(57)【要約】【課題】反応ガスが偏流しないため触媒層における反応温度のバラツキが生じにくく、触媒が有効に機能して良好な反応を行うことができる反応装置および燃料電池用改質装置の提供。【解決手段】加熱媒体流通路の外周側を囲む外筒状に形成され、一端に設けられた開放端に反応ガスの導入口が設けられ、他端に閉塞端を有する反応部と、前記反応部内に充填された反応触媒層と、前記反応触媒層の内部に、前記閉塞端から前記開放端に向けて前記加熱媒体流通路を巻回して螺旋状に旋回し、前記閉塞端に開口した反応生成ガス導出口を備える反応生成ガス戻り管路と、を備えることを特徴とする反応装置および燃料電池用改質装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱媒体が流通する加熱媒体流通路と、
前記加熱媒体流通路の外周側を囲む外筒状に形成され、一端に設けられた開放端に反応ガスの導入口が設けられ、他端に閉塞端を有する反応部と、
前記反応部内に充填された反応触媒層と、
前記反応触媒層の内部に、前記閉塞端から前記開放端に向けて前記加熱媒体流通路を巻回して螺旋状に旋回し、前記閉塞端に開口した反応生成ガス導出口を備える反応生成ガス戻り管路と、を備えることを特徴とする反応装置。
【請求項２】
炭化水素原料と水との反応によって水素含有ガスを製造する燃料電池用改質装置であって、
加熱媒体が流通する加熱媒体流通路と、
前記加熱媒体流通路の外周側を囲む外筒状に形成され、一端に設けられた開放端に前記炭化水素原料と水の導入口が設けられ、他端に閉塞端を有する改質反応部と、
前記改質反応部内に充填された改質用触媒層と、
前記改質用触媒層の内部に、前記閉塞端から前記開放端に向けて前記加熱媒体流通路を巻回して螺旋状に旋回し、前記閉塞端に開口した水素含有ガス導出口を備える水素含有ガス戻り管路と、を備えることを特徴とする燃料電池用改質装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、反応装置および燃料電池用改質装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、内部に充填された反応触媒層に、反応ガスを供給して反応させる反応装置が広く用いられている。例えば、図４に示す燃料電池システム１０１では、炭化水素原料と水の反応によって改質ガスを製造する改質器１０４と、改質ガス中の一酸化炭素または未反応の炭化水素と水蒸気との反応によって水素を生成させ、さらに水素含有量が増加した改質ガスを製造するシフト反応器１０５と、残余の一酸化炭素を酸化して一酸化炭素濃度を極力低減させた改質ガスを製造する一酸化炭素（ＣＯ）選択酸化器１０６とを備える。この燃料電池システムでは、改質器１０４、シフト反応器１０５および一酸化炭素（ＣＯ）選択酸化器１０６によって生成した、一酸化炭素含有量が低減された水素リッチな改質ガスが、燃料電池スタック１１０のアノード１１１に供給され、カソード１１２に空気が供給されることによって、水素と酸素の電気化学反応による発電が行われる。この燃料電池システム１０１における改質器１０４、シフト反応器１０５および一酸化炭素選択酸化反応器１０６として、内部に触媒層が設けられ、その触媒層内を反応ガスが流通しながら各反応が行われる形式の装置が用いられる。
【０００３】
例えば、特許文献１には、改質触媒を充填した反応管と、その反応管の外側を囲む伝熱部とを有する燃料電池用改質器が記載されている（特許文献１等参照）。また、図５に示すように、加熱媒体ＨＦが流通する加熱媒体流通路５１と、前記加熱媒体流通路５１の外周側を囲む外筒状に形成され、反応触媒が充填された反応部５２とを有し、加熱媒体流通路５１を流通する加熱媒体によって、反応部５２の触媒層を流通する反応ガスＲＧを加熱し、触媒の存在下に反応させる反応装置も知られている。
【０００４】
こうした触媒層内に反応ガスを流通させて反応させる形式の反応装置では、触媒層内で反応ガスの偏流が生じると、反応に関与しない部分（デッド部）が生じるため、触媒層の各部での反応温度のバラツキが生じて触媒が有効に機能しない部分が生じる。そのため、最悪の場合、触媒層内における反応が平衡に達することなく、反応装置から反応ガスの一部または全部が未反応の状態のまま導出されるおそれがある。
