JP6357242B2 - 化学反応器へのガス状反応媒体の流れの管理のためのマニフォルドを備える燃料触媒部分酸化改質反応器 - Google Patents

化学反応器へのガス状反応媒体の流れの管理のためのマニフォルドを備える燃料触媒部分酸化改質反応器 Download PDF

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Description

関連出願の相互参照
本願は、２０１３年１１月６日に共に出願された米国特許出願第６１／９００，５１０号明細書及び第６１／９００，５４３号明細書の利益を享受し、その全体の内容は、参照により本明細書に組み込まれる。
本教示は、化学反応器に関し、より具体的には、ガス状反応媒体の所望の製品（単数又は複数）への変換が行われる化学反応器に関する。
ガス状又は気化された液体改質可能燃料の水素リッチ一酸化炭素含有ガス混合物、即ち、一般的に「合成ガス（ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｇａｓ）」又は「シンガス（ｓｙｎｇａｓ）」と呼ばれる生成品への変換は、スチーム改質、ドライ改質、オートサーマル改質、及び触媒部分酸化（ＣＰＯＸ）改質のような周知のガス相燃料改質操作のいずれかに従って実行されることが出来る。これらの燃料改質操作の各々は、その特有の化学的作用と必要条件を有し、且つ各々は、その他の燃料改質操作に対するその有利な点と不利な点によって特色づけられている。
改良された燃料改質器、燃料改質器コンポーネント、及び改質プロセスの開発は、燃料セル、即ち、水素、水素と一酸化炭素の混合物等のような電気化学的酸化可能燃料を電気に電気化学的に変換して主電源ユニット（ＭＰＵ）及び副電源ユニット（ＡＰＵ）を含む一般的な用途のための大きく拡大された役割を果たすためのデバイスのポテンシャルに起因して多くの研究へ焦点が当てられ続けている。燃料セルは、例えば、電気自動車のためのオンボード電気発生デバイス、家庭用デバイスのためのバックアップ電源、レジャー使用、アウトドア及び送電線網を利用しない場所での他の電力消費デバイスのための主電源、及び携行バッテリパックのためのよりより軽量で、高い電力密度、周囲温度から独立した代替品のような特殊化された用途のために使用されることもできる。
大きなスケール、水素の経済的生産、その流通のためのインフラストラクチャー、及びその貯蔵のための実際の手段（特に、輸送燃料）は、まだまだ先であると広く信じられているために、多くの現在の研究と開発は、電気化学的酸化可能燃料源、とりわけ、水素と一酸化炭素の混合物源としての燃料改質器とそのような燃料の電気への変換装置のような燃料セル「スタック」とも一般的に呼ばれる燃料セルアセンブリ、及び燃料の改質器と燃料セルの電気エネルギーの生産のためのよりコンパクトで信頼でき且つ効率的なデバイスへの一体化の両方を向上することに向けられている。
発明の概要
本教示は、種々のガス相反応を実施するためのあらゆる種類のガス相反応器に大抵適用可能であるが、本明細書では、水素リッチ改質油を生成するための液状及びガス状改質可能燃料のガス相改質のためのガス相改質器及び方法によって具体的に例示される。このような改質油は、様々な目的のために、例えば、化学反応物として及び電気への燃料セル内での変換用燃料として利用されることができる。
本教示の多管状反応器システムは、インレットと、複数の管状反応器ユニットと、を有するガス相反応を実行するための多管状反応器；第一ガス状反応媒体インレット；前記第一ガス状反応媒体インレットと流体連通する第二ガス状反応媒体インレット；前記第一及び第二ガス状反応媒体インレットより下流にあり、かつ、前記第一及び第二ガス状反応媒体インレットと流体連通する、とともに、ガス状反応混合物アウトレットを有する混合ゾーン；及び前記多管状反応器の外側にあり、且つ、前記多管状反応器の前記インレットと流体連通状態にあるマニフォルドを含むことができる。前記マニフォルドは、マニフォルドハウジングを含むことができ、前記マニフォルドハウジングは、マニフォルドチャンバを画定する。前記マニフォルドは、前記マニフォルドチャンバ内に配置され、前記マニフォルドチャンバの前記長さの少なくとも大部分に渡って延在し、前記混合ゾーンの前記ガス状反応混合物アウトレットより下流に位置し、且つ、前記混合ゾーンの前記ガス状反応混合物アウトレットと流体連通するインレットと、前記多管状反応器の前記インレットに面する上面部と、前記多管状反応器の前記インレットと対向しない方向を向く底部と、を備え、ガス状反応物コンジットと流体連通状態にあり、前記多管状反応器と流体連通する一つ以上のアウトレットを前記底部に備えるガス状反応物分配器を有することができる。
本教示の多管状反応器システムは、前記マニフォルドハウジングが前記キャビティを画定し、前記キャビティ内又は当該キャビティに隣接してシールが配置されるキャビティ含むことが出来る。前記シールは、前記化学反応器の前記インレットと係合することができ、それによって、前記マニフォルドハウジングと前記インレットとの間に気密シールを提供する。前記シールはガスケットであることができる。
前記多管状反応器は、固定床反応器、流動床反応器、マイクロチャネル反応器、シェルアンドチューブ反応器、管状反応器、多管状反応器、又はそれらの組み合わせであることができる。
前記多管状反応器は、アセチル化、付加反応、アルキル化、脱アルキル化、水添脱アルキル化、還元的アルキル化、アミノ化、芳香化、アリール化、改質、カルボニル化、脱カルボニル化、還元的カルボニル化、カルボキシル化、還元的カルボキシル化、還元的カップリング、濃縮、分解蒸留、水素化分解、環化、環状オリゴマー化、燃焼、脱ハロゲン化、二量体化、エポキシ化、エステル化、置換、フィッシャートロプシュ、気化、ハロゲン化、ハロゲン化水素化、同族体化、水和、脱水、水素化、脱水素化、ヒドロカルボキシル化、ヒドロホルミル化、水素化分解、ヒドロメタル化、加水分解、水素化処理、ハイドロトリーティング、異性化、メチル化、脱メチル化、メタセシス、ニトロ化、酸化、部分酸化、重合、還元、スルホン化、短鎖重合、エステル交換、三量化、及び水性ガスシフトよりなる前記群から前記ガス相反応が選択されることができる。
前記マニフォルドハウジングは、前記多管状反応器の前記動作温度で熱的に且つ機械的に安定したままである材料から製造されることができる。
前記多管状反応器は、前記マニフォルドチャンバ内に配置された電気抵抗ヒーター及び／又は前記マニフォルド及び化学反応器の反応ゾーンと熱連通状態にある少なくとも一つの伝熱要素であるヒーターを有することができる。
