(57)【要約】この発明は、炭化水素あるいはその誘導体から水が供給された状態で水素高含有製品ガスを生成する小型蒸気リフォーマ、および水素含有製品ガスを生成する方法に関する。この製品ガスは、例えば、燃料電池で使用され、電流および熱を発生させる。
2005525984.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素と水の混合物を含む出発材料から水素を生成するためのリフォーマユニットであって、
ａ．反応器１と、
ｂ．出発材料を前記反応器１に供給するフィードライン２と、
ｃ．前記出発材料フィードライン２に接続され、前記フィードライン２に連結された第１チューブ３ａと、第２チューブとを備えた熱交換器３と、
ｄ．前記熱交換器３の前記第１チューブ３ａに接続され、リフォーマスペース６の回りに配置された、更に別の熱交換器５と、
ｅ．前記熱交換器５に接続され、かつ前記ガス状の出発材料を、触媒ユニットが内部に配置されバーナー７で加熱されるようになされた前記リフォーマスペース６に供給するための少なくとも１つの出口開口部を有するライン８と、
ｆ．前記リフォーマスペース６内で生成された前記リフォーメイトを前記熱交換器３の前記第２チューブ３ｂに排出する、他端がシフト反応器４に接続された、少なくとも１つの排出ライン９と、
ｇ．前記シフト反応器４から排出された製品ガスのための製品排出ライン１１と、前記反応器１からの前記燃焼排ガスのための少なくとも１つの排出ライン１２と、
を備えている。
【請求項２】
請求項１に記載のリフォーマユニットであって、前記出発材料フィードライン２に接続された前記熱交換器３が、第１の外側チューブ３ａと第２の内側チューブ３ｂとを有する同軸熱交換器であることを特徴とする。
【請求項３】
請求項２に記載のリフォーマユニットであって、前記出発材料フィードライン２に接続された前記同軸熱交換器3が、前記放熱流体と前記吸熱流体用のフィードとディスチャージとが加熱されるべき前記流体が前記２つの放熱流体に対して対向流となるように前記チューブ３ｂ内を通過するように前記対応するチューブに接続された状態で、別の放熱流体を受け入れる外側チューブによって取り囲まれていることを特徴とする。
【請求項４】
請求項１に記載のリフォーマユニットであって、前記出発材料フィードライン２が接続された前記熱交換器３が、対向流熱交換器であり、軸長さが同じで直径が異なり互いに嵌め合わされた２つの中空シリンダを有する中空シリンダブロックと、吸熱流体を受け入れる螺旋チューブとを備えており、前記螺旋チューブは、前記２つの中空シリンダ間の前記筒状の環状ギャップ内に配置されており、前記螺旋チューブは、前記中空シリンダの外壁または内壁にしっかりと密接しており、前記筒状シリンダ間の前記筒状環状ギャップは、環状閉塞プレートで両端部を閉鎖されており、前記螺旋チューブまたは筒状環状ギャップへ逆方向に流通する前記流体用の少なくとも１つのフィードまたはディスチャージが前記閉塞プレートに存在することを特徴とする。
【請求項５】
前記請求項のうちのいずれか１に記載のリフォーマユニットであって、前記出発材料フィードライン２に接続された前記熱交換器３は、前記シフト反応器４の周囲に配置されており、該シフト反応器は好ましくは低温シフト反応器として設計されたものであることを特徴とする。
【請求項６】
前記請求項のうちのいずれか１に記載のリフォーマユニットであって、前記ライン８は、前記ガス状出発材料を前記リフォーマスペース６内に供給するための複数個の出口開口部あるいは１つのギャップを有することを特徴とする。
【請求項７】
前記請求項のうちのいずれか１に記載のリフォーマユニットであって、前記製品出口ライン１１は、前記製品ガスを精製するための、好ましくは前記製品ガス内の前記一酸化炭素を減少させるためのユニットに接続されていることを特徴とする。
【請求項８】
ガス状炭化水素から水素を生成する方法であって、
炭化水素と水との混合物を含む出発材料が、予備加熱領域内に配置された熱交換器に導くフィードラインを介して反応器に供給され、この熱交換器から排出された前記加熱された出発材料ガスは、内部に触媒ユニットが配置されると共に前記触媒ユニットを加熱するためのバーナーを有するリフォーマスペースに供給され、前記リフォーマスペースから排出ラインを介して排出されたリフォーメイトはシフト反応器に供給され、該シフト反応器から排出された製品ガスは前記反応器から排出される。
【請求項９】
請求項８に記載の、ガス状炭化水素から水素を生成する方法であって、
