JP2006518700A - Ｃｏ２固定を伴うディーゼルスチームリフォーミング - Google Patents

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Abstract

ディーゼル炭化水素燃料のような含硫黄炭化水素燃料をスチームリフォーミングするための方法および装置。本装置は脱硫ユニット、プレリフォーマー、およびスチームリフォーミングユニットを包含している。スチームリフォーミング触媒床の中にはリフォーミング反応によって生じる二酸化炭素を固定するために二酸化炭素固定材料が存在している。二酸化炭素固定材料はアルカリ土類金属酸化物、ドープされたアルカリ土類金属酸化物またはそれらの混合物である。スチームリフォーミング触媒床の中での二酸化炭素の固定はスチームリフォーミング反応においてより多くの水素とより少ない一酸化炭素を生成する平衡シフトを生じさせる。触媒床の中に固定された二酸化炭素は二酸化炭素固定材料または触媒床をスチームリフォーミング温度より高い温度に加熱することによって解放され得る。複数の触媒床を有する燃料プロセッサー、およびかかる燃料プロセッサーを燃料電池と組み合わせて利用する発電の方法および装置、も開示されている。

Description

燃料電池は化学的な酸化還元反応から電気を提供し、他の電力発生形態よりもクリーン性と効率に関して有意な利点を有する。代表的には、燃料電池は水素を燃料としてそして酸素を酸化剤として用いる。電力発生は一般に反応体の消費率に比例する。
燃料電池の幅広い使用を妨げている有意な欠点は普及した水素基盤を欠くことである。水素は容積効率が比較的低く、そして大抵の電力発生システムに現在使用されている炭化水素燃料よりも貯蔵および輸送が難しい。この困難性を克服する一方法は炭化水素を転化して水素リッチガス流(hydrogen-rich gas stream)にすることであり、水素リッチガス流は燃料電池用のフィード(feed)として使用できる。
天然ガスやＬＰＧやガソリンやディーゼルのような炭化水素燃料を水素リッチガスに転化するには、燃料改質法たとえばスチームリフォーミングや部分酸化やオートサーマルリフォーミング(autothermal reforming)が使用できる。生成物ガスの中には、望んだ生成物水素の他に二酸化炭素や一酸化炭素のような望まない副生物化合物が見出される。これら異物が生成物ガスの価値を低下させるのは、プロトン交換膜(proton exchange membrane)（ＰＥＭ）またはアルカリ燃料電池向け燃料のような多くの用途のためには、ＰＥＭ燃料電池が一酸化炭素や硫黄に敏感であることが一因になっている。
通常のスチームリフォーミング法は、炭化水素フィードたとえばメタン、天然ガス、プロパン、ガソリン、ナフサまたはディーゼルを気化させ、水蒸気と混合し、そしてスチームリフォーミング触媒の上に通す。フィード炭化水素の大部分が水素と一酸化炭素と二酸化炭素の混合物に転化される。リフォーミング生成物ガスは代表的には、水性ガスシフト床(water-gas shift bed)に送られ、そこで一酸化炭素の多くが水蒸気と反応して二酸化炭素と水素になる。しかしながら、水性ガスシフト床は典型的に空気に敏感である大きな複雑なユニットになりがちであり、更には、それらの始動および操作を複雑にする。
シフト工程の後には、水素純度を所期レベルにするために追加の精製工程が必要とされる。この工程は限定されるものでないが次のものを挙げられる：残留一酸化炭素を除去するための選択酸化、水素透過性の膜を通してのフロー、およびプレッシャー・スウィング吸収(pressure swing absorption)。しかしながら、一酸化炭素を一掃することを意図した選択オキシダイザー(selective oxidizer)でさえしばしば十分には選択性でない。典型的に、最も選択性のユニットでさえ、消費される一酸化炭素１モル当り少なくとも半モルの水素を奪うであろう。燃料プロセッサー(fuel processor)によって生成されたそして燃料電池には利用可能でない水素は統合ユニット(integrated unit)の効率を低下させそしてプロセッサーの容量とコストに対する要求を増大させる。
ＰＥＭ燃料電池での使用のためには、特定されたリフォーメート(reformate)水素純度は３５％〜９９．９９９％の間で広く変動可能であり、望ましい非常に低い一酸化炭素レベル（＜５０ｐｐｍ）をもつ。一般に、より高い水素純度は燃料電池の効率とコストを改善する。アルカリ燃料電池用には、炭酸塩の形成を防止するために低い二酸化炭素レベルが必要とされる。これらおよびその他の応用のためには、高い水素と低い一酸化炭素と低い二酸化炭素のリフォーメートを提供できる改良されたスチームリフォーミング法が大いに望まれている。
２００２年４月１８日に出願されたＵＳＳＮ１０／１２６，６７９号のそして２００２年１０月２４日に公開番号ＵＳ２００２／０１／５５３２９Ａ１号で刊行された開示は本願明細書の中に組み入れられる。
（発明の概要）
