JP6204605B2 - 液体及びガス状の燃料両用の改質器及び改質方法 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
本有用特許は、２０１３年１１月６日に出願されたＦｉｎｎｅｒｔｙらの米国仮特許出願第６１／９００，５１０号明細書及び第６１／９００，５４３号明細書の利益を享受し、その全体の内容は参照によって本明細書に組み込まれる。

本教示は、水素リッチ改質油を生成するための液体及びガス状の改質可能燃料の改質器及び改質方法に関する。

ガス状又は液体の改質可能燃料の水素リッチ一酸化炭素含有ガス混合物、即ち、一般的に「合成ガス（ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｇａｓ）」又は「シンガス（ｓｙｎｇａｓ）」と呼ばれる生成品への変換は、スチーム改質、ドライ改質、オートサーマル改質、及び触媒部分酸化（ＣＰＯＸ）改質のような周知の燃料改質操作のいずれかに従って実行されることが出来る。これらの燃料改質操作の各々は、その特有の化学的作用と必要条件を有し、且つ各々は、その他の燃料改質操作に対するその有利な点と不利な点によって特色づけられている。

改良された燃料改質器、燃料改質器コンポーネント、及び改質プロセスの開発は、燃料セル、即ち、水素、水素と一酸化炭素の混合物等のような電気化学的酸化可能燃料を電気に電気化学的に変換して主電源ユニット（ＭＰＵ）及び副電源ユニット（ＡＰＵ）を含む一般的な用途のための大きく拡大された役割を果たすためのデバイスのポテンシャルに起因して多くの研究へ焦点が当てられ続けている。燃料セルは、例えば、電気自動車のためのオンボード電気発生デバイス、家庭用デバイスのためのバックアップ電源、レジャー使用、アウトドア及び送電線網を利用しない場所での他の電力消費デバイスのための主電源、及び携行バッテリパックのためのよりより軽量で、高い電力密度、周囲温度から独立した代替品のような特殊化された用途のために使用されることもできる。

大きなスケール、水素の経済的生産、その流通のためのインフラストラクチャー、及びその貯蔵のための実際の手段（特に、輸送燃料）は、まだまだ先であると広く信じられているために、多くの現在の研究と開発は、電気化学的酸化可能燃料源、とりわけ、水素と一酸化炭素の混合物源としての両燃料改質器とそのような燃料の電気への変換装置のような燃料セル「スタック」とも一般的に呼ばれる燃料セルアセンブリ、及び燃料改質器と燃料セルの電気エネルギーの生産のためのよりコンパクトで信頼でき且つ効率的なデバイスへの一体化を向上することに向けられている。

一般的に、改質器は、ガス状又は液体の改質可能燃料のいずれかを処理するように設計及び構成されているが、両方を処理するようには設計及び構成されてはいない。これらのタイプの燃料の一方を選択的に処理し、ある時点で他方のタイプの燃料の処理に切り替えることが出来る改質器は、これらのタイプの燃料の一方しか処理出来ない改質器に対して大きな利点を有する。例えば、液体及びガス両用の改質器は、一方又は他方の燃料を用いて改質器を稼働する経済状況の変化や特定の時間及び／又は特定の場所での燃料の相対的な利用可能性等の状況の変化に応じて、一方のタイプの燃料の処理から他方に切り替えることが出来る。

従って、液体及びガス状の改質可能燃料を利用することが出来る改質器及び同改質器内でのこのような燃料の選択的な改質の方法の必要性が存在する。

概要
本開示によれば、液体及びガス状の燃料両用のＣＰＯＸ改質器であって、
液体燃料ガス相改質反応ゾーン、
ガス状燃料ガス相改質反応ゾーン、
酸素含有ガスインレット、液体燃料インレット、ガス状燃料インレット、又は酸素含有ガス及びガス状燃料改質反応混合物インレット、第１のヒーターに熱的に連結された第１の加熱ゾーン、内部及び／又は外部の熱源に熱的に連結された第２の加熱ゾーン、液体燃料気化器、及び前記液体燃料及びガス状燃料の改質反応ゾーンとガス流連通状態にあるガス状改質反応混合物アウトレットを備えるガス流コンジット、
前記液体及びガス状の燃料の改質反応ゾーンの夫々と熱連通状態にあるガス状改質反応混合物点火器、及び
水素リッチ改質油アウトレットを備える液体及びガス状の燃料両用のＣＰＯＸ改質器が提供される。

更に、本開示によれば、第１の即ち液体燃料のガス相改質反応ゾーン、第２の即ちガス状燃料のガス相改質反応ゾーン、又は共通の即ち液体及びガス状の燃料の改質反応ゾーンを備える液体及びガス状の燃料両用の改質器内での改質方法であって、
（ａ）水素リッチ改質油を生成するために前記第１の又は共通の改質反応ゾーン内で酸素含有ガス及び気化された液体燃料を含む第１のガス状改質反応混合物を改質すること、
（ｂ）前記改質ステップ（ａ）の前又は後で、水素リッチ改質油を生成するために前記第２の又は共通の改質反応ゾーン内で酸素含有ガス及びガス状燃料を含む第２のガス状改質反応混合物を改質すること、
（ｃ）改質ステップ（ａ）から回収された熱が、更なる熱の有無にかかわらず、改質ステップ（ｂ）を開始するために利用されるように改質ステップ（ａ）から改質ステップ（ｂ）へ移行すること、又は、改質ステップ（ｂ）から回収された熱が、更なる熱の有無にかかわらず、改質ステップ（ａ）の開始前に液体燃料を気化して前記第２の又は共通の改質反応ゾーンを加熱するために利用されるように改質ステップ（ｂ）から改質ステップ（ａ）に移行すること、を含む方法が提供される。

この開示の液体及びガス状の燃料両用の改質器及び改質方法は、液体及びガス状の燃料の選択的改質の能力を考慮すると、これらのタイプの燃料の一方の改質が他方の改質よりも一時的に好ましい傾向にある状況に効果的且つ効率的に対応することが出来る。現在の状況を踏まえてどちらの燃料が有利であっても燃料液体及びガス状の燃料を柔軟且つ選択的に改質するためのこの能力は、当該改質器が、例えば、定位置に設置された改質器とは対照的に可動式又は可搬式の改質器のように、異なる場所で動作することが期待される場合に特に有利になり得る。

本明細書における改質器及び改質方法の別の大きな動作的利点は、低温スタート、即ち、予熱手順を必要としないガス状燃料を用いた、高温の改質油が気化器及びＣＰＯＸ反応ゾーンを加熱するガス状燃料の改質の比較的短い期間の後で、以前の改質動作から利用可能な熱がほとんど又は全くないスタートを実現し、ガス状燃料の改質を中断して液体燃料の改質の定常状態モードに素早く移行する能力であることが出来る。実際、ガス状燃料の最初の改質から回収された発熱の熱は、液体燃料を気化して反応ゾーンを予熱するために、液体燃料の改質に切り替えられるとすぐに改質器によって効率的に利用されることが出来る。このように動作されるので、本明細書における改質器は、後続の液体燃料の改質が、動作の低温スタートアップモードを省いて、直ちに動作の定常状態モードに進行することを可能にする。

以下に記載の図面は、例証目的のために過ぎないことが理解される。図面は、必ずしも縮尺で描かれてはおらず、本教示の原理を描く時に一般的には強調される。図面は、本教示の範囲を制限する意図は全くない。同様の参照番号は、一般的に、同様の部品を指す。

図１Ａは、本教示に係る液体及びガス状の燃料両用の改質器、特に、ＣＰＯＸ改質器の二つの実施形態及びそれらの動作を管理するための例示の制御システムの概略ブロック図である。 図１Ｂは、本教示に係る液体及びガス状の燃料両用の改質器、特に、ＣＰＯＸ改質器の二つの実施形態及びそれらの動作を管理するための例示の制御システムの概略ブロック図である。 図２Ａは、液体燃料を改質するための改質器の動作を管理するための図１Ａ及び図１Ｂの液体及びガス状の燃料両用の改質器の実施形態に示すもののようなコントローラによって実行される例示の制御ルーチンのフローチャートである。 図２Ｂは、ガス状燃料を改質するための改質器の動作を管理するための図１Ａ及び図１Ｂの液体及びガス状の燃料両用の改質器の実施形態に示すもののようなコントローラによって実行される例示の制御ルーチンのフローチャートである。 図３Ａは、液体燃料の改質からガス状燃料の改質への移行時の改質器の動作を管理するための図１Ａ及び図１Ｂの液体及びガス状の燃料両用の改質器の実施形態に示すもののようなコントローラによって実行される例示の制御ルーチンのフローチャートである。 図３Ｂは、ガス状燃料の改質から液体燃料の改質への移行時の改質器の動作を管理するための図１Ａ及び図１Ｂの液体及びガス状の燃料両用の改質器の実施形態に示すもののようなコントローラによって実行される例示の制御ルーチンのフローチャートである。 図４Ａは、本教示に係るガス状及び液体燃料両用の改質器の一実施形態の長手方向断面図である。 図４Ｂは、本教示に係る図４Ａの改質器の変形を示し、この変形改質器は、液体及びガス状の燃料両方の改質用の共通の反応ゾーンを有する単一の反応器を備える。 図５は、改質器の動作において外部の熱源から回収される熱の使用を特徴とする本教示に係るＣＰＯＸ改質器の別の実施形態の長手方向断面図である。 図６Ａは、改質器が定常状態モードで稼働している時に最大燃料変換能力の異なるパーセンテージにおける本教示のガス状及び液体燃料両用のＣＰＯＸ改質器の液体燃料の改質反応ゾーン（単数又は複数）内の液体燃料（ディーゼル）の改質反応混合物の酸素の炭素に対するモル比の関係を示すグラフデータを提示する。 図６Ｂは、改質器が定常状態モードで稼働している時に最大燃料変換能力の異なるパーセンテージにおける本教示のガス状及び液体燃料両用のＣＰＯＸ改質器のガス状燃料の改質反応ゾーン（単数又は複数）内のガス状燃料（プロパン）の改質反応混合物の酸素の炭素に対するモル比の関係を示すグラフデータを提示する。

発明の詳細な説明
本明細書での本教示は、記述された特定の手順、材料、及び変更に制限されず、それらが変化され得ることが理解されるべきである。使用される用語は、特定の実施形態を記述する目的のみのためであり、且つ本教示の範囲を制限する意図はなく、それは、添付の特許請求の範囲によってのみ制限されることも理解されるべきである。

簡略のために、本明細書での議論と記述は、主に、部分酸化改質反応及び触媒部分酸化改質反応と反応物（改質可能燃料と酸素含有ガス）を含む反応物に焦点を合わせる。しかしながら、本明細書に記述されるデバイス、アセンブリ、システム及び方法は、スチーム改質とオートサーマル改質及びそれらの夫々の反応物（夫々、改質可能燃料とスチーム、及び改質可能燃料、スチーム及び酸素含有ガス）のような他の改質反応並びに本明細書で記述される他のガス相反応に当てはめることができる。従って、酸素含有ガスが、デバイス又は方法に関連して本明細書で参照される場合、本教示は、そうでないと明示的に述べられていない或いはその文脈によって理解されない限り、組合せで又は単独でスチーム、即ち、酸素含有ガス及び／又はスチームを含むものと考えられるべきである。加えて、改質可能燃料は、デバイス又は方法に関連して本明細書で参照される場合、本教示は、そうでないと明示的に述べられていない或いはその文脈によって理解されない限り、組合せで又は単独でスチーム、即ち、改質可能燃料及び／又はスチームを含むものと考えられるべきである。

