JP7497225B2 - 水素発生システム - Google Patents

Description

水素発生反応は、メタンなどの炭化水素を水素ガスへと変換する。水素ガスは、たとえば、車両のための燃料として使用され得る。

ここで、炭化水素からの水素ガス（Ｈ２）のエネルギー効率的な低排出生産のためのシステムを説明する。システムは、バヨネット流路（bayonet flow path）を有する蒸気メタン反応器（ＳＭＲ）を含み、バヨネット流路の中において、流路に沿って流れる流入反応物流体が、流路に沿って流れる流出流体から回収された熱の伝達によって加熱される。バヨネット流路に沿って配設されている触媒フォームおよび熱伝達フォームは、ＳＭＲの中の水素発生反応に触媒作用を及ぼし、流入反応物流体への熱伝達を促進させる。ＳＭＲからの製品流体は、水性ガスシフト（ＷＧＳ）反応器に提供される。流体は、ＷＧＳ反応器の中の反応チャネルに沿って配設されている１つまたは複数のＷＧＳ触媒および１つまたは複数の熱伝達材料を横切って流れる。ＷＧＳ触媒および熱伝達材料は、ＷＧＳの中の水素発生反応に触媒作用を及ぼし、発熱のＷＧＳ水素発生反応によって発生させられる熱の除去を促進させる。ＷＧＳ水素発生反応からの熱によって加熱された冷却流体は、ＳＭＲの中への入力として提供され得る。ＳＭＲの中の流体ストリームの間の熱伝達の使用は、水素のエネルギー効率的な生産が実現されることを可能にする。

一般的な態様では、水素の生産のためのシステムは、蒸気メタン改質装置（ＳＭＲ）を含み、蒸気メタン改質装置（ＳＭＲ）は、外側チューブであって、外側チューブの第１の端部は閉じられている、外側チューブと、外側チューブの中に配設されている内側チューブであって、内側チューブの第１の端部は開いている、内側チューブとを含む。ＳＭＲフローチャネルが、内側チューブの中に画定されており、環状スペースが、外側チューブと内側チューブとの間に画定されている。フローチャネルは、環状スペースと流体連通している。ＳＭＲは、外側チューブと内側チューブとの間の環状スペースの中に配設されているフォームを含む。システムは、水性ガスシフト（ＷＧＳ）反応器を含み、水性ガスシフト（ＷＧＳ）は、反応チューブであって、ＷＧＳ反応チャネルが、反応チューブの中に画定されており、ＷＧＳ反応チャネルは、ＳＭＲフローチャネルと流体連通している、反応チューブと、ＷＧＳ反応チャネルの中に配設されている熱伝達材料と、ＷＧＳ反応チャネルの中に配設されているＷＧＳ触媒とを含む。

実施形態は、以下の特徴のうちの１つ、または、以下の特徴のうちの２つ以上の任意の組み合わせを含むことが可能である。

ＳＭＲフローチャネルの出口部は、ＷＧＳ反応チャネルの入口部と流体連通している。

ＷＧＳ反応器は、ハウジングを含み、ＷＧＳ反応器の反応チューブは、ハウジングの中に配設されており、冷却流体チャネルは、ハウジングとＷＧＳ反応器の反応チューブとの間に画定されている。冷却流体チャネルの出口部は、ＳＭＲの環状スペースの入口部と流体連通している。ＷＧＳ反応チャネルの入口部および冷却流体チャネルの出口部は、ＷＧＳ反応器の第１の端部に配設されている。ＷＧＳ反応器は、冷却流体チャネルを通る冷却流体の流量を制御するように構成されているフローコントローラーを含む。

ＳＭＲのフォームは、ＳＭＲ触媒を含む。ＳＭＲ触媒は、ＳＭＲのフォームの上に配設されている。ＳＭＲ触媒は、水素および一酸化炭素が生産されるＳＭＲ水素発生反応に触媒作用を及ぼすように構成されている。ＳＭＲは、外側チューブと内側チューブとの間の環状スペースの中に配設されている外側熱交換フォームを含み、外側熱交換フォームと外側チューブの第２の端部との間の距離は、フォームアセンブリと外側チューブの第２の端部との間の距離よりも小さくなっている。

ＳＭＲは、ＳＭＲフローチャネルの中に配設されている内側熱交換フォームを含む。

ＳＭＲを通るバヨネット流路が、外側チューブの第２の端部における入口部から、外側チューブと内側チューブとの間の環状スペースに沿って、外側チューブの第１の端部に向けて、ＳＭＲフローチャネルに沿って、内側チューブの第２の端部における出口部へ画定されている。

ＷＧＳ触媒は、ＷＧＳ触媒材料を含むフォームを含む。ＷＧＳ触媒材料は、フォーム基材を含み、ＷＧＳ触媒材料は、フォーム基材の上に配設されている。

ＷＧＳ触媒は、第１のＷＧＳ触媒であって、第１のＷＧＳ触媒は、ＷＧＳ反応チャネルの中に配設されており、第１の温度範囲において水素発生反応に触媒作用を及ぼすように構成されている、第１のＷＧＳ触媒と、第２のＷＧＳ触媒であって、第２のＷＧＳ触媒は、ＷＧＳ反応チャネルの中に配設されており、第１の温度範囲よりも低い第２の温度範囲において、水素発生反応に触媒作用を及ぼすように構成されている、第２のＷＧＳ触媒とを含む。熱伝達材料は、第１のＷＧＳ触媒と第２のＷＧＳ触媒との間のＷＧＳ反応チャネルの中に配設されている。

ＷＧＳ反応チャネルの中に配設されている熱伝達材料は、フォームを含む。

システムは、炉を含み、ＳＭＲの一部分は、炉の中に配設されている。ＳＭＲの外側チューブの第１の端部は、炉の中に配設されている。システムは、ＳＭＲの外側チューブの外側表面の上に配設されている外部熱伝達材料を含む。

以前の態様と組み合わせ可能な一般的な態様では、水素を生産するための方法は、第１の製品を生産するために、蒸気メタン改質装置（ＳＭＲ）のバヨネット流路に沿って第１のガスを流すステップであって、それは、バヨネット流路に沿って配設されているフォームを通して第１のガスを流すステップを含む、ステップと、ＳＭＲの中で生産された第１の製品を、ＷＧＳ反応器の反応チューブの中に画定された水性ガスシフト（ＷＧＳ）反応チャネルの入力へ提供するステップと、第２の製品を生産するために、ＷＧＳ反応チャネルを通して第１の製品を含む第２のガスを流すステップとを含む。第２のガスを流すステップは、流れている第２のガスの温度を低減させるために、ＷＧＳ反応チャネルの中に配設されている熱伝達材料を横切って第２のガスを流すステップと、反応チャネルの中に配設されているＷＧＳ触媒を横切って第２のガスを流すステップとを含む。

実施形態は、以下の特徴のうちの１つ、または、以下の特徴のうちの２つ以上の任意の組み合わせを含むことが可能である。

ＳＭＲのバヨネット流路に沿って第１のガスを流すステップは、環状スペースからＳＭＲフローチャネルの中へ第１のガスを流すステップを含み、環状スペースは、外側チューブと外側チューブの中に配設されている内側チューブとの間に画定されており、ＳＭＲフローチャネルは、内側チューブの中に画定されている。ＳＭＲのバヨネット流路に沿って第１のガスを流すステップは、外側チューブの第２の端部における入口部から、環状スペースに沿って外側チューブの第１の端部に向けて、内側チューブの中に画定されているＳＭＲフローチャネルに沿って、内側チューブの第２の端部における出口部へ、第１のガスを流すステップを含む。方法は、内側チューブの中に画定されているフローチャネルに沿って流れるガスからの熱によって、環状スペースに沿って流れる第１のガスを加熱するステップを含む。

バヨネット流路に沿って配設されているフォームを通して第１のガスを流すステップは、触媒フォームを通してガスを流すステップを含む。

方法は、ＷＧＳ反応器のハウジングとＷＧＳ反応器の反応チューブとの間に画定されている冷却流体流路を通して冷却流体を流すステップを含む。流れている第２のガスをＷＧＳ反応チャネルの中に配設されている熱伝達材料に接触させるステップは、流れている第２のガスから冷却流体へ熱を伝達するステップを含む。方法は、１００℃から３００℃の間の温度まで冷却流体を加熱するステップを含む。方法は、冷却流体流路からＳＭＲのバヨネット流路の入力へ、加熱された冷却流体を提供するステップを含む。方法は、冷却流体流路からＷＧＳ反応チャネルの入力へ、加熱された冷却流体を提供するステップを含む。方法は、第１の製品がＷＧＳ反応チャネルの入力に提供される流量に基づいて、冷却流体流路を通る冷却流体の流量を調節するステップを含む。

方法は、ＷＧＳ触媒構造体が水素発生反応に触媒作用を及ぼす温度以上の温度において、ＷＧＳ反応チャネルの入力に第１の製品を提供するステップを含む。方法は、２００℃から４５０℃の間の温度において、ＷＧＳ反応チャネルの入力に第１の製品を提供するステップを含む。

ＷＧＳ触媒を横切って第２のガスを流すステップは、ＷＧＳ反応チャネルの中に配設されている第１のＷＧＳ触媒を横切って第２のガスを流すステップであって、第１のＷＧＳ触媒は、第１の温度範囲において水素発生反応に触媒作用を及ぼすように構成されている、ステップと、反応チャネルの中に配設されている第２のＷＧＳ触媒を横切って第２のガスを流すステップであって、第２のＷＧＳ触媒は、第１の温度範囲よりも低い第２の温度範囲において、水素発生反応に触媒作用を及ぼすように構成されている、ステップとを含む。方法は、第１のＷＧＳ触媒を横切って第２のガスを流した後に、熱伝達材料を横切って第２のガスを流すステップを含む。

第２のガスを熱伝達材料に流すステップは、流れている第２のガスの温度を、ＷＧＳ触媒が水素発生反応に触媒作用を及ぼすことができる温度まで低減させるステップを含む。

方法は、一酸化炭素および水素を生産するために、ＳＭＲのバヨネット流路に沿って第１のガスを流すステップを含む。第１の製品をＷＧＳ反応チャネルの入力に提供するステップは、ＷＧＳ反応チャネルの入力に一酸化炭素を提供するステップを含む。

方法は、二酸化炭素および水素を生産するために、ＷＧＳ反応チャネルに沿って第２のガスを流すステップを含む。

以前の態様のいずれかと組み合わせ可能である、一般的な態様では、蒸気メタン改質装置（ＳＭＲ）システムは、外側チューブであって、外側チューブの第１の端部は閉じられている、外側チューブと、外側チューブの中に配設されている内側チューブであって、内側チューブの第１の端部は開いている、内側チューブとを含む。フローチャネルが、内側チューブの中に画定されており、環状スペースが、外側チューブと内側チューブとの間に画定されており、フローチャネルは、環状スペースと流体連通している。ＳＭＲシステムは、外側チューブと内側チューブとの間の環状スペースの中に配設されている触媒フォームであって、触媒フォームは、触媒を含む、触媒フォームを含む。

実施形態は、以下の特徴のうちの１つ、または、以下の特徴のうちの２つ以上の任意の組み合わせを含むことが可能である。

触媒フォームは、フォーム基材を含み、触媒は、フォーム基材の上に配設されている。

ＳＭＲシステムは、外側チューブと内側チューブとの間の環状スペースの中に配設されている外側熱交換フォームを含む。外側熱交換フォームと外側チューブの第２の端部との間の距離は、触媒フォームと外側チューブの第２の端部との間の距離よりも小さくなっている。外側熱交換フォームは、環状の形状を有している。

