JP4718069B2 - 小型軽量のメタノール燃料気体自熱式改質装置 - Google Patents
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Description
【技術分野】
本発明は、メタノール燃料気体の水蒸気改質装置に関する。特に、本発明は、改質装置の大きさ、重量を低減する連続気泡発泡体触媒床(open cell foam catalyst bed)を使用する自熱式の燃料気体の水蒸気改質装置に関する。
【0002】
【背景技術】
燃料電池電力設備は、天然ガスやより重い炭化水素などの燃料気体を、主要成分である水素と二酸化炭素に、触媒によって変換するように機能する燃料気体の水蒸気改質装置を備える。この変換過程は、燃料気体と水蒸気の混合物を、改質される燃料に依存して変化する改質温度に加熱した触媒床に通すことを含む。炭化水素燃料改質装置で通常使用する触媒は、アルミナのペレット上に沈積させたニッケル触媒であり、低温メタノール改質装置では、触媒は、通常、アルミナペレット上に沈積させるかまたはアルミナと共沈させた銅または銅−亜鉛である。燃料電池電力設備に水素に富んだ気体の流れを供給するために、3種類の改質装置が最も一般に使用されている。これらは、触媒式の水蒸気改質装置、自熱式の改質装置、触媒壁式の改質装置などである。また、炭化水素燃料、またはメタノール、エタノールなどの酸素化された燃料は、部分酸化反応装置を使用して水素に富んだ気体の流れに変換することもできる。通常の触媒式の水蒸気改質装置は、熱を保持するために断熱したハウジングに収容してある複数の反応管を備える。反応管は、ハウジング内において過剰の燃料気体を燃焼させ、反応管の周りに燃焼気体を通過させることにより、加熱する。改質温度は、炭化水素燃料改質装置では、約371℃(700°F)〜約871℃(1,600°F)の範囲にあり、酸素化された燃料改質装置では、260〜427℃(500〜800°F)の範囲にある。個々の反応管は、通常、環状の入口通路により囲まれた中心部にある排気通路を備える。入口通路には、触媒化されたアルミナペレットが充填してあり、燃料気体・水蒸気用のマニホールドが、入口通路のそれぞれの底部に燃料気体・水蒸気の混合物を供給するように機能し、この底部の上方において、燃料気体・水蒸気の混合物は、触媒床を流れる。主として水素、二酸化炭素である加熱された生成物の混合物は、次に、それぞれの反応管の中心部にある排気通路を流れ、それぞれの環状の触媒床の内側部分を加熱するのに役立ち、そして、改質装置から次の処理、利用のために送られる。このような触媒式の改質装置は、米国特許第4,098,587号に記載されている。
【0003】
通常の自熱式の改質装置は、単一床あるいは複数床を有する管状の装置である。自熱式の改質装置は、処理する燃料の改質がより困難なので改質処理に、より高い作動温度が必要な場合に、通常使用される。自熱式の改質装置では、燃料と水蒸気の混合物に空気を添加して反応床内で過剰の燃料を燃焼させることによって反応気体が加熱されるので、残りの燃料−水蒸気混合物は、燃料処理反応に必要な温度まで加熱される。通常、自熱式の改質装置の壁の温度は、約760℃(1,400°F)〜約982℃(1,800°F)の範囲にある。このような改質装置は、米国特許第4,473,543号に記載されているが、酸素化された燃料では、反応温度は、約260℃(500°F)〜約427℃(800°F)の範囲にある。
【0004】
第3の型式の従来技術の改質装置では、米国特許第5,733,347号などに記載されている触媒化された壁を有する通路が使用される。このような改質装置は、改質気体通路や隣接する復熱−熱交換通路を形成する波形のプレートを間に挟んだサンドイッチ状の実質的に平らなプレートから形成される。この改質通路の板状部品のそれぞれは、燃焼通路の板状部品に直接隣接して配置され、それによって、隣接する改質通路と燃焼通路は、共通の壁を共有する。
【0005】
上述した改質装置のほかに、水素に富んだ燃料の流れを製造するために、部分酸化反応装置も使用されている。この装置は、通常、炭化水素燃料、水蒸気、通常空気が使用される酸化剤などが供給される空間からなり、そこで、これらの混交物は、自発的に部分的に酸化されて、水素に富んだ混合物が形成される。このような装置は、例えば、PCT出願No.WO98/08771に開示されている。
