(57)【要約】  水素発生システムの少なくとも２つのシステム・パラメータ（システム温度又は圧力、或いは２つの異なる位置におけるシステム圧力など）を監視し、且つ、燃料溶液からの水素の発生を制御するためのシステム及び方法が開示される。システムは、液体燃料のための燃料室と、燃料の反応によって水素が生成されるリアクタ室と、リアクタ室と連絡している少なくとも２つのセンサとを有する水素発生器を備えている。センサによって水素発生器の少なくとも２つのパラメータが測定される。開示される方法には、知覚したパラメータに基づいてリアクタへの燃料流量を制御するための制御シーケンスが含まれている。
2008528430.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料を含有した燃料室及びリアクタを有する水素発生システムにおける水素の発生を制御するための方法であって、
少なくとも１つのシステム・パラメータを検出するステップと、
検出した少なくとも１つのシステム・パラメータに基づいて、前記燃料室から前記リアクタへの前記燃料の流れを制御するステップと
を含み、前記少なくとも１つのシステム・パラメータが、システム温度であるか、或いは前記リアクタに対して第１の位置で測定される第１の圧力、前記リアクタに対して第２の位置で測定される第２の圧力及び前記システム内の温度からなるグループから選択される少なくとも２つのシステム・パラメータである方法。
【請求項２】
前記少なくとも１つのパラメータが温度である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記リアクタに対する１つの位置における圧力を検出するステップと、前記システム内の温度を検出するステップとをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記リアクタに対する第１の位置における第１の圧力を検出するステップと、前記リアクタに対する第２の位置における第２の圧力を検出するステップとをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記温度が前記リアクタの温度である、請求項２に記載の方法。
【請求項６】
前記リアクタに対する第１の位置における第１の圧力を検出するステップと、
第１の燃料流量値を決定するために、前記第１の圧力を所定の圧力と比較するステップと、
前記システム内の温度を検出するステップと、
最大燃料流量値を決定するために、前記温度を所定の温度と比較するステップと、
システム出力値を決定するために、前記第１の燃料流量値と前記最大燃料流量値を比較するステップと、
前記システム出力値に基づいて前記リアクタへの前記燃料の流量を制御するステップと
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記温度がリアクタ温度である、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記第１の圧力が水素ガス圧力である、請求項６に記載の方法。
【請求項９】
前記第１の圧力が、前記燃料室と前記リアクタの間の１つの位置における前記燃料の流体圧力である、請求項６に記載の方法。
【請求項１０】
前記第１の圧力が、前記リアクタの下流側の１つの位置における生成物の生成物圧力である、請求項６に記載の方法。
【請求項１１】
前記リアクタの第２の位置における第２の圧力を検出するステップと、
第１の圧力差を決定するために、前記第１及び第２の圧力の各々を比較するステップと、
前記第１の圧力差を所定の圧力差と比較するステップと、
前記第１の圧力差が前記所定の圧力差より大きい場合、前記リアクタへの燃料の流れを中断するステップと
をさらに含む、請求項６に記載の方法。
【請求項１２】
前記少なくとも１つのシステム・パラメータを測定するための、前記リアクタに隣接する少なくとも１つのセンサを提供するステップと、
前記少なくとも１つのセンサから入力値を受け取るためのコントローラを提供するステップと、
前記入力値に基づいて出力値を提供するステップと、
前記出力値に基づいて前記燃料の流れを制御するステップと
をさらに含む、請求項６に記載の方法。
【請求項１３】
前記最大燃料流量値が前記第１の燃料流量値より小さい場合、前記システム出力値の決定が、前記システム出力値を前記最大燃料流量値に設定するステップを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項１４】
前記最大燃料流量値が前記第１の燃料流量値に等しいか、それより大きい場合、前記システム出力値の決定が、前記システム出力値を前記第１の燃料流量値に設定するステップを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記少なくとも１つのシステム・パラメータを周期的に監視するステップと、前記システム出力値を再設定するステップとをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記燃料が改質可能燃料である、請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
前記水素発生システムが燃料電池に接続される、請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
水素を発生させる方法であって、
燃料を含有するための燃料室、リアクタ及び前記リアクタに燃料を運ぶためのポンプを有する水素発生器を提供するステップと、
前記水素発生器の少なくとも２つのシステム・パラメータを独立して測定する少なくとも２つのセンサを提供するステップと、
