(57)【要約】  本発明は、燃料源から水素を生成するのに使用される熱統合型燃料処理装置に関する。燃料処理装置アセンブリは、壁（２７）によって分離された触媒改質領域（２９）と触媒燃焼領域（２８）を含む。改質領域には、改質反応を引起す触媒が配置され、燃焼領域には、燃焼反応を引起す触媒が配置され、これらの触媒は、金属モノリスの形態の好適な構造化基板上に被覆される。反応に利用できる領域を促進させる波形のＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ−Ｙ鋼箔を基板として使用する。改質領域及び燃焼領域は、燃焼領域／改質領域を交互に配置したスタックを形成する矩形であってもよいし、燃焼領域／改質領域が交互に密接する環状部分を形成する円筒形であってもよい。燃焼触媒と改質触媒を近接させて配置することにより、改質チャンバと燃焼チャンバを分離する壁を介する効率的な熱伝達を容易にする。
2015517175.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料源から燃料電池用の水素を生成するための改質器であって、
少なくとも燃料を受入れて前記燃料を熱に変換するように構成された燃焼領域を有し、前記熱は、前記燃焼領域の周りに環状に配置された改質領域に供給され、前記燃焼領域と前記改質領域は、分離壁によって分離され、
前記分離壁の一方の側の前記燃焼領域は、燃料燃焼反応を引起す触媒で被覆された構造化触媒支持部を含み、
前記改質領域は、少なくとも燃料を受入れて、主に水素を含む改質油を生成するように構成され、
前記分離壁の改質器側は、更に、燃料改質反応を引起す触媒で被覆された構造化触媒支持部を含む、改質器。
【請求項２】
前記燃焼領域及び前記改質領域の前記構造化触媒支持部は、波形の鉄クロム合金シートで形成される、請求項１に記載の改質器。
【請求項３】
前記燃焼領域の波形鉄クロム合金シートは、パラジウム又は白金金属、及びこれらの混合物の分散金属相を含む高表面積アルミナ膜で被覆される、請求項２に記載の改質器。
【請求項４】
前記改質領域の波形鉄クロム合金シートは、ルテニウム、ニッケル、白金、ロジウム及びこれらの混合物、又は卑金属の分散金属相を含む高表面積アルミナ膜で被覆される、請求項２に記載の改質器。
【請求項５】
燃料源から水素を生成するための改質器であって、
少なくとも燃料を燃料源から受入れて改質油を生成するように構成された改質領域を有し、前記改質油は、主に水素を含み、前記改質領域の周りに環状に配置され且つ分離壁によって分離された燃焼領域から熱を受入れ、
前記燃焼領域は、前記燃料源と同じ燃料源又はそれと別の燃料源から燃料を受入れて、熱を前記改質器に供給するように構成され、
前記燃焼領域は、燃料燃焼反応を引起すことが可能な触媒で被覆された構造化触媒支持部を有し、
前記分離壁の改質領域は、燃料改質反応を引起すことが可能な触媒を含み、前記触媒は、鉄クロム合金シート上に被覆された薄膜の形態をなす、改質器。
【請求項６】
前記燃焼領域及び前記改質領域の構造化触媒支持部は、波形鉄クロム合金シートで作製される、請求項５に記載の改質器。
【請求項７】
前記燃焼領域の波形鉄クロム合金シートは、パラジウム又は白金金属、及びこれらの混合物、或いは卑金属の分散金属相を含む高表面積アルミナ膜で被覆される、請求項５に記載の改質器。
【請求項８】
前記改質領域の波形鉄クロム合金シートは、ルテニウム、ニッケル、白金、ロジウム及びこれらの混合物の分散金属相を含む高表面積アルミナ膜で被覆される、請求項５に記載の改質器。
【請求項９】
改質すべき蒸気燃料混合物を改質領域に供給して水素を生成し、燃焼すべき燃料空気混合物を燃焼領域に供給して熱を改質器に供給する燃料処理システムに使用される統合型蒸気改質器／燃焼器アセンブリであって、
複数の同心状の管状部分を有し、前記管の内壁は、鉄クロム合金シート上の薄膜の形態で分散され且つ燃焼反応を引起すことが可能な触媒で被覆され、前記管の外壁は、鉄クロム合金シート上に被覆された薄膜の形態をなし且つ改質反応を引起すことが可能な触媒に接触し、
更に、前記管状部分を取り囲み且つ管板に結合された円筒壁を有し、前記円筒壁は、改質反応剤を供給して改質生成物を除去する流路を有し、
更に、前記管板の一方に接続された第１の反応器頭部を有し、前記第１の反応器頭部は、燃焼供給物を供給する流路を有し、
