JP2002543033A - 一体化されたシフト床、優先酸化反応装置、補助反応装置及び装置制御機構を有する自己熱交換式改質装置 - Google Patents

一体化されたシフト床、優先酸化反応装置、補助反応装置及び装置制御機構を有する自己熱交換式改質装置

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JP2002543033A
JP2002543033A JP2000615330A JP2000615330A JP2002543033A JP 2002543033 A JP2002543033 A JP 2002543033A JP 2000615330 A JP2000615330 A JP 2000615330A JP 2000615330 A JP2000615330 A JP 2000615330A JP 2002543033 A JP2002543033 A JP 2002543033A
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エム． ベントレー，ジェフリー
ガスタブ ブロック，スティーブン
ボワーズ，ブライアン
エス． チンタウォー，プラシャント
ジー． クローソン，ローレンス
シー．ザ サード クロス，ジェイムズ
デイビス，ロバート
エイチ． ドーソン，マシュー
アール． ヘイガン，マーク
クリーバーグ，ガンザー
エル． ミッチェル，ウィリアム
ディー． モリソー，ブライアン
ジェイ． ノウィッキー，ブライアン
パピル，クリストファー
ポリカ，ダリル
プラブー，スリニバサ
シー． キー，フランク
ジー． リッツォ，ビンセント
ダブリュ． ラムセイ，ジェニファー
ダブリュ． サン，マリア
ティジュッセン，ジョアンズ
トンプソン，クレイグ
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ヌーベラ ヒューエル セルズ
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Abstract

(57)【要約】 関連する燃料電池による使用のための一体化された炭化水素改質装置が、部分的な酸化チャンバを有する気体発生器と、蒸気改質チャンバと、一体化されたシフト床とを具備しており、優先酸化反応装置が、第２の優先酸化反応装置及び２つの酸化反応装置に直列的に挿入されるチラー凝縮器と、事前加熱と燃焼と蒸気発生能力を備えた補助反応装置と、一体化された流体装置と、を選択可能に具備しており、それにより水、蒸気、燃料及び空気が、効率及びオペレーションの向上のための装置構成要素間で効率的に分配されることが出来る。気体発生器は非触媒性熱部分酸化、触媒性部分酸化、蒸気改質、及びそれらの任意の組み合わせの少なくとも一つの実施により水素富化改質物を生成するように形成される。シフト床内で触媒は、水素富化改質物内の水ガスシフト反応を促進するために使用されており、その一方でそこに二相の水の第１の質量を有する一体式の熱交換器は、シフト床内の二相の水と水素富化改質物との間で熱を交換するように形成される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 技術分野 本発明は、一般に、なかんづく水素燃料電池の中で使用される水素富化製品流
を製造するために、気体又は液体炭化水素燃料を改質するための一体型炭化水素
燃料改質装置（システム）に関する。より特定的に言うと、本発明は、部分酸化
改質及び蒸気改質のための全く異なるゾーンを有すると共に製品流中の一酸化炭
素を減少させるための一体化されたシフト床、優先酸化反応装置及び補助反応装
置をも有する自己熱交換式（ａｕｔｏｔｈｅｒｍａｌ）改質装置を内含する改良
一体型炭化水素改質装置に関する。
【０００２】 発明の背景 水素を作るために炭化水素燃料を改質することは、当該技術分野において周知
のことである。従来、炭化水素は、バルク貯蔵及び再分配のための水素を提供す
るか又はもう１つの大規模化学プロセスのためのオンライン上流側試薬として水
素を製造する大規模工業施設において主に改質されている。大部分の場合、これ
らの先行技術プロセスは、連続的にかつ定常条件にて作動する。
【０００３】 しかしながら、より最近になって、水素の最終的用途に一体化された炭化水素
改質反応装置を提供することに対し強い関心が寄せられてきた。同様に、現場又
は船上で水素ガスを貯蔵する必要性に置き換わる低コストの水素用小規模供給源
を開発することに対する強い関心も存在している。より特定的に言うと、電気を
生成するための燃料源として水素を使用する燃料電池と一体化されている、水素
製造用の反応装置を提供することに対する大きな関心も発生してきた。このよう
な水素発生器／燃料電池装置（システム）は、定置型施設（家庭又は事業所）に
対する電力提供といったような定置型用途、携帯式電力用途及び輸送のために追
い求められている。
【０００４】 重合体電解質膜式燃料電池（ＰＥＭ−ＦＣ）といったような燃料電池の使用は
、内燃機関に置換わるべく使用される電気車両発電装置を特定的に内含する数多
くの利用分野のために提案されてきた。電気化学燃料電池は、燃料及び酸化剤を
電気及び反応生成物に転換する。燃料としては水素が最も一般的に使用されてお
り、燃料電池の陽極に供給される。（一般に空気としての）酸素は、電池の酸化
剤であり、電池の陰極に供給される。反応生成物は水である。
【０００５】 高効率及び低公害というのが、燃料電池装置（システム）の２つの利点である
。４０％近い効率で走行する装置（システム）が、従来のガソリン内燃機関に比
べて燃料消費及びＣＯ2発生を著しく低減する機会を提供することになる。恐ら
くより重要なこととして、燃料電池装置（システム）は、搭載型燃料処理装置と
共に作動する場合、自動車の利用分野において、ＮＯｘ、一酸化炭素及び炭化水
素の排出を大幅に削減する機会を提供することが示されてきた。
【０００６】 かかる利用分野で用いられる反応装置に対しては、従来の大規模又は小規模水
素発生反応装置には求められない数多くの技術的必要条件が存在している。例え
ば、燃料電池が「需要に応じた電力」を提供しうるような装置（システム）を得
ることが特に有利である。従って、水素は、需要に応じて所要の可変的レベルで
製造されなくてはならない。換言すると、水素製造用反応装置は、負荷に追従す
るべく充分動的でなくてはならない。かかる装置（システム）が始動及び停止サ
イクルに充分基づいて性能を示すことも同様に有利である。特にこれらの一体型
装置（システム）が、比較的短時間でいつでもオンラインに戻ることができるこ
とを含めて、反復的オンオフサイクル全体を通して安定したものになることが望
ましい。
【０００７】 提案されている一体型装置（システム）と従来の反応装置の間のもう１つの顕
著な差異は、需要を満たすのに充分な水素収量（ｙｉｅｌｄ）を与えるのみなら
ず汚染物質を含めた反応副産物を最小限におさえるために炭化水素原料を一体型
装置（システム）自体の中で充分に処理する必要がある、という点にある。莫大
な体積を製造し連続運転する大規模反応装置システムにおいては、補助装置（シ
ステム）の空間、重量及びコストは、一体型のより小規模な改質装置、特に携帯
式電力又は輸送の利用分野のために提案されているものの場合ほど重要ではない
。例えば、一酸化炭素は、燃料電池駆動の自動車の車中では望ましくない反応生
成物とみなされる可能性がある。しかしながら、従来の定常プロセスでは、補助
分離装置（システム）により一酸化炭素を容易に取り扱うことができ、実際、酢
酸、ジメチルエーテル及びアルコールの製造を目的とする合成ガス中での使用の
ために歓迎される可能性がある。
【０００８】 要するに、より小規模で動的な一体型処理装置についての課題は、改質装置内
に入るものは所望の水素ガスとしてその端部でそこから出て来なくてはならない
という考え方である。従って処理はより完全で効率が良くなくてはならず、それ
と同時に費用効果性があり、軽量で耐久性がなくてはならない。処理は、（例え
ば燃料電池といった）最終用途又はその他の下流側コンポーネントにとって有害
である製品ガス中の種を低減するか又は除去するのに充分なものでなくてはなら
ない。
【０００９】 提案された一体型装置（システム）についての炭化水素原料に関しは、もう１
つの課題も存在する。最も有利であるためには、提案された一体型装置（システ
ム）は、ガソリン又はディーゼル燃料といったような既知の基礎燃料を使用する
ことができなくてはならない。これらの燃料は、水素を生成するための原料とし
ては設計されていない。このため、一体型装置（システム）は、原料内のさまざ
まな炭化水素を取扱う能力をもつよう要求されている。例えば、オレフィン、ベ
ンゼン、メチルアミド、及びより高い分子量の芳香族といったような或る種の改
質副産物は、改質又は精製段階において使用される触媒にとって有害となる可能
性があり又、燃料電池自体にとっても有害でありうる。硫黄及び塩素といったよ
うなこれらの燃料内の不純物も同様に反応装置触媒及び燃料電池にとって有害で
ありうる。
【００１０】 炭化水素改質の天然副産物が一酸化炭素であることを指摘しておくことも重要
である。一酸化炭素は、例えば１００ppm未満といって非常に低い濃度でさえ、
陽子交換膜燃料電池を被毒させる可能性がある。燃料処理アセンブリ（「ＦＰＡ
」）から出る標準的一酸化炭素レベルは、約２０００〜５０００ppmである。こ
れは、有意な一酸化炭素濃度が、有用な共製品であるか又は装置（システム）の
経済性全体に対して不当な負担をかけずに製品ガスから分離され得る、従来の改
質プロセスが直面することのない問題を一体型反応装置システムに提起する。
【００１１】 同様に、以上で記した通り、これまで提案されてきた一体型装置（システム）
は、改質物全体を燃料電池へと送ることが予想されている。従って圧力スイング
吸着（「ＰＳＡ」）又は水素透過膜分離といったような一酸化炭素を水素から分
離する技術は、一酸化炭素の処分又は貯蔵のための代替的手段を提供しなければ
ならないという不利な条件を有している。上述の技術は両方共、水素生産量を最
大限にするために（水の存在下で）一酸化炭素を転換しないことから、効率面で
も欠点をもつ。ＰＳＡは同様に、高いコスト及び大きいスペースを必要とすると
いう欠点ももっており、携帯用電力又は輸送の利用分野について、同様に受容で
きない寄生的電力負担を呈する。同時に、水素透過膜は、高価で、改質物内の不
純物による汚損に対し敏感であり、改質物流中の水素の合計量を削減する。
【００１２】 気体又は液体炭化水素燃料を改質する既知の１つの方法は、触媒蒸気改質によ
るものである。このプロセスにおいては、蒸気と炭化水素燃料の混合物が高温で
適切な触媒に露呈される。使用される触媒は標準的にはニッケルであり、温度は
通常約７００℃〜約１０００℃の間にある。メタン又は天然ガスの場合、水素が
、以下の全体的反応に従って触媒蒸気改質プロセス内で単離される。 （１） ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ → ＣＯ＋３Ｈ2 この反応は、きわめて吸熱的であり、外部熱源及び蒸気源を必要とする。商業
的蒸気改質装置は標準的に、触媒充てんされ外部加熱される管を含み、約６０％
以上の熱効率をもつことはほとんどない。
【００１３】 もう１つの従来の気体又は液体炭化水素燃料改質方法は、部分酸化（ＰＯｘ）
改質である。これらのプロセスにおいては、炭化水素燃料と酸素含有ガスの混合
物が、ＰＯｘチャンバ内に合わせて取り込まれ、高温に付される（有触媒反応に
ついてはさほどではない）。使用される触媒は通常貴金属又はニッケルであり、
高温は有触媒反応については通常約７００℃〜約１２００℃であり、無触媒反応
については約１２００℃〜約１７００℃である。メタン又は天然ガスの場合、水
素は、以下の全体的反応に従ってＰＯｘチャンバ内で単離される： （２） ＣＨ4＋１/２Ｏ2 → ＣＯ＋２Ｈ2 この反応はきわめて発熱的であり、ひとたび開始されると、自立するのに充分
な熱を発生する。すなわち、いかなる外部熱源も蒸気源も必要とされない。触媒
部分酸化改質技術は、触媒蒸気改質技術よりも単純であるが、触媒蒸気改質ほど
熱効率が良くない。
【００１４】 炭化水素燃料を改質するさらなる既知の方法は、自己熱交換式改質つまり「Ａ
ＴＲ」である。自己熱交換式改質装置は、蒸気改質及び部分酸化改質の組合せを
使用する。部分酸化改質反応からの発熱は、熱蒸気改質反応を加熱するのに用い
られる。自己熱交換式改質装置は、数多くの場合において、触媒蒸気改質装置又
は触媒部分酸化改質装置のいずれよりもさらに効率が良いものでありうる。ここ
でも又、メタン又は天然ガスを炭化水素燃料として使用して、水素が以下の全体
的反応に従って単離される。 （３） ＣＨ4＋ｙＨ2Ｏ＋（１−ｙ/２）Ｏ2 → ＣＯ2＋（２＋ｙ）Ｈ2 （なお式中 ０＜ｙ＜２）。 標準的形成エンタルピーを考慮すると、ｙ＝１.１１５であるときに理論的に
自己熱交換式作動が達成される。
【００１５】 上述の改質反応に加えて、いわゆる「水ガスシフト反応（ｗａｔｅｒ ｇａｓ
ｓｈｉｆｔ ｒｅａｔｉｏｎ）」というもう１つの反応の発生の効果を考慮す
ることが通常必要である。この可逆反応の平衡は温度（Ｔ）依存性であり、高温
で一酸化炭素及び水が生成される傾向にあることから、この作用は考慮を正当化
するものである。水ガスシフト反応では、以下の全体的反応が発生する： （４） ＣＯ＋Ｈ2Ｏ(g) ⇔ ＣＯ2＋Ｈ2 しかしながら、より有利なのは、低温で平衡転換が起こった場合、二酸化炭素
及び水素が生成される傾向にあるということである。
【００１６】 標準的改質装置は、二酸化炭素と水素を生成し、その結果、一部の二酸化炭素
及び水素は反応して、改質チャンバ内で発生する逆水ガスシフト反応に起因する
一定濃度の一酸化炭素と水を生み出す。前述した通り、一定濃度の一酸化炭素を
完全に除去するか又は少なくとも低濃度（すなわちシフト反応後約１００ppm未
満）まで低下させてＰＥＭ−ＦＣの陽極の被毒を回避しなくてはならないことか
ら、これは望ましくないことである。２０ppm以上の一酸化炭素濃度がＰＥＭ−
ＦＣに到達すると、燃料電池の陽極の触媒は急速に被毒され得る。シフト反応装
置内では、適切な触媒の存在下で改質装置から流出する炭化水素改質物／流出物
（ｅｆｆｌｕｅｎｔ）に対し水（すなわち蒸気）が付加されてその温度を低下さ
せ、中の蒸気対炭素比を増大させる。より高い蒸気対炭素比は、前述のシフト反
応（４）に従って改質物の一酸化炭素含有量を１００ppm未満まで低下させるの
に役立つ。理想的には正しいシフト触媒を用いると一酸化炭素濃度を１ppm未満
に維持することができるが、このために必要とされる約１００℃〜１２５℃とい
う温度は、現行のシフト触媒の作用には低すぎるものである。
【００１７】 有利には、適切な触媒が一酸化炭素及び水／蒸気の反応を促進して二酸化炭素
と水素を生成するようにするシフト反応装置内に、冷却後改質装置を流出する生
産ガスを通過させることによって、同時に幾分かの水素を回収することも可能で
ある。シフト反応装置は、同時に水素収量を改善しながら、改質装置生産ガスの
一酸化炭素濃度を低減させる便利な方法を提供する。
【００１８】 しかしながら、一部の一酸化炭素は、シフト反応後もなお残留する。改質物流
量及び蒸気射出流量といったような要因に応じて、シフト反応装置から流出する
ガスの一酸化炭素含有量は、０.５モルパーセントという低さにまでなりうる。
シフト反応装置内では、任意の残留炭化水素燃料が容易に二酸化炭素と水素に転
換される。従ってシフト反応装置流出物は、水素と二酸化炭素のみならず水と幾
分かの一酸化炭素をも含んでいる。
【００１９】 シフト反応は標準的には、改質物の一酸化炭素含有量を充分に低下させる（す
わなち約１００ppm未満）のに不十分である。従って、燃料電池への供給に先立
ち、シフト反応装置から流出する水素富化改質物流から一酸化炭素をさらに除去
することが必要である。適切なＰｒＯｘ反応装置の中で実施される（「選択酸化
」としても知られている）いわゆる優先酸化（「ＰｒＯｘ」）によってシフト反
応装置を流出する水素富化改質物の一酸化炭素含有量をさらに低減させることが
知られている。ＰｒＯｘ反応装置は通常、２原子水素の存在下で、（ただしＨ2
自体を実質的量酸化させることなく）一酸化炭素の空気による二酸化炭素への優
先酸化を促進する触媒床を具備する。優先酸化反応は、以下のとおりである： （５） ＣＯ＋１/２Ｏ2 → ＣＯ2 望ましくは、ＰｒＯｘ反応のために必要とされるＯ2は、改質物内でＣＯを反
応させるのに必要な化学量論量の約２倍以下となる。Ｏ2の量が必要とされる化
学量論量の約２倍を上回った場合、Ｈ2の過剰の消費が結果としてもたらされる
。一方でＯ2の量が必要とされる化学量論量の約２倍よりも実質的に低い場合、
不充分なＣＯ酸化しか発生しなくなる。ＰｒＯｘプロセスについては、Journal
of New Materials for Electrochemical Systems, １９８８（ｐ３９〜４６）で
公表されたM.J.Kahilich et al. による「Ｐｔ/γ−Ａｌ2Ｏ3及びＡｕ/α−Ｆｅ 2 Ｏ3に対するＣＯの優先酸化：反応装置設計計算及び実験結果」という題の論文
、及びPow 等に対する米国特許第５,３１６,７４７号内で記述されている。
【００２０】 ＰｒＯｘ反応は、（１）断熱的（すなわち改質物（合成ガス）及び触媒の温度
がＣＯの酸化中に上昇することが可能となっている）であってもよいし又は（２
）等温（すなわち改質物（合成ガス）及び触媒がＣＯの酸化中実質的に一定に維
持される）であってもよい。断熱的ＰｒＯｘプロセスは、標準的にＣＯ含有量を
漸進的に低減させる多くの逐次的段階を介して実施される。温度が過度に上昇す
ると、メタン生成、水素酸化又は逆シフト反応が発生しうることから、両方のシ
ステムで温度制御が重要である。この逆シフト反応はより望ましくないＣＯを生
成し、一方メタン生成及び水素酸化はシステム効率にマイナスの影響を及ぼす。
【００２１】 いずれの場合でも、シフト反応装置から流出する改質物と制御された量のＯ2
（例えば空気）が混合され、混合物は、当業者にとって既知の適切な触媒床を通
過させられる。空気入力を制御するため、シフト反応装置を流出する気体中のＣ
Ｏ濃度が測定され、これに基づいて、ＰｒＯｘ反応のために必要とされるＯ2濃
度が調整される。しかしながら有効な実時間ＣＯセンサーは入手不能であり、従
ってＣＯ濃度測定値に対するシステム応答は緩慢である。
【００２２】 ＰｒＯｘプロセスが動的装置（システム）（すなわち、水素富化改質物の流量
及びＣＯ含有量が燃料電池装置（システム）に対する電力需要の変動に応えて連
続的に変動する場合）において、最も効率良いものであるためには、ＰｒＯｘ反
応装置に対して供給されるＯ2（例えば空気として）の量も同様に、上述の反応
（５）について所望の酸素対一酸化炭素濃度比を連続的に維持するため、実時間
ベースで変動しなければならない。
【００２３】 動的作動のためのもう１つの課題は、始動時の改質物がＰｒＯｘ反応装置内で
転換するには多すぎる一酸化炭素を含み、従って、ＰＥＭ−ＦＣ内での使用には
適していない、という点にある。この問題に対する１つのアプローチは、この不
適切な改質物を排出することであるが、これは利益を生み出さずしかも環境に対
して損害を与える可能性がある。部分的に改質された材料は、受容できないほど
のレベルの炭化水素、一酸化炭素、硫黄、有毒酸化物などを含有する可能性があ
る。廃棄改質物の有害な成分を受容可能な排気に同時に転換しながら、改質チャ
