(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）１個又は複数のパラレル自己熱型ＡＴＲ改質器を提供し、担持型及び非担持型の少なくとも一方のＰｔ族金属触媒（ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ  ｏｒ  ｕｎｓｕｐｐｏｒｔｅｄ  Ｐｔ  ｍｅｔａｌ  ｇｒｐｕｐ）を通じて炭化水素（ＨＣ）及びバイオ燃料の少なくとも一方をＨ2及びＣＯに転化することと、
（ｂ）制御用コンピュータ及びマイクロプロセッサの少なくとも一方と流量計／制御器とバルブとポンプとセンサーと温度計とを含む自動制御システムを提供することと、
（ｃ）前記ＡＴＲ改質器の入口部燃料混合物の流れを提供し、前記燃料混合物は反応物を含み、前記反応物は少なくとも１つの酸化剤、少なくとも１つの燃料、及び少なくとも１つの水／蒸気を含有し、
ｃ．１）前記反応物は、液体燃料ループ、ガス燃料ループ、給水ループ、給気ループ、水電解槽ループ、排ガス再循環（ＥＧＲ）ループ、水再循環ループ及びリフォーメイト再循環ループからなる群から選択されることと、
（ｄ）前記入口部燃料混合物の流れを前記ＡＴＲ改質器内で前記触媒を通じて反応させ、前記燃料をＨ2とＣＯを含有するリフォーメイトに転化することと、
（ｅ）１個又は複数の貯蔵容器／マニホールドを提供して前記改質器用の凝縮水を貯蔵するとともに、前記ＡＴＲ改質器で発生した、下流の内燃機関／ガスタービンにより使用される前記乾燥リフォーメイトを１〜１００気圧（ａｔｍ）で貯蔵することと、
（ｆ）前記ＡＴＲ改質器から出力した前記リフォーメイトの％総量と、前記貯蔵容器内のリフォーメイト圧力との関数である複数の流量制御曲線を提供し、また前記貯蔵容器のリフォーメイト圧力を利用して各種反応物の流量、前記乾燥リフォーメイトの組成、前記改質器のスタートアップ／シャットダウン、及び前記改質器の出力流量の総量を調節することと、
を含み、
前記制御曲線は、
ｆ．１）所与の制御曲線上の１つのポイントであって、
ｉ）全ての流量計／制御器に対し予めキャリブレーションされ、予め記憶されたセットポイントのグループであって、各反応物の流量を制御するために前記制御用コンピュータ及び前記マイクロプロセッサの少なくとも一方からダウンロードされるグループと、
ｉｉ）前記セットポイントに応じた所与のＯ2／Ｃ、Ｈ2Ｏ／Ｃ及びＣＯ2／Ｃの比での、ある特定の改質器の入口部燃料混合物と、
ｉｉｉ）前記入口部燃料混合物から前記改質器により生成され、前記貯蔵容器内に貯蔵されるある特定のリフォーメイトの乾燥ガス組成と、
ｉｖ）前記制御曲線上の位置に応じた所与の流量で前記改質器により生成される前記リフォーメイトの出力のある特定の量と
を与えるポイントと、
ｆ．２）前記乾燥リフォーメイトの組成が同じ一連の異なる出力流量を生成することができる、同じ前記制御曲線上の複数のポイントと
ｆ．３）異なる改質器の入口部燃料混合物を提供するのに用いられ、同じ前記改質器によって様々な燃料及びバイオ燃料の少なくとも一方からＨ2及びＣＯのリフォーメイトを生成するために用いられる、予めキャリブレーションされた複数の異なる制御曲線と
を含む、
ことを特徴とする車載フレックス燃料水素発生器装置の操作方法。
【請求項２】
前記ＡＴＲ改質器は、
（ａ）水、１種又は多種の燃料と不活性ガスを含む或いは含まない酸素含有ガスからなる入口部燃料混合物を受け入れ、且つ前記入口部燃料混合物が混合を経た後そのＯ2／Ｃ、Ｈ2Ｏ／Ｃ及びＣＯ2／Ｃの比率は、指定範囲内に保持してから前記改質器の第１ＣＰＯ／ＳＲ反応帯に流入するステップと、
（ｂ）前記燃料混合物は前記Ｐｔ族金属触媒を通過する時化学反応を起こし、第１ＣＰＯ／ＳＲ反応帯での滞留時間は＜３００ミリ秒（ＳＴＰの下で計算）とするステップと、
（ｃ）前記ステップ（ｂ）で発生した前記リフォーメイトは、引き続いて第２ＳＲ反応帯内のＰｔ族金属触媒を通過した時、更に反応を起こし、また滞留時間を＜５秒に制御するステップと、
（ｄ）ステップ（ｂ）とステップ（ｃ）は、温度１５０〜１２００oＣと１〜１００気圧の下で迅速に燃料からＨ2とＣＯとＣＯ2とＮ2とＯ2と未転化燃料とを含むリフォーメイトを製造するステップと、
（ｅ）ステップ（ｄ）で生成したリフォーメイトは第３反応帯に流れ、その滞留時間が＜１００秒に保持し、Ｐｔ族金属を含む又は含まない触媒を通過し、且つ温度５０〜５００℃の条件下で、一部の給水がＣＯと反応して水素になるステップと
を実行することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記入口部燃料混合物の流れは、前記Ｐｔ族金属触媒を通じて反応し、外部からの熱及び電気なしに前記ＡＴＲ改質器をスタート又は再スタートさせ、２つ以上のスタートアップ反応物は、燃料、空気、前記内燃機関／ガスタービンのリサイクル排気ガス、前記電解槽からのＨ2／Ｏ2ガス、及び前記貯蔵タンク内の前記リフォーメイトからなる群から選択される、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記貯蔵容器／マニホールド内のリフォーメイトの圧力は、１〜１００気圧に保つことを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
【請求項５】
前記所定の流量制御曲線により、前記貯蔵容器内のリフォーメイト圧力を利用して各種反応物の流量を調節することで、前記ＡＴＲ改質器から発生するリフォーメイト総量を増減することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
含有量が制御される二次空気と一部の前記貯蔵容器からの高圧リフォーメイトは、含有量が制御される一次燃料と新鮮な一次空気と混合してラムダ（ｌａｍｂｄａ）比が１．０１〜１．８０の希薄混合物を形成してエンジン／ガスタービンの燃料として供することができ、
前記二次空気は、前記内燃機関／ガスタービンから発生する排気ガスによって回転するターボチャージャーによって前記内燃機関／ガスタービンに送り込まれ、前記一次燃料は、前記液体燃料ループ又は前記ガス燃料ループから供給される、
ることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記貯蔵容器内の高圧リフォーメイトは、前記触媒を利用して酸化反応熱を発生することで、前記ＡＴＲ改質器を急速起動或いは再起動できることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記貯蔵容器内の高圧リフォーメイトは、担持型Ｐｔ族金属触媒の還元又は触媒コンバータ、ＮＯｘトラップ及びディーゼル微粒子フィルタ内の触媒の再生に用いることができることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記貯蔵容器内の高圧リフォーメイトは、水素を固体酸化物或いはプロトン交換膜燃料電池を装備する移動電動車両／装置に供給できることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記貯蔵容器内の高圧リフォーメイトは、リフォーメイトを小型ディーゼルエンジン及び触媒燃焼器を装備する補助動力装備の少なくとも一方に供給でき、また熱と電力を局部場所に供給することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記ＡＴＲ改質器内の担持型Ｐｔ族金属触媒は、１種又は多種の担持型Ｐｔ族金属粉末（つまりウォシュコート）の触媒を更に含み、且つ各触媒ウォシュコートが総Ｐｔ族金属の０．０１〜１０．０重量％の酸化物粉末を含有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記担持型Ｐｔ族金属粉末触媒は、１種又は多種の白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、オスミウム（Ｏｓ）及びルテニウム（Ｒｕ）の少なくとも１つから選ばれる金属を含み、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、セリウム酸化物、ジルコニウム酸化物、セリウム−ジルコニウム系複合酸化物、酸化促進剤／熱安定剤及びその混合物からなる群から選択された１種或いは複数種のウォシュコート粉末に浸漬することを特徴とする請求項１又は１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記酸化促進剤／安定剤は、ランタン、セリウム、プラセオジム、レニウム、亜鉛、錫、カルシウム、カリウム、ジルコニウム、イットリウム、バリウム、ストロンチウム、マグネシウム及びそれらの混合物の１種又は複数種の酸化物とすることができることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記触媒ウォシュコート粉末は、高温不活性担体の表面に塗られ、前記不活性担体がセラミックモノリス、金属モノリス、ペレット、ワイヤメッシュ、篩、フォーム、板、スタティックミキサー又は炭化ケイ素からなる群から選択され、また総Ｐｔ族金属含有量が０．１〜２０００ｇ／ｆｔ3にあることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記改質器の触媒温度を１０００℃以下に保持するように、前記改質器の入口部燃料混合物のＨ2Ｏ／Ｃ比率を０．０５〜１０．０、Ｏ2／Ｃ比率を０．１５〜０．８、ＣＯ2／Ｃを０．０〜０．５に制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
【請求項１６】
前記燃料は、１種又は多種の次の化学物質からなる群から選択され、Ｃ1−Ｃ16炭化水素、メタン、天然ガス、メタン水和物、液化石油ガス、Ｃ１−Ｃ８アルコール、植物油、バイオエタノール、バイオディーゼル、バイオメタン、工業廃液又は揮発性有機化合物（有機溶剤を含むＶＯＣ）を含む排ガス及び農業／工業／動物廃棄物から発生したバイオ燃料ガスを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
前記貯蔵容器からの再循環リフォーメイト及び水電解槽の少なくとも一方から発生したＨ2／Ｏ2ガスは、システム自体の熱量と電力を利用して前記ＡＴＲ改質器を起動又は再起動できることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
前記電解槽から発生したＯ2は、直接ＡＴＲ改質器の唯一の酸素源として使用されることで、前記ＡＴＲリフォーメイト内のＨ2含有量を増加できることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１９】
前記電解槽から発生したＯ2は、空気中又はエンジンの再循環排ガス内に添加されて前記ＡＴＲ改質器の入口部燃料混合物のＯ2含有量を増加させ、且つ＞１０％とすることができることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項２０】
前記内燃機関／ガスタービンの一部の排ガスは、ＡＴＲ改質器までに再循環することで、蒸気、Ｏ2、ＣＯ2及び熱を供給できることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項２１】
前記少なくとも１つの燃料は、天然ガス、ＣＮＧ、液化石油ガス、ガソリン、メタノール或いはバイオエタノールからなる群から１種選択された燃料であり、前記改質器に供給されてＨ2とＣＯを含有する前記リフォーメイトを発生し、
前記リフォーメイトは、ディーゼルエンジン中のＮＯxトラップ及びディーゼル微粒子フィルタの少なくとも一方を再生できることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項２２】
車載フレックス燃料水素発生器とエンジン／ガスタービンと発電機とバッテリー群とを含むシステムは、電力の発生と蓄積に用いられて独立の分散型モバイル或いは携帯型固定の発電ステーションとすることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項２３】
