(57)【要約】【課題】２重管式の触媒充填装置の２重管に熱膨張差があっても、その内部に配設されている触媒が破損しないようにすることにある。【解決手段】２重管１ａの環状孔５には、２重管１ａと同じ材質の仕切板６が設けられ、仕切板６の多孔板９の板面からは支持棒１０が立設している。最下段の仕切板６ａの上部には別の仕切板６ｂが支持棒１０の先端部に載置され、多孔板９間にはセラミックからなる触媒８が充填されている。触媒反応させるために、２重管１ａを加熱すると、２重管１ａが熱膨張して環状孔５の幅が広くなり、触媒８と２重管１ａとの間に隙間が形成され、その隙間に触媒８の粒子が入り込む。２重管１ａが常温に戻って収縮すると、触媒８の自重のかかり具合が少ないために、触媒８も初期の状態に戻る。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒状の触媒を充填し触媒反応時に熱膨張する容器を備えた触媒充填装置において、
触媒の粒径より小さな孔を複数個形成し形状が容器内断面に等しい多孔板と、該多孔板の板面上に一定の高さを持つ複数本の支持棒とを取付けた仕切板を容器内に設け、該仕切板の支持棒上に別の仕切板を載置して容器内を２以上に区画し、多孔板間に触媒を充填するようにしたことを特徴とする触媒充填装置。
【請求項２】
上記容器が、内孔と内孔の周囲に環状の外孔を設けた２重管であり、上記多孔板を外孔に対応させた形状に形成し、上記仕切板と触媒を２重管の外孔に配設するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の触媒充填装置。
【請求項３】
上記触媒充填装置が燃料電池の改質装置であって、上記触媒がセラミックを成分として含み、上記容器が金属製であることを特徴とする請求項１または２に記載の触媒充填装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスなどの流体を反応させる触媒を充填し、触媒の反応時に容器が熱膨張し、その後常温時において、容器がもとの大きさに戻ってもその熱膨張差により触媒が破損することのない触媒充填装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５は、触媒充填装置としての２重管式触媒装置５１を示す。
２重管式触媒装置５１の２重管５２は、内管５４と内管５４の外側に同心円上に配設されている外管５３から構成されている。外管５３及び内管５４はステンレス等の金属で形成されている。図５のＸ−Ｘ線方向の断面図として図６のＡに示すように、外管５３と内管５４の間に位置する外孔としての環状孔５６には、セラミックからなる触媒５５が充填されている。
このような構成により、２重管５２の環状孔５６にはガスＧが導入され、ガスＧは環状孔５６の内部に充填した触媒５５と反応し、反応した後に内孔５７を通って２重管５２の外に排出される。
【０００３】
この際、２重管５２は触媒の反応温度、例えば７００℃に昇温し、ガスＧと反応させる。図６のＡに示すように、触媒５５は当初環状孔５６の内部に充填されている。しかしながら、２重管５２が昇温されると２重管５２が金属製であることから比較的温度による熱膨張が大きく、図６のＢに示すように環状孔５６の幅（外管５３と内管５４の間の長さ）が初期の幅Ｗより大きくなり、隙間ｔが形成される。一方、触媒５５は金属に比べて比較的熱膨張が小さく、そのままの大きさを維持する。触媒５５は粒状であるので、触媒５５の粒子が崩れて、図６のＣに示すように、その粒子が隙間ｔを再充填する。
【０００４】
触媒５５反応が終了し、２重管５２は温度が常温に戻ると、隙間ｔの分だけ孔５６の幅が小さくなる。すると、図６のＤに示すように、触媒５５が内側に外管５３及び内管５４により押圧されてしまう。この際、触媒５５は図６のＡの状態に戻ろうとするが、触媒５５の下部は自重によりもとの状態に戻ることができない。
