(57)【要約】【課題】簡易な構成にて触媒反応で発生する反応熱を速やかに伝達させられる触媒反応装置を提供すること。【解決手段】複数のプレートユニット１０，１０，・・・が積層されて形成され、プレートユニット１０の内外で熱交換が行われる触媒反応装置１であって、プレートユニット１０，１０，・・・は、板面が互いに重ね合わされることにより、内部に第１流体を流通可能な第１空間Ｐを形成する一対の伝熱プレート１１，１１と、第１空間Ｐ側の面に配置（担持）される第１触媒層１２と、を備え、複数のプレートユニット１０を積層することにより、隣接するプレートユニット１０，１０の間に第２流体を流通可能な第２空間Ｑが形成される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のプレートユニットが積層されて形成され、プレートユニットの内外で熱交換が行われる触媒反応装置であって、
前記プレートユニットは、
板面が互いに重ね合わされることにより、内部に第１流体を流通可能な第１空間を形成する一対の伝熱プレートと、
前記第１空間側の面に配置される第１触媒層と、を備え、
複数の前記プレートユニットを積層することにより、隣接する前記プレートユニットの間に第２流体を流通可能な第２空間が形成される触媒反応装置。
【請求項２】
前記プレートユニットは、
前記第２空間側の面に配置される第２触媒層を備え、
前記第１触媒層を形成する触媒は、発熱反応を促進する物質からなり、前記第２触媒層を形成する触媒は、吸熱反応を促進する物質からなる請求項１に記載の触媒反応装置。
【請求項３】
前記伝熱プレートの周縁は、レーザ溶接により接合される請求項１又は２に記載の触媒反応装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、触媒反応装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、触媒反応装置において触媒反応を行わせ、触媒反応装置の後段に設けられる熱交換器を用いて反応熱を回収することで熱を有効利用することが行われている。
【０００３】
これに対し、ハニカム状構造物に触媒を担持させた担体と、この担体を挟むように配置された熱交換手段と、を備える触媒反応装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１で提案されている触媒反応装置は、燃料電池用燃料ガス中の一酸化炭素濃度を低減すべく、一酸化炭素酸化触媒を担持したハニカム状構造の担体と、この担体を挟むように配置され、担体を冷却する熱交換手段を備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２３６７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このような触媒反応装置によれば、一酸化炭素が二酸化炭素に酸化される発熱反応により加熱された担体を、熱交換手段を流通する冷媒によって冷却できるので、一酸化炭素を酸化する発熱反応の効率を上げることができる。
しかしながら、担体をハニカム状構造物により構成する触媒反応装置は、装置（担体）の構造が複雑となる。
【０００６】
従って、本発明は、簡易な構成にて触媒反応で発生する反応熱を速やかに伝達させられる触媒反応装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、複数のプレートユニットが積層されて形成され、プレートユニットの内外で熱交換が行われる触媒反応装置であって、前記プレートユニットは、板面が互いに重ね合わされることにより、内部に第１流体を流通可能な第１空間を形成する一対の伝熱プレートと、前記第１空間側の面に配置される第１触媒層と、を備え、複数の前記プレートユニットを積層することにより、隣接する前記プレートユニットの間に第２流体を流通可能な第２空間が形成される触媒反応装置に関する。
【０００８】
また、前記プレートユニットは、前記第２空間側の面に配置（担持）される第２触媒層を備え、前記第１触媒層を形成する触媒は、発熱反応を促進する物質からなり、前記第２触媒層を形成する触媒は、吸熱反応を促進する物質からなることが好ましい。
