(57)【要約】【課題】改質器の面内温度分布を均一にする。【解決手段】原燃料ガスが流通する多数のセル２１ｂ，２２ｂを有するハニカム形の担体２１ａ，２２ａに触媒を担持させてなる改質器３であって、単位面積当たりのセルの数を、中央層２１のセル２１ｂの数よりも外周層２２のセル２２ｂの数を減少させる。【選択図】    図１
2004249254.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体が流通する多数のセルを有するハニカム形の担体に触媒を担持させてなる触媒反応器において、
前記流体の流れ方向と直交する面内における中央部から外周部に向かって単位面積当たりのセルの数を減少させたことを特徴とする触媒反応器。
【請求項２】
流体が流通する多数のセルを有するハニカム形の担体に触媒を担持させてなる触媒反応器において、
外周部に配置された各セルの開口面積を中央部に配置された各セルの開口面積よりも大きくしたことを特徴とする触媒反応器。
【請求項３】
前記触媒は炭化水素を含む原燃料ガスを水素リッチなガスに改質する改質触媒であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の触媒反応器。
【請求項４】
前記触媒は反応ガスに含まれる一酸化炭素を二酸化炭素に変化させるシフト触媒またはＣＯ除去触媒であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の触媒反応器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ハニカム形の担体に触媒を担持してなり、流通する反応ガスを触媒反応させる触媒反応器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
触媒技術の発達により、触媒反応器は各種産業においてその目的に応じて広く利用されている。
例えば、近年、環境汚染物質の排出が極めて少ないクリーンなエネルギー源として燃料電池が注目されており、自動車産業においても、車載した燃料電池で発生させた電力でモータを回転し車両を駆動する燃料電池自動車が開発されている。
【０００３】
この種の燃料電池には、固体高分子電解質膜の両側にアノードとカソードとを備え、アノードに水素リッチな燃料ガスを供給し、カソードに酸化剤ガス（例えば酸素あるいは空気）を供給して、これらガスの酸化還元反応にかかる化学エネルギを直接電気エネルギとして抽出するようにしたものがある。この燃料電池では、アノード側で水素ガスがイオン化して固体高分子電解質中を移動し、電子は、外部負荷を通ってカソード側に移動し、酸素と反応して水を生成する一連の電気化学反応による電気エネルギを取り出すことができるようになっている。
【０００４】
この燃料電池への燃料ガスの供給方法として、メタノールやガソリンなどの炭化水素を含む原燃料ガスを、水蒸気改質により水素リッチな燃料ガス（以下、水素リッチガスと略す）に改質し、この水素リッチガスを燃料電池の燃料ガスとして供給する場合がある（特開２０００−３０２４０８号公報等）。この時、前記原燃料ガスを水素リッチガスに改質するのに、改質触媒を収容した改質反応器が利用されている。
【０００５】
さらに、改質触媒で改質された水素リッチガス中の一酸化炭素（ＣＯ）濃度が高いと、燃料電池のアノードに含まれる白金触媒がＣＯで被毒（以下、ＣＯ被毒という）され出力低下を招くので、一般に、燃料電池に供給する前に水素リッチガス中のＣＯを除去しているが、このＣＯ除去手段としてシフト触媒を収容したシフターやＣＯ除去触媒を収容したＣＯ除去器が利用されており、触媒反応によりＣＯを二酸化炭素（ＣＯ２）に変化させている。
【０００６】
これら改質反応器、シフター、ＣＯ除去器は触媒反応器の一例であり、そのほか、内燃機関から排出される排気ガスを浄化する排気浄化装置を触媒反応器で構成することもある。
ところで、一般に、触媒には、その触媒反応を効率よく進行させる最適温度があり、この最適温度よりも低くてもあるいは高くても反応効率が低下する。したがって、効率上、触媒反応器内の全ての領域において触媒の温度分布が均一で、ほぼ前記最適温度になっているのが望ましい。また、触媒の温度制御を行うに際しても、触媒の温度分布が不均一になっていると、測温点を複数設けなければならなくなったり、制御が複雑になるなど不具合が生じる。