【0006】
1984年5月29日に付与された米国特許第4,451,578号には、自熱式の改質装置についての考察が含まれている。米国特許第4,451,578号に記載されている自熱式の改質装置では、触媒化されたアルミナペレットが使用される。自熱式の改質装置によって、装置の小型化は少しは実現されるが、特に車両用に使用される装置において、自熱式の改質装置またどのような管状の改質装置の大きさ、重量をも、さらに低減することは、好ましいであろう。特別な形状の触媒ペレットを使用して、自熱式その他の管状の改質装置の大きさ、重量を低減することが、試みられている。そのような特別な形状のペレットには、環状ペレット(rings)、孔開き平板ペレット(flat pellets with holes)、車輪状ペレット(wagon wheel−shaped pellets)、耳たぶ状ペレット(lobed pellets)などが含まれる。
【0007】
特別な形状の触媒化されたアルミナペレットを使用する必要がなく、触媒化されたアルミナペレットを使用する従来技術の自熱式の改質装置より小型で軽量である、自熱式の改質装置を提供するのが望ましい。そのような改質装置は、車両用に使用するのに特に有用性が見出されるであろう。
【0008】
【発明の開示】
本発明は、向上した触媒・熱移動表面積を提供し、小型、軽量であり、さらに改良された気体混合・分配流路を提供する、燃料電池装置用の自熱式の改質装置に関する。本発明の触媒床構造は、一体構造の連続気泡発泡体コア(monolithic open cell foam core)から形成され、このコアには、多孔質で大きな表面積のウォッシュコート層が設けられており、このウォッシュコート層の上には、触媒層が沈積している。触媒が沈積される連続気泡発泡体の気泡は、ここでは、ときとして、「触媒化された気泡」と呼ぶことがある。ウォッシュコートは、アルミナ、ランタン安定化アルミナ、シリカ−アルミナ、シリカ、セリア、炭化ケイ素、その他の高表面セラミック材料などから構成することができる。ウォッシュコートの選択は、特定の触媒床の作動条件に依存するものである。
【0009】
一体構造の気体流構成要素は、相互に連結した連続気泡を有する発泡体であり、その表面は、触媒によって、触媒化される。発泡体一体構造は、ランタン促進アルミナ、酸化カルシウム、酸化鉄触媒から構成される触媒で被覆された入口端部を有し、この触媒は、低温での燃料気体の燃焼を向上させるために、さらに、少量の白金、パラジウム、ロジウムなどで処理することができる。別の構成として、入口端部は、酸化鉄触媒なしで、白金、パラジウム、ロジウムなどを含むことができる。発泡体一体構造の残りの部分は、銅または銅・亜鉛触媒、または、白金、パラジウム、ロジウムなどの貴金属触媒など、を備えている。連続気泡発泡体は、一旦ウォッシュコートされると、適切に燃料気体を処理するのに必要な大きな表面積の触媒を沈積させるために必要とされる大きな表面積の基部となる。さらに、気体は触媒床構造すなわち発泡体を通って横方向と縦方向の両方に流れるので、この連続気泡発泡体は、この一体構造の発泡体を通る気体のために、改善された混合・分配気体流パターンを提供する。また、連続気泡発泡体は、より強い気体乱流に寄与する大きな表面積の熱移動通路を提供し、この気体乱流は、触媒床を利用する装置において熱移動速度を向上させる。さらに、この発泡体により実現された大きな熱移動は、反応装置の隣接する壁の中へさらに壁を通って継続することができ、それによって、高い効率の熱移動装置が形成され、その結果、作動温度制御が改善されるとともに、所定の出力レベルに対する改質装置の大きさと重量が低減される。介在する壁は、平らなプレートから構成することができ、あるいは、熱を移動させることができる円筒形の壁であってもよい。一体構造の連続気泡発泡体触媒床は、改質装置の触媒床壁に、ろう付けによりまたは当該装置に適したその他の適切な機構により結合することができる。セラミック発泡体触媒床を使用するときは、触媒床は、改質装置の床壁に、結合されそうにはない。
【0010】
