(57)【要約】  ガス状燃料触媒部分酸化（ＣＰＯＸ）改質器は、互いに離間されたＣＰＯＸ反応器ユニットの複数の又は一つのアレイを含むことができ、各反応器ユニットは、内表面と外表面を有する壁を有する細長いチューブを含み、この壁は、中に配置される及び／又は構造体を構成するＣＰＯＸ触媒を有する壁の少なくとも一部で開口ガス流通路を囲む。触媒含有壁構造体及びそれによって囲まれる開口ガス流通路は、ガス相ＣＰＯＸ反応ゾーンを画定し、触媒含有壁セクションは、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物が中に拡散出来且つ水素リッチ生産物改質油がそこから拡散できるようにガス透過可能である。ＣＰＯＸ反応器ユニットのＣＰＯＸ反応ゾーンの少なくとも前記外側表面は、水素バリアを含むことができる。また、ガス状燃料ＣＰＯＸ改質器は、一つ以上の点火器とガス状改質可能燃料源を含むことができる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス状燃料ＣＰＯＸ改質器であって：
互いに離間されたＣＰＯＸ反応器ユニットのアレイであって、各ＣＰＯＸ反応器ユニットが、内表面と外表面を有するガス透過可能壁を有する細長いチューブを備えること、前記ガス透過可能壁が、開口ガス流通路を囲むと共に前記ＣＰＯＸ反応器ユニットのインレットとアウトレット画定すること、
一つのＣＰＯＸ反応器ユニットが、前記アレイの少なくとも隣のＣＰＯＸ反応器ユニット（単数又は複数）と熱連通状態にあること、
前記ガス透過可能壁の少なくとも一つのセクションが、ＣＰＯＸ触媒を備えること；及び
少なくとも一つのＣＰＯＸ反応器ユニットのＣＰＯＸ触媒を備える前記ガス透過可能壁の少なくとも一つのセクションと熱連通状態の点火器、
を備えるガス状燃料ＣＰＯＸ改質器。
【請求項２】
水素バリアが、一つのＣＰＯＸ反応器ユニットの少なくとも前記ＣＰＯＸ触媒含有壁セクションの前記外表面と関連する請求項１に記載のガス状燃料ＣＰＯＸ改質器。
【請求項３】
隣り合うＣＰＯＸ反応器ユニット間の最大距離は、ＣＰＯＸ反応が、動作中のＣＰＯＸ反応器ユニットにおけるＣＰＯＸ反応からの熱によって隣のＣＰＯＸ反応器ユニットで開始されることに失敗しないこと及び／又は動作の定常状態モード中に、互いに離間されたＣＰＯＸ反応器ユニットの前記アレイの温度が所定の最小アレイ温度未満に低下しない距離であり；隣り合うＣＰＯＸ反応器ユニット間の最小距離は、ＣＰＯＸ反応器ユニットのアウトレットでの温度が所定の最大温度を越えることがない距離である請求項１又は２に記載のガス状燃料ＣＰＯＸ改質器。
【請求項４】
前記所定の最大温度は、ＣＰＯＸ反応器ユニットのアウトレットと熱連通状態及び流体連通状態にある燃料セルスタックのインレットによって許容できる温度である請求項１乃至３のいずれか一項に記載のガス状燃料ＣＰＯＸ改質器。
【請求項５】
一つ以上の点火器を備え、各点火器は、少なくとも一つのＣＰＯＸ反応器ユニットのＣＰＯＸ触媒を備える前記ガス透過可能壁の少なくとも一セクションと熱連通状態に配置される請求項１乃至４のいずれか一項に記載のガス状燃料ＣＰＯＸ改質器。
【請求項６】
前記ＣＰＯＸ触媒は、前記ＣＰＯＸ反応器ユニットの前記壁内に配置される、又は前記ＣＰＯＸ反応器ユニットの前記壁の内表面上に配置される、又は前記ＣＰＯＸ反応器ユニットの前記壁の構造体を部分的に又は全体的に形成する又はこれらの組合せである請求項１乃至５のいずれか一項に記載のガス状燃料ＣＰＯＸ改質器。
【請求項７】
前記ＣＰＯＸ触媒含有壁セクションは、セラミックを含む請求項１乃至６のいずれか一項に記載のガス状燃料ＣＰＯＸ改質器。
【請求項８】
前記水素バリアは、加圧流体を含む請求項２乃至７のいずれか一項に記載のガス状燃料ＣＰＯＸ改質器。
【請求項９】
請求項１の前記ガス状燃料ＣＰＯＸ改質器を使用してガス状改質可能燃料を水素リッチ改質油にＣＰＯＸ改質する方法であって、前記方法は：
ガス状改質可能燃料よりなるガス状ＣＰＯＸ反応混合物を前記改質器のＣＰＯＸ反応器ユニットのインレットに導入すること；
少なくとも一つのＣＰＯＸ反応器ユニットにおいて水素リッチ改質油の生産を開始するために前記ガス状ＣＰＯＸ反応混合物の触媒部分酸化を開始することであって、前記少なくとも一つのＣＰＯＸ反応器ユニットの前記ガス透過可能ＣＰＯＸ触媒含有壁セクションは、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物が前記壁セクション中に拡散すること及び生産品水素リッチ改質油の前記壁セクションからの拡散を可能にすること；及び
前記少なくとも一つのＣＰＯＸ反応器ユニット中に前記ガス状ＣＰＯＸ反応混合物の触媒部分酸化を維持することを含む方法。
【請求項１０】
水素バリアが、一つのＣＰＯＸ反応器ユニットの少なくとも前記ＣＰＯＸ触媒含有壁セクションの前記外表面と関連する請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
触媒部分酸化を開始する前記ステップにおいて、前記ガス状ＣＰＯＸ反応混合物の酸素対炭素のモル比は、燃料希薄ＣＰＯＸ反応混合物のそれに対応し、且つガス状ＣＰＯＸ反応混合物の触媒部分酸化を維持する前記ステップにおいて、前記ガス状ＣＰＯＸ反応混合物の酸素対炭素のモル比は、燃料リッチＣＰＯＸ反応混合物のそれに対応する請求項９又は１０に記載の方法。
【請求項１２】
互いに隣接するＣＰＯＸ反応器ユニット間の最大距離は、ＣＰＯＸ反応が動作中のＣＰＯＸ反応器ユニットにおけるＣＰＯＸ反応からの熱によって隣の一つのＣＰＯＸ反応器ユニットにおいて開始することに失敗すること及び／又は動作の定常状態モード中にＣＰＯＸ反応器ユニットの温度が予め決定された最小アレイ温度未満に低下することが無い距離であり、及び互いに隣接するＣＰＯＸ反応器ユニット間の最小距離は、ＣＰＯＸ反応器ユニットのアウトレットの前記温度が予め決定された最大温度を越えることが無い距離である請求項９乃至１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
触媒部分酸化を開始することは：
少なくとも一つのＣＰＯＸ反応器ユニットでＣＰＯＸ反応を開始すること；及び
中でＣＰＯＸ反応を開始するために、前記少なくとも一つのＣＰＯＸ反応器ユニットにおける前記ＣＰＯＸ反応からの熱を少なくとも一つの他のＣＰＯＸ反応器ユニットに伝達することを含む請求項９乃至１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記ＣＰＯＸ反応を開始することは、前記ＣＰＯＸ反応器ユニットの各々において前記ガス状ＣＰＯＸ反応混合物の触媒部分酸化を開始するために二つ以上の点火器を始動することを含み、点火器の数は、ＣＰＯＸ反応器ユニットの数未満である請求項９乃至１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
前記ガス状燃料ＣＰＯＸ改質器の動作中に、前記ガス状ＣＰＯＸ反応混合物の酸素対炭素の比率を変化させることを含む請求項９乃至１４のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本願は、２０１３年１１月６日に出願された米国仮特許出願第６１／９００，５４３号明細書の出願日の優先権と利益を享受し、その開示の全体の内容は、参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本教示は、ガス状燃料触媒部分酸化改質器及びガス状改質可能燃料を触媒部分酸化改質して水素リッチ改質油を生産する方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
ガス状又は液体改質可能燃料の水素リッチ一酸化炭素含有ガス混合物、一般的には「合成ガス」又は「シンガス（ｓｙｎｇａｓ）」と呼ばれる生成品、への変換は、スチーム改質、乾燥改質、オートサーマル改質、及び触媒部分酸化（ＣＰＯＸ）改質のような周知の燃料改質操作のいずれかに従って、実行されることができる。これらの燃料改質操作の各々は、その特有の化学的作用と必要条件を有し、且つ各々は、その他の燃料改質操作に対するその有利な点と不利な点によって特色づけられている。
【０００４】
改良された燃料改質器、燃料改質器コンポーネント、及び改質プロセスの開発は、燃料セル、即ち、水素、水素と一酸化炭素の混合物等のような電気化学的酸化可能燃料を電気に電気化学的に変換して主電源ユニット（ＭＰＵ）及び副電源ユニット（ＡＰＵ）を含む一般的な用途のための大きく拡大された役割を果たすためのデバイスのポテンシャルに起因して多くの研究へ焦点が当てられ続けている。燃料セルは、例えば、電気自動車のためのオンボード電気発生デバイス、家庭用デバイスのためのバックアップ電源、レジャー使用、アウトドア及び送電線網を利用しない場所での他の電力消費デバイスのための主電源、及び携行バッテリパックのためのよりより軽量で、高い電力密度、周囲温度から独立した代替品のような特殊化された用途のために使用されることもできる。
【０００５】
大きなスケール、水素の経済的生産、その流通のための基盤、及びその貯蔵のための実際の手段（特に、輸送燃料）は、まだまだ先であると広く信じられているために、多くの現在の研究と開発は、電気化学的酸化可能燃料源、とりわけ、水素と一酸化炭素の混合物源としての燃料改質器とそのような燃料の電気への変換装置のような燃料セル「スタック」とも一般的に呼ばれる燃料セルアセンブリ、及び燃料の改質器と燃料セルの電気エネルギーの生産のためのよりコンパクトで信頼でき且つ効率的なデバイスへの一体化の両方を向上することに向けられている。
【０００６】
ＣＰＯＸ改質、即ち、単純にＣＰＯＸは、例えば、１００ワットから１００キロワットの範囲の名目上の電力定格であってそれらの間である全ての電力定格を有する燃料セルスタックに水素リッチ改質油を提供する方法として特に注目されている。とりわけ、ＣＰＯＸ改質の利点は、反応が、外部の熱源を必要とする吸熱反応であるスチーム改質とドライ改質に対比して発熱的であることである。
【０００７】
更に、ＣＰＯＸ反応は、一般的に、他の改質反応よりも速く、それによって、早いスタートアップ及び負荷の変化における迅速な応答を可能とする比較的に小さな改質器の構成を可能とする。また、ＣＰＯＸ改質器は、水及びスチームの扱いを必要とする改質器、例えば、水のための貯蔵ユニット、スチーム製造のための加熱ユニット、吸熱改質反応を駆動するために熱を供給するバーナーや燃焼ユニット等、及びそれらに関連する燃料の経路付、動作監視及び制御デバイスを必要とするスチーム改質器及びオートサーマル改質器よりも設計がより単純である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第６，７９０，４３１号明細書
【特許文献２】米国特許第７，５７８，８６１号明細書
【特許文献３】米国特許第５，５２７，６３１号明細書
【特許文献４】米国特許第６，４０２，９８９号明細書
【特許文献５】米国特許第６，４５８，３３４号明細書
【特許文献６】米国特許第６，６９２，７０７号明細書
【特許文献７】米国特許第６，７７０，１０６号明細書
【特許文献８】米国特許第６，８８７，４５６号明細書
【特許文献９】米国特許第６，９８４，３７１号明細書
【特許文献１０】米国特許第７，０９０，８２６号明細書
【特許文献１１】米国特許第７，１１８，７１７号明細書
【特許文献１２】米国特許第７，２３２，３５２号明細書
【特許文献１３】米国特許第７，９０９，８２６号明細書
【特許文献１４】米国特許第７，９７６，７８７号明細書
【特許文献１５】米国特許第８，３２３，３６５号明細書
【特許文献１６】米国特許出願公開第２０１３／００２８８１５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、且つ先に認識されるように（例えば、米国特許第６，７９０，４３１号明細書及び第７，５７８，８６１号明細書を参照）、ＣＰＯＸ反応中に生成される熱の典型的に高いレベルは、改質器及び／又はＣＯＰＸ触媒、触媒支持部、及び他の構造的コンポーネントのようなコンポーネントに対する損傷を含む望ましくない結果を有し得る。これは、多くの現在のＣＰＯＸ改質器設計の大きな欠点であり、有効な解決策の必要性がある。
【００１０】
一つの既知のタイプのＣＰＯＸ改質器は、一般的には、「触媒モノリス」、「触媒モノリス支持部」、「モノリス基板」又は単純に「モノリス」と呼ばれる触媒支持コンポーネントを含み、それは、その上に配置されるＣＰＯＸ触媒や触媒系を有する。
【００１１】
モノリスは、二つの一般的な構成に基づいて分類される：第１の構成は、中を貫通する本質的に線形のガス流路を呈するハニカム状のチャネルとされた金網又はらせん状に巻かれたコルゲート状シート構造の金属又はセラミックボディによって特徴付けられ、及び第２の構成は、中を貫通する曲がりくねったガス流路を呈する網状の、即ち、開口の細穴構造の金属又はセラミック発泡ボディによって特徴付けられる。一つ又は他の一般的なタイプの代表的なモノリスは、例えば、米国特許第５，５２７，６３１号明細書、第６，４０２，９８９号明細書、第６，４５８，３３４号明細書、第６，６９２，７０７号明細書、第６，７７０，１０６号明細書、第６，８８７，４５６号明細書、第６，９８４，３７１号明細書、第７，０９０，８２６号明細書、第７，１１８，７１７号明細書、第７，２３２，３５２号明細書、第７，９０９，８２６号明細書、第７，９７６，７８７号明細書、第８，３２３，３６５号明細書、及び米国特許出願公開第２０１３／００２８８１５号明細書に開示されている。
【００１２】
図１Ａに示されるように、長手方向断面で見る、一般的な従来の技術のものであるモノリス１００は、ＣＰＯＸ触媒が含浸された又はウォッシュコートされた、多数のチャネル１０２よりなるハニカム状セラミックボディ１０１と、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物、即ち、ガス状酸化剤、典型的には、空気、と改質可能燃料、例えば、メタン、天然ガス、プロパン又はブタンのようなガス状の燃料又はガソリン、灯油、ジェット燃料又はディーゼルのような気化されたガス状燃料の混合物が入ることができるインレット端１０３、水素リッチ一酸化炭素含有改質油生成品（シンガス）を放出するためのアウトレット端１０４及びモノリス全体と本質的に同一の広がりを持つＣＰＯＸ反応ゾーン１０５を含む。
【００１３】
ＣＰＯＸ反応ゾーン１０５は、内側、即ち、中央領域１０６を有するものと考えられ、この中央領域１０６を通って、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物ストリームの対応する内側、即ち中央部分が、外側，即ち周辺領域１０７によって囲まれる速度Ｖ１の比較的高い範囲内で本質的に流れ、この周辺領域１０７を通って、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物ストリームの対応する外側、即ち、周辺部分が速度Ｖ２の比較的低い範囲内で本質的に流れる。
【００１４】
モノリスは、典型的には、例えば、およそ６００℃から１，１００℃の極めて高いＣＰＯＸ反応温度を受ける。ハニカム状モノリス１００の場合、ＣＰＯＸ反応ゾーン１０５の内側領域１０６と外側領域１０７内を夫々流れるＣＰＯＸ反応混合物ストリームの流速Ｖ１とＶ２の固有の差分に繋がるこれらの高温は、モノリス１００及びＣＰＯＸ改質が関連する他の本質的に線形の流路モノリスの観察された動作上の欠点の主因となる傾向がある。
【００１５】
６００℃から１，１００℃のＣＰＯＸ反応温度では、モノリス１００は、そのインレット端１０３で大量の熱を放射する。ＣＰＯＸ反応状態を注意深く観察し且つ制御しても、「フラッシング」の現象、即ち、放射熱ゾーン１０８内のＣＰＯＸガス状反応混合物ストリームがインレット端１０３に近接する時のそのＣＰＯＸガス状反応混合物ストリームの早期燃焼を防止又は禁止することが困難であり得る。インレット端１０３に近接する初期のＣＰＯＸ反応ゾーン１０９内で生じるＣＰＯＸ反応の発熱の熱はそこから放射熱ゾーン１０８内に外方に向けて放射する。この放射熱は、前進するＣＰＯＸ反応混合物ストリーム（矢印で指示）の温度をそのフラッシュポイントに上昇するのに十分な強度の熱であり得る。放射熱ゾーン１０８内のＣＰＯＸ反応混合物のフラッシングによって望ましくない熱事象が引き起こされ、その温度を、触媒が気化される又は不活性化される点まで上昇する及び／又は改質器構造が損傷される又は動作不能にされるポイントまで上昇する。また、これらの熱事象は、このゾーン内での燃料の分解蒸留に至ることがあり、その結果、コークス（炭素粒子）形成が増加してＣＰＯＸ触媒性能の悪化となる。水素リッチ改質油流出物が燃料セルスタックのための燃料として利用される場合、コークス及びその中に含まれる未改質高級炭化水素部分は、燃料セルのアノード表面に堆積し、生成物の改質油の電気への変換を減少することになる。
