(57)【要約】  燃料処理用途において、陽極テールガスオキシダイザー（ＡＴＯ）などの触媒バーナーの上流で触媒プレバーナーを使用する方法。この方法では水素含有ガス混合物を調製し、単一のＡＴＯで効果的に燃焼させることができる。触媒プレバーナーは、原料燃料を水素含有ガス混合物に転化する。次に、この水素含有ガス混合物は、必要な空気流及び陽極テールガス及び圧力スイング吸着ユニットからのオフガスと混合した後、触媒バーナー中に導入される。該方法は、ＡＴＯ始動の要望並びに、ＡＴＯが単一ユニット中で液体燃料及びガス燃料の両者を燃焼させることができる要件を満たすものである。
2010513189.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料処理用途において触媒プレバーナーを使用する方法であって、
触媒バーナーの上流に触媒プレバーナーを設け、該触媒プレバーナーが触媒プレバーナー排気を生ずること；
前記触媒プレバーナーの下流であって前記触媒バーナーの上流にミキサーを設け、該ミキサーがミキサー排気を生ずること；
ガス混合物を１次空気流とともに前記触媒プレバーナーに供給すること；
前記触媒プレバーナー排気を２次空気流とともに前記ミキサーに供給すること；及び
前記ミキサー排気を前記触媒バーナーに供給すること
を含む方法。
【請求項２】
前記触媒バーナーが陽極テールガスオキシダイザーである、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記触媒プレバーナー、前記ミキサー、及び前記触媒バーナーが単一ユニットに統合されている、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記単一ユニットが円筒缶である、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記ガス混合物が天然ガスを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記触媒プレバーナーのための酸素対炭素比が０と１の間である、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記酸素対炭素比が０．５である、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記１次空気流が、前記天然ガス１モル当たり０と４．８モルの間である、請求項５に記載の方法。
【請求項９】
前記１次空気流が、前記天然ガス１モル当たり２．４モルである、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記ガス混合物がプロパンを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記ガス混合物が液体燃料を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記液体燃料が液化石油ガスである、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記液体燃料がガソリンである、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記液体燃料がディーゼルである、請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
前記液体燃料がジェット燃料である、請求項１１に記載の方法。
【請求項１６】
前記液体燃料がメタノールである、請求項１１に記載の方法。
【請求項１７】
前記液体燃料がエタノールである、請求項１１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般的に、燃料処理用途において、陽極テールガスオキシダイザーなどの触媒バーナーの上流で触媒プレバーナーを使用する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、化学的酸化還元反応により電気を供給し、清浄度及び効率に関して発電の他の形態に対して大なる優位性を有する。典型的には、燃料電池は、燃料として水素、酸化剤として酸素を利用する。発電は、反応物の消費速度に比例する。
【０００３】
燃料電池使用の拡大を阻む大きな不利点は、普及した水素のインフラストラクチャーの欠如である。水素は体積エネルギー密度が比較的低く、大部分の発電システムで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困難である。この困難を克服する１つの方法は、炭化水素を燃料電池への供給物として使用可能な富水素ガス流に転化する改質器の使用である。
