JP2007523042A - 分散型水素生産のための一体型燃料処理装置 - Google Patents

Abstract

一体型蒸気改質器／燃焼器組立体（４２）が、組立体（４２）において改質される蒸気／燃料供給混合物（３４）、及び組立体（４２）において燃焼される燃焼器供給物（４０）を供給する燃料処理装置（２０）において使用されるために提供される。組立体（４２）は、互いに熱伝達関係にて軸方向に延びる同心環状の第１及び第２通路を形成するハウジング（４４、５８）と、第１通路に供給混合物を誘導するために第１通路に配置される第１回旋状フィン（４６）にして、供給混合物に望ましい反応を引き起こす触媒がコーティングされる第１回旋状フィンと、第２通路に燃焼器供給物を誘導するために第２通路に配置される第２回旋状フィン（５０）にして、燃焼器供給物に望ましい反応を引き起こす触媒がコーティングされる第２回旋状フィン（５０）とを含む。

Description

本発明は、燃料処理装置（燃料プロセッサ）に関し、より詳しい用途において、分散型水素生産のための燃料処理装置に関する。

燃料電池車両の長期的成功に対する重要な鍵は、水素インフラストラクチャーの進展であることは十分に定着している。燃料電池車両は、結局は内燃機関車両に取って代わるか、又は、控えめに言っても内燃機関車両を補うであろうと多くが予想している。これは、主に、温室ガス及び大気汚染物質排出、石燃料の長期的利用可能性、及びエネルギー供給の安全性に対する関心が高まることによって推進される。プロトン交換膜（固体高分子型）燃料電池（ＰＥＭ）は、商業的に存続可能な燃料電池車両の開発に向けられる現在のほぼすべての努力の対象であり、燃料として水素を必要とする。実質的に、よりポータブルな炭化水素燃料からの水素の車内（on-board）生産に向けられるすべての努力は、近年、放棄されており、ほぼすべての燃料電池車両製造業者は、現在、高純度の液体水素又はガス状水素を有する車両に燃料を補給することに焦点を合わせている。

それにより水素が多量に生産可能である手段は、十分に理解され得る。メタンの蒸気改質は、現在、水素を工業規模で生産するための主要な手段である。今日、水素の世界生産の約半分は、主に自動車燃料の生産のために製油業者で使用されている。別の４０％はアンモニアの量産に消費される。しかしながら、米国における水素の年間生産量は、ガソリン消費のたった二日の量に匹敵する。更に、水素は、現在、主に工業的大規模に生産されている。輸送インフラストラクチャーの成功のため、水素補給ネットワークが十分に分散されなければならない。しかしながら、水素は、配給（分散もしくは分配）することに非常に問題がある。ガス状水素は、最低エネルギー濃度（密度）の一つを有し、輸送燃料電池インフラストラクチャーのために必要であろう量を輸送することを難しくする。液体形態で水を配給することも難しい。これは、非常に低い温度（２２Ｋ）を必要とし、また、液体形態であっても、水素は低エネルギー濃度を有する。これらの問題のため、燃料電池車両の補給ニーズを提供可能な水素インフラは高純度水素の分散型生産に頼る必要があることが合理的に結論づけられ得る。

輸送燃料電池インフラストラクチャーに必要な広範な分散型水素生産は、典型的な精油所もしくはアンモニア生産の水素生産規模に比べて格段に小さい。この小規模にて高純度水素を商業的に生産可能な種々の手段が、現在追い求められている。そのような一つの生産手段は、現在大規模にて水素を生産している汎用的な方法を適用することである。大規模に水素を生産する支配的な方法は、触媒に対して天然ガス（メタン）を蒸気改質することによるものである。蒸気改質反応は、次のように水素及び一酸化炭素を生成する。
ＣＨ₄ ＋ Ｈ₂Ｏ → ３Ｈ₂ ＋ ＣＯ

蒸気改質反応は、非常に吸熱性があり、消費されるメタンのモル当たり２０６ｋＪのエネルギーを必要とする。生産されるＣＯのいくらかは、付随する水−ガスシフト（水性ガスシフト）反応を介して、ＣＯ₂に転換される。
ＣＯ ＋ Ｈ₂Ｏ → ＣＯ₂ ＋ Ｈ₂

この反応は発熱性であり、消費されるＣＯのモル当たり４１ｋＪのエネルギーを解放する。メタンの蒸気改質は、一般に７００℃〜９００℃で行われる。該反応は吸熱性であるため、熱が反応器に供給されなければならない。これは、一般に、炉内に配置される一連の管内に触媒を装填することによって実現される。水素は、金属膜もしくは圧力スイング吸着（ＰＳＡ）等の種々の汎用的な手段を通じて蒸気改質生産ガス（リフォーメート）から抜き取られ得る。

燃料電池車両用の水素の分散型生産に必要とされるより小規模での天然ガスの蒸気改質を実行可能にするため、熱生成燃焼器と吸熱性蒸気改質反応との間のより高度な統合が必要であることがずっと理解されている。そのようなシステムを構築する試みは、過去においていくつかの成功と遭遇したが、性能効率は、極度に高い（＞１０００℃）金属温度を発生させることなく必要な熱を蒸気改質反応へと移す能力により、常に制限されてきた。

本発明の実施形態が高度に統合された蒸気改質燃料処理装置において本明細書中に開示される。該燃料処理装置は、圧力スイング吸着（ＰＳＡ）と組み合わされ、輸送燃料電池インフラストラクチャーのための水素の分散型生産に十分に適した規模で高純度水素を供給することができる。この燃料処理装置は、従前の設計の熱伝達制限を克服し、それにより、極度に高い金属温度を伴うことなく、高レベルの水素生産効率を実現することができる。

