JP2009090286A - 能動的マイクロチャンネル熱交換器 - Google Patents

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Abstract

【課題】化学プロセスに用いるための小型で、軽量の、効果的な能動的マイクロチャンネル熱交換器を提供する。
【解決手段】各々が発熱反応室（１００）、排気室（１０８）、及び熱交換室（１１４）を含みマイクロチャンネルを有する複数のアセンブリを含んでなる能動的マイクロチャンネル熱交換器において、複数のアセンブリの少なくとも１つを、残りのアセンブリの操業を維持しながら、浄化又は再生のためにラインから外すことを可能にする、複数のバルブ（５０８）を含むことを特徴とする。
【選択図】図５ｂ

Description

本発明は一般に能動的マイクロチャンネル熱交換器に関する。本明細書で用いるかぎり、“能動的(active)”なる用語は、熱の供給源として発熱反応室が存在することを意味する。さらに、本明細書で用いるかぎり、“マイクロチャンネル”なる用語は１０ｍｍの最大深さと、１ｍｍの最大幅と、任意の長さを有する溝である。
プロセス加熱は電力発生から食品缶詰までの多くの産業において必要である。加熱はしばしば補助的であるので、廃熱の回収はしばしば有益かつ経済的である。しかし、廃熱は回収して，用いるのが困難であるほどしばしば低温である。
燃料電池は、自動車輸送機関のための内燃機関の有望な代替手段として、多年にわたって研究されている。燃料電池の実際の限界の１つは、燃料電池に水素を供給することの必要性である。水素を貯蔵する必要性を回避するために、液体炭化水素燃料を船上で加工して、水素を製造することが提案されている。液体炭化水素燃料から、リホーミングによって及び／又は部分的酸化によって水素が得られる。これらの両方が気相反応であるので、液体燃料を水素に転化させる前に液体燃料を気化させることが必要である。燃料電池は、燃焼しなかった水素を包含する排気を有するので、排気は燃料を気化させるための熱を提供する機会を与える。ある一定の燃料電池システムでは、スチームリホーミング及び／又は水移動反応のためにスチームが必要になる可能性がある。
したがって、小型で、軽量の、効果的な能動的マイクロチャンネル熱交換器が、特に燃料電池電力システムのために、燃料気化器として及び／又はスチーム発生器として必要である。
さらに、化学プロセスでは、多くの反応が吸熱反応であり、吸熱反応を維持するための熱源を必要とする。また、化学プロセスでは、発熱反応が発熱反応（単数又は複数）を開始するための初期加熱をしばしば必要とする。したがって、特に化学プロセスに用いるための小型で、軽量の、効果的な能動的マイクロチャンネル熱交換器の必要性が存在する。
本発明は、能動的熱源を有し、マイクロチャンネル構造を有する能動的マイクロチャンネル熱交換器である。この能動的マイクロチャンネル熱交換器は、
（ａ）発熱性反応物流路と排気流路とを画定し、少なくとも１つの入口と排気出口とによって貫通された第１シェルと；
（ｂ）前記排気出口に接続した排気流路を画定する密閉壁を有し、排気室の出口によって貫通された第２シェルを有する排気室であって、排気が流れるマイクロチャンネルを有する前記排気室と；
（ｃ）排気室と熱接触する熱交換室であって、作動流体の流路を画定する第３シェルを有し、作動流体が流れる作動流体入口と作動流体出口とによって貫通された第３外表面を有する前記熱交換室と
を有し、
（ｄ）発熱反応室からの熱が、排気室を通しての発熱反応の排気と、熱交換室における密閉壁から作動流体への伝導とによって対流されることによって、作動流体の温度を上昇させる。
本発明は燃料電池電力システム用の燃料気化器及び／又はスチーム発生器として、及び吸熱反応を持続させ、発熱反応を開始させるための熱源として特に有用である。
