(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（イ）円筒状容器内に順次複数の気相触媒反応を行うための複数種類の触媒層をそれぞれ別層に区画して配置するとともに、それらを一体に構成した触媒反応装置において、円筒状容器の軸方向にガスが流通する触媒層Ａと、円筒状容器の軸方向に対して垂直に且つ放射状にガスが流通するように円筒状容器の軸方向に対して前後の隔壁で区画した空間に触媒層Ｂを配置し、触媒層Ａを経た反応ガスを触媒層Ｂに導入するようにしてなる触媒反応装置であって、
（ロ）前記円筒状容器について、その円筒状容器内のうち、前記触媒層Ｂを配置した部位を、その軸方向に対して垂直に且つ放射状にガスが流通するように区画するとともに、
（ハ）前記触媒層Ｂの入口線速度と出口線速度がほぼ同等になるように逆すり鉢状の上部隔壁を有する
ことを特徴とする触媒反応装置。
【請求項２】
請求項１に記載の触媒反応装置において、前記円筒状容器の軸方向に対して垂直に且つ放射状にガスが流通するように区画する前後の隔壁のうちの少なくとも一方の隔壁に、冷却媒体が流れる冷却機構が付設され、該冷却機構により触媒層Ｂの反応熱を除去するようにしてなることを特徴とする触媒反応装置。
【請求項３】
請求項２に記載の触媒反応装置において、前記冷却機構が、ガスが流通する方向に対して傾斜をもたせてなる隔壁の面に冷却媒体が流れる冷却管を螺旋状に配置することで構成されてなることを特徴とする触媒反応装置。
【請求項４】
請求項２に記載の触媒反応装置において、前記冷却機構が、触媒層Ｂを区画する隔壁と対応した形状で且つその一面に冷却媒体が流れる溝を有する構成部材を、触媒層Ｂを区画する隔壁の両面のうちのいずれか一方の面に対して、該溝を有する面を当接して配置することで構成されてなることを特徴とする触媒反応装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の触媒反応装置において、前記触媒層Ｂを区画する前後の隔壁間に、前記触媒層Ｂの反応熱を除去するための冷却用の複数個のフィンを該前後の隔壁のうちの少なくとも一方に固定して配置してなることを特徴とする触媒反応装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の触媒反応装置において、前記触媒層Ａの触媒がＣＯ変成触媒であり、前記触媒層Ｂの触媒がＣＯ除去触媒であることを特徴とする触媒反応装置。
【請求項７】
請求項６に記載の触媒反応装置において、円筒状容器の中心部の軸方向にバーナーを配置し、その外周に改質触媒層を配置してなることを特徴とする触媒反応装置。
【請求項８】
請求項６に記載の触媒反応装置において、円筒状容器の中心部の軸方向に脱硫剤を配置し、その外周に前記触媒層Ａの触媒としてＣＯ変成触媒を配置し、前記触媒層Ｂの触媒としてＣＯ除去触媒を配置し、該脱硫剤で硫黄分を除去した炭化水素系燃料を水蒸気改質した改質ガスが、順次、触媒層Ａ、触媒層Ｂに流通するように構成されてなることを特徴とする触媒反応装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の触媒反応装置が、燃料電池に水素を供給するための、炭化水素系燃料から水素を製造するための触媒反応装置であることを特徴とする触媒反応装置。
【請求項１０】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の触媒反応装置が、燃焼排ガス中のＮＯｘとＣＨ4等の未燃成分とを除去する排ガス処理用触媒反応装置であり、前記触媒層Ａの触媒を脱硝触媒とし、前記触媒層Ｂの触媒を燃焼触媒としたことを特徴とする触媒反応装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の触媒反応を行う複数種類の触媒が充填された触媒反応装置に関し、より詳しくは複数の触媒反応を行う複数種類の触媒を一体の円筒状容器内に充填した触媒反応装置の構造に関する。特に、燃料電池に水素を供給する、都市ガスやＬＰＧなどの炭化水素系燃料からの水素製造装置において、円筒状容器内に複数の異なる特性の触媒をそれぞれ別層に区画して配置するとともに、一体に構成された触媒反応装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
触媒反応装置、例えば固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ、以下適宜ＰＥＦＣと略称する）等の燃料電池に水素を供給する燃料処理装置においては、改質触媒、シフト触媒、ＣＯ除去触媒などの複数の触媒が使用される。ここで、シフト触媒としては、単一のシフト触媒を用いる場合のほか、高温シフト触媒と低温シフト触媒を併用する場合もあり、またそれら触媒に加えて脱硫剤などを使用する場合もある。それらの触媒や脱硫剤をそれぞれ充填した反応器を別体として設置した場合、各反応器間を接続する配管や断熱材などが必要となり、機器構成が煩雑になる。そのため、それらの簡素化や小型化を目指し、それぞれの反応器を一体化した燃料処理装置すなわち一体型触媒反応装置が開発されている。図１はその一例を示す図で、縦断面図として示している（ＷＯ ０２/０９８７９０Ａ）。
【０００３】
【特許文献１】ＷＯ ０２/０９８７９０Ａ
【０００４】
図１のとおり、触媒反応装置は、中心軸を同一にして設けられた径の異なる複数の円筒体を間隔を置いて多重に配置して構成される。図１中、一点鎖線はその中心軸を示し、矢印はその方向、すなわちその軸方向を示している。径（直径、以下同じ）を順次大きくした、第１円筒体１、第２円筒体２及び第３円筒体３が中心軸を同一にして間隔を置いて配置されている。第３円筒体３の上部には第３円筒体３より径を大きくした第４円筒体４が配置されている。第１円筒体１の内側には中心軸を同じくして、第１円筒体１より径の小さい円筒状の伝熱隔壁すなわち輻射筒５が配置され、輻射筒５内にはバーナー６が配置されている。すなわちバーナー６は、中心軸部に配置され、輻射筒５の内側に上蓋兼バーナー取付台７を介して取り付けられている。
【０００５】
輻射筒５は、その下端と第１円筒体１の底板８との間に間隔を設けて配置してあり、この間隙と、これに連なる輻射筒５と第１円筒体１との間の空隙とがバーナー６からの燃焼排ガスの排気通路９を形成している。底板８は第１円筒体１の径に対応した径で円盤状に構成されている。排気通路９は、その上部で排気通路９の上蓋（上蓋兼バーナー取付台７の下面）と隔壁１０（後述予熱層１４の上蓋）との間の間隙を経て燃焼排ガスの排出口１１に連なり、燃焼排ガスはここから排出される。