【０００４】
天然ガス、ＬＰＧ、ガソリン、及びディーゼルなどの炭化水素系燃料は、大部分の燃料電池燃料源として使用されるためには、転化工程を必要とする。現行の技術は、初期転化工程を幾つかの清浄化工程と組み合わせる多段階工程を使用する。初期工程で最も多いのは、水蒸気改質（ＳＲ）、オートサーマル改質（ＡＴＲ）、接触部分酸化（ＣＰＯＸ）、又は非接触部分酸化（ＰＯＸ）である。清浄化工程は、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メタン化の組合せを通常含む。別の工程は、水素選択的膜反応器及びフィルターを含む。
【０００５】
陽極テールガスオキシダイザー（ＡＴＯ）などの触媒バーナーは、燃料改質器及び燃料電池の作動に必要不可欠である。単一ＡＴＯは、燃料電池からのオフガス及び圧力スイング吸着ユニットからのオフガスを効果的に燃焼させる能力を有しなければならない。それに加えて、単一ＡＴＯは、天然ガス、液体炭化水素、及びアルコールを効果的に燃焼させる能力を有しなければならない。さらに、単一ＡＴＯは、始動及び補助燃料のための液体燃料燃焼能力を有しなければならない。ＡＴＯなどの触媒バーナーは、従来のバーナーに対して有利であるが、燃料処理用途におけるＡＴＯの作動に関連する問題がある。
【０００６】
ＡＴＯに関連する１つの問題は、天然ガス触媒バーナーの始動が難しいことである。具体的には、天然ガス触媒バーナーの始動は、大量の予熱空気又は電力投入を必要とする。燃料処理用途において、天然ガス及び／又は空気は、ＡＴＯ中で酸化されるために、天然ガスの着火温度（約３００℃）より高い温度に予熱されなければならない。さらに、触媒床温度を制御するために非常に高い空気流（酸素対炭素比が約７）が必要とされ、１モルの天然ガスに対して約３３．３モルの空気が必要になる。触媒床を熱く保つために電熱器が使用されなければならないか、又は天然ガス及び／又は空気を予熱するために、大きな熱交換器が使用されなければならない。これらの解決法は両方とも幾つかの設計及び操業上の問題を呈する。
【０００７】
ＡＴＯに関連するもう１つの問題には、液体及びガスの燃料の両方を単一のユニットで燃焼させる要件が含まれる。燃料処理用途において、ＡＴＯは、液体燃料及びガス燃料の両者を含む種々の燃料を、単一ユニット中で燃焼させる能力を有しなければならない。この要件は、設計上の難題を呈する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、ＡＴＯの始動の要望、並びにＡＴＯが単一ユニット中で液体及びガス燃料の両者を燃焼させることができる要件を満たすものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、燃料処理用途において、陽極テールガスオキシダイザー（ＡＴＯ）などの触媒バーナーの上流で触媒プレバーナーを使用する方法を提供する。本発明の方法は、単一のＡＴＯ中で効果的に燃焼させ得る水素含有ガス混合物を調製する。触媒プレバーナーは、原料燃料を、水素を含むガス混合物に転化する。次に、この水素含有ガス混合物は必要な空気流と混合した後、触媒バーナー中に導入される。
【００１０】
本発明におけるようにプレバーナーを利用すると、天然ガス触媒バーナーのための加熱の要請が減少する。第１に、触媒プレバーナーの加熱の要請は、標準的触媒バーナーに対するよりもずっと小さい。第２に、水素は約４０℃で着火し得るので、次の触媒バーナーで空気の加熱は必要とされない。このように、天然ガス燃料に対して、加熱の要請は大いに減少される。
【００１１】
さらに、本発明におけるようにプレバーナーを利用すると、天然ガス触媒バーナーに対する燃料転化率が増大する。触媒プレバーナーにおいて、１未満の酸素対炭素比を使用すると、その結果として、部分酸化からのガス混合物中に若干の水素が存在する。水素は、次の触媒バーナーで容易に着火するので、全燃料転化率は高くなる。
【００１２】
それに加えて、本発明におけるようにプレバーナーを利用すると、二重の燃料触媒バーナーは必要ない。液体燃料混合物が使用されるなら、触媒プレバーナーだけが、液体酸化の能力を有する必要がある。触媒プレバーナーは、ガスを燃焼させる必要がなく、次の触媒バーナーは液体燃料を燃焼させる必要がない。即ち、触媒バーナーは、ガス燃料を燃焼させるためにだけ必要である。それ故、液体燃料についての設計上の難題は解決される。
【００１３】
