(57)【要約】【課題】触媒への原料ガスの供給および改質ガスの取り出しを効率的に行って改質処理の効率を高めることができる触媒構造体、ならびに当該触媒構造体を製造する製造技術を提供する。【解決手段】触媒によって原料ガスを改質して改質ガスを生成する触媒構造体であって、互いに異なる第１主面および第２主面の間で原料ガスおよび改質ガスが流通可能な三次元網目構造を有する、多孔質体の内部で触媒を部分的に担持する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
触媒によって原料ガスを改質して改質ガスを生成する触媒構造体であって、
互いに異なる第１主面および第２主面の間で前記原料ガスおよび前記改質ガスが流通可能な三次元網目構造を有する、多孔質体の内部で前記触媒を部分的に担持することを特徴とする触媒構造体。
【請求項２】
請求項１に記載の触媒構造体であって、
前記多孔質体よりも高い剛性を有するとともに前記原料ガスおよび前記改質ガスが流通可能な複数の貫通孔を有する、第１補強部材および第２補強部材がそれぞれ前記第１主面および前記第２主面に積層して配置される触媒構造体。
【請求項３】
請求項１に記載の触媒構造体であって、
前記第２主面に積層して配置されて前記第１主面を介して前記多孔質体の内部に流入してきた前記原料ガスを前記触媒によって改質して生成された前記改質ガス中に含まれる水素を分離する水素分離部をさらに備える触媒構造体。
【請求項４】
請求項３に記載の触媒構造体であって、
前記多孔質体よりも高い剛性を有するとともに前記原料ガスおよび前記改質ガスが流通可能な複数の貫通孔を有する、第１補強部材が前記第１主面に積層して配置される触媒構造体。
【請求項５】
触媒によって原料ガスを改質して改質ガスを生成する、触媒構造体の製造方法であって、
互いに異なる第１主面および第２主面の間で前記原料ガスおよび前記改質ガスが流通可能な三次元網目構造を有する、多孔質体に対して前記第１主面側から前記触媒を含む流動性材料を供給して前記多孔質体の内部で前記触媒を部分的に担持させる第１工程を備えることを特徴とする触媒構造体の製造方法。
【請求項６】
請求項５に記載の触媒構造体の製造方法であって、
前記触媒と水または溶剤を含む液体とを混合して調製した調製物を前記流動性材料として供給された前記多孔質体を乾燥して前記多孔質体の内部から液体成分を取り除く第２工程を備える触媒構造体の製造方法。
【請求項７】
請求項５または６に記載の触媒構造体の製造方法であって、
前記第１主面と前記第２主面との距離が縮まるように、前記触媒を部分的に含有する前記多孔質体を圧縮して前記触媒を密接させる第３工程をさらに備える触媒構造体の製造方法。
【請求項８】
請求項５ないし７のいずれか一項に記載の触媒構造体の製造方法であって、
前記多孔質体よりも高い剛性を有するとともに前記原料ガスおよび前記改質ガスが流通可能な複数の貫通孔を有する、第１補強部材を前記第１主面に積層して配置する第４工程をさらに備える触媒構造体の製造方法。
【請求項９】
請求項８に記載の触媒構造体の製造方法であって、
前記多孔質体よりも高い剛性を有するとともに前記原料ガスおよび前記改質ガスが流通可能な複数の貫通孔を有する、第２補強部材を前記第２主面に積層して配置する第５工程をさらに備える触媒構造体の製造方法。
【請求項１０】
請求項８に記載の触媒構造体の製造方法であって、
前記第１主面を介して前記多孔質体の内部に流入してきた前記原料ガスを前記触媒によって改質して生成された前記改質ガス中に含まれる水素を分離する、水素分離部を前記第２主面に積層して配置する第６工程をさらに備える触媒構造体の製造方法。
【請求項１１】
触媒によって原料ガスを改質して改質ガスを生成する、触媒構造体の製造装置であって、
互いに異なる第１主面および第２主面の間で前記原料ガスおよび前記改質ガスが流通可能な三次元網目構造を有する、多孔質体を前記第１主面を上方に向けて保持する保持部と、
前記保持部に保持された前記多孔質体の前記第１主面に前記触媒を含む流動性材料を供給して前記触媒を担持する触媒担持部を前記多孔質体の内部に部分的に形成する触媒担持形成部と
を備えることを特徴とする触媒構造体の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、触媒によって原料ガスを改質して改質ガスを生成する触媒構造体、および触媒構造体の製造技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水素製造技術の一つとして、例えば特許文献１に記載されているように、メンブレンリアクタにより水素を製造するものが知られている。このメンブレンリアクタは、反応管（外管）内に水素分離管を配置した多重管構造を有している。反応管と水素分離管との間に粒状等の改質触媒が充填されて改質触媒層を形成している。この改質触媒層に対して炭化水素ガスを含む原料ガスが供給されると、原料ガスは改質触媒層により改質されて水素を含む改質ガスが生成される。そして、水素分離管に設けられるパラジウム（Ｐｄ）膜などの水素透過膜によって改質ガスから水素が分離される。こうして水素の精製が行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４１８４０３７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記したメンブレンリアクタでは、改質触媒が反応管と水素分離管との間に充填されていることから、水素分離管に設けられた水素透過膜の全面に対して改質触媒が接触している。このため、改質触媒層の改質触媒により生成された改質ガスを改質触媒層から効率良く流通させることが難しく、このことが、水素透過膜を介して水素が水素分離管の内部に分離される割合、つまり精製効率を低下させる主要因のひとつとなっている。このような問題は、多重管構造のみならず、平板型構造を採用した場合にも同様である。
