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KR100462352B1 - 열강화된소형개질기 - Google Patents

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KR100462352B1
KR100462352B1 KR10-1998-0708109A KR19980708109A KR100462352B1 KR 100462352 B1 KR100462352 B1 KR 100462352B1 KR 19980708109 A KR19980708109 A KR 19980708109A KR 100462352 B1 KR100462352 B1 KR 100462352B1
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KR
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reformer
plate
reactant
catalyst
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마이클 에스. 슈
에탄 디. 호악
Original Assignee
지텍 코포레이션
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Abstract

천연 가스 개질기(10)는 촉매판(14)으로 산재된 열 도전 판(12) 더미로 이루어지며 반응물용 내부 또는 외부 분기관이 제공된다. 촉매판은 온도가 열 도전 판의 온도를 탐지하도록 상기 도전 판과 열 접촉하며, 판 평면의 등온 상태를 달성하기 위해 구성될 수 있다. 하나 이상의 촉매가 사용될 수 있으며, 다양한 작업 실시예에서 열 도전판에 평면으로 흐름 방향을 따라 분포되어 있다. 개질기는 스팀 개질기 또는 부분 산화 개질기로 사용될 수 있다. 스팀 개질기로 작동될 때, (흡열) 스팀 개질 반응용 열 에너지는 복사 또는 전도에 의해 열 도전판에 외부로 제공된다. 이는 이산화 탄소, 수소, 스팀 및 이산화 탄소를 제조한다. 부분 산화 개질기로 작동할 때, 천연 가스의 분율은 연소 촉매 및 개질 촉매의 존재하에 협력하여 산화된다. 이는 이산화 탄소, 수소, 스팀, 및 이산화 탄소를 제조한다. 촉매 판과 도전성 판 사이의 열 접촉으로 인해, 적층 조립체 내에 더 이상의 온도 산승은 없다. 판 구성에 대한 상세 부분은 반응물을 도입시키고 예열하여 배출시키도록 하나 이상의 입구 및 출구 포오트를 제공하는 다양한 분기관을 수용하기 위해 변화될 수 있다.

Description

열 강화된 소형 개질기{THERMALLY ENHANCED COMPACT REFORMER}
본 발명은 개질기(reformer)에 관한 것이며, 특히 연료(fuel)를 전기화학 변환기에 의해 사용이 적합한 연료 종(fuel species)으로 개질시키는 개질 장치(reforming apparatus)에 관한 것이다. 보다 상세히 설명하면, 스트림 개질 또는 부분 산화 개질에 적합한 판형 개질기에 관한 것이다.
연료 전지용 연료 반응물로서 종래의 탄화수소 연료의 사용은 공지된 기술이다. 탄화수소 연료는 예비가공되며 전기화학 변환기로 도입되기 이전에 보다 간단한 반응물로 개질된다. 전형적으로, 이러한 연료는 적합한 연료 스톡(fuel stock)를 제조하기 위해 탄화수소 연료가 먼저 탈황 장치를 통과한 후에, 개질기, 및 변이 반응기(H2 연료가 공급되는 연료 전지만을 위한)를 통과함으로써 예비가공된다.
상업상 널리 사용되는 종래의 스팀 개질기는 개질 반응을 증진시키는 촉매 재료로 구성된 개질기 섹션 및 흡열 개질 반응에 열을 공급하기 위한 연소기를 포함한다. 스팀 공급원은 스팀을 제공하기 위해 개질 섹션에 연결된다. 연소기는 개질 반응에 의해 요구되는 온도 이상에서, 그리고 고형질 산화물 연료 전지 등과 같은 종래의 연료 전지의 작동 온도 이상에서 작동한다. 이로 인해, 연소기는 연료 전지와 관계없이 개별 단위로 작동되어야 하며 총괄 전력 시스템에 상당한 부피, 중량, 비용, 및 복잡성이 부가된다. 더욱이, 이러한 연소기는 연료 전지로부터 이용가능한 소모열을 이용하기에 적합하지 않다. 더욱이, 연소기에 의한 과다 연료의 소모는 전력 시스템의 효율을 제한한다.
전형적인 관형 개질기는 단열 금속 합금으로 제조된 다수의 튜브를 포함한다. 각각의 튜브는 표면 피복물로서 적합한 개질 촉매를 갖는 충전된 입상 또는 조립 물질을 포함하고 있다. 튜브의 직경은 9 cm 내지 16 cm에서 변화하며, 가열된 튜브의 길이는 6 내지 12 미터이다. 튜브의 외부에 연소 영역이 제공되며, 연소기 내에 형성된다. 튜브의 표면 온도는 튜브 내부를 흐르는 탄화수소 연료가 500 내지 700?? 사이의 온도에서 스팀으로 적절하게 촉매화되도록 하기 위해 900??의 범위내의 연소기에 의해 유지된다. 이러한 종래의 튜브 개질기는 개질 열을 분배하기 위해 튜브 내에 전도 및 대류 열 전달에 의존하고 있었다.
판형 개질기는 공지된 기술이며, 그 예로서 미국 특허 제 5015,444호에 도시되어 있으며 기술되어 있다. 이러한 개질기는 연료/스팀 혼합물 흐름 및 연료/공기 혼합물 흐름에 대한 교차 평면 간극 공간을 갖는다. 이러한 공간 내부의 연료/공기 스트림의 연소는 연료/스팀 혼합물 스팀의 개질 열을 제공한다. 그러나, 이러한 구성의 결점은 개질기가 연료 개질 공정을 증진시키기 위해 인접한 평면 간극 공간 사이의 열 전달에 의존한다는 점이다.
미국 특허 제 5,470,670호는 연료 전지 및 개질기 판의 교차 층을 갖는 일체식 연료 전지/개질기 구조를 기술하고 있다. 발열 연료 전지로부터 흡열 개질기까지의 열전달은 분리 판의 두께를 통해 수행된다. 그러나, 이러한 구성의 결점은 소형 구조가 필수적이고 화학 및 전지화학 장치 구성에 효율적인 연료 전지/개질기 구조내에 온도 균일성을 달성하기 어렵다. 이러한 연료 전지/개질기 구조물은 교차 연료 전지 층과 개질기 층 사이의 반응기 흐름을 상호연결하기 위해 복작한 반응 분기관을 필요로 한다.
연료 전지와 같은 전기화학 변환기는 연료 저장물로부터 전기화학 반응을 통해 전기 에너지로 직접 유도되는 화학 에너지를 전환시키기 위한 시스템으로서 공지되어 있다. 연료 전지 전력 발생 시스템내에서 사용된 연료 전지의 한 형태는 고형질 산화물 연료 전지이다. 고형질의 산화물 연료 전지는 전기를 발생하고 대략 1000??의 온도에서 소모열을 방출한다.
전형적인 연료 전지는 주로 연료 및 산화제 전극이 부착된 일련의 전해질 장치와 일련의 전기 연결부를 제공하기 위해 전해질 장치 사이에 위치된 유사한 일련의 상호연결물로 구성된다. 전기는 수소 등의 연료가 연료 전극에 도입되고, 산소등의 산화제가 산화제 전극에 도입될 때 폭발하는 전기화학 반응에 의해 전해질을 가로지른 전극 사이에서 발생한다.
일반적으로, 전해질은 변환기의 작동 조건하에 반대의 전극-전해질 계면으로부터 이온성 종의 전달을 허용하는 낮은 이온 저항을 갖는 이온성 도전체이다. 전류는 상호연결판으로부터 외부 하중에 연결할 수 있다.