水素リッチ改質油を生成するために少なくとも一つの改質可能燃料を改質するための改質器システムであって、前記改質器システムは、インレットと、複数の管状反応器ユニットと、を有するガス相反応を実行するための改質器反応器ユニット；第一ガス状反応媒体インレット；前記第一ガス状反応媒体インレットと流体連通する第二ガス状反応媒体インレット；前記第一及び第二ガス状反応媒体インレットより下流にあり、かつ、前記第一及び第二ガス状反応媒体インレットと流体連通する、とともに、ガス状反応混合物アウトレットを有する混合ゾーン；及び前記複数の管状反応器ユニットの外側にあり、且つ、前記少なくとも一つの改質器反応器ユニットの前記インレットと流体連通状態にあるマニフォルドを含むことが出来る。前記マニフォルドは、マニフォルドハウジングを含むことができ、前記マニフォルドハウジングは、マニフォルドチャンバを画定する。前記マニフォルドは、前記マニフォルドチャンバ内に配置され、前記マニフォルドチャンバの前記長さの少なくとも大部分に渡って延在し、前記混合ゾーンの前記ガス状反応混合物アウトレットより下流に位置し、かつ、前記混合ゾーンの前記ガス状反応混合物アウトレットと流体連通するインレットと、前記複数の管状反応器の前記インレットに面する上面部と、前記複数の管状反応器の前記インレットと対向しない方向を向く底部と、を備え、ガス状反応物コンジットと流体連通状態にあり、前記複数の管状反応器と流体連通する一つ以上のアウトレットを前記底部に備えるガス状改質反応物分配器を有することができる。
前記改質器システムは、前記マニフォルドハウジングが、前記少なくとも一つの改質器反応器の動作中に前記改質反応ゾーンの前記温度で熱的及び機械的に安定したままである材料から製造されることができる。
前記教示によれば、燃料触媒部分酸化改質反応器システムは、
（ａ）ガス状反応媒体の流入のためのインレット端及び関連するインレット、ガス状反応媒体が反応生成物（単数又は複数）を生成するためにガス相反応をするガス相反応ゾーン、及びこのような反応生成物（単数又は複数）の流出のためのアウトレット端及び関連するアウトレットを有する少なくとも一つの反応器ユニット；
（ｂ）前記少なくとも一つの反応器の前記インレットとガス流連通状態にあるマニフォルドであって、前記マニフォルドは、肉厚を有するハウジングを備えること、前記ハウジングは、マニフォルドチャンバを画定すること、及び；
（ｃ）前記マニフォルドチャンバ内に配置され、前記マニフォルドチャンバの前記長さの少なくとも大部分に渡って延在するガス状反応媒体分配器であって、前記分配器は、ガス状反応媒体の流れを当該分配器に送給するためのコンジットとガス流連通状態にあり、一つのアウトレット又は複数のアウトレットを有し、最初に前記少なくとも一つの反応器の前記インレットから離れ、次に前記少なくとも一つの反応器の前記インレットに向かう進路で、当該分配器内を流れるガス状反応媒体を前記マニフォルドチャンバ内に排出するように配置されること、を含む。
また、本発明に係る燃料触媒部分酸化改質反応器システムは、
（ｉ）マニフォルドチャンバの温度を、その前記ガス状反応媒体又はコンポーネント（単数又は複数）の濃縮温度より高く維持するための、及び／又は、前記ガス状反応媒体が前記少なくとも一つの反応器の前記インレットに入る前にその中の前記ガス状反応媒体の温度をより均一にするためのヒーター、及び
（ｉｉ）前記ハウジングの壁のセクション内に画定されるキャビティ、及び前記キャビティ内に配置されるガスケットであって、前記ガスケットが前記少なくとも一つの反応器ユニットの前記インレット端と係合し、それによって前記ハウジングの前記壁と前記反応器の前記インレット端との間に気密シールを提供すること、
の少なくとも一つを、追加のコンポーネントとして有してもよい。
本明細書における前記化学反応器システムの前記マニフォルドコンポーネントは、反応器動作の管理に幾つかの利益をもたらす。一つのそのような利益は、前記反応器インレットの断面全体にわたってガス状反応媒体の略均一な分布であることができ、又は、反応器ユニットのアレイを所有する反応器、例えば、以下に記述する前記ガス相改質器の実施形態の場合は、一つの反応器ユニットが別の反応器ユニットと比べて著しく大量のガス状反応媒体を受け取らないようにする当該アレイにおける各反応器ユニットのインレットに対するガス状反応の略均一な分布であることができる。
前記マニフォルドコンポーネントの他の一つの利益は、前記マニフォルドチャンバ内の乱流の発生を制限又は抑制する能力、即ち、前記反応器及び前記反応器システム全体にわたって低い背圧の維持に貢献することもできる利益であることができる。
前記マニフォルドコンポーネントの更に他の一つの利益は、前記反応器インレット（単数又は複数）において本質的に層流のガス状反応媒体を提供する能力、即ち、前記反応器及び前記反応器システム全体にわたって低い背圧の維持にとって好ましい可能性のある別のファクタであることができる。
以下に記載の図面は、例証目的のために過ぎない。図面は、必ずしも縮尺で描かれてはおらず、本教示の原理を描く時に一般的には強調される。図面は、本教示の範囲を制限する意図は全くない。同様の参照番号は、一般的に、同様の部品を指す。
図１Ａは、本教示に従うマニフォルドコンポーネントを組み込んだガス状燃料ＣＰＯＸ改質器の一実施形態の縦断面図である。 図１Ｂは、図１Ａに示されたガス状燃料ＣＰＯＸ改質器の横方向（長手軸に対して垂直な）断面図である。 図１Ｃは、図１Ａと２Ａに示された管状ＣＰＯＸ反応器ユニットの一つの拡大長手方向断面図である 図１Ｄは、図１Ａと２Ａに示された管状ＣＰＯＸ反応器ユニットの一つの拡大横方向断面図である。 図１Ｅは、本開示のＣＰＯＸ改質器の管状ＣＰＯＸ反応器ユニットの二つの実施形態の拡大した横断面図である。 図１Ｆは、本開示のＣＰＯＸ改質器の管状ＣＰＯＸ反応器ユニットの二つの実施形態の拡大した横断面図である。 図１Ｇは、図１Ａ、図１Ｂ及び図２Ａに示すガス状燃料ＣＰＯＸ改質器のマニフォルド及び関連する管状ＣＰＯＸ反応器ユニットの一部の拡大した縦断面図である。 図２Ａは、本教示に従うマニフォルドコンポーネントを組み込む液体燃料ＣＰＯＸ改質器の一実施形態の縦断面図である。 図２Ｂは、図２Ａに示す液体燃料ＣＰＯＸ改質器の横（長手軸に対して垂直な）断面図である。
詳細な説明
本明細書での本教示は、記述された特定の手順、材料、及び変更に制限されず、それらが変化され得ることが理解されるべきである。使用される用語は、特定の実施形態を記述する目的のみのためであり、且つ本教示の範囲を制限する意図はなく、それは、添付の特許請求の範囲によってのみ制限されることも理解されるべきである。
簡略のために、本明細書での議論と記述は、主に、部分酸化改質反応及び触媒部分酸化改質反応と反応物（改質可能燃料と酸素含有ガス）を含む反応物に焦点を合わせる。しかしながら、本明細書に記述されるデバイス、アセンブリ、システム及び方法は、スチーム改質とオートサーマル改質及びそれらの夫々の反応物（夫々、改質可能燃料とスチーム、及び改質可能燃料、スチーム及び酸素含有ガス）のような他の改質反応並びに本明細書で記述される他のガス相反応に当てはめることができる。従って、酸素含有ガスが、デバイス又は方法に関連して本明細書で参照される場合、本教示は、そうでないと明示的に述べられていない或いはその文脈によって理解されない限り、組合せで又は単独でスチーム、即ち、酸素含有ガス及び／又はスチームを含むものと考えられるべきである。加えて、改質可能燃料は、デバイス又は方法に関連して本明細書で参照される場合、本教示は、そうでないと明示的に述べられていない或いはその文脈によって理解されない限り、組合せで又は単独でスチーム、即ち、改質可能燃料及び／又はスチームを含むものと考えられるべきである。
