(57)【要約】【課題】液体燃料触媒部分酸化（ＣＰＯＸ）改質器と燃料セルの統合システムの新たな設計並びに従来の技術の不利益点の幾つかに対処できる、燃料セルと統合されたＣＰＯＸ改質システムの新たな方法を実現する。【解決手段】ＣＰＯＸ改質器と燃料セルの統合システムは、複数の互いに離間されたＣＰＯＸ反応器ユニットを含みうる。各反応器ユニットは、ガス透過可能壁を有する細長いチューブを含み、壁は、ＣＰＯＸ触媒を有する及び／又はＣＰＯＸ触媒の構造体よりなる壁の少なくとも一セクションで開口ガス流通路を囲む。触媒含有壁構造体及び開口ガス流通路は、ガス相ＣＰＯＸ反応ゾーンを画定し、触媒含有壁セクションはガス透過可能である。また、ＣＰＯＸ改質器は、気化器、点火器、及び液体改質可能燃料源を含みうる。水素リッチ改質油は、燃料セルユニット内で電気に変換されうる。【選択図】図４Ｒ
2019200996.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体燃料ＣＰＯＸ改質器であって：
互いに離間されたＣＰＯＸ反応器ユニットのアレイであって、各ＣＰＯＸ反応器ユニットは、内表面と外表面を有するガス透過可能壁を有する細長いチューブを備えること、前記ガス透過可能壁は、開口ガス流通路を囲むと共に前記ＣＰＯＸ反応器ユニットのインレットとアウトレットを画定すること、
一つのＣＰＯＸ反応器ユニットは、前記アレイの少なくとも前記隣接するＣＰＯＸ反応器ユニット（単数又は複数）と熱流通状態にあること、及び
前記ガス透過可能壁の少なくとも一セクションは、ＣＰＯＸ触媒を備えること；
前記ＣＰＯＸ反応器ユニットのインレットと流体連通状態にある気化器；
少なくとも一つのＣＰＯＸ反応器ユニットのＣＰＯＸ触媒を備える前記ガス透過可能壁の少なくとも一セクションと熱連通状態にある点火器；
アノード、カソード、及び前記アノードと前記カソードとの間に配置される電解質を備える燃料セルユニットであって、前記アノードは、前記ＣＰＯＸ反応器ユニットの前記アウトレットと流体連通状態にあり且つ前記カソードは、酸素含有ガスと流体連通状態にあること；及び
前記燃料セルユニットの前記アノードと前記カソードに電気的に連結される電流コレクタ、を備える液体燃料ＣＰＯＸ改質器。
【請求項２】
水素バリアが、一つのＣＰＯＸ反応器ユニットの少なくとも前記ＣＰＯＸ触媒含有壁セクションの前記外側表面と関連する請求項１に記載の液体燃料ＣＰＯＸ改質器。
【請求項３】
互いに隣接するＣＰＯＸ反応器ユニット間の最大距離は、ＣＰＯＸ反応が、動作しているＣＰＯＸ反応器ユニットにおけるＣＰＯＸ反応からの熱によって隣のＣＰＯＸ反応器ユニットで開始されることに失敗しない及び／又は動作の定常状態モード中に、互いに離間されたＣＰＯＸ反応器ユニットの前記アレイの温度が所定の最小アレイ温度未満に降下しない距離であり；且つ、互いに隣接するＣＰＯＸ反応器ユニット間の最小距離は、ＣＰＯＸ反応器ユニットのアウトレットでの前記温度が所定の最大温度よりも大きくない距離である請求項１又は２に記載の液体燃料ＣＰＯＸ改質器。
【請求項４】
前記ＣＰＯＸ触媒は、前記ＣＰＯＸ反応器ユニットの前記壁内に配置される、前記ＣＰＯＸ反応器ユニットの前記壁の内側表面上に配置される、前記ＣＰＯＸ反応器ユニットの前記壁の前記構造体を部分的に又は完全に形成する、又は前記配置及び前記形成の組合せである請求項１乃至３のいずれか一項に記載の液体燃料ＣＰＯＸ改質器。
【請求項５】
前記気化器と流体連通状態にある第１の酸素含有ガス源と前記気化器の下流の混合ゾーンと流体連通状態にある第２の酸素含有ガス源を備える請求項１乃至４のいずれか一項に記載の液体燃料ＣＰＯＸ改質器。
【請求項６】
ブランチコンジットを有する酸素含有ガスコンジットを備え、前記酸素含有ガスコンジットは、酸素含有ガス源と前記気化器との間に流体連通を提供し且つ前記ブランチコンジットは、前記酸素含有ガス源と前記気化器の下流の混合ゾーンとの間に流体連通を提供し、前記酸素含有ガスコンジットと前記ブランチコンジットは、酸素含有ガス源からの酸素含有ガスの送出を前記気化器と前記気化器の下流の前記混合ゾーンに分割する請求項１乃至５のいずれか一項に記載の液体燃料ＣＰＯＸ改質器。
【請求項７】
前記気化器のアウトレットから下流に位置される酸素含有ガスインレットとガス状ＣＰＯＸ反応混合物アウトレットを備えるコンジットを備え、前記コンジットは、前記酸素含有ガスインレットと前記ガス状ＣＰＯＸ反応混合物アウトレットとの間に流体連通を提供し、前記ガス状ＣＰＯＸ反応混合物アウトレットは、前記ＣＰＯＸ反応器ユニットのインレットと流体連通状態にあること；
前記コンジットの前記酸素含有ガスインレットと流体連通状態にあるガス状改質可能燃料用のインレット；
前記ガス状改質可能燃料インレットと前記酸素含有ガスインレットとの下流であって且つ前記気化器の前記アウトレットの上流のＣＰＯＸ触媒含有セクションを備える請求項１乃至６のいずれか一項に記載の液体燃料ＣＰＯＸ改質器。
【請求項８】
前記気化器は、燃料拡散器を備える又は燃料拡散器である請求項１乃至７のいずれか一項に記載の液体燃料ＣＰＯＸ改質器。
【請求項９】
請求項１の前記液体燃料ＣＰＯＸ改質器を使用して液体改質可能燃料を水素リッチ改質油にＣＰＯＸ改質を行う方法であって、前記方法は：
気化された液体改質可能燃料を含むガス状ＣＰＯＸ反応混合物をＣＰＯＸ反応器ユニットの前記インレットに導入すること；
少なくとも一つのＣＰＯＸ反応器ユニットにおいて水素リッチ改質油の生成を開始するために前記ガス状ＣＰＯＸ反応混合物の触媒部分酸化を開始すること；及び
前記少なくとも一つのＣＰＯＸ反応器ユニットにおいて前記ガス状ＣＰＯＸ反応混合物の触媒部分酸化を維持することであって、前記少なくとも一つのＣＰＯＸ反応器ユニットの前記ガス透過可能ＣＰＯＸ触媒含有壁セクションによって、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物が前記壁セクション内に拡散されることができ且つ生産物水素リッチ改質油が前記壁セクションから拡散されることができることを含む方法。
【請求項１０】
水素バリアが、一つのＣＰＯＸ反応器ユニットの少なくとも前記ＣＰＯＸ触媒含有壁セクションの外側表面と関連する請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
触媒部分酸化を開始することは：
一つのＣＰＯＸ反応器ユニット内でＣＰＯＸ反応を開始すること；及び
中でＣＰＯＸ反応を開始するために前記ＣＰＯＸ反応からの熱を１つの隣のＣＰＯＸ反応器ユニットへ伝達することを含む請求項９又は１０に記載の方法。
【請求項１２】
酸素含有ガスは、前記気化器の下流であって且つＣＰＯＸ反応器ユニットのインレットの上流で前記ガス状ＣＰＯＸ反応混合物に導入される請求項９乃至１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
ＣＰＯＸを開始することは、前記ＣＰＯＸ反応器ユニットの各々において前記ガス状ＣＰＯＸ反応混合物のＣＰＯＸを開始するために二つ以上の単一の点火器を始動することを含み、
前記点火器の数は、ＣＰＯＸ反応器ユニットの数未満である請求項９乃至１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記気化器の前記アウトレットの上流で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に及び／又は前記コンジットと熱連通状態に配置された熱調整アセンブリで加熱すること及び／又は冷却することを含む請求項９乃至１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
請求項７の前記液体燃料ＣＰＯＸ改質器を使用してガス状改質可能燃料を水素リッチ改質油にＣＰＯＸ改質を行う方法であって、前記方法は：
ガス状改質可能燃料を含むガス状ＣＰＯＸ反応混合物を前記ＣＰＯＸ触媒含有セクションから上流の前記コンジット内に導入すること；
少なくとも一つのＣＰＯＸ反応器ユニットにおいて水素リッチ改質油の生成を開始するために前記ガス状改質可能燃料を含む前記ガス状ＣＰＯＸ反応混合物の触媒部分酸化を開始すること；及び
前記ガス状改質可能燃料を含む前記ガス状ＣＰＯＸ反応混合物の触媒部分酸化を維持することを含む方法。
【請求項１６】
同じＣＰＯＸ改質器において、液体改質可能燃料のＣＰＯＸ改質に先立って、それと同時に又はそれに続いて実行される請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
燃料セルユニット内で前記水素リッチ改質油を電気へ変換することは：
前記水素リッチ改質油を固体酸化物燃料セルの前記アノードと接触させること；及び
酸素含有ガスを前記燃料セルの前記カソードと接触させることを含む請求項９乃至１６のいずれか一項に記載の方法。
【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仮特許出願第６１／９００，５２９号明細書の出願日の優先権と利益を享受し、その開示の全体の内容は、参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本教示は、液体燃料触媒部分酸化改質器と燃料セルの統合システム、及び燃料セルユニット内で電気に変換されることができる水素リッチ改質油を生成するための液体改質可能燃料の触媒部分酸化改質の方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
ガス状又は液体改質可能燃料の水素リッチ一酸化炭素含有ガス混合物、一般的には「合成ガス」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、乾燥改質、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、実行されることができる。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。
【０００４】
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。
【０００５】
大きなスケール、水素の経済的生産、その流通のための基盤、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、及び燃料の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の両方を向上することに向けられている。
【０００６】
燃料改質器と同様に、既知で且つ従来の燃料セルは、リン酸燃料セル（ＰＡＦＣ）、アルカリ性燃料セル（ＡＦＣ）、高分子電解質膜（又はプロトン交換膜）燃料セル（ＰＥＭＦＣ）、及び固体酸化物燃料セル（ＳＯＦＣ）を含む様々なタイプ及び構成に分けられる。更に、多くの変型が燃料セルのこれらのタイプの各々内に存在する。例えば、ＳＯＦＣは、管状上の、平面上の、及びモノリス状のものの三つの主要なサブタイプの一つに属するように分類されることができ、従来の技術で既知の各サブタイプの多くの代表例がある。燃料改質器と同様に、各異なるタイプ及びサブタイプの燃料セルは、他のタイプのものに対してその利点と不利益点を有する。
【０００７】
ＣＰＯＸ改質、即ち、単純にＣＰＯＸは、例えば、１００ワットから１００キロワットの範囲の名目上の電力定格であってそれらの間である全ての電力定格を有する燃料セルスタックに水素リッチ改質油を提供する方法として特に注目されている。とりわけ、ＣＰＯＸ改質の利点は、反応が、外部の熱源を必要とする吸熱反応であるスチーム改質とドライ改質に対比して発熱的であることである。
【０００８】
更に、ＣＰＯＸ反応は、一般的に、他の改質反応よりも速く、それによって、早いスタートアップ及び負荷の変化における迅速な応答を可能とする比較的に小さな改質器の構成を可能とする。また、ＣＰＯＸ改質器は、水及びスチームの扱いを必要とする改質器、例えば、水のための貯蔵ユニット、スチーム製造のための加熱ユニット、吸熱改質反応を駆動するために熱を供給するバーナーや燃焼ユニット等、及びそれらに関連する燃料の経路付、動作監視及び制御デバイスを必要とするスチーム改質器及びオートサーマル改質器よりも設計がより単純である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許第６，７９０，４３１号明細書
【特許文献２】米国特許第７，５７８，８６１号明細書
【特許文献３】米国特許第５，５２７，６３１号明細書
【特許文献４】米国特許第６，４０２，９８９号明細書
【特許文献５】米国特許第６，４５８，３３４号明細書
【特許文献６】米国特許第６，６９２，７０７号明細書
【特許文献７】米国特許第６，７７０，１０６号明細書
【特許文献８】米国特許第６，８８７，４５６号明細書
【特許文献９】米国特許第６，９８４，３７１号明細書
【特許文献１０】米国特許第７，０９０，８２６号明細書
【特許文献１１】米国特許第７，１１８，７１７号明細書
【特許文献１２】米国特許第７，２３２，３５２号明細書
【特許文献１３】米国特許第７，９０９，８２６号明細書
【特許文献１４】米国特許第７，９７６，７８７号明細書
【特許文献１５】米国特許第８，３２３，３６５号明細書
【特許文献１６】米国特許出願公開第２０１３／００２８８１５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、且つ先に認識されるように（例えば、米国特許第６，７９０，４３１号明細書及び第７，５７８，８６１号明細書を参照）、ＣＰＯＸ反応中に生成される熱の典型的に高いレベルは、改質器及び／又はＣＯＰＸ触媒、触媒支持部、及び他の構造的コンポーネントのようなコンポーネントに対する損傷を含む望ましくない結果を有し得る。これは、多くの現在のＣＰＯＸ改質器設計の大きな欠点であり、有効な解決策の必要性がある。
【００１１】
一つの既知のタイプのＣＰＯＸ改質器は、一般的には、「触媒モノリス」、「触媒モノリス支持部」、「モノリス基板」又は単純に「モノリス」と呼ばれる触媒支持コンポーネントを含み、それは、その上に配置されるＣＰＯＸ触媒や触媒系を有する。
【００１２】
モノリスは、二つの一般的な構成に基づいて分類される：第１の構成は、中を貫通する本質的に線形のガス流路を呈するハニカム状のチャネルとされた金網又はらせん状に巻かれたコルゲート状シート構造の金属又はセラミックボディによって特徴付けられ、及び第２の構成は、中を貫通する曲がりくねったガス流路を呈する網状の、即ち、開口の細穴構造の金属又はセラミック発泡ボディによって特徴付けられる。一つ又は他の一般的なタイプの代表的なモノリスは、例えば、米国特許第５，５２７，６３１号明細書、第６，４０２，９８９号明細書、第６，４５８，３３４号明細書、第６，６９２，７０７号明細書、第６，７７０，１０６号明細書、第６，８８７，４５６号明細書、第６，９８４，３７１号明細書、第７，０９０，８２６号明細書、第７，１１８，７１７号明細書、第７，２３２，３５２号明細書、第７，９０９，８２６号明細書、第７，９７６，７８７号明細書、第８，３２３，３６５号明細書、及び米国特許出願公開第２０１３／００２８８１５号明細書に開示されている。
【００１３】
図１Ａに示されるように、長手方向断面で見る、一般的な従来の技術のものであるモノリス１００は、ＣＰＯＸ触媒が含浸された又はウォッシュコートされた、多数のチャネル１０２よりなるハニカム状セラミックボディ１０１と、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物、即ち、ガス状酸化剤、典型的には、空気、と改質可能燃料、例えば、メタン、天然ガス、プロパン又はブタンのようなガス状の燃料又はガソリン、灯油、ジェット燃料又はディーゼルのような気化された液体燃料の混合物が入ることができるインレット端１０３、水素リッチ一酸化炭素含有改質油生成品（シンガス）を放出するためのアウトレット端１０４及びモノリス全体と本質的に同一の広がりを持つＣＰＯＸ反応ゾーン１０５を含む。
【００１４】
ＣＰＯＸ反応ゾーン１０５は、内側、即ち、中央領域１０６を有するものと考えられ、この中央領域１０６を通って、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物ストリームの対応する内側、即ち中央部分が、外側，即ち周辺領域１０７によって囲まれる速度Ｖ１の比較的高い範囲内で本質的に流れ、この周辺領域１０７を通って、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物ストリームの対応する対応する外側、即ち、周辺部分が速度Ｖ２の比較的低い範囲内で本質的に流れる。
【００１５】
モノリスは、典型的には、例えば、およそ６００℃から１，１００℃の極めて高いＣＰＯＸ反応温度を受ける。ハニカム状モノリス１００の場合、ＣＰＯＸ反応ゾーン１０５の内側領域１０６と外側領域１０７内を夫々流れるＣＰＯＸ反応混合物ストリームの流速Ｖ１とＶ２の固有の差分に繋がるこれらの高温は、モノリス１００及びＣＰＯＸ改質が関連する他の本質的に線形の流路モノリスの観察された動作上の欠点の主因となる傾向がある。
【００１６】
６００℃から１，１００℃のＣＰＯＸ反応温度では、モノリス１００は、そのインレット端１０３で大量の熱を放射する。ＣＰＯＸ反応状態を注意深く観察し且つ制御しても、「フラッシング」の現象、即ち、放射熱ゾーン１０８内のＣＰＯＸガス状反応混合物ストリームがインレット端１０３に近接する時のそのＣＰＯＸガス状反応混合物ストリームの早期燃焼を防止又は禁止することが困難であり得る。インレット端１０３に近接する初期のＣＰＯＸ反応ゾーン１０９内で生じるＣＰＯＸ反応の発熱の熱はそこから放射熱ゾーン１０８内に外方に向けて放射する。この放射熱は、前進するＣＰＯＸ反応混合物ストリーム（矢印で指示）の温度をそのフラッシュポイントに上昇するのに十分な強度の熱であり得る。放射熱ゾーン１０８内のＣＰＯＸ反応混合物のフラッシングによって望ましくない熱事象が引き起こされ、その温度を、触媒が気化される又は不活性化される点まで上昇する及び／又は改質器構造が損傷される又は動作不能にされるポイントまで上昇する。また、これらの熱事象は、このゾーン内での燃料の分解蒸留に至ることがあり、その結果、コークス（炭素粒子）形成が増加してＣＰＯＸ触媒性能の悪化となる。水素リッチ改質油流出物が燃料セルスタックのための燃料として利用される場合、コークス及びその中に含まれる未改質高級炭化水素部分は、燃料セルのアノード表面に堆積し、生成物の改質油の電気への変換を減少することになる。
【００１７】
更に図１Ａに示されるように、ＣＰＯＸ反応ゾーン１０５の内側領域１０６と外側領域１０７の夫々の内のＣＰＯＸ反応混合物ストリームの流速Ｖ１とＶ２の前述の差分は、また、主に、これらの領域におけるＣＰＯＸ反応温度範囲Ｔ１とＴ２における差分の要因である。このように、内側領域１０６内のＣＰＯＸ反応混合物ストリームのより高い速度Ｖ１は、その領域でのＣＰＯＸ反応率がより高く且つ付随する反応温度Ｔ１がより高くなり、逆に、外側領域１０７内のＣＰＯＸ反応混合物ストリームのより低い速度Ｖ２は、その領域でのＣＰＯＸ反応率がより高く且つ付随する反応温度Ｔ２がより低くなる。内側領域１０６及び外側領域１０７を横切る温度プロファイルは、温度曲線１１０によって表されることができる。十分に高い場合、ＣＰＯＸ反応温度Ｔ１における急な上昇は、モノリス１００に対する損傷及び全破壊とさえなり得る。
【００１８】
図１Ｂに示されるように、長手方向断面から見て従来の技術のタイプの発泡モノリス１５０は、従来の又は他の既知の手順、例えば、含浸又はウオッシュコーティングによって上に堆積されるＣＰＯＸ触媒又は触媒系を支持する相互接続細穴及び細穴チャネル１５２の網状の、即ち、開口の、ネットワークによって特徴付けられるセラミック発泡ボディ１５１を含む。
【００１９】
全てのタイプの発泡モノリスの一つの欠点は、図１Ａのハニカム状モノリス１００のような線形流モノリスに比較して流れに対するより高い抵抗に起因してそれらのより高い圧力低下である。より高い圧力低下は、目標となる流れを満足するためには、より高い動作圧力、従って、より高いエネルギー消費を必要とする。発泡モノリスの他の一つの固有の欠点は、ガス状反応物とその中の反応生成物の流路（矢印で指示されるように）の性質にある。これらの流路の特有のランダム性は、モノリス内の非常に不均一な温度プロファイルとなり（例えば、温度曲線１５３によって指示されるように）、ホットスポットに起因する熱ショック及び／又はコールドスポットに起因するＣＰＯＸ変換率の減少のリスクを増加する。
【００２０】
全てのタイプの発泡モノリスは、また、上述された線形流路モノリスの場合におけるのと同じ程度にフラッシングの影響を受けやすい。加えて、発泡モノリスは、それらの種類の特有の他の欠点を生じやすい。既知及び従来の発泡モノリスを製造する方法に依存して、それらの発泡モノリスは、特に、それらの中央領域内に比較的に脆弱な細穴ネットワークを有する可能性がある、又はそれらの発泡モノリスは、全体にわたってより強固な細穴構造を有する可能性がある。発泡モノリスの両方のタイプは、不利益を受ける。
【００２１】
比較的に脆弱なコア領域を有する発泡モノリスの場合、ＣＰＯＸ改質器（水素リッチ改質油を燃料セルアセンブリに供給するＣＰＯＸ改質器の典型である）の迅速な熱サイクリングから生じる熱ショックは、ＣＰＯＸ反応が進行するとしても、ＣＰＯＸ反応が非常に非効率的に進行する点まで時間経過に従ってそれらの構造を劣化し得る。
【００２２】
頑丈な細穴構造を有する発泡モノリスの場合、そのような構造は、全体的に、ガス流路のランダム性を拡大する傾向がある。ホットスポットにより細穴構造への損傷は無視できる或いは存在しないが、ＣＰＯＸ反応の生産性に悪影響を及ぼす散乱する且つ束の間のコールドスポットの問題は、このタイプの発泡モノリスの一つの欠点のままである。
【００２３】
また、良好に定義され且つ密に制御されたプロセスによって製造される時でも、発泡モノリスは、同じプロセスによって製造される他の発泡モノリスからは、それらの細穴構造において、従って、それらのガス流れ特性において異なっていることが留意される。それらの微細構造における不可避的差の結果として、製造の同じプロセスによって製造される個々の発泡モノリスは、経験的に決定されることができるに過ぎない特有の動作特性を表す傾向がある。実際上は、より広い範囲の性能と信頼性パラメータ又は仕様は、性能における予期できないバラツキを許容するために同じ製造の発泡モノリスを組み込む改質器に割り当てられる。
【００２４】
加えて、ＣＰＯＸ改質器の燃料セルとの統合は、電気が必要とされる特定の用途に適切な統合改質器‐燃料セルシステムを提供するために効率的且つ効果的であるべきである。
【００２５】
従って、本産業では、ＣＰＯＸ改質器と燃料セルの統合システムの新たな設計並びに従来の技術の不利益点の幾つかに対処できる、電気を生成するための燃料セルと統合されたＣＰＯＸ改質システムの新たな方法が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
発明の概要
前述に照らして、本教示は、液体燃料ＣＰＯＸ改質器と燃料セルの統合システム（本明細書では、「改質器‐燃料セルシステム」とも呼ばれる及び関連する変形）、及び水素リッチ改質油を生成するために液体改質可能燃料のＣＰＯＸ改質を行い且つ前記水素リッチ改質油を電気に電気化学的に変換する方法を提供し、これらのシステム及び方法は、最先端技術の欠点及び／又は不利益点の一つ以上に対処できる。例えば、本教示の統合改質器‐燃料セルシステム及び方法は、全体として、フラッシング又は「逃げる」熱事象が液体燃料ＣＰＯＸ改質器セクション又はＣＰＯＸ改質動作において生じる機会や傾向が殆ど無い又はないこと、及び液体燃料ＣＰＯＸ改質器又はＣＰＯＸ改質において過剰に高いＣＰＯＸ反応温度がないこと、及び／又はガスストリームの経路指定及びガス流コンポーネント及び液体燃料ＣＰＯＸ改質器セクション及び／又は統合改質器‐燃料セルシステムの通路の全体を通して低い背圧を提供する。
【００２７】
加えて、本教示の液体燃料ＣＰＯＸ改質器及び燃料セルセクションの設計は、統合改質器‐燃料セルシステムへの効率的且つ効果的な連結を可能とすることができる。例えば、ＣＰＯＸ反応器ユニットのアウトレットの横方向断面は、燃料セルユニットのインレットの横方向断面と整合でき、それによって、ユニット同士の直接連結を可能とする。そのようなシステムのフレキシビリティは、コンパクトなフットプリント及び／又は設計を含む様々な用途及び状態に対して変更及び／又は適合されることができる。
【００２８】
一態様では、本教示は、液体燃料ＣＰＯＸ改質器と燃料セルの統合システムに関し、そこでは、統合改質器‐燃料セルシステムは、液体燃料ＣＰＯＸ改質器セクションと燃料セルセクションを含む。
【００２９】
液体燃料ＣＰＯＸ改質器セクションは、本明細書で述べられるような互いに離間されたＣＰＯＸ反応器ユニットのアレイを有する液体燃料ＣＰＯＸ改質器；ＣＰＯＸ反応器ユニットのインレットと流体連通状態にある気化器；及び前記液体燃料ＣＰＯＸ改質器の少なくとも一つのＣＰＯＸ反応器ユニットのＣＰＯＸ触媒、例えば、少なくとも一つのＣＰＯＸ反応器ユニットのＣＰＯＸ触媒含有壁セクションと熱連通状態にある点火器を含むことができる。
【００３０】
統合改質器‐燃料セルシステムのＣＰＯＸ反応器ユニットは、典型的には、内表面と外表面を有する壁を有する細長いチューブを含む。例えば、「液体燃料ＣＰＯＸ改質器」は、「液体燃料多管状ＣＰＯＸ改質器」と考えられることができ、それのそのような表現及び変更は、本明細書では、文脈からそうでないと理解される場合を除いて、相互交換可能に使用されることができる。ＣＰＯＸ反応器ユニットの壁は、開口ガス流通路を囲み且つ流体流を受容するために一端にインレットを画定し、流体流の放出のために反対側端にアウトレットを画定する。ＣＰＯＸ反応器ユニットは、アレイ中の少なくとも隣のＣＰＯＸ反応器ユニット（単数又は複数）と熱連通状態であることができる。前記ＣＰＯＸ反応器ユニットは、前記内表面を含むその壁の少なくとも一セクションを有することができ、ＣＰＯＸ触媒を含むことができる。ＣＰＯＸ触媒含有壁セクションは、典型的には、ＣＰＯＸ反応状態下で構造的に安定でありながら、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物をその中に拡散させることができ且つ水素リッチ生成物改質油をそこから拡散させることができるためにガス透過可能である。
【００３１】
改質器‐燃料セルの統合システムの液体燃料ＣＰＯＸ改質器は、少なくともＣＰＯＸ触媒含有壁セクションの外側表面に関連する、例えば、それに取付けられる又は接着される水素バリアを含むことができる。この水素バリアは、ＣＰＯＸ反応器ユニットの壁の大部分、又は実質的に全て、又はその全外表面にも関連できる。加えて、水素バリアは、ＣＰＯＸ反応器ユニットの壁の全露出外表面に関連し得る。例えば、加圧ガスのような加圧流体は、例えば、ＣＰＯＸ触媒含有壁セクションの少なくとも外表面に関連する水素バリアであることができる。
【００３２】
互いに離間されたＣＰＯＸ反応器ユニットのアレイ及びそれらの熱連通に関して、これらのＣＰＯＸ反応器ユニットは、一般的に、一つのＣＰＯＸ反応器ユニットにおけるＣＰＯＸ反応からの熱が一つ以上の隣のＣＰＯＸ反応器ユニットにおけるＣＰＯＸ反応を始動するのに十分に近い距離だけ離間される。しかしながら、これらのＣＰＯＸ反応器ユニットは、一般的には、特に、ＣＰＯＸ反応器ユニットのアウトレットでＣＰＯＸ反応器ユニットの温度の制御ができるのに十分に離れた距離に離間される。即ち、ＣＰＯＸ反応器ユニットは、熱損失がＣＰＯＸ反応器ユニットから生じてＣＰＯＸ反応器ユニットに対する及び／又はＣＰＯＸ反応器ユニット（単数又は複数）のアウトレット（単数又は複数）と流体及び熱連通状態にある燃料セルスタックに対する損傷を防止することができるように互いから離間される。そのような配置では、互いに離間されたＣＰＯＸ反応器ユニットのアレイは、アレイ間で適切な熱バランスを提供し且つ全体的に又はアレイを横切って熱の均一性を促進できる。
【００３３】
例えば、隣接するＣＰＯＸ反応器ユニット間の最大距離は、ＣＰＯＸ反応が、一つのＣＰＯＸ反応器ユニットにおけるＣＰＯＸ反応からの熱によって隣のＣＰＯＸ反応器ユニットにおいて開始されるのを失敗しないその距離である。換言すれば、一つのアレイの一つの（単一の）ＣＰＯＸ反応器ユニットにおけるＣＰＯＸ反応を開始することによって、ＣＰＯＸ反応器ユニットのアレイのＣＰＯＸ反応器ユニットの各々におけるＣＰＯＸ反応を開始するために必要な熱を発生させることができる。最大距離は、動作の定常状態モード中に、ＣＰＯＸ反応器ユニットのアレイの温度が所定の最小アレイ温度、例えば、約６００℃又は約６５０℃未満に低下しないその距離であることができる。
【００３４】
隣接するＣＰＯＸ反応器ユニット間の最小距離は、ＣＰＯＸ反応器ユニットのアウトレットでの温度が所定の最大温度より大きくないその距離であり得る。所定の最大温度は、ＣＰＯＸ反応器ユニットのアウトレットと熱及び流体連通状態にある燃料セルスタックのインレットで許容できる温度、例えば、８７５℃又は９００℃であり得る。
【００３５】
また改質器‐燃料セルの統合システムの液体燃料ＣＰＯＸ改質器は、気化器と流体連通状態にある液体改質可能燃料源を含むことができる。統合システムの液体燃料ＣＰＯＸ改質器は、単一の点火器を含むことができ、或いは、二つ以上の点火器、例えば、二つの点火器、三つの点火器又は四つ以上の点火器を含むことができ、そこでは、追加の点火器が他のＣＰＯＸ反応器ユニットのＣＰＯＸ触媒含有壁セクションと熱連通状態に配置されることができる。
【００３６】
ＣＰＯＸ反応器ユニットのＣＰＯＸ触媒含有壁セクションは、セラミックを含むことができる又はセラミックであることができる。ＣＰＯＸ触媒含有壁セクションは、多孔基板、例えば、セラミック又は多孔セラミックを含む多孔基板であり得る。ＣＰＯＸ触媒を含む壁の少なくともセクションは、ペロブスカイト（チタン酸カルシウム）であることができる又はそれを含むことができる。例えば、ペロブスカイトは、そのような壁セクションの約２０重量％を超える又は約５０重量％を超えることができる。ＣＰＯＸ触媒は、その壁内に配置されることができる及び／又はその壁の内表面上に堆積されることができる。例えば、ＣＰＯＸ触媒又はＣＰＯＸ触媒系は、例えば、浸漬、ウオッシュコーティング、又は同等の手順によって、壁及び／又は壁の内表面のような表面に堆積されることができる。また、ＣＰＯＸ触媒は、壁、即ち、その壁の構造体を部分的に又は完全に形成することができる。特定の実施形態では、ＣＰＯＸ反応器ユニットの触媒含有壁セクション内のＣＰＯＸ触媒の量は、壁セクションの長さに沿って、例えば、ＣＰＯＸ反応器ユニットのインレット端からアウトレット端へ向かう方向に増加してもよい、及び／又はその量は、その壁の内表面から外表面へ向かって減少してもよい。このようなＣＰＯＸ触媒の勾配は、ＣＰＯＸ反応器ユニットのＣＰＯＸ反応ゾーンに存在し得る。
【００３７】
本教示の他の一特徴は、酸素含有ガスの主流体ストリームが、例えば、気化器が噴霧器又はウィックのような燃料散布器である当該気化器において、気化器の下流で又は気化器と同期して気化された液体改質可能燃料と混合されることができ、且つ酸素含有ガスの二次流体ストリームがその気化器の下流で又は気化器と同期して得られるガス状ＣＰＯＸ反応混合物と混合されるように、酸素含有ガス源からの酸素含有ガスをスプリットする即ち分割することができるブランチコンジットを備える酸素含有ガスコンジットを含む。そのように、炭素（Ｃ）に対する酸素（Ｏ）の比率（「Ｏ：Ｃ比」）は、反応混合物の点火並びにフラッシュバックを軽減する又は防止するために気化器の上流及び／又は気化器を通ってより低く維持されることができる。即ち、酸素含有ガスの二次ストリームは、ＣＰＯＸ反応器ユニットにおけるＣＰＯＸ反応のためにより高いＯ：Ｃ比を有するＣＰＯＸ反応混合物を提供するために気化器の下流及びＣＰＯＸ反応器ユニットへのインレットの上流でＣＰＯＸ反応混合物に添加されることができる。
