(57)【要約】  化学反応器が開示され、該化学反応器は面と面が拡散接合された金属プレートのスタックから構成されているコアを有している。複数の反応ゾーンがコア内に配置され、同様に複数の触媒受容ゾーンも配置されており、反応ゾーンおよび触媒受容ゾーンの両方が、それぞれプレートにおいて一列に並べられた開口部によって定められている。  第一流路配置構造が、第一反応物質を反応ゾーンおよびその間へ輸送するためにプレートのいくつかに備えられており、該反応ゾーンと相互に連結している該第一流路配置構造の部分は、熱交換流路としての長さの少なくとも一部より長く形成されている。  第二流路配置構造が他のプレートに備えられ、第二反応物質を各反応ゾーンへ送達するように配置されている。  また、第三流路配置構造が、更に他のプレートに、第三反応物質を触媒受容ゾーンおよびその間へ輸送するために備えられており、触媒受容ゾーンと相互に連結している該第三流路配置構造の部分は、熱交換流路としての長さの少なくとも一部より長く形成されており、該熱交換流路は第一流路配置構造の熱交換流路に近接して熱交換ができるように配置されている。  また、化学反応器を組み込んだ燃料処理器が開示されており、その触媒受容ゾーンは、燃料処理器の改質ステージとして機能するように配置されている。
2005512802.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）面と面とが接合している金属プレートの少なくとも１つのスタックからなるコア、
ｂ）コア内に配置されている複数の反応ゾーン、
ｃ）コア内に配置されている複数の触媒受容ゾーン、
ｄ）第一反応物質を反応ゾーンまたはその間へ輸送するための、プレートのうちの少なくともいくつかに備えられた第一流路配置構造であり、該反応ゾーンを相互に連結している該第一流路配置構造の部分が、熱交換流路としての長さの少なくとも一部より長く形成されている第一流路配置構造、
ｅ）プレートのうちの少なくともいくつかに備えられ、第二反応物質を各反応ゾーンへ送達するように配設された第二流路配置構造、および
ｆ）第三反応物質を触媒受容ゾーンおよびその間へ輸送するための、プレートのうちの少なくともいくつかに備えられた第三流路配置構造であり、該触媒受容ゾーンを相互に連結している該第三流路配置構造の部分が、熱交換流路としての長さの少なくとも一部より長く形成されており、該熱交換流路は第一流路配置構造の熱交換流路に近接して熱交換ができるように配置されている第三流路配置構造、
を含むことを特徴とする化学反応器。
【請求項２】
コアが、拡散接合されて面と面が互いに接触している金属プレートの単一のスタックを含むことを特徴とする請求項１に記載の化学反応器。  
【請求項３】
各反応ゾーンが、隣接するプレートのスタックに一列に配列された開口部により定義されることを特徴とする請求項２に記載の化学反応器。
【請求項４】
各触媒反応ゾーンが、スタックの隣接プレートに一列に配列された開口部により定義されることを特徴とする請求項２に記載の化学反応器。
【請求項５】
反応ゾーンが、整列されて燃焼ゾーンを構成していることを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の化学反応器。
【請求項６】
反応ゾーンが、第一反応物質および第二反応物質の触媒燃焼をもたらすために選択された触媒で充填されていることを特徴とする請求項２〜５のいずれかに記載されている化学反応器。
【請求項７】
６枚の積層プレートの繰り返しグループでプレートが積層され、その第一プレートおよび第四プレート（降順）が第一反応物質を反応ゾーンおよびその間に輸送するための第一流路配置構造を備えて形成されており、第二プレートおよび第五プレートが第二反応物質を反応ゾーンに輸送するための第二流路配置構造を備えて形成されており、そして第三プレートおよび第六プレートが第三反応物質を触媒受容ゾーンおよびその間に輸送するための第三流路配置構造を備えて形成されていることを特徴とする、請求項２〜６のいずれかに記載の化学反応器。