更に、前記管板の他方に接続された第２の反応器頭部を有し、前記第２の反応器頭部は、燃焼生成物を除去する流路を有し、
更に、前記第１の反応器頭部の内部に位置する流れ分配器を有し、前記流れ分配器は、前記第１の反応器頭部の前記流路に接続される、統合型蒸気改質器／燃焼器アセンブリ。
【請求項１０】
改質すべき蒸気燃料混合物を改質領域に供給して水素を生成し、燃焼すべき燃料空気混合物を燃焼領域に供給して熱を改質器に供給する燃料処理システムに使用される統合型蒸気改質器／燃焼器アセンブリであって、
複数の矩形板を有し、前記矩形板の各々の一方の壁は、鉄クロム合金シート上に薄膜の形態で分散され且つ改質反応を引起すことが可能な触媒に接触し、前記矩形板の各々の他方の壁は、鉄クロム合金シート上に被覆された薄膜の形態をなし且つ改質反応を引起すことが可能な触媒に接触し、
更に、前記燃焼触媒を含む燃焼領域を有し、前記燃焼領域は、前記改質触媒を含む改質領域と交互に配置され、前記燃焼領域と前記改質領域は、前記矩形板によって分離され、側板により、燃焼ガスを前記燃焼領域に差し向け、改質ガスを前記改質領域に差し向け、これらの２つの流れの混合を許さず、
更に、前記燃焼領域に接続された第１の反応器頭部を有し、前記第１の反応器頭部は、燃焼供給物を供給する流路を有し、
更に、前記燃焼領域に接続された第２の反応器頭部を有し、前記第２の反応器頭部は、燃焼ガスを除去する流路を有し、
更に、前記改質領域に接続された第３の反応器頭部を有し、前記第３の反応器頭部は、改質供給物を供給する流路を有し、
更に、前記改質領域に接続された第４の反応器頭部を有し、前記第４の反応器頭部は、改質ガスを除去する流路を有する、統合型蒸気改質器／燃焼器アセンブリ。
【請求項１１】
更に、燃焼ガスのＳ字形流れを形成するように配置された波形鉄クロム合金シート上に堆積された燃焼触媒を有する、請求項１０に記載の統合型蒸気改質器／燃焼器アセンブリ。
【請求項１２】
改質ガスのＵ字形流れを形成するように配置された改質領域を有する、請求項１０に記載の統合型蒸気改質器／燃焼器アセンブリ。
【請求項１３】
前記燃焼触媒は、Ｐｔ及びＰｄ、並びにこれらの混合物を含む、請求項１０に記載の統合型蒸気改質器／燃焼器アセンブリ。
【請求項１４】
前記改質触媒は、Ｒｕ又はＮｉ又はＰｔ又はこれらの混合物を含む、請求項１０に記載の統合型蒸気改質器／燃焼器アセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭化水素又は酸素化合物を改質して、電気及び熱エネルギー生成のために燃料電池に供給できる水素リッチ流を生成する非常にコンパクトな燃料処理装置アセンブリに関する。
【背景技術】
【０００２】
代替エネルギーベクトルとしての水素の使用が実現への道をたどっている。燃料電池内で水素を使用した電気生成又は熱電併給は、汚染物質が排出されないことによって最も環境にやさしいエネルギー生成プロセスを意味する。最も重要なこととして、水素は、生物燃料などの再生可能エネルギー源から生成することができ、化石燃料の長期利用可能性及びエネルギー供給の安全性に対する懸念を緩和する。
【０００３】
大規模水素生成は十分に理解されており、精練所及び化学プラントにおいて、特にアンモニア生成産業において広く実践されている。より少ない量を必要とする工業用途では、一般に低温で又は高度に圧縮された形で水素が輸送される。この理由は、大規模水素生成技術の規模を容易に縮小できないからである。さらに、水素が輸送及び分散型エネルギー生成部門に上手く導入されるようにするには、燃料補給網及び流通網を確立しなければならない。
【０００４】
問題は、輸送を非常に非効率的で高価なものにする水素の低エネルギー密度にある。水素を圧縮した形又は液体の形で輸送するには、専用の巨大な設備が必要である。この結果、安全に搬送できる量が最小限に抑えられて、資源消費量及びコストが増加する。この場合、必要な水素インフラは、分散型生産施設に基づくものでなければならないことが明らかである。このことは、中又は低消費量の工業化学物質としての水素にも、エネルギーベクトルとしての水素にも当てはまる。
【０００５】
