(57)【要約】本発明は、改質部、燃焼反応部、内部熱交換部及び水蒸気発生部を一つの反応器内に一体型に形成し、それぞれの構成部が最適の性能を表すように最適の熱交換網を構成する円筒状の水蒸気改質装置に関する。また、本発明の水蒸気改質装置は、上端部、中間部及び下端部が分離可能に接続して、触媒の供給を容易にするとともに耐久性を向上させて、水素ステーションなどのように制限された領域と安全性が要求される場所に設置することができるように設計されている。
2008535766.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応器を含む熱交換器用の一体型円筒状水蒸気改質装置であって、
内部熱交換部を有する上部反応器領域と、
前記上部反応器領域に接続され、燃焼反応部、水蒸気発生部及び改質部を具備する中間反応器領域と、及び、
前記中間反応器領域の下側表面を構成する下部反応器領域と、
を含む改質装置。
【請求項２】
前記上部反応器領域が、材料／水蒸気および改質油をそれぞれ移動するための二つの流路を含んでおり、前記二つの流路は熱交換を行うために隣り合っており、その結果、前記熱交換に使用される板の枚数と構造を調整することによって、熱交換の面積及びガスの流れを制御することができる内部熱交換部を構成する請求項１に記載の改質装置。
【請求項３】
前記燃焼反応部が、
空気／燃料入口を通過して供給された空気／燃料を燃焼するためのバーナーと、
前記バーナーで生成された燃焼ガスと前記改質部との間で熱を交換するために、前記改質部を取り囲むように形成された第１燃焼ガス流路及び第２燃焼ガス流路と、
前記第２燃焼ガス流路を通過した燃焼ガスと前記水蒸気発生部との間で熱交換を行うための第３燃焼ガス流路と、及び、
前記第３燃焼ガス流路を通過した燃焼ガスを外部に排出するための燃焼排気ガス流路と、を含む請求項１に記載の改質装置。
【請求項４】
前記水蒸気発生部が、
外部から水蒸気を供給するための水蒸気入口と、
前記水蒸気入口を通過して供給された水蒸気と第３燃焼ガス流路を通過した燃焼ガスとの間で熱交換を行うための水蒸気発生通路と、及び
前記水蒸気発生通路を通過した水蒸気を、前記上部反応器領域へ排出するための水蒸気出口と、を含む請求項１に記載の改質装置。
【請求項５】
前記改質部が、
改質管によって画定される空間内に具備された改質分離管により形成される二つの流路としての高温材料／水蒸気通路及び改質通路と、
高温改質油排出管と、を含んでおり、
前記高温材料／水蒸気通路が、前記上部反応器領域に具備された内部熱交換部を通過後に供給される材料／水蒸気と前記改質管を取り囲む第２燃焼ガス流路との間で熱交換を行う機能を有し、及び、
前記改質通路が、前記高温材料／水蒸気通路を通過した高温材料／水蒸気を、改質反応によって、改質油に変換させる機能を有する請求項１に記載の改質装置。
【請求項６】
前記内部熱交換部及び前記水蒸気発生部の水蒸気発生通路が、最小体積に対する最大熱伝達面積を確保するために、金属多孔性の充填物で充填されている請求項１に記載の改質装置。
【請求項７】
前記充填物が、耐腐食性の高い金属を含み、メッシュ状、ファイバー状またはニット状に形成され、配管内の圧力降下を防止することを特徴とする請求項６に記載の熱交換器用の一体型円筒状水蒸気改質装置。
【請求項８】
前記上部反応器領域、前記中間反応器領域及び前記下部反応器領域が、相互に分離可能に接続され、前記上部反応器領域、前記中間反応器領域及び前記下部反応器領域を接続することにより、前記上部反応器領域及び前記中間反応器領域内に熱伝逹流路が形成され、もって、急速な起動運転の間における反応器の金属の熱膨張の影響を軽減する請求項１に記載の改質装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池など、水素を必要とする燃料電池または燃料電池自動車などに水素を供給するための水素ステーションまたは同様の場所に設置され、天然ガスあるいは炭化水素を利用して継続して水素を供給することができる円筒状の水蒸気改質装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
