JP2006523372A - 携帯用燃料処理装置及び密閉容器並びにその設置方法 - Google Patents

Abstract

内部空間を画定しガス非透過性障壁（１０５）を提供する外壁を有する密閉容器（１１０）を含む携帯用燃料処理装置及び密閉容器（１１０）。密閉容器（１１０）を１つの場所から他の場所へ動かすのに用いるための移動手段（９０）が密閉容器（１１０）に取り付けられる。少なくとも毎時約１ｋＷを発生させるのに使用するために十分な水素に富む改質物を燃料電池スタックに提供することの可能な燃料改質器（１１５）が密閉容器（１１０）内に配置される。任意選択的なガス検出装置は、密閉容器（１１０）内に配置されたセンサー（１８０）を含み、燃焼性ガスの存在について密閉容器（１１０）の内部を監視する。携帯用装置は、密閉容器（１１０）及び燃料処理装置を改質用燃料の供給源及び水の供給源並びに家庭用排水管（１５０）に接続するための多数の接続部（１２２、１２４）を有することができる。

Description

本発明は、水素に富む原料流を必要とする燃料電池又は他の装置に使用するために、炭化水素ベース燃料を水素に富む改質物に変換する燃料処理装置に関する。本発明の装置及び方法は、容易に運搬し所望の場所で設置することのできる携帯用燃料処理装置を提供する。

燃料電池は化学的酸化還元反応から電気を提供し、清浄さと効率の面で他の電力発生の形よりも大きな利点を有する。典型的に、燃料電池は燃料として水素を、酸化剤として酸素を用いる。電力発生は反応物の消費速度に比例する。

燃料電池のより広い使用を抑制する大きな欠点は、広範な水素インフラストラクチャーの欠如である。水素は比較的容積エネルギー密度が低く、現在の電力発生システムの大部分に用いられている炭化水素燃料よりも貯蔵と輸送が難しい。この困難を克服する１つの方法は、改質器を用いて、炭化水素燃料を燃料電池の原料として使用できる水素に富むガス流に変換することである。

天然ガス、ＬＰＧ、ガソリン、ジーゼルなどの炭化水素ベースの燃料は、大部分の燃料電池の燃料の供給源として使用するための変換工程が必要である。現在の技術は最初の変換工程にいくつかの清浄化工程を組み合わせた複数段階の工程を用いる。最初の工程はほとんど蒸気改質（ＳＲ）、自己熱改質（ＡＴＲ）、触媒部分酸化（ＣＰＯＸ）、又は、非触媒部分酸化（ＰＯＸ）である。通常清浄化工程は、脱硫、高温水性ガスシフト、低温水性ガスシフト、選択的ＣＯ酸化、又は選択的ＣＯメタン化の組み合わせからなる。精製された水素に富む改質物を回収する代替の工程は水素選択的メンブレン反応器及びフィルターを含む。

さらに、より高い電力出力を提供することの可能な、より大きな柔軟性を備える燃料電池及び燃料処理装置の必要性が高まっている。携帯性はより大きな柔軟性をもたらす特徴であるが、通常、より小さな電力出力と限られた運転時間を伴う。したがって、携帯が容易であり、より多量の燃料電池用品質の改質物を長い運転期間信頼性高く提供することのできる燃料処理器が必要である。

本発明は携帯用燃料処理装置を提供する。装置は、内部空間を画定しガス不透過性障壁を提供する外壁を有する密閉容器を含む。密閉容器を１つの場所から他の場所へ動かすのに使用する移動手段が密閉容器に取り付けられる。移動手段は、密閉容器の底部面に取り付けられた車輪、ローラー、軌道等を含むことが好ましい。さらに、移動手段は密閉容器の１つ又は複数の側面に取り付けられたハンドル、グリップ、及び他の形態を含むことができる。装置は、密閉容器内に配置された、改質用燃料を燃料電池用品質の水素に富む改質ガスに変換するための燃料改質器をさらに含む。燃料改質器は、少なくとも約１ｋＷ、より好ましくは少なくとも約３ｋＷ、さらに好ましくは少なくとも約７．５ｋＷの電気を発生するのに使用する十分な水素に富む改質物を燃料電池スタックに提供することができる。任意選択的に、しかし非常に好ましくは、本発明の密閉容器の形態は、密閉容器内に配置された、密閉容器内部の燃焼可能なガスの存在を監視するセンサーを含むガス検出装置である。

さらに、携帯用燃料処理装置は、任意選択的なしかし非常に好ましい多くの接続部を有することができる。それらの接続部は、密閉容器と燃料改質器を建物内のガスユーティリティラインなどの改質用燃料の供給源に接続するための接続部を含むことができる。同様に、密閉容器は、密閉容器を水の供給源、即ち、好ましくは水ユーティリティラインと接続するための接続部を有することができる。さらに、密閉容器は外部排水管と接続するための接続部又は排出口を有することができる。任意選択的に、密閉容器は、燃料電池に水素に富む改質物流を送出し、燃料電池の排気流を密閉容器に戻すために、燃料処理器を燃料電池（又は燃料電池スタック）に接続する接続部を有することもできる。さらに、携帯用燃料処理装置は、遠隔工程制御ユニットと電気的な連絡を確立するための接続部をさらに含むことができる。

一工程態様において、本発明は燃料処理器の設置方法を提供する。方法は、燃料処理器を収容する携帯用ガス不透過性の密閉容器を所望の位置に動かすステップと、水の供給源を密閉容器に接続するステップと、改質用燃料の供給源を密閉容器に接続するステップと、燃料電池を密閉容器に接続するステップとを含む。密閉容器を水の供給源及び改質用燃料の供給源に接続するステップは、密閉容器を建物内の水及び天然ガスユーティリティラインに接続することを含む。方法は密閉容器に家庭用排水管を提供又は接続するステップをさらに含むことができる。密閉容器を燃料電池に接続するステップは、水素に富む改質物を燃料電池に送出し、燃料電池の排気流を密閉容器に戻すための接続を確立することを含むことが好ましいであろう。任意選択的に、しかし好ましくは、方法は遠隔工程制御ユニットに連絡する通信リンクを密閉容器に設ける追加のステップを含むであろう。