종래의 고형질 산화물 연료 전지는 전술한 특성 이외에도 전해질의 반대면에 인가된 다공성 연료 및 산화제 전극 물질을 포함한다. 전해질은 일반적으로 안정화된 산화 지르코늄과 같은 산소 이온 도전 물질이다. 산화 대기 내에 유지되는 산화제 전극은 스트론튬으로 도핑처리된 란탄 망간(LaMnO3(Sr))과 같은 고 전도성을 갖는 페로브스키트(perovskite)이다. 연료 전극은 일반적으로 연료 부화 또는 빈화 대기에서 유지되며 산화 지르코늄(ZrO2/Ni)과 같은 전도성 합금이다. 고형질 산화물 연료 전지의 산호연결물 판은 산화 및 환원 대기에서 안정상태인 전기 전도성 물질로 제조된다.
그러나, 개질 용도를 위한 연료 전지에 의해 발생된 소모열을 이용하는 장치에 대한 기술은 여전히 요구된다. 특히, 전지화학 변환기와 밀접하게 연관되게 설계한 개질기를 이용할 필요가 있다.
본 발명은 임의의 바람직한 실시예와 연관되어 기술되어질 것이다. 그러나, 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 외부 연료 개질기의 제 1 실시예의 횡단면도이다.
도 2A 내지 도 2C는 도 1의 촉매 및 개질 판의 다양한 실시예를 도시한 횡단면도이다.
도 3은 내부 개질 가능성을 갖는 조립된 전기화학 개질기의 등각도이다.
도 4는 내부 개질을 허용하는 전기화학 변환기의 전해질 성분 및 상호연결물 성분을 상세하게 도시한 등각도이다.
도 5는 외부 분기관을 통한 반응물의 흐름을 도시한 본 발명에 따른 전해질 성분 및 상호연결물의 조립도이며, 그리고
도 6은 등온 평면 온도를 초래하는 흡열 개질 스트립과 발열 연소 스트립 및 발열 연료 전지 스트립 사이에 열 전달 작용을 제공하는 상호연결물 판을 그래프로 도시한 도면이다.
본 발명의 목적은 우수한 열 성능을 가지며 연료 전지와 효과적으로 열 융합하는 판형 개질기를 제공하는 것이다. 본 발명은 또한 스팀 개질기 또는 부분 산화 개질기로서 작동하는 판형 개질기에 관한 것이다. 스팀 개질기로 작동할 때, 연료 전지와 같은 공급원으로부터 열을 수용하며, 연료 전지의 배기와 같은 공급원으로부터 스팀을 수용한다. 스팀은 스팀 보일러와 같은 임의의 종래의 공급원으로부터 외부에서 공급되거나, 또는 분기관에 의해 종래의 연료 전지의 배기를 개질기에 공급될 수 있다. 열원은 연소 반응기이다. 부분 산화 개질기로 작동될 때, 흡열 개질 반응에 대한 열을 제공하기 위해 유입 반응 가스의 소량 대략 25%가 연소된다. 개질기는 바람직하게 열 투입량(열원) 또는 스팀 공급원이 요구되지 않는 자동 온도 조절 조건에서 작동이 가능하다. 연료 전지로부터 소모열을 이용할 수 있는 부분적인 산화 조건에서 작동이 또한 가능하다.
본 발명의 또 다른 목적은 평면(in-plane)판의 평균 온도가 효과적인 변형 반응을 허용하고, 개질기의 촉매 또는 구조재에 유해한 고온 지점의 발생을 제거시키거나 감소시키도록 가스 흐름 방향으로 향한 예를들어, 기다란 열 도전 판과 열접촉하는 판형 개질기를 제공하는 것이다. 본문에서 사용되는 용어 "평면(in-plain)"은 편평한 표면 또는 판의 측면을 의미한다.
본 발명의 또 다른 목적은 스팀 개질 또는 부분 산화 개질인, 흡열 반응용 연료 전지에 의해 제공된 소모열을 이용할 수 있는 판형 개질기를 제공하는 것이다.
그러나, 본 발명의 또 다른 목적은 유입 반응액을 개질에 적합한 온도로 예비 가열시키는 판형 개질기를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 반응물이 개질기에 각각 유입되도록 다수의 입구 분기관을 갖는 판형 개질기를 제공하는 것이며, 개질기의 산화 섹션 및 개질 섹션에 유입되기 이전에 개질기 내에서 완전히 혼합되도록 한다.
본 발명에 따른 개질기는 효과적인 연료 개질을 증진시키는 열 강화 특성물을 사용한다. 본 발명의 한 실시양태에 따라, 개질기는 삽입된 열 도전 판을 갖는 평면 촉매 배치를 갖는다. 이러한 특성은 개질기의 열 특성을 강화시키고, 소형의 개질기 설계를 초래한다. 따라서, 개질기는 탄화수소 연료 및 발생 전기를 효과적으로 개질시키기 위해 열적으로 물리적으로 일체화된 전기화학 개질기이다.
본 발명은 시스템 내의 온도 균일도(등온 표면) 및 에너지 조화를 달성하기 위해 효과적인 열전달 기술을 이용함으로써 종래의 개질기가 갖고 있던 크기의 단점을 극복한다. 이러한 온도 균일도는 유입 반응물을 개질시키기 위해 필요한 개질 재료의 양을 감소시킨다. 더욱이, 흡열 개질 반응에 의해 요구되는 열 에너지는 열 통합된 전기화학 개질기의 소모열로부터 유도된다. 예를 들어, 정상적인 조건 하에서, 개질기는 초과 또는 소모열을 발생시키며, (대략 500 ?? 내지 700??의 범위인) 개질에 요구되는 작동 온도를 지지하는데 사용된다. 크기의 소형화 및 분기관의 간단함은 경제적인 개질기 구성 및 시스템 통합에 필수적이다.
본 발명의 또 다른 특징은 다음의 도면 및 상세한 설명으로부터 보다 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명의 개질기(10)의 횡단면도이다. 개질기(10)는 축(28)을 따라 연장하는 적층된 개질 구조물(13)을 형성하기 위해 차례로 함께 적층된 다수의 열 도전 판(12) 및 개질판(14)을 포함한다. 개질기(10)는 판(12,14)의 내부(12A,14A)와 유체 연통하는 유체 도관(16)을 포함한다. 개질기(10)는 밀폐 엔클로저 또는 하우징(20)내에 바람직하게 내장된다. 예시된 개질기는 스팀 및 산화 변형을 수행하기 위해 사용될 수 있다. 개질 공정에 필요한 열은 물결모양의 화살표(26)에 도시되어진 것과 같이, 탄화수소 연료의 부분적인 산화에 의해 복사, 전도 및 대류에 의해 개질기(10) 내부로 공급되거나 원격의 열원에 의해 외부에서 공급된다.
개질기(10)에 의해 개질되어질 반응물은 축선 유체 분기관(16)을 통해 장치 내부로 유입된다. 반응물은 바람직하게 탄화수소 연료 또는 개질기 내부 또는 분기관(16)에 도입되기 이전에 예비혼합된 공기, 산소, 또는 CO2 와 같은 탄화수소 연료 및 개질 요소 혼합물로 이루어진다. 도시된 개질기(10)는 각각의 가스 성분에 대한 각각의 입력 분기관을 제공하기 보다는 개질기에 연료/개질 혼합물을 전달하는 적어도 하나의 분기관을 포함한다. 개질기(10)에 예비혼합된 반응물의 유입은 비교적 간단한 구성을 갖는다.
