(57)【要約】      （修正有）【課題】多重筒縦型の反応器において、触媒層を流れる流体の偏りを簡単な手法で防止する。【解決手段】上下方向に垂直な外筒１と内筒２を有し、外筒と内筒の間に反応流体が流通する触媒層７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多重筒縦型の反応器において、粒状の触媒を充填することにより形成された前記触媒層中に反応性流体は通過するが粒状の触媒は通過できない多数の微細な穴を有する環状の穴あき板８が埋設され、前記穴あき板は、内筒の外周面に接する環状の内周部と外筒の内周部に接する環状の外周部を有し、前記内周部は外周部より上下方向に突出した形状を有し、それによって形成される環状の傾斜面が前記触媒層中において前記外筒と内筒の間に傾斜状態で埋設されている。【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）の間に流体が流通する触媒層（７）が固定層型に形成された二重筒部分を有する反応器において、
粒状の触媒を充填することにより形成された前記触媒層（７）中に、流体は通過するが粒状の触媒は通過できない多数の微細な穴を有する環状の穴あき板（８）が埋設され、
前記穴あき板（８）は、内筒（２）の外周面に接する環状の内周部（８ａ）と外筒（１）の内周部に接する環状の外周部（８ｂ）を有し、前記内周部（８ａ）と外周部（８ｂ）の上下方向の位置は互いに異なり、それによって形成される環状の傾斜面（８ｃ）が前記触媒層（７）中において前記外筒（１）と内筒（２）の間に傾斜状態で埋設されていることを特徴とする反応器。
【請求項２】
請求項１において、前記穴あき板（８）は触媒層（７）中に所定間隔を有して複数埋設され、隣接する穴あき板（８）の前記傾斜面（８ｃ）が互いに交差する方向になってい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、通常、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す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】
二重筒縦型の反応器は、触媒層に反応用の流体を供給する供給部と生成した流体を外部に排出する排出部を備えている。供給部から触媒層に供給された反応用の流体は、触媒層中を通過する間に触媒作用により反応し、生成した流体が排出部から排出される。
【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】
一般に、二重筒縦型の反応器に設けられる供給部と排出部の流通断面は、触媒層における流通断面と比べるとかなり小さい。そのため供給部と排出部はそれぞれ触媒層の一方の断面と他方の断面の片隅に位置することになり、触媒層中を流通する流体の流れは均一ではなく一方に偏った流れになり易い。
【０００７】
偏りは供給部や排出部の位置関係のほかに、触媒層の不均一性が原因になることもある。固定層型の触媒層の均一性は比較的よい場合が多いが、完全な均一性にするにはノウハウも必要であり容易ではない。また粒状の触媒の粒径の不揃いや大きさによっても均一性が損なわれることもある。
【０００８】
触媒層の不均一性が全体的に分散していれば、各不均一性の部分は互いに相殺されて流体の偏りがそれほど発生しない場合もある。しかし多くの場合、触媒層に発生する複数の不均一性は、場所的に偏る傾向があり、その場合は前記の供給部や排出部の位置関係による流体の偏りと同様な現象が起こる。
【０００９】
触媒層を流れる流体に偏りが生じると、全ての触媒を有効に使用することができないので、触媒の全体的な反応効率が低下する。特許文献１ではそれを解決するため、反応器を複数の容器に分割し、各容器の触媒層中を流体が旋回しながら通過するように工夫し、触媒層中の流体の偏りを低減している。
【００１０】
しかし特許文献１の反応器は、装置が複雑化し構成部品も多くなるという問題が残されている。
そこで本発明は極めて簡単な手法により、触媒層中の流体の偏りを効率よく低減できる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】
【００１１】
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、外筒と内筒の間に流体が流通する触媒層が固定層型に形成された二重筒部分を有する反応器において、粒状の触媒を充填することにより形成された前記触媒層中に、反応性流体は通過するが粒状の触媒は通過できない多数の微細な穴を有する環状の穴あき板が埋設され、前記穴あき板は、内筒の外周面に接する環状の内周部と外筒の内周部に接する環状の外周部を有し、前記内周部と外周部の上下方向の位置は互いに異なり、それによって形成される環状の傾斜面が前記触媒層中において前記外筒と内筒の間を傾斜状態で埋設されていることを特徴とする反応器である（請求項１）。
【００１２】
上記反応器において、前記穴あき板は触媒層中に所定間隔を有して複数埋設され、隣接する穴あき板の前記傾斜面が互いに交差する方向になるように構成することができる（請求項２）。
【００１３】
上記いずれかの反応器において、前記穴あき板８はパンチングメタルで構成することができる（請求項３）。
【００１４】
上記いずれかの反応器において、前記穴あき板８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】
【００１５】
請求項１に記載の本発明の反応器は、触媒層中に流体は通過するが粒状の触媒は通過できない多数の微細な穴を有する環状の穴あき板が埋設され、前記穴あき板は、内筒の外周面に接する環状の内周部と外筒の内周部に接する環状の外周部を有し、前記内周部と外周部の上下方向の位置は互いに異なり、それによって形成される環状の傾斜面が前記触媒層中において前記外筒と内筒の間を傾斜状態で埋設されていることを特徴とする。
【００１６】