本発明は付属の図面と共に以下の説明を参照することによって理解することができよう。

本発明には様々な改変及び代替の形態を受け入れることができるが、その特定の実施形態は図面に例示されており、本明細書に詳細を説明する。しかし、本明細書における特定の実施形態の説明は、開示された特定の形態に本発明を制限するものではなく、逆に、付属の請求項によって定義される本発明の精神と範囲内に包含される全ての修正、等価、及び代替を含むことが意図される。

本発明の例示的実施形態を以下に説明する。簡明さを期すために、実際の実施形態の全ての特徴を本明細書に記述するわけではない。無論、任意のそれらの実際の実施形態を開発する上で、開発者の特定の目標を達成するためには、採る手段により変わると思われる、装置関連及び事業関連の制約遵守など、手段に独特の多数の決定を行わなければならないことが理解されよう。さらに、それらの開発努力は複雑で時間のかかることであろうが、本開示を享受する当業者がやはり慣例的に行う手順であることが理解されよう。

本発明は、（１）携帯用燃料処理装置と、（２）携帯用燃料処理器の設置方法を提供する。

（１）携帯用燃料処理装置
本発明の携帯用燃料処理装置は、内部空間を画定しガス不透過性障壁を提供する外壁を有する密閉容器を含む。密閉容器を複数の場所の間で移動するための手段が取り付けられている。さらに、装置は、密閉容器内に配置された、改質用燃料を水素に富む改質ガスに変換する燃料改質器を含む。

携帯用密閉容器
本発明の方法及び装置に使用する適切な密閉容器は、燃料処理器とその付属副システムを収容することになるサイズ、材料及び構造である任意の密閉容器とすることができる。そのような密閉容器の外壁は、改質器から発生するガス又は収容された副システムから漏れたガスが外部環境に逃げることを防止するガス不透過性障壁を提供すべきである。燃料処理装置の主要な特徴の１つは装置の携帯可能性であり、密閉容器と収容された燃料処理器及び副システムは輸送を容易にするために小さいことが好ましい。しかし、収容された燃料処理器は、燃料電池スタックに接続されたとき、その組み合わされた電力発生システムが、少なくとも約１ｋＷ、より好ましくは少なくとも約３ｋＷ、さらに好ましくは少なくとも約７．５ｋＷの電力発生能力を有するように十分大きくなければならない。

好ましい密閉容器は、枠に固定されたパネルを有する剛性枠の筐体である。パネルは金属、プラスチック、及び熱絶縁材を備える又は備えない複合材などの様々な材料から製造することができる。任意選択的に、パネルは、燃料処理器が運転中にないとき、密閉容器の収容物に到達することを容易にするため取り外し可能とすることができる。材料又は製造方法にかかわらず、完全に組み立てられた密閉容器はガス不透過性障壁を提供すべきである。本明細書で参照する用語「ガス不透過性障壁」は、密閉容器の内部から外部環境へガスが通過することを実質的に禁止する障壁を指す。密閉容器の内部からのガスの排出は複数の熱交換機排気ファンを含む一体化された冷却装置によって提供され制御される。

密閉容器は、燃料処理運転に使用するために、水及び燃料の供給源と接続用の、及び、密閉容器に引き込む空気用の接続部又は導入口を有する。改質用燃料は、そのコストと殆どの住宅及び商業建物で容易に入手可能なため、天然ガスであることが好ましい。改質用燃料と水の接続部は、住宅及び商業建物で通常使用されている、ガス用の従来の標準接続が好ましい。密閉容器の追加の接続部、導入口及び／又は導出口は、水収集容器を家庭内の排水管に接続する排水接続部、及び外部電源への接続部を含むことができる。

本発明の燃料処理装置に使用される密閉容器接続部、導入口及び導出口は、携帯用燃料処理装置の設置と設定をさらに単純化するため、本質的に「迅速接続」であることが好ましい。それらの接続部は、プラグソケット型接続部、インターロック式雄雌構造を有する接続部、嵌合溝形構造を有する接続部、並びに相補的なネジ面を有する接続部を含むことができる。携帯用密閉容器上に使用するのに適した接続部の種類のこの簡単な説明は、網羅的ではなく、確実な接続を提供し迅速な嵌合と取り外しのできる、異なる接続部を単に例示するものであることに留意すべきである。

任意選択的に、密閉容器は燃料電池スタックと接続するための少なくとも１個の接続部を有する。燃料電池スタック接続部は、水素に富む改質物及び／又は空気の送出、アノードとカソードの排気流の密閉容器への戻り、並びに、燃料電池への冷却媒体の送出と戻りを提供することができる。燃料電池スタックとのいかなる接続は、燃料処理器及びその密閉容器を任意の燃料電池スタックで使用することを簡単にするために、本質的に従来の標準的なものであることが好ましい。

燃料処理器は複数運転のために空気源を必要とする。密閉容器が空気取り扱いシステムを収容する場合、密閉容器は空気流を燃料電池スタックへ送出する接続部を有することができることが考えられる。空気導入口を外部空気取り扱いシステムに接続することができるが、密閉容器内に収容された空気取り扱いシステムに導かれる空気源であることが好ましい。好ましい実施形態において、空気導入口は内部空気取り扱いシステムの単なる空気導入口である。安定した空気源を複数の機能に提供できる好ましい内部空気取り扱いシステムは、２００３年４月４日出願の、Ｎｇｕｙｅｎらの米国特許出願第１０／４０７，２５８号「燃料処理器に使用するための流体均衡制御装置（Ｆｌｕｉｄ Ｂａｌａｎｃｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｕｓｅ ｉｎ ａ Ｆｕｅｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）」（代理人整理番号Ｘ−００７２）に詳細が記載されており、その記述は参照により本明細書に組み込まれている。

