(57)【要約】  圧縮機モーターの速度制御装置を備えた水素製造装置である。この水素製造装置は、水素を含む製品を製造するための水素発生装置、及び製品を圧縮するための圧縮装置含む。この水素発生装置は、酸化器及び改質器を備えた燃料処理装置を含む。この圧縮装置は、誘導モーター及びモーターの速度を調節するための手段を備えている。モーターの速度を調節するための手段は、可変周波数駆動装置、又は複数のスイッチ及び調整可能なランプタイマーを有するソフトスタート装置を含むことができる。精製装置、第二圧縮装置、及び貯蔵装置の一つ以上を含む下流装置が、圧縮装置の下流に配置される。水素発生装置で水素を含む製品を発生させること、誘導モーターを備えた圧縮装置でこの製品を圧縮すること、及び水素発生装置の過渡的運転状態に応答してモーターの速度を調節することを含む水素製造方法が提供される。
2008526657.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を含む製品を製造する水素発生装置；と
製品を受け入れ、かつ圧縮製品を製造するための、前記水素発生装置の下流に配置された圧縮装置であって、誘導モーター及びモーターの速度を調節する手段を備えた圧縮装置；と
圧縮製品の少なくとも一部を受け入れ、かつ水素高濃度製品を製造する精製装置、
圧縮製品又は水素高濃度製品を受け入れ、かつ圧縮する第二の圧縮装置、と
圧縮製品、水素高濃度製品又は圧縮水素高濃度製品を受け入れ、かつ貯蔵する貯蔵装置
の、一つ以上を含む下流の装置：と
を含む水素製造装置。
【請求項２】
モーターの速度を調節する手段が、可変周波数駆動装置を含む請求項１に記載の装置。
【請求項３】
モーターの速度を調節する手段が、ソフトスタート装置を含む請求項１に記載の装置。
【請求項４】
ソフトスタート装置が、複数のスイッチ及び調整可能なランプタイマーを含み、複数のスイッチが調整可能なファイアリング角を有する請求項３に記載の装置。
【請求項５】
水素発生装置が、酸化器及び改質器を有する燃料処理装置を含む請求項１に記載の装置。
【請求項６】
下流の装置が、精製装置、この精製装置の下流に貯蔵装置、精製装置と貯蔵装置の中間に第二の圧縮装置を含む請求項１に記載の装置。
【請求項７】
精製装置が、水素選択膜及び圧力スイング吸着装置の一つ以上を含む請求項１に記載の装置。
【請求項８】
貯蔵装置が、高圧容器及び水素固定材料の一つ以上を含む請求項１に記載の装置。
【請求項９】
この製品が、圧力及び／又は流速の変動を含み、かつ圧力及び／又は流速の変動を低減させる手段を含む請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
圧力及び／又は流速の変動を低減させる手段が、水素発生装置と圧縮装置の中間に配置された緩衝装置、及び圧縮装置の入り口に制御された補助流体の流れを提供することができる導管の一つ以上を含み、その際に、補助流体が、圧縮製品、水素高濃度製品又はそれらの混合物含む請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
水素を製造する方法であって、
水素発生装置で水素を含む製品を作成する工程；
誘導モーターを有する圧縮装置内で前記製品を圧縮して、圧縮製品を製造する工程；及び
前記水素発生装置の過渡的運転状態に応答してモーターの速度を調節する工程：
を包含する、水素を製造する方法。
【請求項１２】
水素発生装置が、燃料処理装置を含む請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
モーターの速度が、誘導モーターに適用された線周波数を調整することにより、調節される請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
モーターに適用された線周波数が、可変周波数駆動装置により調整される請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
モーターの速度が、誘導モーターに適用された電圧のＲＭＳを調整することにより、調節される請求項１１に記載の方法。
【請求項１６】
誘導モーターに適用された電圧のＲＭＳが、複数のスイッチ及び調整可能なランプタイマーを含むソフトスタート装置により、調節され、その際に複数のスイッチが調整可能なファイアリング角をもつ請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
複数のスイッチのファイアリング角を０°と約７５°の間の角度に調整することを更に含む請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
約０から約２０秒の時間をもつようにランプタイマーを調整することを更に含む請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
水素発生装置の過渡的運転状態が、始動、停止、降下及び上昇の１つ以上を含む請求項１１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（発明の分野）
本発明は、一般的に水素製造の分野に関係する。本発明の装置及び方法は、水素及び一種以上の不純物を含む製品から不純物を除去することにより水素高濃度製品（ｈｙｄｒｏｇｅｎ−ｅｎｒｉｃｈｅｄ  ｐｒｏｄｕｃｔ）を製造する。不純物は、製品に比較的高圧の原材料であることを要求する圧力スイング吸着法、膜分離法などの種々の精製技術により除去できる。また、貯蔵の目的のために、精製品若しくは水素高濃度製品の圧縮にも焦点が当てられる。より具体的には、本発明は、水素高濃度改質油を製造するために、圧力スイング吸着装置を燃料処理装置に組み込み、運転することに関する。
【背景技術】
【０００２】
（発明の背景）
水素は、航空宇宙から、食料製造、オイル及びガス製造並びに精製にわたる種々の産業で利用される。水素は、推進薬、雰囲気、キャリヤーガス、稀釈ガス、燃焼反応用の燃料成分、燃料電池用の燃料、並びに種々の化学反応及びプロセスにおける還元剤として、これらの産業で利用される。加えて、水素が、再生可能である、豊富である、効率的である、かつ他の代替物と異なり汚染物質無排出であるために、水素は、発電用代替燃料として考慮されている。広範囲な水素の消費、及び更なる大きな可能性が存在するが、水素消費の更なる増加を妨げる不都合は、水素の発生、貯蔵及び広範囲な配送を提供できる基礎基盤の欠如である。
【０００３】
この困難を克服する一つの方法は、燃料処理装置の使用により炭化水素系燃料を水素高濃度改質油へ転化するように、水素の分散形発生による。水蒸気改質、部分酸化、及びオートサーマル改質などの燃料改質法は、水素が必要とされる場所で、天然ガス、ＬＰＧ、ガソリン、及びジーゼルなどの炭化水素系燃料を水素高濃度改質油に転化するために用いることができる。しかし、所望の水素製品に加えて、通常、燃料改質器は、改質油製品の価値を低下させる望ましくない不純物を生成する。例えば、従来型の水蒸気改質法においては、メタン、天然ガス、プロパン、ガソリン、ナフサ、又はジーゼルなどの炭化水素原材料が、気化され、水蒸気と混合されて、かつ水蒸気改質触媒上を通過させられる。炭化水素原材料の大部分は、水素、並びに一酸化炭素及び二酸化炭素などの不純物との改質油混合物に転化される。一酸化炭素含有量を低下させるために、改質油は、通常、水性ガスシフト反応にかけられ、そこで一酸化炭素は、水蒸気と反応して二酸化炭素及び水素を生成する。シフト反応後、追加の精製ステップが利用されて、水素純度を許容できる水準にする。この精製ステップは、メタン化、選択的酸化反応、膜分離技術、及び温度スイング吸着及び／又は圧力スイング吸着法などの選択的吸着を含むことができるが、これらに限定されない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
精製技術は、精製された水素製品を効果的に提供できるが、多くの技術は、初期高圧原材料に対して製品の圧縮を必要としている。同様に、水素固定材料及び高圧タンクの使用などの水素貯蔵の多くの形態は、高圧水素原材料を要求している。しかし、燃料処理装置などの水素発生装置から導かれる原材料は、特に、始動、停止及びその他の過渡状態にある時に、圧力及び／又は流速に変動を見ることができる。このような原材料を圧縮するために用いられる圧縮装置の速度を適切に制御することに対する失敗は、特に、水素発生装置の過渡的運転状態においては、システム内に真空を形成する恐れがある。更に、水素発生装置からの製品の流速が比較的安定している時であっても、関連する圧縮機が作動され及び／又は遮断される時に、このような真空が起きる恐れがある。真空の発生は、このシステムの成分にストレスを与え、水素発生装置内に混乱を起こす可能性があり、かつ雰囲気ガスがシステム内に吸引される可能性を生み出す。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
（発明の概要）
