JP2006502070A

JP2006502070A - 改質及び水素精製装置

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Publication number: JP2006502070A
Application number: JP2004541679A
Authority: JP
Inventors: デヴリーズ，ピーター・デーヴィッド
Original assignee: ジェネシス・フューエルテック・インコーポレーテッド
Priority date: 2002-10-03
Filing date: 2003-10-03
Publication date: 2006-01-19
Anticipated expiration: 2023-10-03
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Abstract

種々の水素リッチな燃料から遊離水素を製造するための最少圧力によって作動する改質及び水素精製装置は、水素透過性選択膜（１８）を含んでいるコアユニットと連通している容器（１９）内に水素改質触媒床（７）を含んでいる。この容器は、該容器の両側に設けられた入口通路及び排出通路を形成している絶縁された包囲体内に配置されている。空気及びラフィネートは、空気入口通路内の燃焼器（７５）を通過し、触媒を供給原料から発生された遊離水素に必要な反応温度へと触媒を加熱するための加熱された煙道ガスを提供する。燃焼器煙道ガスは、触媒床の入口端部と出口端部との間で該床の長さに亘って且つ長さに沿って横方向に流れる。水素は、燃料電池のような水素消費装置によって使用するためにコアから回収される。改質されたガス内に残っている未回収の水素は、燃焼器を介して処理熱を供給するために使用される。排出煙道ガスと入口空気とは、入口空気が熱い排出ガスによって加熱される伝熱式熱交換器（３０）内を通過する。供給原料入力ラインはまた、供給原料を触媒床に入る前に予め加熱するためにラフィネートライン及び水素回収ラインに結合されている。

Description

発明の分野

本発明は、燃料電池用の精製水素を含む精製水素を製造するための水蒸気改質器に関する。

精製水素は、半導体、冶金及び化学プロセスにおいて重要な必需品である。精製水素は、水素から電力を製造することができる燃料電池のための燃料源としても極めて有用である。精製水素を製造するための種々の手段が存在する。水素は、触媒床上で高温蒸気によって改質することによってアルコールのような水素含有化合物から遊離させることができる。この反応は吸熱性であるので、熱は外部の燃焼器から供給することができ又はいくらかの酸素を混合し且つ燃料のいくらかを部分的に燃焼することによって現場で供給することができる。前者の方法は、一般的には蒸気改質と称され、熱を供給するために空気又は酸素が燃料と混合されるとき、このプロセスは、自熱改質又は部分酸化改質と称される。改質プロセスが完了すると、実質的なパーセンテージの一酸化炭素が水性ガス移動触媒床で更に反応して水素及び二酸化炭素を形成する。これは、改質されたガス内の一酸化炭素のパーセンテージを下げる。

改質されたガス混合物から精製度の高い水素を生成するために、例えば、選択性の膜を介して水素を分離する手段を採用することができる。精製度の高い水素は、次いで工業的プロセス、電力を発生するための燃料電池内又は精製された水素を必要とするその他の用途において使用することができる。いくつかの場合には、水素の精製は使用されず、改質されたガスは、一酸化炭素のレベルを更に下げるために選択的な酸化ステップの後に燃料電池に送られる。後者の場合には、改質器は、一般的に、露点制御、高い一酸化炭素レベルを防止するための注意深い配慮及び水素の多くが排出された後に消費されたガスを受け入れるための燃料電池を備えた統合手段を必要とするであろう。

１９９９年１月１９日に発行されたＳｔｅａｍＲｅｆｏｒｍｅｒＷｉｔｈＩｎｔｅｒｎａｌＨｙｄｒｏｇｅｎＰｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ（内部水素精製装置を備えた蒸気改質器）という名称の米国特許第５，８６１，１３７号に記載されているような水素の精製技術はよく知られている。上記の特許は、水素精製装置を開示しており且つ従来技術と従来技術状態とを説明している。コスト効率を必要とする実際的な改質器の必要性は明らかである。この特許は、水素を含んでいる燃料の適当な燃料供給原料から精製された水素の一部分を部分的に抽出し且つ燃焼器を作動させるための燃料として多量の水素を有する排出されたラフィネートを使用する方法及び装置を開示している。

蒸気改質に基づいた装置を含んでいる水素精製の種々の装置及び特徴を記載している多くの特許に加えて、実質的な量の他の出版物が入手可能である。それにも拘わらず、初期及びその作動期間中の両方において費用効率が高いばかりでなく有効で且つコスト効率の高い提供に容易に適合する改良された水素精製装置の継続的な需要が存在する。燃焼器空気装置内に低い圧力低下を有する改質器の特別な需要がある。

本発明は、特に、燃焼器による改質器の効率の良い加熱を有するコンパクトなユニットとして構成することができる水素精製改質器に関する。燃焼器のガスは、水素リッチ燃料の処理のための低電力で低コストの空気供給装置をもたらす装置において最小の圧力低下を有する。

本発明の新規な改質器装置は、供給原料入口と隔置された供給原料出口との間の供給原料の経路に沿って構成され且つ配置されている触媒ユニット又は床を含んでいる。触媒は、加熱すると供給原料に対して吸熱反応を行って水素を生成する。触媒は、自立素材、粒状素材又はこれらの組み合わせのようなあらゆる入手可能な形態の作動材料によって構成することができる。粒状素材が使用される場合には、閉じ込め包囲体が、水素透過膜を介して後続の収集のために水素の解放を可能にする構造を有する素材を支持している。

本発明の特別な特徴に従って、燃焼器ユニットは、本質的に燃焼器ユニットから触媒ユニットへ直接流れ且つ実質的に触媒ユニットの全長長さ程度の、すなわち、典型的には触媒ユニットの出口と入口との間の間隔の長さを有する煙道ガス出力の流れを有している。従って、煙道ガスの流れは、触媒のほぼ全長に亘って横切るように通過して流れの中に最小空気圧をもたらす。

精製された水素を集めるために水素収集器が触媒ユニットに隣接して配置され、又は代替的には、同じか又は別個の圧力容器内の下流に配置されても良い。現在の実施に従って、水素収集器は、水素を集めるために触媒床から遊離された水素の経路に沿って配置された１以上の水素選択性透過膜を含んでいても良い。

好ましい構成はまた、特に、触媒の効率の良い機能並びに触媒、供給原料及び供給空気の加熱だけでなく高エネルギ効率を生じる比較的低圧の供給空気の使用可能性を提供する。

このようにして、この構成は、遊離水素を製造するための触媒の改良された加熱及び触媒ユニットからの遊離水素の抽出を達成する。この装置は更に、以下に説明するように、供給原料の内部処理のために触媒床の全長に亘って流れの加熱パターンを理想化することを更に可能にする。

好ましい構成においては、圧力容器は、触媒床又はユニットによって包囲されている閉塞された水素選択性透過膜コアユニットを含んでいる。ガス燃焼加熱ユニットは、圧力容器及び特に触媒床と整合された遊離ガス出力を有している。加熱ユニットは、触媒ユニットの長さ及び断面積に関連する遊離ガスの流れを形成する。遊離ガスの流れは、触媒ユニットの全長に亘って触媒ユニットを加熱するために触媒ユニットの上を横切って通過する。触媒ユニットは、均一に加熱されても良いし又は所望の熱勾配まて加熱されても良い。

加熱された触媒ユニットを通過する水素リッチ供給原料は改質されて水素を製造する。この水素の実質的な部分は、続いて、水素選択性透過膜のコアユニットを通過し、以下においてラフィネートと称される残りの水素及びその他のガスが圧力容器を出て行き、背圧レギュレータのような圧力制御装置を通過し、続いて、ガス燃焼された加熱ユニットを介して改質プロセスのための熱を供給するために使用される。

加熱ユニットは、圧力容器を出て行くラフィネートによって燃料供給されるのが好ましい触媒燃焼器であるのが好ましい。燃焼器は、別個の燃焼器であっても良いし又は圧力容器の一体部品として構成されても良い。いずれの構成においても、ラフィネートは、空気と混合され、燃焼器内を移動し、圧力容器の上方の燃焼器からの直接加熱された煙道ガスの流れを通過する。

いずれの構成においても、圧力容器は、熱伝導性材料によって作られている外側外被又は壁を含んでいる。多数の熱伝導フィンは、圧力容器内に含まれている改質触媒床を完全に加熱するために加熱された燃焼器の煙道ガスが通過する容器を通して外側壁に密着されて取り付けられている。圧力容器は、入力燃焼器煙道ガス通路と外側の燃焼器煙道ガス通路との間に配置されている。

好ましい構成においては、供給原料は、精製された水素、ラフィネート及び燃焼器煙道ガスのうちの少なくとも１つ、好ましくはこれらの発生源全てからの熱の回収によって予め加熱される。供給原料が所望の反応熱まで十分に予加熱される場合でさえ、触媒内の吸熱反応は、所望の改質反応が起こる十分な温度を維持するために、燃焼器煙道ガスからのような熱の付加的な供給を一般的に必要とする。

