(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水蒸気改質燃料処理装置であって、
水と炭素含有原料を含む供給物流を受け取り、かつそれから水素ガスおよび他の気体を含む混合ガス流を生成するようになされている、改質触媒を含む改質領域と、
空気流と可燃性燃料流を受け取り、かつ前記燃料処理装置の少なくとも前記改質領域を加熱するための燃焼流を生成する燃焼器組立体と、を備え、
前記供給物流と前記燃料流が同じ組成を有するとともに、その両方が炭素含有原料と少なくとも25体積%の水を含む、燃料処理装置。
【請求項２】
前記供給物流と前記燃料流とが、少なくとも1つの追加的な成分をさらに含む、請求項1に記載の燃料処理装置。
【請求項３】
前記炭素含有原料はメタノールである、請求項1または請求項2に記載の燃料処理装置。
【請求項４】
前記燃料処理装置が、水と液体炭素含有原料を含む流れを受け取りかつ前記流れを前記改質領域のための前記供給物流と前記燃焼器組立体のための前記可燃性燃料流とに分割するようになされている弁組立体をさらに含む、請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の燃料処理装置。
【請求項５】
前記燃料処理装置が、前記混合ガス流の少なくとも一部を受け取り、かつそれから少なくとも純粋な水素ガスを含む高濃度水素流と、前記他の気体の少なくとも一部を含む副産物流を生成するようになされた少なくとも1つの分離領域を含む、請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載の燃料処理装置。
【請求項６】
前記燃焼器組立体が、さらに、気体可燃性燃料流として前記副産物流の少なくとも一部を受け取るようになされている、請求項5に記載の燃料処理装置。
【請求項７】
前記少なくとも1つの分離領域が、少なくとも1つの水素選択膜を含む、請求項5に記載の燃料処理装置。
【請求項８】
前記少なくとも1つの分離領域が、前記混合ガス流中に存在する一酸化炭素の濃度を低減するようになされた少なくとも1つの一酸化炭素除去組立体を含む、請求項5に記載の燃料処理装置。
【請求項９】
前記燃焼器組立体が液体可燃性燃料流を受け取るようになされ、さらに前記燃焼器組立体が、前記液体可燃性燃料流を受け取りかつ霧化するようになされている霧化組立体を含む、請求項1ないし請求項8のいずれか1項に記載の燃料処理装置。
【請求項１０】
前記燃焼器組立体が液体可燃性燃料流を受け取るようになされ、さらに前記燃焼器組立体が、前記液体可燃性燃料流を受け取りかつ気化して、それから気化燃料流を形成するようになされている気化領域を含む、請求項1ないし請求項8のいずれか1項に記載の燃料処理装置。
【請求項１１】
前記燃焼器組立体が、前記気化燃料流と前記空気流を受け取りかつ混合して、酸化可燃性燃料流を形成するようになされた拡散領域をさらに含む、請求項10に記載の燃料処理装置。
【請求項１２】
水素ガスを製造するための方法であって、
炭素含有原料および少なくとも25体積%の水を含む燃料流を燃焼器組立体へと供給することと、
加熱排気流を生成するために前記燃料流を空気と燃焼させることと、
前記加熱排気流によって、改質触媒を含む水素製造改質領域を少なくとも水素製造最低温度まで加熱することと、
炭素含有原料および少なくとも25体積%の水を含む供給物流を前記改質領域へと供給することと、
前記供給物流から水素ガスおよび他のガスを含む混合ガス流を生成することと、を具備し、前記供給物流および前記燃料流は同じ組成を有する水素ガス製造方法。
【請求項１３】
前記供給物流および前記燃料流が、少なくとも1つの追加的成分を含む、請求項12に記載の方法。
【請求項１４】
前記炭素含有原料は、液状炭化水素およびアルコールの少なくとも一方を含む、請求項12または請求項13に記載の方法。
【請求項１５】
前記燃料流と前記供給物流とを共通の供給源から取り出すことをさらに含む、請求項12ないし請求項14のいずれか1項に記載の方法。
【請求項１６】
前記炭素含有原料および少なくとも25体積%の水を含む流れを、選択的に、燃料流および供給物流に分割することをさらに含む、請求項12ないし請求項15のいずれか1項に記載の方法。
【請求項１７】
前記混合ガス流から高濃度水素流および副産物流を生成することをさらに含み、前記高濃度水素流は、前記混合ガス流よりも高濃度の水素ガスおよび前記混合ガス流れよりも低濃度の他のガスの少なくとも一方を含み、かつ、前記副産物流は、前記混合ガス流よりも低濃度の水素ガスおよび前記混合ガス流よりも高濃度の他のガスの少なくとも一方を含む、請求項12ないし請求項16のいずれか1項に記載の方法。
【請求項１８】
前記加熱排気流との熱接触に応答して前記供給物流を少なくとも部分的に気化させることをさらに含む、請求項12ないし請求項17のいずれか1項に記載の方法。
【請求項１９】
水素ガスを製造するための方法であって、
炭素含有原料および少なくとも25体積%の水を含む液体流を供給源から取り出すことと、
改質触媒を含む水素製造改質領域用の供給物流として、かつ前記水素製造領域を少なくとも水素製造最低温度まで加熱するための加熱排気流を生成するための加熱組立体への燃料流として、前記液体流を選択的に供給することと、
前記加熱排気流を生成するために前記燃料流を燃焼させることと、
前記供給物流から水素ガスを含む最終流を生成することと、を具備する水素ガス製造方法。
【請求項２０】
前記液体流がさらに、少なくとも1つの追加的成分を含む、請求項19に記載の方法。
【請求項２１】
前記生成ステップに先立って、前記供給物流を気化させることをさらに具備する、請求項19または請求項20に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に燃料処理および燃料電池システムに関し、さらに詳細には、このようなシステムで使用するための燃焼器組立体、ならびにこれらの燃焼器組立体を含む燃料処理および燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
精製水素は、金属、食用油脂、ならびに半導体および超小型電子素子を含む多くの製品の製造に使用される。精製水素は、多くのエネルギー変換装置の重要な燃料源でもある。例えば、多くの燃料電池は、精製水素と酸化剤を使用して電位を発生させる。一連の相互接続された燃料電池は、燃料電池スタックと呼ばれ、酸化剤と水素ガスの供給源と組み合わせた場合、このようなスタックを燃料電池システムと呼ぶことができる。様々な方法と装置を用いて、燃料電池によって消費される水素ガスを製造することができる。
【０００３】
本明細書で使用するように、燃料処理装置は、1つまたは複数の原料を含む供給物流から水素ガスを製造する装置である。燃料処理装置の例には、供給物流が水と、アルコールまたは炭化水素のような炭素含有原料を含む水蒸気改質器および併用改質器、ならびに供給物流が炭素含有原料である部分酸化反応および熱分解反応装置が含まれる。燃料処理装置は高温で動作するのが典型である。改質および他の燃料処理反応は全体的に吸熱型であるために、燃料処理装置の加熱に要する熱は、燃焼器、電気加熱器、または同様のものなど、加熱組立体によって供給する必要がある。燃焼器を使用して燃料処理装置を加熱するとき、燃焼器は、可燃性の気体または可燃性の液体のような可燃性燃料流を利用するのが典型である。
【０００４】
このような1つの水素製造燃料処理装置は、水素ガスが、炭素含有原料と水を含む供給物流から製造される水蒸気改質器である。水蒸気改質器は、高温と高圧で動作し、したがって水蒸気改質器は、改質触媒床を選択された改質温度に維持しかつ供給物流を気化させるような、水蒸気改質反応のための熱を供給する加熱組立体を含むのが典型である。加熱組立体の1つの種類が、可燃性燃料流を空気と混合して燃焼する燃焼器である。従来では、水蒸気改質器は、水素ガスおよび他の気体を含有する混合ガス流を生成するために気化されかつ改質される供給物流と、この供給物流とは異なる組成を有し、水蒸気改質器を加熱するための燃焼器または他の加熱組立体に送出され、かつそれによって消費される燃料流を利用する。
【特許文献１】米国特許第6,152,995号明細書
【特許文献２】米国特許第6,221,117号明細書
【特許文献３】米国特許第6,319,306号明細書
【特許文献４】米国特許第6,537,352号明細書
【特許文献５】米国特許第5,997,594号明細書
【特許文献６】米国特許第5,861,137号明細書
【特許文献７】米国特許仮出願第09/802,361号明細書
【特許文献８】米国特許仮出願第60/372,258号明細書
【特許文献９】米国特許出願第      号明細書(2003年4月4日出願、「Steam Reforming Fuel Processor」)
【特許文献１０】米国特許第6,383,670号明細書
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示は、燃料処理および燃料電池システムで使用できるような燃焼器組立体、ならびに本開示による燃焼器組立体を含む燃料処理および燃料電池システムに関する。燃焼器組立体は、少なくとも1つの燃料流を受け取り、その流れを空気と混合し、かつその混合流を点火して燃料処理装置に熱を供給する。いくつかの実施形態では、燃焼器組立体は液体の可燃性燃料流を受け取りかつ気化するようになされ、他の実施形態では、燃焼器組立体は気体の可燃性燃料流を受け取るようになされ、さらに他の実施形態では、燃焼器組立体は液体と気体の両方の可燃性燃料流を受け取るようになされている。いくつかの実施形態では、燃焼器組立体は、この燃焼器が使用される燃料処理および/または燃料電池システムによって生成される少なくとも1つの可燃性燃料流を受け取る。いくつかの実施形態では、燃焼器組立体は、この燃焼器組立体が使用される燃料処理および/または燃料電池システムの別の部分に、非燃焼目的のために送出される流れと同じ組成を有する燃料流を受け取る。いくつかの実施形態では、燃焼器組立体は、水蒸気改質器または他の燃料処理装置が水素ガスを製造する供給物流と同じ炭素含有原料および/または同じ全体的な組成を含む燃料流を受け取りかつ気化する。いくつかの実施形態では、供給物流および燃料流は、同じ組成を有し、かつ随意選択的に、同じ供給源から選択的に送出される。いくつかの実施形態では、燃焼器組立体は拡散燃焼器組立体である。いくつかの実施形態では、燃焼器組立体は霧化燃焼器組立体である。本明細書では、水蒸気改質器および燃焼器組立体を動作させる方法も開示される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
燃料処理システムを図1に示し、全体として10で示す。システム10は、1つまたは複数の供給物流16から、水素ガス、好ましくは、少なくとも実質的に純粋な水素ガスを含有する生成物水素流14を生成するようになされている燃料処理装置12を含む。燃料処理装置12は、1つまたは複数の供給物流16から水素ガスを製造するようになされている任意適切な装置または装置の組合せである。したがって、処理装置12は水素製造領域19を含むが、この領域では、1つまたは複数の任意適切な水素製造機構を利用することによって、水素を含有する生成流20が生成される。それは、水素ガスが流れ20の少なくとも主成分であることを意味する。
【０００７】
1つまたは複数の供給物流16から水素ガスを製造する適切な機構の例には、改質触媒を使用して、炭素含有原料と水を含む供給物流から水素ガスを製造する水蒸気改質および併用改質が含まれる。水素ガスを製造するための他の適切な機構には、炭素含有原料の熱分解と部分酸化が含まれるが、この場合には、供給物流は水を含まない。水素ガスを製造するためのさらに別の適切な機構には電気分解が含まれるが、この場合には、原料が水である。適切な炭素含有原料の例には、少なくとも1つの炭化水素またはアルコールが含まれる。適切な炭化水素の例には、メタン、プロパン、天然ガス、軽油、灯油、ガソリン、および同様のものが含まれる。適切なアルコールの例には、メタノール、エタノール、およびエチレングリコールおよびプロピレングリコールのような多価アルコールが含まれる。
【０００８】
1つまたは複数の供給物流16は、任意適切な機構を介して燃料処理装置12に送出可能である。図1には単一の供給物流16を示すが、2つ以上の流れ16を使用できること、およびこれらの流れが同じ原料または異なる原料を含み得ることは本開示の範囲内である。図1の破線で示す第2供給物流16を含むことによって、これを模式的に例示する。供給物流16が、炭素含有原料と水のような2つ以上の成分を含むとき、これらの成分は、同じ供給物流かまたは異なる供給物流で送出可能である。例えば、燃料処理装置が、炭素含有原料と水から水素ガスを製造するようになされているとき、これらの成分は、それらが相互に混和性でなければ、別々の流れで送出されるのが典型である。これを図1の破線で模式的に例示するが、参照符号17は水を表し、参照符号18は、水との混和性がない多くの炭化水素のような炭素含有原料を表す。炭素含有原料が水と混和性があるとき、典型的には、しかし必ずしも必要ではないが、続いて説明する図2に示すように、原料は供給物流16の水成分と一緒に送出される。例えば、燃料処理装置は、水と、メタノールのような水溶性アルコールを含有する供給物流を受け取るとき、これらの成分を予め混合し、単一流として送出可能である。
【０００９】
図1では、供給物流16が、原料送出システム22によって燃料処理装置12に送出されるように示されているが、この送出システムは、供給物流を燃料処理装置に選択的に送出するための任意適切な機構、装置、またはそれらの組合せを模式的に表すものである。例えば、送出システムは、1つまたは複数の供給源から流れ16の成分を送出する1つまたは複数のポンプを具備することができる。追加的にまたは別法として、システム22は、加圧供給源からの成分の流量を調節するようになされた弁組立体を具備することも可能である。供給源は、燃料処理システムの外部に配置されていても、あるいはシステムの内部にまたは隣接して収容されていてもよい。供給物流16が2つ以上の流れで燃料処理装置に送出されるとき、これらの流れを同じ供給物流送出システムによって送出してもよいし、または別体の送出システムで送出してもよい。
【００１０】
供給物流16が水と炭素含有原料を含む水素製造機構の一例は、水蒸気改質である。水蒸気改質過程では、水素製造領域19は、図1および2の破線で示すように、改質触媒23を含有する。このような一実施形態では、燃料処理装置を水蒸気改質器と呼び、水素製造領域19を改質領域と呼び、かつ生成した、すなわち、混合されたガスの流れ20をリフォーメート流と呼ぶことができる。適切な水蒸気改質触媒の例には、他の配合物も使用可能であるが、低温シフト触媒の銅-亜鉛配合物およびSud-Chemie社によってKMAという商標で販売されているクロム配合物が含まれる。リフォーメート流中に典型的に存在する他の気体には、一酸化炭素、二酸化炭素、メタン、水蒸気、および/または未反応の炭素含有原料が含まれる。
【００１１】
水蒸気改質器は、200℃から700℃の範囲の温度および50psiから300psiの範囲の圧力で動作するのが典型であるが、この範囲外の温度および圧力も本発明の範囲内である。炭素含有原料がアルコールであるとき、水蒸気改質反応は、約200〜500℃の温度範囲内で動作するのが典型であり、炭素含有原料が炭化水素であるとき、水蒸気改質反応には約400〜800℃の温度範囲が用いられる。このようにして、供給物流16は、上に提示した例示的な範囲内の圧力のような選択された圧力で燃料処理装置に送出されるのが典型である。
【００１２】
多くの応用例では、燃料処理装置が、少なくとも実質的に純粋な水素ガスを製造することが望ましい。したがって、燃料処理装置は、十分に純粋な水素ガスを固有に製造する過程を利用することができる。生成流が、特定の応用例に関して、十分に純粋な水素ガスおよび/または十分に低濃度の1つまたは複数の非水素成分を含有するとき、生成物水素流14は、生成流20から直接に形成可能である。しかし、多くの水素製造過程では、生成流20は、水素ガスおよび他の気体を含有する混合ガス流である。同様に、多くの応用例では、生成物水素流は実質的に純粋であるが、この生成物水素流の使用を意図する応用例にとって有害であるか、またはそうではなくても望ましくない、1つもしくは複数の非水素成分が一定程度の濃度で依然として含有され得る。
【００１３】
したがって、燃料処理システム10は、生成された、すなわち、混合されたガス流が、高濃度水素流26と少なくとも1つの副産物流28に分離される分離領域24 (必ずしも必要ではないが)をさらに含む。高濃度水素流26は、生成流よりも高い水素純度の少なくとも1つの流れと、生成流中に存在していた低濃度の1つまたは複数の他の気体または不純物を含む。分離領域24を図1に模式的に示すが、この図では、生成流20が、随意選択の分離領域24に送出されるように示してある。図1に示すように、生成物水素流14は、高濃度水素流26から形成される。副産物流28は、排気されるか、燃焼器組立体もしくは他の燃焼源に送られるか、加熱流体流として使用されるか、後で使用するために貯蔵するか、または別様に利用、貯蔵、もしくは廃棄可能である。生成流20が分離領域に送出されるのに応答して、副産物流28を連続的な流れとして分離領域から放出すること、または回分処理もしくは生成流の除去部分が少なくとも一時的に分離領域内に貯留される場合などのように、副産物流を断続的に放出することも本開示の範囲内である。