本発明の一つの特徴によれば、一体型（統合された）蒸気改質器／燃焼器組立体が燃料処理装置に使用するために提供される。燃料処理装置は、該組立体において改質されるべき蒸気／燃料供給混合物、及び、該組立体において燃焼されるべき燃焼器供給物を供給する。

一つの特徴として、一体型蒸気改質器／燃焼器組立体は、互いに熱伝達関係にて軸方向に延びる同心環状の第１及び第２通路を規定するハウジングと、前記供給混合物を第１通路を通るように向けるために第１通路に配置される第１回旋状（渦巻き状もしくは複雑に入り組んだ（convoluted））フィンにして、前記供給混合物に望ましい反応を引き起こす触媒がコーティングされる該第１回線状フィンと、燃焼器供給物を第２通路を通るように向けるために第２通路に配置される第２回旋状フィンにして、燃焼器供給物に望ましい反応を引き起こす触媒がコーティングされる該第２回線状フィンとを含む。

一形態において、第１通路は、前記供給混合物を該第１通路内に受け入れるために第１端部において開放し、また、第１通路は、該第１通路から前記供給混合物を誘導するために反対側端部において開放する。第２通路は、燃焼器供給物を該第２通路内に向けるために前記反対側端部に隣り合う位置において開放し、また、第２通路は、該第２通路から燃焼器供給物を導くために第１端部に隣り合う位置において開放する。

本発明の一つの特徴によれば、一体型組立体は、円筒壁と、円筒壁の半径方向内向き面に結合される第１回旋状フィンにして、前記供給混合物及び燃焼器供給物の一方に望ましい反応を引き起こす第１触媒がコーティングされる該第１回旋状フィンと、円筒壁の半径方向外向き面に結合される第２回旋状フィンにして、前記供給混合物及び燃焼器供給物の他方に望ましい反応を引き起こす第２触媒がコーティングされる該第２回旋状フィンとを含む。

一つの特徴において、第１回旋状フィンの回旋（渦巻きもしくはコンボルーション）は、前記供給混合物及び燃焼器供給物の一方を、該組立体を通るように向けるために軸方向に延び、第２回旋状フィンの回旋は、前記供給混合物及び燃焼器供給物の他方を、該組立体を通るように向けるために軸方向に延びる。

一つの特徴によれば、第１触媒は、前記供給混合物のための触媒であり、また、第２触媒は、燃焼器供給物のための触媒である。

一つの特徴において、該組立体は、前記第１回旋状フィンから半径方向内側の位置において該組立体を通って中心（中央）に延びる円筒水−ガスシフト（水性ガスシフト）反応器を更に含む。

本発明の一つの特徴によれば、一体型組立体は、第１円筒壁と、第１円筒壁から半径方向内側に離隔した第２円筒壁にして、第１及び第２円筒壁間に軸方向に延びる第１環状流路を形成すると共に、第２円筒壁の半径方向内向き側部によって形成される軸方向に延びる第２流路を形成する該第２円筒壁とを含む。該組立体は、第１通路に配置される第１回旋状フィンと第２通路に配置される第２回旋状フィンとを更に含む。第１回旋状フィンの回旋は、前記供給混合物及び燃焼器供給物の一方を、第１通路を通るように向けるために軸方向に延び、第１回旋状フィンには、前記供給混合物及び燃焼器供給物の一方に望まし反応を引き起こす第１触媒がコーティングされる。第２回旋状フィンの回旋は、前記供給混合物及び燃焼器供給物の他方を、第２通路を通るように向けるために軸方向に延び、第２回旋状フィンには、前記供給混合物及び燃焼器供給物の他方に望ましい反応を引き起こす第２触媒がコーティングされる。

本発明の一つの特徴によれば、一体型燃料処理ユニットは、ハウジングと、ハウジング内の蒸気／燃料供給混合物サプライ（供給部）と、ハウジング内の燃焼器供給物サプライと、ハウジング内の蒸気改質器／燃焼器とを含む。蒸気改質器／燃焼器は、互いに熱伝達関係にて軸方向に延びる同心環状の第１及び第２通路を含み、第１通路は、供給混合物を該第１通路の一端部にて該第通路内に受け入れるため、前記供給混合物サプライに接続され、第２通路は、燃焼器供給物を第１通路の反対側端部に隣り合う位置にて燃焼器供給物に受け入れるため、燃焼器供給物サプライに接続される。蒸気改質器／燃焼器は、前記供給混合物を第１通路を通るように向けるために該第１通路に配置される第１回旋状フィンにして、前記供給混合物に望ましい反応を引き起こす触媒がコーティングされる第１回旋状フィンと、燃焼器供給物を第２通路を通るように向けるために該第２通路に配置される第２回旋状フィンにして、燃焼器供給物に望ましい反応を引き起こす触媒がコーティングされる第２回旋状フィンとを更に含む。

一つの特徴において、一体型燃料処理ユニットは、第1及び第２流路から半径方向内側の位置においてハウジングを通って延びる円筒水−ガスシフト反応器を更に含む。更なる関連した特徴として、一体型燃料処理ユニットは、燃焼器予熱器を更に含む。燃焼器予熱器は、互いに熱伝達関係にて軸方向に延びる同心環状の第３及び第４通路を形成するハウジングを更に含む。第３通路は、燃焼器供給物を第２通路内へと向けるため、第２通路と整列されて第２通路に直接接続される。第４通路は、水−ガスシフト反応器からのリフォーメート流を受け取るため、水−ガスシフト反応器に接続される。

