JP2008523981A - 温度に基づく破過検出及び圧力揺動吸着システム及び同一物を有する燃料電池 - Google Patents

Abstract

温度に基づく破過検出及び圧力揺動吸着（ＰＳＡ）アセンブリ及び同一物を有する水素生成アセンブリ及び／又は燃料電池システムにも関し、同一物を作動する方法にも対する。検出システム（１４０）は、ＰＳＡアセンブリ（７３）の吸着材ベッドの吸着体（１００）に関連する測定温度を検出して、少なくともそれに対して部分的に応答して（例えば測定温度及び少なくとも一つの基準温度の関係に応答して）ＰＳＡアセンブリの作動を少なくとも制御するように構成されている。基準温度は、ＰＳＡアセンブリにおいて他で測定される格納された値、前に測定された温度及び／又は温度を含みうる。いくつかの実施の形態では、基準温度は、測定温度が検出される吸着体の下流の吸着体に関連する。いくつかの実施の形態では、ＰＳＡサイクル及び／又はその部材は、測定温度及び参照温度の関係によって、少なくとも部分的には決定される。

Description

本出願は、２００４年１２月２０日に出願された米国特許仮出願第６０／６３８，０８６号明細書、及び２００５年２月１０日に出願された米国特許出願第１１／０５５，８４３号明細書の優先権を主張する。上述の特許出願の完全な開示は、全ての参照目的のために本願明細書に組み込まれるものとする。

本願の開示は、全体的に、圧力揺動吸着システム、及び、同一物を有する水素生成及び／又は燃料電池システムを対象とし、そして、特に、温度に基づく破過検出システムを用いるシステムを対象とする。

水素生成アセンブリは、主要部材としての生成物流含有水素ガスに一つ以上の原料を変換するように構成されている燃料処理システムを具備するアセンブリである。生成された水素ガスが、様々な用途で用いられうる。そのような用途の１つは、例えば電気化学的燃料電池におけるような、エネルギー生成である。電気化学的燃料電池は、燃料及び酸化剤を電気、反応生成物及び熱に変換する機器である。例えば、燃料電池は、水素及び酸素を水及び電気に変換しうる。この種の燃料電池において、水素は燃料で、酸素は酸化剤で、そして、水は反応生成物である。燃料電池は、燃料電池が使用中に損傷を受けるのを防止するために、高純度水素ガスを必要とする水素生成アセンブリの燃料処理システムからの生成物流は不純物を含みうる。そして、その例は、一つ以上の一酸化炭素、二酸化炭素、メタン、未反応の原料及び水を含む。従って、多くの従来の燃料電池システムにおいて、燃料処理システムで生成される不純物水素ストリームから不純物を除去するための適切な構造を具備することへのニーズが存在している。

圧力揺動吸着（ＰＳＡ）プロセスは、不純物水素ストリームに存在する１又は２以上の不純物を選択吸着することによって不純な水素ガスストリームから不純物を除去するために用いられうる機構の例である。吸着した不純物は、その後脱着されて、ＰＳＡアセンブリから除去されうる。ＰＳＡは、複数の吸着材ベッド（床）を利用する圧力駆動分離処理である。これらのベッドは、水素ガスから不純物を選択的に除去して不純物を脱離するための、例えば加圧、分離（吸着）、減圧（脱離）といった、一連のステップによって循環する。ＰＳＡアセンブリを用いるときの懸念は、ベッドを通る吸着された不純物でベッド中の吸着材が充分に飽和してしまい、これにより、ベッド中に保持される代わりに水素ガス中に残存してしまうことを指す破過（ブレイクスルー）を防止することである。従来、破過の防止は、２、３ｐｐｍの一酸化炭素がベッドを通ったことを決定するときに、組成に基づく高価な検出器（例えば一酸化炭素検出管）か、標準以下のＰＳＡアセンブリを必要とする。このことは、各ベッドにおいて不使用の吸着体での潜在的に広いマージンを提供することで、破過を防止するその能力のサブセットだけの目的で、不純物吸着のために使用して、ＰＳＡアセンブリが非効率的に作動されることを意味する。この種の方法の効果は、必要なコスト及び器材が縮小されることである。しかしながら、特に精製されるストリームの組成が水素生成アセンブリにおいて故障又は他で他の原因のため変動しうると考えられるときに、実際の破過な検出の不足及びシステムの非効率的な作動は、コスト及び器材節約を上回るおそれがある。

本願の開示は、温度に基づく破過検出システムを有するＰＳＡアセンブリ、同一物を含む水素生成アセンブリ及び／又は燃料電池システムに関し、そして、同一物を操作する方法を対象とする。ＰＳＡアセンブリは、主要成分として水素ガス及び他のガス混合ガスストリームを含んでいる不純物を除去するように構成されている吸着領域を具備している吸着体を具備する、少なくとも一つの吸着材ベッド、及び、概して複数の吸着材ベッドを具備する。混合ガスストリームは、燃料処理システムの水素生成領域によって生成されうる。そして、ＰＳＡアセンブリは、電力を発生する燃料電池システムを提供するために燃料電池スタックによって消費される生成物水素ストリームを生成しうる。ＰＳＡアセンブリは、少なくともＰＳＡアセンブリの作動を制御するために各ベッドの吸着体に関連した少なくとも一つの温度をモニタして、測定された温度の少なくとも一つに応答するように構成される温度に基づく破過検出システムを具備し、そして、それとともに使用される水素生成アセンブリ及び／又は燃料電池システムの他の構成要素を任意的に備える。破過検出システムは、実際の破過の発生を防止するために少なくともＰＳＡアセンブリの作動を制御するために実行されうる。実施の形態によっては、少なくとも測定温度に一つに応答して、ＰＳＡアセンブリをシステム終了して及び／又は少なくとも一つの警報又は他の通知を生成するように、このシステムは構成されうる。いくつかの実施の形態では、検出システムは、全ＰＳＡサイクルでなくても、ＰＳＡアセンブリによって利用される吸着ステップの時間を少なくとも決定するように構成される。いくつかの実施の形態では、検出システムは、全ＰＳＡサイクル及び／又はその部材を調整するように構成されている測定温度及び／又は破過状態の検出の少なくとも一つに応答する。いくつかの実施の形態では、測定温度は、基準温度と比較される。いくつかの実施の形態では、基準温度は、吸着体又はＰＳＡアセンブリの他の部分の他の測定温度である。いくつかの実施の形態では、基準温度は、格納された温度又は閾値を含む、前に測定されたか選択された温度である。

図１は、エネルギー生成及び消費アセンブリ５６の実施例を概略的に例示する。エネルギー生成及び消費アセンブリ５６は、エネルギー生成システム２２、及び、エネルギー生成システム２２に適用される負荷を及ぼすように構成される少なくとも一つのエネルギー消費機器５２を具備する。図の例では、エネルギー生成システム２２は、燃料電池スタック２４及び水素生成アセンブリ４６を具備する。１つ以上の任意の図示の部材が、本願の開示の範囲内において、使用されうる。エネルギー生成システムは、例えば空気移送システム、熱交換器、センサ、コントローラ、流量調整機器、燃料及び／又は原料送出アセンブリ、加熱アセンブリ、冷却アセンブリなどといった、概略図において特に例示されない追加の部材を具備してもよい。システム２２は、燃料電池システムと呼ばれてもよい。

本願明細書において更に詳細に記述されるように、本願の開示による水素生成アセンブリ及び／又は燃料電池システムは、水素生成アセンブリにおいて生成されて及び／又は燃料電池スタックで消費される水素ガスの純度を増加させるように構成されている少なくとも一つの圧力揺動吸着（ＰＳＡ）アセンブリを具備する分離アセンブリを具備する。ＰＳＡプロセスにおいて、ガス状の不純物は、水素ガスを含んでいるストリームから除去される。ＰＳＡは、特定のガスが、温度及び圧力の適当な条件の下で、他のガスよりも強く吸着材料上へ吸着されるという原理に基づく。これらの不純物は、その後、例えば副生成物ストリームの形態で、脱着され、除去されうる。水素精製（浄化）のためのＰＳＡを使用することの成功は、吸着材料上へ共通の不純物ガス（例えばＣＯ、ＣＯ_２、炭化水素を具備しているＣＨ_４、及びＮ_２）の比較的強い吸着に起因する。水素は殆ど吸着されないため、不純物が吸着材料に保持されるときに水素は吸着材ベッドを通過する。

本願明細書において更に詳細に記述されるように、ＰＳＡは、水素ガスからの不純物を選択的に除去してそして不純物を脱離するために、少なくとも加圧、分離（吸着）、減圧（脱着）、及びパージ・ステップ（又は処理）の、反復的又は周期的な、適用を典型的に含む。したがって、ＰＳＡプロセスは、例えば上記のステップのようなステップ又はステージのＰＳＡサイクルを繰り返し可能にするように構成されていると記述されうる。分離度は、混合ガスストリームの圧力及び副生成物ストリームの圧力との間の圧力差によって影響される。従って、脱着ステップは、概して、吸着されたガスを含有するＰＳＡアセンブリの部分の範囲内で圧力を減らすことを含み、アセンブリのこの部分を真空（すなわち、圧力を大気圧又は周囲の圧力よりも低下させている）に引き抜くことを任意的に含んでもよい。同様に、ＰＳＡアセンブリの吸着体領域への混合ガスストリームの供給圧を増やすことは、吸着ステップの間、分離度に有益に影響を及ぼしうる。

図１において概略的に例示されるように、水素生成アセンブリ４６は、システムの各種要素を相互接続している関連する流体導管と同様に、燃料処理システム６４及び原料移送システム５８を少なくとも具備する。本願で使用しているように、「水素生成アセンブリ」の語は、燃料処理システム６４、及び、例えば原料移送システム５８、加熱アセンブリ、分離領域又は機器、空気移送システム、燃料送給システム、流体導管、熱交換器、冷却アセンブリ、センサアセンブリ、流量調整弁、コントローラ等といった、エネルギー生成システムの関連部材、を示すために使用されうる。これらの例示の部材の全てが、本願の開示による任意の水素生成アセンブリにもおいて具備されることを必要とせず、又は、本願の開示による任意の燃料処理システムによって使われることを必要としない。同様に、他の部材が、水素生成アセンブリの一部として具備され又は用いられてもよい。

その構造又は部材に関係なく、原料移送システム５８は、全体的に単数又は複数の原料供給ストリーム６８と称されうる一つ以上のストリームを介して燃料処理システム６４に１又は２以上の原料を移送するように構成される。以下の説明において、単一の原料供給ストリームだけが参照されうるが、同一又は異なる組成の、２又は３以上のこの種のストリームが使用されうることは、本願の開示の範囲内である。いくつかの実施の形態では、空気は、ブロワ、ファン、コンプレッサ又は他の適切な空気移送システムを介して燃料処理システム６４に供給され、及び／又は、水ストリームは、別々の水源から移送されうる。

燃料処理システム６４は、単数又は複数の原料供給ストリーム６８から水素ガスを生成するように構成される単数又は複数の任意適当な機器及び／又は構造を具備する。図１において概略図で例示されるように、燃料処理システム６４は水素生成領域７０を具備する。従って、燃料処理システム６４は、原料供給ストリームからの主要成分として水素ガスを含む水素リッチストリーム７４を生成する水素生成領域７０を具備するものとして記述されうる。ストリーム７４がその主要成分として水素ガスを含んでいるが、他のガスを含んでいてもよく、このような場合には、水素ガス及び他のガスを含む混合ガスストリームと呼ばれてもよい。これらの他のガス又は不純物の例示の非限定的な例は、一酸化炭素、二酸化炭素、水、メタン及び未反応原料のような図示する不純物の一つ以上を含む。

