JP2008525301A - 圧力スイング吸着放出制御を介した加熱アセンブリ動作調整システム及び方法 - Google Patents

Abstract

パージ制御システムを有する圧力揺動吸着（ＰＳＡ）アセンブリ、そして、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である。ＰＳＡアセンブリは、生成物水素ストリーム及び副生成物ストリームを混合ガスストリームから生成するために、ＰＳＡサイクルに従って作動される。副生成物ストリームは、混合ガスストリームを生じる水素生成領域を加熱しうる加熱アセンブリへの燃料ストリームとして移送されうる。ＰＳＡアセンブリは、予め定められた、非定値プロファイル等に従って、利用されるパージガスの流れを調整するように構成されうる。いくつかの実施の形態において、閾値で又は閾値の決定された範囲で副生成物ストリームの流量及び／又は燃料価を維持するために、副生成物ストリームから生成される被加熱排出ストリームの一酸化炭素の濃度を制限するために、パージガスの流れは、調整される。

Description

本出願は、２００４年１２月２２日に出願された米国特許仮出願第６０／６３８，４５１号明細書、及び２００５年２月１４日に出願された米国特許出願第１１／０５８，３０７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、圧力揺動吸着アセンブリを具備する水素生成アセンブリを対象とし、そして、特に、圧力揺動吸着アセンブリにおけるパージ・サイクルの制御を介して水素生成アセンブリにおける加熱アセンブリ動作を制御するためのシステム及び方法を対象とする。

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ることができる。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な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、不純な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。

多くの水素生成アセンブリは、少なくとも一部の水素生成アセンブリを加熱するために、被加熱排出流を生じるための少なくとも一つの燃料ストリームを空気で燃焼させる加熱アセンブリを具備する。燃料ストリームは、ＰＳＡアセンブリを含む様々な供給源から生じうる。しかしながら、ＰＳＡアセンブリは、排出ストリーム又は副生成物、可変な流れを有し及び／又は燃料価を変化させるストリームを生じやすいＰＳＡサイクルにおいて作動される。加熱アセンブリ用の燃料ストリームとして使用される場合、流量及び／又は燃料価におけるこの変化は、一貫性無く、しばしば予測不可能に生じ、加熱アセンブリにおいて、燃料の無い期間、不十分な燃料の期間、多量の燃料の期間、燃料ストリームが可変燃料価を有する期間、等をもたらす。その結果、加熱アセンブリが、所望の温度で、又は所望又は選択された温度範囲内で、水素生成アセンブリの選択された部材を維持することは困難になりうる。同様に、時として、ＰＳＡアセンブリは、作動中に過熱アセンブリの炎又は他の発火源を維持するための充分な、又は、何らの排出流を生成しないおそれがある。

本願の開示は、パージ・コントロールシステムを有する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、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、主要部材として水素ガス及び他のガスを含む混合ガス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吸着体を含む吸着領域を有する、少なくとも一つの吸着材ベッド、及び、典型的には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、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水素ストリームを生成しうる。ＰＳＡアセンブリは、混合ガスストリーム及びパージガス（水素ガスであってもよい）から除去された不純物を含む副生成物ストリームを生成し、そして、加熱アセンブリは、被加熱排出流を生成するために燃料ストリームとして副生成物ストリームを受け入れるように構成されうる。被加熱排出ストリームは、例えば混合ガスストリームを生じるための適切な温度で又は適切な温度範囲内で水素生成領域を維持する等のため、少なくとも燃料処理システムの水素生成領域を加熱するように構成されうる。ＰＳＡアセンブリは、ＰＳＡサイクルのパージ・ステップ中において、吸着材ベッドにパージガスの流れを調整するように構成されている。いくつかの実施の形態では、パージガスは、予め定められた、非定常のプロファイルに従って、選択的に移送される。いくつかの実施の形態において、プロファイルは、パージガスの平均流量未満である初期流量及び少なくとも平均流量より大きいその後の流量を含む。いくつかの実施の形態では、パージガスの流れは、閾値で又は閾値の決定された範囲内で、副生成物ストリームの流量及び／又は燃料価を維持するように調整されている。いくつかの実施の形態では、パージガスの流れは、副生成物ストリームから作り出される被加熱排出ストリームの一酸化炭素の濃度を制限するように調整されている。いくつかの実施の形態では、ＰＳＡアセンブリは、少なくともＰＳＡアセンブリの動作を制御するように構成されているコントローラを具備する。

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、吸着領域の供給側端部から生成物側端部に移る傾向がある。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うして質量移送領域（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側端部に圧接するために（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ることは、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「破過する」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、破過（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。

図４に関連して紹介されるように、ＰＳＡアセンブリ７３は、複数の吸着材ベッド１００へ／から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を選択的に届けて及び／又は収集する移送アセンブリ１０２及び１０４を具備する。記述されるように、生成物水素ストリーム４２は、吸着材ベッドの吸着体領域において生成される精製された水素ガスストリームから形成される。このガスのいくらかが、吸着体に対して吸着されたガスの脱着及び除去を促進するために、パージ及び／又は排出ステップの間、（例えば適当な移送マニホールドを経て）吸着材ベッドに選択的に移送されるパージガス・ストリームとして用いられうることは、本願の開示の範囲内である。吸着材ベッドから脱着されたガスとともに集合的に引き出されるパージガス・ストリームと同様に、脱着されたガスは、記述されるように、加熱アセンブリ７１又は可燃性の燃料ストリームを受け入れるように構成されている他の機器に対する燃料ストリームとして使用されうる副生成物ストリーム７６を形成しうる。