【０００９】
また、前記伝熱プレートの周縁は、レーザ溶接により接合されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、簡易な構成にて触媒反応で発生する反応熱を速やかに伝達させられる触媒反応装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１実施形態に係る触媒反応装置を示す平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ断面を模式的に示した図である。
【図３】第１実施形態の触媒反応装置を流れる流体の流れを示すイメージ図である。
【図４】第１実施形態の触媒反応装置に触媒を担持させる際のフローチャートである。
【図５】第２実施形態の触媒反応装置を示す図であり、図２に対応する図である。
【図６】第２実施形態の触媒反応装置を流れる流体の流れを示すイメージ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明に係る触媒反応装置の各実施形態について図１〜図６を参照して説明する。
各実施形態に係る触媒反応装置１，１Ａは、内部に流通する流体（以下、第１流体という）が触媒に接触することで発生する触媒反応により、目的の生成物を得ることができる装置である。この触媒反応装置１，１Ａには、第１流体と温度が異なる流体（以下、第２流体という）が、第１流体の流路とは異なる流路で内部に流通される。そして、第１流体及び第２流体の流路が隣接して配置されることにより、第１流体及び第２流体の間で熱交換を行うことができるようになっている。
【００１３】
〔第１実施形態〕
まず、本発明の第１実施形態に係る触媒反応装置１を図１〜図４を用いて説明する。
本実施形態に係る触媒反応装置１は、図１及び図２に示すように、複数のプレートユニット１０，１０，・・・が積層されることにより形成される。
【００１４】
複数のプレートユニット１０，１０，・・・のそれぞれは、図２に示すように、板面が互いに重ね合わされた一対の伝熱プレート１１，１１と、該一対の伝熱プレート１１，１１に配置（担持）される第１触媒層１２と、を備える。
一対の伝熱プレート１１，１１のそれぞれは、アルミニウムを含有するＳＵＳ（ステンレス鋼）等の熱伝達に好適な材料によって形成される。このような伝熱プレート１１，１１のそれぞれは、矩形に形成されると共に、板面の中央部分（周縁を除く部分）が所定の形状を有するようにプレス加工されて形成される。本実施形態では、図２に示すように、一対の伝熱プレート１１，１１のそれぞれは、板面の中央部分が波状にプレス加工されて形成される。また、図１に示すように、一対の伝熱プレート１１，１１のそれぞれの４隅近傍には、板面を貫通する貫通孔１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄが形成される。
【００１５】
以上の一対の伝熱プレート１１，１１は、例えば、図１に示すように、板面に形成された波状の形状における波の延びる方向が交差するように重ね合わせられる。これにより、内部（一対の伝熱プレート１１，１１のそれぞれの間）に第１空間Ｐが形成される。また、貫通孔１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄは、それぞれ位置合わせされて重ね合わされる。このうち２つの貫通孔１３Ａ，１３Ｂは、第１空間Ｐに連通する。このような一対の伝熱プレート１１，１１は、周縁がレーザ溶接により接合される。なお、伝熱プレート周縁の溶接継手形状としては、周縁に形成されたフランジ部に対して、へり継手、重ね継手、フレア継手などを採用することができる。
【００１６】
第１触媒層１２は、一対の伝熱プレート１１，１１の第１空間Ｐ側の面に配置（担持）される。第１触媒層１２は、第１空間Ｐを閉塞しない程度の厚さで担持される。本実施形態において、第１触媒層１２は、発熱反応を促進する触媒物質により形成される。
【００１７】
