(57)【要約】【課題】  燃料電池の改質器や脱硫器などの反応器において、反応器内部に収納された触媒層が劣化等により沈下した際に、触媒層の上側に反応用の気体のショートパスが発生して反応効率が低下することを、簡単な構成で防止する。【解決手段】  反応器Ａの内部に粒状の触媒からなる触媒層１が収納され、反応用の気体２がその触媒層１の中を水平方向に流通するように構成された反応器Ａにおいて、上下移動可能な可動式プレート２３が前記触媒層１の上面に接するように配置され、前記触媒層１の上面が沈下した際に、前記可動式プレート２３がその自重により前記触媒層１の沈下に追従して下降し、それによって前記触媒層１の上面が前記可動式プレート２３に常に接するように構成されていることを特徴とする。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応器(Ａ)内部に粒状の触媒からなる触媒層(１)が収納され、反応用の気体(２)がその触媒層(１)の中を水平方向に流通するように構成された反応器において、
上下移動可能な可動式プレート(２３)が前記触媒層(１)の上面に接するように配置され、
前記触媒層(１)の上面が沈下した際に、前記可動式プレート(２３)がその自重により前記触媒層(１)の沈下に追従して下降し、
それによって前記触媒層(１)の上面が前記可動式プレート(２３)に常に接するように構成されていることを特徴とする反応器。
【請求項２】
請求項１に記載の反応器において、
前記反応器(Ａ)は複数の容器(１１)を互いに積層して構成され、
各容器(１１)内に前記触媒層(１)がそれぞれ収納され、前記可動式プレート(２３)が各触媒層(１)の上面に接するようにそれぞれ配置され、
前記気体(２)が積層された各容器(１１)内を順に水平方向に流通するように構成されていることを特徴とする反応器。
【請求項３】
請求項２に記載の反応器において、
前記積層された各容器(１１)は、それぞれ環状のエレメント(４)で形成され、各エレメント(４)間に前記気体(２)を流通させるため、各エレメント(４)に連通孔(５)が形成され、
前記連通孔(５)は、隣接するエレメント(４)で交互にその周方向位置が異なるように設けられ、さらに各連通孔(５)の位置に一致するように各可動式プレート(２３)に貫通孔(２３ａ)が形成され、
それによって前記気体(２)が各エレメント(４)内を周方向に順に流通するように構成されていることを特徴とする反応器。
【請求項４】
請求項１に記載の反応器において、
前記触媒層(１)は複数の触媒層(１)から構成され、
上下移動可能な可動式プレート(２３)が各触媒層(１)の上面に接するようにそれぞれ配置され、
前記各触媒層(１)が沈下した際に、各可動式プレート(２３)はその自重により各触媒層(１)の上面の沈下に追従して沈下するように構成されていることを特徴とする反応器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムにおける改質器や脱硫器などに利用できる触媒層収納型の反応器に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型等の燃料電池に供給される燃料ガスは、炭化水素と水蒸気との混合ガスを改質することにより製造される水素ガスである。この改質に用いられる改質装置は、一般的に、メタンやＬＮＧなどの化石燃料の炭化水素系の原料ガスと水蒸気とを混合して改質触媒を有する改質器（反応器）に供給し、原料ガスを水素リッチなガスに改質するものである。
【０００３】
このような改質器は、例えば特許文献１や特許文献２に開示されている。
特許文献１の改質器は、横方向に細長い方形の反応器内に触媒が収納され、反応器の一方の端部から原料ガスと水蒸気の混合物（反応用の気体）を供給し、気体が触媒層中を水平方向に流通する間に改質し、他方の端部から排出するようになっている。
【０００４】
