JP2003507321A - Low power small plasma fuel converter - Google Patents
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Abstract
(57)【要約】 プラズマ燃料変換器は、第１の電極を形成するための電気伝導性構造体を備え、そして第２の電極は、反応チャンバにおいて第１の電極に関してギャップを作製するように配置される。燃料−空気混合物は、そのギャップの中に導入され、そして電源は、第１の電極および第２に電極に接続され、おおよそ１００ボルト〜４０キロボルトの範囲の電圧およびおおよそ１０ミリアンペア〜１アンペアの範囲の電流を提供してグロー放電を生成して、燃料を再生する。 (57) Abstract: A plasma fuel converter comprises an electrically conductive structure for forming a first electrode, and a second electrode is formed in the reaction chamber to create a gap with respect to the first electrode. Be placed. A fuel-air mixture is introduced into the gap, and a power supply is connected to the first and second electrodes, a voltage in the range of approximately 100 volts to 40 kilovolts and a voltage in the range of approximately 10 milliamps to 1 amp. To generate a glow discharge to regenerate the fuel.
Description
【０００１】
本願は、１９９９年８月２３日に出願した米国特許出願整理番号０９／３７９
，００４号の一部継続出願である。This application relates to United States Patent Application Serial No. 09/379 filed August 23, 1999.
, 004 is a partial continuation application.
【０００２】
（発明の背景）
本発明は、プラズマ燃料変換器に関し、より詳細には、高電圧および低電流を
使用する低電力小型プラズマ燃料変換器に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to plasma fuel converters, and more particularly to low power miniature plasma fuel converters that use high voltage and low current.
【０００３】
プラズマ燃料変換器（例えば、プラズマトロン）は、炭化水素を改質して水素
リッチガスを生成する。ＤＣアークプラズマトロンは、先行技術において特に関
心がもたれている。例えば、米国特許第５，４２５，３３２号および同第５，４
３７，２５０号を参照のこと。ＤＣアークプラズマトロンは、低電圧および高電
流で代表的に作動する。高電圧および低電流にて作動することにより、アーク電
流が充分高くなり、その結果、電極腐食および融解でさえ最小化するような注意
が必要である。高い流速の冷却水は、腐食を抑えるために必要である。気流は、
カソード先端（ハフニウムまたは他の特定の材料から作製され、銅プラグに包埋
される）上の放電を同時に中心に配置し、かつアノードにおいてアークのルート
を移動させてアノードでの腐食を最小化するために必要である。締め付け（ｃｏ
ｎｓｔｒｉｃｔｉｏｎ）もまた、放電のインピーダンスを増加させる（すなわち
、高電圧でかつ、自由流アークよりも低い電流で作動させる）ために必要である
。気流および締め付けは、高圧（雰囲気圧より０．５気圧ほど高い）における動
作を必要とするようである。従って、コンプレッサが必要であるようである。こ
れらの注意を払ったとしても、しばしば、約１０００時間の動作を超える電極の
寿命を延ばすことは困難である。Plasma fuel converters (eg, plasmatrons) reform hydrocarbons to produce hydrogen-rich gas. The DC arc plasmatron is of particular interest in the prior art. For example, US Pat. Nos. 5,425,332 and 5,4.
See 37,250. DC arc plasmatrons typically operate at low voltage and high current. Care must be taken to operate at high voltages and low currents so that the arc current is high enough so that electrode corrosion and even melting are minimized. High flow rates of cooling water are needed to control corrosion. The airflow is
Simultaneously center and center the discharge on the cathode tip (made of hafnium or other specific material and embedded in a copper plug) and move the arc root at the anode to minimize corrosion at the anode Is necessary for. Tightening (co
nstrtion) is also needed to increase the impedance of the discharge (ie, operate at high voltage and lower current than the free-flow arc). Airflow and tightening appear to require operation at high pressure (0.5 atmospheres above ambient pressure). Therefore, it seems that a compressor is needed. Even with these precautions, it is often difficult to extend the life of an electrode beyond about 1000 hours of operation.
【０００４】
ＤＣプラズマトロンはまた、アーク放電の安定化のために比較的洗練された電
源を必要とする。さらに、ＤＣプラズマトロンは、低電力動作に関して限定され
た能力を有する。いくつかの改質適用において、最低限の動作電力は、必要とさ
れる以上に顕著に多く、不必要な電力損失を生じる。ＤＣアークプラズマトロン
は、代表的に、１キロワット以上のレベルで作動する。DC plasmatrons also require a relatively sophisticated power source for arc discharge stabilization. Furthermore, DC plasmatrons have limited capabilities for low power operation. In some reforming applications, the minimum operating power is significantly higher than needed, resulting in unnecessary power loss. DC arc plasmatrons typically operate at levels above 1 kilowatt.
【０００５】
従って、アーク放電の安定化のために、コンプレッサも洗練された電源も必要
としないプラズマ燃料変換器を有することが所望され得る。また、より長い電極
寿命を有し、そして水素リッチガスのより低い流速が必要とされる場合低電力動
作の能力を有するプラズマ燃料変換器を有することも所望される。Therefore, it may be desirable to have a plasma fuel converter that does not require a compressor or sophisticated power supply for arc discharge stabilization. It is also desirable to have a plasma fuel converter that has a longer electrode life and has the capability of low power operation when lower flow rates of hydrogen rich gas are required.
【０００６】
（発明の要旨）
１つの局面において、本発明のプラズマ燃料変換器は、第一の電極を形成する
電気的に伝導性の構造を含む。第二の電極は、反応チャンバにおいて第一の電極
に関してギャップを作製するために配置される。燃料空気混合物をこのギャップ
に導入し、そして第一の電極および第二の電極に接続された電源は、およそ１０
０ボルトから４０キロボルトの範囲の電圧および約１０ミリアンペアから１アン
ペアの範囲の電流を提供することにより、燃料の改質のための放電を生成する。
この放電は、「グロータイプ」放電、無声放電および／または破壊放電であり得
る。好ましい電圧範囲は、２００ボルトから２０キロボルトである。好ましい実
施形態では、プラズマ燃料変換器は、反応延長領域を備え、高温ゾーンでの滞留
時間を増加させる。反応延長領域中および反応チャンバ中に挿入物が提供されて
、動作温度が上昇する。この挿入物は、金属またはセラミックであり得る。熱交
換体もまた提供されて、電源から必要な電力を減少させ得る。SUMMARY OF THE INVENTION In one aspect, a plasma fuel converter of the present invention includes an electrically conductive structure forming a first electrode. The second electrode is positioned to create a gap in the reaction chamber with respect to the first electrode. A fuel-air mixture was introduced into this gap, and a power source connected to the first and second electrodes was approximately 10
Providing a voltage in the range of 0 to 40 kilovolts and a current in the range of about 10 milliamps to 1 amp creates a discharge for reforming the fuel.
This discharge may be a "glow type" discharge, a silent discharge and / or a destructive discharge. The preferred voltage range is 200 volts to 20 kilovolts. In a preferred embodiment, the plasma fuel converter includes a reaction extension region to increase residence time in the hot zone. Inserts are provided in the reaction extension region and in the reaction chamber to increase operating temperature. The insert can be metal or ceramic. A heat exchanger may also be provided to reduce the power required from the power source.
【０００７】
この実施形態において、電流を制限するために、電源は電流制御された、高電
圧電源（例えば、可飽和インダクタ（ｓａｔｕｒａｂｌｅ ｉｎｄｕｃｔｏｒ）
を備える電源）であることが好ましい。可飽和インダクタ電源は、ネオン変圧器
電源であり得る。In this embodiment, the power supply is a current controlled, high voltage power supply (eg, a saturable inductor) to limit the current.
Power source). The saturable inductor power supply can be a neon transformer power supply.
【０００８】
燃料空気混合物は、条件および機器に依存して、化学量論的部分酸化と、完全
燃焼との間の動作のために選択される。さらなる電源は、低電力高電圧DCアーク
形態および高電圧低電流グロー放電形態における同時動作のために提供され得る
。プラズマ燃料変換器は、複数のプラズマ領域を含むことにより水素生成速度を
増加させ得る。プラズマ燃料変換器の水素リッチガスの出力は、例えば、窒素酸
化物触媒再生のために、触媒と接触され得る。The fuel-air mixture is selected for operation between stoichiometric partial oxidation and complete combustion, depending on the conditions and equipment. Additional power supplies may be provided for simultaneous operation in low power high voltage DC arc and high voltage low current glow discharge configurations. Plasma fuel converters can increase hydrogen production rate by including multiple plasma regions. The hydrogen rich gas output of the plasma fuel converter may be contacted with a catalyst, for example for nitrogen oxide catalyst regeneration.
