(57)【要約】【解決手段】高温改質物（１０）を生成するため自家熱改質器（ATR）（２）を作動させる方法は、改質物（１０）からの熱を用いて、自家熱改質器２に導入された蒸気（８）及び空気（６）を予備加熱する工程を備える。蒸気（８）は、改質物（１０）により加熱され、空気（６）は、蒸気（８）により加熱される。改質物（１０）と空気（６）との間に直接的な熱交換は存在していない。熱転移をもたらす熱交換器（１２、１４、１６）では、蒸気は、改質物（１０）及び空気（６）の両方よりも高い圧力に維持される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸気、空気及び炭化水素燃料の混合物を、第１の圧力及び少なくとも約６５０℃の温度を有するガス状改質物へと転化させるための自家熱改質器を作動させるための方法であって、
前記蒸気及び空気を、前記改質物から抽出された熱を用いて予備加熱する工程を備えており、
該予備加熱工程は、
（ａ）  前記改質物から前記蒸気に熱を転移するための第１の熱交換器に該蒸気及び該改質物を通過させ、該蒸気は、前記第１の圧力より大きい第２の圧力に維持される工程と、
（ｂ）  前記蒸気から前記空気に熱を転移するための第２の熱交換器に前記空気及び前記蒸気を通過させ、該空気は、前記第２の圧力より低い圧力に維持される工程と、
によって実行され、これにより、前記改質物と前記空気との直接的な熱交換関係を設けること無しに、熱が、前記改質物から前記蒸気を介して前記空気に転移されるようにした、方法。
【請求項２】
前記第１及び第２の熱転移は、共通のハウジング内で達成される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記蒸気が前記第２の熱交換器で冷却された後、前記改質物から前記蒸気に熱を再び転移するため、前記第２の熱交換器から出た前記蒸気を第３の熱交換器に流入させる工程を更に備える、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記第１及び第３の熱転移は、共通のハウジング内で達成される、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記第１、第２及び第３の熱転移は、共通のハウジング内で達成される、請求項３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気、蒸気及び炭化水素燃料を改質物に転化するための自家熱改質器に係り、より詳しくは、改質器を出る改質物を用いて空気及び蒸気を予備加熱する自家熱改質器に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムでは、空気、蒸気及び炭化水素燃料（例えばガソリン、メタン等）を反応させてH2、CO2、H2O及びCOを含む改質物を形成するため、自家熱改質器（ATR）を使用することが知られている。CO及びH2Oは、引き続いてH2及びCO2に転化され、当該改質物は、H2−O2燃料電池のアノード側に供給される。自家熱改質器では、炭化水素燃料、蒸気及び空気が、２つの反応区分、即ち第１の部分酸化（POX）区分及び第２の蒸気改質（SR）区分を順次、通過する。部分酸化区分では、燃料電池は、化学量論通りの量の空気と発熱反応して、一酸化炭素、水素及び低次の炭化水素（例えばメタン）を発生させる。高温の部分酸化反応生産物は、燃料及び空気を伴って導入された蒸気と共に、蒸気改質区分内に至り、該区分で、より低次の炭化水素が蒸気と反応し、主要にはCO2、CO、H2、H2O及びN2を含む改質ガスを生成する。蒸気改質反応は、吸熱反応であり、部分酸化区分の流出物により蒸気改質区分へと前方に転移された、発熱性部分酸化反応により発生された熱から、その要求された熱を獲得する。
【特許文献１】
米国特許番号５，１２２，２９９号
【特許文献２】
米国特許番号６，２２４，７８９号
【特許文献３】
米国特許番号６，４１３，４９１号
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
