(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】  本発明の反応器は、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、前記反応器Ａは複数の容器１１を積層して構成され、各容器１１内に前記触媒層１がそれぞれ収納され、各容器１１はそれらの内部を前記気体が順に流通できるように互いに連通しており、各容器１１の内部を形成する上面は、水平方向に対して上下方向に傾斜する傾斜面になっており、それによって前記触媒層１が沈下した際に、前記容器１１に収納された触媒層１の上部に形成される水平方向の空間Ｓの領域が前記傾斜面の上方側に偏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】
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、
前記反応器（Ａ）は複数の容器（１１）を積層して構成され、
各容器（１１）内に前記触媒層（１）がそれぞれ収納され、
各容器（１１）はそれらの内部を前記気体（２）が順に流通できるように互いに連通しており、
各容器（１１）の内部を形成する上面は、水平方向に対して上下方向に傾斜する傾斜面になっており、
それによって前記触媒層（１）が沈下した際に、前記容器（１１）に収納された触媒層（１）の上部に形成される水平方向の空間Ｓの領域が前記傾斜面の上方側に偏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、
前記容器（１１）は環状に形成されたエレメント（４）で構成され、
積層された各エレメント（４）の内部を前記気体（２）が順に流通できるように、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）間で交互にその周方向に離間した位置に設けられ、
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一例として、燃料電池システムにおける改質器や脱硫器として利用できる触媒入り反応器に関する。
【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、横方向に細長い断面矩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を供給し、触媒中を水平方向に移動する間に原料ガスを水素リッチなガスに改質し、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、それにより層状に収容された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（もしくはバイパス）し、そのため反応効率（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、改質器内下部に開口部を有するバッフルプレートとを交互に触媒層内に多数配列し、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。
【０００７】
図４は、特許文献２に開示された反応器の立体断面図で、図５は、図４の斜視図である。
図４及び図５に示す反応器Ａは、容器１１を複数段に積層している。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。
【０００８】
各エレメント４は、１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４ｃと一対の側壁４ｂ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４ｃの一箇所に連通孔５が設けられている。
連通孔５は、この例では説明の都合上、比較的大きな孔に図示されているが、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の表面に金網またはパンチングメタルが被着される。
【０００９】
この例では、何れにしても、底面４ｃ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４ａが形成される。そして、この段付き部４ａに上段のエレメント４の底面４ｃが載置され、最上段に上蓋６が載置される。
【００１０】
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。
【００１１】
反応器Ａは、各エレメント４に触媒層１を収納した状態で、各段を積層して組み合わせることにより、図４に示すような全体構造が完成する。各エレメント４間およびそれと上蓋６との間はろう付けや溶接で互いに気密に接合される。
反応器Ａを加熱する熱源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。
【００１２】
図４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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【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】
【００１４】
特許文献１の改質器では、バッフルプレートを垂直方向に多数取り付けているが、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大幅に減少させることは困難である。そのため、ショートパス空間もかなり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、製造コストと装置の複雑性の問題が残る。さらに、特許文献２の反応器においても、ショートパス空間の生成問題は残されている。
【００１５】
そこで本発明は、極めて簡単な方法により、ショートパス空間を大幅に減少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】
【００１６】
上記課題を解決する本発明は、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、