本発明は含硫黄炭化水素燃料をスチームリフォーミングするための統合燃料プロセッサーを提供する。統合燃料プロセッサーは、炭化水素燃料の硫黄含有率を低下させるための脱硫ユニット、触媒作用で炭化水素燃料をＣ１とＣ２の炭化水素混合物に転化させることができるプレリフォーマー、および、Ｃ１とＣ２の炭化水素混合物をリフォーミングして水素と二酸化炭素を含むリフォーメート流にするためのスチームリフォーマーを含んでいる。スチームリフォーマーは、スチームリフォーミング触媒を含みそして場合によって水性ガスシフト触媒を含んでもよい触媒床を有している。触媒床はさらに、スチームリフォーミング反応で生成された二酸化炭素を固定するための二酸化炭素固定材料(carbon dioxide fixing material)を含む。二酸化炭素固定材料は約４００℃〜約８００℃であるスチームリフォーミング温度で、好ましくは約５００℃より上で、そしてより好ましくは約５５０℃より上で、二酸化炭素を固定する。二酸化炭素固定材料は好ましくは、アルカリ土類金属酸化物、ドープされたアルカリ土類金属酸化物またはこれらの混合物である。二酸化炭素固定材料はスチームリフォーミング温度より上の温度で、好ましくは５５０℃より上の温度で、そしてより好ましくは約６００℃より上の温度で加熱することによって再生可能である。二酸化炭素固定材料はその材料の中に加熱された空気の流れのようなガス流を通すことによって加熱されてもよい。好ましくは、含硫黄炭化水素燃料はディーゼルである。
場合によっては、しかし、大いに好ましい態様においては、スチームリファーマーは少なくとも２つの触媒床とこれら少なくとも２つの触媒床間にフィード流を分流させる手段とを含んでいて、一方の床が再生されている間に他方の一つ以上の触媒床がスチームリフォーミングを継続する。燃料プロセッサーはさらに、炭化水素燃料を気化させるためにプレリフォーマーの上流に一つ以上の気化ユニットを、そしてリフォーメートから水および（または）熱を除去するためにスチームリフォーマーの下流に凝縮器(condenser)を、そしてリフォーメートから一酸化炭素、二酸化炭素またはそれらの混合物を除去するためにスチームリフォーマーの下流に、メタン化ユニット、選択オキシダイザーおよび水性ガスシフト反応器からなる群から選ばれたユニットを、含むことができる。
さらに、本発明は電気を発生させるための装置を提供し、上記装置は、炭化水素燃料の硫黄含有率を低下させるための脱硫ユニットと、低下した硫黄含量の炭化水素燃料を触媒作用によってＣ１とＣ２の炭化水素混合物に転化させるためのプレリフォーマーと、Ｃ１とＣ２の炭化水素混合物を触媒床の中でスチームリフォーミング温度においてリフォーミングして水素と二酸化炭素を含むリフォーメートにするためのスチームリフォーマーとを含んでいる燃料プロセッサーを含み、前記触媒床はリフォーメートの中の二酸化炭素の少なくとも一部を固定して水素リッチリフォーメートを生成するための二酸化炭素固定材料を含んでおり、そして上記装置はさらに、スチームリフォーマーから水素リッチリフォーメートを受理するための燃料電池を含み、該燃料電池は水素リッチリフォーメートの一部を消費して電気、アノードテールガス(anode tail gas)およびカソードテールガス(cathode tail gas)を生成する。場合によっては、しかし、大いに好ましい態様においては、上記装置はさらに、加熱された排気ガスを生成するために、プレリフォーマーおよび（または）触媒床とは流体が連絡できる状態にある燃焼器またはアノードテールガスオキシダイザーを含む。加えて、上記装置は、燃料プロセッサーと燃料電池の間に、リフォーメートから一酸化炭素、二酸化炭素またはそれらの混合物を除去するために、メタン化ユニット、選択オキシダイザーおよび水性ガスシフト反応器からなる群から選ばれたユニットを含むことができる。
プロセス局面では、本発明は含硫黄炭化水素燃料をスチームリフォーミングする方法を提供する。本方法は含硫黄炭化水素燃料の硫黄含有率を低下させて硫黄低下炭化水素燃料を生成し、低下した硫黄含量の炭化水素燃料を触媒作用によってＣ１とＣ２の炭化水素混合物に転化し、Ｃ１とＣ２の炭化水素混合物を触媒床の中でスチームリフォーミング温度においてスチームリフォーミングして水素と二酸化炭素を含むリフォーメートを生成し、そしてリフォーメートの中の二酸化炭素の少なくとも一部を触媒床中の二酸化炭素固定材料によって固定して水素リッチリフォーメートを生成する諸工程を含む。スチームリフォーミング温度は約４００℃〜約８００℃であるが、好ましくは、約５００℃より高く、そしてより好ましくは約５５０℃より高い。二酸化炭素固定材料はスチームリフォーミング温度において二酸化炭素を固定する。二酸化炭素固定材料は好ましくはアルカリ土類金属酸化物、ドープされたアルカリ土類金属酸化物またはそれらの混合物である。二酸化炭素固定材料は、スチームリフォーミング温度より高い温度で、好ましくは５５０℃より高い、より好ましくは約６００℃より高い温度で加熱することによって再生されることができる。二酸化炭素固定材料は加熱された空気の流れのような気体流を材料の中に流すことによって加熱されることができる。好ましくは、含硫黄炭化水素燃料はディーゼルである。