最後に、本発明におけるようなプレバーナーの使用は、プレバーナーから生ずる水素が第２反応ゾーン中で空気と混合して、反応ゾーン外における爆発性混合物形成を排除できるという、付加的利益を提供する。
【００１４】
説明は添付図面を参照して行う。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】燃料改質器についての簡単な工程フローダイヤグラムである。
【図２】コンパクト燃料改質器の一実施形態を例示する図である。
【図３】燃料処理用途のための陽極テールガスオキシダイザーの上流の触媒プレバーナーの一実施形態を例示する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
陽極テールガスオキシダイザー（ＡＴＯ）は、燃料改質器及び燃料電池の作動に必要不可欠である。本発明は、燃料処理用途においてＡＴＯの上流で触媒プレバーナー使用する方法を提供する。
【００１７】
燃料改質器は、一般に、炭化水素燃料を富水素ガスに転化する装置である。一実施形態において、本発明実施形態に記載するコンパクト燃料改質器は、燃料電池で使用するために、炭化水素燃料から富水素ガス流を製造する。しかしながら、富水素流が望まれる何らかの用途を含む、本発明の方法の他の使用の可能性が考えられる。したがって、本発明は、本明細書においては、燃料電池と一緒に使用されるとして記載されるが、発明の範囲はそのような用途に限定されない。例示の実施形態の各々は、燃料改質器、又は炭化水素燃料供給が燃料改質器を通して方向づけられる、燃料改質器を使用する工程を記載する。
【００１８】
燃料改質器のための炭化水素燃料は、それが気化可能である限り、周囲条件で液体でもガスでもよい。本明細書において使用する用語「炭化水素」は、部分酸化又は水蒸気改質反応により水素を生成させ得る、Ｃ−Ｈ結合を有する有機化合物を含む。化合物の分子構造における炭素及び水素以外の原子の存在は排除されない。したがって、燃料改質器のための適当な燃料は、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類を含むが、これらに限定されない。
【００１９】
燃料改質器供給物は、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態とすることができる。水は、液体又は蒸気として導入し得る。供給成分の組成物のパーセンテージは、以下で論ずるように、所望の作動条件により決定される。
【００２０】
燃料改質器流出流は、水素及び二酸化炭素を含み、また、若干の水、未転化の炭化水素、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。
【００２１】
図１を参照すると、図１は、炭化水素燃料の富水素ガスへの転化に含まれる工程ステップを例示する、燃料改質器の簡単な工程フローダイヤグラムを示す。当業者は、本明細書で開示した反応器を通る反応物の流通には、一定量の進行状態が、必要とされることを理解するはずである。
【００２２】
工程のステップＡは、２つの反応が、即ち、部分酸化（下式Ｉ）及び場合により水蒸気改質（下式ＩＩ）も組み合わされて、供給流Ｆを水素及び一酸化炭素を含む合成ガスに転化するオートサーマル改質工程である。式Ｉ及びＩＩは、メタンが炭化水素と見なされる例示的反応式である：
ＣＨ４＋１／２Ｏ２→２Ｈ２＋ＣＯ      （Ｉ）
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→３Ｈ２＋ＣＯ          （ＩＩ）
【００２３】
部分酸化反応は非常に速く起こって、加えられた酸素が完全に転化し、熱を発生する。水蒸気改質反応はそれより遅く起こり、熱を消費する。供給流中の高い酸素濃度は部分酸化に有利であるが、水蒸気の高い濃度は水蒸気改質に有利である。それ故、酸素対炭化水素比及び水対炭化水素比は、特徴づけのパラメーターになる。これらの比は、作動温度及び水素収率に影響する。
【００２４】
オートサーマル改質ステップの作動温度は、供給条件及び触媒に依存して、約５５０℃から約９００℃の範囲とすることができる。本発明は、水蒸気改質触媒を加えて又は加えずに、部分酸化触媒の触媒床を使用する。触媒は、ペレット、球、押出し物、モノリス等を含む任意の形態とすることができる。部分酸化触媒は、当業者に周知のはずであり、多くは、モノリス、押出し物、ペレット又は他の担体上のアルミナ薄め塗膜上に、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が使用されてきた。チタニア、ジルコニア、シリカ、及びマグネシアなどの他の薄め塗膜は、文献に挙げられている。ランタン、セリウム、及びカリウムなどの多くの付加材料が、文献に部分酸化触媒の性能を向上させる「助触媒」として挙げられている。