更に、本教示の改質器及び方法は、本明細書で説明されるものと同一の構造及びコンポーネント内で且つ／又は同一の一般的方法によって、例えば、スチーム改質及びオートサーマル改質を実行するのに適するものと理解されるべきである。即ち、本教示の改質器及び方法は、気化された液体改質可能燃料とスチームを夫々生成するために、適切な液体反応物、例えば、液体改質可能燃料及び／又は液体水を液体改質可能燃料リザーバから気化器に、及び適切なガス状反応物、例えば、酸素含有ガス、ガス状改質可能燃料及びスチームのうちの少なくとも一つを夫々の源から燃料セルユニット又はシステムの望ましいコンポーネントに送出することができる。言い換えれば、様々な液体反応物が、システムの液体送給部を介して送給されることが出来、様々なガス状反応物が、システムのガス送給部を介して送給されることが出来る。

水が送出システムにおいて使用される場合、改質器、燃料セルスタック及び燃料セルユニット又はシステムのアフターバーナーの内の一つ以上からのリサイクルされた熱は、スチームを生成するために水を気化するために使用されることができ、そのスチームは、送出システム内に存在することができる及び／又は独立した源から送出システムに導入されることができる。

構成が指定のコンポーネントを有する（ｈａｖｉｎｇ）、含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）又は備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）として記載される、又は方法が指定の方法ステップを有する（ｈａｖｉｎｇ）、含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）又は備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）として記載される本願全体を通して、そのような構成は、また、引用されたコンポーネントを実質的に備える（ｃоｎｓｉｓｔ ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ оｆ）、又はなる（ｃоｎｓｉｓｔ оｆ）ということ及びこのような方法が、また、引用された方法ステップを実質的に備える（ｃоｎｓｉｓｔ ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ оｆ）、又はなる（ｃоｎｓｉｓｔ оｆ）ということが考えられる。

本願において、要素又はコンポーネントが引用された要素又はコンポーネントのリストに含まれる及び／又はそのリストから選択されると言われる本明細書及び特許請求の範囲において、その要素又はコンポーネントは、引用された要素又はコンポーネントのいずれか一つであることができる、又はその要素又はコンポーネントは、引用された要素又はコンポーネントの二つ以上よりなる群から選択されることができることが理解されるべきである。更に、本明細書で記載される構成、装置、又は方法の要素及び／又は特徴は、本明細書において明示的であろうと暗示的であろうと本教示の焦点及び範囲から逸脱することなく様々な方法で組み合わされることができる。例えば、特定の構造に言及する場合、その構造は、本教示の装置及び／又は方法の様々な実施形態において使用されることができる。

用語「含む（ｉｃｌｕｄｅ）」、「含む（ｉｃｌｕｄｅｓ）」、「含む（ｉｃｌｕｄｉｎｇ）」、「有する（ｈａｖｅ）」、「有する（ｈａｓ）」、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」、「含む（ｃｏｎｔａｉｎ）」、「含む（ｃｏｎｔａｉｎｓ）」、又は「含む（ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ）」は、文法的にそれに等価なものを含み、一般的にオープンエンド及び非制限的、例えば、特に具体的に明記しない限り、又は文脈から理解されない限り、追加の非引用要素又はステップを排除しないものとして理解されるべきである。

本明細書における単数形、例えば、「一つ（ａ）」、「一つ（ａｎ）」、及び「その（ｔｈｅ）」の使用は、特に具体的に明記しない限り、複数を含む（且つその逆も含む）。

用語「約（ａｂｏｕｔ）」の使用が、量的値の前にある場合、本教示は、また、特に具体的に明記しない限り、指定の量的値を含む。本明細書で使用されているように、用語「約（ａｂｏｕｔ）」は、特に明記しない又は推測されない限り、名目値から±１０％の変動を指す。

ステップの順序や特定の動作を実行するための順序は、本教示が動作可能である限り、重要ではないことが理解されるべきである。例えば、本明細書に記述される方法は、本明細書でそうでないと指摘されない又は文脈によって明確に否定されない限り、任意の適切な順序で実行されることができる。更に、二つ以上のステップ又は動作は、同時に実行されてもよい。

本明細書における様々な所で、値は、群で又は範囲で開示される。本明細書で開示される数値の範囲は、その範囲内の各値及び全ての値及びその範囲の任意の部分範囲を含むことが具体的に意図される。例えば、０から４０の範囲内の一つの数値は、０、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、２０、２１、２２、２３、２４、２５、２６、２７、２８、２９、３０、３１、３２、３３、３４、３５、３６、３７、３８、３９及び４０、及び例えば、０から２０、１０から３０、２０から４０等の任意の部分範囲を個別に開示するように具体的に意図されている。

任意の及び全ての例、即ち本明細書で提供される例示的言語、例えば「のような（ｓｕｃｈ ａｓ）」の使用は、本教示をより良く示すよう単に意図され、請求されない限り、本発明の範囲に対して制限を課さない。明細書における言語は、本教示の実施に必須である非請求要素を指すものとして解釈されるべきではない。

「上部」、「下部」、「頂部」、「底部」、「水平な」、「垂直な」等の空間的配向や高さを指す用語及び表現は、それらの文脈上の使用がそうではないことを指さない限り、構造的、機能的又は動作上の重要性を有さないものとして、及び添付の図面の幾らかにおいて描かれた本教示の液体燃料ＣＰＯＸ改質器の様々な図の任意に選択された配向を単に反映しているとして、本明細書では理解されるべきである。

本明細書で使用されるように、「改質可能燃料」は、液体改質可能燃料及び／又はガス状改質可能燃料を指す。

用語「セラミック」は、その技術が認識された意味に加えて、ガラス、ガラス−セラミックス、及びサーメット（即ち、セラミック‐金属複合物）を含むように本明細書では理解されるべきである。

表現「ガス透過可能な」は、それが本明細書ではＣＰＯＸ反応器ユニットの壁に当てはまるように、制限するわけではないが、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物の気化された液体改質可能燃料成分及び生成物改質油の水素成分を含むガス状ＣＰＯＸ反応混合物及びガス状生成物改質油に対して透過可能である壁構造体を意味するように理解されるべきである。

表現「液体改質可能燃料」は、標準の温度及び標準の圧力（ＳＴＰ）状態で液体である改質可能炭素及び水素含有燃料、例えば、改質を受けた時に、水素リッチ改質油への変換を受けるメタノール、エタノール、ナフサ、蒸留液、ガソリン、灯油、ジェット燃料、ディーゼル、バイオディーゼル等を含むように理解されるべきである。表現「液体改質可能燃料」は、更に、燃料が液体状態にあろうと又はガス状態、即ち蒸気であろうとそのような燃料を含むように理解されるべきである。

本明細書で使用されるように、「ガス状改質反応混合物」は、ガス状液体改質可能燃料（例えば、気化された液体改質可能燃料）、ガス状改質可能燃料又はそれらの組合せ、及び酸素含有ガス（例えば、空気）及び／又は水（例えば、スチームの形態で）を含む混合物を指す。ガス状改質反応混合物は、一酸化炭素も含み得る水素リッチ生成物（「改質油」）を生成するために改質反応を受ける。触媒部分酸化改質反応が実行されるべき場合、ガス状改質反応混合物は、改質可能燃料及び酸素含有ガスを含む「ガス状ＣＰＯＸ改質反応混合物」と呼ばれることができる。スチーム改質反応が実行されるべき場合、ガス状改質反応混合物は、改質可能燃料とスチームを含む「ガス状スチーム改質反応混合物」と呼ばれることができる。オートサーマル改質反応が実行されるべき場合、ガス状改質反応混合物は、改質可能燃料、酸素含有ガス及びスチームを含む「ガス状ＡＴ改質反応混合物」と呼ばれることができる。

表現「ガス状改質可能燃料」は、ＳＴＰ状態においてガスである改質可能炭素及び水素含有燃料、例えば、改質を受けた時に、水素リッチ改質油への変換を受けるメタン、エタン、プロパン、ブタン、イソブタン、エチレン、プロピレン、ブチレン、イソブチレン、ジメチルエーテル、主にメタンである天然ガス及び液化天然ガス（ＬＮＧ）のようなそれらの混合物、及び主にプロパン又はブタンであるが主にプロパン、ブタン、及びアンモニア等からなる全ての混合物を含む石油ガス及び液化石油ガス（ＬＰＧ）等を含むように理解されるべきである。

用語「改質反応」は、ガス状反応媒体の水素リッチ改質油への変換中に生じる発熱及び／又は吸熱反応（単数又は複数）を含むと理解される。従って、本明細書における表現「改質反応」は、例えば、ＣＰＯＸ改質、オートサーマル改質、及びスチーム改質を含む。

表現「ＣＰＯＸ反応」は、触媒部分酸化改質又は改質可能燃料の水素リッチ改質油への変換中に生じる反応（単数又は複数）を含むように理解されるべきである。

表現「ガス状ＣＰＯＸ反応混合物」は、ガス状の改質可能な燃料又は気化した液体の改質可能な燃料と酸素含有ガス例えば空気との混合物を指す。

表現「開口ガス流通路」は、ガスが通る通路のためのコンジットやチャネルを指し、そこでは、多孔固体や多孔性材料を含む固体は、コンジットやチャネルの全断面平面を横切っては存在せず、即ち、多孔性固体を含む固体の無いコンジットやチャネルを指す。例えば、ＣＰＯＸ反応器ユニットの場合、モノリスのような多孔性触媒を含むＣＰＯＸ触媒は、管状ＣＰＯＸ反応器ユニットの長手方向軸に対して垂直な全内断面平面を横切って存在できない。そのような構造は、多孔性触媒が詰め込まれる通路とは異なる。開口ガス流通路は、また、中空穴を画定するチューブ又は長手軸に沿って貫通する中空穴を画定する管状基板として画定されることができるＣＰＯＸ反応器ユニットに存在できる。これらの例示の記載において、中空穴は、開口ガス流通路と考えられることができる。開口ガス流通路は、通常、ＣＰＯＸ反応器ユニットの長手軸に沿って延在することができるが、曲がりくねったコンジットやチャネルが本教示によって熟考され且つ曲がりくねったコンジットやチャネルにＣＰＯＸ反応器ユニットの断面平面を横切って固体が無い限り、開口ガス流通路を有することができる。また、開口ガス流通路の断面寸法（単数又は複数）は、その長手方向軸に沿って又は曲がりくねったコンジットやチャネルに沿って変化することが出来ることが理解されるべきである。

表現「改質の低温スタートアップモード」は、本書では、以前の改質動作から回収可能な熱がほとんどない又は全くない場合の改質器の動作のスタートアップモードを指す。本質的に周囲温度での改質器は、改質器が改質の定常状態モードになる前に動作の低温スタートアップモードを必要とする。

表現「改質の動作の高温スタートアップモード」は、以前の発熱改質動作から回収した残留熱が、液体燃料の処理からガス状燃料の処理への移行、及び反対にガス状燃料の処理から液体燃料の処理への移行を容易にするために効果的に利用される改質器の動作のスタートアップモードを指すと理解されねばならない。

また、先に簡略のために述べたように、本明細書における議論と記述は、部分酸化改質反応及び触媒部分酸化改質反応及び反応物（改質可能燃料と酸素含有ガス）を含む反応物に焦点を合わせる。しかしながら、本明細書に記述されるデバイス、アセンブリ、システム及び方法は、スチーム改質とオートサーマル改質及びそれらの夫々の反応物のような他の改質反応に等しく当てはめることができる。例えば、スチーム改質に対して、本明細書の記述において、スチームを酸素含有ガスと置き換えてもよい。オートサーマル改質に対して、スチームは、本明細書の記述において、酸素含有ガス及び／又は改質可能燃料と共に導入されることができる。

