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技術 フレックス燃料水素発生器

出願人 ファン,ハングシン
発明者 ファン,ハングシン
出願日 2013年11月15日 (7年1ヶ月経過) 出願番号 2016-515322
公開日 2016年9月23日 (4年3ヶ月経過) 公開番号 2016-529187
状態 特許登録済
技術分野 触媒 ガスタービン、高圧・高速燃焼室 水素、水、水素化物 燃料電池(本体)
主要キーワード 局部エリア 特殊応用 スタートアップ期間 最低温度点 空転モード 自動操作モード デジタル出力モジュール 据置型装置
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (12)

課題

フレックス燃料水素発生器を提供することを課題とする。

解決手段

本発明は、車載フレックス燃料水素発生器であって、いくつの装置及びその装置を操作して炭化水素バイオ燃料からH2とCOを発生する方法を提供する。1個又は複数のパラレル自己熱改質器は、外部の熱量と電力供給がない状態で、Pt族金属触媒を利用して燃料水素転化できる。発生したリフォーメイトは、冷却と乾燥後1〜100気圧の圧力まで圧縮され、容器内に貯蔵される。このシステムについて、前記貯蔵容器の圧力と流量の制御曲線は、直接改質器で発生したリフォーメイト総量を制御できる。

概要

背景

20世紀において、各タイプの内燃(IC)機関ガスタービンの開発に成功し、長年に渡り固定式発電機、輸送と一般的に実用化された電機工具幅広活用されてきた。例えば、2サイクル4サイクルガソリンエンジンは、バイク電気のこぎり草刈機芝刈機自動車及び小型発電機等に活用され、ディーゼルエンジントラック、公共バス、静的発電機等に用いられ、並びにガスタービンが飛行機や発電機等に活用されてきた。現在、大部分の内燃機関とガスタービンは、各種炭化水素化合物(HC)の均質燃焼方式によって動力を生じている。燃料を完全に燃焼させる重要な要因とは、点火タイミング空燃比、燃料の気化及び点火時刻の温度と圧力であることが現在では知られている。しかしながら、長年に渡って必要な制御と技術が時間に伴って進歩してきたとしても、現在の全ての内燃機関或いはガスタービンは、やはり未燃焼の炭化水素化合物、一酸化炭素窒素酸化物或いはディーゼル微粒子等の汚染物質を発生させている。

現在、内燃機関から排出される排ガス内のHC、CO、NOxとディーゼル微粒子汚染物質を下げるため、担持型Pt族(supported Pt group)金属触媒を含有する触媒コンバータNOxトラップ及び/或いはディーゼル微粒子トラップ等は、すでに商業的に数十年間の利用に成功してきた。このような除染技術は、車載マイクプロセッサコンピュータ(つまり電子制御ユニット)及び各種電子機械装置センサーで空燃比と点火タイミングを制御することで、燃焼ガス汚染物質の排出量を減らしてきた。

近年では、その他のタイプの内燃機関の研究や製造にも成功し、これらエンジンは例えば水素天然ガス液化プロパンガスLPG)、ガソリンエタノール混合物ガソホール)或いはディーゼルバイオディーゼル合物等の異なる燃料を利用できるようになった。

水素−炭化水素混合物エンジン燃料とする
ここに本明細書の一部を構成するものとして特許文献1、特許文献2、特許文献3、特許文献4の内容を援用し、自動車から発生する汚染を減らすため、かつて1970年代に幾つかの車載改質器(reformer)が発明され、ガソリンを通じてH2を製造し、そして発生したリフォーメイト(reformate)内に更に多くのガソリン及び空気を取り込むことで、1つの過薄(lean)(高%のO2)の燃料混合気を形成し、また該混合気をエンジンの燃焼室注入して、希薄燃焼を行っている。しかしながら、このような均一な部分酸化反応或いは非常に低い活性触媒によるガソリンを通じてH2を生産することを問わず、これら車載改質器は全てが大型で、反応帯内でコークスが生じる状況を避けられていなかった。

エンジンの熱効率を向上させ、並びに自動車から発生する汚染を減少させるため、その他の数件の特許と技術報告書出版物でも燃料から各種触媒接触反応プロセスを経由して水素を発生させてきた。例えば、特許文献5、特許文献6及び特許文献7には、各種車載改質器が接触部分酸化反応を通じてガソリン内からH2とCOガスを発生させることが記載されている。特許文献8では、接触メタノール水蒸気改質反応を経由してH2とCOを発生させることが記載されている。しかしながら、これらエンジン前(pre−engine)に取り付けられている水素製造用改質器は、商品としての開発に成功しておらず、その原因は大型改質器内にコークスが発生する可能性があるためである。逆に1975年以来各種タイプの触媒コンバータが商用化され、またエンジン後の排気管に取り付けられることで、ガソリン自動車排ガス汚染減少に成功している。

水素も別の非触媒工程を通じて生産できる。特許文献9、特許文献10及び特許文献11では、1個の車載プラズマトロン燃料プロセッサ導電性ガスプラズマイオン)を発生させ、また各種炭化水素(HC)とバイオ燃料の非接触部分酸化反応を起こすことで、水素を発生させて内燃機関で使用させる。本リフォーメイトをエンジンの吸気流と混合した後、エンジンは、超希薄燃料ガスを使用すると共により一層高圧縮比(D.R.Cohn、Fusion Power Assoc. Meeting,Nov.21,2003)内で燃焼を行う。よって、報道によれば、該車載プラズマトロン燃料プロセッサは、エンジンの熱効率を20%〜25%アップでき、90%のNOx排出量と90%のディーゼルエンジン汚染排出量(Diamond and Cohn, Office of Transportation Technologies, press release 12/2001)を減らすことができる。

特許文献12には、H2に富む天然ガス(つまり「Hythane」)をエンジン燃料とした際、装備すべきシステムと製造、分配、使用及び監視方法が記載されている。この種の予混合高圧Hythaneガスは、各地の自動車燃料補給所保管容器内から取得でき、最近NOx排出量の減少及びディーゼルトラックエンジンの燃焼効率を向上させることができる。

過去数十年間研究開発されてきた新技術は、非常に高速気流条件において、最新Pt族金属触媒を利用し、HC/バイオ燃料内から水素を発生でき、また水素を幾つか異なるタイプの燃料電池に使用させることができるようになった。よって、一つの特別に設計された経済的且つ小型の車載水素発生器は、これら最も新しい触媒と水素発生技術を備え、機能が高いマイクロプロセッサ搭載コントローラ、センサー及び他の特殊装置が加わることで、前記特許の車載水素製造用改質器と燃料電池で静的水素製造用改質器の機能を効果的に向上できる。言い換えると、一つの全く新しい改良と共に新設備を備え、且つ特別にエンジン過渡運転モードに向けて設計された新制御戦略の車載水素発生器を使用すると、比較的長いライフサイクルを有し且つそのサイクルにおいてコークスが形成されず、同時に炭化水素及び/或いはバイオ燃料内から効率的に水素を製造できることで、内燃機関/ガスタービンに供給できる。

ブラウンガス(Brown gas、HHO或いはH2/O2ガス)
近年、ブラウンガス(HHOガスとも呼ばれ、http://www.hydrogen−boost.com、www.hydrogen−generators−usa.com、US 2012/0067304 A1)は、蒸留水電解によって発生したH2とO2の混合ガスで、現在空気/燃料混合気内に添加されてガソリン或いはディーゼルエンジンの補充燃料となっている。若干の特殊設計された集積回路(IC)チップ、センサーと流量制御器サポートにより、エンジン吸気燃料混合気の空燃比を化学量論から離れた状況に調節し、内燃機関を希薄燃焼モードにおいて運転させることができる。この操作において、エンジンの燃費は、15〜20%向上でき、また汚染物質量を削減できる。

しかしながら、KOH又はNaOHの電解質の腐食性は、エンジンに永久的な損傷を起こす可能性がある。よって、長期間且つ無故障運転するため、電解質の容器内におけるレベル、濃度、操作温度及びこれら潜在的な爆発性があるブラウンガス等を如何にして安全に操作するかについて、常に監視メンテナンスを行わなければならない。

内燃機関とガスタービン用触媒EGR酸化装置
内燃機関及び/或いはガスタービンの燃焼効率を助けると共に改善するため、特許文献13では、接触自己熱改質ATR)プロセスを使用した接触EGR酸化装置が各種HCとバイオ物の燃料からH2/COガスを発生する処理過程が記載されている。当該特許の主な目的は接触改質装置が非接触プラズマトロン燃料改質器に取って代わり、移動車両に供給することである。

当該特許によれば、炭化水素化合物(HC)及び/或いはバイオ燃料、水/蒸気、空気と一部のエンジン再循環排ガス等を含む燃料混合気をEGR酸化装置内に注入する。該燃料混合気は、第1反応帯内のPt族金属触媒(PGM)と反応して蒸気とH2とCOとCO2とN2とO2と未転化HC等とを含む高圧リフォーメイトを発生させることができる。触媒の耐久性寿命を高めると共にコークス形成を避けるため、入口の供給燃料混合物のO2/C、H2O/CとCO2/Cの比率は、特定の反応温度と圧力において、単独及び/或いは同時に指定範囲内に制御され、且つATR反応帯内の温度を150℃〜1200℃に保たなければならない。こうすると発生した反応リフォーメイトは、再混合すると共に追加量の燃料と新鮮な空気を加えることで、一種の希薄燃焼燃料の混合気を形成できる。これら未燃焼の燃料と燃焼可能な化合物が、下流のエンジン/ガスタービンを通じて二酸化炭素水蒸気に完全に改質する。

EGR酸化装置と内燃機関/ガスタービンの組み合わせは、単独で駆動装置用に供することができ、また電動発電機電池と組み合わせることで、発電と蓄電できる分散型移動式(mobile)又は据置型発電機とすることができる。

ディーゼルと希薄燃焼(lean burn)エンジンに対して、EGR酸化装置も還元ガスを供給してNOxトラップ又はディーゼル微粒子フィルタトラップ内触媒活性還元できる。触媒が再生した後、フィルタトラップを連続使用させることで、内燃機関、ディーゼルトラック、ガスタービン及び発電所等からの汚染物質排出量を下げることができる。

電子制御燃料噴射
精密に燃料噴射量、点火タイミング(ignition timings)及び燃料混合気の空燃比をコントローすることにより、電子式燃料噴射(EFI)システムは、1990年以来ほぼ全てのガソリン自動車に使用されてきた。このEFIシステムは、各自動車の燃費を向上できると共に汚染物質の削減に成功した。

ここに本明細書の一部を構成するものとして特許文献14と特許文献15の内容を援用し、エンジンの熱効率を更に改善するため、二重燃料噴射システムを開発して同時にH2とHCを噴射して燃焼室に入れる。特に、特許文献15では一つのシステムと詳細な制御戦略が記載され、貯蔵タンク及び/或いは改質器から含有量を計算したH2/リフォーメイトをトラックのエンジン内に噴射して第2燃料とするために用いられる。しかしながら、該特許では該改質器の操作を詳細に記載しておらず、例えばプロセス、触媒の種類と反応温度及びどのようにして燃料からリフォーメイトを生成させるか等である。これ以外に、該特許内で論じられている改質器の操作は、エンジンの速度とトルク(段落0186)の直接的な影響を受け、過渡や不安定な操作期間において、特にディーゼルを改質器の燃料とした状態において改質器内にコークスを形成する可能性がある。

窒素酸化物NOxとディーゼル微粒子フィルタの再生
希薄燃焼のディーゼルエンジンについて、現在NOxトラップと微粒子フィルタで汚染物質を除去している。ただし、トラップの材料及び/或いはフィルタが飽和に達した時、還元ガスで再生を行うことで、連続使用させることができる。ここに本明細書の一部を構成するものとして特許文献16、特許文献17、特許文献18、特許文献19、特許文献20の内容を援用し、還元性ガスを発生させるため、開発済みの各種装置と使用方法を記載し、異なるタイプの触媒を利用してディーゼル内からH2とCOを発生させる。このほかに、前述で論じられたプラズマトロン燃料プロセッサは、プラズマの部分酸化反応からH2に富むリフォーメイト(Bromberg et al., Diesel Engine Emission Reduction Workshop, Newport,RI,August 24−28,2003)を発生させることができる。しかしながら、これら車載改質器は、やはり幅広く商用されておらず、その原因は、コークスの形成及び/或いはそれらの寿命が余りにも短すぎるからである。

概要

フレックス燃料水素発生器を提供することを課題とする。 本発明は、車載フレックス燃料水素発生器であって、いくつの装置及びその装置を操作して炭化水素とバイオ燃料からH2とCOを発生する方法を提供する。1個又は複数のパラレル自己熱改質器は、外部の熱量と電力供給がない状態で、Pt族金属触媒を利用して燃料を水素に転化できる。発生したリフォーメイトは、冷却と乾燥後1〜100気圧の圧力まで圧縮され、容器内に貯蔵される。このシステムについて、前記貯蔵容器の圧力と流量の制御曲線は、直接改質器で発生したリフォーメイト総量を制御できる。

