JP4596735B2 - コンパクト燃料プロセッサーの起動のために触媒を加熱する装置及び方法 - Google Patents

Description

燃料電池は、化学的酸化還元反応によって電気を提供し、また、清浄度及び効率の点で、他の諸形態の発電よりも大きな意味のある諸利点を有する。燃料電池は典型的には、燃料としての水素と、酸化剤としての酸素とを使用する。発電は、それら反応物の消費速度に比例する。
燃料電池の一層広い用途を抑制している重要な欠点は、広範囲に渡って水素のインフラが不足していることである。水素は、比較的小さい体積エネルギー密度を有しており、貯蔵し運搬することが、大抵の発電装置で現在使用されている炭化水素燃料に比べて一層困難である。この困難を克服する１つの方法は、炭化水素を、水素に富むガス流れであって燃料電池のための供給原料として使用することのできる該流れに転化するための改質装置（ｒｅｆｏｒｍｅｒｓ；リフォーマー）を使用することである。

炭化水素ベース燃料（例えば、天然ガス、ＬＰＧ、ガソリン、及びディーゼル燃料）は、大抵の燃料電池のための燃料源として使用されるための転化プロセスを必要とする。現行の技術では、初期の転化プロセスを幾つかの清浄化プロセス（ｃｌｅａｎ−ｕｐ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ）と組合せる多段階プロセスが使用されている。その初期プロセスは大抵、スチームリフォーミング（ＳＲ）、自熱式リフォーミング（ＡＴＲ）、接触部分酸化（ＣＰＯＸ）、又は非接触部分酸化（ＰＯＸ）である。清浄化プロセスは通常、脱硫、高温水性ガス転化、低温水性ガス転化、選択ＣＯ酸化、又は選択ＣＯメタン生成の組合せで構成されている。別のプロセスには、水素選択性膜反応器及び濾過器が包含される。

上記の成果にもかかわらず、炭化水素燃料を、燃料電池に使用するための、水素に富むガス流に転化するための単純なユニットを求める要求がある。この問題に対するあらゆる解決策に直面している実際的な障害は、触媒床を起動して（ｓｔａｒｔ−ｕｐ）、過渡的動作（ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ）の間の所望の反応温度を維持する必要性があることである。本発明は、この必要性に向けられている。

本発明はとりわけ、起動のために触媒床を加熱し；しかも、過渡的動作の間、触媒床に熱を与えて所望の反応温度を維持する；ための方法及び装置に関する。そのような方法及び装置は、燃料プロセッサー（ｆｕｅｌ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ；燃料処理装置）を一層速く且つ一層容易に起動させるために、該燃料プロセッサー中で使用することができる。燃料プロセッサーの中には、本発明と一緒に使用することのできる幾種類かの触媒が存在する；それら触媒には、隣接する燃料電池と関連するアノード・テールガス（ａｎｏｄｅ ｔａｉｌｇａｓ）酸化触媒の他に、自熱式（ａｕｔｏｔｈｅｒｍａｌ）リフォーミング触媒、部分酸化触媒、スチームリフォーミング触媒、水性ガス転化触媒、選択（ｐｒｅｆｅｒｅｎｔｉａｌ）酸化触媒、及びイオウ吸収剤が包含されるが、それらに限定されない。

本発明によって具体化される電気的加熱要素（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｈｅａｔｉｎｇ ｅｌｅｍｅｎｔ）は、直接的又は間接的に該触媒を加熱し、よって、触媒床の内部に所望の反応温度を迅速に得ることができる。触媒の直接的加熱は、加熱要素を該触媒に直接接触させることによって達成される。間接的加熱は、触媒を通って次々と流れる流体（例えば、プロセス流れ）を直接加熱し、それによって、該触媒に熱を伝導することによって達成される。加えて、間接的加熱は、シース（ｓｈｅａｔｈ；鞘）の内部に加熱要素を入れることによって達成することもできる；その時、シースは、触媒又は該触媒を通って流れる流体と直接的に接触している。本発明の特許請求の範囲に意図されているように、ペレット、押出し物、球状体及び一体構造体（ｍｏｎｏｌｉｔｈ）を包含する多種多様の触媒形態は、触媒用加熱器を使用することがある。本発明の、説明に役立つ１つの具体例において、本発明に基づく触媒用加熱器は、抵抗線、カートリッジ又は棒であって、以下に概略を説明するように形成することのできる物であれば如何なる物で造ってもよい。電力源のような電源は、触媒床を予熱する熱を生じさせるためのエネルギーを供給する。