【００１６】
更に図１Ａに示されるように、ＣＰＯＸ反応ゾーン１０５の内側領域１０６と外側領域１０７の夫々の内のＣＰＯＸ反応混合物ストリームの流速Ｖ１とＶ２の前述の差分は、また、主に、これらの領域におけるＣＰＯＸ反応温度範囲Ｔ１とＴ２における差分の要因である。このように、内側領域１０６内のＣＰＯＸ反応混合物ストリームのより高い速度Ｖ１は、その領域でのＣＰＯＸ反応率がより高く且つ付随する反応温度Ｔ１がより高くなり、逆に、外側領域１０７内のＣＰＯＸ反応混合物ストリームのより低い速度Ｖ２は、その領域でのＣＰＯＸ反応率がより低く且つ付随する反応温度Ｔ２がより低くなる。内側領域１０６及び外側領域１０７を横切る温度プロファイルは、温度曲線１１０によって表されることができる。十分に高い場合、ＣＰＯＸ反応温度Ｔ１における急な上昇は、モノリス１００に対する損傷及び全破壊とさえなり得る。
【００１７】
図１Ｂに示されるように、長手方向断面から見て従来の技術のタイプの発泡モノリス１５０は、従来の又は他の既知の手順、例えば、含浸又はウオッシュコーティングによって上に堆積されるＣＰＯＸ触媒又は触媒系を支持する相互接続細穴及び細穴チャネル１５２の網状の、即ち、開口の、ネットワークによって特徴付けられるセラミック発泡ボディ１５１を含む。
【００１８】
全てのタイプの発泡モノリスの一つの欠点は、図１Ａのハニカム状モノリス１００のような線形流モノリスに比較して流れに対するより高い抵抗に起因してそれらのより高い圧力低下である。より高い圧力低下は、目標となる流れを満足するためには、より高い動作圧力、従って、より高いエネルギー消費を必要とする。発泡モノリスの他の一つの固有の欠点は、ガス状反応物とその中の反応生成物の流路（矢印で指示されるように）の性質にある。これらの流路の特有のランダム性は、モノリス内の非常に不均一な温度プロファイルとなり（例えば、温度曲線１５３によって指示されるように）、ホットスポットに起因する熱ショック及び／又はコールドスポットに起因するＣＰＯＸ変換率の減少のリスクを増加する。
【００１９】
全てのタイプの発泡モノリスは、また、上述された線形流路モノリスの場合におけるのと同じ程度にフラッシングの影響を受けやすい。加えて、発泡モノリスは、それらの種類の特有の他の欠点を生じやすい。既知及び従来の発泡モノリスを製造する方法に依存して、それらの発泡モノリスは、特に、それらの中央領域内に比較的に脆弱な細穴ネットワークを有する可能性がある、又はそれらの発泡モノリスは、全体にわたってより強固な細穴構造を有する可能性がある。発泡モノリスの両方のタイプは、不利益を受ける。
【００２０】
比較的に脆弱なコア領域を有する発泡モノリスの場合、ＣＰＯＸ改質器（水素リッチ改質油を燃料セルアセンブリに供給するＣＰＯＸ改質器の典型である）の迅速な熱サイクリングから生じる熱ショックは、ＣＰＯＸ反応が進行するとしても、ＣＰＯＸ反応が非常に非効率的に進行する点まで時間経過に従ってそれらの構造を劣化し得る。
頑丈な細穴構造を有する発泡モノリスの場合、そのような構造は、全体的に、ガス流路のランダム性を拡大する傾向がある。ホットスポットにより細穴構造への損傷は無視できる或いは存在しないが、ＣＰＯＸ反応の生産性に悪影響を及ぼす散乱する且つ束の間のコールドスポットの問題は、このタイプの発泡モノリスの一つの欠点のままである。
【００２１】
また、良好に定義され且つ密に制御されたプロセスによって製造される時でも、発泡モノリスは、同じプロセスによって製造される他の発泡モノリスからは、それらの細穴構造において、従って、それらのガス流れ特性において異なっていることが留意される。それらの微細構造における不可避的差の結果として、製造の同じプロセスによって製造される個々の発泡モノリスは、経験的に決定されることができるに過ぎない特有の動作特性を表す傾向がある。実際上は、より広い範囲の性能と信頼性パラメータ又は仕様は、性能における予期できないバラツキを許容するために同じ製造の発泡モノリスを組み込む改質器に割り当てられる。
【００２２】
従って、本産業では、従来の技術の不利益の幾つかを処理できるＣＰＯＸ改質器の新規の設計とＣＰＯＸ改質の新規の方法が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
発明の概要
上記に照らして、本教示は、現状の技術の欠陥及び／不利な点の一つ以上を処理できる、例えば、フラッシングが生じる機会や傾向がほとんどない又は全くない、過剰に高いＣＰＯＸ反応温度が無い、及び／又はガスのストリームの経路指定、ガスの流れのコンポーネント及び通路の全ての全体にわたって低背圧であるガス状燃料ＣＰＯＸ改質器及びガス状燃料のＣＰＯＸ改質の方法を提供する。
【００２４】
一態様では、本教示は、ガス状燃料ＣＰＯＸ改質器であって、互いに離間されたＣＰＯＸ反応器ユニットのアレイ；及び前記ガス状燃料ＣＰＯＸ改質器の少なくとも一つのＣＰＯＸ反応器ユニットのＣＰＯＸ触媒と熱連通している点火器、例えば、少なくとも一つのＣＰＯＸ反応器ユニットのＣＰＯＸ触媒含有壁セクションを備えるガス状燃料ＣＰＯＸ改質器に関する。ＣＰＯＸ反応器ユニットは、典型的には、内表面と外表面を有する壁を有する長いチューブを含む。例えば、「ガス状燃料ＣＰＯＸ改質器」は、「ガス状燃料多管状ＣＰＯＸ改質器」と考えられることができ、それのそのような表現及び変更は、本明細書では、文脈からそうでないと理解される場合を除いて、相互交換可能に使用されることができる。ＣＰＯＸ反応器ユニットの壁は、開口ガス流通路を囲み且つ流体流を受容するために一端にインレットを画定し、流体流の放出のために反対側端にアウトレットを画定する。ＣＰＯＸ反応器ユニットは、アレイ中の少なくとも隣のＣＰＯＸ反応器ユニット（単数又は複数）と熱連通状態であることができる。前記ＣＰＯＸ反応器ユニットは、前記内表面を含むその壁の少なくとも一セクションを有することができ、ＣＰＯＸ触媒を含むことができる。ＣＰＯＸ触媒含有壁セクションは、典型的には、ＣＰＯＸ反応状態下で構造的に安定でありながら、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物をその中に拡散させることができ且つ水素リッチ生成物改質油をそこから拡散させることができるためにガス透過可能である。
【００２５】
ガス状燃料ＣＰＯＸ改質器は、少なくともＣＰＯＸ触媒含有壁セクションの外表面に関連する、例えば、それに取付けられた又はそれに接着された水素バリアを含むことができる。この水素バリアは、ＣＰＯＸ反応器ユニットの壁の大部分、又は実質的に全て、又はその全外表面にも関連できる。加えて、水素バリアは、ＣＰＯＸ反応器ユニットの壁の全露出外表面に関連し得る。例えば、加圧ガスのような加圧流体は、例えば、ＣＰＯＸ触媒含有壁セクションの少なくとも外表面に関連する水素バリアであることができる。
【００２６】
互いに離間されたＣＰＯＸ反応器ユニットのアレイ及びそれらの熱連通に関して、これらのＣＰＯＸ反応器ユニットは、一般的に、一つのＣＰＯＸ反応器ユニットにおけるＣＰＯＸ反応からの熱が一つ以上の隣のＣＰＯＸ反応器ユニットにおけるＣＰＯＸ反応を始動するのに十分に近い距離だけ離間される。しかしながら、これらのＣＰＯＸ反応器ユニットは、一般的には、特に、ＣＰＯＸ反応器ユニットのアウトレットでＣＰＯＸ反応器ユニットの温度の制御ができるのに十分に離れた距離に離間される。即ち、ＣＰＯＸ反応器ユニットは、熱損失がＣＰＯＸ反応器ユニットから生じてＣＰＯＸ反応器ユニット、及びもしあるならば、ＣＰＯＸ反応器ユニット（単数又は複数）のアウトレット（単数又は複数）と流体及び熱連通状態であることができる燃料セルスタックに対する損傷を防止するように離間される。そのような配置では、互いに離間されたＣＰＯＸ反応器ユニットのアレイは、アレイ間で適切な熱バランスを提供し且つ全体的に又はアレイを横切って熱の均一性を促進できる。
【００２７】
例えば、隣接するＣＰＯＸ反応器ユニット間の最大距離は、ＣＰＯＸ反応が、一つのＣＰＯＸ反応器ユニットにおけるＣＰＯＸ反応からの熱によって隣のＣＰＯＸ反応器ユニットにおいて開始されるのを失敗しないその距離である。換言すれば、一つのアレイの一つの（単一の）ＣＰＯＸ反応器ユニットにおけるＣＰＯＸ反応を開始することによって、ＣＰＯＸ反応器ユニットのアレイのＣＰＯＸ反応器ユニットの各々におけるＣＰＯＸ反応を開始するために必要な熱を発生させることができる。最大距離は、動作の定常状態モード中に、ＣＰＯＸ反応器ユニットのアレイの温度が所定の最小アレイ温度、例えば、約６００℃又は約６５０℃未満に低下しないその距離であることができる。
【００２８】
隣接するＣＰＯＸ反応器ユニット間の最小距離は、ＣＰＯＸ反応器ユニットのアウトレットでの温度が所定の最大温度より大きくないその距離であり得る。所定の最大温度は、ＣＰＯＸ反応器ユニットのアウトレットと熱及び流体連通状態にある燃料セルスタックのインレットで許容できる温度、例えば、８７５℃又は９００℃であり得る。
【００２９】
ガス状燃料ＣＰＯＸ改質油は、ＣＰＯＸ反応器ユニットのインレットと流体連通状態にあるガス状改質可能燃料源を含むことができる。ガス状燃料ＣＰＯＸ改質器は、単一の点火器を含むことができ、或いは、二つ以上の点火器、例えば、二つの点火器、三つの点火器又は四つ以上の点火器を含むことができ、そこでは、追加の点火器が他のＣＰＯＸ反応器ユニットのＣＰＯＸ触媒含有壁セクションと熱連通状態に配置されることができる。
【００３０】
ＣＰＯＸ触媒含有壁セクションは、セラミックを含むことができ、又はセラミックであることができる。ＣＰＯＸ触媒含有壁セクションは、多孔基板、例えば、セラミック又は多孔セラミックを含む多孔基板であり得る。ＣＰＯＸ触媒を含む壁の少なくともセクションは、ペロブスカイト（チタン酸カルシウム）であることができる又はそれを含むことができる。例えば、ペロブスカイトは、そのような壁セクションの約２０重量％を超える又は約５０重量％を超えることができる。ＣＰＯＸ触媒は、その壁内に配置されることができる及び／又はその壁の内表面上に堆積されることができる。例えば、ＣＰＯＸ触媒又はＣＰＯＸ触媒系は、例えば、浸漬、ウオッシュコーティング、又は同等の手順によって、壁及び／又は壁の内表面のような表面に堆積されることができる。また、ＣＰＯＸ触媒は、壁、即ち、その壁の構造体を部分的に又は完全に形成することができる。特定の実施形態では、ＣＰＯＸ反応器ユニットの触媒含有壁セクション内のＣＰＯＸ触媒の量は、壁セクションの長さに沿って、例えば、ＣＰＯＸ反応器ユニットのインレット端からアウトレット端へ向かう方向に増加してもよい、及び／又はその量は、その壁の内表面から外表面へ向かって減少してもよい。もしあるならば、ＣＰＯＸ触媒のそのような勾配は、典型的には、ＣＰＯＸ反応器ユニットのＣＰＯＸ反応ゾーンにある。
【００３１】
提示された技術の他の一つの特徴は、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物をＣＰＯＸ反応器ユニットに分配するためのマニフォルド、即ち、そのマニフォルド（又はマニフォルドチャンバ）は、ＣＰＯＸ反応器ユニットのインレットと流体連通状態にあることができる。マニフォルドは、マニフォルドハウジングを含み、そこでは、マニフォルドハウジングは、一つのマニフォルドチャンバを画定する。マニフォルドは、中に配置され且つマニフォルドチャンバの長手の少なくとも大部分にわたって延在するガス状ＣＰＯＸ反応混合物分配器を含むことができる。ガス状ＣＰＯＸ反応混合物分配器は、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物を出力するコンジットと流体連通状態にあることができる。ガス状ＣＰＯＸ反応混合物分配器は、ＣＰＯＸ反応器ユニットのインレットの反対側に位置される一つ以上のアウトレットを含むことができる。マニフォルドは、マニフォルドチャンバと熱連通状態にあるヒーター及び／又は受動加熱要素を含むことができる。マニフォルドは、キャビティを含むことができ、そこでは、マニフォルドハウジングがそのキャビティを画定する。シールは、キャビティ内又はそれに隣接して配置されることができる。マニフォルドハウジングは、典型的には、複数のキャビティを含み、そこでは、キャビティの数と配置は、ＣＰＯＸ反応器ユニットのインレットの数と配置に一致する。シールは、ＣＰＯＸ反応器ユニットのインレットと係合でき、それによって、マニフォルドハウジングとインレットとの間の気密シールを提供する。
【００３２】
他の一態様において、本教示は、ガス状燃料ＣＰＯＸ改質の方法を提供する。本願教示の方法は、一般的に、ガス状改質可能燃料と酸素含有ガスを含む、例えば、備える（よりなる）、実質的になる、又はなる、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物を本教示のガス状燃料ＣＰＯＸ改質器のＣＰＯＸ反応器ユニットのインレットに導入すること；水素リッチ改質油の生産を始めるためにガス状ＣＰＯＸ反応混合物の触媒部分酸化を開始すること；及びガス状ＣＰＯＸ反応混合物の触媒部分酸化を維持することを含む。
【００３３】
種々の実施形態において、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物を導入することは、ガス状改質可能燃料を含むガス状ＣＰＯＸ反応混合物をＣＯＰＸ反応器ユニットのインレットに導入することを含み、そこでは、前記ＣＰＯＸ反応器ユニットは、互いに離間されたＣＰＯＸ反応器ユニットのアレイを形成し、各ＣＯＰＸ反応器ユニットは、内表面と外表面を有する壁を有する細長いチューブを備え、前記壁は、開口ガス流通路を囲み且つＣＰＯＸ反応器ユニットのインレットとアウトレットを画定する。ＣＰＯＸ反応器ユニットは、前記アレイの少なくとも隣のＣＰＯＸ反応器ユニット（単数又は複数）と熱連通状態にあることができる。前記壁の少なくとも一セクションは、ＣＰＯＸ触媒を含むことができる。ＣＰＯＸ触媒含有壁セクションは、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物が中に拡散でき且つ生成物（水素リッチ）改質油がそこから拡散できるようにガス透過可能であることができる。ＣＰＯＸ触媒含有壁セクションは、ＣＰＯＸ反応状態下で構造的に安定したままであり得る。前記アレイ中の隣接するＣＰＯＸ反応器ユニット間の距離は、ここに記述されるようにできる。
【００３４】
触媒部分酸化を開始することは、単一の点火器がＣＰＯＸ反応器ユニット内でＣＰＯＸ反応を始めることを開始し、それは、一方、ガス状燃料ＣＰＯＸ改質油の他のＣＰＯＸ反応器ユニットにおけるＣＰＯＸ反応を開始することを含むことができる。例えば、触媒部分酸化を開始することは、一つのＣＰＯＸ反応器ユニット内でＣＰＯＸ反応を開始すること；ＣＰＯＸ反応からの熱を隣のＣＰＯＸ反応器ユニットに伝達してその中でＣＰＯＸ反応を開始すること；及び前記アレイのＣＰＯＸ反応器の各々におけるＣＰＯＸ反応を開始するために熱を伝達することを繰り返すことを含むことができる。
【００３５】
触媒部分酸化を開始することは、二つ以上の点火器、例えば、二つ、三つ、四つ、五つ以上の点火器を始動してガス状燃料ＣＰＯＸ改質器のＣＰＯＸ反応器ユニット内でＣＰＯＸ反応（単数又は複数）を開始することも含むことができる。
【００３６】
種々の実施形態では、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物の触媒部分酸化を維持することは、アレイ内のＣＰＯＸ反応器ユニット間での熱を伝達して、それによって、そうでなければ水素リッチ改質油の同じ出力のために必要とされるよりもより少ない外部加熱を使用することを含む。アレイのＣＰＯＸ反応器ユニット間での熱伝達は、所定の最小アレイ温度、例えば、約６００℃又は約６５０℃を維持できる。所定の最小アレイ温度は、ＣＰＯＸ反応器ユニットのアレイを横切って実質的に均一であることができる。
【００３７】
幾つかの実施形態では、ガス状燃料ＣＰＯＸ改質の方法は、進行中のＣＰＯＸ反応の発熱の熱及び／又は何らかの他の熱源からの熱を使用して酸素含有ガス成分を加熱する及び／又はＣＰＯＸ改質を受けようとしているガス状ＣＰＯＸ反応混合物のガス状改質可能燃料を加熱することを含むことができる。
【００３８】
幾つかの実施形態では、ガス状燃料ＣＰＯＸ改質の方法は、実質的に均一な組成の気化されたガス状改質可能燃料を含むガス状ＣＰＯＸ反応混合物を実質的に均一な割合で及び／又は実質的に均一な温度で幾つかのＣＰＯＸ反応器ユニットの一つ以上のインレットに分配することを含む。
【００３９】
更に、本開示に従って、水素リッチ改質油を製造するためにスタートアップモード及び定常状態モードでガス状改質可能燃料のＣＰＯ改質の方法が提供され、そこでは、これらの方法は、一般的に、
ａ）スタートアップモードにおいて：
