JP2003522087A - 燃料処理装置 - Google Patents

燃料処理装置

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Abstract

(57)【要約】 燃料処理装置（図２７）が開示されている。この装置は、水及びアルコールと炭化水素の供給燃料とのうちの少なくとも一つからなる供給燃料から水素を生成するようになされたスチームリフォーマーを含んでいる。水素は、リフォーミング触媒（１０２）の存在下で供給燃料と反応することによって生成される。生成物の流れは、水素選択性の膜モジュール（５４）内を通過せしめられ、そこで、浸透流が研磨されて一酸化炭素及び二酸化炭素を除去し、副産物の流れは燃焼されてリフォーマーを加熱する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 （発明の背景） 本発明は、概して、エネルギー変換に関係し、その中でも特にスチームリフォ
ーミング（steam reforming）により精製された水素の製造を行う方法と装置に
関係する。
【０００２】 精製後の水素は数多くのエネルギ変換装置の重要な燃料源となる。例えば、燃
料電池は精製水素と酸化剤を使って電位を生成する。スチームリフォーミングと
いうプロセスは化学反応により水素と若干量の副産物または不純物を生産する。
それに続く精製プロセスは好ましからざる不純物を取り除き、水素を燃料電池の
用途に十分耐え得る程度にまで精製する。
【０００３】 スチームリフォーミングでは、スチームとアルコール（例えばメタノールある
いはエタノール）または炭化水素（例えばメタン、ガソリンまたはプロパン）を
触媒上で反応させる。スチームリフォーミングは、摂氏２５０度ないし摂氏８０
０度の高温を必要とし、主にスチームと二酸化炭素を生産する。また、未反応の
反応物質や一酸化炭素のような副産物も徴量ながら生産する。
【０００４】 これら徴量の一酸化炭素、ある程度の濃度の二酸化炭素、および場合によって
は不飽和炭化水素とアルコールは燃料電池を汚染する。一酸化炭素は燃料電池の
プラチナ触媒に吸着し、燃料電池の作動を妨害する。すなわち、燃料電池の出力
電力を減殺する。妨害の程度こそそれよりは小さいが、二酸化炭素やそれ以外の
不飽和炭化水素およびアルコールも同様の結果をもたらす。おしなべて不純物は
ある程度まで燃料電池内の水素の分圧を希釈によって低下させ、プラチナ触媒の
方に拡散しようとする水素の物質移動抵抗を増加させ、その結果、燃料電池の出
力を減殺する。したがって、燃料電池は適正な燃料の投入を必要とする。すなわ
ち、燃料電池の効率を損なうような余分な要素を含まない精製水素を必要とする
。
【０００５】 従来、水素の精製は常にリフォーミング・プロセスから最大量の水素を得よう
と意図してきた。得られる水素の量を最大にするには、比較的コストの高い装置
、例えば肉厚で高品質のパラジウム膜が水素透過性かつ水素選択性の膜の役割を
果たす（１９９７年９月２２〜２５日第５回グローブ燃料電池シンポジウムで発
表されたＬｅｄｊｅｆｆ−Ｈｅｙ，Ｋ．，Ｖ．Ｆｏｒｍａｎｓｋｉ，Ｔｂ．Ｋａ
ｌｋおよびＪ．Ｒｏｅｓの“Ｃｏｍｐａｃｔ Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｐｒｏｄｕｃ
ｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ Ｓｏｌｉｄ Ｐｏｌｙｍｅｒ ＦｕｅＩ Ｃｅ
ｌｌｓ（固体ポリマー燃料電池用小型水素製造システム）”。そのような肉厚で
高品質のパラジウム合金膜は、燃料電池用として最低限の不純物、すなわち許容
可能な限度の不純物を含有する最大量の水素の獲得を助ける。しかしながら、そ
のような高度の精製は肉厚で高品質のパラジウム膜に莫大な投資を必要とする。
【０００６】 従来、スチームリフォーミング・プロセスとそれに続く水素精製プロセスは別
々の装置で行われていた。スチームリフォーミング・プロセスと水素精製プロセ
スを結合し、一つの装置で行うと有利であることはすでに知られている（Ｏｅｒ
ｎｅｌ，Ｍ．他、“Ｓｔｅａｍ Ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ ｏｆ Ｎａｔｕｒａｌ
Ｇａｓ ｗｉｔｈ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｓｅｐａｒａｔ
ｉｏｎ ｆｏｒ Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ（水素製造用の水素
分離装置が組み込まれた天然ガスのスチームリフォーミング）”、化学工学テク
ノロジー１０号（１９８７年）２４８〜２５５。Ｍａｒｉａｎｏｗｓｋｙ，Ｌ．
Ｇ．およびＤ．Ｋ．Ｆ１ｅｍｉｎｇ，“Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｆｏｒｍｉｎｇ Ｒ
ｅａｃｔｉｏｎ Ｐｒｏｃｅｓｓ（水素フォーミング反応プロセス）”、１９８
９年３月７日米国特許Ｎｏ．４，８１０，４８５）。総合スチームリフォーミン
グ水素精製装置は、当然ながら正規の平衡限界に制約されない低温運転の小型装
置となる。しかし、残念ながら、そのような装置は未だ実際の設計段階にまで到
達していない。この技術はスチーム・リフォーメーションと水素精製を一つの装
置内に結合することの利点を理論的に認めているにもかかわらず、いまだに実際
の設計、すなわち経済的な設計を提示するに至っていないのが現状である。
【０００７】 以上のように、スチームリフォーミングと水素精製装置とを一体化する方法の
実用化は未だに実現していない。本発明の主題は、スチームリフォーミングと水
素精製を組み合わせて装置を提供することである。
【０００８】 （発明の要約） 所定のレベル以下のある濃度の一酸化炭素と二酸化炭素から成る水素の製造プ
ロセスは、アルコール蒸気（例えばメタノール）または炭化水素蒸気（例えばプ
ロパン）とスチームを反応させ、水素、一酸化炭素、および二酸化炭素を生成す
る。反応工程は水素浸透性と水素選択性を合わせ持つ膜の周辺または直前で生じ
、生成した水素は膜に浸透する。膜には孔などの欠陥が存在しやすいため、先に
述べた所定のレベル以上の濃度の一酸化炭素や二酸化炭素も膜を通過する。膜の
浸透側にはメタン化触媒床が据えられて加熱されており、そのためメタン化触媒
床の中の一酸化炭素と二酸化炭素がメタンに変換され、所定のレベルよりも濃度
が低い一酸化炭素と二酸化炭素を含む水素流れを生成する。オプションとして、
リフォーミング触媒をメタン化触媒と並列に膜の浸透側に置き、膜の孔などの欠
陥を通過する未反応アルコールや水素燃料を生成水素に変換することもできる。
このプロセスは、生成水素をメタン化触媒床から取り出して完了する。 本発明のスチームリフォーマーは、水素浸透性と水素選択性を持つ、管状または
平板状膜を包含する、あるいは膜直前の部分である。リフォーミング床は膜の周
囲を少なくとも部分的に取り囲む。リフォーミング床の入口はアルコールまたは
炭化水素とスチームの混合物を受け入れ、リフォーミング床の出口はリフォーミ
ング副生ガスを放出する。加熱要素がリフォーミング床を運転温度まで加熱し、
メタン化触媒を含む第２床が膜の浸透側に置かれる。Ｌフオーマの出口が第２床
から水素ガスを引き出す。本発明の一つの方法の場合、ヒーティング・ェレメン
トは、第１床を少なくとも部分的に取り囲む酸化触媒を含有する第３床であるＣ
リフォーミング床から放出されるリフォーミング副生ガスは空気源と混じり合い
、触媒点火して発熱し、リフォーミング床内のリフォーミング・プロセスを熱と
いう側面からサポートする。本発明のもう一方の方法の場合、リフォーマーは液
体アルコールまたは炭化水素と液体の水原料を受け入れ、酸化触媒床で発生した
熱を利用して液体アルコールまたは炭化水素と水を蒸発させる。本発明で酸化触
媒床に用いられる燃料は、熱源をさらに追加することなくリフォーミング・プロ
セスを進行させるべく選定された量のリフォーミング創生ガス中の水素である。
【０００９】 本発明の主題は、この特許明細書の結論部分で具体的に指摘され、明確に特許
請求されている。ただし、本発明の構成も運転方法も、それから先の利点と目的
もすべて合わせて、添付図面を参照しながら参考として理解していただきたい。
図面上、類似の文字表示は類似の要素を示すものとする。
【００１０】 （好ましい実施態様の詳細説明） 図１は、本発明の好ましい形式に基づく水素精製機能内蔵スチームリフォーマ
ー（リフォーマー）１２を採用したエネルギー変換システムの図である。リフォ
ーマー１２は出口１４でＰＢＭ燃料電池１６に精製水素を供給する。燃料電池１
６はその入ロ１８で酸化剤供給源２０から酸化剤を受け取る。燃料電池１６は電
位２２を生成し、それを電気的負荷２４すなわち電動機に印加する。また、燃料
電池１６は、それぞれ燃料の出口と酸化剤の出口の役割を果たす出口２６と２８
を持つ。
【００１１】 リフォーマー１２の働きを説明するため、ここでは液体原料をメタノール（Ｍ
ｅＯＨ）と水とする。ただし、実際にはメタノールの代わりにその他のアルコー
ルや炭化水素を使ってもよい。リフォーマー１２はその燃料入口３０で、加圧さ
れた液体メタノールと水を、加圧状態下のメタノールと水の供給源から受け取る
。以下、さらに詳しく述べるように、加圧された液体メタノールと水の混合物は
リフォーマー１２の中で蒸発し、リフォーミング触媒と反応して、水素の流れと
副産物の流れを生ずる。水素選択性膜は水素の流れを副産物の流れから分離する
。水素の流れは差圧によって、まず膜を、次に研磨触媒を通過し、リフォーマー
１２の出口１４に姿を表す。
【００１２】 従来のリフォーミング技術では、生産された水素の大部分が選択性膜を通る際
に取り込まれるままになっていたが、本発明の処理装置は、選択性膜を通る際に
最大利用可能量以下の水素を取り込む。このことから、本発明では、品質の低い
方、したがって価格の低い方の選択性膜を使用することができる。さらに、最大
量以下の水素が生成物流れとして分離されるため、この点に関する限り、本発明
では必要とされる膜面積が減少する。水素の残りの部分は副産物流れに入り、エ
アブロワ３６により入口３４から吹き込まれた空気と混合し、リフォーマー１２
の中で燃焼触媒と反応し、その結果、リフォーマー１２の中で行われるスチーム
リフォーミングに必要な高温を保つ役割を果たす。このように、リフォーマー
１２は、内部に残存する選定された量の水素などの副産物の流れを燃焼プロセス
の燃料源として利用する。リフォーマー１２には、燃焼を維持する目的でさらに
燃料を追加投入することはない。なお、リフォーマー１２は、燃焼副産物を放出
するための複数の燃焼排出ポートを備えている。
【００１３】 生成物流れとして回収すべき水素の最適量は水素の発熱量（燃焼のエンタルピ
ー）から計算される。触媒燃焼部に行く副産物の流れの中には十分な量の水素を
供給し、燃焼の熱がリフォーマー全体の熱需要を上回るようにしなければならな
い。リフォーマー全体の熱需要（ΔＨtoal）は次の式によって与えられる。
【００１４】 ΔＨtotal＝ΔＨrxn＋ΔＨvap＋ΔＨcp＋ΔＨloss ここで、ΔＨrxnはリフォーミング反応のエンタルピー、ΔＨvapは液体原料の蒸
発のエンタルピー、ΔＨcpは蒸発した原料をリフォーミング温度まで加熱するの
に必要なエンタルピー、そしてΔＨlossは周囲の環境に対して失われる熱である
。然るべき断熱を施すことにより、リフォーマーの熱損失は最小限度に抑えられ
る（それに加えて、無視して構わない程度まで低減できる）。
【００１５】 以下の反応化学量論に基づくスチーム・リフォーミング・メタノールの場合、 ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ＝ＣＯ2＋３Ｈ2 ここで、およそｌｋＷeの発電に十分な量の水素（２１標準立方フィート）を生
産するには、８．４ｇｍｏｌｅのメタノールと８．４ｇｍｏｌｅの水が必要であ
る。熱損失も熱交換（放出された高温流れと比較的低温の原料の間の熱交換）も
ないと想定すると、ΔＨtotalは３００ｋｃａｌである。水素の燃焼熱は５７．
８ｋｃａｌ／ｇｍｏｌｅであるから、ｌｋＷを発電するのに十分な量のメタノー
ルのスチームリフォーミングに必要な熱量の３００ｋｃａｌを産み出すには、お
よそ５．２ｇｍｏｌｅｓの水素（４．３標準立方フィート）を燃焼しなければな
らない。というわけで、リフォーマーで生産される水素の７０％から８０％は生
成物の流れとして回収され、残りの２０％ないし３０％の水素は副産物流れ内の
触媒燃焼装置に送られ、リフォーマーの加熱要件を十分に満たし得る熱価（ΔＨ total ）を持つ燃料の流れとなる。
【００１６】 図２はスチームリフォーマー１２の同心構造体の模式図である。図２のリフォ
ーマーは、一番外側の金属管５０、内部金属管５２、水素選択性膜管５４、およ
び最も内側の金属管５６を連結した状態で内蔵する。管５０、５２、５４および
５６はこの順番で徐々に径が小さくなり、互いに同心に配置されている。環状燃
焼部６０は管５０のスペースの内側に、しかし管５２の外側にある。環状リフォ
ーミング部６２は、管５２の内側に、しかし膜管５４の外側にある。環状水素輸
送部６４は、膜管５４の内側に、しかし管５６の外側にある。円筒研磨部６６は
金属管５６の内側にある。
【００１７】 図３はスチームリフォーマー１２の断面図である。図３では、概ね端部を閉じ
た管状構造をした一番外側の金属管５０が入口３４を経由して一端で空気の供給
を受け、燃焼副産物を燃焼ポート３８で放出する。燃焼部６０では、燃焼触媒１
００を空気入口３４の近くに置く。あるいは、燃料触媒１００を複数の帯状とし
、ある間隔をおいて燃焼部６０の内部に配置してもよい。燃焼触媒として好適な
材料としては、アルミナなどの不活性材料や熱安定性のあるセラミックなどをベ
ースとし、その上にプラチナを載せたものなどがある。加圧されたメタノールと
水の混合物の入口３０は、管５０の端部壁面５０ａを通過し、燃焼部６０の内部
にある最も内側の金属管５６を包み込むコイル３０ａを形成する。ただし、金属
管５６は必ずしもコイル３０ａの軸を通過する必要はない。コイル３０ａの端部
は管５２の閉鎖端部５２ａを通過し、開きながらリフォーミング部６２に入る。
コイル３０ａに入る加圧された液体メタノールと水の混合物は燃焼部６０の高温
で蒸発し、蒸気となってリフォーミング部６２に入る。
【００１８】 リフォーミング部６２の中では、リフォーミング触媒ｌ０２（例えば、ＢＡＳ
Ｆ触媒Ｋ３‐１１０やＩＣＩ触媒５２‐８）が、蒸発したメタノールと水の混合
物と反応し、膜管５４の近辺で水素を生成する。膜管５４は、水素浸透性と水素
選択性の両方の性質を持つさまざまな材料、例えばセラミックス、カーボン、メ
タルなどの材料の中の一種から構成される。この膜管５４を製作するのに特に好
ましい材料は、水素浸透性パラジウム合金、例えば、３５‐４５重量％の銀との
パラジウム合金である。膜管５４のそれぞれの端部はメタルキャップ１０４でシ
ールされる。リフォーミング部６２内の金属金網１０６がそれぞれのキャップｌ
０４を包み込み、触媒１０２をリフォーミング部６２の内部と膜管５４の近辺に
保持する。水素の流れ１０３は、差圧によって膜管５４を通って水素輸送部６４
に移動する。肉厚の薄い膜管５４は、リフォーミング部６２と水素輸送部６４
の間の差圧の下で、変形を防止するための支えを必要とする。そのため、テンシ
ョンスプリング１０１が膜管５４を内側から支え、水素流れｌ０３が通過して輸
送部６４に入るのを可能にする。
【００１９】 本発明では肉厚の薄いパラジウム膜が用いられるかもしれないため、本発明で
は、肉薄構造膜管５４のようなデリケートな構造を使う特殊な構築方式が開発さ
れた。従来の方法では、肉厚パラジウム合金が高温と蝋付けの液相に耐え得るた
め、肉厚パラジウム合金膜を蝋付けすることができる。しかしながら、本発明の
提示する薄肉パラジウム合金膜は、従来の方法では蝋付けできない。というのは
、高温と液体蝋付け合金が肉薄のパラジウム材料を破壊するからである。本発明
の提示する薄肉膜管５４を、例えば従来の方法の下で、端部のキャップ１０４
に取り付け、ガスケットと然るべきサポート構造物によって気密性のシールを作
り出すことはできよう。以下さらに詳しく述べるように、本発明においては、肉
薄のパラジウム合金膜、例えば管５４を、まず最初に銅やニッケルなどの箔（図
３には図示せず）を取り付けることによりエンドキャップ１０４に取り付け、超
音波溶接により管５４の端部に取り付け、次に管５４の箔で包んだ端部をエンド
キャップ１０４に蝋付けする。
【００２０】 水素の流れ１０３は、輸送部６４の内側を管５６の開放端５６ａに向かって移
動し、その中に入り込む。水素流れ１０３もまた、輸送部６４に沿って移動し、
最も内側の管５６の開放端５６ａからその管に入り込む、何らかの不純物、例え
ば一酸化炭素、二酸化炭素および未反応メタノールならびに水蒸気を含んでいる
。水素の流れｌ０３のすべてが最も内側の管５６の開放端５６ａに入る。
【００２１】 管５６の内部では、研磨触媒１１０が、そこを通過する水素の流れ１０３の不
純物と反応する。触媒１１０の下流の金属金網１１２は触媒１１０を管５６の内
部に保留する。研磨触媒１１０（例えばＢＡＳＦ触媒Ｇ１‐８０やＩＣＩ触媒２
３‐１）は、水素の流れ１０３に残留している１％もの一酸化炭素や二酸化炭素
など、特定の不純物と反応し、それらの不純物をメタンのような無害副産物に変
換する。精製水素の流れｌ０３とすでに無害になった副産物とは、金属金網１１
２を通過し、管５６ｂの反対側の端にある出口１４からリフォーマー１２を出る
。
【００２２】 研磨触媒１１０は管５６中のいくつかの分離触媒でよい。一酸化炭素と二酸化
炭素との不純物を処理するには、メタン化触媒を使用する。メタン化プロセスす
なわち一酸化炭素や二酸化炭素を水素と反応させてメタンを生産する、下に示す
方法はよく知られている。
【００２３】 ＣＯ2＋４Ｈ2＝ＣＨ4＋２Ｈ2Ｏ ＣＯ＋３Ｈ2＝ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ メタンは燃料電池１６（図１）にとって比較的不活性で無害だと考えられてい
るため、メタン化は問題なく容認できる研磨方法である。その一方で、二酸化炭
素と一酸化炭素とは燃料電池にとって有害である。
【００２４】 もしリフォーマー１２がスチームリフォーミング工程でメタノールを利用した
場合、膜管５４の漏れから一酸化炭素と二酸化炭素とが水素の流れ１０３に流れ
込めば、若干の未反応メタノールと水蒸気が水素流れ１０３に存在することにな
るかもしれない。燃料電池１６（図１）に入る前にそのような未反応メタノール
を無害副産物に変換するには、低温銅／亜鉛シフト触媒のリフォーミング触媒を
研磨触媒床すなわち最も内側の管５６の一部（例えば、４分の１ないし３分の１
の部分）に取り付け、その下流にメタン化触媒を取り付ける。
【００２５】 スチームリフォーミング・メタノールの主な化学反応は次の通りである。 ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ＝ＣＯ2３Ｈ2 リフォーミング部６２に戻り、スチームリフォーミング副産物の流れ１０５は
、管５２の出口の役割と空気入口３４近辺で放出の役割を果たす臨界オリフィス
