JP4065235B2 - 燃料電池改質器用の水蒸気転移装置 - Google Patents

Description

本発明は、炭化水素燃料から水素を生成するための改質器に関する。そのような改質器は、発電装置の燃料電池用水素を生成するのに用いられる。厳密には、本発明は、改質器により生成された水素を含む改質油から、改質器への燃料／空気の入力へと水蒸気を転移し戻す装置を有する改質器に関する。

燃料電池は、化学物質を還元及び酸化する反応から生じる電気化学エネルギーを、電気に変換する装置である。燃料電池は、電源として様々な用途に利用されており、他の電気エネルギー源を上回る、優れた効率、信頼性、耐久性、コスト及び環境面での有利性のような重要な利点を提供することができる。特に、燃料電池を電力源とする電気モーターを、内燃機関に代えて、乗用車及びその他の車両に使用するよう提案されている。

燃料電池は、還元及び酸化材料として通常は水素と空気を利用し、電気エネルギーと水とを生成する。電池は、一般的に、電解質で隔てられたアノード（陰極）とカソード（陽極）を備えている。アノード（負極）には水素が供給され、カソード
（陽極）には酸素（又は空気）が供給される。水素ガスは、アノード（陰極）で電子と水素イオン（陽子）に分離される。水素イオンは、電解質を通ってカソード（陽極）へ至り、電子は、電力回路（例えばモーター）を通ってカソード（陽極）へ移動する。カソード（陽極）で、水素イオン、電子、酸素が結合して水になる。アノード（陰極）及びカソード（陽極）での反応は、触媒、通常はプラチナで促進される。

燃料電池のアノード（陰極）及びカソード（陽極）は、電解質で隔てられている。燃料電池には幾つかのタイプがあり、各電池は、異なる電解質システムを組み込んでおり、それぞれ所与の商業的用途に特化して適する利点を有している。１つのタイプは、陽子は通すが電子は通さない薄いポリマー膜を使用する陽子交換膜（ＰＥＭ）燃料電池である。特にＰＥＭ燃料電池は、他の燃料電池システムに比べ高出力で軽量なため、自動車に用いるのに非常に適している。

ＰＥＭ燃料電池の膜は、膜の一方の面にアノード（負極）を有し、他方の面にカソード（陽極）を有する膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）の一部である。膜は、通常、過フッ化スルホン酸のようなイオン交換樹脂で作られている。ＭＥＡは、アノード（負極）及びカソード（陽極）用の電流コレクターとして働く一対の導電要素に挟まれており、燃料電池の気体反応体を各アノード（負極）及びカソード（陽極）触媒の表面に分配するための適切なチャネル及び／又は開口部を含んでいる。

アノード（負極）及びカソード（陽極）は、通常、炭素粒子上に担持され、陽子伝導性樹脂と混ぜ合わされた微細な触媒粒子を備えている。触媒粒子は、通常、プラチナのような貴金属の粒子である。従って、そのようなＭＥＡは、製造するのに比較的費用が掛かり、膜及び触媒の劣化を防ぐために作動条件を制御する必要がある。これらの条件には、適切な水の管理及び湿気と、一酸化炭素のような触媒汚染成分の制御が含まれる。代表的なＰＥＭ燃料電池及びＭＥＡについては、１９９３年１２月２１日Ｓｗａｔｈｉｒａｊａｎ他に発行された米国特許第５，２７２，０１７号、及び１９９４年５月３１日Ｓｗａｔｈｉｒａｊａｎ他に発行された米国特許第５，３１６，８７１号に記載されている。

個々の電池からの電圧は僅か約１ボルトである。従って、車両及び他の商業的用途の高出力要件を満たすため、複数の電池が直列に連結される。この連結は、通常、水素及び酸素（空気）反応体の流れと放出流とを導くための経路を有する電気絶縁フレームで囲まれた「スタック」状に配置される。酸素と水素の反応は熱も生成するので、燃料電池のスタックは冷却する必要もある。複数の電池をスタック状に配置することについては、１９９８年６月９日Ｍｅｌｔｓｅｒ他に発行された米国特許第５，７６３，１１３号及び２０００年８月８日Ｒｏｃｋに発行された米国特許第６，０９９，４８４号に記載されている。

多くの用途では、メタン（天然ガス）、メタノール、ガソリン又はディーゼル燃料のような容易に入手できる炭化水素燃料を、燃料電池用水素源として利用するのが望ましい。そのような燃料は、比較的保管し易く、供給に関して既存の商業的インフラストラクチャーがある。車両用途には、ガソリンのような液体燃料が特に適している。しかし、燃料電池に燃料を補給するには、炭化水素燃料を解離して水素ガスを放出させねばならない。水素を供給するための発電装置燃料プロセッサは、１つ又は複数の反応器即ち「改質器」を含んでおり、そこで燃料が水蒸気及び時には空気と反応して、主に水素と二酸化炭素から成る反応生成物を作り出す。

