(57)【要約】【課題】水蒸気改質器１の高温反応部６における加熱に要する熱エネルギーを抑制し、改質反応における熱効率を向上する。【構成】水蒸気改質触媒と酸化触媒を混合した混合触媒層４および酸素含有ガス導入部５を設けた高温反応部６を有する内筒２と、内筒２の周囲に水蒸気改質触媒層１６を設けた外筒３を配置した二重筒構造の水蒸気改質器１において、高温反応部６を設けた内筒２部分とそれに対向する外筒３部分が中空部２８を有する断熱部２４を介して配置され、その中空部２８を構成する内壁部２５に少なくとも高温反応部６に隣接する隣接層７側への伝熱を阻止する間隙部３０が設けられる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水蒸気改質触媒と酸化触媒を混合した混合触媒層（４）  および酸素含有ガス導入部（５）  を設けた高温反応部（６）  を有する内筒（２）  と、内筒（２）  の周囲に水蒸気改質触媒層（１６）を設けた外筒（３）  を配置してなる二重筒構造の水蒸気改質器（１）  において、
前記高温反応部（６）  を設けた内筒（２）  部分とそれに対向する外筒（３）  部分の間に中空部（２８）を有する断熱部（２４）を設け、その中空部（２８）を構成する内壁部（２５）に少なくとも高温反応部（６）  に隣接する隣接層（７）  側への熱伝導を抑制する間隙部（３０）を設けたことを特徴とする水蒸気改質器。
【請求項２】
請求項１において、
前記間隙部（３０）が内壁部（２５）に設けたスリット（３１）により形成されることを特徴とする水蒸気改質器。
【請求項３】
水蒸気改質触媒と酸化触媒を混合した混合触媒層（４）  および酸素含有ガス導入部（５）  を設けた高温反応部（６）  を有する内筒（２）  と、内筒（２）  の周囲に水蒸気改質触媒層（１６）を設けた外筒（３）  を配置してなる二重筒構造の水蒸気改質器（１）  において、
前記内筒（２）  における高温反応部（６）  とそれに隣接する隣接層（７）  を所定間隔で離反する空隙層（４０）を設けたことを特徴とする水蒸気改質器。
【請求項４】
請求項３において、
前記酸素含有ガス導入部（５）  は内筒（２）  の軸方向に延長した導入管（１４）とそれに設けた噴出孔１５を有し、中空部（２８）を構成する内壁部（２５）には内側へ突起する支持片（４１）を設けると共に、それに対向した酸素含有ガス導入部（５）  の壁部には外側へ突起する支持片（４２）を設け、前記混合触媒層（４）  の底部をそれら支持片（４１），（４２）の上側に配置した通気性の支持体（４３）で支持し、その支持体（４３）と前記隣接層（７）  との間に前記空隙層（４０）を形成したことを特徴とする水蒸気改質器。
【請求項５】
請求項３または請求項４において、
前記高温反応部（６）  を設けた内筒（２）  部分とそれに対向する外筒部分の間に中空部（２８）を有する断熱部（２４）を設け、中空部（２８）を構成する内壁部（２１）に少なくとも高温反応部（６）  に隣接する隣接層（７）  側への熱伝導を抑制する間隙部（３０）が設けられた水蒸気改質器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は原料ガスを水蒸気と酸素の存在下に自己酸化および改質を行って、水素リッチな改質ガスを生成する水蒸気改質器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
メタン等の炭化水素、メタノール等の脂肪族アルコール類、ジメチルエーテル等のエーテル類、天然ガスや都市ガス等の原料ガスと水蒸気の混合物（以下、原料―水蒸気混合物という）を水蒸気改質触媒の存在下に水蒸気改質し、水素リッチな改質ガスを生成する水蒸気改質器が知られている。このような水蒸気改質器としては、水蒸気改質触媒に酸化触媒を共存させ、原料ガスを水蒸気と酸素の存在下に該触媒で自己酸化および改質を行い、水素リッチな改質ガスを生成する自己酸化型の水蒸気改質器が特許文献１で提案されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−１９２２０１号公報