分散型水素生産施設は、数多くの研究開発活動の焦点である。このような施設の規模は、精練所及び大規模化学プラントで使用されるものよりもはるかに小さいが、基本手順は変わらない。最も一般的に採用されている方法は、炭化水素燃料の改質によって水素を生成するものである。これらの燃料は、原材料の利用可能性に関する懸念に対処するように確立された流通網をすでに有していなければならない。これらの燃料としては、天然ガス、プロパン、ブタン（ＬＰＧ）、及び生物燃料の代表としてのエタノールが挙げられる。天然ガスは大部分がメタンであり、以下の反応に基づいて改質することができる。
ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ→Ｃｏ＋３Ｈ2  ΔＨ＝４９．３ｋｃａｌ／モル
プロパン、ブタン及びエタノールは、以下の反応に基づいて改質することができる。
Ｃ3Ｈ8＋３Ｈ2０→３ＣＯ＋７Ｈ2  ΔＨ＝１１９．０ｋｃａｌ／モル
Ｃ4Ｈ10＋４Ｈ2０→４ＣＯ＋９Ｈ2  ΔＨ＝１５５．３ｋｃａｌ／モル
Ｃ2Ｈ5ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→２ＣＯ＋４Ｈ2  ΔＨ＝５７．２ｋｃａｌ／モル
【０００６】
反応の熱（ΔＨ）から分かるように、これらの改質反応は全て非常に吸熱性が高く、外部からの熱供給によってカバーしなければならない相当量の入熱を必要とする。これらの反応は、７００〜９００℃の温度で生じ、すなわち反応剤をこのような温度にまで加熱しなければならないので、熱不足はさらに大きなものとなる。
【０００７】
通常、これらの改質反応は、蒸気メタン改質器内で行われる。改質反応は、改質触媒で満たされた改質管の内部で行われる。通常、改質管は２０〜３０バールの高圧である。通常、必要な熱は、燃焼炉の内部に反応器の触媒含有管を何列にも配置することにより供給される。これらの列間には、燃料と空気を直火で燃焼させて必要な熱を供給する燃焼バーナーが配置される。炎が高温であるため、改質管を破壊する可能性のある高温に改質管が曝されるのを防ぐために、必然的に改質管から十分な距離を置いて燃焼バーナーを配置しなければならない。この構成では、反応器全体のごく一部でしか水素生成改質反応が行われないので、かなり非効率的である。材料の制約も、反応器改質管の極高温度（＞１０００℃）の回避に影響するので、燃焼バーナーを改質管の直近に配置する能力はさらに制限される。これらは全て、従来の蒸気メタン改質反応器構成が非常に大規模であり、このようなシステムのサイズ及びコストを下げるには新たな構成を開発しなければならないことを意味する。
【０００８】
異なる構成も既に提案されている。改質反応などの高い熱束を必要とする反応については、特許文献１に、高い熱伝達率を得るためのマイクロチャンネル反応器と共に、多孔性発泡触媒を備えた反応器システムが記載されている。このような構成は、大規模システムの有効性を制限する過剰な圧力降下などの著しい困難を示す。
【０００９】
特許文献２には、断熱容器内に密閉された小径セラミック又は金属管の束を備えた反応器が記載されている。管の内面及び外面に触媒が堆積し、管壁全体に熱が伝達される。管の一部は触媒で覆わないようにして、熱交換領域の役割を果たすことができる。このシステムではコンパクトな構成が得られるものの触媒の置換に問題があり、この結果、燃焼又は改質反応に関する触媒効果が落ちた場合には反応器全体を交換しなければならない。
【００１０】
特許文献３に記載されている反応器は、蒸気改質触媒が内管の外側を被覆する二重管反応器を含む。或いは、熱交換領域を定めるように円筒シェル全体にわたって配置された第１及び第２の管板の各々に、内管の組及び外管の組をそれぞれ取り付けることもできる。熱源はバーナーである。熱源がバーナーであるため、改質触媒の配置に関連するバーナーの配置制限により、コンパクトな低コストシステムの構築が妨げられる。
【００１１】
特許文献４に記載されている別の反応器は、シェル内に横方向に延びる複数の細長ポケットを有する管板を含む。シェル全体にわたって第２の管板が延び、この管板が、ポケットの数に対応する数の管状細長導管を支持する。導管は端部が開放されており、ポケット内のほぼポケットの終点まで延びる。ポケット及び／又は導管の表面は触媒を被覆することができる。しかしながら、このような構成では触媒の置換が問題である。
【００１２】