密閉容器は燃料処理運転及び連続的に密閉容器内からガスを排気するために使用する冷却システムを含むことが好ましい。それらの冷却システムは、２００３年４月４日出願の、Ｗｈｅａｔらの米国特許出願第１０／４０７，４０１号「燃料処理器用冷媒システム（Ｃｏｏｌａｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｆｕｅｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）」（代理人整理番号Ｘ−０１２５）により詳細に記載されており、その記述は参照により本明細書に組み込まれている。それらの冷却システムは典型的に水等の循環冷却媒体を含む。したがって、密閉容器は冷媒タンクを充填する充填導入口を有することが好ましい。さらに、密閉容器はスタック内の温度制御を助けるために、冷却媒体を燃料電池スタックへ送出し、戻す接続部を有することができる。

燃料処理器の運転中に、携帯用密閉容器の内部は排気装置によって連続的に排気される。排気装置は内部冷媒システムと結びついた熱交換機排気ファンであることが好ましい。それらの冷媒システム及びその冷媒システムの燃料処理器密閉容器の排気に使用することは、直前に参照した、２００３年４月４日出願の、Ｗｈｅａｔらの米国特許出願第１０／４０７，４０１号「燃料処理器用冷媒システム（Ｃｏｏｌａｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｆｕｅｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）」（代理人整理番号Ｘ−０１２５）により詳細に記載されている。代わりに、排気装置は密閉容器の外へガスを引き抜き密閉容器の外へそれらを排気するように構成されたファンとすることができる。燃焼性ガスが携帯用密閉容器内に蓄積しないとき、それらの排気運転はガスを密閉容器から除去する安全で効率的なやり方である。しかし、燃焼性ガスが検出される場合、排気を行う前に、燃焼させるために、排気装置は燃焼性ガスを再び密閉容器内の燃焼器へ導く能力をもたなければならない。

燃焼性ガスが蓄積される可能性があるため、携帯用密閉容器はそれらのガスの存在について密閉容器内部を監視するガス検出装置を有することが非常に好ましい。それらの検出装置は、密閉容器内の環境を監視し処理器又は工程制御器へデータを伝えるための少なくとも１個のガスセンサーを有する。センサーは、密閉容器内に蓄積するであろう水素、メタン、一酸化炭素、及び他の燃焼性／有害ガスの存在について密閉容器内の環境を監視するように選択しなければならない。センサーはより低閾値の爆発限界型センサーであることが好ましい。センサーは、密閉容器内に存在するであろうガスの性質及び関連する毒性、並びに、燃料処理器を設置し、運転する場所において適用される法令及び規格を含む多くの要因に基づいて選択しなければならない。適切なセンサーは複数の供給者から市場で入手可能であり、一般に一酸化炭素センサー、天然ガスセンサー、及び水素センサーとして販売される。さらに各ガス用の個別のセンサーは必要ではない。例えば、一酸化炭素及び天然ガスの性質により、天然ガス又は一酸化炭素を検出するように設計されたガス検出センサーは、センサーの爆発下限の１／１０のレベルで水素の存在によって起動されるであろう。

センサーは、データを受け取り、ガスが存在するときに何らかの処置が必要であるかを決定することのできる工程制御装置にデータを伝えることができなければならない。また、工程制御装置は燃料処理器及びその副システムの運転制御にも使用し、搭載処理器、遠隔処理器、又は搭載と遠隔処理器の両方の装置であってもよいことを想定している。センサーから受け取ったデータに応じて、工程制御装置は操作者に警告する警報を起動し、燃料処理器の停止手順を開始し、及び／又は、他の可能なルーチンの中でも、密閉容器の内部からガスを除去するための排気装置を起動するなどのルーチン作業を開始することができる。

密閉容器と遠隔工程制御ユニットの間に通信リンクを確立することが望ましいので、追加の接続部は通信接続部を含むであろう。さらに、搭載工程制御装置は燃料処理器並びに空気取り扱い、冷却、水管理副システムなど他の搭載副システムの運転を局部的に制御するために密閉容器内に設けられることが好ましい。搭載工程制御ユニットと遠隔工程制御ユニット間の通信接続部は、携帯用燃料処理装置の遠隔監視と制御を提供するのに有利である。

密閉容器の追加の好ましい形態は、運転状態に関するデータ及び燃料処理器に関する潜在的診断情報を表示する液晶ディスプレイ又は他のビデオディスプレイを含む。ビデオディスプレイは搭載工程制御ユニットと連結され、必要であれば任意選択的に遠隔工程制御ユニットと連結することができる。また、密閉容器は、使用者が選択した入力を搭載工程制御ユニットに提供するために、１個又は複数の使用者制御機器を含むこともできる。ノブ、ボタン、ダイアル、キーボード等は工程制御ユニットへの所望の運転状態を表示する適切な使用者制御機器である。

移動手段
異なる場所に携帯用燃料処理装置を輸送するのに使用するための移動手段が密閉容器に取り付けられる。移動手段は、密閉容器の底部面に固定され密閉容器の移動を容易にする車輪、ローラー、軌道等を含むことができる。さらに、移動手段は密閉容器の１つ又は複数の側面又は頂部壁に取り付けられたハンドル、グリップ、アイフック等を含むこともできる。また、密閉容器は、フォークリフト機構によって持ち上げ及び移動することを可能にする剛性のある底部壁又は底部支持も有する。

燃料改質器
改質工程には典型的に２種の異なる反応が行われる。式Ｉ及びＩＩは炭化水素としてメタンを考えるときの例示的反応式である。
ＣＨ_４＋１／２Ｏ_２→２Ｈ_２＋ＣＯ （Ｉ）
ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→３Ｈ_２＋ＣＯ （ＩＩ）