本発明の一つの観点では、水素製造装置が提供される。この装置は、水素を含む製品を製造するための水素発生装置、及び製品を受け入れ、かつ圧縮製品を製造するために水素発生装置の下流に圧縮装置を含む。水素発生装置は、酸化器及び改質器を有する燃料処理装置を含むことができる。圧縮装置は、誘導モーター及びモーター速度の調節手段を備える。モーター速度の調節手段は、可変周波数駆動装置（ｖａｒｉａｂｌｅ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｄｒｉｖｅ）又はソフトスタート装置を含むことができる。モーター速度の調節手段が、ソフトスタート装置を含む場合、ソフトスタート装置は、調整可能なファイアリング角（ｆｉｒｉｎｇ  ａｎｇｌｅ）及び調整可能なランプタイマー（ｒａｍｐ  ｔｉｍｅｒ）をもつ複数のスイッチを備えることができる。下流の装置は、圧縮装置の下流に配置される。下流の装置は、圧縮製品の少なくとも一部を受け入れ、かつ水素高濃度製品を製造するための精製装置、圧縮製品又は水素高濃度製品を受け入れ、かつ圧縮するための第二圧縮装置、並びに圧縮製品、水素高濃度製品、又は圧縮水素高濃度製品を受け入れ、かつ貯蔵するための貯蔵装置の一つ以上を含む。
【０００６】
本発明の製造法の観点では、水素製造方法が提供される。この方法は、水素発生装置内で水素を含む製品を製造するステップ、誘導モーターを有する圧縮装置内で製品を圧縮して、圧縮製品を製造するステップ、及び水素発生装置の過渡的運転状態に応答してモーターの速度を調節するステップを含む。水素発生装置は、燃料処理装置を含むことができる。モーターの速度は、誘導モーターに適用された電圧の線周波数を調整することにより、又は誘導モーターに適用された電圧のＲＭＳを調整することにより調節できる。
【０００７】
本発明は、付属する図面に関連して採用した下記の説明を参照することにより、理解されるに違いない。
【０００８】
図１は、水素発生装置、圧縮装置、及び精製装置を含む本発明の実施形態の略図である。
【０００９】
図２は、燃料処理装置、圧縮装置、及び精製装置を含む本発明の実施形態の略図である。
【００１０】
図３は、燃料処理装置、圧縮装置、精製装置、第二圧縮装置、及び貯蔵装置を含む本発明の実施形態の略図である。
【００１１】
図４は、燃料処理装置内のプロセスの流れを説明するブロック図である。
【００１２】
図５Ａは、モーター速度を調節する手段の略図である。
【００１３】
図５Ｂは、本発明の装置に関する、始動時の圧縮機の圧力データを説明するグラフである。
【００１４】
一方、本発明は、種々の変更及び代替の方式が可能であるが、それらの独特の実施形態が、図面による実施例で示してあり、本明細書で詳細に説明する。しかし、特定の実施形態に関する本明細書の記述は、本発明を、開示された具体的な形に限定する意図はなく、しかも、これに反して、付属の特許請求の範囲により限定された本発明の精神及び範囲に含まれる、全ての変更、等価物、及び代替物をカバーすることを意図していることが理解されなければならない。
【００１５】
（好ましい形態の詳細な説明）
本発明の具体的な実施形態が、以下で説明される。明確にするために言えば、実際の実施形態の全ての特徴が、本明細書に述べられていない。このような全ての実際の実施形態の展開において、多くの実行‐特定の決定が、システム関連の及び業務関連の制約に関するコンプライアンスなど、開発者の特定の目標を達成するためになされるべきであり、これは一つの実施と相互に変わるであろうことが、当然理解されるであろう。更に、このような開発努力は複雑かつ時間が要る可能性があり、しかも、それにも拘らず、この開示の利益を受ける業界の当事者にとっては日常的業務であろうことは理解されるであろう。
【００１６】
本発明の装置は、水素を含む製品を製造するための水素発生装置を含む。本発明は、特に始動、停止、及びその他の過渡的運転状態の時に、水素発生装置に関連する圧縮装置の入口で起こりうる圧力の変動を低減又は減衰させることに関係する。この圧縮装置は、水素発生装置の下流に配置され、かつ誘導モーター及びモーター速度の調節手段を有している。下流の装置は、この圧縮装置の下流に配置される。この圧縮装置は、圧縮製品の少なくとも一部を受け入れ、かつ水素高濃度製品を製造するための精製装置、圧縮製品又は水素高濃度製品を受け入れ、かつ圧縮するための第二圧縮装置、及び圧縮製品、水素高濃度製品、又は圧縮水素高濃度製品を受け入れ、かつ貯蔵するための貯蔵装置の一つ以上を含んでいる。
【００１７】
本発明の装置は、本明細書に記載したように、水素及び一種以上の不純物を含む製品を製造することができる水素発生装置を含んでいる。適切な水素発生装置は、当業界でよく知られており、かつ結合水素が豊富な材料から遊離水素に富むガスを発生できる任意の機器又は装置を含むことができる。このような機器は、ガス化装置、燃料処理装置、電解装置などを含むことができる。好ましい実施形態において、水素発生装置は、水素及び一種以上の不純物を含む製品を製造できる燃料処理装置を含んでいる。本発明の装置の究極の目的は、任意の水素消費機器又はプロセスで安全かつ確実に用いることができる実質的に純粋な水素製品を製造することである。このように、本文脈の「不純物」は、水素消費機器又はプロセス又は水素貯蔵機器を汚染し、損傷し、又はさもなければ運転を妨害する可能性がある全ての材料含んでいる。このような不純物は、典型的には、硫黄含有化合物、窒素含有化合物、炭素酸化物、液体状の水、水蒸気、未反応炭化水素、及び不活性ガスを含んでいる。燃料処理装置の方式次第で、圧力、流速及び／又は製品の組成における変化又は変動が、定常運転時に、しかも特に過渡的状態で起きる可能性がある。
【００１８】
ある実施形態では、燃料処理装置は、燃料を水素及び一種以上の不純物を含む製品に転化するための酸化器及び改質器を含む。改質器は、燃料処理業界ではよく知られており、かつ水蒸気改質、部分酸化、及び中でもオートサーマル改質の一つ以上を実施するように設計することができる。燃料処理装置として使用に適した燃料処理装置は、任意の知られた改質器を用いることができるが、図４に関連した以下の説明は、Ｋｒａｕｓｅらの米国特許出願１０／００６，９６３、発明の名称「水素高濃度ガスを製造するためのコンパクトな燃料処理装置」、２００１年１２月５日出願、かつ２００２年７月１８日公開（公開番号ＵＳ２００２／００９４３１０Ａ１）から適用される。この特許は、水蒸気改質及びオートサーマル改質の組み合わせを実施するための燃料処理装置を説明している。
【００１９】
図４で図解するように、燃料処理装置へ供給される原材料は、炭化水素系燃料、酸素、水、及びそれらの混合物を含むことができる。この処理装置で使用するに適した炭化水素系燃料は、天然ガス、ＬＰＧ、ガソリン、ジーゼル、アルコール、及びそれらの混合物を含むことができる。天然ガスは、好ましい炭化水素系燃料である。酸素は、空気、酸素に富んだ空気、又は実質的に純粋な酸素の形であることができる。燃料及び水は、液体及び／又は蒸気として導入することができる。しかし、原材料の初期相、及び改質反応の性質に応じて、ある程度の原材料の調整が必要になるかもしれない。例えば、液体の水及び燃料の両者が気相に転化されことが好ましく、かつ反応体が、改質器内の反応領域に導入される前に予備加熱されることが更に好ましい。
【００２０】
図４のブロックＡは、改質ステップを表し、一つの特別な実施形態で、二つの反応、部分酸化（式Ｉ、下記）及び水蒸気改質（式ＩＩ、下記）が行われ、原材料を水素及び一酸化炭素を含む合成ガスに転化する。式Ｉ及びＩＩは、メタンが炭化水素として考えられる場合の代表的反応式である。
ＣＨ４＋１／２Ｏ２→２Ｈ２＋ＣＯ      （Ｉ）
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→３Ｈ２＋ＣＯ        （ＩＩ）
原材料流中の高濃度の酸素は、発熱性部分酸化を助長し、一方、高濃度の水蒸気は、吸熱性水蒸気改質反応を助長する。それ故、酸素と炭化水素の比率及び水と炭化水素の比率、並びに反応温度が、水素の収率に影響を与える特徴的な因子である。改質ステップＡの反応温度は、原材料条件及び触媒に応じて、約５５０℃から約９００℃までの範囲であることができる。部分酸化及び水蒸気改質触媒の例は、燃料改質業界ではよく知られており、詳細に説明しない。
【００２１】
ブロックＢは、冷却ステップを表し、その際に、改質ステップＡからの合成ガス流は、プロセスステップＣ（以下で説明される）のための合成ガスを調製するために、約２００℃から約６００℃までの温度、好ましくは約３７５℃から約４２５℃までの温度に冷却される。この冷却は、設計仕様、および熱が合成ガスから回収／再循環されるべき程度に応じて、ヒートシンク、ヒートパイプ、熱交換器又は同等物を用いて達成することができる。また、合成ガスの冷却は、業界で知られたその他の手段、例えば合成ガス流に低温水蒸気を注入、により達成できる。
【００２２】
ブロックＣは、脱硫ステップを表す。多くの燃料の主な不純物の一つは、硫黄であり、これは、通常、改質ステップＡで硫化水素に転化される。脱硫は、好ましくは、硫化水素を吸収及び転化できる酸化亜鉛及び／又は他の材料を、担体（例えば、モノリス、押出品、ペレットなど）と共に又は担体を用いることなく、使用する。脱硫は、下記の反応式ＩＩＩに従って、硫化水素を硫化亜鉛に転化することにより完成することができる。
Ｈ２Ｓ＋ＺｎＯ→Ｈ２＋ＺｎＳ    （ＩＩＩ）
脱硫は、好ましくは、約３００℃から約５００℃までの温度、より好ましくは、約３７５℃から約４２５℃までの温度で実施される。