【０００９】
本発明のプラズマ燃料変換器は、当該分野において公知のDCアークプラズマト
ロンと関連する不利益を低減または除去する。この不利益は、特に制御された、
高電圧低電流のプラズマ燃料変換器動作により克服される。電圧および電流は、
そのプラズマにおける電流の流れを制限するような様式で刑事的に変動する。こ
のプラズマ動作の電気的特性は、数百ボルトから４０キロボルトの範囲の電圧で
あり、そして１０ミリアンペアから数百ミリアンペアの範囲の電流である。対照
的に、ＤＣアーチプラズマトロン燃料改質剤についての対応する範囲は、約１０
０ボルトの電圧および３〜５アンペアから始まる電流である。本発明のプラズマ
燃料変換器の代表的な高電圧低電流の放電は、「グロー放電」タイプの特徴を有
する。代表的に、このタイプの雰囲気圧高電圧低電流の放電は、数十から数百ワ
ットの平均電力で動作するようになされ得る。対照的に、当該分野において公知
のＤＣアークプラズマトロンは、代表的に、１キロワット以上の電力レベルで作
動する。The plasma fuel converter of the present invention reduces or eliminates the disadvantages associated with DC arc plasmatrons known in the art. This disadvantage was especially controlled,
It is overcome by high voltage low current plasma fuel converter operation. The voltage and current are
It criminally fluctuates in such a way as to limit the current flow in the plasma. The electrical characteristics of this plasma operation are voltages in the range of hundreds of volts to 40 kilovolts, and currents in the range of 10 milliamps to hundreds of milliamps. In contrast, the corresponding range for the DC Arch Plasmatron fuel reformer is about 10
The voltage starts at 0 volts and 3-5 amps. The typical high voltage, low current discharge of the plasma fuel converter of the present invention has "glow discharge" type characteristics. Typically, this type of atmospheric pressure high voltage low current discharge can be made to operate at an average power of tens to hundreds of watts. In contrast, DC arc plasmatrons known in the art typically operate at power levels above 1 kilowatt.
【００１０】
高電圧低電流放電の高電圧低電流動作は、従来のＡＣネオン変換器のような適
切な電源の使用により維持される。ネオン変換器電源は、およそ１０〜１００ミ
リアンペア程度の、比較的低い値に電流を制限するために、可飽和インダクタを
使用する。このような電源はまた、１０キロボルトの開路電圧を生成し得る。こ
れらの電源は、安価であり、そして１０〜１００ワットの送達のために作製され
得る。The high voltage, low current operation of the high voltage, low current discharge is maintained by the use of a suitable power supply, such as a conventional AC neon converter. Neon converter power supplies use saturable inductors to limit the current to a relatively low value, on the order of 10 to 100 milliamps. Such a power supply can also produce an open circuit voltage of 10 kilovolts. These power supplies are inexpensive and can be made for delivery of 10-100 watts.
【００１１】
対照的に、従来の火花放電の場合、容量性ベースの電源が、電極間ギャップを
破壊しかつ放電を生じる、高電圧の短いパルスを送達する。この破壊段階の後に
、より低い電圧のより低い電力の放電が続く。そのエネルギーのほとんどは、そ
の放電の比較的長い低電圧低電力部分の間に、送達される。パルス放電１回につ
き送達されるエネルギーは、小さく、ほぼ１０ミリジュール程度である。平均電
力レベルは、代表的には、一般的に水素生成適用のためには低すぎる、約２〜３
ワットである。In contrast, in the case of conventional spark discharges, a capacitive-based power supply delivers short pulses of high voltage that destroy the inter-electrode gap and cause a discharge. This breakdown phase is followed by a lower voltage, lower power discharge. Most of that energy is delivered during the relatively long low voltage, low power portion of the discharge. The energy delivered per pulse discharge is small, on the order of 10 millijoules. Average power levels are typically too low, typically about 2-3 for hydrogen production applications.
Watt.
【００１２】
従って、本発明による高電圧低電流動作を使用するプラズマ燃料変換器におい
て、その放電により提供される電力は、先行技術において公知の小型ＤＣアーク
プラズマトロンの最小電力のほぼ１０分の１程度であり得る。従って、本発明の
改質装置は、それが反応物のエンタルピーを実質的に増加するに十分な電力を提
供する場合、低い水素生成率に適切である。このような低い率は、いくつかの適
用、例えば、触媒再生のために、適切であり得る。高水素生成率は、複数のユニ
ットを使用することにより可能である。水素生成率のさらなる増加が、空気／燃
料比およ燃料スループットを増加することにより、可能である。あるいは、この
低電力高電圧低電流プラズマは、拡大容量点火器およびラジカル供給源として使
用され、他の手段により提供される必要なエンタルピーの増加を伴って、部分的
酸化反応が増強される。これら他の手段としては、空気−燃料化学反応および／
または熱交換器により提供される熱が挙げられる。この動作様式において、その
エンタルピーの実質的にすべて（少なくとも８０％、そして好ましくは９０％以
上）が、これら他の手段により提供される。この動作様式により、他の方法でプ
ラズマ出力または発電機／バッテリー電源能力を抑える（ｃｏｎｓｔｒａｉｎ）
ことにより可能になるより水素生成率も高い水素生成率が可能になる。Therefore, in a plasma fuel converter using high voltage, low current operation according to the present invention, the power provided by its discharge is approximately one tenth of the minimum power of the miniature DC arc plasmatron known in the prior art. It can be a degree. Therefore, the reformer of the present invention is suitable for low hydrogen production rates when it provides sufficient power to substantially increase the enthalpy of the reactants. Such low rates may be suitable for some applications, eg catalyst regeneration. High hydrogen production rates are possible by using multiple units. Further increases in hydrogen production rates are possible by increasing the air / fuel ratio and fuel throughput. Alternatively, this low power, high voltage, low current plasma is used as an expanded volume igniter and a source of radicals to enhance the partial oxidation reaction with the required increase in enthalpy provided by other means. These other means include air-fuel chemistry and / or
Alternatively, the heat provided by the heat exchanger may be mentioned. In this mode of operation, substantially all of its enthalpy (at least 80%, and preferably 90% or more) is provided by these other means. This mode of operation otherwise constrains plasma output or generator / battery power capability
This enables a higher hydrogen production rate than is possible.
【００１３】
いくつかの場合、さらなる酸素により部分的酸化反応（すなわち、化学量論的
部分酸化についての比よりも大きい酸素対燃料比の、部分的酸化）を起こすこと
が、有用であり得る。この酸素は、一般的に、さらなる空気により提供される。
この場合、その水素収率（そのプロセスにおいて放出される燃料中の水素部分と
して規定される）は減少するが、電力所要量は低下する。プラズマについての電
力所要量と燃料変換器にて必要な燃料との間には、交換条件が存在する。さらな
る酸素の場合、部分的酸化反応は、燃料の一部を完全に酸化しそして燃料の残り
を部分酸化することにより、促進される。このアプローチを使用して、所定の速
度の水素の流れについて燃料流量の増加を犠牲にして、必要な電力を減少するこ
とが可能である。限定量の水素が限定された時間に必要であるいくつかの適用に
おいて、必要なさらなる燃料は、全体の燃料効率に実質的には影響しない。しか
し、プラズマについて減少した電力所要量は、とても長い電極の寿命およびとて
も簡単な全体のシステムと相まって、プラズマ燃料変換器の複雑性およびコスト
を減少する。In some cases, it may be useful to cause the partial oxidation reaction (ie, partial oxidation with an oxygen to fuel ratio greater than that for stoichiometric partial oxidation) with additional oxygen. This oxygen is generally provided by additional air.
In this case, the hydrogen yield (defined as the hydrogen fraction in the fuel released in the process) is reduced, but the power requirements are reduced. There is a tradeoff between the power requirements for the plasma and the fuel required in the fuel converter. In the case of additional oxygen, the partial oxidation reaction is promoted by fully oxidizing part of the fuel and partially oxidizing the rest of the fuel. Using this approach, it is possible to reduce the required power at the expense of increased fuel flow for a given rate of hydrogen flow. In some applications where a limited amount of hydrogen is needed for a limited amount of time, the additional fuel required does not substantially affect overall fuel efficiency. However, the reduced power requirements for the plasma, combined with the much longer electrode life and the much simpler overall system, reduces the complexity and cost of the plasma fuel converter.
【００１４】
あるいは、同じプラズマトロン出力について、（化学量論的部分酸化と比較し
て）増加した空気対燃料比が、増加した燃料スループットおよび空気スループッ
トを使用することによって、水素生成比を増加するために使用され得る。従って
、水素スループットは、プラズマトロンへの電力を増加する必要がないが、水素
収率が減少する条件にて、増加され得る。プラズマ燃料変換器の後にさらなる量
の燃料を注入すること、そして部分的酸化条件にて化学量論比に近い最終ガス組
成を生成することもまた、可能である。Alternatively, for the same plasmatron power, an increased air-to-fuel ratio (compared to stoichiometric partial oxidation) increases the hydrogen production ratio by using an increased fuel throughput and air throughput. Can be used for. Thus, hydrogen throughput can be increased in conditions where hydrogen yield is reduced, although it is not necessary to increase the power to the plasmatron. It is also possible to inject an additional amount of fuel after the plasma fuel converter and produce a near stoichiometric final gas composition at partial oxidation conditions.