図１０及び１１は、複数の吸着材ベッド１００を具備するＰＳＡアセンブリ７３のいくらかより概略的でない実施例を提供する。図４に示される例と同様に、３つの吸着材ベッドは図１０に示されるが、図１１において視覚的に表されるように、より多い又はより少ないベッドが利用されうることは本願の開示の範囲内である。図１１において４つのベッドが示されているが、４つよりも多いベッドが利用されうることも本願の開示の範囲内である。同様に、複数のＰＳＡアセンブリが、同じ水素生成アセンブリ及び／又は燃料電池システムと関連して使用されうる。図１０及び１１に示すように、ＰＳＡアセンブリ７３は、混合ガスマニホールド１４０及びエキゾーストマニホールド１４２を具備する移送アセンブリ１０２を具備する。混合ガスマニホールド１４０は、７４’で示されるように、選択的に混合ガスストリームを吸着材ベッドの供給側端部１４４に移送するように構成されている。エキゾーストマニホールド１４２は、吸着材ベッドの供給側端部から排出されるガス（すなわち、脱着された他のガス、パージガス及び生成物水素ストリーム４２を形成するために集められない他のガス）を集めるように構成されている。これらの排出されるストリームは、図１０及び図１１の７６’に示されて、集合的に副生成物ストリーム７６を形成する。

図１０及び図１１は、被加熱排出ストリーム８８を生じるために、（例えば空気ストリーム９０からの）空気によって燃焼する加熱アセンブリ７１に移送される副生成物ストリーム７６も概略的に表す。また、図１０及び１１に示されるように、加熱アセンブリ７１は、必須ではないが、副生成物ストリーム７６に加えて燃料ストリーム９２を受信するように構成されうることも、本願の開示の範囲内である。いくつかの実施の形態では、ストリーム９２は、補助燃料ストリームと呼ばれてもよい。任意適当な可燃性の燃料が、ストリーム９２で用いられうる。ストリーム９２の適切な燃料の例は、水素ガス（例えば水素生成アセンブリ４６によって生成される水素ガス）、及び／又は、限定されないが、プロパン、天然ガス、メタン及びメタノールを含む、任意の上述したカーボン含有原料、を含む。

図２と関連して記述されるように、昇温状態で作動する水素生成領域７０を具備する燃料処理システム６４とＰＳＡアセンブリ７３及び加熱アセンブリ７１が関連して用いられるときに、加熱アセンブリは、排出ストリーム８８で少なくとも領域７０を加熱するように構成されうる。例えば、水素ガスを一つ以上の供給原料ストリームから生成するために、ストリーム８８は、領域７０を適切な温度に及び／又は適切な温度域中に加熱しうる。述べられもするように、蒸気及び自己熱改質反応は、混合ガスストリーム７４を水及びカーボン含有原料から生成するために用いられうる吸熱の方法の例である。但し、混合ガスストリーム７４を生じるための他の方法及び／又は供給原料ストリーム成分は、追加的に又は代換的に、用いられうる。水素製造アセンブリの部材、燃料電池システム、又は、アセンブリ７１及び７３の他の実装部材に主要な加熱を行うように排出ストリームが構成されうることも、本願の開示の範囲内である。

図１０及び図１１に示される例示の実施の形態において、移送アセンブリ１０４は、生成物マニホールド１５０及びパージ・マニホールド１５２を具備する。生成物マニホールド１５０は、吸着材ベッドの生成物側端部１５４から引き出されて生成物水素ストリーム４２を形成する、精製された水素ガスのストリームを収集するように構成されている。精製された水素ガスのこれらのストリームは、図１０及び図１１において４２’で示される。パージ・マニホールド１５２は、（吸着された不純物ガスの脱着を促進して、これにより、そこにおいて、含まれる吸着体を再生させる等のために）パージガス（例えば一部の精製された水素ガス）を吸着されたベッドに選択的に移送するように構成されている。パージガス・ストリームは、１５６’で示されて、集合的にパージガス・ストリーム１５６と呼ばれてもよい。１５８で示されるように、生成物及びパージ・マニホールドは、パージストリーム１５６として使用される少なくとも一部の精製された水素ガス（又は生成物水素ストリーム）で選択的に流用させるために互いに流体連通しうることは、本願の開示の範囲内である。一つ以上の他の供給源からの一つ以上の他のガスが少なくとも一部のパージストリーム１５６をさらに、又は、代わりに形成しうることも、本願の開示の範囲内である。

必須ではないが、図１０及び図１１は、いくつかの実施の形態において、生成物水素ストリームのための生成物マニホールド及び／又は流体導管と副生成物ストリームのための流体導管とを流通可能に接続することは、望ましくなりうることを１６０で示す。この種の流体接続管は、生成物水素ストリーム４２がさもなければ移送される対象の代わりに、加熱アセンブリに少なくとも一部の精製された（又は精製を意図された）水素ガスで流用させるために選択的に用いられうる。記述されるように、適切な対象の例は、水素ストレージ、燃料電池スタック及び水素消費機器を含む。加熱アセンブリへの生成物水素ストリームの迂回路の状況の例は、対象が水素ガスの最大容量を既に受けとっている場合、運転休止中であるか、さもないと何らかの又は余剰の水素ガスを受けることができなくなる場合、水素ガス中に受け入れられない１以上の不純物が検出された場合、水素生成アセンブリ及び／又は燃料電池・システムをシステム終了する必要がある場合一部の生成物水素ストリームが加熱アセンブリ用の燃料ストリームとして必要な場合、等を含む。

