JP4588320B2 - ヒート・パイプ冷却を用いる燃料プロセッサ - Google Patents

Description

米国仮出願第６０／３１１，４５９号（２００１年８月１１日出願）の優先権が主張され、これの内容は本明細書に援用される。

燃料電池は、化学的酸化−還元反応から電気を発生させ、清浄性及び効率性の見地から、他の形式の電力発生を凌駕する顕著な利点を有する。典型的には、燃料電池は、燃料としての水素と、酸化剤としての酸素とを用いる。電力発生は、反応物質の消費率に比例する。

燃料電池のさらに広範囲な使用を妨げる顕著な欠点は、広く行き渡った水素構造基盤（ｉｎｆｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）の欠如である。水素は、比較的低い体積エネルギー密度を有し、大抵の電力発生システムに現在用いられている炭化水素燃料よりも、貯蔵及び輸送が困難である。この困難性を克服するための１つの方法は、炭化水素を、燃料電池のためのフィード（ｆｅｅｄ）として用いることができる水素富化ガス流に転化させるリホーマーの使用である。

例えば天然ガス、ＬＰＧ、ガソリン及びディーゼルのような、炭化水素に基づく燃料は、大抵の燃料電池のための燃料源として用いられるために、転化方法を必要とする。現在の技術は、初期の転化方法を幾つかの浄化方法と組み合わせた多工程方法を用いている。初期方法は最も頻繁には水蒸気リホーミング（ＳＭＲ）、オートサーマル・リホーミング（ＡＴＲ）、接触部分酸化（ＣＰＯＸ）又は非接触部分酸化（ＰＯＸ）である。浄化方法は通常、脱硫、高温水性ガスシフト（ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｗａｔｅｒ−ｇａｓ ｓｈｉｆｔ）、低温水性ガスシフト（ｌｏｗ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｗａｔｅｒ−ｇａｓ ｓｈｉｆｔ）、選択的ＣＯ酸化、又は選択的ＣＯメタン化の組み合わせから構成される。代替方法は、水素選択的膜反応器及びフィルターを包含する。

上記研究にも拘わらず、炭化水素燃料を、燃料電池に関連して用いる水素富化ガス流に転化させるための簡単なユニットの必要性が依然として存在する。

本発明は、一般に、炭化水素燃料を水素富化ガスに転化させる装置であって、協力関係で水素富化ガスを生成する、炭化水素リホーミング反応器；水性ガスシフト反応器（ｗａｔｅｒ ｇａｓ ｓｈｉｆｔ ｒｅａｃｔｏｒ）；及び選択的酸化反応器を含み、該反応器床の温度がヒート・パイプの使用によって調節される装置に関する。

このような具体的実施態様の１つでは、炭化水素リホーミング反応器は、燃料混合物をリホーミング条件下で反応させて、水素含有ガス混合物を得るための触媒を包含する。該触媒は、オートサーマル改質触媒、水蒸気リホーミング触媒又はこれらの組み合わせのいずれかでありうる。水性ガスシフト反応器は、該水素含有ガス混合物を水性ガスシフト反応条件下で反応させて、中間水素含有ガス混合物を、実質的に減少した一酸化炭素内容物と共に得るための触媒を包含する。選択的酸化反応器は、該中間水素含有ガス混合物を選択的酸化反応条件下で反応させて、水素富化ガスを得るための触媒を包含する。１つの具体的実施態様では、ヒート・パイプを用いて、選択的酸化反応器内で発生した熱を伝えて、炭化水素燃料を予熱して、高温炭化水素燃料にする、この場合、該高温炭化水素燃料は、炭化水素リホーミング反応器のための炭化水素燃料フィードになる。リホーミング反応ヒート・パイプのための熱源は、好ましくは、燃料電池のためのアノード・テール・ガス酸化装置（ａｎｏｄｅ ｔａｉｌ ｇａｓ ｏｘｉｄｉｚｅｒ）でありうる。本発明で用いるヒート・パイプの設計及び選択は、単純なヒート・パイプ、可変伝導性ヒート・パイプ又は自己調節性可変伝導性ヒート・パイプ、又はこれらの組み合わせを包含しうる。

（具体的な実施態様の説明）
本発明は、一般に、炭化水素燃料を水素富化ガスに転化させるための装置であって、種々な反応段階の温度がヒート・パイプの使用によって調節される該装置に関する。好ましい態様では、本明細書に記載する装置及び方法は、燃料電池に用いるための炭化水素燃料から水素富化ガス流を得るための該コンパクト・プロセッサであって、反応温度及び熱統合（ｈｅａｔ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）がヒート・パイプの使用によって達成される該コンパクト・プロセッサに関する。しかし、本明細書に記載する装置及び方法のために、水素富化流が望ましい任意の使用を含めて、他の可能な使用が考えられる。したがって、本明細書では、本発明を、燃料電池に関連して用いられるものとして記載するが、本発明の範囲は、このような使用に限定されない。

反応器フィード（ｒｅａｃｔｏｒ ｆｅｅｄ）は、炭化水素、酸素及び水を包含する。酸素は、空気、補強空気（ｅｎｒｉｃｈｅｄ ａｉｒ）又は実質的に純粋な酸素の形態でありうる。水は、液体又は蒸気として導入することができる。フィード成分の組成％は、以下で考察するように、所望の操作条件によって決定される。