【０００６】
１２は炭化水素系原料ガスの供給管であり、第１円筒体１と第２円筒体２との間の空間内には、その上部に予熱層１４、これに続く下部に改質触媒層１６が設けられている。なお、第２円筒体２は、改質触媒層１６を囲む部分と予熱層１４を囲む部分とが別個に構成され、改質触媒層１６を囲む上端部と予熱層１４を囲む下端部との間の接合部で接合されているが、接合部を設けることなく一体に構成してもよい。また、改質触媒層１６の触媒は、その下部で多孔板等で支持されているが、その記載は省略している。予熱層１４の内部に一本の丸棒１５が螺旋状に配置され、これにより予熱層１４の内部に一つの連続した螺旋状のガス通路が形成されている。原料ガスは、供給管１２から供給され、水（水蒸気）が混合部１３で混合された後、予熱層１４を経て、改質触媒層１６に導入される。改質触媒層１６では、炭化水素系原料ガスが下降しながら水蒸気により改質される。炭化水素系原料ガスが例えばメタンガスの場合、下記反応式(Ｉ)の反応で改質される。改質触媒層１６における改質反応は吸熱反応であり、バーナー６で発生する燃焼熱を吸収して反応が進行する。具体的には、バーナー６による燃焼排ガスが輻射筒５と第１円筒体１との間の排気通路９を流通して通過するときに、燃焼排ガスの熱が改質触媒層１６に吸収され、改質反応が行われる。
【化１】
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【０００７】
改質触媒層１６の改質触媒としては、粒状等の改質触媒のほか、モノリス型改質触媒が用いられるが、好ましくはモノリス型改質触媒（＝ハニカム改質触媒）が用いられる。改質触媒は例えば７００℃程度の高温で使用され、また、触媒反応装置（改質器）を例えば家庭用コージェネレーションシステム（熱電併給システム）で使用する場合には、起動、停止を頻繁に行う必要がある。そのため、粒状等の改質触媒を用いる場合、温度の上昇、下降などの繰り返しにより、改質触媒層に充填されている改質触媒が圧壊、粉化し、触媒活性が低下することが問題になる。そこで、改質触媒としてモノリス型改質触媒を用いることにより、粒状改質触媒を用いる場合におけるそれらの問題を解決することができる。モノリス型改質触媒は、触媒固定床を一体化した触媒で、多数の平行貫通孔すなわちセルをもったセラミック製またはメタル製の担体のセル内表面に金属触媒、すなわちＮｉやＲｕなどの金属触媒を担持させた触媒である。モノリス型触媒は、振動や高温の環境にも耐えることから、主に車の排ガス浄化触媒などに使用されることが多いが、改質触媒としてモノリス型改質触媒を用いることで触媒反応装置における上記問題を解決できる。
【０００８】
第２円筒体２の下端は第３円筒体３の底板１７との間に間隔を置いて配置してあり、第２円筒体２と第３円筒体３との間は、改質ガスの流路１８を構成している。底板１７は第３円筒体３の径に対応した径で円盤状に構成されている。改質ガスは、第２円筒体２の下端と第３円筒体３の底板１７との間で折り返して第２円筒体２と第３円筒体３との間で形成された流路１８を流通する。第３円筒体３の上部には第３円筒体３より径を大きくした第４円筒体４が配置され、第２円筒体２と第４円筒体４との間にＣＯ変成触媒層２１が設けられている。第３円筒体３の上端部と第４円筒体４の下端部には板体１９（第３円筒体３の直径に相当する部分は第３円筒体３で占められるので、ドーナツ状の板体）が配置され、板体１９の上に、間隔を置いてガス流通用の複数の孔を有する支持板２０（第２円筒体２の直径に相当する部分は第２円筒体２で占められるので、ドーナツ状の支持板）が配置されている。ＣＯ変成触媒層２１は、支持板２０とガス流通用の複数の孔を有する支持板２２（第２円筒体２の直径に相当する部分は第２円筒体２で占められるのでドーナツ状の支持板、ＣＯ変成触媒層２１の上蓋）との間に設けられている。支持板２０、２２は金属製等の網目体で構成してもよく、この場合には網目体の網目がガス流通孔となる。流路１８を流通した改質ガスは、支持板２０の孔を経てＣＯ変成触媒層２１に供給される。
【０００９】
上記のとおり、ＣＯ変成触媒層２１は、第２円筒体２と第４円筒体４との間に設けられているが、第４円筒体４の外周には間隔を置いて円筒体２４が配置され、その間に断熱材２３が配置されている。円筒体２４の外周には水供給管２５から連なる伝熱管２６が直接螺旋状に巻き付けてある。伝熱管２６はＣＯ変成触媒層２１を間接的に冷却する冷却機構として作用する。断熱材２３は、伝熱管２６の冷却作用により、ＣＯ変成触媒層１２の温度を低下させ過ぎず、適度な温度に均一に保持できる厚さに巻き付けてある。断熱材２３としては好ましくはセラミックファイバーなどの加工性のよいものを用いる。ここで、伝熱管２６は、水供給管２５から供給される水のボイラーとしての機能を備え、また水供給管２５から続く連続した一つの通路となっているので、複数の通路では生じる部分的な滞留等が生じない。
【００１０】
ＣＯ変成触媒層２１では、下記反応式(II)で示されるＣＯ変成反応（water gas shift reaction）、すなわちシフト反応が行われ、改質ガス中のＣＯが二酸化炭素に変成され、併せて水素が生成する。
【化２】
0004762496.tif 000003
【００１１】
ＣＯ変成触媒としては、従来の触媒（すなわちＣｕ／Ｚｎ系低温ＣＯ変成触媒等）でもよいが、少なくとも３５０℃以上で連続して使用できる触媒（すなわち白金系やＦｅ／Ｃｒ系の高温ＣＯ変成触媒等）を用いることにより、改質ガスの流路１８やＣＯ変成触媒層２１の長さ（すなわち支持板２０と支持板２２と間の長さ）を短縮でき、それら各層を小型化できる。これにより触媒反応装置（改質器）全体を小型化、軽量化できる。白金系触媒すなわち白金を主成分とした触媒はアルミナ等の担体に白金を担持して構成される。白金を主成分とした触媒は、酸化などによる劣化にも強く、３５０℃以上の高温域、特に４００℃以上の高温域でも連続して使用することが可能であり、より速い速度で反応を進行させることができる。
【００１２】
なお、単にそのような白金系触媒をＣＯ変成反応に適用するだけでは、高温域において下記反応式(III)で示されるメタネーション反応と呼ばれる副反応が起こり、目的とするＣＯ変成反応を阻害してしまうことがある。
【化３】
0004762496.tif 000004
【００１３】