加えて、本開示のマニフォルド及び方法を含む液体及びガス状改質可能燃料の改質システムは、スチーム改質及びオートサーマル改質を実行するために液状及び／又はガス状反応物との併用に適しているものと理解されるべきである。例えば、スチーム又はオートサーマル改質システムの送給、制御及び管理は、本明細書にて説明されるものと同じ構造及びコンポーネント内で、且つ／又は同じ一般的方法によって発現することが出来る。即ち、本教示の改質システム及び方法は、気化した液状改質可能燃料及びスチームを夫々作り出すために、適切な液状反応物、例えば、液状改質可能燃料及び／又は液体水を液状改質燃料容器から気化器へ送給し、且つ、適切なガス状反応物、例えば、酸素含有ガス、ガス状改質可能燃料及びスチームの少なくとも一つを、夫々の供給源から給送することが出来、気化した液状改質可能燃料、スチーム及びその他のガス状反応物は、本教示のマニフォルドを通って、燃料セルユニット又はシステムの所望のコンポーネント、例えば改質器に送給されることが出来る。
水が送出システムにおいて使用される場合、改質器、燃料セルスタック及び燃料セルユニット又はシステムのアフターバーナーの内の一つ以上からのリサイクルされた熱は、スチームを生成するために水を気化するために使用されることができ、そのスチームは、送出システム内に存在することができる及び／又は独立した源から送出システムに導入されることができる。
本明細書及び特許請求の範囲全体にわたって、構造、デバイス、装置、構成物等が具体的なコンポーネントを有する、含む又は備えるものとして説明される場合、又は、方法が具体的な方法ステップを有する、含む又は備えるものとして説明される場合、そのような構造、デバイス、装置、構成物等は、引用したコンポーネントによって本質的に構成される、又は構成されること、及び、そのような方法が、引用した方法ステップによって本質的に構成される、又は構成されることが考えられる。
要素又はコンポーネントが引用された要素又はコンポーネントのリストに含まれる及び／又はそのリストから選択されると言われる本明細書及び特許請求の範囲において、その要素又はコンポーネントは、引用された要素又はコンポーネントのいずれか一つであることができる、又はその要素又はコンポーネントは、引用された要素又はコンポーネントの二つ以上よりなる群から選択されることができることが理解されるべきである。更に、本明細書にて説明される構造、デバイス、装置又は構成物又は方法の要素及び／又は特徴は、本明細書において明示的であるか暗示的であるかに拘らず、本教示の焦点及び範囲から逸脱することなく様々な方法で組み合わせることができると理解されるべきである。例えば、特定の構造に言及する場合、その構造は、本教示の装置及び／又は方法の様々な実施形態において使用されることができる。
用語「含む（ｉｃｌｕｄｅ）」、「含む（ｉｃｌｕｄｅｓ）」、「含む（ｉｃｌｕｄｉｎｇ）」、「有する（ｈａｖｅ）」、「有する（ｈａｓ）」、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」、「含む（ｃｏｎｔａｉｎ）」、「含む（ｃｏｎｔａｉｎｓ）」、又は「含む（ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ）」は、文法的にそれに等価なものを含み、一般的にオープンエンド及び非制限的、例えば、特に具体的に明記しない限り、又は文脈から理解されない限り、追加の非引用要素又はステップを排除しないものとして理解されるべきである。
本明細書における単数形、例えば、「一つ（ａ）」、「一つ（ａｎ）」、及び「その（ｔｈｅ）」の使用は、特に具体的に明記しない限り、複数を含む（且つその逆も含む）。
用語「約（ａｂｏｕｔ）」の使用が、量的値の前にある場合、本教示は、また、特に具体的に明記しない限り、指定の量的値を含む。本明細書で使用されているように、用語「約（ａｂｏｕｔ）」は、特に明記しない又は推測されない限り、名目値から±１０％の変動を指す。
ステップの順序や特定の動作を実行するための順序は、本教示が動作可能である限り、重要ではないことが理解されるべきである。例えば、本明細書に記述される方法は、本明細書でそうでないと指摘されない又は文脈によって明確に否定されない限り、任意の適切な順序で実行されることができる。更に、二つ以上のステップや動作は、同時に実行されてもよい。更に、本来、ステップが、順番通りに実行される必要がない場合、それらのステップは、同時に実行されることができる。
本明細書内の様々な箇所において、数値は、値の範囲として開示される。本明細書で開示される数値の範囲は、その範囲内の各値及び全ての値及びその範囲の任意の部分範囲を含むことが具体的に意図される。例えば、０から２０の範囲内の一つの数値は、０、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９及び２０、及び例えば、０から１０、８から１６、１６から２０等の任意の部分範囲を個別に開示するように具体的に意図されている。
任意の及び全ての例、即ち本明細書で提供される例示的言語、例えば「のような（ｓｕｃｈ ａｓ）」の使用は、本教示をより良く示すよう単に意図され、請求されない限り、本発明の範囲に対して制限を課さない。明細書における言語は、本教示の実施に必須である非請求要素を指すものとして解釈されるべきではない。
「上部」、「下部」、「頂部」、「底部」、「水平な」、「垂直な」等の空間的配向や位置を指す用語及び表現は、それらの文脈上の使用がそうではないことを指さない限り、構造的、機能的又は動作上の重要性を有さないものとして、及び添付の図面の幾らかにおいて描かれた本教示の液体燃料ＣＰＯＸ改質器の様々な図の任意に選択された配向を単に反映しているとして、本明細書では理解されるべきである。
本明細書で使用されるように、「改質可能燃料」は、液体改質可能燃料及び／又はガス状改質可能燃料を指す。
表現「液体改質可能燃料」は、標準の温度及び標準の圧力（ＳＴＰ）状態で液体である改質可能炭素及び水素含有燃料、例えば、改質を受けた時に、水素リッチ改質油への変換を受けるメタノール、エタノール、ナフサ、蒸留液、ガソリン、灯油、ジェット燃料、ディーゼル、バイオディーゼル等を含むように理解されるべきである。表現「液体改質可能燃料」は、更に、燃料が液体状態にあろうと又はガス状態、即ち蒸気であろうとそのような燃料を含むように理解されるべきである。
