(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入口および少なくとも１つの水素出口を有する少なくとも１つのボルテックスチューブと、
前記入口への炭化水素燃料インプットの分子中の炭素分から水素を取り除くための、前記ボルテックスチューブに関連付けられた少なくとも１つのリフォーマメカニズムであって、前記リフォーマメカニズムは、前記ボルテックスチューブの内側の触媒成分、および前記炭化水素燃料とともに前記ボルテックスチューブの中に注入される加熱された水蒸気を含む、リフォーマメカニズムと、
を含む、アセンブリ。
【請求項２】
前記ボルテックスチューブは渦流チャンバを含み、前記ボルテックスチューブの前記入口は前記渦流チャンバの中にあり、前記ボルテックスチューブは、前記渦流チャンバと連通して前記水素出口とは異なる出口を有する主チューブ部分を含む、請求項１に記載のアセンブリ。
【請求項３】
前記ボルテックスチューブの前記水素出口と流体連通する入口ポートを有する少なくとも１つのエンジンを含み、前記エンジンの燃料取り入れ口は、前記ボルテックスチューブの前記水素出口とは異なる前記出口と流体連通する、請求項２に記載のアセンブリ。
【請求項４】
前記水素出口とは異なる前記出口は、前記主チューブ部分の壁の内側表面と並置される、請求項３に記載のアセンブリ。
【請求項５】
前記触媒成分は、前記主チューブ部分の前記壁の前記内側表面上にある、請求項４に記載のアセンブリ。
【請求項６】
前記主チューブ部分の中央に配置されて、水素浸透チューブの一端に前記水素出口を画定する少なくとも１つの水素浸透チューブを含む、請求項２に記載のアセンブリ。
【請求項７】
トロイダル配位に配置された複数のボルテックスチューブを含み、前記複数のボルテックスチューブにおける最初のボルテックスチューブは、前記ボルテックスチューブの前記入口を画定して、前記複数のボルテックスチューブにおける次のボルテックスチューブの入口に流体を供給する、請求項１に記載のアセンブリ。
【請求項８】
前記ボルテックスチューブの前記入口は、エンジンの排気部と流体連通している、請求項１に記載のアセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、一般に、合成ガスの産生、水素分離、ならびにエンジンおよび燃料電池への注入のためのボルテックスチューブリフォーマに関する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００２】
或るアセンブリは、入口および水素出口を有する、少なくとも１つのボルテックスチューブを含む。リフォーマメカニズムは、入口への炭化水素燃料インプットの分子中の炭素分から水素を取り除くためのボルテックスチューブに関連付けられる。このリフォーマメカニズムは、ボルテックスチューブの内側の触媒成分、および／または炭化水素燃料とともにボルテックスチューブの中に注入される加熱された水蒸気を含む。
【０００３】
例示の諸実施形態において、ボルテックスチューブは、渦流チャンバを含み、ボルテックスチューブの入口は渦流チャンバの中にある。また、ボルテックスチューブは、渦流チャンバと連通し水素出口とは異なる出口を有する主チューブ部分を含むことが可能である。エンジンの燃料取り入れ口は、ボルテックスチューブの水素出口とは異なる出口と流体連通することができる。さらに、この水素出口とは異なる出口は、主チューブ部分の壁の内側表面と並置することが可能である。触媒成分は主チューブ部分の壁の内側表面上に配置すればよい。
【０００４】
いくつかの実施形態において、水素浸透チューブが、主チューブ部分の中央に配置され、この水素浸透チューブの一端に水素出口が画定される。
【０００５】
いくつかの実施形態では、複数のボルテックスチューブを備えてトロイダル配位（toroidal configuration）に配置し、これら複数のボルテックスチューブ中の最初のボルテックスチューブがボルテックスチューブの入口を画定し、複数のボルテックスチューブ中の次のボルテックスチューブの入口に流体を供給するようにすることができる。
【０００６】
エンジンは、タービン、またはディーゼルエンジンなどの内燃エンジンであってよい。
【０００７】
ボルテックスチューブの入口は、炭化水素燃料の供給源と流体連通させることができる。上記に加えてまたは換えて、ボルテックスチューブの入口は、エンジンの排気部と流体連通させることも可能である。
【０００８】
別の態様において、或る方法は、少なくとも１つのボルテックスチューブを使って炭化水素燃料を再製するステップを含む。この再製するステップは、炭化水素燃料の分子中の炭素ベースの成分から水素を取り除くステップを含む。また、この渦巻き流は、炭素ベースの成分から水素を分離し、実質上炭素含有のない水素ストリームをもたらすためにも使われる。この水素ストリームは、タンクもしくはタービンまたはエンジンなどの水素レシーバに供給される。
【０００９】
別の態様において、或るアセンブリは、炭化水素燃料を受け取り、その炭化水素燃料を第１のストリームと第２のストリームとに分離するように構成された、少なくとも第１のボルテックスチューブを含む。この第１のストリームは、主として水素から成り、また第２のストリームは、炭素ベース成分などの炭素分を含む。少なくとも第１の水素レシーバは、第１のストリームを受け取るように構成される。他方、少なくとも第２のボルテックスチューブは、第１のボルテックスチューブから第２のストリームを受け取り、第２のストリームを第３のストリームと第４のストリームとに分離するように構成される。この第３のストリームは、水素レシーバに水素を供給するため、主として、水素から成り、一方、第２のストリームは炭素分を含む。
【００１０】
水素レシーバは、水素タンクを含み得る。上記に加えてまたは換えて、水素レシーバは燃料電池を含んでよい。第１のおよび第３のストリームの両方とも水素レシーバに供給が可能である。水素レシーバは、タービンまたは他のエンジンを含んでよい。
【００１１】
いくつかの例において、少なくとも１つの熱交換器が、ボルテックスチューブとの間で流体連通して配置され、第２のストリームが第２のボルテックスチューブにインプットされる前に、第２のストリームから熱を除去するように構成される。上記に加えてまたは換えて、少なくとも第１の触媒成分を第１のボルテックスチューブの内側表面上に配し、少なくとも第２の触媒成分を、第１のボルテックスチューブの内側表面上でない、第２のボルテックスチューブの内側表面上に配することができる。第２の触媒成分は銅を含むことが可能で、また、特定の実施形態では、亜鉛およびアルミニウムを第２のボルテックスチューブの内側表面上に配することが可能である。
【００１２】
別の態様において、或るリフォーマアセンブリは、インプット部を有する渦流チャンバと、渦流チャンバと連通し主チューブ部分の壁の内側表面と並置された第１のアウトプット部を有する該主チューブ部分とを包含する、少なくとも１つのボルテックスチューブを含む。第１のアウトプット部は、インプット部に供給された流体の相対的により熱くより重い成分をアウトプットするためのものである。少なくとも１つの触媒成分が主チューブ部分の壁の内側表面上に配される。
【００１３】
この最後の態様のいくつかの例において、少なくとも１つの水素浸透チューブが主チューブ部分の中央に配置され、水素浸透チューブの一端に、インプット部に供給された流体の少なくとも１つの相対的により軽くより冷たい成分をアウトプットするための第２のアウトプット部を画定する。この少なくとも１つの相対的により軽くより冷たい成分は水素を含み得、インプット部に供給された流体の相対的により熱くより重い成分は炭素分を含み得る。燃料電池またはエンジンまたはタンクなどの他の水素レシーバを第２のアウトプット部に連結することが可能である。
【００１４】
別の態様において、或るシステムは、少なくとも１つの燃料電池、およびインプットとして炭化水素燃料を受け取りボルテックスチューブ内の炭化水素燃料から再製された水素を燃料電池に供給するための少なくとも１つのボルテックスチューブを含む。
【００１５】