この場合には、ＣＯ変成触媒として、白金を主成分とし、ＣｅＯ2等の金属酸化物を副成分として含む触媒を使用する。これにより、高温域で発生するメタネーション反応を充分抑制できる。また、ＣＯ変成触媒として、Ｆｅ／Ｃｒ系の高温ＣＯ変成触媒を使用してもよく、さらには、Ａｌ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｍｏなどの卑金属種をＺｒなどの担体に担持させた高温ＣＯ変成触媒なども使用することができる。なお、高温ＣＯ変成触媒は低温ＣＯ変成触媒と併用してもよい。
【００１４】
支持板２２の上方には所定の間隔を置いて一つの連通孔２８を有する仕切板２７が設けてあり、両板間の空間に空気の供給管２９を通してＣＯ除去用空気が供給される。仕切板２７の上方には円環状の通路３０が設けてある。連通孔２８を、所定の孔径で、且つ、一つとすることにより、改質ガスとＣＯ除去用空気が連通孔２８を通過する際に所定の通過速度が得られ、通過時の乱流により改質ガスとＣＯ除去用空気を良好に混合することができる。ＣＯ除去触媒層３５は、第２円筒体２と、これより径を大きくした円筒体３６と、第２円筒体２と円筒体３６との間の下部及び上部にそれぞれ間隔を置いて配置された、複数個の孔３４を有する支持板３３（第２円筒体２の直径に相当する部分は第２円筒体２で占められるので、ドーナツ状の板体）と、ガス流通用の複数個の孔３８を有する支持板３７（第２円筒体２の直径に相当する部分は第２円筒体２で占められるので、ドーナツ状の支持板）と、の間の空間に設けられている。
【００１５】
円筒体３６の下部にはその円周方向に均等に設けられた複数個の孔３２が設けられている。円環状の通路３０は、円筒体２４と仕切板２７と仕切板３１と円筒体３６で形成された通路であり、それら複数個の孔３２と、支持板３３の複数個の孔３４を介してＣＯ除去触媒層３５と連通しており、ＣＯ除去用空気が混合された改質ガスがそれら複数個の孔３２、３４を介してＣＯ除去触媒層３５に導入される。ＣＯ除去触媒層３５は、その上蓋である複数個の孔３８を有する仕切板３７と隔壁１０との間の間隙を介して改質ガスの取出管３９に連通している。また、ＣＯ除去触媒層３５は円筒体３６で囲まれているが、円筒体３６の外周には円筒体２４の外周の伝熱管２６から連なる伝熱管２６が直接螺旋状に巻き付けてある。
【００１６】
ＣＯ除去触媒層３５には、ＣＯ除去触媒(＝ＰＲＯＸ触媒)が充填してあり、ＰＲＯＸ触媒によりＣＯ除去反応が行われ、改質ガス中のＣＯ含有量をｐｐｍ単位にまで低減する。ＣＯ除去触媒としては、改質ガス中のＣＯを選択的に酸化し得る触媒であれば特に限定はなく、例えばＲｕ系などの金属触媒が用いられる。金属触媒は、例えばアルミナ等の担体にＲｕなどの金属触媒を担持させて構成される。ＣＯ除去触媒層３５においては、下記反応式(IV)で示されるＣＯ除去反応が進行する。
【化４】
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【００１７】
ＣＯ除去触媒層３５においてＣＯを除去した改質ガスは、その上蓋である仕切板３７に設けられた複数個の孔３８から排出され、仕切板３７と隔壁１０との間の間隙を経て改質ガスの取出管３９から取り出される。第３円筒体３、円筒体２４及び円筒体３６を含む外周部には断熱材４０を配置し、外部への熱の放散を防止している。断熱材４０としては、例えばマイクロサーム、ケイ酸カルシウム、アルミナファイバーなど、断熱効果の高い断熱材が使用される。
【００１８】
図２は、図１中ＣＯ除去触媒層３５の部分を中心に拡大して示した図である。図２のとおり、円筒体３６の下部にその円周方向に均等に設けられた複数個の孔３２から導入されたＣＯ除去用空気が混合された改質ガスは、ＣＯ除去触媒層３５中を上昇しながら、ＣＯを酸化除去し、その上部から導出される。すなわち、ＣＯ除去用空気が混合された改質ガスは、厚みをもつドーナツ状のＣＯ除去触媒層３５中を下方から上方へ向かって、すなわちＣＯ除去触媒層３５を区画する第２円筒体２及び円筒体３６の軸方向に流れる。改質ガスの取出管３９は、例えばＰＥＦＣへの燃料ガス供給管に接続される。この場合、所定の濃度の水素を含有する改質ガスがＰＥＦＣの燃料極側に供給され、これを燃料として発電される。なお、ＰＥＦＣの燃料極からのオフガス（アノードオフガス）を、バーナー６での燃焼用燃料ガスとして使用してもよい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
ところで、以上のように構成された触媒反応装置において用いられる各触媒は、それぞれ、ガス空間速度ＳＶ、ガス線速度ＬＶ、温度条件などの異なる特性、環境で使用されるため、装置設計上の制約がある。触媒反応装置のうち、例えばＰＥＦＣ用の水素製造装置に用いられる各触媒の特性は以下のとおりである。
（１）改質触媒：反応速度が大きく、伝熱律速の反応形態であるため（伝熱面積が大きいため）、ガス流れ軸方向に長くなる。また、温度が高いため、断熱材が厚くなる。
（２）シフト触媒（ＣＯ変成触媒）：反応速度が遅いため、触媒量が多くなる。そのため、ガス空間速度ＳＶが小さく、ガスの流れ軸方向に大きい反応器となる。
（３）ＣＯ除去触媒：ガス線速度ＬＶが大きいため、ガス流れ軸方向に長くなる。また、温度が低いため、断熱材は薄くてもよい。
【００２０】
前述のような従来の触媒反応装置においては、各触媒はともに、ガス流れ軸方向に沿って順次区画して設置されるため、すなわち円筒状容器の軸方向と同じ方向にガスが流通するように順次区画して設置されるため、前述図１〜２に示すような形状となる。このうち、特にＣＯ除去触媒が充填された区画は、ＣＯ変成触媒が充填された区画に対して、径方向に小さくなるため、これらを一体に配置した触媒反応装置の外形が段階状の複雑な構造となる。そのため、部品点数が多く、断熱材や配管施工などに手間がかかるため、製作コストが高くなり、またガスの流れ軸方向に小型化できないなどの問題があった。
【００２１】
そこで、本発明においては、従来の触媒反応装置における上述諸問題を解決することを目的とし、各触媒の特性を損なうことなく、各触媒、特にＣＯ除去触媒層を特殊、特定の配置にすることにより、部品点数を少なくし、断熱材や配管施工などの手間を少なくして、製作コストの低減を図り、触媒反応装置を小型化してなる触媒反応装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明は、円筒状容器内に順次複数の気相触媒反応を行うための複数種類の触媒層をそれぞれ別層に区画して配置するとともに、それらを一体に構成した触媒反応装置において、円筒状容器の軸方向にガスが流通する触媒層Ａと、円筒状容器の軸方向に対して垂直に且つ放射状にガスが流通するように円筒状容器の軸方向に対して前後の隔壁で区画した空間に触媒層Ｂを配置し、触媒層Ａを経た反応ガスを触媒層Ｂに導入するようにしてなることを特徴とする触媒反応装置を提供するものである。
