JP2005501711A

JP2005501711A - 流体処理デバイス用モジュラーマイクロリアクタアーキテクチャおよび方法

Info

Publication number: JP2005501711A
Application number: JP2003526537A
Authority: JP
Inventors: エリックジェイ．デイビス，; レイジェイ．ボーウェン，; ジェフリーエム．ペダーセン，; カレンフレックナー，
Original assignee: エヌユーエレメント，インコーポレイテッド
Priority date: 2001-06-27
Filing date: 2002-06-26
Publication date: 2005-01-20
Also published as: CN100464835C; WO2003022417A3; US20070280862A1; CA2452616A1; WO2003022417A2; EP1420881A4; EP1420881A2; CN1547503A; KR20040045407A

Abstract

エンドブロックマニホールド間に安定的に設けられた入れ子式管のマトリクスからなるモジュラー流体処理アーキテクチャが提供される。入れ子式管によって形成された環状空間内に複数の化学リアクタが収容されており、マニホールド内での流体の分割、混合、切り換えおよび熱交換を介してプロセスが一体化され得る。流体切り換えシステムは、個々のプロセッサ内で、またはプロセッサの列内で、流体をオン／オフ切り換えする能力を提供し得る。切り換えはプロセスの一部またはすべての動作を実行し得る。このような切り換えは、プロセスの出力に対する需要に迅速にかつ忠実に応えることを容易にすることができ、しかも各プロセッサが高効率の範囲で動作することを可能にする。なぜなら、プロセッサは、出力に対する需要が減少または増加するのに応じてオン／オフされ得るからである。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロリアクタおよびこのようなマイクロリアクタを動作する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
様々な応用のための中規模化学処理システムの開発に向けて有意な努力がなされている。これらの応用は典型的には、１以上の熱交換機および関連する流体操作動作と組み合わされた１以上の化学リアクタからなる。特にかなりの注目を浴びている１つの応用分野は、燃料電池用の燃料処理システムの応用分野である（米国特許第５，８６１，１３７号、第５，９３８，８００号および第６，０３３，７９３号）。注目を浴びている他の応用分野は、蒸発器とパーソナル加熱冷却デバイスとを含む。
【０００３】
これらのシステムの開発者が直面する共通の問題は、ロードに対する応答が遅いこと、部分的ロードの効率が低いこと、および製造が困難なことを含む。ロードに対する応答が遅いことは多くの中規模の設計が基礎とする大規模工業プロセス設計から受け継がれたものである。これらの設計で用いられる充填したベッドリアクタおよび熱交換機は熱的および化学的慣性で動作し、このことにより、これらのシステムの、処理量または処理ロードの変化に迅速に対応する能力が制限される。これらの設計は典型的には、比較的狭く厳密に制御されたプロセス条件範囲内で良好に動作し、設計点から離れた動作に対しては大幅に効率が落ちる。プロセスのスループット容量を変更する際に遭遇する、難しい規模の増減に関する問題により、生産性が妨げられる。たとえば、プロセスリアクタおよび熱交換機は、材料ストリームの流量および熱伝導率の変更に対処するために頻繁に再設計されなければならない。
【０００４】
マイクロ化学処理システムの分野での最近の進歩（米国特許第６，１９２，５９６号、第５，９６１，９３２号、第５，５３４，３２８号、第５，５９５，７１２号および第５，８１１，０６２号）は、上記問題のいくつかに取り組み始めている。比較的小さいサーマルマスから熱伝導面積を増加することにより、いくつかのマイクロリアクタ設計（たとえば平行マイクロリアクタチャネル）に固有の、高い表面対容量率が熱慣性の影響を減少し得、反応温度および熱交換率に対する、より厳密な制御を可能にし得る。高い熱フラックスおよび加速された見かけ上の反応速度によって、ロード対応の問題がある程度緩和される。マイクロファブリケーション技術によって数百ミクロンのオーダーでの熱交換表面の厚みが提供されており、伝導路が短くなることによって熱フラックスを増加することが可能になる。熱および質量の伝導長は小型化につれて減少するため、見かけ上の反応速度は、手近な化学反応固有の化学反応速度論に近づくにつれて加速される。リアクタは典型的には平行なマイクロチャネルのアレイからなっているため、これらの設計はある程度一定の比率で拡大縮小が可能であり得、単にチャネルを追加したり削減したりすることによって拡大縮小することができる。製造上の困難な点は、積層シートアセンブリによってさらに取り組まれている（米国特許第６，１９２，５９６号）。
【０００５】
上記にかかわらず、マイクロリアクタシステムは今日まで、部分的ロードの効率が落ちるという問題に適切に対処することができていない。なぜなら、マイクロリアクタシステムはいまだ狭いスループット範囲で動作するように最適化されているからである。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、簡略化された構成および製造の流体処理デバイスを提供する。この流体処理デバイスは、性質的にモジュラーであり得、アーキテクチャは均等化されている。均等化されたアーキテクチャは、容易に一定の比率で拡大縮小することが可能であり、構成成分である一体型マイクロリアクタプロセッサユニットを独立して制御することが可能である。一体型マイクロリアクタプロセッサユニット内では、所望のプロセスを構成する様々なサブプロセスが起こり得る。本発明の一局面によると、各サブシステムユニットが、入れ子式管および連結マニホールドのシステム内で、完全な化学プロセスを高効率で実行するために最適化される。管は、様々な断面形状を有し得、その形状は、プロセスに所望の熱伝導および流体流特性に依存して、円形、楕円形、正方形、長方形、多角形、または不規則な形状などであり得る。管の断面は、長さ方向に、均一である必要も規則的である必要もない。一体型化学処理デバイスは、１以上のサブシステムユニットからなる。サブシステムユニットは、連結マニホールド内での熱交換、流体混合、および／または流体分割を介して互いに連通し得る。マニホールドは、管を、互いに所望の位置で機械的に安定化させるように構成され得る。
