(57)【要約】  酸素と、高級および低級炭化水素含有物を有する炭化水素とを含む燃料電池用の燃料原料を処理するための前処理アセンブリであって、前処理アセンブリは、燃料原料中の酸素を低減するための脱酸素ベッドと、燃料原料中の高級炭化水素含有物を低減する前改質ベッドとを有し、脱酸素ユニットと前改質ユニットとは、燃料原料が最初に脱酸素ベッドを通過してからその後で改質ユニットを通過するように、共通反応容器中に配置されている。前改質アセンブリはさらに燃料原料中のプロパンとプロピレンを処理するためのプロパン処理ベッドを含み、プロパン処理ベッドは、脱酸素ベッドと前改質ベッドを含む共通反応容器内に配置されている。
2008518870.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素と、高級および低級炭化水素含有物を有する炭化水素と、を含む燃料原料を燃料電池のために処理する前処理アセンブリであって、
前記燃料原料中の前記酸素を低減するための脱酸素ユニットと、
前記燃料原料中の前記高級炭化水素含有物を低減するための前改質ユニットと、
共通容器と、を有し、
前記脱酸素ユニットと前記前改質ユニットとは、前記燃料原料が最初に前記脱酸素ユニットを通過し、その後で前記前改質ユニットを通過するように、前記共通容器中に配置されていることを特徴とする前処理アセンブリ。
【請求項２】
前記脱酸素ユニットが脱酸素ベッドを有し、前記前改質ユニットが前改質ベッドを有し、前記前改質ベッドが前記燃料原料の流れる経路に沿って前記脱酸素ベッドに続いていることを特徴とする請求項１に記載の前処理アセンブリ。
【請求項３】
前記脱酸素ベッドは脱酸素触媒を有し、前記前改質ベッドは前改質触媒を有することを特徴とする請求項２に記載の前処理アセンブリ。
【請求項４】
前記脱酸素触媒がＰｔ−Ｐｄ担持アルミナ触媒と、Ｐｔ−Ｒｈ基触媒と、Ｒｈ−Ｐｄ基アルミナ触媒とのうちの１つであることを特徴とする請求項３に記載の前処理アセンブリ。
【請求項５】
前記脱酸素触媒がＧ−７４Ｄであることを特徴とする請求項４に記載の前処理アセンブリ。
【請求項６】
前記前改質触媒がニッケル基触媒であることを特徴とする請求項４に記載の前処理アセンブリ。
【請求項７】
前記前改質触媒は、Ｃ１１ーＰＲ、ＣＲＧ−Ｆ、ＣＲＧ−ＬＨおよびＧ−１８０のうちの１つであることを特徴とする請求項６に記載の前処理アセンブリ。
【請求項８】
前記脱酸素触媒と前記前改質触媒とがペレット形状の触媒であることを特徴とする請求項７に記載の前処理アセンブリ。
【請求項９】
前記脱酸素触媒と前記前改質触媒とが、触媒をコーティングしたモノリスセラミックを含むことを特徴とする請求項７に記載の前処理アセンブリ。
【請求項１０】
前記酸素を低減する前記脱酸素ベッドが水素を生成し、前記前改質ベッドが前記前改質ベッド中の還元環境を維持するために前記低級炭化水素含有物を水素に転換することを特徴とする請求項１に記載の前処理アセンブリ。
【請求項１１】
前記前改質ベッド中の前記原料燃料の空間速度は、前記前改質ベッド中で水素の逆拡散が進展しかつ維持されるような空間速度であることを特徴とする請求項１０に記載の前処理アセンブリ。
【請求項１２】
前記前改質ベッド中の前記燃料原料の空間速度は、２，０００から５，０００ｈ-1であることを特徴とする請求項１１に記載の前処理アセンブリ。
【請求項１３】
前記脱酸素ベッド中の前記燃料原料の空間速度は、５，０００から１２，０００ｈ-1であることを特徴とする請求項１２に記載の前処理アセンブリ。
【請求項１４】
前記脱酸素ベッドは０．７立方フィートの体積を有し、前記前改質ベッドは２．５立方フィートの体積を有することを特徴とする請求項１３に記載の前処理アセンブリ。
【請求項１５】
前記前処理アセンブリの入口での前記燃料原料の温度が約３７５℃であることを特徴とする請求項１４に記載の前処理アセンブリ。
【請求項１６】
前記脱酸素ベッドが３００℃と６００℃との間の温度で作動し、前記前改質ベッドは３２０℃と５４０℃との間の温度で作動することを特徴とする請求項１５に記載の前処理アセンブリ。
【請求項１７】
前記燃料原料の水蒸気対炭素の比率が２．９と３．４の間であることを特徴とする請求項１６に記載の前処理アセンブリ。
【請求項１８】
前記前改質ベッド中の前記燃料原料の見かけ速度が標準状態において１．３フィート/sであることを特徴とする請求項１７に記載の前処理アセンブリ。
【請求項１９】
前記前改質ユニットが更に前記燃料原料から硫黄含有化合物を取り除くために適合されていることを特徴とする請求項１に記載の前処理アセンブリ。
【請求項２０】
酸素と、高級および低級炭化水素含有物とを有する炭化水素と、を含む燃料原料を燃料電池のために処理する前処理アセンブリであって、
前記燃料原料中の前記酸素を低減するための脱酸素ユニットと、
前記燃料原料中のプロピレンを低減するためのプロパン処理ユニットと、
前記燃料原料中の前記高級炭化水素含有物を低減するための前改質ユニットと、
を有することを特徴とする前処理アセンブリ。
【請求項２１】
前記プロパン処理ユニットがニッケル基の炭素に耐性のある触媒を有することを特徴とする請求項２０に記載の前処理アセンブリ。
【請求項２２】
前記脱酸素ユニット、前記プロパン処理ユニットおよび前記前改質ユニットが、共通容器中に配置されていることを特徴とする請求項２１に記載の前処理アセンブリ。
【請求項２３】
前記脱酸素ユニットが脱酸素ベッドを有し、前記前改質ユニットが前改質ベッドを有し、 前記プロパン処理ユニットがプロパン処理ベッドを有することを特徴とする請求項２２に記載の前処理アセンブリ。
【請求項２４】
前記脱酸素ベッド、前記プロパン処理ベッドおよび前記前改質ベッドは、前記燃料原料が最初に前記脱酸素ベッドを通過し、次に前記プロパン処理ベッドと前記前改質ベッドのうちの１つを通過し、その後で前記プロパン処理ベッドと前記前改質ベッドのうちの他の１つを通過するように、前記共通容器に配置されていることを特徴とする請求項２３に記載の前処理アセンブリ。
【請求項２５】
前記脱酸素ベッド、前記プロパン処理ベッドおよび前記前改質ベッドは、前記燃料原料が最初に脱酸素ベッドを通過し、次に前記プロパン処理ベッドを通過した後で前記前改質ユニットを通過するように、前記共通容器中に配置されていることを特徴とする請求項２４に記載の前処理アセンブリ。
