(57)【要約】  本発明は、蒸気発生用及びガス予熱用のボイラー及びガス予熱器を統合する熱伝達ユニットを開示する。１つの実施例において、本発明の熱伝達ユニットは燃料処理用途に使用可能である。この実施例において、熱伝達ユニットは正極テールガス酸化器などの燃焼器の下流に配置され得る。
2010513834.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シェルと、
ボイラーと
ガス予熱器と、
第１の円筒状空間と、
第２の円筒状空間と、
複数の入口と、
複数の出口とを含む熱伝達ユニット。
【請求項２】
前記ボイラーが、ボイラー・リザーバと、ベル形状の蒸発器と、ベル形状の空きスペース区域と、複数の小型コイルとを含む、請求項１に記載の熱伝達ユニット。
【請求項３】
前記ガス予熱器が、複数の大型コイルと、中心部配管と、転造フィン熱交換器とを含む、請求項１に記載の熱伝達ユニット。
【請求項４】
前記複数の入口がユニットの入口及び水の入口を含む、請求項１に記載の熱伝達ユニット。
【請求項５】
前記複数の出口が排気出口、蒸気出口、及びガス出口を含む、請求項１に記載の熱伝達ユニット。
【請求項６】
前記熱伝達ユニットが燃焼器の下流に配置された、請求項１に記載の熱伝達ユニット。
【請求項７】
前記排気出口からの排気が、前記改質反応器の起動時に改質器床及びシフト床を直接予熱するために、改質反応器に配管接続された、請求項６に記載の熱伝達ユニット。
【請求項８】
前記排気出口からの排気が、前記燃焼器に付随する二次空気予熱器に配管接続された、請求項６に記載の熱伝達ユニット。
【請求項９】
前記燃焼器が正極テールガス酸化器である、請求項６に記載の熱伝達ユニット。
【請求項１０】
熱伝達ユニットを運転するための方法であって、
前記熱伝達ユニット内に統合されたボイラー及びガス予熱器を設ける段階と、
高温排気ガスがユニット入口を通して前記熱伝達ユニットに流入できるようにする段階と、
高温排気ガスが前記熱伝達ユニット中で第１の通過を行うように経路を決める段階と、
高温排気ガスが前記熱伝達ユニット中で第２の通過を行うように経路を決める段階と、
高温排気ガスが前記熱伝達ユニット中で第３の通過を行うように経路を決める段階と、
高温排気ガスが排気出口を通して前記熱伝達ユニットから流出できるようにする段階とを含む方法。
【請求項１１】
前記第１の通過は、高温排気ガスがボイラー・リザーバと接触するように経路を決める段階と、高温排気ガスが第１の円筒状空間内に入るように偏向させる段階と、高温排気ガスが上向きに流れて複数の小型コイルと接触するように経路を決める段階とを含む、請求項１０に記載の熱伝達ユニットを運転する方法。
【請求項１２】
前記第２の通過は、高温排気ガスが第２の円筒状空間内に下向きに流れるように経路を決める段階と、高温排気ガスが複数の大型コイルと接触するように経路を決める段階とを含む、請求項１０に記載の熱伝達ユニットを運転する方法。
【請求項１３】
前記第３の通過は、高温排気が転造フィン熱交換器を通って上向きに流れるように経路を決める段階を含む、請求項１０に記載の熱伝達ユニットを運転する方法。
【請求項１４】
高温排気ガスを燃焼器から供給する段階をさらに含む、請求項１０に記載の熱伝達ユニットを運転する方法。
【請求項１５】
高温排気ガスが前記排気出口から前記燃焼器に付随する二次空気予熱器に至るように経路を決める段階をさらに含む、請求項１４に記載の熱伝達ユニットを運転する方法。
【請求項１６】
改質反応器の起動時に改質器床及びシフト床を直接予熱するために、高温排気ガスが前記排気出口から前記改質反応器に至るように経路を決める段階をさらに含む、請求項１４に記載の熱伝達ユニットを運転する方法。
【請求項１７】
前記燃焼器は正極テールガス酸化器である、請求項１４に記載の熱伝達ユニットを運転する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は概して蒸気発生及びガス予熱用の熱伝達ユニットに関する。本発明は具体的には、過熱蒸気及び高温ガス（空気又は燃料）を発生するための、ボイラー及びガス予熱器を１つのユニットに統合した熱伝達ユニットに関する。１つの例示的な実施例において、本発明は、燃料処理用途に使用され、具体的には燃焼器又は正極テールガス酸化器の下流に配置され得る。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、化学的酸化還元反応により電力を発生するものであり、清浄度と効率において他の発電の形を越える著しい利点を有する。燃料電池は典型的には、水素を燃料とし酸素を酸化剤として用いる。電力発生は反応物質の消費率に比例する。
【０００３】