１２０を通って管５２の閉鎖端部５２ｂの方に向かう。オプションとしてデフ
レクタ５７を設け、これを使って副産物の流れ１０５と入口３４からの空気の流
れを燃焼触媒１００の方に振り向ける。これにより、副産物の流れ１０５は流入
する空気流１０７と入口３７で真正面からぶつかり、混じり合う。流入空気流ｌ
０７は、燃焼部６０の触媒の点火を促すために予備加熱するとよい。例えば、空
気ヒータ３７（図１）をリフォーマー１２の入口３４に沿って直列に取り付けて
もよいし、あるいは入口３４へのルートを図３の模式図のように燃焼部６０を通
るようにしてもよい。その結果得られる混合物は、燃焼触媒ｌ００の方に向い、
そこを通過して移動し、そこで点火する。次に、燃焼副産物は燃焼部６０を通っ
て移動し、コイル３０ａを加熱してリフォーミング部６２の中でスチームリフォ
ーミング・プロセスを熱という側面からサポートした後、燃焼排気ポート３８で
リフォーマー１２から出る。
【００２６】 リフォーマー１２は、従来型のスチームリフォーミング装置よりも比較的低い
温度で運転される。リフォーマー１２は水素の生産に応じて生成水素を次々と連
続的に精製するため、スチームリフォーミング反応はその平衡限界からかなり離
れた所でも実行できよう。平衡限界は、スチームリフォーミング・メタノールの
場合は一般に重要ではないが、スチームリフォーミング・メタン（天然ガス）の
場合には極めて重要である。比較的低温のリフォーミング・プロセスにおける未
反応の反応物質は、プロセスから連続的に水素を吸い上げるため、結局のところ
反応させられる傾向を有する。本発明におけるスチームリフォーミング・プロセ
スは摂氏約２５０ないし６００度で運転してよい。メタノール・リフォーミング
では、リフォーマーの運転温度は摂氏約２５０ないし３００度となろう。
【００２７】 膜管５４に適正な差圧を確立するには、液体メタノールと水とを圧力源３２に
よって約６ないし２０気圧まで上昇させなければならない。研磨工程は研磨部６
６の中で約１ないし３気圧で行うものとする。水素輸送部６４の内圧は研磨部６
６の内圧にほぼ等しい。リフォーミング・プロセスは、膜管５４をまたぐ相当大
きな差圧を発生させるため、６ないし２０気圧で運転しなければならない。臨界
フロー・オリフィス１２０は、リフォーミング部６２（６ないし２０気圧）から
燃焼部６０内部の１気圧まで圧力低下ができるようにサイズを決める。これによ
り、副産物の流れ１０５は約１気圧で燃焼部６０に入る。このため、入口３４の
空気供給の運転は１気圧で可能になり、エアーブロワ３６のコストが低廉で済む
。
【００２８】 一般的な燃料電池１６に十分供給できるリフォーマー１２の寸法は比較的小さ
い。燃料電池１６で１キロワットの電気エネルギーを発生するには、毎分１０リ
ットル（毎時２１立方フィート）の水素量で十分である。１キロワットの燃料電
池１６を維持することのできる本発明のスチームリフォーマーのおおよその寸法
は、直径が３インチ、長さが１５ないし１６インチとなろう。生産量を増やすに
は、リフォーマー１２の長さを伸ばすか、リフォーマー１２の直径を広げるかす
る。リフォーマー１２の生産量は、リフォーミング・プロセスに晒される膜５６
の面積によって主として制約される。リフォーマー１２の長さの延長やリフォー
マー１２の直径の拡大は膜管５４の暴露面積を増大し、したがってリフォーマー
１２の水素の生産量を増加する。しかしながら、共通燃焼ゾーン内で複数の標準
サイズのリフォーマー１２を並列で採用することができる。
【００２９】 図４は、共通燃焼部６０’の輪郭を規定する最も外側の金属管５０’を大きく
した代替的にリフォーマー１２’の構造の模式図である。相対的に大型となった
燃焼部６０’の内部には、複数のリフォーマー管５１、例えばそれぞれ管５２、
管５４、管５６などを組合せたものが間隔をおいて配置されている。図４には表
示されていないが、ここで説明をすると、リフォーマー１２’には原料入口、生
成水素出口、および燃焼ガス出口を設けることもできる。共通空気入口３４は共
通燃焼Ａ部６０’に空気を供給する。当然のことながら、リフォーマー管５１は
、それぞれが副産物の流れ１０５（図４には図示なし）を共通燃焼Ａ部６０’に
送り込む。
【００３０】 図３に戻り、リフォーマー１２は運転を開始しなければならない。一般にリフ
ォーミング部６２は、メタノールを原料とする場合は摂氏約１５０ないし２００
度まで温度を上げなければならず、また炭化水素を原料とする場合は摂氏約３０
０ないし５００度まで温度を上げなければならない。一旦リフォーミング・プロ
セスが始まれば、炭化水素の流れｌ０５（意図的に所定量の水素を燃焼用の燃料
として含む）が燃焼部６０に入り、燃焼触媒１００に出会って燃焼し、熱の面か
らスチームリフォーミング・プロセスをサポートする。燃焼触媒が副産物の流れ
１０５を点火するのに必要とするのは、そこにある水素（空気と混じった水素
）だけである。したがって、リフォーマー１２をスタートさせる場合の目標は、
リフォーミング部の温度を摂氏約１５０ないし２００度まで上げることだけであ
る（メタノール・リフォーミングの場合）。
【００３１】 簡単なカートリッジタイプ電気抵抗ヒーター１４０をリフォーミング触媒に挿
入したり、あるいは図３のように管５６の中心に差し込んでも、リフォーマー１
２の運転を開始することができる。あるいはまた、入口３０からメタノールと水
とを入れ、これを抵抗ヒーターを使って加熱する方法もある。いずれの場合も、
リフォーミング触媒１０２が一旦十分な高温（摂氏１５０ないし２００度）に達
すると、リフォーミング反応が始まり、燃焼触媒１００が副産物の流れ１０５の
中にある水素と反応する。この時点で電気抵抗ヒーター１４０を遮断することが
できる。リフォーミング部６２を数分間で十分に加熱するには、従来の熱質量計
算によれば、５０ないしｌ００ワットの抵抗ヒーター１４０が適当である。
【００３２】 図５は、燃焼システムをリフォーメーション部を通して分布させることにより
、燃焼プロセスからリフォーメーション・プロセスへ伝える熱伝達を改善しよう
とする本発明の一つの方法の部分図と断面図である。図５のリフォーマー２１２
は、入口２３０でメタノールや水などの原料を受け取り、出口２１４で燃料電
池（図５では図示なし）などの用途に精製水素を提供する水素精製機能内蔵スチ
ームリフォーマーである。先に示した本発明の実施態様と同様、リフォーマー２
１２は選んだ量の水素を副産物の流れに残し、燃焼プロセスをサポートさせる。
燃焼副産物は排出口２３８から外に出る。
【００３３】 リフォーマー２１２は、各端部をエンドプレート２５３、個々にはエンドプレ
ート２５３ａおよび２５３ｂ、ならびにガスケット２５５、個々にはガスケット
２５５ａおよび２５５ｂでシールした外側金属管２５２を備えている。ボルト２
５７が管２５２のそれぞれの端部でエンドプレート２５３をショルダー２５２、
個々には２５２ａと２５２ｂに固定する。水素精製モジュールは、管２５２の内
部にその管と全体として同心に取り付けられる一方で、エンドキャップ３０４ａ
と３０４ｂでシールされた薄肉のパラジウム合金膜管２５４を有する。あるいは
また、膜管２５４は、パラジウム合金以外の水素選択性および水素浸透性材料、
例えば多孔質カーボン、多孔質セラミックス、パラジウム以外の水素浸透性材料
、多孔質金属、並びに金属被覆の多孔質カーボン、多孔質セラミックス及び多孔
質金属などの材料で作られていてもよい。当然のことながら、管２５４とキャッ
プ３０４は管２５２の中で何らかの方法で支えることができよう（図になし）。
エンドキャップ３０４ｂはプレート２５３ｂを通じて出口２１４とつながってお
り、生成水素流れ３０３は出口ポート２１４から出て来る。研磨触媒床（なるべ
くメタン生成触媒がよい）は、先に述べかつ図３に示したように、膜管２５４（
図になし）の浸透側に取り付けられる。
【００３４】 入口２３０は壁面２５３ａを通過し、蒸発コイル２３０ａにつながる。コイル
２３０ａの出口２３１は、管２５２の内側になるよう位置を画定され、管２５４
の外側に置かれるリフォーメーション部２６２に直接送る。また、燃焼コイル２
５０もリフォーメーション部２６２の内部に置かれ、その内部全般に分布配置さ
れる。図示された具体的実施例においては、コイル２５０は、螺旋状に膜管２５
４を取り巻き、リフォーメーション部２６２のほぼ全体にわたって伸びる。燃焼
触媒３０２はコイル２５０の内部のコイルの長さ方向全面に沿うか、あるいはコ
イル内の端部２５０ａの場所またはその近辺に配置される。コイル２５０の端部
２５０ａは以下でさらに詳しく述べるように燃料供給原料を受け入れるが、供給
原料が２５０に沿って移動し、その中で燃焼触媒３０２に出会うにときに、コイ
ル２５０の中で燃焼が起こる。コイル２５０はリフォーメーション部２６２全体
を通じて均一に延び且つかなりの表面積を提供するので、コイル２５０内で起こ
る燃焼プロセスから生ずる熱は周囲のリフォーメーション部２６２に急速にかつ
うまく分布される。
【００３５】 リフォーメーション部２６２はその出口２２０の壁面２５３ｂを通じて導管２
２１とつながっている。導管２２１は、副産物流れ２０５（すなわち、膜管２５
４を通った時、意図的に採取されなかった選ばれた量の水素を含む水素リフォー
メーションの副産物）を燃焼プロセスに運ぶ。導管２２１は副産物の流れ２０５
を減圧弁２２３まで運ぶ。次に、副産物の流れ２０５は圧力低下状態でインテー
クマニホルド２０７に入る。マニホルド２０７は空気取り入れ口２０９（例えば
、エアーブロワと組み合わせたり、燃料電池（図５になし）の陰極部品と組み合
わせたもの）や、燃焼コイル２５０の入口２５０ａの場所またはその近辺の混合
部２１３まで燃焼空気を運ぶ空気通路２１１を備えている。副産物の流れ２０５
により供給される燃焼供給原料は、これにより、混合部２１３で流入する燃焼空
気と混合し、燃焼コイル２５０の端部２５０ａに入る。２５０の中の燃焼触媒３
０２は燃料の流れ２０５を発火させ、熱はうまく分布されて効率的かつ急速にリ
フォーメーション部２６２の全体にゆきわたる。
【００３６】 以上、コイル形や螺旋形の燃焼システムを図示した。コイル２５０はその例で
ある。しかしリフォーメーション部２６２内の燃焼システムとして、その他の形
状を採用してよい。例えば、全体が管状の構造体はリフォーメーション部２６２
内の全体にさまざまな形の分布形状をとり得る。以下、さらに詳しく述べるよ
うに、図７に示す向流燃焼システムは、リフォーメーション部２６２の全体を通
じて、改善されたシステム分布、すなわち均一で最善のシステム分布を確実に保
証する。このように、リフォーメーション部２６２の全体の燃焼システムの分布
はさまざまな具体的形状によって達成することができよう。
【００３７】 スチームリフォーマー１２（図３）においては、燃焼プロセスがリフォーメー
ション部の周辺部分すなわち管５２（図３）の外側で生じ、そのために金属管５
２への熱伝達を必要とした。
【００３８】 次に、熱伝達は管５２の内面からリフォーメーション部を通る移動によって行
われた。しかし、スチームリフォーマー２１２では、リフォーメーション部内で
発生し、その部分全体に分布した熱すなわちコイル２５０内の熱はリフォーメー
ション部２６２の全体により良く且つより早く伝わる。本質的に、リフォーメー
ション部２６２の全体に燃焼プロセスが加わり、分布されたのである。リフォー
メーションガスの流れが直接コイル２５０の上やその周囲を通過するために、熱
伝達率は向上する。
【００３９】 一般に、燃焼とリフォーメーションの間の熱伝達のためにリフォーマー１２の
管５２の提供する表面積に比べて、コイル２５０は非常に大きい表面積を提供す
る。熱エネルギーは、リフォーメーション部に伝わったり、そこを通って移動し
たりすることを必要としないのである。むしろ、リフォーメーション部で発生し
、外に向って放射してリフォーメーション部の全体にゆきわたるべきなのである
。
【００４０】 図６は、本発明のもう一つ別の実施態様の図である。この場合は、燃焼熱エネ
ルギーをリフォーメーション部全体に分布させ、さらにリフオーメーション・プ
ロセスから蒸発プロセスを隔離するという利点を持たせた。一般に、燃料供給原
料の蒸発に好ましい温度は例えば摂氏４００〜６５０度であるが、これは水素リ
フォーメーションにとって好ましい温度である摂氏２５０〜５００度などよりも
高い。図６で、スチームリフォーマー３１２は外側金属管３５２を備え、その管
は、その中にリフォーメーション部３６２を持っている。管３５２は各端部にシ
ョルダー３５２、個々にはショルダー３５２ａと３５２ｂを有する。管３５２の
ショルダー３５２ａには、蒸発モジュール３４０が付く。モジュール３４０はリ
フォーメーション部３６２から隔離された蒸発チャンバ３４２の範囲を画定する
。さらに具体的にいうと、モジュール３４０は、全体が円筒形をし、開放端部３
４４ａと閉鎖端部３４４ｂを有するバレル３４４を含む。エンドプレート３４６
とガスケット３４８が蒸発チャンバー３４２をシールする。すなわち、バレル３
４４の開放端部３４４ａを閉じる。バレル３４４の閉鎖端部３４４ｂは管３５２
のショルダー３５２ａにつながる。このように、閉鎖端部３４４ｂはガスケット
３５０と共同作用して管３５２の端部をシールすると共に、リフォーメーション
チャンバ３６２もシールする。蒸発チャンバ３４２とリフォーメーションチャン
バ３６２を隔離することにより、蒸発は好ましい温度で、すなわちリフォーメー
ションチャンバ３６２ にとって好ましい温度を相当上回る温度で発生する。
【００４１】 入口３３０は、エンドプレート３４６を通り抜け、蒸発チャンバ３４２の中に
あるコイル２３０ａにフイードする。次にコイル２３０ａの末端部はバレル３４
４の閉鎖端部３４４ｂを通り、リフォーメーションチャンバ３６２に供給する。
このようにして、蒸発した燃料供給原料、つまりメタノールと水蒸気は、リフォ
ーメーションチヤンバ３６２に入り、リフォーメーション触媒４００と化学的に
相互作用する。
【００４２】 蒸発チャンバ３４２には、対応する導管３７０に沿いながら燃焼排気口を通過
し、燃焼部３６２を通って延びる出口がある。このように、燃焼排気の熱エネル
ギーは導管３７０を通ってリフォーメーション部３６２に伝わる。ここで再び、
リフォーメーション部全体を通してその中に熱エネルギーを分布させることは、
熱伝達の分布と伝達率を向上させる。例えば、蒸発チャンバ３４２には出口３４
２ａと３４２ｂがあり、対応する導管３７０ａと３７０ｂに燃焼ガスを通してい
る。燃焼排気は燃焼部３６２に対して隔離された状態でとどまるが、燃焼排気の
熱エネルギーは導管３７０を通って燃焼部３６２に移動する。導管３７０は、シ
ョルダー３５２ｂに取り付けられたエンドプレート３６３ｂを通過し、燃焼排気
は大気へ放出される。これで熱伝達を向上することができ、外部導管３７０に沿
う流れと乱流への抵抗度はバッフル３７１を使って抑えることができる。
【００４３】 先に説明した実施態様と同様、リフォーメーション部３６２で生ずるリフォー
メーションは、管状パラジウム合金膜３５４を横断する水素の移動をサポートす
る。パラジウム合金の代わりに膜３５４に利用できるそれ以外の水素浸透性およ
び水素選択性材料の組成としては、多孔質カーボン、多孔質セラミックス、水素
浸透性金属、多孔質金属並びに金属被覆された多孔質セラミックス及び多孔質カ
ーボン及び多孔質金属がある。それぞれの端部をエンドキャップ３０４でシール
した管状膜３５４は、リフォーマー３１２の出口３１４で生成水素の流れ３０３
を給送する。図３に示すように、膜３５４の浸透側には研磨触媒床（図になし）
が据えられている。好ましい研磨触媒はメタン生成触媒である。
【００４４】 リフォーメーション部３６２にある水素を全部回収することを意図的に避ける
ことにより、残りの水素は副産物の流れ３０５に流れ込み、蒸発モジュール３４
０の供給原料となる。さらに具体的にいうと、リフオーメーション部３６２はエ
ンドプレート３５３ｂを通る導管３２１につながる。導管３２１は、供給原料と
してそこに残っている、選択した量の水素を含む副産物の流れ３０５を運ぶ。導
管３２１は減圧弁３２３を通り、減圧された供給原料の流れ３０５’を入口マニ
ホルド３０７に供給する。入口マニホルド３０７は図５の入口マニホルド２０７
と同様の働きをする。すなわち、燃焼空気を受け入れ、燃焼空気と減圧副産物の
流れ３０５’の混合を促す役割を果たす。複合燃焼空気と流れ３０５’が混合部
３１３で混合すると、点火装置３１９がそれの燃焼の引き金をひく。点火装置３
１９には、グロー・プラグ、スパーク・プラグ、触媒など、さまざまな種類があ
る。しかし、リフォーマー３１２の好ましい形式においては、長期の安定性と交
換が容易であるという理由から、高圧スパーク・イグニッションか、おそらくグ
ロー・プラグが３１９の点火装置として選ばれると思われる。
【００４５】 蒸発機能の隔離に加え、リフォーマー３１２はまた燃焼点火部から燃焼排気部
までの圧力低下を小さくできるという利点を持つ。総じてリフォーマー３１２の
導管３７０は、燃焼排気ガスの流れに対して小さくて抑制の利いた抵抗しか示さ
ない真っ直ぐな導管であるため、リフォーマー３１２の構造は低圧燃焼プロセス
を提供する。低圧燃焼プロセスの場合、インテーク・マニホルド３０７などの入
口３０９から入って来る燃焼空気は、比較的低圧で比較的コストのかからないエ
アーブロワ（図６になし）によって供給される。
【００４６】 図７は、本発明のさまざまな実施態様に適用可能な代替燃焼システム案の模式
図である。図７で、二重壁の向流燃焼装置４５０は、副産物の流れ４２１と空気
の流れ４２３を受け入れる入口マニホルド４５２を有する。副産物の流れ４２１
はリフォーメーション・プロセスから副産物として取り入れられるが、それは燃
焼供給原料として意図的に残した、選択した量の水素をその中に含んでいる。副
産物の流れ４２１は内側コンジソト４２５に沿って移動し、混合部４１３で導管
４２５を出る。空気の流れ４２３は総体的に内側導管４２５を取り囲み、それに
並行して置かれるマニホルド４５２に沿って移動し、混合部４１３で副産物の流
れ４２１と出会う。混合部４１３は、それに沿って燃焼空気（つまり空気の流れ
４２３）と燃料ガス（つまり副産物の流れ４２１）の混合物を運ぶ内側管４３０
から構成される。管４３０はその一端の端部４３０ａが閉じ、マニホルド４５２
の一部を成している。しかし、管４３０の開放端部４３０ｂは混合燃料ガスと燃
焼空気とを外側混合部４１５の中に放出する。外側混合部４１５は外側管４３２
によって範囲を区切られている。管４３２は、それぞれの端部４３２ａと４３２
ｂとが、端部４３２ａを通るマニホルド４５２によって閉じられている。燃焼触
媒４４０は部分４１３と４１５の全体にわたって分布する。あるいはまた燃焼触
媒４４０は、混合部４１３の場所またはその近辺にある、管４３０の中に置いて
もよい。
【００４７】 最高温度の燃焼が起こるのは、燃料ガスと燃焼空気が初めて触媒４４０に出会
う時である。つまり、マニホルド４５２の出口の所である。ガス混合物が管４３
０を流れ続け、そこで触媒４４０に出会うと燃焼は継続するが、一般に温度は徐
々に低下する。ガス混合物は、開放端部４３０ｂから管４３０を出ると、今度は
流れの方向を変えて管４３２を逆流し、より多量の触媒４００に出会う。その結
果、管４３０と４３２の全長にわたって熱エネルギーが発生し、排気ガスが排気
ポート４３５から排出される。
【００４８】 一般に、燃焼触媒床では長さ方向に著しい温度勾配が存在し、最高温度に達す
