JP2007204364A - 統合された自己熱改質装置／復熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料改質において、コストを減少させ、コンパクトさを増加させ、及び／又は寿命を増加させる。
【解決手段】ハウジング、ハウジング中に配置された円筒壁、円筒壁の内部に配置された自己熱改質装置触媒構造、及びハウジング中に配置された復熱装置熱交換器を含む。ハウジングは、供給ガス注入口、及び改質流放出口を含む。円筒壁は、円筒壁によって囲まれた内部容積の内部で供給ガス流を受け入れるための注入口端部を有し、供給ガス注入口から注入口端部に供給ガス流を配向し、内部容積から改質流放出口に改質流を配向するように、供給ガス注入口と改質流放出口に対して配置される。供給ガス流を受け入れ、改質流を内部容積に分配するために、自己熱改質装置触媒構造は内部容積中に保持される。復熱装置熱交換器は、改質流経路と熱交換関係にある供給ガス流経路を含む統合された自己熱改質装置／復熱装置ユニットを提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は燃料改質装置に関し、更に詳細には、自己熱改質、及び復熱装置を利用する燃料改質装置に関する。

燃料改質においては、従来のスタック・プレート設計を有する自己熱改質装置（「ＡＴＲ」）を利用すること、及び分離した個別の構成要素として復熱装置を提供することが知られている。その種の設計は所期の目的のために機能するが、改善の余地が常に存在する。例えば、コストを減少させる余地、及び／又はコンパクトさを増加させる余地、及び／又は寿命を増加させる余地、等が常に存在する。

本発明の１特徴によると、統合された自己熱改質装置／復熱装置ユニットが、改質流を生成するために供給ガス流の改質に使用するために提供される。

１特徴によると、統合されたユニットは、ハウジング、ハウジング中に配置された円筒壁、円筒壁の内部に配置された自己熱改質装置触媒構造、及びハウジング中に配置された復熱装置熱交換器を含む。ハウジングは、供給ガス注入口、及び改質流放出口を含む。円筒壁は、円筒壁によって囲まれた内部容積の内部で供給ガス流を受け入れるための注入口端部を有し、供給ガス注入口から注入口端部に供給ガス流を配向し、内部容積から改質流放出口に改質流を配向するように、供給ガス注入口と改質流放出口に対して配置される。供給ガス流を受け入れ、改質流を内部容積に分配するために、自己熱改質装置触媒構造は内部容積中に保持される。復熱装置熱交換器は、改質流経路と熱交換関係にある供給ガス流経路を含む。供給ガス流経路は供給ガス流に関して注入口端部から上流の位置においてハウジングと円筒壁の間に定められ、改質流経路は改質流に関して触媒構造から下流の内部容積の内部に配置される。

１特徴では、改質流経路は、円筒壁と内部容積の内部に保持される第２円筒壁の間に定められる。

１特徴によると、統合されたユニットは、改質流を改質流経路内部に配向するために、触媒構造と改質流経路に配置されたバッフルを更に含む。

１特徴として、触媒構造は触媒モノリスを含む。

１特徴によると、統合されたユニットは、改質流経路から改質流放出口に改質流を配向するために、注入口端部と反対側の円筒壁の端部において円筒壁に接続された端部バッフルを更に含む。

１特徴によると、統合されたユニットは、供給ガス注入口から供給ガス流経路に供給ガス流を配向するために、ハウジングの内部に供給ガスマニホールドを更に含み、供給ガスマニホールドは改質流放出口の一部を囲む。

１特徴では、円筒壁は、供給ガス流経路への注入口から注入口端部に伸長する均一の外径を有する。

１特徴として、円筒壁は、互いに結合された２つの円筒片を含み、円筒片の１つは、復熱装置熱交換器の供給ガス経路と改質流経路を定め、円筒片の他の１つは触媒構造を囲む。

１特徴として、統合されたユニットは、触媒構造に入る供給ガス流に熱を提供するために、注入口端部に隣接する位置においてハウジングの内部に伸長する予熱プラグを更に含む。