Ｖｅｒｙｋｉｏｓ他による特許文献５には、管の外面が燃焼触媒で、内面が改質触媒で被覆された改質器が記載されている。このような構成では、燃焼側から改質側への熱伝達率が高くなる。しかしながら、このような構成では触媒の置換が問題である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】米国特許第６，６１６，９０９号明細書
【特許文献２】米国特許第６，３８７，５５４号明細書
【特許文献３】欧州特許第０１２４２２６号明細書
【特許文献４】欧州特許第１３６１９１９号明細書
【特許文献５】米国特許出願第２０１０／０１７８２１９号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、炭化水素、酸素化合物などの化合物を含む水素の蒸気改質として知られているプロセスにより水素リッチ流を生成する改質器に関する。この改質器は、蒸気改質反応が行われる部分又は領域、及び燃料を燃焼させることによって改質反応を行うのに必要な熱をもたらす部分又は領域という２つの部分又は領域で構成される。これらの２つの部分は金属隔壁によって分離されるとともに、燃焼部分から改質部分に効率的に熱を伝達できるように密接に熱接触する。燃焼は、効果が落ちたときに除去して置換できる好適な構造化触媒を介して行われる。好適な触媒支持部は、波形金属箔で、又は金属モノリスを含むその他の構造化材料又はセラミック材料で形成される。波形金属材料は、例えば一般に鉄クロム合金と呼ばれ、燃焼触媒支持部として広く使用されているＦｅＣｒＡｌＹという化学式の合金のような高温に耐えることができるいずれかの金属又は合金とすることができる。燃焼触媒は、これらの波形金属箔の少なくとも１つにより形成することができる。触媒は、別個の材料上に被覆されるので、容易に除去して置換することができる。波形箔は、燃焼混合物が通過できる複数の通路を備えるが、隣接する改質領域への効率的な熱伝導を容易にするために燃焼管壁とも密接に接触していなければならない。
【００１５】
蒸気改質は触媒反応であり、別の好適な触媒を介して行われる。波形鉄クロム合金シート又は同様の構造上にも改質触媒を被覆し、改質領域と燃焼領域とを分離する壁に密着させて改質領域内に配置することができる。
【００１６】
本発明の一態様では、燃料処理装置で使用するための熱統合型燃焼器／蒸気改質器アセンブリを提供する。改質器に燃料蒸気混合物を供給して改質し、燃焼器に燃料空気混合物を供給して燃焼させる。
【００１７】
１つの特徴として、この統合型燃焼器／蒸気改質器アセンブリは、円筒壁により定められる管状部分と、互いに熱を伝達し合う関係にある軸方向に延びる同心状の環状通路を定めるハウジングとを含む。管状部分には、燃料空気混合物が供給される。管状部分の内壁は、燃焼反応を引起す触媒で被覆された波形鉄クロム合金シートに接触する。環状通路には、燃料蒸気混合物が供給される。環状通路は、改質反応を引起す触媒で被覆された波形鉄クロム合金シートに接触する。
【００１８】
別の特徴として、この統合型燃焼器／蒸気改質器アセンブリは、上述したように、互いに熱を伝達し合う関係にある、鋼板により定められる２つの矩形部分を含む。この場合、波形鉄クロム合金シート上に被覆された、改質反応を引起す改質触媒を含む一方の矩形部分に燃料蒸気混合物が供給される。燃焼反応を促す好適な触媒で被覆された鉄クロム合金シートを含む他方の環状通路には、燃料空気混合物が供給される。燃料空気混合物通路は、好適に配置された邪魔板（矩形鋼棒）を用いて「Ｓ」字形を形成する。矩形板の周辺に好適に配置された鋼帯が、流れを所望の方向及び形状に制限する。
【００１９】
本発明の別の態様では、統合型燃焼器／蒸気改質器アセンブリが複数の管状部分を含み、これらの管状部分は、互いに分離され同心状に配置された円筒壁により定められるとともにプレート上に支持され、これらのプレートは、円筒壁の一部が管状部分を通過してプレートの片側のみと流体接続するように機械加工される。この機械加工されたプレートを通過する１つの流路は、この機械加工されたプレートにより制限される別の流路によって取り囲まれる。この別の流路は、機械加工されたプレートを通過する流路によって取り囲まれ、以下同様に続く。機械加工されたプレートにより制限された各流路は、機械加工されたプレートを通過する通路を通じて円筒状チャネルを形成する、半径方向に配置された管を通じて連通する。管状部分の内壁は、所望の反応を引起す触媒で被覆された、好ましくは波形の鉄クロム合金シートに接触する。また、このアセンブリは、管状部分の内部における燃料空気混合物の導入及び分散を容易にする適切に成形された反応器頭部と、燃焼生成物の回収及び排出を容易にする適切に成形された反応器頭部とを含む。燃料蒸気混合物は、半径方向に配置されたチャネルを通る、機械加工されたプレートによって制限された通路と連通する外側通路内の半径方向に配置された管を介して改質器に導入される。やはり半径方向に配置されて外側通路の軸方向反対側に流れ接触する第２の管が、水素リッチ流を回収する。