その結果、２重管５２が熱膨張、収縮を繰り返していくうちに、触媒５５の粒子が破損して、発生した微細な触媒破片が触媒粒子間に詰まり、触媒中を流れる流体の圧力損失を著しく増大させて、装置の運転を不可能にし、場合によっては２重管５２が破損することもある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、２重管が金属製であると、例えば外管と内管の幅Ｗが２０ｍｍであり、温度差が７００℃とすると、材料がステンレスであれば、約１％程度（０．２ｍｍ）の熱膨張がある。この熱膨張は、容器径が５００ｍｍ〜６００ｍｍの大型のものであれば、触媒に差ほど問題は生じないか、容器径の小さいものであれば影響が生じる。
この問題を解決するために、２重管に棚（仕切）を設け、２重管の内部を幾つかに区画して、触媒５５の下部に位置する粒子が押圧されないで、もとの初期の状態になるように工夫した技術もある。この技術は、金属製の棚を２重管の環状孔内に溶接で固定し、その棚の間に触媒５５を充填させるようにしたものであるが、２重管が小さな場合は、環状孔の内部に複数枚の棚を溶接することは困難であり、実際に実施したものも見かけられない。
【０００６】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、２重管の容器に熱膨張差があっても、その内部に配設された触媒が破損することのない触媒充填装置を提供することある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の触媒充填装置は、粒状の触媒を充填し触媒反応時に熱膨張する容器を備えた触媒充填装置において、触媒の粒径より小さな孔を複数個形成し形状が容器内断面に等しい多孔板と、該多孔板の板面上に一定の高さを持つ複数本の支持棒とを取付けた仕切板を容器内に設け、該仕切板の支持棒上に別の仕切板を載置して容器内を２以上に区画し、多孔板間に触媒を充填するようにしたことにある。
上記触媒充填装置は、上記容器が、内孔と内孔の周囲に環状の外孔を設けた２重管であり、上記多孔板を外孔に対応させた形状に形成し、上記仕切板と触媒を２重管の外孔に配設することができる。
また、上記触媒充填装置は燃料電池の改質装置として用い、上記触媒がセラミックを成分として含み、上記容器は金属製とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態による触媒充填装置について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係る触媒充填装置としての２重管式触媒装置１を示す。この２重管式触媒装置１の２重管１ａは金属製であり、円筒状の内管３とこの内管３と同心円上に設けられ、かつ内管３の周囲（２０ｍｍ）に間隔を開けて配設した外管４とから構成されている。それらの内管３と外管４との間に設けられている環状孔５には、複数の仕切板６が２重管１ａの軸線方向に積み重なるようにして配設され、仕切板６で仕切られた区画室７には、触媒（以下、触媒層ともいう）８が充填されている。
【０００９】
図２は、仕切板６の拡大図である。仕切板６は、多孔板９と支持棒１０から構成され、２重管１ａと同じ材質の金属製材料から形成されている。一方の多孔板９は環状形であり、２重管１ａに嵌合するように、その内径及び外径は、２重管１ａの環状孔５の内径と外径に一致するように形成されている。また、多孔板９の平板面１１には、多数の流通孔１２が形成されている。流通孔１２の径は、触媒８が流通孔１２を通過しないように、触媒８の粒径よりも小さく形成されている。流通孔１２の形状は円形の他、四角形などの多角形であってもよいが、触媒８が流通孔１２を塞がないように、例えば触媒８の粒形が球形であれば、流通孔１２の形状は四角形にするなど、触媒８と流通孔１２の形状を異形にすることが望ましい。
【００１０】