水素ガスを原料供給ストリーム６８から生成する適切な機構の例は、水蒸気改質及び自己熱改質を含む。ここで、改質触媒は水素ガスを水及び少なくとも一つのカーボン含有原料を含んでいる原料供給ストリーム６８から生成するために用いる。水素ガスを生成する適切な機構の他の例は、カーボン含有原料の熱分解及び触媒部分酸化を含む。この場合、原料供給ストリーム６８は水を含まない。水素ガスを生成するさらに別の適切な機構は電解であり、その場合には、原料は水である。適切なカーボン含有原料の例は、少なくとも一つの炭化水素又はアルコールを含む。適切な炭化水素の例は、メタン、プロパン、天然ガス、ディーゼル、灯油、ガソリンなどを含む。適切なアルコール類の例は、メタノール、エタノール及び多価アルコール（例えばエチレングリコール及びプロピレングリコール）を具備する。

水素生成アセンブリ４６は、水素生成領域７０の単一の水素生成機構よりも多くのものを利用することができ、複数の水素生成領域を具備しうる。これらの機構の各々は、水素生成アセンブリ４６の異なる熱力学的平衡で駆動され、そしてこれらの平衡をもたらす。従って、水素生成アセンブリ４６は、温度調整アセンブリ７１（例えば加熱アセンブリ及び／又は冷却アセンブリ）を更に含みうる。温度調整アセンブリ７１は、燃料処理システム６４の一部として構成されてもよく、又は、水素生成領域７０を有する熱及び／又は流体連通する外付け部品であってもよい。温度調整アセンブリ７１は、（例えば熱を発生させる）燃料ストリームを消費しうる。本願の開示の全ての例において要求されるわけではないが、燃料ストリームは原料移送システムから移送されてもよい。例えば、図１に破線で示したように、この燃料又は原料は、燃料供給ストリーム６９を介して原料移送システム５８から受けいれられてもよい。燃料供給ストリーム６９は、可燃性の燃料を含んでもよく、又は、あるいは、冷却するのを容易にするために、流体を含んでもよい。温度調整アセンブリ７１は、他の供給源又は供給システムから（例えば付加的なストレージタンクから）その原料のいくつか又は全てを受け取ってもよい。このアセンブリは、アセンブリが使われる環境を含む任意適当な供給源から空気ストリームを受け取ることもできる。ブロワ、ファン及び／又はコンプレッサは空気ストリームを提供するために用いられうるが、これらが全ての実施例に必要であるというわけではない。

温度調整アセンブリ７１は、一つ以上の熱交換器、バーナー、燃焼システム、及び、燃料処理システムの領域及び／又はアセンブリ５６の他の部分に加熱する他の機器を具備してもよい。水素生成アセンブリ４６の構成に応じて、温度調整アセンブリ７１は、熱交換器、ファン、ブロワ、冷却システム、及び、燃料処理システム６４の領域又はアセンブリ５６の他の部位を冷却するための他の機器を追加的又は代換的に具備してもよい。例えば、燃料処理システム６４が水蒸気改質又は他の吸熱反応に基づく水素生成領域７０によって構成されるときに、水素生成領域７０及び適当な範囲の他の部材の温度を維持するために、温度調整アセンブリ７１が熱を供給するシステムを具備してもよい。

燃料処理システムが触媒部分酸化又は他の発熱反応に基づく水素生成領域７０によって構成されるときに、温度調整アセンブリ７１は熱を取り除く（すなわち、燃料処理システムの温度を適当な範囲に維持するために、冷却を行う）システムを具備しうる。本願で使用しているように、「加熱アセンブリ」の用語は、燃料処理システムの全て又は選択された領域に熱を供給するか又はさもなければ温度を増加させるように構成される温度調整アセンブリを呼ぶために全体的に用いられる。本願で使用しているように、「冷却アセンブリ」の用語は、燃料処理システムの全て又は選択された領域を冷却するか又は温度を減少させるように構成される温度調整アセンブリに全体的に用いられる。

図２において、水素生成アセンブリ４６の例は、水８０及び少なくとも一つのカーボン含有供給原料８２を含んでいる１又は２以上の原料供給ストリーム６８を水蒸気改質することによって、混合ガスストリーム７４を生成するように構成された水素生成領域７０を有する燃料処理システム６４を具備する。図示するように、領域７０は、一つ以上の適切な改質触媒８６を含んでいる少なくとも一つの改質触媒ベッド８４を具備する。例において、水素生成領域は、改質領域と呼ばれてもよく、そして、混合ガスストリームは改質ガソリン・ストリームと呼ばれてもよい。

図１及び図２にも示されるように、混合ガスストリームは、少なくとも一つのＰＳＡアセンブリ７３を具備する分離領域又はアセンブリ７２に移送されるように構成されている。ＰＳＡアセンブリ７３は、混合ガス（又は改質ガソリン）ストリームを生成物水素ストリーム４２及び少なくとも一つの副生成物ストリーム７６に分離する。副生成物ストリーム７６は、混合ガスストリーム７４に存在する不純物の実質部分又は他のガスを少なくとも含む。副生成物ストリーム７６は水素ガスを含まなくてもよいが、典型的には若干の水素ガスを含む。必須ではないが、燃料処理システムのための加熱アセンブリ用の燃料又は原料ストリームとしての用途に適している水素（及び／又は他の）ガスの充分な量を含む一つ以上の副生成物ストリームを生成するように燃料処理システム６４が構成されうることは本願の開示の範囲内である。いくつかの実施の形態では、副生成物ストリームは、加熱アセンブリが有るときには加熱アセンブリを所望の動作温度で、又は、温度の選択された範囲内で水素生成領域を維持するように、充分な燃料価（すなわち水素及び／又は他の可燃性ガスの含量）を有しうる。

図２にて図示したように、水素生成アセンブリは、少なくとも水素生成アセンブリの改質領域を加熱するように構成されている被加熱排出ストリーム８８を生じるように構成されている加熱アセンブリ７１の形態で、温度調整アセンブリを具備する。ストリーム８８が水素生成アセンブリ及び／又はエネルギー生成システム２２の他の部分を加熱するために用いられうることは、本願の開示の範囲内である。

図１及び図２に破線で示したように、ＰＳＡアセンブリからの副生成物ストリームが加熱アセンブリ用の少なくとも一部の燃料ストリームを形成しうることは、本願の開示の範囲内である。また、任意適当な空気供給源から移送されうる空気ストリーム９０、及び、加熱アセンブリの空気で燃焼することに適している任意適当な可燃性の燃料を含む燃料ストリーム９２が、図２に示される。燃料ストリーム９２が、加熱アセンブリのための唯一の燃料ストリームとして使用されてもよいが、記述されるように、ＰＳＡアセンブリからの副生成物ストリーム、燃料電池スタックからのアノード排出ストリームといった、他の可燃性の燃料ストリームが使用されうることも本願の開示の範囲内である。システム２２の他の部材からの副生成物又は排出ストリームが充分な燃料価を有しないとき、燃料ストリーム９２は使用されなくてもよい。これらの副生成物又は排出ストリームが、充分な燃料価を有していないか、他の目的のために使用されるか、又は発生しないときに、燃料ストリーム９２がその代わりに、又は、共に使用されうる。

適切な燃料の例は、上記のカーボン含有原料の一つ以上を具備するが、他のものを使用してもよい。加熱アセンブリ７１を用いることにより水素生成領域７０において達成され及び／又は維持されうる温度の例として、蒸気改質装置は、概して２００℃及び９００℃の範囲の温度で作動する。そして、この範囲外の温度も開示の範囲内である。カーボン含有原料がメタノールであるとき、蒸気改質反応は、概して略２００−５００℃の範囲の温度で作動する。この範囲の例示のサブセットの温度範囲は、３５０−４５０℃、３７５−４２５℃及び３７５−４００℃を含む。カーボン含有原料が炭化水素、エタノール又は同様のアルコールであるとき、略４００−９０００℃の温度範囲が、概して水蒸気改質反応のために使われる。この範囲の図示するサブセットは、７５０−８５０℃、７２５−８２５℃、６５０−７５０℃、７００−８００℃、７００−９００℃、５００−８００℃、４００−６００℃及び６００−８００℃を含む。

分離領域が水素生成領域の下流であって燃料電池スタックの上流のどこでもシステム２２内で行いうることは、本願の開示の範囲内である。概略的に図１に示される例において、分離領域は水素生成アセンブリの一部として表されるが、この構造は必須ではない。混合ガスストリームから一つ以上の選択された不純物の濃度を取り除くか又は低下させるために、ＰＳＡアセンブリ７３に加えて化学的又は物理的な分離処理を水素生成アセンブリが利用しうることも、本願の開示の範囲内である。ＰＳＡに加えて分離アセンブリ７２が分離処理を利用するときに、一つ以上の付加的なプロセスはシステム２２の範囲内で任意適当な場所で実行されてもよく、ＰＳＡアセンブリによって行われなくてもよい。例示の化学分離処理は、ストリーム７４に存在する一酸化炭素の濃度を選択的に低下させるメタン生成触媒を使用するものである。他の例示の化学分離処理は、水素ガス及び二酸化炭素を水及び一酸化炭素から生成するために二酸化炭素及び水性ガス・シフト反応を形成するために、一酸化炭素の部分酸化を含む。例示の物理分離プロセスは、物理的な膜の使用、又は。水素ガスが流通可能に構成されているが、少なくとも選択された不純物が通過するのを防止するように構成されている他のバリアを含む。これらの膜は、水素選択性膜と呼ばれてもよい。適切な膜の例は、パラジウム又はパラジウム合金から形成され、本願明細書において組み込まれる参照において開示される。

水素生成アセンブリ４６は、好ましくは、少なくとも実質的に純粋な水素ガスを生成するように構成され、そして、さらにより好ましくは、水素生成アセンブリは純粋な水素ガスを生成するように構成されている。本願の開示の目的のため、実質的に純粋な水素ガスは、９０％の純度よりも大きく、好ましくは９５％の純度よりも大きく、より好ましくは９９％の純度よりも大きく、そして、さらにより好ましくは９９．５％の純度よりも大きく、又は、９９．９％の純度よりさえも大きい。適切な燃料処理システムの例示の、追加的な例は、米国特許第６，２２１，１１７号明細書、第５，９９７，５９４号明細書、第５，８６１，１３７号明細書及び継続中の米国特許出願公開第２００１／００４５０６１号明細書、第２００３／０１９２２５１号明細書及び第２００３／０２２３９２６号明細書において開示される。上記で確認した特許及び特許出願の完全な開示は、全て参照のために本願明細書に組み込まれる。

燃料処理システム６４からの水素は、生成物水素ストリーム４２を経て一つ以上のストレージ６２及び燃料電池スタック２４に移送されうる。いくつかの又は全部の水素ストリーム４２は、追加的に、又は、代換的に、適切な導管を介して、他の水素消費プロセスのために移送され、燃料又は熱のために燃焼され、又は、後の使用のために格納されうる。図１を参照すると、燃料電池スタック２４のための水素イオン源又は反応体として使用される水素ガスは、一つ以上の燃料処理システム６４及びストレージ６２からスタックに移送されうる。燃料電池スタック２４は、少なくとも一つの燃料電池２０を具備して、概して流体的にそして電気的に相互接続されている複数の燃料電池を具備する。これらのセルが直列に共に接続されるときに、燃料電池スタックの出力は個々のセルの出力の合計である。スタック２４のセルは、直列、並列又は直列及び並列の構成の組合せにおいて接続されうる。

図３は、燃料電池スタック２４を形成するように構成されうる一つ以上の燃料電池２０を概略的に例示する。本願の開示の燃料電池スタックは、燃料電池の任意適当なタイプを利用することができ、好ましくは、水素イオン源及び酸化剤として水素及び酸素を受けとる燃料電池を利用する。燃料電池の例示的なタイプは、プロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池、アルカリ性燃料電池、固体の酸化物燃料セル、融解した炭酸塩燃料電池、リン酸燃料電池、などを含む。説明のために、ＰＥＭ燃料電池の形態の典型的な燃料電池２０は、図３において概略図で例示される。

プロトン交換膜燃料電池は、アノード領域３０及びカソード領域３２の間に位置する概してイオン交換膜又は電解質膜２８からなる膜電極アセンブリ２６を利用する。各領域３０及び３２は、それぞれ電極３４（すなわち、アノード３６及びカソード３８）を具備する。各領域３０及び３２も、サポート３９（例えば支持プレート４０）を具備する。サポート３９は、本願明細書において更に詳細に述べられるバイポーラのプレートアセンブリの部分を形成しうる。燃料電池２０の支持プレート４０は、燃料電池によって生じる相対的な電位を担持する。