【０００４】
特許文献１に提案された技術では、酸化反応による発熱と水蒸気改質反応をそれぞれ酸化触媒と水蒸気改質触媒からなる混合触媒層で同時に行っている。すなわち、酸化発熱層と水蒸気改質反応（吸熱反応）層が共存することにより、加熱部の温度と吸熱部の温度を同等に維持することが可能となり、触媒等の構成部材の温度を所定の改質反応温度以下、例えば７００℃近傍に抑制でき、それによって構成部材の寿命短縮も防止でき得るとしている。また水蒸気改質器内部の熱を有効に回収する機能を併せ持っているので高い改質効率を得られるとされている。
【０００５】
図９は自己酸化型の水蒸気改質器の１例を示す模式的な断面図である。水蒸気改質器１は内筒２とその周囲に配置された外筒３を備え、内筒２の内部における最上部に水蒸気改質触媒と酸化触媒を混合した混合触媒層４および酸素含有ガス導入部５を設けた高温反応部６が配置され、その下側に伝熱層からなる隣接層７が配置され、更にその隣接層７の下側に高温シフト触媒層８と低温シフト触媒層９が順に配置される。
【０００６】
水蒸気改質触媒は原料ガスを水蒸気改質する触媒層であり、例えばＮｉＳ−ＳｉＯ２  ・Ａｌ２  Ｏ３  などのＮｉ系改質反応触媒や、ＷＳ２  −ＳｉＯ２  ・Ａｌ２  Ｏ３  やＮｉＳ−ＷＳ２  ・ＳｉＯ２  ・Ａｌ２  Ｏ３  などの改質反応触媒が使用される。
【０００７】
酸化触媒は原料ー水蒸気混合物中の原料ガスを酸化発熱させて、水蒸気改質反応に必要な温度を得るものであり、例えば白金（Ｐｔ）やパラジウム（Ｐｄ）が使用される。水蒸気改質触媒に対する酸化触媒の混合割合は、水蒸気改質すべき原料ガスの種類に応じて１〜５％程度の範囲で選択する。例えば原料ガスとしてメタンを使用する場合は３％±２％程度、メタノールの場合は２％±１％程度の混合割合とされる。
【０００８】
高温シフト触媒層７や低温シフト触媒層９を形成するシフト触媒としては、ＣｕＯ−ＺｎＯ２  、Ｆｅ２  Ｏ３  、Ｆｅ３  Ｏ４  または酸化銅の混合物等が使用されるが、７００℃以上で反応を行う場合にはＣｒ２  Ｏ３  を使用することもある。隣接層７を構成する伝熱層は、高温反応部６から流出する改質ガスから熱を吸収して冷却するもので、セラミック粒子などの伝熱性のよい粒子を充填して形成する。なお伝熱粒子を充填する代りに上下にガス流路を形成した耐熱性のセラミック構造体や伝熱フィンで伝熱層を形成することもできる。
【０００９】
内筒２に配置した混合触媒層４、隣接層７、高温シフト触媒層８および低温シフト触媒層９の各底部は、通気性の支持体１０，１１，１２，１３でそれぞれ支持される。酸素含有ガス導入部５は導入管１４と噴出孔１５により構成され、例えば図示しない空気圧縮装置から供給される加圧空気を酸素含有ガスとして導入管１４に供給し、噴出孔１５から混合触媒層４内に吹き込むようになっている。
【００１０】
外筒３の内部における最上部には水蒸気改質触媒層１６が配置され、その下側に伝熱層１７が配置される。そして水蒸気改質触媒層１６および伝熱層１７の底部はそれぞれ通気性の支持体１８，１９で支持される。伝熱層１７の下方に原料ガス―水蒸気混合物の供給部２０が連通し、水蒸気触媒層１６の上側に排出部２１が連通し、その排出部２１は内筒２の高温反応部６の上側に連通する供給部２２に連通する。さらに内筒２の最下側に配置した前記低温シフト触媒層９の下方に改質ガスを排出する排出部２３が連通する。
【００１１】