【０００５】
本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、触媒への原料ガスの供給および改質ガスの取り出しを効率的に行って改質処理の効率を高めることができる触媒構造体、ならびに当該触媒構造体を製造する製造技術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】
本発明の第１態様は、触媒によって原料ガスを改質して改質ガスを生成する触媒構造体であって、互いに異なる第１主面および第２主面の間で原料ガスおよび改質ガスが流通可能な三次元網目構造を有する、多孔質体の内部で触媒を部分的に担持することを特徴としている。
【０００７】
また、本発明の第２態様は、触媒によって原料ガスを改質して改質ガスを生成する、触媒構造体の製造方法であって、互いに異なる第１主面および第２主面の間で原料ガスおよび改質ガスが流通可能な三次元網目構造を有する、多孔質体に対して第１主面側から触媒を含む流動性材料を供給して多孔質体の内部で触媒を部分的に担持させる第１工程を備えることを特徴としている。
【０００８】
さらに、本発明の第３態様は、触媒によって原料ガスを改質して改質ガスを生成する、触媒構造体の製造装置であって、互いに異なる第１主面および第２主面の間で原料ガスおよび改質ガスが流通可能な三次元網目構造を有する、多孔質体を第１主面を上方に向けて保持する保持部と、保持部に保持された多孔質体の第１主面に触媒を含む流動性材料を供給して触媒を担持する触媒担持部を多孔質体の内部に部分的に形成する触媒担持形成部とを備えることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、触媒が多孔質体の内部で部分的に担持されている。このため、多孔質体の内部では、触媒を担持する担持領域と、触媒を担持しない非担持領域とが設けられる。これらのうち担持領域では触媒による改質処理が行われる。一方、非担持領域では、三次元網目構造が維持されて原料ガスや改質ガスを流通可能となっている。このため、担持領域への原料ガスの供給および改質ガスの取り出しが非担持領域を通じて実行され、その結果、改質ガスを効率的に生成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明にかかる触媒構造体の第１実施形態を示す斜視図である。
【図２】図１の触媒構造体を製造する製造装置の概略構成を示す図である。
【図３】図２の製造装置に含まれる塗布ユニットの構成を示す図である。
【図４】図３の塗布ユニットに装備されるヘッド部の構成をより詳細に示す拡大図である。
【図５】図２の装置による触媒構造体の製造方法を説明するための模式図である。
【図６】本発明にかかる触媒構造体の製造装置の他の実施形態を示す斜視図である。
【図７】本発明にかかる触媒構造体の第２実施形態を示す図である。
【図８】本発明にかかる触媒構造体の第３実施形態を示す図である。
【図９】本発明にかかる触媒構造体の第４実施形態を示す図である。
【図１０】本発明にかかる触媒構造体の第４実施形態を製造するための製造装置の一例を示す図である。
【図１１】図１０に示す製造装置の部分拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１は本発明にかかる触媒構造体の第１実施形態を示す斜視図である。同図中の破線部分は部分断面の拡大図である。触媒構造体１０Ａは、平板状あるいはシート状の多孔質体１１と、多孔質体１１の内部において触媒を部分的に担持する触媒担持部１２とを備えている。
【００１２】
多孔質体１１は触媒活性のない材料で形成されている。多孔質体１１の内部においては、三次元網目構造が形成され、上面１１ａおよび下面１１ｂの間で原料ガスおよび改質ガスが流通可能となっている。ここで、「三次元網目構造」とは、多数の空孔部（図１中の符号１１ｃ参照）が三次元的に配設されて粗大で独立した空孔部を実質的に有しない網目状の構造を意味している。本実施形態では、多孔質体１１として発泡金属、特に使用環境を考慮してＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１６Ｌ等のステンレス発泡金属を用いているが、触媒活性を有しない材料で構成された多孔質体であれば、特に限定されるものではない。
【００１３】
また、本実施形態では、次に説明する製造装置１Ａにより触媒を担持する担持領域１１ｆが複数の空孔部の一部に形成され、担持領域１１ｆによってＸ方向に延びるライン状、帯状あるいは棒状の触媒担持部１２が多孔質体１１の内部に形成されている。なお、本実施形態では、図１に示すように４本の触媒担持部１２がＹ方向に互いに離間しながら配列されているが、形状、本数や配列などについては任意である。以下、触媒構造体１０Ａを製造する製造装置１Ａおよび当該装置１Ａによる製造手順を図２ないし図５を参照しつつ説明し、触媒構造体１０Ａの特徴についても併せて明らかにする。
【００１４】