【００２５】
水蒸気改質触媒は、当業者に既知であるはずであり、多量のコバルトを添加したニッケル又は白金、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むことができる。触媒は、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上に、単独で又は組合せで担持することができる。或いは、水蒸気改質触媒は、カリウムなどのアルカリ金属を助触媒として、ニッケルを単独で又は組合せで、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上に担持して、含むことができる。
【００２６】
工程ステップＢは、工程ステップＡからの合成ガス流を、約２００℃から約６００℃、好ましくは約３００℃から約５００℃、より好ましくは約３７５℃から約４２５℃の温度に冷却して、次のステップへ向かう流出合成ガスの温度を最適化する冷却ステップである。この冷却は、設計規格及びガス流の熱含量を回収／リサイクルする必要度により、ヒートシンク、ヒートパイプ又は熱交換器を使用して達成できる。ステップＢの１つの例示的実施形態は、熱交換器を通って循環する冷媒として、供給流Ｆを利用する熱交換器の使用である。熱交換器は、外殻及び管、平板、螺旋等を含む、当業者に既知の任意の適当な構造物にすることができる。代替として、又はそれらに加えて、冷却ステップＢは、燃料、空気又は水などの追加的供給成分を注入することにより達成することもできる。水は、それが蒸発して水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。加えられる成分の量は、所望の冷却の程度に依存し、当業者により容易に決定される。
【００２７】
工程ステップＣは、精製ステップである。炭化水素流の主な不純物の１つは硫黄であり、それはオートサーマル改質ステップＡにより硫化水素に転化される。工程ステップ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及び転化することができる他の材料を好ましくは含み、且つ担体（例えば、モノリス、押出し物、ペレットその他）を含むことができる。脱硫は、次の反応式ＩＩＩに従って硫化水素を水に転化することにより達成される。
Ｈ２Ｓ＋ＺｎＯ→Ｈ２Ｏ＋ＺｎＳ          （Ｉｌｌ）
【００２８】
塩化物などの他の不純物も転化することができる。反応は、好ましくは約３００℃から約５００℃、より好ましくは約３７５℃から約４２５℃の温度で実施される。酸化亜鉛は、約２５℃から約７００℃の広範囲の温度にわたる効果的な硫化水素吸収剤であり、また作動温度の適当な選択により処理ステップの配列を最適化するために高い適用性がある。
【００２９】
流出流は、次に、混合ステップＤに送られ、そこで場合により水をガス流に添加することができる。水の添加は、それが蒸発するときに、反応物流の温度を低下させ、且つ工程ステップＥの水性ガスシフト反応のために、より多くの水を供給する（以下に論ずる）。水蒸気及び他の流出流成分は、効果的に水を混合し、及び／又は水の蒸発の助けになる、セラミックビーズ又は他の類似の材料などの不活性材料の処理コアを通さ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、供給物とともに導入することができ、混合ステップは、以下に開示するＣＯ酸化ステップＧ中で酸化剤ガスの混合をよくするために、再配置することができる。
【００３０】
工程ステップＥは、式ＩＶに従って一酸化炭素を二酸化炭素に転化する水性ガスシフト反応である。
Ｈ２Ｏ＋ＣＯ→Ｈ２＋ＣＯ２          （ＩＶ）
【００３１】
これは、一酸化炭素が、ヒトに高度に毒性であることに加えて、燃料電池にも毒であるので、重要なステップである。一酸化炭素の濃度は、好ましくは、燃料電池が耐え得るレベル、通常５０ｐｐｍより低くすべきである。一般的に、水性ガスシフト反応は、使用される触媒により、１５０℃から６００℃の温度で起こり得る。そのような条件下で、ガス流中の一酸化炭素の大部分は、このステップで転化される。
【００３２】
低温シフト触媒は、約１５０℃から約３００℃の範囲で作用し、例えば、ジルコニアなどの他の遷移金属酸化物上に担持された酸化銅若しくは銅、シリカ、アルミナ、ジルコニアなどの遷移金属酸化物若しくは耐火性の担体上に担持された亜鉛又はシリカ、アルミナ、ジルコニアなどの適当な担体上の白金、レニウム、パラジウム、ロジウム若しくは金などの貴金属を含む。