【００２０】
本発明の別の特徴によれば、複数の鋼板が束になって矩形通路を形成する。上述したような触媒を含む「Ｓ」字形の流路を有するプレート上に直線通路が配置され、その後に「Ｓ」字形の流路が配置され、以下同様に続く。また、このアセンブリは、「Ｓ」字形の矩形通路の内部における燃料空気混合物の導入及び分散を容易にする適切に成形された反応器頭部と、燃焼生成物の回収及び排出を容易にする適切に成形された反応器頭部とを含む。１つの適切に成形された反応器頭部が、直線状の矩形通路の内部における燃料蒸気混合物の導入及び分散を容易にし、１つの適切に成形された反応器頭部が、改質生成物の回収及び退去を容易にする。プレートの１つは、改質側の反応器頭部を２つの部分に分離するために長手方向に伸長される。この伸長された鋼板よりも下方の反応器頭部から、反応器に燃料蒸気混合物が挿入され、反応器の上方の反応器頭部から、生成された水素が回収される。
【００２１】
本発明の以下の説明及び関連図面から、本発明のこれらの及びその他の特徴及び利点が明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１Ａ】プレート型の触媒燃焼式熱統合型改質器の本発明の一実施形態の燃焼領域の斜視図である。
【図１Ｂ】プレート型の触媒燃焼式熱統合型改質器の本発明の一実施形態の改質領域の斜視図である。
【図１Ｃ】円筒型の触媒燃焼式熱統合型改質器の本発明の別の実施形態の斜視図である。
【図１Ｄ】円筒型の触媒燃焼式熱統合型改質器の本発明の一実施形態の別の斜視図である。
【図２Ａ】複数の同心状の円筒部分を含む触媒燃焼式熱統合型改質反応器の本発明の一実施形態の斜視図である。
【図２Ｂ】複数の同心状の円筒部分を含む触媒燃焼式熱統合型改質反応器の本発明の別の実施形態の斜視図である。
【図２Ｃ】複数の矩形板のスタックを含む触媒燃焼式熱統合型改質反応器の本発明の別の実施形態の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
添付図面に示すいくつかの好ましい実施形態を参照しながら本発明を詳細に説明する。この説明では、本発明を完全に理解できるように含めた数多くの具体的な詳細を示す。しかしながら、当業者には、これらの具体的詳細の一部又は全部を伴わずに本発明を実施できることが明らかであろう。同時に、本発明を不必要に曖昧にしないように周知の処理ステップ、手順及び構造については詳細に説明していない。
【００２４】
図１Ａは、本発明の一実施形態による、プレート型改質器の燃焼領域の「Ｓ」字形流路を示す。この燃焼流路アセンブリは、燃焼領域１１と改質領域とを分離するプレート１０を含む。この矩形板の周辺に好適に配置された鋼帯１２が、流れを所望の方向及び形状に制限し、反応器壁の役割を果たす。流路１４を通じて、燃料空気混合物１３が供給される。この流路は構造化燃焼触媒を含む。構造化触媒の例としては、燃焼器供給物の所望の反応を引起す燃焼触媒１５で被覆された、好ましくは波形の鉄クロム合金シートが挙げられる。好適に配置された邪魔板１６が、「Ｓ」字形を形成するように燃焼流を促す。煙道ガス１７は、流路１８を通じて管状部分から出る。燃焼触媒は、Ｐｔ又はＰｄ、及びこれらの組み合わせ、或いは卑金属及び卑金属酸化物とすることができる。
【００２５】
図１Ｂは、本発明の同じ実施形態による改質流路を示す。この流路アセンブリは、（図１Ａの）燃焼領域１１と改質領域２０とを分離する（図１Ａの）プレート１０を含む。矩形板と平行に好適に配置された鋼帯２１が、流れを所望の方向及び形状に制限し、反応器壁の役割を果たす。流路２３を通じて、燃料蒸気混合物２２が供給される。この流路は構造化改質触媒を含む。構造化触媒の例としては、燃焼器供給物の所望の反応を引起す改質触媒２４で被覆された、好ましくは波形の鉄クロム合金シートが挙げられる。好適な改質触媒としては、以下に限定されるわけではないが、ニッケル、ルテニウム、貴金属及びこれらの組み合わせが挙げられる。改質生成物２５は、流路２６を通じて管状部分から出る。
