(57)【要約】水素リッチガスを生成するために電気エネルギーを効率的に使用するプラズマトロン燃料コンバータ（「プラズマトロン」）のための新規な装置及び方法が開示される。プラズマ放電の体積及び形状は、プラズマ放電空間内に確立された流体流によって制御される。この発明に従うプラズマトロンは、実質的に大きい実効プラズマ放電体積を作り出し、該プラズマトロンを通って流れるバルク流体反応物の体積中の化学反応の開始における実質的により高い体積効率に対応する。
2005528553.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素リッチガスを生成するためのプラズマトロン燃料コンバータであって、
導電性構造からなる第１電極と、
プラズマ放電空間の少なくとも二つの境界を作り出すように第１電極に対して配置される第２電極と、
注入反応性混合物の反応を起こさせるためにプラズマ放電空間内にプラズマ放電を発生させるのに十分な電圧及び電流を供給するため、第１及び第２電極に接続される電源と、
プラズマ放電空間を通って流体流を確立するための手段とを備え、
前記流体流は、プラズマ放電空間内に発生したプラズマ放電を連続的に伸ばし及び消し、
該プラズマ放電は、連続的にかつ実質的に、プラズマ放電空間中にランダムに再確立されるプラズマトロン燃料コンバータ。
【請求項２】
前記プラズマ放電の迅速な確立、消滅及び再確立が、プラズマ放電空間全体にわたって実質上等しく分布させられた準連続的なプラズマ放電を生成する請求項１のプラズマトロン燃料コンバータ。
【請求項３】
前記準連続的なプラズマ放電は、プラズマ放電空間の実質上全体にわたって化学反応を起こさせる請求項２のプラズマトロン燃料コンバータ。
【請求項４】
前記プラズマ放電は、消滅後、１００ナノ秒未満の時間で再確立される請求項１のプラズマトロン燃料コンバータ。
【請求項５】
前記注入反応性混合物をプラズマ放電空間内に注入するための注入機構を更に備える請求項１のプラズマトロン燃料コンバータ。
【請求項６】
前記注入機構は、
燃料を供給するための手段と、
前記燃料と混合すると共に燃料／酸化体混合物を形成する空気を供給するための手段と、
該燃料／酸化体混合物のプラズマ放電空間内への注入を制御するためのノズルとを備える請求項５のプラズマトロン燃料コンバータ。
【請求項７】
前記注入反応性混合物の流れ方向は、前記流体流の流れ方向と直交する請求項１のプラズマトロン燃料コンバータ。
【請求項８】
前記注入反応性混合物及び前記流体流は、同一の流れである請求項１のプラズマトロン燃料コンバータ。
【請求項９】
前記流体流は酸化体を含む請求項１のプラズマトロン燃料コンバータ。
【請求項１０】
前記酸化体は空気を含む請求項９のプラズマトロン燃料コンバータ。
【請求項１１】
前記酸化体は、遊離酸素を含有する排気ガスを含む請求項９のプラズマトロン燃料コンバータ。
【請求項１２】
前記流体流は燃料／酸化体混合物を含む請求項１のプラズマトロン燃料コンバータ。
【請求項１３】
前記注入反応性混合物は燃料／酸化体混合物を含む請求項１のプラズマトロン燃料コンバータ。
【請求項１４】
前記注入反応性混合物は燃料を含む請求項１のプラズマトロン燃料コンバータ。
【請求項１５】
前記電源によって供給される電流は、非アークからアーク間でのブレークダウンを防ぐために制限される請求項１のプラズマトロン燃料コンバータ。
【請求項１６】
前記電源は、可変可能周波数電源である請求項１のプラズマトロン燃料コンバータ。
【請求項１７】
前記可変周波数電源は、１００Ｈｚから２ＭＨｚまで調整されるように適合される請求項１６のプラズマトロン燃料コンバータ。
【請求項１８】
前記プラズマ放電空間内にプラズマ放電を発生させるため、前記電源は、ほぼ３００ボルトから６０キロボルトの範囲の電圧、及び、ほぼ１０ミリアンペアから２アンペアの範囲の電流を供給する請求項１のプラズマトロン燃料コンバータ。
【請求項１９】
前記第１電極及び第２電極は、プラズマ放電空間を包含するチャネルを形成するように配置される中空円筒電極である請求項１のプラズマトロン燃料コンバータ。
【請求項２０】