【００２３】
次に、脱硫化工程流は、混合ステップＤに送られてもよく、そこで水サブシステムから受け入れられた水が、場合により添加される。水の添加は、プロセス流の温度の低下、及び続いて起きる水性ガスシフト反応用に追加する水の供給の二重の目的に役立つ。水蒸気及び別の流の成分が、効果的混合及び／又は水の蒸発に役立つ、セラミックビーズ又は別の類似の材料などの不活性材料のステージを通過することにより混合される。代わって、追加する水は、改質ステップＡに先立って導入することができ、かつ混合ステップは、位置を変更できるか、又は省略できる。プロセス流が選択的酸化に曝される場合、混合ステップを利用して、酸化に先立って、酸化剤をプロセス流と混合することができる。
【００２４】
ブロックＥは、式ＩＶに従って、一酸化炭素を二酸化炭素に転化する水性ガスシフト反応を表す。
Ｈ２Ｏ＋ＣＯ→Ｈ２＋ＣＯ２      （ＩＶ）
一般的に、水性ガスシフト反応は、触媒に応じて、１５０℃から６００℃までの範囲の温度で起こる可能性がある。このような条件下で、ガス流中の一酸化炭素の多くが、二酸化炭素に転化される。燃料電池用の燃料として、水素高濃度製品が用いられる場合、燃料電池触媒により許容できるレベル、典型的には約５０ｐｐｍ未満に低減されなければならない。水性ガスシフト触媒の例は、低温及び高温触媒とも、燃料改質業界ではよく知られており、本明細書では詳細に説明しない。
【００２５】
ブロックＦは、不活性ステージで行うことができる冷却ステップを表し、またその他にプロセス流の温度を、好ましくは約９０℃から約１５０℃の範囲の温度に低下させる冷却ステップを表す。冷却ステップＦに続いて選択的又は優先的酸化ステップが行われる場合、空気サブシステムからの酸素がプロセス流に添加できる。
【００２６】
ブロックＧは、プロセス流中の残留一酸化炭素の大部分が二酸化炭素に転化される、任意の選択的又は優先的酸化ステップを表す。この酸化は、一酸化炭素の酸化に活性を有する触媒の存在下で実施されるが、通常は、二種の反応、即ち一酸化炭素の望ましい酸化（式Ｖ）、及び望ましくない水素の酸化（式ＶＩ）が起きる。
ＣＯ＋１／２Ｏ２→ＣＯ２      （Ｖ）
Ｈ２＋１／２Ｏ２→Ｈ２Ｏ        （ＶＩ）
両反応が熱を発生し、かつ一酸化炭素の好ましい酸化が低温で促進されるので、任意選択で、酸化反応領域内に冷却コイルなどの冷却要素を含むことが有利になるに違いない。酸化反応温度は、約９０℃から約１５０℃の範囲に維持されることが好ましい。本発明の装置は、不純物から水素を分離するために、圧力スイング吸着法などの精製装置を任意選択で含むことができるので、選択的酸化ステップＧの使用は省略することができる。
【００２７】
図４を参照して説明されるような燃料処理装置により製造される製品は、水素に富んでいるが、しかし一酸化炭素、二酸化炭素、水、水蒸気、窒素及びアルゴンなどの不活性成分、種々の硫黄及び窒素含有化合物、並びに未反応炭化水素などの一種以上の不純物を含有する恐れがある。したがって、この製品を精製装置又は浄化処理装置に曝して、このような不純物を除去又は低減することが望まれるかもしれない。更に、この製品は、典型的には低圧であり、およそ、約５０ｐｓｉｇ未満、好ましくは約２５ｐｓｉｇ未満、より好ましくは約１０ｐｓｉｇ未満、かつ、なおより好ましくは５ｐｓｉｇ未満である。使用する精製技術の性質に応じて、精製装置に送り出されるに先立って、製品の圧力が高められる必要があるかもしれない。それ故、本発明の装置は、製品を受け入れ、かつ精製装置に送り出すよう圧縮製品を製造するために、燃料処理装置の下流に圧縮装置を含む。精製装置を出る水素高濃度製品が、高圧タンク内などの貯蔵装置に蓄えられることが予定されているような幾つかの実施例において、水素高濃度製品の圧力を高めるために、第二の加圧装置が、精製装置と貯蔵装置の中間に、任意選択で配置されることができる。
【００２８】
水素含有ガスの混合物を、分離技術及び／又は貯蔵をうけるに先立って、圧縮するための圧縮装置が業界で知られている。このような圧縮技術のより詳細な説明は、ペリーの化学技術便覧、第４版（マグローヒル社、１９６３年）などの化学技術文献、並びに１９８７年９月１日交付されたＤｏｓｈｉの米国特許第４，６９０，６９５号、２００２年１２月３日交付されたＫｅｅｆｅｒらの米国特許第６，４８８，７４７号、２００３年９月１８日公告されたＭｉｔｌｉｔｓｋｙらの米国特許出願公報ＵＳ２００３／０１７５５６４Ａ１などの特許文献に見出すことができる。これらの記載を参考として本明細書に援用する。圧縮装置は、正確詳細に説明される必要はないが、適切な圧縮装置が、単独ステージで速度固定又は可変モーターにより駆動された一つの圧縮装置、又は多段圧縮装置で二つ以上の圧縮装置を含むことができることを理解すべきである。更に、適切な圧縮装置は、軸流式、遠心式、往復式、回転式圧縮機、及びそれらの組み合わせ含むことができる。好ましい実施形態では、圧縮装置は、約２５ｈｐ未満、好ましくは約２０ｈｐ未満、かつより好ましくは１５ｈｐ未満の電力定格を有する誘導モーター含む。圧縮装置が選択された速度で操作される圧縮機モーターを含む場合、好ましくは、精製装置は、圧縮機モーターの選択された速度に関係なく、複数の吸着層に向かう製品の流れを制御することが好ましい。
【００２９】
圧縮装置が流体にかけることができる圧力は、圧縮が必要とされる装置の圧力要件により左右されるであろう。圧力スイング吸着装置を含む精製装置の場合には、ＰＳＡに供給される製品流として必要な圧力は、約１ｐｓｉｇと約６００ｐｓｉｇの間で変動することができる。水素高濃度製品の貯蔵を容易にするために圧縮が必要である場合、水素高濃度製品の要求される圧力は、まさにゼロ超から１０，０００ｐｓｉｇ超まで変化してもよい。適切な圧縮装置の選択が、製品組成、製品の流速、圧力及び温度、下流装置の圧力要件などの因子、並びに圧縮装置の消費電力、保守性、コスト及び総合的効率などの因子に基づくであろうことを、当業者は理解するであろう。
【００３０】
精製装置が、圧力スイング吸着装置（「ＰＳＡ」）を含む実施形態においては、ＰＳＡ内の複数の吸着層に供給される製品流量、及び不純物が吸着層により製品流から吸着される吸着時間は、圧縮機の速度又は出力から独立した方法で制御される。より具体的には、精製装置が、吸着層に供給される材料流を制御するための回転式分配弁を備えた回転式ＰＳＡを含む場合、回転式分配弁は、圧縮装置の速度又は出力から独立して操作されることが好ましい。このような実施形態では、圧縮装置は、速度固定圧縮機を含むことができる。
【００３１】
また、圧縮装置が誘導モーターを含む実施形態において、圧縮装置は、モーターの速度を調節する手段を含むであろう。圧縮機モーターの速度は、水素発生装置の運転で起きる過渡的状態に応答して調節されるであろう。モーター速度の調節又は調整は、モーターに適用された電力を調整することにより、速度アップ又はダウンをランピング（ｒａｍｐｉｎｇ）することを含む。例えば、水素発生装置を始動する間に、圧縮機モーターに対する電力は、ゼロからフル電力にランプアップすることができ、好ましくは選択されたランプ（ｒａｍｐ）アップ時間の間に選択された速度でランプアップすることができる。停止の間も同様に、モーターに適用される電力は、選択されたランプダウン時間の間に、選択された速度でランプダウンされるであろう。また、水素発生装置が出力を下げる時のように、圧縮機の速度が中間的速度に維持される時、圧縮機モーターに適用された電力のある種の中間的調節が起きるかもしれないことが考えられる。このような手段を用いることにより、圧縮機モーターの速度は、圧縮装置に供給される製品流量を調整することができ、かつ圧縮機入口に真空の形成を防ぐことができる。
【００３２】
モーターの速度を調節する手段は、モーターに適用された電圧の線周波数を調整するために、可変周波数駆動装置（「ＶＦＤ」）を含む。誘導モーターの速度は、適用された電圧の周波数に比例するので、ＶＦＤによる線周波数の調整は、作動装置又は制御装置が誘導モーターの速度を調節及び調整することを可能にする。代わって、モーターの速度を調節する手段は、始動及び／又は停止時にモーターに伝達される電圧の実効値（「ＲＭＳ」）を調整するためにソフトスタート装置を含むことができる。誘導モーターに伝達される電圧のＲＭＳを調整するために適したソフトスタート装置は、調節可能なファイアリング角及び調節可能なランプタイマーを有する複数のスイッチを含むことができる。このスイッチは、トライアック、ダイオード、及びＳＣＲなどの固体ＡＣスイッチを含むことができる。このソフトスターターは、好ましくは、逆並列に接続された三対のＳＣＲスイッチを含む。スイッチのファイアリング角は、０℃から約１２０℃の範囲を超えて調節できるが、好ましくは、０℃と約７５℃の間の角度に調節される。選択されたファイアリング角は、ソフトスターターの始動電圧に相当するであろう、かつモーター内で回転開始に必要な最小トルクに基づいて選択できる。ランプタイマーは、ランプ時間が望ましい任意の時間となるように調節することができる。本明細書に記載したような燃料処理装置により発生させられた製品流に対して、ランプタイマーは、約１分未満、好ましくは約３０秒未満、より好ましくは約２０秒未満、なおより好ましくは約１０秒未満の時間をもつことができる。このソフトスタート装置は、その運転を制御するため、及びモーターに適用されるべき線間電圧のＲＭＳを調整するために局所制御部又は処理装置をもつことができる。適切なソフトスタート装置は、よく知られており、フランス、パリのシュナイダーエレクトリックＳＡなどの製造業者から発売されている。本発明の開発に用いられたソフトスタート装置は、ＳｑｕａｒｅＤ（登録商標）型式番号ＡＴＳ０１Ｎ２３２ＬＵであった。