高温反応部６の内部温度は水蒸気改質反応を促進する高温領域に維持する必要がある。そのためには可能な限り不要な熱拡散を抑制することが重要になる。そこで従来、図９に示す如く、高温反応部６を配置した内筒２部分と水蒸気触媒層１６を配置した外筒３部分の間に中空部を有する断熱部２４が設けられる。なお、図１０は断熱部２４を含む部分拡大図である。断熱部２４は環状の内壁部２５と環状の外壁部２６を有し、それらの上下は側壁部２７で一体化されており、内部に中空部２８が形成される。なお内壁部２５は内筒２の一部（上側部分）により構成されている。
【００１２】
次に、上記した従来の水蒸気改質器１の動作を説明する。先ず原料ガス―水蒸気混合物を供給部２０に供給すると、その原料ガス―水蒸気混合物は高温シフト触媒層８および低温シフト触媒層９からの伝熱で温度上昇している伝熱層１７を通過する間に温度上昇し、次いで水蒸気改質触媒層１６に流入して原料ガスの一部が水蒸気改質される。外筒３の排出部２１から改質ガスと残りの原料ガス―水蒸気混合物が排出し、内筒２の供給部２２から高温反応部６に流入する。
【００１３】
高温反応部６では原料ガス―水蒸気混合物に含まれる原料ガスの一部が、混合触媒層４を構成する酸化触媒の存在下に、酸素含有ガス導入部５から供給される酸素含有ガスの酸素により酸化反応し、原料―水蒸気混合物を改質反応に必要な温度範囲、例えば６５０℃〜７５０℃程度、標準的には７００℃前後まで昇温する。すなわち自己酸化加熱が行われる。それによって原料ガス―水蒸気混合物の水蒸気改質反応が促進され、水素リッチな改質ガスが効率よく生成する。なお前記外筒３の水蒸気改質触媒層１６は高温反応部６の予備改質部として機能する。
【００１４】
高温反応部６で生成した改質ガスはその下側の隣接層７に流出し、そこで熱交換により温度低下してからその下側の高温シフト触媒層８、低温シフト触媒層９に順に通過し、その間に残留する一酸化炭素の殆どが水素に変換される。そして高純度の改質ガスが低温シフト触媒層９から排出部２３を経て図示しない負荷設備、例えば車両搭載用や家庭用の燃料電池に供給される。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
前記のように高温反応部６の熱は断熱部２４により外筒３側に拡散しないように考慮されている。しかし図１０に矢印Ａで示すように、高温反応部６の熱は断熱部２４の内壁部２５から内筒２の下流側、すなわち隣接層７を配置した部分に伝熱すると共に、一部は該部分から側壁部２７を通って断熱部２４の外壁部２６側にも伝熱する。
【００１６】
したがって図１０のような断熱部２４を設けただけでは、高温反応部６からの熱拡散抑制効果が十分であるとは言い難い。そこで本発明は高温反応部の熱拡散、特に下流側の隣接層への熱拡散をより効果的に抑制できる水蒸気改質器を提供することを課題とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決する本発明は、水蒸気改質触媒と酸化触媒を混合した混合触媒層および酸素含有ガス導入部を設けた高温反応部を有する内筒と、内筒の周囲に水蒸気改質触媒層を設けた外筒を配置してなる二重筒構造の水蒸気改質器である。そして前記高温反応部を設けた内筒部分とそれに対向する外筒部分の間に中空部を有する断熱部を設け、その中空部を構成する内壁部に少なくとも高温反応部に隣接する隣接層側への熱伝導を抑制する間隙部を設けたことを特徴とする（請求項１）。
【００１８】
このように中空部を構成する内壁部に少なくとも高温反応部に隣接する隣接層側への熱伝導を抑制する間隙部を設けることにより、高温反応部の熱が内壁部を経て隣接層を配置した内筒部分へ拡散することを抑制できる。そのため高温反応部における加熱に要する熱エネルギー節約できるので、改質反応における熱効率を向上することができる。
【００１９】
上記水蒸気改質器において、前記間隙部を内壁部に設けたスリットにより形成することができる（請求項２）。
【００２０】