ンバ内に入る前の未改質燃料の予熱を補助するために廃棄改質物を利用するプロ
セスを提供することが有利であると思われる。
【００２４】 ＰＥＭ−ＦＣは標準的に、改質反応装置から入る水素の１００％を活用してい
ない。従って、陽極ガス（大部分は未使用の水素）が、水素の入力と同時に燃料
電池から排出される。産業においては、未改質の炭化水素燃料の予熱を補助する
ため又は蒸気発生のためにこの可燃性材料を使用することが有利である。すでに
提案されてきた装置（システム）は、かかる燃料電池排気ガスを燃焼し尽すため
いわゆる「テールガス燃焼器」を利用している。
【００２５】 本発明は、上述の問題及び難題に向けられており、以下の明細書及びクレーム
を考慮して当業者が理解することになるようなその他の利点を提供するものであ
る。
【００２６】 本発明の概要 本発明の1つの実施形態では、無触媒熱部分酸化、触媒部分酸化、 蒸気改質及
びそれらの任意の組合せのうちの少なくとも１つを実施することにより水素富化
改質物を生成するよう構成された第１の反応装置と、水素富化改質物を受取るべ
く第１の反応装置と流体連絡状態にあって、水素富化改質物内で水ガスシフト反
応を促進するための触媒を有する第２の反応装置と、中に二相の水の第１の質量
を有していて第２の反応装置内で二相の水と水素富化改質物の間で熱交換を行な
うように構成されていて反応物として第１の反応装置に対し蒸気を供給するべく
第１の反応装置と流体連絡状態にある熱交換器と、を具備する炭化水素改質装置
システムが開示されている。二相の水の第１の質量に対する触媒質量の好ましい
比率が１より大きいのが該実施形態の１形態である。
【００２７】 ３よりも大きい二相の水の第１の質量対触媒の比率を提供することも、改質器
の一つの形態である。本発明のさらに別の形態は、二相の水の第１の質量と触媒
の比率が５より大きい改質装置にある。
【００２８】 本実施形態の別の形態は、加熱された水／蒸気を生成するように構成され、加
熱された水／蒸気を熱交換器に供給するべく第２の反応装置の熱交換器と流体連
絡状態にある補助反応装置を具備する、炭化水素改質装置を提供することにある
。
【００２９】 動的負荷作動中の炭化水素改質装置制御方法において、本発明は、水素富化改
質物を生成する反応装置に対し第１の流量で炭化水素燃料を供給する段階と、蒸
気発生器と水／蒸気分離器を具備するループの中で所望の圧力下で蒸気を発生さ
せる段階と、反応装置に対し第１の流量（ｒａｔｅ）で蒸気を供給する段階と、
蒸気及び炭化水素燃料の第１の供給流量でループ内に実質的に安定した蒸気圧を
維持する段階と、発生器からの水素富化改質物に対する需要の変化に応じて、炭
化水素燃料と蒸気の各々の供給流量を第２の供給流量へとそれぞれに変更する段
階と、受容可能な時間範囲内で第２の供給流量に応答してループが圧力を変更で
きるようにする段階と、ループ蒸気圧を所望の圧力に戻すのに充分な蒸気を発生
させる段階と、を開示している。
【００３０】 約１．３８MPa（２００ＰＳＩ）、ただしより好ましくは１．０３MPa（１５０
ＰＳＩ）である、蒸気圧が変化できる許容範囲を提供することが開示された方法
の一つの形態である。
【００３１】 本発明の更に別の方法において炭化水素改質装置は、水素富化改質物内の水ガ
スシフト反応を促進するために第１の反応装置ゾーンに触媒の第１の質量を提供
する段階と、補助反応装置において蒸気を生成する段階と、蒸気から触媒の第１
の質量へ熱を伝達する段階と、により制御される。
【００３２】 炭化水素改質装置システムにおいて、本発明は、熱（又は気相）部分酸化、触
媒部分酸化、 蒸気改質及びそれらの組合せを含む反応グループの中から選択さ
れた改質反応を実施することにより水素富化改質物を生成するよう構成された第
１の反応装置と、水素富化改質物を受取るべく第１の反応装置と流体連絡状態に
あって、水素富化改質物内で水ガスシフト反応を促進するための触媒を有する第
２の反応装置と、そして中に第１の２相水質量を有していて第２の反応装置内で
二相の水と水素富化改質物の間で熱交換を行なうように構成されていて反応物と
して第１の反応装置に対し蒸気を供給するべく第１の反応装置と流体連絡状態に
ある少なくとも１つの熱交換器とを開示している。開示された発明は、二相の水
の第１の質量に対する触媒質量の比率が１より大きいか、選択可能には３又選択
可能には５より大きい炭化水素改質装置システムを提供している。
【００３３】 加熱された水／蒸気を生成するように構成され、加熱された水／蒸気を熱交換
器に供給するべく第２の反応装置の熱交換器と流体連絡状態にある補助反応装置
を具備する炭化水素改質装置を提供することも同様に当該実施形態の一つの形態
である。
【００３４】 本発明の一実施形態においては、炭化水素を水素ガスに転換するために改質反
応装置と合わせて使用するための補助反応装置であって、改質反応装置が少なく
とも１つの反応ゾーンを有する補助反応装置が開示されている。補助反応装置は
、第１の燃料を燃焼させ、加熱された補助反応装置ガス流を作り出すための第１
のバーナー及び、前記改質反応装置ゾーンとの付加的な熱交換のため改質装置反
応ゾーンまで、少なくとも移送するべき熱伝達媒体及び補助反応装置ガス流から
の熱を伝達するための第１の熱交換器を具備する。
【００３５】 もう１つの実施形態においては、補助反応装置は、１つの直径、入口端部及び
反対側の出口端部を有する、第１の燃料を燃焼し加熱済みの補助反応装置ガス流
を作り出すための第１のチャンバを規定する第１の円筒形壁、第１の壁をとり囲
み間に第２の環状チャンバを提供する第２の円筒形壁（なお反応装置は、加熱済
み補助反応装置ガスが第１のチャンバの出口端部からそして第２の環状チャンバ
内へかつこのチャンバ内を通って流れるような形で構成されている）、及び第２
の環状チャンバ内に配置された第１の導管（なお該導管は、第１の熱伝達媒体を
運ぶように適合されている）を具備しており、該第１の導管は、前記改質反応装
置ゾーンとの付加的な熱交換のため改質装置反応ゾーンに連結可能である。
【００３６】 本発明の１つの形態は、熱伝達媒体が水である補助反応装置を提供することに
ある。又熱伝達媒体が二相水である補助反応装置を提供することも、本発明の１
つの形態である。
【００３７】 本発明の一実施形態においては、水素富化改質物流内で一酸化炭素を二酸化炭
素へと優先的に酸化するための反応装置が開示されている。優先酸化反応装置は
、水素富化改質物流を第１のゾーン内に導くための入口をもつ反応装置内の第１
のゾーン、第１のゾーンに隣接する反応装置内の第２のゾーン、一酸化炭素を優
先的に酸化するのに適した第２のゾーン内の触媒及び、第１のゾーンから第２の
ゾーン内に分岐する（ｄｉｖｅｒｇｉｎｇ）方向で水素富化改質物流の流れを誘
導するための複数の流路を具備しており、改質物流の流路は、第２のゾーンを通
って同じ全体的分岐方向に続いている。
【００３８】 又、第１及び第２のゾーンが一般的に球形であり流れの方向が第１のゾーンか
ら半径方向に離れる方向である反応装置を提供することが本発明の１つの形態で
ある。これとは別に、第１及び第２のゾーンは一般に半球形であり、流れの方向
は一般に、半球形の第１のゾーンの球形部分から半径方向に離れる方向である。
さらに別の変形形態は、第１及び第２のゾーンが一般に円筒形であり、流れの方
向が半径方向に第１のゾーンから離れる方向である反応装置を具備する。
【００３９】 本発明のもう１つの形態は、第２のゾーン内で触媒を能動的に冷却するための
手段を提供することにある。この能動的冷却は好ましくは、第２のゾーンを通っ
て走行していて酸化反応プロセスと同時に作動する熱交換器の使用を通して行な
われる。
【００４０】 もう１つの実施形態においては、水素富化改質物流中で一酸化炭素を二酸化炭
素へと優先的に酸化するための装置（システム）において、一酸化炭素を含有す
る水素富化改質物流を収容し、触媒床内の一酸化炭素の少なくとも一部分を優先
的に酸化して二酸化炭素を生成しかくして一定量の水素が同時に望ましくない形
で酸化されて水を生成することになるような第１のＰｒＯｘ 反応装置、及び水
を含有する水素富化改質物流を収容し改質物流から水を凝縮し除去するためであ
って第１のＰｒＯｘ 反応装置のライン下方にある水凝縮器を具備する装置（シ
ステム）が開示されている。
【００４１】 水凝縮器のライン下方に第２のＰｒＯＸ 反応装置を付加的にか又は選択可能
に提供することが、本発明の１つの形態である。
【００４２】 本発明のさらにもう１つの実施形態においては、水素富化改質物流内で一酸化
炭素を二酸化炭素に優先酸化するための方法が開示されている。該方法は、一酸
化炭素を含有する水素富化改質物流を第１の優先酸化反応装置内に導入する段階
と、二酸化炭素を生成するべく一酸化炭素の少なくとも一部分を酸化する段階と
そして次に、水素富化改質物流から水を凝縮する段階とを具備する。選択可能に
は、水を凝縮した後第２の優先酸化反応装置に、水素富化改質物流を導入するこ
とができる。
【００４３】 水素富化改質物流内で一酸化炭素を二酸化炭素へと優先的に酸化するための装
置の中で、本発明は、一酸化炭素を二酸化炭素へと選択的に酸化させるための適
切な触媒床、改質物流を適切な触媒床内に導入するための入口及び適切な触媒床
内で改質物を能動的に冷却するための手段を提供している。能動的に冷却するた
めの手段は、触媒床内に配置されたボイラー管を具備する。触媒床は好ましくは
粒状触媒で構成され、ボイラー管はこの触媒と接触させられる。シフト反応装置
内の熱交換器と液体連絡状態にあるボイラー管を提供することが本発明の一つの
形態である。
【００４４】 本発明のもう１つの実施形態は、炭化水素から水素ガスを生成する上で使用す
るための熱交換器システムを提供することにある。当該実施形態は、床内を流れ
る反応流を能動的に冷却するための手段を収納するシフト反応容器内のシフト触
媒床と、能動的に反応流を冷却するための手段を収納していてシフト反応容器に
逐次的に連結された優先酸化容器内にある優先酸化用触媒床とを具備しており、
ここではシフト触媒床を能動的に冷却するための手段は、単一の冷却液が両方の
手段の中を循環できるようにするべく優先的酸化用触媒床を能動的に冷却するた
めの手段と液体連絡状態にある。
【００４５】 最後に、２原子水素ガスを生成するための炭化水素燃料改質装置が開示されて
いる。該改質装置の１実施形態は、第１の反応容器と、第１のシフト反応装置ゾ
ーンを具備する第１の反応容器のまわりに環状に配置されたシフト反応装置容器
と、給水源を連結する入口端部をもつ第１のシフト反応装置ゾーン内に配置され
た第１のらせん管を具備する。
【００４６】 本発明の一形態は、給水源が、第１のらせん管の出口管からの液相及び蒸気相
の水の排出を確保するのに充分な流量条件で第１のらせん管に対して液相水を供
給するように適合されている改質装置を提供することにある。該改質装置はさら
に、第１のらせん管と接触した低温シフト触媒を具備する、第１のシフト反応装
置ゾーン内に配置された第１の触媒床を含むことができる。
【００４７】 触媒床が、別のコイル部分及び改質装置の中央長手方向軸と同軸関係に配置さ
れた複数のコイル部分を具備しており、各コイル部分が第１及び第２の端部の間
に延びており、各コイル部分が少なくとも１つの別のコイル部分と直接液体連絡
状態にあることは、本発明のこれとは別の形態である。
【００４８】 さらなる実施形態においては、反応容器と、反応容器内にあって第１のシフト
触媒を収納する第１のシフト反応ゾーンと、熱伝達媒体を運ぶための反応容器内
のボイラー管とを具備しており、該管が第１のシフトゾーン内の反応成分と管の
第１の部分の間での熱伝達を可能にするべく位置設定されている、炭化水素から
水素を生成するための反応装置が開示されている。
【００４９】 第２のシフト触媒を収納する第２のシフト反応ゾーン、及び第２のシフトゾー
ン内の反応成分と管の第２の部分の間の熱伝達を可能にするべく位置設定された
ボイラー管を具備することが、少なくとも本発明のさらなる実施形態の一形態で
ある。
【００５０】 同様に、第１の端部、第２の端部及び外部壁を有する容器と、第１及び第２の
端部の間に延びていて第１の内部壁により制限されていて、容器内に配置された
部分酸化ゾーンと、第１の内部壁と外部壁の間に介在させられた蒸気改質ゾーン
とを具備しており、第１の内部壁が、部分酸化ゾーンを通る第１の反応物流路と
この反応物流路と実質的に反対の方向での蒸気改質ゾーンを通る第２の反応物流
路の間の第１の遷移（ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ）を規定するべく第１の端部近くに
配置された１つのポートを有する、２原子水素ガスを生成するための燃料処置装
置を提供することも、本発明の一形態である。
【００５１】 本発明のさらに別の形態は、湾曲した内部断面形状をもつ混合用部分、混合用
部分と液体連絡状態にある第１の出口部分及び湾曲した内部断面形状の接線に沿
って混合用部分内に反応物を射出するべく構成された入口部分を具備する燃料処
理装置内の燃料容器において、入口部分から混合用部分内に射出される反応物の
体積ユニットの統計的に有意な割合が、湾曲した内部断面形状に適合する方向に
走行し、出口区分内に流れ込む前に以前に射出された反応物体積ユニットと混合
する、燃料容器を提供することにある。
【００５２】 本発明のさらに別の態様は、二酸化炭素及び２原子水素を生成するべく一酸化
炭素及び水を水ガスシフト反応させるためのシフト反応装置を提供することにあ
る。前記シフト反応装置は、一酸化炭素を含む改質物成分を収容するための入口
側及び二酸化炭素及び水素ガスを内含するシフト反応を受けた成分を排出するた
めの出口側を有する第１のシフト反応ゾーンと、酸素含有ガス供給源と連絡する
入口端部及び燃料処理容器と連絡する出口端部を有していて第１のシフト反応ゾ
ーン内に配置された第１のらせん管とを具備する、シフト反応装置容器を具備す
る。
【００５３】 シフト反応装置容器が中央長手方向軸を有し、第１のシフト反応ゾーンが第１
の端部及び第２の端部を有し、第１のらせん管が複数のコイル部分を具備し、各
々のコイル部分が別のコイル部分及び中央長手方向軸との関係において同軸的に
配置されており、各々のコイル部分が同様に、第１の反応ゾーンの第１の端部と
第２の端部の間に、少なくとも１つのその他のコイル部分と直接液体連絡状態に
配置されているということが、この実施形態の一形態である。
【００５４】 第１のらせん管は好ましくは、隣接するコイル部分を通して酸素含有ガスが走
行する方向とは反対の方向で各コイル区分を通って酸素含有ガスが走行できるよ
うにするべく構成されている。第１の触媒床は好ましくは第１のシフト反応ゾー
ン内に配置され、第１のらせん管と接触した状態で高温シフト触媒を具備する。
好ましくは、シフト反応装置容器は、燃料処理容器のまわりに環状に配置されて
いる。
【００５５】 添付のクレームに記されている本発明のこれらの及びその他の態様は、添付図
面を特に参考にしながら以下の関係に従って実施することができる。 本発明の以下の記述は、添付図面を特に参考にして論述されている。
【００５６】 好ましい実施形態の詳細な説明 本発明は、数多くの異なる形態で実施することができるものの、本開示は、そ
れが本発明の原理の例示としてみなされるべきものであって本発明の広い形態を
ここで論述又は例示された実施形態に制限することを意味するものではないとい
うことを理解した上で、本発明の好ましい実施形態について詳細に記述される。
【００５７】 １．システム及びサブシステム構造 一般に添付図１〜２８を参照すると、本発明に従った炭化水素改質プロセス及
び装置をより容易に理解することができる。開示されている炭化水素改質装置（
システム）アーキテクチャは、全体として、以下の開示及び図面において「１０
」という番号が付されている。改質チャンバ、触媒床、補助反応装置（例えばＰ
ｒＯｘ 反応装置、廃ガス燃焼器など）及びそのそれぞれの部品といったような
その他の特定的コンポーネントは、この開示全体を通して同じようにそして一貫
して番号づけされている。該炭化水素改質装置（システム）１０は輸送システム
などに使用されるものといったようなＰＥＭ 燃料電池と組合わせて開示されて
いるものの、本発明に従った装置（システム）及びコンポーネントは、水素富化
合成ガスの供給を必要とするその他の利用分野においても利用することができる
。より特定的には、開示された装置（システム）及びそのサブコンポーネントは
、サイズ、重量、可搬性及びエネルギー効率が望まれる利用分野において好まれ
ることになる。かかる用途の例としては、携帯式発電ユニット、輸送、オンデマ
ンド式商用水素及び小規模発電装置（例えば家庭用バックアップ又は一次電力シ
ステム）などが含まれる。
【００５８】 図１に示されているように、一体型炭化水素改質装置（システム）１０（「装
置（システム）」「改質装置（システム）」及び同様の変形形態）は、改質反応
装置１２、優先酸化反応装置１３（ＰｒＯｘ）、補助反応装置１４、関連する燃
料電池１５及び流体輸送構造網１６で構成されている。一般に、改質反応装置１
２は、補助反応装置１４の下流側にあり、燃料ライン１７を介してそれと流体連
絡状態にある。改質反応装置１２はそれ自体ＰｒＯｘ 反応装置１３の上流側に
あり、導管２０を介してそれと流体連絡状態にある。
【００５９】 この実施形態においては、導管２０及び改質反応装置１２を通しての移送の前
に、燃料を予熱し、脱硫しかつ／又は気化するために液体炭化水素燃料を用いて
補助反応装置１４を使用することができる。この予熱は、図２に例示されている
ように、改質装置始動中といったような一時的な期間のみに使用することができ
る。この実施形態においては、燃料予熱／気化タスク（及び炭化水素燃料源）は
、始動後シフト床を所望の温度まで上昇させた後、改質装置１２内のシフト触媒
床内の熱交換器まで移送される。補助反応装置１４は、液体炭化水素原料を脱硫
するためにも使用可能である。好ましい方法においては、脱硫は触媒により実施
される。炭化水素燃料は、燃料ライン９を介して炭化水素燃料源１８から補助反
応装置１４まで輸送される。補助反応装置１４は同様に、反応物及び／又は熱伝
達媒体として改質装置１２の中で使用される蒸気を作るため水を加熱又は予熱す
る目的で使用することもできる。補助反応装置１４は同様に、燃料電池１５の陽
極から排出された余剰の水素及びその他のガスを反応させるためにも使用するこ
とができる。この反応に由来する熱はすべて、上述の予熱又は脱硫プロセス内で
相乗的に使用可能である。補助反応装置１４は同様に、望まれる通りに改質装置
１２からの改質物を燃焼させるためにも使用可能である。例えば、始動時又は改
質物がＰｒＯｘ反応装置１２又は燃料電池１５へ移送するのには望ましい品質の
ものでない可能性があるその他の状況では、導管２６内のバルブを介して補助反
応装置１４まで任意にその改質物を経路指定することができる。ここでも又、こ
の反応に由来する熱は全て、上述の予熱又は脱硫プロセスにおいて相乗的に使用
することができる。補助反応装置１４のさまざまな実施形態の詳細について以下
で開示する。各々の実施形態について、好ましい燃料又は装置（システム）支援
機能が開示されている。
【００６０】 装置（システム）１０では、水がまず最初にタンクから補助反応装置１４まで
導入される。所望の加熱に応じて、水は、加熱された水、蒸気又は二相の水−蒸
気として移送される。当然のことながら、加熱レベルは、以下の好ましくは実施
形態によって例示されているように、特定の装置（システム）目標との関係にお
ける特定の設計の問題である。水／蒸気／蒸気−水は、改質装置１２まで移送さ