最近、化石燃料の埋蔵量の限界と環境汚染などの問題が台頭するに従い、究極的には無公害清浄燃料の水素をエネルギー媒介体とする水素エネルギー時代が招来すると予測されている。しかし、純粋かつ清浄エネルギーである代替エネルギーから水素を生産するには、技術的かつ商業的に限界が存在する。よって、その中間段階として、既存に使用した化石燃料、すなわち天然ガスを含む炭化水素を利用して低公害で清浄な燃料の水素を生産しようとしている。
【０００３】
このような水素は、アンモニア合成、メタノール合成、水素化脱硫、水素化処理を含む石油精製、一般精密化学産業、電子・半導体産業、食品処理、金属処理などの多くの産業分野に既に幅広く利用されている。特に、最近は、エネルギー分野において、内燃機関が活用できないスペースシャトルの推進剤を初め、電力の自給及びエネルギー効率化、及び環境汚染問題を解決することができる家庭用若しくは発電用燃料電池及び燃料電池自動車の燃料としてその用途が広がっている。
【０００４】
上記目的を達成するために、水素製造方法が今日まで提案されており、化石燃料（石炭、石油、天然ガス、プロパン、ブタン）の水蒸気改質、部分酸化あるいは自己熱改質、そして水の電気分解などを含んでいる。これらのうち、水蒸気改質法が、商業的かつ経済的に利用可能な技術である。
【０００５】
水蒸気改質法は、主に大規模に水素を生産するために使用される。この場合、水素生産工程に使用される改質反応器を、高圧（１５ｂａｒから２５ｂａｒ）及び高温（８５０度以上）の条件で運転するように設計することができ、水素の製造に有利であるという利点はある。しかし、反応器そのもののがあまりに大きくなるため、熱回路網を効果的に設計することが難しく、その結果、全体的に効率が低下するという問題がある。一方、水素生産工程に使用される改質反応器を小型または中型の寸法になるように小さく設計する場合には、その製作が複雑で、設置費が急に増加するため、経済的な面で不利であるという問題点がある。
【０００６】
さらに、安定的な運転に重点を置いて装置を大きく設計すれば、それぞれの単位工程、すなわち改質反応器、高温及び低温シフト反応器、水蒸気発生器などが分離して設置され、これらの熱交換のための外部熱交換器が別に設置されるので、全体構成において装置が大きくなる。その結果、各反応器に接続された配管と熱交換器で発生する熱損失によって高熱効率が実現しにくい。
【０００７】
したがって、小型または中型の寸法にされた改質装置のこのような欠点を克服するために、それぞれの単位工程を部分的に統合し、中小型システムに適した触媒を開発するとともに熱流の分析によって相互熱交換網を最適化し、構造的に単純化して、処理性及び生産性を高め、大きさを小さくするとともに一体化することで、初期起動時間及び熱損失を減らし、究極に熱効率を高めようとする様々な試みが進んでいる。
【０００８】
この点に関して、従来の小型または中型の寸法の改質装置の一例が図１に示されている。同図に示されるように、従来の改質装置は、バーナーで生成された燃焼ガスが、改質反応器の改質反応に必要な熱を供給した後、高温の燃焼排気ガスを利用して、材料／水の温度を水蒸気改質反応器に適した温度（５００度から７００度）に上げるために、外部に大型の外部熱交換器を必要としている。しかし、この場合、熱交換器は、前述のように、５００度以上の燃焼排気ガスを熱交換しなければならないため、高い温度での使用に適すると共に、その大きさも比較的大きくする必要があるので、コスト及び大きさの面で問題になり、特に、熱交換器自体の熱絶縁の問題（保温の問題）と配管からの熱損失により、熱効率を高めることに限界があった。
