(57)【要約】【課題】  リフォーメート流を冷却し給湿するための装置及び方法を提供する。【解決手段】  本発明の装置は、第１温度のリフォーメート流（５）を製造するための改質反応器（１）と、リフォーメート流を受け取るためのシフト反応器（９、１０）と、改質反応器とシフト反応器との間に配置された熱交換器（６）とを含む。熱交換器は、入口（７）と、出口（８）と、入口と出口との間の導管（６ａ）とを含み、水を導管内に流すことができ且つ導管の外側にリフォーメート流を流すことができるようになっている。水は、第２温度にあり、この温度は第１温度よりも低い。熱交換器は、更に、熱交換器を出る水をリフォーメート流中に噴霧するため、熱交換器の出口に連結された噴霧器（６ｂ）を含む。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入口と、出口と、前記入口と前記出口との間の導管とを備えており、第１流体を前記導管内に流すことができ、前記第１流体と、前記導管の外側を流れる第２流体との間を熱交換関係に置く、熱交換器と、
前記熱交換器を出る前記第１流体を前記第２流体中に噴霧するため、前記熱交換器の前記出口に連結された噴霧器とを含む、装置。
【請求項２】
請求項１に記載の装置において、
前記導管は、コイル状チューブを含む、装置。
【請求項３】
請求項１に記載の装置において、更に、
前記コイル状チューブに取り付けられた有孔プレートを含む、装置。
【請求項４】
請求項３に記載の装置において、
前記有孔プレートは、前記第２流体の流れ方向に対して垂直である、装置。
【請求項５】
請求項１に記載の装置において、更に、
前記導管に取り付けられた、有孔プレート、バッフル、又はフォーム材料を含む、装置。
【請求項６】
請求項１に記載の装置において、
前記第１流体は水を含む、装置。
【請求項７】
請求項１に記載の装置において、
前記第２流体はリフォーメートを含む、装置。
【請求項８】
請求項１に記載の装置において、
前記第１流体は、前記熱交換前に第１温度を有し、前記第２流体は、前記熱交換前に第２温度を有し、前記第２温度は前記第１温度よりも高い、装置。
【請求項９】
入口と、出口と、前記入口と前記出口との間の導管とを備えており、第１流体を前記導管内に流すことができ、前記第１流体と、前記導管の外側を流れる第２流体との間を熱交換関係に置く、熱交換器と、
前記熱交換器を出る前記第１流体を前記第２流体中に噴霧するため、前記熱交換器の前記出口に連結された噴霧器と、
前記熱交換器及び前記噴霧器を包囲する円筒形の壁とを含み、この壁の少なくとも一部が、前記熱交換器の下流に第１混合ゾーンを形成する、モジュール。
【請求項１０】
請求項９に記載のモジュールにおいて、
前記導管は、コイル状チューブを含む、モジュール。
【請求項１１】
請求項９に記載のモジュールにおいて、
前記コイル状チューブに取り付けられた有孔プレートを更に含む、モジュール。
【請求項１２】
請求項１１に記載のモジュールにおいて、
前記有孔プレートは、前記第２流体の流れ方向に対して垂直である、モジュール。
【請求項１３】
請求項９に記載のモジュールにおいて、更に、
前記導管に取り付けられた、有孔プレート、バッフル、又はフォーム材料を含む、モジュール。
【請求項１４】
請求項９に記載のモジュールにおいて、更に、
前記第１混合ゾーンを形成する前記壁の部分に取り付けられた、有孔プレート、バッフル、又はフォーム材料を含む、モジュール。
【請求項１５】
請求項９に記載のモジュールにおいて、
前記円筒形の壁は、更に、前記熱交換器の上流に第２混合ゾーンを形成する、モジュール。
【請求項１６】
請求項１５に記載のモジュールにおいて、更に、
前記第２混合ゾーンを形成する前記壁の部分に取り付けられた、有孔プレート、バッフル、又はフォーム材料を含む、モジュール。
【請求項１７】
改質システムにおいて、
第１温度のリフォーメート流を製造するための改質反応器と、
前記リフォーメート流を受け取るシフト反応器と、
