JP2003137507A - 液体炭化水素混合物を改質する方法及び装置並びに該装置の使用 - Google Patents

液体炭化水素混合物を改質する方法及び装置並びに該装置の使用

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 炭化水素混合物が、ガス状反応体と接触され
かつ反応される前に、最初に完全に気化され、望ましく
ない残留物、例えばすす又はタールを形成することな
く、液体炭化水素混合物を改質する方法。 【解決手段】 改質器系として、その際、気化室及び少
なくとも２つの反応室からなる少なくとも２つの改質器
室を有する装置を利用することができ、その場合に、液
体炭化水素のための計量供給手段が気化室の領域に、及
びガス状反応体のための導入手段が少なくとも２つの改
質器室の間の領域に配置されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、標準状態下に液体
の炭化水素混合物を改質する方法並びにこの方法を実施
するための装置に関する。更に、本発明は、燃料電池を
有する乗り物におけるこの装置の使用に関する。
【０００２】
【従来の技術】炭化水素混合物を、水蒸気改質、部分酸
化又はオートサーマル改質(autothermer Reformierung)
を用いて改質し、かつその際、水又は水含有混合物の添
加により水素含有ガスを得ることは、技術水準から原則
として公知である。その場合、通常、改質は反応器中で
行われ、その際、エダクトに加えて、改質プロセスを促
進する触媒が反応器中に存在している。
【０００３】しかしながら、現在、炭化水素混合物の改
質の際に、改質反応器−以下で改質器と呼ぶ−に供給さ
れた炭化水素混合物の完全な、特に残留物不含の改質が
困難になるという問題点が提起される。技術水準の多数
の改質法及び改質器の場合に、改質プロセスの経過に不
利な残留物及び堆積物が生じる。これらは、炭化水素の
クラッキング生成物、特に元素状炭素、例えばすす又は
タールを含有する堆積物である。これらの残留物は、次
いで、その作用及び寿命に深刻な欠点を伴う触媒の損傷
をまねくか、又はそれどころか改質器の閉塞をまねく。
【０００４】この問題には、技術水準において、一般
に、改質すべき炭化水素−反応体−混合物のできるだけ
均質な調製又はコンディショニングにより対処すること
が試みられる。
【０００５】ドイツ連邦共和国特許出願公開(DE-A1)第1
4 42 991号明細書(Chemical Construction Corp.)に
は、例えば、ナフサの連続的改質法が記載されており、
これによって、望ましくない元素状炭素を含有する残留
物及び堆積物、例えばすす又はタールの形成が防止され
る。その際、まず先に３つの反応体であるナフサ、水蒸
気及び空気は、互いに別個に気化され、次いで少なくと
も５３５℃の温度で合して一つにされ、かつガスコンデ
ィショニング室に供給され、そこでナフサの一部は既に
変換される。その際、コンディショニング室中の反応混
合物の滞留時間は、重大であり、かつ正確に調節されな
ければならない、それというのも、長すぎる滞留時間の
場合に、望ましくない残留物を形成するからである。コ
ンディショニング室から、反応混合物は、反応を完全に
するために接触改質ユニットに供給される。改質反応
は、ほぼ定量的に、かつとりわけ望ましくない残留物を
形成せずに進行する。しかしながら、この方法について
は、極端に高い温度及び不経済で効率の低下した熱エネ
ルギーの取扱いが不利である。しかし、とりわけ、コン
ディショニング室中の反応混合物の正確に調節すべき滞
留時間が不利である、それというのも、このことは、絶
えず変化する負荷条件の場合に、例えば自動車分野にお
ける方法の使用を不可能にするからである。
【０００６】ドイツ連邦共和国特許出願公開(DE-A1)第1
99 55 892号明細書(Daimler-Chrysler)には、炭化水素
の残留物不含の変換を可能にする、長鎖炭化水素含分を
有する炭化水素混合物の改質法が開示されている。その
際、炭化水素混合物は、好ましくは酸素含有ガスと一緒
に第一の反応室中へ噴射導入され、かつそこで既に部分
的に非触媒作用により変換される。この第一の反応生成
物は、次いで、付加的な炭化水素を含有していてよい水
含有反応体と混合され、かつ第二の反応室中で接触改質
される。その上、方法の実施に適した反応器が記載され
ている。方法及び反応器は、連続運転、炭化水素のほぼ
残留物不含の変換及び改質反応の個々の段階の熱的及び
空間的な分離を可能にする。後者の態様は、それぞれ最
適な温度での個々の改質反応段階の実施を可能にする。
【０００７】前記の残留物問題を克服するための更なる
手がかりは、ドイツ連邦共和国特許出願公開(DE-A1)第1
99 56 378号明細書(DaimlerChrysler)に開示されてい
る。その中で、炭化水素混合物を改質するための原燃料