前記課題を解決する別の本発明は、水蒸気改質触媒と酸化触媒を混合した混合触媒層および酸素含有ガス導入部を設けた高温反応部を有する内筒と、その内筒の周囲に水蒸気改質触媒層を設けた外筒を配置した二重筒構造の水蒸気改質器である。そして前記内筒における高温反応部とそれに隣接する隣接層を所定間隔で離反するための空隙層を形成したことを特徴とする（請求項３）。
このような空隙層を設けることにより、高温反応部の熱がそれと接触する隣接層に熱伝導で拡散することを防止でき、それによって高温反応部６における加熱に要する熱エネルギーを抑制することができる。
【００２１】
上記水蒸気改質器において、前記酸素含有ガス導入部は内筒の軸方向に沿って延長した導入管とそれに設けた噴出孔を有し、中空部を構成する内壁部には内側へ突起する支持片を設けると共に、それに対向した酸素含有ガス導入部（５）  の壁部には外側へ突起する支持片を設け、前記混合触媒層の底部をそれら支持片の上側に配置した通気性の支持体で支持し、その支持体と前記隣接層との間に前記空隙層を形成することができる（請求項４）。
【００２２】
空隙層を設けた上記いずれかの水蒸気改質器において、さらに、前記高温反応部を設けた内筒部分とそれに対向する外筒部分の間に中空部を有する断熱部を設け、中空部を構成する内壁部に少なくとも高温反応部に隣接する隣接層側への熱伝導を抑制する間隙部を設けることができる（請求項５）。
【００２３】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態を図面により説明する。図１は本発明に係る水蒸気改質器における断熱部付近の部分拡大図である。本実施形態の水蒸気改質器の主要部分、および使用する各種触媒層は図９に示したものと同じであるので、その全体構成およびそれに関連する説明は重複するので省略する。
【００２４】
水蒸気改質器１は、水蒸気改質触媒と酸化触媒を混合した混合触媒層４および酸素含有ガス導入部５を設けた高温反応部６を有する内筒２と、内筒２の周囲に水蒸気改質触媒層１６を設けた外筒３（鎖線）と、を配置した二重筒構造を有する。高温反応部６の混合触媒層４の底部はパンチングメタル等からなる円板状で通気性の支持体１０により支持され、その下流側（図１の下側）に伝熱層からなる隣接層７が配置される。なお支持体１０は導入管１４に設けた支持片１０ａと内壁部２５に設けた支持片１０ｂの上に配置される。
【００２５】
高温反応部６から外筒側への熱拡散を抑制するため、部分の外側には図１と同様な断熱部２４が設けられる。断熱部２４は内壁部２５と外壁部２６およびそれらの上下を互いに連結する側壁部２７により中空環状に構成され、内部に中空部２８が形成される。なお内壁部２５は内筒２の一部により形成されている。
【００２６】
内壁部２５の下部、すなわち隣接層７に近い部分に間隙部３０が形成される。この間隙部３０は高温反応部６の熱が内壁部２５、すなわちそれを形成する内筒２の一部から隣接層７を配置した部分へ拡散することを抑制すると共に、熱の一部が下側の側壁部２７から外壁部２６側に拡散することも有効に抑制するものであり、それによって高温反応部６における加熱に要する熱エネルギーを節約することができる。
【００２７】
図２，図３に間隙部３０の例を示す。間隙部３０は内壁部２５の周方向に断続的に設けた複数の比較的短いスリット３１により形成され、図２はスリット３１を１段だけ配列した例で、図３はそれを千鳥型に２段配列した例である。なお各スリット３１の間隔は熱拡散の抑制の面からできるだけ小さいことが望ましいが、強度的な面からその下限が定まる。
【００２８】
なお、図１の実施形態では前記間隙部３０のほかに、内壁部２５の上部に他の間隙部３２を設けている。間隙部３２は図２，図３に示すスリット３１と同様なもので構成でき、これを設けることにより内壁部２５から上側の側壁部２７を経て外壁部２６側への熱拡散を抑制することができる。しかしこの間隙部３２は場合によっては省略される。また、間隙部３０，３２を同時に構成する場合は、ガスが中空部２８をバイパスしないように中空部２８に断熱材等を充填する必要がある。