触媒化される全ての表面は、ユナイテッド触媒社(United Catalyst)、グレース商会(W.R.Grace and Co.)、エンゲルハルト社(Engelhard Corp.)などにより提供される従来のウォッシュコート処理(wash coating process)によって下塗りされるものである。ウォッシュコート処理によって、発泡体の全ての表面上に、触媒被覆用の基部を構成する多孔質層が形成される。連続気泡発泡体の一体構造の外部表面ばかりでなく間隙もウォッシュコートされ、さらに触媒化されることが理解されよう。この触媒床は、大きさと重量が最小なので、さらに、車両用には、構成要素の大きさと重量に密接に依存する高速始動性能が必要であるため、この触媒床は、大きさと重量が極めて重要な車両用に、特に適している。小型、軽量の触媒・反応物床は、最小のエネルギー投入で迅速に加熱することができる。
【0011】
好ましい実施態様では、自熱式の改質装置は、一般に、形状が円柱状であり、円筒形の収納壁から形成されたいくつかの同心室を含む。最も外側の室は、環状であり、燃料・水蒸気流と空気流の少なくとも一方のらせん状導管を備える。別の構成では、最も外側の導管は、触媒床の入口部分に供給される直前に燃料が注入された水蒸気・空気混合物を含む。中央気体流室は、円筒形であり、燃料、水蒸気、空気の気体流が流れる一体構造の連続気泡発泡体触媒床を備える。触媒床は、2つの異なる触媒領域を有し、一方は、少量の燃料気体を炭素を生成せず(carbon−free)に燃焼させるとともに、燃料気体を自熱式に改質するための入口領域であり、もう一方は、断熱的な改質領域である。環状の中間気体流室は、中心気体流室と最も外側の室との間に位置し、生成する改質された気体流を、中央室から最も外側の室に導く。
【0012】
燃料・水蒸気混合物である処理気体流に、空気を添加することにより、改質装置の触媒床で、熱が内的に発生する。このように、従来の水蒸気改質装置で必要とされるように、大きな熱移動表面に沿って、改質触媒を行き渡らせる必要がない。連続気泡発泡体一体構造を触媒保持床として使用することで、発泡体触媒保持床の細孔径に依存して、保持床の触媒化された表面積が、少なくとも3倍、増加し得る。また、発泡体保持床を使用することで、少なくとも3倍、触媒床の体積を減少させることができるとともに、ペレット化された触媒床に比較していっそう大きな割合で、触媒床の重量を減少させることができる。ペレット化された触媒床は、約40%の開孔容積を与えるのに対し、発泡体触媒保持床は、80%を上まわる開孔容積を与える。開孔容積が大きいと、この触媒床を通って、ペレット化された触媒床で達成できるより、いっそう小さな圧力低下が得られる。
【0013】
水蒸気などの高温気体で触媒床を予熱することにより、あるいは、一体構造全体または入口部分だけを伝導性抵抗一体構造要素で構成することにより、改質装置の始動を、実現することができる。抵抗要素は、自動車用電池などの電源に接続することができ、20秒間より短い時間内で、一体構造を作動温度に到達させることができるものである。
【0014】
発泡体触媒保持床の利点は、一例として、同等の触媒化された表面積に対し、ペレット化された自熱式の触媒床は、体積が0.0071m3(0.25ft3)、重量が約11.3kg(25ポンド)であり、一方、約7.9細孔/cm(20細孔/インチ)である細孔径を有する発泡体保持床は、体積が0.002m3(0.07ft3)、重量が1.8kg(4ポンド)未満で形成することができる。より大きな圧力降下が許容され得る場合、11.8〜15.8細孔/cm(30〜40細孔/インチ)の発泡体が、よりいっそう小型で軽量の触媒床を提供するために、使用され得る。このような、より小型、軽量の燃料処理装置は、自動車用電池からの電気を用いて急速に加熱することができ、従って、車両用に特に望ましい。
【0015】