目的

当該特許の主な目的は接触改質装置が非接触プラズマトロン燃料改質器に取って代わり、移動車両に供給することである

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
1件

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請求項1

(a)1個又は複数のパラレル自己熱型ATR改質器を提供し、担持型及び/或いは非担持型のPt族金属触媒(supportedorunsupportedPtmetalgrpup)を通じて炭化水素(HC)及び/或いはバイオ燃料をH2及びCOに転化することと、(b)制御用コンピュータ及び/或いはマイクロプロセッサ流量計制御器バルブポンプセンサー温度計とを含む自動制御システムを提供することと、(c)ATR改質器の入口部燃料混合物を提供し、前記燃料混合物は酸化剤、燃料、水/蒸気のうちの少なくとも1つを包括し、液体燃料ループガス燃料ループ、給水ループ、給気ループ、水電解槽ループ、排ガス再循環EGR)ループ、水再循環ループ及びリフォーメイト再循環ループからなる群から選択されることと、(d)前記ATR改質器システム自体で発生した熱と電力を利用して、前記入口部燃料混合物を前記ATR改質器内の前記触媒に通過する時、H2とCOを含有するリフォーメイトに転化することと、(e)1個又は複数の貯蔵容器マニホールドを提供して凝縮水貯蔵し、また前記ATR改質器に給水し、或いは前記ATR改質器で発生した乾燥リフォーメイトを容器内に貯蔵し、1〜100気圧に保持して前記リフォーメイトを下流の内燃機関ガスタービンの使用に供給することと、(f)1本又は数本の流量制御曲線を提供し、また前記貯蔵容器内の圧力を利用して各種反応物の流量を調節し、前記流量制御曲線は制御用コンピュータ及び/或いはマイクロプロセッサ内に保存され、正確に入口部燃料混合物を供給でき、また特定のO2/C、H2O/C及びCO2/C比率を保持できることと、(g)スタートアップの反応物が触媒を通じて化学反応を行い、また外部の熱源電源供給がない状態で、前記ATR改質器を急速起動或いは再起動し、前記2つまたは2つ以上のスタートアップの反応物は燃料、空気、エンジン/ガスタービンの排ガス電解槽から発生したH2/O2ガス及び循環リフォーメイトからなる群から選択されることと、を含むことを特徴とする車載フレックス燃料水素発生器装置の操作方法

請求項2

前記ATR改質器は、(a)水、1種又は多種の燃料と不活性ガスを含む或いは含まない酸素含有ガスからなる入口部燃料混合物を受け入れ、且つ前記入口部燃料混合物が混合を経た後そのO2/C、H2O/C及びCO2/Cの比率は、指定範囲内に保持してから前記改質器の第1CPO/SR反応帯に流入するステップと、(b)前記燃料混合物は前記Pt族金属触媒を通過する時化学反応を起こし、第1CPO/SR反応帯での滞留時間は<300ミリ秒(STPの下で計算)以内とするステップと、(c)前記ステップ(b)で発生した前記リフォーメイトは、引き続いて第2SR反応帯内のPt族金属触媒を通過した時、更に反応を起こし、また滞留時間を<5秒以内に制御するステップと、(d)ステップ(b)とステップ(c)は、温度150〜1200oCと1〜100気圧の下で迅速に燃料からH2とCOとCO2とN2とO2と未転化燃料とを含むリフォーメートを製造するステップと、(e)ステップ(d)で生成したリフォーメートは第3反応帯に流れ、その滞留時間が<100秒内に保持し、Pt族金属を含む又は含まない触媒を通過し、且つ温度50〜500℃の条件下で、一部の給水がCOと反応して水素になるステップとを実行することを特徴とする請求項1に記載の方法。

請求項3

前記ATRのリフォーメイトガスの凝縮水は、水再循環ループ内に貯蔵してATR改質器の反応物とすることができることを特徴とする請求項1又は2に記載の方法。

請求項4

前記貯蔵容器/マニホールド内のリフォーメイトの圧力は、1〜100気圧に保つことを特徴とする請求項1又は2に記載の方法。

請求項5

前記所定の流量制御曲線により、前記貯蔵容器内のリフォーメイト圧力を利用して各種反応物の流量を調節することで、前記ATR改質器から発生するリフォーメイト総量を増減することを特徴とする請求項1に記載の方法。

請求項6

含有量が制御される二次空気と一部の貯蔵容器からの高圧リフォーメイトは、含有量が制御される一次燃料新鮮一次空気と混合してラムダ(lambda)比が1.01〜1.80の希薄合物を形成してエンジン/ガスタービンの燃料として供することができることを特徴とする請求項1に記載の方法。

請求項7

前記貯蔵容器内の高圧リフォーメイトは、前記触媒を利用して酸化反応熱を発生することで、前記ATR改質器を急速起動或いは再起動できることを特徴とする請求項1に記載の方法。

請求項8

前記貯蔵容器内の高圧リフォーメイトは、担持型Pt族金属触媒の還元又は触媒コンバータNOxトラップ及びディーゼル微粒子フィルタ内の触媒の再生に用いることができることを特徴とする請求項1に記載の方法。

請求項9

前記貯蔵容器内の高圧リフォーメイトは、水素を固体酸化物或いはプロトン交換膜燃料電池装備する移動電動車両/装置に供給できることを特徴とする請求項1に記載の方法。

請求項10

前記貯蔵容器内の高圧リフォーメイトは、リフォーメイトを小型ディーゼルエンジン及び/或いは触媒燃焼器を装備する補助動力装備に供給でき、また熱と電力を局部場所に供給することを特徴とする請求項1に記載の方法。

請求項11

前記ATR改質器内の担持型Pt族金属触媒は、1種又は多種の担持型Pt族金属粉末(つまりウォシュコート)の触媒を更に含み、且つ各触媒ウォシュコートが総Pt族金属の0.01〜10.0重量%の酸化物粉末を含有することを特徴とする請求項1に記載の方法。

請求項12

前記担持型Pt族金属粉末触媒は、1種又は多種の白金(Pt)、パラジウム(Pd)、ロジウム(Rh)、イリジウム(Ir)、オスミウム(Os)及び/或いはルテニウム(Ru)から選ばれる金属を含み、酸化アルミニウム(Al2O3)、セリウム酸化物ジルコニウム酸化物セリウムジルコニウム系複合酸化物酸化促進剤熱安定剤及びその混合物からなる群から選択された1種或いは複数種のウォシュコート粉末に浸漬することを特徴とする請求項1又は11に記載の方法。

請求項13

前記酸化促進剤/安定剤は、ランタン、セリウム、プラセオジムレニウム亜鉛、錫、カルシウムカリウムジルコニウムイットリウムバリウムストロンチウムマグネシウム及びそれらの混合物の1種又は複数種の酸化物とすることができることを特徴とする請求項12に記載の方法。

請求項14

前記触媒ウォシュコート粉末は、高温不活性担体の表面に塗られ、前記不活性担体がセラミックモノリス金属モノリスペレットワイヤメッシュフォーム、板、スタティックミキサー又は炭化ケイ素等とし、また総Pt族金属含有量が0.1〜2000g/ft3にあることを特徴とする請求項12に記載の方法。

請求項15

前記改質器の触媒温度を1000℃以下に保持するように、前記改質器の入口部燃料混合物のH2O/C比率を0.05〜10.0、O2/C比率を0.15〜0.8、CO2/Cを0.0〜0.5に制御することを特徴とする請求項1又は2に記載の方法。

請求項16

前記燃料は、1種又は多種の次の化学物質からなる群から選択され、C1−C16炭化水素、メタン天然ガス、メタン水和物、液化石油ガス、C1−C8アルコール植物油バイオエタノールバイオディーゼルバイオメタン、工業廃液又は揮発性有機化合物(つかりVOCで、主に有機溶剤である)を含む排ガス及び農業/工業/動物廃棄物から発生したバイオ燃料ガスを含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。

請求項17

前記貯蔵容器からの再循環リフォーメイト及び/或いは水電解槽から発生したH2/O2ガスは、システム自体の熱量と電力を利用して前記ATR改質器を起動又は再起動できることを特徴とする請求項1に記載の方法。

請求項18

前記電解槽から発生したO2は、直接ATR改質器の唯一酸素源として使用されることで、前記ATRリフォーメイト内のH2含有量を増加できることを特徴とする請求項1に記載の方法。

請求項19

前記電解槽から発生したO2は、空気中又はエンジンの再循環排ガス内に添加されて前記ATR改質器の入口部燃料混合物のO2含有量を増加させ、且つ>10%とすることができることを特徴とする請求項1に記載の方法。

請求項20

前記エンジン/ガスタービンの一部の排ガスは、ATR改質器までに再循環することで、蒸気、O2、CO2及び熱を供給できることを特徴とする請求項1に記載の方法。

請求項21

天然ガス、CNG、液化石油ガス、ガソリンメタノール或いはバイオエタノールの中から選ばれた1種燃料は、特別に前記改質器に供給してH2とCO還元剤を発生することで、ディーゼルエンジン中のNOxトラップ及び/或いはディーゼル微粒子フィルタを再生できることを特徴とする請求項1に記載の方法。

請求項22

車載フレックス燃料水素発生器とエンジン/ガスタービンと発電機とバッテリー群とを含むシステムは、電力の発生と蓄積に用いられて独立の分散型モバイル或いは携帯型固定の発電ステーションとすることを特徴とする請求項1に記載の方法。

請求項23

前記発生した一部の電力は、電解槽中の蒸留水解離することで、H2とO2を供給して前記改質器を起動及び/或いは再起動することに用いることができることを特徴とする請求項22に記載の方法。

請求項24

注入したH2流量(217)の一次燃料流(201A)の流量に対するモル比は、0.05〜0.95とすることを特徴とする請求項1に記載の方法。

請求項25

前記二次空気流(208)と前記注入したH2流量(217)のモル比は、与えられた値に制御され、スロットルバルブの位置及び/或いは空気流量センサーが二次空気の注入量を決定し、供給する最終燃料混合物のラムダ(lambda)比を1.80〜1.01にさせることを特徴とする請求項1又は24に記載の方法。

請求項26

制御用コンピュータ/マイクロプロセッサに保存している前記制御曲線は、ATR改質器から発生及び出力したリフォーメイトの%総量を提供し、且つ貯蔵容器内のリフォーメイト圧力と関数関係を呈することを特徴とする請求項1に記載の方法。

請求項27

前記制御曲線上にある各ポイントは、1グループの完全で且つ予め較正したセットポイントを保存して全ての流量計/制御器に提供でき、前記セットポイントが単独及び/或いは同時に制御用コンピュータからPLC/マイクロプロセッサにダウンロードされて各反応物の流量を制御できることを特徴とする請求項1又は26に記載の方法。

請求項28

前記制御曲線上にある各ポイントは、1つの独特な総リフォーメイト流量を提供でき、前記ATR燃料混合物を同じのO2/C、H2O/C及びCO2/Cの比率に維持させ、且つ与えられる燃料を使用した時、同一の制御曲線上にあるいずれかのポインも同じガス組成のリフォーメイトを発生することを特徴とする請求項1又は26に記載の方法。

請求項29

O2/C、H2O/C及びCO2/Cの比率が異なる各種制御曲線は、前記制御用コンピュータ或いはPLC/マイクロプロセッサコントローラ内に保存されて異なる燃料の操作手順を制御できることを特徴とする請求項1又は26に記載の方法。

請求項30

大直径金属モノリス触媒内は、取り外し可能な小直径中心部コアと大きな外側環形コアとを含み、一体型触媒ユニットとすることを特徴とする請求項1又は14に記載の方法。

請求項31

(a)炭化水素及び/或いはバイオ燃料からH2とCOリフォーメイトを生産するための1個又は複数のパラレル自己熱型(ATR)改質器と、(b)制御用コンピュータ及び/或いはマイクロプロセッサと流量計/制御器とバルブとポンプとセンサーと温度計とを含む自動制御システムと、(c)酸化剤、燃料、水/蒸気のうちの少なくとも1つを包括し、液体燃料ループ、ガス燃料ループ、給水ループ、給気ループ、水電解槽ループ、排ガス再循環(EGR)ループ、水再循環ループ及びリフォーメイト再循環ループからなる群から選択されるATR改質器の入口部燃料混合物の気流と、(d)凝縮水とATR改質器で発生した1〜100気圧に保持する乾燥リフォーメイトを貯蔵するための1個又は複数の貯蔵容器/マニホールドと、(e)貯蔵容器内の圧力を利用して各種反応物の流量を調節し、制御用コンピュータ及び/或いはマイクロプロセッサ内に保存され、正確に入口部燃料混合物を供給でき、また特定のO2/C、H2O/C及びCO2/C比率を保持できる1本又は数本の流量制御曲線と、を含むことを特徴とする車載フレックス燃料水素発生器を備える装置。