ＰＳＡアセンブリ７３の実装された実施の形態において、本願明細書において記述される流体ストリームのために、任意の適当な数、構造及び構造マニホールド及び流体導管が、利用されうる。同様に、任意適当な数及びタイプの弁又は他の流量調整機器１７０及び／又はセンサ又は他の特性検出器１７２が利用されうる。そして、その図示された非限定的な実施例は図１０及び／又は図１１に示される。例えば、チェックバルブ１７４、比例又は他のソレノイドバルブ１７６、圧力安全弁１７８、可変オリフィスバルブ１８０及び固定オリフィス１８２は、流量調整機器１７０の非限定的な例を示す。同様に、流量計１９０、圧力センサ１９２、温度センサ１９４及び組成検出器１９６は、特性検出器１７２の非限定的な例を示す。組成検出器の例は、純化された水素ガスストリーム４２’及び／又は生成物水素ストリーム４２中に、一酸化炭素の、存在していれば、例えば濃度を検出する一酸化炭素検出器１９８である。

必須ではないが、ＰＳＡアセンブリ及び／又は付随する水素生成アセンブリ及び／又は燃料電池システムの少なくとも一部の動作を制御するように構成されているコントローラを、ＰＳＡアセンブリが含み、関連し、及び／又は、連絡しうることは、本願の開示の範囲内である。コントローラは、図２及び図１０−１１において概略図で例示されて、全体的に２００で示される。コントローラ２００は、２０２で概略的に例示しているように、任意適当な有線及び／又は無線通信結合を介して少なくとも流量調整機器及び／又は属性検出器１７２と通信しうる。この通信は、片方向又は双方向通信を含み、そして、測定値又は計算値に対応する入力及び／又は出力、指令信号、ステータス情報、ユーザー入力、格納される値、閾値等といった、通信信号を含みうる。示された非限定的な例として、コントローラ２００は、メモリのソフトウェアとして格納されたプログラムを操作するための一つ以上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、各々と連絡する一つ以上の離散的なユニット等を含みうる。コントローラ２００は、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されてもよく、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動作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２００は、離散的なユニットとして実装されるものとして、図１０及び図１１において例示される。このコントローラは、別々の複数の部材又はコントローラとして実装されうる。それから、この種の別々のコントローラは、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介したアセンブリ４６によって通信しうる。

図１０及び図１１において、複数の温度センサ１９４は、図示の吸着材ベッドのうちの１つに関連して示される。各々のベッドは、吸着材ベッド、ベッドの吸着体、ベッドの吸着領域に関連した一つ以上の温度を検出するように構成されている一つ以上の温度センサを具備してもよく、具備しなくてもよいことは、本願の開示の範囲内である。必須ではないが、本願の開示によるＰＳＡアセンブリ７３は、例えば、その全体が参照として本願明細書に組み込まれる、２００４年１２月２０日に出願されて、名称「Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ−Ｂａｓｅｄ Ｂｒｅａｋｔｈｒｏｕｇｈ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ、 ａｎｄ、 Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ、ａｎｄ、Ｆｕｅｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ Ｓａｍｅ」の、米国特許仮出願第６０／６３８，０８６号明細書において開示されているような、温度ベースの破過（ブレイクスルー）検出システムを含みうる。

図１２において、ＰＳＡサイクルの排出、又は減圧、及びパージ・ステップ間の、吸着材ベッド内の圧力の例示の（非限定的な）グラフが、示される。吸着ステップのステップ又はステージが完了した後、そして、より典型的には、一つ以上の均等化のステップが完了した後といった、減圧ステップの前の圧力が２１０で示される。減圧又は脱着ステップ間のベッドの供給側端部からのガスの流れの開始は、２１０で示される、そして、いくらか概略的に示されるように、圧力は比較的急速に落ちる。減少率は、ベッド内の圧力、ベッド内のガスボリューム、ベッドからのガスの流量等といった要因に応じて、実施の形態に応じて変化しうる。そして、図１２及びその後に記述される図１３−図１５において、グラフは、圧力又は副生成物ストリームの流量を時間の関数として例示する表現を提供することを意図している。グラフが例示を主な目的としているので、グラフは、時間でのラベル付けをしておらず、そして、その代わりに、これらの変数との相対的な関係を例示する。

記述されるように、圧力のこの変化によって、吸着されたガスの多くが吸着体から脱着されて、これによりストリーム７６’の吸着材ベッドから取り出される。ストリーム７６’も、減圧ステップの開始前にベッドに存在した水素ガスを含む。ベッドからのガスの流れが続くように、ベッド１００の圧力及び／又はストリーム７６’は減少し続ける。燃料価との関連で、減圧ステップ間のストリーム７６’の初期の流れは、減圧ステップの中ほどで、そして、減圧ステップ終了後のストリーム７６’の流れよりも異なる燃料価を有する傾向がある。例えば、燃料価のこれらの違いは、水素ガスの相対濃度及びストリームに存在する他のガスのそれぞれの相対濃度を反映しうる。同様に、減圧ステップのこれらの図示する部分の間のストリーム７６’の流量は、減圧ステップの間で減少する傾向にある流量とともに、変化する傾向がある。

２１２で、（図１０及び図１１に示される上述したストリーム１５６’といった）パージガスの流れは、吸着材ベッドへと開始される。必要というわけではないが、例えば一定のパージ量にするために、ＰＳＡアセンブリの吸着材ベッドに移送されるパージガスの量は、予め定められうる。ストリーム１５６’の圧力は本願の開示の範囲内で変化しうるが、パージ・ステップが始まるときに、ガスは、ベッド１００内の圧力で、又はその近傍であることが好ましい。吸着領域を通り、そしてストリーム７６’の一部として吸着材ベッドからのパージガスの流れによって、脱着されたガスの分圧が縮小しているため、吸着性の部分を通るパージガスの流れは脱着されたガスの量を増加させる傾向がある。２１４で、パージガスの流れは、停止される。図１２で示される例において、減圧又は排出ステップは、時間２１２及び２１０の期間として示される。その一方で、パージ・ステップは、時間２１４及び２１２の期間として示される。これらのステップ間において明確な変位があるものとして示されているが、パージガスの流れが始められる前に、ベッドの減圧が完了することは、全ての実施の形態において必要であるというわけではない。その代わり、パージガスの流れが始まったあと、吸着材ベッドの中の圧力が減少し続けてもよいことは、本願の開示の範囲内である。