そして、以上のプレートユニット１０は、他のプレートユニット１０の伝熱プレート１１の板面に形成された波状の形状における波の延びる方向と、自身のプレートユニット１０の伝熱プレート１１の板面に形成された波状の形状における波の延びる方向とが交差するように積層される（図１参照）。これにより、図２に示すように、プレートユニット１０の外面側（隣り合うプレートユニット１０との間）に第２空間Ｑが形成される。そして、第１空間Ｐ及び第２空間Ｑが、それぞれの伝熱プレート１１を挟んで交互に配置される。また、２つの貫通孔１３Ｃ，１３Ｄは、第２空間Ｑに連通する。
【００１８】
本実施形態において、第２流体は、第１流体よりも低い温度の流体であり、第２空間Ｑを流通する。従って、第１空間Ｐを流通する第１流体と、第２空間Ｑを流通する第２流体とは、伝熱プレート１１を介して熱交換することができる。すなわち、触媒反応装置１では、プレートユニット１０の内部（第１空間Ｐ）と外部（第２空間Ｑ）との間で熱交換が行われる。また、第１流体が第１空間Ｐにおいて第１触媒層１２と接触することで、第１空間Ｐにおいて触媒反応（発熱反応）が行われる。
【００１９】
以上の触媒反応装置１は、以下のようにして用いられる。
図３に示すように、第１流体及び第２流体は、積層された複数のプレートユニット１０，１０，・・・のうち、積層方向の一方の端部に配置されたプレートユニット１０から流入する。
第１流体は、１又は複数のプレートユニット１０の貫通孔１３Ａを流れながら、複数の第１空間Ｐに分配されて流入する。第１流体は、第１空間Ｐを流通する間、伝熱プレート１１を介して隣接する第２空間Ｑを流通する第２流体との間で熱交換を行う。そして、複数の第１空間Ｐを流通した第１流体は、１又は複数のプレートユニット１０の貫通孔１３Ｂで合流して、積層方向の一方の端部に配置されたプレートユニット１０から流出する。
【００２０】
第２流体は、１又は複数のプレートユニット１０の貫通孔１３Ｃを流れながら、複数の第２空間Ｑに分配されて流入する。第２流体は、第２空間Ｑを流通する間、伝熱プレート１１を介して隣接する第１空間Ｐを流通する第１流体との間で熱交換を行う。そして、複数の第２空間Ｑを流通した第２流体は、１又は複数のプレートユニット１０の貫通孔１３Ｄで合流して、積層方向の一方の端部に配置されたプレートユニット１０から流出する。
【００２１】
ここで、第１流体は、第１空間Ｐを流れる間、第１触媒層１２に接触し、触媒反応（発熱反応）を行う。第２流体は、反応により発生した熱を第１流体から吸収することにより、第１流体の温度が所定値以上になることを防止できるので、触媒反応の効率を上げることができる。
【００２２】
次に、本実施形態の触媒反応装置１の製造方法の一例について、図４のフローチャートを参照して説明する。
本実施形態の触媒反応装置の製造方法は、プレートユニット製造工程Ｓ１と、プレートユニット積層体製造工程ＳＴ２と、表面処理工程Ｓ３と、ウォッシュコート層形成工程Ｓ４と、触媒層形成工程Ｓ５と、を備える。
【００２３】
プレートユニット製造工程（ステップＳ１）では、一対の伝熱プレート１１，１１の板面が互いに重ね合わされて、周縁がレーザ接合される。これにより、第１空間Ｐが形成されたプレートユニット１０が製造される。
【００２４】
プレートユニット積層体製造工程（ステップＳ２）では、複数のプレートユニット１０，１０，・・・が積層され、積層された複数のプレートユニット１０，１０，・・・の周縁が接合される。
積層された複数のプレートユニット１０，１０，・・・の周縁は、レーザ溶接により接合されてもよく、また、プレートユニット１０の周縁に配置されたガスケットを介して複数のプレートユニット１０，１０，・・・を積層し、積層された複数のプレートユニット１０，１０，・・・をタイロッド等により締付けて一体化させてもよい。
これにより、第１空間Ｐ及び第２空間Ｑがそれぞれの伝熱プレート１１を挟んで交互に配置されたプレートユニット積層体が製造される。
【００２５】
表面処理工程（ステップＳ３）では、プレートユニット積層体が低酸素分圧のもとで加熱処理される。これにより、ＳＵＳ製伝熱プレート１１の表面（第１空間Ｐ及び第２空間Ｑ）にアルミナのウィスカーが形成される。