【０００９】
また、改質された、水素、一酸化炭素及び二酸化炭素などを含む高温の改質油（リフォメート；ｒｅｆｏｒｍａｔｅ）から一酸化炭素を除去するために、水ガスシフト反応器に改質油が供給される過程で、シフト反応に適した４００度から５００度に温度を低めるように、外部にさらなる熱交換器を必要とすることになるが、この場合にも、前述したような熱交換器の材質（材料）の問題が発生し、また熱交換媒体として、バーナーの燃料として使用する空気を利用するという点で、熱伝逹の効率問題が発生することになり、もって、熱損失を最小化しにくくなるという問題が発生する。
【００１０】
したがって、前述したような問題を解消するため、熱交換器及びその配管で発生する熱損失を最小化し、設置空間を最適化することができる水蒸気改質装置が急遽、必要になったのである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
したがって、本発明はこのような問題を解消するためになされたもので、本発明は、改質部、燃焼反応部、内部熱交換部、水蒸気発生部などの構成要素を一つの反応器の内部に一体型に製作し、もって、当該構成要素が最適の性能を導出する最適の熱交換網を構成するようにした円筒状の水蒸気改質装置を提供することをその目的とする。
【００１２】
本発明の他の目的は、反応器の内部に内部熱交換部を構成することによって、追加の外部熱交換器の必要容量を最小化し、かつ周辺装置による熱損失を最小化し、その結果、既存の商業用水素製造プラントよりも熱効率を向上させる円筒状水蒸気改質装置を提供することである。
【００１３】
本発明のさらなる他の目的は、反応器を、上端部、中間部及び下端部に分離形成して、触媒の供給を容易にするとともに耐久性の高い装置を設計することにより、水素ステーションなどのように制限された領域と安全性が要求される場所に設置できるように設計した円筒状水蒸気改質装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するため、本発明は、熱交換器用の一体型円筒状水蒸気改質装置を提供する。この改質装置は、反応器を含み、該反応器が、内部熱交換部を有する上部反応器領域と、この上部反応器領域に接続された、燃焼反応部、水蒸気発生部及び改質部を有する中間反応器領域と、及びこの中間反応器領域の下側表面を構成する下部反応器領域とを含んでおり、上部反応器領域、中間反応器領域及び下部反応器領域が、相互に移動可能に接続され、もって、反応器の熱膨張による影響を軽減するように前記上部反応器領域の内部熱交換部及び前記中間反応器領域に熱伝逹流路が形成される。
【００１５】
本発明の上記の目的、並びにその他の目的、特徴及び利点は、添付図面を参照する以降の詳細な説明からより明らかに理解される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、添付図面を参照して本発明について詳細に説明する。
【００１７】
図２は、本発明による水蒸気改質装置を概略的に示し、図３は、本発明による円筒状水蒸気改質装置の内部構造を示し、図４から図６は、本発明による水蒸気改質装置の上端部、中間部及び下端部の内部構造を示す。
【００１８】
本発明による円筒状水蒸気改質装置の概略的な構成が、図２に示されている。同図から明らかなように、本発明による水蒸気改質装置は、一つの反応器の内部に、内部熱交換部、燃焼反応部、水蒸気発生部、及び改質部を含むことを特徴とする。すなわち、本発明の円筒状水蒸気改質装置は、図１に示された従来の水蒸気改質装置で必要な、外部に設置される外部熱交換器の大きさを最小化し、かつ配管での熱損失を最小化するように、反応器の内部に内部熱交換器を構成し、燃焼ガスの流路を改善することにより、小容量の低温用外部熱交換器のみを使用するように設計されている。