圧力容器はまた、１以上の収集容器を含む水素収集装置によって形成されることも好ましい。各収集構造は、水素選択性コア膜ユニットを形成しているコアに付着された金属製の水素選択性透過膜を備えた多孔質材料の内側膜コアを含んでいる。金属製の水素選択性膜は、例えば、パラジウム又はパラジウム銅合金からなるコーティングであっても良く、後者は、当業者に良く知られたメッキ及びアニーリング法によって製造しても良い。更に、各コア膜ユニットは、特に、触媒材料との薄い膜の摩滅性の接触を防止するために、分離され且つ触媒ユニットから隔てられている。この目的のために、特に粒状触媒が使用される場合には、触媒と膜との間に保護層が配置されても良く、該保護層は、改質されたガスを水素選択性透過膜へと流通させるための多孔質であるか又は穴を含んでいる。

好ましい実施形態においては、圧力容器には更に、外側の閉じられた端部と解放可能なカバー又はヘッダーユニットによって閉塞することができる反対側の開口端部とが形成されている。入力及び出力ラインがカバーに固定されている。これらのラインは、供給原料を触媒床に入力する供給原料ラインと、触媒ユニットからラフィネートを受け取るためのラフィネート出力ラインと、コア膜ユニットからの精製された水素を運ぶための精製水素出力ラインとを含んでいる。

圧力容器は、典型的には、金属合金によって作られる。熱の良好な伝導体である複数の隔置されたフィンが圧力容器にしっかりと固定されて該圧力容器から延びている。しかしながら、有利な表面積対体積を有する比較的小さい実施形態においては、フィンは、触媒領域内への熱の移動のためには不要であるかも知れず、従って、圧力容器のフィンは、好ましい実施形態から排除されていて容器が依然として空気と熱との通路及びその出口又は排出通路を形成するようにしても良い。

加熱装置は、供給原料の理想的な改質を形成するために触媒ユニット上に流体又は煙道ガスの流れの制御された分布を含んでいるのが好ましい。これは、ユニットの長さに亘って出口まで段階的なパターン又は勾配を有する最大熱入力をユニット内への供給原料入口に必要とする。なぜならば、比較的高い割合の吸熱反応は、触媒内への入口箇所（入口端部）の最も近くで起こるからである。

本発明の更に別の特徴に従って、全てが高いレベルの熱を含んでいる燃焼器の煙道ガス、加熱されたラフィネート及び集められた水素が、燃焼器への冷たい入力空気を加熱し且つ改質触媒ユニット内の供給原料の通過に先立って水素リッチ供給原料を予め加熱するために使用される。

好ましい構造においては、別個の導管は、圧力容器から出て行くときにラフィネート及び精製された水素を運ぶ。各導管は、少なくとも部分的に金属かその他の熱伝導性材料を含んでおり、これらの部分は、相互に結合され且つ向流形態で触媒ユニットへ供給原料を運ぶ対応する第３の金属導管に結合されるか接合されるのが好ましい。冷たい供給原料の加熱を促進するために、いくつかの導管は、例えば溶着、鑞付け等によるような高熱伝導接合によって相互に結合されるのが好ましい。導管を結合する他の形態を使用しても良い。

更に、一つの好ましい構造においては、触媒床の下流の触媒燃焼器ユニットからの煙道ガスは、例えば燃焼器ユニットの煙道ガスは、例えば燃焼器ユニットの巻き付けられた長さを熱い排出煙道ガスを運ぶ出口通路内に配置することによって入力供給原料ラインの伸長長さに結合されている。この構造は、煙道ガス排出物によって供給原料を予め加熱するために使用することができ、これは触媒燃焼器を使用する場合に特に有利である。

更に別の好ましい構造に従って、燃焼器に空気を供給するための燃焼器空気入口チャンバと、触媒ユニットから煙道ガスを排出するための排出チャンバとが、側部同士が近接して互いに隔てられた状態で配置されている。伝熱式熱交換器がこれらの２つのチャンバ間に延びていて燃焼器の煙道ガス内の熱を捕獲し且つ煙道ガスを装置から排出する前に好ましくは向流状態で燃焼器入口空気に熱を伝達する。この構造は、燃焼器の入口空気を煙道ガス排出物によって予め加熱するために使用することができる。

この熱伝導アセンブリの好ましい構造は、２つのチャンバの間にこれらのチャンバに対して横方向に延びている一連の比較的薄い熱伝導性で穴を有するプレートを含んでいる。これらのプレートは、燃焼器の煙道ガスが空気入口チャンバ又は通路内へと通過するのを防止するために、隣接するチャンバ間に設けられた薄い熱絶縁分離器によって分離されている。これらの薄い分離器はまた、穴を有するプレートを相互に熱絶縁する機能を果たしても良い。

改質器装置は更に、構成部品を直線軸に沿った直線状の平行な向きに配向することによって構成されるのが好ましい。これによって、最大出力は、触媒燃焼器面積、触媒体積及び熱伝導表面積を装置の単位長さ当たりほぼ一定に維持することによって、関連する構成部品の比例する直線長さに関連付けられる。

このように、燃焼器の配置及び構造並びにいくつかの熱回復装置は、圧力容器に関して直線配向を有している。次いで、改質装置の能力は、水素発生の効率が良く且つ容易な拡大縮小をもたらす最終的なアセンブリ内の構成部品の直線長さに直接関係する。

改質器の動作を制御するために、種々の監視装置を装置内の流体に結合しても良く且つそれが好ましい。
本発明のその他の種々の目的、特徴及び利点は、図面と共になされる以下の説明から明らかとなるであろう。

例示的な実施形態の説明

図１は、例えば、負荷する電力を供給するための水素リッチ燃料電池としても良い装置１４によって消費されるための水素リッチ燃料源１から精製水素を発生するための装置の簡素化した図面である。図１に示した例示的な実施形態は、関連する構成部品と組み合わせた外側ハウジング３６のような適当な支持部材内に独特の水素精製装置１８を含んでいる。

図１の装置は、発生源１からの燃料／水供給原料を処理するように作動することができる改質器圧力容器ユニット１９を有している蒸気改質器を含んでいる。燃料と水とのための共通のポンプが予め混合された供給原料としての燃料と水とが混和性である場合として図示されているけれども、燃料と水との流れが触媒が充填されたチャンバ７に到達する前に合流するように、１以上のポンプが各々あらゆる必要な流れ及び圧力監視手段と共に使用しても良いことは理解される。圧力容器ユニット１９は、内側水素精製装置コアユニット１８を含んでいる。圧力容器ユニット１９は、内側水素精製装置コアユニット１８よりも大きく且つ触媒が充填されたチャンバ７を形成している。

発生源１からの燃料は、燃料と水との混合物として示されており且つライン１７を介してフィルタ２へと引き出され且つポンプ３によってライン４を介して向流熱交換器９へと圧送される供給原料を構成している。供給原料は、熱交換器９において熱を受け取った後に、次いで、熱交換器５において更に多くの熱を受け取り、最終的にライン６によって圧力容器入口接続部６０内へ到達する。このようにして、供給原料は触媒が充填されたチャンバ７内に供給され、以下に説明するように加熱され、燃料／水供給原料は反応遊離水素を生成する。ユニット１８は、以下に説明する特別な水素選択性透過膜を含んでいる細長い部材であり、水素選択性透過膜は改質されたガスに含まれている水素をユニット１８の内側へと透過させ、これに続いて、ユニット１８内では精製された水素が水素出口６２からライン１１へと送られる。ユニット１８は概して管状部材として図示されているけれども、ユニット１８の形状は、如何なる特別な形状にも限定されず用途に適したあらゆる形状を呈することもできる。ユニット１８によって精製されてライン１１を通過する水素は、水素出力圧力レギュレータ１２内を通過する前に熱交換器９内の供給原料に熱を伝える。ひとたび水素圧力がレギュレータ１２によって調整されると、次いで、水素はソレノイド弁１３を通過して消費装置１４へ入る。消費装置１４は必要とされる周期的な抽気を有する燃料電池によって構成することができるので、吹き出しソレノイド弁１５及び逆止弁１６を通る通路を備えた消費装置１４からの戻りラインが含まれており、該ラインを介して吹き出された水素がライン８３内へ噴射される。

触媒７の体積及び活性並びにその加熱は、処理された燃料がライン８を介して抜き取られる間にほぼ完全に蒸気改質されるようになされる。
以下においてラフィネートと称される遊離されなかった水素を含む残留燃料及び反応副産物は、ライン８を介して触媒が充填されたチャンバ７から抜き取られる。ラフィネートは次いで熱交換器９内に入って来る供給原料に熱を伝え、その後に、供給原料背圧レギュレータ１０内を通過する。ラフィネートは、レギュレータ１０を通過する際に減圧され、ライン８３を介して燃焼器分配器２１へ移動する。