【００１４】
分離領域24は、生成流20の少なくとも1つの成分の濃度を低減するようになされている任意適切な装置、または装置の組合せを含む。ほとんどの応用例では、高濃度水素流26は、生成流20よりも高い水素純度を有する。しかし、高濃度水素流が、生成流20中に存在していた低濃度の1つまたは複数の非水素成分を有し、依然として、生成流と同じか、場合によってはそれよりも低い全体的な水素純度を有することも本開示の範囲内である。例えば、生成物水素流14を使用することが可能な幾つかの応用例では、幾つかの不純物、すなわち、非水素成分はとりわけ害が大きい。特定の例として、従来の燃料電池システムでは、一酸化炭素は、それがたとえ数ppmであっても存在すると、燃料電池スタックに有害となり得るが、水のような他の可能性のある非水素成分は、たとえ遙かに高濃度で存在してもスタックには有害ではない。したがって、このような応用例では、適切な分離領域によって、全体的な水素純度を増大させることはできないが、生成物水素流の望ましい応用例に有害であるか、または有害の恐れがある非水素成分の濃度を低減する。
【００１５】
分離領域24に適切な装置の図示の例は、1つまたは複数の水素選択膜30、化学的一酸化炭素除去組立体32、および圧力スウィング吸着システム38を具備する。分離領域24が、2種類以上の分離装置を含むこと、およびこれらの装置が、同じかもしくは異なる構造を有し、かつ/または同じかもしくは異なる機構によって動作することは本開示の範囲内である。
【００１６】
水素選択膜30は水素ガスに対して透過性であるが、生成流20の他の成分に対して高度に不透過性である。膜30は、分離領域24が動作する動作環境およびパラメータで使用するのに適切な任意の水素透過性材料から作製可能である。膜30に適切な材料の例には、パラジウムおよびパラジウム合金、特に、このような金属および金属合金の薄い膜が含まれる。パラジウム合金はとりわけ効果的であることが判明しており、特に35wt%から45wt%の銅を含有するパラジウムが効果的である。約40wt%の銅を含有するパラジウム-銅合金は、他の相対的な含有率および成分も本発明の範囲内で使用可能であるが、特に効果的であることが判明している。
【００１７】
水素選択膜は、厚さ約0.001インチの薄いフォイルから典型的に作製される。しかし、膜は、上述のもの以外の金属および金属合金ばかりでなく非金属材料および合成物も含めて、他の水素透過性および/または水素選択材料からも作製可能であること、および膜は、上述のものよりも厚いかまたは薄い厚みを有し得ることも本発明の範囲内である。例えば、膜は、水素流束の増大に対応して、さらに薄くすることも可能である。膜厚を薄くするのに適切な機構の例には、圧延、スパッタリング、およびエッチングが含まれる。適切なエッチング過程が米国特許第6,152,995号に開示されているが、その開示全体をあらゆる目的のために参照として本明細書に組み込む。様々な膜、膜構造の例およびそれを調製する方法が、米国特許第6,221,117号、第6,319,306号、および第6,537,352号に開示されているが、その開示全体をあらゆる目的のために参照として本明細書に組み込む。
【００１８】
化学的一酸化炭素除去組立体32は、一酸化炭素が生成流20中に存在すれば、それと化学的に反応し、一酸化炭素ほど潜在的に有害ではない他の組成物を形成する装置である。化学的一酸化炭素除去組立体は、一酸化炭素を二酸化炭素に変換する水性ガスシフト反応器および他の装置、ならびに一酸化炭素と水素をメタンと水に変換するメタン化触媒床を含む。燃料処理システム10は、2種類以上および/またはいくつかの化学的除去組立体32を含み得ることは本開示の範囲内である。図2は、化学的除去組立体32を備える分離領域24を含む燃料処理システムを図示する。この例示的な例では、組立体32は、メタン化触媒35を有するメタン化領域34を含む。メタン化触媒35は、一酸化炭素と二酸化炭素をメタンと水に変換するが、この両者はPEM燃料電池スタックに害を及ぼすことはない。したがって、領域34は、少なくとも1つのメタン化触媒床を含むものであると言ってもよい。分離領域32は、未反応原料をいずれも水素ガスに変換するための改質触媒23を有する改質領域36も含む。このような一実施形態では、改質触媒は、二酸化炭素または一酸化炭素をメタン化触媒の下流に再導入しないように、メタン化触媒の上流にあることが好ましい。改質領域36が、1つまたは複数の水素選択膜からの高濃度水素流を処理するために使用されるとき、その領域は、副次的またはポリッシング、改質領域であると説明可能であり、かつそれは、主改質領域および/または1つもしくは複数の水素選択膜の下流にあるものと説明可能である。
【００１９】
圧力スウィング吸着法(PSA)は、幾つかのガスが適正な温度と圧力の条件下で他のガスよりも強力に吸着剤材料上に吸着する原理に基づいて、気体不純物を生成流20から除去する化学過程である。典型的には、吸着され、したがって生成流20から除去されるのは不純物である。水素の精製にPSAを利用することの首尾は、通常の不純ガス(CO、CO2、CH4を含む炭化水素、およびN2のような)が吸着材料上に吸着する相対的な強さによる。水素は非常に弱く吸着するだけであり、したがって水素は吸着層を通過するが、不純物は吸着材料上に保持される。NH3、H2S、およびH2Oのような不純物ガスは、吸着剤材料上に強力に吸着し、したがって他の不純物と共に流れ20から除去される。NH3、H2S、およびH2Oのような不純物ガスは、吸着剤材料上に強力に吸着し、したがって他の不純物と共に流れ20から除去される。吸着剤材料が再生処理されることになり、かつこれらの不純物が流れ20中に存在していれば、これらの不純物を吸着することがより困難になるので、分離領域24は、流れ20を吸着剤材料に送出する前に、これらの不純物を除去するようになされている適切な装置を具備することが好ましい。
【００２０】
不純物ガスの吸着は高圧で生じる。圧力が低減するとき、不純物は吸着剤材料から脱着され、したがって吸着材料を再生処理する。典型的には、PSAは周期的過程であり、したがって(回分処理とは異なり)連続的動作のために少なくとも2つの層が必要である。吸着層に使用可能な適切な吸着材料の例は、活性炭およびゼオライト、特に5Å(5オングストローム)ゼオライトである。吸着材料は、通常ではペレットの形態にあり、それは従来の充填層構造を利用する円筒圧力容器中に配置される。しかし、他の適切な吸着材料組成、形態、および構造が使用可能であることを理解されたい。
【００２１】
PSAシステム38は、分離領域24で使用するための装置の一例ともなるが、その領域からは、副産物、すなわち、除去対象の成分は生成流の分離と同時にガス流として直接排気されない。直接排気する代わりに、これらの成分は、吸着材料が再生処理されるかまたは別様に分離領域から除去されるときに取り除かれる。
【００２２】
図1では、分離領域24が燃料処理装置12内部に示されている。別法として、領域24が、備わっている場合は、図1に1点鎖線で模式的に例示するように、燃料処理装置の下流に別個に配置可能であることは本発明の範囲内である。分離領域24が燃料処理装置12内部および外部の一部を含み得ることも本発明の範囲内である。
【００２３】
燃料電池スタックのための供給物、すなわち、燃料の流れとして使用される生成物水素流を製造するようになされている燃料処理装置の脈絡では、好ましくは、燃料処理装置が実質的に純粋な水素ガスを製造するようなされており、さらに好ましくは、燃料処理装置は、純粋な水素ガスを製造するようになされている。本開示の目的では、実質的に純粋な水素ガスとは、純度が90%よりも高く、好ましくは純度95%よりも高く、さらに好ましくは純度99%よりも高く、さらに一層好ましくは純度99.5%よりも高い。少なくとも実質的に純粋な水素ガスの流れを生成するのに適切な燃料処理装置が、米国特許第6,319,306号、第6,221,117号、第5,997,594号、第5,861,137号、2001年3月8日出願の、「Fuel Processor and Systems and Devices Containing the Same」と題する係属中の米国特許仮出願第09/802,361号、および2003年4月4日出願の、「Steam Reforming Fuel Processor」と題され、かつ米国特許仮出願第60/372,258号の優先権を主張する米国特許出願第10/407,500号に開示されている。上に特定した特許および特許出願の開示全体をあらゆる目的のために参照として本明細書に組み込む。
【００２４】
生成物水素流14は、高純度水素ガスが利用される応用例を含む多様な応用例に使用可能である。このような応用例の一例は、燃料電池スタックのための燃料、すなわち、供給物の流れである。燃料電池スタックは、水素ガスのような陽子源と、酸素ガスのような酸化剤から電位を生成する装置である。したがって、燃料電池スタックは、生成物水素流14と酸素流(典型的に空気流として送出される)の少なくとも一部を受け取り、かつそこから電流を生成するように構成可能である。これを図3に模式的に示すが、図では、燃料電池が40で表示され、41で模式的に表示されている電流を生成する。このように燃料処理装置または燃料処理システムが燃料電池スタックに結合されている構成では、得られるシステムは、燃料電池スタックと、この燃料電池スタックのための燃料源を含むので、それを燃料電池システム42と呼ぶことができる。本開示にしたがう燃料処理装置および燃焼器組立体が、燃料電池スタックを含まない応用例で使用可能であることは本開示の範囲内である。
【００２５】
流れ14が燃料電池スタック用途であるとき、一酸化炭素および二酸化炭素のような、燃料電池に有害の恐れがある組成は、必要ならば、分離領域24などによって高濃度水素流から除去可能である。水素イオン交換膜(PEM)およびアルカリ形燃料電池のような燃料電池スタックでは、一酸化炭素の濃度が好ましくは10ppm(百万分率)未満である。好ましくは、一酸化炭素の濃度が5ppm未満であり、さらに好ましくは1ppm未満である。二酸化炭素の濃度は、一酸化炭素の濃度よりも大きくてもよい。例えば、25%未満の二酸化炭素の濃度が許容可能である。好ましくは、濃度が10%未満であり、さらに好ましくは1%未満である。特に好ましい濃度は、50ppm未満である。本明細書で提示された許容最小濃度は例示的なものであること、および本明細書に提示された以外の濃度が使用可能であり、かつ本発明の範囲内であることを理解されたい。例えば、特定の使用者または製造業者が、本明細書で特定したものとは異なる最小または最大の濃度水準もしくは範囲を必要とする場合もある。
【００２６】
燃料電池スタック40は、そこに送出された生成物水素流14の一部から電流を生成するように構成されている少なくとも1つの、典型的には多くの、燃料電池44を含む。燃料電池スタックは、流体送出/除去導管を内蔵する共通エンドプレート48の間で一体に接合された多数の燃料電池を含むのが典型である。適切な燃料電池の例には、水素イオン交換膜(PEM)燃料電池およびアルカリ形燃料電池が含まれる。他には、固体酸化物形燃料電池、リン酸形燃料電池、および溶融炭酸塩形燃料電気がある。
【００２７】
スタック40によって生成された電流を使用して、少なくとも1つの関連するエネルギー消費装置46のエネルギー需要または印加負荷を満たすことが可能である。装置46の例示的な例には、限定するものではないが、自動車、レジャー用車両、建設および産業車両、船舶または他の外洋船、工具、灯火または照明組立体、電気製品(家庭用または他の電気器具)、一般家庭または他の住居、事務所または他の商業施設、コンピュータ、信号または通信設備等々が含まれる。同様に、スタック40を使用して、燃料電池システム42の電力要件を満たすことも可能である。装置46は、図3に模式的に例示されているが、燃料電池システムから電流を導入するように構成されている1つもしくは複数の装置、または装置の集合を示そうとするものであることを理解されたい。
【００２８】
燃料電池スタック40は、生成物水素流14のすべてを受け取ることが可能である。追加的にまたは別法として、流れ14の一部または全部は、別の水素消費過程で使用するために適切な導管を介して送出されるか、燃料もしくは熱のために燃焼されるか、または後の使用のために貯蔵され得る。例示的な一例として、水素貯蔵装置50が図3に破線で示されている。装置50は、生成物水素流14の少なくとも一部を貯蔵するようになされている。例えば、スタック40による水素ガスの需要が燃料処理装置12の水素の出力未満であるとき、過剰の水素ガスを装置50中に貯蔵可能である。適切な水素貯蔵装置の例示的な例には、水素化物床および圧力タンクが含まれる。必ずしも必要ではないが、貯蔵水素の供給源を備えるシステム10および42の利点は、処理装置12が、スタック40、または流れ14を使用する他の応用例の需要を満たすことができない状況で、このような供給源を使用して、これらの水素要件を満たし得ることである。このような例には、燃料処理装置が、冷えたまたは非活動状態から始動したり、アイドル状態から本格動作したり、維持または修理のために非直結であるとき、およびスタックまたは応用例が、燃料処理装置からの最大利用可能生成物よりも大きな水素ガス流量を要求している場合が含まれる。追加的にまたは別法として、貯蔵水素は、燃料処理または燃料電池システムを加熱するための可燃性燃料流としても使用可能である。燃料電池スタックに直接関連しない燃料処理システムは、少なくとも1つの水素貯蔵装置をさらに具備可能であり、それによってこれらの燃料処理システムからの生成物水素流を後で使用するために貯蔵することもできる。
【００２９】
燃料電池システム42は、蓄電池52、またはスタック40によって生成された電気を貯蔵するように構成されている他の適切な電気貯蔵装置も具備することが可能である。過剰水素に関する上の議論と同様に、スタック40は、電力システム42に必要な負荷を含めて、装置46から受けるかまたはそれによって印加される負荷を満たすのに必要な電気以上に発電することが可能である。さらには過剰な水素ガスに関する上の議論と同様に、このような過剰供給量も、他の応用例で使用するためにシステムから搬送可能であり、かつ/またはシステムによって後に使用するために貯蔵可能である。例えば、蓄電池または他の貯蔵装置は、始動時のシステム42によって使用するための電力、またはシステムが電気および/もしくは水素ガスを製造していない他の応用例によって使用するための電力を供給することができる。図3に、流量調節構造を54で全体として示すが、それは、水素と電気を装置50と蓄電池52にそれぞれ選択的に送出し、かつそこから貯蔵水素と電気を引き出すための任意適切なマニホルド、弁、制御装置、および同様なものを模式的に表す。
【００３０】
図1に、少なくとも水素製造領域と、随意選択的に、分離領域を収容するケース68を具備する燃料処理装置10を示す。ケース68は、容器と呼ぶこともできるが、水蒸気改質器または他の燃料処理装置の構成要素ををユニットとして移動可能にする。それはまた、保護容器となることによって、燃料処理装置の構成要素を損傷から保護し、さらには、燃料処理装置の構成要素がユニットとして加熱可能になるので、燃料処理装置の加熱需要を低減する。ケース68は、必ずしも必要ではないが、固体絶縁材料、ブランケット断熱材、および/または空気充満空洞のような絶縁材料70を具備することができる。しかし、燃料処理装置が、容器またはケースを備えずに構成可能であることも本発明の範囲内である。燃料処理装置10が絶縁材料70を具備するとき、この絶縁材料は、ケースの内側、ケースの外側、または両方の側にあってもよい。絶縁材料が、上述の改質領域、分離領域、および/またはポリッシング領域を収容するケースの外側にあるとき、水蒸気改質器は、図1に模式的に示すように、絶縁材の外側に外部カバーまたはジャケット72をさらに含み得る。
【００３１】
さらには、燃料処理装置10の1つまたは複数の構成要素がケースを超えて延在するかまたは少なくともケース68の外側に位置し得ることは本発明の範囲内である。例えば、論じたように、分離領域24は、ケース68の外側に配置可能であり、この分離領域は、ケースに直接連結されているか(図4に模式的に例示するように)、またはケースから離間されているが(図1に1点鎖線で示すように)、適切な搬送導管によって分離領域と流体連通している。別の例として、水素製造領域19の一部(1つまたは複数の改質触媒床の一部のような)は、図1の破線で模式的に示すように、ケースを超えて延在可能である。
【００３２】
燃料電池および燃料処理システムを図1〜図4に非常に模式的に例示したが、これらのシステムは、空気/酸化剤供給源および送出システム、熱交換組立体および/または供給源、制御装置、センサ、弁および他の流量制御器、電力管理モジュール等々のような追加的な構成要素をしばしば含むことを理解されたい。同様に、単一の燃料処理装置12および/または単一の燃料電池スタック40を図1〜図4に示してあるが、これらの構成要素のいずれかまたは両方を2つ以上使用することが可能なことも本開示の範囲内である。