一つの特徴として、一体型燃料処理ユニットは、ハウジング内に復熱式熱交換器を更に含む。復熱式熱交換器は、互いに熱伝達関係にて軸方向に延びる同心環状の第３及び第４通路を含む。第３通路は、前記供給混合物を第１通路内に向けるため、第１通路と整列されて第１通路に直接接続される。第４通路は、第３通路から半径方向内側に配置され、かつ、前記供給混合物が第１通路において改質された後、第１通路から供給混合物を受け入れるために第１通路に接続される。

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を検討することにより明らかとなろう。

高度に統合された燃料処理装置（燃料プロセッサ）２０のシステム概略回路図が図１に示される。このシステムにおいて、燃焼器に必要な燃料の唯一の源は、圧力スイング吸収（ＰＳＡ）２２からの水素欠乏オフガス２１である。ＰＳＡ２２の高圧側は、好ましくは、１００ｐｓｉｇで動作するように設計されるのに対し、ＰＳＡの低圧側は、大気圧付近（〜１ｐｓｉｇ）で動作するように設計される。燃焼器２５の燃焼器排気２４から回収された熱は、蒸気改質器２８のための供給水２６を蒸発させかつ過熱するため、並びに燃料予熱器３１において蒸気改質器２８のための供給天然ガス３０を加熱するため、蒸発器２９において使用される。熱は、蒸気改質器２８を出るリフォーメート・ストリーム３２から回収され、今度は復熱式（伝熱式）熱交換器（復熱器）３６において供給混合蒸気−天然ガス３４を更に予熱するために使用される。水−ガス（水性ガス）シフト反応器３８は、水素の生産を高めるために使用される。水−ガスシフト反応器３８の下流において、リフォーメート・ストリーム３２から追加の熱が回収され、蒸発器２９に対する燃焼器供給物４０及び供給水２６を予熱するために使用される。リフォーメート・ストリーム３２は、ＰＳＡ２２にとって適した温度まで冷却され、過剰水は凝縮させられる。このプロセスで除去された熱はかなり低い温度にあり、回収されない。凝縮液４１は、そうすることが望まれるなら、回収され再利用され得る。

最適化された水素転換が、統合された蒸気改質器及び燃焼器４２の使用により、この設計において成し遂げられる。該蒸気改質器及び燃焼器４２は、改質器２８及び燃焼器２５を統合し、また、高い有効（実効）熱伝達（伝熱）特性を有する。統合された蒸気改質器及び燃焼器４２は、以下、本明細書においてＳＭＲ反応器４２という。図２に最も良く示すように、ＳＭＲ反応器４２は、耐熱合金製の金属シリンダ４４として構成され、第１の回旋状（包旋形もしくは複雑に入り組んだ）フィン構造（体）４６がシリンダ４４の全周に沿って内側面４８に鑞付けされ、また、第２の回旋状フィン構造５０がシリンダ４４の全周に沿って外側面５２に鑞付けされる。該内側フィン４６には、蒸気改質触媒が薄めてコーティングされ、外側フィン５０には、水素及びメタンの両方を酸化可能な触媒が薄めてコーティングされる。シリンダ４４は、図３に示す圧力容器５４の一部として使用するのに十分厚いものであり、圧力容器５４は、図４に示す高圧蒸気リフォーマー供給物３４及びリフォーメート・ストリーム３２を収容する。円筒金属スリーブ５６及び５８（図２には図示せず）は、コーティングされた構造体４６及び５０それぞれに上記流れを通すのに役立つ。

図３及び４は、十分に組み立てられた処理装置２０の一実施形態を示す。燃料処理装置２０は、低圧シリンダすなわち容器６０内に該容器と同軸状に位置付けられる円筒形高圧容器５４から構成される。蒸気改質器２８のための水及び天然ガス供給物２６、３０は、（水の場合）蒸発させられ、二つのシリンダ４４、６０間に位置付けられるコイル管６２において予熱される。この予熱された供給物３４は、容器５４の頂部ドーム状ヘッド６６において管６４を通って圧力容器５４に入り、復熱器３６内へと入る。

復熱器３６の構成はＳＭＲ反応器４２と似ており、（ルーバー付きフィンもしくは切開（ランス）オフセットフィン（lanced-offset fin）等の）高強化フィン構造体７０及び７２が、シリンダ５６の外内側面７６及び７８の両方に鑞付けされる。上記流れはまた、円筒メタルスリーブ４４及び８０により、これらフィン構造体７０、７２に通される。復熱器シリンダ５６及びフィン７０、７２は、外側面７６に結合されたフィン７０を囲む環状領域がＳＭＲ反応器４２における蒸気改質触媒がコーティングされたフィン４６を囲む環状領域と同じとなるように寸法が設定される。復熱器シリンダ５６は、一側部において、ＳＭＲ反応器４２の長さとほぼ等しい長さだけフィン７０、７２の端部を越えて延びる。これは、復熱器シリンダ５６が、既述したＳＭＲ反応器４２のための内側スリーブ５６として機能することを可能にする。同様に、ＳＭＲ反応器シリンダ４４は、復熱器３６のための外側スリーブ４４として機能するように、そのフィン４６、４８を越えて延びることができる。

完全に組み立てられた燃料処理装置２０において、蒸気リフォーマー供給物３４は、復熱器３６の外側フィン７０を通って流れ、次いで、ＳＭＲ反応器４２の内側（蒸気改質触媒が被覆された）フィン４６を通過し、ここで水素リッチリフォーメート３２に転換される。リフォーメート流３２は、次いで、次のように方向転換される。すなわち、該流れは、蒸気改質フィン４６を出るやいなや上方に向きを変え、拡張した復熱器シリンダ５６の内側面７８に沿って流れ、復熱器３６の内側フィン７２を通って上方に流れ、ここで、入ってくる蒸気リフォーマー供給物３４へと熱を移す。