改質反応に使用される粒状の改質触媒で形成される触媒層は、改質器の起動停止に際しての熱膨張と熱収縮、長期間の改質反応による嵩体積減少などが起こり、それにより触媒層の高さが次第に沈下するという問題がある。触媒層が沈下すると、その上部に発生する空間を原料ガス等の一部がショートパス（若しくはバイパス）し、そのため触媒層中を通過する原料ガスの割合が減少し、改質効率が低下するという問題が発生する。
【０００５】
この問題を解決するため、特許文献１では改質器内上部に開口部を有するバッフルプレートと、改質器下部に開口するバッフルプレートとを交互に触媒層内に配置し、ショートパス量を減少させようとしている。
【０００６】
特許文献２に開示された改質器（反応器）は、環状の容器（エレメント）を複数積層して構成され、各容器間には原料ガス等を流通させる連通孔が形成され、前記連通孔は、隣接する容器で交互にその周方向位置が異なるように設けられている。
このように構成することにより、触媒層と原料ガスの接触が均一になり、触媒量当たりの改質効率もしくは反応効率が向上し、装置構成もコンパクトになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−１０６５０７号公報
【特許文献２】特開２０１３−０００７２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１の改質器では、多数のバッフルプレートを垂直方向に所定間隔で取り付けているが、バッフルプレートでは触媒が沈下した際に発生する空間自体を消滅させることは困難である。
そのため、ショートパス空間がある程度発生することは避けられない。また、多数のバッフルプレートを改質器の製造の際に取り付ける必要があり、製造コストおよび装置の複雑性の問題が残る。
【０００９】
そこで本発明は、極めて簡単な構成により、ショートパス空間を実質的に消滅できる反応器を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記課題を解決する本発明は、
反応器Ａ内部に粒状の触媒からなる触媒層１が収納され、反応用の気体２がその触媒層１の中を水平方向に流通するように構成された反応器において、
上下移動可能な可動式プレート２３が前記触媒層１の上面に接するように配置され、
前記触媒層１の上面が沈下した際に、前記可動式プレート２３がその自重により前記触媒層１の沈下に追従して下降し、
それによって前記触媒層１の上面が前記可動式プレート２３に常に接するように構成されていることを特徴とする反応器である（請求項１）。
【００１１】
上記請求項１に記載の発明において、
前記反応器Ａは複数の容器１１を互いに積層して構成され、
各容器１１内に前記触媒層１がそれぞれ収納され、前記可動式プレート２３が各触媒層１の上面に接するようにそれぞれ配置され、
前記気体２が積層された各容器１１内を順に水平方向に流通するように構成することができる（請求項２）。
【００１２】
上記請求項２に記載の発明において、
前記積層された各容器１１はそれぞれ環状のエレメント４で形成され、
各エレメント４間に前記気体２を流通させるため、各エレメント４に連通孔５が形成され、前記連通孔５は、隣接するエレメント４で交互にその周方向位置が異なるように設けられ、
さらに各連通孔５の位置に一致するように各可動式プレート２３に貫通孔２３ａが形成されており、それによって前記気体２が各エレメント４内を周方向に順に流通するように構成することができる（請求項３）。
【００１３】
前記請求項１に記載の発明において、
前記触媒層１は複数の触媒層１から構成され、
上下移動可能な可動式プレート２３が各触媒層１の上面に接するようにそれぞれ配置され、前記各触媒層１が沈下した際に、各可動式プレート２３はその自重により各触媒層１の上面の沈下に追従して沈下するように構成することができる（請求項４）。
【発明の効果】
【００１４】
前記のように本発明の反応器Ａは、上下方向に可動式プレート２３を触媒層１の上面に接するように配置することにより、触媒層１の上面が沈下した際に、その自重により触媒層１の沈下に追従して沈下する。それによって、触媒層１の上面にショートパスが発生することを実質的に防止できる。