【００２６】
ウォッシュコート層形成工程（ステップＳ４）では、第１空間Ｐに酸化物系セラミクス（例えば、酸化アルミニウム等）が混合されたウォッシュコート用スラリーを流通させ、ウィスカーの表面をスラリーで被覆する。そして、ウォッシュコート処理されたプレートユニット積層体を焼成することにより、伝熱プレート１１の表面にウォッシュコート層が形成される。なお、ウォッシュコート用スラリー流通後の第１空間Ｐに対しては、適宜に高圧ガス（窒素ガスや圧縮空気等）を吹き込むことにより、余剰のスラリーを排出し、ウォッシュコート層の厚みを調整・均一化するのが好ましい。
【００２７】
触媒層形成工程（ステップＳ５）では、第１空間Ｐに触媒物質を含む溶液を流通させ、ウォッシュコート層の表面に露出している酸化物系セラミクスに触媒物質を担持させる。これにより、第１触媒層１２が形成された触媒反応装置１が製造される。
【００２８】
触媒反応装置１の製造に用いる表面処理工程（ステップＳ３）、ウォッシュコート層形成工程（ステップＳ４）、及び触媒層形成工程（ステップＳ５）は、例えば、特許第２５０２２０１号公報の従来技術や実施例に記載された周知の方法を適宜組み合わせることにより行うことができる。
【００２９】
以上説明した第１実施形態の触媒反応装置１によれば、以下のような効果を奏する。
【００３０】
（１）触媒反応装置１を、積層される複数のプレートユニット１０，１０，・・・のそれぞれを構成する一対の伝熱プレート１１，１１の内部に、第１流体を流通可能な第１空間Ｐを形成し、隣接するプレートユニット１０，１０の間に第２流体を流通可能な第２空間Ｑを形成した。そして、一対の伝熱プレート１１，１１の第１空間Ｐを形成する面に第１触媒層１２を配置した。これにより、第１空間Ｐを流通する第１流体と第１触媒層１２の触媒物質とを好適に接触させて、触媒反応を行わせることができる。そして、触媒反応によって生じた熱を第２流体と好適に熱交換できるので、簡易な構成にて触媒反応で発生する反応熱を速やかに伝達させられる触媒反応装置１を実現できる。また、触媒反応を伝熱プレート１１の表面近傍で生じさせられるので、伝熱プレート１１を介して第２流体に反応熱を速やかに伝達することができ、触媒反応の効率を上げることができる。
【００３１】
（２）伝熱プレート１１の周縁をレーザ溶接により接合した。これにより、触媒反応装置１の耐熱性を高められるので、比較的高温となる流体についても流通させることができる。
【００３２】
〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態に係る触媒反応装置１Ａを図５及び図６を参照して説明する。第２実施形態の説明にあたって、同一構成要件については同一符号を付し、その説明を省略もしくは簡略化する。
第２実施形態に係る触媒反応装置１Ａは、図５に示すように、第１実施形態に係る触媒反応装置１の構成に加え、第２空間Ｑ側の面に配置（担持）される第２触媒層１４を備える。
【００３３】
第２触媒層１４は、第１触媒層１２とは異なる反応を促進する触媒物質によって形成される。具体的には、第２触媒層１４は、発熱反応及び吸熱反応のいずれか一方を促進する触媒物質によって形成され、第１触媒層１２は、他方を促進する触媒物質によって形成される。本実施形態では、第１触媒層１２を形成する触媒物質は、発熱反応を促進し、第２触媒層１４を形成する触媒物質は、吸熱反応を促進する。
【００３４】
第２実施形態の触媒反応装置１Ａによれば、第１流体が第１空間Ｐにおいて発熱反応を促進する第１触媒層１２と接触するので、第１空間Ｐにおいて発熱反応が生じる。一方、第２流体が第２空間Ｑにおいて吸熱反応を促進する第２触媒層１４と接触するので、第２空間Ｑにおいて吸熱反応が生じる。これにより、第１流体については、第１空間Ｐにおいて反応により発生した熱が第２空間Ｑにおいて第２流体に吸収されることで温度が所定値以上になることが防止される。第２流体については、第２空間Ｑにおいて反応により吸収される熱が第１空間Ｐから供給されることで温度が所定値以下になることが防止される。よって、第１流体及び第２流体の温度が安定するので、触媒反応の効率を上げることができる。