特定の吸着材ベッドに対するパージガスの最適量は、様々な要因に従って変化しうる。これらの要因の例は、使用される吸着体のタイプ、吸着材ベッドの構成、吸着材ベッドのサイズ、パージガスの圧力、パージガス及び／又は混合ガスの組成、副生成物ストリーム７６を形成するための吸着されたベッドから排出されたストリーム（７６’）の圧力等のうち、１つ以上を含む。それ故、特定のＰＳＡアセンブリに対してに効果的である最適パージ・ボリュームは、異なって構成された及び／又は大きさのＰＳＡアセンブリに対して最適ではなく、おそらく効果的でさえないかもしれない。

減圧ステップ及びパージ・ステップの間の相対的な周期又は時間の比率は、多くの適切な関係のうちのわずかに１つを例示することを目的とする図１２に示される例によって、本願の開示又は比率の範囲内で変化しうる。この比率は排出（ブローダウン）に対するパージ比率として表され、その例は、１：１から３：１、１．３：１から２．５：１、１．６：１から２．３：１，１．６：１から２：１、１．６：１、１．８：１、２：１、２．２：１、１．５：１より大きく、２：１より大きく、２．５：１より小さい等のものを含む。ベッドの脱着及び／又は機能再生を増加させる傾向がありうるより長いパージ・ステップを考慮して完了した設計では、他のベッドがＰＳＡサイクルの同一又は他のステップになる時間量に潜在的に影響を及ぼす減圧及び／又はパージ・サイクルになっている特定のベッドの時間量について、ＰＳＡアセンブリが周期的な、連続使用に好ましく構成される。

吸着されたベッドの減圧及びパージは、ストリーム７６’及び結果として生じる副生成物ストリーム７６に対して様々な流量及び／又は燃料価を生じる一方で、選択された期間及び／又は排出に対するパージ比率の範囲内で発生しうる。例えば、減圧ステップが始まるときに、吸着材ベッドは依然として大量の水素ガスを含み、そして、依然高い圧力である。減圧ステップが継続すると、ベッド内の圧力及び水素ガスは減少する。ベッドの減圧が継続すると、ストリーム７６’の流量は、ベッド内の圧力の減少とともに減少する。ベッドへのパージガスの流れの開始前に、ストリーム７６’中の排出ガス又は副生成物ガスの流れは、比較的低くなる。この流量は、ベッドの圧力の減少によって減少するからである。ベッド１００を通るパージガスの流れが始まるときに、パージガスが水素ガスといった可燃性ガスであるときにその燃料価とともに、より特定の例であるＰＳＡアセンブリによって生じた精製された水素ガスで、ストリーム７６’の流量は増大する。パージ・ステップが完了するときに、ベッドからのストリーム７６’の流れは停止される。この時、加熱アセンブリ７１に対する燃料ストリームは、ベッドがＰＳＡサイクルの間に減圧されて及び／又はパージされるとき等に、一つ以上の他の吸着材ベッドからのストリーム７６’によって、及び／又は、例えば補助燃料ストリームといった他の供給源から形成される。

記述されるように、ＰＳＡアセンブリ７３の吸着材ベッド１００の吸着体を機能再生させるときに、精製された水素ガスがパージストリームとして用いられうる。このパージガスの流れは、吸着されたガスの脱着を誘発して、このことにより吸着体の機能再生を支援しうる。従来では、典型的には一定の期間で、吸着材ベッドに対するパージガスの流れは、一定速度で移送される。図１３は、時間の関数として、吸着材ベッド１００にパージガスの流量を示しているグラフを表す。パージ・ステップの開始と終了は、図１３において２１２及び２１４で示され、図１２と関連して上述されている相対時刻及び排出に対するパージ比率に対応する。

図１３の一点鎖線において、吸着材ベッドへのパージガスの一定の又は固定された流れを用いるＰＳＡサイクルのパージガスの流量が、示される。上記のように、吸着材ベッドに移送されるパージガスの量がこの固定されたパージ率の生成物及びこのパージガスが吸着材ベッドに移送される周期であるように、このガスは、パージ・ステップの全体に亘って一定速度で移送される。吸着されたガスをベッド中の吸着材から脱着する際には有効であるが、高い燃料価を有しうる、ストリーム７６’中のガス流量の著しい増加又はパルスは、加熱アセンブリからの被加熱排出ストリームの流れ及び／又は温度の相当な増加を引き起こす傾向がある。これは、次に、このストリームによって加熱される構造（例えば燃料処理システム６４の水素生成領域）の中で温度を潜在的に急速に上昇させる傾向がある。これは、構造に損傷を与えるおそれがあり及び／又はその動作を損なうおそれのある構造の加熱をもたらすおそれがある。単数又は複数の被加熱構造に対する任意の潜在的な負の影響にもかかわらず、被加熱排出ストリームの急増は、一定の所望の又は要求される放出閾値を超える排出ガスを生じうる。例えば、被加熱排出ストリームの一酸化炭素含有量は、加熱アセンブリへの燃料流れの急増に応じて増加しうる。

逆にいえば、均等化の間、及び／又は、ベッドからのパージガスの流れの開始前、及び／又は、パージ・ステップ終了後に、ストリーム７６’は、低い燃料価を有して存在する流れを含まず、又は、単に少ない流れを含むのみでありうる。その結果として、加熱アセンブリは、副生成物ストリーム７６以外の燃料の流れを必要とせずに、パイロット灯又は燃焼炎を維持できないことがありうる。同様に、ストリーム７６の流れ及び／又は燃料価が低いときに、被加熱排出ストリームは、付随する構造（例えば水素生成領域７０）を設定温度又は設定温度範囲まで加熱することができない場合がありうる。例えば、水素ガスを生成するために選択された温度域の中で好ましくは作動する水蒸気改質領域といった水素生成領域の内容について、所望の範囲より下（又は上）にある温度で水素生成領域を操作することは、混合ガスストリームの水素ガスの量を減少させる傾向があり、これによって、水素生成アセンブリの、水素変換又は効率が低下する。

