(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
メタノールを触媒反応させて水素ガスを得るメタノール改質装置において、改質用触媒を収容した反応器に設けられる中空体を備え、中空体は、一端部に、液体メタノールおよび酸素の噴射部が設けてあると共に、内部に、加熱用触媒を収容して触媒層を形成し、他端部に、触媒層を通過したガスを反応器内の改質用触媒に対して排出するガス排出部が設けてあることを特徴とするメタノール改質装置の加熱装置。
【請求項２】
改質用及び加熱用の触媒が多孔質の粒子に触媒金属を担持させた触媒であり、多数の粒子により触媒層を形成している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の加熱装置。
【請求項３】
多孔質の粒子がアルミナ製であり、触媒金属がプラチナ系金属であることを特徴とする請求項１又は２に記載のメタノール改質装置の加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、メタノールを触媒反応させて水素ガスを得るメタノール改質装置において、改質用の触媒を加熱するのに利用するメタノール改質装置の加熱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、例えば、気化させたメタノールと水を触媒反応させて水素ガスを得るものや、気化させたメタノールと酸素を触媒反応させて水素ガスを得るものがある。
【０００３】
メタノールと水を用いる場合には、触媒における反応が吸熱反応であることから、触媒を効果的に作用させるために触媒を所定の温度（２００〜３００℃）に保温する必要があり、例えば、触媒を収容した反応器に保温用オイルの流路を設けて常に保温用オイルを循環させるようにしていた。
【０００４】
メタノールと酸素を用いる場合には、触媒における反応が発熱反応であることから、一旦触媒反応が開始されれば、その反応熱により触媒反応を継続することができるが、初期において触媒を所定の温度に加熱する必要があり、例えば、電気式の着火装置あるいはヒーターなどを用いていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記したような従来のメタノール改質装置における触媒の加熱にあっては、保温用オイルの循環装置、電気式の着火装置あるいはヒーターのいずれの場合もメタノール改質装置とは全く別系統の作動源を用いるため、その分構造が複雑化し且つ大型化するという問題があり、このような問題を解決することが課題であった。
【０００６】
【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、とくにメタノールと酸素を用いるメタノール改質装置に好適であって、装置の構造の簡単化や小型化を図ることができるメタノール改質装置の加熱装置を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
また、本発明に係わるメタノール改質装置の加熱装置は、請求項１として、メタノールを触媒反応させて水素ガスを得るメタノール改質装置において、改質用触媒を収容した反応器に設けられる中空体を備え、中空体は、一端部に、液体メタノールおよび酸素の噴射部が設けてあると共に、内部に、加熱用触媒を収容して触媒層を形成し、他端部に、触媒層を通過したガスを反応器内の改質用触媒に対して排出するガス排出部が設けてある構成とし、請求項２として、改質用及び加熱用の触媒が多孔質の粒子に触媒金属を担持させた触媒であり、多数の粒子により触媒層を形成している構成とし、請求項３として、多孔質の粒子がアルミナ製であり、触媒金属がプラチナ系金属である構成としており、上記の構成を課題を解決するための手段としている。なお、上記構成において、触媒に吹き付ける酸素は純酸素に限らず、例えば空気を用いることも良い。
【００１２】
【発明の作用】
