(57)【要約】水素酸化触媒と酸素還元触媒とを含む触媒組成物、並びに触媒組成物を基材に付着させる方法が提供される。触媒組成物を含む熱交換反応器、及び熱交換媒体の加熱方法も提供される。更に、触媒組成物を含む触媒表面を含む触媒燃焼器も提供される。触媒は、水素燃焼反応の低温活性化に適している。【選択図】図１Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素酸化触媒（ＨＯＣ）と、
酸素還元触媒（ＯＲＣ）と、を含む触媒組成物であって、
前記触媒が水素燃焼反応の低温活性化に適している、触媒組成物。
【請求項２】
前記ＨＯＣの表面積対前記ＯＲＣの表面積の比が約９：１〜約４：１である、請求項１に記載の触媒組成物。
【請求項３】
前記ＨＯＣの表面積対前記ＯＲＣの表面積の比が約２０：３である、請求項２に記載の触媒組成物。
【請求項４】
前記ＨＯＣ及び前記ＯＲＣが電着によって形成される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の触媒組成物。
【請求項５】
前記触媒が約１４０℃未満の温度で水素燃焼を活性化するように適合される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の触媒組成物。
【請求項６】
前記触媒が２０℃未満の温度で水素燃焼を活性化するように適合される、請求項５に記載の触媒組成物。
【請求項７】
前記ＨＯＣが貴金属である、請求項１〜６のいずれか１項に記載の触媒組成物。
【請求項８】
前記ＨＯＣが白金またはパラジウムである、請求項７に記載の触媒組成物。
【請求項９】
前記ＨＯＣがパラジウムである、請求項８に記載の触媒組成物。
【請求項１０】
前記ＯＲＣが酸化第一スズである、請求項１〜９のいずれか１項に記載の触媒組成物。
【請求項１１】
基材を準備することと、
前記基材に触媒組成物を付着させて触媒表面を形成することと、
を含む、触媒組成物を付着させる方法であって、
前記触媒組成物が水素酸化触媒（ＨＯＣ）と酸素還元触媒（ＯＲＣ）を含み、
前記触媒表面が水素燃焼反応の低温活性化に適している、前記方法。
【請求項１２】
前記触媒表面が約９：１〜約４：１の比を有するＨＯＣ領域とＯＲＣ領域を含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記ＨＯＣ領域対前記ＯＲＣ領域の比が約２０：３である、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記触媒組成物を付着させることが前記ＨＯＣを付着させることと前記ＯＲＣを付着させることを含む、請求項１１〜１３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１５】
前記ＨＯＣを付着させた後にＯＲＣを付着させる、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記触媒組成物を付着させることが、前記ＨＯＣ、前記ＯＲＣ、またはその両方を前記基材に電気めっきすることを含む、請求項１１〜１５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１７】
前記触媒組成物を付着させることが、前記ＨＯＣを前記基材に電気めっきすることを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記触媒組成物を付着させることが、前記ＨＯＣが付着した基材に前記ＯＲＣを電気めっきすることを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記触媒組成物を付着させる前に前駆体を前記基材に付着させることを更に含み、前記前駆体が前記基材への前記触媒組成物の付着性を高める、請求項１１〜１８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２０】
前記前駆体がニッケルまたは銅である、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記前駆体を付着させることが、前記前駆体を前記基材に電気めっきすることを含む、請求項１９または２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記触媒が付着した基材を加熱処理することを更に含む、請求項１１〜２１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２３】
第１の流体材料を受け入れるための入口、及び出口を有する導管と、
燃料と酸化剤とを含む燃料混合物を触媒燃焼させるための触媒組成物が上に付着した触媒表面を含む、前記導管に結合された加熱要素であって、前記触媒組成物が水素酸化触媒（ＨＯＣ）と酸素還元触媒（ＯＲＣ）とを含む前記加熱要素と、
第２の流体材料を受け入れるための入口と出口を有する、前記導管を囲むシェルと、
を含む反応器装置であって、
前記第１の流体材料と前記第２の流体材料のうちの一方が前記燃料混合物を含み、
前記第１の流体材料と前記第２の流体材料のうちの他方が熱交換媒体を含み、
前記燃料混合物の前記触媒燃焼により放出されるエネルギーが前記熱交換媒体に伝達され、
前記燃料混合物の前記燃焼の活性化エネルギーを低下させることで反応が低温で起こるように前記触媒組成物が適合される、
前記反応器装置。
【請求項２４】
前記燃料混合物が水素と酸素を含む、請求項２３〜２５のいずれか１項に記載の反応器。
【請求項２５】
前記燃料混合物が水素と酸素とからなる、請求項２６に記載の反応器。
【請求項２６】
前記加熱要素に近接している、前記燃料混合物を分配するための分配器を更に含む、請求項２３〜２７のいずれか１項に記載の反応器。
【請求項２７】
前記加熱要素が少なくとも１つのフィンを更に含み、前記触媒表面の少なくとも一部が前記少なくとも１つのフィン上に存在する、請求項２３〜２８のいずれか１項に記載の反応器。
【請求項２８】
複数のプレートを含む加熱要素であって、燃料を触媒燃焼するための触媒組成物が上に付着した触媒表面を各プレートが含み、前記触媒組成物が水素酸化触媒（ＨＯＣ）と酸素還元触媒（ＯＲＣ）を含む、前記加熱要素と、
前記複数のプレートと接触する導管であって、
熱交換媒体を受け入れるための入口、及び
出口と、を含む導管と、
前記燃料及び酸化剤を受け入れるための１つ以上の入り口を有する、前記導管と前記加熱要素とを囲むシェルと、を含む反応器装置であって、
前記燃料の前記触媒燃焼により放出されるエネルギーが前記熱交換媒体に伝達され、
前記燃料の前記燃焼の活性化エネルギーを低下させることで反応が低温で起こるように前記触媒組成物が適合される、
前記反応器装置。
【請求項２９】
前記複数のプレートが積み重ねられる、請求項２８に記載の反応器。
【請求項３０】
前記複数のプレートのうちの１枚以上が波形である、請求項２９に記載の反応器。
【請求項３１】
前記導管が２枚の隣接するプレートの間に配置される、請求項２８〜３０のいずれか１項に記載の反応器。
【請求項３２】
前記導管が２枚の隣接するプレートの間を縫うように通っている、請求項３１に記載の反応器。
【請求項３３】
２枚の隣接するプレート間の接触地点に内孔または溝を更に含み、前記内孔または溝が前記導管を受け入れるためのものである、請求項２８〜３２のいずれか１項に記載の反応器。
【請求項３４】
隣接するプレートが、ジョイント部材によって間隔を空けられている、請求項２８〜３２のいずれか１項に記載の反応器。
【請求項３５】
前記ジョイント部材が前記導管を受け入れるための内孔または溝を有する、請求項３４に記載の反応器。
【請求項３６】
２枚の隣接するプレートの間に燃焼キャビティを含む、請求項２８〜３５のいずれか１項に記載の反応器。
【請求項３７】
前記燃料及び前記酸化剤を前記複数のプレートに近接している前記燃焼キャビティに分配するための１つ以上の分配器を更に含む、請求項３６に記載の反応器。
【請求項３８】
前記１つ以上の分配器が、前記燃料を分配するための第１の分配器と、前記酸化剤を分配するための第２の分配器を含む、請求項３７に記載の反応器。
【請求項３９】
前記燃料と前記酸化剤との混合が前記燃焼キャビティ内で生じる、請求項３８に記載の反応器。
【請求項４０】
前記触媒表面が、約９：１〜約４：１の比を有するＨＯＣ領域とＯＲＣ領域を含む、請求項２３〜３９のいずれか１項に記載の反応器。
【請求項４１】
前記ＨＯＣ領域対前記ＯＲＣ領域の比が約２０：３である、請求項４０に記載の反応器。
【請求項４２】
前記熱交換媒体または前記燃料混合物を予熱するための、前記反応器の上流にありこれと熱的に接触する予熱器を更に含む、請求項２３〜４１のいずれか１項に記載の反応器。
【請求項４３】
前記熱交換媒体が水を含む、請求項２３〜４２のいずれか１項に記載の反応器。
【請求項４４】
前記水への前記エネルギーの伝達が、蒸発を生じさせて蒸気を生成する、請求項４３に記載の反応器。
【請求項４５】
前記加熱要素がモジュール式である、請求項２３〜４４のいずれか１項に記載の反応器。
【請求項４６】
水素酸化触媒（ＨＯＣ）と酸素還元触媒（ＯＲＣ）とを有する触媒表面を含む触媒加熱要素を有する触媒反応器に燃料と酸化剤を供給することであって、前記燃料混合物の燃焼の活性化エネルギーを低下させることで、低温で前記燃焼を生じさせるように前記触媒表面が適合されることである、前記供給することと、
前記触媒表面で前記燃料混合物を触媒燃焼させることと、
前記触媒燃焼により発生した熱を熱交換媒体に伝達することと、
を含む、熱交換媒体の加熱方法。
【請求項４７】
前記ＨＯＣと前記ＯＲＣが、表面積で約９：１〜約４：１の比で前記触媒表面に存在する、請求項４６に記載の方法。
【請求項４８】
前記ＨＯＣと前記ＯＲＣが、表面積で約２０：３の比で前記触媒表面に存在する、請求項４７に記載の方法。
【請求項４９】
前記燃料が水素であり、前記酸化剤が酸素である、請求項４６〜４８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５０】
前記触媒燃焼が大気圧未満の圧力で生じる、請求項４６〜４９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５１】
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の触媒組成物を含む触媒表面または請求項１１〜２２のいずれか１項に記載の方法により調製された触媒表面を含む、触媒燃焼器。
【請求項５２】
請求項４１に記載の触媒燃焼器または請求項２３〜４４のいずれか１項に記載の反応器に燃料及び酸化剤を供給することと、
前記触媒表面上で前記燃料混合物を触媒燃焼させることと、
