(57)【要約】【課題】あらゆるタイプの改質可能液体燃料の効果的且つ熱効率のよい気化を提供する。【解決手段】流体を改質器のインレットに向けて経路付けるためのコンジット１０３に酸素含有ガスを導入すること、加熱された酸素含有ガスのストリームを提供するために、コンジット１０３に配置される電気ヒーターを備える第１の熱源１０７及びコンジット１０３に配置され且つ液体燃料改質器１００及び／又は液体燃料改質器１００の外部の水素改質油消費デバイスから発する熱を含む第２の熱源１１２の内の少なくとも一方で酸素含有ガスのストリームを加熱すること、加熱されたガス状改質反応混合物を提供するために、気化器１１７を通して又は気化器１１７に近接して加熱された酸素含有ガスのストリーム中に液体改質可能燃料を導入すること、及び水素リッチ改質油を生成するために加熱されたガス状改質反応混合物を改質することを含む。【選択図】図１Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体改質可能燃料を改質する方法であって、前記方法は、
流体を改質器のインレットに向けて経路付けるためのコンジットに酸素含有ガスを導入すること、
加熱された酸素含有ガスのストリームを提供するために、前記コンジットに配置される電気ヒーターを備える第１の熱源及び前記コンジットに配置され且つ前記液体燃料改質器及び／又は前記液体燃料改質器の外部の水素改質油消費デバイスから発する熱を含む第２の熱源の内の少なくとも一方で前記酸素含有ガスのストリームを加熱すること、
加熱されたガス状改質反応混合物を提供するために、気化器を通して又は気化器に近接して加熱された酸素含有ガスの前記ストリーム中に液体改質可能燃料を導入すること、及び
水素リッチ改質油を生成するために前記加熱されたガス状改質反応混合物を改質することを含む方法。
【請求項２】
前記コンジット内であって前記第１と第２の熱源の下流で且つ前記気化器の上流に配置される電気ヒーターを備える第３の熱源で前記酸素含有ガスの前記ストリーム及び／又は加熱された酸素含有ガスの前記ストリームを加熱することを含む請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第１の熱源で酸素含有ガスの前記ストリームを加熱することを中断すること、及び前記第２と第３の熱源で酸素含有ガスの前記ストリームを加熱することを含む請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記第２の熱源及び／又は第３の熱源によって供給される前記熱を調整することを含む請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記液体改質可能燃料を前記気化器に導入することに先立って、前記第２の熱源及び／又は、もしあるならば、前記第３の熱源を使用して前記液体改質可能燃料を加熱することを含む請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
加熱された酸素含有ガスの前記ストリーム中に導入された前記液体改質可能燃料は、前記加熱された酸素含有ガスと接触して気化する請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
前記電気ヒーターは、電気抵抗ヒーターである請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
前記水素改質油消費デバイスは、燃料セルユニットを備え、且つ前記熱は、燃料セルスタック及び／又は前記燃料セルユニットのアフターバーナーからの熱を含む請求項２〜７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
加熱された酸素含有ガスの前記ストリームの流量、液体改質可能燃料の流量、前記気化器の温度、加熱された酸素含有ガスの前記ストリームの温度及び前記液体改質可能燃料の温度を監視すること、及び
前記監視の結果に応答して前記液体改質可能燃料の気化を制御することを含む請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
前記気化を制御することは、前記第２の熱源及び第３の熱源によって供給される前記熱を調整することを含む請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記加熱されたガス状改質反応混合物を改質することは、オートサーマル改質を含み、前記方法は、更に、ガス状液体改質可能燃料、前記酸素含有ガス及びスチームを含む加熱されたガス状改質反応混合物を提供するために、スチームを前記コンジット内に導入することを含む請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１２】
スチームを前記コンジット内に導入することは、前記気化器を通してスチームを導入することを含む請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記気化器は、燃料スプレッダーを備え、且つ前記気化器を通してスチームを導入することは、前記燃料スプレッダーを通してスチームを導入することを含む請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
液体改質可能燃料をスチーム改質する方法であって、前記方法は、
電気ヒーター、改質反応で発する熱及び水素改質油消費デバイスからの熱から選択される熱源でスチームを発生すること、
加熱されたガス状スチーム改質反応混合物を提供するために、液体改質可能燃料気化器を通して又は液体改質可能燃料気化器に近接してスチームのストリームを導入すること、及び
水素リッチ改質油を生成するために前記加熱されたガス状スチーム改質反応混合物を改質することを含む方法。
【請求項１５】
更に、前記気化器の燃料スプレッダーを通してスチームを導入することを含む請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
ガス状改質反応混合物を含む空気の一部は、コンジット内であって前記気化器の下流に導入される請求項１〜１５のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本願は、２０１３年１１月６日に出願された米国特許出願第６１／９００，５１０号明細書の利益を享受し、その全体の内容は、参照により本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
本開示は、液体燃料改質器に関し、より具体的には、液体燃料のガス相改質反応ゾーンへの導入に先立って、液体燃料を気化する、即ち、蒸気化するための燃料気化器を含むような改質器に関する。
【０００３】
液体燃料ガス相改質器は、メタノール、エタノール、蒸留液、ナフサ、灯油、ガソリン、ディーゼル、バイオディーゼル等、又はそれらの組合せのような気化された液体燃料、及び酸素含有ガス、典型的には、空気、及びスチーム改質器やオートサーマル改質器の場合には、スチームとしての水を含むガス状改質可能反応混合物が、ガス相において「合成ガス」又は「シンガス（ｓｙｎｇａｓ）」として一般的に呼ばれる水素リッチ改質油に変換される化学反応器である。このタイプの改質器は、液体燃料が酸素含有ガスと混合される、及びスチームが利用される場合には、改質可能反応混合物の成分と混合されることに先立って、又は混合される時に、その液体燃料を気化する、即ち、蒸気化するための幾つかの手段を含む。
【０００４】
一つの既知のタイプの液体燃料改質器のための気化器では、周囲温度の液体燃料は、ホット表面と接触すると生じる燃料の気化を有する電気的に加熱された表面に対して噴霧として向けられる。ホット表面との燃料の接触、即ち、「接触気化」の原理で動作する液体燃料気化器は、周囲温度の燃料（所謂、「コールド燃料」）のホット表面への迅速な導入によって、燃料液滴が気化することなく跳ね返され且つホット表面に付着する燃料液滴を熱分解によって分解させ得るという不利益を被ることになる。これらの発生のいずれもが、改質器の効率的な動作に反するタール及び／又はコークの蓄積となる可能性があり、その上、それは、水素リッチ改質油を燃料セルシステムに供給する改質器の場合に、その燃料セルシステムの効率的動作に加わることになり得る。
【０００５】
