JP2003277019A - スチームリフォーマー及び膜エンベロープ - Google Patents

スチームリフォーマー及び膜エンベロープ

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    • Y02P20/10—Process efficiency

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】燃料電池用水素を製造するためのスチームリフ
ォーミングと水素精製装置を組み合わせた装置を提供す
る。 【解決手段】 この装置は、水及びアルコールと炭化水
素の供給燃料とのうちの少なくとも一つからなる供給燃
料から水素を生成するようになされたスチームリフォー
マーを含んでいる。水素は、リフォーミング触媒（１０
２）の存在下で供給燃料と反応することによって生成さ
れる。生成物の流れは、水素選択性の膜モジュール（５
４）内を通過せしめられ、そこで、浸透流が研磨されて
一酸化炭素及び二酸化炭素を除去し、副産物の流れは燃
焼されてリフォーマーを加熱する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、概して、エネルギ
ー変換に関係し、その中でも特にスチームリフォーミン
グ（steam reforming）により精製された水素の製造を
行う方法と装置に関係する。
【０００２】
【従来の技術】精製後の水素は数多くのエネルギ変換装
置の重要な燃料源となる。例えば、燃料電池は精製水素
と酸化剤を使って電位を生成する。スチームリフォーミ
ングというプロセスは化学反応により水素と若干量の副
産物または不純物を生産する。それに続く精製プロセス
は好ましからざる不純物を取り除き、水素を燃料電池の
用途に十分耐え得る程度にまで精製する。
【０００３】スチームリフォーミングでは、スチームと
アルコール（例えばメタノールあるいはエタノール）ま
たは炭化水素（例えばメタン、ガソリンまたはプロパ
ン）を触媒上で反応させる。スチームリフォーミング
は、摂氏２５０度ないし摂氏８００度の高温を必要と
し、主にスチームと二酸化炭素を生産する。また、未反
応の反応物質や一酸化炭素のような副産物も徴量ながら
生産する。
【０００４】これら徴量の一酸化炭素、ある程度の濃度
の二酸化炭素、および場合によっては不飽和炭化水素と
アルコールは燃料電池を汚染する。一酸化炭素は燃料電
池のプラチナ触媒に吸着し、燃料電池の作動を妨害す
る。すなわち、燃料電池の出力電力を減殺する。妨害の
程度こそそれよりは小さいが、二酸化炭素やそれ以外の
不飽和炭化水素およびアルコールも同様の結果をもたら
す。おしなべて不純物はある程度まで燃料電池内の水素
の分圧を希釈によって低下させ、プラチナ触媒の方に拡
散しようとする水素の物質移動抵抗を増加させ、その結
果、燃料電池の出力を減殺する。したがって、燃料電池
は適正な燃料の投入を必要とする。すなわち、燃料電池
の効率を損なうような余分な要素を含まない精製水素を
必要とする。
【０００５】従来、水素の精製は常にリフォーミング・
プロセスから最大量の水素を得ようと意図してきた。得
られる水素の量を最大にするには、比較的コストの高い
装置、例えば肉厚で高品質のパラジウム膜が水素透過性
かつ水素選択性の膜の役割を果たす（１９９７年９月２
２〜２５日第５回グローブ燃料電池シンポジウムで発表
されたＬｅｄｊｅｆｆ−Ｈｅｙ，Ｋ．，Ｖ．Ｆｏｒｍａ
ｎｓｋｉ，Ｔｂ．ＫａｌｋおよびＪ．Ｒｏｅｓの“Ｃｏ
ｍｐａｃｔ Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ
Ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ Ｓｏｌｉｄ Ｐｏｌｙｍｅｒ
ＦｕｅＩ Ｃｅｌｌｓ（固体ポリマー燃料電池用小型水
素製造システム）”。そのような肉厚で高品質のパラジ
ウム合金膜は、燃料電池用として最低限の不純物、すな
わち許容可能な限度の不純物を含有する最大量の水素の
獲得を助ける。しかしながら、そのような高度の精製は
肉厚で高品質のパラジウム膜に莫大な投資を必要とす
る。
【０００６】従来、スチームリフォーミング・プロセス
とそれに続く水素精製プロセスは別々の装置で行われて
いた。スチームリフォーミング・プロセスと水素精製プ
ロセスを結合し、一つの装置で行うと有利であることは
すでに知られている（Ｏｅｒｎｅｌ，Ｍ．他、“Ｓｔｅ
ａｍ Ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ ｏｆ Ｎａｔｕｒａｌ Ｇａｓ
ｗｉｔｈ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｈｙｄｒｏｇｅｎ
Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎｆｏｒ Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｐｒ
ｏｄｕｃｔｉｏｎ（水素製造用の水素分離装置が組み込
まれた天然ガスのスチームリフォーミング）”、化学工
学テクノロジー１０号（１９８７年）２４８〜２５５。
Ｍａｒｉａｎｏｗｓｋｙ，Ｌ．Ｇ．およびＤ．Ｋ．Ｆ１
ｅｍｉｎｇ，“Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｆｏｒｍｉｎｇ Ｒｅ
ａｃｔｉｏｎ Ｐｒｏｃｅｓｓ（水素フォーミング反応
プロセス）”、１９８９年３月７日米国特許Ｎｏ．４，
８１０，４８５）。総合スチームリフォーミング水素精
製装置は、当然ながら正規の平衡限界に制約されない低
温運転の小型装置となる。しかし、残念ながら、そのよ
うな装置は未だ実際の設計段階にまで到達していない。
この技術はスチーム・リフォーメーションと水素精製を
一つの装置内に結合することの利点を理論的に認めてい
るにもかかわらず、いまだに実際の設計、すなわち経済
的な設計を提示するに至っていないのが現状である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】以上のように、スチー
ムリフォーミングと水素精製装置とを一体化する方法の
実用化は未だに実現していない。本発明の主題は、スチ
ームリフォーミングと水素精製を組み合わせて装置を提
供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】所定のレベル以下のある
濃度の一酸化炭素と二酸化炭素から成る水素の製造プロ
セスは、アルコール蒸気（例えばメタノール）または炭
化水素蒸気（例えばプロパン）とスチームを反応させ、
水素、一酸化炭素、および二酸化炭素を生成する。反応
工程は水素浸透性と水素選択性を合わせ持つ膜の周辺ま
たは直前で生じ、生成した水素は膜に浸透する。膜には
孔などの欠陥が存在しやすいため、先に述べた所定のレ
ベル以上の濃度の一酸化炭素や二酸化炭素も膜を通過す
る。膜の浸透側にはメタン化触媒床が据えられて加熱さ
れており、そのためメタン化触媒床の中の一酸化炭素と
二酸化炭素がメタンに変換され、所定のレベルよりも濃
度が低い一酸化炭素と二酸化炭素を含む水素流れを生成
する。オプションとして、リフォーミング触媒をメタン
化触媒と並列に膜の浸透側に置き、膜の孔などの欠陥を
通過する未反応アルコールや水素燃料を生成水素に変換
することもできる。このプロセスは、生成水素をメタン
化触媒床から取り出して完了する。
【０００９】本発明のスチームリフォーマーは、水素浸
透性と水素選択性を持つ、管状または平板状膜を包含す
る、あるいは膜直前の部分である。リフォーミング床は
膜の周囲を少なくとも部分的に取り囲む。リフォーミン
グ床の入口はアルコールまたは炭化水素とスチームの混
合物を受け入れ、リフォーミング床の出口はリフォーミ
ング副生ガスを放出する。加熱要素がリフォーミング床
を運転温度まで加熱し、メタン化触媒を含む第２床が膜
の浸透側に置かれる。Ｌフオーマの出口が第２床から水
素ガスを引き出す。本発明の一つの方法の場合、ヒーテ
ィング・ェレメントは、第１床を少なくとも部分的に取
り囲む酸化触媒を含有する第３床であるＣリフォーミン
グ床から放出されるリフォーミング副生ガスは空気源と
混じり合い、触媒点火して発熱し、リフォーミング床内
のリフォーミング・プロセスを熱という側面からサポー
トする。本発明のもう一方の方法の場合、リフォーマー
は液体アルコールまたは炭化水素と液体の水原料を受け
入れ、酸化触媒床で発生した熱を利用して液体アルコー
ルまたは炭化水素と水を蒸発させる。本発明で酸化触媒
床に用いられる燃料は、熱源をさらに追加することなく
リフォーミング・プロセスを進行させるべく選定された
量のリフォーミング創生ガス中の水素である。
【００１０】本発明の主題は、この特許明細書の結論部
分で具体的に指摘され、明確に特許請求されている。た
だし、本発明の構成も運転方法も、それから先の利点と
目的もすべて合わせて、添付図面を参照しながら参考と
して理解していただきたい。図面上、類似の文字表示は
類似の要素を示すものとする。
【００１１】
【発明の実施の形態】図１は、本発明の好ましい形式に
基づく水素精製機能内蔵スチームリフォーマー（リフォ
ーマー）１２を採用したエネルギー変換システムの図で
ある。リフォーマー１２は出口１４でＰＢＭ燃料電池１
６に精製水素を供給する。燃料電池１６はその入ロ１８
で酸化剤供給源２０から酸化剤を受け取る。燃料電池１
６は電位２２を生成し、それを電気的負荷２４すなわち
電動機に印加する。また、燃料電池１６は、それぞれ燃
料の出口と酸化剤の出口の役割を果たす出口２６と２８
を持つ。
【００１２】リフォーマー１２の働きを説明するため、
ここでは液体原料をメタノール（ＭｅＯＨ）と水とす
る。ただし、実際にはメタノールの代わりにその他のア
ルコールや炭化水素を使ってもよい。リフォーマー１２
はその燃料入口３０で、加圧された液体メタノールと水
を、加圧状態下のメタノールと水の供給源から受け取
る。以下、さらに詳しく述べるように、加圧された液体
メタノールと水の混合物はリフォーマー１２の中で蒸発
し、リフォーミング触媒と反応して、水素の流れと副産
物の流れを生ずる。水素選択性膜は水素の流れを副産物
の流れから分離する。水素の流れは差圧によって、まず
膜を、次に研磨触媒を通過し、リフォーマー１２の出口
１４に姿を表す。
【００１３】従来のリフォーミング技術では、生産され
た水素の大部分が選択性膜を通る際に取り込まれるまま
になっていたが、本発明の処理装置は、選択性膜を通る
際に最大利用可能量以下の水素を取り込む。このことか
ら、本発明では、品質の低い方、したがって価格の低い
方の選択性膜を使用することができる。さらに、最大量
以下の水素が生成物流れとして分離されるため、この点
に関する限り、本発明では必要とされる膜面積が減少す
る。水素の残りの部分は副産物流れに入り、エアブロワ
３６により入口３４から吹き込まれた空気と混合し、リ
フォーマー１２の中で燃焼触媒と反応し、その結果、リ
フォーマー１２の中で行われるスチームリフォーミング
に必要な高温を保つ役割を果たす。このように、リフォ
ーマー１２は、内部に残存する選定された量の水素など
の副産物の流れを燃焼プロセスの燃料源として利用す
る。リフォーマー１２には、燃焼を維持する目的でさら
に燃料を追加投入することはない。なお、リフォーマー
１２は、燃焼副産物を放出するための複数の燃焼排出ポ
ートを備えている。
【００１４】生成物流れとして回収すべき水素の最適量
は水素の発熱量（燃焼のエンタルピー）から計算され
る。触媒燃焼部に行く副産物の流れの中には十分な量の
水素を供給し、燃焼の熱がリフォーマー全体の熱需要を
上回るようにしなければならない。リフォーマー全体の
熱需要（ΔＨtoal）は次の式によって与えられる。
【００１５】 ΔＨtotal＝ΔＨrxn＋ΔＨvap＋ΔＨcp＋ΔＨloss ここで、ΔＨrxnはリフォーミング反応のエンタルピ
ー、ΔＨvapは液体原料の蒸発のエンタルピー、ΔＨcp
は蒸発した原料をリフォーミング温度まで加熱するのに
必要なエンタルピー、そしてΔＨlossは周囲の環境に対
して失われる熱である。然るべき断熱を施すことによ
り、リフォーマーの熱損失は最小限度に抑えられる（そ
れに加えて、無視して構わない程度まで低減できる）。
【００１６】以下の反応化学量論に基づくスチーム・リ
フォーミング・メタノールの場合、 ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ＝ＣＯ2＋３Ｈ2 ここで、およそｌｋＷeの発電に十分な量の水素（２１
標準立方フィート）を生産するには、８．４ｇｍｏｌｅ
のメタノールと８．４ｇｍｏｌｅの水が必要である。熱
損失も熱交換（放出された高温流れと比較的低温の原料
の間の熱交換）もないと想定すると、ΔＨtotalは３０
０ｋｃａｌである。水素の燃焼熱は５７．８ｋｃａｌ／
ｇｍｏｌｅであるから、ｌｋＷを発電するのに十分な量
のメタノールのスチームリフォーミングに必要な熱量の
３００ｋｃａｌを産み出すには、およそ５．２ｇｍｏｌ
ｅｓの水素（４．３標準立方フィート）を燃焼しなけれ
ばならない。というわけで、リフォーマーで生産される
水素の７０％から８０％は生成物の流れとして回収さ
れ、残りの２０％ないし３０％の水素は副産物流れ内の
触媒燃焼装置に送られ、リフォーマーの加熱要件を十分
に満たし得る熱価（ΔＨ total）を持つ燃料の流れとな
る。
【００１７】図２はスチームリフォーマー１２の同心構
造体の模式図である。図２のリフォーマーは、一番外側
の金属管５０、内部金属管５２、水素選択性膜管５４、
および最も内側の金属管５６を連結した状態で内蔵す
る。管５０、５２、５４および５６はこの順番で徐々に
径が小さくなり、互いに同心に配置されている。環状燃
焼部６０は管５０のスペースの内側に、しかし管５２の
外側にある。環状リフォーミング部６２は、管５２の内
側に、しかし膜管５４の外側にある。環状水素輸送部６
４は、膜管５４の内側に、しかし管５６の外側にある。
円筒研磨部６６は金属管５６の内側にある。
【００１８】図３はスチームリフォーマー１２の断面図
である。図３では、概ね端部を閉じた管状構造をした一
番外側の金属管５０が入口３４を経由して一端で空気の
供給を受け、燃焼副産物を燃焼ポート３８で放出する。
燃焼部６０では、燃焼触媒１００を空気入口３４の近く
に置く。あるいは、燃料触媒１００を複数の帯状とし、
ある間隔をおいて燃焼部６０の内部に配置してもよい。
燃焼触媒として好適な材料としては、アルミナなどの不
活性材料や熱安定性のあるセラミックなどをベースと
し、その上にプラチナを載せたものなどがある。加圧さ
れたメタノールと水の混合物の入口３０は、管５０の端
部壁面５０ａを通過し、燃焼部６０の内部にある最も内
側の金属管５６を包み込むコイル３０ａを形成する。た
だし、金属管５６は必ずしもコイル３０ａの軸を通過す
る必要はない。コイル３０ａの端部は管５２の閉鎖端部
５２ａを通過し、開きながらリフォーミング部６２に入
る。コイル３０ａに入る加圧された液体メタノールと水
の混合物は燃焼部６０の高温で蒸発し、蒸気となってリ
フォーミング部６２に入る。
【００１９】リフォーミング部６２の中では、リフォー
ミング触媒ｌ０２（例えば、ＢＡＳＦ触媒Ｋ３‐１１０
やＩＣＩ触媒５２‐８）が、蒸発したメタノールと水の
混合物と反応し、膜管５４の近辺で水素を生成する。膜
管５４は、水素浸透性と水素選択性の両方の性質を持つ
さまざまな材料、例えばセラミックス、カーボン、メタ
ルなどの材料の中の一種から構成される。この膜管５４
を製作するのに特に好ましい材料は、水素浸透性パラジ
ウム合金、例えば、３５‐４５重量％の銀とのパラジウ
ム合金である。膜管５４のそれぞれの端部はメタルキャ
ップ１０４でシールされる。リフォーミング部６２内の
金属金網１０６がそれぞれのキャップｌ０４を包み込
み、触媒１０２をリフォーミング部６２の内部と膜管５
４の近辺に保持する。水素の流れ１０３は、差圧によっ
て膜管５４を通って水素輸送部６４に移動する。肉厚の
薄い膜管５４は、リフォーミング部６２と水素輸送部６
４の間の差圧の下で、変形を防止するための支えを必要
とする。そのため、テンションスプリング１０１が膜管
５４を内側から支え、水素流れｌ０３が通過して輸送部
６４に入るのを可能にする。
【００２０】本発明では肉厚の薄いパラジウム膜が用い
られるかもしれないため、本発明では、肉薄構造膜管５
４のようなデリケートな構造を使う特殊な構築方式が開
発された。従来の方法では、肉厚パラジウム合金が高温
と蝋付けの液相に耐え得るため、肉厚パラジウム合金膜
を蝋付けすることができる。しかしながら、本発明の提
示する薄肉パラジウム合金膜は、従来の方法では蝋付け
できない。というのは、高温と液体蝋付け合金が肉薄の
パラジウム材料を破壊するからである。本発明の提示す
る薄肉膜管５４を、例えば従来の方法の下で、端部のキ
ャップ１０４に取り付け、ガスケットと然るべきサポー
ト構造物によって気密性のシールを作り出すことはでき
よう。以下さらに詳しく述べるように、本発明において
は、肉薄のパラジウム合金膜、例えば管５４を、まず最
初に銅やニッケルなどの箔（図３には図示せず）を取り
付けることによりエンドキャップ１０４に取り付け、超
音波溶接により管５４の端部に取り付け、次に管５４の
箔で包んだ端部をエンドキャップ１０４に蝋付けする。
【００２１】水素の流れ１０３は、輸送部６４の内側を
管５６の開放端５６ａに向かって移動し、その中に入り
込む。水素流れ１０３もまた、輸送部６４に沿って移動
し、最も内側の管５６の開放端５６ａからその管に入り
込む、何らかの不純物、例えば一酸化炭素、二酸化炭素
および未反応メタノールならびに水蒸気を含んでいる。
水素の流れｌ０３のすべてが最も内側の管５６の開放端
５６ａに入る。
【００２２】管５６の内部では、研磨触媒１１０が、そ
こを通過する水素の流れ１０３の不純物と反応する。触
媒１１０の下流の金属金網１１２は触媒１１０を管５６
の内部に保留する。研磨触媒１１０（例えばＢＡＳＦ触
媒Ｇ１‐８０やＩＣＩ触媒２３‐１）は、水素の流れ１
０３に残留している１％もの一酸化炭素や二酸化炭素な
ど、特定の不純物と反応し、それらの不純物をメタンの
ような無害副産物に変換する。精製水素の流れｌ０３と
すでに無害になった副産物とは、金属金網１１２を通過
し、管５６ｂの反対側の端にある出口１４からリフォー
マー１２を出る。
【００２３】研磨触媒１１０は管５６中のいくつかの分
離触媒でよい。一酸化炭素と二酸化炭素との不純物を処
理するには、メタン化触媒を使用する。メタン化プロセ
スすなわち一酸化炭素や二酸化炭素を水素と反応させて
メタンを生産する、下に示す方法はよく知られている。
【００２４】ＣＯ2＋４Ｈ2‐ＣＨ4＋２Ｈ2Ｏ ＣＯ＋３Ｈ2‐ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ メタンは燃料電池１６（図１）にとって比較的不活性で
無害だと考えられているため、メタン化は問題なく容認
できる研磨方法である。その一方で、二酸化炭素と一酸
化炭素とは燃料電池にとって有害である。
【００２５】もしリフォーマー１２がスチームリフォー
ミング工程でメタノールを利用した場合、膜管５４の漏
れから一酸化炭素と二酸化炭素とが水素の流れ１０３に
流れ込めば、若干の未反応メタノールと水蒸気が水素流
れ１０３に存在することになるかもしれない。燃料電池