【００３８】
酸素含有ガスの流れをスプリット又は分割することができるブランチコンジットを有する、上述のコンジットの使用によって、ＣＰＯＸ改質器及びそれに関連するコンポーネントの熱管理が援助されることができる。気化器を通る流体の容積流の減少、例えば、約５０％以下によって、加熱する酸素含有ガスがより少ないので、気化器がその動作温度に達するために気化器に供給される必要な熱がより少なくできる。動作のスタートアップ及びシャットダウンモード中に、主流体と二次流体ストリームの容量は、適切に調節されることができる。
【００３９】
従って、液体燃料ＣＰＯＸ改質器は、酸素含有ガス源を含むことができ、そこでは、酸素含有ガス源は、気化器と流体連通状態にあり且つ気化器の下流の混合ゾーンと流体連通状態にある。液体燃料ＣＰＯＸ改質器は、ブランチコンジットを含む酸素含有ガスコンジットを含むことができ、そこでは、酸素含有ガスコンジットは、酸素含有ガス源と前記気化器との間で流体連通を提供することができ、且つブランチコンジットは、酸素含有ガス源と気化器の下流の混合ゾーンとの間で流体連通を提供することができる。ブランチコンジットを有する酸素含有ガスコンジットは、酸素含有ガス源から気化器及び気化器の下流の混合ゾーンへの酸素含有ガスの送給を分割できる。そのような場合、気化器中に又は気化器に同期して及び／又は気化器の下流（例えば、そこでは、気化器は、コンジット内に位置され且つ燃料散布器であることができる）に形成されるＣＰＯＸ反応混合物は、ＣＰＯＸ反応器ユニットのインレットに送給されるべきＣＰＯＸ反応混合物未満であるＯ：Ｃ比を有することができる。
【００４０】
この基本的テーマの変型例では、酸素含有ガスの流れをスプリットするブランチコンジットを含むコンジットを有する代わりに、液体燃料ＣＰＯＸ改質器は、気化器と流体連通状態の第１の酸素含有ガス源と気化器の下流の混合ゾーンと流体連通状態の第２の酸素含有ガス源を含むことができる。この構成では、二つの分離したコンジット、各酸素含有ガス源に対して一つのコンジットが使用されることができ、そこでは、独立したコンジットが、気化器の下流で混合ゾーンに結合することができる。二つの異なる酸素含有ガス源の使用によって、上述のように又は本明細書の他の箇所で述べられるようにＯ：Ｃ比における同じ変形を達成できる。
【００４１】
本教示の他の一つの特徴は、気化器のアウトレットから下流に位置される酸素含有ガスインレットとガス状ＣＰＯＸ反応混合物アウトレットを備えるコンジットを含む。このコンジットは、酸素含有ガスインレットとガス状ＣＰＯＸ反応混合物アウトレットとの間に流体連通を提供できる。コンジットは、酸素含有ガスインレットと気化器のアウトレットとガス状ＣＰＯＸ反応混合物アウトレットの間で流体連通を提供できる。ガス状ＣＰＯＸ反応混合物アウトレットは、ＣＯＰＸ反応器ユニットのインレットと流体連通状態にあることができる。電気ヒーターのようなヒーターを含むことができる第１の熱源は、酸素含有ガスインレットから下流で且つ気化器のアウトレットから上流の位置でコンジット内に配置されることができる。液体燃料ＣＰＯＸ改質器及び／又は、例えば、液体燃料ＣＰＯＸ改質器と統合される燃料セルユニットからの発熱の熱を含むことができる第２の熱源は、第１の熱源の下流であって気化器のアウトレットの上流又はそれと同じ位置でコンジットと熱連通状態にあることができる。気化器のアウトレットは、コンジットと流体連通状態にあることができる。例えば、気化器のアウトレットは、他のコンジットを介してコンジットと流体連通状態にあることができる又はコンジットのポートに直接に隣接していてもよい。気化器は、コンジット内に配置されることができる。気化器は、スプレー又はウィックのような燃料散布器であってもよいし又はそれを含んでいてもよい。
【００４２】
種々の実施形態において、電気ヒーターのようなヒーターを含むことができる第３の熱源は、第１の熱源から下流であって且つ気化器のアウトレットの上流の位置でコンジット内に配置されることができる。幾つかの実施形態では、液体燃料ＣＰＯＸ改質器は熱調整アセンブリ、例えば、ヒーターとクーラーを含む熱調整アセンブリを含むことができる。熱調整アセンブリは、第１の熱源から下流で且つ気化器の出口の上流の位置でコンジット内に配置されることができる及び／又はそのコンジットと熱連通状態にあることができる。
【００４３】
本教示の更に他の一特徴は、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物を複数のＣＰＯＸ反応器ユニットのインレットに分配するためのマニフォルドであり、即ち、このマニフォルド（即ち、マニフォルドチャンバ）は、これらのＣＰＯＸ反応器ユニットのインレットと流体連通状態にあることができる。マニフォルドは、マニフォルドハウジングを含み、そこでは、マニフォルドハウジングは、一つのマニフォルドチャンバを画定する。マニフォルドは、中に配置され且つマニフォルドチャンバの長手の少なくとも大部分にわたって延在するガス状ＣＰＯＸ反応混合物分配器を含むことができる。ガス状ＣＰＯＸ反応混合物分配器は、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物を出力するコンジットと流体連通状態にあることができる。ガス状ＣＰＯＸ反応混合物分配器は、ＣＰＯＸ反応器ユニットのインレットの反対側に位置される一つ以上のアウトレットを含むことができる。マニフォルドは、マニフォルドチャンバと熱連通状態にあるヒーター及び／又は受動加熱要素を含むことができる。マニフォルドは、キャビティを含むことができ、そこでは、マニフォルドハウジングがそのキャビティを画定する。シールは、キャビティ内又はそれに隣接して配置されることができる。マニフォルドハウジングは、典型的には、複数のキャビティを含み、そこでは、キャビティの数と配置は、ＣＰＯＸ反応器ユニットのインレットの数と配置に一致する。シールは、ＣＰＯＸ反応器ユニットのインレットと係合でき、それによって、マニフォルドハウジングとインレットとの間の気密シールを提供する。
【００４４】
統合改質器‐燃料セルシステムの燃料セルセクションは、アノード、カソード、及びそれらの間に配置される電解質を有する燃料セル（又は燃料セルユニット）を含むことができる。燃料セルユニットのアノードは、ＣＰＯＸ反応器ユニットのアウトレットと流体連通状態にあることができる。燃料セルユニットのカソードは、酸素含有ガス（源）と流体連通状態にあることができる。燃料セルセクションは、燃料セルユニットのアノードとカソードに電気的に連結された電流コレクタを含むことができる。
【００４５】
統合改質器‐燃料セルシステムの燃料セルユニットは、固体酸化物燃料セル又は高分子電界膜又はプロトン交換膜燃料セルであることができる。統合改質器‐燃料セルシステムの燃料セルユニットは、管状固体酸化物燃料セル、例えば、多管状固体酸化物燃料セルを含むことができる。
【００４６】
統合改質器‐燃料セルシステムの燃料セルユニットのアノードは、コンジット、例えば、水素リッチ改質油が通過するコンジットを介してＣＰＯＸ反応器ユニットのアウトレットと流体連通状態であることができる。統合改質器‐燃料セルシステムの燃料セルユニットのカソードは、他の一つのコンジット、例えば、空気コンジットを介して酸素含有ガス（源）と流体連通状態であることができる。幾つかの実施形態では、ＣＰＯＸ反応器ユニットのアウトレットは、燃料セルユニットのインレットに直接に接続されることができ、そこでは、燃料セルユニットのインレットは、燃料セルユニットのアノードと流体連通状態である。
【００４７】
統合システムの燃料セルセクションは、燃料セルユニットのアウトレットと流体連通状態にあるアフターバーナーを含むこともできる。
【００４８】
他の一実施形態では、本教示は、液体燃料ＣＰＯＸ改質及び水素リッチ生産物改質油を電気に電気化学的に変換する方法を提供する。本教示の方法は、概して、気化された液体改質可能燃料を含むガス状ＣＰＯＸ反応混合物を本教示の液体燃料ＣＰＯＸ改質器のＣＰＯＸ反応器ユニットのインレットに導入すること；水素リッチ改質油の生成を開始するためにガス状ＣＰＯＸ反応混合物の触媒部分酸化を開始すること；ガス状ＣＰＯＸ反応混合物の触媒部分酸化を維持すること；及び燃料セルユニット内で水素リッチ改質油を電気に変換することを含む。
【００４９】
種々の実施形態において、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物を導入することは、気化された液体改質可能燃料を含むガス状ＣＰＯＸ反応混合物をＣＯＰＸ反応器ユニットのインレットに導入することを含み、そこでは、前記ＣＰＯＸ反応器ユニットは、互いに離間されたＣＰＯＸ反応器ユニットのアレイを形成し、各ＣＯＰＸ反応器ユニットは、内表面と外表面を有する壁を有する細長いチューブを備え、前記壁は、開口ガス流通路を囲み且つＣＰＯＸ反応器ユニットのインレットとアウトレットを画定する。ＣＰＯＸ反応器ユニットは、前記アレイの少なくとも隣のＣＰＯＸ反応器ユニット（単数又は複数）と熱連通状態にあることができる。前記壁の少なくとも一セクションは、ＣＰＯＸ触媒を含むことができる。ＣＰＯＸ触媒含有壁セクションは、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物が中に拡散でき且つ生成物（水素リッチ）改質油がそこから拡散できるようにガス透過可能であることができる。ＣＰＯＸ触媒含有壁セクションは、ＣＰＯＸ反応状態下で構造的に安定したままであり得る。前記アレイ中の隣接するＣＰＯＸ反応器ユニット間の距離は、ここに記述されるようにできる。
【００５０】
触媒部分酸化を開始することは、単一の点火器がＣＰＯＸ反応器ユニット内でＣＰＯＸ反応を始めることを開始し、それは、一方、液体燃料ＣＰＯＸ改質油の他のＣＰＯＸ反応器ユニットにおけるＣＰＯＸ反応を開始することを含むことができる。例えば、触媒部分酸化を開始することは、一つのＣＰＯＸ反応器ユニット内でＣＰＯＸ反応を開始すること；ＣＰＯＸ反応からの熱を隣のＣＰＯＸ反応器ユニットに伝達してその中でＣＰＯＸ反応を開始すること；及び前記アレイのＣＰＯＸ反応器の各々におけるＣＰＯＸ反応を開始するために熱を伝達することを繰り返すことを含むことができる。
【００５１】
触媒部分酸化を開始することは、二つ以上の点火器、例えば、二つ、三つ、四つ、五つ以上の点火器を始動して液体燃料ＣＰＯＸ改質器のＣＰＯＸ反応器ユニット内でＣＰＯＸ反応（単数又は複数）を開始することも含むことができる。
【００５２】
種々の実施形態では、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物の触媒部分酸化を維持することは、アレイ内のＣＰＯＸ反応器ユニット間での熱を伝達して、それによって、そうでなければ水素リッチ改質油の同じ出力のために必要とされるよりもより少ない外部加熱を使用することを含む。アレイのＣＰＯＸ反応器ユニット間での熱伝達は、所定の最小アレイ温度、例えば、約６００℃又は約６５０℃を維持できる。所定の最小アレイ温度は、ＣＰＯＸ反応器ユニットのアレイを横切って実質的に均一であることができる。
【００５３】
幾つかの実施形態では、液体燃料ＣＰＯＸ改質を行い且つ燃料セルユニット内で水素リッチ改質油を電気に変換する方法は、進行中のＣＰＯＸ反応（単数又は複数）の発熱の熱及び／又は何らかの他の熱源からの熱を使用して酸素含有ガス成分を加熱する及び／又はＣＰＯＸ改質を受けようとしているガス状ＣＰＯＸ反応混合物の液体改質可能燃料を加熱及び／又は気化することを含むことができる。特定の実施形態では、そのような方法は、発熱の熱を使用すること、例えばそれを燃料セルユニットに伝達することを含むことができる。
【００５４】
幾つかの実施形態では、液体燃料ＣＰＯＸ改質を行う方法は、例えば、周囲温度又は加熱された酸素含有ガスとの接触時のような上昇された温度で液体改質可能燃料を気化することを含むことができる。これらの方法は、酸素含有ガスと気化された液体改質可能燃料を混合してガス状ＣＰＯＸ反応混合物を提供することを含む。酸素含有ガスと気化された液体改質可能燃料を混合することは、ある酸素（Ｏ）：炭素（Ｃ）比を有するガス状ＣＰＯＸ反応混合物を提供できる。これらの方法は、追加の酸素含有ガスを最初に形成されたガス状ＣＰＯＸ反応混合物と混合して増加されたＯ：Ｃ比を有するガス状ＣＰＯＸ反応混合物をＣＰＯＸ反応器ユニットのインレットへの導入の上流で即ち導入に先立ってガス状ＣＰＯＸ反応混合物のＯ：Ｃ比を増加することを含むことができる。
【００５５】
酸素含有ガスの流体ストリームが気化器の上流即ち気化器に先立ってスプリットされる、即ち、気化器を介して容量が減少される（例えば、二つの独立したコンジットを有する場合等で二つの酸素含有ガス源が使用される場合）場合、これらの方法は、酸素含有ガスと気化された液体改質可能燃料を気化器の上流で、又は気化器と同期して、又は気化器中で又は気化器を介して混合することを含むことができ、そこでは、気化器をその動作温度まで加熱するために必要な熱の量は、追加の酸素含有ガスをガス状ＣＰＯＸ反応混合物と混合するステップであって、本方法が増加されたＯ：Ｃ比を有するガス状ＣＰＯＸ反応混合物をＣＰＯＸ反応器ユニットのインレットに提供するステップが無い場合に必要な熱の量よりも少ない。
【００５６】
幾つかの実施形態では、液体燃料ＣＰＯＸ改質の方法は、実質的に均一な組成の気化された液体改質可能燃料を含むガス状ＣＰＯＸ反応混合物を実質的に均一な割合で及び／又は実質的に均一な温度で幾つかのＣＰＯＸ反応器ユニットの一つ以上のインレットに分配することを含む。
【００５７】
本開示の種々の実施形態では、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物をＣＰＯＸ反応器ユニットのインレットに導入することは、ＣＰＯＸ改質器ユニットのインレットに向けて流体の経路指定するために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た電気ヒーターを含む第１の熱源で前記酸素含有ガスのストリームを加熱すること；及び前記ガス状ＣＰＯＸ反応混合物を提供するために気化器中の又は気化器を介する、又は気化器と同期して、又は気化器を通過して加熱された酸素含有ガスの前記ストリームに液体改質可能燃料を導入することを含む。
【００５８】
これらの方法は、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第２の熱源で加熱することを含むことができ、前記第２の熱源は前記コンジットと熱連通状態にあると共にＣＰＯＸ反応器ユニットからの発熱の熱及び／又は例えば、ＣＰＯＸ改質器と統合されたＣＰＯＸ反応器ユニットの外部の燃料セルを含む。これらの方法は、例えば、酸素含有ガスのストリーム及び／又は加熱された酸素含有ガスのストリームの温度を調節するために、酸素含有ガスのストリーム及び／又は加熱された酸素含有ガスのストリームを前記気化器の上流で加熱する及び／又は冷却することを含むことができる。加熱された酸素含有ガスのストリームを加熱することは、前記第１の熱源から下流で前記コンジット内に配置された電気ヒーターを含む第３の熱源で行われることができる。
【００５９】
これらの方法は、第１の熱源で酸素含有ガスのストリームを加熱することを中断すること；及び第３の熱源で酸素含有ガスのストリーム及び／又は加熱された酸素含有ガスのストリームを加熱することを減少する又は中断することを含むことができる。
【００６０】
様々な実施形態では、燃料セルユニット内で水素リッチ改質油を電気に変換する方法は、水素リッチ改質油を燃料セルユニットのアノードに接触させること；及び空気のような酸素含有ガスを燃料セルユニットのカソードに接触させることを含むことができる。
【００６１】
更に、本教示によれば、スタートアップモード及び定常状態モードにおいて液体改質可能燃料のＣＰＯＸ改質を行って水素リッチ改質油を生成し且つ燃料セル内の水素リッチ改質油を電気化学的に電気に変換する方法が提供され、そこでは、本方法は、一般的に、
ａ）スタートアップモードにおいて：
（ｉ）酸素含有ガス及び気化された液体改質可能燃料を含む加熱されたガス状ＣＰＯＸ反応混合物を複数の互いに離間されたＣＰＯＸ反応器ユニットの各々のインレットに導入すること、各反応器ユニットがガス状ＣＰＯＸ反応混合物のインレットと水素リッチ改質油のアウトレットを有する細長いチューブを備えること、内表面と外表面を有する壁であって、前記壁は、中に配置されたＣＰＯＸ触媒及び／又はＣＰＯＸ触媒の構造体有する前記壁の少なくとも一セクションで開口ガス状流通路を囲むこと、そのような触媒含有壁セクションとそれによって囲まれた開口ガス流通路がガス相ＣＰＯＸ反応ゾーンを画定すること、触媒含有壁セクションが、ＣＰＯＸ反応状態下で安定したままであると共にガス状ＣＰＯＸ反応混合物を中に拡散させ且つ生成物水素リッチ改質油をそこから拡散させるようにガス透過可能であること；
（ｉｉ）ＣＰＯＸ反応器ユニットのＣＰＯＸ反応ゾーン内で加熱されたガス状ＣＰＯＸ反応混合物のＣＰＯＸ改質を開始して、それによって水素リッチ改質油の生成を開始すること；
（ｉｉｉ）ステップ（ｉｉ）で生成された水素リッチ改質油を、改質油が燃料セルユニットのアノードコンポーネントと接触するように少なくとも一つの燃料セルユニットを備える燃料セルに搬送すると同時に酸素含有ガスを、そのガスが燃料セルユニットのカソードコンポーネントと接触するように燃料セルに搬送することであって、改質油が燃料セルユニット内で変換を受けて電気を生成すること；及び
ｂ）定常状態モードにおいて：
（ｉｖ）加熱されたガス状ＣＰＯＸ反応混合物をＣＰＯＸ反応器ユニットのインレットに導入すること、
（ｖ）ステップ（ｉｖ）に先立って、又はステップ（ｉｖ）中に、又はステップ（ｉｖ）に続いて、ＣＰＯＸ開始ステップ（ｉｉ）を中断すると共にＣＰＯＸ反応器ユニットのＣＰＯＸ反応ゾーン内でＣＰＯＸ反応を維持して、それによって、水素リッチ改質油の生産を継続すること、及び
（ｖｉ）ステップ（ｖ）で生成された水素リッチ改質油を前記少なくとも一つの燃料セルユニットのアノードコンポーネントに搬送すると同時に酸素含有ガスを前記少なくとも一つの燃料セルユニのカソードコンポーネントに搬送することであって、改質油が燃料セルユニット内で変換を受け続けて電気を生成すること、を含む。
【００６２】
幾つかの実施形態では、本教示の方法は、例えば、上記のステップ（ｉ）において、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物の酸素対炭素のモル比を燃料希薄ＣＰＯＸ反応混合物のそれに対応するように調整することを含むことができる。幾つかの実施形態では、本教示の方法は、例えば、上記のステップ（ｉｖ）において、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物の酸素対炭素のモル比を燃料リッチＣＰＯＸ反応混合物のそれに対応するように調整することを含むことができる。
【００６３】
特定の実施形態では、これらの方法は、ブロワー又はブロワーシステム、例えば、一連のブロワーユニットを使用してガスのような流体を流すことを含むことができる。これら一連のブロワーユニットの内の各ブロワーは、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、酸素含有ガスを第１の圧力でインレットに引き抜き且つ酸素含有ガスをより高い圧力でアウトレットを介して放出するためにケーシング内に配置されているインペラー、前記インペラーを駆動するためのモータ、及び前記一連のブロワーユニットの内の少なくとも一つのブロワーユニットのアウトレットを前記一連のブロワーユニットの内の少なくとも一つの他のブロワーユニットのインレットに含むダクトを含むことができる。特定の実施形態では、前記一連のブロワーユニットの内の少なくとも一つのブロワーユニットは、ブロワーシステムの目標のガス流の６０％から９０％を提供できる。そのような実施形態では、前記一連のブロワーユニットの内の少なくとも一つの他のブロワーユニットは、ブロワーシステムの目標のガス流のバランスを提供できる。
【００６４】
幾つかの実施形態では、これらの方法は、例えば、上記のステップ（ｉｉｉ）及び（ｖｉ）において、少なくとも一つの管状ＳＯＦＣ燃料セルユニットのアノードコンポーネントの少なくとも一部を改質触媒、水ガスシフト反応のための触媒、及び改質すること及び水ガスシフト反応の両方のために触媒活性である触媒の内の少なくとも一つの触媒と接触させることを含むことができる。そのように、改質油中に存在する未改質の気化された液体燃料、熱分解燃料、及び／又は一酸化炭素は、そのような触媒（単数又は複数）の存在下で改質及び／又は水ガスシフト反応を受けることができ且つ電気への電気化学変換のために追加の水素を生成できる。
【００６５】
本教示の方法の様々な実施形態では、液体改質可能燃料のＣＰＯＸ改質を行い水素リッチ改質油を生成し且つ燃料セル内のこの水素リッチ改質油を電気に電気化学的に変換するための方法は、本明細書で記述されるように、液体燃料多管状ＣＰＯＸ改質器内でＣＰＯＸ反応を実行すること及び本明細書で記述されるように及び／又は従来から既知であるように、燃料セル（セクション）における電気化学的変換を実行すること含む。換言すれば、本教示の方法は、本明細書で記述されるように、液体燃料（多管状）ＣＰＯＸ改質器と燃料セルの統合システムを使用できるが、他の適切に設計され且つ構成された改質器と燃料セルセクションは、本教示内にあると考えられる。
【００６６】
本開示の前述の特徴と利点と並びに他の特徴と利点は、以下の図、記載、詳細な例示的実施形態、及び請求項からより十分に理解されることができる。
【００６７】
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】
【００６８】
【図１Ａ】図１Ａは、従来技術のタイプの触媒モノリス、特に、ハニカム状触媒モノリスの長手方向断面図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、従来技術のタイプの触媒モノリス、特に、発泡触媒モノリスの長手方向断面図である。
【図２Ａ】図２Ａは、本教示に係る統合液体燃料ＣＰＯＸ改質器‐燃料セルシステムの実施形態の概略ブロック図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、本教示に係る統合液体燃料ＣＰＯＸ改質器‐燃料セルシステムの実施形態の概略ブロック図である。
【図３Ａ】図３Ａは、図２Ａと図２Ｂの統合液体燃料ＣＰＯＸ改質器‐燃料セルシステム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３Ｂ】図３Ｂは、図３Ａ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フローチャートである。
【図４Ａ】図４Ａは、本教示に係る統合液体燃料ＣＰＯＸ改質器‐燃料セルシステムの一実施形態の長手方向断面図であり、燃料セルセクションが管状固体酸化物燃料セルスタックを含む。
【図４Ｂ】図４Ｂは、図４Ａに示される統合液体燃料ＣＰＯＸ改質器‐燃料セルシステムの液体燃料ＣＰＯＸ改質器セクションの横方向（長手軸に対して垂直）断面図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、図４Ａに示される統合液体燃料ＣＰＯＸ改質器‐燃料セルシステムの液体燃料ＣＰＯＸ改質器セクションの一部の平面断面図である。
【図４Ｄ】図４Ｄは、図４Ａに示される統合液体燃料ＣＰＯＸ改質器‐燃料セルシステムの液体燃料ＣＰＯＸ改質器セクションの液体燃料気化器システムの拡大長手方向断面図である。
【図４Ｅ】図４Ｅは、図４Ａ及び図４Ｄに示される統合液体燃料ＣＰＯＸ改質器‐燃料セルシステムの液体燃料ＣＰＯＸ改質器セクションの液体燃料気化器システムの燃料拡散器コンポーネントの一実施形態の拡大斜視図である。
【図４Ｆ】図４Ｆは、図４Ａ及び図４Ｄに示される統合液体燃料ＣＰＯＸ改質器‐燃料セルシステムの液体燃料ＣＰＯＸ改質器セクションの液体燃料気化器システムの燃料拡散器コンポーネントの一実施形態の長手方向断面図である。
【図４Ｇ】図４Ｇは、本教示に係る統合液体燃料ＣＰＯＸ改質器‐燃料セルシステムの改質器セクションのための液体燃料気化器システムの他の一実施形態の拡大長手方向断面図である。
【図４Ｈ】図４Ｈは、図４Ａ乃至図４Ｃに示される統合液体燃料ＣＰＯＸ改質器‐燃料セルシステムの改質器セクションの点火器コンポーネントの拡大斜視図である。
【図４Ｉ】図４Ｉは、図４Ａ乃至図４Ｃに示される統合液体燃料ＣＰＯＸ改質器‐燃料セルシステムの改質器セクションのマニフォルドと、関連する管状ＣＰＯＸ反応器ユニットの一部の拡大長手方向断面図である。
【図４Ｊ】図４Ｊは、図４Ｉに示された管状ＣＰＯＸ反応器ユニットの一つの拡大長手方向断面図である。
【図４Ｋ】図４Ｋは、図４Ｉに示された管状ＣＰＯＸ反応器ユニットの一つの拡大横方向断面図である。
【図４Ｌ】図４Ｌは、本教示の液体燃料ＣＰＯＸ改質器の管状ＣＰＯＸ反応器ユニットの他の実施形態の横方向断面図である。
【図４Ｍ】図４Ｍは、本教示の液体燃料ＣＰＯＸ改質器の管状ＣＰＯＸ反応器ユニットの他の実施形態の横方向断面図である。
【図４Ｎ】図４Ｎは、略円管状固体酸化物燃料セルユニットの斜視図であり、そのアノード、電解質及びカソードコンポーネントをより良く示すために一部が切り取られている。
【図４Ｏ】図４Ｏは、断面が図４Ｌに示される管状ＣＰＯＸ反応器ユニットの横方向断面に対応する管状ＳＯＦＣユニットの一実施形態の横方向断面図である。
【図４Ｐ】図４Ｐは、図４Ａ、図５Ａ乃至図５Ｄ、及び図６Ａに示される統合液体燃料ＣＰＯＸ改質器‐燃料セルシステムのブロアーシステムコンポーネントの斜視図である。
【図４Ｑ】図４Ｑは、図４Ａ、図５Ａ乃至図５Ｄ、及び図６Ａに示される統合液体燃料ＣＰＯＸ改質器‐燃料セルシステムのブロアーシステムコンポーネントの平面図である。
【図４Ｒ】図４Ｒは、図４Ａに類似する本教示に係る統合液体燃料ＣＰＯＸ改質器‐燃料セルシステムの一実施形態の長手方向断面図である。
【図５Ａ】図５Ａは、本教示に係る統合改質器−燃料セルシステムの他の一実施形態の長手方向断面図であり、燃料セルセクションが平面状燃料セルを含んでいる。
【図５Ｂ】図５Ｂは、本教示に係る統合改質器−燃料セルシステムの他の一実施形態の長手方向断面図であり、改質器セクションと管状ＳＯＦＣセクションは、実質的にコンパクトな構成に配置されている。
【図５Ｃ】図５Ｃは、本教示に係る統合改質器−燃料セルシステムの他の一実施形態の長手方向断面図であり、燃料セルセクションは、モノリス状燃料セルを含んでいる。
【図５Ｄ】図５Ｄは、本教示に係る統合改質器−燃料セルシステムの他の一実施形態の長手方向断面図であり、燃料セルセクションは、高分子電解質膜燃料セルを含んでいる。
【図６Ａ】図６Ａは、本教示の統合液体燃料ＣＰＯＸ改質器‐燃料セルシステムの追加の実施形態の改質器セクションのＣＰＯＸ反応器ユニットのＣＰＯＸ反応ゾーン内の温度を制御するための熱交換器構造体の実施形態を示している。
【図６Ｂ】図６Ｂは、本教示の統合液体燃料ＣＰＯＸ改質器‐燃料セルシステムの追加の実施形態の改質器セクションのＣＰＯＸ反応器ユニットのＣＰＯＸ反応ゾーン内の温度を制御するための熱交換器構造体の実施形態を示している。
【図７Ａ】図７Ａ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ＣＰＯＸ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ＣＰＯＸ改質器内のＣＰＯＸ反応温度との間の関係を示すグラフデータを提示する。
【図７Ｂ】図７Ｂは、液体燃料ＣＰＯＸ改質器セクションへの燃料（ディーゼル）流量と本教示に係る統合液体燃料ＣＰＯＸ改質器−燃料セルシステムの燃料セルセクションの電流出力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】
【００６９】
今、液体燃料ＣＰＯＸ反応器セクションは、統合液体燃料ＣＰＯＸ改質器−燃料セルシステムを提供するために燃料セルセクションと効率的且つ効果的に統合されることができることが発見された。特に、改質器セクションの設計の特徴は、ＣＰＯＸ反応器ユニットの多管状アレイであり、そこでは、これらの管状ＣＰＯＸ反応器ユニットは、多管状燃料セルセクションのインレットの横方向断面と整合できる横方向断面を有する。その結果、改質器ユニットのアウトレットは、統合改質器−燃料セルシステムを提供するために効率的且つ効果的な統合のために多管状燃料セルのインレットに直接的流体連通状態に配置されることができる、例えば、直接的に連結されることができる。更に、そのような改質器と燃料セルの設計の適合性によって、改質器と燃料セルの相互互換性が統合改質器−燃料セルシステムに電力を供給するために、異なる用途、例えば、異なる液体改質可能燃料のための異なる触媒装填に対処することができる。
【００７０】
加えて、改質器セクションは、より効率的な改質プロセスを提供するために、発熱ＣＰＯＸ反応を利用することができる互いに離間されたＣＰＯＸ反応器ユニットのアレイを含むことができる。フラッシング、局部的ホットスポットとコールドスポットの形成、迅速なコーク堆積、及び／又は過剰に高いスパイキングＣＰＯＸ反応温度の影響を受けやすい触媒モノリスを使用する既知の且つ従来のＣＰＯＸ改質器とは異なり、本教示の互いに離間されたＣＰＯＸ反応器ユニットのアレイは、これらの欠点の内の一つ以上を軽減する又は排除することができる。
【００７１】
例えば、ＣＰＯＸ反応器セクションに関して、アレイの互いに離間されたＣＰＯＸ反応器ユニット間での全ＣＰＯＸ改質又はＣＰＯＸ変換負荷の分配によって、効果的な熱バランスの維持と全体のＣＰＯＸ改質の制御を単純化及び促進することができる。このような設計によって、所与のエネルギー入力に対して動作温度を低下することにより、所与のＣＰＯＸ触媒負荷に対してより多くの気化された液体改質可能燃料が処理されることができる。
【００７２】
本明細書で記述される液体燃料ＣＰＯＸ改質器の向上された熱管理は、ＣＰＯＸ反応器ユニットの各々内で起こるＣＰＯＸ反応の温度の安定化に寄与できる。その結果、そのように向上された熱管理は、統合改質器−燃料セルシステムの液体燃料ＣＰＯＸ改質器のＣＰＯＸ反応器ユニット間で安定して均一なＣＰＯＸ変換性能を維持できる。
【００７３】
加えて、本教示のＣＰＯＸ改質器の設計は、発熱ＣＰＯＸ反応の利点を得ることができ且つアレイの互いに離間されたＣＰＯＸ反応器ユニットを最小数の点火器、例えば、単一の点火器で点火されることができ、それによって、ＣＰＯＸ反応器ユニットの内の一つにおけるＣＰＯＸ反応の始動によって、隣のＣＰＯＸ反応器ユニット（単数又は複数）が中でＣＰＯＸ改質を開始し、結局は、液体燃料ＣＰＯＸ改質器のＣＰＯＸ反応器ユニットの各々でＣＰＯＸ改質を開始するのに十分な熱を提供できる。単一の点火器が液体燃料ＣＰＯＸ改質器において有利ではあるが、本教示は、アレイとＣＰＯＸ反応器ユニットの指定のサイズ、ＣＰＯＸ反応器ユニットと点火器の配置、及び他のファクタがＣＰＯＸ改質のための全体の効率的始動又はスタートアッププロセスに寄与し得るので、液体燃料ＣＰＯＸ改質器において二つ以上の点火器の使用を考慮している。それにもかかわらず、匹敵する燃料変換容量の単一のＣＰＯＸ反応器に対比して、複数のＣＰＯＸ反応器ユニット間で全ＣＰＯＸ変換負荷を分配することの利点は、単一でより大きな改質器に典型的なものよりも短いスタートアップ時間である。統合改質器−燃料セルシステムの改質器セクションのためのより短いスタートアップ時間は、それに連結された燃料セルセクションのより短いスタートアップ時間へ転換する。