本発明の好ましい実施態様では、触媒床は、セラミック発泡体から形成されるものであり、このセラミック発泡体は、アルミナ、アルミン酸カルシウム、ランタン促進アルミナ、などでウォッシュコートされ、その後、ウォッシュコートは、適切な触媒で含浸されるものである。触媒床の入口領域には、酸化鉄触媒が設けられるものであり、この酸化鉄触媒は、米国特許第4,451,578号に記載されているように、大量の酸素を必要とせずに、供給される気体流の温度を上昇させるように機能し、同時に、炭素の沈積を抑える。改質装置の作動中に改質装置内で燃焼する燃料気体部分の発火温度を、より低下させるように、この鉄触媒は、少量の白金、パラジウム、ロジウムなどで促進することができる。米国特許第4,451,578号に記載されている酸化鉄を含む従来の触媒を有する自熱式の改質装置の場合、予想される酸素化された燃料の発火温度は、白金、パラジウム、ロジウムなどの貴金属を少量、酸化鉄に添加すると、実質的に低下し得る。例えば、ガソリンの発火温度は、約316℃(600°F)〜約427℃(800°F)に低下し得る。メタノールでも同様の発火温度の低下を予想することができ、約93℃(200°F)の発火温度が現実的になる。貴金属触媒の添加量は、重量で、約0.01〜約1.0%の範囲である。通常、添加量は、約0.1%である。より低い発火温度が達成されることで、改質装置の迅速な始動が可能となり、これは、改質装置を車両に適用するのに特に望ましい。触媒中の酸化鉄は、米国特許第4,415,484号に記載されている白金、パラジウム、ロジウムなどに置き換えることができる。
【0016】
触媒床の入口部分は、酸素と少量の燃料気体とを燃焼させて、触媒床の入口部分の温度を上昇させるように機能する。これによって、気体流の温度は、燃料流が水素含有量の高い気体に大幅に変換される温度に上昇する。酸素の必要量が最小限に抑えられるので、触媒床での炭素の生成を抑制するのに役立つ。その他の炭素の生成を抑制する触媒床構成要素、例えば、酸化カルシウム、酸化ランタン、酸化セリウムのうちの少なくとも1つなども、使用することができる。メタノール燃料では、触媒床の後続の改質領域は、従来の銅、銅・亜鉛、貴金属などの改質触媒、または、銅または銅・亜鉛改質触媒と、貴金属改質触媒との組み合わせを備える。
【0017】
従って、本発明の目的は、小型で軽量の触媒床を含む改良された自熱式の燃料気体処理装置を提供することである。
【0018】
本発明さらなる目的は、車両用に役立つように十分に小型で軽量であるという説明される特徴を備えた燃料気体処理装置を提供することである。
【0019】
本発明の別の目的は、自動車用電池により供給される電気を用いて作動温度まで迅速に加熱することができるという説明される特徴を備えた燃料気体処理装置を提供することである。
【0020】
本発明のさらに別の目的は、迅速な始動を可能とする低い燃料発火温度を有するという説明される特徴を備えた燃料気体処理装置を提供することである。
【0021】
本発明のこれらと他の目的、利点は、添付の図面と併せて、本発明の好ましい実施態様の以下の詳細な説明から、当業者には、より容易に明らかになるであろう。
【0022】
【発明を実施するための最良の形態】
図面を参照すると、図1には、本発明に従って形成された円柱状の触媒床の斜視図が示されており、この触媒床は、全体が参照番号2により示される。この触媒床2は、連続気泡6の網状構造を形成する巻きひげ4の格子網状構造を含む一体構造の連続気泡発泡体構成要素であり、連続気泡6は、触媒床2内のX、Y、Z方向に相互に連結している。触媒床2は、単一の一体構造から、または、互いの上に積層された複数の薄い一体構造から形成され得ることが、理解されるであろう。後者の方法によって、触媒床2の差異のある触媒化(differential catalyzation)を簡単にできるであろし、さらに、改質装置の作動中に触媒床2に掛かる熱応力を、低減できるであろう。相互に連結した連続気泡6は、触媒床2の端部8から端部10に、改良された燃料気体混合・分配流路を形成するように機能する。さらに、連続気泡6と巻きひげ4とは、触媒床2に非常に大きな触媒化可能な表面積を提供する。発泡体触媒床2は、アルミニウム、ステンレス鋼、アルミニウム−鋼合金、炭化ケイ素、ニッケル合金、炭素、黒鉛、セラミック、その他の材料などから形成することができる。一体構造2は、電池などの電力供給源に接続することができ、この電池は、約20秒間より短い時間内で、一体構造を作動温度に到達させることができるものである。
【0023】