【００３３】
高温シフト触媒は、好ましくは約３０００℃から約６００℃の範囲の温度で作用して、酸化第二鉄又は酸化第二クロムなどの及び遷移金属酸化物を含むことができ、場合により酸化銅又は酸化鉄などの助触媒を含む。担持された白金、パラジウム及び／又は他の白金族メンバーナーどの担持された貴金属も、高温シフト触媒として含まれる。
【００３４】
このステップを実施するために使用される処理コアは、上記のような高温若しくは低温シフト触媒又は高温若しくは低温シフト触媒両者の組合せの充填床を含むことができる。工程は、使用される触媒の種類により、水性ガスシフト反応に適した任意の温度で、好ましくは１５０℃から約４００℃の温度で、操業されるべきである。場合により、冷却コイルなどの冷却要素は、触媒充填床内の反応温度を下げるために、シフト反応装置の処理コアに配置することができる。温度は低い方が、一酸化炭素の二酸化炭素への転化に有利である。精製処理ステップＣも、高温シフトと低温シフトステップの間に脱硫モジュールを置いて、高温シフトと低温シフトのために別個のステップを設けることにより、高温シフト転化及び低温シフト転化の間で実施することができる。
【００３５】
工程ステップＦは、一実施形態で熱交換器により実施される冷却ステップである。熱交換器は、外殻及び管、平板、スパイラル等を含む任意の構築物とすることができる。代替として、ヒートパイプ又はヒートシンクの他の形態を利用することもできる。熱交換器の目的は、ガス流の温度を下げて、好ましくは約９０℃から約１５０℃の範囲内の温度を有する流出物を生じさせることである。
【００３６】
ステップＦでは工程に酸素が加えられる。酸素は、以下で説明する工程ステップＧの反応により消費される。酸素は、空気、濃縮空気、又は実質的に純粋な酸素の形態とすることができる。熱交換器は、設計により、空気と富水素ガスとの混合を提供することができる。代替として、工程ステップＤの実施形態を混合のために使用できる。
【００３７】
工程ステップＧは、流出流中の残存一酸化炭素の殆ど全部が、二酸化炭素に転化される酸化ステップである。処理は、一酸化炭素の酸化のための触媒の存在下に実施され、触媒は、ペレット、球、モノリスなどの任意の適当な形態とすることができる。一酸化炭素のための酸化触媒は既知であり、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／又は貴金属又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、アルミナ薄め塗膜上の白金である。薄め塗膜は、モノリス、押出し物、ペレット又は他の担体上に適用できる。セリウム又はランタンなどの付加的材料は、性能を向上させるために添加することができる。多くの他の調合法が、他の文献に挙げられており、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実務家もいる。ルテニウム、パラジウム、金、及び他の材料が、この用途に対して有効であるとして文献に挙げられている。
【００３８】
２つの反応が工程ステップＧで起こる：即ち、次の一酸化炭素の望ましい酸化（式Ｖ）及び水素の望ましくない酸化（式ＶＩ）である。
ＣＯ＋１／２Ｏ２→ＣＯ２          （Ｖ）
Ｈ２＋１／２Ｏ２→Ｈ２Ｏ          （ＶＩ）
【００３９】
一酸化炭素の選択的な酸化は、低温で有利になる。両方の反応が熱を生ずるので、工程内に配置した冷却コイルなどの冷却要素を場合により設けることが有利かもしれない。工程の操業温度は、約９０℃から約１５０℃の範囲内に保たれることが好ましい。工程ステップＧは、一酸化炭素レベルを、燃料電池での使用に適当なレベルである５０ｐｐｍ未満に低下させることが好ましいが、当業者は、本発明が、それより高い及び低いレベルの一酸化炭素で、富水素生成物を生成するように適合することも可能であることは認識するべきである。
【００４０】
燃料改質器を出る流出物は、二酸化炭素及び水、不活性成分（例えば、窒素、アルゴン）、残存炭化水素などの、存在し得る他の構成成分を含む富水素ガスである。生成物ガスは、燃料電池又は富水素供給流が望まれる他の用途のための供給物として使用できる。場合により、生成物ガスは、さらなる、例えば、二酸化炭素、水又は他の成分を除去する処理に送られることがある。
【００４１】
燃料改質器１００は、図１に記載した一般的工程を実施するための一連の工程ユニットを含む。工程ユニットは、当業者に直ちに明らかな多数の配置で使用できることが意図されている。さらに、本明細書に記載した燃料改質器は、本明細書に記載した燃料改質器の富水素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、燃料電池と連結した使用に適合可能である。