触媒燃焼器７５は、外側ハウジング３６内に取り付けられていて燃焼器空気と混合されたラフィネートを分配器２１から受け取る。ラフィネートは、双分配機構として図１３に更に明確に示されているような分配器２１内の穴を介して空気の流れの中へ排出される。空気とラフィネートとは、燃焼器７５への入口において混合されて熱い煙道ガス流７５ａを精製し、これは隣接するチャンバ内へと通過して上記したように触媒が充填されたチャンバ７を加熱する機能を果たす。

図１に示された装置は、水素の発生及び精製のための改質プロセスの効率及び機能を改良するための特別な特徴を提供している。特に、この装置は、熱交換器９のライン内の加熱された流体及び熱交換器５の下流へ流れる加熱された煙道ガス７８ａからの種々の熱回収を提供する。

図１に示されているように、ライン４、８及び１１の一部分は、改質されたガスからの熱を向流状態で流入して来る供給原料へ戻す向流熱交換ユニット９によって相互に結合されている。これは、効率を改良し且つガスが水素出力圧力レギュレータ１２及び供給原料圧力レギュレータ１０に到達する前にガスを冷却して装置を熱的損傷から保護する役目も果たす。更に、図１にも示されているように、燃焼器の煙道ガス７９と接触しているコイル状に巻かれた熱交換部分５を有するライン４が示されている。熱交換器５は、供給原料を触媒が充填されたチャンバ７内の触媒のための所望の作動温度まで上昇させるような構造とされている。改質器の能力に依存して、熱交換器５は、煙道ガス７９からの熱伝達を促進するためにフィンが設けられた管のいくつかの湾曲を含んでいても良いし又は１以上の互いに平行な湾曲部を備えたフィンが設けられていない管によって構成されていても良い。

更に、熱伝導アセンブリ３０が、排出チャンバ９１及びファン２０及び２０ａの下流の燃焼器空気入口チャンバ９０に亘って広がるように配置されている。また、図２ａに示されているように、バックアップファン２０ｂをメインのファン２０と直列に使用しても良い。アセンブリ３０内へ入る熱いガス７８ａは、アセンブリ３０の煙道ガス側の温度を上昇させ、向流状態で空気入口上のアセンブリ３０の冷たい部分へ熱を伝達する。より特別には、アセンブリ３０は、特に、図２乃至１２に示されている図１の装置の好ましい構造において更に十分に記載されるように、各々のチャンバ内の流体が他のチャンバ内へ移るのを熱絶縁密封リング９７によって防止する構造とされている。絶縁ガスケット９７は更に、アセンブリ３０の穿孔された又は伸展編み目金属プレートが種々の温度で作動して向流交換が改良されるようにするのを可能にする。

図１に示された熱交換器、弁等の配置は特に好ましい配置で示されているけれども、部品の種々の配置が本発明の構成内での同様な結果を達成するために採用されても良く、当業者によって必要とされるように配置しても良い。

図２乃至４を参照すると、コンパクトな水素発生源ユニット３３は、空気供給部分３５が横切るように形成されている外側包囲体の壁３４（図２ａ乃至４に部分的に示されている）を含んでおり且つ包囲体３６内に包囲されている水素発生ユニットに結合されている。制御部分３７は、包囲体３６内の空気供給部分３５及び水素発生器ユニットの一方の側に配置されている。部分３７は、圧力調整装置及びソレノイド弁のような図１に既に記載されている種々の部品を含んでいる。

空気供給部分３５は、空気フィルタ２０ａを備えたハウジングを含んでおり、該ハウジング内には、空気供給ファン２０が該ファン２０の下流に設けられたバックアップファン２０ｂと共に配置されている。図２ａに図示されているように、バックアップファン２０ｂは軸流タイプであり、メインファン２０はブロワータイプである。ファン２０は、フィルタ２０ａを介して空気を引き且つ引いた空気をバックアップファン２０ｂを取り巻いているハウジング内へ吹き付ける。空気通路管３８は、バックアップファン２０ｂの外方端部を包囲体３６内の水素発生器に接続している。ハウジングの外側面３５ａはフィルタ２０ａと穴が開けられた外側表面カバー３８ｂによって覆われている。

包囲体３６内の水素発生器ユニットは、空気供給部３５の後方に取り付けられており且つ堅牢な熱絶縁ベース支持台３９ａ上に載置されている周囲絶縁部材３９によって包囲されている。包囲体３６内に含まれている高温部分を包囲している絶縁部材は改質器の効率の良い作動を可能にしている。特に、これは包囲体３６の最も低温部分に包囲体３６に対する金属締結手段を配置することによってなされる。これは、空気通路管３８及び包囲体３６が締結される図２のユニット３３の頂部を含んでいる。これは、熱損失を最少にしつつ装置３３の残りの部分への包囲体３６の構造的な取り付けを可能にしている。包囲体３６内の発生ユニットへの空気の導入は空気通路管３８を介してなされる。外周壁絶縁部材３９は図示の明確化並びに空気の処理及び好ましい装置の燃料装置の加熱の理解のために部分的にのみ示されている。

図４乃至８を参照すると、図１の圧力容器ユニット１９は、好ましいフィンが付けられた構造で示されており且つ以下において圧力容器４０として特定されている。圧力容器４０は、内側精製器コアユニット４１が中心に配置され且つ固定されている外側外被又は容器４２を含んでいる。好ましい実施形態においては、別個のカップ形状保護部材５１が外側外被又は容器４２と精製容器コアユニット４１との間に固定される。保護部材５１は、容器４２から隔置されており且つ触媒チャンバ７を形成しており且つコアユニット４１に対するチャンバ７内の粒状触媒５０の当接係合を防止するためにコアユニット４１からも隔てられている。

特に、容器４２は、組立前に両端が開口している外側管状壁４５を含んでいる。外側端部は、溶接部４７ａ（４７ａは図６及び７における全ての溶接部を示している）によって管４５に対して溶接されている平らな端部壁４６によって閉じられており且つカップ形状の保護部材５１及び精製器ユニット４１の内側端部から隔てられている。管４５の対向端部又は内側端部は、例えば、溶接部４７ａによって管４５の開口端部に固定されているフランジ部材４７を含んでいるヘッダーユニット４６ａによって閉じられている。ヘッダーユニット４６ａは、ボルト５３によってボルト止めされて銅製の密封リング５２ａを使用するフランジ部材４７に対する密封結合状態にされている。保護部材５１及び精製器コアユニット４１は、ヘッダー４６ａに固定されてフランジ４７及び外側外被４５又は容器４２に対する取り外し可能なユニットを形成している。カバー６４もまたボルト５３を介してヘッダーユニット４６ａに取り付けられている。

カップ形状の保護部材５１は、触媒５０を閉じ込め且つ水素ばかりでなくその他のガス状物質の自由な流通を許容するのに適した穴が開いた金属又はその他の適当な材料によって作られている。保護部材５１の開口端部は、溶接又はその他の結合手段によってヘッダー４６ａに固定されている。

精製器コアユニット４１は、パラジウム又はパラジウム銅合金製のコーティングのような現在知られている材料による外側の水素透過性金属コーティング４１ｂを有している多孔質セラミック本体４１ａによって形成されて水素選択性の膜と水素精製器コアユニット４１とを形成している。改質されたガスは保護部材５１を通ってコアユニット４１内へと自由に通過する。水素ガスは、外側の水素選択性膜４１ｂを横切る結果としてコアユニット４１の内側収集チャンバ４１内へと単に通過する。保護部材５１は、多孔質の壁、穴が開けられた壁又は遊離水素をその端部へ導く管状部材であっても良く、水素ガスがそこから排出されて膜ユニット内へと流れるようになされている。触媒が選択性の膜ユニットに対して隔てられた関係で取り付けられている１以上の一体式の触媒部材の形態である場合には、保護部材５１は必要でないかも知れない。

図７ａを参照すると、フランジ４７は、管４５の外方端部を周囲の凹所に載置され且つ入れ子式に嵌合されており且つ符号４７ａのような管４５の外側に溶接されている。ヘッダー４６ａは、フランジ４７との間に高圧密封ガスケット５２ａを挟んでフランジ４７にボルト止めされている。図示されている密封接合（図７ａ）は、フランジ４７とヘッダー４６ａとの間に配置された銅製の密封リング５２ａを含んでいる。尖った密封端縁５２ｃはフランジ４７及びヘッダー４６ａから外方へ突出していて固定ボルト５３を締め付けると銅製リング５２ａに埋設係合する状態となる。この密封によって、高圧の閉塞が達成されて精製されたガスを容器４０内に閉じ込めることができる。他の適当なシールもこの好ましい装置において使用することができ、他の装置においては取り外し可能なカバー構造無しで構成しても良い。例えば、端部部品４６ａは、圧力容器４０の永久的な閉塞のために管４５の端部に溶接又は鑞付けしても良い。