【０００７】
そこで、従来から触媒反応器における触媒温度を均一化する方法が種々提案されている。
例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３等には、触媒反応器における反応ガスの流れ方向に沿う温度分布を均一化する方法が開示されている。しかしながら、これら方法では、反応ガスの流れ方向と直交する方向（以下、面内方向という）に沿う温度分布（以下、面内温度分布と称す）を均一化することができず、中央部よりも外周部の方が温度が低くなってしまう。面内温度分布が不均一になる主な要因は、触媒反応器の内壁面の流体摩擦抵抗により中央部が外周部よりも流速が大きくなるという流量分布と、触媒反応器の外周部からの放熱である。
【０００８】
触媒の面内温度分布を均一化する方法としては、例えば、ハニカム形の触媒反応器において、導電材を含むハニカム形の担体に通電して加熱することで面内温度分布の均一化を図るもの（例えば、特許文献４参照）や、ハニカム形の担体においてセル同士を隔てる壁面に小孔を設け、任意のセルに入ったガスが前記小孔を通ることで他のセルに移動・拡散可能にし面内温度分布の均一化を図るものがある。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００２−３８６５号公報
【特許文献２】
特開２０００−３１９００６号公報
【特許文献３】
特開２０００−７３０３号公報
【特許文献４】
特開平７−１８５２６４号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の触媒の面内温度分布の均一化を図った触媒反応器には、以下のような不具合があった。
特許文献４に開示された触媒反応器では、通電により加熱するため、余計な電気エネルギーを消費することとなり、不経済である。
ハニカム形の担体の壁面に小孔を設けた触媒反応器においては、触媒反応器のガス流れ方向の長さが短い場合やガス流速が速い場合には、小孔を通してガスが拡散する割合が小さくなり、面内温度分布の均一化が困難である。
そこで、この発明は、触媒の面内温度分布を容易に均一にすることができ、触媒の温度制御を容易に行えることができるハニカム形の触媒反応器を提供するものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、流体が流通する多数のセル（例えば、後述する実施の形態におけるセル２１ｂ，２２ｂ）を有するハニカム形の担体（例えば、後述する実施の形態における担体２１ａ，２２ａ）に触媒を担持させてなる触媒反応器（例えば、後述する実施の形態における改質器３、シフター５、ＣＯ除去器７）において、前記流体の流れ方向と直交する面内における中央部（例えば、後述する実施の形態における中央層２１）から外周部（例えば、後述する実施の形態における外周層２２）に向かって単位面積当たりのセルの数を減少させたことを特徴とする。
【００１２】
このように構成することにより、外周部に配置されたセルにおける流体抵抗が中央部に配置されたセルにおける流体抵抗よりも小さくなるため、外周部に流体を多く流すことができるようになり、流体の面内方向に沿う流量分布（以下、面内流量分布という）をほぼ均一にすることができる。その結果、中央部における触媒反応による発熱量よりも外周部における触媒反応による発熱量を大きくすることができ、外周部からの放熱分を補うことができ、触媒の面内温度分布を均一にすることができる。また、触媒の面内温度分布を均一にすることができるので、触媒反応器内の全ての触媒の温度を触媒反応に最適な温度に制御することが容易になる。
【００１３】
請求項２に係る発明は、流体が流通する多数のセル（例えば、後述する実施の形態におけるセル２１ｂ，２２ｂ）を有するハニカム形の担体（例えば、後述する実施の形態における担体２１ａ，２２ａ）に触媒を担持させてなる触媒反応器（例えば、後述する実施の形態における改質器３、シフター５、ＣＯ除去器７）において、外周部（例えば、後述する実施の形態における外周層２２）に配置された各セル（例えば、後述する実施の形態におけるセル２２ｂ）の開口面積を中央部（例えば、後述する実施の形態における中央層２１）に配置された各セル（例えば、後述する実施の形態におけるセル２１ｂ）の開口面積よりも大きくしたことを特徴とする。