場合によっては、本発明の方法は、炭化水素燃料を超加熱流と混合することによって炭化水素燃料を蒸発させ、水素リッチリフォーメートを冷却し、水素リッチリフォーメートから水を除去し、そしてリフォーメート流から一酸化炭素、二酸化炭素またはそれらの混合物を除去する諸工程の一つ以上を包含する。一酸化炭素、二酸化炭素またはそれらの混合物は水素リッチリフォーメートに水性ガスシフト反応、メタン化および選択酸化の一つ以上を受けさせることによって水素リッチリフォーメートから除去されることができる。大いに好ましい態様においては、本発明の方法はさらに、第一触媒床をスチームリフォーミング温度より高い温度に加熱して固定二酸化炭素を解放する一方で第二触媒床の中ではＣ１とＣ２の炭化水素混合物をスチームリフォーミングする工程を含むであろう。
更なるプロセス局面においては、本発明は、含硫黄炭化水素燃料の硫黄含有率を低下させ、低下した硫黄含量の炭化水素燃料を触媒作用によってＣ１とＣ２の炭化水素混合物に転化し、Ｃ１とＣ２の炭化水素混合物を触媒床の中でスチームリフォーム温度においてスチームリフォーミングして水素と二酸化炭素を含むリフォーメートを生成し、リフォーメートの中の二酸化炭素の少なくとも一部を触媒床の中の二酸化炭素固定材料によって固定して水素リッチリフォーメートを生成し、そして水素リッチリフォーメートを燃料電池のアノードに供給する諸工程を含み、燃料電池が水素リッチリフォーメートの一部を消費して電気、アノードテールガスおよびカソードテールガスを生成する、電気発生方法を提供する。本方法はさらに、含硫黄炭化水素燃料のスチームリフォーミングに使用するための排気ガスを生成するためにテールガスの少なくとも一部を燃焼器またはアノードガスオキシダイザーに供給する工程を包含することができる。場合によっては、しかし、好ましくは、本方法はさらに、水素リッチリフォーメートに、水性ガスシフト反応、メタン化および選択酸化の一つ以上を受けさせることによって、水素リッチリフォーメートの中の一酸化炭素および（または）二酸化炭素の量を低下させる工程を包含する。
（発明の詳細）
本発明は一般的には、含硫黄炭化水素燃料を水素リッチガスに転化するための方法および装置に関する。含硫黄炭化水素燃料は代表的にはディーゼルである。本発明は図１に示されているように二酸化炭素固定材料を最初の炭化水素転化プロセスに組み込むことによって転化プロセスを簡単にし、そして水性ガスシフト転化ユニットの必要性を解消する。
この開示に使用されるとき、「二酸化炭素固定材料」は、炭化水素を水素と二酸化炭素に転化する典型的な温度範囲内の温度（ここでは、「スチームリフォーミング温度」と称する）において二酸化炭素と結合する材料および物質を称していると理解されるべきであり、限定されるものではないが、二酸化炭素を吸着または吸収するであろうものばかりでなく、二酸化炭素を、より容易に生成物ガスから除去される異なる化学種に転化させるであろう材料も挙げられる。好ましくは、二酸化炭素固定材料はアルカリ土類金属酸化物（単数または複数）、ドープされたアルカリ土類金属酸化物（単数または複数）またはそれらの混合物が挙げられるであろう。適切な温度範囲で二酸化炭素を固定することができる物質は限定されるものではないが、酸化カルシウム（ＣａＯ）、水酸化カルシウム（Ｃａ(ＯＨ)２）、酸化ストロンチウム（ＳｒＯ）、水酸化ストロンチウム（Ｓｒ(ＯＨ)２）およびそれらの混合物が挙げられる。加えて、適する鉱物化合物、たとえば、褐簾石(allanite)、アンドラライト(andralite)、鉄白雲石(ankerite)、灰長石(anorthite)、霰石(aragoniter)、方解石(calcite)、苦灰石(dolomite)、クリノゾイサイト(clinozoisite)、ヒュンタイト(huntite)、ヒドロタルサイト(hydrotalcite)、ロウソナイト(lawsonite)、灰柱石(meionite)、ストロンチウム石(strontianite)、ヴァテライト(vaterite)、ジュトノホライト(jutnohorite)、ミンレコルダイト(minrecordite)、ベンストナイト(benstonite)、オレクミンスカイト(olekminskite)、ニエレリート(nyerereite)、ナトロフェアチルダイト(natrofairchildite)、ファリチルダイト(farichildite)、ゼムコライト(zemkorite)、ブッシュライト(butschlite)、シュライト(shrite)、レモンダイト(remondite)、ペテルセナイト(petersenite)、カルシオバーバンカイト(calcioburbankite)、バーバンカイト(burbankite)、カンネシャイト(khanneshite)、カルボンセルナイト(carboncernaite)、ブリンカイト(brinkite)、プリラウイト(pryrauite)、ストロンチオドレッセナイト(strontio dressenite)、同様のかかる化合物およびそれらの混合物、は二酸化炭素固定材料として有利に使用されてもよい。