【請求項８】
第二プレートおよび第五プレートの厚さが、各グループにおける他のプレートの厚さより小さいことを特徴とする請求項７に記載の化学反応器。
【請求項９】
第二流路配列構造を形成する流路構成要素の断面積が、第一流路配置構造および第三流路配置構造を形成する流路構成要素のそれよりも小さいことを特徴とする請求項７または８に記載の化学反応器。
【請求項１０】
反応ゾーンが並列的に二列に配列され、第一流路配置構造が直線的に該反応ゾーンの間に伸びていることを特徴とする上記請求項のいずれかに記載の化学反応器。
【請求項１１】
触媒受容ゾーンが並列的に三列に配列され、そのうちの一列は反応ゾーンの列の間に位置し、他の二列は反応ゾーンの列の外側に位置することを特徴とする請求項１０に記載の化学反応器。
【請求項１２】
燃料電池で使用するのに適した改質器の形態であることを特徴とする上記した請求項のいずれかに記載の化学反応器。
【請求項１３】
熱伝導ゾーンの形態の反応ゾーンおよび触媒受容ゾーンを組み込んだ改質器ステージを有する燃料処理器に組み込まれた請求項２〜１２のいずれかに記載の化学反応器。
【請求項１４】
プロトン交換膜燃料電池で使用される熱伝導ゾーンの形態の反応ゾーンおよび触媒受容ゾーンを組み込んだ改質ステージを有する燃料処理器に組み込まれた化学反応器であることを特徴とする、請求項２〜１２のいずれかに記載の化学反応器。
【請求項１５】
反応器がその一部となっている燃料処理器が、少なくとも１つの予備改質ステージを組み込んでおり、該ステージは少なくとも一つの触媒受容ゾーンを組み込んでいることを特徴とする、請求項１３または請求項１４に記載の化学反応器。
【請求項１６】
燃料処理器が、加熱合成ガスによって加熱されるように配列されている少なくとも一つの予備改質器を組み込んでいることを特徴とする請求項１５に記載の化学反応器。
【請求項１７】
燃料処理器が、使用時に第三流路配置構造の一部を通して導かれる加熱燃料ガスによって加熱されるように配設されている予備改質器を少なくとも１つ組み込んでいることを特徴とする、請求項１５または請求項１６に記載の化学反応器。
【請求項１８】
上記請求項のいずれかに記載された化学反応器における化学反応を実施する方法であり、以下の工程、すなわち：
ａ）第一反応物質を、第一流路配置構造を経由して上記反応器の反応ゾーンに導き、連続的に反応ゾーンを通過させ、
ｂ）第一反応物質と、それぞれの反応ゾーンで発熱反応するように選択された第二反応物質を、並列供給により第二流路配置構造経由で反応ゾーンに導き、そして
ｃ）同時に第三反応物質を、第三流路配置構造経由で触媒受容ゾーンに含まれる触媒に連続的に通過させ、その際反応物質を第一流路配置構造の熱交換流路を通過中に発熱反応生産物からの熱に曝露する、
工程を含むことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広義には、化学反応を実施するために使用する装置および化学反応を実施するための方法に関する。本発明は、プロトン交換膜燃料電池で使用される水蒸気メタン改質器に関連して開発され、本発明はここではその関係において記載される。しかしながら、本発明の装置および方法は共に、他の反応プロセスについてもより広く適用されることが理解されよう。
【背景技術】
【０００２】
改質処理は、通常、複数の反応管に充填された触媒を使用して、管式改質器の中で実施される。熱は、管内の輻射温度プロフィールおよび軸方向温度プロフィールを所定範囲内に維持する方法で、直接的に管壁に加えられ管壁を通して伝達され、そしてこのアプローチは多かれ少なかれ成功してきた。しかしながら、これは管内の反応と熱伝達、管外への熱伝達および圧力低下の間に微妙なバランスの確立が必要となるものである。
