(57)【要約】  燃料プロセス処理装置（２０）において使用するための復熱式の熱交換器（３６）が提供される。熱交換器（３６）は、燃料プロセス処理操作の一段階にある流体流れ（３４）からの熱を燃料プロセス処理操作の他の段階にある流体流れに移行させる。熱交換器（３６）は、相互熱移行関係下において軸方向に伸延する、同中心を有する第１環状通路及び第２環状通路を画定するハウジング（５６）を含み、回旋状の第１フィン（７０）が、流体をそこを貫いて送るために第１環状通路内に位置付けられ、回旋状の第２フィン（７２）が、流体をそこを通して送るために第２環状通路内に位置付けられる。
2007528340.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料プロセス処理操作の一段階における流体流れからの熱を、燃料プロセス処理操作の別の段階にある前記流体流れに移行させる、燃料プロセス処理システムで使用するための復熱式の熱交換器であって、
相互熱移行関係下に軸線方向に伸延する、同中心を有する第１環状通路及び第２環状通路を画定するハウジングと、
流体流れをそこを貫いて送るために第１環状通路内に位置付けた回旋状の第１フィンと、
流体流れをそこを貫いて送るために第２環状通路内に位置付けた回旋状の第２フィンと、
を含む復熱式の熱交換器。
【請求項２】
ハウジングが、流体流れを第１環状通路の一端位置から該第１環状通路内に送るための第１入口と、流体流れを、第１環状通路の他端位置から排出させるための第１出口と、前記第１環状通路の他端位置に隣り合う位置で流体流れを第２環状通路内に送るための第２入口と、第２環状通路から流体を排出させるための第２出口と、を更に画定する請求項１の復熱式の熱交換器。
【請求項３】
第１環状通路が第２環状通路よりも半径方向内側に位置付けられる請求項１の復熱式の熱交換器。
【請求項４】
回旋状の第１フィン及び第２フィンが、表面に機能拡張構造を有している請求項１の復熱式の熱交換器。
【請求項５】
表面の機能拡張構造がフィンのルーバーである請求項４の復熱式の熱交換器。
【請求項６】
回旋状の第１フィン及び第２フィンが、第１環状通路を第２環状通路から分離させる壁の各側に結合される請求項１の復熱式の熱交換器。
【請求項７】
回旋状の第１フィン及び第２フィンが、ハウジングのその他の部分に関して熱膨張し得るよう、第１環状通路を第２環状通路から分離させる壁のみに結合される請求項６の復熱式の熱交換器。
【請求項８】
第１環状通路及び第２環状通路よりも半径方向内側の位置でハウジングの中心を貫いて伸延する、円筒状の水性ガスシフトリアクターを更に含む請求項１の復熱式の熱交換器。
【請求項９】
燃料プロセス処理操作の一段階における流体流れからの熱を、燃料プロセス処理操作の別の段階にある前記流体流れに移行させる、燃料プロセス処理システムで使用するための復熱式の熱交換器であって、
円筒状の壁と、
該壁の半径方向内側に面する表面に結合した回旋状の第１フィンにして、回旋状部分が、熱交換器を通して前記流体流れを送るために軸線方向に伸延する第１フィンと、
該壁の半径方向外側に面する表面に結合した回旋状の第２フィンにして、回旋状部分が、熱交換器を通して前記流体流れを送るために軸線方向に伸延する第２フィンと、
を含む復熱式の熱交換器。
【請求項１０】
回旋状の第１フィン及び第２フィンが、表面に機能拡張構造を有している請求項９の復熱式の熱交換器。
【請求項１１】
表面の機能拡張構造がフィンのルーバーである請求項１０の復熱式の熱交換器。
【請求項１２】
第１フィンよりも半径方向内側の位置で熱交換器の中心を貫いて伸延する、円筒状の水性ガスシフトリアクターを更に含む請求項９の復熱式の熱交換器。
【請求項１３】
燃料プロセス処理システムであって、
蒸気リフォーマーと、
流体流れを該蒸気リフォーマーに送るために該蒸気リフォーマーに連結された復熱式の熱交換器にして、前記流体流れが、蒸気リフォーマー内でリフォーメートに改質されるべき蒸気及び燃料の混合物フィードであり、蒸気リフォーマーが、リフォーメートに改質された流体流れを熱交換器に戻すために熱交換器に連結された熱交換器とを含み、
該熱交換器が、円筒状の壁と、該壁の半径方向内側に面する表面に結合した回旋状の第１フィンにして、回旋状部分が、熱交換器を通して前記流体流れを送るために軸線方向に伸延する第１フィンと、該壁の半径方向外側に面する表面に結合した回旋状の第２フィンにして、回旋状部分が、熱交換器を通して前記流体流れを送るために軸線方向に伸延する第２フィンと、