本明細書の、構造およびオペレーションの両方に関する詳細は、添付の図面を参照することで最善に理解でき、図面中の同じ参照符号は同じ部品を指す。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】例示のエネルギ生成システムのブロック図である。
【図２】例示のボルテックスチューブリフォーマ／セパレータアセンブリのブロック図である。
【図３】トロイダル形ボルテックスチューブアセンブリの概略図である。
【図４】或るエンジンシステム中のボルテックスチューブの概略図である。
【図５】或るエンジンに対するボルテックスチューブベースの水素注入システムの概略図である。
【図６】分離プロセスを表す、ボルテックスチューブの側面視の概略図である。
【図７】ボルテックスチューブベースの水素リフォーマシステムのさらなる概略図である。
【図８】ボルテックスチューブベースの水素リフォーマシステムのさらなる概略図である。
【図９】ボルテックスチューブベースの水素リフォーマシステムのさらなる概略図である。
【図１０】諸図面に示されたボルテックスチューブシステムをサポートするための、例示の電気コンポーネントサブシステムのブロック図である。
【図１１】プロセッサによって実行可能なロジックを表す、諸図面に示されたボルテックスチューブシステムの例示の処理の流れのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１は、一例において、車両用の内燃エンジン等のエンジンなどレシーバにエネルギを供与する、または示されたこの例では、タービンの出力シャフトを回転させるタービン１２のロータにトルクを供与する、作動システム１０を示し、これについては後記でさらに説明する。タービン１２は、タービン原理によるコンプレッサ部、燃焼部、およびタービン部を含んでよく、また、通常、相互に連結され相互に同心とすることが可能な１つ以上のロータまたはシャフトを有してもよい。
【００１８】
図１は、一実施における、以下に限らないがジェット燃料などの、炭化水素ベースの燃料を包含し、タービン１２の取り入れ口１６に燃料を供給することが可能な燃料タンク１４を示す。燃料は、通常、タービン中のインジェクタを介して注入され、これは、タービンのコンプレッサ部によって圧縮された空気と混合され、いわゆる「保炎器」または「缶」中で点火される。「取り入れ口」とは、一般に、タービン翼に前置されたタービンの諸部分を言う。高圧の混合体は、出力シャフトに連結されたタービン翼１８に衝突するように向かわせられる。かくして、出力シャフトにトルクが供与され、シャフトをその軸周りに回転させる。他の実施において、タービン１２は、燃焼タービンである必要はなく、上記で触れたように、車両のエンジンなど他のレシーバを用いてもよい。
【００１９】
タービンの出力シャフトを発電機のロータに連結し、発電機のロータを電界内で回転させ、これにより発電機に電力を出力させることができる。あるいは、タービンの出力シャフトを飛行機のファンのロータに連結しファンを回転させ、しかして該ファンにターボファンジェット航空機を推進するための推力を発生させることが可能である。まださらに、このタービンの出力シャフトを、ヘリコプタのロータ、プロペラが装着された船舶のシャフト、または戦車などの陸上車両の駆動シャフトなどの推進コンポーネントのロータに連結し、プラットフォームを、空中または水上もしくは陸上を通して推進するため、運搬法の性質の如何により、場合に応じてロータ／シャフト／駆動シャフトを回転させることが可能である。この推進コンポーネントは、例えば、クランクシャフト、トランスミッション、車軸などといった、当該技術で周知のコンポーネントの組み合わせを含み得る駆動トレインを含んでよい。
【００２０】
タービン１２などのレシーバを燃料タンク１４から直接に燃料を使って作動するのに加えてまたはそれに換えて、作動システム１０は、燃料タンク１４から燃料を受け取るリフォーマアセンブリ２０を含むことができる。リフォーマアセンブリのいくつかの実施形態は、リフォーマ、および炭素ベース成分から再製されたリフォーマの再製産物中の水素を分離するための、隔膜型水素セパレータを含むことが可能であるが、ボルテックスチューブベースのリフォーマアセンブリについては後記でさらに説明する。
【００２１】
リフォーマアセンブリ２０は、燃料から水素を生成し、その水素は、一部の例では、図示のようにまず水素タンク２４を通ってから燃料電池２２に送られる。望ましい場合、複数のリフォーマおよび／または燃料電池を、相互に並列におよび／または相互に直列に使用することができる。
【００２２】
燃料電池２２は、電力を生成するために、例えば周囲大気からの酸素によって水素を酸化させることによって、通常、比較的高い効率で水素を使用する。限定はされないが、燃料電池２２は、ポリマー交換膜型燃料電池（ＰＥＭＦＣ：ｐｏｌｙｍｅｒ  ｅｘｃｈａｎｇｅ  ｍｅｍｂｒａｎｅ  ｆｕｅｌ  ｃｅｌｌ）、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ：ｓｏｌｉｄ  ｏｘｉｄｅ  ｆｕｅｌ  ｃｅｌｌ）、アルカリ型燃料電池（ＡＦＣ：ａｌｋａｌｉｎｅ  ｆｕｅｌ  ｃｅｌｌ）、溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ：ｍｏｌｔｅｎ−ｃａｒｂｏｎａｔｅ  ｆｕｅｌ  ｃｅｌｌ）、リン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ：ｐｈｏｓｐｈｏｒｉｃ−ａｃｉｄ  ｆｕｅｌ  ｃｅｌｌ）、または直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ：ｄｉｒｅｃｔ−ｍｅｔｈａｎｏｌ  ｆｕｅｌ  ｃｅｌｌ）であってよい。
【００２３】
次いで、燃料電池２２からの電力を、電気モータ２６に送りモータ２６の出力シャフトを回転させることが可能である。このモータシャフトは、ロータ継手２８を介してタービン１２のロータに連結される。通常、モータ２６が連結されるタービン／エンジンは、翼１８を支えるロータの同一の部分ではないが、但し、一部の実施では同一にすることも可能である。代わりに、モータ２６に連結が可能なロータは、翼を支えていない翼ロータの部分、または、該ロータと同心の、もしくは別途にこれに連結された、該翼ロータとは別個のロータの部分としてもよい。いずれの場合も、モータ２６は、燃料電池２２に電圧印加されたとき、タービン１２の出力シャフト上のロータを通して（必要な場合、適切な継手を介して）トルクを供与し、該シャフトは、場合に応じてロータを形成するシャフトと同じシャフトとしてもよい。モータ２６からの力は、タービンによって具現されるレシーバ以外の、コンポーネントに供与することも可能である。まださらに、燃料電池およびタービン／エンジンによって生成された電力は、バッテリシステムなどの電気貯蔵装置、または市町村の配電グリッドなどの電力負荷に送ることができる。
【００２４】
加えて、さらなる効率を実現するために、燃料電池２２によって生成される蒸気の形の水などの燃料電池のアウトプットは、ミキサ３０中のリフォーマアセンブリ２０にインプットされる炭化水素と混合することが可能で、該ミキサは、タンクもしくは単なるパイプ、またはその中で水と炭素分とを混合できる他の空所であってもよく、次いで混合体は（例えば、適当なパイプまたはダクトを通して）タービンの取り入れ口１６に向けられる。また、望ましい場合、界面活性剤タンク３２からの界面活性剤を、蒸気／炭素分混合体に加えることが可能である。あるいは、燃料電池からの蒸気は、後記で説明するリフォーマアセンブリに、該蒸気を炭素分と混合することなくおよび／または該蒸気を界面活性剤と混合することなく、送ることもできる。
【００２５】
いずれの場合にも、この蒸気／炭素分混合体は、燃料タンク１４から取り入れ口１６への直接の燃料注入を増補でき、または燃料タンク１４から取り入れ口１６への直接の燃料注入全体を代替できることもここでよく理解しておく。
【００２６】