燃料電池の広範な使用を妨げている著しく不利な点は広範な水素のインフラストラクチャが欠けていることである。水素は体積エネルギー密度が比較的低く、ほとんどの発電システムに現在使用されている炭化水素燃料よりも、貯蔵及び輸送が難しい。この難点を克服する１つの方法は、炭化水素を燃料電池への供給物質として使用可能な水素富化ガス流に変換する、改質器を使用することである。
【０００４】
天然ガス、ＬＰＧ、ガソリン、及びディーゼルなどの炭化水素ベースの燃料は、ほとんどの燃料電池のための燃料源として使用するために変換処理を必要とする。現行の技術は、当初の変換処理といくつかの浄化処理とを組み合わせた、多段処理を使用している。当初の処理はほとんどの場合、蒸気改質（ＳＲ）、オートサーマル改質（ＡＴＲ）、触媒部分酸化（ＣＰＯＸ）、又は非触媒部分酸化（ＰＯＸ）である。浄化処理は通常、脱硫、高温水性ガス・シフト、低温水性ガス・シフト、選択的ＣＯ酸化、又は選択的ＣＯメタン生成の組合せを含む。代替の処理としては、水素選択性膜反応器及びフィルタを含む。
【０００５】
ＳＲ又はＡＴＲ反応器などの燃料処理ユニットでは、過熱蒸気並びに予熱空気及び／又は予熱された燃料が必要とされる。そして、燃料処理効率は、蒸気が過熱され得る程度、及び高温空気又は燃料がどのように高温まで予熱され得るか、によって直接影響を受ける。
【０００６】
燃焼器又は正極テールガス酸化器（ＡＴＯ）から出る高温燃焼排気（燃焼排ガスとも呼ばれる）は、しばしば蒸気発生用、及び空気／燃料予熱用の加熱源として使用される。燃料改質器に加えて、燃料処理システムは、典型的にはボイラー、及び熱交換及び蒸気発生のための数本のスパイラル・コイルを内部に有するシェルからなる、空気／燃料予熱器を含む。高温燃焼排気ガスは典型的にはシェルを１回通過し、一方水及び低温ガス（空気又は燃料）は内側コイルを通って流れる。そのような構成において、蒸気が発生され得るが、その蒸気は所望の温度（例えば６００℃）まで十分過熱されていない。さらに、コイル内側でスラグ流を形成し易いために、蒸気製造は安定的でない。さらに、ガス予熱のための熱伝達効率は非常に限定されており、その結果空気及び／又は燃料は、ＡＴＲアプリケーションに用いるには十分に予熱されない。
【０００７】
蒸気製造及び熱伝達効率が劣るのは、ボイラー及び空気／燃料予熱器の設計の態様に起因することがある。第１に燃焼排気ガスはシェルを１回通過するのみであって、そのため高温排気ガスと低温の流れとの間に十分な接触時間をもたらさない。第２に典型的なボイラーは、０．６３５ｃｍ（１／４インチ）のスパイラル・コイルを使用し、コイル内の二相流の移動は極めて水平に近いので、その結果そのような小口径コイル内でスラグ流が形成され易い。第３に大部分の時間、高温及び低温の流れは並行して流れ、そのため低温の流れがＡＴＯ排気の出口温度より高い温度まで加熱されることが制限される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
有効な熱伝達と安定した蒸気製造の両方を有する、ボイラー及びガス予熱器のための設計が必要とされる。本発明は、蒸気発生及びガス予熱のための熱伝達ユニットを提供する。本発明の熱伝達ユニットは随意に、燃料処理用途において燃焼器又はＡＴＯの下流に配置されてよい。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、過熱蒸気及び高温ガス（空気又は燃料）発生用の、ボイラー及びガス予熱器を１つのユニットに統合した熱交換器を開示する。１つの実施例において、本発明の熱伝達ユニットは燃料処理用途において、正極テールガス酸化器  （ＡＴＯ）などの燃焼器の下流に配置されてよい。
【００１０】
本発明の熱伝達ユニットの設計の特徴の１つは、燃焼器又はＡＴＯからの高温排気ガスが、本発明の円筒形シェルを従来の１回通過ではなく３回（上昇又は下降のどちらか）通過することである。この特徴によって、高温の排気が低温の流れに接触する接触時間を増加させ、それによって熱伝達が改善される。
【００１１】
本発明の熱伝達ユニットの設計の第２の特徴は、ボイラーの設計が、流動沸騰及びプール沸騰の両方の折衷型であることである。本発明のベル形状の円筒の内側の水は、ちょうど流動沸騰のように上向きに流れ得るが、二相流を非連続にする液滴を打ち落し、それによって蒸気を水から分離するための比較的大きな開空間が頂部にあるので、容易にはスラグを形成しない。さらに、水が連続的に供給されることによっていくらかの水がベル形状のリザーバ内に残留しており、そして定常状態条件では概して水位は一定であるため、本発明のボイラーはプール沸騰にも似ている。したがって、流動沸騰型の熱交換器においてしばしば起こる、好ましからざるスラグ形成は最小限にされ、より安定した蒸気製造が達成される。
【００１２】