を含む燃料プロセス処理システム。
【請求項１４】
回旋状の第１フィン及び第２フィンが、表面に機能拡張構造を有している請求項１３の燃料プロセス処理システム。
【請求項１５】
表面の機能拡張構造がフィンのルーバーである請求項１３の燃料プロセス処理システム。
【請求項１６】
第１フィンよりも半径方向内側の位置で熱交換器の中心を貫いて伸延する、円筒状の水性ガスシフトリアクターを更に含む請求項１３の燃料プロセス処理システム。
【請求項１７】
燃料プロセス処理システムであって、
蒸気リフォーマーと、
流体流れを該蒸気リフォーマーに送るために該蒸気リフォーマーに連結された復熱式の熱交換器にして、前記流体流れが、蒸気リフォーマー内でリフォーメートに改質されるべき蒸気及び燃料の混合物フィードであり、蒸気リフォーマーが、リフォーメートに改質された流体流れを熱交換器に戻すために熱交換器に連結された熱交換器とを含み、
該熱交換器が、相互熱移行関係下に軸線方向に伸延する、同中心を有する第１環状通路及び第２環状通路を画定するハウジングと、
流体流れをそこを貫いて送るために第１環状通路内に位置付けた回旋状の第１フィンと、
流体流れをそこを貫いて送るために第２環状通路内に位置付けた回旋状の第２フィンと、
を含む燃料プロセス処理システム。
【請求項１８】
ハウジングが、流体流れを第１環状通路の一端位置から該第１環状通路内に送るための第１入口と、流体流れを、第１環状通路の他端位置から排出させるための第１出口と、前記第１環状通路の他端位置に隣り合う位置で流体流れを第２環状通路内に送るための第２入口と、第２環状通路から流体を排出させるための第２出口と、を更に画定する請求項１７の燃料プロセス処理システム。
【請求項１９】
第１環状通路が第２環状通路よりも半径方向内側に位置付けられる請求項１７の燃料プロセス処理システム。
【請求項２０】
回旋状の第１フィン及び第２フィンが、表面に機能拡張構造を有している請求項１７の燃料プロセス処理システム。
【請求項２１】
表面の機能拡張構造がフィンのルーバーである請求項２０の燃料プロセス処理システム。
【請求項２２】
回旋状の第１フィン及び第２フィンが、第１環状通路を第２環状通路から分離させる壁の各側に結合される請求項１７の燃料プロセス処理システム。
【請求項２３】
回旋状の第１フィン及び第２フィンが、ハウジングのその他の部分に関して熱膨張し得るよう、第１環状通路を第２環状通路から分離させる壁のみに結合される請求項２２の燃料プロセス処理システム。
【請求項２４】
第１環状通路及び第２環状通路よりも半径方向内側の位置でハウジングの中心を貫いて伸延する、円筒状の水性ガスシフトリアクターを更に含む請求項１７の燃料プロセス処理システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料プロセッサに関し、詳しくは、分散型水素製造のための燃料プロセッサに関する。
【背景技術】
【０００２】
水素インフラストラクチャを開発することが燃料電池車を長期的に成功させるための重要な鍵となることは十分に認識されている。燃料電池車は、内燃機関式自動車に代わり得る、または少なくともそれを補うものとして数多く計画されているが、その理由は、温室効果ガス、空気汚染排出物、化石燃料の長期入手性、エネルギー供給の安全性、に関する関心が高まっていることにある。プロトン交換膜（ＰＥＭ）型の燃料電池は、水素使用燃料電池車を商業的に成立させようとして現在行われている殆ど全ての開発作業において注目されている。携帯性の高い炭化水素燃料から水素をオンボード製造することに向けた取り組みは、近年になってほぼその全てが放棄され、現在は殆ど全ての燃料電池車製造者は高純度液体水素または水素ガスを給油することに注目している。
【０００３】
水素を大量製造することのできる手段は良く知られている。現在、工業的規模で水素を製造する主な手段はメタンの蒸気改質法である。今日、世界中で製造される水素の約半分は、主に自動車用燃料を製造するための製油所で使用され、他の４０％はアンモニアの商業生産で消費される。然し乍ら、米国での年間水素製造量は僅か２日分のガソリン消費量に匹敵するに過ぎない。しかも、現在は、水素は大きな工業規模で製造されるのが主流である。交通インフラを成功させるには水素給油ネットワークをうまく配置する必要があるが、水素は配送上の問題が非常に多い。水素ガスは最小エネルギー密度を有するものの一つであるために、燃料電池交通インフラで必要とされる量を輸送するのは困難である。液体水素は非常に低温（２２Ｋ）とする必要があることからその輸送はもっと難しく、またそのエネルギー密度はやはり小さい。こうした事情から、燃料電池車の給油需要を満たし得る水素インフラは、高純度水素の分散型製造に依存させる必要があると結論するのが妥当である。
