JP2004535350A - 多段シェル型改質装置における熱伝達の最適化 - Google Patents
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Abstract
炭化水素から高濃度水素含有改質燃料を生成する炭化水素燃料処理反応装置に関する。この装置では、複数のシェルを同軸配置して隣り合うシェル間にギャップを画成して同軸ゾーンを形成している。これらのシェルは、一方のゾーンから他方のゾーンへと熱伝達を行うように構成されている。反応装置での反応のための流体流れは、隣り合うゾーンからの熱伝達作用により予熱される。
【選択図】図１
【選択図】図１
Description
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス状ないし液状炭化水素燃料を、水素燃料電池などに利用する高水素濃度の生成物流れ、即ち、改質燃料（reformate）へ改質する炭化水素燃料改質装置に関する。詳述すれば、本発明は、反応体と処理された流体流れとが協働して流れて所要の反応、予熱、熱効率を達成する同軸配置型ゾーンからなる改良型改質装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
本出願は、２００１年５月３０日出願の米国出願Ｎｏ．０９／８７０，４１２の一部継続出願であり、かつその優先権を主張する、２００１年１２月５日出願の米国出願Ｎｏ．１０／０１２，１９５の継続出願であり、かつその優先権を主張する。これらの米国出願は参照により本明細書に引用する。
【０００３】
炭化水素燃料を改質して水素を生成することは当業者にはよく知られているところである。従来、炭化水素は、主として大規模工業設備で大量貯蔵、再配分用として水素に改質されているか、または、別の大規模化学処理で利用するオンライン上流側試薬としての水素に改質されている。大概の場合では、従来の処理プロセスは定常条件の下で連続して稼働している。
【０００４】
しかしながら、最近に至って、水素の最終用途と結びついた炭化水素改質反応装置の開発に著しい関心が寄せられている。また、現地や現場に水素ガスを貯蔵する必要のない、低コストで小規模の水素源の開発にも相当の関心が寄せられている。詳述すれば、水素を燃料源として電力を発生させるのに利用する燃料電池に直結し得る水素生成用反応装置の開発に多大な関心が寄せられている。そのような水素発生器ないし燃料電池システムは、固定設備（家庭や事業所）に電力を供給する定置電力源や、携行可能な電力源、輸送手段の電力源などに利用できることが求められている。
【０００５】
自動車のような移動体での用途や、バックアップ電源供給などのあらゆる「オン・デマンド型」システムでは、水素の全生成量が必要に応じて変るようなことがあっても、水素生成反応を連続して行う必要がある。また、斯かるシステムは、組立て及び管理維持においても低費用で容易であることが求められている。現に、小型化学プラントほどでもないが、自動車用エンジン程度のコストと性能が求められている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
高濃度水素含有ガスを処理して水素濃度を増加させたり、二酸化炭素を減少させる反応などの、炭化水素から高濃度水素含有ガスを生成するのに使われる反応には、部分酸化反応（触媒の使用有無を問わず）、水蒸気改質反応、水性ガス転化反応、選択ないし優先酸化反応などがある。このうち、水蒸気改質反応だけが発熱反応ではない。反応装置の総合的な効率を高める、即ち、最適化するためには、あらゆる発熱反応で生成される熱は、反応体または反応の予熱等の有用な仕事に利用できるようでなければならない。その一例として、部分酸化反応で生成される熱を利用して、水蒸気改質反応を生じさせることにより、オートサーマル改質「ＡＴＲ」が得られる。
【０００７】
また、冷却媒体への熱伝達により発熱反応の温度を制御することも通常である。
【０００８】
一部の反応装置、殊に、水蒸気改質を行う反応装置では、バーナーで生成される補助熱を利用して水蒸気改質が行われるのが望ましいか、または、必要である。ＡＴＲを利用する反応装置にあっても、始動ないし過渡負荷状態時に性能を高めるために補助バーナーの利用が役立つことがある。また、バーナーは通常、燃料電池の陽極からのガスを燃やすのに使われている。更に、そのような反応装置を燃料電池に連結する場合、燃料電池からの副生熱を効率的に利用する必要がある。
【０００９】
統合型反応装置ないし反応装置と燃料電池とを統合した装置において必要な、得られる、或いは望ましい全ての熱伝達を行わせるために通常用いられている配管回路（コイル型チューブ、フィン、チューブ群、共用ボイラー(pool boiler)、分離型熱交換器を含む）は敷設するのが煩雑であると共に、その維持管理も煩雑であり、統合型装置の費用と寸法の増加を惹起している。
【００１０】
以上のことから、本発明は、従来の諸問題点を解消すべくなされたものであって、以後の詳細な説明と特許請求の範囲から当業者には明らかになる利点などをもたらすものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の第１構成によれば、炭化水素から高濃度水素含有改質燃料を生成する反応装置は、燃焼反応、部分酸化反応、オートサーマル改質反応、水性ガス転化反応、優先酸化反応の内の少なくとも一つの反応を含む発熱反応を行うように構成した主反応ゾーンを備えている。それぞれが壁部を有する複数のシェルを前記主反応ゾーンを中心として同軸配置している。また、複数の同軸ゾーンを形成するためにギャップを前記シェルの壁部間に画成している。この反応装置は一方のゾーンから他方のゾーンへと直接伝熱するように構成されている。更に、炭化水素からなる原燃料がほぼその貯蔵温度から所望の予熱温度へと第１ゾーンを貫流することにより予熱されるようになっていると共に、酸素含有ガスもほぼその貯蔵温度から所望の予熱温度へと第２ゾーンを貫流することにより予熱されるようになっている。
【００１２】
本発明の第２構成によれば、炭化水素から高濃度水素含有改質燃料を生成する反応装置は、燃焼反応、部分酸化反応、水性ガス転化反応、オートサーマル改質反応、選択酸化反応の内の少なくとも一つの反応を含む発熱反応を行うように構成した主反応ゾーンを備えている。前記主反応ゾーンには水蒸気改質器が設けられている。また、この反応装置にはバーナーとシェルとが設けられている。前記シェルは、前記主反応ゾーンを中心として同軸配置されており、連続するそれぞれのシェル間に複数の同軸ゾーンを形成するためのギャップが画成されている。このシェルは、一方のゾーンから一つ以上の隣り合うゾーンへと直接伝熱するように構成されている。ここで、炭化水素からなる原燃料が第１ゾーンを、部分酸化反応のための酸素含有ガスが第２ゾーンを、水ないし水蒸気が第３ゾーンを、バーナーからの排気が第４ゾーンを、バーナーにおける燃焼反応のための酸素含有ガスが第５ゾーンを、バーナー用燃料が第６ゾーンをそれぞれ流れるように構成されている。
【００１３】
本発明の第３構成によれば、高濃度水素含有ガス流れを生成すべく炭化水素を改質する方法では、燃焼反応、部分酸化反応、水性ガス転化反応、オートサーマル改質反応、選択酸化反応の内の少なくとも一つの反応を行わせて熱を発生させる。発生した熱は、複数のシェルの壁部を通して伝達される。これらのシェルは同軸で入れ子式になっており、連続する各々の間にギャップを形成して複数の同軸ゾーンを形成している。炭化水素からなる原燃料流れが第１ゾーンにおいて、また、水蒸気流れが第２ゾーンにおいて、更に、酸素含有ガス流れが第３ゾーンにおいてそれぞれ予熱されるようになっており、原燃料と水蒸気とが、同軸ゾーンの内の一つか、または、主反応ゾーンの何れかにある改質ゾーンに導入されるようにしている。予熱された酸素含有ガスは酸化反応に利用される。
【００１４】
本発明の第４構成によれば、炭化水素からなる原燃料から高濃度水素含有改質燃料を生成する反応装置は、それぞれが互いに同軸配置された壁部を有するシェルを有している。連続するシェルのそれぞれの間には、複数の同軸ゾーンを形成するために、ギャップが画成されている。シェルは一方のゾーンから他方のゾーンへと直接伝熱するように構成されている。この構成の反応装置においては、第１ゾーンでは、水蒸気改質反応と、燃焼反応、部分酸化反応、オートサーマル改質反応、水性ガス転化反応および優先酸化反応を含む一群から選ばれた少なくとも一つ以上の発熱反応とが行われる。炭化水素からなる原燃料が第２ゾーンにおいて、また、酸素含有ガスが第３ゾーンにおいてそれぞれ予熱される。
【００１５】
本発明の第５構成によれば、炭化水素から高濃度水素含有改質燃料を生成する反応装置は、水蒸気改質反応を行うように構成した主反応ゾーンを有している。この主反応ゾーンを中心として複数のシェルが同軸配置されている。連続するシェルのそれぞれの間にギャップを設けて、複数の同軸ゾーンを形成している。シェルは一方のゾーンから他方のゾーンへと伝熱するように構成されている。また、反応装置には、加熱された排気ガス流れを生成するように構成したバーナーが備わっている。この構成において、第１ゾーンでは炭化水素からなる原燃料が、また、第２ゾーンでは酸素含有ガスがそれぞれ予熱されるようになっている。また、バーナーから発生した排気ガスは、第１及び第２ゾーンの間に配置した第３ゾーンを介して流れると共に、その排気ガスの熱はシェルの壁部を介して第１及び第２ゾーンに伝熱される。
【００１６】
本発明の第６構成によれば、高濃度水素含有改質燃料を生成すべく炭化水素を改質する方法では、壁部を有し、水蒸気改質器を含む主反応ゾーンを画成する第１シェルを中心として同軸配置した第１ギャップを介して第１改質用反応体流れを供給、つまり流している。この主反応ゾーンにおける温度は第１ギャップを流れる第１改質用反応体の温度より高い。第１改質用反応体は前記第１ギャップを介して主反応ゾーンへ流れる。この第１改質用反応体は、本発明の一実施形態では炭化水素からなる原燃料としている。
【００１７】
本発明の第７構成によれば、高濃度水素含有改質燃料を生成すべく炭化水素を改質する反応装置は、それぞれが環状壁部を有し、また、隣接する壁部間にゾーンを画成するギャップを有する複数の入れ子式シェルを備えている。この反応装置は、各ゾーンに異なった伝熱媒体が含まれていると共に、この伝熱媒体が前記ゾーンを介して流れて前記シェルの壁部を介して熱交換を行うように構成されている。
【００１８】
本発明の第８構成によれば、炭化水素を高濃度水素含有生成物に改質する反応装置は、複数の入れ子式シェルを備えている。これらの連続するシェルの各々の間にはギャップが設けられて、これらのギャップにより複数の同軸ゾーンが形成される。燃焼反応、部分酸化反応、オートサーマル改質反応、水性ガス転化反応、優先酸化反応の内の少なくとも一つを含む発熱反応で生成される加熱された生成物流れは同軸ゾーンの内の一つに供給され、また、燃焼反応、部分酸化反応、オートサーマル改質反応、水性ガス転化反応、優先酸化反応の内の少なくとも一つを含む第２発熱反応で生成される第２の加熱された生成物流れも、同軸ゾーンの内の一つに供給される。これらの加熱生成物が流れるそれぞれのゾーンは、炭化水素からなる原燃料、水蒸気、酸素含有ガス、及び、燃料電池からの陽極ガスを含む一群から選ばれる一つのガス流れが流れる少なくとも一つのゾーンに隣接している。