前記反応器Ａは複数の容器１１を積層して構成され、
各容器１１内に前記触媒層１がそれぞれ収納され、
各容器１１はそれらの内部を前記気体２が順に流通できるように互いに連通しており、
各容器１１の内部を形成する上面は、水平方向に対して上下方向に傾斜する傾斜面になっており、
それによって前記触媒層１が沈下した際に、前記容器１１に収納された触媒層１の上部に形成される水平方向の空間Ｓの領域が前記傾斜面の上方側に偏るように構成されていることを特徴とする（請求項１）。
【００１７】
上記請求項１に記載の発明において、
前記各容器１１は環状に形成されたエレメント４からなり、
積層された各エレメント４には、それらの内部を前記気体２が互いに流通できるように連通孔５が形成され、
前記連通孔５は隣接するエレメント４間で交互にその周方向に離間した位置に設けられ、
それによって前記気体２が各エレメント４内を周方向に流通するように構成されていることを特徴とする（請求項２）。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の反応器は前記のように、各容器１１の内部を形成する上面が、水平方向に対して上下方向に傾斜する傾斜面になっており、それによって前記触媒層１が沈下した際に、前記容器１１に収納された触媒層１の上部に形成される水平方向の空間Ｓの領域が前記傾斜面の上方側に偏るように構成されている。
【００１９】
上記構成において、各容器内に触媒層をほぼ１００％収納した運転の初期状態では、触媒層の上面全体が傾斜した容器の上面に接した状態になっている。  
しかし、反応器の運転を続けて触媒層が沈下を始めると、最初は傾斜面線上の最上部に位置する触媒層の上面から徐々に沈下が開始し、それにともない該領域における触媒層の上側に小さな空間が発生してくる。
そして、沈下が進むに従って、その空間の領域が次第に傾斜の下端領域側に向かって成長していくが、その空間の領域は全体的に見れば、常に傾斜の上方側に偏った状態で形成される。
【００２０】
そのため、積層する各容器の上面を水平方向とする従来の一般的な構造と比較すると、触媒層の沈下によって発生する触媒層上面側の空間、すなわち、反応用の気体がショートパスする空間の長さは著しく短縮される。
傾斜により発生する空間の上下方向の高さは、本発明のほうが従来の平行構造より若干大きくなる領域も存在するが、上下方向の高さ自体の反応効率への影響は極めて小さい。
問題となるのは、反応用の気体が流通する水平方向の空間長さ、即ち、各容器内において気体が触媒と接触しない水平方向の空間長さ（不接触流通長さ）である。
【００２１】
なお、触媒層の沈下量がある程度大きくなり、触媒交換の時期に至った時点でも、触媒層の上面側に発生する空間の水平方向の延長の程度は、触媒層の水平方向全長に及ぶことはなく、最上部から水平方向の有る程度の中間領域までに過ぎない。
【００２２】
従って、本発明のように構成することにより、反応用の気体がショートパスする水平方向の空間長さが著しく短縮されるので、触媒層の沈下による反応効率の低下を大幅に低減することができる。
また、容器の内面を形成する上面を傾斜して配置するだけでよいので、構造が簡単でコスト的にも有利である。
【００２３】
本願発明のように、複数の容器を積層することにより、気体が各容器内の触媒層を水平方向に順に流通するように構成した反応器においては、その触媒層の気体流通の合計区間は単一容器で構成された反応器より著しく長くできる。
従来型反応器においては、触媒層の沈下により生成する空間、即ち、気体がショートパスする空間長さもそれに応じて長くなり、反応効率も大幅に低下する傾向がある。しかし、本発明のように構成することにより、それらの空間は水平方向に対して細かく分断された状態となり、総合的にショートパスする空間の長さは大きく減少する。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【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】従来の反応器の立体断面図。
【図５】図４の斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
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】
【００２６】
図１に示す反応器Ａは、一例として、燃料電池に供給される改質器として使用されるもので、互いに平行な底面１１ｃを有する複数の方形の容器１１を上下に積層して構成され、最上段の容器の上面は上蓋６で覆われている。
この例では、各容器１１の底面１１ｃの平坦な下側の面がそれより下段の容器１１の平坦な上面を形成する。そして、最上段の容器１１の平坦な上面は、上蓋６の平坦な下側の面により形成される。
【００２７】
各容器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で形成（小孔２０ａ、２１ａを有する）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、この第１実施例の連通仕切壁２０，２１は、省略することもできる。
【００２８】
各容器１１の周囲は、垂直な４つの側壁１１ｂで囲まれている。
容器１１の上面を形成するためのそれより上側の容器１１の底面１１ｃは、側壁１１ｂから直角に水平方向に延長するのではなく、上下方向に傾斜して延長している。
図１には、この傾斜角αが示されている。傾斜角αは、図１における水平方向を基準線とし、その基準線から上下方向に角度α傾斜していることを示している。
傾斜の角度αが大き過ぎると、反応器の鉛直方向高さ寸法が増加するので、その上限は、３０度以下が好ましく、２０度以下がより好ましい。一方、角度αが小さすぎると、不接触流通長さが長くなり、また触媒の安息角未満の角度では傾斜面線上の下部に空間が生じる可能性があるので、その下限は、５度以上が好ましく、１０度以上がより好ましく、さらには触媒の安息角以上であることが望ましい。
【００２９】
各容器１１における垂直な４つの側壁１１ｂ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に上側の容器１１の底面１１ｃの周縁部または上蓋６の周縁部が密着状態で載置される。
【００３０】
