、複数の各燃料処理ユニットを応答させるように作動可能となっている。これらのユニットのそれぞれの応答は、動的な補給要求の必要条件を満たすための集合的な応答となるように組み合わされる。下流側処理部で使用するための所望のアウトプットガスを、供給燃料から生成する方法も提供されている。

Description

【発明の詳細な説明】 ガスを生成するための装置及び方法 技術分野 本発明は、主に工業用ガスの生成に関し、特に、下流側処理部における動的な 補給要求（ｌｏａｄ ｄｅｍａｎｄ）に応じて炭化水素の供給原料油（燃料）か ら工業用ガスを生成する装置及び方法に関する。 背景技術 水素などの工業用ガスを生成するための反応装置は、従来技術において周知で ある。このような燃料処理装置は、天然ガスやナフサなどの炭化水素燃料から水 素を生成する最も一般的な方法として水蒸気改質を利用する。従来の商業サイズ の燃料生成装置(改質装置)は、通常、アウトプットが大変大きくかつ一定である ユニットであり、変動する需要や流量要求に応じてそのアウトプットを調整する 能力が限られている。 燃料電池発電装置として知られている発電装置は、その燃料電池スタックアセ ンブリ（ＣＳＡ）の陽極で水素を消費することによって作動する電気化学的装置 である。燃料電池発電装置の水素需要は、動的であるので、このような装置を一 定のアウトプット特性を有する従来の商業サイズの改質装置に容易に適応させる ことができない。このために、出願人は、小型の改質装置及び関連する技術の開 発を行った。発電装置と一体に機能する本発明の小型の改質装置は、発電装置の 水素消費に応じて水素リッチ蒸気の生成量を変動することが可能であることによ って特徴づけられる。この技術は、出願人が有する米国特許第４，０９８，８５ ８号及び第４，０９８，５８９号に開示されている。 また、燃料発電装置で使用されている従来の商業サイズ設計や小型改質装置な どの燃料処理装置によって通常生成される水素純度では、工業用ガスの他の必要 条件を満たすことができない状況もある。このような高純度の水素に対する要求 を満たすには、圧力スイング吸着（prcssure swing adsorption:ＰＳＡ）ユニッ ト、低温ユニットや膜ユニットなどの二次的な装置によって追加の処理を行うこ ともできる。 しかし、純度を高くするという要求に加えて需要量の変動が求められる場合、 燃料電池発電装置で使用されるタイプの小型改質装置以外には、これを実質的に 満足させるものはみあたらない。残念ながら、改質ユニットの作動制御装置に対 して大きな変更を加えることなく、ＰＳＡ装置などの二次的なユニットに小型の 改質装置を直接連結することはできない。 本発明の燃料電池改質装置は、燃料電池の総電流即ち電力に比例する水素消費 に応じてＣＳＡに水素リッチガスを供給することを目的としている。この燃料電 池発電装置から排出される、水素が消費されたガス（廃ガス）は、水蒸気改質処 理用の熱を供給するために改質バーナに与えられる。改質処理燃料及び蒸気供給 物は、燃料電池の総電流に比例して調整されるが、一定の改質温度を維持する必 要性もある。 安定点において一定の水素消費で作動する燃料電池発電装置では、改質装置へ の燃料供給を増加することによって改質装置の温度を上昇させることができる。 これは、燃料供給量が増加すると、改質装置のバーナに供給される廃ガスの量が 直接かつ急速に増加するからである。この手段によって、改質装置へのエネルギ 供給が増加し、これに伴って改質装置の温度が上昇する。逆に、安定した動作点 において燃料供給を減少すると、改質装置の温度は低下する。 小型の改質装置がＰＳＡ装置などの他の水素消費装置即ち水素抽出装置と直列 に接続されている場合には、燃料電池発電装置において、改質装置への燃料供給 と改質装置の加熱とを上述のように直接的にリンクさせることはできない。ＰＳ Ａの廃ガス即ちブローダウンパージガスは、改質装置のバーナによってユニット を加熱するために利用されることに変わりはない。しかし、この廃ガスの流量と 発熱量は、ＰＳＡの特定の動作によって決まり、改質装置への燃料供給量と改質 装置のバーナへと戻るように供給される廃ガスの質及び量とを直接的にはリンク しない。 従って、ガスを生成する装置及び方法、及びそのために温度及び流れを制御す る装置及び方法において、供給ガスと、ＰＳＡのような下流側ユニットから改質 装置のバーナへと供給される廃ガスと、を直接的に関連づけることができないこ とを補うことができる方法や装置が求められている。また、容量の増加のために 単一の動作ユニットとなるように接続した複数のユニットであって、各ユニット がそれぞれのユニットに対応する廃ガス供給をＰＳＡから受け、か つそれぞれ個々の温度制御が必要となるものがあり、これらの方法や装置のなか でも、このようなユニットに対しても適応可能なものが求められている。 発明の開示 本発明の主な目的は、下流側処理部の動的な補給要求に応答するとともに柔軟 な作動範囲を有する、改善された燃料処理装置を提供することである。 本発明の他の目的は、下流側処理部用の所望のガスを生成するための改善され た燃料処理装置及び方法を提供することであり、この装置及び方法では、相互に 作用する処理機構として構成された複数の処理装置が利用される。 