(57)【要約】【課題】触媒の自動充填にも対応可能な触媒充填方法、およびこれに用いる触媒充填装置を提供する。【解決手段】受け部材５２と押え部材５３とを設けて内部を第１バッファ空間Ｓ１、触媒充填空間Ｓ２、および第２バッファ空間Ｓ３に区画した反応容器５０に触媒Ｃを供給する供給工程と、前記反応容器５０中に堆積した前記触媒Ｃに外力を作用させて堆積面の高さを均等化する均等化工程と、均等化した前記堆積面が予め設定した所定の高さ位置に達したか否かを検知する検知工程と、を包含する触媒充填方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
受け部材と押え部材とを設けて内部を第１バッファ空間、触媒充填空間、および第２バッファ空間に区画した反応容器に触媒を供給する供給工程と、
前記反応容器中に堆積した前記触媒に外力を作用させて堆積面の高さを均等化する均等化工程と、
均等化した前記堆積面が予め設定した所定の高さ位置に達したか否かを検知する検知工程と、
を包含する触媒充填方法。
【請求項２】
前記均等化工程において前記触媒に外力を作用させる手段として、前記反応容器を振動させる振動装置を用いる請求項１に記載の触媒充填方法。
【請求項３】
前記均等化工程において前記触媒に外力を作用させる手段として、前記第１バッファ空間および前記第２バッファ空間の少なくとも何れか一方から気流を導入する通気装置を用いる請求項１または２に記載の触媒充填方法。
【請求項４】
受け部材と押え部材とを設けて内部を第１バッファ空間、触媒充填空間、および第２バッファ空間に区画した反応容器に触媒を供給するべく、当該反応容器に対して挿入深さを変更可能なノズルと、
前記反応容器中に堆積した前記触媒に外力を作用させて、前記触媒の堆積状態を変化させる外力付与手段と、
前記ノズル中の前記触媒の流動状態を検知するセンサと、
を備えた触媒充填装置。
【請求項５】
前記ノズルの先端部の高さ位置が調整可能である請求項４に記載の触媒充填装置。
【請求項６】
前記外力付与手段が、前記反応容器に当接する当接部と、当該当接部に振動を伝達する駆動モータと、を備えた振動装置である請求項４または５に記載の触媒充填装置。
【請求項７】
前記外力付与手段が、前記第１バッファ空間および前記第２バッファ空間の少なくとも何れか一方から気流を導入する通気装置である請求項４〜６の何れか一項に記載の触媒充填装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、反応容器に触媒を充填するための触媒充填方法、およびその方法の実施に用いる触媒充填装置に関する。より詳細には、本発明は、固体高分子型燃料電池発電システムにおいて、原料ガスを改質するための改質装置等に使用される反応容器に触媒を充填するための触媒充填方法、およびその方法の実施に用いる触媒充填装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池発電システムは、原料ガスから水素を得る改質装置、水素と酸素とから電気を生成する固体高分子型燃料電池、排熱を回収する排熱回収装置等で構成されている。これらの装置のうち改質装置は、水蒸気を用いて原料ガスを水素に改質する改質器、改質器の出口ガス（水素）中の一酸化炭素を二酸化炭素に変成するＣＯ変成器、ＣＯ変成器の出口ガス（二酸化炭素）中に残存する一酸化炭素を高度に除去するＣＯ除去器等を備えており、改質器、ＣＯ変成器、およびＣＯ除去器の夫々は、各反応を進行させるために、触媒を反応容器に充填して構成されている。
このような改質器等を製造するにあたり、反応容器を組み立てる途中段階において触媒を充填する技術としては、例えば、特許文献１に示すものがあった。
特許文献１の触媒充填方法およびその装置は、触媒導入管に接続された触媒充填用管路を反応器の触媒充填空間に連通させ、吸引装置を用いて触媒導入管より吸入した触媒を、前記触媒充填用管路を介して触媒充填空間に供給するものである。