また、触媒層１が沈下した際に、万一触媒層１の上面に多少の傾斜や小さい凹凸が生じたとしても、可動式プレート２３の重力作用により、それらの生成を低減させて、ショートパス空間の生成を効果的に防止することができる。
さらに、反応器Ａ自体に特別な構造上の変更をする必要はなく、触媒層１を収納した後に、平坦な板状の可動式プレート２３を触媒層１の上面に単に落とし込むだけでよい。そのため、コスト面において有利であり、反応器Ａの構造の複雑化も回避できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の反応器の第１実施例を示す側断面図。
【図２】本発明の反応器の第２実施例を示す側断面図。
【図３】本発明の反応器の第３実施例を示す側断面図。
【図４】本発明の反応器の第４実施例を示す立体断面図。
【図５】図４の斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に述べる反応器Ａの各実施例は、一例として、燃料電池に供給される水素リッチガスを生成する改質器として使用されるものを例示する。しかしながら、この反応器は、その用途以外にも使用できるものであり、例えば、この改質器の前処理を行う脱硫器やその他化学反応を伴う反応器として使用することができるものである。
【実施例１】
【００１７】
この反応器Ａは、方形の容器１１とその上面を覆う上蓋６を備え、容器１１の垂直な側壁には入口パイプ９と出口パイプ１０が連通する。容器１１における垂直な４面の側壁の上縁には、断面Ｌ字型の段付き部１１ａが連続して形成され、その段付き部１１ａに上蓋６の方形な周縁部が上方から密着状態で載置される。入口パイプ９には図示しない気体供給源が接続され、出口パイプ１０には図示しない燃料電池関係等の負荷設備が接続される。
【００１８】
容器１１内に一対の垂直な連通仕切壁２０、２１が互いに平行に設けられ、それらの内側に粒状の改質触媒を層状に形成した触媒層１が収納される。連通仕切壁２０，２１は、例えばステンレスなどの金属材料で作られた網状体、メッシュ体、多孔性のセラミック板など（小孔２０ａ、２１ａを有する）で形成され、触媒層の側部を仕切により形成すると共に、後述する反応用の気体が効率よく通過できるようになっている。なお、この図１の実施例においては、連通仕切壁２０，２１を省略することもできる。
【００１９】
触媒層１の上面には平板状の可動式プレート２３が配置され、可動式プレート２３の平坦な下面は触媒層１の上面に接している。可動式プレート２３はその自重により触媒層１の沈下に追従して沈下できるように、充分な重量を有する。可動式プレート２３は剛性を有し、反応器Ａが高温反応の改質器等の場合には、その温度に適した耐熱・耐腐食性を有するステンレス鋼板などの金属材料で形成される。
【００２０】
可動式プレート２３は、触媒層１の上面全体を覆うことができる形状になっており、例えば、図１に示すように、一対の垂直な連通仕切壁２０、２１の内面と、それらと直交する容器１１の一対の垂直な側壁の内面に、その全ての周縁が接しながら上下方向にスムーズに移動可能な形状とされる。さらに、可動式プレート２３の全周縁部は、先端の断面を半円形に形成し、それによって相対する壁内面との接触面積を小さく、摩擦抵抗を抑制することが望ましい。なお、反応効率に実質的な影響を及ぼさない程度に、可動式プレート２３の周縁面と容器１１の側壁の内面との間に僅かな間隙を設けてもよい。
【００２１】
反応器Ａが改質器のように外部加熱が必要な場合には、容器１１の外側に図示しない加熱装置が配置され、その加熱装置から反応器Ａの外側に熱源が供給される。
【００２２】
（実施例１における作用）
次に、図１に示す反応器Ａの作用を説明する。
先ず、粒状の触媒を容器１１の上方から投入して触媒層１を密に形成し、その上面に可動式プレート２３を落とし蓋のように配置した後、可動式プレート２３の上方を上蓋６で覆う。触媒層１を形成する際には、その上面をできるだけ平坦に成形し、該上面に可動式プレート２３を配置したときに、可動式プレート２３の上面と上蓋６の下面の間隙をできるだけ少なくするか、または間隙を無くすように調整することが望ましい。
