(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素とメタノールを触媒反応させて水素ガスを得る装置であって、一端側に酸素およびメタノールの供給部を有し且つ他端側に水素ガスの排出部を有する中空体と、熱伝導性を有し且つ中空体内にその一端側から他端側への流路を形成するベースを備え、ベースの流路下流側の所定範囲を触媒を備えた反応部とし、ベースの流路上流側の所定範囲をメタノールの気化部としたことを特徴とするメタノール改質装置。
【請求項２】
ベースに設けたコーティング層により触媒金属を担持したことを特徴とする請求項１に記載のメタノール改質装置。
【請求項３】
ベースが、巻いた状態のプレート部材から成り、断面渦巻状の流路を形成していることを特徴とする請求項１または２に記載のメタノール改質装置。
【請求項４】
メタノールの供給部が、液体メタノールを噴射するノズルを備えていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のメタノール改質装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸素とメタノールを触媒反応させて水素ガスを得る装置であって、例えば、燃料電池に供給する水素ガスを得るために用いるメタノール改質装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種のメタノール改質装置としては、一端側に酸素とメタノールの供給部を有し且つ他端側に水素ガスの排出部を有する中空体を備えると共に、例えば、直径３ｍｍ程度のアルミナの粒子にプラチナやパラジウム等の触媒金属を担持させて成る触媒を用い、中空体内に粒子状の触媒を充填したものがあった。
【０００３】
このメタノール改質装置は、ガス化した酸素およびメタノールを供給部から供給して触媒に通過させることによりメタノールを部分酸化反応させ、これにより得た水素ガスを排出部から取出すようになっている。なお、中空体内での反応はＣＨ３ＯＨ＋１／２Ｏ２→２Ｈ２＋ＣＯ２であって、発熱（４６．５ｋｃａｌ／ｍｏｌ）である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記したような従来のメタノール改質装置にあっては、中空体に充填した粒子状の触媒にガス化した酸素およびメタノールを通過させることから、所定の温度で効果的に作用する触媒に対して、触媒全体における温度分布が入口側で高く且つ出口側で低いという状態になる。このため、温度分布の不均一により全触媒が有効に作用せず、メタノールから水素ガスへの転化率を高めることが困難であるという問題点があり、このような問題点を解決することが課題であった。
【０００５】
【発明の目的】
本発明は、上記従来の課題に着目して成されたもので、触媒全体の温度分布の均一化を図ることができ、メタノールから水素ガスへの転化率を向上させることができるメタノール改質装置を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係わるメタノール改質装置は、請求項１として、酸素とメタノールを触媒反応させて水素ガスを得る装置であって、一端側に酸素およびメタノールの供給部を有し且つ他端側に水素ガスの排出部を有する中空体と、熱伝導性を有し且つ中空体内にその一端側から他端側への流路を形成するベースを備え、ベースの流路下流側の所定範囲を触媒を備えた反応部とし、ベースの流路上流側の所定範囲をメタノールの気化部とした構成とし、請求項２として、ベースに設けたコーティング層により触媒金属を担持した構成とし、請求項３として、ベースが、巻いた状態のプレート部材から成り、断面渦巻状の流路を形成している構成とし、請求項４として、メタノールの供給部が、液体メタノールを噴射するノズルを備えている構成としており、上記の構成を課題を解決するための手段としている。
【０００７】
【発明の作用】
【０００８】