（ｉ）酸素含有ガス及びガス状改質可能燃料を含むガス状ＣＰＯＸ反応混合物を複数の互いに離間されたＣＰＯＸ反応器ユニットの各々のインレットに導入すること、各反応器ユニットは、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物のためのインレット、水素リッチ改質油のためのアウトレット、内表面と外表面を有する壁を備えること、その壁は、中に配置されるＣＰＯＸ触媒を有する及び／又はそのＣＰＯＸ触媒の構造体を備える壁の少なくとも一セクションで開口ガス流通路を囲むこと、そのような触媒含有壁セクション及びそれによって囲まれる開口ガス流通路は、ガス相ＣＰＯＸ反応ゾーンを画定すること、触媒含有壁セクションは、ＣＰＯＸ反応状態下で安定でありながら、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物を中で拡散させ且つ生産品水素リッチ改質油をそこから拡散させることができるためにガス透過可能であること、
（ｉｉ）ＣＰＯＸ反応器ユニットのＣＰＯＸ反応ゾーン内でガス状ＣＰＯＸ反応混合物のＣＰＯＸを開始して、それによって、水素リッチ改質油の生産を開始すること；及び
ｂ）定常状態モードにおいて：
（ｉｉｉ）ガス状ＣＰＯＸ反応混合物をＣＰＯＸ反応器ユニットのインレットに導入すること、
（ｉｖ）ＣＰＯＸ反応器ユニットのＣＰＯＸ反応ゾーン内でＣＰＯＸ反応を維持しながら、ステップ（ｉｉｉ）に先行して、又はそのステップ（ｉｉｉ）中に、又はそのステップ（ｉｉｉ）に続いてＣＰＯＸ開始ステップ（ｉｉ）を中断して、それによって、水素リッチ改質油の生産を続けること、を備える。
【００４０】
種々の実施形態では、ここで記述された方法は、例えば、上記されたステップ（ｉ）において、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物の酸素対炭素のモル比を調節して燃料希薄ＣＰＯＸ反応混合物のそれに対応させることを含むことができる。特定の実施形態では、これらの方法は、例えば、上記されたステップ（ｉｉｉ）において、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物の酸素対炭素のモル比を調節して燃料リッチＣＰＯＸ反応混合物のそれに対応させることを含むことができる。
【００４１】
幾つかの実施形態では、これらの方法は、ブロワー又はブロワーシステム、例えば、一連のブロワーユニットを使用してガスのような流体を流すことを含むことができる。これら一連のブロワーユニットの内の各ブロワーは、軸方向インレットと半径方向アウトレットを有するケーシング、酸素含有ガスを第１の圧力でインレットに引き抜き且つ酸素含有ガスをより高い圧力でアウトレットを介して放出するためにケーシング内に配置されているインペラー、前記インペラーを駆動するためのモータ、及び前記一連のブロワーユニットの内の少なくとも一つのブロワーユニットのアウトレットを前記一連のブロワーユニットの内の少なくとも一つの他のブロワーユニットのインレットに含むダクトを含むことができる。特定の実施形態では、前記一連のブロワーユニットの内の少なくとも一つのブロワーユニットは、ブロワーシステムの目標のガス流の６０％から９０％を提供できる。そのような実施形態では、前記一連のブロワーユニットの内の少なくとも一つの他のブロワーユニットは、ブロワーシステムの目標のガス流のバランスを提供できる。
【００４２】
本開示の前述の特徴と利点と並びに他の特徴と利点は、以下の図、記載、詳細な例示的実施形態、及び請求項からより十分に理解されることができる。
【００４３】
以下に記載の図面は、例証目的のために過ぎない。図面は、必ずしも縮尺で描かれてはおらず、本教示の原理を描く時に一般的には強調される。図面は、本教示の範囲を制限する意図は全くない。同様の参照番号は、一般的に、同様の部品を指す。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１Ａ】図１Ａは、従来技術のタイプの触媒モノリス、特に、ハニカム状触媒モノリスの長手方向断面図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、従来技術のタイプの触媒モノリス、特に、発泡触媒モノリスの長手方向断面図である。
【図２】図２は、本教示に係るガス状燃料ＣＰＯＸ改質器の一実施形態の概略ブロック図である。
【図３Ａ】図３Ａは、図２のガス状燃料ＣＰＯＸ改質器の動作を管理するための例示的制御システムの概略ブロック図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、図３Ａに示された制御システムのようなコントローラによって実行される例示的制御ルーチンのフローチャートである。
【図４Ａ】図４Ａは、本教示に係るガス状燃料ＣＰＯＸ改質器の実施形態の長手方向断面図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、図４Ａに示されたガス状燃料ＣＰＯＸ改質器の横方向（長手軸に対して垂直な）断面図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、図４Ａに示されたガス状燃料ＣＰＯＸ改質器の一部の平面断面図である。
【図４Ｄ】図４Ｄは、図４Ａ乃至図４Ｃに示されたガス状燃料ＣＰＯＸ改質器の点火器コンポーネントの拡大斜視図である。
【図４Ｅ】図４Ｅは、図４Ａ乃至図４Ｃに示されたガス状燃料ＣＰＯＸ改質器のマニフォルドと関連する管状ＣＰＯＸ反応器ユニットの一部の拡大長手方向断面である。
【図４Ｆ】図４Ｆは、図４Ｅに示された管状ＣＰＯＸ反応器ユニットの一つの拡大長手方向断面である。
【図４Ｇ】図４Ｇは、図４Ｅに示された管状ＣＰＯＸ反応器ユニットの一つの拡大横方向断面図である。
【図４Ｈ】図４Ｈは、本教示のガス状燃料ＣＰＯＸ改質器の管状ＣＰＯＸ反応器ユニットの他の実施形態の横方向断面図である。
【図４Ｉ】図４Ｉは、本教示のガス状燃料ＣＰＯＸ改質器の管状ＣＰＯＸ反応器ユニットの他の実施形態の横方向断面図である。
【図４Ｊ】図４Ｊは、図４Ａ乃至図４Ｃに示されたガス状燃料ＣＰＯＸ改質器のブロワーシステムコンポーネントの斜視図を示す。
【図４Ｋ】図４Ｋは、図４Ａ乃至図４Ｃに示されたガス状燃料ＣＰＯＸ改質器のブロワーシステムコンポーネントの平面図を示す。
【図５】図５は、改質器が定常状態モードで動作している時に最大燃料（プロパン）変換能力の異なるパーセンテージにおけるＣＰＯ反応混合物の酸素の炭素に対するモル比と本教示のガス状燃料ＣＰＯＸ改質器内のＣＰＯＸ反応温度との間の関係を示すグラフデータを提示する。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
ここでは、互いに離間されたＣＰＯＸ反応器ユニットのアレイがより効率的な改質プロセスを提供する発熱ＣＰＯＸ反応の利益を得ることができることが発見された。フラッシング、局部的ホットスポットとコールドスポットの形成、迅速なコーク堆積、及び／又は過剰に高いスパイキングＣＰＯＸ反応温度の影響を受けやすい触媒モノリスを使用する既知の且つ従来のＣＰＯＸ改質器とは異なり、本教示の互いに離間されたＣＰＯＸ反応器ユニットのアレイは、これらの欠点の一つ以上を軽減する又は排除することができる。
【００４６】
例えば、アレイの互いに離間されたＣＰＯＸ反応器ユニット間での全ＣＰＯＸ改質又はＣＰＯＸ変換負荷の分配によって、効果的な熱バランスの維持と全体のＣＰＯＸ改質の制御を単純化及び促進することができる。このような設計によって、所与のエネルギー入力に対して動作温度を低下することにより、所与のＣＰＯＸ触媒負荷に対してより多くのガス状改質可能燃料が処理されることができる。
【００４７】
本明細書で記述されるガス状燃料ＣＰＯＸ改質器の向上された熱管理は、ＣＰＯＸ反応器ユニットの各々内で起こるＣＰＯＸ反応の温度の安定化に寄与できる。その結果、このような改良された熱管理によって、ガス状燃料ＣＰＯＸ改質器のＣＰＯＸ反応器ユニット間で均一なＣＰＯＸ変換性能を安定的に維持されることができる。
【００４８】
加えて、本教示のＣＰＯＸ改質器の設計は、発熱ＣＰＯＸ反応の利点を得ることができ且つアレイの互いに離間されたＣＰＯＸ反応器ユニットを最小数の点火器、例えば、単一の点火器で点火されることができ、それによって、ＣＰＯＸ反応器ユニットの内の一つにおけるＣＰＯＸ反応の始動によって、隣のＣＰＯＸ反応器ユニット（単数又は複数）が中でＣＰＯＸ改質を開始し、結局は、ガス状燃料ＣＰＯＸ改質器のＣＰＯＸ反応器ユニットの各々でＣＰＯＸ改質を開始するのに十分な熱を提供できる。単一の点火器がガス状燃料ＣＰＯＸ改質器において有利ではあるが、本教示は、アレイとＣＰＯＸ反応器ユニットの指定のサイズ、ＣＰＯＸ反応器ユニットと点火器の配置、及び他のファクタがＣＰＯＸ改質のための全体の効率的始動又はスタートアッププロセスに寄与し得るので、ガス状燃料ＣＰＯＸ改質器において二つ以上の点火器の使用を考慮している。それにもかかわらず、複数のＣＰＯＸ反応器ユニット間での全ＣＰＯＸ変換負荷を分配することの利点は、それに匹敵する燃料変換能力の単一のＣＰＯＸ反応器に対比して、より短いスタートアップ時間である。
【００４９】
更に、複数のＣＰＯＸ反応器ユニットの互いに離間された配置によって、関連する一連の即ちライン状ガス状燃料ＣＰＯＸ改質器の設計と製造が単純化されることができ、そこでは、個別のガス状燃料ＣＰＯＸ改質器はそれらの燃料改質能力が異なっていてもよい。例えば、増加した燃料改質キャパシティが望ましい新規のガス状燃料ＣＰＯＸ改質器設計では、既存の設計に対する標準化仕様の追加のガス状燃料ＣＰＯＸ反応器ユニットを、もしあるなら、二乃至三の他の顕著な変更で追加することによって容易に構造化されることができる。
【００５０】
本明細書での本教示は、記述された特定の手順、材料、及び変更に制限されず、それらが変化され得ることが理解されるべきである。使用される用語は、特定の実施形態を記述する目的のみのためであり、且つ本教示の範囲を制限する意図はなく、それは、添付の特許請求の範囲によってのみ制限されることも理解されるべきである。
【００５１】
指定のコンポーネントを有する又は含む又は備える構成物が記述される、又は指定のプロセスステップを有する又は含む又は備えるプロセスが記述される本願全体を通して、本教示の構成物は、また、引用されたコンポーネントを備える、又はそれらよりなること、及び本教示のプロセスは、また、引用されたプロセスステップを備える又はそれらよりなることが熟考されている。
【００５２】
要素又はコンポーネントが引用された要素又はコンポーネントのリストに含まれる及び／又はそのリストから選択されると言われる本願において、その要素又はコンポーネントは、引用された要素又はコンポーネントのいずれか一つであることができる、又はその要素又はコンポーネントは、引用された要素又はコンポーネントの二つ以上よりなる群から選択されることができることが理解されるべきである。更に、本明細書に記述された構成物、装置、又は方法の要素及び／又は特徴は、本明細書で明示的であろうと暗示的であろうと、本教示の焦点と範囲から逸脱することなく様々な方法で組み合わされることができることが理解されるべきである。例えば、特定の構造が参照される場合、その構造は、本教示の装置の種々の実施形態において及び／又は本教示の方法において使用されることができる。
【００５３】
用語「含む（ｉｃｌｕｄｅ）」、「含む（ｉｃｌｕｄｅｓ）」、「含む（ｉｃｌｕｄｉｎｇ）」、「有する（ｈａｖｅ）」、「有する（ｈａｓ）」、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」、「含む（ｃｏｎｔａｉｎ）」、「含む（ｃｏｎｔａｉｎｓ）」、又は「含む（ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ）」は、文法的にそれに等価なものを含み、一般的にオープンエンド及び非制限的、例えば、特に具体的に明記しない限り、又は文脈から理解されない限り、追加の非引用要素又はステップを排除しないものとして理解されるべきである。
【００５４】
本明細書における単数形、例えば、「一つ（ａ）」、「一つ（ａｎ）」、及び「その（ｔｈｅ）」の使用は、特に具体的に明記しない限り、複数を含む（且つその逆も含む）。
【００５５】
用語「約（ａｂｏｕｔ）」の使用が、量的値の前にある場合、本教示は、また、特に具体的に明記しない限り、指定の量的値それ自体を含む。本明細書で使用されているように、用語「約（ａｂｏｕｔ）」は、特に明記しない又は推測されない限り、名目値から±１０％の変動を指す。
【００５６】
ステップの順序や特定の動作を実行するための順序は、本教示が動作可能である限り、重要ではないことが理解されるべきである。例えば、本明細書に記述される方法は、本明細書でそうでないと指摘されない又は文脈によって明確に否定されない限り、任意の適切な順序で実行されることができる。更に、二つ以上のステップや動作は、同時に実行されてもよい。
【００５７】
本明細書において様々な場所で、複数の値が群又は範囲で開示される。その記述は、そのような群及び範囲のメンバーの各々及び全ての個別の部分的組合せ及びそのような群又は範囲の様々なエンドポイントの任意の組合せを含むことが具体的に意図されている。例えば、０から４０の範囲における整数は、０、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、２０、２１、２２、２３、２４、２５、２６，２７、２８，２９、３０、３１、３２、３３、３４，３５，３６，３７、３８、３９、及び４０を個別的に開示することが具体的に意図され、１から２０の範囲における整数は、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、及び２０を個別的に開示することが具体的に意図される。
【００５８】
任意の及び全ての例、即ち本明細書で提供される例示的言語、例えば「のような（ｓｕｃｈ  ａｓ）」の使用は、本教示をより良く示すよう単に意図され、請求されない限り、本発明の範囲に対して制限を課さない。明細書における言語は、本教示の実施に必須である非請求要素を指すものとして解釈されるべきではない。
【００５９】
「上部」、「下部」、「頂部」、「底部」、「水平な」、「垂直な」等の空間的配向や高さを指す用語及び表現は、それらの文脈上の使用がそうではないことを指さない限り、構造的、機能的又は動作上の重要性を有さないものとして、及び添付の図面の幾らかにおいて描かれた本教示のガス状燃料ＣＰＯＸ改質器の様々な図の任意に選択された配向を単に反映しているとして、本明細書では理解されるべきである。
【００６０】
用語「セラミック」は、その技術が認識された意味に加えて、ガラス、ガラス−セラミックス、及びサーメット（即ち、セラミック‐金属複合物）を含むように本明細書では理解されるべきである。
【００６１】
表現「ガス透過可能な」は、それが本明細書ではＣＰＯＸ反応器ユニットの壁に当てはまるように、制限するわけではないが、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物のガス状改質可能燃料成分及び生成物改質油の水素成分を含むガス状ＣＰＯＸ反応混合物及びガス状生成物改質油に対して透過可能である壁構造体を意味するように理解されるべきである。
【００６２】
表現「液体改質可能燃料」は、標準の温度及び標準の圧力（ＳＴＰ）状態で液体である改質可能炭素及び水素含有燃料、例えば、改質を受けた時に、水素リッチ改質油への変換を受けるメタノール、エタノール、ナフサ、蒸留液、ガソリン、灯油、ジェット燃料、ディーゼル、バイオディーゼル等を含むように理解されるべきである。表現「液体改質可能燃料」は、更に、燃料が液体状態にあろうと又はガス状態、即ち蒸気であろうとそのような燃料を含むように理解されるべきである。
【００６３】
表現「ガス状改質可能燃料」は、ＳＴＰ状態においてガスである改質可能炭素及び水素含有燃料、例えば、改質を受けた時に、水素リッチ改質油への変換を受けるメタン、エタン、プロパン、ブタン、イソブタン、エチレン、プロピレン、ブチレン、イソブチレン、ジメチルエーテル、主にメタンである天然ガス及び液化天然ガス（ＬＮＧ）のようなそれらの混合物、及び主にプロパン又はブタンであるが主にプロパン及びブタン等からなる全ての混合物を含む石油ガス及び液化石油ガス（ＬＰＧ）等を含むように理解されるべきである。ガス状改質可能燃料は、また、アンモニアを含み、それは、他のガス状改質可能燃料のように、液体として貯蔵されることができる。
【００６４】
表現「ＣＰＯＸ反応」は、触媒部分酸化改質又は改質可能燃料の水素リッチ改質油への変換中に生じる反応（単数又は複数）を含むように理解されるべきである。
【００６５】