１特徴によると、統合されたユニットは、触媒構造と改質流経路の間の位置において内部容積の内部に伸長するために、ハウジングと円筒壁の両方を貫通するサーモウエルを更に含む。他の特徴として、サーモウエルはハウジングに固定され、円筒壁に対して浮遊することが許容される。更に他の特徴として、円筒壁はサーモウエルが貫通するクリアランスホールを含み、クリアランスホールを通るガスの流れを制限するために、クリアランスホールを覆うサーモウエルに取り付けられたディスクを更に含む。

１特徴では、統合されたユニットは、注入口端部と反対側の円筒壁の端部において円筒壁とハウジングの間に構造的結合を含み、注入口端部は、ハウジングに対して縦方向へ自由に伸長する。

本発明の１特徴によると、統合されたユニットは、供給ガス注入口、及びその第１端部に隣接して配置される改質流放出口を含む円筒ハウジング、ハウジング中に配置され、第１端部から間隔を空けられた自己熱改質装置触媒構造、ハウジング中で第１端部と触媒構造の間に配置される復熱装置熱交換器、ハウジング中で、供給ガス注入口から復熱装置熱交換器を通って触媒構造まで伸長する供給ガス流経路、及びハウジング中で、触媒構造から復熱装置熱交換器を通って改質流放出口まで伸長する改質流経路を含む。改質流経路は、復熱装置熱交換器中の供給ガス流経路と熱交換関係にある。

１特徴として、供給ガス経路と改質流経路は、ハウジング中に配置された円筒壁によって定められ、自己熱改質装置触媒構造は円筒壁によって囲まれる内部容積中に保持される。

１特徴によると、復熱装置熱交換器を通って伸長する改質流経路は、円筒壁と内部容積の内部に保持される第２円筒壁の間に定められる。

１特徴では、統合されたユニットは、触媒構造に入る供給ガス流に熱を提供するために、触媒構造に隣接する位置においてハウジングの内部に伸長する予熱プラグを更に含む。

１特徴として、統合されたユニットは、第１端部において円筒壁の端部とハウジングの間に構造的結合を含み、円筒壁の反対側の端部は、ハウジングに対して縦方向へ自由に伸長する。

本発明の他の目的、特徴、及び利点は、特許請求の範囲、及び図面を含む明細書全体の検討から明らかになるであろう。

統合されたＡＴＲ／復熱装置ユニット１０が図１に示され、円筒壁１４によって囲まれた触媒モノリス１２の形態のＡＴＲ（自己熱改質装置）触媒構造、及び復熱装置熱交換器１６を含み、復熱装置１６とＡＴＲモノリス１２の両方が、円筒ハウジング１８の内部に保持される。ハウジング１８は第１端部２０、及び第２端部２２を含み、触媒構造１２は第２端部２２に隣接して配置され、復熱装置熱交換器１６は第１端部２０と触媒構造１２の間に配置される。統合されたユニット１０は、ハウジング１８中で供給ガス注入口２６から復熱装置１６を通って触媒構造１２まで伸長する供給ガス流経路２４、及びハウジング１８中で触媒構造１２から復熱装置１６を通って改質流放出口３２まで伸長し、復熱装置１６中で供給ガス流経路２４と熱交換関係にある改質流経路３０を更に含む。

円筒壁１４は、円筒壁１４によって囲まれた内部容積３６の内部に供給ガス流を受け入れるための注入口端部３４を有する。供給ガス流を受け入れ、改質流を残りの内部容積３６に分配するために、触媒構造１２は内部容積３６中に保持される。構造１２がモノリスの形状であるとき、図示されるように、モノリスが膨張マット３７の中に包まれ、フランジを用いて、その端部に固定されることが好ましい。任意の適切な自己熱改質触媒が、触媒構造１２に対して使用される。同様に、触媒構造１２がモノリスの形態で示されてきたが、特定の用途には他の触媒構造が望ましい。