を含む、燃料混合物を触媒燃焼させる方法。
【請求項５３】
請求項４５に記載の１つ以上の反応器を含む触媒燃焼システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料混合物の触媒燃焼に関する。特に、本発明は、クリーンな燃料混合物の触媒燃焼に関する。
【背景技術】
【０００２】
エネルギーを利用するために様々な燃料が使用されてきた。伝統的に、燃料の大部分は化石燃料由来である。しかしながら、化石燃料を使用すると、二酸化炭素やその他の温室効果ガスの排出が生じる場合がある。これらの排出が人為的な気候の変化及び全体としての大気質の低下に寄与する可能性があるという証拠が集まってきている。
【０００３】
これらの知見に応えて、エネルギー源を化石燃料からよりクリーンな原料由来の燃料に移行する努力がなされてきた。例えば、排出量を削減して大気質を改善するために、多くの国で石炭を燃料とする設備が停止された。この設備は、例えば発電プラントや地域暖房プラントにおいて見ることができる。これらのプラントには、蒸気設備及び／またはタービンなどの他の設備が含まれている場合があり、これらは電気または暖房を生じさせるための他の燃料を用いて使用するために改造することができる。
【０００４】
クリーンエネルギーの１つの潜在的な供給源は水素である。水素は、水蒸気改質や電気分解などの様々な方法で生成され得る。電気分解のための電気が、原子力、風力、潮力、または太陽光などのクリーンな供給源由来の場合、生成した水素は炭素の排出を発生させない。水素は酸素と反応して水を生成し、エネルギーを放出する。
【０００５】
この反応は、直接電気を生成するために燃料電池で使用されてきた。しかしながら、膜の劣化や燃料電池の複雑な製造プロセスなどの要因のため、燃料としての水素の採用が妨げられてきた。水素は、内燃機関における燃料としても使用されてきた。しかしながら、これらのシステムは複雑な場合があり、そのようなシステムの安全な取り扱いには課題が存在する。
【０００６】
触媒燃焼システムが使用されてきたが、そのようなシステムは、多くの場合、予熱システムなどの自立反応を開始するための複雑なまたは高価なシステムを必要とする。自立反応が開始される場合であっても、これらのシステムは、触媒材料のアブレーション及びバルク燃料の発火に関する懸念のため、使用可能な温度によりしばしば制限される。
【０００７】
クリーンなエネルギー源を利用するための改善されたシステム及び方法が必要とされている。
【発明の概要】
【０００８】
一態様では、水素酸化触媒（ＨＯＣ）と酸素還元触媒（ＯＲＣ）とを含む触媒組成物が提供される。触媒は、水素燃焼反応の低温活性化に適している。
【０００９】
いくつかの実施形態では、ＨＯＣの表面積対ＯＲＣの表面積の比は、約９：１〜約４：１である。いくつかの実施形態では、ＨＯＣの表面積対ＯＲＣの表面積の比は約２０：３である。いくつかの実施形態では、ＨＯＣ及びＯＲＣは電着によって形成される。いくつかの実施形態では、触媒は、約１４０℃未満の温度で水素燃焼を活性化するように構成される。いくつかの実施形態では、触媒は、２０℃未満の温度で水素燃焼を活性化するように構成される。いくつかの実施形態では、ＨＯＣは貴金属である。いくつかの実施形態では、ＨＯＣは白金またはパラジウムである。いくつかの実施形態では、ＨＯＣはパラジウムである。いくつかの実施形態では、ＯＲＣは酸化第一スズである。
【００１０】
一態様では、基材を準備すること；基材に触媒組成物を付着させて触媒表面を形成すること；を含む触媒組成物を付着させる方法が提供される。付着させる触媒組成物は、水素酸化触媒（ＨＯＣ）及び酸素還元触媒（ＯＲＣ）を含む。触媒表面は、水素燃焼反応の低温活性化に適している。
【００１１】
いくつかの実施形態では、触媒表面は、約９：１〜約４：１の比を有するＨＯＣ領域とＯＲＣ領域を含む。いくつかの実施形態では、ＨＯＣ領域対ＯＲＣ領域の比は約２０：３である。いくつかの実施形態では、触媒組成物を付着させることは、ＨＯＣを付着させることとＯＲＣを付着させることを含む。いくつかの実施形態では、ＨＯＣを付着させた後にＯＲＣを付着させる。いくつかの実施形態では、触媒組成物を付着させることは、ＨＯＣ、ＯＲＣ、またはその両方を基材に電気めっきすることを含む。いくつかの実施形態では、触媒組成物を付着させることは、ＨＯＣを基材に電気めっきすることを含む。いくつかの実施形態では、触媒組成物を付着させることは、ＨＯＣが付着した基材にＯＲＣを電気めっきすることを含む。いくつかの実施形態では、触媒組成物を付着させる前に前駆体が基材に付着させられ、この前駆体は、基材への触媒組成物の付着性を高める。いくつかの実施形態では、前駆体はニッケルまたは銅である。いくつかの実施形態では、前駆体を付着させることは、前駆体を基材に電気めっきすることを含む。いくつかの実施形態では、触媒が付着した基材を加熱処理するプロセスが提供される。
【００１２】
一態様では、反応装置が提供される。装置は、第１の流体材料を受け入れるための入口と出口とを有する導管；燃料混合物を触媒燃焼させるための触媒組成物が上に付着した、触媒表面を含む導管に結合された加熱要素であって、触媒組成物が水素酸化触媒（ＨＯＣ）と酸素還元触媒（ＯＲＣ）とを含む加熱要素；並びに第２の流体材料を受け入れるための入口と出口とを有する、導管を囲むシェル；を含む。第１の流体材料と第２の流体材料のうちの一方は燃料混合物を含み、第１の流体材料と第２の流体材料のうちの他方は熱交換媒体を含む。燃料混合物の触媒燃焼により放出されるエネルギーは、熱交換媒体に伝達される。触媒組成物は、反応が低温下で生じるように、燃料混合物の燃焼の活性化エネルギーを下げるように適合される。
【００１３】
いくつかの実施形態では、燃料混合物は水素と酸素を含む。いくつかの実施形態では、燃料混合物は水素と酸素とからなる。いくつかの実施形態では、加熱要素に近接している、燃料混合物を分配するための分配器が設けられる。いくつかの実施形態では、加熱要素は少なくとも１つのフィンを更に含み、触媒表面の少なくとも一部は少なくとも１つのフィン上に存在する。
【００１４】
一態様では、熱交換媒体の加熱方法が提供される。燃料と酸化剤とを含む燃料混合物は、触媒加熱要素を有する触媒反応器に供給される。触媒加熱要素は、水素酸化触媒（ＨＯＣ）と酸素還元触媒（ＯＲＣ）とを有する触媒表面を含み、これは燃料混合物の燃焼の活性化エネルギーを下げることで燃焼が低温で生じるように構成される。燃料混合物は、触媒表面で触媒燃焼される。触媒燃焼によって発生した熱は、熱交換媒体に伝達される。
【００１５】
一態様では、触媒燃焼器が提供される。燃焼器は、本明細書に記載の触媒組成物を有するか、本明細書に記載の方法により調製された触媒表面を含む。
【００１６】
一態様では、燃料混合物を触媒燃焼する方法が提供される。本明細書に記載の触媒燃焼器または反応器への燃料と酸化剤とを含む燃料混合物は、触媒燃焼器または反応器の触媒表面で触媒燃焼される。
【００１７】
いくつかの実施形態では、ＨＯＣ及びＯＲＣは、表面積で約９：１〜約４：１の比で触媒表面上に存在する。いくつかの実施形態では、ＨＯＣ及びＯＲＣは、表面積で約２０：３の比で触媒表面に存在する。いくつかの実施形態では、燃料は水素であり、酸化剤は酸素である。いくつかの実施形態では、触媒燃焼は大気圧より低い圧力で生じる。
【００１８】
一態様では、複数のプレートを含む加熱要素であって、燃料を触媒燃焼するための触媒組成物が上に付着した触媒表面を各プレートが含み、触媒組成物が水素酸化触媒（ＨＯＣ）と酸素還元触媒（ＯＲＣ）を含む、加熱要素；並びに複数のプレートと接触する導管であって、熱交換媒体を受け入れるための入口と出口とを含む導管；並びに燃料及び酸化剤を受け入れるための１つ以上の入り口を有する、導管と加熱要素とを囲むシェル；を含む反応器装置であって、燃料の触媒燃焼により放出されるエネルギーが熱交換媒体に伝達され、燃料の燃焼の活性化エネルギーを低下させることで反応が低温で起こるように触媒組成物が適合されている、反応器装置が提供される。
【００１９】
いくつかの実施形態では、複数のプレートは積み重ねられる。いくつかの実施形態では、複数のプレートは波形である。いくつかの実施形態では、導管は、２枚の隣接するプレートの間に配置される。いくつかの実施形態では、導管は、２枚の隣接するプレートの間を縫うように通っている。いくつかの実施形態では、２枚の隣接するプレート間の接触地点に内孔または溝が設けられ、内孔または溝は導管を受け入れるためのものである。いくつかの実施形態では、隣接するプレートは、ジョイント部材によって間隔を空けられている。いくつかの実施形態では、ジョイント部材は、導管を受け入れるための内孔または溝を有する。いくつかの実施形態では、２枚の隣接するプレートの間に燃焼キャビティが設けられる。いくつかの実施形態では、複数のプレートに近接している、燃料及び酸化剤を燃焼キャビティに分配するための１つ以上の分配器が設けられる。いくつかの実施形態では、１つ以上の分配器は、燃料を分配するための第１の分配器と、酸化剤を分配するための第２の分配器を含む。いくつかの実施形態では、燃料と酸化剤の混合は燃焼キャビティ内で生じる。触媒表面が、約９：１〜約４：１の比を有するＨＯＣ領域とＯＲＣ領域とを含む、請求項２３〜３９のいずれか１項に記載の反応器。いくつかの実施形態では、ＨＯＣ領域対ＯＲＣ領域の比は約２０：３である。いくつかの実施形態では、熱交換媒体または燃料混合物を予熱するために、反応器の上流にありこれと熱的に接触する予熱器が設けられる。いくつかの実施形態では、熱交換媒体は水を含む。いくつかの実施形態では、水へのエネルギーの伝達は、蒸発を生じさせて蒸気を生成する。いくつかの実施形態では、加熱要素はモジュール式である。
【００２０】
一態様では、本明細書に記載の１つ以上の反応器または触媒燃焼器を含む触媒燃焼システムが提供される。
【００２１】
以降で本発明の態様を以下の添付の図面と共に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１Ａ】水素酸化触媒を含む連続相及び酸素還元触媒を含む不連続相を示す触媒表面を示す概略図である。
【図１Ｂ】水素酸化触媒を含む連続相及び酸素還元触媒を含む不連続相を示す触媒表面を示す概略図であり、不連続相の総面積は図１Ａに示す面積と同じであるが、より大きな界面周囲長を有する。
【図２】本発明の実施形態による触媒組成物を付着させるプロセスを示すブロック図である。
【図３】本発明の実施形態による熱交換器断面の斜視図である。
【図４】本発明の実施形態による熱交換媒体を加熱するプロセスを示すブロック図である。
【図５Ａ】基材上に噴霧された触媒粒子を示す概略図である。
【図５Ｂ】本発明の実施形態に従って基材上に電気めっきされた触媒を示す概略図である。