【００１９】
図３は、本発明による熱交換器用の一体型円筒状水蒸気改質装置の構造を示す断面図、図４から図６は、図３の水蒸気改質装置の各部分の断面図である。すなわち、本発明の円筒状水蒸気改質装置は、その内部に内部熱交換部を備えるとともに、前記水蒸気改質装置の上端部、中間部、下端部が、移動可能に接続され、もって、それらの組み立て及び解体を容易にし、また、前記改質装置の内部の流路に配される、充填物（フィラー）、改質触媒などの供給及び交換を容易にしている。
【００２０】
図示されるように、本発明による熱交換器用の一体型円筒状水蒸気改質装置は、内部熱交換部２８を備える上部反応器領域４１と、燃焼反応部、水蒸気発生部、及び改質部を備える上部反応器領域４１に接続された中間反応器領域４２、と、前記中間反応器領域４２の底面を構成する下部反応器領域４３とを含んで構成される。このように構成された反応器の各部分が、図３並びに図４から図６を参照して記載されている。
【００２１】
図４は、本発明の水蒸気改質装置の上部反応器領域を示す断面図である。上部反応器領域４１は二つの流路を備えており、一の流路は、材料（若しくはフィード（ｆｅｅｄ）。その他箇所も同様）／水蒸気が移動する部分であり、他の一の流路は、中間の反応器領域４２で形成された改質油を外部に排出される前に移動する機能を果たす部分である。このように形成されている二つの流路は互いに隣り合って位置され、また前記流路を流れる材料／水蒸気と、上記流路を流れる改質油は、互いに異なる温度を有する。このようにして、材料／水蒸気および改質油が、各流路を通過するときに相互に熱交換が行われる。それゆえに、前記二つの流路は熱交換器として機能する。すなわち、本発明の上部反応器領域４１に設けられている内部熱交換部２８は、材料／水蒸気流路６０と改質油流路２６とから構成される。
【００２２】
このうち、材料／水蒸気が流れる部分は、材料供給口２１を通過して外部から供給される材料と前記中間反応器領域４２の水蒸気発生部から水蒸気投入部５９を通過して外部へ供給された材料とを混合する材料／水蒸気混合管１４と、前記材料／水蒸気混合管１４で混合された材料／水蒸気を移動させる材料／水蒸気流路６０と、材料／水蒸気流路６０を通過し中間反応器領域４２の改質部へ改質油と交換された熱を排出する材料／水蒸気排出口６１とから構成されている。
【００２３】
改質油が流れる部分は、前記中間反応器領域４２の改質部で形成された改質油を移動させる改質油流路２６と、前記改質油流路２６を通過し材料／水蒸気を用いて交換された熱を持つ改質油を外部へ排出する低温改質油排出口２７とから構成される。
【００２４】
図４及び図５に示されるように、材料／水蒸気流路６０と改質油流路２６とを含む内部熱交換部２８の熱伝逹流路において、上部反応器領域４１と中間反応器領域４２の接続によって改質油流路２６を形成するように構成し、好ましくは前記流路を形成する板の枚数を調整することでジグザグに形成することによって、より効率良く熱交換が行われるように設計することができる。さらに、前記内部熱交換部２８内には、金属多孔性充填物を挿入することで、最小体積に対して最大の熱伝逹面積を確保するようにする。前記挿入される充填物は耐腐食性の高い金属材質を使用することが好ましく、その形態は、メッシュ状、ファイバー状、ニット状などに形成して、管内の圧力降下を防止する。
【００２５】
図３及び図５を参照して本発明による中間反応器領域を説明すれば、前記中間反応器領域４２は、燃焼反応部、水蒸気発生部及び改質部を含んで構成される。
【００２６】