本明細書で使用されるように、「ガス状改質反応混合物」は、ガス状液体改質可能燃料（例えば、気化された液体改質可能燃料）、ガス状改質可能燃料又はそれらの組合せ、及び酸素含有ガス（例えば、空気）及び／又は水（例えば、スチームの形態で）を含む混合物を指す。ガス状改質反応混合物は、一酸化炭素も含み得る水素リッチ生成物（「改質油」）を生成するために改質反応を受ける。触媒部分酸化改質反応が実行されるべき場合、ガス状改質反応混合物は、改質可能燃料及び酸素含有ガスを含む「ガス状ＣＰＯＸ改質反応混合物」と呼ばれることができる。スチーム改質反応が実行されるべき場合、ガス状改質反応混合物は、改質可能燃料とスチームを含む「ガス状スチーム改質反応混合物」と呼ばれることができる。オートサーマル改質反応が実行されるべき場合、ガス状改質反応混合物は、改質可能燃料、酸素含有ガス及びスチームを含む「ガス状ＡＴ改質反応混合物」と呼ばれることができる。
表現「ガス状改質可能燃料」は、ＳＴＰ状態においてガスである改質可能炭素及び水素含有燃料、例えば、改質を受けた時に、水素リッチ改質油への変換を受けるメタン、エタン、プロパン、ブタン、イソブタン、エチレン、プロピレン、ブチレン、イソブチレン、ジメチルエーテル、主にメタンである天然ガス及び液化天然ガス（ＬＮＧ）のようなそれらの混合物、及び主にプロパン又はブタンであるが主にプロパン、ブタン、及びアンモニア等からなる全ての混合物を含む石油ガス及び液化石油ガス（ＬＰＧ）等を含むように理解されるべきである。
用語「改質反応」は、ガス状反応媒体の水素リッチ改質油への変換中に生じる発熱反応及び／又は吸熱反応（単数又は複数）を含むと理解される。従って、本明細書における表現「改質反応」は、例えば、ＣＰＯＸ改質、オートサーマル改質及びスチーム改質を含む。
また、先に簡略のために述べたように、本明細書における議論と記述は、部分酸化改質反応及び触媒部分酸化改質反応及び反応物（改質可能燃料と酸素含有ガス）を含む反応物に焦点を合わせる。しかしながら、本明細書に記述されるデバイス、アセンブリ、システム及び方法は、スチーム改質とオートサーマル改質及びそれらの夫々の反応物のような他の改質反応並びに本明細書で記述される他のガス相反応に当てはめることができる。例えば、スチーム改質に対して、本明細書の記述において、スチームを酸素含有ガスと置き換えてもよい。オートサーマル改質に対して、スチームは、本明細書の記述において、酸素含有ガス及び／又は改質可能燃料と共に導入されることができる。
本明細書で使用されるように、「反応器」、「反応器ユニット」、「化学反応器」、及び「化学反応器ユニット」という用語は、化学変換反応器及び電気化学変換反応器、例えば、燃料セル、及び、二つの、特に、一体型の改質器燃料セルシステムの組み合わせを含むと理解されねばならない。
その少なくとも一つの反応器ユニットのインレットへのガス状反応媒体の分配のためのマニフォルドコンポーネントを備える本教示の化学反応器は、ガス状反応媒体の所望の製品（単数又は複数）への変換が行われるあらゆる化学的反応器に適用可能である。例えば、非制限的に、本教示は、例えば、アセチル化、付加反応、アルキル化、脱アルキル化、水添脱アルキル化、還元的アルキル化、アミノ化、芳香化、アリール化、改質、カルボニル化、脱カルボニル化、還元的カルボニル化、カルボキシル化、還元的カルボキシル化、還元的カップリング、濃縮、分解蒸留、水素化分解、環化、環状オリゴマー化、燃焼、脱ハロゲン化、二量体化、エポキシ化、エステル化、置換、フィッシャートロプシュ、気化、ハロゲン化、ハロゲン化水素化、同族体化、水和、脱水、水素化、脱水素化、ヒドロカルボキシル化、ヒドロホルミル化、水素化分解、ヒドロメタル化、加水分解、水素化処理、ハイドロトリーティング（ＨＤＳ／ＨＤＮ）、異性化、メチル化、脱メチル化、メタセシス、ニトロ化、酸化、部分酸化、重合、還元、スルホン化、短鎖重合、エステル交換、三量化、水性ガスシフト等の多くの種類のガス相反応のいずれかを実行するための全てのタイプのガス相反応器、例えば、固定床、流動床、マイクロチャネル、シェルアンドチューブ、管状、多管状等の反応器に広く適用可能である。
本教示の化学反応器は、これから、図１Ａ及び図１Ｂのガス状燃料触媒部分酸化（ＣＰＯＸ）改質器及び図２Ａ及び図２Ｂの液体燃料ＣＰＯＸ改質器の実施形態と関連して具体的に記述される。
図１Ａ及び図１Ｂに示すように、典型的には周囲温度における酸素含有ガスとしての空気が、コンジット１０４のインレット１０３を通って遠心ブロワー１０２によって、事前設定された質量流量にてガス状燃料ＣＰＯＸ改質器１００に導入される。プロパンは、燃料ライン１１１と燃料インレット１１２を介してコンジット１０４に導入される。プロパンと空気は、コンジット１０４の混合ゾーン１２０で組み合わさり、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物を提供する。任意の適切な種類のミキサー、例えば、混合ゾーン１２０内に配置されるスタティックミキサー及び／又はコンジット１０４のらせん状の溝が形成された内側壁表面が、混合ゾーン１２０以外に形成するよりもより組成的に均一なガス状ＣＰＯＸ反応混合物を提供するために含まれることができる。
任意の静的ミキサーの通過及び／又は混合ゾーン１２０内に配置されたらせん状の溝との接触の後、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物は、アウトレット１２５を通ってコンジット１０４から出て、マニフォルド１２６のガス状反応媒体（ガス）分配器１２７に入るが、マニフォルド１２６の機能は、管状ＣＰＯＸ反応器ユニット１０８に向かって、且つその内部において、ガス状反応媒体の均一な分配を行うことである。本教示内のそのような配置又は他の配置は、任意の二つのＣＰＯＸ反応器ユニット内のガス状のＣＰＯＸ反応混合物の流量における差が約２０％以下、例えば、約１０％以下、又は約５％以下である、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物の分配を提供することができる。
マニフォルド１２６は、マニフォルドチャンバ１２９を画定するマニフォルドハウジング、即ち、囲み１２８を含み、マニフォルドチャンバ１２９内では、ガス分配器１２７がコンジット１０４のアウトレット１２５に接続されている。アウトレット１２５を通ってコンジット１０４から出たガス状ＣＰＯＸ反応混合物は、ガス分配器１２７に入り、その後、ガス分配器の底部又は下部に位置する開口（例えば、孔又はスロット）１３０を外部に向かって通過し、当該ガスは、次に、当該分配器の外表面に沿ってその頂部又は上部へ流れ、そこから管状ＣＰＯＸ反応器ユニット１０８のインレット１３１に入る。ガス状ＣＰＯＸ反応混合物が開口１３０を通過してインレット１３１に入る進路は、図１Ｂに示されている。