【００１９】
本発明の第９構成による炭化水素から高濃度水素含有改質燃料を生成する反応装置は、同軸に配置した壁部を有する複数の入れ子式シェルを含む。連続するシェルの各々の間にはギャップが設けられて、複数の同軸ゾーンが形成されている。これらのシェルは、一方のゾーンから他方のゾーンへの熱伝達を行うように構成されている。また、積層された板部材により形成される複数のチャネルを有する端部キャップは、ゾーンを流れる流体が他のゾーンへ流入するか、または反応装置に流入するか、もしくは反応装置から排出されるように、ゾーンを閉塞する。
【００２０】
本発明の第１０構成による炭化水素から高濃度水素含有改質燃料を生成する反応装置は、燃焼反応、部分酸化反応、オートサーマル改質反応、水性ガス転化反応、優先酸化反応の内の少なくとも一つを含む発熱反応を行うように構成した主反応ゾーンを有している。この主反応ゾーンを中心として、同軸に複数のシェルが配置されている。連続するシェル間にギャップを設けて、複数の同軸ゾーンを画成している。これらのシェルは一方のゾーンから他方のゾーンへの熱伝達を行うように構成されている。また、反応装置は、流体を反応装置から流入出させ、かつゾーン間における流体流れの流路を定める端部キャップをも備えている。
【００２１】
本発明の第１１構成にあっては、炭化水素から高濃度水素含有改質燃料を生成する反応装置を、それぞれが同軸配置した壁部を有する複数の入れ子式シェルで構成している。また、これらのシェルは、連続する該シェル間にギャップを設けて、複数の同軸ゾーンを画成していると共に、一方のゾーンから他方のゾーンへの熱伝達を行うように構成されている。この反応装置では、第１ゾーンには、水蒸気改質触媒と転化触媒とからなる一群から選ばれた触媒が含まれており、炭化水素からなる原燃料が第２ゾーンで、また、酸素含有ガスが第３ゾーンでそれぞれ予熱されるように構成されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明の特徴や詳細なことについては、添付図面を参照しながらなす詳細な説明から明らかになるであろう。添付図面においては同一構成部品には同一符号を付してある。尚、以後における本発明の好ましい実施形態は例示のために挙げたものであって、本発明を限定するものではない。本発明の主要な特徴は、本発明の特許請求の範囲から逸脱することなく種々の実施形態に利用できるものである。ここで説明する本発明の好ましい実施の形態は、本発明を斯かる実施形態に限定されるべきものではなく、むしろ特定の実施形態に適用した本発明の原理を例示するものである。また、本発明の種々の特徴を説明するに当たり、ゾーンは第１ゾーン、第２ゾーンと呼称しているが、そのような呼び方は説明する特定の実施形態に限られるものである。実施形態によっては異なった生成物が異なったゾーンを流れることがあり、そのために実施形態ごとに種々のゾーンが別の名称で呼ばれたり、または、別の符号で説明されたりするようなことがあり得る。同様に、特許請求の範囲において特に明記されていない限り、「第１」や「第２」などの名称は、順番ないし順位をあらわすために用いたものではない。
【００２３】
図１に、本発明を実施した特定の反応装置（１０）を示す。この反応装置（１０）は、主反応ゾーン（１４）がその中に位置する第１シェル（１２）を備えている。この第１シェル（１２）は、中心軸（１５）を中心とする同軸配置した一群のシェル（１２、２６、３６、４６、５６、６６、７６）の内で最内側に臨むシェルである。この実施形態における主反応ゾーン（１４）は、オートサーマル改質器（autothermal reformer、ＡＴＲ）（１６）と高温転化床（high temperature shift bed、ＨＴＳ）（１８）とを含む。第１シェル（１２）の近傍にはバーナー（２０）が設けられている。前記ＡＴＲ（１６）は、単体構造型（モノリシック）支持体に設けた水蒸気改質触媒（１７）と、同様に単体構造型支持体に設けた部分酸化反応部（１９）とを含み、両者が組み合わさってオートサーマル改質反応（ＡＴＲ）を行うようになっている。
【００２４】
改質触媒（１７）としては、従来より当業界でよく知られているものであれば何れの触媒であってもよく、好ましくはＰｄ／Ａｌ２Ｏ３が挙げられる。支持体に担持させた金属触媒としては、プラチナ（Ｐｔ）やパラジウム（Ｐｄ）、ニッケル（Ｎｉ）などが知られている。この触媒（１７）としてはペレット状や粉末状であってもよく、或いは当業界でよく知られている形態のものであってもよい。発熱ＰＯｘ反応は自立反応であり、理想的な条件下では、触媒ＰＯｘ反応（catalyzed POx reaction）の場合では摂氏約７００度から約１２００度の作用温度範囲を維持できる。この反応により発生する熱は、水蒸気改質反応を起こすのに使われる。
【００２５】
最内側シェル（１２）の径方向外方に臨むシェル（２６）は、その内面と最内側シェル（１２）の外面との間にゾーン（２８）を画成している。このゾーン（２８）には、原燃料としての炭化水素が流れるようになっている。主反応ゾーン（１４）で生成される熱は最内側シェル（１２）の壁部により、シェル（１２）を介してゾーン（２８）に伝熱されるようになっている。ゾーン（２８）を通って流れる炭化水素の原燃料は、主反応ゾーン（１４）からの伝熱によりゾーン（２８）を通る際に加熱される。その際、水蒸気も炭化水素原燃料と共に予熱されるのが望ましい。炭化水素原燃料と水ないし水蒸気とは、主反応ゾーン（１４）における流れ方向に対して対向流となるのが望ましいが、バーナーからの排気は主反応ゾーン（１４）での流体流れと並流となるのが望ましい。
【００２６】
また、シェル（２６）から径方向外方に隣り合うシェル（３６）は、その内面とシェル（２６）の外面との間にゾーン（３８）を画成している。このゾーン（３８）には、ゾーン（２８）を流れる炭化水素原燃料よりも熱くなっているバーナー（２０）からの排気が流れるようになっている。従って、バーナーからの排気流れの熱はシェル（２６）の壁部を介してゾーン（２８）を流れる炭化水素原燃料に伝熱する。そのために、図示の実施形態では主反応ゾーン（１４）とゾーン（３８）におけるバーナー排気流れとの両方からの熱が炭化水素原燃料に伝熱されることになる。一実施形態においては、炭化水素原燃料はメタンであってもよい。適当な燃料としては、アルコールを含む広範囲の炭化水素が利用でき、考えられる燃料としては、必ずしもそれに限られないが、ガソリン、灯油、ＪＰ−８、メタン、プロパン、メタノール、エタノールが挙げられる。
【００２７】
好ましくは、炭化水素原燃料は、第１ゾーンを、この実施形態ではゾーン（２８）を流れている間にほぼその貯蔵温度から所望の予熱温度まで加熱されるのが望ましい。
【００２８】
シェル（３６）から径方向外方に隣り合うシェル（４６）は、その内面とシェル（３６）の外面との間にゾーン（４８）を画成している。このゾーン（４８）には空気が周囲温度で流れる。この空気が大気から吸引されている場合には、その周囲温度が該空気の貯蔵温度である。ゾーン（３８）を流れるバーナー排気の方がこの空気よりも熱いので、当該バーナー排気流れの熱はゾーン（４８）を流れる空気にシェル（３６）の壁部を介して伝熱される。ゾーン（４８）を流れているときの空気の加熱は、バーナー排気からの伝熱によりなされる。このように加熱された空気は、ゾーン（４８）から排出されてＡＴＲ（１６）へと供給される。
【００２９】
また、シェル（４６）から径方向外方に隣り合うシェル（５６）は、その内面とシェル（４６）の外面との間にゾーン（５８）を画成している。このゾーン（５８）には、別の周囲空気が流れるようになっており、この空気も加熱されてゾーン（５８）を出た後、バーナー（２０）へ供給される。
【００３０】
シェル（５６）から径方向外方に隣り合うシェル（６６）は、その内面とシェル（５６）の外面との間に、燃料電池（図示せず）の陽極からの排気、即ち、陽極排気が流れるゾーン（６８）を画成している。水素ガスを含む陽極排気はバーナー（２０）で燃焼する燃料として使われる。ゾーン（６８）に流入する陽極排気は、当該陽極排気が流れるゾーン（６８）の内側に臨むゾーン（５８）を流れる空気よりも熱い。従って、これらのゾーンを互いに隔離しているシェル（５６）の壁部を介して、陽極排気が流れるゾーン（６８）から内側のゾーン（５８）を流れる空気に伝熱されることになる。このようにして加熱された空気はゾーン（５８）を出た後にバーナー（２０）へ供給される。
【００３１】
水素を生成するのに必要な種々の流体（例えば燃料、水蒸気、空気など）は、ゾーン間で熱伝達を行う伝熱流体としても作用していることは理解されよう。尚、一定の作動条件時には、ゾーン間での熱伝達が、伝熱流体（例えば陽極ガス、空気、炭化水素燃料、水蒸気ないし水）の相対温度に応じて逆方向に起こるようにしてもよい。
【００３２】
図示の実施形態では、シェル（６６）から径方向外方に臨む最外側シェル（７６）は、その内面とシェル（６６）の外面との間にゾーン（７８）を画成している。主反応ゾーン（１４）のＨＴＳ（１８）からの排気である改質燃料がこの最内側のゾーン（７８）を流れる。この改質燃料は、ＨＴＳ（１８）から排出された後ではゾーン（６８）を流れる陽極排気に対して高温状態になっている。陽極排気はバーナーの燃料として使われるが、このバーナー（２０）での燃焼を促進するために当該陽極排気を予熱しておくのが望ましい。従って、ゾーン６８を流れる陽極排気は、最内側ゾーン（７８）とその内側に臨むゾーン（６８）とを互いに隔離するシェル（６６）の壁部を介して改質燃料の流れるゾーン（７８）から伝熱作用により加熱されるようになっている。
【００３３】
好ましい実施形態としては、反応装置（１０）のシェル構造体に伸縮自在ベローズ（８０）を設けている。この反応装置を構成するのに用いたステンレス鋼は、加熱されると膨張するので、膨張自在ベローズ（８９）を設けることにより反応装置（１０）の構造上の一体性を弱めたり、損ねたりするようなことはなく、前述の膨張を吸収している。
【００３４】
反応装置（１０）の一端には端部キャップ（１００）を設けている。この端部キャップ（１００）はそれぞれのシェル（１２、２６、３６、４６、５６、６６、７６）を閉塞しており、対応する流体の流路を分岐させることにより、または入口ないし出口を設けることにより、各流路を定めている。
【００３５】