前記改質反応器と前記シフト反応器との間に配置された熱交換器であって、入口と、出口と、前記入口と前記出口との間の導管とを備えており、水を前記導管内に流すことができ且つ前記リフォーメート流を前記導管の外側に流すことができるようにし、前記水は、前記リフォーメート流と熱交換関係を有し、前記熱交換前に、前記第１温度よりも低い第２温度を有する、熱交換器と、
前記熱交換器を出る前記水を前記リフォーメート流中に噴霧するため、前記熱交換器の前記出口に連結された噴霧器とを含む、システム。
【請求項１８】
請求項１７に記載のシステムにおいて、
前記導管は、コイル状チューブを含む、システム。
【請求項１９】
請求項１７に記載のシステムにおいて、更に、
前記コイル状チューブに取り付けられた有孔プレートを含む、システム。
【請求項２０】
請求項１９に記載のシステムにおいて、
前記有孔プレートは、前記リフォーメート流の流れ方向に対して垂直である、システム。
【請求項２１】
請求項１７に記載のシステムにおいて、更に、
前記導管に取り付けられた、有孔プレート、バッフル、又はフォーム材料を含む、システム。
【請求項２２】
請求項１７に記載のシステムにおいて、
前記第１温度は約５５０℃乃至約８００℃である、システム。
【請求項２３】
請求項１７に記載のシステムにおいて、
前記シフト反応器に進入する際の前記リフォーメート流の温度は、約３５０℃乃至約５００℃である、システム。
【請求項２４】
請求項１７に記載のシステムにおいて、
前記リフォーメート流は、前記改質反応器への約２００ｋＷの燃料入力速度で、熱交換容積１リットル当たり少なくとも約５ｋＷの熱を水に伝達する、システム。
【請求項２５】
請求項１７に記載のシステムにおいて、
前記リフォーメート流は、前記改質反応器への約２００ｋＷの燃料入力速度で、熱交換容積１リットル当たり少なくとも約８ｋＷの熱を水に伝達する、システム。
【請求項２６】
請求項１７に記載のシステムにおいて、
前記リフォーメート流は、前記改質反応器への約２００ｋＷの燃料入力速度で、熱交換容積１リットル当たり少なくとも約１０ｋＷの熱を水に伝達する、システム。
【請求項２７】
請求項１７に記載のシステムにおいて、
前記リフォーメート流は、前記改質反応器への約２００ｋＷの燃料入力速度で、熱交換容積１リットル当たり少なくとも約１３ｋＷの熱を水に伝達する、システム。
【請求項２８】
請求項１７に記載のシステムにおいて、
前記改質反応器への約２００ｋＷの燃料入力速度でのリフォーメートの圧力降下は、約１０３．４２１ｋＰａ（約１５ｐｓｉ）よりも小さい、システム。
【請求項２９】
請求項１７に記載のシステムにおいて、
前記改質反応器への約２００ｋＷの燃料入力速度でのリフォーメートの圧力降下は、約６８．９４７ｋＰａ（約１０ｐｓｉ）よりも小さい、システム。
【請求項３０】
請求項１７に記載のシステムにおいて、
前記改質反応器への約２００ｋＷの燃料入力速度でのリフォーメートの圧力降下は、約３４．４７４ｋＰａ（約５ｐｓｉ）よりも小さい、システム。
【請求項３１】
請求項１７に記載のシステムにおいて、
前記改質反応器への約２００ｋＷの燃料入力速度でのリフォーメートの圧力降下は、約２０．６８４ｋＰａ（約３ｐｓｉ）よりも小さい、システム。
【請求項３２】
請求項１７に記載のシステムにおいて、
前記改質反応器への約２００ｋＷの燃料入力速度でのリフォーメートの圧力降下は、約６．８９４７ｋＰａ（約１ｐｓｉ）よりも小さい、システム。
【請求項３３】
第１温度の水を熱交換器内部に流す工程であって、前記水は、前記熱交換器外部を流れるリフォーメート流と熱交換関係を有し、前記リフォーメート流は、熱交換前に、前記第１温度よりも高い第２温度を有する、工程と、
前記熱交換器を出る水を前記リフォーメート流と混合することによって、前記リフォーメート流を給湿し、前記リフォーメート流を所望温度まで冷却する工程とを含む、方法。
【請求項３４】
請求項３３に記載の方法において、
前記第２温度は、約５５０℃乃至約８００℃である、方法。
【請求項３５】
請求項３３に記載の方法において、
前記所望の温度は、約３５０℃乃至約５００℃である、方法。