部分酸化反応（式Ｉ）は非常に急速に起こって、加えられた酸素を完全に変換し、発熱反応（すなわち熱を生成する）である。原料流中のより高濃度の酸素は部分酸化反応にとって好ましい。

蒸気改質反応（式ＩＩ）はよりゆっくり進み、吸熱（すなわち熱を消費する）である。より高い濃度の水蒸気は蒸気改質にとって好ましい。

当業者であれば、部分酸化及び蒸気改質を組み合わせて、予備加熱された改質反応物を水素と一酸化炭素を含有する合成ガスに変換できることを理解し認識すべきである。その場合、炭化水素に対する酸素の割合、及び炭化水素に対する水の割合は、特性化パラメーターになる。これらの割合は運転温度と水素の生成に影響を与える。改質ステップの運転温度は、供給条件と触媒に応じて約５５０℃〜約９００℃の範囲とすることができる。

改質器は触媒床を用い、触媒床は、ペレット、球、押出品、モノリス等を含む任意の形でもよく、或いは、フィン又はヒートパイプの表面に薄め塗布してもよい。部分酸化触媒は当業者には良く知られているはずであり、しばしばモノリス、押出品、ペレット、又は他の担体上にアルミナ薄め塗膜上の白金、パラジウム、ロジウム、及び／又はルテニウムなどの貴金属を含む。ニッケル又はコバルトなどの非貴金属が使われている。チタニア、ジルコニア、シリカ、及びマグネシアなど他の薄め塗膜が文献に記載されている。ランタン、セリウム、及びカリウムなどの多くの追加の材料は、部分酸化触媒の性能を高める「助触媒」として文献に記載されている。蒸気改質触媒は当業者には良く知られているはずであり、コバルト、又は、白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、及び／若しくはイリジウムなどの貴金属を含むニッケルを含むことができる。触媒は例えば、マグネシア、アルミナ、シリカ、ジルコニア、又はアルミン酸マグネシウム上に単独又は組み合わせて担持することができる。代わりに、蒸気改質触媒は、好ましくはカリウムなどのアルカリ金属を助触媒とするマグネシア、アルミナ、シリカ、ジルコニア、又はアルミン酸マグネシウムの単独又は組み合わせ上に担持されたニッケルを含むことができる。

改質工程が主として自己熱改質工程であるとき、様々な清浄化工程の準備のため、冷却ステップを用いて改質物流を約６００℃〜約２００℃、好ましくは約５００℃〜約３００℃、さらに好ましくは約４２５℃〜約３７５℃の温度に冷却する。この冷却は、設計仕様及びガス流の熱含量を回収／循環する必要性に応じて、ヒートシンク、ヒートパイプ、又は熱交換機で達成することができる。代わりに、或いはそれに加えて、冷却は燃料、空気又は水などの追加の供給成分を注入することによって達成することができる。水は蒸発する時大量の熱を吸収するその能力のため好ましい。加えられる成分の量は必要とする冷却の程度に依存し、当業者によって容易に求められる。改質工程が主として蒸気改質工程を考えるとき、蒸気改質工程の吸熱性のため合成ガスの冷却は任意選択的である。

原料改質物流の通常の不純物は硫黄であり、改質工程によって硫化水素に変換される。改質器又は改質器から下流のモジュールは、酸化亜鉛及び／又は硫化水素を吸収し変換することの可能な他の材料を含むことができるのが好ましく、担体（例えばモノリス、押出品、ペレット等）を含むことができる。脱硫は硫化水素を以下の反応式ＩＩＩによって水に変換することによって達成される。
Ｈ_２Ｓ＋ＺｎＯ→Ｈ_２Ｏ＋ＺｎＳ （ＩＩＩ）

酸化亜鉛は、約２５℃〜約７００℃の広い温度範囲にわたって効率的な硫化水素吸収剤であり、適切に運転温度を選択することによって処理ステップの手順を最適化する柔軟性が大きいため好ましい。また、塩化物などの他の不純物も除去することができる。

次いで、精製された改質物流は任意選択的な混合ステップへ送ることができ、水がガス流に加えられる。水の添加はそれが蒸発するとき反応物流の温度を下げ、水性ガスシフト反応のためにより多くの水を供給する。水蒸気及び他の改質物流成分は、有効に混合作用を示し、及び／又は水の蒸発を助けるセラミックビーズ、又は他の類似材料などの不活性材料の処理用コアを通過させることによって混合することができる。典型的な水性ガスシフト反応は式ＩＶによって一酸化炭素を二酸化炭素に変換する。
Ｈ_２Ｏ＋ＣＯ→Ｈ_２＋ＣＯ_２ （ＩＶ）

この処理ステップにおいて、燃料電池の阻害物である一酸化炭素は実質上ガス流から除去されて一般に燃料電池には不活性ガスと考えられる二酸化炭素へ変換される。一酸化炭素の濃度は燃料電池の許容できるレベル、典型的に約５０ｐｐｍ以下まで低減することが好ましい。一般に水性ガスシフト反応は使用される触媒に応じて１５０℃〜６００℃の温度で起きる。それらの条件下で、ガス流中の一酸化炭素の殆どは二酸化炭素へ酸化される。

低温シフト触媒は約１５０℃〜約３００℃の範囲で動作し、例えば、酸化銅又はジルコニアなどの他の遷移金属酸化物上に担持された銅、遷移金属酸化物又はシリカ、アルミナ、ジルコニア等などの耐火性担体上に担持された亜鉛、又はシリカ、アルミナ、ジルコニア等などの適切な担体上の白金、レニウム、パラジウム、ロジウム又は金などの貴金属を含む。高温シフト触媒は約３００℃〜約６００℃の範囲の温度で動作することが好ましく、酸化鉄又は酸化クロムなどの遷移金属酸化物を含むことができ、任意選択的に銅又は鉄ケイ化物などの助触媒を含む。他の適切な高温シフト触媒は、担持白金、パラジウム、及び／又は他の白金族の元素などの担持貴金属である。また、シフト触媒は上述の高温シフト触媒又は低温シフト触媒の充填床、又は、高温シフト触媒と低温シフト触媒の両方の組み合わせを含むことができる。任意選択的に、一酸化炭素を二酸化炭素に変換するのにより低い温度が好ましいので、ヒートパイプなどの要素をシフト反応器の処理コアに配置して、触媒の充填床内の反応温度を制御することができる。