本発明のまた他の目的は、改善された燃料処理装置及び方法を提供することで あり、この装置及び方法は、下流側処理部の動的な補給要求に対して累積的に応 答する連結ユニットとして機能する複数の燃料処理装置を含む。 本発明の更に他の目的は、制御装置によって制御された複数の独立した燃料処 理装置を含む改善された燃料処理装置及び方法を提供することであり、上記燃料 処理装置は、下流側処理部の動的な補給要求に対して複合ユニットとして累積的 に応答する。 また、本発明の更に他の目的は、改善された燃料処理装置及び燃料消費装置を 提供することであり、これらの装置は、制御装置によって制御される複数の燃料 処理ユニットと、これらの燃料処理装置によって生成されるガスを消費して改質 ガスを生じさせる下流側ガ ス生成処理部と、を含み、上記燃料処理ユニットは、下流側処理部の補給要求に 対して動的に応答する。 これらの目的及び利点は、本発明の装置及び方法によって達成される。このよ うな装置の１つには、下流側処理部で使用する所望のアウトプットガスを供給燃 料から生成する装置が含まれる。この装置は、所望のアウトプットガスを生成す る複数の燃料処理ユニットを含み、複数の各燃料処理ユニットは、燃料処理用の エネルギを供給するために下流側処理部から排出された廃ガスを利用する改質装 置を含む。これらの各燃料処理ユニットは、全容量までの範囲で作動可能であり 、かつ燃料を処理するために集合的な処理機構として相互に接続されている。下 流側処理部の補給要求の必要条件に応答して、複数の燃料処理ユニットを制御す る制御装置が提供されている。この制御装置は、各燃料処理ユニットのそれぞれ の作動レベルを調整することで複数の各燃料処理ユニットをそれぞれ応答させる ように作動可能となっている。これらのユニットのそれぞれの応答は、動的な補 給要求の必要条件を満たすための集合的な応答となるように組み合わされる。 上述した目的及び利点を達成する１つの方法には、供給燃料から下流側処理部 で使用するための所望のアウトプットガスを生成する方法が含まれる。この方法 は、全容量までの範囲で作動可能な複数の燃料処理装置を提供するステップと、 所望のアウトプットガスを生成するためにこれらの燃料処理装置を用いて燃料を 処理するステップと、下流側処理部から排出される廃ガスを用いて処理ステップ のためののエネルギを供給するステップと、複数の各燃料処理装置 のそれぞれの作動範囲を調整して複数の各燃料処理装置をそれぞれ応答させるこ とを含む、下流側処理部からの動的な補給要求に応じて複数の燃料処理装置を制 御するステップと、個々の応答を組み合わせて動的な補給要求の必要条件を満た すための集合的な応答を提供するステップと、を含む。 図面の簡単な説明 図１は、本発明に係る相互に作用する燃料処理ユニット及び制御装置を有する 燃料処理装置の概略図である。 図２は、本発明に係る関連する種々の供給及びアウトプットを示した単一の燃 料処理ユニットのより詳細な概略図である。 図３は、装置の種々の制御要素を示した図１の装置のより詳細な概略図である 。 図４は、本発明に係る制御機構を示した概略図である。 図５は、本発明の装置を配置するためのモジュール式パレット設計の概略図で ある。 発明を実施するための最良の形態 詳細な図面を参照すると、図１には本発明に係る燃料生成及び制御装置の概略 図全体を符号１０として示している。装置１０は、動的な補給要求信号（load d emand signal:ＬＳ）を含む下流側ガス消費処理部１２とともに使用するように 示されており、装置１０は、この補給要求ＬＳに対して応答する。下流側処理部 １２は、例えば、低温処理、膜処理、燃料ステーション、水素化処理、圧力スイ ング吸 着処理、などのガス消費処理部であってもよい。概略すると、装置１０は、下流 側処理部１２の動的な補給要求を検出するように機能するとともに、下流側処理 部用の所望のガスＳを効率的かつ最大限に生成するように燃料Ｆを処理する。 図１では、装置１０は、燃料処理ユニット１４を含む複数の主要コンポーネン トを用いている。図３で示した燃料処理ユニットの数は、単に例示的であり、従 って、装置及び下流側処理部の要求を満たすのに必要な数の燃料ユニットを用い ることができる。この装置は、以下でより詳細に説明するように、更に、処理方 法全体及びそこで使用される種々の要素を制御するための制御装置１６、換気装 置１７、及び種々の制御要素１８を含む。 図３に示した複合型燃料処理ユニット１４ａ〜１４ｃは、それぞれ制御装置１ ６が制御する同比率もしくは独立した作動機構として構成することができる。同 比率の機構では、各燃料処理ユニット１４ａ〜１４ｃは、それぞれその全作動容 量の所定の割合で下流側処理部１２で使用される所望のガスＳを実質的に同程度 生成する。一方、独立した作動機構では、制御装置１６によって、下流側処理部 の要求に従って装置のガス生成効率を最大化することができ、これに従って、燃 料処理ユニット１４ａ〜１４ｃは、全作動容量に対する作動割合の所定の範囲に おいて作動するが、必ずしも全て一度に作動する必要はない。好適な作動機構は 、同比率機構であり、この機構では、制御装置１６は、下流側処理部１２の要求 に応じて燃料処理ユニット１４ａ〜１４ｃの作動割合を減少及び増加するように 機能するとともに、下流側処理部１２の動的な補給要求に応じて個 々のユニットを停止したり個々のユニットを起動したりする必要性がないように 機能する。