【００２３】
反応器Ａの反応操作を開始するには、反応用の気体２（原料ガスと水蒸気の混合物）を入口パイプ９から供給する。気体２は、図１の右側の連通仕切壁２０の小孔２０ａを通過して触媒層１内に流入する。そして、触媒層１内を水平方向に流通し、左側の連通仕切壁２１の小孔２１ａから出口パイプ１０に排出される。気体２は、触媒層１を水平方向に流通する際に反応し、水素リッチなガスを生成し、そのガスが未反応気体と共に出口パイプ１０から排出する。
【００２４】
ここで、気体２が触媒層１を水平方向に流通するという意味を説明する。
前記のように、触媒層１を形成する際に、触媒層１の上面を水平に、且つできるだけ平坦に調整し、その上に可動式プレート２３を配置し、可動式プレート２３を上から押圧すると、可動式プレート２３の平坦な下面は触媒層１と密に接して両者は互いに水平になる。即ち、気体２が触媒層１を水平方向に流通するということは、そのように水平に設定した可動式プレート２３の下面と平行もしくは略平行な方向に流通することを意味する。
【００２５】
反応器Ａの運転を継続すると、前記のように、収容された触媒層１が沈下し、その上部に空間Ｓが生じる。
【００２６】
本実施例においては、触媒層１の上面が沈下すると、その上面に配置された可動式プレート２３が、その自重により、触媒層１の上面に追従して沈下する。この可動式プレート２３により、空間Ｓへの気体２の流出が抑制され、空間Ｓによるショートパスが防止される。さらに、触媒層１が沈下する際に、仮にその上面に物理現象で多少の凹凸や傾斜を生成しようとする力が働いたとしても、可動式プレートの重力作用により、それらの生成を最小限に抑えて正常な初期の姿勢に近づくように自動調整される。
そのため、触媒層１の上面は、その水平性が長期間ほぼ維持されることになる。
なお、可動式プレート２３が沈下すると、その上側領域に空間Ｓが形成されるが、この空間Ｓは触媒反応には無関係な空間であるので、反応効率などに影響を与えることはない。
【００２７】
反応器Ａの長期間運転により、触媒の劣化および沈下の程度が限界値に達したときは、触媒層１の交換を行うことも容易にできる。交換作業は、上蓋６および可動式プレート２３を取外した後に、触媒を入れ替えることにより実施される。
可動式プレート２３は容器１１に固定されておらず、単に触媒層１の上面に配置しているだけなので、その取外しと再配置作業は極めて容易である。なお、容器１１の入口パイプ９と出口パイプ１０の上下方向の位置は、触媒層１が触媒の沈下の程度が限界値に達した際、触媒層１の上面位置より下方に位置するように設定される。
【実施例２】
【００２８】
図２に示す反応器Ａは、図１の反応器を複数段（図２では下方から２段目および３段目の一部のみが示されている）に積層したもので、図１と同じ部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。図２において、各段の容器１１内にはそれぞれ触媒層１が収納され、その上面にそれぞれ可動式プレート２３が配置される。
【００２９】
最下段の容器１１の入口パイプ９は図示しない気体供給源に接続され、その出口パイプ１０は２段目の容器１１の入口パイプ９に接続される。２段目の容器の出口パイプ１０は３段目の容器１１の入口パイプ９に接続され、図示しない出口パイプ１０は図示しない更に上段の容器１１の入口パイプ９に接続される。それらの接続により、すべての各容器１１間が互いに接続される。そして、最上段の容器１１の出口パイプ１０に図示しない燃料電池関係等の負荷設備が接続される。
【００３０】
反応用の気体２は、最下段の容器１１の入口パイプ９から供給され、その触媒層１を水平方向に流通し、次に、それより上段の容器１１内の触媒層１を次々と水平方向に流通して行き、それぞれ触媒反応して最上段の容器１１の出口パイプ１０より排出する。