ａ．炭化水素ガス/水の混合物を含む前記出発材料が、先ず、熱交換器に供給され、該熱交換器は、前記反応器内の予備加熱領域内に配置され、対向流熱交換器として設計されている、
ｂ．前記熱交換器から出る前記予備加熱された出発材料ガス混合物は、更に加熱されるために前記リフォーマ領域内に配置された前記熱交換器に供給される、
ｃ．更に加熱されかつ前記熱交換器から排出された出発材料ガスは、内部に触媒ユニットが配置されると共に前記触媒ユニットを加熱するためのバーナーを有するリフォーマスペースに供給され、
ｄ．排出ラインを介して前記リフォーマスペースから排出された前記リフォーマが、前記予備加熱領域内に配置された前記対向流熱交換器に供給され、該対向流熱交換器内に前記出発材料と対向する方向に供給されてシフト反応器に供給され、該シフト反応器は好ましくは低温シフト反応器として設計され、
ｅ．前記シフト反応器から排出された前記製品ガスが、前記反応器から排出される。
【請求項１０】
炭化水素ガス/水の混合物を含む出発材料を予備加熱する方法であって、
前記製品ガスおよび燃焼排ガスと対向流である前記出発材料が、前記反応器内の予備加熱領域内に配置され対向流熱交換器として設計された熱交換器内を通過し、該熱交換器から触媒コンバージョンのための前記リフォーマスペースに供給される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、炭化水素あるいはその誘導体から水素高含有製品ガスを、水を供給した状態で、生成するためのコンパクトな蒸気リフォーマ（蒸気改質器）、およびそのような水素含有製品ガスの製造方法に関する。この製品ガスは、例えば、電流と熱を発生させる燃料電池において用いられ得る。
【背景技術】
【０００２】
この発明に係る装置は、安定状態で分散パワーレンジにおいて燃料電池を提供するための水素含有製品ガスを製造する際に好適に用いられる。その設置サイズは、熱および電力発生用の数百キロワットの電力を発電する複数のブロックタイプ火力発電所を介したメガワットレベルの電流発電から、個人住宅およびアパートブロックに個別に供給するための１ないし10キロワットの電力までに及ぶ。特に、家庭に電力および熱を供給するための、燃料天然ガスに基づくドメスティックなエネルギー供給装置を製造することが可能である。サイズに関しては、原則として、システム全体が壁面取付ボイラに一体化されることが可能である。上述のような用途に効果的な水素生成反応器を作るためには、熱源、ヒートシンク、反応器内の温度レベルは、環境への熱喪失を最小限に低減させるために、相互に好適に調和されなければならない。
【０００３】
必要な熱が確実に反応スペース内に導入されるようにするために、蒸気リフォーマの発明的構成では、１つの放射バーナー(radiation burner) あるいは１又は複数の点状熱源を有する１つのバーナーのいずれかを用いる。この場合、燃焼排ガスおよび製品ガスは、出発材料の流れに対して対向流となるように通過される。また、蒸気リフォーマ内の内部熱流束は、本発明では、温度レベルを制御するための冷却ラインあるいは更に別の加熱手段を必要しないように、結合される。
【０００４】
水素含有製品ガスは、炭化水素、特に天然ガスの主成分としてのメタン、を蒸気リフォーム（改質）することによって製造され得る、ということは知られている。
【０００５】
蒸気リフォーミングは、反応温度600〜950℃、触媒（例えばNiあるいはPt）下で熱を供給した状態で、実質的には下記の２つの独立した反応方程式を伴う。
（数１）
CH4  +  H2O → CO + 3H2    △RH0 = 206 kJ/mol  (1)
（数２）
CH4 + 2H2O → CO2 + 4H2    △RH0 = 165 kJ/mol  (2)
熱は、前述の燃料ガスで作動されるバーナーを介して供給される。一酸化炭素濃度が容積で最大10％以上になるので、反応パラメータ圧力、温度、及び前記リフォーマステージの蒸気過剰ステージに応じて、更に２つの反応ステージが、一酸化炭素のレベルを低下させかつ更に水素を得る目的で、しばしば下流に接続される。これらの反応ステージはシフトコンバータとして知られている。コンバージョンは、２つの温度ステージ、即ち330℃と500℃の間の温度でFe/Cr触媒で高温シフト(HTシフト)および190℃と280℃の間の温度、Cu/Zn触媒で低温シフト(ＬＴシフト)のステージで、発熱性の均等な水・ガス反応に従って起こる。
（数３）
CO + H2O → CO2 + H2    △RH0 = −45 kJ/mol    (3)