れる。装置（システム）の最終目的及び設計に応じて、水／蒸気／水−蒸気をシ
フト触媒床内の熱交換器を通して経路指定することができる（例えば図６及び低
温シフト触媒床（「ＬＴＳ」）３６内に埋込まれた熱交換器又はボイラー管３９
を伴う改質装置１２参照）。水／蒸気／水−蒸気を、次にＰｒＯｘ 反応装置１
３内の熱交換器まで、その中で進行中の発熱反応中改質物をさらに熱交換を行な
う目的で、導かれることもできる。
【００６１】 これとは別の実施の形態においては、気化燃料の代替的供給源を、図２に開示
されている供給ライン１９などによって直接改質装置１２に供給することもでき
る。この実施の形態においては、始動中改質装置１２に気化燃料を提供するため
に、補助反応装置１４が用いられる。高温シフト床（「ＨＴＳ」）３７内で所望
の温度に達した時点で、次に炭化水素を直接ＨＴＳ３７内の熱交換器３９内に直
接補給して反応前の燃料を予熱し気化させる。このとき、補助反応装置１４から
の燃料供給を終了することができる。
【００６２】 ＨＴＳ床３７への燃料入口のさまざまな箇所、ＬＴＳ床３６とＰｒＯｘ 反応
装置１３の間と導管において装置（システム）１０に空気が供給される。これら
の作動についてのより詳しい説明は、本明細書で後述されている（以下の「シス
テム（装置）及びサブシステムの制御作動の項を参照のこと」。改質物流は、図
２５内に別途例示されている。
【００６３】 Ａ．改質反応装置 該装置（システム）１０（図１）のための好ましい１つの改質装置１２は、図
３−１１の中で開示されている。概観すると、本発明の形態に従うと、自己熱交
換式燃料改質装置が、空間的かつ熱的に独特な形で一体化されている。同様に、
自己熱交換式改質装置は、水ガスシフト反応装置と共に収納され空間的及び熱的
に一体化されている。同様に改質装置１２の中に空間的及び熱的に一体化されて
いるのは、空気及び燃料の予熱、蒸気の発生及びさまざまな反応ゾーンの能動的
冷却のための独特の熱交換器３９である。有利には、改質装置１２のシフト触媒
床の中で発生した蒸気は、装置（システム）１０に対する需要が増大した時点で
の燃焼のための急速吐出可能な蒸気供給源を提供する。
【００６４】 図４及び５に示された改質装置１２は一般に、圧力格納シリンダ２１、断熱リ
ング２９及び内部保護スリーブ３０で構成されている。図６中に開示されている
ように、これらのコンポーネントは同軸的に入れ子になっており、それぞれエン
ドプレート２６及び２８によりシリンダ２１の軸方向に相対する端部２２及び２
３で閉じられている。かくして、シリンダ２１は圧力を格納し、断熱リング２９
はシリンダを反応温度から隔離し、スリーブ３０は断熱リング２９の浸食（ｅｒ
ｏｓｉｏｎ）又は汚染を防止する。
【００６５】 外部シリンダ２４は、その下部周縁部に沿って周囲フランジ２５を有し、好ま
しくは高級ステンレス鋼又は強度と可とう性が同等の金属又は合金から作られて
いる。シリンダ２４が内部圧力に耐える能力があることが望ましい（例えば１つ
の好ましい作動方法では、改質装置圧力は約３大気圧に維持される）。トッププ
レート２６は、シリンダ２４の円周方向上縁部内に構成されたシート２７内に据
えつけられている。これは、適切なガスケッティングと共に、改質装置１２の１
つの端部でシールを形成する。
【００６６】 図５は、内部保護スリーブ３０が好ましくは一体型フランジ３２を内含するこ
とを開示している。図６に開示されているように、フランジ３２は、外部シリン
ダ２４のフランジ２５を下にして重なる（アンダラップする）のに充分な直径を
もつようにサイズ決定される。ボトムプレート２８はシリンダ２４の相対する軸
方向端部に取付けられる。フランジ３２は、断熱スリーブ２９の下を圧力シリン
ダ２４まで通過し、ここで外部シリンダフランジ２５とボトムプレート２８の間
にはさまれる。３層を密に合わせて固定するために複数のボルトが使用される。
密封を与える又は補助するのにガスケット材料を利用することができる。こうし
て、スリーブ３０とシリンダ２４の間の空間内への改質物の浸透に対する安全な
シールが提供され、断熱２９の無欠性が維持される。
【００６７】 改質装置１２と共に利用される保護用スリーブ３０は、異なる直径の２つの部
分を有する。図５及び６に開示されているように、保護用スリーブ３０の上面部
分は、底面部分よりも大きい直径をもつ。このより小さい直径部分の目的は、内
部保護スリーブ３０と圧力格納シリンダ２１の間により大きな空間を形成しかく
て改質装置１２のＨＴＳ床３７に隣接してさらなる断熱材２９を収容できるよう
にすることにある。
【００６８】 底面フランジ３２は好ましくは半径方向外向きに延びるように構成されている
（図５）が、半径方向内向きに延びるように（図示せず）構成することも可能で
ある。スリープ３０のフランジ３２は好ましくは、保護用シェルのまわりに完全
なリングを形成する（図２）が、一部の利用分野のためには不連続であってもよ
い（図示せず）。目的は、構造的に正しい連結及び流体流に対するシールを提供
することにある。
【００６９】 断熱リング２９は、作動中改質装置１２内での保熱を容易にする。リング２９
は、当業者にとって既知のあらゆる適切な断熱材料で構成されていてよく、発泡
材又はロールドシートといった図５に開示されているような事前成形された形状
で提供されうる。しかしながら、ペレット又はグラニュール、繊維ブランケット
又はその他の所望の形状も適切でありうる。
【００７０】 以下で各々論述される必要な入口及び出口は全て、図３−６に示されているよ
うにトッププレート２６とボトムプレート２８内に具備されている。
【００７１】 改質反応装置１２の内部保護用スリーブ３０内に位置設定されているのは（図
６に開示されているように）、４つの全く異なる反応ゾーン又はチャンバすなわ
ち部分酸化（「ＰＯｘ」）ゾーン又はチャンバ３４、蒸気改質ゾーン３５、（触
媒が充てんされた）低温シフト（ＬＴＳ）床又はゾーン３６及び（触媒が充てん
された）高温シフト（ＨＴＳ）床又はゾーン３７を提供するための構造である。
蒸気／燃料のためのらせん式予熱管３８、らせん式水／蒸気管３９、及びらせん
式酸素／空気管４０がそれぞれＬＴＳ床３６及びＨＴＳ床３７の中に配置されて
いる。補助反応装置１４かららせん式燃料管３８まで加熱された燃料を移送する
ため、燃料導管１９と連絡するべくプレート２８上に燃料入口４１が具備されて
いる。改質反応装置１２のボトムプレート２８内に配置された入口４２が、酸素
ガス源４３から、らせん式酸素／空気管４０まで酸素含有ガスの供給を送り出す
。水／蒸気ライン４４は、二相水の供給を水入口４５まで送り出し、この入口は
流体を水／蒸気らせん管３９まで移送する。最後に、改質反応装置１２のトップ
プレート２６内に配置されているのは、図２５に例示されているように、改質装
置内を改質物導管２０を通って好ましくは優先酸化反応装置１３内へと排出する
改質物出口３１である。
【００７２】 ＰＯｘチャンバ３４及び蒸気改質ゾーン３５は合わせて、自己熱交換式改質容
器４６を構成する。自己熱交換式改質容器４６は、図７に分解立体図で示されて
いる。自己熱交換式改質容器４６の最も外側の境界は、上に溶接されたトッププ
レート５２によりその軸方向上端部で閉鎖された側壁をもつ第２の閉鎖型円筒形
チャンバ４７によって規定されている。第２の円筒形チャンバ４７の側壁５１に
は、図７に示されているように、好ましくはスカートが備わっている。第２の断
熱層４８が、自己熱交換式改質容器４６をとり囲んでおり、これは当業者にとっ
て既知の従来のあらゆる断熱材料で作られていてよい。
【００７３】 第３の円筒形壁４９が、第２の断熱層４８のまわりに具備されている。第３の
円筒形壁４９は、その上部軸方向端部でトッププレート５０によって閉じられて
いる。複数のボルトシリンダ５３がトッププレート５０に取付けられ、圧力容器
シェル２４のトッププレート２６への取付けを可能にしている。
【００７４】 自己熱交換式改質容器４６のＰＯｘチャンバ３４には触媒を装てんすることが
でき、触媒ＰＯｘ反応を実施するべくこのチャンバを作動させることが可能であ
る。それは好ましくは、気相火炎タイプの部分酸化反応を行なうべく触媒無しで
作動させられる。再び図６を参照すると、ＰＯｘチャンバ３４も同様に、シリン
ダ管５４の金属壁を通してＰＯｘチャンバ３４から蒸気改質ゾーン３５まで放射
性熱伝達を提供する一方で２つの改質ゾーンを分離するように作用する円筒形管
５４によって、一般に構成されている。円筒形管５４は、好ましくは改質反応装
置１２の長手方向軸（ｘ）と一致する中心軸を有する。
【００７５】 図８を参照すると、ＰＯｘチャンバ３４は、３つの環状部分すなわちベース部
分５５、入口部分５６及び円筒形管５４として分解立体図の形で示される。管５
４は、予熱された燃料混合物が入口区分５６内に配置された入口５８を介して進
入する第１の端部５７と、部分的に改質されたガスが蒸気改質ゾーン３５の第１
の端部内に半径方向に流れることができるようにするための複数の開口６０を有
する閉鎖された通気型端部５９を有する。
【００７６】 蒸気改質ゾーン３５も同様に円筒形であり、ＰＯｘチャンバ３４のまわりに環
状に配置され、実質的にＰＯｘチャンバ３４の全長にわたり延びている。当該実
施形態における蒸気改質ゾーン３５には、ニッケル含有触媒が詰め込まれている
が、これにはコバルト、白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、イリジウム
及び支持体たとえばマグネシア、アルミン酸マグネシウム、アルミナ、シリカ、
ジルコニア（単独で又は組合わせた形で）が内含され得る。代替的には、蒸気改
質触媒は、カリウムといったようなアルカリ金属によって促進される、単独の又
は組み合わせた形のマグネシア、アルミン酸マグネシウム、アルミナ、シリカ又
はジルコニアのような耐火性担体上に支持されたニッケル又は貴金属といったよ
うな単一金属でありうる。改質物流が遷移区画６１に放出される蒸気改質ゾーン
３５の第２の端部には、触媒床を支持するためにスクリーン６２が具備されてい
る。遷移区画６１内には、蒸気リング６３が配置されている。図９に示されてい
るような蒸気リング６３は、ＰＯｘチャンバ３４のベース部分５５を中心にして
環状に配置されている。改質物流内に蒸気を放出するため蒸気リング６３のまわ
りには、複数の散在したオリフィス６４が配置されている。蒸気リング６３は好
ましくは横断面が三角形である。有利にも、この構成によるとリング６３はベー
ス部分５５と一側面を共有できるようになる。リング６３の露呈された側面６５
は同様に有利にも、改質装置１２の長手方向軸（ｘ）から外向きに改質物流を偏
向させる。三角形の蒸気リング６３の共有側面は、ＰＯｘチャンバ３４のベース
区分５５へのしっかりとした取付けを容易にする。しかしながら、矩形又は正方
形の横断面も類似の結果を提供することができ、円形又は楕円形の横断面も同様
に適切であり得るが、ただし、共有側面の利点がなければ取付けはより困難であ
る。蒸気リング６３は好ましくは、それ自体蒸気発生器又は蒸気分離器（図示せ
ず）といったような蒸気供給源に取付けられている蒸気送り出し管６６に連結さ
れている。
【００７７】 ＰＯｘチャンバ３４の入口アセンブリ５６は好ましくは交換可能であり、改質
チャンバ４６内にＰＯｘチャンバ３４の円筒形管５４を支持するベース部分５５
上に据えつけられる。図１０を参照すると、入口部分５６は一般に、組立てられ
た時にＰＯｘチャンバの内部壁と心合せする円筒形内部壁６８によって構成され
た実質的に心出しされた開口部６７を有するディスク様の構造である。好ましい
実施形態における入口部分５６の外側円周は、片側で直角になっており反対側で
丸くなっている。入口部分５６を通る開口６９が、図１０に見られる。開口６９
は、入口部分５６の直角になった側からそのコーナー近くで延び、次に内向きに
延びて円筒形内部壁６８と接線方向に交差する。この開口６９の中に挿入される
のは、入口管７０である。入口管は、直角になった側の表面に対して垂直に方向
づけされている。入口管７０の片端は、開口６９内に付着されていてよく、反対
側の端部は、混合用マニホルド７１に連結される。こうして、ＰＯｘチャンバの
円筒形壁に直接取付けることが試みられる可能性のある先行技術の送出し管とは
異なり、入口管７０のしっかりとした取付けが提供される。本発明の開口６９は
、交換可能な入口部分と単体構造であることから送出し管の端部の正確な造形は
不要となる。かくして、この構成によって、ＰＯｘチャンバ３４に対する交換可
能で、より廉価で、より製造しやすい接線方向送り出し口が確立される。
【００７８】 図６では、改質チャンバ４６のまわりに環状に配置されているのは、２つのシ
フト反応床すなわちＨＴＳ床３７及びＬＴＳ床３６を内含するシフト反応ゾーン
７２である。任意には、脱硫床触媒も付加できる。図６に示されているようなＨ
ＴＳ床３７は、シフト反応ゾーン７２の長さの約半分に広がっている。ＨＴＳ床
３７の入力側７３が、改質物流を受入れるため遷移区画６１に隣接して配置され
ている。ＨＴＳ床３７の出口側７４が、ＨＴＳ床３７からシフト反応を受けた成
分を放出するために、ＬＴＳ床３６の入口端部３６ａに突き合わされている。Ｈ
ＴＳ床３７には好ましくは、酸化第二鉄（Ｆｅ2Ｏ3）及び酸化クロム（Ｃｒ2Ｏ3 ）といったような遷移（ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ）金属酸化物を内含する従来の高
温シフト触媒が詰め込まれている。その他のタイプの高温シフト触媒としては、
銅で促進された酸化鉄及び酸化クロム、ケイ化鉄、支持された白金、支持された
パラジウム及びその他の支持された白金群金属が単独及び組み合わせた形で含ま
れている。これらの触媒は、前述した形態のうちのいくつかで提供されうる。
【００７９】 本発明の１つの形態に従うと、ＨＴＳ触媒床は能動的に冷却される。この能動
的冷却は、温度がそのゾーン内で触媒に損傷を加えるに至るまでに上昇するのを
防ぐために提供される。冷却は有利には、ＨＴＳゾーン内に設置された管を通っ
て流れる反応物との熱交換によって達成される。すぐれた熱伝達をもたらすため
には、触媒は好ましくは、熱伝達管に対し密に詰め込むべくグラニュール、ビー
ズなどの形をしている。しかしながら、熱交換器と共存するのに適切な構成にな
っていれば、ＨＴＳゾーン内で単数又は複数のモノリシック（ｍｏｎｏｌｉｔｈ
ｉｃ）触媒を利用することものできるだろう。
【００８０】 熱伝達管は、図６に示されているように、環状ＨＴＳゾーンを通って構成され
ている。らせん式燃料管３８は、燃料ライン１７の一部を形成している。冷却／
燃料予熱管３８の複数のコイルは、実質的に改質反応装置１２の長手方向軸（ｘ
）を中心として、同軸的に配置されている。加熱された燃料（又は燃料及び蒸気
混合物）は、燃料管３８の外部らせんコイル（Ａ）内でＨＴＳ床３７を通って運
ばれ、次に一方の端部に達すると、混合用マニホルド７１の混合用チャンバ７６
に到達するまで内部らせんコイル（Ｂ）内でＨＴＳ床３７を通って戻るように逆
行する。
【００８１】 二次的予熱済み燃料ライン７７が好ましくは、始動条件のため混合用マニホル
ド７１に直接連結されている。この直接的な予熱済み燃料補給は、必要な場合に
は一次的燃料源が適切に加熱され脱硫された時点で直ちに中断され得る。
【００８２】 同様にＨＴＳ床３７内にコイル状に巻かれているのは、らせん式酸素／空気管
４０である。酸素／空気管４０は、酸素／空気入口４２に取付けられた第１のコ
イルから始まって複数のコイルで構成されている。コイルは、第１の外部セット
（Ｃ）が、ＨＴＳ床３７を通って下方へ向かって走る内部コイルセット（Ｄ）内
に遷移する前にＨＴＳ床３７を通って上向きに走るような形で配置されている。
これの変形形態ならびにその他のコイル配置は、本開示で論述するには多すぎる
ほど存在し、本発明の意図された範囲から逸脱することなく確実に実施可能であ
る。酸素／空気管４０及びらせん式燃料管３８は、図１１に示されているように
、混合マニホルド７１の図１１に示されているような混合チャンバ７６の直前に
収束する。収束した２本の管は好ましくは図示されている通りに同軸である。こ
の同軸構成により、比較的流速の高い流体が比較的流速の低い流体流を助けるこ
とが可能となる。このとき、混合用チャンバ７６は次に、収束されたラインの流
体を均質な混合物として入口管７０内へＰＯｘチャンバ３４に向かって誘導する
。
【００８３】 ＬＴＳ床３６は、ＨＴＳ床３７の出口側近くでその入口端部３６ａで始まる。
ＬＴＳ床３６は、シフト反応ゾーン７２の残りの部分を含む。ＬＴＳ床３６内に
は、好ましくはグラニュール、ビーズなどとして、Ｃｕ／ＺｎＯ2などといった
適切な低温シフト触媒が詰め込まれる。ＬＴＳ床３６内には、熱伝達関係でらせ
ん二相水管３９が配置され（以下の「システム（装置）及びサブシステムの制限
及び動作」を参照のこと）、水管３９は、複数のコイル巻き部分を含む。らせん
式水管３９の複数のコイルは、好ましくは、改質反応装置１２の長手方向軸（ｘ
）を中心にして互いに同軸になっている。図６は、４つのコイル列をもつＬＴＳ
床３６内の水管３９のらせんコイルの好ましい分散配置を例示している。水は、
それ自体給水源７８（図２３）に連結されている入口４５において水管３９に入
る。流れは、コイル（Ｅ）内で床を通って走行し、その後「Ｕ」ターンにより流
れは、コイル（Ｆ）内に誘導されてＬＴＳ床３６を通って移動する。流れは次に
コイル（Ｇ）に結びついて床３６を通って戻り、その後最終的にもう１回のＵタ
ーンにより流れはコイル（Ｈ）内に導かれて最後に床３６を通って戻るように走
行する。流れは水／蒸気出口７９を通って改質反応装置１２から放出される。
【００８４】 蒸気は、水管３９への移送により生成される。好ましくは、管３９は、二相の
水／蒸気混合物を収容するため充分な圧力に維持される。二相の水／蒸気は、場
合によって蒸気分離器に放出され、ここで、液体及び気体（蒸気）部分へと分離
され装置（システム）１０のその他のコンポーネントが利用できる状態にされ得
る。
【００８５】 スクリーン８０が、ＬＴＳ床３６の放出端部に位置づけされる。このスクリー
ン８０は、改質反応装置１２の開放した収集チャンバ８１内になお改質物が流れ
込むことができるようにしながら、触媒のための障壁を提供する。単一の改質物
出口８２が、反応装置上面２２のほぼ中心に位置づけされ、移送導管２０との流
体連絡状態を提供している。移送導管２０は、ＰｒＯｘ 反応装置１３内へと改
質物の流れを誘導する。
【００８６】 Ｂ．ＰｒＯｘ 反応装置 図１２−１９の図面を見ると、全体として反応装置１３と呼称される水素富化
改質物流中で一酸化炭素を二酸化炭素へと優先的に酸化するための反応装置が示
されている。この反応装置１３は、触媒床を通して水素富化改質物の半径方向流
を誘導するように設計されている。図１２に示されているとおり反応装置１３は
、好ましくはステンレス鋼で形成された保護用被覆をもつ外部本体８３を内含す
る。本体８３の片端には改質物入口８４であり、もう１方の端部には改質物出口
８５がある。これとは別に、熱交換を目的として蒸気／水入口８６及び蒸気／水
出口８７が具備されている（以下の「システム（装置）及びサブシステムの制御
及び作動」を参照のこと）。選択可能には、反応装置１３の臨界部域内で反応空
気を拡散できるようにするべく、空気入口（図示せず）を具備することもできる
。蒸気コイルは、実質的に等温のＰｒＯｘ品質を可能にする。
【００８７】 図１３に示されている当該実施形態の反応装置１３内では、流れディフューザ
８８が直接改質物入口８４とインライン状態にある。流れディフューザ８８は、