炭化水素燃料は、それが気化されうる限り、周囲条件において液体でも、また気体でもよい。本明細書で用いる“炭化水素”なる用語は、部分的酸化又は水蒸気リホーミング反応から水素を生成することができる、Ｃ−Ｈ結合を有する有機化合物を包含する。該化合物の分子構造内に炭素及び水素以外の原子の存在が、排除される訳ではない。したがって、本明細書に開示する方法及び装置に用いるために適した燃料は、（非限定的に）、天然ガス、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ナフサ、ガソリン、及びディーゼル燃料のような燃料のみではなく、例えば、メタノール、エタノール、プロパノール等のようなアルコールをも包含する。

本発明の燃料プロセッサを出る流出流は、合成ガス（水素及び一酸化炭素）を包含し、若干の水、二酸化炭素、未転化炭化水素、不純物（例えば、硫化水素）及び不活性成分（特に、空気がフィード流の成分である場合には、例えば、窒素及びアルゴン）をも包含する可能性がある。

本明細書に開示する反応器及び構造は、本明細書に開示する反応の操作条件及び化学的環境に耐えることができる任意の物質から製造することができ、例えば、ステンレス鋼、インコネル（Ｉｎｃｏｎｅｌ）、インコロイ（Ｉｎｃｏｌｏｙ）、ハステロイ（Ｈａｓｔｅｌｌｏｙ）等を包含しうる。反応圧力は、約０〜約１００ｐｓｉｇが好ましいが、これより高い圧力を用いることもできる。反応器の操作圧力は、燃料電池によって要求される出口圧力（ｄｅｌｉｖｅｒｙ ｐｒｅｓｓｕｒｅ）に依存する。１〜２０ｋＷ範囲で作動する燃料電池に関して、０〜約１００ｐｓｉｇの操作圧力が一般に充分である。

一般に、本発明の例示的実施態様の各々は、下記工程の１つ以上を包含する。図１は、本発明の例示的実施態様に包含される工程を説明する、一般的な工程流れ図を示す。当業者は、本明細書に開示した反応器を通る反応物質の流動に、進行的オーダー（ｐｒｏｇｒｅｓｓｉｖｅ ｏｒｄｅｒ）のある一定量が必要であることを認識する筈である。

工程Ａは、２種類の異なる反応が行なわれうるリホーミング工程である。式Ｉ及びＩＩは、メタンが炭化水素として考えられる、模範的な反応式である：

部分的酸化反応（式Ｉ）は、加えた酸素の完全な転化まで非常に迅速に行なわれ、発熱性である（即ち、熱を発生する）。フィード流中の高濃度の酸素は、部分的酸化反応に有利に作用する。

水蒸気リホーミング反応（式ＩＩ）は、緩慢に行なわれ、吸熱性である（即ち、熱を消耗する）。高濃度の水蒸気は、水蒸気リホーミングに有利に作用する。

当業者は、部分的酸化と水蒸気リホーミングとを組み合わせて、フィード流Ｆを、水素及び一酸化炭素を含有する合成ガスに転化させることができることを理解し、認識する筈である。このような場合に、酸素対炭化水素の比率及び水対炭化水素の比率が、特徴的なパラメータになる。これらの比率は、操作温度及び水素収率に影響を及ぼす。

リホーミング工程の操作温度は、フィード条件及び触媒に依存して、約５５０℃〜約９００℃の範囲でありうる。本発明は、ペレット、球、押出物、モノリス（ｍｏｎｏｌｉｔｈ）等、又は本明細書に記載するような、フィン若しくはヒート・パイプの表面を覆った薄い塗膜（ｗａｓｈ）を含めた任意の形態でありうる触媒床を用いる。

部分的酸化触媒は、当業者に周知である筈であり、しばしば、モノリス、押出物、ペレット又は他の担体上のアルミナ・ウォッシュコート（ｗａｓｈｃｏａｔ）上の例えば白金、パラジウム、ロジウム及び（又は）ルテニウムのような貴金属から構成される。例えばニッケル又はコバルトのような非貴金属も用いられている。例えばチタニア、ジルコニア、シリカ及びマグネシアのような、他のウォッシュコートが、文献に挙げられている。例えばランタン、セリウム及びカリウムのような、多くの他の物質が、部分的酸化触媒の性能を改良する“促進剤”（助触媒，プロモータ；ｐｒｏｍｏｔｅｒ）として、文献に挙げられている。

水蒸気リホーミング触媒は、当業者に知られている筈であり、この触媒は、コバルト又は例えば白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム及び（又は）イリジウムのような貴金属の量と共にニッケルを包含することができる。該触媒は、例えば、単独の又は組み合わせた、マグネシア、アルミナ、シリカ、ジルコニア、又はアルミン酸マグネシウム上に担持されることができる。或いは、水蒸気リホーミング触媒は、好ましくは、単独の又は組み合わせた、マグネシア、アルミナ、シリカ、ジルコニア、又はアルミン酸マグネシウム上に担持されたニッケルを包含することができ、例えばカリウムのようなアルカリ金属によってプロモートされることができる。

