(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
キャビティーを有するシェル、及び流体を加熱するように構成されている熱源；少なくとも１つの輻射導管部材；複数の反応器モジュール；及び少なくとも１つの断熱部材を含む、水素リフォーメートを製造するための水蒸気改質器であって、
少なくとも１つの輻射導管部材は、少なくとも部分的にキャビティー内に配置されており、キャビティー内に輻射熱放射表面を与える少なくとも１つの熱放射性材料を含み、ここで少なくとも１つの輻射導管部材は、
キャビティーと流体連絡している第１の端部、
熱源と流体連絡している第２の端部、及び
概して少なくとも１つの輻射導管部材を通って伸びていて、加熱された流体を熱源からキャビティーへ誘導する流路を含み、
複数の反応器モジュールは、少なくとも部分的にキャビティー内に配置されており、加熱された流体によって供給される熱を受容し、かつ、少なくとも１つの輻射導管部材の周囲に配置されており、少なくとも１つの輻射導管部材によって供給される輻射熱を受容し、複数の反応器モジュールのそれぞれが改質触媒床を含み、そして
少なくとも１つの断熱部材は、キャビティー内に配置されており、少なくとも１つの輻射導管部材及び複数の反応器モジュールへ戻される加熱された流体からの輻射熱を反射し、複数の反応器モジュールの形状に合致する半円形に成形された空間を画定し、半円形に成形された空間の数が反応器モジュールの数と合致し、
熱は、加熱された流体がキャビティーへの少なくとも１つの輻射導管部材の流路を横切る際に少なくとも１つの輻射導管部材によって吸収されてキャビティー中に輻射される、
水素リフォーメートを製造するための水蒸気改質器。
【請求項２】
少なくとも１つの熱放射性材料が、金属、磁器、金属合金、ガラス、セラミック、炭化ケイ素、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項１に記載の水蒸気改質器。
【請求項３】
少なくとも１つの熱放射性材料が炭化ケイ素である、請求項２に記載の水蒸気改質器。
【請求項４】
改質触媒床が、水蒸気改質触媒、予備水蒸気改質触媒、酸化触媒、部分酸化触媒、及び水性ガスシフト触媒の少なくとも１つを含む、請求項１に記載の水蒸気改質器。
【請求項５】
複数の反応器モジュールのそれぞれが、金属、金属合金、ガラス、セラミック、炭化ケイ素、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される少なくとも１種類の熱放射性及び輻射熱吸収性材料を更に含む、請求項１に記載の水蒸気改質器。
【請求項６】
シェルの第１の端部が複数の反応器モジュールを受容するように構成されている複数の開口を含む、請求項１に記載の水蒸気改質器。
【請求項７】
キャビティー内に配置される複数の反応器モジュールのそれぞれの部分がキャビティー内に自由懸垂されている、請求項６に記載の水蒸気改質器。
【請求項８】
複数の反応器モジュールのそれぞれがシェルの第１の端部に個別に且つ取り外し自在に取り付けられている、請求項７に記載の水蒸気改質器。
【請求項９】
少なくとも１つの輻射導管部材の長さが複数の改質触媒床の長さと同じかそれより長い、請求項１に記載の水蒸気改質器。
【請求項１０】
少なくとも１つの輻射導管部材の長さが複数の改質触媒床の長さと同じかそれより短い、請求項１に記載の水蒸気改質器。
【請求項１１】
熱源がシェルの第１の端部及びシェルの第２の端部の１つに配置されている、請求項１に記載の水蒸気改質器。
【請求項１２】
少なくとも１つの輻射導管部材及び複数の反応器モジュールに関する加熱された流体が、空気を用いる燃料の燃焼、電気の変換、太陽光線の集束、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される少なくとも１つの方法によって生成される高温ガスを含む、請求項１に記載の水蒸気改質器。
【請求項１３】
（ａ）キャビティー；（ｂ）底部部分；（ｃ）頂部部分；及び（ｄ）少なくとも１つの断熱部材を含む円筒形のシェルを含む、水素リフォーメートを製造するための水蒸気改質器であって、
底部部分（ｂ）は、
（ｉ）キャビティーに供給される流体を加熱するように構成されている熱源、及び
（ｉｉ）両方の端部に開口を含む炭化ケイ素中空導管であって、
導管の第１の端部はキャビティー内に配置され、キャビティーに開口しており、
導管の第２の端部はシェルの底部に取り付けられていて、シェルの外側に開口しており、
熱源は炭化ケイ素中空導管の第２の端部と流体連絡しており、
加熱された流体を熱源からキャビティーへ誘導する炭化ケイ素中空導管
を含み、
頂部部分（ｃ）は、キャビティー中に伸びる複数の円筒形の反応器モジュールを受容して、加熱された流体によって供給される熱を受容するように構成されている複数の開口を含み、
キャビティー内に配置される円筒形の反応器モジュールのそれぞれの部分はキャビティー内に自由懸垂されており、
キャビティー内に配置される円筒形の反応器モジュールのそれぞれの部分は、炭化ケイ素導管の周囲に配置されていて、炭化ケイ素導管によって供給される輻射熱を受容し、
シェルの外側に存在する円筒形の反応器モジュールのそれぞれの部分はシェルの頂部部分に個別に且つ取り外し自在に取り付けられており、かつ、
円筒形の反応器モジュールのそれぞれは少なくとも１つの水蒸気改質触媒を含み、
少なくとも１つの断熱部材（ｄ）は、シェルの内表面と複数の反応器モジュールとの間のキャビティーの周囲に配置されており、
少なくとも１つの断熱部材の複数の反応器モジュールに面する表面は複数の反応器モジュールの形状に合致する半円形に成形された空間を画定し、半円形に成形された空間の数が反応器モジュールの数と合致し、少なくとも１つの断熱部材の複数の反応器モジュールに面する表面は炭化ケイ素導管及び複数の反応器モジュール、並びに複数の反応器モジュールへ戻される加熱された流体からの輻射熱を反射するように成形されている、
水素リフォーメートを製造するための水蒸気改質器。
【請求項１４】
複数の反応器モジュールのそれぞれが、キャビティーを有する熱伝導性シェル、及び少なくとも部分的にキャビティー内に配置されるチューブアセンブリを含み；
チューブアセンブリは：
キャビティー内に配置されていて、熱伝導性シェルによって伝導される熱を受容し、少なくとも１種類の改質触媒を含む、触媒床；
触媒床の少なくとも一部に反応物質流を供給するように構成されている第１のチャネル；
触媒床の少なくとも一部から生成物流を受容するように構成されている第２のチャネル；及び
第１のチャネルの少なくとも一部と第２のチャネルの少なくとも一部との間に介在しており、それを通して生成物流の少なくとも一部と反応物質流の少なくとも一部との間で熱を交換する、隔壁；
を含み、
熱交換はキャビティー内で実質的に行われ、そして
反応物質流の少なくとも一部は、反応物質流の少なくとも一部が加熱された少なくとも１つの改質触媒の少なくとも一部と相互作用すると生成物流に転化される、
請求項１〜１３のいずれか一項に記載の水蒸気改質器。
【請求項１５】
第１のチャネルを通過する反応物質流の少なくとも一部は、第２のチャネルを通過する生成物流の少なくとも一部に対して対向流である、請求項１４に記載の水蒸気改質器。
【請求項１６】
第１のチャネルの少なくとも一部が第２のチャネルの少なくとも一部の中に配置される、請求項１４に記載の水蒸気改質器。
【請求項１７】
隔壁が熱伝導性材料を含む、請求項１４に記載の水蒸気改質器。
【請求項１８】
第１のチャンネルは、第１の端部、第２の端部、及び概して第１のチューブの第１の端部と第２の端部との間に伸びる流路を有する第１のチューブを含み；そして
第２のチャネルは、第１の端部、第２の端部、及び概して第２のチューブの第１の端部と第２の端部との間に伸びる流路を有する第２のチューブと、第１の端部、第２の端部、及び概して第３のチューブの第１の端部と第２の端部との間に伸びる流路を有する第３のチューブとを含み；