中央マニホルド９１の近くの放出端部９０をもつ収集チャンバ８９で構成されて
いる。流れディフューザ８８の放出端部９０は、中央マニホルド９１内に改質物
を放出するための複数の開口を有する。流れディフューザとしては、本発明の意
図された範囲から逸脱することなく、数多くの変形実施形態が可能である。
【００８８】 反応装置１３の中央マニホルド第１ゾーン９１は、好ましくは、流れディフュ
ーザ８８とは反対側の一端部９３で閉め切られた、壁９２の円周及び長さのまわ
りに配置した多数の開口部をもつスクリーン設計の第１の円筒形壁９２によって
規定されている。中央マニホルド９１のまわりに環状に配置されているのは、適
切な形態の適切な触媒が詰め込まれた第２のゾーンである。この第２のゾーン９
４も、図１４の上部横断面図で示されているように、好ましくは円筒形であるが
、第１ゾーン９１の形状と相補的なあらゆる形状のものであってよい。実施形態
における第２ゾーン９４には、触媒床９５を形成するべく（ゆるんだ状態又は密
な状態で）適切な触媒が詰め込まれている。「適切な」というのは、水素の幾分
かの酸化は不可避的に受容可能であるものの、２原子水素上で一酸化炭素を二酸
化炭素へと選択的に酸化させる触媒のことを意味する。この触媒は、当業者にと
って既知の方法のいずれによってでも調製可能である。当該反応装置１３と共に
使用できるいくつかの触媒が存在するものの、好ましい適切な触媒対にはＰｔ／
γ−Ａｌ2Ｏ3及びＡｕ／α−Ｆｅ2Ｏ3が含まれる。
【００８９】 同様に好ましくは壁９６の円周及び長さのまわりに配置された多数の開口部を
もつスクリーン設計の第２の円筒形壁９６が、触媒床９５の外縁部を規定してい
る。２つの円筒形壁９２及び９６は同様に、別の実施形態として球形又は半球形
形状のものでありうる。らせん式蒸気／水又はボイラー管９７が触媒床９５内に
配置されて実質的に床９５を横断し触媒材料との熱伝達関係を提供する。この関
係に従うと、詰め込まれた触媒は好ましくはボイラー管９７との接触を維持する
。蒸気／水入口８６で始まって、らせん管９７は第２ゾーン９４の触媒床９５を
通って第１の方向（列Ａ）に進行し、閉鎖端部９３に達した時点で、蒸気出口８
７まで触媒床９５を通って第２の反対方向に後退する。
【００９０】 第２の円筒形壁９６と反応装置１３の本体８３の内側表面の間には、環状放出
流路９９が構成されている。この放出流路９９は、改質物出口８５の近くの反応
装置１３の一端で放出部域１００内へと開放している。
【００９１】 本発明の別の実施形態においては、一酸化炭素から二酸化炭素への優先的酸化
は、少なくとも１回の２段階プロセスで達成される。すなわち、ＰｒＯｘ 反応
装置１３からの放出後、水素富化改質物流はさらに、図１５に例示されているよ
うに第２のＰｒＯｘ 反応装置１０１に通されても良い。第２の反応装置１０１
は、「ターンダウン」において有利なコンポーネントであることが証明されてい
る。「ターンダウン」というのは、システムを最大定格電力未満で作動させる条
件のことを意味する。例えば、わずか２５ｋｗで作動する５０ｋｗ定格の装置は
ターンダウン条件にある。第２の反応装置１０１は、第１の反応装置１３に類似
した形で設計され得るが、好ましい実施形態において反応装置１０１は断熱反応
装置である。これは、一酸化炭素の濃度が充分に低いため酸化が触媒床１０２を
過熱して上述の望ましくない反応（２）及び（３）を促進することがないことか
ら、可能となっている。
【００９２】 図１６を参照すると、第２のＰｒＯｘ１０１′の１つの実施形態が側面図で示
されている。第２のＰｒＯｘ１０１′は、好ましくは、入口１０８，外部壁１０
６′及び出口１０９′をもつ円筒形容器である。容器壁に沿って、３つの熱電対
又はその他の既知のセンサーデバイスが配置されている。
【００９３】 図１７に示されている第２の反応装置１０１′の横断面には、有利には単一の
反応ゾーン１０４′内に位置づけされたモノリシック触媒１０３が内含されてい
る。第１のＰｒＯｘ 反応装置１３に比べて第２のＰｒＯｘ 反応装置１０１′が
もつ顕著な形態は、反応ゾーン１０４′内に冷却コイルが存在しないということ
にある。上述のような空気混合物と共に、流入改質物流は触媒と遭遇し上述の反
応（１）に示されている通り酸化を始める。結果として得られた放出時点の改質
物は、好ましくは１０ppm未満の一酸化炭素濃度をもつ。第２の反応装置１０１
′は標準的に約１２１℃（２５０°Ｆ）〜約２６０℃（５００°Ｆ）の温度範囲
内で作動する。
【００９４】 装置（システム）１０のＰｒＯｘ 反応装置段のもう１つの別の好ましい実施
形態においては、図１９に示されているように、第１の反応装置１３と第２の反
応装置１０１の間にインライン状態でチラー凝縮器１０５が組込まれていてよい
。このチラー凝縮器１０５は、好ましくは、第１の反応装置１３を退出した後改
質物流の温度を著しく低下させるのに使用されるファンである。この時点での改
質物の冷却は逆水ガスシフト反応といったような改質物内の望ましくない副反応
を回避させる。しかしながら、かかる冷却は同様に、蒸気の相対湿度の増大に起
因してＰｒＯｘ 反応装置の作動に不利な影響を及ぼす可能性もある。これらの
競合する利点が、一体型システム全体の設計において考慮に入れられるべきであ
る。
【００９５】 Ｃ．補助反応装置 図１に例示されているような補助反応装置は、改質反応装置１２及び燃料電池
１５と組合わせて使用される。好ましい補助反応装置１４の一次的機能は、燃料
電池１５から放出された、大部分が水素から成る陽極排気ガスを燃焼させる廃ガ
ス燃焼器として作動することにある。しかしながら、陽極ガスの燃焼と合わせて
、補助反応装置１２の独特の構造は、改質反応装置１２といったような水素形成
装置（システム）１０のその他の部分で使用するために未改質燃料及び蒸気を予
熱し脱硫するために燃焼によって作り出された余剰の熱を活用する。
【００９６】 図２０を参照すると、反応装置１４は、好ましくは第１のチャンバ１０７を構
成する第１の環状壁をもつ円筒形容器である。第１のチャンバ１０７は、直径（
Ｄ１），入口端部１０８及び反対側の出口端部１０９を有する。第１のチャンバ
１０７内に配置されているのは、適切な触媒１１０，好ましくは、モノリス形状
の白金（Ｐｔ）触媒である。第１のチャンバ１０７内の触媒１１０の機能につい
ては、以下でさらに論述されている。
【００９７】 第２の環状壁１１１が第１の壁１０６をとり囲み、第１のチャンバ１０７のま
わりに環状に配置され直径（Ｄ３）をもつ第２のチャンバ１１２を提供する。補
助反応装置１４はさらに、第２の環状壁１１１と第１の環状壁１０６の間に配置
された第３の環状壁１１３を内含しており、この第３の環状壁１１３は、実質的
に、第２の環状チャンバ１１２の長さだけ延び実際に第２の環状チャンバ１１２
をそれぞれ第１及び第２の環状サブチャンバ１１４及び１１５へと分割する。第
１の環状サブチャンバ１１４は、第１のチャンバ１０７と第３の環状壁１１３の
間に配置されており、第２の環状サブチャンバは第３の環状壁１１３と第２の環
状壁１１２の間に配置されている。
【００９８】 図２０を見ればわかるように、第３の環状壁は、第３の環状チャンバ１１６を
構成する２重壁１１３構造のものである。第３の環状チャンバ１１６内に位置設
定されているのは、実質的に第３の環状チャンバ１１６の長さだけ延びこの第３
の環状チャンバ１１６を実際にそれぞれ第３と第４の環状サブチャンバ１１８及
び１１９に分割する第４の環状壁１１７であり、この第３の環状サブチャンバ１
１８は第１の環状サブチャンバ１１４及び第４の環状壁１１７の間に配置され、
第４の環状サブチャンバ１１９は、第４の環状壁１１６と第２の環状サブチャン
バ１１５の間に配置されている。第３及び第４の環状サブチャンバ１１８及び１
１９はそれぞれ、以下でさらに説明するように、未改質燃料流のためのＵ字形導
管１２０を構成する。
【００９９】 反応装置１４はさらに、第１のチャンバ１０７内で触媒１１０の上流に火炎タ
イプのバーナーアセンブリ１２１を内含している。バーナーアセンブリ１２１は
、バーナー入口１２３とバーナー出口１２４を内含するバーナーチャンバ１２２
により構成されており、このバーナー出口１２４は、第１のチャンバ１０７の入
口端部１０８に連結可能である。バーナーチャンバ１２２は一般に円筒形で、第
１の環状壁１０６と同心であるが、第１のチャンバ１０７の直径（Ｄ１）よりも
大きい直径（Ｄ２）を有する。かくしてより大きい直径（Ｄ２）は、部分的に燃
焼し加熱されたバーナーチャンバ１２２から第１のチャンバ１０７内へのガスの
流れを制限する。好ましくはスパークプラグである点火装置１２５が、始動時に
火炎を作り出すべく燃料を点火するスパークを作り出すためバーナーチャンバ１
１２内に具備されている。
【０１００】 バーナーアセンブリ１２１は、本実施形態においては、バーナーチャンバ１２
２内で加熱ガス流を混合し燃焼するために具備されている。例えば天然ガスとい
った補助的な第１の燃料を、加熱ガス流を形成するべくバーナー入口１２３を通
してバーナーチャンバ１２２へと導くことができる。この加熱ガス流は次に、出
口１２４を通して第１のチャンバ１０７内の触媒１１０までさらに導かれる。定
常作動中の燃焼特性を改善するため、空気導管１２７内の空気を外部環状シェル
及び第２の環状壁１１１の間に通すことにより、予熱する。空気導管１２７の入
口端部１２８は、酸素含有ガス供給源（図示せず）に連結されている。空気導管
１２７は、バーナーチャンバ１２２内での燃焼のため酸素含有ガス流をバーナー
アセンブリ１２１のバーナー入口１２３へと導く。バーナー入口１２３は、酸素
含有ガス及び補助第１燃料のバーナーチャンバ１２２内への接線方向送出しを可
能にするように設計されている。
【０１０１】 補助反応装置１４はさらに、バーナーチャンバ１２２を通過し、第１のチャン
バ１０７内へと直接延びる入口管１３０を内含している。好ましくは、入口管１
３０は、その中のガス及び入口管１３０内を流れる燃料電池排気ガスとの熱交換
のためバーナーチャンバ１２２内を通って延びている細長い管である。
【０１０２】 第２の環状サブチャンバ１１５内に内含されているのは、第２の環状サブチャ
ンバ１１５の長さだけ延びるらせん管１３１である。らせん管１３１は、以下で
より詳細に論述されているように水が流れることができるように構成されている
。らせん管１３１は、改質装置１２のＬＴＳ床３６のために必要とされる水／蒸
気を提供するべく導管１３２を介して改質装置１２（図２３参照）の水／蒸気ラ
イン３９に連結されている。よりコンパクトな反応装置設計が要求される場合、
好ましくは銅から成る複数のフィン１３３がらせん管１３１の全長にわたり予め
定められた間隔で設置される。フィン１３３は、加熱排気ガス流とらせん管１３
１内の水の間の熱交換を増強するべくらせん管１３１の円周から半径方向に延び
ている。
【０１０３】 天然ガス又はプロパンとは異なり、ガソリン又はエタノールといったような液
体炭化水素燃料を改質するように設計された改質装置のためには、好ましくは、
図２１に示されているような補助反応装置の第２の好ましい実施形態が使用され
る。反応装置２００は、好ましくは、第１のチャンバ２０７を構成する第１の環
状壁２０６をもつ円筒形容器である。第１のチャンバ２０７は、直径（Ｄ１），
入口端部２０８及び反対側の出口端部２０９を有する。第１のチャンバ２０７内
に配置されているのは、加熱された補助反応装置ガス流を作り出すべく燃料電池
排気を燃焼させるための触媒２１０，好ましくはモノリス形状の白金（Ｐｔ）触
媒である。第１のチャンバ２０７内の触媒２１０については以下でさらに詳述す
る。
【０１０４】 第２の環状外部壁２１１が第１の壁２０６をとり囲み、直径（Ｄ２）の第２の
環状チャンバ２１２を提供する。第２の環状チャンバ２１２内に位置設定されて
いるのは、ほぼ第２の環状チャンバ２１２の長さだけ延びる第１のらせんコイル
２３１である。付加的には、第２のらせんコイル２３２が、白金（Ｐｔ）触媒モ
ノリス２１０の上流側にある第１の環状チャンバ内に位置設定される。第１及び
第２のらせんコイル２３１及び２３２は両方共、二相の水／蒸気混合物がその中
を流れることができるように適合されている。
【０１０５】 反応装置２００はさらに、第１チャンバ２０７内の触媒２１０の上流側に火炎
タイプのバーナーアセンブリ２２１を内含する。バーナーアセンブリ２２１は、
第１のチャンバ２０７の片端においてバーナーチャンバ２２２により構成されて
いる。それぞれバーナー入口２２３及び空気導管２２７を介して、燃料及び空気
がバーナーチャンバ２２２に供給される。燃料を点火し始動時に火炎を作り出す
べく、スパークを作り出すための点火装置２２５，好ましくはスパークプラグが
バーナーチャンバ２２２内に具備されている。
【０１０６】 バーナーアセンブリ２２１は、バーナーチャンバ２２２内で加熱ガス流を混合
し燃焼するように設計されている。この例ではガソリンである補助的な第１の燃
料を、加熱ガス流を形成するべく入口２２３を通ってバーナーチャンバ２２２ま
で導くことができ、この加熱ガス流は次にさらに第１のチャンバ２０７内の触媒
２１０まで導かれる。空気導管２２７の入口端部２２８は、酸素含有ガス供給源
１２９に連結されている（図１参照）。空気導管２２７は、バーナーチャンバ２
２２内での燃焼のためバーナーアセンブリ２２１のバーナー入口２２３まで酸素
含有ガスの流れを導く。バーナー入口２２３は、酸素含有ガス及び補助的第１燃
料をバーナーチャンバ２２２内で接線方向に送り出すことを可能にするように設
計されている。
【０１０７】 補助反応装置２００はさらに、バーナーチャンバ２２２の中を通り第１のチャ
ンバ２０７内に直接延びる入口管２３０をも内含している。好ましくは、入口管
２３０は、その中のガス及び入口管２３０内を流れる燃料電池排気ガスの間の熱
交換のためバーナーチャンバ２２２内を通って延びている細長い管である。
【０１０８】 主として例えば天然ガスを改質するように設計された改質装置のためには、図
２２に示されているような補助反応装置の第３の好ましい実施形態が使用される
。反応装置３００は好ましくは、第１のチャンバ３０７を構成する第１の環状壁
３０６をもつ円筒形容器である。第１のチャンバ３０７は、直径（Ｄ１），入口
端部３０８及び反対側の出口端部３０９を有する。第１のチャンバ３０７内には
、反応ゾーン３１０が具備されている。
【０１０９】 第２の環状外部壁３１１が第１の壁３０６をとり囲み、直径（Ｄ２）をもつ第
２の環状チャンバ３１２を提供する。第２の環状チャンバ３１２内に位置設定さ
れているのは、ほぼ第２の環状チャンバ３１２の長さだけ延びる第１のらせんコ
イル３３１である。
【０１１０】 反応装置３００はさらに、第１のチャンバ３０７内の反応ゾーンの上流側に火
炎タイプのバーナーアセンブリ３２１を内含する。バーナーアセンブリ３２１は
、第１のチャンバ３０７の片端においてバーナーチャンバ３２２により構成され
ている。それぞれバーナー入口３２３及び空気導管３２７を介して、燃料及び空
気がバーナーチャンバ３２２に供給される。燃料を点火し始動条件下で火炎を作
り出すべく、スパークを作り出すための点火装置３２５，好ましくはスパークプ
ラグがバーナーチャンバ３２２内に具備されている。
【０１１１】 バーナーアセンブリ３２１は、バーナーチャンバ３２２内で加熱ガス流を混合
し燃焼するように設計されている。補助的な第１の燃料つまり天然ガスを、加熱
ガス流を形成するべく入口３２３を通ってバーナーチャンバ３２２まで導くこと
ができ、この加熱ガス流は次にさらに第１のチャンバ３０７内の反応チャンバ３
１０まで導かれる。空気導管３２７の入口端部３２８は、酸素含有ガス供給源１
２９に連結されている（図１参照）。空気導管３２７は、バーナーチャンバ３２
２内での燃焼のためバーナーアセンブリ３２１のバーナー入口３２３まで酸素含
有ガスの流れを導く。バーナー入口３２３は、酸素含有ガス及び補助的第１燃料
をバーナーチャンバ３２２内に接線方向に送り出すことを可能にするように設計
されている。
【０１１２】 補助反応装置３００はさらに、第１のチャンバ３０７内に直接延びる入口管３
３０をも内含している。好ましくは、入口管３３０は、その中のガス及び入口管
３３０内を流れる燃料電池排気ガスの間の熱交換のためバーナーチャンバ３２２
内を通って延びている細長い管である。
【０１１３】 II．システム（装置）及びサブシステムの制御と作動 装置（システム）の制御及び作動のいくつかについてはすでにこれまでの開示
の中でそれとなく言及されてきたが、該開示のこの項は、かかる制御のための好
ましい作動及手段についての説明に向けられている。各サブシステムすなわち改
質装置１２，ＰｒＯｘ 反応装置１３及び補助反応装置１４のための制御ハード
ウェアが、始動、定常状態及び過渡条件を含めて論述される。特定の制御に対す
る修正が、実際の水素形成装置（システム）及びその作動の特性に基づいて必要
となるかもしれない。
【０１１４】 Ａ．水／蒸気ループ 図２３を参照すると、大規模な水／蒸気冷却ループをより容易に理解すること
ができる。タンク（Ｒ）は、ポンプ（Ｐ）を通して装置（システム）１０に水を
供給する。水は点「Ａ」で二相の水／蒸気混合物を生成するべく、加熱器（Ｈ）
において加熱される。ループの点「Ａ」における圧力は、好ましくは初期温度約
１００℃で約１．０３MPa（１５０psi）に維持される。
【０１１５】 ループは、冷却された排気ガスを提供するべく、燃料処理アセンブリの熱交換
部分（ＨＥ）を通って走っている。定常作動で点「Ｅ」において水／蒸気混合物
の温度を約１８５℃までもっていくため、ＦＰＡの陽極ガス燃焼部分（ＡＢ）を
通って第２のパスが行なわれる。このとき、ループは燃料改質装置１２まで経路
設定される。
【０１１６】 水／蒸気混合物は、まず最初に燃料改質装置１２の低温シフト触媒床３６に入
る。前述のように、床の温度を制御するために、触媒との熱交換が実施される。
任意には、ループは図２３に示されているようにＬＴＳ床３６を通るパスの間に
、脱硫床（ＤＳ）を通過することもできる。
【０１１７】 ＬＴＳ床３６を離れると、水／蒸気混合物は点「Ｃ」で通常約１８５℃で約０
．６９〜１．０３MPa（１００〜１５０psi）にある。ループは触媒床１０２のた
めの能動的な冷却手段として第１のＰｒＯｘ 反応装置１３内に入る。ＰｒＯｘ
反応装置１３を退出すると、水／蒸気混合物は点「Ｄ」で好ましくは１８５℃に
維持される。水／蒸気混合物は、水が水タンク（Ｒ）に戻される前に蒸気分離器
（ＳＳ）の中に入り、蒸気が改質装置１２に供給される。
【０１１８】 これとは別にＦＰＡ及びＰｒＯｘ蒸気ループの位置は、始動中にどの床が急速
加熱するのにより重要であるかによって切換えることができる。一般に図２３に
示されているように、ＦＰＡが最初である。
【０１１９】 Ｂ．制御点 図２４は、本発明の１つの実施例についてさまざまな制御点を例示している（
ダッシュが２つついた表記が、論述対象の点の各々について使用される）。これ
とは別に、水／蒸気ループといったような開示されたプロセスのうちのいくつか
を同時調整するために、システム（装置）圧力も使用される。
【０１２０】 一次燃料制御のためには、燃料バルブ１″が使用される。燃料バルブ１″は、
需要に応じて水素を提供する１つの手段として、燃料流量の制御を可能にする。
水／蒸気バルブ２″及び空気バルブ３″が、改質装置１２において、蒸気、空気
及び燃料の比率を制御するために使用される。このことは、適切な改質のため改
質装置チャンバの温度を維持する一助となる。必要とあらば、２つの入口流（例
えば、ＰＯｘチャンバに対する空気／燃料、又は蒸気改質装置チャンバに対する
水／燃料）を備えることが可能である。
