(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炉燃料と空気を燃焼させることにより燃焼ガスを提供する炉であって、シェルと、空気を前記シェルに導入する空気入口と、炉燃料を前記シェル中へ導入する燃料入口とを有する炉において、
前記シェルの外側で前記シェルと一体に配置された燃料予熱室であって、低温の炉燃料を受け入れ、前記低温の炉燃料を燃焼ガスとの伝熱関係で流すことにより高温の炉燃料を作る燃料予熱室で、前記高温の炉燃料が前記燃料入口を介して前記シェル中へ流入するように前記燃料入口と流体連通している燃料予熱室であって、
前記燃料予熱室が、さらに、
前記シェルの一部から離隔され、前記シェルの一部を同心状に部分的に囲む室壁と、
前記燃料予熱室の周りで低温の炉燃料の概ね均一な流れを提供する上側マニホルドであって、前記シェルと前記室壁とに取り付けられている上側マニホルドと、
前記上側マニホルドから離隔され、前記シェルと前記室壁とに取り付けられている下側マニホルドとを含む、燃料予熱室を含む炉。
【請求項２】
前記室壁が前記シェルの一部を同心状に完全に囲む、請求の範囲第１項に記載の炉。
【請求項３】
前記シェルがさらに、
前記シェル内の内面と、
反対側の外面と、
前記シェルの前記内面と前記外面とに配置された複数の離隔したらせん状の流路とを含む、請求の範囲第１項に記載の炉。
【請求項４】
前記らせん状の流路が複数の金属ロッドによって形成されている、請求の範囲第３項に記載の炉。
【請求項５】
前記らせん状の流路が複数の可撓性セラミックロッドにより形成されている、請求の範囲第３項に記載の炉。
【請求項６】
炉燃料と空気とを燃焼させることにより燃焼ガスを提供する炉であって、シェルと、空気を前記シェル中へ導入する空気入口と、炉燃料を前記シェル中へ導入する燃料入口とを有する炉において、
前記シェルの外側で前記シェルと一体に配置された空気予熱室であって、低温の空気を受け入れ、前記低温の空気を燃焼ガスとの概ね唯一の伝熱関係で流すことにより高温の空気を作り、さらに、前記高温の空気が前記空気入口を介して前記シェル中へ流入するように前記空気入口と流体連通している空気予熱室であって、
前記空気予熱室が、さらに、
前記シェルの一部から離隔され、前記シェルの一部を同心状に部分的に囲む室壁と、
前記空気予熱室の周りで低温の空気の概ね均一な流れを提供する上側マニホルドであって、前記シェルと前記室壁とに取り付けられている上側マニホルドと、
前記上側マニホルドから離隔され、前記シェルと前記室壁とに取り付けられている下側マニホルドとを含む、空気予熱室を含む炉。
【請求項７】
前記室壁が前記シェルの一部を同心状に完全に囲む、請求の範囲第６項に記載の炉。
【請求項８】
前記シェルがさらに、
前記シェル内の内面と、
反対側の外面と、
前記シェルの前記内面と前記外面とに配置された複数の離隔したらせん状の流路とを含む、請求の範囲第６項に記載の炉。
【請求項９】
前記らせん状の流路が複数の金属ロッドによって形成される、請求の範囲第８項に記載の炉。
【請求項１０】
前記らせん状の流路が複数の可撓性セラミックロッドによって形成されている、請求の範囲第９項に記載の炉。
【請求項１１】
炉燃料と空気とを燃焼することにより燃焼ガスを提供する炉であって、シェルと、前記シェル中へ空気を導入する空気入口と、炉燃料を前記シェル中へ導入する燃料入口とを含む炉において、
前記シェルの外側で、該シェルと一体に配置された燃料予熱室であって、低温の炉燃料を受け入れ、前記低温の炉燃料を燃焼ガスとの伝熱関係で流すことにより高温の炉燃料を作り、さらに、前記高温の炉燃料が前記燃料入口を介して前記シェル中へ流入するように前記燃料入口と流体連通している燃料予熱室と、
前記シェルの外側で該シェルと一体に配置された空気予熱室であって、低温の空気を受け入れ、燃焼ガスとの伝熱関係で前記低温の空気を流すことにより高温の空気を作り、さらに、前記高温の空気が前記空気入口を介して前記シェルへ流入するように前記空気入口と流体連通している空気予熱室と、であって、