本発明の、説明に役立つ１つの具体例は、触媒床と；通常動作の間の過剰熱を除去するために触媒床の内部に配置されている冷却用コイルと；起動の間及び過渡的動作の間、触媒を所望の反応温度まで加熱するために、該冷却用コイルの内部に配置されている電気的加熱要素と；を含む燃料プロセッサーにおける反応器である。そのような好ましい、説明に役立つ例は、この明細書の開示では通常、シーズ加熱（ｓｈｅａｔｈｅｄ ｈｅａｔｉｎｇ）という。説明に役立つこの具体例の、重要であり説明に役立つ利点には、迅速且つ効果的な起動を行うために、触媒に熱を供給すること；燃料プロセッサーのための、炭化水素燃料への供給原料を予熱すること；が包含され、それによって、過渡的動作の間、反応器が反応温度を維持するのが助けられる。

（説明に役立つ諸具体例の記述）
本発明は概して、起動のために触媒床を加熱し；しかも、過渡的動作の間、触媒床に熱を与えて所望の反応温度を維持する；ための装置及び方法に向けられている。本明細書に記述する装置及び方法は好ましい面において、炭化水素燃料供給原料から水素に富むガス流を製造するためのコンパクト燃料プロセッサーの中の触媒床に熱を与えることに関する。そのようなコンパクト燃料プロセッサーによって製造される、水素に富むガス流は、（電力自動車に使用される燃料電池を包含する）燃料電池の開発において重要性を増している。しかし、燃料プロセッサー設備における場合以外での発熱性触媒床のための起動と反応温度の維持とを包含する、他の可能性のある用途が、本明細書に記述する装置及び方法には意図されている。従って、本明細書には、本発明がコンパクト燃料プロセッサー及び燃料電池と共に使用されるものとして記述されているが、本発明の範囲は、そのような用途に限定されない。

本発明の、説明に役立つ具体例はそれぞれ、炭化水素燃料供給原料が燃料プロセッサーを通して導かれる該燃料プロセッサーと関連した発熱性触媒床に関する。該炭化水素燃料は、それが気化し得る限り、周囲条件で液体であっても気体であってもよい。本明細書で使用する用語「炭化水素」には、部分酸化又はスチームリフォーミング反応によって水素を生成することのできる、「Ｃ−Ｈ」結合を持つ有機化合物が包含される。該化合物の分子構造に炭素及び水素とは異なる原子が存在していてもよい。従って、本明細書に開示する方法及び装置で使用するのに適した燃料は、炭化水素燃料（例えば、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）、並びにアルコール（例えば、メタノール、エタノール、プロパノール、その他）が包含されるが、それらに限定されない。

燃料プロセッサーの供給原料は、炭化水素燃料、酸素及び水を含有する。酸素は、空気、濃縮空気、又は実質的に純粋な酸素の形態である場合がある。水は、液体又は水蒸気として導入することができる。該供給原料の諸成分の組成割合は、以下に解説する通り、所望の動作条件によって決定する。
燃料プロセッサーの排出流れは、水素及び二酸化炭素を含有し、また、幾らかの水、転化されなかった炭化水素、一酸化炭素、諸不純物（例えば、硫化水素及びアンモニア）、並びに諸不活性成分（例えば、窒素及びアルゴン、とりわけ空気が該供給原料の流れの１つの成分であった場合）を含有することもある。

