(57)【要約】  燃料プロセス処理用のサブシステム内の種々の位置で燃料流れに水を供給するプロセス水流れを含む燃料プロセス処理用のサブシステムで用いるためのリフォーメート冷却システムが提供される。リフォーメート冷却システムには、プロセス水流れの流れ部分を、リフォーメートとこの流れ部分とを共通出口温度に持ち来す間、プロセス水流れの前記流れ部分を完全に蒸発させることができる。共通出口温度はリフォーメート流れ中から一酸化炭素を最適除去するための所望の温度範囲に動的に制御することが可能である。プロセス水流れの前記流れ部分はプロセス水流れの残余部分と再結合され、燃料プロセス処理用のサブシステム内で蒸気及び又は水として利用される。
2007518664.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
リフォーメートの温度を、燃料プロセス処理用のサブシステムにして、該燃料プロセス処理用のサブシステム内の燃料流れに水を供給するプロセス水流れを含む燃料プロセス処理用のサブシステムで用いるために所望される温度範囲に低下させるためのリフォーメート冷却システムであって、
リフォーメート流れからの熱をプロセス水流れの一部分に移行させるための少なくとも一つの熱交換器ユニットにして、冷却材入口と、冷却材出口と、プロセス水流れの一部分を冷却材入口から冷却材出口に配向するための冷却材流路と、リフォーメート入口と、リフォーメート出口と、リフォーメート流れをリフォーメート入口からリフォーメート出口に向けて且つ冷却材流路内のプロセス水流れの一部分とリフォーメート流路内のリフォーメート流れとの間に並流関係を持たせつつ配向するためのリフォーメート流路と、を含み、プロセス水流れの一部分を完全に蒸発させ、また、燃料プロセス処理用のサブシステムのための通常の運転条件下においてリフォーメート流れとプロセス水流れの一部分とを共通出口温度に近づけるための十分な効率を有している熱交換器ユニットと、
冷却材入口に向かうプロセス水流れの一部分の流量を制御するために冷却材入口に連結した弁と、
リフォーメートの出口温度を測定するために位置決めされた温度センサーと、
温度センサーに連結され、該温度センサーに応答して、弁を介してのプロセス水流れの一部分の流量を選択的に制御することにより共通出口温度を所望の温度範囲に調節するコントローラーと、
を含むリフォーメート冷却システム。
【請求項２】
冷却材出口から出るプロセス水流れの一部分を受ける自動熱リアクターが設けられ、該自動熱リアクターが、受けたプロセス水流れの一部分を燃料流れと混合する請求項１のリフォーメート冷却システム。
【請求項３】
温度センサーがリフォーメート出口に位置決めされる請求項１のリフォーメート冷却システム。
【請求項４】
温度センサーが冷却材出口に位置決めされる請求項１のリフォーメート冷却システム。
【請求項５】
コントローラーが温度センサーと電子的に連結される請求項１のリフォーメート冷却システム。
【請求項６】
リフォーメートの温度を、燃料プロセス処理用のサブシステムにして、該燃料プロセス処理用のサブシステム内の燃料流れに水を供給するプロセス水流れを含む燃料プロセス処理用のサブシステムで用いるための所望の温度範囲内に低下させるためにリフォーメート冷却システムを作動する方法であって、
第１流路を通してリフォーメートを流動させること、
第２流路を通して、第１流路と並流関係かにおいてプロセス水流れの一部分を流動させること、
リフォーメートからの熱をプロセス水流れの一部分に移行させて該プロセス水流れの一部分を完全に蒸発させ、リフォーメートとプロセス水流れの完全に蒸発された該一部分とを共通出口温度に接近させること、
プロセス水流れの前記一部分の流量を、第１流路を出るリフォーメートの温度を調整するように制御すること、
を含む方法。
【請求項７】
第１流路を出るリフォーメートを受ける水素浄化装置内の触媒作用の変化に応答して第１流路を出るリフォーメートの温度範囲を調節することを更に含む請求項６の方法。
【請求項８】
プロセス水流れの一部分をプロセス水流れの残余部分と再結合することを更に含む請求項６の方法。
【請求項９】
再結合したプロセス水流れを自動熱リアクターに移行させることを更に含む請求項８の方法。
【請求項１０】
リフォーメートの温度を、燃料プロセス処理用のサブシステムにして、該燃料プロセス処理用のサブシステム内の燃料流れに水を供給するプロセス水流れを含む燃料プロセス処理用のサブシステムで用いるための所望の温度範囲内に低下させるためのリフォーメート冷却システムであって、