【００３３】
図1〜図4の様々な図にも示したように、本開示にしたがう燃料処理装置(および燃料電池)システムは、燃料処理装置の少なくとも水素製造領域19を加熱するように構成されている加熱組立体60を含む。本開示によるシステムでは、加熱組立体60が燃焼器組立体62を含む。燃焼器組立体62は、燃料処理装置の少なくとも水素製造領域19を加熱するために使用可能である高温燃焼流66を供給するために、少なくとも1つの燃料流64を受け取り、かつこの燃料流を空気の存在下で燃焼するようになされている。本明細書でさらに詳細に論じるように、空気は、多様な機構を介して燃焼器組立体に送出可能である。図4に、空気流74を実線で示すが、この空気流は、燃焼器組立体のための少なくとも1つの燃料流64と一緒に、燃焼器組立体に追加的にまたは別法として送出されることも本開示の範囲内であることが破線を使って図示されている。燃焼流66を追加的にかつ別法として使用して、燃焼器組立体62と併用される燃料処理および/または燃料電池システムの他の部分を加熱できることは本開示の範囲内である。図1〜図4に、燃焼器組立体62は、少なくとも一部がケース68の内側にあるように燃料処理装置の内部に一部または全部が配置可能であること、および/または燃焼器組立体の一部または全部が燃料処理装置の外側に配置可能であることも本開示の範囲内であることを図示するために、燃料処理装置12と重なり合う関係で示されている。この後者の実施形態では、燃焼器組立体からの高温燃焼ガスは、適切な熱伝達導管を介して燃料処理装置または加熱すべきシステムの他の部分に送出される。
【００３４】
図4に破線で示すように、本開示にしたがう燃料処理装置12は、液体原料流16(または水流17もしくは液体の炭素含有原料流76のような供給物流16の液体成分)を受け取り、かつ燃料処理装置の水素製造領域に送出する前に、この供給物(またはその一部)を気化するように構成されている気化領域69を含み得る。図4に模式的に示すように、加熱組立体からの加熱排気流66を使用して、気化領域69内の供給物流を気化し、かつ/または別様に供給物流を加熱することができる。燃料処理装置12は、気化領域を設けずに構成可能であること、および/または燃料処理装置は、気体であるかまたは既に気化されている供給物流を受け取るようになされていることも本開示の範囲内である。
【００３５】
図5に、燃焼器組立体62を備える別の例示的な組立体60が模式的に示されている。図示のように、燃焼器組立体62は、燃料流および空気流(64および74)が点火され、それらの燃焼を開始する点火領域86を含む。この領域86は、点火源88を含むが、それは燃料流および空気流を点火するための任意適切な構造または装置である。適切な点火源88の例は、火花プラグ、予熱プラグ、点火用補助バーナ、燃焼触媒、燃焼触媒と組み合わせた予熱プラグ、電気加熱式セラミック点火器等々の少なくとも1つを含む。流れが点火され、その燃焼によって加熱された排気流66が生成されるが、それは点火領域から燃焼室92または水蒸気改質器もしくは燃料処理システムの他の熱伝導領域に排気されるのが典型である。点火領域86内で開始された燃焼が、燃焼器組立体および/またはこの燃焼器組立体によって加熱された燃料処理装置の内部の様々な箇所で完了され得ることは本開示の範囲内である。例えば、燃焼は、点火領域内で完全に完了される場合、点火領域内で部分的に完了しかつ燃焼領域内で部分的に完了される場合、点火領域、燃焼領域、および燃焼領域外の燃料処理装置の一部分の中で部分的に完了される場合などがあり得る。
【００３６】
燃料流64がガス流であるとき、それは空気流74と混合されて点火され、排気流66を生成する。しかし、燃料流64の一部は、燃料流が燃焼器組立体62に送出される動作パラメータ、すなわち、周囲(約25℃)から約100℃の範囲にある温度および50〜200psi、さらに典型的には100〜150psiの範囲内の圧力にある液相燃料流である。上述の動作パラメータは、限定的な例を意図するものではないことを理解されたい。限定ではなく、それらは典型的なパラメータを例示しようとするものであり、これらの範囲外のパラメータも依然として本発明の範囲内である。例えば、燃料流は、燃焼器組立体に送出される前に熱交換によってまたは別様に加熱可能であるが、このような加熱の必要はなく、また多くの実施形態では必ずしも有用でもない。
【００３７】
メタノールまたはエタノールのようなアルコール、またはメタン、エタン、ガソリン、灯油、軽油などのような炭化水素のような液相、すなわち、液体の燃料流の脈絡では、燃焼器組立体は霧化組立体94を含むことが好ましい。これを図6に図示するが、この図では液体燃料流が82で示され、液体の炭素含有原料76を含み、さらにこの図には、液体燃料流を受け取りかつ霧化するようになされている燃焼器組立体が80で示され、それを霧化燃焼器組立体と呼ぶことができる。本明細書に使用するように、「液体」とは、燃料流が燃焼器組立体に送出される動作パラメータにおいて少なくとも95%液相であり、好ましくは少なくとも約99%液体である燃料流を指すものである。たとえ「完全な」液相流であっても、この流れが加熱されるとき脱気によって生じるような僅かな(典型的には1%未満の)気相を含み得ることを理解されたい。霧化組立体94は、液体燃料流82を、空気流74と混合され、かつ燃焼、すなわち、点火されて加熱排気流66を生成し得るエアゾル燃料流82'に変換するようになされている任意適切な装置または装置の組合せを含む。これは、液体燃料流が蒸気相に相を変えるまで燃料流を加熱する気化燃焼器組立体とは異なる。適切な霧化組立体の例示的な例をここでさらに詳細に論じる。
【００３８】
論述したように、水蒸気改質器および併用改質器、ならびに熱分解反応器および部分酸化反応器のような多くの従来の燃料処理装置には、水素製造反応で使用される炭素含有原料と、次いで燃焼器組立体の燃料源として使用される別個の燃料流が必要である。したがって、これらの燃料処理装置には、別個の供給源、ポンプまたは他の送出組立体、搬送導管、および流量調節装置などが必要である。本発明の1態様によれば、液相の炭素含有原料76は、供給物流16の炭素含有原料部分と、図7に模式的に例示するような燃焼器組立体80の燃料流82の両方で使用される。図のように、液体の炭素含有原料76は、燃焼器組立体80と水素製造領域19の両方に送出される。燃料処理装置12は、分離領域を含まない構成、2種類以上のまたは幾つかの分離機構を利用する構成などのような非常に多様な構成を有し得るので、図7は断片図で示してある。図7(および後続の図)に示す断片的な燃料処理装置は、これらの構成のいずれかを模式的に示すばかりでなく、本明細書で説明され、例示され、かつ/または組み込まれている水蒸気改質器および他の燃料処理装置のいずれかを模式的に示すものである。
【００３９】
図8は、液体の炭素含有原料76が単一流として弁組立体96に送出され、この弁組立体では、この炭素含有原料が燃焼器組立体と水素製造領域の少なくとも一方に選択的に送出されること以外は、図7と同様である。弁組立体96は、炭素含有原料の流れを燃焼器組立体と水素製造領域の間で選択的に分割するのに適切な任意の構造を含み得る。可能な構造の範囲には、炭素含有原料の全部を受け取る燃焼器組立体、炭素含有原料の全部を受け取る水素製造領域、または炭素含有原料を共に受け取る燃焼器組立体と水素製造領域が含まれる。本明細書で論じるように、炭素含有原料の分配は、少なくとも1つには、使用される特定の炭素含有原料、副産物流28を同様に燃焼器組立体80の燃料として使用するかどうか、およびアイドルモード、始動モード、または水素製造モードのような燃料処理装置の特定の動作モード次第である。
【００４０】
水素製造領域と燃焼器組立体の間の原料76の分配は、手動制御が可能である。しかし、多くの実施形態では、このような分配は、水素製造領域と燃焼器組立体の間の原料76の分配を選択的に調節する制御装置98を含むシステム10などによって、少なくとも一部が自動化されていることが望まれ得る。水蒸気改質燃料処理装置に適切な制御装置の一例が、米国特許第6,383,670号に開示されており、その開示全体を参照として本明細書に組み込む。
【００４１】
供給源、送出システム、流量調節器、送出導管等々のさらなる削減が、本開示の別の態様にしたがって、同じ液体の炭素含有原料76と水17の両方を含む供給物流16および燃料流82によって実現可能であり、水はこの流れの少なくとも約25%を構成し、かつ炭素含有原料は水と混和性であることが好ましい。これを図9および図10に模式的に例示するが、これらの図では、このような複合流を78で示す。流れ16および82は、ほとんど、または全く、同一の組成を有し、かつ完全に流れ78から構成され得る。しかし、流れ16および82の少なくとも一方には、これらの流れが燃焼器組立体または水素製造領域によって消費される前に、それに追加して、水または炭素含有原料の少なくとも一方の成分もしくは一定量を追加可能であることは本開示の範囲内である。前述のように、水と炭素含有原料から水素ガスを製造する水蒸気改質器または他の燃料処理装置の脈絡では、供給物流16は、少なくとも実質的に、かつ典型的には本質的に全部が、水と、好ましくは水溶性である液相の炭素含有原料76からなる。したがって、水17と炭素含有原料76を含む単一流は、水素製造供給物流16としてばかりでなく、燃焼器燃料流82としても消費可能である。
【００４２】
図7および図8の前述の別法(供給物流16の炭素含有供給物成分のみが燃焼器組立体80に送出されるものであった)と同様に、供給物流78は、同じかまたは異なる供給源からの別個の流れとして燃焼器組立体80と水素製造領域19に選択的に送出可能である。別法として、図10に模式的に図示するように、単一の供給物流78は、燃料処理装置に、さらに詳細には、流れが燃焼器組立体と水素製造領域の間で選択的に分割される弁組立体96に送出可能である。コンピュータ化されているかもしくは他の電子的制御装置、または予めプログラムされた制御装置であり得る制御装置98が同じく図10の破線で示されている。制御装置98は、燃料処理装置12の内部または外部に配置可能であり、かつ/または内部と外部の両方の構成要素を含み得る。
【００４３】
流れ16および78の中の水17と液体炭素含有原料76の相対量は様々であり得るが、1つには使用される特定の炭素含有原料次第である。これらの成分の相対濃度は、炭素に対する水の比率で表される。原料76がメタノールの場合は、1対1の比率が効果的であることが判明している。原料76がエタノールの場合は、2〜3対1の比率が効果的であることが判明している。原料76が炭化水素の場合は、約3対1の比率が典型的に用いられる。しかし、上述の例示的な比率は、本発明の範囲内の限定的な比率であることを意味するものではない。
【００４４】
図11では、弁組立体を燃料処理装置10の内部または外部に配置できることも本発明の範囲内であることを例示するために、図10の構成の一変形を示す。図11は、燃料処理装置が、気体副産物流28を生成する分離領域24含むか、または別様にそれに関連するとき、気体副産物流28は、燃焼器組立体の気体燃料として使用されるように燃焼器組立体に送出可能であることも示す。このような気体燃料は、上述の液体燃料(炭素含有原料76または供給物流16)の補充が可能であるか、またはそれ自体が、いくつかの水蒸気改質器もしくは他の燃料処理装置および/または燃料処理装置のいくつかの動作構造に十分な燃焼熱を含むことが可能である。
【００４５】
上述のように、本開示による燃焼器組立体80の脈絡では、水素製造領域と燃焼器組立体の両方で消費される炭素含有原料は、それが燃焼器組立体に送出される動作パラメータでは液体である。同じく上述のように、燃焼器組立体80は、点火領域86内で空気流74と混合されて点火される気体またはエアゾル流(82')を生成するために、液体燃料流(82)を霧化するようになされている霧化組立体94を含む。液体燃料流が、水と炭素含有原料から水素ガスを製造する水蒸気改質器または他の燃料処理装置の供給物流と同じ組成を有するとき、したがって、この液体燃料流が実質的に水成分を含むとき(典型的に少なくとも25%)、その流れは液体流であり、かつ図12に模式的に示すように、霧化組立体94は、その液体流からエアゾル、すなわち、気体の流れ78'を生成する。簡潔にするために、霧化組立体94に関する論述は、水17と炭素含有原料76の液体流78の形態にある燃料流を論じるが、この流れ78は、水と炭素含有原料から、水素ガスが主成分である生成流20を生じるようになされている水蒸気改質器または他の燃料処理装置用の供給物流16と同じ組成を有する。しかし、本明細書に例示されかつ/または説明されている燃焼器組立体80および/または霧化組立体94はまた、原料が非水溶性の炭化水素である場合のように、水を含まない液体炭素含有原料と共に使用可能であることは本発明の範囲内である。同様に、また前述のように、流れ78を使用して燃料処理装置と燃焼器組立体の両方のための供給物/燃料流を構成するが、これらの流れの少なくとも一方には、その流れに追加して、水または炭素含有原料の少なくとも一方の成分もしくは一定量が追加可能であることも本発明の範囲内である。
【００４６】
霧化組立体94に適切な構造の例示的な一例を図12に示すが、その組立体は供給物流78が、50〜200psi、さらに典型的には約100〜150psiの範囲内の圧力におけるような圧力下で送出される流れ口100を含む。流れ口100は、液体供給物流が、燃焼器組立体の中で凝集または貯留しないで、空気流74と混合しかつ分散しやすくなるように、この液体流を絞って、十分に微小な小滴を有するエアゾル、すなわち気体の流れ78'となるようにサイズ決めされる。特定の応用例で使用すべき特定の開口サイズは、供給物流(または炭素含有原料の流れ)の組成、流れの流量、および流れの送出圧力によって異なる傾向にある。例示的な一例として、15〜20mL/分の流量で流れる上述の混合比率および上掲の好ましい範囲内の圧力にあるメタノールと水を含む供給物流では、直径0.001〜0.015インチ、さらに好ましくは0.006〜0.007インチの範囲内の開口を有する流れ口100が効果的であることが判明している。
【００４７】
図13では、流れ78が点火源88に到達する前に通過しなければならない点火領域86の境界の一部を構成するものとして流れ口100を模式的に例示する。流れ口100に適切な構成の別の例は、図14に示すように、領域86内に随意選択的に突出し、かつ流れ口100を含むノズル102である。流れ口100の構成または配置に関わらず、この流れ口には、図13および図14に模式的に示すように、フィルタ106が先行して配置されていることが好ましい。フィルタ106は、流れ口100を目詰まりさせる程の大きさの粒子を流れ78から除去するようにサイズ決めされている。フィルタ106は、流れ口100の上流の任意適切な箇所に配置可能である。
【００４８】
図13および図14はまた、霧化された供給物流78'と空気74は、流れが点火源88によって点火されるときにまたはその前に、流れの混合を促進するために概ね交差する配向で点火領域86内に導入されるのが好ましいことを示す。供給物流78によって供給される熱量は、完全に燃焼された供給物の割合が大きくなるにつれて増加する。この値を増加させるための1機構は、流れを配向するか、または別様に、乱流を助長し、よって気体流を混合する構造を燃焼器組立体内部に含むことである。
【００４９】
図14では、点火源88は霧化供給物流78'と空気流74の交差点付近に位置する。流れを点火するには効果的であるが、少なくとも点火源の一部に関しては、点火源が、直接的な、すなわち、少なくとも主要な燃焼(炎)領域内に存在しないように、点火源を組立体80内部に位置決めすることが望まれ得る。このような構成の一例を図15に模式的に示すが、この図では、点火源88は、流れが交差する領域から離れて位置する。このような位置の別の例を図15に破線で示す。これらの例示的な構成は、流れが燃焼されるときに、点火源が直接的な炎の中にある位置から離れるように点火源を配置するので、点火源は、それが直接的な炎領域内に配置された場合ほど高温に曝されることがない。図15はまた、点火領域86が、点火領域よりも小さい断面積を有する、加熱された排気流66の排気口108を有し得ることを図示する。換言すれば、点火領域は、燃焼の開始後に、ガスが通り抜けて点火領域から退出できる排気口のサイズを制限することによって、霧化供給物流と空気流の混合および燃焼をさらに高めることができる。
【００５０】
少なくとも図13〜図15に多少模式的に例示するように、燃料と空気の流れは、入力口、すなわち、それぞれ101および103で示す送出導管を介して点火領域内に導入される。送出導管の例示的な例は、これらの導管は、その内部に収容された流体が点火源内に放出される少なくとも1つの開口または流れ口を含むが、これらの導管は、点火源の境界で終端するか、または随意選択的に、点火領域内に突出する。任意適切な送出導管が使用可能であること、および本開示による燃焼器組立体80が、2つ以上の導管101および103を含み、それによって燃焼器組立体は、2つ以上の燃料および/または空気流を受け取りかつ燃焼するようになされ得ることは本開示の範囲内である。