表現「ガス状ＣＰＯＸ反応混合物」は、ガス状改質可能燃料及び酸素含有ガス、例えば、空気を含む混合物を指す。本明細書で使用されているように、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物は、ガス状改質可能燃料及び酸素含有ガスを備える、又は、実質的になる、又はなることができる。本教示のＣＰＯＸ反応混合物は、液体改質可能燃料、例えば、気化された液体改質可能燃料又はガス状液体改質可能燃料を含まない。
【００６６】
表現「開口ガス流通路」は、ガスが通る通路のためのコンジットやチャネルを指し、そこでは、多孔固体や多孔性材料を含む固体は、コンジットやチャネルの全断面平面を横切っては存在せず、即ち、多孔性固体を含む固体の無いコンジットやチャネルを指す。例えば、ＣＰＯＸ反応器ユニットの場合、モノリスのような多孔性触媒を含むＣＰＯＸ触媒は、管状ＣＰＯＸ反応器ユニットの長手方向軸に対して垂直な全内断面平面を横切って存在できない。そのような構造は、先に論じられたように、多孔性触媒、例えば、モノリスが詰め込まれる通路とは異なる。開口ガス流通路は、また、中空穴を画定するチューブ又は長手軸に沿って貫通する中空穴を画定する円管状基板として画定されることができるＣＰＯＸ反応器ユニットに存在できる。これらの例示の記載において、中空穴は、開口ガス流通路と考えられることができる。開口ガス流通路は、通常、ＣＰＯＸ反応器ユニットの長手軸に沿って延在することができるが、曲がりくねったコンジットやチャネルが本教示によって熟考され且つ曲がりくねったコンジットやチャネルにＣＰＯＸ反応器ユニットの断面平面を横切って固体が無い限り、開口ガス流通路を有することができる。また、開口ガス流通路の断面寸法（単数又は複数）は、その長手方向軸に沿って又は曲がりくねったコンジットやチャネルに沿って長く変化できることが理解されるべきである。
【００６７】
本教示のガス状燃料ＣＰＯＸ改質器の重要な特徴は、互いに離間されたＣＰＯＸ反応器ユニットのアレイである。ＣＰＯＸ反応器ユニットのアレイは、規則通りの配列又は一つのＣＰＯＸ反応器ユニットのその他のＣＰＯＸ反応器ユニット（単数又は複数）に対する規則的な配置を指すことができる。換言すれば、ＣＰＯＸ反応器ユニットは、典型的にはランダムに位置されない又は配置されない。直線、正方形及び矩形構成が一般的には使用されるが、六角形及び八角形のような他の構成が本教示によって熟考される。
【００６８】
ＣＰＯＸ反応器ユニットの配列や配置、例えば、隣接するＣＰＯＸ反応器ユニットに関する距離及び位置は、とりわけ、複数のＣＰＯＸ反応器ユニットの位置決め及び構成、ＣＰＯＸ反応器ユニットの壁のようなＣＰＯＸ反応器ユニットの構造体の材料とＣＰＯＸ触媒の材料、ガス状改質可能燃料、ＣＰＯＸ反応器ユニットの動作温度、及び生産物水素リッチ改質油の望ましい使用と出力、例えば、ＣＰＯＸ改質器が接続又は連結されるべき燃料セルユニットやシステムのような水素改質油消費デバイスの構造体の材料を含む様々なファクタによって決定されることができる。（隣り合う）ＣＰＯＸ反応器ユニット（二つ又は三つ以上）間の距離が大き過ぎると、その時は、ＣＰＯＸ反応器ユニットは、熱的に接続されない、即ち、例えば、隣のＣＰＯＸ反応器ユニットにおけるＣＰＯＸ反応を始動する及び／又は複数のＣＰＯＸ反応器ユニットを大まかに取り囲む熱伝達ゾーンを維持するのに十分な熱連通を有さない。逆に、（隣り合う）ＣＰＯＸ反応器ユニット（二つ又は三つ以上）間の距離が小さ過ぎると、ＣＰＯＸ反応器ユニットは、過加熱及び劣化を受け、その結果、ガス状燃料ＣＰＯＸ改質器の機能不全となる。
【００６９】
より具体的には、隣接するＣＰＯＸ反応器ユニット間の最大距離は、ＣＰＯＸ反応が、最初に点火されたＣＰＯＸ反応器ユニットにおける最初のＣＰＯＸ反応（例えば、一つの点火器によって始動される最初のＣＰＯＸ反応）から又は動作しているＣＰＯＸ反応器ユニットにおけるＣＰＯＸ反応から発生された熱によって隣のＣＰＯＸ反応器ユニット内で始動されることに失敗しない距離であることができる。最大距離は、動作の定常状態モード中に、互いに離間されたＣＰＯＸ反応器ユニットのアレイの温度が所定の最小アレイ温度より低下しない距離である。本明細書で論じられるものを含む様々なファクタに依存して、動作の定常状態モード中に、互いに離間されたＣＰＯＸ反応器ユニットのアレイの所定の最小アレイ温度は、約５５０℃、約５７５℃、約６００℃、約６２５℃、約６５０℃、約６７５℃、約７００℃、約７２５℃、約７５０℃、約７７５℃、約８００℃、約８２５℃、又は約８５０℃であることができる。
【００７０】
隣接するＣＰＯＸ反応器ユニット間の最小距離は、ＣＰＯＸ反応器ユニットのアウトレットでの温度が所定の最大温度よりも大きくない距離である。所定の最大温度は、ＣＰＯＸ反応器ユニットのアウトレットと熱及び流体連通状態にある燃料セルスタックのインレットによって許容できる温度、例えば、燃料セルスタックのインレットのシールが劣化されず且つ機能を維持する温度であることができる。本明細書で論じられるものを含む様々なファクタに依存して、ＣＰＯＸ反応器ユニットの所定の最大温度は、約７７５℃、約８００℃、約８２５℃、約８５０℃、約８７５℃、約９００℃、約９２５℃、約９５０℃、約９７５℃、又は約１０００℃であることができる。
【００７１】
本教示のＣＰＯＸ改質器の他の一つの特徴は、ＣＰＯＸ反応器ユニット、例えば、ＣＰＯＸ反応器ユニットのアレイ内でＣＰＯＸ反応を開始する為の一つの点火器である。様々な実施形態では、単一の点火器は、ガス状燃料ＣＰＯＸ改質器のＣＰＯＸ反応器ユニットの各々内のＣＰＯＸ反応を開始するために使用されることができる。他の実施形態では、単一の即ち一つの点火器よりも多くの点火器、例えば、二つの点火器、三つの点火器、又は四つ以上の点火器が、ＣＰＯＸ反応器ユニット内でＣＰＯＸ反応を開始する即ちスタートするために使用されることができる。点火器の数と配置は、例えば、ＣＰＯＸ反応器ユニットの設計、構造及び配置、及びガス状燃料ＣＰＯＸ改質器の望ましい効率及びスタートアップの迅速さを含む様々なパラメータによって決定されることができる。
【００７２】
点火器は、チャンバ内に配置されることもできるＣＰＯＸ反応器ユニットの内表面に近接するがそれから物理的に隔離されて位置される放射熱生成要素を含むことができる。例えば、点火器は、それに近接する少なくとも一つのＣＰＯＸ反応器ユニットの露出された内表面及び／又はＣＰＯＸ触媒に対して放射熱を伝達して中でＣＰＯＸ反応を開始する。引き続いて、少なくとも一つのＣＰＯＸ反応器ユニットのＣＰＯＸ反応ゾーン内で生じるＣＰＯＸ反応によって生成される放射熱は、少なくとも一つの他のＣＰＯＸ反応器ユニット内、また、典型的には、チャンバ内で、そのようにＣＰＯＸ反応がガス状燃料ＣＰＯＸ改質器のＣＰＯＸ反応器ユニットの全てで始動されるまで、ＣＰＯＸ反応を順番に開始できる。
【００７３】
幾つかの実施形態では、水素バリアは、管状ＣＰＯＸ反応器ユニットの少なくとも触媒含有壁セクションの外表面に取り付けられるようにそれに関連づけることができ、その触媒含有壁セクションは、ＣＰＯＸ反応ゾーンを典型的に画定する。水素バリアは、ＣＰＯＸ反応器ユニットの壁の全外表面に取り付けられることができる。水素バリアは、ＣＰＯＸ反応器ユニットからの水素のロスを防止又は禁止できる。そのようなバリアが無い場合、水素は、ＣＰＯＸ反応器ユニットをそのアウトレットを介して出るよりもむしろ、ＣＰＯＸ反応器ユニットの触媒含有壁セクションを介して又はそれを越えて拡散し得る。
【００７４】
特定の実施形態では、ガス状燃料ＣＰＯＸ改質器は、ガス状改質可能燃料源を含むことができる。このガス状改質可能燃料源は、貯蔵及び／又はガス状改質可能燃料をガス状燃料ＣＰＯＸ改質器、例えば、ＣＰＯＸ反応器ユニットのインレットに送給するためのタンク又は他の容器を含むことができる。
【００７５】
従って、様々な実施形態では、ガス状燃料ＣＰＯＸ改質器は、複数の互いに離間されたＣＰＯＸ反応器ユニット；少なくとも一つのＣＰＯＸ反応器ユニットのＣＰＯＸ触媒と熱連通状態にある点火器；及びＣＰＯＸ反応器ユニットのインレットと流体連通状態にあるガス状改質可能燃料源を含むことができる。ＣＰＯＸ反応器ユニットは、内表面と外表面を有するガス透過可能セラミック壁を有する細長いチューブ、例えば、中空穴を有するシリンダを含むことができ、そこでは、ガス透過可能セラミック壁の少なくともセクションは、ＣＰＯＸ触媒を備える。ガス透過可能セラミック壁は、開口ガス流通路を囲むことができ且つＣＰＯＸ反応器ユニットのインレットとアウトレットを画定する。一つのアレイにおいて、ＣＰＯＸ反応器ユニットは、典型的には、そのアレイにおける少なくとも隣のＣＰＯＸ反応器ユニット（単数又は複数）と熱連通状態にある。
【００７６】
幾つかの実施形態では、ガス状燃料ＣＰＯＸ改質器は、複数の互いに離間されたＣＰＯＸ反応器ユニットを含むことができ、各ＣＰＯＸ反応器ユニットは、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物のためのインレット、及び水素リッチ改質油のためのアウトレット、内表面と外表面を有する壁を有する細長いチューブを含み、前記壁は、中に配置されるＣＰＯＸ触媒を有する、壁の少なくとも一部で開口ガス流通路を囲み、そのＣＰＯＸ触媒の構造体又はそのＣＰＯＸ触媒の組合せを備え、壁によって囲まれるそのような触媒含有壁セクションと開口ガス流通路は、ガス相ＣＰＯＸ反応ゾーンを画定し、触媒含有壁セクションは、ＣＰＯＸ反応状態下で安定を維持しながら、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物が中に拡散でき且つ生成物水素リッチ改質油がそこから拡散できるようにガス透過可能である。
【００７７】
幾つかの実施形態では、進行中のＣＰＯＸ反応の発熱から回収された熱及び／又は一つ以上の他の熱源から回収された熱は、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物の形成に先立って、酸素含有ガスを加熱する及び／又はガス状改質可能燃料を加熱するために利用されることができる。
【００７８】
様々な実施形態では、例えば、ガス状燃料ＣＰＯＸ改質器の動作のスタートアップモード中に、ＣＰＯＸ反応器ユニットのアレイ内でＣＰＯＸ反応を開始するための点火器は、例えば、ＣＰＯＸ反応ゾーン内でＣＰＯＸ触媒と熱連通状態にある。点火器は、それに近接する少なくとも一つのＣＰＯＸ反応器ユニット内で少なくとも一つのＣＰＯＸ反応器ユニット内の発熱の熱でＣＰＯＸ反応を開始でき、次に、アレイ内の一つ以上の他のＣＰＯＸ反応器ユニット内でＣＰＯＸ反応を開始する。
【００７９】
幾つかの実施形態では、ＣＰＯＸ反応器ユニットのインレットと流体連通状態にあるマニフォルド又はプレナムは、例えば、実質的に均一な組成で、実質的に均一な温度及び／又は実質的に均一な流量でガス状ＣＰＯＸ反応混合物のＣＰＯＸ反応器ユニットのインレットへのより均一な分配を提供するように構成されることができる。
【００８０】
幾つかの実施形態では、マニフォルドは、マニフォルドチャンバを画定するハウジング、即ち囲みを有することができる。マニフォルドやマニフォルドチャンバは、ガス分配器、例えば、マニフォルドチャンバ内にガス分配器を含むことができる。特定の実施形態では、ガス分配器は、ガス状燃料ＣＰＯＸ反応混合物分配器と考えられることができる。ハウジング、即ち囲みは、比較的低コストで容易に成形可能な熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂から製造されることができる、及び／又はそのアウトレットとＣＰＯＸ反応器ユニットのインレットとの間に「コールドシール」接続を特徴付けることができる。
【００８１】
より具体的には、マニフォルドは、少なくとも一つのＣＰＯＸ反応器ユニットのインレットと流体連通状態にあることができ、そこでは、マニフォルドは、マニフォルドハウジングを含む。マニフォルドハウジングは、マニフォルドチャンバを画定できる。マニフォルドは、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物分配器、ヒーター、及びシールを含むキャビティのような一つ以上の追加のコンポーネントを含むことができる。
【００８２】
ガス状ＣＰＯＸ反応混合物分配器は、マニフォルドチャンバ内に配置されることができ、ガス状反応物コンジットと流体連通状態にあるそのマニフォルドチャンバの長手の少なくとも大部分にわたって延在しており、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物分配器は、ＣＰＯＸ反応器ユニットのインレットの反対側に位置される一つ以上のアウトレットを含む。即ち、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物分配器は、チャンバ、例えば、閉鎖端中空チューブ又は典型的には幅と深さよりも大きな長さを有する他の構造を画定するハウジングを含むことができる。ハウジングは、ハウジング、即ちチャンバの内部とハウジングの外部との間で流体連通を提供する一つ以上のアウトレットを画定することができる。一つ以上のアウトレットは、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物分配器の一側に沿って存在できる又は、例えば、管状のガス状ＣＰＯＸ反応混合物分配器の場合では、長手軸に沿うライン状又は長手方向アレイを形成することができる。マニフォルドチャンバ内に配置されると、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物分配器の一つ以上のアウトレットは、通常、ＣＰＯＸ反応器ユニットのインレットとは反対側に位置される。そのような設計では、ＣＰＯＸ反応混合物は、最初に、ＣＰＯＸ反応器ユニットのインレットから離れる方向に、例えば、マニフォルドチャンバの底部に向かって下方にマニフォルドチャンバ内に導入され、次に、ＣＰＯＸ反応器ユニットのインレットに向かって流れる、例えば、インレットに向かって上方に流れる。
【００８３】
ヒーターは、マニフォルドチャンバと熱連通状態にあることができる。ヒーターは、電気抵抗ヒーターであることができる。ヒーターは、マニフォルドチャンバ内に配置されることができる。加えて、ヒーターは、マニフォルドとＣＰＯＸ反応器ユニットのＣＰＯＸ反応ゾーンと熱連通状態にある少なくとも一つの熱伝導性要素のような受動加熱要素を含むことができ、それによって、ＣＰＯＸ反応ゾーン及び／又はＣＰＯＸ反応器ユニットからの発熱の熱をマニフォルドに伝達できる。
【００８４】
マニフォルドハウジングは、一つ以上のキャビティを画定できる。シールは、キャビティ内に又はそれに隣接して配置されることができ、そこでは、シールは、ＣＰＯＸ反応器ユニットのインレットに係合でき且つマニフォルドハウジングとインレットとの間で気密シールを提供できる。二つ以上のＣＰＯＸ反応器ユニットが存在する場合、マニフォルドハウジングは、各ＣＰＯＸ反応器ユニットがマニフォルドチャンバと流体連通状態にあることができ且つ各キャビティが各ＣＰＯＸ反応器ユニットを固定するシールを含むことができるように、ＣＰＯＸ反応器ユニットとして同数のキャビティを含むことができる。マニフォルドハウジングのキャビティは、各キャビティのインレットへの整合を提供するために、ＣＰＯＸ反応器ユニットのインレットと同じ構成に形成され且つ配置されることができる。シールは、ガスケットであり得る。マニフォルドハウジングは、ＣＰＯＸ反応器ユニットの動作の温度で熱的に且つ機械的に安定している材料から製造される又はそれを含むことができる。
【００８５】
特定の実施形態では、ＣＰＯＸ反応器ユニットの壁は、少なくとも二つの領域を含むことができ、第１の、即ち、上流の領域は、実質的にＣＰＯＸ触媒がなく且つ比較的に低い動作温度の本質的にＣＰＯＸ反応がないゾーンを囲み、及び第２の、即ち、下流の領域は、ＣＰＯＸ触媒を含み且つ比較的に高い動作温度のＣＰＯＸ反応ゾーンを囲む。
【００８６】
様々な実施形態では、相互接続された一連の個別の遠心ブロワーユニットを特徴付けるブロワーシステムは、酸素含有ガスの流れを改質器に導入するために使用されることができる及び／又は、例えば、構造体（単数又は複数）及び熱ゾーン（単数又は複数）を加熱及び／又は冷却することを含むことができる熱伝達のためにＣＰＯＸ改質器内にガス流を供給することができる。
【００８７】
幾つかの実施形態では、制御システムは、スタートアップモード、定常状態モード、及び／又はシャットダウンモードにおいてＣＰＯＸ改質器の動作を制御するように構成されることができる。
【００８８】
本教示のガス状燃料ＣＰＯＸ改質器は、ガスをＣＰＯＸ反応器ユニットのインレットに向けて経路指定するためのコンジットを含むことができる。コンジットは、酸素含有ガス用のインレット、ガス状改質可能燃料用のインレット、酸素含有ガスとガス状改質可能燃料が組み合わさってガス状ＣＰＯＸ反応混合物を提供する混合ゾーン、及び／又はガス状ＣＰＯＸ反応混合物用のアウトレットを含むことができる。コンジットは、一般的に、Ｕ形状にされることができる。