請求項32

車載フレックス燃料水素発生器とエンジン/ガスタービンとからなるシステムは、単独で自動車芝刈り機フォークリフトディーゼルトラック、公共バス及びバイク駆動装置として使用されることができることを特徴する請求項31に記載の装置。

請求項33

簡易車載フレックス燃料水素発生器と希薄燃焼エンジン/ガスタービンとからなるシステムは、自動車、芝刈り機、フォークリフト、ディーゼルトラック、公共バスのシステム及びバイクの駆動装置として使用されることができることを特徴する請求項31に記載の装置。

請求項34

車載フレックス燃料水素発生器とエンジン/ガスタービンと発電機とバッテリー群とからなるシステムは、電力の発生と蓄積に用いられ、また独立した分散型移動式或いは携帯型固定式発電ステーションとすることができることを特徴とする請求項31に記載の装置。

請求項35

簡易車載フレックス燃料水素発生器と発電機とバッテリー群とからなるシステムは、電力の発生と蓄積に用いられ、また独立した分散型移動式或いは携帯型固定式発電ステーションとすることができることを特徴とする請求項31に記載の装置。

請求項36

前記独立した分散型発電ステーションは、電動自動車、トラック、バイク、フォークリフト、電気ユーティリティビークル電池充電器及び予備発電機を駆動するために用いることができることを特徴とする請求項34又は35に記載の装置。

請求項37

前記リフォーメイトは、天然ガス,CNG,液化石油ガス,ガソリン,メタノール或いはバイオエタノールからなる群から選択された1種の燃料を利用してH2とCOリフォーメイトを発生して還元剤とすることで、ディーゼルエンジンに装備するNOxトラップ及び/或いはディーゼル微粒子フィルタを再生できることを特徴とする請求項31に記載の装置。

技術分野

0001

(関連出願の相互参照
本出願は、その全ての開示内容が参照によって本願に組み込むものであって、2012年5月23日に出願された米国特許仮出願番号61/688,853号の利点を主張すると共に、その全ての開示内容が参照によって本願に組み込むものである。

背景技術

0002

20世紀において、各タイプの内燃(IC)機関ガスタービンの開発に成功し、長年に渡り固定式発電機、輸送と一般的に実用化された電機工具幅広活用されてきた。例えば、2サイクル4サイクルガソリンエンジンは、バイク電気のこぎり草刈機芝刈機自動車及び小型発電機等に活用され、ディーゼルエンジントラック、公共バス、静的発電機等に用いられ、並びにガスタービンが飛行機や発電機等に活用されてきた。現在、大部分の内燃機関とガスタービンは、各種炭化水素化合物(HC)の均質燃焼方式によって動力を生じている。燃料を完全に燃焼させる重要な要因とは、点火タイミング空燃比、燃料の気化及び点火時刻の温度と圧力であることが現在では知られている。しかしながら、長年に渡って必要な制御と技術が時間に伴って進歩してきたとしても、現在の全ての内燃機関或いはガスタービンは、やはり未燃焼の炭化水素化合物、一酸化炭素窒素酸化物或いはディーゼル微粒子等の汚染物質を発生させている。

0003

現在、内燃機関から排出される排ガス内のHC、CO、NOxとディーゼル微粒子汚染物質を下げるため、担持型Pt族(supported Pt group)金属触媒を含有する触媒コンバータNOxトラップ及び/或いはディーゼル微粒子トラップ等は、すでに商業的に数十年間の利用に成功してきた。このような除染技術は、車載マイクプロセッサコンピュータ(つまり電子制御ユニット)及び各種電子機械装置センサーで空燃比と点火タイミングを制御することで、燃焼ガス汚染物質の排出量を減らしてきた。

0004

近年では、その他のタイプの内燃機関の研究や製造にも成功し、これらエンジンは例えば水素天然ガス液化プロパンガスLPG)、ガソリンエタノール混合物ガソホール)或いはディーゼルバイオディーゼル合物等の異なる燃料を利用できるようになった。

0005

水素−炭化水素混合物エンジン燃料とする
ここに本明細書の一部を構成するものとして特許文献1、特許文献2、特許文献3、特許文献4の内容を援用し、自動車から発生する汚染を減らすため、かつて1970年代に幾つかの車載改質器(reformer)が発明され、ガソリンを通じてH2を製造し、そして発生したリフォーメイト(reformate)内に更に多くのガソリン及び空気を取り込むことで、1つの過薄(lean)(高%のO2)の燃料混合気を形成し、また該混合気をエンジンの燃焼室注入して、希薄燃焼を行っている。しかしながら、このような均一な部分酸化反応或いは非常に低い活性触媒によるガソリンを通じてH2を生産することを問わず、これら車載改質器は全てが大型で、反応帯内でコークスが生じる状況を避けられていなかった。

0006

エンジンの熱効率を向上させ、並びに自動車から発生する汚染を減少させるため、その他の数件の特許と技術報告書出版物でも燃料から各種触媒接触反応プロセスを経由して水素を発生させてきた。例えば、特許文献5、特許文献6及び特許文献7には、各種車載改質器が接触部分酸化反応を通じてガソリン内からH2とCOガスを発生させることが記載されている。特許文献8では、接触メタノール水蒸気改質反応を経由してH2とCOを発生させることが記載されている。しかしながら、これらエンジン前(pre−engine)に取り付けられている水素製造用改質器は、商品としての開発に成功しておらず、その原因は大型改質器内にコークスが発生する可能性があるためである。逆に1975年以来各種タイプの触媒コンバータが商用化され、またエンジン後の排気管に取り付けられることで、ガソリン自動車排ガス汚染減少に成功している。

0007

水素も別の非触媒工程を通じて生産できる。特許文献9、特許文献10及び特許文献11では、1個の車載プラズマトロン燃料プロセッサ導電性ガスプラズマイオン)を発生させ、また各種炭化水素(HC)とバイオ燃料の非接触部分酸化反応を起こすことで、水素を発生させて内燃機関で使用させる。本リフォーメイトをエンジンの吸気流と混合した後、エンジンは、超希薄燃料ガスを使用すると共により一層高圧縮比(D.R.Cohn、Fusion Power Assoc. Meeting,Nov.21,2003)内で燃焼を行う。よって、報道によれば、該車載プラズマトロン燃料プロセッサは、エンジンの熱効率を20%〜25%アップでき、90%のNOx排出量と90%のディーゼルエンジン汚染排出量(Diamond and Cohn, Office of Transportation Technologies, press release 12/2001)を減らすことができる。

0008

特許文献12には、H2に富む天然ガス(つまり「Hythane」)をエンジン燃料とした際、装備すべきシステムと製造、分配、使用及び監視方法が記載されている。この種の予混合高圧Hythaneガスは、各地の自動車燃料補給所保管容器内から取得でき、最近NOx排出量の減少及びディーゼルトラックエンジンの燃焼効率を向上させることができる。

0009

過去数十年間研究開発されてきた新技術は、非常に高速気流条件において、最新Pt族金属触媒を利用し、HC/バイオ燃料内から水素を発生でき、また水素を幾つか異なるタイプの燃料電池に使用させることができるようになった。よって、一つの特別に設計された経済的且つ小型の車載水素発生器は、これら最も新しい触媒と水素発生技術を備え、機能が高いマイクロプロセッサ搭載コントローラ、センサー及び他の特殊装置が加わることで、前記特許の車載水素製造用改質器と燃料電池で静的水素製造用改質器の機能を効果的に向上できる。言い換えると、一つの全く新しい改良と共に新設備を備え、且つ特別にエンジン過渡運転モードに向けて設計された新制御戦略の車載水素発生器を使用すると、比較的長いライフサイクルを有し且つそのサイクルにおいてコークスが形成されず、同時に炭化水素及び/或いはバイオ燃料内から効率的に水素を製造できることで、内燃機関/ガスタービンに供給できる。

0010

ブラウンガス(Brown gas、HHO或いはH2/O2ガス)
近年、ブラウンガス(HHOガスとも呼ばれ、http://www.hydrogen−boost.com、www.hydrogen−generators−usa.com、US 2012/0067304 A1)は、蒸留水電解によって発生したH2とO2の混合ガスで、現在空気/燃料混合気内に添加されてガソリン或いはディーゼルエンジンの補充燃料となっている。若干の特殊設計された集積回路(IC)チップ、センサーと流量制御器サポートにより、エンジン吸気燃料混合気の空燃比を化学量論から離れた状況に調節し、内燃機関を希薄燃焼モードにおいて運転させることができる。この操作において、エンジンの燃費は、15〜20%向上でき、また汚染物質量を削減できる。

0011

しかしながら、KOH又はNaOHの電解質の腐食性は、エンジンに永久的な損傷を起こす可能性がある。よって、長期間且つ無故障運転するため、電解質の容器内におけるレベル、濃度、操作温度及びこれら潜在的な爆発性があるブラウンガス等を如何にして安全に操作するかについて、常に監視メンテナンスを行わなければならない。

0012

内燃機関とガスタービン用触媒EGR酸化装置
内燃機関及び/或いはガスタービンの燃焼効率を助けると共に改善するため、特許文献13では、接触自己熱改質ATR)プロセスを使用した接触EGR酸化装置が各種HCとバイオ物の燃料からH2/COガスを発生する処理過程が記載されている。当該特許の主な目的は接触改質装置が非接触プラズマトロン燃料改質器に取って代わり、移動車両に供給することである。

0013

当該特許によれば、炭化水素化合物(HC)及び/或いはバイオ燃料、水/蒸気、空気と一部のエンジン再循環排ガス等を含む燃料混合気をEGR酸化装置内に注入する。該燃料混合気は、第1反応帯内のPt族金属触媒(PGM)と反応して蒸気とH2とCOとCO2とN2とO2と未転化HC等とを含む高圧リフォーメイトを発生させることができる。触媒の耐久性寿命を高めると共にコークス形成を避けるため、入口の供給燃料混合物のO2/C、H2O/CとCO2/Cの比率は、特定の反応温度と圧力において、単独及び/或いは同時に指定範囲内に制御され、且つATR反応帯内の温度を150℃〜1200℃に保たなければならない。こうすると発生した反応リフォーメイトは、再混合すると共に追加量の燃料と新鮮な空気を加えることで、一種の希薄燃焼燃料の混合気を形成できる。これら未燃焼の燃料と燃焼可能な化合物が、下流のエンジン/ガスタービンを通じて二酸化炭素水蒸気に完全に改質する。

0014

EGR酸化装置と内燃機関/ガスタービンの組み合わせは、単独で駆動装置用に供することができ、また電動発電機電池と組み合わせることで、発電と蓄電できる分散型移動式(mobile)又は据置型発電機とすることができる。

0015

ディーゼルと希薄燃焼(lean burn)エンジンに対して、EGR酸化装置も還元ガスを供給してNOxトラップ又はディーゼル微粒子フィルタトラップ内触媒活性還元できる。触媒が再生した後、フィルタトラップを連続使用させることで、内燃機関、ディーゼルトラック、ガスタービン及び発電所等からの汚染物質排出量を下げることができる。

0016

電子制御燃料噴射
精密に燃料噴射量、点火タイミング(ignition timings)及び燃料混合気の空燃比をコントローすることにより、電子式燃料噴射(EFI)システムは、1990年以来ほぼ全てのガソリン自動車に使用されてきた。このEFIシステムは、各自動車の燃費を向上できると共に汚染物質の削減に成功した。

0017

ここに本明細書の一部を構成するものとして特許文献14と特許文献15の内容を援用し、エンジンの熱効率を更に改善するため、二重燃料噴射システムを開発して同時にH2とHCを噴射して燃焼室に入れる。特に、特許文献15では一つのシステムと詳細な制御戦略が記載され、貯蔵タンク及び/或いは改質器から含有量を計算したH2/リフォーメイトをトラックのエンジン内に噴射して第2燃料とするために用いられる。しかしながら、該特許では該改質器の操作を詳細に記載しておらず、例えばプロセス、触媒の種類と反応温度及びどのようにして燃料からリフォーメイトを生成させるか等である。これ以外に、該特許内で論じられている改質器の操作は、エンジンの速度とトルク(段落0186)の直接的な影響を受け、過渡や不安定な操作期間において、特にディーゼルを改質器の燃料とした状態において改質器内にコークスを形成する可能性がある。

0018

窒素酸化物NOxとディーゼル微粒子フィルタの再生
希薄燃焼のディーゼルエンジンについて、現在NOxトラップと微粒子フィルタで汚染物質を除去している。ただし、トラップの材料及び/或いはフィルタが飽和に達した時、還元ガスで再生を行うことで、連続使用させることができる。ここに本明細書の一部を構成するものとして特許文献16、特許文献17、特許文献18、特許文献19、特許文献20の内容を援用し、還元性ガスを発生させるため、開発済みの各種装置と使用方法を記載し、異なるタイプの触媒を利用してディーゼル内からH2とCOを発生させる。このほかに、前述で論じられたプラズマトロン燃料プロセッサは、プラズマの部分酸化反応からH2に富むリフォーメイト(Bromberg et al., Diesel Engine Emission Reduction Workshop, Newport,RI,August 24−28,2003)を発生させることができる。しかしながら、これら車載改質器は、やはり幅広く商用されておらず、その原因は、コークスの形成及び/或いはそれらの寿命が余りにも短すぎるからである。