【００１４】
このように構成することにより、外周部に配置されたセルにおける流体抵抗が中央部に配置されたセルにおける流体抵抗よりも小さくなるため、外周部に流体を多く流すことができるようになり、流体の面内流量分布をほぼ均一にすることができる。その結果、中央部における触媒反応による発熱量よりも外周部における触媒反応による発熱量を大きくすることができ、外周部からの放熱分を補うことができ、触媒の面内温度分布を均一にすることができる。また、触媒の面内温度分布を均一にすることができるので、触媒反応器内の全ての触媒の温度を触媒反応に最適な温度に制御することが容易になる。
【００１５】
請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に記載の発明において、前記触媒は炭化水素を含む原燃料ガスを水素リッチなガスに改質する改質触媒であることを特徴とする。
このように構成することにより、改質触媒の面内温度分布を均一にすることができ、触媒反応器内の全ての改質触媒の温度を改質反応に最適な温度に制御することが容易になる。
【００１６】
請求項４に係る発明は、請求項１または請求項２に記載の発明において、前記触媒は反応ガスに含まれる一酸化炭素を二酸化炭素に変化させるシフト触媒またはＣＯ除去触媒であることを特徴とする。
このように構成することにより、シフト触媒またはＣＯ除去触媒の面内温度分布を均一にすることができ、触媒反応器内の全てのシフト触媒またはＣＯ除去触媒の温度をそれぞれの触媒反応に最適な温度に制御することが容易になる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係る触媒反応器の一実施の形態を図１から図３の図面を参照して説明する。なお、この実施の形態における触媒反応器は、燃料電池用の燃料改質装置において用いられる態様である。
初めに、燃料電池用の燃料改質装置１について図３を参照して説明する。
燃料改質装置１は、蒸発器２、改質器３、熱交換器４、シフター５、混合器６、ＣＯ除去器７、を主要構成としており、原燃料としてのガソリンを水素リッチなガス（以下、水素リッチガスという）に改質し、燃料ガスとして燃料電池１００に供給する。なお、この実施の形態において、改質器３、シフター５、ＣＯ除去器７はいずれも触媒反応器を構成する。
燃料電池１００は例えば固体高分子電解質膜型の燃料電池であり、燃料改質装置１からアノードに供給される燃料ガス（水素リッチガス）中の水素と、カソードに供給される酸化剤ガスとしての空気中の酸素との電気化学反応により発電を行う。
【００１８】
蒸発器２には、原燃料としてのガソリンと、水と、改質用空気が供給されるようになっている。また、蒸発器２は内部に触媒燃焼器２ａを備えており、燃料電池１００から排出される水素オフガスと空気オフガスが触媒燃焼器２ａに導入されて燃焼され、この時に発生する熱で、蒸発器２に導入される前記ガソリンおよび水を気化させガス状にするとともに、改質用空気を加熱する。気化されたガソリンおよび水と加熱された改質用空気は混合され、原燃料ガスとして蒸発器２から改質器３に供給される。
【００１９】
改質器３は内部にＲｈ系またはＲｕ系の改質触媒を備えており、この改質触媒の触媒作用により改質器３内で、下記に示されるような部分酸化と水蒸気改質が行われ、その結果、原燃料ガスは水素リッチな改質ガスに改質される。なお、この改質ガスには、副反応により生じたＣＯが数％程度含まれている。
［部分酸化反応］
Ｃ８Ｈ１８  ＋  ８Ｏ２  →  ９Ｈ２  ＋  ８ＣＯ２
［水蒸気改質反応］
Ｃ８Ｈ１８  ＋  １６Ｈ２Ｏ  →  ２５Ｈ２  ＋  ８ＣＯ２
【００２０】
改質器３から出てくる改質ガスは極めて高温なため、熱交換器４で所定温度に冷却した後、シフター５に供給される。
前述したように、改質器３から出てくる改質ガスはＣＯ濃度が高く、これをそのまま燃料電池１００のアノードに供給すると、アノードの触媒（白金）がＣＯ被毒して燃料電池１００に悪影響を及ぼす場合があるので、シフター５によりＣＯを除去する。シフター５は内部にＣｕＺｎ系またはＰｔ系のシフト触媒を備えており、このシフト触媒の触媒作用によりシフター５の内部で、下記に示されるようなシフト反応が行われ、改質ガス中の多くのＣＯがＣＯ２に変成せしめられる。