本発明の熱伝達ユニット設計の別の特徴は、水流量に応じて変わる水位によって沸騰熱伝達表面積が変わり得るので、熱伝達ユニットが蒸気製造のために良好なターンダウン比を有することである。
【００１３】
本発明の熱伝達ユニット設計のさらなる特徴は、特に加熱源が既に冷却された場所においてもガス−ガス熱交換を増進するように、転造フィン熱交換器を組み込んでいることである。
【００１４】
さらに本発明の熱伝達設計の特徴は、高温排気流と低温流の間を対向流路にすることによって、蒸気又はガスがより高温まで加熱され得ることである。
【００１５】
まとめると、本発明の熱交換器の設計は、燃料処理用途に効率的な熱伝達及び安定した蒸気製造を実現する。
【００１６】
詳細説明は添付する図面を参照して行われる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】燃料処理装置の単純な処理フロー図である。
【図２】コンパクトな燃料処理装置の実施例を示す図である。
【図３】熱伝達ユニットの実施例を示す図である。
【図４】ハイブリッド燃焼器と結合して使用された熱伝達ユニットの実施例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明は、過熱蒸気及び高温ガス（空気又は燃料）を発生するための、ボイラーとガス予熱器を１つのユニットに統合した熱伝達ユニットを開示する。本発明の１つの実施例において、本発明の熱伝達ユニットは燃料処理ユニットと結合して使用されるが、本発明の熱伝達ユニットは、他の用途にも使用することも可能であり、燃料処理用途に限定されないと考えられる。
【００１９】
過熱蒸気と予熱された空気及び／又は燃料は燃料処理システムに必要とされる。燃料処理器は、一般に炭化水素燃料を水素富化ガスに変換する装置である。本発明の１つの実施例において、本明細書で説明されるコンパクトな燃料処理器は燃料電池で使用するための水素富化ガス流を炭化水素燃料から製造するが、本発明の範囲はそのような使用には限定されない。
【００２０】
燃料処理装置用の炭化水素燃料は、周囲条件においてそれが蒸発する限り、液体又は気体であってよい。本明細書で使用される用語「炭化水素」は、部分酸化又は蒸気改質反応で水素を製造することが可能な、Ｃ−Ｈ結合を有する有機化合物を含む。この化合物の分子構造内に、炭素及び水素以外の原子が存在することは排除されない。したがって、燃料処理装置用の適切な燃料は、天然ガス、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ナフサ、ガソリン、及びディーゼル燃料などの炭化水素燃料、並びにメタノール、エタノール、プロパノールなどのアルコール等を含むがそれに限定されない。
【００２１】
燃料処理装置の供給物質は、炭化水素燃料、酸素、及び水を含む。酸素は、空気、濃縮空気、又は実質的に純粋な酸素の形であってよい。水は液体又は蒸気として導入され得る。供給物質成分の構成パーセンテージは、以下で検討するように、所望する運転条件によって決定される。
【００２２】
燃料処理装置の排出流は水素及び二酸化炭素を含み、並びに若干の水、未変換の炭化水素、一酸化炭素、不純物（例えば、硫化水素及びアンモニア）、及び不活性成分（例えば、特に空気が供給流の成分であった場合、窒素及びアルゴン）も含み得る。
【００２３】
図１を参照すると、図１は燃料処理装置の単純な処理フロー図を表現するものであり、炭化水素燃料の水素富化ガスへの変換に含まれる工程段階を例示している。当業者は、本明細書に開示された反応器を通過する反応物の流れにある一定の進行順序が必要であることを認識されたい。
【００２４】
工程段階Ａはオートサーマル改質処理であり、その中で部分酸化（下記の式Ｉ）、及び場合によってはさらに蒸気改質（下記の式ＩＩ）の２つの反応が組み合わされて、供給流Ｆを水素及び一酸化炭素を含む合成ガスに変換する。式Ｉ及びＩＩは、メタンが炭化水素と見なされる場合の反応式を例示するものである。
ＣＨ４＋１／２Ｏ２→２Ｈ２＋ＣＯ    （Ｉ）
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→３Ｈ２＋ＣＯ        （ＩＩ）
【００２５】
部分酸化反応は非常にすみやかに起こり、添加された酸素の完全変換に至り、そして熱を発生する。蒸気の改質反応は、よりゆっくり起こり熱を消費する。供給流中の酸素濃度が高いと部分酸化を促進し、一方、水蒸気の濃度が高いと蒸気の改質を促進する。したがって、酸素の炭化水素に対する比率、及び水の炭化水素に対する比率が特徴パラメータとなる。これらの比率は運転温度及び水素収率に影響を与える。
【００２６】