作動流体を加熱するための能動的マイクロチャンネル熱交換器を提供することが、本発明の目的である。
作動流体気化器を提供することが、本発明の目的である。
燃料電池電力システム用のスチーム発生器を提供することが、本発明のさらなる目的である。
メタン化装置(methanizer)を提供することが、本発明の他の目的である。
化学プロセス反応熱源を提供することが、本発明のさらに他の目的である。
本発明の課題は本明細書の結論部分において特に指摘し、明確に特許請求する。しかし、作用機構と方法の両方は、それらのさらなる利益及び目的と共に、添付図面に関連して以下の説明を参照することによって最も良く理解されると考えられる、添付図面において同様な参照数字は同様な要素を意味する。
本発明によると、熱を受容しうる作動流体は気体でも液体でも良い。さらに、液体は相変化を受ける。さらになお、液体又は気体は化学変化を受けることができる。気化させるべき好ましい液体は、非限定的に、液体燃料と水を包含する。液体燃料は非限定的にアルコール（ＣＨ3ＯＨメタノール、Ｃ2Ｈ5ＯＨエタノール）、ガソリン、ディーゼル、及びこれらの組み合わせを包含する。化学的に転化させるべき好ましい流体は、非限定的に、二酸化炭素、一酸化炭素及び水素を包含する。
図１ａ、１ｂ、２ａ及び２ｂに関して、能動的マイクロチャンネル熱交換器は、
（ａ）発熱性反応物流路と排気流路とを画定し、少なくとも１つの入口１０４と排気出口１０６とによって貫通された第１シェル１０２を有する発熱反応室１００と；
（ｂ）前記排気出口１０６に接続した排気流路を画定する密閉壁１１１を有し、排気室出口１１２によって貫通された第２シェル１１０を有する排気室１０８であって、排気が流れるマイクロチャンネルをさらに有する前記排気室１０８と；
（ｃ）排気室と熱接触する熱交換室１１４であって、作動流体の流路を画定する第３シェル１１６を有し、作動流体が流れる作動流体入口１２０と作動流体出口１２２とによって貫通された第３外表面１１８を有する前記熱交換室１１４と
を有し、
（ｄ）発熱反応室１００からの熱が排気室１０８を通る発熱反応の排気と、熱交換室１１４における密閉壁１１１から作動流体への伝導とによって対流されることによって、作動流体の温度を上昇させる。
熱交換室１１４を通る作動流体によって、能動的マイクロチャンネル熱交換器は図１ａに示すようなメタン化装置として（Ｓｅｂａｔｉｅｒプロセス）若しくは他の化学プロセスとして、又は熱交換室１１４を通過する燃料によって燃料気化器として、又は図１ｂにおけるように熱交換器１１４を通過する水によってスチーム発生器として機能しうる。熱交換器を改良するために、熱交換室がマイクロチャンネルを含有することが好ましい。
図１ａにおける能動的マイクロチャンネル熱交換器は、作動流体が発熱性反応物でもあり、作動流体出口１２２が熱交換室１１４と発熱反応室１００との間の流体連絡接続部である単路能動的マイクロチャンネル熱交換器である。図１ｂにおける能動的マイクロチャンネル熱交換器は、作動流体が発熱性反応物から分離している複路能動的マイクロチャンネル熱交換器である。入口と出口とは図示するように頂部と底部とを貫通しうるか、又はアセンブリのために必要に応じて側面を貫通することができる。発熱反応室１００と排気室１０８及び排気室１１８とが第１シェルと第２シェルとを一緒にした単一シェル内に形成されている、発熱反応室１００と排気室１０８との代替配置を図２ａと２ｂに示す。図２ａと２ｂでは、発熱反応室１００はキャビティであるが、排気室１０８はマイクロチャンネル端２００から始まるマイクロチャンネルを有する。
さらに図２には、第３シェル１１６によって画定される熱交換室１１４を示す。熱交換室１１４が上述したようにマイクロチャンネルを有することが好ましい。第２マイクロチャンネル端２０２は熱交換室１１４内でマイクロチャンネル末端を画定する。