반응물 혼합물(22)은 유체 도관과 같은 임의의 적절한 수단에 의해 분기관(16)에 유입된다. 혼합물(22)은 인접한 도전판(12)과 개질판(14) 사이에 형성된 반응액 통로(24)를 통해 개질기의 내부에 도입된다. 통로는 임의의 표면 오목부 또는 돌출부를 포함하며,부각(embossing)에 의해 형성되거나 충전된 변형 구조물(13)의 분기관(16)으로부터 외주부 표면(13A)까지 연장하는 연속 유체 통로를 구성한다. 이러한 통로는 다공성 재료로 제조되거나 다공성 물질 위에 피복되거나 형성된 전력 개질기 촉매 재료를 갖는 도전성 또는 개질 판에 의해 형성될 수 있다.
다양한 판 조립체 및 배치의 실시예는 도 2A내지 도 2C에 도시되어 있다. 도 2A는 개질기 판(14) 및 도전성 판(12)의 적층 조립체를 도시하고 있다. 개질기 판(14)은 바람직하게 도전성 판과 접하는 개질기 촉매 재료(36)위에 형성된다. 도시된 도전성 판(12)은 반응물 흐름 채널을 형성하기 위해 부각된다. 혼합물(22)은 축선 분기관(16)으로 도입되어 반응액 채널로 유입되며 채널의 주변부 엣지에 적층된 판 개질기를 벗어난다.
개질기 촉매 재료(36)는 고형질 또는 다공성의 재료로 구성될 수 있다. 도 2B는 다공성 변형 물질을 사용할 때 개질기(10)를 통해 흐르는 혼합물을 도시하고 있다. 다공성 개질 재료의 사용은 도시된 개질기의 부각의 필요성을 감소시킨다.
도 2C에 도시된 또 다른 실시예에서, 개질기(10)는 열 도전성 재료 및 변형재료의 합성물로 형성된 다수의 적층 판(38) 또는 원주형 구조물을 포함한다. 이러한 합성 판(38)은 적합한 개질 재료와 혼합되게 적합한 열 도전성 물질을 산재시킴으로써 달성될 수 있다. 최종적인 적층 구조물은 도 1,2A, 및 2B에 도시되고 전술한 적층된 개질 구조물(13)에 동일하게 작동한다.
본 발명의 당업자들은 개질기(10)의 다른 실시예, 개질 판(14)이 다공성 재료로 구성되고 다공성 재료 위에 피복된 개질 촉매 재료를 가짐을 인지할 것이다. 다공성 재료의 사용은 효율의 손실없이 개질 시스템의 밀폐 요구량을 감소시키므로 본 발명의 외부 개질기의 잇점 중의 하나이다.
반응물 혼합물은 반응물이 반응물 통로를 통과하고 개질 판(14)을 통해 통과하는 것과 같이 적층된 개질 구조물(10) 내에서 개질된다. 개질 판(14)과 연결된 촉매 재료는 탄화수소 연료를 보다 단순한 반응 종으로의 개질을 증진시킨다. 분기관(16)에 도입된 반응물 혼합물의 흐름은 H2O, O2, 및 CO2, 이외에도 탄화수소 연료를 포함한다. 예를 들어, 메탄(CH4)은 수소 , 물, 일산화 탄소, 및 이산화 탄소 혼합물로 촉매 개질된다.
개질기가 스트림 개질기로 작동할 때, 스팀 개질기는 천연 가스(또는 메탄) 및 스팀을 함유한 반응액 가스 혼합물을 수용한다. 스팀 개질 촉매는 외주부 밴드 내의 개질기 판 위에 형성된다. 개질 반응에 요구되는 열 에너지는 바람직하게 도전성 판(12)에 의해 밀폐 엔클로저로부터 방사상으로 내부로 도전된다. 도전성 판의 두께 및 열 도전율은 흡열 개질 반응에 필요한 열을 제공하기 위해 방사상으로(또는 평면으로) 충분한 열 흐름을 제공하기 위해 선택된다. 이러한 도전성 판은 하단에 보다 상세히 기술되어질 것처럼, 유입 반응액을 예열하기 위한 축선 반응물 분기관(16) 내부로 돌출하는 내부 연장부를 포함한다.
개질기가 부분 산화 개질기로 작동할 때, 천연 가스(또는 메탄) 및 공기 또는 산소를 함유하는 반응액 가스 혼합물을 수용한다. 하나 이상의 개질 촉매 재료 형태는 개질기 판 상에 외주부 밴드로 분포될 수 있다. 한 실시양태에 따라, 도전성 판은 연소 촉매(92)를 함유하는 내부 밴드, 및 수증기(스팀 변형)와 이산화 탄소에 의해 메탄의 변형을 촉진시키기 위해 촉매를 함유하는 외부 밴드(90)를 포함한다. 이러한 흡열 개질 반응에 대한 열 에너지는 판(12)에 의해 연소 밴드로부터 개질 밴드에까지 방사상으로 도전된다. H2 및 CO2를 생성하기 위해 H2O의 존재하에 CO를 전환하는 종래의 변이 반응과 같은, 다른 반응에 대한 촉매가 또한 포함될 수 있다. 도전성 판(12)의 두께 및 열 도전율은 흡열 개질 반응에 열 에너지를 공급하기 위해 내부 연소 밴드 및 외부 변형 밴드 사이에 방사상으로 충분한 열 흐름을 제공하기 위해 선택된다. 도전성 판(12)은 입구 통로(24)에서 유입 반응액을 적어도 300??정도의 작동 온도로 예열시키기 위해 연소 밴드로부터 방사상으로 충분한 열 흐름을 제공한다. 이러한 시스템의 열 에너지는 바람직하게 밀폐 엔클로저(20)를 통해 외부 공급원으로부터 개질기(10)까지 전달된다.
예시된 개질기(10)는 알칸(파라핀 탄화수소), 알코올과 결합된 탄화수소(하이드록실), 카르복실기와 결합된 탄화수소, 카보닐기와 결합된 탄화수소, 알켄으로 결합된 탄화수소(올레핀 탄화수소), 에테르로 결합된 탄화수소, 아민과 결합된 에스테르탄화수소와 결합된 탄화수소, 방향 유도체와 결합된 탄화수소, 및 다른 유기 유도체와 결합된 탄화수소 등의 반응물을 개질하기 위해 사용될 수 있다.
개질기(10)의 개질 재료 밴드는 개질 가스의 생산을 최대화하기 위해 위치되며 가변 분율로 혼합될 수 있다.
개질판(14)은 대략 200?? 내지 800?? 사이의 범위에서 작동하는 임의의 적합한 개질 촉매 재료로 구성될 수 있다. 사용될 수 있는 이러한 종류의 물질은 백금, 팔라듐, 크롬, 크롬 산화물, 니켈, 니켈 산화물, 니켈 함유 혼합물, 및 다른 적합한 전이 금속 및 그 산화물을 포함한다. 개질 판(14)은 도 2A 및 도 2B에 도시되어진 것처럼, 판(14)위에 피복된 개질 물질을 갖는 세라믹 지지판을 더 포함한다. 따라서, 본 발명의 개질판(14)은 탄화수소 연료가 적합한 반응물로 개질되도록 적합한 개질 촉매를 포함하는 다중층 개질판을 포함할 수 있다.
도전성 판(12)은 알루미늄, 구리, 철, 스틸 합금, 니켈, 니켈 합금, 크롭, 크롬 합금, 백금, 및 실리콘 카바이드와 같은 비금속, 다른 합성물 물질을 포함한다. 도전성 판(12)의 두께는 판(12)의 최소 온도 변화를 유지하기 위해 선택되며 그 결과 개질 판(14) 내의 열 응력을 경감시키기 위해 최적의 개질 반응을 위한 등온 영역을 제공한다. 도전성 판(12)은 각각의 판(12)의 등온 조건 판을 형성한다. 도전성 판(12)에 의해 형성된 등온 표면은 개질을 위한 판의 표면위로 균일한 온도 및 열 공급을 제공함으로써 총괄 개질 공정의 효율을 개선시킨다.