主反応ゾーン（１４）内にあっては、ＡＴＲ（１６）とＨＴＳ（１８）の間を流れる改質燃料にオプションで水蒸気を混合してもよい。このように水蒸気を混合させると、水性ガス転化反応での水素の生成を良好に促進させることができる。そこで、水蒸気を混合させるために、入口（８４）を有するチューブ（８２）をＨＴＳ（１８）を貫通するように設けている。このチューブ（８２）は、その一部がコイル形状を有しており、改質燃料に水蒸気を混合させる出口（８６）を備えている。ＨＴＳに入る前に改質燃料に水蒸気を添加することもオプションとして考えられる。また、水蒸気を混合させたい場合、改質燃料に水蒸気を添加するためには種々の手段が既に知られているところである。
【００３６】
本発明の別の実施形態では、反応装置内の温度を制御する手段として、反応装置の改質ゾーンを貫通するように熱交換用チューブを設けてもよい。この熱交換用チューブには、熱伝達媒体を含ませておく。これにより、システムのエネルギー必要量に応じて始動時ないし過渡的稼働時に改質ゾーンに熱を供給することができる。
【００３７】
図２は、シェル（１２、２６、３６、４６、５６、６６、７６）に加え、ＨＴＳ（１８）の触媒床（８８）を貫通して水ないし水蒸気を搬送する水蒸気チューブ（８２）を示している。
【００３８】
この図２には、種々のシェル（１２、２６、３６、４６、５６、６６、７６）の表面から延在するディンプル（９０）も示されている。このディンプル（９０）は、シェル間の各隙間に臨んでいてシェル間のスペースを維持している。この実施形態ではスペーサとしてディンプルを用いているが、スペーサとしては、反応装置の長軸に沿ってギャップ内に延在する棒や、隙間に設ける平坦ないし波状スクリーン、またはその他の適当なスペーサであってもよい。ディンプル、または、その他のスペーサを設けることで、乱流を発生させて熱伝達効率を上げている。隙間における流体流れは主として乱流であるのが望ましい。本発明の好ましい実施形態では、シェル（１２、２６、３６、４６、５６、６６、７６）の断面形状は円形であるが、三角形、矩形、楕円形などその他の適当な断面形状であっても同様な利点が得られる。
【００３９】
本発明の別の実施形態では、種々の流体流れの供給は、図３Ａから図３Ｈにそれぞれ示す構成の端部キャップ（１００）を用いることにより促進される。図３Ａから図３Ｈに示す端部キャップ（１００）は、図１に示した実施形態で用いることは意図していない。なぜなら、図１の実施形態の端部キャップでは隙間が７個あるのに対して、図３Ａから図３Ｈに示した端部キャップでは隙間が６個しかないからである。この実施形態においては、ＡＴＲ用空気とバーナー用空気とは一つの隙間において一緒に予熱されるようにしているので、隙間の数は１個だけ減っている。図３Ａから図３Ｆに種々のアセンブリ工程段階での端部キャップ（１００）を示す。完全な端部キャップ（１００）の前面図を図３Ｇに、また、その背面図を図３Ｈに示す。
【００４０】
図３Ａは、端部キャップ（１００）を燃料改質反応装置に組み付けた場合での第１最内側ゾーンからみて最外側の板部材である第１板部材（１０２）を示す。この第１板部材（１０２）には、当該板部材（１０２）に穿設されている孔から延在する長さの異なったパイプ（１０６ａ〜ｄ）を備えた入出口が設けられている。第２板部材（１０８）を図３Ｂに示すが、この板部材（１０８）には、図３Ａに示した板部材（１０２）におけるパイプ（１０６ａ〜ｄ）に対応する複数の孔または開口が形成されている。また、この第２板部材（１０８）には、別のパイプ（１１４）が延在する孔または開口も設けられている。図３Ｃは、第１及び第２板部材（１０２、１０８）を互いに溶接により連結した状態を示している。
【００４１】
図３Ｄは、前記のように連結した第１及び第２板部材に対して第３板部材（１１６）を同様に溶接した状態を示している。図３Ｅと図３Ｆも、端部キャップ（１００）に第４及び第５板部材（１２０、１２２）をそれぞれ追加溶接した状態を示している。図３Ｇは、更に第６板部材（１２４）を同様に追加溶接して、端部キャップ（１００）として完成させたものの前面図を示している。長さの異なるパイプ（１０６ａ〜ｄ）は、入出口と、互いに離間している複数の板部材（１０２、１０８、１１６、１２０、１２２、１２４）とにより形成される種々のチャネルとの間に流体連通路が形成されるように定置されている。この実施形態においては、図３Ｂに示すパイプ（１１４）は主反応ゾーンを最外側のチャネルと連通させている。好ましい実施形態では、板部材の数は、主反応ゾーンを含む、反応装置におけるゾーンの数と等しい。
【００４２】
本発明による燃料電池改質装置の１つの製造方法においては、図３Ｇに示した端部キャップ（１００）を同軸配置した複数のシェルを有する燃料電池改質装置に組み付けている。この端部キャップ（１００）の各板部材（１０２、１０８、１１６、１２０、１２２、１２４）は、その外周部に沿って反応装置のシェルに溶接されるので、漏れを防止するシールが形成される。
【００４３】
多段シェル型反応装置の別の実施形態を図４に示す。同図は、反応装置（２００）の側断面図を示している。シェル（２０５、２０６、２０７、２０８、２０９）間のギャップのそれぞれには、環状ゾーン（２０１、２０２、２０３、２０４）が形成されている。シェル（２０９）の内部には、ＨＴＳ（２１２）とＡＴＲゾーン（２１３）とが設けられている。ＨＴＳゾーン（２１２）とＡＴＲゾーン（２１３）とは、混合域（２１７、２１８）と蒸発域（２１９）とにより互いに隔離されている。チューブ（２１６）は、ＡＴＲ（２１３）から流入する高温改質燃料により蒸発する水を搬送する。他方、チューブ（２１４）は、燃料と水蒸気の混合物をＡＴＲ（２１３）に導入する入口である。この燃料・水蒸気混合物はコイル状チューブ（２１５、２２２）で予熱された後、チューブ（２１４）に多岐連結管（図示せず）を介して導入されるようになっている。別の実施形態としては、燃料と水蒸気とが早い段階で混合されるようにしてもよい。そのような反応装置においては、反応装置に導入するに先立って混合させておく。２２０は空気入口であって、この入口（２２０）を介して導入された空気は、ゾーン（２０３）を貫流した後ゾーン（２０４）へ戻って、ＡＴＲ（２１３）とＨＴＳ（２１４）とバーナー（２１１）とから生じた熱によりシェル（２０９、２０８）の壁部を介して加熱される。
【００４４】
酸素含有ガスが円形チューブ（２１４）の外側に臨むゾーン（２０４）から流出して、チューブ（２１４）から流れてくる燃料・水蒸気混合物と混合する。この燃料・水蒸気・空気（酸素含有ガス）混合物はＡＴＲ（２１３）に流入し、それと同時に発熱して改質される。得られた改質燃料は領域（２２３）のところでＡＴＲ（２１３）から出て、ゾーンにおける別の水と混合する。この水はチューブ（２１６）から導入されるものであって、混合域（２１７）に霧状に噴射される。このように噴霧された水は、高温改質燃料により領域（２２３）において蒸発する。この水蒸気を伴う改質燃料はゾーン（混合域）（２１８）における冷却コイル（図示せず）上を通過してＨＴＳ（２１２）に流入する。このように転化された改質燃料は出口（２２１）を介して改質装置から出てくる。
【００４５】
バーナーの燃料である陽極排気は、入口（２２４）を介して改質装置（２００）に導入されてゾーン（２０１）を流れ、その際にゾーン（２０２）からの熱によりシェル（２０６）を介して加熱される。水素はチャンバ（２２５）に導入された空気と混合してバーナー（２１１）に導入され、このバーナー（２１１）において熱が発生する。バーナーからの排気はゾーン（２０２）を流れると共に、改質装置の燃料・水蒸気混合物が流れているコイル状チューブ（２１５、２２２）を通過し、冷却された排気が出口（２２６）を介して改質装置から排出される。ここで、伸縮自在ベローズ（２１５）が設けられていることから、全てのシェルに圧力を作用させかねない温度差による膨張作用を充分防ぐことができる。
【００４６】
図５は、端部キャップ（３００）の別の実施形態を分解図にて示している。この実施形態においては、端部キャップ（３００）の板部材（３０２、３０４、３０６、３０８）はチャネル（３１０）を有しており、これらのチャネル（３１０）は、板部材（３０２、３０６）に隆起部（３１２）を設けることにより、隆起部（３１２）間に画成されている。これらのチャネル（３１０）を通って流体が流れる。また、入口（３１４）は、端部キャップ（３００）を介して流体が流入出するところである。図示していないが、本発明の別の実施形態では、中実端部キャップを利用することも可能である。そのような実施形態にあっては、シェル間に設けられたゾーンへの入出口は、シェル内を延在するチューブにより形成されることになる。
【００４７】
本発明の他の構成によれば、高濃度水素含有生成物を生成するための反応装置における複数の同軸配置型シェルには、下記の機能（１）〜（６）をなす端部キャップが設けられている。
【００４８】
（１） シェル間に形成される隙間が画成するゾーンを閉塞する。
（２） シェルの機械的安定性を得ると共に、シェルを適切に離間させる。
（３） 同軸ゾーンから流出する処理流れ、伝熱流体などが流れる多岐連結管または多岐連結流路として作用する。
（４）同軸ゾーンへの処理流れ、伝熱流体などが流れる流路として作用する。
（５） 反応装置に対する処理流れ、伝熱流体などの流入出が行われる入口または出口として作用する。
（６） 上記（１）から（５）が組み合わさった作用をなす。
【００４９】
そのような端部キャップは種々の方法、例えば鋳込み法、抜打ち加工法などで作製することができる。しかしながら、本発明の別の構成では、斯かる端部キャップを提供するに当たっては、後述の新規な構造と製造方法が考えられる。
【００５０】
図３Ａ〜３Ｈと図５は、板部材の積層体を用いて、本発明による端部キャップ（１００）（１０１）（３００）を形成することをそれぞれ示している。広義には、板部材は互いに離間しており、一部のゾーンに対してバリアとして作用すると共に、板部材間のギャップに連通する開口を形成するものとして作用し、さらに流体が板部材間を貫流したり、板部材間のスペースを貫流するパイプのような導管として作用する。
【００５１】
図３Ｃに示した端部キャップ（１０１）は、後述の例外があるものの、反応装置１０とほとんど同位置の反応装置に使われるものである。反応装置１０は７個の同軸ゾーンを有しているのではあるが、この端部キャップ（１０１）は、６個の同軸ゾーンを有する反応装置に利用されるものである。ここで開示している端部キャップ（１０１）は、ＡＴＲ空気１６とバーナー２０用空気とが一つのゾーン内で予熱されるようになっていて、それに伴って１個のゾーンを減らした、反応装置１０と類似の反応装置において使われるのを想定している。図３Ａ、３Ｂ、３Ｄ、３Ｅおよび３Ｆは、端部キャップ（１００）の作製を工程段階ごとに示している。完成した端部キャップ（１００）の底部斜視図を図３Ｇに、また、その上面斜視図を図３Ｈに示す。
【００５２】