オートサーマル改質段階の運転温度は、供給条件及び触媒に依存して、約５５０℃から約９００℃の範囲であってよい。本発明は部分酸化触媒の触媒床を使用し、蒸気改質触媒は使用する場合としない場合がある。触媒は、ペレット、球、押出し物、モノリス等を含む任意の形であってよい。部分酸化触媒は当業者によく知られているものであり、しばしば、モノリス、押出し物、ペレット、又はその他の担体の上の、アルミナ・ウオッシュコート上の白金、パラジウム、ロジウム、及び／又はルテニウムなどの貴金属を含む。ニッケル又はコバルトなどの非貴金属も使用されてきた。チタニア、ジルコニア、シリカ、及びマグネシアなどのその他のウオッシュコートが文献に記載されている。ランタン、セリウム、及びカリウムなどの多くの添加物質が、部分酸化触媒の性能を改善する「促進剤」として文献に記載されている
【００２７】
蒸気改質触媒は、当業者に知られているものであり、ある量のコバルトを含むニッケル、又は白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム及び／又はイリジウムなどの貴金属を含み得る。この触媒は単体又は化合物として、例えば、マグネシア、アルミナ、シリカ、ジルコニア、又はアルミン酸マグネシウムに担持されてよい。代替として蒸気改質触媒は、好ましくはマグネシア、アルミナ、シリカ、ジルコニア、又はアルミン酸マグネシウムに担持され、カリウムなどのアルカリ金属によって活性化された、単体又は化合物のニッケルを含んでよい。
【００２８】
工程段階Ｂは、次の段階へ排出する合成ガスの温度を最適化するために、工程段階Ａからの合成ガス流を、約２００℃から約６００℃まで、好ましくは約３００℃から約５００℃まで、より好ましくは約３７５℃から約４２５℃までの温度に冷却するための冷却段階である。この冷却は、設計仕様、及びガス流の含有熱量を回収／リサイクルする必要性に応じて、放熱器、ヒート・パイプ、又は熱交換器により達成され得る。段階Ｂの１つの例示的実施例は、熱交換器を通って循環する冷却剤として供給流Ｆを利用する、熱交換器を使用することである。熱交換器は、シェルアンドチューブ、プレート、スパイラル、等を含む、当業者に知られた任意の適切な構造であってよい。代替として又は上記の追加として、冷却段階Ｂは燃料、空気、又は水などの追加供給成分を注入することにより遂行されてもよい。水は、それが蒸発して蒸気になるときに大量の熱を吸収する能力があるので、好ましい。追加される成分の量は、所望される冷却の程度に依存し、当業者によって容易に決められる。
【００２９】
工程段階Ｃは精製段階である。炭化水素流の主要な不純物の１つは硫黄であり、それはオートサーマル改質段階Ａによって硫化水素に変換される。工程段階Ｃで使用される処理コアは、酸化亜鉛、及び／又は硫化水素を吸収又は変換することが可能なその他の物質を含むことが好ましく、さらに担体（例えば、モノリス、押出し物、ペレット等）を含んでよい。脱硫は、次の反応式ＩＩＩに従って、硫化水素を水に変換することにより遂行される。
Ｈ２Ｓ＋ＺｎＯ→Ｈ２Ｏ＋ＺｎＳ      （ＩＩＩ）
【００３０】
塩化物などの他の不純物も除去され得る。この反応は、好ましくは約３００℃から約５００℃で、より好ましくは約３７５℃から約４２５℃の温度で行われる。酸化亜鉛は、温度約２５℃から約７００℃の広い範囲で効果的な硫化水素吸収剤であり、適切な運転温度を選択することにより、工程段階のシーケンスを最適化するために、広範に適応することができる。
【００３１】
排出流は次いで混合段階Ｄに送られてよく、そこで随意に水がガス流に加えられる。水が加えられるとそれが蒸発するときに、反応物質流の温度を下げ、工程段階Ｅの水性ガス・シフト反応（以下で検討する）により多くの水を供給する。水蒸気及びその他の排出流の成分は、効率的に混合する、及び／又は水の蒸発を支援する、セラミック・ビーズ又は他の同様な物質などの不活性物質の処理コアを通過させられることにより混合される。代替として、任意の追加の水を供給物質と一緒に導入することが可能であり、下記に開示するＣＯ酸化段階Ｇ内で酸化剤ガスをよりよく混合するように、混合段階を再配置することができる。
【００３２】
工程段階Ｅは水性ガス・シフト反応であり、式ＩＶに従って一酸化炭素を二酸化炭素に変換する。
Ｈ２Ｏ＋ＣＯ→Ｈ２＋ＣＯ２          （ＩＶ）
【００３３】
一酸化炭素は人に対して極めて有毒であることに加えて燃料電池に対しても毒物質であるので、これは重要な段階である。一酸化炭素の濃度は、好ましくは、燃料電池によって許容され得るレベルまで、典型的には５０ｐｐｍ未満に下げられるべきである。一般に、水性ガス・シフト反応は、使用される触媒に依存して１５０℃から６００℃の温度で起こり得る。このような条件下で、ガス流中の一酸化炭素の大部分はこの段階で転換される。
【００３４】