【０１２１】 前述のとおり、水ガスシフトを完了するのに充分な蒸気を提供するのに蒸気制
御４″が使用される。もう１つの空気バルブ５″が第１のＰｒＯｘ 反応装置１
３の入口の前に配置されている。このバルブ５″は、改質物流内の一酸化炭素を
二酸化炭素へと酸化させるために送り出される理論上／計算上の空気についての
制御を提供する。第２のＰｒＯｘ 反応装置１０１′の入口の前には、第３の空
気バルブ６″が配置されている。以下でさらに説明するように、この点における
空気の調節は、始動、停止及び過渡現象といったような条件中に一酸化炭素の酸
化を補完するべくＰｒＯｘチャンバに対して付加的な空気を提供する。
【０１２２】 余剰の一酸化炭素を燃焼し尽すことのできる補助反応装置１４にこの余剰の一
酸化炭素を有する改質物を迂回させるためには、経路指定バルブ７″が使用され
る。これは、始動に典型的なものである。一酸化炭素濃度が受容可能なレベルに
達すると直ちに、改質物はバルブ７″により燃料電池１５へと経路指定され得る
。もう１つの始動時制御点は制御８″である。制御８″は、通常は余剰の空気も
伴って、初期加熱時点で装置（システム）に対し２次的燃料を提供するのに使用
される。２次燃料は、改質装置１２へと経路指定される前に補助反応装置１４を
通って流される。
【０１２３】 最終的制御点は、陰極排気の一部分を補助反応装置に経路指定するために使用
されるバルブ９″である。陰極排気の残りの部分は、排気出口又は導管に補給さ
れる。
【０１２４】 開示された制御点の各々は、中央処理装置（システム）（図示せず）によって
作動させられる。装置（システム）は、センサー機構などからの周期的又は連続
的フィードバックデータを通して燃料電池装置（システム）の作動パラメータを
調整する能力をもつプログラムを介して作動する。データは処理され装置（シス
テム）は、始動、定常状態、過渡現象及び停止の間に経験した急速に変化する条
件及びこれらの状況の遷移に応えて、該当する制御点を作動させる。
【０１２５】 Ｃ．燃料予熱 図２６を参照すると、始動時点で又は始動条件に類似した条件下で、当該装置
（システム）１０の全てのコンポーネントは、水及び燃料源を含め、全体的に「
低温」である。この「低温」という語は、コンポーネントが作動できる特定の温
度又はその範囲に関するものではなく、むしろ効率に関して受容可能なレベルで
コンポーネントが作動する閾値温度を表わすものとして意図されている。当然の
ことながら、各コンポーネントについての温度は広範に変動し、任意の１つのコ
ンポーネントについての温度は利用分野に応じて広く変動し得る。
【０１２６】 液体燃料に関しては、ＰＯｘチャンバ３４内で燃焼するような形でそれを気化
させる必要がある。このタスクは、好ましくは補助反応装置１４又は利用可能な
場合には別の熱源によって行なわれる。さらに、硫黄は改質装置（システム）に
とって毒となりうることから、或る種の燃料は、ＰＯｘチャンバ３４に入る前に
も脱硫を必要とする。補助反応装置には、この機能を実施するために脱硫床（以
下で記述された通り）を具備することができる。これらの機能を始動後にその他
の一体化されたシステムコンポーネントで達成できる場合（すなわちそれが充分
な温度に達した時点で）、補助反応装置１４はその時点においてこの方法で作動
を中断できる。
【０１２７】 Ｄ．改質装置 図２６により例示されるように、予熱された燃料（又は燃料／蒸気混合物）は
、混合用マニホルド７１の混合チャンバ７６に直接連結された二次燃料入口７７
を介して始動時点で改質反応装置１２の中に入る。混合用チャンバ７６内で、予
熱済み燃料は、らせん式酸素／空気管４０を介して混合チャンバ７６に送り出さ
れた酸素供給物と混合される。均質な混合物は、入口管７０及び入口部分５６の
開口６９を介してＰＯｘチャンバ３４内へと接線方向に導かれる。この接線方向
送出しは、炭化水素燃料流を直接円筒形壁５４の内側に沿って導いてＰＯｘチャ
ンバ３４内に上昇らせん流をもたらす。
【０１２８】 始動時に、ＰＯｘチャンバ３４内で燃料／蒸気／酸素混合物を点火する目的で
ベース部分５５の中空部分の中にあるスパークプラグといったような従来の点火
デバイス１３５が具備されている。ＰＯｘチャンバ３４は、改質用触媒を収納し
ていてもいなくてもよい。使用される場合、本発明のためのＰＯｘ 触媒は、当
業者が使用するあらゆる既知の触媒であってよいが、好ましくは、モノリス形状
で貴金属（例えば白金（Ｐｔ），パラジウム（Ｐｄ），ニッケル（Ｎｉ））上に
支持された酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）触媒（本書に参考として内含されてい
る２０００年５月１日付けの同時係属米国特許出願第＿号参照）である。炭化水
素燃料は点火され、メタンの場合、以下の全体的反応に従ってＰＯｘチャンバ３
４内で水素が単離される。 （ａ） ＣＨ4＋１/２ Ｏ2 → ＣＯ＋２Ｈ2 及び （ｂ） ＣＯ＋Ｈ2Ｏ ⇔ ＣＯ2＋Ｈ2 発熱反応（ａ）は、自己持続性であり、有触媒ＰＯｘチャンバの１つの特定の
実施形態については約７００℃〜約１２００℃，又無触媒ＰＯｘの１つの特定の
実施形態については約１２００℃〜約１７００℃の作動温度範囲を維持する。発
生した熱は好ましくは、設計により外向きに蒸気改質ゾーン３５まで放射する。
【０１２９】 改質用蒸気は最適には、円筒形壁５４の換気された端部５９に向かってＰＯｘ
チャンバ３４を通ってらせん経路の中を走行する。複数の開口６０において、部
分的に改質された燃料／酸素／蒸気混合物は、外向きに蒸気改質ゾーン３５内へ
と流出する。蒸気改質ゾーン３５には好ましくは、金属スクリーン６２によりゾ
ーンの放出端部で支持されているニッケル触媒が詰め込まれている。蒸気改質触
媒内で、残留燃料は、以下の蒸気改質反応を受けて水素を単離する： （ｃ） ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ → ＣＯ＋３Ｈ2 及び （ｄ） ＣＯ＋Ｈ2Ｏ ⇔ ＣＯ2＋Ｈ2 蒸気改質反応（ｃ）は、吸熱性であり、水素を形成するのに多大な熱エネルギ
ーを要する。この反応は、約７００°〜約１０００℃の作動温度を維持するべく
ＰＯｘチャンバ３４の円筒形壁５９を通して熱を引き出す。改質物流は支持スク
リーン６２を通って遷移区画６１内へと移行する。
【０１３０】 遷移区画６１内で、改質物は最適には半径方向外向きに走行し、蒸気リング６
３からの蒸気の供給を受ける。蒸気供給はここでは、２つの目的に役立つ。まず
第１に、これは水ガスシフト反応のために改質物を冷却する一助となる。より高
い温度が水及び一酸化炭素の生成に有利に作用する（「逆シフト反応」）。第２
に、水は、一酸化炭素と反応して水素と二酸化炭素を生成するのに必要な成分で
ある。添加される水が過度に少ないと、ＨＴＳ及びＬＴＳシフト床の性能が低く
なるという結果をもらたすことになる。
【０１３１】 改質物／蒸気混合物は、遷移区画６１からシフト反応ゾーン７２の第１の床す
なわちＨＴＳ床３７内へと軸方向に移動する。ＨＴＳ床３７の目的は、改質物流
内の一酸化炭素濃度を低減することにある。ＨＴＳ床３７の温度は、一酸化炭素
濃度が低下するにつれて上昇する。触媒の活性は温度と共に増大する。しかしな
がら、前述のとおり、温度が高くなればなるほど逆シフト反応すなわち水と一酸
化炭素の生成に有利に作用することから、温度上昇は当然、該目的にとって不利
益である。流れを冷却するため、ＨＴＳ床３７で生成された熱の一部分は燃料及
び酸素／空気供給源までそれぞれらせん管３８及び４０を通って移送される。そ
れでもなお、ＨＴＳ床３７の作動範囲は、入口端部の約５５０℃から放出端部の
約３５０℃までである。改質物流内の一酸化炭素濃度は、ＨＴＳ床３７において
約２.０％まで低減される。
【０１３２】 選択可能には、脱硫床（図示せず）をＨＴＳ床３７に隣接して配置することが
できる。脱硫床は、グラニュール又はビーズの形をした酸化亜鉛（ＺｎＯ2）と
いったような適切な触媒で構成されることになる。改質物が亜鉛触媒の中を通り
それと接触するにつれて、触媒毒となる硫黄及び硫黄化合物が蒸気から取除かれ
ることになる。
【０１３３】 第２のシフト床も本発明において提供されている。ＬＴＳ床３６はＨＴＳ床３
７と類似して、改質物流内の一酸化炭素濃度のさらなる低下を提供する。しかし
ながら、ＬＴＳ床３６は、等温床を提供するべく連続的に冷却される。当該実施
形態においては、ＬＴＳ床３６は、床触媒と熱交換関係にある水管３９のらせん
巻線の４本の列（Ｅ，Ｆ，Ｇ及びＨ）を内含する。必要な場合には、巻線を逆転
させることもできる〔すなわち水入口補給巻線（Ｈ）そして最後に巻線（Ｅ）の
出口における蒸気の放出で終わる〕。放出された蒸気は好ましくは、前述のとお
り蒸気分離器まで導かれる。冷却されたシフト床は、改質物流の中で一酸化炭素
濃度のさらに大幅な減少を可能にする。
【０１３４】 改質物はスクリーン８０を通ってＬＴＳ床３６から流出した後、改質反応装置
１２の開放した放出用チャンバ８１内に入る。放出用チャンバ８１内に集まった
改質物は場合によって、反応装置上部表面２２のおおよその中心に配置された出
口８２に導かれる。出口から、移送導管２０が改質物流をＰｒＯｘ 反応装置１
３内に導く。
【０１３５】 プロセス制御に関しては、改質装置１２内への４つの主要な流量を適切に制御
する必要がある。すなわち、空気、燃料、ＰＯｘ蒸気及び蒸気リング６３内を通
るＨＴＳ床蒸気である。空気流量は、図２４に例示されているように、バルブ１
３６にフィードバックする空気流量センサーを用いて制御可能である。燃料は、
従来の燃料センサー（図示せず）を伴うか又は伴わない燃料インジェクタ１３７
を用いて制御され得る。燃料の流量がインジェクタ１３７を横断して絞られ供給
圧力が一定である場合、流量は、下流側圧力の変動の如何に関わらず、一定の与
えられたデューティサイクルについて一定であるはずである。これとは別に、イ
ンジェクタを横切る圧力差を制御して、与えられたデューティサイクルについて
流量を定常に維持することもできる。燃料センサーの必要をなくすためには、周
期的較正が必要であるかもしれない。図２４に例示されているように、モーター
起動式又はソレノイドバルブ１３８を用いてＰＯｘ蒸気流量を制御することがで
き、蒸気流量を測定するのにオリフィスプレート１３９を使用することができる
。ＨＴＳ床蒸気の制御は、同様に、システム内の流量及び圧力を制御するためモ
ーター起動式バルブ１４０を用いてＨＴＳ床蒸気の制御を達成することもできる
。調節装置１４０上の圧力設定点は、標準的に手で変更されるが、遠隔制御も可
能である。ＨＴＳ床３７に対する過渡的蒸気制御（以下の「システム（装置）及
びサブシステムの制御と作動」を参照のこと）のためには、全体的蒸気対炭素比
を急激な降下から保護するために圧力設定点を変動させることが望ましいかもし
れない。圧力変換器からのフィードバックをもつ制御バルブを用いたこのような
可変的圧力設定点を作り出すことが１つの代替案である。
【０１３６】 論述した流量制御に加えて、改質装置１２の圧力及び温度を監視し制御するた
めには、複数の圧力変換器及び数多くの熱電対が必要であるかもしれない。
【０１３７】 Ｅ．ＰｒＯｘ 反応装置 ＰｒＯｘ１３入口から始めると、これは標準的に改質反応装置１２（図１に示
されているようなもの）の下流側に連結され、ここで炭化水素材料が蒸気で改質
されて、低いが望ましくない濃度の一酸化炭素（標準的に１％未満）をもつ水素
富化改質物を生成する。水素及び一酸化炭素に加えて、改質物は二酸化炭素，水
及びその他の炭素含有化合物（標準的にはわずか数パーセント以下）を内含する
。
【０１３８】 図１３を参照すると、改質物が入口８４で反応装置１３内に入るにつれて、こ
れはディフューザ８８を通って中央マニホルド第１ゾーン９１内に導かれる。選
択可能には、ディフューザ８８は反応装置から削除されてよい。
【０１３９】 作動中、改質物流は当初第１の圧力（Ｐ1）及び温度（Ｔ1）で入口へと送り出
されるが、直ちに、ディフューザ８８を通って第１ゾーン９１内に入った時点で
第２の圧力（Ｐ2）までの圧力降下（△Ｐ）を受ける。この点における改質物の
温度は当初影響を受けない。しかしながら、圧力は、標準的に約９３℃（２００
°Ｆ）〜約２６０℃（５００°Ｆ）の範囲内の温度をもつ第１ゾーン９１の第１
の壁９２を通って改質物流を強制供給するのに充分なものである。改質物は、複
数の流路内で第１のゾーン９１から半径方向に走行するにつれて、第１ゾーン９
１に隣接する反応装置１３内の第２のゾーン９４の触媒床９５内に入る。
【０１４０】 改質物流が触媒床９５と遭遇し第２のゾーン９４を通って同じ全体的発散方向
に続行していくにつれて、この流れの一酸化炭素は以下の反応により二酸化炭素
へと酸化される。 ＣＯ＋１/２ Ｏ2−ＣＯ2 充分な酸化を起こすのに必要な酸素は、流入改質物との混合物として提供され
てもよいし或いは又、流入空気ライン１４１を介して反応装置１３に導入されて
もよい。さらに、一酸化炭素との反応のための酸素の補充が必要となる場合は、
２次的空気入口を具備して所望の量の空気を反応装置１３内に導くことが可能で
ある。これらの入口は、触媒床９５全体にわたり改質物に充分な酸素供給を確保
する上で一助となる。
【０１４１】 ２次的空気が第２のゾーン９４に入るにつれて、それは当然触媒床９５全体に
わたり拡散し、ここで前述の反応に従って選択触媒により吸着された一酸化炭素
と反応する。
【０１４２】 一酸化炭素の酸化はさらに、好ましくは約２０℃〜約１７０℃までの所望の範
囲内に触媒床の温度を維持することによって促進される。より高い温度は、より
速い反応速度を結果としてもたらし、より小容量の反応装置の使用を可能にする
と同時に、上述の好ましくない副反応（２）及び（３）をも促進する。当該反応
装置１３は好ましくは等温である。
【０１４３】 好ましい装置（システム）のＰｒＯｘ 反応装置１３は、第２ゾーン９４内で
触媒を能動的に冷却するための手段を具備する。好ましい手段が図１３に示され
ている。触媒床９５全体にわたり２重らせん構成となった水／蒸気管９７は、触
媒床９５との連続的な熱交換を提供する。 すなわち、適切な供給源からの水流がＰｒＯｘ 反応装置１３の水入口８６を
通して管９７の中に連続的に圧送される。冷却液は水／蒸気管９７を通って流れ
この管９７と接触状態にある触媒床９５から熱を取り出し、水出口８７で反応装
置１３から放出される。水／蒸気管９７は好ましくは、熱交換をさらに助けるた
め３０４ＳＳといったような非常に優れた導電性をもつものの非反応性の金属で
作られている。単らせん構成、長手方向構成及び第２ゾーン９４又は触媒床９５
全体に散在しているボイラー管を結果としてもたらすその他のあらゆる構成を含
め（ただしこれらに制限されるわけではない）、触媒床を能動的に冷却するため
には、いくつかのその他のボイラー管配置も適当であることを理解すべきである
。同様に、第２ゾーン９４内に入る前に改質物を能動的に冷却するために第１ゾ
ーン９１内に水／蒸気管９７を延長することができるということも理解すべきで
ある。
【０１４４】 能動的冷却手段の水出口８７から放出する加熱済み水／蒸気は、装置（システ
ム）１０内のその他の場所でも使用可能である。例えば、付加的細管が、シフト
反応ゾーン７２内で使用される熱交換器に水出口８７を連結することができる（
図６参照）。このような使用においては、加熱済み水／蒸気からの熱は、シフト
反応ゾーン７２内で散逸させられて、反応装置１２の温度を所望の高温範囲内に
まで上昇させ維持する一助となることができる。
【０１４５】 あらゆる場合において、改質物流は、第２ゾーン９４内を通過した後、第２ゾ
ーン９４の外部範囲を規定する第２の金属（ステンレス鋼）スクリーン壁を通過
して放出流の中に入る。ここで再び図１３を参照すると、改質物はこのとき、環
状放出流路９９内に入り、ここで改質物出口８５に向かって導かれる。この時点
で改質物流内の一酸化炭素濃度は約５００ppmを超えてはならない。改質物の組
成のためにはさらに低いことが好ましいが、これには水素、二酸化炭素，水及び
窒素も内含されている。
【０１４６】 装置（システム）構成は、変化する電力必要条件に応えて行なわれる。改質物
の流量の変動に対処するため、一酸化炭素濃度を酸化するのに用いられる酸素の
動的制御を有するＰｒＯｘ 反応装置１３（ 図１４に示されているような第２の
ＰｒＯｘ 反応装置１３′を含めた）を内含することができる。前述したように
、酸素対一酸化炭素の比率は、上述の反応（１）に基づいた化学量論的に平衡化
された範囲内に維持されなくてはならない。好ましくは、酸素対一酸化炭素比は
約１：４〜１：１の間、ただし最も好ましくは約１：２である。
【０１４７】 適切な混合比を維持するため、反応装置は、流れの中の一酸化炭素の相対量を
決定するための手段を内含することができる。この手段は、赤外線一酸化炭素セ
ンサー１４２によって提供される。図２４に示されているような一酸化炭素セン
サー１４２は、チラー凝縮器１０５の後にインラインで設置可能である。この位
置が好まれるのは以下の理由からである：（１）改質物流内の水は赤外線センサ
ーと干渉する可能性がある；（２）流れの温度は、この点でチラー凝縮器により
すでに冷却されており、従ってセンサーの設置のためにより適している；及び（
３）一酸化炭素濃度は過度に低くなく、そのため、良質の信号対雑音比の可能性
がさらに高くなる。
【０１４８】 センサー１４２を使用する場合、これを定期的に読取ってＰｒＯｘ 反応装置
１３を流出する一酸化炭素の濃度を決定することができる。ＰｒＯｘ 反応装置
１３内に入るにつれて又は代替的には第２のＰｒＯｘ 反応装置１３′内に入る
につれて、所望の酸素対一酸化炭素比を生み出すべく改質物流に対し一定量の酸
素を添加するための手段を制御するための１つの制御スキームを利用することが
できる。
【０１４９】 さらに、センサー１４２は、一酸化炭素濃度の変動に基づいて流れに添加され
つつある酸素含有ガスの量を自動的に調整するための手段の利用を可能にする。
【０１５０】 これとは別に、一酸化炭素の濃度を直接監視する代りに（又はそれに加えて）
、濃度を決定するための手段は間接的なものであってもよい。例えば、一酸化炭
素の相対濃度を表示できる少なくとも１つの第１のパラメータを監視するための
手段を提供することが可能である。これには、供給源によって生成されるものと
通常予想される一酸化炭素の量に基づいて所望の酸素量を計算すること及びこれ
らの計算された予想値に基づいて酸素流量を調整することが含まれる。一酸化炭
素濃度を決定するための考えられる方法には、優先酸化反応装置又は改質反応装
置内の圧力変化を決定すること、優先酸化用反応装置又は改質反応装置内の温度
変化を決定すること、そして、一酸化炭素の変動をひき起こすものとしてわかっ
ている事象からの時間を測定することが含まれる。
【０１５１】 当該装置（システム）の更に別の実施形態は、変動する需要を異なる形で取り
扱っている。かかる実施形態には、２原子水素よりも優先した一酸化炭素の酸化
のための触媒を有する第１の触媒床９５ａ及び２原子水素よりも優先した一酸化
炭素の酸化のための触媒を有する第２の触媒床９５ｂをもつＰｒＯｘ反応装置１
３″を内含している。作動中、改質物導管２０″内の第１のマニホルド９１″が
、第１又は第２の床９５ａ又は９５ｂのうちのいずれか１方又は改質物源流量の
増大の場合には付加された流量に対処するべくその両方を通して流れを任意に導
くため、改質物源（すなわち反応装置１２）に対し並列に第１及び第２の触媒床
９５ａ及び９５ｂの両方を連結している。
【０１５２】 好ましくは、動的改質物流量は、適切に位置づけされた流量計といったような