るのは燃料ガスと燃焼空気が最初に燃焼触媒または点火装置に触れる時である。
そのような著しい温度勾配は好ましいものではない。特に、熱エネルギーが全体
として均一に温度分布することが最も望ましいリフォーメーション・プロセスに
とって、これは好ましいことではない。本発明の燃焼装置４５０の長さ方向の温
度勾配は、従来型の燃焼床に比べてより均一である。燃焼装置４５０内部すなわ
ちマニホルド４５２近辺の最高温のガスは、管４３０を通じて燃焼装置４５０内
部すなわち排気ポート４３５近辺の最低温のガス中に熱エネルギーを放出する。
ガスの最高温度部とガスの最低温度部を熱の面から結び付けることにより、燃焼
装置４５０に沿ってすぐれた均一性の高い全体温度勾配が存在することになる。
【００４９】 図８は、燃焼床（ｘ軸）の長さＬとそれに対する温度Ｔ（ｙ軸）との関係を示
す図である。図８の曲線４６０は、従来型燃焼床で最初に相当高い温度を示しつ
つも、全体を通じて著しい温度低下を示している。一方で、曲線４６２は燃焼装
置４５０を使って得られたより均一な、つまり、よりフラットな温度勾配を示し
ている。端的に言って、浅くてかなり平坦な曲線４６２は燃焼装置４５０の長さ
方向の均一な温度を表している。であるから、燃焼装置４５０はリフォーメーシ
ョン部に熱エネルギーをより均一に分散する。
【００５０】 図７では総じて直管型の装置を示しているが、燃焼装置４５０の二重壁構造は
螺旋形などのさまざまな形状で構成可能であり、また燃焼システムとして本発明
のさまざまな実施態様に適用可能であることをここに付記する。
【００５１】 燃焼と蒸発を交互に行う機能に加え、本発明では、水素精製の代替方式もスチ
ームリフォーマーに採用することができる。管状構造と同心管状構造の他に、プ
レート膜構造も水素精製機能内蔵スチームリフォーマーに採用することができる
。
【００５２】 図９は、本発明に基づくと共に平板状膜構造を採用した、水素精製機能内蔵ス
チームリフォーマーのさらに別の実施態様の模式図である。図９では、リフォー
マー５１２はそのそれぞれの開放端部にショルダー５５０ａと５５０ｂとを備え
た、外側金属管５５０を有する。管５５０の中では、金属リフォーミング触媒管
５５２とメタル研磨触媒管５５６が管５５０に沿って全体として並列に取り付け
られている。しかし、当然のことながら、管５５２と５５６との間には、さまざ
まな形状ならびに関係を採用することができる。リフォーミング触媒管５５２は
リフォーミング触媒５０２を内蔵し、リフォーメーション部５６２を形成する。
同機に、研磨触媒管５５６は研磨触媒５０４を内蔵し、研磨部５６４を形成する
。エンドプレート５９０とガスケット５９２はショルダー５５０ａにつながり、
管５５０をシールする。入口ポート５３０は、メタノールや水のような液体燃料
供給原料をエンドプレート５９０を経由して蒸発コイル５３０ａまで運ぶ。図示
の具体的実施例では、コイル５３０は管５５２の一端を包み込み、エンドプレー
ト５９０に設けられている燃焼排気ポート５３８近くに置かれる。蒸発コイル５
３０ａは管５５２の端部５５２ａにつながり、これによって蒸発燃料供給原料は
コイル５３０ａから出てリフォーメーション部５６２に入る。
【００５３】 プレート膜モジュール５５４はショルダー５５０ｂにつながって管５５０の端
部５５０ｂをシールし、管５５０内部にあるが管５５２と５５６との外部にある
燃焼部５６０を完全なものに仕上げる。プレート膜モジュール５５４は、管５５
２とつながって改質油にとむガス流５０１を受け入れ、導管５２９とつながって
生成物または水素の流れ５０３を供給し、さらに導管５２１とつながって、部分
５６０の燃焼をサポートする供給原料として副産物の流れ５０５を供給する管５
５２は２本以上使用できる。副産物の流れ５０５は、先に説明した本発明の実施
態様の場合のように、リフォーメーション・プロセスから採取されることなく、
燃焼プロセスに利用される所定の量の水素を含む。導管５２１は、副産物の流れ
５０５をプレート膜モジュール５５４から減圧弁５２３を介して、燃焼部５６０
の入口ポート５２５まで運ぶ。燃料入口ポート５２５に隣接する空気入口ポート
５２８は、例えばブロワ（図になし）で強制的に空気を燃焼部５６０に取り込む
。あるいはまた、本発明の先に説明した実施態様の例のように、マニホルドを使
って空気と副産物の流れ５０５を燃焼部５６０に取り込んでもよい。副産物の流
れ５０５は燃焼部５６０に入り、ポート５２８で燃焼空気と混合すると、引き続
き点火装置５７５を通過する。点火装置５７５は副産物の流れ５０５と燃焼空気
の混合物に点火し、それによって燃焼部５６０内で燃焼をサポートする。当然の
ことながら、この燃焼プロセスで発生した熱は蒸発コイル５３０ａ内部の燃料供
給原料の蒸発をサポートし、リフォーメーション部５６２に蒸発ガスを供給する
。燃焼部５６０内での燃焼により生じる熱もまたリフォーメーション部５６２を
直接加熱すると共に、研磨部５６４を加熱する役割を果たす。
【００５４】 導管５２９は、生成物（水素）の流れ５０３を研磨触媒管５５６の端部５５６
ｂに運ぶ。導管５２９は２本以上、管５５６も２本以上使用するとよい。生成物
の流れ５０３は研磨部５６４を通るが、そこでは有害な要素が中性化され、最終
精製水素生成物が管５５６の端部５５６ａを通過し、出口ポート５１４から出て
来る。例えば、研磨触媒５０４がメタン生成触媒の場合には、生成物の流れ５０
３に存在する一酸化炭素と二酸化炭素とは先に述べたようにメタンに変換される
。
【００５５】 図１０はプレート膜モジュール５５４の分解図であり、管５５２および導管５
２１と５２９に対する当該モジュールの関係を示している。プレート膜モジュー
ル５５４は、その中にエンドプレート５５４ａと５５４ｂとを有する。一連の膜
エンベロープ・プレート５９０がエンドプレート５５４（複数）の間にスタック
され（積み重ねられ）ている。図ｌ０に示す具体的な発明実施態様では、３枚の
エンベロープ・プレート５９０、個々には５９０ａ〜５９０ｃがエンドプレート
５５４（複数）の間にスタックされている。エンドプレート５５４ａと５５４ｂ
および膜エンベロープ・プレート５９０は、いずれも総じて長方形であり、対応
する寸法を有する。ここに示す長方形よりも、それ以外の形状、むしろ例えば円
形などを使用するとよい。換言すれば、プレート５５４ａ−５５４ｂおよび５９
０ａ−５９０ｃは一組のトランプのようにスタックされ、例えば蝋付けなどの方
法により連結し合ってモジュール５５４を作る。エンドプレート５５４ｂは固体
平板構造である。しかし、エンドプレート５５４ａは、リフォーマー５１２の他
の部分とつながるための入口ポートと出口ポートとを有する。 特に、リフォーメーション触媒管５５２は改質油に富む型の入口ポート５９２ａ
につながり、リフォーメーション生成物、すなわち改質油に富む流れ５０１を受
け入れる。導管５２１は、改質油の枯渇した出口ポート５９４ａにつながり、モ
ジュール５５４から副産物の流れ５０５を取り入れる。図示した具体的実施例に
おいては、モジュール５５４はそれぞれ５９６ａと５９８ｂの２つの生成物出口
ポートを有し、生成物の流れ５０３を供給する。ただし、実施態様によっては、
生成物出口ポートは一つしか使わなくてもよい。図１０で２度示される導管５２
９はポート５９６ａと５９８ａにつながり、そこから生成物の流れ５０３を回収
する。ポート５９２ａ、５９４ａ、５９６ａおよび５９８ａのすべてをエンドプ
レート５５４ａに取り付ける必要はない。むしろ、具体的配置の希望に応じて、
あるいは必要に応じて、ポートの一つか二つ以上をエンドプレート５５４ａに取
り付けるようにするとよい。
【００５６】 各々の膜エンベロープ・プレート５９０は、エンドプレート５５４ａのポート
５９２ａ、５９４ａ、５９６ａおよび５９８ａに対応する位置にポートを有する
。積み重ねられた状態でプレート膜モジュール５５４として作動する場合、これ
らのさまざまなポートは一線上に並び、モジュール５５４が行う濾過プロセスを
橋渡しする導管の役割を果たす。プレート５９０ａ〜５９０ｃの各々には生成物
ポート５９８、個々にはそれぞれ５９８ｂ〜５９８ｄがある。ポート５９８ａ〜
５９８ｄは一線上に並び、互いに協力してモジュール５５４から導管５２９内に
生成物の流れ５０３を流す導管を形成する。以下、さらに詳しく説明するように
、生成物、つまり水素は、対応する膜エンベロープ・プレート５９０の中でポー
ト５９８ａ〜５９８ｃに側面から入る。また、膜エンベロープ・プレート５９０
ａ〜５９０ｃのそれぞれは、エンドプレート５５４ａの出口ポート５９６ａと一
線上に並ぶ生成物ポート５９６を有し、個々にはそれぞれ５９６ｂ〜５９６ｄで
ある。ポート５９６ａ〜５９６ｄは生成物の流れ５０３をプレート膜エンベロー
プ５９０から運び出して導管５２９に入れる。ポート５９８ｂ〜５９８ｄと同様
、ポート５９６ｂ〜５９６ｄは、対応する膜エンベロープ・プレート５９０内部
の側面から水素流れ５０３を受け取る。
【００５７】 ポート５９２ｂ〜５９２ｄはエンドプレート５５４と一線に並ぶが、一線に並
ぶことによって管５５２から膜エンベロープ・プレート５９０の中に水素に富む
改質油の流れ５０２を誘導する導管となる。プレート５９０ａ〜５９０ｃのそれ
ぞれは、副産物ポート５９４ｂ〜５９４ｄを有する。ポート５９４ｂ〜５９４ｄ
はエンドプレート５５４ａのポート５９４ａと一線に並び、膜エンベロープ・プ
レート５９０から副産物の流れ５０５を除去する導管となる。水素に富む改質油
の流れ５０１を強制的にポート５９２ａに押し込むことによって、燃焼部５６０
内の燃焼プロセスで利用できる副産物の流れ５０５がポート５９４ａで生まれ、
研磨部５６４で利用できる生成物の流れ５０３が生まれる。
【００５８】 各膜エンベロープ・プレート５９０は、それ自体、個々のプレート部材を積み
重ねたもの（スタック）である。図１１は、各膜エンベロープ・プレート５９０
に見られるプレート部材の組の分解図である。図１では、各プレート部材が、図
１０に関連して上に述べたように、膜エンベロープ５９０を通じて連絡するポー
トを有する。しかしながら、これらのポートの中には対応するエレメントに対し
て側面が「オープン」で、そのため、モジュール５５４の一部に側面からのアク
セスを許すものがある。
【００５９】 各膜エンベロープ・プレート５９０は、スタックの中の最も外側のプレートと
して左スペーサプレート６００と右スペーサプレート６０２を有する。一般に、
スペーサプレート６００と６０２とは、それぞれが区切られた範囲の空間部６０
４を内部に持つ「フレーム」構造物である。それぞれの内部空間部６０４は横か
らポート５９２と５９４とにつながっている。これによって、ポート５９２は流
れ５０１を空間部６０４に受け入れ、ポート５９４は副産物の流れ５０５を空間
部６０４の外に出す。しかし、ポート５９６と５９８は空間部６０４に対して閉
じており、生成物の流れ５０３を隔離している。
【００６０】 また、各膜エンベロープ・プレート５９０は、対応するプレート６００と６０
２の一つに内接する左膜プレート６０６と右膜プレート６０８を有する。膜プレ
ート６０６と６０８とはそれぞれ、外部金属フレーム６０７に取り付けたパラジ
ウム合金膜６１０をその中心部に持っている。プレート６０６と６０８とでは、
ポート５９２、５９４、５９６、および５９８のいずれもがパラジウム合金膜６
１０に対して閉じている。各パラジウム合金膜６１０は、空間部６０４の対応す
る個所に隣接して、すなわちポート５９２を経由して到着した水素に富む改質油
の流れ５０１に隣接して取り付けられる。水素には、これによって、隣接する膜
・プレート６０６のパラジウム合金膜６１０を通過するチャンスが生まれる。残
りのガス、つまり副産物の流れ５０５は、ポート５９４を経由して空間部６０４
から出る。
【００６１】 スクリーン・プレート６０９が膜・プレート６０６と６０８との中間にある。
すなわち、各膜６１０の内側または浸透側にある。スクリーン・プレート６０９
は外側フレーム６１１を有し、中央部にスクリーン６１２が取り付けられている
。ポート５９２と５９４とは、スクリーン・プレート６０９の中央部に対して閉
じており、したがって水素の流れ５０５と改質油に富む流れ５０１を生成物の流
れ５０３から隔離している。ポート５９６と５９８とは、スクリーン６１２を載
せているプレート・スクリーン６０９の内部に対して開かれている。相接する膜
６１０を通って来た水素は、スクリーン６１２を通過してポート５９６と５９８
とに至り、最後に生成物の流れ５０３として導管５２９に到達する。
【００６２】 水素に富む改質油の流れ５０１がポート５９２ａに入り、その流れが膜６１０
に押し込まれると、水素は生成物の流れ５０３としてそこを通過し、ポート５９
６と５９８も通過する。副産物の流れ５０５は、膜６１０で流れを変え、ポート
５９４に沿って導管５２１に向かう。
【００６３】 プレート６００、６０２、６０６、６０８および６０９の間を気密にシールす
るには、また膜・エンベロープ５９０ａ〜ｃの間を気密にシールするには、蝋付
け、ガスケットの使用、溶接等、さまざまな方法がある。
【００６４】 スクリーン６１２は生成物の流れ５０３のために流通路を提供するだけでなく
、水素、つまり生成物の流れ５０３が膜６１０を無理に通ろうとして膜６１０
にかける差圧を支える。図１１には単にスクリーン構造として図示されているだ
けであるが、膜６１０にかかる圧力に対抗するサポート機能を付与するため、ま
た生成物の流れ５０３の流通路を提供するため、スクリーン・プレート６０９の
空間部の内部にはさまざまな構造が用いられる可能性があることをここに付記す
る。使用するパラジウム合金膜６１０は、然るべき構造体によって、例えばスク
リーン６１２によって十分支えることができる程度まで、肉厚を薄くし、低廉な
ものにしてよい。スクリーン６１２の代替材料としては、多孔質セラミックス、
多孔質カーボン、セラミックフォーム、カーボンフォームおよびメタルフォーム
などがある。
【００６５】 本特許明細書全体を通じて説明しているように、薄肉で低廉なパラジウム合金
膜を使用することによって、本発明のスチームリフォーマーのコストは大幅に削
減される。そのように薄肉のパラジウム合金膜を使用すると、生成物の流れ５０
３に汚染物質が流れ込むことはあり得るが、その後で本発明の実施態様でいくつ
か図示したような後工程にかけて精製することが可能である。
【００６６】 薄肉の合金膜を取り扱う製造工程、特に膜に気密性を持たせる製造工程では、
薄肉パラジウム合金膜のデリケートさを考慮しなければならない。特に、液相が
からむ従来の溶接方法や蝋付け方法は、極端に肉厚の薄い（一般に＜５０ミクロ
ン）パラジウム合金膜には応用できない。特に液相の材料は、薄肉のパラジウム
合金膜に接触すると融解して膜を溶かし出すため、極端に肉厚の薄い膜の性質上
、製造工程としては受け入れ難い。薄肉のパラジウム合金膜に気密性を持たせる
方法にはさまざまあるが、本発明ではパラジウム合金膜に大きな傷、つまり漏れ
を生ずることなく、薄肉パラジウム合金膜を気密シールする方法を具体的方法と
して提案する。
【００６７】 本発明において、パラジウム合金膜は超音波溶接で取り付けられた中間箔によ
って、相接する構造体に取り付けられ、またそれに対する気密シールを保つこと
ができる。ここで提案する製造方法は、図３のような管状膜モジュールにも、あ
るいは図１１のようなプレート状膜構造にも応用できる。また、膜管５４は、次
に箔の蝋付けによりエンドキャップ３０４につなぐことができる。本発明のプレ
ート状膜では、箔付き膜６１０を、箔を蝋付けすることにより、プレート６０６
と６０８の周囲フレーム６０７に取り付けることができる。超音波溶接は、相対
するメタル同士に応用した場合、メタル表面をはぎ取って清浄にし、その結果、
超清浄な状態になったメタル同士に固体金属間融合を生じさせる。材料同士の相
対する面を洗浄する超音波作用は２０ないし６０ｐｓｉの圧力下で行われる。こ
れらの材料は一旦接触すると、金属原子同士が融合し合って気密シールを形成す
る。ここで見逃してならないのは、超音波溶接は液相を必要とせず、適切に施工
された場合は薄肉パラジウム合金膜に劣化を引き起こさないということである。
超音波溶接が必要とする温度は比較的低いため、材料の曲がりもほとんど起こら
ない。したがって、超音波溶接法は極端に肉厚の薄いパラジウム合金膜に気密シ
ールを持たせる方法として特に適している。
【００６８】 本発明の開示された実施態様においては、超音波溶接を用いて銅またはニッケ
ル合金箔を薄肉パラジウム合金膜の表面に取り付ける。一旦この銅またはニッケ
ル合金層を追加して取り付けた後、それをエンドキャップ３０４やフレーム６０
７のような隣接する材料に蝋付けしたり、溶接したりする。
【００６９】 図１２〜１６は、エンドキャップでサポートした管状パラジウム合金構造とし
て総じて図１〜５、６に示した膜モジュールの構成部品と製造工程である。図１
２と１３は、図１４に示す超音波溶接の準備のために、パラジウム合金箔７０２
と銅あるいはニッケルフレーム７０６をそれぞれ結合した図である。図１５は、
パラジウム合金箔と銅またはニッケルフレーム組立品７２０の組み合わせを管状
構造に圧延し、再び超音波溶接で接合して管状構造を保つように仕上げたもので
ある。この形状では、管状組立品の末端部分に銅やニッケル材料の断面が露出す
る。そこで、この銅やニッケルフレームの露出部分にエンドキャップを直接蝋付
けし、気密構造とする。
【００７０】 図１２〜１６に関しては、管状の水素浸透性金属膜７００（図１７）を次のよ
うな一般的構築方法で用意した。水素浸透性金属膜７０２としてＰｄ−４０Ｃｕ
とＰｄ−２５Ａｇ箔の両方（公称厚さ２５ミクロン）を用いた（図１２に個別に
図示）。炭素鋼製またはステンレス鋼製のテンションスプリング７４０（図１５
〜１７）を管状膜構造７００の内部の補強材として用いた。
【００７１】 最初の工程は、図１４に示すように、パラジウム合金箔７０２を銅製箔フレー
ム７０６（公称厚さ５０ないし１２５ミクロン）に接合することであった。パラ
ジウム合金箔７０２は一般に幅が８．９ｃｍ、長さが２６．４ｃｍであった。銅
製箔フレームは一般に幅が１０．２ｃｍ、長さが２７．９ｃｍであり、その中に
四辺から等距離に位置する幅約７．６ｃｍ、長さ２４．１ｃｍの切り抜き中心部
を持っていた。このため、箔７０２がフレーム７０６の切り抜き中心部を占有す
ると、パラジウム合金箔７０２と銅製箔フレーム７０６との間に０．６ｃｍのオ
ーバーラップ７１０（図１４）が生じた。
【００７２】 超音波溶接を用い、パラジウム合金箔７０２の四隅のすべてでパラジウム合金
箔７０２と銅製箔フレーム７０６との間に周辺気密シール７１２を持たせた。Ａ
ｍｔｅｃｈ（Ｓｈｅｌｔｏｎ，Ｃｏｎｎ．）ウルトラ・シーム４０型ウェルダー
を使用した。この溶接機は４０ｋＨｚで作動し、超音波トランスデューサーに最
大約７５０Ｗのパワーを送る。ホーン（ｈｏｒｎ）（超音波トランスデューサー
に接続）もアンビルも、溶接機の正常運転中は作業員の選定する速度で回転する
。溶接作業は、ホーンとアンビルとの間に金属を挟み、超音波トランスデューサ
ーに通電することによって行う。
【００７３】 超音波溶接機用のホーンとアンビルは直径７．０ｃｍの円形とし、支持面スト
リップは幅が約０．２ｃｍあり、表面粗度はＥＤＭ＃３仕上げに相当する。ホー
ンとアンビルとは窒化チタンで表面被覆されている。一般的な溶接パラメータは
