(57)【要約】【課題】改質ガス通路内に改質用触媒を担時させる際に、水素分離膜の損傷を防止する。【解決手段】改質ガス通路１を間に挟んでその一方側に燃焼ガス通路３を、同他方側に水素分離膜５をそれぞれ配置し、水素分離膜５の改質ガス通路１と反対側に水素通路７を配置する。水素分離膜５の改質ガス通路１側には、水素分離膜５に対して所定間隔をおいて保護板３１を設ける。保護板３１には、水素分離膜５と改質ガス通路１とを連通する複数の貫通孔３１ａを設ける。改質ガス通路１内のフィン９に触媒を担時させる際に、改質ガス通路１が上下方向を向くよう配置し、この改質ガス通路１に上部から触媒スラリーを流し込む。このとき、燃焼ガス通路３および水素通路７は、改質ガス通路１に対して直交する方向を向くよう設定してあり、上部は側壁板２１および２７によりそれぞれ閉塞した状態にある。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料を改質して水素を発生させる改質反応部と、この改質反応部に隣接して配置され、改質反応部で改質した改質ガス中の水素を透過させて分離する水素分離膜とをそれぞれ備えた改質反応器において、前記水素分離膜の前記改質反応部側に、水素分離膜に対して所定間隔をおいて保護板を配置し、この保護板に、前記水素分離膜と前記改質反応部とを連通する貫通孔を設けたことを特徴とする改質反応器。
【請求項２】
前記保護板に前記貫通孔を覆うルーバ部を設け、このルーバ部の先端内側に、前記貫通孔の前記改質反応部側の開口を形成することを特徴とする請求項１記載の改質反応器。
【請求項３】
前記貫通孔の前記改質反応部側の開口は、改質反応部に供給する原料の流れ方向に対向していることを特徴とする請求項２記載の改質反応器。
【請求項４】
前記改質反応部における原料の流れ方向下流側に、前記貫通孔より大きな開口面積の改質ガス排出孔を、前記水素分離膜と前記改質反応部とを連通するよう設けたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の改質反応器。
【請求項５】
原料を改質して水素を発生させる改質反応部と、この改質反応部に隣接して配置され、改質反応部で改質した改質ガス中の水素を透過させて分離する水素分離膜とをそれぞれ備えた改質反応器の製造方法において、前記水素分離膜の前記改質反応部側に、水素分離膜に対して所定間隔をおいて保護板を配置し、この保護板に、前記水素分離膜と前記改質反応部とを連通する貫通孔を設け、この貫通孔の前記改質反応部側の開口を、前記改質反応部における改質ガス通路の一方側の端部に向けて開口させ、前記改質反応部に対し、前記開口と反対側から改質触媒用の溶剤を供給して、前記改質反応部に触媒を担持させることを特徴とする改質反応器の製造方法。
【請求項６】
前記開口が上下方向の下部側を向くよう配置した状態で、前記改質反応部に対し上方から前記改質触媒用の溶剤を供給することを特徴とする請求項５記載の改質反応器の製造方法。
【請求項７】
原料を改質して水素を発生させる改質反応部と、この改質反応部に隣接して配置され、改質反応部で改質した改質ガス中の水素を透過させて分離する水素分離膜とをそれぞれ備えた改質反応器の製造方法において、前記水素分離膜の前記改質反応部側に、水素分離膜に対して所定間隔をおいて保護板を配置し、この保護板を、前記改質反応部における改質ガス通路の一方側が狭く他方側が広くなるよう前記水素分離膜に対して傾斜させ、前記保護板に、前記水素分離膜と前記改質反応部とを連通する貫通孔を設け、前記改質反応部に対し、前記改質ガス通路が狭い側から改質触媒用の溶剤を供給して、前記改質反応部に触媒を担持させることを特徴とする改質反応器の製造方法。
【請求項８】