【００１５】
別の好ましい実施形態において、プラズマトロンへの電力は、電源の動作の頻
度を変化することにより、調整される。なお別の実施形態において、誘電体が、
電極表面の一方または両方を覆い、その結果、微小放電（ｍｉｃｒｏｄｉｓｃｈ
ａｒｇｅ）がそのガスにわたって生成される。燃料および空気が、流れが放電に
近い領域に反応物（ｒｅａｇｅｎｔ）を運ぶように、領域に導入されることもま
た、好ましい。In another preferred embodiment, the power to the plasmatron is adjusted by changing the frequency of operation of the power supply. In yet another embodiment, the dielectric is
Covering one or both of the electrode surfaces, resulting in microdischarging
Arge) is produced over the gas. It is also preferred that fuel and air be introduced into the region so that the flow carries the reagent to the region near the discharge.
【００１６】
（好ましい実施形態の説明）
ここで図１を参照して、プラズマ燃料変換器１０は、導電性構造体１２および
電極１４を備える。導電性構造体１２および電極１４は、反応チャンバ１８内に
ギャップを形成する。空気燃料混合物は、導管２０を通して反応チャンバ１８内
に導入され、これは、半径方向の導入を生じる。以下に記載されるように、適切
な電源によって印加される場合、放電２２がギャップ１６を横切って起こる。放
電２２のエネルギーは、空気燃料混合物の燃料部分を改質するよう作用し、水素
リッチガスを発生する。電極１４は、絶縁体２４によって導電性構造体１２から
電気的に隔離される。DESCRIPTION OF PREFERRED EMBODIMENTS Referring now to FIG. 1, a plasma fuel converter 10 comprises a conductive structure 12 and electrodes 14. The conductive structure 12 and the electrode 14 form a gap in the reaction chamber 18. The air-fuel mixture is introduced into reaction chamber 18 through conduit 20, which results in radial introduction. A discharge 22 occurs across the gap 16 when applied by a suitable power source, as described below. The energy of the discharge 22 acts to reform the fuel portion of the air-fuel mixture, producing hydrogen-rich gas. The electrode 14 is electrically isolated from the conductive structure 12 by an insulator 24.
【００１７】
図２は、反応延長シリンダー２６を備える図１の実施形態を示し、これは、高
温域における反応物の滞留時間を増加し、これによって水素リッチガス収率を増
加させる。FIG. 2 shows the embodiment of FIG. 1 with a reaction extension cylinder 26, which increases the residence time of the reactants in the hot zone, thereby increasing the hydrogen rich gas yield.
【００１８】
プラズマ放電２２から下流の熱損失を最小限にすることによってさらに収率を
増加することが可能である。図３に示されるように、熱損失の最小化は、プラズ
マからすぐ下流の領域内で、そしてさらに下流にある反応延長シリンダー２６内
での熱遮蔽物２８の使用によって達成され得る。熱遮蔽物２８は、放射損失を最
小化するために低い熱容量（それ故に、短い熱反応時間）を有する薄金属バリア
であり得る。あるいは、熱遮蔽物２８は、低い熱伝導性を有するが、増加した熱
容量を有し、従って増加した熱応答時間を有するセラミックバリアであり得る。It is possible to further increase the yield by minimizing the heat loss downstream from the plasma discharge 22. As shown in FIG. 3, minimization of heat loss can be achieved by the use of thermal shields 28 in the region immediately downstream from the plasma and further downstream in the reaction extension cylinder 26. The thermal shield 28 can be a thin metal barrier having a low heat capacity (and therefore short thermal reaction time) to minimize radiation losses. Alternatively, the thermal shield 28 may be a ceramic barrier having low thermal conductivity, but having increased heat capacity and thus increased thermal response time.
【００１９】
図４および５に示されるように、熱バリアの代わりに、小型熱交換器３０を使
用して、向流熱交換器構造内の空気の一部および／または燃料の一部を前加熱し
得る。As shown in FIGS. 4 and 5, instead of a thermal barrier, a miniature heat exchanger 30 is used to direct some of the air and / or some of the fuel within the countercurrent heat exchanger structure. Can be heated.
【００２０】
上で議論されるように、本発明のプラズマ燃料変換器は、グロー放電型のプラ
ズマを駆動するために使用される、流れ制御した高電圧電力を用いて活性化され
る。図６は、１つの回路配置を示す。可飽和コア変圧器３２は、主電源３４から
電力を引き、これは、交流または直流のいずれかを送電し得る。交流電力は、従
来の交流電源から得られ得るか、またはそれは直流−交流変換器の使用によって
直流（例えば、積載車両（ｏｎｂｏａｒｄ ｖｅｈｉｃｌｅ））から生成され得
る。この配置において、可飽和コア変圧器は、１つの接地された電極３６を有し
、そして別の電極３８は、プラズマトロン１０の電極１４に接続される。プラズ
マトロン１０の導電性構造体１２はまた、接地される。別の回路配置は、図７に
示され、ここで、両方の電源３２ならびに電極３６および３８がプラズマトロン
１０に接続される。この配置は、特別の安全予防策（さらなる絶縁）を必要とす
るが、プラズマトロン１０のプラズマに十分な電力を送達する。さらに別の配置
が、図８に示され、ここで、単一電極３８が、プラズマトロン１０に接続される
。この場合、電源は、同じ電力を送達するためにより高い電圧絶縁を必要とする
。As discussed above, the plasma fuel converter of the present invention is activated with a flow controlled high voltage power used to drive a glow discharge type plasma. FIG. 6 shows one circuit arrangement. The saturable core transformer 32 draws power from a main power source 34, which can transmit either alternating current or direct current. The AC power can be obtained from a conventional AC power source, or it can be generated from a DC (eg, onboard vehicle) by use of a DC-AC converter. In this arrangement, the saturable core transformer has one grounded electrode 36 and another electrode 38 connected to the electrode 14 of the plasmatron 10. The conductive structure 12 of the plasmatron 10 is also grounded. Another circuit arrangement is shown in FIG. 7, where both power sources 32 and electrodes 36 and 38 are connected to the plasmatron 10. This arrangement requires special safety precautions (further insulation), but delivers sufficient power to the plasma of the plasmatron 10. Yet another arrangement is shown in FIG. 8, where a single electrode 38 is connected to the plasmatron 10. In this case, the power supply requires higher voltage isolation to deliver the same power.
【００２１】
低電力プラズマ燃料変換器の電力を調節する幾つかの方法がある。それは、可
飽和インダクタ（ネオン変圧器または同等のデバイス）に印加される電圧を変化
させることによって変更され得る。第二の方法は、平行配置または連続配置のい
ずれかにある多くのプラズマ燃料変換器ユニットを作動させることによる。作動
するユニットの数を増加させることによって電力を増加させる。電力を調節する
第三の方法は、電源の作動の頻度を変化させることによる。上記のように、プラ
ズマ放電に対する電力は、時間とともに変化する。電圧が非常に高く電流が低い
場合、ガス分解が起こる間、より高い電力が放電初期時間に生じる。このとき、
高電圧は、非常に効率的にラジカルを発生しそれらのエネルギーをガスに効率的
に結合する比較的活性化した電子を発生させ、電極付近で最小の電圧降下が起こ
る（シース）。電力は、放電がグロー様レジメに近づくにつれて減少する。１０
０〜２００ｋＨｚ程度、およびそれ以上の高い周波数は、技術水準の半導体成分
（例えば、ＩＧＢＴ）を使用して達成され得る。There are several ways to adjust the power of a low power plasma fuel converter. It can be modified by changing the voltage applied to the saturable inductor (neon transformer or equivalent device). The second method is by operating many plasma fuel converter units in either a parallel or continuous arrangement. Increasing power by increasing the number of operating units. A third way to regulate power is by varying the frequency of operation of the power source. As mentioned above, the power to the plasma discharge changes with time. When the voltage is very high and the current is low, higher power occurs during the initial discharge time while gas decomposition occurs. At this time,
The high voltage generates radicals very efficiently and relatively activated electrons that efficiently couple their energy to the gas, causing a minimal voltage drop near the electrodes (sheath). The power decreases as the discharge approaches the glow-like regime. 10
Frequencies as high as 0-200 kHz and higher can be achieved using state-of-the-art semiconductor components (eg IGBTs).
【００２２】
より高い周波数で作動することによって、より高い電圧でより高い効率の崩壊
様レジメにおいて作動を最大化し、そしてより低い電圧でグロー放電レジメにお
いて作動を最小化することが可能である。共鳴インバータの周波数は、制御され
得、そして周波数を単純に変化させることによって、電力が変更され得る。By operating at higher frequencies, it is possible to maximize operation in higher efficiency collapse-like regimes at higher voltages and minimize operation in glow discharge regimes at lower voltages. The frequency of the resonant inverter can be controlled and the power can be changed by simply changing the frequency.