本発明の請求項１に係わるメタノール改質装置では、中空体内部におけるベースの反応部で酸素およびメタノールの触媒反応を開始すると、ベースが熱伝導性を有するので、触媒反応により発生した熱が流路上流側の気化部に伝達される。そこで、供給部から酸素と液体のメタノールを供給し続けると、ベースの流路を通過する過程で、加熱された気化部においてメタノールが気化され、酸素とガス化したメタノールが反応部に供給され、反応部において触媒反応が連続的に行われる。また、気化部では、触媒反応による熱を受ける一方で、メタノールを気化した際の気化熱により冷却が行われるので、これにより反応部の入口部分の温度が過大に上昇するような事態が防止されることとなり、しかも、ベースの流路により円滑な流通性が確保されるので、触媒全体の温度分布がほぼ均一なものとなる。
【０００９】
本発明の請求項２に係わるメタノール改質装置では、ベースに設けたコーティング層により触媒金属を担持しているので、例えば粒子状の触媒を用いる場合に比べて、小さいスペースに多量の触媒金属を設けることが可能となり、しかも、全ての触媒金属が有効に作用することとなる。
【００１０】
本発明の請求項３に係わるメタノール改質装置では、ベースが巻いた状態のプレート部材から成り、断面渦巻状の流路を形成しているので、ベースの構造がきわめて簡単なものになるうえに、触媒の接触域が大きく得られる。
【００１１】
本発明の請求項４に係わるメタノール改質装置では、メタノールの供給部におけるノズルで液体メタノールを噴射することによってメタノールが霧化され、気化域あるいは気化部において液体メタノールがより一層気化しやすくなる。
【００１２】
【発明の効果】
【００１３】
本発明の請求項１に係わるメタノール改質装置によれば、ベースの反応部において触媒反応により発生した熱が同ベースの気化部においてメタノールを気化させるための熱として有効に利用されることとなり、且つ気化熱により気化部の冷却を行うことから、反応部の温度が入口側で部分的に上昇するような事態が防止され、触媒全体の温度分布をほぼ均一なものにすることができ、これによりメタノールから水素ガスへの転化率を大幅に向上させることができる。また、当該メタノール改質装置によれば、液体メタノールを気化部で気化することから、外部におけるメタノールの気化手段を不要にすることができ、例えば、当該改質装置を水素ガスの発生源とする装置全体の構造の簡略化なども図ることができる。
さらに、当該メタノール改質装置によれば、流路を形成するベースを採用したことから、例えば粒子状の触媒を用いる場合に比べて、酸素およびメタノールの円滑な流通性を確保することができ、触媒全体の温度分布のさらなる均一化ならびにメタノールから水素ガスへの転化率のさらなる向上を実現することができる。
【００１４】
本発明の請求項２に係わるメタノール改質装置によれば、請求項１と同様の効果を得ることができるうえに、ベースに設けたコーティング層により触媒金属を担持したことから、例えば粒子状の触媒を用いる場合に比べて、小さいスペースに多量の触媒金属を設けることができ、換言すれば、制限された量の触媒金属を広いスペースに設けることができ、しかも、全ての触媒金属を触媒反応に有効に作用させることができる。
【００１５】
本発明の請求項３に係わるメタノール改質装置によれば、請求項１および２と同様の効果を得ることができるうえに、巻いた状態のプレート部材から成り且つ断面渦巻状の流路を形成するベースを採用したことにより、ベースの構造をきわめて簡単なものにすることができると共に、触媒の接触域を大きく得ることができ、ひいては装置全体の構造の簡略化および小型軽量化や、メタノールから水素ガスへの転化率のさらなる向上などに貢献することができる。
【００１６】
本発明の請求項４に係わるメタノール改質装置によれば、請求項１〜３と同様の効果を得ることができるうえに、液体メタノールを噴射するノズルを備えた供給部を採用したことにより、気化域あるいは気化部において液体メタノールをより一層気化しやすい状態にすることができ、メタノールから水素ガスへの転化率のさらなる向上などに貢献し得る。