、供給源からの改質物の流量を監視するための手段によって検出される。マニホ
ルドは、このとき、改質物流量の変動に応えて触媒床のいずれか１方又は両方を
通って改質物の流れを導くべく、監視用手段に応答するように設計される。
【０１５３】 供給源と関連して、かつ供給源からの改質物の対応する流量変化をひき起こす
ことになる供給源の作動パラメータの変化を表示する１つの信号が、流量計から
送信される。問題の作動パラメータには、需要、需要の減少、加速、減速、始動
、停止、燃料変更、供給源の熱変動、燃料入力、蒸気入力などが含まれると考え
られる。
【０１５４】 単一又は二重段階ＰｒＯｘのいずれかに関して、改質物は、装置（システム）
のいずれかのＰｒＯｘ反応装置段を流出するにつれて、適切な場合、当該技術分
野において既知のとおり発電に使用するため図２に例示されている通り、ＰＥＭ
燃料電池１５へと導かれ得る。これとは別に、改質物が燃料電池内で使用するの
にまだ適していない場合には、この流れはさらに、燃料電池の作動に影響を及ぼ
しうる化合物が「除去」されてもよいし、又は、始動において形成された改質物
の場合には、製品流の質が受容可能なレベルに達するまで補助反応装置内で燃焼
されてもよい。
【０１５５】 再び図２を参照すると、燃焼は、ＰｒＯｘ反応装置１３をＰＥＭ−燃料電池１
５に連結する吐出ライン１４３によってのみならず、バルブ１４５により制御さ
れ補助反応装置１４に連結された分岐導管１４４を有することによって可能とな
る。始動時点で、バルブ１４５は、ＰｒＯｘ反応装置１３からの製品流を導管１
４４に導き、場合によっては補助反応装置１４内にこれを放出し、そこでこれは
完全に燃焼し尽くされる。始動の直後に、酸化済み改質物を燃焼し尽すことによ
り、ＰＥＭ−燃料電池１５の被毒は最小限におさえられる。このプロセスは、始
動時点で改質装置１２の蒸気改質チャンバ３５及びシフト床３６及び３７及びＰ
ｒＯｘ反応装置１３の触媒床９５が炭化水素／改質物流を完全に改質、シフト又
は酸化するのに必要な温度に達していなかったために使用されるものである。そ
の結果は、一酸化炭素又はその他の燃料電池毒を高濃度で有する改質物である。
【０１５６】 好ましいＰｒＯｘは、適切な作動について制御されなくてはならない２つの空
気流、１つの水流及びファンを有する。空気流制御は、好ましくは、空気流質量
センサー１４６を用いて空気流量を測定する閉ループシステムであり、比例ソレ
ノイドバルブを用いて流量を制御する（図２４）。
【０１５７】 第２のＰｒＯｘ反応装置１０１（図１５参照）の入口温度は、直交流形熱交換
器１０５全体にわたり空気流量を変動させることによって制御できる（図１９）
。温度は、上述の通り、第２のＰｒＯｘ反応装置１０１の直前に改質物ライン内
に位置設定された熱電対を用いて測定することができる。空気流量は、従来の速
度制御ＰＷＭ駆動機構（図示せず）を伴って少なくとも１つのファンによって提
供され得る。
【０１５８】 Ｆ．補助反応装置 図２０の第１の好ましい実施形態の作動中に、燃料電池１５からの排気陽極ガ
スが入口管１３０内に導かれ、バーナーアセンブリ１２１のバーナーチャンバ１
２２内で予熱され、ガスが空気と混合する触媒１１０の上流側の第１のチャンバ
１０７内に誘導される。
【０１５９】 燃料電池の排気ガスが第１のチャンバの中を通過するにつれて、加熱された燃
料流及び白金（Ｐｔ）触媒１１０の組合せは、排気ガスの触媒酸化をひき起こす
。残留排気ガスは次に図２０を参照して、第１のチャンバ１０７の出口端部１０
９を通って第２の環状チャンバ１１２内へと導かれる。第２の環状チャンバ１１
２の設計は、第１のチャンバ１０７内の排気ガスの流れの方向に対し向流となる
形で第１の環状サブチャンバ１１４を通して下向きに燃焼済み排気ガス流を導く
ものである。第１の環状サブチャンバ１１４の端部では、流れは、第１の環状サ
ブチャンバ１１４内のガス流の方向と向流になる形で第２の環状サブチャンバ１
１５を通って上向きに再び導かれる。第２の環状サブチャンバ１１５の反対側に
位置設定されているのは、残留排気ガスを大気内に放出できるようにする排気出
口１５２である。
【０１６０】 第２の環状サブチャンバ１１５内に内含されているのは、第２の環状サブチャ
ンバ１１５の長さだけ延びるらせん管１３１である。このらせん管１３１は、水
の流れを可能にするように構成されている。第２の環状サブチャンバ１１５を通
って上向きに流れる燃料電池排気流は、二相の水／蒸気混合物の形成を助けるべ
くらせん管内にある水と熱交換する。らせん管１３１は、改質装置１２（図６）
のＬＴＳ床３６のために必要とされる水／蒸気を提供するため導管１３２を介し
て改質装置１２の水／蒸気ライン３９（図２及び２３）に連結される。よりコン
パクトな反応装置設計が必要とされる場合には、好ましくは銅で構成された複数
のフィン１３３が、らせんコイル１３１の全長にわたり予め規定された間隔で置
かれる。これらのフィン１３３は、加熱済み排気ガス流とらせんコイル１３１内
の水の間の熱交換を増強するべくらせんコイルの円周から半径方向に延びている
。
【０１６１】 バーナーアセンブリ１２１の反対側の反応装置１４の端部に位置設定されてい
るのは、未改質燃料を反応装置１４内に導入できるようにする未改質燃料入口１
０８である。未改質燃料はそれぞれ第１及び第２の環状サブチャンバ１１４及び
１１５を通る燃料電池排気ガスの流れと恒常熱交換関係で第３の環状壁１１３内
に構成されたＵ字形導管１２０を通って導かれる。Ｕ字形導管１２０の前半部分
すなわち第３の環状サブチャンバ１１８を通る未改質燃料の流れは、第１の環状
サブチャンバ１１４を通る燃料電池排気ガスの流れと平行であり、Ｕ字形導管１
２０の後半部分すなわち第４の環状サブチャンバ１１９を通る未改質燃料流は、
第２の環状サブチャンバ１１５を通る燃料電池排気ガスの流れと平行である。結
果として行われる排気ガスから未改質燃料への熱交換は、燃料ライン１７を介し
て改質装置１２内に導入するために未改質燃料を予熱する。好ましくは、Ｕ字形
導管１２０の両半分すなわち第３の環状サブチャンバ１１８又は第４の環状サブ
チャンバ１１９のいずれかの中には、中を通る未改質炭化水素燃料を脱硫するた
め、亜鉛含有触媒が設置される。
【０１６２】 補助反応装置１４は、燃料電池１５内で消費されなかったＰｒＯｘからの排気
を燃焼させるのに使用される。こうして、エミッション（ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ）
をほぼゼロに維持することが可能となる。余剰の熱は、蒸気を生成するために用
いられる。従って、制御戦略の全体的最終目標は、陽極排気内の可燃物を燃焼さ
せ、蒸気生成を最大限にし、エミッションを低く保つのに充分高い温度に触媒１
１０を保つことにある。これを達成するためには、補助反応装置１４が、希薄状
態でかつ約５５０℃（約１０００°Ｆ）〜約８００℃（約１４７０°Ｆ）の温度
範囲で作動できるようにしておく必要がある。これを行なう１つの方法は、補助
反応装置１４のための所望の温度及び余剰酸素レベルを設定することにある。オ
キシダント（酸化剤）流量は、所望の温度を維持するべく触媒１１０内の温度に
基づいて調整可能である。装置（システム）の作動に変更が加えられるにつれて
、酸素センサー１４８がこれらの変更を検出し、又希薄状態での作動を確保する
ためオキシダント流量も調整することになる。
【０１６３】 図２１を見ればわかるように、第２の好ましい実施形態の作動においては、燃
料電池１５からの排気陽極ガスは入口管２３０内に導かれ、バーナーチャンバ２
２２内で予熱され、白金（Ｐｔ）触媒２１０の上流側の第１のチャンバ２０７内
に導かれる。燃料電池排気ガスが第１のチャンバ２０７を通過するにつれて、加
熱済み燃料流と白金（Ｐｔ）触媒２１０の組合せは、排気ガスの触媒酸化をひき
起こす。このとき残留排気ガスは、図２１に示されているように、第１のチャン
バ２０７の出口端部２０９を通って、第２の環状チャンバ２１２内に導かれる。
第２の環状チャンバ２１２の設計は、第１のチャンバ２０７内の流れの方向に対
し向流となる形で上向きに燃焼済み排気ガス流を再度導くものである。第２の環
状チャンバ２１２の反対側に位置設定されているのは、残留排気ガスを大気内に
放出できるようにする排気出口２５２である。
【０１６４】 第２の環状チャンバ２１２を通って上向きに流れる燃料電池排気流は、二相の
水／蒸気混合物の形成を助けるべく第１のらせん管２３１内にある水／蒸気と熱
交換する。第１のらせん管２３１内の二相の水／蒸気混合物は次に、反応装置１
４の外部の導管２３３を介して第２のらせんコイル２３２まで導かれる。第１の
チャンバ２０７内の付加的な熱はさらに、第２のらせんコイル２３２内の二相の
水／蒸気混合物まで伝達されて、蒸気形成をさらに促進する。第２のらせん管２
３２は、ＬＴＳ床３６（図６）が必要とする蒸気を提供するべく、改質装置１２
の水／蒸気ライン３９（図２３）に連結される。
【０１６５】 図２２に見られるような第３の好ましい実施形態は、燃料電池１５からの排気
陽極ガスを入口管３３０内に導き、バーナーチャンバ３２２内で陽極排気ガスを
予熱し、この排気ガスを白金（Ｐｔ）触媒３１０の上流側の第１のチャンバ３０
７内に導く。燃料電池排気ガスが第１のチャンバの中を通過するにつれて、加熱
された燃料流及び白金（Ｐｔ）触媒３１０の組合せは排気ガスの触媒酸化をひき
起こす。残留排気ガスは次に図２２に示されているように第１のチャンバ３０７
の出口端部３０９を通って、第２の環状チャンバ３１２内へと導かれる。第２の
環状チャンバ３１２の設計は、第１のチャンバ３０７内の流れの方向に対し向流
となる形で上向きに燃焼済み排気ガス流を再度導くものである。第２の環状チャ
ンバの反対側に位置設定されているのは、残留排ガスを大気内に放出できるよう
にする排気出口３５２である。
【０１６６】 第２の環状チャンバ３１２を通って上向きに流れる燃料電池排気流は、二相の
水／蒸気混合物の形成を助けるべく、らせん管３３１内にある水／蒸気と熱交換
する。らせん管３３１は、ＬＴＳ床３６（図６）が必要とする蒸気を提供するべ
く、改質装置１２の水／蒸気ライン３９（図２３）に連結される。
【０１６７】 Ｇ．定常制御 ひとたび始動が完了し燃料電池１５がオンライン状態になった時点で、装置（
システム）１０の制御はより容易になる。定常作動中の各サブシステムの制御に
ついての記述が、特に図２７及び２８を参考にして、以下で行なわれている。作
動中いつでも、臨界プロセス変数値を上限及び下限に対しチェックすべきである
。いずれかの値がこれら限界を逸脱している場合、警報がひき外しされてオペレ
ータに通知する。
【０１６８】 １．改質装置 改質装置１２はひとたび好ましい作動温度になった時点で、ＰＯｘチャンバ３
４及びＨＴＳ床３７の両方の中で所望の電力、当量比（ｅｑｕｉｖａｌｅｎｃｅ
ｒａｔｉｏ）及び蒸気対炭素比を維持することにより制御される。温度は、空
気流量ひいては当量比をわずかに調整することで所望の設定値に保持されなくて
はならない。蒸気改質装置退出温度を調整するためには、ＰＯｘチャンバ温度設
定値を調整することができる。ＰＯｘ蒸気対炭素は、蒸気流量を制御するべく制
御バルブ１５５を用いて維持される。装置（システム）は、内部的に必要とされ
る残留蒸気を生成するように設計されており、この余剰分は、背圧調節装置１４
０を通ってＨＴＳ床３７に補給される。
【０１６９】 ２．ＰｒＯｘ反応装置 第１のＰｒＯｘ反応装置１３内の酸素対一酸化炭素比は、装置（システム）１
０を特徴づけするために従来行なわれる初期テストから経験的に決定される固定
数であるべきである。充分な空気が存在することを条件として、第１のＰｒＯｘ
反応装置１３の設計は、改質物入口８４の一酸化炭素が変動する状態で一酸化炭
素出力が比較的定常であるようなものでなくてはならない。装置（システム）１
０のためのオンライン分析装置が全く存在しない場合には、酸素−一酸化炭素比
を、定常状態入口一酸化炭素の上限を報告する（ａｃｃｏｕｎｔ）ように設定す
ることができる。第２のＰｒＯｘ反応装置１３′のための酸素対一酸化炭素比は
、触媒床９５を通しての一定の温度上昇及び１０ppm未満の出口一酸化炭素濃度
を維持するように調整されるべきである。
【０１７０】 ３．補助反応装置 補助反応装置１４は、定常作動中に燃料電池１５内で消費されなかったもの全
てを燃焼し尽すのに用いられる。これにより、エミッションをほぼゼロに維持す
ることができる。余剰の熱は蒸気を生成するために使用される。従って制御戦略
の全体的最終目標は、陽極排気内の可燃物を燃焼させるのに充分なだけ高い温度
に触媒を保ち、蒸気生成を最大限とし、エミッションを低く保つことにある。同
時に、触媒に対する温度上限は回避されなくてはならない。これを達成するため
には、補助反応装置１４が希薄状態でかつ約５３８℃（１０００°Ｆ）〜約７９
９℃（１４７０°Ｆ）の温度範囲内で作動しているよう保証することが必要であ
る。これを行なう１つの方法は、補助反応装置１４についての所望の温度及び当
量比を設定することにある。オキシダント流量比は、所望の温度を維持するべく
、触媒内の温度に基づいて調整され得る。装置（システム）の作動に変更が加え
られるにつれて、酸素センサー１４８は、これらの変更を検出しなければならず
、その後空気流量は、希薄状態での作動を確保するべく調整されることになる。
陽極排気中の水素温度が著しく変動する場合、当量比決定点を変動させることが
必要であるかもしれない。
【０１７１】 ４．水／蒸気 定常状態で、ポンプ速度ひいては水流量は、生成されつつある合計蒸気に基づ
いて制御される。当該実施形態においては、ＰＯｘチャンバ３４及びＨＴＳ床３
７に添加される蒸気は、一緒に添加され、安全係数が乗じられる。これが、水流
量のための設定点となり、かくして加熱状態の回避が保証される。加熱状態が発
生した場合、蒸気温度が飽和温度に戻るまで付加的な水を添加するべく、安全係
数を自動的に測定する。１つの代替的アプローチが、燃料入力に基づく作動マッ
プに従って、必要な水流量を決定する。
【０１７２】 Ｈ．過渡現象制御 過渡現象条件の間、改質装置（システム）１０の制御は、過度の温度、高い一
酸化炭素濃度及びその他のエミッションを防止するため、改質装置（システム）
１０の制御をわずかに修正しなければならない。以下の開示は、過渡現象条件中
の各サブシステムの制御最終目標の全般的記述が含まれている。
【０１７３】 １．蒸気発生−全般 概観すると、本発明に従うと、装置（システム）１０は、必要な蒸気発生要素
と熱制御要素を一体化している。例えば、シフト床の温度は、蒸気発生装置（シ
ステム）（又は蒸気ループ）との熱交換により影響を受ける。同様に改質物温度
は、高温シフト反応と結びつけられた蒸気の添加による影響を受ける。改質物か
らの蒸気凝縮及び水の分離は、優先酸化に利するように改質物の冷却として一体
化されている。
【０１７４】 同様に、本発明に従うと、蒸気発生は装置（システム）１０内で独特のやり方
で、後続する負荷需要及び高速始動といったような動的（例えば過渡的）作動を
担当するプロセス及び装置と一体化されている。装置（システム）の全体的熱平
衡及び動的応答制御に関してのその他の利点及び形態が、本書において以下で開
示される。
【０１７５】 図２８は、動的制御のための装置（システム）１０制御スキームを開示してい
る。この制御設計及びプロセスは、装置（システム）上の負荷が動的である、す
なわち水素富化ガスに対する需要が変動する数多くの用途のために利用可能であ
る。例えば、輸送用燃料電池の利用分野は、車両の加速及び減速を必要とし、こ
れは、装置（システム）内に一体化された場合装置（システム）からの動的応答
をひき起こすことになる。より重要なことに、迅速な応答に対するニーズが求め
られることになり、本発明に従うと、開示されている装置（システム）はかかる
ニーズを満たすことができる。
【０１７６】 一般に、プロセスには、定常作動のため改質反応装置１２に対し第１の流量（
ｒａｔｅ）で炭化水素燃料及び酸素を供給する段階が含まれている。補助反応装
置１４及び低温シフトゾーン３６内での熱交換によって生成される蒸気も同様に
、定常性能のための第１の流量（ｒａｔｅ）で反応装置１２に供給される。補助
反応装置１４を内含する蒸気ループ１６において定常圧力が存在する状態で、低
温シフト床３６内の熱交換管３９及び蒸気分離器１０５は、約０．８９６MPa（
１３０psi）の圧力に保たれる。水素の需要に増減いずれかの変化が起こった時
点で、装置（システム）は炭化水素燃料及び蒸気の各々の供給流量（ｒａｔｅ）
を第２の供給流量へと変更する。蒸気需要の変化は、ループ蒸気圧に直ちに変化
をもたらす。本発明に従うと、蒸気圧は、受容可能な範囲内で変化できる。装置
（システム）設計のさまざまな形態がこのことならびにループ１６の蒸気圧のか
なり急速な回復を可能にしている。
【０１７７】 好ましくは、蒸気圧がその中で変化できる受容可能な範囲は、約１．３８MPa
（２００psi）であるが、より好ましくは約１．０３MPa（１５０psi）である。
換言すると、装置（システム）１０のための蒸気圧は、過渡的作動中、約０．３
４５MPa（５０psi）から約１．３８MPa（２００psi）の間で変動することができ
る。
【０１７８】 例えば、装置（システム）１０上の需要が増大した場合、包括的に図２８にコ
ントローラ（Ｃ）として描かれている燃料電池といったようなデバイスから制御
信号が送られることになる。この信号に基づいて、直接的比例信号が、空気供給
バルブ（ＡＶＩ）炭化水素燃料供給制御バルブ（ＦＶＩ）まで送られ、各々の流
量を増大させる。
【０１７９】 同様に、制御信号に応えて、両方の蒸気バルブ（ＳＶ１）及び（ＳＶ２）はそ
れぞれ、燃料蒸気混合物に対する蒸気の供給を増大させるため、及び高温シフト
反応に入る前に改質物に対する蒸気供給を増大させるために調整される。本発明
の１つの形態に従うと、これらの成分の両方の供給は、過渡的応答の間約３とい
う定常状態蒸気対炭素比であってよく、又好ましくはこの比率に保たれる。
【０１８０】 装置（システム）１０は二相加圧蒸気を利用するという事実に起因して、蒸気
分離器１５１からの追加の蒸気の送出しは、数分の１秒以内に起こり、１〜数ミ
リセカンド前後で送り出すことができる。すなわち、バルブ（ＡＶ１）及び（Ｆ
Ｖ１）が供給を増加するように調整された場合の圧力降下の時点で、この圧力降
下は、二相混合物の水の中の潜熱により即刻の蒸気発生をひき起こす。装置（シ
ステム）応答は同様に、本発明に従うと、低温シフト及びＰｒＯｘ触媒床内の熱
交換器（ＨＥ）からのほぼ即刻の（ミリセカンド単位）蒸気生成によっても著し
く援助される。これらの熱交換器内の水の中には潜熱が存在するのみならず、触
媒及び反応装置質量によって提供される比較的大きいヒートバッファが存在する
。これらの熱交換器からの蒸気は、いつでも１〜数ミリセカンド以内に供給でき
る状態にあると考えらている。
【０１８１】 制御信号に応えて、バルブ（ＡＶ２）は、補助反応装置１４への空気流量を増
大させるように調整される。酸素センサー１４８は、酸素濃度が設定点よりも高
いことを検知し、補助反応装置１４に対する燃料を増大させるためにバルブ（Ｆ
Ｖ２）の制御応答を作動させる。その結果が、追加の蒸気発生である。酸素セン
サー１４８は、補助反応装置１４に対する燃料供給を限度内に保つことをひきつ
づき試みる。その間、改質装置１２とＰｒＯｘ１３内の補助反応装置１４と熱交
換器（ＨＥ）が蒸気を発生し続けるにつれて、圧力はその望ましい０．８９６MP
a（１３０psi）まで戻り始める。本発明の１形態に従うと、相乗的に、改質装置
