(57)【要約】【課題】改質反応装置における性能の低下を防止し、装置の小型化を図ることを課題とする。【解決手段】改質層４、熱供給層５、ならびに水素透過層１が積層されてなる改質反応装置において、熱供給層５ならびに改質層４におけるガスの流れ方向が互いに平行であり、改質層４を流れる改質ガスの上流部で、かつ水素分離膜７と対向していない位置の改質層４に予備改質部２が設けられて構成される。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
改質反応を行う改質層と、前記改質層で行われる改質反応で使用される熱を供給する熱供給層と、水素分離膜を介して改質反応で得られた改質ガスから水素を選択的に透過する水素透過層とが積層されてなる積層型の改質反応装置において、
前記熱供給層ならびに前記改質層におけるガスの流れ方向が互いに平行であり、前記改質層を流れる改質ガスの上流部で、かつ前記水素分離膜と対向していない位置の前記改質層に予備改質部が設けられていることを特徴とする改質反応装置。
【請求項２】
前記熱供給層、前記改質層、ならびに前記水素透過層のそれぞれのガスの流れ方向が互いに平行であることを特徴とする請求項１記載の改質反応装置。
【請求項３】
前記改質反応装置は矩形状であり、前記熱供給層、前記改質層、ならびに前記水素透過層に、それぞれの層を貫通してガスを供給、排出するガス流入部、ガス排出部を備え、前記ガス流入部、ガス排出部は、矩形状の前記改質反応装置の対向する２辺に設けられていることを特徴とする請求項１記載の改質反応装置。
【請求項４】
前記改質層もしくは前記熱供給層の少なくとも一つの前記ガス流入部の幅は、前記ガス流出部の幅よりも大きく形成されていることを特徴とする請求項３記載の改質反応装置。
【請求項５】
前記改質層もしくは前記熱供給層の少なくても一つの前記流入部は、矩形状の一辺の略中心に配置されていることを特徴とする請求項３記載の改質反応装置。
【請求項６】
前記改質層もしくは前記熱供給層のガス流入部は、複数設けられ、前記複数のガス流入部は左右対称に配置されていることを特徴とする請求項３記載の改質反応装置。
【請求項７】
前記改質層におけるガスの流れと前記熱供給層におけるガスの流れは、対向していることを特徴とする請求項３記載の改質反応装置。
【請求項８】
前記水素分離膜は、金属溶解型であることを特徴とする請求項１記載の改質反応装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、反応物質通路（改質層）、熱媒体通路（熱供給層）、分解生成ガス通路（水素透過層）が積層されて、炭化水素もしくはアルコール類を主成分とする原料を改質して水素を生成する改質反応装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の技術としては、例えば以下に示す文献に記載されものが知られている（特許文献１又は特許文献２参照）。
【０００３】
特許文献１に記載された技術では、炭化水素およびまたはアルコール類等から水蒸気改質反応により水素を製造する装置において、燃料炭化水素等および空気が供給される平板状燃焼触媒層と、この平板状燃焼触媒層に積層され原料炭化水素等および水蒸気が供給される平板状改質触媒層と、この改質触媒層に積層した平板状水素透過膜とを具備し、燃料としての炭化水素等と空気が燃焼触媒層に通され、焼触媒層で発生された反応熱が下の改質触媒層に伝えられ、改質触媒層に原料としての炭化水素等と水蒸気が通され、燃焼触媒層で発生された反応熱により加熱された改質触媒層は水蒸気改質反応により水素を発生し、装置を構成している。
【０００４】
一方、特許文献２に記載の技術では、反応物質通路を挟み、一方に熱媒体通路、他方に分解生成ガス通路を積層配置し、入口ヘッダーから反応物質通路内に流入したメタノールは、向流関係にある隣接の熱媒体通路からの入熱を受けてフィンにコーティングされた触媒により、メタノールの分解反応の熱力学的平衡関係より低温側で分解反応が促進されて一酸化炭素と水素とに分解され、一酸化炭素は反応物質通路を通って出口ヘッダーから一酸化炭素ガスとして回収し、水素はメンブレンプレートの表面にコーティングされたガス分離膜及び多孔質材料のセラミックス板を通って分解生成ガス通路に入り、出口ヘッダーより水素ガスとして回収し、反応器を構成している。