【００１７】
【実施例】
以下、図面に基づいて、本発明に係わるメタノール改質装置の一実施例を説明する。
【００１８】
図１に示すメタノール改質装置１は、図左側である一端側に酸素およびメタノールの供給部２，３を有し且つ図右側である他端側に水素ガスの排出部４を有する中空体５と、熱伝導性を有し且つ中空体５内にその一端側（入口側）から他端側（出口側）への流路を形成するベース６を備えている。
【００１９】
中空体５は、両端側に開放された略円柱形の中空部７を有する本体ブロック８と、本体ブロック８の一端側に連結する供給側ブロック９と、本体ブロック８の他端側に連結する排出側ブロック１０を備えている。
【００２０】
本体ブロック８は、ベース６が収納される中間部に、軸線方向に所定間隔で６つの温度計測用ポート１１ａ〜１１ｆが設けてあると共に、両端部に、圧力計測用ポート１２ａ，１２ｂおよび圧力制御用ポート１３ａ，１３ｂがそれぞれ設けてあり、中空部７の出口側に設けた小径部７ａには、排出用オリフィス１４ａを有するキャップ１４が嵌合してある。温度計測用ポート１１ａ〜１１ｆおよび圧力計測用ポート１２ａ，１２ｂには、直接あるいは適宜の導管類を介して温度計および圧力計を接続する。また、圧力制御用ポート１３ａ，１３ｂには、直接あるいは適宜の導管類を介して、中空部７内の圧力が過大になった際に開放されるラプチャディスクを設ける。
【００２１】
供給側ブロック９は、本体ブロック８の中空部７に対して同軸状に形成した第１供給路９ａと、第１供給路９ａの中間からその側方に形成した第２供給路９ｂを備えている。そして、第１および第２の供給路９ａ，９ｂに、液体メタノールおよび酸素の各供給部２，３が設けてある。他方、排出側ブロック１０は、本体ブロック８の中空部７と同軸で管状に突出した排出部４を備えている。
【００２２】
この実施例の供給部２，３は、メタノールおよび酸素の各供給源からの供給管が接続されるコネクタであって、供給側ブロック９の外側からねじ込み式に取付けてあり、各供給路９ａ，９ｂとの連通部分には、液体メタノールおよび酸素を噴射するノズル１５ａ，１６ａを設けたノズル部材１５，１６が備えてある。
【００２３】
供給側および排出側のブロック９，１０は、本体ブロック８との間にシール材１７，１８を介装した状態にして、適数のボルト１９により本体ブロック８に固定してある。
【００２４】
ベース６は、図２に示すように、充分な熱伝導性が得られる素材として例えばステンレス製であって、プレート部材を巻いた構造であると共に、断面渦巻状の流路２０を形成している。ベース６は、巻き中心である軸線の方向を中空体８の軸線と一致させる状態で中空部７に収容してある。これにより、流路２０は、中空体８内においてその一端側から他端側への流通を可能にしている。
【００２５】
また、ベース６は、流路下流側の所定範囲を触媒を備えた反応部６ａとし、流路上流側の所定範囲をメタノールの気化部６ｂとしている。反応部６ａは、その断面を図２（ｄ）に示すように、ベース６の両面に例えば塗布により設けたコーティング層２１，２１によって微粒子化した触媒金属２２を担持した構成になっている。コーティング層２１には、例えばアルミナが用いられ、触媒金属２２には、プラチナやパラジウムが用いられる。そして、上記ベース６は、中空体８内において、反応部６ａにより、触媒を備えた反応域Ｐを形成すると共に、気化部６ｂにより、反応域Ｐでの触媒反応により発生する熱でメタノールを気化させる気化域Ｑを形成している。
【００２６】
上記構成を備えたメタノール改質装置１は、プレート部材を巻いた状態のベース６を採用し、このベース６に設けたコーティング層２１により触媒金属２２を担持しているので、ベース６の構造がきわめて簡単であって、製作することも容易であり、また、例えば粒子状の触媒を用いる場合に比べて、小さいスペースに多量の触媒金属２２を設けることが可能なものとなっている。
【００２７】