中間反応器領域４２において、燃焼反応部は、円筒状水蒸気改質装置において改質反応などに要求される一定熱量を供給するための部分であって、空気／燃料入口１に供給した空気／燃料を燃焼させるためのバーナー２と、バーナー２で燃焼された燃焼ガスを利用して改質部との熱交換を行うように、改質部を取り囲み、燃焼ガスが移動する第１燃焼ガス流路５１及び第２燃焼ガス流路５２と、第２燃焼ガス流路５２を通過した後、水蒸気発生部を使用した熱交換を行うための第３燃焼ガス流路５３と、第３燃焼ガス流路５３から排出された燃焼ガスを外部に排出するための排気ガス出口６とを含んで構成される。
【００２７】
ここで、第１燃焼ガス流路５１は、燃焼管３と改質管５４との間に位置し、第２燃焼ガス流路５２は、改質管５４と燃焼ガス分離管５との間に位置して、改質管５４を取り囲むように形成される。このようにして、第１燃焼ガス流路５１及び第２燃焼ガス流路５２によって改質部を取り囲み、その結果、燃焼ガスと改質部の間で相互に熱交換が起こる。それゆえに、改質反応に必要な熱が、燃焼ガスから供給される。ここで、燃焼管３は、バーナーからの炎による局部過熱を防止し、第１燃焼ガス流路５１へ燃焼ガスを誘導する機能を持つ。
【００２８】
また、第２燃焼ガス流路５２を通過した燃焼ガスは、燃焼ガス分離管５によって形成された流路としての第３燃焼ガス流路５３を通過するように構成される。第３燃焼ガス流路５３は、燃焼ガス分離管５と水蒸気発生管５６との間の空間に、流路によって画定され、もって、水蒸気発生部との間で熱交換を実現する。このように、燃焼ガス分離管５を設けることで、第１燃焼ガス流路５１を通過した燃焼ガスが、二つの流路、すなわち第２燃焼ガス流路５２と第３燃焼ガス流路５３に分かれて供給される。これにより、燃焼ガスで発生する熱が、第２燃焼ガス流路５２と第３燃焼ガス流路５３とを含む二つの流路に、均等に分配され、もって、熱損失を最小化して、最適の熱交換をなし、燃焼ガスの温度が急激に下がることを防止する。第３燃焼ガス流路５３を通過した燃焼ガスは、続いて排気ガス出口６を通過して排出され、もって、外部に形成された熱交換器内の改質装置の内側部へ供給される水を予熱する機能を持つ。
【００２９】
本発明の円筒状水蒸気改質装置の中間反応器領域４２において、水蒸気発生部は、水蒸気を当該改質装置に供給されるのに用いられ、外部で昇温した、気液共存状態または気体状態下の水蒸気が供給される水蒸気入口１１と、水蒸気入口１１を通過して供給された水蒸気が、第３燃焼ガス流路５３を通過する燃焼ガスと熱交換することで、所定温度に昇温させるための水蒸気発生通路１２と、水蒸気発生通路１２を通過した水蒸気を、上部反応器領域４１に排出する水蒸気出口５７とを含む。
【００３０】
ここで、水蒸気発生通路１２は、中間反応器領域本体５８と水蒸気発生管５６との間の空間によって画定され、その内部に金属多孔性の充填物（フィラー）で単純に充填され、もって、最小体積に対する最大熱伝逹面積が確保される。これは、従来の熱交換チューブを反応器周辺に巻き付けて使用するものに比べ、製造が容易であるという利点を有する。また、充填物は、耐腐食性の高い金属を使用することが好ましく、その形態としては、メッシュ状、ファイバー状、ニット状に形成して、配管内の圧力降下を防止するようにする。さらに好ましくは、高温での変形又は熱膨張、かつ表面の酸化による腐食をもたらさないステンレススチールが役に立つ。
【００３１】
このような構成によって発生された水蒸気は、水蒸気出口５７を通過して排出され、もって、上部反応器領域４１と中間反応器領域４２を接続する役目の水蒸気流路１３を通過して上部反応器領域４１に供給される。水蒸気流路１３は、所定のフランジによって上部反応器領域４１と中間反応器領域４２に接続されているので、組み立て及び解体が容易になし得る。
【００３２】