その後、水素高含有ガス混合物は、未だ、約0.5〜１％の一酸化炭素を含んでいる。
【０００６】
天然ガスの工業的蒸気リフォーミングでは、水素約75%の製品ガスが得られる。
【０００７】
天然ガス／水リフォーミングの場合、反応熱の導入は、制限要素を構成するため技術的装置および設備の開発の焦点である。大きな工業的規模では、通常、モジュール方式化の目的で、高温燃焼排ガスで外部から加熱されるチューブ状反応器が使用される。天然ガスの蒸気リフォーマ用のこの種の反応器は、米国特許第5,229,102号で既知である。この場合、出発材料ガスは、触媒が充填されリフォーミング反応を起こす二重壁チューブシステム内を通過する。水素は、リフォーミングスペースから多孔質に形成された内側チューブを介して水素抽出スペース内に選択的に抽出される。このリフォーミング反応スペースは複数の外部バーナーからの高温の燃焼排ガスによって加熱される。相互連結される内部熱流束あるいはリフォーマ内で統合されるシフトステージの条件はない。
【特許文献１】米国特許第5,229,102号
【０００８】
欧州特許第0,195,688号に開示されている蒸気リフォーマの場合、そのリフォーミングに必要な熱は中心部のバーナーによって供給され、そのバーナーはセラミックチューブによって囲まれている。高温の燃焼排ガスは、バーナーチューブとこれと同軸に配置された第２リフォーミングスペースとの間の環状スペース内を、燃焼排ガスと出発材料（燃焼ガス／蒸気混合物）が同一方向に通過する態様で、流れる。その流れが継続するにつれて、対向流である燃焼排ガスは追加的に熱を前記出発材料混合物に伝導し、第２リフォーミングスペースと同軸に配置され、流れに関して後者に連結された第１リフォーミングスペースを通って流れる。
【特許文献２】欧州特許第0,195,688号
【０００９】
また、幾つかのリフォーマ反応器が米国特許第5,164,163号に記載されている。その公報に開示されている筒状構造のリフォーマ装置の場合、高温燃焼排ガスを生成するバーナーは当該装置内の中心に配置されている。燃焼排ガスと蒸気とを含む出発材料混合物は、前記バーナーを取り囲み一側で相互に連結された２つの二層チューブを通過する。
【特許文献３】米国特許第5,164,163号
【００１０】
ドイツ特許公報第197,21,630 C1号に開示された装置は、放射バーナーを有し、２つの部材で構成されたリフォーマ反応器をその外側から地域的に加熱している。このリフォーマ反応器は、内側チューブ反応器とこのチューブ反応器を離間状に取り囲む環状ギャップ反応器とを備えている。チューブ反応器と環状ギャップ反応器の間のギャップにおいて、高温の燃焼排ガスはチューブ反応器内を天然ガスと逆方向に流通する。出発材料はチューブコイルとして設計された熱交換器を介してチューブ反応器に供給され、逆方向に流通する燃焼排ガスによって加熱される。使用される水素含有製品ガスのセンシブルな熱およびリフォーマ装置内で統合されるシフトステージに条件はない。
【特許文献４】ドイツ特許公報第197,21,630 C1号
【００１１】
従来技術において既知の水素生成設備は単にスケールダウンするだけでは、不均衡な高い熱損失を生じさせるものであるため、小型化することはできない。更に、ドメスティックエネルギー供給セクターにおける用途に関しては、ダイナミックスおよび全体的な容積に関して高い需要がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
この発明の目的は、低パワーレンジにおいて水素含有製品ガスを生成するための改善された方法および装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この発明の目的は、低パワーレンジにおいて分散した燃料電池システムに用いられる小型かつ効率的な蒸気リフォーマ反応器および、好ましくはこの発明にかかる前記蒸気リフォーミング反応器を用いる方法よって達成される。
【００１４】
而して、この発明は、炭化水素・水の混合物を含む出発材料から水素を生成するためのリフォーマユニットに関するものであって、
反応器と、
出発材料を前記反応器に供給するフィードラインと、
前記出発材料フィードラインに接続されかつ該フィードラインに連結された第１チューブと、第２チューブとを備えた熱交換器と、
前記熱交換器の前記第１チューブに接続され、リフォーマスペースの回りに配置された別の熱交換器と、
前記熱交換器に接続され、かつ前記ガス状の出発材料を、触媒ユニットが内部に配列されてバーナーで加熱され得る前記リフォーマスペースに供給するための少なくとも１つの出側開口部を有するラインと、