入力／出力ラインは、ヘッダー４６ａ内に密封され且つ以下に述べるように図示された実施形態のコアユニット４１及び触媒チャンバ７内のいくつかの通路に結合されている。
供給原料ライン６０はヘッダー４６ａに対して密封された関係で固定されている。燃料ライン６０は、触媒が充填されたチャンバ７内へと内方へ延びており且つ触媒５０内を通ってチャンバの内側端部へと延びている。ライン６０の内側端部は、端部壁４６の近くで終端していて適当な圧力によって水素リッチ供給原料を触媒が充填されたチャンバ７の閉塞端部内へ給送し、供給原料を触媒５０内を軸線方向にヘッダー４６ａに向かって移動させる。本発明の範囲に含まれる代替的な構造（図示せず）は、供給原料給送管６０及びラフィネート出口管６３とを使用しており、ラフィネート出口管６３は、触媒床７の長さ方向に延びており、管は端部が閉じられており且つ穴が開けられていて、触媒床の軸線方向長さに沿って下方に流れるのではなく穴が開けられた管同士の間を流れるようになされている。当業者に明らかである圧力容器内の他の構造も同様に装備することができる。

水素回収ライン６２は、ヘッダーに固定されており且つコアユニット４１の内側コアチャンバ４１ｃにおいて終端しており且つ精製コアユニット４１の部材４１ｂ内を通過した遊離水素を回収する役目を果たす。

ラフィネートライン６３は、触媒チャンバ７の下方又は底側と整合した状態でヘッダー４６ａに固定されている。加圧された供給原料は、触媒５０内を通過し且つ圧力を受けてラフィネートとしてラフィネートライン６３を通って出て行く。ラフィネートは、高いレベルの水素を含んでおり且つ以下に説明するように空気通路内の触媒燃焼器のための燃料として機能する。

精製器ユニット４１の下流の触媒の出口におけるラフィネートは、触媒又はその他の燃焼器ユニットに燃料を提供することができる。改質されなかった燃料、回収されなかった水素及び一酸化炭素又はメタンのような反応副産物は、触媒又はその他の燃焼器内で燃料として機能する役目を果たすことができる。ラフィネート内に含まれているガスの特色は、燃料のタイプ、蒸気対炭素の比率、圧力、触媒のタイプ、流速及び温度に依存し且つ触媒の流れ上にある時間に依存して変化するかも知れない。精製器４１によって水素が除去された改質された供給原料は、ここでは総称的にラフィネートとして特定されており、これは、触媒ユニット及び個々に開示されている装置燃焼器に結合された水素精製ユニットを出て行く改質された供給原料ばかりでなく、別個の燃料源と組み合わされるか又は置き換えられた場合にはこのような燃料の全てを包含するであろう。

容器４２及び特に管状の壁４５は、例えば、鑞付け又はその他の熱伝導結合によって容器の壁４５に密接して固定された隔置された熱伝導フィン５９を有している。フィン５９は、以下に説明されるように、触媒の理想的な加熱及び精製された水素の発生のために包囲体内の対応する穴内に嵌合する形状に形成されている矩形部材として示されている。フィン５９同士は、互いに隔てられており且つ横方向に通過する煙道ガスの流れのための最少の圧力低下を生じつつ容器の迅速な加熱を提供するように選択された大きさ及び配置となっている。フィン５９は、容器特に触媒５０への迅速な熱伝導のために銅のような適切な材料によって形成されるのが好ましい。

圧力容器４０（図４）は、取り付けねじ６５ａによってヘッダー４６ａ及び包囲体のフレーム構造に固定されたプレート６４によって包囲体３６内の穴６５内に取り外し可能に固定されている。フィン付きの容器４０は、内側壁構造内に包囲されて以下に説明する空気／燃料の入口通路及び外側排出通路を形成している。

フィン付きの圧力容器４０及び特に該圧力容器の精製器コアユニット４１は、コーティング４１ｂの破壊又はその他の劣化が生じた場合又は粘結化、毒作用、経年化又はその他の理由により触媒の活性が著しく劣化した場合に交換する必要があるかも知れない。その他の構成部品は長寿命を有するものと期待される。

図示されているように、フィン付きの圧力容器４０はユニットとして取り外し可能である。図示されたヘッダー４６ａは、フランジ４７から解放することができ且つフィン付きの容器４２内で新しいコアユニット及び保護部材ユニットと交換することができる。触媒もまたこの作業中に交換することができ、これは、触媒が符号５０として図示されている粒状材料ではなく一体の管状部品として形成されている場合には特に簡単である。このようにして、図示されたユニットは、改質器の簡単な実用性及び長寿命の作動のための低コストによって交換できる精製器４１及び圧力容器４０を提供する。

供給原料給送ライン６０、水素（Ｈ_２）回収ライン６２及びラフィネートライン６３は、供給原料を入力し且つ図８及び９に示されているような容器４２に対して精製された水素及びラフィネートを抜き取るために隔置された関係でヘッダー４６ａに固定されている。各ラインは、ユニットを修理するときに解放され且つ後に再密封しても良い同様のライン結合ユニット６７と同様に構成されている。

ラフィネートライン６２は更に、ライン６３を開くためにヘッダー４６ａと結合部６７との間に比較的大きな解放可能な結合部６８を有していても良い。これは、周期的に必要とされるように粒状触媒５０と置換するための一般的な手段を提供する。既に述べたように、触媒は１以上の一体部材によって構成されているときに、ヘッダー４６ａは、結合部６８が不必要になった場合に一体の触媒を交換するために取り外さなければならない。

圧力容器４０は、図４、８、９乃至９ｂに示されているように締め付けねじ６５ａによって包囲体３６内に取り外し可能に取り付けられている。ハウジング包囲体３６は更に、加熱ガスを包囲体の中に導くために種々の内側壁及び流れ配向手段を含んでいる。図９ｂに最も良く示されているように、上方の垂直分割壁６９は、入口プレナム９０を排出ガスプレナム９１から分割し、当接回収熱交換器アセンブリ３０と包囲体３６ばかりでなく包囲体３６の側部との間に延びていてプレナム９０と９１との間に効率の良いバリアを形成している。伝熱式熱交換器３０の下方において、堅牢な熱絶縁垂直分割壁７０は更にガスの流れを分割する。垂直壁７０は、堅牢な熱絶縁水平壁７１に当接して該壁７１に対して密封している。水平壁７０は、混合された空気とラフィネートとが触媒燃焼器７５内へ流れ込むのを許容する穴７４を含んでおり、さもなければ、水平壁７１は、別の場所でのガスの流れを防止するために外側包囲体３６と垂直壁７０とに対して当接してこれらを密封している。水平壁７１は、包囲体３６と底部及び側部並びに容器４０の隔置されたフィン５０と組み合わせられてフィン５９及び容器４０の内部を加熱するために煙道ガス７５ａのための通路７４ｂを形成している。容器４０の下流において、堅牢な熱絶縁材料によって形成されて壁７１及び包囲体３６の側部に当接し且つ密封している垂直の煙道ガス分割壁７３は、煙道ガスを通路７６を介してその穴７８内へ導く。壁７３と包囲体３６とは更に、熱交換器５を含んでいる煙道ガス７９のための垂直通路を形成している。

フィン付きの管のいくつかのコイルとして図示されている熱交換器（図９ａ及び９ｂ）は、以下に説明するように、触媒床へ入って来る供給原料ライン４に結合されている供給原料ライン６０内に結合されている。フィン付きの管５は、排出煙道ガス７９の一部分が通過する位置に配置されており且つライン６、コネクタ６７及び触媒５０に到達するライン６０へと連続して導入する前に熱交換器５内で供給原料を予め加熱するために有効である。

図１、４、８及び９を参照すると、改質器容器４０から燃焼器７５へのラフィネートの供給接続部が供給原料を予め加熱するためにラインの接続部を備えた状態で図示されている。ラフィネートライン６３は、容器４０を出て結合部６８及び６７を通ってラフィネートライン８へと続いている（図１）。ラフィネートライン８は熱交換器９を通過し、次いで供給原料／ラフィネート背圧レギュレータ１０を含んでいる制御部分３７内へと通過している。背圧レギュレータ１０は、該レギュレータが燃焼器給送ライン８３に到達する前に燃料電池引き出し水素と結合される場所においてラフィネートを減圧する。燃焼器供給ライン８３は次いで包囲体３６内へと通過して燃焼器分配器へと通過する。例示的な燃焼器分配器が図１３に示されており、これは、Ｔ字形管継手８６及び穴が開けられた２つの分配器８５及び８５ａを示している。分配器８５及び８５ａは図９、９ａ及び９ｂにおいても同様に示されており、これらの図面においては、これらはラフィネートを燃焼器７５に到達する前に流入して来る燃焼器と混合するように配置されている。