前記燃料予熱室および空気予熱室の各々が、さらに、
前記シェルの一部から離隔され、前記シェルの一部を同心状に部分的に囲む室壁と、
前記燃料予熱室あるいは空気予熱室の周りで低温の炉燃料あるいは空気の概ね均一な流れを提供する上側マニホルドであって、前記シェルと前記室壁とに取り付けられている上側マニホルドと、
前記上側マニホルドから離隔され、前記シェルと前記室壁とに取り付けられている下側マニホルドとを含む、燃料予熱室および空気予熱室を含む炉。
【請求項１２】
各室壁が前記シェルの一部を同心状に完全に囲む、請求の範囲第１１項に記載の炉。
【請求項１３】
前記シェルがさらに、
前記シェル内の内面と、
反対側の外面と、
前記シェルの前記内面と前記外面とに配置された複数の離隔したらせん状の流路とを含む、請求の範囲第１１項に記載の炉。
【請求項１４】
前記らせん状の流路が複数の金属ロッドによって形成される、請求の範囲第１３項に記載の炉。
【請求項１５】
前記らせん状の流路が複数の可撓性セラミックロッドにより形成される、請求の範囲第１３項に記載の炉。
【請求項１６】
炉燃料と空気とを燃焼することにより燃焼ガスを提供する炉であって、頂壁と、前記頂壁から離隔した底壁と、前記頂壁と底壁との間に配置された垂直の側壁とを有するシェルであって、前記垂直の側壁が前記シェル内の内面と、反対側の外面とを有し、前記外面が前記底壁近傍に配置された第１の部分と、前記第１の部分の上方に配置された第２の部分とを有するシェルと、前記シェル中へ空気を導入する空気入口と、前記シェル中へ炉燃料を導入する燃料入口とを有する炉において、
前記シェルの外側で前記シェルと一体に配置された燃料予熱室であって、低温の炉燃料を受け入れ、燃焼ガスとの伝熱関係で前記低温の炉燃料を流し、それにより高温の炉燃料を作り、前記高温の炉燃料が前記燃料入口を介して前記シェル中へ流入するようにさらに前記燃料入口と流体連通されており、前記シェルの第１の部分から離隔され前記シェルの第１の部分を同心状に完全に囲む室壁を有する燃料予熱室と、
前記燃料予熱室の周りで低温の燃料の概ね均一な流れを提供する上側マニホルドであって、前記シェルと前記室壁とに取り付けられた上側マニホルドと、
前記上側マニホルドからは離隔され、前記シェルと前記室壁とに取り付けられた下側マニホルドと、
前記シェルの外側で前記シェルと一体に配置された空気予熱室であって、低温の空気を受け入れ、燃焼ガスとの伝熱関係で前記低温の空気を流し、それにより高温の空気を作り、前記高温の空気が前記空気入口を通して前記シェル中へ流入するように前記空気入口とさらに流体連通しており、前記シェルの第２の部分から離隔され前記シェルの第２の部分を同心状に完全に囲んでいる室壁を有する空気予熱室と、
前記空気予熱室の周りで低温の燃料の概ね均一な流れを提供する上側マニホルドであって、前記シェルと前記室壁とに取り付けられている上側マニホルドと、
前記上側マニホルドから離隔されて前記シェルと室壁とに取り付けられている下側マニホルドとを含む燃焼ガスを提供する炉。
【請求項１７】
炭化水素燃料と蒸気とを蒸気改質することにより生成ガスを提供する燃料処理装置を有する形式の改良された燃料電池発電プラントであって、前記燃料処理装置が炉燃料と空気とを燃焼することにより燃焼ガスを提供する炉を有し、前記炉がシェル内の燃焼室と、前記シェルを通して前記燃焼室中へ空気を導入する空気入口と、前記シェルを通して前記燃焼室中へ炉燃料を導入する燃料入口とを有し、前記燃料処理装置が前記燃焼ガスとの伝熱関係で前記炉内に配置された触媒反応器をさらに有し、前記触媒反応器が触媒層と、該触媒層に接触させて生成ガスを作るように炭化水素燃料と蒸気とを導入する入口と、前記反応器から生成ガスを排出する排出口とを有している発電プラントにおいて、
前記生成ガスを電気化学的に変換することにより電力を提供する燃料電池スタックを有し、