前記少なくとも２つのセンサから入力値を受け取り、且つ、前記入力値に基づいて出力値を提供するためのコントローラを提供するステップと、
前記出力値に基づいてポンプ速度を制御するステップと
を含む方法。
【請求項１９】
前記少なくとも２つのシステム・パラメータのうちの一方が水素ガス圧力であり、前記少なくとも２つのシステム・パラメータのうちのもう一方がリアクタ温度である、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記燃料が改質可能燃料である、請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
前記燃料が、化学水素化物及び炭化水素からなるグループから選択される、請求項１８に記載の方法。
【請求項２２】
前記燃料が水素化ホウ素である、請求項１８に記載の方法。
【請求項２３】
前記リアクタの第１の位置における第１の水素ガス圧力を測定するステップと、
第１のポンプ速度値を決定するために、前記第１の水素ガス圧力を所定の圧力と比較するステップと、
第１のリアクタ温度を検出するステップと、
最大ポンプ速度値を決定するために、前記第１のリアクタ温度を所定の温度と比較するステップと、
システム出力値を決定するために、前記第１のポンプ速度値と前記最大ポンプ速度値を比較するステップと、
前記システム出力値に基づいて前記ポンプ速度を設定するステップと
をさらに含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２４】
前記最大ポンプ速度が前記第１のポンプ速度より遅い場合、前記システム出力値の決定が、前記システム出力値を前記最大ポンプ速度に設定するステップを含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記最大ポンプ速度が前記第１のポンプ速度と同じであるか、それより速い場合、前記システム出力値の決定が、前記システム出力値を前記第１のポンプ速度に設定するステップを含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記システム・パラメータを周期的に監視するステップと、前記システム出力値を再設定するステップとをさらに含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項２７】
前記リアクタの第２の位置における第２の水素ガス圧力を測定するステップと、
第１の圧力差を決定するために、前記第１及び第２の水素ガス圧力の各々を比較するステップと、
前記第１の圧力差を所定の圧力差と比較するステップ、及び前記第１の圧力差が前記所定の圧力差より大きい場合、前記ポンプ速度をゼロに設定するステップと
をさらに含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項２８】
前記ポンプが、固定速度ポンプのＰＷＭ変調を介して変調される、請求項１８に記載の方法。
【請求項２９】
水素発生器であって、
燃料溶液のための燃料貯蔵室と、
前記燃料溶液の少なくとも一部を前記燃料貯蔵室からリアクタ室へ運ぶための燃料調整手段と、
少なくとも２つのシステム・パラメータを知覚するように構成された少なくとも２つのセンサであって、前記少なくとも２つのシステム・パラメータが、前記リアクタに対する第１の位置で測定される第１の圧力、前記リアクタに対する第２の位置で測定される第２の圧力、及びシステム内の温度からなるグループから独立して選択される少なくとも２つのセンサと、
前記少なくとも２つのセンサ及び前記燃料調整手段と連絡しているコントローラと
を備えた水素発生器。
【請求項３０】
前記第１の圧力及び前記第２の圧力のうちの一方が水素ガス圧力である、請求項２９に記載の水素発生器。
【請求項３１】
前記第１の圧力及び前記第２の圧力のうちの一方が流体圧力である、請求項２９に記載の水素発生器。
【請求項３２】
前記燃料調整手段が燃料ポンプを備えた、請求項２９に記載の水素発生器。
【請求項３３】
前記燃料調整手段がバルブを備えた、請求項２９に記載の水素発生器。
【請求項３４】
前記少なくとも２つのセンサが少なくとも２つの異なるシステム・パラメータを検出する、請求項２９に記載の水素発生器。
【請求項３５】
前記システム・パラメータのうちの少なくとも一方が水素ガス圧力である、請求項２９に記載の水素発生器。
【請求項３６】
前記システム・パラメータのうちの少なくとも一方がリアクタ室の温度である、請求項２９に記載の水素発生器。
【請求項３７】
前記コントローラがマイクロコントローラ又はマイクロプロセッサである、請求項２９に記載の水素発生器。
【請求項３８】
前記燃料溶液が改質可能燃料である、請求項２９に記載の水素発生器。
【請求項３９】
前記燃料溶液が、化学水素化物及び炭化水素からなるグループから選択される燃料を含有した、請求項２９に記載の水素発生器。
【請求項４０】
前記燃料溶液が金属ホウ水素化物である、請求項２９に記載の水素発生器。
【請求項４１】
前記リアクタ室が試薬をさらに含有した、請求項２９に記載の水素発生器。
【請求項４２】
前記試薬が、支持触媒、酸性溶液、遷移金属塩溶液及び熱からなるグループから選択される、請求項２９に記載の水素発生器。
【請求項４３】
前記リアクタ室からの水素がパワー・モジュールに引き渡される、請求項２９に記載の水素発生器。
【請求項４４】
前記パワー・モジュールが燃料電池を備えた、請求項４３に記載の水素発生器。
【請求項４５】
前記コントローラが、第１の燃料流量値を決定するために、第１の圧力を所定の圧力と比較し、
最大燃料流量値を決定するために、前記リアクタ温度を所定の温度と比較し、
システム出力値を決定するために、前記第１の燃料流量と前記最大燃料流量値を比較し、且つ、
前記システム出力値に基づいて前記リアクタへの前記燃料の流量を制御する