管８５乃至８５ａの各々は中空であり且つ最も外方端部が密封されている。管８５乃至８５ａの各々は、セラミック材料、焼結金属又は穴が開けられた管又はその他の同様な機能材料のような多孔質又は穴が開けられた材料であるのが好ましい。装置の作動の開始時においては、通路７４内の入口空気７４ａは比較的冷たい空気であり、触媒床が供給原料を処理するのに十分な温度となるまでラフィネートは発生され得ない。触媒床の作動を開始させ且つ燃焼器７５をラフィネートの触媒による燃焼を可能にするのに十分な温度まで予め加熱するために、補助的な加熱源が通常は始動中に必要とされる。燃焼器７５の上方に取り付けられた電気ヒーター８８が示されている（図９乃至９ａ）。ヒーター８８は、触媒燃焼器温度を“着火”温度まで上昇させ且つ触媒床を燃料を改質するのに十分な温度まで上昇させるために必要な温度まで入口供給空気を加熱するために装置の始動中に自動的にオンされる。ひとたびこの温度に達すると、ポンプ３は、供給原料を装置内へ圧送し始め、触媒５０内での水素遊離反応及び燃焼器７５の着火のための後続するラフィネート燃料の発生をもたらす。アルコールに基づいた供給燃料のために、必要な触媒床温度は、燃料及び触媒の選択に依存して２５０ないし５００℃程度であり、ラフィネート内の水素のための触媒燃焼器着火温度は約１００℃以上である。燃焼器において“着火”状態が達成された後に、入口供給空気の加熱のためのヒーター８８は終了されても良い。なぜならば、燃焼器７５に入るラフィネートは、次いで、触媒の適切な加熱を維持するのに適しているからである。好ましい構造において記載されている供給原料の予加熱は更に、着火後の補助熱源無しで触媒内に適正なリアクタンスを維持する。

ラフィネート（図９及び９ｂ）は、空気入口通路７４内で空気流と混合され、この混合物は燃焼器７５内へ及び該燃焼器内を通過し、燃焼器７５は、燃焼して高温流体又は煙道ガス７５ａを形成する。煙道ガス７５ａは、入口通路７４ｂ内へと直に流入し、図４、８及び９ｂに示されているように圧力容器４０へ且つ該圧力容器上を流れる。加熱された煙道ガス７５ａは、フィン内を通過し、供給又は入口通路７４ｂからの唯一の出口としての圧力容器４０の容器４２の上方を通過する。フィン５９は、触媒５０を加熱し且つそれによってコアユニット４１内に捕獲するための水素を発生するために、圧力容器４０内に熱を移動させるために適切に隔てられている。既に述べたように供給原料は予め加熱されるけれども、改質反応は、水素を生成するための吸熱反応を保証するために燃焼器からの付加的な熱入力を必要とする。

触媒５０の加熱は、触媒床又は触媒ユニットの軸線上の特別な分配を含んでいても良い。理想的な熱分布曲線１００と結果的に得られる反応曲線１０１とが図１２に示されている。熱分布曲線１００は触媒５０の最初の約半分に亘って高く、触媒の出口又は排出端部に隣接した位置での低レベルまで徐々に低下する。なぜならば、吸熱反応の大部分は触媒床の初期において起こるからである。結果的に得られる遊離水素を発生するための反応曲線１０１は、高温の入力部分においては水素の急速な増加を含み、次いで、触媒５０の出口又は排出端部まで若干のリリース曲線へと水平に進む。

加熱要件は触媒床の最初の部分で比較的高いので、触媒床の出口と比較してこの領域では比較的高い熱流束が望ましい。これは、供給原料入口のより近くにおけるフィン同士の間隔を狭めるか又は供給原料入口の比較的近い位置で煙道ガス７５ａの温度を増すか又はこれらの組み合わせにより達成される。

図１３は、容器の理想的な熱分布のための燃焼器７５へのラフィネート入力の特別な構造を示している。部分８５及び８５ａでのラフィネートの分配穴は触媒床７の供給原料入口端部の比較的近くに比較的リッチなラフィネート／空気混合物を供給する一方で出口端部８５及び８５ａはより少ない穴を有して比較的リーンなラフィネート／空気混合物を提供するように変化せしめられている。従って、ほぼ図示に従って、最もリッチで従って最も熱い煙道ガスが触媒床７の入口端部に適用され、最もリーンで且つ最も冷たい煙道ガスが触媒床７の出口端部に適用される。

代替的な構造においては、触媒燃焼器は、容器の表面上又は容器に固定されたフィン上に存在していても良い。コーティング方法によって触媒表面を形成するための方法は当業者に知られているので更に詳細には説明しない。触媒燃焼器がフィン上にコーティングされている場合には、フィンは触媒ユニットの長さに沿って互いに近接し且つ隔置されるのが好ましい。このことは、未燃焼のラフィネートがフィンを通り過ぎて滑らず且つ出て行く沿道ガス７９によって排出通路７６内へと流れ込むのを確保するために必要である。この場合には、図１３に示された段階的な燃焼器ディフューザを使用することも好ましい。

フィン付きのユニット５として図示されている好ましい供給原料熱交換器が図４、８及び８ａに示されている。結合部を介して容器４０を出て行くライン８及び１１は、冷たい供給原料ライン４の金属管によって組み立てられて正確に当接する係合状態とされている長い裸金属管を含んでいる。裸金属管は、適当な結合部好ましくは例えば８４ｃにおけるように実質的な長さに亘って３つの管を相互に鑞付けするか又は溶接すること又はさもなければ似た方法で管同士を他の熱伝導及び結合材料によって当接且つ熱伝導係合状態に保持されている。接合された管４、８及び１１は、接合された管の外周を絶縁布８４ｂからなる外側包装材によって覆っても良い。結合されたラインは、ライン８及び１１の最も冷たい端部に当接する供給原料ライン４の最も冷たい端部によって向流アセンブリとして組み立てられている。これは、熱損失を最少化して改質器の効率を上げる。熱交換器５はまた、レギュレータ１２及び１０に到達する前に水素及びラフィネートを冷却する役目を果たす。レギュレータ１２及び１０は、各々、レギュレータの過熱を防止し且つより低コストで作動温度が比較的低いレギュレータを可能にする。

結合されたライン４、８及び１１は、伸長された長さを形成するために等しい側方端部を有するＵ字形状構造で示されている。脚部の全長は、容器４０と内側コアユニットとの長さに関連し且つほぼ対応していて、熱交換ユニットが容器４０並びに入口及び出口による装置の大きさのみならず以下に説明する装置の縮小拡大のための大きさとされ又は縮小拡大されるようになされている。

これはまた、供給原料の加熱のための比較的簡素であるが効率が極めて高い装置をも提供している。ラインを相互に結合するその他の装置を使用しても良い。供給原料の加熱及び予加熱の回復の結果として、精製された水素の効率の良い発生のための触媒床の必要とされる加熱が減じられ、熱交換器の向流構造は効率を増大させる。

図８乃至９ｂに示されているように、空気入口プレナム９０が壁６０の一方の側部に形成されており且つ包囲体３６の頂部の半分に亘って延びている。同様に、包囲体３６の頂部の残りの半分は、分割壁６９の反対側に排出チャンバ９１を含んでいる。フィン２０からの周囲大気は空気入口３８を介してプレナム９０内に到達し、プレナム９１を出て行く排出物は排出穴９２から出て行く。

図１及び８乃至９ｂに示されているような好ましい構造に従って、熱回収構造３０は、以下のように、向流形態で排出煙道ガス７８ａ内の熱を空気入口３８内に到達する空気に結合させる。

図１、８及び９の空気入口チャンバ９０は、図２ａ乃至３に示されている空気供給管又は通路３８に接続されている。排出チャンバ９１は、図３、８及び９ｂに示されているように、後方構造壁内に排出穴９２を含んでいる。

多プレートアセンブリ３０は、入口空気及び排出煙道ガスの流れの範囲に亘って延びている壁６９の下方に固定されている。
図１０及び１１は、流入して来る供給空気を加熱するための熱回復装置の一つの好ましい構造を明確に示すために拡大されたプレート９６を備えた熱伝導プレートアセンブリの拡大図である。多プレートアセンブリ３０は、熱絶縁及び流体閉塞壁ガスケット部材９７によって分離されている複数の熱伝導プレート９６を含んでいる。熱絶縁及び流体閉塞壁ガスケット部材９７は、プレート９６が流入して来る空気及び出て行く煙道ガスの領域を通過し且つ広がるのを許容しつつ流入して来る空気の出て行く煙道ガスからの分離を維持する。プレート９６は、良好な熱伝導材料である銅、アルミニウム又はその他の材料のような適切な金属の同様のプレートとして形成しても良い。図示されているダイヤモンド形状の穴９６又はその他のあらゆる形状の穴を該金属プレート内に形成しても良い。これらの穴は、同じ形状又は大きさを有する必要はなく、必ずしも相互に整合された隣接するプレート内の穴である必要もない。これらのプレート内の穴の大きさ及び間隔は、各々のガス流内で最少の圧力低下によって空気及び煙道ガスが容易に通過するのを許容するのに十分な大きさとされている。これらの穴はまた、プレートへ及びプレートから熱を伝達するための大きな表面積をも許容する。