の導入方法が提案されており、その場合に、原燃料の供
給、混合及び加熱は、多段階の配置で連続して行われ、
その際、加熱は、熱い原燃料自体の供給により実行され
る。この熱い原燃料流へ導入される炭化水素混合物は、
それによりほぼ即座に極めて高い温度に至り、これによ
って、個々の炭化水素フラクションの不利で遅延された
気化が回避される。その上、方法の実施に適した反応器
が記載されている。
【０００８】炭化水素混合物中に含まれる炭化水素の不
均質な気化は、前記の望ましくない残留物の形成の原因
であると見なされる。例えば、ベンジンは、本質的に、
主として１３５℃を下回る沸点を有し、７〜１０個の炭
素原子を有する線状、分枝状及び環式のアルカンからな
る混合物からなり、かつディーゼル油は、同じようなア
ルカンからなるが、しかし１８０〜３７０℃の範囲内の
より高い沸点を有する。そのような混合物が気化する場
合に、炭化水素は順番にそれらの沸点に応じて気化し、
それもまず最初に最も低い沸点を有する炭化水素及び最
後に最も高い沸点を有する炭化水素が気化する。反応
体、例えば空気酸素とのその後の反応の際に、炭化水素
は次いで、また順番に、即ちそれらの沸点に応じて：低
沸点炭化水素がまず最初に、高沸点炭化水素が最後に、
反応する。結果として、気化した炭化水素の反応の最初
には、反応体、例えば酸素の過剰供給が存在し、反応の
過程で反応体の供給及び反応条件が絶え間なく変化し、
かつ反応の最後には、反応体の過小供給が存在すること
になる。結果として、反応室中の不均質な条件になる。
条件が最初は酸化的（燃焼）であるのに対して、反応室
の幾つかの領域内での反応の最後には、熱分解的（熱分
解）又はそれどころか還元的（水素化）でありうる。結
果として、クラッキング生成物の不利な発生になる。そ
の際、極めて高分子量の、難揮発性炭化水素化合物、例
えばタールの発生又はそれどころか粒子状生成物、例え
ば元素状炭素（すす）の発生が特に不利である。
【０００９】
【特許文献１】ドイツ連邦共和国特許出願公開(DE-A1)
第14 42 991号明細書
【特許文献２】ドイツ連邦共和国特許出願公開(DE-A1)
第199 55 892号明細書
【特許文献３】ドイツ連邦共和国特許出願公開(DE-A1)
第199 56 378号明細書
【特許文献４】ドイツ連邦共和国特許出願P10020089.3
【特許文献５】ドイツ連邦共和国特許出願P10020088.5
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の課題
は、炭化水素混合物がほぼ定量的に、かつ本質的に望ま
しくない残留物を形成せずに変換されることによって、
標準状態下に液体の炭化水素混合物を改質する方法を提
供することである。更に、本発明の課題は、本方法を実
施するための装置を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、この課
題は、請求項１に記載された方法により解決される。
【００１２】課題の解決は、最適な混合物調製、即ち、
炭化水素及び反応体からなる最適に均質化された混合物
が、全ての混合すべき成分がガス状で存在する場合にの
み達成されることができるという認識に基づいている。
即ち、特に、改質すべき、標準状態下に液体の炭化水素
混合物が、反応体との混合前に、完全に、それも本質的
に熱分解が生じない条件下で、気化されなければならな
いということである。
【００１３】従って、本発明の第一の対象は、次の方法
段階を有する液体炭化水素混合物の改質方法である：ま
ず最初に、液体炭化水素混合物は、連続的にかつ計量供
給して準備される。
【００１４】次に続く第二の方法段階において、液体炭
化水素混合物は、本質的に完全に、しかし十分に分解せ
ずに気化される。
【００１５】その後、気化した炭化水素混合物は、少な
くとも１つのガス状反応体と接触される。
【００１６】引き続いて炭化水素及び反応体からなる得
られたガス状混合物は反応される。
【００１７】その際に得られた反応混合物は、その後に
新たに少なくとも１つの反応体と接触されてよく、かつ
その後に反応されてよい。これらの方法段階は、こうし
てしばしば、望み通りにか又は必要ならば、繰り返され
ることができる。
【００１８】次に続く最後の方法段階において、得られ
た改質ガス(Reformatgas)は、その使用へと導かれる。
【００１９】その際、液体炭化水素混合物は、本質的に
１つ又はそれ以上の炭化水素からなり、標準状態（標準
圧力＝１０１３mbar；標準温度２７３Ｋ）下に液体の混
合物であると理解される。このための例は、市販の燃
料、例えばベンジン又はディーゼル油である。
【００２０】炭化水素混合物の連続的なかつ計量供給し
て準備するのに適した方法は、例えば事前に公開されて
いないドイツ連邦共和国特許出願P 10020089.3(Daimler
Chrysler)及びP 10020088.5(DaimlerChrysler)に記載さ