第１のチューブの少なくとも一部は第３のチューブの流路の少なくとも一部の中に配置されており；
第１のチューブは第１のチューブの第２の端部において触媒床と流体連絡しており；
第２のチューブは第２のチューブの第１の端部において触媒床と流体連絡しており；そして
第３のチューブは第３のチューブの第１の端部において第２のチューブの第２の端部と流体連絡している、請求項１４に記載の水蒸気改質器。
【請求項１９】
触媒床がシェルとチューブアセンブリとの間に配置されている、請求項１８に記載の水蒸気改質器。
【請求項２０】
第１のチューブが少なくとも部分的に第２のチューブの流路内に配置されており、第２のチューブが少なくとも部分的に第３のチューブの流路内に配置されている、請求項１８に記載の水蒸気改質器。
【請求項２１】
第１のチューブの第１の端部が反応物質導入口を含み、第３のチューブの第２の端部が生成物排出口を含む、請求項１８に記載の水蒸気改質器。
【請求項２２】
第１のチューブ、第２のチューブ、及び第３のチューブの少なくとも１つが熱伝導性材料で構成されている、請求項１８に記載の水蒸気改質器。
【請求項２３】
第１のチューブ、第２のチューブ、及び第３のチューブが熱伝導性材料で構成されている、請求項１８に記載の水蒸気改質器。
【請求項２４】
それぞれの反応器モジュールが、
生成物排出口を含む第１の端部、第２の端部、及び概して第１の流体導管の第１の端部と第２の端部との間に伸びている流路を有する第１の流体導管、ここで、第１の流体導管の流路の少なくとも一部は少なくとも１つの改質触媒を含む；
第１の端部、第２の端部、及び概して第２の流体導管の第１の端部と第２の端部との間に伸びる流路を有する第２の流体導管；
第１の端部、第２の端部、及び概して第３の流体導管の第１の端部と第２の端部との間に伸びる流路を有する第３の流体導管；及び
反応物質導入口を含む第１の端部、第２の端部、及び概して第４の流体導管の第１の端部と第２の端部との間に伸びる流路を有する第４の流体導管；
を含み；
第１及び第４の流体導管の第２の端部は、流体流が第４の流体導管を通して少なくとも１つの改質触媒に送られるのを可能にするように流体接続されており；
少なくとも１つの改質触媒は、流体流が少なくとも１つの改質触媒から第２の流体導管へ送られるのを可能にするように第２の流体導管の第１の端部に流体接続されており；
第３及び第２の流体導管の第２の端部は、流体流が第２の流体導管から第３の流体導管へ送られるのを可能にするように流体接続されており；
第１及び第３の流体導管の第１の端部は、流体流が第３の流体導管から第１の流体導管へ送られるのを可能にするように流体接続されており；
第４の流体導管は、少なくとも部分的に第３の流体導管の流路内に配置されており；
第３の流体導管は、少なくとも部分的に第２の流体導管の流路内に配置されており；そして
第２の流体導管は、少なくとも部分的に第１の流体導管の流路内に配置されている、
請求項１〜１３のいずれか一項に記載の水蒸気改質器。
【請求項２５】
熱源を用いて流体を加熱し；
加熱された流体を、少なくとも１つの輻射導管部材を通してキャビティーに送って複数の反応器モジュールを加熱し；
複数の反応器モジュール内において反応物質流の少なくとも一部を水素リフォーメートに改質する；
ことを含む、請求項１に記載の水蒸気改質器を用いて水素リフォーメートを製造する方法。
【請求項２６】
少なくとも１つの輻射導管部材を加熱し；そして
熱を少なくとも１つの導管部材から複数の反応器モジュールへ輻射させる；
工程を更に含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
熱源を用いて流体を加熱し；
加熱された流体を用いて少なくとも１つの輻射導管部材を加熱し；
少なくとも１つの導管部材から複数の反応器モジュールへ熱を輻射させ；そして
複数の反応器モジュール内において反応物質流の少なくとも一部を水素リフォーメートに改質する；
ことを含む、請求項１に記載の水蒸気改質器を用いて水素リフォーメートを製造する方法。
【請求項２８】
加熱された流体を、少なくとも１つの輻射導管部材を通してキャビティーに送って複数の反応器モジュールを加熱する工程を更に含む、請求項２７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[001]本出願は、２０１２年６月１４日出願の米国仮出願６１／６５９，８９８（参照として本明細書中に包含する）の利益を主張する。
【０００２】
[002]本発明は、水素リフォーメートを製造するための水蒸気改質器、水蒸気改質器において用いるための反応器モジュール、及び改質器又はモジュールを用いて水素リフォーメートを製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
[003]水蒸気改質は、メタンのような炭化水素から水素を製造するための方法である。水蒸気改質の基本的な化学反応は、炭化水素と水との温度駆動反応を用いて、主として水素、水、一酸化炭素、及び二酸化炭素、並びにアンモニア合成のための窒素の混合物である「合成ガス」を生成させる。この合成ガスは、時にはより一般的に「リフォーメート」と呼ばれ、これにおいては窒素がごく微量の１つの構成要素であってよい。
【０００４】
[004]「水蒸気改質器」又は「バーナー／改質器アセンブリ」には２つの流れの領域を含ませることができる。第１の領域は、例えば燃料及び酸素の燃焼によって生成する高温のガスから熱エネルギーを与えることができ、「バーナー区域」と呼ばれる。第２の領域は、燃料と水蒸気との間の吸熱水蒸気改質反応を可能にし、「改質区域」、「改質器モジュール」、又は「改質チューブ」と呼ばれる。これらの２つの流れの領域は、通常は熱交換境界によって物理的に分離されている。
【０００５】
[005]水蒸気改質における１つの課題は、反応を所望の反応温度に維持するのに十分なエネルギーを、熱交換境界を通して伝達させることである。反応温度は、炭化水素転化平衡及び反応速度に影響を与える。改質区域内のより高い反応温度は、より低い熱伝達抵抗、より高い炭化水素転化率、及びリフォーメート中に残留する残留炭化水素のより低い量に対応する。この反応は、例えばニッケル、貴金属のような材料、又は特別な促進剤を含む他の材料を含む触媒を用いることによって促進させることができる。
【０００６】
[006]しかしながら、より高い反応温度は、熱交換境界及び／又は触媒の金属部品における厳しい熱ストレス、腐食、クリープ、及び材料疲労を引き起こす可能性がある。反対に、改質区域内の低い反応温度は、金属応力、腐食、クリープ、及び材料疲労を減少させ、より低い炭化水素転化率を引き起こす可能性がある。リフォーメート中の炭化水素のより多い量は、引き続く水素分離段階において困難性の原因となる可能性がある。更に、リフォーメート中により多い炭化水素が残留すると、水蒸気改質器システムの効率がより低くなる。このことは、水素のより高いコスト、及び製造される水素の単位あたりの二酸化炭素（温室効果ガス）のより高いレベルにつながる。
【０００７】
[007]大型の工業用水蒸気改質器は、しばしば、「高温ガス衝突」スタイルのバーナーモジュールで取り囲まれた複数の改質器チューブを熱交換境界として用いる。バーナーの燃料−空気混合物は、改質器チューブに直接向かうか、それに沿うか、又は頂部及び／又は底部から改質器チューブに平行のチューブの周囲の空間内で燃焼させることができる。
【０００８】
[008]かかる水蒸気改質器の改質区域は、しばしば、高い温度（＞８５０℃）及び圧力（約３０ｂａｒ程度の高さ）において運転し、チューブの耐用期間を伸ばすために僅かな始動−停止サイクルしか用いないで連続的に運転する。反応器チューブの長さに沿った温度プロファイルを制御するために、大型の工業用改質器は、時には、単一のバーナーを用いる場合には通常は避けられない高い局所温度を回避するために、改質器チューブに沿って複数のバーナーヘッドを用いる。
【０００９】