前記第１電極及び第２電極は、上下形態に配置されたリング電極である請求項１のプラズマトロン燃料コンバータ。
【請求項２１】
前記第１電極及び第２電極は、水平形態に配置されたロッド電極である請求項１のプラズマトロン燃料コンバータ。
【請求項２２】
前記第１電極及び第２電極は、同軸形態に配置されたシリンダーである請求項１のプラズマトロン燃料コンバータ。
【請求項２３】
前記流体流は、プラズマ放電空間から上流に導入される請求項１のプラズマトロン燃料コンバータ。
【請求項２４】
前記流体流は、プラズマ放電空間内におけるプラズマ放電と前記注入反応性混合物との拡大された体積測定接触を与えるように適合される請求項１のプラズマトロン燃料コンバータ。
【請求項２５】
前記注入機構及び流体流は、プラズマ放電空間内におけるプラズマ放電と前記注入反応性混合物との拡大された体積測定接触を与えるように適合される請求項５のプラズマトロン燃料コンバータ。
【請求項２６】
前記プラズマ放電空間から点火された反応性混合物を受け入れるように適合された反応拡大領域を有する反応器を更に備える請求項１のプラズマトロン燃料コンバータ。
【請求項２７】
前記反応器は、金属製又はセラミック製のシリンダーである請求項２６のプラズマトロン燃料コンバータ。
【請求項２８】
前記反応器の内側は断熱材で覆われる請求項２６のプラズマトロン燃料コンバータ。
【請求項２９】
前記反応器の外側は断熱材で覆われる請求項２６のプラズマトロン燃料コンバータ。
【請求項３０】
前記反応拡大領域は触媒構造物を含む請求項２６のプラズマトロン燃料コンバータ。
【請求項３１】
前記触媒構造物は、金属製又はセラミック製のハニカム触媒構造である請求項３０のプラズマトロン燃料コンバータ。
【請求項３２】
前記触媒構造物は、ルテニウム、ロジウム、コバルト、鉄、ニッケル、パラジウム、レニウム、オスミウム、及び白金からなる群から選択される一又は複数の触媒で覆われる請求項３０のプラズマトロン燃料コンバータ。
【請求項３３】
前記プラズマ放電空間を出る点火された反応性混合物を受けてそらすため、反応拡大領域内に乱流器が配置される請求項２６のプラズマトロン燃料コンバータ。
【請求項３４】
前記反応器から出力された水素リッチガスを受け入れるように適合された熱交換器を更に備える請求項２６のプラズマトロン燃料コンバータ。
【請求項３５】
前記熱交換器は、前記注入反応性混合物又は流体流を予熱するように適合される請求項３４のプラズマトロン燃料コンバータ。
【請求項３６】
前記注入反応性混合物は、化学量論部分酸化と完全酸化との間での稼働のために選択される請求項１のプラズマトロン燃料コンバータ。
【請求項３７】
前記化学反応は、化学量論部分酸化と完全燃焼との間での稼働のために選択される部分酸化反応である請求項３のプラズマトロン燃料コンバータ。
【請求項３８】
前記注入反応性混合物の酸素対炭素比は、１．２から２．０の間である請求項１のプラズマトロン燃料コンバータ。
【請求項３９】
前記注入反応性混合物の酸素対炭素比は、１．２未満である請求項１のプラズマトロン燃料コンバータ。
【請求項４０】
水素リッチガスを生成するためのプラズマ燃料転換方法であって、
第１電極及び第２電極を、該電極間に間隙が存在し、かつプラズマ放電空間が形成されるように配置する工程と、
プラズマ放電空間内に反応性混合物を注入する工程と、
プラズマ放電空間内にプラズマ放電を発生させ、かつ、点火された反応性混合物を生成するのに十分な電圧及び電流を与えるために電力を供給する工程と、
プラズマ放電を伸ばし及び変形するためにプラズマ放電空間内に流体流を導入する工程とを含むプラズマ燃料転換方法。
【請求項４１】
前記プラズマ放電の迅速な確立、消滅及び再確立が、プラズマ放電空間全体にわたって実質上等しく分布させられた準連続的なプラズマ放電を生成する請求項４０の方法。
【請求項４２】
前記準連続的なプラズマ放電は、プラズマ放電空間全体にわたって化学反応を起こさせる請求項４１の方法。
【請求項４３】
前記プラズマ放電は、消滅後、１００ナノ秒未満の時間で再確立される請求項４０の方法。
【請求項４４】