前記燃料電池スタックは連続して整列した複数の燃料電池を有しており、各燃料電池は陽極と、陰極と、その間に配置された電解質とから形成され、前記触媒反応器からの前記生成ガスが前記陽極と流体連通しており、前記陽極が陽極排ガスを発生させ、酸化体が前記陰極と流体連通されて電力が発生するものであり、
前記発電プラントの改良が、
燃料予熱室が前記シェルの外側で該シェルと一体に配置されており、前記燃料予熱室が陽極排ガスを受け入れ燃焼ガスとの伝熱関係で該陽極排ガスを流し、それにより高温の炉燃料を作り、前記燃料予熱室はさらに前記燃料入口と流体連通していて前記高温の炉燃料が前記燃料入口まで流れ、
断熱材層手段が前記燃料予熱室に隣接して前記燃焼室と前記シェルとの間に配置されており、前記燃料予熱室と前記燃焼室内の燃焼ガスの間の直接熱放射を防止する、
ことである改良された発電プラント。
【請求項１８】
前記改良がさらに、
前記シェルの外側で該シェルと一体に配置された空気予熱室を含み、前記空気予熱室が低温の空気を受け入れ、燃焼ガスとの伝熱関係で該空気を流し、それにより高温の空気を作り、前記空気予熱室がさらに前記空気入口と流体連通していて前記高温の空気が前記空気入口を介して前記シェル中へ流入し、断熱材層がさらに前記空気予熱室に隣接して前記燃焼室と前記シェルとの間に配置されており、前記空気予熱室と前記燃焼室内の燃焼ガスの間の直接熱放射を防止することである、請求の範囲第１７項に記載の発電プラント。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は燃料電池式発電プラントのために炭化水素燃料を処理することに関し、特に燃料電池式発電プラントのための改良された炉の構成に関する。
発明の背景
炭化水素燃料から発電する燃料電池式発電プラントは当該技術分野において周知であり、一般に燃料電池のスタックと燃料処理装置とから構成される。燃料電池のスタックは電気化学的に水素富有生成ガスと酸化体とを電気に変換する。燃料電池のスタックは個々の燃料電池を連続して整列している。各燃料電池は陽極と、陰極と、それらの間に配置された電解質とから形成されている。陽極と陰極の双方は各種の周知の電解質を使用している。燃料処理装置と陽極とは流体連通しており、そのため生成ガスを含有する水素は陽極へ供給され、そこで生成ガスが電気化学的に反応する。未使用の水素を含有した生成ガスは陽極排ガスとして陽極から排出される。酸化体発生源と流体連通している陰極には通常酸素の形態の酸化体が供給される。陰極において、酸化体は電気化学的に反応する。
燃料処理装置の蒸気は炭化水素燃料と蒸気とを生成ガスに改質し生成ガス中の水素含有量を増加させる。次に、生成ガスは燃料電池のスタックまで送られる。蒸気改質工程は炭化水素燃料と蒸気とを加熱された触媒に接触させることにより達成される。
燃料処理装置は改質工程のための加熱源である炉と、前記炉内に配置された少なくとも１個の触媒反応器とを有する。この燃料処理を実行するために有用な炉は従来のものであり、典型的にはシェルすなわちハウジングと、空気と燃料とをそれぞれ炉のシェル中へ導入する空気および燃料入口と、二種類のガスを燃焼することから得られる燃焼ガスを除去するための排出口とを含む。使用される触媒炉も従来のものであって、炭化水素燃料と蒸気とを触媒層中へ導入して蒸気改質を行う入口を有する。
作動時、空気と炉燃料は、それぞれ空気および燃料入口を用いて炉中へ導入される。空気は圧縮空気あるいは酸素として供給され、炉燃料は燃料源あるいは燃料電池において反応しなかった余剰の水素を含有する燃料電池の陰極排ガスから直接導入しうる。炉内で、炉燃料は従来の手段により燃焼されて燃焼ガスを発生させる。次に、燃焼ガスは触媒反応器の外側に沿って流れ、その中の触媒層を加熱する。炭化水素燃料と蒸気とは反応器入口を介して反応器へ入り、反応器中の触媒層を貫流する。典型的には、触媒層を通る炭化水素燃料と蒸気との流れは燃焼ガスの流れと対流する。燃焼ガスからの熱は炭化水素燃料と蒸気とに伝達される。この伝熱関係によって炭化水素、蒸気および触媒の間で触媒炉内で蒸気改質工程を推進し水素富有生成ガスを発生させる。燃焼ガスと触媒反応器との間の伝熱関係の後、燃焼ガスは排気口を介してシェルから出ていく。生成ガスは反応器の出口から出ていく。