多孔板９の板面１１上には、図２に示すように、円柱状の支持棒１０が板面１１上から直角に立設させている。支持棒１０は、本実施の形態では多孔板９の周方向に９０度間隔で４本が設けられているが、３本若しくは５本以上であってもよい。支持棒１０の長さは４本が同一長さであり、このような形状の仕切板６が、複数個設けられている。図１に示すように、２重管１ａの下部には、止め金具１５が、内管３の外周部と外管４の内周部に固定されている。止め金具１５は、環状孔５の開口部よりに配設しているので、容易に溶接等により固定することができる。
【００１１】
こうした２重管１ａの環状孔５に、環状孔５の上端部側開口から仕切板６ａを挿入し、仕切板６の多孔板９を止め金具１５上に載置する。次いで、図３に示すように、セラミックからなる触媒８を多孔板９の上に充填し、支持棒１０の先端部１０ａまで充填させる。次いで、２重管１ａの環状孔５に別の２番目の仕切板６ｂを、環状孔５の上端部側開口から挿入する。すると、２番目の仕切板６ｂの多孔板９が、第１番目の仕切板６ａの支持棒１０の先端部に載置され、２番目の仕切板６ｂの多孔板９上に触媒８を充填する。そして、同じように３番目の仕切板６ｃを２番目の仕切板６ｂに載せて触媒８を充填し、同様にして残りの仕切板６ｄ〜６ｆを２重管１ａ内に配設し、触媒８を多孔板９間に形成した区画室７に充填する。
【００１２】
各多孔板９間の触媒８の量は、上述したように全てが支持棒１０の先端部１０ａの位置になるようにする。また、各仕切板６同士は支持棒１０に載置しているだけであって、固定はされていない。よって、最下段の仕切板６ａさえ２重管に支持できるようにすれば、残りの仕切板６ｂ〜６ｆは支持棒１０上に載置するだけでよいので、組み付けや取り外しも容易であり、コストも安価にして実施することができる。
なお、本実施の形態では２重管１ａの内管３と外管４の常温時の幅Ｗは、２０ｍｍとしているが、１０〜数１０ｍｍのものに使用することができる。また、環状孔５の幅Ｗと支持棒の高さＨの関係は、Ｈ／Ｗ≦５とすることが望ましい。触媒層８の自重を大きくしないためである。触媒８は、Ａｌ２Ｏ３やＳｉＯ２などのセラミックを用い、触媒８の粒径は３〜５ｍｍ程度のものを使用している。触媒８は、全体がセラミックである必要はなく、セラミックを含むものであってもよく、セラミックの種類については、Ａｌ２Ｏ３やＳｉＯ２が好ましいが、これ以外の他のセラミックであってもよい。
【００１３】
このような２重管式触媒装置１は、燃料電池の改質装置に用いることができ、２重管１ａが７００〜８００℃の触媒反応温度に昇温させ、炭化水素と水蒸気を環状孔５に流し込むと、これらの気体が触媒層を通過する間に触媒反応により一酸化炭素と水素を発生する。
２重管１ａの昇温過程では、金属壁であり熱膨張率の大きな２重管１ａと、それに比べて熱膨張率の小さなセラミック基材との間に熱膨張差が生じる。すなわち、内管３及び外管４と、セラミック基材の触媒８との間に、熱膨張差として、隙間ｔが形成される。そして、生じた隙間ｔに触媒８が侵入して再充填され、各区画室７の触媒８の高さが隙間ｔへの充填分だけ低くなる。しかしながら、区画室７を形成する各多孔板９が下側の支持棒１０に支持されていることから、区画室７の触媒８はその下側にある区画室７に下降することがなく、自重が下側の区画室７に配設されている触媒８に負荷することもない。よって、各区画室７の触媒層８は、支持棒高さ分だけの触媒圧力しかかからない。
【００１４】
２重管式触媒装置１の稼働を停止し、２重管１ａが常温に降下した時には、２重管の内管３及び外管４の幅が縮小し、２重管１ａの径方向に圧縮する押圧力が触媒層８に負荷する。触媒８には、触媒８の自重が及ぼす影響が小さく、各触媒層８の上に形成された多孔板９との隙間を埋めるようにして触媒８の高さがもとの高さになり、触媒層８に働く径方向圧力を開放する。その結果、触媒８の破損を回避することが可能となる。
なお、従来の２重管では、内管３と外管４の初期の幅を図３に示すように、Ｗとし、触媒８の粒径をＷｃとすると、Ｗ／Ｗｃ≧３、すなわち３以上の値のものに適用することが好ましい。従来例で説明した構造の２重管５１では、その値が３以上のものについて、触媒の損傷が確認できたからである。
【００１５】