【００４２】
図２を参照すると、図２は、コンパクト燃料改質器の一実施形態を例示する。図２に示す燃料改質器２００は、図１にダイヤグラムで例示して上で説明した工程に類似している。炭化水素燃料供給流Ｆが燃料改質器に導入されて、富水素生成物ガスＰが抜き出される。燃料改質器２００は、各々別の作動機能を実施する数個の工程ユニットを備え、大体図２に示したように配置される。この例示の実施形態においては、炭化水素燃料Ｆは、最初のゾーンに入り、燃料電池テールガスＴ（ＡＴＯ２１４で燃料改質器２００に入る）と向流で供給ガスＦを予熱するスパイラル熱交換器２０１に入る。燃料改質器内で起こる複数の発熱反応のために、当業者は、この供給施設において多少は他の熱蓄積の可能性もあり得ることを認識すべきである。次に、この予熱された供給物は、流動分布を殆ど完全にして及び反応器導入口での圧力降下を小さくするために同軸拡散器を通って、脱硫反応器２０２に入る。反応器２０２は、脱硫触媒を含み、図１の工程ステップＣで説明したように作動する（このステップは、図１に示した工程ステップの順と一致しないことに注意されたい。これは、当業者が、種々の炭化水素燃料供給物を処理し及び／又はより純粋な生成物を生成させるために、工程配置を最適化する際に行使できる自由の主要な例である）。次に、反応器２０２からの脱硫された燃料は、同軸拡散器を通して捕集され、空気Ａと混合されて、混合物は熱交換器２０３に送られる。この例示の実施形態では、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で燃料改質器２００に入る）と向流させて加熱する、スパイラル熱交換器である。
【００４３】
予熱された燃料／空気混合物は、次に、２つのゾーンの間に位置する電気コイルヒーター２０４により予熱温度を維持又は上昇させた第２ゾーンに入る。予熱された燃料−空気混合物は、スパイラル熱交換器２０５に入り、それが、その流をオートサーマル改質器（ＡＴＲ）２０６流出物流と向流させて、オートサーマル改質の反応温度に予熱する。予熱された水（熱交換器２１２で燃料改質器２００に入る）は、予熱された燃料−空気流と混合されてから、熱交換器２０５に入る。予熱された燃料−空気−水混合物は、同軸拡散器を通って熱交換器２０５を出て、次に、図１の工程ステップＡに対応するＡＴＲ２０６に供給される。拡散器は、ＡＴＲ２０６導入口における一様な流動分布を可能にする。ＡＴＲ２０６からの高温水素生成物は、同軸拡散器を通して捕集され、熱回収のために熱交換器２０５に戻される。この実施形態においては、流路を最小化するために、熱交換器２０５がＡＴＲ２０６の直ぐ上に設置され、それによりエネルギー損失を減少させ、且つ全エネルギー効率を向上させる。流動調節翼は、圧力降下を小さくして、ＡＴＲ２０６を通る流れを均一化する目的で、屈曲部に挿入することができる。
【００４４】
熱交換器２０５からの冷却された生成水素は、次に、同軸拡散器を通して図１の工程ステップＣに対応する脱硫反応器２０７に送られる。次に、脱硫された生成物は、図１の工程ステップＥに対応する触媒シフト反応器２０８に供給される。冷却コイル２０９は、発熱性のシフト反応の温度を制御するために設置され、それが一酸化炭素転化率を向上させてより高い効率に導く。この実施形態において、冷却コイル２０９はＡＴＲ２０６供給物の予熱も行い、熱回収及び燃料電池の効率をさらに向上させる。次に、シフト反応生成物は、同軸拡散器を通して捕集され、スパイラル熱交換器２１０で冷却され、それが水供給Ｗも予熱する。
【００４５】
次に、空気Ａは、冷却されたシフト反応生成物に導入され、次にそれは同軸拡散器に送られて好ましいＣＯ酸化反応器２１１に供給される。反応器２１１は、痕跡量の一酸化炭素を二酸化炭素に酸化し、それは図１の工程ステップＧに対応する。流動調節翼は、流路を短縮し、且つ反応器２１１全体にわたって圧力降下を一様に小さくするために、屈曲部に挿入することができる。流出した精製水素流は、次に、同軸拡散器で捕集され、熱交換器２１２に送られて、それが熱エネルギーを供給水Ｗに回収する。次に、冷却された水素流は、分離器２１３で急速蒸発させて過剰の水Ｗを除去する。分離器２１３からの水素ガス流Ｐは、そこで、燃料電池など、水素使用装置に適当である。
【００４６】
図２で説明した実施形態において、燃料電池からの組み合わされた陽極及び陰極の通気孔ガス流は、燃料電池で転化されなかった水素から熱を回収するために燃料改質器２００に導入される。燃料電池と燃料改質器との統合は、燃料電池による発電の全効率を相当向上させる。燃料電池テールガスＴは、同軸拡散器を通ってＡＴＯ２１４に流れる。水素、及び可能性としてメタン及び他の軽炭化水素のスリップ流は、