【００３３】
また、本明細書で説明するように、水素発生装置から出た製品の流れは、定常運転時に圧力及び／又は流速に変動を示すことができる。したがって、本発明の装置は、製品の流れが下流装置に到達する前に、場合によっては、このような変動を減少又は消滅させる手段を含むことができる。本明細書で用いるように「、圧力及び／又は流速の変動を減少する」は、下流装置に向かう製品の圧力及び／又は流速の変動の大きさ又は数のいずれかの減少を言うことを意図している。更に、このような手段は、製品を圧縮装置に運ぶライン内の圧縮装置の入口に真空が形成されることを防ぐために用いることができる。
【００３４】
このような変動を減少させる手段は、水素発生装置と下流装置の中間に配置された緩衝装置を含むことができる。このような緩衝装置は、水素発生装置と下流装置の任意の局所中間に配置することができるが、好ましくは、その緩衝装置は、製品のより均一な流れが、圧縮装置の入口に供給されるように、圧縮装置の上流に配置される。下流装置に送出される、より均一な流れを放出する間に、水素発生装置から供給される製品の可変の流れを受け入れるために、このような緩衝装置が、十分な容積を有することを当業者は理解するであろう。更に、緩衝装置が圧縮装置から上流に配置される実施形態においては、始動、停止又は定常運転のいずれかの状態で、圧縮装置入口に真空が形成されることを防ぐためには、緩衝装置からの製品の流量が十分でなければならない。
【００３５】
また、圧力及び／又は流速の変動を減少する手段は、圧縮装置の入口に供給する補助流体の制御された流れを提供するための導管含むことができる。補助流体は、圧縮装置の出口から導かれた圧縮された製品流、精製装置から導かれた水素高濃度製品、又はそれらの混合物を含むことができる。この導管は、製品を水素発生装置から圧縮装置に運ぶライン内に、補助流体を向かわせる出口を有する。
【００３６】
導管入口の数及び位置は、補助流体の組成により決められる。補助流体が圧縮製品を含む場合には、導管は圧縮装置の下流に入口を有する。補助流体が水素高濃度製品を含む場合には、導管は精製装置から下流に入口を有する。このような実施形態において、精製装置は、この精製装置から水素高濃度製品を導くための第一の出口、及び水素低濃度（ｈｙｄｒｏｇｅｎ−ｄｅｐｌｅｔｅｄ）製品を導くための第二の出口を、任意選択で含むことができ、導管の入口は、精製装置の第一の出口と流体でつながっている。加えて、この導管は、補助流体の組成に応じて２個以上の入口をもつことができる。特に、本発明の装置が、圧縮装置の下流に配置された精製装置を備える場合、導管は、この導管に圧縮製品を導くために、圧縮装置と精製装置の中間に入口を設けることができ、かつ導管に水素高濃度製品を導くために、精製装置の下流に第二の入口を設けることができる。
【００３７】
ある実施形態では、導管は、全体的に補助流体の流れを制御するために、可変オープニング弁を備えることができる。本発明の装置が、水素発生装置から圧縮装置へ流れる流体を検知するための任意のセンサーを含む場合、センサーにより作り出された検知データに応答して、可変オープニング弁が作動することができる。より具体的には、圧縮装置に入る流体に関するデータを得るために、センサーは、圧縮装置から上流で、しかもその入口のすぐ近傍に配置することができる。好ましくは、このセンサーは、圧縮装置の入口で、製品の圧力及び／又は流速を検知するためのセンサーを含むであろう。ある実施形態では、検知データに応答して弁を操作するために、検知データが制御部に中継できるように、センサーは制御部に連絡しているであろう。説明として、圧縮装置の入口に入る製品の圧力及び／又は流速が、予め決められた水準より低いことを制御部が測定した場合、信号又は命令が弁駆動部に送られて弁を開き、かつ圧縮装置の入口に補助流体の流れを増加させる。これに反して、圧縮装置の入口における製品の圧力及び／又は流速が、予め決められた水準であるか、若しくはそれを超えると検知される場合、制御部は、弁を締め付けるか又は閉じるように弁駆動部に指令することができる。この環境で、弁の操作を制御するために制御部が利用する予め決められた水準は、製品の圧力及び／又は流速であり、これが圧縮装置に送るライン内に真空の形成を防ぐであろう。更に、このセンサーにより得られた、検知された圧力及び／又は流速のデータは、本明細書に記載したように、圧縮機モーターの速度を調節するための入力として用いることができる。
【００３８】
本発明の装置は、圧縮製品の少なくとも一部を受け入れ、かつ水素高濃度製品を製造するための精製装置を含むことができる下流装置を含む。製品ガス流から不純物を除くための、及び／又は製品ガス流に水素を濃縮させるための技術は、業界によく知られており、かつメタン化法、選択的酸化法、膜分離技術、温度スイング吸着法、及び圧力スイング吸着法を含むことができる。説明として、多くの精製法は、加圧下で、吸着材料のカラム若しくは層に及び／又は水素選択膜に、水素含有流を通過させることにより、選択的吸着法によって不純物から水素を分離する。選択的吸着は、水素を吸着し、かつ水素低濃度流を通過させる吸着剤、又は不純物を吸着し、かつ水素高濃度流を通過させる吸着剤により実施できる。いずれの場合にも、吸着材料が、圧力スイング、温度スイングなどの技術の一つ以上により再生可能であることが極めて好ましい。本発明の一実施形態では、精製は、製品流から不純物を選択的に吸着し、かつ水素高濃度製品を通過させる吸着材料を用いて実施できる。
【００３９】
精製装置は、複数の吸着層を含み、それぞれの層は、層を通して流動する製品から一種以上の不純物を除去することができる。吸着層は、吸着材料を収納するための容器を含むことができる。吸着材料は、凝集物、ペレット、粒子、及び／又はビーズの充填層、一体式構造体、並びに吸着材料でコートされた種々の担体、例えばコーテッドシートを含む種々の形態をとることができる。幾つかの実施形態では、吸着材料は、多層の異なる吸着材料及び／又は異なる吸着材料の混合物を含む充填層として提供される。別の実施形態では、吸着層は、コートされた一体型、又は層を通る流体の通路を提供するために形作られたその他の構造を含む。複数の層を有する精製装置用として適した吸着材料は、プロセス流から吸着されるべき、及び除去されるべき物質に左右されるであろう。例として、水蒸気、二酸化炭素、及び炭化水素の除去用として知られた吸着材料は、アルミナゲル、活性炭、シリカゲル、及びゼオライトを含むことができる。更に、低シリカＸゼオライト、及びカルシウム又はストロンチウム交換した菱弗石（ｃｈａｂａｚｉｔｅ）などのゼオライトが、一酸化炭素及び窒素の除去用として知られている。
【００４０】
用語「吸着期間」は、本明細書では、不純物除去の目的で、圧縮製品の流れが、吸着層を通って導かれる期間又は時間の長さを言うために用いられる。吸着期間から導かれる結論では、第一吸着層を通る製品の流れが中断され、かつこの流れが不純物除去及び水素高濃度製品の製造を続けるように第二吸着層に再び導かれ、一方で、第一吸着層の再生が可能になる。二つ以上の吸着層が吸着相で運転され、一方で、別の吸着層が種々の段階の再生を受けていることが考えられる。更に、適切な精製装置は、この装置に供給される製品の圧力及び／又は流速の変動を補償するように吸着時間を調整及び巧みに操作することができる吸着層を含むであろう。所望の純度を有する水素高濃度製品を達成する目的で、吸着期間を調整できる方法が、以下に追加して詳細に述べられる。
【００４１】
幾つかの実施形態では、精製装置は、圧力スイング吸着法（「ＰＳＡ」）を含む。適切なＰＳＡ装置は、１９８０年１２月９日交付されたＰｅｒｒｙの米国特許第４，２３８，２０４号、１９８７年９月１日交付されたＤｏｓｈｉの米国特許第４，６９０，６９５号、１９９３年１０月２６日交付されたＫａｉらの米国特許第５，２５６，１７４号、１９９５年７月２５日交付されたＡｎａｎｄらの米国特許第５，４３５，８３６号、１９９７年９月２３日交付されたＣｏｕｃｈｅの米国特許第５，６６９，９６０号、１９９８年５月１９日交付されたＳｉｒｃａｒらの米国特許第５，７５３，０１０号、２００２年１０月２９日交付されたＨｉｌｌの米国特許第６，４７１，７４４号に記載されたような、プロセス流から水素を分離するための業界で知られた装置を含む。これらの記載は、参考文献として本明細書に援用する。幾つかの実施形態において、精製装置は、小型で経済的なＰＳＡを含むであろう。適切な小型で経済的なＰＳＡは、２０００年５月１６日交付されたＫｅｅｆｅｒらの米国特許第６，０６３，１６１号、及び２００２年６月１８日交付されたＣｏｎｎｏｒらの米国特許第６，４０６，５２３号に記載されたような回転式ＰＳＡを含むことができる。これらの記載は、参考文献として本明細書に援用する。回転要素を含む小型で経済的なＰＳＡは、Ｑｕｅｓｔａｉｒ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社、バーナビー、カナダから市場で入手できる。Ｑｕｅｓｔａｉｒ社の回転式ＰＳＡ、型式シリーズ番号Ｈ３２００が、本発明の開発で用いられた。