本発明の請求項１に係わるメタノール改質装置の加熱装置では、メタノール改質装置の反応器に対して設けられる。つまり、反応器に設けた中空体において、メタノール噴射部により霧化した液体メタノールを加熱用触媒に噴射して、同加熱用触媒に液体メタノールを染み込ませ、こののち、酸素噴射部から酸素を加熱用触媒に吹き付ける。これにより、加熱用触媒の触媒層において発熱が起こり、触媒層を通過した高温のガスをガス排出部からメタノール改質装置の反応器の改質用触媒に対して排出することにより、改質用触媒を加熱することとなる。
【００１３】
本発明の請求項２に係わるメタノール改質装置の加熱装置では、改質用及び加熱用の触媒が多孔質の粒子に触媒金属を担持させた触媒であり、多数の粒子により触媒層を形成しているので、夫々の触媒ならびに触媒層が液体メタノールを吸収し且つ保持しやすいものとなる。
【００１５】
本発明の請求項３に係わるメタノール改質装置の加熱装置では、多孔質の粒子がアルミナ製であり、触媒金属がプラチナ系金属であるので、液体メタノールの供給とこれに続く酸素の吹き付けにより、メタノールと酸素を用いたメタノール改質装置における改質用触媒を効果的に作用させるのに充分な温度が得られることとなる。
【００１９】
【発明の効果】
本発明の請求項１に係わるメタノール改質装置の加熱装置によれば、とくにメタノールと酸素を用いるメタノール改質装置において、同じ材料を用いて改質用触媒を容易に且つ充分な温度に加熱することができ、また、装置の大幅な簡略化や小型化を実現することができ、しかも、各噴射部から噴射するメタノールと酸素との比を調整することによって加熱温度を簡単に変化させることができる。
【００２０】
本発明の請求項２に係わるメタノール改質装置の加熱装置によれば、請求項１と同様の効果を得ることができるうえに、改質用及び加熱用の触媒が多孔質の粒子に触媒金属を担持させた触媒であり、多数の粒子により触媒層を形成したことから、触媒ならびに触媒層における液体メタノールの吸収性や保持性が高いものとなり、これにより一層安定した発熱を行うことができる。
【００２２】
本発明の請求項３に係わるメタノール改質装置の加熱装置によれば、請求項１及び２と同様の効果を得ることができるうえに、アルミナ製の多孔質粒子およびプラチナ系金属の触媒金属を採用したことにより、メタノールと酸素を用いたメタノール改質装置における触媒を効果的に作用させるのに充分な温度を得ることができる。
【００２３】
【実施例】
図１および図２は、本発明に係わるメタノール改質装置の加熱装置の参考例を説明する図である。
【００２４】
図１（ａ）に示すメタノール改質装置は、例えば燃料電池に供給する水素ガスを発生させるものであって、液体酸素を蓄えた酸素供給源１と、液体メタノールを蓄えたメタノール供給源２と、液体酸素および液体メタノールを気化させる加熱器３と、気化させた酸素およびメタノールを触媒反応させて水素ガスを得る反応器４を備えている。各供給源１，２は、貯蔵用のタンク、タンク内の液体酸素あるいは液体メタノールを加圧して送り出す加圧手段、流量制御用のバルブなどで構成してあり、反応器４との間に、加熱器３を経由する供給管５，６が設けてある。
【００２５】
反応器４は、概略円柱状の中空体７を備えると共に、中空体７の内部に一部を図示した触媒層８を備えており、中空体７の一端部にメタノール噴射部９および酸素噴射部１０を備えると共に、中空体７の他端部にガス排出部１１を備えている。
【００２６】
ここで、この参考例の加熱装置は、上記メタノール改質装置の構成の一部を兼用したものとなっている。すなわち、中空体７に設けた各噴射部９，１０が、触媒層８の触媒８ａに対して霧化した液体メタノールを噴射するメタノール噴射部９、および触媒層８の触媒８ａに対して酸素を吹き付ける酸素噴射部１０となっており、改質用の触媒８ａを直接加熱する。
【００２７】