[009]集中型改質プラントの建設の大きなコストのために、水素経済の多くの経済学的研究において、例えば電化製品又は他の機器において用いるためのより小型の分散型水素製造の潜在的な有利性が注目されている。多くの用途に関して、水素需要量は間欠的であると思われる（非限定的な例としては、燃料電池集合体又はＣＮＧ／Ｈ２を利用できる車両に供給する水素補給ステーションから、住宅スケールの水素補給機器、商業的水素機器、リフォーメート製造機器、熱電併給（ＣＨＰ）機器、及び熱電水素併給（ＣＨＨＰ）機器までが挙げられる）。効率的に運転するためには、これらの水素製造機器は、それらの性能及び構造的完全性を維持しながら何度も始動及び停止されなければならない。小型の改質器は、一般に、費用、空間要求、及び多段燃焼の複雑さを受け入れることができず、しばしば、改質反応に熱を供給するために単段階のその場での燃焼を用いる。しかしながら、単段燃焼はしばしば、改質器チューブ上の局所的な高温をもたらす。頻繁な始動−停止サイクル及び温度逸脱によって、改質器の部品が激しい温度勾配及び温度変動（これらはいずれも高い熱ストレスを引き起こす）に繰り返し曝され、比較的短い時間で不具合を誘発する可能性がある。更に、熱伝達有効性は、それらの降下する温度のせいで燃焼生成物の流動方向に沿って減少する（即ち、熱伝達理論によって、熱流束の輻射成分は温度の４乗に相当すると定められる）。
【発明の概要】
【００１０】
[010]従来技術の水蒸気改質器とは対照的に、本発明は、概して熱交換境界に沿った、且つ優先的に流れの方向における輻射及び対流熱伝達を促進するように少なくとも１つのバーナー区域が設計及び構成されている、コスト効率の良い（減少した資本コスト、増加した効率、及び増大した寿命）の水蒸気改質器構造を提供する。本明細書において開示する水蒸気改質器は、従来のシステムのこれら及び他の制限を克服することを目的とするものである。したがって、本発明の目的は水素リフォーメートを製造するための水蒸気改質器を提供することである。水蒸気改質器には、キャビティーを有するシェル、及びキャビティーに供給される流体を加熱するように構成されている少なくとも１つの熱源を含ませることができる。シェルには、熱放射性材料で構成され、概してそれを通って伸びる流路を有する少なくとも１つの導管部材を含ませることができる。幾つかの態様においては、流路は、加熱された流体を熱源からキャビティーへ誘導する。他の態様においては、導管部材は、少なくとも部分的にキャビティー内に配置される輻射及び／又は放射導管部材である。更に他の態様においては、少なくとも１つの導管部材の第１の端部はキャビティーと流体連絡させることができ、導管の第２の端部は少なくとも１つの熱源と流体連絡させることができる。他の態様においては、導管部材は、キャビティー内に輻射熱放射表面を与える熱放射性材料で構成する。
【００１１】
[011]シェルにはまた、加熱された流体によって供給される熱を受容するために少なくとも部分的にキャビティー内に配置され、導管部材によって供給される輻射熱を受容するために少なくとも１つの導管部材の周囲に配置される少なくとも１つの反応器モジュールを含ませることもできる。幾つかの態様においては、少なくとも１つの反応器モジュールの少なくとも１つに少なくとも１つの改質触媒を含ませることができる。幾つかの態様においては、シェルには場合によって、キャビティーの周囲に配置される少なくとも１つの断熱部材を含ませることができる。幾つかの態様においては、熱は、加熱された流体がキャビティーへの少なくとも１つの輻射導管部材の流路を横切る際に、少なくとも１つの輻射導管部材によって吸収されてキャビティー中に輻射される。
【００１２】
[012]シェルには更に、少なくとも１つの導管部材の第１の端部の周囲に配置される少なくとも１つのデフレクターを含ませることができる。幾つかの態様においては、少なくとも１つのデフレクターは、少なくとも１つの導管部材の第１の端部と少なくとも１つの反応器モジュールとの間に介在させることができる。
【００１３】
[013]したがって、本発明の他の目的は、円筒形であってよく、キャビティー、底部部分、頂部部分、及び断熱部材を含むシェルを含む、水素リフォーメートを製造するための水蒸気改質器を提供することである。底部部分には、一態様においてはキャビティーに供給される流体を加熱するように構成されている熱源、及び両方の端部に開口を含む炭化ケイ素中空導管を含む開口を含ませることができる。炭化ケイ素中空導管の第１の端部はキャビティー内に配置することができ、キャビティーに開口しており、炭化ケイ素中空導管の第２の端部はシェル底部に取り付けることができ、シェルの外側に開口している。幾つかの態様においては、少なくとも１つの熱源は導管の第２の端部と流体連絡させることができ、炭化ケイ素中空導管は加熱された流体を熱源からキャビティーへ誘導することができる。本明細書において用いる中空とは、内部が空で、炭化ケイ素中空導管に、第１の端部の中空の内部、及び炭化ケイ素中空導管の第２の端部の流体連絡による熱源からシェルキャビティーへの流路を含ませることができるようになっていることを意味すると理解される。他の態様においては、炭化ケイ素中空導管には、炭化ケイ素中空導管の中空内部表面又は伸びている表面上に表面被覆を含ませることができる。
【００１４】
[014]円筒形のシェルの頂部部分には、キャビティー中に伸びていて加熱された流体によって供給される熱を受容する円筒形の反応器モジュールを受容するように構成されている少なくとも１つの開口を含ませることができる。幾つかの態様においては、円筒形の反応器モジュールに少なくとも１つの改質触媒を含ませることができる。
【００１５】
[015]幾つかの態様においては、キャビティー内に配置される少なくとも１つの反応器モジュールの部分は、キャビティーに取り付けないでキャビティー内に自由懸垂させることができる。他の態様においては、キャビティー内に配置される反応器モジュールの部分は、導管によって供給される輻射熱を受容するように炭化ケイ素中空導管の周囲に配置することができる。更に他の態様においては、少なくとも１つの円筒形の反応器モジュールと炭化ケイ素中空導管との間の空間は、断熱材、充填材、又は少なくとも１つの反応器モジュールを導管から熱的に分離するように設計されている他の材料を含まないようにすることができる。幾つかの態様においては、円筒形のシェルの外側に存在する少なくとも１つの反応器モジュールの部分は、円筒形のシェルの頂部部分に個別か又は取り外し自在に取り付けることができる。他の態様においては、円筒形のシェルの外側に存在する少なくとも１つの反応器モジュールの部分は、円筒形のシェルの底部部分に個別か又は取り外し自在に取り付けることができる。幾つかの態様においては、これによって、１以上の反応器モジュールの個別の挿入、取り外し、及び／又は交換を可能にすることができる。
【００１６】
[016]幾つかの態様においては、水蒸気改質器には、シェルの内表面と反応器モジュールとの間のキャビティーの周囲に配置される断熱部材を含ませることができる。一態様においては、反応器モジュールに面する断熱部材の表面は、輻射導管部材及び反応器モジュール並びに加熱された流体からの輻射熱を反射して反応器モジュールに戻すように形成することができる。
【００１７】
[017]シェルには更に、少なくとも１つの断熱部材の周囲に配置される少なくとも１つの反射器を含ませることができる。幾つかの態様においては、少なくとも１つの反射器は、少なくとも１つの断熱部材と少なくとも１つの反応器モジュールとの間に介在させることができる。
【００１８】
[018]したがって、本発明の更に他の目的は、上記に開示した水蒸気改質器の熱源を用いて流体を加熱し；少なくとも１つの輻射導管部材を通して加熱された流体をキャビティーに送って反応器モジュールを加熱し；そして、反応器モジュール内において反応物質の少なくとも一部を水素リフォーメートに改質する；ことを含む水素の製造方法を提供する。幾つかの態様においては、この方法に、熱源を用いて上記に開示した水蒸気改質器の導管部材を加熱し、そして熱を少なくとも１つの導管部材から反応器モジュールへ輻射させることを含ませることができる。