【請求項２６】
前記脱酸素ベッドが脱酸素触媒を有し、前記前改質ベッドが前改質触媒を有することを特徴とする請求項２４に記載の前処理アセンブリ。
【請求項２７】
前記脱酸素触媒がＰｔ−Ｐｄ担持アルミナ触媒と、Ｐｔ−Ｒｈ基触媒と、Ｒｈ−Ｐｄ基アルミナ触媒とのうちの１つであることを特徴とする請求項２６に記載の前処理アセンブリ。
【請求項２８】
前記脱酸素触媒がＧ−７４Ｄであることを特徴とする請求項２７に記載の前処理アセンブリ。
【請求項２９】
前記前改質触媒がニッケル基触媒であることを特徴とする請求項２７に記載の前処理アセンブリ。
【請求項３０】
前記前改質触媒は、Ｃ１１ーＰＲ、ＣＲＧ−Ｆ、ＣＲＧ−ＬＨおよびＧ−１８０のうちの１つであることを特徴とする請求項２９に記載の前処理アセンブリ。
【請求項３１】
前記炭素に耐性のある触媒がＦＣＲ−ＨＣ５９であることを特徴とする請求項３０に記載の前処理アセンブリ。
【請求項３２】
前記脱酸素ベッドは０．７立方フィートの体積を有し、
前記プロパン処理ベッドは０．７５立方フィートの体積を有し、
前記前改質ベッドは２．５立方フィートの体積を有することを特徴とする請求項３１に記載の前処理アセンブリ。
【請求項３３】
前記脱酸素ベッド中の前記燃料原料の空間速度は、５，０００から１０，０００ｈ-1であり、
前記プロパン処理ベッド中の前記燃料原料の空間速度は、１，９００から１０，０００ｈ-1であり、
前記前改質処理ベッド中の前記燃料原料の空間速度は、２，０００から５，０００ｈ-1であることを特徴とする請求項３２に記載の前処理アセンブリ。
【請求項３４】
前記燃料原料の温度が約３００と４５０℃の間であることを特徴とする請求項３３に記載の前処理アセンブリ。
【請求項３５】
前記脱酸素ベッドが３００℃と６００℃の間の温度で作動するように適合され、前記プロパン処理ベッドが３００℃と５４０℃の間の温度で作動するように適合され、前記前改質ベッドが３００℃と５４０℃の間の温度で作動するように適合されていることを特徴とする請求項３４に記載の前処理アセンブリ。
【請求項３６】
前記燃料原料の水蒸気の炭素に対する比率が２．９と３．４の間あることを特徴とする請求項３５に記載の前処理アセンブリ。
【請求項３７】
前記前改質ユニットが更に前記燃料原料から硫黄含有化合物を除去するために適合されていることを特徴とする請求項２０に記載の前処理アセンブリ。
【請求項３８】
酸素と、高級および低級炭化水素含有物とを有する炭化水素と、を含む燃料原料を燃料電池のために処理する燃料処理方法であって、
前記燃料原料を供給する工程と、
脱酸素ユニットを用いて前記燃料原料中の酸素を低減する工程と、
前改質ユニットを用いて前記燃料原料中の前記高級炭化水素含有物を低減する工程と、を有し、
前記脱酸素ユニットと前記前改質ユニットとが、前記燃料原料が最初に脱酸素ユニットを通過し、次に前記前改質ユニットを通過するように、前記共通の容器の中に配置されていることを特徴とする燃料処理方法。
【請求項３９】
前記脱酸素ユニットが脱酸素ベッドを有し、前記前改質ユニットが前改質ベッドを有し、前記前改質ベッドが前記燃料原料の流れる経路に沿って前記脱酸素ベッドに続いていることを特徴とする請求項３８に記載の燃料処理方法。
【請求項４０】
前記脱酸素ベッドは脱酸素触媒を有し、前記前処理ベッドは改質触媒を有することを特徴とする請求項３９に記載の燃料処理方法。
【請求項４１】
前記脱酸素触媒がＰｔ−Ｐｄ担持アルミナ触媒と、Ｐｔ−Ｒｈ基触媒と、Ｒｈ−Ｐｄ基アルミナ触媒とのうちの１つであることを特徴とする請求項４０に記載の燃料処理方法。
【請求項４２】
前記脱酸素触媒がＧ−７４Ｄであることを特徴とする請求項４１に記載の燃料処理方法。
【請求項４３】
前記前改質触媒は、Ｃ１１ーＰＲ、ＣＲＧ−Ｆ、ＣＲＧ−ＬＨおよびＧ−１８０のうちの１つであることを特徴とする請求項４１に記載の燃料処理方法。
【請求項４４】
さらにプロパン処理ユニットを使用して前記燃料原料中の前記プロピレンを低減する工程を有することを特徴とする請求項３９に記載の燃料処理方法。
【請求項４５】
前記プロパン処理ユニットが、前記共通容器中に配置され、プロパン処理ベッドを有することを特徴とする請求項４４に記載の燃料処理方法。
【請求項４６】
前記脱酸素ベッド、前記前改質ベッドおよび前記プロパン処理ベッドは、前記燃料原料が最初に前記脱酸素ベッドを通過し、次に前記プロパン処理ベッドと前記前改質ベッドのうちの１つを通過し、その後で前記プロパン処理ベッドと前記前改質ベッドのうちの他の１つを通過するように、前記共通容器に配置されていることを特徴とする請求項４５に記載の燃料処理方法。
【請求項４７】
前記プロパン処理ベッドがニッケル基の炭素に耐性がある触媒を有することを特徴とする請求項４６に記載の燃料処理方法。
【請求項４８】
前記炭素に耐性がある触媒がＦＣＲ−ＨＣ５９であることを特徴とする請求項４３に記載の燃料処理方法。
【請求項４９】
前記脱酸素ベッド中で酸素を低減する工程では水素を生成し、前記低級炭化水素含有物は前記前改質ベッド中で水素を生成するように転換されることを特徴とする請求項３８に記載の燃料処理方法。
【請求項５０】
前記前改質ベッド中の前記燃料原料の空間速度は、前記前改質ベッド中の水素の逆拡散が進展しかつ維持されるような空間速度であることを特徴とする請求項４９に記載の燃料処理方法。
【請求項５１】
前記前改質ユニット中で前記燃料原料から硫黄含有含有物を取り除く工程を更に有することを特徴とする請求項３８に記載の燃料処理方法。
【請求項５２】
酸素と、高級および低級炭化水素含有物を有する炭化水素と、を含む燃料原料を使用する燃料電池システムであって、
前記燃料原料を処理するための前処理アセンブリと、
前記前処理アセンブリを通る流路の後で前記燃料原料を受け取る燃料電池と、を有し、
前処理アセンブリは、
前記燃料原料中の酸素を低減するための脱酸素ユニットと、
前記燃料原料中の高級炭化水素含有物を低減するための前改質ユニットと、
共通容器と、を有し、
前記脱酸素ユニットと前記前改質ユニットとは、前記燃料原料が最初に前記脱酸素ユニットを通過し、その後で前記前改質ユニットを通過するように、前記共通容器中に配置されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５３】