【００５１】
図16に模式的に示すように、適切な霧化組立体94の別の例は、衝突部材110である。このような一実施形態では、加圧液体流が衝突部材110に衝突し、そこで流れが霧化され、かつその表面から跳ね返るときエアゾル流78'を生成するように、流れ78は圧力下で点火領域内に送出される。図16では、部材110は、流れ78の流動方向を概ね横切って延在する接触表面112を有する。しかし、部材110が供給物流に対して他の構成を有し得ることは本発明の範囲内であることを理解されたい。図16はまた、点火領域が、1つまたは複数のじゃま板または適切な乱流助長構造114を含み得ることを図示する。
【００５２】
他の例を図17に示すが、それらは接触表面116を有する衝突部材110を含み、この接触表面は、供給物流78が流動してこの表面に接触する方向に対して15〜75°の範囲内の角度で延在する。衝突部材110の非平面的な接触表面の一例を118で示す。この表面118は、平面的な衝突部材よりも大きな分散パターンまたは不規則な分散を生成する傾向があり、それによって流れの中により大きな乱流を生成する傾向を有する。図17は、点火領域の壁自体が衝突部材を形成することを120で示す。図18では、非静的接触板122を有する衝突部材110を示す。これによって、表面122に加圧供給物流が衝突するとき、それが回転、枢動、または別様に動くように構成するものである。例えば、表面122は、軸126に回転自在に装着されているフィンまたは他の接触表面124を含むことが可能であり、この表面は、それが領域86内で流動する供給物流78および/またはガス流によって作用を受けるとき、この軸回りに回転する。
【００５３】
図19および図20に、本発明による燃焼器組立体80の別の例を示す。図19および/または図20に示すように、この燃焼器組立体は、霧化供給物流が空気流74と混合される主要領域から離れて位置決めされている点火源88を有する点火領域86を含む。換言すれば、図19および図20では点火プラグの形態を取る点火源は、点火領域の壁に対接して位置決めされ、他方で供給物流78は、点火源に対して点火領域のほぼ中央域に送出される。図19および図20の燃焼器組立体はまた、小径流れ口100を有するノズル102と、供給物流78が圧力下で点火領域内に送出されるとき、この供給物流が衝突するように位置決めされた接触表面112を有する衝突部材110を含む霧化組立体94を示す。図示のように、空気流74は、領域に対して角度をなして送出される。図示のように、空気流は、点火領域内で渦流を助長し、したがって混合を助長するように配向されている。
【００５４】
図21および図22に、本発明による別の燃焼器組立体80を示すが、それは、液体燃料流(幾つかの実施形態では供給物流78であり、他の実施形態では、炭素含有原料76である)と、副産物流28(それに限定するものではないが)のような気体燃料流を受け取るようになされている燃焼器組立体の一例を示す。恐らくは図21で最も適切に分かるように、例示の燃焼器組立体はまた、関連する燃料処理装置の水素製造領域用の供給物流16を形成するように、かつ/または燃焼組立体用の燃料流82を形成するように、供給物流78を選択的に分配する弁組立体96を示す。燃焼器組立体に流れる副産物流28の流量を選択的に調節する別の弁組立体96'も示す。弁組立体を手動で駆動および/または制御できることは本開示の範囲内であるが、燃焼器組立体および関連する燃料処理装置が、図21に示すように、制御信号用の通信回線の任意適切な形態または任意適切な機械的リンクであり得る通信リンク128を介して、弁組立体と接続するコンピュータ化されているか、または別様に自動化されている制御装置98を含むことが好ましい。
【００５５】
燃焼器組立体80が、関連する燃料処理装置の外部にかつそれから離間して配置され、その場合に、加熱された排気流66が、この排気流の搬送時の熱損失を低減するように、好ましくは絶縁されている適切なガス搬送導管を介して燃料処理装置に送出されることは本開示の範囲内である。典型的には、燃焼器組立体は、燃料処理装置に直接結合され、かつ随意選択的に、少なくとも一部が燃料処理装置のケースまたは他の容器の内部に収容されている。図21および図22には、装着板が130で示されている。この板130は、それによって燃焼組立体を動作位置に位置決めしかつ保持するために、燃料処理装置に固着されるように構成されている。板130は、燃料処理装置に溶接されるか、または燃焼組立体を燃料処理装置に固着するための別の機構によって、それに別様に固定することも可能である。「固着する」および「固着される」とは、板の脱着が可能ではあるが、固定機構を反復して脱着および交換するものではなく、脱着時に通常は損傷を受けることを意味する。別法として、ボルト、ねじ山付き取付け具などのような選択的に着脱自在な固定機構を使用することも可能である。「選択的に着脱自在」および「着脱自在に受け入れられる」とは、固定機構が反復して脱着および再結合されるように設計されていることを意味する。
【００５６】
図23に、本開示による別の燃焼器組立体80を示す。図21および図22に示す燃焼器組立体と同様に、図23の燃焼器組立体も、副産物流28または補充用に補助燃料源として使用すべき別の気体の可燃性燃料を受け取るか、または幾つかの応用例では、炭素含有原料76、さらに典型的には供給物流78からなる燃料流を置き換えるようになされている。図23では、点火源88はここでも点火プラグとして例示されているが、この点火プラグは、点火装置取付け台132によって燃焼器組立体に結合されている。図23のように位置決めされるとき、この点火プラグは、霧化供給物流が点火領域内に導入される水準よりも下方に位置決めされている。したがって、点火プラグは、それが、供給物流および/または副産物流が燃焼されるときに発生する炎の中に、ほぼ絶え間なく位置するように別様に燃焼器組立体領域内部に装着されていたら、点火プラグに伝達されていたはずの熱の大部分から保護される。
【００５７】
図23は、副産物流28と空気流74の乱流混合を助長するようになされている分配板140も示す。図示のように、空気流は、図示のようにノズル102を含む霧化組立体94の流れ口100の反対側にある小室142内に導入される。図23では、霧化組立体94は、ソケット143内部に螺入されている着脱自在のノズル102として例示されているが、本明細書に説明および/または例示のものなど、他の任意適切な霧化部材も使用可能であることを理解されたい。恐らくは図24および図25で最も適切に分かるように、空気流74は、角度配向された複数の通路144によって点火領域内に送出される。これらの通路は、空気流を交差路の中に誘導するように配向されている出口146と、先に説明しかつ例示した小室142内の空気が通過して通路に進入する入口148を有する。図24に4組の交差通路を示すが、通路の数は、単一通路から4組以上の通路まで様々であり得ることを理解されたい。図24および図25に、副産物流28を出口152に送出するための、板の内部にある分配導管150を示すが、この出口は、恐らくは図25で最も適切に分かるように、副産物ガス流を少なくとも1対の空気流と一緒に交差路中に排気するように配向されており、図25には交差部分が154で模式的に例示されている。
【００５８】
図21〜図26に例示する燃焼器組立体は、副産物流28を利用する必要がないことを理解されたい。例示のように、燃焼器組立体80は、液体と気体の燃料流を受け取りかつ使用するように構成されている。したがって、副産物流28が燃焼器組立体に送出されれば、この副産物流は点火領域内に導入されることになる。しかし、たとえ副産物流が燃焼器組立体に送出されなくても、液体供給物流78(または82)は依然として使用可能である。
【００５９】
先に図15に関して論じたように、本発明による燃焼器組立体は、点火領域内の追加的な混合および/または燃焼を促進するために、点火領域からの小面積出口108を有し得る。同様に、この小面積開口部から、燃焼ガス流が領域86から排気されるので、加熱室92内部で生じる燃焼がより完全になる傾向がある。図26では、ガス流が加熱室、すなわち、燃焼領域92内に排気される前に、燃焼および/または混合が生じる追加的な空間となるように、本質的に点火領域を延長する延長スリーブ160を含む、図23の燃焼器組立体を示す。図26では、このスリーブ160は、燃焼器組立体の容器の他部分とは別個に形成された構成要素として示されている。スリーブ160は、続いて論じる図28に示すように、別法として、燃焼器組立体の容器の他の部分と一体に形成可能である。恐らくは、図26と図27の比較によって最も適切に分かるように、スリーブ160は、出口108を有する首部162を含み、その出口は、点火領域86のこの出口につながる領域よりも小さい断面積を有する。
【００６０】
燃焼器組立体80のサイズは本開示の範囲内で異なり得るが、燃焼器組立体80は、相対的に小型であり、しかも依然として十分な耐久性(点火源88に関するような)、混合性、および燃焼性を備える。例えば、図26に示す燃焼器組立体は、15〜20mL/分の供給物流78を受け取るようにサイズ決めされているとき、点火領域は、約2.19インチの内径、約1.125インチの内径の出口108、約1.125インチのスリーブ160長さ、および約3インチの燃焼器組立体の全長(供給物流78の全体的な流れ方向で測定)を有し得る。
【００６１】
図23および図26では、霧化組立体94が、分配板140内部のソケットに螺入されている着脱自在のノズル102を含むように例示されている。このような構成は本発明の範囲内である多くの適切な構成の1つに過ぎないことを例示するために、この構造の変形を図28および図29に示す。図示のように、霧化組立体は、着脱自在のねじ山付きノズル102を依然として含んでいる。しかし、図28および図29の燃焼器組立体では、このノズルが、ノズルプラグ170の中に着脱自在に収容され、そのプラグ自体は小室142内部のノズル・スリーブ172の中に着脱自在に収容されている。
【００６２】
論じたように、本発明による燃焼器組立体80は、炭素含有原料を含み、さらに、燃焼器組立体および関連する燃料処理装置の水素製造領域が同じ(またはほとんど同じ)供給物流を利用するときのように、水も含み得る液体燃料流を受け取るように構成されている。このような構造の利点は、水と炭素含有原料から水素ガスを製造する水蒸気改質器または他の燃料処理装置は、この水と水溶性の液体炭素含有原料が予め混合されていれば、単一の供給源だけでよいことである。予め混合されていなければ、燃料処理装置は、依然として水供給源と炭素含有原料源を含むだけでよい。対照的に、改質器を加熱する燃焼器組立体を備える従来の水蒸気改質器は、燃焼器組立体のための燃料源ならびに関連送出および監視システムが必要であり、しかもこの燃料源は水蒸気改質器用の燃料源とは別個である。
【００６３】
例示的な例として、水蒸気改質器の形態にある燃料処理装置12の始動を以下に論じる。燃焼器組立体80を有する水蒸気改質器または他の燃料処理装置の始動時には、供給物流78の少なくとも一部(全部でないにしても)が燃焼器組立体に送出され、かつ空気流74と混合して燃焼されて、水蒸気改質器を加熱するために使用される加熱排気流を生成する。改質器が選択または所定の温度まで加熱されている場合には、供給物流は、直ちに、燃焼器組立体ではなくて、改質領域に切り換え可能である。別法として、漸進的移行も利用可能であり、その場合には、水蒸気改質器は供給物の一部を受け取り始め、次いで次第に受け取る量が増大していくが、燃焼器組立体は次第に供給物の受け取り量が減少していく。水素ガスが水蒸気改質器の改質領域内で製造され、次いで1つまたは複数の分離領域24内で精製されるとき、気体副産物流28が生成され、かつ燃焼器組立体に送出されて燃料流として利用可能である。典型的には、供給物流78を改質領域に送出し始める所定温度は、改質温度未満の、25〜125℃、さらに典型的には50〜100℃のような、選択または所定の改質温度よりも低い。その理由の1つは、改質反応が、典型的には、改質領域に送出された気化供給物流78'よりも高温の生成ガス流、すなわち、混合ガス流20を発生するからである。したがって、改質領域は、供給物が改質されるにつれて、温度が上昇する傾向がある。したがって、改質領域を望ましい改質温度よりも高温に加熱すると、燃料の浪費になるばかりでなく、改質器の過熱を招く恐れがある。
【００６４】
炭素含有原料がメタノールであるほとんどの水蒸気改質器のような、いくつかの応用例では、副産物流は、燃焼器組立体80が、改質器をその選択動作温度に維持するために供給物流78を少しも必要としない程の燃焼熱を有するはずである。しかし、他の炭素含有原料、および特に炭化水素を使用するときは、改質器の温度を維持するのに十分な燃料を供給するために、燃焼器組立体に供給物流78の一部を供給し続け、かつ/または生成物水素流の一部を燃料流として使用することが必要になり得る。
【００６５】
図30〜図39には、本発明による燃焼器組立体80を有する燃料処理装置12の様々な例示的な例を示す。本発明による燃焼器組立体を使用できる適切な水蒸気改質器のさらなる他の例が、先に組み込まれた特許および特許出願ばかりでなく、2002年4月12日に出願の、「Steam Reforming Fuel Processor」と題する米国特許仮出願第60/372,258号にも開示されている。これらの参照文献の開示全体が、それぞれにあらゆる目的のために本明細書に参照として組み込まれている。簡潔する目的のために、以下の例示的な例では、本開示による燃焼器組立体と燃料処理装置に関する上述の要素、その変形、ならびに随意選択の追加的要素を示さず、また論じない。相互に関係付ける目的のために、上で導入した参照符号の例示的なものは、図30〜図39に含まれているが、しかし、述べたように、以下ではこれらの符号のそれぞれを再び論じない。本明細書に説明し、例示し、かつ/または組み込む他の燃焼器組立体が、図30〜図39に示す霧化燃焼器組立体の例示的な例の代わりに使用可能であることは本開示の範囲内である。例えば、前述の霧化燃焼器組立体のいずれか、または続いて説明する拡散燃焼器組立体のいずれかは、図30〜図39に示す例示的な例の代わりに使用可能である。論じたように、図30〜図39に例示した燃焼器組立体は、燃料処理装置の他の種類および/または構成にある場合も含めて、他の応用例で利用可能であることも本開示の範囲内である。
【００６６】
図30では、水17と炭素含有原料76を含む供給物流16を水蒸気改質することによって、水素ガスと他のガスを含む混合ガス流を生成するようになされている例示的な燃料処理装置12を示す。水蒸気改質器と呼び得る水蒸気改質燃料処理装置200は、水蒸気改質触媒23を収容する水素製造領域19を含む。図示のように、水素製造領域および霧化燃焼器組立体80は、水と炭素含有原料をそれぞれに含む供給物/燃料流82および16を受け取るようになされている。燃料処理装置200は、供給物流16が、燃料処理装置の水素製造領域に送出される前に気化される気化領域69の例示的な例でもある。燃料流82は空気流74と混合して燃焼され、それによって発生する熱を使用して供給物流を気化し、かつ水素製造領域内の改質触媒を選択改質温度または温度域まで加熱する。例示の実施形態では、燃焼器組立体からの加熱排気流が、水素製造領域を貫通する通路を通り過ぎる。図示のように、改質触媒23は、加熱排気流を収容する導管を取り囲む。改質触媒が、周囲を加熱排気流が通過する導管、または床の中に収容されているような他の構成が使用可能であることは本開示の範囲内である。
【００６７】
同じく図30に示すように、霧化燃焼器組立体80もまた、図30に模式的に例示する1つまたは複数の水素選択膜30によって生成可能であるような、気体副産物流28を分離領域24から受け取るようになされている。論じるように、燃焼器組立体80(または続いて説明する拡散燃焼器組立体262の1つ)は、液体および/または気体の可燃性燃料流を利用するようになされている。燃焼器組立体は、燃料処理装置の始動時のような、燃料処理装置のいくつかの動作状態時に燃料流の1つの種類および/または組成を使用し、かつ水素製造状態および/またはアイドルもしくは待機動作状態時のような、燃料処理装置の他の動作状態時に燃料流の他の種類および/または組成を使用できることは本開示の範囲内である。
【００６８】
図31および図32は、水蒸気改質反応によって水素ガスを製造するようになされている燃料処理装置12の別の例を示す。図示のように、水蒸気改質燃料処理装置が全体として210で示されており、図30に示した例示的な水平構成とは異なり、垂直配向を有するように構成されている。燃焼器組立体が、必要条件ではないが、水蒸気改質器の少なくとも水素製造領域によって画定される小室または環形の概ね内部に加熱排気流を導入する垂直配向の利点は、改質触媒床(または本開示の範囲にある他の燃料処理装置で使用される他の水素製造領域)が、加熱排気流に対して熱対称性を与えることである。図示のように、燃焼器組立体は、燃料処理装置の水素製造領域のほぼ真下に延在して、燃料処理装置の水素製造および気化領域によって、少なくとも一部が取り囲まれている燃焼領域92内に流入する加熱排気流を生成する。例示の燃焼器組立体80は、図21および図22に関して先に説明した燃焼器組立体の構成を有する。しかし、論じたように、本明細書に説明し、例示し、かつ組み込む霧化および拡散燃焼器組立体は、いずれも例示の燃焼器組立体の代わりに使用可能である。