ガス状ＣＰＯＸ反応混合物をＣＰＯＸ反応器ユニット１０８へ均一に分配する機能を達成するためにマニフォルド１２６の設計の最適化に影響を及ぼし得る一部の指定のファクタは、そのハウジング１２８の構成、そのチャンバ１２９の容積、及びその開口１３０の数、設計、及び配置を含むガス分配器１２７の寸法を含む。一方、そのようなファクタは、コンジット内のガス状ＣＰＯＸ反応混合物の目標の流量、ＣＰＯＸ反応器ユニット１０８の数と配置、ＣＰＯＸ反応器ユニット１０８のインレット１３１の形状と寸法のような改質器設計及び動作ファクタ及び同様な考察に依存する。本教示に係る特定のガス状燃料ＣＰＯＸ改質器のための最適な燃料‐空気分配性能のマニフォルドは、方法を試験するルーチンを使用して当業者によって容易に構成されることができる。
ＣＰＯＸ反応器ユニットのＣＰＯＸ反応ゾーンが実質的に反応器ユニットの長さと同じ広がりを持つ場合、マニフォルドハウジング１２８は、ＣＰＯＸ改質器の典型である高温で熱的に且つ機械的に安定している材料から製造されることができる。これらの実施形態では、カーボンファイバ及び／又はガラスファイバ強化セラミックのような耐火複合材料を含む様々な種類の耐火材が、マニフォルドハウジングを製造するために適切である。構造体の適切な材料は、様々な既知のタイプのアルミナ、再結晶アルミナ、アルミノケイ酸塩、窒化ホウ素、ガラスセラミック、酸化マグネシウム、リン酸ジルコニウム等の緻密なセラミックス、ニッケル‐クロム系超合金、ハステロイ超合金等のような金属を含む。しかしながら、これら及び他の耐火材は、比較的にコストが高い傾向があり、特に、比較的に複雑な構成を有する物品を製造する場合に、共に働くことに興味がそそられ得る。
図１Ｃに示されるＣＰＯＸ反応器ユニット１０８の拡大された、例示の長手方向断面図に示されるように、ＣＰＯＸ反応器ユニット１０８のガス透過可能壁１５１は、その長手に沿って、燃料‐空気混合物インレット１３１で始まる、実質的に触媒が無い第１の、即ち、上流の領域１５２と、第１の領域１５２の終わりに始まり且つ反応器ユニットの生成物改質油流出物アウトレット１５４で又はそれに近接して終わる、触媒的に効果的な量のＣＰＯＸ触媒１６４を含む第２の、即ち、下流の領域１５３に分割されることができる。図１ＡのＣＰＯＸ改質器１００の定常状態動作中に、ＣＰＯＸ反応器ユニットのこの実施形態は、特に、ＣＰＯＸ反応器ユニット１０８の燃料‐空気混合物インレット１３１とマニフォルドハウジング１２８との接合部でかなり低い温度、例えば、周囲温度から約３５０℃までの領域に維持するために本質的にＣＰＯＸ触媒の無い第１の領域１５２を出る第２の領域１５３に熱いＣＰＯＸ反応ゾーン１０９を大きく制限する。
温度が多くの熱可塑性樹脂の溶融温度よりも低い及び多くの熱硬化性樹脂の熱劣化温度未満である、ＣＰＯＸ触媒の無い壁セクションゾーンのより低い温度によって、マニフォルドハウジングの製造のために幾つかのファミリーの熱可塑性樹脂及び熱硬化性樹脂の任意のものを利用することが実際的にされ且つ有利にされる。マニフォルドハウジング１２８の製造のために使用されることができる特定のタイプの熱可塑性樹脂及び熱硬化性樹脂は、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）のようなポリアリルエーテルケトン（ＰＡＥＫ）、フェノールホルムアルデヒド樹脂等を含む。それらの比較的に低い材料コストに加えて、これら及び他の熱的に安定な樹脂は、押し出し成形、真空成形、射出成形、反応射出成形、回転成形等のような低コスト製造手順を使用して複雑な形状に容易に形成可能にできる追加の利点を有し、従って、比較的に複雑な幾何学形状を有するマニフォルドハウジングを作るのに良好に適する。
ＣＰＯＸ反応器ユニット１０８は、図１Ｄに示される円形断面に加えて、図１Ｅ及び図１Ｆに示されるもののような他の断面構成を取ることができる。例えば、図１Ｅは、交互に凹凸となる、即ち、二裂片の断面を有するＣＰＯＸ反応器ユニットを示している。そのような断面構成を有するＣＰＯＸ反応器ユニットは、Ｆｉｎｎｅｒｔｙ氏らによる同時係属中で本願の譲受人に譲渡された米国特許出願公開第２０１３／０２３０７８７号明細書のＳＯＦＣ燃料セルアセンブリのようにそれらのアウトレットセクションが同様に構成された管状中実酸素燃料セル（ＳＯＦＣ）ユニットに接合される又は嵌合される場合に特に有利であり、その明細書の全体の内容は、参照によって本明細書に組み込まれる。
マニフォルド１２６から、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物がＣＰＯＸ反応器ユニット１０８のインレット１３１に入り、ＣＰＯＸ反応ゾーン１０９に入り、そこでは、反応混合物は、水素リッチ一酸化炭素含有改質油を生成するためにガス相ＣＰＯＸ反応を受ける。スタートアップモードで、一つ以上の点火器（単数又は複数）１３５がＣＰＯＸを開始する。ＣＰＯＸが自立した後に、例えば、反応ゾーンの温度が約２５０℃から約１１００℃に達すると、点火器（単数又は複数）は、そこでは自立ＣＰＯＸ反応を維持するために外部点火が最早要求されないので、シャットダウンされることができる。例えば、微細孔の又はアルミニウムベースの耐火性タイプの断熱部１１０がＣＰＯＸコンポーネントからの熱損失を減少するためにＣＰＯＸ改質器のこれらの部分を囲む。
図１Ｃ及び図１Ｄに示す管状ＣＰＯＸ反応器ユニット１０８の拡大した縦断面図及び横断面図に夫々示すように、反応器ユニット１０８のガス透過可能壁１５１は、内表面１６１、外表面１６２、一部がＣＰＯＸ反応ゾーン１０９を構成する、ガス透過可能壁１５１によって画定された開口ガス流通路１６３、外表面１６２に取り付けられた水素ガスバリア１６５、及び、少なくとも第２の領域１５３及びＣＰＯＸ反応ゾーン１０９に対応するガス透過可能壁１５１の部分の構造体内に支持される及び／又は当該構造耐を備える触媒的に効果的な量のＣＰＯＸ触媒１６４を含む。
図１Ｇに示すように、図１Ａ及び図１Ｂに示す改質器１００のマニフォルド１２６のマニフォルド部分１５０の拡大した縦断面図は、上部ハウジング構造体１５５、下部ハウジング構造体１５６、マニフォルドチャンバ１２９、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物分配器１２７、及び、管状ＣＰＯＸ反応器ユニット１０８のインレット１３１とガス流連通状態にあるガス分配器アウトレット１３０を含む。管状ＣＰＯＸ反応器ユニット１０８のインレット端１５７は、上部ハウジング構造体１５５内に形成されたキャビティ１５８内に強固にシールされ、Ｏリングガスケット１５９によってそれと気密関係に係合される。上部ハウジング構造体１５５内に形成されたキャビティ１５８及びその内部に保持されたＯリングガスケットの設備は、上部ハウジング構造体１５５と管状ＣＰＯＸ反応体ユニット１０８のインレット端１５７との間の気密接続のための必要条件を単純にし、更に、マニフォルドハウジング１５６からの動作不能又は不良な反応器の分離及び代替品の反応器ユニットの挿入を一段と容易にする。