れている。その際、高頻度−不連続的に運転する方法、
いわゆる準−連続的な方法も適している。これらの方法
の場合に、それぞれ２つの物質準備過程の間の時間間隔
は、生じる不連続的な物質流が、使用される反応器の慣
性に基づきこれから連続的であると認められるように短
い。
【００２１】計量供給して準備するとは、本発明の範囲
内で、正確にはかり取られた量の液体炭化水素混合物が
準備されることであると理解される。
【００２２】本質的に完全な気化に関しては、本発明の
範囲内で、９８質量％を上回り、好ましくは９９質量％
を上回り、特に１００質量％の液体炭化水素混合物が、
液体状態から気体状態へ移行されることであると理解さ
れる。
【００２３】十分に分解せずに気化するとは、気化室の
出口での気相が、その入り口での液相と本質的に同一の
化学組成を有することを意味している。好ましくは、９
８質量％を上回り、特に９９質量％を上回り、まさに特
に１００質量％の双方の相が、同一の化学組成を有する
べきである。気化の概念は、本発明において、ガス化(G
asifizieren oder Vergasen)の概念とは厳密に異なる。
この概念は、固体からガスへの化学変換であると理解さ
れる。
【００２４】標準圧力下に、分解のない気化は、本発明
によれば最大６００℃の気化室内の温度で達成されるこ
とができる。しかしながら、温度は、好ましくは２００
〜５００℃の範囲内、特に３００〜４００℃の範囲内で
ある。改質器が加圧下に運転される場合には、炭化水素
混合物の沸騰温度は、相応してより高くにある。この場
合に、気化室内の温度は、これらが上記の温度範囲の上
限のより近くにあるように選択されなければならない。
【００２５】反応体には、本明細書に記載された改質法
の範囲内で、例えば水、空気又はそれ以外の酸素含有ガ
ス混合物及び純酸素、好ましくは水及び空気が属する。
本発明において、これらの反応体は、ガス状で使用され
る。これは、特に、反応体である水にとって、それが水
蒸気の形で使用されることを意味する。
【００２６】本明細書に記載された改質法の生成物は、
いわゆる改質ガスである。これは、更なる反応生成物、
例えばＣＯ２及びＣＯ、しかしまたエダクトに由来する
不純物、例えばＮ２、並びにＨ２Ｏも含有するか若しく
は含有していてよいＨ２に富むガスである。改質が完全
になされた後に、変換されないか又は部分的にのみ変換
された炭化水素の含有量は、本発明によれば低く、かつ
２質量％未満、好ましくは１質量％未満、特に０．１質
量％未満である。
【００２７】改質ガスは、最終的にはその使用へと導か
れる。これは、最終的にはその使用目的、例えば燃料電
池用の燃料として供給される前に、場合によりなお１つ
又はそれ以上の精製段階にかけられるか又はその他の方
法で後処理されることを意味する。
【００２８】本発明による方法の場合に、使用される液
体炭化水素混合物は、ほぼ定量的に、かつ望ましくない
残留物、例えばタール又はすすを本質的に形成せずに改
質される。しかしながら、本発明による方法は、なお別
の利点を有する。
【００２９】例えば、改質反応の全てのエダクトの気体
状態により、その混合の際に、特に良好な完全混合及び
少なくとも１つのガス状反応体から炭化水素混合物への
特に良好な熱伝達が達成されることができる。結果とし
て、反応混合物の特に均質な調製になる。このことは、
既に前記のように、改質の際のクラッキング−副反応の
制限ひいては望ましくない残留物の形成に有利な影響を
及ぼす。
【００３０】必要なエネルギー投入は、本発明による方
法の場合に、ガス状反応体が、例えば後接続された改質
ガス消費装置、例えば燃料電池の排熱を用いて加熱され
る場合に、利点を伴い更になお低下することができる。
この場合に、周知のように特に高い効率を有するエネル
ギー−熱−結合様式が存在する。
【００３１】本発明の別の利点は、以下で説明の適した
箇所で挙げられる。
【００３２】本発明による方法の好ましい実施態様にお
いて、液体炭化水素混合物は、熱エネルギーの供給によ
り気化する。気化には、確かに、少なくとも炭化水素混
合物の気化エンタルピーの供給で原則として十分である
が、しかし更に好ましくは、少なくとも改質反応に必要
な熱エネルギーを供給することである。
【００３３】各化学反応及び各化学的方法のように、本
発明による改質法も、特定の温度範囲内の運転温度範囲
でのみ、実施されることができるか、若しくは運転され
ることができる。その際、本発明の別の利点は、本発明
による方法が、比較的低い温度で実施されることができ
ることである。本発明によれば適した運転温度範囲は、
もちろん使用される圧力に依存し、これは、希望又は必
要次第で、周囲圧力ないし１０barまでであってよい。
更に、運転温度は、全ての反応室中で同じである必要は
なく、むしろ、反応室から反応室へとまちまちであって
よい。改質器が周囲圧力下に運転される場合には、運転