前記前処理アセンブリが前記燃料中のプロパンとプロピレンとを処理するためのプロパン処理ユニットを更に有し、前記プロパン処理ユニットが前記共通反応容器中に配置されていることを特徴とする請求項５２に記載の燃料電池システム。
【請求項５４】
前記脱酸素ユニットが脱酸素ベッドを有し、前記前改質ユニットが前改質ベッドを有し、前記プロパン処理ユニットがプロパン処理ベッドを有することを特徴とする請求項５３に記載の燃料電池システム。
【請求項５５】
前記脱酸素ベッド、前記プロパン処理ベッドおよび前記前改質ベッドは、前記燃料原料が最初に脱酸素ベッドを通過し、次に前記プロパン処理ベッドと前記前改質ベッドのうちの１つを通過した後で前記プロパン処理ベッドと前記前改質ベッドのうちの他の１つを通過するように前記共通容器中に配置されていることを特徴とする請求項５４に記載の燃料電池システム。
【請求項５６】
前記燃料原料が前記前処理アセンブリによって処理される前に、前記燃料原料を予熱するための予熱器を更に有することを特徴とする請求項５５に記載の燃料電池システム。
【請求項５７】
前記燃料原料が前記前処理アセンブリによって処理される前に、前記燃料原料中の硫黄含有量を低減するための脱硫器を更に有することを特徴とする請求項５６に記載の燃料電池システム。
【請求項５８】
前記脱硫器は前記予熱器の前にあることを特徴とする請求項５７に記載の燃料電池システム。
【請求項５９】
前記予熱器が、前記燃料原料を約３７５℃に加熱することを特徴とする請求項５６に記載の燃料電池システム。
【請求項６０】
前記脱酸素ベッドがＰｔ−Ｐｄ担持アルミナ触媒、Ｐｔ−Ｒｈ基触媒、およびＲｈ−Ｐｄ基アルミナ触媒のうちの１つを有し、
前記前改質ベットがニッケル基触媒を有し、
前記プロパン処理ベッドがニッケル基の炭素に耐性のある触媒を有することを特徴とする請求項５４に記載の燃料電池システム。
【請求項６１】
前記ニッケル基の炭素に耐性のある触媒は、酸化セリウム、酸化ランタン、パラジウムおよびプラチナのうちの少なくとも１つを含む助剤によってドープされていることを特徴とする請求項６０に記載の燃料電池システム。
【請求項６２】
前記脱酸素ベッドはＧ−７４Ｄ触媒を含み、
前記前改質ベッドはＣ１１ーＰＲ、ＣＲＧ−Ｆ、ＣＲＧーＬＨおよびＧ−１８０のうちの１つを含み、
前記プロパン処理ベッドはＦＣＲ−ＨＣ５９触媒を含む、ことを特徴とする請求項６１に記載の燃料電池システム。
【請求項６３】
前記酸素を低減する前記脱酸素ユニットは水素を生成し、前記前改質ユニットは前記前改質ユニット中の還元環境を維持するために前記低級炭化水素含有量の一部を水素に転換することを特徴とする請求項５２に記載の燃料電池システム。
【請求項６４】
前記前改質ユニット中の前記燃料原料の空間速度は、水素の逆拡散が前記前改質ユニット中で進展して維持されるような空間速度であることを特徴とする請求項６３に記載の燃料電池システム。
【請求項６５】
前記前改質ユニットは更にさらに前記燃料原料から硫黄含有化合物を除去するために適合していることを特徴とする請求項５２に記載の燃料電池システム。
【請求項６６】
前記燃料電池が、溶融炭酸塩燃料電池と固体酸化物燃料電池のうちの１つであることを特徴とする請求項５２に記載の燃料電池システム。
【請求項６７】
前記燃料原料が、天然ガス、ピークシェイビングガス（peak shaving gas）、炭坑メタン（coal bed methan）、常解がまガス（digester gas）、プロパンガス、ＬＰＧ、およびＨＤ−５のようなマルチ燃料であることを特徴とする請求項１に記載の前処理アセンブリ。
【請求項６８】
前記前処理アセンブリは、天然ガス、ＨＤ−５、ＬＰＧ、炭化水素の燃料原料を処理して高温燃料電池中で使用するためのメタンが多いガスを生成するように適合されていることを特徴とする請求項２０に記載の前処理アセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムで使用する炭化水素を含む原料燃料の処理に関し、特に、燃料電池の前処理を実行するための前処理アセンブリに関する。
【０００２】
燃料電池は、電気化学反応によって炭化水素燃料中に蓄えられた化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換するデバイスである。一般に、燃料電池は、電気的に帯電されたイオンを伝導するために作用する電解質によって分離されるアノードとカソードを有する。溶融炭酸塩型燃料電池は、アノードに反応物の燃料ガスを通過させ、酸化剤ガスをカソードに通過させることによって作動する。有効な電力レベルを生成するために、多くの個々の燃料電池は、各燃料電池間に電気伝導分離板を用いて直列に積層される。
【０００３】
現在の燃料電池は、反応物である燃料ガスとして、水素、あるいは水素と一酸化炭素との混合物で構成される清浄なガスを必要とする。反応物である燃料ガスは、一般に、炭化水素含有原料から改質プロセスを使用して改良される。炭化水素含有原料は、通常、実質的な量の低級炭化水素、すなわちメタンなどの２未満の炭素を含む炭化水素と、少量の水素、二酸化炭素、窒素および高級炭化水素、すなわち２以上の炭素を含む炭化水素を含有する。これは、燃料原料が、例えば、天然ガス、ピークシェイビングガス（peak shaving gas）、常解がまガス（digester gas）および炭坑メタン（coal bed methan）であるときに、当てはまる。
【０００４】
燃料原料は、通常、高級炭化水素を低減するまたは除去するために、および低級炭化水素の一部をメタン、水素および二酸化炭素に変換するために前処理に曝される。燃料原料は、次に、更に水素に富む燃料ガスを生成するために改質ユニットで処理される。
【０００５】
従来の前処理は、脱酸素アセンブリとそれに続く前改質アセンブリを用いて実行される。脱酸素アセンブリは原料が前改質アセンブリに入る前に燃料原料中の酸素濃度を低減する。この処理は、前改質アセンブリで使用される触媒(通常Ni基の触媒)を保護するが、そうでない場合には触媒は酸素の存在によって不活性化される。
【０００６】
前改質アセンブリにおいて、改質反応は、燃料組成と水蒸気によっては、ややもすると炭素を形成しかねない変換プロセスである。炭素形成は、燃料原料がプロピレンを含む場合の特別の関心事である、なぜなら、プロピレンの濃度が増加とともに炭素形成の傾向が増加するからである。生成した炭素は、改質触媒の活性サイトに蓄積して、触媒を不活性化する。これにより、前改質アセンブリの寿命が低下する。