一般的に、再生システムには、水蒸気改質器と自熱式改質器の２つのタイプがある。各システムは、多かれ少なかれ、特定の種類の燃料及び特定の用途で使うのに適した作動特性を有している。水蒸気改質では、炭化水素燃料（通常はメタン又はメタノール）と（水蒸気としての）水を反応させて、水素と二酸化炭素を作る。この反応は吸熱性で、加熱を必要とする。好適なシステムでは、この熱は、改質油が燃料電池のスタックを通過した後も反応しないで残っている水素を燃焼させる燃焼器によって供給される。

自熱式改質過程で、炭化水素燃料（通常はガソリン）、水蒸気及び空気が、２つの反応を実行する一次反応器へ供給される。１つの反応は、空気が燃料と反応して発熱する部分的酸化反応であり、もう１つの反応は、（水蒸気改質としての）吸熱性水蒸気改質反応である。発熱反応からの熱を吸熱反応で使用するので、外部熱源の必要性が最小になる。

水蒸気改質及び自熱式改質の両方で、反応の副産物は一酸化炭素である。不都合なことに、一酸化炭素は、燃料電池、特にＰＥＭ燃料電池の作動を低下させる。従って、一次反応器の下流の反応器では、水素濃厚改質油内の一酸化炭素濃度を、燃料電池スタック内で許容できるレベルにまで下げなければならない。下流反応器には、水／ガス転化（ＷＧＳ）反応器と選択酸化剤（ＰｒＯｘ）反応器がある。ＷＧＳ反応器は、触媒作用によって、二酸化炭素と水を水素と二酸化炭素に変換する。ＰｒＯｘ反応器は、空気からオキシダントとして酸素を使って、一酸化炭素を酸化し二酸化炭素を作る。ＰｒＯｘ反応器へ送る空気は、水素が酸化して水へなるのを最小に抑えながら一酸化炭素を選択的に酸化するように制御するのが重要である。

炭化水素燃料を解離させてＰＥＭ燃料電池で消費される水素濃厚改質油を作る燃料電池システムは、当該技術分野では既知である。そのようなシステムは、２０００年６月２０日Ｐｅｔｔｉｔに発行された米国特許第６，０７７，６２０号、２０００年２月２日Ｓｋａｌａ他に発行された欧州特許第９７７，２９３号、及び１９８７年３月１７日Ｖａｎｄｅｒｂｏｒｇｈ他に発行された米国特許第４，６５０，７２７号に記載されている。

乗用車及び他の車両での炭化水素改質油燃料電池システムの利用に関しては、特別な関心が寄せられている。上に述べたように、容易に入手できる液体燃料を使用するのが望ましいことに加えて、改質器と燃料電池のシステムは、比較的軽量でなければならず、様々な周囲の条件の下で（例えば、或る温度及び湿度条件の下で）効率的に作動できなければならない。更に、改質器と燃料電池のシステムは、車両の始動後、短い時間内で動力を作り出せるように、迅速に始動できなければならない。従って、改質器のために反応体成分を加熱する量を最小にするのが望ましい。更に、システム内で取り扱わねばならない液体の水の量を、特にシステム内の水を補給しなくてもよいよう最小にすることが望ましい。

先に述べたように、改質油燃料電池システム内には水を必要とする幾つかの構成要素があり、具体的には、反応体として水蒸気を必要とする改質器と、ＷＧＳ反応器と、適切に機能するためにＭＥＡの加湿を必要とする燃料電池である。燃料電池システム内の水収支を高める一般的な方法は、システム内の様々な点で復水熱交換器を用いることである。例えば、熱交換器を改質器の下流で用いて、改質排気を露点温度以下まで冷却し、水に凝結させる。水は、気体改質油と分離してリザーバーに保管される。次いで、水は改質器に戻され、そこで加熱され水蒸気を作る。熱交換器は、燃料電池の陰極を出る排出流を冷却するのにも用いて、水を凝結し、それを使ってＭＥＡを加湿する。しかしながら、熱交換器の利用には問題もある。例えば、周囲温度が上がると、熱交換器の水回収効率は低下する。液化熱を放散するために、大型のラジエーターが必要になる。更に、熱交換器によって凝結した液体は、システム内で再利用するために蒸発させなければならないので、追加のエネルギー負荷が生じ、システムの効率が悪くなる。