発熱反応室１００からの熱除去が制御されることが、本発明にとって重要である。過度な熱除去は発熱反応をクエンチする。したがって、単純な作動流体加熱又は気化のためには、発熱反応が断熱的又はほぼ断熱的であることが好ましい。メタン化を含めた化学反応のためには、発熱反応が等温的又はほぼ等温的であることが好ましい。
図１ａでは、排気室１０８が発熱反応室１００と熱交換室１１４との間に配置される。或いは（図示せず）、熱交換室１１４を発熱反応室１００と排気室１０８との間に配置することもできる。図２ａでは、第２マイクロチャンネル端２０２にマイクロチャンネル末端があることによって、発熱反応室１００を断熱的に維持することができる。
本発明による発熱反応室１００に有用な発熱反応は、非限定的に、燃焼とメタン化を包含する。
吸熱反応又は発熱反応の開始のためには、第３シェル１１６が熱交換室境界であり、熱交換室１１４が今やプロセス反応室１１４であるように、熱交換室１１４がマイクロチャンネルを有さないことが好ましい。プロセス発熱反応がプロセス反応室１１４内でひと度開始したことを認知したならば、発熱反応室１００から供給される熱はもはや必要なくなる。さらに、プロセス発熱反応から熱を除去することが必要であると考えられる。或いは、プロセス反応は入熱を必要とする吸熱性であると考えられる。プロセス反応熱移動が“緩和”である場合には、発熱反応室１００と排気室１０８とを通過する不活性ガスを用いることによって、充分な熱移動を生じることが可能であると考えられる。任意の付加的物質、例えば、発熱反応室１００内に存在しうる触媒物質の如何なる劣化をも回避するために、不活性ガスの使用が好ましい。図２ｃに示すように、第２熱交換室入口２１２と出口２１４とを備えた第２熱交換室２１０を加えることが必要になる可能性がある。出口１２２は、さらなる加工のための第２反応室（図示せず）への供給口になりうる。
単路システム、例えばメタン化装置では、反応熱力学が第２反応室（恐らく、冷却装置）を要求する。図２ｄは、図示するように外部的に排気出口１１２に、又は内部的に第２反応室入口２３２に、それ故、第２反応室出口２３４に接続することができる第２反応室２３０を有する単路システムを示す。メタン化装置では、第２反応室２３０は、メタン化反応の完成方向の反応動力学により有利な、低温において操作される。温度制御又は熱交換のために第２熱交換室２２０を用いることができる。
多孔質物質の配置が有利である用途では、図３ａと３ｂに示すように、多孔質物質３００を発熱反応室１００に配置することができる。孔は任意のサイズであることができ、燃焼のための火炎の回避に孔度を有利に用いることができる用途では、孔が燃焼燃料気相分子の平均自由行程よりも小さいサイズであることがこのましい。６００Ｋにおいては、典型的な気体分子の平均自由行程は約１０μｍである。好ましい実施態様では、孔度分布は約０．００１〜１０μｍであり、特定の孔度分布は最適輸送、単位体積当りの表面積、及び反応速度に基づいて決定される。多孔質物質はセラミック、例えばアルミナ、ジルコニア、チタニア、シリカ、及び酸化マグネシウム並びに多孔質金属から成る群から選択され、触媒被膜によって補助されることができる。多孔質金属及び／又は構造壁用金属は、アルミニウム、ステンレス鋼、銅、ニッケル及びニッケル基合金から選択することができる。多孔質物質が発熱反応のために非触媒性である場合には、多孔質物質はパラジウム、金、銀、白金、ルテニウム、ロジウム、レニウム、インジウム、ニッケル、スズ、銅、ジルコニウム、及びこれらの組み合わせから成る群から選択することができる。多孔質物質はそれ自体触媒物質から製造されることができ、さらなる触媒を必要としないことも可能である。触媒は被膜の形状であることができる。気相分子の平均自由行程より小さい孔度を有することによって、燃焼の火炎は生じない。