１６（図１）に入る前にそのような未反応メタノールを
無害副産物に変換するには、低温銅／亜鉛シフト触媒の
リフォーミング触媒を研磨触媒床すなわち最も内側の管
５６の一部（例えば、４分の１ないし３分の１の部分）
に取り付け、その下流にメタン化触媒を取り付ける。ス
チームリフォーミング・メタノールの主な化学反応は次
の通りである。 ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ‐ＣＯ2３Ｈ2
【００２６】リフォーミング部６２に戻り、スチームリ
フォーミング副産物の流れ１０５は、管５２の出口の役
割と空気入口３４近辺で放出の役割を果たす臨界オリフ
ィス１２０を通って管５２の閉鎖端部５２ｂの方に向か
う。オプションとしてデフレクタ５７を設け、これを使
って副産物の流れ１０５と入口３４からの空気の流れを
燃焼触媒１００の方に振り向ける。これにより、副産物
の流れ１０５は流入する空気流１０７と入口３７で真正
面からぶつかり、混じり合う。流入空気流ｌ０７は、燃
焼部６０の触媒の点火を促すために予備加熱するとよ
い。例えば、空気ヒータ３７（図１）をリフォーマー１
２の入口３４に沿って直列に取り付けてもよいし、ある
いは入口３４へのルートを図３の模式図のように燃焼部
６０を通るようにしてもよい。その結果得られる混合物
は、燃焼触媒ｌ００の方に向い、そこを通過して移動
し、そこで点火する。次に、燃焼副産物は燃焼部６０を
通って移動し、コイル３０ａを加熱してリフォーミング
部６２の中でスチームリフォーミング・プロセスを熱と
いう側面からサポートした後、燃焼排気ポート３８でリ
フォーマー１２から出る。
【００２７】リフォーマー１２は、従来型のスチームリ
フォーミング装置よりも比較的低い温度で運転される。
リフォーマー１２は水素の生産に応じて生成水素を次々
と連続的に精製するため、スチームリフォーミング反応
はその平衡限界からかなり離れた所でも実行できよう。
平衡限界は、スチームリフォーミング・メタノールの場
合は一般に重要ではないが、スチームリフォーミング・
メタン（天然ガス）の場合には極めて重要である。比較
的低温のリフォーミング・プロセスにおける未反応の反
応物質は、プロセスから連続的に水素を吸い上げるた
め、結局のところ反応させられる傾向を有する。本発明
におけるスチームリフォーミング・プロセスは摂氏約２
５０ないし６００度で運転してよい。メタノール・リフ
ォーミングでは、リフォーマーの運転温度は摂氏約２５
０ないし３００度となろう。
【００２８】膜管５４に適正な差圧を確立するには、液
体メタノールと水とを圧力源３２によって約６ないし２
０気圧まで上昇させなければならない。研磨工程は研磨
部６６の中で約１ないし３気圧で行うものとする。水素
輸送部６４の内圧は研磨部６６の内圧にほぼ等しい。リ
フォーミング・プロセスは、膜管５４をまたぐ相当大き
な差圧を発生させるため、６ないし２０気圧で運転しな
ければならない。臨界フロー・オリフィス１２０は、リ
フォーミング部６２（６ないし２０気圧）から燃焼部６
０内部の１気圧まで圧力低下ができるようにサイズを決
める。これにより、副産物の流れ１０５は約１気圧で燃
焼部６０に入る。このため、入口３４の空気供給の運転
は１気圧で可能になり、エアーブロワ３６のコストが低
廉で済む。
【００２９】一般的な燃料電池１６に十分供給できるリ
フォーマー１２の寸法は比較的小さい。燃料電池１６で
１キロワットの電気エネルギーを発生するには、毎分１
０リットル（毎時２１立方フィート）の水素量で十分で
ある。１キロワットの燃料電池１６を維持することので
きる本発明のスチームリフォーマーのおおよその寸法
は、直径が３インチ、長さが１５ないし１６インチとな
ろう。生産量を増やすには、リフォーマー１２の長さを
伸ばすか、リフォーマー１２の直径を広げるかする。リ
フォーマー１２の生産量は、リフォーミング・プロセス
に晒される膜５６の面積によって主として制約される。
リフォーマー１２の長さの延長やリフォーマー１２の直
径の拡大は膜管５４の暴露面積を増大し、したがってリ
フォーマー１２の水素の生産量を増加する。しかしなが
ら、共通燃焼ゾーン内で複数の標準サイズのリフォーマ
ー１２を並列で採用することができる。
【００３０】図４は、共通燃焼部６０’の輪郭を規定す
る最も外側の金属管５０’を大きくした代替的にリフォ
ーマー１２’の構造の模式図である。相対的に大型とな
った燃焼部６０’の内部には、複数のリフォーマー管５
１、例えばそれぞれ管５２、管５４、管５６などを組合
せたものが間隔をおいて配置されている。図４には表示
されていないが、ここで説明をすると、リフォーマー１
２’には原料入口、生成水素出口、および燃焼ガス出口
を設けることもできる。共通空気入口３４は共通燃焼Ａ
部６０’に空気を供給する。当然のことながら、リフォ
ーマー管５１は、それぞれが副産物の流れ１０５（図４
には図示なし）を共通燃焼Ａ部６０’に送り込む。
【００３１】図３に戻り、リフォーマー１２は運転を開
始しなければならない。一般にリフォーミング部６２
は、メタノールを原料とする場合は摂氏約１５０ないし
２００度まで温度を上げなければならず、また炭化水素
を原料とする場合は摂氏約３００ないし５００度まで温
度を上げなければならない。一旦リフォーミング・プロ
セスが始まれば、炭化水素の流れｌ０５（意図的に所定
量の水素を燃焼用の燃料として含む）が燃焼部６０に入
り、燃焼触媒１００に出会って燃焼し、熱の面からスチ
ームリフォーミング・プロセスをサポートする。燃焼触
媒が副産物の流れ１０５を点火するのに必要とするの
は、そこにある水素（空気と混じった水素）だけであ
る。したがって、リフォーマー１２をスタートさせる場
合の目標は、リフォーミング部の温度を摂氏約１５０な
いし２００度まで上げることだけである（メタノール・
リフォーミングの場合）。
【００３２】簡単なカートリッジタイプ電気抵抗ヒータ
ー１４０をリフォーミング触媒に挿入したり、あるいは
図３のように管５６の中心に差し込んでも、リフォーマ
ー１２の運転を開始することができる。あるいはまた、
入口３０からメタノールと水とを入れ、これを抵抗ヒー
ターを使って加熱する方法もある。いずれの場合も、リ
フォーミング触媒１０２が一旦十分な高温（摂氏１５０
ないし２００度）に達すると、リフォーミング反応が始
まり、燃焼触媒１００が副産物の流れ１０５の中にある
水素と反応する。この時点で電気抵抗ヒーター１４０を
遮断することができる。リフォーミング部６２を数分間
で十分に加熱するには、従来の熱質量計算によれば、５
０ないしｌ００ワットの抵抗ヒーター１４０が適当であ
る。
【００３３】図５は、燃焼システムをリフォーメーショ
ン部を通して分布させることにより、燃焼プロセスから
リフォーメーション・プロセスへ伝える熱伝達を改善し
ようとする本発明の一つの方法の部分図と断面図であ
る。図５のリフォーマー２１２は、入口２３０でメタノ
ールや水などの原料を受け取り、出口２１４で燃料電池
（図５では図示なし）などの用途に精製水素を提供する
水素精製機能内蔵スチームリフォーマーである。先に示
した本発明の実施態様と同様、リフォーマー２１２は選
んだ量の水素を副産物の流れに残し、燃焼プロセスをサ
ポートさせる。燃焼副産物は排出口２３８から外に出
る。
【００３４】リフォーマー２１２は、各端部をエンドプ
レート２５３、個々にはエンドプレート２５３ａおよび
２５３ｂ、ならびにガスケット２５５、個々にはガスケ
ット２５５ａおよび２５５ｂでシールした外側金属管２
５２を備えている。ボルト２５７が管２５２のそれぞれ
の端部でエンドプレート２５３をショルダー２５２、個
々には２５２ａと２５２ｂに固定する。水素精製モジュ
ールは、管２５２の内部にその管と全体として同心に取
り付けられる一方で、エンドキャップ３０４ａと３０４
ｂでシールされた薄肉のパラジウム合金膜管２５４を有
する。あるいはまた、膜管２５４は、パラジウム合金以
外の水素選択性および水素浸透性材料、例えば多孔質カ
ーボン、多孔質セラミックス、パラジウム以外の水素浸
透性材料、多孔質金属、並びに金属被覆の多孔質カーボ
ン、多孔質セラミックス及び多孔質金属などの材料で作
られていてもよい。当然のことながら、管２５４とキャ
ップ３０４は管２５２の中で何らかの方法で支えること
ができよう（図になし）。エンドキャップ３０４ｂはプ
レート２５３ｂを通じて出口２１４とつながっており、
生成水素流れ３０３は出口ポート２１４から出て来る。
研磨触媒床（なるべくメタン生成触媒がよい）は、先に
述べかつ図３に示したように、膜管２５４（図になし）
の浸透側に取り付けられる。
【００３５】入口２３０は壁面２５３ａを通過し、蒸発
コイル２３０ａにつながる。コイル２３０ａの出口２３
１は、管２５２の内側になるよう位置を画定され、管２
５４の外側に置かれるリフォーメーション部２６２に直
接送る。また、燃焼コイル２５０もリフォーメーション
部２６２の内部に置かれ、その内部全般に分布配置され
る。図示された具体的実施例においては、コイル２５０
は、螺旋状に膜管２５４を取り巻き、リフォーメーショ
ン部２６２のほぼ全体にわたって伸びる。燃焼触媒３０
２はコイル２５０の内部のコイルの長さ方向全面に沿う
か、あるいはコイル内の端部２５０ａの場所またはその
近辺に配置される。コイル２５０の端部２５０ａは以下
でさらに詳しく述べるように燃料供給原料を受け入れる
が、供給原料が２５０に沿って移動し、その中で燃焼触
媒３０２に出会うにときに、コイル２５０の中で燃焼が
起こる。コイル２５０はリフォーメーション部２６２全
体を通じて均一に延び且つかなりの表面積を提供するの
で、コイル２５０内で起こる燃焼プロセスから生ずる熱
は周囲のリフォーメーション部２６２に急速にかつうま
く分布される。
【００３６】リフォーメーション部２６２はその出口２
２０の壁面２５３ｂを通じて導管２２１とつながってい
る。導管２２１は、副産物流れ２０５（すなわち、膜管
２５４を通った時、意図的に採取されなかった選ばれた
量の水素を含む水素リフォーメーションの副産物）を燃
焼プロセスに運ぶ。導管２２１は副産物の流れ２０５を
減圧弁２２３まで運ぶ。次に、副産物の流れ２０５は圧
力低下状態でインテークマニホルド２０７に入る。マニ
ホルド２０７は空気取り入れ口２０９（例えば、エアー
ブロワと組み合わせたり、燃料電池（図５になし）の陰
極部品と組み合わせたもの）や、燃焼コイル２５０の入
口２５０ａの場所またはその近辺の混合部２１３まで燃
焼空気を運ぶ空気通路２１１を備えている。副産物の流
れ２０５により供給される燃焼供給原料は、これによ
り、混合部２１３で流入する燃焼空気と混合し、燃焼コ
イル２５０の端部２５０ａに入る。２５０の中の燃焼触
媒３０２は燃料の流れ２０５を発火させ、熱はうまく分
布されて効率的かつ急速にリフォーメーション部２６２
の全体にゆきわたる。
【００３７】以上、コイル形や螺旋形の燃焼システムを
図示した。コイル２５０はその例である。しかしリフォ
ーメーション部２６２内の燃焼システムとして、その他
の形状を採用してよい。例えば、全体が管状の構造体は
リフォーメーション部２６２内の全体にさまざまな形の
分布形状をとり得る。以下、さらに詳しく述べるよう
に、図７に示す向流燃焼システムは、リフォーメーショ
ン部２６２の全体を通じて、改善されたシステム分布、
すなわち均一で最善のシステム分布を確実に保証する。
このように、リフォーメーション部２６２の全体の燃焼
システムの分布はさまざまな具体的形状によって達成す
ることができよう。
【００３８】スチームリフォーマー１２（図３）におい
ては、燃焼プロセスがリフォーメーション部の周辺部分
すなわち管５２（図３）の外側で生じ、そのために金属
管５２への熱伝達を必要とした。
【００３９】次に、熱伝達は管５２の内面からリフォー
メーション部を通る移動によって行われた。しかし、ス
チームリフォーマー２１２では、リフォーメーション部
内で発生し、その部分全体に分布した熱すなわちコイル
２５０内の熱はリフォーメーション部２６２の全体によ
り良く且つより早く伝わる。本質的に、リフォーメーシ
ョン部２６２の全体に燃焼プロセスが加わり、分布され
たのである。リフォーメーションガスの流れが直接コイ
ル２５０の上やその周囲を通過するために、熱伝達率は
向上する。
【００４０】一般に、燃焼とリフォーメーションの間の
熱伝達のためにリフォーマー１２の管５２の提供する表
面積に比べて、コイル２５０は非常に大きい表面積を提
供する。熱エネルギーは、リフォーメーション部に伝わ
ったり、そこを通って移動したりすることを必要としな
いのである。むしろ、リフォーメーション部で発生し、
外に向って放射してリフォーメーション部の全体にゆき
わたるべきなのである。
【００４１】図６は、本発明のもう一つ別の実施態様の
図である。この場合は、燃焼熱エネルギーをリフォーメ
ーション部全体に分布させ、さらにリフオーメーション
・プロセスから蒸発プロセスを隔離するという利点を持
たせた。一般に、燃料供給原料の蒸発に好ましい温度は
例えば摂氏４００〜６５０度であるが、これは水素リフ
ォーメーションにとって好ましい温度である摂氏２５０
〜５００度などよりも高い。図６で、スチームリフォー
マー３１２は外側金属管３５２を備え、その管は、その
中にリフォーメーション部３６２を持っている。管３５
２は各端部にショルダー３５２、個々にはショルダー３
５２ａと３５２ｂを有する。管３５２のショルダー３５
２ａには、蒸発モジュール３４０が付く。モジュール３
４０はリフォーメーション部３６２から隔離された蒸発
チャンバ３４２の範囲を画定する。さらに具体的にいう
と、モジュール３４０は、全体が円筒形をし、開放端部
３４４ａと閉鎖端部３４４ｂを有するバレル３４４を含
む。エンドプレート３４６とガスケット３４８が蒸発チ
ャンバー３４２をシールする。すなわち、バレル３４４
の開放端部３４４ａを閉じる。バレル３４４の閉鎖端部
３４４ｂは管３５２のショルダー３５２ａにつながる。
このように、閉鎖端部３４４ｂはガスケット３５０と共
同作用して管３５２の端部をシールすると共に、リフォ
ーメーションチャンバ３６２もシールする。蒸発チャン
バ３４２とリフォーメーションチャンバ３６２を隔離す
ることにより、蒸発は好ましい温度で、すなわちリフォ
ーメーションチャンバ３６２ にとって好ましい温度を
相当上回る温度で発生する。
【００４２】入口３３０は、エンドプレート３４６を通
り抜け、蒸発チャンバ３４２の中にあるコイル２３０ａ
にフイードする。次にコイル２３０ａの末端部はバレル
３４４の閉鎖端部３４４ｂを通り、リフォーメーション
チャンバ３６２に供給する。このようにして、蒸発した
燃料供給原料、つまりメタノールと水蒸気は、リフォー
メーションチヤンバ３６２に入り、リフォーメーション
触媒４００と化学的に相互作用する。
【００４３】蒸発チャンバ３４２には、対応する導管３
７０に沿いながら燃焼排気口を通過し、燃焼部３６２を
通って延びる出口がある。このように、燃焼排気の熱エ
ネルギーは導管３７０を通ってリフォーメーション部３
６２に伝わる。ここで再び、リフォーメーション部全体
を通してその中に熱エネルギーを分布させることは、熱
伝達の分布と伝達率を向上させる。例えば、蒸発チャン
バ３４２には出口３４２ａと３４２ｂがあり、対応する
導管３７０ａと３７０ｂに燃焼ガスを通している。燃焼
排気は燃焼部３６２に対して隔離された状態でとどまる
が、燃焼排気の熱エネルギーは導管３７０を通って燃焼
部３６２に移動する。導管３７０は、ショルダー３５２
ｂに取り付けられたエンドプレート３６３ｂを通過し、
燃焼排気は大気へ放出される。これで熱伝達を向上する
ことができ、外部導管３７０に沿う流れと乱流への抵抗
度はバッフル３７１を使って抑えることができる。
【００４４】先に説明した実施態様と同様、リフォーメ
ーション部３６２で生ずるリフォーメーションは、管状
パラジウム合金膜３５４を横断する水素の移動をサポー
トする。パラジウム合金の代わりに膜３５４に利用でき
るそれ以外の水素浸透性および水素選択性材料の組成と
しては、多孔質カーボン、多孔質セラミックス、水素浸
透性金属、多孔質金属並びに金属被覆された多孔質セラ
ミックス及び多孔質カーボン及び多孔質金属がある。そ
れぞれの端部をエンドキャップ３０４でシールした管状
膜３５４は、リフォーマー３１２の出口３１４で生成水
素の流れ３０３を給送する。図３に示すように、膜３５
４の浸透側には研磨触媒床（図になし）が据えられてい
る。好ましい研磨触媒はメタン生成触媒である。
【００４５】リフォーメーション部３６２にある水素を
全部回収することを意図的に避けることにより、残りの
水素は副産物の流れ３０５に流れ込み、蒸発モジュール
３４０の供給原料となる。さらに具体的にいうと、リフ
オーメーション部３６２はエンドプレート３５３ｂを通
る導管３２１につながる。導管３２１は、供給原料とし
てそこに残っている、選択した量の水素を含む副産物の
流れ３０５を運ぶ。導管３２１は減圧弁３２３を通り、
減圧された供給原料の流れ３０５’を入口マニホルド３
０７に供給する。入口マニホルド３０７は図５の入口マ
ニホルド２０７と同様の働きをする。すなわち、燃焼空
気を受け入れ、燃焼空気と減圧副産物の流れ３０５’の
混合を促す役割を果たす。複合燃焼空気と流れ３０５’
が混合部３１３で混合すると、点火装置３１９がそれの
燃焼の引き金をひく。点火装置３１９には、グロー・プ
ラグ、スパーク・プラグ、触媒など、さまざまな種類が
ある。しかし、リフォーマー３１２の好ましい形式にお
いては、長期の安定性と交換が容易であるという理由か
ら、高圧スパーク・イグニッションか、おそらくグロー
・プラグが３１９の点火装置として選ばれると思われ
る。
【００４６】蒸発機能の隔離に加え、リフォーマー３１
２はまた燃焼点火部から燃焼排気部までの圧力低下を小
さくできるという利点を持つ。総じてリフォーマー３１
２の導管３７０は、燃焼排気ガスの流れに対して小さく
て抑制の利いた抵抗しか示さない真っ直ぐな導管である
ため、リフォーマー３１２の構造は低圧燃焼プロセスを
提供する。低圧燃焼プロセスの場合、インテーク・マニ
ホルド３０７などの入口３０９から入って来る燃焼空気
は、比較的低圧で比較的コストのかからないエアーブロ
ワ（図６になし）によって供給される。
【００４７】図７は、本発明のさまざまな実施態様に適
用可能な代替燃焼システム案の模式図である。図７で、
二重壁の向流燃焼装置４５０は、副産物の流れ４２１と
空気の流れ４２３を受け入れる入口マニホルド４５２を
有する。副産物の流れ４２１はリフォーメーション・プ
ロセスから副産物として取り入れられるが、それは燃焼
供給原料として意図的に残した、選択した量の水素をそ
の中に含んでいる。副産物の流れ４２１は内側コンジソ
ト４２５に沿って移動し、混合部４１３で導管４２５を
出る。空気の流れ４２３は総体的に内側導管４２５を取
り囲み、それに並行して置かれるマニホルド４５２に沿
って移動し、混合部４１３で副産物の流れ４２１と出会
う。混合部４１３は、それに沿って燃焼空気（つまり空
気の流れ４２３）と燃料ガス（つまり副産物の流れ４２
１）の混合物を運ぶ内側管４３０から構成される。管４
３０はその一端の端部４３０ａが閉じ、マニホルド４５
２の一部を成している。しかし、管４３０の開放端部４
３０ｂは混合燃料ガスと燃焼空気とを外側混合部４１５
の中に放出する。外側混合部４１５は外側管４３２によ
って範囲を区切られている。管４３２は、それぞれの端