空気として供給された酸素での液体燃料の一部の燃焼から生じるホットガスで液体燃料をその気化温度まで加熱することによって、液体燃料改質器で液体燃料を気化することは既知である。このタイプの燃料気化器は、上記の接触気化の欠点を回避する一方で、その燃料気化器は、燃焼反応がカーボンブラック及び／又は長期間にわたって蓄積するタール及びコークのような他の炭素リッチ熱分解生成物の形成のリスクがあるとの欠点を被り、気化器が一部である改質器の性能の漸進的劣化を生じる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、あらゆるタイプの改質可能液体燃料の効果的且つ熱効率のよい気化を提供すると共に既知の気化器デバイスの前述の欠点を回避する液体燃料改質器に組み込むための燃料気化器の必要性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本開示に従って、水素リッチ改質油の生成のための液体燃料改質器システムが提供され、前記液体燃料改質器システムは、改質器インレットを含むことができる液体燃料改質器；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位置される液体改質可能燃料インレット、及び前記液体改質可能燃料インレットの下流に位置されるガス状反応混合物アウトレットを備えるコンジットであって、前記コンジットは、前記酸素含有ガスインレットと前記液体改質可能燃料インレットと前記ガス状反応混合物アウトレットとの間で流体連通を提供でき且つ前記ガス状反応混合物アウトレットは、前記改質器インレットと流体連通状態にあることができること；第１の熱源が電気ヒーターを含むことができること、前記第１の熱源は、前記コンジット内であって前記酸素含有ガスインレットの下流で且つ前記液体改質可能燃料インレットの上流の位置に配置されることができること；第２の熱源が、前記液体燃料改質器及び／又は前記液体燃料改質器の外部の水素改質油消費デバイスからの発熱の熱を含むことができること、前記第２の熱源は、前記第１の熱源の下流で且つ前記液体改質可能燃料インレットの上流の位置で前記コンジットと熱連通状態にあることができること、気化器であって、前記気化器は、前記コンジット内であって前記液体改質可能燃料インレットの下流の又は前記液体改質可能燃料インレットを画定する位置に配置されることができること、及び水素リッチ改質油アウトレットを含むことができる。
【０００８】
前記液体燃料改質器システムにおいて、第３の熱源が電気ヒーターを含むことができ、且つ前記コンジット内であって前記第２の熱源の下流に配置されることができる。
【０００９】
前記液体燃料改質器システムにおいて、電気ヒーターは、電気抵抗ヒーターであることができる。
【００１０】
前記液体燃料改質器システムにおいて、熱交換器構造体は、前記液体改質器と熱連通状態にあるように配置されることができる。
【００１１】
前記液体燃料改質器システムにおいて、前記主ガス流コンジットは、更に、前記主コンジット内に又は前記主コンジットの外部に配置される酸素含有ガスインレットを有するブランチコンジットを含むことができ、酸素含有ガスインレットは、前記主コンジットに接続され且つ前記気化器の下流に配置される。
【００１２】
また、液体燃料改質器システムは、コントローラであって、前記気化器のアウトレットに又はその下流に位置される熱電対と動作状連通状態にあるコントローラ、前記気化器の上流の前記コンジット内に位置される熱電対、前記気化器の上流で前記コンジット内に位置される酸素含有ガスフローメータ、前記液体改質可能燃料インレットに又はその上流に位置される液体改質可能燃料フローメータ、酸素含有ガス源、液体改質可能燃料源、前記第１の熱源及び前記第２の熱源を含むことができる。
【００１３】
前記液体燃料改質器システムにおいて、前記水素改質油消費デバイスは、燃料セルユニットを含むことができる。
【００１４】
前記液体燃料改質器システムにおいて、前記第２の熱源は、燃料セルスタック及び／又は燃料セルスタックのアフターバーナーからの発熱の熱を含むことができる。
【００１５】
前記液体燃料改質器システムにおいて、前記気化器は、液体燃料ラインを含むことができ、前記液体燃料ラインは、前記気化器と液体燃料源との間に流体連通を提供する。
【００１６】
前記液体燃料改質器システムにおいて、前記コンジット内に位置される前記液体燃料ラインの前記終端セクションは、燃料スプレッダーを含むことができる。
【００１７】
前記液体燃料改質器システムにおいて、前記液体燃料ラインは、伝熱セクションを含むことができ、前記液体燃料ラインの前記伝熱セクションは、前記第１の熱源及び前記第２の熱源の内の少なくとも一方と熱連通状態にあると共にそれに近接していることができる。
【００１８】
前記液体燃料改質器システムにおいて、前記気化器は、燃料スプレッダーを含むことができる。
【００１９】
前記液体燃料改質器システムにおいて、前記燃料スプレッダーは、ウイック又はスプレーであることができる。
【００２０】
前記液体燃料改質器システムにおいて、前記液体燃料改質器は、オートサーマル改質器であることができる。
【００２１】
前記液体燃料改質器システムにおいて、前記酸素含有ガスインレットは、水／スチームインレットで置換されることができ、前記液体燃料改質器は、スチーム改質器であることができる。
【００２２】
前記液体燃料改質器システムにおいて、前記第２の熱源と何らかの第３の熱源は、前記気化器に近接して且つそれの上流に位置されることができる。
【００２３】
本開示に従って、液体改質可能燃料を改質する方法が提供され、前記方法は、改質器のインレットに向かって流体を経路指定するためのコンジット内に酸素含有ガスを導入すること；前記反応器及び／又は外部の水素改質油消費デバイスの発熱の熱からなる第１の熱源の少なくとも一方で前記酸素含有ガスのストリームを加熱し、前記第２の熱源は、前記第１の熱源の下流で且つ前記燃料インレットの上流において前記コンジットと熱連通状態にあり、前記第２の熱源は、加熱された酸素含有ガスのストリームを提供すること；加熱されたガス状改質反応混合物を提供するために気化器を通して又はそれを通過するように液体改質可能燃料を加熱された酸素含有ガスの前記ストリーム中に導入すること；及び水素リッチ改質油を生成するために前記加熱されたガス状改質反応混合物を改質することを含むことができる。
【００２４】
本方法は、更に、前記酸素含有ガスの前記ストリーム及び／又は加熱された酸素含有ガスの前記ストリームを前記コンジット内であって前記第２の熱源の下流に配置される電気ヒーターを備える第３の熱源で加熱することを含むことができる。
【００２５】
本方法は、更に、前記第１の熱源で酸素含有ガスの前記ストリームを加熱すること及び前記第２及び／又は第３の熱源で酸素含有ガスの前記ストリームを加熱することを中断することを含むことができる。
【００２６】
本方法は、更に、前記第１及び／又は第２の熱源によって提供される前記熱を前記第３の熱源によって調整することを含むことができる。
【００２７】
本方法は、更に、前記液体改質可能燃料を前記気化器への導入に先立って、前記第２の熱源及び／又は、もしあるならば第３の熱源を使用して前記液体改質可能燃料を加熱することを含むことができる。
【００２８】
本方法では、加熱された酸素含有ガスの前記ストリームに導入された前記液体改質可能燃料は、前記加熱された酸素含有ガスと接触して気化し得る。
【００２９】
本方法では、前記電気ヒーター（単数又は複数）は、電気抵抗ヒーターであることができる。
【００３０】
本方法では、前記水素改質油消費デバイスは、燃料セルユニットを含むことができ、且つ前記発熱の熱は、燃料セルスタック及び／又は前記燃料セルスタックのアフターバーナーからの熱を含むことができる。
【００３１】
本方法は、更に、前記加熱された酸素含有ガスの前記ストリームの流量、液体改質可能燃料の流量、前記気化器の温度、加熱された酸素含有ガスのストリームの温度及び前記液体改質可能燃料の温度を監視すること；及び前記監視の結果に応答して前記液体改質可能燃料の前記気化を制御することを含むことができる。
【００３２】
本方法では、前記気化を制御することは、前記第２の熱源及び／又は前記第３の熱源によって供給される前記熱を調整することを含むことができる。
【００３３】
本方法では、前記加熱されたガス状改質反応混合物を改質することは、オートサーマル改質を含むことができ、且つ前記方法は、更に、前記ガス状液体改質可能燃料、酸素含有ガス及びスチームよりなる加熱されたガス状改質反応混合物を提供するために、前記コンジットにスチームを導入することを含むことができる。
【００３４】
本方法では、前記コンジットにスチームを導入することは、前記気化器を通してスチームを導入することを含むことができる。
【００３５】
本方法では、前記気化器は、燃料スプレッダーを含むことができ、前記気化器を通してスチームを導入することは、前記燃料スプレッダーを通してスチームを導入すること含むことができる。
【００３６】
本開示に従って、液体改質可能燃料をスチーム改質する方法が提供され、本方法は、改質器のインレットに向かって流体を経路指定するためのコンジット内に水及び／又はスチームを導入すること；スチームのストリームを提供するために前記水及び／又はスチームのストリームを加熱すること；加熱されたガス状スチーム改質反応混合物を提供するために気化器を介して又はそれを通してスチームの前記ストリーム中に液体改質可能燃料を導入すること；及び水素リッチ改質油を提供するために前記加熱されたガス状改質反応混合物を改質することを含むことができる。
【００３７】