工程Ａが主としてオートサーマル・リホーミング工程である場合には、工程Ｂは、工程Ａからの合成ガス流を約６００℃から約２００℃、好ましくは約５００℃から約３００℃に、より好ましくは約４２５℃から約３７５℃の温度に冷却して、次の工程のために合成ガス流出物の温度を最適化するための冷却工程である。この冷却は、設計仕様及び、ガス流の熱容量を回収／リサイクルする必要性に依存して、ヒート・シンク、ヒート・パイプ又は熱交換器によって達成することができる。１つの例示的実施態様では、ヒート・パイプの凝縮端部（ｃｏｎｄｅｎｓｉｎｇ ｅｎｄ）は、フィード流が反応器に流入するときにヒート・シンクとしてフィード流を用いて、それによって、フィード流を予熱し、反応生成物ガスを冷却する。該ヒート・パイプは、以下でさらに詳細に考察するように、当業者に知られた、任意の適当な構造であることができる。代替的に、又はこれに加えて、冷却工程Ｂを、例えば燃料、空気又は水のような、追加のフィード成分を注入することによって、達成することができる。水は気化して、水蒸気になるときに多量の熱を吸収することができるので、水が好ましい。添加する成分の量は、必要な冷却度に依存して、当業者によって容易に決定される。

工程Ａが主として水蒸気リホーミング工程である場合には、該水蒸気リホーミング工程が吸熱性質であるために、工程Ｂは任意である。このような場合には、触媒床に組み入れられた凝縮端部を有するヒート・パイプによって、熱が水蒸気リホーミング工程に与えられる。即ち、このような例示的実施態様では、触媒床が、ヒート・パイプのためのヒート・シンクとして役立つ。このような例示的実施態様における熱源は、工程Ｇとして以下に開示する、アノード・テール・ガス酸化装置（ａｎｏｄｅ ｔａｉｌ ｇａｓ ｏｘｉｄｉｚｅｒ）又は部分的酸化反応器であることができる。

工程Ｃは精製工程である。炭化水素流の主要な不純物の１つは、硫黄であり、この硫黄は、リホーミング工程Ａによって、硫化水素に転化される。工程Ｃで用いるプロセシング・コア（ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｃｏｒｅ）は、好ましくは、硫化水素を吸収し、転化させることができる、酸化亜鉛及び（又は）他の物質を包含し、担体（例えば、モノリス、押出物、ペレット等）を包含することができる。下記反応式ＩＩＩに従って、硫化水素を水に転化させることによって、脱硫が達成される：

例えば塩化物のような、他の不純物も除去することができる。この反応は、好ましくは約３００℃〜約５００℃、より好ましくは約３７５〜約４２５℃の温度で行なわれる。酸化亜鉛は、約２５℃〜約７００℃の広範囲な温度範囲にわたって、効果的な硫化水素吸収剤であり、操作温度の適当な選択によって工程シーケンスを最適化するための大きなフレキシビリティーを与える。先行技術の場合と同様に、反応温度は、当業者に自明であるように、ヒート・パイプを用いて、調節することができる。

該流出流は、次に、任意の混合工程Ｄに送られて、そこで、水が該ガス流に加えられる。水の添加は、水が気化して、工程Ｅ（以下で考察）の水性ガスシフト反応のためにさらに多くの水を供給するときに、反応物質流の温度を低下させる。水蒸気及び他の流出流成分は、水を効果的に混合し及び（又は）水の気化を助ける、例えばセラミックビーズ又は他の同様な物質のような、不活性物質のプロセシング・コアを通過させることによって混合することができる。或いは、任意の追加の水をフィードと共に導入することができ、混合工程を再配置して、以下で開示するＣＯ酸化工程Ｇにおいてオキシダントガスをより良好に混合することができる。

工程Ｅは、式ＩＶ：

に従って一酸化炭素を二酸化炭素に転化させる水性ガスシフト反応である。

この工程では、燃料電池にとって有害である一酸化炭素が、該ガス流から実質的に除去され、二酸化炭素に転化される、二酸化炭素は一般に燃料電池において不活性ガスと見なされる。一酸化炭素の濃度は、好ましくは、燃料電池によって許容されうるレベルまで、典型的には５０ｐｐｍ未満まで低下させるべきである。一般には、水性ガスシフト反応は、用いる触媒に依存して、１５０℃〜６００℃の温度で行なわれることができる。このような条件下で、ガス流中の一酸化炭素の大部分は、二酸化炭素に酸化される。

低温シフト触媒は、約１５０℃〜約３００℃の範囲で作用する、このような触媒は、例えば酸化銅、又は例えばジルコニアのような他の遷移金属酸化物に担持された銅、遷移金属酸化物若しくは例えばシリカ、アルミナ、ジルコニア等のような耐火性担体に担持された亜鉛、又は例えばシリカ、アルミナ、ジルコニア等のような、適当な担体に担持された、例えば白金、レニウム、パラジウム、ロジウム若しくは金のような貴金属を包含する。

高温シフト触媒は、好ましくは、約３００℃〜約６００℃の範囲の温度で用いられる、このような触媒は、例えば酸化第二鉄又は酸化第二クロムのような遷移金属酸化物を包含することができ、任意に、例えばケイ化銅又はケイ化鉄のような促進剤を包含することができる。さらに、高温シフト触媒が担持される場合には、例えば、担持された白金、パラジウム及び（又は）他の白金族メンバーのような貴金属も包含される。