図１３の実線に示すように、一定のパージガス流量を使用しないことは、本願の開示の範囲内である。その代わり、吸着材ベッドに対するパージガスの流量は、少なくともパージ・ステップの部分の間、変化する。図の例では、パージガスの流量は、例えば一点鎖線において表される体積及び周期といった、パージガスの一定の流量で決定された周期でパージがシリコンウエハの決定された量を移送するために必要な流量の５０％未満で開始される。パージガスの流量は、この初期の割合から、パージガスの一定の流量がパージ・サイクルの全体に亘って利用される一点鎖線に示される例において用いられる最大流量を上回る最大流量まで、時間とともに増加する。図の例では、流量は、パージガスの流れが止められるまで、この最大流量に維持される。パージ・サイクルの終了時に、パージされているベッドからのストリーム７６’の流量が、停止される。しかしながら、本願の開示の範囲内で、ＰＳＡアセンブリの他の層１００は、加熱アセンブリへの副生成物ストリーム７６の（完全に連続的でないならば）実質的に連続的な流量を維持するために、ストリーム７６’を提供することが好ましい。このストリームは、加熱アセンブリ７１の燃料要求を満たして及び／又は加熱アセンブリの連続燃焼プロセスを維持するために充分な流量及び／又は加熱流を有することが好ましい。

図示の例の変形例として、パージガスの初期流量は、パージ・ステップに対して全体の選択期間の間の、一定流量プロファイルにおいて利用される、平均流量の１０−７５％から開始されて、そして、パージ・サイクルの第１の１０−６０％の間の平均パージ流量の方へ少なくとも増加する。この後に、流量は、パージ・ステップの１０−１００％の範囲で、そして任意的に、パージ・ステップの２５−１００％の範囲で、平均流量を越えて増加し続ける。例えば、パージガスの流量は、パージ・ステップに対して選択された期間の間に固定された量のパージガスに必要とされる平均流量の少なくとも１２５％、１５０％、１２５−２００％等まで増加しうる。パージガス・流量の他のプロファイル又はランプが利用されうることも、本願の開示の範囲内である。これらには、パージ・ステップの少なくとも一部又はサブセット間においてパージガスの流量が、線形、非線形、及び／又は、階段状又は漸近的な量で、増加又は減少するプロファイルを含む。吸着材ベッドを通るパージガス・流量の他のプロファイルの例は、図１４に示される。図１５に示すように、パージガス・流量のプロファイルが、（パージ・ステップの最後の５−５０％の間といった）一部の縮小した流れを含みうることは、本願の開示の範囲内である。

任意適当な方法又は機構は、吸着材ベッドにパージガスの流れを調整するために利用されうる。図示する、非限定的な実施例は、選択的に適切な流量調整弁を作動して所望の流量を生じるコントローラを使用している。記述されるように、任意適当なタイプ及び数の弁が使用されうる。そして、減圧ステップの間に吸着されたベッドからガスの流れを調整するために、パージ・ステップの間に使用されるものよりも、異なるタイプ及び／又は弁の組合せを使用することは、本願の開示の範囲内である。ストリーム７６’を形成するガスの流れを調整するバルブ又はバルブアセンブリが、例えばコントローラからのコントロールシグナルに応答して、流量を調整するこのガス及び／又は加熱アセンブリに移送される副生成物ストリームの燃料価の流量を調整するために、選択的に用いられうることも、本願の開示の範囲内である。

好ましくは、ＰＳＡサイクル間にＰＳＡアセンブリにより用いられるような、傾斜を有した（ランプした）又は段階的なパージ・ステップは、燃料ストリームとして加熱アセンブリに移送されるときに、一定の、又は、決定された又は選択された流量の選択された範囲内（例えば、選択された流量の±５％、１０％、１５％、２０％、３０％、等）である、副生成物ストリームを生成する。いくつかの実施の形態において、選択された流量は、（例えば上述されたような）設定温度で、及び／又は、所望の温度域内で、燃料処理システムの水素生成領域を維持するように構成されている被加熱排出ストリームを生じる流量に対応する。加えて、又は、あるいは、パージ・ステップは、ＰＳＡサイクルの間、一定の又は決定又は選択された燃料価の選択範囲内（例えば±５％、１０％、１５％、２０％、３０％等）で、加熱アセンブリへの副生成物ストリームの流れを生成するように構成されうる。副生成物ストリームは、ＰＳＡアセンブリが生成物水素ストリーム４２を生成するために用いる期間の少なくとも実質的部分の間、そしてより好ましくはその期間全体で、選択された流量及び／又は燃料価に対する上述の関係のいずれか又はいずれをも好適に維持する。副生成物ストリームが上述した基準のいずれいか又はいずれをも継続的に適合しないとき、サイクルの少なくとも８０％、少なくとも９０％、少なくとも９５％、又はより多くに対して行いうることも、本願の開示の範囲内である。

いくつかの実施の形態では、ストリーム７６の流量と関係するように、選択された燃料価は、（例えば上述のような）設定温度で及び／又は所望の温度域の中で燃料処理システムの水素生成領域を維持するように構成されている被加熱排出ストリームを生じる。例えば、被加熱排出ストリームは、水素生成領域を維持するのに構成されうる。そして、いくつかの実施の形態においては、比較的一定の温度（例えばメタノール又は類似のカーボン含有原料に対して、３７５−４２５℃、４００−４２５℃及び／又は４００−４５０℃の範囲の温度、及び、天然ガス、プロパン及び類似のカーボン含有原料に対して、７５０−８５０℃、及び好ましくは７７５−８２５℃、８００−８５０℃及び／又は８００−８２５℃の範囲の温度）での、水素生成アセンブリの改質領域と呼ばれてもよい。