【０００４】
燃料電池交通インフラのために必要とされる高分散型水素製造は、代表的な精油所またはアンモニア製造用での水素製造よりもずっとその規模は小さい。現在、こうした小規模で高純度水素を経済的に製造するための様々な手段が追求されているが、そうした製造手段の一つは、大規模で実施される、良く知られた現在の水素製造方法を小規模製造に適用させることである。水素を大規模製造する方法は、天然ガス（メタン）を触媒を介して蒸気改質するものが主流である。蒸気改質反応は、下記の如く、水素と一酸化炭素とを生じる。
ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ→３Ｈ2＋ＣＯ
【０００５】
蒸気改質反応は非常に吸熱的であり、１モルのメタンを消費する毎に２０６ｋＪのエネルギーが必要である。製造されるＣＯの幾分かは関連する下記の水性ガスシフト反応を経てＣＯ2となる。
ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋Ｈ2
【０００６】
この反応は発熱性で、１モルのＣＯが消費される毎に４１ｋＪのエネルギーが放出される。メタンの蒸気改質は代表的には７００〜９００℃の範囲の温度下に実施されるが、放熱性反応であるため、リアクターに熱を供給する必要がある。熱は、炉内に配置した一連のチューブ内に触媒を充填することにより供給される。水素は、例えば金属膜または圧力スゥイング吸着（ＰＳＡ）といった、良く知られた様々の手段を介して、蒸気改質用の製品ガス（リフォーメート）から取り出される。
【０００７】
燃料電池車のための分散型水素製造のための、天然ガスの小規模蒸気改質を実現させるためには、発熱用の燃焼装置と、放熱性の蒸気改質反応との一体化をもっと進める必要があることが以前から分かっている。そうしたシステムを製造する従来の試みはある程度成功したが、その性能効率は常に、金属温度を極めて高く（＞１０００℃）させることなく必要な熱を蒸気改質反応に移行させるための能力によって制約されてきた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
高度に一体化された蒸気改質用燃料プロセッサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
高度に一体化された蒸気改質用燃料プロセッサとしての本発明の実施例が説明される。本実施例によれば、圧力スゥイング吸着装置（ＰＳＡ）との組み合わせにおいて、燃料電池交通インフラのための分散型水素製造に良く適合する規模での高純度水素分与が可能となる。この燃料プロセッサによれば、従来設計のプロセッサにおける熱移行上の制約が無くなり、非常に高い金属温度を生じることなく高水準の水素製造効率が達成され得る。
【００１０】
本発明の一特徴によれば復熱式の熱交換器が提供される。熱交換器は、燃料プロセス処理作業の一段階にある流体流れからの熱を別の段階にある流体流れに移行させる。
本発明の一特徴によれば、燃料プロセス処理ユニットは蒸気リフォーマーと復熱式の熱交換器とを含み、熱交換器は蒸気リフォーマーに連結され、流体流れをこの蒸気リフォーマーに送る。蒸気リフォーマーに送られた流体流れは蒸気リフォーマー内で蒸気／燃料フィードと混合してリフォーメートとなり、熱交換器に連結した蒸気リフォーマーがこのリフォーメートを熱交換器に戻す。
本発明の一特徴によれば、熱交換器がハウジングを含み、このハウジングが、熱移行関係において相互に同中心を有し且つ軸線方向に伸延する第１環状通路及び第２環状通路を画定する。第１環状通路内には、流体流れを通す回旋状の第１フィンが位置付けられ、第２環状通路内には、流体流れを通す回旋状の第２フィンが位置付けられる。
【００１１】
本発明の一特徴によれば、復熱式の熱交換器が更に、第１環状通路及び第２環状通路から半径方向内側の位置でハウジングの中心を貫いて伸延する、円筒状の水性ガスシフトリアクターを含んでいる。
本発明の一特徴によれば、熱交換器が円筒状の壁を含み、回旋状の第１フィンがこの壁の半径方向内側に面した表面に結合され、第１フィンの回旋状部分が熱交換器を通して流体流れを送るべく軸線方向に伸延され、第２フィンが、前記壁の半径方向外側に面する表面に結合され、第２フィンの回旋状部分が、熱交換器を通して流体流れを送るべく軸線方向に伸延される。