このように構成した反応器は、穴あき板を通過する際に流体の流れ方向を穴あき板の面に垂直な方向に変換させる。それによって触媒層中を流れる流体は触媒層の入口側から出口側へほぼ直線状に進むのではなく、傾斜した穴あき板を境に方向転換しながら進む。結果として触媒層内の流体の流れは一方に偏らず均一化され、流体に接する触媒領域が増加し、反応効率の低下を防止することができる。
【００１７】
穴あき板を通過する際に流体の流れ方向が穴あき板の面に垂直な方向に変換できる理由は穴あき板の作用による。穴あき板は流体を通過させるが粒状の触媒は通過できないような微細な穴を多数設けて構成されているので、その流体抵抗は周囲の粒状の触媒の領域よりかなり大きくなる。そのため穴あき板は触媒層中に埋設した状態で一種の堰機能を発揮し、流体は穴あき板の上流側領域に達したとき、全体の流れ抵抗を平均化するような流れ状態に変化する。
そして、流体は傾斜した穴あき板の面から垂直な方向にほぼ均一に流出する。
【００１８】
上記反応器において請求項２に記載のように、穴あき板を触媒層中に所定間隔を有して複数埋設し、隣接する穴あき板の前記傾斜面が互いに交差する方向になるように構成すると、触媒層を流れる流体が穴あき板を通過するごとにその流れ方向が変換される。そのため流体の偏り防止効果は、より効果的に発揮される。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の反応器の実施例を示す側断面図。
【図２】図１の反応器外観を示す斜視図。
【図３】図１の反応器に用いられる穴あき板の斜視図。
【図４】本発明の反応器の他の実施例の外観を示す斜視図。
【図５】同反応器に用いられる穴あき板の斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
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２と外筒１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が流入する流入部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。
【００２１】
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に近い領域を意味する。
【００２２】
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。触媒層７の中に本発明の特徴部分である穴あき板８が埋設されており、本実施例では３つの穴あき板８が埋設されている。なお場合によっては、穴あき板８を触媒層７中に１つだけ設けることも可能である。
【００２３】
図３に示すように穴あき板８は、内筒２の外周面に接するための円環状の内周部８ａと、外筒１の内周部に接するための円環状の外周部８ｂを有し、前記内周部８ａと外周部８ｂの位置は互いに上下方向（もしくは軸方向）に異なり、それによって円環状の傾斜面８ｃが形成され、傾斜面８ｃは触媒層７中において前記外筒１と内筒２の間に傾斜状態で埋設されている。複数の穴あき板８を埋設する際には、図１に示すように、上下方向に隣接する穴あき板８の傾斜面８ｃが互いに交差する方向になるようにする。なお傾斜面８ｃの傾斜角度の大きさにより流体の流れの変換方向が異なるので、実験等により傾斜角度の範囲を選択する。
【００２４】
穴あき板８は、例えばステンレスなどの耐熱性と剛性を有する金属板材を円環状に加工して作られる。孔あき板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を通過させる範囲とされる。
【００２５】
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耐久力も高いのでより望ましい。
【００２６】
穴あき板８は、例えばその外周部８ｂ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（図示せず）上に載置される。外筒１の内周面に周方向の凹溝で固定部を構成し、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しての機能もある。
【００２７】
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複数回に分けて充填しながら穴あき板８を埋設していき、最終的に図１のような触媒層７を形成した後、上蓋３を閉じて内部を密封状態にする。
【００２８】
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加熱源でもよい。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い、生成した流体を排出部６から排出する。
【００２９】
触媒層７を通過する流体は、前記のように埋設された穴あき板８の作用で図１において矢印で示されたような状態で触媒層７をジグザグに通過する。すなわち穴あき板８を通過するごとに流れの方向を変換し、触媒層７全体を満遍なく通過する。生成された水素リッチな改質ガスは生成ガスＢ２として排出部６から排出される。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
実施例で示した反応器は、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４に示す如く、方形二重筒縦型の反応器とし、図５に示す如く、穴あき板８を内筒２から外筒側に向かって傾斜した傾斜面８ｃを有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】
【００３１】
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
８ａ  内周部
８ｂ  外周部
８ｃ  傾斜面
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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