ように構成された、請求項２９に記載の水素発生器。
【請求項４６】
前記コントローラが、第１の圧力差を決定するために、第１及び第２の圧力の各々を比較し、且つ、
前記第１の圧力差を所定の圧力差と比較し、前記第１の圧力差が前記所定の圧力差より大きい場合、前記リアクタへの燃料の流れを中断する
ように構成された、請求項４５に記載の水素発生器。
【請求項４７】
前記コントローラが、前記最大燃料流量が前記第１の燃料流量より少ない場合、前記システム出力値を前記最大燃料流量に設定するように構成された、請求項４６に記載の水素発生器。
【請求項４８】
前記コントローラが、前記最大燃料流量が前記第１の燃料流量に等しいか、それより多い場合、前記システム出力値を前記第１の燃料流量に設定するように構成された、請求項４７に記載の水素発生器。
【請求項４９】
前記コントローラが、前記システム・パラメータを周期的に監視し、且つ、前記システム出力値を再設定するように構成された、請求項４７に記載の水素発生器。
【請求項５０】
前記燃料調整手段がポンプを備え、前記システム出力値がポンプ速度である、請求項２９に記載の水素発生器。
【請求項５１】
水素を発生させる方法であって、
燃料を含有するための燃料室、リアクタ及び前記リアクタへの燃料の流れを制御するためのバルブを有する水素発生器を提供するステップと、
前記水素発生器の少なくとも２つのシステム・パラメータを独立して測定する少なくとも２つのセンサを提供するステップと、
前記少なくとも２つのセンサから入力値を受け取り、且つ、前記入力値に基づいて出力値を提供するためのコントローラを提供するステップと、
前記出力値に基づいてバルブ速度を制御するステップと
を含む方法。
【請求項５２】
前記少なくとも２つのシステム・パラメータのうちの一方が水素ガス圧力であり、前記少なくとも２つのシステム・パラメータのうちのもう一方がリアクタ温度である、請求項５１に記載の方法。
【請求項５３】
前記燃料が改質可能燃料である、請求項５１に記載の方法。
【請求項５４】
前記燃料が、化学水素化物及び炭化水素からなるグループから選択される、請求項５１に記載の方法。
【請求項５５】
前記燃料が水素化ホウ素である、請求項５１に記載の方法。
【請求項５６】
前記リアクタの第１の位置における第１の水素ガス圧力を測定するステップと、
第１のバルブ速度値を決定するために、前記第１の水素ガス圧力を所定の圧力と比較するステップと、
第１のリアクタ温度を検出するステップと、
最大バルブ速度値を決定するために、前記第１のリアクタ温度を所定の温度と比較するステップと、
システム出力値を決定するために、前記第１のバルブ速度値と前記最大バルブ速度値を比較するステップと、
前記システム出力値に基づいてシステムの前記バルブ速度を設定するステップと
をさらに含む、請求項５１に記載の方法。
【請求項５７】
前記最大バルブ速度が前記第１のバルブ速度より遅い場合、システム出力値の決定が、前記システム出力値を前記最大バルブ速度に設定するステップを含む、請求項５６に記載の方法。
【請求項５８】
前記最大バルブ速度が前記第１のバルブ速度と同じであるか、それより速い場合、システム出力値の決定が、前記システム出力値を前記第１のバルブ速度に設定するステップを含む、請求項５７に記載の方法。
【請求項５９】
前記システム・パラメータを周期的に監視するステップと、前記システム出力値を再設定するステップとをさらに含む、請求項５６に記載の方法。
【請求項６０】
前記リアクタの第２の位置における第２の水素ガス圧力を測定するステップと、
第１の圧力差を決定するために、前記第１及び第２の水素ガス圧力の各々を比較するステップと、
前記第１の圧力差を所定の圧力差と比較するステップ、及び前記第１の圧力差が前記所定の圧力差より大きい場合、前記バルブ速度をゼロに設定するステップと
をさらに含む、請求項５６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、参照によりその開示全体が本明細書に組み込まれている、２００５年１月２８日出願の米国仮出願第６０／６４７，３９３号の利益を主張したものである。
【０００２】
本発明は、改質可能燃料から水素ガスを発生させるためのシステムに関し、また、水素の発生を監視し、且つ、制御するための方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
水素は、燃料電池のための燃料の選択肢の１つであるが、ガスの貯蔵が困難であるため、その広範囲にわたる使用は複雑である。炭化水素、金属水素化物及び化学水素化物を始めとする多くの水素担体は、水素貯蔵及び供給システムと見なされている。いずれの場合においても、その担体から水素を解放するためには、炭化水素の場合のような改質、金属水素化物からの脱着或いは化学水素化物の触媒化加水分解のいずれかによって特定のシステムを開発しなければならない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