前記発生した一部の電力は、電解槽中の蒸留水を解離することで、Ｈ2とＯ2を供給して前記改質器を起動及び再起動することの少なくとも一方に用いることができることを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記燃料から生成され、前記内燃機関／ガスタービンへと注入されるＨ2流量（２１７）の、前記液体燃料ループ又は前記ガス燃料ループから前記内燃機関／ガスタービンへと流入する一次燃料流（２０１Ａ）の流量に対するモル比は、０．０５〜０．９５とすることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項２５】
前記給気ループにおける二次空気流（２０８）の、前記Ｈ2流量（２１７）に対するモル比は、与えられた値に制御され、スロットルバルブの位置及び空気流量センサーの少なくとも一方が前記二次空気の注入量を決定し、前記内燃機関／ガスタービンへ供給する最終燃料混合物のラムダ（ｌａｍｂｄａ）比を１．８０〜１．０１にさせ、
前記二次空気は、前記内燃機関／ガスタービンから発生する排気ガスによって回転するターボチャージャーによって前記内燃機関／ガスタービンに送り込まれることを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記制御曲線上にある各ポイントは、１グループの完全で且つ予め較正したセットポイントを保存して全ての流量計／制御器に提供でき、前記セットポイントが単独及び同時の少なくとも一方で制御用コンピュータからＰＬＣ／マイクロプロセッサにダウンロードされて各反応物の流量を制御できることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項２７】
前記制御曲線上にある各ポイントは、１つの独特な総リフォーメイト流量を提供でき、前記入口部燃料混合物を同じのＯ2／Ｃ、Ｈ2Ｏ／Ｃ及びＣＯ2／Ｃの比率に維持させ、且つ与えられる燃料を使用した時、同一の制御曲線上にあるいずれかのポインも同じガス組成のリフォーメイトを発生することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項２８】
Ｏ2／Ｃ、Ｈ2Ｏ／Ｃ及びＣＯ2／Ｃの比率が異なる各種制御曲線は、前記制御用コンピュータ或いはＰＬＣ／マイクロプロセッサコントローラ内に保存されて異なる燃料の操作手順を制御できることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項２９】
大直径金属モノリス触媒内は、取り外し可能な小直径中心部コアと大きな外側環形コアとを含み、一体型触媒ユニットとすることを特徴とする請求項１又は１４に記載の方法。
【請求項３０】
（ａ）担持型及び非担持型の少なくとも一方のＰｔ族金属触媒（ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ  ｏｒ  ｕｎｓｕｐｐｏｒｔｅｄ  Ｐｔ  ｍｅｔａｌ  ｇｒｐｕｐ）を通じて炭化水素及びバイオ燃料の少なくとも一方からＨ2とＣＯを生産するための１個又は複数のパラレル自己熱型（ＡＴＲ）改質器と、
（ｂ）制御用コンピュータ及びマイクロプロセッサの少なくとも一方と流量計／制御器とバルブとポンプとセンサーと温度計とを含む自動制御システムと、
（ｃ）少なくとも１つの酸化剤、少なくとも１つの燃料、及び少なくとも１つの水／蒸気を包括する反応物であって、液体燃料ループ、ガス燃料ループ、給水ループ、給気ループ、水電解槽ループ、排ガス再循環（ＥＧＲ）ループ、水再循環ループ及びリフォーメイト再循環ループからなる群から選択される反応物を含む、前記ＡＴＲ改質器の入口部燃料混合物の気流と、
（ｄ）前記改質器用の凝縮水を貯蔵するとともに、前記ＡＴＲ改質器で発生した、下流の内燃機関、ガスタービン及び燃料電池デバイスの少なくとも１つにより使用される乾燥リフォーメイトを１〜１００気圧（ａｔｍ）で貯蔵する１個又は複数の貯蔵容器／マニホールドと、
を含み、
（ｅ）前記ＡＴＲ改質器内で前記触媒を通じて前記入口部燃料混合物の気流を反応させて、前記燃料からＨ2とＣＯを含有するリフォーメイトを生成し、同時に前記燃料混合物のＯ2／Ｃ、Ｈ2Ｏ／Ｃ及びＣＯ2／Ｃ比率を指定範囲内となるように制御して、最大の前記ＡＴＲの反応温度を１２００℃以下に常に維持できるようにし、
（ｆ）前記貯蔵容器のリフォーメイト圧力を利用して各種反応物の流量、前記乾燥リフォーメイトの組成及び前記改質器の出力流量の総量を調節する複数の流量制御曲線が、前記制御用コンピュータ及びマイクロプロセッサの少なくとも一方に保存され、
前記流量制御曲線は、前記ＡＴＲ改質器から出力した前記リフォーメイトの％総量と、前記貯蔵容器内のリフォーメイト圧力との関数であり、
前記流量制御曲線は、
ｆ．１）所与の制御曲線上の１つのポイントであって、
ｉ）全ての流量計／制御器に対し予めキャリブレーションされ、予め記憶されたセットポイントのグループであって、各反応物の流量を制御するために前記制御用コンピュータ及び前記マイクロプロセッサの少なくとも一方からダウンロードされるグループと、
ｉｉ）前記セットポイントに応じた所与のＯ2／Ｃ、Ｈ2Ｏ／Ｃ及びＣＯ2／Ｃの比での、ある特定の改質器の入口部燃料混合物と、
ｉｉｉ）前記入口部燃料混合物から前記改質器により生成され、前記貯蔵容器内に貯蔵されるある特定のリフォーメイトの乾燥ガス組成と、
ｉｖ）前記制御曲線上の位置に応じた所与の流量で前記改質器により生成される前記リフォーメイトの出力のある特定の量と
を与えるポイントと、
ｆ．２）前記乾燥リフォーメイトの組成が同じ一連の異なる出力流量を生成することができる、同じ前記制御曲線上の複数のポイントと
ｆ．３）異なる改質器の入口部燃料混合物を提供するのに用いられ、同じ前記改質器によって様々な燃料及びバイオ燃料の少なくとも一方からＨ2及びＣＯのリフォーメイトを生成するために用いられる、予めキャリブレーションされた複数の異なる制御曲線
を含む、
ことを特徴とする車載フレックス燃料水素発生器を備える装置。
【請求項３１】
車載フレックス燃料水素発生器とエンジン／ガスタービンとからなるシステムは、単独で自動車、芝刈り機、フォークリフト、ディーゼルトラック、公共バス及びバイクの駆動装置として使用されることができることを特徴する請求項３０に記載の装置。
【請求項３２】
車載フレックス燃料水素発生器と希薄燃焼エンジン／ガスタービンとからなるシステムは、自動車、芝刈り機、フォークリフト、ディーゼルトラック、公共バスのシステム及びバイクの駆動装置として使用されることができることを特徴する請求項３０に記載の装置。
【請求項３３】
車載フレックス燃料水素発生器とエンジン／ガスタービンと発電機とバッテリー群とからなるシステムは、電力の発生と蓄積に用いられ、また独立した分散型移動式或いは携帯型固定式発電ステーションとすることができることを特徴とする請求項３０に記載の装置。
【請求項３４】
車載フレックス燃料水素発生器と発電機とバッテリー群とからなるシステムは、電力の発生と蓄積に用いられ、また独立した分散型移動式或いは携帯型固定式発電ステーションとすることができることを特徴とする請求項３０に記載の装置。
【請求項３５】
前記独立した分散型発電ステーションは、電動自動車、トラック、バイク、フォークリフト、電気ユーティリティビークル、電池充電器及び予備発電機を駆動するために用いることができることを特徴とする請求項３３又は３４に記載の装置。
【請求項３６】
前記リフォーメイトは、天然ガス，ＣＮＧ，液化石油ガス，ガソリン，メタノール或いはバイオエタノールからなる群から選択された１種の燃料を利用してＨ2とＣＯリフォーメイトを発生して還元剤とすることで、ディーゼルエンジンに装備するＮＯxトラップ及びディーゼル微粒子フィルタの少なくとも一方を再生できることを特徴とする請求項３０に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本出願は、その全ての開示内容が参照によって本願に組み込むものであって、２０１２年５月２３日に出願された米国特許仮出願番号６１／６８８，８５３号の利点を主張すると共に、その全ての開示内容が参照によって本願に組み込むものである。
【背景技術】
【０００２】
２０世紀において、各タイプの内燃（ＩＣ）機関とガスタービンの開発に成功し、長年に渡り固定式発電機、輸送と一般的に実用化された電機工具に幅広く活用されてきた。例えば、２サイクルと４サイクルのガソリンエンジンは、バイク、電気のこぎり、草刈機、芝刈機、自動車及び小型発電機等に活用され、ディーゼルエンジンがトラック、公共バス、静的発電機等に用いられ、並びにガスタービンが飛行機や発電機等に活用されてきた。現在、大部分の内燃機関とガスタービンは、各種炭化水素化合物（ＨＣ）の均質燃焼方式によって動力を生じている。燃料を完全に燃焼させる重要な要因とは、点火タイミング、空燃比、燃料の気化及び点火時刻の温度と圧力であることが現在では知られている。しかしながら、長年に渡って必要な制御と技術が時間に伴って進歩してきたとしても、現在の全ての内燃機関或いはガスタービンは、やはり未燃焼の炭化水素化合物、一酸化炭素、窒素酸化物或いはディーゼル微粒子等の汚染物質を発生させている。
【０００３】
現在、内燃機関から排出される排ガス内のＨＣ、ＣＯ、ＮＯxとディーゼル微粒子汚染物質を下げるため、担持型Ｐｔ族（ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ  Ｐｔ  ｇｒｏｕｐ）金属触媒を含有する触媒コンバータ、ＮＯxトラップ及び／或いはディーゼル微粒子トラップ等は、すでに商業的に数十年間の利用に成功してきた。このような除染技術は、車載マイクロプロセッサ／コンピュータ（つまり電子制御ユニット）及び各種電子と機械装置／センサーで空燃比と点火タイミングを制御することで、燃焼ガス汚染物質の排出量を減らしてきた。
【０００４】
近年では、その他のタイプの内燃機関の研究や製造にも成功し、これらエンジンは例えば水素、天然ガス、液化プロパンガス（ＬＰＧ）、ガソリン／エタノール混合物（ガソホール）或いはディーゼル／バイオディーゼル混合物等の異なる燃料を利用できるようになった。
【０００５】
水素−炭化水素混合物をエンジン燃料とする
ここに本明細書の一部を構成するものとして特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４の内容を援用し、自動車から発生する汚染を減らすため、かつて１９７０年代に幾つかの車載改質器（ｒｅｆｏｒｍｅｒ）が発明され、ガソリンを通じてＨ2を製造し、そして発生したリフォーメイト（ｒｅｆｏｒｍａｔｅ）内に更に多くのガソリン及び空気を取り込むことで、１つの過薄（ｌｅａｎ）（高％のＯ2）の燃料混合気を形成し、また該混合気をエンジンの燃焼室に注入して、希薄燃焼を行っている。しかしながら、このような均一な部分酸化反応或いは非常に低い活性触媒によるガソリンを通じてＨ2を生産することを問わず、これら車載改質器は全てが大型で、反応帯内でコークスが生じる状況を避けられていなかった。
【０００６】
エンジンの熱効率を向上させ、並びに自動車から発生する汚染を減少させるため、その他の数件の特許と技術報告書／出版物でも燃料から各種触媒の接触反応プロセスを経由して水素を発生させてきた。例えば、特許文献５、特許文献６及び特許文献７には、各種車載改質器が接触部分酸化反応を通じてガソリン内からＨ2とＣＯガスを発生させることが記載されている。特許文献８では、接触メタノール水蒸気改質反応を経由してＨ2とＣＯを発生させることが記載されている。しかしながら、これらエンジン前（ｐｒｅ−ｅｎｇｉｎｅ）に取り付けられている水素製造用改質器は、商品としての開発に成功しておらず、その原因は大型改質器内にコークスが発生する可能性があるためである。逆に１９７５年以来各種タイプの触媒コンバータが商用化され、またエンジン後の排気管に取り付けられることで、ガソリン自動車の排ガス汚染減少に成功している。
【０００７】
水素も別の非触媒工程を通じて生産できる。特許文献９、特許文献１０及び特許文献１１では、１個の車載プラズマトロン燃料プロセッサで導電性ガス（プラズマイオン）を発生させ、また各種炭化水素（ＨＣ）とバイオ燃料の非接触部分酸化反応を起こすことで、水素を発生させて内燃機関で使用させる。本リフォーメイトをエンジンの吸気流と混合した後、エンジンは、超希薄の燃料ガスを使用すると共により一層高い圧縮比（Ｄ．Ｒ．Ｃｏｈｎ、Ｆｕｓｉｏｎ  Ｐｏｗｅｒ  Ａｓｓｏｃ．  Ｍｅｅｔｉｎｇ，Ｎｏｖ．２１，２００３）内で燃焼を行う。よって、報道によれば、該車載プラズマトロン燃料プロセッサは、エンジンの熱効率を２０％〜２５％アップでき、９０％のＮＯx排出量と９０％のディーゼルエンジン汚染排出量（Ｄｉａｍｏｎｄ  ａｎｄ  Ｃｏｈｎ，  Ｏｆｆｉｃｅ  ｏｆ  Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，  ｐｒｅｓｓ  ｒｅｌｅａｓｅ  １２／２００１）を減らすことができる。