【００２３】
本触媒反応装置において、前記円筒状容器の軸方向に対して垂直に且つ放射状にガスが流通するように区画する前後の隔壁のうちの少なくとも一方の隔壁に、ガスが流通する方向に対して傾斜をもたせることにより、その傾斜に対応して外周側に向けて流路断面を狭くすることができる。また、本触媒反応装置は、円筒状容器内の触媒層Ｂの前後の隔壁のうち、特に後部隔壁に傾斜をもたせることで、触媒層Ｂでの触媒の沈降などによるガスリークが生じない構造とすることができる。また、その前後の隔壁間に、冷却媒体が流れる冷却機構を付設し、触媒層Ｂの反応熱を除去するようにすることができる。さらに、触媒層Ｂを区画する前後の隔壁間に触媒層Ｂの反応熱を除去するための冷却用の複数個のフィンを配置することができ、それら複数個のフィンは触媒層Ｂを区画する前後の隔壁のうちの少なくとも一方に固定して配置される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明の触媒反応装置は、前述のような従来の触媒反応装置において、ガス流れ軸方向に沿ってそれぞれ設置していた触媒を、以下（１）〜（４）のとおりに構成することにより、触媒反応装置の外形形状を簡素化し（すなわちストレート化し）、その小型化（すなわちガス流れ軸方向の長さを短くすることで小型化すること）を達成したものである。
（１）ガス流れ軸方向に対して垂直に（すなわち直角に）且つ放射状にガスを流通する部位にＣＯ除去触媒を配置する。
（２）前記ガス流れ軸方向に対して垂直に且つ放射状にガス流れを形成し、且つ、前記触媒を区画する前後の隔壁のうちの少なくとも一方の隔壁はガス流れに対して（すなわちガスが流通する方向に対して）傾斜をもたせる。
（３）前記前後の隔壁のうちの少なくとも一方の隔壁に、冷却媒体が流れる冷却機構を付設し、前記触媒の反応熱を除去する。
（４）前記前後の隔壁間に前記触媒の反応熱を除去するための冷却用のフィンを両隔壁のうち少なくとも一方の隔壁に固定して配置する。
【００２５】
〈１．ガス流通を放射状にする態様〉
図３はガス流通を放射状にする態様を説明する図である。本触媒反応装置は円筒状であり、図３（ａ）は縦断面図、図３（ｂ）は、図３（ａ）中Ｘ−Ｘ線断面図である。図３中、４１は円筒体、４２はその上蓋である。４５はＣＯ除去触媒層であり、ＣＯ除去触媒層４５は、円筒体４１内に配置された、小径の多孔性円筒体４４と大径の多孔性円筒体４６と下部隔壁４３と上部隔壁４７とで区画された、厚みを有するドーナツ状の空間に配置される。円筒体４１と大径多孔性円筒体４６とは間隔を置いて配置され、その間の空隙４８は処理済みガスの流路を形成する。ここで、下部隔壁４３はガス流れ軸方向の前部隔壁に相当し、上部隔壁４７はガス流れ軸方向の後部隔壁に相当している。ＣＯ除去触媒は粒状、顆粒状、ペレット状、円柱状等でもよく、ハニカム型触媒でもよい。以下、粒状、顆粒状、ペレット状、円柱状等の触媒を代表して粒状触媒あるいは粒状等の触媒と言う。
【００２６】
以上のように構成された触媒反応装置の運転に際しては、装置下部から導入された被処理ガス、例えばＣＯ除去用空気が混入された改質ガスが、小径多孔性円筒体４４の下部から導入され、その孔を介してＣＯ除去触媒層４５に流入し、大径多孔性円筒体４６の方向へ流通しながら、ＣＯ成分が酸化、燃焼して除去される。ここで、改質ガスは、図３（ａ）中矢印（←----→）で示すようにＣＯ除去触媒層４５中を横方向、つまり円筒状容器の軸方向に対して垂直に流れ、且つ、図３（ｂ）中矢印（---→）で示すようにＣＯ除去触媒層４５中を放射状に流れる。処理済みガスは、大径多孔性円筒体４６の孔を経て、円筒体４１と大径多孔性円筒体４６との間の空隙４８から、上蓋４２と隔壁４７との間の空隙４９を通り、導出管５０から排出される。ＣＯ除去触媒層４５でのＣＯの酸化反応の反応速度が速いため、線速度ＬＶを大きくする必要があるが、本態様のようにＣＯ除去触媒層４５中を改質ガスが放射状に流通するようにすることにより、ガス流れ軸方向（縦方向）に反応器を大きくしなくても〔すなわち、図３（ａ）中、下部隔壁４３と上部隔壁４７との間隔を大きくしなくても〕、線速度ＬＶを大きくすることができる。
【００２７】
〈２．ガス流通を放射状にし且つ隔壁に傾斜をもたせる態様〉
円筒状の触媒反応装置において、触媒層を形成する上部隔壁または下部隔壁、あるいはその両方を外周に向けて傾斜をもたせて構成することが本発明における重要な特徴点の一つである。図４は、ガス流通を放射状にし且つ隔壁に傾斜をもたせる態様を説明する図で、縦断面図として示している。図４中、４７′として示すように、図３中の上部隔壁４７に相当する隔壁に傾斜をもたせ、上部隔壁を逆すり鉢状に構成する。ここで、下部隔壁４３はガス流れ軸方向の前部隔壁に相当し、上部隔壁４７′はガス流れ軸方向の後部隔壁に相当している。逆すり鉢状に構成した上部隔壁４７′及びこれに関連する構成以外の構成は図３に示すものと同様である。装置下部から導入された被処理ガス、例えばＣＯ除去用空気が混入された改質ガスが、小径多孔性円筒体４４の下部から導入され、その孔を介してＣＯ除去触媒層４５に流入し、大径多孔性円筒体４６の方向へ流通しながら、ＣＯ成分が酸化、燃焼して除去される。
【００２８】
ここで、改質ガスは、図４中矢印（←----→）で示すようにＣＯ除去触媒層４５中を横方向、つまり円筒状容器の軸方向に対して垂直に流れ、且つ、図３の場合と同様、ＣＯ除去触媒層４５中を放射状に流れる〔図３（ｂ）参照〕。そして、その際、上部隔壁４７′が外周側に向けて傾斜しているので、その傾斜に対応して外周側に向けて流路断面を狭くすることができ、それに対応して改質ガスの流速は速くなる。このようにＣＯ除去触媒層を区画する上部隔壁に傾斜をもたせ、且つ、その傾斜の程度を調整することにより、触媒へのガス入口部と出口部のそれぞれを（また、その中間部についても）最適なガス線速度ＬＶやガス空間速度ＳＶに設計した触媒反応装置とすることができる。例えば、入口のガス流速を遅くするという反応設計が可能となる。また、触媒層を形成する上部隔壁及び下部隔壁のうち、特に上部隔壁に傾斜をもたせることで、触媒が粒状等の触媒である場合、その沈降などによるガスリークが生じない構造にできる。