本明細書における液体及びガス状の燃料両用の改質器及び改質方法は、液体又はガス状の燃料を処理し、且つ、例えば、反応器が周囲空気温度又はほぼ周囲空気温度に到達する程度まで改質によって生成される発熱の熱がほとんど消散したシャットダウン期間の後、他方のタイプの燃料への動作に切り替えることが出来る。

本明細書における改質器及び改質方法は、まず液体燃料を処理し、その後ガス状燃料の処理に移行することも出来、このようにして、ガス状燃料の変換を開始するために、改質油への液体燃料の変換から回収された発熱の熱を、場合によっては、例えば電気抵抗ヒーターユニットによって供給される更なる熱によって増大させて利用する。

本明細書における反応器及び改質方法は、まずガス状燃料を処理し、その後液体燃料の処理へ移行することも出来、この時、改質油への液体燃料の変換を行う前に、液体燃料を気化して改質反応ゾーンを加熱するために、ガス状燃料の変換から回収された発熱の熱を、更なる熱の有無にかかわらず利用する。

特定の実施形態では、液体の改質可能な燃料を気化するための気化器は、改質油への液体燃料の変換を行う改質反応ゾーンのインレットと流体フロー連通状態である。気化器は、燃料をそのフラッシュポイント以上の温度に加熱すること及び／又は燃料のかなりの熱分解を引き起こすことのリスクを排除又は減少するように動作可能である。

様々な実施形態において、例えば改質器の動作のスタートアップモード時に、改質反応ゾーン内で反応を開始するための点火器が、改質反応ゾーンと熱連通状態にある。

本明細書における液体及びガス状の燃料両用の改質器は、単一の反応ゾーンを備えることが出来、他の実施形態では、複数の、又はアレイの、離間した管状改質反応器ユニットを備えることが出来、各反応器ユニットは、各自の改質反応ゾーンを有する。その改質反応ゾーンに対応するこのような管状改質反応器ユニットの少なくとも壁セクションの外表面には、そこから水素が失われるのを防ぐ又は抑制するために水素バリアが取り付けられることが出来る。

本教示の液体及びガス状の燃料両用の改質器は、その改質反応ゾーン（単数又は複数）へのガス（単数又は複数の）のフローを管理するためのコンジットを含むことが出来る。コンジットは、酸素含有ガスの導入のためのインレット、液体燃料、気化した液体燃料、又はその両方の導入用インレット、ガス状燃料又は酸素含有ガスとガス状燃料の混合物の導入のためのインレット、及びガス状改質反応混合物のためのアウトレットを含むことが出来る。コンジットは、更にコンパクトな改質器構成にはＵ形状であると有利である。

特定の実施形態では、本明細書における改質器は、ガス状の改質反応混合物の酸素含有ガス成分の流れを向けるためのスプリット経路指定システムを有することができ、そこでは、酸素含有ガスの一部は、フラッシングに対して抵抗性があり得る比較的燃料リッチなガス状反応混合物を提供するために気化した液体と組み合わされることができ且つ酸素含有ガスの他の一部は、望ましいＣＰＯＸ改質反応のための酸素の炭素に対する事前設定モル比内にあることができるガス状の改質反応混合物を提供するために、燃料リッチ反応混合物と組み合わされることができる。

幾つかの実施形態では、上述の複数の、又はアレイの、上記ユニットの改質反応器ユニットのインレットと流体連通状態にあるマニフォルド又はプレナムは、例えば、実質的に均一な組成で、実質的に均一な温度及び／又は実質的に均一な流量でガス状の改質反応混合物のより均一な分配をそこに提供するように構成されることができる。幾つかの実施形態では、マニフォルドは、マニフォルドチャンバを画定するハウジング即ち囲みを有することができる。マニフォルド又はマニフォルドチャンバは、ガス分配器、例えば、改質反応器ユニットのインレットへガス状の改質反応混合物をより均一に分配するためのマニフォルドチャンバ内に配置されたガス分配器を含むことができる。マニフォルドハウジング、即ちマニフォルド筐体は、低コストで容易に成形可能な熱可塑性又は熱硬化性樹脂から製造されることができる、及び／又はそのアウトレットとＣＰＯＸ反応器ユニットとの間に「コールドシール」接続を特徴付けることができる。

本教示の改質器は、コンジットへ導入される酸素含有ガスを最初の上昇温度の範囲に加熱するために改質器の動作の定常状態モード中に動作可能である第１の加熱ゾーン及びそれに熱的にリンクされた第１のヒーターを含む。改質器は、最初の上昇温度の範囲内に酸素含有ガスを加熱するために改質器の動作の定常状態モード時に動作可能な第２の加熱ゾーン及びそれに熱的にリンクされた内部又は外部の熱源も含む。

本教示の改質器は、更に高くなった上昇温度の範囲内に酸素含有ガスを加熱するために改質器の動作のスタートアップモード及び定常状態モード時に動作可能な第３の加熱ゾーン及びそれに熱的にリンクされた第２のヒーターを含むことも出来る。

本教示の改質器は、ミキサー、例えば、酸素含有ガスと気化された液体の改質可能燃料をより均一に混合するために混合ゾーン内に配置された静的ミキサーを含むことが出来る。

本教示の改質器は、改質油処理ユニット又はデバイス、例えば、生成物改質油の一酸化炭素含有物を減少するための一酸化炭素除去デバイスを含むことが出来る。改質油処理ユニットやデバイスは、水ガスシフト変換器、優先酸化反応器、及び／又は改質油を水素流と一酸化炭素含有ストリームに分離するための水素選択性膜を含むことができる。

様々な実施形態では、本教示の改質器は、他のデバイス、例えば、燃料電池のインレット（単数又は複数）に直接接続された水素リッチ改質油用の一つ以上のアウトレットを含むことが出来る。

本教示の改質器は、改質反応ゾーン（単数又は複数）及び／又は改質器のその他の放熱コンポーネントからの熱損失を減少するための断熱部を含むことが出来る。

本教示の改質器は、ガス流を改質器内に又はそれを通過するように駆動するガス流ドライバを含むことができる。例えば、ガス流ドライバは、単一の遠心ブロワーユニット又は相互接続された一連のブロワーユニットを備えるブロワーシステムであることができる。ブロワーや一連のブロワーユニットは、軸方向インレットと半径方向アウトレットを有するケーシング、ガス、例えば、空気のような酸素含有ガスを軸方向インレットに引込み且つ半径方向アウトレットを通してそのガスを排出するためにケーシング内に配置されたインペラー；及びインペラーを駆動するためのモータを含むことができる。幾つかの実施形態では、ブロワーは、第１の圧力でガスを引込み且つそのガスを第２の、例えば、より高い圧力で排出することができる。ブロワーは、一連のブロワーユニットのうちの少なくとも一つのブロワーユニットの半径方向アウトレットを一連のブロワーユニットのうちの少なくとも一つの他のブロワーユニットの軸方向インレットに接続するダクトを含むことも出来る。

本教示の改質器は、液体燃料ポンプを含むことが出来る。適した液体燃料ポンプの例としては、メータリングポンプ、ロータリポンプ、インペラーポンプ、ダイアフラムポンプ、ぜん動ポンプ、容量変位型ポンプ、ギアポンプ、圧電ポンプ、界面動電ポンプ、電気浸透流ポンプ、毛細管ポンプ等を含む。

本教示の改質器は、改質器動作を監視し且つ制御するための一つ以上のセンサアセンブリを含むことができる。センサアセンブリの例は、フローメータ、熱電対、サーミスタ、及び抵抗温度検出器を含む。

本教示の改質器は、そのスタートアップモード、定常状態モード、及び／又はシャットダウンモードにおける改質器の動作を自動化するためのコントローラを含むことが出来る。コントローラは、それと連通状態にある上述のもののような複数のセンサアセンブリを含むことが出来る。

本教示に係る液体及びガス状の燃料両用の改質器及び改質方法は、一般的に上記される及び本明細書の他の箇所に記述される。図面を参照しての以下の記述は、本教示の改質器及び改質方法のこれらの特徴及びその他の特徴に基づいて詳細を述べており、且つ本発明の本質を制限することなく様々な且つ指定の実施形態を論ずることであり且つ上の論述に対して適用可能であることが理解されるべきである。

ここで、図面を参照すると、図１Ａ及び図１Ｂは、本教示に係る液体及びガス状の燃料両用のＣＰＯＸ改質器の実施形態を示す。

図１Ａに示すように、液体及びガス状の燃料両用のＣＰＯＸ改質器１００は、ここで及び本教示の他の実施形態では空気によって例示される酸素含有ガスをコンジット１０３内に導入するため、及びこのガス及び他のガス流（気化された燃料‐空気混合物（単数又は複数）及び水素リッチ改質油を含む）を、改質器の管状ＣＰＯＸ反応器ユニット１０９の開口ガス流通路を含む様々な通路を介して駆動するための遠心ブロワー１０２を含む。コンジット１０３は、フローメータ１０４と熱電対１０５を含むことができる。これら及び同様のデバイスは、コントローラ１２６に関連してより完全に説明されるように、改質器の動作を測定し、監視し、及び制御するために、ＣＰＯＸ改質器１００内の様々な位置に配置されることができる。

第１のガス状ＣＰＯＸ反応混合物（即ち、酸素含有ガス及び気化液体燃料）が水素リッチ改質油へ変換されるＣＰＯＸ改質器１００の動作の周囲温度、又は「低温」の、スタートアップモードでは、ブロワー１０２によってコンジット１０３内に導入される、周囲温度の空気は、第１の加熱ゾーン１０６を通過し、そこでは、その空気は、まず、例えば、電気抵抗タイプの第１のヒーター１０７によって、所与の流量で、上昇された温度の事前設定された、又は目標とされた、第１の範囲内に最初に加熱される。次に、最初に加熱された空気は、ＣＰＯＸ改質器１００の動作の定常状態モードにおいて、管状ＣＰＯＸ反応器ユニット１０９のＣＰＯＸ反応ゾーン１１０内で生じるＣＰＯＸ反応から回収された発熱の熱によって加熱される熱伝達ゾーン１０８を通過する。改質器１００のそのような定常状態動作が達成されると、即ち、ＣＰＯＸ反応器ゾーン１１０内のＣＰＯＸ反応が自立すると、第１のヒーター１０７の熱出力は、入ってくる空気が熱伝達ゾーン１０８を通過して上昇温度のその第１の範囲内に既に加熱されている、即ち、上昇温度のその第１の範囲に近接しているので、減少されることができる又はその動作が中断される。

コンジット１０３内の更に下流に続いて、動作のスタートアップモード中に第１の加熱ゾーン１０６を通過することによって又は動作の定常状態モード中に熱伝達ゾーン１０８を通過することによって最初に加熱されている空気は、第２の加熱ゾーン１１１を通過し、そこでは、その空気は、電気抵抗タイプのヒーターであり得る第２のヒーター１１２によって上昇された温度の第２の範囲内まで更に加熱される。第２のヒーター１１２は、先に加熱された空気の温度を最高レベルで終えるように動作出来、それによって、液体燃料を処理する時のＣＰＯＸ改質器１００の幾つかの動作要求、即ち、迅速な応答及び必要に応じて改質器の熱的要求の調整及び微細な調整を助けること、更なる下流でコンジット１０３に導入された液体改質可能燃料の引き続く気化のために十分な熱を提供すること、及び加熱されたガス状ＣＰＯＸ反応混合物を提供することを満たす。