温度は１０００℃までであってよい。しかしながら、好
ましくは、これは３００〜９００℃、特に４００〜８０
０℃である。このことは、一方ではより僅かなエネルギ
ー投入を意味し、かつ他方では有利には改質の際のクラ
ッキング−副反応の制限に影響を及ぼす、それというの
も、本発明によれば低い運転温度の場合に熱分解−反応
がまだ行われないからである。
【００３４】十分に温かいガス状反応体がまだ存在しな
い開始段階において適した運転温度の達成のためには、
必要とされる熱エネルギーは、好ましくは電気加熱のた
めの少なくとも１つの手段により供給される。
【００３５】適した運転温度の達成の際、若しくは達成
後に、系には、次いで必要とされる熱エネルギーは、好
ましくはガス状反応体の少なくとも１つにより供給され
る。
【００３６】本発明による方法は連続的方法である。そ
の際、物質流は、気化室−１つ／複数の反応室の方向で
生じる。本発明による方法の好ましい実施態様におい
て、一方では熱源−電気加熱又はガス状反応体−間の熱
伝達を促進するため、若しくは他方では炭化水素混合物
とガス状反応体との均質な完全混合を促進するために、
この物質流中で渦運動を生じさせる。
【００３７】本発明による方法の特に好ましい実施態様
は、本方法のオートサーマル操作にある。その際、次の
方法段階が用意されている：まず最初に、液体炭化水素
混合物は、連続的にかつ計量供給して準備される。
【００３８】次いで、液体炭化水素混合物は、本質的に
完全に、しかし十分に分解せずに気化される。
【００３９】第三の方法段階において、気化した炭化水
素混合物は、水蒸気と接触され、かつ生じる混合物は、
第四の方法段階において、少なくとも部分的に改質され
る。
【００４０】引き続いて、得られた、少なくとも部分的
に改質された混合物は、酸素含有ガス混合物、好ましく
は空気と接触され、かつ改質は、引き続いて第六の方法
段階において完全になされる。
【００４１】その後、得られた改質ガスは、その使用へ
と導かれる。
【００４２】本発明による方法の別の特に有利な形態
は、液体炭化水素混合物が水蒸気改質されることにあ
る。その際、次の方法段階が用意されている：まず最初
に、液体炭化水素混合物は、連続的にかつ計量供給して
準備される。
【００４３】次いで、炭化水素混合物は、本質的に完全
に、しかし分解せずに気化され、かつ第三の方法段階に
おいて水蒸気と接触される。
【００４４】引き続いて、得られたガス状炭化水素−水
蒸気−混合物は、反応される。
【００４５】その後、得られた改質ガスは、その使用へ
と導かれる。
【００４６】本発明の第二の対象は、請求項９の特徴部
の特徴により定義されているような、本発明による方法
を実施するための装置である。これは、もちろん、前記
の本発明による方法を実施するのに特に適しているが、
しかし原則として、これは他の方法の場合にも利用され
ることができる。
【００４７】本発明による装置は、改質器系を含み、そ
の際、改質器系は、１つの容器に配置された少なくとも
２つの改質器室を有し、かつ改質器室は、１つの気化室
及び少なくとも１つの反応室を含む。更に、液体炭化水
素混合物を連続的に計量供給して導入するための手段−
以下で計量供給手段と呼ぶ−が設けられており、並びに
ガス状反応体を導入するための手段−以下で導入手段と
呼ぶ−が設けられている。本発明による装置の特徴は、
計量供給手段が、気化室の領域内に設けられており、か
つ導入手段が、少なくとも２つの改質器室の間の領域内
に設けられていることである。
【００４８】適した計量供給手段は、例えば既に前記
の、事前に公開されていないドイツ連邦共和国特許出願
P 10020089.3(DaimlerChrysler)及びP 10020088.5(Daim
lerChrysler)に記載されている。その際、高頻度−不連
続的に運転する手段、いわゆる準−連続的な手段も適し
ている。これらの手段は、不連続的な物質流を生じさ
せ、その場合に、それぞれ２つの導入過程の間の時間間
隔は、生じる不連続的な物質流が、改質器系の慣性に基
づきこれから連続的であると認められるように短い。
【００４９】計量供給して導入するとは、本発明の範囲
内で、計量供給手段を用いて、炭化水素流、即ち単位時
間当たりの気化室へ導入される炭化水素量の正確な調節
を可能にすることであると理解される。
【００５０】計量供給手段を気化室の領域内に、及び導
入手段を少なくとも２つの改質器室の領域内に配置する
ことにより、計量供給手段及び導入手段の空間的な分離
が達成され、これが、反応体の１つとの接触前に、炭化
水素混合物の別々の導入及びその本質的に完全な気化の
前提条件を成し遂げる。
【００５１】本発明の別の利点は、本発明による装置
が、本発明による方法の連続的な又は少なくとも準−連
続的な実施を可能にすることにある。更に、改質器中の
比較的高い流動速度が可能であり、かつ炭化水素を計量
供給して導入することにより、変化する要求、例えば負