詳述すれば、図３Ａに示した第１板部材（１０２）は最外側の板部材である。この第１板部材（１０２）には、当該板部材（１０２）に穿設されている孔から延在する長さの異なった入出口パイプ（１０６ａ〜１０６ｄ）が設けられている。図３Ｂに示す第２板部材（１０８）は第１板部材（１０２）に組み付けられていて、板部材（１０２）におけるパイプ（１０６ａ〜ｄ）に対応する開口（１０７ａ〜ｄ）が形成されている。これらのパイプ（１０６ａ〜１０６ｄ）は、図３Ｃに示すように第１板部材（１０２）と第２板部材（１０８）の組付け状態で、第２板部材（１０８）における開口（１０７ａ〜１０７ｄ）に対応するようにその位置が決められている。従って、パイプ（１０６ａ〜１０６ｄ）は、板部材（１０２）と板部材（１０８）との間の開口またはスペース（１０７ａ〜ｄ）を介して流体を流すことができる。しかしながら、パイプ（１０６ｄ）は、板部材（１０８）から突出するようにはなっておらず、そのために、板部材（１０２）と板部材（１０８）とを組み付けたとき、図３Ｄに示す第３板部材（１１６）と板部材（１０２、１０８）との間のスペース（１０９）により流体が流れる連通路が形成される。同様に、板部材（１０８）のパイプ（１１４）やパイプ（１０６ａ、１０６ｃ）は全て板部材（１１６）を貫通しているので、これら板部材からなる積層体において板部材（１１６）と図３Ｅに示す板部材（１２０）との間のスペース（１１５）により流体が流れる連通路が形成される。他の板部材（１２２、１２４）とパイプ（１０６ａ）とパイプ（１１４）についても、同様に配列されている。
【００５３】
導管としてのパイプやスペース、開口は、前述したように多段シェル型装置が稼働するように所要流体を貫流させるための流体回路を形成している。スペースは、径方向への導管として作用しており、それに対してパイプは中心軸（１５）と平行な軸芯に沿って流れる流体用の導管として作用している。
【００５４】
尚、板部材を組み付けたり、それらをシェルと連結するには、前述した方法以外に適当な方法を採ることができる。適当な方法を採るに当たっては、修理や製造の便宜も考慮に入れておくべきである。例えば、溶接なら、板部材とシェルとの間に信頼性のある連結やシールを達成することができるが、修理の立場から考えると好都合とは言えない。
【００５５】
図５は、反応装置（２００）に特に適した端部キャップ（３００）の別の実施の形態を示す。殊に、端部キャップ（３００）の板部材（３０２、３０４、３０６、３０８）はチャネル（３１０）を有しており、これらのチャネル（３１０）は、板部材（３０２、３０６）に隆起部（３１２）を設けることにより、隣接する隆起部（３１２）間に画成されている。これらのチャネル（３１０）を通って径方向に流体が流れる。また、入口（３１４）は、端部キャップ（３００）を介して流体が流入出するところである。図示していないが、本発明の別の実施形態では、中実端部キャップを利用することも可能である。そのような実施の形態にあっては、シェル間に臨むゾーンへの入出口は、シェル内を延在するチューブにより形成されることになる。
【００５６】
以上、本発明の好ましい実施例を参照しながら本発明を詳述したが、本発明から逸脱しなくとも説明した実施形態に対する変更や、その他の実施形態などが容易に思いつくところである。尚、本発明のあらゆる利点を利用していない実施形態でも従来例に対する改良された構造と方法に至ることもあり得る。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明による反応装置の一実施形態を示す側断面図である。
【図２】図１のラインＡ―Ａに沿った反応装置の断面図である。
【図３Ａ】本発明の一実施形態による端部キャップアセンブリの組立分解図である。
【図３Ｂ】本発明の一実施形態による端部キャップアセンブリの組立分解図である。
【図３Ｃ】本発明の一実施形態による端部キャップアセンブリの組立分解図または積層体を示す図である。
【図３Ｄ】本発明の一実施形態による端部キャップアセンブリの組立分解図または積層体を示す図である。
【図３Ｅ】本発明の一実施形態による端部キャップアセンブリの組立分解図または積層体を示す図である。
【図３Ｆ】本発明の一実施形態による端部キャップアセンブリの組立分解図または積層体を示す図である。
【図３Ｇ】本発明の一実施形態による端部キャップアセンブリの積層体を示す図である。
【図３Ｈ】本発明の一実施形態による端部キャップアセンブリの積層体を示す図である。
【図４】本発明による反応装置の別の実施形態を示す側断面図である
【図５】本発明の別の実施形態による端部キャップアセンブリの分解斜視図である。
【符号の説明】
【００５８】
１０ 反応装置
１２、２６、３６、４６、５６、６６、７６ シェル
１４ 主反応ゾーン
１６ オートサーマル改質器（ＡＴＲ）
１７ 水蒸気改質触媒
１８ 高温転化床（ＨＴＳ）
１９ 部分酸化反応部
２０ バーナー
２８、３８、４８、５８、６８、７８ ゾーン（ギャップ）
８２ チューブ
８８ 触媒床
１００ 端部キャップ
【０００１】
本発明は、ガス状ないし液状炭化水素燃料を、水素燃料電池などに利用する高水素濃度の生成物流れ、即ち、改質燃料（reformate）へ改質する炭化水素燃料改質装置に関する。詳述すれば、本発明は、反応体と処理された流体流れとが協働して流れて所要の反応、予熱、熱効率を達成する同軸配置型ゾーンからなる改良型改質装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
本出願は、２００１年５月３０日出願の米国出願Ｎｏ．０９／８７０，４１２の一部継続出願であり、かつその優先権を主張する、２００１年１２月５日出願の米国出願Ｎｏ．１０／０１２，１９５の継続出願であり、かつその優先権を主張する。これらの米国出願は参照により本明細書に引用する。
【０００３】
炭化水素燃料を改質して水素を生成することは当業者にはよく知られているところである。従来、炭化水素は、主として大規模工業設備で大量貯蔵、再配分用として水素に改質されているか、または、別の大規模化学処理で利用するオンライン上流側試薬としての水素に改質されている。大概の場合では、従来の処理プロセスは定常条件の下で連続して稼働している。
【０００４】
しかしながら、最近に至って、水素の最終用途と結びついた炭化水素改質反応装置の開発に著しい関心が寄せられている。また、現地や現場に水素ガスを貯蔵する必要のない、低コストで小規模の水素源の開発にも相当の関心が寄せられている。詳述すれば、水素を燃料源として電力を発生させるのに利用する燃料電池に直結し得る水素生成用反応装置の開発に多大な関心が寄せられている。そのような水素発生器ないし燃料電池システムは、固定設備（家庭や事業所）に電力を供給する定置電力源や、携行可能な電力源、輸送手段の電力源などに利用できることが求められている。
【０００５】
自動車のような移動体での用途や、バックアップ電源供給などのあらゆる「オン・デマンド型」システムでは、水素の全生成量が必要に応じて変るようなことがあっても、水素生成反応を連続して行う必要がある。また、斯かるシステムは、組立て及び管理維持においても低費用で容易であることが求められている。現に、小型化学プラントほどでもないが、自動車用エンジン程度のコストと性能が求められている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
高濃度水素含有ガスを処理して水素濃度を増加させたり、二酸化炭素を減少させる反応などの、炭化水素から高濃度水素含有ガスを生成するのに使われる反応には、部分酸化反応（触媒の使用有無を問わず）、水蒸気改質反応、水性ガス転化反応、選択ないし優先酸化反応などがある。このうち、水蒸気改質反応だけが発熱反応ではない。反応装置の総合的な効率を高める、即ち、最適化するためには、あらゆる発熱反応で生成される熱は、反応体または反応の予熱等の有用な仕事に利用できるようでなければならない。その一例として、部分酸化反応で生成される熱を利用して、水蒸気改質反応を生じさせることにより、オートサーマル改質「ＡＴＲ」が得られる。
【０００７】
また、冷却媒体への熱伝達により発熱反応の温度を制御することも通常である。
【０００８】
一部の反応装置、殊に、水蒸気改質を行う反応装置では、バーナーで生成される補助熱を利用して水蒸気改質が行われるのが望ましいか、または、必要である。ＡＴＲを利用する反応装置にあっても、始動ないし過渡負荷状態時に性能を高めるために補助バーナーの利用が役立つことがある。また、バーナーは通常、燃料電池の陽極からのガスを燃やすのに使われている。更に、そのような反応装置を燃料電池に連結する場合、燃料電池からの副生熱を効率的に利用する必要がある。
【０００９】
統合型反応装置ないし反応装置と燃料電池とを統合した装置において必要な、得られる、或いは望ましい全ての熱伝達を行わせるために通常用いられている配管回路（コイル型チューブ、フィン、チューブ群、共用ボイラー(pool boiler)、分離型熱交換器を含む）は敷設するのが煩雑であると共に、その維持管理も煩雑であり、統合型装置の費用と寸法の増加を惹起している。
【００１０】
以上のことから、本発明は、従来の諸問題点を解消すべくなされたものであって、以後の詳細な説明と特許請求の範囲から当業者には明らかになる利点などをもたらすものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の第１構成によれば、炭化水素から高濃度水素含有改質燃料を生成する反応装置は、燃焼反応、部分酸化反応、オートサーマル改質反応、水性ガス転化反応、優先酸化反応の内の少なくとも一つの反応を含む発熱反応を行うように構成した主反応ゾーンを備えている。それぞれが壁部を有する複数のシェルを前記主反応ゾーンを中心として同軸配置している。また、複数の同軸ゾーンを形成するためにギャップを前記シェルの壁部間に画成している。この反応装置は一方のゾーンから他方のゾーンへと直接伝熱するように構成されている。更に、炭化水素からなる原燃料がほぼその貯蔵温度から所望の予熱温度へと第１ゾーンを貫流することにより予熱されるようになっていると共に、酸素含有ガスもほぼその貯蔵温度から所望の予熱温度へと第２ゾーンを貫流することにより予熱されるようになっている。
【００１２】
本発明の第２構成によれば、炭化水素から高濃度水素含有改質燃料を生成する反応装置は、燃焼反応、部分酸化反応、水性ガス転化反応、オートサーマル改質反応、選択酸化反応の内の少なくとも一つの反応を含む発熱反応を行うように構成した主反応ゾーンを備えている。前記主反応ゾーンには水蒸気改質器が設けられている。また、この反応装置にはバーナーとシェルとが設けられている。前記シェルは、前記主反応ゾーンを中心として同軸配置されており、連続するそれぞれのシェル間に複数の同軸ゾーンを形成するためのギャップが画成されている。このシェルは、一方のゾーンから一つ以上の隣り合うゾーンへと直接伝熱するように構成されている。ここで、炭化水素からなる原燃料が第１ゾーンを、部分酸化反応のための酸素含有ガスが第２ゾーンを、水ないし水蒸気が第３ゾーンを、バーナーからの排気が第４ゾーンを、バーナーにおける燃焼反応のための酸素含有ガスが第５ゾーンを、バーナー用燃料が第６ゾーンをそれぞれ流れるように構成されている。
【００１３】