復熱装置１６は、その中で改質流放出口３２から供給ガス流経路２４を分離する円筒壁１４を含む。蛇紋フィン３８，４０、又は他の適切な熱、及び／又は流れ向上機能が、供給ガス流経路２４と改質流放出口３２に各々含まれ、改質流から供給ガス流への熱伝達を改善するために、円筒壁１４と熱伝達的に接触、接着が好ましい、することが好ましい。この関連で、供給ガス流経路２４中のフィン３８が円筒ハウジング１８に接着されないことも好ましく、円筒ハウジング１８はフィン３８とハウジング１８の間の異なる熱膨張を許容する。また、復熱装置１６は、復熱装置１６を通る改質流放出口３２を定めるために円筒壁１４と協働する内部円筒壁４１も含むことが好ましい。復熱装置１６を通る供給ガス流経路２４は、ユニット１０の円筒壁１４と円筒ハウジング１８の間に定められる。改質流を改質流放出口３２に復熱装置１６を通して配向するために、ドーム形のバッフル４２が、内部円筒壁４１の注入口側に提供されることが好ましい。統合されたユニット１０の内部の可燃性容積を最小化するように、（図１に示される）端部キャップ４３、又は（図２、及び図３に示される）絶縁ブロック４４が提供されて、内部円筒壁４１の内部容積を閉鎖、又は充填することが好ましい。

触媒構造１２を囲む円筒壁１４の部分４６は、復熱装置１６を通って伸長する円筒壁１８の他の部分４８に結合される別の材料片から形成されることが好ましい。この構造は、復熱装置１６と触媒構造１２の両方の製造を容易にする。

端部バッフル５０は、改質流を改質流放出口３２に配向するために、注入口端部３４と反対側の円筒壁１４の端部において円筒壁１４に接続される。供給ガスマニホールド構造５２は改質流放出口３２の一部を囲み、供給ガス流を供給ガス注入口２６から供給ガス流経路２４に復熱装置１６を通して配向する。端部バッフル５０と供給ガスマニホールド構造５２が改質流放出口３２と協働して、端部２０において円筒壁１４とハウジング１８の間の構造的結合を提供する。円筒壁１４の注入口端部３４はハウジング１８に直接接続されておらず、それによって注入口端部３４がハウジング１８に対して軸方向へ自由に伸長することを可能にし、構造間の熱成長の相違を吸収する。

また、統合されたＡＴＲ／復熱装置は、触媒構造１２の注入口に隣接して配置される予熱プラグ６０、及び復熱装置を通る改質流経路の注入口側の間に配置されるＡＴＲモノリスの放出口端部も含み、触媒構造１２からの改質油の出口温度をモニタするための温度プローブ６３を収容し、燃料改質サイクルをモニタ、及び／又は制御する目的で温度を表す信号を発生することが好ましい。システムの中には、始動状態の間に供給ガスの温度を予熱プラグ６０が上昇させることが好ましいものもある。サーモウエル６２は、復熱装置１６中で触媒構造１２の出口と改質流経路３０の入口の間に配置されているとして示されるが、供給ガス、及び／又は改質油の温度が他の位置においてモニタされ、システムで制御のために使用されることも可能である。従って、統合されたＡＴＲ／復熱装置ユニット１０の内部の他の位置にサーモウエル６２を配置することが可能である。

サーモウエル６２は、ハウジング１８と円筒壁１４の両方を貫通して内部容積３６の内部に伸長し、円筒壁１８はサーモウエル６２が貫通するクリアランスホール６４を有し、サーモウエルに取り付けられたディスク６６はクリアランスホール６４を覆い、クリアランスホール６４を通るガスの直交流を制限することが好ましい。これは、サーモウエル６２、円筒壁１４、又はハウジング１８に応力を加えることなく、ハウジング１８と円筒壁１４の間の熱膨張の相違を許容する。

任意の方向が可能であるが、用途の中には、図１に示すように、統合されたユニット１０が垂直に配向され、端部２０が底部で、端部２２が上部であることが好ましいものもある。更に、統合されたユニット１０のために選択された特定の材料は特定の用途に強く依存するが、１つの適切な材料は３１０Ｓ型ステンレス鋼（ＵＮＳ３１００８）であり、構成要素は「ＡＷＳ ＢＮｉ−５」のような合金によって結合される。

本発明を実施する統合されたＡＴＲ／復熱装置の断面図である。 本発明を実施する他の統合されたＡＴＲ／復熱装置の断面図である。 図２の分解組立図である。 図２の一部拡大図である。