さらに、水素に富む改質物の選択的酸化を任意選択的に実施して、残りの一酸化炭素を二酸化炭素へ変換することができる。それらの反応は、一酸化炭素の望ましい酸化（式Ｖ）及び水素の望ましくない酸化（式ＶＩ）を含む。
ＣＯ＋１／２Ｏ₂→ＣＯ_２ （Ｖ）
Ｈ_２＋１／２Ｏ₂→Ｈ_２Ｏ （ＶＩ）
処理は一酸化炭素の酸化用触媒の存在で行われ、ペレット、球、モノリスなど任意の適切な形とすることができる。一酸化炭素の酸化触媒は既知であり、典型的に貴金属（例えば白金、パラジウム）及び／又は遷移金属（例えば鉄、クロム、マンガン）、及び／又は貴金属又は遷移金属、特に酸化物の化合物を含む。好ましい酸化触媒はアルミナ薄め塗膜上の白金である。薄め塗膜はモノリス、押出品、ペレット又は他の担体に塗工することができる。セリウム又はランタンなどの追加の材料を性能向上のために加えることができる。多くの他の処方が文献に記載されており、アルミナ担持ロジウム触媒の優れた性能を主張する実務者もいる。ルテニウム、パラジウム、金、及び他の材料は同様にこの用途に活性があると文献に引用されている。

一酸化炭素の好ましい酸化は低温が好ましい。両方の反応が熱を発生するので、ヒートパイプ又は他の手段を反応器内に配置して工程で発生した熱を除去することができる。工程の運転温度は約９０℃〜約１５０℃の範囲に保つことが好ましい。再び、それらの酸化工程は、一酸化炭素のレベルを燃料電池中に用いるのに適したレベルの５０ｐｐｍ未満に低減するのに用いることができる。

燃料処理器を出る水素に富む改質物は、二酸化炭素及び水、不活性成分（例えば窒素、アルゴン）、残りの炭化水素等など他の構成成分を含有する水素に富むガスである。この改質物は燃料電池の供給物又は水素に富む原料流を必要とする他の用途に使用することができる。任意選択的に、水素に富む改質物は、例えば二酸化炭素、水又は他の成分の除去のために、さらに他の工程へ送ることができる。燃料電池スタックの通路の前に、改質物流から水を分離することは以下のように行われる。

燃料改質器又は処理器は、炭化水素ベースの流れを水素に富むガス流に改質又は変換するのに使用する当技術分野で既知である。それらの改質器は、２００２年７月４日発行のＤｅｓｈｐａｎｄｅらの米国特許出願公開第２００２／００８３６４６Ａ１号、２００２年７月１１日発行のＤｅｓｈｐａｎｄｅらの米国特許出願公開第２００２／００９０３２６Ａ１号、２００２年７月１１日発行のＤｅｓｈｐａｎｄｅらの米国特許出願公開第２００２／００９０３２８Ａ１号、２００２年７月１１日発行のＤｅｓｈｐａｎｄｅらの米国特許出願公開第２００２／００９０３２７Ａ１号、２００２年７月１１日発行のＫｒａｕｓｅらの米国特許出願公開第２００２／００８８７４０Ａ１号、２００２年７月１８日発行のＫｒａｕｓｅらの米国特許出願公開第２００２／００９４３１０Ａ１号、２００２年１０月２４日発行のＳｔｅｖｅｎｓの米国特許出願公開第２００２／０１５５３２９Ａ１号、２００３年１月３０日発行のＣｈｉｌｄｒｅｓｓらの米国特許出願公開第２００３／００２１１７４１Ａ１、２００３年１月３０日発行のＫｒａｕｓｅらの米国特許出願公開第２００３／００２１７４２号に記載されたものを含むが制限されず、その各々の開示は参照により本明細書に組み込まれている。これらの刊行物は多くの異なる構成の燃料処理器を開示し、本発明の一体化された装置内で有利に使用することができる。

燃料処理器及び改質器は典型的に改質反応器と分離した、又は一体化された、付属の燃焼器を有し、反応物を加熱し、蒸気を発生させ、反応器を加熱し、燃料処理器及び／又は燃料電池の運転中に発生した不要な副生成物を廃棄するのに用いられる。例えば、それらの燃焼器は、それらが、その燃料処理運転における役割に加えて、通常燃料電池スタックのアノードからのテールガスを燃焼するのに使用されるので、しばしばアノードテールガス酸化器と呼ばれる。

本発明の方法及び携帯用装置において、燃焼器は燃料処理運転を助けるためだけでなく燃焼に使用し、それによって様々な燃料処理及び燃料電池工程流から分離された燃焼性ガスを除去するために存在することが好ましい。燃焼の後、燃焼生成ガスは一般に安全に密閉容器から排気することができる。燃焼器は、低く配置された熱い領域を避けるために、密閉容器の上部部分を通過する排気ラインを有することが好ましい。