【０００７】
従来の前改質アセンブリにおける炭素形成を抑えるために、マグネシア担体上にアルカリまたは塩基のいずれかを含む特別な触媒が提案された。別の技術は断熱処理を使用するものである。そのような場合において、固定床の断熱の前改質アセンブリは、高級炭化水素含有物を水とともに低温でメタン、水素および二酸化炭素に変換する。
【０００８】
プロピレンを含有する燃料原料は、一般に、高濃度の硫黄含有化合物を有する。また、これらの化合物は、前改質アセンブリの改質触媒を不活性化する傾向がある。燃料原料は、通常、前改質アセンブリまで運ばれる前に、脱硫器ユニットで通常脱硫されるが、燃料原料中の高濃度の硫黄とプロピレンとは脱硫器ユニットの能力を減少させる。
【０００９】
前改質アセンブリに供給される燃料原料は、水素供給源から追加の水素もまた供給しなければならない。このことは、改質触媒のための還元雰囲気を維持するために原料中に十分な水素濃度を供給して触媒活性を維持することが要求される。
【００１０】
理解し得るように、燃料原料の従来の前処理は、水素を供給するために、炭素形成を抑えるために、およびプロピレンを取り除くために追加ユニットまたは特別なコンポーネントと、前改質アセンブリに入る酸素を除去するための追加ユニットとを必要とするため、複雑であり費用がかかるものである。従って、より簡単な設計で、費用がかからなくて、より長寿命の前処理アセンブリが望まれている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
したがって、本発明の目的は、炭化水素と酸素とを含む燃料原料を前処理触媒を不活性化せずによりよく処理することができる前処理アセンブリを提供することである。
【００１２】
本発明の更なる目的は、追加の水素を供給せずに作動することができかつ稼働寿命を増加することができる前処理アセンブリを提供することである。
【００１３】
本発明の更なる目的は、炭化水素含有燃料原料中のプロピレンおよび他のオレフィンの影響を阻止するように特に適合された前処理アセンブリを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
発明の概要
本発明の原理に従って、上記および他の目的は、高級炭化水素含有物を含む炭化水素を含む燃料原料を前処理する前処理アセンブリおよび方法において実現され、その前処理アセンブリの共通容器は、燃料原料中の酸素含有量を減少させる脱酸素ユニットと、脱酸素ユニットを通過後、燃料原料を受け入れて燃料原料中の高級炭化水素含有物を減らす前改質ユニットと、の両方を収容する。この前処理の実行において、前処理アセンブリは原料中の低級炭化水素の一部を低減して水素含有量を増加する。
【００１５】
本明細書で記載される本発明の実施例において、前改質ユニットは、燃料原料の流れ経路に沿って脱酸素ユニットに続くように配置され、両ユニットはベッド形態である。また、本実施例において、脱酸素ベッドの触媒は、Ｐｔ−Ｐｄ担持アルミナ触媒と、Ｐｔ−Ｒｈ基触媒と、Ｒｈ−Ｐｄ基アルミナ触媒とのうちの１つであり、前改質ベッドの触媒は、ニッケル基触媒であり、Ｃ１１ーＰＲ（Sud ＣＨemie）、ＣＲＧ−Ｆ（Jhonson Mattey）、ＣＲＧ−ＬＨ（Jhonson Mattey）およびＧ−１８０（BASF）のうちの１つである。
【００１６】
本発明の更なる態様では、前処理アセンブリはさらに燃料原料中のプロパンとプロピレンを処理するためのプロパン処理ユニットを含む。記載された実施例において、プロパン処理ユニットはベッド形態であり、脱酸素ベッドと前改質ベッドの間に配置されている。プロパン処理ベッドは、ＦＣＲ−ＨＣ５９(Sud ＣＨemie)などのニッケル基の炭素に耐性がある触媒を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の上記および他の特徴および態様は、付随の図と関連する以下の詳細な記載を読むことによって、より明らかになるであろう。
【００１８】
図１は、本発明の原理に基づく前処理アセンブリ１０８を持つ燃料配送システム１０１を有する燃料電池システム１００を示している。燃料配送システム１０１は、水素に富む燃料を燃料電池アセンブリ１１２に配送するものであり、燃料供給部１０２を含む。燃料供給部１０２は、実質的な量のメタンおよび酸化炭素(ＣＯとＣＯ２)と、高級炭化水素含有物、例えば、エタン、プロパン、Ｃ4以上の炭化水素などと、酸素と水素の量とを含む燃料原料を供給する。通常、燃料原料は、天然ガス、ピークシェイビングガス、常解がまガス、プロパンガス、炭坑メタン、ＨＤ−５またはＬＰＧであり得る。
【００１９】
燃料配送システム１０１は、脱硫器１０４、予熱器１０６および燃料前処理アセンブリ１０８を含む。燃料供給部１０２からの燃料原料は、脱硫器１０４に運ばれ、燃料原料中の硫黄含有化合物が物理的および／または化学的に取り除かれる。脱硫された燃料原料は、燃料前処理アセンブリ１０８に運ばれる前に、次に、適温、例えば、約３７５℃に予熱された予熱器１０６へ運ばれる。燃料前処理アセンブリ１０８を出る前処理された燃料原料は、燃料電池アセンブリ１１２における使用に適している。燃料電池アセンブリ１１２において、水素に富む燃料は、電力を生成する電気化学的反応を受ける。
【００２０】
以下、本明細書で詳細に議論されるように、本発明の原理に基づいて、前処理アセンブリ１０８は、燃料原料の酸素を取り除くために、および、高級炭化水素含有物を低減または実質的に排除するために酸素が取り除かれた燃料原料を前改質するために共通容器中に配置されたまたは収容された複数の燃料処理ユニットを含む。また、この前改質プロセスは、低級炭化水素含有物を水素に変えることによってその量を低減し、その結果、前処理アセンブリ１０８を出る前処理された燃料原料は高温燃料電池の応用に適した増加した水素含有量とメタンとを有する。
【００２１】
前処理アセンブリ１０８の第１の実施例の詳細な概略図は図２に示される。図示されるように、前処理アセンブリ１０８は、脱酸素ベッド２０４と前改質ベッド２０６の形態で２つの燃料処理ユニットを含む。これらのベッドは、予熱器１０６から予熱された燃料原料を受け入れるための入口２０８と、燃料電池アセンブリ１１２に前処理された燃料原料を放出するための出口２１０と、を有する共通容器２０２中に配置されるまたは収容される。