蒸気改質区分から出た改質物は、メタン形成を抑制し、これにより水素の生成を増加させるため、少なくとも約６５０℃の温度（好ましくは、約７００℃乃至約７５０℃）を持たなければならないことが決定された。そのような高温の改質物温度を達成する一つの方法は、自家熱改質器への空気及び蒸気の導入物を予備加熱することである。予備加熱工程は、システムに必要とされる熱を追加するだけではなく、必要とされる空気の量を最小化することを可能にし、システムの効率を増大させる。本発明は、システムの端部に配置された別個の燃焼器からの熱に頼るというよりも、自家熱改質器入力流れ（空気及び蒸気）で必要とされる熱を自家熱改質器の出力流れ（改質物）の熱とより密接に結合することにより、改善されたシステム動的応答性を提供する。よって、本発明によれば、そのような蒸気／空気予備加熱は、自家熱改質器の蒸気改質区分から出た改質物から抽出された熱を用いて、自家熱改質器への蒸気及び空気入力流れを加熱することにより達成される。改質物及び空気の混合並びに反応の可能性（即ち、熱交換器内での漏れの増大）が無い状態で改質物が空気（及び蒸気）を加熱するため使用されるように、蒸気が中間的な熱運搬流体として使用される。この改質物及び空気の混合並びに反応は、漏れ／反応個所における熱交換の局所化された加熱に付随して、熱交換の劣化を引き起こし得る。より詳しくは、本発明は、第１の圧力及び少なくとも約６５０℃の温度を有するガス状改質物を生成するため、蒸気、空気及び炭化水素燃料を転化させる自家熱改質器を作動させる方法を企図する。本方法は、最初に蒸気及び空気を第１の熱交換器に通過させることにより改質物から抽出された熱を用いて予備加熱する工程を備えている。ここで、第１の熱交換器は、漏れが第１の熱交換器に発生した場合、蒸気が改質物に向かって流れるように、改質物から、第１の（即ち改質物の）圧力より大きい第２の圧力に維持された蒸気へと、熱を転移させる。次に、第２の熱交換器内に蒸気が供給される。該第２の熱交換器は、該蒸気から、熱交換器の反対側を通って流れる空気へと熱を転移させる。第２の熱交換器内の空気は、第２の熱交換器が漏れた場合、蒸気が熱交換器の空気側に向かって流れるように、第２の（即ち蒸気の）圧力よりも小さい第３の圧力に維持される。この構成の正味の効果は、熱が、改質物から導入された蒸気を介して導入された空気へと、熱交換器の壁を横切る空気との直接的な熱交換関係を改質物に設けること無しに、転移されるということである。本発明の好ましい実施例によれば、蒸気がその熱の一部分を導入空気に捨てた後に該蒸気を再加熱するため、第３の熱交換器が、自家熱改質器と、第１の熱交換器との間に設けられる。本発明の一実施例では、第１及び第３の熱交換器が、共通のハウジング内に収容される。別の実施例では、第１及び第２の熱交換器が、共通のハウジング内に収容される。最も好ましい実施例では、始動に要する時間を減少させると共に、熱損失、並びに、熱交換器の体積、質量及びコストを最小にするため、３つの全ての熱交換プロセスが共通のハウジング内でもたらされる。
【実施例】
【０００４】
本発明は、前記した図面と連係した以下に与えられる、その幾つかの特定の自家熱改質器の次の詳細な説明を考慮するとき、より良く理解されよう。
図１は、本発明のプロセスを実行するための自家熱改質器-熱交換器の構成の一実施例を概略的に表している。より詳しくは、図１は、炭化水素燃料（例えばガソリン又はメタン）４、空気６及び蒸気８が供給される自家熱改質器２（ATR）を示している。燃料、蒸気及び空気は、自家熱改質器で反応し、主要にはCO2、CO、H2、H2O及びN2を含む、高温（即ち、少なくとも約６５０℃）の改質ガス１０を形成する。改質物１０は熱交換器１２を通過し、該熱交換器で、その熱の一部分が、蒸気８に転移され、該蒸気は自家熱改質器２に導入される。熱交換器１２から出た改質物１０は、別の熱交換器１４に至り、該熱交換器で、より多くの熱が、改質物１０から、熱交換器１４に流入する蒸気８に転移される。より低温の改質物１０が、熱交換器１４から出て、燃料電池（図示せず）のアノードに至る途中で浄化される（即ち、水−ガス−シフト反応及び優先酸化反応によりＣＯを実質的に除去させる）。