水−ガスシフト（ＷＧＳ）反応器３８は、円筒状で触媒がコーティングされたモノリス８４であり、モノリス８４は断熱（絶縁）材８６に入れられ、復熱器３６の内側スリーブ内に配置される。リフォーメート流３２は、復熱器３６を出て圧力容器５４の上部に向かい、ここで、ドーム状ヘッド８８によって強制的に方向が反転される。該ヘッドは、圧力容器５４に入る予熱された蒸気リフォーメート供給物３４からリフォーメート３２を分離する。リフォーメート３２は、シリンダ８０及び９０の中心においてＷＧＳモノリス８４を通って下方に流れる。ＷＧＳ反応器３８を出るやいなや、リフォーメート流３２は、圧力容器５４の壁４４、９２に向けてそらされ、燃焼器予熱器９４を通過する。

燃焼器予熱器９４の構成は、ＳＭＲ反応器４２及び復熱器３６の構成に非常に似ており、（ルーバー付きフィン等の）高強化フィン構造体９６、９８が、シリンダ９２の外側及び内側面１００、１０２の両方に鑞付けされる。反応器４２の場合と同様に、シリンダ９２は、圧力容器５４の一部として機能し、また、ＳＭＲ反応器シリンダ４４に溶接される。リフォーメート３２は、予熱器９４の内側面においてフィン９８を通過して、予熱器９４の外側面１００においてフィン９６を向流方向に通過する燃焼器供給ガス４０へと熱を移す。フィン９６を出るやいなや、リフォーメート３２は水予熱器１０４上を通過し、水予熱器１０４は、蒸気改質器２８のための水２６が流れるコイル管１０６から構成される。リフォーメート３２は、これらの予熱器９４、１０４においていくらかの水がリフォーメート８２から凝縮される程度まで冷却されると考えられる。水予熱器１０４の下流において、リフォーメート３２（及びいかなる凝縮液も）は、圧力容器５４の底部ドーム１０８に到達し、容器５４を出て、熱交換器１１０へと入り、熱交換器１１０は、リフォーメート３２をＰＳＡ２２にとって適切な温度まで冷却する。熱交換器１１０においてリフォーメート３２から取り去られた熱は、廃熱となると考えられ、また、周囲環境に排出され得る。

目下大気圧付近（〜１ｐｓｉｇ）のＰＳＡからの水素欠乏オフガス２１は、燃焼器空気１１２と混合させられ、燃焼器供給物４０を構成する。この供給ガス４０は、低圧シリンダ６０内に入り、燃焼器予熱器９４を通って上方に流れ、ＳＭＲ反応器４２の外側面５２におけるフィン５０へと流れる。燃焼器供給物４０は、この触媒被覆フィン５０を通って鉛直上方へと、ＳＭＲ反応器４２の内側面４８におけるフィン４６を通過する流れ３２に対して向流にて流れる。燃焼器供給物４０中の水素、メタン及び一酸化炭素は、該流れがフィン５０を通過する際、触媒作用で燃焼させられる。発生した熱は、ＳＭＲ反応器４２の円筒壁４４を通って伝達され、ＳＭＲ反応器４２の内側面内４８に取り付けられたフィン４６上に生じる吸熱性蒸気改質反応に与えられる。

反応器４２のフィン５０を出るやいなや、燃焼器排出ガス２４は、低圧シリンダ４４と高圧シリンダ６０との間の環状領域を通って上方に流れ続け、水蒸発器２９及び天然ガス予熱器３１に対して流れる。水蒸発器２９及び天然ガス予熱器３１は、コイル管６２から構成され、コイル管６２は、シリンダ４４、６０間の環状スペース内に存在する。予熱された液体水２６は、底部でコイル管６２に入り、上方に流れ、管６２に対して流れる高温燃焼器排気２４から熱を受け取る。水は、管６２を通過する際、十分に蒸発させられ、少し過熱される。天然ガス３０は、コイル６２の長さに沿うある地点でコイル管１２０に入り、過熱された蒸気と混合する。両流体は、次いで、コイル管６２の残りの部分において燃焼器排気で更に加熱され、その後、これらは高圧容器５４内に送られる。別の設計（図７及び９に最も良く示される）では、天然ガス３０が（上記水コイルの燃焼器排気流２４に対する）下流において別個のコイル管内で予熱されるようにし、該二つの流体は、それぞれのコイル状熱交換器を出た後に混合されるであろう。

燃焼反応の大部分は、触媒領域の比較的短い最初の長さに対して一般的に生じる。反応器４２の長さにわたって燃焼反応を強制的により均等に分散（分布）させることが有利であり得る。該燃焼反応は拡散制限されるので、これは、回旋状フィン構造５０が、途切れない（連続的な）初期の領域（従って、拡散を最小にするより層状の流れ（層流）を供給する）と、ルーバー、スリット、ランス（切開部）等の使用により撹拌される（乱される）出口領域（メタン、水素及び一酸化炭素の最終浄化（クリーンアップ）のために反応物質の拡散を更に大きく促進させる）とを有することにより、ある程度まで実現され得る。

