(57)【要約】【課題】モノリスのハニカム構造からなる二重流路構造の新規なハニカム触媒を好適に用いたハニカム触媒装置を得ること。【解決手段】ハニカム触媒２は外側隔壁１１と内側隔壁１２とにより二重筒構造をなし、ハニカム構造の外側触媒１３と内側触媒１４を含む。内側隔壁１２の上端部は外側隔壁１１の端から突出した袖部１２ａをなす。第二の端２ｂでは各隔壁１１，１２及び各触媒１３，１４の端が互いに面一をなす。外筒４にはハニカム触媒２が収容され、第二の端２ｂと底板４ｃとの間に空間１５が設けられる。外筒４と外側隔壁１１との間にシール材１６が介在する。内筒５は、一部が外筒４に収容され、一端部が袖部１２ａに嵌め付けられる。内筒５と袖部１２ａとの間にシール材１７が介在する。内筒５に導入されるガスは内側触媒１４を通り、空間１５で折り返されて外側触媒１３を通り外筒４から導出される。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外側隔壁と内側隔壁とにより二重筒構造をなし、少なくとも前記外側隔壁と前記内側隔壁との間がハニカム構造をなし、第一の端と第二の端とを含み、前記第一の端は、前記内側隔壁の端部が前記外側隔壁の端から突出した袖部をなすことを特徴とするハニカム触媒。
【請求項２】
前記第二の端は、前記外側隔壁、前記内側隔壁及び前記ハニカム構造の端が互いに面一をなすことを特徴とする請求項１に記載のハニカム触媒。
【請求項３】
金属製又はセラミック製であることを特徴とする請求項１又は２に記載のハニカム触媒。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れかに記載のハニカム触媒を使用したハニカム触媒装置であって、
有底の外筒と、
無底の内筒と、
前記外筒には、前記ハニカム触媒が収容され、前記ハニカム触媒の前記第二の端と前記外筒の底との間に所定の空間が設けられることと、
前記外筒と前記外側隔壁との間に介在するシール材と、
前記内筒は、前記第一の端に対応して配置され、その一部が前記外筒に収容されると共に、前記袖部に一端が嵌め付けられることと、
前記内筒と前記袖部との間に介在するシール材と
を備え、前記内筒に導入されるガスが前記内側隔壁の中を通り前記空間に導出され、その空間で折り返されて前記内側隔壁と前記外側隔壁との間を通り前記外筒から外部へ導出されるように構成したことを特徴とするハニカム触媒装置。
【請求項５】
前記内筒が前記袖部に嵌め付けられた状態で、前記内筒の一端と前記ハニカム触媒との間に所定の隙間が設けられることを特徴とする請求項４に記載のハニカム触媒装置。
【請求項６】
改質用原料を燃料ガスに改質する改質触媒部及び前記燃料ガス中の一酸化炭素を低減するシフト触媒部を備えた改質器において、
前記改質触媒部及び前記シフト触媒部の少なくとも一方として請求項４又は５に記載のハニカム触媒装置を使用したことを特徴とする改質器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池に燃料ガスを供給する改質器に使用されるハニカム触媒及びハニカム触媒装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ハニカム触媒は内燃機関の排気ガス浄化用触媒コンバータに使われており、下記の特許文献１及び２には、その一例が開示されている。この排気浄化用触媒コンバータは、ハニカム構造の触媒担持体（ハニカム触媒）と、その触媒担持体の外周を覆う金属シェルと、触媒担持体と金属シェルとの間に設けられる無機質繊維マットからなる保持シール材とを備える。このコンバータは、触媒担持体の外周に保持シール材を巻回し、その外側を金属シェルで覆いながら締め付けている。
【０００３】
また、特許文献３には、燃料電池に燃料ガスを供給する改質器に使用されるものであって、円筒状の中心側空間部と環状の外周側空間部とからなる二重筒構造からなり、それら空間部にＣＯ変成触媒が充填されており、燃料改質部から供給された改質ガスをシフト変成するようにした変成部構造が記載されている。この変成部構造では、中心側空間部のＣＯ変成触媒（中心側変成触媒）と、外周側空間部のＣＯ変成触媒（外周側変成触媒）とが互いに区画され、その中心側変成触媒の一端側から導入される改質ガスをその他端側から導出し、同他端側にて外周側変成触媒に導入し、その外周側変成触媒の一端側（改質ガスを導入する側と同じ端側）から導出するようになっている。つまり、外周側変成触媒と中心側変成触媒とからなる二重の流路構造を備え、中心側変成触媒の入口から導入されるガスをその出口で折り返して外周側変成触媒の入口に導入し、外周側変成触媒の出口から導出するようになっている。