中間反応器領域４２において、改質部は、外部から供給された材料／水蒸気から水素を形成するための部分であって、改質管５４によって画定される空間に備えられる改質分離管５５によって形成される高温の材料／水蒸気通路２３及び改質通路２４の二つの流路と、高温改質油排出管２５とを含む。ここで、高温の材料／水蒸気通路２３は、本発明の上部反応器領域４１に設けられる内部熱交換部２８を通過した低温材料／水蒸気を、改質管５４を取り囲んでいる第２燃焼ガス流路５２との熱交換によって、改質通路２４に入る前に所定温度に予熱する部分である。改質通路２４は、高温の材料／水蒸気通路２３を通過した高温の材料／水蒸気を、改質触媒を用いて改質反応させて、材料／改質油に変換させる部分である。このような場合において、高温の材料／水蒸気通路２３も、その内部に水蒸気発生通路１２のような金属多孔性の充填物を充填することで、効果的な熱伝逹面積を確保する。
【００３３】
改質通路２４において、白金（Ｐｔ）またはルテニウム（Ｒｕ）などの貴金属類の少なくとも０．０１ｗｔ％以上含むニッケル（Ｎｉ）系の水蒸気改質用触媒またはニッケル（Ｎｉ）系水蒸気改質触媒が蓄えられる（備えられる）。改質触媒の直径は、配管内の圧力降下とその反応性を考慮して、改質通路２４の直径の１／３から１／１０程度の大きさを有するように形成することが好ましい。
【００３４】
本発明の円筒状水蒸気改質装置の下部反応器領域４３が、図６に示されている。下部反応器領域４３は、中間反応器領域４２の下側表面をなす部分であって、燃焼管３と燃焼ガス分離管５を含む。すなわち、下部反応器領域４３と中間反応器領域４２との接続され、もって、所定の流路を形成するようにする。このように、下部反応器領域４３を別に形成することにより、当該改質装置の起動によって発生する熱膨張の際、中間反応器領域４２と下部反応器領域４３とが互いに干渉しないようにされている。
【００３５】
熱伝逹流路を画定する燃焼管３及び燃焼ガス分離管５は、下部反応器領域４３と接続されているもので、製作の容易な金属材質を使用するが、場合によっては、伝導による熱伝逹を防止するために、セラミック材料もしくはセラミック材料と同等の熱伝逹係数を持つ物質を挿入して使用する。本発明の下部反応器領域４３は、燃焼管３及び燃焼ガス分離管５と一体結合されているが、これに限定されるものではなく、場合によって他の部分に取り替えることも可能である。図３で、符号３２で示されている部分は熱絶縁材（保温材）で、これは、中間反応器領域で発生する燃焼過程中の炎が他の反応過程に影響を及ぼすことを防止するためのものである。
【００３６】
本発明において、一体化された熱交換器を備えた円筒状の水蒸気改質装置は、上部反応器領域４１、中間反応器領域４２及び下部反応器領域４３を別個に形成するか、又はフランジを使用して互いに接続されているので、急な立ち上がり運転時（急速な起動運転の間）に発生する金属の熱膨張の際でさえ、反応器の各部が互いに干渉しないように構成されている。さらに、上部反応器領域４１が、中間反応器領域４２から容易に分離されるように設計され、各反応器領域が分離される際、改質部の触媒の供給口が開かれ、もって、触媒の供給を効率的に行うことができる。
【００３７】
また、最適の熱交換網を導出する、燃焼反応部、改質部、水蒸気発生部などの熱交換を効率的に行うように、中間反応器領域４２の熱伝逹流路が、効果的に配置されている。
【００３８】
このように形成された本発明の熱交換器用の一体型円筒状水蒸気改質装置の動作（作用）が、図２及び図３を参照して以下記載される。
【００３９】
図３は、本発明による円筒状の改質装置の内部構造を示す。本発明による円筒状改質装置は、燃焼過程と改質過程の二つの部分に大別することができる。
【００４０】