【００７４】
更に、複数のＣＰＯＸ反応器ユニットの互いに離間された配置によって、関連する一連の即ちライン状液体燃料ＣＰＯＸ改質器の設計と製造が単純化されることができ、そこでは、個別の液体燃料ＣＰＯＸ改質器はそれらの燃料改質能力が異なっていてもよい。例えば、増加した燃料改質キャパシティが望ましい新規の液体燃料ＣＰＯＸ改質器設計では、既存の設計に対する標準化仕様の追加の液体燃料ＣＰＯＸ反応器ユニットを、もしあるなら、二乃至三の他の顕著な変更で追加することによって容易に構造化されることができる。同様に設計された多管状燃料セルユニットと統合されると、そのような液体燃料ＣＰＯＸ改質器と燃料セルユニットによって、構造におけるフレキシビリティ及び統合改質器−燃料セルシステムの変更が許容されることができる。
【００７５】
更に、本教示に従う液体燃料ＣＰＯＸ改質器及び／又は統合改質器‐燃料セルシステムの様々な構成及び動作において、水柱の約３インチ以下（０．００７５ｂａｒ）の、例えば、水柱の約２インチ以下の、又は水柱の約１インチ以下の背圧は、容易に達成されることができる。
【００７６】
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。
【００７７】
指定のコンポーネントを有する又は含む又は備える構成物が記述される、又は指定のプロセスステップを有する又は含む又は備えるプロセスが記述される本願全体を通して、本教示の構成物は、また、引用されたコンポーネントを備える、又はそれらよりなること、及び本教示のプロセスは、また、引用されたプロセスステップを備える又はそれらよりなることが熟考されている。
【００７８】
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、本明細書に記述された構成物、装置、又は方法の要素及び／又は特徴は、本明細書で明示的であろうと暗示的であろうと、本教示の焦点と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ことが理解されるべきである。例えば、特定の構造が参照される場合、その構造は、本教示の装置の種々の実施形態において及び／又は本教示の方法において使用されることができる。
【００７９】
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。
【００８０】
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）。
【００８１】
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、指定の量的値それ自体を含む。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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。その記述は、そのような群及び範囲のメンバーの各々及び全ての個別の部分的組合せ及びそのような群又は範囲の様々なエンドポイントの任意の組合せを含むことが具体的に意図されている。例えば、０から４０の範囲における整数は、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を個別的に開示することが具体的に意図され、１から２０の範囲における整数は、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、及び２０を個別的に開示することが具体的に意図される。
【００８４】
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。
【００８５】
「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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
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及びブタン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。ガス状改質可能燃料は、また、アンモニアを含み、それは、他のガス状改質可能燃料のように、液体として貯蔵されることができる。
【００９０】
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。
【００９１】
表現「ガス状ＣＰＯＸ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、空気を含む混合物を言う。本明細書で使用されるように、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物は、気化された液体改質可能燃料（又はガス状液体改質可能燃料）を含む。ガス状改質可能燃料はまた、アンモニアを含み、アンモニアは、他のガス状改質可能燃料と同様に、液体として貯蔵されることができる。
【００９２】
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、先に論じられたように、多孔性触媒、例えば、モノリス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長く変化できることが理解されるべきである。
【００９３】
本教示の液体燃料ＣＰＯＸ改質器の重要な特徴は、互いに離間されたＣＰＯＸ反応器ユニットのアレイである。ＣＰＯＸ反応器ユニットのアレイは、規則通りの配列又は一つのＣＰＯＸ反応器ユニットのその他のＣＰＯＸ反応器ユニット（単数又は複数）に対する規則的な配置を指すことができる。換言すれば、ＣＰＯＸ反応器ユニットは、典型的にはランダムに位置されない又は配置されない。直線、正方形及び矩形構成が一般的には使用されるが、六角形及び八角形のような他の構成が本教示によって熟考される。
【００９４】
ＣＰＯＸ反応器ユニットの構成又は配置、例えば、互いに隣接するＣＰＯＸ反応器ユニットに関する距離及び位置は、とりわけ、複数のＣＰＯＸ反応器ユニットの位置決め及び構成、ＣＰＯＸ反応器ユニットの壁及びＣＰＯＸ触媒のようなＣＰＯＸ反応器ユニットの構造物の材料、液体改質可能燃料、ＣＰＯＸ反応器ユニットの動作温度、及び生産物水素リッチ改質油の望ましい使用及び出力、例えば、ＣＰＯＸ改質器が統合されるべき、例えば、それが接続又は連結される燃料セルユニット又はシステムの構造物の材料のような様々なファクタによって決定されることができる。（隣り合う）ＣＰＯＸ反応器ユニット間の距離が大き過ぎると、その時は、ＣＰＯＸ反応器ユニットは、熱的に接続されない、即ち、例えば、隣のＣＰＯＸ反応器ユニットにおけるＣＰＯＸ反応を始動する及び／又は複数のＣＰＯＸ反応器ユニットを大まかに取り囲む熱伝達ゾーンを維持するのに十分な熱連通を有さない。逆に、（隣り合う）ＣＰＯＸ反応器ユニット間の又はそれらの間の距離が小さすぎると、ＣＰＯＸ反応器ユニットは、過加熱及び劣化を受け、液体燃料ＣＰＯＸ改質器の機能不全、及び／又は統合燃料セルユニットやシステムに対する損傷を生じ得る。
【００９５】
より具体的には、隣接するＣＰＯＸ反応器ユニット間の最大距離は、ＣＰＯＸ反応が、最初に点火されたＣＰＯＸ反応器ユニットにおける最初のＣＰＯＸ反応（例えば、一つの点火器によって始動される最初のＣＰＯＸ反応）から又は動作しているＣＰＯＸ反応器ユニットにおけるＣＰＯＸ反応から発生された熱によって隣のＣＰＯＸ反応器ユニット内で始動されることに失敗しない距離であることができる。最大距離は、動作の定常状態モード中に、互いに離間されたＣＰＯＸ反応器ユニットのアレイの温度が所定の最小アレイ温度より低下しない距離である。本明細書で論じられるものを含む様々なファクタに依存して、動作の定常状態モード中に、互いに離間されたＣＰＯＸ反応器ユニットのアレイの所定の最小アレイ温度は、約５５０℃、約５７５℃、約６００℃、約６２５℃、約６５０℃、約６７５℃、約７００℃、約７２５℃、約７５０℃、約７７５℃、約８００℃、約８２５℃、又は約８５０℃であることができる。
【００９６】
隣接するＣＰＯＸ反応器ユニット間の最小距離は、ＣＰＯＸ反応器ユニットのアウトレットでの温度が所定の最大温度よりも大きくない距離である。所定の最大温度は、ＣＰＯＸ反応器ユニットのアウトレットと熱及び流体連通状態にある燃料セルスタックのインレットによって許容できる温度、例えば、燃料セルスタックのインレットのシールが劣化されず且つ機能を維持する温度であることができる。本明細書で論じられるものを含む様々なファクタに依存して、ＣＰＯＸ反応器ユニットの所定の最大温度は、約７７５℃、約８００℃、約８２５℃、約８５０℃、約８７５℃、約９００℃、約９２５℃、約９５０℃、約９７５℃、又は約１０００℃であることができる。
【００９７】
本教示のＣＰＯＸ改質器の他の一つの特徴は、ＣＰＯＸ反応器ユニット、例えば、ＣＰＯＸ反応器ユニットのアレイ内でＣＰＯＸ反応を開始する為の一つの点火器である。様々な実施形態では、単一の点火器は、液体燃料ＣＰＯＸ改質器のＣＰＯＸ反応器ユニットの各々内のＣＰＯＸ反応を開始するために使用されることができる。他の実施形態では、単一の即ち一つの点火器よりも多くの点火器、例えば、二つの点火器、三つの点火器、又は四つ以上の点火器が、ＣＰＯＸ反応器ユニット内でＣＰＯＸ反応を開始する即ちスタートするために使用されることができる。点火器の数と配置は、例えば、ＣＰＯＸ反応器ユニットの設計、構造及び配置、及び液体燃料ＣＰＯＸ改質器の望ましい効率及びスタートアップの迅速さを含む様々なパラメータによって決定されることができる。
【００９８】
点火器は、チャンバ内に配置されることもできるＣＰＯＸ反応器ユニットの内表面に近接するがそれから物理的に隔離されて位置される放射熱生成要素を含むことができる。例えば、点火器は、それに近接する少なくとも一つのＣＰＯＸ反応器ユニットの露出された内表面及び／又はＣＰＯＸ触媒に対して放射熱を伝達して中でＣＰＯＸ反応を開始させる。引き続いて、少なくとも一つのＣＰＯＸ反応器ユニットのＣＰＯＸ反応ゾーン内で生じるＣＰＯＸ反応によって生成される放射熱は、少なくとも一つの他のＣＰＯＸ反応器ユニット内、また、典型的には、チャンバ内で、そのようにＣＰＯＸ反応が液体燃料ＣＰＯＸ改質器のＣＰＯＸ反応器ユニットの全てで始動されるまで、ＣＰＯＸ反応を順番に開始できる。
【００９９】
本教示の液体燃料ＣＰＯＸ改質器の様々な実施形態において、例えば、液体改質可能燃料を気化するための気化器は、ＣＰＯＸ反応器ユニットのインレットと流体連通状態にあることができる。気化器は、液体改質可能燃料をそのフラッシュポイントの温度以上まで加熱することを回避するように並びに改質可能燃料の熱化学劣化、例えば、熱分解を引き起こすことを回避するように動作されるべきである。特定の実施形態では、気化器は、スプレーやウィックのような燃料散布器であってもよい。気化器は、ＣＰＯＸ反応器ユニットのインレットと流体連通状態にある、主コンジットのようなコンジットに配置されることができる。気化器は、例えば、主コンジットのポート又は他のインレットを介して及び／又は気化器と主コンジットとの間に流体連通を提供する他の一つのコンジットを介して（主）コンジットに隣接して及び／又はそれに流体連通状態でそのようなコンジット（例えば、主コンジット）の外側に位置されてもよい。
【０１００】
幾つかの実施形態では、水素バリアは、管状ＣＰＯＸ反応器ユニットの少なくとも触媒含有壁セクションの外表面に取り付けられるようにそれに関連づけることができ、その触媒含有壁セクションは、ＣＰＯＸ反応ゾーンを典型的に画定する。水素バリアは、ＣＰＯＸ反応器ユニットの壁の全外表面に取り付けられることができる。水素バリアは、ＣＰＯＸ反応器ユニットからの水素のロスを防止又は禁止できる。そのようなバリアが無い場合、水素は、ＣＰＯＸ反応器ユニットをそのアウトレットを介して出るよりもむしろ、ＣＰＯＸ反応器ユニットの触媒含有壁セクションを介して又はそれを越えて拡散し得る。
【０１０１】
特定の実施形態では、液体燃料ＣＰＯＸ改質器は、液体改質可能燃料源を含むことができる。この液体改質可能燃料源は、ドラム、胴部、液体改質可能燃料の貯蔵及び／又はそれの液体燃料ＣＰＯＸ改質器に、例えば、液体改質可能燃料を気化された又はガス状の液体改質可能燃料に変換するための気化器に送給するためのタンク又は他の容器を含むことができる。
【０１０２】
従って、様々な実施形態では、統合改質器‐燃料セルシステムの液体燃料ＣＰＯＸ改質器は、本明細書で記述される互いに離間された反応器ユニットのアレイ；少なくとも一つのＣＰＯＸ反応器ユニットのＣＰＯＸ触媒と熱連通状態にある点火器；ＣＰＯＸ反応器ユニットのインレットと流体連通状態にある気化器；気化器と流体連通状態にある液体改質可能燃料源；本明細書で記述される燃料セルユニットであって、燃料セルユニットのアノードがＣＰＯＸ反応器ユニットのアウトレットと流体連通状態にあること；及び燃料セルユニットのアノード及びカソードに電気的に接続される電流コレクタを含むことができる。ＣＰＯＸ反応器ユニットは、内表面と外表面を有するガス透過可能セラミック壁を有する細長いチューブ、例えば、中空穴を有するシリンダを含むことができ、そこでは、ガス透過可能セラミック壁の少なくともセクションは、ＣＰＯＸ触媒を備える。ガス透過可能セラミック壁は、開口ガス流通路を囲むことができ且つＣＰＯＸ反応器ユニットのインレットとアウトレットを画定する。一つのアレイにおいて、ＣＰＯＸ反応器ユニットは、典型的には、そのアレイにおける少なくとも隣のＣＰＯＸ反応器ユニット（単数又は複数）と熱連通状態にある。
【０１０３】
幾つかの実施形態では、液体燃料多管状ＣＰＯＸ改質器と燃料セルの統合システムは、複数の互いに離間されたＣＰＯＸ反応器ユニットを含む液体燃料ＣＰＯＸ改質器セクションであって、各反応器ユニットがガス状ＣＰＯＸ反応混合物のインレットと水素リッチ改質油のアウトレットを有する細長いチューブを備えること、内表面と外表面を有する壁であって、この壁は、中に配置されたＣＰＯＸ触媒を有する、そのＣＰＯＸ触媒の構造体よりなる又はそのＣＰＯＸ触媒と前記構造体の組合せよりなる前記壁の少なくとも一セクションで開口ガス状流通路を囲むこと、そのような触媒含有壁セクションとそれによって囲まれた開口ガス流通路がガス相ＣＰＯＸ反応ゾーンを画定すること、触媒含有壁セクションが、ＣＰＯＸ反応状態下で安定したままであると共にガス状ＣＰＯＸ反応混合物が中に拡散することができ且つ生成物水素リッチ改質油がそこから拡散されることができるようにガス透過可能であることを有する。
【０１０４】
幾つかの実施形態では、液体燃料多管状ＣＰＯＸ改質器と燃料セルの統合システムは、管状の、平坦な又はモノリス状の固体酸化物燃料セルセクションに連結されることができる液体燃料ＣＰＯＸ改質器セクションを含むことができる。
【０１０５】
幾つかの実施形態では、液体燃料多管状ＣＰＯＸ改質器と燃料セルの統合システムは、高分子電解質膜燃料セルセクションに一酸化炭素削減デバイス即ちセクションを介して連結されることができる液体燃料ＣＰＯＸ改質器セクションを含むことができ、この一酸化炭素削減デバイス即ちセクションでは、液体燃料ＣＰＯＸ改質器セクションで生成される水素リッチ改質油の一酸化炭素成分のレベルが、水素リッチ改質油の高分子電解質膜燃料セルセクションへの導入に先立って、減少されることができる。そのような一酸化炭素削減デバイスは、他のタイプの燃料セル、例えば、固体酸化物燃料セル（セクション）のために存在してもよい。
【０１０６】
特定の実施形態では、液体燃料多管状ＣＰＯＸ改質器と燃料セルの統合システムは、対応する管状固体酸化物燃料セルユニットのインレットに直接に接続される液体燃料ＣＰＯＸ改質器セクションの各管状ＣＰＯＸ反応器ユニットのアウトレットを有することができる。様々な実施形態では、液体燃料多管状ＣＰＯＸ改質器と管状固体酸化物燃料セルの統合システムは、対応する管状固体酸化物燃料セルユニットの軸方向燃料流通路内に配置される管状ＣＰＯＸ反応器ユニットの少なくとも一部を含むことができる。幾つかの実施形態では、ＣＰＯＸ反応器ユニットのアウトレットは、複数のＣＰＯＸ反応器ユニットアウトレットからの流出物流を組み合わせることができ且つそのような組み合わされた流出物を燃料セルセクションへのインレットの数と等しい、又はそれより多い、又はそれより少ない、例えば、燃料セルユニットのアノードへ分配することができるマニフォルド又は類似のコンポーネントと流体連通である。
【０１０７】
幾つかの実施形態では、液体燃料多管状ＣＰＯＸ改質器と燃料セルの統合システムは、改質器触媒、水ガスシフト反応用の触媒、及び改質と水ガスシフト反応の両方のために触媒的に活性である触媒の内の少なくとも一つと接触状態にある固体酸化物燃料セルユニットのアノードコンポーネントの少なくとも一部を含むことができる。
【０１０８】
様々な実施形態では、液体燃料多管状ＣＰＯＸ改質器と管状固体酸化物燃料セルの統合システムは、対応する管状固体酸化物燃料セルユニットの軸方向燃料流通路内に配置された管状ＣＰＯＸ反応器ユニットの少なくとも一部を含むことができる。
【０１０９】
特定の実施形態では、液体燃料多管状ＣＰＯＸ改質器と燃料セルの統合システムは、少なくとも二つの領域を含む管状ＣＰＯＸ反応器ユニットの壁を有することができ、第１の、即ち上流の領域は、ＣＰＯＸ触媒が実質的に無く且つ比較的低い動作温度の実質的にＣＰＯＸ反応が無いゾーンを囲み、及び第２の、即ち下流の領域は、ＣＰＯＸ触媒を含み且つ比較的に高い動作温度のＣＰＯＸゾーンを囲む。
【０１１０】
幾つかの実施形態では、液体燃料多管状ＣＰＯＸ改質器と燃料セルの統合システムは、ガスをＣＰＯＸ改質器ユニットのインレットに経路付けるための一つ以上のコンジットを含むことができる。例えば、一つ以上のコンジットが存在することができ、且つ酸素含有ガス用のインレット、液体改質可能燃料又は気化された液体改質可能燃料用のインレット、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物を提供するために酸素含有ガスと気化された液体改質可能燃料が組み合うことができる混合ゾーン、及びガス状ＣＰＯＸ反応混合物用のアウトレットを含むことができる。コンジットは、略Ｕ形状であることができる。
【０１１１】
本システムは、コンジット内に導入された酸素含有ガスを初期の上昇された温度に加熱するためにＣＰＯＸ改質器セクションの動作のスタートアップモード中に動作可能な第１のヒーターユニット、及び初期の上昇された温度に先に加熱された酸素含有ガスを更に上昇された温度に加熱するためにＣＰＯＸ改質器セクションの動作のスタートアップモード及び定常状態モード中に動作可能な第２のヒーターユニットを含むことができる。
【０１１２】
幾つかの実施形態では、液体燃料ＣＰＯＸ改質器セクション内で生じるＣＰＯＸ反応の発熱から回収された熱及び／又は燃料セルセクションから回収された熱は、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物の形成に先立って、酸素含有ガスを加熱する、液体改質可能燃料を加熱する、及び／又は液体改質可能燃料を気化する。
【０１１３】
本教示の特定の実施形態では、コンジットは、提供されることができ且つ酸素含有ガスインレットと気化器のアウトレットから下流に位置されるガス状ＣＰＯＸ反応混合物アウトレットを含むことができる。コンジットは、酸素含有ガスインレットとガス状ＣＰＯＸ反応混合物アウトレットとの間に流体連通を提供することができる。コンジットは、酸素含有ガスインレットと気化器のアウトレットとガス状ＣＰＯＸ反応混合物アウトレットとの間に流体連通を提供することができる。ガス状ＣＰＯＸ反応混合物アウトレットは、ＣＰＯＸ反応器ユニットのインレットと流体連通状態であることができる。電気ヒーターのようなヒーターを含むことができる第１の熱源は、酸素含有ガスインレットから下流で且つ気化器のアウトレットから上流の位置でコンジット内に配置されることができる。液体燃料ＣＰＯＸ改質器及び／又は、例えば、液体燃料ＣＰＯＸ改質器と統合される液体燃料ＣＰＯＸ改質器の外部の燃料セルユニット又はシステムからの発熱の熱を含むことができる第２の熱源は、第１の熱源の下流であって気化器のアウトレットの上流又はそれと同じ位置でコンジットと熱連通状態にあることができる。気化器のアウトレットは、コンジットと流体連通状態にあることができる。例えば、気化器のアウトレットは、他のコンジットを介してそのコンジットと流体連通されてもよいし又はコンジットのポートに直接隣接してもよい。気化器は、コンジット内に配置されることができる。気化器は、スプレーやウィックのような燃料散布器であっても良いしそれを含んでいてもよい。
【０１１４】
様々な実施形態では、電気ヒーターのようなヒーターを含むことができる第３の熱源は、第１の熱源から下流で且つ気化器のアウトレットから上流の位置でコンジット内に配置されることができる。幾つかの実施形態では、液体燃料ＣＰＯＸ改質器は、熱調整アセンブリを含むことができ、そこでは、この熱調整アセンブリは、ヒーターとクーラーを含む。ヒーター及び／又はクーラーは、第１の熱源下流で且つ気化器のアウトレットから上流の位置でコンジット内に独立して配置されることができる及び/又はコンジットに熱連通状態であることができる。幾つかの実施形態では、熱調整アセンブリは、第３の熱源で置き換えられてもよい。
【０１１５】
特定の実施形態では、熱電対と動作上連結状態にあるコントローラは、気化器のアウトレットに又はその下流でコンジット内に位置され、熱電対が気化器の上流でコンジット内に位置され、酸素含有ガスフローメータが、気化器の上流でコンジット内に位置され、液体改質可能燃料フローメータが、気化器に又はその上流に液体改質可能燃料源と流体連通状態に位置され、酸素含有ガス源、液体改質可能燃料源、第１の熱源、もしあれば、第２の熱源、及びもしあれば、第３の熱源及び／又は熱調整アセンブリがある。
【０１１６】
動作において、コンジット内の電気ヒーターのような一つ以上のヒーターは、例えば、コンジット内に導入された酸素含有ガスのストリームを加熱でき、コンジットは、流体をＣＰＯＸ反応器ユニットのインレットに向けることができる。加熱された酸素含有ガスは、混合されてガス状ＣＰＯＸ反応混合物を形成する時に、液体改質可能燃料を加熱する及び／又は気化された液体改質可能燃料のガス状態を維持する（又は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を少なくとも冷却しない）のを助けることができる。ＣＰＯＸ反応器ユニットがスタートアップして熱を発生することを開始すると、ＣＰＯＸ反応の発熱の熱は、酸素含有ガスを加熱するために使用されることができる。その結果、一つ以上の電気ヒーターの使用は、中断されることができる。
【０１１７】
幾つかの場合において、熱調整アセンブリのヒーターとクーラーは、コンジット内に独立して存在することができる及び／又はコンジットと熱連通状態で存在することができる。ヒーターとクーラーを有する熱調整アセンブリは、第１の熱源から下流で且つ液体改質可能燃料インレットから上流、通常、（加熱された）酸素含有ガスのストリーム、特に、（加熱された）酸素含有ガスのストリームが気化器に到達して熱が逃げる状態を防止する前に、ＣＰＯＸ反応の発熱によって加熱された（加熱された）酸素含有ガスのストリームの温度を調節できるように十分に気化器の上流の位置に配置されることができる。
【０１１８】
例えば、ヒーターは、コンジット内に位置される電気抵抗ヒーターのような電気ヒーターであることができる。ヒーターは、コンジットの外部に位置されることができるがコンジットと熱連通状態である。クーラーは、コンジット、例えば、コンジットの外部表面と熱連通状態にある流体（例えば、液体）熱交換器であることができ、それによって、流体を適切な温度に冷却することは、加熱された酸素含有ガスのストリーム（ＣＰＯＸ反応がコンジット内の上流においてガス状改質可能燃料で実行される幾つかの場合、ＣＰＯＸ反応混合物のストリーム）の温度を低下するために流体熱交換器を介して循環されることができる。即ち、熱調整アセンブリは、（加熱された）酸素含有ガス（又は、ＣＰＯＸ反応混合物）のストリームの温度を制御及び調整して、動作システムにとって適切であるように、その温度を上昇又は下降できる。
【０１１９】
酸素含有ガスの熱監視と熱調整を助けるために、マイクロプロセッサのようなコントローラが使用され、そこでは、コントローラは、液体改質可能燃料及び／又は酸素含有ガスの流量及び気化器と気化器に導くコンジット（単数又は複数）の予加熱セクション（例えば、第１、第２及び第３の熱源及び／又は、もしあるならば、熱調整アセンブリが位置されることができる場所）の温度を監視する。そのような態様において、液体改質可能燃料の気化及び／又はガス状ＣＰＯＸ反応混合物の生成は、例えば、適切なように動作上連通しているコントローラ及び適切なセンサ及びバルブアセンブリを含む閉ループシステムを介して制御されることができる。
【０１２０】
電気ヒーターは、電気抵抗ヒーターであることができる。気化器は、液体燃料ラインを含むことができ、そこでは、液体燃料ラインは、気化器と液体燃料源との間の流体連通を提供する。コンジット内に位置される液体燃料ラインの終端セクションは、燃料散布器、例えば、スプレーやウィックであることができる。液体燃料ラインは、熱伝達セクションを含むことができる。液体燃料ラインの熱伝達セクションは、第１の熱源、第２の熱源及び第３の熱源又は、もしあるならば、熱調整アセンブリの少なくとも一つと熱連通状態にあり且つそれに近接していることができる。
【０１２１】
様々な実施形態において、統合改質器‐燃料セルシステムの液体燃料ＣＰＯＸ改質器はまた、ガス状改質可能燃料を水素リッチ改質油に交互に又は同時に処理することができる。例えば、ガス状改質可能燃料は、最初にＣＰＯＸ反応を開始し且つシステムの他のコンポーネントを加熱するために使用されることができる。ＣＰＯＸ反応は、ＣＰＯＸ反応器ユニット内で生じることができる。しかしながら、ＣＰＯＸ反応は、酸素含有ガス源のインレット及びガス状改質可能燃料源のインレットから下流で（主）コンジット内で生じることができる。例えば、コンジットは、ガス状改質可能燃料のためのインレット、及びガス状改質可能燃料のインレット及び酸素含有ガスインレットから下流で且つ気化器のアウトレットから上流にＣＰＯＸ触媒含有セクションを含むことができる。そのような設計及び動作において、改質器システムにおける早期のＣＰＯＸ反応は、改質器及びその様々なコンポーネントの迅速で効率的な熱スタートアップを促進する。
【０１２２】
いずれかの場合、多分両方の場合において、改質器がＣＰＯＸ反応器ユニット内でＣＰＯＸ反応を開始した後、コンジット及び／又はＣＰＯＸ反応器ユニット内でのＣＰＯＸ反応からの発熱の熱は、液体改質可能燃料を加熱し且つ定常状態動作にある時に、液体改質可能燃料のみが使用されることができる（即ち、ガス状改質可能燃料の使用は中断又は減少されることができる）ように液体改質可能燃料を気化することを助けるために使用されることができる。ガス状改質可能燃料に加えて液体改質可能燃料の使用が続く又はガス状改質可能燃料が続くＣＰＯＸ改質器を最初にスタートアップするためのガス状改質可能燃料の使用によって、液体改質可能燃料を加熱し且つ気化することを必要とするために、システムがその動作温度を達成するために入力されるより多くの熱を必要とする液体改質可能燃料のみでスタートアップすることに比べてＣＰＯＸ改質器の効率的でより迅速なスタートアップを提供できる。
【０１２３】
幾つかの実施形態では、統合改質器‐燃料セルシステムの液体燃料ＣＰＯＸ改質器は、ガス状ＣＰＯＸ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ストリームを提供するために改質可能燃料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ＣＰＯＸ反応混合物を提供するために、燃料リッチストリームと下流で組み合わされることができる。例えば、スプリット経路指定システムは、ブランチコンジットを含む酸素含有ガスコンジットを含むことができ、そこでは、酸素含有ガスコンジットは、酸素含有ガス源と気化器との間で流体連通を提供でき、且つブランチコンジットは、酸素含有ガス源と気化器の下流の混合ゾーンとの間で流体連通を提供できる。酸素含有ガス源とブランチコンジットは、酸素含有ガス源からの酸素含有ガスの送給を気化器と気化器の下流の混合ゾーンにスプリット、即ち分割できる。
【０１２４】
特定の実施形態では、液体燃料ＣＰＯＸ改質器セクションは、液体改質可能燃料を気化するための気化器を含むことができ、そこでは、気化器は、ＣＰＯＸ反応器ユニットのインレットと流体連通状態にある。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。
【０１２５】
幾つかの実施形態では、本教示の統合システムは、例えば、加熱された酸素含有ガスと接触すると、周囲温度の又は上昇された温度の液体改質可能燃料を気化することができる。
【０１２６】
様々な実施形態では、統合改質器‐燃料セルシステムの液体燃料ＣＰＯＸ改質器セクションは、ＣＰＯＸ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を含むことができる。マニフォルドは、ＣＰＯＸ反応器ユニットのインレットに対して、例えば、実質的により均一な組成で、実質的に均一な温度で、及び／又は実質的に均一な流量で、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物のより均一な分配を提供するように構成される。
【０１２７】
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。マニフォルドやマニフォルドチャンバは、ガス分配器、例えば、マニフォルドチャンバ内にガス分配器を含むことができる。特定の実施形態では、ガス分配器は、ガス状燃料ＣＰＯＸ反応混合物分配器であると考えられることができる。ハウジング即ち囲みは、比較的に低いコストの成形可能熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂から製造されることができる。特定の実施形態では、マニフォルドは、ＣＰＯＸ反応器ユニットのアウトレットとインレットとの間に「コールドシール」接続を含むことができる。
【０１２８】
より具体的には、マニフォルドは、少なくとも一つのＣＰＯＸ反応器ユニットのインレットと流体連通状態にあることができ、そこでは、マニフォルドは、マニフォルドハウジングを含む。マニフォルドハウジングは、マニフォルドチャンバを画定できる。マニフォルドは、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物分配器、ヒーター、及びシールを含むキャビティのような一つ以上の追加のコンポーネントを含むことができる。
【０１２９】