部４３２ａと４３２ｂとが、端部４３２ａを通るマニホ
ルド４５２によって閉じられている。燃焼触媒４４０は
部分４１３と４１５の全体にわたって分布する。あるい
はまた燃焼触媒４４０は、混合部４１３の場所またはそ
の近辺にある、管４３０の中に置いてもよい。
【００４８】最高温度の燃焼が起こるのは、燃料ガスと
燃焼空気が初めて触媒４４０に出会う時である。つま
り、マニホルド４５２の出口の所である。ガス混合物が
管４３０を流れ続け、そこで触媒４４０に出会うと燃焼
は継続するが、一般に温度は徐々に低下する。ガス混合
物は、開放端部４３０ｂから管４３０を出ると、今度は
流れの方向を変えて管４３２を逆流し、より多量の触媒
４００に出会う。その結果、管４３０と４３２の全長に
わたって熱エネルギーが発生し、排気ガスが排気ポート
４３５から排出される。
【００４９】一般に、燃焼触媒床では長さ方向に著しい
温度勾配が存在し、最高温度に達するのは燃料ガスと燃
焼空気が最初に燃焼触媒または点火装置に触れる時であ
る。そのような著しい温度勾配は好ましいものではな
い。特に、熱エネルギーが全体として均一に温度分布す
ることが最も望ましいリフォーメーション・プロセスに
とって、これは好ましいことではない。本発明の燃焼装
置４５０の長さ方向の温度勾配は、従来型の燃焼床に比
べてより均一である。燃焼装置４５０内部すなわちマニ
ホルド４５２近辺の最高温のガスは、管４３０を通じて
燃焼装置４５０内部すなわち排気ポート４３５近辺の最
低温のガス中に熱エネルギーを放出する。ガスの最高温
度部とガスの最低温度部を熱の面から結び付けることに
より、燃焼装置４５０に沿ってすぐれた均一性の高い全
体温度勾配が存在することになる。
【００５０】図８は、燃焼床（ｘ軸）の長さＬとそれに
対する温度Ｔ（ｙ軸）との関係を示す図である。図８の
曲線４６０は、従来型燃焼床で最初に相当高い温度を示
しつつも、全体を通じて著しい温度低下を示している。
一方で、曲線４６２は燃焼装置４５０を使って得られた
より均一な、つまり、よりフラットな温度勾配を示して
いる。端的に言って、浅くてかなり平坦な曲線４６２は
燃焼装置４５０の長さ方向の均一な温度を表している。
であるから、燃焼装置４５０はリフォーメーション部に
熱エネルギーをより均一に分散する。
【００５１】図７では総じて直管型の装置を示している
が、燃焼装置４５０の二重壁構造は螺旋形などのさまざ
まな形状で構成可能であり、また燃焼システムとして本
発明のさまざまな実施態様に適用可能であることをここ
に付記する。
【００５２】燃焼と蒸発を交互に行う機能に加え、本発
明では、水素精製の代替方式もスチームリフォーマーに
採用することができる。管状構造と同心管状構造の他
に、プレート膜構造も水素精製機能内蔵スチームリフォ
ーマーに採用することができる。
【００５３】図９は、本発明に基づくと共に平板状膜構
造を採用した、水素精製機能内蔵スチームリフォーマー
のさらに別の実施態様の模式図である。図９では、リフ
ォーマー５１２はそのそれぞれの開放端部にショルダー
５５０ａと５５０ｂとを備えた、外側金属管５５０を有
する。管５５０の中では、金属リフォーミング触媒管５
５２とメタル研磨触媒管５５６が管５５０に沿って全体
として並列に取り付けられている。しかし、当然のこと
ながら、管５５２と５５６との間には、さまざまな形状
ならびに関係を採用することができる。リフォーミング
触媒管５５２はリフォーミング触媒５０２を内蔵し、リ
フォーメーション部５６２を形成する。同機に、研磨触
媒管５５６は研磨触媒５０４を内蔵し、研磨部５６４を
形成する。エンドプレート５９０とガスケット５９２は
ショルダー５５０ａにつながり、管５５０をシールす
る。入口ポート５３０は、メタノールや水のような液体
燃料供給原料をエンドプレート５９０を経由して蒸発コ
イル５３０ａまで運ぶ。図示の具体的実施例では、コイ
ル５３０は管５５２の一端を包み込み、エンドプレート
５９０に設けられている燃焼排気ポート５３８近くに置
かれる。蒸発コイル５３０ａは管５５２の端部５５２ａ
につながり、これによって蒸発燃料供給原料はコイル５
３０ａから出てリフォーメーション部５６２に入る。
【００５４】プレート膜モジュール５５４はショルダー
５５０ｂにつながって管５５０の端部５５０ｂをシール
し、管５５０内部にあるが管５５２と５５６との外部に
ある燃焼部５６０を完全なものに仕上げる。プレート膜
モジュール５５４は、管５５２とつながって改質油にと
むガス流５０１を受け入れ、導管５２９とつながって生
成物または水素の流れ５０３を供給し、さらに導管５２
１とつながって、部分５６０の燃焼をサポートする供給
原料として副産物の流れ５０５を供給する管５５２は２
本以上使用できる。副産物の流れ５０５は、先に説明し
た本発明の実施態様の場合のように、リフォーメーショ
ン・プロセスから採取されることなく、燃焼プロセスに
利用される所定の量の水素を含む。導管５２１は、副産
物の流れ５０５をプレート膜モジュール５５４から減圧
弁５２３を介して、燃焼部５６０の入口ポート５２５ま
で運ぶ。燃料入口ポート５２５に隣接する空気入口ポー
ト５２８は、例えばブロワ（図になし）で強制的に空気
を燃焼部５６０に取り込む。あるいはまた、本発明の先
に説明した実施態様の例のように、マニホルドを使って
空気と副産物の流れ５０５を燃焼部５６０に取り込んで
もよい。副産物の流れ５０５は燃焼部５６０に入り、ポ
ート５２８で燃焼空気と混合すると、引き続き点火装置
５７５を通過する。点火装置５７５は副産物の流れ５０
５と燃焼空気の混合物に点火し、それによって燃焼部５
６０内で燃焼をサポートする。当然のことながら、この
燃焼プロセスで発生した熱は蒸発コイル５３０ａ内部の
燃料供給原料の蒸発をサポートし、リフォーメーション
部５６２に蒸発ガスを供給する。燃焼部５６０内での燃
焼により生じる熱もまたリフォーメーション部５６２を
直接加熱すると共に、研磨部５６４を加熱する役割を果
たす。
【００５５】導管５２９は、生成物（水素）の流れ５０
３を研磨触媒管５５６の端部５５６ｂに運ぶ。導管５２
９は２本以上、管５５６も２本以上使用するとよい。生
成物の流れ５０３は研磨部５６４を通るが、そこでは有
害な要素が中性化され、最終精製水素生成物が管５５６
の端部５５６ａを通過し、出口ポート５１４から出て来
る。例えば、研磨触媒５０４がメタン生成触媒の場合に
は、生成物の流れ５０３に存在する一酸化炭素と二酸化
炭素とは先に述べたようにメタンに変換される。
【００５６】図１０はプレート膜モジュール５５４の分
解図であり、管５５２および導管５２１と５２９に対す
る当該モジュールの関係を示している。プレート膜モジ
ュール５５４は、その中にエンドプレート５５４ａと５
５４ｂとを有する。一連の膜エンベロープ・プレート５
９０がエンドプレート５５４（複数）の間にスタックさ
れ（積み重ねられ）ている。図ｌ０に示す具体的な発明
実施態様では、３枚のエンベロープ・プレート５９０、
個々には５９０ａ〜５９０ｃがエンドプレート５５４
（複数）の間にスタックされている。エンドプレート５
５４ａと５５４ｂおよび膜エンベロープ・プレート５９
０は、いずれも総じて長方形であり、対応する寸法を有
する。ここに示す長方形よりも、それ以外の形状、むし
ろ例えば円形などを使用するとよい。換言すれば、プレ
ート５５４ａ−５５４ｂおよび５９０ａ−５９０ｃは一
組のトランプのようにスタックされ、例えば蝋付けなど
の方法により連結し合ってモジュール５５４を作る。エ
ンドプレート５５４ｂは固体平板構造である。しかし、
エンドプレート５５４ａは、リフォーマー５１２の他の
部分とつながるための入口ポートと出口ポートとを有す
る。
【００５７】特に、リフォーメーション触媒管５５２は
改質油に富む型の入口ポート５９２ａにつながり、リフ
ォーメーション生成物、すなわち改質油に富む流れ５０
１を受け入れる。導管５２１は、改質油の枯渇した出口
ポート５９４ａにつながり、モジュール５５４から副産
物の流れ５０５を取り入れる。図示した具体的実施例に
おいては、モジュール５５４はそれぞれ５９６ａと５９
８ｂの２つの生成物出口ポートを有し、生成物の流れ５
０３を供給する。ただし、実施態様によっては、生成物
出口ポートは一つしか使わなくてもよい。図１０で２度
示される導管５２９はポート５９６ａと５９８ａにつな
がり、そこから生成物の流れ５０３を回収する。ポート
５９２ａ、５９４ａ、５９６ａおよび５９８ａのすべて
をエンドプレート５５４ａに取り付ける必要はない。む
しろ、具体的配置の希望に応じて、あるいは必要に応じ
て、ポートの一つか二つ以上をエンドプレート５５４ａ
に取り付けるようにするとよい。
【００５８】各々の膜エンベロープ・プレート５９０
は、エンドプレート５５４ａのポート５９２ａ、５９４
ａ、５９６ａおよび５９８ａに対応する位置にポートを
有する。積み重ねられた状態でプレート膜モジュール５
５４として作動する場合、これらのさまざまなポートは
一線上に並び、モジュール５５４が行う濾過プロセスを
橋渡しする導管の役割を果たす。プレート５９０ａ〜５
９０ｃの各々には生成物ポート５９８、個々にはそれぞ
れ５９８ｂ〜５９８ｄがある。ポート５９８ａ〜５９８
ｄは一線上に並び、互いに協力してモジュール５５４か
ら導管５２９内に生成物の流れ５０３を流す導管を形成
する。以下、さらに詳しく説明するように、生成物、つ
まり水素は、対応する膜エンベロープ・プレート５９０
の中でポート５９８ａ〜５９８ｃに側面から入る。ま
た、膜エンベロープ・プレート５９０ａ〜５９０ｃのそ
れぞれは、エンドプレート５５４ａの出口ポート５９６
ａと一線上に並ぶ生成物ポート５９６を有し、個々には
それぞれ５９６ｂ〜５９６ｄである。ポート５９６ａ〜
５９６ｄは生成物の流れ５０３をプレート膜エンベロー
プ５９０から運び出して導管５２９に入れる。ポート５
９８ｂ〜５９８ｄと同様、ポート５９６ｂ〜５９６ｄ
は、対応する膜エンベロープ・プレート５９０内部の側
面から水素流れ５０３を受け取る。
【００５９】ポート５９２ｂ〜５９２ｄはエンドプレー
ト５５４と一線に並ぶが、一線に並ぶことによって管５
５２から膜エンベロープ・プレート５９０の中に水素に
富む改質油の流れ５０２を誘導する導管となる。プレー
ト５９０ａ〜５９０ｃのそれぞれは、副産物ポート５９
４ｂ〜５９４ｄを有する。ポート５９４ｂ〜５９４ｄは
エンドプレート５５４ａのポート５９４ａと一線に並
び、膜エンベロープ・プレート５９０から副産物の流れ
５０５を除去する導管となる。水素に富む改質油の流れ
５０１を強制的にポート５９２ａに押し込むことによっ
て、燃焼部５６０内の燃焼プロセスで利用できる副産物
の流れ５０５がポート５９４ａで生まれ、研磨部５６４
で利用できる生成物の流れ５０３が生まれる。
【００６０】各膜エンベロープ・プレート５９０は、そ
れ自体、個々のプレート部材を積み重ねたもの（スタッ
ク）である。図１１は、各膜エンベロープ・プレート５
９０に見られるプレート部材の組の分解図である。図１
では、各プレート部材が、図１０に関連して上に述べた
ように、膜エンベロープ５９０を通じて連絡するポート
を有する。しかしながら、これらのポートの中には対応
するエレメントに対して側面が「オープン」で、そのた
め、モジュール５５４の一部に側面からのアクセスを許
すものがある。
【００６１】各膜エンベロープ・プレート５９０は、ス
タックの中の最も外側のプレートとして左スペーサプレ
ート６００と右スペーサプレート６０２を有する。一般
に、スペーサプレート６００と６０２とは、それぞれが
区切られた範囲の空間部６０４を内部に持つ「フレー
ム」構造物である。それぞれの内部空間部６０４は横か
らポート５９２と５９４とにつながっている。これによ
って、ポート５９２は流れ５０１を空間部６０４に受け
入れ、ポート５９４は副産物の流れ５０５を空間部６０
４の外に出す。しかし、ポート５９６と５９８は空間部
６０４に対して閉じており、生成物の流れ５０３を隔離
している。
【００６２】また、各膜エンベロープ・プレート５９０
は、対応するプレート６００と６０２の一つに内接する
左膜プレート６０６と右膜プレート６０８を有する。膜
プレート６０６と６０８とはそれぞれ、外部金属フレー
ム６０７に取り付けたパラジウム合金膜６１０をその中
心部に持っている。プレート６０６と６０８とでは、ポ
ート５９２、５９４、５９６、および５９８のいずれも
がパラジウム合金膜６１０に対して閉じている。各パラ
ジウム合金膜６１０は、空間部６０４の対応する個所に
隣接して、すなわちポート５９２を経由して到着した水
素に富む改質油の流れ５０１に隣接して取り付けられ
る。水素には、これによって、隣接する膜・プレート６
０６のパラジウム合金膜６１０を通過するチャンスが生
まれる。残りのガス、つまり副産物の流れ５０５は、ポ
ート５９４を経由して空間部６０４から出る。
【００６３】スクリーン・プレート６０９が膜・プレー
ト６０６と６０８との中間にある。すなわち、各膜６１
０の内側または浸透側にある。スクリーン・プレート６
０９は外側フレーム６１１を有し、中央部にスクリーン
６１２が取り付けられている。ポート５９２と５９４と
は、スクリーン・プレート６０９の中央部に対して閉じ
ており、したがって水素の流れ５０５と改質油に富む流
れ５０１を生成物の流れ５０３から隔離している。ポー
ト５９６と５９８とは、スクリーン６１２を載せている
プレート・スクリーン６０９の内部に対して開かれてい
る。相接する膜６１０を通って来た水素は、スクリーン
６１２を通過してポート５９６と５９８とに至り、最後
に生成物の流れ５０３として導管５２９に到達する。
【００６４】水素に富む改質油の流れ５０１がポート５
９２ａに入り、その流れが膜６１０に押し込まれると、
水素は生成物の流れ５０３としてそこを通過し、ポート
５９６と５９８も通過する。副産物の流れ５０５は、膜
６１０で流れを変え、ポート５９４に沿って導管５２１
に向かう。
【００６５】プレート６００、６０２、６０６、６０８
および６０９の間を気密にシールするには、また膜・エ
ンベロープ５９０ａ〜ｃの間を気密にシールするには、
蝋付け、ガスケットの使用、溶接等、さまざまな方法が
ある。
【００６６】スクリーン６１２は生成物の流れ５０３の
ために流通路を提供するだけでなく、水素、つまり生成
物の流れ５０３が膜６１０を無理に通ろうとして膜６１
０にかける差圧を支える。図１１には単にスクリーン構
造として図示されているだけであるが、膜６１０にかか
る圧力に対抗するサポート機能を付与するため、また生
成物の流れ５０３の流通路を提供するため、スクリーン
・プレート６０９の空間部の内部にはさまざまな構造が
用いられる可能性があることをここに付記する。使用す
るパラジウム合金膜６１０は、然るべき構造体によっ
て、例えばスクリーン６１２によって十分支えることが
できる程度まで、肉厚を薄くし、低廉なものにしてよ
い。スクリーン６１２の代替材料としては、多孔質セラ
ミックス、多孔質カーボン、セラミックフォーム、カー
ボンフォームおよびメタルフォームなどがある。
【００６７】本特許明細書全体を通じて説明しているよ
うに、薄肉で低廉なパラジウム合金膜を使用することに
よって、本発明のスチームリフォーマーのコストは大幅
に削減される。そのように薄肉のパラジウム合金膜を使
用すると、生成物の流れ５０３に汚染物質が流れ込むこ
とはあり得るが、その後で本発明の実施態様でいくつか
図示したような後工程にかけて精製することが可能であ
る。
【００６８】薄肉の合金膜を取り扱う製造工程、特に膜
に気密性を持たせる製造工程では、薄肉パラジウム合金
膜のデリケートさを考慮しなければならない。特に、液
相がからむ従来の溶接方法や蝋付け方法は、極端に肉厚
の薄い（一般に＜５０ミクロン）パラジウム合金膜には
応用できない。特に液相の材料は、薄肉のパラジウム合
金膜に接触すると融解して膜を溶かし出すため、極端に
肉厚の薄い膜の性質上、製造工程としては受け入れ難
い。薄肉のパラジウム合金膜に気密性を持たせる方法に
はさまざまあるが、本発明ではパラジウム合金膜に大き
な傷、つまり漏れを生ずることなく、薄肉パラジウム合
金膜を気密シールする方法を具体的方法として提案す
る。
【００６９】本発明において、パラジウム合金膜は超音
波溶接で取り付けられた中間箔によって、相接する構造
体に取り付けられ、またそれに対する気密シールを保つ
ことができる。ここで提案する製造方法は、図３のよう
な管状膜モジュールにも、あるいは図１１のようなプレ
ート状膜構造にも応用できる。また、膜管５４は、次に
箔の蝋付けによりエンドキャップ３０４につなぐことが
できる。本発明のプレート状膜では、箔付き膜６１０
を、箔を蝋付けすることにより、プレート６０６と６０
８の周囲フレーム６０７に取り付けることができる。超
音波溶接は、相対するメタル同士に応用した場合、メタ
ル表面をはぎ取って清浄にし、その結果、超清浄な状態
になったメタル同士に固体金属間融合を生じさせる。材
料同士の相対する面を洗浄する超音波作用は２０ないし
６０ｐｓｉの圧力下で行われる。これらの材料は一旦接
触すると、金属原子同士が融合し合って気密シールを形
成する。ここで見逃してならないのは、超音波溶接は液
相を必要とせず、適切に施工された場合は薄肉パラジウ
ム合金膜に劣化を引き起こさないということである。超
音波溶接が必要とする温度は比較的低いため、材料の曲
がりもほとんど起こらない。したがって、超音波溶接法
は極端に肉厚の薄いパラジウム合金膜に気密シールを持
たせる方法として特に適している。
【００７０】本発明の開示された実施態様においては、
超音波溶接を用いて銅またはニッケル合金箔を薄肉パラ
ジウム合金膜の表面に取り付ける。一旦この銅またはニ
ッケル合金層を追加して取り付けた後、それをエンドキ
ャップ３０４やフレーム６０７のような隣接する材料に
蝋付けしたり、溶接したりする。
【００７１】図１２〜１６は、エンドキャップでサポー
トした管状パラジウム合金構造として総じて図１〜５、
６に示した膜モジュールの構成部品と製造工程である。
図１２と１３は、図１４に示す超音波溶接の準備のため
に、パラジウム合金箔７０２と銅あるいはニッケルフレ
ーム７０６をそれぞれ結合した図である。図１５は、パ
ラジウム合金箔と銅またはニッケルフレーム組立品７２
０の組み合わせを管状構造に圧延し、再び超音波溶接で
接合して管状構造を保つように仕上げたものである。こ
の形状では、管状組立品の末端部分に銅やニッケル材料
の断面が露出する。そこで、この銅やニッケルフレーム
の露出部分にエンドキャップを直接蝋付けし、気密構造
とする。
【００７２】図１２〜１６に関しては、管状の水素浸透
性金属膜７００（図１７）を次のような一般的構築方法
で用意した。水素浸透性金属膜７０２としてＰｄ−４０
ＣｕとＰｄ−２５Ａｇ箔の両方（公称厚さ２５ミクロ
ン）を用いた（図１２に個別に図示）。炭素鋼製または
ステンレス鋼製のテンションスプリング７４０（図１５
〜１７）を管状膜構造７００の内部の補強材として用い
た。
【００７３】最初の工程は、図１４に示すように、パラ
ジウム合金箔７０２を銅製箔フレーム７０６（公称厚さ
５０ないし１２５ミクロン）に接合することであった。
パラジウム合金箔７０２は一般に幅が８．９ｃｍ、長さ
が２６．４ｃｍであった。銅製箔フレームは一般に幅が
１０．２ｃｍ、長さが２７．９ｃｍであり、その中に四
辺から等距離に位置する幅約７．６ｃｍ、長さ２４．１
ｃｍの切り抜き中心部を持っていた。このため、箔７０
２がフレーム７０６の切り抜き中心部を占有すると、パ