図６は、ＳＭＲ反応器４２内における予測された典型的な温度分布を示す。ＳＭＲ供給物３２、３４は右から左に流れており、他方、燃焼器供給物４０は、左から右に流れる。フィン４６及び５０の最先端における温度、並びに、シリンダ壁４４のいずれの面上での温度も示される。該グラフにおいて、ＳＭＲ反応器４２内の熱伝達は、金属温度を１０００℃よりも十分低く保つのに十分なものであることが理解され得る。危険なほどの高温を生じさせることなく、ＳＭＲ流３２、３４及び燃焼器流５０を向流方向に流す機能は、リフォーメート入口温度よりも実質的に高いリフォーメート出口温度をもたらし、従って、メタンの水素への転換を最大にすると共に、復熱器３６の必要な有効性を最小にする。

この設計は、燃焼器２５に供給されることとなる追加の天然ガスに対する必要性を回避するので、燃料処理装置２０の制御は、非常に簡易化され得る。ＳＭＲ反応器４２内の温度は、ピーク排気ガス温度が予測される領域における反応器４２の外側スリーブ５８に配置されたセンサ（図示せず）によって供給される温度フィードバックに基づいて、燃焼器空気流１１２を調整することにより制御され得る。蒸発器２９へと供給されている水２６の温度が、予熱器１０４を通る水流の割合を変えることによって調整され得るように、水予熱器１０４の調整可能な水バイパス弁（図示せず）を組み込むことにより、更なる制御が可能である。入口１２２に配置される温度センサからＷＧＳへのフィードバックが、この弁のための制御源として場合によっては使用され得る。

高度の熱的統合は、容積測定的にコンパクトな高圧容器５４をもたらし、従って、高温で作動している容器に必要な壁厚及び該用途に要求される圧力を最小にする。この出願に記載された燃料処理装置２０の一つの好ましい実施形態は、圧力容器５４を有し、圧力容器５４は、直径が６インチ（１５２．４ｍｍ）で、全長がほぼ４０インチ（１０１６mm）であり、７７．５％の水素生産効率（ＰＳＡによって除去される水素のＬＨＶ、リフォーメート中の水素の７５％が天然ガス供給物のＬＨＶによって除去され分割されると想定）で６．２５ｋｇ／ｈｒの天然ガスの改質ができると想定され、結果として、１．８７ｋｇ／ｈｒの水素生産速度をもたらす。

燃料処理ユニット２０の別の実施形態が図７〜１６に示される。この実施形態は、図２〜４の実施形態と、以下の点で異なる。
（ａ）水予熱器１０４は、統合されたユニット２０から外部位置へと移動させられており、また、燃焼器予熱器９４は、これまで水予熱器１０４によって占められていた領域にわたって延びる。
（ｂ）ＰＳＡオフガス入口及びリフォーメート出口が、これらと関連する領域と共に変更されている。
（ｃ）天然ガス予熱器３１のための別個のコイル管１３０が、水蒸発器２９のためのコイル管６２から下流に加えられている。

図３の燃料処理ユニット２０と同様に、ＳＭＲ反応器４２のフィン４６、５０はシリンダ４４のみに鑞付けされ、また燃焼器予熱器９４のフィン９６、９８はシリンダ９２のみに鑞付けされ、シリンダ４４及び９２がこれらの隣り合う端部で溶接されて、高圧容器５４の円筒壁を形成する。更に、図３の燃料処理ユニット２０の実施形態と同様に、円筒バッフルもしくは円筒壁１３２は、コイル６２、１３０の圧力容器５４の頂部６６を越えて延在する部分を通る、燃焼器排気２４のための流路の内側境界を延ばすために使用される。この円筒バッフル１３２は、圧力容器５４の頂部６６に仮付け溶接されるが、コイル６２、１３０又は低圧容器６０とは接触しない。従って、高圧容器５４及び低圧力容器６０は、二箇所のみで機械的に結合される。第１の箇所は、図８から最も良く分かるように、圧力容器５４の底部付近であり、ここで、空気／ＰＳＡオフガス入口構造１３４が、高圧容器５４のための下方ドーム形状ヘッド１０８と、低圧力容器６０のための下方ドーム形状ヘッド１３６との両方に溶接されて、剛性結合を形成する。第２の箇所は、図９から最も良く分かるように、燃料処理ユニット２０の上部付近であり、ここで、コイル６２、１３０は、第１位置１３８において低圧力容器６０に溶接されると共に、供給混合物入口構造体１４２を介して第２位置１４０において圧力容器５４のドーム状頂部ヘッド６６に溶接される。構造体１４２は、供給混合物入口マニホルド１４３を含み、マニホルド１４３は、適切な継手接続によりコイル６２及び１３０それぞれの出口端部１４４及び１４５に接続される。構造体１４２はまた、内部混合構造体１４７を有する下方に延びる混合管１４６を含む（中央計測管１４８も該例示実施形態において示され、該管１４８は、生産ユニットに対して選択的に省かれ得る。）。この第２の接続は、剛性とは程遠く、実質上二つの大きなスプリング（コイル６２、１３０）であるものを通じてなされる。従って、高圧容器５４及び低圧力容器６０は、大部分が軸方向において互いに拘束されず、また、容器６０の外殻５８はより熱くなる傾向にあるが、示差熱膨張は著しい応力を発生させないであろう。