熱交換器１４から出た蒸気８は、更に別の熱交換器１６に入り、そこで、該熱交換器１６の他方の側を通過する空気６にその熱の一部分を捨て、かくして、空気６を、自家熱改質器２に入る前に予備加熱する。熱交換器１６から出た蒸気８は、熱交換器１２を通過し、該熱交換器で、該蒸気は自家熱改質器から出た改質物により加熱され、該蒸気を、自家熱改質器２に導入する前に予備加熱する。熱交換器（１２、１４、１６）の全てにおける流れは、最大熱転移効率を提供するため、向流型となるのが好ましい。蒸気８は、改質物１０又は空気６のいずれよりも高い圧力状態にあり、空気６は、改質物１０よりも高い圧力状態にある。蒸気８は、自家熱改質器２内の共通の圧力で空気６と結合する前に熱交換器１２を通って流れなければならないので、熱交換器１２内で蒸気８が受ける圧力降下は、蒸気８が熱交換器１６の空気６よりも高い圧力状態にあることを確実にする。蒸気８が空気６及び改質物１０の両方よりも高い圧力状態にあることを更に確実にするため、熱交換器１６は、漏れが任意の熱交換器に発生する場合には、蒸気が常に隣接する流れへと流れ込み（その逆は可能ではない）、これにより、空気及び改質物のいかなる混合をも防止するように、圧力レギュレータ又は流れ制限器１８が、熱交換器１６の後段の蒸気ライン８に設けられる。この混合物は、適用可能な熱交換器、及び、可能性としては漏れた流れの下流側にある燃料電池システムの構成要素（例えば、水−ガス−シフト反応器）に損傷を与えかねないものである。
【０００５】
本発明の一実施例では、第１及び第３の熱交換器１２が共通のハウジング内に収容される。バー及びプレート型式又はシェル及びチューブ型式の熱交換器コアが、とりわけ、この目的のために有効である。図２に示された好ましい実施例では、熱交換器１４及び１６（図１を参照せよ）内で作用する熱交換プロセスは、熱損失、熱交換体積、質量及びコストを最小にするため、並びに、始動に要する時間を減少するため単一のユニット２０に結合されている。蒸気は、常に、空気と、改質物との間にある。この実施例では、自家熱改質器２２は、高温改質物の流れ２４を生成し、該流れは、改質物対蒸気の熱交換器２６を通って流出し、３流体熱交換器２０に入る。該３流体熱交換器では、該高温改質物の流れは、その熱の一部分を熱交換器２０も通過する蒸気２８に捨てる。これと同時に、空気３０が、３流体熱交換器２０に導入され、該熱交換器において、該空気が、そこを通過する蒸気２８により加熱される。同心チューブの、チューブ及びシェル式の熱交換器は、この用途のために特に有用である。そのような熱交換器は、共通のハウジング３３内に複数の同心チューブ３２を備え、内側チューブ３６を取り囲む外側チューブ３８を備える（図３を参照せよ）。空気は内側チューブ３６を通って流れ、蒸気は、内側チューブ３６と、外側チューブ３８との間の環帯部４０を通って流れ、これと共に、改質物が、ハウジング３３内で複数の同心チューブ３２を超えて流れる。代替例として、改質物が、中央チューブ３６を通って流れると共に、空気が、ハウジング３３内の複数の同心チューブ３２を超えて流れてもよい。熱転移を強化するためチューブ３６及び３８上にフィンを設けてもよく、べローズ型式のシェルを、シェルの熱膨張に適合するため使用することもできる。最も好ましい実施例では、図１の熱交換器１２、１４及び１６で作用する熱交換プロセスは、単一の多流体熱交換器（図示せず）へと結合される。
【０００６】
本発明は、その幾つかの特定の実施例の観点で開示されたが、本発明は、該実施例に限定されるものではなく、請求の範囲に記載された範囲においてのみ限定される。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は、本発明の方法を実施するのに適した、自家熱改質器及びこれに連係する熱交換器の一実施例の概略図である。
【図２】図２は、本発明の方法を実施するのに適した、自家熱改質器及びこれに連係する熱交換器の好ましい実施例の概略図である。
【図３】図３は、図２の熱交換器の同心熱転移チューブ３２の一つの拡大断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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