低温シフト触媒は、約１５０℃から約３００℃の範囲で作用し、例えば酸化銅、若しくはジルコニアのような他の遷移金属酸化物に担持された銅、遷移金属酸化物、若しくはシリカ、アルミナ、ジルコニア等々のような耐火性担体に担持された亜鉛、又はシリカ、アルミナ、ジルコニア等のような適当な坦体上の白金、レニウム、パラジウム、ロジウム、或いは金のような貴金属を含む。
【００３５】
高温シフト触媒は、約３００℃から約６００℃の範囲の温度で作用させられるのが好ましく、随意に銅又は珪化鉄のような促進剤を含む、酸化第二鉄又は酸化第二クロムのような遷移金属酸化物を含み得る。また、高温シフト触媒として、担持された白金、パラジウム及び／又は他の白金族元素のような担持された貴金属が含まれる。
【００３６】
この段階を実施するために利用される処理コアは、上記のような高温又は低温シフト触媒の、又は高温と低温の両シフト触媒の組合せ体の充填床を含んでよい。この処理は、水性ガス・シフト反応に適した任意の温度で、好ましくは使用される触媒のタイプに依存して１５０℃から約４００℃の温度で、運転されるべきである。触媒充填床内の反応温度を下げるため随意に、冷却コイルのような冷却要素をシフト反応器の処理コア内に配置してもよい。一酸化炭素の二酸化炭素への転換はより低い温度が有利である。また、精製工程段階Ｃは、高温及び低温シフト段階の間に、脱硫モジュールを有する別の段階を高温及び低温シフトのために設けることによって、高温及び低温のシフト転換の間で行うことができる。
【００３７】
工程段階Ｆ’は、１つの実施例において熱交換器により行われる冷却段階である。熱交換器は、シェルアンドチューブ、プレート、スパイラル等を含む、任意の適切な構造であってよい。代替としてヒート・パイプ又は他の形の放熱器を使用することもできる。熱交換器の目的は、ガス流の温度を低下させて、好ましくは約９０℃から約１５０℃の範囲内の温度を有する排出物を生成させることである。
【００３８】
酸素は段階Ｆ’の処理に加えられる。酸素は以下に説明される工程段階Ｇの反応によって消費される。酸素は空気、濃縮空気又は実質的に純粋な酸素の形であってよい。熱交換器は、設計によって空気と水素富化ガスとの混合物を供給することができる。代替として、この混合を実行するために工程段階Ｄの実施例を利用することも可能である。
【００３９】
工程段階Ｇは、排出流の中に残っている一酸化炭素のほとんど全てを二酸化炭素に転換させる、酸化段階である。この処理は一酸化炭素を酸化させる触媒の存在下で行われ、その触媒はペレット、球、モノリス等のような任意の適切な形であってよい。一酸化炭素の酸化触媒は既知であって、典型的には貴金属（例えば白金、パラジウム）及び／又は遷移金属（例えば鉄、クロム、マンガン）、及び／又は貴金属若しくは遷移金属の化合物、特に酸化物を含む。好ましい酸化触媒はアルミナ・ウオッシュコート上の白金である。ウオッシュコートはモノリス、押出し物、ペレット又は他の担体に塗布してよい。性能を改善するためにセリウム又はランタンのような追加の物質を加えてもよい。ロジウム又はアルミナ触媒による優れた性能を主張する一部の実施者により、多くの他の調合物が文献に記載されてきた。ルテニウム、パラジウム、金、及び他の物質がこの用途に有効であると文献に記載されてきた。
【００４０】
工程段階Ｇで２つの反応、即ち所望される一酸化炭素の酸化反応（式Ｖ）と、所望されない水素の酸化反応（式ＶＩ）とが、次のように起こる：
ＣＯ＋１／２Ｏ２→ＣＯ２            （Ｖ）
Ｈ２＋１／２Ｏ２→Ｈ２Ｏ            （ＶＩ）
【００４１】
一酸化炭素のこの優先酸化には低温の方が好都合である。両反応は熱を発生するので、このプロセス内に配置された冷却コイルなどの冷却要素を随意に含むことが有利になり得る。プロセスの運転温度は、約９０℃から約１５０℃の範囲内に保たれることが好ましい。工程段階Ｇは、一酸化炭素レベルを燃料電池での使用に適したレベルである５０ｐｐｍ未満まで低下させることが好ましいが、本発明は、より高い及びより低いレベルの一酸化炭素を有する水素富化生成物を生成させるように構成できることも、当業者は認識されたい。
【００４２】
この燃料処理装置を出ていく排出物は、二酸化炭素、及び水、不活性成分（例えば窒素、アルゴン）、残留炭化水素等、などの存在し得る他の成分を含んでいる水素富化ガスである。生成物ガスは、燃料電池の又は水素富化の供給流が所望される他の用途の、供給物質として使用することができる。生成物ガスは、場合によっては、例えば二酸化炭素、水又は他の成分を除去するために、さらなる処理へ送られてよい。
【００４３】