【００２２】
示されるように、前改質ベッド２０６は原料の流れ経路２０１に沿って脱酸素ベッド２０４に続くように配置される。また、スクリーン２１２で示されるような１０〜１４のメッシュサイズを有するニッケルメッシュで通常作ることができる多孔性部材は、２つのベッドを分離し、脱酸素ベッド２０４のための支持部を提供する。前処理ベッド２０６は共通容器２０２の下側の表面２０２aで同様に支えられる。
【００２３】
脱酸素ベッド２０４は脱酸素触媒を有し、該脱酸素触媒は通常、サッドケミーインク（Sud Chemie Inc）で製造されたＰｔ／Ｐｄ担持アルミナまたはＧ−７４Ｄであり得る。Ｐｔ−Ｒｈ基触媒、Ｒｈ−Ｐｄ基アルミナ触媒などの他の触媒もまた使用され得る。
【００２４】
前改質ベッド２０６で使用される触媒は標準のニッケル基触媒であり得る。実施例は、サッドケミーインクで製造されたニッケル基アルミナ触媒またはＣ１１−ＰＲ触媒である。さらに、ジョンソンマッティー（Johomson Matthey）によって製造されたＣＲＧ−ＦとＣＲＧ−ＬＨ、ＢＡＳＦによって製造されたＧ−１８０などの他のニッケル基触媒も同様に使用され得る。
【００２５】
両方のベッドで使用される触媒の形状は異なり得る。例えば、示される場合において、ペレット形状の触媒が脱酸素ベッド２０４と前改質ベッド２０６の両方で使用される。さらに、触媒コーティングを有するセラミックのモノリスの基板を含むモノリスベースの触媒構造は、各ベッドでの使用に適している。
【００２６】
上記説明したように、前処理アセンブリ１０８は、燃料原料中の高級炭化水素含有物と酸素含有物を低減するあるいは実質的に排除する。前処理アセンブリ１０８はまた、低級炭化水素含有物を低減し、燃料原料中の水素含有量を増加させる。共通容器２０２中の脱酸素ベッド２０４と前改質ベッド２０６の配置により、前処理は、両ベッド中の触媒が不活性化する可能性を低減し、かつ水素供給部から燃料原料に水素を追加する必要なしに実行される。
【００２７】
特に、脱酸素ベッド２０４の触媒は燃料原料からの酸素の除去を容易にする。原料が炭坑メタン（coal mine methane）あるいは常解がまガス（dijester gas）の場合に、酸素は、原料中のメタンと酸素との触媒に支援された以下の反応によって除去される。
２ＣＨ4  ＋  Ｏ2  →  ２ＣＯ  ＋４Ｈ2＋  熱
ＣＨ4  ＋  Ｏ2  →  ＣＯ2  ＋  ２Ｈ2  ＋  熱
原料がピークシェイビングガスの場合、酸素は、脱酸素ベッド２０４中で酸素が原料中のプロパンとの以下の反応によって除去される。
Ｃ3Ｈ8  ＋  ２Ｏ2  →  ２ＣＯ ＋ ２ＣＯ2  ＋  ４Ｈ2  ＋  熱
【００２８】
脱酸素ベッド２０４での酸素の除去は、前改質ベッド２０６中の触媒の不活性化を防ぐ。それはまた、触媒の還元環境を維持するのに必要な追加の水素を作り出す。前改質ベッド２０６において、脱酸素された原料中の高級炭化水素含有物の低減は、触媒によって支援された高級炭化水素含有物を水素、二酸化炭素およびメタンの混合物に変換することにより起こる。低級炭化水素含有物の低減もまた変換を通して起こり、水素と二酸化酸素が結果として増加する。特に、燃料中のメタンの約１０％は、燃料電池アセンブリによる電気化学的反応によって水素を提供するために改質される。燃料中のメタンの残りは燃料電池アセンブリによって内部的に改質される。以下の反応は変換処理の例示である。
ＣｎＨｍ  ＋  ｎＨ2０  →  ｎＣＯ  ＋(ｍ/２＋ｎ)Ｈ2
ＣＨ4  ＋  Ｈ2Ｏ  →ＣＯ＋  ３Ｈ2
Ｃ3Ｈ8  ＋  ２Ｈ2Ｏ  →  ＣＯ2  ＋  ２ＣＨ4  ＋  ２Ｈ2
【００２９】
上記説明したように、脱酸素ベッド２０４は、燃料原料の流れ経路２０１または流れの方向に対しておよび共通容器２０２の入口に対して共通容器２０２中の最初の位置に配置され、次に、前改質ベッド２０６が流れの流路２０１の方向に、脱酸素ベッド２０４に続く。前に述べたように、この構成は、前改質ベッドに入る前に燃料原料からの酸素の除去を引き起こし、その結果、前改質ベッド中の触媒の不活性化を防ぐ。このようにして前処理アセンブリ１０８の寿命が伸びる。
【００３０】
また、上記の説明から明らかのように、脱酸素ベッド２０４と前改質ベッド２０６での脱酸素と前改質反応は原料中の水素含有量を増加させる。これは前改質ベッド２０６での還元環境を維持する。特に、前改質ベッド２０６中の水素の逆拡散は、この還元環境を提供し、その結果、前処理アセンブリ１０８が燃料原料への水素を追加供給せずに動作することが可能となる。
【００３１】
前改質ベッド２０６中の水素の逆拡散の量は、燃料原料の空間速度に逆比例する。従って、前改質ベッド２０６を通る燃料原料の低い空間速度を維持することは、前改質ベッド中での十分な水素逆拡散を実現するために必要である。
【００３２】
理解されるように、空間速度は、前改質ベッド２０６を通る燃料の流量に正比例し、前改質ベッド２０６中の触媒体積に逆比例する。従って、燃料原料の空間速度は、前改質ベッド２０６中の触媒の体積を調整することによって、および／または前改質ベッド２０６を通って流れる燃料の量を変更することによって、以下の関係を使用して制御することができる。
ＳＶ＝単位時間当たりの燃料の流量／触媒体積
【００３３】
燃料原料の空間速度を制御することに加えて、燃料の見かけ速度は、水素の逆拡散に必要な量を制御するために必要である。見かけ速度は、燃料が通過する共通容器の直径の関数である。特に、見かけ速度は、燃料流量に正比例し、前改質ベッド２０６の直径に逆比例する。
【００３４】
本発明の前処理アセンブリ１０８において、２０００ｈ-1と５０００ｈ-1の間の空間速度と、約１．３フィート/sの最高見かけ速度が前改質ベッド２０６の作動において好ましいことがわかった。
【００３５】
また、前改質ベッド２０６は、図１の脱硫器ユニット１０４によって除去されない燃料原料中に存在する硫黄含有化合物を捕集するためのガードとしての作用するようにさらに適合され得る。特に、前改質触媒中のニッケルは硫黄含有化合物を効率的に捕集するのに適している。この追加の硫黄除去によって、燃料電池アセンブリ１１２中の改質触媒の作動寿命が増加し得る。
【００３６】