動作において、生成物ストリーム４２からの水素ガスはアノード領域に移送され、そして、酸化剤４４はカソード領域に移送される。典型的であるが非排他的な酸化剤は、酸素である。本願で使用しているように、水素は水素ガスを示し、そして、酸素は酸素ガスを示す。以下の説明は、燃料電池（スタック）に対して、水素を水素イオン源又は燃料と称し、そして酸素を酸化剤と称する。但し、他の燃料及び／又は酸化剤が使用されうることは本願の開示の範囲内である。水素及び酸素４４は、それぞれの供給源４７及び４８から、任意適当な機構を介して燃料電池のそれぞれの領域に移送されうる。酸素４４の適切な供給源４８の例は、酸素又は空気の加圧タンク、又はファン、コンプレッサ、ブロワ、又は、空気をカソード領域に向けるための他の機器を具備する。

水素及び酸素は、概して酸化還元反応を経て互いに結合され。膜２８が水素分子の通過を制限するにもかかわらず、主に膜のイオン伝導率のために、水素イオン（陽子）が膜２８を通過することができる。酸化還元反応の自由エネルギーは、イオン交換膜による水素ガスから、陽子を駆動する。また、膜２８は電気伝導性でない傾向があるので、外部回路５０は、残留する電子に対する最低のエネルギー・パスであって、図３において概略図で例示される。カソード領域３２において、外部回路からの電子及び膜からの陽子は、酸素と結合して、水及び熱を生じる。

また、水素ガスを含みうるアノード・パージ又は排出ストリーム５４、及び、典型的には少なくとも部分的に、そうでなければ実質的に酸素を消耗したカソード排出ストリーム５５が、図３に示される。燃料電池スタック２４は、共通の水素（又は他の反応体）供給、空気取入口及びスタック・パージ及び排出ストリームを含んでもよく、したがって、個々の燃料電池に関連するストリームを移送し、そして個々の燃料電池からのストリームを集める流体導管を具備する。同様に、任意適当な機構が、これらの領域を選択的にパージするために用いられうる。

実際には、燃料電池スタック２４は、概して、隣接する膜電極アセンブリを離隔しているバイポーラのプレートアセンブリを有する複数の燃料電池を含む。バイポーラのプレートアセンブリによって基本的に自由電子がバイポーラのプレートアセンブリを介して第１のセルのアノード領域から隣接セルのカソード領域に通過しうる。これによって、適用負荷を満たすために用いられうるスタックによる電位を決める。電子のこの正味の流れは、適用負荷（例えばエネルギー消費機器５２及びエネルギー生成システム２２のうちの少なくとも１つ）を満たすために用いられうる電流を生じる。

一定の出力電圧（例えば１２ボルト又は２４ボルト）のために、出力電力は、出力電流を測定することによって決定されうる。電気出力は、（例えばエネルギー消費機器５２といった）適用負荷を満たすために用いられうる。図１は、エネルギー生成システム２２が少なくとも一つのエネルギー貯蔵装置７８を具備しうることを概略的に表す。機器７８は、具備されている場合、燃料電池スタック２４からの電気出力の少なくとも一部又は電力７９を格納するように構成されうる。適切なエネルギー貯蔵装置７８の例はバッテリである、しかし、他のものも使用されうる。エネルギー貯蔵装置７８は、システムの始動の間、エネルギー生成システム２２に電力を供給するためにさらに、又は、代わりに用いることができる。

少なくとも一つのエネルギー消費機器５２は、例えば燃料電池スタック２４及び／又はスタックと関連した一つ以上のエネルギー貯蔵装置７８といった、エネルギー生成システム２２に電気的に結合されうる。この機器５２は、エネルギー生成システム２２に負荷を適用して、負荷を充足させるシステムから、電流を引き出す。この負荷は、適用負荷と呼ばれてもよく、単数又は複数の熱及び／又は電気負荷を具備しうる。この適用負荷が燃料電池スタック、エネルギー貯蔵装置又は燃料電池スタック及びエネルギー貯蔵装置の両方によって充足されうることも、本願の開示の範囲内である。機器５２の例は、自動車、レクレーショナルビークル、ボート及び他の海航空機、そして、一つ以上の居住地、商業オフィス又は建物、近隣、ツール、照明及び照明アセンブリ、機器、コンピュータ、商業設備、信号及び通信装置、ラジオ、ボート、レクレーショナルビークル又は他の車両上の電気駆動部材、バッテリーチャージャ、及び、燃料電池スタック２４が一部を形成するエネルギー生成システム２２のバランスオブプラントの消費電力、の任意の組合せを含む。図１において７７で一点鎖線に示すように、エネルギー生成システムは、必須ではないが、少なくとも一つの出力管理モジュール７７を含む。出力管理モジュール７７は、（例えばエネルギー消費機器５２への移送用の）エネルギー生成システムによって生成される電気を調節するか又は、さもなければ調整するための任意適当な構造を具備する。モジュール７７は、降圧型又は昇圧型コンバータ、インバータ、パワーフィルタ、などのような例示の構造を具備しうる。

図４において、ＰＳＡアセンブリ７３の例が示される。示されるように、アセンブリ７３は、移送アセンブリ１０２及び１０４を介して流通可能に接続される複数の吸着材ベッド１００を具備する。これらのベッド１００は、吸着体室又は吸着領域と、追加的に又は代換的に呼ばれてもよい。移送アセンブリは、図４において概略図で例示され、アセンブリ７３のベッド及び／又は入出力ストリームとの間の流体流れを選択的に構築及び制限するための任意適当な構造を具備しうる。示されるように、入出力ストリームは、混合ガスストリーム７４、生成物水素ストリーム４２及び副生成物ストリーム７６を少なくとも含む。適切な構造の例は、一つ以上のマニホールド（例えばベッドへの流体を移送及びベッドからの流体を収集するようにそれぞれ構成される移送及び収集マニホールド）及び弁（例えばチェックバルブ、ソレノイドバルブ、パージバルブ、など）を具備する。図示の例において、３つのベッド１００が示されているが例えば、図４に示されるよりも多い又は少ない数のベッドといった、ベッドの数が変化しうることは、本願の開示の範囲内である。概して、アセンブリ７３は、少なくとも２つのベッドを具備し、しばしば３、４又はより多くのベッドを具備する。必須ではないが、アセンブリ７３は、このアセンブリが使用中であるときに複数のベッドの少なくとも１つでこの生成物水素ストリームを消耗して、混合ガスストリーム７４の定常流を受けとるように、生成物水素ストリームの定常流を提供するように好ましく構成される。

図示の例において、移送アセンブリ１０２は、混合ガスストリーム７４を複数のベッドに選択的に移送し、そして、副生成物ストリーム７６を収集及び排出するように構成され、そして、移送アセンブリ１０４は、ベッドを通過して生成物水素ストリーム４２を形成する精製（浄化）された水素ガスを収集するように構成され、いくつかの実施の形態において、排出ストリームとして使用するためのベッドに精製された水素ガスの一部を移送するように構成される。移送アセンブリは、ベッドに対して固定又は回転するように位置決めされて構成されうる。さらにまた、移送アセンブリは、対応するガスストリームの流れを、選択的に、移送、調整、測定、防止及び／又は、収集するために、任意適当なタイプ及び数の構造及び機器を具備しうる。図示する、非限定的な実施例として、移送アセンブリ１０２は、混合ガス及びエキゾーストマニホールド又はマニホールドアセンブリを具備し、そして、移送アセンブリ１０４は、生成物及びパージ・マニホールド又はマニホールドアセンブリを具備しうる。実際には、ベッドに対して回転する移送アセンブリを利用するＰＳＡアセンブリは、回転圧力揺動吸着アセンブリと呼ばれてもよく、そして、マニホールド及びベッドが選択的に流体接続を構築及び制限するために各々に対して回転するように構成されていないＰＳＡアセンブリは、固定ベッド又は離散ベッドの圧力揺動吸着アセンブリと呼ばれてもよい。いずれの構造も、本願の開示の範囲内である。

圧力揺動吸着によるガスの精製は、吸着材ベッドに対してガスストリームの経時的な圧力サイクリング及び流れ反転を含む。実質的に水素ガスから成る混合ガスストリームを浄化する場合に、混合ガスストリームは、吸着材ベッドの一端に比較的高い圧力下で移送されて、これにより、その吸着領域に含まれる単数又は複数の吸着体に晒される。混合ガスストリーム７４に対する送出圧力の例は、４０−２００ｐｓｉの範囲の圧力（例えば５０−１５０ｐｓｉ、５０−１００ｐｓｉ、１００−１５０ｐｓｉ、７０−１００ｐｓｉ等の範囲の圧力）を含む。但し、この範囲外の圧力も本願の開示の範囲内である。混合ガスストリームが吸着領域の中を流れるときに、一酸化炭素、二酸化炭素、水及び／又は他の不純物又は他のガスは吸着体に吸着されて、これにより少なくとも一時的に保持される。これは、これらのガスがＰＳＡアセンブリにおいて使用される選択された吸着体により直ちに吸着されるためである。混合ガスストリームの残余部分（ここで、より正確には、純化された水素ストリームと呼ばれうる）は、ベッドを通過して、ベッドの他端から排出される。この文脈において、水素ガスは直ちに吸着され難い成分であると言われてもよい。その一方で、一酸化炭素、二酸化炭素、その他は、混合ガスストリームにおけるより直ちに吸着され易い成分であると言われてもよい。生成物水素ストリームの圧力は、燃料電池スタックによるガスの利用の前に、概して減少している。

吸着されたガスを除去するために、混合ガスストリームの流れは停止され、ベッド内の圧力は減少され、そして、脱着されたガスはベッドから排出される。脱着ステップは、典型的に供給方向に対して対向する流れ方向で、ガスの引き出しを介して吸着領域内の圧力を選択的に減少することを、しばしば含む。この脱着ステップは、減圧又はブローダウンステップと呼ばれてもよい。このステップは、混合ガスストリームが吸着領域中を流れる方向に対する対向流方向において典型的に移送されるパージガス・ストリームをしばしば含み、又はパージガス・ストリームの使用とともに実行される。適切なパージガス・ストリームの例は一部の生成物水素ストリームである。このストリームが吸着されたガスよりも直ちに吸着されない水素ガスで構成されているためである。使用されている単数又は複数の吸着体に、他のガスもパージガス・ストリームにおいて使用されてもよいが、好ましくはこれらのガスが吸着されたガスよりも直ちに吸着されないものであるか、さらにより好ましくは吸着されないか、又はわずかに吸着されるものである。

記述されるように、この脱着ステップは、ベッド上に少なくとも部分真空を引き出すことを含んでもよいが、これは必須ではない。必須ではないが、一つ以上の均等化ステップを利用することは、しばしば望ましい。ここで、２つ以上のベッドは、これらのベッド間で相対圧力を等しくしうるように流通可能に相互接続される。例えば、一つ以上の均等化ステップは、脱着及び加圧ステップに先行してもよい。脱着ステップの前に、均等化は、ベッド中の圧力を減らして、ベッド中に含まれるいくつかの精製された水素ガスを回収するために用いる。一方で、（再）加圧ステップの前に、均等化は、ベッド中の圧力を増加させるために用いる。均等化は、ガスの並行流及び／又は対向流を使用して達成されうる。脱着されたガスの脱着及び／又はパージ・ステップが完了された後、このベッドは再び加圧されて、移送される混合ガスストリームの部分からの不純物を受け入れて、そして、除去される。

