(57)【要約】【課題】  二重筒部分を有する反応器において、長期使用により触媒層の表面が沈下した際に、熱源から触媒層へ伝達される熱量が低下することを防止する。【解決手段】  上下方向に垂直な外筒１と内筒２を有し、外筒１と内筒２の間に流体の流通する触媒層７が形成され、内筒２の内側から反応に利用される熱量を供給するように構成された二重筒部分を有する反応器Ａにおいて、  前記触媒層７は粒状の触媒を充填することにより形成され、前記触媒層７の上側における外筒１と内筒２の間に流体流通用の穴を多数形成した環状の穴あき板８が設けられ、前記穴あき板８は内筒２側から外筒１側に向かって上方向に傾斜しており、前記触媒層７の上面が前記穴あき板８の下面に接した状態に充填されるように構成したことを特徴とする。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上下方向に垂直な外筒(１)と内筒(２)を有し、外筒(１)と内筒(２)の間に流体を流通させる触媒層(７)が固定層型に形成され、内筒(２)の内側から反応に利用する熱量を供給するように構成された二重筒部分を有する反応器において、
前記触媒層(７)は粒状の触媒を充填することにより形成され、
前記触媒層(７)の上側における外筒(１)と内筒(２)の間に流体流通用の穴を多数形成した環状の穴あき板(８)が設けられ、
前記穴あき板(８)は内筒(２)側から外筒(１)側に向かって上方向に傾斜しており、それによって前記触媒層(７)はその上面が前記穴あき板(８)の下面に接するように傾斜状態で充填されることを特徴とする反応器。
【請求項２】
請求項１において、
充填された触媒層(７)の垂直方向中間部に、更に前記穴あき板(８)が設けられることを特徴とする反応器。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、
前記穴あき板(８)はパンチングメタルで構成されることを特徴とする反応器。
【請求項４】
請求項１または請求項２において、
前記穴あき板(８)はエキスパンドメタルで構成されることを特徴とする反応器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムにおける改質器や脱硫器等として利用できる多重筒縦型の反応器に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型等の燃料電池に供給される燃料ガスは、炭化水素と水蒸気の混合ガスを改質することにより製造される水素ガスである。この改質に用いられる改質装置は、一般的にメタンやＬＮＧなどの化石燃料である炭化水素系の原料ガスと水蒸気とを混合し、その混合物を粒状の改質触媒を充填して形成した触媒層を備えた改質器（反応器）に供給し、原料ガスを水素リッチなガスに改質するものである。
【０００３】
このような改質器に利用される反応器として、二重筒縦型の反応器が特許文献１に開示されている。
特許文献１の改質器は、複数の容器を積層して構成され、各容器は上下方向に垂直な外筒と内筒を有し、外筒と内筒の間に粒状の触媒を密に充填した、いわゆる固定層型の触媒層が形成され、内筒の内側から反応に利用される熱源を供給するように構成された二重筒縦型の反応器である。
【０００４】
前記触媒層は粒状の触媒を各容器に密に充填することにより形成される。触媒層は容器の内筒側から熱源により加熱されるが、触媒層を流通する流体が常に安定した反応を継続できるように、予め設定された熱量を継続的に触媒層に供給することが望ましい。
触媒層と内筒との接触面積が変化すると、触媒層に供給される熱量も変化する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−０００７２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
反応に使用される粒状の改質触媒は、反応器の起動停止に際しての熱膨張と熱収縮、長期間の改質反応により、一部粉化または嵩体積減少などが起こって固定層型に形成された触媒層自体が次第に縮小し、触媒層の表面（上面）が下降するという問題がある。
【０００７】