【図６Ａ】本発明の実施形態に従ってコーティングされた基材上のパラジウム及びスズの存在を示すＳＥＭ画像である。
【図６Ｂ】本発明の実施形態に従ってコーティングされた基材上のパラジウムの存在を示すＳＥＭ画像である。
【図６Ｃ】本発明の実施形態に従ってコーティングされた基材上のパラジウム及びスズの存在を示すＳＥＭ画像である。
【図７】本発明の実施形態による方法に従って運転されたシステムの温度を示すプロットである。
【図８】本発明の実施形態による熱交換器断面の斜視図である。一組の燃料と酸化剤の入口が示されている。
【図９】図８に示されている熱交換器の実施形態の加熱要素の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下の説明全体を通じて、当業者がより完全に理解するために、具体的な詳細な事項が示される。しかしながら、本開示が不必要に不明瞭になることを避けるために、周知の要素が示されていない場合や詳細に説明されていない場合がある。したがって、説明及び図面は、制限的な意味ではなく、例示的な意味であるとみなされるべきである。
【００２４】
触媒組成物
一態様では、水素酸化触媒（ＨＯＣ）と酸素還元触媒（ＯＲＣ）とを含む触媒組成物が提供される。この触媒組成物は、水素燃焼反応の低温活性化に適している。
【００２５】
いくつかの実施形態では、ＨＯＣは、その表面分子水素が水素ラジカルへと解離する材料である。いくつかの実施形態では、ＨＯＣは貴金属である。いくつかの実施形態では、貴金属はパラジウムまたは白金である。いくつかの実施形態では、貴金属はパラジウムである。
【００２６】
いくつかの実施形態では、ＯＲＣは、その表面分子酸素が酸素ラジカルへと解離する材料である。いくつかの実施形態では、ＯＲＣは、鉄、亜鉛、銀、銅、スズ、これらの酸化物、またはこれらの任意の組み合わせである。いくつかの実施形態では、ＯＲＣはＳｎＯ２である。
【００２７】
いくつかの実施形態では、分子水素及び分子酸素を触媒組成物に導入すると、ＨＯＣは分子水素を水素ラジカルへと解離させ、ＯＲＣは分子酸素を酸素ラジカルへと解離させる。触媒表面で２つの水素ラジカルが１つの酸素ラジカルへと輸送されると、水の形成が生じる。全体としての反応は発熱的であり、水素の触媒燃焼とみなすことができる。触媒水素燃焼によって放出されるエネルギーは、他の目的のために利用することができる。いくつかの実施形態では、反応により放出されるエネルギーは、熱交換媒体を加熱するために使用される。別の実施形態では、反応により放出されるエネルギーは仕事へと変換される。
【００２８】
いくつかの実施形態では、触媒組成物は、低温で反応が起こるように水素燃焼反応の活性化エネルギーを低下させる。例えば、反応の活性化エネルギーは、反応が１４０℃未満、１００℃未満、５０℃未満、３０℃未満、２０℃未満、１５℃未満、更には１０℃未満の温度で起こるように下げることができる。いくつかの実施形態では、触媒表面で生じる水素燃焼反応は、バルク分子状水素を発火させない。そのような実施形態では、触媒燃焼は無炎触媒燃焼である。
【００２９】
いくつかの実施形態では、ＨＯＣとＯＲＣは、大きい界面周囲長を有するように構成される。いくつかの実施形態では、ＨＯＣの表面積対ＯＲＣの表面積の比は、９：１〜４：１である。いくつかの実施形態では、ＨＯＣの表面積対ＯＲＣの表面積の比は約２０：３である。いくつかの実施形態では、これらのＨＯＣとＯＲＣの表面積比は、水素燃焼反応がより低い温度で進行できるように、活性化反応を低下させるのに十分な触媒材料の界面周囲長及び量を与える。
【００３０】
いくつかの実施形態では、図１Ａ及び１Ｂを参照すると、触媒１００の表面上で、ＨＯＣは連続表面領域１１０を形成し、ＯＲＣは不連続表面領域１２０を形成する。いくつかの実施形態では、ＨＯＣとＯＲＣは、連続した表面領域と不連続な表面領域との間の総界面周囲長を増加させるように構成される。例えば、各不連続表面領域１２０’の大きさを小さくする一方で不連続表面領域の数を増やすと、結果として同じ不連続表面領域全体の総界面周囲長が増加する。
【００３１】
触媒水素燃焼反応の活性化エネルギーが低下して反応が低温で、例えば室温で起こる場合、反応は、予熱または他の開始工程を必要とせずに水素と酸素を触媒組成物に単に導入することによって開始することができる。予熱をなくすことにより、触媒水素燃焼システムの複雑さとコストを減らすことができる。更に、予熱は、意図しない早すぎる水素燃焼の潜在的なリスクをもたらし、これは効率の低下または安全性の懸念をもたらす可能性がある。
【００３２】
触媒の調製
いくつかの実施形態では、触媒組成物は、以下に記載される方法に従って調製される。いくつかの実施形態では、触媒組成物は電気めっきにより形成される。
【００３３】
一態様では、触媒組成物を調製する方法２００が提供される。図２を参照すると、この方法は、２０２で基材を準備することを含む。２０８では、触媒組成物を基材に付着させることで触媒表面が形成される。触媒組成物は、水素酸化触媒（ＨＯＣ）と酸素還元触媒（ＯＲＣ）を含む。触媒表面は、水素燃焼反応の低温活性化に適している。
【００３４】
いくつかの実施形態では、触媒組成物は、ＨＯＣ領域とＯＲＣ領域を含む。いくつかの実施形態では、触媒表面は、約９：１〜約４：１の比で存在するＨＯＣ領域とＯＲＣ領域を含む。いくつかの実施形態では、ＨＯＣ領域対ＯＲＣ領域の比は約２０：３である。
【００３５】
いくつかの実施形態では、基材は水素脆化に耐性を有する。いくつかの実施形態では、基材は、グラファイト、セラミック、オーステナイト系ステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム合金、または銅合金である。いくつかの実施形態では、基材は、グラファイト、セラミック、オーステナイト系ステンレス鋼、または銅合金である。いくつかの実施形態では、基材はグラファイトまたはオーステナイト系ステンレス鋼である。いくつかの実施形態では、基材はグラファイトである。いくつかの実施形態では、基材は３１６ステンレス鋼である。いくつかの実施形態では、基材は熱伝導体である。基材を横断する熱の伝導により、反応部位での熱の蓄積を減少させ、それによりホットスポットの形成を減少させることができる。
【００３６】
いくつかの実施形態では、触媒組成物を付着させることは、２０８ＡでＨＯＣを付着させること、及び２０８ＢでＯＲＣを付着させることを含む。いくつかの実施形態では、ＨＯＣはＯＲＣを付着させる前に付着させられる。いくつかの実施形態では、ＯＲＣはＨＯＣを付着させる前に付着させられる。いくつかの実施形態では、ＨＯＣとＯＲＣは単一の工程で付着させられる。いくつかの実施形態では、触媒組成物を付着させることは、基材をＨＯＣ、ＯＲＣ、またはその両方でコーティングすることを含む。いくつかの実施形態では、コーティングは、電気めっきすることまたは溶融した触媒材料を基材に付着させることを含む。いくつかの実施形態では、コーティングは電気めっきすることを含む。
【００３７】
いくつかの実施形態では、触媒組成物を付着させると、結果として保護表面が形成される。例えば、いくつかの実施形態では、触媒組成物は基材の酸化を阻害する。そのため、いくつかでは、触媒を付着させることでより多様な基材の材料の使用を可能にすることができる。
【００３８】
いくつかの実施形態では、触媒組成物を付着させることは、前駆体またはストライクを付着させることを含む。一実施形態では、前駆体を付着させることは、触媒組成物を付着させる前にベース層を付着させることを含む。いくつかの実施形態では、ベース層はストライクである。本明細書で使用される用語「ストライク」は、基材への触媒の結合または付着を促進するために基材と触媒との間に設けられる層を指す。一実施形態では、ストライクはニッケルである。別の実施形態では、ストライクは銅、亜鉛、または銅である。ストライクが付着させられるこのような実施形態では、方法は、熱処理を含む１つ以上の仕上げ工程を含む。
【００３９】
いくつかの実施形態では、基材はテクスチャー加工された表面を有する。テクスチャー加工された表面は、基材への触媒材料の改善された付着性を付与することができる。表面テクスチャーは、基材への触媒材料の付着性と、熱伝導性及び構造の要件とのバランスをとる。いくつかの実施形態では、基材表面は約１２．５μｍの粗さ値ＲａまたはＮ１０のＩＳＯ粗さ等級を有する。
【００４０】
いくつかの実施形態では、任意の触媒材料を付着させる前に、望みのテクスチャリングを付与するために基材が２０４で粗面化される。いくつかの実施形態では、基材は、研磨、サンドブラスト、やすりかけ、スクライビングスクラッチ、及びローレット加工などの機械的なプロセスを使用して粗面化される。
【００４１】
いくつかの実施形態では、任意の触媒材料を付着させる前またはその最中に２０６で基材が洗浄される。洗浄は、基材から表面の不純物を除去して触媒材料の付着性を改善する。いくつかの実施形態では、表面不純物には、グリース、機械的粗面化処理由来の残留物、またはその両方が含まれる。いくつかの実施形態では、洗浄には、電解洗浄、溶媒での洗浄、またはその両方が含まれる。いくつかの実施形態では、洗浄には、化学洗浄、超音波洗浄、またはその両方が含まれる。
【００４２】
好ましい一実施形態では、触媒組成物を付着させる２０８の前にベース層が基材に付着させられる２０７。いくつかの実施形態では、ベース層はニッケルベースのコーティングである。一実施形態では、ニッケルベースのコーティングは、ホウ酸の溶媒中のＮｉＣｌ塩を使用して、３〜１０Ｖの電圧及び２〜５Ａの電流で、１００〜５００ミクロンの深さまで電解により付着させられる。基材の被覆率は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）／エネルギー分散型Ｘ線（ＥＤＸ）を使用して検査される。好ましくは、基材の８０％超、基材の９０％超、基材の９５％超、基材の９９％超、または基材の１００％の被覆率を有する、ベース層の滑らかで連続的なコーティングが基材に付着させられる。ニッケルベース層は、基材への触媒の結合を促進する。一実施形態では、ニッケルベース層はステンレス鋼基材とＨＯＣの両方に対して強い親和性または結合性を有するため、ニッケルベース層はステンレス鋼基材へのＨＯＣの付着性を改善する。いくつかの実施形態では、ニッケルベース層は、反応器の加熱要素プレートへの触媒の付着を大幅に改善し、材料の寿命を延ばす。
【００４３】
別の実施形態では、ＨＯＣを付着させること２０８Ａは、基材を触媒で直接コーティングすることを含む。いくつかの実施形態では、コーティングは、基材をＨＯＣで電気めっきすることを含む。いくつかの実施形態では、電気めっきは、ＨＯＣの塩と溶媒とを含むＨＯＣ電気めっき溶液に浸漬された基材に電流を印加することを含む。
【００４４】
