(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）入口端部と出口端部とを含み、入口部分に触媒を含む、一体構造の連続気泡発泡体からなる触媒床であって、前記触媒が、前記発泡体の触媒化された気泡における炭素沈積を抑制しながら燃料気体の一部を燃焼させてそれによって前記触媒床の温度を上昇させるように機能する、触媒床と、
ｂ）前記触媒床からの出口通路に位置する処理燃料気体流と熱交換するように配置され、それによって、処理燃料気体流から熱が移動することになる燃料気体入口通路と、
ｃ）処理燃料気体流と熱交換するように配置され、それによって、処理燃料気体流から熱が移動することになる空気入口通路と、
ｄ）前記発泡体触媒床に沈積された燃料気体改質触媒と、
を備えており、
前記発泡体触媒床のコアは、ステンレス鋼、アルミニウム−鋼合金、またはニッケル合金から形成されることを特徴とする炭化水素燃料気体の自熱式改質装置。
【請求項２】
前記コアは、前記改質装置の始動時に抵抗加熱要素として機能するように電源に接続されることを特徴とする請求項１記載の改質装置。
【請求項３】
前記コアは、電流を供給後約２０秒以内に、作動温度に電気的に加熱されることを特徴とする請求項２記載の改質装置。
【請求項４】
ａ）入口端部と出口端部とを含み、入口部分に触媒を含む、一体構造の連続気泡発泡体からなる触媒床であって、前記触媒が、前記発泡体の触媒化された気泡における炭素沈積を抑制しながら燃料気体の一部を燃焼させてそれによって前記触媒床の温度を上昇させるように機能する、触媒床と、
ｂ）前記触媒床からの処理燃料気体出口通路と熱交換するように配置され、それによって、処理気体流から熱が移動することになる燃料気体入口通路と、
ｃ）処理気体流と熱交換するように配置され、それによって、処理燃料気体流から熱が移動することになる空気入口通路と、
ｄ）前記発泡体触媒床に沈積された燃料気体改質触媒と、
を備えており、
前記発泡体触媒床のコアは、ステンレス鋼、アルミニウム−鋼合金、またはニッケル合金から形成され、前記触媒床は、さらに貴金属と酸化カルシウムとを含むことを特徴とする炭化水素燃料気体の自熱式改質装置。
【請求項５】
前記発泡体触媒床は、各領域が異なる触媒組成を有する少なくとも２つの触媒化された領域を含むことを特徴とする請求項４記載の改質装置。
【請求項６】
前記発泡体触媒床の第１の領域は、酸化カルシウムと組み合わせた貴金属触媒を含むことを特徴とする請求項５記載の改質装置。
【請求項７】
前記発泡体触媒床の第２の領域は、酸化カルシウムと組み合わせた卑金属触媒を含むことを特徴とする請求項６記載の改質装置。
【請求項８】
前記発泡体触媒床の前記第１の領域は、白金触媒を含み、前記発泡体触媒床の前記第２の領域は、ニッケル触媒を含むことを特徴とする請求項７記載の改質装置。
【請求項９】
前記発泡体触媒床の前記第１の領域は、酸化鉄・酸化カルシウム触媒混合物を含み、前記発泡体触媒床の第２の領域は、ニッケル触媒を含むことを特徴とする請求項６記載の改質装置。
【請求項１０】
前記貴金属触媒は、白金、パラジウム、ロジウム、これらの混合物からなる群より選択される触媒であることを特徴とする請求項６記載の改質装置。
【請求項１１】
前記発泡体触媒床は、貴金属触媒と酸化カルシウム触媒とを含む第１の領域と、酸化カルシウム触媒を含まずに前記貴金属触媒を含む後続の領域とを含むことを特徴とする請求項４記載の改質装置。
【請求項１２】
前記貴金属触媒は、白金、パラジウム、ロジウムからなる群より選択されることを特徴とする請求項１１記載の改質装置。
【請求項１３】
前記発泡体触媒床は、少なくとも１つのセラミック発泡体保持体を含むことを特徴とする請求項４記載の改質装置。