先行技術

0019

米国特許第3955941号
米国特許第3971847号
米国特許第3982910号
米国特許第40331339号
米国特許第5947063号
米国特許第3915125号
米国特許第4109461号
米国特許第4567857号
米国特許第5425332号
米国特許第7028644号
米国特許第7225787号
米国特許第7721682号
米国特許第8061120号
米国特許第8091536号
米国特許第8396644号
世界特許WO 01/34950
米国特許第5441401号
米国特許第5586433号
米国特許第6845610号
米国特許第7610752号
米国特許第8397509号
米国特許第4522894号
米国特許第6436363号
米国特許第6849572号
米国特許第5648582号
米国特許第6110861号
米国特許第6713040号

発明が解決しようとする課題

0020

特許文献13では車載触媒EGR酸化装置を内燃機関/ガスタービンに使用し、また各種燃料からH2とCOを発生する方法が記載されている。本発明の車載フレックス燃料水素発生器(generator)も同じATRリフォーミングプロセスを使用するが、若干の新装置及びこれら装置を操作する新方法を提供することで、炭化水素化合物(HC)或いはバイオ燃料からH2とCOに改質する実際の効率を高める。本発明の改良した車載フレックス燃料水素発生器(generator)は、いかなる外部の熱源電源を使用することなく、自動で起動でき、また発生した高圧リフォーメイトを複数個の容器内に保管できる。そして更に保管容器内の高圧リフォーメイトを利用して内燃機関/ガスタービンの燃焼効率を向上させることで、NOx/ディーゼル微粒子フィルタトラップ内の触媒の再生を促進、又はH2を他の移動式或いは据置型装置に供給する。

課題を解決するための手段

0021

本発明の車載フレックス燃料水素発生器を備える装置及びその操作方法は、(a)1個又は複数のパラレル自己熱型(ATR)改質器を提供し、担持型及び/或いは非担持型のPt族金属触媒(supported or unsupported Pt metal grpup)を通じて炭化水素(HC)及び/或いはバイオ燃料をH2及びCOに転化することと、(b)制御用コンピュータ及び/或いはマイクロプロセッサ、流量計制御器バルブポンプ、センサーと温度計とを含む自動制御システムを提供することと、(c)ATR改質器の入口部燃料混合物を提供し、前記燃料混合物は酸化剤、燃料、水/蒸気のうちの少なくとも1つを包括し、液体燃料供給ループガス燃料供給ループ、給水ループ、給気ループ、水電解槽ループ、排ガス再循環(EGR)ループ、水再循環ループ及びリフォーメイト再循環ループからなる群から選択されることと、(d)ATR改質器システム自体で発生した熱と電力を利用して、上記入口部燃料混合物をATR改質器内の触媒に通過する時、H2とCOを含有するリフォーメイトに転化することと、(e)1個又は複数の貯蔵容器マニホールドを提供して凝縮水貯蔵し、また該ATR改質器に給水し、またATR改質器で発生した乾燥リフォーメイトを容器内に貯蔵し、1〜100気圧に保持してこのリフォーメイトを下流の内燃機関/ガスタービンの使用に供給することと、(f)1本又は数本の流量制御曲線を提供し、また貯蔵容器内の圧力を利用して各種反応物の流量を調節し、これら流量制御曲線は制御用コンピュータ及び/或いはマイクロプロセッサ内に保存され、正確に入口部燃料混合物を該ATR改質器に供給でき、また特定のO2/C、H2O/C及びCO2/C比率を保持できることと、(g)スタートアップの反応物が触媒を通じて化学反応を行い、また外部の熱源と電源供給がない状態で、ATR改質器を急速起動或いは再起動し、該2つまたは2つ以上のスタートアップの反応物は燃料、空気、エンジン/ガスタービンの排ガス、電解槽から発生したH2/O2ガス及び循環リフォーメイトからなる群から選択されることと、を含む。

0022

リフォーメイト貯蔵容器内の圧力と前記流量制御曲線に基づき、自動制御システムは一組の流量データ(つまり一組の流量セットポイント)を指定する流量制御器にダウンロードしてから該流量制御器で同時に各反応物の流量を調節できる。よって、全ての反応物を一緒に混合して1つの単一の燃料混合流となってATR改質器に供給できる。ただし、コークス化による触媒活性の低下又は更に触媒が溶けることを避けるため、入口部燃料混合物のO2/C、H2O/C及びCO2/Cの比率を常に指定範囲内に保持することで、各ATR改質器の温度を1200℃(<1000℃が好適)以下に制御できる。これ以外に、同じO2/C、H2O/C及びCO2/Cの比率を保持する状態で、制御システムは即時並びに正確に別の新しい流量要求を全ての流量制御器にダウンロードし、各流量制御器が更に新しい指定値によって同じ比率を保持してその流量を増減できる。よって、ATR改質器は、同じガス組成の状態で迅速にリフォーメイト総量を増減でき、また貯蔵容器内のガスを1〜100気圧内に保持できる。

0023

一般的に言うと、移動エンジンの水素に対する需要は、エンジンの空転又は全速力などの操作状況に伴って大幅に変動する。本発明の改質器で発生したリフォーメイト総量は自動的に貯蔵容器内圧力の制御を受け、エンジンの速度/負荷量の制御を直接受けることではないため、本発明の改質器はほぼ安定的な条件において運転できる。このほかに、1つの定常状態運転から次の安定的な運転状況に変わることができ、エンジンの速度/負荷の影響を直接受けない。言い換えると、本発明の新しい操作制御戦略は、できるかぎり改質器入口部の混合組成内のO2/C及びH2O/Cの比率が突然極速な変動を受けることを減少及び/或いは避け、よって改質器内のコークス形成を防止でき、またフレックス燃料水素発生器の耐久性と寿命を延長できる。

0024

スペースが制限される移動車両上に応用することについて、複数の小直径高圧ATR反応器は、単一の大直径改質器より利点があり、これは複数の小型高圧反応器の製造が比較的安価で、容易にメンテナンス/交換修理でき、特にそれらが兼備する操作上の柔軟性が、不安定状態とコークス形成の条件において反応器の操作を避けることができ、よってより一層エンジンのリフォーメイトに対する過渡要求を効果的に満たすことができる。これ以外に、入口部燃料混合物のO2/Cの比率が<0.5以下の場合、可燃で、且つ潜在的な爆発性を有するため、特殊設計された燃料噴射装置を使用する必要があり、同時に燃料混合物を改質器に注入する総量も制限或いは下げる必要もあることで、よってシステム故障に起因するいかなる損傷を安全に減らす。これら原因により、本発明の車載フレックス燃料水素発生器のシステムは、1個或いは複数個のパラレルATR改質器を含む。しかしながら、システム内の各ATR改質器は、自動制御システムで個別に操作できる。次に論じるのは、同様にシステム内における各ATR改質器に適用できる。

0025

本発明のフレックス燃料水素発生器システムにおいて、各ATR改質器はいずれも第1自己熱改質反応帯(つまり接触部分酸化水蒸気改質帯−CPO/SR)と第2水蒸気改質(SR)帯と第3水性ガスシフト(WGS)帯とを含む。適切な成分のガスからなる燃料混合流は、まずATR改質器の第1反応帯入口部に誘導され、反応を経てH2とCOを含有するリフォーメイトになった後、更に改質器の第3反応帯出口部から流出する。本発明のフレックス燃料水素発生器において、該ATR改質器について、入口部にある燃料混合物は、主成分の酸素、水及び燃料を含有し、同時に該燃料混合物が例えばN2とCO2の不活性のガスを含有でき、又は含有しない。簡単に言うと、本発明で使用する水源は、1個の貯水槽又は水の再循環ループからくることができる。燃料源は、1個又は複数個のいかなる気体液体の炭化水素及び/或いはバイオ燃料の貯蔵糟内から取得できる。酸素源は、空気、水電解槽で発生した酸素、エンジン/タービンの排ガス再循環ループ、若しは少なくとも2種類または2種類以上の上記酸素源を合成してからなる>10%のO2を含有する混合ガス。

0026

本発明のフレックス燃料水素発生器のシステムにおいて、各ATR改質器は(1)水、1種又は多種の燃料と不活性ガスを含む或いは含まない酸素含有ガスからなる入口部燃料混合物を受け入れ、且つ該入口部燃料混合物が混合を経た後そのO2/C、H2O/C及びCO2/Cの比率は、指定範囲内に保持してから該改質器の第1CPO/SR反応帯に流入するステップと、(2)この燃料混合物はPt族金属触媒を通過する時化学反応を起こし、第1CPO/SR反応帯での滞留時間は<300ミリ秒(STPの下で計算)内とするステップと、(3)ステップ2で発生したリフォーメイトは、引き続いて第2SR反応帯内のPt族金属触媒を通過した時、更に反応を起こし、また滞留時間を<5秒内に制御するステップと、(4)ステップ2とステップ3は、温度150〜1200oCと1〜100気圧の下で迅速に燃料からH2とCOとCO2とN2とO2と未転化燃料とを含むリホーメート流を製造するステップと、(5)ステップ4で生成したリホーメート流は第3反応帯に流れ、その滞留時間が<100秒内に保持し、Pt族金属を含む又は含まない触媒を通過し、且つ温度50〜500℃の条件下で、一部の給水がCOと反応して水素になるステップとを実行できる。上記ステップで発生したATRリフォーメイトは、熱交換器を通過した後冷却され、凝縮水を水槽内に貯蔵できる。発生した乾燥リフォーメイトは、1〜100気圧に圧縮されて1個又は複数の貯蔵容器内に貯蔵する。

0027

前記貯蔵容器内に貯蔵/蓄積する高圧リフォーメイトは、次の各号に応用でき、(1)このリフォーメイトに追加量の燃料と新鮮な空気を更に添加することで希薄燃料混合物を形成してエンジン/ガスタービンの燃料源とする。(2)H2を供給すると共に触媒を通じて酸化反応熱を発生し、室温の状態下で迅速に改質器を起動できる。(3)H2を供給することでPt族金属触媒を還元又は触媒コンバータ、NOxトラップ或いはディーゼル微粒子フィルタ内にある触媒の再生を促す。(4)H2を1個の固体酸化物又は一組のプロトン交換膜燃料電池を装備する移動車両或いは装置に供給して、電力を発生するために用いられる。及び(5)リフォーメイトを車載補助動力装置APU)を取り付けた小型ディーゼルエンジン及び/或いは触媒燃焼器に供給して同時に熱エネルギー電気エネルギーを供給する。上記APUは、小型内燃機関/ガスタービン或いは燃焼器を備えた装置で、大型ディーゼルエンジン或いは固定式の予備発電機を使用しない時、同時に熱エネルギーと電気エネルギーを小さな局部エリアに供給できる。例えば特許文献21では、触媒燃焼器と蒸気/ガスタービンシステム組合せを提供して熱と電力を発生することを記載した。

0028

最終的な応用により、各ATR改質器内の3つの反応帯の大きさ/体積は、下流の装置、リフォーメイト組成に対する要求に応じて適切な調整を行うことができる。例えば、第1CPO/SR触媒帯のみを含む小型改質器1台は、H2とCOと若干の未転化燃料とを含むリフォーメイトを下流の内燃機関/ガスタービンの使用に供給できる。適切な体積組合せで、CPO/SR、SRとWGSの3つの反応帯を含む改質器1台は、完全に全ての炭化水素及び/或いはバイオ燃料を変換して最大%のH2と最小%のCOを含有するリフォーメイトを発生でき、このリフォーメイトを触媒の再生に用いることができる。必要がある場合、このH2を含有するリフォーメイトは小型水素ステーションとして分散型燃料電池の発電装備の使用に供給、若しくは内燃機関/ガスタービンの唯一の燃料源とすることもできる。

0029

上記燃料は、好ましくは1種または1種以上の次の化学物質からなる群から選択され、C1−C16炭化水素、メタン、天然ガス、メタン水和物、液化石油ガス、C1−C8アルコール植物油バイオエタノール、バイオディーゼル、バイオメタン、工業廃液又は揮発性有機化合物(VOCは主に有機溶剤である)及びバイオ産物或いは農業/工業/動物廃棄物から発生したバイオ燃料ガスを含む。理論上、いかなるガス燃料、液体燃料或いは加温後気化でき、Pt族金属触媒を通過した時、自己熱改質反応を介して水素とCOを発生できるいかなる燃料混合物は、ATR改質器の燃料とすることに適する。