リフォーミング触媒床は触媒（単数または複数）と二酸化炭素固定材料の混合物から構成されているということに留意することが重要である。二酸化炭素固定材料は気体流の中に二酸化炭素固定材料が伴出されるようになるのを防ぎそして表面積および二酸化炭素吸収を減少させる結晶化を低下させる珪酸塩やクレーのような結合材料と組み合わされたカルシウム、ストロンチウムまたはマグネシウム塩の混合物であることができる。最初の床をつくるのに使用される塩はプロセス条件下で炭酸塩に転化されるであろう酸化物または水酸化物のようないずれの塩であることもできる。このシステムの中の触媒（単数または複数）は多数の機能を果たす。一つの機能は水素と一酸化炭素と二酸化炭素の混合物を与える炭化水素と水蒸気の反応を触媒することである。別の機能は水素と二酸化炭素を形成するための水と一酸化炭素の間のシフト反応を触媒することである。多数の化学種はこれら機能を提供することができ、それには、ロジウム、白金、金、パラジウム、レニウム、ニッケル、鉄、コバルト、銅、およびその他の金属系触媒が挙げられる。
このプロセスにおける重要な因子は、酸化カルシウムと二酸化炭素の反応で炭酸カルシウムにすることによって改良されたリフォーメート組成物が得られるという認識である。試験は、二酸化炭素固定材料は二酸化炭素固定材料をより高い温度に加熱しそしてＣａＣＯ３またはＳｒＣＯ３が二酸化炭素を解放するのを可能にさせることによって再生されそして元の二酸化炭素固定材料に再転化されることができる、ということを示した。二酸化炭素固定材料の加熱は当業者に知られている多数の様々な手段によって行われてもよい。一つのかかる例証的な例においては、加熱は電気抵抗加熱コイルによって行われる。代わりに、反応器の設計の中に熱交換器を組み込んで水蒸気、排気またはその他熱源たとえばヒートパイプが反応器を加熱するようにしてもよい。もう一つの代替は、炭酸カルシウムまたは炭酸ストロンチウムが分解されそして二酸化炭素が除去されるところの条件下で気体を床の中に流すことによって二酸化炭素固定材料を加熱することである。これは本発明者らの実験ではヘリウム、窒素、及び水蒸気を使用して行われた。それはまた、燃料電池のアノードテールガスまたは金属水素化物貯蔵システムのテールガスを使用して行うこともできた。
このシステムが２つまたはそれ以上のスチームリフォーミング床を有していて１つまたはそれ以上の床がリフォーメートを生成している間に残りの床が再生されるということが考えられる。フィード燃料のリフォーミングと酸化カルシウム床の再生に必要な熱を提供するのに燃料電池および（または）水素貯蔵システムからのテールガスが使用される統合システム。
図１は本発明の装置の概略図である。ディーゼル炭化水素燃料流２０は脱硫ユニット３０に導かれ、そこで燃料流の硫黄含量が低下される、好ましくは無くされる。好ましくは、脱硫ユニット３０はゼオライトまたはその他の硫黄吸着剤を含有するモレキュラーシーブを含んでいる。代わりに、当業者に知られているその他の脱硫用材料がディーゼル炭化水素燃料の硫黄含有率を低下させるのに使用されてもよい。
それから、脱硫済みディーゼルはライン３２を経由して気化器(vaporizer)４０に通される。気化器４０の中で、脱硫ディーゼル燃料は超加熱流と混合される。ディーゼル燃料を気化または噴霧させそしてそれをプレリフォーマーの中で使用するための水または水蒸気で飽和させるには、当業者に既知のその他のメカニズムおよび手段が使用されてもよい。さらには、液体ディーゼル炭化水素燃料はまず脱硫されてから気化されると記載したけれども、当業者には、これらプロセスを逆転してもよくそうして脱硫工程を気化ディーゼル炭化水素燃料に対して行いそして気体流から硫黄を除去するプロセスを有益に使用してもよいということが認識されるであろう。
脱硫ディーゼル炭化水素が気相状態になったら、それはより短い鎖長の炭化水素への転化に向けてライン４２を経由してプレリフォーマー５０に至る。プレリフォーマー５０は触媒作用によってディーゼル炭化水素燃料を主としてメタンに転化し、併せて、微量のエタン、一酸化炭素、二酸化炭素、水素および可能性のあるその他汚染物質を生じる。燃料流の中に残留硫黄が存在する場合には、それら硫黄化合物はプレリフォーマー５０の中を通過するであろう、そしてスチームリフォーマー６０の触媒床の中の二酸化炭素固定材料の中に固定されるであろう。ディーゼル炭化水素燃料はプレリフォーマー５０の中で、当業者に既知の触媒たとえばニッケル系触媒を使用してより短い鎖長の炭化水素に転化される。この目的のために触媒を選択することは当業者の能力の範囲内である。転化反応を行うためには、プレリフォーマー５０は気化したディーゼル燃料、水蒸気源およびヒーターを要求する。図１に図解されているように、これら３つの要素の全てが気化器４０を通って直接提供される。