リフォーメート流れからの熱をプロセス水流れの一部分に移行させるための少なくとも一つの熱交換器ユニットにして、冷却材入口と、冷却材出口と、プロセス水流れの一部分を冷却材入口から冷却材出口に配向するための冷却材流路と、リフォーメート入口と、リフォーメート出口と、リフォーメート流れをリフォーメート入口からリフォーメート出口に向けて且つ冷却材流路内のプロセス水流れの一部分とリフォーメート流路内のリフォーメート流れとの間に並流関係を持たせつつ配向するためのリフォーメート流路と、を含み、プロセス水流れの一部分を完全に蒸発させ、また、燃料プロセス処理用のサブシステムのための通常の運転条件下においてリフォーメート流れとプロセス水流れの一部分とを共通出口温度に近づけるための十分な効率を有している熱交換器ユニットと、
熱交換器を通るプロセス水流れの一部分の流量を、共通出口温度を所望の温度範囲内に維持するように制御するための能動制御ループと、
を含むリフォーメート冷却システム。
【請求項１１】
能動制御ループが、フィードバック制御ループである請求項１０のリフォーメート冷却システム。
【請求項１２】
能動制御ループが、プロセス水流れの一部分の流量を制御するための弁である請求項１１のリフォーメート冷却システム。
【請求項１３】
能動制御ループが、リフォーメート出口温度を監視する請求項１２のリフォーメート冷却システム。
【請求項１４】
冷却剤出口が自動熱リアクターに連結される請求項１０のリフォーメート冷却システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料プロセス処理用のサブシステムで使用するためのリフォーメート冷却システムに関し、詳しくは、プロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池システムのような燃料電池システムのためのリフォーメート流れのための冷却システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＰＥＭ燃料電池システムの多くでは、メタンあるいは類似の炭化水素の如き燃料が、燃料電池の陽極側のための水素リッチ流れに変換され、加湿された天然ガス（メタン）及び空気が、燃料電池システムの燃料プロセス処理用のサブシステムによって、リフォーメートとして知られる水素リッチ流れに化学変換されるものが多い。この変換は、改質装置内で触媒によって炭化水素燃料から水素が釈放されることにより生じる。改質装置の一般的な形式のものは、空気と蒸気とを酸化反応体として用いる自動熱リアクター（Ａｕｔｏ−ｔｈｅｒｍａｌ  Ｒｅａｃｔｏｒ：ＡＴＲ）である。水素が遊離するに従い有意量の一酸化炭素（ＣＯ）が発生するが、その量はＰＥＭ膜の汚染を防止するための低レベル（代表的には１０ｐｐｍ未満）に減少されるべきである。
【０００３】
触媒改質プロセスは、関連する水−ガス変換を伴う酸素性反応［ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ2，ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋Ｈ2］及び又は部分酸化反応［ＣＨ4＋1/2Ｏ2→ＣＯ＋２Ｈ2］からなり、リフォーメート流れからは水−ガス変換により幾分かのＣＯが除去されるが、リフォーメート流れ全体としてはある量のＣＯが常に含有され、その量は改質プロセスを行う場所の温度に依存する。図１には、蒸気改質における反応ガスの代表的な平衡濃度が温度の関数として表されている。初期の反応後、リフォーメート流れ中のＣＯの濃度レベルはＰＥＭ燃料電池のために受け入れ可能なそれを大きく上回る。ＣＯの濃度レベルを受け入れ可能なレベルに低下させるために、一般に、燃料プロセス処理用のサブシステム中で幾つかの触媒反応を用いてリフォーメート流れ中のＣＯが除去される。リフォーメート流れ中のＣＯの濃度レベルを低減させるための代表的な反応には、先に説明した水−ガス変換反応、優先酸化反応、のみならず、貴金属触媒を介しての選択酸化反応（リフォーメート流れ中への少量の空気の付加を伴う）が含まれる。一般に、リフォーメート流れ中のＣＯの濃度レベルを受け入れ可能なレベルとするためには何段かのＣＯ除去ステージが必要であり、各ＣＯ除去ステージではリフォーメートの温度を、所望の触媒反応が生じ且つ貴金属触媒の装填量が最小化され得るような精密な温度範囲に下げる必要がある。
