(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸線方向一端側に反応ガス入口を有し他端側に反応ガス出口を有する略円筒状のケーシングと、このケーシングに同心上に内蔵され多孔質担体に触媒が担持されてなり軸線方向両端部が閉塞された中空円筒状の触媒層と、この触媒層の径方向内側と径方向外側のいずれか一方に設けられ前記反応ガス入口に連通して該触媒層に反応ガスを供給する反応ガス供給部と、前記触媒層の径方向内側と径方向外側の残る他方に設けられ前記反応ガス出口に連通して該触媒層を通過した反応ガスが集合する反応ガス排出部と、を備え、前記反応ガス供給部に供給された前記反応ガスが前記反応ガス排出部に向かって前記触媒層を径方向に流れる触媒反応器において、
前記触媒は、前記反応ガスから一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去触媒であり、
前記ケーシングの外側であって前記反応ガス入口側に冷媒入口ヘッダが設けられ、前記ケーシングの外側であって前記反応ガス出口側に冷媒出口ヘッダが設けられ、前記冷媒入口ヘッダと前記冷媒出口ヘッダが、前記触媒層を軸方向に貫通する多数の冷却管体によって接続され、冷媒が前記冷媒入口ヘッダから前記冷却管体を通って前記冷媒出口ヘッダに流通可能であることを特徴とする触媒反応器。
【請求項２】
前記冷却管体は前記触媒層の径方向および周方向に等間隔に分散配置されていることを特徴とする請求項１に記載の触媒反応器。
【請求項３】
燃料電池自動車に搭載された一酸化炭素除去器であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の触媒反応器。
【請求項４】
径の異なる複数の前記触媒層が同心状に配置され、各触媒層はそれぞれ前記反応ガス供給部と前記反応ガス排出部を備え、各触媒層の反応ガス供給部に前記反応ガスが並列的に供給されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の触媒反応器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、担体に触媒を担持してなり、流通する反応ガスを触媒反応させる触媒反応器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
触媒技術の発達により、該種触媒反応器は各種産業においてその目的に応じて広く利用されている。
例えば、近年、環境汚染物質の排出が極めて少ないクリーンなエネルギー源として燃料電池が注目されており、自動車産業においても、車載した燃料電池で発生させた電力でモータを回転し車両を駆動する燃料電池自動車が開発されている。
【０００３】
この種の燃料電池には、固体高分子電解質膜の両側にアノードとカソードとを備え、アノードに水素リッチな燃料ガスを供給し、カソードに酸化剤ガス（例えば酸素あるいは空気）を供給して、これらガスの酸化還元反応にかかる化学エネルギを直接電気エネルギとして抽出するようにしたものがある。この燃料電池では、アノード側で水素ガスがイオン化して固体高分子電解質中を移動し、電子は、外部負荷を通ってカソード側に移動し、酸素と反応して水を生成する一連の電気化学反応による電気エネルギを取り出すことができるようになっている。
【０００４】
この燃料電池への燃料ガスの供給方法として、メタノールやガソリンなどの炭化水素を含む原燃料を、水蒸気改質により水素リッチな燃料ガス（以下、水素リッチガスと略す）に改質し、この水素リッチガスを燃料電池の燃料ガスとして供給する場合がある（特開２０００−３０２４０８号公報等）。この時、前記原燃料を水素リッチガスに改質するのに、改質触媒およびこれを収容してなる改質反応器（触媒反応器）が利用されている。
【０００５】