プレリフォーマー５０の中で生成されたメタンはライン５２を経由してスチームリフォーマー６０に導かれる。スチームリフォーマー６０の中には少なくとも一つの触媒床がある。図２に図解されている通り、スチームリフォーマー６０は好ましくは、複数の触媒６４および６６を流れコントロール素子６１および６３と共に有しているであろう。リフォーミング触媒床６４および６６は触媒（単数または複数）と二酸化炭素固定材料の混合物から構成されている。リフォーミング触媒は代表的には、ニッケル、白金、ロジウム、パラジウム、および（または）ルテニウム金属であり、促進剤または安定剤として添加されたその他材料と共にアルミナ、チタニアまたはジルコニアのような高表面積の支持体の上に付着されている。触媒は二酸化炭素固定材料を再生するのに必要とされる温度において安定であることが重要である。好ましくは、スチームリフォーミング触媒は、モノリス(monolith)、押出品、ペレットまたはその他支持体の上のアルミナウォッシュコート(alumina washcoat)の上の白金、パラジウム、ロジウムおよび（または）ルテニウムのような貴金属触媒である。場合によっては、触媒床６４および６６は水性ガスシフト触媒をも含んでいてもよい。使用するとき、水性ガスシフト触媒は二酸化炭素固定材料の再生中にそれらの活性度が劣化しないように当業者に知られているような高温シフト触媒であるべきである。高温シフト触媒の例は、繊維金属酸化物、および支持された貴金属たとえば支持された白金、パラジウムおよびその他の白金族の成員、を挙げられる。
活性触媒床と接触すると、メタンは水素、一酸化炭素および二酸化炭素に転化される。二酸化炭素固定材料は流れから二酸化炭素を除去しそして反応平衡を高い炭化水素転化率の方向へシフトさせて少量の一酸化炭素しか生成されないようにする。この低レベルの一酸化炭素生成は現在殆どの燃料プロセッサーに使用されている水性ガスシフト触媒ユニットを無くすことを可能にさせる。上に言及した通り、そして一酸化炭素の更なる低減が望まれる場合には、水性ガスシフト触媒が触媒床の中に含有されることができる、又は下流に別個のシフト反応器が使用されてもよい。
触媒床からのリフォーメートは、場合によって存在してもよい熱交換器または凝縮器（８０）によって冷却され、それから、一酸化炭素および二酸化炭素を除去する仕上げユニット(polishing unit)９０へ流れる。好ましくは、凝縮器８０は、超加熱水蒸気が生成されるところのボイラー１００ａに凝縮水を再循環させるためのライン８４と共に配置される。低レベルの一酸化炭素は選択酸化またはメタン化を通して＜１０ｐｐｍの微量レベルに低下される。二酸化炭素の除去はメタン化を所期プロセスにするであろうと予想されるが、選択酸化も本発明によって想定される。メタン化または選択酸化は図１の中に引用数字９０で表わされている。
精製されたリフォーメート流（水素リッチリフォーメート）は場合によっては冷却されてもよく、そしてそれから燃料電池のアノードに流れる。燃料電池は代表的には水素の７０〜８０％を使用して電気を発生させ、その間にメタンはアノードを通って流れて変化しない。代わりに、水素リッチガスは、後で燃料電池へのフィードとして使用するために、金属水素化物貯蔵システム（図示されてない）の中に貯蔵されることができる。
図１を参照すると、アノードテールガスはそれから、カソードテールガス（７２）と合わされ、そしてアノードテールガスオキシダイザーまたは燃焼器（１００ｂ）の中で燃焼される。燃焼器１００ｂはプレリフォーマー５０には導管５４によって接続されている。プレリフォーマー５０によって生成されたメタンの一部は燃焼器１００ｂへ導かれて燃料電池スタックからのテールガスの燃焼を助ける。この燃焼を促進するために空気源も提供される。燃焼器１００ｂからの排気はそれから、熱交換器またはボイラー１００ａを通って排気へと送られる。水はボイラー１００ａの中で加熱され、そして燃料リフォーミングプロセスの一部すなわち気化のための水蒸気フィードとして使用され、そして触媒床を再生するためにリフォーマー６０へ導かれてもよい。二酸化炭素固定材料が再生されてしまったら、熱プロセス水は再生床から逸らされる。図１の中では、燃焼器１００ｂとボイラー１００ａが燃料プロセッサーの中の分離された別個のものとして図解されているが、当業者はかかる要素が単一ユニットまたはモジュールに普通一体化されているということを認識するであろう。
触媒床６４および６６は好ましくは、それらをスチームリフォーミング温度より高い温度に加熱することによって再生される。本明細書のどこかに言及されている通り、スチームリフォーミングは約４００℃〜約８００℃の温度で、好ましくは５００℃より高い温度で、より好ましくは５５０℃より高い温度で、行われてもよい。二酸化炭素固定材料の再生はスチームリフォーミング温度より高い温度で、代表的には５５０℃より高い温度で、好ましくは約６００℃より高い温度で、より好ましくは約７００℃より高い温度で、更により好ましくは約７５０℃より高い温度で、そして更になおより好ましくは約８００℃より高い温度で、起こるであろう。加えて、二酸化炭素固定材料の与えられた床を再生するのに必要な時間はより高い温度において材料を再生することによって短縮されるであろうということが判明した。