【請求項３６】
請求項３３に記載の方法において、
前記混合工程は、水を前記リフォーメート流中に噴霧する工程を含む、方法。
【請求項３７】
請求項３３に記載の方法において、
前記リフォーメート流は、前記水の前記流れと逆方向に流れる、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、米国特許法第１１９条の規定に基づき、２００４年６月１８日に出願された米国仮特許出願第６０／５８０，８８０号の優先権を主張するものである。同特許出願に触れたことにより、この特許出願に開示された内容は本明細書中に含まれたものとする。
【０００２】
本発明は、米国エネルギー省が認定した契約番号第ＤＥ−ＦＣ０２−９９ＥＥ５０５８０号に基づき、政府の支援によってなされたものである。政府は、本発明において、所定の権利を有する。
【０００３】
本発明は、リフォーメートを冷却し給湿するための装置、並びに関連した方法、モジュール、及びシステムに関する。
【背景技術】
【０００４】
液状又はガス状の炭化水素又はアルコール等の従来の燃料は、燃料電池へのエネルギ源を提供するため、改質プロセスによって水素に変換できる。代表的な改質プロセスでは、燃料、水蒸気、及び／又は空気を気化し、混合する。混合した気体を改質反応器の触媒上に通し、燃料をリフォーメート、即ち改質反応生成物に変換する。改質反応生成物には、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、及び未反応の水が含まれる。次いで、リフォーメートを別の触媒と接触させることによって、リフォーメート中の一酸化炭素を実質的に除去する。「水性ガスシフト反応」と呼ばれるこの反応は、代表的には、第１の高温工程と、第２の低温の工程の二つの工程で行われる。高温工程での反応は、通常は、改質反応におけるよりもかなり低い温度で行われる。かくして、高温工程で水性ガスシフト反応が起こる前に、リフォーメートを冷却する必要がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、改質反応器（改質器とも呼ばれる）を出るリフォーメートがシフト反応器に進入する前に、リフォーメートを所定温度まで冷却し、リフォーメートで所望の蒸気−炭素比を得る上で十分な水を、リフォーメートに加えるための装置、モジュール、改質システム、及び方法を特徴とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一つの概括的側面では、本発明は、熱交換器及び噴霧器を含む装置を特徴とする。熱交換器は、入口と、出口と、入口と出口との間の導管とを有する。熱交換器は、第１流体（例えば、水）を導管内に流すことができ、第１流体と、導管の外側を流れる第２流体（例えば、改質反応器からのリフォーメート）との間を熱交換関係に置くようになっている。噴霧器は、熱交換器を出る第１流体を第２流体に噴霧するため、熱交換器の出口に連結されている。第１流体は、熱交換前に第１温度を有することができ、第２流体は熱交換前に第２温度を有することができる。第２温度は、第１温度よりも高くてもよい。
【０００７】
本発明の上述の特徴を有する実施例は、以下の特徴のうちの一つ又はそれ以上を含むことができる。熱交換器の導管は、コイル状チューブを含むことができる。有孔プレート、バッフル、又はフォーム材料が導管に取り付けられていてもよい（例えば、コイル状チューブに取り付けられていてもよい）。有孔プレートは、第２流体の流れ方向に対して垂直とすることができる。
【０００８】
別の側面では、本発明は、上文中に説明した装置と、この装置を包囲する円筒形の壁とを含むモジュールを特徴とする。幾つかの実施例では、モジュールは、熱交換器、及び上文中に説明した噴霧器、並びに熱交換器及び噴霧器を包囲する円筒形の壁を含む。この円筒形の壁の少なくとも一部が、熱交換器の下流に第１混合ゾーンを形成する。円筒形の壁は、更に、熱交換器の上流に第２混合ゾーンを形成する。特定の実施例では、有孔プレート、バッフル、又はフォーム材料が、第２混合ゾーンを形成する壁の部分に取り付けられていてもよい。