【０００７】
本発明の別の局面によると、エンドプレート内の適切な位置に設けられて各ユニットへの材料ストリームの流れを制御する１以上のマイクロバルブアレイによって、サブシステムユニットの独立した制御が提供され得る。個々のサブシステムユニットは、プロセスロードの変化に応じて、オン／オフ切り換えされるか、または絞り込まれ得る。選択された材料ストリームは、そうすることが有利であるときには、サブシステムユニットの列毎に（または個々のユニット毎に）オン／オフ切り換えされ得る。マイクロリアクタ形状の低い熱慣性およびサブシステムユニット間の熱統合が、個々のリアクタの、ロードの変化に応じて迅速にスタートアップする能力を提供することを補助する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本明細書では、燃料プロセッサシステムの実施形態により本発明を説明するが、本発明は他の分野およびタイプの化学反応などにも同様に適用可能である。
【０００９】
図１は、モジュラー流体処理システム１０の実施形態を示す。モジュラー流体処理システム１０は、蒸気改質、システムが必要とする熱生成のための燃焼、および４プロセッサ型装置内の水−気体シフト反応を行う。４プロセッサ型装置は、一酸化炭素（ＣＯ）研磨リアクタおよび、適切な補助装置、たとえばフィルタ、コンプレッサおよびポンプ（図示せず）などに一旦連結されると、小（５０−１００Ｗ）プロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池用の燃料プロセッサの一部として作用し得る。このデバイスは、２つのエンドブロックマニホールド１２および１３に取り付けられた４つのプロセッサモジュール１１Ａ〜１１Ｄからなる。流体ストリームは管１４〜１８を介してデバイス内に入り、途中バルブアレイアセンブリ５〜９を通過して、４プロセッサ型モジュール１１ならびにエンドブロックマニホールド１２および１３の両方の内部に設けられた複数の化学プロセッサ動作に達し、管２０および２１を介してデバイスから出る。これを表１にまとめる。
【００１０】
【表１】

図２を参照すると、本実施形態において、各プロセッサモジュール１１は、３つの同心円状ステンレス鋼管２２〜２４を含む。ステンレス鋼管２２〜２４はそれぞれ外径６ｍｍ、４ｍｍおよび２ｍｍである。ここで選択されたモジュールの基本的形状は３つの、均等かつ円形の断面を有する同心円状管２２〜２４であるが、管２２〜２４は、たとえば長方形、楕円形、多角形および三角形などであるがこれらに限られない任意の断面形状を有し得、任意の構成に配置され得る。本実施形態の管およびエンドブロックマニホールドはステンレス鋼により形成されている。なぜなら、この材料は、耐腐食性および熱伝導性が良好であり、融点が高く、様々な製造業者から標準サイズの管が広く入手可能だからである。このプロセスまたは他のプロセスに適し得る管の別の材料は、金属、合金、セラミック、ポリマーおよび複合物を含むがこれらに限定されない。
【００１１】
化学リアクタは環状空間２５〜２７内に形成される。本実施形態は、リアクタをその内部で化学反応が起こるものとして説明するが、リアクタ空間２５〜２７は、空気または天然ガスなどの流体の加熱、冷却、蒸発、および他のプロセスにも用いられ得る。流体の冷却はリアクタ空間に２相水−蒸気ストリームを通すことによって達成可能であり得る。流体の蒸発は、燃料の蒸発または気化冷却のためである。管２２〜２４の適切な長さ、直径、および壁厚は、隣接するリアクタ間の熱伝導を考慮し、各リアクタ内の所望の流特性に基づいて決定され得る。所望の流特性は、滞留時間、圧力降下、および流体の乱流を含む。本実施形態のプロセッサモジュール１１の場合、以下に示すプロセスには、表２に示す管の長さ、壁厚、および直径で十分である。
【００１２】
【表２】

管２２〜２４内または管２２〜２４間の空間２５〜２７内での化学反応を促進するため、管２３および２４の内表面および／または外表面の一方または両方、および管２２の内表面に触媒材料が付与され得る。触媒は、化学気相蒸着法（ＣＶＤ）、物理気相蒸着法（ＰＶＤ）およびゾル−ゲル法を含む、複数の公知の技術を用いて管の壁の面に付与され得る。触媒はさらに、空間２５〜２７内において、充填された粒体層上にまたは粒体層として、多孔セラミックモノリス（ｍｏｎｏｌｉｔｈ）状、またはゾル−ゲル生成マトリクス状に、あるいは当該分野で公知の他の手段により提供され得る。本実施形態の反応のためには、空間２７が、アルミナにサポートされたプラチナ燃焼触媒（たとえば米国マサチューセッツ州ＷａｒｄＨｉｌｌのＪｏｈｎｓｏｎＭａｔｔｈｅｙの会社であるＡｌｆａＡｅｓａｒから入手可能なＡｅｓａｒ＃１１７９７）の粒体で充填され得る。空間２６は、アルミナにサポートされたニッケル蒸気改質触媒（たとえば英国ＢｉｌｌｉｎｇｈａｍのＳＹＮＥＴＩＸから入手可能なＩＣＩ５７−３、ＩＣＩ２５−４Ｍ、またはテキサス州ＨｏｕｓｔｏｎのＢＡＳＦＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから入手可能なＢＡＳＦＧ１−２５Ｓ）の粒体で充填され得る。空間２５は、アルミナにサポートされた銅−亜鉛、水−気体シフト触媒（たとえば、ＳｕｅｄＣｈｅｍｉｅＧ６６−Ｂ）の粒体で充填され得る。しかし、別の触媒処方およびサポートも用いられ得る。
【００１３】
バルブアレイアセンブリ５〜９は、流入する流体の流れを、プロセッサモジュール１１内での処理のために４つの平行なストリームに分割し、プロセスストリームを別々に切り換えて個々のモジュール１１の動作を制御できるようにする。図３を参照すると、各バルブアレイは、バルブ基板６６に取り付けられたプレナム６３からなり得、ガスケット６５が流密シールを形成している。バルブアセンブリは、孔パターン５７〜５９に挿入されたボルトを用いてエンドブロックマニホールド１２および１３に安定的に取り付けられ、エンドブロックのタップ孔に締結され得る。あるいは、バルブアセンブリは接着剤を用いてエンドブロックに安定的に取り付けられてもよい。バルブアセンブリ５〜９は、マニホールドエンドブロック１２および１３の表面に設けられており、バルブ開口部６８がエンドブロック内の適切な流体チャネルに連通するようになっている。バルブ６７は、マイクロ電子機械システム（ＭＥＭＳ）の当業者に公知の標準のマイクロファブリケーション技術を用いてシリコン基板６６上に形成され得る。バルブ６７は、以下の現象の１つによって発生する力を用いて作動され得る：形状記憶合金の相転移、バイメタル接合の熱膨張、静電力、圧電力、または膨張圧力。本実施形態は、カリフォルニア州ＬｅａｎｄｒｏのＴｉＮｉＡｌｌｏｙＣｏｍｐａｎｙにより製造されているような形状記憶合金技術に基づくバルブアレイを採用する。