、トランスデューサーに与えるパワーがフルパワーの４０％、ホーンとアンビル
との間の加圧圧力が４０ｐｓｉｇ、ホーンとアンビルの回転速度が４ｒｐｍ、そ
してホーンは溶接する箔ピース上に「浮いていること」（すなわち、ホーンとア
ンビルの分離をあらかじめ設定してはならないこと）である。メタルを確実に溶
接するため、クリーニングにより相接する金属同士から酸化物、グリース、オイ
ル、汚れなどの残留物を除去する。なお、軟質金属は、超音波溶接によって硬質
金属よりも一層確実に接合されるので、パラジウム合金膜箔７０２と銅製箔フレ
ーム７０６を溶接前に焼鈍すれば、より良い結果が得られると思われる。
【００７４】 図１４に示すように膜７２０を組み立てるため、パラジウム合金膜箔７０２を
銅製箔フレーム７０６に溶接した後、標準染色探傷試験により溶接シール７１２
の漏れを検査した。漏れが見つからなかった場合、膜組立品７２０はクリーニン
グにより余分の染色を落とし、図１５に示すように２．８ｃｍ（外径）のテンシ
ョンスプリング７０４（長さ２７．９ｃｍ、公称直径０．２５ｃｍのステンレス
鋼または炭素鋼のワイヤ一製）の周りを長さ方向に包んだ。次に、組立品７２０
の反対側の縁のオーバーラップ部分７２２を超音波溶接で接合し、すでに管状構
造になった長さ方向に沿ってラップシール７２４を形成した。次に、上に規定す
る超音波溶接パラメータを用い、ラップシール７２４を達成した。それから、ラ
ップシール７２４を、円筒形になるよう膜管に沿って重ねた。次に、銅製のエン
ドキャップ ７３０（図 １６）を膜管の端部に取り付け、標準型の銅／燐または
銅／銀／燐の蝋付け合金と水素／空気または炭化水素／空気（例えば、メタン、
プロパン、またはアセチレン）用トーチを用いて接合部７３１（図１７）で蝋付
けした。蝋付け合金は、銅製エンドキャップ７３０と銅製箔フレーム７０６のみ
に付ける。エンドキャップ７３０を円筒形の組立品７２０につなぐ蝋付け接続部
７３１を設けても、それはデリケートなパラジウム合金膜箔７０２を液状物質に
暴露することにはならず、すなわち肉薄の箔７０２を破損することにはならない
。さまざまな超音波溶接部７１２と７２４とが気密性のシールを作り、蝋付け接
合部７３１もまた気密性のシールを作るので、水素は管７００の外側のリフォー
メーションプロセスから箔７０２だけを経由して通過する。少なくとも一つ以上
のエンドキャップ７３０が、膜管の内側つまり内径から浸透水素を回収するため
のポート７３２と出口７３４とを備えている。管７００の内部では、上に述べた
ように、メタン生成触媒７４０を使って精製水素を膜管７００から採取すること
ができる。以上に述べた如く、このような構造で造られた膜７００は膜管の外表
面を通過する高圧燃料ガスに好適であり、浸透ガスを膜の内表面で回収すること
ができる。
【００７５】 図１８は、本発明の別の実施態様に基づくスチームリフォーマー８１２の透視
図と部分破断図である。リフォーマー８１２はリフォーマー３１２（図６）と類
似の隔離型蒸発チャンバー８２０を採用している。もっと具体的に説明すると、
リフォーマー８１２は入力導管８３０で供給供給原料を受け入れ、導管８３０が
この混合物を蒸発コイル８３０ａから蒸発チャンバ８２０へと送り出す。チャン
バ８２０の中の高温は入力導管８３０から入って来た供給供給原料を蒸発させる
。コイル８３０ａは、リフォーメーションチャンバ８６２の中を通り、その内側
に開く。蒸発した燃料は、これによってリフォーメーションチャンバ８６２に入
る。リフォーメーションチャンバ８６２はリフォーメーション触媒８６３で満た
されており、スチームリフォーメーション部８６２ の中でスチームリフォーメ
ーションが生ずる。リフォーメーション生成物の流れ８０１は、出口導管８５２
からスチームリフォーメーション部８６２を出る。導管８５２は生成物の流れ８
０１を膜モジュール８５４に運ぶ。モジュール８５４は、流れ８０１を副産物の
流れ８０５と水素に富む流れ８０３とに分離する。
【００７６】 水素の枯渇した改質油副産物の流れ８０５は、導管８２１を膜モジュール８５
４から減圧弁８２３へ、そこから更にマニホルド８０７へ移動する。マニホルド
８０７はリフォーマー２１２（図５）のマニホルド２０７と同様の働きをする。
さらに具体的にいうと、マニホルド８０７は入口８０９から、すなわち強制空気
供給源から空気を取り入れ、それを混合部８１３で流れ８０５と混ぜ合わせる。
点火装置８１９が空気と流れ８０５との混合物に点火し、その結果燃焼が生じて
、蒸発チャンバ８２０内の温度が上昇する。先の本発明の実施態様でもすでに説
明したが、流れ８０５には、モジュール８５４のパラジウム合金膜を通る際に意
図的に採取されなかった若干量の水素が含有されている。従って、流れ８０５は
蒸発チャンバ８２０内の燃焼のための燃料源となる。
【００７７】 排気ポート８４２は、詳しくは図１９に示されているように、燃焼副産物を、
燃焼導管８４３を経由してチャンバ８２０から排気ポート８３８まで運ぶ。しか
し、導管８４３は、リフォーメーションチャンバ８４２を通過し、熱をリフォー
メーション部８６２全体に分布させ、そこでのリフォーメーションをサポートす
る。排気導管８４３は、リフォーメーション部８６２全体にわたって大きな表面
積を提供し、望ましい均一な熱分布を与えるために、フィン管やスパイラルなど
のさまざまな形状をとり得る。
【００７８】 更に図１９について述べると、膜モシュール８５４から出て来る生成物の流れ
８０３は、中にメタン生成触媒８０４を有する導管８５６を通って移動する。導
管８５６はリフォーメーション部８６２と蒸発チャンバ８２０を通過し、そこか
ら熱エネルギーを回収し、そうすることによって、導管８５６で生じているメタ
ン生成プロセスをサポートする。導管８５６の末端端部８１４は、生成物出口と
なる。すなわち、十分に精製された形の水素を例えばＰＥＭ燃料電池１６（図１
）に利用するために提供する。
【００７９】 図２０と２１は、それぞれ図１８と１９の膜モジュール８５４に採用された膜
フレームと浸透フレームの図である。図２０において、膜フレーム８７０は、方
形の中心切り抜き部８７０ｂを持つ円形の銅製またはニッケル製のフレーム８７
０ａを有する。中心の切り抜き部８７０ｂより大型の方形パラジウム合金膜８７
０ｃがシール８７０ｄの所でフレーム８７０ａに接合される。パラジウム合金膜
８７０ｃの周囲にシール８７０ｄを作るために超音波溶接を利用することにより
、膜８７０ｃとフレーム８７０ａとの間に気密シールが出来上がる。最後になる
が、膜８７０は、燃料マニホルドアパーチャ８７２と浸透マニホルドアパーチャ
８７４をその中に有する。
【００８０】 図２１において、浸透フレーム８７６は中心切り抜き部８７６ａを持つ。切り
抜き部８７６ａはその中に、形状が総体的に方形で、大体の寸法が膜８７０ｃに
対応する第一の部分を有する。切り抜き部８７６ａのこの部分は、ワイヤーメッ
シュスペーサ８７６ｂによって占有される。ワイヤーメッシュスペーサ８７６ｂ
の代わりに使用できる代替材料としては、多孔質セラミックス、フォームセラミ
ックス、多孔質カーボン、フォームカーボン、多孔質金属およびフォーム金属な
どがある。切り抜き部８７６ａの第二の部分は外周に向って外側に拡大し、浸透
マニホルド８８４の範囲を規定し、その中にワイヤーメッシュインサート８７６
ｃを持つ。フレーム８７６には凹みの部分を設け、フレーム８７０と向い合わせ
の接触を受け入れ可能にすることができる。すなわち、フレーム８７０ｂに取り
付けられる膜８７０ｃを受け入れ可能にすることができる。最後に、浸透フレー
ム８７６は燃料マニホルドアパーチャ８８２を内蔵している。
【００８１】 当然のことながら、フレーム８７０とフレーム８７６とは外径寸法が一致して
おり、スタックした（積み重ねた）ときに特定の部分が同一線上に並ぶ。例えば
、燃料マニホルド８７２ は燃料マニホルド８８２と同一線上に並ぶ。また、浸
透マニホルド８７４は、それよりかなり大きい浸透マニホルド８８４と同一線上
に並べることができる。このように、後でもっと詳しく説明するように他の構成
部品と共に適切にスタックした場合、膜モジュール８５４は、流れ８０１を流れ
８０３と流れ８０５とに分離するように設定することができよう。
【００８２】 図２２は、モジュール８５４のための直流構成を成立させるためにスタックさ
れたフレーム８７０と８７６の使用法を図示したものである。図２２では、浸透
フレーム８７６は各側面上で膜フレーム８７０と共に中央位置を占める。つまり
、図２２に示す通り、上下の位置を占める。フレーム８７６の燃料マニホルド８
８２はフレーム８７０の燃料マニホルド８７２と同一線上に並ぶ。フレーム８７
６の浸透マニホルド８８４はフレーム８７０の浸透マニホルド８７４と同一線上
に並ぶ。供給フレーム８８０は、各フレーム８７０の外側に位置する。つまり、
図２２に示す通り、フレーム８７０の上と下に位置する。フレーム８８０は、そ
の各々がフレーム８７０と８７６の形に対応して円形をしている。各フレーム８
８０は中央部に開いた部分を持つが、その開いた部分は横向きに外側方向に延び
て、フレーム８７０と８７６の同心アパーチャ８７２および８８２と流体的につ
ながっている。また、各フレーム８８０は中央の切り抜き部から隔離された浸透
マニホルドアパーチャ８８７も有する。
【００８３】 このように、図２２に示す構造は、燃料ガスが連続する膜８７０ｃを通って連
続的に流れる連続する流れの構造を示している。例えば、燃料ガスが図２２にあ
る構成部品スタックを通って上昇する場面を想像して頂きたい。燃料ガスが一番
低い場所にあるフレーム８８０の中央の開いた部分に入ると、水素は最下部膜フ
レーム８７０の膜８７０ｃを通過するチャンスを手に入れる。当然のことながら
、最下部膜フレーム８７０を通過する水素は、浸透フレーム８７６の中心の開い
た部分に移り、次に浸透マニホルド８８４、８７４および８８７を介して構成部
品スタックを出て採取される。図２２の直流構成は、燃料ガスに膜８７０ｃを通
過する２度目のチャンスを与える。さらに具体的に説明すると、燃料ガスは最下
部フレーム８８０の中心の開いた部分から、浸透フレーム８７６の燃料マニホル
ド８８２を通じて最下部フレーム８７０の燃料マニホルド８７２に移動し、また
上部フレーム８７０の燃料マニホルド８７２を通じて最上部供給フレーム８８０
の中心の開いた部分に移動する。この中心の開いた部分で、燃料ガスは第２の
パラジウム合金膜にさらされる。さらに具体的にいうと、それが上部供給フレー
ム８８０の中心の開いた部分に入ると、燃料ガスに残っている水素が上部膜フレ
ーム８７０の膜８７０ｃにさらされるのである。この上部膜８７０ｃを横切るこ
のような水素は、浸透フレーム８７６の中心の開いた部分に入ってから、マニホ
ルド８８４、８７４および８８７に沿って移動し、採取生成物となる。
【００８４】 当然のことながら、図２２で示した構成においては、追加の類似構成部品をス
タックし、燃料ガスを直列に連続してパラジウム合金膜にさらすチャンスを与え
ることもできる。実際にこれを実施するとなると、水素を採取したり、プレート
状膜モジュール５５４に関して先に説明したように燃料ガスを構成部品スタック
に強制的に押し込んだりするためのエンドプレート、あるいは所要の出口ポート
や入ロポートが必要になろう。
【００８５】 図２２で示したような直流構成では、燃料ガスの流れは、第１の膜の表面を流
れた後、希望に応じて第２の膜等の表面を順次流れるように方向づけられる。こ
のような直流構成は、膜モジュール構成部品スタック中の各膜を通過した後の燃
料ガスの流れ構成部品の混合を促進する。
【００８６】 図２３は、膜モジュール構成部品を並流構成とした第２の構造である。ここで
は、供給燃料供給原料の流れは分流し、パラジウム合金膜にさらされるチャンス
は１回である。図２３において、浸透フレーム８７０’は全体として見れば、先
に説明した浸透フレーム８７０に相当し、その中にラフィネート・マニホルド８
７５も有する。同様に、浸透フレーム８７６’は先に説明した浸透フレーム８７
６に相当するが、これもその中にラフィネート・マニホルド８８５を有する。ラ
フィネート・マニホルド８８５と８７５とは、フレーム８７０’と８７６’とが
図２３のようにスタックされた場合、同一線上に並び、その間を互いに流体が連
絡し合う。
【００８７】 図２３の構造は、パラジウム合金膜８７０ｃを横断する燃料ガスの並流を確立
する。さらに具体的には、下部供給フレーム８８０の中心の開いた部分に入って
来る燃料ガスを考えて頂きたい。このような燃料ガスは、下部供給フレーム８７
０’の膜８７０ｃにさらされる。同時に、燃料ガスの一部は膜８７０ｃを横切っ
て方向変換し、アパーチャ８７５と８８５とで作られるラフィネート・チャンネ
ルに沿って、あるいはアパーチャ８７２と８８２に沿って移動し、最終的に上部
供給フレーム８８０の開いた部分に入る。この時点で、燃料ガスは上部フレーム
８７０’の膜８７０ｃにさらされる。したがって、そこに存在する水素は膜８７
０ｃを通って浸透フレーム８７６’の中心の開いた部分に移動できる。それ以後
、この水素はフレーム８７６’のマニホルド８８４とフレーム８７０’のマニホ
ルド８７４に沿って流れ、最終的にアパーチャ８８７を通過して生成物として採
取される。このような並流構成においては、膜を通るすべての供給チャンネルは
共通の燃料燃料マニホルドから供給を受ける。このことは、燃料ガスの流れの圧
力低下を軽減するのに有利に働く。
【００８８】 図２２と２３に示した膜構成部品の積層（スタック状）構成は、燃料ガスが膜
モジュールを通じて直流または並流で流れることを可能にする。燃料フレーム８
８０は相互互換性を持っているため、一つの膜モジュールで直流と並流との積層
構成を組み合わせることが可能である。さらに具体的にいうと、図２２に示した
構成を図２３に示した構成に隣接して積み重ねることもできる。本発明で説明さ
れた水素精製装置の所与の第一段階を確立するため、希望に応じてそのような構
成を単一の膜モジュールの中で多重に組み合わせることが可能である。
【００８９】 図２４は、膜モジュールに組み込むことのできる追加フレーム構成部品の図で
ある。図２４の排気フレーム８９０は、その中に燃料マニホルドアパーチャ８９
２、浸透マニホルド９８４およびラフィネート・マニホルド８９５を有する。当
然のことながら、図２２と２３で示した膜モジュールの積層排気フレーム８９０
は、上に述べた膜モジュールの作動に影響を及ぼさない限り、燃料ガスがアパー
チャ８９２を通過することを許し、水素生成物にアパーチャ８９４を通過するこ
とを許し、ラフィネートがアパーチャ８９５を通過することを許す。また、排気
フレーム８９０もその中に排気マニホルド８９７を有し、高温の燃焼排気ガスに
フレーム８９０の横から通過することを許している。当然のことながら、排気マ
ニホール８９７はアパーチャ８９２、８９４および８９５から隔離されている。
排気フレーム８９０を通過する高温の排気ガスはフレーム８９０を含む膜モジュ
ールの温度を上昇させ、始動時の膜モジュールの温度上昇を加速する。排気フレ
ーム８９０は、ここに説明する蝋付け、ガスケットまたは溶接などの従来工法に
よって、その他のフレーム部材と一緒に膜モジュールの積層構成部品構造に組み
込むことができる。
【００９０】 また、蝋付け、ガスケットまたは溶接などの従来工法を利用してここに図示す
る平板状構成部品の積層（スタック）構造を施工し、積層構成部品膜モジュール
を製作することができる。モジュールの積層構成部品同士の間をシールするには
、すなわち膜組立品、浸透フレームと燃料フレーム、排気フレーム部材およびエ
ンドプレート同士の間をシールするには、蝋付け、ガスケットまたは溶接などの
工法が適当であり、デリケートなパラジウム合金膜８７０ｃを傷つけることなく
作業が可能であろう。例えば、接し合うフレーム部材同士の間に蝋付け合金を当
て、蝋付け炉の中の雰囲気を制御しながら蝋付けが完了するまで組立品全体を加
熱する。あるいはまた、モジュールを組み立ててから、例えば軌道式パイプ溶接
機を使って外部から溶接してもよい。シールされた膜モジュールのさらに別の製
造方法としては、構成部品を積層し、その積層に十分な圧力をかけて、接し合う
面を十分に加圧接触させる。次に、この組立品全体を２時間から８時間をかけて
摂氏５００ないし８００度の間で加熱すると、接し合う面同士の間に金属間拡散
が生じ、シール結合が生まれる。気密性シールを作り出すさらにもう一つの方法
としては、従来から用いられているフレキシブル（圧縮性）グラファイト・ガス
ケット、あるいはグラファイトと金属との複合ガスケットを使用する方法がある
。
【００９１】 以上のように、本発明に基づくスチームリフォーメーションの実施に当たって
は、さまざまな実施態様、形状配置、代替案が示されている。また、本発明に基
づくスチームリフォーメーションの実現可能性を証明するため各種の実験と試験
手順が行われてきている。これについては、以下に概略を説明する。
【００９２】 本発明の好ましい実施態様で先に述べたように、水素に富む改質油の流れは、
これも本発明の主題となっている二段階の水素精製装置で精製される。この二段
階水素精製装置は、改質油の流れから水素を大まかにふるい分けするため、第一
段階で膜を使う。次に、第一段階の膜から出た浸透水素は研磨工程（第二段階）
にかけられ、ＣＯやＣＯ2など選ばれた不純物の濃度を、ＰＥＭ燃料電池の燃料
として使える水素に必要で十分な低レベルに達するまでさらに減らす。例えば、
標準的な白金電気触媒を使う典型的なＰＥＭ燃料電池が必要とする水素は、燃料
電池として最大の出力を発揮するには、ＣＯ含有量が＜ｌ０ｐｐｍ、ＣＯ2含有
量ができれば＜１００ｐｐｍのレベルでなければならない。
【００９３】 精製装置の第一段階で用いられる膜は、水素浸透性で水素選択性の高温膜から
選定される。熱安定性の高い膜は精製装置をリフォーマーと温度的に一体化する
ことを可能にし、精製に先だって水素に富む改質油を冷却する必要をなくする。
そのため、全体のシステムが簡略化され、システムのコスト削減が達成される。
【００９４】 好ましい膜は、微孔性セラミックス、微孔性カーボン、微孔性金属、稠密性金
属膜である。特に好ましいのは、パラジウムとパラジウム合金、ニッケルとニッ
ケル合金、第４族金属及び第５族金属並びにその合金を含む、水素浸透性と水素
選択性の金属から構成される肉薄膜である。Ｐｄ−４０Ｃｕ製の肉薄膜は、水素
浸透性と耐久性が高いので特に好まれる。特に、Ｐｄ−４０Ｃｕ合金は最高の水
素浸透性を発揮し、従って、もし、Ｐｄ−４０Ｃｕ合金が低濃度の炭素と酸素を
含有すれば、経済的に最も有利である。下の表は高い水素浸透性（水素圧１００
ｐｓｉｇ、温度摂氏４００度の下で、厚さ２５ミクロンの膜を通過する水素流
量で表示）と低い炭素含有量との相関関係を示した表である。
【００９５】 水素 流量 濃度、ｐｐｍ 標準ft3/ft2・hr 炭素 酸素 シリコン ２４０ ４０ ２５ １０ １２５ ５６ ２９ ３９ １１５ １４６ ２５ １５ ５６ ２１９ ２５ ２７ 水素浸透性膜は、他のガスに対するよりも特に高い選択性を水素に対して発揮
する必要はない。というのは、水素精製装置の第二段階が、膜を通過した浸透水
素に残留する選ばれた不純物をさらに減らす働きをするからである。選択度とは
、水素の浸透率を不純物の浸透率で割った比率である。膜の示す水素の選択度は
少なくとも２０なるべく５０以上であることが望ましい。
【００９６】 選択度が比較的低い膜を使うと、ＰＥＭ燃料電池用として十分に満足できる高