【００２３】
本明細書中で発明者らは、約５０ワットの低いレベルでのプラズマ燃料変換器
作動を実験的に達成した。ネオン変圧器電源は本発明者らの実験において使用さ
れるが、それは唯一の可能な電源ではない。電流制御された高電圧電源はまた、
グロー放電型のプラズマを駆動するために使用され得る。図９は、実験的プラズ
マトロン１０の概略図である。従来のスパークプラグ４０の１つの電極は、これ
らの実験において、電極１４として使用した。他の電極は、接地電位で維持され
るスチール鋼菅４２である（スパークプラグ４０からの接地電極が取り除かれて
いる）。この実験的プラズマトロンは、本発明の高電圧−低電流モードでガソリ
ンを用いて作動される。電源は、可飽和変圧器（ネオン変圧器）であった。各々
５０ワットの２個のこのようなユニットを、平行に接続した。両方のユニットか
らの完全な１００ワットがプラズマトロンに印加されたかどうかはわからない。
プラズマトロン１０内への実際の電力入力は、実際に１００ワット未満であり得
る。電源は、交流であり、線周波数で作動する。滞留時間を増加させそして変換
効率を増加させるために、プラズマトロンを従来の反応延長シリンダー２６に接
続した。The inventors herein have experimentally achieved plasma fuel converter operation at levels as low as about 50 watts. A neon transformer power supply is used in our experiments, but it is not the only possible power supply. The current controlled high voltage power supply also
It can be used to drive a glow discharge type plasma. FIG. 9 is a schematic diagram of the experimental plasmatron 10. One electrode of the conventional spark plug 40 was used as the electrode 14 in these experiments. The other electrode is a steel tube 42 maintained at ground potential (the ground electrode from the spark plug 40 has been removed). This experimental plasmatron is operated with gasoline in the high voltage-low current mode of the present invention. The power supply was a saturable transformer (neon transformer). Two such units, each 50 watts, were connected in parallel. It is not known if the full 100 watts from both units were applied to the plasmatron.
The actual power input into the plasmatron 10 may actually be less than 100 watts. The power supply is alternating current and operates at line frequency. The plasmatron was connected to a conventional reaction extension cylinder 26 to increase residence time and conversion efficiency.
【００２４】
試験（空気／燃料比を最適化した後）からの結果を表１に示す。エネルギー消
費は、従来の低電圧−高電流プラズマ改質装置を用いて得られる結果と比較して
、おおよそ１オーダーの大きさが減少した。生成された水素あたりの電気エネル
ギー消費は、おおよそ５倍減少した。The results from the test (after optimizing the air / fuel ratio) are shown in Table 1. Energy consumption was reduced by an order of magnitude compared to the results obtained with conventional low voltage-high current plasma reformers. Electric energy consumption per hydrogen produced was reduced by a factor of approximately five.
【００２５】[0025]
【表１】
電極１４は、電極の長寿命が、本発明に従う動作の低電流高電圧モードにおけ
るマイクロプラズマトロン改質装置を作動させることにより可能であるという予
測を導く崩壊の徴候を示さなかった。さらに、冷却水を必要とせず、そして空気
圧の必要性は、実質的に減少した。性能がノズル／噴霧器を使用して反応器への
燃料のより良い導入方法で改良され得ることが、予想される。[Table 1] Electrode 14 showed no signs of collapse leading to the prediction that a long life of the electrode is possible by operating the microplasmatron reformer in the low current high voltage mode of operation according to the invention. Moreover, no cooling water was required and the need for air pressure was substantially reduced. It is expected that performance can be improved with a better way of introducing fuel into the reactor using nozzles / atoms.
【００２６】
本発明はまた、より高い圧力での動作に非常に有用であり得る。高圧力は、ブ
レークダウン放電およびグロー放電の維持の両方に必要とされる電圧を増加させ
る。低電圧ＤＣアークプラズマトロンでの高圧力動作は、非常に高い電極消耗に
起因して、非常に困難である。プラズマトロンの高電圧低電流動作は、この困難
性を除去する。同じ点で、圧力が増加するにつれて増加する電圧は、高性能高電
圧絶縁体およびフィードスルーを必要とする。可能な適用は、ガスタービンにお
ける水素添加であり得、主要燃料の注入時またはその前の、タービンコンプレッ
サから下流に水素リッチガスを注入することである。このことは、タービンのリ
ーンバーン限界を延長する利点、さらに排気を減少させる利点、そしておそらく
タービン効率を増加させる利点を有し得た。The present invention may also be very useful for operation at higher pressures. High pressure increases the voltage needed to both maintain breakdown and glow discharges. High pressure operation with low voltage DC arc plasmatrons is very difficult due to the very high electrode wear. The high voltage, low current operation of the plasmatron eliminates this difficulty. At the same point, increasing voltage with increasing pressure requires high performance high voltage insulators and feedthroughs. A possible application may be hydrogenation in a gas turbine, injecting a hydrogen rich gas downstream from the turbine compressor at or before the injection of the main fuel. This could have the benefit of extending the lean burn limit of the turbine, further reducing emissions, and possibly increasing turbine efficiency.
【００２７】
さらに、考慮されている電源のタイプは、従来のＤＣアーク電源と組み合わせ
られ得る。並列構成で接続される場合、ネオン変圧器電源は、アークを安定化す
るために使用され得、そして過渡期（ｔｒａｎｓｉｅｎｔ）の間（例えば、起動
時）には電力変動、またはプラズマを通る、燃料、空気もしくは他の流れのスル
ープットの変動を安定化するために使用され得る。並列に接続される場合、ＤＣ
電源に課される安定性の必要性は除かれて、電源をより廉価にし得る。一つの可
能性は、回転発生ユニット（例えば、自動車発生器）に直接接続されているプラ
ズマトロンを使用して、電力のバルクを提供し、次いで他の電源を利用して安定
化およびターンオンの必要性を提供することである。Furthermore, the type of power supply considered can be combined with a conventional DC arc power supply. When connected in a parallel configuration, a neon transformer power supply can be used to stabilize the arc, and during transients (eg, start-up) power fluctuations, or through the plasma, fuel. , Can be used to stabilize fluctuations in the throughput of air or other streams. DC when connected in parallel
The need for stability imposed on the power supply can be eliminated, making the power supply less expensive. One possibility is to use a plasmatron that is directly connected to a rotation generating unit (eg a car generator) to provide a bulk of power and then utilize another power source to require stabilization and turn-on. Is to provide sex.
【００２８】
さらに、いずれかの電源でプラズマトロンを作動させることが可能である。Ｄ
Ｃプラズマトロン電力がオンの場合、プラズマトロンは、高電力で作動し、一方
、ＤＣプラズマトロン電源を用いてもグロー様モードで動作することがいかなる
電気も提供しない場合、プラズマトロンは、低電力で動作する。電力の大きな力
学的変動（数十ワットから１〜２ｋＷまで）がこの様式で達成され得る。この力
学的範囲は、エンジンの負荷フォローイング、または異なる排気について使用さ
れ得る。例えば、エンジン排出触媒再生に必要とされるガススループットは、水
素添加動作またはコールドスタートに必要とされるスループットよりも実質的に
低くてもよい。この様式で、瞬間的な水素所要量が小さなスループットを必要と
する場合、プラズマ燃料改質装置は、グロー様放電モードで動作し得、一方、よ
り高い水素所要量のためには、プラズマ燃料改質装置は、両方のモードの組み合
わせで動作し得る。Furthermore, it is possible to operate the plasmatron with either power supply. D
When the C plasmatron power is on, the plasmatron operates at high power, while when using the DC plasmatron power supply to operate in glow-like mode does not provide any electricity, the plasmatron operates at low power. Works with. Large dynamic fluctuations in power (tens of watts to 1-2 kW) can be achieved in this manner. This dynamic range can be used for engine load following, or different emissions. For example, the gas throughput required for engine exhaust catalyst regeneration may be substantially lower than the throughput required for hydrogenation operation or cold start. In this manner, the plasma fuel reformer may operate in a glow-like discharge mode when the instantaneous hydrogen requirement requires a small throughput, while for higher hydrogen requirements, the plasma fuel reformer may be operated. The quality device can operate in a combination of both modes.
【００２９】
これらの低電力プラズマ燃料変換器は、詳細には、プラズマ燃料変換器触媒再
生適用に魅力的である。低電圧ＤＣアークプラズマトロン（低電力動作の制限さ
れた性能を有する）は、水素生成における低い平均需要率に起因して、この適用
について非常に低い能率のサイクルで動作する必要がある。高電圧、低電流様式
で水素生成器を動作させることにより、プラズマトロン電力を低減し、かつ高い
能率サイクルで動作させることが可能である。These low power plasma fuel converters are particularly attractive for plasma fuel converter catalytic regeneration applications. The low voltage DC arc plasmatron, which has the limited performance of low power operation, needs to operate at a very low efficiency cycle for this application due to the low average demand rate in hydrogen production. By operating the hydrogen generator in a high voltage, low current mode, it is possible to reduce plasmatron power and operate with high efficiency cycles.
【００３０】
各々の高電圧、低電流グロー放電プラズマトロンは、ほんの約１００ワットで
動作し得る。いくつかの高電圧、低電流放電器を、プラズマ燃料改質装置内に配
置することにより電力を増加させることが可能である。高電圧、低電流グロー放
電プラズマ供給源を、直列配置または並列配置のいずれかで、単一の電源装置に
接続し得る。しかし、好ましい実施形態は、各高電圧、低電流プラズマトロンに
ついて、それぞれが電源装置に接続される。Each high voltage, low current glow discharge plasmatron can operate at only about 100 watts. It is possible to increase the power by placing several high voltage, low current dischargers in the plasma fuel reformer. The high voltage, low current glow discharge plasma sources may be connected to a single power supply in either series or parallel arrangement. However, the preferred embodiment is for each high voltage, low current plasmatron, each connected to a power supply.