前記注入反応性混合物の流れ方向は、前記流体流の流れ方向と直交する請求項４０の方法。
【請求項４５】
前記注入反応性混合物及び前記流体流は、同一の流れである請求項４０の方法。
【請求項４６】
前記流体流は酸化体を含む請求項４０の方法。
【請求項４７】
前記酸化体は空気を含む請求項４６の方法。
【請求項４８】
前記酸化体は、遊離酸素を含有する排気ガスを含む請求項４６の方法。
【請求項４９】
前記流体流は燃料／酸化体混合物を含む請求項４０の方法。
【請求項５０】
前記注入反応性混合物は燃料／酸化体混合物を含む請求項４０の方法。
【請求項５１】
前記注入反応性混合物は燃料を含む請求項４０の方法。
【請求項５２】
前記電源によって供給される電流は、非アークからアーク間でのブレークダウンを防ぐために制限される請求項４０の方法。
【請求項５３】
前記電源は、可変可能周波数電源である請求項４０の方法。
【請求項５４】
前記可変周波数電源は、１００Ｈｚから２ＭＨｚまで調整されるように適合される請求項５３の方法。
【請求項５５】
前記プラズマ放電空間内にプラズマ放電を発生させるため、前記電源は、ほぼ３００ボルトから６０キロボルトの範囲の電圧、及び、ほぼ１０ミリアンペアから２アンペアの範囲の電流を供給する請求項４０の方法。
【請求項５６】
前記流体流を導入する工程は、プラズマ放電空間内におけるプラズマ放電と前記注入反応性混合物との拡大された体積測定接触を与える請求項４０の方法。
【請求項５７】
前記流体流を導入する工程及び反応性混合物を注入する工程は、プラズマ放電空間内におけるプラズマ放電と前記注入反応性混合物との拡大された体積測定接触を与える請求項４０の方法。
【請求項５８】
前記点火された反応性混合物を、反応拡大領域を有する反応器内に導入する工程を更に含む請求項４０の方法。
【請求項５９】
前記点火された反応性混合物を乱流化する工程を更に含む請求項５８の方法。
【請求項６０】
前記反応拡大領域に触媒を設ける工程を更に含む請求項５８の方法。
【請求項６１】
前記流体流を予熱するために、前記反応器から出力された水素リッチガスを再循環させる工程を更に含む請求項５８の方法。
【請求項６２】
前記注入反応性混合物を予熱するために、前記反応器から出力された水素リッチガスを再循環させる工程を更に含む請求項５８の方法。
【請求項６３】
電力の消費量が、生成された水素リッチガスの熱出力分の０．３％から１０％である請求項４０の方法。
【請求項６４】
前記注入反応性混合物の酸素対炭素比は、１．２から２．０の間である請求項４０の方法。
【請求項６５】
前記注入反応性混合物の酸素対炭素比は、１．２未満である請求項４０の方法。
【請求項６６】
前記プラズマトロン燃料コンバータは完全燃焼で稼働し、該プラズマトロン燃料コンバータの出力は、もはや水素リッチではないホットガスである請求項１のプラズマトロン燃料コンバータ。
【請求項６７】
前記プラズマ燃料転換は完全燃焼で稼働し、該プラズマトロン燃料転換の出力は、もはや水素リッチではないホットガスである請求項４０の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
政府の支援
本発明は、エネルギー省から与えられた許可第ＤＥ−ＡＣ０３−９９ＥＥ５０５６５号及び第ＤＥ−ＦＧ０４−９５ＡＬ８８００２号の下で政府の支援によりなされた。米国政府は、本発明においてある一定の権利を有する。
本発明の分野
本発明は、プラズマ燃料コンバータのための方法及び装置に関し、更に詳しくは、拡大された体積の放電を有する低電流プラズマトロン燃料コンバータに関する。
【背景技術】
【０００２】
プラズマトロン燃料コンバータは、プラズマ放電の使用により、炭化水素を改質して水素リッチガスを発生させる。（例えば、米国特許第６，３２２，７５７号及び第５，８８７，５５４号参照。該文献の教示は、参照により本文中に組み込まれる。）プラズマ放電レジームの二つの一般的な型式は、それらの電気的特性と動作モードによって区別され得る。非アーク放電レジームは、高電圧及び低電流で動作するのに対し、アーク放電レジームは、低電圧及び高電流で動作する。（一般論文では、J．Reece Rothの工業用プラズマ工学、第１及び２巻、物理学研究所：ブリストル、ＵＫ  １９９５年参照）