い純度の浸透性水素の流れは生産できない。例えば、スチームリフォーミング・
メタノールは、ＣＯとＣＯ2の組み合わせを約２５％含有する水素に富む改質油
の流れを生成する。また、水素選択度５０の膜は、ＣＯとＣＯ2との組み合わせ
を約２５％／５０〜０．５％含有する浸透水素の流れを生成する。しかしながら
、このレベルの不純物は研磨工程（第二段階）で簡単に処理される。したがって
、二段階の水素精製装置では、機構の不完全さあるいはその他の理由で、他のガ
スに比べて水素に対する選択度が比較的劣る膜を使用することも可能である。こ
のような膜は非常に高い水素選択性を持つ（例えば水素選択性＞１０００の）膜
よりも価格が低廉である。
【００９７】 膜の機械的強度を犠牲にすることなく、極めて肉薄の水素浸透性膜を得るには
、肉薄の水素浸透性膜をサポート層で支える。このサポート層は、運転条件下で
温度的、化学的に安定していなければならない。また、このサポート層は多孔質
であるか、あるいは中に十分な空隙を持つもので、水素を肉薄の膜に浸透させ、
ほとんど邪魔することなくサポート層を通過させることが望ましい。サポート層
の材質の例としては、金属、炭素、およびセラミックフォーム、多孔質および微
孔質セラミックス、多孔質および微孔質金属、金属メッシュ、穴あき金属、スロ
ット穴あき金属などがある。特に望ましいサポート層は、金網メッシュ（スクリ
ーンとも言う）と管状金属テンションスプリングである。
【００９８】 膜が肉薄の水素浸透性金属（例えばパラジウム合金）で、サポート層が金属で
出来ている場合、サポート層に使う金属は、ステンレス鋼や下記の組成要素から
なる非鉄耐食合金のような耐食性の合金からなるべく選ぶようにする。ちなみに
、非鉄合金の組成要素は、クロム、ニッケル、チタン、ニオビウム、バナジウム
、ジルコニウム、タンタル、モリブデン、タングステン、シリコン、アルミニウ
ムである。これらの耐食合金は、化学的、物理的に極めて安定した自然の表面酸
化層を持ち、肉薄膜と金属サポート層との間の金属間拡散速度を大幅に遅延させ
る役割を果たす。このような金属間拡散は、万一それが生じると、しばしば膜の
水素浸透性を著しく劣化させるため、決して望ましいものではない（Ｅｄｌｕｎ
ｄ，Ｄ．Ｊ．および Ｊ．ＭｃＣａｒｔｈｙ，“Ｔｈｅ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈ
ｉｐ Ｂｅｔｗｅｅｎ Ｉｎｔｅｒｍｅｔａｌｌｉｃ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ａ
ｎｄ Ｆｌｕｘ Ｄｅｃｌｉｎｅ ｉｎ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｍｅｔａｌ Ｍ
ｅｍｂｒａｎｅｓ：Ｉｍｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｆｏｒ Ａｃｈｉｅｖｉｎｇ Ｌ
ｉｆ−ｔｉｍｅｓ（金属間拡散と合成金属膜での流量低下との関係：長寿命膜達
成のための考察）”、Ｊ Ｍｅｍｂｒａｎｅ ｌ０７号（１９９５年）１４７〜
１５３）。
【００９９】 肉薄金属膜と金属サポート層との間の金属間拡散率も、金属サポートに非多孔
質の何らかの被覆をかぶせることによって遅らせることができる。これに適する
材質としては、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化ケイ素、タングステ
ン・カーバイド、窒化タングステン、および第４族と第５族の金属酸化物、窒化
物、カーバイドなどがある。これらのコーティングの多くは工具や金型用の硬質
被覆材として、また離型剤として用いられている。
【０１００】 水素精製装置の第二段階は、ＰＢＭ燃料電池の出力と作動に悪影響を与える不
純物を更に減らすことを意図したものである。特に、第二段階の研磨工程は第一
段階の膜に浸透した水素から主としてＣＯを、次にＣＯ2を除去することが目的
である。更に、第二段階の研磨工程は、第一段階の膜の運転温度それ自体かある
いはその近辺で実施されるため、研磨工程を通す前に水素の流れを加熱したり冷
却したりする必要はなくなる。研磨工程を温度的に一体化することにより、熱交
換器は必要がなくなり、システム全体の運転が単純化され、システムのコスト削
減が達成される。
【０１０１】 第二段階の研磨工程に適する化学的操作は、ＰＥＭ燃料電池の水素燃料からＣ
Ｏを除去するために広範に実践されているＣＯの好ましい酸化である（Ｓｗａｔ
ｈｉｒａｊａｎ，Ｓ．および Ｈ．Ｆｒｏｎｋ，“Ｐｒｏｔｏｎ−Ｅｘｃｈａｎ
ｇｅ‐Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ ｆｏｒ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉ
ｏｎ（輸送用陽子交換燃料電池膜）”、燃料電池 ’９４契約者検討会議議事録
ＤＯＥ／ＭＥＴＣ‐９４／１０１０，８月１７〜１９日（１９９４年）１０５〜
１０８）。しかしながら、選択的酸化は水素の流れからＣＯしか除去しないため
、ＣＯ2の含有量は減らないことになる。実際、選択的酸化は水素のＣＯ2含有量
を増加させている。研磨工程のための好ましい化学的操作はメタン生成である。
メタン生成は下の式から分かるようにＣＯとＣＯ2の両方を水素から取り除く。
ＣＯ＋３Ｈ2＝ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ ＣＯ2＋４Ｈ2＝ＣＨ4＋２Ｈ2Ｏ メタン生成は、ニッケル、パラジウム、ルテニウム、ロジウムおよびプラチナ
などの触媒の存在下で＞３００℃で生ずる。出来ればメタン生成は、ＢＡＳＦが
製造販売するＲ１−ｌ０やＧ１‐８０のような市販のニッケル・リフォーミング
触媒やメタン生成触媒を使い、４００℃ないし６００℃で行うのが望ましい。
【０１０２】 前の実施態様で既に説明したように、水素精製装置の第一段階と第二段階とを
統合して一体化し、互いに緊密に連携させることができる。そうすると、水素精
製装置の熱損失が減って装置サイズがコンパクトになるうえに、重量とコストも
低減できる。例えば、第一段階に管状膜を使った場合、第二段階の研磨工程を膜
管内径の膜浸透側に収納することができる。プレートタイプの膜を選んだ場合に
は、研磨工程を膜プレート同士の間の膜の浸透側に置くか、あるいは浸透水素排
出ポートの所でプレートタイプの膜に直接接続している管の中あるいはその他の
別の形状の場所に置くことができよう。さらにまた、強度の理由から膜を補強し
かつ研磨工程がメタン生成である場合、メタン生成触媒を膜サポートの中に組み
込むことができる。また例えば、膜サポートをニッケルその他の金属メッシュで
構成し、ニッケル表面積を大きくすることもできる。
【０１０３】 先に開示した実施態様では、二段型水素精製装置を燃料処理装置の一体部分と
して示したが、二段型水素精製装置は当然のことながら、従来型水素製造プロセ
ス（例えば、スチームリフォーマー、部分酸化反応器または自熱式リフォーマー
）の外部で機能できる。
【０１０４】 スチームリフォーミングプロセスによって水素を製造する場合、安全面への配
慮から不燃性燃料供給原料の使用が必要になる。不燃性燃料供給原料を使用する
際の利点としては、密閉環境内に燃料供給原料が溜って火災や爆発を起こす危険
を避けられること、また軍事用途の場合、高温の金属破片が燃料貯蔵タンクに当
たって貫通する危険を避けられることなどがある。
【０１０５】 本発明が開示するスチームリフォーミングにより水素を発生させるための不燃
性燃料供給原料には、水と混和する性質を持つポリヒドロキシアルコールとポリ
エーテルがある。ここで用いる不燃という言葉は、圧力約１気圧の普通の空気の
中で燃焼が自発的には継続しないことを意味する。好ましい燃料は、エチレング
リコール、プロピレングリコール、およびエチレングリコールとプロピレングリ
コールのグリコールエーテル（例えば、ジエチレングリコール）である。これら
の燃料は一括してグリコールと呼ばれる。スチームリフォーミングのために化学
式通りの量の水と混ぜられると（例えば、１モル当量のエチレングリコールに対
し２モル当量の水）、これらの燃料供給原料はトーチからプロパン／空気の炎を
当てられても不燃性である。炎はグリコール／水の混合物が沸騰するまでそれを
無駄に加熱するだけである。グリコール／水の混合物に十分な水がある限り、燃
焼は続かない。
【０１０６】 グリコール／水の混合物の不燃性は、グリコール成分の蒸気圧が非常に低いこ
とに由来する（エチレン・グリコールやプロピレングリコールがその例である）
。例えば、エチレングリコールの蒸気圧は摂氏１００°で２０ｔｏｒｒに過ぎな
い。さらに、この混合物の水成分も、スチームリフォーミングにとって必要な反
応物質であるということの他に、２つの機能を提供することによってグリコール
／水混合物の不燃性に一役買っている。第一に、混合物中の水は、混合物が加熱
される最高温度を蒸発冷却によって引き下げ、それによってグリコールの最高蒸
発圧力を制限する。第二に、水蒸気はグリコール／水混合物の表面の（大気から
取り入れる）酸素を希釈する。燃焼にとっては酸素が必要であり、一般に高濃度
の酸素が燃焼にとって有利に作用するため、水蒸気による空気中の酸素の大幅な
希釈はグリコール／水混合物の燃焼を抑制する働きをする。
【０１０７】 以上述べた通り、特定の供給原料混合物は不燃性である。簡単に言うと、不燃
性であるためには、燃料供給原料の燃焼成分すなわち有機物質成分の蒸気圧は、
混合物中の水の沸点である１００℃で下方可燃限界以下に留まっていなければな
らない。一般に、このためには、有機物質成分の蒸気圧は１００℃で＜１００
ｔｏｒｒでなければならない。
【０１０８】 不燃性であることに加え、内燃機関の熱交換液として最も良く知られているグ
リコール／水の混合液は、４００℃から７００℃に至る温度範囲内で、ニッケル
ベースのスチームリフォーミング触媒の存在下において水素に富む改質油の流れ
に変換される。また、グリコール／水の混合液は、広い範囲に亘って水の濃度を
安定して保つ液体となるという利点を有する。したがって、グリコール／水の燃
料供給原料を適切に混合することによって水とグリコール・スチームリフォーマ
ーの適正な比率を得たうえで、この燃料供給原料を燃料タンクまたは貯蔵タンク
）に供給し、そこから燃料供給原料を適量ずつリフォーマーに送り込むことがで
きる。グリコール／水の混合液のもう一つの利点は、それが広い温度範囲にわた
って液状を保つことであり、またそれが大体において粘性の液体であることであ
る。グリコール／水の混合液は冷却剤として市販され、０℃を相当に下回る温度
でも、また一方ｌ００℃を相当に上回る温度でも液状を呈する。グリコール／水
の混合液は液状であるから、高い圧力まで効率的にポンプアップして、リフォー
マーに送ることができ、したがってスチームリフォーミングを高圧で実施するこ
とができる（最高圧力は５００ｐｓｉｇであるが、好ましいのは１００ｐｓｉｇ
ないし３００ｐｓｉｇ）。グリコール／水の混合液は粘度が高いため、ポンプ効
率が高くなる。特にギヤポンプ、ピストンポンプ、または遠心ポンプを使って高
圧燃料供給原料をリフォーマーに送る場合には効率が高い。粘度が高いと、ポン
プの湿った表面を通過した後の滑りが減少する。この滑りによって、ポンプはし
ばしばその最大使用差圧が制限されるのである。
【０１０９】 この発明の内蔵型燃料処理装置を実例で明らかにするため、図５で概略を図示
した燃料処理装置を製作し、運転した。図１２から１７で概略を説明した方法に
従って、管状金属膜（水素精製装置の第一段階）を製作した。水素浸透性金属箔
７０２を公称厚さ２５ミクロンのＰｄ−４０Ｃｕで構成した。膜は長さを約１５
ｃｍ（外径は２．８ｃｍ）とした。水素精製装置の第二段階の触媒メタン生成
装置は、外径１．８ｃｍの銅製管の中に収納し、この管を管状膜 ７００ の内径
の内側に挿入した。銅製メタン生成管の一端を管状膜エンドキャップ７３０の一
つでシールした。銅製メタン生成管のもう一つの端は、膜管の端部から約０．３
ｃｍの所で終わらせ、膜管７００の内側に浸透する水素が図３に概略を示すメタ
ン生成管の開放端部に自由に入るようにした。メタン生成管には「ＣＯとＣＯ2
のメタン生成作用を持つサポート・ニッケル組成である触媒Ｇ１−８０（ＢＡＳ
Ｆ）を満たした。
【０１１０】 燃料処理装置のリフォーミング部には、一般に＜３５０℃での水性ガス転化反
応のためにＢＡＳＦが販売している銅／亜鉛サポート触媒である触媒Ｋ３−１１
０を満たした。燃料処理装置の胴体、スパイラル燃焼管、およびエンドプレート
はすべてステンレス鋼製とした。胴体とエンドプレートの周りには、熱損失を低
減するための断熱材を巻いた。
【０１１１】 燃料処理装置は、メタノール／水の混合液を供給原料として用いて運転した。
メタノール／水の溶液は、４０５ ｍＬのメタノール（組織学的グレード、Ｆｉ
ｓｈｅｒ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ）に１８０ｍＬの脱イオン水を混ぜて調整した
。燃料処理装置を外部の電気抵抗ヒーターを用いて２００℃ないし３００℃まで
加熱した。一旦燃料処理装置が高温になったら電気ヒーターを切り、メタノール
／水の溶液を２００ ｐｓｉｇで燃料処理装置にポンプで送り込んだ。まず、メ
タノール／水の供給原料が蒸発し、次に蒸気がＫ３−１１０リフォーミング触媒
を通って水素に富む改質油を生成した。次に、二段階水素精製装置は改質油から
常圧で精製水素を抽出した。水素の枯渇したラフィネートは、上に説明したよう
に燃焼装置の方に流れた。このラフィネート・ガスが燃料処理装置の中で燃焼す
ることで燃料処理装置の温度は３００℃ないし３５０℃に上昇し、燃料処理装置
の運転開始後に必要になった熱のすべてを供給した。
【０１１２】 生成水素の純度をガス・クロマトグラフィで測定し、生成水素の流量を校正済
みガス流量計で測定した。生成水素を分析した結果、ＣＯは＜１０ｐｐｍ、ＣＯ 2 は＜１０ｐｐｍであることが確認された。生成水素の流量は２Ｌ／ｍｉｎ．で
あった。リフォーマーを外部加熱なしに６時間、このモードで運転し、この間に
実験を終了した。
【０１１３】 第二の例では、図１７〜１７に関連して概略を説明した方法により外径２．２
ｃｍのＰｄ−２５Ａｇ管状膜を製作した。Ｐｄ−２５Ａｇ箔は厚さが２５ミク
ロン、幅が７．０ ｃｍ、長さが１６ｃｍであり、銅製フレームは厚さが１２５
ミクロン、幅が８．３ｃｍ、長さが１７．８ｃｍであった。図１２〜１７で概略
を説明した溶接機と溶接方法を用い、パラジウム合金箔を鋼製箔フレームに接合
した。膜のサポートは外径２．２ｃｍの炭素鋼テンションスプリングであった。
このスプリングは通常０．２５ｃｍの直径を持つワイヤ一で製作したものである
。エンドキャップを上に説明した方法で膜の端部に蝋付けするか、場合によって
は、エンドキャップをグラファイトシールを使って膜管の端部にシールした。グ
ラファイトシールは、フレキシブル・グラファイト・テープ（幅１．３ｃｍ）を
膜管の周りに巻き付け、標準的な圧縮取り付け法で膜に押し付けてシールした。
【０１１４】 また別の例では、次のような一般的な方法を用いてプレートタイプの膜モジュ
ールを製作した。先に述べた超音波溶接機と溶接パラメータを用い、公称厚さが
２５ミクロン、幅が５．ｌｃｍ×５．１ｃｍの正方形の水素浸透性Ｐｄ−４０Ｃ
ｕ箔を、（公称厚さ１２５ミクロンの）銅製箔フレームに溶接した。鋼製箔フレ
ームは円形（直径８．９ｃｍ）をしており、図２０のように供給原料と浸透のた
めの切り抜き部を持つ。Ｐｄ−４０Ｃｕ膜を銅製フレームに溶接して膜組立品を
製作した後、溶接部を標準染色探傷試験によって検査し、漏れのないことを確認
した。
【０１１５】 鋼製浸透プレート（図２１）は厚さが０．３ｃｍ、直径が８．９ｃｍであった
。浸透プレートには、膜のサポート層を受け入れるための凹みを機械加工した。
この凹みは図２１に示すように膜と同じ寸法であり、浸透マニホルドチャンネル
に接続した。このサポート層は、浸透プレートに立てかけたステンレス鋼スクリ
ーン（７０×７０メッシュ）の第１層と、次に肉薄のＰｄ−４０Ｃｕ箔がもたれ
かかっているステンレス鋼スクリーン（２００×２００メッシュ）の第２層から
出来ていた。この粗いメッシュと細かいメッシュの組み合わせは、膜をあまり傷
つけることなく肉薄の膜を適切にサポートし、かつ浸透水素の横方向の流れには
許容範囲内の抵抗しか与えないために決定されたものである。
【０１１６】 ステンレス鋼スクリーンは、浸透プレートに一滴のシアノアクリル接着剤で取
り付け、接着剤はそのまま放置して乾燥させた。次に、２個の膜組立品を蝋付け
し、浸透プレートのそれぞれの大きな表面に１個の膜組立品を持つ１個の浸透プ
レートにした。蝋付けは、標準蝋付け合金（公称では銅が８０％、銀が１５％、
燐が５％）をリボンまたはペースト（粉状の蝋付け合金をペースト・バインダー
と混ぜる方法）工法で施工した。この蝋付け合金はＬｕｃａｓ‐Ｍｉｌｈａｕｐ
ｔ，Ｉｎｃ．（Ｃｕｄａｈｙ，Ｗｉｓｃ．）から購入した。膜の表面でＰｄ−４
０Ｃｕ蝋付け合金が有害なクリープを起こすのを防止するため、Ｎｉｃｒｏｂｒ
ａｚ Ｒｅｄ Ｓｔｏｐ−Ｏｆｆ Ｔｙｐｅ ＩＩ（Ｗａｌｌ Ｃｏｌｍｏｎｏｙ
Ｃｏｒｐ．，Ｍａｄｉｓｏｎ Ｈｔｓ．，Ｍｉｃｈ．）をＰｄ−４０Ｃｕ膜の縁
の周りにあてがった。次に、この組立品をスチール製の重り（約１．５ｋｇ）の
下の平らな面の下に置き、蝋付け炉の中で７５０℃まで加熱した。膜組立品とス
チール表面が蝋付け中に固着しないよう、膜と接するスチールの表面に剥離剤の
窒化ほう素を被覆塗布した。蝋付けは、真空状態で、窒素雰囲気の下で、または
還元ガス（酸化防止用）として低濃度のメタノールか水素を含む窒素流れの中で
のいずれかで行った。蝋付け温度として７５０℃を１５分間保った後で、冷却に
移った。
【０１１７】 エチレングリコール／水の混合液の不燃性を実証するため、次の実験を行った
。エチレングリコール（１．０ｍＬ）を２モル当量の水（０．６５ｍＬ）と混合
した。その結果得られた均質な液体は、下の反応式に見られるようにスチームリ
フォーミングにとって適正な組成である。 ＨＯＣＨ2ＣＨ2ＯＨ＋２Ｈ2Ｏ＝２ＣＯ2＋５Ｈ2 このエチレングリコールと水の溶液に、直接プロパン／空気トーチの炎をあて
た。エチレングリコール／水の溶液は燃えることなく、また燃焼し続けることも
なかった。
【０１１８】 もう一つ別の例では、６５ｍＬの消イオン水に１００ｍＬの試薬等級品（Ｆｉ
ｓｈｅｒ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ）を混合して水とグリコールを２：１のモル比
で調製し、均質な溶液を生成した。このエチレングリコール／水の溶液を作った
のは、以下に説明するように実験室規模の充填層触媒反応器の中で水素を製造す
るためである。
【０１１９】 この触媒反応器は、内径が２．５ｃｍ、長さが２２．９ｃｍのステンレス鋼製
の円筒形をした胴体から出来ていた。反応器はその中に市販の触媒Ｇ１−８０（
ＢＡＳＦ）の固定床を収納していた。これは、サポート付きニッケル・スチーム
リフォーミング触媒である。一定の長さのステンレス鋼管（直径０．３ｃｍ、長
さ約２５ｃｍ）を触媒反応器の一方の端に巻き、エチレングリコール／水の供給
燃料の予熱器と気化器の役割をさせた。触媒反応器の内部温度は、触媒床を通し