【００３１】
触媒再生に加えて、適用としては、火花点火内燃機関におけるコールドスター
ト時の排出の低減、および全ての駆動サイクルの間の窒素酸化物の低減が挙げら
れる。他の適用としては、ディーゼルエンジン、燃料電池、およびガスタービン
のための水素生成、ならびに工業用の小型水素供給源が挙げられる。独立型の、
低電力、低電流プラズマ燃料変換器デバイスは、小電力エンジン（１〜４０ｋＷ
の範囲の電力レベルを生じる）に特に有用で有り得る。In addition to catalyst regeneration, applications include reduced emissions at cold start in spark ignition internal combustion engines and reduced nitrogen oxides during all drive cycles. Other applications include hydrogen generation for diesel engines, fuel cells, and gas turbines, and industrial miniature hydrogen sources. Standalone,
The low power, low current plasma fuel converter device is a low power engine (1-40 kW).
To produce power levels in the range of).
【００３２】
上で考察した実施形態は、プラズマと直接接触する電極による動作を示す。こ
の方法は、ＤＣ放電器または低周波ＡＣ放電器に最も適している。放電の周波数
が増加する場合、放電器と直接接触した電極の必要性を排除することが可能であ
る。図１０に示すように、電極とガスとの間に誘電材料５０が配置される場合、
微小放電がガスにわたって生じ得る。これらの微小放電器は、非常に短い持続時
間（１マイクロ秒のオーダーまたは１マイクロ秒未満）を有し、そして高電圧お
よび高電流で動作する。微小放電器は、誘電体で蓄積した電荷が、電流維持に必
要な電圧未満に減少する場合にクエンチされる。この型の放電は、無声放電と呼
ばれる。The embodiments discussed above show operation with electrodes in direct contact with the plasma. This method is most suitable for DC or low frequency AC dischargers. If the frequency of the discharge increases, it is possible to eliminate the need for electrodes in direct contact with the discharger. As shown in FIG. 10, when the dielectric material 50 is arranged between the electrode and the gas,
Microdischarges can occur across the gas. These microdischargers have very short durations (on the order of 1 microsecond or less than 1 microsecond) and operate at high voltage and high current. The microdischarger is quenched when the charge stored on the dielectric decreases below the voltage required to sustain the current. This type of discharge is called a silent discharge.
【００３３】
動作の無声放電モードを用いるプラズモン燃料変換器は、誘電体５０の高温動
作の使用により、冷却された、または冷電極への出力損失を最小にする。この動
作のモードは、非常に長い寿命を可能にする。なぜなら、電極上の電流が小さく
、そして誘電体が高強度、高温セラミックスから作製され得るからである。Plasmon fuel converters using the silent discharge mode of operation minimize power loss to the cooled or cold electrodes due to the use of high temperature operation of the dielectric 50. This mode of operation allows for a very long life. This is because the current on the electrodes is small and the dielectric can be made from high strength, high temperature ceramics.
【００３４】
誘電体コーティング５０を両方の電極表面、または両表面の１つだけの上に配
置することが可能である。プラズマトロンの無声放電タイプの出力性能は、カバ
ーされていない誘電プラズマトロンのそれより低いが、エネルギー効率はより高
い。この出力は、上記のように、この放電を駆動する電源の動作の周波数を変え
ることにより変化し得る。It is possible to place the dielectric coating 50 on both electrode surfaces, or on only one of both surfaces. The silent discharge type output performance of the plasmatron is lower than that of the uncovered dielectric plasmatron, but it is more energy efficient. This output can be changed by changing the frequency of operation of the power supply driving this discharge, as described above.
【００３５】
プラズマは、過渡期の間にプラズマ燃料変換器中で部分的酸化反応を開始かつ
維持するために必要である。スタートアップの間、プラズマ燃料変換器表面が冷
たいとき、より大きな熱エネルギーが、必要な温度を達成するために要求され得
る。従って、スタートアップの間、プラズマ燃料変換器を比較的高出力、および
／またはこれら表面が暖かいときの通常の動作の間より高い酸素／燃料比で動作
することが必要である。より高い酸素／燃料比による燃料の増加した燃焼は、減
少した水素リッチガス収率を生じ得る（ここで、この収率は、燃料中の水素量で
除した、改質装置中の水素間の比である）。ビヒクルスタートアップ期間のため
の水素リッチガスの増加した出力は、空気および燃料流速における増加と同時に
酸素／燃料比を増加することにより達成され得る。水素収率は減少するが、水素
リッチガス出力は増加する。反応の安定性を増加するために、ガスの直接点火に
より、および化学的反応を増大するラジカルを提供することによる両方で、プラ
ズマは作動中である必要がある。従って、本発明者らは、１．２〜２．５の間の
酸素対炭素原子比の動作で、水素リッチガス生成について非常に速いターンオン
時間を示した。The plasma is necessary to initiate and sustain the partial oxidation reaction in the plasma fuel converter during the transition period. During start-up, when the plasma fuel converter surface is cold, more thermal energy may be required to achieve the required temperature. Therefore, it is necessary to operate the plasma fuel converter at relatively high power during start-up and / or at higher oxygen / fuel ratios during normal operation when these surfaces are warm. Increased combustion of fuel with a higher oxygen / fuel ratio can result in a reduced hydrogen rich gas yield (where this yield is the ratio between the hydrogens in the reformer divided by the amount of hydrogen in the fuel). Is). Increased output of hydrogen-rich gas for vehicle start-up periods can be achieved by increasing the oxygen / fuel ratio with an increase in air and fuel flow rates. Hydrogen yield decreases but hydrogen rich gas output increases. To increase the stability of the reaction, the plasma needs to be active, both by direct ignition of the gas and by providing radicals that enhance the chemical reaction. Therefore, we have shown very fast turn-on times for hydrogen-rich gas production at oxygen to carbon atomic ratio operations between 1.2 and 2.5.
【００３６】
プラズマ燃料変換器のウォームアップ後、動作は、化学量論的な部分的酸化に
近い酸素／燃料比で（１〜１．５に等しい酸素／炭素原子比で）、動作は正常に
起こる。断続的な様式でプラズマをオンおよびオフすることが可能であり得る。
プラズマの断続的な動作は、電気エネルギー消費を減少する。燃料改質装置の柔
軟性は、減少した水素収率によってプラズマの減少した電気的エネルギー消費を
交換することにより増加する。燃料改質装置を、プラズマがオフのときより化学
量論的な部分的酸化の条件に近い酸素／燃料比でプラズマをオンにして作動させ
ることが可能である。動作のレジメ（プラズマオン、増加した水素収率、対 プ
ラズマオフ、減少した水素収率）は、全体システムの最適化により決定され得る
。After warming up the plasma fuel converter, the operation was successful with an oxygen / fuel ratio close to stoichiometric partial oxidation (oxygen / carbon atomic ratio equal to 1-1.5). Occur. It may be possible to turn the plasma on and off in an intermittent manner.
The intermittent operation of the plasma reduces electrical energy consumption. The flexibility of the fuel reformer is increased by replacing the reduced electrical energy consumption of the plasma with the reduced hydrogen yield. It is possible to operate the fuel reformer with the plasma on with an oxygen / fuel ratio that is closer to the conditions of stoichiometric partial oxidation when the plasma is off. The operating regime (plasma on, increased hydrogen yield, plasma off, decreased hydrogen yield) can be determined by optimization of the overall system.
【００３７】
過渡期の間、水素リッチガスの出力が変わるとき、プラズマオンでの動作は、
燃料改質装置に安定性を提供し得る。最後に、プラズマによる電気的エネルギー
消費が、一旦、部分的酸化プロセスからのエネルギー損失より実質的に低いレベ
ルまで減少すれば、このプラズマ動作は、全体のシステム効率に影響せず、そし
て過渡期にさらなる安定性を提供するために作動されたままであり得る。During the transition period, when the output of hydrogen-rich gas changes, the operation with plasma on is
It may provide stability to the fuel reformer. Finally, once the electrical energy consumption by the plasma is reduced to a level that is substantially below the energy loss from the partial oxidation process, this plasma operation does not affect overall system efficiency and during transient periods. It may remain activated to provide additional stability.
【００３８】
炭化水素の水素リッチガスへの部分的酸化による転換の効率は、限られた熱損
失、ランダムな過渡期（例えば、振動、加速、流れの突然の変化、燃料汚染、空
中の埃などにより発生する）および変化する水素リッチガス出力に起因して改変
され得る。減少した改質効率を補償するために、ａ）プラズマをオンする（断続
的プラズマトロン動作の場合）；ｂ）ブラズマがすでにオンである場合、プラズ
マ出力を増加する；ｃ）酸素−対−炭素比を（酸素−対−燃料比を増加すること
により）増加し、改質プロセスにより生成する熱を増加する；またはｄ）上記の
任意のまたはすべての組み合わせのいずれかを行うことが必要である。それ故、
改質プロセスをモニターすることが必要である。The efficiency of conversion of hydrocarbons to partial hydrogen-rich gas conversion is limited by limited heat loss, random transients (eg, vibration, acceleration, sudden flow changes, fuel pollution, airborne dust, etc.). Generated) and varying hydrogen-rich gas output. To compensate for the reduced reforming efficiency: a) turn on the plasma (for intermittent plasmatron operation); b) increase plasma power if plasma is already on; c) oxygen-to-carbon. It is necessary to increase the ratio (by increasing the oxygen-to-fuel ratio) and increase the heat generated by the reforming process; or d) perform any or all of the above. . Therefore,
It is necessary to monitor the reforming process.