【０００４】
各ＣＯ除去ステージでのリフォーメートの温度を制御するために、気体冷却式の熱交換器と比較して小型であるという理由から、液冷式の熱交換器がしばしば用いられる。燃料プロセス処理用のサブシステムに入る水を改質反応用の蒸気に変換されるべく加熱する必要があることから、熱効率的には、この水を、ＣＯ除去に先立ってリフォーメート流れを冷却する熱交換器のための液体冷却剤として使用するのが良いものの、その実現は困難である。つまり、プロセス流体である水の流量は改質反応の要求水量によって決まるため、各熱交換器の出口位置でのリフォーメート温度を制御するために調節することが出来ない。更には、プロセス流体としての水は、リフォーメート流れから熱を吸収するための適宜の熱容量を有するものの、その流量は、液体冷却材のために代表的に使用される流量と比較して少ない。水は、その熱容量の大半が潜熱容量であることから、リフォーメート流れから十分な熱が移行されると熱交換機内で部分的に蒸発し始め、そうなると熱交換器を出るリフォーメート温度を精密に制御するのが難しくなる。こうした問題を回避するために、別体の冷却材ループを用いてリフォーメート流れから吸熱を実施し、大気中への放熱かあるいはシステム内での熱交換プロセスを後で別に実施するように選択することで、システム全体の効率を高め且つシステムコストを低減させたものもある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前述の問題を解決する、プロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池システムのような燃料電池システムのためのリフォーメート流れのための冷却システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一形態によれば、リフォーメートの温度を燃料プロセス処理用のサブシステムのために所望される温度範囲に低減させるためのリフォーメート冷却システムが提供される。燃料プロセス処理用のサブシステムには、燃料プロセス処理用のサブシステムにおける様々の位置で燃料流れ中に水を供給するプロセス水流れが含まれる。リフォーメート冷却システムには、リフォーメート流れの熱をプロセス水流れの一部分に移行させるための少なくとも一つの熱交換器が含まれる。この熱交換器には、冷却材入口と、冷却材出口と、冷却材入口からのプロセス水流れ部分を冷却材出口に差し向けるための冷却材流路と、リフォーメート入口と、リフォーメート出口と、リフォーメート入口からのリフォーメートを、冷却材流路内のプロセス水流れの一部分とリフォーメート流路内のリフォーメート流れとの間に並流関係を持たせつつリフォーメート出口に向かわせるためのリフォーメート流路と、が含まれる。熱交換器は、プロセス水流れ部分を完全に気化させ、リフォーメート流れとプロセス水流れの前記一部分とを、燃料プロセス処理用のサブシステムのための通常の運転条件下において共通出口温度に持ち来すために十分な効率を有する。
好ましい形態において、燃料プロセス処理用のサブシステムは燃料電池システム用のものであり、特定実施例においてはプロトン交換膜燃料電池システム用のものである。
【０００７】
本発明の一形態に従うリフォーメート冷却用システムは、熱交換器を通るプロセス水流れの一部分の流量を、前記共通出口温度を所望の温度範囲内に維持するべく制御するための能動制御ループを更に含んでいる。
本発明の一形態において、能動制御ループはフィードバック制御ループである。
本発明の一形態において、能動制御ループはプロセス水流れの一部分の流量を制御するための弁を含む。
本発明の一形態において、能動制御ループはリフォーメートの出口温度を監視する。
本発明の一形態において、冷却材出口は自動熱リアクターに連結される。
本発明の一形態において、リフォーメート冷却システムは、冷却材入口へのプロセス水流れの一部分の流量を制御するために冷却材入口に連結した弁と、リフォーメートの出口温度を測定するために位置決めされた温度センサと、温度センサに連結され、この温度センサに応答してプロセス水流れの一部分を弁を介して選択的に制御して、共通出口温度を所望の温度範囲に調節するコントローラーとを更に含む。
【０００８】