荷変動又はそのようなものへの改質器系の極めて迅速な
調節が可能である。これらの利点は、特に、移動用途の
分野において、例えば燃料電池駆動を有する乗り物で有
用である。
【００５２】本発明の別の利点は、技術的にあまり労せ
ずに、これを用いて、本発明は実現されることができ
る。これと結びついているのは、比較的少ない費用であ
る。
【００５３】本発明による装置の好ましい一実施態様に
おいて、導入手段の少なくとも１つが、気化室と後接続
された隣接する第一の反応室との間に設けられている。
【００５４】更に、好ましくは、気化室が、それに隣接
する後接続された第一の反応室と、熱伝導して接触して
いる場合である。それにより、気化室と反応室との間に
入るガス状反応体は、それが相応して高い温度を有する
場合に、気化室をその裏面から加熱しかつこうして気化
室に気化に必要な熱エネルギーを供給することができ
る。同様に同時に、こうして、気化室に隣接する第一の
反応室は一緒に加熱される。
【００５５】更になお、好ましくは、互いに接して隣接
する全ての改質器室が互いに熱伝導して接触している場
合である。それにより、最適な利用及び改質器系へ供給
されたか又は遊離する熱エネルギーの分配が可能であ
る。
【００５６】本発明による装置内を運動する物質の完全
混合を促進するため及びこうして改質器中でできるだけ
均質に調製された混合物を生じさせるために、本発明に
よる装置の別の一実施態様において、好ましくは、少な
くとも１つの改質器室、好ましくは全ての改質器室内
に、物質流を渦動させる(Verwirbeln)ための手段−以下
で渦動手段(Verwirbelungsmittel)と呼ぶ−が設けられ
ていることである。この渦動手段は、透過性の開口部又
はスペースを有する物体であり、これにより物質流は貫
いて運動することができ、その際、乱流が形成される。
【００５７】物質流は、その際、改質器系内を運動する
全ての物質の流れであると理解される。これらの物質に
は、例えば導入された液体炭化水素混合物、その蒸気、
導入されたガス状反応体、反応生成物及び全ての生じる
混合物が含まれる。
【００５８】改質器系へ供給された熱エネルギーの分
配、即ち温かい物質流から加熱すべき物質流への熱輸送
を促進するために、本発明による装置の別の同様に好ま
しい一実施態様において用意されているのは、渦動手段
が、熱伝導性材料、好ましくは金属又は合金からなるこ
とである。
【００５９】更になお、好ましくは、渦動手段が、針
金、特に針金編物又は針金メッシュからなる場合であ
る。この場合に透過性の開口部は、ワイヤメッシュの間
のスペースによって形成される。これらの針金編物又は
針金メッシュは、特に良好な渦動及び特に良好な熱交換
を可能にする大表面積を有するという利点を有する。
【００６０】なおより好ましい実施態様において、渦動
手段の透過性の開口部の平均直径−これは針金編物の場
合に例えばメッシュサイズである−は、流動方向で増大
している。このことは、物質流の体積が、ガス状反応体
の導入により流動方向で増大しているという事実を考慮
している。有利には、それにより、物質流の妨害、例え
ば停滞又はそれどころか所望の流動方向の反転は、回避
される。
【００６１】本発明の更になお好ましい一実施態様は、
反応器容器の電気加熱のための少なくとも１つの手段を
用意する。これは、好ましくは１つ又はそれ以上の抵抗
加熱、特に１つ又はそれ以上のグロープラグである。
【００６２】１つ又はそれ以上のグロープラグが使用さ
れる場合には、例えば市販のグロープラグが使用される
ことができる。このための例は、ディーゼルエンジンの
起動過程に使用されるグロープラグである。
【００６３】電気加熱のための手段は、好ましくは渦動
手段の領域内に配置されるが、しかし、これが電気伝導
性の渦動手段である場合には、短絡を回避するために、
電気絶縁されなければならない。絶縁として、特に市販
の熱伝導性セラミック管が適している。
【００６４】反応器容器の電気加熱のための１つ又は複
数の手段は、原則としてそれぞれ任意の合理的な方法で
渦動手段内に配置されてよい。利点と共に、これ若しく
はこれらは、全ての改質器室が同時に加熱されることが
できるように、配置される。この有利な配置は、改質反
応の全ての、別々に供給されたエダクトに対する熱エネ
ルギーの供給を可能にする。
【００６５】本発明の第三の対象は、燃料電池を有する
乗り物における本発明による装置の使用である。その
際、乗り物の駆動のための燃料電池系における使用が好
ましい。同様に好ましくは、乗り物に電気エネルギーを
付加的に供給するための燃料電池系、特にいわゆる補助
動力源、ＡＰＵにおける使用である。駆動及び電気エネ
ルギーの付加的な供給のための本発明による装置の組み
合わされた使用を目的とする燃料電池系における使用も
また該当する。
【００６６】本発明の教示を、有利なようにして形態を
与え、かつ再構成する多様な可能性を与える。そのため
には、一方では、特許請求項１、９及び２１に従属した