【００８９】
本教示のガス状燃料ＣＰＯＸ改質器は、例えば、酸素含有ガスとガス状改質可能燃料を混合するためのミキサーを含むことができる。このミキサーは、静的ミキサー又は動的ミキサー、例えば、「Ｍｉｘｉｇ  Ｒｅｆｏｒｍａｂｌｅ  Ｆｕｅｌｓ  ａｎｄ  ａｎ  Ｏｘｙｇｅｎ−Ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ  Ｇａｓ  ａｎｄ／ｏｒ  Ｓｔｅａｍ」と題する同時係属中で本願の譲受人に譲渡された米国特許出願第１４／３３５，４６３号に記述されているような流体混合デバイスであることができ、流体混合デバイス及び本教示に適用可能なＣＰＯＸ反応混合物を提供するためにそのデバイスを操作する方法に関連する教示を含むあらゆる目的のために参照によって本明細書に組み込まれる。
【００９０】
本教示のガス状燃料ＣＰＯＸ改質器は、ＣＰＯＸ改質油処理ユニットやデバイス、例えば、生成物改質油の一酸化炭素含有物を減少するための一酸化炭素除去デバイスを含むことができる。ＣＰＯＸ改質油処理ユニットやデバイスは、水ガスシフト変換器、優先酸化反応器、及び／又は改質油を水素流と一酸化炭素含有ストリームに分離するための水素選択性膜を含むことができる。
【００９１】
様々な実施形態では、本教示のガス状燃料ＣＰＯＸ改質器は、他のデバイス、例えば燃料セルの入口（単数又は複数）に直接に接続されたＣＰＯＸ反応器ユニットの一つ以上のアウトレットを有することができる。幾つかの実施形態では、ＣＰＯＸ反応器ユニットのアウトレットは、マニフォルド又は複数のＣＰＯＸ反応器ユニットのアウトレットからの流出物ストリームを組み合わせてそのような組み合わされた流出物を他の一つのデバイス、例えば、燃料セルのアノード、の等しい数の、より多い数の又はよい少ない数のインレットに分配することができる同様なコンポーネントやデバイスと流体連通状態にあることができる。
【００９２】
本教示のガス状燃料ＣＰＯＸ改質器は、管状ＣＰＯＸ反応器ユニット及び改質器の他の熱放射コンポーネントからの熱損失を減少するための断熱部を含むことができる。
【００９３】
本教示のガス状燃料ＣＰＯＸ改質器は、ガス流をＣＰＯＸ改質器内に又はそれを通過するように駆動するガス流ドライバを含むことができる。ガス流ドライバは、ブロワー又はブロワーシステムであることができる。本教示のガス状燃料ＣＰＯＸ改質器は、燃料ポンプを含むことができる。燃料ポンプのようなポンプの例は、メータリングポンプ、ロータリポンプ、インペラーポンプ、ダイアフラムポンプ、ぜん動ポンプ、能動変位ポンプ、ギアポンプ、圧電ポンプ、界面動電ポンプ、電気浸透流ポンプ、及び毛細管ポンプを含む。
【００９４】
本教示のガス状燃料ＣＰＯＸ改質器は、一つ以上の改質器動作を監視し且つ制御するための一つ以上のセンサアセンブリを含むことができる。センサアセンブリの例は、フローメータ、熱電対、サーミスタ、及び抵抗温度検出器を含む。本教示のガス状燃料ＣＰＯＸ改質器は、また、改質器のスタートアップモード、定常状態モード、及び／又はシャットダウンモードにおいて改質器の動作を自動化するための制御システムを含むことができる。制御システムは、コントローラと通信状態にある複数のセンサアセンブリを含むことができる。
【００９５】
本教示のガス状燃料ＣＰＯＸ改質器は、ＣＰＯＸ反応器ユニットと熱連通状態にある熱伝達手段を含むことができる。この熱伝達手段は、例えば、ＣＰＯＸ反応器ユニットのＣＰＯＸ反応ゾーン内の温度を事前設定範囲内に維持するために、ガス状燃料ＣＰＯＸ改質器の動作の定常状態モード中にＣＰＯＸ反応器ユニットからの熱を伝達できる。熱伝達手段は、例えば、ＣＰＯＸ反応器ユニットの露出外表面に対して及び／又はＣＰＯＸ反応器ユニットの露出表面と熱連通状態にある伝熱アセンブリの熱放射部材に対して冷却剤流を向けるために、ブロワーを含むことができる。本教示のガス状燃料ＣＰＯＸ改質器は、また、他の目的のためにブロワーを含むことができる。例えば、ブロワーは、酸素含有ガスをコンジットに導入できる及び／又はガス流をＣＰＯＸ反応器ユニット内に駆動できる。
【００９６】
ブロワーは、一連のブロワーユニットを含んでいてもよい。ブロワーや一連のブロワーユニットは、軸方向インレットと半径方向アウトレットを有するケーシング、ガス、例えば、空気のような酸素含有ガスを軸方向インレットに引込み且つ半径方向アウトレットを通してそのガスを排出するためにケーシング内に配置されたインペラー；及びインペラーを駆動するためのモータを含むことができる。幾つかの実施形態では、ブロワーは、第１の圧力でガスを引込み且つそのガスを第２の、例えば、より高い圧力で排出することができる。ブロワーは、また、少なくとも一つの一連のブロワーユニットのアウトレットと、少なくとも一つの一連の別のブロワーユニットのインレットとを含むダクトを含むことができる。例えば、一連のブロワーは、「Ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ  Ｂｌｏｗｅｒ  Ｓｙｓｔｅｍ  ａｎｄ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｉｎｇ  Ｓａｍｅ」と題する共同所有の米国特許出願公開第２０１２／０３２８９６９号に記述されているようなブロワーシステムを含むことができ、それは、本教示に適用可能であるので、ブロワーシステム及びそれを操作する方法に関連する教示を含むあらゆる目的のために参照によって本明細書に組み込まれる。
【００９７】
本教示のガス状燃料ＣＰＯＸ改質器は、電気エネルギー消費改質器コンポーネント及び／又は補助ＣＰＯＸ改質器コンポーネントに電力を供給するための電流源を含むことができる。電流源は、充電可能バッテリ及びバッテリ充電器を含むことができる。
【００９８】
他の一態様では、ＣＰＯＸ改質の方法が提供される。より具体的には、本教示は、ガス状改質可能燃料の水素リッチ改質油即ち生成品へのＣＰＯＸ改質の方法を提供する。そのために、様々な実施形態では、ＣＰＯＸ改質の方法は：
ａ）スタートアップモードにおいて：
（ｉ）ガスを複数のＣＰＯＸ反応器ユニットの各々のインレットに向けて経路指定するためのコンジットに酸素含有ガスを導入すること、コンジットは、酸素含有ガス用のインレット、ガス状改質可能燃料用のインレット及びＣＰＯＸ反応器ユニットのインレットとガス流連通状態にあるガス状ＣＰＯＸ反応混合物用のアウトレットを備えること、各ＣＰＯＸ反応器ユニットは、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物用のインレット、水素リッチ改質油用のアウトレット、内表面及び外表面を有する壁を有する細長いチューブを備えること、その壁は、中に配置されるＣＰＯＸ触媒を有する及び／又はそのＣＰＯＸ触媒の構造体を備える壁の少なくとも一セクションで開口ガス流通路を囲むこと、そのような触媒含有壁セクション及びそれによって囲まれる開口ガス流通路は、ガス相ＣＰＯＸ反応ゾーンを画定すること、触媒含有壁セクションは、ＣＰＯＸ反応状態下で安定でありながら、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物を中で拡散させ且つ生産品水素リッチ改質油をそこから拡散させることができるためにガス透過可能であること、
（ｉｉ）ガス状改質可能燃料をコンジットに導入すること、ガス状改質可能燃料は、ステップ（ｉ）からの酸素含有ガスと組み合わさってガス状ＣＰＯＸ反応混合物を提供すること、
（ｉｉｉ）ステップ（ｉｉ）からのガス状ＣＰＯＸ反応混合物をＣＰＯＸ反応器ユニットのインレットに導入すること、及び
（ｉｖ）ＣＰＯＸ反応器ユニットのＣＰＯＸ反応ゾーン内で前記ガス状ＣＰＯＸ反応混合物のＣＰＯＸを開始して、それによって、水素リッチ改質油の生産を開始すること；及び
ｂ）定常状態モードにおいて：
（ｖ）酸素含有ガスをコンジットに導入すること、
（ｖｉ）ガス状改質可能燃料をコンジットに導入すること、ガス状改質可能燃料は、ステップ（ｖ）からの酸素含有ガスと組み合わさってガス状ＣＰＯＸ反応混合物を提供すること、
（ｖｉｉ）ステップ（ｖｉ）からのガス状ＣＰＯＸ反応混合物をＣＰＯＸ反応器ユニットのインレットに導入すること、及び
（ｖｉｉｉ）ＣＰＯＸ反応器ユニットのＣＰＯＸ反応ゾーン内でＣＰＯＸ反応を維持しながら、ステップ（ｖｉｉ）に先行して、又はそのステップ（ｖｉｉ）中に、又はそのステップ（ｖｉｉ）に続いてＣＰＯＸ開始ステップ（ｉｖ）を中断して、それによって、水素リッチ改質油の生産を続けることを含むことができる。
【００９９】
幾つかの実施形態では、これらの方法は、外部熱生成源からの熱を使用して酸素含有ガスのコンジットへの導入に先立って、周囲温度で又は周囲温度で酸素含有ガスを加熱することを含むことができる。様々な実施形態では、これらの方法は、例えば、ＣＰＯＸ反応器ユニットのＣＰＯＸ反応ゾーン内で生じるＣＰＯＸ反応から回収された発熱の熱を使用して、第１の温度から第２の上昇温度に酸素含有ガスを更に加熱することを含むことができる。
【０１００】
幾つかの実施形態では、これらの方法は、ガス状ＣＰＯＸ混合物のＣＰＯＸ反応器ユニットのインレットへの導入に先立って、そのガス状ＣＰＯＸ混合物をより均一な組成にする、例えば、実質的に均一な組成にすることを含むことができる。様々な実施形態では、これらの方法は、実質的に均一な組成のガス状ＣＰＯＸ反応混合物をＣＰＯＸ反応ユニットのインレットに分配すること及び／又はガス状ＣＰＯＸ反応混合物を実質的に均一な温度でＣＰＯＸ反応器ユニットのインレットに分配することを含むことができる。幾つかの実施形態では、これらの方法は、任意の二つのＣＰＯＸ反応器ユニット内でのＣＰＯＸ反応混合物の流量の差が約２０％以下である及び／又は任意の二つのＣＰＯＸ反応器ユニットのインレットに入るＣＰＯＸ反応混合物の温度の差が約１０％以下であるようにＣＰＯＸ反応器ユニットのインレットにガス状ＣＰＯＸ反応混合物を分配することを含む。
【０１０１】
本教示の幾つかの実施形態では、これらの方法は、点火器を作動することによってＣＰＯＸ反応器ユニットのＣＰＯＸ反応ゾーン内のガス状反応混合物のＣＰＯＸを開始することを含むことができ、そこでは、点火器から出力される放射熱は、中でＣＰＯＸ反応を開始するために点火器に近接する少なくとも一つのＣＰＯＸ反応器ユニットの露出部分に伝達されることができ、ＣＰＯＸ反応によって生成される放射熱は、前記少なくとも一つのＣＰＯＸ反応器ユニットの前記ＣＰＯＸ反応ゾーン内で生じ、一方、そのように、ＣＰＯＸ反応が前記チャンバ内のＣＰＯＸ反応器ユニットの全てで開始されるまでチャンバ内の少なくとも一つの他のＣＰＯＸ反応器ユニット内でＣＰＯＸ反応を開始する。
【０１０２】
様々な実施形態において、これらの方法は、例えば上記されたステップ（ｉｉｉ）において、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物の酸素対炭素のモル比を燃料希薄ＣＰＯＸ反応混合物のそれに対応するように調整することを含むことができる。幾つかの実施形態では、これらの方法は、例えば、上記のステップ（ｖｉｉ）において、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物の酸素対炭素のモル比を燃料リッチＣＰＯＸ反応混合物のそれに対応するように調整することを含むことができる。
【０１０３】
幾つかの実施形態では、本教示の方法は、一連のブロワーユニットを含むブロワーシステムによってガス流を提供することを含み、一連のブロワーユニットの内の各ブロワーユニットは、軸方向インレットと半径方向アウトレッドを有するケーシング、酸素含有ガスを第１の圧力でインレットに引き入れ且つ前記アウトレットを介して酸素含有ガスをより高い圧力で排出するために前記ケーシング内に配置されたインペラー、前記インペラーを駆動するためのモータ、及び少なくとも一つの一連のブロワーユニットのアウトレットと、少なくとも一つの一連の別のブロワーユニットのインレットとを含むダクトを備え、少なくとも一つの一連のブロワーユニットは、ブロワーシステムの目標のガス流の６０％から９０％を提供し、少なくとも一つの一連の他のブロワーユニットは、ブロワーシステムの目標のガス流のバランスを提供する。様々な実施形態では、これらの方法は、水柱の約３インチ以下のＣＰＯＸ改質器中の背圧を含むことができる。
【０１０４】
本教示に係るガス状燃料ＣＰＯＸ改質器及びＣＰＯＸ改質の方法は、一般的に上記される及び本明細書の他の箇所に記述される。図面を参照しての以下の記述は、本教示のガス状燃料ＣＰＯＸ改質器及びＣＰＯＸ改質プロセスのこれらの特徴及び他の特徴に基づいて詳細を述べており、且つ本発明の本質を制限することなく様々な且つ指定の実施形態を論ずることであり且つ上の論述に対して適用可能であることが理解されるべきである。
【０１０５】
ここで、図面を参照すると、図２は、本教示に係るガス状燃料ＣＰＯＸ改質器の一実施形態を示している。図２に示されるように、ガス状燃料ＣＰＯＸ改質器２００は、ここで及び本教示の他の実施形態では空気によって例示される酸素含有ガスをコンジット２０３内に導入するため、及びこのガス及び他のガスストリーム（ガス状燃料‐空気混合物（単数又は複数）及び水素リッチ改質油を含む）を、開口ガス流通路を含む、ＣＰＯＸ改質器の様々な通路を介して駆動するための遠心ブロワー２０２を含む。コンジット２０３は、フローメータ２０４と熱電対２０５を含むことができる。これら及び同様のデバイスは、図３Ａで示される制御システムに関連してより完全に説明されるように、ガス状燃料ＣＰＯＸ改質器の動作を測定し、監視し、及び制御するために、ガス状燃料ＣＰＯＸ改質器内の様々な位置に配置されることができる。
【０１０６】
例示的ガス状燃料ＣＰＯＸ改質器２００の動作のスタートアップモードにおいて、ブロワー２０２によってコンジット２０３に導入された空気は、ここで例示されたガス状改質可能燃料と組み合わさり、且つ本教示の他の実施形態において、オプションの熱電対２１５、流量メータ２１６、及び流量制御弁２１７を備える燃料ライン２１４を介するガス状燃料貯蔵タンク２１３から比較的低い圧力でコンジット２０３に導入されるプロパンによって組み合わさる。空気とプロパンは、コンジット２０３の混合ゾーン２１８で組み合わさる。ミキサー、例えば、インラインミキサー２１９のような静的ミキサー、及び外部から電力を供給されるミキサー（図示せず）は、そうでない場合よりもより均一なプロパン‐空気ガス状ＣＰＯＸ反応混合物を提供するために、コンジット２０３の混合ゾーン２１８内に配置される。
【０１０７】
プロパン‐空気混合物（例えば、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物）は、反応混合物をより均一に管状ＣＰＯＸ反応ユニット２０９に分配するように機能するマニフォルド、即ち、プレナム２２０に入り、その一実施形態の詳細な記述は、図４Ｅに示されるマニフォルド部分４５０の管状ＣＰＯＸ反応器ユニット４０８に関連してここで提示される。ＣＰＯＸ改質器２００の動作のスタートアップモードにおいて、点火器２２３は、管状ＣＰＯＸ反応器ユニット２０９のＣＰＯＸ反応ゾーン２１０内でガス状ＣＰＯＸ反応混合物のガス相ＣＰＯＸ反応を開始し、それによって、水素リッチ改質油の生産を開始する。定常状態のＣＰＯＸ反応温度が達成される（例えば、２５０℃から１，１００℃）と、反応は、自立になり、点火器の動作は、中断されることができる。熱電対２２５は、ＣＰＯＸ反応器ユニット２０９内で生じるＣＰＯＸ反応の温度を監視するために一つ以上のＣＰＯＸ反応ゾーン２１０に近接して配置され、温度測定は、改質器制御システム２２６へ監視されたパラメータとして中継される。
【０１０８】
また、改質器２００は、ブロワー２０２、フローメータ２０４と２１６、フロー制御バルブ２１７、及び点火器２２３のような電気で駆動されるコンポーネントに対して電力を提供するための電流源、例えば、充電可能リチウムイオンバッテリシステム２２７を含むことができる。
【０１０９】
必要ならば、ガス状燃料ＣＰＯＸ改質器からの生産物流出物、例えば水素リッチ改質油は、例えば、その一酸化炭素（ＣＯ）含有物を減少するために一つ以上の従来の又は他の既知の一酸化炭素除去デバイスに導入されることができ、そこでは、生産物流出物は、燃料として、ＣＯによって汚染の影響を特に受けやすい触媒を利用する燃料セルスタック、例えば、ポリマー電解質膜燃料セルに挿入されるべきである。図２に示されるように、一酸化炭素除去デバイス２２８は、ＣＰＯＸ反応器ユニット２０９のアウトレットと直接流体連通状態にあってもよい。このように、例えば、生産物流出物は、水ガスシフト（ＷＧＳ）変換器に導入されることができ、そこでは、ＣＯが二酸化炭素（ＣＯ２）に変換されると共に、同時に、追加の水素を生成し、又は生産物流出物は、反応器に導入されることができ、そこでは、ＣＯは、ＣＯ２への優先酸化（ＰＲＯＸ）を受けるようになされる。また、ＣＯの減少は、これらのプロセスの組合せ、例えば、ＰＲＯＸが続くＷＧＳ及びその逆を使用して実行されることができる。