前記リフォーマスペース内で形成された前記リフォーメイトを前記熱交換器の前記第２チューブに排出するための、他端がシフト反応器に接続された、少なくとも１つの排出ラインと、
前記シフト反応器から排出された製品ガスのための製品排出ラインと、前記反応器からの前記燃焼排ガスのための少なくとも１つの排出ラインとを備えている。
【００１５】
この発明に係る蒸気リフォーミング反応器は、全ての反応器および熱交換器が覆いに収容された状態で全体的に小型である。通常の負荷範囲におけるリフォーマの水素生成効率（リフォームしバーナーを供給するための燃料の低い発熱量に対する、製造された水素の低い発熱量）は約８０％であり、水素製造用の大規模な工業装置と同程度である。
【００１６】
また、この発明は、ガス状の炭化水素から水素を生成する方法に関するものであって、炭化水素ガス/水の混合物を含む出発材料が、第１対向流熱交換器に通じるフィードラインを介して反応器に供給される。前記熱交換器は前記反応器内に配置され、前記第１熱交換器から出てくる出発材料が、更なる加熱のために第２熱交換器に供給される。更に加熱されかつ前記第２熱交換器から排出された出発材料は、内部に配置された触媒と燃焼ガスと酸素/空気で作動されるバーナーとを有するリフォーマスペースに導かれる。排出ラインを介して前記リフォーマスペースから排出された前記リフォーメイトが前記第１熱交換器に供給され、かつ、供給された出発材料に対して対向流となるように、低温シフト反応器に導かれ、かつ前記低温シフト反応器から排出された製品ガスが反応器から排出される。
【００１７】
好ましい実施形態では、排出された製品ガスは純精製ステージを経て、製品ガスの一酸化炭素含有量が更に低減される。
【００１８】
この発明に係る方法特有の特徴は、好ましい実施形態において、出発材料が、リフォーマスペースから排出されたリフォーメイトと燃焼室から排出された燃焼排ガスに対向流となるように流されることである。
【００１９】
従って、この発明に係る方法は、好ましくは、第１の外側チューブと、該外側チューブによって取り囲まれた第２の内側チューブとを有する同軸熱交換器を用いる。出発材料/水の混合物は、外側チューブ内をリフォーマスペースに向かって流れる一方、内側チューブ内をリフォーメイトが前記リフォーマスペースからシフトリアクターに流れる。同時に、外側チューブの外側壁が高温燃焼排ガスの影響を受け、加熱されるべき出発材料/水の混合物への集中的な熱伝達が両サイドで起こる。
【００２０】
シフト反応器は、１８０℃と２５０℃との間の温度範囲で通常は作動される低温シフト反応器として、あるいは特定条件に応じて、３５０℃と５００℃の間の温度範囲で通常は作動される高温シフト反応器として設計しても良い。リフォーマ全体の小型化を達成するために、反応器が許容する温度管理で、低温シフト反応器の形態での実施形態が望ましい。
【００２１】
液体水および燃料ガスが出発材料として蒸気リフォーマに供給され、バーナーには空気と燃料ガスとが供給される。排出された製品は、燃焼排ガスと製品ガスである。高温燃焼排ガスは、第１に、リフォーミング反応のための吸熱反応熱を提供する。更に、それが流れるにつれて、高温の燃焼排ガスの顕熱およびリフォーメイトの顕熱は、出発材料（燃料ガスおよび液体水）を予熱するのに用いられる。
【００２２】
内部熱流束(internal heat fluxes) は、その温度レベルを制御するための如何なる冷却ラインあるいは追加の加熱手段を必要としないように結合される。制御は出発材料の流れを計測することによって達成される。：リフォーマ温度は、燃焼パワーおよびシフト温度を介して蒸気対炭素（S/C）比による限界内で制御される。この場合、このS/C比は、好ましくは２〜４、特に好ましくは３である。
【００２３】
本発明に係るリフォーマユニットの好ましい実施形態では、上部領域および下部領域が反応器内に設けられていることが好ましく、その場合、出発材料供給用のラインおよび製品ガスおよび燃焼排ガス排出用のラインは上部領域に設けられる。供給ラインは、第１熱交換器に直接接続されていることが望ましく、この場合、その熱交換器は熱交換のためにシフト反応器の回りに螺旋状に配置されていることが望ましい。
【００２４】
加熱された製品ガスは、第１熱交換器の底部から第２熱交換器に供給され、そこでバーナー室から排出された燃焼排ガスと、既に加熱され第２熱交換器にある製品ガスとの間でのみ熱交換される。
【００２５】