ＣＨ４＋２Ｏ２→ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ          （ＶＩｌ）
Ｈ２＋１／２Ｏ２→Ｈ２Ｏ                  （ＶＩＩＩ）
に従って触媒的に酸化される。
【００４７】
式ＶＩＩ及びＶｌｌｌは、ＡＴＯ２１４中で起こり、ＡＴＯ２１４はビーズ上の触媒ペレット又は好ましくはモノリス構造の触媒で構成される固定床反応器とすることができる。高温の反応器流出物は、同軸拡散器を通して捕集され、反応器２０２からの組み合わされた燃料／空気混合物と熱回収のために、熱交換器２０３に送られる。次に、燃料電池テールガス流Ｔからの熱は、分離器２１５での急速蒸発に先だって、熱交換器２０１でさらに回収される。分離された水は、プロセッサー流出水流Ｗに接続され、次に通気孔ガスが大気中に排気される。
【００４８】
図３を参照すると、図３は、燃料処理用途で使用される触媒プレバーナー３０１の一実施形態を例示する。触媒プレバーナー３０１は、触媒バーナー３０３の上流に位置する。ミキサー３０２は、触媒プレバーナー３０１の下流及び触媒バーナー３０３の上流に位置する。好ましい実施形態において、触媒バーナー３０３は、ＡＴＯである。ガス燃料混合物３０４は、１次空気流３０５に沿って触媒プレバーナー３０１に供給される。触媒プレバーナー３０１は、触媒プレバーナー排気３０６を生成し、それは２次空気流３０７に沿ってミキサー３０２に供給される。それに加えて、燃料電池からの陽極テールガス又は圧力スイング吸着ユニットからのオフガス３０９も、ミキサー３０２に供給することができる。補助燃料（天然ガス又は液体燃料）及び１次空気だけがプレバーナーに供給される。２次空気、プレバーナー排気、陽極テールガス、又は圧力スイング吸着ユニットからのオフガスは、ミキサーに供給できる。
【００４９】
触媒プレバーナー３０１に供給されたガス燃料混合物３０４は、天然ガスなどの燃料とすることができるが、ブタン、プロパンなどの他のガス燃料も同様に含むことができる。天然ガスが使用されるとき、０〜１の間の酸素対炭素比が必要とされ、０．３〜０．７が好ましい（相当する空気流は、天然ガス１モル当たり０〜４．８モルの間の空気である）。好ましい例は、０．５の酸素対炭素比である（天然ガス１モル当たり２．４モルの空気）。触媒プレバーナー３０１を使用しないと、７の酸素対炭素比が必要になるであろう（１モルの天然ガス当たり３３．３モルの空気）。この１次空気流３０５は、流速が非常に小さいので（３３．３に対して２．４）、加熱し易く及び／又は触媒プレバーナー３０１の床の温度は熱く保つことが容易である。それに加えて、触媒プレバーナー３０１に対する空間速度はＡＴＯ３０３に対するよりも小さく、それは結果として良好な燃料転化率をもたらす。さらに、触媒バーナー３０３中への全流入が少ないときほど、ガスと床との間の熱交換も減少し、触媒バーナー３０３の触媒床を熱く保つことが容易になる。
【００５０】
上の例示、図３において、液化石油ガス（ＬＰＧ）、ガソリン、ディーゼル、ジェット燃料、メタノール、エタノールなどの液体燃料は、触媒プレバーナー３０１に入るガス燃料混合物３０４として天然ガスの代わりに使用することができる。液体燃料が使用されるときは、液体燃料蒸発器が必要になるであろう。
【００５１】
触媒プレバーナー３０１は、充填されたペレット又はモノリスとすることができる。白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、又はルテニウム（Ｒｕ）などの部分酸化触媒が使用できる。
【００５２】
次の表は、各流についてモル分率、流量、及び温度のＡｓｐｅｎＰｌｕｓ（登録商標）シミュレーション結果を示す。
【表１】
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【００５３】
本発明の方法を好ましい又は例示的実施形態に関して説明したが、本発明の概念及び範囲から逸脱せずに、変形が本明細書に記載した工程に適用され得ることは、当業者に明らかである。次の特許請求の範囲で説明されるように、当業者に明らかなすべてのそのような類似の置き換え及び改変は、本発明の範囲及び概念の内であると考えられる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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