さらになお、燃料電池２２によって生成された電力は、電気モータ２６を作動する（またはバッテリストレージまたはグリッドに電力を供給する）ためばかりでなく、タービンまたはエンジン１２中の適切なコンポーネントに対し点火電流を供給するためにも使用することができる。また、燃料電池からの電力は、例えば、電気モータを作動するのに加え、他の電気機器に電力を供給するなど他の補助用途のために使うことも可能である。リフォーマアセンブリ２０が二酸化炭素および蒸気を発生させる場合、これらの流体も、リフォーマおよび蒸気発生器に関連付けられたまたは連結された熱交換器に向かわせることができる。
【００２７】
いくつかの実施形態において、水は、必要な場合、燃料電池２２から水ライン３４を通してリフォーマアセンブリ２０に返すことが可能である。また、必要な場合、リフォーマアセンブリを加熱するために、レシーバから（例えば、タービン１２から）の熱を収集しダクト／パイプ３６を通してリフォーマアセンブリ２０に送り返すことができる。
【００２８】
図２は、ボルテックスチューブベースのリフォーマアセンブリ２０を示す。図示のように、アセンブリ２０は、蒸気貯蔵器２００および燃料貯蔵器２０２を含んでよい。蒸気貯蔵器２００および燃料貯蔵器２０２は、それぞれの内部流体チャンバ２００ｂ、２０２ｂを取り囲むそれぞれの外部加熱チャンバ２００ａ、２０２ａを表すことによって概略的に示されている熱交換器とすることができ、各外部熱交換チャンバ中の熱がそれぞれの内部流体チャンバ中の流体を加熱する。熱は、例えばタービン１２など、図１のレシーバの排気部からの排気ライン３６を介して各熱交換チャンバ２００ａ、２０２ａに供給が可能である。
【００２９】
最初に蒸気貯蔵器２００を検討すると、始動のための最初の水または蒸気は、この最初の水または蒸気が、図示のライン３４を介して燃料電池２２から蒸気排出の補充を受けて好ましくは入れ替えができるときまでは、随意の羽根車２０４または他の流体移動デバイスの取り入れ側に供給することが可能である。また、初回の始動用熱も、図示の排気ライン３６を介してレシーバ（例えばタービン１２）の排出熱から始動熱の補充を受け好ましくは入れ替えができるときまでは、例えば、流体貯蔵器２００の熱交換チャンバ２００ａ中の電気加熱素子２０６から、またはタービンもしくはエンジンからの排気熱から、または何らかの他の熱源から供給を受ければよい。いずれの場合にも、始動のため蒸気に加熱された最初の水、および作動の間の燃料電池からの蒸気は、設けられていれば羽根車２０４の影響の下で、または単に内部流体チャンバ２００ｂ内の蒸気圧の下で、ミキサ／インジェクタ貯蔵器２０８に送られる。
【００３０】
燃料貯蔵器２０２に関しては、限定はされないが天然ガスなどの炭化水素燃料を、燃料タンク１４から、随意的な羽根車２１０または他の流体移動デバイスの取り入れ側に供給することができる。また、最初の始動用熱も、図示の排気ライン３６を介してレシーバ（例えばタービン１２）の排出熱から始動熱の補充を受けて好ましくは入れ替えができるときまでは、例えば、燃料貯蔵器２０２の熱交換チャンバ２０２ａ中の電気加熱素子２１２から、または何らかの他の熱源から供給を受ければよい。いずれの場合にも、燃料貯蔵器２０２の流体チャンバ２０２ｂ中の加熱された燃料は、好ましくは、燃料チャンバの内側壁上に設けることの可能な脱硫吸着剤素子２１３によって硫黄を洗い落されており、備えられていれば羽根車２１０の影響の下で、または単に内部流体チャンバ２０２ｂ内の流体圧力の下で、ミキサ／インジェクタ貯蔵器２０８に送られる。ある場合には、燃料は、ミキサ／インジェクタ２０８に供給される前に加熱されなくてよい。
【００３１】
いくつかの例において、蒸気貯蔵器２００中の蒸気、および／または燃料貯蔵器２０２中の燃料は、３気圧〜３０気圧（３ａｔｍ〜３０ａｔｍ）の圧力で、摂氏６００度（６００℃）〜摂氏１１００度（１１００℃）に加熱することが可能である。さらに一般的には、炭化水素と蒸気との混合体に加えられる反応温度は、下限温度３００℃から最大１２００℃にまで亘り得る。これらの温度は、インプットされる炭化水素供給の種類、反応チューブを通るプロセスのデューティ通過時間、および反応チューブ中で発生する渦巻き流などの乱流による加圧に対し最適化することができる。
【００３２】
ミキサ／インジェクタ２０８は、蒸気貯蔵器２００からの蒸気と燃料貯蔵器２０２からの燃料とを混合する。この混合は、それぞれの流体がミキサ／インジェクタ２０８に入る際のそれらの混濁度の影響の下で、および／またはミキサ／インジェクタ２０８内の回転する羽根車など追加の混合コンポーネントによって、および／または他の適した手段によって、達成することができる。ミキサ／インジェクタ２０８は、混合された蒸気と燃料とを、例えば、燃料インジェクタを介して、またはミキサ内の流体圧力の影響の下で、単にポートおよび流体ラインを通して、ボルテックスチューブ２１４の中に注入する。
【００３３】
ボルテックスチューブ２１４は、ランク・ヒルシボルテックスチューブとしても知られ、圧縮された流体を高温ストリームと低温ストリームとに分離する機械的デバイスである。これは、通常、動く部品を持たない。
【００３４】
図示のように、ミキサ／インジェクタ２０８からの蒸気と燃料との加圧された混合体は、好ましくは接線方向に、ボルテックスチューブ２１４の渦流チャンバ２１６の中に注入され、渦流チャンバ２１６と、図示のように渦流チャンバ２１６のインプット軸に垂直に方向付けられた主チューブ部分２１８の円筒形壁との間の幾何学的配置の協働作用によって高速回転に加速される。圧縮ガスの外殻だけが当該端部から脱出可能なように、ボルテックスチューブ２１４の一端に第１の円錐ノズル２２０を設けることができる。この端部の開口は、しかして、その中央部が（例えば、後記でさらに説明するように、バルブによって）ブロックされた環状であり、その結果、ガスの残部分は、図示のように、主内部チューブ２１８を通って、主チューブ部分２１８とほぼ同軸のより小さな直径の内部ボルテックス中の渦流チャンバ２１６に向かって強制的に押し戻される。一実施形態において、この内部渦巻き流は、水素アウトプット部２２４につながる水素浸透チューブ２２２中に封入することができ、このアウトプット部は、第２の円錐ノズルによって形成することができる。水素浸透チューブ２２２が設けられている場合、好ましくは炭素ベースの成分に対しては不浸透である。チューブ２２２はパラジウムを含有するとよい。
【００３５】
触媒層２２６は、炭素ベースの成分を主内部チューブ２１８により形成される流路の外周部に引き付けるために、少なくともこの主内部チューブの内側表面の上に、またはこれと一体にして形成され得る。触媒層は、ニッケル、および／または白金、および／またはロジウム、および／またはパラジウム、および／または金、および／または銅を含み得る。チューブ２１８は触媒層で構成することができ、あるいは、例えば、セラミックとすることが可能なチューブ基材の上への触媒層２２６の蒸着によって、該層２２６をチューブ基材に付着させることも可能である。
【００３６】
ボルテックスチューブ２１４の構造の協働作用は、インプットされた燃料から、相対的により冷たい水素を、主チューブ２１８の軸方向に設けられていれば水素浸透チューブ２２２の中に、且つ主チューブ２１８の軸に沿って図２で示される左方に向かわせ、一方、燃料の相対的により重くより熱い炭素ベースの成分を、外側に触媒層２２６に対し、且つ図２で示される右方に向かわせる。描かれた構造の協働作用のおかげで、燃料は、水素と炭素ベースの成分との両方に化学的に再製され、水素は、燃料電池２２に供給されるために炭素ベースの成分から物理的に分離される。
【００３７】
必要に応じ、ボルテックスチューブ２１４の水素アウトプット部２２４から水素を引き出すのを助力するため、真空ポンプ２２８などの放出メカニズムを設けることができる。また、必要に応じ、燃料電池２２への供給の前に、水素をさらに純化するため水ガスシフト反応器（ＷＳＧＲ：ｗａｔｅｒ  ｇａｓ  ｓｈｉｆｔ  ｒｅａｃｔｏｒ）２３０を通過させてもよい。ボルテックスチューブベースのＷＧＳＲの実施形態の例については、後記でさらに説明する。
【００３８】