0030

各ATR改質器の反応帯は、1種又は多種の担持型Pt族金属(PGM)粉末(つまりウォシュコート)の触媒を更に含み、且つ各触媒ウォシュコートは酸化物粉末上に担持され、また総Pt族金属の0.01〜10.0重量%の触媒を含有する。上記「担持型Pt族金属粉末触媒」とは、1種又は多種の白金(Pt)、パラジウム(Pd)、ロジウム(Rh)、イリジウム(Ir)、オスミウム(Os)及び/或いはルテニウム(Ru)の金属化合物を指し、それらがまず例えば酸化アルミニウム酸化セリウム酸化ジルコニウムセリウムジルコニウム系複合酸化物酸化促進剤熱安定剤及びその混合物からなる群から選択された1種又は多種のウォシュコート粉末に浸漬並びに注入する。そこで酸化促進剤/安定剤は、例えばランタン、セリウム、プラセオジムレニウム亜鉛、錫、カルシウムカリウムジルコニウムイットリウムバリウムストロンチウムマグネシウム及びそれらの混合物の1種又は多種の酸化物とすることができる。その後、該触媒ウォシュコート粉末を更に1個の高温不活性担体の表面に塗り、また0.1〜2000g/ft3の総Pt族金属に制御する。この種の不活性担体は、セラミックモノリス(monolithic)、金属モノリスペレットワイヤメッシュフォーム、板又は炭化ケイ素等とすることができる。移動装置器材等の設備に使用することについて、モノリス触媒優先して選択することが好ましい。ただし該モノリス、ペレット、ガーゼ、ワイヤメッシュ、篩、フォーム、板、スタティックミキサー、熱交換器或いはその他形状の触媒担体も人々を満足させるよう固定装置/器材の使用に提供できる。

0031

触媒ウォシュコートの担体とする場合、該不活性材料は、500℃〜1100℃の温度下においてもその強度と形状を崩さない。例えば、該不活性セラミック基板は、酸化アルミニウム、酸化アルミニウム−二酸化ケイ素、酸化アルミニウム−二酸化ケイ素−二酸化チタンムライト、菫青石、酸化ジルコニウム、酸化ジルコニウム−二酸化セリウム、ジルコニウムスピネル、ジルコニウム−ムライト又は炭化ケイ素から製造されることができる。金属モノリスは、フェクロアロイカンタルステンレス或いはその他の高温合金から製造できる。

0032

触媒の耐久性と動作寿命を向上するため、単独又は同時に燃料のパーセントを最適化と制御し、並びに送り混合物のH2O/C、CO2/C及びO2/Cの比率を指定範囲内(つまり制限)に保持することで、反応器内の触媒温度を1200℃(<1000℃が好適)より低くなるよう保たなければならない。例えば、触媒が1200℃より低い温度においてコークスを形成/蓄積しないことを保持するため、入口部燃料混合物のH2O/C比率が望ましくは0.05〜10.0、O2/C比率が0.15〜0.8、CO2/Cが0.0〜0.5に保持する。しかしながら、特定の炭化水素或いはバイオ燃料は、自身の沸点気化熱、酸化反応の熱量及びコークス形成傾向、接触部分酸化反応速度、水蒸気改質反応速度等を有し、ATR入口部燃料混合物のH2O/C、CO2/C及びO2/Cの比率の最適化操作は、主に燃料及び触媒の種類と反応温度及び圧力によって決まる。

0033

内燃機関/ガスタービン内部にある均質燃焼反応を促進するため、ATR改質器から発生したリフォーメイトに追加量の燃料と新鮮な空気/酸化剤を更に添加してエンジン/タービンの入口部の希薄燃料混合物とすることができる。しかしながら、移動、固定又は特殊な設備を使用する時、常に短い過渡運転が発生し、よってリフォーメイトをエンジン/タービン内に入れる前、高圧容器内に貯蔵することが好ましい。この種のプロセスの手配について、ATR改質器の主な機能は十分なリフォーメイトを発生して貯蔵容器内の圧力を1〜100気圧に保持し、そしてエンジン/タービンが水素を必要とする時、該貯蔵容器内から吸引できる。言い換えると、これらリフォーメイトの貯蔵容器は、緩衝器充当できるため、ATR改質器の操作は、直接貯蔵容器内の圧力で制御し、直接或いは自然に頻繁なエンジン/発電機の速度/負荷の突然変化の影響を受けることはない。よって、該貯蔵容器の存在は改質器が定常運転状態から次の定常運転状態に変更することを許容する。

0034

時制御を有し、燃料の比率を記録と監視するため、フレックス燃料水素発生器は、更にセンサー、オンオフバルブ、ポンプ、熱電対、流量計/制御器及びプログラマブルロジックコントローラPLC)1台又はマイクロプロセッサ1台を備える。これ以外に、パソコン(PC)1台を利用して該PLC/マイクロプロセッサと共同制御ソフトウェアプログラミング及び通信できる。しかしながら、PC或いは高性能のマイクロプロセッサの自体は必要な入力/出力ハードウェアモジュールを備える場合、直接このフレックス燃料水素発生器を制御と監視することができる。

0035

車両の応用について、ATRリフォーメイトから凝縮した水は、再循環してATRの入口部の送り混合物内に戻ることができるため、いかなる移動車両も大型水槽を携帯する必要がない。また、室温下で該フレックス燃料水素発生器を起動したい場合、エンジンの再循環排ガスを利用して熱量、酸素及び蒸気を提供することで酸化反応を起こし、特にATR入口部燃料混合物内に少なくとも1つの低温ライトオフ燃料成分を有する時である。またATR改質器を速やかに起動又は再起動するため、貯蔵容器内の再循環リフォーメイト及び/或いは水電解槽のH2/O2ガスも他の燃料の酸化反応を開始と加速することに用いることができる。水素と酸素は、Pt族金属触媒を通過して室温で化学反応を起こすことができ、この酸化反応で発生した熱量は、迅速に触媒の温度を高めて燃料酸化反応に必要なライトオフ温度点以上に達することができ、よって他の燃料の酸化反応を開始でき、いかなる外部の加熱装置の使用を必要としない。しかしながら、注意しなければならないのは、該ライトオフ温度(light−off temperature)とは、いかなる外部の熱源を使用しないもとで、やはり自発的に該燃料の接触部分酸化反応(catalytic partial oxidation reaction)を維持するための所要最低温度点である。

0036

上記該ATR改質器の第3反応帯は、水とCOを比較的遅い空間速度下で、水性ガスシフト反応を利用してH2を発生する。該第3反応帯において使用する担持型Pt族金属触媒は、好ましくは担体の酸化物がAl2O3、セリウム/ジルコニウム酸化物酸化熱安定剤/プロモーター又はそれの混合物とする。上記該酸化物の熱安定剤/プロモーターは、好ましくはランタン、セリウム、プラセオジム、レニウム、カルシウム、ジルコニウム、イットリウム、バリウム、ストロンチウム、マグネシウム、亜鉛、カリウム、銅、鉄、コバルトニッケルクロム、錫、金、銀の1種又は多種の酸化物及びそれの混合物とすることができる。ただし、リフォーメイト内におけるH2の%が増えると共にCOの%を下げるため、従来のCu/Zn酸化物及び/或いはFe/Cr酸化物等の触媒も該反応帯に使用することができる。しかしながら、該第3反応帯は触媒を含まない時、熱力学によれば、無触媒水性ガスシフト反応はやはり極めて遅い反応速度下で発生する。よって、COを排出していない状況で触媒を再生させたい場合、この改質器の第3反応帯はSRとWGS触媒を含むべき、且つNOxトラップ/ディーゼル微粒子フィルタの後に、Pt族金属触媒を含む触媒コンバータを使用して一酸化炭素の排出量を削減する。

0037

前述のように、水素が入口部燃料混合物に添加された時、現在設計の化学量論に近づく燃焼ではなく、エンジンを調整して希薄燃焼を行うことができる。また、希薄空気/燃料の比率の希薄混合気ターボチャージャーを一緒に組み合わせると、エンジンはその圧縮比を増え、且つより一層高い圧力の下で希薄燃焼を行うことで更にその熱効率をアップすることができる。希薄燃焼エンジンの排ガスは主に、N2とO2とCO2と水蒸気とを含み、再循環の希薄排ガスが水蒸気、O2、CO2と熱量をATR改質器に注入する有効な方法である。よって、回収した排ガスは改質器の熱損失を低減でき、またATR反応帯域内の化学反応を保持し続けることができ、いかなる外部熱源の供給を必要としない。このほかに、循環ガス内の水蒸気とCO2は、反応帯内で更に多い反応熱を吸収でき、また効果的に改質器のピーク温度を<1200℃内に下げることができる。

0038

本発明の車載フレックス燃料水素発生器及び発電機から発生した一部の電力は、電解槽に使用されてHHOガスを発生できる。ただし、ソーラーパネル及び/或いは風力発電機がある時、電力を供給して蒸留水の電解を行うことができる。この場合は、電解槽から発生したH2は、改質器のスタートアップ期間においてまず燃料の接触部分酸化反応を開始、或いは直接リフォーメイト貯蔵容器内に入れてエンジンの燃料混合物の一部とすることができる。電解槽から発生した酸素は、直接ATR改質器の唯一の酸素源として使用、若しくは空気中又はエンジンの再循環排ガス内に添加されてATR改質器の入口部燃料混合物のO2含有量を増加させることができ、且つ>10%とする。

0039

1台の車載フレックス燃料水素発生器とエンジン/タービンからなるシステムは、直接一般的応用の駆動装置とすることができ、例えば自動車、芝刈り機、ディーゼルトラック、公共バス、電車及びバイク等に使用される。本発明のフレックス燃料水素発生器とエンジン/タービンからなるシステムを1台の発電機と1個のバッテリー群に接続すると、電力を発生と蓄積できて1つの独立した移動式或いは固定式の発電ステーションとなる。この種の分散型発電ステーションは、例えば自動車、芝刈り機、ディーゼルトラック、公共バス、電車、バイク等の電動自動車/設備の駆動に用いることができ、その他の携帯式又は小工具、工業用と家用電器設備/装置にも用いることができる。

0040

特殊応用について、このフレックス燃料水素発生器も直接H2又はH2に富むリフォーメイトを内燃機関/ガスタービンに供給して唯一の燃料源(つまり改質ガソリンエンジン/タービン)とすることができ、若しくは小さな携帯式又は移動式分散型水素ステーションの一部として使用し、H2を固体酸化物或いはプロトン交換膜燃料電池等の電池発電システムに供給できる。

図面の簡単な説明

0041

本発明の一例示的な実施例に係る一般システム概略図で、フレックス燃料水素発生器と内燃機関/ガスタービンと発電機とを含む。
本発明の別の例示的な実施例に係るシステム概略図で、簡易代替フレックス燃料水素発生器と希薄燃焼ディーゼルエンジンと電動発電機とを含む。
本発明の別の例示的な実施例に係るシステム概略図で、簡易な代替フレックス燃料水素発生器と希薄燃焼ディーゼルエンジンと電動発電機とを含む。
本発明の別の例示的な実施例に係るシステム概略図で、簡易な代替フレックス燃料水素発生器とガスタービンと発電機とを含む。
本発明の別の例示的な実施例に係るシステム概略図で、簡易な代替フレックス燃料水素発生器と小工具と内燃機関とを含む。
本発明の一の例示的な実施例に係るシステム概略図で、触媒がフレックス燃料水素発生器内に使用されている状態である。
本発明の別の例示的な実施例に係るシステム概略図で、触媒がフレックス燃料水素発生器内に使用されている状態である。
図8A及び図8Bは、本発明の別の例示的な実施例に係るシステム概略図で、大きな金属触媒がフレックス燃料水素発生器内に使用されている状態である。
図9A及び図9Bは、本発明の別の例示的な実施例に係るシステム概略図で、1台のパソコンとプログラマブルロジックコントローラとを含む。
制御曲線図で、改質器の出力容量パーセントの貯蔵容器内のリフォーメイト圧力に対する関数関係を示す。

0042

好適な実施形態の記載
従来、大規模商業生産工業用水素は、炭化水素類がNi/Al2O3ペレット触媒を通過する時水蒸気改質(SR)反応を行い、また改質器内で低い空間速度及び定常状態高圧操作条件下(通常は2000〜8000/時間)で製造される。よって、H2を移動設備又は分散型燃料電池の発電ステーションを供給する場合、液体H2或いは高圧H2ガス遠隔地の中央工場から運んで現地の高圧貯糟内に貯蔵しなければならない。ただし、H2をこれら応用に供給するもっと便利な方式は、より小さい分散型水素改質器1台を使用し、當地において各種気体或いは液体の燃料からH2を生産できる。移動車両又は分散型燃料電池の発電ステーションの使用は、電力に対する需要によって操作するため、車載或いは分散型水素改質器が頻繁にスタートアップ、シャットダウン及びその他過渡運転条件を満たさなければならない。

0043

1970年代かつて幾つか従来のH2生産技術を使用した小型改質器が設計され、該小型改質器は、硫黄を含有するディーゼル油からH2を製造してりん酸型燃料電池の応用に供給でき、これら改質器が通常金属酸化物及び/或いはNi/Al2O3のペレット触媒を使用し、また低い空間速度の下で接触部分酸化(CPO)と水蒸気改質(SR)の水素発生反応を行う。ただし、比較的低い空間速度及び比較的低い触媒活性のため、これら大型改質器は一般的に車載改質器として適していない。上記水素製造技術は、G.Vocksが作成した論文(“Structured Catalysts and Reactors”, edited by Cybulski and Moulijn, Marcel Dekker, Inc. Page 179 (1998))から優れた総括とすることができ、ここに本明細書の一部を構成するものとして該論文の内容を援用する。