ここで及び本教示の他の実施形態ではディーゼルによって例示される液体改質可能燃料は、オプションのフローメータ１１５とオプションのフロー制御バルブ１１６を備える燃料ライン１１４を介してポンプ１１３によってストレージからコンジット１０３内に連続的に導入され、そこでは、第２の加熱ゾーン１１１から流れる加熱された空気によって提供される熱を利用して気化器システム１１７によって燃料が気化される。気化された、即ち、ここでは、ガス状の燃料は、コンジット１０３の混合ゾーン１１８内で加熱された空気と組み合わさる。ミキサー、例えば、インラインミキサー１１９のような静的ミキサー、及び外部から電力を供給されるミキサー（図示せず）は、そうでない場合よりもより均一な気化された液体燃料‐空気ガス状ＣＰＯＸ反応混合物を提供するために、コンジット１０３の混合ゾーン１１８内に配置される。

加熱され且つ気化された液体燃料‐空気ＣＰＯＸ反応混合物は、反応混合物をより均一に且つ、例えば、より均一な温度で、管状ＣＰＯＸ反応器ユニット１０９に分配するように機能するマニフォルド、即ち、プレナム１２０に入る。コンジットとマニフォルドは、通常、断熱部（例えば、図４Ａに示される液体燃料ＣＰＯＸ改質器４００の断熱部４１０）によって囲まれるが、ＣＰＯＸ反応混合物は、一般的に、コンジット１０３と同等なそれよりも大きな容量、従って、より大きな壁表面積を有するマニフォルドの壁を介する熱損失に起因する温度降下をなお受け得る。マニフォルド１２０内でＣＰＯＸ反応混合物の温度の低下を引き起こし得る他のファクタは、反応混合物がコンジット１０３を出てマニフォルド１２０のより大きな空間に入る時に、混合物が受ける圧力と速度の減少である。

これらのファクタのいずれかに起因するＣＰＯＸ反応混合物の温度の低下、特に、マニフォルド１２０の内壁、角部及び／又は他の凹所に近接する又はそれらに接触している反応混合物の領域で生じる低下は、気化された燃料の局所化された濃縮を誘導する。そのような濃縮の可能性を最小にするために、マニフォルドは、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物の温度をその気化された燃料成分の濃縮閾値よりも上に維持するための手段を備える。例えば、図１Ａに示されるように、温度制御の目的の電気抵抗タイプのヒーター１２１と熱電対即ちサーミスタプローブ１２２は、この目的を成就するためにマニフォルド１２０内に配置される。ヒーターの代わりに又はそれに加えて、改質器は、管状ＣＰＯＸ反応器ユニット１０９のＣＰＯＸ反応ゾーン１１０内で生じるＣＰＯ反応（単数又は複数）から回収された発熱の熱を燃料蒸気の濃縮の可能性が最も大きい可能性があるマニフォルド内の位置、例えば、燃料‐空気アウトレットの近傍の壁表面及び／又は気化された燃料の局所的濃縮を引き起こし得る角部及び他の凹所のような他のサイトに伝達するための伝熱構造体（単数又は複数）（例えば、図４Ａに示されるＣＰＯＸ改質器の伝熱要素４３４）を備えることができる。

マニフォルド１２０から、加熱されたＣＰＯＸ反応混合物は、管状ガス相ＣＰＯＸ反応器ユニット１０９に導入される。ＣＰＯＸ改質器１００の動作の「低温」スタートアップモードにおいて、点火器１２３は、管状ＣＰＯＸ反応器ユニット１０９のＣＰＯＸ反応ゾーン１１０内でガス状ＣＰＯＸ反応混合物のＣＰＯＸ反応を開始し、それによって、水素リッチ改質油の生成を開始する。定常状態ＣＰＯＸ反応温度に達すると（例えば、２５０℃から１，１００℃）、反応は、自立し、点火器の動作が中断される。熱電対１２４と１２５は、コンジット１０３内で生じる気化動作及びＣＰＯＸ反応器ユニット１０９内で生じるＣＰＯＸ反応夫々の温度を監視するために設けられ、温度測定は、監視されたパラメータとして改質器制御システム１２６に中継される。

図１Ａに更に示すように、酸素含有ガス及びガス状燃料を含む第２のＣＰＯＸ反応混合物が水素リッチ改質油への変換を受けるＣＰＯＸ改質器の動作の周囲温度又は「低温」のスタートアップモードでは、ブロワー１０２によってコンジット１０３へ導入される空気は、オプションの熱電対１３３、フローメータ１３４、及びフロー制御バルブ１３５を備えるガス状燃料ライン１３２を介してガス状燃料ストレージタンク１３１から比較的低圧でコンジット１０３に導入される、ここで及び本教示の他の実施形態ではプロパンによって例示されるガス状の改質可能燃料と結び付く。ブロワー１０２によって導入される空気及びコンジット１０３へガス状燃料ライン１３２を介してコンジット１０３へ導入されるプロパンは、まず、静的ミキサー１３７によって占有される混合ゾーン１３６において結び付き、別の場合よりもより均一なプロパン‐空気ＣＰＯＸ反応混合物としてそこから出てくる。プロパン‐空気混合物は、次に、第１の加熱ゾーン１０６に入り、そこでは、ＣＰＯＸ反応混合物用の点火器として効果的に機能する第１のヒーター１０７によってガス状の燃料ＣＰＯＸ反応温度に加熱され、それにより、水素リッチ改質油の生成を開始する。第１の加熱ゾーン１０６は、ガス状燃料ＣＰＯＸ反応ゾーン１３８（図示のように）に近接して配置させてもよく、又はそれに部分的に又は完全に一致させてもよい。ガス状の燃料ＣＰＯＸ反応ゾーン１３８は、熱伝達ゾーン１０８と一致して図示されている。ＣＰＯＸ反応ゾーン１３８において定常状態のＣＰＯＸ反応温度が達成されると（例えば、２５０℃乃至１，１００℃）、反応は自立になり、第１のヒーター１０７の動作は中断されることが出来る。

ＣＰＯＸ反応器１００が、液体燃料ＣＰＯＸ改質の定常状態モードからガス状の燃料ＣＰＯＸ改質の「高温」のスタートアップモードへ移行するように動作させる時、更なる熱の入力の有無にかかわらず、管状ＣＰＯＸ反応器ユニット１０９のＣＰＯＸ反応ゾーン１１０から回収される残留熱が、熱伝達ゾーン１０８、ひいてはＣＰＯＸ反応ゾーン１３８に伝達され、そこで、このような熱は、水素リッチ改質油の生成を開始する空気‐プロパン混合物に点火するように機能する。

逆に、ＣＰＯＸ反応器１００が、ガス状燃料ＣＰＯＸ改質の定常状態モードから液体燃料ＣＰＯＸ改質の「高温」スタートアップモードへ移行するように動作する時、更なる熱の入力の有無にかかわらず、ＣＰＯＸ反応ゾーン１３８から回収した残留熱は、コンジット１０３に導入される空気に伝達され、加熱された空気は、次に、反応器の液体燃料ＣＰＯＸ動作に関連して以前に説明したように、液体燃料を気化するために、及び、ＣＰＯＸ反応器ユニット１０９のＣＰＯＸ反応ゾーン１１０を予熱するために利用される。

図１Ａに示すように、ＣＰＯＸ反応ゾーン１１０内で発生するＣＰＯＸ反応から回収された熱を、ゾーン１０８を通過するガス（単数又は複数）に伝達するためにＣＰＯＸ反応器１００の熱伝達ゾーン１０８が設けられている場合、ガス状ＣＰＯＸ触媒１２９を省略すること、及び、第１のヒーター１０７の動作の有無にかかわらず、気化された液体燃料‐空気ＣＰＯＸ反応混合物を処理するために使用される同一の管状ＣＰＯＸ反応器ユニット１０９においてガス状燃料‐空気ＣＰＯＸ反応混合物を処理することは、本発明の範囲内である。ＣＰＯＸ反応器（図４Ｂに示す）のこの実施形態では、管状ＣＰＯＸ反応器ユニット１０９のＣＰＯＸ反応ゾーン１１０は液体又はガス状のＣＰＯＸ燃料を処理するために選択的に動作可能な単一の、共有又は共通のＣＰＯＸ反応ゾーンとして機能する。

図１Ｂに示すＣＰＯＸ反応器１５０は、図１Ａに示すＣＰＯＸ反応器１００と本質的に同一であるが、前者では、ガス状燃料ライン１３２が、遠心ブロワーシステム１６４の遠心ブロワーユニット１６２及び１６３を接続するダクト１６１のインレット１６０に接続し、後者では、ガス状燃料ライン１３２が、静的ミキサー１３７が占有する混合ゾーン１３６にてインレット１０３に接続する点で異なる。図１ＢのＣＰＯＸ反応器では、ブロワーユニット１６２に引き込まれた空気は、そこから吐き出されると、インレット１６０を通ってダクト１６１に導入されるガス状燃料と結び付き、ガス状燃料‐空気流は、次に、ブロワーユニット１６３に入り、そこで、そこからよく混合された均一なＣＰＯＸ反応媒体として放出される。この配置は、おそらくより均一な反応混合物、即ち、背圧の上昇を伴うことなく形成されるものを提供する一方で図１ＡのＣＰＯＸ反応器１００の混合ゾーン１３６及び静的ミキサー１３７を省けるので有利である。

必要ならば、液体ＣＰＯＸ改質器１００からの生産物流出物即ち水素リッチ改質油は、例えば、その一酸化炭素（ＣＯ）含有物を減少するために一つ以上の従来の又は他の既知の一酸化炭素除去デバイス１２８に導入されることができ、そこでは、生産物流出物は、燃料として、ＣＯによって汚染の影響を特に受けやすい触媒を利用する燃料セルスタック、例えば、ポリマー電解質膜燃料セルに挿入されるべきである。このように、例えば、生産物流出物は、水ガスシフト（ＷＧＳ）変換器に導入されることができ、そこでは、ＣＯが二酸化炭素（ＣＯ_２）に変換されると共に、同時に、追加の水素を生成し、又は生産物流出物は、反応器に導入されることができ、そこでは、ＣＯは、ＣＯ_２への優先酸化（ＰＲＯＸ）を受けるようになされる。また、ＣＯの減少は、これらのプロセスの組合せ、例えば、ＰＲＯＸが続くＷＧＳ及びその逆を使用して実行されることができる。

生産物改質油の水素ストリームとＣＯ含有副生物ストリームへの分離を行う水素選択性膜を備える既知の又は従来のクリーンアップユニット即ちデバイスを生産物改質油に通過させることによって生産物改質油中のＣＯレベルを減少することも本教示の範囲内に入る。また、この種のユニット／デバイスは、前述のＷＧＳ変換器及び／又はＰＲＯＸ反応器のような一つ以上の他のＣＯ−削減ユニットと組み合わされることができる。

改質器１００は、その電気的に駆動されるコンポーネント、例えば、ブロワー１０２、フローメータ１０４及び１１５、ヒーター１０７、１１２及び１２１、液体燃料ポンプ１１３、フロー制御バルブ１１６及び１３５、点火器１２３、及び熱電対１０５、１２２、１２４、１２５及び１３３に電力を提供するための、及び、必要な場合、余剰の電気を後で使用するために保存するための電流源、例えば、再充電可能なリチウムイオンバッテリシステム１２７を含むことも出来る。