前改質アセンブリ１０８の最適な設計は、特定のアプリケーションに依存し得る。考慮されるいくつかの重要な因子は、燃料電池アセンブリ１１２、処理される燃料の種類および処理されるガスの量に関すして要求されるものである。前改質アセンブリ１０８の例示的な例は本明細書の以下に記載される。
【００３７】
実施例１
前処理アセンブリ１０８が３００ＫＷ直接燃料電池発電所での使用のために酸素とメタンを有する燃料原料の処理が最適化された。脱酸素ベッド２０４はＧ−７４Ｄ触媒を含み、０．７立方フィートの体積を有する。前改質ベッド２０６は、Ｃ１１−ＰＲ触媒を含み、２．５立方フィートの体積を有する。脱酸素ベッド２０４は厚みが約４インチであり、前改質ベッド２０６は厚みが約１４．５インチである。共通容器２０２は３０４/３１０ステンレスで作られていて、４立方フィートの体積と２０インチの直径を有する。
【００３８】
入口２０８を通って共通容器２０２に入る燃料原料と、出口２１０を通って共通容器２０２を出る前処理された燃料原料の最適の温度は、約３００〜４９０℃である。脱酸素ベッド２０４の最適作動温度範囲は、３００℃と６００℃の間であり、前改質ベッド２０６の最適作動温度範囲は、３２０℃と５４０℃の間である。脱酸素ベッド２０４を通る燃料原料の流量の空間速度は、５０００ｈ-1から１２０００ｈ-1であり、前改質ベッド２０６を通る燃料原料の流量の空間速度は、２０００ｈ-1から５、０００ｈ-1である。また、前改質ベッド２０６中での必要な水素逆拡散を維持するために、前処理ベッド２０６を通る燃料原料の流量の必要な最高見かけ速度は、標準状態において１．３フィート/sである。
【００３９】
前処理アセンブリ１０８の性能は、メタンが６．３１ポンド−モル／ｈｒ、二酸化炭素が０．０６ポンド−モル／ｈｒ、水が１２．４８ポンド−モル／ｈｒ、窒素が０．０８ポンド−モル／ｈｒ、エタンが０．１７ポンド−モル／ｈｒ、およびプロパンが０．０３ポンド−モル／ｈｒを含む燃料原料を前処理アセンブリ１０８に通すことによって試験される。脱酸素ベッド２０４に入る燃料原料の温度は約４２５℃であり、燃料原料の空間速度は約１０，０００ｈ-1である。前改質をベッド２０６を出る前処理された燃料の温度は約３２０℃であり、前改質ベッド２０６を出る前改質された燃料の空間速度は約３，０００-1である。前処理アセンブリを使用する前処理された燃料は、水素を１．６７ポンド−モル／ｈｒ、メタンを６．２５ポンド−モル／ｈｒ、二酸化炭素を０．５３ポンド−モル／ｈｒ、水を１１．５４ポンド−モル／ｈｒ、および窒素を０．０８ポンド−モル／ｈｒ含む。これらの性能結果から、燃料原料に存在しているエタンまたはプロパンのすべてが前処理アセンブリ１０８中でメタン、水素および二酸化炭素に変換されることがわかる。
【００４０】
実施例２
この例において、実施例１の前処理アセンブリ１０８は、最大１０％の酸素で汚染された炭化水素燃料を処理するために最適化された。入口２０８を通って共通容器２０２に入る燃料原料の最適温度範囲は約３１０℃から５００℃である。
【００４１】
図２の前処理アセンブリ１０８の脱酸素機能が嫌気性常解がまガス、炭坑メタン、およびピークシェイブガスなどの酸素を含む燃料を用いて示された。この例の前処理アセンブリ１０８の脱酸素性能は、前処理アセンブリ１０８に入る燃料原料の種々の入口温度で、炭化水素燃料の酸素含有量を変えてテストされた。図３はこれらのテストの結果をまとめた脱酸素性能の表にされたデータを示している。テスト手順において、入口の燃料原料の酸素含有量が測定されて、燃料原料は前処理アセンブリ１０８に入る前に３１２℃から４３９℃までの範囲の種々の温度まで予備加熱された。脱酸素ベッド２０４を出る前処理された燃料原料ガス中の酸素濃度と温度は、脱酸素ベッドと前改質ベッドの界面で測定された。前処理アセンブリを通る燃料原料の流れ速度は、二酸化炭素、窒素、プロパンおよび空気などの希釈剤が図３に記載された割合で加えられている天然ガス、または、同じ加熱値を与えるように予め決められた比率のピークシェブガスの１５標準立方フィート／分（ｓｃｆｍ）である。
【００４２】
図３に表示されたデータが示すように、前処理アセンブリを１０８を出る前処理された燃料原料が全酸素が使い果たされている。脱酸素ベッド２０４を横断する温度上昇は、炭化水素の燃料原料と酸素との反応を示すものである。従って、これらのテストは、脱酸素ベッド２０４が、広い温度範囲にわたっておよび燃料原料中の汚染物質である酸素濃度の広い濃度変化にわたって、燃料原料から酸素を取り除くことができることを示している。
【００４３】
この構成を有する前処理アセンブリ１０８は、従来のアセンブリの平均３年の作動寿命と比較して約５年の寿命を有すると見積もられる。前処理アセンブリ１０８の寿命は、脱酸素器から水素を供給することによっておよび前改質ベッド２０６を還元雰囲気に維持することによって、および水素の逆拡散を最適化することによって部分的に増加し、その結果、前改質触媒の総合的な寿命が増加する。
【００４４】
本発明の更なる態様に基づいて、および性能および前処理アセンブリ１０８の作動寿命をさらに改善するために、燃料原料がプロパンおよび／またはプロピレンを含む場合、前処理アセンブリ１０８は、図４に示されるようにさらに適合させられる。さらに、図４は、燃料原料中のプロパンとプロピレンとをメタンと二酸化酸素に変換するために適合された図２の前処理アセンブリ１０８がプロパン処理ベッド３０１を含むように変更された第２の実施例を示している。
【００４５】
図４に示されるように、プロパン処理ベッド３０１は、共通容器２０２中の脱酸素ベッド２０４と前改質ベッド２０６の間に配置される。特に、プロパン処理ベッド３０１は、スクリーン２１２の下に位置していて、プロパン処理ベッド３０１を前改質ベッド２０６から分離する、更に同様のスクリーン３０２上に置かれている。その結果、燃料原料は、酸素の低減が起こる脱酸素ベッド２０４を通り、プロパンとプロピレンとがメタンと二酸化酸素への変換により除去されるプロパン処理ベッド３０１を通り、前改質が高級炭化水素含有物の減少と低級炭化水素含有物の一部を水素に転換する前改質ベッド２０６を通って流れる。
【００４６】