【００３９】
効率的な改質の間に、改質装置の酸素濃度は非常に低く、通常１％より少ない
。改質装置中のより高い濃度は、貧弱な改質を示す。従来の酸素センサーの使用
による酸素検出が、それ故、改質プロセスをモニターするため、およびプラズマ
トロン動作（出力および酸素／燃料比）を制御するために用いられ得る。During efficient reforming, the reformer oxygen concentration is very low, typically less than 1%. Higher concentrations in the reformer indicate poor reforming. Oxygen detection through the use of conventional oxygen sensors can therefore be used to monitor the reforming process and to control plasmatron operation (power and oxygen / fuel ratio).
【００４０】
高電圧低電流モードのプラズマトロンの動作は、高圧における燃料改質装置の
動作を可能にする。高圧動作には、上流の空気および燃料コンプレッサーが必要
である（これは、水素リッチガスにより駆動されるタービンの場合に、システム
中に構築される）。The operation of the plasmatron in the high voltage, low current mode enables operation of the fuel reformer at high pressure. High pressure operation requires an upstream air and fuel compressor (which is built into the system in the case of turbines driven by hydrogen rich gas).
【００４１】
出力および炭化水素の水素への変換効率を最大にするために、プラズマトロン
から下流に混合を導入することが魅力的である。このようにして、（平均につい
て）上昇するかまたは減少した炭化水素含量のいずれかであるポケットのサイズ
および数が実質的に減少し、より高い水素収率および低下したエネルギー消費を
可能にする。図１１に示されるように、プラズマ放電から下流にフリット５２を
配置することが有用であり、混合を増大する。このフリット５２は、混合を増加
するのみである従来のフリットであるか、または触媒反応を提供する材料から作
製され得る。後者の場合、このフリット５０は、アルミナ基材上のニッケル触媒
のような（スチーム改質に理想的）、基材上の触媒材料から作製される。It is attractive to introduce mixing downstream from the plasmatron to maximize power and efficiency of hydrocarbon to hydrogen conversion. In this way, the size and number of pockets, either of increasing or decreasing hydrocarbon content (on average), is substantially reduced, allowing higher hydrogen yields and reduced energy consumption. Placing the frit 52 downstream from the plasma discharge, as shown in FIG. 11, is useful and increases mixing. The frit 52 can be a conventional frit that only increases mixing, or can be made from a material that provides a catalytic reaction. In the latter case, the frit 50 is made from a catalytic material on a substrate, such as a nickel catalyst on an alumina substrate (ideal for steam reforming).
【００４２】
空気注入の好適な方法は、ブラズマから上流にある程度の空気を注入すること
である。いくらかの燃料が、低出力プラズマ燃料変換器の場合に好適な方法であ
るプラズマに先立って（または本発明者らの先の特許および特許出願に記載の高
出力ＤＣおよびプラズマ燃料変換器の場合プラズマから下流のいずれか）注入さ
れ得る。これは、小さなカソード−アノードギャップを横切る、すすの形成を防
ぐために行なわれる。The preferred method of injecting air is to inject some air upstream from the plasma. Some fuels precede the plasma, which is the preferred method for low power plasma fuel converters (or plasma for high power DC and plasma fuel converters as described in our earlier patents and patent applications). From downstream). This is done to prevent the formation of soot across the small cathode-anode gap.
【００４３】
流れは、一塊の空気が流れるとき、同じ方向に炎が伝播するようである。従来
の改質装置では、スパークプラグがプロセスを開始するために用いられる場合で
さえ、フレームは、流れの主要な方向に対して少なくとも部分的に伝播する。炎
と同じ方向にある流れを有することは、より安定な改質を生じる。The flow seems to propagate the flame in the same direction as the bulk air flows. In conventional reformers, the flame propagates at least partially to the major direction of flow, even when a spark plug is used to initiate the process. Having the flow in the same direction as the flame results in a more stable reforming.
【００４４】
本発明における所望の炎および流れパターンは、いくらかまたはすべての空気
、ならびにいくらかまたはすべての燃料が、放電から上流に導入されるか、また
は空気は導入されるが燃料は導入されない小領域を有すること、および空気／燃
料混合物が、膨張領域の増加した断面セクションのためにかなり低下した速度で
伝播する膨張の領域を有することにより達成される。膨張領域には、プラズマ燃
料変換器における滞留時間を増加する反応延長領域が続き得る。膨張領域および
反応延長領域の両方は、熱的に良好に隔離され、水素リッチガスの収率を増加し
て、エンタルピー損失を最小にする。The desired flame and flow pattern in the present invention is that some or all of the air and some or all of the fuel is introduced upstream from the discharge or a small area where air is introduced but no fuel is introduced. And having an area of expansion where the air / fuel mixture propagates at a significantly reduced velocity due to the increased cross-section section of the expansion area. The expansion region may be followed by a reaction extension region that increases the residence time in the plasma fuel converter. Both the expansion region and the reaction extension region are well thermally isolated, increasing the hydrogen rich gas yield and minimizing enthalpy loss.
【００４５】
放電に先立って空気および燃料を導入することが最良であるが、この空気およ
び燃料の導入点が放電の領域に近い限り、かならずしもそうである必要はない。
燃料および空気は、プラズマから上流に導入された試薬のすべてが電極ギャップ
を通って流れるような領域で最良に導入される。このように、電気的放電により
生成されたラジカル、および関連するガス中のエンタルピー生成は、試薬（空気
および燃料）の間に均一に分配される。It is best to introduce air and fuel prior to the discharge, but this need not always be the case as long as the point of introduction of this air and fuel is close to the region of the discharge.
Fuel and air are best introduced in areas where all of the reagents introduced upstream from the plasma flow through the electrode gap. Thus, the radicals produced by the electrical discharge and the associated enthalpy production in the gas are evenly distributed between the reagents (air and fuel).
【００４６】
図１２および１３は、空気／燃料の流れに関して好適な実施形態を示す。空気
および燃料５４は、放電２２の領域中に導入され、そして膨張した領域５６中を
通過する。図１３に示されるように、空気および燃料５４は、放電２２の近傍の
電極１４のそばに導入され、そして膨張した領域５６中に進行する。12 and 13 show preferred embodiments for air / fuel flow. Air and fuel 54 are introduced into the region of discharge 22 and pass through expanded region 56. As shown in FIG. 13, air and fuel 54 are introduced by the electrode 14 in the vicinity of the discharge 22 and travel into the expanded region 56.
【００４７】
ここで、上記で論議した部分的酸化動作に戻って、示唆されたプロセスでは、
反応は、１．２〜２．５の酸素−対−炭素比で生じる。これらの条件下で、産物
ガスは、かなりの水分含量を有している。この水（またはスチーム）は、水−ガ
スシフト反応（Ｈ2Ｏ＋ＣＯ→ＣＯ2＋Ｈ2）によって、部分的酸化反応中に生成
された一酸化炭素を水素に変える（シフトする）ことにより、水素酸性速度を増
加するために用いられ得る。この水−ガスシフト反応はわずかに発熱性であり、
そして比較的低温（２００〜７００℃）でほぼ終結に到達し得る。従って、反応
延長シリンダーから下流に熱交換器が存在し得、改質温度を、この触媒的水−シ
フトにとって最適に低減する。このようにして、改質装置中の水素濃度は、水素
リッチガスの加熱値に最小の減衰率で増大され得る。Returning now to the partial oxidation behavior discussed above, the suggested process is:
The reaction occurs at an oxygen-to-carbon ratio of 1.2-2.5. Under these conditions, the product gas has a significant water content. This water (or steam) converts the carbon monoxide generated during the partial oxidation reaction into hydrogen (shifts) by a water-gas shift reaction (H 2 O + CO → CO 2 + H 2 ), thereby producing a hydrogen acidity rate. Can be used to increase This water-gas shift reaction is slightly exothermic,
And at relatively low temperatures (200-700 ° C.), almost the end can be reached. Therefore, there may be a heat exchanger downstream from the reaction extension cylinder, reducing the reforming temperature optimally for this catalytic water-shift. In this way, the hydrogen concentration in the reformer can be increased with a minimum decay rate to the heating value of the hydrogen rich gas.
【００４８】
図１４は、熱交換器および水−シフト触媒リアクターの付加を示す。熱交換器
６０は、反応延長シリンダー２６から下流に配置され、水−シフト触媒リアクタ
ー６２中への侵入の前に、改質装置の温度を、改質装置中の水素濃度を増加する
ように減少させる。この水−シフト触媒リアクターは、水−シフト反応を促進す
るために適切な触媒６３を備える。従って、図１４の実施形態は、水素濃度を増
加すること、かつ所望されない一酸化炭素を低減することの両方を行う。FIG. 14 shows the addition of a heat exchanger and a water-shift catalytic reactor. A heat exchanger 60 is located downstream from the reaction extension cylinder 26 and reduces the reformer temperature to increase the hydrogen concentration in the reformer prior to entry into the water-shift catalytic reactor 62. Let The water-shift catalytic reactor is equipped with a suitable catalyst 63 to promote the water-shift reaction. Therefore, the embodiment of FIG. 14 both increases hydrogen concentration and reduces unwanted carbon monoxide.