燃料電池システム内の水の収支の必要性に取り組む試みは、当該技術分野では既に説明されている。例えば、１９９３年７月２９日Ｓｔｒａｓｓｅｒに発行された独国特許第４２０１６３２号、１９９９年１２月２８日Ｆｕｌｌｅｒ他に発行された米国特許第６，００７，９３１号、及び２０００年１月１１日ＤｕＢｏｓｅに発行された米国特許第６，０１３，３８５号である。しかしながら、当該技術分野で既知の水管理システムは、真の水収支を広範囲な作動条件に亘って維持できないという能力上の問題、機械の複雑さ及び信頼性、システムエネルギー要件の増大、及び潜在的な安全性の課題、のような問題があるために、これらの必要性に適切に取り組んでいるとは言えない。
米国特許第５，２７２，０１７号 米国特許第５，３１６，８７１号 米国特許第５，７６３，１１３号 米国特許第６，０９９，４８４号 米国特許第６，０７７，６２０号 欧州特許第９７７，２９３号 米国特許第４，６５０，７２７号 独国特許第４２０１６３２号 米国特許第６，００７，９３１号 米国特許第６，０１３，３８５号

本発明は、改質器の放出流から抽出された水蒸気が供給される炭化水素燃料改質器を提供する。従って、本発明は、炭化水素燃料から水素を生成するための発電装置燃料プロセッサにおいて、
（ａ）オキシダント、水及び炭化水素燃料を使って水素を生成するための反応器と、
（ｂ）水蒸気を、前記反応器によって生成された改質油から、前記反応器に用いられるオキシダントへ転移する、水転移膜を備えている水転移装置と、を備えている燃料プロセッサを提供する。

そのような水転移装置は、当該技術分野で既知の水管理システムに勝る重要な利点をもたらすことが分かっている。特に、そのようなシステムは、全体的なシステム内の水収支を、作動条件の範囲、エネルギー低減の要件、構成要素の複雑さ低減及び信頼性、作動安全性の向上の下で維持するという利点をもたらすことができる。

本発明は、炭化水素燃料プロセッサを提供する。ここに言及する「炭化水素燃料プロセッサ」は、炭化水素燃料を、望ましくは燃料電池で使用するための水素に変換する装置を含んでいる。ここに言及する「燃料電池」は、電気化学的に電気を作り出す単一の電池、望ましくは水素とオキシダントを使用するＰＥＭ燃料電池であってもよいし、電池を直列に連結して電圧を上げることのできる、スタックその他の構成を成す複数の電池であってもよい。ここに言及する「炭化水素燃料電池装置」は、燃料電池と、水素を燃料電池に供給するための炭化水素燃料プロセッサとを備えている装置である。或る好適な実施形態では、炭化水素燃料電池装置は、自動車に使うのに適している。もう１つの好適な実施形態では、炭化水素燃料電池装置は、家庭用又は商業的用途用の非常又は予備の発電器のような、静置装置に用いるのに適している。

炭化水素燃料プロセッサは、オキシダントと水を使って炭化水素燃料を変換し、水素ガスの流れを作り出すのが望ましい。炭化水素燃料は、水素を発生するよう改質できるものであればどの様な燃料でもよく、ガソリン、ディーゼル燃料、天然ガス、メタン、ブタン、プロパン、メタノール、エタノール又はそれらの混合物がこれに含まれる。（ここで用いる「含む」という用語（及びその変形）は、非限定的なものであり、例えば、リスト内の品目を記述する場合、それは、本発明の機器、装置、構成要素、材料、構成及び方法に有用なその他の同様の品目を排斥するものではない）。

具体的には、図１に示すように、本発明は、反応器（１）と、前記反応器によって生成された改質油からの水蒸気を前記反応器の入力へと転移する水転移装置（２）とを備えた発電装置燃料プロセッサを提供する。ここに言及する「改質油」は、反応器によって炭化水素燃料から生成された水素を含む気体生成物又は放流である。或る実施形態では、反応器から送られる改質油は、水転移装置を通過した後、燃料電池（３）へ流れる。またこの実施形態では、水蒸気が、オキシダントの流れの一部として反応器へ送られる。転移は反応器の入力へ直接行ってもよいし、反応器の入力に接続されている空気移動装置のような装置への転移であってもよい。水転移装置は、水転移膜を備えているのが望ましい。
反応器
本発明の装置は、炭化水素燃料を、燃料電池で使用する水素に変換できる反応器を備えている。上記背景の中で概括したように、好適な反応器には、水蒸気改質反応器と自熱式反応器が含まれている。そのような本発明に有用な反応器の中には、以下の文書、１９８７年３月１７日にＶａｎｄｅｒｂｏｒｇｈ他に発行の米国特許第４，６５０，７２２号、２０００年６月２０日にＰｅｔｔｉｔに発行の米国特許第６，０７７，６２０号、１９９８年９月２２日にＳｋａｌａ他に発行の米国特許第６，１３２，６８９号、１９９９年７月６日にＫｅｓｋｕｌａ他に発行の米国特許第６，１５９，６２６号、２０００年２月２日にＳｋａｌａ他に発行の欧州特許第９７７，２９３号、２００１年１月１０日にＫｅｓｋｕｌａ他に発行の欧州特許第１，０６６，８７６号に記載されているような当該技術分野で既知の反応器があり、上記特許全てを参考文献としてここに援用する。