図２は図１の触媒構造体を製造する製造装置の概略構成を示す図である。また、図３は図２の製造装置に含まれる塗布ユニットの構成を示す図である。また、図４は図３の塗布ユニットに装備されるヘッド部の構成をより詳細に示す拡大図である。さらに、図５は図２の装置による触媒構造体の製造方法を説明するための模式図である。触媒構造体１０Ａを製造する製造装置１Ａは、塗布ユニット１００と、乾燥ユニット２００と、プレスユニット３００と、４台の搬送ユニット４００ａ〜４００ｄと、制御ユニット５００とを備えている。そして、予め設定されたプログラムにしたがって制御ユニット５００が装置各部を制御することで多孔質体１１を搬送ユニット４００ａ〜４００ｄによって塗布ユニット１００、乾燥ユニット２００およびプレスユニット３００の順で搬送しながら塗布処理、乾燥処理およびプレス処理を行い、それによって図１に示す触媒構造体１０Ａが製造される。なお、乾燥ユニット２００、プレスユニット３００、搬送ユニット４００ａ〜４００ｄおよび制御ユニット５００の構成は周知であるため、図示説明を省略する。
【００１５】
塗布ユニット１００は、多孔質体１１に対し、触媒を含有する流動性材料を塗布することで多孔質体１１の内部に浸透させて触媒を部分的に担持させるためのユニットである。この塗布ユニット１００では、図３に示すように、基台１０２上にステージ移動機構１０４が設けられ、多孔質体１１を保持するステージ１０６がステージ移動機構１０４によりＸ−Ｙ平面内で移動可能となっている。基台１０２にはステージ１０６を跨ぐようにしてフレーム１０８が固定され、フレーム１０８にはヘッド部１１０が取り付けられる。
【００１６】
ステージ移動機構１０４は、下段からステージ１０６をＸ方向に移動させるＸ方向移動機構１１２およびＹ方向に移動させるＹ方向移動機構１１４を有する。Ｘ方向移動機構１１２は、モータ１１６にボールねじ１１８が接続され、さらに、Ｙ方向移動機構１１４に固定されたナット１２０がボールねじ１１８に取り付けられた構造となっている。ボールねじ１１８の上方にはガイドレール１２２が固定され、モータ１１６が回転すると、ナット１２０とともにＹ方向移動機構１１４がガイドレール１２２に沿ってＸ方向に滑らかに移動する。
【００１７】
Ｙ方向移動機構１１４もモータ１２４、ボールねじ機構（図示省略）およびガイドレール１２６を有し、モータ１２４が回転するとボールねじ機構によりステージ１０６がガイドレール１２６に沿ってＹ方向に移動する。以上の構成により、ヘッド部１１０の多孔質体１１に対する相対的な移動方向が変更可能とされる。ステージ移動機構１０４の各モータは装置全体を制御する制御ユニット５００により制御される。なお、塗布ユニット１００を制御するための専用の制御部を設け、制御ユニット５００からの指令に応じて当該制御部が塗布ユニット１００の各部を制御するように構成してもよい。
【００１８】
ヘッド部１１０では、ベース１２８の下面に対し、予め調製された流動性材料を吐出する吐出ノズル部１３０が設けられている。また、吐出ノズル部１３０には供給管１３２が取り付けられる。供給管１３２は、制御弁１３４、ポンプ１３６および流量計１３８を介して触媒を含む流動性材料を貯留するタンク１４０に接続される。そして、制御ユニット５００がポンプ１３６を駆動するとともに制御弁１３４の開閉を制御することにより、吐出ノズル部１３０からの流動性材料吐出のオン・オフが制御される。
【００１９】
図４はヘッド部の構成をより詳細に示す拡大図であり、ヘッド部１１０を下方から見たときの吐出ノズル部１３０先端付近を示す図である。吐出ノズル部１３０は内部が筒状の空洞になったノズルベース１４２に、この空洞に連通された吐出口１４４を有する筒状の先端ノズル１４６が複数個（この例では４個であるがこれに限定されない）、Ｙ方向に等間隔に突設された構造となっている。タンク１４０から供給管１３２を経由して輸送されてくる流動性材料は、先端ノズル１４６下端の吐出口１４４から多孔質体１１の上面１１ａに向けて吐出される。図３および図４に示すように、先端ノズル１４６は、ノズルベース１４２から（−Ｚ）方向および（＋Ｘ）方向に延びている。
【００２０】
先端ノズル１４６の材質については特に限定されないが、吐出口１４４から吐出される流動性材料に対し汚染物質を混入させることがなく、微細加工ができるという点から、例えばシリコンやジルコニアの結晶を用いることができる。ただし、ヘッド部１１０に設けられた複数の先端ノズル１４６はいずれも同一形状とされる。このような微細な加工を要する先端ノズルの形状を全て同一とすることにより、先端ノズルの加工コスト、ひいては装置全体のコストを低減することができる。また、それぞれ１つの吐出口を有し同一形状の複数の先端ノズルをノズルベースに着脱可能に取り付けるようにすれば、例えばいずれかの吐出口が流動性材料によって目詰まりや損傷を起こした場合、当該先端ノズルのみを交換すればよいので、吐出ノズル部全体を交換するのに比べれば装置のランニングコストの点でも有利である。
【００２１】
なお、本実施形態では、次に詳述するように多孔質体１１の内部に触媒担持部１２を形成するために、多孔質体１１に形成されている空孔部１１ｃの平均孔径よりも小さい粒径を有する触媒（図５中の符号１３）を用いている。より具体的には、粒径１ないし１００［μｍ］の粉末状のシリカ（ＳｉＯ２）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、酸化チタン（ＴｉＯ２）などを触媒担体として用いている。また、触媒１３によって触媒機能を発揮させるために、本実施形態では、触媒担体よりも小径の金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）などの単体元素、それらの酸化物あるいは水酸化物を触媒粒子として用いている。
【００２２】
次に、図２の製造装置１Ａにより触媒構造体１０Ａを製造する方法について図５を参照しつつ説明する。この第１実施形態では、触媒１３と水や有機溶剤などの液体成分とを混合してペースト状の流動性材料を調製しておき、当該流動性材料をタンク１４０（図３）の貯留しておく。
【００２３】