図１は、燃料プロセッサーのための一般的プロセス流れ図を示す。当業者なら、本明細書に開示される反応器を通過する反応物の流れには、一定の順行順序（ｐｒｏｇｒｅｓｓｉｖｅ ｏｒｄｅｒ）が必要であることをよく理解する筈である。
プロセス工程Ａは、自熱式リフォーミングプロセスであって、供給原料の流れＦを、水素及び一酸化炭素を含有する合成ガスに転化するために、２つの反応［部分酸化（下記の式Ｉ）、及び任意的に更にスチームリフォーミング（下記の式ＩＩ）］が組合されている該プロセスである。式Ｉ及びＩＩ：
ＣＨ₄＋¹／₂Ｏ₂→２Ｈ₂＋ＣＯ （Ｉ）
ＣＨ₄＋Ｈ₂Ｏ→３Ｈ₂＋ＣＯ （ＩＩ）
は、メタンが炭化水素と見なされている典型的な反応式である。

該部分酸化反応は、非常に迅速に起きて、添加された酸素を完全に転化し、熱を生成する。該スチームリフォーミング反応は、一層緩慢に起きて熱を消費する。供給原料流れの中の酸素濃度が一層高いと、部分酸化が促進されるのに対して、水蒸気濃度が一層高いと、スチームリフォーミングが促進される。従って、［酸素］対［炭化水素］比、及び［水］対［炭化水素］比は、特徴を示すパラメータとなる。これらの比は、作動温度及び水素収率に影響を及ぼす。

自熱式リフォーミング工程の作動温度は、約５５０℃〜約９００℃の範囲に及ぶことがあり、供給原料の条件と触媒とによって左右される。本発明では、スチームリフォーミング触媒を含有する部分酸化触媒の触媒床、又はスチームリフォーミング触媒を含有しない部分酸化触媒の触媒床を使用する。触媒は、ペレット、球状体、押出し物、一体構造体、及びその他の物を含めていずれの形態であってもよい。部分酸化触媒は、当業者には周知の筈であり、しばしば、一体構造体、押出し物、ペレット又は他の担体に支えられている、アルミナの薄め塗膜（ｗａｓｈｃｏａｔ）の上の貴金属（例えば、白金、パラジウム、ロジウム、及び（又は）ルテニウム）で構成される。ニッケル又はコバルトのような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のような他の薄め塗膜は、文献に引用されてきた。更なる多くの物質（例えば、ランタン、セリウム及びカリウム）が、部分酸化触媒の性能を改善する「促進剤（ｐｒｏｍｏｔｅｒｓ）」として文献に引用されてきた。

スチームリフォーミング触媒は、当業者には知られている筈であり、かなりの量のコバルト又は他の貴金属（例えば、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）と一緒にニッケルを含有することがある。この触媒は、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の上に単独で又は組合せて担持させることができる。もう１つの方法として、スチームリフォーミング触媒は、ニッケルであって、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の上に単独で又は組合せて担持され、アルカリ金属（例えば、カリウム）によって活性化されたニッケルを含有することができる。

プロセス工程Ｂは、プロセス工程Ａからの合成ガス流れを、約２００℃〜約６００℃の温度、好ましくは約３００℃〜約５００℃の温度、一層好ましくは約３７５℃〜約４２５℃の温度まで冷却して、次の工程のために合成ガス流出物の温度を最適化するための冷却工程である。この冷却工程は、冷却用放熱器（ｈｅａｔ ｓｉｎｋｓ）、ヒートパイプ（ｈｅａｔ ｐｉｐｅｓ）又は熱交換器を用いて達成することができ、設計仕様と、該ガス流れの熱含量を回収する必要性／それを再循環する必要性とによって左右される。工程Ｂの、説明に役立つ１つの具体例は、熱交換器を通って循環する冷却剤として供給原料の流れＦを利用する該熱交換器を使用することである。該熱交換器は、管状熱交換器（ｓｈｅｌｌ ａｎｄ ｔｕｂｅ）、平板熱交換器（ｐｌａｔｅ）、渦巻き式熱交換器（ｓｐｉｒａｌ）等を包含する、当業者に知られている適切な構造物であれば如何なる物でもよい。もう１つの方法として、又はそれに加えて、冷却工程Ｂは、追加の供給原料成分（例えば、燃料、空気又は水）を注入することによって達成することができる。水が好ましい。なぜなら、水には、水が蒸発して水蒸気になるとき多量の熱を吸収する能力があるからである。追加する諸成分の量は、所望の冷却度合によって決まり、また、当業者によって容易に決定される。