特開２０００−６３１０１号公報には、従来の前記改質反応器が開示されており、図１０にその概略構成を示す。この改質反応器９０は、軸線方向両端部に反応ガス入口９１と反応ガス出口９２が設けられた円筒状のケーシング９３を備え、反応ガス入口９１に連なる分配管９４がケーシング９３の軸中心上に内蔵され、この分配管９４の外側に円盤状をなす複数の反応部９５が軸線方向に所定間隔で並列的に配設されて構成されている。各反応部９５は、反応ガス供給室９６を画成するバックプレート９７と、反応ガス供給室９６に対して反応ガス出口９２側に配置された触媒層９８とから構成され、分配管９４には各反応部９５の反応ガス供給室９６に連通する連通孔９９が設けられている。そして、触媒層９８はハニカム状の担体に改質触媒（例えば、銅あるいは亜鉛系の触媒）を担持して形成されている。
【０００６】
この改質反応器９０におけるガスの流れは、反応ガス入口９１から分配管９４に流入し、分配管９４から各連通孔９９を介して各反応部９５の反応ガス供給室９６に流入し、さらに各触媒層９８を通過して、各反応部９５とケーシング９３の間に流出し、反応ガス出口９２へと流れる。
この改質反応器９０においては、メタノールあるいはガソリン等の原燃料と水蒸気と酸素とを反応ガス入口９１から供給しており、これにより、触媒層９８の触媒表面で酸素と原燃料が酸化反応を起こして発熱し、その熱を吸熱して原燃料と水が改質反応を起こし、水素リッチガスに改質される。すなわち、この改質反応器９０は、部分酸化と水蒸気改質を組み合わせてなる所謂オートサーマル式改質反応器である。
【０００７】
この改質反応器９０では、酸化反応（部分酸化）は触媒層９８の上流部分に担持された触媒において行われ、その際に生じた熱を吸熱して改質反応が行われることから、触媒層９８の厚さ寸法（反応ガスの流れ方向に沿う長さ）を長くしても実質的な反応面積を増大させることはできず、処理量（出力）を増大させることはできない。
そのため、この改質反応器９０で処理量（出力）を増大するため反応面積を大きくするには、触媒層９８の薄肉化と、触媒層９８の平面的な拡張（外径の増大）と、反応部９５の多段化で対処していた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述した従来の改質反応器９０では、その構造上、反応部９５の触媒層９８を通過した反応ガスを反応ガス出口９２に導くためのガス流路を確保する上で、隣り合う反応部９５同士の間に、ケーシング９３の軸線方向の隙間が必要不可欠となり、そのため、反応部９５の段数を増やすと出力増大に見合う以上の改質反応器９０の長尺化を招き、装置容量に対する出力の割合（すなわち出力密度）が低くなるという欠点があった。
そこで、この発明は、簡単な構造ながら、出力密度が高く、装置の小型・軽量化に好適な触媒反応器を提供するものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、軸線方向一端側に反応ガス入口（例えば、後述する実施の形態における反応ガス入口１１ａ）を有し他端側に反応ガス出口（例えば、後述する実施の形態における反応ガス出口１２ａ）を有する略円筒状のケーシング（例えば、後述する実施の形態におけるケーシング１０）と、このケーシングに同心上に内蔵され多孔質担体に触媒（例えば、後述する実施の形態におけるＣＯ除去触媒）が担持されてなり軸線方向両端部が閉塞された中空円筒状の触媒層（例えば、後述する実施の形態における触媒層３１）と、この触媒層の径方向内側と径方向外側のいずれか一方に設けられ前記反応ガス入口に連通して該触媒層に反応ガスを供給する反応ガス供給部（例えば、後述する実施の形態における反応ガス供給路３）と、前記触媒層の径方向内側と径方向外側の残る他方に設けられ前記反応ガス出口に連通して該触媒層を通過した反応ガスが集合する反応ガス排出部（例えば、後述する実施の形態における反応ガス排出路５）と、を備え、前記反応ガス供給部に供給された前記反応ガスが前記反応ガス排出部に向かって前記触媒層を径方向に流れる触媒反応器において、前記触媒は、前記反応ガスから一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去触媒であり