【０００８】
特許文献１２には、Ｈ2に富む天然ガス（つまり「Ｈｙｔｈａｎｅ」）をエンジン燃料とした際、装備すべきシステムと製造、分配、使用及び監視方法が記載されている。この種の予混合の高圧Ｈｙｔｈａｎｅガスは、各地の自動車燃料補給所の保管容器内から取得でき、最近ＮＯx排出量の減少及びディーゼルトラックエンジンの燃焼効率を向上させることができる。
【０００９】
過去数十年間研究開発されてきた新技術は、非常に高速な気流条件において、最新のＰｔ族金属触媒を利用し、ＨＣ／バイオ燃料内から水素を発生でき、また水素を幾つか異なるタイプの燃料電池に使用させることができるようになった。よって、一つの特別に設計された経済的且つ小型の車載水素発生器は、これら最も新しい触媒と水素発生技術を備え、機能が高いマイクロプロセッサ搭載コントローラ、センサー及び他の特殊装置が加わることで、前記特許の車載水素製造用改質器と燃料電池で静的水素製造用改質器の機能を効果的に向上できる。言い換えると、一つの全く新しい改良と共に新設備を備え、且つ特別にエンジン過渡運転モードに向けて設計された新制御戦略の車載水素発生器を使用すると、比較的長いライフサイクルを有し且つそのサイクルにおいてコークスが形成されず、同時に炭化水素及び／或いはバイオ燃料内から効率的に水素を製造できることで、内燃機関／ガスタービンに供給できる。
【００１０】
ブラウンガス（Ｂｒｏｗｎ  ｇａｓ、ＨＨＯ或いはＨ2／Ｏ2ガス）
近年、ブラウンガス（ＨＨＯガスとも呼ばれ、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｈｙｄｒｏｇｅｎ−ｂｏｏｓｔ．ｃｏｍ、ｗｗｗ．ｈｙｄｒｏｇｅｎ−ｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ−ｕｓａ．ｃｏｍ、ＵＳ  ２０１２／００６７３０４  Ａ１）は、蒸留水の電解によって発生したＨ2とＯ2の混合ガスで、現在空気／燃料混合気内に添加されてガソリン或いはディーゼルエンジンの補充燃料となっている。若干の特殊設計された集積回路（ＩＣ）チップ、センサーと流量制御器のサポートにより、エンジン吸気燃料混合気の空燃比を化学量論から離れた状況に調節し、内燃機関を希薄燃焼モードにおいて運転させることができる。この操作において、エンジンの燃費は、１５〜２０％向上でき、また汚染物質量を削減できる。
【００１１】
しかしながら、ＫＯＨ又はＮａＯＨの電解質の腐食性は、エンジンに永久的な損傷を起こす可能性がある。よって、長期間且つ無故障運転するため、電解質の容器内におけるレベル、濃度、操作温度及びこれら潜在的な爆発性があるブラウンガス等を如何にして安全に操作するかについて、常に監視とメンテナンスを行わなければならない。
【００１２】
内燃機関とガスタービン用触媒ＥＧＲ酸化装置
内燃機関及び／或いはガスタービンの燃焼効率を助けると共に改善するため、特許文献１３では、接触自己熱改質（ＡＴＲ）プロセスを使用した接触ＥＧＲ酸化装置が各種ＨＣとバイオ物の燃料からＨ2／ＣＯガスを発生する処理過程が記載されている。当該特許の主な目的は接触改質装置が非接触プラズマトロン燃料改質器に取って代わり、移動車両に供給することである。
【００１３】
当該特許によれば、炭化水素化合物（ＨＣ）及び／或いはバイオ燃料、水／蒸気、空気と一部のエンジン再循環排ガス等を含む燃料混合気をＥＧＲ酸化装置内に注入する。該燃料混合気は、第１反応帯内のＰｔ族金属触媒（ＰＧＭ）と反応して蒸気とＨ2とＣＯとＣＯ2とＮ2とＯ2と未転化ＨＣ等とを含む高圧リフォーメイトを発生させることができる。触媒の耐久性と寿命を高めると共にコークス形成を避けるため、入口の供給燃料混合物のＯ2／Ｃ、Ｈ2Ｏ／ＣとＣＯ2／Ｃの比率は、特定の反応温度と圧力において、単独及び／或いは同時に指定範囲内に制御され、且つＡＴＲ反応帯内の温度を１５０℃〜１２００℃に保たなければならない。こうすると発生した反応リフォーメイトは、再混合すると共に追加量の燃料と新鮮な空気を加えることで、一種の希薄燃焼燃料の混合気を形成できる。これら未燃焼の燃料と燃焼可能な化合物が、下流のエンジン／ガスタービンを通じて二酸化炭素と水蒸気に完全に改質する。
【００１４】
ＥＧＲ酸化装置と内燃機関／ガスタービンの組み合わせは、単独で駆動装置用に供することができ、また電動発電機と電池と組み合わせることで、発電と蓄電できる分散型移動式（ｍｏｂｉｌｅ）又は据置型発電機とすることができる。
【００１５】
ディーゼルと希薄燃焼（ｌｅａｎ  ｂｕｒｎ）エンジンに対して、ＥＧＲ酸化装置も還元ガスを供給してＮＯxトラップ又はディーゼル微粒子フィルタトラップ内の触媒活性を還元できる。触媒が再生した後、フィルタトラップを連続使用させることで、内燃機関、ディーゼルトラック、ガスタービン及び発電所等からの汚染物質排出量を下げることができる。
【００１６】
電子制御燃料噴射
精密に燃料噴射量、点火タイミング（ｉｇｎｉｔｉｏｎ  ｔｉｍｉｎｇｓ）及び燃料混合気の空燃比をコントローすることにより、電子式燃料噴射（ＥＦＩ）システムは、１９９０年以来ほぼ全てのガソリン自動車に使用されてきた。このＥＦＩシステムは、各自動車の燃費を向上できると共に汚染物質の削減に成功した。
【００１７】
ここに本明細書の一部を構成するものとして特許文献１４と特許文献１５の内容を援用し、エンジンの熱効率を更に改善するため、二重燃料噴射システムを開発して同時にＨ2とＨＣを噴射して燃焼室に入れる。特に、特許文献１５では一つのシステムと詳細な制御戦略が記載され、貯蔵タンク及び／或いは改質器から含有量を計算したＨ2／リフォーメイトをトラックのエンジン内に噴射して第２燃料とするために用いられる。しかしながら、該特許では該改質器の操作を詳細に記載しておらず、例えばプロセス、触媒の種類と反応温度及びどのようにして燃料からリフォーメイトを生成させるか等である。これ以外に、該特許内で論じられている改質器の操作は、エンジンの速度とトルク（段落０１８６）の直接的な影響を受け、過渡や不安定な操作期間において、特にディーゼルを改質器の燃料とした状態において改質器内にコークスを形成する可能性がある。
【００１８】
窒素酸化物ＮＯxとディーゼル微粒子フィルタの再生
希薄燃焼のディーゼルエンジンについて、現在ＮＯxトラップと微粒子フィルタで汚染物質を除去している。ただし、トラップの材料及び／或いはフィルタが飽和に達した時、還元ガスで再生を行うことで、連続使用させることができる。ここに本明細書の一部を構成するものとして特許文献１６、特許文献１７、特許文献１８、特許文献１９、特許文献２０の内容を援用し、還元性ガスを発生させるため、開発済みの各種装置と使用方法を記載し、異なるタイプの触媒を利用してディーゼル内からＨ2とＣＯを発生させる。このほかに、前述で論じられたプラズマトロン燃料プロセッサは、プラズマの部分酸化反応からＨ2に富むリフォーメイト（Ｂｒｏｍｂｅｒｇ  ｅｔ  ａｌ．，  Ｄｉｅｓｅｌ  Ｅｎｇｉｎｅ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ  Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ  Ｗｏｒｋｓｈｏｐ，  Ｎｅｗｐｏｒｔ，ＲＩ，Ａｕｇｕｓｔ  ２４−２８，２００３）を発生させることができる。しかしながら、これら車載改質器は、やはり幅広く商用されておらず、その原因は、コークスの形成及び／或いはそれらの寿命が余りにも短すぎるからである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１９】
【特許文献１】米国特許第３９５５９４１号
【特許文献２】米国特許第３９７１８４７号
【特許文献３】米国特許第３９８２９１０号
【特許文献４】米国特許第４０３３１３３９号
【特許文献５】米国特許第５９４７０６３号
【特許文献６】米国特許第３９１５１２５号
【特許文献７】米国特許第４１０９４６１号
【特許文献８】米国特許第４５６７８５７号
【特許文献９】米国特許第５４２５３３２号
【特許文献１０】米国特許第７０２８６４４号
【特許文献１１】米国特許第７２２５７８７号
【特許文献１２】米国特許第７７２１６８２号
【特許文献１３】米国特許第８０６１１２０号
【特許文献１４】米国特許第８０９１５３６号
【特許文献１５】米国特許第８３９６６４４号
【特許文献１６】世界特許ＷＯ  ０１／３４９５０
【特許文献１７】米国特許第５４４１４０１号
【特許文献１８】米国特許第５５８６４３３号
【特許文献１９】米国特許第６８４５６１０号
【特許文献２０】米国特許第７６１０７５２号
【特許文献２１】米国特許第８３９７５０９号
【特許文献２２】米国特許第４５２２８９４号
【特許文献２３】米国特許第６４３６３６３号
【特許文献２４】米国特許第６８４９５７２号
【特許文献２５】米国特許第５６４８５８２号
【特許文献２６】米国特許第６１１０８６１号
【特許文献２７】米国特許第６７１３０４０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
特許文献１３では車載触媒ＥＧＲ酸化装置を内燃機関／ガスタービンに使用し、また各種燃料からＨ2とＣＯを発生する方法が記載されている。本発明の車載フレックス燃料水素発生器（ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）も同じＡＴＲリフォーミングプロセスを使用するが、若干の新装置及びこれら装置を操作する新方法を提供することで、炭化水素化合物（ＨＣ）或いはバイオ燃料からＨ2とＣＯに改質する実際の効率を高める。本発明の改良した車載フレックス燃料水素発生器（ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）は、いかなる外部の熱源と電源を使用することなく、自動で起動でき、また発生した高圧リフォーメイトを複数個の容器内に保管できる。そして更に保管容器内の高圧リフォーメイトを利用して内燃機関／ガスタービンの燃焼効率を向上させることで、ＮＯx／ディーゼル微粒子フィルタトラップ内の触媒の再生を促進、又はＨ2を他の移動式或いは据置型装置に供給する。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明の車載フレックス燃料水素発生器を備える装置及びその操作方法は、（ａ）１個又は複数のパラレル自己熱型（ＡＴＲ）改質器を提供し、担持型及び／或いは非担持型のＰｔ族金属触媒（ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ  ｏｒ  ｕｎｓｕｐｐｏｒｔｅｄ  Ｐｔ  ｍｅｔａｌ  ｇｒｐｕｐ）を通じて炭化水素（ＨＣ）及び／或いはバイオ燃料をＨ2及びＣＯに転化することと、（ｂ）制御用コンピュータ及び／或いはマイクロプロセッサ、流量計／制御器、バルブ、ポンプ、センサーと温度計とを含む自動制御システムを提供することと、（ｃ）ＡＴＲ改質器の入口部燃料混合物を提供し、前記燃料混合物は酸化剤、燃料、水／蒸気のうちの少なくとも１つを包括し、液体燃料供給ループ、ガス燃料供給ループ、給水ループ、給気ループ、水電解槽ループ、排ガス再循環（ＥＧＲ）ループ、水再循環ループ及びリフォーメイト再循環ループからなる群から選択されることと、（ｄ）ＡＴＲ改質器システム自体で発生した熱と電力を利用して、上記入口部燃料混合物をＡＴＲ改質器内の触媒に通過する時、Ｈ2とＣＯを含有するリフォーメイトに転化することと、（ｅ）１個又は複数の貯蔵容器／マニホールドを提供して凝縮水を貯蔵し、また該ＡＴＲ改質器に給水し、またＡＴＲ改質器で発生した乾燥リフォーメイトを容器内に貯蔵し、１〜１００気圧に保持してこのリフォーメイトを下流の内燃機関／ガスタービンの使用に供給することと、（ｆ）１本又は数本の流量制御曲線を提供し、また貯蔵容器内の圧力を利用して各種反応物の流量を調節し、これら流量制御曲線は制御用コンピュータ及び／或いはマイクロプロセッサ内に保存され、正確に入口部燃料混合物を該ＡＴＲ改質器に供給でき、また特定のＯ2／Ｃ、Ｈ2Ｏ／Ｃ及びＣＯ2／Ｃ比率を保持できることと、（ｇ）スタートアップの反応物が触媒を通じて化学反応を行い、また外部の熱源と電源供給がない状態で、ＡＴＲ改質器を急速起動或いは再起動し、該２つまたは２つ以上のスタートアップの反応物は燃料、空気、エンジン／ガスタービンの排ガス、電解槽から発生したＨ2／Ｏ2ガス及び循環リフォーメイトからなる群から選択されることと、を含む。