ガス状ＣＰＯＸ反応混合物は、ガス分配器１２７の出口１３０を通って、管状ＣＰＯＸ反応器ユニット１０８のインレット１３１を通ってＣＰＯＸ反応ゾーン１０９内に流れ、そこでは、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物は、反応器ユニットのアウトレット端１６０で関連するアウトレット１５４を通って反応器ユニットを出る水素リッチ一酸化炭素含有流出物改質油へのガス相ＣＰＯＸ変換を受ける。
ここで図２Ａ及び図２Ｂを参照すると、酸素含有ガスは、周囲温度で且つ事前設定された質量流量で、コンパクト設計が好ましい略Ｕ形状のコンジットセクションを含むコンジット２０４のインレット２０３から遠心ブロワーシステム２０２によって液体燃料ＣＰＯＸ改質器２００に導入される。周囲温度空気は、最初に、改質器２００のスタートアップモード動作において第１のヒーターユニット２０６が備える第１の加熱ゾーン２０５を通過することによって上昇された温度の事前設定された範囲内に加熱される。第１のヒーターユニット２０６とその下流の第２のヒーターユニット２１３は、例えば、１０ワットから８０ワット又は改質器の燃料処理容量の設計された範囲に依存してそれよりも大きいレートの従来の又はその他の既知の電気抵抗タイプのユニットであることができる。そのようなヒーターは、コンジット２０４内に導入される周囲空気の温度をＣＰＯＸ改質器構成及び動作容量の比較的広い範囲に対して望ましいレベルに上昇することができる。改質器２００の動作の定常状態モード中では、第１のヒーターユニット２０６は停止されることが出来、次に、コンジット２０４に導入された空気は、最初に、細長い管状ガス透過可能ＣＰＯＸ反応器ユニット２０８のＣＰＯＸ反応器ゾーン２０９から回収された発熱の熱によって熱伝達ゾーン２０７内で加熱される。このように、コンジットに導入された空気の温度は、周囲温度から何らかの予め設定された上昇温度内に増加されることができ、その特定の温度は、様々な設計、即ち、当業者が容易に認識できる構造及び動作ファクタによって影響を及ぼされる。
例えばマイクロポーラス又はアルミナ系耐火タイプの断熱部２１０は、これらのコンポーネントからの熱損失を減少するために、コンジット２０４及びＣＰＯＸ反応ユニットのＣＰＯＸ反応ゾーン２０９に対応するＣＰＯＸ反応ユニット２０８の部分の大部分を囲む。
第１の加熱ゾーン２０５及び／又は熱伝達ゾーン２０７によって最初に加熱された空気の温度を上昇するために、最初に加熱された空気がコンジット２０４内を下流に流れ続けるので、この空気は、第２のヒーターユニット２１３からの熱が供給される第２の加熱ゾーン２１２を通過する。第２のヒーターユニットは、比較的僅かに最初に加熱された空気の温度を上昇することだけを必要とするので、その第２のヒーターユニットは、本明細書で記述される燃料気化システムとその管状ＣＰＯＸ反応器ユニットの機能動作の両方に関して改質器の正確且つ迅速な熱管理に資する空気温度における典型的に小さな調節を行うことができる増分ヒーターとして機能できる。
上述され且つここで及びディーゼル燃料によって本教示の他の実施形態で例示されたもののいずれかのような液体改質可能燃料は、主コンジット２０４内で終端する燃料ライン２１４を介して、液体燃料スプレッダー２１５、例えば、ウィック又はスプレーデバイスに導入される。
流体を液体燃料ＣＰＯＸ改質器の流路及びコンジットを通過させ、例えば、燃料ライン２１４を介して液体燃料をコンジット２０４に導入するための任意の従来の又は他の既知のポンプデバイス２１８が使用されることができる。例えば、メータリングポンプ、ロータリポンプ、インペラーポンプ、ダイアフラムポンプ、ぜん動ポンプ、ジェローターのような能動変位ポンプ、ギアポンプ、圧電ポンプ、界面動電ポンプ、電気浸透流ポンプ、毛細管ポンプ等がこの目的のために使用されることができる。上で指摘されたように、加圧液体燃料は、ウィックによってコンジット内で又は燃料インジェクタ、加圧されたノズル、アトマイザー（超音波タイプのものを含む）、噴霧器等のような従来の又は他の既知のスプレーデバイスのいずれかによって液滴形態に広げられることができる。第２のヒーターユニットと燃料スプレッダーデバイスは、コンジット内に導入された液体燃料を気化し且つ共に改質器の燃料気化器システムの主コンポーネントを構成するように一緒に機能できる。幾つかの実施形態では、ポンプ又はそれと等価なデバイスは、燃料を間欠的に又はパルス流の形で送給できる。幾つかの実施形態では、ポンプ又はそれと等価なデバイスは、実質的に連続する流れとして燃料を送給できる。特定の実施形態では、ポンプ又はそれと等価なデバイスは、変化するＣＰＯＸ改質器動作要求に応答して燃料の流量を迅速に調整できる。
改質器２００は、動作のスタートアップモード中に液体燃料の気化を駆動するために任意の熱源、例えば、電気抵抗タイプのヒーター（ヒーター２０６と２１３の場合のように）を使用することができ、特に、燃料の気化がコンジット２０４の外側で起こる場合は、最初に加熱された周囲温度の空気の温度を増分的に上昇するためだけでなく、コンジット２０４への導入に先立って液体燃料を加熱するため、且つ液体燃料がコンジットに入った時点で気化するための十分な熱を提供するためにヒーター２１３が使用される。コンジット２０４への導入に先立って液体燃料を加熱するためのこのオプションの提供は、改質可能燃料がコンジットに入る時に周囲温度にある所与の量の液体改質可能燃料に対して動作する同じ気化器システムより速く又は所与の時間期間内でのより大量の電液体燃料を気化することを可能とすることができる。
液体燃料がコンジット２０４に入る前に液体燃料の加熱を行うために、燃料ライン２１４は、燃料ラインが主コンジット２０４の第２の加熱ゾーン２１２を通過する又はそれに近接している、中を流れる燃料の滞留時間を延長するために延長された燃料ラインのセクション２１９を有するコンジット２０４の壁を横断する。延長された燃料ラインセクションは、この目的のために様々な構成、例えば、第２の加熱ゾーンに対応するコンジットの外表面上に又はそれに近接して配置された、コイル状又は渦巻き状巻線（図示のように）又は一連の長手方向の折り曲げ、又は第２の加熱ゾーンに又はそれの近くのコンジットの内表面内に配置された任意の同様なそのような構成を取ることができる。その正確な構成及び／又は配置には関係なく、延長された燃料ラインセクション２１９は、中の燃料を温度のある予め設定された範囲内に上昇するのに十分な熱の量を受け取るように、第２の加熱ゾーン２１２に効果的熱伝達のために近接していなければならない。このように、このゾーン内を流れる空気を更に加熱することに加えて、コンジット２０４の第２の加熱ゾーン２１２内のヒーター２１３の熱出力の一部は、燃料ライン２１４の先端セクション２１９内に流れる燃料、即ち、ディーゼル燃料に伝達し、燃料ライン２１４の先端セクションは、参照番号２１９によって示されるように、長く延ばされる、即ち延長されることができ、それによって、その温度を予め設定された範囲内に上昇させる。燃料ライン内の燃料に対して、温度値のどのような範囲が選択されようと、もしベーパーロック及びその結果の改質器２００のシャットダウンが回避されるべき場合には、燃料の沸点（ディーゼルの場合、１５０℃から３５０℃まで）を越えないようにすべきである。