【請求項１４】
前記触媒床は、形状が円柱状であることを特徴とする請求項４記載の改質装置。
【請求項１５】
前記燃料気体入口通路は、燃料気体・水蒸気混合物を含むことを特徴とする請求項４記載の改質装置。
【請求項１６】
前記空気入口通路は、空気・水蒸気混合物を含むことを特徴とする請求項４記載の改質装置。
【請求項１７】
ａ）入口端部と出口端部とを含み、入口部分に貴金属促進触媒を含む、一体構造の連続気泡発泡体からなる触媒床であって、前記貴金属促進触媒が、前記発泡体の触媒化された気泡における炭素沈積を抑制しながら燃料気体の一部を２６０℃（５００°Ｆ）の温度で燃焼させそれによって改質装置の迅速な始動を可能とするように機能する、触媒床と、
ｂ）前記触媒床からの出口通路に位置する処理燃料気体流と熱交換するように配置され、それによって、処理気体流から熱が移動することになる燃料気体入口通路と、
ｃ）処理気体流と熱交換するように配置され、それによって、処理気体流から熱が移動することになる空気入口通路と、
ｄ）前記発泡体触媒床に沈積された燃料気体改質触媒と、
を備えており、
前記発泡体触媒床のコアは、ステンレス鋼、アルミニウム−鋼合金、またはニッケル合金から形成されることを特徴とする炭化水素燃料気体の自熱式改質装置。
【請求項１８】
入口端部と出口端部とを含み入口部分に貴金属促進触媒を含む、一体構造の連続気泡発泡体からなる触媒床を備え、前記貴金属促進触媒は、前記発泡体触媒床の触媒化された気泡における炭素沈積を抑制しながら、燃料気体の一部を２６０℃（５００°Ｆ）の温度で燃焼させ、それによって改質装置の迅速な始動を可能とするように機能し、前記発泡体触媒床のコアは、ステンレス鋼、アルミニウム−鋼合金、またはニッケル合金から形成されることを特徴とする炭化水素燃料気体の自熱式改質装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
本発明は、燃料気体の水蒸気改質装置に関する。特に、本発明は、改質装置の大きさ、重量を低減する連続気泡発泡体触媒床（ｏｐｅｎ  ｃｅｌｌ  ｆｏａｍ  ｃａｔａｌｙｓｔ  ｂｅｄ）を使用する自熱式の燃料気体の水蒸気改質装置に関する。
【０００２】
【背景技術】
燃料電池電力設備は、天然ガスやより重い炭化水素などの燃料気体を、主要成分である水素と二酸化炭素に、触媒によって変換するように機能する燃料気体の水蒸気改質装置を備える。この変換過程は、燃料気体と水蒸気の混合物を、改質される燃料に依存して変化する改質温度に加熱した触媒床に通すことを含む。通常使用する触媒は、アルミナのペレット上に沈積させたニッケル触媒である。燃料電池電力設備に水素に富んだ気体の流れを供給するために、３種類の改質装置が最も一般に使用されている。これらは、触媒式の水蒸気改質装置、自熱式の改質装置、触媒壁式の改質装置などである。また、炭化水素燃料は、部分酸化反応装置を使用して水素に富んだ気体の流れに変換することもできる。通常の触媒式の水蒸気改質装置は、熱を保持するために断熱したハウジングに収容してある複数の反応管を備える。反応管は、ハウジング内において過剰の燃料気体を燃焼させ、反応管の周りに燃焼気体を通過させることにより、加熱する。改質温度は、約３７１℃（７００°Ｆ）〜約８７１℃（１，６００°Ｆ）の範囲にある。個々の反応管は、通常、環状の入口通路により囲まれた中心部にある排気通路を備える。入口通路には、触媒化されたアルミナペレットが充填してあり、燃料気体・水蒸気用のマニホールドが、入口通路のそれぞれの底部に燃料気体・水蒸気の混合物を供給するように機能し、この底部の上方において、燃料気体・水蒸気の混合物は、触媒床を流れる。主として水素、二酸化炭素である加熱された生成物の混合物は、次に、それぞれの反応管の中心部にある排気通路を流れ、それぞれの環状の触媒床の内側部分を加熱するのに役立ち、そして、改質装置から次の処理、利用のために送られる。このような触媒式の改質装置は、米国特許第４，０９８，５８７号に記載されている。