例えば、ベッドが機能回復しやすくなっているときには、ベッドは概して比較的高い圧力であって、多量の水素ガスを含む。このガス（そして、圧力）が単にベッドを出すことによって除去されうる一方で、アセンブリの他のベッドは、移送される混合ガスストリームの部分を純化するために、使用前に加圧されていることを必要とする。さらにまた、再生されるベッド中の水素ガスは、ＰＳＡアセンブリの効率に悪影響を与えないために回復される。従って、これらのベッドを互いに流体連通させて相互連結することで、再生されるベッド中の圧力及び水素ガスが減少し、その一方で、使用されるベッド中の圧力及び水素ガスが増大して、移送される不純な水素ガス（すなわち混合ガスストリーム７４）を浄化することができる。一つ以上の等化ステップに加えて、又はこれに換えて、混合ガスストリームを浄化するために使用されるベッドは、混合ガスストリームのベッドへの移送の前に加圧されていてもよい。例えば、いくつかの精製された水素ガスは、ベッドの気圧調節をするために、ベッドに移送されうる。この加圧ガスをベッドのいずれかの端に移送することも本願の開示の範囲内であるが、いくつかの実施の形態において、混合ガスストリームが移送される端よりもベッドの対向端部に加圧ガスを届けることが好適でありうる。

ＰＳＡアセンブリの全体的な動作における上記説明は、いくらか単純化されている。圧力揺動吸着アセンブリ、及び、その部材及び同一物の作動方法を含む例は、米国特許第３，５６４，８１６号明細書、第３，９８６，８４９号明細書、第５，４４１，５５９号明細書、第６，６９２，５４５号明細書及び第６，４９７，８５６号明細書において開示される。そして、その完全な開示は、全ての参照のために本願明細書に組み込まれたものとする。

図５において、吸着材ベッド１００の例は、概略図で例示される。示されるように、このベッドは、少なくとも一つの吸着体１１２を含む内部区画室１１０を定める。各吸着体は、混合ガスストリームの一つ以上の成分を吸着するように構成されうる。複数の吸着体が使用されうることは、本願の開示の範囲内である。例えば、ベッドは、一酸化炭素を吸着するといった、混合ガスストリームの特定の成分を吸着するように構成されている複数の吸着体、及び／又は、混合ガスストリームの異なる成分を吸着するように各々構成されている２つ以上の吸着体を具備しうる。同様に、吸着体は、混合ガスストリームの２つ以上の成分を吸着するように構成されてもよい。適切な吸着体の例は、活性炭、アルミナ及びゼオライト吸着体を含む。ベッドの吸着領域内に存在しうる吸着体の付加的な例は、混合ガスストリームに存在する水を吸着するように構成されている乾燥剤である。例示の乾燥剤は、二酸化ケイ素及びアルミナ・ゲル類を含む。２つ以上の吸着体が利用されるときに、これらはベッド内に（連続又は不連続な関係で）順次配置されてもよく、又は混合されてもよい。特定のＰＳＡアセンブリにおける吸着体のタイプ、数、量、及び形態は、１つ以上の下記の要因によって変化しうることを理解すべきである。すなわち、ＰＳＡアセンブリにおいて予想される運転条件、吸着材ベッドのサイズ、混合ガスストリームの組成及び／又は特性、ＰＳＡアセンブリによって生じる生成物水素ストリーム用の所望の用途、ＰＳＡアセンブリが使われる操作環境、利用者の好み、などである。

ＰＳＡアセンブリが乾燥剤又は他の水除去組成物又は機器を具備するときに、ＰＳＡアセンブリは、混合ガスストリームからの他の不純物を吸着する前に混合ガスストリームから水を取り除くために配置されうる。この１つの理由は、水が混合ガスストリームの他の成分（例えば一酸化炭素）を吸着するいくつかの吸着体の能力に悪影響を及ぼすおそれがあるためである。水除去機器の例はコンデンサであるが、図１の１２２で一点鎖線において概略図で例示されるように、他のものも水素生成領域及び吸着領域との間に使用されうる。例えば、少なくとも一つの熱交換器、コンデンサ又は他の適切な水除去機器は、ＰＳＡアセンブリにストリームを移送する前に混合ガスストリームを冷却するために用いられてもよい。この冷却は、混合ガスストリームに存在するいくらかの水を凝縮しうる。この例を継続して、そして、より特定の具体例を提供するために、蒸気改質装置によって生成される混合ガスストリームは、燃料処理システムの水素生成（すなわち改質）領域から排出されたとき、少なくとも１０％、そしてしばしば少なくとも１５％、又は、より多くの水を含む傾向にある。これらのストリームは、少なくとも３００℃（メタノール又は類似のカーボン含有原料から生成される多くの混合ガスストリームの場合）、そして、少なくとも６００−８００℃（天然ガス、プロパン又は類似のカーボン含有原料から生成される多くの混合ガスストリームの場合）といったように、相当に熱くなっている傾向がある。２５−１００℃の範囲の例示の温度に、又は４０−８０℃といった温度に、ＰＳＡアセンブリへの輸送前に冷却されると、この水の大部分は凝縮する。この混合ガスストリームは依然として水で飽和しうるが、含水量は５重量％未満になる傾向がある。

単数又は複数の吸着体は、ベッド内に任意適当な形態で存在してもよい。そして、その例は、粒状形態、ビーズ形態、多孔質ディスク又はブロック、被覆構造、ラミネートシート、ファブリック、繊維などを含む。ベッド内で使用するために配置されるとき、吸着体は充分な有孔率、及び／又は、ベッドにより著しく圧力低下することなく、ベッドに流通する混合ガスストリームの非吸着部位に対するガスフロー・パスを提供しなければならない。本願で使用しているように、吸着体を含むベッドの部分は、ベッドの吸着領域と呼ばれる。図５において、吸着領域は、全体的に１１４で示される。複数のベッド１００も、パーティション、サポート体、スクリーン、及び、区画内のベッドの吸着体及び他の部材を各々に対して選択された位置で、所望の圧縮比で、保持するための他の適切な構造を具備しうる（しかし、必須ではない）。そして、これらの機器は、全体的にサポート（支持体）と呼ばれ、図５に１１６で全体的に示される。従って、吸着領域がベッドの内部区画室の全体、又は、そのサブセットのみに対応しうることは、本願の開示の範囲内である。同様に、吸着領域は、本願の開示の範囲内において、連続領域又は２つ以上の間隔を置かれた別々の領域で構成されてもよい。

図５に示される例において、ベッド１００は、ベッドの各端部領域と関連した少なくとも一つのポート１１８を具備する。一点鎖線で示すように、ベッドのいずれか又はいずれもの端部が複数のポートを具備しうることは、本願の開示の範囲内である。同様に、ポートがベッドから横に延在してもよく、又はさもなければ、図５に示される模式的な実施例より異なる幾何学形状を有しうることは、開示の範囲内である。構成及び／又はポートの数に関係なく、ポートはベッドの吸着領域の通過のための流体を移送して、吸着領域を通過する流体を収集するように構成される。記述されるように、これらのポートは、例えばＰＳＡアセンブリの特定の実施及び／又はＰＳＡサイクルの段階によって、入力ポート又は出力ポートとして選択的に使用されうる。図式的な例を提供するために、図６は、吸着領域がベッドの全長に沿って、すなわち、ベッドの対向するポート又は他の端部領域との間に延在する、ベッド１００を例示する。図７において、ベッド１００は、不連続な部分領域１２０を含む吸着領域１１４を具備する。

不純物ガス（すなわち、吸着体によって吸着されるためのより大きな親和性を有するガス）を吸着するために吸着材ベッド（例えばベッド１００）の使用中、質量移動ゾーンは、吸着領域において定められる。より詳しくは、吸着体は特定の吸着容量を有する。そして、この吸着容量は、混合ガスストリームの組成、混合ガスストリームの流量、吸着体が混合ガスストリームに晒される動作温度及び／又は圧力、以前に吸着体から脱着されなかった任意の吸着されたガス、によって、少なくとも部分的に定められる。混合ガスストリームがベッドの吸着領域に移送されると、混合ガス送出ポートに近接する吸着領域の遠方端で吸着体は、混合ガスストリームから不純物を除去する。通常、これらの不純物は吸着領域のサブセットの範囲内で吸着され、そして、吸着領域の残余部分は、吸着された不純物ガスを、もしあるとしても、最小限にする。これは、図８においていくらかの概略図を例示している。同図において、吸着領域１１４は質量移送ゾーン又は領域１３０を含むことが示される。

初期質量移送領域の吸着体が不純物を吸着し続けると、この吸着体は、不純物を吸着容量に近づくか又は達しさえする。この時、質量移送領域は、吸着領域の対向する端部の方へ移動する。より詳しくは、不純物ガスの流れがこれらのガスを吸着するための吸着領域の特定の部分（すなわち特定の質量移送領域）の容量を上回るにつれて、ガスはこの領域を超えて、そして、吸着領域に近接する部分に流れる。ここで、これらのガスは、その部分の吸着体によって吸着される。そして、全体的にベッドの対向端部の方へ質量移送領域を効果的に拡大及び／又は移動する。

特に混合ガスストリームが吸着体によって吸着される複数のガスを含むときに、質量移送領域が吸着領域に沿って一様な開始及び終了境界をしばしば規定しないという点で、この説明はいくらか単純化されている。同様に、これらのガスは、吸着されることに対して異なる親和性を有してもよく、従って吸着体サイトに対して互いに競合することさえもある。しかしながら、（少なくとも７０％以上の）吸着の実質部分は、吸着領域の比較的局所化された部分に生じる傾向がある。そして、ベッドの使用中に、この部分又はゾーンで、吸着領域の供給端から生成物側に移る傾向がある。これは図９において概略図で例示される。同図において、図８の位置に対してポート１１８’へ移動している質量移送領域１３０が示される。従って、吸着領域の部分１１４’の吸着体１１２’は、あるとしても、添加された不純物を吸着する容量を実質的に縮小される。他の用語で記述すると、吸着体１１２’は、もし完全でなければ実質的に、吸着されたガスによって飽和すると記述されうる。図８及び図９において、吸着領域の供給側端部及び生成物側端部は、全体的に１２４及び１２６で示され、そして、ベッドの混合ガス送出ポート及び生成物ポートに近接又は最接近している吸着領域の部位を全体的に示す。

ＰＳＡアセンブリの使用中、質量移送領域は、吸着領域の端１２４及び１２６の方へそしてこれから離れて移動する傾向がある。より詳しくは、記述されるように、ＰＳＡは、反復変化を圧力及び流れ方向に関係させる循環過程である。以下の説明において、サイクルにおけるステップがどのように質量移送領域（及び／又は吸着領域による吸着されたガスの移送）に影響を及ぼす傾向があるかに関して、ＰＳＡサイクルが記述される。質量移送領域のサイズ又は長さがＰＳＡアセンブリの使用中に変化する傾向があり、したがって固定寸法ではない傾向があることを理解すべきである。

ＰＳＡサイクルの開始時に、ベッドは加圧され、そして、混合ガスストリームは吸着領域による圧力下を流れる。この吸着ステップの間、不純物（すなわち他のガス）は、吸着領域の単数又は複数の吸着体によって吸着される。これらの不純物が吸着されると、質量移送領域は、吸着領域の始端部が吸着されたガスで飽和するにつれて、末端部又は生成物、吸着領域の端部の方へ進む傾向がある。吸着ステップが完了されると、吸着材ベッドに対する混合ガスストリーム７４の流れ及び精製された水素ガスの流れ（少なくとも、生成物水素ストリーム４２を形成する部分）は停止される。必須ではないが、ベッドはそれから、一つ以上の均等化ステップを受けうる。このステップにおいて、ベッドは、ベッドに存在する圧力及び水素ガスを減少させて、単数又は複数の受け入れベッドに圧力及び水素ガスを充填するために、ＰＳＡアセンブリの一つ以上の他のベッドに流通可能に相互接続する。ガスは、供給又は生成物ポートのいずれか又はいずれもからの加圧ベッドから引き出されうる。生成物ポートから引き出されるガスは、供給ポートから引き出されるガスよりも純粋の高い水素ガスを提供する傾向がある。しかしながら、このステップから生じる圧力の減少によって、ガスが吸着材ベッドから除去される方向に不純物を引きだす傾向がある。従って、質量移送領域は、ガスがベッドから除去されるポートに最も近い吸着材ベッドの端部へ移動すると記述されうる。異なる用語で記述すると、混合ガスストリームからの不純物を吸着するためにベッドが再び用いられるときに、大部分の不純物が所与の時間で吸着される吸着領域の部分、すなわち質量移送領域は、均等化ガスがベッドから引き出される方向によって、吸着領域の供給側端部又は生成物側端部へ移動する傾向がある。