プレート９６と壁部材９７とは薄い部材であるのが好ましい。典型的には、プレート９６は０．００５〜０．１００インチ（０．１２７〜２．５４ミリメートル）、より好ましくは０．０２０〜０．０５インチ（０．５０８〜１．２７ミリメートル）の厚みを有している。プレートの厚みは、煙道ガスからの熱を流入して来る空気に伝達しつつ低い温度低下を生ずるのに十分な大きさとされており且つ使用される金属及びプレート内で必要とされる所望の熱流束に幾分依存する。分離壁部材９７は、類似した厚みを有していても良いし又は所望ならばプレートよりも厚くても良い。膜９７の絶縁特性は、隣接するプレート９６を十分に熱的に絶縁するように選択され、このことは、プレートを種々の温度で作動させて２つのガス流間の向流熱交換を可能にする。従って、最も熱い煙道ガス７８ａと接触している最も下方のプレートは温度が最も高く、一方、流入しつつある周囲大気と接触している最も上方のプレートは温度が最も低い。

図１０に示されているように、分離壁部材９７は、熱回復アセンブリ３０内でのプレート９６同士の平行な整合を促進しない。このために、図１１に示されているように、部材９７ａは伸長している脚部９７ｂによって増大されている。このように、アセンブリ３０を形成するために複数の部材９７及び９６を重ねることによってプレート９６の平行整合が強制される。

図示されていないけれども、向流熱交換部材３０の他の実施形態が可能である。例えば、環状構造においては、密封部材９７はドーナツ形状となり、伸長脚部９７ｂはもはや熱伝導のためにプレートが内側の環と外側の環との間に延びているプレート９６の平行な配向を提供する必要はない。更に別の構造においては、２つの別個の穴が開いたプレートを折り畳んで平行なプレートを生じる蛇行パターンとしても良い。これら２つの部品は、分割部材９７として作用する薄い金属片によって鑞付けされても良い。平行なプレートの１つの蛇行アセンブリは空気プレナム内へと延びており、一方、他方は煙道ガスプレナム内へと延びており、プレナム間の熱伝導は単一の金属分割部材９７の上方の鑞付けされた接合部において生じる。他の付加的な変更例が当業者には自明であろう。

一般的に、図示された実施形態は、燃焼器７５に供給される供給入力空気を予め加熱するための好ましい構造を開示している。実際的なアセンブリは、本発明の最も広い範囲内で、分離壁内に密封された関係で部材を取り付けることによって入力空気への排出ガス内の熱の効率の良い熱伝導を提供するプレート又はその他の部材を含む必要があるだけである。

排出ガス内の熱を回収するための構造は、チャンバ並びに関連する空気及び排気通路の比較的大きな流通断面積ばかりでなく同様の大きな穴を形成している熱伝導プレート又はその他の熱伝導部材内の比較的大きな穴を含んでいて、この構造が低い圧力低下及びファン２０を介して空気を供給するための結果的な低い電力消費をもたらすべきである。

同様の考え方が、圧力容器４０の加熱に関連する通路に対してなされる。従って、触媒燃焼器７５は、比較的大きな断面積を有し且つその中を通る空気／燃料の流れの方向に実質的に複数の同様の平行な通路が形成されている。

例えば、平方インチ（６．４５平方センチメートル）当たり２００程度の小室を有する通路を有しており且つ貴金属コーティングを有する押出セラミックによって作られた深さが２インチ（５．０８センチメートル）の燃焼器は、公知の構造による比較的満足度の高い燃焼器の一つの例である。入力空気を加熱するための伝熱式熱交換器は、同様に、４０％にほぼ等しい開口面積を有する編み目状に伸展され且つ圧延されたパターンのアルミニウムによって作られる。

圧力容器４０は、比較的大きなフィン付きの構造によって同様に構成されるのが好ましく、熱交換器５のように容器の上方を通過するガス内に低い装置の圧力低下を達成するためにフィン同士の間に適切な間隔を有している。

供給原料燃料の予加熱並びに装置内の精製された水素及び改質されたガスからの熱の回収のようなその他の熱回収装置もまた、有効で且つ改良された改質装置を製造する際に重要な結果をもたらす。

空気入口及び排気通路に設けられた熱交換器、供給原料予加熱コイル、結合された流通ライン、触媒燃焼器並びにフィン付きの圧力容器を含んでいる特別な空気及び燃料の供給装置と組み合わせられた構造は、極めて低い燃焼器ガスの圧力低下を生じるかも知れない。その結果、ユニット内へ及び該ユニットを通るように空気及び煙道ガスを動かすための電力要件は低い。このことは、低い熱損失と組み合わせて対応する改質器の効率の増大を生じる。

図示された設計の独特の特性はまた、種々の最大出力レベルを有する装置のコスト効率の良い拡大縮小可能な構造をも可能にする。直線軸線を有する図示された実施形態のいくつかの構成要素及び部品は、構成部品の直線長さを所望の容量に直接関係付けられるように設計することによって異なる容積の容器の構造を可能にする。このようにして、燃焼器領域、熱交換領域、触媒体積、精製器膜領域、排出熱伝導装置、供給原料ラインをラフィネートライン及び／又は水素ラインに接続する向流加熱ユニットを含む相互作用する構成部品の各々が、ここに開示されている部材及び構成部品の直線軸線上の長さ従って最終的な構造に直接関係付けられる。

例えば、圧力容器の長さが２倍である場合には、排出チャンバ、入口空気供給及び供給原料熱伝達ユニット及び燃焼器とこれに関連する通路の長さは２倍であって２倍の出力量を生成するであろう。

装置の設計及び構造は、拡大縮小の容易性を許容する点で特に独特であるが、コスト効率の高い運転構造をも提供する。精製器においては、膜と触媒構成要素とは、定期的な交換を必要とし且つ好ましい実施形態において容易に交換できるかも知れない。このようにして、この分野における運転は、精製器ユニット及び触媒を含んでいるフィン付きの圧力容器全体を簡単に且つ容易に交換すること又はフィン付きの容器及びフランジユニットを再使用しつつヘッダーに取り付けられるように保護部材及びコアユニットを交換することを含むこともできる。

図示された実施形態は、種々の供給原料のうちのいずれをも処理することができる。混合可能な水／燃料供給原料を使用している好ましい実施形態において例示したけれども、種々の燃料のために従来技術に開示されているように典型的な原料供給調整ステップに従って燃料の脱硫水の調整等のような種々の他のステップを含んでいても良い別個の燃料及び水の供給手段を採用しても良い。同様に、種々の構成部品の大きさ及び配置は、本開示と調和させて変更しても良い。例えば、膜技術における改良は遙かに小さい膜を可能にするであろうし、触媒における同様の改良はより小さい触媒体積を可能にするかも知れない。

ＬＣＤディスプレイ２２及びオペレータ制御装置２３（図２参照）のような典型的なユーザーインターフェース要件による改質器の特別な監視、作動及び制御は、既に開示され且つ当業者に知られているデバイス、ハードウエア、作動状態及びアルゴリズムを含んでいる。一つの典型的な例は、“ＰＣ−２５ＣＯｎ−ＳｉｔｅＦｕｅｌＰｏｗｅｒＰｌａｎｔＳｅｒｖｉｃＭａｎｕａｌＶｏｌｕｍｅ１”ＯＮＳＩＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（Ａｐｒｉｌ１９９６）等において見出すことができる。

一般的に、本発明は、水素を含む種々の流体から精製水素を発生するための改良され且つ独特の改質器構造を提供する。本発明の図示された好ましい実施形態はまた、結果的に得られるコスト効率が良い装置を備えた空気供給装置における低い圧力低下によって作動することができる改質装置をも提供する。

図１は、燃料電池に結合された精製水素を製造するための蒸気改質器の概略構成図である。図２は、水素精製ユニットの斜視図である。図２ａは、外側壁を部分的に取り外した状態の図２の水素精製ユニットの斜視図である。図３は図２の後方斜視図である。図４は、改質器容器ユニットが取り外された状態の図２に示された水素改質器ユニットの後方斜視図である。図５は、精製された水素の改質のための図４に示された容器ユニットの斜視図である。図６は、図５に示された容器ユニットの分解断面図である。図７は、図５及び６に示された容器ユニットの断面図である。図７ａは、密封ユニットの詳細を示すために図６に示された部分の拡大破断断面図である。図８は、外側包囲体が部分的に取り外された状態の図４に示された水素改質器ユニットの右前方斜視図である。図８ａは、圧力容器内へ導入する前に供給原料を予め加熱するために装置の流体ラインの鑞付けされた結合部の断面図である。図９は、外側包囲体が部分的に取り外された状態の図４及び８に示された改質器ユニットの左前方斜視図である。図９ａは、図９に示された改質器ユニットの左後方斜視図である。図９ｂは、平行な熱処理入力通路と、関連する構成部品を備えた排出物出口通路とを示している断面図である。図１０は、プレート間の密封が一つの軸線に形成されているだけである例において燃焼器への供給空気を予め加熱するための図８及び９〜９ｂに示された熱伝導及び回復ユニットの端面図である。図１１は、改良されたプレート分離構造を備えた図１０の熱伝導プレートの拡大図である。図１２は、触媒床への熱入力と生成された結果的な遊離水素とのグラフである。図１３は、分散された煙道ガスをフィンが設けられた容器に提供するために燃焼器にラフィネートを供給するための構造を示す斜視図である。