【０００５】
【特許文献１】
特開平６−３４５４０８号公報
【０００６】
【特許文献２】
特開平６−３４５４０４号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
以上説明したように、改質層と熱供給層と水素透過層を積層して、改質反応により水素を生成する、従来の積層形改質装置においては、ガスの供給、排出の構造が複雑であったため、ガスの流れも複雑になっていた。このため、改質層におけるガスの流れに対して垂直な方向の温度分布が不均一になり、未改質の燃料ガスの濃度が濃い部分が局所的に存在していた。したがって、この未改質の燃料ガスが水素透過層の水素分離膜に接触し、水素分離膜の触媒作用により水素分離膜の表面に煤が生成され、改質装置の性能が低下するという問題があった。
【０００８】
そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、性能の低下を防止し、装置の小型化を図った改質反応装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の課題を解決する手段は、改質反応を行う改質層と、前記改質層で行われる改質反応で使用される熱を供給する熱供給層と、水素分離膜を介して改質反応で得られた改質ガスから水素を選択的に透過する水素透過層とが積層されてなる積層型の改質反応装置において、前記熱供給層ならびに前記改質層におけるガスの流れ方向が互いに平行であり、前記改質層を流れる改質ガスの上流部で、かつ前記水素分離膜と対向していない位置の前記改質層に予備改質部が設けられていることを特徴とする。
【００１０】
【発明の効果】
本発明によれば、改質層における改質ガスの流れに対して垂直方向の改質反応の分布を均一にすることができる。さらに、水素分離膜に接する炭化水素燃料ガスは、低級炭化水素となり、水素分離膜による触媒作用が生じず、水素分離膜における煤の生成を抑制することができる。これにより、改質反応装置の性能低下を防止することができる。
【００１１】
また、改質層に設けられた予備改質部を改質ガスの流れ方向に対して短い形状に形成することができので、改質反応装置を小型化することが可能となる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施形態を説明する。
【００１３】
図１は本発明の第１の実施形態に係る改質反応装置における各層の構成を示す図であり、図２は図１に示す各層を積層した積層構造におけるＡ−Ａ線に沿った断面を示す図である。
【００１４】
図１ならびに図２に示す第１の実施形態の改質反応装置は、改質ガス中から水素を選択的に透過する水素透過層１、この水素透過層１に積層されて、炭化水素等の原料を改質する改質反応を行う予備改質部２及び本改質部３で構成される改質層４、この改質層４に積層されて、改質層４で行われる改質反応で使用される熱を改質層４に供給する熱供給層５、水素透過層１と改質層４との間に挟まれて積層され、改質ガス中から水素を選択的に分離する水素分離膜７を備えた水素分離板６、改質層４と熱供給層５との間に挟まれて積層された隔壁８、ならびに熱供給層５に積層された隔壁９を備えて構成されている。
【００１５】
改質層４の本改質部３は、積層された際に水素分離板６に設けられた水素分離膜７と対向する位置に設けられている。改質層４の予備改質部２は、改質層４に供給される燃料ガスの流路の上流側であって、かつ積層された際に水素分離板６に設けられた水素分離膜７と対向しない位置に設けられている。
【００１６】