燃料処理装置１００は、図１で説明されたような全体処理を実行するための、一連の処理ユニットを含む。処理ユニットは、当業者にとって容易に明らかなように、様々な構成で使用され得るように意図されている。さらに、本明細書で説明された燃料処理装置は、本明細書で説明された燃料処理装置の水素富化生成物ガスが、供給流として燃料電池に直接供給されるようにすることによって、燃料電池と関連する使用に適合可能である。
【００４４】
図２を参照すると、図２はコンパクトな燃料処理装置の実施例を例示するものである。燃料処理装置２００は、図２に示すように、図１に概略的に例示し上記で説明した処理と類似している。炭化水素燃料の供給流Ｆが燃料処理装置に導入され、水素富化ガスＰが取り出される。燃料処理装置２００は、それぞれが別個の運転機能を実行し、全体として図２に示すように構成された、いくつかの処理ユニットを含む。この例示的実施例において、炭化水素燃料は、第１の区画のらせん状熱交換器２０１に流入し、この熱交換器は、供給物質Ｆを燃料電池テール・ガスＴ（ＡＴＯ２１４で燃料処理装置２００に流入する）と対向させて予熱する。燃料処理装置内で生じる複数の発熱反応があるため、この運転においていくつかの別の熱統合の機会もあり得ることを、当業者は認識されたい。この予熱された供給物質は次に、同心ディフューザを通り、反応器入口で完全に近い流量配分と低い圧力降下で、脱硫反応器２０２に入る。反応器２０２は脱硫触媒を含み、図１の工程段階Ｃで説明されたように作動する。（この段階は、図１で説明された工程段階の順序と一致しないことに注意されたい。これは、様々な炭化水素供給物質を処理し、及び／又はより純粋な生成物を生成するように、処理構成を最適化するときに、当業者が実行し得る自由の典型例である。）反応器２０２から出た脱硫された燃料は、次に同心ディフューザを通って収集され、空気Ａと混合されて、混合物は熱交換器２０３に送られる。この例示的実施例において、熱交換器２０３は、この混合された燃料／空気流を燃料電池テール・ガスＴ（ＡＴＯ２１４で燃料処理装置２００に流入する）と対向させて加熱する、らせん状熱交換器である。
【００４５】
予熱された燃料／空気混合物は、予熱温度を維持し、又は２つの区画の間に配置された電気コイル・ヒータ２０４で昇温されて、第２の区画に流入する。予熱された燃料・空気混合物は、らせん状熱交換器２０５に流入し、この熱交換器は、混合物の流れをオートサーマル改質器（ＡＴＲ）２０６の排出流と対向させて、オートサーマル改質反応温度まで予熱する。予熱された水（熱交換器２１２で燃料処理装置２００に流入する）は、熱交換器２０５に流入する前に予熱された燃料・空気の流れと混合される。予熱された燃料・空気・水混合物は、熱交換器２０５を出て同心ディフューザを通過して、ＡＴＲ２０６に供給される。これは図１の工程段階Ａに相当する。このディフューザは、ＡＴＲ２０６入口における均一な流量配分をもたらす。ＡＴＲ２０６から出る高温水素生成物は同心ディフューザを通して収集され、熱回収のために熱交換器２０５に戻される。この実施例では、流路を最小限にするために熱交換器２０５はＡＴＲ２０６の直上に設置されており、それによってエネルギー損失を低減させ、全体のエネルギー効率を改善する。ＡＴＲ２０６を通過する低い圧力降下及び均一な流れを達成するために、流れ調整ベーンをエルボー部に挿入してもよい。
【００４６】
熱交換器２０５から出た冷却された水素生成物は、同心ディフューザを通って脱硫反応器２０７へ送られる。これは図１の段階Ｃに相当する。脱硫された生成物は、触媒シフト反応器２０８へ供給される。これは図１の段階Ｅに相当する。冷却コイル２０９が、発熱シフト反応の温度を制御するために設けられ、それによって一酸化炭素の変換が改善され、より高い効率につながる。この実施例において、冷却コイル２０９はＡＴＲ２０６への供給物質も予熱し、それによってさらに熱回収及び燃料電池効率を改善する。次に、シフト反応生成物は同心ディフューザを通って収集され、そしてらせん状熱交換器２１０内で冷却され、ここでは供給水Ｗの予熱も行われる。
【００４７】
次に、空気Ａが冷却されたシフト反応生成物に導入され、次いでそれらは同心ディフューザに送られ、好ましいＣＯ酸化反応器２１１に供給される反応器２１１は、微量の一酸化炭素を二酸化炭素に酸化し、これは図１の段階Ｇに相当する。流路を短くし、反応器２１１の通過に伴う均一な圧力降下を達成するために、流れ調整ベーンをエルボー部に挿入してもよい。排出される精製水素の流れは、同心ディフューザ内で収集されて熱交換器２１２に送られ、そこで熱エネルギーが供給水Ｗ中に回収される。冷却された水素の流れは、次にセパレータ２１３でフラッシュされて過剰な水Ｗが除去される。すると、セパレータ２１３から出る水素ガスの流れＰは、燃料電池などの水素ユーザに好適なものとなる。
【００４８】