【００２６】
燃焼器への燃料は、あらゆる利用できる好適な燃料とすることができる。このような燃料としては、メタン、天然ガス、プロパン、ブタン、液化石油ガス、生物ガス、メタノール、エタノール、高級アルコール、エーテル、ガソリン、ディーゼルなどが挙げられる。図１Ａ及び図１Ｂに示す実施形態では、通常は液体の形で入手できる燃料を燃焼領域に入れる前に気化しなければならない。この同じ燃料を改質領域に供給して水素生成改質反応を起こすことができる。燃焼器に供給される別の見込まれる燃料としては、燃料電池のための水素を生成する燃料処理装置の一部として改質器を使用した場合に燃料電池の陽極から得られる水素枯渇オフガス、或いは水素分離膜から得られる水素枯渇ガス又は圧力スイング吸着（ＰＳＡ）ユニットから得られる水素枯渇ガスがある。
【００２７】
燃焼器に入る気体混合物の組成は、燃料を確実に完全燃焼させるものにすべきである。燃料に対する空気の二段燃焼率は十分であるが、本発明では、より高い二段燃焼率を採用することができる。アセンブリの改質部分に入る混合物の組成は、所与の燃料の改質反応の化学量論によって決まる。化学量論よりも高い燃料と蒸気の比率を与えて、触媒及び／又は反応器を損ねるほどの急流又は炭素形成を引き起こす恐れがある副反応の可能性を最小限に抑えることは通常の慣例である。本発明では、１〜２５の範囲内の全ての好適な蒸気対炭素比率を採用することができる。
【００２８】
構造化燃焼触媒は、耐熱性金属又は金属合金で作製された波形金属箔の形にできることが好ましい。高温燃焼触媒の支持部には、ＦｒＣｒＡｌＹという化学式の、一般に鉄クロム合金と呼ばれる合金などの金属合金を使用することができる。壁１０は任意の材料で作製できるが、金属及び金属合金などの熱伝導抵抗の低い材料が好ましい。この構成では、触媒チャンバ内の燃焼によって熱が生成され、熱を要する改質反応が行われる改質チャンバに、壁１０を通じて非常に容易かつ効率的に熱が伝達される。必要な場所で熱が生成され、需要のある場所に到達するために高い熱伝達抵抗に打ち勝つ必要がないので効率が高くなる。触媒の存在及び低い温度は、火炎式改質器に比べてかなり高い空間速度の使用を可能にする。空間速度は、空の反応器容積に対する標準状態の供給流の比率として定義される。熱統合型改質器の触媒部分では、１０００〜１０００００ｈｒ-1の、より好ましくは５０００〜５００００ｈｒ-1の、さらに好ましくは１００００〜３００００ｈｒ-1の空間速度を使用することができる。火炎式改質器では、通常、空間速度は２０００ｈｒ-1未満である。
【００２９】
改質側の触媒は構造化触媒とすることができ、この場合、好ましくは１０，０００〜１００，０００ｈｒ-1の、又はより好ましくは７，５００〜１５，０００ｈｒ-1の高い空間速度を使用することができる。
【００３０】
好適な燃焼触媒及び改質触媒は、鉄クロム合金シート上に（５〜１０００μｍの厚みの）比較的薄い触媒膜を被覆することによって準備することができる。通常、好適な触媒は、支持部、及びこの支持部上に分散した１又は複数の金属相で構成される。通常、この支持部は、元素周期表のＩＡ、ＩＩＡ、ＩＩＩＡ、ＩＩＩＢ及びＩＶＢ族からの１又は複数の元素の酸化物を含有できる金属酸化物である。最も典型的な燃焼触媒支持部は酸化アルミニウムである。分散金属相は、元素周期表のＩＢ、ＩＩＢ、ＶＩＢ、ＶＩＩＢ及びＶＩＩＩ族からの１又は複数の元素を含むことができる。鉄クロム合金に確実に良好に付着する触媒膜を準備する１つの方法は、鉄クロム合金シートを空気中で高温に加熱することである。加熱中、鉄クロム合金の成分であるアルミニウムが合金の大部分から拡散し、酸化アルミニウム表面層を形成する。この表面層上には、貴金属又は非貴金属とすることができる所望の分散金属相に合わせてアルミナ又はその他の金属酸化物支持部を被覆することが容易である。改質触媒及び燃焼触媒の典型的な支持部は、アルミニウム、シリコン、ランタン、セリウム、ジルコニウム、カルシウム、カリウム及びナトリウムの酸化物で構成される。改質触媒の金属相は、ニッケル、コバルト、銅、白金、ロジウム及びルテニウムを含むことができる。燃焼触媒の金属相は、白金、パラジウム、ロジウムニッケル、又は触媒燃焼に作用する他のいずれかの金属を含むことができる。