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−２３１４９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
固体高分子型燃料電池発電システムの改質装置を大量生産しようとする場合、反応容器への触媒の充填を自動的に行うことが好ましい。しかしながら、上記特許文献１に代表される従来の触媒充填方法および装置では、触媒充填空間（反応容器）に吸引装置や触媒容器を接続して密閉状態にしておく必要があることから、触媒の自動充填を行うことは想定していないものと考えられる。従って、特許文献１の技術に自動充填をそのまま適用し、大量生産を行ったとしても、触媒投入量の把握が困難なため、反応容器中での触媒の充填状態（例えば、充填量や充填密度）にムラが発生する場合がある。
例えば、反応容器中の触媒充填量が不足している場合、輸送時や設置工事等の際に反応容器が傾くと内部の触媒が偏ることがある。このような場合、反応ガスは、図４に示すように、触媒の堆積量が少ない側に偏流し、触媒と反応ガスとの均等な接触ができなくなると考えられる。また、触媒充填量が過剰である場合も、気流が触媒間をスムーズに通過できなくなることから、図５に示すように、反応ガスは触媒全体に行き渡ることができなくなり、偏流が発生し易くなるものと考えられる。
従って、特許文献１等の従来技術によって製造した改質装置では、反応ガスの偏流が生じ易くなる等の理由により、所定の性能を発揮することができないという問題がある。
【０００５】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、触媒の自動充填にも対応可能な触媒充填方法、およびこれに用いる触媒充填装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る触媒充填方法の特徴構成は、受け部材と押え部材とを設けて内部を第１バッファ空間、触媒充填空間、および第２バッファ空間に区画した反応容器に触媒を供給する供給工程と、前記反応容器中に堆積した前記触媒に外力を作用させて堆積面の高さを均等化する均等化工程と、均等化した前記堆積面が予め設定した所定の高さ位置に達したか否かを検知する検知工程と、を包含することにある。
【０００７】
本構成の触媒充填方法は、受け部材と押え部材とを設けて内部を第１バッファ空間、触媒充填空間、および第２バッファ空間に区画した反応容器に対して行うものであり、当該方法において、均等化工程によって高さを均等化させた触媒の堆積面が、予め設定した所定の高さ位置に達したか否かを検知する検知工程を実行する。このため、受け部材と押え部材とによって区画された触媒充填空間に触媒を略過不足なく充填することが可能となり、適切な触媒充填密度を実現することができる。本構成の触媒充填方法は、自動充填にも対応できるものである。
また、上記触媒充填空間は、第１バッファ空間および第２バッファ空間に挟まれた状態にあるので、反応ガスを反応容器に入れると、第１バッファ空間または第２バッファ空間においてガス圧が平均化される。このため、反応ガスの偏流等が発生せず、反応ガスは触媒充填空間全体に行き渡って均等な接触が実現される。
【０００８】
本発明の触媒充填方法では、前記均等化工程において前記触媒に外力を作用させる手段として、前記反応容器を振動させる振動装置を用いることも可能である。
【０００９】
本構成の触媒充填方法においては、反応容器を振動させる振動装置を用いることにより、反応容器内部に堆積した触媒の堆積面の高さが確実に均等化され、触媒が押え部材の高さ位置に達したときも略平坦な堆積面を形成することができる。このため、触媒を触媒充填空間に過不足なく充填することが可能となり、触媒全体の充填密度も略一定となって、触媒と反応ガスとを接触させる際における反応ガスの偏流を確実に無くすことができる。
【００１０】
本発明の触媒充填方法では、前記均等化工程において前記触媒に外力を作用させる手段として、前記第１バッファ空間および前記第２バッファ空間の少なくとも何れか一方から気流を導入する通気装置を用いることも可能である。