【００２２】
リフォーメイト貯蔵容器内の圧力と前記流量制御曲線に基づき、自動制御システムは一組の流量データ（つまり一組の流量セットポイント）を指定する流量制御器にダウンロードしてから該流量制御器で同時に各反応物の流量を調節できる。よって、全ての反応物を一緒に混合して１つの単一の燃料混合流となってＡＴＲ改質器に供給できる。ただし、コークス化による触媒活性の低下又は更に触媒が溶けることを避けるため、入口部燃料混合物のＯ2／Ｃ、Ｈ2Ｏ／Ｃ及びＣＯ2／Ｃの比率を常に指定範囲内に保持することで、各ＡＴＲ改質器の温度を１２００℃（＜１０００℃が好適）以下に制御できる。これ以外に、同じＯ2／Ｃ、Ｈ2Ｏ／Ｃ及びＣＯ2／Ｃの比率を保持する状態で、制御システムは即時並びに正確に別の新しい流量要求を全ての流量制御器にダウンロードし、各流量制御器が更に新しい指定値によって同じ比率を保持してその流量を増減できる。よって、ＡＴＲ改質器は、同じガス組成の状態で迅速にリフォーメイト総量を増減でき、また貯蔵容器内のガスを１〜１００気圧内に保持できる。
【００２３】
一般的に言うと、移動エンジンの水素に対する需要は、エンジンの空転又は全速力などの操作状況に伴って大幅に変動する。本発明の改質器で発生したリフォーメイト総量は自動的に貯蔵容器内圧力の制御を受け、エンジンの速度／負荷量の制御を直接受けることではないため、本発明の改質器はほぼ安定的な条件において運転できる。このほかに、１つの定常状態運転から次の安定的な運転状況に変わることができ、エンジンの速度／負荷の影響を直接受けない。言い換えると、本発明の新しい操作制御戦略は、できるかぎり改質器入口部の混合組成内のＯ2／Ｃ及びＨ2Ｏ／Ｃの比率が突然極速な変動を受けることを減少及び／或いは避け、よって改質器内のコークス形成を防止でき、またフレックス燃料水素発生器の耐久性と寿命を延長できる。
【００２４】
スペースが制限される移動車両上に応用することについて、複数の小直径高圧ＡＴＲ反応器は、単一の大直径改質器より利点があり、これは複数の小型高圧反応器の製造が比較的安価で、容易にメンテナンス／交換／修理でき、特にそれらが兼備する操作上の柔軟性が、不安定状態とコークス形成の条件において反応器の操作を避けることができ、よってより一層エンジンのリフォーメイトに対する過渡要求を効果的に満たすことができる。これ以外に、入口部燃料混合物のＯ2／Ｃの比率が＜０．５以下の場合、可燃で、且つ潜在的な爆発性を有するため、特殊設計された燃料噴射装置を使用する必要があり、同時に燃料混合物を改質器に注入する総量も制限或いは下げる必要もあることで、よってシステム故障に起因するいかなる損傷を安全に減らす。これら原因により、本発明の車載フレックス燃料水素発生器のシステムは、１個或いは複数個のパラレルＡＴＲ改質器を含む。しかしながら、システム内の各ＡＴＲ改質器は、自動制御システムで個別に操作できる。次に論じるのは、同様にシステム内における各ＡＴＲ改質器に適用できる。
【００２５】
本発明のフレックス燃料水素発生器システムにおいて、各ＡＴＲ改質器はいずれも第１自己熱改質反応帯（つまり接触部分酸化／水蒸気改質帯−ＣＰＯ／ＳＲ）と第２水蒸気改質（ＳＲ）帯と第３水性ガスシフト（ＷＧＳ）帯とを含む。適切な成分のガスからなる燃料混合流は、まずＡＴＲ改質器の第１反応帯入口部に誘導され、反応を経てＨ2とＣＯを含有するリフォーメイトになった後、更に改質器の第３反応帯出口部から流出する。本発明のフレックス燃料水素発生器において、該ＡＴＲ改質器について、入口部にある燃料混合物は、主成分の酸素、水及び燃料を含有し、同時に該燃料混合物が例えばＮ2とＣＯ2の不活性のガスを含有でき、又は含有しない。簡単に言うと、本発明で使用する水源は、１個の貯水槽又は水の再循環ループからくることができる。燃料源は、１個又は複数個のいかなる気体／液体の炭化水素及び／或いはバイオ燃料の貯蔵糟内から取得できる。酸素源は、空気、水電解槽で発生した酸素、エンジン／タービンの排ガス再循環ループ、若しは少なくとも２種類または２種類以上の上記酸素源を合成してからなる＞１０％のＯ2を含有する混合ガス。
【００２６】
本発明のフレックス燃料水素発生器のシステムにおいて、各ＡＴＲ改質器は（１）水、１種又は多種の燃料と不活性ガスを含む或いは含まない酸素含有ガスからなる入口部燃料混合物を受け入れ、且つ該入口部燃料混合物が混合を経た後そのＯ2／Ｃ、Ｈ2Ｏ／Ｃ及びＣＯ2／Ｃの比率は、指定範囲内に保持してから該改質器の第１ＣＰＯ／ＳＲ反応帯に流入するステップと、（２）この燃料混合物はＰｔ族金属触媒を通過する時化学反応を起こし、第１ＣＰＯ／ＳＲ反応帯での滞留時間は＜３００ミリ秒（ＳＴＰの下で計算）内とするステップと、（３）ステップ２で発生したリフォーメイトは、引き続いて第２ＳＲ反応帯内のＰｔ族金属触媒を通過した時、更に反応を起こし、また滞留時間を＜５秒内に制御するステップと、（４）ステップ２とステップ３は、温度１５０〜１２００oＣと１〜１００気圧の下で迅速に燃料からＨ2とＣＯとＣＯ2とＮ2とＯ2と未転化燃料とを含むリホーメート流を製造するステップと、（５）ステップ４で生成したリホーメート流は第３反応帯に流れ、その滞留時間が＜１００秒内に保持し、Ｐｔ族金属を含む又は含まない触媒を通過し、且つ温度５０〜５００℃の条件下で、一部の給水がＣＯと反応して水素になるステップとを実行できる。上記ステップで発生したＡＴＲリフォーメイトは、熱交換器を通過した後冷却され、凝縮水を水槽内に貯蔵できる。発生した乾燥リフォーメイトは、１〜１００気圧に圧縮されて１個又は複数の貯蔵容器内に貯蔵する。
【００２７】
前記貯蔵容器内に貯蔵／蓄積する高圧リフォーメイトは、次の各号に応用でき、（１）このリフォーメイトに追加量の燃料と新鮮な空気を更に添加することで希薄燃料混合物を形成してエンジン／ガスタービンの燃料源とする。（２）Ｈ2を供給すると共に触媒を通じて酸化反応熱を発生し、室温の状態下で迅速に改質器を起動できる。（３）Ｈ2を供給することでＰｔ族金属触媒を還元又は触媒コンバータ、ＮＯxトラップ或いはディーゼル微粒子フィルタ内にある触媒の再生を促す。（４）Ｈ2を１個の固体酸化物又は一組のプロトン交換膜燃料電池を装備する移動車両或いは装置に供給して、電力を発生するために用いられる。及び（５）リフォーメイトを車載補助動力装置（ＡＰＵ）を取り付けた小型ディーゼルエンジン及び／或いは触媒燃焼器に供給して同時に熱エネルギーと電気エネルギーを供給する。上記ＡＰＵは、小型内燃機関／ガスタービン或いは燃焼器を備えた装置で、大型ディーゼルエンジン或いは固定式の予備発電機を使用しない時、同時に熱エネルギーと電気エネルギーを小さな局部エリアに供給できる。例えば特許文献２１では、触媒燃焼器と蒸気／ガスタービンシステムの組合せを提供して熱と電力を発生することを記載した。
【００２８】
最終的な応用により、各ＡＴＲ改質器内の３つの反応帯の大きさ／体積は、下流の装置、リフォーメイト組成に対する要求に応じて適切な調整を行うことができる。例えば、第１ＣＰＯ／ＳＲ触媒帯のみを含む小型改質器１台は、Ｈ2とＣＯと若干の未転化燃料とを含むリフォーメイトを下流の内燃機関／ガスタービンの使用に供給できる。適切な体積組合せで、ＣＰＯ／ＳＲ、ＳＲとＷＧＳの３つの反応帯を含む改質器１台は、完全に全ての炭化水素及び／或いはバイオ燃料を変換して最大％のＨ2と最小％のＣＯを含有するリフォーメイトを発生でき、このリフォーメイトを触媒の再生に用いることができる。必要がある場合、このＨ2を含有するリフォーメイトは小型水素ステーションとして分散型燃料電池の発電装備の使用に供給、若しくは内燃機関／ガスタービンの唯一の燃料源とすることもできる。
【００２９】
上記燃料は、好ましくは１種または１種以上の次の化学物質からなる群から選択され、Ｃ1−Ｃ16炭化水素、メタン、天然ガス、メタン水和物、液化石油ガス、Ｃ1−Ｃ8アルコール、植物油、バイオエタノール、バイオディーゼル、バイオメタン、工業廃液又は揮発性有機化合物（ＶＯＣは主に有機溶剤である）及びバイオ産物或いは農業／工業／動物廃棄物から発生したバイオ燃料ガスを含む。理論上、いかなるガス燃料、液体燃料或いは加温後気化でき、Ｐｔ族金属触媒を通過した時、自己熱改質反応を介して水素とＣＯを発生できるいかなる燃料混合物は、ＡＴＲ改質器の燃料とすることに適する。
【００３０】
各ＡＴＲ改質器の反応帯は、１種又は多種の担持型Ｐｔ族金属（ＰＧＭ）粉末（つまりウォシュコート）の触媒を更に含み、且つ各触媒ウォシュコートは酸化物粉末上に担持され、また総Ｐｔ族金属の０．０１〜１０．０重量％の触媒を含有する。上記「担持型Ｐｔ族金属粉末触媒」とは、１種又は多種の白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、オスミウム（Ｏｓ）及び／或いはルテニウム（Ｒｕ）の金属化合物を指し、それらがまず例えば酸化アルミニウム、酸化セリウム、酸化ジルコニウム、セリウム−ジルコニウム系複合酸化物、酸化促進剤／熱安定剤及びその混合物からなる群から選択された１種又は多種のウォシュコート粉末に浸漬並びに注入する。そこで酸化促進剤／安定剤は、例えばランタン、セリウム、プラセオジム、レニウム、亜鉛、錫、カルシウム、カリウム、ジルコニウム、イットリウム、バリウム、ストロンチウム、マグネシウム及びそれらの混合物の１種又は多種の酸化物とすることができる。その後、該触媒ウォシュコート粉末を更に１個の高温不活性担体の表面に塗り、また０．１〜２０００ｇ／ｆｔ3の総Ｐｔ族金属に制御する。この種の不活性担体は、セラミックモノリス（ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ）、金属モノリス、ペレット、ワイヤメッシュ、篩、フォーム、板又は炭化ケイ素等とすることができる。移動装置／器材等の設備に使用することについて、モノリス触媒を優先して選択することが好ましい。ただし該モノリス、ペレット、ガーゼ、ワイヤメッシュ、篩、フォーム、板、スタティックミキサー、熱交換器或いはその他形状の触媒担体も人々を満足させるよう固定装置／器材の使用に提供できる。
【００３１】
触媒ウォシュコートの担体とする場合、該不活性材料は、５００℃〜１１００℃の温度下においてもその強度と形状を崩さない。例えば、該不活性セラミック基板は、酸化アルミニウム、酸化アルミニウム−二酸化ケイ素、酸化アルミニウム−二酸化ケイ素−二酸化チタン、ムライト、菫青石、酸化ジルコニウム、酸化ジルコニウム−二酸化セリウム、ジルコニウムスピネル、ジルコニウム−ムライト又は炭化ケイ素から製造されることができる。金属モノリスは、フェクロアロイ、カンタル、ステンレス或いはその他の高温合金から製造できる。
【００３２】
触媒の耐久性と動作寿命を向上するため、単独又は同時に燃料のパーセントを最適化と制御し、並びに送り混合物のＨ2Ｏ／Ｃ、ＣＯ2／Ｃ及びＯ2／Ｃの比率を指定範囲内（つまり制限）に保持することで、反応器内の触媒温度を１２００℃（＜１０００℃が好適）より低くなるよう保たなければならない。例えば、触媒が１２００℃より低い温度においてコークスを形成／蓄積しないことを保持するため、入口部燃料混合物のＨ2Ｏ／Ｃ比率が望ましくは０．０５〜１０．０、Ｏ2／Ｃ比率が０．１５〜０．８、ＣＯ2／Ｃが０．０〜０．５に保持する。しかしながら、特定の炭化水素或いはバイオ燃料は、自身の沸点、気化熱、酸化反応の熱量及びコークス形成傾向、接触部分酸化反応速度、水蒸気改質反応速度等を有し、ＡＴＲ入口部燃料混合物のＨ2Ｏ／Ｃ、ＣＯ2／Ｃ及びＯ2／Ｃの比率の最適化操作は、主に燃料及び触媒の種類と反応温度及び圧力によって決まる。
【００３３】
内燃機関／ガスタービン内部にある均質燃焼反応を促進するため、ＡＴＲ改質器から発生したリフォーメイトに追加量の燃料と新鮮な空気／酸化剤を更に添加してエンジン／タービンの入口部の希薄燃料混合物とすることができる。しかしながら、移動、固定又は特殊な設備を使用する時、常に短い過渡運転が発生し、よってリフォーメイトをエンジン／タービン内に入れる前、高圧容器内に貯蔵することが好ましい。この種のプロセスの手配について、ＡＴＲ改質器の主な機能は十分なリフォーメイトを発生して貯蔵容器内の圧力を１〜１００気圧に保持し、そしてエンジン／タービンが水素を必要とする時、該貯蔵容器内から吸引できる。言い換えると、これらリフォーメイトの貯蔵容器は、緩衝器に充当できるため、ＡＴＲ改質器の操作は、直接貯蔵容器内の圧力で制御し、直接或いは自然に頻繁なエンジン／発電機の速度／負荷の突然変化の影響を受けることはない。よって、該貯蔵容器の存在は改質器が定常運転状態から次の定常運転状態に変更することを許容する。