ガス状ＣＰＯＸ反応混合物分配器は、マニフォルドチャンバ内に配置されることができ、ガス状反応物コンジットと流体連通状態にあるそのマニフォルドチャンバの長手の少なくとも大部分にわたって延在しており、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物分配器は、ＣＰＯＸ反応器ユニットのインレットの反対側に位置される一つ以上のアウトレットを含む。即ち、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物分配器は、チャンバ、例えば、閉鎖端中空チューブ又は典型的には幅と深さよりも大きな長さを有する他の構造を画定するハウジングを含むことができる。ハウジングは、ハウジング、即ちチャンバの内部とハウジングの外部との間で流体連通を提供する一つ以上のアウトレットを画定することができる。一つ以上のアウトレットは、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物分配器の一側に沿って存在できる又は、例えば、管状のガス状ＣＰＯＸ反応混合物分配器の場合では、長手軸に沿うライン状又は長手方向アレイを形成することができる。マニフォルドチャンバ内に配置されると、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物分配器の一つ以上のアウトレットは、通常、ＣＰＯＸ反応器ユニットのインレットとは反対側に位置される。そのような設計では、ＣＰＯＸ反応混合物は、最初に、ＣＰＯＸ反応器ユニットのインレットから離れる方向に、例えば、マニフォルドチャンバの底部に向かって下方にマニフォルドチャンバ内に導入され、次に、ＣＰＯＸ反応器ユニットのインレットに向かって流れる、例えば、インレットに向かって上方に流れる。
【０１３０】
ヒーターは、マニフォルドチャンバと熱連通状態にあることができる。ヒーターは、電気抵抗ヒーターであることができる。ヒーターは、マニフォルドチャンバ内に配置されることができる。加えて、ヒーターは、マニフォルドとＣＰＯＸ反応器ユニットのＣＰＯＸ反応ゾーンと熱連通状態にある少なくとも一つの熱伝導性要素のような受動加熱要素を含むことができ、それによって、ＣＰＯＸ反応ゾーン及び／又はＣＰＯＸ反応器ユニットからの発熱の熱をマニフォルドに伝達できる。
【０１３１】
マニフォルドハウジングは、一つ以上のキャビティを画定できる。シールは、キャビティ内に又はそれに隣接して配置されることができ、そこでは、シールは、ＣＰＯＸ反応器ユニットのインレットに係合でき且つマニフォルドハウジングとインレットとの間で気密シールを提供できる。二つ以上のＣＰＯＸ反応器ユニットが存在する場合、マニフォルドハウジングは、各ＣＰＯＸ反応器ユニットがマニフォルドチャンバと流体連通状態にあることができ且つ各キャビティが各ＣＰＯＸ反応器ユニットを固定するシールを含むことができるように、ＣＰＯＸ反応器ユニットとして同数のキャビティを含むことができる。マニフォルドハウジングのキャビティは、各キャビティのインレットへの整合を提供するために、ＣＰＯＸ反応器ユニットのインレットと同じ構成に形成され且つ配置されることができる。シールは、ガスケットであり得る。マニフォルドハウジングは、ＣＰＯＸ反応器ユニットの動作の温度で熱的に且つ機械的に安定している材料から製造される又はそれを含むことができる。
【０１３２】
様々な実施形態では、例えば、液体燃料ＣＰＯＸ改質器の動作のスタートアップ中に、管状ＣＰＯＸ改質器ユニットのアレイ内でＣＰＯＸ反応を開始するための点火器は、例えば、ＣＰＯＸ反応ゾーンにおけるＣＰＯＸ触媒と熱連通状態にある。点火器は、少なくとも一つのＣＰＯＸ反応器ユニット内での発熱の熱で当該点火器に近接する前記少なくとも一つのＣＰＯＸ反応器ユニット内でＣＰＯＸ反応を開始し、当該少なくとも一つのＣＰＯＸ反応器ユニットは、アレイ内で一つ以上の他のＣＰＯＸ反応器ユニット内でＣＰＯＸ反応を開始する。
【０１３３】
幾つかの実施形態では、本教示の統合改質器‐燃料セルシステムは、相互接続された連続する個別の遠心ブロワーユニットを含むことができるブロワーシステムを含むことができる。液体燃料ＣＰＯＸ改質器セクション用のブロワーシステムは、酸素含有ガスの流れをＣＰＯＸ改質器に導入できる。燃料セルセクション用のブロワーシステムは、酸素含有ガスを燃料セルセクションに、例えば、燃料セルユニットのカソードに導入できる。統合改質器‐燃料セルシステムのブロワーシステムは、また、例えば、熱伝達のためにＣＰＯＸ改質器及び／又は燃料セルセクション内のガス流を駆動でき、それは、構造体（単数又は複数）及び熱ゾーン（単数又は複数）の加熱及び／又は冷却を含むことができる。
【０１３４】
幾つかの実施形態では、統合改質器‐燃料セルシステムは、その統合改質器‐燃料セルシステム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いて、統合改質器‐燃料セルシステム、即ち、液体燃料ＣＰＯＸ改質器セクション及び燃料セルセクションの動作を制御するように構成されることができる制御システムを含むことができる。
【０１３５】
本教示の液体燃料ＣＰＯＸ改質器は、ガスをＣＰＯＸ反応器ユニットのインレットに向けて経路指定するためのコンジットを含むことができる。このコンジットは、酸素含有ガスのためのインレット；液体改質可能燃料、気化された液体改質可能燃料、ガス状改質可能燃料及びそれらの組合せのためのインレット；酸素含有ガスと気化された液体改質可能燃料が組み合わさってガス状ＣＰＯＸ反応混合物を提供する混合ゾーン；及びガス状ＣＰＯＸ反応混合物のためのアウトレットを含むことができる。
【０１３６】
本教示の液体燃料ＣＰＯＸ改質器は、少なくとも一つの熱源を含むことができる。例えば、液体燃料ＣＰＯＸ改質器は、コンジットに導入された酸素含有ガスを最初の上昇温度に加熱するために、液体燃料ＣＰＯＸ改質器の動作のスタートアップモード中に動作可能な第１のヒーターユニットを含むことができる。また、液体燃料ＣＰＯＸ改質器は、先に最初の上昇温度に加熱された酸素含有ガスを更なる上昇温度に加熱するために、液体燃料ＣＰＯＸ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中に動作可能な第２のヒーターユニットを含むことができる。
【０１３７】
本教示の液体燃料ＣＰＯＸ改質器は、酸素含有ガスのコンジットへの導入に先立って又はそれに続いて酸素含有ガスを最初の上昇温度に加熱するために液体燃料ＣＰＯＸ改質器の動作の定常状態モード中に動作可能な熱的にリンクされた熱伝達ゾーンを含むことができる。
【０１３８】
例えば、幾つかの実施形態では、第１の熱源とそれに熱的にリンクされた第１の熱伝達ゾーン（即ち、第１の加熱ゾーン）は、酸素含有ガスのコンジットへの導入に続いて酸素含有ガスを最初の上昇温度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り、第１の熱源とそれに熱的にリンクされた第１の熱伝達ゾーンは、第１のヒーターユニットと関連する第１の加熱ゾーンに近接して又はそれらに一致して且つ第２のヒーターと関連する第２の加熱ゾーンから上流でコンジット内に配置されたＣＰＯＸ熱伝達ゾーンと熱連通状態にあるＣＰＯＸ反応器ユニットのＣＰＯＸ反応ゾーンを備え、ＣＰＯＸ反応ゾーン内で生じるＣＰＯＸ反応からの発熱の熱は、ＣＰＯＸ熱伝達ゾーンを通過する酸素含有ガスに伝達される。
【０１３９】
加えて、幾つかの実施形態は、酸素含有ガスのコンジットへの導入に先立って、酸素含有ガスを最初の上昇温度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な第２の熱源とそれに熱的にリンクされた第２の熱伝達ゾーン（即ち、第２の加熱ゾーン）を含むことができ、第２の熱源とそれに熱的にリンクされた第２の熱伝達ゾーンは、改質器以外の熱生成源と、それとともに熱連通している熱伝達ゾーンを備え、そのような熱生成源と熱伝達ゾーンは、コンジットの外部に配置され、熱生成源から回収された熱は、酸素含有ガスのコンジットへの導入に先立って、熱伝達ゾーンを通過する酸素含有ガスに伝達される。
【０１４０】
本教示の液体燃料ＣＰＯＸ改質器は、例えば、酸素含有ガスと気化された液体改質可能燃料を混合するためのミキサーを含むことができる。このミキサーは、静的ミキサー又は動的ミキサー、例えば、「Ｍｉｘｉｇ  Ｒｅｆｏｒｍａｂｌｅ  Ｆｕｅｌｓ  ａｎｄ  ａｎ  Ｏｘｙｇｅｎ−Ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ  Ｇａｓ  ａｎｄ／ｏｒ  Ｓｔｅａｍ」と題する同時係属中で本願の譲受人に譲渡された米国特許出願第１４／３３５，４６３号に記述されているような流体混合デバイスであることができ、流体混合デバイス及び本教示に適用可能なＣＰＯＸ反応混合物を提供するためにそのデバイスを操作する方法に関連する教示を含むあらゆる目的のために参照によって本明細書に組み込まれる。
【０１４１】
本教示の液体燃料ＣＰＯＸ改質器は、例えば、生産物改質油の一酸化炭素含有を減少するためのＣＰＯＸ改質油処理ユニットやデバイスを含むことができる。ＣＰＯＸ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。
【０１４２】
本教示の液体燃料ＣＰＯＸ改質器は、管状ＣＰＯＸ反応器ユニット及び改質器の他の熱放射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できる。
【０１４３】
本教示の液体燃料ＣＰＯＸ改質器は、ガス流を改質器内に及び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。ガス流ドライバは、ブロワー又はブロワーシステムであることができる。本教示の液体燃料ＣＰＯＸ改質器は、燃料ポンプを含むことができる。燃料ポンプのようなポンプの例は、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、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、及び毛細管ポンプを含む。
【０１４４】
本教示の液体燃料ＣＰＯＸ改質器は、一つ以上の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。本教示の液体燃料ＣＰＯＸ改質器は、また、改質器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いて改質器の動作を自動化するための制御システムを含むことができる。制御システムは、コントローラと通信状態にある複数のセンサアセンブリを含むことができる。
【０１４５】
本教示の液体燃料ＣＰＯＸ改質器は、ＣＰＯＸ反応器ユニットと熱連通状態にある熱伝達手段を含むことができる。この熱伝達手段は、例えば、ＣＰＯＸ反応器ユニットのＣＰＯＸ反応ゾーン内の温度を事前設定範囲内に維持するために、液体燃料ＣＰＯＸ改質器の動作の定常状態モード中にＣＰＯＸ反応器ユニットからの熱を伝達できる。熱伝達手段は、例えば、ＣＰＯＸ反応器ユニットの露出外表面に対して及び／又はＣＰＯＸ反応器ユニットの露出表面と熱連通状態にある伝熱アセンブリの熱放射部材に対して冷却剤流を向けるために、ブロワーを含むことができる。本教示の液体燃料ＣＰＯＸ改質器は、また、他の目的のためにブロワーを含むことができる。例えば、ブロワーは、酸素含有ガスをコンジットに導入できる及び／又はガス流をＣＰＯＸ反応器ユニット内に駆動できる。
【０１４６】
ブロワーは、一連のブロワーユニットを含んでいてもよい。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、また、少なくとも一つの一連のブロワーユニットのアウトレットと、少なくとも一つの一連の他のブロワーユニットのインレットとを含むダクトを含むことができる。例えば、一連のブロワーは、「Ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ  Ｂｌｏｗｅｒ  Ｓｙｓｔｅｍ  ａｎｄ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｉｎｇ  Ｓａｍｅ」と題する共同所有の米国特許出願公開第２０１２／０３２８９６９号に記述されているようなブロワーシステムを含むことができ、それは、本教示に適用可能であるので、ブロワーシステム及びそれを操作する方法に関連する教示を含むあらゆる目的のために参照によって本明細書に組み込まれる。
【０１４７】
本教示の液体燃料ＣＰＯＸ改質器は、例えば、統合システムの動作のスタートアップモード中に、液体燃料ＣＰＯＸ改質器セクション及び／又は燃料セルセクションの電気エネルギー消費コンポーネント、例えば、補助ＣＰＯＸ改質器コンポーネントに電力を供給するための電流源を含むことができる。電流源は、再充電可能バッテリ及びバッテリ充電器を含むことができる。
【０１４８】
本明細書に記述された改質器セクションのこれら及び他の実施形態は、有利には、管状ＳＯＦＣスタックに連結されることができる。統合改質器‐燃料セルシステムの幾つかの実施形態では、改質触媒、水ガスシフト（ＷＧＳ）反応触媒及び両方の目的のための活性の触媒の少なくとも一つは、水素リッチ改質油と接触する管状ＳＯＦＳユニットのセクション内に及び／又はそれと関連して配置されることができる（例えば、そのセクションに含浸されることができる）。そのような触媒（単数又は複数）の存在は、改質油に存在する非消費改質可能燃料の改質に触媒作用を及ぼすことができる及び／又は水ガスシフト反応に触媒作用を及ぼし、それによって、改質油中に存在する一酸化炭素が電気への電気化学的変換のための追加の水素へ変換される。一つのそのような管状ＳＯＦＣユニットが、図４Ｎ及び図４Ｏに示されている。
【０１４９】
少なくとも一つの燃料セルユニットと電流コレクタに加えて、本教示の統合改質器‐燃料セルシステムの燃料セルセクションは、以下の任意のコンポーネント：改質触媒、水ガスシフト反応用の触媒、及び改質と水ガスシフト反応の両方のための触媒的に活性の触媒の内の少なくとも一つであって、そのような触媒又はそれらの組合せが燃料セルユニットのアノード成分の少なくとも一部と接触状態にあることができること；燃料セルセクションからの熱損失を減少するための断熱部；酸素含有ガスが少なくとも一つの燃料セルユニットのカソードコンポーネントと接触するようにそのガスを燃料セルに導入するためのガス流ドライバ；テールガスの燃焼可能成分の燃焼のためのアフターバーナー；燃料セルセクション及び／又はそのアフターバーナーコンポーネントからの熱を回収し且つ酸素含有ガス／の液体改質可能燃料の改質器セクションへの導入に先立って又はそれに続いて酸素含有ガス及び／又は液体改質可能燃料を加熱するため及び／又は液体改質可能燃料の改質器セクションへの導入に先立って又はそれに続いて周囲温度又は上昇された温度で液体改質可能燃料を気化するために回収された熱を利用する熱交換アセンブリ；一つ以上の燃料セル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；及び燃料セルセクションの動作を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いて自動化するための制御システムの幾つかを含むことができる。
【０１５０】
本発明の統合改質器‐燃料セルシステムの燃料セルセクションは、既知であり且つ従来の燃料セル、例えば、先に述べられたこれらの燃料セルタイプの任意のものから選択されることができる。好適なタイプの燃料セルセクションは、管状固体酸化物燃料セル（ＳＯＦＣ）であり、それの多くの変型は非特許文献及び特許文献に記載されている。このタイプの燃料セルの利点には、高い効率、長期間にわたる安定性、燃料柔軟性及び低エミッション、本教示に係る改質器セクションの前述の利点とぴったりと当てはまる利点を含むことができる。
【０１５１】
多管状ＳＯＦＣスタックの構成は、本明細書で記述される統合改質器‐燃料セルシステムの適切に構成された多管状ＣＰＯＸ改質器セクションに容易に連結されることができる。このように、例えば、改質器セクションの管状ＣＰＯＸ反応器ユニットのアウトレットは、対応する管状ＳＯＦＣユニットのインレットに位置合わせされ、且つ直接に接続されることができ、それによって、水素リッチ改質油が前者から後者に直接的に通過出来、それによって、統合改質器‐燃料セルシステム全体にわたって低い外圧を維持できる。更に、そのような実施形態では、管状ＣＰＯＸ反応器ユニットと対応する管状ＳＯＦＣユニットを、例えば、全内容が実際上本明細書に組み込まれる、同時係属中で同一出願人のＦｉｎｎｅｒｔｙ氏等の米国特許出願公開第２０１３／００５６９１１号及びＦｉｎｎｅｔｙ氏等の米国特許出願公開第２０１３／００５９２２３号に記述されたプロセスを使用して、単一のシームレスの一体化された連続表面として製造することは実務的であり且つ経済的であることができる。
【０１５２】
従って、様々な実施形態において、液体燃料ＣＰＯＸ改質油と燃料セルの統合システムが提供され、この統合システムは：
ａ）水素リッチ改質油を生成するために液体改質可能燃料を利用する液体燃料ＣＰＯＸ改質器セクションを備え、その改質器セクションは：
複数の互いに離間されたＣＰＯＸ反応器ユニットであって、各反応器ユニットは、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物用のインレット、水素リッチ改質油用のアウトレット、内表面と外表面を有する壁を有する細長いチューブを備えること、この壁は中に配置されたＣＰＯＸ触媒を有する及び／又はＣＰＯＸ触媒の構造体を備える壁の少なくとも一セクションで開口ガス流通路を囲むこと、そのような触媒含有壁セクションとそれによって囲まれる開口ガス流通路がガス相ＣＰＯＸ反応ゾーンを画定すること、触媒含有壁セクションは、ＣＰＯＸ反応状態下で安定したままであると共にガス状ＣＰＯＸ反応混合物が中に拡散されることができ且つ生産物水素リッチ改質油がそこから拡散されることができるためにガス透過可能であること；液体改質可能燃料を気化するための気化器、を備え；及び
ｂ）改質器セクション（ａ）で生成された水素リッチ改質油を電気に電気化学的に変換するための燃料セクションを備え、その燃料セルセクションは：
少なくとも一つの燃料セルユニットであって、その燃料セルユニットは、アノードコンポーネント、カソードコンポーネント及びアノードコンポーネントとカソードコンポーネントとの間に配置された電解質コンポーネント、改質器セクション（ａ）で生成された水素リッチ改質油のためのインレットと通路であって、そのインレットと通路は、燃料セルユニットのアノードコンポーネントに改質油を搬送するように構成されること、酸素含有ガス用のインレットと通路であって、そのインレットと通路は、そのようなガスが燃料セルユニットのカソードコンポーネントへ搬送するように構成されること、及びテールガス用のアウトレットを備えること、及び
少なくとも一つの燃料セルユニットのアノードコンポーネントとカソードコンポーネントに電気的に連結する少なくとも一つの電流コレクタ、を含むことができる。
【０１５３】
他の一態様では、電気を生成する方法が提供される。本教示は、液体燃料ＣＰＯＸ改質を行い且つ水素リッチ生産物改質油を電気に電気化学的に変換する方法を提供する。本教示の方法は、概して、気化された液体改質可能燃料を含むガス状ＣＰＯＸ反応混合物を本教示の液体燃料ＣＰＯＸ改質器のＣＰＯＸ反応器ユニットのインレットに導入すること；水素リッチ改質油の生成を開始するためにガス状ＣＰＯＸ反応混合物の触媒部分酸化を開始すること；ガス状ＣＰＯＸ反応混合物の触媒部分酸化を維持すること；及び燃料セルユニット内で水素リッチ改質油を電気に変換することを含む。
【０１５４】
幾つかの実施形態では、液体改質可能燃料のＣＰＯＸ改質を行って水素リッチ改質油を生成し且つ燃料セル内でその改質油を電気に電気化学的に変換する方法は、水素バリアを管状反応器ユニットの触媒含有壁セクションの外側表面に取付けることを含む。水素バリアは、そのバリアが無い場合に、触媒含有壁セクションを通過する及びそれを越える水素の拡散から生じる反応器ユニットからの水素の損失を防止又は禁止できる。
【０１５５】
幾つかの実施形態では、水素リッチ改質油を生成するために液体改質可能燃料のＣＰＯＸ改質を行い且つ燃料セル内の改質油を電気に電気化学的に変換する方法は、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物の形成に先立って、酸素含有ガスを加熱する、液体改質可能燃料を加熱する、及び／又は液体改質可能燃料を気化するための動作中に、ＣＰＯＸの発熱から回収された熱及び／又は一つ以上の外部熱源、例えば、燃料セル（セクション）から回収された熱を使用することを含む。
【０１５６】
様々な実施形態では、水素リッチ改質油を生成するために液体改質可能燃料のＣＰＯＸ改質を行い且つ燃料セル内の改質油を電気に電気化学的に変換する方法は、例えば、加熱された酸素含有ガスと接触するような時に、周囲温度又は上昇された温度で液体改質可能燃料を気化することを含み、それによって、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物を形成する。
【０１５７】
幾つかの実施形態では、液体改質可能燃料のＣＰＯＸ改質を行って水素リッチ改質油を生成し且つ燃料セル内でその改質油を電気化学的に変換して電気を生産する方法は、実質的に均一な組成のガス状ＣＰＯＸ反応混合物を実質的に均一な流量で及び／又は実質的に均一な温度で幾つかの管状ＣＰＯＸ反応器ユニットの各々に分配することを含む。
【０１５８】
特定の実施形態では、液体改質可能燃料のＣＰＯＸ改質を行って水素リッチ改質油を生成し且つ燃料セル内でその改質油を電気に電気化学的に変換する方法は、例えば、ＣＰＯＸ反応器ユニットの外部に配置された放射熱源を使用して、管状ＣＰＯＸ反応器ユニット内でＣＰＯＸを開始することを含み、この放射熱は、反応器ユニットのＣＰＯＸ反応ゾーン内でＣＰＯＸを開始するために反応器ユニットの壁を通して伝導される。
【０１５９】
幾つかの実施形態では、液体改質可能燃料のＣＰＯＸ改質を行って水素リッチ改質油を提供し且つ管状ＳＯＦＣユニット内でその改質油を電気に電気化学的に変換する方法は、改質油中に存在する未改質の気化された液体改質可能燃料、熱分解燃料及び／又は一酸化炭素にＳＯＦＣユニットの少なくとも一部内で改質及び／又は水ガスシフト反応を受けさせ、それによってＳＯＦＣユニット内での電気への電気化学変換用の追加の水素を生成することを含む。
【０１６０】
本教示の様々な実施形態において、水素リッチ改質油を生成するために液体改質可能燃料のＣＰＯＸ改質を行い且つ燃料セル内の改質油を電気に電気化学的に変換する方法は、概して、
ａ）スタートアップモードにおいて、
（ｉ）複数のＣＰＯＸ反応器ユニットの各々のインレットに向けてガスを経路指定するためのコンジットへ酸素含有ガスを導入すること、コンジットは、酸素含有ガス用のインレット、液体改質可能燃料用のインレット、ＣＰＯＸ反応器ユニットのインレットとガス流連通状態にある、加熱されたガス状ＣＰＯＸ反応混合物用のアウトレットを備えること、各ＣＰＯＸ反応器ユニットは、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物用のインレット、水素リッチ改質油用のアウトレット、内表面と外表面を有する壁を有する細長いチューブを備えること、前記壁は中に配置されたＣＰＯＸ触媒を有する及び／又はＣＰＯＸ触媒の構造体を備える壁の少なくとも一セクションで開口ガス流通路を囲むこと、そのような触媒含有壁セクション及びその壁セクションで囲まれる開口ガス流通路は、ガス相ＣＰＯＸ反応ゾーンを画定すること、触媒含有壁セクションは、ＣＰＯＸ反応状態下で構造的に安定でありながら、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物をその中に拡散させることができ且つ水素リッチ生成物改質油をそこから拡散させることができるようにガス透過可能であること、
（ｉｉ）酸素含有ガスを加熱すること、
（ｉｉｉ）液体改質可能燃料をコンジットに導入すること、
（ｉｖ）コンジットに導入された液体改質可能燃料を気化することであって、気化された燃料は、加熱されたガス状ＣＰＯＸ反応混合物を提供するためにステップ（ｉｉ）からの加熱された酸素含有ガスと組み合わされること、
（ｖ）ステップ（ｉｖ）からの加熱されたガス状ＣＰＯＸ反応混合物をＣＰＯＸ反応器ユニットのインレットに導入すること、及び
（ｖｉ）ＣＰＯＸ反応器ユニットのＣＰＯＸ反応ゾーン内でガス状ＣＰＯＸ反応混合物のＣＰＯＸ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こと、及び
（ｖｉｉ）ステップ（ｖｉ）で生成された水素リッチ改質油が燃料セルユニットのアノードコンポーネントと接触するようにその改質油を少なくとも一つの燃料セルユニットに搬送すると同時に酸素含有ガスが燃料セルユニットのカソードコンポーネントと接触するようにその酸素含有ガスを燃料セルユニットに搬送すること、改質油が電気を生成するために燃料セルユニット内で変換を受けること；及び
ｂ）定常モードにおいて：
（ｖｉｉｉ）酸素含有ガスをコンジットに導入することであって、酸素含有ガスは、それのコンジットへの導入に先立って又はその後に加熱されていること、
（ｉｘ）液体改質可能燃料をコンジットに導入すること、
（ｘ）液体改質可能燃料を気化することであって、気化された燃料は、加熱されたガス状ＣＰＯＸ反応混合物を提供するために、ステップ（ｖｉｉｉ）からの加熱された酸素含有ガスと組み合わされること、
（ｘｉ）ステップ（ｘ）からの加熱されたガス状ＣＰＯＸ反応混合物をＣＰＯＸ反応器ユニットのインレットに導入すること、
（ｘｉｉ）ステップ（ｘｉ）に先立って、又はステップ（ｘｉ）中に又はステップ（ｘｉ）に続いて開始ステップ（ｖｉ）を中断すると共にＣＰＯＸ反応器ユニットのＣＰＯＸ反応ゾーン内でのＣＰＯＸ反応を維持して、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）で生成された水素リッチ改質油を前記少なくとも一つの燃料セルユニットのアノードコンポーネントに搬送すると同時に酸素含有ガスを前記少なくとも一つの燃料セルユニットのカソードコンポーネントに搬送することであって、改質油は、電気を生成するために燃料セルユニット内で変換を受けることを続けること、を含むことができる。
【０１６１】
幾つかの実施形態では、これらの方法は、例えば、ステップ（ｖｉｉｉ）において、酸素含有ガスのコンジットへの導入に先立って、外部熱生成源をからの熱を使用して酸素含有ガスを周囲温度に加熱することを含むことができる。特定の実施形態では、これらの方法は、例えば、ＣＰＯＸ反応器ユニットのＣＰＯＸ反応ゾーン内で生じるＣＰＯＸから回収された発熱の熱を使用して、第１の上昇された温度から第２の上昇された温度に前記酸素含有ガスを更に加熱することを含むことができる。幾つかの実施形態では、これらの方法は、例えば、上記のステップ（ｉｖ）と（ｘ）の内の一方又は両方で、例えば、夫々、ステップ（ｉｉ）と（ｖｉｉｉ）の内の一方又は両方からの加熱された酸素含有ガスの熱を使用して液体改質可能燃料を気化することを含むことができる。特定の実施形態では、これらの方法は、液体改質改良燃料のコンジットへの導入に先立って、この燃料を加熱することを含むことができる。
【０１６２】
様々な実施形態では、これらの方法は、例えば、夫々、ステップ（ｖ）と（ｘ）の一方又は両方において、例えば、ステップ（ｉｖ）と（ｉｘ）の一方又は両方からの加熱されたガス状ＣＰＯＸ混合物のＣＰＯＸ反応器ユニットのインレットへの導入に先立って、その加熱されたガス状ＣＰＯＸ混合物の組成をより均一にすることを含むことができる。幾つかの実施形態では、これらの方法は、より均一な組成の加熱されたガス状ＣＰＯＸ反応混合物をＣＰＯＸ反応器ユニットのインレットへ分配すること及び／又は例えば、夫々、ステップ（ｖ）と（ｘ）の一方又は両方において、その加熱されたガス状ＣＰＯＸ反応混合物をより均一な温度でＣＰＯＸ反応器ユニットのインレットへ分配することを含むことができる。
【０１６３】
特定の実施形態では、これらの方法は、任意の二つのＣＰＯＸ反応器ユニット内のＣＰＯＸ反応混合物の流量における差が約２０％以下である及び／又は任意の二つのＣＰＯＸ反応器ユニットのインレットに入るＣＰＯＸ反応混合物の温度の差が約１０％未満であるように加熱されたガス状ＣＰＯＸ反応混合物をＣＰＯＸ反応器ユニットのインレットに分配することを含むことができる。
【０１６４】
幾つかの実施形態では、これらの方法は、例えば、ステップ（ｖｉ）において、点火器の動作によってＣＰＯＸ反応器ユニットのＣＰＯＸ反応ゾーン内のガス状ＣＰＯＸ反応混合物のＣＰＯＸを開始することを含むことができ、そこでは、点火器から出力された放射熱は、点火器に近接する少なくとも一つの燃料セルユニットの露出セクションに伝達されて中でＣＰＯＸ反応を開始する。一方、前記少なくとも一つのＣＰＯＸ反応器ユニットのＣＰＯＸ反応ゾーン内で生じるＣＰＯＸ反応によって生成される放射熱は、ＣＰＯＸ反応がチャンバ内のＣＰＯＸ反応器ユニットの全てで開始されているようにチャンバ内の少なくとも一つの他のＣＰＯＸ反応器ユニット内でＣＰＯＸ反応を開始することができる。
【０１６５】
様々な実施形態では、これらの方法は、例えば、ステップ（ｖ）において、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物の酸素対炭素のモル比を燃料希薄ＣＰＯＸ反応混合物のそれに対応するように調整することを含むことができる。特定の実施形態では、これらの方法は、例えば、ステップ（ｘｉ）において、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物の酸素対炭素のモル比を燃料リッチＣＰＯＸ反応混合物のそれに対応するように調整することを含むことができる。
【０１６６】
幾つかの実施形態では、これらの方法は、例えば、気化ステップ（ｉｖ）及び（ｘ）の一方又は両方において、気化セクションをバイパスし、且つこれらのステップからの加熱されたガス状ＣＰＯＸ反応混合物と併合するようにコンジットに導入された酸素含有ガスの一部を経路指定する又は迂回させることを含むことができる。幾つかの実施形態では、これらの方法は、酸素含有ガスのガス状ＣＰＯＸ反応混合物への併合に先立って、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物の組成をより均一にする又は調節することを含むことができる。特定の実施形態では、酸素含有ガスのガス状ＣＰＯＸ反応混合物への併合に続いて、これらの方法は、併合されたガスの組成をより均一にする又は調節することを含むことができる。
【０１６７】
幾つかの実施形態では、これらの方法は水素リッチ改質油を生成するためにコンジット内で、酸素含有ガスとガス状燃料を含むガス状ＣＰＯＸ反応混合物にＣＰＯＸを受けさせることを含むことができる。
【０１６８】
様々な実施形態では、これらの方法は、シャットダウンモードにおいて、例えばステップ（ｘｉ）で燃料流量を減少すると共に酸素対炭素の実質的に一定のモル比を維持することを含むことができる。幾つかの実施形態では、これらの方法は、ＣＰＯＸ反応器ユニットのＣＰＯＸ反応ゾーン内の温度がコーク形成を生じるレベルに近接又はそれ未満に低下すると酸素対炭素のモル比を増加することを含むことができる。そのようなモル比の増加は、ＣＰＯＸ触媒が不活性になるとコーク形成を防止又は禁止する。
【０１６９】