他方で、燃料の炭素ベースの成分は、ボルテックスチューブ２１４の主チューブ２１８の右側に、一部の例では図１中のミキサ３０を介して、例えばタービン１２などのレシーバに送出される。
【００３９】
燃料電池は、通常、これらへの水素インプットが、従来式リフォーマが生成するものに比較してより冷たいときによりよく機能し、従来式リフォーマは結果的に冷却を必要とすることがある。さらに、従来式リフォーマからの非常に高温の水素には、ＷＧＳＲなどある種の水素冷却技法を用いるのが困難なことがあり、これは当該水素がかなりの冷却を必要とし得ることを意味する。ここに記載のような単一のリフォーマアセンブリ中で、燃料を再製して水素を分離し、水素を（炭素ベースの成分に関連して）冷却することによって、再製後冷却の必要性が少なく、燃料電池の寿命を延ばす比較的に冷たい水素を生成する能力を含めて多くの利点が生じる。
【００４０】
これらにより、渦巻き流またはサイクロン性渦流運動の応用は、これらのプロセスの簡潔な統合を可能にし、より高いエネルギ効率、改良された燃料利用率、および向上した水素歩留まりを提供する。従来式リフォーマに比べてのさらなる利点は、水素産生に有利な化学平衡へのシフトを含む。これは、チューブ中の再製処理の過程で発生する炭化水素合成ガス混合体から水素を引き出すまたは取り込むため、渦巻き流の低圧の場所への水素浸透膜セパレータの配置によって達成される。このプロセスは、生成された渦巻き流または渦巻き流群の組み合わせを介して達成され、これは水素ガスの取り込みおよび冷却を向上させながら、再製および渦巻き流ガスの分離を同時に向上させる。
【００４１】
前述のアプローチにおいて、発生した渦巻き流は、遠心性回転運動をもたらし、それが、まず円形チューブ中のガスの炭化水素および蒸気に加えられ、それらはより高い圧力および温度で触媒が敷かれた主チューブ２１８の壁に対して接線方向に押し付けられ、これが再製の速度を高める。これは、触媒が敷かれたチューブの壁に接触する渦流運動によって課される、より高質量の分子ガス（炭化水素および蒸気）へのより高い温度および圧力に起因する。
【００４２】
再製処理が、渦巻き流中をチューブ下流に進むにつれ、インプットされた炭化水素ガス混合体は、ガスの密度に従って軸方向に区別化または層別化される。最高密度の炭化水素および蒸気はチューブの内側壁に集まり、最低密度を有する水素は渦流の中央に向かって移動することになる。より高い運動量が、より重いガス、最長鎖の炭化水素と蒸気とに付与され、これらは強い力および高い密度で、チューブの触媒が敷かれた壁に衝突する。これは、所与の圧力に対する、炭化水素、蒸気、および触媒の間の順応性および界面を最適化する。
【００４３】
より低質量の水素ガスは、渦巻き流の中央に向け、周辺部から離れたより低圧の領域に向けて引き寄せられる。周辺部から離れるように水素を移動するこの効果は、より重い炭化水素、蒸気、および二酸化酸素に対し触媒へのアクセス経路を改善する。渦巻き流が最低の圧力を有するチューブの中央は、水素を引き寄せるための吸引性を備えた水素浸透ろ過チューブ２２２を包含している。したがって、水素は、中央部に浸透し、負圧によって反応から引き出され、これにより、再製処理が進む過程で水素が取り込まれる。
【００４４】
水素は、そのより低い密度のゆえに渦巻き流の中央から分離され引き出されて、チューブに加えられた負圧に起因して、水素浸透分離チューブの壁の中にさらに引き寄せられる。進行中の再製からの水素の引き出しまたは取り込みでは、水素を完全除去して好ましくない水素の可逆反応を制限することにより、触媒に関連する動的な化学反応がさらに改善される。これは、炭素分に対する水素の産生比率を高める。
【００４５】
上記を念頭に置いて、産生水素の量を向上するために進行中の反応の平衡バランスがさらに変更されるように、ボルテックスチューブが純化されたアウトプットストリームを供給するのに沿って、再製反応の生成物（合成ガス）が通過時間の間に連続的に採取される。プロペラまたはポンプを使って、注入される炭化水素および蒸気の供給に渦巻き流のサイクロン運動を起こさせることが可能で、これにより重い炭化水素ベースのガスおよび蒸気がチューブの壁に向かわせられる。この運動は、炭化水素の一部が触媒に衝突して水素および一酸化炭素分を放出する再製をもたらす。ＣＨ４より軽い上記２つのガスは、ボルテックスチューブの壁から離れた渦流の中央に向けて推進される。一方は水素、他方は蒸気、一酸化炭素分、二酸化炭素分、および微量不純物から成る分離されたアウトプットストリームは、別々に採取されそれぞれのアウトプットストリームに送り込まれる。
【００４６】
アウトプット燃料ストリームの産生および分離の双方は、反応チューブ中の渦巻き流運動および、水素など分別産物の順次的除去によって強化され、これらは、連続的な非平衡状態による動的な最適化をさらに提供する。
【００４７】
ボルテックスチューブは、適切なセンサ、バルブ、および制御電子機器に加え、燃料および蒸気インジェクタ、加熱インプット部、熱交換器、高度せん断乱流ミキサ、フィルタ、アウトプットストリームタップを含んでよい。アウトプット水素および一部の蒸気は、燃料電池２２に供給することができ、炭素ベースの成分および一部の蒸気はレシーバに供給される。いくつかの実施において、蒸気およびより重い分別炭化水素は、ボルテックスチューブまたは複数のボルテックスチューブ中に逆送することが可能である。
【００４８】
図３は、複数のボルテックスチューブが、エンドレスループ３００状に配置された或る実施形態を示しており、この配置を本明細書では、このエンドレスループが完全に円形であることは示唆せずに、「トロイダル」配位と言う。各ボルテックスチューブは、構造および動作において図２中のボルテックスチューブ２１４と実質的に同一であってよい。
【００４９】
図示のように、最初のボルテックスチューブ３０２に燃料をインプットすればよく、その水素浸透チューブからの水素アウトプットは、次のボルテックスチューブ３０４の渦流チャンバにインプットとして送られ、順送りに、その水素アウトプットは、その次のボルテックスチューブにインプットとして供給される。「Ｎ」個のボルテックスチューブは、これらを配位３００に直列に配置することが可能で、「Ｎ」は整数（本例ではＮ＝８）で、Ｎ番目のボルテックスチューブ３０６の水素アウトプットは燃料電池２２に送られる。このように、水素は順次に燃料電池への益々純粋なインプットに分離され、一方、各ボルテックスチューブからの炭素ベース成分のアウトプットは、「Ｎ」個の矢印３０８で示されるように、個別に各チューブから引き出されレシーバに送ることができる。
【００５０】
図３の配位３００は、図２に示されたシステム中で用いることが可能で、最初のボルテックスチューブ３０２がミキサ／インジェクタ２０８から燃料を受け取り、水素アウトプット部２２４から次のボルテックスチューブの渦流チャンバのインプット部に水素が送られ、Ｎ番目のボルテックスチューブ３０６の水素アウトプットは真空ポンプ２２８およびＷＳＧＲ２３０を介して燃料電池２２に送られる。図３の各ボルテックスチューブからの炭素ベースの成分は、ミキサ／レシーバ３０／１２に送ることができる。
【００５１】
他の実施形態では、各チューブからの炭素分アウトプットは次のチューブのインプット部に送られ、各チューブの水素アウトプットは、別々にトロイダル配位３００の外に向けて、燃料電池に送られる。
【００５２】
図４は、前述し、図２または図３に示したボルテックスチューブまたはチューブ群によって形成することが可能なボルテックスチューブ４００を示す。図４のボルテックスチューブ４００は、図示のように、少なくとも１つの入口４０２、少なくとも１つの水素出口４０４を含むことができ、ディーゼルエンジンなどの少なくとも１つのエンジン４０６が、ボルテックスチューブ４００の水素出口４０４と流体連通する入口ポート４０８を有する。このように、再製により産生されたボルテックスチューブ４００内の水素は、水素注入または増強としてエンジン４０６に供給され、エンジン中で、水素は、タンク４１０からのディーゼル燃料と組み合わされて、エンジンの燃料取り入れ口４１２で受け取ることが可能である。なお、エンジン４０６の水素入口４０８は、燃料取り入れ口４１２とは別にしてもよく、または同じとしても、あるいは燃料取り入れ口４１２と同じ機械的アセンブリ中にあってもよい。