【００１１】
本構成の触媒充填方法においては、第１バッファ空間および第２バッファ空間の少なくとも何れか一方から気流を導入する通気装置を用いることにより、反応容器内部の触媒充填空間において触媒を流動させて攪拌することができる。この攪拌された触媒が再度堆積すると、堆積表面は平坦になって確実に均等化され、触媒全体の充填密度も略一定になる。このため、触媒と反応ガスとを接触させる際における反応ガスの偏流を確実に無くすことができる。
【００１２】
本発明に係る触媒充填装置の特徴構成は、受け部材と押え部材とを設けて内部を第１バッファ空間、触媒充填空間、および第２バッファ空間に区画した反応容器に触媒を供給するべく、当該反応容器に対して挿入深さを変更可能なノズルと、前記反応容器中に堆積した前記触媒に外力を作用させて、前記触媒の堆積状態を変化させる外力付与手段と、前記ノズル中の前記触媒の流動状態を検知するセンサと、を備えたことにある。
【００１３】
本構成の触媒充填装置においては、前記触媒充填方法と同様の作用効果が得られるものである。すなわち、本構成の触媒充填装置は、受け部材と押え部材とを設けて内部を第１バッファ空間、触媒充填空間、および第２バッファ空間に区画した反応容器に触媒を供給するべく、当該反応容器に対して挿入深さを変更可能なノズルと、反応容器中に堆積した触媒に外力を作用させて、触媒の堆積状態を変化させる外力付与手段と、ノズル中の触媒の流動状態を検知するセンサとを備えている。このため、受け部材と押え部材とによって区画された触媒充填空間に触媒を略過不足なく充填することが可能となり、適切な触媒充填密度を実現することができる。本構成の触媒充填装置は、自動充填にも対応できるものである。
また、上記触媒充填空間は、第１バッファ空間および第２バッファ空間に挟まれた状態にあるので、反応ガスを反応容器に入れると、第１バッファ空間または第２バッファ空間においてガス圧が平均化される。このため、反応ガスの偏流等が発生せず、反応ガスは触媒充填空間全体に行き渡って均等な接触が実現される。
【００１４】
本発明の触媒充填装置では、前記ノズルの先端部の高さ位置を調整可能にすることも可能である。
【００１５】
本構成の触媒充填装置においては、ノズルの先端部の高さ位置を調整することができるので、反応容器の形状等に応じた最適な触媒充填状態を容易に実現することができる。
【００１６】
本発明の触媒充填装置では、前記外力付与手段を、前記反応容器に当接する当接部と、当該当接部に振動を伝達する駆動モータと、を備えた振動装置とすることも可能である。
【００１７】
本構成の触媒充填装置においても、前記触媒充填方法と同様の作用効果が得られるものである。すなわち、本構成の触媒充填装置では、外力付与手段として振動装置を用いることにより、反応容器内部に堆積した触媒の堆積面の高さが確実に均等化され、触媒が押え部材の高さ位置に達したときも略平坦な堆積面を形成することができる。このため、触媒を触媒充填空間に過不足なく充填することが可能となり、触媒全体の充填密度も略一定となって、触媒と反応ガスとを接触させる際における反応ガスの偏流を確実に無くすことができる。
【００１８】
本発明の触媒充填装置では、前記外力付与手段を、前記第１バッファ空間および前記第２バッファ空間の少なくとも何れか一方から気流を導入する通気装置とすることも可能である。
【００１９】
本構成の触媒充填装置においても、前記触媒充填方法と同様の作用効果が得られるものである。すなわち、本構成の触媒充填装置では、外力付与手段として第１バッファ空間および第２バッファ空間の少なくとも何れか一方から気流を導入する通気装置を用いることにより、反応容器内部の触媒充填空間において触媒を流動させて攪拌することができる。この攪拌された触媒が再度堆積すると、堆積表面は平坦になって確実に均等化され、触媒全体の充填密度も略一定になる。このため、触媒と反応ガスとを接触させる際における反応ガスの偏流を確実に防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、本発明は以下の実施の形態および図面に記載される構成に限定されるものではなく、これらと均等な構成も含み得る。