【０００３】
このバランスの確立およびその結果生じる比較的大きな触媒粒子の必要性は、低い触媒効果をもたらし、そして本質的にかさばる改質器を要する結果となる。もし、より高い活性を有するより小さい触媒粒子を使用するならば、触媒効果は高められるであろうし、改質器のサイズを縮小させることができるかもしれないが、圧力低下を制限するには改質器における多数の並列した短管の使用を余儀なくされるであろう。
【０００４】
管式改質器の代替品の可能な開発について、これまでいくつか検討が行われてきた。すなわち、いわゆるプリント回路熱交換器（ＰＣＨＥ）コアの使用、およびコアを形成するプレートの流路への改質触媒薄層の積層についての検討である。現在、熱交換器ではＰＣＨＥコアが使用されており、これらＰＣＨＥコアは、所要の形状と断面を有する流路を各プレート表面にエッチング処理し、該プレートを積み重ねて拡散接合し、特定の用途に必要な寸法のコアを形成することによって構築される。
【０００５】
しかしながら、この（計画中の）代替的アプローチはいくつかの長所を示す一方、次に示すようないくつかの問題が予想される。すなわち、金属（プレート）基板へ触媒を付着させることの困難性、限られた触媒寿命、触媒交換の困難性、および熱伝導と触媒面積の連関等の問題があり、このため熱交換器表面への過剰な投資を回避しようとするならば、非常に高活性の触媒が要求される。
【０００６】
これらの問題に対する部分的な解決策が２００２年２月１４日に公開された米国公開特許２００２／００１８７３９Ａ１の中で示されており、この公開特許は（一般的な周知事実となるものではないが）ＰＣＨＥタイプのコアを有する化学反応器を開示している。このコアは、交互の熱交換ゾーンと触媒含有ゾーンで構築されており、該ゾーンは一緒になって反応物質用の通路を形成している。各熱交換ゾーンは、積層されて拡散接合されたプレートから形成されており、これらプレートのいくつかは、（外側で加熱されたあるいは冷却された）熱交換流体用の流路を備えており、他のプレートは、反応物質を一つの触媒含有ゾーンから次の触媒含有ゾーンへ運ぶための直角方向に設けられた流路を備えている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の適用の一つは、管式改質器の諸問題の少なくともいくつかを改善する開発に関するものであり、化学反応器におけるＰＣＨＥコアの使用を新規な方法で容易にする、あるいは拡大する開発に関するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、以下に示す構成、すなわち：
ａ）面と面とが接合している金属プレートの少なくとも１つのスタックからなるコア、
ｂ）コア内に配置された複数の反応ゾーン、
ｃ）コア内に配置された複数の触媒受容ゾーン、
ｄ）第一反応物質を反応ゾーンおよび反応ゾーン間へ輸送するための、プレートのうちの少なくともいくつかに備えられた第一流路配置構造であり、該反応ゾーンを相互に連結している該第一流路配置構造の部分が、熱交換流路としての長さの少なくとも一部より長く形成されている第一流路配置構造、
ｅ）プレートのうちの少なくともいくつかに備えられ、第二反応物質が各反応ゾーンへ送達されるように配置された第二流路配置構造、および
ｆ）第三反応物質を触媒受容ゾーンおよび触媒受容ゾーン間へ輸送するための、プレートのうちの少なくともいくつかに備えられた第三流路配置構造であり、該触媒受容ゾーンを相互に連結している該第三流路配置構造の部分が、熱交換流路としての長さの少なくとも一部より長く形成されており、該熱交換流路は第一流路配置構造の熱交換流路に近接して熱交換ができるように配置されている第三流路配置構造、
を有する化学反応器を提供するものとして広く定義できる。
【０００９】
本発明はまた、以下の工程による化学反応を実施する方法、すなわち：