0044

1980年代初、かつて一種の新しいコンパクト(compact)な改質器が開発され、該改質器は新開発された水素生産触媒プロセス及び数個の新モノリシックPt族金属触媒を利用し、非常に高い空間速度の下で、硫黄を含有する#2商用ディーゼル油をH2とCOに転化できる。例えば米国エネルギー省報告書(DE−AC−03−79−ET15383,1981年9月)のように、新しいATR改質器は、第1反応帯内にある数個のモノリシック白金/パラジウムCPO触媒を利用すると、126,000/時間の空間速度(18ミリ秒、1気圧と00℃で計算)下で、大部分の燃料をH2とCOに転化でき、そして未転化燃料が空間速度の6500/時間(つまり550ミリ秒)下で、第2反応帯内においてその後の白金/ロジウムSRペレット触媒によりH2とCOに転化できる。また、適切な安定運転条件の下、この新改良のATR改質器は、コークス形成のない状況においてディーゼル、ガソリン、液化石油ガス(LPG)及びJP−4燃料等の燃料を転化してH2を発生できることが後に判明した。

0045

表1に示すように、約O2/C=0.38及びH2O/C=2.50の比率下で、各燃料はこれら試験中の総HC転化率が≧99%(無水ベース)で、かつ総(H2とCO)生産量>50%とする。よって、これら試験から以下の結論を得ることができ、つまりこの種の新改良のモノリシックPt族金属触媒を利用したコンパクトなATR改質器は、非常に高い空間速度の条件下で、各種炭化水素燃料から水素を発生できる。

0046

表1に記載するように、これら実証試験において使用したPt族金属(PGM)触媒の調製プロセスは、まず某特定の金属濃度を有する1個又は複数の白金、パラジウム及び/或いはロジウム溶液熱安定性があり且つ表面積が50〜600m2/gのgama−Al2O3ウォシュコート粉末上に注入する。ここに使用した熱安定剤は、ウォシュコート粉末が高温下の表面積を保持するために用いられる。該熱安定剤は、例えばランタン、セリウム、プラセオジム、レニウム、カルシウム、カリウム、バリウム、イットリウム、ジルコニウム、ストロンチウム及びマグネシウムの1種又は多種の酸化物及びそれの混合物を含むものとすることができる。後で、更にこれら触媒された後のウォシュコート粉末を不活性モノリシック基材の表面に塗ってから乾燥と焼成を行う。表1に示すように、各モノリシックPt族金属触媒中の合算する金属総含有量は、一般的に言うと0.1〜2000g/ft3内に制御する。

0047

表1内で使用する不活性モノリシック基板は、 1平方インチ(CPI)当たり200〜600ストレートチャンネルセラミックコーディエライトを備え、その他適した触媒担体がセラミック又は金属モノリス、フォーム、板、ガーゼ、ワイヤメッシュ或いはスタティックミキサー等を含む。ここで、該多孔質のセラミックモノリスは、1種又は多種の酸化アルミニウム、酸化アルミニウム−二酸化ケイ素、酸化アルミニウム−二酸化ケイ素−二酸化チタン、ムライト、菫青石、酸化ジルコニウム、酸化ジルコニウム−スピネル(spinal)、酸化ジルコニウムムライト及び炭化ケイ素等からなる金属酸化物群から選択されたものである。該金属モノリスは、例えばフェクロアロイ、カンタル及びステンレス等の耐熱耐酸化の合金とすることができる。

0048

表1:炭化水素化合物は、Pt族金属(PGM)触媒を通過した自己熱改質(autothermal reforming)の概要(Hwang等のAIHE年次大会カリフォルニアロサゼルス、2000年11月5日)

0049

Pt族金属触媒でディーゼル油から発生した水素を燃料電池の使用に供給することを開発した時、特許文献22の結論によれば、ディーゼル油はPt族金属触媒を通過した場合、その部分酸化反応速度が水蒸気改質反応速度よりずっと速い。言い換えると、反応帯内での滞留時間が<300ミリ秒の状態において、送り混合物中の燃料がH2とCOに転化する転化率は主にO2/C比率の制御を受け、H2O/C比率が副次的な要因である。ただし、関連の実験的な研究報告書及び熱力学計算(DOE#DE−AC−03−79−ET15383(1981)及びDOE#DE−AC−21−79−MC12734(1981))によれば、該自己熱改質法(ATR)は接触部分酸化法(CPO)に比べて実際的にO2/C運転比率を拡大でき、コークスを形成せず、また反応器内の温度を下げることができ、触媒の耐久性を延長し、触媒の失活性を極小化し、並びにより一層長い改質器寿命を実現できると断定できる。言い換えると、自己熱改質法は、実際接触部分酸化法より良いと好適な方法である。従って1970年代に開発された古い特許の車載改質器はATRでCPO改質反応を代替とし、またより先進なPt族モノリシック金属触媒を利用して改質器の耐久性を向上すると共に寿命を延長し、この新改良のフレックス燃料水素発生器は効果的且つ効率的に移動車両に活用できる。

0050

1990年代末に小型商用改質器が開発され、54,000/時間の空間速度(つまり約67ミリ秒STP)及び長期且つ耐久状態において、全てのHC燃料を水素に転化してプロトン交換膜燃料電池(PEMFC)発電機に供給できる。本発明において、新世代の先進改質触媒修正を経た後のよりコンパクトな新ATR改質器の設計が開発され、天然ガスとLPGをH2に転化するために用いることができる。簡潔に言えば、一連の新開発された層状モノリシックCPO/SR触媒は、ATR改質器内中の第1反応帯の水蒸気改質の反応速度をアップできる。これら層状触媒製法に関しては、まずSR触媒を不活性のモノリス表面に塗布してから別層のCPO触媒をSR触媒層の上面に塗布する。この2種類の触媒の密接な接触により熱を発生したCPO層は迅速に発生した反応熱をいかなる伝熱障害もない状態で吸熱R層に供給する。特許文献23と特許文献24で記載されるように、これら各種多層及び/或いは各種金属グラデーションコーティング技術により調製した多層の先進触媒は、最も効果的にこれらPt族金属を利用でき、且つ更にメタン転化率を改善でき、改質器内のピーク温度を約50℃に下げることもでき、更に重要なのは改質器の寿命を延長できてコークス形成の現象がない。

0051

これら先進の改質触媒を使用すると、改めてより小さい改良ATR改質器を設計して車載装置とすることができ、また各種炭化水素及び/或いはバイオ燃料をH2に転化することに用いることができる。例えば、移動設備に使用されるコンパクトで且つ経済的なATR改質器は、第1反応帯のCPO/SR触媒のみを利用し、第2と第3反応帯でSR及びWGS触媒を使用する必要がない。該改質器は、一部の燃料をH2及びCOに転化でき、その他の未転化燃料とCOが下流のエンジン/ガスタービン内で燃焼できる。しかしながら、1台の固定式分散型発電機或いは1つの小型水素ステーションについて、ATR改質器を設計と操作する時、操作条件を調整して最大H2%含有量と最小CO%含有量を有するリフォーメイトを発生させなければならない。この場合は、ATR改質器が第1と第2反応帯のCPO/SR和SR触媒に依存して全て(つまり100%)の燃料をH2とCOに転化し、更にその後の第3反応帯内のWGS触媒でCOとH2OをH2に転化する。

0052

図1に示すように、本車載フレックス燃料水素発生器及び発電機から発生した一部の電力は、水電解槽に供給して純O2とH2を発生できる。発生したH2は水素発生器のスタートアップ期間において触媒を加熱してライトオフ温度に達し、迅速に燃料CPO反応を開始できる。発生したO2は再循環排ガス中のO2の%含有量の増加に使用でき、また単独でATRの酸化剤としても使用でき、若しくはATR入口部燃料混合物>10%の酸素含有量の増加に使用できる。

0053

特許文献25では、1個のミリセカンド(ms)反応器を使用し、メタンが担体金属触媒を通過した時、非常に短い滞留時間(SV=800,000〜120000/hr或いは約3ms)内に、水素を発生できることが記載されている。ここで、空気及び/或いは純酸素は、CPO反応の酸化剤とし、このミリセカンド反応器のシステム内で使用する触媒は、1種又は多種のロジウム、ニッケル及び白金を含む触媒で、フォームセラミック、ワイヤメッシュ或いは押出基材の表面に被覆する。同時に1990年代以来Schmidt教授とそのグループはすでにセラミックフォームRh触媒を使用し、ミリ秒接触時間内にメタン、n−ヘキサデカン、n−デカン、JP−8、ガソリン、ディーゼル油、エタノールグリセロール、植物油、バイオディーゼル及びその他の揮発性非揮発性液体等の燃料から合成ガスオレフィンを生産できることに成功した。この20年間、このグループの人員はすでに複数の優れた特許と科学論文を出版した。全体から言うと、彼らの研究はすでに揮発性炭化水素とバイオ燃料を含む合成ガスがミリセカンド反応器内において、燃料の部分酸化反応或いは自己熱改質反応を利用してガーゼ、セラミックフォーム又はAl2O3酸化ペレット上に被覆したRh含有触媒を通過した時、非常に容易に高効率で触媒されてH2、CO及びオレフィンに改質することができる。

0054

この20年間、1グループのアルゴンヌ国立研究所(Argonne National Laboratory)の人員は、新触媒と先進CPO及び自己熱改質プロセスを開発する過程中に、若干の素晴らしい研究を行った。例えば特許文献26では、新たに開発された2つの部分組成を含む触媒(つまり1%のPt/CeGdOペレット触媒)が効果的にガソリン/天然ガス、水及び酸素の混合物から0.1〜2秒の時間内にH2を発生できることが記載されている。特許文献27では、小型自己熱改質器の詳細な設計図操作手順が記載され、燃料から水素を発生して燃料電池の使用に供給できる。全体から言うと、当該グループの研究員は新たに開発された2つの部分組成を含むPt触媒を利用すると、効果的に自己熱改質器において、イソオクタンシクロヘキサン、2−ペンテン、エタノール、メタノール、メタン及びその他燃料から水素を発生できることも証明した。

0055

2000年以来、接触部分酸化と自己熱改質反応に関する多くの優れた特許と科学論文は、すでに世界各地で各種研究グループから発表されたため、ここに1つずつ列挙できない。しかしながら、これら公開した研究成果によれば、非常に高い空間速度の条件下で、CPOとATR改質プロセスを利用すると、各種揮発性炭化水素とバイオ物燃料を改質してH2及び/或いは合成ガスを発生できることを明確に知得できる(つまり小型改質器)。

0056

工業応用面において、水/蒸気を改質器の入口部燃料混合物に入れると、CPO改質器をATR改質器に変わることができ、且つこのATR改質器が先進の改質触媒を利用すると、効果的により広いO2/C範囲内で操作でき、固定水発生器内でコークス形成の現象が発生しない。また、この固定水素発生器を改善して移動設備に使用させるため、新設計の車載フレックス燃料水素発生器は、数種類の実用設備と操作手順を提供し、外部熱源と電源の供給がない状態において効果的に異なる揮発性炭化水素及び/或いはバイオ燃料をH2に転化して内燃機関/ガスタービンの使用に供給できる。

0057

現在大部分のガソリン内燃機関の設計は、化学量論の燃焼比率により運転するが、希薄燃焼ガソリン及び/或いはディーゼルエンジンが近年さらにいっそう人気が出る。希薄燃焼の内燃機関は、化学量論の空燃比を使用したエンジンより比較的多いNOx汚染物質を発生するため、1個のモノリシックNOxトラップを排気管内に取り付けることで希薄燃焼ガソリンエンジンのNOx排出量を削減する。同様に1個のNOxトラップとディーゼル微粒子フィルタを希薄燃焼ディーゼルエンジンの排気ラインに取り付けて汚染ガスの排出量を削減する。

0058

一般から言うと、NOxトラップとディーゼル微粒子フィルタは、多孔質のセラミックモノリス表面に担持される若干のトラップ材料(trap materials)を含む。これらトラップ材料は、一酸化アルミニウム粉末上に担持された少量%含有Pt族金属と1種又は多種のカリウム、ナトリウムセシウム、バリウム、ランタン、ストロンチウム、カルシウム、マグネシウム、亜鉛、セリウム、ジルコニウムから選択された酸化物及びそれの混合物とを含む。しかしながら、各トラップ材料にはその貯蔵容量があり、一旦飽和になった後NOx或いはディーゼル微粒子の排出量を削減できない。よって、これらトラップ材料は外部のH2及び/或いはCO等の還元ガスを利用してその活性を還元しなければならない。このフレックス燃料水素発生器は効果的にこの種の還元ガスを発生して上述の再生使用に供給できる。