【特許文献１】特開平０６−２３１７８９号公報（段落番号０００６、図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、本発明は、前記した問題を解決し、反応ガスが偏流しないため触媒層における反応温度のバラツキが生じにくく、触媒が有効に機能して良好な反応を行うことができる反応装置および燃料電池用改質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】
【０００６】
請求項１に記載の発明は、加熱媒体が流通する加熱媒体流通路と、前記加熱媒体流通路の外周側を囲む外筒状に形成され、一端に設けられた開放端に反応ガスの導入口が設けられ、他端に閉塞端を有する反応部と、前記反応部内に充填された反応触媒層と、前記反応触媒層の内部に、前記閉塞端から前記開放端に向けて前記加熱媒体流通路を巻回して螺旋状に旋回し、前記閉塞端に開口した反応生成ガス導出口を備える反応生成ガス戻り管路と、を備えることを特徴とする反応装置を提供するものである。
【０００７】
この反応装置では、反応部内に設けられた反応触媒層の内部に、前記閉塞端から前記開放端に向けて前記加熱媒体流通路を巻回して螺旋状に旋回し、前記閉塞端に開口した反応生成ガス導出口を備える反応生成ガス戻り管路を備えることによって、反応部の触媒層に反応ガスが偏流しないため反応温度のバラツキが生じにくく、触媒が有効に機能して反応を安定して行わせることができる。
【０００８】
また、請求項２に記載の発明は、炭化水素原料と水との反応によって水素含有ガスを製造する燃料電池用改質装置であって、加熱媒体が流通する加熱媒体流通路と、前記加熱媒体流通路の外周側を囲む外筒状に形成され、一端に設けられた開放端に前記炭化水素原料と水の導入口が設けられ、他端に閉塞端を有する改質反応部と、前記改質反応部内に充填された改質用触媒層と、前記改質用触媒層の内部に、前記閉塞端から前記開放端に向けて前記加熱媒体流通路を巻回して螺旋状に旋回し、前記閉塞端に開口した水素含有ガス導出口を備える水素含有ガス戻り管路と、を備えることを特徴とする燃料電池用改質装置を提供するものである。
【０００９】
この燃料電池用改質装置では、改質反応部内に充填された改質用触媒層の内部に、前記閉塞端から前記開放端に向けて前記加熱媒体流通路を巻回して螺旋状に旋回し、前記閉塞端に開口した水素含有ガス導出口を備える水素含有ガス戻り管路と、を備えることによって、改質反応部の触媒層に反応ガスが偏流しないため反応温度のバラツキが生じにくく、触媒が有効に機能して反応を安定して行わせることができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の反応装置は、触媒層内に設ける反応生成ガス戻り管路を螺旋状に形成することによって、反応部に導入される反応ガスが触媒層を旋回しながら反応する。そのため、触媒層にデッド部ができにくく、さらに、この結果、反応部に反応温度のバラツキが生じにくくなるため、反応部の触媒層における反応を制御し易く、反応も安定して行わせることが可能となる。
【００１１】
また、請求項２の燃料電池用改質装置は、改質反応部内の触媒層に設ける水素含有ガス戻り管路を螺旋状に形成することによって、改質反応部に導入される反応ガスが触媒層を旋回しながら反応する。そのため、触媒層にデッド部ができにくく、さらに、この結果、改質反応部に反応温度のバラツキが生じにくくなるため、改質反応部の触媒層における炭化水素原料と水との改質反応を制御し易く、改質反応も安定して行わせることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の第1の実施形態に係る反応装置の構成を示す模式図、図２はその反応装置の一部を切り欠いて示す概念図である。
【００１３】
この反応装置１は、管状の装置本体１１の軸中心を貫通する加熱媒体流通路１２と、加熱媒体流通路１２の外周側を囲んで設けられ、内部に反応触媒層１４が設けられた反応部１３とを有する２重管構造を有する。
【００１４】
加熱媒体流通路１２は、装置本体１１の軸中心を貫通し、バーナ（図示せず）等によって加熱された加熱媒体ＨＦが流通する流路である。この加熱媒体流通路１２は、装置本体１１の内周壁１１ａを介して、反応部１３内の反応触媒層１４を流通する反応ガスを加熱するためのものである。なお、内周壁１１ａにフィン等の伝熱促進部材を設けて加熱媒体ＨＦの熱を効率よく反応部１３を加熱することもできる。
【００１５】