【００４９】
過渡期、特に、スタートアップ過渡期の間に必要な水素を生成するための方法
は、この出願の前半に記載した。これらの方法は、プラズマトロンの出力を増加
すること、プラズマトロンの数を増加すること、または酸素−対−炭素比を増加
すること（それによって完全に燃え尽きる燃料の画分を増加する）を含んだ。代
替は、図１５および１６に示されるように、反応延長シリンダー２６の電気的加
熱を利用することである。図１５を参照して、電気的に加熱された壁６４は、こ
の電気的に加熱された壁６４に隣接して提供される高温断熱材７０とともに電気
配線６６および６８によりエネルギー化される。あるいは、図１６に示されるよ
うに、電気的導電性フリットまたは電気的導電性ハニカム構造７２が、反応延長
シリンダー２６内に配置される。このフリットまたは金属製ハニカム７２は、電
気的配線７４および７６を通じて電気的に駆動することにより加熱される。この
ハニカム構造は、図１４に示されるように、その表面上に水−シフトまたはスチ
ーム改質触媒のような触媒を有し得る。The method for producing the required hydrogen during the transition period, in particular the start-up transition period, was described earlier in this application. These methods include increasing the power of the plasmatron, increasing the number of plasmatrons, or increasing the oxygen-to-carbon ratio, thereby increasing the fraction of fuel that is completely burned out. It is. An alternative is to utilize electrical heating of the reaction extension cylinder 26, as shown in FIGS. Referring to FIG. 15, electrically heated wall 64 is energized by electrical wiring 66 and 68 with high temperature insulation 70 provided adjacent to electrically heated wall 64. Alternatively, as shown in FIG. 16, an electrically conductive frit or electrically conductive honeycomb structure 72 is disposed within the reaction extension cylinder 26. The frit or metal honeycomb 72 is heated by being electrically driven through the electric wirings 74 and 76. This honeycomb structure may have a catalyst, such as a water-shift or steam reforming catalyst, on its surface, as shown in FIG.
【００５０】
本明細書に開示された発明の改変および変形は当業者に明らかであることが認
識され、そしてこのような改変および変形は、添付の請求項の範囲内に含まれる
ことが意図される。It will be appreciated that modifications and variations of the invention disclosed herein will be apparent to those skilled in the art and such modifications and variations are intended to fall within the scope of the appended claims. It
【図１】
図１は、本発明に従う、高電圧、低電流放電プラズマ燃料変換器の断面図であ
る。FIG. 1 is a cross-sectional view of a high voltage, low current discharge plasma fuel converter in accordance with the present invention.
【図２】
図２は、このようなプラズマ燃料変換器であって、反応延長シリンダーを備え
る。FIG. 2 is such a plasma fuel converter including a reaction extension cylinder.
【図３】
図３は、断熱材を有する、高電圧、低電流グロー放電プラズマトロンの断面図
である。FIG. 3 is a cross-sectional view of a high voltage, low current glow discharge plasmatron having a heat insulating material.
【図４】
図４は、熱交換器を備える、高電圧、低電流グロー放電プラズマトロンの断面
図である。FIG. 4 is a cross-sectional view of a high voltage, low current glow discharge plasmatron equipped with a heat exchanger.
【図５】 図５は、熱交換器を有する別のグロー放電プラズマトロンの断面図である。[Figure 5] FIG. 5 is a cross-sectional view of another glow discharge plasmatron having a heat exchanger.
【図６】
図６は、１つの接地電極を有する電源に接続された高電圧、低電流ミクロプラ
ズマトロンの回路図である。FIG. 6 is a circuit diagram of a high voltage, low current microplasmatron connected to a power supply having one ground electrode.
【図７】
図７は、両方の電極がミクロプラズマトロンに接続されている電源に接続され
た、高電圧低電流ミクロプラズマトロンの回路図である。FIG. 7 is a schematic diagram of a high voltage low current microplasmatron with both electrodes connected to a power supply that is connected to the microplasmatron.
【図８】
図８は、単一の電極がミクロプラズマトロンに接続されている電源に接続され
た、高電圧、低電流ミクロプラズマトロンの回路図である。FIG. 8 is a schematic diagram of a high voltage, low current microplasmatron with a single electrode connected to a power source connected to the microplasmatron.
【図９】
図９は、電極の１つとして従来の火花プラグを使用する、本発明のプラズマト
ロンの断面図である。FIG. 9 is a cross-sectional view of the plasmatron of the present invention using a conventional spark plug as one of the electrodes.
【図１０】 図１０は、電極上に誘電被覆を有する実施形態の断面図である。[Figure 10] FIG. 10 is a cross-sectional view of an embodiment having a dielectric coating on the electrodes.
【図１１】 図１１は、フリットを使用する本発明の実施形態の断面図である。FIG. 11 FIG. 11 is a cross-sectional view of an embodiment of the invention that uses a frit.
【図１２】 図１２は、本発明の他の実施形態の断面図である。[Fig. 12] FIG. 12 is a cross-sectional view of another embodiment of the present invention.
【図１３】 図１３は、本発明の他の実施形態の断面図である。[Fig. 13] FIG. 13 is a cross-sectional view of another embodiment of the present invention.
【図１４】
図１４は、熱交換器および水シフト反応器を使用する本発明の実施形態の断面
図である。FIG. 14 is a cross-sectional view of an embodiment of the invention using a heat exchanger and a water shift reactor.
【図１５】
図１５は、電気的に加熱される反応延長ゾーンを有する本発明の実施形態の断
面図である。FIG. 15 is a cross-sectional view of an embodiment of the present invention having an electrically heated reaction extension zone.
【図１６】
図１６は、電気的に加熱される反応延長ゾーンを有する本発明の実施形態の断
面図である。FIG. 16 is a cross-sectional view of an embodiment of the present invention having an electrically heated reaction extension zone.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ラビンオビッチ， アレクサンダー アメリカ合衆国 マサチューセッツ 01907， スワンプスコット， パラダイ ス ロード ナンバー３エル 404 (72)発明者 ブロンバーグ， レスリー アメリカ合衆国 マサチューセッツ 02067， シャロン， ウィルシャイアー ドライブ 176 (72)発明者 コーン， ダニエル アール． アメリカ合衆国 マサチューセッツ 02167， チェスナット ヒル， ウォル ナット ヒル ロード 26 Ｆターム(参考） 4G040 EA03 EA07 EB16 EB32 EB41 4G075 AA02 AA05 BA05 BA06 CA02 CA16 CA47 CA54 DA02 DA18 EB01 EC21 EE33 FB02 FB04 FC11 FC15 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page (72) Rabin Ovic, Alexander United States Massachusetts 01907, Swamp Scott, Paradise Throde Number 3 L 404 (72) Inventor Bronberg, Leslie United States Massachusetts 02067, Sharon, Willshire Drive 176 (72) Inventor Korn, Daniel Earl. United States Massachusetts 02167, Chestnut Hill, Wol Nat Hill Road 26 F-term (reference) 4G040 EA03 EA07 EB16 EB32 EB41 4G075 AA02 AA05 BA05 BA06 CA02 CA16 CA47 CA54 DA02 DA18 EB01 EC21 EE33 FB02 FB04 FC11 FC15
Claims (47)
された第２の電極； 該ギャップに存在する燃料−空気混合物；ならびに 放電を生成して該燃料を再形成するために、おおよそ１００ボルト〜４０キロ
ボルトの範囲の電圧およびおおよそ１０ミリアンペア〜１アンペアの範囲の電流
を提供するために該第１の電極および該第２の電極に接続された電源、 を備える、プラズマ燃料変換器。1. A plasma fuel converter, comprising: a conductive structure forming a first electrode; arranged in a reaction chamber to create a gap with respect to the first electrode. Two electrodes; a fuel-air mixture present in the gap; and a voltage in the range of approximately 100 volts to 40 kilovolts and a current in the range of approximately 10 milliamps to 1 amp to create an electrical discharge to reform the fuel. And a power source connected to the first electrode and the second electrode to provide a plasma fuel converter.
に備える、請求項１に記載のプラズマ燃料変換器。2. The plasma fuel converter according to claim 1, further comprising a reaction extension region for increasing a residence time in a high temperature range.
内にインサートをさらに備える、請求項２に記載のプラズマ燃料変換器。3. The plasma fuel converter of claim 2, further comprising inserts in the reaction extension region and in the reaction chamber to raise the temperature.
燃料変換器。4. The plasma fuel converter of claim 3, wherein the insert is metallic.
ズマ燃料変換器。5. The plasma fuel converter of claim 3, wherein the insert is ceramic.
える、請求項２に記載のプラズマ燃料変換器。6. The plasma fuel converter of claim 2, further comprising a heat exchanger to reduce power from the power source.
のプラズマ燃料変換器。7. The plasma fuel converter according to claim 1, wherein the power supply is a current-controlled high-voltage power supply.