図２及び図３に示されるように、燃焼過程において、反応器のバーナー２に供給される空気は、上部反応器領域４１の低温改質油排出口２７を通過して排出される改質油によって、外部に形成されている熱交換器で予熱され、それから、空気／燃料供給口１を通過して供給される。このように供給される空気は、燃料とともにバーナー２を通過して燃焼管３の内部で燃焼し、もって熱を発生する。このように発生した燃焼ガスは、第１燃焼ガス流路５１、第２燃焼ガス流路５２及び第３燃焼ガス流路５３を通過しながら、改質部と水蒸気発生部とを用いて、熱交換を行う。すなわち、燃焼ガスは、改質部を用いた熱交換によって改質部の温度を維持するとともに、水蒸気発生部を通過する水蒸気の温度を上昇させる機能を持つ。その後、燃焼ガスが燃焼排気ガス出口６を通過して外部に排出され、もって、燃焼過程が完了する。
【００４１】
図２及び図３を参照して、本発明による改質過程を以下記載する。改質反応のために、水蒸気が本発明の改質器へ供給されなければならない。この目的を達成するために、外部から供給される水は、まず燃焼過程によって外部に排出される排気ガスの熱によって、小容量の低温用外部熱交換器において水蒸気に変換され、その後、当該水蒸気が水蒸気改質装置の水蒸気入口１１を通過して反応器へ供給される。このように供給された水蒸気は、水蒸気発生通路１２と隣り合う第３燃焼ガス流路５３を用いた熱交換によって燃焼ガスの熱を回収し、一方、当該水蒸気は、水蒸気出口５７及び水蒸気流路１３を通過し、上部反応器領域４１に備わる水蒸気投入部５９を通過して供給される。供給された水蒸気は、材料供給口２１を通過して供給された材料と、材料／水蒸気混合管１４で混合され、それから材料／水蒸気流路６０を通過して移動される。
【００４２】
この際、材料／水蒸気流路６０を通過して流れる材料／水蒸気は、材料／水蒸気流路６０に隣接した改質油流路２６を通過して流れる改質油を用いた熱交換を行って、一次に（第１に）熱を回収することになる。その後、材料／水蒸気は、材料／水蒸気排出口６１及び上部反応器領域４１及び中間反応器領域４２を接続する低温材料／水蒸気通路２２を経て中間反応器領域４２に供給される。その後、中間反応器領域４２に供給された低温材料／水蒸気は、改質反応が起こる前に、改質反応に適した温度まで予熱されるべきである。予熱処理は、高温材料／水蒸気通路２３を通過しながら、高温材料／水蒸気通路２３と隣接した第２燃焼ガス流路５２を用いた熱交換によって、燃焼ガスから、二次に（第２に）熱を回収することで達成される。その後、材料／水蒸気が改質通路２４へ供給され、改質触媒の存在で改質反応を行う。改質反応後、材料／水蒸気は、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、未反応の炭化水素及び過剰の水を含む改質油へ変換される。
【００４３】
このようにして得られた改質油は、高温改質油排出管２５を通過して上部反応器領域４１へ移動され、それから、改質油流路２６を通過しさらに低温改質油排出口２７を通過して排出される。ここで、改質油流路２６は、前述したように、材料／水蒸気流路６０に隣り合っており、その結果、相互間の熱交換によって材料／水蒸気へ、熱を供給する。低温改質油排出口２７を通過して排出された改質油は、さらなる外部熱交換器を通過し水ガスシフト反応器へ供給される。このような過程によって、本発明の改質過程が達成される。
【００４４】
いくつかの場合では、燃焼用化石燃料の量が、バーナー用燃料としてスタックオフガス（ｓｔａｋ  ｏｆｆ-ｇａｓｓ）又はＰＳＡ（圧力スイング吸着法）オフガスを使用して減じられる。初期の加熱処理が行われている間、バーナー用燃料として化石燃料の使用は不可避である。しかし、一旦、改質装置が、正常運転条件で水素を安定して生産し始めると、改質油が、燃料電池スタックへ搬送可能であり、このスタックは、改質油に含まれた水素を使用することにより発電を開始する。発電のために適量の水素を消耗した後の燃料電池スタックから発生するガスの流れ、いわゆるスタック−オフガスは、依然として一定量の水素、一酸化炭素、二酸化炭素及び水分を含み、バーナーへ再循環（リサイクル）され、改質装置用燃料として使用できる。他の場合、高純度で水素を製造するために、改質装置からの改質油を、ＰＳＡ装置によって浄化することができ、残留ガス（ＰＳＡオフ−ガス）は再循環され、バーナー用燃料として使用されるので、結果として、総熱効率を増大させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