触媒構造体１０Ａの製造準備が完了すると、塗布ユニット１００内に搬送ロボット４００ａが多孔質体１１を搬入し、図５中の（ａ）欄に示すように、一方主面１１ａを鉛直方向の上方（＋Ｚ）に向けた状態でステージ１０６に載置する（搬入工程）。そして、多孔質体１１はステージ１０６で保持される。この多孔質体１１は三次元網目構造を有しており、多孔質体１１の内部に複数の空孔部１１ｃが設けられている。また、この段階での多孔質体１１の厚みＴ１、つまり鉛直方向Ｚにおける上面１１ａおよび下面１１ｂの間隔は比較的厚く設定されている。また、本実施形態では、空隙率が５０％以上の多孔質体１１を用いている。
【００２４】
次に、塗布ユニット１００による流動性材料の多孔質体１１への塗布が実行される（塗布工程）。この塗布工程では、ステージ移動機構１０４が動作して、多孔質体１１をその右端がヘッド部１１０の直下近傍位置に来るような所定の塗布開始位置（図３における多孔質体１１の位置）へ移動させる。次いで、多孔質体１１をＸ方向に移動させながら、ヘッド部１１０に設けた吐出ノズル部１３０からの流動性材料吐出が開始される。先端ノズル１４２から流動性材料が連続的かつ棒状に吐出され、図５中の（ｂ）欄に示すように吐出口１４４のＹ方向幅、つまりライン幅Ｗで多孔質体１１の上面１１ａに供給される。すると、流動性材料はライン幅Ｗに含まれる多孔質体１１に流通して下面１１ｂに向かって広がっていく。なお、この点を明確にするために、図５の（ｂ）欄においては流動性材料を含有する空孔部１１ｃに対して比較的細かいピッチでドットを施している。これについては後で説明する図６においても同様である。
【００２５】
また、多孔質体１１の内部のうち上記のようにして流動性材料の供給を受けて触媒を担持する領域、つまり担持領域１１ｄは多孔質体１１のＸ方向移動に伴ってＸ方向に延設され、互いに平行な複数本（この例では４本）の帯状で流動性材料が塗布されていく。なお、ここでは、多孔質体１１の内部のうち流動性材料を受けず流動性材料が浸透していない領域１１ｅを「非担持領域」と称する。
【００２６】
多孔質体１１の一方端から他方端まで流動性材料の塗布（塗布工程）が終了すると、多孔質体１１の全面に帯状の担持領域１１ｄを形成し終えるまで、塗布開始位置に戻って上記動作を必要回数繰り返し行う。このとき、１回の動作を終えるごとに多孔質体１１の位置をＹ方向に所定量移動させることで、吐出口１４４の数よりも多い本数の担持領域１１ｄを形成することができる。こうして所望本数の帯状担持領域１１ｄがＹ方向に一定間隔で多孔質体１１の内部に形成されると、搬送ロボット４００ｂが当該多孔質体１１を塗布ユニット１００から乾燥ユニット２００に搬送する。
【００２７】
この乾燥ユニット２００では、多孔質体１１に熱が加えられ、流動性材料に含まれる液体成分が取り除かれる（乾燥工程）。これにより、多孔質体１１の内部で触媒１３を担持する触媒担持部１２を部分的に有する触媒構造体が得られ、これを最終製品としてもよいが、図５中の（ｃ）欄において模式的に示すように、液体成分の除去によって各空孔部１１ｃでは触媒１３の周囲に比較的大きな空隙が形成される。このため、触媒１３は安定して多孔質体１１に担持されていると必ずしも言えず、多孔質体１１からの脱落を招く可能性がある。そこで、本実施形態では、乾燥工程が完了すると、搬送ロボット４００ｃが当該多孔質体１１を乾燥ユニット２００からプレスユニット３００に搬送する。
【００２８】
このプレスユニット３００では、多孔質体１１の上面１１ａおよび下面１１ｂにそれぞれ（−Ｚ）方向および（＋Ｚ）方向の応力を与えて上面１１ａと下面１１ｂとの距離、つまり多孔質体１１の厚みがＴ２（＜Ｔ１）まで減少するように多孔質体１１を圧縮する。これによって、多孔質体１１の空隙率が１０〜４０％になり、担持領域１１ｄ内の空孔部１１ｃが触媒１３に密接し、また空孔部１１ｃに含まれる複数の触媒１３も互い密接して触媒１３は多孔質体１１に強固に固定され、これによって触媒１３を多孔質体１１にしっかりと担持した担持領域１１ｆがライン状あるいは帯状にＸ方向に延設され、これら４本の担持領域１１ｆが触媒担持部１２となる。一方、互いに隣り合う担持領域１１ｆの間には、触媒１３を担持しない非担持領域１１ｇが形成されており、当該非担持領域１１ｇに含まれる空孔部１１ｃが原料ガスや改質ガスを流通させる流路として機能する。
【００２９】
上記した塗布工程、乾燥工程およびプレス工程を経て図１に示す触媒構造体１０Ａが製造されると、搬送ロボット４００ｄはプレスユニット３００から触媒構造体１０Ａ（＝多孔質体１１＋触媒担持部１２）を搬出し、触媒構造体１０Ａを種々の装置、例えば改質ガスを製造するための改質触媒として改質装置の反応容器に収容する。
【００３０】
以上のように、第１実施形態では、三次元網目構造を有する多孔質体１１の一部に流動性材料が帯状に塗布されて触媒１３が多孔質体１１の内部で部分的に担持される。これによって、図１や図５に示すように、担持領域１１ｆと非担持領域１１ｇとをＹ方向に交互に並設したラインアンドスペース構造が多孔質体１１に形成される。担持領域１１ｆには触媒１３が担持されて触媒担持部１２として機能する。一方、非担持領域１１ｇでは三次元網目構造がそのまま維持されて原料ガスおよび改質ガスの流通経路となる。したがって、多孔質体１１の上面１１ａや下面１１ｂを介して供給される原料ガスは非担持領域１１ｇを介して担持領域１１ｆ（触媒担持部１２）に供給されて触媒１３によって改質される。担持領域１１ｆで生成された水素を含む改質ガスは非担持領域１１ｇを流通して多孔質体１１の上面１１ａや下面１１ｂから取り出される。よって、このように非担持領域１１ｇを利用して原料ガスおよび改質ガスを効率的に流通することができ、改質ガスを効率的に生成し、取り出すことが可能となっている。
【００３１】