図７は従来の反応器Ａの触媒層７の下降現象を説明する模式的断面図である。図７（ａ）は反応器Ａに触媒を充填した初期状態の触媒層７の状態を示し、反応器Ａの最上部まで垂直方向の長さＨで触媒が密に充填されている。図７（ｂ）は長期間使用後における触媒層７の表面が長さｈだけ下降した状態を示す。
【０００８】
反応流体の反応に必要な熱量は、触媒層と内筒との接触面積を基準として最初に設定する必要がある。しかし使用経過にしたがって触媒層の表面が下降すると、それに伴い触媒層と内筒との接触面積が減少するので、熱源から触媒層へ供給される熱量も減少する。
熱量の減少が発生すると当然ながら、反応の継続的な安定性が損なわれ反応効率が低下する。さらに、反応器内の温度が局所的に高温になると共に、熱応力が増加するので、反応器の耐久性が低下する恐れもある。
【０００９】
そこで本発明は極めて簡単な手法により、触媒層に収縮現象が発生した場合でも、触媒層と内筒との接触面積を常に一定に維持でき、反応効率および耐久性のよい反応器を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決する本発明は、上下方向に垂直な外筒と内筒を有し、外筒と内筒の間に反応流体が流通する触媒層が固定層型に形成され、内筒の内側から反応に利用される熱量を供給するように構成された二重筒部分を有する反応器において、
前記触媒層は粒状の触媒を充填することにより形成され、
前記触媒層の上側における外筒と内筒の間に流体流通用の穴を多数形成した環状の穴あき板が設けられ、
前記穴あき板は内筒側から外筒側に向かって上方向に傾斜しており、それによって前記触媒層はその上面が前記穴あき板の下面に接するように傾斜状態で充填されることを特徴とする反応器である（請求項１）。
【００１１】
上記反応器において、
前記充填された触媒層の垂直方向下方の中間部に、更に穴あき板を設けることができる（請求項２）。
【００１２】
上記いずれかの反応器において、
前記穴あき板はパンチングメタルで構成することができる（請求項３）。
【００１３】
上記いずれかの反応器において、
前記穴あき板はエキスパンドメタルで構成することができる（請求項４）。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１に記載の本発明の反応器は、触媒層の上側における外筒と内筒の間に流体流通用の穴を多数形成した環状の穴あき板が設けられ、前記穴あき板は内筒側から外筒側に向かって上向きに傾斜しており、前記触媒層の上面が前記穴あき板の下面に接した状態に充填できるように構成されていることを特徴とする。
【００１５】
このように構成した反応器は、穴あき板の内周面が内筒の外周面に接する。そして穴あき板の下面は、その内周から外周に向かって、すなわち内筒側から外筒側に向かって上向きに傾斜する円盤状の面となる。粒状の触媒を穴あき板の下面に接するように充填すると、触媒層の上面も同様に、内筒側から外筒側に向かって上向きに傾斜する円盤状の面となる。
【００１６】
触媒層の最下面から最上面までと内筒の外周面との垂直方向の接触長さが、触媒層と内筒との接触面を決定するので、穴あき板の内周と内筒の外周面との接触位置は接触長さの頂部となる。そして反応器の設計において、その必要熱量の設定は、穴あき板の内周と内筒の外周面との接触位置を設定することにより決定される。
【００１７】
前記のように、触媒層はその上面が穴あき板の下面に接するように傾斜状態で充填されるので、穴あき板の内周から外周まで水平方向に延長した円環状の底面と傾斜する円環状の上面との間に充填される触媒、すなわち周方向断面形状が外周側に向かって傾斜する三角形状に充填された触媒は、熱量設定からみると余剰な触媒量となる。
【００１８】
この余剰触媒は、触媒層に収縮現象が発生した際に、触媒層と内筒との接触面積を初期状態に維持するための触媒補給源となる。すなわち触媒層に収縮現象が生じると、触媒層の表面は重力作用により下降するが、下降現象は触媒層の最も高い領域に位置する触媒から開始され、その開始点は余剰触媒の外周側から内周側へ次第に移動する。
【００１９】
触媒層と内筒との接触の最上点に下降現象が現れるのは、余剰触媒が存在していた領域の触媒が全て消滅した後になる。したがって、必要な余剰触媒量を予め設定する必要があり、穴あき板の傾斜角度等を設定することにより、所望の期間熱量低下現象を起こすことなく、安定した反応を継続することができる。それにより、反応効率および耐久性のよい反応器となる。