［シフト反応］
ＣＯ  ＋  Ｈ２Ｏ  →  Ｈ２  ＋  ＣＯ２
【００２１】
シフター５によってＣＯを除去せしめられた改質ガスは混合器６においてＣＯ酸化用の空気と十分に混合せしめられて、ＣＯ除去器７に供給される。
ＣＯ除去器７は内部にＣＯを選択酸化するＲｕ系またはＰｔ系のＣＯ除去触媒を備えており、ＣＯ除去触媒の触媒作用によりＣＯ除去器７の内部で、下記に示されるような酸化反応が行われ、改質ガス中に微量に残留するＣＯがＣＯ２に酸化せしめられる。
［酸化反応］
ＣＯ  ＋  １／２Ｏ２  →  ＣＯ２
このようにしてＣＯを除去された改質ガスが、水素リッチガス（燃料ガス）としてＣＯ除去器７から燃料電池１００のアノードに供給される。
【００２２】
次に、改質器３について図１および図２の図面を参照して説明する。
図１は改質器３の外観斜視図、図２は同縦断面図である。改質器３は、円筒状の直胴部１１の両端にフランジ１２，１３が結合されてなるケーシング１０を備えており、ケーシング１０の一端側がガス入口１４、他端側がガス出口１５とされている。
【００２３】
ケーシング１０の内部には触媒部２０が設けられている。この触媒部２０はメタルまたはセラミックで形成されたハニカム形の担体に改質触媒（例えば、Ｒｈ系またはＲｕ系の触媒）を担持して構成されている。また、触媒部２０は同心状に２つの層、すなわち、ケーシング１０の中央部に配置された中央層２１と、中央層２１の周囲を取り巻くように配置された外周層２２に区画されている。
【００２４】
中央層２１と外周層２２は、ガスの流れ方向と直交する面内における単位面積当たりのセルの数を異にしている。すなわち、外周層２２における担体２２ａのセル２２ｂの数は、中央層２１における担体２１ａのセル２１ｂの数よりも少なく設定されている。つまり、ガスの流れ方向と直交する面内において中央部から外周部に向かって単位面積当たりのセルの数が減少している。
換言すると、外周層２２における担体２２ａの各セル２２ｂの開口面積（ガスの流れ方向と直交する方向の断面積）は、中央層２１における担体２１ａの各セル２１ｂの開口面積よりも大きく設定されている。
【００２５】
このように構成された改質器３においては、外周層２２のセル２２ｂにおける流体抵抗が中央層２１のセル２１ｂにおける流体抵抗よりも小さくなるため、原燃料ガスは外周層２２に多く流れるようになり、原燃料ガスの面内流量分布をほぼ均一にすることができる。その結果、中央層２１における触媒反応による発熱量よりも外周層２２における触媒反応による発熱量の方を大きくすることができ、ケーシング１０から外部に放熱される熱量を補うことができる。
これにより、改質触媒の面内温度分布（原燃料ガスの流れ方向と直交する方向に沿う温度分布）をほぼ均一にすることができる。また、改質触媒の面内温度分布をほぼ均一にすることができるので、改質器３内の全ての改質触媒の温度を改質反応に最適な温度に制御することが容易になる。
また、改質器３に収容されている全ての改質触媒の温度を改質反応に最適な温度に制御することができるので、改質触媒を効率的に利用することができ、極めて効率よく原燃料ガスを水素リッチガスに改質することができる。
【００２６】
なお、中央層２１の総開口面積Ａ１（ｍ２）と外周層２２の総開口面積Ａ２（ｍ２）の割合は、中央層２１における圧力損失と外周層２２における圧力損失の差（圧力損失差）ΔＰが最小値となるように設定するのが好ましい。ここで、圧力損失差ΔＰは次のようにして算出することができる。
今、中央層２１と外周層２２におけるガス流量をそれぞれＱ１（ｍ３／ｓ）、Ｑ２（ｍ３／ｓ）とすると、中央層２１のガス流速Ｖ１（ｍ／ｓ）と外周層２２のガス流速Ｖ２（ｍ／ｓ）は次式により算出される。
Ｖ１＝Ｑ１／Ａ１
Ｖ２＝Ｑ２／Ａ２
ガスの密度をρ（ｋｇ／ｍ３）とすると、圧力損失差ΔＰ（Ｐａ）は次式から算出することができる。
ΔＰ＝（１／２）・ρ・（Ｖ１２−Ｖ２２）
【００２７】