더욱이, 도전성 판은 반응액 통로를 통해 반응액 혼합물의 균일한 분포에 의해 (적층된 개질기(13)의 외주부 표면을 따라) 적층물의 축을 따라 등온 조건을 형성하며, 그 결과 냉점 또는 고온 지점이 충전물을 따라 진행하지 못하도록 한다. 이는 개질기(10)의 열 특성을 개선시키며 시스템의 총괄 성능을 개선시킨다. 본문에 사용되어진 용어 "등온" 조건 또는 영역은 축선 또는 평면 방향으로 근소하게 변화하는 일정 온도를 포함한다. 본 발명으로 인해 대략 50??의 온도 변화가 인지된다.
개질 연료 및 반응 종은 화살표(30)에 의해 표시되어진 것처럼, 적층된 개질 구조물(13)의 주변부(13A)를 따라 배출된다. 재생 연료 제품과 같은 반응물의 주변부 배출은 반응물의 분기관을 용이하게 한다. 배출된 연료 매체는 밀폐 하우징(20)에 의해 수집되고 출구 도관(32)을 통해 배출된다. 밀폐 하우징(20)은 주변부 분기관으로 제공된다.
대안의 실시예에서, 반응물 혼합물(22)은 하우징(20)에 의해 형성된 주변부 분기관 내부로 도입되고 외주부 엣지를 따라 적층된 개질 구조물(13) 내부로 도입된다. 반응물은 개질 및 도전성 판(14,12)을 가로질러 내부로 방사상으로 흐르며 축선 분기관(16)을 통해 방출된다.
적층물 주변부의 적어도 일부분 바람직하게, 전체 외주부로부터 재생된 반응 혼합물을 배출하는 능력은 밀폐 시일 또는 절연 재료의 노출된 주변부 표면 공극을 제공한다. 따라서, 본 발명의 외부 개질기(10)는 소형의 간단하고 근사한 외부 재생 설계를 달성할 수 있다.
밀폐 엔클로저(20)는 바람직하게 금속과 같은 열 도전성 물질로 구성된다. 도시된 실시예에서, 밀폐 엔클로저(20)는 외부 열 공급원으로부터 열 에너지를 수용하며 적층물(13) 및 도전성 판(12)에 열 에너지를 방사상으로 전달한다. 판(12)은 반응물 분기관(16)을 향해 내부로 적층물(13)의 주변부 표면(13A)으로부터 열을 전달함으로써 개질 반응에 필요한 열 에너지를 공급한다.
또 다른 실시예에서, 개질 구조물(10)의 외부면은 밀페 하우징의 내부면과 접촉하며, 도전성 판에 열 에너지를 전달한다.
원형 배치의 밀폐 엔클로저는 가압 개질 작업에 특히 적합하다. 용기내의 압력은 바람직하게 주위 압력 및 50 atm 사이에서 변화한다.
축선 반응물 흐름 분포 균일도를 달성하기 위한 기술은 다음과 같다. 반응물 흐름 통로(24)는 통로내의 총괄 반응물 흐름 압력 강하가 반응물 분기관(16)의 반응물 흐름 압력 강하보다 크거나 우세하도록 설계된다. 더욱이, 통로(24)의 흐름 저항은 축선 분기관(16)의 흐름 저항보다 크다. 바람직한 실시예에 따라, 통로(24) 내의 반응물 흐름 압력은 분기관 내의 반응물 흐름 압력보다 10 배 이상 더 크다. 이 압력차는 반응물 분기관(16) 및 반응물 통로(24)를 따라 개질기(13)의 상층으로부터 바닥까지 반응물의 균일한 축선 및 방위각 흐름 분포를 제공한다. 균일한 흐름 분포는 개질 구조물(10)의 축선을 따라 균일한 흐름 조건을 제공한다.
바람직한 실시예에 따라, 충전된 개질 구조물(13)은 원주형 구조물이며, 판은 2.54cm(1 inch) 내지 50.4 cm(20 inch) 사이의 직경을 가지며, 0.005cm(0.002 inch) 내지 0.51cm(0.2 inch)의 두께를 갖는다. 본문에 사용된 용어 "원주형"은 종축으로 적층되고 반응물 혼합물용 도관으로 제공되는 적어도 하나의 반응물 분기관을 갖는 다양한 기하학적 구조물을 기술하고 있다.
당업자들은 내부 도는 외부 분기관 내에 직각 또는 직선과 같은 또 다른 기하학적 형상이 있음을 인지할 수 있을 것이다. 직각 배치를 갖는 판은 반응물 및 개질 최종물의 공급 및 수집에 대한 부착된 외부 분기관으로 충적되거나 일체화되어 있다.
개질기(10)내의 비교적 소형 치수를 갖는 판(12,14)은 탄화수소 연료를 적합한 반응물로 개질시키는 소형의 판형 개질기가 제공되며, 현존 전력 시스템 및 조립체와 용이하게 일체화된다. 도시된 개질기(10)는 고형질 산화물 연료 전지와 같은 전기 화학 변환기와 열적으로 일체화된다. 개질된 연료가 연료 전지로 도입되는 특정 적용예에서, 요구되는 반응열은 연료 전지에 의해 발생된 소모열로부터 공급된다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 도 1의 개질기 구조물은 판형 버너로 작동한다. 특히, 탄화수소 연료는 적합한 촉매 물질의 존재 유무에 따라 공기 또는 다른 산화제의 존재하에서 산화될 수 있다. 본 발명의 연소기의 실시예는 도 1의 개질기와 관련하여 전술되어진 것처럼 차례로 함께 적층된 도전성 판(12)과 촉매 판(14)을 포함한다. 연소기는 연소기에 유입 반응물을 유입시키기 위해 입구 분기관(16)을 사용할 수 있다. 유입 반응물은 공기와 같은 탄화수소 연료 및 산화제를 포함한다. 탄화수소 연료 및 산화제는 버너에 분기관을 분리할 수 있으며 또한 예비혼합시킬수 있다. 예를 들어, 밀폐 재료가 판(12,14)을 형성하기 위해 사용된다면, 반응물은 연소기버너에 도입되기 이전에 또는 입구 분기관에서 예비혼합된다. 역으로, 하나의 판이 다공성 재료로 형성된다면, 반응물은 분리될 수 있다. 판의 다공성 재료를 가로질러 흐르는 반응물은 반응물 통로 내의 다른 반응물을 관통하여 흐르거나 혼합된다. 연소되거나 산화된 반응물은 연소기 적층물의 주변부에서 방출된다. 산화된 반응물 또는 최종 반응물은 연료의 형태에 따라 CO2, H2O, 및 다른 적합한 연소 제품을 포함한다.
연소기의 도전성 판은 개질기의 도전성 판과 동일하며 등온 표면을 형성하기 위해 판의 평면에 열을 도전 전달하는 작용을 한다. 도전성 판의 두께는 공기가 산화제로 사용되다면, 감소된 NOX를 발생시키기 위해 최적의 연소 반응에 대한 등온 영역을 제공하기 위해 판의 평면 최소 온도 변화를 유지하고, 촉매판(14)의 열 응력을 경감시키기 위해 설계된다.
더욱이, 등온 조건은 적층물의 축을 따라 반응물의 균일한 분포에 의해 유지될 수 있으며, 냉온 지점이 적층물을 따라 진행하는 것을 방지한다. 이는 연소기의 총괄적인 열 특성을 개선하고 연소기의 총괄적인 작동 성능을 개선시킨다.