前記改質反応部における改質ガス通路の狭い側が上下方向の上部側となるよう配置した状態で、前記改質反応部に対し上方から前記改質触媒用の溶剤を供給することを特徴とする請求項７記載の改質反応器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、原料を改質して水素を発生させる改質反応部と、この改質反応部に隣接して配置され、改質反応部で改質した改質ガス中の水素を分離する水素分離膜とをそれぞれ備えた改質反応器およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術として、例えば特許文献１には、反応物質通路を間に挟んでその一方側に熱媒体通路を、同他方側に分解生成ガス通路をそれぞれ積層した非平衡反応用プレートフィン型反応器が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平６−３４５４０４号公報
【０００４】
これは、反応物質通路内のフィンにコーティングした触媒により、熱媒体通路から熱を受けてメタノールを分解してＣＯ，Ｈ２を生成する。そして、反応物質通路と分解生成ガス通路との間に配置した水素分離膜により、Ｈ２のみを抽出する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来のものは、改質反応部となる反応物質通路と水素分離膜とが、何の仕切りもなく積層されているので、反応物質通路内に触媒を担時させる際に、改質触媒用の溶剤が水素分離膜の表面に直接触れることになり、膜表面が損傷する問題がある。
【０００６】
そこで、この発明は、改質反応部に改質用触媒を担時させる際に、水素分離膜の損傷を防止することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、この発明は、原料を改質して水素を発生させる改質反応部と、この改質反応部に隣接して配置され、改質反応部で改質した改質ガス中の水素を透過させて分離する水素分離膜とをそれぞれ備えた改質反応器において、前記水素分離膜の前記改質反応部側に、水素分離膜に対して所定間隔をおいて保護板を配置し、この保護板に、前記水素分離膜と前記改質反応部とを連通する貫通孔を設けた構成としてある。
【０００８】
【発明の効果】
この発明によれば、水素分離膜の改質反応部側に、貫通孔を備えた保護板を、水素分離膜に対して所定間隔をおいて配置したため、改質ガスの水素分離膜への接触を貫通孔により阻害することなく、改質反応部に触媒を担時させる際の溶剤の水素分離膜への接触を防止することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【００１０】
図１は、この発明の第１の実施形態を示す改質反応器の斜視図である。この改質反応器は、改質反応部を構成する改質ガス通路１を間に挟んでその一方側に燃焼ガス通路３を、同他方側に水素分離膜５をそれぞれ配置し、水素分離膜５の改質ガス通路１と反対側に水素通路７を配置してある。改質ガス通路１と燃焼ガス通路３とは互い直交する方向となるよう形成し、水素通路７は燃焼ガス通路３と同方向となるよう形成してある。
【００１１】
改質ガス通路１内には、改質触媒を担持させたフィン９を収容してあり、この改質ガス通路１内に、炭化水素系の物質と水とを原料として流し、水蒸気改質反応を行い、水素リッチガスを生成する。
【００１２】
燃焼ガス通路３内には燃焼触媒を担持させたフィン１１を収容してあり、この燃焼ガス通路３内に燃焼ガスを流し、上記した水蒸気配質反応に必要な発熱反応熱を燃焼触媒にて発生させる。
【００１３】
改質ガス通路１と燃焼ガス通路３との間には隔壁板１３を介装し、燃焼ガス通路３の隔壁板１３と反対の外側には外板１５を設けている。また、改質ガス通路１の両側部は側壁板１７，１９で閉塞するとともに、燃焼ガス通路３の両側部は側壁板２１，２３で閉塞する。さらに、水素通路７の水素分離膜５と反対側には外板２５を設け、水素通路７の両側部は側壁板２７，２９で閉塞する。
【００１４】