【０００３】
サーマルアークプラズマトロンは、先行技術において特に注目されている。（例えば、米国特許第５，４２５，３３２号及び第５，４３７，２５０号参照。該文献の教示は、参照により本文中に組み込まれる。）これらのサーマルアークプラズマトロンは、低電圧及び高電流で動作し、そのため、比較的非効率な電力対化学力転換比を有する。より優れた電力対化学力転換比、並びに電極腐食の低減をもたらすより小さい電流は、非アーク放電プラズマトロンの使用により得ることができる。しかしながら、非アーク放電は、通常、一般に約２０トル未満の減圧下で通常は動作可能である。圧力が上がると、非アーク放電は、アーク放電へと急速に移行する。低圧ガスグロー放電及び該放電を生成するための装置は知られている。（例えば、米国特許第２，７８７，７３０号、第３，０１８，４０９号、第３，０３５，２０５号、第３，４２３，５６２号、第４，８３０，４９２号、第４，９６３，７９２号、及び、第４，９６７，１１８号参照。該文献の教示は、参照により本文中に組み込まれる。）しかしながら、これらの低圧装置による実効体積流量は制限される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
実質上拡大された実効放電体積を有し、かつ、非アークレジームにおいて実質上連続的な態様で放電を生成するプラズマコンバータが望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
水素リッチガスを生成するために電気エネルギーを効率よく使用するプラズマトロン燃料コンバータ（「プラズマトロン」）のための新規な装置及び方法が開示される。プラズマ放電の体積及び形状は、プラズマ放電空間内に確立される流体流によって制御される。この発明に従うプラズマトロンは、実質的に大きい実効プラズマ放電体積を作り出し、該プラズマトロンを通って流れるバルク流体反応物の体積（量）中の化学反応の開始における実質的により高い体積効率（体積（容積）測定効率）に対応する。
【０００６】
一側面において、本発明は、第１電極及び第２電極を備えたプラズマトロン燃料コンバータである。第２電極は、第１電極から電気絶縁体によって分離され、かつ、燃料／空気混合物を受け入れるように適合される放電空間を形成するために第１電極に対して間隙を作り出すように配置される。電源は、第１及び第２電極に接続され、かつ、放電空間内にプラズマ放電を発生させるのに十分な電圧及び電流を供給するように適合される。流体流は、プラズマ放電を伸ばし（広げ）かつ変形するために放電空間内に確立される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
頑強で大きい体積のプラズマ放電が、低電流低電力プラズマトロン燃料コンバータ（「プラズマトロン」）の迅速な始動のため、及び、始動後の効率的な稼働のために必要である。効率的な稼働は、ある一定の放電空間において化学反応を促進する電気的エネルギーの効率的な使用と、バルク反応流体の体積中に達成される化学転化の割合における体積効率とを両方とも必要とする。このような効率的な稼働は、特殊構成を有するプラズマトロンの使用により、本発明によって成し遂げられる。上記特殊構成は、低電流プラズマ放電を利用し、該プラズマ放電は、ガスを流すことにより連続的に（絶え間なく）伸ばされて（広げられて）消され、次いで、該放電空間中の他の箇所で準瞬時にかつランダムに再確立される。重要なことには、ある消された放電に対し局所的な上記バルク流体の領域における活性種のフラックスの化学効果は、一般に、個々のプラズマ放電の周期よりもずっと長く持続する。上記放電領域における一の経路（パス）から別の経路へのこの絶え間ない迅速な移動（変位）は、注入された反応流体の流れに垂直な比較的広い面積と、該流れに沿うかなりの距離との両方をカバーする。プラズマ放電の迅速な確立、消滅及び再確立は、放電によって生じた活性種のフラックスによる持続性化学反応の開始と相俟って、準連続プラズマ放電をもたらす。該準連続プラズマ放電は、放電空間を効果的に満たし、また、該空間全体にわたって化学反応を起こさせる。