ａ）第一反応物質を、第一流路配置構造を経由して上記反応器の反応ゾーンに導き、連続的に反応ゾーンを通過させ、
ｂ）第一反応物質とそれぞれの反応ゾーンで発熱反応するように選択された第二反応物質を、並列供給により第二流路配置構造経由で反応ゾーンに導き、そして
ｃ）同時に第三反応物質を、第三流路配置構造経由で触媒受容ゾーンに含まれる触媒に連続的に通過させ、その際反応物質を第一流路配置構造の熱交換流路を通過中に発熱反応生産物からの熱に曝露する、
ことからなる方法を提供するものとして広く定義することができる。
【００１０】
プロセスによっては、反応ゾーンも、第一反応物質と第二反応物質の触媒反応（例えば燃焼）を提供するために選択された触媒で充填することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
上に定義した反応器のコアは、金属プレートの複数のスタックから構成されていてもよく、その場合、互いに隣接したスタックは、反応ゾーンと触媒受容ゾーンとを定める壁を相互に連結することにより分け隔てることができる。そのような配置構造は、大容量反応器に特にふさわしいと考えられる。
【００１２】
しかしながら、少なくともいくつかの反応器においては、コアは、好ましくは金属プレートの単一のスタックから構成されている。この場合、各反応ゾーンはプレートのうち互いに隣接したプレートに一列に配された開口部によって定められ、また、各触媒受容ゾーンは、プレートのうち互いに隣接したプレートに（更に）一列に配された開口部によって同様に定められる。
【００１３】
コア内の反応ゾーンの数は、触媒受容ゾーンの数と同じであってもよいし、異なっていてもよい。本発明の一態様では、反応ゾーンは並列的に二列に配列され、第一流路がその反応ゾーン間に直線的に伸びているのが好ましい。さらに、この場合、触媒受容ゾーンは、並列的に三列に配列され、そのうち一列は反応ゾーンの列間に位置し、残りの二列は反応ゾーンの外側の列に配置されるのが好ましい。
【００１４】
本発明のいくつかの適用のためには、金属プレートは、好ましくは３枚の積層されたプレートのグループを繰り返し重ね合わせており、この３枚のプレートのうち１枚は第一反応物質を反応ゾーンおよび反応ゾーン間へ輸送させる第一流路配置構造を備えて形成され、該３枚のプレートの第２番目のプレートは、第二反応物質を反応ゾーンへ輸送する第二流路配置構造を備えて形成されており、各グループの第３番目のプレートは第三反応物質を触媒受容ゾーンを通過させて輸送するための第三流路配置構造を備えて形成されている。発熱反応産物と第三反応物質との熱伝達を最適化するために、第１番目のプレートと第３番目のプレートは、好ましくは面と面が接触するように拡散接合されている。
【００１５】
本発明の他の適用では、例えば、本反応器が改質器を包含するかあるいは改質器として構築される場合、異なる処理ステージにある（同じ）反応物質の流れの部分間の熱交換が必要かもしれないし、あるいは望ましいかもしれない。また、ある場合には、２枚またはそれ以上のプレートに単一の処理機能を割り当てるか、および／または熱交換を最適化させるためにプレートの数を増加させるのが望ましいかもしれない。そのような場合、４枚またはそれ以上のプレートの枚数のグループの繰り返しで、プレートを積み重ねることが必要となるであろう。各グループのプレートが挟持され、拡散接合される順番は、特定の処理工程およびプレートに組み入れられた流路形態の要件に依存するであろう。
【００１６】