必須ではないが、吸着材ベッドへのパージガスの流量に傾斜をつけて（ランピングして）又は逐次増加させることの利点は、加熱アセンブリに対するストリーム７６の流量の急増が防止されるということである。このような急増は、選択された閾値（例えば５０ｐｐｍ以上）を超えた、少なくとも１つの成分（例えば一酸化炭素）の濃度を有する被加熱排出ストリームを生じる傾向にありうる。好ましくは、本願の開示におけるランプされたパージ・ステップは、ＰＳＡサイクル全体に亘って５０ｐｐｍ未満、好ましくは２５ｐｐｍ未満、１０ｐｐｍ未満又は５ｐｐｍ未満の、一酸化炭素濃度を有する被加熱排出ストリームを生じるように構成される。

圧力揺動吸着アセンブリの吸着材ベッドへのパージガスの流れをランピングするか、段階化するか、さもなければ調整するためのシステム及び方法の例示の非限定的な実施例としては、限定はされないが、一つ以上のＰＳＡアセンブリにおいて実装されうる以下の実施態様の一つ以上が挙げられる。水素ガスを精製するように構成されたＰＳＡアセンブリ；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、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、水素精製ＰＳＡアセンブリ、及び、前記ＰＳＡアセンブリによって精製される（任意的に燃料プロセッサを、そして、いくつかの実施の形態においては、蒸気改質装置を具備する）水素ガスの供給源を含んでいる燃料電池システム；領域を改良して任意に蒸気であるか自動熱水素生成領域については、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水素生成領域を含む水素生成アセンブリ、混合ガスストリームから不純物（一酸化炭素を含む）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、精製された混合ガスストリームの少なくとも一部を受けとるように構成されている燃料電池スタック）、任意的に蒸気又は自己熱改質領域である水素生成領域を少なくとも加熱するために副生成物ストリームを燃焼させるように構成される加熱アセンブリ、を備える。

選択された流量の±５％、１０％、１５％、２０％、３０％等の範囲内で、副生成物ストリームの流量を維持するために、パージガスの吸着材ベッドへの移送を調整すること；

選択された燃料価の±５％、１０％、１５％、２０％、３０％等の範囲内で、副生成物ストリームの燃料価を維持するために、パージガスの吸着材ベッドへの移送を調整すること；

決定された期間の間、様々な流量で、パージガスの決定された量を吸着材ベッドに移送すること；

パージ・サイクルの初期のパーセンテージの間、そして、任意的にパージ・サイクルの次のパーセンテージの間にパージガスの流量を維持して及び／又は減少させることによってパージガスの流量を吸着材ベッドに次第に増やすこと；

ＰＳＡサイクルのパージ・ステップの間に移送されるパージガスの平均流量の７５％未満、そして任意的には５０％未満でパージガスの流量を吸着材ベッドに初期に移送して、その後、パージ・ステップ間に配送されるパージガスの平均流量よりも大きい流量で増加させること；

パージガスの量の流れを開始した後、パージガスの決定された量が決定された期間の間に移送されるように、この期間の間にパージガスの流量を選択的に増加して及び／又は減少すること、そして、任意的にその後にこの期間の間のパージガスの流量を減少及び／又は増加させること；

選択された閾値（例えば５０ｐｐｍ、２５ｐｐｍ、１０ｐｐｍ、５ｐｐｍ又はこれ未満）未満でＰＳＡアセンブリから副生成物ストリームを燃焼させることによって生成される被加熱排出ストリーム中の一酸化炭素の濃度を維持するために、ＰＳＡアセンブリの吸着材ベッドへのパージガスの流量を調整すること；

パージガスの流量がパージ・ステップの間に移送されるパージガスの平均流量未満である少なくとも一つの部分を有し、そして、パージガスの流量がパージ・ステップの間に移送されるパージガスの平均流量より大きい少なくとも一つの部分を有する、予め定められた流量プロファイルに応じて、吸着材ベッドにパージガスの量を選択的に移送すること；

選択された閾値の下でＰＳＡアセンブリからの副生成物ストリームを燃焼させることによって生じる被加熱排出ストリームの少なくとも一つの成分の濃度を維持するために、ＰＳＡアセンブリの吸着材ベッドにパージガスの流量を調整すること；

ＰＳＡアセンブリから加熱アセンブリへのガスの流量を、閾値で又は閾値の決定された範囲で維持するように、パージガスの流量が調整される可変流プロファイルを有する、ＰＳＡアセンブリの吸着材ベッドにパージガスを選択的に移送すること；

ＰＳＡアセンブリから加熱アセンブリへのガスの燃料価及び流量を、閾値で又は閾値の決定された範囲で維持するように、パージガスの流量が調整される可変流プロファイルを有する、ＰＳＡアセンブリの吸着材ベッドにパージガスを選択的に移送すること；

１００℃及び好ましくは５０℃未満の温度域の中でＰＳＡアセンブリの副生成物ストリームを燃焼させることによって生じる被加熱排出ストリームによって加熱される燃料処理システムの水素生成領域の温度を維持するために、ＰＳＡアセンブリの吸着材ベッドへのパージガスの流量を調整すること；

副生成物ストリームを燃焼させることによって生じる被加熱排出ストリームによって加熱されるときに、選択された温度域の中で及び／又は選択された閾値より上に、水素生成領域の温度を維持するために副生成物ストリームの充分な流れを提供するために、ＰＳＡアセンブリの吸着体ベッドにパージガスの流量を調整すること；