本発明の第３構成によれば、高濃度水素含有ガス流れを生成すべく炭化水素を改質する方法では、燃焼反応、部分酸化反応、水性ガス転化反応、オートサーマル改質反応、選択酸化反応の内の少なくとも一つの反応を行わせて熱を発生させる。発生した熱は、複数のシェルの壁部を通して伝達される。これらのシェルは同軸で入れ子式になっており、連続する各々の間にギャップを形成して複数の同軸ゾーンを形成している。炭化水素からなる原燃料流れが第１ゾーンにおいて、また、水蒸気流れが第２ゾーンにおいて、更に、酸素含有ガス流れが第３ゾーンにおいてそれぞれ予熱されるようになっており、原燃料と水蒸気とが、同軸ゾーンの内の一つか、または、主反応ゾーンの何れかにある改質ゾーンに導入されるようにしている。予熱された酸素含有ガスは酸化反応に利用される。
【００１４】
本発明の第４構成によれば、炭化水素からなる原燃料から高濃度水素含有改質燃料を生成する反応装置は、それぞれが互いに同軸配置された壁部を有するシェルを有している。連続するシェルのそれぞれの間には、複数の同軸ゾーンを形成するために、ギャップが画成されている。シェルは一方のゾーンから他方のゾーンへと直接伝熱するように構成されている。この構成の反応装置においては、第１ゾーンでは、水蒸気改質反応と、燃焼反応、部分酸化反応、オートサーマル改質反応、水性ガス転化反応および優先酸化反応を含む一群から選ばれた少なくとも一つ以上の発熱反応とが行われる。炭化水素からなる原燃料が第２ゾーンにおいて、また、酸素含有ガスが第３ゾーンにおいてそれぞれ予熱される。
【００１５】
本発明の第５構成によれば、炭化水素から高濃度水素含有改質燃料を生成する反応装置は、水蒸気改質反応を行うように構成した主反応ゾーンを有している。この主反応ゾーンを中心として複数のシェルが同軸配置されている。連続するシェルのそれぞれの間にギャップを設けて、複数の同軸ゾーンを形成している。シェルは一方のゾーンから他方のゾーンへと伝熱するように構成されている。また、反応装置には、加熱された排気ガス流れを生成するように構成したバーナーが備わっている。この構成において、第１ゾーンでは炭化水素からなる原燃料が、また、第２ゾーンでは酸素含有ガスがそれぞれ予熱されるようになっている。また、バーナーから発生した排気ガスは、第１及び第２ゾーンの間に配置した第３ゾーンを介して流れると共に、その排気ガスの熱はシェルの壁部を介して第１及び第２ゾーンに伝熱される。
【００１６】
本発明の第６構成によれば、高濃度水素含有改質燃料を生成すべく炭化水素を改質する方法では、壁部を有し、水蒸気改質器を含む主反応ゾーンを画成する第１シェルを中心として同軸配置した第１ギャップを介して第１改質用反応体流れを供給、つまり流している。この主反応ゾーンにおける温度は第１ギャップを流れる第１改質用反応体の温度より高い。第１改質用反応体は前記第１ギャップを介して主反応ゾーンへ流れる。この第１改質用反応体は、本発明の一実施形態では炭化水素からなる原燃料としている。
【００１７】
本発明の第７構成によれば、高濃度水素含有改質燃料を生成すべく炭化水素を改質する反応装置は、それぞれが環状壁部を有し、また、隣接する壁部間にゾーンを画成するギャップを有する複数の入れ子式シェルを備えている。この反応装置は、各ゾーンに異なった伝熱媒体が含まれていると共に、この伝熱媒体が前記ゾーンを介して流れて前記シェルの壁部を介して熱交換を行うように構成されている。
【００１８】
本発明の第８構成によれば、炭化水素を高濃度水素含有生成物に改質する反応装置は、複数の入れ子式シェルを備えている。これらの連続するシェルの各々の間にはギャップが設けられて、これらのギャップにより複数の同軸ゾーンが形成される。燃焼反応、部分酸化反応、オートサーマル改質反応、水性ガス転化反応、優先酸化反応の内の少なくとも一つを含む発熱反応で生成される加熱された生成物流れは同軸ゾーンの内の一つに供給され、また、燃焼反応、部分酸化反応、オートサーマル改質反応、水性ガス転化反応、優先酸化反応の内の少なくとも一つを含む第２発熱反応で生成される第２の加熱された生成物流れも、同軸ゾーンの内の一つに供給される。これらの加熱生成物が流れるそれぞれのゾーンは、炭化水素からなる原燃料、水蒸気、酸素含有ガス、及び、燃料電池からの陽極ガスを含む一群から選ばれる一つのガス流れが流れる少なくとも一つのゾーンに隣接している。
【００１９】
本発明の第９構成による炭化水素から高濃度水素含有改質燃料を生成する反応装置は、同軸に配置した壁部を有する複数の入れ子式シェルを含む。連続するシェルの各々の間にはギャップが設けられて、複数の同軸ゾーンが形成されている。これらのシェルは、一方のゾーンから他方のゾーンへの熱伝達を行うように構成されている。また、積層された板部材により形成される複数のチャネルを有する端部キャップは、ゾーンを流れる流体が他のゾーンへ流入するか、または反応装置に流入するか、もしくは反応装置から排出されるように、ゾーンを閉塞する。
【００２０】
本発明の第１０構成による炭化水素から高濃度水素含有改質燃料を生成する反応装置は、燃焼反応、部分酸化反応、オートサーマル改質反応、水性ガス転化反応、優先酸化反応の内の少なくとも一つを含む発熱反応を行うように構成した主反応ゾーンを有している。この主反応ゾーンを中心として、同軸に複数のシェルが配置されている。連続するシェル間にギャップを設けて、複数の同軸ゾーンを画成している。これらのシェルは一方のゾーンから他方のゾーンへの熱伝達を行うように構成されている。また、反応装置は、流体を反応装置から流入出させ、かつゾーン間における流体流れの流路を定める端部キャップをも備えている。
【００２１】
本発明の第１１構成にあっては、炭化水素から高濃度水素含有改質燃料を生成する反応装置を、それぞれが同軸配置した壁部を有する複数の入れ子式シェルで構成している。また、これらのシェルは、連続する該シェル間にギャップを設けて、複数の同軸ゾーンを画成していると共に、一方のゾーンから他方のゾーンへの熱伝達を行うように構成されている。この反応装置では、第１ゾーンには、水蒸気改質触媒と転化触媒とからなる一群から選ばれた触媒が含まれており、炭化水素からなる原燃料が第２ゾーンで、また、酸素含有ガスが第３ゾーンでそれぞれ予熱されるように構成されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明の特徴や詳細なことについては、添付図面を参照しながらなす詳細な説明から明らかになるであろう。添付図面においては同一構成部品には同一符号を付してある。尚、以後における本発明の好ましい実施形態は例示のために挙げたものであって、本発明を限定するものではない。本発明の主要な特徴は、本発明の特許請求の範囲から逸脱することなく種々の実施形態に利用できるものである。ここで説明する本発明の好ましい実施の形態は、本発明を斯かる実施形態に限定されるべきものではなく、むしろ特定の実施形態に適用した本発明の原理を例示するものである。また、本発明の種々の特徴を説明するに当たり、ゾーンは第１ゾーン、第２ゾーンと呼称しているが、そのような呼び方は説明する特定の実施形態に限られるものである。実施形態によっては異なった生成物が異なったゾーンを流れることがあり、そのために実施形態ごとに種々のゾーンが別の名称で呼ばれたり、または、別の符号で説明されたりするようなことがあり得る。同様に、特許請求の範囲において特に明記されていない限り、「第１」や「第２」などの名称は、順番ないし順位をあらわすために用いたものではない。
【００２３】
図１に、本発明を実施した特定の反応装置（１０）を示す。この反応装置（１０）は、主反応ゾーン（１４）がその中に位置する第１シェル（１２）を備えている。この第１シェル（１２）は、中心軸（１５）を中心とする同軸配置した一群のシェル（１２、２６、３６、４６、５６、６６、７６）の内で最内側に臨むシェルである。この実施形態における主反応ゾーン（１４）は、オートサーマル改質器（autothermal reformer、ＡＴＲ）（１６）と高温転化床（high temperature shift bed、ＨＴＳ）（１８）とを含む。第１シェル（１２）の近傍にはバーナー（２０）が設けられている。前記ＡＴＲ（１６）は、単体構造型（モノリシック）支持体に設けた水蒸気改質触媒（１７）と、同様に単体構造型支持体に設けた部分酸化反応部（１９）とを含み、両者が組み合わさってオートサーマル改質反応（ＡＴＲ）を行うようになっている。
【００２４】
改質触媒（１７）としては、従来より当業界でよく知られているものであれば何れの触媒であってもよく、好ましくはＰｄ／Ａｌ２Ｏ３が挙げられる。支持体に担持させた金属触媒としては、プラチナ（Ｐｔ）やパラジウム（Ｐｄ）、ニッケル（Ｎｉ）などが知られている。この触媒（１７）としてはペレット状や粉末状であってもよく、或いは当業界でよく知られている形態のものであってもよい。発熱ＰＯｘ反応は自立反応であり、理想的な条件下では、触媒ＰＯｘ反応（catalyzed POx reaction）の場合では摂氏約７００度から約１２００度の作用温度範囲を維持できる。この反応により発生する熱は、水蒸気改質反応を起こすのに使われる。
【００２５】
最内側シェル（１２）の径方向外方に臨むシェル（２６）は、その内面と最内側シェル（１２）の外面との間にゾーン（２８）を画成している。このゾーン（２８）には、原燃料としての炭化水素が流れるようになっている。主反応ゾーン（１４）で生成される熱は最内側シェル（１２）の壁部により、シェル（１２）を介してゾーン（２８）に伝熱されるようになっている。ゾーン（２８）を通って流れる炭化水素の原燃料は、主反応ゾーン（１４）からの伝熱によりゾーン（２８）を通る際に加熱される。その際、水蒸気も炭化水素原燃料と共に予熱されるのが望ましい。炭化水素原燃料と水ないし水蒸気とは、主反応ゾーン（１４）における流れ方向に対して対向流となるのが望ましいが、バーナーからの排気は主反応ゾーン（１４）での流体流れと並流となるのが望ましい。
【００２６】
また、シェル（２６）から径方向外方に隣り合うシェル（３６）は、その内面とシェル（２６）の外面との間にゾーン（３８）を画成している。このゾーン（３８）には、ゾーン（２８）を流れる炭化水素原燃料よりも熱くなっているバーナー（２０）からの排気が流れるようになっている。従って、バーナーからの排気流れの熱はシェル（２６）の壁部を介してゾーン（２８）を流れる炭化水素原燃料に伝熱する。そのために、図示の実施形態では主反応ゾーン（１４）とゾーン（３８）におけるバーナー排気流れとの両方からの熱が炭化水素原燃料に伝熱されることになる。一実施形態においては、炭化水素原燃料はメタンであってもよい。適当な燃料としては、アルコールを含む広範囲の炭化水素が利用でき、考えられる燃料としては、必ずしもそれに限られないが、ガソリン、灯油、ＪＰ−８、メタン、プロパン、メタノール、エタノールが挙げられる。
【００２７】
好ましくは、炭化水素原燃料は、第１ゾーンを、この実施形態ではゾーン（２８）を流れている間にほぼその貯蔵温度から所望の予熱温度まで加熱されるのが望ましい。
【００２８】