ラジウム合金箔７０２と銅製箔フレーム７０６との間に
０．６ｃｍのオーバーラップ７１０（図１４）が生じ
た。
【００７４】超音波溶接を用い、パラジウム合金箔７０
２の四隅のすべてでパラジウム合金箔７０２と銅製箔フ
レーム７０６との間に周辺気密シール７１２を持たせ
た。Ａｍｔｅｃｈ（Ｓｈｅｌｔｏｎ，Ｃｏｎｎ．）ウル
トラ・シーム４０型ウェルダーを使用した。この溶接機
は４０ｋＨｚで作動し、超音波トランスデューサーに最
大約７５０Ｗのパワーを送る。ホーン（ｈｏｒｎ）（超
音波トランスデューサーに接続）もアンビルも、溶接機
の正常運転中は作業員の選定する速度で回転する。溶接
作業は、ホーンとアンビルとの間に金属を挟み、超音波
トランスデューサーに通電することによって行う。
【００７５】超音波溶接機用のホーンとアンビルは直径
７．０ｃｍの円形とし、支持面ストリップは幅が約０．
２ｃｍあり、表面粗度はＥＤＭ＃３仕上げに相当する。
ホーンとアンビルとは窒化チタンで表面被覆されてい
る。一般的な溶接パラメータは、トランスデューサーに
与えるパワーがフルパワーの４０％、ホーンとアンビル
との間の加圧圧力が４０ｐｓｉｇ、ホーンとアンビルの
回転速度が４ｒｐｍ、そしてホーンは溶接する箔ピース
上に「浮いていること」（すなわち、ホーンとアンビル
の分離をあらかじめ設定してはならないこと）である。
メタルを確実に溶接するため、クリーニングにより相接
する金属同士から酸化物、グリース、オイル、汚れなど
の残留物を除去する。なお、軟質金属は、超音波溶接に
よって硬質金属よりも一層確実に接合されるので、パラ
ジウム合金膜箔７０２と銅製箔フレーム７０６を溶接前
に焼鈍すれば、より良い結果が得られると思われる。
【００７６】図１４に示すように膜７２０を組み立てる
ため、パラジウム合金膜箔７０２を銅製箔フレーム７０
６に溶接した後、標準染色探傷試験により溶接シール７
１２の漏れを検査した。漏れが見つからなかった場合、
膜組立品７２０はクリーニングにより余分の染色を落と
し、図１５に示すように２．８ｃｍ（外径）のテンショ
ンスプリング７０４（長さ２７．９ｃｍ、公称直径０．
２５ｃｍのステンレス鋼または炭素鋼のワイヤ一製）の
周りを長さ方向に包んだ。次に、組立品７２０の反対側
の縁のオーバーラップ部分７２２を超音波溶接で接合
し、すでに管状構造になった長さ方向に沿ってラップシ
ール７２４を形成した。次に、上に規定する超音波溶接
パラメータを用い、ラップシール７２４を達成した。そ
れから、ラップシール７２４を、円筒形になるよう膜管
に沿って重ねた。次に、銅製のエンドキャップ ７３０
（図 １６）を膜管の端部に取り付け、標準型の銅／燐
または銅／銀／燐の蝋付け合金と水素／空気または炭化
水素／空気（例えば、メタン、プロパン、またはアセチ
レン）用トーチを用いて接合部７３１（図１７）で蝋付
けした。蝋付け合金は、銅製エンドキャップ７３０と銅
製箔フレーム７０６のみに付ける。エンドキャップ７３
０を円筒形の組立品７２０につなぐ蝋付け接続部７３１
を設けても、それはデリケートなパラジウム合金膜箔７
０２を液状物質に暴露することにはならず、すなわち肉
薄の箔７０２を破損することにはならない。さまざまな
超音波溶接部７１２と７２４とが気密性のシールを作
り、蝋付け接合部７３１もまた気密性のシールを作るの
で、水素は管７００の外側のリフォーメーションプロセ
スから箔７０２だけを経由して通過する。少なくとも一
つ以上のエンドキャップ７３０が、膜管の内側つまり内
径から浸透水素を回収するためのポート７３２と出口７
３４とを備えている。管７００の内部では、上に述べた
ように、メタン生成触媒７４０を使って精製水素を膜管
７００から採取することができる。以上に述べた如く、
このような構造で造られた膜７００は膜管の外表面を通
過する高圧燃料ガスに好適であり、浸透ガスを膜の内表
面で回収することができる。
【００７７】図１８は、本発明の別の実施態様に基づく
スチームリフォーマー８１２の透視図と部分破断図であ
る。リフォーマー８１２はリフォーマー３１２（図６）
と類似の隔離型蒸発チャンバー８２０を採用している。
もっと具体的に説明すると、リフォーマー８１２は入力
導管８３０で供給供給原料を受け入れ、導管８３０がこ
の混合物を蒸発コイル８３０ａから蒸発チャンバ８２０
へと送り出す。チャンバ８２０の中の高温は入力導管８
３０から入って来た供給供給原料を蒸発させる。コイル
８３０ａは、リフォーメーションチャンバ８６２の中を
通り、その内側に開く。蒸発した燃料は、これによって
リフォーメーションチャンバ８６２に入る。リフォーメ
ーションチャンバ８６２はリフォーメーション触媒８６
３で満たされており、スチームリフォーメーション部８
６２ の中でスチームリフォーメーションが生ずる。リ
フォーメーション生成物の流れ８０１は、出口導管８５
２からスチームリフォーメーション部８６２を出る。導
管８５２は生成物の流れ８０１を膜モジュール８５４に
運ぶ。モジュール８５４は、流れ８０１を副産物の流れ
８０５と水素に富む流れ８０３とに分離する。
【００７８】水素の枯渇した改質油副産物の流れ８０５
は、導管８２１を膜モジュール８５４から減圧弁８２３
へ、そこから更にマニホルド８０７へ移動する。マニホ
ルド８０７はリフォーマー２１２（図５）のマニホルド
２０７と同様の働きをする。さらに具体的にいうと、マ
ニホルド８０７は入口８０９から、すなわち強制空気供
給源から空気を取り入れ、それを混合部８１３で流れ８
０５と混ぜ合わせる。点火装置８１９が空気と流れ８０
５との混合物に点火し、その結果燃焼が生じて、蒸発チ
ャンバ８２０内の温度が上昇する。先の本発明の実施態
様でもすでに説明したが、流れ８０５には、モジュール
８５４のパラジウム合金膜を通る際に意図的に採取され
なかった若干量の水素が含有されている。従って、流れ
８０５は蒸発チャンバ８２０内の燃焼のための燃料源と
なる。
【００７９】排気ポート８４２は、詳しくは図１９に示
されているように、燃焼副産物を、燃焼導管８４３を経
由してチャンバ８２０から排気ポート８３８まで運ぶ。
しかし、導管８４３は、リフォーメーションチャンバ８
４２を通過し、熱をリフォーメーション部８６２全体に
分布させ、そこでのリフォーメーションをサポートす
る。排気導管８４３は、リフォーメーション部８６２全
体にわたって大きな表面積を提供し、望ましい均一な熱
分布を与えるために、フィン管やスパイラルなどのさま
ざまな形状をとり得る。
【００８０】更に図１９について述べると、膜モシュー
ル８５４から出て来る生成物の流れ８０３は、中にメタ
ン生成触媒８０４を有する導管８５６を通って移動す
る。導管８５６はリフォーメーション部８６２と蒸発チ
ャンバ８２０を通過し、そこから熱エネルギーを回収
し、そうすることによって、導管８５６で生じているメ
タン生成プロセスをサポートする。導管８５６の末端端
部８１４は、生成物出口となる。すなわち、十分に精製
された形の水素を例えばＰＥＭ燃料電池１６（図１）に
利用するために提供する。
【００８１】図２０と２１は、それぞれ図１８と１９の
膜モジュール８５４に採用された膜フレームと浸透フレ
ームの図である。図２０において、膜フレーム８７０
は、方形の中心切り抜き部８７０ｂを持つ円形の銅製ま
たはニッケル製のフレーム８７０ａを有する。中心の切
り抜き部８７０ｂより大型の方形パラジウム合金膜８７
０ｃがシール８７０ｄの所でフレーム８７０ａに接合さ
れる。パラジウム合金膜８７０ｃの周囲にシール８７０
ｄを作るために超音波溶接を利用することにより、膜８
７０ｃとフレーム８７０ａとの間に気密シールが出来上
がる。最後になるが、膜８７０は、燃料マニホルドアパ
ーチャ８７２と浸透マニホルドアパーチャ８７４をその
中に有する。
【００８２】図２１において、浸透フレーム８７６は中
心切り抜き部８７６ａを持つ。切り抜き部８７６ａはそ
の中に、形状が総体的に方形で、大体の寸法が膜８７０
ｃに対応する第一の部分を有する。切り抜き部８７６ａ
のこの部分は、ワイヤーメッシュスペーサ８７６ｂによ
って占有される。ワイヤーメッシュスペーサ８７６ｂの
代わりに使用できる代替材料としては、多孔質セラミッ
クス、フォームセラミックス、多孔質カーボン、フォー
ムカーボン、多孔質金属およびフォーム金属などがあ
る。切り抜き部８７６ａの第二の部分は外周に向って外
側に拡大し、浸透マニホルド８８４の範囲を規定し、そ
の中にワイヤーメッシュインサート８７６ｃを持つ。フ
レーム８７６には凹みの部分を設け、フレーム８７０と
向い合わせの接触を受け入れ可能にすることができる。
すなわち、フレーム８７０ｂに取り付けられる膜８７０
ｃを受け入れ可能にすることができる。最後に、浸透フ
レーム８７６は燃料マニホルドアパーチャ８８２を内蔵
している。
【００８３】当然のことながら、フレーム８７０とフレ
ーム８７６とは外径寸法が一致しており、スタックした
（積み重ねた）ときに特定の部分が同一線上に並ぶ。例
えば、燃料マニホルド８７２ は燃料マニホルド８８２
と同一線上に並ぶ。また、浸透マニホルド８７４は、そ
れよりかなり大きい浸透マニホルド８８４と同一線上に
並べることができる。このように、後でもっと詳しく説
明するように他の構成部品と共に適切にスタックした場
合、膜モジュール８５４は、流れ８０１を流れ８０３と
流れ８０５とに分離するように設定することができよ
う。
【００８４】図２２は、モジュール８５４のための直流
構成を成立させるためにスタックされたフレーム８７０
と８７６の使用法を図示したものである。図２２では、
浸透フレーム８７６は各側面上で膜フレーム８７０と共
に中央位置を占める。つまり、図２２に示す通り、上下
の位置を占める。フレーム８７６の燃料マニホルド８８
２はフレーム８７０の燃料マニホルド８７２と同一線上
に並ぶ。フレーム８７６の浸透マニホルド８８４はフレ
ーム８７０の浸透マニホルド８７４と同一線上に並ぶ。
供給フレーム８８０は、各フレーム８７０の外側に位置
する。つまり、図２２に示す通り、フレーム８７０の上
と下に位置する。フレーム８８０は、その各々がフレー
ム８７０と８７６の形に対応して円形をしている。各フ
レーム８８０は中央部に開いた部分を持つが、その開い
た部分は横向きに外側方向に延びて、フレーム８７０と
８７６の同心アパーチャ８７２および８８２と流体的に
つながっている。また、各フレーム８８０は中央の切り
抜き部から隔離された浸透マニホルドアパーチャ８８７
も有する。
【００８５】このように、図２２に示す構造は、燃料ガ
スが連続する膜８７０ｃを通って連続的に流れる連続す
る流れの構造を示している。例えば、燃料ガスが図２２
にある構成部品スタックを通って上昇する場面を想像し
て頂きたい。燃料ガスが一番低い場所にあるフレーム８
８０の中央の開いた部分に入ると、水素は最下部膜フレ
ーム８７０の膜８７０ｃを通過するチャンスを手に入れ
る。当然のことながら、最下部膜フレーム８７０を通過
する水素は、浸透フレーム８７６の中心の開いた部分に
移り、次に浸透マニホルド８８４、８７４および８８７
を介して構成部品スタックを出て採取される。図２２の
直流構成は、燃料ガスに膜８７０ｃを通過する２度目の
チャンスを与える。さらに具体的に説明すると、燃料ガ
スは最下部フレーム８８０の中心の開いた部分から、浸
透フレーム８７６の燃料マニホルド８８２を通じて最下
部フレーム８７０の燃料マニホルド８７２に移動し、ま
た上部フレーム８７０の燃料マニホルド８７２を通じて
最上部供給フレーム８８０の中心の開いた部分に移動す
る。この中心の開いた部分で、燃料ガスは第２のパラジ
ウム合金膜にさらされる。さらに具体的にいうと、それ
が上部供給フレーム８８０の中心の開いた部分に入る
と、燃料ガスに残っている水素が上部膜フレーム８７０
の膜８７０ｃにさらされるのである。この上部膜８７０
ｃを横切るこのような水素は、浸透フレーム８７６の中
心の開いた部分に入ってから、マニホルド８８４、８７
４および８８７に沿って移動し、採取生成物となる。
【００８６】当然のことながら、図２２で示した構成に
おいては、追加の類似構成部品をスタックし、燃料ガス
を直列に連続してパラジウム合金膜にさらすチャンスを
与えることもできる。実際にこれを実施するとなると、
水素を採取したり、プレート状膜モジュール５５４に関
して先に説明したように燃料ガスを構成部品スタックに
強制的に押し込んだりするためのエンドプレート、ある
いは所要の出口ポートや入ロポートが必要になろう。
【００８７】図２２で示したような直流構成では、燃料
ガスの流れは、第１の膜の表面を流れた後、希望に応じ
て第２の膜等の表面を順次流れるように方向づけられ
る。このような直流構成は、膜モジュール構成部品スタ
ック中の各膜を通過した後の燃料ガスの流れ構成部品の
混合を促進する。
【００８８】図２３は、膜モジュール構成部品を並流構
成とした第２の構造である。ここでは、供給燃料供給原
料の流れは分流し、パラジウム合金膜にさらされるチャ
ンスは１回である。図２３において、浸透フレーム８７
０’は全体として見れば、先に説明した浸透フレーム８
７０に相当し、その中にラフィネート・マニホルド８７
５も有する。同様に、浸透フレーム８７６’は先に説明
した浸透フレーム８７６に相当するが、これもその中に
ラフィネート・マニホルド８８５を有する。ラフィネー
ト・マニホルド８８５と８７５とは、フレーム８７０’
と８７６’とが図２３のようにスタックされた場合、同
一線上に並び、その間を互いに流体が連絡し合う。
【００８９】図２３の構造は、パラジウム合金膜８７０
ｃを横断する燃料ガスの並流を確立する。さらに具体的
には、下部供給フレーム８８０の中心の開いた部分に入
って来る燃料ガスを考えて頂きたい。このような燃料ガ
スは、下部供給フレーム８７０’の膜８７０ｃにさらさ
れる。同時に、燃料ガスの一部は膜８７０ｃを横切って
方向変換し、アパーチャ８７５と８８５とで作られるラ
フィネート・チャンネルに沿って、あるいはアパーチャ
８７２と８８２に沿って移動し、最終的に上部供給フレ
ーム８８０の開いた部分に入る。この時点で、燃料ガス
は上部フレーム８７０’の膜８７０ｃにさらされる。し
たがって、そこに存在する水素は膜８７０ｃを通って浸
透フレーム８７６’の中心の開いた部分に移動できる。
それ以後、この水素はフレーム８７６’のマニホルド８
８４とフレーム８７０’のマニホルド８７４に沿って流
れ、最終的にアパーチャ８８７を通過して生成物として
採取される。このような並流構成においては、膜を通る
すべての供給チャンネルは共通の燃料燃料マニホルドか
ら供給を受ける。このことは、燃料ガスの流れの圧力低
下を軽減するのに有利に働く。
【００９０】図２２と２３に示した膜構成部品の積層
（スタック状）構成は、燃料ガスが膜モジュールを通じ
て直流または並流で流れることを可能にする。燃料フレ
ーム８８０は相互互換性を持っているため、一つの膜モ
ジュールで直流と並流との積層構成を組み合わせること
が可能である。さらに具体的にいうと、図２２に示した
構成を図２３に示した構成に隣接して積み重ねることも
できる。本発明で説明された水素精製装置の所与の第一
段階を確立するため、希望に応じてそのような構成を単
一の膜モジュールの中で多重に組み合わせることが可能
である。
【００９１】図２４は、膜モジュールに組み込むことの
できる追加フレーム構成部品の図である。図２４の排気
フレーム８９０は、その中に燃料マニホルドアパーチャ
８９２、浸透マニホルド９８４およびラフィネート・マ
ニホルド８９５を有する。当然のことながら、図２２と
２３で示した膜モジュールの積層排気フレーム８９０
は、上に述べた膜モジュールの作動に影響を及ぼさない
限り、燃料ガスがアパーチャ８９２を通過することを許
し、水素生成物にアパーチャ８９４を通過することを許
し、ラフィネートがアパーチャ８９５を通過することを
許す。また、排気フレーム８９０もその中に排気マニホ
ルド８９７を有し、高温の燃焼排気ガスにフレーム８９
０の横から通過することを許している。当然のことなが
ら、排気マニホール８９７はアパーチャ８９２、８９４
および８９５から隔離されている。排気フレーム８９０
を通過する高温の排気ガスはフレーム８９０を含む膜モ
ジュールの温度を上昇させ、始動時の膜モジュールの温
度上昇を加速する。排気フレーム８９０は、ここに説明
する蝋付け、ガスケットまたは溶接などの従来工法によ
って、その他のフレーム部材と一緒に膜モジュールの積
層構成部品構造に組み込むことができる。
【００９２】また、蝋付け、ガスケットまたは溶接など
の従来工法を利用してここに図示する平板状構成部品の
積層（スタック）構造を施工し、積層構成部品膜モジュ
ールを製作することができる。モジュールの積層構成部
品同士の間をシールするには、すなわち膜組立品、浸透
フレームと燃料フレーム、排気フレーム部材およびエン
ドプレート同士の間をシールするには、蝋付け、ガスケ
ットまたは溶接などの工法が適当であり、デリケートな
パラジウム合金膜８７０ｃを傷つけることなく作業が可
能であろう。例えば、接し合うフレーム部材同士の間に
蝋付け合金を当て、蝋付け炉の中の雰囲気を制御しなが
ら蝋付けが完了するまで組立品全体を加熱する。あるい
はまた、モジュールを組み立ててから、例えば軌道式パ
イプ溶接機を使って外部から溶接してもよい。シールさ
れた膜モジュールのさらに別の製造方法としては、構成
部品を積層し、その積層に十分な圧力をかけて、接し合
う面を十分に加圧接触させる。次に、この組立品全体を
２時間から８時間をかけて摂氏５００ないし８００度の
間で加熱すると、接し合う面同士の間に金属間拡散が生
じ、シール結合が生まれる。気密性シールを作り出すさ
らにもう一つの方法としては、従来から用いられている
フレキシブル（圧縮性）グラファイト・ガスケット、あ
るいはグラファイトと金属との複合ガスケットを使用す
る方法がある。
【００９３】以上のように、本発明に基づくスチームリ
フォーメーションの実施に当たっては、さまざまな実施
態様、形状配置、代替案が示されている。また、本発明
に基づくスチームリフォーメーションの実現可能性を証
明するため各種の実験と試験手順が行われてきている。
これについては、以下に概略を説明する。
【００９４】本発明の好ましい実施態様で先に述べたよ
うに、水素に富む改質油の流れは、これも本発明の主題
となっている二段階の水素精製装置で精製される。この
二段階水素精製装置は、改質油の流れから水素を大まか
にふるい分けするため、第一段階で膜を使う。次に、第
一段階の膜から出た浸透水素は研磨工程（第二段階）に
かけられ、ＣＯやＣＯ2など選ばれた不純物の濃度を、
ＰＥＭ燃料電池の燃料として使える水素に必要で十分な
低レベルに達するまでさらに減らす。例えば、標準的な
白金電気触媒を使う典型的なＰＥＭ燃料電池が必要とす
る水素は、燃料電池として最大の出力を発揮するには、
ＣＯ含有量が＜ｌ０ｐｐｍ、ＣＯ2含有量ができれば＜
１００ｐｐｍのレベルでなければならない。
【００９５】精製装置の第一段階で用いられる膜は、水
素浸透性で水素選択性の高温膜から選定される。熱安定
性の高い膜は精製装置をリフォーマーと温度的に一体化
することを可能にし、精製に先だって水素に富む改質油
を冷却する必要をなくする。そのため、全体のシステム
が簡略化され、システムのコスト削減が達成される。
【００９６】好ましい膜は、微孔性セラミックス、微孔
性カーボン、微孔性金属、稠密性金属膜である。特に好
ましいのは、パラジウムとパラジウム合金、ニッケルと