燃料ストリームとして副生成物ストリームを利用するように構成されている加熱アセンブリに副生成物ストリームの定常流を維持するために、ＰＳＡアセンブリの吸着材ベッドにパージガスの流量を調整すること；

非線形流れプロファイルに従って、そして、任意的に、流れの増加する変化、流れの段階的な（又は階段状の）変化及び流れの非線形変化の一つ以上を有するプロファイルに従って、ＰＳＡアセンブリの吸着材ベッドへのパージガスの流量を調整すること；

少なくとも加熱アセンブリによって加熱されるように構成されている燃料処理システムの単数又は複数の改質領域によって、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ているＰＳＡアセンブリによって、そして、任意的に、ＰＳＡアセンブリによってできる少なくとも一部の精製された水素ガスで受けるように構成されている燃料電池スタックとの更なる組合せにおいて、その主要成分として水素ガスを含み、そして、水蒸気改質水及びカーボン含有原料によっ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改質領域を含む、燃料処理システムによって生成さ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任意の上述したシステム又は方法；

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；及び／又は

ＰＳＡアセンブリ及び／又は付随する水素生成アセンブリの作業を上記方法又は制御システムのいずれかを実施するために制御するように構成された、コントロールシステム。

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アセンブリは、同一物を作動する方法と同様に、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、及び／又は、燃料処理システムの水素生成領域以外の構造を加熱するために）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使用されう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使用されうる圧力揺動吸着アセンブリの他の実施例の概略図である。 図１１は、本願の開示に従って使用されうる圧力揺動吸着アセンブリの他の実施例の概略図である。 図１２は、減圧中の、そして、ＰＳＡサイクルのパージ・ステップ中の、ＰＳＡアセンブリの吸着材ベッド内の圧力を表しているグラフである。 図１３は、本願の開示に従ってＰＳＡサイクルのパージ・ステップ中の、ＰＳＡアセンブリの吸着材ベッド内のパージガスの流量を表しているグラフである。 図１４は、本願の開示に従ってＰＳＡサイクルのパージ・ステップ中の、ＰＳＡアセンブリの吸着材ベッドへのパージガスの図示の傾斜を有する流量を表しているグラフである。 図１５は、本願の開示に従ってＰＳＡサイクルのパージ・ステップ中の、ＰＳＡアセンブリの吸着材ベッドへのパージガスの図示の傾斜を有する流量を表しているグラフである。

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
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 混合ガスマニホールド
１４２ エキゾーストマニホールド
１４４ 供給側端部
１５０ 生成物マニホールド
１５２ パージ・マニホールド
１５４ 生成物側端部
１５６ パージガス・ストリーム
２００ コントローラ

Claims (31)