触媒床６４および６６の加熱は当業者に知られている多数の様々な手段によって遂行されてもよい。かかる一つの例示的な例においては、加熱は電気抵抗加熱コイルによって遂行される。代わりに、水蒸気、排気またはその他熱源たとえばヒートパイプが反応器を加熱するのに使用できるように反応器の設計の中に熱交換器を組み込んでもよい。もう一つの代替は二酸化炭素が解放される条件下で気体を床の中を通って流すことによって二酸化炭素固定材料を加熱することである。より詳しくは、二酸化炭素が床の中で様々な化学種に変換される場合には、再生は、炭酸カルシウムまたは炭酸ストロンチウムが分解されそして二酸化炭素が解放され除去されるように加熱気体を床の中を通って流すことによって、達成できる。これはヘリウム、窒素、及び水蒸気の気体流を使用して達成された。それは燃料電池のアノードテールガス、金属水素化物貯蔵システムのテールガスおよび加熱空気を使用して行うこともできるということが想定される。再生された床が所期のスチームリフォーミング温度に冷却したら、その触媒床を切り替えそしてもう一つの床を再生することができる。加熱気体を床の中を通って流すことで床を再生する場合には、再生からのテールガスはバルブを通って流れそして排気ヘッダーから出る。代わりに、燃料電池のアノードテールガスおよびカソードテールガスは直接に熱交換器の中を通って排気に至ってもよい。
図２は２つのリフォーミング触媒床を示しているが、２つより多い数のリフォーミング触媒床が使用されてもよいということは本発明によって意図されている。たとえば、３つのリフォーミング触媒床が次の順序で使用できる：作業中の一つの床、再生中の一つの床、および再生温度からプロセス温度に冷却中の一つの床。
当業者は本発明が次の例示的態様をも包囲するということも認識するはずである。かかる例示的な一態様はディーゼルのような含硫黄炭化水素燃料を水素リッチリフォーメートに転化する方法を包含し、該方法は含硫黄炭化水素燃料の硫黄含有率を低下させて低下した硫黄含量の炭化水素燃料を生成し、低下した硫黄含量の炭化水素燃料を触媒作用によってＣ１とＣ２の炭化水素混合物に転化し、Ｃ１とＣ２の炭化水素混合物を触媒床中でスチームリフォーミング温度においてスチームリフォーミングして水素と二酸化炭素を含むリフォーメートを生成し、そしてリフォーメートの中の二酸化炭素の少なくとも一部を触媒床中の二酸化炭素固定材料によって固定して水素リッチリフォーメートを生成する諸工程を含む。二酸化炭素固定材料はスチームリフォーミング温度において二酸化炭素を固定する。本態様の好ましい局面は約４００℃〜約８００℃の範囲における、好ましくは約５００℃より高い、より好ましくは約５５０℃より高い、スチームリフォーミング温度である。好ましくは、二酸化炭素固定材料は酸化カルシウム、水酸化カルシウム、酸化ストロンチウム、水酸化ストロンチウム、またはそれらのいずれかの組合せから選ばれる。二酸化炭素固定材料はスチームリフォーミング温度より高い温度で、好ましくは５５０℃より高い温度で、より好ましくは約６００℃より高い温度で加熱することによって再生されることができる。リフォーミング触媒は当業者に既知のいずれのリフォーミング触媒、たとえば、ニッケル、白金、ロジウム、パラジウム、ルテニウムまたはそれらのいずれかの組合せ、であることもできる。さらに、リフォーミング触媒は当業者に既知のいずれか高い表面積の支持体、たとえば、アルミナ、チタニア、ジルコニアまたはそれらのいずれかの組合せ、の上に支持されることができる。本態様は約１０ｗｐｐｍ未満の一酸化炭素濃度を有する水素リッチガスを容易に達成できるということが期待される。
本発明のもう一つの例示的態様は燃料電池を操作する方法であり、該方法は含硫黄炭化水素燃料の硫黄含有率を低下させ、低下した硫黄含量の炭化水素燃料を触媒作用によってＣ１とＣ２の炭化水素混合物に転化し、Ｃ１とＣ２の炭化水素混合物を触媒床の中でスチームリフォーミング温度においてスチームリフォーミングして水素と二酸化炭素を含むリフォーメートを生成し、リフォーメートの中の二酸化炭素の少なくとも一部を触媒床の中の二酸化炭素固定材料によって固定して水素リッチリフォーメートを生成し、そして水素リッチリフォーメートを燃料電池のアノードに供給し、そこで燃料電池が水素リッチリフォーメートの一部を消費して電気、アノードテールガスおよびカソードテールガスを生成する、諸工程を含む。二酸化炭素固定材料は二酸化炭素をスチームリフォーミング温度において固定する。本態様の好ましい局面は約４００℃〜約８００℃の範囲における、好ましくは約５００℃より高い、より好ましくは約５５０℃より高い、スチームリフォーミング温度である。好ましくは、二酸化炭素固定材料は酸化カルシウム、水酸化カルシウム、酸化ストロンチウム、水酸化ストロンチウム、またはそれらのいずれかの組合せから選ばれる。二酸化炭素固定材料はスチームリフォーミング温度より高い温度で、好ましくは５５０℃より高い温度で、より好ましくは約６００℃より高い温度で加熱することによって再生されることができる。リフォーミング触媒は当業者に既知のいずれのリフォーミング触媒、たとえば、ニッケル、白金、ロジウム、パラジウム、ルテニウムまたはそれらのいずれかの組合せ、であることもできる。さらに、リフォーミング触媒は当業者に既知のいずれか高い表面積の支持体、たとえば、アルミナ、チタニア、ジルコニアまたはそれらのいずれかの組合せ、の上に支持されることができる。