【００２１】
図１は、本発明の触媒充填装置１００の概略斜視図である。触媒充填装置１００は、例えば、固体高分子型燃料電池発電システムの改質装置に使用される反応容器５０に、白金触媒、パラジウム触媒、ルテニウム触媒等の触媒Ｃを充填するために用いられるものである。触媒充填装置１００は、ノズル１０およびセンサ２０を備え、さらに後述の外力付与手段を備えている。
【００２２】
触媒充填装置１００によって触媒Ｃを充填する対象となる反応容器５０は、筐体５１、受け部材５２および押え部材５３を備えている。受け部材５２は筐体５１の内部下方に、押え部材５３は筐体５１の内部上方に夫々設けられ、反応容器５０の内部空間を、第１バッファ空間Ｓ１、触媒充填空間Ｓ２、および第２バッファ空間Ｓ３に区画している。
受け部材５２は、その周囲が筐体５１の下方内周面に溶接等によって接続された板状の部材である。この板状の受け部材５２は、第２バッファ空間Ｓ３と触媒充填空間Ｓ２とに亘ってガスを通気させることができるように、多数の孔を備えている。受け部材５２としては、例えば、パンチングメタルやメッシュ部材等を採用することができる。孔径またはメッシュサイズは、触媒Ｃの抜け落ちを防止するために触媒Ｃの平均粒径よりも小さくしておく。
一方、押え部材５３は、その周囲が筐体５１の上方内周面に溶接等によって接続された板状の部材である。押え部材５３を溶接する高さ位置ｈを変更することにより、反応容器５０に充填する触媒Ｃの充填量を決定することができる。押え部材５３は、第１バッファ空間Ｓ１と触媒充填空間Ｓ２とに亘ってガスを通気させることができるように、多数の孔を備えている。この押え部材５３も上記受け部材５２と同様に、例えば、孔径またはメッシュサイズが触媒Ｃの平均粒径よりも小さいパンチングメタルやメッシュ部材等を採用することができる。さらにこの押え部材５３には、触媒Ｃを充填するための充填孔５４が設けられている。
筐体５１は、例えば、皿状の２つの金属製容器形成部材をプレス加工等によって形成し、両者の周縁部を合わせて溶接することにより構成可能である。また、筐体５１の上部にも、押え部材５３の充填口５４に対応する位置に、触媒Ｃを充填するための外部充填口５５が設けられている。さらに、受け部材５２を溶接した位置より下方の筐体５１の側面には、第２バッファ空間Ｓ３に気流を流通させる導管５６が取り付けられている。
【００２３】
触媒充填装置１００のノズル１０は、反応容器５０に触媒Ｃを供給するために使用され、反応容器５０に対して挿入深さを変更可能に構成されている。ノズル１０は、筐体５１の外部充填口５５、および押え部材５３の充填口５４を介して、反応容器５０の内部に向けられている。このようなノズル１０を使用すると、触媒Ｃが反応容器５０の外に飛散せず、確実に反応容器５０に充填することができる。
また、ノズル１０の先端部１０ａは、ノズル１０の挿入深さを変更することにより、高さ位置を調整することができる。このため、反応容器５０の形状等に応じてノズル１０の先端部１０ａの高さ位置を選択でき、良好な触媒充填状態を容易に得ることができる。
なお、ノズル１０の先端部１０ａを押え部材５３の高さ位置ｈと略同じ位置に調整しておけば、一回の充填作業で触媒Ｃを最大量供給することができる。
【００２４】
触媒充填装置１００のセンサ２０は、ノズル１０中を流動する触媒Ｃの流動状態を検知することができる。詳細は後述の「触媒充填方法」において説明するが、例えば、ノズル１０の先端部１０ａが押え部材５３の高さ位置ｈと略同じ位置に設定されている場合、ノズル１０から放出された触媒Ｃが押え部材５３の高さ位置に達すると、ノズル１０からの触媒Ｃの供給が停止される。これを流動状態の変化としてセンサ２０が検知することにより、所定の触媒充填量に達したか否かを判断できるのである。