水素分離膜５の改質ガス通路１側には、図２に示すように、水素分離膜５に対して所定間隔をおいて保護板３１を設けてある。保護板３１は、その周縁にスペーサ３３を配置することで、水素分離膜５に対して隙間Ｓを形成する。この保護板３１は、図３にその一部を平面図として示すように、そのほぼ全面に水素分離膜５と改質ガス通路１とを連通する複数の貫通孔３１ａを設けてある。
【００１５】
上記した改質反応器においては、改質ガス通路１に前記した原料を供給するとともに、燃料ガス通路３に燃焼ガスを供給することで、燃焼ガス通路３で発生する触媒燃焼熱により原料に対して水蒸気改質反応を行い、水素リッチガスを生成する。
【００１６】
そして、この水素リッチガスは、保護板３１の貫通孔３１ａを通して水素分離膜５に接触し、水素のみが、水素分離膜５を透過して分離され、水素通路７に取り出される。この水素分離膜５によって水素を取り出す過程において、水蒸気改質反応は継続してなされる。
【００１７】
このように、水素分離膜５によって水素を改質反応の系外に取り出すと、反応の系内に残されたガスが新たな平衡組成に移行する。これを繰り返すことで、より多くの水素を生成することができる。水素分離を行なわない反応器の場合には、原料組成，反応温度，圧力によって、生成されるガス組成が決まる、平衡組成となるので、取り出す水素の量が少ないものとなってしまう。
【００１８】
次に、上記した改質反応器の製造方法について説明する。
【００１９】
図４は、改質反応器の製造工程図であり、工程Ｓ１で、図５（ａ）中で下部側から順に、水素通路７，水素分離膜５，改質ガス通路１，燃焼ガス通路３となるよう、各構成部材を積層し、これら相互を接着により固定し組み立てる。
【００２０】
工程Ｓ２では、組み立てた改質反応器を、図５（ｂ）および図１のように、改質ガス通路１が上下方向を向くよう縦にする。このとき、燃料ガス通路３および水素通路７は、上部が側壁板２１および側壁板２７により閉塞された状態にあり、改質ガス通路１については上部が開口した状態となる。
【００２１】
この状態で、工程Ｓ３では、図５（ｃ）に示すように、改質ガス通路１内に、改質触媒の溶剤であるスラリーを流し込み、さらに工程Ｓ４で乾燥させ、これにより改質ガス通路１内のフィン９に触媒を担持させる。なお、保護板３１のスラリーが流れる側は触媒層の一部となる。
【００２２】
ここでスラリーは、粘度があることから、図６にて矢印Ａで示すように、保護板３１に沿って下方に流れ、このため、保護板３１に貫通孔３１ａがあったとしても、貫通孔３１ａを通過して水素分離膜５に付着することはなく、水素分離膜５の表面の損傷を防止することができる。
【００２３】
一方、改質反応器使用時での改質ガス通路１に供給する原料の改質ガスは、保護板３１の貫通孔３１ａを通して水素分離膜５に充分接触するので、水素リッチガスからの水素の分離は確実になされる。
【００２４】
図７（ａ）は、この発明の第２の実施形態に係わる保護板３５の一部を示す平面図であり、この保護板３５は、前記図１に示した第１の実施形態における保護板３１に代えて使用する。図７（ｂ）は、図７（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。
【００２５】
上記した保護板３５は、図１における改質反応器の改質ガス通路１側に向けて突出するルーバ部となる切り起こし部３５ａを設けることで、水素分離膜５と改質ガス通路１とを連通する貫通孔３５ｂを形成する。
【００２６】
この切り起こし部３５ａは、図７中で下端部を切断し、上端部を基部として下端部を改質ガス通路１側に突出させて平面視ほぼ三角形状としてあり、これにより貫通孔３５ｂの改質ガス通路１側の開口３５ｃが、図７中で下方に向けて開口することになる。すなわち、この貫通孔３５ｂの開口３５ｃは、ルーバ部（切り起こし部３５ａ）の先端内側に形成されることになる。
【００２７】
このような保護板３５は、前記図５（ｃ）で示した改質触媒のスラリーを改質ガス通路１に流し込む際に、開口３５ｃが下方に向けて開口するよう配置する。