Claims

加圧された水素リッチ燃料から精製水素を製造するための改質器であって、
燃料入口と隔置された改質燃料出口とを有する触媒ユニット内に含まれている触媒床であって、前記触媒ユニットは前記触媒床を加熱すると前記水素リッチ燃料を改質し且つ水素を含む改質されたガスを製造するのに有効である触媒床と、
前記触媒床の下流に取り付けられ且つ前記改質されたガスを水素とラフィネートとに分離し且つ精製するように作動する水素透過性精製器部材と、
熱いガスの連続的な流れを発生する熱源を含む前記触媒床のための加熱装置であって、前記熱源は前記触媒ユニットに直に結合されており且つ前記熱いガスを前記燃料入口と前記隔置された改質燃料出口との間の前記触媒ユニットの全長を横切る方向に流れる連続的な流れとして通されて前記触媒床と前記水素リッチ燃料とを同時に加熱するための加熱装置と、を含む改質器。
請求項１に記載の改質器であって、
前記触媒ユニットと前記水素透過性精製器部材とが、同軸状態に取り付けられていて、前記水素透過性精製器部材が前記触媒床内で製造された改質されたガスから水素を受け取り且つ取り出すように作動可能であるようになされた改質器。
請求項２に記載の改質器であって、
前記触媒ユニットが開口した内側環状空間を有する円筒形であり、前記水素透過性精製器部材が別個の円筒形ユニットからなり、前記水素透過性精製器部材ユニットが前記触媒ユニットの環状空間内に配置されている改質器。
請求項３に記載の改質器であって、
前記触媒が前記水素透過性精製器部材と係合するのを防止するために、前記触媒床と前記水素透過性精製器部材との間に挟まれた保護部材を含んでおり、該保護部材が前記水素透過性精製器部材内を水素が動くのを促進する通路によって構成されている改質器。
請求項２に記載の改質器であって、
前記触媒ユニットが、熱伝導性の高い材料からなる外壁と、該外壁に固定されており且つ該外壁から外方へ延びている複数のフィンとを含んでおり、それによって、前記加熱流体が前記触媒ユニットの上方を通過し且つ前記触媒床を加熱するために前記フィンと前記外壁とを係合させている改質器。
請求項５に記載の改質器であって、
前記触媒ユニットの上方の煙道ガスの制御された流れを達成するために、前記フィンが前記外壁から径方向に突出している改質器。
請求項１に記載の改質器であって、
前記触媒ユニットが直線軸線によって規定された長さを有しており、前記水素透過性精製器ユニットが前記触媒ユニットの長さにほぼ対応する長さを有しており且つ前記直線軸線上に同軸状に取り付けられている、改質器。
水素リッチ供給原料から水素を分離し且つ精製するための改質器であって、
水素を製造するために直線軸線に沿って設けられた触媒床を有している直線状の金属製圧力容器であって、該容器は改質されるべき加圧された燃料を前記触媒床及び改質ガス出口へと導くように構成され且つ供給原料入口が配列されている圧力容器と、
前記触媒床の下流に配置されており且つ改質されたガスを受け取り且つ改質されたガスを水素とラフィネートとに分離するように作動する水素選択性膜と、
前記圧力容器の上流に配置され且つ前記触媒床の直線軸線に対して横切る方向に前記触媒床を通って加熱された流体の流れを直接排出する加熱ユニットであって、前記加熱された流体の流れは前記触媒床の長さにほぼ対応する長さを有する前記加熱ユニットと、を含む改質器。
請求項８に記載の改質器であって、
前記触媒を含んでいる直線状の金属製圧力容器が前記水素選択性膜をも含んでいる円筒であり、前記触媒床は前記圧力容器内に同軸状態で水素選択性膜を包囲している、改質器。
請求項８に記載の改質器であって、
前記膜が改質されたガスから水素部分のみを取り出し、精製された水素と前記ラフィネートとが幾分の保留された水素を含んでいる、改質器。
請求項９に記載の改質器であって、
前記供給原料入口と改質ガス出口とがそれらの間に触媒床を挟んで互いに隔置されていて、前記加熱流体の流れが水素の製造を促進するために前記燃料と触媒床とを効率良く加熱するようになされている、改質器。
請求項１１に記載の改質器であって、
前記触媒床と前記水素選択性膜とが、前記触媒床が前記膜と係合するのを防止する保護壁によって分離されている、改質器。
請求項８に記載の改質器であって、
前記加熱ユニットが、触媒燃焼器と、前記ラフィネートと空気との混合物を前記燃焼器中を通過して前記容器を加熱するために前記加熱された流体の流れを発生させるための手段とを含んでいる、改質器。
請求項９に記載の改質器であって、
前記容器が互いに対向する端部を有しており、一方の端部が閉じており、他方の端部が開いており、前記改質器は、密封状態で前記容器の前記他端に解放可能に固定されたヘッダーユニットを更に含んでおり、入口供給原料、改質ガス出口及び精製水素の全てが前記ヘッダーユニット内を通過するようになされている、改質器。
請求項１４に記載の改質器であって、
前記触媒床と前記水素選択性膜とが保護壁によって分離されていて前記触媒床が前記膜と係合するのが防止されている、改質器。
請求項１５に記載の改質器であって、
前記保護壁が前記ヘッダーユニットに固定されており且つ前記触媒床のための内側環状壁を形成している、改質器。
請求項１１に記載の改質器であって、
前記容器の一端に結合された端部壁を更に含んでおり、前記供給原料入口は前記端部壁を通って触媒床内へ延びていて前記供給原料を前記触媒床内へ排出し、精製水素を回収するために水素回収ラインが前記膜に結合されている前記端部壁を通過しており、前記改質ガス出口は前記供給原料入口から隔てられた位置で前記端部壁を通過している、改質器。
請求項８に記載の改質器であって、
前記選択性膜と連通している水素出口ラインを更に含んでおり、前記加圧された供給原料の入口が前記供給原料を予め加熱するために前記水素出口ラインと前記改質器ガス出口とのうちの少なくとも一方に向流状態で結合されている、改質器。
請求項１８に記載の改質器であって、
前記供給原料入口が前記水素出口ラインと前記改質されたガスの出口との両方に結合されている、改質器。
請求項８に記載の改質器であって、
前記水素選択性膜が、無機分子からなる篩い、純粋金属、合金及び純粋金属又は合金と組み合わせられた無機分子からなる篩いからなる群から選択された材料によって形成されている、改質器。
請求項８に記載の改質器であって、
前記水素選択性膜が多孔質コアに固定されており、該多孔質コアが、多孔質金属材料、多孔質セラミック材料、多孔質炭素含有材料又はこれらの材料の積層物からなる群から選択された材料によって作られている、改質器。
請求項８に記載の改質器であって、
前記精製器膜の一方の側にメタン生成触媒が配置されている、改質器。
請求項８に記載の改質器であって、
前記容器に固定され且つ該容器から外方へ突出している一連の互いに隔置されたフィンを含んでおり、該フィンは前記触媒床の加熱のために前記容器に熱を伝達するように熱伝導性である、改質器。
請求項２３に記載の改質器であって、
前記フィンが矩形のフィンであり且つ矩形の外側表面構造を形成している、改質器。
請求項２４に記載の改質器であって、
前記容器の周囲に加熱通路を形成している包囲手段を含んでおり、前記容器が該包囲手段間の前記容器の両側に煙道ガス入口通路と煙道ガス排出通路とを含んでいる、改質器。
請求項２３に記載の改質器であって、
前記フィンは前記触媒床の加熱を制御するために前記容器の長さに亘って均一に隔てられている、改質器。
請求項２３に記載の改質器であって、
前記触媒床内の非対称な熱流束を形成するために、前記フィンが前記容器の長さに亘って可変に隔置されている、改質器。
請求項２３に記載の改質器であって、
前記加熱ユニットが触媒燃焼器を含んでおり、該触媒燃焼器が前記フィンの表面上のコーティングとして形成されている、改質器。
請求項１３に記載の改質器であって、
前記ラフィネートを減圧するためのラフィネート圧力制御手段と、該減圧されたラフィネートを空気内に分散させるために前記減圧されたラフィネートの下流に配置された分散器部材と、前記加熱された流体の流れを供給するために前記ラフィネート／空気混合物を前記触媒燃焼器に給送するための手段とを更に含んでいる、改質器。
請求項２９に記載の改質器であって、
前記分散部材が、前記分配されたラフィネート／空気混合物が前記供給原料入口において比較的リッチであり、前記ラフィネート／空気混合物が前記改質ガス出口において比較的リーンであり、それによって、前記改質ガス出口の近くの前記触媒床と比較して前記供給原料入口の近くの触媒床に単位面積当たりより多くの熱流束をもたらすように配置された１以上の多孔質部材を含んでいる、改質器。
請求項９に記載の改質器であって、