【００２９】
図５〜８は、ガス流通を放射状にし且つ隔壁に傾斜をもたせる基本構造を備えた、炭化水素系燃料（原料ガス）の改質反応、シフト反応及びＣＯ除去反応のそれぞれの反応器を一体化した燃料処理装置、すなわち一体型触媒反応装置の態様を説明する図である。図５〜６において、ＣＯ除去触媒層５４が関連する部分を除き、図１〜２と同じ部材については同じ符号を用いている。本触媒反応装置は、中心軸を同一にして設けられた径の異なる複数の円筒体を間隔を置いて多重に配置して構成される。図５〜６中、一点鎖線はその中心軸を示し、矢印はその方向、すなわちその軸方向を示している。この点、後述図９〜１０についても同じである。図５〜６のとおり、ＣＯ除去触媒層５４を逆すり鉢状に配置する。５１は複数の孔５２を有する下部隔壁である。図７はその下部隔壁５１を取り出して示した平面図で、下部隔壁５１はドーナツ状で、その中央縁の円環部面に複数の孔５２を備えている。５３は仕切板２７と下部隔壁５１との間に形成した空隙である。５５はその裾部に複数の孔５６を有する逆すり鉢状の上部隔壁であり、中央部から外方へ下向きに傾斜している。図８はその上部隔壁５５を取り出して示した図で、図８（ａ）は平面図（上側から見た図）、図８（ｂ）は図８（ａ）中Ｙ−Ｙ線断面図である。ここで図５〜６において、下部隔壁５１はガス流れ軸方向の前部隔壁に相当し、上部隔壁５５はガス流れ軸方向の後部隔壁に相当しており、この点、後述図９〜１０についても同じである。
【００３０】
５７は第２円筒体２に対して間隔を置いて配置された複数の連通孔を有する円筒体、５８は円筒体２４に対して間隔を置いて配置された複数の連通孔を有する円筒体である。ＣＯ除去触媒層５４は、下部隔壁５１と上部隔壁５５と円筒体５７と円筒体５８とにより区画された空間にＣＯ除去触媒を充填することで形成される。ここで上部隔壁５５を外周に向けて下向きに傾斜をもたせて構成することが本態様での基本構造の一つである。このようにＣＯ除去触媒層を区画する上部隔壁に傾斜をもたせ、且つ、その傾斜の程度を調整することにより、触媒へのガス入口部と出口部のそれぞれに（また、その中間部についても）最適なガス線速度ＬＶやガス空間速度ＳＶに設計した触媒反応装置を得ることができる。例えば、入口のガス流速を遅くするという反応設計が可能となる。また、触媒充填部の上面隔壁に傾斜をもたせることで、触媒の沈降などによるガスリークが生じない構造にできる。
【００３１】
従来の円筒状容器内に順次複数の気相触媒反応を行うための複数種類の触媒層をそれぞれ別層に且つ上下の隔壁で区画して配置した触媒反応装置においては、前述図１〜２のとおり、ＣＯ除去触媒とＣＯ変成触媒の特性から、ＣＯ除去触媒層の径はＣＯ変成触媒層の径より小さくすることが必須であった。これに対して、本発明によれば、図５〜８のとおり、ＣＯ除去触媒層５４の径をＣＯ変成触媒層２１の径と同じ径とすることができることから、ＣＯ除去触媒の特性に対応して、ガス流れ方向に長くでき、また断熱材を薄くできる。このように、触媒設置位置の自由度が上がり、また３次元にガスフローを構成できるため、無駄な空間がなくなり、装置を小型化することができる。
【００３２】
ここで、上部隔壁５５に傾斜をもたせるのに代えて、下部隔壁５１に傾斜をもたせるようにしてもよく、また、上部隔壁５５に傾斜をもたせるとともに、下部隔壁５１にも傾斜をもたせるようにしてもよい。このうち、上部隔壁５５に傾斜をもたせるのに代えて、下部隔壁５１に傾斜をもたせる場合には、上部隔壁５５がドーナツ状の隔壁、下部隔壁５１がすり鉢状の隔壁となり、下部隔壁５１が外周に向けて上向きに傾斜をもつ構成となる。また、上部隔壁５５に傾斜をもたせるとともに、下部隔壁５１にも傾斜をもたせる場合には、上部隔壁５５が逆すり鉢状、下部隔壁５１がすり鉢状の隔壁となり、下部隔壁５１が外周に向けて下向きに傾斜をもち、下部隔壁５１が外周に向けて上向きに傾斜をもつ構成となる。これらは、本発明において、円筒状容器の軸方向に対して垂直に且つ放射状にガスが流通するように触媒層Ｂを区画する前後の隔壁のうちの少なくとも一方の隔壁に、ガスが流通する方向に対して傾斜をもたせてなる構成に相当している。
【００３３】
本触媒反応装置の作動に際しては、ＣＯ変成触媒層２１から支持板２２の孔を経て、ＣＯ除去用空気が混合された改質ガスは、隔壁（仕切板）２７の孔２８から隔壁２７と下部隔壁５１との間の空隙５３を流通し、下部隔壁５１の複数の孔５２から第２円筒体２と円筒体５７との間の隙間に導入され、円筒体５７の連通孔を経てＣＯ除去触媒層５４に導入される。そして改質ガスは、ＣＯ除去触媒層５４では、円筒体５８の方向に放射状に流通するが、ＣＯ除去触媒層の上部隔壁５５が円筒体５８の方へ下向きに傾斜しているので、その流速が制御される。
【００３４】
ここで、ＣＯ変成触媒層２１のＣＯ変成触媒としては、粒状ＣＯ変成触媒のほか、モノリス型ＣＯ変成触媒が用いられるが、好ましくはモノリス型ＣＯ変成触媒（＝ハニカムＣＯ変成触媒）が用いられる。モノリス型ＣＯ変成触媒は、触媒固定床を一体化した触媒で、多数の平行貫通孔すなわちセルをもったセラミック製またはメタル製の担体のセル内表面にＣＯ変成触媒を担持させた触媒である。本触媒反応装置を例えば家庭用コージェネレーションシステム（熱電併給システム）で使用する場合には、起動、停止を頻繁に行う必要がある。そのため、粒状触媒を用いる場合、温度の上昇、下降などの繰り返しにより、触媒層に充填されている触媒が圧壊、粉化し、触媒活性が低下することが問題になる。そこで、ＣＯ変成触媒としてモノリス型ＣＯ変成触媒を用いることにより、粒状ＣＯ変成触媒を用いる場合におけるそれらの問題を解決することができる。
【００３５】
〈３．ガス流通を放射状にし且つ隔壁に傾斜をもたせ、さらに冷却機構を設ける態様〉
図９〜１１はガス流通を放射状にし且つ隔壁に傾斜をもたせ、さらに冷却機構を設ける態様を説明する図である。図９〜１１において、図１〜２、図５〜８と同じ部材、部位については同じ符号を用いている。まず、図９の態様では、ＣＯ除去触媒層５４の上部隔壁５５の上部に冷却機構５９を設ける。冷却機構５９は水供給管２５に連なる管で、上部隔壁５５の上面に螺旋状に配置される。作動に際しては、冷却機構５９の管内に水を流通させることにより、上部隔壁５５の壁面を介してＣＯ除去触媒層５４を冷却する。水は、水供給管２５から、図９中、矢印ａのように流れて冷却機構５９の管内を流通した後、矢印ｂのように流れて水供給管２５に至り（戻り）、これに連なる冷却管２６を経て、混合部１３で原料ガスに混合される。この冷却機構５９によりＣＯ除去触媒層５４での反応熱を効率的に除去することができる。また、上部隔壁５５に傾斜をもたせるのに代えて、下部隔壁５１に傾斜をもたせるようにした場合にも、下部隔壁５１に対して同様に冷却機構を配置することができる。この場合にも上記と同様の冷却効果が得られる。