【特許文献１】特開２００１−２４８４３０号公報
【特許文献２】特開２０００−００８８４５号公報
【特許文献３】特開２００２−２７４８１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、特許文献３に記載の二重流路構造を、ハニカム構造からなる触媒を使用して構成することも考えられるが、このような構造のハニカム触媒及びそのハニカム触媒を用いたハニカム触媒装置は、これまで具体化されたものがなかった。
【０００５】
この発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その第１の目的は、ハニカム構造からなる二重流路構造の新規なハニカム触媒を提供することになる。また、この発明の第２の目的は、その二重流路構造の新規なハニカム触媒を好適に用いたハニカム触媒装置を提供することにある。ここで、ハニカム触媒とは、ハニカム構造の担体に触媒を担持するか、触媒でハニカム構造を形成したものをいう。ハニカム触媒装置は、ハニカム触媒を内蔵した装置のことをいう。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記第１の目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、外側隔壁と内側隔壁とにより二重筒構造をなし、少なくとも外側隔壁と内側隔壁との間がハニカム構造をなし、第一の端と第二の端とを含み、第一の端は、内側隔壁の端部が外側隔壁の端から突出した袖部をなすことを趣旨とする。
【０００７】
上記発明の構成によれば、二重筒構造をなし、第一の端に袖部を有する一体に構成された新規なハニカム触媒が得られる。ハニカム触媒が一体に構成されていることから、取り扱いが容易となる。一体に構成されたハニカム触媒は、セラミックのモノリス構造のように押し出し成形で形成されたものや、波形金属を巻いて溶接等で一体化したものなどがある。
【０００８】
上記第１の目的を達成するために、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、第二の端は、外側隔壁、内側隔壁及びハニカム構造の端が互いに面一をなすことを趣旨とする。
【０００９】
上記第１の目的を達成するために、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明のハニカム触媒が、金属製又はセラミック製であることを趣旨とする。
【００１０】
上記第２の目的を達成するために、請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３の何れかに記載のハニカム触媒を使用したハニカム触媒装置であって、有底の外筒と、無底の内筒と、外筒には、ハニカム触媒が収容され、ハニカム触媒の第二の端と外筒の底との間に所定の空間が設けられることと、外筒と外側隔壁との間に介在するシール材と、内筒は、第一の端に対応して配置され、その一部が外筒に収容されると共に、袖部に一端が嵌め付けられることと、内筒と袖部との間に介在するシール材とを備え、内筒に導入されるガスが内側隔壁の中を通り空間に導出され、その空間で折り返されて内側隔壁と外側隔壁との間を通り外筒から外部へ導出されるように構成したことを趣旨とする。
【００１１】
上記発明の構成によれば、請求項１乃至３の何れかに記載の発明の作用に加え、ハニカム触媒を使用したハニカム触媒装置は一般に大型化しがちであるが、この発明のハニカム触媒装置は、内筒に導入されるガスが内側隔壁の中を通り空間に導出され、その空間で折り返されて内側隔壁と外側隔壁との間を通り外筒から外部へ導出されるという折り返し流路構造を構成することから、流路長に比べて装置の全長が短くなる。
【００１２】
上記第２の目的を達成するために、請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、内筒が袖部に嵌め付けられた状態で、内筒の一端とハニカム触媒との間に所定の隙間が設けられることを趣旨とする。
【００１３】
上記発明の構成によれば、請求項４に記載の発明の作用に加え、内筒が熱膨張して延びても、隙間がある分だけ、内筒の一端がハニカム触媒に突き当たることがない。