て挿入した熱電対を介して測定し、制御した。
【０１２０】 触媒反応器は、外部電気炉を使って５００℃まで加熱した。その後、まずエチ
レングリコール／水の供給燃料を２．５ｍＬ／分（液体流量）の割合で２時間か
けて触媒反応器に流し込み、次に純水素を常圧の下で４時間かけて触媒反応器の
中に通して流すことにより、Ｇ１−８０触媒を元の状態に還元した。スチームリ
フォーミング触媒の減少に続いて、エチレングリコール／水のフィードが常圧で
触媒反応器の中に入った。触媒反応器の温度は４００℃と５００℃との間で変化
した。生成したガスは、ガスクロマトグラフィ分析によれば、圧倒的に大半がＣ
Ｏ2とＨ2とによって占められた。未反応のエチレングリコール／水は、コールド
トラップに回収して、重量分析で定量した。また、生成物の流量は校正済みの流
量計を使って測定し、生成物への変換率を判定した。以上の実験結果は下の表に
要約する通りである。 温度（℃） 生成物の流量（Ｌ／分） 生成物への変換率（％） ５００＋／−５０ ３〜５ ９０〜９５ ４６５＋／−２５ ４〜５ ９０〜９５ ４００＋／−２５ ４〜５ ９３〜９８ 二段階水素精製装置を独立型水素精製装置として使用する場合の有用性を実証
するため、以下の実験を行った。
【０１２１】 図１２〜１７に説明する方法により、管状水素浸透性金属膜を製作した。この
膜は、公称厚さ２５ミクロンのＰｄ−２５Ａｇ箔から出来ており、外径が２．２
ｃｍ、長さが１５ｃｍであった。膜管の全長（エンドキャップを含む）はおよそ
２１ｃｍであった。この管状膜は精製装置の第一段階の役割を果たす。精製装
置の第二段階すなわちメタン生成触媒装置は、管状膜の内径に挿入した外径１．
５８ｃｍの銅製管に入っている。鋼製メタン生成管の一端は管状膜エンドキャッ
プでシールされている。鋼製メタン生成管の他方の端は膜管の端部から約０．３
ｃｍの所で終わり、膜管の内側に浸透する水素はメタン生成管の開放端部に自由
に流れ込むようになっている（この配置は図３にあり）。膜管には、ＣＯとＣＯ 2 のメタン生成に作用するサポート・ニッケル組成を持つ、触媒Ｇ１‐８０（Ｂ
ＡＳＦ）を満たした。
【０１２２】 この二段階水素精製装置を、電気抵抗ヒータの付いたステンレス鋼の胴体に収
め、水素精製装置を３００℃ないし３５０℃まで加熱し、メタノール／水の改質
油（水素が７０〜７５％、残りがＣＯとＣＯ2）を５０ｐｓｉｇでステンレス鋼
の胴体の中とＰｄ‐２５Ａｇ膜管の外表面上に通した。Ｐｄ‐２５Ａｇ膜を浸透
した後、メタン生成触媒を通過させて生成した常圧の水素を回収し、ガスクロマ
トグラフィで分析した。分析の結果、生成水素の含有するＣＯは＜２ｐｐｍ、Ｃ
Ｏ2は＜５０ｐｐｍであることが確認された。
【０１２３】 以上、水素精製装置内蔵スチームリフォーマーを図示し説明した。本発明のリ
フォーマーは、例えばメタノールと水の混合物、あるいは水素と水の混合物のよ
うな一つの供給原料を、水素リフォーミングをサポートする化学供給原料にも利
用し、またスチームリフォーミングを温度の面で十分にサポートする熱源として
も利用する。本発明は設計上、燃焼プロセスをサポートする燃料として十分な副
産物の流れを出てリフォーミング工程に利用できる最大量以下の量の水素を回収
する。本発明は、明確に区別できる二つの精製プロセスを採用する。第一に、膜
がバルク濾過工程として水素の流れを生成する。しかし、生成した水素の流れは
、それでも有害な不純物を含有している可能性がある。第二に、研磨工程が水素
の流れ中の有害不純物を、例えば燃料電池のような装置の作動に影響しない無害
な構成部品に変換する。特に有利な点は、これがスチームリフォーミング・プロ
セスで、比較的低廉な肉薄パラジウム合金膜の利用を可能にすることである。
【０１２４】 図２５において、フュエルプロセッサ又はリフォーマーの別の実施形態が示さ
れ且つ符号９０によって全体が示されている。既に説明した実施形態と同様に、
リフォーマー９００は、チューブ９０８を改質する少なくとも一つのスチームば
かりでなく、改質するスチーム９０４と燃焼９０６領域とを収容するシェル９０
２を含んでいる。図２５には、このようなチューブが３個示されており、それら
の各々がスチーム改質触媒９１０を含んでいる。ここに開示されたリフォーマー
の残りの部分と同様に、リフォーマー９００は、少なくとも一つのチューブを含
んでいてもよく、多数のチューブを含んでいるのが好ましいことが理解されるべ
きである。しかしながら、どの特定の実施形態においても、チューブの数は、リ
フォーマーのシェルの大きさのようなファクタ、水素生成の所望の速度及びシェ
ル内の付加的な要素の数に依存して変化させることができる。例えば、板形式の
膜モジュールが使用される場合には、改質チューブの側壁に隣接してより大きい
利用可能な空間が存在する。
【０１２５】 図２５に示されているように、各改質チューブ９０８の一部分９１１はシェル
９０２の外側に延びている。これによって、シェルを開く必要なくチューブ（及
びその中に含まれる改質触媒）にアクセスすることが可能である。この構造にお
いては、各端部９１１は、チューブの内側へのアクセスを許容するために選択的
に取り外し且つその後に交換してもよい。リフォーマー９００はシェル９０２内
に完全に収容されている改質チューブを含んでもよいので、改質チューブのため
のこの構造は、ここに開示された他のリフォーマーのどれと共にでも使用するこ
とができる。
【０１２６】 チューブ９０８は、内部燃焼マニホルド９１２から内側排気マニホルド９１４
へと通過し、最終的に出口９１６からリフォーマー９００を出て行く燃焼ガスに
よって加熱される。図２５においては、熱い燃焼ガスがマニホルド９１２と９１
４との間を通過するのを許容し、それによって、ガスがチューブ９０８の周囲を
流れるときに同チューブを加熱する複数の通路９１８が示されている。バーナー
９２０によって熱い燃焼ガスが生成される。初期の始動時に、バーナー９２０は
、点火プラグ９２２か又はここに開示されたその他の発火源のような適当な発火
源によって点火される。燃焼空気は、好ましくは大気圧か又はそれに近い圧力で
、燃焼ポート９２４からバーナー９２０内へと導入される。
【０１２７】 スチーム改質プロセスのための供給原料は、入口チューブ９２６からフュエル
プロセッサ９００内へ入れられ、フュエルプロセッサ９００の熱い燃焼領域９０
６内へと通過し、ここで前記供給原料は気化される。アルコール及び水を含む供
給原料を受け入れるために単一の入口チューブ９２６が使用されてもよいし、又
は、供給原料が水と炭化水素若しくはアルコールとの別個の流れからなる場合に
は、（ここに開示されているように）多数の別個の入口チューブが使用されても
良い。図２５に示されているように、入口チューブ９２６は、分配マニホルド９
２８内へ入る前にチューブ９０８の周囲を多数回回って延びているコイル９２７
を形成している。コイル９２７は、供給原料が分配マニホルド９２８に到達する
前に気化するのに充分な長さでなければならない。コイル９２７の回り道経路は
、一つの可能な経路を示す目的で図２５に示されていることは理解されるべきで
ある。重要な点は、コイルが、その中を通過する供給原料が分配マニホルド９２
８まで移動するときに同供給原料に伝わる熱によって気化されるのに十分な長さ
である、ということである。供給原料の気化を助けるために、多数のコイル状の
チューブを使用して、チューブの熱伝達表面積を効率良く増大させ、それによっ
て供給原料の気化を助けるようにしても良い。供給原料の気化は、板形式の気化
器を使用して達成することもできる。
【０１２８】 気化された供給原料は、分配マニホルド９２８からスチーム改質チューブ９０
８へと分配される。チューブ９０８が同様の大きさであるか又はほぼ等しい量の
供給を処理するようになされている場合には、供給原料は、マニホルド９２８に
よってチューブ間に均等に分配される。しかしながら、チューブが供給原料の種
々の流れを受け入れ且つ処理するようになされている場合には、供給原料は、別
な方法で比例させてもよい。
【０１２９】 改質チューブ９０８内で、供給原料は、触媒作用を受けて、水素の他に一酸化
炭素と二酸化炭素とを含む水素リッチ改質ガス流を生じる。生成された水素を精
製するために、フュエルプロセッサ９００は、改質ガス流がその中を通過する精
製モジュール（又は膜モジュール）９３０を含んでいる。ここに開示された水素
選択性金属（及び好ましくは、パラジウム合金）膜のうちのいずれかのような一
以上の水素−選択性の無機膜がモジュール９３０内に含まれている。膜モジュー
ル９３０は、既に説明したものを含むどのような適当な形状を含んでいても良い
。水素−選択性膜を浸透する水素は、該モジュールから出口ポート９３２を通っ
て研磨触媒床９３４内へと通過する。好ましくは、研磨触媒床は、浸透する流れ
の中の一酸化炭素及び二酸化炭素をメタンに変えるために、メタン生成触媒（図
示せず）を含んでいる。
【０１３０】 図２５に示されているように、研磨触媒床９３４は、外部シェル９０２の外側
に配置されており、ここで、高温シェル９０２からの放射熱及び熱伝導によって
加熱される。図示されているように、床９３４は、シェル９０２の外側表面９３
６に対向して横たわっている。しかしながら、床９３４は、研磨作用のために十
分な熱を受け取る限り、シェル９０２から少なくとも部分的に又は完全に隔置さ
れていてもよいことは、本発明の範囲に含まれる。研磨触媒床９３４は、メタン
生成触媒モジュール９３０から床内へと流れる高温の水素によって更に加熱され
る。最後に、精製された水素がチューブ９３８からリフォーマー９００を出て行
く。研磨触媒床をシェル９０２の外部に配置することによって、リフォーマー９
００は、そのシェル内に付加的な改質チューブを含んでいてもよいし、或いは、
シェルは、研磨触媒床を収容する必要がもはやないので、より小さくてもよい。
【０１３１】 ここで使用されている精製された水素とは、少なくとも実質的に水素ガスから
なる流れを指している。この流れは、研磨触媒床内で生成されたメタンのような
他の構成要素を含んでも良いが、規定された最少量（すなわち痕跡量濃度）未満
の燃料電池の有効性を害するか又は低下させる（一酸化炭素及び二酸化炭素のよ
うな）不純物を含んでいる。
【０１３２】 モジュール９３０内の水素−選択性膜を通過しない生成された水素ガスを幾分
含んでいる排気ガスは、フュエルプロセッサ９００を加熱するための燃料として
使用される。従って、（導管９４０からモジュール９３０を出て行く）水素−枯
渇したラフィネートの流れは、バーナー９２０内へと導かれる。既に説明したよ
うに、ラフィネートの流れ内の水素の濃度は、リフォーマー９００を所望の温度
範囲に維持するために充分な燃料ガスが存在するように、選択的に制御される。
【０１３３】 図２５は、ここに開示されたリフォーマーのいずれにおいて使用してもよい他
の本質的でない要素を図示している。例えば、図２５において、リフォーマー９
００は、導管９４０内の燃料ガスの圧力を監視するための圧力ゲージ９４２と、
圧力解除バルブ９４４と、通気バルブ９４６と、を更に有している。バーナーへ
の導管９４０内の燃料ガスの流れを制御し且つ改質領域に背圧をかけるバルブ９
４８及びリフォーマーの低温始動中に、水素、プロパン又は天然ガスのような（
既に生成され且つ貯蔵されるか又は外部発生源から供給される）始動燃料ガスの
流れもまた図示されている。
【０１３４】 図２６には、図２５のリフォーマーの変形例が示されており、全体が符号９５
０によって示されている。別な方法で支持されない限り、リフォーマー９００及
び９５０は、同じ構成要素及びサブコンポーネントを含んでいる。シェル９０２
内により大きい空間を提供し、それによって付加的な改質チューブ９０８がハウ
ジング内に収容されるのを許容するために、リフォーマー９５０は、シェル９０
２の外部に配置された気化コイル９５２を含んでいる。図示されているように、
コイル９５２は、シェル９０２の外側表面９３６の周りに巻き付けられている。
図２５に関して説明された研磨触媒床と類似したコイル９５２は、少なくとも部
分的に又は完全にシェル９０２から隔置されていても良い。この場合には、重要
なファクタは、供給原料が分配マニホルド９２８に到達する前に、同供給原料を
気化させるために、コイル内の供給原料に充分な熱が伝達されることは重要なフ
ァクタである。図２６に示された位置においては、コイルは、シェル９０２の熱
い表面からの放射熱及び熱伝導によって加熱される。
【０１３５】 図２６に示されたリフォーマーもまた、混合することができない供給原料をリ
フォーマーに入れるための構造を示している。図示されているように、リフォー
マー９５０は、入口チューブ９５４を含んでおり、この入口チューブ９５４を介
して、水の供給が受け入れられ且つ気化コイル９５２に供給される。入口チュー
ブ９５６を介して炭化水素又はアルコールの供給が受け入れられ、これは、リフ
ォーマーの入口チューブ９５８を介してリフォーマー内へと通過する前に、熱い
蒸気と混合される。組み合わされた供給原料の流れは、混合チャンバ９６０の一
方の端部内へと通過し、混合チャンバは、乱流を促進し、それによって気化され
た供給原料の混合を促進するために、任意の静止ミキサー又はパッキング（図示
せず）を含んでいる。混合され、気化された供給原料は、混合チャンバを出て行
き、分配マニホルド９６１へと供給され、この分配マニホルドは、次いで供給原
料を改質チューブへと供給する。
【０１３６】 エネルギ効率を増大させ且つリフォーマー９５０内の燃焼チャンバ温度を高め
るために、リフォーマー９５０は、改質油ガス流が膜モジュール９３０内へ入る
前にこの改質油ガス流を部分的に冷却するようになされた冷却チャンバ９６２を
含んでいる。図示されているように、改質油ガス流は、改質チューブ９０８を出
た後で膜モジュール９３０内へ入る前に、チャンバ９６２を通過しなければなら
ない。チャンバ９６２は、一対のポート９６４及び９６６を含んでおり、これら
のポートを通って燃焼空気が各々チャンバに入ったり出たりする。空気は、改質
油ガス流よりも冷たく、従って、改質油ガス流が膜モジュール内へ入る前に同改
質油ガス流を冷やす。この交換の際に、燃焼空気はバーナー９２０に入る前に加
熱される。
【０１３７】 リフォーマー９５０に関して説明された冷却チャンバ及び外側気化コイルは、
ここに説明したいずれのリフォーマー（又は燃料処理装置）と共に使用しても良
い。同様に、外部の研磨触媒床は、リフォーマーのシェル内の改質チューブの数
を増大させるために又はシェルの大きさを小さくするために、ここで説明したリ
フォーマーのいずれと共に使用しても良い。ここで説明したリフォーマーは、本
発明の特定の特徴を示すために示され且つ説明されたものであり、特定の部材又
は形状を、ここで説明したリフォーマーのいずれとも選択的に使用してもよいこ
とは理解されるべきである。
【０１３８】 既に説明した実施形態の多くにおいて、リフォーマー（又は燃料処理装置）の
端部板及び／又は膜モジュールは、ボルト及びガスケットによってリフォーマー
の残りの部分に固定されている。シェルが漏れないようにシールされ且つ動作中
等において不意に開かないように相互に固定される限り、いかなる他の形状の締
結機構及びシールを使用しても良いことは理解されるべきである。溶接及びその
他のより永久的な締結装置が適当な締結機構の範囲に含まれるけれども、例えば
、図２５及び２６に示されたボルトと及びナットのような選択的に取り外し或い
は再度取り付けることができる締結機構が好ましい。
【０１３９】 図２７には、燃料電池装置が図示されている。この装置は、燃料電池装置が図
示されている。この装置は、空気（酸素）と水素から電力を製造する燃料電池１
０１０と、種々の供給原料から水素を製造する（既に説明した蒸気リフォーマー
のいずれかのような）燃料処理装置と、を含んでいる。一般的に、前記燃料電池
は水の製造器であり、前記燃料処理装置１０１２は水の消費装置である。
【０１４０】 燃料電池１０１０は、陽子交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）であるのが好ましく
且ついわゆる自己加湿を含む空気及び／又は水素の内部加湿又は空気及び／又は
水素の外部加湿を利用することができる。燃料電池１０１０は、電力の他に副産
物である水及び副産物である熱を生成する。
【０１４１】 多くの供給原料は、限定的ではないが、炭化水素、アルコール及びエーテルの
ような炭素を含有する化合物を含む燃料処理装置１０１２を使用して水素を製造
するのに適している。アンモニアもまた、適切な供給原料である。燃料処理装置
１０１２は、スチームリフォーミングとして一般的に知られている方法によって
炭素含有供給原料を水と反応させることによって水素を製造するのが好ましい。
この場合に、燃料処理装置１０１２は、供給原料の他に水を消費する。部分酸化
及びオートサーマルリフォーミングのような供給原料から水素を生成するための
他の化学的方法もスチームリフォーミングと同様に使用することができる。
【０１４２】 図２７は、本発明の燃料電池装置のプロセスフローチャートを示している。燃
料電池又は燃料電池スタック１０１０は、燃料処理装置１０１２によって生成さ
れた水素を受け取る。燃料処理装置は、高温で貯蔵リザーバ１０１４からの供給
燃料と貯蔵リザーバ１０１６からの水とを反応させることによって、水素を生成
する。ポンプ１０２０は、供給原料をリザーバ１０１４から移動させ且つ同供給
原料を燃料処理装置１０１２へと給送する。同様に、ポンプ１０２１は、水をリ
ザーバ１０１６から移動させ且つこの水を蒸気１０２２として燃料処理装置１０
１２へと給送する。ポンプ１０２０及び１０２１は、供給燃料と水とを、大気圧
からほぼ３００ｐｓｉｇまでの範囲の圧力で、燃料処理装置へと給送する。
【０１４３】 燃料処理装置は２５０℃乃至１３００℃の高い温度で動作しなければならない
ので、燃料処理装置によって生成された水素は、最初は熱い。燃料処理装置から
の製品である水素の蒸気１０２３は、熱交換器１０２４及び熱い熱交換器表面の
上に冷たい大気を吹きかけるファン１０２６を使用して冷却される。ひとたび、
燃料電池の作動温度の近く又はそれ以下の温度（典型的には、約０℃と約８０℃
との間）まで冷却されると、製品としての水素は、燃料電池スタックのアノード
チャンバ１０２８へと通過せしめられる。
【０１４４】 空気の流れ１０２９は、ブロワー１０３２によって燃料電池１０１０のカソー
ドチャンバ１０３０に給送される。別の方法として、ブロワー１０３２の代わり
にコンプレッサを使用することもできる。適当なブロワーの例は、遠心ブロワー
である。なぜならば、これは作動中のノイズが低く且つ電力条件が低いからであ
る。しかしながら、遠心ブロワーは、一般的には、比較的低い給送圧力、典型的
には２ｐｓｉｇ未満、に限定される。より高い給送圧力のためには、線形コンプ
レッサを使用しても良い。線形コンプレッサは、比較的低い電力消費及び低ノイ
ズを特徴とするエレクトロメカニカル（ソレノイド）装置に基づくものである。
適当な線形コンプレッサの例は、Ｔｈｏｍａｓ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒｓ ＆
Ｖａｃｕｕｍ Ｐｕｍｐｓ（ウィスコンシン州、シボイガン）によって市販され
ているモデル シリーズ５２００である。
【０１４５】 燃料電池スタックの温度を上記したもののような受け入れ可能な限度内に維持