本教示の様々な方法において、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物をＣＰＯＸ反応器ユニットのインレットに導入することは、流体をＣＰＯＸ改質器ユニットのインレットに経路指定するために酸素含有ガスをコンジットに導入すること；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、コンジット内に配置された電気ヒーターを含む第１の熱源で酸素含有ガスのストリームを加熱すること；及びガス状ＣＰＯＸ反応混合物を提供するために、気化器中の又は気化器を通る、気化器で又は気化器を通過した加熱された酸素含有ガスのストリームに液体改質可能燃料を導入することを含むことができる。これらの方法は、酸素含有ガスのストリーム及び／又は加熱された酸素含有ガスを第２の熱源で加熱することを含むことができ、そこでは、第２の熱源は、コンジットと熱連通状態にあり且つＣＰＯＸ反応器ユニット及び／又は、例えば、液体燃料ＣＰＯＸ改質器と統合されたＣＰＯＸ反応器ユニットの外部の燃料セルユニット又はシステムからの発熱の熱を含む。電気ヒーターは、電気抵抗ヒーターであってもよい。
【０１７０】
幾つかの実施形態では、これらの方法は、気化器の上流で酸素含有ガスのストリーム及び／又は加熱された酸素含有ガスのストリームを加熱する及び／又は冷却することを含むことができる。様々な実施形態では、例えば、熱調整アセンブリが使用される場合、第２の熱源（例えば、ＣＰＯＸ反応又はＣＰＯＸ改質器の外部ではあるがそれと統合されている燃料セルユニット又はシステムの発熱）によって加熱された酸素含有ガスのストリーム及び／又は加熱された酸素含有ガスのストリームの温度は、発熱の熱が動作システムに対して熱すぎて熱が逃げる状態を防止するために、熱的に制御されることができ且つ必要に応じて冷却する又は温度を下げることができる。
【０１７１】
特定の実施形態では、これらの方法は、加熱された酸素含有ガスのストリームを、電気ヒーターを含む第３の熱源で加熱することを含み、そこでは、第３の熱源は、コンジット内に第１の熱源から下流に配置される。幾つかの実施形態では、これらの方法は、第１の熱源で酸素含有ガスの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。これらの方法は、第３の熱源で酸素含有ガスのストリーム及び／又は加熱された酸素含有ガスのストリームを加熱することを減らしたり、又は中断することを含むことができる。
【０１７２】
特定の実施形態では、これらの方法は、加熱された酸素含有ガスのストリームの流量、液体改質可能燃料の流量、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液体改質可能燃料の温度の少なくとも一つを監視すること；及びその監視の結果に応答して液体改質可能燃料の気化を制御することを含む。
【０１７３】
これらの方法は、第１の熱源、第２の熱源、第３の熱源の内の一つ以上によって供給される熱を調節すること、及び熱調整アセンブリによって供給される熱及び／又は冷気を調節することを含むことができる。これらの方法は、液体改質可能燃料を気化器に導入することに先立って、第２の熱源及び／又は、もしあるならば、第３の熱源を使用して液体改質可能燃料を加熱することを含むことができる。特定の実施形態では、加熱された酸素含有ガスのストリームに導入された液体改質可能燃料は、加熱された酸素含有ガスとの接触で気化する。これらの方法は、加熱された酸素含有ガスのストリームの流量、液体改質可能燃料の流量、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液体改質可能燃料の温度の内の一つ以上を監視することを含むことができる。この監視からのフィードバックに基づいて、これらの方法は、応答して液体改質可能燃料の気化を制御することを含むことができる。例えば、気化を制御することは、第２の熱源及び／又は第３の熱源によって供給される熱を調節すること及び／又は熱調整アセンブリによって供給される熱気及び／又は冷気を調整することを含むことができる。
【０１７４】
本教示に係る液体燃料ＣＰＯＸ改質器、燃料セル、及び統合改質器‐燃料セルシステム、及びＣＰＯＸ改質と電気の生成方法は、上記及び本明細書の他の部分に記載されている。図面を参照しての以下の記載は、本教示の液体燃料ＣＰＯＸ改質器、燃料セル、及び統合改質器‐燃料セルシステム、及びＣＰＯＸ改質と電気生成プロセスのこれらの特徴及び他の特徴の幾つかに関し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且つ特定の実施形態を論じており、上記で論じたことに適用可能であることが理解されるべきである。
【０１７５】
ここで図面を参照すると、図２Ａは、本教示に係る統合液体燃料ＣＰＯＸ改質器‐燃料セルシステムの一実施形態を示し、そこでは、ＣＰＯＸ反応混合物の酸素含有ガス成分は、統合システムの液体燃料ＣＰＯＸ改質器セクション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。
【０１７６】
図２Ａに示されるように、統合液体燃料ＣＰＯＸ改質器‐燃料セルシステム２００は、燃料セルセクション２２８に連結された液体燃料ＣＰＯＸ改質器セクション２０１を含む。改質器セクション２０１は、本明細書で且つ本教示の他の実施形態で空気によって例示された酸素含有ガスをコンジット２０３に導入するため及び酸素含有ガスと他のガス流（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）を改質器セクションと燃料セルセクションの、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２０２を含む。コンジット２０３は、流量メータ２０４と熱電対２０５を含むことができる。これら及び同様のデバイスは、図３Ａに示される制御システムに関連してより十分に説明されるように、統合改質器‐燃料セルシステムの動作を測定し、監視し且つ制御するために、液体燃料ＣＰＯＸ改質器セクションと燃料セルセクション内の様々な位置に配置されることができる。
【０１７７】
例示の統合液体燃料ＣＰＯＸ改質器‐燃料セルシステム２００の動作のスタートアップモードにおいて、ブロワー２０２によってコンジット２０３内に導入される、周囲温度の空気は、第１の加熱ゾーン２０６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２０７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、統合液体燃料ＣＰＯＸ改質器‐燃料セルシステム２００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２０９のＣＰＯＸ反応ゾーン２１０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２０８を通過する。統合改質器‐燃料セルシステム２００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２０９内のＣＰＯＸ反応が自立すると、第１のヒーター２０７の熱出力は、入ってくる空気が熱伝達ゾーン２０８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。
【０１７８】
コンジット２０３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２０６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２０８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２１１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２１２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。ヒーターは、先に加熱された空気の温度で終えるように動作出来、それによって、液体燃料ＣＰＯＸ改質器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２０３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足する。
【０１７９】
ここで及び本教示の他の実施形態で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２１５とオプションのフロー制御バルブ２１６を備える燃料ライン２１４を介してポンプ２１３によってコンジット２０３内に連続的に導入され、そこでは、第２の加熱ゾーン２１１から流れる加熱された空気からの熱を利用して気化器システム２１７によって燃料が気化される。気化された、即ち、ガス状の燃料は、コンジット２０３の混合ゾーン２１８内で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２１９のような静的ミキサー、及び／又はコンジット２０３の内表面に形成される渦発生螺旋溝、又は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２０３の混合ゾーン２１８内に配置される。
【０１８０】
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ＣＰＯＸ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２０９に分配するように機能するマニフォルド、即ち、プレナム２２０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の統合改質器‐燃料セルシステム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、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。
【０１８１】
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２Ａ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２２１と熱電対即ちサーミスタプローブ２２２は、この目的を成就するためにマニフォルド２２０内に配置される。ヒーターの代替として又はヒーターに加えて、改質器セクションは、管状ＣＰＯＸ反応器ユニットのＣＰＯＸ反応ゾーン内に生じるＣＰＯＸ反応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くなり得るマニフォルド内のそのような位置、例えば、燃料‐空気アウトレットの近傍にある壁表面及び／又は気化された燃料の局所的な濃縮を引き起こし得るマニフォルドの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、熱伝導構造体（単数又は複数）（例えば、図４Ａに示されるＣＰＯＸ改質器セクションの熱伝導要素４３４）を備えることができる。
【０１８２】
マニフォルド２２０から、加熱されたＣＰＯＸ反応混合物は、管状のＣＰＯＸ反応器ユニット２０９内に導入されるが、その一実施形態の詳細な記述は、ここでは、図４Ｉに示されるマニフォルド部分４５０の管状ＣＰＯＸ反応器ユニット４０８と関連して提示される。ＣＰＯＸ改質器セクション２０１の動作のスタートアップモードにおいて、点火器２２３は、管状ＣＰＯＸ反応器ユニット２０９のＣＰＯＸ反応ゾーン２１０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産を開始する。定常状態のＣＰＯＸ反応温度が達成される（例えば、２５０℃から１，１００℃）と、反応は、自立になり、点火器の動作は、中断されることができる。熱電対２２４と２２５は、夫々、コンジット２０３で生じる気化動作とＣＰＯＸ反応器ユニット２０９内で生じるＣＰＯＸ反応の温度を監視するために設けられ、温度測定は、改質器制御システム２２６に対して監視されたパラメータとして中継される。
【０１８３】
改質器セクション２０１はまた、例えば、ブロワー２０２、流量メータ２０４と２１５、ヒーター２０７、２１２及び２２１、液体燃料ポンプ２１３、流量制御バルブ２１６、点火器２２３、熱電対２０５、２２２、２２４及び２２５のような改質器セクション２０１の電気駆動コンポーネントのために統合改質器‐燃料セルシステム２００の動作のスタートアップモード中に電気を提供するために及び、必要ならば、後での使用のために、定常状態動作中に燃料セルセクション２２８によって生成される余剰の電気を蓄えるために電流源、例えば、再充電可能リチウムイオンバッテリシステム２２７を含むことができる。
【０１８４】
必要ならば、液体ＣＰＯＸ改質器セクションからの生産物流出物即ち水素リッチ改質油は、水素リッチ改質油の一酸化炭素（ＣＯ）含有を減少するための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に導入されることができ、そこでは、生産物流出物は、ＣＯによる汚染に特に影響を及ぼされ易い触媒を利用する燃料セルセクション即ち燃料セルスタック、例えば、図５Ｄに示される統合改質器‐燃料セルシステム５６０のＰＥＭ燃料セルセクション５６１、に燃料として導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。
【０１８５】
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。
【０１８６】
図２Ａに更に示されるように、ブロワー２０２によって駆動される水素リッチ改質油は、改質器セクション２０１のＣＰＯＸ反応器ユニット２０９から燃料セルセクション２２８の燃料セルスタック２２９内に入り、そこでは、ブロワー２３０によってマニフォルド２３１に導入され、その後、燃料セルスタック２２９に導入される水素と酸素含有ガスは、電気への電気化学的変換を受ける。そのような電気化学的変換から生じる消費ガス（単数又は複数）に含まれる可燃ガス（単数又は複数）、例えば、炭化水素（単数又は複数）、未消費水素等は、アフターバーナー２３２で燃焼を受けさせられることができる。アフターバーナーで起こる燃焼から生じる熱は、必要に応じて、回収されることができ且つ、例えば、図４Ａ及び図５Ａ乃至図５Ｃに示される実施形態におけるように、統合改質器‐燃料セルシステムの動作の定常状態モード中に酸素含有ガス及び／又は燃料を予加熱するために、改質セクションの動作のために利用されることができる。
【０１８７】
空気が、動作の定常状態モード中にＣＰＯＸ反応器ユニット２０９から回収された発熱の熱によってコンジット２０３の熱伝達ゾーン２０８内で加熱される、図２Ａの液体燃料ＣＰＯＸ改質器セクション２００に対比して、図２Ｂに示される例示的統合改質器‐燃料セルシステム２５０の液体燃料ＣＰＯＸ改質器セクション２５１において、遠心ブロワー２５２を介してコンジット２５３に導入された空気は、燃料セルスタック２２９のアフターバーナー２３２から回収された排気熱（ホット燃焼ガス排気）が供給される熱交換器２５４を通過することによって加熱される。全ての他のことに関しては、統合改質器‐燃料セルシステム２５０のコンポーネントとそれらの機能は、図２Ａの統合改質器‐燃料セルシステム２００のそれらと本質的に同じである。
【０１８８】
図３Ａに示される制御システム３００は、本教示に係る統合液体燃料ＣＰＯＸ改質器‐燃料セルシステムの動作を制御できる。図３Ａに示されるように、制御システム３００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ＣＰＯＸ改質器３０２を管理するためのコントローラ３０１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。
【０１８９】
制御システム３００は、更に、コントローラ３０１と通信状態にある複数のセンサアセンブリ、例えば、燃料圧メータ３０４、空気圧メータ３０９、混合ゾーン熱電対３１３とＣＰＯＸ反応ゾーン熱電対３１４、カソード空気圧メータ３１８、燃料セルスタック熱電対３１９、アフターバーナー熱電対３２０等を含むことができ、且つ改質器セクション３０２と燃料セルセクション３１５の選択された動作パラメータを監視するように構成されることができる。
【０１９０】
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からのユーザコマンド及びコマンドシーケンスに応答して、コントローラは、液体燃料ＣＰＯＸ改質器‐燃料セルシステムの動作を管理することができる。より具体的には、図示のように、コントローラ３０１は、統合改質器‐燃料セルシステム３１６の望ましいセクション即ちコンポーネントの制御信号受信部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この制御信号受信部と通信する。このように、例えば、圧力メータ３０４、３０９と３１８からの流量入力信号、及び熱電対３１３、３１４、３１９と３２０からの温度入力信号に応答して、コントローラ３０１は、例えば、燃料ライン３０６を通るコンジット３０７への燃料の流れを制御するために燃料ポンプ３０３及び／又は燃料流制御バルブ３０５へ、コンジット３０７への空気の流れを制御し且つ改質器セクション３０２及び燃料セルセクション３１５内の及び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３０８へ、ヒーター３１０の熱出力を制御するためにヒーター３１０へ、改質器点火器３１１及び／又はアフターバーナー点火器３２１のオン‐オフ状態を制御するために改質器点火器３１１へ及び／又はアフターバーナー点火器３２１へ、カソード空気の燃料セルスタック３１７への流れを制御するためにカソード空気ブロワー３２２へ、及びバッテリ／バッテリ再充電器システム３１２の機能を制御するためにバッテリ／バッテリ再充電器システム３１２へ制御信号を送信できる。
【０１９１】
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。
【０１９２】
図３Ａ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３０１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３０１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。デュアル加熱された通路は、決定された応答動作を提供するために統合改質器‐燃料セルシステム３１６の対応するコンポーネントへコマンド信号を送信するのみならず、改質器セクション３０２、燃料セルセクション３１５、及び燃料ポンプ３０３、燃料制御バルブ３０５、ブロワー３０８と３２２のような機械的ユニットから動作入力及び圧力メータ３０４、３０９と３１８、及び熱電対３１３、３１４、３１９及び３２０のようなセンサアセンブリからの測定入力を受信する。
【０１９３】
図３Ｂは、液体燃料ＣＰＯＸ改質器‐燃料セルシステム、例えば、統合改質器‐燃料セルシステム３１６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表す。このフローチャートは、固定間隔で、例えば、約１０ミリ秒ごとに、コントローラによって実行されることができる。図３Ｂに示される制御論理は、改質器の動作のスタートアップモードと定常状態モードにおけるガス流、加熱、燃料気化及びＣＰＯＸ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。
【０１９４】
例示の統合液体燃料ＣＰＯＸ改質器‐燃料セルシステム４００及び本教示の更なる実施形態を表す図４Ａ乃至図４Ｑに示されるそのコンポーネントの様々な図に示されるように、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物の酸素成分を提供するための酸素含有ガスとしての空気は、図４Ｐと図４Ｑにより詳細に示される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を通して周囲温度で且つ事前設定された質量流量で液体燃料ＣＰＯＸ改質器セクション４０１に導入される。周囲温度空気は、最初に、統合改質器‐燃料セルシステム４００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からの熱が供給される第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。統合改質器‐燃料セルシステム４００、特に、その改質器セクション４０１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、シャットダウンされることができ、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内で加熱されるが、そのユニット４０８の構造の及び構成の詳細は、図４Ｉ乃至図４Ｍでより詳細に記述される。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範囲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。
【０１９５】
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の大部分及びＣＰＯＸ反応器ユニット４０８のＣＰＯＸ反応ゾーン４０９に対応するＣＰＯＸ反応器ユニット４０８の部分を囲む。そのような断熱部はまた、燃料セルセクション４６７の燃料セルスタック４６８とアフターバーナー４７０のコンポーネントからの熱損失を減少するために燃料セルセクション４６７の放熱表面の多く又は実質的に全てを囲む。
【０１９６】
加熱空気ストリームが主コンジット４０４（それは、図示の構成では、酸素含有ガスコンジットとして本明細では参照されることができる）内を下流に流れるので、それは、二つのストリームにスプリット、即ち、分割されることができ、一方のストリーム（例えば、主（流体）ストリーム）は、主コンジット４０４を通って流れ続け、他方のストリーム（例えば、二次（流体）ストリーム）は、ブランチコンジット４１１内に迂回され、そこから、他方のストリームは、出て併合ゾーン４２１で再び主コンジット４０４に入り、第１の混合ゾーン４２０（第１の静的ミキサー及び／又は中に配置されるらせん状の溝を有する内壁表面を有する）から通過する気化された燃料‐空気混合物と併合する。次に、併合されたガスは、構造と動作が以下でより十分に記述されるマニフォルド４２６のガス分配器４２７内にアウトレット４２５を介して導入されるための極めて均一な組成のガス状ＣＰＯＸ反応混合物を提供するために、気化器の下流で第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。
【０１９７】
幾つかの実施形態では、分岐を含む単一のコンジットよりむしろ、二つの個別の又は独立したコンジットは、各コンジットが各コンジットと流体連通状態にある酸素含有ガス源を有する場合に、同じ目的を達成するために使用されることができる。即ち、第１の酸素含有源からの主流体ストリームは、通常、気化器への及びそれを通るより高い燃料対空気比を維持するために減少された容量の流量で気化器へ第１の（主）コンジットを介して通過できる。第２の酸素含有ガス源からの二次流体ストリームは、第２のコンジットを通過して主流体ストリームと気化された液体改質可能燃料混合物と気化器の下流であるがＣＰＯＸ反応器ユニットのインレット及び／又はマニフォルドの上流の第１のコンジットで併合することができ、それによって、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物の望ましいＯ：Ｃ比をＣＰＯＸ反応器ユニットに送給する。
【０１９８】
図４Ｒは、図４Ａと類似する、本教示に係る統合液体燃料ＣＰＯＸ改質器‐燃料セルシステムのそのような実施形態の長手方向断面図であるが、そこでは、第２の酸素含有ガス源４０２’と４４５が存在し、その各々は、コンジット４０４’とコンジット４１１’を介して併合ゾーン４２１’と流体連通状態にある。同様の参照番号は、一般的に、図４Ａと図４Ｒにおける同様の部品を指し、ここでは繰り返されない。
【０１９９】
いずれの場合においても、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み合わさることを始める燃料‐空気混合物に含まれた気化された液体燃料成分の量は、空気成分に比例して高く保たれることができ、このように、この非均一の最初の燃料‐空気混合物の幾つかの領域（単数又は複数）が点火及びその結果のコーク形成を支持するために十分に高い空気の濃度を含むことの可能性を排除又は減少する。最初の燃料‐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、比較的に高い空気濃度の点火誘導領域の存在する可能性を余りないようにする組成の不均一の度合いを達成すると、次に、幾分より均一な燃料‐空気混合物は、ブランチコンジットを出る第２の加熱された空気ストリーム（即ち、第２の（流体）ストリーム）を併合ゾーンで併合でき、それによって、望ましいＣＰＯＸ反応混合物の予め設定されたＯ対Ｃモル比を満足する。次に、この燃料‐空気混合物は、混合物がマニフォルドのガス分配器に入る前に、より組成的に均一なガスＣＰＯＸ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。
【０２００】
第１の加熱ゾーン４０５及び／又は熱伝達ゾーン４０７を通過す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ＣＰＯＸ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。
【０２０１】
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、液体燃料散布器デバイス４１５、例えば、図４Ｄ、図４Ｅ及び図４Ｆに示さるウィック４１６、又は図４Ｇに示されるスプレーデバイス４１７に導入される。スプレーやウィックのような液体燃料散布器（デバイス）は、例えば、主コンジットに配置された、又は主コンジットの外部に配置されるが主コンジットと流体連通状態にある気化器であることができる。
【０２０２】
流体を統合改質器‐燃料セルシステムの流路及びコンジットを通過させ、例えば、燃料ライン４１４を介して液体燃料を主コンジット４０４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。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、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で微細な霧状もしくは別の状態としてコンジット内に散布されることができる。第２のヒーターユニットと燃料散布器デバイスは、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セクション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。
【０２０３】
改質器セクションは、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、図４Ｄ及び図４Ｇ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。コンジット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、所与の量の液体改質可能燃料をより速く気化することを可能にする。即ち、同じ気化器システムが、改質可能燃料がコンジットに入る時の周囲温度で改質可能燃料を動作する場合よりも、より多くの量の液体燃料を所定時間内で気化することを可能にする。
【０２０４】
液体燃料が主コンジット４０４に入る前に液体燃料の加熱を行うために、且つ図４Ａ、図４Ｄ及び図４Ｇ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４１４は、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、中を流れる燃料の滞留時間を延長するために長さが延長された燃料ラインのセクション４１９を有する主コンジット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４１９は、中の燃料を、予め設定されたある温度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、参照番号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統合ＣＰＯＸ改質器‐燃料セルシステム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。
【０２０５】
液体燃料散布器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、主コンジット４０４内で形成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）の温度を監視し、図３Ａの制御システム３００のような制御システムに対して制御信号を提供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。
【０２０６】
図４Ｄ、図４Ｅ及び図４Ｆに示されるように、本明細書で記述される気化器システムの一実施形態では、主コンジット４０４内の燃料ライン４１４の終端セクションは、第２の加熱ゾーン４１２からの加熱された空気ストリームがウィック４１６の表面上に広がった液体燃料に均一に接触し易いようにコンジットの断面の中心と略位置合わせされていることができる穿孔された又は複数のスロットが形成された液体燃料アウトレット４２４で終端する。液体燃料アウトレット上に嵌合できるウィックの本体は、任意の適切な熱抵抗性材料から製造されることができる。そのような熱抵抗性材料の例は、金属、セラミック、高温ポリマー等、及びそれらの組み合わせを含み、例えば、織り合わされた金属又はカーボンファイバ（構造的に強度を付すために）及びセラミックファイバ（ウィッキング動作）の螺旋状にねじれたシートである。ウィッキング動作や毛細管動作は、燃料アウトレットを介して放出された加熱されたディーゼル燃料を引き上げることができる。ウィックの表面まで且つその上に引き上げられた加熱されたディーゼルは、第２の加熱ゾーンから下流に流れる加熱空気と接触すると気化し、加熱された空気との組み合うことを開始して不均一なガス状燃料‐空気混合物、即ち、不均一なガス状ＣＰＯＸ反応混合物を最初に形成する。次に、第１の混合ゾーン４２０内の第１の静的混合物を通ることに続くこの最初の燃料‐空気混合物は、ブランチコンジット４１１から併合ゾーン４２１に流れる加熱された空気の残りの補足物と併合し、そこから、併合されたストリームは、第２の混合ゾーン４２２に内の第２の静的ミキサーに流れ、そこからより成分的に均一なガス状ＣＰＯＸ反応混合物を排出する。
【０２０７】
図４Ｇに示されるように、本明細書の液体燃料気化器システムの他の実施形態では、燃料ライン４１４は、液体燃料スプレーデバイス４１７で終端し、加熱された空気ストリームと同じ流れの方向に加熱されたディーゼル燃料の微細な噴霧液を主コンジット４０４内に射出する。図４Ｄ、図４Ｅ及び図４Ｆに示される気化器システムの燃料ウィッキングコンポーネント４１６の場合のように、スプレーデバイス４１７から主コンジット４０４に放出された加熱されたディーゼルの噴霧液滴は、第２の加熱ゾーン４１２から下流に流れる加熱された空気ストリームと接触すると気化する。ここで記述された、両方の気化器システムの実施形態では、気化されたディーゼルは、ＣＰＯＸ反応器ユニット内への最終の導入のために、加熱された燃料‐空気ストリームを提供するように、加熱された空気と混合され始める。