【００１４】
また、請求項６に記載の発明は、改質用原料を燃料ガスに改質する改質触媒部及び燃料ガス中の一酸化炭素を低減するシフト触媒部を備えた改質器において、改質触媒部及びシフト触媒部の少なくとも一方として請求項４又は５に記載のハニカム触媒装置を使用したことを趣旨とする。
【００１５】
上記発明の構成によれば、請求項４又は５に記載のハニカム触媒装置の作用が得られることから、改質器において、改質触媒部及びシフト触媒部の少なくとも一方が占める体積が小さくなる。また、改質器において、改質触媒部及びシフト触媒部の少なくとも一方の全体が早く適温になる。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１乃至３の何れかに記載の発明によれば、ハニカム構造からなる二重流路構造の新規なハニカム触媒を得ることができる。
【００１７】
請求項４に記載の発明によれば、二重流路構造の新規なハニカム触媒を好適に用いたハニカム触媒装置を得ることができる。
【００１８】
請求項５に記載の発明によれば、請求項４に記載の発明の効果に加え、内筒が突き当たることに起因するハニカム触媒の損傷や内筒の歪みを未然に防止することができる。
【００１９】
請求項６に記載の発明によれば、改質器を小型化することができ、改質器の起動時間を短縮することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
［第１実施形態］
以下、本発明におけるハニカム触媒及びハニカム触媒装置を具体化した第１実施形態につき図面を参照して詳細に説明する。
【００２１】
図１に、この実施形態のハニカム触媒装置１を斜視図により示す。図２に、この実施形態のハニカム触媒２を斜視図により示す。図３に、ハニカム触媒装置１を断面図により示す。図４に、図３の鎖線円Ｓ１の部分を拡大して示す。
【００２２】
このハニカム触媒装置１は、燃料電池システムにおいて、燃料電池に燃料ガスを供給する改質器で使用されるもので、特に天然ガス等の炭化水素系燃料、メタノール等のアルコール燃料などの改質用原料から水素を含有する燃料ガスに改質する改質触媒部、その改質触媒部から導出される燃料ガスに含まれる一酸化炭素を水蒸気と反応させて二酸化炭素と水素に変成し一酸化炭素を低減するシフト触媒部で使用されるものである。このハニカム触媒装置１は、略円筒状をなす金属製のケーシング３と、そのケーシング３の中に収容されたハニカム触媒２とを備える。ケーシング３は、有底の外筒４と、無底の内筒５とを備える。内筒５は、外筒４の上板４ａの中央に配置される。内筒５は、その下端部が外筒４の中に収容され、上端部が上板４ａから上方へ突出され、開口している。外筒４は、その上端部外周に、横方向へ突出する出口管４ｂを備える。外筒４の下端は底板４ｃで塞がれている。
【００２３】
ハニカム触媒２は、セラミックによりモノリスで構成され、外側隔壁１１と内側隔壁１２とにより二重筒構造をなしている。外側隔壁１１と内側隔壁１２との間は、ハニカム構造をなす外側触媒１３となっている。内側隔壁１２の中は、ハニカム構造をなす内側触媒１４となっている。ここで、ハニカム触媒２は、上下二つの端を含み、上側の端を第一の端２ａとし、下側を端を第二の端２ｂとする。このハニカム触媒２の第一の端２ａは、内側隔壁１２の上端部が外側隔壁１１の上端よりも上方へ突出した袖部１２ａをなしている。また、ハニカム触媒２の第二の端２ｂは、外側隔壁１１、内側隔壁１２、並びに、ハニカム構造をなす外側触媒１３及び内側触媒１４が互いに面一をなすように形成される。
【００２４】
上記のようなハニカム触媒２が、ケーシング３の中に組み付けられて収容されることにより、上記したハニカム触媒装置１が構成される。すなわち、図３に示すように、外筒４には、ハニカム触媒２が第二の端２ｂを外筒４の底側へ向けて収容されると共に、その第二の端２ｂと底板４ｃとの間に所定の空間１５が設けられる。そして、外筒４と外側隔壁１１との間には、本発明のシール材としてのセラミックシート１６が介在する。つまり、外側隔壁１１の外周にセラミックシート１６を巻き付けた状態で、ハニカム触媒２が外筒１１に取り付けられている。また、内筒５は、ハニカム触媒２の第一の端２ａに対応して配置され、その一部が外筒４の中に収容されると共に、内側隔壁１２の袖部１２ａに内筒５の下端部が嵌め付けられている。そして、内筒５と袖部１２ａとの間には、本発明のシール材としてのセラミックシート１７が介在する。つまり、袖部１２ｂの外周にセラミックシート１７を巻き付けた状態で、内筒５が袖部１２ｂに嵌め付けられている。上記したセラミックシート１６，１７は、セラミックファイバをシート状に固めたものである。