【００６９】
改質器210は、少なくとも1つの絶縁ケース68を含む燃料処理装置の図示例である。実線で示すように、改質器は、この改質器の少なくとも実質的な一部を収容する絶縁ケース68を含むものであると説明可能である。例示的な例では、ケース68は、燃料処理装置の水素製造領域、気化領域、および気化領域が内部に収容されている隔室を画定し、このケースは、燃料処理装置の基部、または取付け台をケースに結合する開口部211を画定する。図示のように、ケース68は、空気充満空洞、すなわち通路212および中実絶縁材料214層のような、様々な種類の絶縁材料70を含む。外部ケースを含まない燃料処理装置を含めて、他のケースおよび/または絶縁構造が使用可能であることは本開示の範囲内であるが、絶縁材料の図示例は、ケース68の内部層によって分離されている。図31および図32に破線で示すように、ケース68は、別法として、ケースをジャケット72から分離する空気充満空洞212を有するような絶縁ジャケット72によって取り囲まれているものであると説明可能である。
【００７０】
図31および図32は、本開示による燃料処理装置で使用可能ないくつかの異なる種類のフィルタの例を示す。例えば、図31の215で、分離組立体24に送出する前に、リフォーメート(混合ガス)流20から微粒子または他の種類の不純物を除去するように位置決めされたフィルタを示す。また図31と図32の両方には、排気開口218を通過するなどして、排気流がケース68から退出する前に、燃焼器組立体が発生する加熱排気流から選択的に不純物または他の物質を除去するようになされている排気フィルタ216が示されている。破線で示すように、1つの種類の適切な排気フィルタは、他のフィルタも使用可能であるが、触媒変換器220である。同じく図31および図32には、排気流がケースの内室から通過する流れ口221が示されている。
【００７１】
図30に示した典型的な霧化燃焼組立体80と同様に、図31および図32に示す燃焼器組立体が、空気(空気流74からのような)と混合して気体および液体の燃料流の少なくとも一方を燃焼するようになされている。恐らくは図31で最も適切に分かるように、共通の供給物流78を使用して、液体燃料流82を燃焼器組立体に、かつ改質供給物流16を燃料処理装置の水素製造(水蒸気改質)領域19に供給することができる。このような一実施形態では、流れ78は、水と液体炭素含有原料の両方を含む。同じく図示するように、分離領域24からの気体副産物流28も燃焼器組立体用の燃料として消費可能である。
【００７２】
例示の実施形態では、燃料処理装置は、水素製造領域内で生成したリフォーメート(混合ガス)流を高濃度水素流26と副産物流28に分離するために、少なくとも1つの水素選択膜30を含む分離領域を利用する。図示のように、このような分離領域は、リフォーメート流20が圧力下で送出され、かつ流れ26と28に分離される隔室227を画定するモジュールまたは容器225の形態を取る。図31および図32では、このような膜モジュールは、改質触媒床および燃焼器組立体の中心軸を概ね横切って延在する概ね平面的な膜30を利用する。改質器用の供給物流は気化領域69内で気化されるが、この領域は燃焼領域92の少なくとも一部を取り囲む中央コイル部の形態を取る。気化供給物流は、分配マニホルド224によって複数の改質触媒床222に分配される。床222の中で生成されたリフォーメート流は、回収マニホルド226の中に回収され、その後膜モジュールの内部隔室227に送出される。随意選択的な流体移送導管を228で示す。改質器の水素製造領域の概ね上部と下部の間に延在する導管228を使用して、様々な流体流が概ね加熱排気流の方向(燃焼器組立体から離れる)に流れるのか、それとも概ね燃焼器組立体に向かって流れるのかを制御することができる。例えば、流れの選択方向を利用して、流れ内部の流体または改質器の様々な領域に送出される流体の温度を制御することができる。同じく図示するように、絶縁部材、すなわち遮熱材230を使用して、燃焼器組立体による過熱から膜モジュールを保護することができる。例えば、水素選択パラジウム-銅膜の脈絡では、(必要条件ではないが)膜の温度を約450℃未満の温度に維持することが概ね好ましい。
【００７３】
改質器200は、2種類以上の分離領域24を含む燃料処理装置の一例でもある。図30に示すように、燃料処理装置はまた、メタン化触媒34を含むメタン化領域のような、一酸化炭素除去組立体32を備える分離領域を含み、このような第2分離領域は、水素選択膜30を含む分離領域24の下流に位置決めされる。したがって、メタン化領域34は、水素選択膜によって生成される高濃度水素流をさらに精製するように位置決めされている。
【００７４】
図33〜図39では、本開示による燃焼器組立体を利用する水蒸気改質燃料処理装置の別の例示的な例が示されており、全体として240で示す。この改質器240は、改質器210と同様の構造を有する。例示の改質器が、本明細書に説明し、例示し、かつ/または組み込む燃焼器組立体のいずれでも使用可能であることを図示するために、図28および図29に示した燃焼器組立体と同様の構造である燃焼器組立体80を含む改質器240を示す。連続性のために、上述の構造と参照符号の多くは図33〜図39に示されている。しかし、以下ではこのような構造および/または参照符号のそれぞれを再び論じることはしない。
【００７５】
改質器240は、本開示による燃焼器組立体を有する水蒸気改質器および他の燃料処理装置が、燃焼領域内で燃焼器組立体からの過熱排気流によって生成された温度分布を標準化、すなわち均等化するようになされている熱分散構造を含み得る。この領域では、たとえ気化領域および/または水素製造領域の熱対称性が存在している場合でも、「熱点」すなわち高温局所領域が、燃焼領域および/または気化領域内部に時折発生する恐れがある。図34および図37〜図39に示すように、改質器240は、1対の熱拡散構造250および252を含む。構造250は、熱が燃焼領域92から気化領域69に伝達されるとき、これらの熱点を減少させかつ/または消散させるようになされている。拡散器250は、この拡散器が備わっていない場合よりも気化領域69に対して均等な温度分布を提供するようになされている。拡散器は熱を伝導しかつ放散するので、熱点は温度が低下する傾向にあり、より高温域の熱が拡散器の周囲域および周囲構造に分散される。拡散器250に適切な材料の一例は、FeCrAlYまたは上述した他の耐酸化性合金の1つである。
【００７６】
拡散器を含む改質器240(または他の燃料処理装置)の実施形態では、拡散器に適切な位置は、図34および図37〜図39の拡散器250によって示すように、概ね気化領域と加熱組立体の間である。拡散器は、必ずしも完全にではなくても、少なくとも実質的に、気化領域および/または加熱組立体の周囲に延在するのが典型である。別の適切な位置は、252で例示するように、拡散器が水素製造領域19を取り囲むことである。図34および図37〜図39に示す例示的な拡散器位置の両方を含む改質器を含めて、重ね構造、離間構造、および/または同心構造であるように、1つまたは複数の拡散器が使用可能であることは本開示の範囲内である。
【００７７】
図34および図37〜図39に示す例示的な構成では、複数の改質触媒床222は、内径および外径を集合的に画定するものであると説明可能であり、拡散器は、複数の改質触媒床の内径および/または外径の少なくとも一方の周囲に少なくとも実質的に延在する。少なくとも拡散器250は、燃焼排気ガスが通過可能な材料から形成されるべきである。適切な材料の例には、織物状のもしくは他の金属メッシュまたは金属繊維構造、展伸金網、および有孔金属材料が含まれる。これらの使用材料は、それらが、改質器240内部で動作パラメータに曝されるとき、酸化しないように、または別様に有害な反応をしないように十分な厚みまたは耐性を有するべきである。例示的な一例として、20〜60網目の範囲内にある金属メッシュが効果的であることが判明したが、40網目の範囲内にあるメッシュが好ましい。メッシュが細かすぎると、材料となる撚り線が酸化しがちであるか、かつ/または発生熱を効果的に拡散するのに十分な熱伝導値が備わらない。
【００７８】
本明細書に論じるように、本開示による燃焼器組立体を有する水蒸気改質器および他の燃料処理装置は、1つもしくは複数の測定動作状態に応答して、燃焼器組立体の少なくとも一部および/もしくは燃料処理装置、燃料処理システム、または燃料電池システムの全体の動作を調節する制御装置にしばしば接続されている。水蒸気改質燃料処理装置に適切な制御装置の一例が、米国特許第6,383,670号に開示されており、その開示全体をあらゆる目的のために参照として本明細書に組み込む。したがって、改質器は、温度センサ、圧力センサ、流量計、および同様のものなど、様々なセンサ254を含むことが可能であり、そのいくつかの例示的な例を図34〜図39に示す。
【００７９】
図34〜図35および図37〜図38には、排気流66中の残留液体-水含有物をいずれも気化するようになされている随意選択的な気化器256も示されている。多くの実施形態では、気化器256は必要ではない。しかし、いくつかの実施形態では、生成流の温度を低下させるために、追加的な流体流が、水素製造領域19外で排気流と混合される。一例として、燃料電池スタックからの陰極排出空気は、流れ66と混合可能である。このような排出空気流は、水蒸気の飽和点を超える水の蒸気圧を有する。したがって、それは液相の水と水蒸気の混合物を含む。分離領域24上のような、改質器または他の燃料処理装置内部で水が凝縮または別様に付着するのを防止するために、気化器256を使用することができる。
【００８０】
本開示による別の燃焼器組立体62を図40に模式的に示し、全体として262で示す。図示のように、燃焼器組立体262は、可燃性燃料流64が空気流74と混合されて酸化可燃性燃料流74を形成する拡散領域270を含む。したがって、燃料と酸化剤を予め混合した流れを受け取る燃焼器組立体と異なり、本開示の少なくともこのような態様にしたがう燃焼器組立体は、少なくとも1つの可燃性燃料流と少なくとも1の空気/酸素流を受け取り、次いで拡散領域270内でこれらの流れを混合する。本明細書で空気流74として説明されているが、流れ74は、空気よりも大きな酸素含有率を有し得ること、ならびに、この流れは、空気中に存在する成分が別様に減少されていること、1つもしくは複数のこれらの成分が濃縮されていること、かつ/または空気中に通常存在する1つもしくは複数の成分を含有し得ることは本開示の範囲内である。例示の実施形態では、燃料流は気体の可燃性燃料流276である。
【００８１】
拡散領域270は、図40に模式的に示すように、1つの、典型的には複数の酸化可燃性燃料流274の形成を促進するようになされている拡散構造278を含む。次いで、このような酸化燃料流とも呼び得る酸化可燃性燃料流は燃焼領域92に送出されるが、この領域で、それは本明細書で燃焼流66とも呼び得る加熱排気流66を生成するために点火される。燃焼領域92は、酸化燃料流を点火するようになされている少なくとも1つの点火源88を含む。点火源88は、燃焼領域内の点火領域中に存在するものであると随意選択的に説明可能である。適切な拡散構造278の一例は、ガス流の混合を促進して空気/酸素と気体燃料の相対的に均一な混合物にする構造である。得られる流れ274は、拡散構造が存在しない場合よりも完全にかつ効率的に燃焼する傾向にある。
【００８２】
図41に示すように、本開示による燃焼器組立体262は、空気および/または燃料流の少なくとも一方が複数の小さい流れに分割される分配領域284を随意選択的にまたは別法として含み得る。したがって、分配領域84は、燃料および空気流の少なくとも一方を受け取り、かつ複数の小さい流れに分割するようになされている分配構造86を含む。必要条件ではないが、主空気流および主燃料流を受け取る燃焼器組立体262は、これらの流れのそれぞれを受け取りかつ複数の小さい流れに分割するようになされている分配領域284を含むのが好ましい。これを図41に模式的に示すが、図では、空気流74が複数の小さい空気流74'に分割され、かつ燃料流276が複数の小さい燃料流276'に分割される。図示のように、流れ72'および276'は、拡散領域270内で混合されて、燃焼領域92内で点火される複数の酸化燃料流274を生成する。流体流の流動の脈絡で本明細書に使用するように、「小さい」とは、主要流の対応する質量/モル流量に比較された流れの質量/モル流量を指す。
【００８３】
適切な分配構造286の一例は、空気と可燃性燃料流を複数の小さい流れに細分する構造であるが、これらの小さい流れは、それぞれの細分流の少なくとも1つを対にしてまたは他のまとまりとして点火源に送出される。このような構成によって、燃料流の流量全体が、1つまたは複数の対応する空気流と混合される小さい流れに分割されるので、元の燃料流がより完全に、より効率的に燃焼される。このような構成によって、流れのより適切な全体的な拡散または混合が可能になり、かつ燃焼前に燃料と酸化剤流が分割されていない比較上の燃焼器組立体よりも小さい炎によって燃焼を完了することができる。図41の破線で示すように、分配領域284は、燃料流と空気流を混合しないで、すなわち、拡散できないようにして、これらの流れを分割するように構成されるのが好ましい。したがって、図41の単一の箱として模式的に例示されているが、分配領域は、空気と燃料流のための別々の領域として実施可能であり、かつ/または小さい流れが拡散領域270の送出されるまで、燃料と空気流を相互に分離状態に維持するようになされている分配構造を含むことができる。
【００８４】
本開示による燃焼器組立体262は、液体可燃性燃料流82の形態にある可燃性燃料流64を受け取るように追加的にまたは別法として構成可能である。液体可燃性燃料流82の例示的で非限定的な例は、少なくとも大部分の成分として、1つまたは複数の液体アルコールまたは炭化水素を含有する流れを含む。このような燃焼器組立体の一例を図42に模式的に例示する。図示のように、燃料流82は、この流れが気化されて気化燃料流294を形成する気化領域92に送出される。気化燃料流は、それが複数の小さい燃料流294'に分割される分配領域284に送出される。図示のように、分配領域284は空気流74も受け取り、この空気流を複数の小さい空気流74'に分割する。流れ74'および294'は拡散領域270に送出されて、その領域で、これらの流れは、選択対または同様のまとまりに混合されて複数の酸化燃料流274'を生成する。
【００８５】
図42は、本開示による燃焼器組立体262が、液体可燃燃料流82と気体可燃燃料流276の両方を受け取りかつ燃焼するように追加的にまたは別法として構成可能であることを破線で図示する。燃焼器組立体が可燃性の気体燃料流276も受け取る実施形態では、流れ294,294'、および274'は、気化可燃燃料と気体可燃燃料の両方を含むことになる。
【００８６】
図42に示すように、燃焼器組立体は、気化領域を加熱して液体可燃燃料流を気化するようになされている気化加熱組立体296を含む。図42には、気化加熱組立体のための燃料流298も示されている。この流れ298は、気化加熱組立体296の特定の構造に応じて組成および/または形態が異なる傾向がある。例えば、組立体296が可燃燃料流を燃焼するようになされている場合は、流れ298はそのような流れを含むことになる。同様に、組立体296が電気式加熱組立体である場合は、流れ298は、電源(必要条件ではなく、また限定するものでもないが、燃料電池スタック40および/または蓄電池52を含めて)との電気的接続を含むことになる。
【００８７】
例示目的のために、図40〜図42に示す燃焼器組立体の構成要素は、相互に離間し、対応する流れがこれらの構成要素間で送出されるように例示してある。必要条件ではないが、実際の燃焼器組立体は、内部に一緒に収容されたこれらの構成要素の必ずしも全部ではないにしても、少なくとも1つの構成要素を典型的に有し、かつ/または共通のケースまたは容器を集合的に画定する。例えば、燃焼器組立体全体を1つのケースまたは容器の中に収容することができる。別の例として、燃焼器組立体の2つ以上の機能領域を一体化するか、または別様に共通のケースもしくは容器の内部に収容することもできる。このような別法の例示的な一例として、空気流と燃料流を別々に燃焼領域内に導入するが、それらを導入しかつ点火するとき、これらの流れの拡散を促進する方式で導入するように拡散領域と燃焼領域を一体化することが可能である。
【００８８】