既に加熱された出発材料ガスは反応容器の底部付近で第２熱交換器からバーナーの周囲のスペースへと流入し、その出発材料ガスは供給ラインからバーナーを取り囲むスペースへと放出され、触媒ユニット内でリフォーミングステップに供される。
【００２６】
触媒ユニット上には、キャビティがあることが好ましく、そこから、好ましくはその中心に位置するものとなされたリフォーメイト用排出ラインが、供給された出発材料に対してリフォーメイトが対向流となるように流れる第１熱交換器の内部チューブに接続されている。
【００２７】
リフォーマ、リフォーマバーナー、シフト反応器およびオプショナルな一酸化炭素ガス微細精製を含むユニットとしての、この発明に係る蒸気リフォーマのコンパクトな形状は、５００ワットから５０キロワットのパワーレンジで実現することができる。燃料電池に関しては、電気および熱を家庭に供給するための家庭電力供給設備を構成することができる。寸法に関しては、そのシステム全体を壁面取付ボイラ内に一体化することができる。
【００２８】
必要な熱を反応スペース内に導入するために、本発明に係る蒸気リフォーマの形状は、放射バーナーか１又は複数の点状熱源を有する１つのバーナーを用いている。本発明によれば、この目的のために同心配置が望ましく、その場合、熱は放射および対流によって導入される。この場合、燃焼排ガスおよび出発材料の混合物（燃料ガスおよび水）は対向流となる。
【００２９】
到達する反応温度は、使用されたリフォーマ燃料のコンバージョンを決定するうえで、第１に熱力学的平衡のポジションのために、第２に反応速度の増加のために、重要であり、その結果、効率に多大なる影響を与える。リフォーマ温度はバーナーのパワーで制御することができる。出発材料流（燃料ガス／蒸気の混合物）に対して対向流となる燃焼排ガスの放射熱伝達と対流熱伝達との組合せによって、最小限のバーナーパワーでリフォーマ触媒の上部領域において反応温度を十分に高くすることが可能となる。蒸気リフォーマの効率は、リフォーマに必要な燃焼排ガス流とバーナーに必要なガス流との比に大きく依存する。この比率が高くなればなるほど、リフォーマシステムの効率が上がる。
【００３０】
本発明に係るリフォーミング装置における第１熱交換器においては、出発材料（燃料および水）の予熱は、環状ギャップ内の同軸熱交換器としての実施形態においては、内部からのリフォーメイトの冷却の結果（約７００℃から２００℃）として、また外部で燃焼排ガス温度が低下する結果として同時に起こる。従って、発明に係る構成においては、好ましくは同軸熱交換器コイルがある。高温のリフォーメイトは内側チューブを流通し、低温の出発材料混合物は中間スペースを流通し、高温燃焼排ガスはコイルの周囲を流通し、対向流および同方向流のいずれも可能である。熱交換器コイルは、低温シフト反応器の周囲に嵩張らないように配置されることが好ましい。これによりこの反応器を同時に冷却することができる。  
【００３１】
従って、本発明は、また、発明の重要な要素として、１．放熱流体を受け入れる内側チューブと加熱されるべき流体を受け入れる前記内側チューブを取り囲む、螺旋状２重チューブとも称される環状ギャップチューブとを有する熱交換器即ち同軸熱交換器、２．前記熱交換器を取り囲む外側チューブと、を有する対向流熱交換器に関するものである。前記環状ギャップチューブ内の出発材料は、前記内側チューブを流通する製品ガスと逆方向かつ環状ギャップチューブの外側の回りを流れる燃焼排ガスと逆方向に、もし、適切であれば、この熱交換器から更に別の熱交換器を介して触媒コンバージョンのリフォーマ領域に、流通する。好ましい実施形態では、同軸熱交換器を取り囲む外側チューブは反応器の形態として設計される。
【００３２】
この場合、好ましくは同軸で間隔を隔てた曲がりを有する同軸熱交換器は、反応器内で、バーナースペースから排出された高温の燃焼排ガスが少なくとも螺旋２重チューブ中間スペースを流通するように配置されることが好ましい。好ましい実施形態では、螺旋２重チューブは、シフト反応器の回りに配置され、該反応器は好ましくは低温シフト反応器として設計される。
【００３３】
本発明の対向流熱交換器の他の実施形態においては、この熱交換器は、同一軸長で直径の異なる２つの中空シリンダを有すると共に、吸熱流体を受け入れるようになされた螺旋チューブであって前記２つの中空シリンダ間の筒状環状ギャップ内に配置され、これら筒状シリンダーの内外壁に密接状態となされた螺旋チューブを有する中空シリンダーブロックを備えた対向流熱交換器の形態として設計される。
【００３４】