【００２５】
ここで、図４に示すように、内筒５が袖部１２ａに嵌め付けられた状態で、内筒５の下端５ａとハニカム触媒２との間には、所定の隙間１８が設けられる。この実施形態では、スリーブ１２ａの基部外周に溝が形成されることにより、内筒５の下端５ａとの間に隙間１８を確保するようにしているが、溝は必ずしも形成されなくてもよい。
【００２６】
このようにハニカム触媒２がケーシング３に組み付けられた状態で、図３に矢印で示すように、内筒５の上端から導入されるガスは、内側隔壁１２の中、すなわち内側触媒１４の中を通り空間１５に導出され、その空間１５で折り返されて内側隔壁１２と外側隔壁１１との間、すなわち外側触媒１１の中を通り外筒４の出口管４ｂから外部へ導出されるようになっている。
【００２７】
以上説明したこの実施形態のハニカム触媒２によれば、二重筒構造をなし、第一の端２ａに袖部１２ａを有するモノリスの新規なハニカム触媒が得られる。すなわち、モノリスのハニカム構造からなり、外側触媒１３と内側触媒１４とからなる二重流路構造を備えた新規なハニカム触媒２を得ることができる。
【００２８】
また、一般に、ハニカム触媒を使用したハニカム触媒装置は大型化しがちであるが、この実施形態のハニカム触媒装置１は、内筒５に導入されるガスが内側触媒１４の中を通り空間１５に導出され、その空間１５で折り返されて外側触媒１３の中を通り外筒４の出口管４ｂから外部へ導出されるという折り返し流路構造を構成する。このため、ハニカム触媒装置１は、ハニカム触媒２の流路長に比べて装置１の全長が短くなる。このため、ハニカム触媒装置１の全体を比較的コンパクトなものにすることができる。このように、二重流路構造の新規なハニカム触媒２を好適に用いたハニカム触媒装置１を得ることができる。ここで、内筒５は、内側隔壁１２の袖部１２ａに嵌め付けられ、両者５，１２ａの間にセラミックシート１７が介在するので、両者５，１２ａの間のガスの漏れを容易かつ確実に防止することができる。
【００２９】
更に、この実施形態では、図４に示すように、内筒５の下端５ａとハニカム触媒２との間に所定の隙間１８が設けられるので、内筒５が熱膨張して延びても、隙間１８がある分だけ、内筒５の下端５ａがハニカム触媒２に突き当たることがない。このため、内筒５が突き当たることに起因するハニカム触媒２の損傷や内筒５の歪みを未然に防止することができる。
【００３０】
［第２実施形態］
次に、上記したハニカム触媒装置を使用した改質器につき図面を参照して詳細に説明する。
【００３１】
図６に、この実施形態の改質器２１を含む燃料電池システムの模式図を示す。燃料電池システムは、燃料ガス（改質ガス）と酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池スタック２２と、その燃料電池スタック２２に関わる構成機器としての改質器２１及びその他の機器（図示略）を備える。燃料電池スタック２２は、カソード２２ａ、電解質２２ｂ及びアノード２２ｃを積層してなり、そのカソード２２ａ側には空気流路２２ｄが形成され、アノード２２ｃ側には改質ガス流路２２ｅが形成される。この燃料電池スタック１には、改質器２から燃料ガス（改質ガス）が供給される。供給される改質ガスは、改質ガス流路２２ｅを流れる。燃料電池スタック１には、酸化剤ガスとして空気が供給される。供給される空気は、空気流路２２ｄを流れる。
【００３２】
改質器２１は、天然ガスなどの改質用原料を水素リッチな改質ガスに改質するものであり、改質触媒部２１ａ、シフト触媒部２１ｂ、ＣＯ選択酸化部２１ｃ及び燃焼部２１ｄを備える。改質触媒部２１ａは、改質用原料を燃料ガス（改質ガス）に改質する部分である。シフト触媒部２１ｂは、燃料ガス（改質ガス）中の一酸化炭素を低減するものである。ＣＯ選択酸化部２１ｃは、燃料ガス（改質ガス）中から更に一酸化炭素を取り除くものである。燃焼部２１ｄは、改質触媒部２１ａを加熱するものである。改質触媒部２１ａには、改質用原料（天然ガス）と水蒸気が供給される。この水蒸気として、例えば、水を燃焼部２１ｄの熱などで蒸発させたものが使用される。燃焼部２１ｄには、空気と燃焼用燃料（天然ガス）が供給される。