【０００９】
更に別の特徴では、本発明は、第１温度（例えば約５５０℃乃至約８００℃）のリフォーメート流を製造するための改質反応器と、リフォーメート流を受け取るシフト反応器（例えば高温シフト反応器）と、改質反応器とシフト反応器との間に配置された熱交換器と、噴霧器とを含む改質システムを特徴とする。熱交換器は、入口と、出口と、入口と出口との間の導管とを有し、水を導管内に流すことができ、リフォーメート流を導管の外側に流すことができるようになっている。水は、リフォーメート流と熱交換関係を有し、熱交換前に、第１温度よりも低い第２温度を有する。噴霧器は、熱交換器を出る水をリフォーメート流中に噴霧するため、熱交換器の出口に連結されている。
【００１０】
幾つかの実施例では、シフト反応器に進入するたときのリフォーメート流の温度は、約３５０℃乃至約５００℃である。
【００１１】
幾つかの実施例では、リフォーメート流は、改質反応器への約２００ｋＷの燃料入力速度で、熱交換容積１リットル当たり少なくとも約５ｋＷ（例えば少なくとも約８ｋＷ、少なくとも約１０ｋＷ、又は少なくとも約１３ｋＷ）の熱を水に伝達できる。「熱交換容積」という用語は、改質反応器の出口と、シフト反応器の入口との間の容積を意味する。
【００１２】
幾つかの実施例では、改質反応器への約２００ｋＷの燃料入力速度でのリフォーメートの圧力降下は、約１０３．４２１ｋＰａ（約１５ｐｓｉ）よりも小さい（例えば、約６８．９４７ｋＰａ（約１０ｐｓｉ）よりも小さく、約３４．４７４ｋＰａ（約５ｐｓｉ）よりも小さく、約２０．６８４ｋＰａ（約３ｐｓｉ）よりも小さく、又は約６．８９５ｋＰａ（約１ｐｓｉ）よりも小さい）。「圧力降下」という用語は、改質反応器を出るリフォーメートの圧力と、シフト反応器に進入するリフォーメートの圧力との間の差を意味する。
【００１３】
別の面では、本発明は、第１温度の水を熱交換器内部に流す工程であって、水は、熱交換器外部を流れるリフォーメート流と熱交換関係を有し、リフォーメート流は、熱交換前に、第１温度よりも高い第２温度（例えば約５５０℃乃至約８００℃）を有するごとき工程と、熱交換器を出る水をリフォーメート流と混合することによって、リフォーメート流を給湿し、リフォーメート流を所望温度（約３５０℃乃至約５００℃）まで冷却する工程とを含む、方法を特徴とする。混合工程には、水をリフォーメート流中に噴霧する工程が含まれる。幾つかの実施例では、リフォーメート流は、水の流れと逆方向に流れるようにすることができる。
【００１４】
以上の実施例は、以下の利点のうちの一つ又はそれ以上を提供できる。
【００１５】
幾つかの実施例では、上文中に説明した改質システムは、密度が低く、例えば熱交換容積１リットル当たり約１Ｋｇよりも小さい。所与の熱交換容積について、上文中に説明した改質システムの重量は、従来の改質システムよりも小さい。
【００１６】
幾つかの実施例では、上文中に説明した改質システムは、リフォーメート流に作用する圧力降下が低い。例えば、リフォーメート流の圧力降下は、改質反応器への約２００ｋＷの燃料入力速度で、約１０３．４２１ｋＰａ（約１５ｐｓｉ）よりも小さくすることができる。一般的には、圧力降下が低いと、改質システムは低い圧力で作動でき、エネルギ消費が減少する。
【００１７】
幾つかの実施例では、上文中に説明した改質システムにより、リフォーメート流は、改質反応器への約２００ｋＷの燃料入力速度で、例えば熱交換容積１リットル当たり少なくとも約１３ｋＷという大量の熱を水に伝達できる。
【００１８】
幾つかの実施例では、上文中に説明した改質システムは、高い熱伝達速度を有する。例えば、リフォーメート流は、改質反応器への約２００ｋＷの燃料入力速度で、熱交換器を約０．０２秒以下で通過する。
【００１９】
本発明の一つ又はそれ以上の実施例の詳細は、添付図面に示してあり、以下の説明に記載してある。本発明のこの他の特徴、目的、及び利点は、以下の説明及び添付図面、及び特許請求の範囲から明らかになるであろう。