0059

手動で起動する内燃機関/ガスタービンは、室温で高温排ガスを発生でき、該高温排ガスを循環してATR改質器の温度をアップでき、同時にも発電機を駆動してPLC/ECU及び全てのセンサー/制御器に給電できる。一旦電力を発生すると、システム全体は自動操作モード切り替えコンピュータシステムに水素発生器全体を自動操作させることができる。

0060

フレックス燃料水素発生器は内燃機関/タービンと組合せると、単独で移動装置/設備の駆動装置として使用でき、例えば芝刈り機、チェーンソー、バイク、フォークリフト、自動車、トラック及び電車である。フレックス燃料水素発生器を内燃機関/タービン、発電機及び電池等と組み合わせると、有用な分散又は統合型発電システムに変わって電動自動車、トラック、電車、バイク、フォークリフト、電気ユーティリティビークル電池充電器、予備発電機及びその他の固定式或いは移動式の電子設備/装置に給電できる。

0061

例示的な実施例の記載
特許文献13では、車載触媒EGR酸化装置が記載され、また各種炭化水素とバイオ燃料からH2及びCOを生産して内燃機関/ガスタービンに供給する方法が開示されている。1つの成功と耐久な改質器は、コークス形成と触媒失活がなく、及び/或いは溶けない状況において、該ATR改質器の反応温度が終始<1200℃(<1000℃が好適)以内に保たなければならず、且つ改質器の入口部燃料混合物のO2/C比率が0.15〜1.50、H2O/C比率が0.05〜10.0、CO2/C比率を0.00〜0.50に保持する。この種の車載触媒EGR酸化装置の機能を高めるため、本発明では改めて図1に示す車載フレックス燃料水素発生器及び発電システムを設計し直し、この種の車載発電機は実用的装置を提供でき、また、この装置が主に移動車両及び/或いは分散型発電機の設備として、外部電源のなく且つ有限な水源の状況下の操作方法も提供している。これ以外に、本発明に開示されている内容によれば、潜在な簡易フレックス燃料水素発生器及び/或いはその他各種システムの配置と数個の簡易フレックス燃料水素発生器も本発明内容内に含まれ、当業者に各種特定応用の参考例として提供している。

0062

定常状態操作下の燃料電池改質器に反して、好ましい車載改質器は急激な過渡操作(つまり素早い加速/減速)、頻繁なスタートアップ/シャットダウン、定常状態及びその他非定常の運転条件下で、燃料を水素に転化できてコークス形成がないよう成功しなければならない。また、改質器は、いかなる外部電源と水源がない状態で自己熱改質プロセスを実行しなければならず、迅速に自身システムの熱量と電力で再起動できなければならない。よって、本発明のフレックス燃料水素発生器の設計は、若干の反応物供給経路(ループ)を提供し、必要な反応ガス物質をATR改質器の入口部に注入するために用いられる。上記反応物供給経路は水ループとガス燃料ループと液体燃料ループと水電解槽ループと循環水ループと再循環リフォーメイトループと再循環排ガスループと2つの空気供給ループとを含む。簡単に言えば、反応物の供給ループ内の指定含有量を有するが少なくとも1種の燃料、1種の酸化剤及び1種の水/蒸気を含有する混合物をATR改質器に注入した後、Pt族金属触媒を通じてH2とCOを含有するリフォーメイトに転化する。発生したリフォーメイトを冷却し、凝縮水が回収されてATR反応物の1つとし、乾燥ガスが圧縮されて1個或いは複数の高圧貯蔵容器内に貯蔵される。前述のように、貯蔵容器内のリフォーメイト圧力は、予定制御曲線に基づいて各反応物流量を調節する主なフィードバック信号である。よって、該圧力信号はATR改質器から発生したリフォーメイト総量の増減に用いられる。言い換えると、貯蔵容器の圧力が低下した時、各反応物の流量が同じO2/C、H2O/C及びCO2/C比率を保持することにおいて、同時に比率によって増加するため、改質器は更に多くの同じガス成分を含有するリフォーメイトを発生し、貯蔵容器内の圧力を指定範囲内に保持する。しかしながら、圧力が100気圧に接近した時、1個または1個以上のATR改質器は流量低下の操作を行い、空転モードにとどまり又は更にシャットダウンすることでリフォーメイトの貯蔵容器に出力する総量を下げる。操作の時、ATR改質器がシャットダウンされる可能性があるため、該改質器は非常に迅速にシステム自身の熱量と電力を利用して再起動できなければならない。

0063

H2に富むリフォーメイトを発生するため、ATR改質器の入口部燃料混合物はO2/C比率を<0.5以下に制御することが好適である。しかしながら、この種の燃料に富む混合物は可燃で且つ潜在的な爆発性を有するため、各改質器は適切な燃料噴射装置を取り付け、そして燃料混合物の改質器に注入する総量をできる限り減少することで、システム故障によるいかなる損失を安全に軽減できる。このような理由で、本発明の車載フレックス燃料水素発生器は設計上、1個又は複数個のパラレル小型ATR改質器で単一の大型改質器に代替とする。

0064

乾燥リフォーメイトが30〜100気圧に圧縮され、また容器10と10B内に保管され、そしてこのリフォーメイトは圧力調整器55Aを経由して流動マニホールド10A又は10Cまで降圧し、また1〜50気圧に保持する。ここで、指定制御量のマニホールド10A内のリフォーメイト(流217)と二次空気(流208)は、適量の一次新鮮な空気(流218)と一次燃料(流201A)を混合して希薄燃料混合物となり、またlambda比率を1.01〜1.80に保持してエンジン/ガスタービン11の燃料とする(つまりラムダ(lambda)比=[実際の空燃比]/[化学量論の空燃比])。また一部のマニホールド10C中のリフォーメイト(流214)は還元ガスとして使用でき、またNOxとディーゼル微粒子トラップの触媒の再生を促進できる。該リフォーメイトは再循環されて反応物(流215)に変わって改質器を急速起動するためにも用いることができ、及び/或いはH2(流216)を車載APU11Aに供給することができる。このAPUユニットは大型ディーゼルエンジンの未運転時に熱量と電力を1つの小さな局部/辺鄙地域に供給できる。

0065

図1に示す流量計/制御器は、定量ポンプマスフローメータ/制御器又は自動車に使用している電子燃料噴射装置とすることができる。いずれかの流量制御器は所定のセットポイントに基づいて正確に各所定のガス及び/或いは液体反応物の流量を調節できるため、前記流量計/制御器等のセットポイントの組合せを利用して各純ガスと液体の流量を制御でき、また全ての反応物を混合した後固定組合値に達する。よって、これら制御器はコンピュータ制御システム内に保存している制御曲線に基づいて各流量制御器に1つのセットポイントを与えて各反応物の流量を制御すると共にATRの入口部燃料混合物のO2/C、H2O/C及びCO2/C比率を指定値内に提供できる。また、コンピュータを通じて別の新セットポイントをダウンロードして特定の流量計/制御器に使用する場合、この種の流量計/制御器が優れた繰り返し性再現性を有する状況の下で、迅速に反応物の流量を新しい指定値に変更できる。言い換えると、燃料混合物のO2/C、H2O/C及びCO2/C比率とその総流量は、非常に迅速で正確に該制御システムにより保持し、及び/或いは変更できる。

0066

図1に示すフレックス燃料水素発生器システムの例示的な実施例において、水反応物の供給ループは、タンク1と定量ポンプ50と流量弁51と流量計/制御器52とを含む。ガス燃料反応物ループはタンク2と減圧装置55Aと流量弁51と流量計/制御器52とを含む。液体燃料反応ループはタンク3と定量ポンプ50とバルブ51と流量計/制御器52とを含む。水電解槽は電解槽5と電池4とガスフィルタ5A/5Bと流量弁51とからなる。水再循環ループは熱交換器7と気/液分離器8とフィルタ54と定量ポンプ50と流量弁51とを含む。リフォーメイト循環ループは改質マニホールド10Cとコンプレッサー9と流量弁55と流量計/制御器52とを含む。排ガス再循環ループはタンク10Eとフィルタ54とコンプレッサー9と流量弁55と流量計/制御器52とからなる。空気ループはターボチャージャー14とタンク10Dと熱交換器7と流量弁55或いは51と流量計/制御器52とを含む。このほかに、一次空気をエンジン/ガスタービンに入力するフローライン218には、スロットルバルブ70と気体用マスフローメータ(図示せず)が取り付けられる。このフレックス燃料水素発生器はコンピュータ及び/或いはプログラマブルロジックコントローラ(PLC)100の制御システムで制御と操作するため、各反応物ループに取り付けられるバルブと流量計/自動操作の制御器は、コンピュータの入力/出力インターフェースモジュールと互換性があり、つまりこれら制御器がコンピュータシステムの制御を受けなければならない。言い換えると、これら制御器はコンピュータ/PLCシステムを通じてオープンクローズ、調整及び/或いは制御できなければならない。

0067

該内燃機関/ガスタービン11は、現在自動車に使用されている点火方法で手動起動を行うことができる。言い換えると、エンジンはライン218の一次空気とライン201Aの気体又は液体の一次燃料を利用してリッチ燃焼(rich combustion)を行う。一旦エンジン/ガスタービンが起動した後、運転者の車両速度に対する要求によりスロットルバルブ70の位置を調整して一次空気と燃料の流量を調節できる。そしてエンジン/ガスタービンは電動発電機12を駆動して発電を行い、また電力を前記コンピュータ制御システム100とバッテリー群13/4に供給する。発生した排ガスはターボチャージャー14を回転させることで、二次高圧空気をエンジン/ガスタービン(ライン208)とATR改質器(ライン210)に供給できる。その後、排ガス211は2つの部分に分かられ、支流211A /212が再循環を通じて改質器に戻って熱量、O2及び蒸気を供給し、支流213が更に流213Aと213Bに分かられ、従ってNOx及び/或いはディーゼル微粒子汚染物質がトラップ17を通過した時に除去されることができる。ここで留意すべきことは、触媒の再生手順を行うため、本システムにおいて二重トラップ排気管システムを使用している。トラップから入る排ガスは、触媒コンバーター15とマフラー16を通過した後大気中に放出する。

0068

注入器53は、1つの特別な設計の装置で、該装置が安全的に可燃燃料、水、酸化剤及びその他の反応物を処理できる。この種の注入器は、ATR改質器6の第1反応帯に注入する前に全ての反応物を一緒に結合して単一の燃料流にする。個別及び/或いは同時に適切に各反応物の流量を制御することで、指定のO2/C、H2O/C及びCO2/C比率の燃料混合物を得ることができる。該燃料混合物は、Pt族金属触媒を通過し、温度<1200℃と1〜100気圧の下で、更にH2とCOに改質する。安全的に改質反応を行うため、このATR改質器に熱電対56と広帯域O2センサー53Aを装備しており、前記燃料混合物がATRの第1反応帯に入る前のO2/C比率を微調整するために用いられる。反応温度と総反応熱は、燃料混合物のO2/C比率と強い関わりがあるため、熱電対が二次空気の流量の調節又は一次燃料とH2の流量を微調整して効果的にO2/C比率を調整するために用いられる。これ以外に、触媒失活を避け、比較的長い触媒寿命を有し、またコークス形成を避けるため、反応帯の内外部に数個の熱電対を取り付ける必要がある。それによって監視とフィードバック情報を提供し、また前記O2/C、H2O/C及びCO2/C比率を制御するために用いられ、引き続き反応温度を1200℃内(<1000℃が好適)に保つ。

0069

該PLC/ECUマイクロプロセッサ及び/或いはコンピュータ制御システム100は、自動的にシステム全体を制御並びに操作できる。例えば、運転者がペダルを踏んだ又は放した時、スロットルバルブ70は運転者の需要に応じてエンジンの速度を増減して気体用マスフローメータで測定したライン218内の一次空気流量及びライン201A内の一次燃料流量を増減する。H2流量(ライン217)/燃料流量(ライン201A)のモル比二次空気流量(ライン208)/H2流量(ライン217)のモル比は、各々与えられた値(定値)に制御されることができる時、該スロットルバルブの位置及び/或いはエアマスフローセンサーがライン217内の水素流量とライン208の二次空気流量を決定できる。よって、スロットルバルブの位置は、同時にライン218、201A、217及び208の流量を決定し、これらラインの結合は、lambda比率が1.01〜1.80の状態下で、該希薄燃焼混合物を該エンジン/ガスタービン11に供給できる。しかしながら、エンジンが高負荷運転の時、最終燃料混合物が希薄側からリッチ側に調整してより多いエンジン電力を発生することが必要である。この場合は、エンジン内で同時にライン201Aからきた付加燃料とライン217からきたH2を別途注入できる。