燃料溶液から水素ガスを生成するための様々な水素発生システムが開発されている。このような発生器は、通常、必要な水素を生成するために、水素発生触媒に接触させるための燃料溶液を計量している。水素の発生を制御し、システムの水素流量及び圧力を燃料電池の動作要求に整合させることが重要である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明によれば、水素発生システムの少なくとも１つ、好ましくは少なくとも２つのシステム・パラメータ（システム内の温度又は圧力、或いはシステム内の２つの異なる位置における圧力など）を監視し、且つ／又はリアクタへの燃料溶液の流量を調整することによって燃料溶液からの水素の発生を制御するためのシステム及び方法が提供される。本明細書における「２つのシステム・パラメータ」には、２つの異なる位置で測定される単一の変数、たとえば圧力などが含まれている。本明細書における制御シーケンスで知覚し、且つ、使用することができるパラメータには、たとえばシステム内の圧力、温度、体積、流量及びＨ２、ＣＯ及びＣＯ２などの種類のものの濃度などがある。単一のパラメータを検出する場合、そのパラメータは温度であることが好ましい。本明細書における制御方法のために複数のパラメータを検出する場合、それらのパラメータは、温度と圧力、若しくは２つの全く異なる位置における圧力、又は２つの全く異なる位置における圧力と温度であることが好ましい。温度は、システム内の任意の場所で測定することができるが、リアクタ内であることが好ましい。
【０００６】
一実施例では、本発明により、液体燃料を収納する燃料室、液体燃料の少なくとも１つの改質反応によって水素を生成するためのリアクタ室、及びリアクタ室と連絡している少なくとも１つのセンサを有する水素発生器を備えたシステム内の燃料溶液からの水素の発生を制御するための方法が提供される。センサによって水素発生器のシステム・パラメータが測定される。一実施例では、システムは、第１の水素ガス圧力、第２の水素ガス圧力及びリアクタ温度からなるグループから選択される少なくとも２つのシステム・パラメータを独立して検出する少なくとも２つのセンサを備えている。好ましいことには、本発明によるシステムの水素発生器は、さらに、センサから入力値を受け取るように構成され、且つ、受け取った入力値に基づいて、リアクタ室への燃料溶液の流れを制御するコントローラを備えている。
【０００７】
他の実施例によれば、本発明により、（ｉ）燃料室及びリアクタ室を備えた水素発生器を提供し、（ｉｉ）水素発生器の少なくとも２つのシステム・パラメータを検出し、且つ、（ｉｉｉ）検出したシステム・パラメータに基づいて、燃料室からリアクタ室への燃料の流れを制御することによって、水素発生器を監視し、且つ、制御するための方法が提供される。
【０００８】
他の実施例によれば、本発明により、（ｉ）改質可能燃料が入った燃料室及びリアクタ室を備えた水素発生器を提供し、（ｉｉ）第１の水素ガス圧力値を検出し、（ｉｉｉ）測定ポンプ速度値を決定するために、第１の水素ガス圧力値と所定の圧力値とを比較し、（ｉｖ）リアクタ温度値を検出し、（ｖ）最大ポンプ速度値を決定するために、検出したリアクタ温度値と所定のリアクタ温度値とを比較し、且つ、（ｖｉ）測定ポンプ速度値及び最大ポンプ速度値に基づいて、改質可能燃料の流量を制御することによって水素を発生させるための方法が提供される。
【０００９】
さらに他の実施例によれば、本発明により、（ｉ）改質可能燃料を備えた燃料室及びリアクタ室を備えた水素発生器を提供し、（ｉｉ）第１の（即ち出口）水素ガス圧力値を検出し、（ｉｉｉ）第２の（即ち入口）水素ガス圧力値を検出し、（ｉｖ）測定燃料流量値を決定するために、第１及び第２の水素ガス圧力値と所定の圧力値とを比較し、（ｖ）任意選択でリアクタ温度値を検出し、（ｖｉ）最大燃料流量値を決定するために、検出したリアクタ温度値と所定のリアクタ温度値とを比較し、且つ、（ｖｉｉ）測定燃料流量値及び最大燃料流量値に基づいて、改質可能燃料の流量を制御することによって、水素発生器を監視し、且つ、制御するための方法が提供される。
【００１０】
添付の図面は、本明細書における詳細な説明と共に、これら及び他の実施例を示したものであり、本発明の原理を説明する役割を果たしている。また、本発明の他の特徴及び利点については、添付の図面を参照して行う本発明についての以下の説明から明らかになるであろう。
【実施例】
【００１１】
本発明によれば、リアクタへの燃料溶液の流量を調整することによって燃料溶液からの水素の発生を制御するために、水素発生システムの少なくとも２つのシステム・パラメータ（たとえばシステム温度及びシステム圧力、或いはシステム内の２つの異なる位置におけるシステム圧力など）を監視するためのシステム及び方法が提供される。システム圧力は、たとえば生成される水素ガスによるガス圧力であっても、或いはたとえばリアクタの入口における燃料の流れ又はリアクタの出口における生成物の流れによる流体圧力であってもよい。
【００１２】
本発明による制御シーケンスは、改質可能燃料からの水素の発生を制御するために適しており、改質可能燃料と反応室内の試薬との接触によって水素が生成される。この例示的実施例と共に使用される反応室には、改質可能燃料の反応を促進することで知られている、基板の上に支持された触媒金属、非支持金属、酸性溶液、遷移金属塩溶液又は熱などの試薬が含まれていることが好ましい。支持触媒の準備については、たとえば「Ｓｙｓｔｅｍ  ｆｏｒ  Ｈｙｄｒｏｇｅｎ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ．」という名称の米国特許第６，５３４，０３３号に開示されている。これらの触媒及び試薬は、それらが相俟って作用して水素を生成するように組み合わせることができる。たとえば、熱を支持金属触媒システムと共に用いることができる。
【００１３】
本明細書に使用されている「改質可能燃料」という用語は、リアクタ内での化学反応によって水素に変換することができる任意の実質的に液体又は流動可能燃料物質として定義されており、それだけではないが、たとえば炭化水素、化学水素化物及び水素化ホウ素がある。
【００１４】
改質可能燃料を使用した水素発生器が動作している間、改質反応によって水素を生成するために、燃料貯蔵領域から反応室を介して燃料を運ぶことができる。燃料調整器（たとえばポンプ又はバルブなど）を使用して、反応室への燃料の流れが調整される。燃料の流れは、水素の発生率に関連している。バルブ・タイプのシステムの場合、たとえばバルブ状態（たとえば開又は閉）をパルス幅変調（ＰＷＭ）を行なうことによって燃料流量を制御することができる。ポンプ・タイプのシステムの場合、たとえば可変ポンプ速度又は固定速度ポンプをＰＷＭ制御することによって燃料流量を制御することができる。