【００３４】
瞬時制御を有し、燃料の比率を記録と監視するため、フレックス燃料水素発生器は、更にセンサー、オンオフバルブ、ポンプ、熱電対、流量計／制御器及びプログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）１台又はマイクロプロセッサ１台を備える。これ以外に、パソコン（ＰＣ）１台を利用して該ＰＬＣ／マイクロプロセッサと共同で制御ソフトウェアをプログラミング及び通信できる。しかしながら、ＰＣ或いは高性能のマイクロプロセッサの自体は必要な入力／出力ハードウェアモジュールを備える場合、直接このフレックス燃料水素発生器を制御と監視することができる。
【００３５】
車両の応用について、ＡＴＲリフォーメイトから凝縮した水は、再循環してＡＴＲの入口部の送り混合物内に戻ることができるため、いかなる移動車両も大型水槽を携帯する必要がない。また、室温下で該フレックス燃料水素発生器を起動したい場合、エンジンの再循環排ガスを利用して熱量、酸素及び蒸気を提供することで酸化反応を起こし、特にＡＴＲ入口部燃料混合物内に少なくとも１つの低温ライトオフ燃料成分を有する時である。またＡＴＲ改質器を速やかに起動又は再起動するため、貯蔵容器内の再循環リフォーメイト及び／或いは水電解槽のＨ2／Ｏ2ガスも他の燃料の酸化反応を開始と加速することに用いることができる。水素と酸素は、Ｐｔ族金属触媒を通過して室温で化学反応を起こすことができ、この酸化反応で発生した熱量は、迅速に触媒の温度を高めて燃料酸化反応に必要なライトオフ温度点以上に達することができ、よって他の燃料の酸化反応を開始でき、いかなる外部の加熱装置の使用を必要としない。しかしながら、注意しなければならないのは、該ライトオフ温度（ｌｉｇｈｔ−ｏｆｆ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）とは、いかなる外部の熱源を使用しないもとで、やはり自発的に該燃料の接触部分酸化反応（ｃａｔａｌｙｔｉｃ  ｐａｒｔｉａｌ  ｏｘｉｄａｔｉｏｎ  ｒｅａｃｔｉｏｎ）を維持するための所要の最低温度点である。
【００３６】
上記該ＡＴＲ改質器の第３反応帯は、水とＣＯを比較的遅い空間速度下で、水性ガスシフト反応を利用してＨ2を発生する。該第３反応帯において使用する担持型Ｐｔ族金属触媒は、好ましくは担体の酸化物がＡｌ2Ｏ3、セリウム／ジルコニウム酸化物、酸化熱安定剤／プロモーター又はそれの混合物とする。上記該酸化物の熱安定剤／プロモーターは、好ましくはランタン、セリウム、プラセオジム、レニウム、カルシウム、ジルコニウム、イットリウム、バリウム、ストロンチウム、マグネシウム、亜鉛、カリウム、銅、鉄、コバルト、ニッケル、クロム、錫、金、銀の１種又は多種の酸化物及びそれの混合物とすることができる。ただし、リフォーメイト内におけるＨ2の％が増えると共にＣＯの％を下げるため、従来のＣｕ／Ｚｎ酸化物及び／或いはＦｅ／Ｃｒ酸化物等の触媒も該反応帯に使用することができる。しかしながら、該第３反応帯は触媒を含まない時、熱力学によれば、無触媒水性ガスシフト反応はやはり極めて遅い反応速度下で発生する。よって、ＣＯを排出していない状況で触媒を再生させたい場合、この改質器の第３反応帯はＳＲとＷＧＳ触媒を含むべき、且つＮＯxトラップ／ディーゼル微粒子フィルタの後に、Ｐｔ族金属触媒を含む触媒コンバータを使用して一酸化炭素の排出量を削減する。
【００３７】
前述のように、水素が入口部燃料混合物に添加された時、現在設計の化学量論に近づく燃焼ではなく、エンジンを調整して希薄燃焼を行うことができる。また、希薄空気／燃料の比率の希薄混合気とターボチャージャーを一緒に組み合わせると、エンジンはその圧縮比を増え、且つより一層高い圧力の下で希薄燃焼を行うことで更にその熱効率をアップすることができる。希薄燃焼エンジンの排ガスは主に、Ｎ2とＯ2とＣＯ2と水蒸気とを含み、再循環の希薄排ガスが水蒸気、Ｏ2、ＣＯ2と熱量をＡＴＲ改質器に注入する有効な方法である。よって、回収した排ガスは改質器の熱損失を低減でき、またＡＴＲ反応帯域内の化学反応を保持し続けることができ、いかなる外部熱源の供給を必要としない。このほかに、循環ガス内の水蒸気とＣＯ2は、反応帯内で更に多い反応熱を吸収でき、また効果的に改質器のピーク温度を＜１２００℃内に下げることができる。
【００３８】
本発明の車載フレックス燃料水素発生器及び発電機から発生した一部の電力は、電解槽に使用されてＨＨＯガスを発生できる。ただし、ソーラーパネル及び／或いは風力発電機がある時、電力を供給して蒸留水の電解を行うことができる。この場合は、電解槽から発生したＨ2は、改質器のスタートアップ期間においてまず燃料の接触部分酸化反応を開始、或いは直接リフォーメイト貯蔵容器内に入れてエンジンの燃料混合物の一部とすることができる。電解槽から発生した酸素は、直接ＡＴＲ改質器の唯一の酸素源として使用、若しくは空気中又はエンジンの再循環排ガス内に添加されてＡＴＲ改質器の入口部燃料混合物のＯ2含有量を増加させることができ、且つ＞１０％とする。
【００３９】
１台の車載フレックス燃料水素発生器とエンジン／タービンからなるシステムは、直接一般的応用の駆動装置とすることができ、例えば自動車、芝刈り機、ディーゼルトラック、公共バス、電車及びバイク等に使用される。本発明のフレックス燃料水素発生器とエンジン／タービンからなるシステムを１台の発電機と１個のバッテリー群に接続すると、電力を発生と蓄積できて１つの独立した移動式或いは固定式の発電ステーションとなる。この種の分散型発電ステーションは、例えば自動車、芝刈り機、ディーゼルトラック、公共バス、電車、バイク等の電動自動車／設備の駆動に用いることができ、その他の携帯式又は小工具、工業用と家用電器設備／装置にも用いることができる。
【００４０】
特殊応用について、このフレックス燃料水素発生器も直接Ｈ2又はＨ2に富むリフォーメイトを内燃機関／ガスタービンに供給して唯一の燃料源（つまり改質ガソリンエンジン／タービン）とすることができ、若しくは小さな携帯式又は移動式分散型水素ステーションの一部として使用し、Ｈ2を固体酸化物或いはプロトン交換膜燃料電池等の電池発電システムに供給できる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の一例示的な実施例に係る一般システム概略図で、フレックス燃料水素発生器と内燃機関／ガスタービンと発電機とを含む。
【図２】本発明の別の例示的な実施例に係るシステム概略図で、簡易な代替フレックス燃料水素発生器と希薄燃焼ディーゼルエンジンと電動発電機とを含む。
【図３】本発明の別の例示的な実施例に係るシステム概略図で、簡易な代替フレックス燃料水素発生器と希薄燃焼ディーゼルエンジンと電動発電機とを含む。
【図４】本発明の別の例示的な実施例に係るシステム概略図で、簡易な代替フレックス燃料水素発生器とガスタービンと発電機とを含む。
【図５】本発明の別の例示的な実施例に係るシステム概略図で、簡易な代替フレックス燃料水素発生器と小工具と内燃機関とを含む。
【図６】本発明の一の例示的な実施例に係るシステム概略図で、触媒がフレックス燃料水素発生器内に使用されている状態である。
【図７】本発明の別の例示的な実施例に係るシステム概略図で、触媒がフレックス燃料水素発生器内に使用されている状態である。
【図８】図８Ａ及び図８Ｂは、本発明の別の例示的な実施例に係るシステム概略図で、大きな金属触媒がフレックス燃料水素発生器内に使用されている状態である。
【図９】図９Ａ及び図９Ｂは、本発明の別の例示的な実施例に係るシステム概略図で、１台のパソコンとプログラマブルロジックコントローラとを含む。
【図１０】制御曲線図で、改質器の出力容量パーセントの貯蔵容器内のリフォーメイト圧力に対する関数関係を示す。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
好適な実施形態の記載
従来、大規模商業生産の工業用水素は、炭化水素類がＮｉ／Ａｌ2Ｏ3ペレット触媒を通過する時水蒸気改質（ＳＲ）反応を行い、また改質器内で低い空間速度及び定常状態の高圧操作条件下（通常は２０００〜８０００／時間）で製造される。よって、Ｈ2を移動設備又は分散型燃料電池の発電ステーションを供給する場合、液体Ｈ2或いは高圧Ｈ2ガスを遠隔地の中央工場から運んで現地の高圧貯糟内に貯蔵しなければならない。ただし、Ｈ2をこれら応用に供給するもっと便利な方式は、より小さい分散型水素改質器１台を使用し、當地において各種気体或いは液体の燃料からＨ2を生産できる。移動車両又は分散型燃料電池の発電ステーションの使用は、電力に対する需要によって操作するため、車載或いは分散型水素改質器が頻繁にスタートアップ、シャットダウン及びその他過渡運転条件を満たさなければならない。
【００４３】
１９７０年代かつて幾つか従来のＨ2生産技術を使用した小型改質器が設計され、該小型改質器は、硫黄を含有するディーゼル油からＨ2を製造してりん酸型燃料電池の応用に供給でき、これら改質器が通常金属酸化物及び／或いはＮｉ／Ａｌ2Ｏ3のペレット触媒を使用し、また低い空間速度の下で接触部分酸化（ＣＰＯ）と水蒸気改質（ＳＲ）の水素発生反応を行う。ただし、比較的低い空間速度及び比較的低い触媒活性のため、これら大型改質器は一般的に車載改質器として適していない。上記水素製造技術は、Ｇ．Ｖｏｃｋｓが作成した論文（“Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ  Ｃａｔａｌｙｓｔｓ  ａｎｄ  Ｒｅａｃｔｏｒｓ”，  ｅｄｉｔｅｄ  ｂｙ  Ｃｙｂｕｌｓｋｉ  ａｎｄ  Ｍｏｕｌｉｊｎ，  Ｍａｒｃｅｌ  Ｄｅｋｋｅｒ，  Ｉｎｃ．  Ｐａｇｅ  １７９  （１９９８））から優れた総括とすることができ、ここに本明細書の一部を構成するものとして該論文の内容を援用する。
【００４４】
１９８０年代初、かつて一種の新しいコンパクト（ｃｏｍｐａｃｔ）な改質器が開発され、該改質器は新開発された水素生産触媒プロセス及び数個の新モノリシックＰｔ族金属触媒を利用し、非常に高い空間速度の下で、硫黄を含有する＃２商用ディーゼル油をＨ2とＣＯに転化できる。例えば米国エネルギー省の報告書（ＤＥ−ＡＣ−０３−７９−ＥＴ１５３８３，１９８１年９月）のように、新しいＡＴＲ改質器は、第１反応帯内にある数個のモノリシック白金／パラジウムＣＰＯ触媒を利用すると、１２６，０００／時間の空間速度（１８ミリ秒、１気圧と０0℃で計算）下で、大部分の燃料をＨ2とＣＯに転化でき、そして未転化燃料が空間速度の６５００／時間（つまり５５０ミリ秒）下で、第２反応帯内においてその後の白金／ロジウムＳＲペレット触媒によりＨ2とＣＯに転化できる。また、適切な安定運転条件の下、この新改良のＡＴＲ改質器は、コークス形成のない状況においてディーゼル、ガソリン、液化石油ガス（ＬＰＧ）及びＪＰ−４燃料等の燃料を転化してＨ2を発生できることが後に判明した。
【００４５】
表１に示すように、約Ｏ2／Ｃ＝０．３８及びＨ2Ｏ／Ｃ＝２．５０の比率下で、各燃料はこれら試験中の総ＨＣ転化率が≧９９％（無水ベース）で、かつ総（Ｈ2とＣＯ）生産量＞５０％とする。よって、これら試験から以下の結論を得ることができ、つまりこの種の新改良のモノリシックＰｔ族金属触媒を利用したコンパクトなＡＴＲ改質器は、非常に高い空間速度の条件下で、各種炭化水素燃料から水素を発生できる。
【００４６】
表１に記載するように、これら実証試験において使用したＰｔ族金属（ＰＧＭ）触媒の調製プロセスは、まず某特定の金属濃度を有する１個又は複数の白金、パラジウム及び／或いはロジウム溶液を熱安定性があり且つ表面積が５０〜６００ｍ２／ｇのｇａｍａ−Ａｌ2Ｏ3ウォシュコート粉末上に注入する。ここに使用した熱安定剤は、ウォシュコート粉末が高温下の表面積を保持するために用いられる。該熱安定剤は、例えばランタン、セリウム、プラセオジム、レニウム、カルシウム、カリウム、バリウム、イットリウム、ジルコニウム、ストロンチウム及びマグネシウムの１種又は多種の酸化物及びそれの混合物を含むものとすることができる。後で、更にこれら触媒された後のウォシュコート粉末を不活性モノリシック基材の表面に塗ってから乾燥と焼成を行う。表１に示すように、各モノリシックＰｔ族金属触媒中の合算する金属総含有量は、一般的に言うと０．１〜２０００ｇ／ｆｔ3内に制御する。
【００４７】