予備改質部２および本改質部３は、隔壁８にろう付けされた金属フィン（図示せず）に塗布された触媒により燃料の改質を行う。同様に、熱供給層５は、隔壁８および隔壁９にろう付けされた金属フィンに塗布された触媒により燃焼を行う。なお、装置の内部で燃焼を行わず、装置外部で燃焼した高温のガスを導入するようにしてもよい。水素分離板６には、積層した際に本改質部３と対向する位置に、水素を選択的に分離する水素分離膜７が設けられている。この水素分離膜７は、例えば金属溶解型の膜で形成されている。水素透過層１、改質層４ならびに熱供給層５の各層と、水素分離板６、隔壁８、９は、ろう付けにより固着されている。
【００１７】
水素透過層１、改質層４ならびに熱供給層５の各層と、水素分離板６、隔壁８、９は、図１に示すように矩形状に形成され、矩形形状の対向する２つの短辺側に、各層を貫通してガスを供給、排出するガス流入部、ガス排出部が設けられている。すなわち、矩形状の一方の短辺側（図１では上側短辺）には、左側から順に熱供給層５に供給されたガスが排出される熱供給層ガス排出部１０、改質層４に燃料ガスを供給する改質層ガス流入部１１、ならびに水素透過層１にガスを流入する水素透過層ガス流入部１２が設けられ、他方の短辺側（図１では下側短辺）には、左側から順に水素透過層１に供給されたガスが排出される水素透過層ガス排出部１３、熱供給層５に燃料ガスを供給する熱供給層ガス流入部１４、ならびに改質層４に供給されたガスを排出する改質層ガス排出部１５が設けられている。
【００１８】
したがって、改質層ガス流入部１１ならびに熱供給層ガス流入部１４は、上記各層の２つの短辺側の略中央に設けられている。なお、改質層ガス流入部１１ならびに熱供給層ガス流入部１４のいずれか一方のみを、上記各層の２つの短辺側の略中央に設けるようにしてもよい。
【００１９】
また、改質層ガス流入部１１の幅は、改質層ガス排出部１５の幅に比べて大きくなるように形成され、熱供給層ガス流入部１４の幅は、熱供給層ガス排出部１０の幅に比べて大きくなるように形成されている。なお、改質層ガス流入部１１ならびに熱供給層ガス排出部１０のいずれか一方の排出部の幅のみを、流入部に比べて大きくなるように形成するようにしてもよい。
【００２０】
このような構成においては、改質層ガス流入部１１から改質層４に流入して改質層ガス排出部１５から排出される、改質層４における改質ガスの流れと、熱供給層ガス流入部１４から熱供給層５に流入して熱供給層ガス排出部１０から排出される、熱供給層５における燃焼ガスの流れは、お互いに平行流となる。
【００２１】
これにより、改質層４における改質ガスの流れに対して垂直方向の温度分布を少なくすることが可能となり、改質ガスの流れに対して垂直方向の改質反応の分布を均一にすることができる。そして、さらに予備改質部２は、水素分離膜７と接する改質層４の改質ガスの上流部で、かつ水素分離膜７と接していない位置に設けられているので、水素分離膜７に接する炭化水素燃料は、Ｃ１もしくはＣ２程度の低級炭化水素となり、水素分離膜７による触媒作用が生じず、水素分離膜７における煤の生成を抑えることができる。これにより、改質反応装置の性能低下を防止することができる。
【００２２】
また、改質層４における改質ガスの流れと、熱供給層５における燃焼ガスの流れは、お互いに平行流であるため、予備改質部２を横長の矩形形状に形成することができ、予備改質部２の全領域で有効に改質反応が促進され、改質ガスの流れ方向に対して予備改質部２を短い形状に形成することができる。これにより、改質反応装置を小型化することが可能となる。
【００２３】
さらに、改質層４ならびに熱供給層５におけるガスの流れに加えて、水素透過層１におけるガスの流れも平行流となる。これにより、水素透過層１におけるガスの流れに対して垂直な方向の水素の透過率を均一にすることが可能となり、改質層４におけるガスの流れに対して垂直な方向の水素濃度を均一にすることができる。この結果、水素分離膜７において煤の発生をより一層抑制することができる。
【００２４】