図４は、触媒充填装置の他の実施の形態の触媒装置２１の概略図である。
この触媒装置２１は、上記実施の形態の２重管式触媒装置１と異なるのは、単一の管２２を用いたことである。よって、仕切板２３の多孔板２４の形状は、それに対応させた円板形であり、触媒の粒子より粒径の小さな流通孔２５が多数形成されている。そして、多孔板２４の面上には多孔板２４の周方向に９０度間隔に４本の支持棒２６を立設させている。
このような仕切板２３の支持棒２６上に別の仕切板２３を載置させ、仕切板２３の多孔板２４間に触媒を充填させる。
本実施の形態のこのような単管式の触媒装置２１も、上記実施の形態の２重管式触媒装置１と同様な効果を奏する。
【００１６】
以上、本実施の形態の触媒充填装置について説明したが、この触媒充填装置は、本発明の技術的思想に基づいて、種々の変形及び変更が可能である。
例えば、上記実施の形態では、２重管式触媒装置１の２重管１ａと仕切板６とは同質の材料としたが、仕切板８の材質の熱膨張係数が２重管１ａの材質の熱膨張係数よりも小さければ適用可能である。２重管１ａの材質もステンレス製が好ましいが、金属製であればステンレス製に限定されない。
また、２重管１ａの断面形状については、内管３及び外管４ともに円形としたが、断面形状については角形のものであってもよい。支持棒１０の断面形状についても同様である。
【００１７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の触媒充填装置は、粒状の触媒を充填し触媒反応時に熱膨張する容器を備えた触媒充填装置において、触媒の粒径より小さな孔を複数個形成し形状が容器内断面に等しい多孔板と、該多孔板の板面上に一定の高さを持つ複数本の支持棒とを取付けた仕切板を容器内に設け、該仕切板の支持棒上に別の仕切板を載置して容器内を２以上に区画し、多孔板間に触媒を充填するようにしたので、容器が熱膨張して容器と触媒層との間に隙間が形成し、その隙間に触媒の粒子が再充填し、触媒層の幅がその隙間分だけ大きくなり、その後、常温に戻った容器が収縮しても、触媒層の触媒粒子が破損することなく、もとの触媒層の状態に戻すことができる。
この触媒充填装置は、単管や、内孔と内孔の周囲に環状の外孔を設けた２重管にも使用することができる。
さらに、上記触媒充填装置が燃料電池の改質装置であって、上記触媒がセラミックを成分として含み、上記容器を金属製としたので、熱膨張による触媒の破損による触媒の詰まりを防止し、燃料電池の寿命を長くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の触媒充填装置としての２重管式触媒装置の縦断面図である。
【図２】図１に示す２重管式触媒装置における仕切板の拡大斜視図である。
【図３】図１に示す２重管式触媒装置の環状孔の拡大断面図である。
【図４】本発明の他の実施の形態の単管式触媒装置の斜視図である。
【図５】従来の２重管式触媒装置の斜視図である。
【図６】Ａは、常温時における２重管の断面図であり、Ｂは昇温時において２重管が熱膨張して２重管と触媒との間に隙間が形成された状態を示す断面図であり、Ｃは昇温時において２重管と触媒との間に形成された隙間に触媒が入り込んだ状態を示す断面図であり、Ｄは２重管が常温になって収縮して触媒が２重管に押圧されている状態を示す断面図である。なお、Ａ〜Ｄともに図５におけるＸ−Ｘ線方向の断面図である。
【符号の説明】
１　２重管式触媒装置
１ａ　２重管
３　内管
４　外管
５　環状孔
６　仕切板
７　区画室
８　触媒
９　多孔板
１０支持棒
１１平板面
１２流通孔
１５止め金具
２１触媒装置
２２単管
２３仕切板
２４多孔板
２５流通孔
【図１】
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【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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