いくつかの実施形態では、ＨＯＣを付着させることは、ベース層コーティングを有する基材をコーティングすることを含む。一実施形態では、ベース層はニッケルである。いくつかの実施形態では、コーティングは、ベース層でコーティングされた基材をＨＯＣで電気めっきすることを含む。いくつかの実施形態では、電気めっきは、ＨＯＣの塩と溶媒とを含むＨＯＣ電気めっき溶液に浸漬された、ベース層でコーティングされた基材に、電流を印加することを含む。
【００４５】
いくつかの実施形態では、ＨＯＣの塩はアンモニウム塩または塩化物塩である。いくつかの実施形態では、ＨＯＣの塩は塩化アンモニウムパラジウムまたは塩化パラジウムである。いくつかの実施形態では、塩は塩化パラジウムである。いくつかの実施形態では、ＨＯＣの塩は、約５ｍＭ〜約１５ｍＭの濃度で存在する。いくつかの実施形態では、ＨＯＣの塩は、約７ｍＭ〜約１０ｍＭの濃度で存在する。いくつかの実施形態では、ＨＯＣの塩は約８．８ｍＭの濃度で存在する。
【００４６】
いくつかの実施形態では、溶媒はアンモニア水を含む。
【００４７】
いくつかの実施形態では、ＨＯＣ電気めっき溶液は導電剤を含む。いくつかの実施形態では、導電剤はＮａＣｌを含む。
【００４８】
いくつかの実施形態では、電気めっきは、約５Ｖ〜約３２Ｖの電圧を印加することを含む。いくつかの実施形態では、電気めっきは、約０．３Ａ〜約３Ａの電流を印加することを含む。いくつかの実施形態では、電気めっきは約１５分間行われる。
【００４９】
いくつかの実施形態では、基材に付着させられるＨＯＣの厚さは約１００μｍ〜約１０００μｍである。いくつかの実施形態では、基材に付着させられるＨＯＣの厚さは約２５０μｍである。
【００５０】
いくつかの実施形態では、ＨＯＣを電気めっきした後、ＨＯＣを安定化させるために基材が処理される。いくつかの実施形態では、安定化処理は、上にＨＯＣが電着された基材を加熱することを含む。いくつかの実施形態では、加熱は約１００℃の温度で行われる。
【００５１】
いくつかの実施形態では、ＯＲＣを付着させること２０８Ｂは、基材をコーティングすることを含む。いくつかの実施形態では、ＯＲＣを付着させることは、ＯＲＣを基材に直接付着させることを含む。別の実施形態では、ＯＲＣを付着させることは、ＨＯＣで被覆された基材にＯＲＣを付着させることを含む。いくつかの実施形態では、コーティングは、基材をＯＲＣで電気めっきすることを含む。いくつかの実施形態では、電気めっきは、ＯＲＣの塩と溶媒とを含むＯＲＣ電気めっき溶液に浸漬された基材に電流を印加することを含む。
【００５２】
いくつかの実施形態では、ＯＲＣの塩は塩化物塩である。いくつかの実施形態では、ＯＲＣの塩は塩化第一スズである。いくつかの実施形態では、ＯＲＣの塩は、約５ｍＭ〜約１０ｍＭの濃度で存在する。いくつかの実施形態では、ＯＲＣの塩は約６．６ｍＭの濃度で存在する。
【００５３】
いくつかの実施形態では、塩は、溶媒にＯＲＣ塩前駆体を溶解させることにより生成される。いくつかの実施形態では、ＯＲＣ塩前駆体は酸化物である。いくつかの実施形態では、酸化物はＳｎＯ２である。
【００５４】
いくつかの実施形態では、溶媒は塩酸を含む。いくつかの実施形態では、ＯＲＣ電気めっき溶液は、ＳｎＯ２をＨＣｌに溶解することにより調製される。いくつかの実施形態では、ＯＲＣ電気めっき溶液は、１ｇのＳｎＯ２を８００ｍＬの３２％ＨＣｌに溶解させることによって調製される。
【００５５】
いくつかの実施形態では、電気めっきは、約５Ｖ〜約３２Ｖの電圧を印加することを含む。いくつかの実施形態では、電気めっきは、約０．３Ａ〜約３Ａの電流を印加することを含む。いくつかの実施形態では、電気めっきは約７分間行われる。
【００５６】
いくつかの実施形態では、基材に付着させられるＯＲＣの厚さは約１００μｍ〜約１０００μｍである。いくつかの実施形態では、基材に付着させられるＯＲＣの厚さは約２５０μｍである。
【００５７】
いくつかの実施形態では、ＨＯＣまたはＯＲＣの被覆率を確認するために、ＨＯＣまたはＯＲＣを付着させた後に基材が検査される。いくつかの実施形態では、基材はＳＥＭ／ＥＤＸを使用して検査される。いくつかの実施形態では、不十分な被覆率が得られる場合、ＨＯＣまたはＯＲＣの２回目の付着が行われる。いくつかの実施形態では、熱処理（以下に記載）すると、ＨＯＣに対するＯＲＣの被覆率が減少する。例えば、付着させた後に基材の表面の最大４０％がＯＲＣで被覆され得る（すなわち、ＨＯＣ領域対ＯＲＣ領域が６：４の比）一方で、熱処理後に表面の３０％のみがＯＲＣで被覆され得る。ＯＲＣの熱処理前の被覆率がＯＲＣの熱処理後の望ましい被覆率を得るのに十分か否かを決定するために、熱処理前の検査を使用することができる。そのため、いくつかの実施形態では、ＯＲＣとＨＯＣとの間の目標被覆率の比は、熱処理後よりも触媒材料を付着させた後のほうが大きい。
【００５８】
ＨＯＣ、ＯＲＣ、またはそれらの組み合わせで表面コーティングまたは電気めっきされた表面は、その触媒の顆粒または粒子が上に付着した表面と比較して、触媒燃焼を受ける際のホットスポットの形成を少ししか示さない場合がある。理論に拘束されることを望むものではないが、図５Ａ及び図５Ｂを参照すると、その顆粒または粒子状触媒５１０を付着させると、下にある基材５２０との接触面積が相対的に小さくなると考えられる。対照的に、触媒材料を電気めっきすると、ＨＯＣ層上に付着する薄いＨＯＣ層５３０とＯＲＣ５４０が形成されることになり、ここで熱がより容易に基材に伝達される。燃料と酸化剤とを含む燃料混合物が触媒表面に導入されると、燃料は燃焼プロセスを受け、それにより熱が放出される。熱が触媒から伝達されない場合、局所的な「ホットスポット」が形成される場合があり、これは表面から触媒がアブレーションしたり、火炎や爆発を引き起こす可能性のある燃料混合物の発火が生じたりする可能性がある。触媒と下にある基材との間の接触面積を増やすことにより、触媒から熱をより効率的に伝達させ、ホットスポットの形成を減らすことができる。熱の更に均一な分布により、より高い運転温度の使用を可能にすることができる。
【００５９】
いくつかの実施形態では、ＨＯＣ及びＯＲＣが上に付着した基材に対して、２１０で１つ以上の仕上げ工程が行われる。いくつかの実施形態では、１つ以上の仕上げ工程は熱処理を含む。いくつかの実施形態では、熱処理は空気またはＮ２下で行われる。いくつかの実施形態では、熱処理は空気下で行われる。いくつかの実施形態では、基材へＨＯＣを付着させた後、基材へＯＲＣを付着させた後、またはその両方の後に、熱処理が行われる。いくつかの実施形態では、熱処理には、ＨＯＣの熱処理とＯＲＣの熱処理が含まれる。
【００６０】
いくつかの実施形態では、ＨＯＣの熱処理は、安定化処理の後に行われる。いくつかの実施形態では、ＨＯＣの熱処理は、約８００℃〜約１２００℃の温度で行われる。いくつかの実施形態では、ＨＯＣの熱処理は約９００℃の温度で行われる。いくつかの実施形態では、熱処理は、約３０分〜約４時間行われる。いくつかの実施形態では、熱処理は約１時間行われる。いくつかの実施形態では、熱処理によって、基材に付着させられたＨＯＣのアニーリングが生じる。いくつかの実施形態では、熱処理によって、ベース層へのＨＯＣのアニーリングが生じる。
【００６１】
いくつかの実施形態では、ＯＲＣの熱処理は、安定化処理の後に行われる。いくつかの実施形態では、ＯＲＣの熱処理は、約２００℃〜約６００℃の温度で行われる。いくつかの実施形態では、ＯＲＣの熱処理は、約４００℃の温度で行われる。いくつかの実施形態では、熱処理は、約３０分〜約４時間行われる。いくつかの実施形態では、熱処理は約１時間行われる。
【００６２】
いくつかの実施形態では、熱処理は、ＨＯＣ、ＯＲＣ、またはその両方の触媒活性を活性化または増加させる。いくつかの実施形態では、熱処理はＯＲＣの活性を活性化または増加させる。いくつかの実施形態では、熱処理は、ＨＯＣ、ＯＲＣ、またはその両方の焼成を生じさせる。いくつかの実施形態では、ＯＲＣ前駆体が付着させられ、熱処理が、ＯＲＣ前駆体をＯＲＣに変換することなどにより、ＯＲＣの形成を生じさせる。
【００６３】
いくつかの実施形態では、スズが基材に付着させられ、熱処理によって酸化第一スズが形成される。
【００６４】
反応器
図３を参照すると、一態様では、反応器３００が提供される。一実施形態では、反応器は熱交換器である。反応器３００は、第１の流体材料を受け入れるための入口３１２と出口３１４とを有する導管３１０；及び第２の流体材料を受け入れるための入口３３２と出口３３４とを有する導管３１０を囲むシェル３３０；を含む。第１の流体材料と第２の流体材料のうちの一方は燃料混合物である。第１の流体材料と第２の流体材料のうちの他方は熱交換媒体である。導管３１０は、水素酸化触媒（ＨＯＣ）と酸素還元触媒（ＯＲＣ）とを含む触媒組成物が上に配置された加熱要素３１６を含む。加熱要素３１６は、燃料混合物の触媒燃焼を生じさせ、触媒燃焼により放出されたエネルギーを熱交換媒体に伝達するように構成される。いくつかの実施形態では、触媒組成物は、触媒燃焼が低温で生じるように触媒燃焼の活性化エネルギーを低下させる。
【００６５】
いくつかの実施形態では、触媒組成物は上述した触媒組成物である。いくつかの実施形態では、加熱要素３１６は、ＨＯＣとＯＲＣとが上に付着した基材を含む。いくつかの実施形態では、ＨＯＣ及びＯＲＣは、上述した方法を使用して基材に付着させられる。いくつかの実施形態では、ＨＯＣ対ＯＲＣの比は、表面積で約９：１〜約４：１である。いくつかの実施形態では、ＨＯＣ対ＯＲＣの比は、表面積で約２０：３である。
【００６６】
いくつかの実施形態では、燃料混合物は、燃料と酸化剤を含む。いくつかの実施形態では、燃料は、水素、炭化水素系材料、またはそれらの混合物を含む。いくつかの実施形態では、炭化水素系材料は、バイオディーゼル、バイオガス、または藻類燃料などの再生可能な炭化水素系材料である。いくつかの実施形態では、燃料は水素である。いくつかの実施形態では、酸化剤は、酸素、酸素富化空気、または空気を含む。いくつかの実施形態では、酸化剤は酸素である。
【００６７】
いくつかの実施形態では、燃料混合物を受け入れる入口は、燃料入口と酸化剤入口を含む。この方式では、燃料混合物を予備混合する必要がない。燃料混合物の成分を反応器で導入することにより、燃料混合物の組成をよりよく制御することができる。移送の遅延が最小限に抑えられることから、反応器に導入される燃料混合物の組成のあらゆる変更がより迅速に行われる。更に、燃料と一緒に酸化剤が存在せずに燃料と酸化剤を別々に移送することは、燃料混合物を移送するよりも相対的に安全である場合がある。
【００６８】