【００１４】
エンドブロックマニホールド１２および１３は、複数の層から構成され得、結合する開口およびチャネルパターンが気体流路を形成している。これにより、流れの切り換え、熱交換、流れの分割、および気体の混合動作が行われる。これを図４〜図１１に示し、以下に詳細に説明する。本実施形態では、層が、厚み５０μｍから２ｍｍの範囲のステンレス鋼シートをスタンピングすることによって製造され得る。層は、チャネルからの漏れを実質的に防止するように連結されるべきである。これは、層の拡散接着によって達成され得、層の拡散接着は、エンドブロック１２および１３を含む層の積層体を整合し、拡散接着の分野で公知のように、層を真空中で高圧高温で圧縮することによって行われる。製造技術および／またはプロセスの必要要件を考慮して、他の積層体厚みも適切に用いられ得る。他の層材料は、他の金属、合金、セラミック、ポリマーおよび複合体を含み得るがこれらに限定されない。他の層製造方法は、水流カッティング、粉体注入金属形成、化学エッチング、レーザカッティング、鋳造、メッキ、おおび従来の機械加工を含み得るがこれらに限定されない。他の接合方法は、ボルトとガスケットとのアセンブリ、超音波溶接、従来の溶接、ブレージング、および接着を含み得るがこれらに限定されない。
【００１５】
図４を参照すると、プロセッサモジュール１１の管２２〜２４は、個々の層シート３０〜３３を連続して取り付けることによりエンドブロックマニホールド１３に連結され得る。層３０は４つの開口３４を有し、これにプロセッサモジュール１１の外管２２が通されている。管２２〜２４の端部３５〜３７はそれぞれ層プレート３１〜３３に接して密閉され、中間管２３が層３１の開口４０を通過し、中間管２２の端部３６が層３２に密閉されている。内管２４は層３１の開口４１内を延び、内管２４の端部３７は層３３に接して密閉されている。
【００１６】
図３を参照すると、層３１の開口４０は概略円形状であるが、各開口４０の一部が切り込まれており、流体チャネル４２が提供されている。流体チャネル４２は外管２２と中間管２３との間の空間２５内に形成されたリアクタと連通している。同様に、層３２の開口４１は一端に流体チャネル４４を含み、流体チャネル４４は中間管２３と内管２４との間の空間２６内に形成されたリアクタと連通している。管２４の内部空間２７内に形成されたリアクタは、層３３の開口４５と流体連通している。流体は、エンドブロック１３の他の層と空間２５内に形成されたリアクタとの間を、それぞれ層３１〜３３内の流体チャネル４２、４３および４６を介して通過し得る。同様に流体は、エンドブロック１３の残りの層と空間２６内に形成されたリアクタとの間を、それぞれ層３２および３３内の流体チャネル４４および４７を介して通過し得る。
【００１７】
本実施形態は、圧縮適合と拡散接着との組み合わせを用いて、以下のプロセスで管２２〜２４をエンドブロック１３に安定的に密着させる。エンドブロック１３が、たとえば拡散接着などにより形成された後、開口３４、４０および４１を介して露出した層３０〜３３の内表面が、エンドブロック材料よりも高い熱膨張係数を呈する金属の薄膜でメッキされ得る。本実施形態では、エンドブロックの材料がステンレス鋼であるため、適切なメッキ金属は銀であり得る。次いでエンドブロックの温度が上昇され（たとえば４００℃まで）、開口３４、４０および４１が膨張して管２２〜２４を挿入するための適切なクリアランスが提供される。室温を有する管２２〜２４は、開口３４、４０および４１に挿入される際には治具により整合状態に保たれ、上述したようにそれぞれ層３１〜３３の１つに接する。次いでエンドブロック１３が冷却されて圧縮し、管２２〜２４を適所に安定的に保持する。上記プロセスが繰り返されて、管２２〜２４の他端がエンドブロック１２に安定的に取り付けられる。その後組み立てられたデバイスが真空炉に入れられて高温で硬化される。これにより、エンドブロック材料とメッキ金属との熱膨張率の違いが、エンドブロック１２および１３、メッキ金属、ならびに管２２〜２４の間の応力誘導型拡散接着という結果になる。拡散接着は、この特定の実施形態において管を層に接着するために望まし技術である。しかし、端部３５〜３７を層３１〜３３の環状溝に入れ込むこと、超音波溶接、接着、レーザ溶接、ブレージング、または従来の溶接を含む多くの接着技術が用いられ得る。
【００１８】
流体路４２〜４７の断面寸法は、高さおよび幅が２５０μｍ〜２ｍｍの範囲であり得、これはそれぞれの流体の流れの圧力降下および熱伝導を考慮して決定される。本実施形態では、流体チャネル４２、４３、４４、４６および４７が幅１ｍｍかつ高さ２ｍｍであり、流体チャネル４５は幅０．７５ｍｍかつ高さ１．５ｍｍである。これらの寸法はアセンブリ全体のチャネル切り込みの特徴である。
【００１９】
次に特に図５を参照すると、エンドブロックマニホールド１３のプレート５０〜５３が分解された状態で示されている。層５０の流体チャネル５４〜５６および層５１の流体チャネル６０〜６２は、それぞれ層３３の流体チャネル４６、４５および４７と連通している。層５０の流体チャネル５５はバルブアレイアセンブリ５を介して流体入口１４に連通している。入口１４からの流体はこうして４つのストリームに分割され、４つのストリームが流体チャネル５５および４５を流れ、最終的に管２４の内部の空間２７内に形成されたリアクタに到達する。
【００２０】
図５を参照すると、本実施形態では、層５２の流チャネル７０が、バルブアレイアセンブリ７を介して流体入口管１６に連通し、入口管１６からリアクタモジュールに流体ストリーム（本明細書では第３の流体ストリームと呼ぶ）を導く。
【００２１】
図６を参照すると、層（プレート）７１〜７７が協働して、２つの流体ストリーム（本明細書では第２および第４の流体ストリームと呼ぶ）間の熱交換のための逆方向流熱交換機を提供している。層７１および７２は、図６の詳細部Ａに最もよく示される流体チャネル８０〜８３を含む。流体チャネル８０〜８３は、上記第４の流体ストリームを、同一の層７３および７４内に設けられた逆方向流熱交換機８４に導き、上記第２の流体ストリームを逆方向流熱交換機８４から離れるように導く。熱交換機８４内のチャネルの数および形状は、上記第４の流体ストリームと上記第２の流体ストリームとの間の熱交換要件を満たすように決定され得る。層７５は図６の詳細部Ｂに最もよく示されるようにヘッダチャネル８５を含み、熱交換機８４からの上記第４の流体ストリームを層７３および７４の流体チャネル８６に導く。層７６の細長い流体チャネル８７は第２の流体ストリームを層７７の流体チャネル９０から層７３および７４の熱交換機８４に導く。
【００２２】