【００４２】
精製装置は、以下に記載された検知された製品データに応答して少なくとも部分的に、複数ある吸着層の一つ以上に供給される製品の流れを選択的に制御できる弁アッセンブリーを含むことができる。弁アッセンブリーは、吸着層に供給される材料の流れを制御するために、開かれ及び閉じられる固定式又は可変式オープニング部を有する単一の又は多数の弁を含むことができる。弁アッセンブリーは、どの吸着層が製品流を受け入れるかを制御することにより、及び異なる材料が吸着層を通って導かれる順序を制御することにより、吸着層に供給される製品の流れ全体を選択的に制御することができる。このように、弁アッセンブリーの構成は、各吸着層の吸着及び再生相の両方にわたって制御する。吸着層内の吸着材料の性質に応じて、再生に対する制御は、圧力及び／又は温度スイング法を推進し、層を通して種々の材料を導くことなどを含むことができる。
【００４３】
精製装置が回転式ＰＳＡを含む場合、弁アッセンブリーが、分配弁を含むことが好ましく、その際、分配弁と複数の吸着層の間で回転が行われ、複数の層を吸着‐再生のサイクルを通して循環させる。このような分配弁は、１９９０年５月１５日交付されたＲａｂｅｎａｕらの米国特許第４，９２５，４６４号、１９９７年１月１４日交付されたＨｉｌｌらの米国特許第５，５９３，４７８号、１９９８年９月１５日交付されたＬｅｍｃｏｆｆらの米国特許第５，８０７，４２３号、２０００年５月２日交付されたＫｅｅｆｅｒらの米国特許第６，０５６，８０４号、２００２年４月１６日交付されたＴａｋｅｍａｓａらの米国特許第６，３７２，０２６Ｂ１号、２００２年９月１７日交付されたＫｅｅｆｅｒらの米国特許第６，４５１，０９５号、及び２００４年３月３０日交付されたＨｉｌｌらの米国特許第６，７１２，０８７号に述べられている。これらの記載を参考文献として本明細書に援用する。弁アッセンブリーと吸着層の間の回転は、変速モーターにより行われることが好ましい。弁アッセンブリーは、複数の層の各相に対する運転の順序を制御するが、変速モーターは、これらの各々の運転の長さ、及び運転が変化する周波数を制御する。例えば、このようなモーターの速度を調整することにより、複数の層に対する吸着期間の増大、又は減少が可能になる。更に、回転速度の変化は、製品の流れが第一吸着層から第二吸着層に切り替えられる周波数を変更する。
【００４４】
本発明の装置は、水素高濃度製品及び／又は水素低濃度製品を検知することができ、並びにそれらから感知された製品データを発生することができる精製装置から下流に配置された製品センサーを任意に含むことができる。製品センサーにより発生させられた検知された製品データは、精製装置に中継され又は伝達される。精製装置内の弁アッセンブリーは、検知された製品データに応答して複数の吸着層に供給される製品の流れを制御する。好ましくは、製品センサーは、製品又は排出組成物の変化を迅速に検知し、かつ補償作用をとることができるように、精製装置の下流、かつ出口のすぐ近傍に配置される。水素高濃度製品を受け入れ、かつ貯蔵するために、精製装置の下流に、任意選択の貯蔵装置が配置される場合、製品センサーは、規格外の製品を検知しコースを変更できるように、貯蔵装置から上流に配置される。
【００４５】
検知された製品データは、温度、圧力、密度、流速、及び／又は組成上のデータを含むことができる。製品センサーは、ガスセンサーを含むことが好ましい。選択されるセンサーのタイプは、製品の流れを制御するために用いられるべきデータの性質により決められる。適切なセンサーは、温度、圧力、密度、流速、及び／又は組成上のデータを検知し、かつ中継することができるセンサーを含むことができる。幾つかの実施形態では、製品センサーは、水素高濃度製品、及び／又は水素低濃度製品内の成分の濃度を測定するための組成型センサーを含むことができる。例えば、一酸化炭素、二酸化炭素、炭化水素、水、硫黄含有化合物、及び窒素含有化合物の存在又は濃度を検知するために適したセンサーは、市場から入手できる。製品センサーが、組成上のデータを検知するためのセンサーを含む実施形態において、このセンサーは、水素高濃度製品、及び／又は水素低濃度製品中の遊離酸素濃度の検知には、むしろ適してない。
【００４６】
水素高濃度製品中の水素濃度に関するデータが必要となる実施形態では、センサーは、水素濃度を検知できるセンサー、又はより好ましくは、水素濃度が測定可能であるデータを検知できる一つ以上のセンサー含むことができる。燃料電池に供給される改質油流の水素濃度を間接的に測定する方法及び装置の記述は、２００４年８月３日交付されたＮｅｌｓｏｎらの米国特許第６，７７０，３９１Ｂ２号に見出すことができる。この開示は、参考文献として本明細書に援用する。精製装置に存在する水素高濃度製品中の水素濃度は、約９９．９６％超、好ましくは約９９．９７％超、より好ましくは約９９．９８容量％超でなければならない。精製装置に中継された検知された製品データが、水素濃度が減少していることを指摘する場合には、精製装置は、製品の流れが一つの吸着層から次の吸着層に向けられる周波数を増大することができる。より具体的には、精製装置が変速モーターを備えた回転式ＰＳＡ装置である場合、変速モーターの速度を高めて、吸着時間を短縮することができる。同様に、検知された製品データが、水素高濃度製品の圧力及び／又は流速が増していることを指摘する場合には、変速モーターの速度を高めて、吸着時間を短縮し、かつ水素高濃度製品の所望する水素濃度を維持することができる。
【００４７】
上で指摘したように、本発明の装置は、装置の構成部品の一つ以上の運転を計測管理し、かつ制御するための制御装置を任意選択で含むことができる。特に、この装置が、圧縮装置に向かって流れる製品の圧力、及び／又は流速を検知するためのセンサーを含む場合、制御装置は、検知した圧力、及び／又は流速に応答して、圧縮機モーターの速度を調節するための手段を制御することができる。また、このような実施形態が、圧縮装置の入口に補助流体の制御された流れを供給するための導管を含む場合、制御装置は、検知された圧力、及び／又は流速に応答して、導管を通る補助流体の流れを制御することができる。
【００４８】
また、幾つかの実施形態では、制御装置は、与えられた圧力で精製装置の吸着時間を、製造されるべき水素高濃度製品の組成及び流れと相互に関係付ける手段を含むことができる。このような手段は、精製装置の操作上の設定値、即ち所定の水素高濃度製品を製造するための種々の圧力で、吸着期間又はその他の循環時間を決めることができる精製装置のプロセスモデルを含むことができる。代替の実施形態では、このような手段は、制御装置がアクセスするための一組の蓄えられた関連データを、好ましくは表の形で含むことができる。用いる手段に関係なく、この手段は、種々の圧力で精製装置の運転を設定又は調整するために制御装置に指示を与え、選択された組成及び流速を有する水素高濃度製品を製造であろう。精製装置が、可変モーターを備えた回転式ＰＳＡである場合、関係付ける手段は、参照表を含むことができ、その際に、種々の圧力における水素高濃度製品の組成及び流速が、所望の水素高濃度製品組成を生成する種々のモーター速度と関係付けられる。制御装置は、所定の圧力で水素高濃度製品の検知された変化を調整又は実行するために、このような参照表を利用することができる。
【００４９】
幾つかの実施形態では、制御装置は、手動操作下に置かれていない装置の運転の各ファセット（ｆａｃｅｔ）を制御するために、単一データ処理システム（ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ  ｓｙｓｔｅｍ）について実施される。他の実施形態では、制御装置は、多くのデータ処理システム、本発明の装置を運転するある種の設計されたファセットを制御する各システムを含むことができる。この制御装置は、ラック支持されてもよく、又はデスクトップパソコン、ワークステーション、ノートブック又はラップトップコンピュータ、組込形プロセッサーなどとして実行されてもよい。実際に、任意の定められた処理系のこの面は、本発明の実施にとって重要ではない。
【００５０】
好ましくは、データ処理システムは、バス方式に関する記憶装置につながるプロセッサーを含む。この記憶装置は、ハードディスク、及び／又はランダムアクセスメモリ（「ＲＡＭ」）、及び／又はフロッピー（登録商標）磁気ディスク及び／又は光ディスクなどの可換型記憶装置を含む。この記憶装置は、習得したデータを記憶するためのデータ構造、オペレーティングシステム、ユーザーインターフェースソフフトウエア、及びアプリケーションによりエンコードされる。このユーザーインターフェースソフトウエアは、ディスプレーとともに、ユーザーインターフェースを実行する。ユーザーインターフェースは、キーパッド又はキーボード、マウス、又はジョイスティックなどの周辺Ｉ／Ｏ機器を含むことができる。このプロセッサーは、オペレーティングシステムの制御下で実行し、このシステムは実際に業界に知られた任意のオペレーティングシステムであることができる。アプリケーションは、オペレーティングシステムの実行に応じて、パワーアップ、リセット、又はその両方の時に、オペレーティングシステムにより起動される。
【００５１】