本発明の一形態において、自動熱リアクターが、冷却材出口からのプロセス水流れの一部分を受け、受けたプロセス水流れの一部分を燃料流れと混合する。
本発明の一形態において、リフォーメート冷却システムを運転し、リフォーメートの温度を燃料プロセス処理用のサブシステムで使用するための所望の温度範囲内に低下させるための方法であって、燃料プロセス処理用のサブシステムが、この燃料プロセス処理用のサブシステム内の種々の位置で燃料流れに水を供給するためのプロセス水流れを含む方法が提供される。
本発明の一形態において、前記方法には、
第１流路を通してリフォーメートを流動させること、
プロセス水流れの一部分を、第１流路との並流関係下に第２流路を通して流動させること、
リフォーメートからの熱をプロセス水流れの一部分に移行させることにより、プロセス水部分を完全に気化させると共にリフォーメート及びプロセス水流れの一部分を共通出口温度に近づけること、
プロセス水流れの一部分の流量を、熱交換器を出るリフォーメートの温度を調節するべく制御すること、
選択酸化反応器その他の水素純化装置あるいはサブシステムに所望の温度範囲内のリフォーメートを供給すること、
が含まれる。
【０００９】
本発明の一形態において、前記方法が、熱交換器を出るリフォーメートの温度範囲を、選択酸化反応器その他の水素純化装置あるいはサブシステムにおける触媒作用の変化に応じて調節することが含まれる。
本発明の一形態において、前記方法が、プロセス水流れの一部分を、プロセス水流れの残余部分と再結合することが含まれる。
本発明の一形態において、再結合したプロセス水流れを自動熱リアクターに移行させることが含まれる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明は形態の異なる多くの実施例を有し得るものであるが、本明細書でその詳細を図示され且つ説明される実施例は例示目的上のものでありこれらに限定されるものではない。
【００１１】
図２には、番号１２で略示する燃料プロセス処理用のサブシステムで、炭化水素流れ１６からリフォーメート流れ１４を生成するために、また、図示されないプロトン交換膜燃料電池システムで使用するためにリフォーメート流れ１４中の一酸化炭素（ＣＯ）の濃度レベルを低減させるための、本発明を具体化する一対のリフォーメート冷却システム１０が示される。ここで、“燃料流れ”とは、システム及び方法を通して、炭化水素流れ１６及びリフォーメート流れ１４の両方を含むものとする。２つのリフォーメート冷却システム１０が示されるが、各システムは相互依存せず、独立して運転され得るものであり、燃料プロセス処理用のサブシステム１２の必要に応じて任意の数を用い得るものである。例えば、幾つかの燃料プロセス処理用のサブシステム１２では単一のリフォーメート冷却システム１０が用いられ、他の燃料プロセス処理用のサブシステム１２では３つ以上のリフォーメート冷却システム１０が用いられ得る。各リフォーメート冷却システム１０は、燃料プロセス処理用のサブシステムが必要とする種々の温度を単純化及び最適化させ得るに好都合な冷却材流れスキームを提供する。
【００１２】
リフォーメート冷却システム１０は、ここでは燃料プロセス処理用のサブシステム１２との関連上説明されるが、特に燃料電池システムのために有益であり、また、プロトン交換膜式の燃料電池システムのために特に有益であり、更には、燃料電池システムあるいはプロトン交換膜式の燃料電池システムと共に使用するためには特に適合されない燃料プロセス処理用のサブシステムを含む数多くの燃料プロセス処理用のサブシステムでも使用することが可能である。従って、特に請求項中に言及されない限り、燃料電池システムと共に使用することに限定されるものではない。
【００１３】
例示した実施例では、燃料プロセス処理用のサブシステム１２は自動熱リアクター１８を含んでいる。一般に使用される蒸気リフォームと称する方法は、自動熱リアクター１８内で炭化水素流れ１６からリフォーメート流れ１４を生成するために使用されるものである。この方法は、酸素性反応と、部分酸化反応と、水−ガス変換と、を含む触媒反応、即ち、［ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ2，ＣＨ4＋1/2Ｏ2→ＣＯ＋２Ｈ2、ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋Ｈ2］からなる。これらの触媒反応を生じさせるためには反応体の温度を高温、代表的には５００℃以上に高める必要がある。