特定の下流側処理部の要求に対して、最も効率的な作動モードを切り 換えて使用することもできる。 装置１０で使用される燃料処理ユニット１４ａ〜１４ｃは、燃料電池発電装置 でも使用されているインターナショナル フューエル セルズ コーポレイショ ンのユニットであることが望ましい。このような処理ユニットは、ブッシュウェ ル等に付与された米国特許第４，０９８，５８８号及び第４，０９８，５９９号 、ファンシウッロに付与された米国特許第４，０９８，９５９号に開示されてお り、これらの特許の詳細な説明は、参照文献として本出願に含まれる。これらの 特許は、インターナショナル フューエル セルズ コーポレイションの親会社 であるユナイテッド テクノロジーズ コーポレイションに譲渡されている。 装置を容易に説明するために、ここでは図２を参照して処理ユニット１４ａ〜 １４ｃの概要を説明するが、ユニットの詳細については、上述の文献を参照され たい。 ユニット１４ａ〜１４ｃは、それぞれ水蒸気改質装置２０及びバーナ２３を有 することが望ましい。バーナ２３は、供給部２１より供給されるバーナ燃料Ｇを 燃焼することができ、供給部２２から水蒸気改質装置２０へ供給される燃料Ｆと 供給部２４から供給される水蒸気ＳＴとの混合物を改質するために水蒸気改質装 置２０によって用いられる熱の要求される量を提供する。供給部２１，２２に加 えて、燃焼のために必要となる空気Ａが、供給部２４を通してバーナセクション ２３に供給される。 図１及び図３で示したように、装置１０の作動機構は、制御装置１６，制御要 素１８、及び複数の流体接続部即ちライン２６によって容易となっており、ライ ン２６によって、ユニット１４ａ〜１４ｃは、外部の流体の供給物、下流側処理 部１２への排出物、及び下流側処理部からの供給物と接続される。制御装置１６ は、装置の種々の要素を制御するためのソフトウェアに基づいたアルゴリズムで あることが望ましい。しかし、電子的な装置を使用することもできる。 接続部２６は、それぞれの処理ユニットから出入りする複数のラインを含む。 図２及び、更に詳細には図３で示したように、各燃料処理ユニットは、ライン３ ０を含み、このライン３０によってその改質装置部分２０に燃料Ｆが供給される 。水蒸気は、ライン３４を通して改質装置に供給される。この水蒸気は、ガスＳ を望ましくは水素リッチガスとして生成するために水蒸気改質装置で利用される 。別のライン３２が、装置を冷却するための冷却液Ｃを各燃料処理ユニット１４ ａ〜１４ｃ内に導入するために設けられている。また他のライン３９が、続いて バーナ燃料Ｇと混合される水蒸気ＳＴを装置のバーナ部分２３に導入し、ライン ６１が燃焼で使用される空気Ａを供給する。下流側処理部１２からの廃ガス即ち オフガス(ｏｆｆ−ｇａｓ)であるバーナ燃料Ｇは、ライン３６を通って各燃料処 理ユニット１４ａ〜１４ｃの各バーナに導入される。各燃料処理ユニット１４ａ 〜１４ｃは、また、下流側処理部１２へ導入するための共通ライン３８へ生成ガ スＳを提供するアウトプットライン３８ａ，３８ｂ，３８ｃを含む。燃料処理ユ ニットからライン３８に 提供されるガスＳの量及び種類は、下流側処理部１２の要求及び装置に供給され る燃料Ｆの量及び種類によって決まる。好適な実施例では、下流側処理部１２は 、圧力スイング吸着処理部であり、所望のガスＳは、水素リッチガスであり、供 給燃料Ｆは、天然ガスである。各ユニットは、所望のガスＳを提供するのに加え て、ライン４０ａ，４０ｂ，４０ｃを通して冷却液Ｃを再冷却及び再循環のため に排出する。従って、各燃料処理ユニット１４ａ〜１４ｃは、下流側処理部１２ からの廃ガスＧを利用して、改質装置２０に熱を提供するバーナ２３に燃料を供 給する。低流量における炭素の析出を防止するとともにバーナによるＮＯＸの形 成を減少するために、燃焼の前に水蒸気ＧＴを廃ガスＧと混合することで燃料を 安定化させる。制御ユニット１６は、制御要素１８を介して作動可能となってお り、動的な補給要求ＬＳに応じるように下流側処理部１２での要求に従って廃ガ スＧ、水蒸気ＳＴ、冷却液Ｃ、及び燃料Ｆの流れを制御する。実際の制御方法に 関しては、以下でより詳細に説明する。 燃料処理ユニット１４ａの制御要素１８は、燃料処理ユニットへの燃料Ｆ、水 蒸気ＳＴ、及び廃ガスの流れをそれぞれ制御するためのバルブ４２ａ〜４２ｃで ある。同様のバルブ４４ａ〜４４ｃが、ユニット１４ｂ用に設けられており、ま た、同様のバルブ４６ａ〜４６ｃがユニット１４ｃ用に設けられている。追加の 制御要素１８には、燃料ライン３０の供給部におけるバルブ５０、水蒸気ライン ３４の供給部におけるバルブ５２、背圧が過剰な場合にガスＳを排出するアウト プットライン５６におけるバルブ５４、下流側処理部１２に導入されるガスＳを 制御するためのライン３８の排出部にお けるバルブ５８、及び下流側処理部１２から供給される廃ガスＧの量を計測及び 制御するための流量計５９が含まれる。更に、燃焼を促進するために、ライン６ １を通して各燃料処理ユニット１４ａ〜１４ｃのバーナ部分２３に空気Ａを導入 するためのブロア６０が設けられている。全ての要素１８は、制御装置１６によ って制御されており、装置１０が下流側処理部１２の動的な補給要求ＬＳに対し て直接的に応答するようになっている。 