本発明の或る実施形態では、図２に全体を示すように、反応器は、１つ又は複数の反応器（４、５、６）を備えている。炭化水素燃料（流れ７）は、水／水蒸気の存在下で解離し、改質油を生成する。そのような或る特定の実施形態では、空気が、組み合わせ部分酸化／水蒸気改質反応に用いられる。この場合、反応器（４及び６）は、空気の流れ（８）も受け取る。各反応器（４、５、６）は、１つ又は複数の区画又は反応器ベッドを備えている。様々な設計が知られており、利用できる。従って、反応器（４、５、６）の選択及び配置は変動してもよく、代表的な燃料改質反応器（４）と下流反応器（５、６）については、以下に詳しく説明する。

燃料タンク（９）は、炭化水素を周囲温度で保管するのが望ましい。燃料は、燃料プロセッサへ供給される（流れ７）。或る実施形態では、燃料は、一次反応器（４）に入る前に、水蒸気改質反応器で蒸発させるのが望ましい。

代表的な自熱式改質過程では、先に背景技術の項で述べたように、ガソリン、（水蒸気としての）水、及び酸素（空気）が、一次反応器（４）内で反応し、水素と二酸化炭素を生成する。反応器（４）は２つの区画を備えている。反応器の一方の区画は主に部分酸化反応器（ＰＯＸ）であり、反応器の他方の区画は主に水蒸気改質器（ＳＲ）であるが、ＰＯＸ区画とＳＲ区画内で起こる反応の種類には重複する部分もある。ＰＯＸ反応は、燃料と空気の間で顕著であり、一般的な反応式は以下のように表される。

Ｃ₈Ｈ₁₈＋４Ｏ₂→８ＣＯ＋９Ｈ₂
この反応は、触媒を利用することによって促進され、発熱性である。好適なＰＯＸ触媒は、１つ又は複数の貴金属、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ａｕ及びＲｕから成る。他の非貴金属、又はＮｉ及びＣｏのような金属の組み合わせも利用できる。ＰＯＸ区画内の反応には、燃料濃厚であるのが望ましい。高温のＰＯＸ反応生成物は、燃料と共に導入された水蒸気と共にＳＲ区画へ送られ、そこで、炭化水素は、以下の一般的な反応式に従って水蒸気と反応する。

Ｃ₈Ｈ₁₈＋８Ｈ₂Ｏ→８ＣＯ＋１７Ｈ₂
水蒸気改質反応は吸熱性である。この吸熱反応に必要な熱は、発熱性のＰＯＸ反応によって生成される熱から供給され、ＰＯＸ区画の放流によってＳＲ区画へ運ばれる（従って、名称が「自熱式反応器」となっている）。

一次反応器からの主要な改質油生成物（１０）は、一次反応器（４）を出ると、或る実施形態では、改質油から、一次反応器へ供給される空気へ熱を伝達する熱交換器によって冷却される。別の実施形態では、この熱伝達は、水転移装置によって行われ、別の熱交換器を必要としない。ガソリン改質では、水素が生成されるが、二酸化炭素、水、一酸化炭素も生成される。特に一酸化炭素は、燃料電池スタック内に用いられている触媒に好ましくない影響を与える。従って、生成物流れ内の一酸化炭素成分を減らすことが望ましい。

従って、燃料電池プロセッサは、水／ガス転化（ＷＧＳ）反応器（５）及び選択酸化剤（ＰｒＯｘ）反応器（６）のような、一酸化炭素を二酸化炭素に変換するのに用いられる１つ又は複数の下流反応器を備えているのが望ましい。一酸化炭素を、望ましくは約２０ｐｐｍ未満の受容可能レベルにまで低減するのが望ましい。

転化反応器（５）は、一酸化炭素と水が以下の一般的な式に従って反応する１つ又は複数の区画を含んでいるのが望ましい。
ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋Ｈ₂
或る実施形態では、高温転化区画と低温転化区画が設けられている。そのような或る特定な実施形態では、高温転化反応器は、Ｆｅ₃Ｏ₄／Ｃｒ₂Ｏ₃触媒を備えており、約４００℃（７５２°Ｆ）から約５５０℃（１０２２°Ｆ）の温度で作動する。この実施形態では、低温転化反応器は、ＣｕＯ／ＺｎＯ／Ａｌ₂Ｏ₃触媒を備えており、約２００℃（３９２°Ｆ）から約３００℃（５７２°Ｆ）の温度で作動する。改質油流れの冷却は、高温区画と低温区画との間で起こるのが望ましい。別の実施形態では、ＷＧＳ反応器は、高温及び低温反応器の代わりに、或いはそれ等に加えて、約３００℃（５７２°Ｆ）から約４００℃（７５２°Ｆ）の温度で作動する中間温度転化反応器を含んでいる。