図43は、本開示による拡散燃焼器組立体262の例を幾分詳細に示す。図示のように、全体として300で示してあるが、この燃焼器組立体は、それぞれの気体および液体入力口302および304を介して気体および/または液体の可燃燃料流64を受け取るようになされている。図43では、それぞれの入力口の1つのみを示すが、それぞれの入力口を2つ以上使用可能であることは本開示の範囲内である。燃焼器組立体300が液体と気体の両方の燃料流を受け取るようになされている場合は、燃焼器組立体には、燃料の供給を受けるそれぞれの燃料源が適切な導管を介して連結されている入力口がそれぞれに装備されているのが典型である。燃焼器組立体が、気体燃料流のみまたは液体燃料流のみを受け取るようになされている場合は、これらの入力口の1つは、排除されるか、遮断されるか、または別様に燃焼器組立体において機能停止状態で存在することも可能である。
【００８９】
図43に示すように、液体流82は気化領域292に送出され、その領域では、気化加熱組立体296によって供給される熱などによって、液体流が気化されて気化燃料流294となる。気化ガス流は、単一の気化ガス流として燃焼領域92に送出されないで(空気の事前混合を伴うかまたは伴わずに)、分配領域284を通過しなければならないが、その領域では、分配構造286が気化燃料流294を複数の流れ294'に分割する。さらには、これらの流れ294'は、次いで拡散によって対応する複数の空気流74'と混合され、得られる酸化燃料流274'が燃焼されて集合的に高温の燃焼流66を生成する。したがって、本開示による燃焼器組立体262は、可燃性燃料流と空気流を受け取り、かつこれらの流れを、それぞれが元の流量の小部分(大抵は10%以下)のみを含む複数の流れに分割する。次いで、このような小さい流れが混合され、点火され、かつ燃焼されて燃焼流66となる。
【００９０】
図43に示すように、分配構造286は燃料分配マニホルド310を含むが、これらは、気化燃料流が対応する複数の燃料管314に流入できる複数の燃料流れ口312を含む。例示の実施形態では、燃料流れ口312は、燃料管314に対する入口を画定する。図示のように、これらの燃料管は、相互に離間され、かつマニホルド310から燃焼領域92まで達し、この領域では、燃料管は、燃料流が燃焼領域内に送出される出口316で終端する。したがって、燃焼領域は、気化領域292に送出された元の液体燃料流の流量と少なくともほぼ同等の流量を有する単一の気化燃料流を受け取る代わりに、それぞれが元の流量の小部分のみ含む複数の気化燃料流を受け取る。例えば、それぞれの流れは、元の流量の25%以下の流量を含み得る。それぞれの流れが、元の流量の20%未満、15%未満、10%未満、5%未満、1〜10%の間、または2〜5%の間の流量を含む場合も本開示の範囲内である。元の流量の割合は、このように気化燃料流を受け取るために存在しかつ利用可能な燃料管の数に大きく左右されることを理解されたい。したがって、図43に示した燃料管の数は例示目的のみのために選択したものであること、したがって実際の数は、それぞれの管を通過する1つまたは複数の望ましい流量、およびそれぞれの管を通過する望ましい合計流量の望ましい比率などに応じて異なり得ることも理解されたい。
【００９１】
管314の数とサイズは、好ましくは、しかし限定するものではないが、これらの管を通過する可燃性燃料の流速が、特定の燃料の火炎面速度を下回って維持されるように選択される。これは、可燃性燃料流が、好ましくは、炎が管の出口316から立ち上がる速度、すなわち、流体流量で流動していないことを意味する。例示目的のために、図43に炎を318で示す。図示のように、炎は、燃焼が出口上方の離間領域ではなく、出口で始まるので、出口316に付着しているものと説明可能である。出口上方の、望ましさが劣る状態を図44に318'で模式的に例示する。炎318'は、炎318よりも安定性が劣り、しばしば燃焼効率の低下と非均一な炎となる。したがって、このような炎は、より消炎しやすく、かつ炎318ならば当たることがない隣接構造に当たる恐れもある。このように炎が当たると、望ましくない燃焼副産物が発生し、可燃性燃料流の燃焼熱を低下させ、かつ/または炎に当てられた構造を損傷または劣化させる恐れがある。図43および図44では、管314が直円柱構成を有するように図示されているが、他の断面および長さの構成も使用可能であることは本開示の範囲内である。同様に、ステンレス鋼の管が実験では効果的であることが判明したが、任意適切な材料が使用可能であることも本開示の範囲内である。好ましくは、これらの管は、凝縮液が管を詰まらせ、そこを通過する気化燃料のその後の流れを妨げる恐れあるので、気化燃料流が凝縮点まで冷却されないように構成されている。
【００９２】
好ましくは、それぞれの管314は、流れ口312の1つを通過する気体がいずれも管に流入し、かつ後ほど説明する空気分配室322内に流入できないように、マニホルド310の一部を構成するか、または別様にそれと流体連通する。燃料分配マニホルド310は、少なくともいくつかの実施形態では、それが気化領域292内部の圧力を、複数の燃料管中の圧力よりも少なくとも僅かに高く維持する点では、分配プレナムと呼ばれ得る。このような圧力差は、管の間で気化燃料流の分配を促進し、さらに気体燃料流と気化燃料流の両方が気化領域292内に存在する実施形態では、気化領域292内の流れの混合を促進する。
【００９３】
燃焼器組立体300が、液体可燃性燃料流82に加えて、気体可燃燃料流276を受け取る場合は、気体燃料流も気化領域に送出され、この領域では、それは気化燃料流と混合し、得られる流れは燃料管の間で分配される。これを図43の破線で模式的に例示するが、図では、これらの管が、気体可燃性燃料と気化可燃性燃料の両方を含有する流れ294''を含むように示されている。気体燃料流および気化燃料流は、燃料管に進入する前に一部のみが混合され得ること、ならびにこれらの燃料流のさらなる混合または拡散が個々の燃料管内部で起こり得ることは本開示の範囲内である。流れ294'の流量に関する上の論述と同様に、これらの流れ294''のそれぞれは、液体と気体の可燃性燃料流の元の流量の小部分を含むことになり、上述の例示的な割合がこの場合も適用可能であることを理解された。
【００９４】
論述のように、燃焼器組立体は、追加的にかつ別法として、それが気体可燃性燃料流276のみを受け取るように実施または構成可能である。このような応用例または実施では、気化領域は、気体可燃性燃料流がこの領域に送出され、次いで燃料分配マニホルド(またはプレナム)310によって複数の小さい流れ276'に分割される点で、中間準備領域と呼ばれ得る。
【００９５】
燃焼器組立体300は少なくとも1つの空気入力口320も含み、それを介して空気流74が分配領域284内に送出される。図43に示すように、この空気流は、空気が複数の燃料管の周囲を流れる空気分配室322の中に送出される。図43にも示すように、分配構造は、燃焼分配マニホルド324を含む。このマニホルド324は、小室322内に送出される空気流74を複数の空気流74'に分割するようになされており、それぞれの流れ74'は、元の空気流量の小部分のみを含む。例えば、それぞれの流れは、元の流量の25%以下を含み得る。それぞれの流れが、元の流量の20%未満、15%未満、10%未満、5%未満、1〜10%の間、または2〜5%の間の流量を含み得ることは本開示の範囲内である。燃焼器組立体の少なくとも幾つかの実施形態では、燃焼分配マニホルド324は、それが、小室322内部の圧力を、燃焼領域92内部の圧力よりも少なくとも僅かに高く維持する点で、燃焼プレナムと呼ばれ得る。このような圧力差は、燃焼領域に進入する空気の均一な流れを促進し、かつ空気分配室に進入する燃料流の流量を限定する。
【００９６】
図43に示すように、マニホルド(またはプレナム)324は複数の流れ口326を含み、それを介して空気流74'が燃焼領域内に流入する。同じく図示のように、これらの流れ口は、管314が、これらの流れ口の中に達するように、また例示の実施形態では、それらを貫通できるようにサイズ決めされている。図示するように、これらの管は、それぞれの燃料流(276'、294'、または294''など)が、それが対応する管314を退出するとき、対応する空気流74'によって取り囲まれるように、流れ口326内部に同心配置されている。それぞれの燃料流がその対応する管314を退出するとき、その流れは、拡散によって周囲の空気流74'と混合されて、点火源86などによって点火される酸化燃料流274'を生成する。したがって、空気流と燃料流が一緒に拡散される領域は、燃焼器組立体の拡散領域と呼ばれ得るが、出口316と流れ口326の構成は、空気流と燃料流の対の一体拡散を可能にする拡散構造となる。複数の流れ274'から生成された高温燃焼ガスは、集合的に高温燃焼流66を構成する。
【００９７】
可燃性燃料流と空気流を複数の小さい流れに、また随意選択的には同心の流れに分配すると、燃焼器組立体は、元の流れを分割しなかったら別様に得られたはずの炎よりも小さい炎で燃料流を完全に燃焼することが可能になる。燃料/空気の固定供給量に対して管および流れ口の数を増加すると、それぞれの管を通過する流量は比例して減少する。したがって、この組立体によって送出される燃料の完全な拡散および燃焼に必要な距離も減少する傾向がある。例えば、続いて説明しかつ例示する図45〜図50に示す燃焼器組立体は、出口316から6インチ以内で、さらに一般的には約4インチ以内で、60mL/分の流量で送出される可燃性燃料の燃焼を完了するようになされている。
【００９８】
複数の燃料流を拡散および燃焼領域に送出する速度に関する上の論述と同様に、空気流74'は、消炎または炎の出口316からの分離を引き起こしたりもしくは助長したりすることがない速度で拡散および燃焼領域に送出されることが好ましい。流れ口326のサイズは、空気流の望ましくない速度を発生させないで、酸素の望ましい質量/モル流量を供給するように選択可能であることを理解されたい。
【００９９】
好ましくは、空気流74'の送出は、少なくとも完全燃焼に必要な理論量の酸素がそれぞれの可燃性燃料流に送出されるように行われる。例えば、約70%(体積で)のメタノールと残り分の水との混合物を含む液体可燃性燃料流には、約40L/分の空気の理論量が必要である。好ましくは、過剰の酸素、すなわち緩衝酸素を供給するために、必要な理論量よりも多い酸素が送出される。例えば、流れ74'中の酸素は、可燃性燃料の特定の組成に必要な酸素理論量の約1、2、または3倍以上よりも多く存在する場合がある。理論量上必要な酸素量の1.1〜1.3倍の範囲で存在する酸素成分を含む空気流74'が効果的であることが判明したが、これより多い量および少ない量の他の酸素流量も使用可能であり、かつ本開示の範囲内である。
【０１００】
本開示にしたがって構成された燃焼器組立体262は、理論量上必要な酸素量の数倍の量を効果的に利用可能である。例えば、200〜500%の過剰空気が燃焼器組立体に送出される場合、燃焼器組立体は依然として効果的に燃料流を燃焼し、かつ高温の燃焼流を生成する。このような過剰空気の影響は、炎がより低温になることであり、換言すれば、高温燃焼流66は、それほど過剰ではない空気によって生成された比較上の流れほど高温にならないことである。過剰な空気量は、燃焼器組立体に対する空気送出量の制御によって、燃焼器組立体による発生熱量が制御可能になる機構となる。上述のように、そのような過剰空気構成で燃焼器組立体を使用することが企図されている場合、流れ口126は、過剰空気の得られる流れ74'が、消炎を生じるほどの速度では流れないようにサイズ決め可能であり、さらに炎が出口316から離れないようにサイズ決めするのが好ましい。
【０１０１】
図43に例示の実施形態では、それぞれの燃料管314が、燃焼マニホルド324中の流れ口326の1つから突き出している。このような拡散構造278の構成では、それぞれの流れ口326を通過する空気流74の一部は、燃料流のそれぞれの出口を取り巻く空気流を生成する。このような構成の利点は、可燃性燃料流が燃焼マニホルド324の上方に送出され、それによって可燃性燃料が管外部の拡散領域内に流入する可能性を低下させることである。しかし、1つまたは複数の燃料管が、燃焼マニホルド324の燃焼面または分配面(それぞれ330および332)と面一になっているか、それらの中間のいずれかの箇所にあるか、または管がマニホルド324に達する前に終端する場合も本開示の範囲内である。空気流は管の外側の分配領域内に送出され、かつ気化領域292に流入できないので、空気流は、分配領域284から拡散および燃焼領域270および92に到る正のガス流を生成する。上述の変形の幾つかの例を図44に図示する。図示のように、図44の左側の管314は、マニホルド324の燃焼表面330を超えておらず、図44の右側の管314は、ほぼマニホルド324の燃焼表面332と分配表面330の間で終端している。
【０１０２】
論じたように、本開示による燃焼器組立体262は、気体または液体の可燃性燃料流の一方のみを受け取るように構成可能である。気体の可燃性燃料流のみを受け取る実施形態または応用例では、加熱組立体96が必要ないことを理解されたい。実際に、燃焼器は気体の可燃性燃料流のみを受け取るように構成されている場合は、燃焼器組立体は、図44の左側に示す気化加熱組立体を備えずに構成可能である。燃焼器組立体が上記燃料流のいずれかまたは両方と共に選択的に使用される場合は、燃焼器組立体が備わる傾向にあるが、気体燃料流のみが気化領域内に受け入れられる場合には、一般的に使用されない。
【０１０３】
図44の右側には、液体の可燃性燃料流(単独かまたは気体の可燃性燃料流276に加えて)を受け取るように構成されている燃焼器組立体の気化領域292および対応する気化加熱組立体296に関して、いくつかの随意選択的な構成が示されている。図示のように、気化領域292は、基部340と、この基部から概ね燃料分配マニホルド310に向かって延びる仕切342を含む。この仕切342は、液体の可燃性燃料流82が、気化領域内への導入時に最初に送出される壁、または液溜め344を作る。液溜め344によって、一定量の液体可燃性燃料流82を気化領域内に送出可能になり、かつ液溜めの中に貯留または蓄積可能になる。貯留された流れの水準は、それが仕切の高さに達するまで上昇し、その時点では、追加的な量の流れ82を送出すると、流れの一部が仕切を超えて流出する。これが発生すると、仕切を超えて流出する(または降り注ぐ)少なくとも一部が、液溜め344の下部に延在していない基部340の領域352に接触することになり、この領域では、その流出部分は、加熱組立体296が供給する熱によって気化される。
【０１０４】
このような構成の利点は、燃焼器組立体が液体可燃性燃料の「備蓄」または「緩衝」346を有することである。例えば、燃焼器組立体300に対する流れ82の流量が遮断されるか、または別様に非均一になるようなことがあれば、燃焼領域に対する気化燃料の流量を維持するために備蓄が加熱されるので、この備蓄を気化することができる。新たに液体可燃性燃料が液溜めに送出されていない場合の液溜めからの気化燃料流量は、流れ82が燃焼器組立体に均一に送出されていたら、生成されていたはずの対応する流量を下回ることになるが、このような構成は、依然として燃焼領域92内で生成される炎が消えてしまう可能性を低める機構となる。したがって、液溜めは、可燃性燃料が気化領域92に送出される流量に対して、燃焼領域92に対する可燃性燃料の流量を平均化、すなわち、均等化するための機構であると説明可能である。このような構成が利点であるのは、燃焼器組立体に対する可燃性燃料の送出が不安定であれば、可燃性燃料の流れが途絶えるか、または低流量の期間の直後に遙かに大きな流量の期間が続くときなどに、消炎を引き起こす恐れがあるからである。このような変動が炎を完全に消滅させない場合でも、それらは、瞬間的な燃え上がりおよび不完全燃焼の期間など、依然として炎を不安定にさせる傾向がある。したがって、図44に示す構造を有する燃焼器組立体は、このような構造を有しない従来の液体燃料燃焼器に比べて、消炎状態、または不安定な燃焼状態に陥る可能性が低い。
【０１０５】
上述の構成の一変形として、仕切342は、それを貫通して、液体可燃性燃料の一部が仕切を通過できる1つまたは複数の穴、溝、または同様の導管348を含んでもよい。好ましくは、1つまたは複数の導管は、単位時間当たりに導管を通過して流れる可燃性液体燃料の流量が、気化領域内に流入する流れ82の流量以下であるようにサイズ決めされる。換言すれば、仕切342が1つまたは複数の導管348を含む場合は、流れ82は、液体燃料流がこの1つまたは複数の導管348を通過して流れる流量を超える流量で、気化領域内に送出されることが好ましい。このような構成では、流れ82の流量が、仕切を通過しかつ/または気化することなどによって液体流の備蓄が枯渇するのに十分な時間の間、中断または短縮されない限り、液体燃料の備蓄分が確保されかつ絶え間なく補充されることになる。しかし、たとえ流れ82の流量が経時的に変化する傾向にあっても、液溜めが、仕切を通過しかつ気化できる液体燃料の供給源を含む限り、分配領域284に対する気化燃料の正味流量は、比較的安定することになるかまたは標準化されることになる。
【０１０６】
例えば、流れ82を気化領域92に送出するための1つの適切な機構は、ポンプの使用である。往復ピストンポンプのような幾つかのポンプは、間隔(各ピストンサイクルの半サイクルの間など)をおいて液体を送出し、したがって一定流量の流れ82を供給しない。したがって、往復ピストンポンプは、間隔をおいて流れ82の流量を送出する傾向にあるが、仕切342(1つまたは複数の導管348を備えていてもまたはいなくても)を使用すれば、ポンプから生成される気化燃料の流量を安定化または標準化することができる。