図７を参照すると、４つの孔８８が、入口管１５を介してデバイスに入りバルブアレイアセンブリ６によって最高４つの平行なストリームに分割された第２の流体ストリームを、流体チャネル８９および９１に導く。流体チャネル８９および９１は、上記流体ストリームを流体チャネル９０に導く。
【００２３】
次に図８を参照すると、層９４〜９７は図４に示す層３０〜３３に類似しており、リアクタモジュール管２２〜２４をマニホールドエンドブロック１３に連結して密閉し、リアクタ空間２５〜２７への流体ストリームおよびリアクタ空間２５〜２７からの流体ストリームを流体チャネル１００〜１０２に導く。リアクタ空間２５はチャネル１００に連通しており、リアクタ空間２６はチャネル１０１に連通しており、リアクタ空間２７はチャネル１０２に連通している。流体チャネル１０６は第５の流体ストリーム（リアクタ２７の生成物）を逆方向流熱交換機１１３に導き、そこで上記第５の流体ストリームが第６の流体ストリームに熱を伝導する。流体チャネル１０４は第７の流体ストリーム（リアクタ２５の生成物）を逆方向流熱交換機１１２に導き、そこで上記第７の流体ストリームが第８の流体ストリームに熱を伝導する。マニホールド流体チャネル１０９は熱交換機１１３および１１２からそれぞれ第６および第８の流体ストリームを収集し、混合ストリームを流体チャネル１０５に導く。混合ストリームはその後リアクタモジュール２６に導入される。
【００２４】
図９を参照すると、層１１４は逆方向流熱交換機１１２および１１３を含む。層１１４の熱交換機チャネル１１２および１１３の数および形状は、第７の流体ストリームと第８の流体ストリームとの間、および第５の流体ストリームと第６の流体ストリームとの間の所望の熱交換を達成するように選択され得る。
【００２５】
層１２１の流体チャネル１１５、１１６、１１８および１１９は、入口管１８を介してデバイスに入りバルブアセンブリ９によって最高４つの平行な流れに分割された第８の流体ストリームを熱交換機１１２に導く。
【００２６】
図１０に示すように、層１２３の流体チャネル１２２は、熱交換機１１２からの第７の流体ストリームを層１２４の流体チャネル１３０に導き、そこで第７の流体ストリームのうち４つのリアクタモジュール１１内の処理用に分割された部分が組み合わされて出口管２０に導かれる。
【００２７】
図１１を参照すると、層１２６の流体チャネル１３５〜１３８は、入口管１７を介してデバイスに入りバルブアレイアセンブリ８によって最高４つの平行な流れに分割された第６の流体ストリームを熱交換機１１３に導く。
【００２８】
層１３２の流体チャネル１２８は、熱交換機１１３からの第５の流体ストリームを、層１３３内に形成されたＵ字形状流体チャネル１３９に導き、そこで上記第５の流体ストリームのうち、４つのベースモジュール内での処理のために分割された部分が混合されて出口管２１に導かれる。層１３４は流チャネルを含まず、エンドブロックマニホールド１２のエンドプレートとして作用する。
【００２９】
図１２は、本発明の一実施形態による、上述した４モジュール型装置内で実行される上記改質プロセスのプロセスフロー図である。システムは、公称０．０６Ｎｍ^３（正規化立体メーター）／時間の生成気体１５６を生成する。これは、燃焼器燃料１４６および改質器フィードストック１４０の両方で用いられる０．０１６Ｎｍ^３／時間の天然ガスから対容量公称水素含有率６７％で生成される。このように、４つのプロセスモジュール１１の各々は、最高０．０１５Ｎｍ^３／時間の生成気体を生成する。システムの部分ロード効率は向上する。なぜなら、エンドブロックマニホールド１２および１３の流体チャネル内の流れを適切に切り換えれば、システムが０〜０．０６Ｎｍ^３／時間の範囲でロードを供給している間に最適ロード範囲外で動作するリアクタは１つ必要なだけだからである。残りのモジュールはゼロかまたは所望の最高ロードで動作する。
【００３０】
天然ガスフィードストックストリーム１４０は、入口管１８を介してデバイスに入り、バルブアレイ９により制御される最高４つの流れ１４１に分割される。燃焼空気ストリーム１４２は、入口管１５を介して入り、バルブアレイ６によって最高４つの流れ１４３に分割される。改質器蒸気ストリーム１４８は、入口管１７を介して入り、バルブアレイ８によって最高４つの流れ１４９に分割される。燃焼燃料ストリーム１４６は、入口管１４を介して入り、バルブアレイ５によって最高４つの流れ１４７に分割される。補助蒸気ストリーム１４４は入口管１６を介して入り、そこでバルブアレイ７によって最高４つの流れ１４５に分割される。各プロセス入口ストリーム１４１、１４３、１４９、１４７および１４５の最高４つの流れがプロセスの残りを経る。これらは平行して行われるが、それぞれの別々のプロセッサモジュール１１内で行われる。プロセスの残りは、１実施例のモジュールに関して以下に述べる。
【００３１】
フィードストックストリーム１４１は、本実施形態では天然ガスとして記載されており、熱交換機１１２内を流れて生成気体ストリーム１５５を１００℃まで冷却する。これは、生成気体ストリーム１５６をＣＯ研磨リアクタに導入しその後プロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池スタックに導入するに適した温度である。蒸気ストリーム１４９は、熱交換機１１３内を流れ、そこで７５０℃の燃焼生成物１５８によって加熱される。熱い蒸気ストリーム１５１および熱いフィードストックストリーム１５０は混合されて、蒸気改質器入力ストリーム１５２を形成し、その後プロセッサモジュール１１内の蒸気改質リアクタ空間２６に入る。吸熱蒸気改質反応は、プロセッサモジュール１１内の隣接するリアクタ空間２７内の吸熱燃焼反応によってサポートされている熱フラックス１６０によって７２５℃に保持される。管２３および２４の壁厚および形状は、リアクタ空間２６と２７との間の適切な熱抵抗を提供し、かつ、リアクタモジュール１１の構造的完全性と製造性とを維持するように選択され得る。本実施形態では、天然ガスが水素および一酸化炭素に完全に変換されることを促進し、かつ、蒸気改質触媒に炭素が堆積することを阻止するために、蒸気改質器入力ストリーム１５２の蒸気対炭素モル率は、２．５に維持される。改質油ストリーム１５３はその後熱交換機８４に流れ、そこで流入する燃焼空気１４３によって３００℃まで冷却されて、水−気体シフトリアクタ２５に導入される。補助蒸気ストリーム１４５は蒸気改質油ストリームと混合されてストリーム１５４を形成し得る。ストリーム１５４は、上昇した水含有率を有し、一酸化炭素と水が水−気体シフトリアクタ２５内でさらに二酸化炭素と水素に変換されることを促進する。管２２および２３の材料、壁厚、および形状は、リアクタ空間２５がリアクタ空間２６から熱的に絶縁され３５０℃未満に保持されるように選択され得る。リアクタ空間２５内の水−気体シフト反応からの生成物ストリーム１５５は熱交換機１２２内を流れ、熱流入フィードストックストリーム１４１に到達し、その後出口管２０を介して装置から流出する。流入する燃焼燃料１４７（様々な実施形態において、天然ガス、燃料電池アノードパージストリーム気体、他の炭化水素またはアルコール燃料であるか、またはこれらを含み得る）は、熱交換機８４により加熱された空気ストリーム１５７と混合されて、燃焼のためにリアクタ空間２７に導入される。燃料流および空気流は、リアクタ空間２７内の燃焼反応がリアクタ空間２７内の気体流を７２５℃に維持するために十分な熱を生成するように制御され得る。燃焼生成物１５８は、燃焼して熱交換機１１３内を流れた後にリアクタ空間２７から出て、上記したように蒸気流１４９を加熱し、その後出口管２１を介して装置から流出する。