、請求項７に記載のプラズマ燃料変換器。8. The plasma fuel converter of claim 7, wherein the power supply comprises a saturable inductor for current limiting.
ラズマ燃料変換器。9. The plasma fuel converter of claim 8, wherein the power source is a neon transformer power source.
化との間での作動に対して選択される、請求項１に記載のプラズマ燃料変換器。10. The plasma fuel converter of claim 1, wherein the fuel-air mixture is selected for operation between stoichiometric partial oxidation and complete oxidation.
マ燃料変換器は、低圧高電流ＤＣアークモードおよび高圧低電流放電モードにお
ける同時動作のためのさらなる電源をさらに備える、プラズマ燃料変換器。11. The plasma fuel converter of claim 1, wherein the plasma fuel converter further comprises an additional power source for simultaneous operation in a low pressure high current DC arc mode and a high pressure low current discharge mode. Plasma fuel converter.
域をさらに備える、請求項１に記載のプラズマ燃料変換器。12. The plasma fuel converter of claim 1, further comprising a plurality of plasmatron zones to increase hydrogen production rate.
、請求項１に記載のプラズマ燃料変換器。13. The plasma fuel converter of claim 1, wherein the output of the plasma fuel converter is contacted with a catalyst.
マ燃料変換器。14. The plasma fuel converter of claim 13 for nitrogen oxide catalyst regeneration.
以下： 第１の電極を形成する導電性構造体； 反応チャンバにおいて該第１の電極に対して、ギャップを作製するように配置
された第２の電極； 該ギャップに存在する燃料−空気混合物；ならびに プラズマを生成するために、おおよそ１００ボルト〜４０キロボルトの範囲の
電圧およびおおよそ１０ミリアンペア〜１アンペアの範囲の電流を提供するため
に該第１の電極および該第２の電極に接続された電源、 を備える、プラズマ燃料変換器。15. A plasma fuel converter, the plasma fuel converter comprising:
The following: a conductive structure forming a first electrode; a second electrode arranged in the reaction chamber to create a gap with respect to the first electrode; a fuel-air mixture present in the gap; And a power supply connected to the first electrode and the second electrode to provide a voltage in the range of approximately 100 volts to 40 kilovolts and a current in the range of approximately 10 milliamps to 1 amp to produce a plasma. A plasma fuel converter comprising:
の間である、請求項１５に記載のプラズマ燃料変換器。16. The plasma fuel converter of claim 15, wherein the average power to the plasma is between 10 and 1000 watts.
素とを含む反応生成物を生成する、請求項１５に記載のプラズマ燃料変換器。17. The plasma fuel converter of claim 15, wherein the partial oxidation reaction of the hydrocarbon fuel and oxygen produces a reaction product containing hydrogen and carbon monoxide.
持続する、請求項１６に記載のプラズマ燃料変換器。18. The plasma fuel converter of claim 16, wherein the plasma sustains a partial oxidation reaction of hydrocarbon fuel and oxygen.
入され、そしておそらく異なる組成のさらなる空気／燃料混合物が該プラズマか
ら下流に導入される、請求項１に記載のプラズマ燃料変換器。19. The plasma fuel of claim 1, wherein the fuel and air mixture is introduced upstream from the plasma and a further air / fuel mixture, possibly of a different composition, is introduced downstream from the plasma. converter.
源が、種々の周波数を有し、電力が、前記電源の周波数を調整することにより制
御されている、プラズマ燃料変換器。20. The plasma fuel converter according to claim 15, wherein the power supply has various frequencies and the power is controlled by adjusting the frequency of the power supply. vessel.
項２０に記載のプラズマ燃料変換器。21. The plasma fuel converter of claim 20, wherein the power supply frequency can be adjusted to 100-200 Hz.
、誘電体または誘電体−電極のいずれかの間のギャップにおいて放電を生じるた
めに、誘電コーティングで被覆されている、請求項１５に記載のプラズマ燃料変
換器。22. At least one of the first electrode and the second electrode is coated with a dielectric coating to cause a discharge in the gap between either the dielectric or the dielectric-electrode. The plasma fuel converter according to claim 15.
れる、請求項２２に記載のプラズマ燃料変換器。23. The plasma fuel converter of claim 22, wherein the power is controlled by changing the frequency of the power source.
に変化される、請求項１５に記載のプラズマ燃料変換器。24. The plasma fuel converter of claim 15, wherein the oxygen / fuel ratio of the fuel / air mixture is changed during transient conditions.
載のプラズマ燃料変換器。25. The plasma fuel converter of claim 15, wherein the plasma operates in discontinuous mode.
作の間の炭素原子に対する酸素原子の比が、１．２と２．５との間である、請求
項２４に記載のプラズマ燃料変換器。26. The ratio of oxygen atoms to carbon atoms during initiation and normal operation, with or without intermittent operation, is between 1.2 and 2.5. The plasma fuel converter according to 1.
ンサーをさらに備える、請求項１５に記載のプラズマ燃料変換器。27. The plasma fuel converter of claim 15, further comprising an oxygen sensor in contact with the reformer for controlling conversion efficiency.
方のいずれかを変化させることにより制御される、請求項２７に記載のプラズマ
燃料変換器。28. The plasma fuel converter of claim 27, wherein the conversion efficiency is controlled by changing either the power level or the oxygen / fuel ratio or both.
記載のプラズマ燃料変換器。29. The plasma fuel converter of claim 15 operated at pressures up to 500 spi.
は無声放電プラズマである、請求項１７に記載のプラズマ燃料変換器。30. The plasma fuel converter according to claim 17, wherein the plasma is breakdown plasma, glow discharge plasma or silent discharge plasma.
力発電量の０．３％〜１０％の間である、請求項１７に記載のプラズマ燃料変換
器。31. The plasma fuel converter of claim 17, wherein the power consumption is between 0.3% and 10% of the hydrogen-rich gas-fired power output produced by the converter.
７に記載のプラズマ燃料変換器。32. The ratio of oxygen to carbon is 1.2 to 2.0.
7. The plasma fuel converter according to 7.
外の手段により提供される、請求項１７に記載のプラズマ燃料変換器。33. The plasma fuel converter of claim 17, wherein substantially all of the required enthalpy increase is provided by means other than plasma.
外の手段により提供される、請求項１９に記載のプラズマ燃料変換器。34. The plasma fuel converter of claim 19, wherein substantially all of the required enthalpy increase is provided by means other than plasma.
請求項３３に記載のプラズマ燃料変換器。35. The ratio of oxygen to carbon is between 1.2 and 2.0,
The plasma fuel converter according to claim 33.
請求項３１に記載のプラズマ燃料変換器。36. The ratio of oxygen to carbon is between 1.2 and 2.0,
The plasma fuel converter according to claim 31.
料をさらに備える、請求項１５に記載のプラズマ燃料変換器。37. The plasma fuel converter of claim 15, further comprising a material providing increased surface area downstream from the plasma discharge.
料変換器。38. The plasma fuel converter of claim 37, wherein the material is inert.
変換器。39. The plasma fuel converter of claim 37, wherein the material is a catalyst.
ある、請求項３７に記載のプラズマ燃料変換器。40. The plasma fuel converter of claim 37, wherein the material is a nickel-based catalyst on an aluminum substrate.
料−空気混合物は、流れが前記電極ギャップを通って全ての試薬を運ぶように領
域に導入される、プラズマ燃料変換器。41. The plasma fuel converter of claim 15, wherein the fuel-air mixture is introduced into a region such that a flow carries all reagents through the electrode gap. vessel.
燃焼との間にあり、そしておおよそ２００〜７００℃の範囲の温度に維持される
触媒水−シフト反応領域をさらに備える、請求項１７に記載のプラズマ燃料変換
器。42. A catalytic water-shift reaction zone in which the partial oxidation reaction operation is between stoichiometric partial oxidation and complete combustion and is maintained at a temperature in the range of approximately 200 to 700 ° C. 18. The plasma fuel converter of claim 17, further comprising:
ズマ燃料変換器は、前記触媒水−シフト反応領域の前に熱交換器をさらに備え、
該熱交換器は、水−シフト反応に最適な温度まで改質装置温度を下げるように適
用される、プラズマ燃料変換器。43. The plasma fuel converter of claim 42, wherein the plasma fuel converter further comprises a heat exchanger before the catalytic water-shift reaction zone.
The heat exchanger is a plasma fuel converter, which is adapted to reduce the reformer temperature to an optimum temperature for a water-shift reaction.
載のプラズマ燃料変換器。44. The plasma fuel converter of claim 2, wherein the reaction extension region is electrically heated.
および／または導電性ハニカムを含む、請求項４４に記載のプラズマ燃料変換器
。45. The plasma fuel converter of claim 44, wherein the reaction extension cylinder comprises an electrically heated frit and / or a conductive honeycomb.
５に記載のプラズマ燃料変換器。46. The electrically conductive honeycomb comprises a catalyst on its surface.
5. The plasma fuel converter according to item 5.
合物の全てが、電極ギャップを通って流れる、請求項１９に記載のプラズマ燃料
変換器。47. The plasma fuel converter of claim 19, wherein all of the air and fuel mixture introduced upstream from the plasma flows through an electrode gap.
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