反応器を構築するのに要する高価な材料の量を少なくするのみならず、反応器を作動させるに要する高価な触媒の必要量を低減することにより、触媒反応器の数および（または）寸法を低減させて著しいコストの節約を達成しうる。当該技術分野においては、焔温度を高くすることにより触媒反応器の寸法および（または）数を低減しうるとは周知のことである。焔温度とは炉燃料と空気とが燃焼する温度である。焔温度は炉のシェル中へ導入する前に空気および（または）炉燃料の温度を上げることにより高くさせることができる。従来の燃料処理装置は、炉中へ導入する前に空気あるいは空気と炉燃料とを加熱するために炉と、該炉とは分離した熱交換器とを利用している。空気を予熱するために、炉とは別個の熱交換器を用いることによる焔温度は約２２００°Ｆ（１２０４．４℃）である。しかしながら、この従来の構成では高価な熱交換器を要し、炉から熱交換器への燃焼ガス伝達による熱損失を最小にしない。従って、科学者や技術者は、炉中へ導入する前に炉燃料および（または）空気の温度を増加させる安価で効率の良い方法や装置を探求してきた。
発明の開示
本発明の請求の範囲によれば、炉燃料が燃焼する温度を上げさせる方法と装置とが開示されている。燃焼ガスの焔温度を増加させる方法については、この方法は、シェルと、前記シェル中へ空気を導入する空気入口と、前記シェル中へ炉燃料を導入する燃料入口と、前記シェルの外側で該シェルと一体に配置された燃料予熱室とを有する形式の炉に用いられる。本方法は、低温の炉燃料を燃料予熱室中へ導入し、低温の炉燃料を燃料予熱室を通して流すことにより低温炉燃料を燃焼ガスと伝熱関係とさせることによって低温の炉燃料を加熱して高温の炉燃料を作ることを含む。次に、本方法は高温の炉燃料を燃料入口まで流し、高温の炉燃料と空気とを燃焼させ、それにより、焔温度が約２１００°Ｆ（１１４８．９℃）から約２７００°Ｆ（１４８２．２℃）の間である燃焼ガスを発生させることを含む。本方法はまた、シェルの外側で該シェルと一体に配置された空気予熱室を有する炉にも用いることができる。本方法は、低温の空気を空気予熱室中へ導入し、低温の空気を空気予熱室を通して流し、かくして低温の空気が燃焼ガスと伝熱関係となり低温の空気を加熱して高温の空気を作り、高温の空気を空気入口まで流し、高温の炉燃料と高温の空気とを燃焼させ、それにより、焔温度が約２１００°Ｆ（１１４８．９℃）から約２７００°Ｆ（１４８２．２℃）までの間である燃焼ガスを発生させる別の段階を含む。
本発明の装置の一実施例は炉燃料を燃焼させ、燃焼ガスを発生させる炉である。前記炉はシェルと、空気を前記シェル中へ導入する空気入口と、炉燃料を該シェル中へ導入する燃料入口と、その中で低温の炉燃料を加熱し、高温の炉燃料を燃料入口を介して前記シェル中へ導入する燃料予熱室とを有する。燃料予熱室はシェルの外側で該シェルと一体に配置されており、燃料予熱室内の低温の炉燃料は炉の燃焼ガスと伝熱関係となる。
本発明の装置の別の実施例は、その中で低温の空気を加熱し、高温の空気を炉中へ導入する空気予熱室を有する炉である。本発明の装置のさらに別の実施例は、低温の炉燃料と空気とをそれぞれ加熱し、高温の炉の燃料と空気とを炉中へ導入する燃料および空気予熱室を有する炉である。また、低温の炉燃料が燃料電池のスタックからの陽極排ガスである、燃料処理装置内で燃料および空気予熱室を使用した燃料電池式発電プラントも開示されている。
前述の本発明は、発明を実施する最良の態様についての以下の詳細説明および添付図面において明らかとなる。
図面の詳細な説明
第１図は燃料予熱室と空気予熱室とを備えた炉を有する本発明の一実施例の斜視図、
第２図は本発明の一実施例の断面図を示す概略図、