ソフトウエアーが実施する本発明の断面は、典型的には、ある種の形のプログラム記憶媒体上にエンコードされるか、又はある種の伝送媒体上で実施される。伝送媒体は、撚対線、同軸ケーブル、光ファイバー、又は業界に知られたある種の別の適切な伝送媒体であることができる。本明細書の詳細な説明のある程度の部分は、データ処理システムの記憶装置内のビットデータに関するオペレーションのシンボリック表現を含むソフトウエアー実行プロセスの項で提供される。これらの説明及び表現は、当業者の業務の本質を同業他者に最も効果的に伝達するために、当業者が用いる手段である。このプロセス及びオペレーションは、物理量の物理的操作を必要とする。必ずしもそうとは言えないが、一般的に、これらの物理量は、記憶、転送、組み合わせ、比較、及びその他の方法で巧みに操作できる電気、磁気、又は光信号の形態をとる。これらの信号をビット、バリュー、データ、エレメント、シンボル、命令、キャラクター、ターム、ナンバーなどと呼ぶことは、基本的に共用の理由から、便利であると証明される。しかし、これらの全ての及び同様な用語が、適切な物理量と関係していること、及びこれらの量に適用された単なる便宜上の標識に過ぎないことが留意されなければならない。更に、ある種の電子装置の記憶装置内の物理（電子的、磁気的、又は光的）量として表現されたデータを巧みに操作しかつ物理量として同様に表現された別のデータに変換する電子装置の操作及び方法は、処理（ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）、データ処理（ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ）、計算（ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ）、比較（ｃｏｍｐａｒｉｎｇ）、測定（ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇ）、表示（ｄｉｓｐｌａｙｉｎｇ）などの用語で説明されている。
【００５２】
本発明の装置が精製装置を含む場合、本発明の装置は、精製装置から供給される水素高濃度製品の流れの制御に用いる製品弁を任意選択で含むことができる。ある種の実施形態では、製品弁は、可変オープニング弁を含む。製品弁は、製品センサーが発生した検知された製品データに応じて、部分的に操作されてもよい。本発明の装置が、検知された製品データを受け入れることができる制御装置を含む場合、この制御装置は、検知された製品データに応答して製品弁を操作することができる。水素高濃度製品の変化を迅速に検知して、水素高濃度製品の組成を維持するために補償作用を実施できるように、製品弁が、製品センサーの下流に配置されることが好ましい。加えて、水素高濃度製品を貯蔵するために、任意選択の貯蔵装置、例えばタンクが、精製装置の下流に配置される場合、規格外製品を検出して、それがタンクに受け入れられる前にコースを変更できるように、製品弁はタンクから上流に配置される。また、精製装置内でより安定した圧力を維持するために、精製装置から供給される水素高濃度製品の流れの制御を行ない、精製装置内に背圧を生じさせることができる。更に、このような制御は、水素高濃度製品の組成を維持するために、精製装置を通る製品の流速の追加的制御を行うことができる。
【００５３】
また、本発明の下流の装置は、水素高濃度製品を貯蔵するための貯蔵装置、及び／又は選択された特定の貯蔵装置の圧力要件に応じて貯蔵するために、圧縮された水素高濃度製品の流れを製造する第二圧縮装置を含むことができる。更に、第二圧縮装置の入口に圧縮された水素高濃度製品の制御された流れを供給することができる第二導管が含まれてもよい。好ましくは、第二導管は、第二圧縮装置と貯蔵装置の中間に配置された入口、導管を通る圧縮された水素高濃度製品の流れを制御する弁、及び精製装置の出口と第二圧縮装置への入口の中間に配置された出口を有する。
【００５４】
本発明の装置用に適した貯蔵装置は、当業界に知られた水素貯蔵装置から選択することができる。好ましくは、水素貯蔵装置は、加圧ガス、液化ガス、又は固体を含む（しかし、これに限定されない）所望の形態で水素高濃度製品を含有するために適した貯蔵容器又はタンクを含むであろう。適切な貯蔵容器は、可搬式、組立式、適所に取り付けられた又は固定されたスキッド（ｓｋｉｄ）であることができる。更に、選択された貯蔵装置が十分な貯蔵能力をもち、貯蔵された製品を選択された速度で、燃料処理装置が作動していない期間、及び／又は燃料処理装置により製造された製品の容量が要求を満たすために補充されなければならない時、最高の要求の期間に、貯蔵された製品を出口に送出することを可能にすることが好ましい。
【００５５】
水素貯蔵装置は、圧縮された製品を貯蔵するための圧縮装置と液体でつながるように接続できる高圧容器を含むことができる。また、適切な貯蔵装置は、水素を可逆的に固定できる水素固定材料を利用することができる。この水素固定材料は、水素貯蔵では知られており、活性炭、炭素複合物、フラーレン系材料、金属水素化物、チタン、バナジン、クロム及びマンガンの合金で付加的元素を含む又は含まない合金、水素吸収性磁性材料、又は元素周期律表の第二及び第三列から選ばれた軽質元素から形成されたナノ構造物を含むことができる。圧縮された水素を貯蔵するための水素固定材料を含む容器の例は、１９８６年７月８日交付されたＷｅｓｓｅｌの米国特許第４，５９８，８３６号、及び２００２年８月１３日交付されたＫｌｏｓらの米国特許第６，４３２，１７６Ｂ１に開示されている。この開示を参考文献として本明細書に援用する。他の実施形態において、貯蔵装置は、極低温冷却又はその他の液化技術により水素高濃度製品を液化製品に転化することができる液化装置を含むことができる。
【００５６】
本発明の装置は、本発明の装置内の種々の位置において、流体の温度、組成、密度、圧力及び／又は流速を検知するために、装置全体にわたり配置された一つ以上のセンサーを任意選択で含むことができる。温度及び圧力などの検知されたデータが、２００３年９月１６日交付されたＣｏｈｅｎらの米国特許第６，６１９，３３６号に記載された方法などの手段を用いて製品密度などのその他の液体条件を計算するために使用できることを、当業者は理解するであろう。加えて、２００４年８月３日交付されたＮｅｌｓｏｎらの米国特許第６，７７０，３９１Ｂ２号に記載されたように、検知された組成に関する情報が、製品の水素濃度の評価を含む種々の目的のために用いることができる。本発明の装置及び温度、組成、圧力及び流速の流体条件を検知し、かつ監視するためのセンサーが、知られており、市場から入手できる。
【００５７】
本発明の製造法の観点で、水素製造方法が提供される。この方法は、水素発生装置で水素を含む製品を製造することを含む。好ましい実施形態では、水素発生装置は、燃料処理装置を含む。この製品は、誘導モーターを備えた圧縮装置内で圧縮されて、下流の装置に送出するための圧縮された製品を製造する。モーターの速度は、水素発生装置の過渡的運転に応答して調節される。
【００５８】
誘導モーターの速度は、このような過渡的運転時に、モーターに適用された電力をランプアップ又はダウンさせることにより水素発生装置の過渡的運転に応答して調節される。特に、「過渡的運転」は、始動及び停止の連発をいうことを意図している。しかし、緊急停止期間、又は水素発生装置が減量運転される、又は減量運転期間から水素発生に戻される時、圧縮機モーターのランピングが必要になるかもしれないと考えられる。このような過渡的状態にある間に、モーターの速度の調整に失敗することは、圧縮機の入口で真空を形成する結果を生む恐れがある。
このモーターの速度は、可変周波数駆動装置を用いて、モーターに適用されるべき電力の線周波数を調整することにより、又は本発明に記載したようにソフトスタート装置を用いて、始動及び／又は停止時に適用される電圧のＲＭＳを調整することにより調節することができる。より具体的には、モーターの速度は、調整可能なファイアリング角、及び調整可能なランプタイマーを含む複数のスイッチを有するソフトスタート装置を用いて調節できる。したがって、このような方法は、ファイアリング角を０°と約１２０°の間の角度、好ましくは０°と約７５°の間の角度に調整することを更に含むことができる。若し、存在するならば、調整可能なランプタイマーは、約１分未満、好ましくは約３０秒未満、より好ましくは約２０秒未満、更により好ましくは約１０秒未満の時間になるように調節することができる。
【００５９】
水素発生装置により製造した製品は、組成、圧力、及び／又は流速に変動をもつことができ、またこの方法はこれらの変動を減少させることを含むことができる。このような変動は、燃料処理装置により製造された製品を緩衝することにより減少又は減衰させることができる。代わって、圧力及び／又は流速の変動は、圧縮装置の入口に補助流体の制御された流れを供給することにより、減少させることができる。このような方法は、検知された圧力及び／又は流速に応答して、製品を圧縮しかつ補助流体の流速を制御する前に、製品の圧力及び／又は流速を検知することを任意選択で含むことができる。更に、圧縮機モーターの速度は、選択された時間に基づいてモーター速度をランピングするよりはむしろ、検知された圧力及び／又は流速に応答して調節が可能である。この製品は、定速又は変速圧縮機で圧縮することができる。この方法が、選択された速度で運転された圧縮機内で製品を圧縮することを含む場合、圧縮機の速度に関係なく、吸着時間が設定又は調整されることが好ましい。