本発明のその他の目的、特徴及び利益は、添付の請求項及び図面を含む明細書全体を参照することにより明らかである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１には高度に一体化された燃料プロセッサ２０のシステム概念図が示される。このシステムでは燃焼器のために必要となる唯一の燃料源は圧力スゥイング吸着装置（ＰＳＡ）２２からの水素減損ガス２１である。ＰＳＡ２２の高圧側は６．８９５Ｐａ（１００ｐｓｉｇ）で運転されるように設計するのが好ましく、他方、ＰＳＡの低圧側は近大気圧（〜６８９５Ｐａ（〜１ｐｓｉｇ））で運転されるように設計することが好ましい。燃焼器２５の燃焼器排気２４から回収した熱は蒸発器２９内で蒸気リフォーマー２８のための給水２６を蒸発及び過熱させるためのみならず、燃料プレヒーター３１内で蒸気リフォーマー２８のための天然ガスフィード３０を前加熱するためにも使用される。熱は、蒸気リフォーマー２８を出るリフォーメート流れ３２から回収され、復熱式の熱交換器、即ち復熱装置３６内で、蒸気及び天然ガスの混合した蒸気リフォーマーフィード３４を更に前加熱するために使用される。水性ガスシフト（ＷＧＳ）リアクター３８が、水素製造量を増大させるために使用される。水性ガスシフトリアクター３８の下流側ではリフォーメート流れ３２から熱が追加的に回収され、回収された熱が、燃焼器フィードガス４０と、蒸発器２９に向かう給水２６とを前加熱するために使用される。リフォーメート流れ３２はＰＳＡ２２のために好適な温度に冷却され、余剰の水が凝縮される。このプロセスで除去される熱は温度が相当低く、回収されることはない。凝縮液４１は所望であれば回収及び再使用され得る。
【００１３】
本システムでは、蒸気リフォーマー２８と燃焼器２５とを一体化させた、高伝熱効率特性の蒸気リフォーマー及び燃焼器一体化装置４２の使用を通して水素を最適変換する。蒸気リフォーマー及び燃焼器一体化装置４２は、今後ＳＭＲリアクター４２として参照される。図２に最も良く示されるように、ＳＭＲリアクター４２は耐熱合金製の円筒状の内側スリーブ４４として構成され、その内側表面４８の全周囲方向に沿って回旋状の第１フィン構造４６がろう接され、その外側表面５２の全周囲方向に沿って回旋状の第２フィン構造５０がろう接される。第１フィン構造４６には蒸気リフォーム触媒がウォッシュコートされ、第２フィン構造５０には、水素とメタンとを共に酸化することのできる触媒がウォッシュコートされる。内側スリーブ４４は、図３に示す高圧容器５４の一部分として使用するに足る肉厚を有し、図４に示すように、高圧の蒸気リフォーマーフィード３４と、リフォーメート蒸気３２とを格納する。円筒状の内側金属スリーブ５６及び５８（図２には示されない）が、第１及び第２の各フィン構造４６及び５０を夫々通して流れを分岐させる。
【００１４】
図３及び図４には、完全に組み立てた状態の燃料プロセッサー２０の一実施例が示される。燃料プロセッサー２０は、低圧スリーブまたは低圧容器６０の内部にこの低圧容器と同中心状態に位置付けた高圧スリーブまたは高圧容器５４から構成される。蒸気リフォーマー２８のための給水２６と天然ガスフィード３０とが気化（水の場合）され、内側スリーブ４４と低圧容器６０との間に位置付けたコイルチューブ６２内で前加熱される。前加熱された蒸気リフォーマーフィード３４はチューブ６４を通して高圧容器５４の頂部ドームヘッド６６から高圧容器５４に入り、次いで復熱装置３６に送られる。
【００１５】
復熱装置３６はＳＭＲリアクター４２と類似の構造を有し、内側金属スリーブ５６の外側表面７６及び内側表面７８の何れにも、高度の機能拡張型（ルーバー付きあるいはランス−オフセット付きフィンのような）のフィン構造７０及び７２がろう接される。流れは、これらのフィン構造７０及び７２を通し、内側スリーブ４４及び８０によって再び分岐される。内側金属スリーブ５６とフィン構造７０及び７２とは、外側表面７６に結合したフィン構造７０を取り巻く環状部分の大きさが、ＳＭＲリアクター４２の、蒸気リフォーム用触媒をウォッシュコートした第１フィン構造４６を取り巻く環状部分のそれと同じになるように寸法付けされる。内側金属スリーブ５６の一端は、ＳＭＲリアクター４２の長さに概略等しい距離、フィン構造７０及び７２の各端部を越えて伸延される。これにより、内側金属スリーブ５６はＳＭＲリアクター４２の内側スリーブとして機能することができるようになる。同様に、ＳＭＲリアクター４２を成す円筒状の金属からなる内側スリーブ４４は、第１及び第２の各フィン構造４６及び４８を越えて伸延することで、復熱装置３６のための、外側の内側スリーブ４４として機能する。