도시된 연소기는 개질기(10)와 연관된 반응물 흐름 통로(24)를 더 포함한다. 반응물 통로(24)는 반응물 통로(24)의 총괄 반응물 흐름 압력이 반응물 분기관(16) 내의 반응물 흐름 압력 강하보다 더 크도록 설계된다. 더욱이, 통로(24)의 흐름 저항은 축선 분기관(16)의 흐름 저항보다 더 크다. 압력차는 연소기의 축선 길이를 따라 반응물의 축선 및 방위각의 균일한 분포를 제공한다.
산화된 반응물은 연소기의 외주부에 대해 방출될 수 있다. 배출된 유체 매체는 연소기를 둘러싼 밀폐 하우징(20)에 의해 둘러싸여 있다.
대안의 실시예에서, 연소기는 열 도전성 재료 및 촉매 재료의 합성물로 형성된 다수의 적층판을 포함한다. 이러한 합성 판은 적합한 촉매 재료와 혼합하는 적합한 열 도전 재료를 흩뿌림으로써 달성될 수 있다. 최종 적층 구조물은 도 1에 도시되고 전술한 적층 개질 구조물(13)과 동일하게 작동한다.
대안의 실시예에서, 연소기는 적합한 촉매 재료와 혼합하는 적합한 열 도전성 재료를 흩뿌림으로써 열 도전성 재료와 촉매 재료의 혼합물로 구성된다. 최종적인 개질 구조물은 도 1에 도시되어진 적층된 개질 구조물과 동일하게 작동한다.
개질기와 관련하여 전술된 모든 다른 특성들은 연소기와 동일하게 적용된다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기화학 변환기의 내부에 포함된 개질기의 등각도이다. 내부 개질 전기화학 변환기(40)는 전해질 판(50)과 상호연결 판(60)으로 교차하여 층으로 구성되어 있다. 상호연결판(60)은 양호한 열 및 전기 도전체이다. 구조물 내에 형성된 구멍 및 분기관은 투입 반응물등의 연료 및 산화제 가스의 도관을 제공한다. 도 4의 상호연결 판 내에 형성된 반응물 흐름 통로는 이러한 가스의 분포 및 수집을 용이하게 한다.
내부 개질 전기화학 변환기(40)의 판(50,60)은 스프링 하중 지지봉 조립체(42)에 의해 압축되어 고정되어 있다. 지지봉 조립체(42)는 도 4에 도시되어진 것처럼 중심 산화제 분기관(47) 내에 놓여진 지지봉 부재(44)를 포함하며, 조립체 너트(44A)를 포함한다. 내부 개질 전기화학 변환기(40)의 한 단부에 장착된 한 쌍의 단부판(46)은 교차 상호연결 및 전해질 판(50,60)의 충전물 상에 균일한 고정 작용을 제공하며 판 사이의 전기 접촉을 유지하며 조립체 내의 적절한 위치에서 가스 밀봉을 제공한다.
도 3 내지 도 5는 전해질 판(50) 및 상호연결 판(60)을 포함하는 전기화학 변환기(40)의 기본 단위를 도시하고 있다. 실시예에서, 전해질 판(50)은 안정화 산화 지르코늄 재료 ZrO2(Y2O3), 산소 이온 도전체, 및 다공성 산화제 전극 재료(50A) 및 그 위에 놓여진 다공성 연료 전극 재료(50B)와 같은 세라믹 재료로 제조될 수 있다. 산화제 전극 재료의 예는 LaMnO3(Sr)와 같은 페로브스키트 재료이다. 연료 전극 재료에 대한 예는 ZrO2/Ni 및 ZrO2/NiO 과 같은 도성 합금이다.
상호연결 판(60)은 바람직하게 전기 및 열 도전 상호연결 재료로 제조된다. 상호연결물 제조에 적합한 재료는 알루미늄, 구리, 철, 스틸 합금, 니켈, 니켈 합금, 크롬, 크롬 합금, 백금, 백금 합금와 같은 금속, 실리콘 카바이드와 같은 비금속, La(Mn)CrO3 , 및 다른 전기 도전재료를 포함한다. 상호연결판(60)은 인접한 전해질 판 사이의 전기 연결물과 연료 및 산화제 반응물 사이의 격벽으로 제공된다. 부가적으로, 상호연결물 판(60)은 하단에 상세히 기술되어진 바와 같이, 등온 표면을 형성하기 위해 (표면을 가로질러) 판의 평면에 열을 전달한다. 도 4에 도시되어진 것과 같이, 상호연결 판(60)은 중심 구경(62), 중간물 세트, 동심 방사상으로 외부로 이격된 구경(64)을 갖는다. 제 3 외부 세트 구경(66)은 판(60)의 외부 또는 주변부에 위치된다.
상호연결 판(60)은 직조 표면을 갖는다. 직조 표면(60A)은 판(60) 위에 형성된 공지된 부각 기법에 의해 형성되고 일련의 연결 반응물 흐름 통로를 형성하는 일련의 딤플을 갖는다. 바람직하게, 상호연결물 판의 양쪽면은 그 위에 형성된 딤플 표면을 갖는다. 구경(64,66)의 중간 및 외부 세트가 각각 선택된 다수의 구경에 도시되어져 있다 하더라도, 당업자들은 구경 또는 분포 형태는 시스템 및 반응물 흐름 및 분기관 요구량에 따라 사용될 수 있다.
유사하게, 전해질 판(50)은 중심 구경(52), 상호연결물 판(60)의 구경(62,64,66)에 보완적인 위치에서 형성된 중간 및 외부 구경(54,56)세트를 갖는다.
도 4에 도시되어진 것처럼, 반응물 흐름 조절 부재(80)는 전해질 판(50)과 상호연결 판(60) 사이에 위치될 수 있다. 흐름 조절 부재(80)는 반응물 흐름 통로내의 반응물의 흐름을 제한하는 판(50,60) 사이의 유체 흐름 방해물로 제공된다. 따라서, 흐름 조절 부재(80)는 보다 큰 흐름 균일도를 제공한다. 바람직한 흐름 조절 부재는 와이어 메쉬 또는 스크린이나, 선택되고 결정된 속도에서 반응물의 흐름을 제한하는 임의의 적합한 설계가 사용될 수 있다.
도 4를 참조하면, 전해질판(50) 및 상호연결 판(60)은 각각의 구경을 따라 적층되고 정열된다. 구경은 투입 반응물과 전지 단위와 배기 소모 연료를 공급하는 축선 분기관을 형성한다. 특히, 중심 구경(52,62)은 입력 산화제 분기관(47)을 형성하며, 중심 구경(54,64)은 입력 연료 분기관(48)을 형성하며, 정렬된 외부 구경(55,66)은 소모 연료 분기관(49)을 형성한다.
상호연결물 판의 외주부에 리지(ridge) 또는 상승 구조물의 부재는 외부 환경과 연통하는 배기 포오트를 제공한다. 반응물 흐름 통로는 흐름 방향으로 입력 반응물 분기관(47,48)과 개질기(40)의 외주부를 연결하며, 그 결과 반응물이 변환기의 외부로 배출되도록 한다.
내부 개질 전기화학 변환기는 원통형 배치로 적층된 판 조립체이며, 적어도 하나의 전해질 판 및 도전성 판은 대략 2.54 cm(1 inch) 내지 50.4 cm(20 inch)의 직경과, 0.005 cm(0.002 inch) 내지 0.51cm(0.2 inch)의 두께를 갖는다.