触媒床2は、以下の方法で触媒化する。ウォッシュコートされる多孔質のアルミナ下塗りを、触媒化される触媒床2の全ての外部と間隙の表面に塗布する。アルミナウォッシュコートは、触媒床2をウォッシュコート溶液の中に浸漬することにより、または、ウォッシュコート溶液を触媒床2に噴霧することにより、形成することができる。ウォッシュコートされた触媒床2は、次に熱処理し、コア上に大きな表面積で多孔質のアルミナ層を形成する。触媒層を、次に、触媒床2のアルミナ表面に塗布する。必要ならば、アルミナの被覆と触媒化の処理は、同時に行ってもよい。同様の処理を、他のウォッシュコート材料に使用することができるであろう。
【0024】
図2は、図1の触媒床2を含み全体が参照番号3により示される自熱式改質装置のいくぶん概略的な断面図である。触媒床2は、下部に多孔質の網目スクリーン14を有し端の開いた円筒状の内部ハウジング12に収容され、網目スクリーン14は、触媒床2を保持するとともに、改質気体流を内部ハウジング12から流出させる。円筒状の中間ハウジング16が、内部ハウジング12を取り囲むとともに、触媒床2から気体を流出させるための、内部環状気体流路18を形成する。円筒状の外部ハウジング20が、改質装置3の最も外部の壁を形成する。円筒状の外部ハウジング20は、円筒状の中間ハウジング16と組み合わさって、改質装置3内に、外部環状気体流路室22を形成する。改質装置3の下部は、下部環状壁24により閉じており、改質装置3の上端は上部環状壁26とマニホールド28とにより閉じている。内部ハウジング12は、環状流路18内の気体流への熱損失を防止するために、断熱することができる。
【0025】
マニホールド28は、上部燃料・水蒸気入口室30と下部空気入口室32とを含む。入口室30と入口室32とは、中に複数の通路36が形成されたプレート34により隔離される。同様のプレート38が、下部空気入口室32の下部壁を形成する。複数の燃料通路管40が、2つのプレート34とプレート38とを相互に連結し、この通路管40は、空気を入口室32から、通路管40を流れる気体流の中へ流入させる貫通孔42を含む。空気流と燃料・水蒸気流とは、従って、触媒床2の入口端部8に流入する前に、通路管40内で混合する。
【0026】
燃料・水蒸気混合物は、矢印Aによって示されるように、熱交換管44を介して改質装置3に流入する。流入する燃料・水蒸気混合物の温度は、約149℃(300°F)〜約232℃(450°F)である。空気流は、矢印Bによって示されるように、熱交換管46を介して改質装置3に流入する。流入する空気流の温度は、燃料・水蒸気流の温度とほぼ同等である。熱交換管44、46は、フィン付きの管にすることができるし、または、先に図1に示された発泡体材料に類似した発泡体材料で被覆することができる。フィンや発泡体は、熱交換管44、46での気体流への熱移動を向上させるように機能する。
【0027】
熱交換管44、46は、いずれも、流路室22の端から端まで、円筒状の中間ハウジング16の周りをらせん状になっているので、以下に、より詳細に説明されるように、熱が、改質装置排気流から空気流および燃料・水蒸気混合物流へ移動する。あるいは、らせん管は、エネルギーを、処理排気気体流から入口流へ移動することができる、他の熱交換装置に置き換えることができるであろう。メタノール燃料・水蒸気混合物流は、入口室30に流入するときまでに、温度が、約149℃(300°F)〜約260℃(500°F)の範囲の温度に上昇していることになり、空気流は、入口室32に流入するときまでに、温度が、同じ温度範囲に上昇していることになる。燃料・水蒸気混合物は、通路管40を介して入口室30から流出する。空気流Bは、貫通孔42を通って通路管40に流入し、そこで気体・水蒸気混合物と混合する。従って、適切な空気・水蒸気・燃料混合物が、通路管40において形成されるものであり、そこから、触媒床2の入口端部8に流入するものである。空気・水蒸気・燃料混合物の温度は、約149℃(300°F)〜約260℃(500°F)の範囲になるものである。
【0028】
触媒床2は、最初の入口領域48と後続の領域50とを含む、異なる触媒領域に分割されるのが好ましい。入口領域48は、通常、アルミナでウォッシュコートされ、次に、酸化カルシウム、酸化鉄、および/または白金、パラジウムまたはロジウムで触媒化され、それによって、流入する燃料・水蒸気・空気混合物の燃焼または部分酸化により、混合物の温度が、約371℃(700°F)〜約482℃(900°F)の範囲の温度に、好ましくは約379℃(750°F)に、上昇する。
【0029】