この工程を行なうために用いられるプロセシング・コアは、例えば上述したような、高温シフト触媒若しくは低温シフト触媒、又は高温シフト触媒と低温シフト触媒の両方の組み合わせの充填床を包含することができる。この処理過程は、水性ガスシフト反応に適した任意の温度で、好ましくは、用いる触媒の種類に依存して、１５０℃〜約４００℃の温度において操作されるべきである。任意に、触媒の充填床内の反応温度を制御するために、例えばヒート・パイプのような要素を、該シフト反応器のプロセシング・コアに配置することができる。このような例示的実施態様では、高温シフト反応が最初に行なわれ、その後に低温シフト反応が行なわれる。反応温度の制御は、一酸化炭素から二酸化炭素への転化に有利である。さらに、例えば脱硫反応（例えば、工程Ｃ）のような、精製プロセシングは、高シフト転化と低シフト転化との間で、高温シフト及び低温シフトに対して別々の工程を用意して、高温シフト工程と低温シフト工程との間の脱硫モジュールによって行なうことができる。

工程Ｆは、１つの実施態様では、ヒート・パイプによって行なわれる冷却工程である。ヒート・パイプは、以下で説明するように、任意の適当な構造でありうる。ヒート・パイプの目的は、ガス流の温度を下げて、好ましくは約９０℃〜約１５０℃の範囲内の温度を有する流出物を生成することである。

工程Ｆにおける処理過程に酸素が加えられる。この酸素は、以下で説明する工程Ｇの反応によって消耗される。この酸素は、空気、補強空気、又は実質的に純粋な酸素の形態でありうる。この工程で、ヒート・パイプを用いて、ガスの温度を調節することができ、ヒート・パイプは、バッフル付き、酸素と水素富化ガスとの混合を生じるような、他の乱流誘導構造のフィン付きで設計されうる。

工程Ｇは、流出流中の残留一酸化炭素が実質的に二酸化炭素に転化される酸化工程である。２つの反応が、工程Ｇ：以下のような、一酸化炭素の所望の酸化（式Ｖ）と、水素の好ましくない酸化（工程ＶＩ）で行なわれる。

該プロセシングは、一酸化炭素の酸化のための触媒の存在下で行なわれ、触媒は、例えばペレット、球、モノリス等のような、任意の適当な形態でありうる。一酸化炭素の酸化触媒は知られており、典型的に、貴金属（例えば、白金、パラジウム）及び（又は）遷移金属（例えば、鉄、クロム、マンガン）及び（又は）貴金属若しくは遷移金属の化合物、特に酸化物を包含する。好ましい酸化触媒は、アルミナ・ウォッシュコート上の白金である。ウォッシュコートは、モノリス、押出物、ペレット又は他の担体に塗布することができる。例えばセリウム又はランタンのような、付加的物質を加えて、性能を改善することができる。数人の実施者によって、アルミナ担体付きロジウム触媒より優れた性能が主張される、他の多くの製剤が文献に挙げられている。ルテニウム、パラジウム、金及び他の物質が、この使用のために有効であるとして文献に挙げられている。

一酸化炭素の優先的酸化は、低温によって有利に作用される。両方の反応は熱を生じるので、工程で発生した熱を除去するように、ヒート・パイプを反応器内に配置することができる。工程の操作温度は、好ましくは、約９０℃〜約１５０℃の範囲内に維持される。このようにして、当業者は、この工程が実質的な熱源として役立ちうること、したがって、適当なヒート・パイプを用いて、吸熱性である他の工程、例えば、工程Ａの水蒸気リホーミングと統合されうることを認識する筈である。

工程Ｇは、好ましくは、一酸化炭素レベルを、燃料電池に用いるために適当なレベルである５０ｐｐｍ未満にまで減ずるが、当業者は、本発明が、一酸化炭素のこれより高い及び低いレベルを有する水素富化生成物の製造に適用されうることを認識する筈である。

燃料プロセッサを出る流出物Ｐは、二酸化炭素と、例えば水、不活性成分（例えば、窒素、アルゴン）、残留炭化水素等のような、存在しうる他の成分とを含有する水素富化ガスである。生成物ガスは、燃料電池のため又は、水素富化フィード流が望ましい他の用途のためのフィードとして用いることができる。任意に、生成物ガスは、例えば、二酸化炭素、水又は他の成分を除去するために、更なるプロセシングに送ることができる。

一般的な方法を述べてきたが、当業者は、燃料プロセッサの経済的な実行可能性に関する主要な課題（ｃｈａｌｌｅｎｇｅ）が低コストの熱管理であることを認識し、理解する筈である。克服すべき課題は、触媒床における反応温度の制御；迅速な始動のための床への迅速な熱添加；恒温の床温度を維持するような方法での熱の除去；経済的に実行可能なコストでの燃料プロセッサの営利的な製造；並びに当業者に当然周知である、他の課題を包含する。