いくつかの実施形態では、熱交換媒体は水またはヘリウムを含む。いくつかの実施形態では、熱交換媒体は水を含むか水である。そのような実施形態では、燃料混合物の触媒燃焼は水を加熱する。いくつかの実施形態では、蒸気を生成するために水が加熱される。熱交換器３００によって生成された蒸気は、様々な目的に使用することができる。例えば、蒸気は、タービンを駆動して発電するために、地域暖房用途におけるエネルギーを供給するために、または蒸気を必要とする他の用途において使用することができる。
【００６９】
いくつかの実施形態では、加熱要素３１６の少なくとも一部は導管３１０の表面と一体である。いくつかの実施形態では、加熱要素３１６の少なくとも一部は導管３１０の表面に結合される。
【００７０】
いくつかの実施形態では、加熱要素３１６は複数のフィン３１８を含む。フィンを追加すると、触媒水素燃焼が起こり得る表面積を増加させることができる。いくつかの実施形態では、１つ以上のフィンは、表面積を更に増加させるために、波形または蛇腹形状を有する。いくつかの実施形態では、複数のフィン３１８は導管３１０に結合される。フィンの結合は、例えば伝導を介して、フィン３１８から導管３１０へ及びそれに接触する任意の材料への熱伝達を促進する。例えば、燃料混合物の触媒燃焼がフィン３１８の表面で生じる場合、反応により放出される熱は、導管３１０を介して熱交換媒体に伝達することができる。
【００７１】
いくつかの実施形態では、反応器３００は、加熱要素３１６に近接している、燃料混合物を分配するための分配器３２０を含む。加熱要素３１６へ燃料混合物を分配すると、未燃焼水素を加熱要素３１６の表面によりよく導入することができる。いくつかの実施形態では、分配器３２０は、燃料混合物を受け入れる入口（３１２または３３２）に流体的に結合される。いくつかの実施形態では、分配器３２０は、加熱要素３１６に燃料混合物を送るためのオリフィスをそれぞれ画定する複数のフック形状の配管を含む。いくつかの実施形態では、分配器３２０は、個々に合わせた燃料混合物が各ゾーンに供給されるように、加熱要素３１６の異なるゾーンに運ばれる燃料混合物の組成を変える。例えば、複数の配管のそれぞれが独立した燃料混合物を運んでもよい。
【００７２】
いくつかの実施形態では、導管３１０は複数のチューブ３２２を含む。この方式では、表面積対体積の比を最大にすることにより、熱交換媒体への熱伝達率が増加する。いくつかの実施形態では、チューブ３２２は、シングルパス配置で配置され、それにより、導管３１０の一端で受け入れられた流体が他方の端部に導かれる。いくつかの実施形態では、チューブはマルチパス配置で配置され、それにより、導管の一端で受け入れられた流体が他方の端部に導かれてから最初の端部に戻され、任意選択的により多くのパスが行われる。
【００７３】
いくつかの実施形態では、導管３１０は熱交換媒体を受け入れ、シェル３３０は燃料混合物を受け入れる。そのような実施形態では、加熱要素３１６は、導管３１０の外側に配置され、シェル３３０の内部容積に曝される。燃料混合物の触媒燃焼により生じる熱は、導管３１０内に配置される熱交換媒体に伝達される。
【００７４】
いくつかの実施形態では、燃料混合物の触媒燃焼により、シェル３３０が加熱される。いくつかの実施形態では、シェル３３０の外表面と接触する予熱器３４０が、燃料混合物の触媒燃焼により放出される熱を、これが導管３１０またはシェル３３０の中に入る前に、燃料混合物または熱交換媒体に伝達する。いくつかの実施形態では、予熱器３４０は導管３１０の上流に配置され、熱交換媒体が上流の導管３１０へ入る前にこれを予熱する。いくつかの実施形態では、熱交換媒体は、入口に入る前に約９０℃の温度に加熱される。
【００７５】
いくつかの実施形態では、燃料混合物中の未反応燃料は、熱交換器の中に再循環される。燃料のリサイクルにより、処理または保管しなければならない未燃焼燃料の量が減少する。いくつかの実施形態では、下流の凝縮器（図示せず）が燃焼生成物から水を除去する。燃焼生成物から水を除去することにより、リサイクルされた燃料が熱希釈剤をより少なく含むようにすることができる。熱希釈剤は、運転温度の低下または触媒表面での凝縮の形成の増加を引き起こす可能性があり、これが燃焼を低下または阻害する場合がある。
【００７６】
燃料が水素であるこれらの実施形態のいくつかでは、これと接触するように構成された構成要素は、水素脆化に耐性のある材料から製造される。例えば、水素脆化に耐性を有する材料としては、オーステナイト系ステンレス鋼、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、及びセラミックが挙げられる。
【００７７】
シェル３３０が燃料混合物を受け入れるこれらの実施形態のいくつかでは、シェルの内部は、放射熱損失を低減するか最小化するための反射材料でコーティングされる。いくつかの実施形態では、熱交換器は、シェルを囲む断熱材を含む。いくつかの実施形態では、断熱材はグラスウールである。
【００７８】
図８を参照すると、伝導性熱伝達が改善された反応器８００の別の実施形態が示されている。いくつかの実施形態では、加熱要素と第１及び第２の流体材料の導管とが互いを縫うようにして通ることにより、より大きな熱の伝達だけでなく、より大きな体積の流体材料及び燃料を用いたスケールアップが可能になる。
【００７９】
反応器８００は、第１の流体材料を受け入れるための入口８１２と出口８１４とを有する導管８１０を含む。導管８１０は、水素酸化触媒（ＨＯＣ）と酸素還元触媒（ＯＲＣ）とを含む触媒組成物が上に配置された加熱要素８１６と接続される。加熱要素８１６は、燃料混合物の触媒燃焼を生じさせ、触媒燃焼により放出されたエネルギーを熱交換媒体に伝達するように構成される。いくつかの実施形態では、触媒組成物は、触媒燃焼が低温で生じるように触媒燃焼の活性化エネルギーを低下させる。導管８１０及び加熱要素８１６は、シェル８３０によって囲まれた反応キャビティ内に配置される。シェル８３０は、第２の流体材料を受け入れるための１つ以上の入口を有する。一実施形態では、第１の流体材料は熱交換媒体であり、第２の流体材料は燃料及び酸化剤である。いくつかの実施形態では、第２の流体材料は燃料と酸化剤との混合物である。好ましい実施形態では、燃料と酸化剤は別々に受け入れられ、予備混合されない。いくつかの実施形態では、燃料は、１つ以上の異なる種類の燃料の混合物である。
【００８０】
一実施形態では、シェルは、燃料混合物を反応キャビティ内に受け入れるための一組の入口８３２ａ、８３２ｂを有する。いくつかの実施形態では、第２の流体材料は燃料と酸化剤を含む。入口８３２ａ、８３２ｂのうちの一方は燃料を受け入れるためのものであり、他方は酸化剤を受け入れるためのものである。いくつかの実施形態では、燃料は上述した燃料である。いくつかの実施形態では、熱交換媒体は上述した熱交換媒体である。
【００８１】
いくつかの実施形態では、触媒組成物は、上述した触媒組成物である。図９を参照すると、いくつかの実施形態では、加熱要素８１６は、ＨＯＣ及びＯＲＣが上に付着した複数の水平なプレート９５０ａ、９５０ｂ、９５０ｃを含む。いくつかの実施形態では、ＨＯＣ及びＯＲＣは、上述した方法を使用してプレートに付着させられる。いくつかの実施形態では、ＨＯＣ対ＯＲＣの比は、表面積で約９：１〜約４：１である。いくつかの実施形態では、ＨＯＣ対ＯＲＣの比は、表面積で約２０：３である。
【００８２】
いくつかの実施形態では、加熱要素８１６は、波形プレートを含む複数のプレートを含む。いくつかの実施形態では、複数のプレートのいくつかは波形である。いくつかの実施形態では、複数の波形プレートは積み重ねられる。いくつかの実施形態では、導管８１０は、１枚のプレートがもう１枚のプレートと接触する場所に隣接して配置される。
【００８３】
いくつかの実施形態では、各プレートは、交互の隆起部９５２と溝部９５４とを含む断面形状を有する。断面形状の例としては、限定するものではないが、正弦波、ジグザグ、屈曲、スカラップ形状、及び鋸歯状が挙げられる。好ましい実施形態では、各プレートは、１つ以上のジョイント９５６によって隣接するプレートに取り付けられる。いくつかの実施形態では、１つ以上のジョイントは、隣接するプレートを互いに間隔を開けた状態で保つ。一実施形態では、ジョイントの第１の側面は１枚のプレートの隆起部の上面に取り付けられ、ジョイントの第２の側面は別のプレートの溝部の底面に取り付けられる。いくつかの実施形態では、各ジョイントは、プレートの幅まで延び、導管８１０を受け入れるための内孔９５８を含む。一実施形態では、ジョイントは、一方は１枚のプレートに溶接され、他方は隣接するプレートに溶接されている細長い開放流路をそれぞれ有する２つのジョイント部材から形成される。２つのプレートが積み重ねられると、２つの細長い開放流路が組み合わされて、導管８１０を受け入れるための連続内孔９５８が形成される。別の実施形態では、ジョイントは導管８１０を受け入れるための溝を有する。
【００８４】
いくつかの実施形態では、複数の水平なプレートは、例えばクランプまたはボルトによって加えられる圧縮力を加えることによって積み重ねられ、一体に保持される。いくつかの実施形態では、複数の水平なプレートとジョイントは、例えばクランプまたはボルトによって加えられる圧縮力を加えることによって全て一体に保持される。別の実施形態では、複数の水平なプレートとジョイントは、全て一体に溶接または接合される。更に別の実施形態では、複数のプレートは、ジョイントを使用せずに直接一体に溶接または接合され、隣接するプレートが導管を受け入れるために接触するか接合される細長い内孔を含む。
【００８５】
いくつかの実施形態では、複数のプレートは、一体に積み重ねられた際に、例えば、格子状、ハニカム状、またはダマスク状のパターンである全体としての断面形状を有する。
【００８６】
一実施形態では、加熱要素は、一体に積み重ねられた複数のプレートを有し、各プレートは約３０ｍｍ×４００ｍｍである。別の実施形態では、加熱要素は、一体に積み重ねられた６枚のプレートを有し、各プレートは約１００ｍｍ×２００ｍｍである。
【００８７】
いくつかの実施形態では、導管８１０は、ジョイントの内孔の中を縫うように通っており、導管が１つの内孔から出て次の内孔を通って延びる際にループ８６０を形成する。いくつかの実施形態では、ループ８６０は、複数のプレートの幅を超えて延びる。いくつかの実施形態では、導管は、内孔を通るシングルパス配置で配置され、それにより、内孔の一端で受け入れられた流体が内孔の他方の端部に導かれる。いくつかの実施形態では、導管８１０は、内孔を通るマルチパス配置で配置され、それにより、内孔の一端で受け入れられた流体が他方の端部に導かれてから最初の端部に戻され、任意選択的により多くのパスが行われる。
【００８８】
いくつかの実施形態では、複数のプレートは平坦であり、各プレートは、プレートの幅まで延びておりプレートを離間した状態に保つ複数の細長いジョイントによって隣接する場所に接合される。この実施形態では、ジョイントは、中を導管８１０が縫うように通る内孔を含む。