触媒フォームは、環状の形状を有している。

ＳＭＲシステムは、フローチャネルの中に配設されている内側熱交換フォームを含む。

触媒フォームは、内側チューブに接触している。

触媒フォームの厚さは、環状スペースの幅に等しくなっている。

触媒フォームは、１０ポア・パー・インチ（ｐｐｉ）から３０ｐｐｉの間の多孔性を有している。

内側チューブに沿った触媒フォームの長さは、１０インチから５フィートの間にある。

外側チューブの外部から加熱されるセクションの中の触媒フォームの長さは、外側チューブの長さの１０％から３０％の間にある。

触媒フォームは、金属フォームを含む。触媒フォームは、ニッケルを含む。

触媒フォームは、炭化ケイ素を含む。

ＳＭＲシステムを通るバヨネット流路が、外側チューブの第２の端部における入口部から、外側チューブと内側チューブとの間の環状スペースに沿って、外側チューブの第１の端部に向けて、フローチャネルに沿って、内側チューブの第２の端部における出口部へ画定されている。

フローチャネルの断面積と環状スペースの断面積との間の比は、１から５の間にある。

内側チューブは、外側チューブと同軸になっている。

外側チューブと内側チューブとの間の環状スペースの幅は、０．２インチから４インチの間にある。

外側チューブの長さは、８フィートから３０フィートの間にある。

ＳＭＲシステムは、フローチャネルの中に配設されている細長いバッフルを含む。

ＳＭＲシステムは、外側チューブの第１の端部の外側表面の上に配設されている熱伝達材料を含む。熱伝達材料は、外側チューブの第１の端部の外側表面の上に配設されているフィンを含む。熱伝達材料は、外側チューブの第１の端部の外側表面の上に配設されているバッフルを含む。熱伝達材料は、外側チューブの第１の端部の外側表面の上に配設されているフォームを含む。

以前の態様のいずれかと組み合わせ可能な一般的な態様では、蒸気メタン改質装置（ＳＭＲ）システムの中で水素を生産するための方法は、ＳＭＲシステムのバヨネット流路に沿ってガスを流すステップを含む。バヨネット流路は、外側チューブと外側チューブの中に配設されている内側チューブとの間に画定されている環状スペースであって、外側チューブの第１の端部は閉じられており、内側チューブの第１の端部は開いている、環状スペースと、内側チューブの中に画定されているフローチャネルであって、フローチャネルは、環状スペースに流体連通している、フローチャネルとによって画定されている。バヨネット流路に沿ってガスを流すステップは、外側チューブと内側チューブとの間の環状スペースの中に配設されている触媒フォームを通してガスを流すステップを含む。

実施形態は、以下の特徴のうちの１つ、または、以下の特徴のうちの２つ以上の任意の組み合わせを含むことが可能である。

バヨネット流路に沿ってガスを流すステップは、外側チューブと内側チューブとの間の環状スペースの中に配設されている外側熱交換フォームを通してガスを流すステップを含む。

方法は、触媒フォームを通してガスを流す前に、外側熱交換フォームを通してガスを流すステップを含む。

バヨネット流路に沿ってガスを流すステップは、フローチャネルの中に配設されている内側熱交換フォームを通してガスを流すステップを含む。

バヨネット流路に沿ってガスを流すステップは、環状スペースからフローチャネルの中へガスを流すステップを含む。方法は、外側チューブの第１の端部における環状スペースから、内側チューブの第１の端部におけるフローチャネルの中へ、ガスを流すステップを含む。

方法は、内側チューブの中に画定されているフローチャネルの中を流れるガスからの熱によって、環状スペースの中を流れるガスを加熱するステップを含む。

方法は、外側チューブの第１の端部における環状スペースの中のガスを加熱するステップを含む。

方法は、バヨネット流路の少なくとも一部分に沿って乱流でガスを流すステップを含む。

方法は、バヨネット流路に沿って流れるガスから水素を生産するステップを含む。

以前の態様のいずれかと組み合わせ可能な態様では、水性ガスシフト（ＷＧＳ）反応器システムは、ハウジングと、ハウジングの中に配設されている反応チューブであって、反応チャネルが、反応チューブの中に画定されており、冷却流体チャネルが、ハウジングと反応チューブとの間に画定されている、反応チューブと、反応チャネルの中に配設されている触媒であって、触媒は、水素発生反応に触媒作用を及ぼすように構成されている、触媒と、反応チャネルの中に配設されている熱伝達材料とを含む。

実施形態は、以下の特徴のうちの１つ、または、以下の特徴のうちの２つ以上の任意の組み合わせを含むことが可能である。

触媒は、第１の触媒であって、第１の触媒は、反応チャネルの中に配設されており、第１の温度範囲において水素発生反応に触媒作用を及ぼすように構成されている、第１の触媒と、第２の触媒であって、第２の触媒は、反応チャネルの中に配設されており、第１の温度範囲よりも低い第２の温度範囲において、水素発生反応に触媒作用を及ぼすように構成されている、第２の触媒とを含む。熱伝達材料は、第１の触媒と第２の触媒との間の反応チャネルの中に配設されている。第１の触媒は、２００℃から４５０℃の間の温度において、水素発生反応に触媒作用を及ぼすように構成されている。第２の触媒は、１８０℃から３５０℃の間の温度において、水素発生反応に触媒作用を及ぼすように構成されている。

熱伝達材料と反応チャネルの入口部との間の距離は、触媒構造体および反応チャネルの入口部との間の距離よりも小さくなっている。触媒は、２００℃から４５０℃の間の温度において、水素発生反応に触媒作用を及ぼすように構成されている触媒を含む。

触媒は、触媒材料を含むフォームを含む。触媒フォームは、フォーム基材を含み、触媒材料は、フォーム基材の上に配設されている。フォームは、５ポア・パー・インチ（ｐｐｉ）から３０ｐｐｉの間の多孔性を有している。

触媒は、触媒ペレットを含む。

熱伝達材料は、フォームを含む。フォームは、５ｐｐｉから３０ｐｐｉの間の多孔性を有している。

熱伝達材料は、フィンを含む。

ＷＧＳ反応器システムは、冷却流体チャネルの中に配設されている冷却チャネル熱伝達材料を含む。冷却チャネル熱伝達材料は、フォームを含む。

ハウジングは、円筒形状のハウジングを含み、反応チューブは、円筒形状のハウジングと同軸になっている。

ＷＧＳ反応器システムは、反応チューブの中に配設されている内側チューブを含み、反応チャネルは、反応チューブと内側チューブとの間の環状スペースによって画定されており、内側冷却流体チャネルが、内側チューブの中に画定されている。

ＷＧＳ反応器システムは、ハウジングの中に配設されている複数の反応チューブを含む。

反応チャネルの入口部および冷却流体チャネルの出口部は、ＷＧＳ反応器の第１の端部に配設されている。

反応チャネルの入口部は、冷却流体チャネルの出口部と流体連通している。

冷却流体チャネルの出口部は、蒸気メタン改質装置（ＳＭＲ）の入口部と流体連通しているように構成されている。

ＷＧＳ反応器システムは、冷却流体チャネルを通る冷却流体の流量を制御するように構成されているフローコントローラーを含む。

一般的な態様では、水性ガスシフト（ＷＧＳ）反応器の中で水素を生産するための方法は、ＷＧＳ反応器のハウジングとハウジングの中に配設されている反応チューブとの間に画定されている冷却流体チャネルを通して、冷却流体を流すステップと、反応チューブの中に画定されている反応チャネルを通して、一酸化炭素および蒸気を含むガスを流すステップとを含む。反応チャネルを通してガスを流すステップは、流れているガスから冷却流体チャネルの中の冷却流体へ熱を伝達するために、反応チャネルの中に配設されている熱伝達材料を横切ってガスを流すステップと、反応チャネルの中に配設されている触媒を横切ってガスを流すステップであって、触媒は、水素発生反応に触媒作用を及ぼすように構成されている、ステップとを含む。

実施形態は、以下の特徴のうちの１つ、または、以下の特徴のうちの２つ以上の任意の組み合わせを含むことが可能である。

熱伝達材料を横切ってガスを流すステップは、流れているガスの温度を、触媒構造体が水素発生反応に触媒作用を及ぼす温度まで低減させるステップを含む。方法は、流れているガスの温度を２００℃から４５０℃の間に低減させるステップを含む。

触媒を横切ってガスを流すステップは、反応チャネルの中に配設されている第１の触媒を横切ってガスを流すステップであって、第１の触媒は、第１の温度範囲において水素発生反応に触媒作用を及ぼすように構成されている、ステップと、反応チャネルの中に配設されている第２の触媒を横切ってガスを流すステップであって、第２の触媒は、第１の温度範囲よりも低い第２の温度範囲において、水素発生反応に触媒作用を及ぼすように構成されている、ステップとを含む。方法は、第１の温度範囲の中の温度において、ガスを反応チャネルの中へ受け入れるステップを含む。方法は、２００℃から４５０℃の間の温度において、ガスを反応チャネルの中へ受け入れるステップを含む。方法は、第１の触媒を横切ってガスを流した後に、熱伝達材料を横切ってガスを流すステップを含む。熱伝達材料を横切ってガスを流すステップは、流れているガスの温度を第２の温度範囲の中まで低減させるステップを含む。方法は、流れているガスの温度を１８０℃から３５０℃の間に低減させるステップを含む。

方法は、反応チューブの中に配設されている内側チューブの中に画定されている内側冷却流体チャネルを通して、冷却流体を流すステップを含む。

反応チャネルを通してガスを流すステップは、ＷＧＳ反応器の第１の端部からＷＧＳ反応器の第２の端部へガスを流すステップを含み、冷却流体チャネルを通して冷却流体を流すステップは、ＷＧＳ反応器の第２の端部からＷＧＳ反応器の第１の端部へ冷却流体を流すステップを含む。

方法は、反応チャネルを通るガスの流量に基づいて、冷却流体チャネルを通る冷却流体の流量を調節するステップを含む。

方法は、１００℃から３００℃の間の温度において冷却流体チャネルから冷却流体を出力するステップを含む。

方法は、冷却流体チャネルから反応チャネルの入力へ蒸気を提供するステップを含む。

方法は、冷却流体チャネルから蒸気メタン改質装置の入力へ蒸気を提供するステップを含む。

ここで説明されているアプローチは、以下の利点のうちの１つまたは複数を有することが可能である。流体ストリームをターゲット温度まで加熱および冷却するために、取り戻される熱を使用することは、水素発生プロセスがエネルギー効率的な低排出プロセスになることを可能にする。システムは、モジュール式のものであることが可能であり、たとえば、ターゲットスループットがシステム構成または動作の変化によって実現されることを可能にする。システムは、大規模なエネルギー効率的な水素発生拡大縮小可能であり得る。

１つまたは複数の実装形態の詳細が、添付の図面および下記の説明に記載されている。他の特徴および利点は、説明および図面から、ならびに、特許請求の範囲から明らかになることとなる。

水素発生システムのダイアグラムである。 蒸気メタン改質装置（ＳＭＲ）の断面図である。 ラインＡ－Ａ’に沿った図２ＡのＳＭＲの断面図である。 ラインＢ－Ｂ’に沿った図２ＡのＳＭＲの断面図である。 水性ガスシフト（ＷＧＳ）反応器のダイアグラムである。 ＷＧＳ反応器のダイアグラムである。 ＷＧＳ反応器のダイアグラムである。 水素発生システムのダイアグラムである。 プロセスフローチャートである。 ＳＭＲの内側チューブと外側チューブとの間の温度差のプロットである。 フォームがある場合のＳＭＲの中の熱伝達のシミュレーションである。 フォームがない場合のＳＭＲの中の熱伝達のシミュレーションである。