本方法は、更に、前記改質器及び／又は前記改質器の外部の水素改質油消費デバイスからの発熱の熱であることができる熱源を使用してスチームを発生することを含むことができる。
【００３８】
本方法は、更に、前記気化器の燃料スプレッダーを通してスチームを導入することを含むことができる。
【００３９】
本開示に従って、水素リッチ改質油の生成のための液体燃料改質器が提供され、前記改質器は：
酸素含有ガス及び気化された液体改質可能燃料よりなるガス状反応混合物の流れを受容するためのインレット、改質反応ゾーン、及び水素リッチ改質油のためのアウトレット；前記改質器の前記インレットに酸素含有ガス及び気化された液体改質可能燃料を経路指定するためのコンジットであって、前記コンジットは、酸素含有ガスのためのインレット、液体改質可能燃料のためのインレット及び前記改質器の前記インレットとガス流連通状態にあるアウトレットを含むこと；
前記改質器に導入された酸素含有ガスを加熱するために前記改質器の動作のスタートアップモードで動作可能な第１の熱源であって、前記第１の熱源は、電気ヒーター及び前記コンジット内であって前記酸素含有ガスのための前記インレットの下流で且つ前記液体改質可能燃料のための前記インレットの上流の位置に配置される第１の加熱ゾーンを備えること、前記電気ヒーターによって生成された熱が前記コンジット内に導入された酸素含有ガスに伝達され、それによって、前記ガスが前記第１の加熱ゾーンを通過する時に前記酸素含有ガスを温度の事前設定範囲内に加熱すること；
前記改質器に導入された酸素含有ガスを加熱するために前記改質器の動作の定常状態モードで動作可能な第２の熱源であって、前記第２の熱源は、前記改質器及び／又は前記コンジット内であって酸素含有ガスのための前記インレットの下流で且つ液体改質可能燃料のための前記インレットの上流の位置に配置された第２の加熱ゾーン内において前記改質器の外部の改質油消費デバイスから回収された発熱の熱よりなり、前記改質器及び／又は前記改質油消費デバイスから回収された発熱の熱は、前記コンジット内に導入された酸素含有ガスに伝達され、それによって、前記酸素含有ガスが前記第２の加熱ゾーンを通過する時に、前記酸素含有ガスを事前設定された範囲の温度内に加熱すること；及び、
液体改質可能燃料を気化するための気化器であって、前記気化器は、前記コンジット内であって前記インレットの下流の位置に配置される、即ち、前記コンジット内に導入された液体改質可能燃料のための前記インレットとして機能すること、前記液体改質可能燃料は、前記改質器のスタートアップモード中に前記第１の加熱ゾーンから及び前記改質器の定常状態モード中に前記第２の加熱ゾーンから通過する加熱された酸素含有ガスによって気化され且つそれと組み合わされることを含むことができる。
【００４０】
更に、本開示に従って、水素リッチ改質油を生成するために改質器の動作のスタートアップモードにおいて及びその定常状態モードにおいて液体改質可能燃料を改質する方法が提供され、本方法は、
ａ）スタートアップモードにおいて、
（ｉ）改質器のインレットに向かってガスを経路指定するためのコンジット内に酸素含有ガスを導入することであって、前記コンジットは、酸素含有ガスのためのインレット、液体改質可能燃料のためのインレット及び前記改質器の前記インレットとガス流連通状態にある、加熱されたガス状反応混合物のためのアウトレットを備えること、
（ｉｉ）電気ヒーター及び前記コンジット内であって前記酸素含有ガスのためのインレットの下流で且つ前記液体改質可能燃料のためのインレットの上流の位置に配置される第１の加熱ゾーンを備える第１の熱源により前記酸素含有ガスを加熱すること、前記電気ヒーターによって生成された熱は、前記コンジット内に導入された酸素含有ガスに伝達され、それによって、前記酸素含有ガスが前記第１の加熱ゾーンを通過する時に、前記酸素含有ガスを温度の事前設定範囲内に加熱すること、
（ｉｉｉ）液体改質可能燃料を前記コンジットに導入すること、
（ｉｖ）前記コンジット内に導入された液体改質可能燃料を前記コンジット内であって前記インレットの下流の位置に配置される、即ち、前記コンジット内に導入された液体改質可能燃料のためのインレットとして機能する気化器によって気化することであって、前記液体改質可能燃料は、前記第１の加熱ゾーンを通過する加熱された酸素含有ガスによって気化され、且つそれと組み合わされて、それによって、加熱されたガス状改質反応混合物を提供すること、
（ｖ）ステップ（ｉｖ）からの加熱されたガス状改質反応混合物を前記改質器の前記インレット内に導入すること、及び
（ｖｉ）水素リッチ改質油の生成を開始するために前記改質器内で前記加熱されたガス状改質反応混合物を改質すること、及び、
ｂ）定常状態モードにおいて、
（ｖｉｉ）酸素含有ガスを前記コンジットに導入すること、
（ｖｉｉｉ）前記改質器及び／又は前記コンジット内であって酸素含有ガスのための前記インレットの下流で且つ液体改質可能燃料のための前記インレットの上流の位置に配置された第２の加熱ゾーン内において前記改質器の外部の改質油消費デバイスから回収された発熱の熱よりなる第２に熱源によって前記酸素含有ガスを加熱すること、前記反応器及び／又は改質油消費デバイスから回収された発熱の熱は、前記コンジット内に導入された酸素含有ガスに伝達され、それによって、前記ガスが前記第２の加熱ゾーンを通過する時に、前記酸素含有ガスを温度の事前設定範囲内に加熱すること、
（ｉｘ）液体改質可能燃料を前記コンジット内に導入すること、
（ｘ）前記コンジットに導入された前記液体改質可能燃料をステップ（ｉｖ）の前記気化器によって気化することであって、前記液体改質可能燃料は、前記第２の加熱ゾーンから通過する加熱された酸素含有ガスによって気化され、且つそれと組みわされて、それによって、加熱されたガス状改質反応混合物を提供すること、
（ｘｉ）ステップ（ｘ）からの加熱されたガス状改質反応混合物を前記改質器の前記インレットに導入すること、
（ｘｉｉ）前記改質器内で前記加熱されたガス状反応混合物の改質を維持して、それによって、水素リッチ改質油の生成を続けること、及び
（ｘｉｉｉ）ステップ（ｘｉｉ）の存続期間中、前記第１の熱源の動作を制限する又は中断することを含むことができる。
【００４１】
以下に記載の図面は、例証目的のために過ぎない。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。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１Ａ】図１Ａは、本教示に係る改質器と液体燃料気化器の二つの実施形態の概略的ブロック図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、本教示に係る改質器と液体燃料気化器の二つの実施形態の概略的ブロック図である。
【図２Ａ】図２Ａは、図１Ａの液体燃料改質器の動作を管理するための例示的制御システムの概略ブロック図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、図２Ａに示された制御システムのようなコントローラによって実行される例示的制御ルーチンの流れ図である。
【図３Ａ】図３Ａは、本教示に係る液体改質器の実施形態の長手方向断面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、図４Ａに示された液体燃料改質器の液体燃料気化器システムの拡大長手方向断面である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、図３Ａと図３Ｂに示された液体燃料改質器の液体燃料気化器システムの燃料スプレッダーコンポーネントの拡大斜視図である。
【図３Ｄ】図３Ｄは、図３Ａと図３Ｂに示された液体燃料改質器の液体燃料気化器システムの燃料スプレッダーコンポーネントの拡大長手方向断面図である。
【図３Ｅ】図３Ｅは、液体燃料改質器の液体燃料気化器システムの拡大長手方向断面である。
【図４Ａ】図４Ａは、本教示に係る液体燃料改質器の他の一実施形態の長手方向断面図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、図４Ａに示された液体燃料改質器の変型例の長手方向断面図である。
【図５】図５は、改質器の動作の定常状態モード中の酸素含有ガス及び／又は液体改質可能燃料の外部加熱を行うことを特徴とする、本教示に係る液体燃料改質器の追加の実施形態の長手方向断面図である。
【図６Ａ】図６Ａは、図４Ａと図５に示されたＣＰＯＸ反応器ユニットのＣＰＯＸ反応ゾーン内の温度を制御することにおける熱交換器構造体の実施形態の長手方向断面図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、図４Ａと図５に示されたＣＰＯＸ反応器ユニットのＣＰＯＸ反応ゾーン内の温度を制御することにおける熱交換器構造体の実施形態の横断方向断面図である。