反応部１３は、加熱媒体流通路１２の外周側を囲み、装置本体１１の内周壁１１ａと外周壁１１ｂとの間に外筒状に形成され、内周壁１１ａによって、加熱媒体流通路１２と画成されている。この反応部１３は、一端に開放端１３ａを、他端に閉塞端１３ｂを有し、開放端１３ａには、反応ガスの導入口１３ｃが設けられている。
また、反応部１３は、内周壁１１ａと外周壁１１ｂとの間に反応触媒を充填して形成された反応触媒層１４と、その反応触媒層１４の内部に配設された反応生成ガス戻り管路１５とを備える。
【００１６】
反応生成ガス戻り管路１５は、前記閉塞端１３ｂに開口した反応生成ガス導出口１５ａと、前記加熱媒体流通路１２を巻回して反応触媒層１４内を螺旋状に旋回する管路本体１５ｂとを有し、管路本体１５ｂは、開放端１３ａから反応部１３の外部に導出された反応生成ガス導出口１５ｃを有する。反応生成ガス導出口１５ｃは、他の装置に接続される。例えば、反応装置１が燃料電池用改質装置である場合は、反応生成ガス導出口１５ｃは、シフト反応装置のガス導入口に接続される。ここで、反応生成ガス戻り管路１５の管路本体１５ｂの外径Ｒは、装置本体１１の内周壁１１ａと外周壁１１ｂとの間の間隔Ｌに対して、Ｒ＜Ｌとなるように構成される。すなわち、図２に示すように、反応生成ガス戻り管路１５の管路本体１５ａと、装置本体１１の内周壁１１ａと外周壁１１ｂとの間には、空隙１６ａ，１６ｂが形成され、この空隙１６ａ，１６ｂを反応ガスが通過できるように構成される。このとき、Ｒ／Ｌは、０．５〜１．０の範囲で選択され、空隙を広く取ることで反応装置１内に反応生成ガス戻り管路１５を挿入する組み付け作業が容易になると共に、反応装置１内への触媒の充填作業も容易となる。
【００１７】
この反応装置１においては、反応ガスは、反応ガスの導入口１３ｃから導入され、反応触媒層１４内に反応生成ガス戻り管路１５によって螺旋状に形成された反応ガス流通路１６を旋回しながら閉塞端１３ｂに向けて流通する。また、反応ガスは、図２に示すように、前記空隙１６ａ，１６ｂを通過し、次の反応ガス流通路に流通することもできる。この空隙１６ａ，１６ｂを反応ガスが通過することで、反応生成ガス戻り管路１５周りの反応ガスの流れを促進して反応触媒を有効に利用することができる。反応ガスは、加熱媒体流通路１２を流通する加熱媒体によって加熱され、反応触媒層１４を形成する反応触媒の作用によって反応する。このとき、反応ガスが反応触媒層１４内で偏流せず、反応触媒層１４内を円滑に流通する。そのため、反応触媒層１４における反応温度のバラツキが生じにくく、触媒が有効に機能して良好な反応を行うことができる。反応によって生成した生成物を含む反応生成ガスは、閉塞端１３ｂに開口した反応生成ガス導出口１５ａから反応生成ガス戻り管路１５に導入され、反応触媒層１４内を螺旋状に旋回しながら反応生成ガス導出口１５ｃに向けて管路本体１５ｂ内を流通する。このとき、反応生成ガスは、管路本体１５ｂ内を流通しながら、反応触媒層１４内を流通する反応ガスと熱交換して、反応ガスを加熱する。これによって、反応生成ガスが有する熱エネルギを、反応ガスの加熱に有効に利用できるとともに、後段の反応器、もしくは装置に適切な温度のガスとして導入することができる。
【００１８】
第1の実施形態に係る反応装置１の具体例として、燃料電池用改質反応装置、燃料電池用水蒸気改質反応装置、燃料電池用部分酸化改質反応装置、シフト反応装置、一酸化炭素選択酸化反応装置が挙げられる。例えば、前記反応装置１における反応ガスを炭化水素原料と水蒸気の混合ガスとし、反応触媒として改質触媒を用いる燃料電池用改質装置を構成することができる。この燃料電池用改質装置においては、反応生成ガスは、水素含有ガスとなる。したがって、この燃料電池用改質装置は、炭化水素原料と水との反応によって水素含有ガスを製造する燃料電池用改質装置であって、加熱媒体が流通する加熱媒体流通路と、前記加熱媒体流通路の外周側を囲む外筒状に形成され、一端に設けられた開放端に前記炭化水素原料と水の導入口が設けられ、他端に閉塞端を有する改質反応部と、前記改質反応部内に充填された改質用触媒層と、前記改質用触媒層の内部に、前記閉塞端から前記開放端に向けて前記加熱媒体流通路を巻回して螺旋状に旋回し、前記閉塞端に開口した水素含有ガス導出口を備える水素含有ガス戻り管路と、を備える燃料電池用改質装置を構成することができる。この改質反応装置で生成した水素含有ガスは、燃料電池システムを構成するシフト反応器等の後段の反応器、Ｈ２透過膜等の処理装置、ＳＯＦＣ（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ)固体酸化物型燃料電池）のシステムの場合には、直接、燃料電池スタックに水素含有ガス導出路を介して導出される。