ニッケル合金、第４族金属及び第５族金属並びにその合
金を含む、水素浸透性と水素選択性の金属から構成され
る肉薄膜である。Ｐｄ−４０Ｃｕ製の肉薄膜は、水素浸
透性と耐久性が高いので特に好まれる。特に、Ｐｄ−４
０Ｃｕ合金は最高の水素浸透性を発揮し、従って、も
し、Ｐｄ−４０Ｃｕ合金が低濃度の炭素と酸素を含有す
れば、経済的に最も有利である。下の表は高い水素浸透
性（水素圧１００ｐｓｉｇ、温度摂氏４００度の下で、
厚さ２５ミクロンの膜を通過する水素流量で表示）と低
い炭素含有量との相関関係を示した表である。
【００９７】
【００９８】水素浸透性膜は、他のガスに対するよりも
特に高い選択性を水素に対して発揮する必要はない。と
いうのは、水素精製装置の第二段階が、膜を通過した浸
透水素に残留する選ばれた不純物をさらに減らす働きを
するからである。選択度とは、水素の浸透率を不純物の
浸透率で割った比率である。膜の示す水素の選択度は少
なくとも２０なるべく５０以上であることが望ましい。
【００９９】選択度が比較的低い膜を使うと、ＰＥＭ燃
料電池用として十分に満足できる高い純度の浸透性水素
の流れは生産できない。例えば、スチームリフォーミン
グ・メタノールは、ＣＯとＣＯ2の組み合わせを約２５
％含有する水素に富む改質油の流れを生成する。また、
水素選択度５０の膜は、ＣＯとＣＯ2との組み合わせを
約２５％／５０〜０．５％含有する浸透水素の流れを生
成する。しかしながら、このレベルの不純物は研磨工程
（第二段階）で簡単に処理される。したがって、二段階
の水素精製装置では、機構の不完全さあるいはその他の
理由で、他のガスに比べて水素に対する選択度が比較的
劣る膜を使用することも可能である。このような膜は非
常に高い水素選択性を持つ（例えば水素選択性＞１００
０の）膜よりも価格が低廉である。
【０１００】膜の機械的強度を犠牲にすることなく、極
めて肉薄の水素浸透性膜を得るには、肉薄の水素浸透性
膜をサポート層で支える。このサポート層は、運転条件
下で温度的、化学的に安定していなければならない。ま
た、このサポート層は多孔質であるか、あるいは中に十
分な空隙を持つもので、水素を肉薄の膜に浸透させ、ほ
とんど邪魔することなくサポート層を通過させることが
望ましい。サポート層の材質の例としては、金属、炭
素、およびセラミックフォーム、多孔質および微孔質セ
ラミックス、多孔質および微孔質金属、金属メッシュ、
穴あき金属、スロット穴あき金属などがある。特に望ま
しいサポート層は、金網メッシュ（スクリーンとも言
う）と管状金属テンションスプリングである。
【０１０１】膜が肉薄の水素浸透性金属（例えばパラジ
ウム合金）で、サポート層が金属で出来ている場合、サ
ポート層に使う金属は、ステンレス鋼や下記の組成要素
からなる非鉄耐食合金のような耐食性の合金からなるべ
く選ぶようにする。ちなみに、非鉄合金の組成要素は、
クロム、ニッケル、チタン、ニオビウム、バナジウム、
ジルコニウム、タンタル、モリブデン、タングステン、
シリコン、アルミニウムである。これらの耐食合金は、
化学的、物理的に極めて安定した自然の表面酸化層を持
ち、肉薄膜と金属サポート層との間の金属間拡散速度を
大幅に遅延させる役割を果たす。このような金属間拡散
は、万一それが生じると、しばしば膜の水素浸透性を著
しく劣化させるため、決して望ましいものではない（Ｅ
ｄｌｕｎｄ，Ｄ．Ｊ．および Ｊ．ＭｃＣａｒｔｈｙ，
“Ｔｈｅ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ Ｂｅｔｗｅｅｎ
Ｉｎｔｅｒｍｅｔａｌｌｉｃ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ
ａｎｄ Ｆｌｕｘ Ｄｅｃｌｉｎｅ ｉｎ Ｃｏｍｐｏ
ｓｉｔｅ Ｍｅｔａｌ Ｍｅｍｂｒａｎｅｓ：Ｉｍｐｌ
ｉｃａｔｉｏｎｓ ｆｏｒ Ａｃｈｉｅｖｉｎｇ Ｌｉｆ
−ｔｉｍｅｓ（金属間拡散と合成金属膜での流量低下と
の関係：長寿命膜達成のための考察）”、Ｊ Ｍｅｍｂ
ｒａｎｅ ｌ０７号（１９９５年）１４７〜１５３）。
【０１０２】肉薄金属膜と金属サポート層との間の金属
間拡散率も、金属サポートに非多孔質の何らかの被覆を
かぶせることによって遅らせることができる。これに適
する材質としては、酸化アルミニウム、窒化アルミニウ
ム、酸化ケイ素、タングステン・カーバイド、窒化タン
グステン、および第４族と第５族の金属酸化物、窒化
物、カーバイドなどがある。これらのコーティングの多
くは工具や金型用の硬質被覆材として、また離型剤とし
て用いられている。
【０１０３】水素精製装置の第二段階は、ＰＢＭ燃料電
池の出力と作動に悪影響を与える不純物を更に減らすこ
とを意図したものである。特に、第二段階の研磨工程は
第一段階の膜に浸透した水素から主としてＣＯを、次に
ＣＯ2を除去することが目的である。更に、第二段階の
研磨工程は、第一段階の膜の運転温度それ自体かあるい
はその近辺で実施されるため、研磨工程を通す前に水素
の流れを加熱したり冷却したりする必要はなくなる。研
磨工程を温度的に一体化することにより、熱交換器は必
要がなくなり、システム全体の運転が単純化され、シス
テムのコスト削減が達成される。
【０１０４】第二段階の研磨工程に適する化学的操作
は、ＰＥＭ燃料電池の水素燃料からＣＯを除去するため
に広範に実践されているＣＯの好ましい酸化である（Ｓ
ｗａｔｈｉｒａｊａｎ，Ｓ．および Ｈ．Ｆｒｏｎｋ，
“Ｐｒｏｔｏｎ−Ｅｘｃｈａｎｇｅ‐Ｍｅｍｂｒａｎｅ
Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ ｆｏｒ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉ
ｏｎ（輸送用陽子交換燃料電池膜）”、燃料電池 ’９
４契約者検討会議議事録ＤＯＥ／ＭＥＴＣ‐９４／１０
１０，８月１７〜１９日（１９９４年）１０５〜１０
８）。しかしながら、選択的酸化は水素の流れからＣＯ
しか除去しないため、ＣＯ2の含有量は減らないことに
なる。実際、選択的酸化は水素のＣＯ2含有量を増加さ
せている。研磨工程のための好ましい化学的操作はメタ
ン生成である。メタン生成は下の式から分かるようにＣ
ＯとＣＯ2の両方を水素から取り除く。 ＣＯ＋３Ｈ2‐ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ ＣＯ2＋４Ｈ2‐ＣＨ4＋２Ｈ2Ｏ
【０１０５】メタン生成は、ニッケル、パラジウム、ル
テニウム、ロジウムおよびプラチナなどの触媒の存在下
で＞３００℃で生ずる。出来ればメタン生成は、ＢＡＳ
Ｆが製造販売するＲ１−ｌ０やＧ１‐８０のような市販
のニッケル・リフォーミング触媒やメタン生成触媒を使
い、４００℃ないし６００℃で行うのが望ましい。
【０１０６】前の実施態様で既に説明したように、水素
精製装置の第一段階と第二段階とを統合して一体化し、
互いに緊密に連携させることができる。そうすると、水
素精製装置の熱損失が減って装置サイズがコンパクトに
なるうえに、重量とコストも低減できる。例えば、第一
段階に管状膜を使った場合、第二段階の研磨工程を膜管
内径の膜浸透側に収納することができる。プレートタイ
プの膜を選んだ場合には、研磨工程を膜プレート同士の
間の膜の浸透側に置くか、あるいは浸透水素排出ポート
の所でプレートタイプの膜に直接接続している管の中あ
るいはその他の別の形状の場所に置くことができよう。
さらにまた、強度の理由から膜を補強しかつ研磨工程が
メタン生成である場合、メタン生成触媒を膜サポートの
中に組み込むことができる。また例えば、膜サポートを
ニッケルその他の金属メッシュで構成し、ニッケル表面
積を大きくすることもできる。
【０１０７】先に開示した実施態様では、二段型水素精
製装置を燃料処理装置の一体部分として示したが、二段
型水素精製装置は当然のことながら、従来型水素製造プ
ロセス（例えば、スチームリフォーマー、部分酸化反応
器または自熱式リフォーマー）の外部で機能できる。
【０１０８】スチームリフォーミングプロセスによって
水素を製造する場合、安全面への配慮から不燃性燃料供
給原料の使用が必要になる。不燃性燃料供給原料を使用
する際の利点としては、密閉環境内に燃料供給原料が溜
って火災や爆発を起こす危険を避けられること、また軍
事用途の場合、高温の金属破片が燃料貯蔵タンクに当た
って貫通する危険を避けられることなどがある。
【０１０９】本発明が開示するスチームリフォーミング
により水素を発生させるための不燃性燃料供給原料に
は、水と混和する性質を持つポリヒドロキシアルコール
とポリエーテルがある。ここで用いる不燃という言葉
は、圧力約１気圧の普通の空気の中で燃焼が自発的には
継続しないことを意味する。好ましい燃料は、エチレン
グリコール、プロピレングリコール、およびエチレング
リコールとプロピレングリコールのグリコールエーテル
（例えば、ジエチレングリコール）である。これらの燃
料は一括してグリコールと呼ばれる。スチームリフォー
ミングのために化学式通りの量の水と混ぜられると（例
えば、１モル当量のエチレングリコールに対し２モル当
量の水）、これらの燃料供給原料はトーチからプロパン
／空気の炎を当てられても不燃性である。炎はグリコー
ル／水の混合物が沸騰するまでそれを無駄に加熱するだ
けである。グリコール／水の混合物に十分な水がある限
り、燃焼は続かない。
【０１１０】グリコール／水の混合物の不燃性は、グリ
コール成分の蒸気圧が非常に低いことに由来する（エチ
レン・グリコールやプロピレングリコールがその例であ
る）。例えば、エチレングリコールの蒸気圧は摂氏１０
０°で２０ｔｏｒｒに過ぎない。さらに、この混合物の
水成分も、スチームリフォーミングにとって必要な反応
物質であるということの他に、２つの機能を提供するこ
とによってグリコール／水混合物の不燃性に一役買って
いる。第一に、混合物中の水は、混合物が加熱される最
高温度を蒸発冷却によって引き下げ、それによってグリ
コールの最高蒸発圧力を制限する。第二に、水蒸気はグ
リコール／水混合物の表面の（大気から取り入れる）酸
素を希釈する。燃焼にとっては酸素が必要であり、一般
に高濃度の酸素が燃焼にとって有利に作用するため、水
蒸気による空気中の酸素の大幅な希釈はグリコール／水
混合物の燃焼を抑制する働きをする。
【０１１１】以上述べた通り、特定の供給原料混合物は
不燃性である。簡単に言うと、不燃性であるためには、
燃料供給原料の燃焼成分すなわち有機物質成分の蒸気圧
は、混合物中の水の沸点である１００℃で下方可燃限界
以下に留まっていなければならない。一般に、このため
には、有機物質成分の蒸気圧は１００℃で＜１００ｔｏ
ｒｒでなければならない。
【０１１２】不燃性であることに加え、内燃機関の熱交
換液として最も良く知られているグリコール／水の混合
液は、４００℃から７００℃に至る温度範囲内で、ニッ
ケルベースのスチームリフォーミング触媒の存在下にお
いて水素に富む改質油の流れに変換される。また、グリ
コール／水の混合液は、広い範囲に亘って水の濃度を安
定して保つ液体となるという利点を有する。したがっ
て、グリコール／水の燃料供給原料を適切に混合するこ
とによって水とグリコール・スチームリフォーマーの適
正な比率を得たうえで、この燃料供給原料を燃料タンク
または貯蔵タンク）に供給し、そこから燃料供給原料を
適量ずつリフォーマーに送り込むことができる。グリコ
ール／水の混合液のもう一つの利点は、それが広い温度
範囲にわたって液状を保つことであり、またそれが大体
において粘性の液体であることである。グリコール／水
の混合液は冷却剤として市販され、０℃を相当に下回る
温度でも、また一方ｌ００℃を相当に上回る温度でも液
状を呈する。グリコール／水の混合液は液状であるか
ら、高い圧力まで効率的にポンプアップして、リフォー
マーに送ることができ、したがってスチームリフォーミ
ングを高圧で実施することができる（最高圧力は５００
ｐｓｉｇであるが、好ましいのは１００ｐｓｉｇないし
３００ｐｓｉｇ）。グリコール／水の混合液は粘度が高
いため、ポンプ効率が高くなる。特にギヤポンプ、ピス
トンポンプ、または遠心ポンプを使って高圧燃料供給原
料をリフォーマーに送る場合には効率が高い。粘度が高
いと、ポンプの湿った表面を通過した後の滑りが減少す
る。この滑りによって、ポンプはしばしばその最大使用
差圧が制限されるのである。
【０１１３】この発明の内蔵型燃料処理装置を実例で明
らかにするため、図５で概略を図示した燃料処理装置を
製作し、運転した。図１２から１７で概略を説明した方
法に従って、管状金属膜（水素精製装置の第一段階）を
製作した。水素浸透性金属箔７０２を公称厚さ２５ミク
ロンのＰｄ−４０Ｃｕで構成した。膜は長さを約１５ｃ
ｍ（外径は２．８ｃｍ）とした。水素精製装置の第二段
階の触媒メタン生成装置は、外径１．８ｃｍの銅製管の
中に収納し、この管を管状膜 ７００ の内径の内側に挿
入した。銅製メタン生成管の一端を管状膜エンドキャッ
プ７３０の一つでシールした。銅製メタン生成管のもう
一つの端は、膜管の端部から約０．３ｃｍの所で終わら
せ、膜管７００の内側に浸透する水素が図３に概略を示
すメタン生成管の開放端部に自由に入るようにした。メ
タン生成管には「ＣＯとＣＯ2のメタン生成作用を持つ
サポート・ニッケル組成である触媒Ｇ１−８０（ＢＡＳ
Ｆ）を満たした。
【０１１４】燃料処理装置のリフォーミング部には、一
般に＜３５０℃での水性ガス転化反応のためにＢＡＳＦ
が販売している銅／亜鉛サポート触媒である触媒Ｋ３−
１１０を満たした。燃料処理装置の胴体、スパイラル燃
焼管、およびエンドプレートはすべてステンレス鋼製と
した。胴体とエンドプレートの周りには、熱損失を低減
するための断熱材を巻いた。
【０１１５】燃料処理装置は、メタノール／水の混合液
を供給原料として用いて運転した。メタノール／水の溶
液は、４０５ ｍＬのメタノール（組織学的グレード、
Ｆｉｓｈｅｒ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ）に１８０ｍＬの
脱イオン水を混ぜて調整した。燃料処理装置を外部の電
気抵抗ヒーターを用いて２００℃ないし３００℃まで加
熱した。一旦燃料処理装置が高温になったら電気ヒータ
ーを切り、メタノール／水の溶液を２００ ｐｓｉｇで
燃料処理装置にポンプで送り込んだ。まず、メタノール
／水の供給原料が蒸発し、次に蒸気がＫ３−１１０リフ
ォーミング触媒を通って水素に富む改質油を生成した。
次に、二段階水素精製装置は改質油から常圧で精製水素
を抽出した。水素の枯渇したラフィネートは、上に説明
したように燃焼装置の方に流れた。このラフィネート・
ガスが燃料処理装置の中で燃焼することで燃料処理装置
の温度は３００℃ないし３５０℃に上昇し、燃料処理装
置の運転開始後に必要になった熱のすべてを供給した。
【０１１６】生成水素の純度をガス・クロマトグラフィ
で測定し、生成水素の流量を校正済みガス流量計で測定
した。生成水素を分析した結果、ＣＯは＜１０ｐｐｍ、
ＣＯ 2は＜１０ｐｐｍであることが確認された。生成水
素の流量は２Ｌ／ｍｉｎ．であった。リフォーマーを外
部加熱なしに６時間、このモードで運転し、この間に実
験を終了した。
【０１１７】第二の例では、図１７〜１７に関連して概
略を説明した方法により外径２．２ｃｍのＰｄ−２５Ａ
ｇ管状膜を製作した。Ｐｄ−２５Ａｇ箔は厚さが２５ミ
クロン、幅が７．０ ｃｍ、長さが１６ｃｍであり、銅
製フレームは厚さが１２５ミクロン、幅が８．３ｃｍ、
長さが１７．８ｃｍであった。図１２〜１７で概略を説
明した溶接機と溶接方法を用い、パラジウム合金箔を鋼
製箔フレームに接合した。膜のサポートは外径２．２ｃ
ｍの炭素鋼テンションスプリングであった。このスプリ
ングは通常０．２５ｃｍの直径を持つワイヤ一で製作し
たものである。エンドキャップを上に説明した方法で膜
の端部に蝋付けするか、場合によっては、エンドキャッ
プをグラファイトシールを使って膜管の端部にシールし
た。グラファイトシールは、フレキシブル・グラファイ
ト・テープ（幅１．３ｃｍ）を膜管の周りに巻き付け、
標準的な圧縮取り付け法で膜に押し付けてシールした。
【０１１８】また別の例では、次のような一般的な方法
を用いてプレートタイプの膜モジュールを製作した。先
に述べた超音波溶接機と溶接パラメータを用い、公称厚
さが２５ミクロン、幅が５．ｌｃｍ×５．１ｃｍの正方
形の水素浸透性Ｐｄ−４０Ｃｕ箔を、（公称厚さ１２５
ミクロンの）銅製箔フレームに溶接した。鋼製箔フレー
ムは円形（直径８．９ｃｍ）をしており、図２０のよう
に供給原料と浸透のための切り抜き部を持つ。Ｐｄ−４
０Ｃｕ膜を銅製フレームに溶接して膜組立品を製作した
後、溶接部を標準染色探傷試験によって検査し、漏れの
ないことを確認した。
【０１１９】鋼製浸透プレート（図２１）は厚さが０．
３ｃｍ、直径が８．９ｃｍであった。浸透プレートに
は、膜のサポート層を受け入れるための凹みを機械加工
した。この凹みは図２１に示すように膜と同じ寸法であ
り、浸透マニホルドチャンネルに接続した。このサポー
ト層は、浸透プレートに立てかけたステンレス鋼スクリ
ーン（７０×７０メッシュ）の第１層と、次に肉薄のＰ
ｄ−４０Ｃｕ箔がもたれかかっているステンレス鋼スク
リーン（２００×２００メッシュ）の第２層から出来て
いた。この粗いメッシュと細かいメッシュの組み合わせ
は、膜をあまり傷つけることなく肉薄の膜を適切にサポ
ートし、かつ浸透水素の横方向の流れには許容範囲内の
抵抗しか与えないために決定されたものである。
【０１２０】ステンレス鋼スクリーンは、浸透プレート
に一滴のシアノアクリル接着剤で取り付け、接着剤はそ
のまま放置して乾燥させた。次に、２個の膜組立品を蝋
付けし、浸透プレートのそれぞれの大きな表面に１個の
膜組立品を持つ１個の浸透プレートにした。蝋付けは、
標準蝋付け合金（公称では銅が８０％、銀が１５％、燐
が５％）をリボンまたはペースト（粉状の蝋付け合金を
ペースト・バインダーと混ぜる方法）工法で施工した。
この蝋付け合金はＬｕｃａｓ‐Ｍｉｌｈａｕｐｔ，Ｉｎ
ｃ．（Ｃｕｄａｈｙ，Ｗｉｓｃ．）から購入した。膜の
表面でＰｄ−４０Ｃｕ蝋付け合金が有害なクリープを起
こすのを防止するため、Ｎｉｃｒｏｂｒａｚ Ｒｅｄ Ｓ
ｔｏｐ−Ｏｆｆ Ｔｙｐｅ ＩＩ（Ｗａｌｌ Ｃｏｌｍｏ
ｎｏｙＣｏｒｐ．，Ｍａｄｉｓｏｎ Ｈｔｓ．，Ｍｉｃ
ｈ．）をＰｄ−４０Ｃｕ膜の縁の周りにあてがった。次
に、この組立品をスチール製の重り（約１．５ｋｇ）の
下の平らな面の下に置き、蝋付け炉の中で７５０℃まで
加熱した。膜組立品とスチール表面が蝋付け中に固着し
ないよう、膜と接するスチールの表面に剥離剤の窒化ほ
う素を被覆塗布した。蝋付けは、真空状態で、窒素雰囲
気の下で、または還元ガス（酸化防止用）として低濃度
のメタノールか水素を含む窒素流れの中でのいずれかで
行った。蝋付け温度として７５０℃を１５分間保った後
で、冷却に移った。
【０１２１】エチレングリコール／水の混合液の不燃性
を実証するため、次の実験を行った。エチレングリコー
ル（１．０ｍＬ）を２モル当量の水（０．６５ｍＬ）と
混合した。その結果得られた均質な液体は、下の反応式
に見られるようにスチームリフォーミングにとって適正
な組成である。 ＨＯＣＨ2ＣＨ2ＯＨ＋２Ｈ2Ｏ‐２ＣＯ2＋５Ｈ2 このエチレングリコールと水の溶液に、直接プロパン／
空気トーチの炎をあてた。エチレングリコール／水の溶
液は燃えることなく、また燃焼し続けることもなかっ
た。
【０１２２】もう一つ別の例では、６５ｍＬの消イオン