シェル（３６）から径方向外方に隣り合うシェル（４６）は、その内面とシェル（３６）の外面との間にゾーン（４８）を画成している。このゾーン（４８）には空気が周囲温度で流れる。この空気が大気から吸引されている場合には、その周囲温度が該空気の貯蔵温度である。ゾーン（３８）を流れるバーナー排気の方がこの空気よりも熱いので、当該バーナー排気流れの熱はゾーン（４８）を流れる空気にシェル（３６）の壁部を介して伝熱される。ゾーン（４８）を流れているときの空気の加熱は、バーナー排気からの伝熱によりなされる。このように加熱された空気は、ゾーン（４８）から排出されてＡＴＲ（１６）へと供給される。
【００２９】
また、シェル（４６）から径方向外方に隣り合うシェル（５６）は、その内面とシェル（４６）の外面との間にゾーン（５８）を画成している。このゾーン（５８）には、別の周囲空気が流れるようになっており、この空気も加熱されてゾーン（５８）を出た後、バーナー（２０）へ供給される。
【００３０】
シェル（５６）から径方向外方に隣り合うシェル（６６）は、その内面とシェル（５６）の外面との間に、燃料電池（図示せず）の陽極からの排気、即ち、陽極排気が流れるゾーン（６８）を画成している。水素ガスを含む陽極排気はバーナー（２０）で燃焼する燃料として使われる。ゾーン（６８）に流入する陽極排気は、当該陽極排気が流れるゾーン（６８）の内側に臨むゾーン（５８）を流れる空気よりも熱い。従って、これらのゾーンを互いに隔離しているシェル（５６）の壁部を介して、陽極排気が流れるゾーン（６８）から内側のゾーン（５８）を流れる空気に伝熱されることになる。このようにして加熱された空気はゾーン（５８）を出た後にバーナー（２０）へ供給される。
【００３１】
水素を生成するのに必要な種々の流体（例えば燃料、水蒸気、空気など）は、ゾーン間で熱伝達を行う伝熱流体としても作用していることは理解されよう。尚、一定の作動条件時には、ゾーン間での熱伝達が、伝熱流体（例えば陽極ガス、空気、炭化水素燃料、水蒸気ないし水）の相対温度に応じて逆方向に起こるようにしてもよい。
【００３２】
図示の実施形態では、シェル（６６）から径方向外方に臨む最外側シェル（７６）は、その内面とシェル（６６）の外面との間にゾーン（７８）を画成している。主反応ゾーン（１４）のＨＴＳ（１８）からの排気である改質燃料がこの最内側のゾーン（７８）を流れる。この改質燃料は、ＨＴＳ（１８）から排出された後ではゾーン（６８）を流れる陽極排気に対して高温状態になっている。陽極排気はバーナーの燃料として使われるが、このバーナー（２０）での燃焼を促進するために当該陽極排気を予熱しておくのが望ましい。従って、ゾーン６８を流れる陽極排気は、最内側ゾーン（７８）とその内側に臨むゾーン（６８）とを互いに隔離するシェル（６６）の壁部を介して改質燃料の流れるゾーン（７８）から伝熱作用により加熱されるようになっている。
【００３３】
好ましい実施形態としては、反応装置（１０）のシェル構造体に伸縮自在ベローズ（８０）を設けている。この反応装置を構成するのに用いたステンレス鋼は、加熱されると膨張するので、膨張自在ベローズ（８９）を設けることにより反応装置（１０）の構造上の一体性を弱めたり、損ねたりするようなことはなく、前述の膨張を吸収している。
【００３４】
反応装置（１０）の一端には端部キャップ（１００）を設けている。この端部キャップ（１００）はそれぞれのシェル（１２、２６、３６、４６、５６、６６、７６）を閉塞しており、対応する流体の流路を分岐させることにより、または入口ないし出口を設けることにより、各流路を定めている。
【００３５】
主反応ゾーン（１４）内にあっては、ＡＴＲ（１６）とＨＴＳ（１８）の間を流れる改質燃料にオプションで水蒸気を混合してもよい。このように水蒸気を混合させると、水性ガス転化反応での水素の生成を良好に促進させることができる。そこで、水蒸気を混合させるために、入口（８４）を有するチューブ（８２）をＨＴＳ（１８）を貫通するように設けている。このチューブ（８２）は、その一部がコイル形状を有しており、改質燃料に水蒸気を混合させる出口（８６）を備えている。ＨＴＳに入る前に改質燃料に水蒸気を添加することもオプションとして考えられる。また、水蒸気を混合させたい場合、改質燃料に水蒸気を添加するためには種々の手段が既に知られているところである。
【００３６】
本発明の別の実施形態では、反応装置内の温度を制御する手段として、反応装置の改質ゾーンを貫通するように熱交換用チューブを設けてもよい。この熱交換用チューブには、熱伝達媒体を含ませておく。これにより、システムのエネルギー必要量に応じて始動時ないし過渡的稼働時に改質ゾーンに熱を供給することができる。
【００３７】
図２は、シェル（１２、２６、３６、４６、５６、６６、７６）に加え、ＨＴＳ（１８）の触媒床（８８）を貫通して水ないし水蒸気を搬送する水蒸気チューブ（８２）を示している。
【００３８】
この図２には、種々のシェル（１２、２６、３６、４６、５６、６６、７６）の表面から延在するディンプル（９０）も示されている。このディンプル（９０）は、シェル間の各隙間に臨んでいてシェル間のスペースを維持している。この実施形態ではスペーサとしてディンプルを用いているが、スペーサとしては、反応装置の長軸に沿ってギャップ内に延在する棒や、隙間に設ける平坦ないし波状スクリーン、またはその他の適当なスペーサであってもよい。ディンプル、または、その他のスペーサを設けることで、乱流を発生させて熱伝達効率を上げている。隙間における流体流れは主として乱流であるのが望ましい。本発明の好ましい実施形態では、シェル（１２、２６、３６、４６、５６、６６、７６）の断面形状は円形であるが、三角形、矩形、楕円形などその他の適当な断面形状であっても同様な利点が得られる。
【００３９】
本発明の別の実施形態では、種々の流体流れの供給は、図３Ａから図３Ｈにそれぞれ示す構成の端部キャップ（１００）を用いることにより促進される。図３Ａから図３Ｈに示す端部キャップ（１００）は、図１に示した実施形態で用いることは意図していない。なぜなら、図１の実施形態の端部キャップでは隙間が７個あるのに対して、図３Ａから図３Ｈに示した端部キャップでは隙間が６個しかないからである。この実施形態においては、ＡＴＲ用空気とバーナー用空気とは一つの隙間において一緒に予熱されるようにしているので、隙間の数は１個だけ減っている。図３Ａから図３Ｆに種々のアセンブリ工程段階での端部キャップ（１００）を示す。完全な端部キャップ（１００）の前面図を図３Ｇに、また、その背面図を図３Ｈに示す。
【００４０】
図３Ａは、端部キャップ（１００）を燃料改質反応装置に組み付けた場合での第１最内側ゾーンからみて最外側の板部材である第１板部材（１０２）を示す。この第１板部材（１０２）には、当該板部材（１０２）に穿設されている孔から延在する長さの異なったパイプ（１０６ａ〜ｄ）を備えた入出口が設けられている。第２板部材（１０８）を図３Ｂに示すが、この板部材（１０８）には、図３Ａに示した板部材（１０２）におけるパイプ（１０６ａ〜ｄ）に対応する複数の孔または開口が形成されている。また、この第２板部材（１０８）には、別のパイプ（１１４）が延在する孔または開口も設けられている。図３Ｃは、第１及び第２板部材（１０２、１０８）を互いに溶接により連結した状態を示している。
【００４１】
図３Ｄは、前記のように連結した第１及び第２板部材に対して第３板部材（１１６）を同様に溶接した状態を示している。図３Ｅと図３Ｆも、端部キャップ（１００）に第４及び第５板部材（１２０、１２２）をそれぞれ追加溶接した状態を示している。図３Ｇは、更に第６板部材（１２４）を同様に追加溶接して、端部キャップ（１００）として完成させたものの前面図を示している。長さの異なるパイプ（１０６ａ〜ｄ）は、入出口と、互いに離間している複数の板部材（１０２、１０８、１１６、１２０、１２２、１２４）とにより形成される種々のチャネルとの間に流体連通路が形成されるように定置されている。この実施形態においては、図３Ｂに示すパイプ（１１４）は主反応ゾーンを最外側のチャネルと連通させている。好ましい実施形態では、板部材の数は、主反応ゾーンを含む、反応装置におけるゾーンの数と等しい。
【００４２】
本発明による燃料電池改質装置の１つの製造方法においては、図３Ｇに示した端部キャップ（１００）を同軸配置した複数のシェルを有する燃料電池改質装置に組み付けている。この端部キャップ（１００）の各板部材（１０２、１０８、１１６、１２０、１２２、１２４）は、その外周部に沿って反応装置のシェルに溶接されるので、漏れを防止するシールが形成される。
【００４３】
多段シェル型反応装置の別の実施形態を図４に示す。同図は、反応装置（２００）の側断面図を示している。シェル（２０５、２０６、２０７、２０８、２０９）間のギャップのそれぞれには、環状ゾーン（２０１、２０２、２０３、２０４）が形成されている。シェル（２０９）の内部には、ＨＴＳ（２１２）とＡＴＲゾーン（２１３）とが設けられている。ＨＴＳゾーン（２１２）とＡＴＲゾーン（２１３）とは、混合域（２１７、２１８）と蒸発域（２１９）とにより互いに隔離されている。チューブ（２１６）は、ＡＴＲ（２１３）から流入する高温改質燃料により蒸発する水を搬送する。他方、チューブ（２１４）は、燃料と水蒸気の混合物をＡＴＲ（２１３）に導入する入口である。この燃料・水蒸気混合物はコイル状チューブ（２１５、２２２）で予熱された後、チューブ（２１４）に多岐連結管（図示せず）を介して導入されるようになっている。別の実施形態としては、燃料と水蒸気とが早い段階で混合されるようにしてもよい。そのような反応装置においては、反応装置に導入するに先立って混合させておく。２２０は空気入口であって、この入口（２２０）を介して導入された空気は、ゾーン（２０３）を貫流した後ゾーン（２０４）へ戻って、ＡＴＲ（２１３）とＨＴＳ（２１４）とバーナー（２１１）とから生じた熱によりシェル（２０９、２０８）の壁部を介して加熱される。
【００４４】
酸素含有ガスが円形チューブ（２１４）の外側に臨むゾーン（２０４）から流出して、チューブ（２１４）から流れてくる燃料・水蒸気混合物と混合する。この燃料・水蒸気・空気（酸素含有ガス）混合物はＡＴＲ（２１３）に流入し、それと同時に発熱して改質される。得られた改質燃料は領域（２２３）のところでＡＴＲ（２１３）から出て、ゾーンにおける別の水と混合する。この水はチューブ（２１６）から導入されるものであって、混合域（２１７）に霧状に噴射される。このように噴霧された水は、高温改質燃料により領域（２２３）において蒸発する。この水蒸気を伴う改質燃料はゾーン（混合域）（２１８）における冷却コイル（図示せず）上を通過してＨＴＳ（２１２）に流入する。このように転化された改質燃料は出口（２２１）を介して改質装置から出てくる。
【００４５】
バーナーの燃料である陽極排気は、入口（２２４）を介して改質装置（２００）に導入されてゾーン（２０１）を流れ、その際にゾーン（２０２）からの熱によりシェル（２０６）を介して加熱される。水素はチャンバ（２２５）に導入された空気と混合してバーナー（２１１）に導入され、このバーナー（２１１）において熱が発生する。バーナーからの排気はゾーン（２０２）を流れると共に、改質装置の燃料・水蒸気混合物が流れているコイル状チューブ（２１５、２２２）を通過し、冷却された排気が出口（２２６）を介して改質装置から排出される。ここで、伸縮自在ベローズ（２１５）が設けられていることから、全てのシェルに圧力を作用させかねない温度差による膨張作用を充分防ぐことができる。