コントローラ１２６は、動作時に、そのスタートアップモード、定常状態モード、及びシャットダウンモードにおける液体燃料ＣＰＯＸ改質器１００の動作を制御するために設けられる。コントローラは、プロセッサ上で動作するソフトウェアであることができる。しかしながら、一つ以上のデジタル回路又はアナログ回路、又はそれらの組合せで実施されるコントローラを使用することは、本教示の範囲内にはいる。

コントローラ１２６は、コントローラと連通状態にあり且つＣＰＯＸ改質器１００の選択された動作パラメータを監視するのに適する複数のセンサアセンブリ、例えば、フローメータ１０４及び１１５、熱電対１０５、１２２、１２４、１２５及び１３３等を更に含む。

センサアセンブリからの入力信号、ユーザ入力デバイス及び／又はプログラムされたサブルーチン及びコマンドシーケンスに応答して、コントローラ１２６は、本教示に係るＣＰＯＸ改質器の動作を管理できる。より具体的には、コントローラ１２６は、ＣＰＯＸ改質器１００の望ましいセクション又はコンポーネントの制御信号受信部と、それに特定の動作を指示するコマンド信号を送信することによって、通信できる。このように、例えば、フローメータ１０４及び１１５からの液体燃料流量入力信号及び／又は熱電対１０５、１２２、１２４、１２５及び１３３からの温度入力信号に応答して、コントローラ１２６は、例えば、燃料ライン１１４を通るコンジット１０３への液体燃料の流れを制御するために、液体燃料ポンプ１１３及び／又は液体燃料フロー制御バルブ１１６へ、コンジット１０３への空気の流れを制御し且つＣＰＯＸ改質器ユニット１０９内の又はそれを通る加熱されたガス状ＣＰＯＸ反応混合物の流れを駆動するために遠心ブロワー１０２へ、第１及び第２のヒーターユニット１０７及び１１２の温度出力を制御するために第１及び第２のヒーターユニット１０７及び１１２へ、マニフォルドヒーター１２１の温度出力を制御するためにマニフォルドヒーター１２１へ、点火器１２３のオンオフ状態を制御するために点火器１２３へ、及びバッテリ／バッテリ充電システム１２７の機能を管理するためにバッテリ／バッテリ充電システム３１２へ制御信号を送信できる。同様に、フローメータ１３４からのガス流量入力信号及び／又は熱電対１３３からの温度入力信号に応答して、コントローラ１２６は、ライン１３２を通るガス燃料流を制御するためにガス状燃料フロー制御バルブ１３６へ、コンジット１０３への空気流を制御するために遠心ブロワー１０２へ、第１及び第２のヒーターユニット１０７及び１１２及びマニフォルドヒーター１２１のオンオフ状態（改質器１００がガス状燃料を処理している時はオフ状態）を制御するために第１及び第２のヒーターユニット１０７及び１１２及びマニフォルドヒーター１２１へ、及び点火器１２３のオンオフ状態を制御するために点火器１２３へ制御信号を送信できる。

本明細書におけるセンサアセンブリ、制御信号受信デバイス及び通信路は、当該技術において既知の構造等の任意の適切な構造のものであることができる。センサアセンブリは、動作パラメータが監視される任意の適切なセンサデバイスを含むことができる。例えば、燃料流量は、任意の適切なフローメータで監視されることができ、圧力は、任意の適切な圧力感知又は圧力調整デバイスで監視されることができる等である。センサアセンブリは、必須ではないが、コントローラと通信状態にあるトランスジューサを含んでいてもよい。通信路は、通常、有線電気信号であるが、任意の他の適切な形態の通信路が使用されてもよい。

図１Ａでは、通信路は、シングルヘッド矢印又はダブルヘッド矢印として概略的に示されている。コントローラ１２６で終端する矢印は、測定された流量又は測定された温度の値のような入力信号を概略的に示す。コントローラ１２６から延在する矢印は、矢印が終端するコンポーネントから対応動作を向けるために送られた制御信号を概略的に示す。デュアルヘッド通信路は、コントローラ１２６が、決定された応答動作を提供するためにＣＰＯＸ改質器１００の対応するコンポーネントにコマンド信号を送信するのみならず、ＣＰＯＸ改質器１００及びその様々なコンポーネント、燃料ポンプ１１３及び一酸化炭素除去デバイス１２８のような機械的ユニットからの動作入力を受信することを概略的に表している。

図２Ａ及び図２Ｂは、夫々、本教示に係る液体燃料及びガス状燃料を処理する際の、本教示に係る液体及びガス状の燃料両用のＣＰＯＸ改質器の動作を自動化するために図１Ａ及び図１Ｂのコントローラ１２６等のコントローラによって実行されることができる例示の制御ルーチンのフローチャートを示す。同様に、図３Ａ及び図３Ｂは、夫々、液体燃料の処理からガス状燃料への移行（図３Ａ）及びガス状燃料の処理から液体燃料への移行（図３Ｂ）させる際の、本明細書におけるＣＰＯＸ改質器の動作を自動化するために図１Ａ及び図１Ｂのコントローラ１２６等のコントローラによって実行されることができる例示の制御ルーチンのフローチャートを示す。このフローチャートは、コントローラによって固定間隔、例えば、１０ミリ秒毎程度で実行されることができる。図２Ａ、図２Ｂ、図３Ａ及び図３Ｂに示す制御論理は、液体燃料改質の場合のガス流、加熱、燃料気化及び動作のスタートアップモード及び定常状態モードにおける改質反応温度の管理及び改質器動作のシャットダウンモードのための手順の管理を含む幾つかの機能を実行する。

本発明の教示を更に代表する図４Ａに示す例示の液体及びガス状の燃料両用のＣＰＯＸ改質器４００の様々な図に示すように、酸素含有ガスとしての空気が、周囲温度で且つ予め設定された質量流量で遠心ブロワーシステム４０２を介してコンパクト設計が好ましい略Ｕ形状のコンジットセクションを含む主コンジット４０４のインレット４０３を通して導入される。周囲温度空気は、最初に、改質器のスタートアップモード動作において第１のヒーターユニット４０６が備える第１の加熱ゾーン４０５を通過することによって上昇された温度の事前設定された範囲内に加熱される。第１のヒーターユニット４０６とその下流の第２のヒーターユニット４１３は、例えば、１０ワットから８０ワット又は改質器の液体燃料処理容量の設計された範囲に依存してそれよりも大きいレートの従来の又はその他の既知の電気抵抗タイプのユニットであることができる。そのようなヒーターは、主コンジット４０４内に導入される周囲空気の温度をＣＰＯＸ改質器構成及び動作容量の比較的広い範囲に対して望ましいレベルに上昇することができる。ＣＰＯＸ改質器４００の動作の定常状態モード中では、第１のヒーターユニット４０６は停止されることが出来、次に、主コンジット４０４に導入された空気は、最初に、細長い管状ガス透過可能ＣＰＯＸ反応器ユニット４０８のＣＰＯＸ反応器ゾーン４０９から回収された発熱の熱によって熱伝達ゾーン４０７内で加熱される。このように、コンジット４０４に導入された空気の温度は、周囲温度から何らかの予め設定された上昇温度内に増加されることができ、その特定の温度は、様々な設計、即ち、当業者が容易に認識できる構造及び動作ファクタによって影響を及ぼされる。

例えばマイクロポーラス又はアルミナ系耐火タイプの断熱部４１０は、これらのコンポーネントからの熱損失を減少するために、主コンジット４０４及びＣＰＯＸ反応ユニット４０８のＣＰＯＸ反応ゾーン４０９に対応するＣＰＯＸ反応ユニット４０８の部分の大部分を囲む。

加熱された空気が主コンジット４０４内で下流に流れると、その空気ストリームは、二つのストリームにスプリット、即ち、分割され、一方のストリームは、主コンジット４０４を流れ続け且つ他方のストリームは、ブランチコンジット４１１内に迂回させられ、そのブランチコンジット４１１から他方のストリームは、出て併合部４２１で主コンジット４０４に再び入り、そこで、第１の混合ゾーン４２０（第１の静的ミキサー及び／又は中に配置されたらせん状の溝を有する内壁表面）から通過した気化された燃料‐空気混合と併合される。併合されたガスは、次に、構造と動作が本明細書で十分に述べられるマニフォルド４２６のガス分配器４２７へのアウトレット４２５を通る導入のために極めて均一な組成のガス状ＣＰＯＸ改質反応混合物を提供するために、第２の混合ゾーン４２２（同様に、第２の静的混合物及び／又は中に配置されるらせん状の溝を有する内壁表面を有する）に入る。

望ましいＣＰＯＸ反応のための全量の空気を二つのストリームにスプリットすることによって、丁度気化された燃料を形成するために開始し且つ加熱された空気が組合い始める燃料‐空気混合物に含まれる気化された燃料成分の量は、空気成分の酸素含有量に比例して高く保たれることができ、従って、この非均一な初期の燃料‐空気混合物のある領域（単数又は複数）が、点火、その結果のコークの形成を支援するのに十分に高い酸素の濃度を含む可能性を排除又は減少する。初期の燃料‐空気混合物が第１の混合ゾーン内に配置された第１の静的ミキサーを通過して、それによって、比較的に高い酸素濃度の点火誘導領域の存在の可能性があまりない組成の均一度を達成すると、幾分より均一な燃料‐空気混合物は、次に、併合ゾーン４２１でブランチコンジット４１１を出る第２に加熱された空気ストリームと併合でき、それによって、望ましいＣＰＯＸ反応混合物の事前に設定されたＯのＣに対するモル比を満足する。この燃料‐空気混合物は、次に、混合物がマニフォルド４２６のガス分配器４２７に入る丁度前に、より組成的に均一なガス状ＣＰＯＸ反応混合物を提供するために、第２の混合ゾーン４２２内に配置された第２の静的ミキサーを通って流れることができる。

第１の加熱ゾーン４０５及び／又は熱伝達ゾーン４０７によって最初に加熱された空気の温度を上昇するために、最初に加熱された空気は主コンジット４０４内を下流に流れ続ける時、最初に加熱された空気は、第２のヒーターユニット４１３からの熱が供給される第２の加熱ゾーン４１２を通るように経路指定される。第２のヒーターユニット４１３は、比較的僅かに最初に加熱された空気の温度を上昇することだけを必要とするので、その第２のヒーターユニットは、本明細書で記述される燃料気化システムとその管状ＣＰＯＸ反応器ユニット４０８の機能動作の両方に関して改質器の正確且つ迅速な熱管理に資する空気温度における典型的に小さな調節を行うことができる増分ヒーターとして機能できる。

上述され且つここで及びディーゼル燃料によって本教示の他の実施形態で例示されたもののいずれかのような液体改質可能燃料は、主コンジット４０４内で終端する燃料ライン４１４を介して、液体燃料スプレッダーデバイス４１５、例えば、ウィック４１６又はスプレーデバイス（図示せず）に導入される。

液体燃料をＣＰＯＸ改質器４００に導入するための任意の従来の又は他の既知のポンプデバイス４１８、例えば、メータリングポンプ、ロータリポンプ、インペラーポンプ、ダイアフラムポンプ、ぜん動ポンプ、ジェローターのような容量変位型ポンプ、ギアポンプ、圧電ポンプ、界面動電ポンプ、電気浸透流ポンプ、毛細管ポンプ等がこの目的のために使用されることができる。上で指摘されたように、加圧液体燃料は、ウィックによって主コンジット４０４内で又は燃料インジェクタ、加圧されたノズル、アトマイザー（超音波タイプのものを含む）、噴霧器等のような従来の又は他の既知のスプレーデバイスのいずれかによって液滴形態に広げられることができる。第１及び第２のヒーターユニット４０６及び４１３及び燃料スプレッダーデバイス４１５は、主コンジット４０４内に導入された液体燃料を気化し且つ共に改質器４００の燃料気化器システムの主コンポーネントを構成するように一緒に機能できる。幾つかの実施形態では、ポンプ又はそれと等価なデバイスは、燃料を間欠的に又はパルス流の形で、又はほぼ連続流で送給できる。特定の実施形態では、ポンプ又はそれと等価なデバイスは、変化するＣＰＯＸ改質器動作要求に応答して燃料の流量を迅速に調整できる。