ヒート・パイプは、熱を迅速に除去して、温度を正確な設定に維持するために用いられるデバイスである。燃料プロセッサの酸化亜鉛（工程Ｃ）、水性ガスシフト（工程Ｅ）及び部分的酸化（工程Ｇ）触媒床の温度範囲において、簡単で、費用のかからない銅／水ヒート・パイプを用いることができる。例えばオートサーマル改質触媒（工程Ａ）の出口におけるように、温度が５００℃を超える場合には、この高温は、例えばステンレス鋼／ナトリウムヒート・パイプのような、他の物質の使用を必要とする。

当業者は、サーモ−サイホンとしても知られるヒート・パイプが、高速の熱流を無視できる温度低下で移送するために広く用いられるデバイス、即ち、固有の超高熱伝導性を有するデバイスであることを理解し、認識する筈である。非常に多様なヒート・パイプが、文献に開示されており、当業者に知られている筈である。適当なヒート・パイプの選択は、調節される反応がヒート・シンク又は熱源のいずれとして役立つことになるのか；所望の温度範囲；反応に受容される温度変化の許容範囲；効率；コスト；及び当業者に自明である他の要因を含めた、幾つかの要因に依存する。このような熟練した技術者を助成するために、数種類のヒート・パイプについての次の記載を以下に提供する。しかし、多くの種類のヒート・パイプが存在し、本発明の範囲内で使用可能であることを理解すべきである。

次に、図２を参照すると、“定伝導性ヒート・パイプ”とも呼ばれる、その最も単純で、最も普及した“一般的な”形態でのヒート・パイプ２１０は、飽和熱平衡状態の作動流体２１４（液体及び蒸気）を含有する、一般的パイプ形状の閉鎖圧力容器２１２を包含する。外部熱が蒸発器区分２１６にインプットされ、凝縮器区分２１８から外部ヒート・シンク（図示せず）に、熱が排除される。蒸発器区分２１６と凝縮器区分２１８とは、蒸気流量と内部細管ウィック（ｉｎｔｅｒｎａｌ ｃａｐｉｌｌａｒｙ ｗｉｃｋ）２２２とによって接続される。例えばアンモニア又は水又は他の流体のような、作動流体２１４は、それが蒸発器区分２１６で蒸発するときに、その相−変化“蒸発熱”を吸収し、ダッシュ矢印２２１で示すような、凝縮器区分２１８に流動し、凝縮して、その熱をヒート・パイプの２１２壁に与える。次に、作動流体は、液体形態で、ウィック２２２内の細管ポンピングによって蒸発器区分１６に戻る。有用なヒート・パイプ材料の１つは、それが器壁に微細なチャンネルのインテグラル・ウィックを有するように容易に押出成形されるという理由から、アルミニウムである。しかし、銅及びステンレス鋼を含めた、他の金属からヒート・パイプを製造することもできる。

上述した一般的ヒート・パイプは受動性である；即ち、その伝導性は本質的に一定であり、該ヒート・パイプは、伝導性をモジュレートして、“能動的に”温度を制御するという特徴はない。他の形態のヒート・パイプは、能動的な温度制御又はダイオード作用を生じる特徴を有する、これらの例は図３ａと図３ｂに示す。“能動的制御”ヒート・パイプ３２０の１つの形態は、“可変伝導性”ヒート・パイプと呼ばれる。該可変伝導性ヒート・パイプは、含有される非凝縮性ガス３２９の量に依存して、凝縮器３１８内の作動流体３１４の制御された一部を排除して、作動流体３１４を含有する凝縮器３１８の部分を熱的に不活性にする。非凝縮性ガスは、凝縮器端部に接続したリザーバ（ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ）３２８（即ち、非凝縮性ガス・リザーバ）中に貯蔵され、該リザーバ３２８から凝縮器３１８中へ一部排除される。図３ａに示すように、これは、リザーバ３２８壁上の電気ヒーター３３２によって加熱されるときに、生じる。図３ｂに示すように、これは、フィン３３０によって例えば空気又は冷却液のような冷却流体（図示せず）に分散される熱を制御することによって、生じる。非凝縮性ガスの量は、主として、リザーバ３２８の温度の関数である。図３ａでは、該量は、サーモスタットによって制御される、又は蒸発器３１６上の温度センサー３３４が非凝縮性リザーバ・ヒーター３３２の操作を、したがって、蒸発器３１６の温度を制御する。図３ｂでは、該量は、冷却フィン３３０上の冷却流体（図示せず）の流量及び速度を制御することによって、制御される。可変伝導性ヒート・パイプ３２０は非常に良好に作用し、信頼することができ、予測可能である。非凝縮性ガス・リザーバ３２８の容量は可変伝導性ヒート・パイプ３２０の凝縮器３１８長さに比例する；したがって、凝縮器３１８長さは、非凝縮性ガス・リザーバ３２８に関連した、容量、質量及びヒーター３３２の電力制限によって通常限定され、必要なラジエーター面積に基づく、実際の凝縮器３１８長さ必要条件によって定義されない。

例えば図３ａ及び図３ｂに示すような、幾つかの可変伝導性ヒート・パイプ３２０は、蒸発器の恒温状態を維持するのに非常に効率的に作用する。例えば、可変伝導性ヒート・パイプ凝縮器３１８は、１℃又は２℃のオーダーの、狭い蒸発器温度帯に対応する完全０〜１００％の有効範囲を有することができる。