、前記ケーシングの外側であって前記反応ガス入口側に冷媒入口ヘッダ（例えば、後述する実施の形態における冷媒入口ヘッダ５１）が設けられ、前記ケーシングの外側であって前記反応ガス出口側に冷媒出口ヘッダ（例えば、後述する実施の形態における冷媒出口ヘッダ５２）が設けられ、前記冷媒入口ヘッダと前記冷媒出口ヘッダが、前記触媒層を軸方向に貫通する多数の冷却管体（例えば、後述する実施の形態における冷却管５３）によって接続され、冷媒が前記冷媒入口ヘッダから前記冷却管体を通って前記冷媒出口ヘッダに流通可能であることを特徴とする触媒反応器（例えば、後述する実施の形態におけるＣＯ除去器５０）である。
このように構成することにより、反応ガスは、触媒層の径方向外側に設けられた反応ガス供給部から触媒層の径方向内側に設けられた反応ガス排出部に向かって径方向に、あるいは、触媒層の径方向内側に設けられた反応ガス供給部から触媒層の径方向外側に設けられた反応ガス排出部に向かって径方向に流れる。そして、反応ガス供給部に面する触媒層の内周面全面または外周面全面に沿った部分を触媒層の上流部分とすることができ、触媒層の軸線方向長さを長くすることによって反応面積を直接的に無駄なく効果的に増大させることが可能になる。また、担体を多孔質担体としているので、担体の表面積が増大し、その結果、触媒の担持量を増大することが可能になる。
また、冷媒が流通する通路を触媒層に容易に形成することが可能になるとともに、該通路を備えた触媒反応器の構造が簡単になる。
さらに、前記通路である冷却管体に冷媒を流すことにより、触媒層の触媒温度を触媒反応に最適な温度に直接的に制御することが可能になる。その結果、一酸化炭素除去触媒において一酸化炭素から二酸化炭素への反応が確実に行われるようになり、逆シフト反応を防止することができる。
【００１１】
請求項２に記載した発明は、請求項１に記載の発明において、前記冷却管体は前記触媒層の径方向および周方向に等間隔に分散配置されていることを特徴とする。
請求項３に記載した発明は、請求項１または請求項２に記載の発明において、燃料電池自動車に搭載された一酸化炭素除去器（例えば、後述する実施の形態におけるＣＯ除去器５０）であることを特徴とする。
【００１２】
請求項４に記載した発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の発明において、径の異なる複数の前記触媒層が同心状に配置され、各触媒層はそれぞれ前記反応ガス供給部と前記反応ガス排出部を備え、各触媒層の反応ガス供給部に前記反応ガスが並列的に供給されることを特徴とする。
このように構成することにより、触媒層の短尺化と反応面積の増大が可能になる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
初めに、この発明に係る触媒反応器の前提となる技術を図１から図６の図面を参照して説明する。
〔第１の前提技術〕
第１の前提技術を図１および図２の図面を参照して説明する。第１の前提技術における触媒反応器は、燃料電池自動車に搭載されたエネルギー発生装置としての燃料電池に供給される燃料ガスを生成する改質反応器としての態様であり、この場合、改質反応器は、前述したように、メタノールまたはガソリンなどの炭化水素を含む原燃料を、水蒸気改質等により水素リッチガスに改質し、燃料電池に供給する。
【００１９】
図１は、第１の前提技術における改質反応器の縦断面であり、この改質反応器１はオートサーマル式改質反応器である。
改質反応器１は、軸線方向一端部に入口フランジ１１、他端部に出口フランジ１２を有する略円筒状のケーシング１０を備えており、入口フランジ１１には反応ガス入口１１ａが形成され、出口フランジ１２には反応ガス出口１２ａが形成されている。また、ケーシング１０は、入口フランジ１１に連結されケーシング１０の内部にその軸線方向に沿って延びる短尺のインナーパイプ１３と、インナーパイプ１３の外周に連結されてケーシング１０の上流側外装を構成する第１アウターケーシング１４と、出口フランジ１２に連結されてケーシング１０の下流側外装を構成する第２アウターケーシング１５、とを備えており、第２アウターケーシング１５の直胴部１５ａは第１アウターケーシング１４の直胴部１４ａを覆うように設置され、シール状態に接合されている。