【００８９】
いくつかの実施形態では、内孔を通って延びる導管の各セグメント９１０は、距離「ｗ」だけ次のセグメントから離され、ｗは少なくとも１０ｍｍ、少なくとも２０ｍｍ、少なくとも３０ｍｍ、好ましくは少なくとも４０ｍｍである。一実施形態では、ｗは少なくとも４２ｍｍである。いくつかの実施形態では、一組のプレートの間を縫うように通る導管の各列は、距離「ｈ」だけ次の列から離れており、ｈは少なくとも１０ｍｍ、少なくとも１５ｍｍ、少なくとも２０ｍｍ、好ましくは少なくとも２５ｍｍである。一実施形態では、ｈは少なくとも２６ｍｍである。
【００９０】
いくつかの実施形態では、複数のプレートは、導管８１０の表面と一体である。いくつかの実施形態では、複数のプレートの少なくとも一部は、導管８１０の表面に接合される。
【００９１】
いくつかの実施形態では、反応器８００は、プレートに近接している、燃料及び酸化剤を分配するための分配器８２０を含む。燃料と酸化剤をプレートに分配すると、未燃焼水素をプレートの表面によりよく導入することができる。いくつかの実施形態では、分配器８２０は、燃料と酸化剤を受け入れる１つ以上の入口に流体的に結合される。分配器は、１枚のプレートの隆起部と別のプレートの溝部とによって画定されるキャビティ９７０を通ってプレートの幅まで延びている。いくつかの実施形態では、分配器８２０は、プレート間に形成されたキャビティ９７０に燃料混合物を送るためのオリフィスを含む。いくつかの実施形態では、分配器８２０は、プレートの幅まで延びる分配器の長さに沿ってサイズが等しいか異なる複数のオリフィスを有する。いくつかの実施形態では、分配器の長さに沿ったオリフィスのサイズは、ある程度の流量のバランスをとることを可能にするために変更される。例えば、分配器の入口端に近いオリフィスは、入口から最も遠い分配器の端部のオリフィスよりも小さい。他のサイズも可能であり、当業者に公知である。
【００９２】
いくつかの実施形態では、１対の分配器９２０ａ、９２０ｂが、燃料及び酸化剤をそれぞれ受け入れる入口８３２ａ、８３２ｂのそれぞれの対に流体的に結合される。１対の分配器の両方は、１枚のプレートの隆起部と別のプレートの溝部によって画定されるキャビティ９７０を通って延び、それにより燃料と酸化剤の両方がキャビティ９７０に送られる。いくつかの実施形態では、一対の分配器は、隆起部９７２によって画定されるキャビティの部分に近接しているか、実質的にその中に位置しており、一対の分配器の他方は、溝部９７４によって画定されるキャビティの部分に近接しているか、実質的にその中に位置している。いくつかの実施形態では、一対の分配器９２０ａ、９２０ｂは、それぞれ、プレートの幅まで延びる分配器の長さに沿って、等しいか異なるサイズの複数のオリフィスを有する。一対の分配器の一方に沿ったオリフィスは、一対の分配器の他方の対応するオリフィスと長手方向の位置が一致しており、これに対向している。燃料と酸化剤ガスは、反対側の分配器供給配管から来て互いに出会うと乱流混合し、燃料−酸化剤混合物を形成し、これによりその後、プレートの周りの触媒表面と接触する。燃料と酸化剤を別々に導入し、これらを反応器内でできるだけ遅く混合することの１つの利点は、廃棄物の排出を最小限に抑え、燃料を最大限に燃焼させながら、より効率的な燃焼を可能にすることである。
【００９３】
いくつかの実施形態では、分配器は、３〜１０ｍｍ、５〜８ｍｍ、６〜７ｍｍ、好ましくは６．３５ｍｍの直径を有する。いくつかの実施形態では、オリフィスは、０．１〜２ｍｍ、０．５〜１．５ｍｍ、好ましくは１ｍｍのサイズ範囲を有する。他の寸法も可能である。
【００９４】
いくつかの実施形態では、反応器は、プレート間に形成された様々なキャビティに燃料と酸化剤を分配するための分配器のネットワークまたは複数の分配器の対を含む。好ましい実施形態では、各キャビティは、それ自体のそれぞれの入口の対に流体的に結合されている一組の分配器を受け入れる。そのような実施形態では、入口に複数の対が存在し、対応する複数の分配器の対が存在する。いくつかの実施形態では、分配器は、燃料混合物を受け入れるための入口に流体的に結合された開放端と閉鎖端を有する。この方式では、入口から注入された燃料混合物は、その後出口として機能するオリフィスから出る。いくつかの実施形態では、一対の分配器が、それぞれ開放端と閉鎖端、及びオリフィスを有しており、オリフィスを通って燃料と酸化剤が出ることで、これらがプレートの表面に接触する前に燃料と酸化剤の高度の混合が可能になる。別の実施形態では、分配器または一対の分配器は、プレート間に形成された様々なキャビティを縫うように通っている。
【００９５】
いくつかの実施形態では、反応器は、それ自体のシェル、加熱要素、熱交換媒体用の導管、及び燃料入口を有するモジュールユニットである。一実施形態では、触媒燃焼システムは複数のモジュール式反応器を含む。一実施形態では、各反応器モジュールユニットは、直径４００ｍｍ厚さ約１ｍｍの３０枚の加熱プレートを備えた加熱要素を有する。いくつかの実施形態では、触媒燃焼システムは、３個より多い、５個より多い、１０個より多い、または２０個より多いモジュール式反応器を有する。一実施形態では、触媒燃焼システムは、４〜６個の反応器モジュールユニットを有する。一実施形態では、反応器モジュールユニットは積み重ねて組み立てられる。反応器をモジュールとして提供することは、メンテナンスや修理のために１つのモジュールを他のモジュールから独立して交換できるなどの、多くの利点を有している。
【００９６】
触媒燃焼システムのいくつかの実施形態では、導管は各反応器モジュールユニット専用の導管である。いくつかの実施形態では、触媒燃焼システムは、熱交換媒体を各反応器モジュールユニットに送るために並列または直列に配置された導管ネットワークを有する。積み重ねで組み立てられた反応器モジュールユニットを触媒燃焼システムが含むいくつかの実施形態では、導管は、熱交換媒体がモジュール式反応器の底部に位置する導管入口から導入され、モジュール式反応器の上部に位置する導管出口から出るように構成される。第１の積み重ねられたモジュール式反応器の導管出口は、第２の積み重ねられたモジュール式反応器の導管入口と流体接続している。この方式では、触媒燃焼システム内の反応器モジュールユニットの数は、最も上の反応器モジュールユニットからの熱交換媒体の望まれる出力に基づいて変更することができる。
【００９７】
いくつかの実施形態では、本明細書に記載の反応器は、それぞれが複数のプレートを有する複数の加熱要素を含む。いくつかの実施形態では、本明細書に記載の反応器は、モジュール式の加熱要素を含み、各モジュールユニットは複数のプレートを有する。
【００９８】
熱交換
公知の熱交換器では、高温媒体は、典型的には、導管内に供給され、高温媒体から低温媒体に熱を伝達するために低温媒体に囲まれる。燃料の燃焼を最大にすると同時に熱伝達を最大にするために、本明細書に記載の通りに改良された反応器及び触媒表面が開発され、これらは、高温媒体（すなわち触媒組成物でコーティングされた加熱要素）に囲まれた導管内に低温媒体（すなわち熱交換媒体）が供給される場合に、より効率的である。
【００９９】
更に、熱交換器を最初に始動させる際に、熱交換媒体への熱の伝導伝達に起因する早期の熱損失は、その上に触媒組成物が付着している加熱要素の有効性を燃焼開始から低下させる可能性がある。大幅な遅延または遅い初期温度上昇を回避するために、本明細書に記載の反応器は、導管を、プレート間を縫うようにして通し、ループ部分がプレートに接触しないようにプレートの幅を超えて導管をループさせることにより、始動中のこの早期の熱損失をより効果的に管理するという利点も有している。
【０１００】
一態様では、図４に示される熱交換媒体を加熱する方法４００が提供される。４０２では、触媒表面は、水素酸化触媒（ＨＯＣ）と酸素還元触媒（ＯＲＣ）を含む。触媒表面は、低温で燃焼が起こるように、燃料と酸化剤とを含む燃料混合物の燃焼の活性化エネルギーを下げるように構成される。４０４では、燃料混合物が触媒表面に供給される。４０６では、燃料混合物が触媒表面で燃焼する。４０８では、触媒燃焼により発生した熱が熱交換媒体に伝達される。
【０１０１】
いくつかの態様では、ＨＯＣとＯＲＣは、表面積で約９：１〜約４：１の比で存在する。いくつかの実施形態では、ＨＯＣとＯＲＣは約２０：３の比で存在する。
【０１０２】
いくつかの実施形態では、燃料混合物は、燃料と酸化剤を含む。いくつかの実施形態では、燃料は、水素、炭化水素系材料、またはそれらの混合物を含む。いくつかの実施形態では、炭化水素系材料は、バイオディーゼル、バイオガス、または藻類燃料などの再生可能な炭化水素系材料である。いくつかの実施形態では、燃料は水素である。いくつかの実施形態では、酸化剤は、酸素、酸素富化空気、または空気を含む。いくつかの実施形態では、酸化剤は酸素である。
【０１０３】
いくつかの実施形態では、触媒燃焼の燃焼生成物は水を含む。触媒表面に水が蓄積すると、燃料混合物の燃焼を触媒するために利用できる表面が減少する。いくつかの実施形態では、触媒燃焼は低圧で生じる。圧力を下げると、水の沸点を下げることができる。沸点が下がると、水の蒸発速度が増加することにより、触媒表面に蓄積する液体の水を減少させることができる。
【０１０４】
いくつかの実施形態では、燃料混合物の供給は、燃料混合物の組成を調節することを含む。いくつかの実施形態では、燃料混合物の供給は、始動段階４０４Ａ、運転段階４０４Ｂ、または両方を含む。
【０１０５】
始動段階４０４Ａの間、触媒表面は初期温度におかれる。いくつかの実施形態では、触媒表面の初期温度は、１００℃未満、５０℃未満、３０℃未満、２０℃未満、１５℃未満、更には１０℃未満である。いくつかの実施形態では、始動段階４０４Ａの間に供給される燃料混合物の組成は、相対的に酸素を多く含む。相対的に酸素を多く含む燃料混合物は、燃料を多く含む混合物よりも低い温度で触媒燃焼することができる。いくつかの実施形態では、始動段階中に供給される燃料混合物の酸素対燃料の比は、約１：２〜約１：１である。いくつかの実施形態では、始動段階中に供給される燃料混合物の酸素対燃料の比は約１１：１４である。触媒燃焼は、触媒表面を加熱する。いくつかの実施形態では、始動段階は最大で１時間、４５分間、３０分間、更には２０分間継続する。
【０１０６】