符号の説明

１０ 統合されたＡＴＲ／復熱装置ユニット
１２ 触媒モノリス
１４ 円筒壁
１６ 復熱装置
１８ 円筒ハウジング
２０ 第１端部
２２ 第２端部
２４ 供給ガス流経路
２６ 供給ガス注入口
３０ 改質流経路
３２ 改質流放出口
３４ 注入口端部
３６ 内部容積
３７ 膨張マット
３８，４０ フィン
４１ 内部円筒壁
４２ バッフル
４３ 端部キャップ
５０ 端部バッフル
５２ 供給ガスマニホールド構造
６０ 予熱プラグ
６２ サーモウエル
６３ 温度プローブ
６４ クリアランスホール
６６ ディスク

Claims (25)

1. 改質流を生成するために供給ガス流の改質に使用される統合された自己熱改質装置／復熱装置ユニットであって、前記統合された自己熱改質装置／復熱装置ユニットが、
   供給ガス注入口、及び改質流放出口を含むハウジング、
   前記ハウジング中に配置される円筒壁であって、前記円筒壁によって囲まれる内部容積の内部で前記供給ガス流を受け入れるための注入口端部を有し、前記供給ガス注入口から前記注入口端部に前記供給ガス流を配向し、前記内部容積から前記改質流放出口に前記改質流を配向するように、前記供給ガス注入口と前記改質流放出口に対して配置される前記円筒壁、
   前記供給ガス流を受け入れ、前記改質流を前記内部容積に分配するために、前記内部容積中に保持される自己熱改質装置触媒構造、及び
   改質流径路と熱交換関係にある供給ガス流径路を含む復熱装置熱交換器を含み、
   前記供給ガス流径路が、前記供給ガス流に関して前記注入口端部から上流の位置において前記ハウジングと前記円筒壁の間に定められ、前記改質流径路が、前記改質流に関して前記触媒構造から下流の前記内部容積の内部に配置されることを特徴とする、統合された自己熱改質装置／復熱装置ユニット。
2. 前記改質流径路が、前記円筒壁と前記内部容積の内部に保持される第２円筒壁の間に定められる、請求項１に記載の統合された自己熱改質装置／復熱装置ユニット。
3. 前記改質流を前記改質流径路の内部に配向するために、前記触媒構造と前記改質流径路の間に配置されたバッフルを更に含む、請求項２に記載の統合された自己熱改質装置／復熱装置ユニット。
4. 前記触媒構造が触媒モノリスを含む、請求項２に記載の統合された自己熱改質装置／復熱装置ユニット。
5. 前記改質流径路から前記改質流放出口に前記改質流を配向するために、前記注入口端部と反対側の前記円筒壁の端部において前記円筒壁に接続された端部バッフルを更に含む、請求項１に記載の統合された自己熱改質装置／復熱装置ユニット。
6. 前記供給ガス注入口から前記供給ガス流径路に前記供給ガス流を配向するために、前記ハウジングの内部に供給ガスマニホールドを更に含み、前記供給ガスマニホールドが前記改質流放出口の一部を囲む、請求項１に記載の統合された自己熱改質装置／復熱装置ユニット。
7. 前記円筒壁が、前記供給ガス流径路への注入口から前記注入口端部に伸長する均一の外径を有する、請求項１に記載の統合された自己熱改質装置／復熱装置ユニット。
8. 前記円筒壁が、互いに結合された２つの円筒片を含み、前記円筒片の１つが前記復熱装置熱交換器の前記供給ガス径路と前記改質流径路を定め、前記円筒片の他の１つが前記触媒構造を囲む、請求項１に記載の統合された自己熱改質装置／復熱装置ユニット。
9. 前記触媒構造に入る前記供給ガス流に熱を提供するために、前記注入口端部に隣接する位置において前記ハウジングの内部に伸長する予熱プラグを更に含む、請求項１に記載の統合された自己熱改質装置／復熱装置ユニット。
10. 前記触媒構造と前記改質流径路の間の位置において前記内部容積の内部に伸長するために、前記ハウジングと前記円筒壁の両方を貫通するサーモウエルを更に含む、請求項１に記載の統合された自己熱改質装置／復熱装置ユニット。
11. 前記サーモウエルが前記ハウジングに固定され、前記円筒壁に対して浮遊することが許容される、請求項１０に記載の統合された自己熱改質装置／復熱装置ユニット。