適切な燃焼器は、２０００年６月２０日発行のＰｅｔｔｉｔの米国特許第６，０７７，６２０号「アノード排出物及び／又は蒸発された液体燃料供給からの燃料によって燃焼される触媒燃焼器（ｃａｔａｌｙｔｉｃ ｃｏｍｂｕｓｔｏｒ ｆｉｒｅｄ ｂｙ ａｎｏｄｅ ｅｆｆｌｕｅｎｔ ａｎｄ／ｏｒ ｆｕｅｌ ｆｒｏｍ ａ ｌｉｑｕｉｄ ｆｕｅｌ ｓｕｐｐｌｙ ｔｈａｔ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｖａｐｏｒｉｚｅｄ）」、２００１年５月１５日発行のＰｅｔｔｉｔの米国特許第６，２３２，００５号「燃焼器の投入口端部の管状部分は、それらが燃焼器の一次触媒床に接触する前にアノードとカソードの排出物流を緊密に混合し、管状部分は、乱流を形成し、及びその中のアノードとカソードの排出流を緊密に混合するための曲がりくねった通路を提供する、少なくとも１個の媒体混合の多孔質床を含む（ａ ｔｕｂｕｌａｒ ｓｅｃｔｉｏｎ ａｔ ｔｈｅ ｃｏｍｂｕｓｔｏｒ’ｓ ｉｎｐｕｔ ｅｎｄ ｉｎｔｉｍａｔｅｌｙ ｍｉｘｅｓ ｔｈｅ ａｎｏｄｅ ａｎｄ ｃａｔｈｏｄｅ ｅｆｆｌｕｅｎｔｓ ｂｅｆｏｒｅ ｔｈｅｙ ｃｏｎｔａｃｔ ｔｈｅ ｃｏｍｂｕｓｔｏｒｓ ｐｒｉｍａｒｙ ｃａｔａｌｙｓｔ ｂｅｄ； ｔｈｅ ｔｕｂｕｌａｒ ｓｅｃｔｉｏｎ ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ ａｔ ｌｅａｓｔ ｏｎｅ ｐｏｒｏｕｓ ｂｅｄ ｏｆ ｍｉｘｉｎｇ ｍｅｄｉａ ｔｈａｔ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ａ ｔｏｒｔｕｏｕｓ ｐａｔｈ ｆｏｒ ｃｒｅａｔｉｎｇ ｔｕｒｂｕｌｅｎｔ ｆｌｏｗ ａｎｄ ｉｎｔｉｍａｔｅ ｍｉｘｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ａｎｏｄｅ ａｎｄ ｃａｔｈｏｄｅ ｅｆｆｌｕｅｎｔｓ ｔｈｅｒｅｉｎ）」、２００２年１月２９日発行のＳｅｎｅｔａｒらの米国特許第６，３４２，１９７号「様々な特徴と構成を有する燃焼器の説明及び比較（ｄｅｓｃｒｉｂｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｃｏｍｂｕｓｔｏｒｓ ｗｉｔｈ ａ ｖａｒｉｅｔｙ ｏｆ ｆｅａｔｕｒｅｓ ａｎｄ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｓ）」に記載されたものを含むことができ、その開示は参照により本明細書に組み込まれている。他の適切な燃焼器は、同時出願（代理人整理番号Ｘ−００７６）のＮｇｕｙｅｎの米国特許出願第１０／４０８，０８０号「燃料改質用反応原料の急速加熱の方法及び装置（Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ Ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ Ｒａｐｉｄ Ｈｅａｔｉｎｇ ｏｆ Ｆｕｅｌ Ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ Ｒｅａｃｔａｎｔｓ）」、及び同時出願（代理人整理番号Ｘ−００７５）のＤｅｓｈｐａｎｄｅらの米国特許出願第１０／４０７，２９０号「アノードテールガス酸化器（Ａｎｏｄｅ Ｔａｉｌｇａｓ Ｏｘｉｄｉｚｅｒ）」に記載されたものを含み、これらの開示は参照により本明細書に組み込まれている。

燃料処理器は、燃料処理器、燃料電池又は両方の組み合わせと一体化され、携帯用密閉容器内に収容された、１個又は複数の副システムを有することが好ましい。上記のように、空気取り扱い、冷却及び水管理副システムは通常一体化され、携帯用密閉容器内に含むことができる。

例えば、一体化された燃料処理及び燃料電池運転内の水管理方法及び装置は、２００３年４月４日出願（代理人整理番号Ｘ−０１２４）のＤｅｓｐｈａｎｄｅらの米国特許出願第１０／４０７，６１７号「燃料電池排気流から水を分離する方法及び装置（Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ Ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ Ｓｅｐａｒａｔｉｎｇ Ｗａｔｅｒ Ｆｒｏｍ ａ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｅｘｈａｕｓｔ Ｓｔｒｅａｍ）」、同時出願（代理人整理番号Ｘ−００７３）のＷｈｅａｔらの米国特許出願第１０／４０７，８７６号「一体化した燃料処理装置及び密閉容器並びにそれらを使用する方法（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｆｕｅｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ Ａｐｐａｒａｔｕｓ ａｎｄ Ｅｎｃｌｏｓｕｒｅ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ Ｕｓｉｎｇ Ｓａｍｅ）」、２００３年４月４日出願（代理人整理番号Ｘ−０１２８）のＷｈｅａｔらの米国特許出願第１０／４０８，００６号「工程水タンクの水量制御（Ｌｅｖｅｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｏｒ Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｗａｔｅｒ Ｔａｎｋ）」に開示されており、これらの各々の開示は参照により本明細書に組み込まれている。

燃料電池スタック
本明細書で述べるように、燃料処理装置は、密閉容器及び収容された燃料処理器を外部燃料電池又は燃料電池スタックに相互接続するための１個又は複数の接続部を有することができる。具体的には、携帯用密閉容器は燃料電池又は燃料電池スタックのアノードとカソードマニホルドからのアノード排気とカソード排気を受容する接続部を有することができる。さらに、密閉容器は水素に富む改質物をスタックに送出するための接続部又は導出口を有することができる。さらに、冷却媒体を燃料電池又は精製空気源に提供するための接続部を設けることもできる。

燃料電池及び燃料電池の種類は当技術分野に知られており、当業者であれば燃料電池を携帯用燃料処理装置及び密閉容器と相互接続するための適切な接続部を選択できるはずである。