転化反応器を出た改質油（１１）は、選択酸化ＰｒＯｘ反応器（６）に入り、そこで、以下の一般的な反応式に従って、空気サプライ（８）を通る酸素と接触反応する。
ＣＯ＋１／２ＨＯ₂→ＣＯ₂
この反応が実行されると、水素を過剰に消費することなく、基本的に、残留一酸化炭素の全て、又は少なくとも大部分が消費される。

燃料プロセッサへ供給される空気の流れ（８）は、１つ又は複数の反応器で使用される。自熱式改質器を備えたシステムでは、空気は反応器（４）に供給される。ＰｒＯｘ反応器（６）も、空気を利用し、貴金属触媒を使って一酸化炭素を二酸化炭素に酸化する。空気は、コンプレッサ（１２）であるのが望ましい空気移動装置から供給されるのが望ましい。空気は、１つ又は複数の熱交換器を使って、一次反応器（４）にとって望ましい温度に加熱してもよい。そのような実施形態では、一次反応器（４）への空気は、作動条件にもよるが、少なくとも約７００℃（１２９２°Ｆ）の温度で供給するのが望ましい。

或る実施形態では、ＰｒＯｘ水素の流れ（１３）は、ＰｒＯｘ反応器（６）を出て、熱交換器により、燃料電池（３）での使用に適した温度まで冷却される。水素の流れは、約１００℃（２１２°Ｆ）未満の温度に冷却されるのが望ましい。水素の流れ（１３）は、次に、以下に論じるように、水転移装置（２）を経由して燃料電池（３）のアノード室（陰極室）へ送られる。同時に、オキシダントの流れ（８）からの酸素（例えば空気）が、燃料電池（３）のカソード室（陽極室）へ送られる。空気は、コンプレッサを使って圧縮されるのが望ましい。改質油の流れからの水素と、オキシダントの流れからの酸素が、燃料電池内で触媒の存在の下に電気化学反応を起こし、電気が生成される。反応の副産物として水が生成される。燃料電池（３）のアノード（陰極）側からの排出物又は放流には、未反応の水素が含まれている。燃料電池（３）のカソード（陽極）側からの排出物又は放流（１５）には、未反応の酸素が含まれている。

反応器（４、５、６）内で発生する反応の幾つかは吸熱性なので熱を必要とし、他の反応は発熱性なので熱を取り除かなければならない。通常、ＰｒＯｘ反応器（６）では、熱を取り除く必要がある。改質器の型式に依っては、一次反応器（４）内の１つ又はそれ以上の反応が吸熱性であり、加熱が必要である。加熱は、通常、１つ又はそれ以上の燃料、水及び空気反応体を予熱することによって、及び／又は、水蒸気改質反応器では、選択された反応器を加熱することによって行われる。システムは、熱を生成するシステムの部分からの熱エネルギーを、熱を必要とする部分へ移す熱交換器を含んでいるのが望ましい。

燃料プロセッサは、随意的に、反応器に入る燃料、空気及び／又は水反応体を加熱する燃焼器を備えているのが望ましい。水蒸気改質反応器を有する燃料プロセッサでは、燃焼器が、改質器を直接又は間接的に加熱するのが望ましい。或る好適な水蒸気改質システムでは、反応器のベッドが、燃焼器の高温の排気によって加熱される。或る好適な実施形態は、自熱式改質器を備えており、燃焼器を有していない。

燃焼器は、注入口、排出口及び触媒を有する室を備えているのが望ましい。燃焼器の燃料源は、アノード（陰極）放流内の未反応の水素であるのが望ましい。燃料電池装置の過渡及び定常状態の要求を満たすのに必要であれば、追加燃料（流れ７）を、燃焼器に直接供給してもよい。

炭化水素燃料及び／又はアノード（陰極）放流は、燃焼器の触媒区画内で反応する。システムの作動条件次第で、空気サプライ、及び／又は望ましくはカソード（陽極）放流の何れかから酸素を燃焼器に供給するのが望ましい。燃焼器から出る排気は、調整器と、大気に開放されているマフラーを通して送られるのが望ましい。反応器を燃焼器で加熱するシステムでは、エンタルピー方程式を用いて、反応器（４、５）に必要な熱を供給するために、燃焼器に供給すべきカソード（陽極）排気の量を求める。燃焼器が必要とするのにカソード（陽極）放流では賄うことのできない酸素要求量は、コンプレッサによって、燃焼器が要求する熱と温度を満たせるだけの量、供給されるのが望ましい。