センサ２０としては、例えば、ノズル１０の触媒Ｃが通過する箇所を挟み込むように設置された赤外線発光素子２０ａおよび赤外線検出素子２０ｂからなる赤外線検出装置を採用することができる。
【００２５】
触媒充填装置１００は、さらに、反応容器５０中に堆積した触媒Ｃに外力を作用させて、触媒Ｃの堆積状態を変化させる外力付与手段を備えている。外力付与手段は、図１に示すように、反応容器５０を振動させる振動装置（例えば、バイブレータ）３０や、第１バッファ空間Ｓ１および第２バッファ空間Ｓ３の少なくとも何れか一方から気流を導入する通気装置（例えば、ブロア）４０等の機械的手段によって構成することができる。
振動装置３０は、例えば、反応容器５０に当接する当接部３１と、当該当接部３１に振動を伝達する駆動モータ３２とを備えた構成のものを用いることができる。
通気装置４０は、例えば、筐体５１の下方の導管５６に接続し、受け部材５２の孔を介して触媒充填空間Ｓ２中に気流を圧送可能な構成のものを用いることができる。なお、筐体５１の上方に別の導管（図示せず）を設け、これに通気装置４０を接続して押え部材５３の孔を介して触媒充填空間Ｓ２中に気流を圧送可能にしてもよい。
上記の他に、反応容器５０を傾けたり振ったりして、触媒Ｃの堆積面の高さを均等化することをもって外力付与手段とすることも可能である。
外力付与手段については、後述の「触媒充填方法」において具体的に説明する。
【００２６】
次に、本発明の触媒充填方法に関する実施形態について、図２および３を参照しながら説明する。
【００２７】
＜第１実施形態＞
図２の（ａ）〜（ｅ）は、本発明の第１実施形態による触媒充填方法を説明するための概略図である。各図においてノズル１０に描かれている矢印は触媒Ｃが供給状態であることを示しており、矢印が長いほど単位時間当たりの触媒供給量が多いことを意味する。
【００２８】
初めに、反応容器５０中に触媒Ｃの供給を開始する（図２（ａ））。しばらくすると、ノズル１０の真下付近を中心として触媒Ｃが堆積し、堆積面の高さが不均等になる（図２（ｂ））。そこで、触媒Ｃの堆積面の高さの均等化を行う。この均等化は、振動装置（例えば、バイブレータ）３０を用いて行うことができる。図２（ｂ）のように触媒Ｃの堆積面の高さが不均等である場合において振動装置３０を起動すると、触媒Ｃに振動が付与され触媒Ｃが流動し、やがて堆積面が均等化される。図２（ｂ）中の点線が均等化後の堆積面である。また、反応容器５０中の触媒Ｃの堆積量が多くなると、ノズル１０の先端部１０ａ付近に堆積した触媒Ｃが溜まり易くなり、触媒供給量はやや減少する（図２（ｃ））。この場合にも、上記と同様の方法により均等化を適宜行う。図２（ｃ）の点線が均等化後の堆積面である。やがて、触媒Ｃが反応容器５０の内部の押え部材５３の高さ位置まで堆積すると、ノズル１０からの触媒Ｃの供給が停止される（図２（ｄ））。これをセンサ２０によって検知し、反応容器５０中の触媒Ｃが押え部材５３の高さ位置に達して充填が終了したと判断する。
【００２９】
以上のように、上記第１実施形態による触媒充填方法においては、センサ２０がノズル１０中の触媒Ｃの流動状態を検知することにより、均等化した堆積面が予め設定した所定の高さ位置（上記第１実施形態では、押え部材５３の高さ位置ｈ）に達したか否かを検知することができる。このため、触媒Ｃの充填が行われる反応容器５０が既に組み立て済みのものであっても、適切に触媒を充填することができる。すなわち、受け部材５２と押え部材５３とによって区画された触媒充填空間Ｓ２に触媒Ｃが略過不足なく充填され、適切な充填密度となる。従って、本実施形態の触媒充填方法は、自動充填にも適した方法である。
また、触媒Ｃが適切に充填された触媒充填空間Ｓ２は、第１バッファ空間Ｓ１および第２バッファ空間Ｓ３に挟まれた状態にあるので、反応ガスを反応容器５０に入れると、第１バッファ空間Ｓ１または第２バッファ空間Ｓ３においてガス圧が平均化される。このため、図２（ｅ）に示すように、反応ガスは偏流等を起こさず、触媒充填空間Ｓ２全体に行き渡って触媒Ｃとの均等な接触が可能となる。