図７を参照すると、本発明の特定の実施形態では、燃料混合物は反応器に供給された。初期温度は周囲温度（約２５℃）であった。温度は約３５℃に達するまで約１０秒間ゆっくりと上昇し、その時点でより急速に温度が上昇し始めた。理論に拘束されることを望むものではないが、初期温度では、エネルギーは反応を活性化するのには十分であるが、比較的低い反応速度であると考えられる。反応が進むにつれて、発熱的な触媒燃焼反応によってエネルギーが放出された。この結果、温度の上昇が観察され、追加のエネルギーが供給され、これにより反応速度が増加し、温度がより速く上昇した。対照的に、同じ燃料混合物を供給したがパラジウムが同様の加熱要素中の唯一の触媒材料であったシステムでは、１時間より長い期間の後であっても周囲温度を超える温度の上昇は観察されなかった。
【０１０７】
いくつかの実施形態では、触媒表面の温度が約１４０℃を超えると、プロセスは運転段階４０４Ｂに入る。いくつかの実施形態では、燃料混合物の組成は相対的に燃料を多く含む。いくつかの実施形態では、相対的に燃料を多く含む燃料混合物を用いて触媒燃焼すると、熱希釈剤として機能する過剰な酸化剤が存在しないため、触媒燃焼をより高い運転温度で生じさせることができる。いくつかの実施形態では、運転段階中に供給される燃料混合物の酸素対燃料の比は、約２：５〜約２：３である。いくつかの実施形態では、運転段階中に供給される燃料混合物の酸素対燃料の比は約３：４である。いくつかの実施形態では、運転段階中の触媒燃焼は、３００℃超、４００℃超、５００℃超、更には６００℃超の運転温度を有する触媒表面で生じる。いくつかの実施形態では、運転温度は６００℃よりも高い。触媒表面温度が高いほど、熱交換媒体との熱勾配が大きくなり、そのため熱交換媒体に伝達される熱量が増加する。
【０１０８】
いくつかの実施形態では、燃料混合物は、熱希釈剤をわずかのみ有するか、有さない。例えば、空気は、窒素と、酸素と、二酸化炭素とを含むガスの混合物である。空気中の非酸素ガスは、限定的な反応性しか有しておらず、これが触媒燃焼によって放出される熱の一部を吸収する熱希釈剤として機能する場合があり、その結果燃料混合物の触媒燃焼によって達成し得る温度が熱希釈剤をわずかのみ含むか含まない場合よりも低くなる場合がある。更に、高い運転温度では、窒素の存在により、望ましくないＮＯｘが形成される可能性がある。そのため、いくつかの実施形態では、酸化剤は、酸素富化空気であるか酸素である。いくつかの実施形態では、酸化剤は酸素である。
【０１０９】
いくつかの実施形態では、触媒燃焼は大気圧よりも低い圧力で行われる。いくつかの実施形態では、触媒燃焼は、１００ｋＰａ未満、９０ｋＰａ未満、８０ｋＰａ未満、７０ｋＰａ未満、６０ｋＰａ未満、更には５０ｋＰａ未満の圧力で行われる。大気圧よりも低い圧力では、水の沸点が低下し、それにより触媒表面に液体の水が蓄積する可能性が低下する。更に、より低い圧力では、バルク燃料混合物の可燃性を低下させることができ、その結果より安全にすることができる。
【０１１０】
いくつかの実施形態では、熱交換媒体は、水、対流によって冷却されたヘリウムループ、ｓＣＯ２（過熱二酸化炭素）である。いくつかの実施形態では、水への熱の伝達によって、蒸気が形成される。蒸気は、例えば、タービンの駆動、地域暖房システムへのエネルギー供給、または脱塩作業において使用することができる。
【０１１１】
いくつかの実施形態では、触媒表面は、上述した熱交換器の加熱要素の表面の少なくとも一部である。いくつかの実施形態では、触媒表面は上述した方法に従って調製される。いくつかの実施形態では、触媒表面は上述した触媒組成物を含む。
【０１１２】
一態様では、触媒燃焼器が提供される。触媒燃焼器は触媒表面を含む。触媒表面は、上述した触媒組成物を含むか、上述した方法により調製される。
【０１１３】
いくつかの実施形態では、触媒燃焼器の運転によって生成する熱は、動作するための熱源として使用される。いくつかの実施形態では、触媒燃焼器の運転によって生成する熱は、スターリングエンジン、タービン、空調用の相変化操作、地域暖房システム、または脱塩システムを運転するために使用される。例えば、いくつかの実施形態では、触媒燃焼器は、反応器３００に組み込まれた加熱要素である。別の実施形態では、触媒燃焼器は、スターリングエンジンの膨張シリンダーを受け入れるように適合された穴を有するグラファイトブロックである。いくつかの実施形態では、触媒燃焼器の運転により生成する熱は、蒸気を生じさせるために使用される。例えば、触媒燃焼器は、上述した反応器の中に組み込まれていてもよい。
【０１１４】
一態様では、燃料混合物を触媒燃焼させる方法が提供される。燃料と酸化剤とを含む燃料混合物は、上述した触媒燃焼器に供給され、触媒燃焼器の触媒表面で触媒燃焼される。いくつかの実施形態では、触媒燃焼は、熱が必ずしも熱交換媒体に伝達される必要がないことを除いては、上述した熱交換媒体の加熱と同様に行われる。
【実施例】
【０１１５】
実施例１−触媒組成物の調製
厚さ０．８ｍｍの３１６ステンレス鋼シートからディスクを切り取った。ディスクにドリルで取り付け穴を開けた。３０から８００まで次第に細かくなる粗さを有するカーボランダム紙を使用して、ディスクの表面をＩＳＯ粗さグレードＮ１０まで機械的に粗面化した。
【０１１６】
ＨＯＣ電気めっき溶液は、１ｇのＰｄＣｌを８００ｍＬの３０％アンモニアに溶解させることによって調製した。ディスク及び同様の面積のパラジウム電極を溶液中に機械的に懸濁させ、３０Ｖで１Ａの電流を１５分間印加した。目的は、厚さ約２５０μｍのパラジウムの均一な被覆を得ることであった。
【０１１７】
めっきが完了した後、ディスクを取り出し、蒸留水ですすぎ、繊細なタスクワイパーで優しくたたくようにして余分な残りの液体を除去した。その後、ディスクを工業用炉で、１００℃で約１５分間焼成することで、残留電気めっき溶液を除去した。
【０１１８】
表面の目視検査を行って、均一なコーティングが付着して基材が見えないことを確認した。被覆がわずかな場合には、マルチポイントＳＥＭ／ＥＤＸ検査を行った。必要に応じて電気めっきプロセスを繰り返した。
【０１１９】
被覆を確認した後、ディスクを９００℃で１時間アニールし、次いで室温まで放冷した。
【０１２０】
ＯＲＣ電気めっき溶液は、１ｇのＳｎＯ２を８００ｍＬの３２％ＨＣｌに溶解させることによって調製した。
【０１２１】
冷却されたディスクを、ＯＲＣ電気めっき溶液の中に機械的に懸濁させ、３Ａで１０Ｖの電流を、ディスク及び同様の寸法のパラジウム電極に７分間印加した。
【０１２２】
ＯＲＣ電気めっきが完了した後、ディスクを取り外し、蒸留水ですすいだ。検査プロセスを繰り返して、電気めっきによって表面の少なくとも３０％にスズが堆積したか否かを確認した。
【０１２３】
被覆が確認されたら、ディスクを４００℃で１時間アニールした。
【０１２４】
基材に付着した触媒組成物を示すＳＥＭ／ＥＤＸ画像を図６Ａ〜Ｃに示す。画像を得るために使用した設定は次の通りであった：
Ａｃｃ．電圧：１５．０ｋＶ
解像度：５１２×５１２ピクセル
表示解像度：５０％
プロセス回数：５
画像幅：１．５６７ｍｍ
混合マップ：パラジウムＬａ１（赤）、スズＬａ１（緑）。
【０１２５】
実施例２−触媒組成物を用いた触媒燃焼
図３に示されているような、その中に配置されているヒーターに触媒組成物が付着している反応器を使用した。システムは、導管が水を受け入れ、シェルが燃料混合物を受け入れるように実行した。
【０１２６】
水が開放バルブを通って蒸気／水の出口から流出するまで、ポンプを使用してシステムにタンクからの水を入れた。その後、水のサブシステムの出口バルブを閉じた。シェルの内部環境の圧力を下げて、約２ｋＰａ（ａ）の真空を得た。その後、調整弁を通して内部キャビティに水素と酸素を導入し、マスフローコントローラーで制御した。流量は、最初に約１４：１１の比で水素と酸素を供給するように設定した。一連の熱電対を使用して、内部温度と外部温度を監視した。
【０１２７】
図７を参照すると、内部温度は最初約２５℃であった。約１０秒間、比較的遅い初期温度上昇があった。約４０℃〜６０℃の温度では、温度上昇の速度が大幅に加速した。温度は約３５０℃〜４００℃で横ばいになった。
【０１２８】
水をサブシステムの中に循環させ、出力バルブを開けることによって蒸気圧を制御することで、８００ｋＰａ未満の蒸気圧を維持した。
【０１２９】
その後、燃料混合物の流量を調整して、送られるＨ２の量を増やし、次いで真空システムが約１００ｋＰａ（ａ）未満の内圧をより長く維持できるまで、送られるＯ２の量を増加させた。
【０１３０】
温度は約６００℃まで上昇し、高品質の蒸気が生成した。
【０１３１】
実施例３−波形加熱プレート上に付着させた触媒組成物を用いた触媒燃焼
図８に示されているように、その中に配置されている複数の波型プレートに触媒組成物が付着している反応器を使用した。システムは、導管が水を受け入れ、シェルが２つの別々の入口を介して水素と酸素を受け入れるように実行した。システムに水を入れ、上述した実施例２に記載したものと同様の方法で内部キャビティに水素と酸素を導入した。
【０１３２】
内部温度は、最初は約１１℃であり（データ提示なし）、システムは図７に示したものと同様の温度上昇プロファイルまたは傾向を示し、高品質の蒸気を生成した。
【０１３３】
多数の例示的な態様及び実施形態が上で説明されてきたが、当業者であれば、それらの特定の修正、置換、追加、及びサブコンビネーションが可能であることを認識するであろう。上の説明では、説明の目的で、本開示を完全に理解するための多数の詳細な事項が示されている。しかしながら、本開示を実施するためにこれらの具体的な詳細事項が必要とされないことは当業者には明らかであろう。開示された例示的な実施形態を実施するために特定の寸法及び材料が記載されているものの、他の適切な寸法及び／または材料が本開示の範囲内で使用されてもよい。技術における全ての適切な現在及び将来の変更を含むそのような全ての修正及び変形は、本開示の領域及び範囲内にあると考えられる。言及された全ての参照文献は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
【図１Ａ】
2020531268.tif 000003
【図１Ｂ】
2020531268.tif 000004
【図２】
2020531268.tif 000005
【図３】
2020531268.tif 000006
【図４】
2020531268.tif 000007
【図５Ａ】
2020531268.tif 000008
【図５Ｂ】
2020531268.tif 000009
【図６】
2020531268.tif 000010
【図７】
2020531268.tif 000011
【図８】
2020531268.tif 000012
【図９】
2020531268.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】令和1年6月29日(2019.6.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素酸化触媒（ＨＯＣ）と、
酸素還元触媒（ＯＲＣ）と、を含む触媒組成物であって、