【００２０】
ケーシング１０の内部には、インナーパイプ１３の先端に固定され該先端から下流側（出口フランジ１２側）に向かって拡径する皿状のバックプレート２１が、第１アウターケーシング１４の端板部１４ｂに沿って設置されており、バックプレート２１の先端部２１ａは第１アウターケーシング１４の直胴部１４ａの近傍において直胴部１４ａと平行に形成されている。
【００２１】
また、改質反応器１は、ケーシング１０に内蔵されたエレメント３０を備えている。エレメント３０は、軸中心をケーシング１０の軸中心上に配置した中空円筒状の触媒層３１と、触媒層３１の軸線方向上流側（入口フランジ１１側）に設けられた円板状の第１遮蔽板３２と、触媒層３１の軸線方向下流側（出口フランジ１２側）に設けられたドーナツ板状の第２遮蔽板３３と、触媒層３１の径方向外側に配置され基端を第２遮蔽板３３に固定され先端をバックプレート２１に向かって延ばす円筒状のインナーケーシング３４、とを備えている。
【００２２】
触媒層３１と第１遮蔽板３２の外径は同寸法にされており、バックプレート２１の先端部２１ａの内径よりも小径に設定されている。第１遮蔽板３２は、触媒層３１における入口フランジ１１側の端面、および、触媒層３１の中空部３１ａの端部をシール状態に塞いでいる。
第２遮蔽板３３は、触媒層３１よりも大きい外径を有し、その外周縁は第２アウターケーシング１５の端板部１５ｂの外周縁近くまで延びていて、端板部１５ｂに固定されている。また、第２遮蔽板３３の中央には、触媒層３１の中空部３１ａの内径と同径の貫通孔３３ａが形成されている。第２遮蔽板３３は、触媒層３１における出口フランジ１２側の端面をシール状態に塞いでおり、第２遮蔽板３３の貫通孔３３ａは触媒層３１の中空部３１ａに連通している。
【００２３】
インナーケーシング３４は、バックプレート２１の先端部２１ａよりも若干大きい外径を有し、インナーケーシング３４の先端部３４ａの内側に、バックプレート２１の先端部２１ａが挿入され、シール状態に接している。これにより、インナーケーシング３４の先端部２１ａはバックプレート２１に支持される。
そして、触媒層３１の径方向外側であってインナーケーシング３４との間に形成されるリング状の空間は、反応ガス入口１１ａから流入した反応ガスを触媒層３１に導入する反応ガス供給路（反応ガス供給部）３にされており、触媒層３１の中空部３１ａは、触媒層３１を通過した反応ガスが集合する反応ガス排出路（反応ガス排出部）５にされている。なお、反応ガス供給路３は入口フランジ１１側が開口していて、出口フランジ１２側が第２遮蔽板３３によって閉塞されており、反応ガス排出路５は出口フランジ１２側が開口していて、入口フランジ１１側が第１遮蔽板３２によって閉塞されている。
【００２４】
触媒層３１は、多孔質体からなりガス流通性を有する担体（以下、多孔質担体という）に、メタノールやガソリン等の炭化水素を含む原燃料ガスを水素リッチガスに改質する改質触媒を担持して構成されている。なお、多孔質担体としては、例えば、多孔質金属、燒結金属、セラミックスなど連続ポーラスの多孔質体を例示することができ、改質触媒としては、銅系・亜鉛系・白金系・ロジウム系・パラジウム系の触媒を例示することができる。
【００２５】
この改質反応器１における反応ガスの流れを説明する。例えば、炭化水素を含む原燃料としてのメタノール水溶液を気化させてなるガスと酸素との混合ガスが、原燃料ガス（以下、反応ガス）として反応ガス入口１１ａから改質反応器１に供給されると、この反応ガスは、インナーパイプ１３を通ってバックプレート２１と第１遮蔽板３２との間に導入され、第１遮蔽板３２に突き当たり、ここで、径方向外側へ全周的に流れの向きを変え、バックプレート２１と第１遮蔽板３２との間を流れていって、反応ガス供給路３に導入される。