12. 前記円筒壁は、前記サーモウエルが貫通するクリアランスホールを含み、前記クリアランスホールを通るガスの流れを制限するために、前記クリアランスホールを覆う前記サーモウエルに取り付けられたディスクを更に含む、請求項１１に記載の統合された自己熱改質装置／復熱装置ユニット。
13. 前記注入口端部と反対側の前記円筒壁の端部において前記円筒壁と前記ハウジングの間に構造的結合を含み、前記注入口端部が、前記ハウジングに対して縦方向へ自由に伸長する、請求項１に記載の統合された自己熱改質装置／復熱装置ユニット。
14. 改質流を生成するために供給ガス流の改質に使用される統合された自己熱改質装置／復熱装置ユニットであって、前記統合された自己熱改質装置／復熱装置ユニットが、
    供給ガス注入口、及びその第１端部に隣接して配置される改質流放出口を含む円筒ハウジング、
    前記ハウジング中に配置され、前記第１端部から間隔を空けられた自己熱改質装置触媒構造、
    前記ハウジング中で、前記第１端部と前記触媒構造の間に配置される復熱装置熱交換器、
    前記ハウジング中で、前記供給ガス注入口から前記復熱装置熱交換器を通って前記触媒構造まで伸長する供給ガス流径路、及び
    前記ハウジング中で、前記触媒構造から前記復熱装置熱交換器を通って前記改質流放出口まで伸長する改質流径路を含み、
    前記改質流径路が、前記復熱装置熱交換器中の前記供給ガス流径路と熱交換関係にあることを特徴とする、統合された自己熱改質装置／復熱装置ユニット
15. 前記供給ガス径路と前記改質流径路が、前記ハウジング中に配置された円筒壁によって定められ、前記自己熱改質装置触媒構造が、前記円筒壁によって囲まれる内部容積中に保持される、請求項１４に記載の統合された自己熱改質装置／復熱装置ユニット。
16. 前記復熱装置熱交換器を通って伸長する前記改質流径路が、前記円筒壁と前記内部容積の内部に保持される第２円筒壁の間に定められる、請求項１５に記載の統合された自己熱改質装置／復熱装置ユニット。
17. 前記改質流を前記復熱装置熱交換器の内部に配向するために、前記触媒構造と前記復熱装置熱交換器の間に配置されたバッフルを更に含む、請求項１４に記載の統合された自己熱改質装置／復熱装置ユニット。
18. 前記触媒構造が触媒モノリスを含む、請求項１４に記載の統合された自己熱改質装置／復熱装置ユニット。
19. 前記円筒壁が、前記供給ガス流径路への注入口から前記注入口端部に伸長する均一の外径を有する、請求項１５に記載の統合された自己熱改質装置／復熱装置ユニット。
20. 前記円筒壁が、互いに結合された２つの円筒片を含み、前記円筒片の１つが前記復熱装置熱交換器の前記供給ガス径路と前記改質流径路を定め、前記円筒片の他の１つが前記触媒構造を囲む、請求項１９に記載の統合された自己熱改質装置／復熱装置ユニット。
21. 前記触媒構造に入る前記供給ガス流に熱を提供するために、前記触媒構造に隣接する位置において前記ハウジングの内部に伸長する予熱プラグを更に含む、請求項１４に記載の統合された自己熱改質装置／復熱装置ユニット。
22. 前記触媒構造と前記復熱装置熱交換器の間の位置において前記内部容積の内部に伸長するために、前記ハウジングと前記円筒壁の両方を貫通するサーモウエルを更に含む、請求項１５に記載の統合された自己熱改質装置／復熱装置ユニット。
23. 前記サーモウエルが前記ハウジングに固定され、前記円筒壁に対して浮遊することが許容される、請求項２２に記載の統合された自己熱改質装置／復熱装置ユニット。
24. 前記円筒壁は、前記サーモウエルが貫通するクリアランスホールを含み、前記クリアランスホールを通るガスの流れを制限するために、前記クリアランスホールを覆う前記サーモウエルに取り付けられたディスクを更に含む、請求項２３に記載の統合された自己熱改質装置／復熱装置ユニット。
25. 前記第１端部において前記円筒壁の端部と前記ハウジングの間に構造的結合を含み、前記円筒壁の反対側の端部が、前記ハウジングに対して縦方向へ自由に伸長する、請求項１５に記載の統合された自己熱改質装置／復熱装置ユニット。

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