【０００８】
水素生成反応を促進する電気エネルギーの使用におけるプラズマトロンの効率は、稼働の平均サイクル中の非アーク放電レジームの稼働時間とプラズマ放電の総時間との比からある程度求められる。従って、この発明のプラズマトロンは、非アーク放電レジームにおいて実質上連続的な態様で稼働することができる。
【０００９】
本発明の好ましい一実施形態は、素早い始動で低電流低電力の拡大体積プラズマトロンとしてのものである。一つの用途は、ガソリンエンジンもしくはディーゼルエンジン等の内燃システム及びこれらの関連排気システムに使用するための水素リッチ燃料を生成するための炭化水素燃料の部分酸化を含む。そのようなプラズマトロンは、条件及び用途に応じて、化学量論（理論量）部分酸化と完全燃焼との間の稼働のために選択され得る。完全燃焼中、プラズマトロンの出力は、もはや水素リッチではないホットガスである。完全燃焼の稼働は、一般に短期間だけ維持される。プラズマトロンの稼働のための電力は、好ましくは、内燃システムの構成要素によって供給される。
【００１０】
次に図面を参照すれば、該図面はこの明細書の一部を構成し、本発明の模範的な実施形態を例示する。当然のことながら、いくつかの例において、本発明の理解を助長するために、本発明の種々の側面が誇張もしくは拡大して示されることがあり得る。
【００１１】
図１は、低電流低電力のプラズマトロン１０に対する一実施形態の断面図である。好ましい実施形態において、燃料１２及び酸化体（例えば空気）１４は、プラズマトロン１０に供給され、燃料−空気混合物１６を形成する。あるいは、プラズマトロン１０に供給される反応性混合物１６は、（酸化体を伴わない）噴霧燃料のみからなり得る。空間（体積）を最大化しかつ電極消耗を最小化する好ましい実施形態において、プラズマトロンは、電気絶縁体２２によって分離された上部円筒電極２０と底部円筒電極２４とを備えている。この円筒形態は、平均電流密度と、両電極２０、２４の表面の関連する腐食とを最小にする。アーク放電レジームにおける不注意なもしくは過度の稼働と、これに関連する電極２０、２４の表面の腐食は、電極２０、２４に取り付けられた高電圧電源１８に限流機能を含めることにより、最小化され得る。電極２０、２４は、プラズマトロン１０の縦方向軸線と軸方向に整列され、プラズマ放電空間２６を形成するため、該電極間内に間隙を準備する。放電を伸ばし（広げ）、変形し、かつポロイダル方向に移動させる流れを接線成分で作り出すため、付加的な流体流（例えば、空気又は燃料／空気混合物）１９がプラズマ放電空間２６内に導入される。このプラズマ整形（成形）空気（又は空気／燃料）１９は、上部及び底部電極間の一又は複数の開口（もしくはチャネル）２８によって確立され得る。これらの開口は、プラズマ整形空気がプラズマ放電空間２６を通って流れる際、プラズマ整形空気に渦度を与えるように設計され得る。
【００１２】
一実施形態において、燃料／空気混合物１６の流れ及びプラズマ整形空気１９の流れは、互いに直交する。放電空間を通るこの態様の該（二つの）流れを確立することは、（複数の）プラズマ放電からの活性種の体積（量）と相互作用するバルク燃料／空気混合物１６及びプラズマ整形空気１９の実効（有効）体積を最大化する。これらの活性種は、各プラズマ放電内、及び、各プラズマ放電に対し局所的な該バルク燃料／空気混合物１６の（複数の）領域内にある。この形態は、燃料／空気混合物１６の流れの軸線に対し半径方向の、プラズマ放電空間２６のすべてのサブ空間（sub-volumes）において、部分酸化反応の連続的な（絶え間のない）開始を与えることができる。流れの主方向に沿うプラズマ放電の比較的長い（複数の）経路は、多数の半径方向及び軸方向位置における十分な反応開始を保証し、従って、効率的な点火（点弧）を確実なものとする。低酸素／燃料比のような条件が部分酸化反応の持続及び伝搬を制限する場合（すなわち、制限されたもしくは消滅させられた「火炎」もしくは「点火」の伝搬）、流れの軸線に沿う多数の半径方向及び軸方向位置における反応開始は、プラズマ放電空間２６全体にわたる燃料／空気混合物１６においての反応開始を保証する。