上述のように、本発明は、一体化された熱交換器を持つ円筒状水蒸気改質装置を提供する。この装置は、大型プラントで活用した水素発生装置を縮小化して燃料電池あるいは水素ステーションに設置し、水素を必要とする燃料電池システムまたは燃料電池自動車に水素を継続的に供給することができる。また、この装置は、改質反応器、燃焼機、内部熱交換器、水蒸気発生器などの各構成要素を一つの容器に一体型に製作するとともに、その構成要素が最適の性能を導出する最適の熱交換網を構成し、もって、熱損失が最小化され、最適の熱交換効率が実現される。さらに、高温反応器として材質の膨張収縮を考慮して、流体の流れを単純化して停滞部分を最小化し、高効率、安全性及び耐久性を有するように設計されている。
【００４６】
本発明の水蒸気改質装置を、水素ステーションのような、小さな足跡しか残せないような狭い空間であるが、安全かつ安定した操作を要求する空間に配置された場合には、熱交換効率が最大化され、その結果、熱効率全体が向上し、もって、水素の製造コストを減じることができる。また、制限された大きさを持つ外部熱交換器の容量を最小化するとともに、小さな容量を持つ低温用熱交換器を使用しても、十分効率的な熱回路網を構成することができる。これにより、付加的な材料の問題が解決され、水素ステーションの商業的利用を向上させる。
【００４７】
以上、本発明の最適の実施例を例示の目的で開示したが、当業者であれば、添付する特許請求の範囲に開示されたような本発明の範囲及び精神から逸脱することなしに、多様な変形、付加、及び交換が可能であることが分かるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】従来の水蒸気改質装置の概略図である。
【図２】本発明による水蒸気改質装置の概略図である。
【図３】本発明による円筒状水蒸気改質装置の内部構造の図である。
【図４】本発明による円筒状水蒸気改質装置の各構成部分を示す断面図である。
【図５】本発明による円筒状水蒸気改質装置の各構成部分を示す断面図である。
【図６】本発明による円筒状水蒸気改質装置の各構成部分を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４９】
１  空気／燃料入口
２  バーナー
３  燃焼管
５  燃焼ガス分離管
６  燃焼排気ガス出口
１１  水蒸気入口
１２  水蒸気発生通路
１３  水蒸気流路
１４  材料／水蒸気混合管
２１  材料供給口
２２  低温材料／水蒸気通路
２３  高温材料／水蒸気通路
２４  改質通路
２５  高温改質油排出管
２６  改質油流路
２７  低温改質油排出口
２８  内部熱交換部
４１  上部反応器領域
４２  中間反応器領域
４３  下部反応器領域
５１  第１燃焼ガス流路
５２  第２燃焼ガス流路
５３  第３燃焼ガス流路
５４  改質管
５５  改質分離管
５６  水蒸気発生管
５７  水蒸気出口
５８  中間反応器領域本体
５９  水蒸気投入部
６０  材料／水蒸気流路
６１  材料／水蒸気排出口
【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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【国際調査報告】
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