また、上記第１実施形態では、多孔質体１１の内部に形成される空孔部１１ｃに触媒１３を担持させているため、改質処理中に触媒１３が脱落するのを防止することができる。しかも、単に担持させるだけでなく、図５の（ｄ）欄に示すように、プレス工程によって多孔質体１１を厚み方向Ｚにおいて圧縮して触媒１３を密接させている。このため、触媒１３の脱落をさらに効果的に防止することができ、より安定した改質処理を行うことができる。
【００３２】
図６は本発明にかかる触媒構造体の製造装置の他の実施形態を示す斜視図である。この製造装置１Ｂが上記製造装置１Ａと大きく相違する点は、一つの装置（ユニット）内で塗布工程、乾燥工程およびプレス工程が連続的に行われている点であり、塗布工程、乾燥工程およびプレス工程が第１実施形態と同様にして行われる。なお、同図中の最下段に示す模式図は、それぞれ塗布工程前、塗布工程と乾燥工程の間、乾燥工程とプレス工程の間、およびプレス工程後における多孔質体１１の内部を模式的に示す図である。
【００３３】
この触媒構造体の製造装置１Ｂは、図６に示すように、塗布工程を行う塗布部６００、乾燥工程を行う乾燥部７００、プレス工程を行うローラプレス部８００、およびシート状の多孔質体１１を搬送する搬送部９００を備えている。この搬送部９００は、Ｘ方向に配列した複数の搬送ローラ９０１を有しており、装置全体を制御する制御部（図示省略）からの搬送指令にしたがって搬送ローラ９０１を回転駆動することで多孔質体１１を略水平姿勢のままＸ方向に搬送する。また、多孔質体１１の搬送経路に沿って、搬送部９００の上方位置に塗布部６００、乾燥部７００およびローラプレス部８００がこの順序で配置されている。
【００３４】
塗布部６００は、塗布ユニット１００と同様に複数（本実施形態においても４個）の吐出口を有する吐出ノズル部６０１を有している。この吐出ノズル部６０１は図示を省略する流動性材料供給部から触媒を含有する流動性材料の供給を受けて各吐出口から流動性材料を複数の搬送ローラ９０１で支持されながらＸ方向に搬送されるシート状多孔質体１１の上面１１ａに吐出する。これによって、多孔質体１１への流動性材料の塗布が行われ（塗布工程）、多孔質体１１の一部では空孔部１１ｃ内に流動性材料が浸透し、Ｘ方向に延びる担持領域１１ｄが多孔質体１１の内部に形成される。
【００３５】
乾燥部７００は、上記塗布部６００からローラ搬送されてくる多孔質体１１を加熱する加熱機構７０１を有している。この加熱機構７０１による加熱によって流動性材料に含まれる液体成分が取り除かれる（乾燥工程）。
【００３６】
ローラプレス部８００は、図６に示すように、多孔質体１１の初期厚みＴ１よりも狭い間隔Ｔ２だけ上下方向Ｚに離間して配置される一対のプレスローラ８０１、８０１と、これらのプレスローラ８０１、８０１を回転駆動する駆動機構（図示省略）とを有している。そして、制御部からの回転指令に応じて駆動機構が作動することでプレスローラ８０１、８０１が回転駆動される。乾燥工程を経てローラプレス部８００に多孔質体１１がローラ搬送されてくると、プレスローラ８０１、８０１の間を通過する際に、多孔質体１１は厚みＴ１から厚みＴ２に上下方向Ｚに圧縮される（プレス工程）。これによって、第１実施形態と同様に、触媒１３を多孔質体１１にしっかりと担持した担持領域１１ｆがライン状あるいは帯状にＸ方向に延設され、これら４本の担持領域１１ｆによって触媒担持部１２が構成された触媒構造体１０Ｂが製造される。もちろん、互いに隣り合う担持領域１１ｆの間には、触媒１３を担持しない非担持領域１１ｇが形成されており、当該非担持領域１１ｇに含まれる空孔部１１ｃが原料ガスや改質ガスを流通させる流路として機能する。
【００３７】
以上のように、第２実施形態においても、第１実施形態と同様に構成され、同様の作用効果を奏する。すなわち、三次元網目構造を有する多孔質体１１の内部において触媒１３を部分的に担持させることで担持領域１１ｆと非担持領域１１ｇとをＹ方向に交互に並設したラインアンドスペース構造が多孔質体１１に形成される。このため、非担持領域１１ｇによって原料ガスおよび改質ガスを効率的に流通させながら担持領域１１ｆで改質ガスを生成することができ、改質ガスの生成効率および取出効率を高めることができる。また、空孔部１１ｃでの触媒１３の担持およびプレス工程による触媒１３の密接を行っているため、触媒１３の脱落を効果的に防止して改質処理をより安定的に行うことが可能となっている。
【００３８】
しかも、第２実施形態では、多孔質体１１をＸ方向にローラ搬送しながら塗布工程、乾燥工程およびプレス工程を並行して行うことができ、生産性を高めることができる。また、Ｘ方向に延設される長尺の多孔質体１１をロール状に巻き取った多孔質体ロール（図示省略）を準備しておき、多孔質体ロールから多孔質体１１を繰り出し、上記製造装置１Ｂで触媒構造体を連続的に製造してもよい。こうして製造されるシート状の触媒構造体についてロール状に巻き取ってもよいし、所定の長さで切り離して図１に示すような平板状あるいはシート状の触媒構造体１０Ａを製造してもよい。
【００３９】
図７は本発明にかかる触媒構造体の第２実施形態を示す図である。同図では、触媒構造体１０Ｃの主要構成が上下方向Ｚに分解して図示されているが、実際の製品は上下方向Ｚにおいて積層され、一体化されている。この触媒構造体１０Ｃが第１実施形態と大きく相違する点は、補強部材１７ａ、１７ｂがそれぞれ多孔質体１１の上面１１ａ、１１ｂに密着される点であり、その他の構成は同一である。補強部材１７ａ、１７ｂは、触媒活性を有しない材料で構成され、プレス工程を受けてＺ方向に圧縮された多孔質体１１よりも高い剛性を有している。また、補強部材１７ａ、１７ｂには、複数の貫通孔１７１が形成されており、原料ガスおよび改質ガスを流通自在となっている。このため、原料ガスおよび改質ガスの流通性を損なうことなく、補強部材１７ａ、１７ｂにより多孔質体１１を挟み込むことで触媒構造体１０Ｂの強度を高めることができ、改質処理の安定性をさらに高めることができる。このように本実施形態では、補強部材１７ａ、１７ｂがそれぞれ本発明の「第１補強部材」および「第２補強部材」に相当している。さらに、補強部材１７ａを多孔質体１１の上面１１ａに密着させる工程および補強部材１７ｂを多孔質体１１の下面１１ｂに密着させる工程がそれぞれ本発明の「第４工程」および「第５工程」に相当している。