そして、中央層２１の総開口面積Ａ１と外周層２２の総開口面積Ａ２の比を変化させて、各開口面積比のときの圧力損失差ΔＰを前記計算式により算出し、図４に示すような開口面積比と圧力損失差ΔＰをパラメータとするグラフを作成して、このグラフから圧力損失差ΔＰが最小となる開口面積比を求める。なお、図４のグラフにおける開口面積比は、中央層２１と外周層２２を合わせた総開口面積（Ａ１＋Ａ２）に対する中央層２１の総開口面積Ａ１の比としている。
【００２８】
なお、図示を省略するが、シフター５およびＣＯ除去器７も改質器３と同様な構成からなり、触媒層が同心状の２層構造をなし、外周層における担体のセルの数が中央層における担体のセルの数よりも少なく設定されていて、ガスが外周層に多く流れるようになっており、中央層における触媒反応による発熱量よりも外周層における触媒反応による発熱量の方を大きくして、外部に放熱される熱量を補うことができるようにされている。
【００２９】
その結果、シフター５においては、シフト触媒の面内温度分布をほぼ均一にすることができ、シフター５内の全てのシフト触媒の温度をシフト反応に最適な温度に制御することが容易になり、シフト触媒を効率的に利用することができ、極めて効率よく改質ガス中のＣＯをＣＯ２に変成せしめることができる。
【００３０】
また、ＣＯ除去器７においては、ＣＯ除去触媒の面内温度分布をほぼ均一にすることができ、ＣＯ除去器７内の全てのＣＯ除去触媒の温度を酸化反応に最適な温度に制御することが容易になり、ＣＯ除去触媒を効率的に利用することができ、極めて効率よく改質ガス中に残留するＣＯをＣＯ２に酸化せしめることができる。
【００３１】
〔他の実施の形態〕
なお、この発明は前述した実施の形態に限られるものではない。
例えば、前述した実施の形態では、触媒層を同心状に２層に分けているが、同心状に３層以上に分けてもよく、その場合には外周側に配置される層ほど単位面積当たりのセルの数を減少するように構成する。
また、前述した実施の形態における燃料改質装置では原燃料をガソリンとしているが、原燃料をメタノールなど炭化水素を含む燃料としてもよい。
さらに、触媒は改質触媒、シフト触媒、ＣＯ除去触媒以外のあらゆる触媒を採用することができ、本発明はあらゆる触媒を担持した触媒反応器に適用可能である。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明するように、請求項１または請求項２に係る発明によれば、外周部に配置されたセルにおける流体抵抗が中央部に配置されたセルにおける流体抵抗よりも小さくなるため、外周部に流体を多く流すことができるようになり、流体の面内流量分布をほぼ均一にすることができる。その結果、中央部における触媒反応による発熱量よりも外周部における触媒反応による発熱量を大きくすることができ、外周部からの放熱分を補うことができ、触媒の面内温度分布を均一にすることができる。また、触媒の面内温度分布を均一にすることができるので、触媒反応器内の全ての触媒の温度を触媒反応に最適な温度に制御することが容易になる。
【００３３】
請求項３に係る発明によれば、改質触媒の面内温度分布を均一にすることができ、触媒反応器内の全ての改質触媒の温度を改質反応に最適な温度に制御することが容易になる。
請求項４に係る発明によれば、シフト触媒またはＣＯ除去触媒の面内温度分布を均一にすることができ、触媒反応器内の全てのシフト触媒またはＣＯ除去触媒の温度をそれぞれの触媒反応に最適な温度に制御することが容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る触媒反応器の一実施の形態における外観斜視図である。
【図２】前記実施の形態の触媒反応器の縦断面図である。
【図３】この発明に係る触媒反応器を備えた燃料改質装置の一実施の形態における構成図である。
【図４】開口面積比と圧力損失差の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
３  改質器（触媒反応器）
５  シフター（触媒反応器）
７  ＣＯ除去器（触媒反応器）
２１  中央層（中央部）
２２  外周層（外周部）
２１ａ，２２ａ  担体
２１ｂ，２２ｂ  セル
【図１】
2004249254.tif 000003
【図２】
2004249254.tif 000004
【図３】
2004249254.tif 000005
【図４】
2004249254.tif 000006