するために、冷却剤循環ループが使用される。冷却剤は、燃料電池スタックのカ
ソードチャンバとアノードチャンバとの両方を冷却する目的を果たす。この目的
のために、冷却剤循環ポンプ１０３４は、燃料電池スタックからの温かい冷却剤
を熱交換器１０３６内へと循環させる。ファン１０３８は、冷たい空気を熱交換
器１０３６の熱い表面に吹き付け、それによって、冷却剤の温度を下げる。冷却
剤は、イオンを除去した水、蒸留水又はエチレングリコール及びプロピレングリ
コールを含むその他の非伝導性で且つ非腐食性の液体とすることができる。
【０１４６】 圧力レギュレータ１０４０は、前記燃料電池１０１０のアノードチャンバ１０
２８に供給される水素の圧力が許容できる値に留まるのを確保する。殆どのＰＥ
Ｍ燃料電池に対するこの圧力の範囲は、大気圧と４気圧との間であり、大気圧と
約１．５気圧との間の圧力範囲が好ましい。燃料電池のアノードチャンバ内で水
素が消費され、これと同時に、水蒸気によって希釈される。従って、アノードチ
ャンバからの水素リッチガスの周期的な除去が必要とされる。排出バルブ１０４
２はこの目的を果たす。排出水素は、燃料電池に供給される全水素のうちの少量
、典型的には全体のほんの約１％乃至１０％に相当する。排出水素の流れ１０４
４は、図２７に示されているように、周囲に直接排気してもよいし、又は熱を生
成する目的若しくはその他の目的のために使用してもよい。この装置のいくつか
の実施形態においては、水素の流れ１０２３は、アノードチャンバ１０２８から
過度に連続して流されて、前記排出バルブ１０４２の必要性を排除しても良い。
いくつかの液体の水は前記排出水素の流れ１０４４に引きずられても良いので、
前記引きずられた液体の水を分離し且つ収集する目的で任意的な水突出装置を排
出流れ４４内に配置してもよい。過剰な空気は、カソードチャンバ１０３０を通
って連続的に流される。典型的には、空気の流量は、燃料電池によって作られる
電流の大きさを支持するための酸素の化学量論的な条件の２００％乃至３００％
であるが、この範囲外の流量も同様に使用することができる。酸素が消耗された
空気は、流れ１０５２としてカソードチャンバ１０３０から排出される。流れ１
０５２は、回収のために利用可能な実質的な水を液体及び蒸気の両方として含ん
でいる。流れ１０５２は、典型的には、水蒸気によって飽和され、一例として、
全体の水の約３分の１以上が自由に凝縮されて液体の水にとなっていても良い。
この装置の一つの実施形態においては、流れ１０５２は、最初に、液体の水を酸
素が消耗された空気及び水蒸気から分離する突出装置１０５４の中を通過する。
液体の水の流れ１０５６は、前記突き出し装置１０５４から流れ出し、この液体
の水は水リザーバ１０１６内に集められる。突き出し装置１０５４を出て行く気
相の流れ１０５８は、酸素が消耗された空気及び水蒸気を含んでいる。
【０１４７】 流れ１０５８は、（燃料処理装置がスチームリフォーミングに基づいている場
合には）燃料処理装置の満足すべき作動のために必要とされる熱を発生するため
に、又は（燃料処理装置が部分的な酸化若しくはオートサーマルリフォーミング
に基づく場合には）供給原料の部分的酸化のための酸化剤（酸素）を供給するた
めに、燃料処理装置内の燃焼を支持する目的で燃料処理装置１０１２内に導かれ
る。流れ１０５８は燃焼のために使用されるべきものであるので、突出装置１０
５４内の液体の水の分離を援助するため以外に流れ１０５８又は流れ１０５２を
冷却する基本的な理由はない。
【０１４８】 依然として図２７を参照すると、燃料処理装置１０１２は、上記したリフォー
マーのいずれかのようなスチームリフォーマーであるのが好ましい。低温始動中
に燃料処理装置１０１２を最初に加熱するために、プロパン又は天然ガスのよう
な適切な燃料が供給源１０６０から燃料処理装置へと供給される。燃料は、燃料
処理装置が供給原料のスチームリフォーミングを開始するのに充分な高温になる
まで、燃料処理装置１０１２内で燃焼される。スロットルバルブ１０６２は、こ
の低温始動中に燃料処理装置へのプロパン又は天然ガスの流れを調整する。
【０１４９】 燃焼排気ガスの流れ１０６４は、水蒸気を負わせられた高温のガスの流れとし
て燃料処理装置を出て行く。燃焼排気の流れ１０６４内の水蒸気は、基本的に２
つの発生源、すなわち、燃料を燃焼の副産物として及び空気の流れ１０５８の構
成要素としての発生源を有する。燃焼排気の流れ１０６４から水を回収し且つ排
気の流れから熱を回収することは望ましい。凝縮器１０６６はこの目的を果たす
。高温で湿った排気の流れ１０６４は、凝縮器１０６６内へと通過し且つ冷たい
流体の流れ１０６８を使用して冷やされる。２０℃近辺又はそれ以下の温度の流
れが有効であることが分かった。液体の水は、凝縮し且つ液体の流れ１０６９と
して凝縮器１０６６から流れ出し、水リザーバ１０１６内に集められる。
【０１５０】 冷たい流体の流れ１０６８は、熱い排気の流れ１０６４を凝縮器１０６６内に
通すという方法によって温められる。例えば、冷たい外気は、流れ１０６８とし
て作用し且つ住宅に関する用途、商業用途又は工業用途において空間の加熱の目
的のために加熱されてもよい。別の方法として、低温の水は、流れ１０６８とし
て作用することができ且つ家庭内又は工程の熱い湯として使用するために加熱し
てもよく、又は熱い湯は、空間の加熱又はその他の加熱用途のために使用しても
よい。更に別の実施形態は、限定的ではないが、エチレングリコール及びプロピ
レングリコールを含む空気又は水以外の冷たい流体が流れ１０６８の役目を果た
すことである。
【０１５１】 ひとたび、燃料処理装置１０１２が供給原料をスチームリフォーミングするの
に適した温度に達すると、供給水及び供給原料は前記燃料処理装置へと圧送され
る。メタノールに対しては、この温度は少なくとも２５０℃であるべきであり、
少なくとも４５０℃の温度及び好ましくは少なくとも６００℃の温度がほとんど
の炭化水素供給原料に対して使用される。スチームリフォーミング作用は、上記
したような燃料処理装置内で精製されるのが好ましい水素リッチ改質油ガス混合
物を生成する。純粋な製品である水素の流れ１０２３は、既に説明したように、
燃料電池へと通される。水素の精製装置によって受け入れられない水素が消耗さ
れた流れ１０７５は、スロットルバルブ１０７８を通過せしめられて、前記燃料
処理装置１０１２を加熱するための燃焼のための燃料として使用される。この時
点で、燃料処理装置１０１２の作動中に、低温始動のために使用されたプロパン
又は天然ガスの供給はもはや必要なく、燃料の供給は遮断される。
【０１５２】 図２８は、低温始動中に、プロパン又は天然ガスではなく液体燃料の燃焼によ
って燃料処理装置１０１２が加熱される一体化された燃料電池装置の別の実施形
態を示している。液体燃料は、ディーゼル、ガソリン、灯油、エタノール、メタ
ノール、ジェット燃料又はその他の燃焼可能な液体とすることができる。低温始
動の際に、液体燃料は、ポンプ１１０２を使用して貯蔵供給源１１００から取り
出される。ポンプ１１０２から排出された液体燃料は、適切なノズル又は噴射に
よって、燃料処理装置１０１２内の燃焼領域内へと入れられ、そこで、燃料は空
気と混合され且つ燃焼されて前記燃料処理装置を加熱する。液体燃料は、燃焼を
助けるために、燃料処理装置１０１２内へ噴射される前に気化されるか又は霧化
される。
【０１５３】 燃料処理装置１０１２の低温始動に関する燃料処理装置のもう一つ別の実施形
態が図２９に示されている。この場合には、低温始動は、燃料処理装置１０１２
内での水素燃料の燃焼によって達成される。特に良好に適合した水素燃料を貯蔵
する方法の例は、金属水酸化物である。金属水酸化物は、次いで、貯蔵容器１１
５０として機能する金属水酸化物の貯蔵床を含んでいる。
【０１５４】 金属水酸化物は、気体状の水素と平衡状態にある（F.A. Lewis, "The Palladi
um Hydrogen System" Academic Press, 1967;及びG. Alefeld J Volklによって
編集された"Hydrogen in Metals I: Basic Properties", Springer-Verlag, 197
8 （これらの開示はその参照番号を記すことによって本明細書に組み入れられ
ている）を参照）。所与の金属水酸化物を覆う水素ガスの平衡圧力は、金属水酸
化物と装置の温度との化学的合成物との関数である。従って、金属水酸化物を覆
う水素の平衡圧力が約１５℃乃至２２℃の温度で０ｐｓｉｇ（大気圧）と１０ｐ
ｓｉｇとの間にあるように、金属水酸化物の化学合成物を選択することが可能で
ある。金属水酸化物系の温度を高めることによって、金属水酸化物を覆う水素の
平衡圧力が高くなる。
【０１５５】 図２９を参照し且つ図示する目的で、貯蔵リザーバ１１５０は、適当な量の金
属水酸化物を含んでおり且つ金属水酸化物床と呼ばれている、と仮定する。低温
始動中に、燃料水素の流れ１１５２は、水酸化物貯蔵床１１５０から吸い出され
、隔離バルブ１１５４を通過した後に燃料処理装置１０１２内へ入れられ、そこ
で前記水素燃料が燃焼されて燃料処理装置を加熱する。燃料水素は、貯蔵床１１
５０から吸い出され、前記貯蔵床内の気体水素の圧力は低下し始め、床は温度が
下がり始める（金属水酸化物床内の水素貯蔵の技術における当業者によく知られ
ている現象）。これらの傾向を打ち消すために、温かい燃焼排気流１０６４が金
属水酸化物貯蔵床１１５０内に流されて同金属水酸化物床が加熱される。次いで
、新しい冷たい排気が、冷たい排気流１１５８として温められた金属水酸化物床
１１５０から出て行く。これによって、気体水素の圧力を貯蔵床１１５０から水
素のほとんど（ほぼ全て）を排出するのに充分な高さに維持することができる。
【０１５６】 この装置の代替え的な実施形態は、電気抵抗ヒーター及び貯蔵床１１５０を直
接加熱するための水素又はその他の燃料の燃焼を含む金属水酸化物床１１５０を
加熱するための他の適当な発生源を利用しても良い。
【０１５７】 燃料処理装置１０１２の低温始動を完了し、燃料処理装置によって水素が製造
されつつある後に、隔離バルブ１１５４は閉じられ、水酸化物貯蔵床１１５０が
水素によって再充電されて次の低温始動のために準備されるであろう。貯蔵床１
１５０の再充電は、前記製品水素流が熱交換器１０２４内を通過することによっ
て冷却された後に、精製された製品水素流１０２３から水素スリップ流１１６０
を取り上げることによって達成される。この水素再充電動作中に、副産物である
熱は、このような如何なる公知の機構によって、水素貯蔵床１１５０から除去さ
れる。メインテナンスを容易にするために、任意の隔離バルブ１１６２が水素ス
リップ流１１６０内に配置されている。
【０１５８】 本発明のこの実施形態の利点は、燃料処理装置１０１２の低温始動に必要とさ
れる燃料は、前回の装置作動期間から得られた清浄な燃焼水素であるという点で
ある。従って、始動目的のためのプロパン又はディーゼルのような補助燃料を周
期的に再度供給する必要がなく、前記補助燃料のための大きな外部貯蔵リザーバ
を備える必要もないという点である。
【０１５９】 図３０は、燃料電池装置のもう一つ別の実施形態を示している。この実施形態
においては、清浄な水素の流れ１０４４は、突出装置１０５４及びコンデンサ１
０６６によって最終的に戻されるべき付加的な水を発生する目的で燃焼器１２０
０内へ通される。燃焼器１２００は、触媒作用性のものであっても良いし又は非
触媒作用性のものであっても良い。清浄な水素の流れ１０４４の燃焼を補助する
ための空気は、既に説明したように酸素は消耗されているが全くないわけではな
いカソード排気流１０５２によって供給される。燃焼器１２００からの単一の出
口は、清浄な水素の流れ１０４４を燃焼させた結果として水（蒸気又は液体）内
に富んでいる排気流１２０２である。
【０１６０】 本発明のもう一つ別の実施形態においては、清浄な水素１０４４の燃焼からの
水の回収の他に熱が回収される。図３１に示されているように、燃焼器１２００
は、燃焼器１２００内の清浄な水素の流れ１０４４の燃焼によって発生された熱
を回収し且つ使用する目的のために、熱交換器１２５０に結合されている。熱交
換器１２５０は、燃焼器１２００の外部に熱伝導性のフィンを含んでいても良い
し、又は、熱交換流体は、燃焼器１２００と熱交換器１２５０との間に通されて
もよい。熱交換流体は、自然対流に基づいて循環されても良く、又は循環ポンプ
によって強制的に循環されても良い。回収された熱を利用するために、適切な冷
たい流体の流れが熱い熱交換器の上を通過せしめられる。このような適切な冷た
い流体の流れの一つは空気であり、この場合には、ファン１２５２が熱交換器１
２５０の上に冷たい空気の流れを吹き付けて、空気の流れの温度の増加を生じさ
せる。その他の適切な冷たい流体としては、限定的ではないが、水、エチレング
リコール、プロピレングリコール並びに燃料処理装置１０１２に供給されるべき
供給燃料及び供給水の両方がある。
【０１６１】 有用な熱もまた、燃料処理装置１０１２から回収することができる。図３２は
、この熱の回収を示している燃料電池装置の一つの実施形態を示している。熱交
換器１３００は、燃料処理装置１０１２の高温の燃焼領域から熱を取り出す。図
３２に示されているように、燃料処理装置１０１２と熱交換器１３００との間で
熱伝達流体を循環させるためにポンプ１３０２を使用してもよいし、又は前記熱
伝達流体の循環は自然に起こる対流に基づいても良い。別の方法として、熱交換
器１３００は、熱処理装置の熱い領域に配置された一連の熱伝導性のフィンを含
んでいてもよい。熱の回収及び使用のために、適当な冷たい流体が熱い熱交換器
１３００の上を通過せしめられる。このような適切な冷たい流体は、ファン１３
０５によって供給される空気の流れであっても良い。この場合には、前記空気の
流れは、熱い熱交換器１３００の上を通過せしめられることによって、加熱され
る。他の適当な冷たい流体の流れとしては、限定的ではないが、水、エチレング
リコール及びプロピレングリコールがある。
【０１６２】 装置のもう一つ別の実施形態が図３３に示されている。デュアル−ヘッドポン
プ１３５０は、リザーバ１０１４からの供給燃料とリザーバ１０１６からの供給
水との両方を燃料処理装置１０１２へ供給する。デュアル−ヘッドポンプ１３５
０は、単一の駆動モーターによって駆動される２つのポンプヘッド 含んでいて、両方のポンプヘッドがポンプモーターの全体の作動スピード範囲に
亘って同じスピードで駆動されるようになされている。各供給燃料と供給水の圧
送速度は、デュアル−ヘッドポンプ１３５０内の各々のキャビティの排除量によ
って決定される。例えば、スチームリフォーミングに対して望ましいように、供
給燃料に対する供給水の固定された比率を保つために、デュアル−ヘッドポンプ
は、二つのポンプヘッドの排除体積の比率が３：１であるギヤポンプとしてもよ
い。従って、より大きな容積型ポンプヘッドが供給水を燃料処理装置に供給し、
より小さい容積型ポンプヘッドが供給燃料（例えば、液体炭化水素）を供給する
場合には、次いで、供給水の流量は、燃料処理装置内への供給燃料の流量の３倍
であろう。この比率は、二つのポンプヘッドの各々の排出体積によって固定され
且つ両方のポンプヘッドが同じ駆動モーターによって同じスピードで駆動される
ので、デュアル−ヘッドポンプによって達成可能な供給率の前記範囲に亘って本
質的に一定である。適切なタイプのデュアルヘッドとしては、限定的ではないが
、ギヤポンプ、ピストンポンプ、膜ポンプ及び蠕動ポンプがある。
【０１６３】 燃料電池装置のもう一つ別の実施形態は、供給水が燃料処理装置内へ導入され
る前に供給水の流れ１０２２を予め加熱するために、熱い製品水素流１０２３を
利用している。図３４に示されているように、供給水の流れ１０２２は逆流熱交
換器１４００に入る。熱い製品水素流１０２３もまた、逆流熱交換器１４００内
へと流れ込む。供給水の流れ及び水素の流れは、互いに隔離されているが、熱交
換器１４００内を通る間に熱い水素の流れが冷却され、熱交換器１４００内を通
る間に供給水の流れが温められるように熱的に接触している。図３４に示された
本発明の装置が使用されるときには、製品水素流１０２３は、燃料電池の作動温
度（典型的には約４０℃乃至約６０℃の間）又はその近辺まで冷却されるのが好
ましい。
【０１６４】 燃料電池１０２８のための冷却ループ内で許容可能な水の純度を維持すること
は、ＰＥＭＦＣ装置の好結果の作動のための重要な点である。この目的を達成す
るために、しばしば、燃料電池製造者は、ＰＥＭＦＣ冷却ループの全ての湿った
表面のためにステンレス鋼を特定する。これは、特に、ステンレス鋼からなるラ
ジエータ（熱交換器）は高価であり、ステンレス鋼の熱伝導率は比較的低く、サ
イズが大きいので、著しく高価なものとなる。
【０１６５】 図３５は、燃料電池の冷却ループを通してステンレス鋼からなる構成部品を使
用する必要性を克服して、それによって前記冷却ループの性能を改良し且つコス
トを低減した、この装置の実施形態を示している。この目的は、この装置の作動
中に冷却水がイオン交換器内を通過するように冷却ループ内にイオン交換された
床１４５０を配置することによって達成される。冷却水の全てか又は冷却水の一
部分がイオン交換床内を通過せしめられる。目的は、冷却水内のイオン（陽イオ
ン及び陰イオンの両方）濃度を低く維持することであるので、イオン交換床１４
５０は、陽イオン交換樹脂と陰イオン交換樹脂との両方を含んでいなければなら
ない。
【０１６６】 冷却水のスリップ流がイオン交換床１４５０の中を通過せしめられる場合には
、前記スリップ流の流量は、冷却水内に十分低いイオン濃度を維持するような大
きさである。冷却水は、典型的には、ＰＥＭＦＣ内の帯電せしめられた面の上を
通過するので、冷却水がイオン及び非イオン成分に関して超高純度であることは
本質的ではない。
【０１６７】 燃料処理装置内のスチームリフォーミング触媒が触媒の力をなくし且つ効力が
なくなることがないように、燃料処理装置１０１２内で使用されるべき供給水内
の純度の許容可能なレベルを維持することもまた重要である。図３６は、イオン
及び有機物の汚染物質の供給水を精製するために、供給水１０２２内に配置され
た活性炭床１５００及びイオン交換床１５０２を示している。この精製された供
給水の流れ１５１０は、次いで、燃料処理装置１０１２内へ入れられる。活性炭
床１５００は、供給水の流れ１０２２から有機不純物を除去する。このような有
機不純物は、限定的ではないが、燃料処理装置１０１２から排気され且つコンデ
ンサ１０６６への排気の流れ１０６４内に担持され且つそこから凝縮された液体
水の流れ１０６９内へ運ばれる燃焼副産物を含む種々の供給源から発生される。
イオン交換床１５０２は、陽イオン交換樹脂と陰イオン交換樹脂との両方を含ん
でおり、それによって、供給水の流れ１０２２から陽イオン及び陰イオンの両方
を除去する。供給水のイオン汚染物質は、限定的ではないが、排気の流れ１０６
４を搬送している燃焼排気ライン、コンデンサ１０６６、水リザーバ１０１６へ
の凝縮した液体水の流れ１０６９を搬送しているライン及び水リザーバ１０１６
内の金属の湿った面の腐食を含む種々の発生源から発生するかもしれない。イオ
ン交換床１５０２を組み込むことによって、特に耐腐食性ではないが、装置の上
記した湿った部品に対して良好な熱伝導性及び比較的低いコストを示し、それに