表１内で使用する不活性モノリシック基板は、  １平方インチ（ＣＰＩ）当たり２００〜６００ストレートチャンネルのセラミックコーディエライトを備え、その他適した触媒担体がセラミック又は金属モノリス、フォーム、板、ガーゼ、ワイヤメッシュ或いはスタティックミキサー等を含む。ここで、該多孔質のセラミックモノリスは、１種又は多種の酸化アルミニウム、酸化アルミニウム−二酸化ケイ素、酸化アルミニウム−二酸化ケイ素−二酸化チタン、ムライト、菫青石、酸化ジルコニウム、酸化ジルコニウム−スピネル（ｓｐｉｎａｌ）、酸化ジルコニウムムライト及び炭化ケイ素等からなる金属酸化物群から選択されたものである。該金属モノリスは、例えばフェクロアロイ、カンタル及びステンレス等の耐熱と耐酸化の合金とすることができる。
【００４８】
【表１】
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表１：炭化水素化合物は、Ｐｔ族金属（ＰＧＭ）触媒を通過した自己熱改質（ａｕｔｏｔｈｅｒｍａｌ  ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ）の概要（Ｈｗａｎｇ等のＡＩＣＨＥ年次大会、カリフォルニア州ロサンゼルス、２０００年１１月５日）
【００４９】
Ｐｔ族金属触媒でディーゼル油から発生した水素を燃料電池の使用に供給することを開発した時、特許文献２２の結論によれば、ディーゼル油はＰｔ族金属触媒を通過した場合、その部分酸化反応速度が水蒸気改質反応速度よりずっと速い。言い換えると、反応帯内での滞留時間が＜３００ミリ秒の状態において、送り混合物中の燃料がＨ2とＣＯに転化する転化率は主にＯ2／Ｃ比率の制御を受け、Ｈ2Ｏ／Ｃ比率が副次的な要因である。ただし、関連の実験的な研究報告書及び熱力学計算（ＤＯＥ＃ＤＥ−ＡＣ−０３−７９−ＥＴ１５３８３（１９８１）及びＤＯＥ＃ＤＥ−ＡＣ−２１−７９−ＭＣ１２７３４（１９８１））によれば、該自己熱改質法（ＡＴＲ）は接触部分酸化法（ＣＰＯ）に比べて実際的にＯ2／Ｃ運転比率を拡大でき、コークスを形成せず、また反応器内の温度を下げることができ、触媒の耐久性を延長し、触媒の失活性を極小化し、並びにより一層長い改質器寿命を実現できると断定できる。言い換えると、自己熱改質法は、実際接触部分酸化法より良いと好適な方法である。従って１９７０年代に開発された古い特許の車載改質器はＡＴＲでＣＰＯ改質反応を代替とし、またより先進なＰｔ族モノリシック金属触媒を利用して改質器の耐久性を向上すると共に寿命を延長し、この新改良のフレックス燃料水素発生器は効果的且つ効率的に移動車両に活用できる。
【００５０】
１９９０年代末に小型商用改質器が開発され、５４，０００／時間の空間速度（つまり約６７ミリ秒ＳＴＰ）及び長期且つ耐久状態において、全てのＨＣ燃料を水素に転化してプロトン交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）発電機に供給できる。本発明において、新世代の先進改質触媒と修正を経た後のよりコンパクトな新ＡＴＲ改質器の設計が開発され、天然ガスとＬＰＧをＨ2に転化するために用いることができる。簡潔に言えば、一連の新開発された層状モノリシックＣＰＯ／ＳＲ触媒は、ＡＴＲ改質器内中の第１反応帯の水蒸気改質の反応速度をアップできる。これら層状触媒の製法に関しては、まずＳＲ触媒を不活性のモノリス表面に塗布してから別層のＣＰＯ触媒をＳＲ触媒層の上面に塗布する。この２種類の触媒の密接な接触により熱を発生したＣＰＯ層は迅速に発生した反応熱をいかなる伝熱障害もない状態で吸熱ＳＲ層に供給する。特許文献２３と特許文献２４で記載されるように、これら各種多層及び／或いは各種金属グラデーションのコーティング技術により調製した多層の先進触媒は、最も効果的にこれらＰｔ族金属を利用でき、且つ更にメタン転化率を改善でき、改質器内のピーク温度を約５０℃に下げることもでき、更に重要なのは改質器の寿命を延長できてコークス形成の現象がない。
【００５１】
これら先進の改質触媒を使用すると、改めてより小さい改良ＡＴＲ改質器を設計して車載装置とすることができ、また各種炭化水素及び／或いはバイオ燃料をＨ2に転化することに用いることができる。例えば、移動設備に使用されるコンパクトで且つ経済的なＡＴＲ改質器は、第１反応帯のＣＰＯ／ＳＲ触媒のみを利用し、第２と第３反応帯でＳＲ及びＷＧＳ触媒を使用する必要がない。該改質器は、一部の燃料をＨ2及びＣＯに転化でき、その他の未転化燃料とＣＯが下流のエンジン／ガスタービン内で燃焼できる。しかしながら、１台の固定式分散型発電機或いは１つの小型水素ステーションについて、ＡＴＲ改質器を設計と操作する時、操作条件を調整して最大Ｈ2％含有量と最小ＣＯ％含有量を有するリフォーメイトを発生させなければならない。この場合は、ＡＴＲ改質器が第１と第２反応帯のＣＰＯ／ＳＲ和ＳＲ触媒に依存して全て（つまり１００％）の燃料をＨ2とＣＯに転化し、更にその後の第３反応帯内のＷＧＳ触媒でＣＯとＨ2ＯをＨ2に転化する。
【００５２】
図１に示すように、本車載フレックス燃料水素発生器及び発電機から発生した一部の電力は、水電解槽に供給して純Ｏ2とＨ2を発生できる。発生したＨ2は水素発生器のスタートアップ期間において触媒を加熱してライトオフ温度に達し、迅速に燃料ＣＰＯ反応を開始できる。発生したＯ2は再循環排ガス中のＯ2の％含有量の増加に使用でき、また単独でＡＴＲの酸化剤としても使用でき、若しくはＡＴＲ入口部燃料混合物＞１０％の酸素含有量の増加に使用できる。
【００５３】
特許文献２５では、１個のミリセカンド（ｍｓ）反応器を使用し、メタンが担体金属触媒を通過した時、非常に短い滞留時間（ＳＶ＝８００，０００〜１２００００／ｈｒ或いは約３ｍｓ）内に、水素を発生できることが記載されている。ここで、空気及び／或いは純酸素は、ＣＰＯ反応の酸化剤とし、このミリセカンド反応器のシステム内で使用する触媒は、１種又は多種のロジウム、ニッケル及び白金を含む触媒で、フォームセラミック、ワイヤメッシュ或いは押出基材の表面に被覆する。同時に１９９０年代以来Ｓｃｈｍｉｄｔ教授とそのグループはすでにセラミックフォームＲｈ触媒を使用し、ミリ秒接触時間内にメタン、ｎ−ヘキサデカン、ｎ−デカン、ＪＰ−８、ガソリン、ディーゼル油、エタノール、グリセロール、植物油、バイオディーゼル及びその他の揮発性と非揮発性液体等の燃料から合成ガスとオレフィンを生産できることに成功した。この２０年間、このグループの人員はすでに複数の優れた特許と科学論文を出版した。全体から言うと、彼らの研究はすでに揮発性炭化水素とバイオ燃料を含む合成ガスがミリセカンド反応器内において、燃料の部分酸化反応或いは自己熱改質反応を利用してガーゼ、セラミックフォーム又はＡｌ2Ｏ3酸化ペレット上に被覆したＲｈ含有触媒を通過した時、非常に容易に高効率で触媒されてＨ2、ＣＯ及びオレフィンに改質することができる。
【００５４】
この２０年間、１グループのアルゴンヌ国立研究所（Ａｒｇｏｎｎｅ  Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ）の人員は、新触媒と先進ＣＰＯ及び自己熱改質プロセスを開発する過程中に、若干の素晴らしい研究を行った。例えば特許文献２６では、新たに開発された２つの部分組成を含む触媒（つまり１％のＰｔ／ＣｅＧｄＯペレット触媒）が効果的にガソリン／天然ガス、水及び酸素の混合物から０．１〜２秒の時間内にＨ2を発生できることが記載されている。特許文献２７では、小型自己熱改質器の詳細な設計図と操作手順が記載され、燃料から水素を発生して燃料電池の使用に供給できる。全体から言うと、当該グループの研究員は新たに開発された２つの部分組成を含むＰｔ触媒を利用すると、効果的に自己熱改質器において、イソオクタン、シクロヘキサン、２−ペンテン、エタノール、メタノール、メタン及びその他燃料から水素を発生できることも証明した。
【００５５】
２０００年以来、接触部分酸化と自己熱改質反応に関する多くの優れた特許と科学論文は、すでに世界各地で各種研究グループから発表されたため、ここに１つずつ列挙できない。しかしながら、これら公開した研究成果によれば、非常に高い空間速度の条件下で、ＣＰＯとＡＴＲ改質プロセスを利用すると、各種揮発性炭化水素とバイオ物燃料を改質してＨ2及び／或いは合成ガスを発生できることを明確に知得できる（つまり小型改質器）。
【００５６】
工業応用面において、水／蒸気を改質器の入口部燃料混合物に入れると、ＣＰＯ改質器をＡＴＲ改質器に変わることができ、且つこのＡＴＲ改質器が先進の改質触媒を利用すると、効果的により広いＯ2／Ｃ範囲内で操作でき、固定水素発生器内でコークス形成の現象が発生しない。また、この固定水素発生器を改善して移動設備に使用させるため、新設計の車載フレックス燃料水素発生器は、数種類の実用設備と操作手順を提供し、外部熱源と電源の供給がない状態において効果的に異なる揮発性炭化水素及び／或いはバイオ燃料をＨ2に転化して内燃機関／ガスタービンの使用に供給できる。
【００５７】
現在大部分のガソリン内燃機関の設計は、化学量論の燃焼比率により運転するが、希薄燃焼ガソリン及び／或いはディーゼルエンジンが近年さらにいっそう人気が出る。希薄燃焼の内燃機関は、化学量論の空燃比を使用したエンジンより比較的多いＮＯx汚染物質を発生するため、１個のモノリシックＮＯxトラップを排気管内に取り付けることで希薄燃焼ガソリンエンジンのＮＯx排出量を削減する。同様に１個のＮＯxトラップとディーゼル微粒子フィルタを希薄燃焼ディーゼルエンジンの排気ラインに取り付けて汚染ガスの排出量を削減する。
【００５８】
一般から言うと、ＮＯxトラップとディーゼル微粒子フィルタは、多孔質のセラミックモノリス表面に担持される若干のトラップ材料（ｔｒａｐ  ｍａｔｅｒｉａｌｓ）を含む。これらトラップ材料は、一酸化アルミニウム粉末上に担持された少量％含有Ｐｔ族金属と１種又は多種のカリウム、ナトリウム、セシウム、バリウム、ランタン、ストロンチウム、カルシウム、マグネシウム、亜鉛、セリウム、ジルコニウムから選択された酸化物及びそれの混合物とを含む。しかしながら、各トラップ材料にはその貯蔵容量があり、一旦飽和になった後ＮＯx或いはディーゼル微粒子の排出量を削減できない。よって、これらトラップ材料は外部のＨ2及び／或いはＣＯ等の還元ガスを利用してその活性を還元しなければならない。このフレックス燃料水素発生器は効果的にこの種の還元ガスを発生して上述の再生使用に供給できる。
【００５９】
手動で起動する内燃機関／ガスタービンは、室温で高温排ガスを発生でき、該高温排ガスを循環してＡＴＲ改質器の温度をアップでき、同時にも発電機を駆動してＰＬＣ／ＥＣＵ及び全てのセンサー／制御器に給電できる。一旦電力を発生すると、システム全体は自動操作モードに切り替え、コンピュータシステムに水素発生器全体を自動操作させることができる。
【００６０】
フレックス燃料水素発生器は内燃機関／タービンと組合せると、単独で移動装置／設備の駆動装置として使用でき、例えば芝刈り機、チェーンソー、バイク、フォークリフト、自動車、トラック及び電車である。フレックス燃料水素発生器を内燃機関／タービン、発電機及び電池等と組み合わせると、有用な分散又は統合型発電システムに変わって電動自動車、トラック、電車、バイク、フォークリフト、電気ユーティリティビークル、電池充電器、予備発電機及びその他の固定式或いは移動式の電子設備／装置に給電できる。
【００６１】
例示的な実施例の記載
特許文献１３では、車載触媒ＥＧＲ酸化装置が記載され、また各種炭化水素とバイオ燃料からＨ2及びＣＯを生産して内燃機関／ガスタービンに供給する方法が開示されている。１つの成功と耐久な改質器は、コークス形成と触媒失活がなく、及び／或いは溶けない状況において、該ＡＴＲ改質器の反応温度が終始＜１２００℃（＜１０００℃が好適）以内に保たなければならず、且つ改質器の入口部燃料混合物のＯ2／Ｃ比率が０．１５〜１．５０、Ｈ2Ｏ／Ｃ比率が０．０５〜１０．０、ＣＯ2／Ｃ比率を０．００〜０．５０に保持する。この種の車載触媒ＥＧＲ酸化装置の機能を高めるため、本発明では改めて図１に示す車載フレックス燃料水素発生器及び発電システムを設計し直し、この種の車載発電機は実用的装置を提供でき、また、この装置が主に移動車両及び／或いは分散型発電機の設備として、外部電源のなく且つ有限な水源の状況下の操作方法も提供している。これ以外に、本発明に開示されている内容によれば、潜在な簡易フレックス燃料水素発生器及び／或いはその他各種システムの配置と数個の簡易フレックス燃料水素発生器も本発明内容内に含まれ、当業者に各種特定応用の参考例として提供している。
【００６２】