反応器用の水は、以下に詳しく説明するが、水転移装置（２）で供給するのが望ましい。しかしながら、（システム始動時のような）或る状況では、水を追加する必要がある。この水は、例えばコンデンサ及び水分離器を用いて、アノード（陰極）放流及びカソード（陽極）放流から得るのが望ましい。液体水は、その後リザーバに保管される。水は、外部の水源からリザーバに加えてもよい。

システムの作動の様々な態様は、記憶装置に記憶されている制御プログラム及びデータを実行することのできる中央演算処理装置を有する適切なマイクロプロセッサ、マイクロコントローラー、パーソナルコンピューター等を使って制御するのが望ましい。コントローラーは、何れかの構成要素に特定の専用コントローラーでもよいし、主車両電子制御モジュール内に記憶されているソフトウェアで構成されていてもよい。更に、ソフトウェアベースの制御プログラムを利用して上記のような様々な作動モードでシステム構成要素を制御することもできるが、制御は、専用の電子回路で部分的又は全体的に実行することもできるものと理解頂きたい。
水転移装置
本発明は、水蒸気を湿った気流から乾燥した気流へ移す水転移装置も提供する。本発明の水転移装置は、一次ガス用の流路と、二次ガス用の流路と、第１及び第２表面を有している水転移膜とを備えており、膜の第１表面は前記一次ガス用の流路と実質的に接触しており、第２表面は前記第２流路と実質的に接触している。１つの流路（例えば第１流路）内を移動するガス中の水蒸気は、膜を通して別の流路（例えば第２流路）に移される。燃料電池発電装置内で一次ガスと二次ガスの間で水蒸気を移すための或る好適な水転移装置（１つの実施形態を図３の断面図に示す）は、
（ａ）一次ガス注入口（２０）と、
（ｂ）一次ガス排出口（２１）と、
（ｃ）内部空隙（２３）と外側表面（２４）を有するコンジット（２２）であって、コンジットの壁は水転移膜材料で構成されており、一次ガスの流れが前記内部空隙を通過できるように、前記コンジットの一端は前記一次ガス注入口（２０）に接続され、前記コンジットの他端は前記一次ガス排出口（２１）に接続されるよう構成されているコンジットと、
（ｄ）前記コンジット（２２）の外側表面の少なくとも一部分を密閉し、周りに空隙空間（２６）を形成しているハウジング（２５）であって、前記空隙空間（２６）を通して二次ガスを流せるように二次ガス注入口（２７）と二次ガス排出口（２８）とを有しており、前記ハウジングの空隙空間を流れる二次ガスは、前記コンジットの外側表面上を通過するが、前記コンジットの内部空隙を通って流れる一次ガスとは実質的に混ざらないように構成されているハウジングと、を備えている。

コンジットは、実質的に円筒形の管、及び３次元長方形の経路を含め、どの様な形状であってもよい。水転移装置は、一次ガスが全てのコンジットを通って流れることができるように、一次ガス注入口でプレナム（３０）に接続され、一次ガス排出口でプレナム（３１）に接続されている複数のコンジット（２９）を備えているのが望ましい。ここで用いている「接続されている」という用語は、流体が、望ましくは流体を実質的に損失することなく、１つの地点から別の地点まで通せるようになっている何らかの機構を指す。装置は、更に、コンジットをハウジング内に支持する機構を備えているのが望ましい。一次ガスの流れの方向は、二次ガスの流れの方向と実質的に異なるのが望ましく、基本的に正反対であるのが望ましい。

ここで有用な水転移膜材料とは、水蒸気を一方のガスから他方のガスへ移せるのであればどの様な材料でもよい。そのような材料は、ガスの転移を許さず、選択的に水蒸気を移せるのが望ましい。或る好適な水転移膜は、水蒸気を、一次ガスの流れから二次ガスの流れに選択的に移動させることができ、且つ他の要素が一次ガス流れから二次流れへ相当量通過する（漏れる）ことを伴わないものである。図３に示すように、一次ガスは湿ったガス流れであり、水蒸気は、一次ガスから、乾燥したガス流れである二次ガスへ移される。一次ガスは改質油であり、二次ガスは空気であるのが望ましい。

ここで有用な好適な水転移膜材料には、ポリ〔過フルオロスルホン〕酸、スルホン化ポリスチレン、ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルケトン、ポリカーボネート、他のスルホン化材料、及びそれらの混合物が挙げられる。好適な膜材料は、ポリ〔過フルオロスルホン〕酸で構成されている。特に好適な膜材料は、Ｅ．Ｉ．ＤｕＰｏｎｔ ｄｅ Ｎｅｍｏｕｒｓ社から商標名「ＮＡＦＩＯＮ」で販売されている。ＮＡＦＩＯＮ膜で作られている、ここで有用な管は、Ｐｅｒｍａ Ｐｕｒｅ社の「ＰＤシリーズ湿気交換器」の商標名で販売されている。