【００４０】
図８は本発明にかかる触媒構造体の第３実施形態を示す図である。同図では、触媒構造体１０Ｄの主要構成が上下方向Ｚに分解して図示されているが、実際の製品は上下方向Ｚにおいて積層され、一体化されている。この触媒構造体１０Ｄが第１実施形態と大きく相違する点は、多孔質体１１の上面１１ａに対して補強部材１７ａが密着されるとともに、多孔質体１１の下面１１ｂに対して水素分離部１６が密着されている。この水素分離部１６は、触媒活性のない材料で形成された三次元網目構造を有する多孔質部で全体が構成される平板状のベース部材１４と、ベース部材１４に対してＰｄなどの水素透過材料で形成される水素透過膜１５とを有している。
【００４１】
このように構成された第３実施形態では、補強部材１７ａの貫通孔１７１を介して原料ガスが多孔質体１１の上面１１ａに供給され、さらに非担持領域１１ｇを流通して担持領域１１ｆの触媒に与えて改質処理を行っている。また、改質処理により生成された改質ガス中の水素は水素分離部１６を介して触媒構造体１０Ｃから取り出される。したがって、第２実施形態と同様に補強部材１７ａと水素透過膜１５とで触媒構造体１０Ｂの強度を高めた上で水素を効率的に精製することができる。すなわち、第３実施形態にかかる触媒構造体１０Ｃは原料ガスの改質機能と、改質ガスの精製機能とを兼ね備えている。なお、本実施形態では、補強部材１７ａを多孔質体１１の上面１１ａに密着させる工程および水素分離部１６を多孔質体１１の下面１１ｂに密着させる工程がそれぞれ本発明の「第４工程」および「第６工程」に相当している。
【００４２】
ところで、上記実施形態では、平板状あるいはシート状の多孔質体１１の内部に触媒１３を部分的に担持させて触媒担持部１２を形成しているが、多孔質体１１の形状はこれに限定されるものではなく、任意である。例えば、図９に示すように円筒形状の多孔質体１１を用いる触媒構造体１０Ｅに対して本発明を適用することができる。もちろん、円筒形状の代わりに角筒形状の多孔質体を用いてもよい。以下、図９ないし図１１を参照しつつ本発明の第４実施形態について説明する。
【００４３】
図９は本発明にかかる触媒構造体の第４実施形態を示す図である。この触媒構造体１０Ｅは、Ｘ方向に延びる筒状のベース部材１４と、Ｐｄなどの水素透過材料で形成される水素透過膜１５と、多孔質体１１と、触媒担持部１２とを有している。ベース部材１４はＸ方向に延びる中空の円筒形状を有している。このベース部材１４の中央部は多孔質ステンレス管や多孔質セラミックス管などで構成される多孔質部１４ａである。一方、ベース部材１４の（−Ｘ）側端部１４ｂおよび（＋Ｘ）側端部１４ｃはいずれも通常のステンレス管などの非多孔質管で構成されている。例えば多孔質ステンレスの両端部に非多孔質ステンレス管をそれぞれ連結し、各連結部を溶接することでベース部材１４が得られる。なお、（−Ｘ）側端部１４ｂの側方は通常のステンレス板などの非多孔質部材が溶接されて閉塞されており、次に説明するようにしてベース部材１４の中空部に透過してくる水素を（＋Ｘ）側端から取り出し可能となっている。
【００４４】
このベース部材１４の多孔質部１４ａの外面に水素透過膜１５が設けられている。このため、触媒担持部１２の触媒により生成される改質ガスのうち水素のみが水素透過膜１５および多孔質部１４ａを介してベース部材１４の中空部に透過、より具体的には溶解拡散可能となっており、水素透過膜１５中では、水素イオンの形態で存在している。一方、水素を除く改質ガスおよび原料ガスは水素透過膜１５で阻止され、多孔質部１４ａを介してベース部材１４の中空部に溶解拡散するのが防止される。
【００４５】
水素透過膜１５の外面に設けられる多孔質体１１の内部では、図９に示すように、触媒担持部１２として機能する担持領域１１ｄが螺旋状に形成されており、担持領域１１ｄ以外の領域が非担持領域１１ｅとなっている。このような構成を有する触媒構造体１０Ｅを次に説明する製造装置１Ｃを用いて製造している。
【００４６】
図１０は本発明にかかる触媒構造体の第４実施形態を製造するための製造装置の一例を示す図である。また、図１１は図１０に示す製造装置の部分拡大図である。ここでは、触媒構造体１０Ｅを構成するベース部材１４は、一方端部（図１０の左手側端部）が閉塞されるとともに他方端部（図１０の右手側端部）が開口しており、全体として円筒形状を有している。そして、製造装置１Ｃは、ベース部材１４の回転対称軸１４ｄを水平方向Ｘに一致させた状態で水素分離部１６（ベース部材１４の多孔質部１４ａの外面に水素透過膜１５を設けたもの）を水平支持し、当該水素分離部１６の外面に被覆される多孔質体１１への触媒担持部１２の形成を行う。
【００４７】
触媒構造体１０Ｅの製造装置１Ｃは、図１０に示すように、一対の支持部材１５０、１５２を有している。本実施形態では、ベース部材１４の他方端部が開口しているのに対応し、支持部材１５０についてはＸ方向に延びる先端部がベース部材１４の中空部に挿脱自在な形状に仕上げられている。一方、ベース部材１４の一方端部が閉塞しているのに対応し、支持部材１５２については複数の爪がベース部材１４の外側面を把持して支持する構造を採用している。そして、支持部材１５０、１５２は互いに先端部を同一軸線上で対向させた状態で配置されている。これらのうち（＋Ｘ）側の支持部材１５０は基台１５４から立設される固定ベース１５６に対して回転自在に配置されている。一方、（−Ｘ）側の支持部材１５２はＸ方向移動機構１５８によりＸ方向に移動自在な可動ベース１６０に対して回転自在に配置されている。