水に１００ｍＬの試薬等級品（Ｆｉｓｈｅｒ Ｓｃｉｅ
ｎｔｉｆｉｃ）を混合して水とグリコールを２：１のモ
ル比で調製し、均質な溶液を生成した。このエチレング
リコール／水の溶液を作ったのは、以下に説明するよう
に実験室規模の充填層触媒反応器の中で水素を製造する
ためである。
【０１２３】この触媒反応器は、内径が２．５ｃｍ、長
さが２２．９ｃｍのステンレス鋼製の円筒形をした胴体
から出来ていた。反応器はその中に市販の触媒Ｇ１−８
０（ＢＡＳＦ）の固定床を収納していた。これは、サポ
ート付きニッケル・スチームリフォーミング触媒であ
る。一定の長さのステンレス鋼管（直径０．３ｃｍ、長
さ約２５ｃｍ）を触媒反応器の一方の端に巻き、エチレ
ングリコール／水の供給燃料の予熱器と気化器の役割を
させた。触媒反応器の内部温度は、触媒床を通して挿入
した熱電対を介して測定し、制御した。
【０１２４】触媒反応器は、外部電気炉を使って５００
℃まで加熱した。その後、まずエチレングリコール／水
の供給燃料を２．５ｍＬ／分（液体流量）の割合で２時
間かけて触媒反応器に流し込み、次に純水素を常圧の下
で４時間かけて触媒反応器の中に通して流すことによ
り、Ｇ１−８０触媒を元の状態に還元した。スチームリ
フォーミング触媒の減少に続いて、エチレングリコール
／水のフィードが常圧で触媒反応器の中に入った。触媒
反応器の温度は４００℃と５００℃との間で変化した。
生成したガスは、ガスクロマトグラフィ分析によれば、
圧倒的に大半がＣＯ2とＨ2とによって占められた。未反
応のエチレングリコール／水は、コールドトラップに回
収して、重量分析で定量した。また、生成物の流量は校
正済みの流量計を使って測定し、生成物への変換率を判
定した。以上の実験結果は下の表に要約する通りであ
る。
【０１２５】 温度（℃） 生成物の流量（Ｌ／分） 生成物への変換率（％） ５００＋／−５０ ３〜５ ９０〜９５ ４６５＋／−２５ ４〜５ ９０〜９５ ４００＋／−２５ ４〜５ ９３〜９８
【０１２６】二段階水素精製装置を独立型水素精製装置
として使用する場合の有用性を実証するため、以下の実
験を行った。
【０１２７】図１２〜１７に説明する方法により、管状
水素浸透性金属膜を製作した。この膜は、公称厚さ２５
ミクロンのＰｄ−２５Ａｇ箔から出来ており、外径が
２．２ｃｍ、長さが１５ｃｍであった。膜管の全長（エ
ンドキャップを含む）はおよそ２１ｃｍであった。この
管状膜は精製装置の第一段階の役割を果たす。精製装置
の第二段階すなわちメタン生成触媒装置は、管状膜の内
径に挿入した外径１．５８ｃｍの銅製管に入っている。
鋼製メタン生成管の一端は管状膜エンドキャップでシー
ルされている。鋼製メタン生成管の他方の端は膜管の端
部から約０．３ｃｍの所で終わり、膜管の内側に浸透す
る水素はメタン生成管の開放端部に自由に流れ込むよう
になっている（この配置は図３にあり）。膜管には、Ｃ
ＯとＣＯ 2のメタン生成に作用するサポート・ニッケル
組成を持つ、触媒Ｇ１‐８０（ＢＡＳＦ）を満たした。
【０１２８】この二段階水素精製装置を、電気抵抗ヒー
タの付いたステンレス鋼の胴体に収め、水素精製装置を
３００℃ないし３５０℃まで加熱し、メタノール／水の
改質油（水素が７０〜７５％、残りがＣＯとＣＯ2）を
５０ｐｓｉｇでステンレス鋼の胴体の中とＰｄ‐２５Ａ
ｇ膜管の外表面上に通した。Ｐｄ‐２５Ａｇ膜を浸透し
た後、メタン生成触媒を通過させて生成した常圧の水素
を回収し、ガスクロマトグラフィで分析した。分析の結
果、生成水素の含有するＣＯは＜２ｐｐｍ、ＣＯ2は＜
５０ｐｐｍであることが確認された。
【０１２９】以上、水素精製装置内蔵スチームリフォー
マーを図示し説明した。本発明のリフォーマーは、例え
ばメタノールと水の混合物、あるいは水素と水の混合物
のような一つの供給原料を、水素リフォーミングをサポ
ートする化学供給原料にも利用し、またスチームリフォ
ーミングを温度の面で十分にサポートする熱源としても
利用する。本発明は設計上、燃焼プロセスをサポートす
る燃料として十分な副産物の流れを出てリフォーミング
工程に利用できる最大量以下の量の水素を回収する。本
発明は、明確に区別できる二つの精製プロセスを採用す
る。第一に、膜がバルク濾過工程として水素の流れを生
成する。しかし、生成した水素の流れは、それでも有害
な不純物を含有している可能性がある。第二に、研磨工
程が水素の流れ中の有害不純物を、例えば燃料電池のよ
うな装置の作動に影響しない無害な構成部品に変換す
る。特に有利な点は、これがスチームリフォーミング・
プロセスで、比較的低廉な肉薄パラジウム合金膜の利用
を可能にすることである。
【０１３０】図２５において、フュエルプロセッサ又は
リフォーマーの別の実施形態が示され且つ符号９０によ
って全体が示されている。既に説明した実施形態と同様
に、リフォーマー９００は、チューブ９０８を改質する
少なくとも一つのスチームばかりでなく、改質するスチ
ーム９０４と燃焼９０６領域とを収容するシェル９０２
を含んでいる。図２５には、このようなチューブが３個
示されており、それらの各々がスチーム改質触媒９１０
を含んでいる。ここに開示されたリフォーマーの残りの
部分と同様に、リフォーマー９００は、少なくとも一つ
のチューブを含んでいてもよく、多数のチューブを含ん
でいるのが好ましいことが理解されるべきである。しか
しながら、どの特定の実施形態においても、チューブの
数は、リフォーマーのシェルの大きさのようなファク
タ、水素生成の所望の速度及びシェル内の付加的な要素
の数に依存して変化させることができる。例えば、板形
式の膜モジュールが使用される場合には、改質チューブ
の側壁に隣接してより大きい利用可能な空間が存在す
る。
【０１３１】図２５に示されているように、各改質チュ
ーブ９０８の一部分９１１はシェル９０２の外側に延び
ている。これによって、シェルを開く必要なくチューブ
（及びその中に含まれる改質触媒）にアクセスすること
が可能である。この構造においては、各端部９１１は、
チューブの内側へのアクセスを許容するために選択的に
取り外し且つその後に交換してもよい。リフォーマー９
００はシェル９０２内に完全に収容されている改質チュ
ーブを含んでもよいので、改質チューブのためのこの構
造は、ここに開示された他のリフォーマーのどれと共に
でも使用することができる。
【０１３２】チューブ９０８は、内部燃焼マニホルド９
１２から内側排気マニホルド９１４へと通過し、最終的
に出口９１６からリフォーマー９００を出て行く燃焼ガ
スによって加熱される。図２５においては、熱い燃焼ガ
スがマニホルド９１２と９１４との間を通過するのを許
容し、それによって、ガスがチューブ９０８の周囲を流
れるときに同チューブを加熱する複数の通路９１８が示
されている。バーナー９２０によって熱い燃焼ガスが生
成される。初期の始動時に、バーナー９２０は、点火プ
ラグ９２２か又はここに開示されたその他の発火源のよ
うな適当な発火源によって点火される。燃焼空気は、好
ましくは大気圧か又はそれに近い圧力で、燃焼ポート９
２４からバーナー９２０内へと導入される。
【０１３３】スチーム改質プロセスのための供給原料
は、入口チューブ９２６からフュエルプロセッサ９００
内へ入れられ、フュエルプロセッサ９００の熱い燃焼領
域９０６内へと通過し、ここで前記供給原料は気化され
る。アルコール及び水を含む供給原料を受け入れるため
に単一の入口チューブ９２６が使用されてもよいし、又
は、供給原料が水と炭化水素若しくはアルコールとの別
個の流れからなる場合には、（ここに開示されているよ
うに）多数の別個の入口チューブが使用されても良い。
図２５に示されているように、入口チューブ９２６は、
分配マニホルド９２８内へ入る前にチューブ９０８の周
囲を多数回回って延びているコイル９２７を形成してい
る。コイル９２７は、供給原料が分配マニホルド９２８
に到達する前に気化するのに充分な長さでなければなら
ない。コイル９２７の回り道経路は、一つの可能な経路
を示す目的で図２５に示されていることは理解されるべ
きである。重要な点は、コイルが、その中を通過する供
給原料が分配マニホルド９２８まで移動するときに同供
給原料に伝わる熱によって気化されるのに十分な長さで
ある、ということである。供給原料の気化を助けるため
に、多数のコイル状のチューブを使用して、チューブの
熱伝達表面積を効率良く増大させ、それによって供給原
料の気化を助けるようにしても良い。供給原料の気化
は、板形式の気化器を使用して達成することもできる。
【０１３４】気化された供給原料は、分配マニホルド９
２８からスチーム改質チューブ９０８へと分配される。
チューブ９０８が同様の大きさであるか又はほぼ等しい
量の供給を処理するようになされている場合には、供給
原料は、マニホルド９２８によってチューブ間に均等に
分配される。しかしながら、チューブが供給原料の種々
の流れを受け入れ且つ処理するようになされている場合
には、供給原料は、別な方法で比例させてもよい。
【０１３５】改質チューブ９０８内で、供給原料は、触
媒作用を受けて、水素の他に一酸化炭素と二酸化炭素と
を含む水素リッチ改質ガス流を生じる。生成された水素
を精製するために、フュエルプロセッサ９００は、改質
ガス流がその中を通過する精製モジュール（又は膜モジ
ュール）９３０を含んでいる。ここに開示された水素選
択性金属（及び好ましくは、パラジウム合金）膜のうち
のいずれかのような一以上の水素−選択性の無機膜がモ
ジュール９３０内に含まれている。膜モジュール９３０
は、既に説明したものを含むどのような適当な形状を含
んでいても良い。水素−選択性膜を浸透する水素は、該
モジュールから出口ポート９３２を通って研磨触媒床９
３４内へと通過する。好ましくは、研磨触媒床は、浸透
する流れの中の一酸化炭素及び二酸化炭素をメタンに変
えるために、メタン生成触媒（図示せず）を含んでい
る。
【０１３６】図２５に示されているように、研磨触媒床
９３４は、外部シェル９０２の外側に配置されており、
ここで、高温シェル９０２からの放射熱及び熱伝導によ
って加熱される。図示されているように、床９３４は、
シェル９０２の外側表面９３６に対向して横たわってい
る。しかしながら、床９３４は、研磨作用のために十分
な熱を受け取る限り、シェル９０２から少なくとも部分
的に又は完全に隔置されていてもよいことは、本発明の
範囲に含まれる。研磨触媒床９３４は、メタン生成触媒
モジュール９３０から床内へと流れる高温の水素によっ
て更に加熱される。最後に、精製された水素がチューブ
９３８からリフォーマー９００を出て行く。研磨触媒床
をシェル９０２の外部に配置することによって、リフォ
ーマー９００は、そのシェル内に付加的な改質チューブ
を含んでいてもよいし、或いは、シェルは、研磨触媒床
を収容する必要がもはやないので、より小さくてもよ
い。
【０１３７】ここで使用されている精製された水素と
は、少なくとも実質的に水素ガスからなる流れを指して
いる。この流れは、研磨触媒床内で生成されたメタンの
ような他の構成要素を含んでも良いが、規定された最少
量（すなわち痕跡量濃度）未満の燃料電池の有効性を害
するか又は低下させる（一酸化炭素及び二酸化炭素のよ
うな）不純物を含んでいる。
【０１３８】モジュール９３０内の水素−選択性膜を通
過しない生成された水素ガスを幾分含んでいる排気ガス
は、フュエルプロセッサ９００を加熱するための燃料と
して使用される。従って、（導管９４０からモジュール
９３０を出て行く）水素−枯渇したラフィネートの流れ
は、バーナー９２０内へと導かれる。既に説明したよう
に、ラフィネートの流れ内の水素の濃度は、リフォーマ
ー９００を所望の温度範囲に維持するために充分な燃料
ガスが存在するように、選択的に制御される。
【０１３９】図２５は、ここに開示されたリフォーマー
のいずれにおいて使用してもよい他の本質的でない要素
を図示している。例えば、図２５において、リフォーマ
ー９００は、導管９４０内の燃料ガスの圧力を監視する
ための圧力ゲージ９４２と、圧力解除バルブ９４４と、
通気バルブ９４６と、を更に有している。バーナーへの
導管９４０内の燃料ガスの流れを制御し且つ改質領域に
背圧をかけるバルブ９４８及びリフォーマーの低温始動
中に、水素、プロパン又は天然ガスのような（既に生成
され且つ貯蔵されるか又は外部発生源から供給される）
始動燃料ガスの流れもまた図示されている。
【０１４０】図２６には、図２５のリフォーマーの変形
例が示されており、全体が符号９５０によって示されて
いる。別な方法で支持されない限り、リフォーマー９０
０及び９５０は、同じ構成要素及びサブコンポーネント
を含んでいる。シェル９０２内により大きい空間を提供
し、それによって付加的な改質チューブ９０８がハウジ
ング内に収容されるのを許容するために、リフォーマー
９５０は、シェル９０２の外部に配置された気化コイル
９５２を含んでいる。図示されているように、コイル９
５２は、シェル９０２の外側表面９３６の周りに巻き付
けられている。図２５に関して説明された研磨触媒床と
類似したコイル９５２は、少なくとも部分的に又は完全
にシェル９０２から隔置されていても良い。この場合に
は、重要なファクタは、供給原料が分配マニホルド９２
８に到達する前に、同供給原料を気化させるために、コ
イル内の供給原料に充分な熱が伝達されることは重要な
ファクタである。図２６に示された位置においては、コ
イルは、シェル９０２の熱い表面からの放射熱及び熱伝
導によって加熱される。
【０１４１】図２６に示されたリフォーマーもまた、混
合することができない供給原料をリフォーマーに入れる
ための構造を示している。図示されているように、リフ
ォーマー９５０は、入口チューブ９５４を含んでおり、
この入口チューブ９５４を介して、水の供給が受け入れ
られ且つ気化コイル９５２に供給される。入口チューブ
９５６を介して炭化水素又はアルコールの供給が受け入
れられ、これは、リフォーマーの入口チューブ９５８を
介してリフォーマー内へと通過する前に、熱い蒸気と混
合される。組み合わされた供給原料の流れは、混合チャ
ンバ９６０の一方の端部内へと通過し、混合チャンバ
は、乱流を促進し、それによって気化された供給原料の
混合を促進するために、任意の静止ミキサー又はパッキ
ング（図示せず）を含んでいる。混合され、気化された
供給原料は、混合チャンバを出て行き、分配マニホルド
９６１へと供給され、この分配マニホルドは、次いで供
給原料を改質チューブへと供給する。
【０１４２】エネルギ効率を増大させ且つリフォーマー
９５０内の燃焼チャンバ温度を高めるために、リフォー
マー９５０は、改質油ガス流が膜モジュール９３０内へ
入る前にこの改質油ガス流を部分的に冷却するようにな
された冷却チャンバ９６２を含んでいる。図示されてい
るように、改質油ガス流は、改質チューブ９０８を出た
後で膜モジュール９３０内へ入る前に、チャンバ９６２
を通過しなければならない。チャンバ９６２は、一対の
ポート９６４及び９６６を含んでおり、これらのポート
を通って燃焼空気が各々チャンバに入ったり出たりす
る。空気は、改質油ガス流よりも冷たく、従って、改質
油ガス流が膜モジュール内へ入る前に同改質油ガス流を
冷やす。この交換の際に、燃焼空気はバーナー９２０に
入る前に加熱される。
【０１４３】リフォーマー９５０に関して説明された冷
却チャンバ及び外側気化コイルは、ここに説明したいず
れのリフォーマー（又は燃料処理装置）と共に使用して
も良い。同様に、外部の研磨触媒床は、リフォーマーの
シェル内の改質チューブの数を増大させるために又はシ
ェルの大きさを小さくするために、ここで説明したリフ
ォーマーのいずれと共に使用しても良い。ここで説明し
たリフォーマーは、本発明の特定の特徴を示すために示
され且つ説明されたものであり、特定の部材又は形状
を、ここで説明したリフォーマーのいずれとも選択的に
使用してもよいことは理解されるべきである。
【０１４４】既に説明した実施形態の多くにおいて、リ
フォーマー（又は燃料処理装置）の端部板及び／又は膜
モジュールは、ボルト及びガスケットによってリフォー
マーの残りの部分に固定されている。シェルが漏れない
ようにシールされ且つ動作中等において不意に開かない
ように相互に固定される限り、いかなる他の形状の締結
機構及びシールを使用しても良いことは理解されるべき
である。溶接及びその他のより永久的な締結装置が適当
な締結機構の範囲に含まれるけれども、例えば、図２５
及び２６に示されたボルトと及びナットのような選択的
に取り外し或いは再度取り付けることができる締結機構
が好ましい。
【０１４５】図２７には、燃料電池装置が図示されてい
る。この装置は、燃料電池装置が図示されている。この
装置は、空気（酸素）と水素から電力を製造する燃料電
池１０１０と、種々の供給原料から水素を製造する（既
に説明した蒸気リフォーマーのいずれかのような）燃料
処理装置と、を含んでいる。一般的に、前記燃料電池は
水の製造器であり、前記燃料処理装置１０１２は水の消
費装置である。
【０１４６】燃料電池１０１０は、陽子交換膜燃料電池
（ＰＥＭＦＣ）であるのが好ましく且ついわゆる自己加
湿を含む空気及び／又は水素の内部加湿又は空気及び／
又は水素の外部加湿を利用することができる。燃料電池
１０１０は、電力の他に副産物である水及び副産物であ
る熱を生成する。
【０１４７】多くの供給原料は、限定的ではないが、炭
化水素、アルコール及びエーテルのような炭素を含有す
る化合物を含む燃料処理装置１０１２を使用して水素を
製造するのに適している。アンモニアもまた、適切な供
給原料である。燃料処理装置１０１２は、スチームリフ
ォーミングとして一般的に知られている方法によって炭
素含有供給原料を水と反応させることによって水素を製
造するのが好ましい。この場合に、燃料処理装置１０１
２は、供給原料の他に水を消費する。部分酸化及びオー
トサーマルリフォーミングのような供給原料から水素を
生成するための他の化学的方法もスチームリフォーミン
グと同様に使用することができる。
【０１４８】図２７は、本発明の燃料電池装置のプロセ
スフローチャートを示している。燃料電池又は燃料電池
スタック１０１０は、燃料処理装置１０１２によって生
成された水素を受け取る。燃料処理装置は、高温で貯蔵
リザーバ１０１４からの供給燃料と貯蔵リザーバ１０１
６からの水とを反応させることによって、水素を生成す
る。ポンプ１０２０は、供給原料をリザーバ１０１４か
ら移動させ且つ同供給原料を燃料処理装置１０１２へと
給送する。同様に、ポンプ１０２１は、水をリザーバ１
０１６から移動させ且つこの水を蒸気１０２２として燃
料処理装置１０１２へと給送する。ポンプ１０２０及び
１０２１は、供給燃料と水とを、大気圧からほぼ３００
ｐｓｉｇまでの範囲の圧力で、燃料処理装置へと給送す
る。
【０１４９】燃料処理装置は２５０℃乃至１３００℃の
高い温度で動作しなければならないので、燃料処理装置
によって生成された水素は、最初は熱い。燃料処理装置
からの製品である水素の蒸気１０２３は、熱交換器１０
２４及び熱い熱交換器表面の上に冷たい大気を吹きかけ
るファン１０２６を使用して冷却される。ひとたび、燃
料電池の作動温度の近く又はそれ以下の温度（典型的に
は、約０℃と約８０℃との間）まで冷却されると、製品
としての水素は、燃料電池スタックのアノードチャンバ
１０２８へと通過せしめられる。
【０１５０】空気の流れ１０２９は、ブロワー１０３２
によって燃料電池１０１０のカソードチャンバ１０３０