【０００３】
通常の自熱式の改質装置は、単一床あるいは複数床を有する管状の装置である。自熱式の改質装置は、処理する燃料の改質がより困難なので改質処理に、より高い作動温度が必要な場合に、通常使用される。自熱式の改質装置では、燃料と水蒸気の混合物に空気を添加して反応床内で過剰の燃料を燃焼させることによって反応気体が加熱されるので、残りの燃料−水蒸気混合物は、燃料処理反応に必要な温度まで加熱される。通常、自熱式の改質装置の壁の温度は、約７６０℃（１，４００°Ｆ）〜約９８２℃（１，８００°Ｆ）の範囲にある。このような改質装置は、米国特許第４，４７３，５４３号に記載されている。
【０００４】
第３の型式の従来技術の改質装置では、米国特許第５，７３３，３４７号などに記載されている触媒化された壁を有する通路が使用される。このような改質装置は、改質気体通路や隣接する復熱−熱交換通路を形成する波形のプレートを間に挟んだサンドイッチ状の実質的に平らなプレートから形成される。この改質通路の板状部品のそれぞれは、燃焼通路の板状部品に直接隣接して配置され、それによって、隣接する改質通路と燃焼通路は、共通の壁を共有する。
【０００５】
上述した改質装置のほかに、水素に富んだ燃料の流れを製造するために、部分酸化反応装置も使用されている。この装置は、通常、炭化水素燃料、水蒸気、通常空気が使用される酸化剤などが供給される空間からなり、そこで、これらの混交物は、自発的に部分的に酸化されて、水素に富んだ混合物が形成される。このような装置は、例えば、ＰＣＴ出願Ｎｏ．ＷＯ９８／０８７７１に開示されている。
【０００６】
１９８４年５月２９日に付与された米国特許第４，４５１，５７８号には、自熱式の改質装置についての考察が含まれており、この特許の全体は本願に組み込まれる。米国特許第４，４５１，５７８号に記載されている自熱式の改質装置では、触媒化されたアルミナペレットが使用される。自熱式の改質装置によって、装置の小型化は少しは実現されるが、特に車両用に使用される装置において、自熱式の改質装置またどのような管状の改質装置の大きさ、重量をも、さらに低減することは、好ましいであろう。特別な形状の触媒ペレットを使用して、自熱式その他の管状の改質装置の大きさ、重量を低減することが、試みられている。そのような特別な形状のペレットには、環状ペレット（ｒｉｎｇｓ）、孔開き平板ペレット（ｆｌａｔ  ｐｅｌｌｅｔｓ  ｗｉｔｈ  ｈｏｌｅｓ）、車輪状ペレット（ｗａｇｏｎ  ｗｈｅｅｌ−ｓｈａｐｅｄ  ｐｅｌｌｅｔｓ）、耳たぶ状ペレット（ｌｏｂｅｄ  ｐｅｌｌｅｔｓ）などが含まれる。
【０００７】
特別な形状の触媒化されたアルミナペレットを使用する必要がなく、触媒化されたアルミナペレットを使用する従来技術の自熱式の改質装置より小型で軽量である、自熱式の改質装置を提供するのが望ましい。そのような改質装置は、車両用に使用するのに特に有用性が見出されるであろう。
【０００８】
【発明の開示】
本発明は、向上した触媒・熱移動表面積を提供し、小型、軽量であり、さらに改良された気体混合・分配流路を提供する、燃料電池装置用の自熱式の改質装置に関する。本発明の触媒床構造は、一体構造の連続気泡発泡体コア（ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ  ｏｐｅｎ  ｃｅｌｌ  ｆｏａｍ  ｃｏｒｅ）から形成され、このコアには、多孔質で大きな表面積のウォッシュコート層が設けられており、このウォッシュコート層の上には、触媒層が沈積している。ウォッシュコートは、アルミナ、ランタン安定化アルミナ、シリカ−アルミナ、シリカ、セリア、炭化ケイ素、その他の高表面セラミック材料などから構成することができる。ウォッシュコートの選択は、特定の触媒床の作動条件に依存するものである。