【００３０】
＜第２実施形態＞
図３の（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第２実施形態による触媒充填方法を説明するための概略図である。この第２実施形態が上記第１実施形態と異なるのは、均等化工程において触媒Ｃに外力を作用させる手段として、第１バッファ空間Ｓ１および第２バッファ空間Ｓ２の少なくとも何れか一方から気流を導入する通気装置４０を用いている点である。通気装置４０としては、例えば、ブロアを用いることができる
【００３１】
反応容器５０中への触媒Ｃの供給開始後しばらくすると、ノズル１０の真下付近を中心として触媒Ｃが堆積する（図３（ａ））。ここで、通気装置４０を起動し、反応容器５０の下方の導管５６から気流を導入して反応容器５０内部の触媒Ｃを流動させる（図３（ｂ））。所定時間経過後、通気装置４０を停止すると触媒Ｃは再度堆積し、その堆積面の高さは略均等化される（図３（ｃ））。この通気工程は、ノズル１０からの触媒Ｃの供給中に、または供給を一時中断して適宜行うことができる。また、触媒Ｃの充填作業中、常に通気工程を行ってもよい。そして、触媒Ｃが押え部材５３の高さ位置に到達する直前にも通気工程を実行することにより、受け部材５２と押え部材５３との間の空間に触媒Ｃを略完全に充填することができる。
【００３２】
以上のように、第２実施形態による触媒充填方法では、外力付与手段として第１バッファ空間Ｓ１および第２バッファ空間Ｓ３の少なくとも何れか一方から気流を導入する通気装置４０を用いることにより、反応容器５０内部の触媒充填空間Ｓ２において触媒Ｃを流動させて攪拌することができる。この攪拌された触媒Ｃが反応容器５０中に再度堆積すると、堆積表面は平坦になって確実に均等化され、触媒全体の充填密度も略一定になる。このため、触媒Ｃと反応ガスとを接触させる際に、反応ガスの偏流を確実に防止することができる。従って、本実施形態の触媒充填方法は、自動充填にも適した方法である。
【００３３】
なお、この第２実施形態による通気装置と、先に説明した第１実施形態による振動装置とを組み合わせて均等化工程を実施することも勿論可能である。そのような場合、反応容器５０中においてより強力な攪拌作用が得られるため、触媒Ｃが比較的比重が大きく流動し難いものであっても十分な攪拌が可能となり、堆積表面の高さが確実に均等化される。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明の触媒充填方法および触媒充填装置は、上述した固体高分子型燃料電池発電システムに使用される改質器等への触媒の充填以外にも種々の分野において適用することができる。例えば、工業製品の製造において容器に粉体工業用薬品を充填する場合、食品製造業において容器に調味料等の粉体物を充填する場合等においても、本発明を適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の触媒充填装置の概略斜視図
【図２】本発明の第１実施形態による触媒充填方法を説明するための概略図
【図３】本発明の第２実施形態による触媒充填方法を説明するための概略図
【図４】触媒が偏って充填されている場合を表す従来技術の概略図
【図５】触媒充填量が過剰である場合を表す従来技術の概略図
【符号の説明】
【００３６】
１０    ノズル
２０    センサ
３０    バイブレータ（振動装置）
４０    ブロア（通気装置）
５０    反応容器
５２    受け部材
５３    押え部材
１００  触媒充填装置
Ｓ１    第１バッファ空間
Ｓ２    触媒充填空間
Ｓ３    第２バッファ空間
Ｃ      触媒
【図１】
2007268373.tif 000003
【図２】
2007268373.tif 000004
【図３】
2007268373.tif 000005
【図４】
2007268373.tif 000006
【図５】
2007268373.tif 000007