第１の反応において、プロセス水流れ２０は過熱蒸気流れ２２の形態下に用いられ、自動熱リアクター１８に入る反応体温度を部分的に上昇させる。燃料電池システムのための大抵の燃料プロセス処理用のサブシステムにおいてそうであるように、外部の熱源から、蒸気流れ２２を創出させるために必要な熱をプロセス水流れ２０に付加させる必要がある。外部の熱源は、例えばヒーターであり、あるいは図２に示すように、リフォーメートガス、水素、天然ガスあるいはその他の、炭化水素を含有する燃焼性混合物２６、例えば、陽極のテールガス流れ２６を燃焼させ、燃焼によって得た熱を熱交換器２４のプロセス水流れ２０に移行させて蒸気流れ２２を創出させることにより得られる。例示した実施例では、プロセス水流れ２０は、単独のあるいは多数の水タンクあるいは水源、プロセス水をサブシステムに提供するための任意数の連結部を備えた単一の水ライン、再循環プロセス及びまたは製品水源その他の如き好適な加圧水源２７から供給される。
【００１４】
先に説明した各反応に示されるように、ＣＯは改質プロセス中に発生する。発生したＣＯはそれが燃料電池に入る前に取り除く必要がある。なぜなら、ＣＯは膜にとって有害であり燃料電池の性能及び使用寿命を制限するからである。図１に示すように、改質反応中に発生するＣＯ量は反応温度に対する依存度が高く、図示されるように、改質反応の温度が高い程、燃料電池にとって有益な水素ガスの発生量は増えるが、有害なＣＯの発生量も増大する。有害なＣＯをリフォーメート流れ１４から除去するためのＣＯ除去ステージが利用され得る。
図２の実施例に例示されるように、炭化水素流れ１６を用いて自動熱リアクター１８内でリフォーメート流れ１４を生成した後、生成したリフォーメート流れ１４を少なくとも一つの水−ガス変換器２８に送る。水−ガス変換器２８は、リフォーメート流れ１４から有害なＣＯを取り除くと共に、燃料電池システムで使用するための水素ガスの発生量を増大させるために用いられる。水−ガス変換には、水−ガス変換反応［ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋Ｈ2］に示される如く水が必要である。随意的には、水−ガス変換反応を維持するために燃料プロセス処理用のサブシステム１２が要求する追加の水（図２で点線で示される）を、水−ガス変換器２８位置で追加することができる。そうした追加の水は、プロセス水流れ２０、水源２６、あるいはその他の好適な水源、例えば、単独あるいは複数の水タンク、水ライン、再循環プロセス水、その他から入手され得る。更には、多数の水−ガス変換器２８及び２９を用いてリフォーメート流れ１４中のＣＯの濃度レベルを一段と低下させることが可能である。
【００１５】
多数の水−ガス変換器２８及び２９を通過した後も、リフォーメート流れ１４中には典型的には有毒なＣＯが大量に含まれている。ＣＯ除去量を高めるために、少なくとも一つの水素浄化装置あるいは水素浄化サブシステム、例えば、選択酸化反応器３０を用い得る。選択酸化反応器を使用する場合は代表的には、リフォーメート流れ１４中に少量の空気を追加する必要がある［ＣＯ＋1/2Ｏ2→ＣＯ2］。選択酸化反応は代表的には貴金属触媒を介して生じるが、そのためには、リフォーメート流れ１４の温度を貴金属触媒の効率を最適化するために所望される温度範囲に低下させる必要がある。選択酸化反応の生じる温度範囲は代表的には１３０℃〜１８０℃である。選択酸化反応は、触媒に依存するもっと狭い温度範囲において一層効率化される。選択酸化反応で必要な触媒量を最小化するために、リフォーメート流れ１４の温度低下を精密に制御することが好ましい。また、触媒のエージングが進むに連れて反応の最適温度範囲がずれ、それに伴ってリフォーメート流れ１４の温度もずれてくる。図２の実施例では、多数の選択酸化反応器３０及び３１が使用される。これらの酸化反応器は、リフォーメート流れ１４中の有害なＣＯを除去し、好ましくは１０ｐｐｍ未満とするための所望の温度範囲が相互に異なる状態下に作動される。各リフォーメート冷却システム１０は、リフォーメート流れ１４を各選択酸化反応器３０及び３１のための所望の温度範囲内の温度に冷却させるために使用される。
【００１６】