【００５３】
当然のことながら、前述の開示の観点から、ボルテックスチューブ４００は、通常、入口４０２を通して炭化水素がその中に供給される渦流チャンバ、および渦流チャンバと連通し水素出口４０４とは異なる出口４１４を有する主チューブ部分を含む。図示されたものなどいくつかの実施形態において、エンジン４０６の燃料の取り入れ口４１２は、ボルテックスチューブ４００から水素の欠如した再製物を受け取るため、出口４１４と流体連通している。前述の開示によれば、出口４１４は、通常、主チューブ部分の壁の内側表面と並置されており、該内側表面上には、少なくとも１つの触媒成分を配置することが可能である。
【００５４】
同様に、ボルテックスチューブ４００は、上記のボルテックスチューブの例で前述したように、主チューブ部分の中央に配置され、当該水素浸透チューブの一端に水素出口４０４を画定する水素浸透チューブを含むことができる。
【００５５】
前述のように、図４のボルテックスチューブ４００は、図３のトロイダル配位に配置された複数のボルテックスチューブによって形成されるアセンブリを表し得る。
【００５６】
図示の例において、ボルテックスチューブの放出導管４１６は、水素の欠如した再製物を、燃料タンク４１０をエンジンの燃料取り入れ口４１２に連結しているエンジン燃料供給導管４１８に搬送するため、ボルテックスチューブの出口４１４と連通している。このように、この燃料取り入れ口には、単一のインプット開口が必要なだけである。しかしながら、別の実施形態では、ボルテックスチューブ放出導管４１６は、ボルテックスチューブ出口４１４から、燃料供給導管４１８につながることなく、エンジン４０６の燃料取り入れ口４１２に直接に延びている。
【００５７】
この図示の例において、ボルテックスチューブ４００の入口４０２は、再製対象の炭化水素燃料を受け取るため、燃料タンク供給導管４２０を介して燃料タンク４１０と流体連通することができる。上記に加えまたは換えて、ボルテックスチューブ４００の入口４０２は、再製対象の炭化水素ストリームを受け取るために、車両排気導管４２４を介してエンジン４０６の排気システム４２２と流体連通してもよい。この図示の例では、再製対象の炭化水素の２つの供給源（エンジン排気部および燃料タンク）が設けられている場合に、車両排気導管４２４は、燃料タンク供給導管４２０に合流が可能で、ボルテックスチューブ４００には１つの注入開口が必要なだけである。しかしながら、２つのボルテックスチューブへのインプット源を使う別の実施形態では、車両排気部４２２から直接に入口４０２に車両排気導管４２４を延ばすことが可能で、同様に、燃料タンク供給導管４２０も、燃料タンク４１０から直接に入口４０２に延ばすことができる。
【００５８】
また、図４は、エンジン４０６のエンジン制御モジュール（ＥＣＭ：ｅｎｇｉｎｅ  ｃｏｎｔｒｏｌ  ｍｏｄｕｌｅ）４２６（通常、エンジン４０６の構成部品であるが、エンジン４０６の燃焼部内には収容されていない）によって制御が可能な電気作動のバルブとして図４に描かれた、随意的なバルブも示している。上記に換えて、図示のバルブの１つ以上は、それぞれのバルブの隣のそれぞれの矢印によって示された一方向だけへの流れを可能にするチェックバルブとしてもよい。
【００５９】
さらに具体的には、水素放出バルブ４２８は、ボルテックスチューブ４００の水素出口４０４から延びている水素放出導管４３０中に配置することができる。図示の例では、水素放出バルブ４２８は、例えば図２中に示されたポンプ２２８およびＷＧＳＲ２３０を含むことが可能な、放出アセンブリ４３２の上流にある。他の実施形態では、水素放出バルブ４２８は、アセンブリ４３２の下流に配することも可能である。
【００６０】
エンジン排気ボルテックスチューブの供給バルブ４３４は、図示のように車両排気導管４２４中に、好ましくは燃料タンク供給導管４２０が排気導管４２４につながる個所の上流に、設ければよい。同様に、燃料タンクボルテックスチューブ供給バルブ４３６は、燃料タンク供給導管４２０の中に設けることができる。ボルテックスチューブ供給バルブ４３４、４３６は、炭化水素のどちらの供給源または供給源群からボルテックスチューブ４００に供給を行うかを選択的に制御するため、ＥＣＭ４２６によって制御することが可能である。
【００６１】
エンジン４０６によってどの燃料を受け取るかを制御するため、第１のおよび第２のエンジン供給バルブ４３８、４４０を、それぞれボルテックスチューブ放出導管４１６と燃料供給導管４１８とに設けることができる。図示の非限定の例において、燃料供給導管４１８中の第２のエンジン供給バルブ４４０は、第２のエンジン供給バルブ４４０と燃料タンクボルテックスチューブ供給バルブ４３６とが、相手方の導管に影響を与えることなく、必要に応じそれぞれの導管を別離するために閉鎖できるように、燃料供給導管４１８中へのボルテックスチューブタップに燃料を供給する燃料タンク供給導管４２０が燃料供給導管４１８につながる個所の下流に設けられる。
【００６２】
ここで当然のことながら、作動において、ボルテックスチューブ４００は、炭化水素燃料および／またはエンジンからの排気を、再製の過程で炭化ベースの成分から水素を分離して再製し、再製の結果として分離された水素はエンジン４０６に供給される。
【００６３】
図５は、前述の説明対象が組み込まれた特定のシステムを示す。ボルテックスチューブ５００は、ミキサ５０２を介し、燃料タンク５０４から、例えば、図５に示されたシステムが配置された車両のガソリンタンクから、ガソリンまたはディーゼルなどの炭化水素燃料を受け取る。前述したボルテックスチューブの任意のものを使用することが可能である。
【００６４】
蒸気ミキサ／インジェクタ５０２は蒸気を炭化水素と混合し、その混合体を高圧でボルテックスチューブの入口に注入する。渦巻き流の入口の後には、ボルテックスチューブ５００によって形成される渦巻き流ジェネレータが配置されており、該ジェネレータは、インプット混合体を、高速で旋回させ、図２の触媒層２２６について前述したような、チューブの内側表面をコートしている触媒と接触しつつ、高い速度、圧力、および温度でチューブの内側周辺部に沿って旋回しながらチューブ５００の炭素端に向かって（図５で見て右方に）進める。この合成ガスの旋回運動は、混合体を、ボルテックスチューブ５００の内部チャンバの外周部に最近接させ、双方の温度を上昇させ、チューブの内側の触媒のライニングに高い遠心力を与え、再製反応の速度を増大し、触媒上への炭素分の蓄積を防止する。
【００６５】
この再製の過程で、触媒層で合成ガスが生成され、次いで、水素は炭素分／蒸気混合体よりも軽いので、この合成ガスの水素成分は、ボルテックスチューブ中の渦流の中央に向かって移動し、炭素分／蒸気混合体は渦流の外側部分に向けて推進される。しかして、ボルテックスチューブの１つのアウトプットストリームは主として水素から成り、水素タンク、または図示の非限定の例では、燃料電池５２０などの水素レシーバに（望ましい場合、後記で述べるポンプ５２７などの介在コンポーネントを介して）アウトプットされる。ボルテックスチューブの第２のアウトプットは、主として炭素ベースの成分、および場合によっては水および残留水素を含む。
【００６６】
燃料ポンプ５０６には、燃料タンク５０４上の吸引部、およびミキサ５０２中に燃料をポンプ送りするためのミキサ５０２中への排出部を設けることができる。また、ボルテックスチューブ５００は、ミキサ５０２を通して水タンク５０８から水または蒸気を受け取る。水ポンプ５１０には、水タンク５０８上の吸引部、およびミキサ５０２中に水をポンプ送りするためのミキサ５０２中への排出部を設けることができる。しかして、ボルテックスチューブは、ミキサ５０２から燃料と水との混合体を受け取ることが可能である。
【００６７】
燃料ラインバルブ５１２は、燃料タンク５０４とミキサ５０２との間の連通流路中に設ければよい。同様に、水ラインバルブ５１４は、水タンク５０８とミキサ５０２との間の連通流路中に設ければよい。一般に、ここに記載のバルブは、プロセッサ制御とすることができ、しかしてソレノイドを含むことが可能である。処理回路の一例についてさらに下記で説明する。