後続の触媒領域50は、下に位置するアルミナからなるウォッシュコートを備え、その上に銅と亜鉛の少なくとも一方を含む触媒または貴金属触媒が位置する。触媒領域50は、燃料・水蒸気と空気の混合物を、燃料電池電力設備で使用するのに適した水素に富んだ燃料の流れに変換するように機能する。領域50の発泡体触媒床2は、ステンレス鋼、アルミナ−鋼合金、炭化ケイ素、ニッケル合金、炭素、グラファイト、セラミック、などの材料から形成することができる。触媒床2は、以下の方法で触媒化される。ウォッシュコートされた多孔質のアルミナ下塗りを、触媒化される触媒床2の全ての外部と間隙の表面に塗布する。アルミナウォッシュコートは、触媒床2をウォッシュコート溶液の中に浸漬することにより、または、ウォッシュコート溶液を触媒床2に噴霧することにより、形成することができる。ウォッシュコートされた触媒床2は、次に熱処理し、コア上にアルミナ層を形成する。触媒層を、次に、触媒床2のアルミナ表面に塗布する。必要ならば、アルミナの被覆と触媒化の処理は、同時に行ってもよい。同様の処理を、他のウォッシュコート材料に使用することができるであろう。
【0030】
改質燃料流は、スクリーン14を通って触媒床2から約260℃(500°F)〜約316℃(600°F)の温度で流出し、次に、矢印Cに従って環状流路18を通って上向きに流れる。改質装置からの流出気体は、熱を、流入する燃料・水蒸気混合物と流入する空気流のための熱交換管44、46に供給するために、環状流路18を上まで流れる。改質気体は、次に、矢印Dによって示されるように、流路室22を通って出口通路52まで流れながら、これらの熱交換管44、46に熱を供給し続ける。改質気体流は、出口通路52を通って改質装置3から約177℃(350°F)〜約260℃(500°F)の温度で流出し、そこで、さらに冷却され、次に、燃料電池電力設備装置のシフト変成装置に供給される。
【0031】
図3に示されるように、燃料・水蒸気と空気の移動および混合用の通路管40は、一般に、マニホールド28内のプレート34を通る環状配列として配列される。通路管40の数は、必要ならば、改質装置3を通る改質燃料の所望の流量、さらには、所望の空気−燃料−水蒸気の混合比、に応じて、変更することができる。
【0032】
連続気泡発泡体の触媒床構造によって、向上した熱移動、向上した気体流特性、最大の触媒表面積が得られる。本発明の触媒床構造を使用することにより実現される重量と大きさの低減は、移動式の輸送装置などのより小さな用途では、大きさと重量がより小さいので、その用途に使用するのに必要である。さらに、小さな大きさと重量によって、触媒床を作動温度まで迅速に加熱することができるが、これは、大抵の輸送装置の用途で必要とされる高速始動性能の重要な必要条件である。低減された大きさと重量によって、据え付け型の電力設備の組み込みにも有利になるものである。触媒床は、単一の一体構造コアから形成することができ、または、互いの上に積層された複数の円板形状の一体構造コアから形成することができる。上述した型式の一体構造コアは、ノースカロライナ州ヘンダーソンヴィルのポルヴェアドバンストマテリアル社(Porvair Advanced Material,Inc.,Hendersonville,NC)から入手できる。
【0033】
本発明の思想から逸脱することなく、本発明の開示した実施態様にさまざまな変更、変形を行うことができるので、特許請求の範囲により請求する以外の発明に限定しようとするものではない。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に従って形成された自熱式または管状の改質装置に使用するのに適合した好ましい形態の連続気泡一体構造の発泡体触媒床の斜視図。
【図2】 本発明に従って形成された自熱式改質装置の軸方向断面図。
【図3】 図2の線3−3に沿った改質装置の断面図。
Claims (14)
- メタノールまたはエタノール燃料気体流を、水素に富んだ処理気体流に変換する、メタノールおよびエタノール燃料気体の自熱式改質装置であって、