メタノール噴射部９は、図１（ｂ）にも示すように、中空体７の軸線上に設けてあって、メタノール供給源２からの供給管６を接続する流路９ａと、流路９ａを経た液体メタノールを霧化するオリフィス９ｂと、オリフィス９ｂで霧化した液体メタノールを触媒層８の入口側全面に均一に噴射するためのテーパ部９ｃにより構成してある。他方、酸素噴射部１０は、メタノール噴射部９を中心にして等間隔で複数個（図では８個）設けてあって、酸素供給源１からの供給管５を接続する流路１０ａと、流路１０ａを経た酸素を噴射するオリフィス１０ｂにより構成してある。
【００２８】
触媒８ａは、例えば直径数ｍｍ程度のアルミナ製の多孔質粒子に、プラチナ系金属を触媒金属として担持させて成るものであり、中空体７内に所定間隔で設けた２枚の金網１２ａ，１２ｂの間に多数の粒子を収容することにより、触媒層８を形成している。触媒８ａは、その製造を簡単に述べると、金属塩（Ｐｔ）を完全に溶解させたのち、その溶解液にアルミナ製の多孔質粒子を浸漬し、攪拌を行いながら徐々に溶媒を蒸発させる。そして、多孔質粒子に熱処理等を行うことにより得られる。
【００２９】
次に、上記メタノール改質装置における加熱方法を加熱装置の動作とともに説明する。
【００３０】
メタノール改質装置および加熱装置は、図２のタイムチャートに示すように、メタノール供給源２の作動（ＯＮ）により、供給管６を介して液体メタノールを反応器４に供給する。このとき、当該メタノール改質装置では、加熱器３を不作動（ＯＦＦ）としているので、メタノール供給源２の液体メタノールはそのまま反応器４に供給されることとなる。
【００３１】
反応器４では、供給管６からの液体メタノールをメタノール噴射部９により霧化し、これを触媒層８に向けて噴射することにより、触媒８ａに液体メタノールを染み込ませる。このとき、触媒８ａは、多孔質粒子を用いているので、液体メタノールを容易に吸収し且つ確実に保持する。
【００３２】
こののち、メタノール供給源２を不作動（ＯＦＦ）とし、一定時間経過させたところで、酸素供給源１および加熱器３を作動（ＯＮ）させ、酸素供給源１から供給管５に送り出した液体酸素を加熱器３により気化させ、気化させた酸素を反応器４に供給する。反応器４では、供給管５からの酸素が複数の酸素噴射部１０から触媒層８に向けて吹き付けられる。すると、触媒活性によりメタノールが反応して発熱が起こり、触媒層８全体が加熱されることとなる。
【００３３】
次に、触媒層８の温度が触媒８ａを効果的に作用させる所定の温度（例えば３５０〜４００℃）となったのちには、再びメタノール供給源２を作動（ＯＮ）させる。このときには加熱器３が作動しているので、加熱器３により液体メタノールは気化する。そして、気化したメタノールおよび酸素を各噴射部９，１０から触媒層８に供給することにより、触媒層８における触媒反応によって水素ガスを得る。このときの反応は発熱反応であるので、気化したメタノールおよび酸素を供給すれば触媒反応は継続して行われることとなる。
【００３４】
このように、メタノール改質装置における加熱方法および加熱装置では、メタノールと酸素を用いるメタノール改質装置に対して同じ材料を用いて触媒の加熱を行うので、材料の供給系や装置をかなりの部分で兼用したものとなっており、別系統の作動源を用いる従来の加熱手段と比べると、装置が大幅に簡略化され、小型化も可能となる。このため、例えば、宇宙機の燃料電池に水素ガスを供給するメタノール改質装置の加熱装置としてきわめて好適である。
【００３５】
また、加熱温度を変化させるには、メタノールと酸素との比を調整するだけで良いので、制御もきわめて容易である。さらに、アルミナ製の多孔質粒子およびプラチナ系金属の触媒金属の採用により、触媒を効果的に作用させるのに充分な温度が確実に得られる。
【００３６】
なお、上記参考例の加熱装置では、加熱器３の不作動および作動により、反応器４に送るメタノールを液体のままとしたり気化させたりするようにしたが、図１（ａ）中に仮想線で示すように、メタノールの供給管６の中間に、加熱器３の外側を通るバイパス管１４を設けると共に、供給管６とバイパス管１４との分岐点に切換弁１５を設けた構成とし、加熱時には、切換弁１５およびバイパス管１４を介して反応器４に液体メタノールを直接供給するようにし、加熱後には、切換弁１５を切換えて供給管６内の液体メタノールを加熱器３により加熱気化するようにしてもよい。