プロセス工程Ｃは、精製工程である。炭化水素の流れの主な不純物の１つはイオウである。このイオウは、自熱式リフォーミング工程Ａによって、硫化水素に転化される。プロセス工程Ｃで使用するプロセッシング・コア（ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｃｏｒｅ）は、酸化亜鉛；及び（又は）、硫化水素を吸収し且つ転化させることのできる他の物質；を含有するのが好ましく、また、担体（例えば、一体構造体、押出し物、ペレット等）を含有することができる。脱硫は、次の反応式ＩＩＩ：
Ｈ₂Ｓ＋ＺｎＯ→Ｈ₂Ｏ＋ＺｎＳ （ＩＩＩ）
に従って、硫化水素を水に転化させることによって達成する。

塩化物等の他の不純物もまた除去することができる。その反応は、好ましくは約３００℃〜約５００℃の温度、一層好ましくは約３７５℃〜約４２５℃の温度で実施する。酸化亜鉛は、約２５℃〜約７００℃の広範囲の温度に渡って有用な硫化水素吸収剤であり；しかも、作動温度を適切に選定することによって、プロセス工程のシーケンスを最適化するための大きな融通性（ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ）を与える。
流出物の流れは次いで、混合工程Ｄであってそこで水が任意的にガス流れに追加される該工程Ｄに送ることができる。水の追加により、水が蒸発するにつれて反応物流れの温度は低下し、そして、（以下で解説する）プロセス工程Ｅの水性ガス転化反応のために一層多くの水が供給される。水蒸気、及び他の流出物流れの諸成分は、不活性物質（例えば、セラミックビード）；又は、効果的に混ざる他の類似物質及び（若しくは）水の蒸発を助ける他の類似物質；から成るプロセッシング・コアに通過させることによって混合する。もう１つの方法として、あらゆる追加の水は、供給原料と一緒に導入することができ、また、混合工程は、以下で解説するＣＯ酸化工程Ｇで酸化体ガス（ｏｘｉｄａｎｔ ｇａｓ）を一層良好に混合するために、位置を変えることができる。

プロセス工程Ｅは、式ＩＶ：
Ｈ₂Ｏ＋ＣＯ→Ｈ₂＋ＣＯ₂ （ＩＶ）
に従って、一酸化炭素を二酸化炭素に転化させる水性ガス転化反応である。
これは重要な工程である。なぜなら、一酸化炭素はヒトにとって毒性が強いだけではなく、燃料電池にとって毒であるからである。一酸化炭素の濃度は好ましくは、燃料電池に許容され得るレベル（典型的には５０ｐｐｍ未満）まで低減すべきである。水性ガス転化反応は通常、１５０℃〜６００℃の温度で起こることがあり、使用する触媒によって決まる。そのような条件下、該ガス流れ中の大抵の一酸化炭素はこの工程で転化される。

低温転化触媒は、約１５０℃〜約３００℃の範囲で作動し、例えば、酸化銅；又は、他の遷移金属の酸化物（例えば、ジルコニア）に担持された銅；遷移金属の酸化物若しくは耐火性担体（例えば、シリカ、アルミナ、ジルコニア、等）に担持された亜鉛；又は、適切な担体（例えば、シリカ、アルミナ、ジルコニア、等）に担持された貴金属（例えば、白金、レニウム、パラジウム、ロジウム若しくは金）；を包含する。
高温転化触媒は、約３００℃〜約６００℃の範囲の温度で作動するのが好ましく、遷移金属の酸化物（例えば、酸化第二鉄又は酸化第二クロム）を包含することがあり、また、任意的に促進剤（例えば、銅又は鉄のケイ化物）を含有する。また、高温転化触媒として、担持されている貴金属（例えば、担持されている白金、パラジウム及び／又は他の白金族元素）も包含される。