【０２０８】
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、図４Ｄ、図４Ｅ、図４Ｆ及び図４Ｇ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、スパッターリングやコーキングの顕著な発生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。
【０２０９】
図４Ａを参照すると、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。
【０２１０】
図４Ａに戻ると、マニフォルド４２６（その一部の拡大長手方向断面図が、関連する管状ＣＰＯＸ反応器ユニット４０８と共に図４Ｉに示される）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、囲い４２８を含み、このマニフォルドチャンバ４２９内で、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を出る加熱されたガス状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４３０（例えば、穴又はスロット）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。ガス状ＣＰＯＸ反応混合物がオリフィス４３０を通過してインレット４３１に入る時のガス状ＣＰＯＸ反応混合物の進路が図４Ｂに示されている。
【０２１１】
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、その内表面の内の一つ以上に配置される又はその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を備える受動的熱伝達システムが、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セクション４０１内に配置されることができる。
【０２１２】
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、そのような能動的及び／又は受動的加熱システムは、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物の温度がより均一になるように役立つので、当該ガス状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、結果として、改質器動作と改質器制御の両方に利益をもたらす。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。
【０２１３】
ＣＰＯＸ反応器ユニットへのガス状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、そのハウジングの構成、そのチャンバの容量、及びそのオリフィスの数、設計及び配置を含むガス分配器の寸法を含む。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反応器ユニットの数と配置、ＣＰＯＸ反応器ユニットのインレット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燃料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。
【０２１４】
ＣＰＯＸ反応器ユニットのＣＰＯＸ反応ゾーンが実質的に反応器ユニットの長さと同じ広がりを持つ場合、マニフォルドハウジングは、ＣＰＯＸ改質器の典型である高温で熱的に且つ機械的に安定している材料から製造されることができる。これらの実施形態では、カーボンファイバ及び／又はガラスファイバ強化セラミックのような耐火複合材料を含む様々な種類の耐火材が、マニフォルドハウジングを製造するために適切である。構造体の適切な材料は、様々な既知のタイプのアルミナ、再結晶アルミナ、アルミノケイ酸塩、窒化ホウ素、ガラスセラミック、酸化マグネシウム、リン酸ジルコニウム等の緻密なセラミックス、ニッケル‐クロム系超合金、ハステロイ超合金等のような金属を含む。しかしながら、これら及び他の耐火材は、比較的にコストが高い傾向があり、特に、比較的に複雑な構成を有する物品を製造する場合に、使用して役立たせる際に課題となり得る。
【０２１５】
図４Ｊに示されるＣＰＯＸ反応器ユニット４０８の拡大された、例示の長手方向断面図に示されるように、ＣＰＯＸ反応器ユニット４０８のガス透過可能壁４５１は、その長手に沿って、燃料‐空気混合物インレット４３１で始まる、実質的にＣＰＯＸ触媒が無い第１の、即ち、上流の領域４５２と、第１の領域４５２の終わりに始まり且つ反応器ユニットの生成物改質油流出物アウトレット４５４で又はそれに近接して終わる、触媒的に効果的な量のＣＰＯＸ触媒４６４を含む第２の、即ち、下流の領域４５３に分割されることができる。図４Ａの統合改質器‐燃料セルセクション４００の定常状態動作中に、ＣＰＯＸ反応器ユニットのこの実施形態は、特に、ＣＰＯＸ反応器ユニット４０８の燃料‐空気混合物インレット４３１とマニフォルドハウジング４２８との接合部でかなり低い温度、例えば、周囲温度から約３５０℃までの領域に維持するために本質的にＣＰＯＸ触媒の無い第１の領域４５２を出る第２の領域４５３に熱いＣＰＯＸ反応ゾーン４０９を大きく制限する。
【０２１６】
温度が多くの熱可塑性樹脂の溶融温度よりも低い及び多くの熱硬化性樹脂の熱劣化温度未満である、ＣＰＯＸ触媒の無い壁セクションゾーンのより低い温度によって、マニフォルドハウジングの製造のために幾つかのファミリーの熱可塑性樹脂及び熱硬化性樹脂の任意のものを利用することが実際的にされ且つ有利にされる。マニフォルドハウジングの製造のために使用されることができる特定のタイプの熱可塑性樹脂及び熱硬化性樹脂は、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）のようなポリアリルエーテルケトン（ＰＡＥＫ）、フェノールホルムアルデヒド樹脂等を含む。それらの比較的に低い材料コストに加えて、これら及び他の熱的に安定な樹脂は、押し出し成形、真空成形、射出成形、反応射出成形、回転成形等のような低コスト製造手順を使用して複雑な形状に容易に形成可能にできる追加の利点を有し、従って、比較的に複雑な幾何学形状を有するマニフォルドハウジングを作るのに良好に適する。
【０２１７】
図４Ａに戻り、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ＣＰＯＸ反応を維持するために外部点火がもはや要求されないので、シャットダウンされることができる。
【０２１８】
図４Ａ乃至図４Ｃ及び図４Ｈは、本教示の一実施形態を示しており、そこでは、二つの点火器４３５（各アレイに対して一つ）は、改質器４０１の動作のスタートアップモード中にチャンバ内のＣＰＯＸ反応器ユニット４０８のＣＰＯＸ反応ゾーン４０９内でＣＰＯＸ反応を開始するために使用される。示されるように、ＣＰＯＸ反応器ユニット４０８は、二つの別々の２×７アレイに配置され、各アレイは、主コンジット４０４の側面に位置するチャンバ４３６内に配置される。アレイの周囲は、チャンバ４３６の開口スペース４３８と断熱部４１０との境界を示す。ＣＰＯＸ反応器ユニット４０８のＣＰＯＸ反応ゾーン４０９の少なくとも一部に対応するＣＰＯＸ反応器ユニット４０８の壁の外部表面４３７は、開口スペース４３８内に露出される。水素バリアが存在する場合、その水素バリアは、ＣＰＯＸ反応器ユニットの外部表面に露出されることができる。例えば、１０ワットから８０ワット以上に格付けされた電気抵抗タイプの点火器４３５は、チャンバ４３６の両端に配置され、そこでは、放射熱生成要素４３９がＣＰＯＸ反応器ユニット４０８の外部表面４３７に近接するが、それから物理的に隔離状態に位置される。熱電対４４０は、ＣＰＯＸ反応ゾーン４０９の温度を監視し且つ図３Ａに示される制御システムに関連して記述されるように、改質器制御入力を提供するために点火器４３５の反対側のチャンバ４３６の端部に配置される。点火器の動作によって、放射熱が一つ以上の隣接するＣＰＯＸ反応器ユニットの壁に又はそれを介して伝達され、それによって、ＣＰＯＸがそのような反応器ユニット（単数又は複数）のＣＰＯＸ反応ゾーン内で開始される。次に、これらの隣接するＣＰＯＸ反応器ユニットのＣＰＯＸ反応ゾーン（単数又は複数）から放射される放射熱は、図４Ｃにおける波状矢印によって示されるようにアレイ内の残りのＣＰＯＸ反応器ユニットのＣＰＯＸ反応ゾーン内でＣＰＯＸを開始できる。
【０２１９】
ＣＰＯＸ反応器ユニットとの直接の接触を回避する一つ、又は二つ、又は多くて二乃至三の点火器（単数又は複数）の供給は、ＣＰＯＸ点火器システムに幾つかの利点を提供し、そこでは、各ＣＰＯＸ反応器ユニットが、それ自体の物理的に取り付けられた又は一体化された点火器を有する。後者の点火システムの使用は、本教示によって熟考されるが、動作不能の点火器の識別が、問題である可能性があり、点火器が一部であるＣＰＯＸ反応器ユニットに対する損傷及び／又はアレイ中の他の反応器ユニットへの障害無しにその動作不能の点火器の除去及び交換は、困難である可能性がある。従って、アレイ内又は複数のＣＰＯＸ反応器ユニット内に適切に配置された単一（又は二乃至三の）点火器（単数又は複数）は、故障した又は欠陥のある点火器の容易で且つ単純な識別及びＣＰＯＸ改質器セクションからの抽出、及び動作する点火器との交換を許容できる。
【０２２０】
二つの点火器が使用され、各点火器がＣＰＯＸ反応器ユニットの２×７アレイを点火する、図４Ｃ及び図４Ｈに示されるように、特に、二つのチャンバ間に顕著な熱連通がある場合、チャンバ４３６の一方の側にある点火器４３５と熱電対４４０の位置をチャンバの他方の側にある点火器４３５と熱電対４４０の位置に対して反転することが有利である場合がある。そのような配置は、ＣＰＯＸ反応器ユニットの各別れたアレイのＣＰＯＸ反応ゾーン内でのＣＰＯＸのより迅速な開始となることが観察された。しかしながら、チャンバ内で適切に寸法が決められ且つ配置されたＣＰＯＸ反応器ユニットに関して、単一の点火器が、チャンバ内でＣＰＯＸ反応器ユニットのＣＰＯＸ反応ゾーン内でＣＰＯＸを始動するために使用されてもよい。
【０２２１】
液体改質可能燃料を処理することに加えて、図４Ａに示される液体燃料改質器４０１は、それが複数のガス状改質可能燃料を共に処理する及び／又はそれを交互に／逐次処理することを可能とするコンポーネント、例えば、両方のタイプの改質可能燃料が利用可能であるが、必ずしも同時である必要はない、燃料管理を最適化する能力を含む。更に、この二重燃料処理能力は、それが熱伝達ゾーン４０７内でガス状燃料のＣＰＯＸを開始するためにＣＰＯＸ反応から生じる発熱の熱を利用することによって、改質器の動作の定常状態モード中に主コンジット４０４内で熱プロファイルを活用することにおいて更に有利である。
【０２２２】
図４Ａに示されるように、改質器セクション４０１は、ガス状改質可能燃料ライン４４１と、ガス状燃料インレット４４２を含み、これらのガス状改質可能燃料ライン４４１とガス状燃料インレット４４２を介して、メタンや天然ガスのようなガス状燃料が、遠心ブロワーシステム４０２とインレット４０３の下流であって且つ第１の加熱ゾーン４０５と熱伝達ゾーン４０７の上流の主コンジット４０４内の位置で、この主コンジット４０４に導入される。ガス状燃料は、先に導入された周囲温度空気と組み合って、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、その後、熱伝達ゾーン４０７を通過する。
【０２２３】
図示のように、ガス透過可能ＣＰＯＸ触媒含有支持体４４３、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の熱伝達ゾーン４０７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スタートアップモード中に第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熱伝達ゾーン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４４３と接触してＣＰＯＸを受ける。
【０２２４】
必要ならば、液体燃料ＣＰＯＸ改質器は、ガス状改質可能燃料で単独で又は間欠的に、又は気化された液体燃料とガス状改質可能燃料の両方で同時に動作されることができる。両方のタイプの燃料の同時変換の場合、ガス状燃料は、ＣＰＯＸを受けることが最初であり、そのようなことは、熱伝達ゾーン内に配置されたＣＰＯＸ触媒含有支持体によって行われる。このガス状燃料ＣＰＯＸ反応からの水素リッチ改質油は、次に、気化された液体燃料‐空気混合物と下流で組み合わさり、その後、この混合物は、更なる量の水素リッチ改質油を生成するために、本明細書で記述されるように、管状ＣＰＯＸ反応器ユニットのＣＰＯＸ反応ゾーン内でＣＰＯＸを受ける。
【０２２５】
コンジットの熱伝達ゾーン内にＣＰＯＸ触媒含有支持体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℃から約８５０℃）でガス状燃料のＣＰＯＸ改質が中で進行できる。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反応器ユニットに直接に添加されるためである。従って、二重燃料変換能力を有するＣＰＯＸ改質器と燃料セルの統合システムの幾つかの実施形態では、ガス状燃料の単独の処理から液体改質可能燃料ＣＰＯＸ変換の期間に続いて再び戻るように移行すること及び／又は気化された液体改質可能燃料とガス状改質可能燃料の混合物の共処理からの移行は、ＣＰＯＸ改質器セクションの一体性、ＣＰＯＸ改質器セクションの適切な機能及び全体の統合システムの適切な機能に対するリスク無しで容易に且つ滑らかに達成されることができる。
【０２２６】
図４Ｉに戻って、図４Ａと図４Ｂに示される改質器セクション４０１のマニフォルド４２６の拡大されたマニフォルド部分４５０は、上部ハウジング構造体４５５、下部ハウジング構造体４５６、マニフォルドチャンバ４２９、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物（ガス）分配器４２７及び管状ＣＰＯＸ反応器ユニット４０８のインレット４３１と流体連通、例えば、ガス流連通しているガス分配器アウトレット４３０を含む。管状ＣＰＯＸ反応器ユニット４０８のインレット端４５７は、上部ハウジング構造体４５５内に形成されたキャビティ４５８内に強固にシールされ、Ｏリングガスケット４５９によってそれと気密関係に係合される。加熱されたガス状ＣＰＯＸ反応混合物は、ガス分配器４２７のアウトレット４３０を通り、管状ＣＰＯＸ反応器ユニット４０８のインレット４３１を通ってＣＰＯＸ反応ゾーン４０９に流れ、そこでは、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物は、水素リッチ一酸化炭素含有流出物改質油へのガス状ＣＰＯＸ変換を受け、この流出物改質油は、反応器ユニットのアウトレット端部で関連するアウトレット４５４を通って反応器ユニットから出て、その後、例えば、本明細書でより十分に記述される燃料セルセクションの燃料セルスタックを構成する管状ＳＯＦＣユニットに入る。図示のように、ＣＰＯＸ反応器ユニット４０８は、伝熱要素４３４の上方でシールされ、この伝熱要素４３４は、ガス分配器からＣＰＯＸ反応器ユニットのインレットに導くオリフィスを含むオリフィスプレートであってもよい。オリフィスプレートは、マニフォルドハウジングと物理的に同じ構造であってもよい又は図示のマニフォルドハウジングに取り付けられる又はシールされる別個の構造体であってもよい。後者の構成では、オリフィスプレートは、気化された液体燃料がマニフォルドチャンバを出る前にその濃縮を防止するために、伝熱要素、即ち「熱拡散器」として働くことができる。
【０２２７】
図４Ｊと図４Ｋに更に示されるように、各管状ＣＰＯＸ反応器ユニット４０８のガス透過可能壁４５１は、内表面４６１、外表面４６２、一部がＣＰＯＸ反応ゾーン４０９を構成するガス透過可能壁４５１よって囲まれた開口ガス流通路４６３、及び第２の領域４５３及びＣＰＯＸ反応ゾーン４０９に対応するガス透過可能壁４５１の少なくともそのセクションの構造体内に支持される及び／又はその構造体を含む触媒として有効量のＣＰＯＸ触媒４６４を含む。図示のように、生成物水素ガスのガス透過可能壁４５１を介する損失を防止又は禁止するために、水素バリア４６５がガス透過可能壁４５１の外表面４６２に取り付けられる。
【０２２８】
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改質器及び／又は統合改質器‐燃料セルシステムの動作において、水柱の約３インチ以下の背圧、例えば、水柱の約２インチ以下の、又は水柱の約１インチ以下の背圧は、容易に達成されることができる。
【０２２９】
本明細書で先に述べられたように、ＣＰＯＸ反応器ユニットを形成する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禁止するために、ＣＰＯＸ反応器ユニットの幾つかの実施形態では、水素バリアが、ＣＰＯＸ反応器ユニットのＣＰＯＸ反応ゾーンに対応する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即ち外側表面に関連して、例えば、それに取り付けられる又は接着される。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、改質油ガス、特に水素の材料を介する浸透や拡散を阻止するために十分に密であるべきである。
【０２３０】
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。
【０２３１】
水素バリアを構成する材料の性質が許す場合、水素バリアは、事前形成された層、フォイル、フィルム又は膜として、ＣＰＯＸ反応ゾーンに対応するＣＰＯＸ反応器ユニットの外表面の少なくともその部分に適用されることができる。水素バリアは、耐火接着剤でその壁に接着されることができる。或いは、水素バリアは、適切な堆積方法、例えば、スプレーコーティング、粉末コーティング、ブラシコーティング、浸漬、キャスティング、共押出、金属化等、及びそれらの多くの変型のいずれかのような従来の又は他の既知のセラミックコーティング及び金属コーティング技術のいずれかを使用して外表面に形成されてもよい。水素バリアの厚みの適切な範囲は、選択されたバリア材料の水素透過性特性及びＣＰＯＸ反応ゾーンを囲む壁のガス透過性特性に主に依存し、そのような厚みは、当業者によって決定される。多くのバリア材料及び反応器壁構造体に対して、水素バリアの厚みは、約２マイクロメートルから約１５マイクロメートルまで、例えば、約５マイクロメートルから１２マイクロメートルの間で変化し得る。
【０２３２】
加えて、水素バリアは、ＣＰＯＸ反応器ユニットのガス透過可能壁、例えば、少なくともＣＰＯＸ触媒含有壁セクションの外表面に関連する加圧ガスのような加圧流体であってもよい。十分な圧力で、ＣＰＯＸ反応器ユニットの外側にある加圧流体は、ＣＰＯＸ反応器ユニットを形成するガス透過可能壁を通る水素のロスを防止するためのバリアを生成する。加圧流体は、典型的には、不活性ガス（例えば、窒素）及び／又は空気のような加圧ガスである。水素バリアとしての加圧空気の使用は、酸素がＣＰＯＸ反応器ユニットの外部から内部へ拡散し、その拡散された酸素が、特にそのような水素バリアが使用され且つＣＰＯＸ反応ゾーンの回りに存在する場合に、再形成されようとしている及び／又は再形成されているガス状ＣＰＯＸ反応混合物のＯ：Ｃ比を調整できる追加の利点を有する。
【０２３３】
幾つかの実施形態では、ＣＰＯＸ反応器ユニットは、気密チャンバ内に配置されることができるが、それによって、ＣＰＯＸ反応器ユニットのインレットとアウトレットに対して、ＣＰＯＸ反応器ユニットの外部にある環境のガスのような流体の加圧を許容し、その加圧されたガスは、ＣＰＯＸ反応器ユニットの外部表面と関連する水素バリアを生成できる。特定の実施形態では、水素がＣＰＯＸ反応ゾーンまでＣＰＯＸ反応器ユニット内で生成されないので、ＣＰＯＸ反応器ユニットのＣＰＯＸ反応ゾーンのみが空気のような流体で加圧される気密チャンバに囲まれる。ＣＰＯＸ反応ゾーンがＣＰＯＸ反応器ユニットのアウトレットまで延在しない実施形態では、ＣＰＯＸ反応ゾーンの始めからアウトレットまで加圧ガスが水素バリアとして使用されることを許容するために気密チャンバ内に囲まれることができる。幾つかの設計では、本明細書で記述されるチャンバは、ＣＰＯＸ反応ゾーンの一部を取り囲み、他方、ＣＰＯＸ反応ゾーンの残りの部分を取り囲む水素バリアの他の形態が存在してもよい。
【０２３４】
気密チャンバのようなチャンバが使用される実施形態では、そのチャンバの内部と流体連通状態にあるコンジットは、流体でそのチャンバを加圧するために使用されることができる。例えば、加圧流体やガスコンジットは、（気密）チャンバの内部と圧縮空気のような圧縮ガスの容器のような加圧又は圧縮流体源との間で動作可能な流体連通を提供できる。
【０２３５】
当業者が容易に認識し且つ理解するように、ＣＰＯＸ反応器ユニットの断面形状、その数及び寸法、及びそれらのＣＰＯＸ反応器ユニットの幾何形状中心即ち図心から測定されたそれらお互いの分離の距離は、特定のガス状燃料ＣＰＯＸ反応器に対する動作上の及び機械的な性能使用に依存して決定される。実質的に均一な円形断面のＣＰＯＸ反応器ユニット、例えば、図４Ｃ、図４Ｊ及び図４Ｋに示されるＣＰＯＸ反応器ユニット４０８の場合、そのようなＣＰＯＸ反応器ユニットの数、それらの長さ、それらの内径及び外径（それらのガス透過可能壁の厚みを画定する）、及びガス透過可能壁の外表面に取り付けられる水素バリアの位置、長さ及び厚みは、とりわけ、ＣＰＯＸ改質器の水素生成能力によって決定され、一方、その水素生成能力は、タイプ、量（ガス透過可能壁内のＣＰＯＸ触媒の装填及び分配）、壁の多孔構造の特性、細孔容積、（細孔サイズの関数）、細孔の主なタイプ（大部分が開いている、即ち、網状の、又は大部分が閉じている、即ち、非網状の）、及び細孔の形状（球状の又は不揃いの）、ＣＰＯＸ反応混合物の容量的流量、ＣＰＯＸ温度、背圧等のような壁のガス透過性に影響を及ぼす（及び従ってＣＰＯＸ反応に影響する）特性を含む幾つかのファクタの関数である。
【０２３６】
特定の液体燃料ＣＰＯＸ改質器の望ましい機械的性能特性は、ＣＰＯＸ反応器ユニットの構成のために使用される材料の熱的且つ機械的特性、ＣＰＯＸ反応器ユニットの壁のガス透過可能構造体の細孔の容量と形態、反応器ユニットの寸法、特に、壁厚及び関連するファクタのようなファクタにかなりの程度まで依存する。
【０２３７】
液体燃料ＣＰＯＸ改質器が適切に機能するために、ガス相ＣＰＯＸ反応ゾーンを囲む管状ＣＰＯＸ反応器ユニットの触媒的にアクティブである壁構造体のガス透過性特性は、気化された液体改質可能燃料、及び、ディーゼルの場合、Ｃ１２−Ｃ１４炭化水素のようなそれのより長い鎖成分が自由にそのような壁構造体に入り且つそれを通って拡散して表面のＣＰＯＸ触媒のみならず、もしあるならば、内部のＣＰＯＸ触媒と良好に効果的な接触を行うことができるようでなければならない。気化された改質可能燃料に対して限られたガス透過性を有するＣＰＯＸ反応器ユニットの壁構造体は、気化された液体改質可能燃料の水素リッチ改質油へのＣＰＯＸ変換を大きく遅らせるように制限された物質移行であり得ることに留意すべきである。対照的に、適切なガス透過性の触媒アクティブ反応器壁構造体は、気化された液体改質可能燃料のＣＰＯＸ変換且つ望ましい組成の水素リッチ改質油に対する選択性を促進する。
【０２３８】
本教示によって案内され且つ既知及び従来の試験手順を使用して、当業者は、処理されるべき特定の液体改質可能燃料に対して最適なガス透過性特性を示す触媒アクティブ壁構造を有するＣＰＯＸ反応器ユニットを容易に構成できる。
【０２３９】
管状ＣＰＯＸ反応器ユニットのＣＰＯＸ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。
【０２４０】
幾つかの実施形態では、ＣＰＯＸ反応器ユニットのＣＰＯＸ触媒を含む、ＣＰＯＸ反応ゾーンの壁の少なくともセクションは、ペロブスカイトから作られる又はそれを含むことができる。例えば、ペロブスカイトは、そのような壁の約２０重量％を超える、約３０重量％を超える、約４０重量％を超える、約５０重量％を超える、約６０重量％を超える、約７０重量％を超える、約８０重量％を超える、又は約９０重量％を超えることができる。そのような壁セクションは、全体的にペロブスカイトで作られてもよいし又はＣＰＯＸ反応器ユニットの壁全体がペロブスカイトで作られてもよいし又はその壁全体が本明細書で記述されたペロブスカイトの割合を含んでいてもよい。ＣＰＯＸ反応ゾーンに少なくとも対応する壁のセクションの材料のバランスは、ペロブスカイト以外に、金属、セラミックス、耐火性バインダから選択された少なくとも一つの成分とＣＰＯＸ触媒を含むことができる。
【０２４１】
ペロブスカイトは、ＬａＮｉＯ３、ＬａＣｏＯ３、ＬａＣｒＯ３、ＬａＦｅＯ３及びＬａＭｎＯ３から選択された、少なくとも一つのメンバーであることができる。ペロブスカイトは、ランタンストロンチウムマンガナイト、マンガンストロンチウムフェライト、ランタンストロンチウムコバルトフェライト、ランタンカルシウムマンガナイト、ランタンストロンチウムクロマイト、ランタンストロンチウムガラートマグネサイト、及びそれらの組合せを含むことができる。触媒として存在する場合、ペロブスカイトは、Ｌａ１−ｘＣｅｘＦｅ２Ｏ３、ＬａＣｒ１−ｙＲｕｙＯ３、Ｌａ１−ｘＳｒｘＡｌ１−ｙＲｕｙＯ３及びＬａ１−ｘＳｒｘＦｅ２Ｏ３であることができ、それらの組合せを含み、そこでは、ｘとｙは、０．０１から０．５までの範囲の数字である。加えて、他の適切な遷移金属ドープペロブスカイトが本教示の実施において使用されることができる。
【０２４２】
有用な耐火性金属として、チタン、バナジウム、クロム、ジルコン、モリブデン、ロジウム、タングステン、ニッケル、鉄等、それらの互いの組合せ、及び／又は他の金属及び／又は金属合金との組合せ等がある。耐火性セラミックスは、本目的のために有用でもある多くの耐火性金属及び耐火性金属合金に比較して、それらが比較的に低コストであることに起因して、触媒活性壁構造体の構成のための材料の一クラスである。そのようなセラミックスが既知及び従来の細孔形成手順を使用して極めて再生可能な細孔タイプの管状ガス透過可能構造体に形成できる比較的容易さとセラミックスの一般的に高度に満足のいく構造的／機械的特性（熱膨張係数及び熱ショック性能を含む）及び化学劣化に対する抵抗性は、それらの材料を魅力的な材料にする。ＣＰＯＸ反応ゾーン（先に述べたように、ＣＰＯＸ反応器ユニットの全体の壁構造体を含むことができる）の構成のための適切な耐火性セラミックスは、例えば、ペロブスカイト、スピネル、マグネシア、セリア、安定化セリア、シリカ、チタニア、ジルコニア、アルミナ安定化ジルコニアのような安定化ジルコニア、カルシア安定化ジルコニア、セリア安定化ジルコニア、マグネシア安定化ジルコニア、ランタナ安定化ジルコニア及びイットリア安定化ジルコニア、ジルコニア安定化アルミナ、ピロコア、ブラウンミラライト、リン酸ジルコニウム、炭化ケイ素、イットリウムアルミニウムガーネット、アルミナ、αアルミナ、γアルミナ、βアルミナ、アルミニウムシリケート、コージェライト、ＭｇＡｌ２Ｏ４等を含み、それらの内の様々なものが米国特許第６，４０２，９８９号明細書及び第７，０７０，７５２号明細書に開示されており、それの明細書の全ての内容は、参照によって本明細書に組み込まれ、且つ希土類アルミン酸塩及び希土類ガラートを含み、それらの内の様々なものが米国特許第７，００１，８６７号明細書及び第７，８８８，２７８号明細書に開示されており、それの明細書の全ての内容は、参照によって本明細書に組み込まれる。
【０２４３】
一般的に、所与の設計のＰＯＸ改質器の全即ち全体の燃料変換能力は、その個別のＣＰＯＸ反応器ユニットの総燃料変換能力である。互いに隣接するＣＰＯＸ反応器ユニット間の最小距離は、改質器の動作の定常状態モードにおいて、反応器ユニットの温度が、予め決定された、即ち、事前設定された最大値を越えないようにされ、且つ互いに隣接するＣＰＯＸ反応器ユニット間の最大距離は、液体燃料ＣＰＯＸ改質器の動作のスタートアップモード中にＣＰＯＸ反応が一つ以上の反応器ユニット内で開始されることが失敗しない又は一つ以上のＣＰＯＸ反応器ユニット内の温度が改質器の動作の定常状態モードに対して意図された所定の、即ち、予め設定された最低値以下に低下することがない距離である。
互いに隣接するＣＰＯＸ反応器ユニット間の最小距離と最大距離は、ルーチン試験方法を使用して所与の改質器セクション設計に対して容易に決定されることができる。
【０２４４】
本教示は、今まで既知で従来のＣＰＯＸ触媒（触媒系を含む）、触媒を細孔基板又は支持体、特にＣＰＯＸ反応器ユニットのガス透過可能壁に組み込む方法、制限するわけではないが、壁の特定のセクションに閉じ込められた触媒を含む触媒のパターン、反応器ユニットの長手に沿って増加される及び／又は壁の内表面から外表面へ減少される触媒の装填、反応器ユニットの長手に沿って組成が変化するＣＰＯＸ触媒、及び同様の変型のいずれかの使用を熟考している。このように、例えば、ＣＰＯＸ反応ゾーンの始めからその終わりまで又はその終わりの近くまでＣＰＯＸ反応器ユニットの壁内における触媒装填の増加は、このゾーンにおいて一定のＰＯＸ反応温度を維持するのに役立つことができる。
【０２４５】
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、ペロブスカイト、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る様々なものを含む、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。
【０２４６】
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。
【０２４７】
ペロブスカイト触媒は、それらが、また、ＣＰＯＸ反応器ユニットの触媒アクティブ壁構造体の構成に適するので、本教示において有用な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ＡＢＸ３によって特徴付けられる。適切なペロブスカイトＣＰＯＸ触媒の例は、ＬａＮｉＯ３、ＬａＣｏＯ３、ＬａＣｒＯ３、ＬａＦｅＯ３及びＬａＭｎＯ３を含む。
【０２４８】
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ピングされたペロブスカイトの例は、Ｌａ１−ｘＣｅｘＦｅＯ３、ＬａＣｒ１−ｙＲＵｙＯ３、Ｌａ１−ｘＳｒｘＡｌ１−ｙＲｕｙＯ３及びＬａ１−ｘＳｒｘＦｅＯ３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、０．０５から０．５まで、例えば、０．０５から０．２までの数である。
【０２４９】