【００３２】
図１３に示す流ストリーム切り換え制御システムアーキテクチャは、バルブアレイ５〜９を切り換えて、プロセスロードの変化に応じて４つのプロセスモジュール１１の動作を制御する。システムコントローラはさらに、補助装置（図示せず、たとえば、水ポンプ、燃料コンプレッサ、フィードストックおよび燃焼器燃料制御バルブ、空気コンプレッサ）を制御して、プロセッサモジュール１１のアクティブな部分に適切なプロセスフローを維持する。たとえば、空気コンプレッサの流量は、３つのモジュールのみがアクティブである場合、フルロードの７５％に設定され得る。
【００３３】
本実施形態の制御システムは、図１４に示す論理構造にしたがって動作し得る。制御システムは、汎用または特殊目的コンピュータまたはマイクロコントローラ内で動作し得る。本実施形態において、適切な入力および出力を有するマイクロコントローラ、プロセッサ回路、プログラムメモリなどが用いられる。必要なスタートアップ工程が完了すると、システムは、従来の電気センサを用いて燃料電池スタックパワーロードを感知するという次の工程に進む。あるいは、またこれと組み合わせて、燃料電池からの水素側出口の水素の分圧を監視するために水素センサが用いられ得る。燃料電池による発電により、ＰＥＭ燃料電池のプロトン交換膜の水素側の気体ストリームから水素が除去されると、アウトフィード内の水素の分圧が低下して、パワー生成を維持するためには追加の水素の生成が必要であることを示す。
【００３４】
次の工程１７２において、システムは、必要な水素の出力と、この出力レベルを達成するために動作中必要なプロセッサモジュールの所望の数とを、燃料電池の電気出力に基づいて計算する。これは、ルックアップテーブル、アルゴリズム、予想モデルまたはこれらの組み合わせの使用を含む、様々な方法で達成され得る。予想モデルの場合、制御システムのこれまでの特定のサイクル数が連続して増減する水素の需要を計算していると、水素の計算需要値がより急激に増減する。
【００３５】
必要な出力が一旦決定されると、システムは、動作プロセッサモジュール１１の数が所望の水素出力を供給するに十分であるか否かを決定する、次の工程１７３に進む。動作プロセッサモジュール１１の数が十分でない場合、または動作中のプロセッサモジュール１１の数が需要を満たすに必要な数よりも多い場合、次の工程１７４で、１以上のプロセッサモジュール１１がシステムによってオンまたはオフされ得る。これは、バルブ５〜９を操作して様々なプロセス気体ストリームを制御することによって行われる。もちろん、バルブ５〜９は、すべての動作モジュールをより高いまたはより低い出力で動作させるようにも用いられ得るし、１つ以外のすべての動作プロセッサモジュール１１を最大所望容量で動作させるようにも、残りのモジュールを最大所望容量よりも小さい容量で動作させるようにも用いられ得る。これらのことは、所望の水素出力レベルを得るために行われる。さらにこの工程において、需要が増加しており追加のプロセッサモジュール１１がすぐに必要であることを制御システムが感知した場合、制御システムはこのようなプロセッサモジュール１１のスタートアップ手順を開始し得る。これはたとえば、リアクタ空間２７内の燃焼プロセスを開始して、熱交換機１１３が燃焼気体ストリーム１５８によって動作温度までの暖めを開始し得るようにすることにより行われる。
【００３６】
リアクタ選択を微調整するために、システムはその後次の工程１７５で、水素センサから水素分圧情報を読み出す。システムは次に、燃料電池アウトフィード（またはインフィード）内の水素濃度は適切であるか否かを決定する工程を行う。燃料電池の適切な動作状態を維持するために水素がより高いまたは低い率で生成されることが必要である場合、工程１７７でプロセッサの数およびそのロードレベルが需要に合うように調整され得る。これは、工程１７３および１７４に関して上述したものと類似の様式で行われる。
【００３７】
最終工程１７８において、システムは工程１７１に戻り、制御プロセスを新たに開始する。もちろん、図１３に示す補助装置は、水素の需要および／またはパワーロードを参照して、ならびに、他のフィードバックメカニズムに応じて、制御され得る。たとえば、燃料電池のパワー出力が低下しそのために水素の需要が増加すると、コンプレッサからの空気の需要が減少し得る。もちろん、コンプレッサ出力圧力などの要因もまた、コンプレッサを制御する際に用いられ得る。
【００３８】
本実施形態の均等化された設計は、各マイクロリアクタサブシステムが、狭いスループット範囲内で高いプロセス効率で動作することを可能にし、さらにデバイス全体が、デバイス内のマイクロリアクタサブシステムの総数によって決定される遙かに広いスループット範囲で、かつ同一の高い効率で動作することをも可能にする。プロセッサモジュール１１内の個々のプロセスに対して流体の流れをオン／オフ切り換えすることにより、およびマイクロリアクタ設計に固有のプロセス強化により、迅速なロード対応が達成され得る。プロセッサモジュール１１は、熱慣性力が低く、そのためスタートアップが比較的迅速である。本発明の実施形態は、均等化されたマイクロリアクタアーキテクチャを一定の比率で拡大縮小する能力を提供することができる。設計は、基本的サブシステムユニットのサイズを変更すること、または個々のサブシステムユニットを追加または削減することにより迅速に縮小拡大され得る。構成は多くの場合、容易に入手可能または容易に製造可能なコンポーネントおよびプロセスを用いて行われ得る。たとえば、層のためのステンレス鋼プレート、およびステンレス鋼または他の金属の管などが用いられる。流体チャネル内の流れの制御は、入手可能なマイクロウェーブアレイを用い、流体チャネル長さと断面積とを適切に選択することにより達成され得る。
【００３９】