図１，図２及び図４を参照すると、制御装置１６は、下流側処理部１２から起 動／停止信号ＳＴＳ及び補給要求信号ＬＳをを受信し、これに対して下流側処理 部１２の制御装置（図示省略）に作動状態信号ＳＳを提供する。装置１６の制御 は、望ましくは流量もしくは圧力レベルである下流側処理部１２からの補給信号 に基づいている。１つの実施例では、下流側処理部１２の受入れタンクに圧力変 換器を備えることもできる。これにより、この変換器からの補給信号ＬＳは、圧 力が低下して下流側処理部１２からの要求が増加したことが示されると処理燃料 Ｆ及び水蒸気ＳＴの増加を要求し、圧力が上昇して処理部１２からの要求が減少 したことが示されると処理燃料Ｆ及び水蒸気ＳＴの減少を要求する。他の場合に は、下流側の要求を示す信号であれば、どのようなものでも利用可能である。補 給信号ＬＳは、燃料処理ユニット１４、特に改質装置２０への燃料Ｆの供給レベ ルとともに、各燃料処理ユニット１４ａ〜１４ｃ内の温度を制御するために利用 される。 図２及び図４を参照して、特に燃料処理ユニット１４ａに関して装置１０の制 御機構を説明するが、以下の説明は、装置の全ての燃 料処理ユニットに該当するものである。 図示したように、装置の制御は、流量もしくは圧力として下流側処理部１２か ら受信された補給信号ＬＳに基づいている。この補給信号ＬＳは、改質装置２０ への燃料Ｆの供給及び燃料処理ユニット１４の改質装置の温度Ｔを調整するため に装置１０及び制御装置１６によって利用される。図２及び図４を参照すると、 改質装置２０の温度Ｔが、制御装置によって考慮される主なパラメータとなって いる。つまり、制御装置１６は、下流側処理部１２の動的な補給要求とこの要求 を満たすために要求される燃料Ｆの流れとに基づいて、改質装置の温度Ｔを一定 レベルに保つように作動する。従って、例えばユニット１４ａに関して、改質装 置温度Ｔを一定レベルに維持するための装置１６の制御アルゴリズムは、改質装 置温度Ｔ、バーナ燃料流れバルブ４２ａの位置ＰＶ_42a、及びバーナ空気流バル ブ６７ａの位置ＰＶ_67aを参照して、動的な補給要求及び燃料Ｆの要求される流 れに従って温度Ｔが一定に維持されるようにバーナ空気及び燃料流量の調整を行 う。 下流側処理部への所望のガスＳの供給量を増加させるために燃料Ｆの量を増加 した場合に、燃料Ｆの化学反応即ち燃料のＨ₂リッチ生成物への転化が容易とな るように改質装置温度Ｔを所望のレベルに維持するためには、改質装置の温度を 維持するための熱を提供するように改質装置バーナ２３に充分な量の廃ガスＧを 供給することができる必要がある。下流側処理部１２から充分な廃ガスＧが得ら れず、もしくは廃ガスの成分が変動して要求される改質装置温度を達成するのに 影響があり、これにより、所定の量の燃料Ｆを改質し てガスＳを生成するために要求される改質装置バーナ２３の改質装置温度を維持 することができない場合には、燃料Ｆの流れを減少するように燃料制御バルブ４ ２ａに制御装置１６から信号が提供される。従って、この方法では、続いて燃料 Ｆの流れを減少されることによって、廃ガスＧの成分変化や量に関する変動を許 容することができる。 シーケンスに従って、引き続き例えばユニット１４ａを関して説明していくと 、補給信号ＬＳは、制御装置１６によって受信され、続いて、改質装置２０への 燃料Ｆの流れが調整される。改質装置への燃料Ｆの流れ及び水蒸気の流れＳＴが 増加し、要求される化学反応を容易にするためにバーナの熱出力を増加する必要 がある場合には、改質装置のバーナ燃料が増加し、続いてバーナの熱出力が増加 するように、燃料計５９及びバルブ４２Ｃを介して下流側処理部１２からの廃ガ スＧの流れが増加される。廃ガスＧの流れの増減と同時に、水蒸気ＳＴの流れも バルブ５２及びユニット１４ａの独立したバルブ即ちバルブ４２ｂによって増減 される。他のユニット１４ｂ及び１４ｃも、１４ａに関して説明したのと同様に 働く。 制御装置１６とその制御機構は、装置１０が接続された下流側処理部１２から 背圧を受けることのないように、安全排出弁５４の圧力センサを利用して装置１ ０を保護している。よって、制御装置１６は、背圧が生じてしまった場合に、安 全弁５４を作動して装置を停止させる信号を特定の時間にわたって監視している 。 装置１０の制御装置は、少なくとも２つの作動モードを有する。好適な同比率 作動モードは、独立した各燃料処理装置１４ａ〜１４ ｃを含む装置１０全体が１つの大きな装置として作動するように機能する。つま り、下流側処理部が補給調整を要求する場合には、燃料処理ユニット１４ａ〜１ ４ｃが等しい作動レベルで作動するように制御装置１６によって調整され、これ らの処理ユニット１４ａ〜１４は、補給要求ＬＳに対して集合的に応じるような 累積レベルを提供する。例えば、下流側処理部１２からの補給要求によって装置 が５０％の容量で作動することが要求される場合には、各燃料処理装置１４ａ〜 １４ｃは、制御装置１６によって５０％の容量で作動するように制御される。こ の方法によって、制御装置は、燃料処理ユニット１４ａに関して上述したように 燃料の流れを調整し、これに従って各ユニット１４ａ〜１４ｃの所望のガスＳの 提供レベルが調整される。一般の装置設計では、必要に応じて余剰な容量が存在 するように、定常の運転において個々のユニットが全容量よりもかなり小さな容 量で作動するようになっている。第２のモードでは、複合型燃料処理ユニット１ ４ａ〜１４ｃは、それぞれ独立して作動するようになっている。