そして、当該メタノール改質装置１では、中空体８の内部における反応域Ｐで酸素およびメタノールの触媒反応を開始すると、部分酸化反応により水素ガスを得る一方で、その際に発生した熱が反応域上流側の気化域Ｑに伝達される。すなわち、ベース６が熱伝導性を有するので、反応部６ａにおける触媒反応により発生した熱が気化部６ｂに伝達される。そこで、各供給部２，３から酸素と液体のメタノールを供給し続けると、ベース６の流路２０を通過する過程で、加熱された気化部６ｂの熱により液体メタノールが気化され、次いで、酸素とガス化したメタノールが反応部６ａに供給され、反応部６ａにおいて触媒反応が連続的に行われることとなる。
【００２８】
このとき、当該メタノール改質装置１では、メタノールの供給部２におけるノズル１５ａで液体メタノールを第１供給路９ａ内に噴射することにより、液体メタノールを霧化しており、これにより、気化部６ｂにおいて液体メタノールがより一層気化しやすくなる。また、得られた水素ガス（ＣＯ，ＣＯ２，ＣＨ４を含むガス）は、オリフィス１４ａおよび排出部４を経て外部に取出される。
【００２９】
さらに、気化部６ｂでは、反応部６ａの触媒反応による熱を受ける一方で、メタノールを気化した際の気化熱により冷却が行われており、これにより気化部６ｂの温度が過大になることがないと共に、反応域（反応部６ａ）Ｐの入口側だけの温度が上昇するような事態も防止されており、しかも、ベース６の流路２０により円滑な流通性が確保されているので、触媒全体の温度分布がほぼ均一なものとなる。このような温度分布の均一化により、全ての触媒が効果的に作用することとなり、メタノールから水素ガスへの転化率が高いものとなる。
【００３０】
なお、当該メタノール改質装置１では、作動開始の際にはヒーター等の加熱手段によりベース６を加熱しておくことがより望ましく、作動開始後には反応部６ａの熱が気化部６ｂの加熱に有効利用されるので加熱手段は不要となる。
【００３１】
また、図３はベースの他の実施例を説明する図であって、図３（ａ）は図２（ａ）のＡ−Ａ線に対応する気化部の断面図であり、図３（ｂ）は図２（ａ）のＢ−Ｂ線に対応する反応部の断面図である。
【００３２】
すなわち、図示のベース２６は、熱伝導性を有する複数の円筒部材３６ａ〜３６ｊを用いている。各円筒部材３６ａ〜３６ｊは、いずれも異なる直径を有するものであって、同心状に配置されると共に、各部材間に環状の流路２０を形成している。そして、流路下流側に、コーティング層２１により触媒金属２２を担持した反応部２６ａを有し、その上流側に、気化部２６ｂを有している。このベース２６によっても先の実施例と同様の作用および効果を得ることができる。
【００３３】
なお、ベースは、上記各実施例以外の構成を採用することも当然可能であり、例えば、細長い流路を形成するハニカム構造体のようなものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わるメタノール改質装置の一実施例を説明する断面図である。
【図２】図１に示すベースの外観図（ａ）、図ａ中のＡ−Ａ線に基づく気化部の断面図（ｂ）、図ａ中のＢ−Ｂ線に基づく反応部の断面図（ｃ）、および反応部のベース厚さ方向の断面図（ｄ）である。
【図３】ベースの他の実施例を説明する気化部の断面図（ａ）、および反応部の断面図（ｂ）である。
【符号の説明】
１            メタノール改質装置
２            （メタノールの）供給部
３            （酸素の）供給部
４            （水素ガスの）排出部
６  ２６      ベース
６ａ  ２６ａ  反応部
６ｂ  ２６ｂ  気化部
８            中空体
１５ａ        （メタノール噴射の）ノズル
２０          流路
２１          コーティング層
２２          触媒金属
Ｐ            反応域
Ｑ            気化域
【図１】
0003969501.tif 000002
【図２】
0003969501.tif 000003
【図３】
0003969501.tif 000004