本発明の実施形態を２つのエンドブロック間に設けられた同心円状管を用いて述べてきたが、本発明は、他の構成、たとえば、互いに反対側の表面から延びた管を有し、かつ遠方端部でエンドブロックに取り付けられた１つの中央ブロックでも実現され得る。さらにプロセスは、中央ブロックから離れるいずれかの方向に延びる複数段の管によっても実行され得る。流体をバルブで調節し、結合し、分割する層間に延びる複数段のブロックであって、流体ストリームを次の段に通過させる前にエバポレータおよび凝縮器を提供する複数段のブロックが提供され得る。
【００４０】
図１５は本発明の別の実施形態を示す。この実施形態は、１キロワットのＰＥＭ燃料電池スタック２２４に直接連結された燃料処理システム１９６からなる一体型発電モジュール１９５を提供する。図１７Ｂに最もよく示されるように、装置は、６４個のプロセッサモジュール２３０からなる。プロセッサモジュール２３０は、上述したプロセッサモジュール１１と同様である。各プロセッサモジュール２３０は、６つの同心円状管２３２、２３４、２３６、２３８、２４０および２４２からなり、管の内表面および／または外表面に触媒が所望のように付与されている。エンドブロックマニホールド２１９および２２０は、それぞれ３６枚と４７枚の層からなる。３６枚と４７枚の層は、流マニホールド、バルブアレイ、および熱交換機を形成する。流マニホールド、バルブアレイ、および熱交換機は、燃料プロセッサ１０のエンドブロック１２および１３に関して上述したものに類似であるが、６４の平行なプロセスフローに対応するために規模は大きくなっている。これらのプレートの厚みは２５０μｍ〜５ｍｍの範囲である。
【００４１】
図１５に示すように、燃料電池スタック２２４は、電気的に直列に接続された１５の単一の電池アセンブリ２２３と４つの冷媒流フィールド２１７からなる。各単一の電池アセンブリ２２３は、アノード流フィールドプレート２１４とカソード流フィールドプレート２１６との間の膜電極アセンブリ２１５からなる。燃料電池スタック層２１４〜２１７は、ねじがきられたロッド２２１上の８つのナット２２２によって互いに係合状態に保持されている。ロッド２２１は、エンドブロックアセンブリ２２０に溶接されている。燃料電池スタックは、電極２０４および２０５を介して外部ロード回路に接続している。
【００４２】
燃料プロセッサ１９６の入れ子式の管リアクタモジュール２３０は、以下のように構成されている。管の寸法は、相対的な壁厚および面積が、隣接するリアクタ空間２３１、２３３、２３５、２３７、２３９および２４１間の熱交換の所望のレベルを促進するように選択され得る。相対的な管の直径および長さは、所望の滞留時間に適したリアクタ容量が得られるように選択され得る。本実施形態では、最も内部の管２３２が長さ６０ｍｍ、外径２ｍｍ、そして壁厚み２００μｍであり得る。この管２３２内のリアクタ空間２３１は、８Ｗの公称デューティを有する燃焼リアクタを収容している。次の管２３４は、長さ５８ｍｍ、外径４ｍｍ、そして壁厚み６００μｍであり得る。管２３２と２３４との間に形成されたリアクタ空間２３３は、蒸気改質リアクタを収容している。この蒸気改質リアクタは、７５０℃、蒸気対炭素率２．５での標準リットル天然ガスの公称処理率が０．１９／分である。管２３６は、長さ５６ｍｍ、外径６ｍｍ、そして壁厚み７００μｍであり得る。管２３４と２３６との間に形成されたリアクタ空間２３５は、超加熱された蒸気ストリーム２７９をエンドブロック２１９からエンドブロック２２０まで導く。そこで蒸気ストリーム２７９はその後リアクタ空間２３３内の蒸気改質器の入口まで流れる。管２３８は、長さ５４ｍｍ、外径８ｍｍ、そして壁厚み５００μｍであり得る。管２３６と２３８との間に形成されたリアクタ空間２３７は、水気体シフトリアクタを収容し、そこでプロセス蒸気中の蒸気および一酸化炭素（ＣＯ）が、水−気体シフト触媒上で３００〜３５０℃で反応する。管２４０は、長さ５２ｍｍ、外径１０ｍｍ、そして壁厚み７００μｍであり得る。管２３８と２４０との間に形成されたリアクタ空間２３９はエバポレータを収容する。このエバポレータは、２相水／蒸気ストリーム２７８がエンドブロック２２０から２１９まで流れる際に、水気体シフトリアクタ２３７を冷却する。管２４２は、長さ５０ｍｍ、外径１２ｍｍ、そして壁厚み５００μｍであり得る。管２４０と２４２との間に形成されたリアクタ空間２４１は、優先酸化（ＰＲＯＸ）リアクタを収容している。この優先酸化リアクタは、酸化触媒上で高いＣＯ選択性で、少量の空気と改質気体とを反応させ、生成物である改質油からさらにＣＯを除去してＣＯのレベルを１０ｐｐｍｖ未満にする。図１７Ｂに示すように、プロセッサモジュール２３０外の空間２４３はシェル２１８と境界を接している。シェル２１８は、エンドブロック２１９の内表面からの空気ストリーム２６２を出口管２２６に導き、ＰＲＯＸリアクタ２４１を冷却しかつ１２０℃未満の温度に維持して、ＰＲＯＸ触媒の高ＣＯ選択性を促進する。エンドブロック２２０の内表面は、各プロセッサモジュールのＰＲＯＸリアクタ２４１用のオリフィスを含んでおり、加熱された空気２６４を空間２４３内を流れる（ＰＲＯＸリアクタ２４１内の反応物質が流れる方向とは逆に）空気流２６２から引き出して、ＰＲＯＸリアクタ２４１を冷却する。上記オリフィスの適切な設計が、ＰＲＯＸリアクタ２４１に流れ込む空気流の測定を可能にする。
【００４３】
管２１１は、予め加熱された燃焼燃料２６０の６４本の平行な流れを、エンドブロック２６０からエンドブロック２１９まで導き、燃焼リアクタ２３１に導入する。管２１０は、予め加熱された燃焼燃料２６７の８本の平行な流れを、エンドブロック２２０からエンドブロック２１９まで導き、燃焼リアクタ２３１に導入する。本実施形態では、燃焼空気流は、８つのバルブアレイによって８つのリアクタモジュールの列で制御されており、プロセスロードの変化に応じて燃焼リアクタ２３１と蒸気改質リアクタとを迅速にスタートアップすることを可能にする。あるいは、６４個のバルブのアレイによって各プロセッサモジュール毎に空気流が個々に制御されてもよい。この迅速にスタートアップする能力は、特定のモジュールがオフになっていても熱気流が燃焼リアクタ２３１内を通過することによって可能になる。熱気流は、燃焼リアクタ２３１および隣接する蒸気改質器リアクタ２３３を、導入後すぐに燃焼燃料を点火するに十分高い温度に維持する。
【００４４】
これまで述べた発電装置のプロセスフロー図を図１８に示す。改質器フィードストック天然ガス蒸気ストリーム２５０が、入口管２０８から燃料プロセッサ１９６のエンドブロック２２０に入る。ストリーム２５０はそこで６４の平行ストリームに分割され、各々のストリームが、４モジュール型を有する実施形態に関して上述した構成と同様の構成でバルブにより制御される。これらの蒸気は、エンドブロック２２０内の熱交換機２８５に流れ、そこで、リアクタ空間２３１内で起こる触媒誘導型燃焼プロセスからの７６０℃の燃焼排気ストリーム２６９によって加熱される。