a)入口端部と出口端部とを含み、第1の入口領域に触媒を含む、一体構造の連続気泡発泡体からなる触媒床であって、前記触媒は、前記発泡体触媒床の触媒化された気泡における炭素沈積を抑えながら燃料気体流の一部を燃焼させてそれによって前記第1の領域の前記燃料気体流の温度を約149℃(300°F)〜約260℃(500°F)の範囲の温度に上昇させるように機能し、さらに、前記触媒床は、銅と亜鉛の少なくとも一方を含む触媒を含む後続の第2の領域を含む、触媒床と、
b)前記触媒床からの処理気体流出口通路と熱交換するように配置され、それによって、処理気体流から熱が移動する燃料気体流入口通路と、
c)前記触媒床からの処理気体流出口通路と熱交換するように配置され、それによって、処理気体流から熱が移動する空気入口通路と、
d)前記発泡体触媒床に沈積された燃料気体流改質触媒と、
を備えており、
前記発泡体触媒床のコアは、ステンレス鋼、アルミニウム−鋼合金、またはニッケル合金から形成されることを特徴とする自熱式改質装置。 - 前記触媒床の前記第1の領域の前記触媒は、貴金属触媒と酸化カルシウムとを含むことを特徴とする請求項1記載の改質装置。
- 前記発泡体触媒床の前記第1の領域は、酸化カルシウムと組み合わせた酸化鉄触媒を含むことを特徴とする請求項1記載の改質装置。
- 前記貴金属触媒は、白金、パラジウム、ロジウム、これらの混合物からなる群より選択される触媒であることを特徴とする請求項2記載の改質装置。
- 前記発泡体触媒床は、少なくとも1つのセラミック発泡体保持体を含むことを特徴とする請求項1記載の改質装置。
- 前記コアは、前記改質装置の始動時に抵抗加熱要素として機能するように電源に接続されることを特徴とする請求項1記載の改質装置。
- 前記コアは、電流を供給後約20秒間内に、作動温度に電気的に加熱されることを特徴とする請求項6記載の改質装置。
- 前記触媒床は、形状が円柱状であることを特徴とする請求項1記載の改質装置。
- 前記燃料気体流入口通路は、燃料気体・水蒸気混合物を含むことを特徴とする請求項1記載の改質装置。
- 前記空気入口通路は、空気・水蒸気混合物を含むことを特徴とする請求項1記載の改質装置。
- 前記燃料気体はメタノールであることを特徴とする請求項1記載の改質装置。
- a)入口端部と出口端部とを有する円柱状の一体構造の連続気泡発泡体からなる触媒床と、
b)燃料気体・水蒸気混合物の入口通路と、
c)前記円柱状発泡体触媒床に沈積され、入口部分の貴金属触媒と、後続の銅と亜鉛の少なくとも一方を含む触媒と、を含む、燃料気体改質触媒と、
を備えており、
前記発泡体触媒床のコアは、ステンレス鋼、アルミニウム−鋼合金、またはニッケル合金から形成されることを特徴とするメタノール燃料気体の改質装置。 - メタノールまたはエタノール燃料気体流を、水素に富んだ処理気体流に変換する、メタノールおよびエタノール燃料気体の自熱式改質装置であって、
a)入口端部と出口端部とを含み、入口部分に貴金属触媒を含む、一体構造の連続気泡発泡体からなる触媒床であって、前記貴金属触媒が、前記発泡体触媒床の触媒化された気泡における炭素沈積を抑えながら燃料気体流の一部を約93℃(200°F)の温度で燃焼させそれによって改質装置の始動を可能とするように機能する、触媒床と、
b)前記触媒床からの処理気体流出口通路と熱交換するように配置され、それによって、処理気体流から熱が移動する燃料気体流入口通路と、
c)前記触媒床からの処理気体流出口通路と熱交換するように配置され、それによって、処理気体流から熱が移動する空気入口通路と、
d)前記発泡体触媒床に沈積され、燃料気体改質用の銅と亜鉛の少なくとも一方を含む触媒と、
を備えており、
前記発泡体触媒床のコアは、ステンレス鋼、アルミニウム−鋼合金、またはニッケル合金から形成されることを特徴とする自熱式改質装置。 - メタノール燃料気体流を、水素に富んだ処理気体流に変換する、メタノール燃料気体の自熱式改質装置であって、入口端部と出口端部とを含み入口部分に貴金属触媒を含む、一体構造の連続気泡発泡体からなる触媒床を備え、前記貴金属触媒は、前記発泡体触媒床の触媒化された気泡における炭素沈積を抑えながら、メタノール燃料気体の一部を約93℃(200°F)の温度で燃焼させ、それによって改質装置の始動を可能とするように機能し、前記発泡体触媒床のコアは、ステンレス鋼、アルミニウム−鋼合金、またはニッケル合金から形成されることを特徴とする自熱式改質装置。
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