各容器１１の垂直な側壁１１ｂには入口パイプ９と出口パイプ１０が連通する。最下段の容器１１における入口パイプ９には、図示しない気体供給源が接続され、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、そのようにして、さらに上段の容器１１についても同様な接続が行われている。それらの接続により全ての容器１１間が互いに連通し、気体２が各容器１１を下方から上方に順に流通できるようになっている。そして、最上段の容器１１の出口パイプ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。
【００３１】
各容器１１内には粒状の触媒からなる触媒層１がそれぞれ収納される。
触媒層１の収納は反応器Ａの組立と共に行う。収納の順番は最下段の容器１１から行い、収納量は容器１１内空間を実質的に１００％満たすことが望ましく、触媒層１の上面全体がそれより上側の容器１１の傾斜する底面１１ｃや上蓋６などに密着できるように投入量の調整をする。
【００３２】
最下段の容器１１に触媒層１を収納した後、その上に２段目の容器１１を載置し、そこに上記と同様な手法で触媒層１を収納する。このようにして各段の容器１１内に所定量の触媒層１を収納し、最後に最上段の容器１１の上部を上蓋６で閉鎖する。次いで所望により、各容器１１間および上蓋６との接触部分をろう付け等により接合する。
【００３３】
（実施例１における作用）
次に、反応器Ａの作用を説明する。
反応器Ａの反応操作を開始するには、反応用の気体２（例えば、燃料電池用の改質器の場合は、原料ガスと水蒸気の混合物）を最下段の入口パイプ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から出口パイプ１０に排出され、次いで、２段目の容器１１に入り、その触媒層１の中を水平方向に流通する。
【００３４】
気体２は触媒層１中を水平方向に流通する際に反応し、改質器の場合は、水素リッチなガスを生成し、そのような反応が各段の容器１１内で順次行われ、最後にそのガスが残留する未反応気体と共に最上段の出口パイプ１０から排出する。
【００３５】
図１の例では、気体２を最下段の容器１１に供給し、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に供給し、最下段の容器１１から排出することもできる。
ここで、前述の気体２が触媒層１を水平方向に流通するという意味は、例えば、図１において、気体２が触媒層１中を図面上で左右の方向に流通しているが、この左右の流通方向が本発明でいう水平方向を意味している。
【００３６】
前記のように容器１１内の触媒収容部分がほぼ１００％触媒で満たされた運転初期の状態では、触媒層の上面全体が傾斜した容器１１の上面に接した状態になる。
しかし、反応器Ａの運転後、触媒層が沈下を始めると、前記のように最初は傾斜面線上の最上部に位置する触媒層１の上面から徐々に沈下が開始し、それにともなって、該領域における触媒層の上面側に小さな空間Ｓが発生する。そして、沈下が進むに従って、その空間Ｓの領域は傾斜の下端領域側に向かって成長していくが、空間Ｓの領域は全体的に見れば、常に傾斜の上方側に偏った状態で形成される。そのため、気体２のショートパス領域が特定の領域に限定されることとなり、気体２の改質効率を極端に低下することが防止できる。
【実施例２】
【００３７】
図２に示す反応器Ａは、従来例として既に図４、図５により説明した反応器Ａの各容器１１（エレメント４）を、本発明の特徴である上下面が傾斜した容器１１に置き換えた例、即ち、本発明の実施例を示す部分断面図である。
図２において、図４および図５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。
【００３８】
図２に示す容器１１は環状に形成されたエレメント４で構成され、積層された各エレメント４の内部を反応用の気体２が順に流通できるように、各エレメント４に連通孔５が形成され、連通孔５は隣接するエレメント４間で交互にその周方向が異なるように設けられ、それによって気体２が各エレメント４内を周方向に流通するように構成されている。
【００３９】
図２の反応器Ａが図４、図５と異なる部分は、容器１１の底面が傾斜している事のみで、その他の部分は両者とも同様に構成される。そしてその傾斜による作用効果は、図１に示す反応器Ａと同様である。
【実施例３】
【００４０】
図３に示す反応器Ａは、図１の例のように各容器１１の底面１１ｃを傾斜させて製造するのではなく、底面１１ｃを水平方向に形成した各容器１１を積層した後に、反応器Ａ全体を傾斜させた例である。各容器１１自体の構造は、図１に示す容器１１に類似するが、その底面１１ｃの面方向のみが異なる。
【００４１】
先ず、上下面を水平に形成した各容器１１に触媒層１を収納し、それらを積層して反応器Ａを形成する。反応器Ａを加熱するためケース３０内に収容し、ケース３０に熱源を流通させるようになっている。ケース３０には反応器Ａを傾斜させて設置するための設置部材３１が設けられる。
【００４２】
設置部材３１はケース３０の上下端にそれぞれ詰め物として配置される。このように構成すると、各容器１１の構造が簡単化され、コスト面で有利になる。なお、この反応器Ａの作用効果は、図１に示す反応器Ａと同様である。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
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】
【００４４】
１  触媒層
２  気体
３  熱源
４  エレメント
４ａ  段付き部
４ｂ  側壁
４ｃ  底面
５  連通孔
【００４５】
６  上蓋
９  入口パイプ
１０  出口パイプ
１１  容器
１１ａ  段付き部
１１ｂ  側壁
１１ｃ  底面
２０  連通仕切壁
２０ａ  小孔
【００４６】
２１  連通仕切壁
２１ａ  小孔
３０  ケース
３１  設置部材
Ａ  反応器
Ｓ  空間
α  傾斜角
【図１】
2015187050.tif 000003
【図２】
2015187050.tif 000004
【図３】
2015187050.tif 000005
【図４】
2015187050.tif 000006
【図５】
2015187050.tif 000007