及びＰｒＯｘによるさらに高い出力は、蒸気発生に対するその貢献度を高める。
ひとたび新しいパワー又は燃焼速度（ｒａｔｅ）になると、装置（システム）１
０の温度も同様に、設計によって提示された追加の熱交換に起因する進展した蒸
気供給量のため、より良く平衡化する傾向にある。
【０１８２】 図２８において開示されているように、制御信号（ＣＳ）に対する空気バルブ
（ＡＶ２）の応答は間接的である。制御信号（ＣＳ）はまず最初に査定され、コ
ンピュータメモリルックアップテーブル（ＬＴ）内の予め決定された値に従って
、適切な補助反応装置の燃焼速度（ｒａｔｅ）が決定され、二次的制御信号がバ
ルブ（ＡＶ２）に送られる。しかしながら、圧力が望ましい０．８９６MPa（１
３０psi）まで戻りつつある間に、空気供給を下向きに調整するべく圧力計（Ｐ
Ｇ）により検知された圧力値に従って補足的トリム制御信号（ＴＳ）が空気バル
ブ（ＡＶ２）に送られる。ここでも又、酸素センサー１４８は、検知された空気
の減少に従って燃料を低減させることになる。
【０１８３】 本発明の別の形態に従うと、このトリミングプロセスは、制御信号がコントロ
ーラ（Ｃ）から送られるか否かとは無関係に起こる。このトリミングプロセスは
、装置（システム）効率の変化及び周囲温度変化といったその他の要因によって
ひき起こされた装置（システム）の熱平衡を維持する一助となる。
【０１８４】 部分的酸化反応の熱安定性がセンサー（熱電対）１４９に応答して生成される
ＰＯＸトリム信号（ＴＳ）によって制御されるということに留意すべきである。
このトリム信号はＰＯｘに対する空気流量を、部分酸化反応内の反応物の温度に
基づいて調整する。好ましくは、このトリム信号は、コントローラ（Ｃ）からの
制御信号とは無関係に生成され得る。
【０１８５】 同様に、本発明のもう１つの形態に従うと、部分酸化ゾーン及び下流側の蒸気
改質ゾーンのサイズ決定は、水素需要の非常に大幅な増大又は高い定常需要のい
ずれかによってひき起こされる高い体積流量が、はるかに高い混合速度及びガス
の渦流をＰＯｘチャンバ内で上向きに勢いよく広がるようにさせ、このことがそ
の効率及び熱出力を上昇させることになるようなものであり得る。幾分か高い流
量レベルでは、有意なレベルでの部分酸化は、蒸気改質用触媒によって促進され
始める。
【０１８６】 同様に、本発明のその他の形態を例示するため、需要の減少を考慮することも
有用である。水素需要がターンダウン時点で、制御信号が生成され、上述のとお
りに送られる。バルブ及び制御機構は全て、正に上述したとおりに、ただし、さ
まざまなコンポーネントに供給される空気、燃料及び蒸気を減少させるように応
答する。圧力は再び上昇できるが、好ましくはこの実施形態においては１．３８
MPa（２００psi）を超えない。装置（システム）は再び平衡に戻る。しかしなが
ら、減少に伴って直面する難題は、過剰の蒸気及び／又は熱エネルギーをどうす
るかにある。装置（システム）１０は、補助反応装置及び蒸気ループよりも著し
く高い熱質量をもち得る改質装置１２及びＰｒＯｘ反応装置１３により、蒸気の
一部分のみが生成されるような形で設計されサイズ決定されている。装置（シス
テム）１０の好ましい実施形態においては、蒸気発生のために必要とされる熱エ
ネルギーのわずか約半分だけが補助反応装置１４によって供給される。その他の
実施形態においては、熱エネルギーの異なる平衡が必要である可能性がある。同
様に、熱交換が補助蒸気発生器と連結された管ボイラを用いて行なわれるという
事実は、共に、例えばプールボイラーの場合に比べ水及び蒸気の合計質量がより
小さくなることを可能にしている。こうしてターンダウンの後に生成された過剰
の蒸気量の減少を可能にする。又ターンアップシナリオで蒸気発生におけるかか
る急速な応答を可能にするのも同様に、（１）管熱交換器（ＨＥ）及び（２）装
置（システム）全体の各々におけるこの水質量に対する触媒質量の比較的低い比
率である。
【０１８７】 もう１つの有意な過渡現象は始動である。１つの形態に従うと、本発明は、始
動時点で、補助反応装置１４が蒸気発生のため始動させられることを規定してい
る。この蒸気は本書で論述するように、触媒床３６及び３７を通って経路指定さ
れる。このことにより有利にも、これらの反応装置は、その他の場合に比べて始
動後早いうちに一酸化炭素生成に対処することができる。こうして、燃料電池１
５といったような負荷に対して受容可能な水素富化流をより早期に送出すことが
可能となる。
【０１８８】 ２．改質装置 過渡現象の間、改質装置１２の最終目的は、ＰＯｘチャンバ３４内の蒸気対燃
料比ならびに全体的蒸気対燃料比及びＰＯｘチャンバ内の温度を維持しながらで
きるかぎり迅速にパワーを変更することにある。このことは、一酸化炭素濃度に
おける大きなスパイク（棘波）をことごとく防止する一助となる。過渡条件中の
改質装置１２の制御の１つのコンポーネントは、燃料、空気及び蒸気の流れが全
て互いに追従し合うということである。空気が新たな定常点に達するのに必要な
時間は、過渡現象の速度に直接影響を及ぼすことになる。空気の変更に対する要
求が送られた時点で、改質装置１２全体がこの変更が発生するのを待たなければ
ならない。空気流が望ましい流量まで増減させられるにつれて、燃料流量は、設
定された比率（好ましくは、改質装置１２内で約１.５蒸気対炭素で、ＨＴＳ床
３７には直接さらに１.５が付加される）を維持するためこの変化を追従しなけ
ればならない。ＰＯｘに対する蒸気流量は、所望の蒸気−炭素比を維持するため
、燃料流量に追従する。過渡条件がひとたび完了すると、ＰＯｘチャンバ３４内
で蒸気対炭素比を維持するための自動制御が再開され得る。
【０１８９】 装置（システム）１０内のパワーを増大させる場合、蒸気装置（システム）内
で調整が行なわれないかぎり、ＨＴＳ床３７内の蒸気対炭素比は、（システムが
直ちに蒸気生成を増大させないことから）、下降する確率が最も高くなる。全体
的蒸気対炭素比が下降すると、一酸化炭素は改質装置１２の出口で増大すること
になる。これを防ぐためには、ＨＴＳ床３７内への追加の蒸気を許容するべく蒸
気ループ内の圧力設定点を低下させることが必要となっても良い。この調整は、
改質装置１２を流出する一酸化炭素濃度における任意のスパイク及び過渡条件中
にＰｒＯｘ反応装置１３が必要とする追加空気を最小限におさえるのを助けるこ
とができる。圧力はこのとき、蒸気生成が新たなパワーで増大したため公称値ま
で漸進的に再び増大するはずであり、全体的蒸気対炭素比は再び上昇し始める。
明らかに蒸気ループにおける圧力の調整は、装置（システム）が頻繁に過渡条件
に入る場合、最良の解決法ではない。このようにして潜在的には、蒸気圧力の損
失及び触媒床温度の低下が結果としてもたらされる可能性がある。この場合、補
助反応装置バーナーチャンバ１２２を再び点火し、付加的な蒸気を生成して蒸気
ループ圧力を維持することが必要となっても良い。
【０１９０】 ３．ＰｒＯｘ反応装置 蒸気制御が改質装置内で維持されている場合、過渡現象中のＰｒＯｘ空気流量
は、改質物流の変化を設定された酸素対一酸化炭素比に維持するように調整すべ
きである。蒸気流量の損失が発生し一酸化炭素レベルの上昇が発生した場合、Ｌ
ＴＳ床流出一酸化炭素濃度レベルがその定常値に戻るまで、増大した量の空気を
与えるため、第１のＰｒＯｘ反応装置１３内の酸素対一酸化炭素比を時間との関
係においてマッピングすることができる。かかるマップは、どこでオンライン分
析装置が利用可能であるかを経験的に決定するために使用できる。ＰｒＯｘ反応
装置１３′のための酸素対一酸化炭素比は、第１のＰｒＯｘ１３からの一酸化炭
素出口が過渡現象中に変化しないことから、調整の必要がない。
【０１９１】 ４．補助反応装置 過渡条件中の補助反応装置１４の制御は、定常状態中の制御と類似している。
より多く又はより少ない陽極排気が補助反応装置１４に達するにつれて、酸素セ
ンサー１４８はこの変化をピックアップし、装置（システム）１０内への空気流
量を調整する。陽極排気中の水素濃度が著しく変化した場合、補助反応装置１４
のための当量比設定点は、所望の温度を維持するべく相応して調整されることに
なる。
【０１９２】 ５．水／蒸気 燃料処理装置（システム）内の蒸気を維持することは装置（システム）１０の
性能にとって非常に重要であることから、装置（システム）１０内への水流量の
適切な調整も同様に極めて重要である。パワーの増減は、蒸気生成の増減を結果
としてもたらし、水流量はそれに応じて変化するはずである。しかしながら、Ｐ
Ｏｘチャンバ３４及びＨＴＳ床３７内への蒸気流量は、この変化より遅れること
になる。代替的には、異なるパワーでどんな水流量が存在するかを経験的に見積
り、過渡現象の間、蒸気の合計流量に依存するのではなくこの情報を使用するこ
とが必要となっても良い。
【０１９３】 特定的な実施形態について例示し記述してきたが、本発明の精神から逸脱する
ことなく数多くの修正が可能であり、保護範囲は、添付の請求の範囲によって制
限されるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、選択されたサブシステムの相互の関係を示す、本発明の装置（システ
ム）の一実施形態の図解図である。
【図２】 図２は、サブシステム間の流体輸送及び流れを示す本発明の装置（システム）
の別の実施形態の図解図である。
【図３】 図３は、本発明の改質反応装置サブシステムの一実施形態の側面図である。
【図４】 図４は、図３の改質反応装置の圧力容器シェルの分解立体図である。
【図５】 図５は、図３の改質反応装置の内部保護シェルの分解立体図である。
【図６】 図６は、図３に示されている改質反応装置の側面断面図である。
【図７】 図７は、図６に示された改質反応装置の自己熱交換式改質容器の立体分解図で
ある。
【図８】 図８は、図６に示された改質装置のＰＯｘチャンバの立体分解図である。
【図９】 図９は、図６に示された改質装置の蒸気リングの上面図である。
【図１０】 図１０は、図８に示されたＰＯｘチャンバの空気入口部分の上部断面図である
。
【図１１】 図１１は、図６に示された予備混合マニホルドの断面図である。
【図１２】 図１２は、本発明のＰｒＯｘ 反応装置の１実施形態の側面図である。
【図１３】 図１３は、図１２に示されているＰｒＯｘ 反応装置の側面断面図である。
【図１４】 図１４は、図１２に示されているＰｒＯｘ 反応装置の上部断面図である。
【図１５】 図１５は、本発明の２段ＰｒＯｘ 反応装置 実施形態の図式的例示である。
【図１６】 図１６は、図１５に示されているような第二段ＰｒＯｘ 反応装置の一実施形
態の側面図である。
【図１７】 図１７は、図１６に示された第二段ＰｒＯｘ 反応装置の実施形態の側面断面
図である。
【図１８】 図１８は、平行に構成された２触媒床を有する変形ＰｒＯｘ 反応装置システ
ムの図式的例示である。
【図１９】 図１９は、ライン内のチラー凝縮器を有する二段ＰｒＯｘ配置の図式的例示で
ある。
【図２０】 図２０は、本発明の補助反応装置の一実施形態の側面断面図である。
【図２１】 図２１は、本発明の補助反応装置の別の実施形態の側面断面図である。
【図２２】 図２２は、本発明の補助反応装置のこれとは別の変形実施形態の側面断面図で
ある。
【図２３】 図２３は、本発明の水／蒸気ループ及び水／蒸気制御機構の図式的例示である
。
【図２４】 図２４は、作動制御点を示す本発明の一実施形態の図式的例示である。
【図２５】 図２５は、本発明に従った装置（システム）を通る改質物流の図式的例示であ
る。
【図２６】 図２６は、図２の装置（システム）の改質装置、ＰｒＯｘ及び補助反応装置の
ための始動手順の見本の図式的例示である。
【図２７】 図２７は、本発明の燃料電池装置（システム）の定常作動の見本の図式的例示
である。
【図２８】 図２８は、本発明の１実施形態内の改質装置、補助反応装置及び蒸気分離器の
制御点の図式的例示である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (31)優先権主張番号 ０９／５６３，６７７ (32)優先日 平成12年５月２日(2000．5．2) (33)優先権主張国 米国（ＵＳ） (31)優先権主張番号 ０９／５６５，２８８ (32)優先日 平成12年５月２日(2000．5．2) (33)優先権主張国 米国（ＵＳ） (31)優先権主張番号 ０９／５６３，６７６ (32)優先日 平成12年５月２日(2000．5．2) (33)優先権主張国 米国（ＵＳ） (31)優先権主張番号 ０９／５６２，７８７ (32)優先日 平成12年５月２日(2000．5．2) (33)優先権主張国 米国（ＵＳ） (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，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ，ＺＷ )，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ， ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ， ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，Ｃ Ｎ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ， ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，Ｋ Ｚ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ， ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，Ｓ Ｌ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ ，ＹＵ，ＺＷ (72)発明者 ボワーズ，ブライアン アメリカ合衆国，マサチューセッツ 02138，ケンブリッジ，クレイギー サー クル ５，アパートメント ＃28 (72)発明者 チンタウォー，プラシャント エス． アメリカ合衆国，マサチューセッツ 01719，ボックスボロー，スペンサー ロ ード 58 (72)発明者 クローソン，ローレンス ジー． アメリカ合衆国，マサチューセッツ 02030，ドーバー，ロッキー ブルック ロード ７ (72)発明者 クロス，ジェイムズ シー．ザ サード アメリカ合衆国，マサチューセッツ 01938，イプスウィッチ，カウンティー ロード 96 (72)発明者 デイビス，ロバート イギリス国，ケンブリッジ シービー５ ９ピーエックス，ウォータービーチ，ロー ド アベニュ 25 (72)発明者 ドーソン，マシュー エイチ． アメリカ合衆国，マサチューセッツ 02474，アーリントン，ピール ストリー ト 28 (72)発明者 ヘイガン，マーク アール． アメリカ合衆国，マサチューセッツ 02144，サマービル，リバティー アベニ ュ 103，アパートメント ＃１ (72)発明者 クリーバーグ，ガンザー アメリカ合衆国，マサチューセッツ 02420，レキシントン，イースタン アベ ニュ 46 (72)発明者 ミッチェル，ウィリアム エル． アメリカ合衆国，マサチューセッツ 02178，ベルモント，オークレー ロード 111 (72)発明者 モリソー，ブライアン ディー． アメリカ合衆国，マサチューセッツ 01801，ウォバーン，ウエスト カミング パーク 400 (72)発明者 ノウィッキー，ブライアン ジェイ． アメリカ合衆国，マサチューセッツ 02472，ウォータータウン，キャピトル ストリート 44 (72)発明者 パピル，クリストファー アメリカ合衆国，マサチューセッツ 02474，アーリントン，バートレット ア ベニュ ７，アパートメント ＃２ (72)発明者 ポリカ，ダリル アメリカ合衆国，マサチューセッツ 02476，アーリントン，アップルトン ス トリート 25 (72)発明者 プラブー，スリニバサ アメリカ合衆国，マサチューセッツ 02143，サマービル，リンデン アベニュ 11 (72)発明者 キー，フランク シー． アメリカ合衆国，マサチューセッツ 02420，レキシントン，バートウェル ロ ード 65 (72)発明者 リッツォ，ビンセント ジー． アメリカ合衆国，マサチューセッツ 02072，ストートン，プレザント ドライ ブ 32，アパートメント ＃14 (72)発明者 ラムセイ，ジェニファー ダブリュ． アメリカ合衆国，マサチューセッツ 02476，アーリントン，ポール リビア ロード 32 (72)発明者 サン，マリア ダブリュ． アメリカ合衆国，マサチューセッツ 02176，メルローズ，グリーン ストリー ト 85 (72)発明者 ティジュッセン，ジョアンズ アメリカ合衆国，マサチューセッツ 02140，ケンブリッジ，リッチデール ア ベニュ １ ＃２ (72)発明者 トンプソン，クレイグ アメリカ合衆国，マサチューセッツ 01752，マールボロ，クリントン ストリ ート 16，アパートメント ２ Ｆターム(参考） 4G040 EA03 EA06 EA07 EB01 EB03 EB12 EB31 EB32 EB42 EB43 EB44 5H027 AA02 BA01 BA08 BA16 BA17

Claims (79)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 炭化水素改質装置システムにおいて、この炭化水素改質装置
    システムが、 無触媒熱部分酸化、触媒部分酸化、蒸気改質及びそれらの組合せのうちの少な
    くとも１つを実施することにより水素富化改質物を生成するよう構成された第１
    の反応装置と、 水素富化改質物を受取るべく第１の反応装置と流体連絡状態にあって、水素富
    化改質物内で水ガスシフト反応を促進するための触媒を有する第２の反応装置と
    、 中に二相の水の第１の質量を有していて、第２の反応装置内で二相の水と水素
    富化改質物の間で熱交換を行なうように構成されていて更に、反応物として第１
    の反応装置に対し蒸気を供給するべく第１の反応装置と流体連絡状態にある、少
    なくとも１つの熱交換器と、 を具備しており、 二相の水の第１の質量に対する触媒質量の比率が１より大きい、炭化水素改質
    装置システム。
  2. 【請求項２】 二相の水の第１の質量対触媒の比率が３より大きい、請求項
    １に記載の改質装置。
  3. 【請求項３】 二相の水の第１の質量と触媒の比率が５より大きい、請求項
    １に記載の改質装置。
  4. 【請求項４】 加熱された水／蒸気を生成するように構成されていて加熱さ
    れた水／蒸気を熱交換器に供給するべく第２の反応装置の熱交換器と流体連絡状
    態にある、補助反応装置を具備する請求項１に記載の炭化水素改質装置。
  5. 【請求項５】 蒸気を生成するように構成されていて反応物として第１の反
    応装置に対し蒸気を供給するべく第１の反応装置と液体連絡状態にある、補助反
    応装置を具備する請求項１に記載の炭化水素改質装置。
  6. 【請求項６】 補助反応装置と熱交換器の間に挿入されていて熱交換器及び
    補助反応装置の両方と連絡状態にあってかつ水／蒸気の第２の質量を有する蒸気
    分離器を具備しており、 水の第１及び第２の質量に対する触媒の比率が１より大きい請求項１に記載の
    炭化水素改質装置。
  7. 【請求項７】 動的負荷運転中の炭化水素改質装置制御方法において、この
    方法が、 水素富化改質物を生成する反応装置に対し第１の流量で炭化水素燃料を供給す