図４Ｊに関連して先に論じられたように、ＣＰＯＸ反応器ユニットは、実質的にＣＰＯＸ触媒が無く且つそのインレット端からＣＰＯＸ触媒を含む第２の、即ち下流領域へ延在する第１の、即ち、上流領域を含むことができる。第２の、即ち下流領域は、典型的には、第１の領域端からその改質油流出物アウトレットに延在するが、アウトレット近くの触媒の量は減少する。ＣＰＯＸ反応器ユニットの全長に対するこれらの領域の長さは、大きく変化してもよい。このように、例えば、第１の領域は、ＣＰＯＸ反応器ユニットの長さの約２０％から約６０％まで、例えば、約３０％から約４０％まで又は約５０％まで延在し、第２の領域は、ＣＰＯＸ反応器ユニットの長さの残りの長さに延在する。図４ＡのＣＰＯＸ改質器４０１の記述に関連して説明したように、ＣＰＯＸ改質器４０１の定常状態動作中に、第１の領域４５２は、図４Ａのマニフォルド４２６のマニフォルドハウジング４２８が様々な種類の低コストで、容易に成形可能である熱可塑性又は熱硬化性樹脂のいずれかから製造されることができる第２の領域４５３（ＣＰＯＸ反応ゾーン４０９に対応する）よりもかなり低い温度にある。
【０２５０】
ＣＰＯＸ反応器ユニット４０８は、図４Ｋに示される円形断面に加えて、図４Ｌ及び図４Ｍに示されるもののような他の断面構成を取ることができる。図４Ｌは、交互に凹凸となる、即ち、二裂片の断面を有するＣＰＯＸ反応器ユニットを示している。そのような断面構成を有するＣＰＯＸ反応器ユニットは、それらのアウトレットセクションが、明細書の全体の内容が、実際上、参照によって本明細書に組み込まれる、Ｆｉｎｎｅｒｔｙ氏等による同時係属中で本願の譲受人に譲渡された米国特許出願公開第２０１３／０２３０７８７号明細書に開示されたＳＯＦＣ燃料セルアセンブリ及び燃料セルデバイスにおけるのと同様に構成された管状固体酸化物燃料セル（ＳＯＦＣ）ユニットに接合される、即ち整合されるべきである場合に特に有利である。
【０２５１】
代替として又はＣＰＯＸ反応器ユニットの多管状燃料セルユニットへの直接の接続と組み合わせて、多管状ＣＰＯＸ改質器の二つ以上のＣＰＯＸ反応器ユニットのアウトレットは、互いに（及びＣＰＯＸ反応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組み合わされることができる。例えば、二つ以上のＣＰＯＸ反応器ユニット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。
【０２５２】
図４Ａの統合液体燃料ＣＰＯＸ改質器‐燃料セルシステム４００は、個別の管状ＳＯＦＣユニット４６９（それの二つの実施形態４７０と４７１が、夫々、図４Ｎと図４Ｏに拡大詳細で示される）から成るＳＯＦＣスタック４６８を特徴とする燃料セルセクション４６７を含む。必要ならば、管状ＳＯＦＣユニットは、それらが直接的に接合されることができる改質器セクション４０１のＣＰＯＸ改質器ユニット４０８に数及び／又は断面構成が対応するように作られることができる（示したとおり）。また、図示の統合液体燃料ＣＰＯＸ改質器‐燃料セルシステムは、ＳＯＦＣスタック４６８を出る消費されたガス、即ちテールガスの燃焼のための触媒アフターバーナー４７２；マニフォルド４７４と通路４７５を介して空気の流れをＳＯＦＣユニット４６９のカソード側及びＳＯＦＣユニット４６９内での燃焼を支援するためのアフターバーナー４７２に駆動するための遠心ブロワーシステム４７３（改質器セクション４０１の遠心ブロワーシステム４０２に対するサイズ及び／又は容量において同一又は類似でない場合、構造において同一又は類似である）；ＳＯＦＣスタック４６８とアフターバーナー４７２夫々の温度を監視するための熱電対４７６と４７７；アフターバーナーガス点火器４７８；及び管状ＳＯＦＣユニット４６９のカソードコンポーネントとアノードコンポーネントと電気的に接触している電流コレクタ４７９を含む。
【０２５３】
燃料セルセクション４６７は、更に、伝熱ゾーン４８０を含み、そこでは、熱は、アフターバーナー４７２を出たホット燃焼ガスから統合改質器‐燃料セルシステム４００の安定状態動作中に改質器セクション４０１の主コンジット４０４と燃焼排気ポート４８１を通過するＣＰＯＸ空気に伝達される。
【０２５４】
図４Ｎに示されるように、管状ＳＯＦＣユニット４７０は、一般的に細長い管状構成を有する。ＳＯＦＣユニット４７０の切断部分は、電子を発生する内側アノード層４８２、電子を消費する外側カソード層４８３及びイオンを導通するが電子の通過を防止する中間電解質層４８４から構成されるＳＯＦＣユニット４７０の壁構造を明らかにしている。
【０２５５】
動作において、改質器セクション４０１からＳＯＦＣスタック４６８に入る改質油の水素と何らかの電気化学的に酸化可能な成分（単数又は複数）は、水及び／又は二酸化炭素と電子を生成するために管状ＳＯＦＣユニット４７０のアノード層４８２内で酸素アニオンと組み合わさる。アノード層内で発生された電子は、外部負荷を通ってカソード層に戻るように移動し、そこでは、酸素は、それらの電子と組み合わさって電解質層及びアノード層を選択的に通過する酸素アニオンを提供する。ＳＯＦＣ燃料セルスタックの管状ＳＯＦＣユニット内で生じる電気化学的プロセスは、燃料セルの他のタイプ／構成、具体的には、図５Ａ乃至図５Ｄに示されている統合液体燃料ＣＰＯＸ改質器‐燃料セルシステムの実施形態の燃料セルセクション内で起こるプロセスと基本的に同じである。
【０２５６】
示されるように、管状ＳＯＦＣユニット４７０のアノード層４８２の少なくとも一部は、水ガスシフト反応のために、又は改質と水ガスシフト反応の両方に触媒作用を及ぼすために、改質（例えば、ＣＰＯＸ改質、スチーム改質、及び／又はオートサーマル改質）のために触媒的に活性である一つ以上の触媒４５８を含む又はそれと接触できる。触媒（単数又は複数）を設けることによって、改質器セクションからの改質油に存在し得る未消費の気化された液体燃料、熱分解燃料及び／又は一酸化炭素の利用が可能とされ、それによって管状ＳＯＦＣユニット内での電気への変換のために追加の水素を提供する。適切な触媒は上記したＣＰＯＸ触媒を含む。これらの触媒の多くは、スチーム改質、オートサーマル改質及び水ガスシフト反応に対して触媒的に活性でもある。ＣＰＯＸ中に遭遇する反応温度の全体の範囲（例えば、２５０℃から９００℃）にわたって、従って、管状ＳＯＦＣユニットのアノードコンポーネントと接触する液体燃料ＣＰＯＸ改質油の代表的な高温でのそのような触媒の熱的安定性によってこれらの触媒を触媒として機能するのに良好に適合させる。水（スチーム）が管状ＳＯＦＣユニットに入る改質油に存在し且つまたＳＯＦＣユニット内に生じる電気化学的反応の副生物としても生成されるので、改質反応と水ガスシフト反応の両方に対してアクティブである触媒を使用することは特に有利である。
【０２５７】
選択された触媒は、浸漬、コーティング、層状化等のような適切な従来の或いは既知の技術を使用して、管状ＳＯＦＣユニットのアノードコンポーネントの表面内に組み込まれる（例えば、浸漬される）及び／又はその表面上にあることができる。アノードコンポーネントの長さの約８０％までは、アノードコンポーネントの重量が略満足のいくものであることに基づいて、１乃至１０重量パーセントの金属負荷を有する一つ以上の触媒を含有する即ち含むことができる。
【０２５８】
ＣＰＯＸ反応器ユニット４０８と管状ＳＯＦＣユニット４６９を単一の連続する管状体として提供することは、本教示の範囲内にあり、この管状体の組成、構造及び寸法特性は区別できる改質器セクションと燃料セルセクションを提供するために要求される通りに配置されている。そのような管状改質器‐燃料セル体を製造するために特に有利なプロセスは、全内容が参照によって実際上本明細書に組み込まれる、同時係属中で同一出願人のＦｉｎｎｅｒｔｙ氏等の米国特許出願公開第２０１３／００５６９１１号及びＦｉｎｎｅｔｙ氏等の米国特許出願公開第２０１３／００５９２２３号に開示されている。
【０２５９】
例えば、全内容が参照によって実際上本明細書に組み込まれる同時係属中で同一出願人のＦｉｎｎｅｒｔｙ氏等の米国特許出願公開第２０１３／０２３０７８７号の教示に従う、管状ＳＯＦＣスタックのための電流コレクタコンポーネントを提供することも本教示の範囲内である。本明細書で記述されるように、電気的に接続される電流コレクタコンポーネントと管状ＳＯＦＣスタックは、スタックの動作中に、電流コレクタコンポーネントがそれらの関連する電極からやがて外れる即ち分離する傾向に対して抗するように設計及び配置され、この分離の発生は、時間経過に従って、顕著な抵抗損失となる傾向がある。
【０２６０】
米国特許出願公開第２０１３／０２３０７８７号に記述された電流コレクタ／燃料セルスタックアセンブリに使用される管状ＳＯＦＣユニットの一実施形態は、図４ＯのＳＯＦＣユニット４７１に対して示されるように、それの少なくとも一部に対して、略二裂片断面を有する。本教示の燃料セルセクションを設計する時に、図４Ｏに示される断面を有する管状ＳＯＦＣユニットと、対応して構成されるＣＰＯＸ反応器ユニットを使用することが有利であり得る。これら二種類のユニットの連結は、単純化されることができ、且つ管状ＣＰＯＸ反応器ユニットからＳＯＦＣユニットへ及びそれを通るガス流のパターンの分裂が最小化される又は減少されることができる。
【０２６１】
図４Ｐ及び図４Ｑにより詳細に示される、ＣＰＯＸ液体燃料改質器４０１の遠心ブロワーシステム４０２と燃料セルセクション４６７の遠心ブロワーシステム４７３は、全内容が参照によって実際上本明細書に組み込まれる、同時係属中で同一出願人のＤｅＷａｌｄ氏等の米国特許出願公開第２０１２／０３２８９６９号に開示されている。利点の内とりわけ、これらの遠心ブロワーシステムは、コンジット内に導入されるガスの容量に対する及び／又は、本明細書で記述されるように、匹敵する空気流容量の単一の遠心ブロワーが、比較的に高い電力消費のブロワーに頼ることなしには提供できない生産物水素リッチ改質油の要求の変化に応答して、夫々の改質器セクション及び燃料セルセクション内で駆動されるガスの流量に対する迅速な調整をする能力を有することができる。
【０２６２】
既知で従来の改質器の動作のためにガス流を提供するために利用される片吸込み型遠心ブロワーのような片吸込み型遠心ブロワーは、変動するガス流要求を満足するためにモータの毎分回転数（ｒｐｍ）の全範囲の適切な制御を必要とする。統合改質器‐燃料セルシステムの動作の特定のモードのための目標のガス流の要求に依存して、改質器セクション及び燃料セルセクションにおける要求を満たすためのブロワーの最適性能は、比較的に高いｒｐｍ、例えば、約２０，０００以上で駆動される比較的に小さなサイズのインペラーを有するブロワー、又は比較的に低いｒｐｍ、例えば、約２０，０００ｒｐｍ未満で、より一般的には約１０，０００ｒｐｍ未満で駆動される比較的に大きなサイズのインペラーを有するブロワーを使用することを含むことができる。第１の配置（場合）、即ち、比較的に高いｒｐｍで駆動される比較的に小さなインペラーを有する単一のブロワーは、その動作のために必要な、対応するより大量の電力を引き込むよりパワフルで特別なモータを必要とする。第２の配置（場合）、即ち、比較的に低いｒｐｍで駆動される比較的に大きなインペラーを有する単一のブロワーは、大きなインペラーのより大きな慣性に起因してブロワー出力の制御と微細な調整がより困難にされ得る。
【０２６３】
改質器セクション及び燃料セルセクションに対する目標の圧力とガス流の要求のオーバーシューティングを防止するために、比較的に高い慣性のインペラーを有する単一のブロワーは、そのブロワーをガス圧と流量の期待された範囲に調整する時に、過減衰されなければならない。インペラーの比較的に高い慣性を補償するためのこの過減衰の影響は、ガス流要求を変化する、しばしば迅速に変化することに応答してブロワーを遅くさせることである。比較的高い慣性のインペラーを有する片吸込み型遠心ブロワーのこの特徴的に遅い応答は、ガスフロー要求における変動に対して満足するように応答するためにはより複雑な制御システムを必要とする可能性がある。
【０２６４】
統合液体燃料ＣＰＯＸ改質器‐燃料セルシステム内でガス流を駆動するために遠心ブロワーシステム４０２及び４７３を使用することによって、そのシステムは、制御並びに低モータｒｐｍと低消費電力が迅速に目標のガス流とガス圧要求を満足するために両低慣性インペラーから恩恵を受けられる。目標のガス圧とガス流の大部分、例えば、目標のガス圧とガス流の約６０％から９０％までを提供するために遠心ブロワーシステム４０２と４７３のような相互接続された連続するブロワーにおける一つ以上のブロワーユニットを制御することによって、目標のガス圧とガス流の残りの部分がそのシステムの一つ以上の他のブロワーユニットによって提供されることができる。目標のガス流とガス圧を統合ＣＰＯＸ改質器‐燃料セルシステムへ提供するタスクを、デュアル遠心ブロワーシステム４０２と４７３のような少なくとも二つの一体化された、即ち、相互接続された遠心ブロワー間でスプリットすることの結果は、そのような流れと圧力が単一の遠心ブロワーユニットで可能であるものよりも短い時間で且つより大きな精度で達成されることになる。加えて、電力消費とノイズレベルは、ブロワーインペラーが、それらの動作に高いｒｐｍを必要としないので、遠心ブロワーシステムにおいて低いことが可能である。
【０２６５】
図４Ｐ及び図４Ｑに示されるように、遠心ブロワーシステム４０２（その記述は、遠心ブロワーシステム４７３に当てはまる）は、ダクト４８８を介して第２の遠心ブロワーユニット４８７に接続された第１の遠心ブロワーユニット４８６を含む。第１のブロワーユニット４８６は、軸方向インレット４９０と半径方向アウトレット４９１を有するケーシング４８９、周囲空気を第１の圧力で軸方向インレット４９０に引き込むため及び空気を第２のより高い圧力で半径方向アウトレット４９１を介して排出するための、ケーシング４８９内に配置されたインペラー４９２、及びインペラー４９２を駆動するための電気モータ４９３を含む。第２のブロワーユニット４８７は、ケーシング４９４、及び図４Ｐにダクト４８８の切取断面によって示されるように、ケーシング４９４内に配置され且つ電気モータ４９６によって駆動されるインペラー４９５、及び第１のブロワーユニット４８６のアウトレット４９１から放出されるガスを受容するための軸方向インレット４９７を含む。第２のブロワーユニットは、更に、半径方向アウトレット４９８とアウトレットガスストリームハウジング４９９を含み、この放出端は、コンジット、例えば、点線によって指摘されているように、図４Ａの液体燃料ＣＰＯＸ改質器セクション４０１の主コンジット４０４の一端に接続されることができる。
【０２６６】
図４Ｐと図４Ｑの矢印は、遠心ブロワーシステム４０２を構成する一連のブロワーにおける各ブロワーユニットの半径方向アウトレットを通る周囲空気の一般的な方向を指す。図示のように、例えば、図４Ｐにおいて、第１のブロワーユニット４８６のアウトレット４９１を介して放出される周囲空気ストリームの軌跡と第２のブロワーユニット４８７のアウトレット４９８を介して放出される周囲空気ストリームの軌跡は、それらの夫々のアウトレットに対して平行ではなくそれらに対してある角度である。ストリームがダクト４８８の内壁に略平行のままであるように、アウトレット４９１を介して放出された周囲空気ストリームを受容するようにダクト４８８の配列を配置することによって、そうでない場合には生じるストリームがこれらの壁に衝突した乱流を防止又は減少することができる。乱流は、遠心ブロワーシステムにおける背圧源としてそれを減少又は排除するように有利に最小化又は回避されることができる。この同じ理由で、ガスストリームハウジング４９９の内壁が第２のブロワーユニット４８７のアウトレット４９８を介して放出された周囲空気の軌跡に略平行であるようにそのガスストリームハウジング４９９の角度を配置することが有利であり得る。ガスストリームの軌跡に対するダクトの内壁の最適配置及びガスストリームハウジングのオフセットの角度は、ルーチン実験法を使用して所与の遠心ブロワーシステムに対して容易に決定されることができる。遠心ブロワーシステム４０２において、ダクト４８８の内側、即ち、案内表面及びガスストリームハウジング４９９の内側、即ち、案内表面は、アウトレット４９１と４９８に対して約１２°から約２０°まで、例えば、約１４°から約１８°までの角度αで設定されることができる。
【０２６７】
本教示の追加の実施形態として、図５Ａの統合液体燃料ＣＰＯＸ改質器‐燃料セルシステム５００、図５Ｂの統合液体燃料ＣＰＯＸ改質器‐燃料セルシステム５２０、図５Ｃの統合液体燃料ＣＰＯＸ改質器‐燃料セルシステム５４０及び図５Ｄの統合液体燃料ＣＰＯＸ改質器‐燃料セルシステム５６０は、図４Ａ乃至図４Ｈの統合液体燃料ＣＰＯＸ改質器‐燃料セルシステム４００の要素と特徴の大部分を含みそれと本質的に同様に動作し、従って、後者と前者の違いの幾つかに関してのみ記述する。
【０２６８】
図５Ａに示される統合液体燃料ＣＰＯＸ改質器‐燃料セルシステム５００において、平坦な燃料セルセクション５０１は、中で消費されたガスの燃焼を支援するために燃料セルのカソード側及びアフターバーナー５０３の両方に空気を導入する遠心ブロワーシステム５０２を含む。遠心ブロワーシステム５０４は、空気を液体燃料ＣＰＯＸ改質器セクション５０６のコンジット５０５に導入し、この空気は、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物を提供するために下流で気化されたディーゼルと組み合わさる。次に、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物は、ＣＰＯＸ反応器ユニット５０７内で水素リッチ改質油への変換を受け、この改質油は、引き続いて、燃料セルのアノード（燃料）側へ流れる。統合改質器‐燃料セルシステム５００の動作の安定状態モード中に、アフターバーナー５０３からのホット燃焼排気内に含まれる熱は、コンジット５０５を通過する空気に伝達される。その構造の他の態様及びその動作モードにおいて、統合改質器‐燃料セルシステム５００は、図４Ａの、統合改質器‐燃料セルシステム４００のそれと同様である。
【０２６９】
図５Ｂに示される統合液体燃料ＣＰＯＸ改質器‐燃料セルシステム５２０は、各管状ＣＰＯＸ反応器ユニット５２３の一部の対応する閉鎖端管状ＳＯＦＣユニット５２４内への配置のおかげでシステム５２０の改質器セクション５２１及び燃料セルセクション５２２の本質的にコンパクトな構成を有し、そのような配置は、ＣＰＯＸ反応器ユニットの外表面とＳＯＦＣユニットの内、即ち、アノード表面との間にガス流通路５２５を提示する。ＣＰＯＸ反応器ユニットから流れる水素リッチ改質油は、通路５２５に入り、そこで、改質油は、管状ＳＯＦＣユニットのアノード表面と接触する。他に関して、統合改質器‐燃料セルシステム５２０の構造と動作は、図５Ａのシステム５００のそれに類似している。
【０２７０】
図５Ｃに示される統合液体燃料ＣＰＯＸ改質器‐燃料セルシステム５４０は、図４Ａのシステム４００のそれと類似する改質器セクション５４２に連結されるモノリス状タイプの燃料セルセクション５４１を含む。統合改質器‐燃料セルシステム５４０の動作は、図５Ａのシステム５００のそれと同様であるが、後者のアフターバーナーの熱回収機能はない。
【０２７１】
図５Ｄに示される統合液体燃料ＣＰＯＸ改質器‐燃料セルシステム５６０は、ＰＥＭタイプの燃料セルセクション５６１と改質器セクション５６２を含み、そこでは、改質器セクションで生産される水素リッチ改質油の一酸化炭素含有量は、一酸化炭素削減又は類似のデバイス５６３によって燃料セルの信頼できる動作をもたらすレベル、例えば、ＰＥＭ触媒のかなりの汚染を回避するのに十分に低いレベルに減少される。他に関して、統合改質器‐燃料セルシステム５６０の動作は、図４Ａのシステム４００のそれと類似している。
【０２７２】
メタン、プロパン、ブタン、天然ガス、石油ガス等のようなガス状改質可能燃料に比較して、ディーゼル、ジェット燃料及び他の蒸留液のような液体燃料は、一般的に、より大きな反応発熱性でＣＰＯＸを受けるより効率的でない生産物改質油源である。本教示の液体燃料ＣＰＯＸ改質器のＣＰＯＸ反応器ユニットを冷却する手段は、任意ではあるが、液体燃料ＣＰＯＸ改質器の更なる熱管理と制御を提供することに有用であり得る。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と図６Ｂの夫々のＣＰＯＸ改質器６００と６５０は、それらのＣＰＯＸ反応器ユニットを温度の予め設定された範囲内、例えば、約７５０℃から約９５０℃までに冷却するための熱交換器を含む。
【０２７３】
図６Ａに示されるように、ＣＰＯＸ改質器６００は、冷却材ストリーム、例えば、周囲温度の空気をＣＰＯＸ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遠心ブロワー６０１を含む。遠心ブロワーの代わりに、例えば、ファン、インペラー等のような冷却材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が利用されてもよい。
【０２７４】
図６ＢのＣＰＯＸ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、及び合成物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ＣＰＯＸ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、高い熱伝導性を表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６５５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。
【０２７５】
図６Ａと図６Ｂに示されるチャンバ６５３は、本明細書で論じられるように、水素バリアとして働くことができる加圧ガスのような加圧流体を含むことができる。チャンバ６５３は、気密チャンバであることができる。図示のように、チャンバ６５３は、一般的に、ＣＰＯＸ反応器ユニット６５２の各々のＣＰＯＸ反応ゾーン（例えば、ＣＰＯＸ触媒を含むガス透過可能壁のセクション）をチャンバ内に含み並びに主コンジット、点火器及び熱電対（ラベルなし）を含むように配置される。図示のように、チャンバは、ＣＰＯＸ反応ゾーンの大部分を含むが、そのチャンバの一つ以上の壁は、水素バリアとして働くことができ、この水素バリアでは、ＣＰＯＸ反応器ユニットが、例えば、図示のようにチャンバの内部の上方及び下方で壁を横切る即ち壁を貫通して延在する。加圧ガスコンジット（図示せず）のような加圧流体コンジットは、チャンバの内部と圧縮空気源のような加圧又は圧縮流体源との間に動作可能流体連通を提供できる。チャンバの加圧は、適切な水素バリアのための十分な流体圧を提供するために適切なバルブと圧力センサのアセンブリを使用して制御されることができる。
【０２７６】
図７Ａ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、比較的に炭素希薄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、本教示に係る液体燃料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。
【０２７７】
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、燃料希薄反応混合物）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。燃料希薄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、燃料希薄比は、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し始めると、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。
【０２７８】
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という理解の下で、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る。ＣＰＯＸ温度が約６５０℃を越えるように上昇すると、燃料希薄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（ガス状又は液状）は、改質反応の効率に依存してＣＰＯＸ温度を変化し得る。
【０２７９】
図７Ｂは、本教示に係る統合ＣＰＯＸ改質器‐燃料セルシステムの改質器セクションへのディーゼル燃料流（ｍＬ／分）と統合システムの燃料セルセクションからの電流出力（ａｍｐｓ）の関係を示すグラフデータを提示している。
【０２８０】
本明細書に記述された統合液体燃料ＣＰＯＸ改質器‐燃料セルシステムの様々な実施形態及びそれの動作の原理を考慮して、当業者は、ルーチン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と電力出力容量の特定の統合ＣＰＯＸ改質器‐燃料セルシステム、構造的特性及び機械的特性の設計を容易に最適化することができる。
【０２８１】
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】
2019200996.tif 000003
【図１Ｂ】
2019200996.tif 000004
【図２Ａ】
2019200996.tif 000005
【図２Ｂ】
2019200996.tif 000006
【図３Ａ】
2019200996.tif 000007
【図３Ｂ】
2019200996.tif 000008
【図４Ａ】
2019200996.tif 000009
【図４Ｂ】
2019200996.tif 000010
【図４Ｃ】
2019200996.tif 000011
【図４Ｄ】
2019200996.tif 000012
【図４Ｅ】
2019200996.tif 000013
【図４Ｆ】
2019200996.tif 000014
【図４Ｇ】
2019200996.tif 000015
【図４Ｈ】
2019200996.tif 000016
【図４Ｉ】
2019200996.tif 000017
【図４Ｊ】
2019200996.tif 000018
【図４Ｋ】
2019200996.tif 000019
【図４Ｌ】
2019200996.tif 000020
【図４Ｍ】
2019200996.tif 000021
【図４Ｎ】
2019200996.tif 000022
【図４Ｏ】
2019200996.tif 000023
【図４Ｐ】
2019200996.tif 000024
【図４Ｑ】
2019200996.tif 000025
【図４Ｒ】
2019200996.tif 000026
【図５Ａ】
2019200996.tif 000027
【図５Ｂ】
2019200996.tif 000028
【図５Ｃ】
2019200996.tif 000029
【図５Ｄ】
2019200996.tif 000030
【図６Ａ】
2019200996.tif 000031
【図６Ｂ】
2019200996.tif 000032
【図７Ａ】
2019200996.tif 000033
【図７Ｂ】
2019200996.tif 000034
【手続補正書】
【提出日】令和1年7月26日(2019.7.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）加熱されたガス状部分酸化反応混合物を受けるインレットと、前記加熱された部分酸化反応混合物を部分酸化反応させて水素ガス含有改質油および発熱の熱を生成する部分酸化反応ゾーンと、前記水素ガス含有改質油を排出するアウトレットと、を有する少なくとも１つの部分酸化反応器ユニット、ならびに、
ｂ）酸素含有ガスインレットにおける酸素含有ガスの流れ、燃料インレットにおけるガス状改質可能燃料の流れおよび／または気化された液体改質可能燃料の流れを個別に受けるコンジット、を備え、
前記少なくとも１つの部分酸化反応器ユニットおよび前記コンジットは、前記少なくとも１つの部分酸化反応器ユニットの部分酸化反応ゾーンからの発熱の熱を前記コンジット内を流れる酸素含有ガスに伝達し前記酸素含有ガスを加熱する熱伝達ゾーンと、前記コンジット内において、加熱された前記酸素含有ガスを、前記コンジット内を流れる前記ガス状改質可能燃料および／または前記気化された液体改質可能燃料と組み合わせて混合することによって、前記コンジット内において前記加熱されたガス状部分酸化反応混合物を生成する混合ゾーンと、前記加熱されたガス状部分酸化反応混合物を、前記少なくとも１つの部分酸化反応器ユニットのインレットとにガス流連通させるアウトレットとを含む改質器。
【請求項２】
ａ）少なくとも１つの部分酸化反応器ユニットであって、加熱されたガス状部分酸化反応混合物を受け、前記加熱されたガス状部分酸化反応混合物を前記少なくとも１つの部分酸化反応器ユニット内で反応させて発熱の熱および水素ガス含有改質油を生成するインレット、および、前記水素ガス含有改質油を排出するアウトレット、を有する少なくとも１つの部分酸化反応器ユニット、
ｂ）酸素含有ガスインレットにおける酸素含有ガスの流れ、燃料インレットにおけるガス状改質可能燃料の流れおよび／または気化された液体燃料の流れを個別に受ける主コンジットであって、前記主コンジット内を流れる前記加熱された酸素含有ガスを、前記主コンジット内を流れる前記ガス状改質可能燃料および／または前記気化された液体改質可能燃料と組み合わせて混合することによって、前記酸素含有ガスと改質可能燃料との燃料リッチ混合物の流れを生成する混合ゾーンを含み、前記主コンジットおよび少なくとも１つの部分酸化反応器ユニットは、発熱の熱によって前記主コンジット内の前記燃料リッチ混合物を加熱し、酸素含有ガスと改質可能燃料との加熱された燃料リッチ混合物をその中に生成する主コンジット、ならびに、
ｃ）前記燃料インレットの上流側において前記主コンジットに流体連通されるとともに分岐される分岐コンジットであって、前記酸素含有ガスの流れの一部を前記主コンジットから前記燃料インレットの下流側の分岐コンジットアウトレットへと向けるとともに、前記主コンジット内を流れる前記酸素含有ガスと改質可能燃料との加熱された燃料リッチ混合物とガス流連通される分岐コンジットにおいて、前記分岐コンジットおよび前記主コンジットは、前記分岐コンジットのアウトレットから流れる前記酸素含有ガスの流れの一部を、前記主コンジット内を流れる前記酸素含有ガスと改質可能燃料との加熱された燃料リッチ混合物と組み合わせ、前記少なくとも１つの部分酸化反応器のインレットとガス流連通される加熱された部分酸化反応混合物の流れを生成する分岐コンジット、を備える改質器。
【請求項３】
水素ガス生成物の生成のための、酸素含有ガスとガス状および／または気化された液体ＣＰＯＸ燃料とのガス状ＣＰＯＸ反応混合物のガス相触媒部分酸化のための改質器であって、
離間された細長い管状のガス相ＣＰＯＸ反応器ユニットのアレイであって、個々のＣＰＯＸ反応器ユニットは、その間の壁の厚みを画定する内表面と外表面とを有するガス透過可能壁を有し、少なくとも１つのＣＰＯＸ触媒が、前記内表面の少なくとも一部に配設され、および／または前記壁の厚みの一部に含まれ、前記ＣＰＯＸ反応器ユニットのＣＰＯＸ含有部は気相ＣＰＯＸ反応ゾーンを画定するガス相ＣＰＯＸ反応器ユニットのアレイ、および、
ガス状ＣＰＯＸ反応混合物を前記離間された細長い管状のガス相ＣＰＯＸ反応器ユニットのアレイのそれぞれのインレットへと搬送する略Ｕ形状開口コンジット、を備え、
前記コンジットは、酸素含有ガスの流れを受ける酸素含有ガスインレット、および前記酸素含有ガスインレットの下流において液体ＣＰＯＸ燃料の流れを受ける燃料インレットを有し、
前記ＣＰＯＸ反応混合物は酸素含有ガスおよび気化された液体ＣＰＯＸ燃料を含み、気化器は前記コンジット内において前記燃料インレットの下流に位置し、そのようなインレットから前記コンジット内に導入される前記液体ＣＰＯＸ燃料を気化する改質器。
【請求項４】