定常状態操作下の燃料電池改質器に反して、好ましい車載改質器は急激な過渡操作（つまり素早い加速／減速）、頻繁なスタートアップ／シャットダウン、定常状態及びその他非定常の運転条件下で、燃料を水素に転化できてコークス形成がないよう成功しなければならない。また、改質器は、いかなる外部電源と水源がない状態で自己熱改質プロセスを実行しなければならず、迅速に自身システムの熱量と電力で再起動できなければならない。よって、本発明のフレックス燃料水素発生器の設計は、若干の反応物供給経路（ループ）を提供し、必要な反応ガス／物質をＡＴＲ改質器の入口部に注入するために用いられる。上記反応物供給経路は水ループとガス燃料ループと液体燃料ループと水電解槽ループと循環水ループと再循環リフォーメイトループと再循環排ガスループと２つの空気供給ループとを含む。簡単に言えば、反応物の供給ループ内の指定含有量を有するが少なくとも１種の燃料、１種の酸化剤及び１種の水／蒸気を含有する混合物をＡＴＲ改質器に注入した後、Ｐｔ族金属触媒を通じてＨ2とＣＯを含有するリフォーメイトに転化する。発生したリフォーメイトを冷却し、凝縮水が回収されてＡＴＲ反応物の１つとし、乾燥ガスが圧縮されて１個或いは複数の高圧貯蔵容器内に貯蔵される。前述のように、貯蔵容器内のリフォーメイト圧力は、予定制御曲線に基づいて各反応物流量を調節する主なフィードバック信号である。よって、該圧力信号はＡＴＲ改質器から発生したリフォーメイト総量の増減に用いられる。言い換えると、貯蔵容器の圧力が低下した時、各反応物の流量が同じＯ2／Ｃ、Ｈ2Ｏ／Ｃ及びＣＯ2／Ｃ比率を保持することにおいて、同時に比率によって増加するため、改質器は更に多くの同じガス成分を含有するリフォーメイトを発生し、貯蔵容器内の圧力を指定範囲内に保持する。しかしながら、圧力が１００気圧に接近した時、１個または１個以上のＡＴＲ改質器は流量低下の操作を行い、空転モードにとどまり又は更にシャットダウンすることでリフォーメイトの貯蔵容器に出力する総量を下げる。操作の時、ＡＴＲ改質器がシャットダウンされる可能性があるため、該改質器は非常に迅速にシステム自身の熱量と電力を利用して再起動できなければならない。
【００６３】
Ｈ2に富むリフォーメイトを発生するため、ＡＴＲ改質器の入口部燃料混合物はＯ2／Ｃ比率を＜０．５以下に制御することが好適である。しかしながら、この種の燃料に富む混合物は可燃で且つ潜在的な爆発性を有するため、各改質器は適切な燃料噴射装置を取り付け、そして燃料混合物の改質器に注入する総量をできる限り減少することで、システム故障によるいかなる損失を安全に軽減できる。このような理由で、本発明の車載フレックス燃料水素発生器は設計上、１個又は複数個のパラレル小型ＡＴＲ改質器で単一の大型改質器に代替とする。
【００６４】
乾燥リフォーメイトが３０〜１００気圧に圧縮され、また容器１０と１０Ｂ内に保管され、そしてこのリフォーメイトは圧力調整器５５Ａを経由して流動マニホールド１０Ａ又は１０Ｃまで降圧し、また１〜５０気圧に保持する。ここで、指定制御量のマニホールド１０Ａ内のリフォーメイト（流２１７）と二次空気（流２０８）は、適量の一次新鮮な空気（流２１８）と一次燃料（流２０１Ａ）を混合して希薄燃料混合物となり、またｌａｍｂｄａ比率を１．０１〜１．８０に保持してエンジン／ガスタービン１１の燃料とする（つまりラムダ（ｌａｍｂｄａ）比＝［実際の空燃比］／［化学量論の空燃比］）。また一部のマニホールド１０Ｃ中のリフォーメイト（流２１４）は還元ガスとして使用でき、またＮＯxとディーゼル微粒子トラップの触媒の再生を促進できる。該リフォーメイトは再循環されて反応物（流２１５）に変わって改質器を急速起動するためにも用いることができ、及び／或いはＨ2（流２１６）を車載ＡＰＵ１１Ａに供給することができる。このＡＰＵユニットは大型ディーゼルエンジンの未運転時に熱量と電力を１つの小さな局部／辺鄙地域に供給できる。
【００６５】
図１に示す流量計／制御器は、定量ポンプ、マスフローメータ／制御器又は自動車に使用している電子燃料噴射装置とすることができる。いずれかの流量制御器は所定のセットポイントに基づいて正確に各所定のガス及び／或いは液体反応物の流量を調節できるため、前記流量計／制御器等のセットポイントの組合せを利用して各純ガスと液体の流量を制御でき、また全ての反応物を混合した後固定の組合値に達する。よって、これら制御器はコンピュータ制御システム内に保存している制御曲線に基づいて各流量制御器に１つのセットポイントを与えて各反応物の流量を制御すると共にＡＴＲの入口部燃料混合物のＯ2／Ｃ、Ｈ2Ｏ／Ｃ及びＣＯ2／Ｃ比率を指定値内に提供できる。また、コンピュータを通じて別の新セットポイントをダウンロードして特定の流量計／制御器に使用する場合、この種の流量計／制御器が優れた繰り返し性と再現性を有する状況の下で、迅速に反応物の流量を新しい指定値に変更できる。言い換えると、燃料混合物のＯ2／Ｃ、Ｈ2Ｏ／Ｃ及びＣＯ2／Ｃ比率とその総流量は、非常に迅速で正確に該制御システムにより保持し、及び／或いは変更できる。
【００６６】
図１に示すフレックス燃料水素発生器システムの例示的な実施例において、水反応物の供給ループは、タンク１と定量ポンプ５０と流量弁５１と流量計／制御器５２とを含む。ガス燃料反応物ループはタンク２と減圧装置５５Ａと流量弁５１と流量計／制御器５２とを含む。液体燃料反応ループはタンク３と定量ポンプ５０とバルブ５１と流量計／制御器５２とを含む。水電解槽は電解槽５と電池４とガスフィルタ５Ａ／５Ｂと流量弁５１とからなる。水再循環ループは熱交換器７と気／液分離器８とフィルタ５４と定量ポンプ５０と流量弁５１とを含む。リフォーメイト循環ループは改質マニホールド１０Ｃとコンプレッサー９と流量弁５５と流量計／制御器５２とを含む。排ガス再循環ループはタンク１０Ｅとフィルタ５４とコンプレッサー９と流量弁５５と流量計／制御器５２とからなる。空気ループはターボチャージャー１４とタンク１０Ｄと熱交換器７と流量弁５５或いは５１と流量計／制御器５２とを含む。このほかに、一次空気をエンジン／ガスタービンに入力するフローライン２１８には、スロットルバルブ７０と気体用マスフローメータ（図示せず）が取り付けられる。このフレックス燃料水素発生器はコンピュータ及び／或いはプログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）１００の制御システムで制御と操作するため、各反応物ループに取り付けられるバルブと流量計／自動操作の制御器は、コンピュータの入力／出力インターフェースモジュールと互換性があり、つまりこれら制御器がコンピュータシステムの制御を受けなければならない。言い換えると、これら制御器はコンピュータ／ＰＬＣシステムを通じてオープン、クローズ、調整及び／或いは制御できなければならない。
【００６７】
該内燃機関／ガスタービン１１は、現在自動車に使用されている点火方法で手動起動を行うことができる。言い換えると、エンジンはライン２１８の一次空気とライン２０１Ａの気体又は液体の一次燃料を利用してリッチ燃焼（ｒｉｃｈ  ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ）を行う。一旦エンジン／ガスタービンが起動した後、運転者の車両速度に対する要求によりスロットルバルブ７０の位置を調整して一次空気と燃料の流量を調節できる。そしてエンジン／ガスタービンは電動発電機１２を駆動して発電を行い、また電力を前記コンピュータ制御システム１００とバッテリー群１３／４に供給する。発生した排ガスはターボチャージャー１４を回転させることで、二次高圧空気をエンジン／ガスタービン（ライン２０８）とＡＴＲ改質器（ライン２１０）に供給できる。その後、排ガス２１１は２つの部分に分かられ、支流２１１Ａ  ／２１２が再循環を通じて改質器に戻って熱量、Ｏ2及び蒸気を供給し、支流２１３が更に流２１３Ａと２１３Ｂに分かられ、従ってＮＯx及び／或いはディーゼル微粒子汚染物質がトラップ１７を通過した時に除去されることができる。ここで留意すべきことは、触媒の再生手順を行うため、本システムにおいて二重トラップ排気管システムを使用している。トラップから入る排ガスは、触媒コンバーター１５とマフラー１６を通過した後大気中に放出する。
【００６８】
注入器５３は、１つの特別な設計の装置で、該装置が安全的に可燃燃料、水、酸化剤及びその他の反応物を処理できる。この種の注入器は、ＡＴＲ改質器６の第１反応帯に注入する前に全ての反応物を一緒に結合して単一の燃料流にする。個別及び／或いは同時に適切に各反応物の流量を制御することで、指定のＯ2／Ｃ、Ｈ2Ｏ／Ｃ及びＣＯ2／Ｃ比率の燃料混合物を得ることができる。該燃料混合物は、Ｐｔ族金属触媒を通過し、温度＜１２００℃と１〜１００気圧の下で、更にＨ2とＣＯに改質する。安全的に改質反応を行うため、このＡＴＲ改質器に熱電対５６と広帯域のＯ2センサー５３Ａを装備しており、前記燃料混合物がＡＴＲの第１反応帯に入る前のＯ2／Ｃ比率を微調整するために用いられる。反応温度と総反応熱は、燃料混合物のＯ2／Ｃ比率と強い関わりがあるため、熱電対が二次空気の流量の調節又は一次燃料とＨ2の流量を微調整して効果的にＯ2／Ｃ比率を調整するために用いられる。これ以外に、触媒失活を避け、比較的長い触媒寿命を有し、またコークス形成を避けるため、反応帯の内外部に数個の熱電対を取り付ける必要がある。それによって監視とフィードバック情報を提供し、また前記Ｏ2／Ｃ、Ｈ2Ｏ／Ｃ及びＣＯ2／Ｃ比率を制御するために用いられ、引き続き反応温度を１２００℃内（＜１０００℃が好適）に保つ。
【００６９】
該ＰＬＣ／ＥＣＵマイクロプロセッサ及び／或いはコンピュータ制御システム１００は、自動的にシステム全体を制御並びに操作できる。例えば、運転者がペダルを踏んだ又は放した時、スロットルバルブ７０は運転者の需要に応じてエンジンの速度を増減して気体用マスフローメータで測定したライン２１８内の一次空気流量及びライン２０１Ａ内の一次燃料流量を増減する。Ｈ2流量（ライン２１７）／燃料流量（ライン２０１Ａ）のモル比と二次空気流量（ライン２０８）／Ｈ2流量（ライン２１７）のモル比は、各々与えられた値（定値）に制御されることができる時、該スロットルバルブの位置及び／或いはエアマスフローセンサーがライン２１７内の水素流量とライン２０８の二次空気流量を決定できる。よって、スロットルバルブの位置は、同時にライン２１８、２０１Ａ、２１７及び２０８の流量を決定し、これらラインの結合は、ｌａｍｂｄａ比率が１．０１〜１．８０の状態下で、該希薄燃焼混合物を該エンジン／ガスタービン１１に供給できる。しかしながら、エンジンが高負荷運転の時、最終燃料混合物が希薄側からリッチ側に調整してより多いエンジン電力を発生することが必要である。この場合は、エンジン内で同時にライン２０１Ａからきた付加燃料とライン２１７からきたＨ2を別途注入できる。
【００７０】
エンジン／ガスタービンの速度と負荷を問わず、本システムの制御戦略はライン２１７のＨ2流量／ライン２０１Ａの燃料流量の比率を０．０５〜０．９５に保ち、且つライン２１７のＨ2流量／ライン２０８の二次空気流量の比率も１つの固定値に保ち、これらＨ2と二次空気流をオリジナル燃料混合物（つまり燃料２０１Ａと空気２１８）に加えた後、化学量論（つまりＬａｍｂｄａ＝１．００）の燃料混合物をｌａｍｂｄａ＝１．０１〜１．８０（ガソリン車）の希薄燃焼混合物に変わることができる。この場合は、エンジンの速度が高ければ高いほど、もっと大量のＨ2を該エンジン／ガスタービン内に注入する必要があるため、タンク１０の圧力がより速く低下する。コンピュータの制御システムは容器圧力の低下を検出した時、改質器を急速起動すると共に反応物の流量を増えて更に多くのリフォーメイトを発生してタンク１０内の圧力を３０〜１００気圧に保つことができる。同様にエンジン速度が低下した場合、水素に対する需要量が少なくなり、タンク１０の圧力が比較的遅い速度で低下し、この時のコンピュータの制御システムは反応物流量を下げてリフォーメイトの生産総量を減らす。圧力が更に上限に接近する状況の下で、１個または１個以上のＡＴＲ改質器をシャットダウンさせることができる、或いはリフォーメイト生産量減少の操作モードに調整できる。
【００７１】
定常状態下の燃料電池水素発生器に反して、車載水素発生器は主に過渡変動状況下で操作し、移動車両の頻繁な加速と減速において水素需要量に激しい変動を起こす。言い換えると、操作過程中、ＡＴＲ改質器はシャットダウンされ、各種異なる流量需要において操作し、且つ頻繁に再起動される。よって外部の熱源と電源のない状態で、速やかに改質器を再起動できることで急加速時においてもやはり貯蔵容器内の圧力を制限範囲内に保つことができる。