液体燃料スプレッダー２１５は、第２の加熱ゾーン２１２及び関連するヒーター２１３から下流で且つ第１の混合ゾーン２２０から上流のコンジット２０４内に配置される。熱電対２２３は、中に形成することを始める気化された燃料‐空気混合物の温度を監視するために気化器から下流のコンジット２０４内に配置される。
ガス状ＣＰＯＸ反応混合物の混合ゾーン２２２から下流に配置された静的ミキサー２２１の通過に続いて、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物は、アウトレット２２５を通ってコンジット２０４から出て、図１Ａ及び図１Ｂのガス状燃料ＣＰＯＸ改質器１００のマニフォルド１２６の構造体と動作の両方と同じ、又はそれらに類似であるマニフォルド２２６のガス分配器２２７に入る。マニフォルド２２６は、マニフォルドチャンバ２２９を画定するマニフォルドハウジング、即ち、囲み２２８を含み、マニフォルドチャンバ２２９内では、加熱されたガス状ＣＰＯＸ反応混合物（ガス）分配器２２７がコンジット４０４のアウトレット２２５に接続されている。アウトレット２２５を通ってコンジット２０４を出る加熱されたＣＰＯＸ反応混合物は、ガス分配器２２７に入り、その後、ガス分配器の底又は下部に位置される孔２３０（例えば、穴又はスロット）を通して外側に通過し、次に、ガスは、分配器の外表面周りをその頂部又は上部に流れ、そこから管状ＣＰＯＸ反応器ユニット２０８のインレット２３１に入る。ガス状ＣＰＯＸ反応混合物が孔２３０を通過してインレット２３１に入る時にガス状ＣＰＯＸ反応混合物の進路が図２Ｂに示されている。
マニフォルドチャンバ２２９の幾つかの領域（単数又は複数）及び／又は表面（単数又は複数）内の温度が、中に存在するガス状ＣＰＯＸ反応混合物の気化された液体改質可能燃料の濃縮温度以下に下降する可能性を排除又は減少するために、電気抵抗ヒーター２３２と熱電対２３３は、燃料濃縮温度を越えるチャンバ内の温度を維持するためのアクティブヒーターシステムを提供するために、マニフォルドチャンバ２２９内に、例えば、その壁の内の一つ以上に配置される又は壁の内の一つ以上に埋め込まれる。アクティブヒーターシステムに加えて、例えば、上述のように、又はそれの代替として、伝熱要素２３４を備えるパッシブヒーター、又は熱伝達システム、例えば、銅のような熱良導体から製造され且つ管状ＣＰＯＸ反応器ユニット２０８のＣＰＯＸ反応ゾーン２０９をマニフォルドチャンバ２２９と熱的にリンクする伝熱要素２３４を備えるパッシブ熱伝達システムが、中の気化された燃料の温度をその濃縮温度を越えて維持するようにＣＰＯＸ反応ゾーン２０９からの発熱の熱をマニフォルドチャンバ２２９内の領域及び／又は表面に運ぶために改質器２００内に配置されることができる。
燃料濃縮の発生を防止する又は最小にするそれらの機能に加えて、そのようなアクティブ及び／又はパッシブヒーターは、ガス状ＣＰＯＸ反応混合物がＣＰＯＸ反応器ユニット２０８のインレット２３１に導入されるとガス状ＣＰＯＸ反応混合物の温度がより均一にされ、改質器動作と改質器制御の両方に対する結果としての利益を有する。従って、例えば、一つ又は両方のマニフォルドヒーターが、任意の二つの管状ＣＰＯＸ反応器ユニットに入るガス状ＣＰＯＸ反応混合物の温度の差が約１０％以下である、例えば、差が５％以下であるように、マニフォルドチャンバ全体を通して一貫して均一な温度のガス状ＣＰＯＸ反応混合物を提供するように機能することが出来る。
図１Ａ及び図１Ｂに示すマニフォルド１２６の場合のように、ＣＰＯＸ反応器ユニット２０８へのガス状ＣＰＯＸ反応混合物のより均一な分配を促進する機能を達成するためにマニフォルド２２６の設計の最適化に影響を及ぼし得る幾つかの指定のファクタは、そのハウジング２２８の構成、そのチャンバ２２９の容量、及びその開口２３０の数、設計及び配置を含むガス分配器２２７の寸法を含む。一方、そのようなファクタは、コンジット内のガス状ＣＰＯＸ反応混合物の目標の流量、ＣＰＯＸ反応器ユニット２０８の数と配置、ＣＰＯＸ反応器ユニット２０８のインレット２３１の形状と寸法のような改質器設計及び動作ファクタ及び同様な考察に依存する。本教示に係る特定の液体ＣＰＯＸ改質器のための最適な燃料‐空気分配性能のマニフォルドは、方法を試験するルーチンを使用して当業者によって容易に構成されることができる。
マニフォルド２２６から、加熱されたガス状ＣＰＯＸ反応混合物がＣＰＯＸ反応器ユニット２０８のインレット２３１に入り、ＣＰＯＸ反応ゾーン２０９に入り、そこでは、反応混合物は、水素リッチ一酸化炭素含有改質油を生成するためにガス相ＣＰＯＸ反応を受ける。図１Ａ及び図１Ｂのガス状燃料ＣＰＯＸ改質器１００の場合のように、液体燃料ＣＰＯＸ改質器２００のスタートアップモードで、一つ以上の点火器２３５がＣＰＯＸを開始する。ＣＰＯＸが自立した後に、例えば、反応ゾーンの温度が約２５０℃から約１１００℃に達すると、点火器（単数又は複数）は、そこでは自立ＣＰＯＸ反応を維持するために外部点火が最早要求されないので、シャットダウンされることができる。
更に本教示に従って、スチームは、改質器がオートサーマル及び／又はスチーム改質反応（単数又は複数）を実行するように動作可能であるように改質器内に導入されることができる。
一実施形態では、改質器は、液体又はガス状改質可能燃料のＣＰＯＸ改質を実行するために最初に動作されることができ、それによって、例えば、電気ヒーターによって供給される追加の熱と共に又はその追加の熱無しで、スチーム発生器内でスチームを生成するために回収されることができる発熱の熱を提供する。このように発生されたスチームは、改質器の内の一つ以上の位置で改質器に導入されることができる。一つの適切な配置は、スチームが熱を提供して液体燃料を気化できる蒸発器である。
他の一実施形態では、本教示に係る改質器は、燃料セルスタックに接続されることができ、そこでは、改質器からの水素リッチ改質油が電流に変換される。燃料セルスタックの動作及び関連するアフターバーナーユニットを示す場所は、電気ヒーターによって供給される熱のような追加の熱と共に又はその熱無しに、スチーム発生器の動作のために再び回収され且つ利用されることができる廃熱源（単数又は複数）を提供できる。スチーム発生器からのスチームは、次に、オートサーマル改質又はスチーム改質を支援するために、改質器に導入される。統合された改質器と燃料セルスタックのこの配置において、参照される廃熱源（単数又は複数）は、オートサーマル改質プロセス及びスチーム改質プロセスに含まれる吸熱反応（単数又は複数）を駆動するために必要な熱を供給できる。