【００１９】
このとき、改質反応部における改質反応は、改質触媒の存在下に、例えば、５５０〜７００℃の範囲の改質反応温度の下で、炭化水素原料が含む炭化水素分と水蒸気との反応によって、水素含有ガスを生成する。用いられる改質触媒は、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ルテニウム（Ｒｕ）等の貴金属系触媒等が挙げられ、これらの改質触媒は、セラミック製の多孔質粒状体に担持され、改質反応部の内部に、その多孔質粒状体が充填されて触媒層を形成する。
【００２０】
改質反応部に供給される炭化水素原料は、燃料電池用改質装置の改質反応部における改質反応によって水素を製造できるものであれば、特に制限されない。例えば、灯油、軽油、重油、アスファルテン、オイルサンド油、メタノール、ナフサ、石炭液化油、石炭系重質油、ガソリン等の液状炭化水素混合物、都市ガス、ＬＰＧ等の気体状炭化水素混合物などの各種の炭化水素混合物を用いることができる。これらの中でも、灯油は、水素源としてのエネルギー密度が非常に高く、可搬性および貯蔵性に富むため、家庭用の小型の定置型燃料電池システム用の炭化水素原料として好適である。これらの炭化水素原料は、硫黄分が多い場合には、改質反応部に供給する前に、脱硫装置で脱硫することが望ましい。また、用いる炭化水素原料が、硫黄分が少なく、改質反応部における改質反応に供給可能なものであれば、脱硫装置を省略して、改質反応部に、直接、炭化水素原料を供給することができる。
【００２１】
また、前記反応装置１として、燃料電池システムのシフト反応装置を構成することができる。このとき、反応ガスは、前記改質反応装置で生成した水素含有ガスである。このシフト反応装置は、酸化鉄、銅−亜鉛系、銅−クロム系等のシフト触媒（反応触媒）の存在下に、例えば１５０〜３００°Ｃの温度において、燃料電池用改質装置で生成した水素含有ガス中に含まれる一酸化炭素と水蒸気の発熱反応（ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２）によって、一酸化炭素を二酸化炭素に変成して、一酸化炭素濃度を低減させるとともに、さらに水素含有量が増加された水素含有ガス（以下、「シフトガス」という）を生成する装置である。これによって、燃料電池スタックＦＣに供給される水素含有ガスが含む水素が、燃料電池スタックのアノードに供給される発電用水素資源として有効利用される。
【００２２】
さらに、前記反応装置１として、燃料電池システムの一酸化炭素（ＣＯ）選択酸化装置を構成することができる。このとき、反応ガスは、前記シフト反応装置で生成された、水素含有量が増加されたシフトガスである。この一酸化炭素（ＣＯ）選択酸化装置は、燃料電池スタックの電極の被毒の問題を回避するため、シフト反応装置から供給されるシフトガス中に微量に存在する一酸化炭素を酸化させて、シフトガスの一酸化炭素濃度をさらに低減させた水素含有ガスを燃料電池スタックに供給するための装置である。通常、この一酸化炭素選択酸化装置において、シフトガス中の一酸化炭素濃度が１０ｐｐｍ以下に低減される。一酸化炭素選択酸化装置における反応は、例えば、白金、ルテニウム、ロジウム等の貴金属系触媒の存在下に、１０５〜１５０°Ｃの範囲の温度で行なわれる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施形態に係る反応装置の構成を示す模式図である。
【図２】本発明の実施形態に係る反応装置の一部を切り欠いて示す図である。
【図３】燃料改質型の燃料電池システムを主要構成を示すブロック図である。
【図４】触媒層を有する反応装置の構造例を示す概念図である。
【符号の説明】
【００２４】
１      反応装置
１２    加熱媒体流通路
１３    反応部
１３ａ  開放端
１３ｂ  閉塞端
１３ｃ  導入口
１４    反応触媒層
１５ａ  反応生成ガス導出口
１５ｃ  反応生成ガス導出口
ＨＦ    加熱媒体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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