【００６８】
１つまたは両方のバルブ５１２、５１４のポジションは、１つ以上のミキサセンサ５１６（簡潔化のため１つだけのセンサが示されている）からの信号に基づいて設定すればよい。ミキサセンサ（群）５１６は、燃料センサ、または酸素センサ、または炭素センサ、または温度センサ、または圧力センサ、あるいは、ミキサ５０２内の混合体の組成（および／または温度および／または圧力）を感知する他の適切なセンサの内の１つ以上とすることができる。例えば、燃料に対する水の割合が高すぎる場合、燃料バルブ５１２は１つ以上のバルブポジション増分だけ開かせ、および／または水バルブは１つ以上のバルブポジション増分だけ閉じさせることが可能である。同様に、燃料に対する水の割合が低すぎる場合、燃料バルブ５１２は１つ以上のバルブポジション増分だけ閉じさせ、および／または水バルブは１つ以上のバルブポジション増分だけ開かせることが可能である。
【００６９】
さらになお、５１８で示されるように、ミキサ５０２に熱を加えることができ、センサ５１６が温度センサを含む場合、そのセンサからの信号を使って、熱インプットを調整し、ミキサ５０２中の混合体の温度を最適化することができる。熱適用体５１８は、後述の熱交換器からミキサ５０２に熱を伝導するため、ミキサ５０２および／または導管に熱係合している電気ヒータとすることが可能である。
【００７０】
ボルテックスチューブ５００は、その水素アウトプット端で、燃料電池５２０に向け水素をアウトプットする。燃料電池５２０は、車両中の電気推進モータ５２２に電力を供給するため使用することができる。また、燃料電池５２０は、水を、ライン５２４を介し水タンク５２６におよび／または前述した水タンク５０８に向けて、および／または図示のように直接にミキサ５０２にアウトプットすることが可能である。水素ポンプ５２７には、ボルテックスチューブ５００上の吸引部および燃料電池５２０中への排出部を設けることができる。
【００７１】
ボルテックスチューブ５００は、その炭素分アウトプット端から、水、ならびに一酸化炭素（ＣＯ）および二酸化炭素（ＣＯ２）を含む炭素ベースの成分を、第１の熱交換器５２８にアウトプットすることが可能である。第１の熱交換器は、供給されて来る流体を、ここに記載のいずれかの水タンクからの水を水ジャケットを通してポンプ送りする水循環ポンプを使って、またはエア冷却を使って、加温または冷却することができる。燃料電池５２０および／またはシステム中のいずれかのエンジンからの熱は、熱交換器を加熱するため該交換器に加えることが可能である。第１の熱交換器からの熱は、出口５３０を通して、例えば、ミキサ５０２の加熱素子５３２、および／または炭素端よりも水素端の近くの、ボルテックスチューブ５００に熱係合する加熱素子５３４など、ここに示されたコンポーネントの１つ以上に向け供給することができる。なお、電気ヒータ５３６も、ここに記載の熱交換器の１つがボルテックスチューブ５００に熱を供給するのに十分なほど温まるときまでは、ボルテックスチューブ５００に熱を供給するためにこれと熱係合していることが可能である。
【００７２】
熱交換器５２８からのアウトプットは、放出制御バルブ５３８を通って、エンジン５４０に供給することが可能で、このエンジンは、車両を推進するタービン、ディーゼルエンジン、またはガソリンエンジンによって実施されてよい。エンジン５４０から熱を抽出するために、第２の熱交換器５４２を設けることができ、第２の熱交換器５４２からの熱は、必要に応じ、それぞれの導管５４４、５４６を通して、ミキサ５０２およびボルテックスチューブ５００のうちの１つ以上に供給される。なお、第１のおよび第２の熱交換器５２８、５４２は、必要であれば単一の装置に組み合わせることが可能である。
【００７３】
また、燃料タンク５０４からの一部のアウトプットは燃料ライン５４８を通って流れ、始動モードにおいてエンジン５４０に燃料を供給するため、このライン中に炭化水素バルブ５５０を設けることが可能である。始動モードでは、バルブ５５０が開かれ、燃料を供給してエンジン／タービンを始動するため、炭化水素タンクをエンジン／タービンに連結し、これらは、それを受けて、熱交換器に熱を供給し、該交換器は、これを受けて、図示のボルテックスチューブベースのリフォーマ／セパレータ構造体を加熱する。
【００７４】
ボルテックスチューブ５００の炭素端のアウトプット中のパラメータを感知するため、１つ以上のセンサ５５２を設けることができる。これら１つ以上のセンサは、温度、ＣＯ２、ＣＯ、水、水素などを感知することが可能で、必要に応じ、諸パラメータが所定の範囲に留まっていることを確実にすべく、センサ（群）５５２の上流の、ボルテックスチューブ５００の炭素分出口中のスロットル制御バルブ５５４を制御するため、プロセッサに信号を入力することが可能である。
【００７５】
さらに具体的には、ボルテックスチューブ５００の炭素端において、渦流合成ガスはスロットル制御バルブ５５４によって生成される部分的妨害に遭う。スロットル制御バルブ５５４のポジションは、より重い炭素リッチな混合体が制御バルブ５５４内の周辺部のギャップを通過するように、ここに記載のセンサからの１つ以上の入力信号に基づいて、後記で説明するプロセッサによって調整することが可能である。一例において、後述のプロセッサは、センサの信号から、水素／炭素分比率を測定し、それによりスロットル制御バルブ５５４のポジションを調整する。
【００７６】
他方で、ほとんどが水素である合成ガス渦流の中央は、スロットル制御バルブ５５４の中心から跳ね返される。これは、水素がバルブ５５４を通って漏出することを防止し、ボルテックスチューブ５００の水素端に向け（図５で見ると左側に）戻って進ませ、水素は水素端からチューブを出て燃料電池５２０中にインプットされる。ボルテックスチューブの中央に集中された水素ストリームは、周辺部の渦流および当初に注入された炭化水素蒸気混合体の両方よりも低い温度で、ボルテックスチューブから出る。このより低い温度の水素は、燃料電池での使用によく適している。
【００７７】
同様に、ボルテックスチューブの水素アウトプット中のパラメータを感知するために、１つ以上のセンサ５５６を設けることができる。これら１つ以上のセンサ５５６は、温度、ＣＯ２、ＣＯ、水、水素などを感知することができ、必要に応じ、諸パラメータが所定の範囲に留まっていることを確実にすべく、ここに記載のバルブまたは他のコンポーネントの１つ以上を制御するため、プロセッサに信号を入力することが可能である。このように、ボルテックスチューブ５００内の温度は、温度センサを介して感知が可能であり、再製のために適した温度を維持するために、後記で述べるプロセッサによって調節することができる。
【００７８】
ここで念のため、図５は、燃料電池５２０およびエンジン／タービン５４０に連結されハイブリッド燃料電池タービンを形成する、組み込みボルテックスチューブベースのリフォーマおよび水素セパレータを表している。図５の構造体は、乗用車またはトラックなど車載の再製装置を有する車両に、ライン５４８を通してタンク５０４からエンジン５４０に燃料を移送することによって、即時に始動する能力を提供する。この例において、システムが低温の場合、車両が即時に作動してそれにより水素作動に切り替える前にリフォーマセパレータを温めることができるように、最初はバルブ５５０を通って移送される燃料を使って、エンジン／タービン５４０がパワーアップされる。
【００７９】
水素作動モードで動作するのに十分なほどに温まったならば、ボルテックスチューブ５００から生成された水素ストリームが燃料電池５２０に供給され、ボルテックスチューブ５００からの炭素分ストリームはタービン／エンジン５４０に供給される。図５のシステムは２つのフロントエンド供給タンク、すなわち、前述の制御バルブ５１２、５１４を介して、産物を蒸気ミキサ／インジェクタ５０２に供給する、水タンク５０８および炭化水素タンク５０４を含む。これらの制御バルブ５１２、５１４は、図５に示されたセンサによって感知され、後記で示し説明する図示のプロセッサによって制御される、電力需要および反応速度、温度、ガス混合体などの感知パラメータに基づいて、有利に調節することが可能である。