【００１６】
完全に組み立てた状態の燃料プロセッサー２０において、蒸気リフォーマーフィード３４は復熱装置３６の外側のフィン構造７０を通して流れ、次いで、ＳＭＲリアクター４２の内側の（蒸気リフォーム用触媒をウォッシュコートした）第１フィン構造４６を通して送られ、そこで、水素リッチなリフォーメート蒸気３２に変換される。次いで、リフォーメート蒸気３２の流れは第１フィン構造４６を出る際にバッフルを介して上向きとされ、内側金属スリーブ５６の延長部分の内側表面７８に沿って流動し、復熱装置３６の内側のフィン構造７２を通して流れ、そこで、流入してくる蒸気リフォーマーフィード３４に熱を移行させる。
【００１７】
水性ガスシフト（ＷＧＳ）リアクター３８は、触媒をコーティングした円筒状のモノリス８４であり、絶縁材８６内に収納されると共に、復熱装置３６の内側スリーブ８０内に位置付けられる。復熱装置３６を出たリフォーメート蒸気３２は高圧容器５４の頂部に送られ、頂部位置で、前加熱された蒸気リフォーマーフィード３４からこのリフォーメート蒸気３２を分離させるドームヘッド８８によって強制逆転される。リフォーメート蒸気３２は、内側スリーブ８０及び９０の中心位置でＷＧＳリアクターのモノリス８４を通して下方に流れる。ＷＧＳリアクター３８を出たリフォーメート蒸気３２は分流されて高圧容器５４の壁を成す内側スリーブ４４及び９２に向かい、燃焼器プレヒーター９４を通して送られる。
【００１８】
燃焼器プレヒーター９４はＳＭＲリアクター４２や復熱装置３６のそれと極めて類似した構造を有し、高度の機能拡張型のフィン構造９６、９８（ルーバー付きフィンのような）が、金属スリーブ９２の外側表面１００及び内側表面１０２の何れにもろう接される。ＳＭＲリアクター４２の場合におけるように、金属スリーブ９２は高圧容器５４の一部分として作用し、ＳＭＲリアクター４２の内側スリーブ４４に溶接される。リフォーメート蒸気３２は燃焼器プレヒーター９４の内側表面１０２のフィン構造９８を通して送られ、その間、燃焼器プレヒーター９４の外側表面１００上のフィン構造９６を通して向流関係下に送られる燃焼器フィードガス４０の流れに熱を移行させる。フィン構造９６を出たリフォーメート蒸気３２は、蒸気リフォーマー２８のための水２６を通すコイルチューブ１０６からなる水プレヒーター１０４に沿って送られる。リフォーメート蒸気３２はこれらの燃焼器プレヒーター９４及び水プレヒーター１０４により、リフォーメート８２から幾分かの水分が凝縮する程度にまで冷却されることが予測される。リフォーメート蒸気３２（及び凝縮物）は水プレヒーター１０４の下流側で高圧容器５４の下方ドームヘッド１０８に到達し、高圧容器５４を出て熱交換器１１０に入り、そこでＰＳＡ２２のために適した温度に冷却される。熱交換器１１０でリフォーメート蒸気３２から除去された熱は廃熱と考えられるので、周囲環境に捨てても良い。
【００１９】
ＰＳＡからの、近大気圧（〜１ｐｓｉｇ）の水素減損ガス２１が燃焼器エアー１１２と混合されて燃焼器フィードガス４０を構成する。燃焼器フィードガス４０は低圧容器６０に送られ、燃焼器プレヒーター９４を通して上向きに流れ、ＳＭＲリアクター４２の外側表面５２のフィン構造５０に入る。燃焼器フィードガス４０は触媒をコーティングしたこれらのフィン構造５０を通して、ＳＭＲリアクター４２の内側表面４８のフィン構造４６を通して送られるリフォーメート蒸気３２との向流関係下に垂直上昇する。燃焼器フィードガス４０内の水素、メタン、一酸化炭素は、フィン構造５０を通して送られる際に触媒燃焼する。これにより生じた熱はＳＭＲリアクター４２の内側スリーブ４４を介して伝導され、かくして、ＳＭＲリアクター４２の内側表面４８に取り付けたフィン構造４６上で生じる吸熱性の蒸気リフォーム反応を供給する。
【００２０】
ＳＭＲリアクター４２のフィン構造５０を出た燃焼器排気２４は高圧の内側スリーブ４４と低圧容器６０との間の環状領域を通して更に上昇し、蒸発器２９を通過して燃料プレヒーター３１に入る。蒸発器２９と燃料プレヒーター３１とは、内側スリーブ４４と低圧容器６０との間の環状空間内に配置したコイルチューブ６２から成り立つ。前加熱された水２６はコイルチューブ６２にその底部から入り、上向きに流れ、その間、コイルチューブ６２の外側を流れる高温の燃焼排気２４から熱を受ける。コイルチューブ６２を通して流動する際、水は完全に気化され次いで穏やかに過熱される。コイルチューブ６２の長さに沿ったある位置でコイルチューブ１２０に天然ガス３０が流入され、過熱された蒸気と混合される。蒸気と天然ガスとは共に、コイルチューブ６２の残余部分内で燃焼排気によって更に加熱され、その後、配管を通して高圧容器５４に送られる。別の設計形状（図７及び図９に最も良く示される）では天然ガス３０が、水を通すコイルチューブの下流側（燃焼排気２４に関して）の別のコイルチューブ内で前加熱され、これらの２つの流体が、コイル状の各熱交換器を出た後に混合され得る。