この工程を実施するのに使用するプロセッシング・コアは、上述のような高温転化触媒若しくは低温転化触媒；又は、高温転化触媒と低温転化触媒の両方の組合せ；の充填層を包含することがある。この工程は水性ガス転化反応に適した温度（好ましくは、１５０℃〜約４００℃の温度であり、使用する触媒の種類に左右される）であれば如何なる温度ででも作動するのが望ましい。触媒の充填層の内部の反応温度を下げるために、転化反応器のプロセッシング・コアの中に冷却要素（例えば、冷却用コイル）を任意的に配置することができる。一層低い温度は、一酸化炭素が二酸化炭素に転化するのを促進する。また、精製処理工程Ｃは、高温転化工程と低温転化工程との間、高温転化及び低温転化のための個々の工程に脱硫モジュールを与えることによって、高温転化と低温転化の間に実施することができる。

プロセス工程Ｆは、熱交換器による、説明に役立つ１つの具体例において実施される冷却工程である。熱交換器は、管状熱交換器、平板熱交換器、渦巻き式熱交換器等を包含する適切な構造物であれば如何なる物でもよい。もう１つの方法として、ヒートパイプ、又は他の形態の冷却用放熱器を利用してもよい。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℃〜約１５０℃の範囲の温度を持つ流出物を生じさせることである。
工程Ｆのプロセスに酸素を添加する。酸素は、下記のプロセス工程Ｇの反応によって消費される。酸素は、空気、濃縮空気、又は実質的に純粋な酸素の形態である場合がある。熱交換器は意図的に、空気と水素に富むガスとの混合を与えることができる。もう１つの方法として、プロセス工程Ｄの、説明に役立つ具体例は、その混合を行うのに使用することができる。

プロセス工程Ｇは、酸化工程であってその工程では流出物の流れの中に残存している一酸化炭素のほとんど全てが二酸化炭素に転化される該酸化工程である。その処理（ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）は、一酸化炭素を酸化するための触媒の存在下で行い、また、適切な形態であれば如何なる形態（例えば、ペレット、球状体、一体構造体、等）でもよい。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）貴金属若しくは遷移金属の化合物（とりわけ、酸化物）を包含する。好ましい酸化触媒は、アルミナの薄め塗膜（ｗａｓｈｃｏａｔ）に担持された白金である。薄め塗膜は、一体構造体、押出し物、ペレット又は他の担体に施すことができる。セリウム又はランタンのような追加の物質を添加して、性能を改善することができる。文献には他の多くの配合物が引用されてきており、ロジウム触媒又はアルミナ触媒に基づく優れた性能を主張している専門家もいる。その文献には、ルテニウム、パラジウム、金、及び他の諸物質が、これの使用のために活性であるとして引用されている。

プロセス工程Ｇでは、２つの反応、即ち、次のような：
ＣＯ＋¹／₂Ｏ₂→ＣＯ₂ （Ｖ）
Ｈ₂＋¹／₂Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ （ＶＩ）
望ましい、一酸化炭素の酸化（式Ｖ）と、望ましくない、水素の酸化（式ＶＩ）とが起こる。
一酸化炭素の選択酸化（ｐｒｅｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｏｘｉｄａｔｉｏｎ）は、低温によって促進される。両反応は熱を生じるため、任意的に冷却要素（例えば、プロセス内部に配置される冷却用コイル）を備えることが好都合である場合がある。プロセスの作動温度は、約９０℃〜約１５０℃の範囲に維持するのが好ましい。プロセス工程Ｇによって、一酸化炭素濃度は５０ｐｐｍ未満に減少するのが好ましい。この濃度は燃料電池で使用するのに適切な濃度であるが、当業者なら、一層高い濃度及び一層低い濃度の一酸化炭素を含有する、水素に富む生成物を生成するのに、本発明を適応させることができることを、よく理解する筈である。