【００３５】
第２実施形態では、ウォッシュコート層形成工程（ステップＳ４）において、第１空間Ｐ及び第２空間Ｑにそれぞれウォッシュコート用スラリーを流通させて焼成することにより、伝熱プレート１１の両面にウォッシュコート層が形成される。そして、触媒層形成工程（ステップＳ５）において、第１空間Ｐに第１の触媒物質を含む溶液を流通させると共に、第２空間Ｑに第２の触媒物質を含む溶液を流通させ、各空間に面するウォッシュコート層の表面に触媒物質を担持させる。これにより、第１触媒層１２及び第２触媒層１４が形成された触媒反応装置１Ａが製造される。
【００３６】
以上説明した第２実施形態の触媒反応装置１Ａによれば、以下のような効果を奏する。
【００３７】
（１）一対の伝熱プレート１１，１１の第１空間Ｐを形成する面に発熱反応を促進する第１触媒層１２を配置し、第２空間Ｑを形成する面に吸熱反応を促進する第２触媒層１４を配置した。これにより、第１空間Ｐを流通する第１流体と第１触媒層１２に担持された触媒とを好適に接触させて、発熱反応を生じさせることができる。また、第２空間Ｑを流通する第２流体と第２触媒層１４に担持された触媒とを好適に接触させて、吸熱反応を発生させることができる。第１空間Ｐにおいて吸熱反応を促進し、第２空間Ｑにおいて発熱反応を促進するので、両者の間で効率的な熱交換を実現することができる。これにより、両者の反応を好適に促進させられる触媒反応装置１Ａを得ることができる。
【００３８】
以上、本発明の触媒反応装置の好ましい各実施形態につき説明したが、本発明は、上述の実施形態に制限されるものではなく、適宜変更が可能である。
【００３９】
例えば、一対の伝熱プレート１１，１１を加熱してウィスカーを形成する際に、過熱する場所を適宜決定することにより、ウィスカーの形成位置を調整することができる。これにより、触媒物質を担持させるウォッシュコート層の位置を適宜決定して、好ましい位置に第１触媒層１２及び第２触媒層１４を配置させることができる。
【００４０】
また、第１実施形態において、第１触媒層１２の触媒が発熱反応を促進する物質からなるように構成したが、逆に、第１触媒層１２の触媒が吸熱反応を促進する物質からなるように構成してもよい。このとき、第１流体は、第２流体よりも温度の低い流体としてもよい。これにより、第１触媒層１２による触媒反応により第１流体の熱が吸収される。第２流体は、反応により吸収された熱を第１流体に供給することにより、第２流体の温度が所定値以下になることを防止できるので、触媒反応の効率を上げることができる。
【００４１】
また、第２実施形態において、第１触媒層１２の触媒が発熱反応を促進する物質からなるように構成し、第２触媒層１４の触媒が吸熱反応を促進する物質からなるように構成した。これに対し、第１触媒層１２の触媒が吸熱反応を促進する物質からなるように構成し、第２触媒層１４の触媒が発熱反応を促進する物質からなるように構成してもよい。
【００４２】
また、上記実施形態において、第１触媒層１２が、表面処理工程（ステップＳ３）、ウォッシュコート層形成工程（ステップＳ４）、及び触媒層形成工程（ステップＳ５）を用いて形成されるとした。これに対し、一対の伝熱プレート１１，１１のそれぞれの板面に、予め第１触媒層１２を担持させ、その後、両者を重ね合わせて接合してもよい。また、第２触媒層１４についても同様に、予め一対の伝熱プレート１１，１１に担持させ、その後、一対の伝熱プレート１１，１１を重ね合わせて接合してもよい。
【００４３】
また、上記実施形態において、第１流体及び第２流体の２つの流体を流通させる例について説明したが、３以上の流体を流通させるように触媒反応装置１，１Ａを構成してもよい。
【符号の説明】
【００４４】
１，１Ａ  触媒反応装置
１０  プレートユニット
１１  伝熱プレート
１２  第１触媒層
１４  第２触媒層
Ｐ  第１空間
Ｑ  第２空間
【図１】
2018008200.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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