【００２０】
上記反応器において、請求項２に記載のように、充填された触媒層の垂直方向下方の中間部に、更に穴あき板を設けることができる。このように構成すると、中間部に設けた穴あき板により触媒層が垂直方向に分割され、それによって触媒層の下降量も分割される。そのため各穴あき板の下側に発生する触媒層の下降量は、中間部に穴あき板を設けない場合に比べて減少し、熱源から触媒層への熱量低下現象をより長期間防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の反応器の実施例を示す縦断面図。
【図２】図１の反応器外観を示す斜視図。
【図３】図１の実施例において使用される穴あき板８の斜視図。
【図４】図１の反応器の触媒層の下降現象を説明する模式的断面図。
【図５】本発明の反応器の他の実施例の外観を示す斜視図。
【図６】他の実施例において使用される穴あき板８の斜視図。
【図７】従来の反応器の触媒層の下降現象を説明する模式的断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
次に図面に基づいて、本発明の実施の形態につき説明する。
図１は本発明の反応器の縦断面図であり、図２は反応器の外観を示す斜視図である。
図１に示す反応器Ａは、固体高分子型等の燃料電池に供給される改質器として使用される二重筒縦型の反応器である。反応器Ａは断面円形な内筒１と外筒２を有し、両者の上下間はそれぞれ円環状の上蓋３と底板４で互いに連結されている。上蓋３には反応流体Ｂ１の流入部５が設けられ、底板４には生成流体Ｂ２の排出部６が設けられる。
【００２３】
本発明において反応器の上下関係とは、図１に示す上下関係、例えば垂直に延長する外筒１または内筒２において、それらの上蓋３側が上もしくは上部であり、底板４側が下もしくは下部を意味する。また、反応器を流れる流体の上流側とは、図１に示す流入部５に近い領域で、流体の下流側とは排出部６に近い領域を意味する。
【００２４】
内筒２と外筒１の間の空間に触媒層７が形成される。触媒層７は粒状の改質触媒を密に充填して固定層型に形成される。
本発明の特徴部分である穴あき板８は、触媒層７の上側に設けられる。穴あき板８は、例えば、図３に示す如く、微細な孔を有する金属板材を円環状に加工して作られる。穴あき板８に形成される多数の微細な孔の開口面積もしくは直径は、触媒を通過させず流体のみが通過できる範囲とされる。
【００２５】
この穴あき板８は、金属板材に多数の微細な孔を形成した平板状のパンチングメタルやエキスパンドメタルの形状を変形して作ることが望ましい。ステンレス製のパンチングメタルやエキスパンドメタルは、変形加工しやすく剛性、耐熱性等の耐久力も高いのでより望ましい。
【００２６】
穴あき板８は図１に示すように、円環状の周方向の断面が内筒２側に接する部分から外筒１側に接する部分に向かって上方向に直線状に傾斜している。この傾斜角度は、その角度の大きさにより前記余剰触媒量が変化するので、所望の余剰触媒量になるように実験等によりその範囲を選択すればよい。
【００２７】
穴あき板８の傾斜形状は、上記のような直線状に傾斜する以外に、面が下方に凹む円弧状（凹面状）に上昇するように傾斜させてもよい。そのように形成すると同じ外周径の穴あき板８であっても、外筒側の高さを直線状の場合より大きくすることができる。
【００２８】
図１の例では穴あき板８は、その外周部を外筒１の内周面に周方向に複数設けた突起で構成される固定部９上に載置される。また、外筒１の内周面に周方向に凹溝を形成し、円環状のリングをその凹溝に嵌入して、突起の替りとすることもできる。さらに、外筒１の内周面に周方向に形成した凹溝により固定部９を構成し、その凹溝に穴あき板８の外周部を嵌入させて固定する方法でもよい。固定部９は、内筒２の外周面に設けてもよい。
【００２９】
固定部９は触媒層７に配置する穴あき板８の設定位置の目印もしくは基準となるもので、それは内筒２の内側から触媒層７へ所望の熱量伝達を行う内筒２の垂直方向の位置になる。
【００３０】