本発明の複路実施態様は、燃焼燃料と組み合わせると、好ましくは、例えば燃料電池４０２のアノード排出流４００（図４）から又は石油化学処理流からのような、排出流中の希薄な水素と組み合わせると特に有用である。希薄流中の水素量は約３モル％から約１２モル％まで、最も頻繁には約６モル％から約８モル％まで変化する。希薄な水素を本発明の燃料気化器４０４中に入口１０４から導入する。非限定的に酸素を含めた酸化剤を希薄水素と共に含めることができる、又は酸化剤入口（図示せず）から導入することができる。気化した燃料は直接燃料電池に戻されることができ、燃料電池４０２が炭化水素操作される場合にはリターンライン４０６を介して、又は燃料電池４０２が水素操作される場合には燃料リホーマー４１０から改質リターンライン４０８を介して戻されることができる。燃料リホーマー４１０は部分酸化反応器、水性ガス転化反応器(water gas shift reactor)、選択的酸化反応器(preferential oxidation reactor)及びこれらの組み合わせを含有することができる。
本発明の単路実施態様は、二酸化炭素と水素とをメタンと水とに転化させるＳｅｂａｔｉｅｒプロセス（メタン化装置）において特に有用である。
全ての実施態様において、全体の能動的マイクロチャンネル熱交換器がコンパクトであることが好ましい。外部室アスペクト比は第１頂部３０２（図３ａ、３ｂ）及び／又は第１底部３０４の特徴的寸法（長さ、幅、対角線または直径）の、第１側面３０６の特徴的寸法（第１頂部３０２から第1底部３０４までの距離）に対する比率として定義されることができ、約２より大きく、好ましくは約５より大きい。外部室の高いアスペクト比が約８〜約４０であることが好ましい。
さらに、図３ａ、３ｂに示すように、第２シェル１１０は好ましくは高いアスペクト比を有する長方形であり、第１底部３０４と同じであるか又は第１底部３０４とは別であるが、第１底部３０４の実質的な部分と接触する第２頂部を有する。第２シェル１１８はさらに、大きい表面積の第２底部（密閉壁）１１１と小さい表面積の第２側面３０８とを有し、排気出口１１２によって貫通される。好ましい実施態様では、排気から密閉壁１１１中への熱移動を改良するために、第２底部１１１は長軸方向の溝又はマイクロチャンネル（図示せず）を有する。長軸方向の溝が、第２底部１１１から第１底部３０４（第２頂部でもある）までに達するマイクロチャンネル壁によって画定されることが最も好ましい。
最後に、図３ａ、３ｂでは、第３シェル１１６は第３頂部（第２底部又は密閉壁）１１１と、大きい表面積の第３底部３１０と、小さい表面積の第３側面とによって画定される高いアスペクト比を有する長方形であり、さらに第２マイクロチャンネル壁を有する。この場合にも、第２マイクロチャンネルが第３頂部１１１から第３底部３１０まで達する第２マイクロチャンネル壁によって画定される。図示し、説明した全ての実施態様（図１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂ）において、排気室１０８においては、マイクロチャンネルが、熱交換室１１４内のマイクロチャンネルと同様に、第１底部３０４から第３頂部１１１まで達するマイクロチャンネル壁によって画定されることが好ましい。
より大きいユニットに規模を拡大するためには、使用済み触媒及び／又は汚染されたマイクロチャンネルが装置全体を操業不能にすることなく再生されうるように、過度な容量を有することが好ましい。図５は過度な容量を有する能動的マイクロチャンネル熱交換器の好ましい実施態様である。発熱反応プレート５００は複数個の発熱反応室１００を有する。熱交換プレート５０２は図示するように上側に複数個の排気室１０８を有し、下側には（図示せず）排気室１０８の真下に複数個の熱交換室１１４を有する。