【００１５】
化学水素化物及び炭化水素の場合、いずれの場合も、水素分離領域の非水素生成物から水素及び／又は他の任意のガス生成物を分離し、分離した水素ガスをたとえば燃料電池ユニットに供給することができる。化学水素化物システムの場合、非水素生成物は、通常、金属生成物及び場合によっては水蒸気からなっている。炭化水素の場合、非水素生成物は、炭素酸化物（たとえばＣＯ２及びＣＯ）及び場合によっては他のガスからなっている。炭化水素の場合、結果として得られる水素が豊富なガス流は、通常、追加精製ステージを介して、たとえば燃料電池ユニットに給送される。
【００１６】
炭化水素燃料には、メタノール、エタノール、ブタン、ガソリン及びディーゼルがある。炭化水素が水と反応して水素ガス及び炭素酸化物が生成される。本発明によるシステムの場合、メタノールであることが好ましい。メタノールの場合、典型的な炭化水素改質反応は、式（１）で表わすことができる。
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→３Ｈ２＋ＣＯ２      式（１）
【００１７】
化学水素化物燃料には、アルカリ水素化物及びアルカリ土類金属水素化物がある。化学水素化物が水と反応して水素ガス及び金属塩が生成される。これらの金属水素化物は、混合物中で利用することも可能であるが、独立して利用されることが好ましい。
【００１８】
適切なアルカリ水素化物及びアルカリ土類金属水素化物の例は、一般式ＭＨｎを有している。Ｍは、ナトリウム、カリウム又はリチウムなどのアルカリ金属陽イオン及びカルシウムなどのアルカリ土類金属陽イオンからなるグループから選択される陽イオンであり、また、ｎは陽イオンの電荷に等しく、ＮａＨ、ＬｉＨ、ＭｇＨ２などがあるがこれらに限定されない。固体金属水素化物を、非水溶媒中の分散剤又は乳剤、たとえば商用的に入手可能な鉱油分散剤を使用し、ポンプによる燃料の移動を可能にすることができる。このような分散剤は、参照によりその開示全体が本明細書に組み込まれている、「Ｓｔｏｒａｇｅ，Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ，ａｎｄ  Ｕｓｅ  ｏｆ  Ｈｙｄｒｏｇｅｎ．」という名称の米国特許出願第１１／０７４，３６０号に開示されているような追加分散剤を含有することができる。
【００１９】
本発明に使用される水素化ホウ素には、たとえば、参照によりその開示全体が本明細書に組み込まれている、「Ｆｕｅｌ  Ｂｌｅｎｄｓ  ｆｏｒ  Ｈｙｄｒｏｇｅｎ  Ｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ．」という名称の同時係属米国特許出願第１０／７４１，１９９号により提供されているような、ボラン、多面体ボラン及びホウ水素化物又は多面体ボランの陰イオンがある。水素化ホウ素は、水と反応して水素ガス及びホウ素生成物を生成することができ、或いは熱脱水素させることができる。適切な水素化ホウ素には、それらに限定されないが、デカボラン（１４）（Ｂ１０Ｈ１４）などの中性ボラン化合物、ｘ及びｙが、１、２、３又は４から個別に選択される、同じであってはならない値であり、Ｒがメチル基又はエチル基である式ＮＨｘＢＨｙ及びＮＨｘＲＢＨｙのアンモニアボラン化合物、ボラザーネ（ＮＨ３ＢＨ３）、ホウ水素化物塩Ｍ（ＢＨ４）ｎ、３ホウ水素化物塩Ｍ（Ｂ３Ｈ８）ｎ、デカヒドロデカボラート塩Ｍ２（Ｂ１０Ｈ１０）ｎ、十三デカヒドロデカボラート塩Ｍ（Ｂ１０Ｈ１３）ｎ、十二デカヒドロ十二デカボラート塩Ｍ２（Ｂ１２Ｈ１２）ｎ、及び８デカヒドロイコサボラート塩Ｍ２（Ｂ２０Ｈ１８）ｎがある。Ｍは、アルカリ金属陽イオン、アルカリ土類金属陽イオン、アルミニウム陽イオン、亜鉛陽イオン及びアンモニア陽イオンからなるグループから選択される陽イオンであり、ｎは陽イオンの電荷に等しい。Ｍは、ナトリウム、カリウム、リチウム又はカルシウムであることが好ましい。水素化ホウ素化合物の多くは水溶性である。水性流動可能燃料溶液は、一般式Ｍ（ＯＨ）ｎを有する金属水酸化物などの安定剤成分を含有することができる水性混合物として準備することができる。Ｍは、ナトリウム、カリウム又はリチウムなどのアルカリ金属陽イオン、カルシウムなどのアルカリ土類金属陽イオン、アルミニウム陽イオン及びアンモニア陽イオンからなるグループから選択される陽イオンであり、ｎは陽イオンの電荷に等しい。非水性流動可能燃料溶液は、非水溶媒中の分散剤又は乳剤、たとえば鉱油中の分散剤として、或いはたとえばトルエン、グリメス又はアセトニトリル中の溶液として準備することができる。
【００２０】
好ましい実施例では、改質可能燃料は金属ホウ水素化物である。参照によりその開示全体が本明細書に組み込まれている、「Ａ  Ｓｙｓｔｅｍ  ｆｏｒ  Ｈｙｄｒｏｇｅｎ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ．」という名称の米国特許第６，５３４，０３３号に、安定化金属ホウ水素化物溶液から水素を発生させるための方法が開示されている。通常、ナトリウムホウ水素化物などのホウ水素化物化合物の水溶液は、貯蔵タンクから触媒物質が入った反応室へ引き渡され、そこで式（２）に従って反応する。
ＭＢＨ４＋４Ｈ２Ｏ→ＭＢ（ＯＨ）４＋４Ｈ２＋熱    式（２）