よって、下流側 処理部１２によって、装置が部分的な容量で作動することが要求される補給要求 ＬＳが発せられた場合には、燃料処理ユニット１４ａ〜１４ｃは、それぞれの最 適な点で作動するいくつかの独立したユニットのアウトプットのみを最大化する ように調整される。この構成即ちモードでは、燃料処理ユニットの１つが破損し た場合に、余剰な装置として作動していないもしくはアイドリング状態である燃 料処理サブシステムを補充することができる。例えば、３つの燃料処理ユニット １４ａ〜１４ｃからなる装置１０では、補給要求が５０％の容量である場合に、 バーナ燃料、バーナ空気、処理燃料、及び処理水蒸気のバルブを閉じることによ って１つのユニット１４ａを停止し、ユニット１４ｂ，１４ｃをそれぞれ７５％ の容量で作動させることができる。 上述した装置１０は、装置をモジュール化してアウトプット要求の所定範囲を 満たすコスト効率の良い方法を提供するようにことができるように、単一のパレ ット１００上に構成することが望ましい。図５は、４つの燃料処理ユニット１４ ａ〜１４ｄがパレット１００上に配置されているのを示している。パレット１０ ０は、各セクションに１つの燃料処理ユニットが設けられるように、４つのセク ションもしくは区画に分離することが望ましい。セクション１１０は、第１の燃 料処理ユニット１４ａと制御装置１６とを含み、区画１１１は、装置１６で利用 する電子制御装置を含む。セクション１１２，１１４，１１６は、それぞれ燃料 処理ユニット１４ｂ〜１４ｄを含む。セクション１１２には、電子制御装置１１ ３の残る部分１１８を含む区画１１７も含まれる。これらのユニットは、互換性 があり、かつ除去可能である複数の同一パネル１２２を含む格納装置１２０に格 納されることが望ましい。装置内の燃料処理ユニットの数の変更に伴って、パレ ットに加えられる変更は、種々の液体を運搬する上述したライン即ち管路２６の 配置と、各ユニット１４用の燃料区画における換気ファン装置の交換のみである 。例えば、上述した３つの燃料処理ユニットを含む装置では、最後のセクション １１６を取り除き、新しい装置の比較的低い流れ要求に適応するように管路即ち ラインを調整する。そして、燃料区画における換気装置用の取付部を、適切な空 気流を区画へ提供するように調整する。各ユニッ トの室の換気は、全ての電気的なコンポーネントが、それぞれ換気された区画内 に設けられるかもしくは外部の空気が直接その上を流れる領域に設けられるよう に設置することが望ましい。好適な実施例では、電気的な区画１１１，１１７は 、燃料処理ユニットの区画１１０，１１２から壁１２４，１２６によって分離さ れている。これらの電気的な区画は、制御装置１６を含むとともに使用されるユ ニット１４の全高さにわたって延在することが望ましい。また、区画１１１，１ １７は、燃料区画用の換気ファンと改質装置のバーナに空気を供給する空気ブロ ア用のモータを含むことが望ましい。 図１〜図４を参照すると、装置１０は、作動時に下流側処理部１２の動的な補 給要求に応答して、下流側処理部１２に要求される量のガスを供給する。従って 、制御装置１６は、補給要求信号とともに起動／停止信号ＳＴＳを下流側処理部 １２から受信する。この信号が起動信号であれは、圧力もしくは流量である補給 要求が制御装置１６から送信され、個々の燃料処理ユニット１４ａ〜１４ｃが選 択された装置モードに従って起動される。このモードは、全ての燃料処理ユニッ ト１４ａ〜１４ｃが単一のユニットとして装置１０の制御要素１８や制御装置１ ６とともに機能する同比率モードであることが望ましい。これにより、補給信号 ＬＳに応答して、ユニット１４ａ，１４ｂ，１４ｃのそれぞれのバルブ４２ａ， ４６ａ，４８ａを介して燃料Ｆの流れが調整されるとともに、バルブ４２ｂ，４ ６ｂ，４８ｂを介して水蒸気ＳＴ、バルブ６７ａ〜６７ｃを介して空気Ａがそれ ぞれ調整される。下流側処理部１２へのガスＳの提供を増加させるために燃料の 流れを増加することが望ましいと仮定す ると、各バルブ４２ａ，４６ａ，４８ａが燃料Ｆの流れを増加するように開く。 また、バルブ４２ｂ，４６ｂ，４８ｂ及びバルブ６７ａ〜６７ｃも、水蒸気及び 空気の流れをそれぞれ増加するように調整される。調整された燃料Ｆの量に対し て、要求される化学反応が容易となるように温度が充分に高く、所望の量のアウ トプットガスＳが生成されることを確認するために、改質装置２０の温度Ｔが点 検される。改質装置の温度Ｔは、それぞれのユニット１４ａ，１４ｂ，１４ｃの バルブ４２ｃ，４６ｃ，４８ｃを介して装置２０のバーナ部分２３への廃ガスＧ の流れを増加することによって調整される。必要量の廃ガスＧが利用可能であれ ば、調整された量の燃料の流れに関して要求される熱及び化学反応を容易とする ための要求温度Ｔを得ることができる。 しかし、バーナの燃料ガスが燃料電池から排出される廃ガスとしてしか供給さ れない一般の燃料電池発電装置とは異なり、この装置では、例えば図３に示した 追加のもしくは他の供給源７０からの下流側廃ガスを利用することもできる。こ のため、バーナへの燃料供給部は、必ずしも下流側処理部のみに接続されるわけ ではない。