【００２９】
図４は本発明に係る水蒸気改質器における別形態の断熱部付近の部分拡大図である。この例は内筒２に配置した高温反応部６の底部とそれに隣接する隣接層７を所定間隔で離反する空隙層４０を形成したことに特徴がある。このようにすると高温反応部６の熱が熱伝導により隣接層７に拡散することを抑制できる。したがって本実施形態は、高温反応部６から隣接層７への熱拡散抑制の面から、高温反応部６の熱エネルギーを節約して改質反応における熱効率を向上するものである。
【００３０】
断熱部２４における内壁部２５の下部には内側に突起した支持片４１が設けられ、それに対向する酸素含有ガス導入部５を構成する導入管１４部分には外側に突起する支持片４２が設けられる。それら支持片４１，４２は周方向に連続する環状としてもよいが、周方向に断続的に設けることもできる。そしてこれら支持片４２，４２の上に通気性の支持体４３が配置される。
【００３１】
支持体４３は全体が環状に形成され、パンチングメタルなどで作られた多孔性で円板状の支持板４４と、支持板４４から下方に延長する脚部４５により構成され、脚部４５の底が前記支持片４２，４２上に支持される。そして支持体４３によって前記空隙層４０が形成され、脚部４５の長さにより空隙層４０の上下方向の最小間隔が設定される。なおこの上下方向の間隔は下流側に配置する隣接層７の高さ調整によっても若干は調整できる。
【００３２】
図５は図４の変形例である。この実施形態では空隙層４０を形成する支持体４３がパンチングメタルなどで作られた多孔性で円板状の支持板４４だけで構成され、図４の例のような脚部４５を有していない。その代わりに断熱部２４の内壁部２５の下部から内側に突起する支持片４１と、それに対向して導入管１４部分から外側に突起する支持片４２の位置が図４の脚部４５の長さ分だけ上方になっている。
【００３３】
図６は図４の更に別の変形例である。この実施形態では空隙層４０を形成する支持体４３がパンチングメタルなどで作られた多孔性で円板状の支持板４４と、複数の脚部４５により構成される。しかし脚部４５は図４の例のように支持板４４に一体的に連結されず、支持板４４と別体となっている。そして短冊状に形成された複数の脚部４５はその面を垂直にして導入管１４の外面に固定され、それら脚部４５の上に支持板４４が配置される。そして脚部４５の上下方向の長さにより空隙層４０の上下方向の最小間隔が設定される。
【００３４】
図７は本発明に係る水蒸気改質器の更に別形態であって、その断熱部付近を分解して示す部分拡大斜視図であり、図８は断熱部付近を組み合わせた状態の断面図である。この実施形態は図１の例に示す間隙部３０と図４に示す空隙層４０を備えており、それら両者により高温反応部６の熱が隣接層７側などに拡散することをより効果的に抑制する。
【００３５】
この実施形態では内筒２の上部断面が拡大され、その拡大部分に断熱部２４を図７の矢印のように挿入して組み合わせると図８のようになる。そして内筒２の拡大部分の縦壁が断熱部２４の外壁部２６を形成し、拡大部分の横壁が断熱部２４の下側における側壁部２７を形成し、その側壁部２７と断熱部２４の内壁部２５の下側先端との間に間隙部３０が形成される。そして所望により内壁部２５の上部に別の間隙部（スリット）３２を設けることもできる。その場合には、中空部２８に断熱材を充填する必要がある。
【００３６】
空隙層４０は図６の例と同様に、パンチングメタルなどで作られた多孔性で円板状の支持板４４だけで構成した支持体４３により形成される。そして断熱部２４の内壁部２５の下部から内側に突起する支持片４１と、それに対向して導入管１４部分から外側に突起する支持片４２の位置を図４の脚部４５の長さ分だけ上方にし、それら支持片４１、４２の上に支持板４３が配置される。