【０１０７】
図44の下方に示すように、気化加熱組立体は、液溜め344の基底をなす基部の一部を含めて、気化領域の基部全体340を加熱するように構成可能であることが分かる。このような構成の利点は、液体燃料流の全部が、気化加熱組立体によって最終的に気化されることである。別法による1つの構成を破線で図示する。この別法による構成では、気化加熱組立体は、液溜め直下の基部の一部350を直接加熱しないように、またはその基部の一部を、上にある液体可燃性燃料流の気化を意図する基部の一部352と同じ高さの温度まで加熱しないようになされている。例えば、気化加熱組立体は、部分352のみの概ね直下に配置可能である。換言すれば、液溜めの位置をずらすか、または別様にそれを加熱組立体から離して配置することが可能である。追加的なまたは別法による1つの実施例として、部分350を絶縁するか、または基部の他の部分が作製されている材料よりも伝導性が低い材料から作製することもできる。
【０１０８】
本開示にしたがって構成された別の燃焼器組立体262を図35および図36に示し、全体として400で示す。本明細書で使用するように、同様の要素および副次的要素は、本明細書に論じかつ/または例示する燃焼器組立体、燃料処理および燃料電池システムの様々な例示的な実施形態の間で同じ参照符号が維持されている。これらの後ほど参照する構造は、(必要条件ではないが)先に提示した構造と同じ要素、副次的要素、および変形を有することは本開示の範囲内である。例示的な一例として、燃焼器組立体400は、仕切342を有する気化領域292を含む。しかし、先に論じた実施形態と同様に、燃焼器組立体400は、液溜めを備えずに構成することも可能であり、かつ/または仕切を貫通する1つまたは複数の導管348を含む液溜めを備えて構成可能であることも本開示の範囲内である。別の例として、図46に示す燃料管が分配マニホルド324から突き出しているが、これらの管は、他の相対的な位置、幾何学的配置、および本明細書に例示されかつ/または説明されている同様の配置をいずれも有し得ることは本開示の範囲内である。図面を簡略化する目的のために、あらゆる副次的要素および/または随意選択的な構造は、本開示による燃焼器組立体のそれぞれの例示的な図では反復して論じることも、かつ/または符号付けもしない。
【０１０９】
図45および/または図46に示すように、燃焼器組立体400は、その燃焼領域、拡散領域、および分配領域が内部に収容されている容器402を含む。例示の実施形態では、容器402は、概ね円柱形構成を有し、燃焼器組立体を燃料処理装置に結合するようにサイズ決めされている取付け台404を含む。図示のように、取付け台は小径首部406の形態を取るが、取付け台404が、突縁、支柱、ねじ山および同様のものなど、他の構成を有し得ること、および取付け台なしで容器を形成できることは本開示の範囲内である。容器402は他の任意適切な形状を有し得ること、および容器は図45および/または図46に示されている構成要素の数よりも多い要素から形成可能であることも本開示の範囲内である。可燃燃料流64(気体の可燃燃料流276のような)のための燃料供給導管408および空気流74のための空気供給導管410も図示されている。実線で示す例示の実施形態では、燃焼器組立体は、気体の可燃性燃料流のみを受け取るようになされている。しかし、気化加熱組立体296、液体の可燃燃料流82のための供給導管411、および随意選択の仕切342が破線で示してあり、液体の可燃性燃料流を受け取りかつ気化するように構成されている燃焼器組立体400の変形の中に全体として存在することになる。
【０１１０】
燃焼器組立体400は、管314と気体分配マニホルド(またはプレナム)310に適切な別の構成も示す。図43および図44に例示したような、管314がマニホルド310中の流れ口312から延びる先の例示的な実施形態とは異なり、この燃焼器組立体400は、管がマニホルド310中の流れ口を貫通して突出し得る。したがって、管314は、気化領域292内部に位置する入口412を有する。
【０１１１】
恐らくは図45で最も適切に分かるように、燃焼器組立体は、燃焼分配マニホルド324中の対応する複数の流れ口326の内部に同心位置決めされている複数の管314を含む。必要条件ではないが、燃焼器組立体400は、マニホルド324が、入力口320の直ぐ前に、流れ口と対応する管を含まないか、または割合として流れ口と管の数が少ない部分420を含むことができる。図示するように、この部分420は、対称的な分布であれば流れ口326(したがって管314)が分布しているはずの区域に対応する。しかし、この部分420は、流れ口が非対称的に分布され、図45に示すように、流れ口が存在していない区域に対応する。このような構成の利点は、入力口320の直ぐ前に、マニホルド324中に流れ口326が存在しない(または随意選択的に数が少ない)ことによって、空気分配室322全体に空気流の分配が促進されることである。
【０１１２】
図45および図46はまた、本開示による燃焼器組立体262は、小室、すなわち通路422を含むことが可能であり、それによって、点火源88を燃焼器組立体に取付け、かつ/または挿入可能であり、さらにそれから取外し可能であることを示す。点火源88が通路422内部にあると、燃料流が点火されるときに発生する炎との直接接触から点火源を保護する傾向がある。必要条件ではないが、通路422を取り囲む空気流74'は、燃料流を点火するときに発生する炎から点火源を保護する傾向にある空気の流れを供給することが図45および図46で分かる。
【０１１３】
恐らくは図46で最も適切に分かるように、通路422は、燃焼器組立体を貫通して基部340に達し、それによって、燃料処理装置に(取付け台404などを介して)取り付けられている燃焼器組立体から点火源を取り外すことが可能になる。このような構造の利点は、定期的な保守または交換を要する点火源が、点火源の検査、保守、または脱着/交換を行うためだけに燃料処理装置から燃焼器組立体全体を取り外す必要がなく、本開示による燃焼器組立体で使用可能であることである。その代わりに、恐らくは図46で最も適切に分かるように、点火源は通路内部に挿入可能であり、かつ検査、保守、または交換などでは、基部340に通じて、その通路から選択的に取外し可能である。
【０１１４】
燃焼器組立体400の一変形を図47および図48に示す。図示のように、燃焼器組立体は、気化領域292から燃焼領域92を貫通し、さらに、熱電対または他の適切な温度センサのような1つまたは複数の温度センサ432を部に挿入することができるスリーブ430を含む。温度センサを含むと、1つまたは複数のセンサ432と接続する処理装置または他の適切なモニタによって、燃焼器組立体の動作状態を測定することができる。例えば、1つまたは複数のセンサを使用して、燃焼が燃焼領域で始まったかどうかを検出することができる。別の例として、可燃性燃料の中断、消炎などの場合に、燃焼器組立体がもはや熱を発生(または維持)しなくなると、温度センサ432を使用してそれを検出することができる。さらには、燃焼器組立体の1つまたは複数の領域から測定した温度を使用して、燃焼器組立体の動作状態を制御または調整することができる。例えば、燃焼器組立体が気化加熱組立体296によって最初に予熱されるとき(引き続いて論じるように)、温度センサ432を使用して、選択予熱温度の到達時点が測定可能である。温度センサの別の可能であるが、必要条件ではない応用例として、安全上の理由で、すなわち、燃焼器組立体の領域が所定の閾温度を超えたかどうかを検出するために、温度センサを使用することもできる。スリーブ430は、1つまたは複数の熱電対または他の温度センサのためのセンサポートまたは取付け台であるとも言える。
【０１１５】
図示の実施例では、スリーブ430は、燃焼器組立体の基部340を介して通じる通路434を画定する。通路422に関する上の論述と同様に、このような構成によって、燃焼器組立体を燃料が燃料処理装置に装着したままで、燃焼器組立体に温度センサまたは他の測定用機器を挿入しかつそれから脱着することが可能になる。例示の実施形態では、スリーブ430は、燃焼器組立体の上記領域のそれぞれを貫通するので、スリーブ内部の適切な位置に適切なセンサ432を挿入することによって、このような領域のそれぞれの温度を選択的に測定することができる。図48に、燃焼器組立体内部にスリーブ430および/または1つもしくは複数のセンサ432を保持する取付け台436も示されている。
【０１１６】
図49〜図51は、図45〜図48の燃焼器組立体の別の変形であり、全体として400'で示す。図示するように、燃焼器組立体は、液体燃料導管412を介して液体可燃性燃料流82を受け取りかつ気化させる。燃焼器組立体400'は、液体可燃性燃料流のみを受け取るように構成可能であるが、その場合には、供給導管408とそれに対応する入力口を割愛してもよい。同様に、前述の通路およびスリーブ430が図49〜図51に示してあるが、燃焼器組立体400'は、これらの構成要素ならびに/または本明細書で説明されかつ/もしくは例示されている他の要素、副次的要素、および/もしくは変形を備えずに構成可能である。
【０１１７】
図49には、電気抵抗加熱器のような電気式加熱器462を収容するようになされている複数のポート、すなわち取付け台460を具備する気化加熱組立体296を含む燃焼器組立体が示されている。図示のように、この加熱組立体296は4つのポート460を含むが、これらのポートの数と構成が異なり得ることは本開示の範囲内である。例えば、電気式抵抗加熱器の脈絡であっても、このような加熱器は、図50に示した円筒形カートリッジ加熱器とは異なって、円板または平坦な構造を有し得る。加熱器の電力要件および/または熱出力も、使用される加熱器の数と構造に影響し得る。図50では、加熱器462は、ポート内部に収容されているように示されており、また蓄電池、燃料電池、電気取出し口、発電器などのような電源に接続されている電気リード線464を含む。
【０１１８】
加熱組立体296は、気化燃料流が燃焼領域92内で点火される前に凝縮しないほどの十分な温度に、この流れを加熱することが好ましい。したがって、加熱組立体296は、気化燃料流を過熱するように構成可能である。メタノール、または随意選択的にメタノールと50体積百分率までの水を含む液体可燃性燃料流では、10.6ボルトで100ワットを出力するように設計されている4つの加熱器462が効果的であることが判明した。しかし、加熱器の数および/またはそれから供給される熱量は、液体可燃性燃料流の組成、その流量、および/または気化領域の構成に応じて異なる傾向にあること理解されたい。加熱器は、定出力を供給することが可能であるか、または別法として出力の所定範囲内から選択熱量を供給するように選択制御可能である。例えば、加熱器を1つも励磁しない場合と全部の加熱器を励磁する場合の間で選択的に励磁を行うことによって、加熱組立体の出力が変更される。別の例として、電力を選択的にスケール変更するために、加熱器に送出される直流電圧のパルス幅変調などによって、加熱器に供給される電力の制御を行うことが可能である。
【０１１９】
加熱器462が気化加熱組立体内部に着脱自在に収容される場合は、加熱組立体は、(必要条件ではないが)内部に加熱器を保持し、それによって加熱器の偶発的な離脱を防止するようになされている適切な保持具466を含み得る。図50および図51に、案内具に選択的に挿通されるピン468の形態にある適切な保持具466の例示的な例を示すが、この案内具は、それにピンが挿通されると、ポートの開口部の少なくとも一部がピンによって塞がれるように位置決めされている。このような構成では、気化加熱組立体96は、ポートのそれぞれの端部にこのようなピン468を少なくとも1本含むことができる。このような構成の一変形として、加熱器がポートの1端のみに挿入(または取外し)可能であるように取付け台をキー締めすることができる。例えば、加熱器が完全にポートを貫通できないようにポートの1端を塞ぐか、または閉鎖することさえ可能である。
【０１２０】
図50はまた、通路422を介して、燃焼領域92に対して選択的に動作位置に挿入しかつ動作位置から取り出しできるモジュール式、またはカートリッジ式の点火源88を示す。図示のように、点火源は、特定の1つまたは複数の点火要素482が内部に配置されている容器480を含む。例えば、この容器480は、燃焼触媒、点火プラグ、電気加熱式セラミック要素などを含み得る。図示のように、容器480は、燃焼器組立体を基部340などに解放自在に結合するようになされている取付け台484を含む。
【０１２１】
図52および図53に、本開示による燃焼器組立体262の別の例を示し、全体として500で示す。例示の実施形態では、燃焼器組立体500は、燃料受口302を介して気体の可燃燃料流を受け取り、空気受口320を介して空気流を受け取るようになされている。しかし、燃焼器組立体500は、追加的にもしくは別法として、受口302または気化/中間準備領域292内部の追加的な受口を介して液体の可燃性燃料流を受け取ることも本開示の範囲内であり、このような一実施形態の燃焼器組立体500も液体燃料を領域292内で気化するように加熱される。恐らくは図53で最も適切に分かるように、燃焼器組立体500は、二又の、すなわち、分割された空気分配室322を示す。さらに詳細には、恐らくは図53で最も適切に分かるように、空気流は、主分配領域510に送出され、その領域は、例示の実施形態では、管314を取り囲みかつ壁構造512によって管から隔離されている環形の形態を取る。図示するように、壁構造512は、空気流が通過して副分配領域516に導入され得る複数の受口514を有し、この副分配領域では、空気流が、管の周囲を流れ、かつ燃焼分配マニホルド324中の流れ口326の間で分配可能である。好ましくは、受口514が壁構造512の周囲に間隔をおいて配置され、領域510に進入する空気が、この領域内部で循環し、かつ複数の径方向に離間された受口から副分配領域516内に導入される。空気分配室322の分割設計は、領域516全体に空気流の分配を促進するようになされている。
【０１２２】
論述したように、燃焼器組立体500は、液体の可燃燃料流を受け取りかつ気化するようになされ得る。このような燃焼器組立体の変形の例示的な一例を図54に示し、全体として500'で示す。実線で示すように、この燃焼器組立体は、気化加熱組立体296を含み、かつ図52の気体可燃性燃料流に関して先に利用した受口のような、入力口を介して液体可燃性燃料流を受け取るようになされている。燃焼器組立体が気体と液体の可燃性燃料流のいずれかまたは両方を選択的に受け取るようになされている場合は、気化領域292は、1対の燃料入力口を含むのが典型であり、このような第2受口が図54に破線で示してある。図54では、気化加熱組立体296が、共通のケースまたは容器402の内部にあるようにまたはその一部を形成するように、燃焼器組立体500'の他の部分に装着されるかまたは一体化されているものとして例示されたが、気化加熱組立体296は、気化領域に液体可燃性燃料流を気化するのに十分な熱を送出するように単に位置決めされているだけの別体の構造であり得ることも本開示の範囲内である。例えば、電気的にまたは燃焼などによって熱自体を生成する代わりに、加熱組立体は、液体可燃性燃料流を気化する加熱流体流を送出することも可能である。
【０１２３】
動作では、液体可燃性燃料流(単独でまたは気体可燃性燃料流と組み合わせて)を受け取るようになされている、本開示による燃焼器組立体262は、気化加熱組立体296などによって予熱されるのが典型である。燃焼器組立体を予熱する理由は、気化領域の加熱中に、液体可燃性燃料流が、この領域を充満することもなく、またはそこに溢出することもないからである。アルコールおよびより短い鎖状炭化水素のような、ほとんどの適切な液体燃料では、気化領域を少なくとも150℃、典型的には500℃未満まで予熱することが効果的であると判明した。気化領域を約200〜250℃まで予熱すると、メタノールおよびメタノール/水の液体可燃性燃料流には特に効果的であることが判明した。必要条件ではないが、気化領域に送出される液体可燃性燃料流の薄膜沸騰を引き起こす温度まで、この領域を予熱することが望まれ得る。
【０１２４】
論述したように、本開示による燃焼器組立体262を使用して、様々な燃料処理装置の水素製造領域を加熱することができる。例示目的のために、以下の論述では、炭素含有原料と水を含む供給物流16を受け取るようになされている水蒸気改質器の形態にある燃料処理装置で使用される、本開示による液体/気体燃焼器組立体を説明する。しかし、燃料処理装置12は、上述のように、他の形態も取り得ることは本開示の範囲内である。適切な水蒸気改質器の一例を図55に例示し、全体として530で示す。この改質器530は、水蒸気改質触媒23を含む改質領域の形態にある水素製造領域19を含む。この改質領域で、このような脈絡ではリフォーメート流とも呼び得る生成流20が、供給物流16を構成する水と炭素含有原料から生成される。