【００４６】
図５は、端部キャップ（３００）の別の実施形態を分解図にて示している。この実施形態においては、端部キャップ（３００）の板部材（３０２、３０４、３０６、３０８）はチャネル（３１０）を有しており、これらのチャネル（３１０）は、板部材（３０２、３０６）に隆起部（３１２）を設けることにより、隆起部（３１２）間に画成されている。これらのチャネル（３１０）を通って流体が流れる。また、入口（３１４）は、端部キャップ（３００）を介して流体が流入出するところである。図示していないが、本発明の別の実施形態では、中実端部キャップを利用することも可能である。そのような実施形態にあっては、シェル間に設けられたゾーンへの入出口は、シェル内を延在するチューブにより形成されることになる。
【００４７】
本発明の他の構成によれば、高濃度水素含有生成物を生成するための反応装置における複数の同軸配置型シェルには、下記の機能（１）〜（６）をなす端部キャップが設けられている。
【００４８】
（１） シェル間に形成される隙間が画成するゾーンを閉塞する。
（２） シェルの機械的安定性を得ると共に、シェルを適切に離間させる。
（３） 同軸ゾーンから流出する処理流れ、伝熱流体などが流れる多岐連結管または多岐連結流路として作用する。
（４）同軸ゾーンへの処理流れ、伝熱流体などが流れる流路として作用する。
（５） 反応装置に対する処理流れ、伝熱流体などの流入出が行われる入口または出口として作用する。
（６） 上記（１）から（５）が組み合わさった作用をなす。
【００４９】
そのような端部キャップは種々の方法、例えば鋳込み法、抜打ち加工法などで作製することができる。しかしながら、本発明の別の構成では、斯かる端部キャップを提供するに当たっては、後述の新規な構造と製造方法が考えられる。
【００５０】
図３Ａ〜３Ｈと図５は、板部材の積層体を用いて、本発明による端部キャップ（１００）（１０１）（３００）を形成することをそれぞれ示している。広義には、板部材は互いに離間しており、一部のゾーンに対してバリアとして作用すると共に、板部材間のギャップに連通する開口を形成するものとして作用し、さらに流体が板部材間を貫流したり、板部材間のスペースを貫流するパイプのような導管として作用する。
【００５１】
図３Ｃに示した端部キャップ（１０１）は、後述の例外があるものの、反応装置１０とほとんど同位置の反応装置に使われるものである。反応装置１０は７個の同軸ゾーンを有しているのではあるが、この端部キャップ（１０１）は、６個の同軸ゾーンを有する反応装置に利用されるものである。ここで開示している端部キャップ（１０１）は、ＡＴＲ空気１６とバーナー２０用空気とが一つのゾーン内で予熱されるようになっていて、それに伴って１個のゾーンを減らした、反応装置１０と類似の反応装置において使われるのを想定している。図３Ａ、３Ｂ、３Ｄ、３Ｅおよび３Ｆは、端部キャップ（１００）の作製を工程段階ごとに示している。完成した端部キャップ（１００）の底部斜視図を図３Ｇに、また、その上面斜視図を図３Ｈに示す。
【００５２】
詳述すれば、図３Ａに示した第１板部材（１０２）は最外側の板部材である。この第１板部材（１０２）には、当該板部材（１０２）に穿設されている孔から延在する長さの異なった入出口パイプ（１０６ａ〜１０６ｄ）が設けられている。図３Ｂに示す第２板部材（１０８）は第１板部材（１０２）に組み付けられていて、板部材（１０２）におけるパイプ（１０６ａ〜ｄ）に対応する開口（１０７ａ〜ｄ）が形成されている。これらのパイプ（１０６ａ〜１０６ｄ）は、図３Ｃに示すように第１板部材（１０２）と第２板部材（１０８）の組付け状態で、第２板部材（１０８）における開口（１０７ａ〜１０７ｄ）に対応するようにその位置が決められている。従って、パイプ（１０６ａ〜１０６ｄ）は、板部材（１０２）と板部材（１０８）との間の開口またはスペース（１０７ａ〜ｄ）を介して流体を流すことができる。しかしながら、パイプ（１０６ｄ）は、板部材（１０８）から突出するようにはなっておらず、そのために、板部材（１０２）と板部材（１０８）とを組み付けたとき、図３Ｄに示す第３板部材（１１６）と板部材（１０２、１０８）との間のスペース（１０９）により流体が流れる連通路が形成される。同様に、板部材（１０８）のパイプ（１１４）やパイプ（１０６ａ、１０６ｃ）は全て板部材（１１６）を貫通しているので、これら板部材からなる積層体において板部材（１１６）と図３Ｅに示す板部材（１２０）との間のスペース（１１５）により流体が流れる連通路が形成される。他の板部材（１２２、１２４）とパイプ（１０６ａ）とパイプ（１１４）についても、同様に配列されている。
【００５３】
導管としてのパイプやスペース、開口は、前述したように多段シェル型装置が稼働するように所要流体を貫流させるための流体回路を形成している。スペースは、径方向への導管として作用しており、それに対してパイプは中心軸（１５）と平行な軸芯に沿って流れる流体用の導管として作用している。
【００５４】
尚、板部材を組み付けたり、それらをシェルと連結するには、前述した方法以外に適当な方法を採ることができる。適当な方法を採るに当たっては、修理や製造の便宜も考慮に入れておくべきである。例えば、溶接なら、板部材とシェルとの間に信頼性のある連結やシールを達成することができるが、修理の立場から考えると好都合とは言えない。
【００５５】
図５は、反応装置（２００）に特に適した端部キャップ（３００）の別の実施の形態を示す。殊に、端部キャップ（３００）の板部材（３０２、３０４、３０６、３０８）はチャネル（３１０）を有しており、これらのチャネル（３１０）は、板部材（３０２、３０６）に隆起部（３１２）を設けることにより、隣接する隆起部（３１２）間に画成されている。これらのチャネル（３１０）を通って径方向に流体が流れる。また、入口（３１４）は、端部キャップ（３００）を介して流体が流入出するところである。図示していないが、本発明の別の実施形態では、中実端部キャップを利用することも可能である。そのような実施の形態にあっては、シェル間に臨むゾーンへの入出口は、シェル内を延在するチューブにより形成されることになる。
【００５６】
以上、本発明の好ましい実施例を参照しながら本発明を詳述したが、本発明から逸脱しなくとも説明した実施形態に対する変更や、その他の実施形態などが容易に思いつくところである。尚、本発明のあらゆる利点を利用していない実施形態でも従来例に対する改良された構造と方法に至ることもあり得る。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明による反応装置の一実施形態を示す側断面図である。
【図２】図１のラインＡ―Ａに沿った反応装置の断面図である。
【図３Ａ】本発明の一実施形態による端部キャップアセンブリの組立分解図である。
【図３Ｂ】本発明の一実施形態による端部キャップアセンブリの組立分解図である。
【図３Ｃ】本発明の一実施形態による端部キャップアセンブリの組立分解図または積層体を示す図である。
【図３Ｄ】本発明の一実施形態による端部キャップアセンブリの組立分解図または積層体を示す図である。
【図３Ｅ】本発明の一実施形態による端部キャップアセンブリの組立分解図または積層体を示す図である。
【図３Ｆ】本発明の一実施形態による端部キャップアセンブリの組立分解図または積層体を示す図である。
【図３Ｇ】本発明の一実施形態による端部キャップアセンブリの積層体を示す図である。
【図３Ｈ】本発明の一実施形態による端部キャップアセンブリの積層体を示す図である。
【図４】本発明による反応装置の別の実施形態を示す側断面図である
【図５】本発明の別の実施形態による端部キャップアセンブリの分解斜視図である。
【符号の説明】
【００５８】
１０ 反応装置
１２、２６、３６、４６、５６、６６、７６ シェル
１４ 主反応ゾーン
１６ オートサーマル改質器（ＡＴＲ）
１７ 水蒸気改質触媒
１８ 高温転化床（ＨＴＳ）
１９ 部分酸化反応部
２０ バーナー
２８、３８、４８、５８、６８、７８ ゾーン（ギャップ）
８２ チューブ
８８ 触媒床
１００ 端部キャップ
Claims (49)
- 炭化水素から高濃度水素含有改質燃料を生成する反応装置であって、
燃焼反応、部分酸化反応、オートサーマル改質反応、水性ガス転化反応、優先酸化反応の内の少なくとも１つの反応またはそれらの組合わせの反応を含む発熱反応を行うように構成した主反応ゾーンと、
それぞれが壁部を有し、前記主反応ゾーンを中心として同軸配置した複数のシェルと、
複数の同軸ゾーンを形成すべく前記シェルの壁部間に画成されたギャップとを備え、
一方のゾーンから他方のゾーンへと直接伝熱するように構成されており、
また、炭化水素からなる原燃料がほぼその貯蔵温度から所望の予熱温度へと第１ゾーンを貫流することにより予熱されると共に、酸素含有ガスもほぼその貯蔵温度から所望の予熱温度へと第２ゾーンを貫流することにより予熱されるように構成された反応装置。 - 請求項１において、第３ゾーンにおいて水ないし水蒸気が予熱されるように更に構成されている反応装置。
- 請求項１において、前記第１ゾーンにおいて水ないし水蒸気が原燃料と共に予熱されるように更に構成されている反応装置。
- 請求項２において、一つ以上の前記発熱反応による反応ガスが第４ゾーンを貫流して、前記第１、第２及び第３ゾーンの内の少なくとも一つと熱伝達を行うように更に構成されている反応装置。
- 請求項１において、前記主反応ゾーンでの水蒸気改質反応に供給する熱を発生させるバーナーを更に設けている反応装置。
- 請求項５において、前記第２ゾーンからの前記酸素含有ガスの少なくとも一部が前記バーナーへの供給に利用されるように更に構成されている反応装置。
- 請求項１において、前記第２ゾーンからの前記酸素含有ガスを前記主反応ゾーンでの部分酸化反応に供給するのに利用するように更に構成されている反応装置。
- 請求項５において、前記バーナーでの燃焼反応を起こすための前期酸素含有ガスが１つの前記同軸ゾーンにおいて予熱されるように更に構成されている反応装置。
- 請求項４において、さらにバーナーを備え、当該バーナーからの排気が１つの前記同軸ゾーンを貫流して一つ以上の他の同軸ゾーンと熱交換を行う反応装置。
- 請求項８において、前記バーナーからの排気が１つの前記同軸ゾーンを貫流して一つ以上の他の同軸ゾーンと熱交換を行うように更に構成されている反応装置。
- 請求項４において、前記第１ゾーンは前記主反応ゾーンを流れる生成物流れの方向とは反対方向に流れる炭化水素の原燃料と水ないし水蒸気とを含み、
また、前記第２ゾーンを流れる前記酸素含有ガス流れが前記主反応ゾーンにおける前記生成物流れとは反対方向に流れ、