【００１９】
[019]他の態様においては、この方法は、熱源を用いて流体を加熱し、加熱された流体を用いて少なくとも１つの輻射導管部材を加熱し、熱を少なくとも１つの導管部材から反応器モジュールへ輻射させ、そして反応器モジュール内において反応物質流の少なくとも一部を水素リフォーメートに改質することを含む。
【００２０】
[020]本発明の更なる目的は、反応器モジュールを提供することである。幾つかの態様においては、反応器モジュールには、キャビティーを有する熱伝導性シェル、及び少なくとも部分的にキャビティー内に配置されるチューブアセンブリを含ませることができる。幾つかの態様においては、チューブアセンブリには、キャビティー内に配置され、熱伝導性シェルによって伝導される熱を受容する、少なくとも１種類の改質触媒を含む少なくとも１つの触媒床を含ませることができる。他の態様においては、改質触媒には、水蒸気改質触媒、予備水蒸気改質触媒、酸化触媒、部分酸化触媒、及び水性ガスシフト触媒の少なくとも１つを含ませることができる。改質触媒は、例えば、金属、金属合金、及び／又はセラミック担体上の、フォーム、モノリス、球状体、錠剤、円筒体、星型体、三つ葉形体、四つ葉形体、ペレット、顆粒、ハニカム、立方体、プレート、フェルト、粒子、粉末、構造化フォーム、網状フォーム、フォームペレット／チップ／ディスク、及びこれらの組み合わせなどの任意の形態又は構造及び任意の適当な寸法であってよい。幾つかの態様においては、改質触媒は、触媒熱変換器、金属又は金属合金担体の中に配置するか又はその上に被覆するか、或いは上記の任意のものの中又はその上のカーボンナノチューブ上に配置するか又はその上に被覆することができる。
【００２１】
[021]更に他の態様においては、チューブアセンブリにはまた、少なくとも１つの反応物質流を少なくとも１つの触媒床の少なくとも一部に供給するように構成されている少なくとも１つの第１のチャネル、及び少なくとも１つの触媒床の少なくとも一部から少なくとも１つの生成物流を与えるように構成されている少なくとも１つの第２のチャネルを含ませることもできる。幾つかの態様においては、チューブアセンブリにはまた、少なくとも１つの第１のチャネルの少なくとも一部と少なくとも１つの第２のチャネルの少なくとも一部との間に介在する少なくとも１つの隔壁を含ませることもできる。幾つかの態様においては、少なくとも１つの隔壁を通して、生成物流の少なくとも一部と反応物質流の少なくとも一部との間で熱を交換することができる。幾つかの態様においては、かかる熱交換は実質的にキャビティー内で行う。他の態様においては、反応物質流の少なくとも一部が少なくとも１つの改質触媒の少なくとも一部と相互作用すると、反応物質流の少なくとも一部が少なくとも１つの生成物流に転化する。
【００２２】
[022]他の態様においては、反応器モジュールには、生成物排出口を含む第１の端部、第２の端部、及び概して第１の流体導管の第１の端部と第２の端部との間に伸びる流路を有し、第１の流体導管の流路の少なくとも一部は少なくとも１つの改質触媒を含む第１の流体導管；第１の端部、第２の端部、及び概して第２の流体導管の第１の端部と第２の端部との間に伸びる流路を有する第２の流体導管；第１の端部、第２の端部、及び概して第３の流体導管の第１の端部と第２の端部との間に伸びる流路を有する第３の流体導管；並びに、反応物質導入口を含む第１の端部、第２の端部、及び概して第４の流体導管の第１の端部と第２の端部との間に伸びる流路を有する第４の流体導管；を含ませることができる。幾つかの態様においては、第１及び第４の流体導管の第２の端部を流体接続することができ、第３及び第２の流体導管の第２の端部を流体接続することができ、第４及び第３の流体導管の第１の端部を流体接続することができる。幾つかの態様においては、第４の流体導管の流路の少なくとも一部は少なくとも１つの改質触媒を含む。
【００２３】
[023]他の態様においては、第１の流体導管は少なくとも部分的に第２の流体導管の流路内に配置することができ、第２の流体導管は少なくとも部分的に第３の流体導管の流路内に配置することができ、第３の流体導管は少なくとも部分的に第４の流体導管の流路内に配置することができる。
【００２４】
[024]更に他の態様においては、第１の流体導管の第１の端部に反応物質導入口を含ませることができる。他の態様においては、第２の流体導管の第１の端部は生成物排出口を含む。
【００２５】
[025]本発明の更なる目的及び有利性を部分的に下記の説明において示し、部分的にはこれらは記載から明らかになり、或いは本発明の実施によって知得することができる。本発明の目的及び有利性は、特許請求の範囲において特に示す部材及び組み合わせによって認識及び達成されるであろう。
【００２６】
[026]上記の概説及び下記の詳細な説明はいずれも例示及び説明のみのものであり、特許請求されている発明を限定するものではないことを理解すべきである。
【００２７】
[027]本明細書中に含まれ、その一部を構成する添付の図面は、本発明の幾つかの態様を示し、記載と一緒になって本発明の原理を説明するように働く。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】[028]図１は、本発明の水蒸気改質器の一態様の断面内部図を示す。
【図２】[029]図２は、本発明の水蒸気改質器の一態様の断面内部図を示す。
【図３】[030]図３は、本発明の水蒸気改質器のシェルの第１の端部を示す。
【図４】[031]図４は、本発明の断熱部材の一態様を示す。
【図５】[032]図５は、本発明の水蒸気改質器の一態様の断面内部図を示す。
【図６】[033]図６は、本発明の反応器モジュールの断面内部図を示す。
【図７】[034]図７は、少なくとも１つのデフレクターを更に含む本発明の水蒸気改質器の一態様を示す。
【図８】[035]図８は、少なくとも１つのデフレクター及び少なくとも１つの反射器を更に含む本発明の水蒸気改質器の一態様の断面内部図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
[036]図１は本発明の一態様を示す。水蒸気改質器１にはシェル１０を含ませることができ、シェル１０の一部又は全部は、金属、セラミック、高温ポリマーなどで構成することができる。種々の製造方法を用いてシェル１０を製造することができる。例えば、製造には、金属パイプ、圧延金属シート、溶接金属プレート、又は当該技術において公知の他の方法を含ませることができる。シェル１０は、円筒形、円形、長方形、長円形、楕円形、正方形、長方形、又は他の幾何形状に成形することができ、その断面形状はそれらの長さに沿って変化させることができる。
【００３０】
[037]水蒸気改質器１には、シェル１０内に含まれるキャビティー２０に供給される流体を加熱するように構成されている熱源３０を含ませることができる。熱源３０は、燃料の燃焼、電気の熱への変換、太陽エネルギーの使用、又はこれらの組み合わせのような当該技術において公知の任意の手段によって高温のガスを生成させることができる。一態様においては、熱源３０は高温熱源である。幾つかの態様においては、熱源３０は、図１に示されるようにシェル１０の第２の端部の付近に配置することができる。他の態様においては、熱源３０は、シェル１０のいずれかの端部に、又は水蒸気改質器１から離隔して配置することができる。
【００３１】
[038]水蒸気改質器１にはまた、第１の端部４２、第２の端部４４、及び概して第１の端部４２と第２の端部４４との間に伸びる流路４６を含む導管部材４０を含ませることもできる。導管部材４０としては、円筒形のチューブ、パイプ、又は任意の他の構造体を挙げることができる。導管部材４０は、円形、長方形、長円形、楕円形、又は他の幾何形状であってよく、その断面形状はそれらの長さに沿って変化させることができる。幾つかの態様においては、導管部材４０の寸法及び形状をその長さに沿って変化させて、流路、及び輻射熱伝達に曝される熱交換境界の形状（例えば流積）を変化させることができる。幾つかの態様においては、第２の端部４４は入口として流体を受容することができ、４４の第１の端部４２はキャビティー２０中への出口として流体を排出することができる。