図３には各リフォーメート冷却システム１０のための好ましい実施例が例示される。リフォーメート冷却システム１０は、プロセス水／リフォーメートのための熱交換器４０と、この熱交換器４０を通過するプロセス水流れ２０の一部分である流れ部分４４の流量を制御するための好適な能動制御ループ４２とを含む。プロセス水流れ２０の流れ部分４４は熱交換器４０内で完全に気化され、蒸気流れ４６として熱交換器４０を出る。蒸気流れ４６はプロセス水流れ２０の残余部分４８と結合して蒸気／水混合流れ５０を創出する。この蒸気／水混合流れ５０は熱交換器２４に入り、図２に示すように追加の熱源として作用する。
プロセス水流れ２０の流れ部分４４の流量は、各リフォーメート冷却システム１０の要求に基づく任意の量である。水−ガス変換反応のための要求に応じて、水−ガス変換器２８、２９に関して先に説明したように、追加のプロセス水流れ２０を用い得る。
【００１７】
図３を参照するに、熱交換器４０は、冷却材入口６０と、冷却材出口６２と、プロセス水流れ２０の流れ部分４４を冷却材入口６０から冷却材出口６２に配向するための冷却材流路６４と、リフォーメート入口６６と、リフォーメート出口６８と、リフォーメート流れ１４をリフォーメート入口からリフォーメート出口へと且つ、冷却材流路６４内のプロセス水流れ２０の流れ部分４４とリフォーメート流路７０内のリフォーメート流れ１４との間に並流関係をもたせつつ配向するリフォーメート流路７０と、を含む。熱交換器４０は、プロセス水流れ２０の流れ部分４４を完全に蒸発させ、リフォーメート流れ１４とプロセス水流れ２０の流れ部分４４とを、燃料プロセス処理用のサブシステム１２のための通常の運転範囲及び運転条件下において共通の出口温度に接近させあるいはそうした温度に持ち来すために十分な有効性を有する。図３に示されるように、非常に好ましい幾つかの実施例では、プロセス水流れ２０の流れ部分４４を完全に蒸発させ、また前記流れ部分４４とリフォーメート流れ１４とを共通出口温度化するために必要であれば、前記並流関係には交差流れ部分も含まれ得る。
【００１８】
図３に示す好ましい実施例では、弁８０と、コントローラー８２と、温度センサー８４とを含むフィードバック制御ループの形態の能動制御ループ４２が設けられる。好ましいリフォーメート冷却システム１０において、弁８０はプロセス水流れ２０の流れ部分４４の流量を制御するために用いられる。弁８０は、燃料プロセス処理用のサブシステム１２の高温及び高圧下に動作可能な、斯界に既知の任意の好適な流れ制御弁であり得る。弁８０は、機械的、電気的、あるいは類似の連結手段を介してコントローラー８２に接続され得る。コントローラー８２は、フィードバックコントローラー、ＰＬＣコントローラー、リレー、コンピューター、あるいは、温度センサー８４からの信号に応答して弁８０の動作を制御することのできる類似ユニットの如き、従来から使用される任意のコントローラーであり得る。温度センサー８４は、リフォーメート出口６８を介して熱交換器４０を出るリフォーメート流れ１４の温度を監視するために、流出するリフォーメート流れ１４に差し込まれる。あるいは温度センサー８４は、随意的には、冷却材出口６２を介して熱交換器４０を出るプロセス水流れ２０の流れ部分４４の温度を監視するために、流出する流れ部分４４に差し込まれる。これは、熱交換器４０が共通出口温度を生じさせることから可能である。更に他の実施例では、熱交換器４０を出るリフォーメート流れ１４と、同じく熱交換器４０を出るプロセス水流れ２０の流れ部分との両方に多数の温度センサーを位置付け、リフォーメート流れ１４及びプロセス水流れ２０の流れ部分４４とが共通出口温度あるいはそれに近い温度下に熱交換器４０を出ることを保証させ得る。温度センサー８４は、温度センサー８４が監視するところの流れの温度を伝送させるべく、任意の好適な手段（機械的あるいは電気的な）を介してコントローラー８２にも接続され得る。
【００１９】
図３に示されるように、温度センサー８４は熱交換器４０を出るリフォーメート流れ１４の温度を監視し、監視した温度をコントローラー８２に送り、かくして、コントローラーが弁８０を制御して共通出口温度を各選択酸化反応器３０、３１のために所望の温度範囲に維持し得るようにする。熱交換器４０を出るリフォーメート流れ１４の温度が所望の温度範囲よりも高いと、コントローラー８２は熱交換器４０を通るプロセス水流れ２０の流れ部分４４の流量を増やすように弁８０を制御し、かくして、リフォーメート流れ１４から移行される熱量を増大すると共に、リフォーメート流れ１４の出口温度を低下させる。熱交換器４０を出るリフォーメート流れ１４の温度が所望の温度範囲以下である場合は、コントローラー８２は熱交換器４０を通るプロセス水流れ２０の流れ部分４４の流量を減らすように弁８０を制御し、かくして、リフォーメート流れ１４から移行される熱量を全焼させると共に、リフォーメート流れ１４の出口温度を上昇させる。