0070

エンジン/ガスタービンの速度と負荷を問わず、本システムの制御戦略はライン217のH2流量/ライン201Aの燃料流量の比率を0.05〜0.95に保ち、且つライン217のH2流量/ライン208の二次空気流量の比率も1つの固定値に保ち、これらH2と二次空気流オリジナル燃料混合物(つまり燃料201Aと空気218)に加えた後、化学量論(つまりLambda=1.00)の燃料混合物をlambda=1.01〜1.80(ガソリン車)の希薄燃焼混合物に変わることができる。この場合は、エンジンの速度が高ければ高いほど、もっと大量のH2を該エンジン/ガスタービン内に注入する必要があるため、タンク10の圧力がより速く低下する。コンピュータの制御システムは容器圧力の低下を検出した時、改質器を急速起動すると共に反応物の流量を増えて更に多くのリフォーメイトを発生してタンク10内の圧力を30〜100気圧に保つことができる。同様にエンジン速度が低下した場合、水素に対する需要量が少なくなり、タンク10の圧力が比較的遅い速度で低下し、この時のコンピュータの制御システムは反応物流量を下げてリフォーメイトの生産総量を減らす。圧力が更に上限に接近する状況の下で、1個または1個以上のATR改質器をシャットダウンさせることができる、或いはリフォーメイト生産量減少の操作モードに調整できる。

0071

定常状態下の燃料電池水素発生器に反して、車載水素発生器は主に過渡変動状況下で操作し、移動車両の頻繁な加速と減速において水素需要量に激しい変動を起こす。言い換えると、操作過程中、ATR改質器はシャットダウンされ、各種異なる流量需要において操作し、且つ頻繁に再起動される。よって外部の熱源と電源のない状態で、速やかに改質器を再起動できることで急加速時においてもやはり貯蔵容器内の圧力を制限範囲内に保つことができる。

0072

図2に示すのは、代替できるが比較的に希薄燃焼ディーゼルトラックエンジンとの結合に適した簡易フレックス燃料水素発生器である。長期耐久で且つコークス形成がないシステムを欲する場合、改質器を定常条件で操作させなければならないため、流量、温度、O2/C及びH2O/C比率の頻繁な変化を回避又は最小化しなければならない。残念ながらディーゼルエンジンは頻繁に起動/停止され、加速/減速され、及び/或いはその他の非定常の過渡操作がされる。また、商用ディーゼル油には若干の不飽和高分子成分を含有し、非常に短い滞留時間(つまり高い空間速度の運転条件)内に、これらのコークスを発生する燃料成分を完全に気化することがとても困難であるため、本発明の車載改質器はタンク2内の第二の低分子二次燃料を使用して水素を製造することでコークスを形成せず、タンク3の商用ディーゼル油はやはりディーゼルエンジントラックの一次燃料とする。この設計において天然ガス、圧縮天然ガス、液化石油ガス、ガソリン、メタノール或いはバイオエタノール等のうちのいずれの燃料も、タンク2に貯蔵でき、該燃料は改質器に利用されて、H2とCOのリフォーメイトを発生することで、ディーゼルトラックエンジンの還元剤として供する。しかしながら、天然ガスを使用するトラックエンジンについて、H2は天然ガスから急速発生できるため、デュアル燃料タンクを備える必要がない。

0073

図2内の全てのその他装置/設備の記載は、いずれも図1内の記載と同じ、同時にこのディーゼルエンジンに用いる簡易フレックス燃料水素発生器操作手順の方法も前の図1に記載している方法に類似する。

0074

図3に示すのは、別の簡易フレックス燃料水素発生器で、CNG(圧縮天然ガス)、H2に富むリフォーメイト、LPG(液化石油ガス)、ガソリン、メタノール、バイオエタノール又はその他の軽量炭化水素化合物(炭化水素)等を燃料として使用して希薄燃焼内燃機関に供給する。希薄燃焼内燃機関は、より多いNOx排出量を発生するため、マニホールドの流10C(流214)内からH2とCOを供給することで、周期的にNOxトラップ17にある触媒剤を再生する。

0075

図4に示すのは、ガスタービンに用いる簡易フレックス燃料水素発生器である。ここで、より高いH2%を含有するリフォーメイト及び一次燃料をタービンの燃料として使用し、ATR改質器がガスタービン内に取り付けて単一ユニットとすることができる。また、純O2或いは酸素に富むガスは、空気に代替して改質器に供給でき、それによって比較的高いH2%と低いN2%のリフォーメイトを発生してガスタービンに供給できる。

0076

天然ガス、液化石油ガス、バイオエタノール又はガソリンを燃料とする小型且つ経済的な実用エンジンについて、図5では過剰付属品を含まず、且つ非常に簡易な水素発生装置を提供し、タンク3の燃料が2つの流に分かれ、支流201が直接エンジン内に注入し、支流202が空気を酸化剤として使用する改質器内でH2に転化する。また、再循環排ガスは蒸気、熱とCO2をATR改質器に供給できるが、エンジンに凝縮水の氾濫を避けるように、再循環排ガスの%含有量と凝縮水は適切に制御しなければならない。

0077

図6図7は改質器内で使用される触媒の形状を示す。例えは、ATR改質器は第1反応帯のCPO/SR触媒のみを含む場合、通常図6に示す触媒の形状を有する。改質器は全ての3つの反応帯CPO/SR、SR及びWGSの触媒を含む場合、図7に示す触媒の形状を有する。これら図内において更に第1反応帯の触媒の前に取り付けられる予備点火装置Eを示し、手動でCPO反応を開始することを目的とする。

0078

大きな円形金属モノリス触媒について、通常実験室でそのフレッシュ触媒と既使用触媒活性を測定することが非常に困難である。よって、本発明では図8A図8Bに示すように、中心部にある比較的小さな触媒コアと外側にある環形触媒コアとを含む単一の大きな金属モノリス触媒を開示している。該中心部にある比較的小さな触媒コアは外側の環形触媒コアを破損することなく装置全体から取り外すことができるため、その触媒活性が実験室のテストユニットで評価させることができる。この種の触媒の設計は特に有用なもので、既使用或いは再生の触媒活性がやはり効果的に汚染物質の排出量を削減できるかどうかを確認するために用いることができ、且つ更に触媒失活と使用時間の速度を測定できる。必要がある場合、比較的小さな触媒コアは、元の位置に戻すことができ、或いは実験室で活性を評価した後、同じフラッシュ触媒で代替する。

0079

図9Bに示すのは制御システムのコンピュータであるが、図1乃至図5内において図9Aとして表される。ここで、プログラマブルロジックコントローラ(PLC、www.automationdirect.comからのD2−260CPUユニット)はRS−232又はイーサネット(登録商標)ケーブルでHPのPC(パソコン)との接続とコミュニケーションを行うことができ、且つ該CPUモジュールが更に複数の入力/出力インターフェースモジュールとコミュニケーションできる。ここで、システム全体の制御ソフトウェアはPC内にインストールされ、PCが予め較正したセットポイントをPLCのCPU内にダウンロードし、そしてCPUが適切に制御信号を適切なI/Oモジュールに伝送してから制御器が実際に制御動作を実行する。言い換えると、一旦インターフェースモジュールが某種の制御信号を受信すると、この信号でポンプ、流量計/制御器、バルブ、熱電対、O2センサー及びその他装置のシステムを制御と監視できる。同様に各装置の状態とセンサーの信号もPLCに伝送でき、逆方向の信号経路を通じてパソコンに伝送できる。

0080

図10は予め較正した制御曲線を明示し、ATR改質器から出力されたリフォーメイト総量%のタンク10と10B内圧力に対する関数を示す。ここで、曲線上の各点は、いずれも全ての流量計/制御器の設定値に関する完全群を示し、また同じ特定のO2/C、H2O/C及びCO2/C比率の燃料混合物を供給でき、同時にも固定のリフォーメイト総量を出力できることを保証する。一般的に完全群のセットポイントは、PCからPLCにダウンロードしてからPLCがこの群の予め較正した設定値をシステム中の各流量計/制御器に送信し、またそれ相応の各反応物の流量を調整する。全ての単一反応物を一緒に混合した後、改質器の入口部燃料混合物のO2/C、H2O/C及びCO2/C比率を1つの特定値に制御できるため、改質器は同じ組成のリフォーメイトを発生できる。言い換えると、この制御曲線上にある各ポイントは、異なる総流量の下で実際に同じ組成の燃料混合物を提供し、且つ同じ組成のリフォーメイトを発生できる。同様に予め較正した制御曲線も異なるO2/C、H2O/C及びCO2/C比率の燃料混合物を提供でき且つ各種異なる流量と組合せのリフォーメイトを供給できる。

0081

図10に示す比較的小さなシステムについて、該PCとPLCの機能は高性能のマイクロプロセッサ又は必要なI/Oモジュールを取り付けた小型PCで代替できる。よって、該自動操作システムは、容易に高性能の代替制御装置で完成できる。

0082

図10に示すような若干の類似の全自動実験室の反応器システム及びその制御戦略は、すでに過去組み立てられると共に実際に操作されていた。この種の反応器システムは、炭化水素及び/或いはバイオ燃料から水素を発生することに成功でき、実験室内で触媒の活性を評価及び試験することに用いることができる。数年に渡りこの種のシステムはとても容易に操作でき、日常の実験も頼もしく行うこともできる。

0083

図10より更に多いI/Oモジュールを有する実験室の反応器システムは、かつてバイオエタノールから水素を製造する触媒の自熱改質プロセスに使用されていた。このシステムにおいてSIMATIC S7−400PLC及び全てのインターフェースモジュールのハードウェアとStep−7通信ソフトウェアは、シーメンス(SIEMENs)から購入し、1台のラップトップパソコンにインストールしてマスター制御用コンピュータとする。

0084

自ら開発すると共にVisual Basicソフトウェアで書かれているマスター制御プログラムをラップトップパソコン内に保存し反応器システム全体を自動制御並びに運転できる。簡単に言えば、この実験室の反応器システムを操作したい場合、オペレータはまず起動ボタンを押して外部電源リレーをつけると共に制御プログラムを起動した後、テストを開始できる。マスター制御プログラムに書かれている手順に基づいて、PCは同時に予め設計したマスフローメータ、定量ポンプ及び溶鉱炉既定値をダウンロードする。そして予め確定した順序通り電磁弁を開いて適量の反応物を純ガス/液体の供給タンク内から流出し、また混合を経た後指定のO2/C及びH2O/C比率の燃料混合物になってからATR改質器に流入する。次に、該制御プログラムは、溶鉱炉の加熱開始を指示でき、且つ反応器内の温度とガスの組成を制御と監視/記録できる。言い換えると、本制御システムは技術者のように、完全なテスト手順を実行でき、またマスター制御プログラムに書かれている手順により、試験の結果を自動的に記録する。

0085

表2:水素生産に使用される自己熱改質バイオエタノール(黄、2006年NATPA年時大会、ニューアーク、カリフォルニア州、2006年7月29日)。

0086

本実験は、アジレンマイクロガスクロマトグラフィー(Agilent’s Mic
roGC)(型番リファイナリガアナライザ)を使用し、前記入口部の反応混合物と発生したリフォーメイトの組合せ(濃度)の分析に用いられる。使用する触媒は1種のセラミックモノリス触媒(400 CPI)で、80g/ft3の総金属を含有(Pt/Pd/Rh/CeO2−AI2O3−ZrO2,2/1/1金属比)を含有し、且つエタノール、水及び空気の送り速度は10.54,22.50及び23.57モル/hrの比率(つまりH2O/C=1.07、O2/C=2.34)とする。テスト結果は、表2に示すように262℃の入口温度下で実施された。結果から分かるように、本実験は100%のエタノール転化率に達することができ、且つ該反応システムは日常的な操作に使用され、信頼性を有し、また優れた繰り返し性と再現性を有する。

0087

図10に示すように、DL−260 CPUPLCはデジタル入力デジタル出力アナログ入力アナログ出力、イーサネット(登録商標)通信モジュール及び熱電対インターフェースモジュールを有し、www.Automation Direct.comから購入され、この簡易と安価な制御システムにおいてバルブ51は、デジタル出力モジュールに接続する。マスフローメータ(Tylanマスフローメータで、www.ebay.comから購入)と水定量ポンプ(型番QV−#RHOCKCで、Fluid Metering Inc.から購入)がアナログ出力及びアナログ入力モジュールに接続され、数個のKタイプの熱電対が熱電対モジュールに接続する。

0088

Windows(登録商標) XPを使用するエイサーAspire One小型ラップトップパソコンをマスター制御用コンピュータとする。Visual Basicで書かれているマスター制御ソフトウェアが流量制御器のセットポイントのダウンロード、弁の開/閉、反応器温度の監視/制御、各装置操作状況の監視/記録、フレックス燃料水素発生器の自動操作並びに実験を実施するステップ及び方法を行うために用いられる。

実施例

0089

該PLC制御システムは、DirectSOFTのソフトウェアでシステム全体を配置すし、KEPDirectの通信ソフトウェアを通じてACERのPCとコミュニケーションを取ることもできる(上記の2種類のソフトウェアはAutomationdirect.comから購入)。実際は、該KEPDirect通信ソフトウェアも手動方式でシステム全体を操作できる。

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