【００４８】
このＸ方向移動機構１５８では、モータ１６２にボールねじ１６４が接続され、さらに、可動ベース１６０に固定されたナット１６６がボールねじ１６４に取り付けられた構造となっている。ボールねじ１６４の上方にはガイドレール１６８が固定され、モータ１６２が回転すると、ナット１６６とともに可動ベース１６０がガイドレール１６８に沿ってＸ方向に滑らかに移動する。この可動ベース１６０の上端部には、回転対称軸１４ｄを回転中心としてベース部材１４を回転駆動するためのモータ１７０が設けられている。このモータ１７０の回転軸に支持部材１５２が連結されている。このため、ベース部材１４の（＋Ｘ）側の中空端部に支持部材１５０の先端部を挿入した状態で製造装置１Ｃの各部を制御する制御部１７２によりモータ１６２を駆動制御することで、可動ベース１６０とともに支持部材１５２が（＋Ｘ）方向に移動し、その先端部がベース部材１４の（−Ｘ）側の中空端部に挿入される。これによって、水素分離部１６が支持部材１５０、１５２によって回転自在に支持される。このように支持部材１５０、１５２が水素分離部１６を支持する支持部１７４として機能する。また、この状態で制御部１７２からの回転指令に応じてモータ１７０が作動すると、回転対称軸１４ｄを回転中心として水素分離部１６を回転させることができる。
【００４９】
また、図１０に示すように、支持部１７４により支持される水素分離部１６の直上位置でヘッドユニット１７６が配置されている。このヘッドユニット１７６は、基台１５４から立設されたフレーム（図示省略）に対してＸ方向に移動自在に取り付けられるとともに、制御部１７２からの移動指令に応じてＸ方向移動機構１７８が作動することでＸ方向に移動される。なお、Ｘ方向移動機構１７８は、Ｘ方向移動機構１５８と同様に構成してもよいし、別の移動機構、例えばリニアモータを駆動源とする直線移動機構で構成してもよい。
【００５０】
ヘッドユニット１７６では、ベース１８０の下面に対し、予め調製された流動性材料を吐出する吐出ノズル部１８２と、多孔質体１１の外面に向けて赤外線を照射して加熱する加熱部１８４とが設けられている。また、吐出ノズル部１８２には流動性材料供給部１８６が接続されている。この流動性材料供給部１８６は、制御部１７２からの供給指令に応じて触媒を含む流動性材料を吐出ノズル部１８２に圧送して吐出ノズル部１８２から流動性材料を吐出させ、また制御部１７２からの供給停止指令により流動性材料吐出を停止させる。また、流動性材料は、次に説明する加熱部１８４からの赤外線照射を受けて多孔質体１１の内部に塗布された流動性材料中の液体成分の除去が始まる。このようにして、この製造装置１Ｃは水素分離部１６上に担持領域１１ｄを触媒担持部１２として形成し、その形状を維持させる。
【００５１】
加熱部１８４は赤外線を発生する光源ユニット１８８に接続される。光源ユニット１８８は制御部１７２により制御される。
【００５２】
次に、前述した製造装置１Ｃにより、触媒構造体１０Ｅを製造する方法について説明する。製造装置１Ｃによる触媒構造体１０Ｅの製造に先立って、予め触媒（図５中の符号１３）と、水や有機溶剤などの液体成分とを混合してペースト状の流動性材料を調製し、当該流動性材料（混合物）を流動性材料供給部１８６のタンク（図示省略）の貯留しておく。また、上記のように溶接技術を用いてベース部材１４を形成するとともに、当該ベース部材１４の多孔質部１４ａの外面に水素透過膜１５を設けて水素分離部１６を準備しておく。
【００５３】
そして、制御部１７２は予めメモリ（図示省略）に記憶されているプログラムにしたがって装置各部を以下のように制御して多孔質体１１の内部に担持領域１１ｄを触媒担持部１２として形成し、これによって触媒構造体１０Ｅを製造する。まず、図示を省略する搬送ロボットなどの搬送装置により水素分離部１６が製造装置１Ｃに搬入されると、ベース部材１４を支持部材１５０、１５２で水素分離部１６を水平姿勢で支持する。このとき、ヘッドユニット１７６は水素分離部１６から（−Ｘ）方向に離れた待機位置に待機している。
【００５４】
水素分離部１６の支持が完了すると、回転対称軸１４ｄを回転中心とする水素分離部１６の回転を開始するとともに、ヘッドユニット１７６の（＋Ｘ）方向への移動を開始する。そして、吐出ノズル部１８２が触媒担持部１２の始点の直上位置、つまり流動性材料の塗布を開始するためのノズル位置（塗布開始位置）に到達したことが確認されると、吐出ノズル部１８２からの流動性材料の吐出を開始する。なお、この実施形態では、水素透過膜１５の（−Ｘ）側端部より触媒担持部１２を形成するため、塗布開始位置は水素透過膜１５の（−Ｘ）側端部の上方位置となっている。
【００５５】
また、流動性材料の吐出開始と同時あるいは若干遅れて加熱部１８４からの赤外線照射を開始する。これによって、多孔質体１１の内部には、流動性材料が螺旋状に塗布され、その塗布後、ただちに赤外線照射を受けて流動性材料中の液体成分の除去、つまり乾燥工程が始まり、担持領域１１ｄが形成される。こうして形成された担持領域１１ｄでは、例えば図５や図６に示すように、多孔質体１１の内部で触媒１３を部分的に担持する触媒構造体が得られ、当該担持領域１１ｄが触媒担持部１２として機能する。
【００５６】