請求項及び他方では図に基づく本発明の３つの実施例の
その後の説明が参照される。
【００６７】
【実施例】図１ａに模式的に表された装置１は、液体炭
化水素混合物のオートサーマル改質に利用される。装置
１は、反応器容器２を含み、その中で３つの改質器室３
は直列接続されている。改質器室は、気化室４並びに２
つの反応室５を含む。装置は、その上に反応器容器２の
壁と改質器室３の境界との間に配置されている絶縁８、
及び渦動手段９を有する。当該の実施例において、渦動
手段９は針金メッシュからなり、そのメッシュサイズは
流動方向で増大している。
【００６８】改質すべき炭化水素混合物は、計量供給手
段６を経て反応器容器２へ導入され、かつこれを、改質
器室３を貫流した後で、出口管路１０を経て去る。従っ
て、計量供給手段及び出口管路１０は、反応器容器２の
向かい合っている面上に配置されている。反応器容器２
へ入った後に、炭化水素混合物は、まず最初に気化室４
に達する。そこで、加熱され、かつ本質的に完全に、し
かし分解せずに気化される。気化室４と第一の反応室５
との間の領域内に配置されている導入手段７を経て、改
質器系に、少なくとも１つのガス状反応体、好ましくは
水蒸気が供給される。ガス状反応体は、気化室４をその
裏面から加熱し、第一の反応室５をその表側の面から加
熱し、かつ気化した炭化水素混合物と混ざり合い、その
際、ガス状反応体と炭化水素混合物との間の更なる熱伝
達が、その熱平衡まで行われる。混合及び熱分配は、渦
動手段９により促進される。しかしながら、混合及び熱
分配は、気化室４と反応室５との間、並びに双方の反応
室５の間のスペースでも既に行われる。
【００６９】生じる反応混合物は、次いで第一の反応室
５へ入り、かつそこで第一の改質段階の支配を受ける。
第二の導入手段７は、第一の反応室と第二の反応室５と
の間の領域内に配置されている。この第二の導入手段７
を経て、改質器系に、同様に少なくとも１つのガス状反
応体、好ましくは空気が供給される。このガス状反応体
は、第一並びに第二の反応室５を加熱し、かつ第一の反
応室５中に生じた反応混合物と混ざり合う。その際生じ
る反応混合物は、第二の改質段階の支配を受け、それに
より改質反応が完全になされる。生じた改質ガスは、最
終的には反応器容器２から出口管路１０を経て去る。
【００７０】図１ａにおいて、改質器室３はそれぞれ、
１つのスペースにより互いに分離されている。しかしま
た、改質器室が、例えば直接互いに接していてよく、又
は例えば管路系を介してか又は例えば熱伝導性の隔壁を
介して互いに結合していることも可能である。これらの
スペースの領域内に、同様に渦動手段は、９に類似して
設けられていてよい。
【００７１】図１ａからの当該の実施例において、全て
の改質器室３は互いに熱伝導して接触しており、かつ全
ての改質器室は、熱伝導する渦動手段９を有する。それ
により、発熱の改質部分反応の際に遊離する反応エンタ
ルピーは、導き出されることができ、少なくとも部分的
に反応器容器２中に残留し、ひいては同一の加熱に寄与
する。絶縁８で、熱エネルギーの保持が促進される。発
熱の改質部分反応の際に遊離する熱エネルギー（熱）
は、こうして、吸熱の改質部分反応のためだけではな
く、気化のためにも利用されることができる。本発明に
よる装置のこの実施態様は、熱伝達の最適化された改質
プロセス及び本発明による改質法の特に熱経済的な実施
を可能にし、このことは本発明の別の利点である。
【００７２】装置１１の図１ｂに表された変形１９は、
同様に液体炭化水素混合物のオートサーマル改質に利用
される。装置１１とは異なって、変形１９は延長された
入口管路２０を有し、これは、表された場合に、気化室
４と第一の反応室５との間のスペースまで達している。
この入口管路は、好ましくは熱伝導性材料からなる。
【００７３】導入手段７により入るガス状反応体は、気
化室４中で分配され、かつこれらに、少なくとも液体炭
化水素混合物の気化に必要なエネルギーを供給する。入
口管路２０は、熱伝導性材料からなる。それにより、入
口管路２０も加熱されるので、入口管路２０を経て供給
された液体炭化水素混合物は、本質的に完全に、しかし
分解せずにその中で気化することができる。ガス状反応
体から炭化水素混合物への熱輸送は、この変形の場合
に、例えば熱交換器で行われる。変形１９の利点は、炭
化水素混合物の本質的に完全な気化の前に、炭化水素混
合物とガス状反応体との混合が、なおより良好に防止さ
れることにある。
【００７４】図２に模式的に表された装置１１は、液体
炭化水素混合物の水蒸気改質に利用される。装置１１
は、装置１に類似して構成されているが、しかしこの２
つの改質器室のみとは異なって、それも気化室１２及び
反応室１３を有する。その上、１つの導入手段１４のみ
が気化室１２と反応室１３との間の領域内に設けられて
おり、これにより水蒸気が供給されることができる。
【００７５】図３に模式的に表された装置１５は、２つ