【００２８】
この状態で、第１の実施形態と同様にして、図７（ｃ）に示すように、スラリーを改質ガス通路１に対して上部から流し込む。このとき、この第２の実施形態では、貫通孔３５ｂをルーバ部３５ａが覆っており、かつその開口３５ｃが下方を向いているので、スラリーの水素分離膜５への接触を確実に防止できる。
【００２９】
また、この第２の実施形態では、改質ガスの流れ方向を、図７（ｄ）に示すように、下方から上方へ、つまり開口３５ｃに対向するよう設定することで、改質ガスが開口３５ｃを通して水素分離膜５に接触しやすくなり、水素分離効率が向上する。
【００３０】
図８は、図７に示した第２の実施形態の変形例である。これは、前記図７（ａ）における上部から２列目の切り起こし部３５ａを、最上列の切り起こし部３５ａに対し、左右方向にずらせている。図示していないが、３列目以降の切り起こし部３５ａについても、上下に隣接する切り起こし部３５ａの各列相互を左右方向にずらせる。
【００３１】
図９（ａ）は、この発明の第３の実施形態に係わる保護板３７の一部を示す平面図である。この保護板３７は、前記図７に示した第２の実施形態における保護板３５の切り起こし部３５ａに代えて、平面視でほぼ半円形状の切り起こし部３７ａを形成する。図９（ｂ）は、図９（ａ）のＣ−Ｃ断面図である。
【００３２】
この切り起こし部３７ａも、貫通孔３７ｂの改質ガス通路１側の開口３７ｃが図９中で下方に向けて開口している。このため、この第３の実施形態では、第２の実施形態と同様にして、図９（ｃ）に示すように、改質触媒のスラリーを改質ガス通路１に対して上部から流し込むときに、貫通孔３７ｂの開口３７ｃが下方に向けて開口しているので、スラリーの水素分離膜５への接触を確実に防止できる。
【００３３】
また、この第３の実施形態でも、改質ガスの流れ方向を、図９（ｄ）に示すように、下方から上方へ、つまり開口３７ｃに対向するよう設定することで、改質ガスが開口３７ｃを通して水素分離膜５に接触しやすくなり、水素分離効率が向上する。
【００３４】
図１０は、図９に示した第３の実施形態の変形例である。これは、前記図９に（ａ）おける上部から２列目の切り起こし部３７ａを、最上列の切り起こし部３７ａに対し、左右方向にずらせている。図示していないが、３列目以降の切り起こし部３７ａについても、上下に隣接する切り起こし部３５ａの各列相互を左右方向にずらせる。
【００３５】
図１１（ａ）は、この発明の第４の実施形態に係わる保護板３９の一部を示す平面図である。この保護板３９は、前記図７に示した第２の実施形態における保護板３５の切り起こし部３５ａに代えて、平面視で図１１（ａ）中で左右方向に長い長方形状の切り起こし部３９ａを、上下方向に沿って複数形成する。図１１（ｂ）は、図１１（ａ）のＤ−Ｄ断面図である。
【００３６】
ただし、ここでの切り起こし部３９ａは、図１２中で下端部のほか左右両端をそれぞれ切断している。
【００３７】
そして、この切り起こし部３９ａも、貫通孔３９ｂの開口３９ｃが図１１中で下方に向けて開口している。このため、この第４の実施形態では、第１の実施形態と同様にして、図１１（ｃ）に示すように、触媒スラリーを改質ガス通路１に対して上部から流し込むときに、貫通孔３９ｂの開口３９ｃが下方に向けて開口しているので、スラリーの水素分離膜５への接触を確実に防止できる。
【００３８】
また、この第４の実施形態でも、改質ガスの流れ方向を、図１１（ｄ）に示すように、下方から上方へ、つまり開口３９ｃに対向するよう設定することで、改質ガスが開口３９ｃを通して水素分離膜５に接触しやすくなり、水素分離効率が向上する。
【００３９】
図１２（ａ）は、この発明の第５の実施形態に係わる保護板４１の一部を示す平面図である。この保護板４１は、前記図７に示した第２の実施形態における保護板３５の切り起こし部３５ａに代えて、平面視で図１２（ａ）中で左右方向に長い長方形状の切り起こし部４１ａを形成する。図１２（ｂ）は、図１２（ａ）のＥ−Ｅ断面図である。