ＭＢＨ４及びＭＢ（ＯＨ）４は、それぞれアルカリ金属ホウ水素化物及びアルカリ金属メタボラートを表している。反応室へのホウ水素化物燃料の流れは、たとえば、いずれも参照によりその開示が本明細書に組み込まれている、「Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ  Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  Ｄｒｉｖｅｎ  Ｂｏｒｏｈｙｄｒｉｄｅ  Ｂａｓｅｄ  Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ．」という名称の同時係属米国特許出願第０９／９０２，９００号、「Ｐｏｒｔａｂｌｅ  Ｈｙｄｒｏｇｅｎ  Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ．」という名称の米国特許出願第０９／９００，６２５号、及び「Ｈｙｄｒｏｇｅｎ  Ｇａｓ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍ．」という名称の米国特許出願第１０／３５９，１０４号に記載されているように、ポンプ又は圧力とバルブの組合せなどの燃料調整器によって調整することができる。
【００２１】
本発明による水素発生器を制御するための方法の一実施例によれば、システムの少なくとも２つの異なるパラメータが監視される。これらのパラメータには、反応室の下流側で測定される圧力（センサＡ）、及び反応室の温度であることが好ましいシステム温度（センサＢ）を含めることができる。測定される下流側の圧力は、たとえば生成される水素ガスの圧力又は生成物の流れの流体圧力であってもよい。いくつかの実施例では、同じく反応室の入口の圧力が監視されることが好ましい（センサＣ）。入口圧力は、リアクタに供給される燃料のガス圧力又は流体圧力であってもよい。圧力又は流量は、リアクタに対して、リアクタの内部、リアクタ入口、リアクタ出口、リアクタの上流側又は下流側を含む任意の位置で監視することができる。これらのパラメータを監視しているセンサからの入力は、コントローラ（マイクロコントローラ又はマイクロプロセッサなど）によって収集され、本明細書において説明されているように、燃料の流量を調整するためにコントローラによって使用される。それに対して、単純なオン／オフ・モードによる水素発生器の自動運転を可能にしている従来の制御方法で監視しているのは、「Ａ  ｓｏｄｉｕｍ  ｂｏｒｏｈｙｄｒｉｄｅ  ｏｎ−ｂｏａｒｄ  ｈｙｄｒｏｇｅｎ  ｇｅｎｅｒａｔｏｒ  ｆｏｒ  ｐｏｗｅｒｉｎｇ  ｆｕｅｌ  ｃｅｌｌ  ａｎｄ  ｉｎｔｅｒｎａｌ  ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ  ｅｎｇｉｎｅ  ｖｅｈｉｃｌｅｓ．」（ＳＡＥ  Ｐａｐｅｒ  ２００１−０１−２５２９）、及び「Ｖｅｈｉｃｌｅ  Ｈｙｄｒｏｇｅｎ  Ｆｕｅｌ  Ｓｙｓｔｅｍ．」という名称の米国特許出願公開第２００４／０１７２９４３  Ａ１号に記載されているように、燃料ポンプの動作を制御するための１つの変数（通常、システム圧力）のみである。
【００２２】
本発明によれば、ルック・アップ・テーブル（ＬＵＴ）などの制御エンジニアリング、比例積分偏差（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ  Ｉｎｔｅｇｒａｌ  Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ（ＰＩＤ））などのループ・アルゴリズム及びモデル予測制御（Ｍｏｄｅｌ  Ｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌ）の機能を使用して、本明細書において説明されている方法に従って水素の発生を制御することができる。図１に示すような、ポンプ又は圧力／バルブ構成のいずれかによって制御される水素発生システムが動作している間、反応室への燃料が計量され、水素が任意選択（オプション）の水素バラスト貯蔵タンクに引き渡される。水素発生器は、たとえば、燃料電池を備えたパワー・モジュール、若しくはエネルギーに変換するための水素燃焼機関、又は水素シリンダ、可逆金属水素化物又は気球などの水素貯蔵デバイスに水素を引き渡すことができる。
【００２３】
本発明の一実施例では、水素の圧力を規定の限度内に維持するために必要な燃料流量、バルブ変調又はポンプ速度を決定するために、センサＡ及び／又はセンサＣからの圧力の読み値がコントローラによってルック・アップ・テーブルの値又はＰＩＤセット・ポイントと比較される。コントローラは、引き続いて、燃料を決定済みの流量で反応室に引き渡すよう、燃料調整器に信号を送る。燃料電池又は他の下流側の機構が水素ガスを消費すると、圧力センサＡ及び／又はＣは、それによって生じる圧力の変化を検出する。圧力が変化する割合は、システム内で利用可能な水素バラストの体積で決まる。つまり、水素の出力流量が一定である場合、水素バラスト体積が大きいほど、水素バラスト体積が小さい場合よりもシステムの圧力降下が遅くなる。この関係は、それだけではないが、とりわけ理想気体の法則、ＰＶ＝ｎＲＴによって提供される関係などの標準のガス圧力−体積の関係を使用して決定することができる。圧力の測定値は、センサによる入力として収集される。圧力が所望のレベルを超えている場合、たとえば燃料ポンプの速度を遅くすることによって、より少ない燃料が引き渡される。逆に、圧力が所望のレベル未満である場合、より多くの燃料が引き渡される。この方法によれば、水素吐出圧が比較的一定に維持される。
【００２４】
本発明による方法に従って水素の発生を制御する大きな利点の１つは、水素バラスト体積を最小化することができ、大きなシステム圧力の揺れを回避することができることである。水素バラストを貯蔵するために最小の体積を組み込むことによってシステムの総体積が減少するため、より大きいシステム・エネルギー密度が得られる。また、反応室への燃料の流量が、定常圧力でより一定になり、水素への改質可能燃料の変換効率が最適化される。