他のガスよりもこのガスストリームが高い濃度を有する傾向があるので、このステップで供給ポートからガスを典型的に引き出して、ベッドはその後減圧される。これらの他のガスは、ベッドの圧力が減少したときに吸着体から脱着される。この排出ストリームは、副生成物又は不純物ストリーム７６として呼ばれてもよく、バーナー又は被加熱排出ストリームを生じるために燃料ストリームを燃焼させる他の加熱アセンブリのための燃料ストリームを含む、様々な用途のために用いられうる。記述されるように、水素生成アセンブリ４６は、少なくとも燃料処理システムの水素生成領域７０を加熱するために被加熱排出ストリームを生じるように構成されている加熱アセンブリ７１を具備しうる。ヘンリーの法則によれば、吸着体から脱着される吸着されたガスの量は、吸着材ベッドに存在する吸着されたガスの分圧に関連している。従って、減圧ステップは、パージ・ステップに続くように、又は、少なくともある時間部分的に重複するように、パージ・ステップを含んでもよい。パージ・ステップにおいて、ガスは、概して低圧で、吸着材ベッドに導入される。このガスは、吸着領域中を流れて、脱着されたガスを吸着領域から引き離して、この脱着されたガスの除去によって、吸着体からガスの更なる脱着がもたらされる。記述されるように、適切なパージガスは、ＰＳＡアセンブリによって以前に生成されたような、精製された水素ガスである。概して、パージストリームは、不純物を吸着領域の供給端に圧接するために（そしてこのように、質量移送領域を再び位置調整するために）、吸着領域の生成物側端部から供給側端部へと流れる。パージガス・ストリームが一部の副生成物ストリームを形成し、（例えば加熱アセンブリ７１用の）可燃物燃料ストリームとして使用され、及び／又は、さもなければＰＳＡ又は他の方法で利用されうことは、開示の範囲内である。

例示のＰＳＡサイクルは、ここで完了され、そして、新たなサイクルが典型的に開始される。例えば、パージされた吸着材ベッドは、それから、例えば均等化を経た他の吸着材ベッドに対して受け入れるベッドとすることによって、再加圧されて、そして、任意的に、移送される精製された水素ガスによって、更に加圧されてもよい。複数の（概して３以上の）吸着材ベッドを利用することによって、ＰＳＡアセンブリは、混合ガスストリーム７４の定常流を受けいれて、精製された水素ガスの定常流（すなわち生成物水素ストリーム４２の定常流）を生じるように構成されうる。必須ではないが、吸着ステップ又はステージのための時間は、例えば、ＰＳＡサイクルの時間の略半分を表すといった、ＰＳＡサイクルの３分の１から３分の２をしばしば表す。

質量移送領域が吸着領域の（混合ガスストリームが吸着領域に移送される方向に対して）末端に達する前に、吸着ステップを停止することは重要である。換言すれば、混合ガスストリーム７４の流れ及び生成物水素ストリーム４２の除去は、水素ガスから除去されることを要求される他のガスが水素ガスを有するベッドから排出される前に、止められることが好ましい。何故なら、吸着体が吸着されたガスで飽和して、従って、望ましく純化された水素ストリーム中にこれらの不純物ガスが排出されることを効果的にもはや防止することができないからである。不純物ガスがベッドの吸着領域を「突破する」という点で、望ましくはＰＳＡアセンブリによって除去される不純物ガスでの生成物水素ストリームのこの汚染は、突破（ブレイクスルー）と呼ばれてもよい。従来より、一酸化炭素検出器は、いつ質量移送領域が吸着領域の末端に接近しているか又は到達したか、そして、これにより、生成水素ストリーム中に存在しているか、について決定するために用いられる。一酸化炭素検出器は、数ｐｐｍ程度存在しているだけであっても一酸化炭素が多くの燃料電池に損傷を与えるおそれがあるので、混合ガスストリームに存在する他のガスの他のものに対する検出器よりも一般的に使われる。有効であり、本願の開示の範囲内であるが、この検出メカニズムは、高価でＰＳＡアセンブリの複雑さを増加させる傾向がある一酸化炭素検出器及び関連した検出装置の使用を必要とする。

少なくとも圧力揺動吸着による水素精製の場合、吸着体は、質量移送領域（ゾーン）からの吸着領域の他の部分（例えば上流の、そして、特に下流領域）よりも質量移送領域において熱くなる傾向がある。これは、吸着されたガスの吸着熱に起因する。この温度差は、混合ガスストリームの流量、吸着体のタイプ、吸着されているガス、パックすること又は吸着体の他の形、その他のような要因によって変化しうるが、この差は摂氏で少なくとも２、３度でなければならない。例えば、温度差は、少なくとも１℃、少なくとも２℃、少なくとも３℃、少なくとも５℃又はより多くであってもよい。本願明細書において更に詳細に述べられるように、システム１４０は、吸着領域の中の、又は、吸着領域に関連した少なくとも一つの場所（そして、好ましくは２つ以上の場所）の吸着体の温度を測定して、この測定に少なくとも部分的に応答してＰＳＡアセンブリの作動を制御するように構成されている温度アセンブリと呼ばれてもよい。

図４に一旦戻ると、本願の開示によるＰＳＡアセンブリが、混合ガスストリーム７４を浄化するために用いる各々のベッドと関連した温度に基づく破過検出システム１４０を具備することが、概略的に例示されている。システム１４０は、各ベッド１００の吸着領域の少なくとも一つの部分の吸着体の温度を（直接、又は、間接的に）検出するように構成されている。このように、システム１４０は、各ベッドの吸着領域の部分の又はこれに関連した温度を検出するように構成されている、少なくとも一つの温度センサ、又は、検出器１４２、及び、ＰＳＡアセンブリの作動を制御するように構成した、及び、この作動に対して少なくとも部分的に応答して、水素生成アセンブリ及び／又は燃料電池システムの任意的な付加的な部分を制御するように構成された、少なくとも一つのコントローラ１４４、を具備する。システム１４０は、吸着性ベッドが破過状態に接近しているか、及び／又は、この状態になっていることを検出して、そして、それに対して破過が発生するのを防止するように少なくともＰＳＡアセンブリ７３の作動を制御するように構成されるという点で、温度に基づく破過防止システム、及び／又は、温度に基づくコントロールシステムとも呼ばれうる。本願で用いているように、「破過状態」の用語は、吸着領域の質量移送領域が末端部、又は生成部、吸着領域の遠方端又はサブ領域にあるときを示す。この遠方端は、（例えば最後の三分の一又はそのサブセットといった）吸着領域の３０％、２５％、２０％、１５％、１０％、５％又はこれ未満といった、選択されたパーセンテージで含みうる。他の用語において、他のガスの少なくとも１つを吸着する実質部分が、吸着領域の遠位（すなわち供給ポートから離れている）端部で起こるときに、破過状態は発生する。本願明細書において述べられるように、システム１４０は、吸着領域の少なくとも一部の吸着体での温度を検出して、この温度を基準温度と比較することによって破過状態を検出するように構成されている。

温度センサ１４２は、吸着領域の選択された部分の範囲内で吸着体の温度を検出する（直接、又は、間接的に）ように構成されている任意適当なデバイス又は機構を具備することができる。サーモカップルは、好適な装置の図示する、非限定的な実施例である。図１０において、単一の温度センサ１４２だけが示されている。ただし、複数のセンサが利用されうることは、本願の開示の範囲内である。例えば、図１１で示されるベッド１００は、吸着領域に沿って間隔を置かれる複数の温度センサ１４２によって示される。例示されるように、吸着領域に沿って間隔を置いた一連の８つの温度センサが示される。吸着領域に沿って特定の位置で温度を検出するために複数のセンサを使用することを含む、より多くの又はより少ないセンサが用いられうることは、本願の開示の範囲内である。破過状態又は吸着領域を通る他の不純物の間近に迫った通過の検出に必須という訳ではないが、ベッドの中間の部位に沿って及び／又は供給端領域に沿って位置する一つ以上の温度センサを有することは、単に質量移送領域が吸着領域の末端部の中にあるかどうかを決定する代わりに、ベッド内の質量移送領域の相対的配置を決定するシステム１４０を使用可能にするために、いくつかの実施の形態においては、好適でありうる。

図１２の一点鎖線にて図示したように、吸着領域の外側の一部のベッドに関連して及び／又は一つ以上のポート１１８に関連して（例えば吸着材ベッドに及び／又は吸着材ベッドから流れているガスの温度を検出する）少なくとも一つの温度センサを具備することも、本願の開示の範囲内である。「関連して」とは、温度の測定を要求される吸着体又は他の構造の実際の温度を温度センサが検出してもよいが、しかし、この温度は間接的に測定されてもよい、ことを意味する。間接測定の実施例は、隣接する構造の温度を測定している。この種の構成において、吸着体又は他の構造の実際の温度はわかっていないが、測定温度が一般に実際の温度に対応し、これにより、所望の温度の測定の間接又は相対的な測定として使われうる。他の例は、測定される温度に比例する値を測定又は、さもなければ検出するものである。例えば、熱電対が温度センサとして用いられるときに、サーモカップルの出力は電圧であり、そして、相対的な差分及び／又は変化を含む検出電圧がそれに対して使われうる。さらなる例として、抵抗器が温度を検出するために用いられるときに、抵抗器の測定された抵抗は温度に比例する。

図１０−図１２において、ベッド１００は略図で例示される。そして、本願明細書において記述され、組み込まれて、及び／又は例示される、任意適当な構造が利用されうることは本願の開示の範囲内である。同様に、センサ１４２は、ベッド１００の内部に部分的に延在して外部に部分的に延在して、測定される吸着体又は他の構造に対してセンサが任意適当な位置に配置されうることを、図１０−図１２において視覚的に例示される。例えば、これは、センサの一部がベッド内の吸着体又は他の構造と直接接触して延在する位置、及び／又は、センサが吸着領域に対して外部である位置、又は、ベッドの外側の位置を含みうる。外部に配置されたセンサは、吸着体から伝わる熱等を介して、吸着体の温度を間接的に検出することができる。

コントローラ１４４は、測定温度が基準温度に比して予め選択された閾値よりも大きく異なる場合、少なくとも一つのセンサ１４２から少なくとも一つの測定温度を基準温度と比較して、それに対して少なくとも応答する出力信号を生成する、任意適当なタイプ及び数のデバイス又は機構を具備する。図示する、非限定的な実施例として、コントローラ１４４は、メモリのソフトウエアに格納されるプログラムを作動させるためのアナログ又はデジタル回路、論理演算装置又はプロセッサ、各々と連絡する１又は２以上の離散的なユニットを一つ以上具備しうる。コントローラ１４４も、水素生成アセンブリ又は燃料電池システムの他の部分を調整又は制御してもよく、及び／又は、水素生成アセンブリ及び／又は燃料電池システムの作動を制御するように構成されている他のコントローラと連絡してもよい。コントローラ１４４は、離散的なユニットとして実行されるものとして、図４において例示される。各ベッドに対してコントローラといった、個々の部材又はコントローラとして実行されることもできる。この種の別々のコントローラは、それから、各々によって及び／又はシステム２２に存在する他のコントローラ及び／又は任意適当な通信結合を経たアセンブリ４６によって通信しうる。更なる例は、一つ以上のセンサ１４２によって検出される温度を受信して、一つ以上の測定温度を一つ以上の基準温度と比較して、それに対して応答する出力信号を生成又は、選択的に生成する、コントローラを具備する。出力信号は、例えばＰＳＡアセンブリ、水素生成アセンブリ及び／又は燃料電池システムの運転状態を変える指令信号であってもよく、及び／又は、出力信号は、運転状態の所望の変化を起こすために他のコントローラによって受け取られて処理される値又は入力を含みうる。図１０−図１２において、参照番号１４６は、コントローラが少なくとも一つ以上の測定温度及び／又は一つ以上の基準温度又は閾値とこの温度との関係の少なくとも一部に応答する一つ以上の出力信号を生成するように構成されていることを図式的に示す。記述されるように、この関係は、基準温度及び／又は温度が予め定められた量よりも偏位しているか、測定された温度が基準温度又は値の予め定められた範囲の中にあるか、測定温度が基準温度などと等しいか、少なくとも同等か、及び／又は、基準温度等よりも大きいか、を決定するために温度及び／又は値を比較すること、を具備しうる。