【００４５】
その後熱いフィードストリーム２５１が超加熱された蒸気ストリーム２７９と混合されて、蒸気改質リアクタ２３３に入る前に蒸気対炭素率２．５を達成する。蒸気改質器２３３は、隣接する燃焼リアクタ２３０からの熱２８０によって２０ｐｓｉｇかつ７５０℃に維持される。熱い改質ストリーム２５２は、エンドブロック２１９内の熱交換機２８６内の蒸気流２７８によって３００℃まで冷却され、蒸気２７８を加熱して超加熱された蒸気２７９にする。水気体シフト反応が起こるリアクタ空間２３７は、隣接する蒸気２７８からの冷却によって３００〜３５０℃に維持されている。隣接する蒸気２７８は、隣接するリアクタ空間２３９内のエバポレータ内を流れ、ストリーム２５３内の一酸化炭素を二酸化炭素に変換することを促進する。水気体シフト反応から蒸気流への熱交換は熱流２８１として示されている。
【００４６】
水気体シフト生成物２５４は、エンドブロック２２０内に設けられた熱交換機／エバポレータ２８７内で、水ストリーム２８２の一部２８２Ａによって冷却され、水ストリーム２８２Ａを加熱し蒸発させる。ストリーム２５５はその後ＰＲＯＸリアクタ２４１に入り、そこで酸化触媒上で高いＣＯ選択性で、加熱された空気ストリーム２６４と反応し、さらにＣＯをＣＯ_２に変換する。これにより、生成物である改質油のＣＯ濃度が１０ｐｐｍｖ未満のレベルになる。空気ストリーム２６４は、エンドブロック２２０の表面のオリフィスを介してリアクタに入った後、ＰＲＯＸリアクタ２４１への入口でプロセスストリーム２５５と混合される。６４の平行な生成物ストリーム２５６は、エンドブロック２１９内に設けられた熱交換機２８８内の空気ストリーム２６１によって８５℃まで冷却された後、１つのストリーム２５７になる。その後生成物ストリーム２５７が管２１２およびエンドブロック２２０内を流れて、燃料電池スタック２２４のアノード流フィールド２１４に到達する。
【００４７】
空気ストリーム２６１は約２０℃で、エンドブロック２１９内の入口管２２５を介してプロセッサ１９６に入り、そこでエンドブロック２１９内の熱交換機２８８まで流れる。空気ストリーム２６１は、これにより４０℃まで加熱され、その後エンドブロック２１９から流体チャネル（図示せず）内を流れて、囲い２１８に囲まれた空間２４３に入る。そこで、空気ストリーム２６２がＰＲＯＸリアクタ２４１が１００℃近傍の所望の動作温度に維持されることを補助する。空気ストリーム２６４は、ストリーム２６２から分割されて、上述のエンドブロック２２０の内表面のオリフィスによってＰＲＯＸリアクタ２４１に供給される。残りの空気２６５は管２２６を介してデバイスから出、入口管２０２に流入して、燃料電池スタック２２４のカソード流フィールド２１６に導入される。
【００４８】
プロセス空気ストリームは、燃料電池スタック２２４上流では別々のストリームに分割されない。アノード排気ストリーム２５８が燃料電池スタックのアノード出力管２０３からミキサ（図示せず）に流れ込み、そこで入口燃料ストリーム２５９と混合される。これにより燃焼リアクタ２３１用の燃料混合が提供される。入口管２０６は、アノード燃料リサイクルスキームが採用されている場合に、アノードから流出したものの一部を燃料電池スタック２２４に再導入するための接続を提供する。燃焼燃料混合物は、入口管２１３および２２７を介して２つの均等な流としてプロセッサ１９６に入り、そこで２つの３２バルブ型アレイによって６４の平行なストリームに分割される。これは、燃料プロセッサ１０に関して上述したものと同様の構成で行われる。その後、分割されたストリームは、エンドブロック２２０内に設けられた熱交換機２９０に流れ、排気ストリーム２７１から熱を回収する。複数の層内の、連続する層の重なり合う孔を介して互いに連通し得る流体チャネルが、必要に応じて各列内のバルブ間の流体をルーティングし連通するために用いられ得る。これは、流体の適切なチャネリングを達成するために行われる。予め加熱された燃料ストリーム２６０は管２１１を介してエンドブロック２１９に流れ、そこで、予め加熱された空気ストリーム２６７と混合され、その後燃焼リアクタ２３１に入る。カソード排気ストリーム２６６は燃料電池スタックからエンドブロック２２０に流れ、そこで８つのモジュールのブロック用の平行なストリームに分割される。各ストリームは上述したようにバルブによって制御される。空気ストリーム２６６は次にエンドブロック２２０内に設けられた熱交換機２８９に流れ、そこで燃焼排気ストリーム２７０によって加熱され、その後管２１０を介してエンドブロック２１９に流れ、上述したように燃料ストリーム２６０と混合される。燃焼リアクタ２３１は、リアクタ２３３内の蒸気改質反応によって消費される熱２８０を供給するために、７６０℃に維持される。燃焼排気ストリーム２６８は、燃焼リアクタ２３１を出てエンドブロック２２０に入り、そこで続いてストリーム２６９および２７０に分割される。これにより、熱交換機２８５内の改質フィードストック２５０、熱交換機２９０内の燃焼器燃料２５９、熱交換機２８９内の燃焼空気２６６、おおよび熱交換機２３９内の改質器蒸気２８２Ｂを予め加熱する際に用いられる２つの熱伝導ストリームが提供される。排気ストリーム２７３および２７４はエンドブロック２２０内で混合され、その後出口管２０７を介してデバイスを出る。スタック冷却水ストリーム２７６は、管２０１を介して入り、燃料電池廃熱により８０℃に加熱される。湯２９１がスタック冷媒出口ストリーム２７７から取られ、管２０６を介してデバイスから出る。これは将来コジェネレーション応用に用いられる可能性がある。残りの冷却水２８２は平行な流れ２８２Ａと２８２Ｂとに分割され、それぞれ熱交換機２８７および２９３内で加熱および蒸発する。ストリームは再び混合されてストリーム２７８になり、その後エバポレータ２３９および熱交換機２８６に流れて、改質油リアクタ２３３内で用いられる超過熱されたストリーム２７９を生成する。プロセス蒸気は、個々のリアクタモジュール用に、６４のバルブ制御ストリームに分割され、その後熱交換機２８７および２９３内を流れる。
【００４９】
上記より、本明細書では説明のために本発明の特定の実施形態を述べてきたが、本発明の思想および範囲から逸脱することなく様々な改変がなされ得ることが理解される。したがって、本発明は特許請求の範囲によってのみ限定される。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】図１は、４モジュール型燃料処理デバイスの斜視図である。