アノードテールガスおよびカソードテールガスはそれから、アノードテールガスオキシダイザーまたは燃焼器に供給されて排気ガスを生じてもよく、この排気ガスが二酸化炭素固定材料を再生させるのに使える。代わりに、アノードテールガスおよびカソードテールガスはプロセス水を直接に予熱するのに使用されてもよく、この加熱されたプロセス水が二酸化炭素固定材料を再生させるのに使える。場合によっては、しかし好ましくは、本方法はさらに、水素リッチリフォーメートに、水性シフト反応、メタン化および選択酸化の一つまたはそれ以上を受けさせることによって、水素リッチリフォーメートの中の一酸化炭素および（または）二酸化炭素の量を低下させる工程を包含する。本態様は約１０ｗｐｐｍ未満の一酸化炭素濃度を有する水素リッチガスを容易に達成できるということが期待される。
本発明のさらに別の例示的態様は含硫黄炭化水素燃料たとえばディーゼル炭化水素燃料から電気をつくり出す装置であり、該装置は少なくとも２つの触媒床を含み、各触媒床はリフォーミング触媒と二酸化炭素固定材料を含む。該装置はフィード流を少なくとも２つのリフォーミング触媒床間に分流することができる第一マニホールドと、各触媒床排出流を反応器と排気の間に分流することができる第二マニホールドを含む。該装置は触媒床の少なくとも一つの排出流の一酸化炭素濃度を低下させることができる反応器たとえばメタン化反応器または選択酸化反応器を包含することができる。該装置には、電気をつくり出すためかつ水素リッチリフォーメートをアノードテールガスとカソードテールガスに転化させるために燃料電池が操作可能に接続されていることも想定される。代わりに、水素リッチガスは後で燃料電池に供給するための源として金属水素化物貯蔵システムの中に貯蔵されることができる。本態様の好ましい局面はアノードテールガスとカソードテールガスを燃焼して排気ガスを生じるアノードテールガスオキシダイザーである。それから、排気ガスを再生用に各触媒床へ分流するために第三マニホールドが利用できる。代わりに、アノードテールガスとカソードテールガスを使用してプロセス水を加熱するための水予熱器が使用できる。それから、第一マニホールドは予熱された水を再生用にリフォーミング触媒床の少なくとも一つへ分流することが可能である。代わりに、アノードテールガスオキシダイザーからの排気ガスを使用してプロセス水を加熱するための水予熱器が使用されてもよい。それから、第一マニホールドは予熱された水を再生用に触媒床の少なくとも一つへ分流することが可能である。
本発明の装置および方法は好ましい態様によって記載されているが、ここに記載されたプロセスには本発明の概念および範囲を逸脱することなくバリエーションが適用できるということが当業者には明らかであろう。当業者にとって明白である全てのかかる同様の置換および変形は本発明の範囲および概念の中に入ると考えられる。
本発明の装置の概略図を示す。 複数のスチームリフォーミング触媒床を例証する本発明のスチームリフォーマー／セパレーターの概略図である。
符号の説明
２０ 燃料
３０ 脱硫器
４０ 気化器
５０ プレリフォーマー
６０ リフォーマー／セパレーター
６１ 流れコントロール素子
６３ 流れコントロール素子
６４ 触媒床（ＣａＯ＋触媒）
７０ 燃料電池
８０ 凝縮器
９０ 仕上げユニット（メタン化または選択酸化）
１００ａ ボイラー
１００ｂ バーナー

Claims (27)

  1. 含硫黄炭化水素燃料をスチームリフォーミングするための燃料プロセッサーであって、
    炭化水素燃料の硫黄含有率を低下させるための脱硫ユニット；
    低下した硫黄含量の炭化水素燃料をＣ１とＣ２の炭化水素混合物に転化させるためのプレリフォーマー；および
    Ｃ１とＣ２の炭化水素混合物をスチームリフォーミング温度においてリフォーミングして水素と二酸化炭素を含むリフォーメートにするためのスチームリフォーマーであって、その触媒床がリフォーメートの中の二酸化炭素の少なくとも一部を固定するための二酸化炭素固定材料を含んでいる、該スチームリフォーマー；
    を含む前記プロセッサー。
  2. 炭化水素燃料がディーゼルである、請求項１の燃料プロセッサー。
  3. さらに、炭化水素燃料を気化させるためにプレリフォーマーの上流に気化ユニットを含む、請求項１の燃料プロセッサー。
  4. さらに、リフォーメートから水を除去するためにスチームリフォーマーの下流に凝縮器を含む、請求項１の燃料プロセッサー。
  5. さらに、リフォーメートから一酸化炭素、二酸化炭素またはそれらの混合物を除去するために、スチームリフォーマーの下流に、メタン化ユニット、選択オキシダイザーおよび水性ガスシフト反応器からなる群から選ばれたユニットを含む、請求項１の燃料プロセッサー。
  6. 触媒床がスチームリフォーミング触媒を含み、前記スチームリフォーミング触媒が貴金属触媒を含んでいる、請求項１の燃料プロセッサー。
  7. 触媒床が水性ガスシフト触媒を含んでいる、請求項１の燃料プロセッサー。
  8. 二酸化炭素固定材料がアルカリ土類金属酸化物、ドープされたアルカリ土類金属酸化物およびそれらの混合物から選ばれる、請求項１の燃料プロセッサー。