【００４０】
ただし、ここでの切り起こし部４１ａは、図１２中で上端部および下端部をそれぞれ切断するとともに、左右両端における上下方向中央部を除く部分を切断している。そして、この切り起こし部４１ａの図１２中で下端部は、改質ガス通路１側に突出させ、同上端部は水素分離膜５側に突出させる。
【００４１】
これにより、この切り起こし部４１ａも、貫通孔４１ｂの改質ガス通路１側の開口４１ｃが図１２中で下方に向けて開口することになる。このため、この第５の実施形態では、第１の実施形態と同様にして、図１２（ｃ）に示すように、触媒スラリーを改質ガス通路１に対して上部から流し込むときに、貫通孔４１ｂの開口４１ｃが下方に向けて開口しているので、スラリーの水素分離膜５への接触を確実に防止できる。
【００４２】
また、この第５の実施形態でも、改質ガスの流れ方向を、図１２（ｄ）に示すように、下方から上方へ、つまり開口４１ｃに対向するよう設定することで、改質ガスが開口４１ｃを通して水素分離膜５に接触しやすくなり、水素分離効率が向上する。
【００４３】
図１３は、この発明の第６の実施形態に係わるもので、前記図２に相当する断面図である。この実施形態は、水素分離膜５と保護板３１との間隔（隙間Ｓ）が、触媒スラリーを流し込む図１３中で上部側で広く、同下部側で狭くなるように、保護板３１を水素分離膜５に対して傾斜させている。これにより、改質ガス通路１は、スラリーを流し込む図１３中で上部側が狭く、同下部側が広くなる。
【００４４】
このため、水素分離膜５と保護板３１との間に介装する上部のスペーサ４３を同下部のスペーサ４５より厚くするとともに、各スペーサ４３，４５の保護板３１に接触する面４３ａ，４５ａを、保護板３１の傾斜角度に合わせて傾斜面としている。
【００４５】
上記した第６の実施形態によれば、改質ガス通路１は、スラリーを流し込む図１３中で上部側が狭く、下部にいくほど広くなるようなテーパ形状となっているので、流し込んだスラリーは、保護板３１に接触しにくく、結果としてスラリーは、図２に示した第１の実施形態に比べ、水素分離膜５に対してより接触しにくくなる。
【００４６】
図１４は、この発明の第７の実施形態に係わるもので、この実施形態は、前記図１３に示した第６の実施形態の保護板３１に代えて、改質ガス通路１側（水素分離膜５と反対側）に凸となる湾曲形状の保護板４７を使用している。この保護板４７にも貫通孔４７ａを設けてある。
【００４７】
この第７の実施形態においても、水素分離膜５と保護板４７との間に介装する上部のスペーサ４９を同下部のスペーサ５１より厚くするとともに、各スペーサ４９，５１の保護板４７に接触する面４９ａ，５１ａを、保護板４７の湾曲面に合わせて曲面に形成している。
【００４８】
上記した第７の実施形態によれば、改質ガス通路１は、第６の実施形態と同様に、スラリーを流し込む図１４中で上部側が狭く、下部にいくほど広くなっているので、流し込んだスラリーは、保護板４７に接触しにくく、結果としてスラリーは、図２に示した第１の実施形態に比べ、水素分離膜５に対してより接触しにくくなる。
【００４９】
図１５は、この発明の第８の実施形態を示す保護板５３の一部を示す平面図である。この保護板５３は、第１の実施形態と同様に、貫通孔５３ａを複数備えるとともに、スラリーを流し込む図１５中で上端部に、貫通孔５３ａより開口面積が大きな長円形の改質ガス排出孔５３ｂを、図１５中で左右方向に沿って複数設けている。
【００５０】
このように、改質ガスの最下流部に改質ガス排出孔５３ｂを設けることで、水素分離膜５と保護板５３との間から、排改質ガスを改質ガス排出孔５３ｂを通して改質ガス通路１側に効率よく排出できる。
【００５１】
これにより、排改質ガスの水素分離膜５と保護板５３との間への滞留を防止でき、上流から送られてくる改質ガスを、保護板５３の貫通孔５３ａを通して水素分離膜５までより多量に供給することができる。