図３の燃料処理ユニット２０の実施形態と同様に、復熱器３６のフィン７０、７２は、復熱器シリンダ５６のみに鑞付けされ、高圧容器５４又は隣り合う内側面には鑞付けされない。図１０に最も良く示すように、高圧容器５４及び復熱器シリンダ５６は、上端部においてのみ機械的に結合され、ここで両者は供給混合物分配リング１５０に溶接される。分配リング１５０は、ドームヘッド８８及びシリンダ５６を高圧容器５４に取り付ける役割を果たす。図１１から最も良く分かるように、供給混合物分配リング１５０は、角度的に間隔がおかれた複数の穴１５２を含み、穴１５２は、蒸気リフォーマー供給物３４が復熱器３６及びＳＭＲ反応器４２を通過することを可能にする。構成要素５４、５６が一端部でのみ結合されるので、これらは、示差熱膨張に応じて独立に自由に動くことができ、従って、示差熱膨張の結果として著しい応力を発生させないであろう。

好ましくは、内側シリンダ８０は、フィン７０、７２又はシリンダ７８と接触せず、むしろ、フランジ付きリング形状バッフル１５４を介して圧力容器５４のシリンダ４４の内部に連結される。該バッフル１５４は、図１２に最も良く示すように、シリンダ４４及び８０の両方に溶接される。内側シリンダ８０及び高圧容器５４は、一箇所で連結されるだけなので、これらは、示差熱膨張に応じて互いから独立に自由に動くことができ、そのため、著しい応力を発生させないであろう。

図３の燃料処理装置２０の実施形態と同様に、ＷＧＳ反応器３８の円筒壁９０は、図１３に最も良く示すように、ＷＧＳシリンダ９０の底端部に溶接された一組の平坦なリング形状バッフル１５６、１５８によって内側シリンダ８０に連結される。該底部に配置されたバッフル１５８もまた、内側シリンダ８０の内側に溶接される。ＷＧＳシリンダ９０と内側シリンダ８０との間の環部は、流れチャネルではないので、該環部は両端部において気密シールを必要としない。上方リング形状バッフル１５６が内側シリンダ８０に対して自由に動くので、シリンダ８０及び９０は、示差熱膨張に応じて互いに対して動くことができ、そのため、著しい応力を発生させないであろう。

図３の燃料処理ユニット２０の実施形態と同様に、燃焼器予熱器領域の中央空間は、図１４に最も良く示すように、円筒囲包体１６０によって占められる。囲包体１６０には、好ましくは、断熱材が充填される。キャストレイテッド（溝付き）ディスク１６２が囲包体１６０の底部に溶接されると共に、圧力容器５４のシリンダ９２の内側に溶接される。図１５に最も良く示すように、角度的に間隔がおかれたノッチ（切欠き）１６４が、リフォーメート流３２の通過を許容するためにディスク１６２の周囲に設けられる。好ましくは、囲包体１６０は、フィン９８に取り付けられない。また、囲包体１６０及び圧力容器１５４は一端部でのみ連結されるので、これらは、示差熱膨張に応じて独立に動くことができ、従って、示差熱膨張の結果、著しい応力を発生させないであろう。

図１６から最も良く分かるように、リフォーメート流３２は、圧力容器５４の下方ヘッド１０８に溶接された小径管１６６を介して燃料処理ユニットを出る。燃焼空気１１２は、大径管１６８を介してユニット２０の底部で入る。大径管１６８は、好ましくは、圧力容器５４と同心である。ＰＳＡオフガス入口構造体１３４は、管１６８と同じ直径の管１７２と、ＰＳＡオフガス入口管１７４と、燃焼器空気流／ＰＳＡオフガス注入器１７６とを含む。注入器１７６は、円周方向に間隔をおいた複数の穴１７８を含み、該穴は、ＰＳＡオフガスを空気流１１２中へと注入する。リフォーメート出口管１６６及びオフガス入口構造体１３４は、二箇所で互いに堅く連結され、示差熱膨張による応力の発生を許容するが、ＰＳＡオフガス流２１とリフォーメート流３２との間に温度差はほとんどない。従って、著しい応力は全く見込まれない。

本発明を使用する燃料処理システムを表すブロック図である。 本発明の一体型蒸気改質器／燃焼器組立体の斜視図である。 本発明の一体型燃料処理ユニットの一実施形態の断面図である。 図３の燃料処理ユニットを通る複数流体流を示す流れ概略図である。 図３の一体型燃料処理ユニットの上方から見た断面斜視図である。 図２の蒸気改質器／燃焼器の一実施形態に対する温度分布を示す温度対流路グラフである。 本発明の一体型燃料処理ユニットの別の実施形態の上方から見た断面斜視図である。 一体型燃料処理ユニットの選択した構成要素を強調する、図７の線８−８で囲まれた部分の拡大断面図である。 一体型燃料処理ユニットの選択した構成要素を強調する、図７の線９−９で囲まれた部分の拡大断面図である。 一体型燃料処理ユニットの選択した構成要素を強調する、図７の線１０−１０で囲まれた部分の拡大断面図である。 図１０の線１１−１１から採った断面図である。 一体型燃料処理ユニットの他の構成要素を強調する、図１０と同様の図である。 一体型燃料処理ユニットの更に他の構成要素を強調する、図１０及び１２と同様の図である。 図７の線１４−１４で囲まれた部分の拡大図である。 図１４の線１５−１５から採った図である。 燃料処理ユニットの他の構成要素を強調する、図８の同様の図である。

符号の説明

２０ 燃料処理装置
２２ 圧力スイング吸着（ＰＳＡ）
２５ 燃焼器
２８ 蒸気改質器
２９ 蒸発器
３１ 燃料予熱器
３２ リフォーメート・ストリーム
３４ 高圧蒸気リフォーマー供給物
３６ 復熱式熱交換器
３８ 水−ガスシフト反応器
４０ 燃焼器供給物
４２ 蒸気改質器及び燃焼器（ＳＭＲ反応器）
４４ 金属シリンダ
４６ 第１回旋状フィン構造体
５０ 第２回旋状フィン構造体
５４ 圧力容器
６０ 低圧容器