自己調節性の可変伝導性ヒート・パイプは、米国特許第４，７９９，５３７号明細書に開示されており、この特許の内容は本明細書に援用される。該特許に記載されるように、自己調節性ヒート・パイプは、密閉された中空ケーシング；該ケーシング内のある一定量の、気化可能な伝熱流体；該ケーシング内のある一定量の非凝縮性ガス；開口部付きの、膨張可能な第１リザーバ容量（第１リザーバは、該ケーシング内の、熱が加えられ、第１リザーバ容量の膨張に抵抗する加圧手段によって作用される、該ケーシングの蒸発器領域に配置される、この場合、該加圧手段は非凝縮性ガスで充填された第２リザーバであり、第１リザーバ容量は第２リザーバ内に封入される）；並びに第１リザーバの開口部に結合した１端と、ヒート・パイプの凝縮器領域中への他端開口部（ここから、熱が除去される）とを有する導管手段を包含する。次に、図４では、米国特許第４，７９９，５３７号明細書に記載された種類の自己調節性ヒート・パイプの軸に沿った簡略化断面図を説明する、この場合には、ヒート・パイプ４１０が非凝縮性ガス第１リザーバ４１２及び第２リザーバ４１４を封入する。

ヒート・パイプ４１０は慣用的に、ケーシング４１６の内壁を覆う細管ウィック４１８付きの密閉ケーシング４１６から構成される。操作中に、ヒート・パイプ４１０の１端は蒸発器領域４２０であり、該領域４２０に熱が加えられ、他端は凝縮器領域４２２であり、この領域から熱が除去される。ヒート・パイプ４１０が空にされ、これに、気化可能な作動流体のみが充填管４２４から装填されるならば、これは慣用的なヒート・パイプとして機能する。

しかし、さらに、例えば窒素のような非凝縮性ガスもヒート・パイプ４１０に装填される場合には、このヒート・パイプ４１０は幾らか異なって機能する。当該技術分野で充分に理解されるように、作動流体蒸気の移動によって、非凝縮性ガスはヒート・パイプ４１０の凝縮器領域４２２に排除され、該ガスはそこに回収されて、該ガスが占有するヒート・パイプ部分が、ヒート・パイプとして機能することを妨害する。実際に、非凝縮性ガスを含有するヒート・パイプ容量と、含有しないヒート・パイプ容量との間には境界４２６が形成される。

膨張不能な構造を有する第２リザーバ４１４は、蒸発器領域４２０中に配置される。第２リザーバは第１リザーバ４１２を封入し、第１リザーバ４１２の開口部は導管４２８に結合し、クランプ４３０によって適所に維持される。第１リザーバ４１４から遠く離れた、導管４２８端部は、蒸発器領域４２０から最も離れた凝縮器領域４２２端部近くで、ヒート・パイプ４１０の内部に開口する。導管４２８の開放端部は、該ヒート・パイプの、非凝縮性ガス含有領域中に充分入って配置される。それ故、公称的操作中に、非凝縮性ガスは導管４２８を充填し、膨張可能な第１リザーバ４１２を部分的に膨張させる。この膨張は、第２リザーバ４１４中にその充填管４３２から装填された非凝縮性ガスの圧力によって抑制され、制限される。

第２リザーバ４１４中のガスの圧力が、ヒート・パイプの温度制御点を決定し、この圧力は設計パラメータの１つである。第２リザーバ４１４中のガスの圧力は、公称的操作温度でのヒート・パイプ中の伝熱流体の蒸気圧と同じであるべきである。

第２リザーバ４１４中のガスの圧力が決定されると、第２リザーバ４１４と、膨張可能な第１リザーバ４１２中のガスと蒸気の混合物との間に圧力平衡が達成され、それが作動流体蒸気圧及び蒸気と非凝縮性ガスとの混合物の圧力を同様に均等であるようにさせる箇所に、境界４２６が配置される。

自動制御現象が、次のように機能すると開示されている。条件が蒸発器領域４２０の温度を上昇させようとする場合には、伝熱流体の蒸気圧は上昇しようとする。これは境界４２６を、蒸発器領域４２０から遠ざけるように押し進めるので、凝縮器領域４２２内のヒート・パイプ４１０のより大きい表面を活性化して、さらに大きな冷却を与えて、蒸発器４２０における温度上昇を制限する。

境界４２６の移動は、境界４２６から、複合ガス蒸気帯の反対端部に事実上存在する第１リザーバ４１２の膨張によって、調整させれるので、僅かな抵抗に遭うに過ぎない。第１リザーバ４１２自体の膨張は、その移動が、上述したように伝熱流体の蒸気圧と公称的に同じである、第２リザーバ４１４内のガス圧によってのみ抑制されるので、殆ど抵抗に遭わない。それ故、第１リザーバ４１２の容量増加は、蒸発器領域４２０の温度上昇を制限し、第１リザーバ４１２の容量減少も、蒸発器領域４２０の温度低下を限定するように生じる。