よってコンデンサ１０６６の性能を改良し且つ装置のコストを低減することが可
能になる。
【０１６８】 以上、本発明を好ましい形態で開示したけれども、ここに開示され且つ図示さ
れた本発明の特別な実施形態は、限定的な意味に考えられるべきではなく、多く
の変形例が可能である。出願人は、本発明の主題を、ここに開示された種々の要
素、特徴、機能及び／又は特性の全ての新規で且つ自明ではなくコンビネーショ
ン及びサブコンビネーションを含むものであると考えている。ここに開示された
実施形態の単一の特徴、機能、要素又は特性は本質的ではない。特許請求の範囲
は、新規であり且つ自明でないと考えられているある種のコンビネーション及び
サブコンビネーションを規定している。現在のクレームを補正することにより又
は本出願又は関係する出願において新しいクレームを提出することによって、特
徴、機能、要素及び／又は特性のこれ以外のコンビネーション及びサブコンビネ
ーションを請求することができる。このようなクレームもまた、それらが、より
広いか、より狭いか又は元のクレームの範囲に等しいかに拘わらず、本願の主題
に含まれると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、本発明の一方式に基づく燃料電池および水素精製機能内蔵スチームリ
フォーマーを含むエネルギー変換システムの全体像を表したものである。
【図２】 図２は、図１の水素精製機能内蔵スチームリフォーマーの同心円筒構造体の模
式図である。
【図３】 図３は、図１の水素精製機能内蔵スチームリフォーマーの断面図を示したもの
である。
【図４】 図４は、共通燃焼部の内部に多数のリフォーマーチューブを配置した、本発明
のスチームリフォーマーの代案構造体の模式図である。
【図５】 図５は、燃焼システムをリフォーメーション部の内部に配置するよう変更を加
えた、本発明に基づく水素精製機能内蔵スチームリフォーマーの模式図と部分断
面図である。
【図６】 図６は、蒸発チャンバを別置きにした、本発明に基づく水素精製機能内蔵スチ
ームリフォーマーの一つの実施例の模式図と部分断面図である。
【図７】 図７は、本発明に適用でき、その長さ方向に全般的に均一な温度勾配を持たせ
ることのできる燃焼システムの模式図である。
【図８】 図８は、図７の燃焼システムの温度勾配を従来の温度勾配と比較した図である
。
【図９】 図９は、本発明に基づきつつ、プレート・膜要素を採用した、別の形式の水素
精製機能内蔵スチームリフォーマーの図である。
【図１０】 図１０は、膜・エンベロープ・プレートを含む図９のスチームリフォーマーの
プレート・膜・モジュールの分解図である。
【図１１】 図１１は、図１０の膜・エンベロープ・プレートの分解図である。
【図１２】 図１２は、本発明に基づく製作工程を採用した場合の管状金属膜モジュールの
構成部品と、管状膜モジュールの製作における組立工程を図示したものである。
【図１３】 図１３は、本発明に基づく製作工程を採用した場合の管状金属膜モジュールの
構成部品と、管状膜モジュールの製作における組立工程を図示したものである。
【図１４】 図１４は、本発明に基づく製作工程を採用した場合の管状金属膜モジュールの
構成部品と、管状膜モジュールの製作における組立工程を図示したものである。
【図１５】 図１５は、本発明に基づく製作工程を採用した場合の管状金属膜モジュールの
構成部品と、管状膜モジュールの製作における組立工程を図示したものである。
【図１６】 図１６は、本発明に基づく製作工程を採用した場合の管状金属膜モジュールの
構成部品と、管状膜モジュールの製作における組立工程を図示したものである。
【図１７】 図１７は、本発明に基づく製作工程を採用した場合の管状金属膜モジュールの
構成部品と、管状膜モジュールの製作における組立工程を図示したものである。
【図１８】 図１８は、蒸発チャンバーを別置きにしプレート状モジュールを採用した、本
発明に基づくスチームリフォーマーのもう一つの実施例の斜視部分破断図である
。
【図１９】 図１９は、図１８のスチームリフォーマーの断面図である。
【図２０】 図２０は、図１８と図１９のスチームリフォーマーの膜モジュールの構成部品
を示したものである。
【図２１】 図２１は、図１８と図１９のスチームリフォーマーの膜モジュールの構成部品
を示したものである。
【図２２】 図２２は、直列の供給ガス流構造を提供する、図１８と図１９のスチームリフ
ォーマーの膜モジュール用構成部品スタックを図示したものである。
【図２３】 図２３は、並列の供給ガス流構造を提供する、図１８と図１９のスチームリフ
ォーマーの膜モジュール用構成部品スタックを図示したものである。
【図２４】 図２４は、膜モジュール内部加熱用排気プレートを組み込んだ、図１８と図１
９のスチームリフォーマーの膜モジュール用構成部品スタックを図示したもので
ある。
【図２５】 本発明によるスチームフォーマーの別の実施形態の断面図である。
【図２６】 図２５リフォーマーの変形例の断面図である。
【図２７】 低温始動中に燃料処理装置を加熱するために、プロパン又は天然ガスが燃料と
して使用される燃料電池装置のプロセスフローチャートである。
【図２８】 低温始動中に燃料処理装置を加熱するために、液体燃料が使用される燃料電池
装置のプロセスフローチャートである。
【図２９】 低温始動中に燃料処理装置を加熱するために、貯蔵された水素が使用される本
発明の実施形態である。
【図３０】 回収及び使用のための付加的な水を提供するために、燃料電池のアノードチャ
ンバから抜き取られた水素が燃焼せしめられる燃料電池装置のプロセスフローチ
ャートである。
【図３１】 回収及び使用のための付加的な熱及び水を提供するために、燃料電池のアノー
ドチャンバから抜き取られた水素が燃焼せしめられる燃料電池装置のプロセスフ
ローチャートである。
【図３２】 高度な熱が燃料処理装置から回収される本発明の実施形態である。
【図３３】 供給燃料及び水の両方を燃料処理装置へ供給する２つのポンプヘッドを同時に
駆動するために単一のモーターが使用されるデュアルポンプヘッドを含む本発明
の別の実施形態を示している。
【図３４】 燃料処理装置を出て行く熱い水素との熱交換によって燃料処理装置に供給する
前に供給燃料か供給水かのどちらかを予め加熱するようになされた本発明の更に
別の実施形態を示している。
【図３５】 プロセス水の低い導電性を維持するために一以上のイオン交換床を含んでいる
、本発明の更に別の実施形態を示している。
【図３６】 燃料処理装置内へ射出する前に供給水を精製するためにイオン交換床及び活性
炭床が使用されている、燃料電池装置のためのプロセスフローチャートを示して
いる。
【手続補正書】
【提出日】平成１３年１２月６日（２００１．１２．６）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (31)優先権主張番号 ０９／２９１，４４７ (32)優先日 平成11年４月13日(1999．4．13) (33)優先権主張国 米国（ＵＳ） (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，Ｅ Ａ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ， ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，Ｇ Ｅ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ， ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，Ｍ Ｎ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ， ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，Ｚ Ａ，ＺＷ Ｆターム(参考） 4G040 EA02 EA03 EA06 EB03 EB14 EB16 EB31 EB33 EB35 EB42 EB43 EB44 FA02 FB04 FC01 FE03 4G140 EA02 EA03 EA06 EB03 EB14 EB16 EB31 EB37 EB39 EB42 EB43 EB44 FA02 FB04 FC01 FE03 5H027 AA02 BA01 BA09 BA16 CC03 CC06 KK42

Claims (38)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 外側面及び加熱されたリフォーミング領域を有し、リフォー
    ミング供給燃料を受け入れるようになされたシェルと、 前記供給燃料を受け入れ、同供給燃料を、水素、一酸化炭素及び二酸化炭素を
    含むリフォーミング製品の流れに変換するようになされたリフォーミング触媒を
    含む、リフォーミング領域と、 前記リフォーミング触媒と流体連通している水素選択性の膜を含み且つ同膜を
    通過するリフォーミング製品の流れの一部分からなる浸透する流れと、同膜を通
    過しないリフォーミング製品の流れの一部分からなる副産物の流れと、を形成す
    るようになされた、水素精製モジュールと、 メタン生成触媒を含む研磨触媒床であって、同研磨触媒床は、前記水素精製モ
    ジュールと流体連通しており且つ同水素精製モジュールから浸透する流れを受け
    入れ且つ同浸透する流れ内の二酸化炭素及び一酸化炭素の濃度を、メタンを生成
    するために触媒反応によって各々の規定された最小濃度以下に下げ、それによっ
    て、水素、メタン並びに規定された最小濃度以下の一酸化炭素及び二酸化炭素を
    含む製品流を形成するようになされた、研磨触媒床と、を含むスチームリフォー
    マー。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載のリフォーマーであって、 前記研磨触媒床が、燃焼チャンバに熱的に結合され且つ流体的には隔離されて
    いる、リフォーマー。
  3. 【請求項３】 請求項１の記載のリフォーマーであって、 前記研磨触媒床が、シェルの外部に配置されている、リフォーマー。
  4. 【請求項４】 請求項３に記載のリフォーマーであって、 前記研磨触媒床が、前記シェルの外側表面と熱的連通状態を保ちながら同シェ
    ルの外側表面から少なくとも部分的に隔置されている、リフォーマー。
  5. 【請求項５】 請求項１に記載のリフォーマーであって、 当該リフォーマーを加熱するための熱を発生させるために、空気と共に燃料の
    流れを受け入れ且つ同燃料の流れを燃焼させるようになされた燃料チャンバを更
    に含む、リフォーマー。
  6. 【請求項６】 請求項５に記載のリフォーマーであって、 前記燃料の流れが少なくとも部分的に副産物の流れからなる、リフォーマー。
  7. 【請求項７】 請求項５に記載のリフォーマーであって、 前記研磨触媒床が、少なくとも実質的に燃料チャンバ内に配置される、リフォ
    ーマー。
  8. 【請求項８】 請求項５に記載のリフォーマーであって、 前記燃焼チャンバが、燃料電池から排出されたカソード空気流からの燃焼を補
    助するための空気を受け入れる、リフォーマー。
  9. 【請求項９】 請求項５に記載のリフォーマーであって、 前記燃焼チャンバが酸化触媒を含んでいる、リフォーマー。
  10. 【請求項１０】 請求項５に記載のリフォーマーであって、 前記燃焼チャンバがバーナーを含んでいる、リフォーマー。
  11. 【請求項１１】 請求項５に記載のリフォーマーであって、 前記リフォーミング供給燃料が、製品の流れの少なくとも一つ及び前記燃焼チ
    ャンバからの排気流との熱交換によって、前記リフォーミング領域内へ通過する
    前に予め加熱される、リフォーマー。
  12. 【請求項１２】 請求項１１に記載のリフォーマーであって、 前記リフォーミング供給燃料が、製品の流れの少なくとも一つ及び前記燃焼チ
    ャンバからの排気流との向流熱交換によって、前記リフォーミング領域内へ通過
    する前に予め加熱される、リフォーマー。
  13. 【請求項１３】 請求項１に記載のリフォーマーであって、 同リフォーマーが、前記リフォーミング触媒床に供給される前に、液体相の供
    給燃料を受け入れ且つ気化させるようになされた、リフォーマー。
  14. 【請求項１４】 請求項１３に記載のリフォーマーであって、 前記リフォーミング触媒に供給する前に前記供給燃料が通過せしめられる導管
    を含み、更に、前記供給燃料は、同導管内にある間は、前記リフォーミング領域
    と接触しないように維持され、しかも前記リフォーミング領域と熱的に連通して
    いる、リフォーマー。
  15. 【請求項１５】 請求項１４に記載のリフォーマーであって、 前記導管が前記リフォーミング触媒床内を少なくとも部分的に貫通して延びて
    いる、リフォーマー。
  16. 【請求項１６】 請求項１４に記載のリフォーマーであって、 前記導管が、前記供給燃料とリフォーミング領域との間の向流熱交換を可能に
    する、リフォーマー。
  17. 【請求項１７】 請求項１３に記載のリフォーマーであって、 リフォーマーが、前記供給燃料が前記リフォーミング触媒床へ供給される前に
    通過せしめられる導管を含んでおり、前記導管内にあるときには、前記供給燃料
    は、燃焼チャンバと接触しない状態に維持され、しかも同燃焼チャンバと熱的流
    通状態に維持される、リフォーマー。
  18. 【請求項１８】 請求項１に記載のリフォーマーであって、 前記リフォーマーが、前記供給燃料が受け入れられ且つ前記リフォーミング領
    域に入る前に気化される、リフォーマー。
  19. 【請求項１９】 請求項１８に記載のリフォーマーであって、 前記気化領域が、前記リフォーミング領域よりも高い温度に維持される、リフ
    ォーマー。
  20. 【請求項２０】 請求項１８に記載のリフォーマーであって、 前記気化領域が、前記シェルと熱的流通状態に維持されつつ、部分的に前記シ
    ェルの外部に配置されている、リフォーマー。
  21. 【請求項２１】 請求項１８に記載のリフォーマーであって、 前記気化領域が混合チャンバを含み、前記リフォーミング供給燃料の第１の気
    化された成分が、前記リフォーミング供給燃料の第２の少なくとも部分的に液体
    相の成分と混合される、リフォーマー。
  22. 【請求項２２】 請求項２１に記載のリフォーマーであって、 前記混合チャンバが、同混合チャンバを通る成分の乱流を促進するための手段
    を含んでいる、リフォーマー。
  23. 【請求項２３】 請求項１に記載のリフォーマーであって、 前記リフォーマーが、更に、前記リフォーミング領域及び水素精製モジュール
    と流体連通している冷却チャンバを更に含み、同冷却チャンバが、前記水素精製
    モジュールへ入る前に前記リフォーミング製品流を受け入れ且つ冷却剤の流れと
    の熱交換によって製品の流れの温度を低減するようになされている、リフォーマ
    ー。
  24. 【請求項２４】 請求項２３に記載のリフォーマーであって、 前記冷却剤の流れが空気の流れである、リフォーマー。
  25. 【請求項２５】 請求項２４に記載のリフォーマーであって、 前記冷却剤の流れが、燃焼チャンバと流体連通している空気の流れである、リ
    フォーマー。
  26. 【請求項２６】 請求項１に記載のリフォーマーであって、 前記水素選択性の膜が、パラジウム及びパラジウム合金のうちの少なくとも一
    つからなる、リフォーマー。
  27. 【請求項２７】 請求項１に記載のリフォーマーであって、 前記供給燃料が、水と、アルコール及び炭化水素のうちの少なくとも一つと、
    からなる、リフォーマー。
  28. 【請求項２８】 請求項１に記載のリフォーマーであって、 前記リフォーミング触媒床の一部分が、シェルの外部に延びている、リフォー
    マー。
  29. 【請求項２９】 請求項２８に記載のリフォーマーであって、 前記リフォーミング領域が、複数のリフォーミング触媒床を含んでいる、リフ
    ォーマー。
  30. 【請求項３０】 請求項２９に記載のリフォーマーであって、 前記リフォーマーが、更に、リフォーミング供給燃料を受け入れ且つ同リフォ
    ーミング供給燃料を前記複数のリフォーミング触媒床へ分配するようになされた
    分配マニホルドを含んでいる、リフォーマー。
  31. 【請求項３１】 請求項１に記載のリフォーマーであって、 前記製品流内の水素の量が、理論的に得られる水素の量より少ない、リフォー
    マー。
  32. 【請求項３２】 請求項３１に記載のリフォーマーであって、 前記製品流内の水素の量が、理論的に得られる水素の約５０％と約８０％との
    間である、リフォーマー。
  33. 【請求項３３】 規定された最小レベル未満の一酸化炭素及び二酸化炭素の
    濃縮物を含む水素を製造するための方法であって、 蒸気とアルコール蒸気及び炭化水素蒸気のうちの少なくとも一つとからなるリ
    フォーミング供給燃料を受け取ることと、 水素、一酸化炭素及び二酸化炭素を含むリフォーミング製品の流れを製造する
    ために、前記リフォーミング供給燃料をリフォーミング触媒床に供給することと
    、 膜を通過するリフォーミング製品の流れの一部分を含む浸透する流れと、前記
    膜を通過しなかったリフォーミング製品の流れの一部分を含む副産物の流れと、
    を製造するために、前記リフォーミング製品の流れを、水素選択性の膜を含む水
    素精製モジュールへと通過させることと、 前記リフォーミング製品の流れを、メタン生成触媒を含む研磨触媒床内に通過
    させて、前記浸透する流れ内の一酸化炭素及び二酸化炭素の少なくとも実質的な
    部分を、メタンに変換し、それによって、水素、メタン並びに所定の最小レベル
    未満の一酸化炭素及び二酸化炭素の濃縮物を含む製品の流れを精製することと、
    を含む方法。
  34. 【請求項３４】 請求項３３に記載の方法であって、 前記リフォーミング触媒床を、約２００℃と約７００℃との間の温度まで加熱
    することを更に含む、方法。
  35. 【請求項３５】 請求項３４に記載の方法であって、 前記リフォーミング触媒床を、約２００℃と約７００℃との間の温度まで加熱
    し且つ維持するために、空気によって副産物の流れを燃焼させることを更に含む
    、方法。
  36. 【請求項３６】 請求項３３に記載の方法であって、 前記製品の流れの少なくとも一部分及び燃焼チャンバからの排気流との熱交換
    によって、反応ステップに先立ってリフォーミング供給燃料を予め加熱すること
    を更に含む、方法。
  37. 【請求項３７】 請求項３３に記載の方法であって、 前記リフォーミング製品流を前記水素精製モジュールへの供給に先立って少な
    くとも部分的に冷却することを更に含む、方法。
  38. 【請求項３８】 請求項３７に記載の方法であって、 前記冷却が、燃焼チャンバのための空気の供給との熱交換によってなされる、
    方法。
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