Claims (33)

1. 燃料処理システムにおいて使用するための一体型蒸気改質器／燃焼器組立体にして、該燃料処理システムが、該組立体において改質される蒸気／燃料供給混合物と、該組立体において燃焼される燃焼器供給物とを供給する該一体型蒸気改質器／燃焼器組立体であって、
   互いに熱伝達関係にて軸方向に延びる同心環状の第１及び第２通路を形成するハウジングにして、第１通路が、該第１通路内に前記供給混合物を受け入れるために第１端部にて開放し、第１通路が、該第１通路から前記供給混合物を誘導するために反対側端部にて開放し、第２通路が、燃焼器供給物を該第２通路内に向けるために前記反対側端部と隣り合う位置にて開放し、第２通路が、該第２通路から燃焼器供給物を誘導するために前記第１端部と隣り合う位置にて開放する該ハウジングと、
   前記供給混合物を第１通路を通るように誘導するために第１通路に配置される第１回旋状フィンにして、前記供給混合物に望ましい反応を引き起こす触媒がコーティングされる該第１回旋状フィンと、
   燃焼器供給物を第２通路を通るように誘導するために第２通路に配置される第２回旋状フィンにして、燃焼器供給物に望ましい反応を引き起こす触媒がコーティングされる該第２回線状フィンとを備えた一体型蒸気改質器／燃焼器組立体。
2. 前記第１通路は、第２通路から半径方向内側に配置される請求項１の一体型蒸気改質器／燃焼器組立体。
3. 前記第２回旋状フィンは、該第２フィンの下流区域において撹拌面を有し、非撹拌面が該第２フィンの上流区域にある請求項１の一体型蒸気改質器／燃焼器組立体。
4. 前記第１及び第２回旋状フィンの少なくとも一つは、該第１及び第２回旋状フィンの少なくとも一つの軸長にわたって反応を変えるため、該軸長に沿って変更される表面拡張を有する請求項１の一体型蒸気改質器／燃焼器組立体。
5. 前記第１及び第２回旋状フィンは、第２通路から第１通路を分離する壁の両側部に結合される請求項１の一体型蒸気改質器／燃焼器組立体。
6. 前記第１及び第２回旋状フィンは、前記壁に結合されるだけである請求項５の一体型蒸気改質器／燃焼器組立体。
7. 前記第１及び第２通路から半径方向内側の位置において前記ハウジングを通って中心に延びる円筒水−ガスシフト反応器を更に備えた請求項１の一体型蒸気改質器／燃焼器組立体。
8. 燃料処理システムにおいて使用するための一体型蒸気改質器／燃焼器組立体にして、該燃料処理システムが、該組立体において改質される蒸気／燃料供給混合物と、該組立体において燃焼される燃焼器供給物とを供給する該一体型蒸気改質器／燃焼器組立体であって、
   円筒壁と、
   円筒壁の半径方向内向き面に結合される第１回旋状フィンにして、前記供給混合物及び燃焼器供給物の一方に望ましい反応を引き起こす第１触媒がコーティングされる該第１回旋状フィンと、
   円筒壁の半径方向外向き面に結合される第２回旋状フィンにして、前記供給混合物及び燃焼器供給物の他方に望ましい反応を引き起こす第２触媒がコーティングされる該第２回旋状フィンとを備えた一体型蒸気改質器／燃焼器組立体。
9. 前記第１回旋状フィンの回旋は、前記供給混合物及び燃焼器供給物の前記一方を、該組立体を通るように誘導するために軸方向に延び、第２回旋状フィンの回旋は、前記供給混合物及び燃焼器供給物の前記他方を、該組立体を通るように誘導するために軸方向に延びる請求項８の一体型蒸気改質器／燃焼器組立体。
10. 前記第１触媒は前記供給混合物のための触媒であり、第２触媒は燃焼器供給物のための触媒である請求項８の一体型蒸気改質器／燃焼器組立体。
11. 前記第１及び第２回旋状フィンの少なくとも一つは、該第１及び第２回旋状フィンの少なくとも一つの軸長にわたって反応を変えるため、該軸長に沿って変更される表面拡張を有する請求項８の一体型蒸気改質器／燃焼器組立体。
12. 前記第１回旋状フィンから半径方向内側の位置において該組立体を通って中心に延びる円筒水−ガスシフト反応器を更に備えた請求項８の一体型蒸気改質器／燃焼器組立体。
13. 燃料処理システムにおいて使用するための一体型蒸気改質器／燃焼器組立体にして、該燃料処理システムが、該組立体において改質される蒸気／燃料供給混合物と、該組立体において燃焼される燃焼器供給物とを供給する該一体型蒸気改質器／燃焼器組立体であって、
    第１円筒壁と、
    第１円筒から半径方向内側に離隔した第２円筒壁にして、第１及び第２円筒壁間に軸方向に延びる第１環状流路を形成し、軸方向に延びる第２通路が第２円筒壁の半径方向内向き側部によって形成される該第２円筒壁と、
    前記第１通路に配置される第１回旋状フィンにして、第１回旋状フィンの回旋が、前記供給混合物及び燃焼器供給物の一方を該第１通路を通るように誘導するために軸方向に延び、該供給混合物及び燃焼器供給物の一方に望ましい反応を引き起こす第１触媒がコーティングされる該第１回旋状フィンと、
    前記第２通路に配置される第２回旋状フィンにして、第２回旋状フィンの回旋が、前記供給混合物及び燃焼器供給物の他方を該第２通路を通るように誘導するために軸方向に延び、該供給混合物及び燃焼器供給物の他方に望ましい反応を引き起こす第２触媒がコーティングされる該第２回旋状フィンとを備えた一体型蒸気改質器／燃焼器組立体。