ここで、炭化水素からの水素ガス（Ｈ２）のエネルギー効率的な低排出生産のためのシステムを説明する。システムは、バヨネット流路を有する蒸気メタン反応器（ＳＭＲ）を含み、バヨネット流路の中において、流路に沿って流れる流入反応物流体が、流路に沿って流れる流出流体から回収された熱の伝達によって加熱される。バヨネット流路に沿って配設されている触媒フォームおよび熱伝達フォームは、ＳＭＲの中の水素発生反応に触媒作用を及ぼし、流入反応物流体への熱伝達を促進させる。ＳＭＲからの製品流体は、水性ガスシフト（ＷＧＳ）反応器に提供される。流体は、ＷＧＳ反応器の中の反応チャネルに沿って配設されている１つまたは複数のＷＧＳ触媒および１つまたは複数の熱伝達材料を横切って流れる。ＷＧＳ触媒および熱伝達材料は、ＷＧＳの中の水素発生反応に触媒作用を及ぼし、発熱のＷＧＳ水素発生反応によって発生させられる熱の除去を促進させる。ＷＧＳ水素発生反応からの熱によって加熱された冷却流体は、ＳＭＲの中への入力として提供され得る。ＳＭＲの中の流体ストリームの間の熱伝達の使用は、水素のエネルギー効率的な生産が実現されることを可能にする。

ここで説明されている水素発生システムは、モジュール式のものであり、小さい設置面積を有する。システムは、重大なダウンタイムなしに、アップグレードまたはターンダウンされ得る。システムのエレメント、たとえば、チューブ、マニホールド、フランジ、および触媒などは、容易に分解または交換され得、低いダウンタイムを伴ってメンテナンスまたは動作的な調節を可能にする。

図１を参照すると、水素発生システム１００の概略ダイアグラム（動作的な構成で示されている）は、蒸気メタン反応器（ＳＭＲ）２００および水性ガスシフト（ＷＧＳ）反応器３００を含み、反応器（ＳＭＲ）２００および水性ガスシフト（ＷＧＳ）反応器３００は、天然ガス、バイオガス、メタン、メタノール、または他の適切な炭化水素などの炭化水素から水素ガス（Ｈ２）を一緒に発生させる。炭化水素および水蒸気（蒸気）を含む流体１０２が、ＳＭＲの中へ入力され、触媒フォームの存在下において反応させられる。ＳＭＲ２００を通って流れる流体から取り戻される熱、および、外部から印加される熱は、ＳＭＲ２００を通って流れる反応物の温度を、ＳＭＲ水素発生反応が起こる温度まで上昇させる。ＳＭＲを通って流れる流体からの残留熱を使用して反応物を加熱することは、外部熱源に対する加熱負荷を低減させ、それによって、エネルギー効率的な動作を可能にする。ＳＭＲの中で発生させられる製品ガス１０４は、水素ガスおよび一酸化炭素を含む。

製品ガス１０４（たとえば、水素および一酸化炭素）の少なくとも一部分は、蒸気とともに、ＷＧＳ反応器３００の中へ入力される流体として提供される。エネルギー効率的な動作のために、製品ガス１０４は、ＷＧＳ反応器３００の中への入力に関して適当な温度でＳＭＲから出力され、それによって、ＷＧＳ反応器３００の中へ入力される流体のアクティブ加熱または冷却が回避されることを可能にする。ＷＧＳ反応器３００の中へ入力される流体は、ＷＧＳ反応器３００の反応チャネルに沿って流れ、触媒フォームなどのＷＧＳ触媒の存在下において反応し、水素および二酸化炭素を生産する。フォームなどの熱交換材料が、反応チャネルの中に配設されており、発熱のＷＧＳ水素発生反応によって発生させられる余剰熱を、ＷＧＳ反応器３００を通って流れる冷却流体１０８に伝達する。熱交換材料によって促進される熱伝達による反応チャネルの中の流体の冷却は、ＷＧＳ反応器３００の中のアクティブ冷却が回避されることを可能にし、エネルギー効率的な動作を可能にする。ＷＧＳの中で発生させられる製品ガス１１０は、水素ガスおよび二酸化炭素を含む。蒸気の形態の加熱された冷却流体１０６は、ＳＭＲ２００の中へ入力される流体１０２の一部として提供され得る。いくつかの例では、追加的な蒸気は、たとえば、システムスタートアップのために、外部水供給源から提供される。

図２Ａ～図２Ｃを参照すると、ＳＭＲ２００は、２つの同心円状のチューブ、すなわち、外側チューブ２０２および内側チューブ２０４を含み、内側チューブ２０４は、外側チューブ２０２の中に同軸に配設されている。ＳＭＲ２００の第１の端部２０６における外側チューブ２０２の第１の端部は閉じられており、内側チューブ２０４の第１の端部は開いている。環状スペース２１０が、外側チューブ２０２と内側チューブ２０４との間に画定されている。フローチャネル２１２が、内側チューブ２０４の中に画定されており、環状スペース２１０と流体連通している。細長いバッフル２１３が、内側チューブ２０４の長さの少なくとも一部分に沿って配設されている。

ＳＭＲ２００を通って流れる流体（たとえば、ガス）は、入口部２１４から、ＳＭＲ２００の第２の端部２１６における環状スペース２１０の中へ、ＳＭＲの第１の端部２０６における外側チューブ２０２の第１の端部に向けて環状スペース２１０に沿って、フローチャネル２１２の中へ、ＳＭＲの第２の端部２１６における内側チューブ２０４の第２の端部に向けてフローチャネル２１２に沿って、そして、内側チューブ２０４の第２の端部における出口部２２０へ、ＳＭＲ２００を通るバヨネット流路（図２Ａの中の矢印によって示されている）を辿る。反応物（たとえば、炭化水素および水）が、入口部２１４においてバヨネット流路の中へ入力される。水素発生反応は、ＳＭＲ触媒の存在下において、外側チューブの第１の端部２０６に向けて起こり、出口部２２０を介してＳＭＲ２００から出力される製品（たとえば、水素ガスおよび一酸化炭素）を発生させる。ＳＭＲ２００の中で起こる例示的な水素発生反応は、以下のように表される。
ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→３Ｈ_２＋ＣＯ

水素発生反応は、６００℃から１０００℃の間などの反応温度の上方で起こる吸熱反応である。外部熱源２２２は、ＳＭＲ２００の第１の端部２０６において環状スペース２１０に沿って流れる流体を少なくとも反応温度まで加熱する。外部熱源２２２は、燃焼（たとえば、ガス焚き炉）、ソーラーエネルギー、または別の適当なエネルギー供給源によって駆動され得る。

ＳＭＲ２００の第１の端部２０６における環状スペース２１０の中の流体は、外部熱源２２２によって加熱される。加熱された流体は、ＳＭＲ２００の第１の端部２０６における環状スペース２１０からフローチャネル２１２の中へ流れ、高い温度でフローチャネルに進入する。ＳＭＲのバヨネット流路において、外側チューブ２０２および内側チューブ２０４（ひいては、環状スペース２１０およびフローチャネル２１２）が同心円状になっており、ＳＭＲのバヨネット流路は、フローチャネル２１２に沿って流れる高温流体からの熱が、環状スペース２１０に沿って流れるより低い温度の流体に伝達されて戻され得るという構成を提供する。内側チューブ２０４は、この熱伝達を促進させるように設計されており、たとえば、内側チューブ２０４は、高い熱伝導率を有する材料、たとえば、金属または炭化ケイ素などから形成され得、薄い壁を有することが可能である。環状スペース２１０に沿って流れる流体の温度を上昇させるために、取り戻された熱を使用することは、外部熱源２２２に対する負荷を少なくし、水素発生反応のエネルギー効率を改善する。加えて、外部熱源２２２が燃焼炉であるときには、炉にかかる低減された負荷は、外部熱源２２２の炭化水素消費を低減させ、それによって、水素発生反応に関連付けられる排出を低減させる。

具体的に図２Ａおよび図２Ｂを参照すると、触媒フォーム２３０は、外側チューブ２０２と内側チューブ２０４との間の環状スペース２１０の中に配設されている。触媒フォーム２３０は、水素発生反応（たとえば、炭化水素および水からの水素および一酸化炭素の発生）に触媒作用を及ぼすＳＭＲ触媒を含む。水素発生反応は、触媒フォーム２３０がその中に配設されているバヨネット流路の部分の中で主に起こり、それは、反応温度以上の温度になっている。たとえば、水素発生反応は、外部熱源２２２によって加熱されるバヨネット流路の部分の中で起こり、たとえば、ＳＭＲ２００の第１の端部２０６に向かう環状スペース２１０の加熱される部分２２１の中で、および、ＳＭＲ２００の第１の端部２０６における端部スペース２２３の中で起こる。また、水素発生反応は、加熱される部分２２１の外側の領域の中で起こることが可能であり、たとえば、フローチャネル２１２に沿って流れる流体からの熱伝達によって反応温度以上に加熱された領域の中で起こることが可能である（さらに下記に議論されている）。

いくつかの例では、ＳＭＲ触媒は、フォーム基材の上にコーティングされ、触媒フォーム２３０を形成する。いくつかの例では、ＳＭＲ触媒は、フォーム基材の中へ一体化されるかまたは含浸させられ、触媒フォーム２３０を形成している。触媒フォーム２３０は、多孔性の構造体であり、１つまたは複数の流体流路が、多孔性の構造体を通って、触媒フォーム２３０の上流側２３２から下流側２３４へ画定されている。ＳＭＲ２００を通るバヨネット流路に沿った流体フローとして、触媒フォーム２３０の流体流路を通る流体フロー、および、触媒フォーム２３０の中の触媒は、流れる流体の中の水素発生反応に触媒作用を及ぼす。触媒フォーム２３０の多孔性は、触媒フォーム２３０と流れる流体との間の接触のために高い表面積を提供しており、それは、水素発生反応の効率的な触媒作用を促進させる。

触媒フォーム２３０は、熱伝導性材料を含み、触媒フォーム２３０が、外部熱源２２２からの、内側チューブ２０２の中のフローチャネル２１２に沿って流れる流体からの、または、その両方からの、触媒フォーム２３０を通って流れる流体への熱伝達を促進させるようになっている。触媒フォーム２３０と外側チューブ２０２との間の物理的な接触は、外部熱源２２２から触媒フォームを通って流れる流体への熱の伝達を可能にする。触媒フォーム２３０と内側チューブ２０４との間の物理的な接触は、フローチャネル２１２に沿って流れる流体から、触媒フォームを通って流れる流体への熱の伝達を可能にする。触媒フォーム２３０の高い表面積は、熱伝達を促進させる。また、触媒フォーム２３０の多孔性は、環状スペース２１０の少なくとも一部分の中に乱流の流体フローをもたらすことが可能であり、さらに、環状スペース２１０に沿って流れる流体の熱伝達を促進させ、水素発生プロセスのエネルギー効率を強化する。

触媒フォーム２３０は、環状の形状を有している。図２Ａおよび図２Ｂに示されているように、触媒フォーム２３０のアニュラスの厚さｔ_ｃ（簡単に、触媒フォーム２３０の厚さと称される）は、内側チューブ２０４の外側壁と外側チューブ２０２の内側壁との間の半径方向の距離（環状スペース２１０の幅と称される）に等しく、触媒フォーム２３０が外側チューブ２０２および内側チューブ２０４の両方と物理的な接触をした状態になるようになっている。触媒フォーム２３０と外側および内側チューブ２０２、２０４との間の接触は、外部熱源２２２から、および、内側チューブ２０２の中のフローチャネル２１２に沿って流れる流体から、触媒フォーム２３０を通って流れる流体への熱伝達を可能にする。いくつかの例では、触媒フォーム２３０の厚さｔ_ｃは、環状スペース２１０の幅よりも小さくなっており、触媒フォーム２３０は、チューブのうちの１つだけと、たとえば、外側チューブ２０４だけ、または、内側チューブ２０４だけと物理的な接触をした状態になっている。