【００６０】
水素高濃度製品を製造するために、精製装置中の製品から不純物を除くことができる。好ましくは、選択的吸着法により製品から不純物が除去される。したがって、この方法は、製品から不純物を除去して、水素高濃度製品を製造するために、吸着期間の間、複数の吸着層の一つ以上に製品の流れを導くステップ含むことができる。使用する場合、第一吸着層を通る製品の流れが、遮断されかつ第二吸着層を通って再度導かれて、不純物の除去及び水素高濃度製品の生産を継続できるように、精製装置が複数の吸着層を備えることが好ましい。更に、第一吸着層を通る製品の流れの遮断及びその再導入は、第一吸着層の再生を可能にする。再生は、層及び層中の吸着材料の減圧、パージング、加熱、冷却及び再加圧の一つ以上を含むことができる。吸着層の再生は、吸着された不純物の放出を容易にして、排ガスの流れ又は予め吸着した不純物を含む水素低濃度製品の流れを作り出す。それ故、本発明の方法は、複数の吸着層の少なくとも一つを再生して水素低濃度製品を製造することを任意選択で含むことができ、一方で、製品の流れが、その他の層の一つ以上に導かれる。
【００６１】
精製装置がＰＳＡを含む実施形態では、ＰＳＡ装置内の製品の流れから不純物を除去する効果は、ＰＳＡの設計及び材料、製品の流速及び組成、並びにＰＳＡ内の圧力に依存する。適切なＰＳＡの設計及び材料は、上に詳細に述べている。典型的には、燃料処理装置からＰＳＡ装置の吸収層への製品の流れは、約１５０ｓｌｐｍと約３７０ｓｌｐｍの間であり、その際、標準単位は１気圧で２５℃を表す。この製品の組成は、様々であってもよいが、典型的には１％未満のＣＯ、２％未満のＣＨ４、１５％超のＣＯ２、４０％超のＨ２を含むであろう。ＰＳＡ装置内の圧力は、約７０ｐｓｉｇと約３５０ｐｓｉｇの間であるべきであり、好ましくは約２００ｐｓｉｇ未満である。更に、ＰＳＡ装置が、製品から不純物を除去する間に、ＰＳＡ装置内の圧力が、固定されているか又は安定であることが好ましい。ＰＳＡ装置が適切に調整される場合、少なくとも約９９．９０容量％の水素濃度を有する水素高濃度製品が、約４０ｓｌｐｍと約１２０ｓｌｐｍの間の速度で製造することができる。
【００６２】
水素高濃度製品又は水素低濃度製品は、任意選択で検知されて、検知された製品データを発生することができる。水素高濃度製品組成中の変化の検知データ指標が検出され、かつ補償操作を迅速にとることができるように、水素高濃度製品又は水素低濃度製品は、精製装置の近傍下流で検知される。検知された製品データは、温度、圧力、密度、流速、及び／又は組成データを含むことができる。
【００６３】
吸着期間は、検知された製品データに応答して調整可能である。精製装置が、複数の吸着層、弁アッセンブリー、複数の吸着層と弁アッセンブリーの間に回転を作り出すことができる変速モーターを含む圧力スイング吸着装置を含む場合、変速モーターの速度を調整することにより、この吸着期間を調整することができる。所望の純度及び流量を有する水素製品を製造するためのモーター速度は、設計仕様である。Ｑｕｅｓｔａｉｒ  Ｈ３２００系型式ＰＳＡの場合、変速モーターの速度は、上記の組成及び流速を達成するために、約３から約１１ｒｐｍの間の範囲内で選択され、調整されることが好ましい。精製装置のプロセスモデル又は参照表の関連データは、吸着期間を調整し、かつそれにより精製装置の運転を調整するために用いることができる。例として、水素高濃度製品中の水素濃度が測定され、又は減少していると測定される場合、製品の流れが一つの層から次の層へ向けられる周波数を増大するために、変速モーターの速度を増加することができる。このような方法で周波数を増加させることにより、製品の流れが吸着層の一つ以上を通って流れる吸着期間が短縮される。任意選択の、しかも好ましい実施形態では、吸着期間は、圧縮機の速度に関係なく調整される。
【００６４】
本発明の方法は、検知された製品データに応答して、少なくとも一部で、精製装置からの水素高濃度製品の流れを制御することを場合により含むことができる。精製装置からの水素高濃度製品の流れは、可変オープニング製品弁により制御することができる。この弁は、上記のように、製品センサーから又は任意の制御装置から、検知された製品データを直接受け入れることにより制御することができる。
【００６５】
本発明の方法は、貯蔵装置に水素高濃度製品を貯蔵することを任意選択で含むことができる。水素高濃度製品が、製品に高められた圧力であることを要求する貯蔵装置に貯蔵されるべきである場合、精製装置からの水素高濃度製品の流れが、上記の圧縮装置と同様の第二圧縮装置で圧縮されてもよい。
【００６６】
（図面の詳細な説明）
図１で説明するように、本発明の装置１００は、供給路１０２をもつ水素発生装置１１０を含む。水素発生装置の特性は、供給材料の数量及び性質を制御するであろう。例えば、水素発生装置１１０が電解装置を含む場合、供給路１０２は、水供給源、電力供給源、及びそれを電解装置に送出するための適切な導管との接続点を含む必要があるであろう。水素発生装置１１０が、酸化器及び改質器を有する燃料処理装置を含む場合、供給路１０２は、実施される燃料処理反応の特性に応じて、燃料、酸化剤、及び場合により水又は水蒸気などの反応体を送出するための導管を含むであろう。水素発生装置１１０の特性に関係なく、供給原料は、水素及び一種以上の不純物を含む製品に転化される。水素発生装置１１０により製造された製品は、過渡的運転及び定常運転の間に、圧力、流速及び／又は組成に変動をきたす可能性がある。
【００６７】
製品の流れは、ライン１１２を経由して、水素発生装置１１０から圧縮装置１３０へ導かれる。製品の圧力及び／又は流速の変動を減少させるために、手段１２０は、圧縮装置と水素発生装置の中間に設けられる。説明されたように、手段１２０は、製品の変化する流れを受け入れ、かつより均一な圧力、流速及び組成を有する圧縮装置に製品の流れを供給することを可能にする十分な能力をもつ緩衝装置である。圧縮装置１３０は、圧縮装置を駆動し、かつライン１３２を経て精製装置１４０に送出される圧縮された製品の流れを作り出すための、誘導モーターである、圧縮機モーター１３５を含む。圧縮装置は、圧縮機モーターの速度を調節するために線周波数を調整する可変周波数駆動装置１９０を更に有する。可変周波数駆動装置１９０は、電源（図示しない）から線間電圧１９１を受け入れ、電圧の周波数を調整し、かつ調整された周波数の電圧を、ライン１９２を経て、圧縮装置に導く。
【００６８】
精製装置１４０は、選択的吸着法を用いて、不純物を優先的に吸着する吸着材料の層を通して圧縮された製品を導くことにより製品から不純物を除去し、かつ水素濃度に富んだ製品を層から流出させる。図１で説明するように、精製装置１４０は、複数の吸着層１５０及び弁アッセンブリー１４５を備えた圧力スイング吸着装置である。複数の吸着層１５０のそれぞれに対する材料の流れは、弁アッセンブリー１４５により制御される。精製装置は、弁アッセンブリー１４５と吸収層１５０の間に回転を作り出すための変速モーター１４１を更に含む。弁アッセンブリー１４５の構成、及び変速モーター１４１の速度は、吸着層の使用する相を決め、かつ層が吸着と再生の循環を通して進行する速度を決める。このような循環の間に、吸着層は、製品の流れ、パージガスの流れを受け入れることができ、その他の可能な操作の中でも、減圧、真空、加熱、冷却及び／又は再加圧することができる。加圧、パージガスなどの源及びシンク並びに弁アッセンブリー１４５に関する詳細は、本発明を混乱させないように、図１で説明されない。
【００６９】
始動時に、圧縮機モーター１３５が先ず付勢されて製品の圧縮を開始する場合、可変周波数駆動装置１９０が圧縮機モーターに適用された線周波数を調整して、モーターの始動速度を調節する。このように、モーターを短時間に全出力にランプアップすることができるように、圧縮機モーターの速度が調節される。同様に、停止時及びその他の過渡状態の時に、線周波数を調整して圧縮機モーター１３５の速度を調節するために、可変周波数駆動装置を用いることができる。
【００７０】
圧縮された製品は、精製装置１４０に導かれ、ここで製品は、吸着期間に吸着層１５０の一つ以上を通って導かれる。吸着期間の長さは、弁アッセンブリー１４５の構成及びモーター１４１の速度により決まる。吸着期間中、製品の流れ内にある不純物が吸着層内で除去されて、水素高濃度製品の流れを生成し、この製品流はライン１４２を通って精製装置外に導かれる。本明細書に指摘したように、水素高濃度製品の純度は、吸着材料の種類、層の構成及び配置、製品の組成及び流速、並びに圧力及び温度条件を含む多くの因子に依存する。特定の層及び吸着材料にとっては、吸着期間の長さは、水素高濃度製品の純度に直接関係するものであり、かつ水素高濃度製品の組成を操作するために、又は水素発生装置１１０により製造された製品の圧力及び／又は流速の変動を補償するために調節することができる。
【００７１】