燃料プロセッサーを出る流出物は、二酸化炭素と、存在することもある他の諸成分［例えば、水、不活性成分（例えば、窒素、アルゴン）、残留炭化水素等］とを含有する、水素に富むガスである。製品ガスは、燃料電池用供給原料；又は、水素に富む供給原料の流れが望まれている他の諸用途のための供給原料；として使用することができる。製品ガスは任意的に、更なる加工処理（例えば、二酸化炭素、水、又は他の諸成分を除去するための加工処理）に送ることができる。

燃料プロセッサーの、説明に役立つ１つの具体例のコンパクト燃料プロセッサーは、別々のモジュラーユニット（ｍｏｄｕｌａｒ ｕｎｉｔｓ）であって、分離することができ、再配置することができ、且つ別々に置き換えることができる該ユニットを備えたモジュラー構造である。図２を参照すると、コンパクト燃料プロセッサー１００は、一連の別々のモジュール（１１０、１２０、１３０、１４０、１５０、１６０及び１７０）を含む。それらモジュラーユニットは、如何なる方向（例えば、垂直方向又は水平方向）ででも使用することができ；しかも、本明細書に記述する反応器の水素に富む製品ガスが、供給原料の流れとして燃料電池に直接に供給されるようなやり方で、燃料電池と連結して使用されるように改造される。それらモジュールは、如何なる横断面形状（例えば、円形、矩形、三角形、等）を有してもよいが、円形横断面が好ましく、該燃料プロセッサー１００は概して管形である。

図２に示す燃料プロセッサー１００は、図１に概略的に例示するプロセスを達成する。供給原料の流れＦは入口管１０２を通して導入し、製品ガスＰは出口管１０３を通して流し出す。装置１００は、幾つかのモジュールであって、別々のモジュールを置き換えることにより変更することのできるモジュラー組立て品を形成するように積み重ねることができる該幾つかのモジュールを含む。各々のモジュールは、別々の動作機能を実行し、概して、図２に示すように構成される。モジュール１１０は、図１のプロセス工程Ａに対応する自熱式リフォーミング用モジュールである。モジュール１２０は、図１のプロセス工程Ｂに対応する冷却工程である。この説明に役立つ具体例において、熱交換器１２１は、モジュール１２０のための汎用冷却用放熱器として示されている。モジュール１３０は、図１のプロセス工程Ｃに対応する精製用モジュールである。モジュール１４０は、図１のプロセス工程Ｄに対応する、任意的な混合工程である。供給原料用ノズル１３１は、任意的な、水の流れの供給原料をモジュール１４０に供給して、モジュール１５０の水性ガス転化反応（式ＩＶ）を推進する助けとなる。モジュール１５０は、図１のプロセス工程Ｅに対応する水性ガス転化用モジュールである。供給原料用ノズル１５１は、モジュール１７０の酸化反応（式Ｖ）のために、プロセスガスに酸素源を供給する。モジュール１５０もまた、所望の水性ガス転化反応の温度を維持するために、触媒床の内部に配置されているか又は触媒床を取り囲んで配置されている熱交換器（図示せず）を含む。モジュール１６０は、図１のプロセス工程Ｆに対応する冷却工程である。この説明に役立つ具体例において、熱交換器１６１は、モジュール１６０のための汎用冷却用放熱器として示されている。モジュール１７０は、図１のプロセス工程Ｇに対応する酸化工程である。モジュール１７０もまた、所望の酸化反応の温度を維持するために、触媒床の内部に配置されているか又は触媒床を取り囲んで配置されている熱交換器（図示せず）を含む。当業者なら、説明に役立つこの具体例に記述されているプロセス構成は、多数の要因（供給原料の品質と、製品の所要品質とが包含されるが、それらに限定されない）によって変わり得ることをよく理解する筈である。