触媒フォーム２３０の多孔性（たとえば、ポア・パー・インチ）および触媒フォーム２３０の長さ（触媒フォーム２３０の上流側２３２から下流側２３４へ外側チューブ２０２の軸線に沿った触媒フォームの長さを表す）は、触媒フォーム２３０の表面積に影響を与え、したがって、触媒作用および熱伝達の効率に影響を与える。多孔性および長さの増加は、両方とも、流れる流体と触媒フォーム２３０との間の接触の機会を増加させ、それによって、触媒作用および熱伝達の両方の効率を強化する。また、触媒フォーム２３０の長さは、流体が触媒フォーム２３０を通って流れるときに触媒フォーム２３０を横切って起こる流体圧力の降下に影響を与える。多孔性および長さの増加は、両方とも、触媒フォーム２３０を横切る圧力降下の増加を引き起こし、それは、バヨネット流路に沿った流体フローを遅くすることが可能であり、ＳＭＲ２００のスループットを低減させる。触媒フォーム２３０の多孔性および長さは、触媒フォーム２３０を横切る低い圧力降下を伴って、効率的な触媒作用および熱伝達を実現するように選択され得る。たとえば、触媒フォーム２３０は、１０ポア・パー・インチ（ｐｐｉ）から３０ｐｐｉの間の多孔性を有することが可能である。いくつかの例では、触媒フォーム２３０は、外側チューブ２０２の加熱される部分２２１の中に完全に入っており（図２Ａの例のように）、たとえば、触媒フォーム２３０の長さｌ_ｃは、外側チューブ２０２の加熱される部分２２１の長さの１０％から３０％の間にあり、たとえば、長さが１０インチから５フィートの間にある。いくつかの例では、触媒フォーム２３０は、外側チューブ２０２の加熱される部分２２１を越えて延在し、最大で外側チューブの長さ全体に延在することが可能である。いくつかの例では、触媒フォーム２３０の多孔性および長さは、１ポンド毎平方インチ（ｐｓｉ）未満の流体圧力降下が触媒フォーム２３０を横切って起こるように選択され得る。

触媒フォーム２３０は、触媒フォーム２３０を通って流れる流体への熱伝達、たとえば、フローチャネル２１２に沿って流れる流体からの熱伝達、外部熱源２２２からの熱伝達、または、その両方を促進させるのに十分な熱伝導率を有する材料（たとえば、フォーム基材）を含む。触媒フォーム２３０の材料は、ＳＭＲ２００が動作させられる温度範囲において、ＳＭＲ２００のバヨネット流路に沿って流れる流体（たとえば、水素発生反応の反応物および製品）に対して非反応性である。触媒フォーム２３０の材料は、外側チューブ２０２、内側チューブ２０４、またはその両方の材料と熱的に相性が良く、たとえば、それらの同様の熱膨張係数を有することが可能であり、たとえば、チューブ２０２、２０４からの触媒フォーム２３０の剥離を回避する。たとえば、フォームは、金属フォーム、たとえば、ニッケルもしくはステンレス鋼フォームなど、または炭化ケイ素フォーム、または、別の適切な材料であることが可能である。

図２Ａを参照すると、熱伝導性材料から形成された外側熱交換フォーム２５０が、外側チューブ２０２と内側チューブ２０４の間の環状スペース２１０の中に配設されている。外側熱交換フォーム２５０と外側チューブ２０２の第２の端部２１６における入口部２１４との間の距離は、触媒フォーム２３０と入口部２１４との間の距離よりも小さくなっており、環状スペース２１０に沿って流れる流体が、触媒フォーム２３０を通って流れる前に、外側熱交換フォーム２５０を通って流れるようになっている。外側熱交換フォーム２５０は、内側チューブ２０４と物理的な接触をした状態になっており、フローチャネル２１２に沿って流れる流体フローから、外側熱交換フォーム２５０を通って流れる流体への熱伝達を促進させる。

また、図２Ｃを参照すると、熱伝導性材料から形成された内側熱交換フォーム２５２が、内側チューブ２０４の中に画定されたフローチャネル２１２の中に配設されている。内側熱交換フォーム２５２は、内側チューブ２０４と物理的な接触をした状態になっており、内側熱交換フォーム２５２を通って流れる流体から、環状スペース２１０に沿って流れる流体への熱伝達を促進させる。外側および内側熱交換フォーム２５０、２５２の多孔性は、フォーム２５０、２５２とそれぞれのフォームを通って流れる流体との間の接触のために、高い表面積を提供し、それは、効率的な熱伝達を促進させる。また、外側および内側熱交換フォーム２５０、２５２の多孔性は、それぞれ環状スペース２１０またはフローチャネル２１２の少なくとも一部分の中に乱流の流体フローをもたらすことが可能であり、それは、熱伝達をさらに促進させる。いくつかの例では、触媒フォームは、たとえば、内側熱交換フォーム２５２に加えて、または、内側熱交換フォーム２５２の代わりに、フローチャネル２１２の中に配設され得る。

外側および内側熱交換フォーム２５０、２５２によって可能にされる熱伝達は、環状スペース２１０の中の流体が、フローチャネル２１２に沿って流れるより高い温度の流体から回収される余剰熱を使用して、流体が触媒フォーム２３０に到達する前に事前加熱されることを可能にする。環状スペース２１０に沿って流れる流体を事前加熱するために、取り戻された熱を使用することは、環状スペース２１０に沿って流れる流体を反応温度まで加熱するために外部熱源２２２によって提供される熱の量を低減させることが可能であり、それによって、ＳＭＲ２００の効率を強化する。

外側熱交換フォーム２５０は、環状の形状を有している。外側熱交換フォーム２５０のアニュラスの厚さ（外側熱交換フォーム２５０の厚さと称される）は、環状スペース２１０の幅に等しくなっており、外側熱交換フォーム２５０が、外側チューブ２０２および内側チューブ２０４の両方と物理的な接触をした状態になるようになっている。いくつかの例では、外側熱交換フォーム２５０の厚さは、環状スペース２１０の幅よりも小さくなっており、外側熱交換フォーム２５０は、チューブのうちの１つだけと、たとえば、内側チューブ２０４だけと物理的な接触をした状態になっている。

また、内側熱交換フォーム２５２は、環状の形状を有している。内側熱交換フォーム２５２のアニュラスの厚さｔ_ｉは、内側チューブ２０４と細長いバッフル２１３との間の半径方向の距離に等しくなっており、内側熱交換フォーム２５２が内側チューブ２０４と物理的な接触をした状態になるようになっている。いくつかの例では、内側熱交換フォーム２５２の厚さｔ_ｉは、半径方向の距離よりも小さくなっており、内側熱交換フォーム２５２は、内側チューブ２０４と物理的な接触をしているが、細長いバッフル２１３とは物理的な接触をしていない。いくつかの例では、細長いバッフル２１３が存在しておらず、内側熱交換フォーム２５２は、環状または円筒形状になっており、フローチャネル２１２の半径に等しいかまたはそれよりも小さい厚さを有している。

外側熱交換フォーム２５０および内側熱交換フォーム２５２のそれぞれの多孔性および長さは、それぞれの熱交換フォーム２５０、２５２を横切る低い圧力降下を伴う効率的な熱伝達を実現するように選択され得る。たとえば、熱交換フォーム２５０、２５２のそれぞれは、１０ポア・パー・インチ（ｐｐｉ）から３０ｐｐｉの間の多孔性を有することが可能である。外側熱交換フォーム２５０の長さは、たとえば、４インチ程度に小さいことが可能であり、入口部２１２と触媒フォーム２３０の上流側２３２との間の距離と同じ程度の長さになっていることが可能である。内側熱交換フォーム２５２の長さは、たとえば、４インチ程度に小さいことが可能であり、内側チューブ２０４の第１の端部２０８と内側チューブ２０４の第２の端部２１８における出口部２２０との間の距離と同じ程度の長さになっていることが可能である。いくつかの例では、外側および内側熱交換フォーム２５０、２５２の多孔性および長さは、１ポンド毎平方インチ（ｐｓｉ）未満の圧力降下が外側および内側熱交換フォーム２５０、２５２のそれぞれを横切って起こるように選択され得る。いくつかの例では、外側熱交換フォーム２５０、内側熱交換フォーム２５２、またはその両方が、存在していない。

外側および内側熱交換フォーム２５０、２５２は、環状スペース２１０に沿って流れる流体への熱伝達を促進させるのに十分な熱伝導率を有する材料から形成されている。熱交換フォーム２５０、２５２の材料は、ＳＭＲ２００が動作させられる温度範囲において、ＳＭＲ２００のバヨネット流路に沿って流れる流体（たとえば、水素発生反応の反応物および製品）に対して非反応性である。外側および内側熱交換フォーム２５０、２５２の材料は、内側チューブ２０４と熱的に相性が良く、たとえば、内側チューブ２０４と同様の熱膨張係数を有することが可能であり、たとえば、剥離を回避する。たとえば、熱交換フォーム２５０、２５２は、金属フォーム、たとえば、ニッケルもしくはステンレス鋼フォームなど、または、炭化ケイ素フォーム、または別の適切な材料であることが可能である。

バヨネット流路に沿った触媒フォーム２３０および外側および内側熱交換フォーム２５０、２５２の存在は、ＳＭＲ２００を通る高いスループットおよびＳＭＲ２００のエネルギー効率的な動作の両方を可能にする。たとえば、フローチャネル２１２に沿って流れるより高い温度の流体から取り戻される熱によって、環状スペース２１０に沿って流れる流体を加熱することは、外部熱源２２２からの熱のより少ない入力によって反応温度が到達されることを可能にし、エネルギー効率的なＳＭＲ動作を提供する。加えて、取り戻される熱によって環状スペース２１０に沿って流れる流体を加熱することによって、環状スペース２１０は、相対的に幅広くされ得、たとえば、０．２インチから４インチの間などにされ得、それは、相対的に高い体積ガスフローを収容することが可能である。

図２Ａを参照すると、熱伝達材料２５８が、外側チューブ２０２の第１の端部２０６の外側表面の上に配設され、外部熱源２２２からＳＭＲ２００のバヨネット流路に沿って流れる流体への熱伝達を促進させる。図２Ａの例では、熱伝達材料２５８は、フィンである。いくつかの例では、熱伝達材料２５８は、バッフル、フォーム、または、熱伝達を促進させるのに適切な別の構造体であることが可能である。熱伝達材料２５８は、外部熱源２２２から環状スペース２１０に沿って流れる流体への熱伝達の効率を強化し、バヨネット流路の中の流体を加熱するために使用される外部熱源２２２によって生産される熱の量を増加させることによって、ＳＭＲのエネルギー効率的な動作に貢献する。

触媒フォーム２３０および内側および外側熱交換フォーム２５０、２５２の場所、長さ、および特性（たとえば、多孔性、熱伝導率）は、バヨネット流路に沿った１つまたは複数のポイントにおいて所望の温度を実現するように選択され得る。たとえば、フォーム場所、長さ、および特性は、高い効率の水素発生反応を促進させるために、触媒フォーム２３０においてターゲット温度を実現するように選択され得る。いくつかの例では、ＳＭＲから出力される流体は、ＷＧＳ反応器に提供され、さらなる水素発生反応の中の反応物として作用し、フォーム場所および長さは、フローチャネル２１２の出口部２２０から出力される流体のターゲット温度（たとえば、ＷＧＳ反応器の中への入力に関するターゲット温度など）を実現するように選択され得る。ＷＧＳ反応器の中への入力に関するターゲット温度においてＳＭＲ２００から流体を出力することによって、ＷＧＳ反応器入力を事前加熱するための外部熱源の使用は、低減されるかまたは排除され得、システムの全体的な効率を強化する。

触媒フォーム２３０および外側および内側熱伝達フォーム２５０、２５２は、ＳＭＲ２００から除去され得、たとえば、異なる特質（たとえば、異なる多孔性、長さ、熱伝導率、または他の特質）のフォームと交換され得る。たとえば、フォームのうちの１つまたは複数を交換することは、ＳＭＲ２００からの出力流体のターゲットスループットまたはターゲット温度などの所望の性能が実現されることを助けることが可能である。

いくつかの例では、外側チューブ２０２の長さは、たとえば、モジュール式の水素発生システムに関して、８フィートから３０フィートの間にある。いくつかの例では、外側チューブ２０２は、たとえば、工業プラント規模の水素発生システムに関して、より長くなることが可能である。環状スペースの幅は、０．２インチから４インチの間にあることが可能である。フローチャネル２１２の断面積と環状スペース２１０の断面積との間の比（図２Ｂを参照）は、１よりも大きくなっており、たとえば、１から５の間にあり、水素発生反応から結果として生じるガスのモルの増加を収容する。