14. 前記第１及び第２回旋状フィンは第２円筒壁に結合される請求項１３の一体型蒸気改質器／燃焼器組立体。
15. 前記第１回旋状フィンは第１円筒壁に結合されない請求項１４の一体型蒸気改質器／燃焼器組立体。
16. 前記第１及び第２回旋状フィンは第２円筒壁に鑞付けされ、第１回旋状フィンは第１円筒壁に結合されない請求項１３の一体型蒸気改質器／燃焼器組立体。
17. 前記第１触媒は燃焼器供給物のための触媒であり、第２触媒は前記供給混合物のための触媒である請求項１３の一体型蒸気改質器／燃焼器組立体。
18. 前記第２通路のための環状形状を形成するため、第２円筒壁から半径方向内側に離隔した第３円筒壁を更に備えた請求項１３の一体型蒸気改質器／燃焼器組立体。
19. 前記第１及び第２回旋状フィンは第２円筒壁に結合される請求項１８の一体型蒸気改質器／燃焼器組立体。
20. 前記第２回旋状フィンは第３円筒壁に結合されない請求項１９の一体型蒸気改質器／燃焼器組立体。
21. 前記第１回旋状フィンは第１円筒壁に結合されない請求項２０の一体型蒸気改質器／燃焼器組立体。
22. 前記第１及び第２回旋状フィンは第２円筒壁に鑞付けされ、第２回旋状フィンは第３円筒壁に結合されず、第１回旋状フィンは第１円筒壁に結合されない請求項１８の一体型蒸気改質器／燃焼器組立体。
23. 前記第１及び第２回旋状フィンの少なくとも一つは、該第１及び第２回旋状フィンの少なくとも一つの軸長にわたって反応を変えるため、該軸長に沿って変更される表面拡張を有する請求項１３の一体型蒸気改質器／燃焼器組立体。
24. 前記第２円筒壁から半径方向内側の位置において該組立体を通って中心に延びる円筒水−ガスシフト反応器を更に備えた請求項１３の一体型蒸気改質器／燃焼器組立体。
25. 一体型燃料処理ユニットであって、
    ハウジングと、
    ハウジング内の蒸気／燃料供給混合物サプライと、
    ハウジング内の燃焼器供給物サプライと、
    ハウジング内の蒸気改質器／燃焼器とを備え、該蒸気改質器／燃焼器は、
    互いに熱伝達関係にて軸方向に延びる同心環状の第１及び第２通路にして、第１通路が、供給混合物を該第１通路の一端部にて該第１通路内へと受け入れるために前記供給混合物サプライに接続され、第２通路が、燃焼器供給物を第１通路の反対側端部に隣り合う位置にて受け入れるために燃焼器供給物サプライに接続される該第１及び第２通路と、
    前記供給混合物を第１通路を通るように誘導するために第１通路に配置される第１回旋状フィンにして、前記供給混合物に望ましい反応を引き起こす触媒がコーティングされる該第１回旋状フィンと、
    燃焼器供給物を第２通路に誘導するために第２通路に配置される第２回旋状フィンにして、燃焼器供給物に望ましい反応を引き起こす触媒がコーティングされる該第２回旋状フィンとを備える一体型燃料処理ユニット。
26. 前記第１通路は、第２通路から半径方向内側に配置される請求項２５の一体型燃料処理ユニット。
27. 前記第２回旋状フィンは、該第２フィンの下流区域において撹拌面を有し、非撹拌面が第２フィンの上流区域にある請求項２５の一体型燃料処理ユニット。
28. 前記第１及び第２回旋状フィンの少なくとも一つは、該第１及び第２回旋状フィンの少なくとも一つの軸長にわたって反応を変えるため、該軸長に沿って変更される表面拡張を有する請求項２５の一体型燃料処理ユニット。
29. 前記第１及び第２回旋状フィンは、第２通路から第１通路を分離する壁の両側部に結合される請求項２５の一体型燃料処理ユニット。
30. 前記第１及び第２回旋状フィンは、前記壁に結合されるだけである請求項２９の一体型燃料処理ユニット。
31. 前記第１及び第２通路から半径方向内側の位置において前記ハウジングを通って中心に延びる円筒水−ガスシフト反応器を更に備えた請求項２５の一体型燃料処理ユニット。
32. 燃焼器予熱器を更に備え、該燃焼器予熱器は、
    互いに熱伝達関係にて軸方向に延びる同心環状の第３及び第４通路を形成するハウジングにして、第３通路が、第２通路内に燃焼器供給物を誘導するために第２通路に直接接続されて第２通路と整列され、第４通路が、水−ガスシフト反応器からリフォーメート流を受け入れるために水−ガスシフト反応器に接続される該ハウジングを備える請求項３１の一体型燃料処理ユニット。
33. 前記ハウジング内に復熱式熱交換器を更に備え、該復熱式熱交換器は、
    互いに熱伝達関係にて軸方向に延びる同心環状の第３及び第４通路を備え、
    第３通路は、第１通路内に前記供給混合物を誘導するために第１通路に直接接続されて第１通路と整列され、
    第４通路は、第３通路から半径方向内側に配置され、かつ、前記供給混合物が第１通路において改質された後、第１通路から該供給混合物を受け入れるため、
    第１通路に接続される請求項２６の一体型燃料処理ユニット。

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