【０１１０】
生産物改質油の水素ストリームとＣＯ含有副生物ストリームへの分離を行う水素選択性膜を備える既知の又は従来のクリーンアップユニット即ちデバイスに生産物改質油を通過させることによって生産物改質油中のＣＯレベルを減少することも本教示の範囲内に入る。また、この種のユニット／デバイスは、前述のＷＧＳ変換器及び／又はＰＲＯＸ反応器のような一つ以上の他のＣＯ−削減ユニットと組み合わされることができる。
【０１１１】
図３Ａに示される制御システム３００は、本教示に係るガス状燃料ＣＰＯＸ改質器の動作を制御するために設けられる。図３Ａに示されるように、制御システム３００は、動作のスタートアップモード、定常状態モード及びシャットダウンモードにおけるガス状燃料ＣＰＯＸ改質器３０２を管理するためのコントローラ３０１を含む。このコントローラは、プロセッサ上で動作するソフトウエアであってもよい。しかしながら、一つ以上のデジタル回路又はアナログ回路、又はそれらの組合せで実施されるコントローラを使用することは、本教示の範囲内にはいる。
【０１１２】
制御システム３００は、更に、コントローラ３０１と通信状態にある複数のセンサアセンブリ、例えば、熱電対と、関連する燃料圧メータ３０４、熱電対と、関連する空気圧メータ３０９、及び改質器熱電対３１４を含み、ＣＰＯＸ改質器３０２の選択された動作パラメータを監視するように構成される。
【０１１３】
センサアセンブリからの入力信号、ユーザ入力デバイス及び／又はプログラムされたサブルーチンからのユーザーコマンド及びコマンドシーケンスに応答して、コントローラは、ガス状燃料ＣＰＯＸ改質器の動作を管理できる。より具体的には、コントローラは、ガス状燃料ＣＰＯＸ改質器の望ましいセクション又はコンポーネントの制御信号受信部と、それに特定の動作を指向するコマンド信号を送信することによって、通信できる。このように、例えば、熱電対及び関連する圧力メータ３０４と３０９からの流量入力信号及び／又は改質器熱電対３１４からの温度入力信号に応答して、コントローラ３０１は、制御信号を、例えば、燃料ライン３０６を介するガス状燃料貯蔵タンク３０３からコンジット３０７への燃料の流れを制御するために燃料流制御バルブ３０５へ、空気流のコンジット３０７への流れを制御し且つＣＰＯＸ改質器３０２内及びそれを通過するガス状ＣＰＯＸ反応混合物の流れを駆動するために遠心ブロワー３０８へ、点火器３１１のオンオフ状態を制御するために点火器３１１へ、及びバッテリ／バッテリ充電器システム３１２の機能を管理するためにバッテリ／バッテリ充電器システム３１２へ送信できる。
【０１１４】
ここでのセンサアセンブリ、制御信号受信デバイス及び通信路は、任意の適切な構造のもの及び従来の技術で既知のものであり得る。センサアセンブリは、動作パラメータが監視される任意の適切なセンサデバイスを含むことができる。例えば、燃料流量は、任意の適切なフローメータで監視されることができ、圧力は、任意の適切な圧力感知又は圧力調整デバイスで監視されることができる等である。センサアセンブリは、必須ではないが、コントローラと通信状態にあるトランスジューサを含んでいてもよい。通信路は、通常、有線電気信号であるが、任意の他の適切な形態の通信路が使用されてもよい。
【０１１５】
図３Ａでは、通信路は、シングルヘッド矢印又はダブルヘッド矢印として概略的に示されている。コントローラ３０１で終端する矢印は、測定された流量又は測定された温度の値のような入力信号を概略的に示す。コントローラ３０１から延在する矢印は、矢印が終端するコンポーネントから対応動作を向けるために送られた制御信号を概略的に示す。デュアルヘッド通信路は、コントローラ３０１が、決定された応答動作を提供するためにＣＰＯＸ改質器３０２の対応するコンポーネントにコマンド信号を送信するのみならず、ＣＰＯＸ改質器３０２及び燃料制御バルブ３０５及びブロワー３０８のような機械的ユニットからの動作信号、及び圧力センサ３０４と３０９及び熱電対３１４のようなセンサアセンブリからの測定入力を受信することを概略的に表している。
【０１１６】
図３Ｂは、ガス状燃料ＣＰＯＸ改質器の動作を自動化するために制御システムのコントローラによって実行されることができる例示の制御ルーチンのフローチャートを表す。このフローチャートは、コントローラによって固定間隔、例えば、１０ミリ秒毎程度で実行されることができる。図３Ｂに示される制御論理は、動作のスタートアップモード及び定常状態モードのガス流、及びＣＰＯＸ反応温度の管理及び改質器動作のシャットダウンモードのための手順の管理を含む幾つかの機能を実行する。
【０１１７】
本教示の更なる実施形態を表す、図４Ａ乃至図４Ｋに示される例示のガス状燃料ＣＰＯＸ改質器４００及びそのコンポーネントの様々な図に示されているように、典型的には周囲温度の酸素含有ガスとしての空気は、図４Ｊと図４Ｋにより詳細に示される遠心ブロワーシステム４０２を介して、コンジット４０４のインレット４０３を通って予め設定された質量流量で導入される。プロパンは、燃料ライン４４１と燃料ライン４４２を介してコンジット４０４に導入される。プロパンと空気は、コンジット４０４の混合ゾーン４２０で組み合わさり、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物を提供し始める。任意の適切な種類のミキサー、例えば、混合ゾーン４２０内に配置されるスタティックミキサー及び／又はコンジット４０４のらせん状の溝が形成された内側壁表面が、混合ゾーン４２０以外に形成するよりもより組成的に均一なガス状ＣＰＯＸ反応混合物を提供するために含まれることができる。
【０１１８】
任意のスタティックミキサー及び／又は混合ゾーン４２０内に配置されるらせん状溝を有する接触部を通過することに続いて、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物は、アウトレット４２５を介してコンジット４０４を出て、管状ＣＰＯＸ反応器ユニット４０８に、及びその中に反応混合物のより均一な分配を提供するように構成されるマニフォルド４２６のガス分配器４２７に入る。本教示内のそのような配置又は他の配置は、任意の二つのＣＰＯＸ反応器ユニット内のガス状のＣＰＯＸ反応混合物の流量における差が約２０％以下、例えば、約１０％以下、又は約５％以下である、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物の分配を提供することができる。
【０１１９】
図４Ａに戻ると、マニフォルド４２６（その一部の拡大長手方向断面図が、関連する管状ＣＰＯＸ反応器ユニット４０８と共に図４Ｅに示される）は、マニフォルドチャンバ４２９を画定するマニフォルドハウジング、即ち、囲い４２８を含み、このマニフォルドチャンバ４２９内で、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物（ガス）分配器４２７がコンジット４０４のアウトレット４２５に接続される。アウトレット４２５を通ってコンジット４０４を出るガス状ＣＰＯＸ反応混合物は、ガス分配器４２７に入り、その後、ガス分配器の底又は下部に位置される孔４３０（例えば、穴又はスロット）を通して外側に通過し、次に、ガスは、分配器の外表面周りをその頂部又は上部に流れ、そこから管状ＣＰＯＸ反応器ユニット４０８のインレット４３１に入る。ガス状ＣＰＯＸ反応混合物がオリフィス４３０を通過してインレット４３１に入る時のガス状ＣＰＯＸ反応混合物の進路が図４Ｂに示されている。
【０１２０】
ＣＰＯＸ反応器ユニットへのガス状ＣＰＯＸ反応混合物のより均一な分配を促進する機能を達成するためにマニフォルドの設計の最適化に影響を及ぼし得る幾つかの指定のファクタは、そのハウジングの構成、そのチャンバの容量、及びそのオリフィスの数、設計及び配置を含むガス分配器の寸法を含む。一方、そのようなファクタは、コンジット内のガス状ＣＰＯＸ反応混合物の目標の流量、ＣＰＯＸ反応器ユニットの数と配置、ＣＰＯＸ反応器ユニットのインレットの形状と寸法のような改質器設計及び動作ファクタ及び同様な考察に依存する。本教示に係る特定のガス状燃料ＣＰＯＸ改質器のための最適な燃料‐空気分配性能のマニフォルドは、方法を試験するルーチンを使用して当業者によって容易に構成されることができる。
【０１２１】
ＣＰＯＸ反応器ユニットのＣＰＯＸ反応ゾーンが実質的に反応器ユニットの長さと同じ広がりを持つ場合、マニフォルドハウジングは、ＣＰＯＸ改質器の典型である高温で熱的に且つ機械的に安定している材料から製造されることができる。これらの実施形態では、カーボンファイバ及び／又はガラスファイバ強化セラミックのような耐火複合材料を含む様々な種類の耐火材が、マニフォルドハウジングを製造するために適切である。構造体の適切な材料は、様々な既知のタイプのアルミナ、再結晶アルミナ、アルミノケイ酸塩、窒化ホウ素、ガラスセラミック、酸化マグネシウム、リン酸ジルコニウム等の緻密なセラミックス、ニッケル‐クロム系超合金、ハステロイ超合金等のような金属を含む。しかしながら、これら及び他の耐火材は、比較的にコストが高い傾向があり、特に、比較的に複雑な構成を有する物品を製造する場合に、使用して役立たせる際に課題となり得る。
【０１２２】
図４Ｆに示されるＣＰＯＸ反応器ユニット４０８の拡大された、例示の長手方向断面図に示されるように、ＣＰＯＸ反応器ユニット４０８のガス透過可能壁４５１は、その長手に沿って、燃料‐空気混合物インレット４３１で始まる、実質的にＣＰＯＸ触媒が無い第１の、即ち、上流の領域４５２と、第１の領域４５２の終わりに始まり且つ反応器ユニットの生成物改質油流出物アウトレット４５４で又はそれに近接して終わる、触媒的に効果的な量のＣＰＯＸ触媒４６４を含む第２の、即ち、下流の領域４５３に分割されることができる。図４ＡのＣＰＯＸ改質器４００の定常状態動作中に、ＣＰＯＸ反応器ユニットのこの実施形態は、特に、ＣＰＯＸ反応器ユニット４０８の燃料‐空気混合物インレット４３１とマニフォルドハウジング４２８との接合部でかなり低い温度、例えば、周囲温度から約３５０℃までの領域に維持するために本質的にＣＰＯＸ触媒の無い第１の領域４５２を出る第２の領域４５３に熱いＣＰＯＸ反応ゾーン４０９を大きく制限する。
【０１２３】
温度が多くの熱可塑性樹脂の溶融温度よりも低い及び多くの熱硬化性樹脂の熱劣化温度未満である、ＣＰＯＸ触媒の無い壁セクションゾーンのより低い温度によって、マニフォルドハウジングの製造のために幾つかのファミリーの熱可塑性樹脂及び熱硬化性樹脂の任意のものを利用することが実際的にされ且つ有利にされる。マニフォルドハウジングの製造のために使用されることができる特定のタイプの熱可塑性樹脂及び熱硬化性樹脂は、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）のようなポリアリルエーテルケトン（ＰＡＥＫ）、フェノールホルムアルデヒド樹脂等を含む。それらの比較的に低い材料コストに加えて、これら及び他の熱的に安定な樹脂は、押し出し成形、真空成形、射出成形、反応射出成形、回転成形等のような低コスト製造手順を使用して複雑な形状に容易に形成可能にできる追加の利点を有し、従って、比較的に複雑な幾何学形状を有するマニフォルドハウジングを作るのに良好に適する。
【０１２４】
図４Ａに戻り、マニフォルド４２６から、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物がＣＰＯＸ反応器ユニット４０８のインレット４３１に入り、ＣＰＯＸ反応ゾーン４０９に入り、そこでは、反応混合物は、水素リッチ一酸化炭素含有改質油を生成するためにガス相ＣＰＯＸ反応を受ける。スタートアップモードで、一つ以上の点火器（単数又は複数）４３５がＣＰＯＸを開始する。ＣＰＯＸが自立した後に、例えば、反応ゾーンの温度が約２５０℃から約１１００℃に達すると、点火器（単数又は複数）は、そこでは自立ＣＰＯＸ反応を維持するために外部点火がもはや要求されないので、シャットダウンされることができる。例えば、微細孔の又はアルミニウムベースの耐火性タイプの断熱部４１０がＣＰＯＸコンポーネントからの熱損失を減少するためにＣＰＯＸ改質器のこれらの部分を囲む。
【０１２５】
図４Ａ乃至図４Ｄは、本教示の一実施形態を示しており、そこでは、二つの点火器４３５（各アレイに対して一つ）は、改質器４００の動作のスタートアップモード中にチャンバ内のＣＰＯＸ反応器ユニット４０８のＣＰＯＸ反応ゾーン４０９内でＣＰＯＸ反応を開始するために使用される。図４Ｃと図４Ｄに示されるように、ＣＰＯＸ反応器ユニット４０８は、二つの別々の２×７アレイに配置され、各アレイは、チャンバ４３６内に配置される。アレイの周囲は、チャンバ４３６の開口スペース４３８と断熱部４１０との境界を示す。ＣＰＯＸ反応器ユニット４０８のＣＰＯＸ反応ゾーン４０９の少なくとも一部に対応するＣＰＯＸ反応器ユニット４０８の壁の外部表面４３７は、開口スペース４３８内に露出される。水素バリアが存在する場合、その水素バリアは、ＣＰＯＸ反応器ユニットの外部表面に露出されることができる。例えば、１０ワットから８０ワット以上に格付けされた電気抵抗タイプの点火器４３５は、チャンバ４３６の両端に配置され、そこでは、放射熱生成要素４３９がＣＰＯＸ反応器ユニット４０８の外部表面４３７に近接するが、それから物理的に隔離状態に位置される。熱電対４４０は、ＣＰＯＸ反応ゾーン４０９の温度を監視し且つ図３Ａに示される制御システムに関連して記述されるように、改質器制御入力を提供するために点火器４３５の反対側のチャンバ４３６の端部に配置される。点火器の動作によって、放射熱が一つ以上の隣接するＣＰＯＸ反応器ユニットの壁に又はそれを介して伝達され、それによって、ＣＰＯＸがそのような反応器ユニット（単数又は複数）のＣＰＯＸ反応ゾーン内で開始される。次に、これらの隣接するＣＰＯＸ反応器ユニットのＣＰＯＸ反応ゾーン（単数又は複数）から放射される放射熱は、図４Ｃにおける波状矢印によって示されるようにアレイ内の残りのＣＰＯＸ反応器ユニットのＣＰＯＸ反応ゾーン内でＣＰＯＸを開始できる。
【０１２６】
ＣＰＯＸ反応器ユニットとの直接の接触を回避する一つ、又は二つ、又は多くて二乃至三の点火器（単数又は複数）の供給は、ＣＰＯＸ点火器システムに幾つかの利点を提供し、そこでは、各ＣＰＯＸ反応器ユニットが、それ自体の物理的に取り付けられた又は一体化された点火器を有する。後者の点火システムの使用は、本教示によって熟考されるが、動作不能の点火器の識別が、問題である可能性があり、点火器が一部であるＣＰＯＸ反応器ユニットに対する損傷及び／又はアレイ中の他の反応器ユニットへの障害無しにその動作不能の点火器の除去及び交換は、困難である可能性がある。従って、アレイ内又は複数のＣＰＯＸ反応器ユニット内に適切に配置された単一（又は二乃至三の）点火器（単数又は複数）は、故障した又は欠陥のある点火器の容易で且つ単純な識別及びＣＰＯＸ改質器からの抽出、及び動作する点火器との交換を許容できる。
【０１２７】
二つの点火器が使用され、各点火器がＣＰＯＸ反応器ユニットの２×７アレイを点火する、図４Ｃ及び図４Ｄに示されるように、特に、二つのチャンバ間に顕著な熱連通がある場合、チャンバ４３６の一方の側にある点火器４３５と熱電対４４０の位置をチャンバの他方の側にある点火器４３５と熱電対４４０の位置に対して反転することが有利である場合がある。そのような配置は、ＣＰＯＸ反応器ユニットの各別れたアレイのＣＰＯＸ反応ゾーン内でのＣＰＯＸのより迅速な開始となることが観察された。しかしながら、チャンバ内で適切に寸法が決められ且つ配置されたＣＰＯＸ反応器ユニットに関して、単一の点火器が、チャンバ内でＣＰＯＸ反応器ユニットのＣＰＯＸ反応ゾーン内でＣＰＯＸを始動するために使用されてもよい。
【０１２８】
図４Ｂ、図４Ｃと図４Ｄ（及び図４Ａではラベルが付されていないが存在する）に示されるチャンバ４３６は、本明細書で論じられるように、水素バリアとして働くことができる加圧ガスのような加圧流体を含むことができる。チャンバ４３６は、気密チャンバであることができる。図示のように、チャンバ４３６は、一般的に、ＣＰＯＸ反応器ユニット４０８の各々のＣＰＯＸ反応ゾーン（例えば、ＣＰＯＸ触媒を含むガス透過可能壁のセクション）をチャンバ内に含み並びに点火器４３５及び熱電対４４０を含むように配置される。図示のように、チャンバは、ＣＰＯＸ反応ゾーンの大部分を含むが、そのチャンバの一つ以上の壁は、水素バリアとして働くことができ、この水素バリアでは、ＣＰＯＸ反応器ユニットが、例えば、図示のようにチャンバの内部の上方及び下方で壁を横切る即ち壁を貫通して延在する。加圧ガスコンジット（図示せず）のような加圧流体コンジットは、チャンバの内部と圧縮空気源のような加圧又は圧縮流体源との間に動作可能流体連通を提供できる。チャンバの加圧は、適切な水素バリアのための十分な流体圧を提供するために適切なバルブと圧力センサのアセンブリを使用して制御されることができる。