【００１３】
好ましい実施形態において、液体燃料１２は霧状にされ、上部電極２０の中央から導入される。燃料の噴霧化は、空気の支援を伴うか又は伴わない適当なノズル２１の設計によって実現することができる。液化炭化水素で稼働する場合、電極２０、２４の内側面における燃料の堆積及び凝縮は、燃料液滴の細いジェットを作り出すノズル２１を用いることにより低減され得る。１５度から３０度間の噴霧角度が十分なものであることが明らかになっている。
【００１４】
プラズマ放電は、電極２０、２４間の放電空間２６に高電圧（３００Ｖから６０ｋＶ）（及びほぼ１０ミリアンペアから２アンペアの派生電流）を供給することによって確立される。プラズマ整形空気１９は、プラズマ放電（及び、もしあればプラズマシース）の体積を変形させ及びずらし、かつ、燃料／空気混合物１６とプラズマ放電とを混合させるせん断応力及び変位応力を作り出すように、側部開口２８から注入される。上記応力は、該放電を伸ばして変形させ、従って、該プラズマの電気的及び熱的特性に影響を及ぼす。臨界長を超えて伸ばされると、該プラズマの電界は、持続不可能になる。熱力学的な平衡又は非平衡のいずれであっても、低電流非アーク放電は、電流の制限、電圧の制限もしくは幾何学的なプラズマの不安定性のため、結局は消滅点まで伸ばされる。
【００１５】
プラズマ放電は、電極２０、２４上の二つのランダム点間の異なる経路に沿ってほぼ瞬時に再確立される。該プラズマ放電は、一般に、１００ナノ秒未満の時間で再確立される。プラズマトロンの種々の動作パラメータの選択により、このプロセスは、高周波数のプラズマ放電の開始及び消滅で自然に起こり、放電領域の全空間にわたって準均一なプラズマ放電を与える。プラズマ放電の開始及び消滅の周波数は、本文中において「サイクル周波数」と呼ぶ。好ましい例示実施形態のプラズマトロン燃料コンバータの場合、固有サイクル周波数は、一般に、数ｋＨｚ（１−１０ｋＨｚ）のオーダーである。個々の放電が起こさせた化学反応は、該放電の消滅後の十分な時間の間、該放電に対し局所的なバルク燃料／空気混合物１６の領域において持続して伝搬するので、準均一な「体積測定」プラズマ放電の影響（作用効果）は、バルク燃料／空気混合物１６全体にわたって化学反応の体積測定開始（「体積測定点火」）を作り出すことになる。
【００１６】
一般に、プラズマトロンは、プラズマに対し１０ワットから１０００ワットの範囲の平均電力を供給する。該電力消費は、一般に、プラズマトロンによって生成される水素リッチガスの熱出力分（thermal power content）の０．３％から１０％である。
【００１７】
準均一プラズマ放電を提供するために必要なサイクル周波数は、上述したようなプラズマトロンの種々の電気的特性及び流体力学特性の選択によって与えられ得る。一般に、電源周波数は、１００Ｈｚから２ＭＨｚの範囲で調整される。プラズマの電気的パラメータ及び熱力学パラメータを制御することにより、このプラズマトロン燃料コンバータの稼働は、高エネルギー変換効率のために、及び、体積測定点火によって開始される化学的プロセスにおける選択性のために選択され得る。本発明の好ましい実施形態において、そのような選択性は、炭化水素燃料からの水素ガスの製造のためである。
【００１８】
体積測定点火と燃料／空気流の高乱流との組合せは、急速始動燃料改質の非常に重要な特徴である。拡大された体積測定放電は、プラズマと燃料／空気混合物１６の接触を最大にし、この混合物全体にわたる反応の開始を保証する。プラズマ及び燃料流によって与えられる乱流と共に、空気１４及び燃料１２の動作パラメータの慎重な選択により、最適な化学反応のための状況が実現する。空気−燃料比、従って酸素−炭素（Ｏ／Ｃ）比は、化学量論部分酸でＯ／Ｃ比＝１程度の低さから、組成が（ＣＨ2）nである液化炭化水素燃料でＯ／Ｃ比＝２程度の高さまで変化し得る。好ましくは、Ｏ／Ｃ比は１．０から１．２の範囲である。本出願の体積測定点火の特徴は、低減した化学反応の持続性及び／又は伝搬性の状況下での高い体積効率及び高い電気的効率の実現において非常に有益である。そのような状況は、炭化水素燃料の部分酸化改質の非常に燃料リッチな環境特性において生じ、そこでは、放電空間中のどの個々のサイト（点）においての化学的始動（開始）も、非常に遅い「火炎」伝搬速度のため、起こすこと及び維持することが困難である。