製品センサー１６０は、ライン１４２を通って流れる水素高濃度製品を検知するために、かつ検知された製品データを発生させるために、精製装置１４０の下流に配置される。検知された製品データは、水素高濃度製品に関する組成の情報を含むことができる。破線Ａで示されるように、検知された製品データは、変速モーター１４１に中継又は伝達される。このモーターは、検知された製品データに応答して、少なくとも部分的に運転される。水素高濃度製品の組成の検知された変化に応答してモーター１４１の速度を調整することにより、水素高濃度製品の純度に悪影響を与える恐れがある製品組成、流速、圧力、及びその他の因子の変化を補償するために、吸着期間を調整することができる。更に、このような検知されたデータは、規格外水素高濃度製品が貯蔵装置又はエンドユーザーに送出される前に、ライン１４２からこの規格外製品のコースを変更するために用いることができる。
【００７２】
吸着層１５０の一つ以上が再生される時、水素低濃度製品が製造される。図１に説明されるように、水素低濃度製品はライン１４３を通って精製装置の外へ導かれる。ライン１４３は、このライン１４３を通って流れる水素低濃度製品を検知するための製品センサー１６１を備えている。破線Ａ’により指摘されるように、検知された製品データは、変速モーター１４１に中継又は伝達される。このモーターは、検知された製品データに応答して、少なくとも部分的に運転される。
【００７３】
図２は、酸化器２１３及び改質器２１１を有する燃料処理装置２１０を含む、本発明の実施形態２００を説明する。供給路２０２は、燃料処理装置２１０において改質するために燃料、酸化剤及び水を送出する。燃料処理装置２１０で製造された製品は、ライン２１２を経由して緩衝装置２２０に導かれ、次に、ライン２２２を経由して圧縮装置２３０に導かれる。製品の流れは、精製装置２４０に導かれる前に、誘導モーターである圧縮機モーター２３５を備えた圧縮装置２３０内で圧縮される。圧縮装置２３０は、特に始動及び停止時に、モーターの速度を調節するために圧縮モーター２３５に送出される電圧２９１のＲＭＳを調整するためのソフトスタート装置２９０を備えている。スタート装置２９０の詳細な説明は、図５Ａに関係して以下に提供される。
【００７４】
精製装置２４０は、図１で説明した精製装置に類似しており、複数の吸収層２５０、弁アッセンブリー２４５、及び吸収層と弁アッセンブリーの間に回転を作り出すための変速モーター２４１を備えている。製品センサー２６０は、ライン２４２を通って精製装置から流出する水素高濃度製品を検知するために、精製装置の下流に配置される。製品センサー２６１は、ライン２４３を通って精製装置から流出する水素低濃度製品を検知するために、精製装置の下流に配置される。検知された製品データは、制御装置（図示せず）に中継され、制御装置は、変速モーター２４１の速度が調整を必要としているか否かを測定し、必要である場合には、調整することを決定し、かつモーター２４１に適切な指令を伝達する。
【００７５】
図３で説明する実施形態３００は、燃料処理装置３１０、圧縮装置３３０、精製装置３４０、第二圧縮装置３７０、及びタンク３８０を備えている。図示したように、供給路３０２は、燃料処理装置３１０で改質を行うために、燃料、酸化剤及び水を送り込む。燃料処理装置３１０は、燃料及び酸化剤が予熱され、水が蒸気に変換される酸化器３１３を含む。また、燃料処理装置は、予熱された反応体が水素及び一種以上の不純物を含む製品に転化される、改質反応器３１１を含む。
【００７６】
本明細書で説明するように、燃料処理装置３１０からの製品の流れは、組成、圧力、及び／又は流速について、ばらつき又は変動を有することがある。これらの変動を減少させるために、入口３２１及び可変オープニング弁３２３を有する導管３２０が、圧縮された製品の制御された流れをライン３１２に導く狙いで設けられる。ライン３１２中の圧力及び／又は製品の流速を検知するために、センサー３２５が、圧縮装置３３０の上流に設けられる。センサー３２５から検知された圧力及び／又は流速データは、破線Ｅで示されるように、弁の位置を制御するために可変オープニング弁３２３に直接中継することができる。代替の実施形態において、センサー３２５により発せられたデータは操作弁３２３用に制御装置（図示せず）に中継することができる。導管３２０を経由してライン３１２に供給される圧縮された製品の流れは、圧縮装置に送出される製品の圧力及び／又は流速の変動を減衰する役割を果たし、かつライン３１２内に、雰囲気のガスを引き込み製品と混合する恐れがある真空の形成を防止する。
【００７７】
燃料処理装置３１０で製造された製品は、ライン３１２を経由して圧縮装置３３０に導かれる。圧縮装置は、この製品を受け入れ、かつライン３３２を通って精製装置３４０に向かわせる圧縮製品の流れを製造する。圧縮装置３３０は、誘導モーターである圧縮機モーター３３５、及びソフトスタート装置３９０を備えている。ソフトスタート装置３９０は、特に始動及び停止時に、モーター速度を調節するために圧縮機モーター３３５に送り込まれる電圧３９１のＲＭＳを調整する。センサー３２５から得られた検知された圧力及び／又は流速データは、圧縮機モーター３３５の速度を制御するために、ソフトスタート装置３９０に中継することができる。
【００７８】
精製装置３４０は、複数の吸収層３５０、弁アッセンブリー３４５、及び吸収層と弁アッセンブリーの間に回転を作り出すための変速モーター３４１を備えている。精製装置３４０の運転は、図１及び図２で説明した精製装置の運転に類似している。製品センサー３６０は、ライン３４２を通り精製装置から流出する水素高濃度製品を検知するために、精製装置の下流に配置される。製品センサー３６１は、ライン３４３を通り精製装置から流出する水素低濃度製品を検知するために、精製装置の下流に配置される。検知された製品データは、製品センサー３６０及び３６１から制御装置（図示せず）に中継される。少なくとも部分的に検知された製品データに基づいて、制御装置は、変速モーター３４１の速度が調整を必要としているか否かを測定し、必要である場合には、調整することを決定し、かつモーター３４１に適切な指令を伝達する。
【００７９】
製品弁３６５が、規格外製品が貯蔵装置３８０に向かわないように、規格外製品のコースを変更するために、製品センサー３６０の下流に設けられる。精製装置から水素高濃度製品を受け入れ、かつ圧縮された水素高濃度製品を製造して、タンク３８０に貯蔵するために、第二圧縮装置３７０が、精製装置と貯蔵装置の中間に配置される。
【００８０】
図４は、燃料処理操作における種々のプロセスのステップを説明するブロック図である。図４に示されたステップは、上で詳細に説明したので、ここでは繰り返さない。
【００８１】
図５Ａは、図２のソフトスタート装置２９０及び圧縮機モーター２３５を示す略図である。示されたように、ソフトスタート装置は、調整可能なファイアリング角５１１〜５１６を有する複数のスイッチ５０１〜５０３を含む。加えて、圧縮機モーター２９５のランプアップ又はダウンの時間を制御するために、調整可能なランプタイマー５２０が備えられる。見出し文字Ａ、Ｂ及びＣは、それぞれスイッチ５０１〜５０３に向かう線間電圧２９１の３つの相を表す。
【００８２】
図５Ｂは、圧縮機モーターのシミュレートされた始動から得られた圧縮機吸引圧力を、時間の関数として説明するグラフである。圧縮機の入口における圧力は、第一の例ではソフトスタート装置を用いて圧縮機モーターの速度を調節する間に測定され、第二の例では圧縮機モーターの速度を調節することなく測定された。圧縮機モーターの速度を調節する間に観察されたシミュレートされた圧力は、ライン５５０と参照付記され、一方、圧縮機モーターの速度を調節することなく観察されたシミュレートされた圧力は、ライン５６０と参照付記される。示されたように、ソフトスタート装置を用いて、圧縮機モーターの速度が調節された時、圧縮機の入口における負の圧力が回避された。圧縮機モーターの速度が始動時に調節されなかった時、製品の十分な流れが確立される迄は、−０．８０単位に近い負の圧力が観察された。
【００８３】
上に開示した特定の実施形態は、例示に過ぎず、本明細書の教示の利益を受ける当業者に明らかである、異なるけれども相当する方法で、本発明を変更及び実施できる。更に、添付の特許請求の範囲の記載以外には、本明細書に示した構成又は設計の細部に、本発明を限定する意図を全くもたない。したがって、上に開示した特定の実施形態は、変更され、又は変性されることが可能であり、これらの全ての変更は、本発明の範囲及び観点に属すると考えることは明らかである。したがって、本発明で得ようとした保護は、添付の特許請求の範囲で説明される。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】水素発生装置、圧縮装置、及び精製装置を含む実施形態を示した説明図である。
【図２】燃料処理装置、圧縮装置、及び精製装置を含む実施形態を示した説明図である。
【図３】燃料処理装置、圧縮装置、精製装置、第二圧縮装置、及び貯蔵装置を含む実施形態を示した説明図である。
【図４】燃料処理装置内のプロセスの流れを示した説明図である。
【図５Ａ】モーター速度を調節する手段を示した説明図である。
【図５Ｂ】始動時の圧縮機の圧力を示した説明図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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