【００２６】
反応ガス供給路３に導入された反応ガスは、反応ガス供給路３を触媒層３１の軸線方向に沿って出口フランジ１２側に向かって流下していくとともに、触媒層３１の外周面全面に設けられているポーラスから触媒層３１内に侵入し、触媒層３１に担持されている改質触媒に接触しながら、且つ、連続するポーラスを順次進みながら触媒層３１を径方向内側へと進んでいく。
【００２７】
そして、反応ガスが触媒層３１を径方向内側に流通する際に、まず、触媒層３１の外周面側に近い浅層部に担持された改質触媒において、メタノールと酸素が酸化反応を起こし発熱する。この酸化反応は次式（１）のように表される。
ＣＨ3ＯＨ  ＋  ３／２Ｏ2  →  ＣＯ2  ＋  ２Ｈ2Ｏ    ・・・式（１）
そして、前記酸化反応により発生した熱を吸熱して、その周囲あるいは前記浅層部よりも径方向内側に位置する深層部に担持された改質触媒おいて、メタノールと水が吸熱反応である改質反応を起こし、反応ガスを水素リッチガスに改質する。この改質反応は次式（２）のように表される。
ＣＨ3ＯＨ  ＋  Ｈ2Ｏ  →  ＣＯ2  ＋  ３Ｈ2    ・・・式（２）
【００２８】
そして、触媒層３１の中空部３１ａの内周面に到達した改質後の反応ガス（すなわち、水素リッチガス）は該内周面全面に設けられているポーラスから反応ガス排出路５に放出され、この反応ガス排出路５で集合した後、第２遮蔽板３３の貫通孔３３ａおよび第２アウターケーシング１５の内部を通って反応ガス出口１２ａから流出し、次工程（例えば、シフト反応器やＣＯ除去器によるＣＯ除去工程）を経て燃料電池に燃料ガスとして供給される。
【００２９】
このように、第１の前提技術における改質反応器１においては、反応ガス供給路３に面する触媒層３１の外周面全面に沿った部分を触媒層３１の上流部分とすることができ、図２に示すように触媒層３１の軸線方向長さを長くすることによって実質的な反応面積（換言すれば、触媒反応に有効に寄与可能な反応面積）を、直接的に無駄なく効果的に増大させることが可能になる。
【００３０】
特に、この改質反応器１では、触媒層３１の径方向外側に反応ガス供給路３を設けていることから、触媒層３１の中空部３１ａを反応ガス供給路にする場合よりも反応面積を大きくすることができる。この結果、酸化反応で生じる発熱量を多くすることができ、ひいては、その後で行われる吸熱反応を促進することができて、前出の従来型の改質反応器よりも容量に対する出力割合、すなわち出力密度を高めることができる。
【００３１】
また、出力（ガス流量）を同じとして比較した場合に、この改質反応器１の方が従来型の改質反応器よりも改質触媒の担持量を減少させることができ、改質反応器１を小型・軽量化することが可能となる。
特に、車載スペースに限りがある燃料電池自動車では、改質反応器１の小型化は車載性の点で極めて有利である。また、改質反応器１の軽量化により、燃料電池自動車の燃費が向上する。
【００３２】
〔第２の前提技術〕
次に、第２の前提技術を図３から図６の図面を参照して説明する。第２の前提技術も第１の前提技術と同様に改質反応器の態様であり、第２の前提技術における改質反応器１が第１の前提技術のものと相違する点は、ケーシング１０に内蔵されるエレメントの構造にある。
図３は、第２の前提技術における改質反応器１のエレメント４０の縦断面図であり、図４は図３のIV−IV断面図である。
第１の前提技術におけるエレメント３０に対応する第２の前提技術におけるエレメント４０は、ケーシング１０の軸中心に同心状に配置された２つの触媒層４１，４２を備えている。内側に配置された中空円筒状の第１触媒層４１と、第１触媒層４１の外側に配置された中空円筒状の第２触媒層４２の間には、両触媒層４１，４２との間に隙間を有して円筒状の隔壁筒４３が設置されており、第２触媒層４２の外側には径方向に隙間を有して円筒状のインナーケーシング４６が設置されている。
【００３３】