    る段階と、 蒸気発生器と水／蒸気分離器を内含するループの中で所望の圧力で蒸気を発生
    させる段階と、 反応装置に対し第１の流量で蒸気を供給する段階と、 蒸気及び炭化水素燃料の第１の供給流量において、ループ内に実質的に安定し
    た蒸気圧を維持する段階と、 発生器からの水素富化改質物に関する需要の変化に応じて、炭化水素燃料と蒸
    気の各々の供給流量を第２の供給流量へとそれぞれ変更する段階と、 受容可能な時間範囲内で第２の供給流量に応答してループが圧力を変更できる
    ようにする段階と、 ループ蒸気圧を所望の圧力に戻すのに充分な蒸気を発生する段階と、 を具備する方法。
  8. 【請求項８】 蒸気圧が変化できる許容範囲は約１．３８MPa（２００ＰＳ
    Ｉ）であるが、より好ましくは１．０３MPa（１５０ＰＳＩ）である、請求項７
    に記載の方法。
  9. 【請求項９】 第１の流量でのループ内の圧力が約０．６８９MPa（１００
    ＰＳＩ）から約１．７２MPa（２５０ＰＳＩ）までの範囲内にあり、許容範囲が
    約１．０３MPa（１５０ＰＳＩ）である、請求項７に記載の方法。
  10. 【請求項１０】 蒸気発生段階には、蒸気ループ及び反応装置内の反応の間
    の熱交換から蒸気を発生させる段階が含まれている、請求項７に記載の方法。
  11. 【請求項１１】 蒸気発生段階には、反応装置外の熱源からの蒸気を発生さ
    せる段階が含まれている、請求項９に記載の方法。
  12. 【請求項１２】 外部熱源が、少なくとも部分的に燃料電池から発出される
    未使用水素から燃料を得ている、請求項１０に記載の方法。
  13. 【請求項１３】 炭化水素改質装置の運転方法において、この方法が、 水素富化改質物内で水ガスシフト反応を促進するため第１の反応装置ゾーン内
    に触媒の第１の質量を提供する段階と、 補助反応装置内で蒸気を発生させる段階と、 蒸気から触媒の第１の質量まで熱を伝達する段階と、 を具備する炭化水素改質装置の運転方法。
  14. 【請求項１４】 第１の触媒質量が、摂氏約１５０〜２００度より高い温度
    で著しく活性となる、請求項１３に記載の方法。
  15. 【請求項１５】 触媒が、一酸化炭素を二酸化炭素に転換させるべく水ガス
    シフト反応を促進する、請求項１３に記載の方法。
  16. 【請求項１６】 無触媒熱部分酸化、触媒部分酸化、蒸気改質及びそれらの
    組合せのうちの少なくとも１つを実施することにより第１の反応ゾーン内で水素
    富化改質物を発生する段階を具備する、請求項１３に記載の方法。
  17. 【請求項１７】 第２の反応装置ゾーン内で水素富化改質物中の水ガスシフ
    ト反応を促進する段階を具備する、請求項１３に記載の方法。
  18. 【請求項１８】 炭化水素改質装置システムにおいて、このシステムが、 熱（又は気相）部分酸化、触媒部分酸化、蒸気改質及びそれらの組合せを具備
    する反応グループの中から選択された改質反応を実施することにより水素富化改
    質物を生成するよう構成された第１の反応装置と、 水素富化改質物を受取るべく第１の反応装置と流体連絡状態にあって、水素富
    化改質物内で水ガスシフト反応を促進するための触媒を有する、第２の反応装置
    と、 中に二相の水の第１の質量を有していて、第２の反応装置内で二相の水と水素
    富化改質物の間で熱交換を行なうように構成されていて更に、反応物として第１
    の反応装置に対し蒸気を供給するべく第１の反応装置と流体連絡状態にある少な
    くとも１つの熱交換器と、 を具備しており、 二相の水の第１の質量に対する触媒質量の比率が１より大きい、炭化水素改質
    装置システム。
  19. 【請求項１９】 二相の水の第１の質量対触媒の比率が３より大きい、請求
    項１８に記載の改質装置。
  20. 【請求項２０】 二相の水の第１の質量と触媒の比率が５より大きい、請求
    項１８に記載の改質装置。
  21. 【請求項２１】 加熱された水／蒸気を生成するように構成されていて加熱
    された水／蒸気を熱交換器に供給するべく第２の反応装置の熱交換器と流体連絡
    状態にある、補助反応装置を具備する請求項１８に記載の炭化水素改質装置。
  22. 【請求項２２】 蒸気を生成するように構成されていて反応物として第１の
    反応装置に対し蒸気を供給するべく第１の反応装置と液体連絡状態にある、補助
    反応装置を具備する請求項１８に記載の炭化水素改質装置。
  23. 【請求項２３】 補助反応装置と熱交換器の間に挿入されていて、熱交換器
    及び補助反応装置の両方と連絡状態にあってかつ水／蒸気の第２の質量を有する
    蒸気分離器を具備しており、水の第１及び第２の質量に対する触媒の比率が１よ
    り大きい、請求項１８に記載の炭化水素改質装置。
  24. 【請求項２４】 関連する燃料電池内で使用するための水素富化改質物ガス
    を発生させるべく炭化水素燃料を改質する反応のための高効率装置において、こ
    の装置が、 少なくとも１つの発熱反応ゾーンと熱接触状態にある少なくとも１つの吸熱反
    応ゾーンを有するガス発生器と、 少なくとも１つのシフト反応ゾーンと、 優先酸化（ＰｒＯｘ）反応器と、 関連する燃料電池により消費されていない改質物成分を酸化させ、かくして熱
    エネルギーの排出を最小限にしその抽出を最大にするための補助反応装置と、更
    に 投入成分及び熱触媒を揮発させるために改質反応により発生した熱エネルギー
    を利用するような形で、気体発生器、シフト反応ゾーン、ＰｒＯｘ反応装置及び
    補助反応装置内で熱交換器を通して燃料、空気、水、蒸気及びそれらの混合物の
    うちの少なくとも１つを循環させる熱交換装置と、 を具備する装置。
  25. 【請求項２５】 水／蒸気混合物は、熱交換装置を通して第１の循環部分内
    で二相混合物として循環させられており、二相混合物は熱を吸収し、ＰｒＯｘ反
    応装置及びシフト反応ゾーンそして選択可能には補助反応装置のうちの少なくと
    も１つの温度を能動的に冷却する、 請求項２４に記載の装置。
  26. 【請求項２６】 蒸気から水を分離するための水／蒸気分離器をさらに具備
    しており、蒸気が高温シフト反応ゾーン及び気体発生器のうちの少なくとも１つ
    の中で熱交換器内へと移行させられる、請求項２４に記載の装置。
  27. 【請求項２７】 気体発生器が、部分酸化（ＰＯｘ）反応装置及び蒸気改質
    装置のうちの少なくとも１つを具備する、請求項２４に記載の装置。
  28. 【請求項２８】 気体発生器が、部分酸化（ＰＯｘ）ゾーン及び蒸気改質ゾ
    ーンを有する自己熱交換式反応装置を具備する、請求項２４に記載の装置。
  29. 【請求項２９】 ＰｒＯｘ反応装置から出る水素富化改質物から水を抽出す
    るためのＰｒＯｘ反応装置の下流側の凝縮器、及び改質物が燃料電池内に入る前
    に改質物内のＣＯをＣＯ2へと酸化させるための凝縮器の下流側の第２のＰｒＯ
    ｘ反応装置をさらに具備する、請求項２４に記載の装置。
  30. 【請求項３０】 シフト反応ゾーンが高温シフト部分及び低温シフト部分を
    具備しており、各部分が少なくとも１つの熱交換器及び触媒床を具備する、請求
    項２４に記載の装置。
  31. 【請求項３１】 シフト反応ゾーンが、高温シフト部分及び低温シフト部分
    を具備しており、各部分が少なくとも１つの熱交換器及び触媒床を具備する、請
    求項２４に記載の装置。
  32. 【請求項３２】 定常作動中、熱交換装置内の運転圧力は、蒸気分離器にお
    いてほぼ定常な圧力を維持するべく高温シフト部分内への蒸気の導入流量を制御
    することによって調整可能であり、低温シフト反応装置と第１のＰｒＯｘ反応装
    置のうちの少なくとも１つにおいてほぼ所望の温度範囲に水の沸点を置くように
    圧力が選択される、請求項２９に記載の装置。
  33. 【請求項３３】 熱交換器が、装置圧力の変更中に蒸気と液体水の間の急速
    な相互転換を容易にするべく余剰の熱交換能力を有する、請求項２４に記載の装
    置。
  34. 【請求項３４】 高温シフト反応ゾーンと低温シフト反応ゾーンをさらに具
    備する請求項３２に記載の装置。
  35. 【請求項３５】 ２つのシフト反応装置の間の水／蒸気循環内に水／蒸気分
    離器をさらに具備しており、分離器が、低温シフト反応ゾーンから二相水／蒸気
    を受理し、単相蒸気を選択可能には燃料との混合物の形で、蒸気又は蒸気／燃料
    混合物のさらなる加熱のため高温シフト反応ゾーンまで吐出する、請求項３３に
    記載の装置。
  36. 【請求項３６】 改質物の流量に対して、高温シフト反応ゾーンの下流側の
    温度が、かかる下流側部分内での水と蒸気の二相混合物を維持するような流量で
    充分な水を供給することによって制御される、請求項２４に記載の装置。
  37. 【請求項３７】 給水流量が、可変流量ポンプ、可変容積ポンプ及び少なく
    とも１つの調整可能なバルブ又はオリフィスのうちの少なくとも１つによって調
    節される、請求項３５に記載の装置。
  38. 【請求項３８】 電子デバイスにより給水流量調節装置が制御される、請求
    項３６に記載の装置。
  39. 【請求項３９】 電子デバイスが、アルゴリズム及び参照用テーブルのうち
    の少なくとも１つを用いて、給水調節装置の設定値を計算するべく可変的入力を
    使用する、請求項３７に記載の装置。
  40. 【請求項４０】 可変的入力が、装置コンポーネントの温度と、燃料、蒸気
    又は改質物の体積流量と、下流側部分及び上流側部分のうちの少なくとも１つの
    中の装置圧力と、改質物を消費する関連の燃料電池の測定された電流出力又は電
    圧とのうちの単数又は複数のものである、請求項３８に記載の装置。
  41. 【請求項４１】 バイパスバルブが、始動、停止、需要過度現象、及び装置
    内の温度又は圧力レベルの異常の中から選ばれた少なくとも１つの装置条件中に
    、関連する燃料電池から補助反応装置に向かって改質物を迂回させる、請求項２
    ４に記載の装置。
  42. 【請求項４２】 装置作動中に、アルゴリズム及び参照用テーブルのうちの
    少なくとも１つを用いて電子デバイスによって実施された計算が、改質物中の予
    測上又は測定上の一酸化炭素レベルが臨界レベルより低いことを示すまで、改質
    物の流れが迂回させられる、請求項３９に記載の装置。
  43. 【請求項４３】 一酸化炭素の臨界レベルが１０ppm以下である、請求項４
    ０に記載の装置。
  44. 【請求項４４】 計算用入力が、一酸化炭素濃度の直接的測定値と、装置コ
    ンポーネントの温度と、燃料、蒸気又は改質物の体積流量と、下流側部分及び上
    流側部分の１方又は両方における装置圧力とのうちの単数又は複数のものの中か
    ら選択される、請求項４０に記載の装置。
  45. 【請求項４５】 改質物を作り出すための気体発生器内への燃料の流量が、
    アルゴリズム及び参照用テーブルのうちの少なくとも１つを用いて、電子デバイ
    スによって調節される、請求項４４に記載の装置。
  46. 【請求項４６】 可変的入力は、装置コンポーネントの温度と、燃料、蒸気
    又は改質物の体積流量と、下流側部分及び上流側部分のうちの１つ又は両方の中
    の装置圧力と、一酸化炭素濃度の直接的測定値と、改質物を消費する関連の燃料
    電池の測定された電流出力又は電圧とのうちの単数又は複数のものを含む、請求
    項４３に記載の装置。
  47. 【請求項４７】 シフト反応装置が第１のシフト反応ゾーン及び第１の熱交
    換器を具備しており、シフト反応ゾーン内のシフト交換触媒が熱交換器と熱接触
    状態にある、請求項２４に記載の装置。
  48. 【請求項４８】 水、蒸気又は蒸気／燃料混合物が１つの熱交換器の中で循
    環させられており、空気又は燃料が第２の熱交換器の中で循環させられている、
    ２つの別々の熱交換器をシフト反応装置は具備する、請求項４６に記載の装置。
  49. 【請求項４９】 第２のシフト反応ゾーンをさらに具備しており、第２のゾ
    ーンが第１のゾーンよりも低い温度で作動している、請求項４６に記載の装置。
  50. 【請求項５０】 第２ゾーンが、二相蒸気／水混合物が中で循環させられて
    いる熱交換器を有する、請求項４８に記載の装置。
  51. 【請求項５１】 第１ゾーンから発出された二相混合物内に含まれた水を除
    去する一方で、第２ゾーンから発出された蒸気を第１ゾーンの入口まで通過させ
    る蒸気分離器を介して、第２ゾーンの熱交換器が第１ゾーンの熱交換器に連結さ
    れる、請求項４９に記載の装置。
  52. 【請求項５２】 燃料生成システムが、蒸気改質装置ゾーンと、部分酸化（
    ＰＯｘ）ゾーンと、自己熱交換式反応ゾーンのうちの少なくとも１つを具備して
    おり、少なくとも１つのゾーンが触媒床を具備する、請求項２４に記載の装置。
  53. 【請求項５３】 気体発生器及び少なくとも１つのシフト反応装置が、少な
    くとも１つのシフト反応装置及び気体発生器のコンポーネントを密な熱接触状態
    に置く単一ハウジング内に一体化されている、請求項２４に記載の装置。
  54. 【請求項５４】 少なくとも２つのコンポーネントが環状に配置されている
    、請求項５２に記載の装置。
  55. 【請求項５５】 少なくとも２つのコンポーネントが、燃料及び改質物のう
    ちの単数又は複数のための基本的に半径方向の流路によって連結されている、請
    求項５２に記載の装置。
  56. 【請求項５６】 第１の優先酸化反応装置（ＰｒＯｘ）及び第１のＰｒＯｘ
    の下流側の少なくとも１つの第２のＰｒＯｘを具備しており、各ＰｒＯｘが触媒
    を具備する、請求項２４に記載の装置。
  57. 【請求項５７】 少なくとも１つのＰｒＯｘ反応装置において、気体発生器
    及び少なくとも１つのシフト反応装置が、少なくとも１つのシフト反応装置及び
    気体発生器のコンポーネントを密な熱接触状態に置く単一のハウジング内に一体
    化されている、請求項５２に記載の装置。
  58. 【請求項５８】 改質物流を冷却するべく第１のＰｒＯｘと第２のＰｒＯｘ
    の間に凝縮器が設置されており、第２のＰｒＯｘの触媒上の水の凝縮を防ぐため
    凝縮器から凝縮水が除去される、請求項５６に記載の装置。
  59. 【請求項５９】 第１のＰｒＯｘがさらに少なくとも１つの熱交換器を具備
    する、請求項５５に記載の装置。
  60. 【請求項６０】 硫黄除去用の少なくとも１つの触媒又は吸収装置が、関連
    する燃料電池への改質物の最終出力の上流側の選択された点において装置に具備
    される、請求項２４に記載の装置。
  61. 【請求項６１】 補助反応装置が少なくとも１つの反応ゾーン及び少なくと
    も１つの熱交換器を具備する、請求項２４に記載の装置。
  62. 【請求項６２】 補助反応装置が、第１の反応ゾーンとして火炎型バーナー
    を更に第２の反応ゾーンとして触媒反応装置を具備する、請求項５９に記載の装
    置。
  63. 【請求項６３】 始動中に、装置を作動温度まで暖めるべく、第１の反応ゾ
    ーン内で少なくとも１つの燃料が燃焼される、請求項６０に記載の装置。
  64. 【請求項６４】 燃焼熱が、二相水／蒸気、空気及び燃料のうちの少なくと
    も１つを運ぶ熱交換器によって上流側装置に伝達される、請求項６２に記載の装
    置。
  65. 【請求項６５】 関連する燃料電池からのバイパスされた改質物及び陽極排
    気のうちの１つの酸化が、熱を発生させるよう第２のゾーン内で触媒により促進
    される、請求項６０に記載の装置。
  66. 【請求項６６】 反応に必要とされる空気の少なくとも一部分が、関連する
    燃料電池の陰極排気から吸引される、請求項２７に記載の装置。
  67. 【請求項６７】 蒸気分離器からの水そしてさらにシステム内のその他の場
    所で凝縮された任意の水がタンクまで再循環させられる、請求項３に記載の装置
    。
  68. 【請求項６８】 装置水中の汚染レベルを定常レベルに維持するべくタンク
    内のポートを介して水ループから水が除去される、請求項４３に記載の装置。
  69. 【請求項６９】 装置過渡現象中、装置圧力制御機構が無視化又は無効化さ
    れて、装置圧力が変動させられ、かくして水／蒸気循環の二相部分における水か
    ら蒸気への転換により蒸気の急速な発生が容易になる請求項７に記載の装置。
  70. 【請求項７０】 熱交換装置の流れが一般に、装置を通る改質物の流れに対
    し向流である、請求項１に記載の装置。
  71. 【請求項７１】 炭化水素を水素ガスに転換するため改質反応装置と共に使
    用するための補助反応装置において、改質反応装置が少なくとも１つの反応ゾー
    ンを中に有しており、補助反応装置が、 第１の燃料を燃焼させ、加熱した補助反応装置ガス流を作り出すための第１の
    燃焼器と、 改質装置の反応ゾーンとの付加的な熱交換のため、少なくとも改質装置反応ゾ
    ーンに対し移送すべき熱伝達媒体及び補助反応装置ガス流からの熱を伝達するた
    めの第１の熱交換器と、を具備する補助反応装置。
  72. 【請求項７２】 熱伝達媒体と熱伝達状態にある加熱された補助反応装置ガ
    スをやはり提供する第２のバーナーを具備する、請求項７１に記載の補助反応装
    置。
  73. 【請求項７３】 第１のバーナーが火炎型気相バーナーであり、第２のバー
    ナーが触媒バーナーであり、補助反応装置は、第１の燃料がまず最初に第１のバ
    ーナーまで流されて加熱された気体流を形成し、その後加熱された気体流が第２
    のバーナーに導かれるように形成される、請求項７２に記載の補助反応装置。
  74. 【請求項７４】 改質のため改質装置に補給されるべき第２の燃料に対し補
    助反応装置気体流からの熱を交換するための第２の熱交換器を具備する、請求項
    ７１に記載の補助反応装置。
  75. 【請求項７５】 改質のため改質装置に補給されるべき第２の燃料に対し補
    助反応装置気体流からの熱を交換するための第２熱交換器を具備する、請求項７
    ２に記載の補助反応装置。
  76. 【請求項７６】 第２の熱交換器は、改質装置に補給される前に燃料から硫
    黄を除去するため、第２の燃料が中を流れる触媒を具備する、請求項７４に記載
    の補助反応装置。
  77. 【請求項７７】 燃料電池から排出された気体を収容するために燃料電池に
    連結するための入口を有する、請求項７１に記載の補助反応装置。
  78. 【請求項７８】 入口は、燃料電池排気を、燃焼されるべき補助反応装置気
    体流内に吐出するように形成される、請求項７７に記載の補助反応装置。
  79. 【請求項７９】 燃料電池から排出された気体を収容するために燃料電池に
    連結するための入口を有しており、入口は、燃料電池排気を、燃焼されるべき補
    助反応装置気体流内に吐出するように形成される、請求項７２に記載の補助反応
    装置。
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