【０１２９】
図４Ｅに戻って、図４Ａと図４Ｂに示される改質器４００のマニフォルド４２６の拡大されたマニフォルド部分４５０は、上部ハウジング構造体４５５、下部ハウジング構造体４５６、マニフォルドチャンバ４２９、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物（ガス）分配器４２７及び管状ＣＰＯＸ反応器ユニット４０８のインレット４３１と流体連通、例えば、ガス流連通しているガス分配器アウトレット４３０を含む。管状ＣＰＯＸ反応器ユニット４０８のインレット端４５７は、上部ハウジング構造体４５５内に形成されたキャビティ４５８内に強固にシールされ、Ｏリングガスケット４５９によってそれと気密関係に係合される。ガス状ＣＰＯＸ反応混合物は、ガス分配器４２７のアウトレット４３０を通って、管状ＣＰＯＸ反応器ユニット４０８のインレット４３１を通ってＣＰＯＸ反応ゾーン４０９内に流れ、そこでは、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物は、反応器ユニットのアウトレット端４６０で関連するアウトレット４５４を通って反応器ユニットを出る水素リッチ一酸化炭素含有流出物改質油へのガス相ＣＰＯＸ変換を受ける。
【０１３０】
図４Ｆと図４Ｇに更に示されるように、各管状ＣＰＯＸ反応器ユニット４０８のガス透過可能壁４５１は、内表面４６１、外表面４６２、一部がＣＰＯＸ反応ゾーン４０９を構成するガス透過可能壁４５１よって囲まれた開口ガス流通路４６３、及び第２の領域４５３及びＣＰＯＸ反応ゾーン４０９に対応するガス透過可能壁４５１の少なくともそのセクションの構造体内に支持される及び／又はその構造体を含む触媒として有効量のＣＰＯＸ触媒４６４を含む。図示のように、生成物水素ガスのガス透過可能壁４５１を介する損失を防止又は禁止するために、水素バリア４６５がガス透過可能壁４５１の外表面４６２に取り付けられる。
【０１３１】
開口ガス流通路は、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物とその中の水素含有改質油の実質的に滑らかな流れを可能とし、本教示のＣＰＯＸ反応器ユニットの構造的特徴は、本教示のガス状燃料ＣＰＯＸ改質器の動作の特徴である低い背圧に寄与する。本教示に係るガス状燃料ＣＰＯＸ改質器の動作において、水柱の約３インチ（０．００７５バール）以下の、例えば、水柱の約２インチ以下の、又は水柱の約１インチ以下の背圧は、容易に達成されることができる。
【０１３２】
本明細書で先に述べられたように、ＣＰＯＸ反応器ユニットを形成するガス透過可能壁を通過する及び越える拡散による水素の損失を防止する又は禁止するために、ＣＰＯＸ反応器ユニットの幾つかの実施形態では、水素バリアが、ＣＰＯＸ反応器ユニットのＣＰＯＸ反応ゾーンに対応するＣＰＯＸ反応器ユニットの長手の少なくともその部分に対してガス透過可能壁の外表面即ち外側表面に関連して、例えば、それに取り付けられる又は接着される。効果的な水素バリアとして機能できる材料は、ＣＰＯＸ反応の典型である高温で熱的に安定であるべきであり、改質油ガス、特に水素の材料を介する浸透や拡散を阻止するために十分に密であるべきである。
【０１３３】
これらの要求を満足する様々なセラミック材料（ガラス及びガラスセラミックスを含む）及び金属は、既知であり、従って、水素バリアを提供するために適する。水素バリアのための特定の材料は、例えば、アルミニウム、ニッケル、モリブデン、錫、クロム、アルミナ、再結晶アルミナ、アルミナイド、アルミノケイ酸塩、チタニア、炭化チタン、窒化チタン、窒化ボロン、酸化マグネシウム、酸化クロム、リン酸ジルコニウム、セリア、ジルコニア、ムライト等、それらの混合物及びそれらの層状の組合せを含む。
【０１３４】
水素バリアを構成する材料の性質が許す場合、水素バリアは、事前形成された層、フォイル、フィルム又は膜として、ＣＰＯＸ反応ゾーンに対応するＣＰＯＸ反応器ユニットの外表面の少なくともその部分に適用されることができる。水素バリアは、耐火接着剤でその壁に接着されることができる。或いは、水素バリアは、適切な堆積方法、例えば、スプレーコーティング、粉末コーティング、ブラシコーティング、浸漬、キャスティング、共押出、金属化等、及びそれらの多くの変型のいずれかのような従来の又は他の既知のセラミックコーティング及び金属コーティング技術のいずれかを使用して外表面に形成されてもよい。水素バリアの厚みの適切な範囲は、選択されたバリア材料の水素透過性特性及びＣＰＯＸ反応ゾーンを囲む壁のガス透過性特性に主に依存し、そのような厚みは、当業者によって決定される。多くのバリア材料及び反応器壁構造体に対して、水素バリアの厚みは、約２マイクロメートルから約１５マイクロメートルまで、例えば、約５マイクロメートルから約１２マイクロメートルの間で変化し得る。
【０１３５】
加えて、水素バリアは、ＣＰＯＸ反応器ユニットのガス透過可能壁、例えば、少なくともＣＰＯＸ触媒含有壁セクションの外表面に関連する加圧ガスのような加圧流体であってもよい。十分な圧力で、ＣＰＯＸ反応器ユニットの外側にある加圧流体は、ＣＰＯＸ反応器ユニットを形成するガス透過可能壁を通る水素のロスを防止するためのバリアを生成する。加圧流体は、典型的には、不活性ガス（例えば、窒素）及び／又は空気のような加圧ガスである。水素バリアとしての加圧空気の使用は、酸素がＣＰＯＸ反応器ユニットの外部から内部へ拡散し、その拡散された酸素が、特にそのような水素バリアが使用され且つＣＰＯＸ反応ゾーンの回りに存在する場合に、再形成されようとしている及び／又は再形成されているガス状ＣＰＯＸ反応混合物のＯ：Ｃ比を調整できる追加の利点を有する。
【０１３６】
幾つかの実施形態では、ＣＰＯＸ反応器ユニットは、気密チャンバ内に配置されることができるが、それによって、ＣＰＯＸ反応器ユニットのインレットとアウトレットに対して、ＣＰＯＸ反応器ユニットの外部にある環境のガスのような流体の加圧を許容し、その加圧されたガスは、ＣＰＯＸ反応器ユニットの外部表面と関連する水素バリアを生成できる。特定の実施形態では、水素がＣＰＯＸ反応ゾーンまでＣＰＯＸ反応器ユニット内で生成されないので、ＣＰＯＸ反応器ユニットのＣＰＯＸ反応ゾーンのみが空気のような流体で加圧される気密チャンバに囲まれる。ＣＰＯＸ反応ゾーンがＣＰＯＸ反応器ユニットのアウトレットまで延在しない実施形態では、ＣＰＯＸ反応ゾーンの始めからアウトレットまで加圧ガスが水素バリアとして使用されることを許容するために気密チャンバ内に囲まれることができる。幾つかの設計では、本明細書で記述されるチャンバは、ＣＰＯＸ反応ゾーンの一部を取り囲み、他方、ＣＰＯＸ反応ゾーンの残りの部分を取り囲む水素バリアの他の形態が存在してもよい。
【０１３７】
気密チャンバのようなチャンバが使用される実施形態では、そのチャンバの内部と流体連通状態にあるコンジットは、流体でそのチャンバを加圧するために使用されることができる。例えば、加圧流体やガスコンジットは、（気密）チャンバの内部と圧縮空気のような圧縮ガスの容器のような加圧又は圧縮流体源との間で動作可能な流体連通を提供できる。
【０１３８】
当業者が容易に認識し且つ理解するように、ＣＰＯＸ反応器ユニットの断面形状、その数及び寸法、及びそれらのＣＰＯＸ反応器ユニットの幾何形状中心即ち図心から測定されたそれらお互いの分離の距離は、特定のガス状燃料ＣＰＯＸ反応器に対する動作上の及び機械的な性能使用に依存して決定される。実質的に均一な円形断面のＣＰＯＸ反応器ユニット、例えば、図４Ｃ、図４Ｆ及び図４Ｇに示されるＣＰＯＸ反応器ユニット４０８の場合、そのようなＣＰＯＸ反応器ユニットの数、それらの長さ、それらの内径及び外径（それらのガス透過可能壁の厚みを画定する）、及びガス透過可能壁の外表面に取り付けられる水素バリアの位置、長さ及び厚みは、とりわけ、ＣＰＯＸ改質器の水素生成能力によって決定され、一方、その水素生成能力は、タイプ、量（ガス透過可能壁内のＣＰＯＸ触媒の装填及び分配）、壁の多孔構造の特性、細孔容積、（細孔サイズの関数）、細孔の主なタイプ（大部分が開いている、即ち、網状の、又は大部分が閉じている、即ち、非網状の）、及び細孔の形状（球状の又は不揃いの）、ＣＰＯＸ反応混合物の容量的流量、ＣＰＯＸ温度、背圧等のような壁のガス透過性に影響を及ぼす（及び従ってＣＰＯＸ反応に影響する）特性を含む幾つかのファクタの関数である。
【０１３９】
特定のガス状燃料ＣＰＯＸ改質器の望ましい機械的性能特性は、ＣＰＯＸ反応器ユニットの構成のために使用される材料の熱的且つ機械的特性、ＣＰＯＸ反応器ユニットの壁のガス透過可能構造体の細孔の容量と形態、反応器ユニットの寸法、特に壁厚及び関連するファクタのようなファクタにかなりの程度まで依存する。
【０１４０】
ガス状燃料ＣＰＯＸ改質器が安定的に機能するために、ガス相ＣＰＯＸ反応ゾーンを囲む管状ＣＰＯＸ反応器ユニットの触媒的に活性な壁構造体のガス透過性特性は、ガス状改質可能燃料がそのような壁構造体に自由に入り且つそれを通して拡散し、それによって表面ＣＰＯＸ触媒のみならず、そのうえ、もしある場合内部のＣＰＯＸ触媒と効果的に接触できるようになっているべきである。気化された改質可能燃料に対して限られたガス透過性を有するＣＰＯＸ反応器ユニットの壁構造体は、ガス状改質可能燃料の水素リッチ改質油へのＣＰＯＸ変換を大きく遅らせるように制限された物質移行であり得ることに留意すべきである。対照的に、適切なガス透過性の触媒アクティブ反応器壁構造体は、ガス状改質可能燃料のＣＰＯＸ変換且つ望ましい組成の水素リッチ改質油に対する選択性を促進する。
【０１４１】
本教示によって案内され且つ既知及び従来の試験手順を使用して、当業者は、処理されるべき特定のガス状改質可能燃料に対して最適なガス透過性特性を示す触媒アクティブ壁構造を有するＣＰＯＸ反応器ユニットを容易に構成できる。
【０１４２】
管状ＣＰＯＸ反応器ユニットのＣＰＯＸ反応ゾーンの触媒アクティブ壁構造体が製造されることができる材料は、そのような壁構造体が高温且つＣＰＯＸ反応の酸化力のある環境特性下で安定していることを可能とする材料である。従来及び他の既知の耐火性金属、耐火性セラミックス、及びそれらの組合せは、ＣＰＯＸ反応ゾーンの触媒アクティブ壁構造体の構成のために使用されることができる。これらの材料の幾つか、例えば、ペロブスカイトは、また、部分酸化に対する触媒活性を有し、従って、ＣＰＯＸ反応ゾーンの触媒アクティブ壁構造体の製造のために使用されることができるのみならずそのような構造体に対してＣＰＯＸ触媒の一部又はそれの全てにも供給することができる。
【０１４３】
幾つかの実施形態では、ＣＰＯＸ反応器ユニットのＣＰＯＸ触媒を含む、ＣＰＯＸ反応ゾーンの壁の少なくともセクションは、ペロブスカイトから作られる又はそれを含むことができる。例えば、ペロブスカイトは、そのような壁の約２０重量％を超える、約３０重量％を超える、約４０重量％を超える、約５０重量％を超える、約６０重量％を超える、約７０重量％を超える、約８０重量％を超える、又は約９０重量％を超えることができる。そのような壁セクションは、全体的にペロブスカイトで作られてもよいし又はＣＰＯＸ反応器ユニットの壁全体がペロブスカイトで作られてもよいし又はその壁全体が本明細書で記述されたペロブスカイトの割合を含んでいてもよい。ＣＰＯＸ反応ゾーンに少なくとも対応する壁のセクションの材料のバランスは、ペロブスカイト以外に、金属、セラミックス、耐火性バインダから選択された少なくとも一つの成分とＣＰＯＸ触媒を含むことができる。
【０１４４】
ペロブスカイトは、ＬａＮｉＯ３、ＬａＣｏＯ３、ＬａＣｒＯ３、ＬａＦｅＯ３及びＬａＭｎＯ３から選択された、少なくとも一つのメンバーであることができる。ペロブスカイトは、ランタンストロンチウムマンガナイト、マンガンストロンチウムフェライト、ランタンストロンチウムコバルトフェライト、ランタンカルシウムマンガナイト、ランタンストロンチウムクロマイト、ランタンストロンチウムガラートマグネサイト、及びそれらの組合せを含むことができる。触媒として存在する場合、ペロブスカイトは、Ｌａ１−ｘＣｅｘＦｅ２Ｏ３、ＬａＣｒ１−ｙＲｕｙＯ３、Ｌａ１−ｘＳｒｘＡｌ１−ｙＲｕｙＯ３及びＬａ１−ｘＳｒｘＦｅ２Ｏ３であることができ、それらの組合せを含み、そこでは、ｘとｙは、０．０１から０．５までの範囲の数字である。加えて、他の適切な遷移金属ドープペロブスカイトが本教示の実施において使用されることができる。
【０１４５】
有用な耐火性金属として、チタン、バナジウム、クロム、ジルコン、モリブデン、ロジウム、タングステン、ニッケル、鉄等、それらの互いの組合せ、及び／又は他の金属及び／又は金属合金との組合せ等がある。耐火性セラミックスは、本目的のために有用でもある多くの耐火性金属及び耐火性金属合金に比較して、それらが比較的に低コストであることに起因して、触媒活性壁構造体の構成のための材料の一クラスである。そのようなセラミックスが既知及び従来の細孔形成手順を使用して極めて再生可能な細孔タイプの管状ガス透過可能構造体に形成できる比較的容易さとセラミックスの一般的に高度に満足のいく構造的／機械的特性（熱膨張係数及び熱ショック性能を含む）及び化学劣化に対する抵抗性は、それらの材料を魅力的な材料にする。ＣＰＯＸ反応ゾーン（先に述べたように、ＣＰＯＸ反応器ユニットの全体の壁構造体を含むことができる）の構成のための適切な耐火性セラミックスは、例えば、ペロブスカイト、スピネル、マグネシア、セリア、安定化セリア、シリカ、チタニア、ジルコニア、アルミナ安定化ジルコニアのような安定化ジルコニア、カルシア安定化ジルコニア、セリア安定化ジルコニア、マグネシア安定化ジルコニア、ランタナ安定化ジルコニア及びイットリア安定化ジルコニア、ジルコニア安定化アルミナ、ピロコア、ブラウンミラライト、リン酸ジルコニウム、炭化ケイ素、イットリウムアルミニウムガーネット、アルミナ、αアルミナ、γアルミナ、βアルミナ、アルミニウムシリケート、コージェライト、ＭｇＡｌ２Ｏ４等を含み、それらの内の様々なものが米国特許第６，４０２，９８９号明細書及び第７，０７０，７５２号明細書に開示されており、それの明細書の全ての内容は、参照によって本明細書に組み込まれ、且つ希土類アルミン酸塩及び希土類ガラートを含み、それらの内の様々なものが米国特許第７，００１，８６７号明細書及び第７，８８８，２７８号明細書に開示されており、それの明細書の全ての内容は、参照によって本明細書に組み込まれる。
【０１４６】
一般的に、所与の設計のＰＯＸ改質器の全即ち全体の燃料変換能力は、その個別のＣＰＯＸ反応器ユニットの総燃料変換能力である。互いに隣接するＣＰＯＸ反応器ユニット間の最小距離は、改質器の動作の定常状態モードにおいて、反応器ユニットの温度が、予め決定された、即ち、事前設定された最大値を越えないようにされ、且つ互いに隣接するＣＰＯＸ反応器ユニット間の最大距離は、ガス状燃料ＣＰＯＸ改質器の動作のスタートアップモード中にＣＰＯＸ反応が一つ以上の反応器ユニット内で開始されることが失敗しない又は一つ以上のＣＰＯＸ反応器ユニット内の温度が改質器の動作の定常状態モードに対して意図された所定の、即ち、予め設定された最低値以下に低下することがない距離である。互いに隣接するＣＰＯＸ反応器ユニット間の最小距離と最大距離は、ルーチン試験方法を使用して所与の改質器セクション設計に対して容易に決定されることができる。
【０１４７】
本教示は、今まで既知で従来のＣＰＯＸ触媒（触媒系を含む）、触媒を細孔基板又は支持体、特にＣＰＯＸ反応器ユニットのガス透過可能壁に組み込む方法、制限するわけではないが、壁の特定のセクションに閉じ込められた触媒を含む触媒分配のパターン、反応器ユニットの長手に沿って増加される及び／又は壁の内表面から外表面へ減少される触媒の装填、反応器ユニットの長手に沿って組成が変化するＣＰＯＸ触媒、及び同様の変型のいずれかの使用を熟考している。このように、例えば、ＣＰＯＸ反応ゾーンの始めからその終わりまで又はその終わりの近くまでＣＰＯＸ反応器ユニットの壁内における触媒装填の増加は、このゾーンにおいて一定のＰＯＸ反応温度を維持するのに役立つことができる。
【０１４８】
本明細書で利用されることができる多くの既知で従来のＣＰＯＸ触媒としては、金属、金属合金、金属酸化物、混合金属酸化物、ペロブスカイト、パイロクロール、例えば、米国特許第５，１４９，１５６号明細書、第５，４４７，７０５号明細書、第６，３７９，５８６号明細書、第６，４０２，９８９号明細書、第６，４５８，３３４号明細書、第６，４８８，９０７号明細書、第６，７０２，９６０号明細書、第６，７２６，８５３号明細書、第６，８７８，６６７号明細書、第７，０７０，７５２号明細書、第７，０９０，８２６号明細書、第７，３２８，６９１号明細書、第７，５８５，８１０号明細書、第７，８８８，２７８号明細書、第８，０６２，８００号明細書、及び第８，２４１，６００号明細書に開示される様々なものを含む、それらの混合物及びそれらの組合せがあり、これらの明細書の全体の内容は、参照によって本明細書に組み込まれる。