【００３２】
[039]一態様においては、導管４０は熱をキャビティー２０中に輻射するように構成される。例えば幾つかの態様においては、（１）構成材料は、導管部材４０内の熱勾配（表面温度分布及び関連する輻射熱の放射に影響を与える）に影響を与えるように（例えば熱伝導率及び／又は放射率に基づいて）選択することができ；及び／又は（２）導管部材４０の形状及び表面特性（例えば、粗さ、テクスチャー、外形、又は放射増大性又は減少性被覆）を変化させて、局所的な輻射熱流束の強度及び／又は指向性を増大又は減少させることができる。導管４０は、金属、金属合金、及びガラス、磁器、セラミック、炭化ケイ素のような無機材料、並びにこれらの組み合わせで構成し、当該技術において公知の方法によって製造することができる。導管部材４０としては、熱サイクル、高温、及び熱衝撃下で強固であり、好ましい熱伝達特性を有する材料を挙げることができる。幾つかの態様においては、導管部材４０は、金属、金属合金、磁器、ガラス、セラミック、炭化ケイ素、これらの組み合わせから選択される少なくとも１種類の熱放射性材料で構成することができる。金属の非限定的な例としては、タングステン、ニッケル、クロム、鉄、アルミニウム、及びステンレススチールが挙げられる。金属合金の非限定的な例としては、ニッケル、鉄、コバルト、クロム、モリブデン、タングステン、ケイ素、マンガン、アルミニウム、炭素の少なくとも１つ、及びこれらの混合物又は組み合わせを含む合金が挙げられる。
【００３３】
[040]一態様においては、金属合金は、５７％のニッケル、３％以下の鉄、５％以下のコバルト、２２％のクロム、２％のモリブデン、１４％のタングステン、０．４％のケイ素、０．５％のマンガン、０．３％のアルミニウム、０．１０％の炭素、０．０１５％のホウ素、及び０．０１％のランタンを含み、例えばHaynes 230（登録商標）として販売されている。他の態様においては、金属合金は、７５％のニッケル、３％の鉄、２％以下のクロム、１６％のコバルト、０．２％以下のケイ素、０．５％以下のマンガン、４．５％のアルミニウム、０．０４％の炭素、０．０１％のイットリウム、及び０．１％以下のジルコニウムを含み、例えばHaynes 214（登録商標）として販売されている。更に他の態様においては、金属合金は、２０％のニッケル、３１％の鉄、１８％のクロム、２２％のコバルト、３％のモリブデン、２．５％のタングステン、０．４％のケイ素、１％のマンガン、０．２％のアルミニウム、０．１０％の炭素、０．２％の窒素、０．６％のタンタル、０．０２％のランタン、及び０．０１％のジルコニウムを含み、例えばHaynes 556（登録商標）として販売されている。更に他の態様においては、金属合金は、１１％のニッケル、６５％の鉄、２１％のクロム、０．８％以下のマンガン、１．７％のケイ素、０．１７％の窒素、０．０７％の炭素を含み、例えば253MA（登録商標）として販売されている。幾つかの態様においては、金属合金は、３３％の鉄、３７％のニッケル、３％以下のコバルト、２５％のクロム、２．５％以下のモリブデン、２．５％以下のニオブ、０．７％のマンガン、０．７％のケイ素、０．６％のケイ素、０．２０％の窒素、％のアルミニウム、０．０５％の炭素、及び０．００４％のホウ素を含み、例えばHaynes HR-120（登録商標）として販売されている。他の態様においては、金属合金は、３７％のニッケル、２９％のコバルト、２８％のクロム、２％以下の鉄、２．７５％のケイ素、０．５％のマンガン、０．５％のチタン、０．０５％の炭素、１％以下のタングステン、１％以下のモリブデン、及び１％以下のニオブを含み、例えばHaynes HR-160（登録商標）合金として販売されている。他の態様においては、少なくとも１つの熱放射性材料は炭化ケイ素であってよい。
【００３４】
[041]一態様においては、導管部材４０は固体チューブで構成される。本明細書において用いる固体とは、気体流に対して非透過性であって、固体チューブで構成される導管部材４０に侵入した加熱された流体が、流路４６及び第２の端部４４を横切ることによってキャビティー２０のみに流入することができることを意味する。
【００３５】
[042]幾つかの態様においては、導管部材４０の第２の端部４４は、熱源３０と流体連絡させることができる。更に他の態様においては、導管部材４０の第１の端部４２もキャビティー２０と流体連絡させることができる。導管部材４０は、熱源３０からの流入を受容する第２の端部４４において周縁を封止して、流体のバイパスを阻止し、即ち、流体が第１の端部４２を通過しない流路を通って導管４０の内側から導管４０の外側へ流れるのを阻止することができる。
【００３６】
[043]対流は、流体（即ち、液体、気体）及びレイド内の分子の集合体の協調した集合的な運動である。対流熱伝達は、伝達境界の表面上での流体分子の運動による熱の伝達である。対流熱伝達は固体材料を通しては起こらない。固体、液体、又は停滞ガスを通して起こる熱伝達は、伝導熱伝達と呼ばれる。他のタイプの熱伝達である熱輻射は、物質中の荷電粒子の熱運動によって生成する電磁輻射である。而して、高温の固体材料は、輻射熱伝達によって物理的接触を行うことなく他の固体材料を加熱することができる。
【００３７】
[044]幾つかの態様においては、熱源３０から導管部材４０を通ってキャビティー２０中への加熱された流体の流れによって、熱を熱源３０からキャビティー２０へ対流伝達させることができる。導管部材４０に、流体、例えば燃料、酸化剤、不活性物質、及び熱源３０からの燃焼生成物の組み合わせの流れを含ませ、且つ流すことができ、これにより導管部材４０を加熱する。次に、熱を、導管部材４０と境界を接する領域に対流及び輻射によって伝達させることができる。而して、非常に高い表面温度を有する可能性がある導管部材４０を、輻射熱源として作用させることができる。このように、導管部材４０の相当部分によって、熱を周囲の表面に放射状に放射させることができる。而して幾つかの態様においては、固体輻射導管部材の表面はキャビティー内の熱受容表面と高温流体連絡していて、同時に反応器モジュール及び断熱部材の周囲表面へ輻射エネルギーを放射する。幾つかの態様においては、輻射導管部材の長さは、キャビティー内の反応器モジュールの長さに近接させることができる。輻射導管部材の長さは、輻射熱伝達に影響を与える可能性がある。
【００３８】
[045]水蒸気改質器１にはまた、反応物質流を水素リフォーメート流に接触転化させるための少なくとも１つの反応器モジュール５０を含ませることもできる。幾つかの態様においては、キャビティー内に配置される反応器モジュールの部分を輻射導管部材の周囲に配置して、固体輻射導管部材の輻射表面によって供給される輻射熱を受容することができる。反応器モジュール５０には、円筒形のチューブ、パイプ、又は任意の他の構造体を含ませることができる。反応器モジュール５０は、円形、長方形、長円形、楕円形、又は他の幾何形状であってよく、その断面形状はそれらの長さに沿って変化させることができる。幾つかの態様においては、反応器モジュール５０の寸法及び形状をその長さに沿って変化させて、流路、及び輻射熱伝達に曝される熱交換境界の形状（例えば流積）を変化させることができる。
【００３９】
[046]反応器モジュール５０は、少なくとも１種類の熱伝導性材料で構成することができる。例えば幾つかの態様においては、反応器モジュール５０は、金属、金属合金、磁器、ガラス、セラミック、炭化ケイ素、及びこれらの組み合わせから選択される、少なくとも１種類の熱伝導性で輻射熱放射性及び／又は吸収性の材料で構成することができる。幾つかの態様においては、改質器５０は高温合金で構成することができ、切断、溶接、注型、又は当該技術において公知の任意の他の方法によって形成することができる。金属の非限定的な例としては、タングステン、ニッケル、クロム、鉄、アルミニウム、ステンレススチール、及びこれらの混合物又は組み合わせが挙げられる。金属合金の非限定的な例としては、ニッケル、鉄、コバルト、クロム、モリブデン、タングステン、ケイ素、マンガン、アルミニウム、炭素、及びこれらの混合物又は組み合わせの少なくとも１つを含む合金が挙げられる。