本発明はとりわけ、起動のために触媒床を加熱し；しかも、過渡的動作の間、触媒床に熱を与えて、所望の反応温度を維持する；ための方法及び装置に関する。過渡的動作には、燃料プロセッサーへの炭化水素燃料の供給原料の変化；プロセスの不調（ｕｐｓｅｔ）；触媒の活性度の変化；及び、燃料プロセッサーに行く供給原料の、増大した処理体積量（ｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃ ｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔ）又は減少した処理体積量；が包含されるが、それらに限定されない。燃料プロセッサー（例えば、上述の燃料プロセッサー）の中には、本発明と一緒に使用することのできる数種類の触媒が存在し、それら触媒には、自熱式リフォーミング触媒、部分酸化触媒、スチームリフォーミング触媒、水性ガス転化触媒、選択酸化触媒及びイオウ吸収剤が包含される。これらの発熱性触媒床において、燃料プロセッサーを低温始動から効果的に起動させるためには、該触媒を反応温度まで加熱することが重要である。コンパクト燃料プロセッサーの想定される１つの用途は自動車であるので、ソリューション（ｓｏｌｕｔｉｏｎ）を利用した電気的加熱要素が望ましい。更に、過渡的動作は、燃料プロセッサーから直接に供給される、燃料電池用の水素に富むガスの安定供給を確保するための重要な問題である。

電気的加熱要素は通常、触媒を直接的又は間接的に加熱することがある。触媒の直接的加熱は、加熱要素を触媒に直接に接触させておくことによって達成する。間接的加熱は、触媒を順に通って流れる流動体（例えば、プロセス流れ）を直接加熱し、そうすることによって、該触媒に熱を伝えることによって達成する。加えて、間接的加熱は、シース（ｓｈｅａｔｈ）内部に加熱要素を置き、次いで該シースを、触媒；又は、該触媒を通って流れる流動体；に直接接触させることによって達成することができる。これらの方法によって、ペレット、押出し物、球状体、及び一体構造体を包含する多くの形態の触媒に、この触媒用加熱器を使用することができる。本発明に基づく触媒用加熱器は、以下に概説するように形成することのできる抵抗線、カートリッジ又は棒であれば、如何なる物ででも造ることができる。電力源のような電源は、熱を生じさせるためのエネルギーを供給する。

次に図３に関連し、触媒床の面３１０に熱を供給するためには、面加熱器（ｆａｃｅ ｈｅａｔｅｒ）３００を利用することができる。説明に役立つこの具体例において、触媒床の面は、円筒状触媒床の一方の端部として表されている。本発明における触媒床の方向は垂直でも水平でもよいことを、当業者はよく理解するであろう。説明に役立つこの具体例において、面加熱器３００は、触媒床の面に沿って渦巻き構造に形成されている電気的加熱要素である。とは言え、説明に役立つ他の具体例は、触媒床の面に熱を十分に移動させるのに利用することができる。電気的加熱要素及び触媒床に反応物の小さい流れを通過させることによって、該触媒床の面で、発熱反応が開始される。面加熱器によって与えられた熱は、触媒床の体積の隅々まで拡散し、加えて、触媒床の面で生じた反応の熱は該触媒床の全体に渡って伝播し、それによって、起動のために該触媒床を加熱する。説明に役立つこの具体例の好ましい状況は、反応熱が「冷（ｃｏｌｄ）」触媒の中に伝わって、該触媒の起動効率を改善するようなやり方で、触媒床の上流面（即ち、反応器の供給原料に出会う、触媒床の面）で面加熱器３００を使用することである。

次に図４に関連し、電気的加熱要素４００は、触媒床４１０の中を縫うように織り込まれている。説明に役立つこの具体例において、電気的加熱要素は、ペレット、押出し物、球状体等の触媒床中、又は一体構造の触媒構造体の中を縫うように織り込まれている。その織り込み構造（例えばコイルのような）は、触媒床を最適に加熱するように設計することができる。説明に役立つこの具体例では、触媒の内側から外側に向かって加熱が与えられる。加熱の間、流動体が触媒を通って流れることは任意的である。
次に図５に関連し、電気的加熱要素５００は、一体構造の触媒構造体５１０に巻き付けられている。これによると、触媒の外側から中心部に向かって加熱が与えられる。加熱の間、流動体が触媒を通って流れることは任意的である。