適切な基準温度の例は、格納されたか、前に測定された温度又は値を具備する。他の実施例は、基準温度と比較される測定温度から、例えば、上流で測定した温度（すなわち、燃料処理システム又はＰＳＡアセンブリに対して混合ガスストリーム７４の他の供給源の方向）又は下流で測定した温度（すなわち、ＰＳＡアセンブリに対して燃料電池スタック２４又は生成物水素ストリーム４２のための他の目的地の方向）といった、システム１４０で測定される他の温度を含む。例えば、システム１４０は、測定温度をセンサ１４２からの前に測定された温度と、格納された閾値と、及び／又は他のセンサ１４２で測定される一つ以上の温度と比較するように構成されてもよい。前に測定された及び／又は他の閾値は、コントローラのメモリ部分に格納されうる。メモリ部分は、揮発性及び／又は不揮発性の部分を具備しうる。

吸着領域の長さに沿って間隔を置かれる複数のセンサの利点は、特定領域の中の相対的な温度が決定されうるということである。例えば、領域１１４の吸着体の温度が質量移送領域中で増加させる傾向があるので、上流の（すなわち混合ガスストリームが吸着領域に導入される吸着領域の供給端に近接した）吸着体の温度を有する吸着領域の遠位端部（混合ガスストリーム入力ポートに対して）で、又はその近くで、吸着体の温度とこの基準温度とを比較することは、好適でありうる。質量移送領域が吸着領域によって移動するため、吸着領域に沿った吸着体の温度の相対的な増加及び後続の減少によって吸着領域の中の質量移送領域の位置のインジケータ（表示器）を提供することができる。これは、次に、ベッドがどの程度接近すれば吸着体が飽和されるか、すなわち、ベッドが破過状態であるかこれに近いとき、を示す、インジケータを提供する。システム１４０は、破過状態が検出されるか否かに少なくとも一部応答して、少なくともＰＳＡアセンブリの作動を制御するように構成されてもよい。

基準温度として測定温度を使用する他の潜在的な利点は、吸着領域１１４を具備する吸着材ベッドが、ベッドに移送される混合ガスストリームの流量及び／又は温度、ベッドが現在構成されるＰＳＡプロセスのステージ、ベッド内の運転条件、ベッドに移送される任意のパージガス・ストリームの流量及び／又は温度、といった要因に応答して、ＰＳＡアセンブリの使用の間の温度の増加又は減少する傾向にある。任意のこれらの要素で補正されない絶対温度がいくつかの実施の形態において使用されうるが、前に検出された閾値温度又は温度範囲、格納された又は前に選択された閾値温度又は温度範囲、及び／又は、例えば、（これに限定されないが、）同じ吸着領域の上流又は下流、吸着体ベッド中、ベッドに移送され又はベッドから除去される流体ストリーム中といった、ＰＳＡアセンブリ又はこれに関連する流れストリームにおいて測定される１又は２以上の温度、少なくとも１つと検出された温度を比較するかさもなければ補正することが好適でありうる。それ故、吸着領域内の吸着体の温度を測定することによって、システム１４０は、質量移送領域が吸着領域の末端又は遠方端に近づくか又は到達しているときに、吸着領域中の質量移送領域の相対位置、吸着領域の中での吸着体の飽和度を決定するように構成されうる。

破過状態の検出及び／又は基準温度又は閾値を上回る測定温度の検出の際に、コントローラ１４４は、実際の破過の発生を防止するために、この検出に少なくとも部分的に応答してＰＳＡアセンブリの作動を直接的又は間接的に変えるように構成されうる。例示する閾値は、現在、又は、前に測定された温度又は出発点温度に対応する予め定められた出発点温度及び温度域を含み、例えば、±１℃、２℃、３℃、５℃等である。これらの応答の例は以下の一つ以上を含む。すなわち、ＰＳＡアセンブリのサイクルを短くするか又はさもなければ変えること、サイクルの吸着時間を短くすること、ベッドへの混合ガスストリームの流れを止めて減圧（そして、任意的に均等化ステップ及びパージ・ステップのうちの少なくとも１つ）を開始すること、サイクルのパージ時間を増加させること、パージ・ステップの間のパージガスの流量を増加させること、吸着性ベッド及び／又はＰＳＡアセンブリを通る混合ガスストリームの流れを中断するか又は停止すること、ＰＳＡアセンブリ（及び／又は水素生成アセンブリ及び／又は燃料電池システム）をシャットダウンすること、オペレータに警告すること、パージ・ステップを止めること、等を含む。

本願の開示の範囲内であるが、システム１４０がすぐ破過状態を検出する際に、ＰＳＡアセンブリ（又は水素生成アセンブリ４６又は燃料電池システム２２）の運転状態を即座にシステム終了するか又はさもなければ変えることは全ての実施の形態に対して必須というわけではない。例えば、特定の温度センサに近接する部位を含む、吸着領域を通る混合ガスストリームの組成及び／又は流量は、ＰＳＡアセンブリの使用中に変動しうる。これらの流れ及び組成物比較的安定しているか一定であることが好ましいが、変化及び変動が発生する傾向を有していることが理解されるべきである。したがって、検出された破過状態によって、その後の初期検出を検出することを停止しうる。したがって、いくつかの実施の形態によっては、破過状態が検出されて（少なくとも１秒、２秒、５秒、１０秒、３０秒等といった）選択された期間よりも多くの時間でその状態が維持されるまで、及び／又は、２つ以上の経時的なＰＳＡサイクルにおいて検出されるまで、ＰＳＡアセンブリ（及び／又はアセンブリ４６及び／又はシステム２２）の作動を停止又はさもなければ変えないことがシステム１４０に対して好適でありうる。関連して、実施の形態によっては、温度が検出される吸着体及び吸着領域の末端との間に吸着体の領域を提供するために、吸着領域の末端から上流で測定されることは、測定温度に対して好適でありうる。例えば、吸着領域の終段の２０％、１０％、５％、又は、３％内ではないが末梢部の三分の一（又は吸着領域におけるそれ未満）内で測定温度を検出することは、破過状態の存在を確認して、ＰＳＡアセンブリ（及び／又はアセンブリ４６及び／又はシステム２２）の運転状態の所望の変化を実行するための期間を提供することができる。

破過状態の検出に応じて、システム１４０は、ＰＳＡアセンブリ（及び／又は付随する水素生成アセンブリ４６及び／又は燃料電池システム２２）をシステム終了するように構成されてもよい。このシャットダウンは、アセンブリ及び全ての補助システムの即時のシャットダウンから、シャットダウンの所定のシーケンスに続いてアセンブリ（そして、付随するデバイス）を制御してシャットダウンするといった、任意の好適な適切なシーケンス・ステップのいずれでも実行されうる。例えば、シャットダウン・ステップは、そこに含まれる水素ガスを収容して、ベッド内で少なくともいくらかの圧力を利用するために、ベッドを均等化することを具備しうる。他の実施例では、シャットダウン・ステップは、例えば、２−２０、３−１０、４−８、６等といった、より短いＰＳＡサイクルといった、ＰＳＡアセンブリを一つ以上のサイクルで循環させることを含みうる。一連のより短いＰＳＡサイクルでＰＳＡアセンブリをシャットダウンする利点は、吸着材ベッドを再生することができるということであり、そして、このことによりシステムが再び始動される使用のために準備されることである。より短いＰＳＡサイクルのバリエーションは、シャットダウン・ルーチンを開始する前にＰＳＡサイクルにおいて利用されるパージ及び吸着ステップに対して、より長いパージ・ステップ及び／又はパージに対してより多いガスのパージ量である。

破過状態の検出に対するシステム１４０による他の適切な応答は、例えば適切な入力又は指令信号で、ＰＳＡアセンブリに破過状態が検出されるベッドの吸着ステップを止めて、混合ガスストリームを浄化するための他のベッドに移行させることである。記述されるように、これは、ベッドから破過状態が検出されたベッドへの混合ガスストリームの流れ及び／又はベッドからの生成物水素ストリームの流れを停止すること、ベッドを均等化すること、ベッドを減圧してパージすること等を含みうる。

破過状態の検出に対するシステム１４０による適切な反応の更なる実施例は、破過状態の検出前にＰＳＡサイクルにおいて利用されるこれらの相対値と比較して、ＰＳＡアセンブリの作動を継続するがより短いサイクル及び／又はより長いパージ時間及び／又はより大きな流量のパージガスで行うこと、である。例えば、破過状態の検出の際に、システム１４０は、全体のサイクル又は吸着時間の少なくとも一つを、例えば、５％、１０％、１５％、又はより多くといった、予め定められた増分（インクリメント）によって、より短くするように構成されうる。ＰＳＡアセンブリは、それからこの新しいサイクルタイムによって作動を継続されうる。破過状態が検出され続ける場合、前記サイクルタイムは、同一又は異なる予め定められた増分によって再び減少されうる。システム１４０は、（必須ではないが、）サイクル又は吸着時間が予め選択された最小のサイクルタイム又は吸着時間に達するか又は上回る場合、ＰＳＡアセンブリをシステム終了してもよい。

上述された例示のシャットダウン・ルーチンの変形例と同様に、上述の応答の変形例（すなわち、サイクル及び／又は吸着時間を短縮すること）は、パージ時間を長くすること及び／又はパージガスの流量を増加させることである。好ましくは、吸着又はサイクルの減少、及び／又は、パージ時間及び／又はパージ・フローの増加によって、質量移送領域を吸着領域の供給端の方へ、促進させることである。更なる変形例として、システム１４０は、第２の予め定められた増分によって、サイクルの減少又は吸収時間のこの時間中における増加（及び／又はパージ時間／流れの減少）させるように構成されてもよい。この第２の増分は、時間が以前減少した増分と同等であってもよく、より短くてもよく、又はより長くてもよい。記述されるように、より短いサイクル又は他の修正ステップは、吸着体を部分的に再生させるのに十分なものであってもよく、これにより吸着領域の末端から質量移送領域を遠ざけるものであってもよい。従って、サイクルは、その本来の状態に復帰、又は、その状態の方に近づくものであってもよい。破過状態がその後再び検出されると、この時間は予め定められた増分等によって再び減少されうる。そして、破過状態がベッドのいずれにもおいて検出されず、及び／又は、サイクルタイムを増加させる前に、又は、さもなければ本来の状態に復帰させる前、又は、本来の状態の方に戻る前に、選択されたサイクル数（例えば２サイクル、３サイクル、５−１０サイクル等）に対して検出されなくなるまで、システム１４０は待機するように構成されてもよい。

システム１４０による破過状態の検出に対する他の例示の応答は、（例えばオペレータ又は他のユーザに対する）警報である。この警報は、任意適当な機構を介して提供されうるし、ＰＳＡアセンブリに近接して及び／又はアセンブリから離隔して発生されうる。例えば、警報は、聴覚及び／又は視覚の信号、電子信号、電子通知、などによって行われうる。システム１４０が破過状態の検出に応答する警報を生成するように構成される場合に、破過状態が検出された時からの経過時間、破過状態が検出された時から経過したＰＳＡサイクルの数、破過状態が検出された吸着領域の部分、吸着領域の末端部で破過状態が検出された吸着体の近傍等といった要因に応じて、１又は２以上の複数の警告を生成するようにさらに構成されうる。例えば、第１の警報が、破過状態の初期検出で発生され、検出された破過状態が継続しているとき及び／又はこの状態の位置が吸着領域の末端の方に移動するときに、更なる（任意に識別可能な）警報が、発生されうる。