第３図は本発明による炉燃料予熱室の一実施例の一部についての第２図の３の部分の拡大図である。
これらの図面は例示であって、本発明の一般的な広義の範囲を限定するものではない。
発明を実施するための最良の態様
第１図は、燃料予熱室１２と空気予熱室１４とを備えた炉１０を有する本発明の一実施例の斜視図である。炉燃料と空気とを燃焼させることにより燃焼ガスを発生させる炉１０はシェル１５を有している。炉は、例えば炭化水素を蒸気改質するために用いる炉のような、いずれかの従来の炉でよい。燃料および空気予熱室はシェルの外側でシェルと一体に配置されている。低温の空気１６′が空気予熱室へ入るものとして示されている。低温の炉燃料１７′が燃料予熱室へ入るものとして示されている。「低温」とはガスが予熱室を通過していないことを意味する。
第２図は本発明の一実施例の断面図の概略を示す。炉１０はシェル１５を有する。シェル１５は頂壁１８、頂壁から離隔した底壁２０、および頂壁と底壁との間に配置して垂直の側壁２２とによって形成されている。本実施例においては、垂直の側壁は円筒形である。第１のプレナム壁２３が頂壁１８から隔置され、その間に燃料プレナム２４を形成している。第２のプレナム壁２５が第１のプレナム壁２３から隔置されその間に空気プレナム２６と、その下方に炉容積２８を形成している。空気入口３０で代表される空気入口が第２のプレナム壁２５に形成されている。高温の空気１６が空気プレナム２６から空気入口を介して炉容積２８まで流れる。各空気入口は燃料入口３２で代表される関連の燃料入口を有する。各燃料入口が第１のプレナム壁２３に取り付けられ、関連の空気入口３０を介して炉容積２８中へ延在する。燃料入口は燃料プレナム２４から炉容積中へ高温の炉燃料１７を導く。高温の炉燃料１７および空気１６は、炉燃料と空気の「高温」状態を示すために実線で描いた白ヌキの矢印で示されている。「高温」とは予熱室をガスが通り、「予熱された」ことを意味する。炉は、高温の炉燃料と空気とが燃焼することにより燃焼ガスを発生させるために従来通り炉燃料と空気との混合物を利用する。燃焼ガス３４は点線で描いた白ヌキの矢印で示されている。
炭化水素燃料と蒸気３８とを蒸気改質して生成ガス４０とする少なくとも１個の垂直の触媒反応器３６が燃焼ガス３４との伝熱関係で炉容積内に配置されている。本実施例においては、断熱材４２がシェル１５内に配置され、断熱材４２は炉容積２８内で第２のプレナム壁２５に配置され、断熱材４２は垂直の側壁２２の一部、底壁２０および触媒反応器３６から離隔されて、その間に燃焼ガス通路４４を形成している。
触媒反応器３６は内壁４８から離隔され、その間に反応室５０を備えた外壁４６を有する。反応器の入口５２は炭化水素燃料と蒸気３８が反応室へ入りうるようにする。炭化水素燃料と蒸気３８は帯線入り矢印によって示されている。反応室から生成ガス４０を出すために反応器の入口から離隔されて出口５４が反応室内に配置されている。生成ガス４０は柔らかい線で描いた白ヌキの矢印によって示されている。触媒５６は改質を促進するために反応室内に配置されている。触媒反応器は触媒反応器から生成ガスを出すための出口５８を有する。
垂直の側壁２２は炉容積２８の内部で、外面２２ｂと対向して内面２２ａを有している。外面２２ｂは第１の部分１１と第２の部分１２とを有する。第１の部分１１はシェルの底壁２０の近傍にある。シェルから燃焼ガス３４を除去する排気マニホルド６０が第２のプレナム壁２５の下方で垂直の側壁２２を囲む。排気マニホルド６０は燃焼ガス通路４４と流体連通している。排気口６２が排気マニホルドを貫通して配置されている。第２の部分１２は第１の部分１１と排気マニホルド６０との間にある。
シェル中へ導入する前に低温の炉燃料１７′を加熱する燃料予熱室１２が第１の部分１１においてシェルの外側に配置され同心状でシェルを囲んでいる。燃料予熱室もシェルと一体にされている。シェル中へ導入する前に低温の空気１６′を加熱する空気予熱室１４が第２の部分１２に配置され、シェルを同心状に囲む。空気の予熱室もシェルと一体にされている。低温の炉燃料と空気とは双方共塗りつぶした矢印で示されている。