本発明は、触媒反応ステージ間で、反応物質の触媒による変換反応および反応物質の加熱を必要とするいかなる工程にも適用できる。しかしながら、本発明は好ましくは反応器に具体化され、該反応器は水蒸気メタン改質器のような改質器を包含するかまたは組込まれたものであり、該改質器はプロトン交換膜燃料電池で使用されたり、あるいは水素あるいは合成ガスを必要とする他の応用例で使用される。そのような場合、該反応器は、好ましくは、熱合成ガスにより加熱されるように配置された少なくとも１個の予備改質器、熱排ガスにより加熱されるように配置された少なくとも１個の予備改質器、および反応器の一部として、例えば、陽極オフガスの触媒燃焼によって間接的に加熱されるように配置された多数の改質器を包含してもよい燃料処理器に組み込まれる。この配置では、第一反応物質は好ましくは燃焼支援ガスを含み、第二反応物質は好ましくは陽極オフガスのような燃焼性ガスを含む。
【００１７】
燃料処理器は、反応器（その好ましい形態では）の一部分であるが、好ましくは冷却工程および予備加熱工程、水性ガスシフト反応および一酸化炭素酸化反応を含む補助的な処理工程をも組み込んでいる。これらステージのいくつか、あるいは全ては、反応器コアと類似した別の１つまたは複数のコアに組み込むことができ、この別のコアは、積層された金属プレートに適当な流路配置構造を具備している。
【実施例】
【００１８】
本発明は、燃料処理器に組み込まれた水蒸気メタン改質器の形態である反応器における好ましい態様についての、以下の記載から充分に理解されるであろう。その記載は添付図面を引用して提供される。
【００１９】
図１および図２に示したように、燃料処理器１０はＰＥＭＦＣ１１に接続されて使用される。矢印表記の接続で示される管は、様々な指示された流体（本願明細書中では液体およびガスの両方を包含する用語である）を燃料処理器へ、あるいは燃料処理器から輸送するように備えつけられている。燃料処理器１０は、図２ではブロック図表の形式で示されているが、後記するように、燃料処理器の部分は拡散接合されたプレートから成る単一のコアに包含されている。
【００２０】
燃料処理器１０は、以下に示す機能を有する７つの概念的に別個の部分あるいはモジュール１２〜１８を含むと考えることができる：
１２−    陽極ガスの冷却
メタン／水の予備加熱
１３−    合成ガス冷却／一酸化炭素酸化／水性ガスシフト（ＷＧＳ）
水の沸騰
１４−    合成ガスの冷却
メタン（供給ガス）の予備加熱／予備改質
１５−    排ガスの冷却
陽極オフガス（燃料）／空気の予備加熱
１６−    排ガスの冷却
水の沸騰
１７−    排ガスの冷却
供給物質の予備加熱／予備改質
１８−    多段式燃焼
反応物質の多段式加熱
多段式改質
これらの機能の重要なものについては、本願明細書中で後により詳細に記載する。
【００２１】
表示されているように、供給ガスは段階的な改質反応に付され、この段階的改質反応は、反応器部分１４における加熱合成ガスにより加熱される三つの予備改質器１９、反応器部分１７における加熱排ガスによって加熱される二つの予備改質器２０、および反応器部分１８における陽極オフガスの触媒燃焼により間接的に加熱される９つの改質器２１を含むものである。
【００２２】
予備改質ステージおよび改質ステージ１９／２０の温度プロフィールは、図３および図４にそれぞれ示されており、複合温度プロフィールは、図５に示される。表示されているように、最大改質温度は８００℃未満に保たれるが、これは目的とする低圧力下での操作に高温は必須ではないからである。いかなるメタンスリップ(methane slip)も燃料電池の陽極では“不活性”となり、最終的には燃焼器の中で有効に燃焼されるであろう。
【００２３】
比較的低温の予備改質ステージでは高級炭化水素が変換され、メタン熱分解温度をはるかに下回る温度では水素含量は増大する。もしメタン熱分解反応の平衡が逆の場合、６５０℃より上の温度では、メタン熱分解による炭素生成反応が炭素除去反応よりもより速く起きる。したがって、この温度に到達するまでは高い水素濃度が要求される。予備改質および改質の６つのステージは６５０℃未満で起きることが証明されており、これは６５０℃より上の温度では炭素活性が１以下であることを保証する一助となる。
【００２４】