【０００９】
一体構造の気体流構成要素は、相互に連結した連続気泡を有する発泡体であり、その表面は、触媒によって、触媒化される。発泡体一体構造は、ランタン促進アルミナ、酸化カルシウム、酸化鉄触媒から構成される触媒で被覆された入口端部を有し、この触媒は、低温での燃料気体の燃焼を向上させるために、さらに、少量の白金、パラジウム、ロジウムなどで処理することができる。別の構成として、入口端部は、酸化鉄触媒なしで、白金、パラジウム、ロジウムなどを含むことができる。発泡体一体構造の残りの部分は、ニッケル、銅、亜鉛などの触媒によって、または、白金、パラジウム、ロジウムなどの貴金属触媒などを備えている。連続気泡発泡体は、一旦ウォッシュコートされると、適切に燃料気体を処理するのに必要な大きな表面積の触媒を沈積させるために必要とされる大きな表面積の基部となる。さらに、気体は触媒床構造すなわち発泡体を通って横方向と縦方向の両方に流れるので、この連続気泡発泡体は、この一体構造の発泡体を通る気体のために、改善された混合・分配気体流パターンを提供する。また、連続気泡発泡体は、より強い気体乱流に寄与する大きな表面積の熱移動通路を提供し、この気体乱流は、触媒床を利用する装置において熱移動速度を向上させる。さらに、この発泡体により実現された大きな熱移動は、反応装置の隣接する壁の中へさらに壁を通って継続することができ、それによって、高い効率の熱移動装置が形成され、その結果、作動温度制御が改善されるとともに、所定の出力レベルに対する改質装置の大きさと重量が低減される。介在する壁は、平らなプレートから構成することができ、あるいは、熱を移動させることができる円筒形の壁であってもよい。一体構造の連続気泡発泡体触媒床は、改質装置の触媒床壁に、ろう付けによりまたは当該装置に適したその他の適切な機構により結合することができる。セラミック発泡体触媒床を使用するときは、触媒床は、改質装置の床壁に、結合されそうにはない。
【００１０】
触媒化される全ての表面は、ユナイテッド触媒社（Ｕｎｉｔｅｄ  Ｃａｔａｌｙｓｔ）、グレース商会（Ｗ．Ｒ．Ｇｒａｃｅ  ａｎｄ  Ｃｏ．）、エンゲルハルト社（Ｅｎｇｅｌｈａｒｄ  Ｃｏｒｐ．）などにより提供される従来のウォッシュコート処理（ｗａｓｈ  ｃｏａｔｉｎｇ  ｐｒｏｃｅｓｓ）によって下塗りされるものである。ウォッシュコート処理によって、発泡体の全ての表面上に、触媒被覆用の基部を構成する多孔質層が形成される。連続気泡発泡体の一体構造の外部表面ばかりでなく間隙もウォッシュコートされ、さらに触媒化されることが理解されよう。この触媒床は、大きさと重量が最小なので、さらに、車両用には、構成要素の大きさと重量に密接に依存する高速始動性能が必要であるため、この触媒床は、大きさと重量が極めて重要な車両用に、特に適している。小型、軽量の触媒・反応物床は、最小のエネルギー投入で迅速に加熱することができる。
【００１１】
好ましい実施態様では、自熱式の改質装置は、一般に、形状が円柱状であり、円筒形の収納壁から形成されたいくつかの同心室を含む。最も外側の室は、環状であり、燃料・水蒸気流と空気流の少なくとも一方のらせん状導管を備える。別の構成では、最も外側の導管は、触媒床の入口部分に供給される直前に燃料が注入された水蒸気・空気混合物を含む。中央気体流室は、円筒形であり、燃料、水蒸気、空気の気体流が流れる一体構造の連続気泡発泡体触媒床を備える。触媒床は、２つの異なる触媒領域を有し、一方は、少量の燃料気体を炭素を生成せず（ｃａｒｂｏｎ−ｆｒｅｅ）に燃焼させるとともに、燃料気体を自熱式に改質するための入口領域であり、もう一方は、断熱的な改質領域である。環状の中間気体流室は、中心気体流室と最も外側の室との間に位置し、生成する改質された気体流を、中央室から最も外側の室に導く。