【００３７】
【発明の効果】
以上のように本発明の水蒸気改質器は、高温反応部を設けた内筒部分とそれに対向する外筒部分の間に中空部を有する断熱部を設け、その中空部を構成する内壁部に少なくとも高温反応部に隣接する隣接層側への熱伝導を抑制する間隙部を設けたことを特徴とする。そのため高温反応部の熱が内壁部を経て隣接層を配置した内筒部分へ拡散することを抑制でき、それによって高温反応部の加熱に要する熱エネルギーを節約できるので、改質反応の熱効率を向上することができる。
【００３８】
上記水蒸気改質器において、前記間隙部を内壁部に設けたスリットにより形成することができる。間隙部をこのようなスリットで形成することにより、簡単な構造で容易に間隙部を形成できる。
【００３９】
また別の本発明は、内筒における高温反応部とそれに隣接する隣接層を所定間隔で離反する空隙層を設けることにより、高温反応部の熱がそれに接触する隣接層に熱伝導で拡散することを抑制でき、それによって高温反応部における加熱に要する熱エネルギーを節約することができる。
【００４０】
上記水蒸気改質器において、前記酸素含有ガス導入部は内筒の軸方向に沿って延長した導入管とそれに設けた噴出孔を有し、中空部を構成する内壁部には内側へ突起する支持片を設けると共に、それに対向した酸素含有ガス導入部（５）  の壁部には外側へ突起する支持片を設け、前記混合触媒層の底部をそれら支持片の上側に配置した通気性の支持体で支持し、その支持体と前記隣接層との間に前記空隙層を形成することができる。このように構成すると、簡単な構造で容易に空隙層を形成できる。
【００４１】
空隙層を設けた上記いずれかの水蒸気改質器において、さらに、前記高温反応部を設けた内筒部分とそれに対向する外筒部分の間に中空部を有する断熱部を設け、その中空部を構成する内壁部に少なくとも高温反応部に隣接する隣接層側への熱伝導を抑制する間隙部を設けることができる。このように間隙部と空隙層の両方を設けることによって、それら両者の相乗効果により、高温反応部の熱が断熱部や混合触媒層と隣接層との接触部分などから隣接層側等へ拡散することを大幅に抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る水蒸気改質器における断熱部付近の部分拡大断面図。
【図２】図１における間隙部３０の例を示す部分拡大斜視図。
【図３】図１における間隙部３０の他の例を示す部分拡大断面図。
【図４】本発明に係る水蒸気改質器における別形態の断熱部付近の部分拡大断面図。
【図５】図４の変形例を示す部分拡大断面図。
【図６】図４の他の変形例を示す部分拡大斜視図。
【図７】本発明に係る水蒸気改質器における更に別形態であって、その断熱部付近を分解して示す部分拡大斜視図。
【図８】図７の組み立て後における部分拡大断面図。
【図９】自己酸化型の水蒸気改質器の１例を示す模式的な断面図。
【図１０】図９における断熱部２４付近の部分拡大断面図。
【符号の説明】
１  水蒸気改質器
２  内筒
３  外筒
４  混合触媒層
５  酸素含有ガス導入部
６  高温反応部
７  隣接層
８  高温シフト触媒層
９  低温シフト触媒層
１０〜１３  支持体
１０ａ，１０ｂ  支持片
１４  導入管
１５  噴出孔
１６  水蒸気改質触媒層
１７  伝熱層
１８，１９  支持体
２０  供給部
２１  排出部
２２  供給部
２３  排出部
２４  断熱部
２５  内壁部
２６  外壁部
２７  側壁部
２８  中空部
３０  間隙部
３１  スリット
３２  間隙部
４０  空隙層
４１，４２  支持片
４３  支持体
４４  支持板
４５  脚部
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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