各容器１１内の触媒層１の沈下と、その沈下に対するそれぞれの可動式プレート２３の作用効果は図１の例と同様である。なお図２の例では、気体２を最下段の容器１１から供給し、最上段の容器１１から排出しているが、それとは逆に、気体２を最上段の容器１１から供給し、最下段の容器１１から排出するようにしてもよい。
実施例１および実施例２では、容器形状が方形のものとして例示したが、これに替えて、円筒状、その他の形状に形成してもよく、可動式プレート２３の形状は、その容器形状に合わせて変更される。これは、以下に示す実施例３においても、同じことがいえる。
【実施例３】
【００３１】
図３に示す反応器Ａは、縦長の１つの容器１１内に複数段の触媒層１を形成した例である。そして図２に示すような入口パイプ９、出口パイプ１０も設けられ、気体２の流れ方向を矢印で示している。
【００３２】
図３のような触媒層１を形成するには、先ず容器１１内に最下段となる触媒層１を収納し、その上面に可動式プレート２３を配置する。次に、その可動式プレート２３の上に２段目の触媒層１を収納し、その上面に可動式プレート２３を配置する。このようにして最上段まで順に各段の触媒層１の収納とその上面に可動式プレート２３を配置する。なお、各触媒層１の高さは入口パイプ９と出口パイプ１０の位置関係に合わせて調整する。
【００３３】
（実施例３における作用）
次に図３の作用を説明する。
最下段に供給された反応用の気体２は、最下段の触媒層１を水平方向に流通した後、２段目、３段目と次々と各段の触媒層１を水平方向に流通し、最上段の出口パイプ１０から排出する。例えば最下段の触媒層１に沈下が生じると、その上面に配置された可動式プレート２３は、その自重により触媒層１に追従して沈下する。
【００３４】
すると、それより上の各段の触媒層１とその上面に配置された可動式プレート２３も最下段の沈下に追従して同時に沈下する。そのため、各触媒層１の上面には気体２がショートパスする空間Ｓは形成されず、最上段の触媒層１の上面に配置された可動式プレート２３の上側領域のみに空間Ｓが形成される。但し、この空間Ｓは、前記のように触媒反応には無関係な空間である。
各段の触媒層１に独自の沈下が生じた場合も、それより上段の触媒層１とその上面に配置された各可動式プレート２３が前記と同様に自動的に沈下する。
【００３５】
図３のように構成された反応器Ａは、１つの容器で複数段に積層する図２に示す反応器Ａと同様に機能することができる。即ち、気体２が触媒層１の水平方向に接触する長さを図２の場合と同じにできるので、それと同等の触媒反応物の生成量と反応効率を得ることができる。また、各段の触媒層１の沈下に対する可動式プレートのショートパス防止の効果も同等に発揮される。
このように構成することにより、反応器Ａの構造がより簡単化され、製造コスト及びメンテナンスコストの面からも一層有利になる。
【００３６】
なお、この例では、気体２を容器１１の最下段から供給し、容器１１の最上段から排出しているが、それとは逆に、気体２を容器１１の最上段から供給し、容器１１の最下段から排出するようにしてもよい。
【実施例４】
【００３７】
図４（ａ）（ｂ）（ｃ）及び図５に示す反応器Ａは、容器１１を複数段に積層した例であり、各段の容器１１は、それぞれ円環状のエレメント４により構成される。各エレメント４内には触媒層１が収納されている。このエレメント４の形状は、この例に示すものに限定されるものではない。
【００３８】
各エレメント４は、一例として、ステンレス鋼板等の耐熱・耐腐食性の金属材料からなり、金属板のプレス加工により、底面４ｂと一対の側壁４ａとで環状の溝状に形成されている。そして、上端は開放され、底面４ｂの一箇所に連通孔５が設けられている。
連通孔５は、触媒層１を形成する触媒の粒径以下の大きさの多数の小孔からなる。或いは、大きな連通孔５を設け、その孔５に金網またはパンチングメタルを被着してもよい。
【００３９】
この例では何れにしても、底面４ｂの周方向の一箇所のみに連通孔５が設けられている。エレメント４の上端開口縁は、その金属材の板厚分だけ拡開され、そこに段付き部４ｃが形成される。そして、この段付き部４ｃに上段のエレメント４の底面が載置され、最上段に上蓋６が載置される。