ＣＰＯＸ改質器４００は、動作のスタートアップモード中に液体燃料の気化を駆動するために任意の熱源、例えば、電気抵抗タイプのヒーター（ヒーター４０６と４１３の場合におけるような）を使用することができ、特に、そこでは、燃料の気化は、主コンジット４０４の外側で起こるように行われ、図４Ａに示される液体ＣＰＯＸ改質器の実施形態は、最初に加熱された周囲温度の空気の温度を増分的に上昇するのみならず、主コンジット４０４への導入に先立って液体燃料を加熱し且つ液体燃料がコンジットに入ると、その燃料を気化するための十分な熱を提供するためにヒーター４１３を使用する。主コンジット４０４への導入に先立って液体燃料を加熱するためのこのオプションの提供は、改質可能燃料がコンジット４０４に入る時に周囲温度にある所与の量の液体改質可能燃料に対して動作する同じ気化器システムより速く又は所与の時間期間内でのより大量の電液体燃料を気化することを可能とすることができる。

液体燃料が主コンジット４０４に入る前に且つ図４Ａに示される気化器システム、即ち、アセンブリに示されるように液体燃料の加熱を行うために、燃料ラインが主コンジット４０４の第２の加熱ゾーン４１２を通過する又はそれに近接している燃料ラインのセクション４１９が、その中を流れる燃料の滞留時間を延長するためにその長さが延長された状態で、燃料ライン４１４は、主コンジット４０４の壁を横断する。延長された燃料ラインセクションは、この目的のために様々な構成、例えば、第２の加熱ゾーン４１２に対応する主コンジット４０４の外表面上に又はそれに近接して配置された、コイル状又は渦巻き状巻線（図示のように）又は一連の長手方向の折り曲げ、又は第２の加熱ゾーン４１２に又はそれの近くのコンジットの内表面内に配置された任意の同様なそのような構成を取ることができる。その正確な構成及び／又は配置には関係なく、延長された燃料ラインセクション４１９は、中の燃料を温度のある予め設定された範囲内に上昇するのに十分な熱の量を受け取るように、第２の加熱ゾーン４１２に効果的熱伝達のために近接していなければならない。このように、このゾーン内を流れる空気を更に加熱することに加えて、主コンジット４０４の第２の加熱ゾーン４１２内のヒーター４１３の熱出力の一部は、燃料ライン４１４の先端セクション４１９内に流れる燃料、即ち、ディーゼル燃料に伝達し、燃料ライン４１４の先端セクションは、セクション４１９によって示されるように、長く延ばされる、即ち延長されることができ、それによって、その温度を予め設定された範囲内に上昇させる。燃料ライン内の液体燃料に対して、温度のどのような範囲が選択されようと、もしベーパーロック及びその結果の改質器４００のシャットダウンが回避されるべき場合には、燃料の沸点（ディーゼルの場合、１５０℃から３５０℃まで）を越えないようにすべきである。

本明細書で記述される液体燃料気化器では、ディーゼル燃料の温度をそのフラッシュポイント以上に上昇して、燃料の気化よりも寧ろ燃料の拡散を引き起こす及び／又はコーク形成を生じる燃料の熱分解を引き起こすリスクを課す、液体燃料が加熱された表面、例えば、電気抵抗ヒーター要素の加熱された表面と直接的に接触する機会がほとんど又は全くない。このように、図４Ａに示される気化器システムにおいて、ディーゼル燃料の温度は、重大な拡散やコーキングを生じることなくフラッシュポイント未満のレベルに容易に且つ確実に維持されることができる。

液体燃料スプレッダー４１５は、第２の加熱ゾーン４１２及び関連するヒーター４１３から下流で且つ第１の混合ゾーン４２０から上流の主コンジット４０４内に配置される。熱電対４２３は、中に形成することを始める気化された燃料‐空気混合物の温度を監視するために気化器から下流の主コンジット４０４内に配置される。

第２の混合ゾーン４２２内に配置された第２の静的ミキサーを通過することに続いて、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物は、アウトレット４２５を通って主コンジット４０４を出て、反応混合物のより均一な分配を管状ＣＰＯＸ反応器ユニット４０８に又はその中に提供するように構成されるマニフォルド４２６のガス分配器４２７に入る。本教示内のそのような配置又は他の配置は、任意の二つのＣＰＯＸ反応器ユニット内のガス状のＣＰＯＸ反応混合物の流量における差が約２０％以下、例えば、約１０％以下、又は約５％以下である、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物の分配を提供することができる。

マニフォルド４２６は、マニフォルドチャンバ４２９を画定するマニフォルドハウジング、即ち、囲み４２８を含み、マニフォルドチャンバ４２９内では、加熱されたガス状ＣＰＯＸ反応混合物（ガス）分配器４２７が主コンジット４０４のアウトレット４２５に接続されている。アウトレット４２５を通って主コンジット４０４を出る加熱されたＣＰＯＸ反応混合物は、ガス分配器４２７に入り、その後、ガス分配器の底又は下部に位置される孔（例えば、穴又はスロット）４３０を通して外側に通過し、次に、ガスは、分配器の外表面周りをその頂部又は上部に流れ、そこから管状ＣＰＯＸ反応器ユニット４０８のインレット４３１に入る。

マニフォルドチャンバ４２９の幾つかの領域（単数又は複数）及び／又は表面（単数又は複数）内の温度が、中に存在するガス状ＣＰＯＸ反応混合物の気化された液体改質可能燃料の濃縮温度以下に下降する可能性を排除又は減少するために、電気抵抗ヒーター４３２と熱電対４３３は、燃料濃縮温度を越えるチャンバ内の温度を維持するためのアクティブヒーターシステムを提供するために、マニフォルドチャンバ４２９内に、例えば、その壁の内の一つ以上に配置される又は壁の内の一つ以上に埋め込まれる。例えば、上述のように、アクティブヒーターシステムに加えて、又は、それの代替として、伝熱要素４３４を備えるパッシブ熱伝達システム、例えば、銅のような熱良導体から製造され且つ管状ＣＰＯＸ反応器ユニット４０８のＣＰＯＸ反応ゾーン４０９をマニフォルドチャンバ４２９と熱的にリンクする伝熱要素４３４を備えるパッシブ熱伝達システムが、中の気化された燃料の温度をその濃縮温度を越えて維持するようにＣＰＯＸ反応ゾーン４０９からの発熱の熱をマニフォルドチャンバ４２９内の領域及び／又は表面に運ぶために改質器４００内に配置されることができる。

燃料濃縮の発生を防止する又は最小にするそれらの機能に加えて、そのようなアクティブ及び／又はパッシブ加熱システムは、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物がＣＰＯＸ反応器ユニットのインレットに導入されるとガス状ＣＰＯＸ反応混合物の温度がより均一にされ、改質器動作と改質器制御の両方に対する結果としての利益を有する。このように、例えば、一方の又は両方のマニフォルド加熱システムは、任意の二つの管状ＣＰＯＸ反応器ユニットに入るガス状ＣＰＯＸ反応混合物の温度の差が約１０％以下である、例えば、差が約５％以下であるように、マニフォルドチャンバ全体を通して一貫して均一な温度のガス状ＣＰＯＸ反応混合物を提供するように動作されることができる。

ＣＰＯＸ反応器ユニット４０８へのガス状ＣＰＯＸ反応混合物のより均一な分配を促進する機能を達成するためにマニフォルド４２６の設計の最適化に影響を及ぼし得る幾つかの指定のファクタは、そのハウジング４２８の構成、そのチャンバ４２９の容量、及びその開口４３０の数、設計及び配置を含むガス分配器４２７の寸法を含む。一方、そのようなファクタは、コンジット内のガス状ＣＰＯＸ反応混合物の目標の流量、ＣＰＯＸ反応器ユニット４０８の数と配置、ＣＰＯＸ反応器ユニット４０８のインレット４３１の形状と寸法のような改質器設計及び動作ファクタ及び同様な考察に依存する。本教示に係る特定の液体ＣＰＯＸ改質器のための最適な燃料‐空気分配性能のマニフォルドは、方法を試験するルーチンを使用して当業者によって容易に構成されることができる。

マニフォルド４２６から、加熱されたガス状ＣＰＯＸ反応混合物がＣＰＯＸ反応器ユニット４０８のインレット４３１に入り、ＣＰＯＸ反応ゾーン４０９に入り、そこでは、反応混合物は、水素リッチ一酸化炭素含有改質油を生成するためにガス相ＣＰＯＸ反応を受ける。スタートアップモードで、一つ以上の点火器（単数又は複数）４３５がＣＰＯＸを開始する。ＣＰＯＸが自立した後に、例えば、反応ゾーンの温度が約２５０℃から約１１００℃に達すると、点火器（単数又は複数）は、そこでは自立発熱ＣＰＯＸ反応を維持するために外部点火が最早要求されないので、シャットダウンされることができる。

液体改質可能燃料を処理することに加えて、液体及びガス状の燃料両用の改質器４００は、ガス状改質可能燃料を選択的に処理することを可能にする構造的コンポーネント、即ち、例えば、必ずしも同時ではないが、両方のタイプの改質可能燃料が利用可能である場合に、又は、続く液体燃料による動作の高温スタートアップモードを容易にするために、燃料管理を最適化する能力を含む。この比較的短い期間のガス状燃料ＣＰＯＸ改質で、液体燃料ＣＰＯＸ改質の高温スタートアップモードへの移行及び液体燃料ＣＰＯＸ改質の定常状態モードへの素早い進行のためのＣＰＯＸ反応器の準備をすることが出来る。

図４Ａに示されるように、改質器４００は、ガス状改質可能燃料ライン４４１及びガス状燃料インレット４４２を含み、これらを介して、メタン又は天然ガス又はプロパン等のガス状燃料が、遠心ブロワーシステム４０２とインレット４０３より下流であり且つ混合ゾーン４３７内に配置された静的ミキサー４３６より上流である箇所で主コンジット４０４に導入される。ガス状燃料は、混合ゾーン４３７を通過することによって、先に導入された周囲温度空気と結びつき、結果としてのガス状燃料‐空気混合物が、次に、第１の加熱ゾーン４０５を通過してＣＰＯＸ反応温度に加熱され、その後、ＣＰＯＸ反応器ゾーン４４３（熱伝達ゾーン４０７と本質的に一致する）内に入る。

ガス透過可能ＣＰＯＸ触媒含有支持体４４４、例えば、多孔耐火金属及び／又はセラミック材料として提供されるぴったりと合うスリーブ、インサート、ライニングやコーティングは、主コンジット４０４のＣＰＯＸ反応器ゾーン４４３内に配置され且つ熱伝達ゾーン４０７の長手の少なくとも一部、又は全長に亘って延在する。ＣＰＯＸを開始するために十分な温度まで動作の定常状態モード中に第１の加熱ゾーン４０５内で加熱された、又は動作の定常状態モード中に加熱ゾーン４０７内でＣＰＯＸ始動温度に加熱された燃料‐空気混合物は、水素リッチ改質油を提供するためにＣＰＯＸ触媒含有支持体４４４と接触してＣＰＯＸを受ける。