本明細書並びに請求の範囲において用いている「一体」とは、室がシェルに近接しているため垂直の側壁２２からの伝熱が予熱室内の炉燃料と空気の温度を著しく上げることのできることを意味する。側壁は燃焼ガスによって加熱される。このように、燃焼ガスは炉燃料および空気と直接伝熱関係にある。一体の予熱室の好適実施例は、予熱室が何らかの手段によってシェルに取り付けられているようなものである。
燃料予熱室１２は低温の炉燃料１７′を入れるための入口６４と、高温の炉燃料１７を出すための出口６６とを有する。出口６６は燃料予熱室１２を燃料プレナム２４に接続する送りパイプである。しかしながら、燃料予熱室と燃料プレナムとの間で流体連通を可能とするいずれかの構造を用いてよい。
空気予熱室１４は低温の空気１６′を入れるための入口６８と、高温の空気１６を出すための出口７０とを有する。出口７０は空気予熱室１４を空気プレナム２６に接続する送りパイプであるが、空気予熱室と空気プレナムとの間の流体連通を可能とするいずれかの構造を用いることができる。
本実施例においては、燃料および空気予熱室は高温の炉燃料１７と空気１６とがシェル中へ導入され、燃焼されるように低温の炉燃料１７′と空気１６′とを加熱することができる。予熱室はシェルに一体に取り付けられ、図示のようにシェルの外側を同心状に囲むことが好ましい。予熱炉がシェルに一体的に取り付けられ、同心状に囲むようにすることによって伝熱の間燃焼ガスからの熱回収を最大に、熱損失を最小としうる。
燃料および空気予熱室の大きさと位置とはその他の実施例において変更しうる。好ましい大きさはシェルの垂直方向の側壁の外側を同心状に完全に囲むようなものであるが、大きさは垂直方向の側壁を極部分的に囲むよう小さくしてもよい。熱力学的検討から予熱室の好ましい位置は炉燃料がまず加熱されうるようにするものである。
低温の炉燃料は通常燃料電池（図示せず）からの陰極排ガスであることを想起されたい。陰極排ガスは約３２５°Ｆ（１６２．８℃）から約３７５°Ｆ（１９０．６℃）までで燃料電池を出ていく。低温の空気は約６０°Ｆ（１５．６℃）あるいは大気温で空気予熱室に送られる。熱力学原理では、二種類の流体、すなわち炉燃料と空気とを、加熱流体から最大の熱を引き出すべく対流する加熱流体（すなわち燃焼ガス）により連続して加熱する場合、より熱い流体（すなわち炉燃料）をより冷たい流体（すなわち空気）よりも先に加熱する必要のあることを示している。このように、燃料の予熱室は垂直側壁の第１の部分１１に、空気予熱室は垂直の側壁の第２の部分に位置する。
しかしながら別の実施例においては、予熱室は、双方の予熱室がその中の炉燃料と空気とを著しく加熱するに十分な燃焼ガスとの伝熱関係を有する限り垂直側壁の諸部分に位置してよい。予熱室は炉の作動状態における熱負荷に耐えうる導電性材料で作る必要がある。好適な材料はステンレス鋼のような金属であるが、いずれかの相応の材料を用いうる。
別の実施例では炉燃料あるいは空気を単一の予熱室のみで加熱できるが、これは第２図に示す好適実施例と同じ程度には触媒反応器の大きさを小さくしない。
第３図は燃料予熱室１２の一部の第２図の３の部分の拡大図である。燃料予熱室は室壁７２と、上側マニホルド７３と下側マニホルド７４とから構成されている。前記予熱室は垂直側壁２２を完全に同心状に囲み、かつ垂直側壁２２から離隔され、その間に伝熱容積を形成する。入口６４が上側マニホルド７３を通して配置され、出口６６は下側マニホルド７４を通して配置されている。
上側マニホルドは、低温の炉燃料が伝熱容積へ入る前に燃料予熱室の周りで低温炉燃料１７′を均一に分配する。低温の炉燃料の均一な分配は燃料予熱室の周りで概ね一定の静圧を発生させることにより達成される。この一定の静圧は、上側マニホルド７３の流域を入口６４の流域より著しく大きい大きさにすることにより達成される。このように流域を変更することにより低温の炉燃料がマニホルドへ入るにつれて該炉燃料の速度を最小にすることによりマニホルドの周りの静圧を概ね一定に保ち、マニホルドの周りでの低温炉燃料の均一な分配を促進する。