【００３６】
図１０〜１１は、冷却機構の他の態様を説明する図である。図１０〜１１のとおり、ＣＯ除去触媒層５４の下部隔壁５１の下面に冷却機構６０を構成する。図１１のとおり、冷却機構６０は下部隔壁５１の下面と構成部材６１とで構成される。図１１（ａ）は、図１０における下部隔壁５１と構成部材６１を取り出し、その断面を示した図である。図１１（ｂ）は、その構成部材６１の平面図である。図１１のとおり、構成部材６１は、下部隔壁５１に対応した形状であり、ドーナツ状すなわちその中央部に円環状空間を有する円盤状である。図１１（ｂ）に示す構成部材６１の上面が下部隔壁５１の下面に密に当接されて冷却機構６０が構成される。図１１（ｂ）のとおり、構成部材６１には冷却媒体流通用の溝６３が設けられ、その中央部にガス（例えばＣＯ除去用空気が混合された改質ガス）を流通する孔６５が設けられている。このように溝６３が形成された構成部材６１の上面に下部隔壁５１の下面が密に当接されるので、溝６３が冷却媒体の流路となる。また、冷却媒体として水を使用した場合、隔壁５１と部材６１の隙間には水が表面張力で満たされるため、冷却媒体である水蒸気や水の主な流路は溝６３に沿った流路となる。図１１（ｂ）中、６２は該流路への冷却媒体の導入管、６４は該流路からの冷却媒体の導出管である。なお、図１１（ａ）では、孔６５を形成する部分を、下部隔壁５１及び構成部材６１とは別個に構成した場合を示しているが、下部隔壁５１及び構成部材６１を当該部分まで延長し、その延長部分に孔６５を設けてもよい。
【００３７】
冷却媒体としては、図１０〜１１の態様では、冷却管２６を流れる水が用いられる。図１０では水の導入、流れ方向を矢印ｃとして模式的に示しているが、これは図１１（ａ）、（ｂ）に示すｃに相当し、導入管６２から冷却機構６０に導入される。ＣＯ除去触媒層５４の冷却に寄与した水は、図１０中矢印ｄとして示すように流れ、混合部１３で原料ガスに混合されるが、これは図１１（ａ）、（ｂ）に示すｄに相当し、導出管６４から導出されて原料ガスに混合される。ここで、図１０〜１１の態様では、冷却機構６０は下部隔壁５１の下面に構成部材６１を配置することで構成されるが、構成部材６１を下部隔壁５１の上面に配置して構成してもよい。この場合には、構成部材６１がＣＯ除去触媒層５４の側に位置することになり、溝６３が形成された構成部材６１の当該溝６３を有する面が下部隔壁５１の上面に当接される。また、上部隔壁５５に傾斜をもたせるのに代えて、下部隔壁５１に傾斜をもたせるようにした場合にも、対応する傾斜をもたない上部隔壁に対して上記と同様に冷却機構を構成することができる。この場合にも上記と同様の冷却効果が得られる。
【００３８】
〈４．ガス流通を放射状にし且つ隔壁に傾斜をもたせるとともに、冷却機構を設け、さらにＣＯ除去触媒層に冷却用のフィンを設ける態様〉
図１２はＣＯ除去触媒層５４に冷却用のフィンを設ける態様を説明する図である。ここで、他の構成は図５〜１１と同様である。図１２（ａ）は断面図、図１２（ｂ）は冷却用のフィンの側面図、図１２（ｃ）は冷却用のフィンの断面図である。図１２（ｂ）〜（ｃ）中フィンの寸法例を示しているが、これは一例としてのものである。図１２のとおり、ガス流通を放射状にし且つ上部隔壁に傾斜をもたせた空間にＣＯ除去触媒層５４を配置し、そのＣＯ除去触媒層５４中に複数個の冷却用のフィン６６を設ける。各冷却用のフィン６６は中央部から外周に向けて放射状に配置し、各冷却用のフィン６６は等間隔に配置する。各冷却用のフィン６６は下部隔壁５１（図５〜１１参照）に固定してもよく、上部隔壁５５（図５〜１１参照）に固定してもよく、その両方に固定してもよいが、好ましくはその両方に固定する。固定は例えば溶接や金属ろう材により行うことができる。このように、ＣＯ除去触媒層に冷却用のフィンを設けることにより、ＣＯ除去触媒を均等に冷却し、ＣＯ除去反応を均等に行うことができる。ＣＯ除去触媒層に冷却用のフィンを設ける態様は、前述図３〜４に示す態様においても適用でき、この場合にも上記と同様な冷却効果を得ることができる。
【００３９】
本触媒反応装置は、各種触媒反応を行う装置として使用することができる。特に、炭化水素系燃料を水蒸気改質反応で改質して水素を製造する水素製造装置において、触媒層Ａの触媒としてＣＯ変成触媒を用い、触媒層Ｂの触媒としてＣＯ除去触媒を用いる場合や、燃焼排気ガス中のＮＯｘ（＝ＮＯ等の窒素酸化物）及びＣＨ4等の未燃成分を除去する排ガス処理装置において、触媒層Ａの触媒として脱硝触媒を用い、触媒層Ｂの触媒として燃焼触媒を用いる場合などに好適に適用される。このうち水蒸気改質反応による水素製造装置は、燃料電池に水素を供給する水素製造装置として有用である。
【００４０】
本触媒反応装置を炭化水素系燃料からの水素製造装置として構成する場合、以下（１）〜（８）の構成とすることができる。（１）同心状に間隔を置いて配置した順次径の大きい第１円筒体、第２円筒体及び第３円筒体と、第３円筒体の上部に第３円筒体より径を大きくした第４円筒体を備える。（２）第１円筒体の内部に中心軸を同軸にして配置された輻射筒を備える。（３）輻射筒内の軸方向にバーナーを備え、第１円筒体と第２円筒体により区画された間隙に改質触媒を充填した改質触媒層を配置する。（４）第２円筒体と第４円筒体との間に軸方向に隔壁を介して間隔を置いて順次ＣＯ変成触媒層及びＣＯ除去触媒層を配置する。（５）ＣＯ除去触媒層における改質ガスの流通を中心軸側から外周に向けて放射状に流通するように構成する。
【００４１】
ここで、上記（５）の構成については、そのようにＣＯ除去触媒層における改質ガスの流通を中心軸側から外周に向けて放射状に流通するようにするのに加え、（６）ＣＯ除去触媒層を区画する上部隔壁及び上部隔壁のうち一方または両方を中心軸側から外周に向けて傾斜させる構成とすることができる。この傾斜は、上部隔壁では中心軸側から外周に向けて下降する傾斜とし、下部隔壁では中心軸側から外周に向けて上昇する傾斜とする。（７）これら（１）〜（５）の構成または（１）〜（６）の構成に加え、ＣＯ除去触媒層に対して前述の冷却機構を設けてもよく、また冷却機構とともに、前述の冷却用のフィンを設けてもよい。