【００８０】
図６は、ボルテックスチューブ５００中のガスの分離を概略的に示す。中央の水素浸透チューブ６００は、相対的に冷たい水素を受け取り、一方、相対的に暖かい炭素成分は、ボルテックスチューブ５００の外部壁の内側表面上の触媒ライニング６０２に向けて引き寄せられる。矢印６０２は、ボルテックスチューブ中のガスの蒸気／炭化水素の渦流を表す。しかして、図６は、炭化水素蒸気混合体の渦流運動、合成ガス再製および層別化と、水素の中央に向かっての移動とを表している。
【００８１】
図６では、リフォーマボルテックスチューブは、ニッケルベース触媒などの触媒ライニング、再製反応にエネルギを提供する組み込みヒータおよび熱交換器とともに表されている。図６は、炭化水素蒸気混合体の渦流運動、合成ガス再製および層別化と、水素の中央に向けた移動と、より重いガスのチューブ周辺部への接触とを表している。炭化水素蒸気混合体は、触媒が敷かれたチューブとの接触を介して合成ガスに再製される。これは、天然ガスのメタン成分を一酸化炭素（ＣＯ）およびＨ２ガスに分離する。
【００８２】
図７〜図９は、前述した一切の用途（例えば、エンジンへの水素の注入など）、石油化学装置のための水素産生、および他の用途を含めた様々な用途のため、燃料から水素を分離するのにボルテックスチューブがリフォーマとして用いられる、さらなるシステムを示す。
【００８３】
図７は、組み込みリフォーマと、組み込み水ガスシフト器に連結された水素セパレータと、炭化水素から水素および二酸化炭素を生成するための水素セパレータとを示す。図７において、第１の段階ボルテックスチューブ７００は、加熱された燃料および水の混合体をミキサ７０２から受け取り、図５で開示した関連するセンサ、ポンプ機能、バルブ機能、および加熱機能コンポーネントも図７に示された例の中で提示され、標識されている。但し、図５のシステムと対照的に、図７中の、第１の段階ボルテックスチューブ７００の炭素分アウトプットは、必要に応じ熱交換器７０４を通って、第２の段階ボルテックスチューブ７０８の入口７０６に送られる。第２の段階ボルテックスチューブ７０８は、第１の段階ボルテックスチューブ７００の炭素分アウトプット中の残留水素を抽出する。実際上、第２の段階ボルテックスチューブ７０８は、水ガスシフトセパレータと見なしてもよい。第２の段階ボルテックスチューブ７０８は、第１の段階ボルテックスチューブ７００の内部をコートするのに使用される触媒層とは異なる成分で作られた触媒層（図２に示された層２２６に類似）によって内部をコートすることができる。例えば、第１の段階ボルテックスチューブ７００はその触媒層中にニッケルを含むことが可能で、第２の段階ボルテックスチューブ７０８はその触媒層中に銅を含むことが可能である。特定の実施形態において、図２に示された層２２６に対応する、第２の段階ボルテックスチューブ７０８の触媒層は、酸化銅、酸化亜鉛、および酸化アルミニウムで構成されてもよい。非限定の特定の例において、この触媒層は、３２〜３３％のＣｕＯ、３４〜５３％のＺｎＯ、および１５〜３３％のＡｌ２Ｏ３で作製することが可能である。
【００８４】
熱交換器７０４は、第１の段階ボルテックスチューブ７００からの炭素分アウトプットから熱を抽出する。このために、熱交換器は、冷却水ジャケットを含むことができ、あるいは該交換器は、空冷ファンまたは他のエア冷却構造体を含んでもよい。また、これは熱電式熱交換器であってもよい。好ましくは、この熱交換器は、インプット流体を２００℃〜２５０℃に冷却する。
【００８５】
いずれの場合も、第２の段階ボルテックスチューブ７０８は、図示の構造体の組み合わせによって、第１の段階ボルテックスチューブ７００の炭素分アウトプットからの一酸化炭素と水蒸気とを結合させて二酸化炭素と（Ｈ２の形での）水素とを生成することを介して、第１の段階ボルテックスチューブ７００の炭素分アウトプット中の残留水素をその中で抽出する、ボルテックスチューブベースのＷＧＳＲと見なされてもよい。
【００８６】
ボルテックスチューブ７００、７０８両方の水素アウトプットは、それぞれの水素フィルタ７１０、７１２の１つを通して送り、水素以外の物質をろ過除去することによって水素をさらに純化することができる。水素フィルタのアウトプット７１４、７１６は、ここに記載のいずれかのエンジンなどのエンジンの取り入れ口と連通し、例えば水素補助の燃焼を提供することができる。
【００８７】
水からＣＯ２を分離するため、第２の段階ボルテックスチューブ７０８の出口に凝縮器７１８を設けることができ、水は図示の水タンクに送られ、ＣＯ２は図示の凝縮器の上部から周囲環境に排気される。
【００８８】
図８は、水素補助の燃焼を提供すべく、エンジン、タービン、またはバーナに注入を行うための、組み込みリフォーマと、組み込み水ガスシフト器に連結された水素セパレータと、水素および炭化水素燃料ミキサに連結された水素セパレータとを示す。
【００８９】
さらに具体的には、図８は、前述の原理によって、ミキサ８０２から水と燃料との混合体を受け取り、その炭素端インプット部から第２の段階ボルテックスチューブ８０４にアウトプットする、第１の段階ボルテックスチューブ８００を示す。図７のシステムと比べて図８のシステムとの間の違いは、図８中の両方のボルテックスチューブ８００、８０４の水素アウトプットを、燃料を第１の段階ボルテックスチューブ８００の入口に同様に供給している燃料タンク８０６からの燃料と、燃料／水素ミキサ８０８の中で組み合わせるのが可能なことである。燃料／水素ミキサ８０８中の混合体は、図示のようにエンジン８１０に送ればよい。
【００９０】
水からＣＯ２を分離するために、エンジン８１０の出口に凝縮器８１２を設けることができ、水は図示の水タンクに送られ、ＣＯ２は凝縮器の上部から図示のように周囲環境に排気される。別の凝縮器８１４を、図７に関する前の開示に従って、第２の段階ボルテックスチューブ８０４の出口に設けることができる。いくつかの実施形態において、凝縮器は、単一の凝縮器として実施することが可能である。
【００９１】
図９は、組み込みリフォーマと、組み込み水ガスシフト器に連結された水素セパレータと、ハイブリッド燃料電池システムにパワーを与える水素セパレータとを示す。さらに具体的には、図９に示されるように、システムは、実質的に前述された第１の段階および第２の段階ボルテックスチューブ９００、９０２を含むが、各ボルテックスチューブの水素アウトプットが水素容器９０４に供給され、該容器は、燃料電池９０６およびエンジン９０８に、両者に水素を供給するために連通している。燃料電池９０６がこの水素容器９０４を兼ねることができ、この場合、燃料電池によって使用されない過剰な水素はエンジン９０８に送られる。エンジン９０８および燃料電池９０６の両方とも、車両に駆動力を与えるために使うことが可能である。
【００９２】
図１０は、上記の諸図面中のポンプ、バルブ、および他のコンポーネントを制御するための例示の処理回路を示す。プロセッサなどのコントローラ１０００は、前述のあらゆるセンサ（１００２で示されている）からのインプットを受信し、また、前述のあらゆるバルブ（１００４で示されている）のアクチュエータからのバルブポジション信号、および車両の加速器などの需要負荷信号源１００６からの需要負荷信号を受信する。このコントローラは、熱交換器および付随コンポーネント（１００８で示されている）ならびにスロットルバルブ（１０１０で示されている）の１つ以上を制御するため、それらの入力を使用する。また、コントローラ１０００は、前述のあらゆる燃料電池およびエンジン（それぞれ１０１２および１０１４で示されている）中のコンポーネントと通信するかまたは制御により設定される。
【００９３】