【００２５】
他の実施例では、反応室の両端間の圧力差（たとえばセンサＡとセンサＣの圧力差）を監視することにより、リアクタの上流側及び下流側つまりリアクタの入口及び出口（又はこれらの位置の組合せ）のいずれかが反応室を監視する手段を提供し、生成物の流れが沈殿した固体によって詰まったか否かが分かる。反応室での詰まりが検出されない場合、反応室の圧力が過剰になり、上流側のコンポーネントが故障し、場合によっては装置が損傷し、傷害の原因になることがある。常に圧力差を監視するこの方法によれば、さらに、反応室が完全に閉塞される前に、部分的な詰まりを検出する手段が提供される。
【００２６】
システムの水素圧力を監視することにより、水素発生システムの信頼性が改善される。いくつかの改質可能燃料の物理的特性、詳細には液体ホウ水素化物燃料が気体化しやすいため、従来のポンプの場合、空洞が生じ、再プライミングを必要とすることがある。システムの圧力は、反応室を通って流れる燃料の流量に関係している。したがって、システムの動作性能がセンサＡ及び／又はＣによって監視される規定のプロファイルに合致しない場合、システムによって燃料ポンプを再プライミングすることができる。
【００２７】
他の実施例では、センサＢを使用して反応室の温度を監視することにより、システムの制御にさらに利点が提供される。第１に、水素発生器が始動した時点では、通常、反応室の温度は、その最適動作温度、たとえばホウ水素化物燃料の場合であれば、通常、約５０℃と１５０℃の間、炭化水素燃料の場合であれば約２００℃を超える温度に到達していない。センサＢは、動作中に使用される運転アルゴリズムとは異なる全く別のスタートアップ・アルゴリズムの実施を可能にしている。全く別のスタートアップ・アルゴリズムを使用することにより、発生器のスタートアップ時間を改善することができ、その結果、水素への燃料の変換効率が約９０％未満の場合、より少ない燃料が、より低い温度でリアクタを介して供給されるため、より高い初期燃料効率が得られる。
【００２８】
一例として、水素化ホウ素の発熱加水分解反応の場合に有用なスタートアップ・アルゴリズムは、式（２）で示すような発熱加水分解の結果として反応室の温度を高くすることができるよう、反応室への低流量の燃料を計量することができる。システムがセンサＢを介して、リアクタが所定の最適温度に到達したことを検出すると、システムは、反応室を動作温度に維持するために正規の運転アルゴリズムに切り換えることができる。
【００２９】
水素化ホウ素の発熱加水分解反応の場合に有用なスタートアップ・アルゴリズムのもう１つの例として、上で説明した貫流動作とは対照的に、所定の体積の燃料を反応室にポンプ供給し、反応室内で保持することができる。この分量の燃料が反応して水素及び熱が生成される。システムがセンサＢを介して、リアクタが所定の最適温度に到達したことを検出すると、システムは、反応室を動作温度に維持するために正規の運転アルゴリズムに切り換え、反応室を介した燃料のポンプ供給を再開することができる。
【００３０】
また、動作中、センサＢを使用して反応室の温度を監視することにより、コントローラは、水素発生器に関わるあらゆる問題を検出することができる。温度が所定の規定範囲から逸脱すると、システムは、安全に運転を停止することができる。たとえば、温度が好ましい動作温度範囲未満まで低下すると、それは、たとえば触媒の劣化などの反応室に関わる問題が発生したことを意味しており、システムは運転を停止して、「保守要求」信号をオペレータに発信し、保守の必要があることを知らせる。
【００３１】
他の実施例では、センサＢは、リアクタを規定の範囲内に維持するために、必要に応じて水素発生システムのための熱管理の実施を可能にしている。たとえば、様々な環境条件での水素発生システムの運転を容易にするために、リアクタは、たとえば発熱体、熱交換器又は冷却ループを使用して加熱又は冷却するためのエレメントを備えることができる。センサＢは、リアクタへの燃料の流れを制御するために必要な入力を提供することができる。また、センサＢは、熱管理システムを制御して有効なシステム動作を達成するために必要な入力を提供することができる。最適効率及び予測可能性のためには、燃料が一定の変換効率で水素に変換されることが望ましい。リアクタが最適動作温度未満である場合に、燃料の流れを制限することにより、完全に変換されることなくリアクタを通って燃料が流れることが防止される。
【００３２】
本発明による、少なくともセンサＡ及びＢの組合せに基づいて水素発生プロセスを監視し、且つ、制御するための方法は、ミリワットからメガワットまでの出力範囲で動作するシステムと共に使用するための様々な応用分野に用いることができる。以上の説明では、主として独立型水素発生器が参照されているが、この制御戦略は、燃料電池又は他の負荷に容易に統合することができる。この負荷は、水素の需要と強く相関しており、水素発生器制御システムに入力することによって水素の引渡し要求を事前に予告することができる。この事前予告により、燃料調整制御エレメントは、水素の圧力が広範囲に及ぶ需要プロファイルにわたって許容限界内に維持される方法で、確実に水素の需要に応じることができる。
【００３３】
以下の実施例は、本発明の特徴をさらに説明し、且つ、立証したものである。これらの実施例は、説明を目的としたものにすぎず、本発明を制限するものとして解釈してはならない。
【００３４】
「実施例１」