【００４２】
以上、本触媒反応装置において、触媒を除く構成部材としては耐熱合金、好ましくはステンレス鋼が用いられる。また、本触媒反応装置での各触媒層の触媒としては、触媒反応の種類に応じて用いられる。例えば、改質触媒としては、ＮｉやＲｕなどの金属触媒、その他の改質触媒から適宜選定して用いられ、ＣＯ変成触媒としては、Ｃｕ／Ｚｎ系触媒、Ｆｅ／Ｃｒ系触媒、白金属触媒、白金を主成分としＣｅＯ2等の金属酸化物を副成分として含む触媒、Ａｌ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｍｏなどの卑金属触媒、その他のＣＯ変成触媒から適宜選定して用いられ、ＣＯ除去触媒としては、Ｒｕ系などの金属触媒その他のＣＯ除去触媒から適宜選定して用いられる。また、燃焼触媒としては、Ｐｄ、Ｐｔなどの白金属触媒、その他の燃焼触媒から適宜選定して用いられ、脱硝触媒としては、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｐｄ等の貴金属触媒、ＴｉＯ2、Ｃｒ2Ｏ3、Ｆｅ2Ｏ3等の酸化物触媒、その他の脱硝触媒から適宜選定して用いられる。それら触媒はアルミナその他の担体に担持して構成される。
【実施例】
【００４３】
以下、実施例を基に本発明をさらに詳しく説明するが、本発明がこれら実施例に限定されないことはもちろんである。実施例１で実験例を記載し、実施例２〜５は本発明の各種構成例である。
【００４４】
〈実施例１〉
図５〜７に示す触媒反応装置を水素製造装置として用いて試験した。本水素製造装置は、一時間当たり１Ｎｍ3の水素を製造できる装置である。これに出力１ｋＷのＰＥＦＣを連結した。１Ｎｍ3の水素のうち０．７５Ｎｍ3の水素を使って１ｋＷの発電を行うことができる。改質触媒層１６、ＣＯ変成触媒層２１及びＣＯ除去触媒層５４のそれぞれに各触媒を充填した。改質触媒として、ルテニウム系触媒〔アルミナにＲｕを担持した触媒、粒状、平均粒径（直径）≒３ｍｍ〕を用いた。ＣＯ変成触媒として、Ｃｕ／Ｚｎ系触媒〔アルミナにＣｕ及びＺｎを担持して押出成形した触媒、円柱状、３ｍｍ（直径）×３ｍｍ（長さ）〕を用いた。また、ＣＯ除去触媒として、ルテニウム／白金系触媒〔粒状アルミナにＲｕを担持した触媒、粒状、平均粒径（直径）≒３ｍｍ〕を用いた。
【００４５】
原料ガスとして脱硫済みの都市ガス（１３Ａ）を使用し、流量４．１ＮＬ／ｍｉｎで供給し、水（純水）を流量：１０．０ｇ／ｍｉｎで供給した。スチーム比（Ｓ／Ｃ比）＝２．５である。また、ＣＯ除去用空気を流量：１．５ＮＬ／ｍｉｎで供給した。バーナー用燃料としては、都市ガスを使用した。こうして、改質ガスが流量（ドライベース）：２３．１ＮＬ／ｍｉｎで得られた。表１は、定常運転時に計測された改質触媒層、ＣＯ変成触媒層及びＣＯ除去触媒層におけるガスの空間速度と線速度である。表１のとおり、特にＣＯ除去触媒層における線速度ＬＶを、ＣＯ除去触媒層の入口と出口とで、ほぼ同等にすることができた。
【００４６】
【表１】
0004762496.tif 000006
【００４７】
〈実施例２〉
図１３は本実施例２を示す図である。本触媒反応装置は円筒状であり、図１３では縦断面図として示している。図１３中、７７はＣＯ変成触媒層、８２はＣＯ除去触媒層であり、ともに円筒体７１内に配置されている。７２は円筒体７１の底板、７３は底板７２に設けられた改質ガス導入管である。７４は円筒体７１の上蓋、７５は上蓋７４に設けられた改質ガス導出管である。ＣＯ変成触媒層７７は、底板７２と間隔を置いて配置された多孔板７６と上部多孔板７８との間に充填されている。ＣＯ除去触媒層８２は、該上部多孔板７８と間隔を置いて配置された板体８０と逆すり鉢状隔壁８３との間に充填されている。板体８０は円盤状で、その中央部に改質ガス導入管８１を備えている。７９はＣＯ除去用空気導入管である。８４は逆すり鉢状隔壁８３の底部（隔壁８３が逆すり鉢状であるので上方にある）、８５は多数の孔を有する円筒体である。こうして構成した反応装置全体を断熱材８６で断熱している。
【００４８】
以上のように構成された触媒反応装置の運転に際しては、導入管７３から導入された改質ガスは底板７２と多孔板７６との間の間隙から多孔板７６の孔を通してＣＯ変成触媒層７７に導入され、シフト反応により、改質ガス中のＣＯが二酸化炭素に変成され、併せて水素が生成する。ＣＯ変成後の改質ガスは、導管７９からのＣＯ除去用空気が混合され、上部多孔板７８と板体８０との間の間隙から導入管８１を通り、その流れが逆すり鉢状隔壁８３の底部すなわち上部隔壁８４にぶつかることにより、改質ガスとＣＯ除去用空気が十分に混合される。その後、円筒体８５の孔を通って、ＣＯ除去触媒層８２に導入される。ここでのＣＯ除去反応により、改質ガス中のＣＯが二酸化炭素に変えられる。ＣＯ除去後の改質ガスは導出管７５から導出され、取り出される。図１３中、改質ガスの流れを点線で示している。こうして、ＣＯ濃度１０ｖｏｌ％以上の改質ガス中のＣＯ濃度を１０ｐｐｍ以下にまで低減させることができる。なお、上部多孔板７８と板体８０との間は、図１〜２、図５〜６に示すように、一つの連通孔２８を有する隔壁（仕切板）２７を間隔を置いて配置した構造にしてもよい。この一つの連通孔２８は改質ガスとＣＯ除去用空気を混合する機能をもっており、上記導入管８１もこれと同様の機能をもつ構造である。
【００４９】
〈実施例３〉
本実施例３は、円筒状容器の中心部の軸方向に、改質反応の原料となる炭化水素系原料ガス（燃料）が流通して、該炭化水素系燃料中の硫黄分を除去する脱硫剤を配置し、その外周に前記触媒層Ａの触媒としてＣＯ変成触媒を配置し、前記触媒層Ｂの触媒としてＣＯ除去触媒を配置し、該脱硫剤で硫黄分を除去した炭化水素系燃料を水蒸気改質した改質ガスを、順次、触媒層Ａ、触媒層Ｂに流通するように構成してなる触媒反応装置の例である。図１４は、本実施例３を示す図で、実施例２を示す図１３の触媒反応装置において、その中心部の軸方向に脱硫剤を配し、そして炭化水素系燃料の改質装置を別個に配置した例に相当している。
【００５０】
図１４中、その上部が図１３に示すような触媒反応装置の円筒状容器の中心部の軸方向に脱硫剤を配した反応装置である。図１４中、図５、図１３と共通する部分については、同じ符号を付している。図１４のとおり、図１３に示すような触媒反応装置の中心部の軸方向に、すなわちその中心部で且つ軸方向に脱硫剤を充填する円筒体８８を配置する。その上蓋８９には炭化水素系燃料である原料ガスの導入管９０、その下蓋９１には脱硫済み原料ガスの導出管９２を備えている。円筒体８８内には上下の多孔板９３、９４間に脱硫剤が充填されている。図１４中、下半部が改質装置で、その構成は基本的には前述図５に示す触媒反応装置の下半部に相当している。