上側マニホルド７３の端部は、溶接７６で代表する溶接によって垂直の側壁２２の外面２２ｂと室の壁７２とに取り付けられている。下側マニホルド７４の端部は上側マニホルド７３と同様に垂直の側壁の外面２２ｂと室壁７２とに取り付けられている。本実施例におけるマニホルドは室の壁に取り付けられた２個の個別の構造体であり、該室の壁は所定の長さだけ上側および下側マニホルド中へ延在している。マニホルド中への前記室壁の延在により、低温の炉燃料が入口６４からマニホルドへ入るにつれて低温の炉燃料の流れを偏向させることにより伝熱容積の周りで低温の炉燃料を分配しやすくする。前記室の壁の長さはまた、炉燃料を加熱するに要する伝熱容積によって決まる。始動、停止および作動の間の熱応力すなわち力を勘案してマニホルドの各種部分は曲形とされている。マニホルドは、このような環状の曲形面を作りうるいずれかの金属成形技術によって形成される。好適な技術はマニホルドをろくろ細工したり、あるいはハイドロフォームすることである。
流路７８で代表する複数の離隔されたらせん状の流路が燃焼ガス通路と伝熱容積内に配置されることが好ましい。流路は伝熱のための通路の長さを増し、燃焼ガス３４と低温炉燃料１７′との間の伝熱を増大させる。これらの流路は、全体的に参考のために本明細書に含めた米国特許第４，８４７，０５１号に記載のように、垂直方向の側壁のそれぞれ内面２２ａと外面２２ｂとの周りにらせん状に巻きつけられ、適当な面に取り付けられている燃焼ガスロッド８０と室ロッド８２とによって代表される複数の金属製円形ロッドによって提供されることが好ましい。別の実施例においては、流路はセラミックファイバのロープすなわち「ブレード」の形態のセラミックファイバから構成された複数の可撓性のセラミックロッドによって提供しうる。絶縁やシールのために用いられるロープやブレードの形態の可撓性セラミックロッドは当該技術分野の専門家には公知である。ロープの形態の可撓性のセラミックロッドは長いセラミックファイバのストランドを捩ったり、編組することにより形成される。「ブレード」の形態の可撓性セラミックロッドは長いセラミックファイバストランドを編み、組み合わせ、結合させることにより形成される。使用される可撓性セラミックロッドが「ブレード」である場合、ロッドの断面は円形あるいは長方形でよい。セラミックファイバは通常アルミナ、シリカ、あるいはそれらの組合わせから構成される。可撓性のセラミックロッドを用いることの有利性は、それらが装入される空間に適合できることであり、炉に対する内部応力を低減し、部材間の相対的な熱成長を許容することである。しかしながら、別の実施例においては、米国特許第４，８４７，０５１号に記載のように表面に溝（図示せず）を形成することによっても流路を作ることができる。
燃焼ガスロッド８０は垂直の側壁の内面２２ａにおいてらせん状に巻きつけられて位置している。室のロッド８２は垂直の側壁の外面２２ｂでらせん状に巻きつけられて位置している。前記内面上の燃焼ガスロッドは底壁（図示せず）から排出マニホルド（図示せず）まで燃焼ガス通路４４に沿ってらせん状に離隔位置に配置されている。前記外面にある室ロッドは、それらが伝熱容積内にあるよう、第１の部分１１に沿って、あるいは室の壁７２に隣接してらせん状に隔置された位置に配置されている。好適実施例においては、空気予熱室（図示せず）は図示した燃料予熱室と同じ形状で、前述のものと同様に形成されたらせん状の流路を有している。
第２図を参照すれば、始動の後の作動中、低温の炉燃料１７′は入口６４を介して燃料予熱室１２へ入る。本実施例における低温の炉燃料は水素を含有する陰極排ガスである。燃料電池発電プラントにおいて、低温の炉燃料として燃料電池スタックからの陰極排ガスを用いることが好ましい。第２図と第３図とを参照すれば、低温の炉燃料１７′は燃料予熱室の周りを流れ伝熱容積中へ流入する。この流れは前述のように上側マニホルド７３の構造によって促進され、かつ室の壁７２が偏向手段として作用するように室の壁７２に上側マニホルドを取り付けることにより促進される。