この場合、中空シリンダー間の筒状環状ギャップは円形閉塞板で両端が閉塞され、いずれの場合にも、螺旋チューブあるいは筒状環状ギャップにつながる、逆方向に流通する流体用の少なくとも１つのフィードあるいはディスチャージが、閉塞板に設けられる。
【００３５】
更に別の放熱流体を受け入れるためのフィードおよびディスチャージを備えた外側チューブが、筒状シリンダーブロックを離間状に取り囲む態様で、放熱流体および吸熱流体用のフィードおよびディスチャージが各コンパートメントにつながった状態で、かつ加熱されるべき流体が環状ギャップチューブ内で、前記２つの放熱流体に対して対向流となるように流通する状態で、設けられている。
【００３６】
その筒状シリンダーブロックの外側は、高温の燃焼排ガスの影響を受け、それによって二重シリンダーの内側で更に熱交換される。
【００３７】
水素製造設備において、２つのシフト反応器を異なる温度レベルで用いて、一酸化炭素を水で反応させて二酸化炭素と水素とを生成することは普通に行われている。しばしば引用された理由は、高温（〜４００℃）で高い反応率であり、かつ低い温度（〜２００℃）で二酸化炭素サイドで平衡することである。更に、発熱反応中、高温シフト反応器（HTシフトリアクター）を使用することは、熱がより高い温度で放散し、それゆえ大型工業規模で上手く活用できる。
【００３８】
本発明の小型蒸気リフォーマにおいて、全体の容積を減らすためにHTシフト反応器を使用しなくてすませること、および熱集積を簡素化させることが可能である。従って、さもなければ２つの反応器間で分配される熱は、単一の反応器内で放出され、より上手く用いることができる。更に、高温シフトを省略すれば、モニターする必要および温度値を制御することがより少ないため、設置の制御を簡素化することができる。更に、鉄／クロム含有HTシフト触媒の作動は、初期サルファーローディング(initial sulphur loading) の除去のため、LTシフト触媒が被毒されないようにLTシフト触媒の回りにバイパスラインを設ける必要がある。この追加のラインおよび対応する制御は、既に述べた蒸気リフォーマの好ましい形態において無しで済ますことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
図１に示す実施形態において、筒状のリフォーマユニット１は出発材料入口ライン２を有する。改質対象である炭化水素と、液体の水は、このライン２を介して予め設定されたＳ／Ｃ比で同軸熱交換器３の環状ギャップ３ａに流通される。この同軸熱交換器コイル３は低温シフト反応器４の回りに同軸に配置されている。
【００４０】
同軸熱交換器コイルの内側チューブ３ｂには、リフォーマ領域から出てくる高温のリフォーメイトが出発材料混合物に対して逆方向に流される一方、高温の燃焼排ガスが同軸熱交換器コイルの外側の回りに流される。従って、内側でのリフォーメイトの冷却と外側での燃焼排ガス温度の低下とが同時に起こる結果、出発材料の予備加熱と蒸発が、前記同軸熱交換器内の環状ギャップ内で起こる。図示実施形態では、出発材料混合物はリフォーメイトおよび燃焼排ガスの双方に対して逆方向に流れる。
【００４１】
出発材料は同軸熱交換器コイル３を通過した後、リフォーミングスペース６およびバーナー７の回りに同軸に配置された別のチューブコイル５に流れ込む。この出発材料混合物はチューブコイルの外側を逆方向に流れる高温の燃焼排ガスによって更に加熱されて、ガスディストリビュータチューブ８を介してリフォーミングスペース６内に流れ込む。
【００４２】
出発材料がリフォーミングスペース６を通過した後、リフォーマの上方領域を通過してパイプライン９を介して抽出され、同軸熱交換器コイル３の内側チューブ３ｂに供給される。
【００４３】
前記リフォーミングスペース６は、この場合、例えばディッシュボイラーヘッドのような形態のドームによって頂部が画定された、あるいは平らな円形ディスク形状で区画された、バーナー７の回りに同軸な環状ギャップとして設計されることが望ましい。上部リフォーマ領域の断面は、円形である。リフォーマ装置の入側領域では、フリー体積(free volume) １０は、流れの断面に対して均一にガスを分散させるようになっている。設計では、触媒材料を担持するスクリーンベース(screen base) によって実施することができる。
【００４４】