【図７】図７は、改質器が定常状態モードで動作している時に最大燃料（ディーゼル）変換能力の異なるパーセンテージにおける、改質反応混合物の酸素の炭素に対するモル比と本教示の液体燃料改質器内の改質反応温度との間の関係を示すグラフデータを提示する。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
加えて、本教示の改質器、システム及び方法は、例えば、本明細書に記述されるように、同じ構造体及びコンポーネント内及び／又は同じ一般的な方法で生じる、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と理解されるべきである。即ち、本教示の反応器、システム及び方法は、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例えば、改質器に送出することができる。
【００４６】
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。
【００４７】
本出願全体を通して、構造体、構成等が、指定のコンポーネントを有する、含む又は備えるものとして記述される場合、又は方法が、指定の方法ステップを有する、含む又は備えるものと記述される場合、そのような構造体、構成等は、また、引用されたコンポーネントを本質的に備える、又はそれらよりなり且つそのような方法は、また、引用された方法ステップを本質的に備える又はそれらよりなることが考えられる。
【００４８】
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願において、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、本明細書で記述される構造体、構成又は方法の要素及び／又は特徴は、様々な方法で、本明細書で明示的であろうと黙示的であろうと、本教示の焦点及び範囲から離れることなく、組み合わされることができることが理解されるべきである。例えば、特定の構造体、ステップ又は動作が参照される場合、その構造体、ステップ又は動作は、本教示の液体燃料改質器及び／又は液体燃料改質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。
【００４９】
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。
【００５０】
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）。
【００５１】
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。
【００５２】
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や動作は、同時に実行されてもよい。更に、本来、ステップが、順番通りに実行される必要がない場合、それらのステップは、同時に実行されることができる。
【００５３】
本明細書において様々な場所で、複数の値が群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２０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及び２０、及び例えば、０から１０、８から１６、１６から２０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。
【００５４】
本明細書で提供される任意の又は全ての例、又は例示的言語、例えば、「のような（ｓｕｃｈ  ａｓ）」の使用は、単に、本教示をより良く理解を容易にすることを意図しており、要求されている場合を除いて本発明の範囲に対して制限を課かさない。明細書中にある言語は、本教示の実施に対して不可欠であるとして任意の非請求要素として解釈されるべきではない。
【００５５】
「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。
【００５６】
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。
【００５７】
表現「液体改質可能燃料」及び「液体燃料」は、標準の温度と圧力（ＳＴＰ）状態で液体である改質可能炭素含有燃料及び改質可能水素含有燃料、例えば、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、バイオディーゼル及び改質を受けた時に、水素リッチ改質油への変換を受けるもの等を含むことが理解される。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。
【００５８】
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「ガス状オートサーマル改質反応混合物」と呼ばれることができる。
【００５９】
用語「改質器」は、全ての反応器を含むことが理解され、そこでは、気化された液体改質可能燃料の水素リッチ改質油への変換が起こり、例えば、部分酸化（ＰＯＸ）、触媒部分酸化（ＣＰＯＸ）、スチーム及びオートサーマルタイプの改質器を含むことが理解される。
【００６０】
用語「改質」は、改質可能燃料の水素リッチ改質油への改質又は変換中に生じる反応（単数又は複数）を含むと理解される。
【００６１】
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反応及び／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。
【００６２】
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並びに本明細書で記述される他の反応に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。
【００６３】
用語「改質油」は、改質器の水素リッチ流出物とその酸化可能成分に当てはめると理解される。
【００６４】
表現「改質油消費デバイス」は、燃料セル、燃料セルアフターバーナー（テールガスバーナー）及び改質油の少なくとも一つの可燃成分の燃焼によって熱を発生する他のデバイスのような、水素リッチ改質油又はその成分（単数又は複数）を消費する全てのデバイスを含むと理解される。
【００６５】
発明の詳細な説明
本記載は、ＣＰＯＸ改質器への適用として記述されるが、本開示は、他の改質器及び／又は反応に適用することが理解されるべきである。
【００６６】
図１Ａは、触媒部分酸化（ＣＰＯＸ）タイプの改質器を示す。しかしながら、本明細書での発明は、ＣＰＯＸ改質器に制限されず、非触媒部分酸化改質器、スチーム改質器、オートサーマル改質器及び前述の任意の態様を組み合わせる改質器を含む全てのタイプの液体燃料改質器に適用可能であり、そこでは、処理されるべき燃料は、液体であり、ガス相改質反応ゾーンにおける導入（酸素含有ガスと共に）に先立って、気化されなければならない。
【００６７】
ここで図面を参照すると、図１Ａは、本教示に係る液体燃料改質器、具体的には、液体燃料ＣＰＯＸ改質器の一実施形態を示しており、そこでは、改質反応混合物の酸素含有ガス成分が、液体燃料改質器の動作の定常状態モード中のＣＰＯＸ改質から生じる発熱の熱によって加熱される。
【００６８】
図１Ａに示されるように、液体燃料改質器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ストリーム（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、開口ガス流通路を含む、改質器の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、図２Ａで示される制御システムに関連してより完全に説明されるように、液体燃料改質器の動作を測定し、監視し、及び制御するために、液体燃料改質器内の様々な位置に配置されることができる。
【００６９】
例示の液体燃料改質器１００の動作のスタートアップモードにおいて、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、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反応器ユニット１０９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。
【００７０】
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終えるように動作し、それによって、液体燃料改質器１００の幾つかの動作要求を満足する、即ち、迅速な応答で改質器の温度要求の調整及び微調整を助ける、及び必要に応じて、更に下流でコンジット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の十分な熱を提供する及び加熱されたガス状改質反応混合物を提供する。
【００７１】