いくつかの例では、触媒フォーム２３０、外側熱伝達フォーム２５０、内側熱伝達フォーム２５２、または、それらのうちの任意の２つ以上の組み合わせは、不均一な構造体であり、たとえば、不均一な多孔性またはマルチマテリアル組成を有している。たとえば、フォームを横切る流体圧力降下があまり重要でない場所では、フォームは、より小さい細孔を伴って構成され、熱伝達を強化することが可能である。フォームは、マルチマテリアルフォームであることが可能であり、たとえば、熱伝達効率のためのアルミニウムまたは銅の内側シェルとの化学的適合性のために、ニッケルの外側シェルを有するフォームであることが可能である。いくつかの例では、外側熱伝達フォーム２５０、内側熱伝達フォーム２５２、または、その両方は、中実の円筒形状のチューブによって交換され得る。

ＳＭＲの中の熱伝達（たとえば、フローチャネルに沿って流れる流体から、環状スペース２１０に沿って流れる流体への熱伝達）は、流れる流体の圧力に関係付けられる。流体圧力の増加は、一般的に、熱伝達の増加を結果として生じさせる。高い圧力で動作するＳＭＲのための内側および外側チューブ２０２、２０４の壁は、より低い圧力で動作するＳＭＲのための内側および外側チューブ２０２、２０４の壁よりも厚くなっている。増加した壁厚さは、熱伝達を低減させる可能性がある。ＳＭＲコンポーネント（たとえば、内側および外側チューブのための壁厚さ）および動作パラメーター（たとえば、流体圧力）は、そのような相反する要因のバランスをとるように設計され得る。

図２Ａ～図２Ｃの例では、ＳＭＲ２００は、外側チューブ２０２および内側チューブ２０４を含む単一のセットのチューブを含む。いくつかの例では、ＳＭＲは、複数のセットのチューブを含み、それぞれのセットは、外側チューブおよび内側チューブを有している。複数のセットのチューブは、スループットの増加のために並列に動作させられ得、複数のセットのチューブのための十分な熱を発生させるようにサイズ決めされた単一の外部熱源２２２によって加熱され得る。

ＳＭＲ２００の中の水素発生反応の製品（余剰蒸気とともに、水素ガスおよび一酸化炭素を含む）は、出口部２２０を介してＳＭＲ２００から出力される。ＳＭＲ出力は、水性ガスシフト（ＷＧＳ）反応器への入力として提供され、水性ガスシフト（ＷＧＳ）反応器では、一酸化炭素および水（たとえば、蒸気）が、ＷＧＳ触媒の存在下で反応させられ、水素ガスおよび二酸化炭素を発生させる。

ＳＭＲ２００からの出力は、ＷＧＳ反応器の中への入力に関して十分な温度になっている。ＷＧＳ反応器は、１つまたは複数のＷＧＳ触媒を含み、そのそれぞれは、それぞれの温度範囲の中で動作し、ＳＭＲ出力は、ＷＧＳ触媒の温度範囲以上の温度にあり、ＳＭＲ出力の外部アクティブ加熱が、ＷＧＳ反応器の中への入力の前に起こらないようになっている。ＳＭＲ出力の温度は、フローチャネル２１２に沿って流れる流体とＳＭＲの環状スペース２１０に沿って流れる流体との間の熱伝達に影響を与えるパラメーターの調節、たとえば、外側熱伝達フォーム２５０、内側熱伝達フォーム２５２の特質、外側および内側チューブ２０２、２０４の直径および材料、バヨネット流路に沿った流体の流量、または他の要因の調整によって制御可能である。

図３を参照すると、例示的なＷＧＳ反応器３００は、ハウジング３０２と、ハウジング３０２の中に配設されている反応チューブ３０４とを含む。反応チャネル３０６が、反応チューブ３０４の中に画定されている。たとえば、ハウジング３０２および反応チューブ３０４は、両方とも、円筒形状のチューブであることが可能であり、反応チューブ３０４は、円筒形状のハウジング３０２と同軸になった状態になっている。図３の例では、反応チャネル３０６は、反応チューブ３０４と反応チューブ３０４の中に配設されている内側チューブ３０８との間に画定された環状スペースである。いくつかの例では、反応チャネル３０６は、円筒形状になっており、内側チューブは、反応チューブ３０４の中に配設されていない。

反応物流体（たとえば、ＳＭＲから出力される流体など）は、ＷＧＳ反応器３００の第１の端部３１０において、反応チャネル３０６の入口部３０５の中へ進入し、反応チャネル３０６に沿って流れる。水素発生反応は、反応チャネル３０６の中に配設されているＷＧＳ触媒の存在下において、反応チャネル３０６に沿って起こる。水素発生反応は、製品（たとえば、水素ガスおよび二酸化炭素）を発生させ、製品は、ＷＧＳ反応器の第２の端部３１２において、出口部３０７を介して反応チャネル３０６から出力される。たとえば、ＷＧＳ反応器３００の第１の端部３１０における反応チャネル３０６の入口部３０５は、ＳＭＲ２００の出口部２２０（図２Ａを参照）と流体連通しており、ＳＭＲからの流体出力は、ＷＧＳ３００の反応チャネル３０６の中へ提供される。ＷＧＳ水素発生反応の例は、以下のように表される。
ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→Ｈ_２＋ＣＯ_２

ＷＧＳ３００の中の水素発生反応は、発熱反応である。ＷＧＳ３００の中の水素発生反応によって発生させられる熱は、ＷＧＳのハウジング３０２と反応チューブ３０４との間に画定された冷却流体チャネル３１４に沿って流れる水などの冷却流体によって除去される。また、冷却流体は、内側チューブ３０８の中に画定される内側冷却流体チャネル３１６を通って流れることが可能である。冷却流体は、ＷＧＳ反応器３００の第２の端部３１２において、それぞれ冷却流体チャネル３１４および内側冷却流体チャネル３１６の入口部の中へ進入し、ＷＧＳ反応器の第１の端部３１０において、それぞれ冷却流体チャネル３１４および内側冷却流体チャネル３１６の出口部から退出する。反応チャネル３０８の中の流体のフローの方向は、ＷＧＳ反応器３００の第１の端部３１０から第２の端部３１２になっている。冷却フローの方向は、ＷＧＳ反応器３００の第２の端部３１２から第１の端部３１０へ、反対側になっている。冷却流体が冷却流体チャネル３１４および内側冷却流体チャネル３１６に沿って流れるときに、冷却流体は、反応チャネル３０８に沿って流れる流体からの熱によって加熱される。いくつかの例では、冷却流体は、入口部において液体水であり、出口部において冷却流体が蒸気、または、液体水および蒸気の混合物となるように加熱される。

ＷＧＳ触媒および熱伝達材料は、ＷＧＳ反応器３００の反応チャネル３０６の中に配設されている。ＷＧＳ触媒および熱伝達材料の構成は、たとえば、ターゲットスループットもしくは水素発生効率を実現するために、ターゲット温度範囲の中での動作を実現するために、または、別の目標を実現するために調節され得る。たとえば、反応チャネル３０６に沿ったＷＧＳ触媒および熱伝達材料の位置が調節され得る。ＷＧＳ触媒および熱伝達材料の構造および範囲が調節され得る。図３の例では、ＷＧＳ反応器３００は、２つのＷＧＳ触媒３３０、３３２の間に配設されている熱伝達材料３３４を伴う２触媒システムとして構成されている。図４の例では、ＷＧＳ反応器３００は、熱伝達材料４３４および単一のＷＧＳ触媒４３０を伴う、１触媒システムとして構成されている。ＷＧＳ触媒および熱伝達材料の他の構成も可能である。

図３に示されているＷＧＳ反応器３００の２触媒構成では、第１のＷＧＳ触媒３３０および第２のＷＧＳ触媒３３２が、反応チャネル３０６の中に配設されている。第１のＷＧＳ触媒３３０は、第１の温度範囲の中で、たとえば、２００℃から４５０℃の間において、ＷＧＳ水素発生反応に触媒作用を及ぼす。第１のＷＧＳ触媒３３０は、たとえば、３１０℃から４５０℃の間の温度においてＷＧＳ水素発生反応に触媒作用を及ぼす高温ＷＧＳ触媒であることが可能である。第１のＷＧＳ触媒３３０は、たとえば、２００℃から３５０℃の間の温度においてＷＧＳ水素発生反応に触媒作用を及ぼす中温ＷＧＳ触媒であることが可能である。反応物は、第１の温度範囲の中の所定の温度において、反応チャネル３０６の中へ入力され、第１のＷＧＳ触媒３３０が、第１のＷＧＳ触媒３３０を横切って流れるガスの中の水素発生反応に触媒作用を及ぼすことが可能であるようになっている。

第２のＷＧＳ触媒３３２は、反応チャネル３０６に沿ってより遠くに配設されており、第１のＷＧＳ触媒３３０と反応チャネル３０６の入口部３０５との間の距離が、第２のＷＧＳ触媒３３２と反応チャネル３０６の入口部３０５との間の距離よりも小さくなるようになっている。反応チャネル３０６に沿って流れるガスは、第２のＷＧＳ触媒３３２を横切って流れる前に、第１のＷＧＳ触媒３３０を流れる。第２のＷＧＳ触媒３３２は、第１の温度範囲よりも低い第２の温度範囲の中で、ＷＧＳ水素発生反応に触媒作用を及ぼす。たとえば、第２のＷＧＳ触媒３３２は、たとえば、１８０℃から３５０℃の間の温度範囲において、ＷＧＳ水素発生反応に触媒作用を及ぼす。第１のＷＧＳ触媒３３０が高温ＷＧＳ触媒であるときには、第２のＷＧＳ触媒３３２は、中温ＷＧＳ触媒であることが可能である。または、第２のＷＧＳ触媒３３２は、たとえば、１８０℃から２５０℃の間の温度においてＷＧＳ水素発生反応に触媒作用を及ぼす低温ＷＧＳ触媒であることが可能である。第１のＷＧＳ触媒３３０が中温ＷＧＳ触媒であるときには、第２の触媒３３２は、低温ＷＧＳ触媒であることが可能である。

熱伝達材料３３４は、第１のＷＧＳ触媒３３０と第２のＷＧＳ触媒３３２との間の反応チャネル３０６の中に配設されており、熱伝達材料３３４と反応チャネル３０６の入口部３０５との間の距離が、第２のＷＧＳ触媒３３２と反応チャネル３０６の入口部３０５との間の距離よりも小さくなった状態になっている。反応チャネル３０６に沿って流れる流体は、最初に、第１のＷＧＳ触媒３３０を横切って流れ、次いで、熱伝達材料３３４を横切って流れ、次いで、第２のＷＧＳ触媒３３２を横切って流れる。熱伝達材料３３４は、反応チューブ３０４、内側チューブ３０８、または、その両方と物理的な接触をした状態になっている。熱伝達材料３３４は、反応チャネル３０６に沿って流れる流体から、冷却流体チャネル３１４、内側冷却流体チャネル３１６、または、その両方に沿って流れる冷却流体への熱（たとえば、第１の触媒３３０において起こる発熱の水素発生反応によって発生させられる熱）の現場での伝達を促進させる。この熱伝達は、反応チャネルに沿って流れるガスの温度を、第２のＷＧＳ触媒３３２が水素発生反応に触媒作用を及ぼすことができる温度範囲まで低減させる。

いくつかの例では、入力側熱伝達材料（図示せず）が、反応チャネル３０６の中に配設されており、反応チャネル３０６の中へ受け入れられた流体が、第１の触媒３３０を横切って流れる前に入力側熱伝達材料を横切って流れるようになっている。この入力側熱伝達材料は、第１のＷＧＳ触媒３３０が水素発生反応に触媒作用を及ぼすことができる温度範囲まで、流体の温度を低減させる。たとえば、ＳＭＲ２００（図２）からの流体が、第１のＷＧＳ触媒３３０にとって高過ぎる温度において、ＷＧＳ３００の中への入力として提供されるときには、入力側熱伝達材料が、入力流体の温度を第１のＷＧＳ触媒３３０の温度範囲まで低減させる。いくつかの例では、出力側熱伝達材料（図示せず）が、反応チャネル３０６の中に配設されており、流体が、第２の触媒３３２を横切って流れた後に出力側熱伝達材料を横切って流れるようになっている。この出力側熱伝達材料は、ＷＧＳ水素発生反応の完了の後に冷却流体の中への熱の回収を促進させ、ＷＧＳ反応器のエネルギー効率を強化する。