図２で説明した実施例において、燃料電池からの結合された正負極排出ガス流は、燃料電池内の未変換水素から熱を回収するために、燃料処理装置２００に導入される。燃料電池を燃料処理装置と統合することにより、燃料電池による発電の全体効率が著しく改善される。燃料電池テールガスＴは同心ディフューザ内を通ってＡＴＯ２１４に流れる。水素並びに場合によってはメタン及びその他の軽質炭化水素のスリップ流は次式に従って触媒酸化される。
ＣＨ４＋２Ｏ２→ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ      （ＶＩＩ）
Ｈ２＋１／２Ｏ２→Ｈ２Ｏ            （ＶＩＩＩ）
【００４９】
式ＶＩＩ及びＶＩＩＩがＡＴＯ２１４で起こる。ＡＴＯ２１４はビーズ上の触媒ペレット、又は好ましくはモノリス状構造触媒で構成された固定床式反応器であってよい。高温の反応器排出物は同心ディフューザを通って収集され、反応器２０２からの燃料／空気複合混合物によって熱を回収するために、熱交換器２０３へ送られる。燃料電池テールガス流Ｔの熱は、セパレータ２１５でフラッシュされる前に、さらに熱交換器２０１で回収される。分離された水は処理装置の排出水の流れＷと連結され、ベントガスは大気に排気される。
【００５０】
図３を参照すると、図３は本発明の熱伝達ユニット３００の実施例を示す。本発明の熱伝達ユニット３００は、ボイラーとガス予熱器を１つのユニットに統合している。
【００５１】
高温排気ガスは熱伝達ユニット３００を３回通ることになる。最初に、高温排気ガスはユニットの入口３０１から熱伝達ユニット３００に入る。水は水入口３１４から熱伝達ユニット３００に入る。高温排気ガスは次にボイラー・リザーバ３０２に当り、それによってある熱量を水に与える。高温排気ガスは次に、ベル形状の蒸発器３０４の外表面とシェル３０５との間に配置された第１の円筒状空間３０３に向けて方向を変えられ、上向きに流れる。第１の円筒状空間３０３の内側で、高温排気ガスは小型コイル３０６と熱を交換する。ベル形状の蒸発器３０４から来た蒸気は、小型コイル３０６の内側で過熱される。
【００５２】
第２に、本発明の熱伝達ユニット３００の頂部で、高温排気ガスは向きを変えて、ベル形状の蒸発器３０４の内側表面と転造フィン熱交換器３０８の外側壁との間に配置された、第２の円筒状空間３０７内を下向きに流れる。これが高温排気ガスの第２の通過である。この通過の間に、高温ガスはさらに熱を大型コイル３０９に与える。既に予熱済みのガス（空気又は燃料）は、大型コイル３０９内で高温排気ガスからさらに熱を得る。
【００５３】
第３に、本発明の熱伝達ユニット３００の底部で、高温排気ガスは再び向きを変えて転造フィン熱交換器３０８を通って上向きに移動する。高温排気ガスは、転造フィン熱交換器３０８の内側で中心部配管３１０を通って下向きに流れるガス（空気又は燃料）に熱を与える。転造フィン熱交換器３０８は、高温熱源ガスが既に冷却されている場所におけるガス−ガス熱伝達を増進するために、設計に組み込まれている。これが高温排気ガスの第３の、そして最後の通路である。今や冷却された高温の排気ガスは、排気出口３１１で熱伝達ユニット３００から外へ出る。
【００５４】
熱伝達ユニット３００のボイラー構成要素での蒸気製造に関しては、第１の通過の間において高温排気ガスがボイラー・リザーバ３０２にぶつかるときに、水が蒸発し泡が発生させられることになる。発生させられた泡は浮上して液表面に至り、ベル形状の空きスペース区域３１２で一緒に集合して蒸気を形成することになる。ベル形状の空きスペース区域３１２は、二相流を防止するために、巻き込まれた水が打ち落されるように十分広く設計される。分離後に、蒸発した蒸気のみが小型コイル３０６内に入り下向きに流れる。上述したように、上向きに流れる高温排気ガスによって、蒸気は小型コイル３０６の内側で所望の温度まで過熱される。発生された過熱蒸気は、蒸気出口３１３で熱伝達ユニット３００から外に出る。
【００５５】
本発明の熱伝達ユニットのボイラー構成要素は、流動沸騰及びプール沸騰の両方の折衷型である。例えば上述したように、ベル形状の蒸発器３０４内側の水は流動沸騰のように上向きに流れ得るが、液滴を打ち落すための大きい開空間が頂部にあって蒸気を液体から分離するので、容易にはスラグを形成しない。他方、水入口３１４から水の連続的な供給があるため、ボイラー・リザーバ３０２内に常にいくらかの水が残留しており、定常状態条件では最低水位が常に維持されるので、ボイラーはプール沸騰にも似ている。さらに、沸騰熱伝達面積は、水流量に応じて変わる水位によって変化することが可能であるので、ボイラーは蒸気製造に対して良好なターンダウン比を有する。
【００５６】
ガス予熱に関しては、低温ガス（空気又は燃料）は中心部配管３１０から熱伝達ユニット３００に供給され、下向きに流れる。この処理で低温ガスは、転造フィン熱交換器３０８を介して高温排気ガスから熱を得る。次いで低温ガスは大型コイル３０９の内側を上向きに流れ、そして下向きに流れる高温排気ガスによってさらに加熱される。今や加熱された低温ガスは、ガス出口３１５で熱伝達ユニット３００から外に出る。