本明細書で且つディーゼルによって本教示のその他の実施形態において例示される液体改質可能燃料は、ポンプ１１３を介して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を通って貯蔵部から主コンジット１０３に連続的に導入され、そこでは、燃料は、第２の加熱ゾーン１１１から流れる加熱された空気からの熱を利用する気化器システム１１７によって気化される。気化された、例えば、ガス状の燃料は、コンジット１０３の液体燃料気化ゾーン１１８において加熱された空気のストリームと組み合わさる。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（液体燃料気化ゾーン１１８と一致する）内に配置される。
【００７２】
加熱され且つ気化された燃料‐空気混合物（加熱されたガス状改質反応混合物）は、反応混合物をより均一に及び、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３Ａに示される液体燃料改質器３００の断熱部３１０）によって囲まれるが、加熱されたガス状改質反応混合物は、一般的に、コンジットの同等な長さの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低下をなお受け得る。マニフォルド内でガス状改質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、混合物がコンジットを出てマニフォルド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。
【００７３】
これらのファクタのいずれかに起因するガス状改質反応混合物の温度の低下、特に、マニフォルドの壁、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、ガス状改質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、管状改質反応器ユニットの改質反応ゾーン内で生じるＣＰＯＸ改質反応（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３Ａに示される液体燃料改質器の伝熱要素３３４）を備えることができる。
【００７４】
マニフォルド１１０から、加熱された改質ＣＰＯＸ反応混合物は、管状改質反応器ユニット１０９に導入される。液体燃料改質器１００の動作のスタートアップモードにおいて、点火器１２３は、管状改質反応器ユニット１０９の改質反応ゾーン１１０内においてガス状改質反応混合物のＣＰＯＸ改質反応（単数又は複数）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。定常状態改質反応温度が達成されると（例えば、ＣＰＯＸ改質の場合には２５０℃から１，１００℃）、その反応が自立し且つ点火器の動作が中断されることができる。熱電対１２４と１２５は、コンジット１０３の気化ゾーン１１８内で生じる気化動作及び管状改質ＣＰＯＸ反応器ユニット１０９内で生じる改質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。
【００７５】
また、改質器１００は、ブロワー１０２、フローメータ１０４と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、点火器１２３、及び熱電対１０５、１２２、１２４及び１２５のような電気で駆動されるコンポーネントに対して電力を提供し、且つ必要ならば、後での使用のために余剰電力を蓄電するために、電流源、例えば、充電可能リチウムイオンバッテリシステム１２７を含むことができる。
【００７６】
必要ならば、液体改質器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（ＣＯ２）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、ＣＯ２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。
【００７７】
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。
【００７８】
空気が、動作の定常状態中にＣＰＯＸ反応器ユニット１０９から回収された発熱の熱によってコンジット１０３の伝熱ゾーン１０８内で加熱される、図１Ａの液体燃料改質器１００とは対照的に、図１Ｂの例示的液体燃料ＣＰＯＸ改質器１５０において、遠心ブロワー１５１を介してコンジット１５３に導入された空気は、改質器１５０が接続される改質油消費デバイス、例えば、燃料セルスタック１５６の燃料セルスタックアフターバーナー（テールガスバーナー）セクション１５５から回収された発熱の熱が供給される熱交換器１５４を通過することによって加熱される。その他に関しては、図１ＢのＣＰＯＸ改質器１５０のコンポーネント及びそれらの機能は、図１ＡのＣＰＯＸ改質器１００のものと本質的に同じである。液体燃料改質器が、（スチーム改質器又はオートサーマル改質器同様に）、改質器の動作の定常状態モード中にコンジット１０３内に導入された空気を適切に事前加熱するための、発熱を発生しない又は発熱の十分な量を発生しない場合でも、そのような改質器が接続される燃料セルのアフターバーナーセクション内でテールガスの可燃性成分の燃焼から生じる熱は、本目的のために、必要な熱を提供できる。
【００７９】
図２Ａに示される制御システム２００は、本教示に係る液体燃料改質器の動作を制御するために設けられる。図２Ａに示されるように、制御システム２００は、動作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改質器２０２を管理するためのコントローラ２０１を含む。このコントローラは、プロセッサ上で動作するソフトウエアであってもよい。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。
【００８０】
制御システム２００は、更に、コントローラ２０１と通信状態にあり且つＣＰＯＸ改質器２０２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、燃料圧力メータ２０４、空気圧メータ２０９、混合ゾーン熱電対２１３及びＣＰＯＸ反応ゾーン熱電対２１４を含む。
【００８１】
センサアセンブリからの入力信号、ユーザ入力デバイスからのユーザコマンド及び／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２０１は、本教示に係る液体燃料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２０１は、液体燃料改質器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向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、圧力メータ２０４と２０９からのフローレート入力信号及び／又は熱電対２１３と２１４からの温度入力信号に応答して、コントローラ２０１は、例えば、燃料ライン２０６を通るコンジット２０７への流れを制御するために、燃料ポンプ２０３及び／又は燃料フロー制御バルブ２０５へ、空気のコンジット２０７への流れを制御し且つＣＰＯＸ改質器２０２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２０８へ、ヒーターの温度出力を制御するためにヒーター２１０へ、点火器のオンオフ状態を制御するために点火器２１１へ、及びバッテリ／バッテリ充電システム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２１２へ制御信号を送信できる。
【００８２】
ここでのセンサアセンブリ、制御信号受信デバイス及び通信路は、任意の適切な構造のもの及び従来の技術で既知のものであり得る。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。
【００８３】
図２Ａ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２０１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２０１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２０１が、決定された応答動作を提供するために液体燃料改質器２０２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、改質器２０２及び燃料ポンプ２０３、燃料制御バルブ２０５及びブロワー２０８のような機械的ユニットからの動作信号、及び圧力センサ２０４と２０９及び熱電対２１３と２１４のようなセンサアセンブリからの測定入力を受信することを概略的に表している。
【００８４】