【００２０】
プロセス水流れ２０の流れ部分４４の潜熱は蒸気流れ４６の蒸気部分の熱容量よりも著しく大きい。図４に示されるように、プロセス水流れ２０の流れ部分４４の温度（Ｔｗ）は、熱交換器４０の冷却材入口６０からある距離Ａを越えると急上昇する。温度Ｔｗの上昇割合はプロセス水流れ２０の流れ部分４４の水の熱容量と関連する。Ｔｗは急上昇して熱交換器の圧力下における水の沸点に達する。リフォーメート流れ１４の温度（Ｔｒ）は、このリフォーメート流れ１４からプロセス水流れ２０の流れ部分４４に温度が移行されるに連れて低下する。リフォーメート流れ１４から移行される温度の全てがプロセス水流れ２０の流れ部分４４を蒸発させるための潜熱として利用されることから、距離Ｂを過ぎると温度Ｔｗは変化しなくなる。距離Ａ＋Ｂの位置ではプロセス水流れ２０の流れ部分４４は完全に気化されて蒸気となる。プロセス水流れ２０の流れ部分４４が完全に蒸発すると、温度Ｔｗは距離Ｃの間に急上昇してピンチポイントあるいは共通出口温度Ｔ”となる。距離Ｃを越えるとリフォーメート流れ１４と蒸気流れ４６との間の温度勾配は連続的に低下し、夫々共通出口温度の狭い温度範囲内の温度となる。
【００２１】
図４には、プロセス水流れ２０の流れ部分４４の流量が増大する際の温度プロファイルの変化が点線で示される。距離Ａ”は、液体の水の熱容量はプロセスの熱力学に大きな影響を与えないので距離Ａとほぼ等しいが、距離Ａよりやや長く（簡明化のために示されない）はなり得る。距離Ｂ”は、液体の水の潜熱はその熱容量よりもずっと大きいことから、プロセス水流れ２０の流れ部分４４の水の質量の影響を受け、距離Ｂよりもずっと長くなる。プロセス水流れ２０の流れ部分４４を蒸発させるために必要な熱量が増大するに従い、流れ部分４４を過熱させるために入手し得る熱量は少なくなる。その結果、共通出口温度Ｔ”は先の実施例における共通出口温度Ｔ’よりも低くなる。図４に示す各値はプロセス水流れ２０の流れ部分４４及びリフォーメート流れ１４の各温度プロファイルにおける一般例であり、実際の値は各用途の特定の動作パラメーターによって異なるものであり得る。
【００２２】
リフォーメート流れ１４からＣＯを除去するためには精密な温度制御が欠かせない。従って、リフォーメート冷却システム１０は熱交換器４０を出るリフォーメート流れの温度Ｔｒを精密に制御し得るものでなければならない。図４に示すように、プロセス水流れ２０の流れ部分４４全体は熱交換器４０を出る以前に完全に蒸発されることから、共通出口温度はプロセス水流れ２０の出口部分４４の流量の関数として精密に制御され得る。図４から容易に分かるように、リフォーメート流れ１４から移行される熱の大半がプロセス水流れ２０の流れ部分４４を蒸発させるために用いられ、かくして距離Ｃ及びＣ”の範囲に示される如く、蒸気流れ４６を過熱させるための精密な温度制御が可能となる。
好ましい実施例では、水は、所望の共通出口温度での水の飽和圧力以下の圧力下に熱交換器４０に送られることが望ましい。本発明の一形態において、そうした圧力は、１５０℃である所望の共通出口温度Ｔ’下における４．７ｂａｒ（絶対圧での）の最大水圧力に相当する。本発明の一形態において、許容され得る最大水圧力は、１３０℃である所望の共通出口温度Ｔ’下における２．７ｂａｒ（絶対圧での）もの低圧であり得る。例示した各形態の実施例は、近大気圧あるいはそれに近い圧力下に動作する燃料電池積層体を用いる固定発電システムで一般に使用される、代表的な“低圧”型の燃料プロセス処理用のサブシステムのための水圧を受け入れることができる。燃料電池積層体が大気圧以上の高い圧力下に動作するものである場合は“高圧“型の燃料プロセス処理用のサブシステムが必要となるが、そうしたサブシステムは本発明を介して実現され得る最小温度を制限するのである。更には、所望の共通出口温度が水の飽和温度に近いので、完全蒸発後におけるプロセス水流れ２０の流れ部分４４の、共通出口温度Ｔ’に達する以前の温度上昇が小さく、その結果、熱交換器４０の、プロセス水流れ２０の流れ部分４４が完全に蒸発する位置での応力が低減される。しかしながら、燃料プロセス処理用のサブシステムはその他の温度及び圧力下に動作するような設計形状のものであり得る。