【００４０】
[047]本発明の一態様においては、金属合金は、５７％のニッケル、３％以下の鉄、５％以下のコバルト、２２％のクロム、２％のモリブデン、１４％のタングステン、０．４％のケイ素、０．５％のマンガン、０．３％のアルミニウム、０．１０％の炭素、０．０１５％のホウ素、及び０．０１％のランタンを含み、例えばHaynes 230（登録商標）として販売されている。他の態様においては、金属合金は、７５％のニッケル、３％の鉄、２％以下のクロム、１６％のコバルト、０．２％以下のケイ素、０．５％以下のマンガン、４．５％のアルミニウム、０．０４％の炭素、０．０１％のイットリウム、及び０．１％以下のジルコニウムを含み、例えばHaynes 214（登録商標）として販売されている。更に他の態様においては、金属合金は、２０％のニッケル、３１％の鉄、１８％のクロム、２２％のコバルト、３％のモリブデン、２．５％のタングステン、０．４％のケイ素、１％のマンガン、０．２％のアルミニウム、０．１０％の炭素、０．２％の窒素、０．６％のタンタル、０．０２％のランタン、及び０．０１％のジルコニウムを含み、例えばHaynes 556（登録商標）として販売されている。更に他の態様においては、金属合金は、１１％のニッケル、６５％の鉄、２１％のクロム、０．８％以下のマンガン、１．７％のケイ素、０．１７％の窒素、０．０７％の炭素を含み、例えば253MA（登録商標）として販売されている。幾つかの態様においては、金属合金は、３３％の鉄、３７％のニッケル、３％以下のコバルト、２５％のクロム、２．５％以下のモリブデン、２．５％以下のニオブ、０．７％のマンガン、０．７％のケイ素、０．６％のケイ素、０．２０％の窒素、％のアルミニウム、０．０５％の炭素、及び０．００４％のホウ素を含み、例えばHaynes HR-120（登録商標）として販売されている。他の態様においては、金属合金は、３７％のニッケル、２９％のコバルト、２８％のクロム、２％以下の鉄、２．７５％のケイ素、０．５％のマンガン、０．５％のチタン、０．０５％の炭素、１％以下のタングステン、１％以下のモリブデン、及び１％以下のニオブを含み、例えばHaynes HR-160（登録商標）合金として販売されている。反応器モジュールには、輻射導管部材の表面からの輻射エネルギーを受容する高吸収性表面を含ませることができる。
【００４１】
[048]幾つかの態様においては、導管部材４０の長さは反応器モジュール５０の長さ以下にすることができ、これは輻射熱伝達に影響を与える可能性がある。他の態様においては、導管部材４０の長さは反応器モジュール５０の長さより大きくすることができる。この態様においては、輻射熱伝達の制御因子は導管部材４０の表面積の不足である可能性がある。更に他の態様においては、反応器モジュール５０に、水蒸気メタン改質触媒、予備水蒸気改質、酸化、部分酸化、又は水性ガスシフト触媒のような少なくとも１種類の改質触媒を含ませることができる。改質触媒は、全体的又は部分的に、顆粒、ペレット化触媒媒体のような上記で議論した任意の形態で触媒床に充填することができ、触媒床中に挿入するフォームのような担体材料上に被覆することができる。幾つかの態様においては、改質触媒床は、反応器モジュール５０の高吸収性表面を通して、輻射導管部材の表面からの輻射エネルギーを吸収する。
【００４２】
[049]幾つかの態様においては、反応器モジュール５０は、加熱された流体によって供給される熱を受容するために少なくとも部分的にキャビティー２０内に配置し、導管部材４０によって供給される輻射熱を受容するために導管部材４０の周囲に配置することができる。導管部材４０の第１の端部４２から排出される熱源３０からの燃焼生成物は、改質モジュール５０の外表面と直接接触させることができる。幾つかの態様においては、熱は、熱源３０から導管部材４０を通してキャビティー２０中への加熱された流体の流れによって、熱源３０からキャビティー２０及び反応器モジュール５０へ対流伝達させることができる。
【００４３】
[050]本発明の水蒸気改質器の定常状態運転においては、反応器モジュール５０は、加熱された流体からの対流熱、及び導管部材４０によって輻射される輻射熱を含む熱を受容することができる。幾つかの態様においては、輻射熱は、本発明の水蒸気改質器の定常状態運転において反応器モジュール５０によって受容される全熱の約１０％〜約９０％を構成する。本明細書において用いる定常状態とは、概して時間によって変化しない運転条件を意味すると理解される。例えば、輻射熱は、本発明の水蒸気改質器の定常状態運転において反応器モジュールによって受容される全熱の約２０％〜約８０％、約３０％〜約７０％、約４０％〜約６０％、約５０％〜約９０％、約６０％〜約９０％、約７０％〜約９０％、約８０％〜約９０％、約６０％〜約８０％、約６０％〜約７０％、又は約７０％〜約８０％を構成する可能性がある。他の態様においては、輻射熱は、本発明の水蒸気改質器の定常状態運転において反応器モジュールによって受容される全熱の約１０％、約２０％、約３０％、約４０％、約５０％、約６０％、約７０％、約８０％、又は約９０％を構成する。
【００４４】
[051]幾つかの態様においては、反応器モジュールによって受容される全熱の輻射熱の量は、本発明の水蒸気改質器の定常状態運転において反応器モジュール５０によって受容される全熱の対流熱の量よりも多い。例えば、反応器モジュールによって受容される輻射熱の量は、本発明の水蒸気改質器の定常状態運転において反応器モジュールによって受容される対流熱の量よりも約１０％〜約２００％多く、約２０％〜約１８０％多く、約３０％〜約１７０％多く、約４０％〜約１６０％多く、約５０％〜約１５０％多く、約６０％〜約１４０％多く、約７０％〜約１３０％多く、約８０％〜約１２０％多く、約９０％〜約１１０％多い可能性がある。幾つかの態様においては、輻射熱は、本発明の水蒸気改質器の定常状態運転において反応器モジュール５０によって受容される対流熱の量よりも約１００％、約２００％、約３００％、約４００％、又は約４５０％多い。
【００４５】
[052]幾つかの態様においては、水蒸気改質器１には、場合によっては、シェル１０を保護するため且つ熱損失を減少させるために、内部又はその内表面上に断熱部材を含ませることができる。例えば幾つかの態様においては、断熱部材６０は、シェル１０及び反応器モジュール５０の内表面の周囲に配置することができる。他の態様においては、シェル１０に、キャビティー２０の上部部分の周囲のシェル１０の内表面の周囲に配置される断熱部材６５を含ませることもできる。断熱部材６０及び６５は、耐熱性セラミック材料で構成することができる。例えば幾つかの態様においては、（１）構成材料は、断熱部材６０及び６５における温度勾配（表面温度分布及び関連する輻射熱放射に影響を与える）に影響を与えるように（例えば熱伝導率及び／又は放射率に基づいて）選択することができ；及び／又は（２）断熱部材６０及び６５の形状及び表面特性（例えば、粗さ、テクスチャー、外形、又は放射増大性又は減少性被覆）を変化させて、局所的な輻射熱流束の強度及び／又は方向性を増大又は減少させることができる。
【００４６】
[053]断熱部材６５及び６０は、機械加工、注型のような方法、又は当該技術において公知の他の方法によって製造することができる。断熱部材６０及び６５は、円形、長方形、長円形、楕円形、又は他の幾何形状であってよく、その断面形状はそれらの長さに沿って変化させることができる。幾つかの態様においては、断熱部材６０及び６５の寸法及び形状をその長さに沿って変化させて、流路、及び輻射熱伝達に曝される熱交換境界の形状（例えば流積）を変化させることができる。
【００４７】