【００７２】
図２に示すのは、代替できるが比較的に希薄燃焼ディーゼルトラックエンジンとの結合に適した簡易フレックス燃料水素発生器である。長期耐久で且つコークス形成がないシステムを欲する場合、改質器を定常条件で操作させなければならないため、流量、温度、Ｏ2／Ｃ及びＨ2Ｏ／Ｃ比率の頻繁な変化を回避又は最小化しなければならない。残念ながらディーゼルエンジンは頻繁に起動／停止され、加速／減速され、及び／或いはその他の非定常の過渡操作がされる。また、商用ディーゼル油には若干の不飽和高分子成分を含有し、非常に短い滞留時間（つまり高い空間速度の運転条件）内に、これらのコークスを発生する燃料成分を完全に気化することがとても困難であるため、本発明の車載改質器はタンク２内の第二の低分子二次燃料を使用して水素を製造することでコークスを形成せず、タンク３の商用ディーゼル油はやはりディーゼルエンジントラックの一次燃料とする。この設計において天然ガス、圧縮天然ガス、液化石油ガス、ガソリン、メタノール或いはバイオエタノール等のうちのいずれの燃料も、タンク２に貯蔵でき、該燃料は改質器に利用されて、Ｈ2とＣＯのリフォーメイトを発生することで、ディーゼルトラックエンジンの還元剤として供する。しかしながら、天然ガスを使用するトラックエンジンについて、Ｈ2は天然ガスから急速発生できるため、デュアル燃料タンクを備える必要がない。
【００７３】
図２内の全てのその他装置／設備の記載は、いずれも図１内の記載と同じ、同時にこのディーゼルエンジンに用いる簡易フレックス燃料水素発生器操作手順の方法も前の図１に記載している方法に類似する。
【００７４】
図３に示すのは、別の簡易フレックス燃料水素発生器で、ＣＮＧ（圧縮天然ガス）、Ｈ2に富むリフォーメイト、ＬＰＧ（液化石油ガス）、ガソリン、メタノール、バイオエタノール又はその他の軽量炭化水素化合物（炭化水素）等を燃料として使用して希薄燃焼内燃機関に供給する。希薄燃焼内燃機関は、より多いＮＯx排出量を発生するため、マニホールドの流１０Ｃ（流２１４）内からＨ2とＣＯを供給することで、周期的にＮＯxトラップ１７にある触媒剤を再生する。
【００７５】
図４に示すのは、ガスタービンに用いる簡易フレックス燃料水素発生器である。ここで、より高いＨ2％を含有するリフォーメイト及び一次燃料をタービンの燃料として使用し、ＡＴＲ改質器がガスタービン内に取り付けて単一ユニットとすることができる。また、純Ｏ2或いは酸素に富むガスは、空気に代替して改質器に供給でき、それによって比較的高いＨ2％と低いＮ2％のリフォーメイトを発生してガスタービンに供給できる。
【００７６】
天然ガス、液化石油ガス、バイオエタノール又はガソリンを燃料とする小型且つ経済的な実用エンジンについて、図５では過剰付属品を含まず、且つ非常に簡易な水素発生装置を提供し、タンク３の燃料が２つの流に分かれ、支流２０１が直接エンジン内に注入し、支流２０２が空気を酸化剤として使用する改質器内でＨ2に転化する。また、再循環排ガスは蒸気、熱とＣＯ2をＡＴＲ改質器に供給できるが、エンジンに凝縮水の氾濫を避けるように、再循環排ガスの％含有量と凝縮水は適切に制御しなければならない。
【００７７】
図６と図７は改質器内で使用される触媒の形状を示す。例えは、ＡＴＲ改質器は第１反応帯のＣＰＯ／ＳＲ触媒のみを含む場合、通常図６に示す触媒の形状を有する。改質器は全ての３つの反応帯ＣＰＯ／ＳＲ、ＳＲ及びＷＧＳの触媒を含む場合、図７に示す触媒の形状を有する。これら図内において更に第１反応帯の触媒の前に取り付けられる予備点火装置Ｅを示し、手動でＣＰＯ反応を開始することを目的とする。
【００７８】
大きな円形金属モノリス触媒について、通常実験室でそのフレッシュ触媒と既使用触媒活性を測定することが非常に困難である。よって、本発明では図８Ａと図８Ｂに示すように、中心部にある比較的小さな触媒コアと外側にある環形触媒コアとを含む単一の大きな金属モノリス触媒を開示している。該中心部にある比較的小さな触媒コアは外側の環形触媒コアを破損することなく装置全体から取り外すことができるため、その触媒活性が実験室のテストユニットで評価させることができる。この種の触媒の設計は特に有用なもので、既使用或いは再生の触媒活性がやはり効果的に汚染物質の排出量を削減できるかどうかを確認するために用いることができ、且つ更に触媒失活と使用時間の速度を測定できる。必要がある場合、比較的小さな触媒コアは、元の位置に戻すことができ、或いは実験室で活性を評価した後、同じフラッシュ触媒で代替する。
【００７９】
図９Ｂに示すのは制御システムのコンピュータであるが、図１乃至図５内において図９Ａとして表される。ここで、プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ、ｗｗｗ．ａｕｔｏｍａｔｉｏｎｄｉｒｅｃｔ．ｃｏｍからのＤ２−２６０ＣＰＵユニット）はＲＳ−２３２又はイーサネット(登録商標)ケーブルでＨＰのＰＣ（パソコン）との接続とコミュニケーションを行うことができ、且つ該ＣＰＵモジュールが更に複数の入力／出力インターフェースモジュールとコミュニケーションできる。ここで、システム全体の制御ソフトウェアはＰＣ内にインストールされ、ＰＣが予め較正したセットポイントをＰＬＣのＣＰＵ内にダウンロードし、そしてＣＰＵが適切に制御信号を適切なＩ／Ｏモジュールに伝送してから制御器が実際に制御動作を実行する。言い換えると、一旦インターフェースモジュールが某種の制御信号を受信すると、この信号でポンプ、流量計／制御器、バルブ、熱電対、Ｏ2センサー及びその他装置のシステムを制御と監視できる。同様に各装置の状態とセンサーの信号もＰＬＣに伝送でき、逆方向の信号経路を通じてパソコンに伝送できる。
【００８０】
図１０は予め較正した制御曲線を明示し、ＡＴＲ改質器から出力されたリフォーメイト総量％のタンク１０と１０Ｂ内圧力に対する関数を示す。ここで、曲線上の各点は、いずれも全ての流量計／制御器の設定値に関する完全群を示し、また同じ特定のＯ2／Ｃ、Ｈ2Ｏ／Ｃ及びＣＯ2／Ｃ比率の燃料混合物を供給でき、同時にも固定のリフォーメイト総量を出力できることを保証する。一般的に完全群のセットポイントは、ＰＣからＰＬＣにダウンロードしてからＰＬＣがこの群の予め較正した設定値をシステム中の各流量計／制御器に送信し、またそれ相応の各反応物の流量を調整する。全ての単一反応物を一緒に混合した後、改質器の入口部燃料混合物のＯ2／Ｃ、Ｈ2Ｏ／Ｃ及びＣＯ2／Ｃ比率を１つの特定値に制御できるため、改質器は同じ組成のリフォーメイトを発生できる。言い換えると、この制御曲線上にある各ポイントは、異なる総流量の下で実際に同じ組成の燃料混合物を提供し、且つ同じ組成のリフォーメイトを発生できる。同様に予め較正した制御曲線も異なるＯ2／Ｃ、Ｈ2Ｏ／Ｃ及びＣＯ2／Ｃ比率の燃料混合物を提供でき且つ各種異なる流量と組合せのリフォーメイトを供給できる。
【００８１】
図１０に示す比較的小さなシステムについて、該ＰＣとＰＬＣの機能は高性能のマイクロプロセッサ又は必要なＩ／Ｏモジュールを取り付けた小型ＰＣで代替できる。よって、該自動操作システムは、容易に高性能の代替制御装置で完成できる。
【実施例】
【００８２】
図１０に示すような若干の類似の全自動実験室の反応器システム及びその制御戦略は、すでに過去組み立てられると共に実際に操作されていた。この種の反応器システムは、炭化水素及び／或いはバイオ燃料から水素を発生することに成功でき、実験室内で触媒の活性を評価及び試験することに用いることができる。数年に渡りこの種のシステムはとても容易に操作でき、日常の実験も頼もしく行うこともできる。
【実施例１】
【００８３】
図１０より更に多いＩ／Ｏモジュールを有する実験室の反応器システムは、かつてバイオエタノールから水素を製造する触媒の自熱改質プロセスに使用されていた。このシステムにおいてＳＩＭＡＴＩＣ  Ｓ７−４００  ＰＬＣ及び全てのインターフェースモジュールのハードウェアとＳｔｅｐ−７通信ソフトウェアは、シーメンス（ＳＩＥＭＥＮｓ）から購入し、１台のラップトップパソコンにインストールしてマスター制御用コンピュータとする。
【００８４】
自ら開発すると共にＶｉｓｕａｌ  Ｂａｓｉｃソフトウェアで書かれているマスター制御プログラムをラップトップパソコン内に保存し反応器システム全体を自動制御並びに運転できる。簡単に言えば、この実験室の反応器システムを操作したい場合、オペレータはまず起動ボタンを押して外部電源リレーをつけると共に制御プログラムを起動した後、テストを開始できる。マスター制御プログラムに書かれている手順に基づいて、ＰＣは同時に予め設計したマスフローメータ、定量ポンプ及び溶鉱炉の既定値をダウンロードする。そして予め確定した順序通り電磁弁を開いて適量の反応物を純ガス／液体の供給タンク内から流出し、また混合を経た後指定のＯ2／Ｃ及びＨ2Ｏ／Ｃ比率の燃料混合物になってからＡＴＲ改質器に流入する。次に、該制御プログラムは、溶鉱炉の加熱開始を指示でき、且つ反応器内の温度とガスの組成を制御と監視／記録できる。言い換えると、本制御システムは技術者のように、完全なテスト手順を実行でき、またマスター制御プログラムに書かれている手順により、試験の結果を自動的に記録する。
【００８５】
【表２】
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表２：水素生産に使用される自己熱改質バイオエタノール（黄、２００６年ＮＡＴＰＡ年時大会、ニューアーク、カリフォルニア州、２００６年７月２９日）。
【００８６】
本実験は、アジレントマイクロガスクロマトグラフィー（Ａｇｉｌｅｎｔ’ｓ  Ｍｉｃ
ｒｏ  ＧＣ）（型番：リファイナリガスアナライザ）を使用し、前記入口部の反応混合物と発生したリフォーメイトの組合せ（濃度）の分析に用いられる。使用する触媒は１種のセラミックモノリス触媒（４００  ＣＰＩ）で、８０ｇ／ｆｔ3の総金属を含有（Ｐｔ／Ｐｄ／Ｒｈ／ＣｅＯ2−ＡＩ2Ｏ3−ＺｒＯ2，２／１／１金属比）を含有し、且つエタノール、水及び空気の送り速度は１０．５４，２２．５０及び２３．５７モル／ｈｒの比率（つまりＨ2Ｏ／Ｃ＝１．０７、Ｏ2／Ｃ＝２．３４）とする。テスト結果は、表２に示すように２６２℃の入口温度下で実施された。結果から分かるように、本実験は１００％のエタノール転化率に達することができ、且つ該反応システムは日常的な操作に使用され、信頼性を有し、また優れた繰り返し性と再現性を有する。
【実施例２】
【００８７】
図１０に示すように、ＤＬ−２６０  ＣＰＵ  ＰＬＣはデジタル入力、デジタル出力、アナログ入力、アナログ出力、イーサネット(登録商標)通信モジュール及び熱電対インターフェースモジュールを有し、ｗｗｗ．Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ  Ｄｉｒｅｃｔ．ｃｏｍから購入され、この簡易と安価な制御システムにおいてバルブ５１は、デジタル出力モジュールに接続する。マスフローメータ（Ｔｙｌａｎマスフローメータで、ｗｗｗ．ｅｂａｙ．ｃｏｍから購入）と水定量ポンプ（型番ＱＶ−＃ＲＨＯＣＫＣで、Ｆｌｕｉｄ  Ｍｅｔｅｒｉｎｇ  Ｉｎｃ．から購入）がアナログ出力及びアナログ入力モジュールに接続され、数個のＫタイプの熱電対が熱電対モジュールに接続する。
【００８８】
Ｗｉｎｄｏｗｓ(登録商標)  ＸＰを使用するエイサーＡｓｐｉｒｅ  Ｏｎｅ小型ラップトップパソコンをマスター制御用コンピュータとする。Ｖｉｓｕａｌ  Ｂａｓｉｃで書かれているマスター制御ソフトウェアが流量制御器のセットポイントのダウンロード、弁の開／閉、反応器温度の監視／制御、各装置操作状況の監視／記録、フレックス燃料水素発生器の自動操作並びに実験を実施するステップ及び方法を行うために用いられる。
【００８９】
該ＰＬＣ制御システムは、ＤｉｒｅｃｔＳＯＦＴのソフトウェアでシステム全体を配置すし、ＫＥＰＤｉｒｅｃｔの通信ソフトウェアを通じてＡＣＥＲのＰＣとコミュニケーションを取ることもできる（上記の２種類のソフトウェアはＡｕｔｏｍａｔｉｏｎｄｉｒｅｃｔ．ｃｏｍから購入）。実際は、該ＫＥＰＤｉｒｅｃｔ通信ソフトウェアも手動方式でシステム全体を操作できる。
【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８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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