この装置では、廃ガスＧの量が不充分であるか、もしくはその組成が 燃料Ｓを改質するのに要求される温度を維持することができない場合には、制御 装置１６は、燃料流れバルブ４２ａ，４６ａ，４８ａの位置を再度調整して、廃 ガスＧの所定の供給量及び組成で適切な温度Ｔを得ることができるレベルまで燃 料Ｆの流れを減少させるか、もしくは他の供給源のガスＧが利用可能であればこ の供給源から追加のガスＧの供給を受ける。水蒸気ＳＴ及び空気Ａの流れも、 これに従って調整される。この処理は、補給要求が変化するのに従って所望のガ スＳの提供量を調整するために、所望の改質装置温度Ｔ及び燃料Ｆの流れを維持 するように作動する点で動的である。 本発明の所望の実施例の１つでは、下流側処理部は、圧力スイング吸着装置で あり、燃料Ｆは、天然ガスであり、ガスＳは、水素リッチガスの流れである。圧 力スイング吸着装置は、高純度の水素を生成するように作動可能である。 装置１０の他のモードでは、燃料処理ユニット１４ａ〜１４ｃは、制御装置１ ６によって独立した作動機構とすることができる。この機構では、制御装置１６ が、作動時において装置効率が最大となるように個々の燃料処理ユニットの作動 容量を調整することができる。例えば、要求量が低いときには、２つの燃料処理 ユニットを全容量の所定の割合で作動させ、第３即ち残りのユニットを例えばア イドリング状態に維持することが最も効率的であり得る。また、他のユニットに 対する特定のユニットの既知の性能に従って、異なるユニットを異なる容量で作 動させることが望ましいこともあり得る。１つのユニットの燃料転化効率が時間 が経つにつれて低下する場合には、このユニットの貢献割合を他のユニットに対 して減少させることもできる。 所望の同比率作動モードでは、下流側処理部１２の要求に対して全ての燃料処 理改質装置ユニットが協調して迅速に応答することができる。この装置は、全て のユニットを高温に保つとともに、全てのアウトプットレベルで実質的に一定で ある熱損失に対応しなければならないので、低アウトプットのときには効率が低 下する。しか し、このような場合には、全アウトプットで作動する単一の燃料処理ユニットに よって下流側処理部１２の要求に対して効率的に応じることができる。これに従 って、残りのユニットを停止するか、流れのないもしくは最低限の流れで温度が 低下した待機状態に維持することができる。この作動モードでは、装置の完全な アウトプットを得るためにはアイドリング状態のユニットを完全な作動温度まで 再加熱してその設計アウトプットを得る必要があるために、迅速な応答能力に欠 ける。装置を最も効率的に作動するためには、特定の用途に対して他方よりも効 率的となるモードを選択することが望ましいであろう。 上述の装置、システム、及び方法では、装置１０で燃料処理ユニット１４をい くつ用いても良く、ここでは、３つ及び４つユニットを含む燃料処理ユニットを 開示したが、これは本発明の一実施例に過ぎない。下流側処理部１２の要求に従 って、燃料処理ユニットの数を実質的に増加もしくは減少させることができ、よ って、上述の装置１０を、種々の装置に対して容易に適用することができる。 本発明の主な利点は、改善した燃料処理装置が提供される点であり、この装置 は、下流側処理部の動的な補給要求に応答するとともに柔軟な作動範囲を有する 。本発明の他の特徴は、下流側処理部用の所望のガスを生成するための改善され た燃料処理装置及び方法が提供されることであり、この装置及び方法では、相互 に作用する処理機構として構成された複数の処理装置を利用する。本発明のまた 他の特徴は、改善された燃料処理装置及び方法が提供される点であり、この装置 及び方法は、下流側処理部の動的な補給要求に対して 累積的に応答する連結ユニットとして機能する複数の燃料処理装置を含む。本発 明の更に他の利点は、制御装置によって制御された複数の独立した燃料処理装置 を含む改善された燃料処理装置及び方法が提供されることであり、上記燃料処理 装置は、上記装置及び方法に従って下流側処理部の動的な補給要求に対して複合 ユニットとして累積的に応答する。また、本発明の更に他の特徴は、改善された 燃料処理装置及び燃料消費装置が提供される点であり、これらの装置は、制御装 置によって制御されるとともに集合的に作動可能である複数の燃料処理ユニット と、上記燃料処理装置によって生成されるガスを消費して改質ガスを生成する下 流側ガス生成処理部と、を含み、上記燃料処理ユニットは、下流側処理部の補給 要求に対して動的に応答する。 本発明を好適実施例に基づいて開示及び説明してきたが、本発明の趣旨及び範 囲から逸脱することなく、その形態及び詳細に関して上記及びその他の変更、省 略、追加を行うことができるということは当業者であれば分かるであろう。