【００４０】
連通孔５の位置は、図４および図５に示すように、上下に隣接するエレメント４で周方向に１８０°異なった位置に設けられる。最上段のエレメント４の連通孔５は、その上蓋６を貫通する出口パイプ１０から１８０°周方向に離間した位置にある。最下段のエレメント４の連通孔５も、最下段から２番目の連通孔５の位置から周方向に１８０°離れた位置にありその底面に入口パイプ９が連通する。
【００４１】
このような反応器Ａは、全体が組み立てられた状態で、外部からボルトなどの固定具で各接触部が一体的に固定され、各エレメント４間およびそれと上蓋６との間が気密に接続される。そしてこの例では、熱源３として高温の排ガスが積層型の反応器Ａの中心孔内を流通する。なお、熱源３を各エレメント４の外側の周囲に配置してもよい。或いは、その周囲と中心孔の両者に熱源３を配置してもよい。一方、触媒層１の交換を行う必要がない場合は、各エレメント４間をろう付けや溶接で互いに気密に接合することもできる。
【００４２】
図４（ａ）には、本発明の特徴部分である可動式プレート２３が各触媒層１の上面に配置される（なお図５は作図の都合上、この可動式プレート２３を省略した状態が描かれている）。
可動式プレート２３は図４（ｃ）に示すように、エレメント４の形状に合わせた環状の板状に形成され、その一部に大きな貫通孔２３ａが形成されている。可動式プレート２３は、エレメント４の形状に合わせて、適宜変更される。
【００４３】
各エレメント４に触媒層１を収納し、その上面に可動式プレート２３を配置した状態で、各段を積層して組み合わせることにより、図４（ａ）に示すような全体構造が完成する。各可動式プレート２３を触媒層１の上面に配置する際には、その貫通孔２３ａの位置を各エレメント４の連通孔５の周方向位置に一致するように整合する。
【００４４】
図４（ａ）に示す反応器Ａにおいて、入口パイプ９から気体２が最下段のエレメント４に供給され、各エレメント４内を時計方向、および反時計方向にそれぞれ、水平方向に流通し、最上段のエレメント４の底面の連通孔５から最上段のエレメント４内に移動して出口パイプ１０から排出する。このようにして、多段に形成されたエレメント４内の触媒層１をそれぞれ水平な周方向に流通しながら、次々と触媒反応していく。
【００４５】
この例では、気体２を積層された最下段のエレメント４から供給し、最上段のエレメント４から排出するようにしたが、それとは逆に、気体２を最上段のエレメント４から供給して最下段のエレメント４から排出することもできる。その場合は、最上段のエレメントに設けられるパイプが入口パイプ９となり、最下段のエレメントに設けられるパイプは出口パイプ１０となる。
また、この実施例４の例では、円環状エレメント４を多段に積層したものを用いたが、これに替えて、実施例３の如く、１つの円環状容器に触媒層１と可動式プレート２３を交互に配置して、利用することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明の反応器は、燃料電池システムにおける改質器や脱硫器などに利用できる触媒層を収納した反応器として利用できる。
【符号の説明】
【００４７】
１  触媒層
２  気体
３  熱源
４  エレメント
４ａ  側壁
４ｂ  底面
４ｃ  段付き部
５  連通孔
６  上蓋
９  入口パイプ
【００４８】
１０  出口パイプ
１１  容器
１１ａ  段付き部
２０  連通仕切壁
２０ａ  小孔
２１  連通仕切壁
２１ａ  小孔
２３  可動式プレート
２３ａ  貫通孔
Ａ  反応器
Ｓ  空間
【図１】
2015186778.tif 000003
【図２】
2015186778.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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