図４の実施例において、脱酸素ベッド２０４と前改質ベッド２０６は図２の第１の実施例に対して上記議論したような同じ触媒を含んでいる。また、プロパン処理ベッド３０１は、酸化セリウム、酸化ランタン、パラジウム、プラチナ、またはこれらの化合物の組み合わせなどの助剤がドープされたニッケル基の炭素に耐性がある触媒を有する。適当なニッケル基の炭素に耐性がある触媒の例は、サッドケミー（Sud Chemie）によって製造されたＦＣＲ−ＨＣ５９である。プロパン処理ベッド３０５における炭素に耐性がある触媒は、プロパンとプロピレンに対して選択性があり、燃料原料中のプロパンとプロピレンが以下に示すようにメタンと二酸化酸素へ変換するのを促進する。
Ｃ3Ｈ6  ＋  ２Ｈ2Ｏ  →  ＣＯ2  ＋  ２ＣＨ4  ＋  Ｈ2
Ｃ3Ｈ8  ＋  ２Ｈ2Ｏ  →  ＣＯ  ＋  ２ＣＨ4  ＋  ２Ｈ2
【００４７】
図４の前処理アセンブリ１０８は、最大５％のプロピレンを含む商業グレードのプロパンガス燃料、またはＨＤ−５ガスを処理することができる。前処理アセンブリの性能は、燃料原料入口温度、脱酸素ベッド２０４、プロパン処理ベッド３０１、前改質ベッド２０６への燃料原料の空間速度および燃料原料の水蒸気対炭素の比(「Ｓ／Ｃ」)によって異なるだろう。
【００４８】
図２の実施例の場合のように図４の前改質アセンブリ１０８の最適な設計は、図２の実施例で議論した因子およびプロピレン濃度の追加因子に依存して変化し得る。図４の前処理アセンブリ１０８の構成の例示例は、実施例３で以下に記載される。
【００４９】
実施例３
図４の前処理アセンブリは、３００ＫＷの直接燃料電池発電所で使用するために、プロパンと最大５％のプロピレンを含む燃料を処理するために最適化された。脱酸素ベッド２０４はＧ−７４Ｄ触媒を含み、０．７立方フィートの体積を有する。プロパン処理ベッド３０１はサッドケミー（Sud Chemie）によって製造されたＦＣＲ−ＨＣ５９耐炭素触媒を含み、０．７５立方フィートの体積を有し、前改質ベッド２０６はＣ１１−ＰＲ触媒を含み、１．７立方フィートの体積を有する。共通容器２０２は３０４/３１０ステンレスから作られていて、４立方フィートの体積を有する。
【００５０】
入口２０８を通って共通容器２０２に入る原料燃料の最適温度は約３５０℃であり、出口２１０を通って共通容器２０２を出る前処理された燃料の温度は約３５０℃である。脱酸素ベッド２０４は３００℃と６００℃の間の温度で作動するように適合されるが、一方プロパン処理ベッド３０１と前改質ベッド２０６とは、３００℃と５４０℃の間の温度で作動するように適合させられる。前処理アセンブリ１０８の脱酸素ベッド２０４、プロパン処理３０１および前改質２０６の最適の運転温度範囲は３００℃と４００℃の間である。脱酸素ベッド２０４を通る燃料原料流量の所望の空間速度は、５，０００から１２，０００ｈ-1である。プロパン処理ベッド３０１を通る燃料原料流量の所望の空間速度は、５，０００ｈ-1から１０，０００ｈ-1であるが、前処理ベッド２０６を通る燃料原料流量の所望の空間速度は２，０００ｈ-1から５，０００ｈ-1である。また、前処理アセンブリに入る燃料原料の水蒸気対炭素比は約３であることが好ましい。
【００５１】
図４の前処理アセンブリ１０８の性能は、プロピレンの種々の濃度を有するプロパンガス燃料原料を使用してテストされた。これらのテストの間に使用された燃料原料は、プロピレンを含まない純プロパン、２５３８ｐｐｍのプロピレンを含むＨＤ−５ガス、および約５％のプロピレンを含むＨＤ−５＋ガスを含んでいる。テストはアセンブリ１０８に入る燃料原料の種々の入口温度、種々の空間速度、種々の水蒸気対炭素比で実行された。
【００５２】
図５は、異なる燃料原料入口温度で図４の前処理アセンブリ１０８のテストから得られた性能データのグラフを示している。テスト手順において、前処理アセンブリ１０８に入る前に、燃料原料は種々の温度まで予備加熱され、前処理アセンブリを出る前処理された燃料原料ガスの種々の成分濃度が測定された。このテストの間に使用された原料燃料は、３．０の水蒸気対炭素比を有する。アセンブリを通る純プロパン燃料原料の流速は５．０標準立方フィート／分（「ｓｃｆｍ」）であり、ＨＤ−５燃料原料ガスとＨＤ−５＋燃料原料ガスの流速は４．５ｓｃｆｍであり、前処理アセンブリ１０８に入る燃料原料ガスの入口温度は３００〜４５０℃の範囲である。
【００５３】
図５に示されるように、アセンブリ１０８を出る前処理された燃料原料はメタン、水素および二酸化炭素の含有量を含んでいる。図５のＸ軸は前処理アセンブリの入口温度を示し、Ｙ軸は前処理された燃料原料ガス中の出口の各成分の出口濃度を表す。
【００５４】
図５から明らかのように、純プロパンの入力原料からの結果物である出口での前処理された燃料原料ガス中のメタン、水素および二酸化炭素の各濃度は、ＨＤ−５およびＨＤ−５＋の入力原料からの結果物である出口での前処理された燃料原料ガス中のメタン、水素および二酸化炭素の各濃度と同じである。従って、これらのテストは、アセンブリ１０８が性能劣化無しに高濃度のプロピレンを有する燃料原料を前処理よりできることを示している。
【００５５】
また図５から明らかのように、原料の入口温度が増加すると、出口の前処理された燃料原料中の水素濃度もまた増加するが、出口の前処理された燃料原料中のメタン濃度は減少する。また、示されるように、すべての入口温度で前処理アセンブリを出る前処理された燃料原料ガスは、前改質触媒を還元雰囲気に維持するのに十分な濃度の水素を含んでおり、その結果、アセンブリ１０８の作動寿命が伸びる。
【００５６】
図６は原料の種々の入口温度に対応する、図４のアセンブリ１０８の出口の処理された燃料原料ガス中の残留プロパン濃度のグラフである。図６で示されるように、Ｘ軸は前処理アセンブリ１０８に入る原料の入口温度を示し、Ｙ軸は出口の前処理された燃料原料ガス中のプロパンのパーセント濃度を示している。理解できるように、アセンブリの性能は出口の前処理された燃料原料ガス中の残留プロパン濃度に逆比例する。
【００５７】
図６は、全ての場合において、約３００℃の低い入口温度でさえ出口の前処理された燃料中のプロパン濃度は許容可能なほど低いことを示している。また、出口の前処理された燃料原料中のプロパン濃度は、燃料原料の入口温度が増加するにつれ４２５℃より上の入口温度でプロパンが検出可能でない点まで減少する。
【００５８】
異なる燃料原料の入口温度で実行された上記のテストに基づいて、入口温度が水素とメタンの所望の出口濃度に基づいて変えられるのを可能とするアセンブリ１０８の性能が広温度範囲にわたって優れていることが理解され得る。図４の前処理アセンブリの最適な作動温度は３００〜４５０℃である。