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ， ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，Ｌ Ｓ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ， ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，Ｅ Ｅ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＧＷ，ＨＵ ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ， ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，Ｍ Ｄ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ， ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，Ｕ Ｚ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ (72)発明者 ヴァンディン，レズリー エル. アメリカ合衆国，コネチカット 06040, マンチェスター，プリマウス レーン 117 (72)発明者 セダークイスト，リチャード エイ. アメリカ合衆国，コネチカット，06111, ニューイングトン，サンセット ロード 61 (72)発明者 スミス，ライモンド エム. アメリカ合衆国，コネチカット，06095, ウィンザー，ケロッグ ストリート ７ (72)発明者 グラブ，ポール エイ. アメリカ合衆国，コネチカット，06029, エリングトン，ヴューサイド ドライヴ ４ (72)発明者 マリノウスキー，テオドール エス. アメリカ合衆国，コネチカット，06074, サウス ウィンザー，クロウスキー ドラ イヴ 57 【要約の続き】 所望のアウトプットガスを、供給燃料から生成する方法 も提供されている。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．供給燃料から下流側処理部で使用するための所望のアウトプットガスを生成 するための装置であり、この装置は、 前記所望のアウトプットガスを生成するために前記燃料を処理する複数の手段 を含み、これらの複数の処理用手段には、前記下流側処理部から排出される廃ガ スを使用して前記燃料の処理のためのエネルギを提供する手段が含まれ、前記複 数の各処理用手段は、全容量までの作動レベルの範囲で作動可能であるとともに 、前記燃料を処理するための集合的な作動機構として相互に接続されており、 前記下流側処理部からの動的な補給要求に応答して前記複数の処理用手段を制 御する手段を含み、この制御手段は、前記複数の各処理用手段の作動レベルを調 整してこれらの複数の各処理用手段を個々に応答させるように作動可能であり、 前記動的な補給要求を満たすために前記個々の応答を組み合わせるための手段 を含むことを特徴とする所望のアウトプットガスを生成するための装置。 ２．前記複数の各処理用手段は、燃料処理装置であり、この燃料処理装置は、前 記下流側処理部から前記廃ガスを受け入れるための供給部を有するバーナと改質 装置とを含み、前記バーナは、前記廃ガスを燃焼することで、前記燃料を前記所 望のガスに改質するために前記改質装置が使用する熱を提供することを特徴とす る請求項１記載の所望のアウトプットガスを生成するための装置。 ３．前記作動レベルの範囲は、アイドリング状態から全容量までの間で前記複数 の各処理用手段のそれぞれに関して異なっていてもよいことを特徴とする請求項 １記載の所望のアウトプットガスを生成するための装置。 ４．前記廃ガスを燃焼のために安定化させるように、この廃ガスが前記バーナに 入る前にこの廃ガスに水蒸気を供給する手段を更に含むことを特徴とする請求項 ２記載の所望のアウトプットガスを生成するための装置。 ５．前記各燃料処理装置は、前記燃料の流れ、前記蒸気の流れ、空気の流れ、及 び前記改質装置の温度のうちの少なくとも１つのパラメータを個々に制御するた めの複数の制御手段を含むことを特徴とする請求項４記載の所望のアウトプット ガスを生成するための装置。 ６．前記制御手段は、前記集合的な作動機構への参加を制御するように前記複数 の燃料処理装置のそれぞれの前記パラメータを個々に制御する手段を含むことを 特徴とする請求項５記載の所望のアウトプットガスを生成するための装置。 ７．前記制御手段は、前記集合的な応答を提供するときに前記複数の処理用手段 の効率を最大化するための手段を含むことを特徴とす る請求項１記載の所望のアウトプットガスを生成するための装置。 ８．前記最大化するための手段は、前記動的な補給要求に対して前記集合的な応 答を提供する最も効率的な方法で前記個々の応答を調整する手段を含むことを特 徴とする請求項７記載の所望のアウトプットガスを生成するための装置。 ９．前記制御手段は、前記要求を示す動的な補給信号を受信するように前記下流 側処理部と通信する手段を含むことを特徴とする請求項１記載の所望のアウトプ ットガスを生成するための装置。 １０．前記制御手段は、前記各処理用手段が前記集合的な応答に実質的に均等に 貢献するように、前記各処理用手段に前記補給要求を均等に配分することを特徴 とする請求項９記載の所望のアウトプットガスを生成するための装置。 １１．前記処理用手段は、複数の燃料処理要素を含み、これらの各要素は、前記 燃料、前記廃ガス、及び前記燃料を処理するために使用される空気及び水蒸気を 受け入れる手段を含むことを特徴とする請求項１記載の所望のアウトプットガス を生成するための装置。 １２．前記燃料、前記廃ガス、前記空気、及び前記水蒸気を、前記燃料処理要素 を受け入れる手段に導くための手段と、前記制御手段及び前記燃料、前記廃ガス 、前記空気、及び前記水蒸気を前記燃料 処理要素に導く手段とともに作動可能である制御要素と、を更に含むことを特徴 とする請求項１１記載の所望のアウトプットガスを生成するための装置。 １３．前記制御要素は、前記要素への前記燃料の流れ、前記廃ガスの流れ、前記 空気の流れ、及び前記水蒸気の流れを制御するための前記手段と連通するバルブ 及び流量計を少なくとも１つ含むこと特徴とする請求項１２記載の所望のアウト プットガスを生成するための装置。 １４．前記処理用手段は、前記燃料を処理するための作動温度を有し、ての温度 は、燃料の流れの増加に従って増加し、前記廃ガスがある量及び組成で利用可能 となっており、 更に、前記作動温度を検出する手段を含み、前記制御手段は、前記制御要素に よって、前記補給要求の増加に応答して前記燃料の流れをより高い流量まで増加 させることで前記廃ガスの流れを増加させる手段を含み、前記廃ガスの前記量及 び組成の少なくとも一方が、より高い流量の前記燃料を処理する温度レベルに前 記温度を維持するのに不充分な場合には、前記増加させる手段によって、前記廃 ガスの量及び組成が充分な状態となるまで燃料の流れを減少させることを特徴と する請求項１２記載の所望のアウトプットガスを生成するための装置。 １５．供給燃料から下流側処理部で使用するための所望のアウトプ ットガスを生成する方法であって、この方法は、 全容量までの範囲で作動可能な複数の燃料処理装置を提供する提供ステップと 、 前記所望のアウトプットガスを生成するために前記燃料処理装置を用いて前記 燃料を処理する処理ステップと、 処理ステップ用のエネルギを供給するために前記下流側処理部から排出される 廃ガスを利用する利用ステップと、 前記下流側処理部からの動的な補給要求の必要条件に応じて、前記複数の燃料 処理装置を制御する制御ステップと、を含み、このステップは、 前記複数の各燃料処理装置から個々の応答を提供するように、これらの各燃料 処理装置を調整する調整ステップと、 前記個々の応答を組み合わせて前記動的な補給要求を満たすための集合的な応 答を提供する応答ステップと、を含むことを特徴とする所望のアウトプットガス を生成する方法。 １６．利用ステップは、前記燃料を前記所望のガスに改質するための熱を提供す るために前記廃ガスを燃焼させることを含むことを特徴とする請求項１５記載の 所望のアウトプットガスを生成する方法。 １７．調整ステップは、前記作動レベルをアイドリング状態から全容量までの範 囲で変化させることを含むことを特徴とする請求項１５記載の所望のアウトプッ トガスを生成する方法。 １８．前記廃ガスを燃焼のために安定化させるように、この廃ガスを燃焼させる 前にこの廃ガスに水蒸気を供給するステップを更に含むことを特徴とする請求項 １６記載の所望のアウトプットガスを生成する方法。 １９．制御ステップは、集合的な作動機構への前記燃料処理システムの参加を制 御するために、更に、これらの各燃料処理システムの複数のパラメータを個々に 制御するステップを含み、これらのパラメータには、前記燃料の流れ、前記蒸気 の流れ、及び前記バーナの温度のうちの少なくとも１つが含まれることを特徴と する請求項１８記載の所望のアウトプットガスを生成する方法。 ２０．制御ステップは、前記集合的な応答を提供するときに前記複数の処理用手 段の効率を最大化することを特徴とする請求項１５記載の所望のアウトプットガ スを生成する方法。 ２１．前記複数の処理用手段の効率の最大化は、前記動的な補給要求に対して前 記集合的な応答を提供する最も効率的な方法で、前記個々の応答を調整すること を含むことを特徴とする請求項２０記載の所望のアウトプットガスを生成する方 法。 ２２．調整ステップは、前記要求を示す動的な補給信号を受信するために前記下 流側処理部と通信することを含むことを特徴とする請 求項１５記載の所望のアウトプットガスを生成する方法。 ２３．調整ステップは、前記各処理用手段が前記集合的な応答に実質的に均等に 貢献するように、これらの各処理用手段に前記補給要求を均等に配分することを 含むことを特徴とする請求項２２記載の方法。 ２４．更に、前記燃料の処理で使用するために、前記燃料処理装置が、前記廃ガ ス、空気、及び水蒸気を受け入れることを含む請求項１５記載の所望のアウトプ ットガスを生成する方法。 ２５．更に、前記燃料、前記廃ガス、前記空気、及び前記水蒸気を、前記燃料処 理要素に導くことを含み、 調整ステップは、前記燃料、前記廃ガス、前記空気、及び前記水蒸気の前記燃 料処理要素への配分を制御することを含むことを特徴とする請求項２４記載の所 望のアウトプットガスを生成する方法。 ２６．前記燃料処理システムは、前記燃料を処理する作動温度を有し、この温度 は、燃料の流れの増加に従って増加し、前記廃ガスは、ある量及び組成で利用可 能となっており、更に、 前記作動温度を検出することを含み、 前記制御ステップは、前記補給要求の増加に応答して前記作動レベルを増加さ せるために、前記燃料の流量及び前記廃ガスの流れを増加させることを含み、前 記廃ガスの前記量及び組成が、前記燃料 を増加した作動レベルで処理する温度レベルに前記温度を維持するのに不充分な 場合には、制御ステップは、前記燃料の流量での前記燃料の処理を充分に維持す ることができるように、前記廃ガスの量及び組成が充分な状態となるまで前記燃 料の流量を減少させることを含むことを特徴とする請求項１５記載の所望のアウ トプットガスを生成する方法。