発熱反応プレート５００に熱交換プレートを簡単に組み合わせると、単一熱交換室に比べて大きい容量が得られるが、これはプロセス全体を操業不能にせずには再生を可能にしない。
したがって、単一発熱反応室１００／排気室１０８／熱交換室１１４アセンブリ／ユニットをラインから、残りのアセンブリ／ユニットが操業を続けながら、取り出すことを可能にする、バルブ５０８と関連マニホルドとを有する制御板５０６が加えられる。バルブはマイクロバルブであることができる。
詳しくは、燃料気化器がオフラインであるときに、発熱反応室１００中の多孔質物質３００をアノード排出流（希薄な水素）によって再生して、熱交換室１１４からの有機バーンアウトから生じる熱によって酸化物表面層を減ずる。熱交換プレート５０２の熱交換室１１４側は、酸素供給流を用いて、蓄積された有機物をバーンアウトしてから、作動流体に、気化せずに、無機残渣を再溶媒和させることによって浄化又は再生することができる。
能動的マイクロチャンネル熱交換器を図３ａの実施態様に従って構成した。排気室１０８は４３０μｍの幅と２０００μｍの深さとを有した。熱交換室１１４は４３０μｍの幅と１５０μｍの深さとを有するマイクロチャンネルを含有した。マイクロチャンネル間のマイクロチャンネル壁は４３０μｍの幅を有した。排気室１０８と熱交換室１１４とは２ｃｍの総合長さと２ｃｍの総合幅とを有した。
約８モル％の希薄な水素を燃料組成物として空気と混合して、化学量論的酸素（２：１）を含む６．７モル％の濃度における希薄な水素の燃料組成物の流速度約８９．３リットル／分を生じた。これは４５５ｍｌ／分の流速度の水を２２℃から６６℃に加熱するために充分であった。
システム効率は９７％であった。
実施例１で用いた能動的マイクロチャンネル熱交換器を用いて、液体水を気化させた。
化学量論的酸素（２：１）を有する、６．７モル％の濃度における希薄な水素の燃料組成物の流速度は９５．３リットル／分であった。これは１７．５ｍｌ／分を気化させるために充分であった。
システム効率は７３％であった。
燃料電池電力システムを支持するための気化器を図３ａの実施態様に従って構成した。排気室１０８と熱交換室１１４とは、２５４μｍの幅と４５７２μｍの深さとを有するマイクロチャンネルを含有した。マイクロチャンネル間のマイクロチャンネル壁は３０５μｍの幅を有した。排気室１０８と熱交換室１１４とは２ｃｍの総合長さと５ｃｍの総合幅とを有した。気化器の全体容積は６１ｃｍ3であった。
化学量論的酸素（２：１）を含む、６．７モル％の濃度における希薄な水素の燃料組成物の流速度は約１３０リットル／分であった。これは７０ｍｌ／分のメタノールを気化させるために充分であった。
システム効率は約８５％であった。
終わりに
本発明の好ましい実施態様を図示し、説明してきたが、多くの変化及び改変が本発明から逸脱せずにその広範囲な態様においてなされうることは、当業者に明らかであろう。それ故、添付請求の範囲は、このような変化及び改変を本発明の実際の要旨及び範囲に入るものとして包含するように意図される。
発熱反応室と作動流体室との間に排気室を備えた単路能動的マイクロチャンネル熱交換器の断面図である。 発熱反応室と作動流体室との間に排気室を備えた複路能動的マイクロチャンネル熱交換器の断面図である。 熱交換室と熱接触する排気室を有する単路能動的マイクロチャンネル熱交換器の断面図である。 熱交換室と熱接触する排気室を有する複路能動的マイクロチャンネル熱交換器の断面図である。 室１１４が第２熱交換室２２０と熱接触する第２反応室である複路能動的マイクロチャンネル熱交換器の断面図である。 第１及び第２反応室と第１及び第２熱交換室とを有する能動的マイクロチャンネル熱交換器の断面図である。 発熱反応室内に多孔質物質を有すること以外は、図１ｂと同様である。 発熱反応室内に多孔質物質を有すること以外は、図２ｂと同様である。 能動的マイクロチャンネル燃料気化器に接続した燃料電池電力システムのブロック線図である。 一定比率で拡大した能動的マイクロチャンネル熱交換器の分解組立て図である。 制御板を有する能動的マイクロチャンネル熱交換器である。