【００１２】
燃料・水蒸気混合物である処理気体流に、空気を添加することにより、改質装置の触媒床で、熱が内的に発生する。このように、従来の水蒸気改質装置で必要とされるように、大きな熱移動表面に沿って、改質触媒を行き渡らせる必要がない。連続気泡発泡体一体構造を触媒保持床として使用することで、発泡体触媒保持床の細孔径に依存して、保持床の触媒化された表面積が、少なくとも３倍、増加し得る。また、発泡体保持床は、少なくとも３倍、触媒床の体積を減少させることができるとともに、ペレット化された触媒床に比較していっそう大きな割合で、触媒床の重量を減少させることができる。ペレット化された触媒床は、約４０％の開孔容積を与えるのに対し、発泡体触媒保持床は、８０％を上まわる開孔容積を与える。開孔容積が大きいと、この触媒床を通って、ペレット化された触媒床で達成できるより、いっそう小さな圧力低下が得られる。
【００１３】
水蒸気などの高温気体で触媒床を予熱することにより、あるいは、一体構造全体または入口部分だけを伝導性抵抗一体構造要素で構成することにより、改質装置の始動を、実現することができる。抵抗要素は、自動車用電池などの電源に接続することができ、２０秒間より短い時間で、一体構造を作動温度に到達させることができるものである。
【００１４】
発泡体触媒保持床の利点は、一例として、同等の触媒化された表面積に対し、ペレット化された自熱式の触媒床は、体積が０．００７ｍ3（０．２５ｆｔ3）、重量が約１１ｋｇ（２５ポンド）であり、一方、２０細孔／インチである細孔径を有する発泡体保持床は、体積が０．００２ｍ3（０．０７ｆｔ3）、重量が１．８ｋｇ（４ポンド）未満で形成することができる。より大きな圧力降下が許容され得る場合、３０〜４０細孔／インチの発泡体が、よりいっそう小型で軽量の触媒床を提供するために、使用され得る。このような小型、軽量の燃料処理装置は、自動車用電池からの電気を用いて急速に加熱することができ、従って、車両用に特に望ましい。
【００１５】
本発明の好ましい実施態様では、触媒床は、セラミック発泡体から形成されるものであり、このセラミック発泡体は、アルミナ、アルミン酸カルシウム、ランタン促進アルミナ、などでウォッシュコートされ、その後、ウォッシュコートは、適切な触媒で含浸されるものである。触媒床の入口領域には、酸化鉄触媒が設けられるものであり、この酸化鉄触媒は、米国特許第４，４５１，５７８号に記載されているように、大量の酸素を必要とせずに、供給される気体流の温度を上昇させるように機能し、同時に、炭素の沈積を抑える。改質装置の作動中に改質装置内で燃焼する燃料気体部分の燃焼温度を、より低下させるように、この鉄触媒は、少量の白金、パラジウム、ロジウムなどで促進することができる。米国特許第４，４５１，５７８号に記載されている酸化鉄を含む従来の触媒を有する自熱式の改質装置の場合、予想される燃料の燃焼温度は、５３８〜７０４℃（１，０００〜１，３００°Ｆ）の範囲である。しかしながら、白金、パラジウム、ロジウムなどの貴金属を少量、酸化鉄に添加すると、燃焼温度が、約２６０℃（５００°Ｆ）まで低下し得ることが、見出された。貴金属触媒の添加量は、重量で、約０．０１〜約１．０％の範囲である。通常、添加量は、約０．１％である。より低い燃焼温度が達成されることで、改質装置の迅速な始動が可能となり、これは、改質装置を車両に適用するのに特に望ましい。触媒中の酸化鉄は、米国特許第４，４１５，４８４号に記載されている白金、パラジウム、ロジウムなどに置き換えることができる。