前記触媒が水素燃焼反応の低温活性化に適しており、
前記ＨＯＣの表面積対前記ＯＲＣの表面積の比が約９：１〜約４：１である、前記触媒組成物。
【請求項２】
前記ＨＯＣの表面積対前記ＯＲＣの表面積の比が約２０：３である、請求項１に記載の触媒組成物。
【請求項３】
前記ＨＯＣ及び前記ＯＲＣが電着によって形成される、請求項１または２に記載の触媒組成物。
【請求項４】
前記触媒が約１４０℃未満の温度で水素燃焼を活性化するように適合される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の触媒組成物。
【請求項５】
前記触媒が２０℃未満の温度で水素燃焼を活性化するように適合される、請求項４に記載の触媒組成物。
【請求項６】
前記ＨＯＣが貴金属である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の触媒組成物。
【請求項７】
前記ＨＯＣが白金またはパラジウムである、請求項６に記載の触媒組成物。
【請求項８】
前記ＨＯＣがパラジウムである、請求項７に記載の触媒組成物。
【請求項９】
前記ＯＲＣが鉄、亜鉛、銀、銅、スズ、これらの酸化物、またはこれらの組み合わせである、請求項１〜８のいずれか１項に記載の触媒組成物。
【請求項１０】
前記ＯＲＣが酸化第一スズである、請求項９に記載の触媒組成物。
【請求項１１】
基材を準備すること、
前記基材に触媒組成物を付着させて触媒表面を形成すること、
を含む、触媒組成物を付着させる方法であって、
前記触媒組成物が水素酸化触媒（ＨＯＣ）と酸素還元触媒（ＯＲＣ）を含み、
前記触媒表面が水素燃焼反応の低温活性化に適しており、
前記触媒表面が約９：１〜約４：１の比を有するＨＯＣ領域とＯＲＣ領域を含む、前記方法。
【請求項１２】
前記ＨＯＣ領域対前記ＯＲＣ領域の比が約２０：３である、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記触媒組成物を付着させることが前記ＨＯＣを付着させること及び前記ＯＲＣを付着させることを含む、請求項１１または１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記ＨＯＣを付着させた後にＯＲＣを付着させる、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記触媒組成物を付着させることが、前記ＨＯＣ、前記ＯＲＣ、またはその両方を前記基材に電気めっきすることを含む、請求項１１〜１４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１６】
前記触媒組成物を付着させることが、前記ＨＯＣを前記基材に電気めっきすることを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記触媒組成物を付着させることが、前記ＨＯＣが付着した基材に前記ＯＲＣを電気めっきすることを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記触媒組成物を付着させる前に前駆体を前記基材に付着させることを更に含み、前記前駆体が前記基材への前記触媒組成物の付着性を高める、請求項１１〜１７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１９】
前記前駆体がニッケルまたは銅である、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記前駆体を付着させることが、前記前駆体を前記基材に電気めっきすることを含む、請求項１８または１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記触媒が付着した基材を加熱処理することを更に含む、請求項１１〜２０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２２】
第１の流体材料を受け入れるための入口、及び出口を有する導管と、
燃料と酸化剤とを含む燃料混合物を触媒燃焼させるための触媒組成物が上に付着した触媒表面を含む、前記導管に結合された加熱要素であって、前記触媒組成物が水素酸化触媒（ＨＯＣ）と酸素還元触媒（ＯＲＣ）とを含む前記加熱要素と、
第２の流体材料を受け入れるための入口、及び出口を有する、前記導管を囲むシェルと、
を含む反応器装置であって、
前記第１の流体材料と前記第２の流体材料のうちの一方が前記燃料混合物を含み、
前記第１の流体材料と前記第２の流体材料のうちの他方が熱交換媒体を含み、
前記燃料混合物の前記触媒燃焼により放出されるエネルギーが前記熱交換媒体に伝達され、
前記燃料混合物の前記燃焼の活性化エネルギーを低下させることで反応が低温で起こるように前記触媒組成物が適合される、
前記反応器装置。
【請求項２３】
前記燃料混合物が水素と酸素を含む、請求項２２に記載の反応器。
【請求項２４】
前記燃料混合物が水素と酸素とからなる、請求項２３に記載の反応器。
【請求項２５】
前記加熱要素に近接している、前記燃料混合物を分配するための分配器を更に含む、請求項２２〜２４のいずれか１項に記載の反応器。
【請求項２６】
前記加熱要素が少なくとも１つのフィンを更に含み、前記触媒表面の少なくとも一部が前記少なくとも１つのフィン上に存在する、請求項２２〜２５のいずれか１項に記載の反応器。
【請求項２７】
複数のプレートを含む加熱要素であって、燃料を触媒燃焼するための触媒組成物が上に付着した触媒表面を各プレートが含み、前記触媒組成物が水素酸化触媒（ＨＯＣ）と酸素還元触媒（ＯＲＣ）を含む、前記加熱要素と、
前記複数のプレートと接触する導管であって、
熱交換媒体を受け入れるための入口、及び出口とを含む前記導管と、
前記燃料及び酸化剤を受け入れるための１つ以上の入口を有する、前記導管と前記加熱要素とを囲むシェルと、を含む反応器装置であって、
前記燃料の前記触媒燃焼により放出されるエネルギーが前記熱交換媒体に伝達され、
前記燃料の前記燃焼の活性化エネルギーを低下させることで反応が低温で起こるように前記触媒組成物が適合される、
前記反応器装置。
【請求項２８】
前記複数のプレートが積み重ねられる、請求項２７に記載の反応器。
【請求項２９】
前記複数のプレートのうちの１枚以上が波形である、請求項２８に記載の反応器。
【請求項３０】
前記導管が２枚の隣接するプレートの間に配置される、請求項２７〜２９のいずれか１項に記載の反応器。
【請求項３１】
前記導管が２枚の隣接するプレートの間を縫うように通っている、請求項３０に記載の反応器。
【請求項３２】
２枚の隣接するプレート間の接触地点に内孔または溝を更に含み、前記内孔または溝が前記導管を受け入れるためのものである、請求項２７〜３１のいずれか１項に記載の反応器。
【請求項３３】
隣接するプレートが、ジョイント部材によって間隔を空けられている、請求項２７〜３１のいずれか１項に記載の反応器。
【請求項３４】
前記ジョイント部材が前記導管を受け入れるための内孔または溝を有する、請求項３３に記載の反応器。
【請求項３５】
２枚の隣接するプレートの間に燃焼キャビティを含む、請求項２７〜３４のいずれか１項に記載の反応器。
【請求項３６】
前記燃料及び前記酸化剤を前記複数のプレートに近接している前記燃焼キャビティに分配するための１つ以上の分配器を更に含む、請求項３５に記載の反応器。
【請求項３７】
前記１つ以上の分配器が、前記燃料を分配するための第１の分配器と、前記酸化剤を分配するための第２の分配器を含む、請求項３６に記載の反応器。
【請求項３８】
前記燃料と前記酸化剤との混合が前記燃焼キャビティ内で生じる、請求項３７に記載の反応器。
【請求項３９】
前記触媒表面が、約９：１〜約４：１の比を有するＨＯＣ領域とＯＲＣ領域を含む、請求項２２〜３８のいずれか１項に記載の反応器。
【請求項４０】
前記ＨＯＣ領域対前記ＯＲＣ領域の比が約２０：３である、請求項３９に記載の反応器。
【請求項４１】
前記熱交換媒体または前記燃料混合物を予熱するための、前記反応器の上流にありこれと熱的に接触する予熱器を更に含む、請求項２２〜４０のいずれか１項に記載の反応器。
【請求項４２】
前記熱交換媒体が水を含む、請求項２２〜４１のいずれか１項に記載の反応器。
【請求項４３】
前記水への前記エネルギーの伝達が、蒸発を生じさせて蒸気を生成する、請求項４２に記載の反応器。
【請求項４４】
前記加熱要素がモジュール式である、請求項２２〜４３のいずれか１項に記載の反応器。
【請求項４５】
水素酸化触媒（ＨＯＣ）と酸素還元触媒（ＯＲＣ）とを有する触媒表面を含む触媒加熱要素を有する触媒反応器に燃料と酸化剤を供給することであって、前記燃料混合物の燃焼の活性化エネルギーを低下させることで、低温で前記燃焼を生じさせるように前記触媒表面が適合されることである、前記供給することと、
前記触媒表面で前記燃料混合物を触媒燃焼させることと、
前記触媒燃焼により発生した熱を熱交換媒体に伝達することと、
を含む、熱交換媒体の加熱方法。
【請求項４６】
前記ＨＯＣと前記ＯＲＣが、表面積で約９：１〜約４：１の比で前記触媒表面に存在する、請求項４５に記載の方法。
【請求項４７】
前記ＨＯＣと前記ＯＲＣが、表面積で約２０：３の比で前記触媒表面に存在する、請求項４６に記載の方法。
【請求項４８】
前記燃料が水素であり、前記酸化剤が酸素である、請求項４５〜４７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項４９】
前記触媒燃焼が大気圧未満の圧力で生じる、請求項４５〜４８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５０】
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の触媒組成物を含む触媒表面または請求項１１〜２１のいずれか１項に記載の方法により調製された触媒表面を含む、触媒燃焼器。
【請求項５１】
請求項４０に記載の触媒燃焼器または請求項２２〜４３のいずれか１項に記載の反応器に燃料及び酸化剤を供給することと、
前記触媒表面上で前記燃料混合物を触媒燃焼させることと、
を含む、燃料混合物を触媒燃焼させる方法。
【請求項５２】
請求項４４に記載の１つ以上の反応器を含む触媒燃焼システム。
【手続補正書】
【提出日】令和2年4月24日(2020.4.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図８】
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【国際調査報告】
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