[054]図２は本発明の一態様を示し、ここでは輻射導管４０は、改質モジュール５０の列の中心に配置される炭化ケイ素製の単一の円筒形チューブであってよい。流路４６を横切る矢印によって示されるように、高温の流体を導管４０の流路４６を通して導管の底部から導管の頂部へ流して導管４０の表面を加熱することができる。このように、加熱された表面を有する導管４０は能動的放熱器として機能する。導管４０から反応器モジュール５０への矢印は輻射熱伝達を示し、断熱部材６０から反応器モジュール５０への矢印は、反射して反応器モジュール５０へ戻される輻射熱を示す。反応器モジュール５０は、表面から表面への輻射熱伝達のために、加熱される導管４０を取り囲む。高温のガスは、導管４０から排出されると、転回して反応器モジュール５０を、まず横切って、次に平行に通過して、流路４６から出て行く矢印、及び反応器モジュール５０の長さに沿った湾曲した矢印によって示されるように対流熱伝達を与える。幾つかの態様においては、流路４６から出て行く矢印、及び反応器モジュール５０の長さに沿った湾曲した矢印によって示される対流熱伝達は、反応器モジュール５０の周縁全体で起こる。
【００４８】
[055]導管４０の表面からの高い輻射によって、表面温度がより低い可能性がある改質モジュール５０の下部部分を有効に加熱することができる。また、輻射によって、反応器モジュール５０上の温度勾配を、それらの長さの相当部分にわたって平坦化することもできる。導管４０から排出される高温ガスの温度は、導管壁上で輻射を起こさないものよりも一般に低くすることができる。表面から表面への輻射及び対流熱伝達の組み合わせによって、モジュール壁のピーク温度を、より低い温度及び同等の熱伝達負荷において維持することができ、これはより長い改質器の耐用年数を達成する際に考慮すべき重要な事項である。
【００４９】
[056]図３は本発明の一態様を示し、ここではシェル１０の第１の端部９０は複数の開口７０を含み、それぞれの開口７０は反応器モジュール５０を受容するように構成することができる。幾つかの態様においては、反応器モジュール５０は、シェル１０のキャビティー２０中に個別に挿入して伸長させることができる。
【００５０】
[057]図４は、図２に示す態様の横断面図を示す。示されているように、断熱部材６０の表面は、輻射反射表面形状を与えるようにデザインすることができる。例えば、キャビティー２０内に配置される反応器モジュール５０の部分に面する表面は、反応器モジュール５０のかかる部分の形状に合致するように成形し、反応器モジュール５０のかかる部分と断熱部材６０のかかる表面との間に空間２５を与えるような寸法にすることができる。高温の加熱媒体を、対流熱伝達速度、流れの均一性、圧力降下、機械公差、組立要件、及びコストを考慮した最適の速度で空間２５を通して流すことができる。幾つかの態様においては、少なくとも１つの断熱部材の形状は、反応器モジュールの表面に到達する輻射部材の表面からの輻射線が、断熱部材の表面によって妨害され、屈折して反応器モジュールに戻されるように定められる。他の態様においては、少なくとも１つの断熱部材は円弧形状を有し、その数は反応器モジュールの数に合致させることができる。他の態様においては、少なくとも１つの断熱部材の長さは、輻射反射及び金属シェル保護のために、円筒形のシェルの長さとほぼ同等か又は実質的に同等にすることができる。
【００５１】
[058]図５は本発明の他の態様を示し、ここでは、キャビティー１２０の外側に保持される反応器モジュール１５０の部分を、シェル１００の頂部部分１９０に個別に且つ取り外し自在に取り付けることができる。例えば、部分１５２は、クランプ、ボルト、又は当該技術において公知の他のメカニズムのような手段によって、頂部部分１９０に取り付けることができる。幾つかの態様においては、部分１５２は溶接することなしに頂部部分１９０に取り外し自在に取り付けることができ、水蒸気改質器を補修する方法として反応器モジュール５０を迅速に取り外し及び／又は交換する有利性を与えることができる。他の態様においては、部分１５２は底部部分１８０（図示せず）に取り外し自在に取り付けることができる。
【００５２】
[059]幾つかの態様においては、キャビティー１２０内に配置される反応器モジュール１５０の部分１５４は、シェル１００の底部部分１８０付近のシェルの内表面に取り付けないで、内部空間内に自由懸垂させる。一態様においては、部分１５４は、例えば、熱膨張差及び／又は熱変位差を許容する２つの接続点の間の可撓性のガス導管であるピグテールパイプ（図示せず）又は当該技術において公知の他の手段によって、シェル１００の底部部分１８０付近のシェルの内表面に取り付けることができる。他の態様においては、キャビティー１２０内に配置される反応器モジュール１５０の部分１５４は、シェル１００の底部部分１８０付近のシェルの内表面に取り付けないで、内部空間内に自由懸垂させる。一態様においては、部分１５４は、例えばピグテールパイプのようなキャビティー内の接続部を有しない。
【００５３】
[060]幾つかの態様においては、底部部分１８０に開口１８５を含ませることができ、その中に導管１４０を導管１４０の第２の端部１４４において取り付けることができる。幾つかの態様においては、反応器モジュールの反応物質導入口及び生成物排出口は、両方とも反応器モジュールの頂部部分又は反応器モジュールの底部に接続する。他の態様においては、反応物質導入口及び生成物排出口は反応器モジュールの異なる部分の上に配する。
【００５４】
[061]他の態様においては、冷却コイル１６０によって改質器から排出される排出流を冷却することができる。幾つかの態様においては、冷却コイルはバーナー／改質器アセンブリから離隔させることができる。
【００５５】
[062]図６は、本発明の改質モジュール５０の他の態様を示す。この態様においては、反応器モジュール５０は、外側領域からの熱入力（例えば、導管部材４０並びに断熱部材６０及び６５の表面からの輻射、及び導管部材４０からの高温ガス（図示せず）からの対流）を受容するように設計されている外表面を有する容器であってよい。熱入力は少なくとも１つの改質触媒中に送って、吸熱性の改質反応を駆動することができる。反応器モジュール５０は、容器、チューブ、パイプ、ダクト、又は上記で議論した他の構造体であってよい。
【００５６】
[063]反応器モジュール５０は、改質器の外側から設置又は交換することができる。それぞれの反応器モジュール５０は、改質器の頂部又は底部のいずれかから設置することができる。モジュールの外側の形状は、円形、正方形、三角形、又は任意の他の形状であってよい。反応器モジュール５０は、運転圧力及び温度に応じて、上記に記載したガラス、セラミック、ステンレススチール、特殊合金、金属合金等のような任意の無機材料のような材料で形成することができる。
【００５７】
[064]この態様においては、反応器モジュール５０にキャビティーを含ませることができ、一緒にネスト構造を形成して、複数の対向流を誘発するように構成されている複数の流れの空間を含む。幾つかの態様においては、ネスト構造の流れの空間は、少なくとも部分的に改質器５０のキャビティー内に配置されるチューブアセンブリを含む。具体的には、反応器モジュール５０は第１の流体導管を含み、これは、この態様においては、第１の端部２１０、第２の端部２２０、及び概して第１の端部２１０と第２の端部２２０との間に伸びる流路を含むシェル２００である。反応器モジュール５０にはまた、第１の流体導管の流路内に配置される第２の流体導管２５０を含ませることもできる。第２の流体導管２５０は、第１の端部２５２、第２の端部２５４、及び流路２５６を含む。
【００５８】
[065]第３の流体導管２６０を第２の流体導管２５０の流路２５６内に配置することができ、これは第１の端部２６２、第２の端部２６４、及び流路２６６を含む。第４の流体導管２７０を第３の流体導管２６０の流路２６６内に配置することができ、これは第１の端部２７２、第２の端部２７４、及び流路２７６を含む。また、第１の流体導管２００の流路に改質触媒床２３０を含ませることもでき、これに少なくとも１種類の改質触媒を含ませることができる。第４の流体導管２７０の第１の端部２７２は反応物質導入口３１０を更に含み、第１の流体導管２００の第１の端部２１０は生成物排出口３２０を含む。