【００２０】
本発明は、添付図面を頻繁に参照することにより、更に容易に理解されるであろう。
【００２１】
様々な図面において、同様の構成要素には同じ参照番号が付してある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明は、多くの様々な形態で実施できるけれども、本開示は、本開示が本発明の原理の単なる例示であって、本発明の広範に亘る特徴を例示の特定の実施例に限定しようとするものではないという理解の下に、本発明の少なくとも一つの好ましい実施例及び可能な変形例を詳細に記載する。本明細書中で言及する「水」という用語は、本明細書中に特段の記載や暗示するものがない限り、液体の水、及び液体の水及び水蒸気の混合物の両方を含むということは理解されるべきである。
【００２３】
図１は、例示の改質システムを示す。この改質システムは、とりわけ、自熱（ａｕｔｏｔｈｅｒｍａｌ）改質器１（「ＡＴＲ」）と、熱交換器６（「ＨＸ」）と、高温シフト反応器９（「ＨＴＳ」）と、低温シフト反応器１０（「ＬＴＳ」）と、優先的酸化反応器１１（「ＰｒｅＯｘ」）と、燃料電池１２とを含む。
【００２４】
自熱改質器１は、ハウジング１ａと、入口１ｂと、出口１ｃと、触媒１ｄとを含み、リフォーメート流（改質流体流）を発生するように形成されている。適当な改質触媒の一例は、担体に設けたニッケル及び貴金属の組み合わせである。適当な貴金属の例には、コバルト、プラチナ、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、及びイリジウムが含まれる。適当な担体の例には、マグネシア、マグネシウムアルミネート、アルミナ、シリカ、及びジルコニアが含まれる。自熱改質器１の例は、米国特許出願第１１／１３２，１５７号に記載されている。同特許出願に触れたことにより、この特許出願に開示された内容は本明細書中に含まれたものとする。幾つかの実施例では、自熱改質器１の代わりに、純蒸気改質器、部分酸化改質器、又は任意の他の適当な改質器を使用してもよい。
【００２５】
高温シフト反応器９が改質器１の下流に位置決めされている。高温シフト反応器９は、ハウジング９ａと、入口９ｂと、出口９ｃと、高温シフト触媒９ｄとを含む。適当な高温シフト触媒の例には、遷移金属酸化物（例えば、酸化第２鉄又は酸化クロム）、及び担体に設けられたプラチナ族の金属（例えば、担体に設けられたプラチナ又は担体に設けられたパラジウム）が含まれる。触媒は、モノリシックなハニカム構造の表面上に、又は他の適当な担体に付着させることができる。高温シフト反応器９の例は、ＷＯ００／６６４８７及びＷＯ９８／０８７７１に記載されている。これらの国際公報に触れたことにより、これらに開示された内容は本明細書中に含まれたものとする。実施例によっては、高温シフト反応器９を取り外してもよい。
【００２６】
自熱改質器１と高温シフト反応器９との間に熱交換器６が配置されている。この熱交換器６は、入口７と、出口８と、導管６ａとを含む。熱交換出口８は、噴霧器６ｂに連結できる。熱交換器６と噴霧器との組み合わせを含む装置、モジュール、及び改質システムを以下に詳細に説明する。
【００２７】
低温シフト反応器１０、優先的酸化反応器１１、及び燃料電池１２は当該技術分野で公知であり、米国特許出願第０９／５６２，７８７号、米国特許出願第０９／５６３，６７６号、及び米国特許第６，０２２，６３４号に記載されている。これらの特許又は特許出願に触れたことにより、これらの特許又は特許出願に開示された内容は本明細書中に含まれたものとする。
【００２８】