本願の開示による温度に基づく破過検出システム１４０を有するＰＳＡアセンブリ７３が、本願明細書において記載した破過状態の検出に対する例示の応答のうちの１つ以上を実行しうること、及び／又は、本願で記述される例示の破過状態又はトリガー・イベントのいずれかを検出するように構成されうることは、本願の開示の範囲内である。

ＰＳＡアセンブリのサイクルが温度に基づく破過検出システムで測定されることは、本願の開示の範囲内でもある。このような実施例では、破過状態がシステム１４０によって検出されるまで、吸着ステップは進行する。本願明細書において記載した検出機構及び基準温度のいずれかが、利用されうる。破過状態が検出されたときに、コントローラは、例えば一つ以上の出力又は指令信号を経て、破過状態が検出されたベッドへの混合ガスストリームの流れを停止させて、ＰＳＡアセンブリの他のベッドに混合ガスストリームの流れを向かわせること、指示しうる。記述されるように、破過状態が検出されたベッドは、その均等化、減圧及び／又はパージ・ステップを介して進行されうる。これらのステップは、すなわちＰＳＡアセンブリの完全サイクルの任意適当な部分を表す、任意適当な長さを有しうる。これらのステップの一つ以上は、一定の均等化時間といった、前に選択された時間を含みうる。同様に、これらの時間の一つ以上は、吸着時間のパーセンテージであってもよい。概して、これらのステップのための時間は、分離システムに対する時間の５０−１５０％の範囲である。例として、均等な時間が使用されうるが、この範囲外の時間が使われうることは本願の開示の範囲内である。破過状態の検出によって早期に中断されるか又は停止されない限り、破過状態が予め定められているサイクルの代わりに検出されるまで吸着ステップが進行されうるという点で、この実行はいくつかの点で前の例と異なる。

図示する非限定的な実施例における温度に基づく破過検出システム１４０は、一つ以上のＰＳＡアセンブリで実行されうる以下の実施態様の一つ以上を含むが、これに限定されるものではない。すなわち、水素ガスを浄化するように構成されているＰＳＡアセンブリ、その主要成分として水素ガスを及び他のガスを含んでいる混合ガスストリーム生成するように構成されている燃料プロセッサを具備している水素生成アセンブリ、及び、生成物水素ストリームを混合ガスストリームから生成するように構成されているＰＳＡアセンブリ、燃料電池スタックのための水素リッチストリームから不純物を除去するように構成されているＰＳＡアセンブリ、燃料電池スタックを含んでいる燃料電池システム、水素精製ＰＳＡアセンブリ、及びＰＳＡアセンブリによって精製される水素ガスの供給源（この供給源は、燃料プロセッサ、そして、いくつかの実施の形態において蒸気改質装置、を任意的に含む）、そして、その主要成分として水素ガス及び他のガスを含んでいる混合ガスストリームを生成するように構成されている燃料プロセッサを具備している水素生成アセンブリ、混合ガスストリームから（一酸化炭素を含む）不純物を除去するように構成されているＰＳＡアセンブリ、（そして、任意的に、少なくとも一部の精製された混合ガスストリームを受けとるように構成されている燃料電池スタック）、を含む。

ＰＳＡアセンブリの吸着領域中の測定温度に少なくとも一部応答してＰＳＡアセンブリのためのサイクルを決定するように構成されている、温度に基づく検出システムを含む。

アセンブリの吸着領域中の測定温度と、基準温度との関係に少なくとも一部応答してＰＳＡアセンブリのためのサイクルを決定するように構成されている、温度に基づく検出システムを含む。

アセンブリの吸着領域中の測定温度と、吸着領域の一つ以上の他の部分に関連する基準温度の関係に少なくとも一部応答してＰＳＡアセンブリのためのサイクルを決定するように構成され、前記ガスは、吸着材ベッド及びその部材に流入、通過、又は流出する、温度に基づく検出システムを含む。

吸着領域中にそして吸着領域に関連した一酸化炭素の濃度を測定することなく、そして、任意的に、吸着領域中にそして吸着領域に関連した任意のガスの濃度を測定することなく、ＰＳＡアセンブリの吸着領域の一酸化炭素中の破過の切迫を検出するように構成されている、温度に基づく検出システムを含む。

ＰＳＡアセンブリの吸着材ベッド中で測定される、そして、任意的にその吸着領域において測定される、一つ以上の温度に基づいて、ＰＳＡサイクルの間の吸着時間を決めるように構成されている、温度に基づく検出システムを含む。

吸着材ベッドと関連した少なくとも一つの測定温度、及び、任意的に、吸着材ベッドの吸着体をモニタして、少なくとも一つの測定温度を少なくとも一つの基準温度と比較することによってＰＳＡアセンブリの吸着材ベッドでの破過を防止するように構成されている、温度に基づく検出システムを含む。

ＰＳＡアセンブリの吸着材ベッドの吸着領域の中の質量移送領域の、又は主要な質量移送領域の位置を決定するように構成されている、温度に基づく検出システムを含む。

ＰＳＡアセンブリの吸着領域の吸着体に関連する一つ以上の測定温度に一つに少なくとも部分的に応答してＰＳＡアセンブリのＰＳＡサイクルを減少するように構成されている、温度に基づく検出システム、を含む。

ＰＳＡアセンブリによって生成物水素ストリームを浄化する水素含有混合ガスストリームを生じるように構成されている水素生成アセンブリ、及び／又は、少なくともＰＳＡアセンブリの吸着領域の吸着体に関連する一つ以上の測定温度に少なくとも部分的に応答して少なくとも一部の生成物水素ストリームを受けとるように構成されている燃料電池スタック、ＰＳＡアセンブリをシステム終了するように構成されている、温度に基づく検出システム、を含む。

ＰＳＡアセンブリの吸着領域の吸着体に関連する少なくとも一つ以上の測定温度に少なくとも部分的に応答してＰＳＡサイクルの吸着ステップを止めるように構成されている、温度に基づく検出システムを含む。

ＰＳＡアセンブリの吸着領域の吸着体に関連する少なくとも一つ以上の測定温度に少なくとも部分的に応答して、少なくとも一つの警告又は他の任意の通知を生成するように構成されている、温度に基づく検出システムを含む。

ＰＳＡアセンブリの吸着領域の吸着体に関連する少なくとも一つ以上の測定温度に少なくとも部分的に応答するＰＳＡアセンブリによって精製される、混合ガスストリームを生じるように構成されている燃料処理システムの作動を制御及び／又は作動状態を変えるように構成されている、温度に基づく検出システムを含む。

ＰＳＡアセンブリの吸着領域の吸着体に関連する少なくとも一つ以上の測定温度に少なくとも部分的に応答するＰＳＡアセンブリを含んでいる燃料電池システムの作動を制御及び／又は作動状態を変えるように構成されている、温度に基づく検出システムを含む。

吸着材ベッド中に及び／又はその吸着材ベッドの吸着領域中に含まれる、ＰＳＡアセンブリの破過状態を検出するように構成され、温度に基づく検出システムを含む。

吸着材ベッド中に及び／又はその吸着材ベッドの吸着領域中に含まれる、ＰＳＡアセンブリの破過状態を検出するように構成され、少なくともＰＳＡアセンブリ、そして任意的に、関連する燃料電池システム、燃料電池スタック、水素生成アセンブリ、及び／又は燃料電池システム、の作動を調整又はさもなければ制御するために少なくとも部分的に応答する、温度に基づく検出システムを含む。

ＰＳＡアセンブリの吸着領域の吸着体に関連する一つ以上の測定温度に応答して、吸着時間、全体のＰＳＡサイクル、パージ時間及び／又は燃料ガス流量の一つ以上を選択的に増加及び／又は減少するように構成されている、温度に基づく検出システムを含む。

一つ以上の測定温度、一つ以上の記憶値、一つ以上の前に測定された温度及び／又は一つ以上の閾値を選択的に含む基準温度と、一つ以上の測定温度を比較するように構成されている、任意の上述の検出システムを含む。

測定温度が、一つ以上の基準温度の予め定める範囲内（上及び／又は下）であるか、一つ以上の基準温度に等しいか、及び／又は一つ以上の基準温度を上回るか、を決定されるように構成されている、任意の上述の検出システムを含む。

一つ以上の測定温度を一つ以上の基準温度と比較するように構成され、
この基準温度は、一つ以上の測定温度、一つ以上の記憶値、一つ以上の前に測定された温度及び／又は一つ以上の閾値を選択的に含む、任意の上述の検出システムを含む。

任意の上述の検出システム、および、温度に基づく破過防止システムとして表されるその実装を含む。

その主要成分として水素ガスを含み、そして、スチームリフォーミング水及びカーボン含有供給原料によって混合ガスストリームを生じるように構成されている少なくとも一つの改質領域を具備する燃料処理システムによって生成され、
燃料処理システムの少なくとも改質領域は、加熱アセンブリによって加熱されるように構成され、任意的にＰＳＡアセンブリは、加熱アセンブリに少なくとも一つの燃料ストリームを提供するように構成され、そして任意的に、ＰＳＡアセンブリによって生成される精製された水素ガスの少なくとも一部を受けとるように構成される燃料電池スタックに組み合わせられる、混合ガスストリームを受けとるように構成されている複数の吸着材ベッドを有するＰＳＡアセンブリによって行う、上述の検出システムを含む。

上記のシステムのいずれかの処理、及び／又は、上記のシステムのいずれかの使用を実行する方法を含む。

水素ガスを精製するためのＰＳＡアセンブリの文脈において本願明細書において述べられるにもかかわらず、本願明細書において開示されるＰＳＡアセンブリ及び温度に基づく破過検出システムは、他の用途（例えば燃料電池又は他のシステムの他の混合ガスストリームを浄化するために）において使用されうることは、本願の開示の範囲内である。

［産業上の利用可能性］
圧力揺動吸着アセンブリ及び同一物を具備している水素生成及び／又は燃料電池システムは、水素ガスが発生して、浄化されて及び／又は、電流を生じるために消費されるこの種の分野を含む、ガス生成及び燃料電池領域で適用できる。

上述の開示は、独立用途を有する複数の異なった発明を含むと考えられる。本発明の各々がその好ましい形態において開示されているが、本願明細書において開示され例示される本発明の特定の実施の形態は、多数の変形例が可能であるため、限定的に考えるべきではない。本発明の主題は、本願明細書において開示される様々な要素、特徴、機能及び／又は特性の全ての新しくて自明でないコンビネーション及びサブコンビネーションを具備する。同様に、請求項が「単数（ａ）」又は、「第一の」要素又はその均等物と記述しているが、この種の請求項は、２又は３以上のこの種の要素を必須とせずかつ除外もせず、１又は２以上のこの種の要素の編入を含むと理解されなければならない。

請求項は、開示発明のうちの１つの対象として新しくて自明でない特定のコンビネーション及びサブコンビネーションを特に指し示すと考えられる。特徴、機能、要素及び／又は特性の他のコンビネーション及びサブコンビネーションにおいて実施される発明は、これらの新規な現在の請求項又は表現の補正書又は関連出願によって請求されうる。異なる発明を対象とするか又は同一の発明を対象とするかに関わらず、このような補正された又は新たな請求項は、当初の請求項と異なるか、広がるか、狭まるか、又は同等であるかに関わらず、本発明の主題の範囲内に含まれるものと、考えられている。