リフォーミング領域は、予備リフォーミング領域と主リフォーミング領域とに分割し、一般的な温度でアクティブな異なる触媒を用いるようにしても良い。また、その異なる触媒を、触媒非活性ベッド(catalytically inactive beds) 或いは更にスクリーンベース(screen bases) で分けても良い。この温度分布のために、この予備リフォーマが入口領域で用いられ、主リフォーマが出口領域で用いられる。例えば、両触媒はPtまたはNiを含有するものであっても良いし、バルク材 (bulk material) や被覆ハニカム材(coated honeycomb) のベッドからなるものであっても良い。
【００４５】
パイプライン９は、上部リフォーマ領域の中央に配置しても良く、あるいは放射状に配置しても良い。
【００４６】
例えば燃料電池からの水素含有陽極排ガス等の天然ガス、および空気が、燃料ガスフィード（図示略）および空気フィードを介してバーナー７へ供給される。燃焼中に形成された燃焼排ガスはリフォーミングスペースを加熱するのに用いられる。
【００４７】
筒状リフォーマユニット１およびリフォーマ領域６は、熱絶縁用の絶縁層を備えていることが望ましい。
【００４８】
図２に示すように、同軸熱交換器スパイラル３は、リフォーマ６を出たリフォーメイトを冷却する内側チューブ３ｂと、冷たい出発材料（炭化水素／水の混合物）を搬送する外側チューブ３ａとを備えている。燃焼排ガスは外側チューブ３ｂの周囲を流通し、それによって出発材料が追加的に予備加熱される。この、出発材料混合物から水素含有リフォーメイトおよび燃焼排ガスへのダブル熱交換は、いずれの場合においても、同方向流あるいは好ましくは逆方向流で起こりうる。この図示された構造の利点は、全体のサイズが小さいということである。
【００４９】
図１は、リフォーマと、リフォーメイトが前方へ進むにつれてそれに続き、通常１８０℃と２５０℃との間の温度範囲で作動される低温シフト反応器とを備えたリフォーマユニットを示しているが、この発明によれば、更に、低温シフト反応器或いは３５０℃と５００℃との間の温度範囲で通常作動される高温シフト反応器として設計され得る、更に別のシフト反応器を、前記リフォーマと前記低温シフト反応器との間に設けても良く、あるいは特定の条件下では必要でさえもある。この場合、リフォーメイトはリフォーミングスペースから第１シフト反応器に流入し、好ましくは前記ルーティングに対応する、出発材料、リフォーメイトおよび燃焼排ガスのルーティングが上述のように低温シフト反応器に用いられた状態で、既に予備加熱された出発材料と逆方向に低温シフト反応器へと流れる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】図１は炭化水素の蒸気リフォーミングで水素を生成させるリフォーマユニットを図式的に示した図である。
【図２】図２はこの発明に係る、高温の燃焼排ガスおよび製品ガス（リフォーメイト）による出発材料混合物の加熱を図式的に示した図である。
【図３】図３はリフォーマユニットの製造技術のリンクを示す図である。
【符号の説明】
【００５１】
１  リフォーマユニット
２  出発材料入口ライン
３  環状ギャップチューブ３ａおよび内側チューブ３ｂを備えた同軸熱交換器３
４  シフト反応器
５  チューブコイル
６  リフォーミングスペース
７  バーナー
８  ガス拡散チューブ
９  パイプライン
１０  自由体積

【図１】
2005525984.tif 000003
【図２】
2005525984.tif 000004
【図３】
2005525984.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成15年9月22日(2003.9.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素と水の混合物を含む出発材料から水素を生成するためのリフォーマユニットであって、
ａ．反応器１と、
ｂ．出発材料を前記反応器１に供給するフィードライン２と、
ｃ．前記出発材料フィードライン２に接続された第１の外側チューブ３ａと、第２の内側チューブ３ｂとを備えた同軸熱交換器である熱交換器３と、
ｄ．前記熱交換器３の前記第１チューブ３ａに接続され、リフォーマスペース６の回りに配置された、更に別の熱交換器５と、
ｅ．前記熱交換器５に接続され、かつ前記ガス状の出発材料を、触媒ユニットが内部に配置されバーナー７で加熱されるようになされた前記リフォーマスペース６に供給するための少なくとも１つの出口開口部を有するライン８と、
ｆ．前記リフォーマスペース６内で生成された前記リフォーメイトを前記熱交換器３の前記第２チューブ３ｂに排出する、他端がシフト反応器４に接続された、少なくとも１つの排出ライン９と、