の同様に模式的に表されたグロープラグ１６を有する本
発明による装置の好ましい一実施例を示す。グロープラ
グは、この実施例において、全ての改質器室の同時の電
気加熱が可能であるように、反応器容器内に配置されて
いる。改質器室は、渦動手段１７として針金メッシュを
有するので、短絡の危険が存在する。従って、グロープ
ラグ１２は、電気絶縁のための手段１８で被覆され、当
該の実施例においてこれは熱伝導するセラミック管であ
る。
【００７６】電気加熱のための手段１６及び電気絶縁の
ための手段１８からなる配置は、それらの空間的な膨張
から、もちろん、これらが改質器室の全幅を占めないよ
うに算定されている、それというのも、これらがそれ以
外に改質器室の特定の領域を空間的に絶縁し、かつガス
状反応体の流れ込みが、この領域内で防止されるだろう
からである。上記の配置は、むしろ空間的に、これら
が、導入手段１９を経て供給されたガス状反応体の大幅
に妨害されない広がりを改質器室境界２０の全面積を経
て可能にするように、算定されている。図３からの実施
例の場合に、グロープラグ１６及びほぼ円形の断面を有
するセラミックスリーブ１８からなる配置が形成されて
いるので、導入手段１９を経て供給されたガス状反応体
は、配置上を通過して流れることができる。
【００７７】図３に表された電気加熱のための手段を有
する装置１１は、もちろん類似に、図２に表されている
ように、２つの改質器室のみを有し、かつ例えば水蒸気
改質に利用する装置を用いても実現されることができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１ａ】３つの改質器室が直列接続されており、かつ
計量供給手段及び導入手段が、空間的に別個に、互いに
垂直に配置されている、本発明による装置の略示図。
【図１ｂ】延長された導入管を有する、図１ａによる本
発明による装置の一変形の略示図。
【図２】図１ａからの本発明による装置に類似するが、
しかし２つの直列接続された改質器室のみを有する装置
の略示図。
【図３】起動過程の間の改質器系の電気加熱のための２
つの手段を有する本発明による装置の略示図。
【符号の説明】
１ 装置（図１ａ）、 ２ 反応器容器、 ３ 改質器
室、 ４ 気化室、５ 反応室、 ６ 計量供給手段
（液体炭化水素混合物の連続的で計量供給して導入する
ための手段）、 ７ 導入手段（ガス状反応体を導入す
るための手段）、 ８ 絶縁、 ９ 渦動手段（物質流
を渦動させるための手段）、 １０ 出口管路、 １１
装置（図２）、 １２ 気化室、 １３ 反応器室、
１４導入手段（ガス状反応体を導入するための手
段）、 １５ 装置（図３）、 １６ グロープラグ、
１７ セラミックスリーブ、 １８ 改質器室境界、
１９ 装置（図１ｂ）、 ２０ 入口管路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ノルベルト ヴィースホイ ドイツ連邦共和国 ギュンツブルク ゲオ ルク−ラッハー−シュトラーセ 16 Ｆターム(参考） 4G140 EA03 EA07 EA08 EB03 EB04 EB14 EB18 EB44 EB46 5H027 AA02 BA01 DD00

Claims (21)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 液体炭化水素混合物を改質する方法にお
    いて、 １．１．第一の方法段階において、液体炭化水素混合物
    を連続的にかつ計量供給して準備し、 １．２．第二の方法段階において、液体炭化水素混合物
    を本質的に完全に、しかし十分に分解せずに気化させ、 １．３．第三の方法段階において、気化した炭化水素混
    合物を少なくとも１つのガス状反応体と接触させ、 １．４．第四の方法段階において、ガス状炭化水素−反
    応体−混合物を反応させ、 １．５．場合により別の方法段階において、方法段階
    １．３．及び１．４．を、１回又は複数回繰り返し、 １．６．かつ得られた改質ガスを、引き続いてその使用
    へと導くことを特徴とする、液体炭化水素混合物を改質
    する方法。
  2. 【請求項２】 液体炭化水素混合物を、熱エネルギーの
    供給により気化させる、請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】 開始段階における熱エネルギーの供給
    を、電気加熱のための少なくとも１つの手段により行
    う、請求項２記載の方法。
  4. 【請求項４】 熱エネルギーの供給を、運転温度の達成
    以後、ガス状反応体の少なくとも１つにより行う、請求
    項２又は３記載の方法。
  5. 【請求項５】 少なくとも改質反応に必要な熱エネルギ
    ーを供給する、請求項１から４までのいずれか１項記載
    の方法。
  6. 【請求項６】 物質流中に渦運動を生じさせる、請求項