【００３１】
鉄クロム合金シート上における触媒支持部の被覆は、多くの方法により実現することができる。表面にアルミニウム酸化物層を形成するように加熱した後、分散金属酸化物粒子の溶液、又は金属酸化物粒子を含むスラリーからの浸漬被覆などの方法を採用することができる。或いは、鉄クロム合金シートの表面上に触媒成分を噴霧すること、又はプラズマ蒸着などにより、鉄クロム合金シート上に触媒を堆積させることができる。その後、触媒支持部を高温で焼成することにより乾燥させる。金属酸化物粒子の溶液又はスラリーを形成する支持部には、分散金属相を添加することができ、或いは焼成ステップ後に所望の金属塩の溶液から別個のステップで添加することもできる。
【００３２】
燃焼領域及び改質領域に入る２つの流れの温度及び圧力は、それぞれ同じである必要はない。通常、燃焼は低圧又は近大気圧で行われるが、高圧燃焼も実施されている。改質は、大気圧を若干上回る最大３０ｂａｒｇの圧力で行うことができる。流路の壁は、２つの流れの間の圧力差を許容するほど十分な強度にすべきである。
【００３３】
本発明の主な利点は、燃焼領域１１と改質領域２０の間の熱統合である。燃焼は、これらの２つの領域を分離するプレート１０の片側に配置された構造化触媒１５上に被覆される触媒膜上で行われる。燃焼側で生成される熱は、素早く改質側に伝達されて使用される。この急速な熱伝達は、燃焼側の触媒を１２００℃未満の温度に、より好ましくは１０００℃未満の温度に維持する上で極めて重要である。これらの温度は、許容できる触媒寿命を確実にすることともに、火炎生成部分と改質部分の間にかなりの距離を維持する必要がある火炎式改質器に比べて反応器アセンブリを劇的に小型化できる非常にコンパクトな燃焼領域の使用を可能にする。温度が低いと、反応器の構造に使用できる合金も安価になる。また、酸化窒素の形成にはかなりの高温が必要なので、温度が低いということは、酸化窒素が排出されないということも意味する。
【００３４】
図１Ｃは、本発明の別の実施形態による統合型改質器の横方向断面を示す。この統合型燃焼器／蒸気改質器アセンブリは、燃焼領域２８と改質領域２９とを分離する円筒壁２７によって定められる管状部分を含む。アセンブリハウジング３０は、反応器壁の役割を果たすとともに、管状部分と熱を伝達し合う関係にある軸方向に延びる同心状の環状通路を定める。燃焼領域の中央には、燃焼流の断面積を低減するようにねじ付き管３１が挿入される。
【００３５】
図１Ｄは、図１Ｃに示すものと同じ統合型改質器の軸方向断面を示す。この統合型燃焼器／蒸気改質器アセンブリは、燃焼領域２８と改質領域２９とを分離する円筒壁２７によって定められる管状部分を含む。アセンブリハウジング３０は、反応器壁の役割を果たすとともに、管状部分と熱を伝達し合う関係にある軸方向に延びる同心状の環状通路を定める。燃焼領域の中央には、燃焼流の断面積を低減するようにねじ付き管３１が挿入される。
【００３６】
管状部分には、流路３３を通じて燃料空気混合物３２が供給される。この実施形態では、管状部分の流路が、燃焼器供給物の所望の反応を引起す、波形鉄クロム合金シート上に堆積された燃焼触媒３４を含む。同様に、管状部分の外側は、改質器供給物の所望の反応を引起す改質触媒３５で被覆された鉄クロム合金シートを含む。燃焼反応の生成物３６は、流路３７を通じて管状部分から出る。環状通路には、流路３９を通じて燃焼ガスと逆流又は並流で燃料蒸気混合物３８が供給される。改質反応の生成物４０は、流路４１を通じて環状通路から出る。
【００３７】
反応器アセンブリは、環状燃焼領域２８の均一な供給を可能にするように流れ分配器１６を含む。この流れ分配器は、円筒状の断面４２と、燃焼供給物流路に当接して配置された複数の有孔シート４３とを有する。この有孔鋼板４３は、１ｃｍ２当たり２０〜５０個の密度の０．５〜１ｍｍ直径の穴、そして円筒状断面４２の流れ面積の５〜２０％の流れ面積を有する。気体の流れは、有孔シート上に生じる圧力降下によって円筒状断面４２内に均一に分散される。ある意味、有孔シートの穴が噴霧ノズルの役割を果たし、流れ分配器が、一般に使用されている静的ミキサよりも非常に低い１５〜２５０ｍバールの圧力降下を有する静的ミキサの役割を果たす。有孔シート穴のサイズ及び密度、並びに有孔シート間の距離は極めて重要であり、容量、燃料の種類、所望の圧力降下などの、改質器の様々なサイズ決めパラメータに依存する。有孔シート間の好ましい距離は１５〜５０ｍｍである。