そして、吐出ノズル部１８２が触媒担持部１２の終点の直上位置（塗布終了位置）に到達したことが確認されると、吐出ノズル部１８２からの流動性材料の吐出を停止する。また、これから一定時間（触媒担持部１２の終端が加熱部１８４の直下位置を通過するまでの時間）後に、加熱部１８４からの赤外線照射を停止する。これによって、多孔質体１１に所望の螺旋状の触媒担持部１２が塗布されて触媒を含む触媒担持部１２が形成され、触媒構造体１０Ｅが製造される。
【００５７】
それに続いて、水素分離部１６の回転およびヘッドユニット１７６の移動を停止させ、さらに支持部１７４による水素分離部１６の支持を解除し、搬送装置により触媒構造体１０Ｅが製造装置１Ｃから搬出され、別のプレスユニット（図示省略）に搬入される。このプレスユニットでは、触媒構造体１０Ｅの中空内部にバックローラが挿入されて当該バックローラの回転軸まわりに回転自在に保持される。そして、回転駆動機構によってバックローラが回転駆動されると、バックローラと一体的に触媒構造体１０Ｅも回転する。この触媒構造体１０Ｅの表面に対し、プレスローラが当接および離間自在に設けられている。このプレスローラはバックローラの回転軸と平行な回転軸まわりに回転自在に構成されており、離当接機構によってプレスローラが回転している触媒構造体１０Ｅに一定の押圧力で当接する。そして、触媒構造体１０Ｅの最表層、つまり多孔質体１１をプレスしながら上記回転軸まわりに従動回転する。これによって、多孔質体１１は厚さ方向に圧縮され（プレス工程）、多孔質体１１が一定厚さまで触媒１３を密接させている。このプレス工程が完了すると、搬送装置によりプレスユニットから触媒構造体１０Ｅが搬出される。
【００５８】
以上のように、第４実施形態においても、第１実施形態などの同様に、三次元網目構造を有する多孔質体１１の内部において触媒１３を部分的に担持させることで担持領域１１ｆと非担持領域１１ｇとを有する多孔質体１１が形成される。このため、非担持領域１１ｇによって原料ガスおよび改質ガスを効率的に流通させながら担持領域１１ｆで改質ガスを生成することができ、改質ガスの生成効率および取出効率を高めることができる。また、第４実施形態にかかる触媒構造体１０Ｅは、第３実施形態と同様に、原料ガスの改質機能と、改質ガスの精製機能とを兼ね備えている。
【００５９】
上記した第１実施形態ないし第３実施形態では平板状の多孔質体１１の上面１１ａおよび下面１１ｂがそれぞれ本発明の「第１主面」および「第２主面」に相当し、第４実施形態では筒状の多孔質体１１の外周面および内周面がそれぞれ本発明の「第１主面」および「第２主面」に相当している。また、製造装置１Ａ中のステージ１０６、製造装置１Ｂ中の複数の搬送ローラ９０１および製造装置１Ｃ中の支持部１７４が本発明の「保持部」の一例に相当している。製造装置１Ａ中の吐出ノズル部１３０、製造装置１Ｂ中の吐出ノズル部６０１および製造装置１Ｃ中の吐出ノズル部１８２が本発明の「触媒担持形成部」の一例に相当している。さらに、流動性材料が本発明の「調製物」の一例に相当している。
【００６０】
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば、上記実施形態では、多孔質体１１に流動性材料を塗布した後で多孔質体１１を強制的に加熱している、つまり乾燥工程を実行しているが、自然乾燥によって空孔部１１ｃから液体成分を除去してもよく、自然乾燥された多孔質体１１をそのまま触媒構造体として用いたり、自然乾燥された多孔質体１１に対してプレス工程を施したものを触媒構造体として用いてもよい。
【００６１】
また、上記第１実施形態ないし第３実施形態では４本の担持領域１１ｆにより触媒担持部１２を構成し、上記第４実施形態では１本の螺旋状の担持領域１１ｄにより触媒担持部１２を構成しているが、触媒担持部１２を構成する担持領域１１ｄ、１１ｆの本数はこれに限定されるものではなく、任意である。また、上記第１実施形態ないし第３実施形態では担持領域１１ｆをＸ方向に形成し、上記第４実施形態では担持領域１１ｄを螺旋状に形成しているが、各担持領域１１ｄ、１１ｆの形成方向や形成態様は任意である。さらに、各担持領域１１ｄ、１１ｆの形状についても任意である。要は、三次元網目構造を有する多孔質体１１の内部において触媒担持部１２を部分的に形成することで上記実施形態と同様の作用効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
この発明は、触媒によって原料ガスを改質して改質ガスを生成する触媒構造体、および触媒構造体の製造技術について適用することができる。
【符号の説明】
【００６３】
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ…（触媒構造体の）製造装置
１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ…触媒構造体
１１…多孔質体
１１ａ…上面（第１主面）
１１ｂ…下面（第２主面）
１１ｃ…空孔部
１１ｄ、１１ｆ…担持領域
１１ｅ，１１ｇ…非担持領域
１２…触媒担持部
１３…触媒
１６…水素分離部
１７ａ…（第１）補強部材
１７ｂ…（第２）補強部材
１０６…ステージ（保持部）
１３０、１８２、６０１…吐出ノズル部（触媒担持形成部）
１７４…支持部（保持部）
９０１…搬送ローラ（保持部）
【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】
2016147226.tif 000010
【図９】
2016147226.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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