【００５２】
なお、上記した第６，第７および第８の各実施形態における保護板３１，４７および５３は、第１の実施形態と同様な円形の貫通孔３１ａ，４７ａ，５３ａを設けたものとして説明したが、図７ないし図１２に示した切り起こし部３５ａ，３７ａ，３９ａ，４１ａによる貫通孔を備えたものについても適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施形態を示す改質反応器の斜視図である。
【図２】図１の改質反応器における水素分離膜および保護板の断面図である。
【図３】図２の保護板の一部を示す平面図である。
【図４】図１の改質反応器の製造工程図である。
【図５】（ａ）は図４の工程Ｓ１での改質反応器の斜視図、（ｂ）は（ａ）の改質反応器を縦にした状態を示す説明図、（ｃ）は（ｂ）の改質反応器に触媒スラリーを流し込む状態を示す説明図である。
【図６】触媒スラリーが保護板に沿って流れる様子を示す説明図である。
【図７】（ａ）はこの発明の第２の実施形態に係わる保護板の一部を示す平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図、（ｃ）は（ｂ）においてスラリーを流す方向を示す説明図、（ｄ）は（ｂ）において改質ガスを流す方向を示す説明図である。
【図８】図７の第２の実施形態の変形例に係わる保護板の一部を示す平面図である。
【図９】（ａ）はこの発明の第３の実施形態に係わる保護板の一部を示す平面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ断面図、（ｃ）は（ｂ）においてスラリーを流す方向を示す説明図、（ｄ）は（ｂ）において改質ガスを流す方向を示す説明図である。
【図１０】図９の第３の実施形態の変形例に係わる保護板の一部を示す平面図である。
【図１１】（ａ）はこの発明の第４の実施形態に係わる保護板の一部を示す平面図、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ断面図、（ｃ）は（ｂ）においてスラリーを流す方向を示す説明図、（ｄ）は（ｂ）において改質ガスを流す方向を示す説明図である。
【図１２】（ａ）はこの発明の第５の実施形態に係わる保護板の一部を示す平面図、（ｂ）は（ａ）のＥ−Ｅ断面図、（ｃ）は（ｂ）においてスラリーを流す方向を示す説明図、（ｄ）は（ｂ）において改質ガスを流す方向を示す説明図である。
【図１３】この発明の第６の実施形態に係わる、図２に相当する断面図である。
【図１４】この発明の第７の実施形態に係わる、図２に相当する断面図である。
【図１５】この発明の第８の実施形態を示す保護板の一部を示す平面図である。
【符号の説明】
１  改質ガス通路（改質反応部）
５  水素分離膜
３１，３５，３７，３９，４１，４７，５３  保護板
３１ａ，３５ｂ，３７ｂ，３９ｂ，４１ｂ，４７ａ，５３ａ  貫通孔
３５ｃ，３７ｃ，３９ｃ，４１ｃ  開口
５３ｂ  改質ガス排出孔
【図１】
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【図２】
2004231433.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2004231433.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
2004231433.tif 000012
【図１１】
2004231433.tif 000013
【図１２】
2004231433.tif 000014
【図１３】
2004231433.tif 000015
【図１４】
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【図１５】
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