【００１６】
触媒床の入口部分は、酸素と少量の燃料気体とを燃焼させて、触媒床の入口部分の温度を上昇させるように機能する。これによって、気体流の温度は、燃料流が水素含有量の高い気体に大幅に変換される温度に上昇する。酸素の必要量が最小限に抑えられるので、触媒床での炭素の生成を抑制するのに役立つ。その他の炭素の生成を抑制する触媒床構成要素、例えば、酸化カルシウム、酸化ランタン、酸化セリウムのうちの少なくとも１つなども、使用することができる。触媒床の後続の改質領域は、従来のニッケルまたは貴金属の改質触媒、または、ニッケル改質触媒と貴金属改質触媒との組み合わせを備える。
【００１７】
従って、本発明の目的は、小型で軽量の触媒床を含む改良された自熱式の燃料気体処理装置を提供することである。
【００１８】
本発明の別の目的は、迅速な始動を可能とする低い燃料燃焼温度を有するという説明される特徴を備えた燃料気体処理装置を提供することである。
【００１９】
本発明のこれらと他の目的、利点は、添付の図面と併せて、本発明の好ましい実施態様の以下の詳細な説明から、当業者には、より容易に明らかになるであろう。
【００２０】
【発明を実施するための最良の形態】
図面を参照すると、図１には、本発明に従って形成された円柱状の触媒床の斜視図が示されており、この触媒床は、全体が参照番号２により示される。この触媒床２は、連続気泡６の網状構造を形成する巻きひげ４の格子網状構造を含む一体構造の連続気泡発泡体構成要素であり、連続気泡６は、触媒床２内のＸ、Ｙ、Ｚ方向に相互に連結している。触媒床２は、単一の一体構造から、または、互いの上に積層された複数の薄い一体構造から形成され得ることが、理解されるであろう。後者の方法によって、触媒床２の差異のある触媒化（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ  ｃａｔａｌｙｚａｔｉｏｎ）を簡単にできるであろし、さらに、改質装置の作動中に触媒床２に掛かる熱応力を、低減できるであろう。相互に連結した連続気泡６は、触媒床２の端部８から端部１０に、改良された燃料気体混合・分配流路を形成するように機能する。さらに、連続気泡６と巻きひげ４とは、触媒床２に非常に大きな触媒化可能な表面積を提供する。発泡体触媒床２のコアは、アルミニウム、ステンレス鋼、アルミニウム−鋼合金、炭化ケイ素、ニッケル合金、炭素、黒鉛、セラミック、その他の材料などから形成することができる。
【００２１】
触媒床２は、以下の方法で触媒化する。ウォッシュコートされる多孔質のアルミナ下塗りを、触媒化される触媒床２の全ての外部と間隙の表面に塗布する。アルミナウォッシュコートは、触媒床２をウォッシュコート溶液の中に浸漬することにより、または、ウォッシュコート溶液を触媒床２に噴霧することにより、形成することができる。ウォッシュコートされた触媒床２は、次に熱処理し、コア上に大きな表面積で多孔質のアルミナ層を形成する。触媒層を、次に、触媒床２のアルミナ表面に塗布する。必要ならば、アルミナの被覆と触媒化の処理は、同時に行ってもよい。同様の処理を、他のウォッシュコート材料に使用することができるであろう。
【００２２】
図２は、図１の触媒床２を含み全体が参照番号３により示される自熱式改質装置のいくぶん概略的な断面図である。触媒床２は、下部に多孔質の網目スクリーン１４を有し端の開いた円筒状の内部ハウジング１２に収容され、網目スクリーン１４は、触媒床２を保持するとともに、改質気体流を内部ハウジング１２から流出させる。円筒状の中間ハウジング１６が、内部ハウジング１２を取り囲むとともに、触媒床２から気体を流出させるための、内部環状気体流路１８を形成する。円筒状の外部ハウジング２０が、改質装置３の最も外部の壁を形成する。円筒状の外部ハウジング２０は、円筒状の中間ハウジング１６と組み合わさって、改質装置３内に、外部環状気体流路室２２を形成する。改質装置３の下部は、下部環状壁２４により閉じており、改質装置３の上端は上部環状壁２６とマニホールド２８とにより閉じている。内部ハウジング１２は、環状流路１８内の気体流への熱損失を防止するために、断熱することができる。