さらに図２で示されるような燃料処理器は、操作の受動的コントロール（自己制御）を容易にする機能を統合している。
【００２５】
該熱交換器は、図５に示した温度プロフィールが実質的なターンーダウンの条件下でも実質的に維持されるようにサイズ設定および構成がされてもよい。最大改質温度のみ、燃料供給速度の制御による独立した制御を必要とする。
【００２６】
向流式熱交換器および同軸流式熱交換器が使用される。境界温度に本質的に影響を与えることなく、供給速度が低下するにつれて両熱交換器は絞まる。
【００２７】
触媒燃焼器への燃料の分離した並列供給、選択的一酸化炭素酸化の２つのステージへの空気の供給、および熱交換器への水の供給は、全て処理器に一体化されている。
【００２８】
水が相分離機における流体水位を維持するのに必要な速度で供給されてもよく、そこから水蒸気の正味流出および小量の液体のブローダウンが供給されてもよい。水蒸気の割合は、水蒸気を発生させる熱利用能がメタン処理能力に応じて変わりうる許容度をもって合理的に一定である。
【００２９】
図２〜７について、および燃料処理器の各種部分１２〜１８についてここで言及する。
【００３０】
部分１２では、三流束向流式熱交換器２２が、合成ガスの最終冷却ステージで水およびメタンを予熱するために使用され、また水凝縮が合成ガス側で始まる時点で内部絞込みが生じる。図６で示されるように、三流束向流式熱交換器では相対的に高い熱交換性が達成され、分離交換器中のメタンを予熱するための合成ガスの流れと水の流れを制御して分ける必要性が回避されている。
【００３１】
図２で示される部分１３に関しては、ＰＥＭＦＣのために一酸化炭素濃度を１０ppm未満に保持すべきことが観察されている。このためには選択的な酸化反応（ＣＯＯＸ）と、それにひき続く水性ガス変換を必要とする。両反応は、示されているように、部分１３において二つのステージで起こる。
【００３２】
水蒸気発生のための熱負荷は相対的に高く、改質ステージの燃焼に必要とされる熱負荷の３分の２である。加熱された流束からの熱回収の大半は、したがって水の沸騰に用いられ、発熱を伴うＷＧＳおよびＣＯＯＸの両反応は水の沸点よりも高い温度で実施することができ、そのことが水蒸気の発生に寄与している。示されているように、水は熱交換器のサーモサイホン型ループ中で加熱され、引き続き上記反応が実施され、そしてこれによりブローダウンの機会が与えられ、補給水のための乾き度の必要条件を最小限にし、そして良質蒸気で熱交換器の表面の乾燥を回避する。
【００３３】
部分１５では、水の沸点よりも上の温度で、加熱合成ガスからの熱が供給流束を予備加熱するために使用される。図解した三つの予備加熱ステージを操作するのに充分な熱が利用でき、これは以下の理由により都合がよい。すなわち、供給物質中の正の２価の炭素分子はコークス化の危険性なしに低温でメタンに変換されること、メタン熱分解の危険性なしに低温で水素濃度が増大すること、および示されているように、高温度の熱が三つの予備改質ステージ１９における予備改質の目的のために使用されることがある。
【００３４】
ターンダウンの間、所定温度プロフィールに固定するために、二つの熱交換器２４が向流交換を、そして第三の熱交換器２５が並流交換を提供する。第三の熱交換器における並流は、供給物質の流束の過熱やメタンの熱分解といった起こりうる危険性に対処するために供給される。
【００３５】
部分１５では、三流束式熱交換器２６が再び使用され、排ガスの制御分離の必要性を回避するために、燃料および空気が別々に予備加熱される。予熱された空気は、部分１８において図示されている９つの触媒燃焼ステージを順次経て移送され、一方、予熱された燃料は、各ゾーンの温度上昇を制限するために並流で燃焼ゾーン２７に供給される。
【００３６】
上記処理器用の蒸気の大半は、部分１６における熱交換器２３で発生し、該熱交換器は貫流式ボイラーとして作動して、乾燥の可能性がない約７０％未満の排出乾き度を提供する。