【００５９】
[066]第１の流体導管２００の第２の端部２２０と第４の流体導管２７０の第２の端部２７４を流体接続して、反応物質流の流体流を、第４の流体導管２７０を通して改質触媒床２３０に送ることを可能にすることができる。幾つかの態様においては、反応物質導入口３１０及び第４の流体導管２７０は、反応物質流を触媒床２３０の少なくとも一部に供給するように構成される第１のチャネルとして機能させることができる。
【００６０】
[067]改質触媒床２３０を第２の流体導管２５０に第１の端部２５２において流体接続して、生成物流の流体流を触媒床２３０から第２の流体導管２５０へ送ることを可能にすることができる。第３の流体導管２６０の第２の端部２６４と第２の流体導管２５０の第２の端部２５４を流体接続して、生成物流の流体流を第２の流体導管２５０から第３の流体導管２６０へ送ることを可能にすることができる。第１の流体導管２００の第１の端部２１０と第３の流体導管２６０の第１の端部２６２を流体接続して、生成物流の流体流を第３の流体導管２６０から第１の流体導管２００へ送り、反応物質排出口３２０から排出することを可能にすることができる。幾つかの態様においては、第２の流体導管２５０、第３の流体導管２６０、及び第１の流体導管２００は、反応物質流を触媒床２３０から反応物質排出口３２０へ送るように構成される第２のチャネルとして機能させることができる。
【００６１】
[068]第２の流体導管２５０及び第３の流体導管２６０を通って改質触媒床２３０から送られる高温の生成物流により、生成物流に対して対向流で第４の流体導管２７０を通る反応物質流を、生成物流と反応物質流との間の熱伝達によって予備加熱することができる。また、改質触媒床２３０から送られる高温の生成物流によって、改質触媒床２３０と隣接する第２の流体導管２５０の相当量の壁表面を通して改質触媒床２３０の全部又は一部を加熱することもできる。
【００６２】
[069]第２の流体導管２５０、第３の流体導管２６０、及び第４の流体導管２７０によって仕切られている同心状の内部対向流流路を含む図６に示す反応器モジュールの態様によって、シェル２００の両方の端部において比較的低い温度を与えることができる。かかる温度プロファイルは溶接要件を軽減し、特定の運転圧力範囲の下でコスト高の特殊合金に対してより低コストの材料を用いることを可能にすることができる。而して、反応器モジュール５０は、一般的なステンレススチールのパイプ及びキャップで構成し、溶接及び当該技術において公知の他の方法によって製造することができる。第２の流体導管２５０、第３の流体導管２６０、及び第４の流体導管２７０は、ＳＳ３１６のような一般的なステンレススチールのパイプ又はチューブで構成し、溶接又は当該技術において公知の他の方法によって製造することができる。これらの材料及び製造方法は、上記の３つの導管の壁を横切る低い圧力差のために用いることが可能である。
【００６３】
[070]更には、比較的低温の反応物質流を、第４の流体導管２７０を通して改質触媒床２３０の温度を低下させることなく供給することができる。これにより、高温の生成物流から低温の反応物質流への高効率の内部熱回収が可能になる。更に、内部熱伝達によって、高温の生成物流を冷却し、低温の反応物質流を予備加熱するための外部熱交換器の必要性を軽減して、それによって例えば本発明の水蒸気改質器のような水蒸気改質器を簡素化することができる。
【００６４】
[071]図７は、本発明の水蒸気改質器の他の態様を示す。この態様においては、シェルに、導管４０の第１の端部の周囲に配置される少なくとも１つのデフレクター３００を更に含ませることができる。デフレクター３００はまた、輻射導管４０と反応モジュール５０との間に介在させることもできる。
【００６５】
[072]いかなる特定の理論にも縛られることは望まないが、導管４０から排出される高温のガスに面する反応モジュール５０の正面の壁上のホットスポットと、反応モジュール５０の背面との間の温度差は、１００℃超に達する可能性がある。この温度差によって反応モジュールが半径方向において変形して、断熱部材６０に（若干の力を有して）接触する可能性がある。この変形によって、反応モジュール５０の底部付近（断熱部材６０と反応モジュール５０との間のより狭い間隙）の流動挙動が変化する可能性があり、更に、温度差が増加すると断熱部材６０を損傷する可能性もある。この態様においては、デフレクター３００により、高温ガス３２０を反射することによって導管４０から排出される高温の燃焼ガス３１０が反応モジュール５０に衝突するのをブロックし、より多くの高温ガス流を流路３３０に沿って反応モジュール５０の背後に送ることができ、これによって、より低い反応モジュール５０の正面壁の温度及び反応モジュール５０の背面上への増大した対流熱伝達を引き起こすことができる。
【００６６】
[073]デフレクター３００は、例えば導管４０から排出される高温の燃焼ガスが反応モジュール５０に衝突するのをブロックし、及び／又はより多くの高温ガス流を反応モジュール５０の背後に送り、及び／又は反応モジュール５０の周囲の温度差を減少させて、半径方向の変形を減少させることができるのに好適な任意の寸法、形状、及び／又は断面積を有していてよい。
【００６７】
[074]図８は、本発明の水蒸気改質器の更に他の態様を示す。この態様においては、断熱部材６０に、導管４０の第１の端部の周囲に配置される少なくとも１つの反射器４００を更に含ませることができる。反射器４００はまた、断熱部材６０と反応モジュール５０との間に介在させることもでき、断熱部材６０の周囲の任意の位置に配置することができる。
【００６８】
[075]いかなる特定の理論にも縛られることは望まないが、反射器４００によって、輻射エネルギーを反応器モジュール５０の導管４０に対して背面に反射して、反応器モジュール５０の導管４０に対して正面と背面との間のより低い温度差を得ることができる。またこれによって、反応器モジュール５０の底部における半径方向の変形を減少させることもできる。
【００６９】
[076]反射器４００は、例えば輻射エネルギーを反応器モジュール５０の導管４０に対して背面に反射して、半径方向の変形を減少させることができるようにするのに好適な任意の寸法、形状、及び／又は断面積を有していてよい。
【００７０】
[077]幾つかの態様においては、反射器４００及びデフレクター３００は、それぞれ独立して、導管４０に関して上記で議論した金属、磁器、金属合金、ガラス、セラミック、炭化ケイ素、及びこれらの組み合わせからそれぞれ独立して選択される少なくとも１種類の高伝導性で高放射性の材料で構成することができる。一態様においては、反射器４００は炭化ケイ素で構成する。
【００７１】
[078]幾つかの態様においては、デフレクター３００及び反射器４００は、それぞれ独立して高温合金で構成することができ、切断、溶接、注型、又は当該技術において公知の任意の他の方法によって形成することができる。金属の非限定的な例としては、反応器モジュール５０に関して上記で議論したように、タングステン、ニッケル、クロム、鉄、アルミニウム、ステンレススチール、及びこれらの混合物又は組み合わせが挙げられる。金属合金の非限定的な例としては、反応器モジュール５０に関して上記で議論したように、ニッケル、鉄、コバルト、クロム、モリブデン、タングステン、ケイ素、マンガン、アルミニウム、炭素の少なくとも１つ、及びこれらの混合物又は組み合わせを含む合金が挙げられる。
【００７２】
[079]本発明の他の態様は、本明細書及びそこに開示されている概念の実施を考察することによって当業者に明らかになるであろう。明細書及び実施例は例示のみのものとしてみなされ、本発明の真の範囲及び精神は特許請求の範囲によって示されると意図される。
【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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