図２Ｂは、本教示に係る液体燃料改質器の動作を自動化するために、制御システムのコントローラによって実行されることができる例示的制御ルーチンのフローチャートを提示する。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２Ｂに示される制御論理は、動作のスタートアップモード及び定常状態モードのガス流、加熱、燃料気化及び改質反応温度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。
【００８５】
本教示の更なる実施形態を表す図３Ａ乃至図３Ｅに示される例示的液体燃料ＣＰＯＸ改質器３００及びそのコンポーネントに示されるように、酸素含有ガスとしての空気は、遠心ブロワー３０２を介して、コンパクト設計の好ましい略Ｕ形状のコンジットセクションを含むコンジット３０４のインレット３０３を通して周囲温度で且つ事前設定された質量流量で導入される。周囲温度の空気は、例えば、１０から８０ワット又は改質器３００の燃料処理容量の設計された範囲に依存して更に大きく定格された、従来の又は或いは既知の電気抵抗タイプのものであり得る電気ヒーター３０６からの熱が供給される第１の加熱ゾーン３０５を通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スタートアップモード動作中に最初に加熱される。電気抵抗ヒーターは、ＣＰＯＸ改質器構成及び動作容量の比較的に広い範囲に対して望ましいレベルにコンジットに導入される周囲空気の温度を上昇することができる。改質器３００の動作の定常状態モード中に、電気ヒーター３０６は停止されることができ、コンジット３０４に導入された空気は、次に、例えば、図１ＡのＣＰＯＸ反応器ユニット１０９に関して上述された構造と構成の細長い管状ガス透過可能ＣＰＯＸ反応器ユニット３０８のＣＰＯＸ反応ゾーン３０９から回収された発熱の熱によって第２の加熱ゾーン３０７内で最初に加熱される。このように、コンジット３０４に導入された空気の温度は、周囲温度から温度のある事前設定された上昇範囲内に増加されることができ、特定の温度は、様々な設計、即ち、当業者が容易に認識する構造的且つ動作上のファクタによって影響を受ける。
【００８６】
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３１０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、コンジット３０４及びＣＰＯＸ反応ユニットのＣＰＯＸ反応ゾーン３０９に対応するＣＰＯＸ反応ユニット３０８の部分の大部分を囲む。
【００８７】
スタートアップモードにおいて第１の加熱ゾーン３０５を通る又は定常状態モードにおいて第２の熱ゾーン３０７を通ること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がコンジット３０４内を下流に流れ続けると、それは、有利には、任意の第２の電気ヒーターユニット３１３からの熱が供給される任意の第３の加熱ゾーン３１２を通って流れる。任意の第２の電気ヒーターユニット３１３は、比較的に小さな範囲だけ最初に加熱された空気の温度を増加することのみ求められるので、それは、改質器の燃料気化システム及び改質器の管状ＣＰＯＸ反応器ユニットの両方に関して、改質器の正確で且つ迅速な熱管理に資する空気温度の典型的な小さな調整を行うことができる増分ヒーターとして機能できる。
【００８８】
上述され且つここで及び自動車用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、コンジット３０４内で終端する燃料ライン３１４を介して、液体燃料スプレッダー３１５、例えば、図３Ｂ、図３Ｃ及び図３Ｄに示さるウィック３１６、又は図３Ｅに示されるスプレーデバイス３１７に導入される。
【００８９】
流体を液体燃料ＣＰＯＸ改質器の通路とコンジットを通過させるための、例えば、燃料ライン３１４を通して液体燃料をコンジット３０４に導入するための任意の従来の又は他の既知のポンプ又は等価のデバイス３１８が使用されることができる。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能動変位ポンプ、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。幾つかの実施形態では、ポンプ又は等価なデバイス３１８は、燃料を間欠的に又はパルス流のように送出できる。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、実質的に連続する流れとして燃料を送給できる。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。
【００９０】
上で指摘したように、加圧された液体燃料は、ウイックによって又は燃料インジェクター、加圧ノズル、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微細噴霧として或いは液滴形態でコンジット内に拡散されることができる。
【００９１】
スタートアップモードにおける第１の加熱ゾーン３０５内で電気ヒーター３０６によって生成される熱又は定常状態モード中に第２の加熱ゾーン３０７内でＣＰＯＸから回収された発熱の熱は、好ましくは、任意の加熱ゾーン３１２内で任意の第２の電気ヒーター３１３によって生成された熱と組み合わされてコンジット３０４内に導入される液体燃料を気化するように調和して機能し且つ共に改質器の燃料気化器システムの主成分を構成する。
【００９２】
任意の第２の電気ヒーター３１３は、その関連する任意の第３の加熱ゾーン内を通過する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ように動作するのみならず、液体のコンジット３０４への導入に先立って液体燃料を加熱するために使用されることができ、それによって、燃料がコンジットに入ると、その燃料の気化を促進する。液体燃料のコンジットへの導入に先立って、その液体燃料を加熱するためのこの任意の設備は、改質可能燃料がコンジット３０４に入る時に周囲温度である改質可能燃料で動作する同じ気化器システムよりも、所与の量の液体改質可能燃料気化をより速く、又は所与に期間内でより多くの量の液体燃料を気化することすることを可能とする。
【００９３】
液体燃料が主コンジット３０４に入る前のその液体燃料の加熱に備えるために及び図３Ｂ乃至図３Ｅ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、燃料ライン３１４は、コンジット３０４の壁を横切り、燃料ラインのセクション３１９は、コンジット３０４内を流れる燃料の滞在時間を延長するために延長され、そこでは、燃料ラインは、主コンジット３０４の任意の第３の加熱ゾーン３１２を通過する又はそれに近接する。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の加熱ゾーンに対応するコンジット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３１９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、任意の第３の加熱ゾーン３１２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、コンジット３０４の第３の加熱ゾーン３１２内の任意の第２の電気ヒーター３１３の熱出力の一部は、燃料ライン３１４の先端セクション３１９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３１４の先端セクションは、参照番号３１９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３００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。
【００９４】
液体燃料スプレッダー３１５は、コンジット３０４内であって任意の第３の加熱ゾーン３１２と、関連する任意の第２の電気ヒーター３１３の下流で且つ混合ゾーン３２０の上流に配置される。チャンバ４３６内に配置される熱電対３２２及び熱電対３２３は、ＣＰＯＸ反応器ユニット３０８のＣＰＯＸ反応ゾーン３０９内で生じるＣＰＯＸ改質の温度及び気化された燃料‐空気混合物の温度を夫々監視するために、混合ゾーン３２０内に配置される。
【００９５】