（２）携帯用燃料処理器の設置方法
本発明は、携帯用燃料処理装置の設置方法をさらに提供する。方法は、燃料処理器を収容する携帯用ガス不透過性密閉容器を必要な場所へ移動するステップと、水の供給源を密閉容器に接続するステップと、原料燃料を密閉容器に接続するステップと、燃料電池を密閉容器に接続するステップとを含む。密閉容器を水の供給源及び改質用燃料の供給源に接続するステップは、密閉容器を建物内の水の供給源及び天然ガスユーティリティラインに接続することを含むのが好ましい。方法は密閉容器を密閉容器用の家庭用排水管に接続又は提供することをさらに含むことができる。

密閉容器を燃料電池に接続するステップは、水素に富む改質物を燃料電池に送出し燃料電池排気流を密閉容器に戻すための接続を確立することを含むのが好ましい。任意選択的に、しかし好ましくは、方法は密閉容器に遠隔工程制御ユニットと通信するための通信リンクを設ける追加のステップを含むであろう。さらに、全ての接続ステップは、迅速接続式接続部の使用を含むことが好ましいであろう。

図面の詳細な説明
図１は本発明の携帯用燃料処理装置及び密閉容器の概要図である。携帯用装置及び密閉容器は参照番号１１０で全体的に示される。携帯用装置及び密閉容器は外壁１０５内に収容された燃焼器／改質器１１５を有する。外壁１０５は、燃焼器／改質器、洗浄／転化モジュール１４５、気液分離器１２０及び１４６、収集容器１４０、搭載工程制御ユニット１００、ガス検出器／センサー１８０、処理水タンク１６５、及び排出器１６０を含む多数の燃料処理器副システムを収容する。また、外壁１０５内には携帯用密閉容器内の開放容積又は開放空間を構成する内部１５５がある。

外壁１０５は内部１５５に拡散するガスが密閉容器の外へ流出することを防ぐガス不透過性障壁を提供する。外壁１０５は改質器と他の燃料処理副システムを様々な外部要素に接続するための多数の接続部又は導入口／導出口を有する。接続部１２４は燃焼器／改質器を外部の炭化水素ベース燃料の供給源１０４に接続するために外壁１０５に設けられる。接続部１２２は改質器又は内部処理水タンク１６５を外部処理水の供給源１０２に接続するために設けられる。特に示していないが、当業者であれば、水は燃料改質工程の間に多くの段階で使用され、適切な配管及び制御弁を必要に応じて設け、タンク１６５からの水を様々な燃料処理副システムへ送出できることを理解するはずである。

燃料処理器の運転中に、燃焼器／改質器１１５は水と炭化水素ベース燃料を外部源から受け取り、燃料を水素に富む改質物に変換する。水素に富む改質物は、ライン１０８を経由して、洗浄／転化モジュール１４５として集合的に示された１個又は複数の洗浄及び／又は精製工程へ導かれる。次いで、精製され転化された改質物は、改質ガス流中に存在する水の少なくとも一部を分離し除去するために、ライン１５６を経由して気液分離器１２０へ導かれる。改質物は、改質ガス流から分離する前に、水を改質物から凝縮するために冷却することが好ましいであろう。

水を低減させた改質物が燃料電池用品質であれば、改質ガスはライン１１２を経由して接続部１２８から燃料電池スタック１３０へ導出され、そこで電気化学反応により、少なくとも部分的に燃料電池によって消費されるであろう。水を低減させた改質物が燃料電池用品質でなければ、改質ガスは燃焼のためライン１１４を経由して燃焼器／改質器１１５の燃焼器部分へ導かれる。次いで、燃焼生成ガスはライン１１６を経由し接続部１３４を通して密閉容器の外へ導出することができる。排気ガス孔又はライン１３５は接続部１３４に接続され、燃料処理器密閉容器及び燃料処理器が運転される建物から燃焼生成ガスを導出することが好ましい。

気液分離器１２０中の水素に富む改質物流から分離された水は、ライン１１８を経由して収集容器１４０へ導かれる。分離された水は通常捕捉され又は溶解した燃焼性ガス成分を含有し、これは収集容器１４０の中で水から蒸発させることができる。この水はそれらのガスのレベルを低減しないで安全に環境に放出することはできない。当技術分野に知られているように、１個又は複数の分離器中で分離した後、残りのガスは容器１４０を用いて水流から受動的に除去される。示したように、収集容器１４０は、これらのガスを蒸発させ、密閉容器１１０内の内部空間１５５中へ拡散させることの可能な開放密閉容器である。収集された水が収集容器１４０中で受動的に脱気するのに十分な時間を経た後、水は密閉容器導出口１３２を経由しライン１２６を通って導かれる。水は周期的な排水のため収集容器１４０中に保持することができ、又は容器導出口１３２若しくは接続部１３６内の拘束を使用して、密閉容器からの水を徐々に流出させ、水が所望の時間開放容器１４０中に溜まるようにすることができる。ライン１２６は接続部１３６で外壁１０５を貫通する。接続部１３６は脱気した水を安全に廃棄するために家庭用排水管１５０に接続される。

燃料電池スタック１３０は、電気を発生する電気化学的反応の間水素に富む改質物と酸素含有ガスを消費する。燃料電池排気ガス流中には、消費された改質物、未反応水素及び消費された酸素含有ガス、未反応酸素、及び液相及び気相の生成水が存在する。図示したように、アノード排気ガス流は接続部１３８及びライン１４２を経由して分離器１４６中へ導かれる。分離器１４６内で、液状の水がガス成分から分離され、ライン１４４を経由して収集容器１４０へ導かれる。アノード排気ガス流から分離されたガスは、燃焼のためライン１０６を経由して燃焼器／改質器１１５の燃焼器部分へ導かれる。カソード排気流１７２は接続部１７４を経由して密閉容器及び処理水タンク１６５中に導かれ、そこでガス流中の液状の水と水蒸気は凝縮し、流れから滴下して取り出される。処理水タンク１６５中の水の上部に蓄積するカソード排気ガスは、燃焼によって廃棄するために燃焼器／改質器１１５へ導くことができる。処理水タンク１６５内の水のレベルは、水の供給源１０２から水を加え、導出口９４を通して水を引き抜くことによって制御される。導出口９４から引き抜かれた水はライン１４８を経由して開放収集容器１４０への経路を辿る。収集容器１４０に堆積する分離された水は、通常カソード排気流からの捕捉され又は溶解した燃焼性ガス成分を含有するであろう。