作動中、水蒸気２、空気３、及び燃料４の供給は、自熱改質器１に入口１ｂを介して供給される。自熱改質器１では、改質反応により、燃料及び水が、改質触媒１ｄが存在する状態で、水素、一酸化炭素、及び二酸化炭素に変換される。空気と燃料との間の酸化反応により、改質反応に必要な熱を発生できる。自熱改質器１の出口５でのリフォーメートの温度は、約５５０℃乃至約８００℃（例えば約７００℃）程度である。リフォーメートは、次いで、熱交換器６に送られる。水（一部が水蒸気の形体であってもよい）の流れが入口７を通して熱交換器６に供給され、熱交換器６の導管６ａの内部を通過し、出口８を通って熱交換器６を出る。出口８を出る水は、次いで、噴霧器６ｂによって、導管６ａの外側を通過するリフォーメート流中に噴射され、これによってリフォーメートを給湿する。熱交換器出口８を出る液体の水は、リフォーメートとの接触により蒸発し、熱交換器６の高温の表面と接触する。リフォーメート流は、これによって、高温シフト反応器９に送出される際に、熱交換器６の導管６ａ内の水によって、及びリフォーメート流中に噴霧された水によって冷却される。高温シフト反応器９に進入する前のリフォーメートの温度は、約３００℃乃至約５００℃である。リフォーメートに加えられる水の量は、続いて行われるシフト反応について所望の蒸気−炭素比が得られるように予め決定される。所望の蒸気−炭素比は、２乃至４の範囲内とすることができる。
【００２９】
一般的には、リフォーメート流は、改質器作動出力と反比例する時間で熱交換器６を通過する。例えば、約２００ｋＷの最大作動出力（即ち、改質反応器への約２００ｋＷの燃料入力速度）で、リフォーメート流は、熱交換器６を約０．０２秒以下（例えば、約０．０１秒以下）で通過する。この作動出力では、熱交換器６の熱交換容積１リッター当たりの熱交換容量は、少なくとも約５ｋＷ（例えば、少なくとも約８ｋＷ、少なくとも約１０ｋＷ、又は少なくとも約１３ｋＷ）である。熱交換器容積とは、改質器１の出口１ｃと高温シフト反応器９の入口９ｂとの間の容積を意味する。
【００３０】
図２は、触媒床１３を含む自熱改質器１、及び触媒床１９を含む高温シフト反応器９を示す。自熱改質器１及び高温シフト反応器９は、両方とも、断熱体３１によって取り囲まれており、端部５９及び円筒形の壁３３を持つ共通のキャリヤ内に配置されている。水、空気、及び燃料は、自熱改質器１内に供給され、これを図２に入力流れ１７として示す。熱交換器６は、自熱改質器１と高温シフト反応器９との間に配置される。熱交換器６は、触媒床１９及びコイル状チューブ４３の一区分を通って延びる水入口チューブ４１を含む。噴霧器４５が熱交換器６の出口に連結されている。円筒形の壁３３、熱交換器６、及び自熱改質器１が混合空間４７を形成する。円筒形の壁３３、熱交換器６、及び高温シフト反応器９が混合空間５３を形成する。
【００３１】
作動中、予め決定された量の水を熱交換器６に水入口チューブ４１を介して供給する。水の量は、リフォーメートを所望の温度まで冷却し、リフォーメートで適当な蒸気−炭素比を得る上で十分なものである。次いで、水がコイル状チューブ４３に進入し、全体に上流に、即ち自熱改質器１に向かって通過する。次いで、典型的にはコイル状チューブ４３内で少なくとも部分的に蒸気に変換された水が、噴霧器４５によって混合空間４７内に噴霧される。混合空間４７では、噴霧された水がリフォーメートと混合し、混合物がコイル状チューブ４３を過ぎて下流に搬送される。混合物中の水滴は、高温のリフォーメートとの熱交換及びコイル状チューブ４３（典型的には金属製である）の高温の表面との熱交換の両方によって容易に蒸発する。冷却され且つ給湿されたリフォーメートは、次いで、混合空間５３に進入する。混合空間５３は、乱流を発生することによって均等に混合するため、随意であるが、共通のキャリヤの円筒形の壁３３の部分に取り付けられた有孔プレート、バッファ、又はフォーム材料を含んでいてもよい。冷却され且つ給湿されたリフォーメートは、次いで、高温シフト反応器９に進入する。高温シフト反応の後、シフトしたリフォーメート５７は、共通のキャリヤ３３の端部５９から出て、更に処理を行うために収集される。
【００３２】