例示的液体燃料改質器４００の様々な図及び本教示の更なる実施形態を表す図４Ａに示されるように、酸素含有ガスとしての空気は、コンパクト設計に好ましい略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を通して遠心ブロワーシステム４０２を介して周囲温度で且つ事前設定された質量流量で導入される。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、コンジット内に導入される周囲空気の温度を液体燃料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。改質器４００の動作の定常状態モード中に、第１のヒーターユニット４０６は、停止され、主コンジット４０４に導入された空気は、次に、管状ガス透過可能改質器反応器ユニット４０８のＣＰＯＸ反応ゾーン４０９から回収された発熱の熱によって伝熱ゾーン４０７内で最初に加熱される。このように、コンジット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。
【００９６】
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及び改質器反応ユニットの改質反応ゾーン４０９に対応する改質器反応ユニット４０８の部分の大部分を囲む。
【００９７】
加熱された空気ストリームが主コンジット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。
【００９８】
望ましい改質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、燃焼／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、望ましいガス状改質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のガス分配器に入る丁度前に、より組成的に均一なガス状改質反応混合物を提供するために、混合ゾーン内に配置された第２の静的ミキサーを通って流れることができる。
【００９９】
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が主コンジット４０４内を下流に流れ続けるので、最初に加熱された空気は、第２のヒーターユニット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改質器反応器ユニット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。
【０１００】
上述のもののいずれかのような、及びディーゼル燃料よってここで且つ本教示の他の実施形態に例示される液体改質可能燃料は、液体燃料スプレッダー４１５、例えば、ウイック４１６やスプレーデバイス（図示せず）において主コンジット４０４内で終端する燃料ライン４１４を介して導入される。動作において、ウイック４１６は、ウイッキング（芯で吸い上げる）動作や毛管現象動作によって燃料アウトレットを通して放出されるディーゼル燃料を引き上げる。ウイック４１６の表面に及びその上に引き上げられたディーゼルは、非均一ガス状燃料‐空気混合物、即ち、非均一ガス状改質反応混合物を最初に形成するために、直ちに、第２の加熱ゾーンから下流に流れる加熱された空気と接触して気化し加熱された空気と組み合わさり始める。第１の混合ゾーン４２０内で第１の静的ミキサーを通過することに続くこの最初の燃料‐空気混合物は、次に、ブランチコンジット４１１から併合ゾーン４２１へ流れる加熱された空気の残りの補充物と併合し及びそこから併合されたストリームは、第２の混合ゾーン４２２内の第２の静的ミキサー内に流れ、そこから、より組成的に均一なガス状改質反応混合物が出ていく。
【０１０１】
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、歯車式ポンプのような能動変位ポンプ、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、及び毛細管ポンプ等は、燃料ライン４１４を通して主コンジット４０４に液体燃料を導入するために利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、ウイックによって又は燃料インジェクター、加圧ノズル、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微細噴霧として或いは液滴形態でコンジット内に拡散されることができる。第２のヒーターユニットと燃料スプレッダーデバイスは、コンジット内に導入された液体燃料を気化し且つ共に改質器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送給できる。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、実質的に連続する流れとして燃料を送給できる。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。
【０１０２】
改質器は、特に、燃料の気化が主コンジット４０４の外側で起こされる場合に、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の任意の熱源、例えば、電気抵抗タイプのヒーター（ヒーター４０６及び４１３の場合のような）を使用できるが、図示の液体燃料改質器４００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への燃料の導入に先立って液体燃料を加熱し且つ燃料がコンジットに入るとその燃料を気化するために、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。
【０１０３】
液体燃料が主コンジット４０４に入る前のその液体燃料の加熱に備えるために、燃料ライン４１４は、主コンジット４０４の壁を横切り、燃料ラインのセクション４１９は、コンジット内を流れる燃料の滞在時間を延長するために延長され、そこでは、燃料ラインは、主コンジット４０４の任意の第２の加熱ゾーン４１２を通過する又はそれに近接する。延長された燃料ラインは、第２の加熱ゾーン４１２に対応する主コンジット４０４の外部表面上に又はそれに近接されて配置される、この目的のために様々な構成、例えば、コイル巻線、らせん状巻線（図示せず）または一連の長手方向折り又は第２の加熱ゾーンに又はそれの近くのコンジットの内部に配置される任意の類似の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の加熱ゾーン内のヒーターの熱出力の一部は、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。温度値のいずれの範囲が、燃料ライン内の燃料に対して選択されようと、その範囲は、ベーパーロック及びその結果の改質器４００の停止が回避されるべき場合、燃料の沸点（ディーゼルの場合には、１５０℃から４５０℃）を越えるべきではない。
【０１０４】
液体燃料スプレッダー４１５は、第２の加熱ゾーン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（例えば、ＣＰＯＸ反応混合物）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。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の下流の主コンジット４０４内に配置される。液体燃料スプレッダー４１５は、図３Ｂ乃至図３Ｄで記述されるウイック３１６として構成されることができる。
【０１０５】
液体燃料アウトレットの上に嵌合できるウイック３１６の本体は、任意の適切な熱抵抗材料から製造されることができる。有用な熱抵抗材料の例は、金属、セラミック、高温ポリマー等、及び織り合わされた金属又はカーボンファイバ（構造的強度を付すため）とセラミックファイバ（ウイッキング動作のため）のらせん状に巻かれたシートのような前述の材料の組合せを含む。
【０１０６】
本明細書で記述される液体燃料気化器システムでは、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、燃料の気化よりもむし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、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のディーゼルの直接的な接触の機会が無い又はほとんどない。このように、ディーゼル燃料の温度は、そのフラッシュポイント未満のレベルに且つスパッタリングやコーキングの顕著な出来事を生じること無く容易に且つ確実に維持されることができる。
【０１０７】
図４Ａを再び参照すると、第２の混合ゾーン４２２内に配置された第２の静的ミキサーのガス状反応混合物の通過に続いて、ガス状反応混合物は、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改質反応器ユニット４０８に及びそれら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。そのような配置や本教示内の他の配置は、任意の二つの改質反応器ユニット内でのガス状改質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％以下であるガス状改質反応混合物の分配を提供できる。