前記容器が一方の端部に閉塞壁を含んでおり且つ反対側に開口した端部を含んでおり、前記膜又は該膜を包囲している前記触媒床の交換のために、前記容器の開口端部に結合され且つ該開口端部を閉塞している解放可能なヘッダーユニットと、前記容器及び前記ヘッダーからの前記部材の分離を可能にするために前記ヘッダーユニットに対する前記水素選択性膜の固定結合部材とを含んでいる、改質器。
請求項３１に記載の改質器であって、
前記ヘッダーユニットに結合され且つ前記膜と前記触媒床との間に配置された保護壁を含んでいる、改質器。
請求項３２に記載の改質器であって、
前記ヘッダーユニットが前記容器に固定された取付けフランジと該フランジに解放可能に固着された端部壁とを含んでおり、
前記供給原料入口は、前記供給原料を前記触媒床内へ排出するために前記端部壁を通って前記触媒床内へと延びており、水素を回収するために水素回収ラインが前記端部壁内を貫通して前記膜と連通しており、前記触媒床から前記ラフィネートを受け取るために、前記改質器ガス出口が前記触媒床に結合された端部壁内に延びており、前記加熱ユニットが前記ラフィネートを含んでいる減圧された燃料供給源を有している燃焼器を含んでいる、改質器。
請求項８に記載の改質器であって、
外面に前記水素選択性膜が固定されたセラミック部材を更に含んでいる、改質器。
請求項３４に記載の改質器であって、
前記部材が前記セラミック部材上にメッキされた金属部材である、改質器。
請求項３３に記載の改質器であって、
前記保護壁及び前記膜がユニットとして交換するために前記解放可能な端部に固定されている、改質器。
請求項３３に記載の改質器であって、
前記フランジが該フランジの対向面と前記端部壁との間に配置された密封部材によって前記容器に固定された状態で連結されていて、前記容器の開口端部の周囲に高圧密封を提供し、前記保護壁と前記膜とが前記端部壁に固定されており且つ前記フィン付きの外側容器を維持しつつ前記膜と保護壁との交換のためにユニットとして取り外し可能である、改質器。
請求項８に記載の改質器であって、
前記供給原料入口が、前記圧力容器の下流の前記加熱された流体の流れの経路内に配置された蛇行した経路内に配置されている導管を含んでいる、改質器。
請求項２１に記載の改質器であって、
前記コアに固定された前記膜が０．１乃至１００ミクロンの範囲内の厚みを有している、改質器。
請求項８に記載の改質器であって、
前記圧力容器がハウジング内に取り付けられており、該ハウジングは、該ハウジングに加熱空気を供給するために前記垂直壁の一方の側に空気入口チャンバを含んでいる空気入口通路と、前記圧力容器の上流に配置され且つ前記壁の反対側に排出チャンバを含んでいる排気通路を形成しているユニットとに分割する垂直壁を含んでいる、改質器。
請求項４０に記載の改質器であって、
前記入口通路と排出通路とが、前記空気入口通路と前記排出通路との中に１ｐｓｉ未満の低圧力流路を確立する構造及び大きさとされている、改質器。
請求項４０に記載の改質器であって、
前記加熱ユニットが、前記入口空気がその中を通過する前記触媒燃焼器を含んでおり、前記ラフィネートは、前記入口空気通路内で前記燃焼器の上流に配置された燃料分散ユニットに結合されており、該分散ユニットは、前記入口空気を前記ラフィネートと混合し且つ前記触媒床を水素製造のための所望の反応温度まで加熱するために前記圧力容器の上方を横切る方向に通過する前記加熱された流体の流れを発生するために前記空気／ラフィネート燃料混合物を前記触媒燃焼器へ導くようになされた、改質器。
請求項４２に記載の改質器であって、
前記入口空気供給を加熱するための向流排気熱回復装置を含み、該熱回復装置は、熱伝導性材料によって作られた複数の熱伝導プレートであって、各々が、前記垂直壁上に横方向に取り付けられ且つ前記入口と排出通路とを横切って延びており且つ前記プレートを通る本質的に自由な空気の流れと排出ガスの流れとを許容するために複数の分布せしめられた穴を含んでいる前記複数の熱伝導プレートと、前記プレートと前記垂直壁との間に設けられて排出ガス流と入口ガス流との混合を防止し、それによって前記プレートが前記排出煙道ガス流から前記入口空気供給まで熱が流れるのを促進する密封手段と、を含む改質器。
請求項４３に記載の改質器であって、
前記密封手段が前記プレートの各々の間に配置された熱絶縁密封部材を含んでおり、該密封部材が前記入口空気と排出煙道ガスとの混合を実質的に防止するのに十分な幅である、改質器。
請求項４４に記載の改質器であって、
前記プレートの各々が、前記入口空気供給と前記排出煙道ガスとの流れに直角な面内に配置されている、改質器。
請求項８に記載の改質器であって、
前記圧力容器が、外壁と対向端部とを含んでおり且つ一方の端部が閉じられており他方の端部が開口しており、前記容器は前記外壁の開口端部に固定されたフランジを更に含んでおり、前記フランジと前記ヘッダーとは、各々が密封凹部を有している相互に整合された対向する平らな面を有し、前記凹部の各々は相互に整合された外方へ延びている指状突起を含んでおり、前記密封部材は、前記整合された凹部内に配置され且つ前記フランジに対する前記ヘッダーの取り付けの際に該密封部材と密封係合状態に付勢される前記指状突起を有している、改質器。
請求項４６に記載の改質器であって、
前記密封部材がダックビル状金属である、改質器。
水素改質器のための取り外し可能なコアユニットであって、
触媒床を収容するためのチャンバを形成している容器を含み、該容器の一端は閉じており他端は開口しており、前記容器の前記開口端部に解放可能に取り付けられるように構成され且つ前記チャンバを閉塞するための壁を形成している閉塞部材と、前記容器内へと突出しており且つ前記閉塞部材に固定されている水素透過性膜ユニットとを含んでおり、前記膜コアユニットは、前記触媒床内に形成された水素を受け入れるためのチャンバを形成している、水素改質器のための取り外し可能なコアユニット。
請求項４８に記載の水素改質器のための取り外し可能なコアユニットであって、
前記触媒床が管形状の開口内側環を包囲しており、前記膜コアユニットが前記触媒床と同軸状に前記内側環内に配置されている、水素改質器のための取り外し可能なコアユニット。
請求項４９に記載の水素改質器のための取り外し可能なコアユニットであって、
前記膜コアユニットが前記水素透過性膜の上に横たわっており且つ該水素透過性膜から隔てられている外側保護手段を含んでおり、前記保護手段は前記閉塞部材に固定されており且つ前記膜に対する前記触媒床の係合を防止するようになされている、水素改質器のための取り外し可能なコアユニット。
水素を製造するための改質器内への入口空気供給を加熱するための向流熱回復装置であって、
空気入口チャンバと、共通の壁によって分離された隣接する排出煙道ガス出口チャンバとを有し、前記回復装置は熱伝導材料によって作られた複数の熱伝導プレートを含んでおり、該プレートの各々には、前記垂直壁上に横切るように取り付けられており且つ前記空気入口チャンバと前記プレート内を通る前記排出煙道ガスの流れとを横切って延びており且つ前記プレート内を通る自由な入口空気の流れ及び排出煙道ガスの流れを本質的に許容するための複数の分布せしめられた穴を含み、前記プレートと前記共通の壁との間には、排出煙道ガスの流れと入口空気ガスの流れとの混合を防止するために密封手段が設けられ、それによって、前記プレートが、前記排出煙道ガスの流れから入口空気供給への熱の流れを促進するようになされている、熱回復装置。
請求項５１に記載の熱回復装置であって、
前記密封手段が前記プレートの各々の間に配置された熱絶縁密封手段を含んでおり、前記密封手段は前記プレートの各々の間に配置された熱絶縁密封部材を含んでおり、前記密封手段は前記入口空気と排出煙道ガスとの混合を実質的に防止するのに十分な幅である、熱回復装置。
請求項５２に記載の熱回復装置であって、
前記熱伝導プレートの各々が前記入口空気供給及び前記排出煙道ガスの流れに直角な面内に配置されている、熱回復装置。
水素を製造する方法であって、
改質されたガスを製造するために供給原料を触媒床内を通過させることによって水素リッチ供給原料を改質するステップと、
前記改質されたガスを水素とラフィネートとに分離するステップと、
燃焼器からの熱いガスを前記触媒床の上を横切る方向に連続的な流れとして通過させることによって前記触媒床を所望の反応温度まで加熱するステップと、
前記ラフィネートの少なくとも一部分を前記燃焼器のための燃料として使用するために前記燃焼器へと再循環させるステップと、
水素を回収するステップと、を含む水素を製造する方法。
請求項５４に記載の水素を製造する方法であって、
前記燃焼器に空気を給送するステップと、
前記触媒床の下流位置において前記熱いガスからの熱を伝達することによって前記空気を予め加熱するステップと、を含む水素を製造する方法。