【００２１】
燃焼反応の大半は代表的には、触媒領域の比較的短い最初の長さ部分において生じる。燃焼反応をＳＭＲリアクター４２の長さに沿ってもっと一様に拡散させることが有益であり得る。燃焼反応は拡散律速のものであるため、そうした一様な拡散は、回旋状のフィン構造５０の最初の部分には、拡散が最小化されるずっと薄層の流れが提供されるよう妨害物を設けず、出口部分には、メタン、水素、一酸化炭素を最終的に清掃するための反応物質の拡散が一層促進される乱流を生じさせるルーバー、スリット、ランスなどを設けることで、ある程度実現され得る。
【００２２】
図６にはＳＭＲリアクター４２の内部に想定される代表的な温度プロファイルが例示される。リフォーメート蒸気３２及び蒸気リフォーマーフィード３４は図で右側から左側に流れ、燃焼器フィードガス４０は図で左側から右側に流れる。フィン構造４６及び５０の各先端位置での温度のみならず、内側スリーブ４４の内外の各表面位置での温度が示される。ＳＭＲリアクター４２の内部での伝熱は金属温度を１０００℃よりもずっと低温に維持するために十分なものであることが分かる。リフォーメート蒸気３２及び蒸気リフォーマーフィード３４と燃焼器フィードガス４０とを、金属温度を危険な程上昇させることなく向流関係で流動させ得ることから、リフォーメート出口温度がリフォーメート入口温度よりも実質的に高温となるので、メタンから水素への変換効率が最大化され、復熱装置３６に対する要求効率は最小化される。
【００２３】
この設計形状によれば、燃焼器２５に天然ガスを追加する必要性が回避されることから、燃料プロセッサー２０の制御はずっと簡易化され得る。ＳＭＲリアクター４２内の温度は、このＳＭＲリアクター４２の内側金属スリーブ５８上に位置付けた図示されないセンサーの提供する温度フィードバックに基いて燃焼器空気流れ１１２を調節することにより制御され得る。水プレヒーター１０４に図示されない調節自在の水バイパス弁を設け、水プレヒーター１０４を通過する水流れの割合を変化させることで、蒸発器２９に供給される給水２６の温度を調節することができる。入口１２２に位置付けた温度センサーからＷＧＳリアクター３８への温度フィードバックは、水バイパス弁のための制御源として使用され得る。
【００２４】
高度の熱インテグレーションにより高圧容器５４は小容積化され、かくして、用途上必要とされる高温及び高圧下で容器を動作させる上で必要な壁厚が最小化される。ここに記載する燃料プロセッサー２０の好ましい一実施例では、高圧容器５４は直径６インチ、全長約１ｍ（４０インチ）であり、水素製造効率が７７．５％（水素のＬＨＶがＰＳＡにより除去され、リフォーメート中の水素の７５％が除去され、天然ガスフィードのＬＨＶによって分割されたと仮定して）である状態下に天然ガスを毎時６．２５ｋｇ/ｈｒ改質することができ、その結果、水素製造率は１．８７ｋｇ/ｈｒとなる。
【００２５】
図７〜図１６には燃料プロセスユニット２０の別の実施例が示される。本実施例は以下の点、即ち、
（ａ）水プレヒーター１０４が燃料プロセスユニット２０の外側位置に移動され、燃焼器プレヒーター９４が、水プレヒーター１０４の専有部分を越えて伸延される。
（ｂ）ＰＳＡ排ガス入口と、リフォーメート出口とが、これらに関連する部分と共に改変され、
（ｃ）天然ガスプレヒーター３１用の別体のコイルチューブ１３０が、蒸発器２９のためのコイルチューブ６２の下流側に追加される点、で図２〜４の実施例とは異なるものである。
【００２６】