主コンジット４０４の熱伝達ゾーン４０７内にガス透過可能ＣＰＯＸ触媒含有支持体４４４を設けることによって、ディーゼルのような液体改質可能燃料の効率がより低いＣＰＯＸ変換のより高い温度状態（例えば、約６５０℃から１，１００℃）に対比してガス燃料の効率がよりよいＣＰＯＸ変換の典型であるより穏当な温度条件下（例えば、約６００℃から８５０℃）でガス状燃料のＣＰＯＸが中で進行できる。上述のより低い温度でのＣＰＯＸ触媒含有支持体４４４内でガス状燃料ＣＰＯＸ改質を行うことは、（主）コンジット及びＣＰＯＸ反応器ユニットの表面上で燃料の熱分解及びその結果のコーク形成のリスクを減少する大きな利点を有する。そのような事象は、生じてＣＰＯＸ改質器欠陥に至る可能性がより高く、それらは、気化された燃料‐空気混合物の導入と共に又はそれに続いてガス状燃料がＣＰＯＸ反応ゾーンに直接に添加されるためである。従って、本明細書におけるＣＰＯＸ改質器では、ガス状燃料の単独の処理から移行し、液体改質可能燃料ＣＰＯＸ変換の期間の後にガス状燃料の単独の処理に再び戻ることが、ＣＰＯＸ改質器及びその適切な機能の完全性に対するリスクがなく容易に且つ円滑に達成されることができる。

開口ガス流通路は、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物とその中の水素含有改質油の実質的に滑らかな流れを可能とし、本教示のＣＰＯＸ反応器ユニットの構造的特徴は、本教示の液体燃料ＣＰＯＸ改質器の動作の特徴である低い背圧に寄与する。本教示に係る液体燃料ＣＰＯＸ改質器の動作において、約３水柱インチ以下の背圧（０．００７５バール）、例えば、約２水柱インチ以下、又は約１水柱インチ以下の背圧は、容易に達成されることができる。

前述のように、管状ＣＰＯＸ反応器ユニット４０８のガス透過可能壁を通過する及び越える拡散による水素の損失を防止する又は抑制するために、水素バリアが、ＣＰＯＸ反応ゾーン４０９に対応するＣＰＯＸ反応器ユニットの長手の少なくともその部分に対してガス透過可能壁の外表面に取り付けられることが有利である。効果的な水素バリアとして機能できる材料は、ＣＰＯＸ反応の典型である高温で熱的に安定であるべきであり、ＣＰＯＸ反応ゾーン４０９に対応するそのすべての材料の外表面を越えて改質油ガス、特に水素が浸透又は拡散することを防止又は阻止するために十分に密であるべきである。

これらの要求を満足する様々なセラミック材料（ガラス及びガラスセラミックスを含む）及び金属は、既知であり、従って、水素バリアを提供するために適する。水素バリアのための特定の材料は、例えば、アルミニウム、ニッケル、モリブデン、錫、クロム、アルミナ、再結晶アルミナ、アルミナイド、アルミノケイ酸塩、チタニア、炭化チタン、窒化チタン、窒化ボロン、酸化マグネシウム、酸化クロム、リン酸ジルコニウム、セリア、ジルコニア、ムライト等、それらの混合物及びそれらの層状の組合せを含む。

管状ＣＰＯＸ反応器ユニットの反応ゾーンの触媒アクティブ壁構造体が製造されることができる材料は、そのような壁構造体が高温且つＣＰＯＸ反応の酸化力のある環境特性下で安定していることを可能とする材料である。従来及び他の既知の耐火性金属、耐火性セラミックス、及びそれらの組合せは、ＣＰＯＸ反応ゾーンの触媒アクティブ壁構造体の構成のために使用されることができる。これらの材料の幾つか、例えば、ペロブスカイトは、また、部分酸化に対する触媒活性を有し、従って、ＣＰＯＸ反応ゾーンの触媒アクティブ壁構造体の製造のために使用されることができるのみならずそのような構造体に対してＣＰＯＸ触媒の一部又はそれの全てにも供給することができる。

本明細書で利用されることができる多くの既知で従来のＣＰＯＸ触媒としては、金属、金属合金、金属酸化物、混合金属酸化物、ベロブスカイト、パイロクロール、例えば、米国特許第５，１４９，１５６号明細書、第５，４４７，７０５号明細書、第６，３７９，５８６号明細書、第６，４０２，９８９号明細書、第６，４５８，３３４号明細書、第６，４８８，９０７号明細書、第６，７０２，９６０号明細書、第６，７２６，８５３号明細書、第６，８７８，６６７号明細書、第７，０７０，７５２号明細書、第７，０９０，８２６号明細書、第７，３２８，６９１号明細書、第７，５８５，８１０号明細書、第７，８８８，２７８号明細書、第８，０６２，８００号明細書、及び第８，２４１，６００号明細書に開示された様々なものを含む、それらの混合物及びそれらの組合せがあり、これらの明細書の全体の内容は、参照によって本明細書に組み込まれる。

多数の高活性貴金属含有ＣＰＯＸ触媒が既知であり、且つそのようなものがここでは有用であるが、それは、一般的に、それらの高いコスト、高温で焼結した結果触媒活性の減少を受ける傾向、及び硫黄による汚染への傾向に起因して他の既知のタイプのＣＰＯＸ触媒よりも使用されない。

ペロブスカイト触媒は、それらが、また、ＣＰＯＸ改質器ユニットの触媒活性壁構造体の構成に適するので、本教示において有用であるＣＰＯＸ触媒のクラスである。ペロブスカイト触媒は、「Ａ」と「Ｂ」が非常に異なるサイズの陽イオンであり、「Ｘ」は、両陽イオンに接合する陰イオン、一般的には、酸素である、構造ＡＢＸ_３によって特徴付けられる。適切なペロブスカイト触媒の例は、ＬａＮｉＯ_３、ＬａＣｏＯ_３、ＬａＣｒＯ_３、ＬａＦｅＯ_３及びＬａＭｎＯ_３を含む。

ペロブスカイトのＡ部位変更は、一般的に、それらの熱安定性に影響を及ぼし、他方、Ｂ部位変更は、一般的に、それらの触媒活性に影響を及ぼす。ペロブスカイトは、それらのＡ及び／又はＢ部位でドーピングを行うことで特定のＣＰＯＸ反応状態に対して適合変更されることができる。ドーピングによって、ペロブスカイト格子内の活性ドーパントの原子レベルの分散が生じ、それによって、それらの触媒性能における劣化を禁止する。また、ペロブスカイトは、ＣＰＯＸ改質の高温特性での硫黄に対する良好な許容範囲を示すことができる。ＣＰＯＸ触媒として有用なドープされたベロブスカイトの例は、Ｌａ_１−ｘＣｅ_ｘＦｅＯ_３、ＬａＣｒ_１−ｙＲｕ_ｙＯ_３、Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＡｌ_１−ｙＲｕ_ｙＯ_３及びＬａ_１−ｘＳｒ_ｘＦｅＯ_３を含み、ここでは、ｘとｙは、ドーパントの固溶限界とコストに依存して、０．０１から０．５まで、０．０５から０．２までの数である。

代替として又はＣＰＯＸ反応器のアウトレットの接続と組み合わせて、多管状ＣＰＯＸ改質器の二つ以上のＣＰＯＸ改質器ユニットのアウトレットは、互いに（及びＣＰＯＸ改質器ユニットの追加のアウトレットと）流体連通状態にあることができ、それらのアウトレットからの水素リッチ改質油は、燃料セルへの導入に先立って混合されることができる。例えば、二つ以上の多管状ＣＰＯＸ改質器からの水素リッチ改質油流出物は、マニフォルド又は同様のデバイス及び／又は一つ以上のコンジット内で組み合わされることができ、次に、多管状燃料セル又は単一の燃料セルユニットであり得る燃料セルに導入される。従って、本教示のＣＰＯＸ改質器は、そのエンド使用、例えば、水素リッチ改質油を単一の又は多管状燃料セルユニットに提供することに依存する様々な用途に適合されることができる。

図１Ｂに示すＣＰＯＸ改質器１５０の複数遠心ブロワーシステム１５２及び図４Ｂに示すＣＰＯＸ改質器５００の複数遠心ブロワーシステム５０１。その他の利点の内、この構造の複数遠心ブロワーシステムは、同等の空気流容量の単一の遠心ブロワーでは、ここで説明されるように、比較的に高い電力消費のブロワーに頼らなければ提供することができない生産物水素リッチ改質油の需要の変化に応じて、コンジットに導入される空気の容量及び／又はガス状燃料‐空気混合物のＣＰＯＸ反応器ユニットへの流量を迅速に調整する能力を有する。

図５のＣＰＯＸ改質器５００は、主に、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物の空気成分及び／又は液体改質可能燃料成分が改質器の動作の定常状態モード時に加熱される点で図４ＡのＣＰＯＸ改質器４００と異なる。ＣＰＯＸ改質器５００において、遠心ブロワーシステム５０１によって提供される周囲温度の空気の加圧流は、熱交換流体、例えば、燃料セルスタック（図示せず）のアフターバーナーセクションのような外部熱生成源からのホットガスが循環される熱交換器５０２内に導入され、それを通過する。この配置は、改質器の動作の定常状態モード時に改質器に入る周囲空気が、主コンジット４０４の熱伝達ゾーン４０７を通過し、ＣＰＯＸ反応器ユニット４０８のＣＰＯＸ反応ゾーン４０９内に発生するＣＰＯＸ反応の発熱から回収された熱によってゾーン４０７内で加熱される図４ＡのＣＰＯＸ改質器４００において空気を加熱することに関する規定と異なる。加えて、燃料ラインセクション４１４内を流れる燃料がヒーター４１３によって加熱される図４Ａの燃料加熱システムとは対照的に、ＣＰＯＸ改質器５００において、燃料ラインの一セクションは、燃料の気化に先立って、燃料の加熱を同様に提供するために、熱交換器５０２を通るように経路付されることができる。全ての他の態様においては、ＣＰＯＸ改質器５００は、ＣＰＯＸ改質器４００と本質的に同じように動作できる。

図６Ａ及び図６Ｂは、気化されたディーゼル燃料‐空気ＣＰＯＸ反応混合物の酸素（Ｏ）対炭素（Ｃ）のモル比とＣＰＯＸ反応温度との間の関係を実証するグラフデータを提示する。そのデータが示すように、ＣＰＯＸ反応混合物のＯ対Ｃのモル比は徐々に減少する、即ち、反応混合物が、比較的に炭素リーンなものから比較的に炭素リッチなものへ調整されると、ＣＰＯＸ反応温度が低下する。これらのデータは、本教示に係る液体及びガス状の燃料両用のＣＰＯＸ改質器の最適化動作のための幾つかの含蓄を保持している。