【００５７】
熱伝達ユニット３００の設計では、高温排気ガスと低温の流れとの間の接触時間を増加させることによって、熱伝達効率を増加させる。本設計では、コイル直径が小さいことにより流動沸騰型熱交換器内でよく生じる好ましからざるスラグの形成も最小限にしており、したがって本設計によって、より安定した蒸気発生が達成できる。さらに、沸騰熱伝達表面積が水流量によって変わり得るため、このボイラーは蒸気発生に対する良好なターンダウン比を有する。最終的に、熱伝達ユニット３００の設計によって、高温燃焼排ガスと低温の流れとの間の対向流路設計の結果、蒸気又はガスをより高温に加熱することが可能である。
【００５８】
好ましい実施例において、高温流の源はＡＴＯ排気ガスである。好ましい実施例において、シェル３０５は直径１５．２４ｃｍ（６インチ）、小型コイル３０６は直径０．６３５ｃｍ（１／４インチ）、大型コイル３０９は直径１．２７ｃｍ（１／２インチ）である。
【００５９】
以下は、上述の寸法を有する本発明の好ましい実施例に関する、熱伝達計算に基づく予想される運転結果のいくつかの実施例である。例えば、ＡＴＯ排気の入口温度が７５０℃のとき、過熱蒸気温度は６５０℃、過熱ガス（空気又は燃料）温度は５８０℃、そしてＡＴＯ排気の出口温度は２６０℃になることが予想される。同様に、ＡＴＯ排気の入口温度が５５０℃のとき、過熱蒸気温度は４００℃、過熱ガス（空気又は燃料）温度は３７０℃、そしてＡＴＯ排気の出口温度は１８０℃になることが予想される。
【００６０】
図４を参照すると、図４はハイブリッド燃焼器４５０と結合して使用された本発明の熱伝達ユニット４００の実施例を示す。ハイブリッド燃焼器４５０は、一次空気をハイブリッド燃焼器４５０内に流入させるための第１の弁４０１と、燃料（典型的には天然ガスであり、プロパンも他の燃料に加えて使用され得る）をハイブリッド燃焼器４５０内に流入させるための第２の弁４０２と、二次空気をハイブリッド燃焼器４５０内に流入させるための第３の弁４０３と、燃料（典型的には天然ガス及び／又は改質物質）をハイブリッド燃焼器４５０内に流入させるための第４の弁４０４と、を含む。燃料、一次空気、及び二次空気の混合ポイントは、ハイブリッド燃焼器４５０の燃焼区域の直前に配置される。
【００６１】
図４に示すように、ハイブリッド燃焼器４５０はまた、ハイブリッド燃焼器４５０の起動用のスパーク点火器４０５を有する火炎バーナ４１０と、高温偏流板４０６と、改質物質ディストリビュータ４０７と、触媒バーナ４０８と、熱交換器４０９と、二次空気予熱器４１３と、インライン混合器４１１と、を含む。好ましい実施例において、改質物質ディストリビュータ４０７はスパージャ型改質物質ディストリビュータであってよく、触媒バーナ４０８の触媒床はモノリス触媒床であってよく、熱交換器４０９は転造フィン型熱交換器であってよい。
【００６２】
図４に例示するように、本発明の熱伝達ユニット４００は、ハイブリッド燃焼器４５０の下流に配置されてよい。熱伝達ユニット４００は、図３に関して上述した熱伝達ユニット３００と同様の構成要素を含み、同様の形で作動する。触媒バーナ４０８から来る高温の燃焼器排気ガスは、ユニット入口４５１で熱伝達ユニット４００に入り、熱伝達ユニット４００を３回（上昇又は下降のどちらか）通過する。１つの通過だけではない、これらの３つの通過は、低温流と接している高温燃焼排ガスの滞在時間を著しく増加させ、それによって熱伝達を促進する。
【００６３】
熱伝達ユニット４００通過後の燃焼排気は、二次空気予熱器４１０に配管接続されてよい。この排気は、オートサーマル改質（ＡＴＲ）反応器に配管接続されて、ＡＴＲ反応器の起動時に改質器床及びシフト床を直接予熱してもよい。さらに天然ガスは、統合された転造フィン熱交換器から来る高温空気と直接混合することによって、予熱されてもよい。
【００６４】
１つの例示的実施例において、ハイブリッド燃焼器はハイブリッド正極テールガス酸化器（ＡＴＯ）である。
【００６５】
本発明を好ましい、又は例示的実施例によって説明してきたが、本発明の概念と範囲から逸脱することなく、本明細書で説明された処理に変更を適用可能なことは当業者に明らかである。当業者に明らかな、そのような類似した代替物、及び変形はすべて、添付の特許請求の範囲に示された、本発明の範囲及び概念の範囲内にあると考えられる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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