水素ガス生成物の生成のための、酸素含有ガスとガス状および／または気化された液体ＣＰＯＸ燃料反応混合物とのガス状ＣＰＯＸ反応混合物のガス相触媒部分酸化のための改質器であって、
離間された細長い管状のガス相ＣＰＯＸ反応器ユニットのアレイであって、個々のＣＰＯＸ反応器ユニットは、その間の壁の厚みを画定する内表面と外表面とを有するガス透過可能壁を有し、少なくとも１つのＣＰＯＸ触媒は、前記ＣＰＯＸ反応器ユニットの内表面の少なくとも一部に配設され、および／または前記壁の厚みの一部に含まれ、前記ＣＰＯＸ反応器ユニットのＣＰＯＸ含有部は気相ＣＰＯＸ反応ゾーンを画定し、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物のＣＰＯＸ反応を行うとともに前記ＣＰＯＸ反応からの発熱の熱を放出するガス相ＣＰＯＸ反応器ユニットのアレイ、ならびに、
ガス状ＣＰＯＸ反応混合物を少なくとも１つの前記細長い管状のガス相ＣＰＯＸ反応器ユニットのインレットへと搬送する略Ｕ形状開口コンジットであって、酸素含有ガスの流れを受ける酸素含有ガスインレット、および前記酸素含有ガスを受ける前記インレットの下流に位置し液体ＣＰＯＸ燃料の流れを受ける燃料インレットを有し、前記ＣＰＯＸ反応混合物は前記酸素含有ガスおよび気化された後の前記液体ＣＰＯＸ燃料を有し、気化器は前記略Ｕ形状開口コンジット内において前記液体ＣＰＯＸ燃料のためのインレットの下流に位置し、前記燃料インレットを経て前記コンジット内に導入される前記液体ＣＰＯＸ燃料を気化する略Ｕ形状開口コンジット、ならびに、
前記ＣＰＯＸ反応ゾーンの上流で前記コンジットを流れる前記ガス状ＣＰＯＸ反応混合物の流路と交差する前記ＣＰＯＸ反応器ユニットのＣＰＯＸ反応ゾーンから発熱の熱を伝達することによって、そのようなＣＰＯＸ反応混合物を余熱する熱伝達ゾーン、を備える改質器。
【請求項５】
水素ガス生成物の生成のための、酸素含有ガスとガス状および／または気化された液体ＣＰＯＸ燃料反応混合物とのガス状ＣＰＯＸ反応混合物のガス相触媒部分酸化のための改質器であって、
離間された細長い管状のガス相ＣＰＯＸ反応器ユニットのアレイであって、個々のＣＰＯＸ反応器ユニットは、その間の壁の厚みを画定する内表面と外表面とを有するガス透過可能壁を有し、少なくとも１つのＣＰＯＸ触媒は、前記ＣＰＯＸ反応器ユニットの内表面の少なくとも一部に配設され、および／または前記壁の厚みに含まれ、前記ＣＰＯＸ反応器ユニットのＣＰＯＸ含有部は気相ＣＰＯＸ反応ゾーンを画定し、前記ＣＰＯＸ反応ゾーンはその中でのＣＰＯＸ反応の間に発熱の熱を放出するガス相ＣＰＯＸ反応器ユニットのアレイ、
酸素含有ガスとガス状および／または気化された液体ＣＰＯＸ燃料とのガス状ＣＰＯＸ反応混合物を少なくとも１つの前記細長い管状のガス相ＣＰＯＸ反応器ユニットのインレットへと搬送する略Ｕ形状開口コンジットであって、酸素含有ガスの流れを受けるガスインレット、および前記ガスインレットの下流に位置し液体ＣＰＯＸ燃料の流れを受ける燃料インレットを有する略Ｕ形状開口コンジット、
前記コンジット内において前記燃料インレットの下流に位置し、前記燃料インレットを経て前記コンジットに導入される前記液体ＣＰＯＸ燃料を気化させ、前記酸素含有ガスと気化された前記液体ＣＰＯＸ燃料とから前記ＣＰＯＸ反応混合物を形成する気化器、ならびに、
前記ＣＰＯＸ反応器ユニットの周囲に位置し、空隙容量を有し長さＬおよび幅Ｗを有し連結された断熱材のセクションの内壁によって画定される囲いと、前記囲いの長さＬだけ延伸するＵ形状コンジットのセクションとを有する熱伝達チャンバであって、前記熱伝達チャンバの長さＬだけ延伸する離間された前記ＣＰＯＸ反応器ユニットのアレイの前記ＣＰＯＸ反応ゾーンがコンジットのそのようなセクションの両側に位置し、個々のＣＰＯＸ反応ゾーンからの発熱の熱は、前記熱伝達チャンバの長さＬだけ延伸する前記Ｕ形状コンジットのセクションを流れる前記ガス状ＣＰＯＸ反応混合物と熱連通され、前記ＣＰＯＸ反応混合物が前記少なくとも１つのＣＰＯＸ反応器ユニットに入る前に、そのようなガス状ＣＰＯＸ反応混合物が予熱される熱伝達チャンバ、を備える改質器。
【請求項６】
水素ガス生成物の生成のための、酸素含有ガスとガス状または気化された液体ＣＰＯＸ燃料反応混合物とのガス状ＣＰＯＸ反応混合物のガス相触媒部分酸化のための改質器であって、
離間された細長い管状のガス相ＣＰＯＸ反応器ユニットのアレイであって、個々のＣＰＯＸ反応器ユニットは、その間の壁の厚みを画定する内表面と外表面とを有するガス透過可能壁を有し、少なくとも１つのＣＰＯＸ触媒は、前記ＣＰＯＸ反応器ユニットの内表面の少なくとも一部に配設され、および／または前記壁の厚みに含まれ、前記少なくとも１つのＣＰＯＸ反応器ユニットのＣＰＯＸ含有部は気相ＣＰＯＸ反応ゾーンを画定し、その中でのＣＰＯＸ反応の間に発熱の熱を放出するガス相ＣＰＯＸ反応器ユニットのアレイ、
酸素含有ガスとガス状または気化された液体ＣＰＯＸ燃料とのガス状ＣＰＯＸ反応混合物を少なくとも１つの前記細長い管状のガス相ＣＰＯＸ反応器ユニットのインレットへと搬送する略Ｕ形状開口コンジットであって、酸素含有ガスの流れを受けるガスインレットと、前記ガスインレットの下流に位置し液体ＣＰＯＸ燃料の流れを受ける燃料インレットとを有する略Ｕ形状開口コンジット、
前記コンジット内において前記燃料インレットの下流に位置し、そのようなインレットを経て前記コンジットに導入される前記液体ＣＰＯＸ燃料を気化させて前記酸素含有ガスと混合し、前記酸素含有ガスと前記気化された液体ＣＰＯＸ燃料とを有する前記ＣＰＯＸ反応混合物を形成する気化器、
前記ＣＰＯＸ反応器ユニットの周囲に位置し、空隙容量を有し長さＬおよび幅Ｗを有し連結された断熱材のセクションの内壁によって画定される囲いと、前記囲いの長さＬだけ延伸するＵ形状コンジットのセクションとを有する熱伝達チャンバであって、前記熱伝達チャンバの長さＬだけ延伸する離間されたＣＰＯＸ反応器ユニットのアレイの前記ＣＰＯＸ反応ゾーンがコンジットのそのようなセクションの両側に位置し、前記離間されたＣＰＯＸ反応器ユニットのアレイと、前記コンジットと前記囲いとは、個々のＣＰＯＸ反応ゾーンからの発熱の熱が、前記熱伝達チャンバの長さＬだけ延伸する前記Ｕ形状コンジットのセクションを流れる前記ガス状ＣＰＯＸ反応混合物と熱連通され、前記ＣＰＯＸ反応混合物が前記離間されたＣＰＯＸ反応器ユニットのアレイに入る前に、そのようなガス状ＣＰＯＸ反応混合物が予熱される熱伝達チャンバ、ならびに、
前記熱伝達チャンバの第１の端部の少なくとも第１の点火器であって、動作において前記第１の点火器は、前記熱伝達チャンバの第１の側に配設される少なくとも１つのＣＰＯＸ反応器ユニットの前記ＣＰＯＸ反応ゾーンと熱連通される第１の点火器、および、前記熱伝達チャンバの第２の端部に配置される少なくとも１つの第２の点火器であって、動作において前記第２の点火器は、前記熱伝達チャンバの第２の側に配設される少なくとも１つのＣＰＯＸ反応器ユニットの前記反応ゾーンと熱連通される第２の点火器、を備える改質器。
【請求項７】
水素ガス生成物の生成のための、酸素含有ガスとガス状または気化された液体ＣＰＯＸ燃料反応混合物とのガス状ＣＰＯＸ反応混合物のガス相触媒部分酸化のための改質器であって、
離間された細長い管状のガス相ＣＰＯＸ反応器ユニットのアレイであって、個々のＣＰＯＸ反応器ユニットはその間の壁の厚みを画定する内表面と外表面とを有するガス透過可能壁を有し、少なくとも１つのＣＰＯＸ触媒は、個々のＣＰＯＸ反応器ユニットの内表面の少なくとも一部に配設され、および／または前記壁の厚みの一部に含まれ、ＣＰＯＸ反応器ユニットのＣＰＯＸ含有部は気相ＣＰＯＸ反応ゾーンを画定し、前記ＣＰＯＸ反応器ユニットは、前記ＣＰＯＸ反応混合物のＣＰＯＸ反応が前記ＣＰＯＸ反応ゾーンにおいて起こる際に発熱の熱を放出するガス相ＣＰＯＸ反応器ユニットのアレイ、
ガス状ＣＰＯＸ反応混合物を離間された前記細長い管状のガス相ＣＰＯＸ反応器ユニットのアレイのそれぞれのインレットへと搬送する略Ｕ形状開口コンジットであって、酸素含有ガスの流れを受けるガスインレット、および前記ガスインレットの下流に位置し液体ＣＰＯＸ燃料の流れを受ける燃料インレットを有する略Ｕ形状開口コンジット、ならびに、
前記コンジット内において前記燃料インレットの下流に位置し、前記ガスインレットを経て前記コンジットに導入される前記液体ＣＰＯＸ燃料を気化させて前記酸素含有ガスと混合し、前記酸素含有ガスと気化された液体ＣＰＯＸ燃料とから前記ＣＰＯＸ反応混合物を形成する気化器、を備える改質器。
【請求項８】
水素ガス生成物の生成のための、酸素含有ガスとガス状または気化された液体ＣＰＯＸ燃料反応混合物とのガス状ＣＰＯＸ反応混合物のガス相触媒部分酸化のための改質器であって、
離間された細長い管状のガス相ＣＰＯＸ反応器ユニットのアレイであって、個々のＣＰＯＸ反応器ユニットはその間の壁の厚みを画定する内表面と外表面とを有するガス透過可能壁を有し、少なくとも１つのＣＰＯＸ触媒は、個々のＣＰＯＸ反応器ユニットの内表面の少なくとも一部に配設され、および／または前記壁の厚みの一部に含まれ、前記ＣＰＯＸ反応器ユニットのＣＰＯＸ含有部は気相ＣＰＯＸ反応ゾーンを画定し、前記ＣＰＯＸ反応器ユニットは、前記ＣＰＯＸ反応混合物のＣＰＯＸ反応が前記ＣＰＯＸ反応ゾーンにおいて起こる際に発熱の熱を放出するガス相ＣＰＯＸ反応器ユニットのアレイ、
ガス状ＣＰＯＸ反応混合物を離間された前記細長い管状のガス相ＣＰＯＸ反応器ユニットのアレイのそれぞれのインレットへと搬送する略Ｕ形状開口コンジットであって、前記酸素含有ガスの流れを受けるガスインレット、および前記ガスインレットの下流に位置し前記気化された液体ＣＰＯＸ燃料の流れを受ける燃料インレットを有する略Ｕ形状開口コンジット、
前記コンジット内において前記燃料インレットの下流に位置し、前記燃料インレットを経て前記コンジットに導入される前記液体ＣＰＯＸ燃料を気化させる気化器であって、前記コンジットは、前記酸素含有ガスと前記気化された液体ＣＰＯＸ燃料と混合し前記ＣＰＯＸ反応混合物を形成するように構成されている気化器、ならびに、
少なくとも１つの熱伝導体に接続され、前記発熱の熱を前記ＣＰＯＸ反応器ユニットのＣＰＯＸ反応ゾーンから放射する熱放射ユニット、および冷却空気の流れを前記熱放射ユニットへ向けるブロワー、を備える改質器。
【請求項９】
水素ガス生成物の生成のための、酸素含有ガスとガス状または気化された液体ＣＰＯＸ燃料反応混合物とのガス状ＣＰＯＸ反応混合物のガス相触媒部分酸化のための改質器であって、
離間された細長い管状のガス相ＣＰＯＸ反応器ユニットのアレイであって、個々のＣＰＯＸ反応器ユニットはその間の壁の厚みを画定する内表面と外表面とを有するガス透過可能壁を有し、少なくとも１つのＣＰＯＸ触媒は、個々のＣＰＯＸ反応器ユニットの内表面の少なくとも一部に配設され、および／または前記壁の厚みの一部に含まれ、ＣＰＯＸ反応器ユニットのＣＰＯＸ含有部は気相ＣＰＯＸ反応ゾーンを画定し、前記ＣＰＯＸ反応器ユニットは、前記ＣＰＯＸ反応混合物のＣＰＯＸ反応が前記ＣＰＯＸ反応ゾーンにおいて起こる際に発熱の熱を放出するガス相ＣＰＯＸ反応器ユニットのアレイ、
前記ガス状ＣＰＯＸ反応混合物を離間された前記細長い管状のガス相ＣＰＯＸ反応器ユニットのアレイのそれぞれのインレットへと搬送する略Ｕ形状開口コンジットであって、酸素含有ガスの流れを受けるガスインレット、および前記ガスインレットの下流に位置し液体ＣＰＯＸ燃料の流れを受ける燃料インレットを有する略Ｕ形状開口コンジット、
前記コンジット内において前記燃料インレットの下流に位置し、前記燃料インレットを経て前記コンジットに導入される前記液体ＣＰＯＸ燃料を気化させて酸素含有ガスと混合し前記ＣＰＯＸ反応混合物を形成する気化器、ならびに、
冷却空気の流れを前記ＣＰＯＸ反応器ユニットのＣＰＯＸ反応ゾーンへ向けるブロワー、を備える改質器。
【請求項１０】
前記分岐コンジットのアウトレットと前記主コンジットとの接合部において、前記分岐コンジットのアウトレットから流入する酸素含有ガスの流れが、前記主コンジットを流れる加熱され気化された燃料‐空気混合物と接触するとともに組み合わされる際に、前記酸素含有ガスを混合する静的ミキサーを配設する請求項２に記載の改質器。
【請求項１１】
前記主コンジット内で液体ＣＰＯＸ燃料の流れを受ける前記インレットは、前記燃料インレットのスロットおよび／または孔が形成されたセクションによって画定され、ウィックにおいて終端し、前記ウィックは前記主コンジット内に配設され、前記主コンジット内を流れる加熱空気の流路内に位置する請求項３に記載の改質器。
【請求項１２】
前記ウィックは、前記燃料インレットのスロットおよび／または孔が形成されたセクションを受けて囲み、そのようなインレットから流れる液体燃料は前記ウィックによって引き上げられ、ウィック表面へ移動し、前記主コンジットを流れる加熱空気によって気化される請求項１１に記載の改質器。
【請求項１３】
前記ウィックは、金属、セラミックおよび高温ポリマーから選択される少なくとも１つの熱抵抗性材料から製造される請求項１２に記載の改質器。
【請求項１４】
前記ウィックは、金属ファイバ又はカーボンファイバとセラミックファイバとの螺旋状にねじれたシートとして形成される請求項１３に記載の改質器。
【請求項１５】
前記燃料インレットは、液体燃料を噴霧し前記主コンジット内の加熱空気の流れと接触させることで気化させる液体燃料噴霧器において終端する請求項３に記載の改質器。
【請求項１６】
前記コンジットはさらに、前記ガスインレットの下流かつ前記燃料インレットの上流に配設されるガス状燃料のためのインレットを有する請求項５に記載の改質器。
【手続補正書】
【提出日】令和1年8月9日(2019.8.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）加熱されたガス状部分酸化反応混合物を受けるインレットと、前記加熱された部分酸化反応混合物を部分酸化反応させて水素ガス含有改質油および発熱の熱を生成する部分酸化反応ゾーンと、前記水素ガス含有改質油を排出するアウトレットと、を有する少なくとも１つの部分酸化反応器ユニット、ならびに、
ｂ）酸素含有ガスインレットにおける酸素含有ガスの流れ、燃料インレットにおけるガス状改質可能燃料の流れおよび／または気化された液体改質可能燃料の流れを個別に受けるコンジット、を備え、
前記少なくとも１つの部分酸化反応器ユニットおよび前記コンジットは、前記少なくとも１つの部分酸化反応器ユニットの部分酸化反応ゾーンからの発熱の熱を前記コンジット内を流れる酸素含有ガスに伝達し前記酸素含有ガスを加熱する熱伝達ゾーンと、前記コンジット内において、加熱された前記酸素含有ガスを、前記コンジット内を流れる前記ガス状改質可能燃料および／または前記気化された液体改質可能燃料と組み合わせて混合することによって、前記コンジット内において前記加熱されたガス状部分酸化反応混合物を生成する混合ゾーンと、前記加熱されたガス状部分酸化反応混合物を、前記少なくとも１つの部分酸化反応器ユニットのインレットとにガス流連通させるアウトレットとを含む改質器。
【請求項２】
ａ）少なくとも１つの部分酸化反応器ユニットであって、加熱されたガス状部分酸化反応混合物を受け、前記加熱されたガス状部分酸化反応混合物を前記少なくとも１つの部分酸化反応器ユニット内で反応させて発熱の熱および水素ガス含有改質油を生成するインレット、および、前記水素ガス含有改質油を排出するアウトレット、を有する少なくとも１つの部分酸化反応器ユニット、
ｂ）酸素含有ガスインレットにおける酸素含有ガスの流れ、燃料インレットにおけるガス状改質可能燃料の流れおよび／または気化された液体燃料の流れを個別に受ける主コンジットであって、前記主コンジット内を流れる前記加熱された酸素含有ガスを、前記主コンジット内を流れる前記ガス状改質可能燃料および／または前記気化された液体改質可能燃料と組み合わせて混合することによって、前記酸素含有ガスと改質可能燃料との燃料リッチ混合物の流れを生成する混合ゾーンを含み、前記主コンジットおよび少なくとも１つの部分酸化反応器ユニットは、発熱の熱によって前記主コンジット内の前記燃料リッチ混合物を加熱し、酸素含有ガスと改質可能燃料との加熱された燃料リッチ混合物をその中に生成する主コンジット、ならびに、
ｃ）前記燃料インレットの上流側において前記主コンジットに流体連通されるとともに分岐される分岐コンジットであって、前記酸素含有ガスの流れの一部を前記主コンジットから前記燃料インレットの下流側の分岐コンジットアウトレットへと向けるとともに、前記主コンジット内を流れる前記酸素含有ガスと改質可能燃料との加熱された燃料リッチ混合物とガス流連通される分岐コンジットにおいて、前記分岐コンジットおよび前記主コンジットは、前記分岐コンジットのアウトレットから流れる前記酸素含有ガスの流れの一部を、前記主コンジット内を流れる前記酸素含有ガスと改質可能燃料との加熱された燃料リッチ混合物と組み合わせ、前記少なくとも１つの部分酸化反応器のインレットとガス流連通される加熱された部分酸化反応混合物の流れを生成する分岐コンジット、を備える改質器。
【請求項３】
水素ガス生成物の生成のための、酸素含有ガスとガス状および／または気化された液体ＣＰＯＸ燃料とのガス状ＣＰＯＸ反応混合物のガス相触媒部分酸化のための改質器であって、
離間された細長い管状のガス相ＣＰＯＸ反応器ユニットのアレイであって、個々のＣＰＯＸ反応器ユニットは、その間の壁の厚みを画定する内表面と外表面とを有するガス透過可能壁を有し、少なくとも１つのＣＰＯＸ触媒が、前記内表面の少なくとも一部に配設され、および／または前記壁の厚みの一部に含まれ、前記ＣＰＯＸ反応器ユニットのＣＰＯＸ含有部は気相ＣＰＯＸ反応ゾーンを画定するガス相ＣＰＯＸ反応器ユニットのアレイ、および、
ガス状ＣＰＯＸ反応混合物を前記離間された細長い管状のガス相ＣＰＯＸ反応器ユニットのアレイのそれぞれのインレットへと搬送する略Ｕ形状開口コンジット、を備え、
前記コンジットは、酸素含有ガスの流れを受ける酸素含有ガスインレット、および前記酸素含有ガスインレットの下流において液体ＣＰＯＸ燃料の流れを受ける燃料インレットを有し、
前記ＣＰＯＸ反応混合物は酸素含有ガスおよび気化された液体ＣＰＯＸ燃料を含み、気化器は前記コンジット内において前記燃料インレットの下流に位置し、そのようなインレットから前記コンジット内に導入される前記液体ＣＰＯＸ燃料を気化する改質器。
【請求項４】
水素ガス生成物の生成のための、酸素含有ガスとガス状および／または気化された液体ＣＰＯＸ燃料とのガス状ＣＰＯＸ反応混合物のガス相触媒部分酸化のための改質器であって、
離間された細長い管状のガス相ＣＰＯＸ反応器ユニットのアレイであって、個々のＣＰＯＸ反応器ユニットは、その間の壁の厚みを画定する内表面と外表面とを有するガス透過可能壁を有し、少なくとも１つのＣＰＯＸ触媒は、前記ＣＰＯＸ反応器ユニットの内表面の少なくとも一部に配設され、および／または前記壁の厚みの一部に含まれ、前記ＣＰＯＸ反応器ユニットのＣＰＯＸ含有部は気相ＣＰＯＸ反応ゾーンを画定し、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物のＣＰＯＸ反応を行うとともに前記ＣＰＯＸ反応からの発熱の熱を放出するガス相ＣＰＯＸ反応器ユニットのアレイ、ならびに、
ガス状ＣＰＯＸ反応混合物を少なくとも１つの前記細長い管状のガス相ＣＰＯＸ反応器ユニットのインレットへと搬送する略Ｕ形状開口コンジットであって、酸素含有ガスの流れを受ける酸素含有ガスインレット、および前記酸素含有ガスを受ける前記インレットの下流に位置し液体ＣＰＯＸ燃料の流れを受ける燃料インレットを有し、前記ＣＰＯＸ反応混合物は前記酸素含有ガスおよび気化された後の前記液体ＣＰＯＸ燃料を有し、気化器は前記略Ｕ形状開口コンジット内において前記液体ＣＰＯＸ燃料のためのインレットの下流に位置し、前記燃料インレットを経て前記コンジット内に導入される前記液体ＣＰＯＸ燃料を気化する略Ｕ形状開口コンジット、ならびに、
前記ＣＰＯＸ反応ゾーンの上流で前記コンジットを流れる前記ガス状ＣＰＯＸ反応混合物の流路と交差する前記ＣＰＯＸ反応器ユニットのＣＰＯＸ反応ゾーンから発熱の熱を伝達することによって、そのようなＣＰＯＸ反応混合物を余熱する熱伝達ゾーン、を備える改質器。
【請求項５】
水素ガス生成物の生成のための、酸素含有ガスとガス状および／または気化された液体ＣＰＯＸ燃料とのガス状ＣＰＯＸ反応混合物のガス相触媒部分酸化のための改質器であって、
離間された細長い管状のガス相ＣＰＯＸ反応器ユニットのアレイであって、個々のＣＰＯＸ反応器ユニットは、その間の壁の厚みを画定する内表面と外表面とを有するガス透過可能壁を有し、少なくとも１つのＣＰＯＸ触媒は、前記ＣＰＯＸ反応器ユニットの内表面の少なくとも一部に配設され、および／または前記壁の厚みに含まれ、前記ＣＰＯＸ反応器ユニットのＣＰＯＸ含有部は気相ＣＰＯＸ反応ゾーンを画定し、前記ＣＰＯＸ反応ゾーンはその中でのＣＰＯＸ反応の間に発熱の熱を放出するガス相ＣＰＯＸ反応器ユニットのアレイ、
酸素含有ガスとガス状および／または気化された液体ＣＰＯＸ燃料とのガス状ＣＰＯＸ反応混合物を少なくとも１つの前記細長い管状のガス相ＣＰＯＸ反応器ユニットのインレットへと搬送する略Ｕ形状開口コンジットであって、酸素含有ガスの流れを受けるガスインレット、および前記ガスインレットの下流に位置し液体ＣＰＯＸ燃料の流れを受ける燃料インレットを有する略Ｕ形状開口コンジット、
前記コンジット内において前記燃料インレットの下流に位置し、前記燃料インレットを経て前記コンジットに導入される前記液体ＣＰＯＸ燃料を気化させ、前記酸素含有ガスと気化された前記液体ＣＰＯＸ燃料とから前記ＣＰＯＸ反応混合物を形成する気化器、ならびに、
前記ＣＰＯＸ反応器ユニットの周囲に位置し、空隙容量を有し長さＬおよび幅Ｗを有し連結された断熱材のセクションの内壁によって画定される囲いと、前記囲いの長さＬだけ延伸するＵ形状コンジットのセクションとを有する熱伝達チャンバであって、前記熱伝達チャンバの長さＬだけ延伸する離間された前記ＣＰＯＸ反応器ユニットのアレイの前記ＣＰＯＸ反応ゾーンがコンジットのそのようなセクションの両側に位置し、個々のＣＰＯＸ反応ゾーンからの発熱の熱は、前記熱伝達チャンバの長さＬだけ延伸する前記Ｕ形状コンジットのセクションを流れる前記ガス状ＣＰＯＸ反応混合物と熱連通され、前記ＣＰＯＸ反応混合物が前記少なくとも１つのＣＰＯＸ反応器ユニットに入る前に、そのようなガス状ＣＰＯＸ反応混合物が予熱される熱伝達チャンバ、を備える改質器。
【請求項６】
水素ガス生成物の生成のための、酸素含有ガスとガス状または気化された液体ＣＰＯＸ燃料とのガス状ＣＰＯＸ反応混合物のガス相触媒部分酸化のための改質器であって、
離間された細長い管状のガス相ＣＰＯＸ反応器ユニットのアレイであって、個々のＣＰＯＸ反応器ユニットは、その間の壁の厚みを画定する内表面と外表面とを有するガス透過可能壁を有し、少なくとも１つのＣＰＯＸ触媒は、前記ＣＰＯＸ反応器ユニットの内表面の少なくとも一部に配設され、および／または前記壁の厚みに含まれ、前記少なくとも１つのＣＰＯＸ反応器ユニットのＣＰＯＸ含有部は気相ＣＰＯＸ反応ゾーンを画定し、その中でのＣＰＯＸ反応の間に発熱の熱を放出するガス相ＣＰＯＸ反応器ユニットのアレイ、
酸素含有ガスとガス状または気化された液体ＣＰＯＸ燃料とのガス状ＣＰＯＸ反応混合物を少なくとも１つの前記細長い管状のガス相ＣＰＯＸ反応器ユニットのインレットへと搬送する略Ｕ形状開口コンジットであって、酸素含有ガスの流れを受けるガスインレットと、前記ガスインレットの下流に位置し液体ＣＰＯＸ燃料の流れを受ける燃料インレットとを有する略Ｕ形状開口コンジット、
前記コンジット内において前記燃料インレットの下流に位置し、そのようなインレットを経て前記コンジットに導入される前記液体ＣＰＯＸ燃料を気化させて前記酸素含有ガスと混合し、前記酸素含有ガスと前記気化された液体ＣＰＯＸ燃料とを有する前記ＣＰＯＸ反応混合物を形成する気化器、
前記ＣＰＯＸ反応器ユニットの周囲に位置し、空隙容量を有し長さＬおよび幅Ｗを有し連結された断熱材のセクションの内壁によって画定される囲いと、前記囲いの長さＬだけ延伸するＵ形状コンジットのセクションとを有する熱伝達チャンバであって、前記熱伝達チャンバの長さＬだけ延伸する離間されたＣＰＯＸ反応器ユニットのアレイの前記ＣＰＯＸ反応ゾーンがコンジットのそのようなセクションの両側に位置し、前記離間されたＣＰＯＸ反応器ユニットのアレイと、前記コンジットと前記囲いとは、個々のＣＰＯＸ反応ゾーンからの発熱の熱が、前記熱伝達チャンバの長さＬだけ延伸する前記Ｕ形状コンジットのセクションを流れる前記ガス状ＣＰＯＸ反応混合物と熱連通され、前記ＣＰＯＸ反応混合物が前記離間されたＣＰＯＸ反応器ユニットのアレイに入る前に、そのようなガス状ＣＰＯＸ反応混合物が予熱される熱伝達チャンバ、ならびに、
前記熱伝達チャンバの第１の端部の少なくとも第１の点火器であって、動作において前記第１の点火器は、前記熱伝達チャンバの第１の側に配設される少なくとも１つのＣＰＯＸ反応器ユニットの前記ＣＰＯＸ反応ゾーンと熱連通される第１の点火器、および、前記熱伝達チャンバの第２の端部に配置される少なくとも１つの第２の点火器であって、動作において前記第２の点火器は、前記熱伝達チャンバの第２の側に配設される少なくとも１つのＣＰＯＸ反応器ユニットの前記反応ゾーンと熱連通される第２の点火器、を備える改質器。
【請求項７】
水素ガス生成物の生成のための、酸素含有ガスとガス状または気化された液体ＣＰＯＸ燃料とのガス状ＣＰＯＸ反応混合物のガス相触媒部分酸化のための改質器であって、
離間された細長い管状のガス相ＣＰＯＸ反応器ユニットのアレイであって、個々のＣＰＯＸ反応器ユニットはその間の壁の厚みを画定する内表面と外表面とを有するガス透過可能壁を有し、少なくとも１つのＣＰＯＸ触媒は、個々のＣＰＯＸ反応器ユニットの内表面の少なくとも一部に配設され、および／または前記壁の厚みの一部に含まれ、ＣＰＯＸ反応器ユニットのＣＰＯＸ含有部は気相ＣＰＯＸ反応ゾーンを画定し、前記ＣＰＯＸ反応器ユニットは、前記ＣＰＯＸ反応混合物のＣＰＯＸ反応が前記ＣＰＯＸ反応ゾーンにおいて起こる際に発熱の熱を放出するガス相ＣＰＯＸ反応器ユニットのアレイ、
ガス状ＣＰＯＸ反応混合物を離間された前記細長い管状のガス相ＣＰＯＸ反応器ユニットのアレイのそれぞれのインレットへと搬送する略Ｕ形状開口コンジットであって、酸素含有ガスの流れを受けるガスインレット、および前記ガスインレットの下流に位置し液体ＣＰＯＸ燃料の流れを受ける燃料インレットを有する略Ｕ形状開口コンジット、ならびに、
前記コンジット内において前記燃料インレットの下流に位置し、前記ガスインレットを経て前記コンジットに導入される前記液体ＣＰＯＸ燃料を気化させて前記酸素含有ガスと混合し、前記酸素含有ガスと気化された液体ＣＰＯＸ燃料とから前記ＣＰＯＸ反応混合物を形成する気化器、を備える改質器。
【請求項８】
水素ガス生成物の生成のための、酸素含有ガスとガス状または気化された液体ＣＰＯＸ燃料とのガス状ＣＰＯＸ反応混合物のガス相触媒部分酸化のための改質器であって、
離間された細長い管状のガス相ＣＰＯＸ反応器ユニットのアレイであって、個々のＣＰＯＸ反応器ユニットはその間の壁の厚みを画定する内表面と外表面とを有するガス透過可能壁を有し、少なくとも１つのＣＰＯＸ触媒は、個々のＣＰＯＸ反応器ユニットの内表面の少なくとも一部に配設され、および／または前記壁の厚みの一部に含まれ、前記ＣＰＯＸ反応器ユニットのＣＰＯＸ含有部は気相ＣＰＯＸ反応ゾーンを画定し、前記ＣＰＯＸ反応器ユニットは、前記ＣＰＯＸ反応混合物のＣＰＯＸ反応が前記ＣＰＯＸ反応ゾーンにおいて起こる際に発熱の熱を放出するガス相ＣＰＯＸ反応器ユニットのアレイ、
ガス状ＣＰＯＸ反応混合物を離間された前記細長い管状のガス相ＣＰＯＸ反応器ユニットのアレイのそれぞれのインレットへと搬送する略Ｕ形状開口コンジットであって、前記酸素含有ガスの流れを受けるガスインレット、および前記ガスインレットの下流に位置し前記気化された液体ＣＰＯＸ燃料の流れを受ける燃料インレットを有する略Ｕ形状開口コンジット、
前記コンジット内において前記燃料インレットの下流に位置し、前記燃料インレットを経て前記コンジットに導入される前記液体ＣＰＯＸ燃料を気化させる気化器であって、前記コンジットは、前記酸素含有ガスと前記気化された液体ＣＰＯＸ燃料と混合し前記ＣＰＯＸ反応混合物を形成するように構成されている気化器、ならびに、
少なくとも１つの熱伝導体に接続され、前記発熱の熱を前記ＣＰＯＸ反応器ユニットのＣＰＯＸ反応ゾーンから放射する熱放射ユニット、および冷却空気の流れを前記熱放射ユニットへ向けるブロワー、を備える改質器。
【請求項９】
水素ガス生成物の生成のための、酸素含有ガスとガス状または気化された液体ＣＰＯＸ燃料とのガス状ＣＰＯＸ反応混合物のガス相触媒部分酸化のための改質器であって、
離間された細長い管状のガス相ＣＰＯＸ反応器ユニットのアレイであって、個々のＣＰＯＸ反応器ユニットはその間の壁の厚みを画定する内表面と外表面とを有するガス透過可能壁を有し、少なくとも１つのＣＰＯＸ触媒は、個々のＣＰＯＸ反応器ユニットの内表面の少なくとも一部に配設され、および／または前記壁の厚みの一部に含まれ、ＣＰＯＸ反応器ユニットのＣＰＯＸ含有部は気相ＣＰＯＸ反応ゾーンを画定し、前記ＣＰＯＸ反応器ユニットは、前記ＣＰＯＸ反応混合物のＣＰＯＸ反応が前記ＣＰＯＸ反応ゾーンにおいて起こる際に発熱の熱を放出するガス相ＣＰＯＸ反応器ユニットのアレイ、
前記ガス状ＣＰＯＸ反応混合物を離間された前記細長い管状のガス相ＣＰＯＸ反応器ユニットのアレイのそれぞれのインレットへと搬送する略Ｕ形状開口コンジットであって、酸素含有ガスの流れを受けるガスインレット、および前記ガスインレットの下流に位置し液体ＣＰＯＸ燃料の流れを受ける燃料インレットを有する略Ｕ形状開口コンジット、
前記コンジット内において前記燃料インレットの下流に位置し、前記燃料インレットを経て前記コンジットに導入される前記液体ＣＰＯＸ燃料を気化させて酸素含有ガスと混合し前記ＣＰＯＸ反応混合物を形成する気化器、ならびに、
冷却空気の流れを前記ＣＰＯＸ反応器ユニットのＣＰＯＸ反応ゾーンへ向けるブロワー、を備える改質器。
【請求項１０】
前記分岐コンジットのアウトレットと前記主コンジットとの接合部において、前記分岐コンジットのアウトレットから流入する酸素含有ガスの流れが、前記主コンジットを流れる加熱され気化された燃料‐空気混合物と接触するとともに組み合わされる際に、前記酸素含有ガスを混合する静的ミキサーを配設する請求項２に記載の改質器。
【請求項１１】
前記主コンジット内で液体ＣＰＯＸ燃料の流れを受ける前記インレットは、前記燃料インレットのスロットおよび／または孔が形成されたセクションによって画定され、ウィックにおいて終端し、前記ウィックは前記主コンジット内に配設され、前記主コンジット内を流れる加熱空気の流路内に位置する請求項３に記載の改質器。
【請求項１２】
前記ウィックは、前記燃料インレットのスロットおよび／または孔が形成されたセクションを受けて囲み、そのようなインレットから流れる液体燃料は前記ウィックによって引き上げられ、ウィック表面へ移動し、前記主コンジットを流れる加熱空気によって気化される請求項１１に記載の改質器。
【請求項１３】
前記ウィックは、金属、セラミックおよび高温ポリマーから選択される少なくとも１つの熱抵抗性材料から製造される請求項１２に記載の改質器。
【請求項１４】
前記ウィックは、金属ファイバ又はカーボンファイバとセラミックファイバとの螺旋状にねじれたシートとして形成される請求項１３に記載の改質器。
【請求項１５】
前記燃料インレットは、液体燃料を噴霧し前記主コンジット内の加熱空気の流れと接触させることで気化させる液体燃料噴霧器において終端する請求項３に記載の改質器。
【請求項１６】
前記コンジットはさらに、前記ガスインレットの下流かつ前記燃料インレットの上流に配設されるガス状燃料のためのインレットを有する請求項５に記載の改質器。