図３は、リフォーメートを冷却し給湿するためのモジュールの一実施例の断面を示す。このモジュールは、熱交換器６及び噴霧器４５を備えている。熱交換器６は、水入口チューブ４１及びコイル状チューブ４３を備えている。水入口チューブ４１は、下混合ゾーン５３内の一連の有孔プレート６５を通過し、次いで曲げられてコイル状チューブ４３を形成する。一連の有孔プレート６３がコイル状チューブ４３に取り付けられている。有孔プレート６４が、コイル状チューブ４３の上方の上混合ゾーンに取り付けられる。上混合ゾーンは、モジュールの壁及び／又は改質反応器（図３には示さず）の壁によって形成できる。上混合ゾーンは、二つの漏斗状金属プレート８０を含む。これらのプレートは、第１混合キャビティ６７、第２混合キャビティ６９、出口領域６８、及び環状乱流ゾーン７１を形成する。コイル状チューブ４３は、好ましくは、一つの平面内に多数の巻回部を有し、外側チューブ移行部分４２又は内側チューブ移行部分４４のいずれかを介して有孔プレート６３を通って上方に延びる。噴霧器４５は出口チューブであり、その端部がコイル状チューブ４３に連結されている。モジュール内の空間は、冷却−給湿ゾーン７２を形成する。このゾーンは、典型的には、改質反応器（図３には示さず）の下流にあり、高温シフト反応器（図３には示さず）の上流にある。
【００３３】
ゾーン７２では、改質反応器からのリフォーメート流７０を所望温度まで冷却し、適当な蒸気−炭素比を提供するように給湿が行われる。詳細には、噴霧器４５は、ゾーン７２内の第１混合キャビティ６７に水を噴霧する。リフォーメート流７０が第２混合キャビティ６９に進入し、方向を変えて第１混合キャビティ６７内に入る。水スプレー及びリフォーメート流７０が第１混合キャビティ６７内でリフォーメート−水混合物を形成する。次いで、混合物は、出口領域６８のところで第１混合キャビティ６７を出て、環状乱流ゾーン７１に進入し、ここで更に混合される。混合物は、コイル状チューブ４３の上にある有孔プレート６４、コイル状チューブ４３に取り付けられた有孔プレート６３、及び下混合ゾーン５３の有孔プレート６５を介してコイル状チューブ４３の外側を通過することによって、熱交換器６を通って流れる。有孔プレート６３、６４、及び６５は、コイル状チューブ４３の配置を安定化し、水とリフォーメートとの混合を高める。プレート６３の孔は、全体にコイル状チューブ４３の下にあり、混合物がコイル状チューブ４３内の水と熱交換関係を保持しながら通過できるようにする。プレート６３の孔は、典型的には、コイル状チューブ４３がない熱交換器６の中央には設けられていない。この実施例では、有孔プレート６３、６４、及び６５は、リフォーメート−水混合物の流れ方向に対して垂直である。リフォーメート−水混合物は、孔を通過し、下混合ゾーン５３に進入する前に、熱をコイル状チューブ４３内の水に、及びリフォーメート中に噴霧された水に伝達する。幾つかの実施例では、有孔プレート６３、６４、及び６５の代わりに、コイル状チューブ４３に取り付けられた一つ又はそれ以上のバッフル又はフォーム状材料を使用してもよい。ある実施例では、上文中に説明したごときモジュールは、有孔プレート６３、６４、及び６５を含んでいない。
【００３４】
図４は、改質システムの別の実施例の断面を示す。この改質システムは、自熱改質触媒床１３と高温シフト触媒床１９との間に熱交換器６を含む。両触媒床１３及び１９は、断熱体３１によって取り囲まれており、円筒形の壁３３を持つ共通のキャリヤ内に配置されている。触媒床１３及び１９間の空間は、冷却−給湿ゾーン７２を形成する。熱交換器６は、このゾーン７２に配置される。熱交換器は、水入口チューブ４１及びコイル状チューブ４３を含み、噴霧器７５に連結されている。噴霧器７５は、コイル状チューブ４３よりも直径が大きい出口チューブである。噴霧器７５は、チューブの端部のところでシールされており、シールされた端部の近くの壁に複数の開口部を備えており、そのため、コイル状チューブ４３内の水は、これらの開口部からしか出ることができない。二つの漏斗状金属プレート８０が熱交換器６と触媒床１３との間に配置されており、第１混合ゾーン７３及び第２混合ゾーン７７を形成する。噴霧器７５、第１混合ゾーン７３、及び第２混合ゾーン７７は、一緒になって、噴霧された水とリフォーメートとの間の混合を容易にする。
【００３５】