ｇ．前記シフト反応器４から排出された製品ガスのための製品排出ライン１１と、前記反応器１からの前記燃焼排ガスのための少なくとも１つの排出ライン１２と、
を備えている。
【請求項２】
請求項１に記載のリフォーマユニットであって、前記出発材料フィードライン２に接続された前記同軸熱交換器３が、前記放熱流体と前記吸熱流体用のフィードとディスチャージとが加熱されるべき前記流体が前記２つの放熱流体に対して対向流となるように前記チューブ３ｂ内を通過するように前記対応するチューブに接続された状態で、別の放熱流体を受け入れる外側チューブによって取り囲まれていることを特徴とする。
【請求項３】
請求項１に記載のリフォーマユニットであって、前記出発材料フィードライン２が接続された前記熱交換器３が、対向流熱交換器であり、軸長さが同じで直径が異なり互いに嵌め合わされた２つの中空シリンダを有する中空シリンダブロックと、吸熱流体を受け入れる螺旋チューブとを備えており、前記螺旋チューブは、前記２つの中空シリンダ間の前記筒状の環状ギャップ内に配置されており、前記螺旋チューブは、前記中空シリンダの外壁または内壁にしっかりと密接しており、前記筒状シリンダ間の前記筒状環状ギャップは、環状閉塞プレートで両端部を閉鎖されており、前記螺旋チューブまたは筒状環状ギャップへ逆方向に流通する前記流体用の少なくとも１つのフィードまたはディスチャージが前記閉塞プレートに存在することを特徴とする。
【請求項４】
前記請求項のうちのいずれか１に記載のリフォーマユニットであって、前記出発材料フィードライン２に接続された前記熱交換器３は、前記シフト反応器４の周囲に配置されており、該シフト反応器は好ましくは低温シフト反応器として設計されたものであることを特徴とする。
【請求項５】
前記請求項のうちのいずれか１に記載のリフォーマユニットであって、前記ライン８は、前記ガス状出発材料を前記リフォーマスペース６内に供給するための複数個の出口開口部あるいは１つのギャップを有することを特徴とする。
【請求項６】
前記請求項のうちのいずれか１に記載のリフォーマユニットであって、前記製品出口ライン１１は、前記製品ガスを精製するための、好ましくは前記製品ガス内の前記一酸化炭素を減少させるためのユニットに接続されていることを特徴とする。
【請求項７】
ガス状炭化水素から水素を生成する方法であって、
炭化水素と水との混合物を含む出発材料が、予備加熱領域内に配置された熱交換器に導くフィードラインを介して反応器に供給され、この熱交換器から排出された前記加熱された出発材料ガスは、内部に触媒ユニットが配置されると共に前記触媒ユニットを加熱するためのバーナーとを有するリフォーマスペースに供給され、前記リフォーマスペースから排出ラインを介して排出されたリフォーメイトはシフト反応器に供給され、該シフト反応器から排出された製品ガスは前記反応器から排出される。
【請求項８】
請求項７に記載の、ガス状炭化水素から水素を生成する方法であって、
ａ．炭化水素ガス/水の混合物を含む前記出発材料が、先ず、熱交換器に供給され、該熱交換器は、前記反応器内の予備加熱領域内に配置され、対向流熱交換器として設計されている、
ｂ．前記熱交換器から出る前記予備加熱された出発材料ガス混合物は、更に加熱されるために前記リフォーマ領域内に配置された前記熱交換器に供給される、
ｃ．更に加熱されかつ前記熱交換器から排出された出発材料ガスは、内部に触媒ユニットが配置されると共に前記触媒ユニットを加熱するためのバーナーを有するリフォーマスペースに供給され、
ｄ．排出ラインを介して前記リフォーマスペースから排出された前記リフォーマが、前記予備加熱領域内に配置された前記対向流熱交換器に供給され、該対向流熱交換器内に前記出発材料と対向する方向に供給されてシフト反応器に供給され、該シフト反応器は好ましくは低温シフト反応器として設計され、
ｅ．前記シフト反応器から排出された前記製品ガスが、前記反応器から排出される。
【請求項９】
炭化水素ガス/水の混合物を含む出発材料を予備加熱する方法であって、
前記製品ガスおよび燃焼排ガスと対向流である前記出発材料が、前記反応器内の予備加熱領域内に配置され対向流熱交換器として設計された熱交換器内を通過し、該熱交換器から触媒コンバージョンのための前記リフォーマスペースに供給される。
【国際調査報告】
2005525984.tif 000006
2005525984.tif 000007
2005525984.tif 000008
2005525984.tif 000009
2005525984.tif 000010
2005525984.tif 000011