熱伝達材料３３６、３３８は、冷却流体チャネル３１４および内側冷却流体チャネル３１６の中にそれぞれ配設されている。冷却流体チャネル３１４および内側冷却流体チャネル３１６に沿って流れる冷却流体は、それぞれ、熱伝達材料３３６、３３８を横切って流れる。熱伝達材料３３６は、反応チューブ３０４と物理的な接触をした状態になっており、反応チャネル３０６に沿って流れる流体から、冷却流体チャネル３１４に沿って流れる冷却流体への熱の伝達を促進させる。熱伝達材料３３８は、内側チューブ３０８と物理的な接触をした状態になっており、反応チャネル３０６に沿って流れる流体から、内側冷却流体チャネル３１６に沿って流れる冷却流体への熱の伝達を促進させる。

冷却フローが冷却流体チャネル３１４、３１６に沿って流れるときに、冷却流体は、反応チャネルに沿って流れる流体からの熱伝達によって加熱される。いくつかの例では、加熱された冷却流体は、ＳＭＲ２００への入力として提供されるか、または、ＷＧＳ３００の反応チャネル３０６への入力として戻される。たとえば、加熱された冷却流体は、ＳＭＲの中へ入力に関して適当な温度および流量で生産された飽和水または２相水（液体／蒸気）であることが可能である。

図３に示されているＷＧＳ反応器３００の構成では、熱伝達材料３３６、３３８は、熱伝達材料３３４と整合させられている。いくつかの例では、熱伝達材料３３６、３３８は、熱伝達材料３３４と整合させられていない。熱伝達材料３３６、３３８は、それぞれ、冷却流体チャネル３１４および内側冷却流体チャネル３１６の長さのいくらかまたはすべてに沿って延在することが可能である。いくつかの例では、熱伝達材料３３６、３３８のうちの１つだけが存在しており、または、熱伝達材料３３６、３３８のいずれも存在していない。

ＷＧＳ反応器３００の中の触媒配置は、他の触媒に影響を与えることなく、単一触媒の活性化および還元を可能にする。一般的に、ＷＧＳ反応器３００の中の触媒は、わずかに上昇した温度において触媒を横切って還元ガスをゆっくりと流すことによって活性化させられ、金属的な活性形態に触媒を還元するようになっている。いくつかの例では、ＷＧＳ触媒は、ＷＧＳとＳＭＲとの接続の前に外部から活性化させられる。

図４を参照すると、ＷＧＳ反応器３００は、単一触媒システムとして構成されており、単一触媒システムでは、単一のＷＧＳ触媒４３０がＷＧＳ反応器３００の反応チャネル３０６の中に配設されている。ＷＧＳ触媒４３０は、たとえば、２００℃から４５０℃の間の温度において、ＷＧＳ水素発生反応に触媒作用を及ぼす。ＷＧＳ触媒４３０は、高温ＷＧＳ触媒または中温ＷＧＳ触媒であることが可能である。

熱伝達材料４３４が、反応チャネル３０６の中に配設されており、熱伝達材料４３４と反応チャネル３０６の入口部３０５との間の距離が、ＷＧＳ触媒４３０と反応チャネル３０６の入口部３０５との間の距離よりも小さくなるようになっている。反応チャネル３０６に沿って流れる流体は、最初に、熱伝達材料４３４を横切って流れ、次いで、ＷＧＳ触媒４３０を横切って流れる。熱伝達材料４３４は、反応チューブ３０４、内側チューブ３０８、またはその両方と物理的な接触した状態になっており、反応チャネル３０６の中へ受け入れられる流体から、冷却流体チャネル３１４、内側冷却流体チャネル３１６、またはその両方に沿って流れる冷却流体への熱の伝達を促進させる。この熱伝達は、ＷＧＳ触媒４３０がＷＧＳ水素発生反応に触媒作用を及ぼすことができる温度範囲内まで、流体の温度を低減させる。たとえば、ＳＭＲ２００（図２）から出力される一酸化炭素が、ＷＧＳ触媒４３０にとって高過ぎる温度において、ＷＧＳ３００の中への入力として提供されるときには、熱伝達材料４３４は、入力流体の温度を触媒４３０の温度範囲まで低減させる。

熱伝達材料４３６、４３８は、冷却流体チャネル３１４および内側冷却流体チャネル３１６の中にそれぞれ配設されており、反応チャネル３０６に沿って流れる流体から、冷却流体チャネル３１４および内側冷却流体チャネル３１６に沿って流れる冷却流体への熱伝達を促進させる。図４に示されているＷＧＳ反応器３００の構成では、熱伝達材料４３６、４３８は、熱伝達材料４３４と整合させられている。いくつかの例では、熱伝達材料４３６、４３８は、熱伝達材料４３４と整合させられていない。熱伝達材料４３６、４３８は、それぞれ、冷却流体チャネル３１４および内側冷却流体チャネル３１６の長さのいくらかまたはすべてに沿って延在することが可能である。いくつかの例では、熱伝達材料４３６、４３８のうちの１つだけが存在しており、または、熱伝達材料４３６、４３８のいずれも存在していない。

図３および図４のＷＧＳ触媒３３０、３３２、４３０は、ペレット、ビーズ、サドル、リング、または、触媒材料から形成された他の構造体であることが可能である。ＷＧＳ触媒３３０、３３２、４３０は、触媒フォーム、フォイル、フィン、または、たとえば、触媒材料が基材の上に配設されているかもしくは基材の中に一体化された状態の、基材および触媒材料を含む他の構造体であることが可能である。触媒フォームは、多孔性の構造体であり、１つまたは複数の流路が、多孔性の構造体を通って画定されている。触媒フォームの多孔性は、高い表面積を実現するように選択され得、効率的な触媒作用、および、触媒フォームを横切る低い圧力降下を可能にし、反応チャネル３０６に沿った効率的な流体フローを可能にする。たとえば、触媒フォームは、５ｐｐｉから３０ｐｐｉの間の多孔性を有することが可能である。触媒フォームの材料は、ＷＧＳ３００が動作させられる温度範囲において、反応チャネル３０６に沿って流れる流体（たとえば、ＷＧＳ水素発生反応の反応物および製品）に対して非反応性である。たとえば、触媒フォームは、金属フォーム、たとえば、銅もしくはアルミニウムなど、または炭化ケイ素フィルム、または別の適切な材料であることが可能である。図３の２触媒構成では、第１および第２のＷＧＳ触媒３３０、３３２は、両方とも同じ構造を有することが可能であり、または、第１および第２のＷＧＳ触媒３３０、３３２のそれぞれが、別個の構造を有することが可能である。

熱伝達材料３３４、３３６、３３８、４３４は、反応チャネル３０６に沿って流れる流体から、冷却流体チャネル３１４もしくは内側冷却流体チャネル３１６またはその両方に沿って流れる冷却流体への熱伝達を可能にするのに十分な熱伝導率を有する材料である。反応チャネル３０６の中に配設されている熱伝達材料３３４、４３４は、ＷＧＳ３００が動作させられる温度範囲において、反応チャネル３０６に沿って流れる流体（たとえば、ＷＧＳ水素発生反応の反応物および製品）に対して非反応性である。たとえば、熱伝達材料３３４、４３４は、金属、たとえば、銅もしくはアルミニウムなど、または炭化ケイ素、または別の適切な材料であることが可能である。

熱伝達材料３３４、３３６、３３８、４３４は、フォーム、フィン、フォイル、リング、サドル、ビーズ、もしくはペレット、または、熱伝達ができる他の構造であることが可能である。フォームの例では、フォームの多孔性および長さは、高い表面積を実現するように選択され得、効率的な熱伝達、および、フォームを横切る低い圧力降下を可能にし、反応チャネル３０６に沿った効率的な流体フローを可能にする。たとえば、熱伝達材料３３４、３３６、３３８、４３４は、５ｐｐｉから３０ｐｐｉの間の多孔性を有するフォームであることが可能である。

図３および図４を参照すると、冷却流体チャネル３１４、３１６に沿った冷却流体の流量は、フローコントローラー３４０によって制御される。流量は、反応チャネル３０６の中へ入力される流体の温度、冷却流体チャネル３１４、３１６の中へ入力される冷却流体の温度に基づいて、選択されるかまたは調節され得る。流量は、反応チャネル３０６から出力される流体のターゲット出力温度、冷却流体のターゲット出力温度、または、その両方に基づいて、選択されるかまたは調節され得る。流量は、触媒構成、触媒のタイプ（たとえば、高温ＷＧＳ触媒、中温ＷＧＳ触媒、もしくは低温ＷＧＳ触媒）、または、その両方に基づいて、選択されるかまたは調節され得る。流量は、実際のまたは所望のスループットに基づいて、選択されるかまたは調節され得る。

ＷＧＳ反応器３００の反応チャネル３０６の中の流体の冷却は、ＷＧＳ水素発生反応が高いエネルギー効率で実施されることを可能にする。反応チャネル３０６の中の流体から冷却流体への熱の伝達は、反応チャネル３０６の中の流体を冷却し、たとえば、発熱の水素発生反応の間に発生させられる熱を除去し、流体の温度をＷＧＳ触媒に関して適当な温度範囲まで低減させ、流体のエネルギー集約型のアクティブ冷却を伴わない。そのうえ、ＷＧＳ反応器の中の熱伝達は、等温条件が実現されることを可能にし、ＷＧＳ水素発生反応の変換効率を改善する。

図５を参照すると、ＷＧＳ反応器５００は、ハウジング５０２の中に配設されている複数の反応チューブ５０４ａ～５０４ｃを含む。反応チャネル５０６ａ～５０６ｃが、それぞれの反応チューブ５０４ａ～５０４ｃ（集合的に反応チューブ５０４と称される）の中に画定されている。反応物ガスが、ＷＧＳ反応器５００の第１の端部５１０において、反応チャネル５０６ａ～５０６ｃ（集合的に反応チャネル５０６と称される）の中へ流れ、製品ガスが、ＷＧＳ反応器５００の第２の端部５１２において、反応チャネル５０６を退出する。

冷却流体チャネル５１４が、ハウジング５０２と反応チューブ５０４との間のスペースの中に画定されている。冷却流体は、ＷＧＳ反応器の第２の端部５１２において冷却流体チャネル５１４の中へ進入し、ＷＧＳ反応器５００の第１の端部５１０において、冷却流体チャネルから退出する。

図５の例では、ＷＧＳ反応器５００は、単一触媒システムであり、高温ＷＧＳ触媒または中温ＷＧＳ触媒などの単一触媒５２２が、それぞれの反応チャネル５０６の中に配設されている。熱伝達材料５２４が、それぞれの反応チャネル５０６の中に配設されており、反応チャネル５０８の中のガスから冷却流体チャネル５１４の中の冷却流体への熱伝達を促進させる。いくつかの例では、複数の反応チューブを含むＷＧＳ反応器５００は、２触媒システムとして構成され得る。

図６を参照すると、ＳＭＲ２００およびＷＧＳ３００は、炭化水素からの水素ガス（Ｈ２）の生産のためのシステム６００の中へ一体化されている。外部熱源としての燃焼炉６０２が、ＳＭＲ２００の第１の端部を加熱する。また、システム６００は、ＷＧＳ５００によって実装され得、ＳＭＲが複数のセットの外側および内側チューブ、またはその両方を含む状態になっている。