しかして、ここに記載の制御システムは、クライアントコンポーネントとサーバコンポーネントとの間でデータが交換可能なように、ネットワークを介して接続されたコンピュータおよびプロセッサを含むことが可能である。クライアントコンポーネントは、エンジン制御モジュール（ＥＣＭ）、ラップトップおよびタブレットコンピュータなどの携帯型コンピュータ、およびスマートフォンを含む他の携帯デバイスなど、１つ以上のコンピューティングデバイスを含むことができる。これらのコンピューティングデバイスは、様々なオペレーティング環境で動作することが可能である。例えば、クライアントコンピュータの一部は、例として、リナックスオペレーティングシステム、マイクロソフトによるオペレーティングシステム、ユニックスオペレーティングシステム、またはアップルコンピュータもしくはグーグルによって作成されたオペレーティングシステム、またはウインドリバーによるブイエックスワークス内蔵のオペレーティングシステムを用いてもよい。
【００９４】
ネットワークを介しこれらコンポーネントの間で情報を交換することができる。このためにおよびセキュリティのために、コンポーネントは、ファイアウォール、負荷バンランサ、一時的ストレージ、およびプロキシ、ならびに信頼性およびセキュリティのため他のネットワークインフラストラクチャを含むことが可能である。
【００９５】
本明細書で用いる、インフラストラクチャとは、システム中で情報を処理するためのコンピュータ実装のステップを言う。諸命令は、ソフトウェア、ファームウェア、またはハードウェア中に実装することが可能で、システムのコンポーネントによってなされる任意の種類のプログラムステップを含むことができる。
【００９６】
プロセッサは、アドレスライン、データライン、および制御ラインなどの様々なライン、ならびにレジスタおよびシフトレジスタを使ってロジックを実行できる、任意の従来式の汎用型のシングルまたはマルチチッププロセッサであってよい。
【００９７】
ここに記載の、フローチャートおよびユーザインタフェースによって記述されるソフトウェアモジュールは、様々なサブルーティン、プロシージャなどを含み得る。以下の開示を限定とせずに、前述の特定のモジュールによって実行されるロジックは、他のソフトウェアモジュールに再分配すること、および／または一緒に単一のモジュールに組み合わせること、および／またはライブラリ中で利用可能にすることができる。
【００９８】
本明細書で説明した原理は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、またはこれらの組み合わせにとして実装することが可能で、しかして、例示されたコンポーネント、ブロック、モジュール、回路、およびステップは、これらの機能面の見地から述べられている。
【００９９】
さらに、上記で述べられた事項に関し、後述のロジカルブロック、モジュール、および回路は、本明細書に記載の機能を実行するため予定された、汎用プロセッサ、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ：ｄｉｇｉｔａｌ  ｓｉｇｎａｌ  ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、フィールドプログラム可能ゲートアレイ（ＦＰＧＡ：ｆｉｅｌｄ  ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  ｇａｔｅ  ａｒｒａｙ）、または特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ：ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  ｓｐｅｃｉｆｉｃ  ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｃｉｒｃｕｉｔ）、ディスクリートゲートもしくはトランジスタロジック、ディスクリートハードウェアコンポーネントなどの他のプログラム可能ロジックデバイス、あるいはこれらの任意の組み合わせによって、実装または実行できる。プロセッサは、コントローラ、もしくは状態マシン、またはコンピューティングデバイスの組み合わせによって実装することが可能である。
【０１００】
以下に記載の機能および方法は、ソフトウェアに実装される場合、以下に限らないが、Ｊａｖａ、Ｃ＃またはＣ＋＋などの適切な言語によって記述することが可能で、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ：ｒａｎｄｏｍ  ａｃｃｅｓｓ  ｍｅｍｏｒｙ）、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ：ｒｅａｄ−ｏｎｌｙ  ｍｅｍｏｒｙ）、電気的消去可能プログラム可能読み取り専用メモリ（ＥＥＰＲＯＭ：ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ  ｅｒａｓａｂｌｅ  ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  ｒｅａｄ−ｏｎｌｙ  ｍｅｍｏｒｙ）、コンパクトディスク読み取り専用メモリ（ＣＤ−ＲＯＭ：ｃｏｍｐａｃｔ  ｄｉｓｋ  ｒｅａｄ−ｏｎｌｙ  ｍｅｍｏｒｙ）またはデジタル多用途ディスク（ＤＶＤ：ｄｉｇｉｔａｌ  ｖｅｒｓａｔｉｌｅ  ｄｉｓｃ）などの他の光ディスクストレージ、磁気ディスクストレージ、またはリムーバブルサムドライブを含む他の磁気ストレージデバイスなどのコンピュータ可読ストレージ媒体に格納するまたはそれを介して伝送することができる。接続によりコンピュータ可読媒体を形成することもできる。かかる接続は、例として、光ファイバおよび同軸配線およびデジタル加入者回線（ＤＳＬ：ｄｉｇｉｔａｌ  ｓｕｂｓｃｒｉｂｅｒ  ｌｉｎｅ）およびツイストペア配線を含む、実線ケーブルを含み得る。かかる接続は、赤外線および無線を含むワイヤレス通信接続も含み得る。
【０１０１】
図１１の動作ロジックは、図５中に示されたシステムを特に対象としているが、但し、その原理は、適切な場合、本明細書に示された他のシステムにも適用が可能である。
【０１０２】
本ロジックは、状態１１００で開始され、ブロック１１０２に進んで、炭化水素燃料バルブ５５０が、エンジンの始動に従い炭化水素燃料をエンジン５４０に移送するために開かれる。ブロック１１０６で、ボルテックスチューブの再製作業を初期化するために、熱交換器５２０が始動され、ミキサ５０２およびボルテックスチューブ５００の電気ヒータに電源が入れられる。熱交換器が、ミキサおよびボルテックスチューブに熱を供給するのに十分に熱せられたならば、電気ヒータからの熱を熱交換器からの熱に置き換えることが可能で、電気ヒータは電源が切られる。
【０１０３】
判断ダイヤモンド１１０８は、温度センサとして具現化された、前述のセンサの１つ以上がサンプルされ、その信号が、ボルテックスチューブがミキサ５０２からの炭化水素を再製するため十分な温度に達していることを示している場合には、ブロック１１１０でボルテックスチューブが作動され、燃料電池５２０が初期化されることを表わす。ドライバがエンジン５４０からの炭化水素による駆動から燃料電池５２０からの電気的駆動への移行する準備ができていることを示す入力を、判断ダイヤモンド１１１２で受信することができ、この時点でロジックは、燃料バルブ５５０を閉じるブロック１１１４、およびブロック１１１６での電気駆動への移行に移動する。
【０１０４】
１つの実施形態に含まれる諸コンポーネントは、任意の適切な組み合わせで他の実施形態でも使用することができる。例えば、本明細書に記載のおよび／または図面に描かれた様々なコンポーネントのいずれも、他の実施形態で、組み合わせ、置き換え、または除外することが可能である。
【０１０５】
「Ａ、Ｂ、およびＣの少なくとも１つを有するシステム」（同様に、「Ａ、Ｂ、またはＣの少なくとも１つを有するシステム」）は、Ａだけ、Ｂだけ、Ｃだけ、ＡおよびＢを一緒に、ＡおよびＣを一緒に、ＢおよびＣを一緒に、および／またはＡ、Ｂ、およびＣを一緒になどを有するシステムを含む。
【０１０６】
本明細書では、特定のシステムおよび方法を詳細に示し説明しているが、本出願の範囲は、添付の特許請求の範囲によってだけ限定される。
【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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