Claims (16)

  1. 能動的マイクロチャンネル熱交換器であって、マイクロチャンネルを有する複数のアセンブリを含んでなり、前記複数のアセンブリの各々は：
    （ａ）発熱反応室（１００）、
    （ｂ）排気室（１０８）、及び
    （ｃ）熱交換室（１１４）
    を含み、
    そして、前記複数のアセンブリの少なくとも１つを、残りのアセンブリ又はユニットの操業を維持しながら、浄化又は再生のためにラインから外すことを可能にする、複数のバルブ（５０８）、
    を含む、能動的マイクロチャンネル熱交換器。
  2. 該バルブ（５０８）がマイクロバルブである、請求項１に記載の能動的マイクロチャンネル熱交換器。
  3. 該発熱反応室が発熱反応プレート（５００）に配置され、該排気室が熱交換プレート（５０２）の一方の側に配置され、そして該熱交換室が該熱交換プレート（５０２）のもう一方の側に配置される、請求項１又は２に記載の能動的マイクロチャンネル熱交換器。
  4. 該バルブが制御プレート（５０６）に配置される、請求項１〜３のいずれかに記載の能動的マイクロチャンネル熱交換器。
  5. 該発熱反応室がマイクロチャンネルを有する、請求項１〜４のいずれかに記載の能動的マイクロチャンネル熱交換器。
  6. 該発熱反応室が多孔質物質を有する、請求項１〜５のいずれかに記載の能動的マイクロチャンネル熱交換器。
  7. 該発熱反応室が触媒を有する、請求項１〜６のいずれかに記載の能動的マイクロチャンネル熱交換器。
  8. 該熱交換室がマイクロチャンネルを有する、請求項１〜７のいずれかに記載の能動的マイクロチャンネル熱交換器。
  9. 該排気室がマイクロチャンネルを有する、請求項１〜８のいずれかに記載の能動的マイクロチャンネル熱交換器。
  10. 前記複数のアセンブリにおいて発熱反応プレートが該発熱反応室（１００）を有し、そして
    前記複数のアセンブリにおいて熱交換プレートが該排気室を有する、
    請求項１〜９のいずれかに記載の能動的マイクロチャンネル熱交換器。
  11. 作動流体が中を流れるマイクロチャンネルを有する複数のアセンブリを含んでなり、前記複数のアセンブリの各々が：
    （ａ）発熱反応室（１００）、
    （ｂ）排気室（１０８）、及び
    （ｃ）熱交換室（１１４）
    を含む、能動的マイクロチャンネル熱交換器を作動させる方法であって、
    前記複数のアセンブリの少なくとも１つを、浄化又は再生できるように、残りのアセンブリの操業を維持しながらラインから外すことを含む、方法。
  12. 該発熱反応室がマイクロチャンネルを有する、請求項１１に記載の方法。
  13. 該熱交換室がマイクロチャンネルを有する、請求項１１又は１２に記載の方法。
  14. 該排気室がマイクロチャンネルを有する、請求項１１〜１３のいずれかに記載の方法。
  15. 該発熱反応室が発熱反応プレート（５００）に配置され、該排気室が熱交換プレート（５０２）の一方の側に配置され、そして該熱交換室が該熱交換プレート（５０２）のもう一方の側に配置される、請求１１〜１４のいずれかに記載の方法。
  16. 該熱交換室が触媒を有する、請求項１１〜１５のいずれかに記載の方法。
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