に給送される。別の方法として、ブロワー１０３２の代
わりにコンプレッサを使用することもできる。適当なブ
ロワーの例は、遠心ブロワーである。なぜならば、これ
は作動中のノイズが低く且つ電力条件が低いからであ
る。しかしながら、遠心ブロワーは、一般的には、比較
的低い給送圧力、典型的には２ｐｓｉｇ未満、に限定さ
れる。より高い給送圧力のためには、線形コンプレッサ
を使用しても良い。線形コンプレッサは、比較的低い電
力消費及び低ノイズを特徴とするエレクトロメカニカル
（ソレノイド）装置に基づくものである。適当な線形コ
ンプレッサの例は、Ｔｈｏｍａｓ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｏ
ｒｓ ＆Ｖａｃｕｕｍ Ｐｕｍｐｓ（ウィスコンシン
州、シボイガン）によって市販されているモデル シリ
ーズ５２００である。
【０１５１】燃料電池スタックの温度を上記したものの
ような受け入れ可能な限度内に維持するために、冷却剤
循環ループが使用される。冷却剤は、燃料電池スタック
のカソードチャンバとアノードチャンバとの両方を冷却
する目的を果たす。この目的のために、冷却剤循環ポン
プ１０３４は、燃料電池スタックからの温かい冷却剤を
熱交換器１０３６内へと循環させる。ファン１０３８
は、冷たい空気を熱交換器１０３６の熱い表面に吹き付
け、それによって、冷却剤の温度を下げる。冷却剤は、
イオンを除去した水、蒸留水又はエチレングリコール及
びプロピレングリコールを含むその他の非伝導性で且つ
非腐食性の液体とすることができる。
【０１５２】圧力レギュレータ１０４０は、前記燃料電
池１０１０のアノードチャンバ１０２８に供給される水
素の圧力が許容できる値に留まるのを確保する。殆どの
ＰＥＭ燃料電池に対するこの圧力の範囲は、大気圧と４
気圧との間であり、大気圧と約１．５気圧との間の圧力
範囲が好ましい。燃料電池のアノードチャンバ内で水素
が消費され、これと同時に、水蒸気によって希釈され
る。従って、アノードチャンバからの水素リッチガスの
周期的な除去が必要とされる。排出バルブ１０４２はこ
の目的を果たす。排出水素は、燃料電池に供給される全
水素のうちの少量、典型的には全体のほんの約１％乃至
１０％に相当する。排出水素の流れ１０４４は、図２７
に示されているように、周囲に直接排気してもよいし、
又は熱を生成する目的若しくはその他の目的のために使
用してもよい。この装置のいくつかの実施形態において
は、水素の流れ１０２３は、アノードチャンバ１０２８
から過度に連続して流されて、前記排出バルブ１０４２
の必要性を排除しても良い。いくつかの液体の水は前記
排出水素の流れ１０４４に引きずられても良いので、前
記引きずられた液体の水を分離し且つ収集する目的で任
意的な水突出装置を排出流れ４４内に配置してもよい。
過剰な空気は、カソードチャンバ１０３０を通って連続
的に流される。典型的には、空気の流量は、燃料電池に
よって作られる電流の大きさを支持するための酸素の化
学量論的な条件の２００％乃至３００％であるが、この
範囲外の流量も同様に使用することができる。酸素が消
耗された空気は、流れ１０５２としてカソードチャンバ
１０３０から排出される。流れ１０５２は、回収のため
に利用可能な実質的な水を液体及び蒸気の両方として含
んでいる。流れ１０５２は、典型的には、水蒸気によっ
て飽和され、一例として、全体の水の約３分の１以上が
自由に凝縮されて液体の水にとなっていても良い。この
装置の一つの実施形態においては、流れ１０５２は、最
初に、液体の水を酸素が消耗された空気及び水蒸気から
分離する突出装置１０５４の中を通過する。液体の水の
流れ１０５６は、前記突き出し装置１０５４から流れ出
し、この液体の水は水リザーバ１０１６内に集められ
る。突き出し装置１０５４を出て行く気相の流れ１０５
８は、酸素が消耗された空気及び水蒸気を含んでいる。
【０１５３】流れ１０５８は、（燃料処理装置がスチー
ムリフォーミングに基づいている場合には）燃料処理装
置の満足すべき作動のために必要とされる熱を発生する
ために、又は（燃料処理装置が部分的な酸化若しくはオ
ートサーマルリフォーミングに基づく場合には）供給原
料の部分的酸化のための酸化剤（酸素）を供給するため
に、燃料処理装置内の燃焼を支持する目的で燃料処理装
置１０１２内に導かれる。流れ１０５８は燃焼のために
使用されるべきものであるので、突出装置１０５４内の
液体の水の分離を援助するため以外に流れ１０５８又は
流れ１０５２を冷却する基本的な理由はない。
【０１５４】依然として図２７を参照すると、燃料処理
装置１０１２は、上記したリフォーマーのいずれかのよ
うなスチームリフォーマーであるのが好ましい。低温始
動中に燃料処理装置１０１２を最初に加熱するために、
プロパン又は天然ガスのような適切な燃料が供給源１０
６０から燃料処理装置へと供給される。燃料は、燃料処
理装置が供給原料のスチームリフォーミングを開始する
のに充分な高温になるまで、燃料処理装置１０１２内で
燃焼される。スロットルバルブ１０６２は、この低温始
動中に燃料処理装置へのプロパン又は天然ガスの流れを
調整する。
【０１５５】燃焼排気ガスの流れ１０６４は、水蒸気を
負わせられた高温のガスの流れとして燃料処理装置を出
て行く。燃焼排気の流れ１０６４内の水蒸気は、基本的
に２つの発生源、すなわち、燃料を燃焼の副産物として
及び空気の流れ１０５８の構成要素としての発生源を有
する。燃焼排気の流れ１０６４から水を回収し且つ排気
の流れから熱を回収することは望ましい。凝縮器１０６
６はこの目的を果たす。高温で湿った排気の流れ１０６
４は、凝縮器１０６６内へと通過し且つ冷たい流体の流
れ１０６８を使用して冷やされる。２０℃近辺又はそれ
以下の温度の流れが有効であることが分かった。液体の
水は、凝縮し且つ液体の流れ１０６９として凝縮器１０
６６から流れ出し、水リザーバ１０１６内に集められ
る。
【０１５６】冷たい流体の流れ１０６８は、熱い排気の
流れ１０６４を凝縮器１０６６内に通すという方法によ
って温められる。例えば、冷たい外気は、流れ１０６８
として作用し且つ住宅に関する用途、商業用途又は工業
用途において空間の加熱の目的のために加熱されてもよ
い。別の方法として、低温の水は、流れ１０６８として
作用することができ且つ家庭内又は工程の熱い湯として
使用するために加熱してもよく、又は熱い湯は、空間の
加熱又はその他の加熱用途のために使用してもよい。更
に別の実施形態は、限定的ではないが、エチレングリコ
ール及びプロピレングリコールを含む空気又は水以外の
冷たい流体が流れ１０６８の役目を果たすことである。
【０１５７】ひとたび、燃料処理装置１０１２が供給原
料をスチームリフォーミングするのに適した温度に達す
ると、供給水及び供給原料は前記燃料処理装置へと圧送
される。メタノールに対しては、この温度は少なくとも
２５０℃であるべきであり、少なくとも４５０℃の温度
及び好ましくは少なくとも６００℃の温度がほとんどの
炭化水素供給原料に対して使用される。スチームリフォ
ーミング作用は、上記したような燃料処理装置内で精製
されるのが好ましい水素リッチ改質油ガス混合物を生成
する。純粋な製品である水素の流れ１０２３は、既に説
明したように、燃料電池へと通される。水素の精製装置
によって受け入れられない水素が消耗された流れ１０７
５は、スロットルバルブ１０７８を通過せしめられて、
前記燃料処理装置１０１２を加熱するための燃焼のため
の燃料として使用される。この時点で、燃料処理装置１
０１２の作動中に、低温始動のために使用されたプロパ
ン又は天然ガスの供給はもはや必要なく、燃料の供給は
遮断される。
【０１５８】図２８は、低温始動中に、プロパン又は天
然ガスではなく液体燃料の燃焼によって燃料処理装置１
０１２が加熱される一体化された燃料電池装置の別の実
施形態を示している。液体燃料は、ディーゼル、ガソリ
ン、灯油、エタノール、メタノール、ジェット燃料又は
その他の燃焼可能な液体とすることができる。低温始動
の際に、液体燃料は、ポンプ１１０２を使用して貯蔵供
給源１１００から取り出される。ポンプ１１０２から排
出された液体燃料は、適切なノズル又は噴射によって、
燃料処理装置１０１２内の燃焼領域内へと入れられ、そ
こで、燃料は空気と混合され且つ燃焼されて前記燃料処
理装置を加熱する。液体燃料は、燃焼を助けるために、
燃料処理装置１０１２内へ噴射される前に気化されるか
又は霧化される。
【０１５９】燃料処理装置１０１２の低温始動に関する
燃料処理装置のもう一つ別の実施形態が図２９に示され
ている。この場合には、低温始動は、燃料処理装置１０
１２内での水素燃料の燃焼によって達成される。特に良
好に適合した水素燃料を貯蔵する方法の例は、金属水酸
化物である。金属水酸化物は、次いで、貯蔵容器１１５
０として機能する金属水酸化物の貯蔵床を含んでいる。
【０１６０】金属水酸化物は、気体状の水素と平衡状態
にある（F.A. Lewis, "The Palladium Hydrogen Syste
m" Academic Press, 1967;及びG. Alefeld J Volklによ
って編集された"Hydrogen in Metals I: Basic Propert
ies", Springer-Verlag, 1978 （これらの開示はその
参照番号を記すことによって本明細書に組み入れられて
いる）を参照）。所与の金属水酸化物を覆う水素ガスの
平衡圧力は、金属水酸化物と装置の温度との化学的合成
物との関数である。従って、金属水酸化物を覆う水素の
平衡圧力が約１５℃乃至２２℃の温度で０ｐｓｉｇ（大
気圧）と１０ｐｓｉｇとの間にあるように、金属水酸化
物の化学合成物を選択することが可能である。金属水酸
化物系の温度を高めることによって、金属水酸化物を覆
う水素の平衡圧力が高くなる。
【０１６１】図２９を参照し且つ図示する目的で、貯蔵
リザーバ１１５０は、適当な量の金属水酸化物を含んで
おり且つ金属水酸化物床と呼ばれている、と仮定する。
低温始動中に、燃料水素の流れ１１５２は、水酸化物貯
蔵床１１５０から吸い出され、隔離バルブ１１５４を通
過した後に燃料処理装置１０１２内へ入れられ、そこで
前記水素燃料が燃焼されて燃料処理装置を加熱する。燃
料水素は、貯蔵床１１５０から吸い出され、前記貯蔵床
内の気体水素の圧力は低下し始め、床は温度が下がり始
める（金属水酸化物床内の水素貯蔵の技術における当業
者によく知られている現象）。これらの傾向を打ち消す
ために、温かい燃焼排気流１０６４が金属水酸化物貯蔵
床１１５０内に流されて同金属水酸化物床が加熱され
る。次いで、新しい冷たい排気が、冷たい排気流１１５
８として温められた金属水酸化物床１１５０から出て行
く。これによって、気体水素の圧力を貯蔵床１１５０か
ら水素のほとんど（ほぼ全て）を排出するのに充分な高
さに維持することができる。
【０１６２】この装置の代替え的な実施形態は、電気抵
抗ヒーター及び貯蔵床１１５０を直接加熱するための水
素又はその他の燃料の燃焼を含む金属水酸化物床１１５
０を加熱するための他の適当な発生源を利用しても良
い。
【０１６３】燃料処理装置１０１２の低温始動を完了
し、燃料処理装置によって水素が製造されつつある後
に、隔離バルブ１１５４は閉じられ、水酸化物貯蔵床１
１５０が水素によって再充電されて次の低温始動のため
に準備されるであろう。貯蔵床１１５０の再充電は、前
記製品水素流が熱交換器１０２４内を通過することによ
って冷却された後に、精製された製品水素流１０２３か
ら水素スリップ流１１６０を取り上げることによって達
成される。この水素再充電動作中に、副産物である熱
は、このような如何なる公知の機構によって、水素貯蔵
床１１５０から除去される。メインテナンスを容易にす
るために、任意の隔離バルブ１１６２が水素スリップ流
１１６０内に配置されている。
【０１６４】本発明のこの実施形態の利点は、燃料処理
装置１０１２の低温始動に必要とされる燃料は、前回の
装置作動期間から得られた清浄な燃焼水素であるという
点である。従って、始動目的のためのプロパン又はディ
ーゼルのような補助燃料を周期的に再度供給する必要が
なく、前記補助燃料のための大きな外部貯蔵リザーバを
備える必要もないという点である。
【０１６５】図３０は、燃料電池装置のもう一つ別の実
施形態を示している。この実施形態においては、清浄な
水素の流れ１０４４は、突出装置１０５４及びコンデン
サ１０６６によって最終的に戻されるべき付加的な水を
発生する目的で燃焼器１２００内へ通される。燃焼器１
２００は、触媒作用性のものであっても良いし又は非触
媒作用性のものであっても良い。清浄な水素の流れ１０
４４の燃焼を補助するための空気は、既に説明したよう
に酸素は消耗されているが全くないわけではないカソー
ド排気流１０５２によって供給される。燃焼器１２００
からの単一の出口は、清浄な水素の流れ１０４４を燃焼
させた結果として水（蒸気又は液体）内に富んでいる排
気流１２０２である。
【０１６６】本発明のもう一つ別の実施形態において
は、清浄な水素１０４４の燃焼からの水の回収の他に熱
が回収される。図３１に示されているように、燃焼器１
２００は、燃焼器１２００内の清浄な水素の流れ１０４
４の燃焼によって発生された熱を回収し且つ使用する目
的のために、熱交換器１２５０に結合されている。熱交
換器１２５０は、燃焼器１２００の外部に熱伝導性のフ
ィンを含んでいても良いし、又は、熱交換流体は、燃焼
器１２００と熱交換器１２５０との間に通されてもよ
い。熱交換流体は、自然対流に基づいて循環されても良
く、又は循環ポンプによって強制的に循環されても良
い。回収された熱を利用するために、適切な冷たい流体
の流れが熱い熱交換器の上を通過せしめられる。このよ
うな適切な冷たい流体の流れの一つは空気であり、この
場合には、ファン１２５２が熱交換器１２５０の上に冷
たい空気の流れを吹き付けて、空気の流れの温度の増加
を生じさせる。その他の適切な冷たい流体としては、限
定的ではないが、水、エチレングリコール、プロピレン
グリコール並びに燃料処理装置１０１２に供給されるべ
き供給燃料及び供給水の両方がある。
【０１６７】有用な熱もまた、燃料処理装置１０１２か
ら回収することができる。図３２は、この熱の回収を示
している燃料電池装置の一つの実施形態を示している。
熱交換器１３００は、燃料処理装置１０１２の高温の燃
焼領域から熱を取り出す。図３２に示されているよう
に、燃料処理装置１０１２と熱交換器１３００との間で
熱伝達流体を循環させるためにポンプ１３０２を使用し
てもよいし、又は前記熱伝達流体の循環は自然に起こる
対流に基づいても良い。別の方法として、熱交換器１３
００は、熱処理装置の熱い領域に配置された一連の熱伝
導性のフィンを含んでいてもよい。熱の回収及び使用の
ために、適当な冷たい流体が熱い熱交換器１３００の上
を通過せしめられる。このような適切な冷たい流体は、
ファン１３０５によって供給される空気の流れであって
も良い。この場合には、前記空気の流れは、熱い熱交換
器１３００の上を通過せしめられることによって、加熱
される。他の適当な冷たい流体の流れとしては、限定的
ではないが、水、エチレングリコール及びプロピレング
リコールがある。
【０１６８】装置のもう一つ別の実施形態が図３３に示
されている。デュアル−ヘッドポンプ１３５０は、リザ
ーバ１０１４からの供給燃料とリザーバ１０１６からの
供給水との両方を燃料処理装置１０１２へ供給する。デ
ュアル−ヘッドポンプ１３５０は、単一の駆動モーター
によって駆動される２つのポンプヘッド含んでいて、両
方のポンプヘッドがポンプモーターの全体の作動スピー
ド範囲に亘って同じスピードで駆動されるようになされ
ている。各供給燃料と供給水の圧送速度は、デュアル−
ヘッドポンプ１３５０内の各々のキャビティの排除量に
よって決定される。例えば、スチームリフォーミングに
対して望ましいように、供給燃料に対する供給水の固定
された比率を保つために、デュアル−ヘッドポンプは、
二つのポンプヘッドの排除体積の比率が３：１であるギ
ヤポンプとしてもよい。従って、より大きな容積型ポン
プヘッドが供給水を燃料処理装置に供給し、より小さい
容積型ポンプヘッドが供給燃料（例えば、液体炭化水
素）を供給する場合には、次いで、供給水の流量は、燃
料処理装置内への供給燃料の流量の３倍であろう。この
比率は、二つのポンプヘッドの各々の排出体積によって
固定され且つ両方のポンプヘッドが同じ駆動モーターに
よって同じスピードで駆動されるので、デュアル−ヘッ
ドポンプによって達成可能な供給率の前記範囲に亘って
本質的に一定である。適切なタイプのデュアルヘッドと
しては、限定的ではないが、ギヤポンプ、ピストンポン
プ、膜ポンプ及び蠕動ポンプがある。
【０１６９】燃料電池装置のもう一つ別の実施形態は、
供給水が燃料処理装置内へ導入される前に供給水の流れ
１０２２を予め加熱するために、熱い製品水素流１０２
３を利用している。図３４に示されているように、供給
水の流れ１０２２は逆流熱交換器１４００に入る。熱い
製品水素流１０２３もまた、逆流熱交換器１４００内へ
と流れ込む。供給水の流れ及び水素の流れは、互いに隔
離されているが、熱交換器１４００内を通る間に熱い水
素の流れが冷却され、熱交換器１４００内を通る間に供
給水の流れが温められるように熱的に接触している。図
３４に示された本発明の装置が使用されるときには、製
品水素流１０２３は、燃料電池の作動温度（典型的には
約４０℃乃至約６０℃の間）又はその近辺まで冷却され
るのが好ましい。
【０１７０】燃料電池１０２８のための冷却ループ内で
許容可能な水の純度を維持することは、ＰＥＭＦＣ装置
の好結果の作動のための重要な点である。この目的を達
成するために、しばしば、燃料電池製造者は、ＰＥＭＦ
Ｃ冷却ループの全ての湿った表面のためにステンレス鋼
を特定する。これは、特に、ステンレス鋼からなるラジ
エータ（熱交換器）は高価であり、ステンレス鋼の熱伝
導率は比較的低く、サイズが大きいので、著しく高価な
ものとなる。
【０１７１】図３５は、燃料電池の冷却ループを通して
ステンレス鋼からなる構成部品を使用する必要性を克服
して、それによって前記冷却ループの性能を改良し且つ
コストを低減した、この装置の実施形態を示している。
この目的は、この装置の作動中に冷却水がイオン交換器
内を通過するように冷却ループ内にイオン交換された床
１４５０を配置することによって達成される。冷却水の
全てか又は冷却水の一部分がイオン交換床内を通過せし
められる。目的は、冷却水内のイオン（陽イオン及び陰
イオンの両方）濃度を低く維持することであるので、イ
オン交換床１４５０は、陽イオン交換樹脂と陰イオン交
換樹脂との両方を含んでいなければならない。
【０１７２】冷却水のスリップ流がイオン交換床１４５
０の中を通過せしめられる場合には、前記スリップ流の
流量は、冷却水内に十分低いイオン濃度を維持するよう
な大きさである。冷却水は、典型的には、ＰＥＭＦＣ内
の帯電せしめられた面の上を通過するので、冷却水がイ
オン及び非イオン成分に関して超高純度であることは本
質的ではない。
【０１７３】燃料処理装置内のスチームリフォーミング
触媒が触媒の力をなくし且つ効力がなくなることがない
ように、燃料処理装置１０１２内で使用されるべき供給
水内の純度の許容可能なレベルを維持することもまた重
要である。図３６は、イオン及び有機物の汚染物質の供
給水を精製するために、供給水１０２２内に配置された
活性炭床１５００及びイオン交換床１５０２を示してい