図１の例は、触媒層７の表面より下方の中間部にも、孔あき板８を１つ以上設けている。下方の中間部にも固定部９を設け、それぞれの高さの固定部９に穴あき板８を配置する。この例以外にも、穴あき板８は触媒層７の表面のみに設けることもできる。
【００３１】
次に、図１に示す反応器Ａの作用を説明する。先ず上蓋３を取り外した状態で内筒２と外筒１の間の空間に粒状の触媒を充填して触媒層７を形成する。形成する触媒層７の表面高さは、穴あき板８の外周部を固定する固定部９側が最上位置になり内筒２側に向かって下方に傾斜するように充填する。
【００３２】
次いで、穴あき板８を固定部９に固定する。なお触媒を多めに充填した後、穴あき板８及びまたは反応器Ａをゆるく振動させながら穴あき板８を固定部９に固定すれば、触媒層７の表面も穴あき板８の傾斜する底面に追従してその表面全体が穴あき板８の底面に密着させることができる。穴あき板８の固定が完了したら、上蓋３を閉じて内部を密封状態にする。
【００３３】
反応器Ａで改質反応するには、先ず内筒２の内側に加熱気体からなる熱源Ｃを流通させる。熱源Ｃは伝熱ヒータ等の電熱式でもよい。触媒層７が所定温度に達した後、都市ガスなどの原料ガスと水蒸気を混合した反応流体Ｂ１を流入部５から触媒層７に流入させて改質反応を行う。生成された水素リッチな改質ガスは生成流体Ｂ２として排出部６から排出される。
なお、この実施例では、反応流体Ｂ１の流入部５を反応器Ａの上蓋３に設け、反応器Ａの底板４に排出部６を設ける構成を取っているが、流入部５を反応器Ａの底板４に設け、排出部６を反応器Ａの上蓋３に設け、反応器Ａの下方から反応流体Ｂ１を流入することもできる。
【００３４】
図４は、図１の反応器の触媒層の下降現象を説明する模式的断面図である。図４（ａ）は反応器Ａに触媒を充填した初期状態の触媒層７の状態であり、図４（ｂ）は長期間使用後における触媒層７の表面状態である。
【００３５】
図４（ａ）に示すように、触媒層７を形成した初期における触媒層７の表面は、内筒２の外周面に接する触媒層７の高さがＰ１の位置になっており、これは熱源から触媒層７への所望の熱量伝達を達成するための高さＨに一致している。また外筒１の内周面に接する触媒層７の高さはＰ２の位置となっており、これは前記Ｐ１の位置より上方に位置する。そしてＰ１とＰ２の間の高低差領域にある触媒が前記の余剰触媒である。
【００３６】
一方、図４（ｂ）示すように、長期間使用後における触媒層７の表面は、外筒１の内周面に接する触媒層７の高さはＰ２の位置より下方のＰ３まで低下しているが、内筒２の外周面に接する触媒層７の高さはＰ１の位置のままである。
これは触媒層７の収縮作用または粉化作用などにより、触媒層７の表面沈下が外筒１側から内筒２側に向かって徐々に進行した結果である。なお、触媒層７の垂直方向下方の中間位置にさらに穴あき板８を設けた場合は、その中間位置の穴あき板８の下側の触媒層７の表面変化も上記と同様になる。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
上記実施例で示した反応器は、燃料電池システムのおける改質器として使用されるものとして例示したが、使用用途は改質器に限られず脱硫器その他の反応器としても利用できるものである。
また、本願発明の実施例として、二重筒縦型の反応器について述べてきたが、本願発明は、外筒１と内筒２の間に１以上の中間筒を設けた多重筒縦型の反応器においても適用できる。さらに、本願の反応器は、円筒型の反応器に限られるものではない。例えば、図５に示す如く、方形二重筒縦型の反応器とし、図６に示す如く、穴あき板８を内筒側から外筒側に向かって上向きに傾斜する、方形環状とする変更は、本願の技術的範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００３８】
１  外筒
２  内筒
３  上蓋
４  底板
５  流入部
６  排出部
７  触媒層
８  穴あき板
９  固定部
Ａ  反応器
Ｂ１  反応流体
Ｂ２  生成流体
Ｃ  熱源
【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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