    １から５までのいずれか１項記載の方法。
  7. 【請求項７】 液体炭化水素混合物をオートサーマル改
    質することによる、請求項１から６までのいずれか１項
    記載の方法において、 ７．１．第一の方法段階において、液体炭化水素混合物
    を連続的にかつ計量供給して準備し、 ７．２．第二の方法段階において、液体炭化水素混合物
    を本質的に完全に、しかし十分に分解せずに気化させ、 ７．３．第三の方法段階において、気化した炭化水素混
    合物を水蒸気と接触させ、 ７．４．第四の方法段階において、前述の方法段階から
    のガス状炭化水素−水蒸気−混合物を少なくとも部分的
    に改質し、 ７．５．第五の方法段階において、前述の方法段階から
    の少なくとも部分的に改質された混合物を、酸素含有ガ
    ス混合物、好ましくは空気と接触させ、 ７．６．第六の方法段階において、改質を完全にし、 ７．７．かつ得られた改質ガスを、引き続いてその使用
    へと導くことを特徴とする、請求項１から６までのいず
    れか１項記載の方法。
  8. 【請求項８】 液体炭化水素混合物を水蒸気改質するこ
    とによる、請求項１から６までのいずれか１項記載の方
    法において、 ８．１．第一の方法段階において、液体炭化水素混合物
    を連続的にかつ計量供給して準備し、 ８．２．第二の方法段階において、液体炭化水素混合物
    を本質的に完全に、しかし十分に分解せずに気化させ、 ８．３．第三の方法段階において、気化した炭化水素混
    合物を水蒸気と接触させ、 ８．４．第四の方法段階において、前述の方法段階から
    のガス状炭化水素−水蒸気−混合物を反応させ、 ８．５．かつ得られた改質ガスを、引き続いてその使用
    へと導くことを特徴とする、請求項１から６までのいず
    れか１項記載の方法。
  9. 【請求項９】 改質器系が、容器（２）内に配置された
    少なくとも２つの改質器室（３）を有し、かつ改質器室
    が、１つの気化室（４）及び少なくとも１つの反応室
    （５）を含み、更に炭化水素混合物のための計量供給手
    段（６）並びにガス状反応体のための導入手段（７）が
    設けられている改質器系を有する請求項１から８までの
    いずれか１項記載の方法を実施するための装置におい
    て、計量供給手段（６）が気化室（４）の領域内に設け
    られており、かつ導入手段（７）が少なくとも２つの改
    質器室（３）の間の領域内に設けられていることを特徴
    とする、請求項１から８までのいずれか１項記載の方法
    を実施するための装置。
  10. 【請求項１０】 導入手段の少なくとも１つが、気化室
    と後接続された隣接する第一の反応室との間に設けられ
    ている、請求項９記載の装置。
  11. 【請求項１１】 気化室が、それに隣接する後接続され
    た第一の反応室と熱伝導して接触している、請求項９又
    は１０記載の装置。
  12. 【請求項１２】 互いに隣接する全ての改質器室が互い
    に熱伝導して接触している、請求項９から１１までのい
    ずれか１項記載の装置。
  13. 【請求項１３】 少なくとも１つの改質器室、好ましく
    は全ての改質器室内に、物質流を渦動させるための手段
    が設けられている、請求項９から１２までのいずれか１
    項記載の装置。
  14. 【請求項１４】 渦動手段が、熱伝導性材料、好ましく
    は金属又は合金からなっている、請求項１３記載の装
    置。
  15. 【請求項１５】 渦動手段が、針金、好ましくは針金編
    物又は針金メッシュからなっている、請求項１３又は１
    ４記載の装置。
  16. 【請求項１６】 渦動手段の透過性の開口部の平均直径
    が流動方向で増大している、請求項１３から１５までの
    いずれか１項記載の装置。
  17. 【請求項１７】 電気加熱のための少なくとも１つの手
    段が設けられている、請求項９から１６までのいずれか
    １項記載の装置。
  18. 【請求項１８】 電気加熱のための少なくとも１つの手
    段が、１つ又はそれ以上の電気抵抗加熱、好ましくは１
    つ又はそれ以上のグロープラグである、請求項１７記載
    の装置。
  19. 【請求項１９】 燃料電池を有する乗り物における請求
    項９から１８までのいずれか１項記載の装置の使用。
  20. 【請求項２０】 燃料電池を有する乗り物の駆動のため
    の燃料電池系における請求項１９記載の使用。
  21. 【請求項２１】 乗り物に電気エネルギーを付加的に供
    給するための燃料電池系、特に補助動力源における請求
    項１９又は２０記載の使用。
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