1. 少なくとも一つの供給原料ストリームを受け取って、そこ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少なくとも一つの水素生成領域を具備している燃料処理システムと、
   前記混合ガスストリームを受けとって、少なくとも実質的に純粋な水素ガスを含んでいて前記混合ガスストリームよりも他のガスの縮小した濃度を有している生成物水素ストリームを生成するように構成され、及び、少なくとも他のガスの実質部分を含んでいる副生成物ストリームを生成するように構成された圧力揺動吸着アセンブリと、
   少なくとも前記水素生成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を生成するために、前記副生成物ストリームを受けとって、燃焼させるように構成されている加熱アセンブリと、
   前記混合ガスストリームを生成するために決定された温度域内に前記水素生成領域の温度を維持するために、前記副生成物ストリームの流量を調整するための手段と、
   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、前記混合ガスストリームを前記生成物水素ストリーム及び前記副生成物ストリームを形成しているストリームに分けるように構成されている複数の吸着材ベッドを具備する、水素生成アセンブリ。
2. 前記水素生成領域は、前記混合ガスストリームを水及びカーボン含有原料から生成するように構成されている水蒸気改質領域を具備する請求項１に記載の水素生成アセンブリ。
3. 前記カーボン含有原料は、炭化水素を含み、そして、前記決定された温度域は、７２５−８２５℃である請求項２に記載の水素生成アセンブリ。
4. 前記カーボン含有原料は、メタノールを含み、そして、前記決定された温度域は、３７５−４５０℃である請求項２に記載の水素生成アセンブリ。
5. 前記調整する手段は、前記被加熱排出ストリームの一酸化炭素の濃度を５０ｐｐｍ以下に維持するために、ＰＳＡアセンブリの吸着材ベッドにパージガスの流量を制御するように構成されている請求項１に記載の水素生成アセンブリ。
6. 前記調整する手段は、可変流プロファイルに従ってパージストリームを前記吸着材ベッドに移送することを選択的に含む請求項１に記載の水素生成アセンブリ。
7. 前記プロファイルは、前記吸着材ベッドを通るパージガスに対する平均流量未満である流量で前記パージガスが移送される初期部分を含み、そして更に、前記プロファイルは、前記吸着材ベッドを通るパージガスに対する平均流量より大きい流量で前記パージガスが移送される後続部分を含む請求項６に記載の水素生成アセンブリ。
8. 前記調整する手段は、前記副生成物ストリームの燃料価を調整するための手段を具備する請求項１に記載の水素生成アセンブリ。
9. 少なくとも一つの供給原料ストリームを受け取って、そこ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少なくとも一つの水素生成領域を具備している燃料処理システムと、
   前記混合ガスストリームを受けとって、少なくとも実質的に純粋な水素ガスを含んでいて前記混合ガスストリームよりも他のガスの縮小した濃度を有している生成物水素ストリームを生成するように構成され、及び、少なくとも他のガスの実質部分を含んでいる副生成物ストリームを生成するように構成された圧力揺動吸着アセンブリと、
   少なくとも前記水素生成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を生成するために、前記副生成物ストリームを受けとって、燃焼させるように構成されている加熱アセンブリと、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、前記混合ガスストリームを生成物水素ストリーム及び副生成物ストリームを形成しているストリームに分けるように構成されている複数の吸着材ベッドを具備し、
   前記圧力揺動吸着アセンブリは、パージ・ステップの間に移送されるパージガスの平均流量よりもパージガスの流量が小さい少なくとも一つの部分、及び、パージ・ステップの間に移送されるパージガスの平均流量よりもパージガスの流量が大きい少なくとも一つの部分、を有する、予め定められた流れプロファイルに応じて、前記吸着材ベッドに前記パージガスの量を選択的に分配するための手段を具備する、水素生成アセンブリ。
10. 前記流れプロファイルは、非線形プロファイルを含む請求項９に記載の水素生成アセンブリ。
11. 前記流れプロファイルは、前記パージガスの初期流量、及び、前記初期流量よりも多いパージガスの少なくとも後続の流量、を含む、請求項９に記載の水素生成アセンブリ。
12. 前記初期流量は、前記後続の流量の５０％未満である、請求項１１に記載の水素生成アセンブリ。
13. 前記初期流量は、ＰＳＡサイクルのパージ・ステージの間のパージガスの平均流量の２５−７５％であり、
    そして更に、前記初期流量は、前記パージ・ステージの少なくとも１０％に維持される、請求項１１に記載の水素生成アセンブリ。
14. 前記流れプロファイルは、前記パージガスの流量が時間とともに減少している少なくとも一つの部分を含む、請求項９に記載の水素生成アセンブリ。
15. 前記選択的に分配するための手段は、決定された流量の予め定められた範囲の中で前記副生成物ストリームの流量を維持するように構成されている請求項９に記載の水素生成アセンブリ。
16. 前記決定された流量は、前記被加熱排出ストリームが前記混合ガスストリームを生成するために選択された温度域の中で前記水素生成領域を維持するように構成されている流量に対応する請求項１５に記載の水素生成アセンブリ。
17. 前記水素生成領域は、水及びカーボン含有原料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水蒸気改質領域を具備する請求項１６に記載の水素生成アセンブリ。
18. 前記カーボン含有原料は、炭化水素を含み、そして、前記選択された温度域は、７００−８００℃である請求項１７に記載の水素生成アセンブリ。
19. 前記カーボン含有原料は、メタノールを含み、そして、前記選択された温度域は、３７５−４５０℃である請求項１７に記載の水素生成アセンブリ。
20. 前記選択的に分配するための手段は、決定された燃料価の予め定められた範囲の中で前記副生成物ストリームの燃料価を維持するように構成されている請求項９に記載の水素生成アセンブリ。
21. 前記選択的に分配するための手段は、前記副生成物ストリームから生成される前記被加熱排出ストリームの任意の一酸化炭素が５０ｐｐｍの濃度未満に維持するように構成されている請求項９に記載の水素生成アセンブリ。
22. 前記水素生成領域は、前記混合ガスストリームを水及びカーボン含有原料から生成するように構成されている水蒸気改質領域を具備する請求項９に記載の水素生成アセンブリ。
23. 前記生成物水素ストリームの少なくとも一部を受けと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９に記載の水素生成アセンブリ。
24. 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処理システムの水素生成領域の温度を調整する方法であって、
    燃料処理システムの被加熱水素生成領域中で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こと、
    吸着体を含んでいて、少なくとも前記他のガスの実質部分を含んでいる副生成物ストリーム及び前記混合ガスストリームよりも大きな濃度の水素ガスを含んでいる生成物水素ストリームを生成するように構成されている複数の吸着材ベッドを有する圧力揺動吸着アセンブリに前記混合ガスストリームを移送すること、
    前記混合ガスストリームよりも大きな濃度の水素ガスを含んでいる生成物水素ストリームを生成するために、前記混合ガスストリームから他のガスを吸着すること、
    前記吸着体からの前記他のガスの脱着を容易にするために前記吸着材ベッドを減圧すること、
    前記他のガスの脱着を更に容易にするために、パージガスの流れで前記吸着材ベッドをパージすること、
    被加熱排出ストリームを生成するように構成されている前記加熱アセンブリ中の前記副生成物ストリームを空気で燃焼させること、
    前記燃料処理システムの前記水素生成領域を前記被加熱排出ストリームで加熱すること、及び、
    前記混合ガスストリームを生成するように決定された温度域の中で前記水素生成領域を維持する副生成物ガスの充分な流れを形成するために、前記吸着材ベッドへのパージガスの流量を調整すること、を含み、
    前記減圧及びパージ・ステップは、形成されている副生成物ストリームからのガスストリームを生成する、方法。
25. 前記調整することは、前記吸着材ベッドへの前記パージガスの流量をランピングすることを含む請求項２４に記載の方法。
26. 前記方法は、前記副生成物ストリームの定常流を生じるために、前記吸着材ベッドへのパージガスの流れを調整することを含む請求項２４に記載の方法。
27. 前記調整することは、パージガスの平均流量の７５％未満であるパージガスの初期流量でパージガスの流量を移送して、その後に、パージガスの流量を増加させることを含む請求項２４に記載の方法。
28. 前記調整することは、前記副生成物ストリームの燃料価を制御することを請求項２４に記載の方法。
29. 前記水素生成領域は、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改質領域を具備する請求項２４に記載の方法。
30. 前記水素生成領域は、前記混合ガスストリームを水及びアルコールから生成するように構成されているストリーム改質領域を具備し、
    前記決定された温度域は、３５０−４５０℃である、請求項２９の方法。
31. 前記水素生成領域は、前記混合ガスストリームを水及び炭化水素から生成するように構成されているストリーム改質領域を具備し、
    前記決定された温度域は、７００−８００℃である、請求項２９の方法。

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