本発明の或る好適な実施形態では、一次ガスは、反応器によって作られる水素改質油であり、改質反応の副産物としての水を含んでいる。従って、本発明の好適な発電装置の炭化水素改質器は、
（ａ）反応体入力と水素生成物出力とを有する反応器と、
（ｂ）（ｉ）前記反応器の水素生成物出力に接続されている転移装置入力と、（ｉｉ）前記反応器の反応体入力に接続されている転移装置出力と、（ｉｉｉ）水転移膜とを備えており、水を、前記水素生成物出力から前記反応体入力へ移すよう構成されている水転移装置と、を備えている。本発明の好適な方法は、反応器によって作られた改質油から反応体への、水蒸気の、水転移膜を備えた水蒸気転移装置を使用する転移を含んでいる。

図４の断面図に示す或る実施形態では、水素ガスは、反応器（１）から、水転移装置（２）のコンジット（２２）の空隙空間（２３）を通って流れる。空気は、空気注入口（２７）を通って水転移装置のハウジング（２５）へ流入する。空気は、ハウジング内の空隙空間（２６）を通ってコンジット上を流れ、空気排出口（２８）を出る。水素改質油がコンジットを通過する際に、水は、水転移膜材料で構成されているコンジット壁（２４）を通って外方向へ移される。乾燥した水素改質油は、次いで燃料電池（３）へと流れる。コンジットの外側表面上を流れる空気は、水蒸気を吸収して反応器（１）へ流れ、そこでこの空気が改質反応に必要な水を提供する。この空気は、コンジット上を通過するときに加熱され、それによって熱を反応器に提供し、同時に改質油を冷却するのが望ましい。別の実施形態では、二次ガスは、気体炭化水素燃料（例えば、メタン又は蒸発した液体燃料）である。

図３に示す実施形態では、反応器は、一次反応器（４）と下流反応器（５）及び（６）を備えている。別の実施形態では、反応器は、一次反応器（４）と水／ガス転化反応器（５）を備えており、水転移装置を通過する改質油は、ＰｒＯｘ反応器へ流れる。水転移装置（２）により供給される水蒸気の流れは、水を必要とする反応器に供給されるのが望ましい。或る実施形態では、この流れは、一次反応器（４）とＷＧＳ反応器（５）に供給される。

コンジット内の一次ガスの圧力は、ハウジング内の二次ガスの圧力の、望ましくは約５０％から約５００％、更に望ましくは約１００％から約３００％、更に望ましくは約１７０％から約２７０％である。更に、乾燥したガスの流れの温度は、湿ったガスの流れの温度以下であるのが望ましい。或る好適な実施形態では、乾燥したガスの流れは、温度が、望ましくは約８５℃（１８５°Ｆ）未満、更に望ましくは約５０℃（１２２°Ｆ）未満、更に望ましくは約３０℃（８６°Ｆ）未満の空気である。乾燥したガスの流れは、ほぼ周囲の温度と圧力に等しい温度と圧力を有する空気であるのが望ましい。

湿ったガスの流れの水転移装置への導入時の温度は、ガスの露点より高い温度に維持され、水転移装置内で水が凝結しないようになっているのが望ましい。湿ったガスの流れの水転移装置への導入時の温度は、露点より、約１℃（１．８°Ｆ）から約１０℃（１８°Ｆ）、望ましくは約１℃（１．８°Ｆ）から約５℃（９°Ｆ）高いのが望ましい。

本発明の水転移装置の水転移効率は、少なくとも約３０％、望ましくは少なくとも約５０％、更に望ましくは少なくとも約８０％、更に望ましくは少なくとも約９０％であるのが望ましい。ここに用いる「水転移効率」は、ｄＷ_act／ｄＷ_maxの割合であり、ここにｄＷ_actは、実際に乾燥したガスの流れから湿ったガスの流れに移される水の量であり、ｄＷ_maxは、理論的に移動可能な水の最大量である。移された水の量は、既知の、気流の水分含有量の従来式測定法を使って求めることができる。最大量の水ｄＷ_maxは、（所与の作動温度及び圧力における）乾燥したガスの流れが吸収できる最大量の水、及び湿ったガスの流れ内の実際の水の量よりは少ない。

好適な燃料プロセッサの実施形態は、更に、空気を反応器（例えば一次及びＷＧＳ反応器）に供給するためのコンプレッサ又はブロアーのような空気移動装置を備えている。図２及び４に示すように、或る実施形態では、空気移動装置は、圧力を掛けて空気を反応器（１）に送るコンプレッサ（１２）である。水転移装置が反応器のために空気を加湿する実施形態では、水転移装置は、空気が圧縮された後に空気を加湿（即ち、この装置がコンプレッサの出力に接続されている）してもよいが、空気が圧縮される前に空気を加湿（即ち、この装置がコンプレッサの入力に接続されている）する方が望ましい。