図１は、燃料電池スタックと同様に、関連する原料移送システム及び燃料処理システムを有する水素生成アセンブリを具備する、エネルギー生成及び消費アセンブリの実施例の概略図である。 図２は、水及び少なくとも一つのカーボン含有原料からの水素ガス及び他のガスを含んでいる改質ガソリン・ストリームを生成するように構成されている蒸気改質装置の形態の水素生成アセンブリの概略図である。 図３は、本願の開示に従って水素生成アセンブリによって使用される燃料電池スタックの一部を形成しうるような、燃料電池の概略図である。 図４は、本願の開示に従って温度に基づく破過検出システムを具備している圧力揺動吸着アセンブリの概略図である。 図５は、本願の開示に従ってＰＳＡアセンブリによって使用されうる吸着材ベッドの概略断面図である。 図６は、本願の開示に従ってＰＳＡアセンブリによって使用されうる他の吸着材ベッドの概略断面図である。 図７は、本願の開示に従ってＰＳＡアセンブリによって使用されうる他の吸着材ベッドの概略断面図である。 図８は、概略的に示されている質量移送領域を有する図６の吸着材ベッドの概略断面図である。 図９は、前記ベッドの吸着領域に沿って末端部、又は生成物、吸着領域の端部に移動する質量移送領域を有する図８の吸着材ベッドの概略断面図である。 図１０は、本願の開示に従って少なくとも一つの吸着材ベッド及び温度に基づく破過検出システムを具備するＰＳＡアセンブリの部分概略断面図である。 図１１は、本願の開示に従って少なくとも一つの吸着材ベッド及び温度に基づく破過検出システムを具備するＰＳＡアセンブリの部分概略断面図である。 図１２は、本願の開示に従って少なくとも一つの吸着材ベッド及び温度に基づく破過検出システムを具備するＰＳＡアセンブリの部分概略断面図である。

符号の説明

２０ 燃料電池
２２ エネルギー生成システム
２４ 燃料電池スタック
３０ アノード領域
３２ カソード領域
３４ 電極
３６ アノード
３８ カソード
３９ サポート
４０ 支持プレート
４２ 生成物水素ストリーム
４４ 酸化剤
４６ 水素生成アセンブリ
４７ 水素供給源
４８ 酸素供給源
５０ 外部回路
５２ エネルギー消費機器
５６ エネルギー生成及び消費アセンブリ
５８ 原料移送システム
６２ ストレージ
６４ 燃料処理システム
６８ 原料供給ストリーム
６９ 燃料供給ストリーム
７０ 水素生成領域
７１ 温度調整アセンブリ
７３ ＰＳＡアセンブリ
７４ 水素リッチストリーム（混合ガスストリーム）
７６ 副生成物ストリーム
７７ 出力管理モジュール
７８ エネルギー貯蔵装置
８０ 水
８２ カーボン含有供給原料
８４ 改質触媒ベッド（床）
８６ 改質触媒
８８ 被加熱排出ストリーム
９０ 空気ストリーム
９２ 燃料ストリーム
１００ 吸着材ベッド（床）
１０２ 移送アセンブリ
１０４ 移送アセンブリ
１１０ 内部区画室
１１２ 吸着体
１３０ 質量移送領域（ゾーン）
１４０ 破過検出システム
１４４ コントローラ

Claims (37)

1. 少なくとも一つの供給原料から水素ガス及び他のガスを含んでいる混合ガスストリームを生成するように構成されている水素生成燃料処理システムと、
   前記混合ガスストリームの少なくとも一部を受けとって、前記混合ガスストリームよりも高い水素純度を有する生成物水素ストリームを生成するために不純物を除去するように構成されている圧力揺動吸着アセンブリと、を備える水素生成アセンブリであって、
   前記圧力揺動吸着アセンブリは、
   他のガスのうちの少なくとも１つを吸着するように構成されている吸着体を含んでいる吸着領域を各吸着材ベッドが具備している、複数の吸着材ベッドと、
   温度に基づく検出システムと、
   を備え、
   前記温度に基づく検出システムは、
   吸着領域の部位と関連した温度を測定するように構成されている、少なくとも一つの温度センサと、
   前記吸着領域の部位に関連した温度を少なくとも一つの基準温度と比較して、その比較に少なくとも部分的に応答して圧力揺動吸着アセンブリの作動を選択的に制御するように構成されている、コントローラと、を備えている、
   水素生成アセンブリ。
2. 電流を酸化剤及び少なくとも一部の生成物水素ストリームから生成するように構成されている燃料電池スタックと組み合わされている、請求項１に記載のアセンブリ。
3. 前記温度に基づく検出システムは、
   前記測定温度及び前記基準温度の関係に少なくとも部分的に応答して前記燃料処理システムの作動を制御するように更に構成されている請求項２に記載のアセンブリ。
4. 前記少なくとも一つの基準温度は、前記吸着領域の第２部分と関連する温度を含む請求項１に記載のアセンブリ。
5. 前記吸着領域の第２部分は、
   吸着プロセス間における前記吸着領域を通る混合ガスフローの方向に測定するときの、前記吸着領域の部位の下流に位置している、請求項４に記載のアセンブリ。
6. 前記少なくとも一つの基準温度は、前に測定された温度、格納された値及び予め定められた閾値のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載のアセンブリ。
7. 前記コントローラは、破過状態が前記吸着領域中に存在するか否かを、少なくとも測定温度に部分的に応答して検出するように構成されている、請求項１に記載のアセンブリ。
8. 前記少なくとも一つの温度センサは、
   前記吸着領域の部位に関連する温度を測定するように構成されている第１の温度センサと、
   前記吸着材ベッドに関連した温度を測定するように構成されている第２の温度センサと、
   を少なくとも具備する、請求項１に記載のアセンブリ。
9. 前記温度に基づく検出システムは、前記測定温度及び基準温度の関係に応答して少なくとも前記圧力揺動吸着システムをシステム終了するように構成されている請求項１に記載のアセンブリ。
10. 前記温度に基づく検出システムは、前記測定温度及び基準温度の関係に少なくとも部分的に応答して前記圧力揺動吸着システムの作動を制御するように更に構成されている請求項１に記載のアセンブリ。
11. 前記水素生成燃料処理システムは、カーボン含有供給原料を含む供給原料ストリームから前記混合ガスストリームを生成するように構成されている少なくとも一つの水素生成領域を含む請求項１に記載のアセンブリ。
12. 前記水素生成燃料処理システムは、水及びカーボン含有供給原料を含む供給原料ストリームから前記混合ガスストリームを生成するように構成されている少なくとも一つの水素生成領域を含む請求項１に記載のアセンブリ。
13. 前記水素生成燃料処理システムは、蒸気改質反応を経て混合ガスストリームを生成するように構成されている少なくとも一つの水素生成領域を含む請求項１に記載のアセンブリ。
14. 前記圧力揺動吸着アセンブリは、加圧、吸着、減圧及びパージ・ステップを少なくとも含み、そして、サイクルタイムを有するＰＳＡサイクルを通して前記混合ガスストリームの他のガスの濃度を減らすように構成されている請求項１に記載のアセンブリ。
15. 前記ＰＳＡサイクルは、複数の吸着材ベッドのうちの少なくとも２つがこれらのベッド間のガスフローに対して流体連通する少なくとも一つの均等化ステップを更に含む請求項１４に記載のアセンブリ。
16. 前記温度に基づく検出システムは、前記測定温度及び基準温度の関係に応答して前記ＰＳＡサイクルにおける吸着ステップを止めるように構成されている請求項１４に記載のアセンブリ。
17. 前記温度に基づく検出システムは、前記測定温度及び基準温度の関係に応答して前記ＰＳＡサイクルにおけるパージ・ステップを止めるように構成されている請求項１４に記載のアセンブリ。
18. 前記温度に基づく検出システムは、前記測定温度及び基準温度の関係に応答して前記ＰＳＡサイクルの前記減圧及びパージ・ステップのうちの少なくとも１つに移行するように構成されている請求項１４に記載のアセンブリ。
19. 前記温度に基づく検出システムは、前記測定温度及び基準温度の関係に応答する予め定められた増分によって前記ＰＳＡサイクルのサイクルタイムを減らすように構成されている請求項１４に記載のアセンブリ。
20. 前記サイクルタイムは、前記ＰＳＡサイクルにおける各々のステップと関連した期間を含み、前記温度に基づく検出システムは、前記測定温度及び基準温度との関係に応答する予め定められた増分によって前記ＰＳＡサイクルの吸着ステップに関連した期間を減らすように更に構成されている、請求項１４に記載のアセンブリ。
21. 前記サイクルタイムは、前記ＰＳＡサイクルにおける各々のステップと関連した期間を含み、前記温度に基づく検出システムは、前記測定温度及び基準温度との関係に応答する前記ＰＳＡサイクルのパージ・ステップと関連した期間を増加させるように更に構成されている、請求項１４に記載のアセンブリ。
22. 前記サイクルタイムは、前記ＰＳＡサイクルにおける各々のステップと関連した期間を含み、前記温度に基づく検出システムは、前記測定温度及び基準温度との関係に応答する予め定められた増分によって前記ＰＳＡサイクルのパージ・ステップと関連した期間を増加させるように更に構成されている、請求項１４に記載のアセンブリ。
23. 精製された水素ストリームを生成するために不純物水素ストリームの不純物を吸着するように構成されている少なくとも一つの吸着体を含んでいる吸着領域を有する少なくとも一つの吸着材ベッドを含む圧力揺動吸着アセンブリでの破過を防止する方法であって、
    前記吸着領域の部位と関連した測定温度を検出すること、
    前記測定温度が検出される前記吸着領域の部位の下流に前記圧力揺動吸着アセンブリに関連する基準温度を検出すること、
    前記測定温度及び前記基準温度を比較すること、そして、
    前記測定温度が前記基準温度を閾値よりも上回っていることに応答して前記圧力揺動吸着アセンブリの作動を自動的に調整すること、を含む、方法。
24. 前記閾値は、少なくとも２℃である請求項２３に記載の方法
25. 前記基準温度は、前記吸着領域の第２部分と関係している請求項２３に記載の方法。
26. 前記吸着領域は、供給側端部及び生成物側端部を含み、そして、前記吸着領域の第２部分は、前記生成物側端部から離隔している、請求項２５に記載の方法。
27. 前記調整することは、前記圧力揺動吸着アセンブリの少なくとも一つの作動パラメータを自動的に調整することを含む請求項２３に記載の方法。
28. 前記少なくとも一つの作動パラメータは、前記測定温度が検出される前記吸着領域を不純物水素ストリームが流通する期間を含む請求項２７に記載の方法。
29. 前記圧力揺動吸着アセンブリは、
    加圧、吸着、減圧及びパージ・ステップを少なくとも含み、そして、サイクルタイムを有するＰＳＡサイクルを介して不純物水素ストリームの他のガスの濃度を減らすように構成され、
    前記自動的に調整することは、前記ＰＳＡサイクルにおけるステップの少なくとも１つに関連した期間を変えることを更に含む請求項２３に記載の方法。
30. 前記自動的に調整することは、前記圧力揺動吸着アセンブリをシャットダウンすることを含む請求項２３に記載の方法。
31. 前記自動的に調整することは、前記測定温度が検出される前記吸着材ベッドの圧力を減少すること、及び、前記ベッドからの脱着ガスを含んでいるストリームを引きだすことを含む請求項２３に記載の方法。
32. 精製された水素ストリームを生成するために不純物水素ストリームの不純物を吸着するように構成されている少なくとも一つの吸着体を含んでいる吸着領域を有する少なくとも一つの吸着材ベッドを含む圧力揺動吸着アセンブリを作動する方法であって、
    混合ガスストリームからの他のガスのうちの少なくとも１つを吸着するように構成されている吸着体を含んでいる吸着領域を有する吸着材ベッドに、水素ガス及び他のガスを含んでいる混合ガスストリームを加圧下で移送すること、
    前記吸着領域の部位中の吸着体に関連する測定温度を検出すること、
    前記測定温度が基準温度を上回るまで前記移送ステップを継続すること、を含む、方法。
33. 前記方法は、少なくとも一つの供給原料ストリームから混合ガスストリームを生成するように構成されている燃料処理用アセンブリ中で混合ガスストリームを生成することを更に含む請求項３２に記載の方法。
34. 前記方法は、前記基準温度を検出することを更に含む請求項３２に記載の方法。
35. 前記基準温度は、前記吸着領域の他の部分の吸着体に関連している請求項３４に記載の方法。
36. 前記基準温度は、前に測定された温度及び閾値のうちの少なくとも１つを含む請求項３４に記載の方法。
37. 前記継続ステップは、前記測定温度が前記基準温度を予め定められた値よりも上回るまで維持される請求項３２に記載の方法。

Images