第２図を参照すれば、炉１０は炉容積２８内で燃焼ガス３４を発生させる。燃焼ガス３４は炉容積から出て、触媒反応器３６との伝熱関係で燃焼ガス通路４４に沿って流れ、加熱された触媒５６を流れる炭化水素燃料と蒸気３８を蒸気改質する。蒸気改質により触媒反応器内で生成ガス４０を発生させる。第２図と第３図とを参照すれば、燃焼ガスは、燃焼ガスロッド８０によって代表される燃焼ガスロッドによって作られたらせん状の流路を燃焼ガス通路４４において流れる。同時に、低温の炉燃料１７′は室ロッド８２によって代表される室ロッドによって形成されたらせん状通路を伝熱容積内で流れる。燃焼ガスと低温の炉燃料とは伝熱関係にある。伝熱関係が、燃焼ガスからの著しい量の熱が未加熱の炉燃料まで通り、炉燃料を加熱できるようにする。高温の炉燃料１７は出口６６を通って出て燃料プレナム２４まで進行しシェル内で燃焼される。
同様に、低温の空気１６′は燃焼ガスとの伝熱関係で空気予熱室１４へ流入し空気を加熱する。高温の空気１６は出口７０を通って出て、空気プレナム２６まで進行する。
高温の炉燃料１７が、燃料入口３２を用いて燃料プレナムから炉容積２８内へ入る。高温の炉燃料は約５００°Ｆ（２６０℃）から約８００°Ｆ（４２６．７℃）までの温度を有している。高温の空気１６が空気入口３０を用いて空気プレナムから炉容積内へ入る。高温の空気は約５００°Ｆ（２６０℃）から約７００°Ｆ（３７１．１℃）までの温度を有する。図示実施例においては、炉燃料を加熱した後空気は順次加熱される。燃焼ガス中に残っているエネルギには限度があるので空気は炉燃料より低い温度まで加熱される。
高温の炉燃料を空気は炉容積内で燃焼し焔温度の高い燃焼ガス３４を発生させる。高い焔温度の燃焼ガスの温度範囲は約２１００°Ｆ（１１４８．９℃）から約２６００°Ｆ（１４２６．７℃）である。約２６００°Ｆ（１４２６．７℃）である上限は、２６００°Ｆ（１４２６．７℃）よりはるかに高い焔温度では容認しえない酸化窒素排ガス（すなわちＮＯ及びＮＯ2）のために主として支配されている。高温の焔温度の好ましい範囲は約２２００°Ｆ（１２０４．４℃）から約２５００°Ｆ（１３７１．１℃）の間である。高温の焔温度の燃焼ガスは触媒反応器３６に沿って流れ、次に、前述のように空気予熱室１４の前に燃料予熱室１２との伝熱関係で流れる。
第２図と第３図に示す実施例に対する主な利点は、改質に必要な触媒反応器の大きさおよび（または）数を著しく低減させることである。そのような低減は触媒反応炉を加熱する燃料ガスの焔温度を上げることにより達成される。図示実施例を用いることにより、触媒反応器は従来技術による触媒反応器の大きさの３分の２のものが使用できる。第２図および第３図に示す燃料および空気予備室の構成は低コストで、効率的で、コンパクトで、頑丈で本質的に安全で、機械的に安定している。
図示実施例を参照して本発明の特定実施例を説明してきたが、この説明は限定的に解釈すべきものではない。本発明を特定実施例について説明してきたが、図示実施例の各種の修正並びに本発明のその他の実施例は請求の範囲に記載の本発明の精神と範囲とから逸脱することなく、本説明を参照すれば、当該技術分野の専門家には明らかである。従って、請求の範囲は本発明の真正な範囲に入るそのような修正あるいは実施例を網羅することが企図されている。
【図１】
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【図３】
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【図２】
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