第１触媒層４１の径方向外側であって隔壁筒４３との間に形成されるリング状の空間は、反応ガス入口１１ａから流入した反応ガスを第１触媒層４１に導入する反応ガス供給路（反応ガス供給部）３Ａにされており、第１触媒層４１の軸中心に沿って形成された中空部４１ａは、第１触媒層４１を通過した反応ガスが集合する反応ガス排出路（反応ガス排出部）５Ａにされている。
そして、第１触媒層４１において入口フランジ１１側（図３において左側）には、第１触媒層４１の入口フランジ１１側端面と反応ガス排出路５Ａの入口フランジ１１側端部を塞ぐ第１遮蔽板４４が取り付けられており、第１触媒層４１において出口フランジ１２側（図３において右側）には、第１触媒層４１の出口フランジ１２側端面と反応ガス供給路３Ａの出口フランジ１２側端部を塞ぐ第２遮蔽板４５が取り付けられている。なお、反応ガス供給路３Ａの入口フランジ１１側は反応ガスの入口として開口しており、反応ガス排出路５Ａの出口フランジ１２側は反応ガスの出口として開口している。
【００３４】
第２触媒層４２の径方向外側であってインナーケーシング４６との間に形成されるリング状の空間は、反応ガス入口１１ａから流入した反応ガスを第２触媒層４２に導入する反応ガス供給路（反応ガス供給部）３Ｂにされており、第２触媒層４２の径方向内側であって隔壁筒４３との間に形成されるリング状の空間は、第２触媒層４２を通過した反応ガスが集合する反応ガス排出路（反応ガス排出部）５Ｂにされている。
そして、第２触媒層４２において入口フランジ１１側には、第２触媒層４２の入口フランジ１１側端面と反応ガス排出路５Ｂの入口フランジ１１側端部を塞ぐ第３遮蔽板４７が取り付けられており、第２触媒層４２において出口フランジ１２側には、第２触媒層４２の出口フランジ１２側端面と反応ガス供給路３Ｂの出口フランジ１２側端部を塞ぐ第４遮蔽板４８が取り付けられている。なお、反応ガス供給路３Ｂの入口フランジ１１側は反応ガスの入口として開口しており、反応ガス排出路５Ｂの出口フランジ１２側は反応ガスの出口として開口している。
その他の構成については第１の前提技術の改質反応器１と同じであるのでその説明を省略し、以下の説明では第１の前提技術で説明した構成を援用する。
【００３５】
このように構成された、改質反応器１においては、第１触媒層４１と第２触媒層４２は反応ガスの流れに対して並列的に配置されている。すなわち、反応ガス入口１１ａから導入された反応ガスは主たる二つの流れに分けられ、第１触媒層４１の反応ガス供給路３Ａと第２触媒層４２の反応ガス供給路３Ｂにそれぞれ並んで供給され、第１触媒層４１あるいは第２触媒層４２で改質処理された反応ガス（すなわち、水素リッチガス）は反応ガス排出路５Ａあるいは５Ｂを通り、第２アウターケーシング１５の内部で一つの流れに集合して反応ガス出口１２ａから流出する。第１触媒層４１および第２触媒層４２の作用は第１の前提技術における触媒層３１と同じである。
このように、中空円筒状の触媒層を同心状に多重化（多層化）することにより、触媒層の短尺化と反応面積の増大が可能になり、改質反応器１の出力密度を高めることができる。また、触媒層の多重化により、改質反応器１の外形寸法等の設計自由度の拡大を図ることができる。
【００３６】
図５および図６は、第１の前提技術の単層構造の改質反応器１と、第２の前提技術の二重構造の改質反応器１に対して実験を行い、その実験結果から改質反応器１の長さと出力との関係をグラフ化したものである。これら図において、改質率とは、投入した炭化水素燃料の転化率である。
この実験結果から、それぞれの改質反応器１の長さおよび外径を同寸法とした場合、二重構造の改質反応器１の方が単層の改質反応器１よりも出力が大きくなる（すなわち、出力密度が大きくなる）ことがわかる。さらに具体的に数値を示せば、同寸法の改質反応器１で比較すると、二重構造の改質反応器１は触媒表面積が単層構造のものよりも約３５％増大し、出力も約２６％増大した。
【００３７】
この第２の前提技術における改質反応器１によれば、前述した第１の前提技術の改質反応器１の作用・効果に加えて、触媒層の軸線方向長さの増大と、触媒層の多重化を組み合わせることで、出力密度の増大と、装置外形寸法等の設計自由度の拡大を図ることができる。