図４に示す改質システムの組み立ての一例を以下に説明する。先ず最初に、触媒床１３を、断熱体３１とともに、共通のキャリヤ内に第１端プレート（図示せず）と接触するまで挿入する。次いで、熱交換器６の水入口チューブ４１を高温シフト触媒床１９の穴に挿入し、組み合わせを形成する。その後、熱交換器６及び高温シフト触媒床１９の組み合わせを、触媒床１３が漏斗状金属プレート８０の上縁部と接触するまで、共通のキャリヤに挿入する。第２端プレート（図示せず）を追加して共通のキャリヤ３３をシールする。結果的に得られたアッセンブリは、熱応力に対する抵抗が非常に高い。これは、更に、組み立て及び分解を容易に行うことができる。詳細には、アッセンブリの各構成要素（例えば、触媒床１３、熱交換器６、触媒床１９）をモジュール化できるため、一つの構成要素が故障しても、第１及び第２の端プレートの一方を取り外して故障した構成要素を取り出し、作動する構成要素と交換できる。
【００３６】
図４に示す実施例では、リフォーメート流の滞留時間は、２００ｋＷの全力出力で約０．０１秒である。この出力レベルでは、約２０ｋＷの熱エネルギが、リフォーメートから、約１．５リッターの熱交換器容積中の水に伝達される。
【００３７】
図２乃至図４に示す実施例の一つの利点は、水スプレー／リフォーメート混合物が、典型的には金属製である噴霧器の本体及び熱交換器を通って流れるということである。噴霧器及び熱交換器の金属表面は、高温のリフォーメートによって加熱され、及び従って、高温である。水スプレー／リフォーメート混合物中の水滴は、金属表面と接触し、容易に気化する。これは、金属表面から水滴への熱伝達が、リフォーメートから水滴への熱伝達よりも速いためである。かくして、図２、図３、及び図４に示すモジュール即ちシステムを通して水スプレー／リフォーメート混合物を流すことによって、液体の水の気化を高め、リフォーメートと冷却水との間の迅速な熱伝達を促す。
【００３８】
上文中に説明した熱交換器は、主にコイル状チューブ４３を含むが、これらの熱交換器は、所望の熱伝達容量及び滞留時間を達成し、並びに噴霧した水を完全に蒸発させる、当該技術分野で周知の任意の適当な設計の装置であってもよい。適当な熱交換器の例には、プレート−フレーム熱交換器、フィン−チューブ熱交換器、シェル−チューブ熱交換器、及び有孔フィンチューブ熱交換器（米国特許出願公開第２００３／００１０４８１号に開示されているような熱交換器）が含まれる。同特許出願に触れたことにより、この特許出願に開示された内容は本明細書中に含まれたものとする。
【００３９】
当業者は、本発明の以上の説明を読むと、様々な組み合わせ及び変更を考えつくことができる。本発明を好ましい実施例を参照して図示し、説明したが、特許請求の範囲に定義した本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、形体及び詳細における様々な変更を行うことができるということは当業者には理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】図１は、改質システムの一実施例の概略図である。
【図２】図２は、改質システムの一実施例の概略断面図である。
【図３】図３は、リフォーメートを冷却し給湿するためのモジュールの一実施例の断面図である。
【図４】図４は、改質システムの別の実施例の断面図である。
【符号の説明】
【００４１】
１  自熱改質器
１ａ  ハウジング
１ｂ  入口
１ｃ  出口
１ｄ  触媒
２  水蒸気
３  空気
４  燃料
５  出口
６  熱交換器
６ａ  導管
６ｂ  噴霧器
６ｄ  噴霧器
７  入口
８  出口
９  高温シフト反応器
９ａ  ハウジング
９ｂ  入口
９ｃ  出口
９ｄ  高温シフト触媒
１０  低温シフト反応器
１１  優先的酸化反応器
１２  燃料電池
【図１】
2008503426.tif 000003
【図２】
2008503426.tif 000004
【図３】
2008503426.tif 000005
【図４】
2008503426.tif 000006
【国際調査報告】
2008503426.tif 000007