説明に役立つもう１つの具体例には、触媒床；通常動作の間、過剰熱を除去するために、該触媒床の内部に配置されている冷却用コイル；起動の間及び過渡的動作の間、触媒を所望の反応温度まで加熱するために、該冷却用コイルの内部に配置されている電気的加熱要素；とを備えている燃料プロセッサーにおける反応器が包含される。これは、上述のシーズ加熱（ｓｈｅａｔｈｅｄ ｈｅａｔｉｎｇ）の例である。当業者なら、説明に役立つこの具体例の多くの利点が、該具体例によって、迅速且つ効果的な起動のために触媒を加熱することが提供されること；該具体例によって、コンパクト燃料プロセッサーの構造の中の冷却用コイルを通過することのできる、燃料プロセッサーに行く炭化水素燃料の供給原料が予熱されること；及び、該具体例によって、反応器は、過渡的動作の間、反応温度を維持するのを助けられること；であることをよく理解する筈である。

本発明の装置、組成及び方法は、好ましい諸具体例又は説明に役立つ諸具体例の形で記述してきたが、本明細書に記述したプロセスに対して、本発明の概念と本質とから逸脱することなく、変化を加えることができることは、当業者には明らかであろう。そのような、当業者に明らかな類似の置き換え及び部分的変更の全ては、特許請求の範囲に開示されている本発明の範囲及び概念の中にあるものと思われる。

添付図面に関連し説明する：
燃料プロセッサーのための、単純なプロセス流れ図を示す。 コンパクト燃料プロセッサーを例示し；そして 触媒床のための表面加熱器の、説明に役立つ１つの具体例を例示する。 一体構造の触媒床の中に電気的加熱要素を縫うように織り込むことに関する、説明に役立つ１つの具体例を例示する。 一体構造の触媒床に電気的加熱要素を巻き付けることに関する、説明に役立つ１つの具体例を例示する。

Claims (8)

1. 起動のために円筒状触媒床を加熱するための方法において、
   上流面及び下流面を有する円筒状触媒床を与える工程、
   前記円筒状触媒床の上流面に接触して配置される電気的加熱要素を与える工程、
   前記の電気的加熱要素及び円筒状触媒床に炭化水素燃料の流れを通過させる工程、及び
   前記の円筒状触媒床の上流面で発熱反応を開始させるために、前記電気的加熱要素を加熱する工程であって、その反応熱が該円筒状触媒床の全体に伝わり、それによって、起動のために該円筒状触媒床を加熱する該工程、
   を含む上記円筒状触媒床加熱方法。
2. 電気的加熱要素は、円筒状触媒床の上流面に沿って渦巻き構造で形成される、請求項１に記載の方法。
3. 触媒の形態は、ペレット、押出し物、球状体、及び一体構造体から成る群から選択される、請求項１に記載の方法。
4. 円筒状触媒床は、自熱式リフォーミング触媒、部分酸化触媒、スチームリフォーミング触媒、水性ガス転化触媒、選択酸化触媒、アノード・テールガス酸化触媒、及びイオウ吸収剤から成る群から選ばれる触媒を含有する、請求項１に記載の方法。
5. コンパクト燃料プロセッサー中で使用するための反応器モジュールであって、
   上流面及び下流面を有する円筒状触媒床、及び
   前記円筒状触媒床の上流面に接触して配置されており、起動の間及び過渡的動作の間、円筒状触媒床を加熱するための電気的加熱要素であって、炭化水素燃料の流れの存在下、該円筒状触媒床の上流面で発熱反応を開始させることのできる該電気的加熱要素、
   を含む上記反応器モジュール。
6. 電気的加熱要素が、渦巻き構造で形成されている、請求項５に記載の反応器モジュール。
7. 触媒の形態が、ペレット、押出し物、球状体、及び一体構造体から成る群から選ばれている、請求項５に記載の反応器モジュール。
8. 円筒状触媒床が、自熱式リフォーミング触媒、部分酸化触媒、スチームリフォーミング触媒、水性ガス転化触媒、選択酸化触媒、アノード・テールガス酸化触媒、及びイオウ吸収剤から成る群から選ばれる触媒を含有している、請求項５に記載の反応器モジュール。

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