【００３７】
図３は、本発明に係わるメタノール改質装置の加熱装置の一実施例を説明する図である。なお、先の参考例と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
【００３８】
この実施例では、酸素供給源１、メタノール供給源２、加熱器３、反応器４および各供給管５，６で構成したメタノール改質装置において、反応器４に、先の実施例で説明した反応器（４）を加熱装置２０として設けている。したがって、メタノール改質装置における反応器４の一端部には、各供給管５，６を接続した酸素およびメタノールの供給部２１，２２が設けてあり、各供給部２１，２２からは、加熱器３により気化された酸素およびメタノールが反応器４内に供給される。
【００３９】
加熱装置２０は、その内部に、アルミナの製の多孔質粒子にプラチナ系金属を担持させた加熱用触媒８ａを収容して触媒層８を形成すると共に、反応器４の一端部側に、ガス排出部１１を反応器４内の改質用触媒２３の入口側に向けた状態にして取り付けてある。また、加熱装置２０には、液体メタノール用流通管２４と酸素用流通管２５が接続してある。液体メタノール用流通管２４は、メタノール供給源２と加熱器３の間において供給管６に設けた切換弁１５に接続してあって、メタノール供給源２の液体メタノールを加熱装置２０に供給する。他方、酸素用流通管２５は、空気ボンベ２６に接続してあって、空気を加熱装置２０に供給する。
【００４０】
上記の構成を備えたメタノール改質装置の加熱装置は、切換弁１５を液体メタノール用流通管２４側に切換えることによりメタノール供給源２から液体メタノールが供給され、その液体メタノールを霧化して触媒層８に噴射する。そして、触媒層８の加熱用触媒８ａに液体メタノールを染み込ませたのち、空気ボンベ２６から空気の供給を受けることにより、加熱用触媒８を活性化させて発熱させ、触媒層８を通過した高温のガスをガス排出部１１から反応器４内の改質用触媒２３に噴射して同触媒２３を加熱する。
【００４１】
このように加熱を行った後には、切換弁１５を供給管６側に切換え、各供給源１，２からの液体酸素および液体メタノールを加熱器３により気化して反応器４に供給し、予め加熱装置２０により加熱されている改質用触媒２３に気化した酸素およびメタノールを供給し、触媒反応により水素ガスを得ることとなる。得られた水素ガスは、排出管１３により例えば図外の燃料電池等へ供給される。
【００４２】
このように、加熱装置２０は、先の実施例のように高濃度の酸素ではなく、空気を用いても加熱用触媒８ａにおいて発熱を起こすことができ、先の参考例と同様の作用および効果を得ることができる。なお、上記実施例のように反応器４と別の加熱装置２０を用いた場合においても、先の実施例のように、酸素供給源１の液体酸素を加熱器３により気化して用いることも当然可能である。
【００４３】
また、上記各例では、プラチナ系金属を触媒金属として用いた場合を例示したが、このほか、パラジウムやロジウムなどを用いることも可能である。
【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加熱装置の参考例を一部ブロックで示す断面説明図（ａ）および中空体の噴射部位置での断面図（ｂ）である。
【図２】  図１に示すメタノール改質装置および加熱装置におけるメタノール供給源、酸素供給源および加熱器の作動状態と触媒層の温度変化を説明するタイムチャートである。
【図３】  本発明に係わるメタノール改質装置の加熱装置の一実施例を一部ブロックで示す断面説明図である。
【符号の説明】
８      触媒層
８ａ    触媒（加熱用触媒）
９      メタノール噴射部
１０    酸素噴射部
１１    ガス排出部
２３    改質用触媒
【図１】
0004023875.tif 000002
【図２】
0004023875.tif 000003
【図３】
0004023875.tif 000004