【００３７】
さらに二つの予備改質ステージ２０が、相対的に低温の水素を生成するために、そしてさらに部分１８における改質ステージ２１においてメタン熱分解に対する保護を目的として、部分１７に設けられる。供給物質を過熱するという危険を冒すことなくターンダウンの間所定温度プロフィールに固定するために、連結された熱交換器２８の１つは、向流交換ができるように配設され、もう一方の熱交換器２９は、並流交換用に備えられる。
【００３８】
図面の図６および図７は、プロセッサー部分１３〜１７について上記した記載に関連し、合成ガスおよび排ガスの熱回収の温度プロフィールをそれぞれグラフで示すものである。
【００３９】
燃料処理器の部分１８における改質器それ自体は、９つの陽極オフガス燃焼のステージ２７により駆動する９つの改質反応ステージ２１を備えている。両サイドの反応は基本的に断熱層でおこり、その際熱交換器３０で流体がそれぞれの断熱層を通過する間に流体間における熱交換がもたらされる。
【００４０】
改質器部内の流体回路は、図２に示したように、陽極オフガスを９つの並流に分け、下記に言及するプレートの形状から明らかなように、これら並流燃料はさらに多数の並流に細分され、各ステージ２７における燃焼に先立って燃焼支援空気とよく混合される。
【００４１】
改質器のための昇温プロフィールは、図５で示したように、さらに積極的な制御を行うことなく、この回路によってもたらされる。上記したように、最高の改質温度だけは、全燃料供給速度による絶え間のない制御が要求される。
【００４２】
図２に図示されている燃料処理器の部分１７および１８は、さらに図８で同様に図示されているコア３１に組み入れられている。連結された流体供給および排出管（図１で概略的に示されている）は、図８では省略されており、コアの主要な特徴のみが図示されている。記述的な便宜上のために省略されている特徴部分は、記載されている技術に精通している人にとって理解され、容易に確認することができるものである。
【００４３】
コア３１は、拡散接合プレート３２の単一のスタックから成るものであり、該プレート総数は所定の適用において燃料処理器に要求される容量に依存し、そして９つの反応ゾーン３３の並列的な二列を組み込んおり、該反応ゾーンは、上記した燃料処理器の場合、燃焼ゾーン２７を含むものである。
【００４４】
反応ゾーン２７／３３には、第一反応物質（すなわち、燃料処理器の場合は燃焼支援ガス）がコアの末端ポート（示されていない）を経由して供給される。さらに、反応ゾーン２７／３３には、第二反応物質（つまり、燃料処理器の場合、燃料）が入口ポート３４を経由して供給される。
【００４５】
コア３１にはさらに、９つの触媒受容ゾーン３５および３５Ａの三列が並列的に組み込まれており、燃料処理器の場合には、それらは上記した燃料処理器部分１７および１８の予備改質領域および改質領域２０および２１を包含するものである。触媒受容ゾーンには、第三反応物質（つまり燃料処理器の場合、メタンおよび水蒸気）が図８に示されるようなコアの最上部および／または底部にある入口と出口のポートを経由して供給される。
【００４６】
プレート３２は全て、一般に長方形の開口部を具備して形成され、この各種開口部は整列配置されて反応ゾーン３３および触媒受容ゾーン３５を形成する。プレートは６枚のプレートのグループで繰り返し積み重ねられ、そのグループの一つが図９に示され、上から下へ、以下に記載するプレートから構成される：
プレート３２Ａ：第一反応物質（すなわち燃焼支援ガス）を運ぶ。
プレート３２Ｂ：第二反応物質（すなわち燃料）を運ぶ。
プレート３２Ｃ（１）：第三反応物質の最初の流れ（すなわち合成ガス１）を運ぶ。
プレート３２Ａ：第一反応物質（すなわち燃焼支援ガス）を運ぶ。
プレート３２Ｂ：第二反応物質（すなわち燃料）を運ぶ。
プレート３２Ｃ（２）：第三反応物質の第二の流れ（すなわち合成ガス２）を運ぶ。