  9. プレリフォーマーが炭化水素燃料をＣ１とＣ２の炭化水素混合物に転化させるのに適する触媒を含んでいる、請求項１の燃料プロセッサー。
  10. スチームリフォーマーが少なくとも２つの触媒床と、フィード流をこれら少なくとも２つの触媒床間に分流する手段とを含んでいる、請求項１の燃料プロセッサー。
  11. 含硫黄炭化水素燃料をスチームリフォーミングするための方法であって、
    含硫黄炭化水素燃料の硫黄含有率を低下させて低下した硫黄含量の炭化水素燃料にする工程;
    この低下した硫黄含量の炭化水素燃料を触媒作用によってＣ１とＣ２の炭化水素混合物に転化する工程；
    Ｃ１とＣ２の炭化水素混合物をスチームリフォーミング温度においてスリームリフォーミングして水素と二酸化炭素を含むリフォーメートを生成する工程；及び
    リフォーメートの中の二酸化炭素の少なくとも一部を触媒床の中の二酸化炭素固定材料によって固定して水素リッチリフォーメートを生成する工程
    を含む前記方法。
  12. 含硫黄炭化水素燃料がディーゼルである、請求項１１の方法。
  13. さらに、炭化水素燃料を超加熱水蒸気と混合することによって炭化水素燃料を気化させる工程を含む、請求項１１の方法。
  14. さらに、水素リッチリフォーメートを冷却する工程を含む、請求項１１の方法。
  15. さらに、水素リッチリフォーメートから水を除去する工程を含む、請求項１１の方法。
  16. さらに、水素リッチリフォーメートから一酸化炭素、二酸化炭素またはそれらの混合物を除去する工程を含む、請求項１１の方法。
  17. 水素リッチリフォーメートの中の一酸化炭素および（または）二酸化炭素の量が、水素リッチリフォーメートに、水性ガスシフト反応、メタン化および選択酸化の一つ以上を受けさせることによって低減される、請求項１６の方法。
  18. 二酸化炭素固定材料がアルカリ土類金属酸化物、ドープされたアルカリ土類金属酸化物またはそれらの混合物である、請求項１１の方法。
  19. さらに、二酸化炭素固定材料をスチームリフォーミング温度より上の温度に加熱して固定二酸化炭素を解放する工程を含む、請求項１１の方法。
  20. 二酸化炭素固定材料が５５０℃より高い温度に加熱される、請求項１９の方法。
  21. さらに、第一触媒床をスチームリフォーミング温度より高い温度に加熱して固定二酸化炭素を解放している間に第二触媒床の中のＣ１とＣ２の炭化水素混合物をスチームリフォーミングする工程を含む、請求項１１の方法。
  22. 炭化水素燃料の硫黄含有率を低下させるための脱硫ユニット、低下した硫黄含量の炭化水素燃料を触媒作用によってＣ１とＣ２の炭化水素混合物に転化させるためのプレリフォーマー、および、Ｃ１とＣ２の炭化水素混合物を触媒床の中でスチームリフォーミング温度においてリフォーミングして水素と二酸化炭素を含むリフォーメートにするためのスチームリフォーマーを含み、前記触媒床がリフォーメート中の二酸化炭素の少なくとも一部を固定して水素リッチリフォーメートを生成するための二酸化炭素固定材料を含んでいる燃料プロセッサー；及び
    燃料プロセッサーから水素リッチリフォーメートを受けとるように構成された燃料電池であって、水素リッチリフォーメートの一部を消費して電気、アノードテールガス及びカソードテールガスを生じる、該燃料電池を含む、電気を発生させる装置。
  23. さらに、加熱排気ガスを生成するためにプレリフォーマーおよび（または）触媒床とは流体が連絡できる状態にある燃焼器を含む、請求項２２の装置。
  24. 炭化水素燃料の硫黄含有率を低下させる工程；
    低下した硫黄含量の炭化水素燃料をＣ１とＣ２の炭化水素混合物に転化する工程；
    Ｃ１とＣ２の炭化水素混合物を触媒床の中でスチームリフォーミング温度においてスチームリフォーミングして水素と二酸化炭素を含むリフォーメートを生成する工程；及び
    リフォーメートの中の二酸化炭素の少なくとも一部を触媒床の中の二酸化炭素固定材料によって固定して水素リッチリフォーメートを生成する工程；及び
    水素リッチリフォーメートを燃料電池のアノードに供給する工程であって、燃料電池が水素リッチリフォーメートの一部を消費して電気、アノードテールガスおよびカソードテールガスを生じる、該工程；
    を含む、電気を発生させる方法。
  25. さらに、排気ガスを生成するためにアノードテールガスおよび（または）カソードテールガスをアノードテールガスオキシダイザーに供給する工程を含む、請求項２４の方法。
  26. さらに、二酸化炭素固定材料をスチームリフォーミング温度より高い温度に加熱して固定二酸化炭素を解放する工程を含む、請求項２４の方法。
  27. さらに、水素リッチリフォーメートに水性ガスシフト反応、メタン化および選択酸化の一つ以上を受けさせることによって水素リッチリフォーメートの中の一酸化炭素および（または）二酸化炭素の量を低下させる工程を含む、請求項２５の方法。
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