このフィードバック系は、第２リザーバ４１４及び第１リザーバ４１２内の非凝縮性ガスが本質的に蒸発器領域４２０の温度であるので、一定温度であり、したがって圧力に及ぼす如何なる温度変化をも排除するという事実によって、助成される。さらに、該ガスの温度は該系における最高温度とほぼ同じであるので、膨張可能な第１リザーバ４１２では蒸気の凝縮は生じない。

上述した種類の自己調節性ヒート・パイプは、作動流体として水を有し、例えばＭＹＬＡＲ（登録商標）のようなアルミニウム処理プラスチックフィルムから構築された膨張可能な第１リザーバを有する、銅から構成されたヒート・パイプで試験されている。開示された実施態様は、マイナス０．２３℃からプラス２９．４℃までの範囲にわたるヒート・シンク温度の変化によって、ヒート・パイプ蒸発器温度が３６．１℃の設定点温度から僅かに１．１５℃変化するということから、優れた自己調節性を示したと報告されている。これに反して、固定壁の非凝縮性ガスリザーバを含む、より慣用的なヒート・パイプは、約４倍大きい、蒸発器温度の変化を有すると予想することができる。

本発明の１つの例示的実施態様を図５に、らせん形状ヒート・パイプ５０４が配置されている反応室５０２の水平断面図として示す。該ヒート・パイプのらせん形は、触媒かららせんヒート・パイプへの伝熱が生じるような、触媒の添加（図示せず）を可能にする。反応器の統合性を保証するために、伝熱ブロック５０６が用いられる。該伝熱ブロックの反応器端部は、該らせんヒート・パイプと熱連絡する。伝熱ブロックの外部側は、伝熱ブロックの熱を消散させる第２ヒート・パイプ５０８と熱連絡する。図示するように、第２ヒート・パイプの凝縮器端部は、熱消散用フィン（ｈｅａｔ ｄｉｓｓｉｐａｔｉｎｇ ｆｉｎ）を有する。

本発明の他の例示的実施態様を図６に示す、この図は、小型燃料プロセッサ６００を概略的断面図として示す。図示するように、アノード・テール・ガス酸化装置６０２はフィードガス（Ｆ）を予熱し、リホーマー区分（工程Ａ）のための第１熱源として用いられる。該リホーマー区分はオートサーマル・リホーマーであるように設計することができるが、アノード・テール・ガス酸化装置が密接に近接するために、該リホーマー区分が水蒸気リホーマーであることが好ましい。リホーマー区分６０４からの水素含有ガスは、硫化水素／酸化亜鉛反応器（工程Ｃ）に入り、周囲ヒート・パイプ６１２によって冷却される。水素含有ガスは次に、水性ガスシフト反応区分６０８（工程Ｅ）に進み、そこでＣＯ含有量が実質的に減少する。水素含有ガスは、ヒート・パイプ又はヒート・フィン６１４によって冷却される部分的酸化反応器６１０（工程Ｇ）中に進行する。生成物の水素富化ガスＰは該リホーマーを出て、好ましくは燃料電池において用いられる状態になる。

本発明の第３の例示的実施態様を図７に示す。例えば、公開米国特許出願第ＵＳ２００２／００８３６４６Ａ１号；ＵＳ２００２／００９４３１０Ａ１；ＵＳ２００２／００９８１２９Ａ１；ＵＳ２００２／００９０３３４Ａ１；ＵＳ２００２／００９０３２６Ａ１；ＵＳ２００２／００８８７４０Ａ１；ＵＳ２００２／００９０３２７Ａ１；ＵＳ２００２／００９０３２８Ａ１（これらの内容の全ては、本明細書に援用される）に開示されるような、小型燃料プロセッサ７００の、従来の流体ベースの熱交換器の代わりに用いられる、ヒート・パイプを水平断面図で示す。次に図７では、反応器７０２は、蒸発端部７０４及び凝縮端部７０６を有するヒート・パイプ（７０４及び７０６）を有する。図示するように、該ヒート・パイプの蒸発端部７０４（即ち、熱源）は、反応器内に含有され、凝縮端部７０６（ヒート・シンク）は反応器の外部である。当業者は、反応器の内部がヒート・シンクであるように、両端部が相互交換可能であることを認識し、理解する筈である。このような場合は、例えば水蒸気リホーミングのような、吸熱反応が行なわれることになる反応器の場合である。ヒート・フィン７０８は、触媒を担持し、さらに伝熱を促進するという二重の機能的役割を有する。１つの例示的実施態様では、水蒸気リホーマーに入る前のフィードガスを予熱するために、ヒート・パイプが用いられる。当業者はさらに、図８に示すような、図示したヒート・パイプの凝縮器区分７０４が、燃料リホーマーの他の区分における同様な形状のフィン付きヒート・パイプ（ｆｉｎｅｄ ｈｅａｔ ｐｉｐｅ）に接続可能であることをも理解する筈である。側面断面図に示すように、燃料リホーマー８００は、ヒート・パイプの凝縮区分８０２及び蒸発区分８０４の両方を封入する。両区分は、１つ以上のサーマル導管８０６又は第２ヒート・パイプによって一緒に接続される。