ＣＰＯＸ触媒の迅速な加熱、従って、ガス相ＣＰＯＸ反応のオンセットを促進するために、より高いＯ対Ｃモル比を有するガス状ＣＰＯＸ反応混合物（即ち、燃料リーン反応混合物）は、改質器の動作のスタートアップモード中に利用されることができる。燃料リーンＣＰＯＸ反応混合物に関連するより高い動作温度は、ＣＰＯＸ触媒温度におけるより迅速な上昇と定常状態動作への時間の減少を促進し得る。加えて、燃料リーン比は、ＣＰＯＸ触媒がその最適な温度を達せし且つ十分に活性化される前にコーク形成を禁止するのを助ける傾向がある。ＣＰＯＸ触媒が、約６５０℃以上の温度に達すると、Ｏ対Ｃのモル比は、燃料流が増加されると、減少されることができる。Ｏ対Ｃのモル比の減少によって、触媒温度を低下し且つＣＰＯＸ反応器ユニット、つまり、燃料気化器ユニットの温度制御を失うことなくより多くの燃料が処理されることができる。反対の動作が、シャットダウン動作に対して取られることができる、即ち、燃料流は、維持されたＯ対Ｃのモル比で減少される。改質器のＣＰＯＸ反応ゾーン（単数又は複数）の温度がコーク形成を生じる温度、例えば、約６５０℃未満に近接する又はそれ未満に低下すると、Ｏ対Ｃのモル比は、ＣＰＯＸ触媒が不活性になるようにコーク形成を防止又は最小にするように増加されることができる。典型的には、ＣＰＯＸ改質器は、ＣＰＯＸ反応混合物の温度が約５００℃未満に低下する時にシャットダウンされる。酸素含有ガスの流れは、約１５秒から約２０秒まで継続されることができ、その後、燃料流は中断された。このようなシャットダウン手順によって、コンジット又は燃料制御バルブとコンジットへの燃料の導入の位置との間の燃料ラインのセクション内に含まれることができる、改質器からの燃料の気化と除去を可能とすることができる。この制御特性は、特定の改質器設計において利用される特定の気化器システム及びコントローラユニットコンポーネントを含む様々な改質器コンポーネントによって影響を及ぼされ得る。

燃料‐空気ＣＰＯＸ反応混合物のＯ対Ｃのモル比は、混合物の出力熱状態を調整する動作中に制御されることができ、Ｏ対Ｃのモル比の変化が改質油の品質及び／又は組成に対する変化となり得る。ＣＰＯＸ温度が約６５０℃を越えるように上昇すると、燃料リーンから燃料リッチへシフトするＯ対Ｃのモル比の範囲がある。異なるＣＰＯＸ触媒は、動作ウインドウ及びＣＰＯＸ温度に影響を及ぼし得る。加えて、異なる燃料（ガス状又は液）は、改質反応の効率に依存してＣＰＯＸ温度を変化し得る。

本明細書で記述された液体燃料ＣＰＯＸ改質器の様々な実施形態及び改質器の動作の原理を考慮して、当業者は、通常の実験手順を使用することによって、本教示に従って、望ましい液体改質可能燃料変換能力、望ましい構造的特徴及び望ましい機械的特性の特定の改質器の設計を容易に最適化できる。

更に本教示に従って、スチームは、改質器がオートサーマル及び／又はスチーム改質反応（単数又は複数）を実行するように動作可能であるように改質器内に導入されることができる。

一実施形態では、改質器は、液体又はガス状改質可能燃料のＣＰＯＸ改質を実行するために最初に動作されることができ、それによって、例えば、電気ヒーターによって供給される追加の熱と共に又はその追加の熱無しで、スチーム発生器内でスチームを生成するために回収されることができる発熱の熱を提供する。このように発生されたスチームは、改質器の内の一つ以上の位置で改質器に導入されることができる。一つの適切な配置は、スチームが熱を提供して液体燃料を気化できる気化器である。例えば、図４に示される改質器４００におけるウイック４１５内に導入されたスチームは、ウイック表面の液体燃料を気化するための熱を提供することができると同時にそのような表面のクロッギングを排除する又は抑制することを助ける。

他の一実施形態では、本教示に係る改質器は、燃料セルスタックに接続されることができ、そこでは、改質器からの水素リッチ改質油が電流に変換される。燃料セルスタックの動作及び関連するアフターバーナーユニットを示す場所は、電気ヒーターによって供給される熱のような追加の熱と共に又はその熱無しに、スチーム発生器の動作のために再び回収され且つ利用されることができる廃熱源（単数又は複数）を提供できる。スチーム発生器からのスチームは、次に、オートサーマル改質又はスチーム改質を支援するために、例えば、図４の改質器４００のウイック４１５を通して改質器に導入される。統合された改質器と燃料セルスタックのこの配置において、参照される廃熱源（単数又は複数）は、オートサーマル改質プロセス及びスチーム改質プロセスに含まれる吸熱反応（単数又は複数）を駆動するために必要な熱を供給できる。

要約すると、本教示の送出システムは、触媒部分酸化（「ＣＰＯＸ」）改質のような部分酸化（「ＰＯＸ」）改質、スチーム改質、及びオートサーマル（「ＡＴ」）改質を含む改質反応を実行するための適切な反応物を送出することができることが理解されるべきである。液体改質可能燃料のような液体反応物及び水は、送出システムの「液体質可能燃料」送出コンポーネント、コンジット、及びアセンブリから及びそれらを通して送出されることができる。ガス状改質可能燃料のようなガス状反応物、スチーム及び空気のような酸素含有ガスは、送出システムの「ガス状改質可能燃料」送出コンポーネント、コンジット、及びアセンブリから及びそれらを通して送出されることができる。スチーム及び酸素含有ガスのような特定のガス状反応物は、本教示の送出システムの周りへの又はそれに続くコンポーネント及びアセンブリから及びそれらを通して送出されることができ、例えば、酸素含有ガスは、例えば、改質に先立って、液体改質可能燃料及び／又は気化された液体改質可能燃料と混合するために、気化器、改質器、及び燃料セルユニット又はシステムの燃料セルスタックの内の少なくとも一つと独立して動作可能な流体連通状態にある酸素含有ガス源から送出されることができる。

本教示は、その精神又は本質的な特徴から逸脱することなく他の特定の形態の実施形態を包含する。従って、前述の実施形態は、本明細書で記述された本教示を制限するのではなくその例証となる全てに関して考察されるべきである。このように、本発明の範囲は、前述の記載によってではなくて添付の特許請求の範囲によって指摘され、特許請求の範囲の等価の意味と範囲内で生じる全ての変化は、特許請求の範囲内に包含されることが意図される。

Claims (17)

1. 液体及びガス状の燃料両用の改質器であって、
   液体燃料ガス相改質反応ゾーン、
   ガス状燃料ガス相改質反応ゾーン、
   酸素含有ガスインレット、前記酸素含有ガスインレットから下流に配置された液体燃料インレット、前記酸素含有ガスインレットから下流に配置されたガス状燃料インレット、又は前記酸素含有ガスインレットから下流に配置された酸素含有ガス及びガス状燃料改質反応混合物インレット、第１のヒーターに熱的に連結されて前記酸素含有ガスインレットから下流に配置された第１の加熱ゾーン、内部及び／又は外部の熱源に熱的に連結されて前記酸素含有ガスインレットから下流に配置された第２の加熱ゾーン、液体燃料気化器、及び前記液体燃料及びガス状燃料の改質反応ゾーンとガス流連通状態にあるガス状改質反応混合物アウトレットを備えるガス流コンジット、
   前記液体及びガス状燃料の改質反応ゾーンの夫々と熱連通状態にあるガス状改質反応混合物点火器システム、及び
   前記液体燃料ガス相改質反応ゾーンと流体連通状態にある水素リッチ改質油アウトレットを備える液体及びガス状の燃料両用の改質器。
2. 第２のヒーターに熱的に連結された第３の加熱ゾーンを更に備える請求項１に記載の改質器。
3. 前記第１及び第２のヒーターは電気ヒーターである請求項２に記載の改質器。
4. 前記第１及び第２のヒーターは電気抵抗ヒーターである請求項２に記載の改質器。
5. 前記第２の加熱ゾーンは、前記液体燃料及び／又はガス状燃料改質反応ゾーンを備える外部の熱源に熱的に連結される請求項１〜４のいずれか１項に記載の改質器。
6. 前記第２の加熱ゾーンは、燃料セル及び燃料セルアフターバーナーよりなる群から選択される少なくとも一つの外部の熱源に熱的に連結される請求項１〜５のいずれか１項に記載の改質器。
7. 酸素含有ガスインレット及びガス状燃料インレットが共にガス状燃料改質反応混合物インレットを形成する請求項１〜６のいずれか１項に記載の改質器。
8. 前記液体燃料及びガス状燃料の改質反応ゾーンが共に共通の液体燃料及びガス状燃料の改質反応ゾーンを形成する請求項１〜７のいずれか１項に記載の改質器。
9. 前記コンジットの前記ガス状改質反応混合物アウトレットは、前記液体燃料改質反応ゾーンとガス流連通状態にあり、前記ガス状燃料改質反応ゾーンは、前記コンジットが前記第２の加熱ゾーンに近接した状態又は少なくとも部分的に一致した状態で配置される請求項１〜７のいずれか１項に記載の改質器。
10. 前記ガス流コンジットは、上流セクション及び下流セクションを備え、前記コンジット内には、前記上流セクションから下流セクションへ、順に、前記酸素ガス含有インレット、ガス状燃料インレット又は酸素含有ガス及びガス状燃料改質反応混合物インレット、第１の加熱ゾーン、第２の加熱ゾーン、第３の加熱ゾーン、液体燃料気化器、及びガス状改質反応混合物アウトレットが配置される請求項２〜７のいずれか１項に記載の改質器。
11. 前記ガス流コンジットは、上流セクション及び下流セクションを備え、その中に、前記上流セクションから下流セクションへ、順に、前記酸素ガス含有インレット、第１の加熱ゾーン、第２の加熱ゾーン、第３の加熱ゾーン、液体燃料気化器、ガス状燃料インレット又は酸素含有ガス及びガス状燃料インレット、及びガス状改質反応混合物アウトレットが配置される請求項２〜７のいずれか１項に記載の改質器。
12. 前記ガス流コンジットは、上流セクション及び下流セクションを備え、前記コンジット内には、その上流セクションから下流セクションへ、順に、前記酸素含有ガスインレット、ガス状燃料インレット又は酸素含有ガス及びガス状燃料改質反応混合物インレット、前記第２の加熱ゾーンに近接した、又は少なくとも部分的に一致したガス状燃料改質反応ゾーン、第３の加熱ゾーン、液体燃料インレット、液体燃料気化器、及びガス状改質反応混合物アウトレットが配置される請求項９に記載の改質器。
13. 前記ガス流コンジットは、上流セクション及び下流セクションを備え、前記コンジット内には、その上流セクションから下流セクションへ、順に、前記酸素ガス含有インレット、ガス状燃料インレット又は酸素含有ガス及びガス状燃料改質反応混合物インレット、第１の加熱ゾーン、第２の加熱ゾーン、第３の加熱ゾーン、液体燃料気化器、及び前記共通の液体燃料及びガス状燃料改質反応ゾーンとガス流連通状態にあるガス状改質反応混合物アウトレットが配置される請求項８に記載の改質器。
14. 前記ガス流コンジットは、上流セクション及び下流セクションを備え、前記コンジット内には、その上流セクションから下流セクションへ、順に、前記酸素ガス含有インレット、第１の加熱ゾーン、第２の加熱ゾーン、第３の加熱ゾーン、液体燃料気化器、ガス状燃料インレット又は酸素含有ガス及びガス状燃料改質反応混合物インレット、及び前記共通の液体燃料及びガス状燃料改質反応ゾーンとガス流連通状態にあるガス状改質反応混合物アウトレットが配置される請求項８に記載の改質器。
15. 改質反応ゾーンがＣＰＯＸ触媒を含有する請求項１〜１４のいずれか１項に記載の改質器。
16. コントローラを備える請求項１〜１５のいずれか１項に記載の改質器。
17. 前記ガス状改質反応混合物点火器システムは、前記液体燃料改質反応ゾーンと熱連通状態にある第１の点火器及び前記ガス状燃料改質反応ゾーンと熱連通状態にある第２の点火器を含む請求項１〜１６のいずれか１項に記載の改質器。

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