본 발명에 따른 내부 개질 전기화학 변환기(40)는 전술한 바와 같이 부가적인 특성을 갖는다. 스트림의 존재하에서 수행될 때 내부 개질 작업은 천연 가스(또는 메탄) 및 스트림을 함유한 반응액 가스 혼합물을 수용한다. 스트림 개질 촉매(90)(도 5)는 전해질판(50) 상에 연료 전극 재료(50B)로 진행하는 주변부 밴드 내에 분포된다. 개질 반응에 대한 열 에너지는 판(60)에 의해 개질 밴드에 방사상으로 도전된다. 판의 두께 및 열 도전율은 흡열 개질 반응용 열 에너지를 제공하고 유입 반응물을 예열하기 위해 내부 개질 밴드(90) 및 외부 연료 전지 밴드(예를 들어 밴드(50B)) 사이에 방사상으로 흐르는 열을 충분하게 제공하도록 설계된다.
내부 개질은 부분적인 산화 반응에 의해 수행될 수 있다. 이러한 형태에서, 예시된 변환기(40)는 천연 가스(또는 메탄) 및 공기 또는 산소를 함유한 반응물 가스 혼합물을 수용한다. 하나 이상의 촉매 형태는 전해질 판(50) 상에 연료 전극(50B)을 진행하는 외주부 밴드 내에 분포된다. 도 5에 도시되어진 것처럼, 전해질 판은 연소 촉매(92)를 함유하는 내부 밴드, 스증기(스팀 개질) 및 이산화 탄소에 의해 메탄의 개질을 형성하기 위해 촉매를 함유하는 방상상 외부 밴드(90)를 포함한다. 이러한 흡열 개질 반응용 열 에너지는 연소 밴드(92)로부터 개질 밴드(90)까지 방사상으로 도전된다. 다른 반응, 예를 들어 변이 반응에 대한 촉매가 포함될 수 있다. 도전성 판의 두께 및 열 도전율은 흡열 반응 에너지를 제공하고 유입 반응물을 예열시키기 위해 방사상 외부 개질 밴드(90) 사이에 방사상으로 흐르는 열을 충분하게 제공하기 위해 설계된다. 부가적인 열 에너지는 판의 직경을 따라 최외각 밴드로 도시된 연료 전극(50B)에 의해 수행된 발열 연료 전지로부터 얻어질 수 있다.
도시된 전기화학 변환기(40)에서, 연소 촉매(92), 개질 촉매(90), 및 (개질 촉매(80)의 반경방향으로 외부 밴드에 도포될 수 있는)변경 촉매는 흐름 조절 요소 상에 도포될 수 있으며, 전해질 판과 도전성 판 사이에 위치한다.
개질기는 생성물 가스의 제조를 최대화하기 위해 반경 방향으로 가변 부분 내에서 혼합된다.
외부 개질기 및 밴드와 관련하여 전술한 개질 특징은 내부 개질 전기화학 변환기에 동일하게 적용가능하다. 예를 들어, 상호연결물 판(60)은 유입 반응물을 예열하는데 사용될 수 있는 연장 립 부분(72A,72B)을 포함한다.
본 발명에 따른 내부 개질 전기화학 변환기(40)는 고형질 산화물 연료 전지, 용융 탄산염 연료 전지, 알카린 연료 전지, 인산 연료 전지, 및 프로톤 멤브레인 연료 전지등과 같은 연료 전지이다. 본 발명의 바람직한 연료 전지는 고형질 산화물 연료 전지이다. 바람직한 본 발명의 내부 개질 전기 변환기(40)는 대략 600??, 바람직하게 900?? 및 1100??, 및 가장 바람직하게 대략 1000??의 작동 온도를 갖는다.
당업자는 도시된 연소, 개질 및 연료 전극은 개질기로서 변환기(40)의 사용중에 발생하는 전기화학 작동의 상대적인 위치를 나타낸다.
본 발명의 다른 실시예에서, 내부 개질 전기화학 변환기(40)는 직선 배치와 같은 임의의 바람직한 배치를 갖는다. 적층 구조물은 직각 전해질 판(50) 및 판의 외부에 부착된 분기관과 직각의 상호연결 판(60)을 포함한다. 촉매 및 전극 재료는 반응물 흐름 방향에 수직인 전해질 판 위에 띠 형상으로 도포될 수 있다. 도 5에 도시되어진 것처럼, 연료 흐름(24)은 기다란 밴드(92,90, 50B)와 직각이다. 상호연결물 판(60)은 발열 개질 촉매 밴드(90), 흡열 연소 촉매 밴드(92), 및 흡열 연료 전지 밴드(50B)에 열 에너지를 전달하며, 도 6에 도시되어진 것처럼, 평면 등온 조건을 초래한다.
도 6은 탄화수소 연료, 전해질 판(50) 위로 통과하는 동안 열 도전성 판(60)에 의해 생성된 개질 연료와 같은 유입 반응물의 등온 온도 조건을 그래프로 도시하고 있다. 작업중의 연료 온도는 세로 축에 의해 정의되며, 연료 흐름 방향은 가로축에 의해 정의된다. 작업중 평면에 열을 전달하기 위해 열 도전성 판을 이용하지 않는 개질 구조에서, 연료 온도는 파형(110)으로 도시되어진 것처럼 연료 흐름 방향으로 변화한다. 도시되어진 것과 같이, 유입 연료는 확장된 표면(72A 및 72B)에 의해 초기에 예열된다. 예열 단계(112)는 변환기(40)의 작동 온도에 도달하는 것과 같이 연료 온도에서 상승하는 것과 상응한다. 흡열 부분 산화 또는 연소 단계(114)중에, 연료의 온도는 연료 흐름이 개질 단계(116)에 도달할 때까지 더욱 증가한다. 발열 개질 단계는 개질 작업을 유지하기 위해 상당량의 열에너지를 필요로 한다. 그 후 연료는 변환기(40)의 고온 작동 환경에 의해 다시 가열되는 연료 전지 반응 단계(118)로 흘러간다. 이러한 연료의 사인 곡선 형상으로 온도 프로파일(110)은 변환기의 총괄적인 작동 효율을 감소시키며, 바람직하지 못한 열 응력에 임의의 성분(전해질 판(50))을 노출시킨다. 변환기(40) 내의 도전성(상호연결물) 판의 도입은 온도 프로파일을 완만하게 하며, 등온 온도 조건, 등온 프로파일(120)에 의해 도시되어진 것과 같은 모든 작동 단계를 통해 변환기 충전물을 따라 평면 및 축선으로 등온 온도 조건을 발생시킨다.
작동의 한 실시형태에 따라, 내부 개질 전기화학 변환기는 H2 및 CO를 생성하기 위해 H2O와 탄화수소 연료를 촉매작용으로 개질시키며, 전기 발생을 위해 연료 전지 부분(연료 전극(50B))에 차례로 진행한다. 이는 배기물 H2O 및 CO2를 발생시킨다. 흡열 연료 전지 반응으로부터 발생되는 열은 발열 개질 반응을 지탱하기 위해 도전판에 평면으로 도전 전달된다.
작동의 또 다른 실시양태에 따라, 내부 개질 전기화학 변환기는 H2 및 CO를 발생시키기 위해 탄화수소 연료와 촉매 산화되며, 전기 발생을 위해 연료 전지 섹션으로 진행한다. 이는 배기물 H2O 및 CO2를 발생시킨다. 흡열 연료 전지 반응으로부터 발생되는 열은 완화 흡열 부분 산화 개질 반응을 지탱하기 위해 도전성 판(60)에 평면으로 도전 전달된다.