ＳＭＲ２００の中の水素発生反応は、ＳＭＲ触媒を含む触媒フォームの存在下において、炭化水素および水蒸気（蒸気）を含む反応物から、水素ガス（Ｈ２）および一酸化炭素（ＣＯ）を生産する。水素ガスおよび一酸化炭素は、ＳＭＲの内側チューブの中に画定されたフローチャネルから、余剰蒸気とともに、ＳＭＲ製品ライン６０４の上に出力される。ＳＭＲ２００からの流体（たとえば、水素ガス、一酸化炭素、および蒸気）は、ＷＧＳ３００の反応チャネルへの入力として提供される。ＳＭＲ２００の出口部は、ＳＭＲ製品ライン６０４を介してＷＧＳ３００の入口部と流体連通している。いくつかの例では、追加的な蒸気が、たとえば、水ストレージ６１４（下記に議論されている）から、または、ＷＧＳ３００からの冷却流体出力ライン６２０（下記に議論されている）から、ＷＧＳ３００の反応チャネルの中へ提供され、一酸化炭素に対する蒸気のターゲット比を実現する。

上記に議論されているように、ＳＭＲ２００の出口部に向けてフローチャネルに沿って流れる流体は、ＳＭＲの環状スペースに沿って流れる流入流体との熱伝達によって冷却される。したがって、ＳＭＲの出口部における流体の温度は、環状スペースの中の流体との熱伝達の程度によって、少なくとも部分的に制御可能である。熱伝達、ひいては、出口部流体温度は、ＳＭＲ２００の構成（たとえば、触媒フォームおよび熱交換フォームの位置、長さ、多孔性、または他の特質）によって、ならびに、ＳＭＲの動作（たとえば、ＳＭＲ２００のバヨネット流路に沿った流体の流量）によって影響を与えられる。ＳＭＲ２００の構成、動作、またはその両方は、熱伝達を実現するために調節され得、ＳＭＲ２００から出力される流体が、ＷＧＳ３００の反応チャネルの中への入力にとって適当な温度になるようになっている。たとえば、ＷＧＳ３００が反応チャネルの入力に向けて高温ＷＧＳ触媒または中温ＷＧＳ触媒を伴って構成されているときには、ＳＭＲ２００は、ＷＧＳ触媒が活性である範囲の中の温度で一酸化炭素および蒸気がＷＳＧ３００の反応チャネルに到着するように構成され得る。ＳＭＲから出力される流体に関するターゲット温度を実現するために、ＳＭＲ２００の中の熱伝達を利用することによって、外部アクティブ冷却デバイスは、ＳＭＲ２００とＷＧＳ３００との間で使用されず、外部アクティブ加熱デバイス（たとえば、炉６０２）の役割が低減され得、したがって、システムレベルの水素発生プロセスの高いエネルギー効率に貢献する。

ＷＧＳ３００の中の水素発生反応は、水素ガスおよび二酸化炭素（ＣＯ２）を生産し、水素ガスおよび二酸化炭素（ＣＯ２）は、ＷＧＳ３００の反応チャネルからＷＧＳ製品ライン６０８の上に余剰蒸気とともに出力される。余剰蒸気は、蒸気液体セパレーター（ＶＬＳ）６１０の中のＷＧＳ製品ライン６０８の上の流体から除去される。残りの水素ガスおよび二酸化炭素は、分離のために下流６１１に送られ、二酸化炭素は、（たとえば、下記に議論されている煙道スタックを介して）廃棄され、水素ガスは、たとえば、燃料としての使用のために、水素ストレージに除去される。分離された蒸気は、蒸気ライン６１２に沿って水ストレージ６１４へ流れ、水ストレージ６１４は、外部水供給源６１６から提供される水も貯蔵する。蒸気ライン６１２の上の分離された蒸気、外部水供給源６１６からの水、または、その両方は、水ストレージ６１４の中への貯蔵の前に処理され得る。

水ストレージ６１４からの水は、ＷＧＳ３００の中へ入力される冷却流体として、冷却流体ライン６１８に沿って提供される。ＷＧＳ３００から出力される加熱された冷却流体（それは、液体水および蒸気の混合物である）は、冷却流体出力ライン６２０に沿って流れる。加熱された冷却流体は、最終的に、ＳＭＲ２００の中への入力反応物として提供されることとなる。ＷＧＳ３００から出力される加熱された冷却流体の温度は、ＷＧＳ３００の構成（たとえば、ＷＧＳ触媒および熱伝達材料のタイプ、位置、または他の特質）によって、ならびに、ＷＧＳ３００の動作（たとえば、反応チャネルに沿った流体の流量、ならびに、冷却流体の流量）によって影響を与えられる。ＷＧＳ３００の構成、動作、またはその両方は、加熱された冷却流体がターゲット温度（たとえば、ＳＭＲ２００の中への入力にとって十分な温度など）において出力されるように調節され得る。ＷＧＳ３００反応チャネルの中の流体から回収された熱を使用して冷却流体をターゲット温度まで加熱することによって、ＳＭＲ入力流体を加熱するための外部アクティブ加熱エレメントは使用されない。加えて、外部アクティブ冷却は、発熱のＷＧＳ水素発生反応から熱を除去するために使用されない。ＳＭＲ入力流体を加熱するために回収された熱の使用、および、発熱のＷＧＳ水素発生反応の冷却は、高いシステムレベルのエネルギー効率に貢献する。

ＷＧＳ３００から出力される加熱された冷却流体は、冷却流体出力ライン６２０に沿ってアキュムレーター６２２へ流れる。また、アキュムレーター６２２は、水ストレージ６１４から水ライン６２４に沿って追加的な水を受け入れる。アキュムレーター６２２からアキュムレーター出力ライン６２６の上に出力される蒸気および水は、燃焼炉６０２からの煙道ガス６３６からの熱によって、熱交換器６３４の中で加熱される。炭化水素ライン６３０を介して提供される炭化水素は、煙道ガス６３６からの熱によって、熱交換器６３５の中で加熱される。加熱された蒸気６３２および炭化水素６３３は、それぞれ、ミキサー６２８の中で混合され、ＳＭＲ入力ライン６３８の上に出力され、ＳＭＲ入力ライン６３８は、加熱された蒸気および炭化水素をＳＭＲ２００の外側チューブの入口部に給送する。蒸気および炭化水素の混合物をＳＭＲの中への入力にとって十分な温度まで加熱するために、煙道ガス６３６から回収された熱を使用することは、高いシステムレベルのエネルギー効率に貢献する。この構成では、ＷＧＳ冷却流体フローチャネルの出口部は、ＳＭＲ２００の入口部と流体連通した状態になっており、加熱されたＷＧＳ冷却流体がＳＭＲ２００の中へ入力される流体のコンポーネントとして最終的に提供されるようになっている。煙道ガス６３６は、熱交換器６３４を通過した後に、煙道ガススタック６４０に廃棄される。

図７を参照すると、ＳＭＲおよびＷＧＳ反応器を含む水素発生システムの動作において、反応物を含む流体（たとえば、ガス）が、ＳＭＲへの入力として提供される（７００）。具体的には、流体は、ＳＭＲの第２の端部において、ＳＭＲの環状スペースの入口部の中へ提供され、環状スペースは、ＳＭＲの外側チューブと内側チューブとの間に画定された状態になっている。入口部に提供される流体は、炭化水素、たとえば、メタン、天然ガス、バイオガス、メタノール、または他の炭化水素を含む。入口部に提供される流体は、蒸気も含む。

流体は、ＳＭＲのバヨネット流路に沿って流れる。具体的には、流体は、ＳＭＲの第２の端部から第１の端部へ環状スペースに沿って流れる（７０２）。環状スペースに沿って、流体は、外側熱交換フォームを通って流れ（７０４）、それは、ＳＭＲの内側チューブの中に画定されるフローチャネルに沿って流れる高温流体から、環状スペースに沿って流れるより低温の流体への熱伝達を促進させる。また、外側熱交換フォームは、環状スペースに沿って流れる流体の中に乱流を誘発することが可能であり、熱伝達効率を強化する。

環状スペースに沿って流れる流体は、ＳＭＲの第１の端部に向けて、燃焼炉などの外部熱源によって加熱される（７０６）。ＳＭＲの加熱された領域において、流体が、触媒フォームを通って流れ（７０８）、触媒フォームは、ＳＭＲ水素発生に触媒作用を及ぼし、炭化水素および蒸気反応物から水素ガスおよび一酸化炭素を生産する（７１０）。触媒フォームは、それを通って流れるガスへの熱伝達、たとえば、ＳＭＲの内側チューブの中のフローチャネルに沿って流れるより高温の製品流体からの熱伝達、および、外部熱源からの熱伝達を促進させる。

流体（今では、より高い温度になっており、水素および一酸化炭素を含む）は、ＳＭＲの第１の端部において、環状スペースからフローチャネルの中へ流れる（７１２）。フローチャネルの中の流体は、環状スペースの中の流体のフローの方向とは反対側に、ＳＭＲの第１の端部からＳＭＲの第２の端部に向けて流れる。フローチャネルの中の流体は、内側熱交換フォームを通って流れ（７１４）、それは、フローチャネルに沿って流れる高温流体から、環状スペースに沿って流れるより低温の流体への熱伝達を促進させる。また、内側熱交換フォームは、フローチャネルに沿って流れる流体の中に乱流を誘発することが可能であり、熱伝達効率を強化する。また、内側チューブの中の細長いバッフルの存在は、熱伝達効率を強化する。

フローチャネルに沿って流れる流体がＳＭＲ出口部に到達したときに、流体（水素ガス、一酸化炭素、および蒸気を含む）は、ＳＭＲの第２の端部においてＳＭＲから出力される（７１６）。ＳＭＲ出力流体は、ＷＧＳ反応器の反応チャネルの中への入力として提供される（７２０）。環状スペースに沿って流れる流体とＳＭＲの中のフローチャネルに沿って流れる流体との間の熱伝達は、一酸化炭素がＷＧＳ反応器の中への入力にとって十分な温度（たとえば、ＷＧＳ触媒がＷＧＳ水素発生反応に触媒作用を及ぼすことができる温度範囲以上の温度など）になることを結果として生じさせることが可能である。たとえば、ＳＭＲから出力され、ＷＧＳ反応器の反応チャネルの中への入力として提供される流体は、２００℃から少なくとも４５０℃の間の温度になっている。

一酸化炭素および蒸気を含む流体は、ＷＧＳ反応器の反応チャネルに沿って流れ（７２２）、１つまたは複数のＷＧＳ触媒および１つまたは複数の熱伝達材料を横切って流れる。水などの冷却流体は、１つまたは複数の冷却流体チャネルに沿って流れる（７２４）。反応チャネルに沿った流体フローの方向は、冷却流体チャネルに沿った流体フローの方向とは反対側になっている。冷却流体の流量は、たとえば、反応チャネルに沿った流体フローの流量（たとえば、それは、ＳＭＲのスループットに基づいている）に基づいて、冷却流体に関するターゲット出力温度に基づいて、または、ＷＧＳの構成もしくは動作に基づいて調節され得る（７２６）。

図７の例では、ＷＧＳ反応器は、たとえば、図３に示されているように、２触媒システムとして構成されている。反応チャネルの中の流体は、第１のＷＧＳ触媒、たとえば、高温ＷＧＳ触媒または中温ＷＧＳ触媒を横切って流れる（７２８）。第１のＷＧＳ触媒は、第１の温度範囲で、たとえば、２００℃から４５０℃の間において、ＷＧＳ水素発生反応に触媒作用を及ぼし（７３０）、水素ガスおよび二酸化炭素を生産する。反応チャネルの中の流体は、次いで、反応チャネルの中に配設されている熱伝達材料を横切って流れる（７３２）。熱伝達材料は、流体の温度を第２の温度範囲まで低減させ、第２の温度範囲において、第２のＷＧＳ触媒は、冷却流体チャネルの中を流れる冷却流体への熱伝達によって動作する。熱伝達は、冷却流体の温度を、たとえば、１００℃から３００℃の間に上昇させる。反応チャネルの中の流体（今では、第２の温度範囲の中にある）は、第２のＷＧＳ触媒、たとえば、中温ＷＧＳ触媒または低温ＷＧＳ触媒を横切って流れる（７３４）。第２のＷＧＳ触媒は、第１の温度範囲よりも低い第２の温度範囲において、たとえば、１８０℃から２５０℃の間において、ＷＧＳ水素発生反応に触媒作用を及ぼし（７３６）、水素ガスおよび二酸化炭素を生産する。