図３の燃料プロセスユニット２０におけるように、ＳＭＲリアクター４２のフィン構造４６及び５０は、金属シリンダー４４にのみろう接され、燃焼器プレヒーター９４のフィン構造９６及び９８は金属スリーブ９２にのみろう接され、内側スリーブ４４及び９２が、それらの隣り合う各端部位置で溶接されて高圧容器５４の円筒状の壁を形成する。更に、図３の燃料プロセスユニット２０におけるように、円筒状のバッフルまたは円筒状の壁１３２が、燃焼排気２４用の流路の内側境界位置を、高圧容器５４の頂部ドームヘッド６６を越えて伸延するコイルチューブ６２及び１３０の部分を貫いて伸延させるために使用される。壁１３２は、高圧容器５４の頂部ドームヘッド６６に仮溶接されるが、コイルチューブ６２及び１３０または低圧容器６０とは接触されない。従って、高圧容器５４と低圧容器６０とは、以下に説明する第１及び第２の２つの位置においてのみ機械的に連結される。第１の位置は、図８に最も良く示されるように高圧容器５４の底部付近にあり、空気/ＰＳＡ排ガス入口構造１３４が、高圧容器５４のための下方ドームヘッド１０８と、低圧容器６０のための下方ドームヘッド１３６との両方に溶接されて剛性連結部を形成する。第２の位置は図９に最も良く示されるように燃料プロセスユニット２０の頂部付近にあり、コイルチューブ６２及び１３０が、第１位置１３８で低圧容器６０に溶接され、第２位置１４０で送給混合物入口チューブ構造１４２を介して高圧容器５４の頂部ドームヘッド６６に溶接される。給物混合入口チューブ構造１４２は、好適なフィッティング連結部を介してコイルチューブ６２及び１３０の出口端部１４４及び１４５に連結した送給混合物入口マニホルド１４３と、内側混合構造１４７を有し下方に伸延する混合チューブ１４６とを含む（例示された実施例では、製造ユニットでは随意的に除去され得る計装案内中央管も含まれる）。第２位置における連結は剛性的なものではなく、実際は２つの大きなバネ（コイルチューブ６２及び１３０）によるものである。従って、高圧容器５４と低圧容器６０とは、その軸線方向への相対移動のかなりの部分が拘束を受けないため、低圧容器６０の内側金属スリーブ５８が高温化され易いにもかかわらず、熱膨張差による大きな応力は発生しない。
【００２７】
図３の燃料プロセスユニット２０におけるように、復熱装置３６のフィン構造７０及び７２は内側金属スリーブ５６にのみろう接され、高圧容器５４または隣接する内側表面にはろう接されない。図１０に最も良く示されるように、高圧容器５４と内側金属スリーブ５６とはそれらの上端部位置においてのみ機械的に連結される。上端部は何れも、ドームヘッド８８と内側金属スリーブ５６とを高圧容器５４に取り付けるために作用する混合送給物分与リング１５０に溶接される。図１１に最も良く示されるように、混合送給物分与リング１５０は、蒸気リフォーマーフィード３４がそこを貫いて復熱装置３６及びＳＭＲリアクター４２に移動することができるようにするための複数の、角度位置を変えて離間させた孔１５２を含む。高圧容器５４及び内側金属スリーブ５６は、一方の端部位置においてのみ連結されることから、熱膨張差に応じて個別に自由移動し、そうした自由移動によって大きな応力を生じることも当然ない。
【００２８】
内側スリーブ８０は、フィン構造７０、７２または内側表面７８と接触させるのではなく、むしろ、図１２に最も良く示されるように内側スリーブ４４及び内側スリーブ８０の何れにも溶接したフランジ付きの、リング形状の、バッフル１５４を介して高圧容器５４の内側スリーブ４４の内側に結合することが好ましい。内側スリーブと高圧容器５４とは、一カ所においてのみ連結されることから、熱膨張差に応じて個別に自由移動し、そうした自由移動によって大きな応力を生じることも当然ない。
【００２９】
図３の燃料プロセスユニット２０におけるように、ＷＧＳリアクター３８の円筒状の壁を構成する内側スリーブ９０は、図１３に最も良く示されるように、内側スリーブ９０の両端に溶接した、平坦な、リング形状の一対のバッフル１５６、１５８により内側スリーブ８０に結合される。底部に位置付けられたバッフル１５８は内側スリーブ８０の内側にも溶接される。内側スリーブ９０と８０との間の環状部分は流路ではないのでその両端位置を気密シールする必要はない。上方のリング形状のバッフル１５６は内側スリーブ８０に関して自由に移動することから、内側スリーブ８０及び９０は熱膨張差に応じて相対移動することができるので大きな応力は生じない。
【００３０】
図３の燃料プロセスユニット２０におけるように、燃焼器プレヒーターの中央部分の容積部分は、図１４に最も良く示されるように、絶縁材を充填することが好ましい円筒状容器１６０により占有される。円筒状容器１６０の底部と、高圧容器５４の内側スリーブ９２とには溝付きディスク１６２が溶接される。図１５に最も良く示されるように、溝付きディスク１６２の周囲には、リフォーメート流れ３２が通過することができるようにするための、角度位置を変えて離間させた切り欠き１６４が設けられる。円筒状容器１６０にはフィン構造９８を取り付けないことが好ましい。円筒状容器１６０と高圧容器５４とは、一カ所においてのみ連結されることから熱膨張差に応じて個別に自由移動し、従って大きな応力を生じることは当然ない。