내부 개질 전기화학 변환기는 가압 작용에 대해 설계된 엔클로저 내에 위치될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특성은 확장된 가열 표면(72D,72C)은 산화제 및 연료 외부 분기관(47,48)으로부터 전달된 열을 변환기의 작동 온도까지 가열시킨다. 특히, 산화제 분기관(47)내부로 돌출된 확장된 표면(72D)은 산화제 반응물을 가열시키며, 연료 분기관(48) 내부로 돌출된 확장된 표면(72C)은 연료 반응물을 가열시킨다. 열 도전성 상호연결 판(60)은 연료 전지 스트립으로부터 확장된 표면 또는 립 부분까지 열을 전달함으로써 입력 반응물의 가열을 용이하게 하여, 입력 반응물을 작동 온도까지 상승시킨다. 확장된 표면은 열 핀(fin)으로 작동한다. 반응 구조물은 특정 시스템 효율을 인지하기 위해 전력 시스템 내부로 열적으로 일체화될 수 있는 소형 변환기를 제공한다.
도 3 내지 도 5에 도시된 전기화학 변환기(40)는 전력원으로부터 전기를 수용하는데 적합하며, 변환기 내의 전기화학 반응을 개시하며 양호한 반응물로 저환하기 위해 유입 반응물 내에 함유된 선택된 오염 인자를 감소시킨다. 따라서, 예를 들어, 전기화학 변환기(40)는 NOX 및 탄화수소 종을 포함한 선택된 오염 인자를 함유하는 배기원에 결합될 수 있다. 변환기(40)는 오염 인자를 N2,O2, CO2를 함유한 양호한 종으로 변환시키기 위해 촉매작용으로 감소시킨다.
상기 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 본 발명을 상세하게 설명하였지만, 본 기술 분야의 숙련된 당업자들은 하기의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (36)

  1. 작동 중에 반응물을 반응종으로 개질시키기 위한 판형 개질기에 있어서,
    개질을 증진시키기 위한 하나 이상의 촉매 재료를 갖는 다수의 촉매 판과 열 도전성 재료로 형성된 다수의 도전성 판을 포함하고 있으며,
    상기 촉매판 및 상기 도전성 판은 개질 구조를 형성하기 위해 차례로 적층되고, 상기 도전성 판은 개질 공정을 유지시키기 위해 평면에 열에너지를 도전 전달하는 판형 개질기.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 개질 가공은 하나 이상의 개질 반응을 포함하며, 상기 개질 반응은 두 개 이상의 반응 종 사이의 촉매 보조 화학 반응, 및 단일 종의 촉매 보조 열 해리 반응을 포함하는 개질기.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 개질 구조는 상기 구조에 상기 반응물을 도입시키기 위한 적어도 하나의 축선 분기관, 및 상기 반응종이 상기 개질 구조물로부터 벗어나도록 하는 적어도 하나의 분기관을 포함하는 개질기.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 개질 구조는 외부 환경과 열 에너지를 교환하기 위한 노출된 주변부 표면을 갖는 개질기.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 개질 구조는 상기 구조에 반응물을 도입시키기 위한 적어도 하나의 축선 반응물 분기관, 및 상기 개질 구조물의 주변부로부터 상기 반응종을 배출시키기 위한 주변부 배출 수단을 포함하는 개질기.
  6. 제 1 항에 있어서, 주변부 축선 분기관을 형성하기 위해 상기 적층된 개질 구조 주위에 위치된 열 도전성 밀폐 하우징, 및 선택적으로
    상기 밀폐 하우징에 의해 포획된 상기 반응종이 상기 주변부 축선 분기관에 도입하도록 하는 수단을 더 포함하며,
    상기 열 도전성 밀폐 하우징은 외부 환경과 열 에너지를 교환하거나, 또는 복사, 전도, 및 대류중의 하나에 의한 상기 개질 구조 및 상기 도전성 판과 열 에너지를 교환하기 위한 수단을 포함하는 개질기.
  7. 제 6 항에 있어서, 일정 기압이 유지된 개질기 작업을 허용하기 위한 원통형 배치의 밀폐 엔클로저를 더 포함하는 개질기.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 도전성 판은 상기 도전성 판의 평면에, 등온 조건을 제공하기 위한 수단을 포함하는 개질기.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 개질 구조는 상기 구조에 상기 반응물을 도입하기 위한 적어도 하나의 축선 반응물 분기관을 포함하며, 상기 도전성 판은 상기 판위에 일체식으로 형성된 유입 반응물을 예열시키기 위한 상기 축선 반응물 분기관을 연장시키는 연장 수단을 포함하는 개질기.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 도전성 판 및 상기 촉매판은 상기 반응물이 상기 판의 표면 위로 흐르도록 하기 위한 통로 수단을 갖는 평면을 포함하며, 선택적으로 상기 통로 수단은 상기 개질 구조의 축을 따라 반응물의 균일한 흐름을 제공하기 위해 균일한 압력 강하를 유지하고 있으며, 상기 통로 수단을 통한 상기 반응물 흐름 압력 강하는 상기 축선 분기관 내의 상기 반응물 흐름 압력 강하보다 더 큰 개질기.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 촉매 판 및 상기 열 도전성 판은 다공성 촉매 재료로 형성되며, 상기 다공성 재료는 유입 반응물이 상기 판의 적어도 일부분을 통해 흐르도록 하는 통로 수단을 형성하는 개질기.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 도전성 판은 실리콘 카바이드와 같은 비금속, 또는 합성재, 또는 알루미늄, 구리, 철, 스틸 합금, 니켈, 니켈 합금, 크롭, 크롬 합금, 백금, 및 백금 합금등의 금속으로 구성되며, 상기 촉매 판은 촉매 재료 피복물, 백금,니켈, 니켈 산화물, 크롬 또는 크롬 산화물을 갖는 세라믹 지지 판으로 구성되는 개질기.
  13. 제 1항에 있어서, 상기 촉매 재료는 백금, 팔라듐, 니켈, 니켈 산화물, 철, 철 산화물, 크롬, 크롬 산화물, 코발트, 코발트 산화물, 구리, 구리 산화물, 아연, 아연 산화물, 몰리브데늄, 몰리브데늄 산화물, 및 다른 적합한 전이 금속 및 그 산화물로 구성되는 군으로부터 선택되는 개질기.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 반응물은 탄화수소 종, O2, H2O, CO2, 알칸, 수산기, 카르복실기와 결합된 탄화수소, 카르보닐기와 결합된 탄화수소, 올레핀 탄화수소, 에테르와 결합된 탄화수소, 에스테르와 결합된 탄화수소, 아민과 결합된 탄화수소, 방향성 유도체와 결합된 탄화수소, 또는 다른 유기성 유도체와 결합된 탄화수소를 포함하는 개질기.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 개질기를 벗어난 상기 반응 종에 외부 연료 전지를 결합시키기 위한 수단을 더 포함하는 개질기.
  16. 제 14항에 있어서, 상기 탄화수소 연료 및 H2O 및 CO2중 적어도 하나는 H2, CO, H2O, 및 CO2를 발생시키기 위해 흡열 촉매 개질을 겪으며, 흡열 개질에 필요한 에너지 요구량은 외부 연료 전지에 의해 발생된 에너지에 의해 공급되며, 상기 에너지는 평면 열 도전을 통한 도전 판에 의해 연료 전지로부터 전달되는 개질기.
  17. 제 16항에 있어서, 상기 탄화수소 연료 및 O2는 H2, CO, H2O, 및 CO2 를 발생시키기 위해 흡열 촉매 개질을 수행하며, 발열 연소 및 외부 연료 전지의 흡열 반응중 적어도 하나는 상기 도전성 판의 평면 열 도전을 통해 흡열 개질용 에너지 요구량을 보충하며, 상기 CO, H2O 는 CO2 및 H2를 형성하기 위해 촉매 변이 반응을 겪는 개질기.
  18. 제 1항에 있어서, 상기 개질 구조는 원통 형상이며, 상기 촉매판 및 상기 도전성 판중의 적어도 하나는 2.54 cm(1 inch) 내지 50.4 cm(20 inch)의 직경과, 0.005 cm(0.002 inch) 내지 0.51cm(0.2 inch)의 두께를 갖는 개질기.