水素ガス、二酸化炭素、および余剰蒸気を含む、流体は、ＷＧＳ反応器の反応チャネルから出力される（７３８）。余剰蒸気が分離され（７４０）、分離された蒸気は、ＷＧＳ反応器からの冷却流体（たとえば、蒸気および液体水の混合物）とともに、たとえば、ＷＧＳ反応チャネルの中への入力として、または、ＳＭＲの中への入力として使用されるためにリサイクルされる（７４２）。

実施例

ＳＭＲの中の熱伝達のシミュレーションおよび実験が、外部熱源からＳＭＲの環状スペースに沿って流れる流体へ熱を伝達する際の触媒フォームの役割を評価するために実施された。

図８を参照すると、異なる多孔性のフォームが、ＳＭＲの環状スペースの中に配設された。それぞれのフォームタイプに関して、ＳＭＲは、４００℃まで加熱され、外側チューブと内側チューブとの間の温度差が、熱電対によって測定された。３つのフォーム（１０ｐｐｉ、２０ｐｐｉ、および３０ｐｐｉ）のそれぞれに関する温度差、および、空の環状スペース（フォームがない）に関する温度差が、図８に示されている。より低い温度差は、熱伝達に起因する温度平衡を示している。外側チューブと内側チューブとの間の測定された温度差は、フォームが存在しているときよりも、フォームが使用されていないときに、約５０℃大きくなっており、それは、フォームなしの場合には熱伝導が不足していること、およびフォームありの場合には効果的な熱伝導を示している。

図９Ａおよび図９Ｂを参照すると、ＳＭＲ１５０の熱伝達特質が、外部熱源からＳＭＲの中への熱伝達に対するフォームの効果を実証するためにシミュレートされた。ＳＭＲ１５０は、外側チューブ１５２および内側チューブ１５４を有しており、環状スペース１６０が外側チューブ１５２と内側チューブ１５４との間に画定された状態になっており、フローチャネル１６２が内側チューブ１５２の中に画定された状態になっている。図９Ａおよび図９Ｂは、ＳＭＲの半分だけの断面を示している。軸線Ｘ－Ｘ’は、フローチャネル１６２の中心に沿った軸線である。外部熱源１７２は、ＳＭＲの加熱される部分１７１に熱を供給する。図９Ａでは、フォーム１８０が、環状スペース１６０の中に配設されている。図９Ｂでは、フォームは、環状スペースの中に存在していない（図９Ｂ）。入口部流体流量、入口部流体温度、環状の幅、およびチューブ寸法を含む、他のパラメーターは同じであった。熱源１７２は、８７５℃に維持される外側チューブ１５２のセクションとしてシミュレートされた。図９Ａおよび図９Ｂから見られ得るように、フォーム１８０が環状スペース１３０の中に存在する状態で（図９Ａ）、環状スペース１６０の中の流体は、７６０℃を上回る温度に到達し、一方、フォームのないＳＭＲでは（図９Ｂ）、環状スペース１６０の中の流体は、単に４５０℃の温度に到達した。また、環状スペースの中に存在するフォーム１８０は、たとえば、熱伝達によって、および、環状スペース１６０からフローチャネル１６２の中への加熱された流体のフローによって、内側チューブ１５２の中のフローチャネル１６２の中の流体の温度の増加を結果として生じさせた。これらの結果は、ＳＭＲの環状スペースの中に配設されているフォームによって提供される効果的な熱伝達を実証している。

本主題の特定の実施形態が説明されてきた。他の実施形態も、以下の特許請求の範囲の中ある。

１０２ 流体
１０４ 製品ガス
１０６ 冷却流体
１０８ 冷却流体
１１０ 製品ガス
１５０ ＳＭＲ
１５２ 外側チューブ
１５４ 内側チューブ
１６０ 環状スペース
１６２ フローチャネル
１７１ 加熱される部分
１７２ 外部熱源
１８０ フォーム
２００ 蒸気メタン反応器（ＳＭＲ）
２０２ 外側チューブ
２０４ 内側チューブ
２０６ 第１の端部
２１０ 環状スペース
２１２ フローチャネル
２１３ 細長いバッフル
２１４ 入口部
２１６ 第２の端部
２１８ 第２の端部
２２２ 外部熱源
２２３ 端部スペース
２２１ 加熱される部分
２３０ 触媒フォーム
２３２ 上流側
２３４ 下流側
２５０ 外側熱交換フォーム
２５２ 内側熱交換フォーム
２５８ 熱伝達材料
３００ 水性ガスシフト（ＷＧＳ）反応器
３０２ ハウジング
３０４ 反応チューブ
３０５ 入口部
３０６ 反応チャネル
３０７ 出口部
３０８ 内側チューブ
３１０ 第１の端部
３１２ 第２の端部
３１４ 冷却流体チャネル
３１６ 内側冷却流体チャネル
３３０ 第１のＷＧＳ触媒
３３２ 第２の触媒
３３４ 熱伝達材料
３３６ 熱伝達材料
３３８ 熱伝達材料
４３０ ＷＧＳ触媒
４３４ 熱伝達材料
４３６ 熱伝達材料
４３８ 熱伝達材料
５００ ＷＧＳ反応器
５０２ ハウジング
５０４、５０４ａ～５０４ｃ 反応チューブ
５０６、５０６ａ～５０６ｃ 反応チャネル
５１０ 第１の端部
５１２ 第２の端部
５１４ 冷却流体チャネル
５２２ 単一触媒
５２４ 熱伝達材料
６００ システム
６０２ 燃焼炉
６０４ ＳＭＲ製品ライン
６０８ ＷＧＳ製品ライン
６１０ 蒸気液体セパレーター（ＶＬＳ）
６１２ 蒸気ライン
６１４ 水ストレージ
６１６ 外部水供給源
６１８ 冷却流体ライン
６２０ 冷却流体出力ライン
６２４ 水ライン
６２６ アキュムレーター出力ライン
６２８ ミキサー
６３０ 炭化水素ライン
６３２ 蒸気
６３３ 炭化水素
６３４ 熱交換器
６３５ 熱交換器
６３６ 煙道ガス
６３８ ＳＭＲ入力ライン
６４０ 煙道ガススタック

Claims (19)

1. 水素を生産するための方法であって、
   第１の製品を生産するために、蒸気メタン改質装置（ＳＭＲ）のバヨネット流路に沿って第１のガスを流すステップであって、前記バヨネット流路に沿って配設されているフォームを通して前記第１のガスを流すステップを含む、ステップと、
   前記ＳＭＲの中で生産された前記第１の製品を、水性ガスシフト（ＷＧＳ）反応器の反応チューブの中に画定されたＷＧＳ反応チャネルの入力へ提供するステップと、
   第２の製品を生産するために、前記ＷＧＳ反応チャネルを通して前記第１の製品を含む第２のガスを流すステップと
   を含み、
   前記第２のガスを流すステップは、
   流れている前記第２のガスの温度を低減させるために、前記ＷＧＳ反応チャネルの中に配設されている熱伝達材料を横切って前記第２のガスを流すステップと、
   前記反応チャネルの中に配設されているＷＧＳ触媒を横切って前記第２のガスを流すステップと
   を含む、方法。
2. 前記ＳＭＲの前記バヨネット流路に沿って前記第１のガスを流すステップは、環状スペースからＳＭＲフローチャネルの中へ前記第１のガスを流すステップを含み、前記環状スペースは、外側チューブと前記外側チューブの中に配設されている内側チューブとの間に画定されており、前記ＳＭＲフローチャネルは、前記内側チューブの中に画定されている、請求項１に記載の方法。
3. 前記ＳＭＲの前記バヨネット流路に沿って前記第１のガスを流すステップは、前記外側チューブの第２の端部における入口部から、前記環状スペースに沿って前記外側チューブの第１の端部に向けて、前記内側チューブの中に画定されている前記ＳＭＲフローチャネルに沿って、前記内側チューブの第２の端部における出口部へ、前記第１のガスを流すステップを含む、請求項２に記載の方法。
4. 前記内側チューブの中に画定されている前記フローチャネルに沿って流れる前記ガスからの熱によって、前記環状スペースに沿って流れる前記第１のガスを加熱するステップを含む、請求項２に記載の方法。
5. 前記バヨネット流路に沿って配設されているフォームを通して前記第１のガスを流すステップは、触媒フォームを通して前記ガスを流すステップを含む、請求項１に記載の方法。
6. 前記ＷＧＳ反応器のハウジングと前記ＷＧＳ反応器の前記反応チューブとの間に画定されている冷却流体流路を通して冷却流体を流すステップを含む、請求項１に記載の方法。
7. 流れている前記第２のガスを前記ＷＧＳ反応チャネルの中に配設されている前記熱伝達材料に接触させるステップは、流れている前記第２のガスから前記冷却流体へ熱を伝達するステップを含む、請求項６に記載の方法。
8. １００℃から３００℃の間の温度まで前記冷却流体を加熱するステップを含む、請求項７に記載の方法。
9. 前記冷却流体流路から前記ＳＭＲの前記バヨネット流路の入力へ、加熱された冷却流体を提供するステップを含む、請求項６に記載の方法。
10. 前記冷却流体流路から前記ＷＧＳ反応チャネルの入力へ、加熱された冷却流体を提供するステップを含む、請求項６に記載の方法。
11. 前記第１の製品が前記ＷＧＳ反応チャネルの前記入力に提供される流量に基づいて、前記冷却流体流路を通る前記冷却流体の流量を調節するステップを含む、請求項６に記載の方法。
12. 前記ＷＧＳ触媒が水素発生反応に触媒作用を及ぼす温度以上の温度において、前記ＷＧＳ反応チャネルの前記入力に前記第１の製品を提供するステップを含む、請求項１に記載の方法。
13. ２００℃から４５０℃の間の温度において、前記ＷＧＳ反応チャネルの前記入力に前記第１の製品を提供するステップを含む、請求項１２に記載の方法。
14. 前記ＷＧＳ触媒を横切って前記第２のガスを流すステップは、
    前記ＷＧＳ反応チャネルの中に配設されている第１のＷＧＳ触媒を横切って前記第２のガスを流すステップであって、前記第１のＷＧＳ触媒は、第１の温度範囲において水素発生反応に触媒作用を及ぼすように構成されている、ステップと、
    前記反応チャネルの中に配設されている第２のＷＧＳ触媒を横切って前記第２のガスを流すステップであって、前記第２のＷＧＳ触媒は、前記第１の温度範囲よりも低い第２の温度範囲において、前記水素発生反応に触媒作用を及ぼすように構成されている、ステップと
    を含む、請求項１に記載の方法。
15. 前記第１のＷＧＳ触媒を横切って前記第２のガスを流した後に、前記熱伝達材料を横切って前記第２のガスを流すステップを含む、請求項１４に記載の方法。
16. 前記第２のガスを前記熱伝達材料に流すステップは、流れている前記第２のガスの前記温度を、前記ＷＧＳ触媒が水素発生反応に触媒作用を及ぼすことができる温度まで低減させるステップを含む、請求項１に記載の方法。
17. 一酸化炭素および水素を生産するために、前記ＳＭＲの前記バヨネット流路に沿って前記第１のガスを流すステップを含む、請求項１に記載の方法。
18. 前記第１の製品を前記ＷＧＳ反応チャネルの前記入力に提供するステップは、前記ＷＧＳ反応チャネルの前記入力に一酸化炭素を提供するステップを含む、請求項１７に記載の方法。
19. 二酸化炭素および水素を生産するために、前記ＷＧＳ反応チャネルに沿って前記第２のガスを流すステップを含む、請求項１に記載の方法。