【０１０８】
関連する管状改質反応器ユニット４０８と共にマニフォルド４２６は、中に加熱されたガス状改質反応混合物（ガス）分配器４２７が主コンジット４０４のアウトレット４２５に接続される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、囲い４２８を含む。アウトレット４２５を通って主コンジット４０４を出る加熱されたガス状改質反応混合物は、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、穴やスロット）４４０を通って外部へ通過し、次に、ガスは、分配器の外側表面周りをその頂部又は上部に流れ、そこから管状改質反応器ユニット４０８のインレット４４１内に入る。ガス状改質反応混合物が孔４４０を通りインレット４４１に入るガス状改質反応混合物の経路が図４Ｂに示される。
【０１０９】
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改質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４４２と熱電対４２３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、銅のような熱良導体から製造され且つ管状改質反応器ユニット４０８の改質反応ゾーン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４２４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改質反応ゾーン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。
【０１１０】
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反応混合物が改質器反応器ユニットのインレットに導入されるとガス状改質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、任意の二つの管状改質反応器ユニットに入るガス状改質反応混合物の温度の差が約１０％以下である、例えば、差が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改質反応混合物を提供するように動作されることができる。
【０１１１】
マニフォルド４２６から、加熱されたガス状改質反応混合物は、改質反応器ユニット４０８のインレット４３１に入り、改質反応ゾーン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において、一つ以上の点火器４３５は、改質を開始する。改質が、自立した後、例えば、反応ゾーンの温度が約２５０℃から約１１００℃に到達すると、点火器（単数又は複数）は、外部点火が新たな自立改質反応（単数又は複数）を維持するために必要とされないので、停止されることができる。
【０１１２】
図４Ｂの例示の液体燃料改質器４５０は、図４Ａの改質器４００の変型例である。図４Ｂに示されるように、酸素含有ガスの流れは、主コンジット４１１内に配置される図４Ａの改質器のブランチコンジット４１１のインレットとは対照的に、ブランチコンジット４１１の外側インレット４５２で液体燃料改質器４５０に導入される。全ての他の態様において、改質器４００と４５０は、本質的に同じであり、それらの動作は本質的に同じである。
【０１１３】
図５の液体燃料改質器５００は、図３Ａの液体燃料改質器３００の要素と特徴の大部分を含み、本質的にそれと同じように動作し、従って、液体改質器３００との顕著な違いに関してのみ記述する。
【０１１４】
液体燃料改質器５００において、図示の遠心ブロワーシステム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燃料ガスが循環される熱交換器５０１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中に改質器に入る周囲空気が主コンジット３０４の伝熱ゾーン３０７を通過し、その空気が改質器反応器ユニット３０８の改質反応ゾーン３０９内に生じる改質反応の発熱から回収された熱によってゾーン３０７内で加熱される液体燃料改質器３００において空気を加熱する設備とは異なっている。加えて、燃料ラインセクション３１４内を流れる燃料がヒーター３１３によって加熱される図３Ａの燃料加熱システムとは対照的に、液体燃料改質器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５０１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、液体燃料改質器５００は、液体改質器３００と本質的に同じように動作できる。
【０１１５】
任意ではあるが、本教示の液体燃料改質器を冷却するための手段は、改質器の更なる熱管理と制御を提供することにおいて有用であり得る。改質器制御のそのような更なるレベルを提供するために、図６Ａ及び図６Ｂの夫々の液体燃料改質器６００及び６５０は、それらの改質器反応器ユニットを温度の事前設定された範囲内、例えば、約７５０℃から約９５０℃に冷却するための熱交換器を含む。
【０１１６】
図６Ａに示されるように、液体燃料改質器６００は、冷却剤ストリーム、例えば、周囲温度の空気を改質器反応器ユニット６０３の下部セクション６０２の露出された外部表面に向けるための遠心ブロワー６０１を含む。遠心ブロワーの代わりに、冷却剤ストリームを提供するための任意の他の適切なデバイス、例えば、ファン、インペラー等が利用されることができる。
【０１１７】
図６Ｂの液体燃料改質器６５０では、熱伝導アセンブリは、様々に構成され且つ配置された熱伝導部材６５１と６５４を含む。熱伝導部材は、例えば、適宜に高い熱伝導性を有する材料、例えば、金属（特に、銅及び銅合金）、カーボン、セラミックス等から製造されるロッド、プレート、チューブ等として設けられることができる。熱伝導部材は、放射熱、例えば、チャンバ６５３内の改質器反応器ユニット６５２の露出された外部表面から熱伝導部材６５４に放射された熱を伝導でき、この熱伝導部材６５４は、同様に、銅のような、高い熱伝導性を現す材料から製造されて、熱放射部材６５５、例えば、図示の一連のフィンで終端する。遠心ブロワーユニット６５６は、複数のフィンを支持する熱放射部材へ冷却材ストリーム、例えば、周囲温度の空気を向けてその熱を消散する。
【０１１８】
図７は、気化されたディーゼル燃料‐空気改質反応混合物の酸素（Ｏ）の炭素（Ｃ）に対するモル比と改質反応温度との間の関係を明示するグラフデータを提示する。データが示すように、改質反応混合物のＯのＣに対するモル比が徐々に減少すると、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に調整されると、改質反応温度が低下する。これらのデータは、本教示に係る液体燃料ＣＰＯＸ改質器の最適化された動作のための幾つかの含蓄を保持している。
【０１１９】
改質触媒の迅速な加熱、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。ＣＰＯＸ反応器ユニットのＣＰＯＸ反応ゾーン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。
【０１２０】
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。
【０１２１】
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。
【０１２２】
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蒸発器である。例えば、図４Ａに示される改質器４００におけるウイック３１５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。
【０１２３】
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３１５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。
【０１２４】
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。
【０１２５】
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。
【図１Ａ】
2018087134.tif 000003
【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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