【００４７】
プレートは全てステンレス鋼のような耐熱性合金から形成されており、全てのプレートは典型的には６００ｍｍ×１００ｍｍの寸法である。プレート３２Ａ、  Ｃ（１）およびＣ（２）は、１．６ｍｍの厚さ、およびプレート３２Ｂは０．７ｍｍの厚さを有する。
【００４８】
第一流路配置構造３６は、第一反応物質を、反応ゾーン２７を定める開口部３３およびその間に輸送するためにプレート３２Ａに備えられている。該流路配置構造は、プロセッサーの使用時にはコア３１の末端に位置する供給ポートと排出ポートとの間に直線的に伸びている。そして、ある場合には、流路配置構造３７は、隣接する開口部３３のペアの間に、あるいは場合によってはそれを超えて伸びており、使用時には熱交換流路として機能する。
【００４９】
第二流路配置構造３８は、供給ポート３４から反応ゾーン３３の各々に並流で第二反応物質を輸送するためにプレート３２Ｂに配設されている。この第二流路配置構造は、反応ゾーン３３で第一反応物質と第二反応物質（つまり燃料処理器の場合は空気および燃焼性のガス）とがよく混合するのを促進するための反応ゾーン３３に連絡する多数の供給枝路が組み込まれている。
【００５０】
第三流路配置構造３９は、第三反応物質を並流でそれぞれのプレート中の触媒受容ゾーン３５および３５Ａへ、あるいはその間に輸送するためにプレート３２Ｃ（１）および３２Ｃ（２）の各々に配設されている。第三流路配置構造のＳ字状の部分４０は、プレート３２Ｃ（１）およびＣ（２）と表面接触しているプレート３２Ａ中の第一流路配置構造３６の熱交換部３７に近接した位置で熱交換をするように配置されている。
【００５１】
プレート３２Ａ、３２Ｃ（１）およびＣ（２）における多数の流路は、その断面は半円形であり、１．０ｍｍの半径方向の深さであり、また、プレート３２Ｂの流路は、０．４ｍｍの半径方向の深さを有する。
【００５２】
上記したように、プレート３２は積み重ねられ、面と面とが拡散接合されている。すなわち、各プレートの（前部）の流路が形成されている面と、それに隣接するプレート（背部）の流路が形成されていない面とが接合されている。
【００５３】
燃料処理器およびその構成部品に関しては、請求している特許請求の範囲に定義されている本発明の範囲を逸脱することなく、上記したように変化させたり、修正したりすることができる。例えば、プレートの積層の順序、様々な反応ゾーンの配置および様々な流路配置構造体の位置および構造は、記述され、説明されたものから広範囲に渡って変更することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
図面において、
【図１】図１は、連結するプロトン交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）に接続された燃料処理器を図式化したものを示す。
【図２】図２は、改質ステージおよび予備改質ステージを有する反応器を含む図１の燃料処理器を図式化したものである。
【図３】図３は、予備改質ステージの温度プロフィールを示す。
【図４】図４は、改質ステージの温度プロフィールを示す。
【図５】図５は、予備改質ステージと改質ステージとを組み合わせた温度プロフィールを示す。
【図６】図６は、合成ガス熱回収のグラフを示す。
【図７】図７は、排ガス熱回収のグラフを示す。
【図８】図８は、連結する流体供給管および排出管から分離した燃料処理器の全体図を示す。
【図９】図９は、積層関係にある６枚の金属プレートのグループを示し、該プレートは積み重ねられ、別のそのようなグループと拡散接合して反応器のコアを形成している。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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