図１に示す水素発生システムが、本発明による方法によって制御され、且つ、このシステムを使用して、２５ｐｓｉｇ、ガス流量約１０標準リットル／分で水素を引き渡す必要のある燃料電池のための水素が生成された。図１を参照すると、ホウ化水素燃料溶液が燃料ポンプ１１４を使用して燃料ライン１１２を介して貯蔵タンク１１０から計量され、触媒床１１８を備えた、式（１）の反応によって水素及びボラート塩が生成される反応室１１６に引き渡される。生成物の流れは、コンジット・ライン１３６を介して気液分離器１２０に運ばれる。水素ガスは、ガスの流れをほぼ周囲温度に冷却する熱交換器１２２、及び水素ガスの流れから水を除去する凝縮器１２４を通して処理される。凝縮した水は、水タンク１３２に集められる。水素ガスは、バラスト・タンク１２６に供給された後、水素コンジット・ライン１２８を介して運ばれ、燃料電池１３０に供給される。気液分離器１２０からの液体ボラート生成物の流れは、ボラート・タンク１３４にドレンされる。
【００３５】
反応室に、コントローラ・エレメントに入力を提供する入口（センサＡ）圧力及び温度（センサＢ）センサが装備された。システムは、図２に示す方法に従って自動的に制御された。センサ入力によって、燃料ポンプ１１４及びリアクタへの燃料の流れを制御するために必要なデータが提供された。コントローラは、ステップ１０１で、システム圧力（ＰＡ）の読み値を定義済みの間隔で受け取り、燃料ポンプの流量（ＦＰ）を決定するために、受け取った読み値をステップ１０３で圧力ＬＵＴ（表１Ａ）と比較した。また、コントローラは、ステップ１０５で、リアクタ温度の読み値を定義済みの間隔で受け取り、燃料ポンプの最大流量（ＦＴ）を決定するために、受け取った読み値をステップ１０７で温度ＬＵＴ（表１Ｂ）と比較した。
【００３６】
【表１Ａ】
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【００３７】
【表１Ｂ】
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【００３８】
コントローラは、低温におけるポンプ速度及び燃料の流れを制限するために、ステップ１０９で２つのポンプ流量を比較した。したがって、ＦＴ＜ＦＰである場合、コントローラは、ＦＰ’＝ＦＴのポンプ流量で燃料を引き渡すように燃料ポンプに命令する。同様に、ＦＴ＞ＦＰである場合、コントローラは、ＦＰ’＝ＦＰのポンプ流量で燃料を引き渡すように燃料ポンプに命令する。表２は、一連の条件に対するポンプ流量を示したものである。
【００３９】
【表２】
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【００４０】
「実施例２」
実施例１で説明したシステムの反応室に、コントローラ・エレメントに入力を提供する入口（センサＡ）及び出口（センサＣ）圧力センサ並びに温度（センサＢ）センサが装備された。システムは、図３に示す方法に従って自動的に制御された。コントローラは、ステップ２０１で、システム圧力（ＰＡ及びＰＣ）の読み値を定義済みの間隔で受け取った。燃料ポンプの流量（ＦＰ）を決定するために、ステップ２０３でＰＡの読み値が圧力ＬＵＴ（表１Ａ）と比較された。ステップ２０７で、ステップ２０５で決定された圧力の差がセット・ポイントと比較された。圧力がセット・ポイントより大きい場合、リアクタへの燃料の供給を停止するよう、直ちに燃料ポンプに信号が送られた。圧力差がセット・ポイントより小さい場合、コントローラは、燃料ポンプの最大流量（ＦＰ’）を決定するために、実施例１で説明した温度及び圧力ルック・アップ・テーブルによって決定された燃料流量を比較することによって燃料の流れを決定した（ステップ２０９ないし２１５）。
【００４１】
このシステムが正規に動作している間、入口圧力は、通常、リアクタの液体の流れ特性のため、３ｐｓｉないし８ｐｓｉだけ出口圧力より高い。圧力セット・ポイントは１５ｐｓｉｇに設定され、コントローラ・エレメントは、このセット・ポイントを超えるリアクタの両端間（センサＡとＣの間）のあらゆる圧力差を検出するようにプログラムされた。試験運転の間、リアクタが部分的に詰まると、正規の燃料の流れを停止した。コントローラ・エレメントは、異常な圧力差を検出し、危険な圧力レベルがシステムに現われる前に、それ以上の燃料の流れを停止し、水素の生成を中止するよう燃料ポンプ１１４に命令した。
【００４２】
以上、本発明について、開示した特定の実施例に関連して説明したが、他の多くの実施例が本発明の範囲内であることを理解されたい。たとえば、実施例におけるポンプ流量は、上で説明した特定のシステムの実例にすぎず、たとえば燃料電池のパワー・モジュール又は他の負荷に必要な水素圧力及び流量に応じて、システム毎にこれらの値より大きくすることも或いは小さくすることも可能である。このような値は、本明細書により教示が与えられた当業者には容易に確認することが可能であり、また、たとえばポンプ速度、バルブ変調、燃料ライン圧力又はこれらの組合せを介して個々のシステムの特定の調整機構に直接相関させることができ、或いはリアクタへの燃料の流れ及び／又はリアクタを通る燃料の流れとの関係に原因と結果を有する他の機構に直接相関させることができる。同様に、様々な所望の最大動作温度及び／又は圧力に対して、燃料ポンプの運転を停止する（たとえばポンプの流量をゼロに設定する）ための他の値を制御計画に取り入れることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明による水素発生システムの一実施例を示す略図である。
【図２】本発明の方法による、水素発生システムを制御するための一連のステップを示す流れ図である。
【図３】本発明による水素発生システムを制御するための一連の代替ステップを示す流れ図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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