【００２３】
マニホールド２８は、上部燃料・水蒸気入口室３０と下部空気入口室３２とを含む。入口室３０と入口室３２とは、中に複数の通路３６が形成されたプレート３４により隔離される。同様のプレート３８が、下部空気入口室３２の下部壁を形成する。複数の通路管４０が、２つのプレート３４とプレート３８とを相互に連結し、この通路管４０は、空気を入口室３２から、通路管４０を流れる気体流の中へ流入させる貫通孔４２を含む。空気流と燃料・水蒸気流とは、従って、触媒床２の入口端部８に流入する前に、通路管４０内で混合する。
【００２４】
燃料・水蒸気混合物は、矢印Ａによって示されるように、熱交換管４４を介して改質装置３に流入する。流入する燃料・水蒸気混合物の温度は、約２３２℃（４５０°Ｆ）である。空気流は、矢印Ｂによって示されるように、熱交換管４６を介して改質装置３に流入する。流入する空気流の温度は、燃料・水蒸気流の温度とほぼ同等である。熱交換管４４、４６は、フィン付きの管にすることができるし、または、先に図１に示された発泡体材料に類似した発泡体材料で被覆することができる。フィンや発泡体は、熱交換管４４、４６での気体流への熱移動を向上させるように機能する。
【００２５】
熱交換管４４、４６は、いずれも、流路室２２の端から端まで、円筒状の中間ハウジング１６の周りをらせん状になっているので、以下に、より詳細に説明されるように、熱が、改質装置排気流から空気流および燃料・水蒸気混合物流へ移動する。あるいは、らせん管は、エネルギーを、処理排気気体流から入口流へ移動することができる、他の熱交換装置に置き換えることができるであろう。燃料・水蒸気混合物流は、入口室３０に流入するときまでに、温度が、約４２７℃（８００°Ｆ）〜約５９３℃（１，１００°Ｆ）の範囲の温度に上昇していることになり、空気流は、入口室３２に流入するときまでに、温度が、同じ温度範囲に上昇していることになる。燃料・水蒸気混合物は、通路管４０を介して入口室３０から流出する。空気流Ｂは、貫通孔４２を通って通路管４０に流入し、そこで気体・水蒸気混合物と混合する。従って、適切な空気・水蒸気・燃料混合物が、通路管４０において形成されるものであり、そこから、触媒床２の入口端部８に流入するものである。空気・水蒸気・燃料混合物の温度は、約４２７℃（８００°Ｆ）〜約５９３℃（１，１００°Ｆ）の範囲になるものである。
【００２６】
触媒床２は、最初の入口領域４８と後続の領域５０とを含む、異なる触媒領域に分割されるのが好ましい。入口領域４８は、通常、アルミナでウォッシュコートされ、次に、酸化カルシウム、酸化鉄、および／または白金、パラジウムまたはロジウムまたはこれらの混合物で触媒化され、それによって、流入する燃料・水蒸気・空気混合物の燃焼または部分酸化により、混合物の温度が、約８７１℃（１，６００°Ｆ）〜約１０３８℃（１，９００°Ｆ）に、好ましくは約９６０℃（１，７６０°Ｆ）に、上昇する。
【００２７】