【００５１】
以上のように構成された触媒反応装置の運転に際しては、導入管９０から導入された原料ガスは脱硫剤層を流通しながら脱硫される。脱硫済み原料ガスは導出管９２から導出され、途中水（水蒸気）を混合して改質装置の改質触媒層に導入される。改質触媒層はバーナー６で発生する燃焼ガスにより加熱されているので、改質反応が進行し、改質ガスは導入管７３を介してＣＯ変成触媒層７７に導入され、シフト反応により、改質ガス中のＣＯが二酸化炭素に変成され、併せて水素が生成する。ＣＯ変成後の改質ガスは、ＣＯ除去触媒層８２に導入され、ＣＯ除去反応により、改質ガス中のＣＯが二酸化炭素に変えられる。ＣＯ除去後の改質ガスは導出管７５から導出され、取り出される。こうして、ＣＯ濃度１０ｖｏｌ％以上の改質ガス中のＣＯ濃度を１０ｐｐｍ以下にまで低減させることができる。本例では、触媒反応装置内に原料ガスの脱硫剤を配置して一体化しているので、脱硫装置を別個に設けるのに比べて、システム全体として小型化ができる。
【００５２】
〈実施例４〉
本実施例４は、本発明を燃焼排ガス（燃焼排気ガス）の浄化に適用した例である。図１５は本実施例４を示す図である。本触媒反応装置は円筒状であり、縦断面図として示している。図１５中、９６はＮＯｘ処理触媒層、９９はＣＯやメタン等の未燃成分の燃焼触媒層（燃焼処理触媒層）である。両層は、円筒体９５内に、順次、燃焼排ガスの流れ方向に配置されている。ＮＯｘ処理触媒層９６は下部多孔板９７と上部多孔板９８との間に配置されている。燃焼処理触媒層９９は、下部隔壁１００と上部隔壁１０１と小径の多孔性円筒体１０２と大径の多孔性円筒体１０３との間に形成された空間に配置され、円筒体９５と大径多孔性円筒体１０３とは間隔を置いて配置され、その空隙１０４は処理済みガスの流路を形成する。ＮＯｘ処理触媒、燃焼触媒は粒状でもよく、ハニカム型触媒でもよいが、ハニカム型触媒の方が好ましい。
【００５３】
以上のように構成された触媒反応装置の運転に際しては、装置下部から導入された燃焼排ガスは、ＮＯｘ処理触媒層９６を流通しながら、ＮＯｘが処理、除去された後、上部多孔板９８を経て、小径多孔性円筒体１０２の下部から流入し、該円筒体１０２の孔を通して燃焼触媒層９９に流入、流通する。ここで未燃成分は燃焼、除去され、円筒体９５と大径多孔性円筒体１０３との間の空隙１０４を通って排出される。図１５中、燃焼排ガスの流れを点線で示している。燃焼触媒による燃焼は、一般に反応速度が速いため、触媒の量は少なくてよい。また、燃焼触媒層では、触媒と被処理ガスとの接触時間を短くし且つ線速度ＬＶを低くする必要があるため、本実施例のような形状の触媒配置が最適である。
【００５４】
〈実施例５〉
本実施例５は、実施例４と同じく、燃焼排ガスの浄化に適用した例であるが、実施例４の場合とは、燃焼触媒層での被処理ガスの流通方向が異なる。図１６は、本実施例５を示す図である。本触媒反応装置は円筒状であり、縦断面図として示している。図１６中、図１５で示す部材と同じ部材について同じ符号を用いている。図１６のとおり、装置下部から導入された燃焼排ガスは、ＮＯｘ処理触媒層９６を流通しながら、ＮＯｘが処理、除去された後、円筒体９５と大径多孔性円筒体１０３との間の空隙１０４から大径多孔性円筒体１０３の孔を通って、燃焼触媒層９９中を小径多孔性円筒体１０２の方向へ流通する。ここで未燃成分は燃焼して除去され、小径多孔性円筒体１０２の孔を経てその筒体内を上方に向かって通って排出される。他の点は実施例４と同様である。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】一体型燃料処理装置の一例を縦断面図として示す図
【図２】図１におけるＣＯ除去触媒層３４の部分を中心に拡大して示した図
【図３】ガス流通を放射状にする態様を説明する図
【図４】ガス流通を放射状にし且つ隔壁に傾斜をもたせる態様を説明する図
【図５】ガス流通を放射状にし且つ隔壁に傾斜をもたせる態様を説明する図
【図６】ガス流通を放射状にし且つ隔壁に傾斜をもたせる態様を説明する図
【図７】ガス流通を放射状にし且つ隔壁に傾斜をもたせる態様を説明する図
【図８】ガス流通を放射状にし且つ隔壁に傾斜をもたせる態様を説明する図
【図９】ガス流通を放射状にし且つ隔壁に傾斜をもたせ、さらに冷却機構を設ける態様を説明する図
【図１０】ガス流通を放射状にし且つ隔壁に傾斜をもたせ、さらに冷却機構を設ける態様を説明する図
【図１１】ガス流通を放射状にし且つ隔壁に傾斜をもたせ、さらに冷却機構を設ける態様を説明する図
【図１２】ガス流通を放射状にし且つ隔壁に傾斜をもたせるとともに、冷却機構を設け、さらにＣＯ除去触媒層に冷却用のフィンを設ける態様を説明する図
【図１３】実施例２を示す図
【図１４】実施例３を示す図
【図１５】実施例４を示す図
【図１６】実施例５を示す図
【符号の説明】
【００５６】
１〜４  第１円筒体〜第４円筒体
５  輻射筒
６  バーナー
７  上蓋兼バーナー取付台
８  底板
９  燃焼排ガスの排気通路
１０  隔壁
２１  ＣＯ変成触媒層
３５、５４  ＣＯ除去触媒層
４７  上部隔壁
４７′  逆すり鉢状に構成した上部隔壁
５１  複数の孔５２を有する下部隔壁
５３  仕切板２７と下部隔壁５１との間に形成した空隙
５５  裾部に複数の孔５６を有する逆すり鉢状の上部隔壁
５７  第２円筒体２に対して間隔を置いて配置された複数の連通孔を有する円筒体
５８  円筒体２４に対して間隔を置いて配置された複数の連通孔を有する円筒体
５９、６０  冷却機構
６１  冷却機構の構成部材
６２  冷却媒体の導入管
６３  溝
６４  冷却媒体の導出管
ａ〜ｄ  冷却媒体としての水の流れ方向
９３、９４  上下の多孔板
９５  円筒体
９６  ＮＯｘ処理触媒層
９７  下部多孔板
９８  上部多孔板
９９  燃焼触媒層
１００  下部隔壁
１０１  上部隔壁
１０２  小径多孔性円筒体
１０３  大径多孔性円筒体
１０４  空隙
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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