水素透過層１、改質層４ならびに熱供給層５におけるガス流入部、ガス排出部を、それぞれ対応する層の対向する２辺側に設けているので、矩形の２辺以外にガス流入部が設けられたものに比べて、各層のガスの流れに対して垂直な方向のガスの流れの分布をなくし、各層にガスを供給することができる。
【００２５】
改質層４もしくは熱供給層５の少なくとも一つのガス流入部１１又は１４の幅を、ガス排出部１５又は１０の幅よりも大きく形成しているので、改質層４や熱供給層５にガスが流入する際の急激な空間の広がりを抑えることができる。これにより、改質層４もしくは熱供給層５におけるガスの流れが均一となり、予備改質部２を小さくすることが可能となる。
【００２６】
また、改質層４もしくは熱供給層５の少なくとも一つのガス流入部１１又は１４を、対応する層の短辺側の略中心に配置しているので、ガスが流入する際の急激な空間の広がりをより一層抑えることができる。
【００２７】
改質反応装置の対向する両辺側に、幅の広い改質層ガス流入部１１ならびに熱供給層ガス流入部１４を配置しているので、各ガス流入部の幅を大きくとることができガスの流れをより均一にできると同時に、ガスの流入部が一方側に偏った場合と比べて、装置を小型化することが可能となる。
【００２８】
また、水素分離膜７は金属溶解型であるため、分子ふるい効果を利用する方式のものに比べて、高純度の水素を得ることができる。
【００２９】
図３は本発明の第２の実施形態に係る改質反応装置における各層の構成を示す図である。この第２の実施形態の特徴とするところは、先の第１の実施形態に比べて、改質層３４に燃料ガスを供給する改質層ガス流入部と、熱供給層３５に燃焼ガスを供給する熱供給層ガス流入部をそれぞれ２つ形成したことにあり、他は第１の実施形態と同様である。
【００３０】
すなわち、水素透過層３１、改質層３４ならびに熱供給層３５の各層と、水素分離板３６、隔壁３８、３９において、矩形状の一方の短辺側（図３では上側短辺）には、左側から順に改質層３４に燃料ガスを供給する改質層ガス流入部４０、熱供給層３５に供給されたガスが排出される熱供給層ガス排出部４１、水素透過層３１にガスを流入する水素透過層ガス流入部４２、ならびに改質層３４に燃料ガスを供給する改質層ガス流入部４３が設けられ、他方の短辺側（図３では下側短辺）には、左側から順に熱供給層３５に燃料ガスを供給する熱供給層ガス流入部４４、水素透過層３１に供給されたガスが排出される水素透過層ガス排出部４５、改質層３４に供給されたガスを排出する改質層ガス排出部４６、ならびに熱供給層３５に燃料ガスを供給する熱供給層ガス流入部４７が設けられている。
【００３１】
なお、改質層３４もしくは熱供給層３５のいずれか一方の層でのみ、２つのガス流入部を設けるようにしてもよい。
【００３２】
このような構成においては、改質層３４もしくは熱供給層３５のガス流入部を複数設け、複数のガス流入部を左右対称に配置しているので、改質層３４あるいは熱供給層３５におけるガスの流れを、先の第１の実施形態に比べて、より一層均一にすることができる。これにより、水素分離膜における煤の発生をより一層抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る改質反応装置における各層の構成を示す図である。
【図２】図１に示す各層を積層した積層構造の断面を示す図である
【図３】本発明の第２の実施形態に係る改質反応装置における各層の構成を示す図である。
【符号の説明】
１，３１…水素透過層
２…予備改質部
３…本改質部
４，３４…改質層
５，３５…熱供給層
６，３６…水素分離板
７…水素分離膜
８，９，３８，３９…隔壁
１０，４１…熱供給層ガス排出部
１１，４０，４３…改質層ガス流入部
１２，４２…水素透過層ガス流入部
１３，４５…水素透過層ガス排出部
１４，４４，４７…熱供給層ガス流入部
１５，４６…改質層ガス排出部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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