要約すると、本教示の送出システムは、触媒部分酸化（「ＣＰＯＸ」）改質のような部分酸化（「ＰＯＸ」）改質、スチーム改質、及びオートサーマル（「ＡＴ」）改質を含む改質反応を実行するための適切な反応物を送出することができることが理解されるべきである。液体改質可能燃料のような液体反応物及び水は、送出システムの「液体質可能燃料」送出コンポーネント、コンジット、及びアセンブリから及びそれらを通して送出されることができる。ガス状改質可能燃料のようなガス状反応物、スチーム及び空気のような酸素含有ガスは、送出システムの「ガス状改質可能燃料」送出コンポーネント、コンジット、及びアセンブリから及びそれらを通して送出されることができる。スチーム及び酸素含有ガスのような特定のガス状反応物は、本教示の送出システムの周りへの又はそれに続くコンポーネント及びアセンブリから及びそれらを通して送出されることができ、例えば、酸素含有ガスは、例えば、改質に先立って、液体改質可能燃料及び／又は気化された液体改質可能燃料と混合するために、気化器、改質器、及び燃料セルユニット又はシステムの燃料セルスタックの内の少なくとも一つと独立して動作可能な流体連通状態にある酸素含有ガス源から送出されることができる。
本教示は、その精神又は本質的な特徴から逸脱することなく他の特定の形態の実施形態を包含する。従って、前述の実施形態は、本明細書で記述された本教示を制限するのではなくその例証となる全てに関して考察されるべきである。このように、本発明の範囲は、前述の記載によってではなくて添付の特許請求の範囲によって指摘され、特許請求の範囲の等価の意味と範囲内で生じる全ての変化は、特許請求の範囲内に包含されることが意図される。

Claims (9)

  1. 燃料触媒部分酸化改質反応器システムであって、
    多管状反応器インレットと、複数の管状反応器ユニットと、を有するガス相反応を実行するための多管状反応器、
    第一ガス状反応媒体インレット、
    前記第一ガス状反応媒体インレットと流体連通する第二ガス状反応媒体インレット、
    前記第一及び第二ガス状反応媒体インレットより下流にあり、かつ、前記第一及び第二ガス状反応媒体インレットと流体連通する、とともに、ガス状反応混合物アウトレットを有する混合ゾーン、
    及び、
    前記多管状反応器の外側にあり、且つ、前記多管状反応器の前記多管状反応器インレットと流体連通するマニフォルドであって、前記マニフォルドは、マニフォルドハウジングを備え、前記マニフォルドハウジングは、マニフォルドチャンバを画定し、且つ
    前記マニフォルドチャンバ内に配置され、前記マニフォルドチャンバの長さの少なくとも大部分に渡って延在し、前記混合ゾーンの前記ガス状反応混合物アウトレットより下流に位置し、且つ、前記混合ゾーンの前記ガス状反応混合物アウトレットと流体連通するガス状反応物分配器インレットと、前記多管状反応器の前記多管状反応器インレットに面する上面部と、前記多管状反応器の前記多管状反応器インレットと対向しない方向を向く底部と、を備え、ガス状反応物コンジットと流体連通状態にあり、前記多管状反応器と流体連通する一つ以上のアウトレットを前記底部に備えるガス状反応物分配器を有するマニフォルド、
    を備える燃料触媒部分酸化改質反応器システム。
  2. 前記多管状反応器は、多管状固定床反応器、多管状流動床反応器、多管状マイクロチャネル反応器、多管状シェルアンドチューブ反応器、又はそれらの組み合わせである請求項１に記載の燃料触媒部分酸化改質反応器システム。
  3. 前記マニフォルドハウジングがキャビティを画定し、シールが当該キャビティ内又は当該キャビティに隣接して配置され、前記シールは前記多管状反応器の前記多管状反応器インレットと係合し、それによって前記マニフォルドハウジングと前記多管状反応器インレットとの間に気密シールを提供し、前記シールはガスケットである請求項１又は２に記載の燃料触媒部分酸化改質反応器システム。
  4. 前記マニフォルドハウジングは、前記多管状反応器の動作温度で熱的に且つ機械的に安定したままである材料から製造される請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料触媒部分酸化改質反応器システム。
  5. 前記マニフォルドチャンバ内に配置され、前記マニフォルドチャンバと熱連通状態にある電気抵抗ヒーター及び／又は前記マニフォルド及び多管状反応器の反応ゾーンと熱連通状態にある少なくとも一つの伝熱要素であるヒーターを有する請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料触媒部分酸化改質反応器システム。
  6. 水素リッチ改質油を生成するために少なくとも一つの改質可能燃料を改質するための改質器システムであって、前記改質器システムは、
    改質器反応器ユニットインレットと、複数の管状反応器ユニットと、を有するガス相反応を実行するための改質器反応器ユニット、
    第一ガス状反応媒体インレット、
    前記第一ガス状反応媒体インレットと流体連通する第二ガス状反応媒体インレット、
    前記第一及び第二ガス状反応媒体インレットより下流にあり、かつ、前記第一及び第二ガス状反応媒体インレットと流体連通する、とともに、ガス状反応混合物アウトレットを有する混合ゾーン、
    及び
    前記複数の管状反応器ユニットの外側にあり、且つ、前記改質器反応器ユニットの前記改質器反応器ユニットインレットと流体連通状態にあるマニフォルドであって、前記マニフォルドはマニフォルドハウジングを備え、前記マニフォルドハウジングはマニフォルドチャンバを画定し、且つ
    前記マニフォルドチャンバ内に配置され、前記マニフォルドチャンバの長さの少なくとも大部分に渡って延在し、前記混合ゾーンの前記ガス状反応混合物アウトレットより下流に位置し、かつ、前記混合ゾーンの前記ガス状反応混合物アウトレットと流体連通するガス状改質反応物分配器インレットと、前記複数の管状反応器ユニットの前記管状反応器ユニットインレットに面する上面部と、前記複数の管状反応器ユニットの前記管状反応器ユニットインレットと対向しない方向を向く底部と、を備え、ガス状反応物コンジットと流体連通状態にあり、前記複数の管状反応器ユニットの前記管状反応器ユニットインレットと流体連通する一つ以上のアウトレットを前記底部に備えるガス状改質反応物分配器を有するマニフォルド
    を備える改質器システム。
  7. 前記マニフォルドハウジングは、前記少なくとも一つの改質器反応器ユニットの動作中に当該改質器反応器ユニットの前記改質反応ゾーンの温度で熱的及び機械的に安定したままである材料から製造される請求項６に記載の改質器システム。
  8. 前記マニフォルドチャンバ内に配置された電気抵抗ヒーター及び／又は前記マニフォルド及び前記改質器反応器ユニットの反応ゾーンと熱連通状態にある少なくとも一つの伝熱要素を含むヒーターを有する請求項６又は７に記載の改質器システム。
  9. 触媒部分酸化改質器である請求項６〜８のいずれか１項に記載の改質器システム。
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