【００１９】
放電領域における準均一体積測定点火に続いて、点火された燃料／空気流２９は、反応拡大シリンダーすなわち反応拡大領域３２を有する反応器３０内に導入される。反応器３０は鋼管３４を含み、該鋼管には、内側断熱材３６及び外側断熱材３８が設けられている。反応器３０は、底部に触媒構造物４０を有し得る。好ましい触媒構造物４０は、希少金属（例えば、Ｐｔ、Ｐｄ）で被覆されたセラミック製もしくは金属製のハニカムサポートである。該ハニカム構造は、低熱量（low thermal mass）であり、これは迅速な始動を助長する。
【００２０】
好ましい実施形態において、反応拡大領域３２は、底部電極２４の出口と触媒構造物４０との間に間隙を与える。この間隙は、触媒表面における改質の準備のための、燃料液滴の蒸発及び均質な混合の生成に必要であり、また、該触媒の温度を制御するために必要である。該反応拡大領域間隙の長さは、１ｃｍより大きいべきであり、好ましくは１０ｃｍより大きいべきである。出力（生産）される水素リッチガス５０のより高い生産性を達成するため、付加的な燃料／空気混合物１６を反応拡大領域３２内に注入することが可能である。
【００２１】
図２は、プラズマトロン燃料コンバータ１０の一実施形態の断面図であり、電極２０、２４間のプラズマ放電空間内への注入による燃料／空気混合物の付加を示す。本発明のこの変形において、全燃料は蒸発（気化）させられ、次いで、電極２０、２４間の側部開口２８を通じて、燃料／空気蒸気混合物１６として放電領域２６内に導入される。この実施形態は、ガス状炭化水素燃料の改質にも使用可能である。従って、燃料／空気混合物１６の注入は、プラズマ放電の整形もしつつ反応性混合物を供給することができる。
【００２２】
図３は、プラズマトロン燃料コンバータ１０の一実施形態の断面図であり、始動時間を短縮すると共に反応器３０の熱伝達容量及び物質移動容量を高める乱流器（流れを乱すもの）（turbulizer）４２の使用を示す。乱流器４２は、底部電極２４から来る点火されたホット燃料／空気流２９を、反応器３０の冷たい壁へとそらせる。該冷たい壁を点火された燃料／空気流２９で加熱することにより、反応器を横切る温度勾配は減少し、その結果、効率が高まり、始動時間が早まる。また、乱流器４２のホット面は、点火された燃料／空気流２９におけるいかなる残留液体燃料液滴をも蒸発させるのに役立つ。好ましい実施形態において、乱流器４２は鋼からなる。
【００２３】
図４は、プラズマトロン燃料コンバータ１０の一実施形態の断面図であり、該コンバータにおいて、始動時間を更に短縮するため、該プラズマトロンから出力（生産）されたホット水素リッチガス５０リフォーメートの一部は、プラズマトロン１０内に戻されて再循環させられ、もしかするとプラズマ整形空気１９と事前に混合される。他の実施形態において、出力されて再循環される水素リッチガスは、燃料／空気混合物と混合され得る。水素リッチガス５０の再循環は、水素の格段に高い体積測定点火率（速度）（「火炎速度」）により、改質操作の容易さを高める。この構成において、リフォーメートの平衡は変わらないが、部分酸化反応の動態は劇的に高められ得る。ホット再循環水素リッチガス５０はまた、始動に必要な温度を迅速に上げるのに役立ち得る。
【００２４】
図５は、プラズマトロン燃料コンバータ１０の一実施形態の断面図であり、該実施形態では、迅速な始動期間に続いて、プラズマ整形空気１９を予熱する熱交換器４４を用いることにより、エネルギー消費量が低減され得る。他の実施形態において、熱交換器は、空気１４、燃料１２及び燃料／空気混合物１６を予熱するために使用され得る。熱交換器４４は、エンジンの入口マニホールド内に注入される水素リッチガス５０の温度を低下させることを考慮する。また、向流熱交換器４４において空気１４を予熱することにより、ある一定の燃料流量において燃料１２を改質するのに必要なプラズマトロンの電力を低減することが可能である。あるいは、一定値のプラズマトロン電力において、熱交換器４４は、より高い流量の燃料１２を改質することを可能にする。