後続の触媒領域５０は、下に位置するアルミナからなるウォッシュコートを備え、その上にニッケルまたは貴金属触媒が位置する。触媒領域５０は、燃料・水蒸気と空気の混合物を、燃料電池電力設備で使用するのに適した水素に富んだ燃料の流れに変換するように機能する。領域５０の発泡体触媒床２のコアは、ステンレス鋼、アルミナ−鋼合金、炭化ケイ素、ニッケル合金、炭素、グラファイト、セラミック、などの材料から形成することができる。触媒床２は、以下の方法で触媒化される。ウォッシュコートされた多孔質のアルミナ下塗りを、触媒化される触媒床２の全ての外部と間隙の表面に塗布する。アルミナウォッシュコートは、触媒床２をウォッシュコート溶液の中に浸漬することにより、または、ウォッシュコート溶液を触媒床２に噴霧することにより、形成することができる。ウォッシュコートされた触媒床２は、次に熱処理し、コア上にアルミナ層を形成する。触媒層を、次に、触媒床２のアルミナ表面に塗布する。必要ならば、アルミナの被覆と触媒化の処理は、同時に行ってもよい。同様の処理を、他のウォッシュコート材料に使用することができるであろう。
【００２８】
改質燃料流は、スクリーン１４を通って触媒床２から約５９３℃（１，１００°Ｆ）〜約７６０℃（１，４００°Ｆ）の温度で流出し、次に、矢印Ｃに従って環状流路１８を通って上向きに流れる。改質装置からの流出気体は、熱を、流入する燃料・水蒸気混合物と流入する空気流のための熱交換管４４、４６に供給するために、環状流路１８を上まで流れる。改質気体は、次に、流路室２２を通って出口通路５２まで流れながら、これらの熱交換管４４、４６に熱を供給し続ける。改質気体流は、出口通路５２を通って改質装置３から約３７１℃（７００°Ｆ）〜約５９３℃（１，１００°Ｆ）の温度で流出し、そこで、さらに冷却され、次に、燃料電池電力設備装置のシフト変成装置に供給される。
【００２９】
図３に示されるように、燃料・水蒸気と空気の移動および混合用の通路管４０は、一般に、マニホールド２８内のプレート３４を通る環状配列として配列される。通路管４０の数は、必要にならば、改質装置３を通る改質燃料の所望の流量、さらには、所望の空気−燃料−水蒸気の混合比、に応じて、変更することができる。
【００３０】
連続気泡発泡体の触媒床構造によって、向上した熱移動、向上した気体流特性、最大の触媒表面積が得られる。本発明の触媒床構造を使用することにより実現される重量と大きさの低減は、移動式の輸送装置などのより小さな用途では、大きさと重量がより小さいので、その用途に使用するのに必要である。さらに、小さな大きさと重量によって、触媒床を作動温度まで迅速に加熱することができるが、これは、大抵の輸送装置の用途で必要とされる高速始動性能の重要な必要条件である。低減された大きさと重量によって、据え付け型の電力設備の組み込みにも有利になるものである。触媒床は、単一の一体構造コアから形成することができ、または、互いの上に積層された複数の円板形状の一体構造コアから形成することができる。上述した型式の一体構造コアは、ノースカロライナ州ヘンダーソンヴィルのポルヴェアドバンストマテリアル社（Ｐｏｒｖａｉｒ  Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌ，Ｉｎｃ．，Ｈｅｎｄｅｒｓｏｎｖｉｌｌｅ，ＮＣ）から入手できる。
【００３１】
本発明の思想から逸脱することなく、本発明の開示した実施態様にさまざまな変更、変形を行うことができるので、特許請求の範囲により請求する以外の発明に限定しようとするものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に従って形成された自熱式または管状の改質装置に使用するのに適合した好ましい形態の連続気泡一体構造の発泡体触媒床の斜視図。
【図２】  本発明に従って形成された自熱式改質装置の軸方向断面図。
【図３】  図２の線３−３に沿った改質装置の断面図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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