また、燃焼部２１ｄには、燃料電池スタック２２を流れ出た改質ガスのオフガスが供給されるようになっている。この実施形態では、改質触媒部２１ａ及びシステムと触媒部２１ｂとして、第１実施形態で説明したハニカム触媒装置１が使用される。改質器２１から燃料電池スタック２２に改質ガスを供給する改質ガスライン２３には、第１三方弁２４が設けられる。また、燃料電池スタック２２から改質器２１へオフガスを送るオフガスライン２５には、第２三方弁２６が設けられる。これら二つの三方弁２４，２５がバイパスライン２７を介して接続される。ここで、燃料電池システムの起動時などに改質ガス中のＣＯ濃度が高いときは、二つの三方弁２４，２６が流路切り換えされることで、燃料電池スタック２２へ供給される改質ガスをバイパスライン２７を通じてオフガスライン２５へバイパスさせて燃焼部２１ｄへ送るようになっている。この改質ガスをバイパスさせる時間は、改質触媒部２１ａ及びシフト触媒部２１ｂが起動を完了させるまでの時間（起動時間）の影響を受けることになる。一方、定常時には、二つの三方弁２４，２６が流路切り換えされることで、改質ガスライン２３を通じて燃料電池スタック２２へ改質ガスを供給すると共に、オフガスライン２５を通じて燃焼部２１ｄへオフガスを送るようになっている。
【００３３】
従って、この実施形態の燃料電池システムによれば、改質器２１の改質触媒部２１ａ及びシフト触媒部２ｂに、第１実施形態で説明したハニカム触媒装置１が使用されるので、改質触媒部２１ａ及びシフト触媒部２１ｂが改質器２１に占める体積が小さくなる。このため、改質器２１を小型化することができる。また、ハニカム触媒装置１のハニカム触媒２は、二重流路構造でかつ一体に構成されるので、そのガス入口側の熱がガス出口側へ素早く伝達されることとなる。このため、ハニカム触媒装置１を使用した改質触媒部２１ａ及びシフト触媒部２１ｂの全体が早く暖機されて適温になる。このため、改質触媒部２１ａ及びシフト触媒部２１ｂの起動時間を短縮することができ、これによって改質器２１の起動時間を短縮することができる。この結果、この改質器２１を使用したこの実施形態の燃料電池システムにつき、その起動時間を短縮することができる。
【００３４】
尚、この発明は前記各実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱することのない範囲で以下のように実施することもできる。
【００３５】
（１）前記第１実施形態では、図３に示すように、内側隔壁１２の中にも内側触媒１４を設けたが、図４に示すように、内側隔壁１２の中を空洞として構成してもよい。この場合は、前記実施形態に比べ、内筒５と外筒４との間の伝熱性を抑制することができる。
【００３６】
（２）前記第１実施形態では、ハニカム触媒２をセラミックにより構成したが、ハニカム触媒を金属ハニカムにより構成することもできる。
【００３７】
（３）前記第２実施形態では、改質触媒部２１ａ及びシフト触媒部２１ｂの両方に第１実施形態のハニカム触媒装置１を使用したが、改質触媒部及びシフト触媒部の何れか一方に第１実施形態のハニカム触媒装置１を使用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】ハニカム触媒装置を示す斜視図。
【図２】ハニカム触媒を示す斜視図。
【図３】ハニカム触媒装置を示す断面図。
【図４】図３の鎖線円部分を拡大して示す断面図。
【図５】ハニカム触媒装置を示す断面図。
【図６】燃料電池システムを示す模式図。
【符号の説明】
【００３９】
１    ハニカム触媒装置
２    ハニカム触媒
２ａ    第一の端
２ｂ    第二の端
４    外筒
４ｃ    底板
５    内筒
５ａ    下端
１１    外側隔壁
１２    内側隔壁
１２ａ    袖部
１３    外側触媒
１４    内側触媒
１５    空間
１６    セラミックシート（シール材）
１７    セラミックシート（シール材）
１８    隙間
２１    改質器
２１ａ    改質触媒部
２１ｂ    シフト触媒部
【図１】
2006263634.tif 000003
【図２】
2006263634.tif 000004
【図３】
2006263634.tif 000005
【図４】
2006263634.tif 000006
【図５】
2006263634.tif 000007
【図６】
2006263634.tif 000008