【００２５】
種々の形態の電極構成の選択、及び、種々の形態の、プラズマ放電空間内への燃料及び空気の導入の選択は、種々の変換効率及び化学的な選択性を与えることが認識される。限定することなしに、別の電極構成の実施形態は、以下のものを含む。すなわち、二つの平行リング電極で、これらの間に間隙が設けられるもの、二つの平行ロッド電極で、これらの間に間隙が設けられたもの、及び、第１円筒電極が第２円筒電極と同軸に配置され、第２電極が、第１電極の外径よりも大きい径の円柱状内腔を有するもの、である。
【００２６】
図６Ａ〜６Ｃは、本発明の複数の実施形態に従う複数の電極構成の断面図である。図６Ａは、上下（鉛直）形態に配置されたリング電極６０及び６２の使用を例示する。燃料もしくは燃料／酸化体混合物１６は、ノズル２１から上部リング電極６０を通って、上部及び底部リング電極６０及び６２によって規定されるプラズマ放電空間２６中へと注入され、該空間において、電極はプラズマ放電を発生させる電圧を供給する。電極６０及び６２は、絶縁体２２によって電極的に分離される。プラズマ整形空気１９は、一又は複数の開口２８から注入され、該開口は、複数の円周位置に配置され得る。
【００２７】
図６Ｂはロッド−ロッド電極構成を例示し、該電極構成においてロッド電極６４及び６６は水平構成に配置される。該システムの動作は、一般に、燃料／空気混合物１６がノズル２１からプラズマ放電空間２６中に注入される点で他の実施形態の動作と同様である。電極は、電圧を供給してプラズマ放電を発生させ、該プラズマ放電は、一又は複数の注入開口２８から注入されるプラズマ整形空気１９によって整形される。
【００２８】
図６Ｃは、二重同軸シリンダー構成を例示し、該構成において、内側円筒状（又は円錐形状）電極６８は、外側円筒状電極７０よりも小さい直径を有する。液化炭化水素の場合、燃料／空気混合物液滴の電極上での堆積及び凝固を防止するため、燃料もしくは燃料／空気混合物１６の中空スプレーを電極６８及び７０間のプラズマ放電空間２６中に出力（供給）するようにノズル２１を構成することが必要である。電極は、電圧を供給してプラズマ放電を発生させ、該放電は、一又は複数の注入開口２８から注入されるプラズマ整形空気１９によって整形される。
【００２９】
本発明の他の実施形態は、本明細書の考察、もしくはここに開示した本発明を実行することにより当業者には明らかとなろう。本明細書及び実施例は、単に模範的なものとして考えられることが企図され、本発明の真の範囲及び精神は特許請求の範囲に示される。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の一実施形態に従う低電流低電力のプラズマトロン燃料コンバータの断面図である。
【図２】燃料／空気混合物とプラズマ整形空気との結合流を示す、プラズマトロン燃料コンバータの断面図である。
【図３】本発明の一実施形態に従う、乱流器を有するプラズマトロン燃料コンバータの断面図である。
【図４】本発明の一実施形態に従う、ホット再循環水素リッチガスの使用を例示するプラズマトロン燃料コンバータの断面図である。
【図５】本発明の一実施形態に従う、熱交換器を有するプラズマトロン燃料コンバータの断面図である。
【図６Ａ】本発明の多様な実施形態に従う多様な電極構造の断面図である。
【図６Ｂ】本発明の多様な実施形態に従う多様な電極構造の断面図である。
【図６Ｃ】本発明の多様な実施形態に従う多様な電極構造の断面図である。
【符号の説明】
【００３１】
１    プラズマトロン
１２  燃料
１４  酸化体
１６  燃料／空気混合物
１８  電源
１９  流体流（プラズマ成形空気）
２０  上部円筒電極
２２  電気絶縁体
２４  底部円筒電極
２６  プラズマ放電空間
２８  開口
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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