前記第４ゾーンを流れる前記反応ガス流れが前記主反応ゾーンにおける前記生成物流れと並流方向に流れるように更に構成されている反応装置。 - 請求項１１において、前記ゾーンが外側に向かって前記主反応ゾーン、第１ゾーン、第４ゾーン、そして第２ゾーンの順に配置されるように更に構成されている反応装置。
- 請求項４において、前記第４ゾーンにおける前記反応ガス流れが前記主反応ゾーンにおける生成物流れと並流方向に流れ、また、
その他の全てのゾーンにおける流体流れが前記主反応ゾーンにおける前記生成物流れとは反対方向に流れるように更に構成されている反応装置。 - 請求項１３において、前記同軸ゾーンが径方向外方に向かって主反応ゾーン、第１ゾーン、第４ゾーン、第２ゾーン、第５ゾーン、そしてオプションとしての第６ゾーンの順で配置されるように更に構成されている反応装置。
- 請求項１３において、前記ゾーンが径方向外方に向かって主反応ゾーン、第１ゾーン、第４ゾーン、第３ゾーン、第２ゾーン、第５ゾーン、そしてオプションとしての第６ゾーンの順で配置されるように更に構成されている反応装置。
- 請求項１において、前記ゾーンの前記ギャップにより、各ゾーンにおける流体流れが主として乱流となるように更に構成されている反応装置。
- 請求項１において、互いに隣り合うシェル間のスペースを維持するスペーサを前記ゾーンに設けた反応装置。
- 請求項１７において、前記スペーサが、ディンプル、棒、平坦ないし波状スクリーンからなる一群から選ばれる反応装置。
- 請求項１において、前記主反応ゾーンに水蒸気改質器を設けている反応装置。
- 炭化水素から高濃度水素含有改質燃料を生成する反応装置であって、
燃焼反応、部分酸化反応、水性ガス転化反応、オートサーマル改質反応、選択酸化反応の内の少なくとも１つの反応またはそれらの組合わせの反応を含む発熱反応を行うように構成した主反応ゾーンと、
前記主反応ゾーンに設けた水蒸気改質器と、
バーナーと、
前記主反応ゾーンを中心として同軸配置されて、それぞれの間に複数の同軸ゾーンを形成するギャップが画成されていると共に、一方のゾーンから一つ以上の隣り合うゾーンへと直接伝熱するように構成されたシェルとを備え、
炭化水素の原燃料が第１ゾーンを、前記部分酸化反応のための酸素含有ガスが第２ゾーンを、水ないし水蒸気が第３ゾーンを、前記バーナーからの排気が第４ゾーンを、前記バーナーにおける燃焼反応のための酸素含有ガスが第５ゾーンを、バーナー用燃料が第６ゾーンをそれぞれ流れるように構成されている反応装置。 - 高濃度水素含有ガスを生成すべく炭化水素を改質する方法であって、
燃焼反応、部分酸化反応、水性ガス転化反応、オートサーマル改質反応、オートサーマル改質反応、選択酸化反応の内の少なくとも一つの反応を行わせて熱を発生させるステップと、
それぞれの間に複数の同軸ゾーンを形成するギャップを有する複数の入れ子式シェルの壁部を介して前記発生した熱を伝熱させるステップと、
第１ゾーンにおいて炭化水素の原燃料流れを予熱するステップと、
第２ゾーンにおいて水蒸気流れを予熱するステップと、
第３ゾーンにおいて酸素含有ガス流れを予熱するステップと、
前記同軸ゾーンの内の一つ、または、最内側シェル内にある主反応ゾーンに設けられた改質ゾーンに前記原燃料と水蒸気とを導入するステップとからなる改質方法。 - 請求項２１において、前記炭化水素の原燃料流れと前記水蒸気流れとは単一の混合された流体である改質方法。
- 請求項２１において、前記主反応ゾーンを中心として環状に配したゾーンを介して加熱された流体を流すステップと、この加熱流体からの熱を別のゾーンにおける流体に伝熱するステップとを更に備える改質方法。
- 請求項２１において、前記主反応ゾーンを中心として環状に配したゾーンを介して改質燃料流れを流すステップと、前記主反応ゾーンを中心として環状に配したゾーンにおいて燃料電池からの陽極排気を前期改質燃料流れを利用して予熱するステップとを更に備える改質方法。
- 炭化水素の原燃料から高濃度水素含有改質燃料を生成する反応装置であって、
それぞれ互いに同軸配置した壁部を有するシェルと、
隣り合う前記シェル間に画成されて複数の同軸ゾーンを形成するギャップとを備え、
前記シェルは一方のゾーンから他方のゾーンへと直接伝熱するように構成されており、
第１ゾーンは、水蒸気改質反応と、燃焼反応、部分酸化反応、オートサーマル改質反応、水性ガス転化反応、優先酸化反応からなる一群から選ばれる少なくとも１つの発熱反応またはそれらの反応の組合わせとを行うように構成されており、
前記炭化水素の原燃料が第２ゾーンにおいて、また、酸素含有ガスが第３ゾーンにおいてそれぞれ予熱されるように構成した反応装置。 - 請求項２５において、第４ゾーンにおいて水ないし水蒸気が予熱されるように更に構成されてなる反応装置。
- 請求項２６において、前記第２ゾーンにおいて水ないし水蒸気が前記炭化水素の原燃料と共に予熱されるように更に構成されている反応装置。
- 請求項２７において、バーナーを更に備える反応装置。
- 請求項２８において、前記同軸ゾーンにおいてバーナー用燃料流れを予熱するように更に構成されている反応装置。
- 炭化水素から高濃度水素含有改質燃料を生成する反応装置であって、
水蒸気改質を行うように構成した主反応ゾーンと、
前記主反応ゾーンを中心として同軸配置されて、それぞれの間に複数の同軸ゾーンを形成するギャップが画成されていると共に、一方のゾーンから他方のゾーンへと直接伝熱するように構成された複数のシェルと、
加熱した排気ガス流れを生成するように構成したバーナーとを備え、
第１ゾーンでは炭化水素の原燃料が、また、第２ゾーンでは酸素含有ガスがそれぞれ予熱されるようになっており、
前記バーナーから発生した前記加熱排気ガス流れは、前記第１及び第２ゾーンの間に配置した第３ゾーンを介して流されると共に、共有する壁部を介して熱伝達作用により前記第１及び第２ゾーンを予熱するのに使用される反応装置。 - 請求項３０において、前記第１ゾーンを流れる前記原燃料と前記第２ゾーンを流れる前記酸素含有ガスは互いに並流であり、前記第３ゾーンを流れる前記排気ガス流れは前記第１及び第２ゾーンにおける前記原燃料流れと前記酸素含有流れとは対向流である反応装置。
- 請求項３０において、バーナーの燃料が燃料電池からの陽極ガスの少なくとも一部である反応装置。
- 高濃度水素含有改質燃料を生成すべく炭化水素を改質する方法であって、
壁部を有し、水蒸気改質器を含む主反応ゾーンを画成する第１シェルを中心として同軸配置した第１ギャップを介して第１改質用反応体流れを供給するステップと、
前記第１改質用反応体を前記第１ギャップを介して前記主反応ゾーンへ流すステップと、
前記主反応ゾーンにおいて前記炭化水素の原燃料を改質するステップとを備え、
前記主反応ゾーンにおける温度は前記第１ギャップを流れる前記第１改質用反応体の温度より高い改質方法。 - 請求項３３において、前記第１改質用反応体が炭化水素を含む改質方法。
- 請求項３３において、酸素含有ガスを前記主反応ゾーンに供給するステップを更に備える改質方法。
- 請求項３３において、前記原燃料のオートサーマル改質を行なうステップを更に備える改質方法。
- 高濃度水素含有改質燃料を生成すべく炭化水素を改質する反応装置であって、
それぞれが環状壁部を有し、また、隣接する壁部間にゾーンを画成するギャップを有する複数の入れ子式シェルを備え、
各ゾーンに異なった伝熱媒体が含まれていると共に、前記伝熱媒体が前記ゾーンを介して流れて前記シェルの壁部を介して熱交換を行うように構成されている反応装置。 - 請求項３７において、各伝熱媒体が、反応するに先立って、または、前記反応装置から排出されるに先立って一つだけのゾーンを流れる反応装置。
- 請求項３７において、さらに、少なくとも５個の入れ子式シェルを備える反応装置。
- 炭化水素を高濃度水素含有生成物に改質する反応装置であって、
それぞれの間にギャップを設けて、複数の同軸ゾーンを形成する複数の入れ子式シェルと、
燃焼反応、部分酸化反応、オートサーマル改質反応、水性ガス転化反応、優先酸化反応の内の少なくとも１つまたはそれらの反応の組合わせを含む発熱反応で生成される第１の加熱された生成物流れと、
燃焼反応、部分酸化反応、オートサーマル改質反応、水性ガス転化反応、優先酸化反応の内の少なくとも一つを含む発熱反応で生成される第２の加熱された生成物流れとを備え、
前記第１および第２加熱生成物流れはそれぞれ、炭化水素の原燃料、水蒸気、酸素含有ガス、及び、燃料電池からの陽極ガスを含む一群から選ばれる少なくとも一つの流体が流れる少なくとも一つのゾーンに隣接するゾーンを流れる反応装置。 - 請求項４０において、前記第１および第２加熱生成物流れは互いに並流であるが、他の全てのゾーンを流れる流体流れに対しては対向流となるように構成した反応装置。
- 炭化水素から高濃度水素含有改質燃料を生成する反応装置であって、
ゾーンを画成する第１最内側シェルを中心に配置した環状壁部をそれぞれが有し、また、隣接する壁部間に複数の同軸ゾーンを画成するギャップを有すると共に、一方のゾーンから他方のゾーンへの熱伝達を許容するように構成された複数の入れ子式シェルと、
前記ゾーンの数と等しい数の積層された板部材により形成される複数のチャネルを有する端部キャップとを備えた反応装置。 - 請求項４２において、流体が前記板部材を介して前記チャネルに対して流入出するように更に構成された反応装置。
- 請求項４２において、流体が前記端部キャップを介してゾーン間を流されるように更に構成された反応装置。
- 請求項４２において、炭化水素の原燃料が第１ゾーンで予熱され、酸素含有ガスが第２ゾーンで予熱されるように更に構成された反応装置。
- 炭化水素から高濃度水素含有改質燃料を生成する反応装置であって、
燃焼反応、部分酸化反応、オートサーマル改質反応、水性ガス転化反応、優先酸化反応の内の少なくとも１つまたはそれらの反応の組合わせを含む発熱反応を行うように構成した主反応ゾーンと、
前記主反応ゾーンを中心として配置され、それぞれの間に複数の同軸ゾーンを画成するギャップを有すると共に、一方のゾーンから他方のゾーンへの熱伝達を許容するように構成された複数のシェルと、
反応装置に対して流体を流入出させ、また、前記ゾーン間で前記流体の流路を定める端部キャップとを備える反応装置。 - 請求項４６において、前記端部キャップを構成する複数の板部材を通って該板部材間に形成されたチャネルに対して流体を流入出させるようにを更に構成された反応装置。
- 請求項４６において、前記端部キャップを介してゾーン間で流体が流れるように更に構成された反応装置。
- 炭化水素から高濃度水素含有改質燃料を生成する反応装置であって、
それぞれが同軸配置した壁部を有し、また、それぞれの間に複数の同軸ゾーンを画成するギャップを有すると共に、一方のゾーンから他方のゾーンへの熱伝達を行うように構成された複数の入れ子式シェルを備え、
第１ゾーンには、水蒸気改質触媒と転化触媒とからなる一群から選ばれた触媒が設けられており、
炭化水素の原燃料が第２ゾーンで、また、酸素含有ガスが第３ゾーンでそれぞれ予熱されるように構成されている反応装置。
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