  19. 작동 중에 반응물을 반응 종으로 개질시키기 위한 개질기에 있어서,
    개질 공정을 증진시키기 위해 판의 두께 전체에 걸쳐 하나 이상의 촉매 재료가 산재되어 있는 복합 열 도전성 재료로 형성되는 복수의 다공성 판을 포함하며,
    상기 판은 개질 구조물을 형성하도록 서로 적층되며, 상기 판은 상기 개질 공정을 지속하도록 상기 판의 평면에 열 에너지를 도전 전달하는 개질기.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 개질 구조는 상기 구조에 상기 반응물을 도입시키기 위한 적어도 하나의 축선 분기관, 및 상기 반응 종이 상기 개질 구조로부터 벗어나도록 하는 적어도 하나의 분기관을 포함하며, 선택적으로 상기 개질 구조의 주변부로부터 상기 반응종을 배출시키기 위한 주변부 배출 수단을 포함하는 개질기.
  21. 제 19항에 있어서,
    주변부 축선 분기관을 형성하기 위해 상기 적층된 개질 구조 주위에 위치되고, 외부 환경과 열을 교환하거나 또는 복사, 전도, 및 대류중의 하나에 의해 상기 개질 구조와 열을 교환하도록 배치된 열 도전성 밀폐 하우징, 및 선택적으로
    상기 밀폐 하우징에 의해 포획된 상기 반응종이 상기 주변부 축선 분기관에 도입하도록 하는 수단을 더 포함하며,
    상기 밀폐 하우징은 일정 압력이 유지된 개질기 작업을 허용하는 개질기.
  22. 제 19항에 있어서, 상기 개질 구조는 상기 개질 구조를 통해 등온 조건을 제공하기 위한 수단을 포함하는 개질기.
  23. 제 19항에 있어서, 상기 개질 구조는 반응물을 상기 구조에 도입시키기 위한 적어도 하나의 축선 반응물 분기관을 포함하며, 상기 개질 구조는 상기 구조내에 일체식으로 형성되고 상기 반응물을 예열시키기 위해 상기 축선 반응물 분기관으로 연장하는 개질기.
  24. 제 19항에 있어서,
    상기 개질 구조 내에 형성된 축선 분기관, 및
    반응물이 상기 개질 구조의 평면내에 흐르도록 하는 통로 수단을 더 포함하며,
    선택적으로, 상기 통로 수단은 상기 개질 구조의 축을 따라 반응물의 균일한 흐름을 제공하기 위해 균일한 압력 강하를 유지하고 있으며, 상기 통로 수단을 통한 상기 반응물 흐름 압력 강하는 상기 축선 분기관 내의 상기 반응물 흐름 압력 강하보다 더 큰 개질기.
  25. 제 19 항에 있어서, 상기 촉매 재료는 실리콘 카바이드와 같은 비금속, 또는 합성재, 또는 알루미늄, 구리, 철, 스틸 합금, 니켈, 니켈 합금, 크롭, 크롬 합금, 백금, 및 백금 합금등의 금속으로 구성되며, 상기 촉매 재료는 백금, 팔라듐, 니켈, 니켈 산화물, 철, 철 산화물, 크롬, 크롬 산화물, 코발트, 코발트 산화물, 구리, 구리 산화물, 아연, 아연 산화물, 몰리브데늄, 몰리브데늄 산화물, 및 다른 적합한 전이 금속 및 그 산화물인 개질기.
  26. 제 19 항에 있어서, 상기 반응물은 탄화수소 종, O2, H2O, CO2, 탄화수소 연료를 포함하며, 상기 H2O, CO2는 H2, CO, H2O, 및 CO2 를 발생시키기 위해 촉매 개질을 겪으며, 외부 연료 전지의 발열 반응은 열 도전성 재료를 통해 개질 구조물의 흡열 개질 반응에 필요한 에너지 요구량을 보충하며,
    상기 반응물은 H2, CO, H2O, 및 CO2를 발생시키기 위해 촉매 연소 및 개질을 겪은 탄화수소 연료 및 O2를 포함하며, 발열 연소 및 외부 연료 전지의 발열 반응중 적어도 하나는 열 도전성 재료를 통해 상기 개질 구조의 흡열 개질 반응에 필요한 에너지 요구량을 보충하는 개질기.
  27. 제 19항에 있어서, 상기 개질기를 벗어난 상기 반응종과 외부 연료 전지와 결합시키기 위한 수단을 더 포함하는 개질기.
  28. 판형 개질기로 반응물을 반응종으로 개질시키기 위한 방법에 있어서,
    개질을 증진시키기 위해 연관된 하나 이상의 촉매 재료를 갖는 다수의 촉매판을 제공하는 단계와,
    열 도전성 재료로 형성된 다수의 도전성 판을 제공하는 단계와,
    판형 개질 구조를 형성하기 위해 상기 촉매판 및 상기 도전성 판을 적층시키는 단계와, 그리고
    상기 개질 가공을 유지시킥 위해 상기 도전성 판의 표면을 가로지른 평면이 열 에너지를 도전 전달하는 단계를 포함하는 방법.
  29. 제 28항에 있어서, 외부 환경과 열 에너지를 전달하기 위한 상기 개질 구조의 주변부 표면의 부분을 노출시키는 단계를 더 포함하는 방법.
  30. 제 28항에 있어서,
    상기 구조에 반응물을 도입시키기 위한 상기 개질 구조 내에 다수의 축선 반응물 분기관을 형성하는 단계와, 그리고
    상기 개질 구조의 상기 주변부로부터 반응종을 배출시키는 단계를 더 포함하는 방법.
  31. 제 28항에 있어서,
    일정 압력이 유지된 개질기 작업을 허용하기 위해 선택적으로 주변부 축선 분기관을 형성하기 위해 상기 개질 구조 주위에 열 도전성 밀폐 하우징을 위치시키는 단계와, 그리고
    상기 밀폐 하우징에 의해 포획된 상기 반응종이 상기 주변부 축선 분기관에 유입되도록 허용하는 단계를 더 포함하는 방법.
  32. 제 28항에 있어서, 상기 도전성 판의 평면, 선택적으로 상기 개질 구조의 기다란 축을 따라 축선으로 등온 조건을 형성하는 단계를 더 포함하는 방법.
  33. 제 28항에 있어서,
    반응물을 도입시키기 위해 적어도 하나의 축선 반응물 분기관을 형성하는 단계와, 그리고
    상기 도전성 판의 외부 단부 및 내부 단부의 하나에 일체식으로 형성된 립 구조를 제공하는 단계를 더 포함하는 방법.
  34. 제 28항에 있어서,
    상기 개질 구조 내에 축선 분기관을 형성하는 단계와,
    상기 도전성 판과 상기 촉매 판 사이에 통로를 형성하는 단계와, 그리고
    상기 축선 분기관 내의 반응물 흐름 압력 강하보다 더 큰 상기 도전성 판과 상기 촉매 판 사이의 통로를 통해 반응물 압력 흐름 강하를 발생시키는 단계를 더 포함하는 방법.
  35. 제 28항에 있어서, 상기 열 도전성 판 및 다공성 도전성 재료의 촉매 판중 하나를 형성하는 단계를 더 포함하며,
    상기 다공성 재료는 유입 반응물이 상기 판을 통해 통과하고록 하는 통로를 형성하는 방법.
  36. 제 28항에 있어서,
    상기 개질 구조를 외부 연료 전지에 결합시키는 단계와, 그리고
    상기 연료 전지에 의해 발생된 열 에너지를 평면 열 도전을 통해 상기 도전성 판에 전달하는 단계를 더 포함하는 방법.
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