【０１４９】
多数の高活性貴金属含有ＣＰＯＸ触媒が既知であり、且つそのようなものがここでは有用であるが、それは、一般的に、それらの高いコスト、高温で焼結した結果触媒活性の減少を受ける傾向、及び硫黄による汚染への傾向に起因して他の既知のタイプのＣＰＯＸ触媒よりも使用されない。
【０１５０】
ペロブスカイト触媒は、それらが、また、ＣＰＯＸ反応器ユニットの触媒アクティブ壁構造体の構成に適するので、本教示において有用なＣＰＯＸ触媒のクラスである。ペロブスカイト触媒は、「Ａ」と「Ｂ」が非常に異なるサイズの陽イオンであり、「Ｘ」は、両陽イオンに接合する陰イオン、一般的には、酸素である、構造ＡＢＸ３によって特徴付けられる。適切なペロブスカイトＣＰＯＸ触媒の例は、ＬａＮｉＯ３、ＬａＣｏＯ３、ＬａＣｒＯ３、ＬａＦｅＯ３及びＬａＭｎＯ３を含む。
【０１５１】
ペロブスカイトのＡ部位変更は、一般的に、それらの熱安定性に影響を及ぼし、他方、Ｂ部位変更は、一般的に、それらの触媒活性に影響を及ぼす。ペロブスカイトは、それらのＡ及び／又はＢ部位でドーピングを行うことで特定のＣＰＯＸ反応状態に対して適合変更されることができる。ドーピングによって、ペロブスカイト格子内の活性ドーパントの原子レベルの分散が生じ、それによって、それらの触媒性能における劣化を禁止する。また、ペロブスカイトは、ＣＰＯＸ改質の高温特性での硫黄に対する良好な許容範囲を示すことができる。ＣＰＯＸ触媒として有用なドーピングされたペロブスカイトの例は、Ｌａ１−ｘＣｅｘＦｅＯ３、ＬａＣｒ１−ｙＲＵｙＯ３、Ｌａ１−ｘＳｒｘＡｌ１−ｙＲｕｙＯ３及びＬａ１−ｘＳｒｘＦｅＯ３を含み、ここでは、ｘとｙは、ドーパントの固溶限界とコストに依存して、０．０５から０．５まで、例えば、０．０５から０．２までの数である。
【０１５２】
図４Ｆに関連して先に論じられたように、ＣＰＯＸ反応器ユニットは、実質的にＣＰＯＸ触媒が無く且つそのインレット端からＣＰＯＸ触媒を含む第２の、即ち下流領域へ延在する第１の、即ち、上流領域を含むことができる。第２の、即ち下流領域は、典型的には、第１の領域端からその改質油流出物アウトレットに延在するが、アウトレット近くの触媒の量は減少する。ＣＰＯＸ反応器ユニットの全長に対するこれらの領域の長さは、大きく変化してもよい。このように、例えば、第１の領域は、ＣＰＯＸ反応器ユニットの長さの約２０％から約６０％まで、例えば、約３０％から約４０％まで又は約５０％まで延在し、第２の領域は、ＣＰＯＸ反応器ユニットの長さの残りの長さに延在する。図４ＡのＣＰＯＸ改質器４００の記述に関連して説明したように、ＣＰＯＸ改質器４００の定常状態動作中に、第１の領域４５２は、図４Ａのマニフォルド４２６のマニフォルドハウジング４２８が様々な種類の低コストで、容易に成形可能である熱可塑性又は熱硬化性樹脂のいずれかから製造されることができる第２の領域４５３（ＣＰＯＸ反応ゾーン４０９に対応する）よりもかなり低い温度にある。
【０１５３】
ＣＰＯＸ反応器ユニット４０８は、図４Ｇに示される円形断面に加えて、図４Ｈ及び図４Ｉに示されるもののような他の断面構成を取ることができる。図４Ｈは、交互に凹凸となる、即ち、二裂片の断面を有するＣＰＯＸ反応器ユニットを示している。そのような断面構成を有するＣＰＯＸ反応器ユニットは、Ｆｉｎｎｅｒｔｙ氏らによる同時係属中で本願の譲受人に譲渡された米国特許出願公開第２０１３／０２３０７８７号明細書のＳＯＦＣ燃料セルアセンブリのようにそれらのアウトレットセクションが同様に構成された管状中実酸素燃料セル（ＳＯＦＣ）ユニットに接合される又は嵌合される場合に特に有利であり、その明細書の全体の内容は、実際上、参照によって本明細書に組み込まれる。
【０１５４】
代替として又はＣＰＯＸ反応器ユニットの多管状燃料セルユニットへの直接の接続と組み合わせて、多管状ＣＰＯＸ改質器の二つ以上のＣＰＯＸ反応器ユニットのアウトレットは、互いに（及びＣＰＯＸ反応器ユニットの追加のアウトレット）と流体連通状態にあることができ、それらのアウトレットからの水素リッチ改質油は、燃料セルへの導入に先立って組み合わされることができる。例えば、二つ以上のＣＰＯＸ反応器ユニットからの水素リッチ改質油流出物は、マニフォルド又は同様のデバイス及び／又は一つ以上のコンジット内で組み合わされることができ、次に、多管状燃料セル又は単一の燃料セルユニットであり得る燃料セルに導入される。従って、本教示のＣＰＯＸ改質器は、そのエンド使用、例えば、水素リッチ改質油を単一の又は多管状燃料セルユニットに提供することに依存する様々な用途に適合されることができる。
【０１５５】
図４Ｊと図４Ｋにより詳細に示される、ガス状ＣＰＯＸ改質器４００の遠心ブロワーシステム４０２は、ＤｅＷａｌｄ氏らによる同時係属中で本願の譲受人に譲渡された米国特許出願公開第２０１２／０３２８９６９号明細書に開示されており、その明細書の全体の内容は、実際上、参照によって本明細書に組み込まれる。その他の利点の内、遠心ブロワーシステムは、同等の空気流容量の複数の片吸込み型遠心ブロワーが、ここで説明されるように、比較的に高い電力消費のブロワーへ頼ることなくては、提供できない生産物水素リッチ改質油の要求における変化に応答して、コンジットに導入される空気の容量及び／又はガス状燃料‐空気混合物のＣＰＯＸ反応器ユニットへの流量を迅速に調整する能力を有することができる。
【０１５６】
既知で従来の改質器の動作のためにガス流を提供するために利用される片吸込み型遠心ブロワーのような片吸込み型遠心ブロワーは、変動するガス流要求を満足するためにモータの毎分回転数（ｒｐｍ）の全範囲の適切な制御を必要とする。ＣＰＯＸ改質器の動作の特定のモードに対する目標のガス流要求に依存して、これらの要求を満たすための片吸込み型ブロワーの最適な性能は、比較的に高いｒｐｍ、例えば、約２０，０００ｒｐｍ以上で駆動される比較的に小さなサイズのインペラーを有するブロワー又は比較的に低いｒｐｍ、例えば、約２０，０００ｒｐｍ未満、より一般的には、約１０，０００ｒｐｍ未満で駆動される比較的に大きなサイズのインペラーを有するブロワーを使用することを含む。第１の配置（場合）、即ち、比較的に高いｒｐｍで駆動される比較的に小さなインペラーを有する片吸込み型ブロワーは、その動作のために必要な、対応するより大量の電力を引き込むよりパワフルで特別なモータを必要とする。第２の配置（場合）、即ち、比較的に低いｒｐｍで駆動される比較的に大きなインペラーを有する片吸込み型ブロワーは、大きなインペラーのより大きな慣性に起因してブロワー出力の制御と微細な調整がより困難にされ得る。
【０１５７】
目標の圧力のオーバーシュートとガス状燃料ＣＰＯＸ改質器のガス流要求を防止するために、比較的高い慣性のインペラーを有する片吸込み型ブロワーは、ガス圧と流量の期待された範囲にそのブロワーを調整する時に過減衰されなければならない。インペラーの比較的に高い慣性を補償するためのこの過減衰の影響は、ガス流要求を変化する、しばしば迅速に変化することに応答してブロワーを遅くさせることである。比較的高い慣性のインペラーを有する片吸込み型遠心ブロワーのこの特徴的に遅い応答は、ガスフロー要求における変動に対して満足するように応答するためにはより複雑な制御システムを必要とする可能性がある。
【０１５８】
ＣＰＯＸ改質器内でガス流を駆動するために遠心ブロワーシステムを利用することは、そのシステムが、迅速に目標のガス流とガス圧要求を満足するために、制御並びに低駆動モータｒｐｍ及び電力引込みのための両低慣性インペラーから利益を得ることができる。
目標のガス圧とガス流の大部分、例えば、目標のガス圧とガス流の約６０％から約９０％までを提供するために遠心ブロワーシステムのような相互接続された一連のブロワーにおける一つ以上のブロワーユニットを制御することによって、目標のガス圧とガス流の残りの部分がそのシステムの一つ以上の他のブロワーユニットによって提供されることができる。目標のガス流とガス圧をＣＰＯＸ改質器へ提供するタスクを、デュアル遠心ブロワーシステムのような少なくとも二つの一体化された、即ち、相互接続された遠心ブロワー間でスプリットすることの結果は、そのような流れと圧力が単一の遠心ブロワーユニットで可能であるものよりも短い時間で且つより大きな精度で達成されることになる。加えて、電力引込みとノイズレベルは、ブロワーインペラーがそれらの動作のために高いｒｐｍを必要としないので、遠心ブロワーシステムにおいて低くなり得る。
【０１５９】
図４Ｊと図４Ｋに示されるように、遠心ブロワーシステム４０２は、ダクト４８８を介して第２の遠心ブロワーユニット４８７に接続された第１の遠心ブロワーユニット４８６を含む。第１の遠心ブロワーユニット４８６は、軸方向インレット４９０と半径方向アウトレット４９１を有するケーシング４８９、周囲空気を第１の圧力で軸方向インレット４９０に引込み且つ空気を第２のより高い圧力で半径方向アウトレット４９１を介して放出するためにケーシング４８９内に配置されたインペラー４９２、及びインペラー４９２を駆動するための電気モータ４９３を含む。第２のブロワーユニット４８７は、ケーシング４９４と図４Ｊにダクト４８８の切取断面図によって示されるように、ケーシング４９４内に配置され且つ電気モータ４９６によって駆動されるインペラー４９５と、第１のブロワーユニット４８６のアウトレット４９１から放出されるガスを受容するための軸方向インレット４９７を含む。第２のブロワーユニット４８７は、更に、半径方向アウトレット４９８とアウトレットガスストリームハウジング４９９を含み、その放出端４８４は、点線によって示されるように、コンジット、例えば、図４Ａのガス状燃料ＣＰＯＸ改質器４００のコンジット４０４の一端に接続されることができる。
【０１６０】
図４Ｊと図４Ｋの矢印は、遠心ブロワーシステム４０２を構成する一連のブロワーにおける各ブロワーユニットの半径方向アウトレットを通る周囲空気の一般的な方向を指す。図示のように、例えば、図４Ｊにおいて、第１のブロワーユニット４８６のアウトレット４９１を介して放出される周囲空気ストリームの軌跡と第２のブロワーユニット４８７のアウトレット４９８を介して放出される周囲空気ストリームの軌跡は、それらの夫々のアウトレットに対して平行ではなくそれらに対してある角度である。ストリームがダクト４８８の内壁に略平行のままであるように、アウトレット４９１を介して放出された周囲空気ストリームを受容するようにダクト４８８の配列を配置することによって、そうでない場合には生じるストリームがこれらの壁に衝突した乱流を防止又は減少することができる。乱流は、遠心ブロワーシステムにおける背圧源としてそれを減少又は排除するように有利に最小化又は回避されることができる。この同じ理由で、ガスストリームハウジング４９９の内壁が第２のブロワーユニット４８７のアウトレット４９８を介して放出された周囲空気の軌跡に略平行であるようにそのガスストリームハウジング４９９の角度を配置することが有利であり得る。ガスストリームの軌跡に対するダクトの内壁の最適配置及びガスストリームハウジングのオフセットの角度は、ルーチン実験法を使用して所与の遠心ブロワーシステムに対して容易に決定されることができる。遠心ブロワーシステム４０２において、ダクト４８８の内側、即ち、案内表面及びガスストリームハウジング４９９の内側、即ち、案内表面は、アウトレット４９１と４９８に対して約１２°から約２０°まで、例えば、約１４°から約１８°までの角度αで設定されることができる。
【０１６１】
図５は、プロパン‐空気ＣＰＯＸ反応混合物の酸素（Ｏ）対炭素（Ｃ）のモル比とＣＰＯＸ反応温度との間の関係を実証するグラフデータを提示する。そのデータが示すように、ＣＰＯＸ反応混合物のＯ対Ｃのモル比は徐々に減少する、即ち、反応混合物が、比較的に炭素希薄なものから比較的に炭素リッチなものへ調整されると、ＣＰＯＸ反応温度が低下する。これらのデータは、本教示に係るガス状燃料ＣＰＯＸ改質器の最適化動作のための幾つかの含蓄を保持している。
【０１６２】
ＣＰＯＸ触媒の迅速な加熱、従って、ガス相ＣＰＯＸ反応のオンセットを促進するために、より高いＯ対Ｃモル比を有するガス状ＣＰＯＸ反応混合物（即ち、燃料希薄反応混合物）は、改質器の動作のスタートアップモード中に利用されることができる。燃料希薄ＣＰＯＸ反応混合物に関連するより高い動作温度は、ＣＰＯＸ触媒温度におけるより迅速な上昇と定常状態動作への時間の減少を促進し得る。加えて、燃料希薄比は、ＣＰＯＸ触媒がその最適な温度を達せし且つ十分に活性化される前にコーク形成を禁止するのを助ける傾向がある。ＣＰＯＸ触媒が、約６５０℃以上の温度に達すると、Ｏ対Ｃのモル比は、燃料流が増加されると、減少されることができる。Ｏ対Ｃのモル比の減少によって、触媒温度を低下し且つＣＰＯＸ反応器ユニット、つまり、燃料気化器ユニットの温度制御を失うことなくより多くの燃料が処理されることができる。反対の動作が、シャットダウン動作に対して取られることができる、即ち、燃料流は、維持されたＯ対Ｃのモル比で減少される。ＣＰＯＸ反応器ユニットのＣＰＯＸ反応ゾーンの温度がコーク形成を生じる温度、例えば、約６５０℃未満に近接する又はそれ未満に低下し始めると、Ｏ対Ｃのモル比は、ＣＰＯＸ触媒が不活性になるようにコーク形成を防止又は最小にするように増加されることができる。典型的には、ＣＰＯＸ改質器は、ＣＰＯＸ反応混合物の温度が約５００℃未満に低下する時にシャットダウンされる。酸素含有ガスの流れは、約１５秒から約２０秒まで継続されることができ、その後、燃料流は中断された。このようなシャットダウン手順によって、コンジット又は燃料制御バルブとコンジットへの燃料の導入の位置との間の燃料ラインのセクション内に含まれることができる、改質器からの燃料の除去を可能とすることができる。この制御特性は、特定の改質器設計において利用される特定の気化器システム及びコントローラユニットコンポーネントを含む様々な改質器コンポーネントによって影響を及ぼされ得る。
【０１６３】
Ｏ対Ｃのモル比の変化が改質油の品質及び／又は組成に対する変化となり得るという理解の下で、燃料‐空気ＣＰＯＸ反応混合物のＯ対Ｃのモル比は、混合物の出力熱状態を調整する動作中に制御されることができる。ＣＰＯＸ温度が約６５０℃を越えるように上昇すると、燃料希薄から燃料リッチへシフトするＯ対Ｃのモル比の範囲がある。異なるＣＰＯＸ触媒は、動作ウインドウ及びＣＰＯＸ温度に影響を及ぼし得る。加えて、異なる燃料（ガス状又は液状）は、改質反応の効率に依存してＣＰＯＸ温度を変化し得る。
【０１６４】
本明細書で記述されたガス状燃料ＣＰＯＸ改質器の様々な実施形態及びそれらの動作の原理を考慮して当業者は、ルーチン実験手順を使用することによって、本教示に係る、望ましい液体改質可能燃料変換能力、構造的特徴、及び機械的特性の特定のＣＰＯＸ改質器の設計を容易に最適化することができる。
【０１６５】
本教示は、その精神又は本質的な特徴から逸脱することなく他の特定の形態の実施形態を包含する。従って、前述の実施形態は、本明細書で記述された本教示を制限するのではなくその例証となる全てに関して考察されるべきである。このように、本発明の範囲は、前述の記載によってではなくて添付の特許請求の範囲によって指摘され、特許請求の範囲の等価の意味と範囲内で生じる全ての変化は、特許請求の範囲内に包含されることが意図される。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
2016537297.tif 000004
【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図４Ｅ】
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【図４Ｆ】
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【図４Ｇ】
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【図４Ｈ】
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【図４Ｉ】
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【図４Ｊ】
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【図４Ｋ】
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【図５】
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【国際調査報告】
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