収集された水から蒸発した燃焼性ガスは開放収集容器から拡散して密閉容器１１０の内部１５５へ出る。そこで、ガスはガスセンサー１８０によって検出されることができ、ガスセンサーが、データを遠隔工程制御ユニット１７５及び／又は搭載工程制御ユニット１００などの処理手段に伝える。処理器手段はセンサー１８０から受け取ったデータを監視し、燃焼性ガスが密閉容器１１０に存在するときを求める。それらのガスの検出に応答して、処理器手段は警報を起動し、或いは燃料処理器の停止手順の開始など１つ又は複数の手順を開始することができ、或いは密閉容器からガスを除去するために排気装置１６０を起動することができる。起動されると、排気装置１６０は燃焼性ガスを密閉容器の内部から引き抜き、それらをライン１７６を経由して燃焼器／改質器１１５の燃焼器へ導く。代わりに、図１に示していない実施形態において、燃焼性ガスは外部処理モジュール中に貯蔵し又は取り扱うために密閉容器１１５の外へ導くことができる。

上に開示した特定の実施形態は例示のためであり、本発明は、本明細書の教示の利益を受ける当業者にとって明らかな、相違するが等価の方法で修正及び実施することができる。さらに、本明細書に示した構造又は設計の詳細は、以下の請求項に記述されることを除いて制限を意図しない。したがって、上に開示した特定の実施形態は変更又は修正を加えることができ、それらの変形は本発明の範囲と精神内であるものと考えられる。したがって、本明細書で請求される保護は以下の請求項に記載される。

本発明の携帯用燃料処理装置及び密閉容器の概要図である。

Claims (22)

1. 内部空間を画定し、かつ、ガス不透過性障壁を提供する外壁を有する密閉容器と、
   前記密閉容器に取り付けられた移動手段と、
   前記密閉容器の内部空間内に配置され、改質用燃料を水素に富む改質ガスに変換するための燃料改質器と、
   を含む携帯用燃料処理装置。
2. 更にガス検出器を含み、前記ガス検出器が、前記密閉容器の内部の燃焼性ガスの存在を検出するためのセンサーを含む請求項１に記載の装置。
3. 前記センサーが水素の存在を検出することができる請求項２に記載の装置。
4. 前記センサーがメタンの存在を検出することができる請求項２に記載の装置。
5. 前記センサーが一酸化炭素の存在を検出することができる請求項２に記載の装置。
6. 前記移動手段が、前記密閉容器の底面に取り付けた複数の車輪を含む請求項１に記載の装置。
7. 前記密閉容器が、密閉容器及び燃料改質器を原料又は改質用燃料の供給源に接続するための接続部をさらに含み、前記改質用燃料の供給源が建物内の天然ガスユーティリティラインを含む請求項１に記載の装置。
8. 前記密閉容器が、密閉容器と燃料改質器を水の供給源に接続するための接続部をさらに含み、前記水の供給源が建物内の水ユーティリティラインを含む請求項１に記載の装置。
9. 前記密閉容器が、密閉容器を建物内の外部排水管に接続するための接続部をさらに含む請求項１に記載の装置。
10. 前記密閉容器が、密閉容器及び燃料改質器を燃料電池に接続し、前記燃料電池へ水素に富む改質ガスを送出する際に用いるための接続部をさらに含む請求項１に記載の装置。
11. 前記密閉容器が、燃料電池を密閉容器に接続し、前記燃料電池の排気ガスを密閉容器へ戻す際に用いるための接続部をさらに含む請求項１０に記載の装置。
12. 搭載工程制御ユニットをさらに含み、前記密閉容器が遠隔工程制御ユニットに電子通信を確立するための接続部をさらに含む請求項１に記載の装置。
13. 前記燃料改質器が、少なくとも約１ｋＷの電気を発生するのに十分な量の水素に富む改質物を燃料電池スタックに送出できる請求項１に記載の装置。
14. 前記燃料改質器が、少なくとも約３ｋＷの電気を発生するのに十分な量の水素に富む改質物を燃料電池スタックに送出できる請求項１３に記載の装置。
15. 前記燃料改質器が、少なくとも約７．５ｋＷの電気を発生するのに十分な量の水素に富む改質物を燃料電池スタックに送出できる請求項１４に記載の装置。
16. 燃料処理器を収容するガス不透過性密閉容器を所望の場所へ移動するステップと、
    水の供給源を前記密閉容器に接続するステップと、
    改質用燃料の供給源を前記密閉容器に接続するステップと、
    燃料電池を前記密閉容器に接続するステップと
    を含む燃料処理器を設置する方法。
17. 前記密閉容器のために家庭用排水管を設けるステップをさらに含む請求項１６に記載の方法。
18. 前記密閉容器を水の供給源に接続するステップが、前記密閉容器を建物内の水ユーティリティラインに接続することを含む請求項１６に記載の方法。
19. 前記密閉容器を改質用燃料の供給源に接続するステップが、前記密閉容器を建物内の天然ガスユーティリティラインに接続することを含む請求項１６に記載の方法。
20. 前記燃料電池を密閉容器に接続するステップが、水素に富む改質物を燃料電池に送出するために、燃料電池と密閉容器の間にラインを接続することを含む請求項１６に記載の方法。
21. 前記燃料電池を密閉容器に接続するステップが、燃料電池排気ガスを前記密閉容器に戻すために、燃料電池と密閉容器の間にラインを接続することを含む請求項１６に記載の方法。
22. 前記密閉容器に遠隔工程制御ユニットとの通信リンクを設けるステップをさらに含む請求項１６に記載の方法。

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