【００２３】
リフォーメート流れ１４からＣＯを除去するためには温度の動的制御も欠かせない。選択酸化反応器３０、３１で使用する貴金属触媒のエージングが進むに連れ、ＣＯを除去するための最適温度も変化する。リフォーメート冷却システム１０はそうした動的な温度制御を容易に可能とする。コントローラー８２は、自動検出システムかあるいは手動入力を介して貴金属触媒からの要求に応じて所望の温度範囲を上昇あるいは降下調整するように操作され得る。
リフォーメート流れ１４からＣＯを除去するためにはしばしば多数のリフォーメート冷却システム１０が必要となり得る。図２に例示するように、多数のリフォーメート冷却システム１０及び多数の選択酸化反応器３０、３１が、リフォーメート流れ１４からＣＯを除去するために使用される。このプロセスでは代表的には、上流（リフォーメート流れに関して）側のリフォーメート冷却システム１０におけるプロセス水流れ２０の流れ部分４４の流量は、下流側のリフォーメート冷却システム１０におけるそれよりもずっと大きい。なぜなら、上流側のリフォーメート冷却システム１０に入るリフォーメート流れ１４の温度の方が下流側のリフォーメート冷却システム１０に入るリフォーメート流れ１４の温度よりもずっと高いからである。仮に一つのリフォーメート冷却システム１０における除熱量が他のリフォーメート冷却システム１０におけるそれよりも多くとも、プロセス水流れ２０の流れ部分４４はその全てが燃料プロセス処理用のサブシステム１２に好ましく再循環されて戻り、自動熱リアクター１８で蒸気として使用されるので、システム全体の熱効率には影響がない。
【００２４】
リフォーメート冷却システム１０を選択酸化反応器３０、３１との関連上説明したが、リフォーメート冷却システム１０は、水−ガス変換器２８、２９及び選択酸化反応器３０、３１を共通例とするその他の形式の水素浄化装置と共に使用し得るものとする。
全体的な熱効率は、本発明を組み込むことにより向上される。炭化水素流れ１６を水素リッチなリフォーメート流れ１４に変換する自動熱リアクター１８では大量の熱が要求される。図１に示すように、自動熱リアクター１８の熱は、高濃度の水素を生成させるべく十分に高くされるべきである。プロセス水流れ２０の流れ部分４４に移行される熱は、各選択酸化反応器３０、３１に先立ってリフォーメート流れ１４を冷却するために別個の冷却ループが用いられる場合は、その全てが無駄になりあるいは移行が非効率的なものとなってしまうが、プロセス水流れ２０の流れ部分４４を用いてリフォーメート流れ１４から熱を直接回収し、回収した熱を自動熱リアクター１８あるいは、燃料プロセス処理用のサブシステム１２のその他のユニット内に再循環させて戻すようにすることで、熱移行のプロセス数を減少させ得、他方、熱移行の効率を増大させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】自動熱リアクターを出るリフォーメート流れの組成を反応温度との関係に於いて示すグラフである。
【図２】リフォーメート冷却システムと、本発明を具体化した方法とを含む燃料プロセス処理システムのサブシステムを表すダイヤグラム図である。
【図３】図２のリフォーメート冷却システム及び方法を表すダイヤグラム図である。
【図４】図２及び図３のリフォーメート冷却システムの熱交換器を通して流動する際のリフォーメート流れ及びプロセス水流れの一部分の温度プロファイルを示すグラフである。
【符号の説明】
【００２６】
１０  リフォーメート冷却システム
１２  燃料プロセス処理用のサブシステム
１４  リフォーメート流れ
１６  炭化水素流れ
１８  自動熱リアクター
２０  プロセス水流れ
２２  過熱蒸気流れ
２６  燃焼性混合物
２７  加圧水源
２８、２９  水−ガス変換器
３０、３１  選択酸化反応器
４０  熱交換器
４２  能動制御ループ
４４  流れ部分
４６  蒸気流れ
４８  残余部分
５０  蒸気／水混合流れ
６０  冷却材入口
６２  冷却材出口
６４  冷却材流路
６６  リフォーメート入口
６８  リフォーメート出口
７０  リフォーメート流路
８０  弁
８２  コントローラー
８４  温度センサー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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