る。この精製された供給水の流れ１５１０は、次いで、
燃料処理装置１０１２内へ入れられる。活性炭床１５０
０は、供給水の流れ１０２２から有機不純物を除去す
る。このような有機不純物は、限定的ではないが、燃料
処理装置１０１２から排気され且つコンデンサ１０６６
への排気の流れ１０６４内に担持され且つそこから凝縮
された液体水の流れ１０６９内へ運ばれる燃焼副産物を
含む種々の供給源から発生される。イオン交換床１５０
２は、陽イオン交換樹脂と陰イオン交換樹脂との両方を
含んでおり、それによって、供給水の流れ１０２２から
陽イオン及び陰イオンの両方を除去する。供給水のイオ
ン汚染物質は、限定的ではないが、排気の流れ１０６４
を搬送している燃焼排気ライン、コンデンサ１０６６、
水リザーバ１０１６への凝縮した液体水の流れ１０６９
を搬送しているライン及び水リザーバ１０１６内の金属
の湿った面の腐食を含む種々の発生源から発生するかも
しれない。イオン交換床１５０２を組み込むことによっ
て、特に耐腐食性ではないが、装置の上記した湿った部
品に対して良好な熱伝導性及び比較的低いコストを示
し、それによってコンデンサ１０６６の性能を改良し且
つ装置のコストを低減することが可能になる。
【０１７４】以上、本発明を好ましい形態で開示したけ
れども、ここに開示され且つ図示された本発明の特別な
実施形態は、限定的な意味に考えられるべきではなく、
多くの変形例が可能である。出願人は、本発明の主題
を、ここに開示された種々の要素、特徴、機能及び／又
は特性の全ての新規で且つ自明ではなくコンビネーショ
ン及びサブコンビネーションを含むものであると考えて
いる。ここに開示された実施形態の単一の特徴、機能、
要素又は特性は本質的ではない。特許請求の範囲は、新
規であり且つ自明でないと考えられているある種のコン
ビネーション及びサブコンビネーションを規定してい
る。現在のクレームを補正することにより又は本出願又
は関係する出願において新しいクレームを提出すること
によって、特徴、機能、要素及び／又は特性のこれ以外
のコンビネーション及びサブコンビネーションを請求す
ることができる。このようなクレームもまた、それら
が、より広いか、より狭いか又は元のクレームの範囲に
等しいかに拘わらず、本願の主題に含まれると考えられ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の一方式に基づく燃料電池およ
び水素精製機能内蔵スチームリフォーマーを含むエネル
ギー変換システムの全体像を表したものである。
【図２】図２は、図１の水素精製機能内蔵スチームリフ
ォーマーの同心円筒構造体の模式図である。
【図３】図３は、図１の水素精製機能内蔵スチームリフ
ォーマーの断面図を示したものである。
【図４】図４は、共通燃焼部の内部に多数のリフォーマ
ーチューブを配置した、本発明のスチームリフォーマー
の代案構造体の模式図である。
【図５】図５は、燃焼システムをリフォーメーション部
の内部に配置するよう変更を加えた、本発明に基づく水
素精製機能内蔵スチームリフォーマーの模式図と部分断
面図である。
【図６】図６は、蒸発チャンバを別置きにした、本発明
に基づく水素精製機能内蔵スチームリフォーマーの一つ
の実施例の模式図と部分断面図である。
【図７】図７は、本発明に適用でき、その長さ方向に全
般的に均一な温度勾配を持たせることのできる燃焼シス
テムの模式図である。
【図８】図８は、図７の燃焼システムの温度勾配を従来
の温度勾配と比較した図である。
【図９】図９は、本発明に基づきつつ、プレート・膜要
素を採用した、別の形式の水素精製機能内蔵スチームリ
フォーマーの図である。
【図１０】図１０は、膜・エンベロープ・プレートを含
む図９のスチームリフォーマーのプレート・膜・モジュ
ールの分解図である。
【図１１】図１１は、図１０の膜・エンベロープ・プレ
ートの分解図である。
【図１２】図１２は、本発明に基づく製作工程を採用し
た場合の管状金属膜モジュールの構成部品と、管状膜モ
ジュールの製作における組立工程を図示したものであ
る。
【図１３】図１３は、本発明に基づく製作工程を採用し
た場合の管状金属膜モジュールの構成部品と、管状膜モ
ジュールの製作における組立工程を図示したものであ
る。
【図１４】図１４は、本発明に基づく製作工程を採用し
た場合の管状金属膜モジュールの構成部品と、管状膜モ
ジュールの製作における組立工程を図示したものであ
る。
【図１５】図１５は、本発明に基づく製作工程を採用し
た場合の管状金属膜モジュールの構成部品と、管状膜モ
ジュールの製作における組立工程を図示したものであ
る。
【図１６】図１６は、本発明に基づく製作工程を採用し
た場合の管状金属膜モジュールの構成部品と、管状膜モ
ジュールの製作における組立工程を図示したものであ
る。
【図１７】図１７は、本発明に基づく製作工程を採用し
た場合の管状金属膜モジュールの構成部品と、管状膜モ
ジュールの製作における組立工程を図示したものであ
る。
【図１８】図１８は、蒸発チャンバーを別置きにしプレ
ート状モジュールを採用した、本発明に基づくスチーム
リフォーマーのもう一つの実施例の斜視部分破断図であ
る。
【図１９】図１９は、図１８のスチームリフォーマーの
断面図である。
【図２０】図２０は、図１８と図１９のスチームリフォ
ーマーの膜モジュールの構成部品を示したものである。
【図２１】図２１は、図１８と図１９のスチームリフォ
ーマーの膜モジュールの構成部品を示したものである。
【図２２】図２２は、直列の供給ガス流構造を提供す
る、図１８と図１９のスチームリフォーマーの膜モジュ
ール用構成部品スタックを図示したものである。
【図２３】図２３は、並列の供給ガス流構造を提供す
る、図１８と図１９のスチームリフォーマーの膜モジュ
ール用構成部品スタックを図示したものである。
【図２４】図２４は、膜モジュール内部加熱用排気プレ
ートを組み込んだ、図１８と図１９のスチームリフォー
マーの膜モジュール用構成部品スタックを図示したもの
である。
【図２５】本発明によるスチームフォーマーの別の実施
形態の断面図である。
【図２６】図２５リフォーマーの変形例の断面図であ
る。
【図２７】低温始動中に燃料処理装置を加熱するため
に、プロパン又は天然ガスが燃料として使用される燃料
電池装置のプロセスフローチャートである。
【図２８】低温始動中に燃料処理装置を加熱するため
に、液体燃料が使用される燃料電池装置のプロセスフロ
ーチャートである。
【図２９】低温始動中に燃料処理装置を加熱するため
に、貯蔵された水素が使用される本発明の実施形態であ
る。
【図３０】回収及び使用のための付加的な水を提供する
ために、燃料電池のアノードチャンバから抜き取られた
水素が燃焼せしめられる燃料電池装置のプロセスフロー
チャートである。
【図３１】回収及び使用のための付加的な熱及び水を提
供するために、燃料電池のアノードチャンバから抜き取
られた水素が燃焼せしめられる燃料電池装置のプロセス
フローチャートである。
【図３２】高度な熱が燃料処理装置から回収される本発
明の実施形態である。
【図３３】供給燃料及び水の両方を燃料処理装置へ供給
する２つのポンプヘッドを同時に駆動するために単一の
モーターが使用されるデュアルポンプヘッドを含む本発
明の別の実施形態を示している。
【図３４】燃料処理装置を出て行く熱い水素との熱交換
によって燃料処理装置に供給する前に供給燃料か供給水
かのどちらかを予め加熱するようになされた本発明の更
に別の実施形態を示している。
【図３５】プロセス水の低い導電性を維持するために一
以上のイオン交換床を含んでいる、本発明の更に別の実
施形態を示している。
【図３６】燃料処理装置内へ射出する前に供給水を精製
するためにイオン交換床及び活性炭床が使用されてい
る、燃料電池装置のためのプロセスフローチャートを示
している。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） // Ｈ０１Ｍ 8/06 Ｈ０１Ｍ 8/06 Ｇ 8/10 8/10 (72)発明者 プレッジャー，ウィリアム・エイ アメリカ合衆国オレゴン州97759，シスタ ーズ，ハーネス 69222 Ｆターム(参考） 4D006 GA41 HA22 HA43 JA02A JA02C JA03A JA07Z JA08Z JA18Z JA27Z JA52Z JB04 JB07 KA12 KA15 KA31 KD30 MA02 MA03 MA31 MB04 MC02 MC02X MC03 MC05 MC05X PA05 PB18 PB66 PC80 4G040 EA02 EA03 EA06 EB31 EB33 FA06 FB04 FC01 FC07 FE01 5H026 AA06 5H027 AA06 BA01 BA16

Claims (37)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 リフォーミング触媒を含み、リフォーミ
    ング供給燃料を受け取り且つ同リフォーミング供給燃料
    から水素を含む改質油の流れを生成するリフォーミング
    チャンバと、 前記改質油の流れを受け取り且つ同改質油の流れを副産
    物の流れと水素製品の流れとに分割するようになされた
    膜モジュールと、を含むスチームリフォーマーであっ
    て、 前記膜モジュールが、 各々が改質側と透過側とを有する複数の水素透過性の膜
    であって、互いに隔置され且つ透過側がほぼ相互に対向
    して間に延びている採取用の導管を形成し、更に、水素
    製品の流れは、膜を通過して採取用導管へと流れる改質
    油の流れの一部分によって形成され、膜の改質油側上に
    残っている改質油の流れの残りの部分が副産物の流れを
    形成する、ようになされた複数の水素透過性の膜と、 膜を支持するようになされた採取用導管内に設けられた
    支持部材であって、前記膜の透過側の対応する膜に対す
    る支持を提供するようになされた一対のほぼ正反対の面
    を含んでいる、支持部材と、 前記採取用導管と流体連通している製品用出口ポートで
    あって、その中を通って水素製品の流れが当該膜モジュ
    ールから抜き取られる、製品用出口ポートと、を含んで
    いる、スチームリフォーマー。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載のリフォーマーであっ
    て、 前記支持部材が前記膜に係合しているが結合はされてい
    ない、リフォーマー。
  3. 【請求項３】 請求項１に記載のリフォーマーであっ
    て、 前記支持部材が多孔質材料によって作られている、リフ
    ォーマー。
  4. 【請求項４】 請求項１に記載のリフォーマーであっ
    て、 前記支持部材が、前記膜の透過側に対して平行なガスの
    流れと横切るガスの流れとの両方を許容するようになさ
    れている、リフォーマー。
  5. 【請求項５】 請求項１に記載のリフォーマーであっ
    て、 前記支持部材が、前記採取用導管を通るガスの流れの経
    路を形成し、同流れの経路は、前記膜の透過側に対して
    平行に及び横切る方向に延びている、リフォーマー。
  6. 【請求項６】 請求項１に記載のリフォーマーであっ
    て、 前記支持部材がメッシュを含んでいる、リフォーマー。
  7. 【請求項７】 請求項６に記載のリフォーマーであっ
    て、 前記支持部材が、内側メッシュスクリーンを含み、外側
    メッシュスクリーンが、内側メッシュスクリーンと前記
    膜の透過側とを分離している、リフォーマー。
  8. 【請求項８】 請求項７に記載のリフォーマーであっ
    て、 前記内側メッシュスクリーンが前記外側メッシュスクリ
    ーンよりも粗いリフォーマー。
  9. 【請求項９】 請求項１に記載のリフォーマーであっ
    て、 前記膜が概して平行で隔置された面を画成しており、前
    記採取用導管が、これらの間に延びており且つ少なくと
    も実質的にこれらの面と同一の広がりを有している、リ
    フォーマー。
  10. 【請求項１０】 請求項１に記載のリフォーマーであっ
    て、 膜の各々が端縁領域を含み、同端縁領域は、同端縁領域
    を越えて延びているフレームに固定されている、リフォ
    ーマー。
  11. 【請求項１１】 請求項１０に記載のリフォーマーであ
    って、 前記フレームが、超音波溶接によって前記端縁領域に結
    合されている、リフォーマー。
  12. 【請求項１２】 請求項１０に記載のリフォーマーであ
    って、 前記改質油の流れを前記膜の改質油側へと選択的に分配
    し、採取用導管から製品の流れを取り出し、副産物の流
    れを取り出すために、前記フレームの中を延びている複
    数のガス輸送導管を含んでいる、リフォーマー。
  13. 【請求項１３】 請求項１２に記載のリフォーマーであ
    って、 前記導管の少なくとも一つが、前記副産物の流れを当該
    リフォーマーの燃焼領域へと分配する、リフォーマー。
  14. 【請求項１４】 請求項１２に記載のリフォーマーであ
    って、 前記導管の少なくとも一つが、前記副産物の流れを研磨
    触媒床へと分配する、リフォーマー。
  15. 【請求項１５】 請求項１に記載のリフォーマーであっ
    て、 前記支持部材と透過側が同支持部材によって支持されて
    いる前記膜とが、膜エンベロープを含み、更に、前記膜
    モジュールが複数の膜エンベロープを含んでいる、リフ
    ォーマー。
  16. 【請求項１６】 請求項１５に記載のリフォーマーであ
    って、 各膜エンベロープが、前記改質油の流れの少なくとも一
    部分が当該膜エンベロープに供給されるときに通る入口
    ポートと、製品の流れが前記採取用導管から抜き取られ
    るときに通る製品出口ポートと、前記副産物の流れが前
    記膜エンベロープから抜き取られるときに通る副産物ポ
    ートと、を含み、更に、前記複数の膜エンベロープの対
    応するポートが相互に流体連通していて、各々、入口導
    管、製品導管及び副産物導管を形成している、リフォー
    マー。
  17. 【請求項１７】 請求項１６に記載のリフォーマーであ
    って、 前記副産物導管が、前記副産物の流れを当該リフォーマ
    ーの燃焼領域に供給するようになされている、リフォー
    マー。
  18. 【請求項１８】 請求項１６に記載のリフォーマーであ
    って、 前記製品導管が、前記製品の流れを研磨触媒床に供給す
    るようになされている、リフォーマー。
  19. 【請求項１９】 請求項１に記載のリフォーマーであっ
    て、 各水素透過性膜が、パラジウム又はパラジウム合金のう
    ちの少なくとも一つによって作られている、リフォーマ
    ー。
  20. 【請求項２０】 請求項１９に記載のリフォーマーであ
    って、 各膜が２００ｐｐｍ未満の炭素を含んでいる、リフォー
    マー。
  21. 【請求項２１】 請求項２０に記載のリフォーマーであ
    って、 各膜が１００ｐｐｍ未満の炭素を含んでいる、リフォー
    マー。
  22. 【請求項２２】 請求項２１に記載のリフォーマーであ
    って、 各膜が５０ｐｐｍ未満の炭素を含んでいる、リフォーマ
    ー。
  23. 【請求項２３】 水素選択性の膜エンベロープであっ
    て、 入口側と透過側とを有する水素透過性の膜領域と、 入口側と透過側とを有するもう一つ別の水素透過性の膜
    領域であって、前記膜領域が互いに隔置され、それらの
    透過側が相互に対向しており、それらの間に延びている
    採取用導管を形成している、もう一つ別の水素透過性の
    膜領域と、 前記採取用導管内に設けられ且つ前記膜領域の前記透過
    側を支持するようになされ、前記支持部材が前記膜領域
    を通って前記採取用導管へとガスが通過し、前記膜領域
    の透過側を横切って及び平行に移動するのを許容する、
    支持部材と、 ガスが前記採取用導管から採取されるときに通る出口ポ
    ートと、を含む水素選択性の膜エンベロープ。
  24. 【請求項２４】 請求項２３に記載の膜エンベロープで
    あって、 当該エンベロープが、スチームリフォーマーと流体連通
    しており且つ同スチームリフォーマーから水素を含んで
    いる改質油の流れを受け取るようになされている、膜エ
    ンベロープ。
  25. 【請求項２５】 請求項２４に記載の膜エンベロープで
    あって、 当該エンベロープが前記スチームリフォーマーに結合さ
    れている、膜エンベロープ。
  26. 【請求項２６】 請求項２５に記載の膜エンベロープで
    あって、 当該エンベロープが前記スチームリフォーマー内に少な
    くとも部分的に含まれている、膜エンベロープ。
  27. 【請求項２７】 請求項２３に記載の膜エンベロープで
    あって、 前記支持部材が、前記膜領域の透過側に係合している
    が、同膜領域の透過側に結合されてはいない、膜エンベ
    ロープ。
  28. 【請求項２８】 請求項２３に記載の膜エンベロープで
    あって、 前記支持部材がメッシュを含んでいる、膜エンベロー
    プ。
  29. 【請求項２９】 請求項２８に記載の膜エンベロープで
    あって、 前記支持部材が、内側メッシュスクリーンと、同内側メ
    ッシュと前記膜領域の透過側とを分離している外側メッ
    シュスクリーンと、を含んでいる、膜エンベロープ。
  30. 【請求項３０】 請求項２９に記載の膜エンベロープで
    あって、 前記内側メッシュスクリーンが前記外側メッシュスクリ
    ーンよりも粗い、膜エンベロープ。
  31. 【請求項３１】 請求項２３に記載の膜エンベロープで
    あって、 前記膜領域が、概して平行で隔置された面を画成してお
    り、それらの面の間に採取用導管が延びている、膜エン
    ベロープ。
  32. 【請求項３２】 請求項２３に記載の膜エンベロープで
    あって、 各膜領域が、フレームが結合される外側端縁領域を含ん
    でいる、膜エンベロープ。
  33. 【請求項３３】 請求項３２に記載の膜エンベロープで
    あって、 各フレームが、超音波溶接によって前記膜領域の対応す
    る一つの前記外側端縁領域に結合されている、膜エンベ
    ロープ。
  34. 【請求項３４】 請求項２３に記載の膜エンベロープで
    あって、 前記膜の各々が、パラジウム及びパラジウム合金のうち
    の少なくとも一つによって作られている、膜エンベロー
    プ。
  35. 【請求項３５】 請求項３４に記載の膜エンベロープで
    あって、 前記膜の各々が２００ｐｐｍ未満の炭素を含んでいる、
    膜エンベロープ。
  36. 【請求項３６】 請求項３５に記載の膜エンベロープで
    あって、 前記膜の各々が１００ｐｐｍ未満の炭素を含んでいる、
    膜エンベロープ。
  37. 【請求項３７】 請求項３６に記載の膜エンベロープで
    あって、 前記膜の各々が５０ｐｐｍ未満の炭素を含んでいる、膜
    エンベロープ。
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