当業者はさらに、ヒート・パイプの外表面及び（又は）フィンを触媒及び（又は）触媒粒子で被覆することができると、本発明者らが考慮することを認識する筈である。フィンをセラミック触媒によって比較的簡単に被覆することができることが、報告されている。図７に示した考案は、該ヒート・パイプがフィンを通過することによって、該フィンを触媒で被覆することである。これを利用して、発熱反応を冷却する他に、例えば水蒸気リホーミングのような反応を生じるために外部熱を必要とする触媒床を加熱することもできる。該被覆方法は、ヒート・パイプが製造された直後に、フィンの表面上に微粒子状触媒をウォッシュコートすることを必要とする。この考案は、ヒート・パイプ上にフィン付き押出成形体（ｆｉｎｎｅｄ ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ）を取り付けて、これらのフィンを触媒で被覆することによって、ヒート・パイプ上の反応及び熱交換の表面積をできるだけ大きく最大化するものである。図７には、“フォーク形に造形された”ヒート・パイプであると示すが、ヒート・パイプが図５に示すようならせん形でありうることも考えられる。ヒート・パイプの表面積を拡大するための他の同様な変形が、当業者には自明である筈である。

本発明の装置及び方法を好ましい実施態様に関して記載したが、本発明の概念及び範囲から逸脱せずに、本明細書に述べた工程（ｐｒｏｃｅｓｓ）に変化を加えることができることは、当業者に明らかであろう。当業者に明らかな、このような、同様な置換及び変形の全ては、本発明の範囲及び概念に含まれると見なされる。

添付図面に関連して、説明する：
図１は、本発明の１つの例示的実施態様の簡単な工程流れ図を示す。 図２は、本発明の例示的実施態様に用いることができるような、単純なヒート・パイプを示す。 図３ａ，ｂは、本発明の例示的実施態様に用いることができるような、可変伝導性ヒート・パイプを示す。 図４は、本発明の例示的実施態様に用いることができるような、自己調節性可変伝導性ヒート・パイプを示す。 図５は、本発明の例示的実施態様に用いることができるようなヒート・パイプを水平断面図で示す。 図６は、本発明の例示的実施態様に用いることができるような、燃料リホーマー内の熱管理の統合に用いられるヒート・パイプを側面断面図で示す。 図７は、本発明の例示的実施態様に用いることができるような、フィン付きヒート・パイプを水平断面図で示す。 図８は、本発明の例示的実施態様に用いることができるような、燃料リホーマー内の熱管理の統合に用いられるヒート・パイプを側面断面図で示す。

Claims (8)

1. 炭化水素燃料を燃料電池用水素富化ガスに転化させるための装置であって、
   燃料混合物をリホーミング条件下で反応させて、水素含有ガス混合物を得るための触媒を含む炭化水素リホーミング反応器；
   該水素含有ガス混合物を水性ガスシフト反応条件下で反応させて、減少した一酸化炭素内容物と共に中間水素含有ガス混合物を得るための触媒を含む水性ガスシフト反応器；及び
   該中間水素含有ガス混合物を選択的酸化反応条件下で反応させて、水素富化ガスを得るための触媒を含む選択的酸化反応器
   を含み、
   炭化水素リホーミング反応器床、水性ガスシフト反応器床、及び選択的酸化反応器床の各温度がヒート・パイプの使用によって制御され、
   選択的酸化反応器内で発生した熱を伝達して、炭化水素燃料を予熱し、高温炭化水素燃料にするためのヒート・パイプをさらに含み、該高温炭化水素燃料が炭化水素リホーミング反応器への炭化水素燃料フィードになり、
   該リホーミング反応が水蒸気リホーミングであり、該リホーミング反応がヒート・パイプのためのヒート・シンクとして役立ち、
   ヒート・パイプが、銅／水ヒート・パイプであるか又はステンレス鋼／ナトリウムヒート・パイプであり、
   該水素含有ガス混合物を脱硫条件下で反応させて、脱硫された水素含有ガス混合物を得るための触媒を含む脱硫反応器をさらに含み、該脱硫された水素含有ガス混合物が該水性ガスシフト反応器への水素含有ガス混合物フィードになる、
   上記装置。
2. ヒート・パイプが、単純なヒート・パイプ、可変伝導性ヒート・パイプ又は自己調節性可変伝導性ヒート・パイプから選択される、請求項１記載の装置。
3. ヒート・パイプが、自己調節性可変伝導性ヒート・パイプである、請求項１記載の装置。
4. 炭化水素燃料が、天然ガス、メタン、エタン、プロパン、ブタン、液化石油ガス、ナフサ、ガソリン、ケロセン、ディーゼル、メタノール、エタノール、プロパノール及びそれらの組み合わせから成る群から選択される、請求項１記載の装置。
5. 水素富化ガスが、５０ｐｐｍ未満の一酸化炭素を含有する、請求項１記載の装置。
6. 燃料電池からの未転化水素を酸化条件下で反応させて、高温アノード排ガス酸化装置流出物を生成するための触媒を含むアノード排ガス酸化装置をさらに含む、請求項１記載の装置。
7. 高温アノード排ガス酸化装置流出物を、ヒート・パイプを用いて、炭化水素リホーミング反応器と熱統合させる、請求項６記載の装置。
8. ヒート・パイプが、炭化水素リホーミング反応器、水性ガスシフト反応器、及び選択的酸化反応器の少なくとも１つの内部の恒温の床温度を維持する、請求項１記載の装置。

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