【図２】図２は、図１のプロセッサのうちの１つの入れ子式管を、一部を取り除いて示す断面図である。
【図３】図３は、２つの同一の４バルブ型アレイを互いに逆の方向から示す分解斜視図である。
【図４】図４は、マニホールドエンドブロックに接続されたモジュラー入れ子式管リアクタアセンブリの分解図である。
【図５】図５は、様々な層内の流体チャネルを含む、流体の流れを共通の入口から方向付ける、エンドブロックマニホールドアセンブリの分解図である。
【図６】図６は、内部に熱交換機が切り欠きパターンで形成されたマニホールドプレートを示す、エンドブロックマニホールドの分解図である。
【図７】図７は、共通の入口から流体の流れを多方向に方向付けるエンドブロックアセンブリの分解図である。
【図８】図８は、内部で流体チャネルが平行な流体の流れを８つの熱交換機のパターンに導いている、エンドブロックアセンブリの分解図である。
【図９】図９は、隣接するエンドブロックプレート内の切り欠きパターンによって形成された２組の逆方向流熱交換機を有する、エンドブロックアセンブリの分解図である。
【図１０】図１０は、気体流を熱交換機まで、および熱交換機から導く流体チャネルを有する、エンドブロックアセンブリの分解図である。
【図１１】図１１は、流体の流れを第２の熱交換機まで、および第２の熱交換機から導く流体チャネルを有する、エンドブロックアセンブリの分解図である。
【図１２】図１２は、単純な蒸気改質プロセス用のプロセスフロー図である。
【図１３】図１３は、４モジュール型燃料処理デバイスの制御アーキテクチャのブロック図である。
【図１４】図１４は、４モジュール型燃料処理デバイス用の制御論理のフローチャートである。
【図１５】図１５は、燃料電池スタックに直接連結されて一体型発電モジュールを形成する、６４モジュール型燃料処理デバイスの斜視図である。
【図１６】図１６は、図１５の燃料処理デバイスを１８０度回転させた斜視図である。
【図１７】図１７は、図１６の分解図であって、６つの同心円状管からなる入れ子式管マイクロリアクタアーキテクチャを詳細に示す図である。
【図１８】図１８は、燃料電池スタックと一体化された燃料プロセッサのプロセスフロー図である。

Claims

化学プロセスを行う化学処理デバイスであって、
少なくともプロセスの一部を実行する、平列に動作可能な複数のサブシステムモジュールであって、該モジュールの各々がプロセスを行う細長いリアクタチャンバを備え、該サブシステムモジュールが第１の端部と第２の端部とを有し、該端部がプロセス流体を受け入れかつ放出する開口を有する、複数のサブシステムモジュールと、
該複数のモジュールの各々の一方の端部に接続された少なくとも１つのマニホールドであって、少なくとも１つの流体ストリームを、該モジュールの各々のプロセス空間のうちの第１のプロセス空間と該プロセス空間のうちの第２のプロセス空間との間で導く、少なくとも１つのマニホールドと、
該マニホールドを介して該プロセス流体の流れを制御する、少なくとも１つの流体流コントローラと、
を備えた化学処理デバイス。
前記化学プロセスが複数のサブプロセスで行われ、前記複数のサブシステムモジュールが各々、少なくとも２つの細長いリアクタチャンバを備え、該２つの細長いリアクタチャンバの一方がその内部で該サブプロセスうちの第１のサブプロセスを行い、他方がその内部で該サブプロセスのうちの別のサブプロセスを行う、実施形態１のデバイス。
前記デバイスが、前記サブシステムモジュールの各々の前記他端に接続された第２のマニホールドを備え、該第２のマニホールドが流体源から前記プロセス流体を受け取って該サブシステムモジュール間に該流体を分配する、実施形態２のデバイス。
前記少なくとも２つのチャンバの一方の少なくとも一部が、該少なくとも２つのチャンバの他方の内部に含まれている、実施形態３のデバイス。
前記少なくとも２つの細長いリアクタチャンバが、細長い管状部材の内部に形成されている、実施形態４のデバイス。
前記細長い管状部材の少なくとも１つが、少なくとも部分的に、他方の細長い管状部材の内部に含まれている、実施形態５のデバイス。
前記管状部材が概略円形の断面を有し、互いに概略同軸状の関係でエンドブロック間に取り付けられている、実施形態６のデバイス。
前記サブシステムモジュールからの流体ストリームが、前記マニホールドのうちの少なくとも一方の内の流体チャネル内で組み合わされる、実施形態７のデバイス。
前記デバイスの出力が、需要に応じて前記サブシステムモジュールのうちの少なくとも１つの動作状態を変更するようにバルブを選択的に制御することによって制御され、それによって該デバイスの該出力が絞り込まれ、かつ、該サブシステムモジュールが概略所望の出力レベルで機能することが可能になる、実施形態３のデバイス。
前記管状部材の材料および壁厚が、前記少なくとも２つのリアクタチャンバのうちの一方から該チャンバのうちの他方への所望のレベルの熱伝導を提供するように選択される、実施形態７のデバイス。
前記デバイス内で行われるプロセス内で行われるプロセスが、水素リッチな出力ストリームを生成するための炭化水素の蒸気改質を含み、該出力ストリームが水素燃料電池に連通し、前記制御が、水素センサと燃料電池電気出力センサとからなる群より選択された少なくとも１つのセンサを備え、該各センサは制御論理回路に接続されて出力信号を該制御論理回路に送り、該制御論理回路は該出力信号に応じて前記バルブを動作する出力信号を生成する、実施形態１０のデバイス。
前記コントローラが出力を提供するセンサをさらに備え、前記バルブがセンサ出力に基づいて動作する、実施形態２のデバイス。
前記サブシステムモジュールが複数の入れ子式管を備えた、実施形態３のデバイス。
前記サブシステムモジュールが複数の入れ子式管を備えた、実施形態２のデバイス。
前記制御が１以上のバルブアレイからなる、実施形態２のデバイス。
熱交換、流混合、および流分割からなる群より選択されたプロセスが、前記マニホールドのうちの少なくとも一方内で実行される、実施形態のデバイス。
少なくとも１つのプロセスストリームが複数のストリームに分割され、該ストリーム内の流れは前記制御によって独立して制御され、該ストリームのうちの少なくとも１つは前記複数のサブシステムモジュールと連通するためにさらに分割される、実施形態３のデバイス。
前記バルブが、形状記憶合金作動、圧電作動、熱気圧作動、静電作動、および２つの異なる金属の接合部の温度変化による作動からなる群より選択された作動によって作動する、実施形態９の実施形態。
少なくとも１つのエンドブロックが、複数のサブシステムモジュールの各々のリアクタまで、および該リアクタから、流体を連通させるチャネルを内部に有する複数の層を備えた、実施形態３の実施形態。