【０１２５】
前述のように、供給物流16は、水と水溶性炭素含有原料の両方を含む単一流であっても、または改質領域内で消費される水と1つまたは複数の炭素含有原料を集合的に含む2つ以上の流れであってもよい。図55の破線で示すように、供給物流16の少なくとも炭素含有原料成分が、燃焼器組立体262に送出される可燃性燃料流64も構成することは本開示の範囲内である。完全な供給物流(すなわち、水と炭素含有原料)を燃焼器組立体262のための可燃性燃料流として使用できることも本開示の範囲内である。例えば、改質供給物流は、約50〜75体積百分率のメタノールと約25〜50体積百分率の水を含み得る。特に適切な供給物流の一例は、69体積百分率のメタノールと31体積百分率の水を含む。このような流れは、改質器530のための供給物流および本開示による燃焼器組立体のための可燃性燃料流として効果的に使用可能である。このような共通の供給物/燃料の利点は、燃料処理システムのサイズ全体が、供給物流16(またはその成分)とは異なる組成を有する燃料流64を貯蔵しかつ送出する必要がないことによって小さくなることである。
【０１２６】
燃焼器組立体262を使用して、オフ、または低温状態から水蒸気改質器530を加熱する場合は、燃焼器組立体は、最初に気化加熱組立体296を使用して予熱される。例示的な例として、メタノールを含む供給物流16を受け取る改質器は、少なくとも300℃、より好ましくは325〜350℃まで予熱されるのが典型である。このような温度に達すると、液体可燃性燃料流82は、気化領域に送出されかつ気化され、さらに空気流74が分配領域284に送出される。気化された燃料流と空気流は、本明細書で論じるように、水蒸気改質器530の少なくとも改質領域を加熱するために使用される生成高温燃焼流66と共に、送出され、一緒に拡散され、かつ点火される。
【０１２７】
改質領域が所定の改質温度(論じたように供給物流16の組成に応じて異なる傾向にある)に加熱されると、供給物流16は、リフォーメート流20を製造するために改質領域に送出される。供給物流16(またはその少なくとも炭素含有原料成分)は、燃焼器組立体のための可燃性燃料流として使用され続けるが、燃料流の少なくとも一部、または全部さえも副産物流28によって構成可能である。このような一実施形態では、燃焼器組立体は、改質器の始動時に最初に液体可燃性燃料流と共に使用され、次いで、改質領域の予熱後、気体燃焼器組立体と共に使用され、リフォーメート流を製造する。
【０１２８】
このような燃焼器組立体262の例示的な利用法を図56のフローチャート560に示す。図の560で示すように、燃焼器組立体を予熱する。562では、燃焼器組立体が液体可燃性燃料流を使用して改質領域を予熱する。論じたように、この燃料流は、改質器のための供給物流と同じ組成を含み得る。564で、予熱された改質領域は、炭素含有原料と水を含む供給物を受け取る。供給物流を改質して水素ガスおよび他の気体を含むリフォーメート流を製造する。566では、リフォーメート流を高濃度水素流と副産物流に分離し、さらに568では、この副産物流を気体可燃性燃料流として使用するために燃焼器組立体に送出する。副産物流が改質領域を適切な改質温度に維持するのに十分な燃焼熱を含んでいれば、液体可燃燃料流の流れを停止することができる。副産物流28が十分な燃焼熱を含んでいなければ、別の気体可燃性燃料流(リフォーメート流20、高濃度水素流26、または生成物水素流14の一部を含む)などを使用して、それを補充することが可能であり、かつ/または液体可燃性燃料流を、典型的には、その始動流量に比べて少ない流量で燃焼器組立体に送出する。しかし、以上の実施例は、本開示による燃焼器組立体に関する数多くの使用例の1つに過ぎないことを理解されたい。
【産業上の利用可能性】
【０１２９】
本開示による燃焼器組立体、水蒸気改質器、燃料処理システム、および燃料電池システムは、燃料処理、燃料電池、および水素ガスが製造される他の産業に応用可能であり、燃料電池システムの場合には、発電するために燃料電池スタックによって消費される。
【０１３０】
以上に述べた本開示は、独立した有用性を有する多面的な個別の発明を包摂するものと考える。これらの発明をそれぞれにその好ましい形態で開示したが、本明細書に開示しかつ例示したその特定の実施形態は、数多くの変形が可能であり、したがって限定的な意味で考えるべきものではない。本発明の主題は、本明細書に開示した様々な要素、特徴、機能、および/または特性のあらゆる新規かつ非自明の組合せおよび副次的な組合せを包含するものである。同様に、特許請求の範囲で、「1つの」または「第1の」要素またはその均等物を記載する場合は、このような特許請求の範囲は、1つまたは複数の要素の組込みを包含するものであって、このような要素が2つ以上必要であることでもなければ、2つ以上のこのような要素を排除するものでもないことを理解された。
【０１３１】
特許請求の範囲は、開示された本発明の1つならびに新規かつ非自明であるいくつかの組合せおよび副次的な組合せを特に指摘するものであると考える。特徴、機能、要素、ならびに/または特性の他の組合せおよび副次的な組合せにおいて実施される発明は、本特許請求の範囲の補正を通じて請求されるか、または本出願または関連出願における新たな特許請求の範囲の提示によって請求される場合がある。そのような補正されたまたは新たな特許請求の範囲も、それらが異なる発明に関連するかまたは同一の発明に関連するかに関わらず、元々の特許請求の範囲に対して、その範囲が異なるか、広くなるか、または同一であるかに関わらず、開示された本発明の主題の範囲内に包含されるものと見なされる。
【図面の簡単な説明】
【０１３２】
【図１】本開示による燃焼器組立体を有する燃料処理システムを示す概略図である。
【図２】本開示による化学的一酸化炭素除去組立体を有する燃料処理システムを示す概略図である。
【図３】本開示による燃焼器組立体を有する燃料電池システムを示す概略図である。
【図４】本開示による燃焼器組立体を有する別の燃料処理装置を示す概略図である。
【図５】本開示による別の燃焼器組立体を示す概略図である。
【図６】本開示による別の燃焼器組立体を示す概略図である。
【図７】水素製造領域と燃焼器組立体の両方が同じ液体炭素含有原料を受け取る、本開示による燃料処理装置を示す概略図である。
【図８】炭素含有原料が、同じ供給流から水素製造領域と燃焼器組立体に送出されている、図7の燃料処理装置の一変形を示す概略図である。
【図９】水素製造領域と燃焼器組立体の両方が、水と液体炭素含有原料を含む燃料、または供給物流を受け取る、本開示による燃料処理装置を示す概略図である。
【図１０】水素製造領域と燃焼器組立体の両方が、同じ供給流から水と炭素含有原料を含む燃料、または供給物流を受け取る、図9の燃料処理装置の一変形を示す概略図である。
【図１１】図9および10の燃料処理装置の別の変形を示す概略図である。
【図１２】本開示による別の燃焼器組立体を示す概略図である。
【図１３】霧化流れ口を備える霧化組立体を含む燃焼器組立体の点火流域を示す概略図である。
【図１４】霧化流れ口を有するノズルを備える霧化組立体を含む燃焼器組立体の点火領域を示す概略図である。
【図１５】霧化流れ口を有するノズルを備える霧化組立体を含む燃焼器組立体の別の点火領域を示す概略図である。
【図１６】供給物流を霧化する衝突部材を備える霧化組立体を含む燃焼器組立体の点火領域を示す概略図である。
【図１７】供給物流を霧化する衝突部材を含む燃焼器組立体の別の点火領域を示す概略図である。
【図１８】供給物流を霧化する衝突部材を含む、本開示による燃焼器組立体の別の点火領域を示す概略図である。
【図１９】衝突部材を含む別の燃焼器組立体の点火領域を示す断面図である。
【図２０】図19の線20-20に沿って取った、図19の領域を示す断面図である。
【図２１】燃料処理装置からの副産物流も燃焼する、本開示による燃焼器組立体の別の点火領域を示す断面図である。
【図２２】図21の線22-22に沿って取った、図21の領域を示す断面図である。
【図２３】本開示による燃焼器組立体の別の点火領域を示す断面図である。
【図２４】図23の線24-24に沿って取った、図23の点火領域を示す上面図である。
【図２５】図24の線25-25に沿って取った、図23の点火領域の分配板の一部を示す断面図である。
【図２６】小面積出口を有する延長スリーブを含む、図20および22の点火領域の一変形を示す断面図である。
【図２７】図26の点火領域の延長スリーブを示す上面図である。
【図２８】図23および26の点火領域の別の変形を示す断面図である。
【図２９】図28の点火領域を示す分解組立断面図である。
【図３０】本開示による燃焼器組立体を含む燃料処理装置を示す断面図である。
【図３１】本開示による燃焼器組立体を含む別の燃料処理装置を示す断面図である。
【図３２】図31の線32-32に沿って取った、図31の燃料処理装置を示す断面図である。
【図３３】本開示による燃焼器組立体を有する別の燃料処理装置を示す等角図である。
【図３４】図34の燃料処理装置を示す分解組立等角図である。
【図３５】覆いまたはカバー組立体を取り除いた、図33および図34の燃料処理装置を示す側面図である。
【図３６】図33の燃料処理装置の下面図である。
【図３７】支持組立体の脚部が取り除かれている、図36の線37-37に沿って取った、図33の燃料処理装置を示す断面図である。
【図３８】図36の線38-38に沿って取った図33の燃料処理装置を示す断面図である。
【図３９】図33の燃料処理装置を示す断面図である。
【図４０】本開示による別の燃焼器組立体を示す概略図である。
【図４１】本開示による別の燃焼器組立体を示す概略図である。
【図４２】本開示による別の燃焼器組立体を示す概略図である。
【図４３】本開示による別の燃焼器組立体を示す側断面図である。
【図４４】図43の燃焼器組立体の変形を示す断片的な断面図である。
【図４５】本開示による別の燃焼器組立体を示す上面図である。
【図４６】図45の線46-46に沿って取った、図45の燃焼器組立体を示す側断面図である。
【図４７】図45の燃焼器組立体の一変形を示す等角図である。
【図４８】図47の燃焼器組立体を示す分解組立等角図である。
【図４９】図45および47の燃焼器組立体の一変形を示す等角図である。
【図５０】加熱組立体が装着されている、図49の燃焼器組立体を示す等角図である。
【図５１】図50の燃焼器組立体を示す分解組立等角図である。
【図５２】本開示による別の燃焼器組立体を示す等角図である。
【図５３】図52の燃焼器組立体を示す断面等角図である。
【図５４】図53の燃焼器組立体の一変形を示す断面等角図である。
【図５５】本開示による燃焼器組立体を有する水蒸気改質器を示す概略図である。
【図５６】本開示による燃焼器組立体を使用するための例示的方法を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【０１３３】
10  燃料処理システム
12  燃料処理装置
14  生成物水素流
16  供給物流
17  水
18  炭素含有原料
19  水素製造領域
20  混合ガス流
23  水蒸気改質触媒
24  分離領域
26  高濃度水素流
28  副産物流
30  水素選択膜
32  化学的一酸化炭素除去組立体
34  メタン化領域
35  メタン化触媒
36  改質領域
38  PSAシステム
40  燃料電池
41  電流
42  燃料電池システム
44  燃料電池
46  エネルギー消費装置
48  エンドプレート
50  水素貯蔵装置
52  蓄電池
54  流量調節構造
60  加熱組立体
62  燃焼器組立体
64  燃料流
66  高温燃焼流
68  ケース
69  気化領域
70  絶縁材料
72  ジャケット
74  空気流
76  液体の炭素含有原料流
78,78'  複合流
80  燃焼器組立体
82,82'  液体燃料流、エアゾル燃料流
86  点火領域
88  点火源
92  加熱室
94  霧化組立体
96  加熱組立体
98  制御装置
100  流れ口
101  送出導管
102  ノズル
103  送出導管
106  フィルタ
108  排気口
110  衝突部材
112,116,118  接触表面
120  点火領域の壁
122  非静的接触板
124  フィンまたは他の接触表面
128  通信リンク
130  装着板
132  点火装置取付け台
140  分配板
142  小室
144  角度配向通路
146  出口
148  入口
150  分配導管
152  出口
154  交差部分
160  延長スリーブ
162  首部
170  ノズルプラグ
172  ノズル・スリーブ
200,210  水蒸気改質器(水蒸気改質燃料処理装置)
211  開口部
212  空気充満空洞(通路)
214  中実絶縁材料
215  フィルタ
216  排気フィルタ
218  排気開口
220  触媒変換器
221  流れ口
222  改質触媒床
224  分配マニホルド
225  モジュールまたは容器
226  回収マニホルド
227  隔室
228  流体移送導管
230  遮熱材
240  水蒸気改質燃料処理装置
250,252  1対の熱拡散構造
254  センサ
256  気化器
262  燃焼器組立体
270  拡散領域
274  酸化可燃性燃料流
276,276'  燃料流、小さい燃料流
278  拡散構造
284,286  分配領域
292  気化領域
294,294'  気化燃料流、小さい気化燃料流
296  気化加熱組立体
298  気化加熱組立体のための燃料流
300  拡散燃焼器組立体
302  気体入力口
304  液体入力口
310  燃料分配マニホルド
312  燃料流れ口
314  燃料管
316  出口
318,318'  炎
320  空気入力口
322  空気分配室
324  燃焼分配マニホルド
326  流れ口
330  燃焼マニホルドの燃焼面
332  燃焼マニホルドの分配面
340  基部
342  仕切
344  液溜め
346  「備蓄」または「緩衝」
348  複数の穴、溝、または同様の導管
350  液溜め直下の基部の一部
352  液体可燃性燃料流の気化を意図する基部の一部
400,400'  燃焼器組立体
402  容器
404  取付け台
406  小径首部
408  可燃燃料流の燃料供給導管
410  空気供給導管
411  液体可燃燃料流の供給導管
412  入口
420  マニホルドの部分
422  通路
430  スリーブ
432  温度センサ
434  通路
436  取付け台
460  ポート
462  電気式加熱器
464  電気リード線
466  保持具
468  ピン
480  点火要素の容器
482  点火要素
484  取付け台
500  燃焼器組立体
510  主分配領域
512  壁構造
514  受口
516  副分配領域
【図１】
0004520749.tif 000002
【図２】
0004520749.tif 000003
【図３】
0004520749.tif 000004
【図４】
0004520749.tif 000005
【図５】
0004520749.tif 000006
【図６】
0004520749.tif 000007
【図７】
0004520749.tif 000008
【図８】
0004520749.tif 000009
【図９】
0004520749.tif 000010
【図１０】
0004520749.tif 000011
【図１１】
0004520749.tif 000012
【図１２】
0004520749.tif 000013
【図１３】
0004520749.tif 000014
【図１４】
0004520749.tif 000015
【図１５】
0004520749.tif 000016
【図１６】
0004520749.tif 000017
【図１７】
0004520749.tif 000018
【図１８】
0004520749.tif 000019
【図１９】
0004520749.tif 000020
【図２０】
0004520749.tif 000021
【図２１】
0004520749.tif 000022
【図２２】
0004520749.tif 000023
【図２３】
0004520749.tif 000024
【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【図５１】
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【図５２】
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【図５３】
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【図５４】
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【図５５】
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【図５６】
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