【００３８】
図２Ａ及び図２Ｂは、円筒形の完全な熱統合型改質反応器の一実施形態を示す。この反応器は、改質流路４６に接する燃焼流路４５を形成する同心状に配置された複数の円筒状断面４４で構成される。各改質流路は、半径方向に配置された円筒状チャネル４７を通じて連通する。これらの環状通路には、流路４５を通じて燃料空気混合物４８が供給される。燃焼流路４５は、燃焼領域における所望の反応を引起す、波形鉄クロム合金シート上に堆積された燃焼触媒５０を含む。同様に、改質流路４６は、改質領域における所望の反応を引起す改質触媒５１で被覆された鉄クロム合金シートを含む。燃焼反応の生成物５２は、流路４９を通じて反応器から出る。環状通路には、流路４６及び円筒状チャネル４７を通じて燃焼ガスと逆流又は並流で燃料蒸気混合物５３が供給される。改質反応の生成物５４は、半径方向チャネル４７及び流路４６を通じて環状通路から出る。
【００３９】
この実施形態は、図１Ｄで説明したような燃焼流路の均一な供給のための流れ分配器を含むこともできる。
【００４０】
図２Ｃは、プレート形の完全な触媒燃焼式熱統合型改質反応器の別の実施形態を示す。この反応器は、改質流路５７に接する燃焼流路５６を形成する、順に重ねて配置された複数の矩形鋼板５５で構成される。改質流を制限するように矩形鋼帯５８が配置された改質流路では改質流が制限される。燃焼流を制限するように矩形鋼帯５９が配置された燃焼流路では燃焼流が制限される。燃焼流は、図１Ａで簡単に説明したような「Ｓ」字形の流れ形状を有することができる。燃焼通路５６には、燃料空気混合物６０が供給される。燃焼流路５６は、燃焼領域における所望の反応を引起す、波形鉄クロム合金シート上に堆積された燃焼触媒６２を含む。同様に、改質流路５７は、改質領域における所望の反応を引起す改質触媒６３で被覆された鉄クロム合金シートを含む。燃焼反応の生成物６４は、矩形燃焼流路５６を通じて反応器から出る。改質触媒６３には、改質流路５７を通じて、燃焼ガスと直交する流れで燃料蒸気混合物６５が供給される。改質反応の生成物６６は、改質通路５７を通じて反応器から出る。
【００４１】
上述した熱統合型改質反応器構成には、従来の火炎式改質反応器をしのぐ複数の利点がある。燃焼領域と改質領域の密接な結合を可能にする低温で触媒燃焼が行われる。火炎式改質器では、管が溶けるのを防ぐために、改質触媒を含む管からかなりの距離に炎が存在しなければならない。この結果、統合型改質反応器は、火炎式改質反応器よりも数倍小型になり、従って資本コスト及び設置コストが大幅に低くなる。火炎式改質器は、何百もの管及びバーナーを含むことができ、燃焼供給物及び改質供給物を全てのバーナー及び管に均一に分散させるために高度な供給流分散システムが必要になる。熱統合型改質器は、改質供給ガスのための入口を１つと、燃焼供給ガスのための入口を１つ有し、これにより単純かつ安価な供給流システムになっている。低ＮＯｘバーナーまでも使用する火炎式改質器では、有意な量のＮＯｘが依然として燃焼ガス中に生成され、別個の選択的触媒還元（ＳＣＲ）触媒とアンモニアを注入することで制御する必要がある。本明細書で説明した熱統合型改質器は、燃焼側が、ＮＯｘの生成を無視できるほどの低温で動作する。
【００４２】
改質器への燃料供給物は、天然ガス、液化石油ガス（ＬＰＧ）、プロパン、ナフサ、ディーゼル、エタノール又はその他の生物燃料、或いはこれらの燃料の組み合わせとすることができる。
【００４３】
いくつかの好ましい実施形態に照らして本発明を説明したが、本発明の範囲に含まれる代替物、置換物及び同等物も存在し、これらについては説明を簡潔にするために省略した。従って、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲を参照して決定すべきものである。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【国際調査報告】
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