ここに説明した例及びその他の実施形態は代表的なものであり、本発明の機器、装置、構成要素、材料、構成及び方法の全範囲を、記述したものに限定する意図はない。具体的に述べた実施形態、材料、構成及び方法に等価な変更、修正及び変形を加えても、実質的に同様な結果が得られであろう。

燃料電池に接続されている本発明の炭化水素燃料プロセッサを表し、反応器及び水転移装置から出入りする材料の流れを示す線図である。 一次反応器と、水／ガス転化（ＷＧＳ）反応器と、選択酸化剤（ＰｒＯｘ）反応器とを備えている本発明の好適な実施形態の線図である。 本発明の水転移装置実施形態の断面図である。 反応器に入るオキシダント用のコンプレッサを備えている本発明の好適な実施形態の断面図である。

Claims (17)

1. 炭化水素燃料から水素を生成するための燃料プロセッサにおいて、
   （ａ）オキシダントと、水と、炭化水素燃料を使って、水素を含む改質油を生成するための反応器と、
   （ｂ）水蒸気を、前記反応器によって生成された改質油から、前記反応器に用いられる反応体へ移す、水転移膜を備えている水転移装置と、を備えている燃料プロセッサ。
2. 前記反応体は空気である、請求項１に記載の燃料プロセッサ。
3. 前記空気は、５０℃以下の温度である、請求項２に記載の燃料プロセッサ。
4. 前記空気は、周囲温度である、請求項３に記載の燃料プロセッサ。
5. 前記水転移膜は、ポリ〔過フルオロスルホン〕酸から成る、請求項１に記載の燃料プロセッサ。
6. 炭化水素燃料から水素を生成するための燃料プロセッサにおいて、
   （ａ）反応体入力と改質油出力とを有している反応器と、
   （ｂ）（ｉ）前記反応器の前記改質油出力に接続されている転移装置入力と、（ｉｉ）前記反応器の前記反応体入力に接続されている転移装置出力と、（ｉｉｉ）水転移膜と、を備えている、水を前記改質油出力から前記反応体入力へ移す働きをする水転移装置と、を備えている燃料プロセッサ。
7. 前記反応体の前記反応体入力は、オキシダント入力である、請求項６に記載の発電装置燃料プロセッサ。
8. 前記反応体は、自熱式反応体である、請求項６に記載の発電装置燃料プロセッサ。
9. 反応体入力を有する、圧縮された反応体の出力を前記反応器の前記反応体入力に供給するコンプレッサを更に備えており、前記水転移装置は、水蒸気を前記コンプレッサの前記反応体入力へ移す働きをする、請求項６に記載の発電装置。
10. 前記反応器の前記反応体入力はオキシダント入力ある、請求項７に記載の発電装置燃料プロセッサ。
11. 前記水転移装置は、５０℃以下の温度の空気への入力を備えている、請求項８に記載の発電装置。
12. 前記水転移装置は、周囲温度の空気への入力を追加的に備えている、請求項８に記載の発電装置。
13. 前記膜は、ポリ〔過フルオロスルホン〕酸から成る、請求項６に記載の発電装置燃料プロセッサ。
14. 水素を含む改質油を作る燃料プロセッサ用の反応体を加湿するための方法において、水蒸気を、前記改質油から前記反応体へ、水転移膜を備えた水転移装置を用いて移す方法。
15. 前記反応体は空気である、請求項１４に記載の反応体を加湿するための方法。
16. 前記空気は、前記水転移装置により加湿されるときには、５０℃以下の温度である、請求項１５に記載の反応体を加湿するための方法。
17. 前記水転移装置は、
    （ａ）前記反応器の改質油の流れの排出口に接続されている改質油ガス注入口と、
    （ｂ）改質油ガス排出口と、
    （ｃ）オキシダントガス注入口と、
    （ｄ）オキシダントガス排出口と、
    （ｅ）内部空隙と外側表面を有するコンジットであって、前記コンジットの壁は水転移膜材料で構成されており、水素ガスの流れが前記内部空隙を通過できるように、前記コンジットの一端は前記改質油ガス注入口に接続され、前記コンジットの他端は前記改質油ガス排出口に接続されるよう構成されているコンジットと、
    （ｆ）前記コンジットの前記外側表面の少なくとも一部分を密閉し、周りに空隙空間を形成しているハウジングであって、前記空隙空間を通してオキシダントガスを流せるように、オキシダントガス注入口とオキシダントガス排出口とを有しており、前記ハウジングの前記空隙空間を通って流れるオキシダントガスは、前記コンジット上を通過するが、前記コンジットの前記内部空隙を通って流れる水素ガスとは実質的に混ざらないように構成されているハウジングと、を備えている、請求項１に記載の燃料プロセッサ。

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