【００３１】
図１６に最も良く示されるように、リフォーメート流れ３２は、高圧容器５４の下方ドームヘッド１０８に溶接した小径チューブ１６６を介して燃料プロセスユニットを出る。燃焼器空気流れ１１２は、高圧容器５４と同中心を有することが好ましい大径チューブ１６８を介して燃料プロセスユニット２０の底部位置に流入する。空気/ＰＳＡ排ガス入口構造１３４は、大径チューブ１６８と同直径のチューブ１７２と、ＰＳＡ排ガス入口チューブ１７４と、燃焼空気流れ/ＰＳＡ排ガスインゼクタ１７６とを含み、燃焼空気流れ/ＰＳＡ排ガスインゼクタ１７６は、燃焼器空気流れ１１２にＰＳＡ排ガスを注入するための、周囲方向に離間した複数の孔１７８を含んでいる。小径チューブ１６６と空気/ＰＳＡ排ガス入口構造１３４とは２つの位置で相互にしっかりと連結されることから熱膨張差による応力が生じるが、ＰＳＡからの水素減損ガス２１とリフォーメート流れ３２との間の温度差が小さいので大きな応力は生じないと思われる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明を具体化した燃料プロセス処理システムのダイヤグラム図である。
【図２】本発明の一体化した蒸気リフォーマー／燃焼器アセンブリの斜視図である。
【図３】本発明の一体化した燃料プロセス処理ユニットの１実施例の断面図である。
【図４】図３の燃料プロセス処理ユニットを貫く流体流れを示す概略流れ図である。
【図５】図３の燃料プロセス処理ユニットの部分破除した斜視図である。
【図６】図２の一体化した蒸気リフォーマー／燃焼器アセンブリの１実施例のための温度プロファイルを示す温度対流路グラフである。
【図７】本発明の一体化した燃料プロセス処理ユニットの他の実施例の部分破除した斜視図である。
【図８】図７を線８−８で切断し、一体化した燃料プロセス処理ユニットの選択部分を強調した断面図である。
【図９】図７を線９−９で切断し、一体化した燃料プロセス処理ユニットの選択部分を強調した断面図である。
【図１０】図７を線１０−１０で切断し、一体化した燃料プロセス処理ユニットの選択部分を強調した断面図である。
【図１１】図１０を線１１−１１で切断した断面図である。
【図１２】図１０と類似の、しかし一体化した燃料プロセス処理ユニットの別の部分を強調した断面図である。
【図１３】図１０及び１２と類似の、しかし一体化した燃料プロセス処理ユニットの更に別の部分を強調した断面図である。
【図１４】図７を線１４−１４で切断した断面図である。
【図１５】図１４を線１５−１５で切断した断面図である。
【図１６】一体化した燃料プロセス処理ユニットの別の部分を強調した、図８と類似の断面図である。
【符号の説明】
【００３３】
２０  燃料プロセッサー
２１  水素減損ガス
２２  圧力スゥイング吸着装置
２４  燃焼器排気
２５  燃焼器
２６  給水
２８  蒸気リフォーマー
２９  蒸発器
３０  天然ガス
３１  燃料プレヒーター
３２  リフォーメート流れ
３４  蒸気リフォーマーフィード
３６  復熱装置
３８  水性ガスシフトリアクター
４０  燃焼器フィードガス
４２  ＳＭＲリアクター
４４  内側スリーブ
４６  第１フィン構造
４８  内側表面
５０  第２フィン構造
５２  外側表面
５４  高圧容器
５６，５８  内側金属スリーブ
６０  低圧容器
６２  コイルチューブ
６４  チューブ
６６，８８  頂部ドームヘッド
６２，１０２  コイルチューブ
７６，１００  外側表面
７８，１０２  内側表面
７０，７２，９６，９８  フィン構造
８４  モノリス
８６  絶縁材
９２  金属スリーブ
９４  燃焼器プレヒーター
１０４  水プレヒーター
１０６  コイルチューブ
１０８，１３６  下方ドームヘッド
１１０  熱交換器
１１２  燃焼器エアー
１４３  送給混合物入口マニホルド
１４６  混合チューブ
１４７  内側混合構造
１５０  混合送給物分与リング
１６０  円筒状容器
１６２  溝付きディスク
１６６  小径チューブ
１６８  大径チューブ
１７２  チューブ
１７４  ＰＳＡ排ガス入口チューブ
１７６  燃焼空気流れ/ＰＳＡ排ガスインゼクタ
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【国際調査報告】
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