【００５９】
また、図４の前処理アセンブリ１０８の性能への燃料原料の空間速度の影響は、ＨＤ−５とＨＤ−５＋入力燃料原料ガスを使用してテストされた。これらのテストの間、燃料原料は、１９００ｈ-1、２６６０ｈ-1、３４２０ｈ-1、および９０８２ｈ-1のガス空間速度でアセンブリ１０８を通過した。燃料原料の入口温度は３７５℃で一定に保たれた。アセンブリ１０８を出る前処理された燃料原料ガス中のメタン、水素および二酸化炭素のパーセント濃度が記録された。
【００６０】
図７と図８は、３７５℃の一定の入口の温度で、ＨＤ−５およびＨＤ−５＋燃料原料の異なる原料空間速度でアセンブリ１０８を通って流れるときの出口ガス濃度の棒グラフを示している。図７と図８のＹ軸は、出口の前処理された燃料原料ガス中の各成分のパーセント濃度を表す。見てわかるように、アセンブリ１０８は、１９００ｈ-1と９０８２ｈ-1の範囲の空間速度でそこを通って流れる燃料原料を効率的に前処理することができ、この空間速度範囲において過剰の生産能力を示す。さらに、これらのテストは、その空間速度が１９００ｈ-1から９０４４ｈ-1の範囲にあるとき、ＨＤ−５＋燃料原料中のプロピレン濃度の増加によってアセンブリ１０８の性能が大きく影響されないことを示している。
【００６１】
また、図４のアセンブリ１０８の性能は、加えられたプロピレンを有するＨＤ−５プロパンと天然ガスの両方に対して速い空間速度を有する他の入口温度でテストされた。図９は、原料組成と入口温度を含む、これらのテストの間の特定の条件と、図４のアセンブリ１０８を出る前処理された天然ガスと添加されたプロピレンガスを含むＨＤ−５プロパンの出口組成をまとめたテーブルを示す。特に、天然ガスの入口原料組成は、２．２３％のエタン、０．３６％のプロパンおよび０．１６％のブタンを含むが、添加されたプロピレンガスを含むＨＤ−５プロパンの入口原料組成は、７．２％のエタン、８８％のプロパン、４．０２％のプロピレンおよび０．６％のブタンを含む。図９で示されるように、これらの高級炭化水素のすべてが前処理アセンブリ１０８によって除去された。これらのテストが示すように、図４のアセンブリ１０８は脱酸素器２０４に対して１２，０００ｈ-1、プロパン処理器３０１に対して１１，０００ｈ-1、前改質器２０６に対して５，０００ｈ-1の範囲の空間速度で優れた性能を有する。
【００６２】
また、図４のアセンブリ１０８の性能は、異なる水蒸気対炭素比でテストされた。図１０は、異なる水蒸気対炭素比でＨＤ−５＋燃料原料から誘導された出口での前処理された燃料原料ガス中の成分濃度の棒グラフを示す。このテストは３７５℃の一定の燃料原料入口温度で行われた。図１０において、Ｙ軸は出口ガス成分のパーセント濃度を表す。性能テストは、ＨＤ−５＋燃料原料の混合物をアセンブリ１０８を通る水蒸気対炭素比２．９、３．０、３．２および３．４で通過させることによって実行された。前処理された燃料原料ガスの出口におけるメタン、水素および二酸化炭素の濃度は、アセンブリ１０８の出口で測定された。見て分かるように、３．０〜３．４の水蒸気対炭素比における増加は、アセンブリでの水素生成を増加するという結果となった。
【００６３】
また、アセンブリ１０８の性能は、添加された異なる水素濃度のプロパン燃料原料でテストされた。このテストの間に使用された燃料原料は、５ｓｃｆｍのプロパン、３９ｓｃｆｍの水蒸気(２．６の水蒸気対炭素比)を含み、３１０℃の入口温度であった。異なる量の水素はアセンブリ１０８の入口で燃料原料に加えられた。図１１は、出口の前処理された燃料原料ガス中のメタン、プロパン、水素および二酸化炭素の濃度で燃料原料に加えられた水素の効果のグラフを示す。示されるように、アセンブリ１０８の入口で加えらた水素の量の増加とともにプロパン濃度は増加した。これらのテストは、アセンブリ１０８が追加の水素の供給なしで作動すること、水素の添加がプロパンの変換を減少させ、それにより、アセンブリの性能を損なうことを示す。
【００６４】
すべての場合において、上記説明された構成は本発明の応用を示す多くの可能な特定の実施例の単なる例示であることが理解される。多くの変更された他の構成は、本発明の原理に基づいて、本発明の精神と範囲を逸脱しないで、容易に工夫することができる。例えば、本発明の触媒ベッドの構成は、前改質ベッドを通過するように燃料原料ガスの空間速度と見かけ速度を最適化するように成し得る。また、他の脱酸素触媒および前改質触媒は上記議論したものの代わりにベッド２０２と２０４で使用され得る。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の原理に基づく前処理アセンブリを使用する燃料配送システムを有する燃料電池システムを示す図である。
【図２】図１の前処理アセンブリの第１の実施例の詳細な概略図を示す図である。
【図３】図２の脱酸素器の性能データのテーブルを示す図である。
【図４】図１の前処理アセンブリの第２の実施例の詳細な概略図を示す図である。
【図５】図４の前処理アセンブリの性能データのグラフを示す図である。
【図６】異なる燃料入口温度で、図４の前処理アセンブリに残る、前処理された燃料原料中のプロパンの残留濃度のグラフを示す図である。
【図７】入口ＨＤ−５プロパン燃料原料が異なるガス空間速度で前処理された出口燃料原料の各成分濃度の棒グラフを示す図である。
【図８】５％プロピレンを有する入口ＨＤ−５プロパン燃料原料を異なるガス空間速度で前処理した出口燃料原料の各成分濃度の棒グラフを示す図である。
【図９】性能テストの条件と図４の前処理アセンブリの性能結果をまとめたテーブルを示す図である。
【図１０】５％のプロピレンを有する入口ＨＤ−５プロパン燃料原料を異なる水蒸気／炭素比で前処理された出口燃料原料の各成分濃度の棒グラフを示す図である。
【図１１】出口の前処理された燃料原料ガス成分濃度に対する図４の前処理アセンブリに入力される燃料原料ガスに水素を添加する効果を示す図である。
【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５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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