【００３８】
〔発明の実施の形態〕
次に、この発明に係る触媒反応器の実施の形態を図７から図９の図面を参照して説明する。
一般に、触媒には、その触媒反応に固有の活性温度があり、その活性温度域に入っていないと目的とする触媒反応を生じさせることができない。例えば、前述した改質反応器１による改質反応では反応生成物として水素と共に二酸化炭素（ＣＯ２）が生じるが、その中間生成物である一酸化炭素（ＣＯ）がそのまま改質反応器１から排出される場合がある。しかしながら、燃料電池に供給される改質ガス中のＣＯ濃度が高いと、燃料電池のアノードがＣＯ被毒され、燃料電池は出力低下を招く虞がある。そのため、燃料電池における燃料ガス供給システムにおいては、改質反応器１の下流であって燃料電池の上流にＣＯ除去器を設置し、改質反応器１で生成された改質ガス（すなわち、水素リッチガス）中のＣＯをＣＯ２に化学変化させることにより除去している。そして、このＣＯ除去器も、多孔質担体に担持される触媒を改質触媒からＣＯ除去用の触媒（以下、ＣＯ除去触媒という）に代えることで、改質反応器１と同様の構造の触媒反応器で構成することができる。
【００３９】
ところで、このＣＯ除去触媒においてＣＯをＣＯ２に変化させる反応は酸化反応であり発熱を伴うが、触媒温度が約３００゜Ｃ以上になると、反応が逆に進む（ＣＯ２→ＣＯ）所謂逆シフト反応が起こり、触媒内でＣＯが大量に発生する事象が生じる。
そのため、触媒反応を利用したＣＯ除去器では、触媒温度が３００゜Ｃ以上にならないように、一般的に冷却システムを設けて触媒の温度制御を行っている。この実施の形態は、このような触媒の温度制御に好適な触媒反応器である。
【００４０】
以下、この実施の形態における触媒反応器をＣＯ除去器５０としての態様で説明する。
図７は、この実施の形態のＣＯ除去器５０の縦断面であり、基本構成は前述した第１の前提技術における改質反応器１と同じであるので、同一態様部分には同一符号を付して説明を省略し、相違点だけを説明する。
エレメント３０の触媒層３１には、改質触媒に代えてＣＯ除去触媒が担持されている。ここで、ＣＯ除去触媒として白金（Ｐｔ）やルテニウム（Ｒｕ）等の酸化触媒を例示することができる。
【００４１】
このＣＯ除去器５０においては、第１アウターケーシング１４の外側であって第１アウターケーシング１４よりも入口フランジ１１側に、リング状の冷媒入口ヘッダ５１が設けられており、また、第２アウターケーシング１５の外側であって第２アウターケーシング１５よりも出口フランジ１２側に、リング状の冷媒出口ヘッダ５２が設けられている。冷媒入口ヘッダ５１と冷媒出口ヘッダ５２は、エレメント３０の触媒層３１を貫通する多数の冷却管（管体）５３によって接続されている。
冷却管５３はいずれも直管からなり、触媒層３１の多孔質担体を軸線方向に沿い貫通して配置されるとともに、図８に示すように、触媒層３１の径方向および周方向に等間隔に分散配置されている。そして、各冷却管５３の内部は冷却水や空気等の冷媒が流通可能な通路にされている。
【００４２】
このＣＯ除去器５０においては、冷媒としての冷却水が図示しない熱交換装置から冷媒入口ヘッダ５１に供給される。冷媒入口ヘッダ５１に供給された冷媒は、各冷却管５３に分散され、各冷却管５３の内部を通って冷媒出口ヘッダ５２に流れ込み、冷媒出口ヘッダ５２で集合した後、前記熱交換装置に戻される。この時、冷媒が各冷却管５３の内部を通過する際に、冷媒は冷却管５３を介して触媒層３１の多孔質担体と熱交換を行い、多孔質担体を冷却して、多孔質担体に担持されているＣＯ除去触媒を所定温度（例えば、約３００゜Ｃ）以下に温度制御する。すなわち、冷媒は、ＣＯ除去触媒で触媒反応により生じた熱を奪い、ＣＯ除去触媒を冷却する。これにより、ＣＯ除去触媒においてＣＯからＣＯ2への反応が確実に行われるようになり、前述した逆シフト反応を防止することができる。その結果、ＣＯ除去器５０で処理された反応ガス中のＣＯ濃度を確実に低くすることができ、燃料電池のアノードがＣＯ被毒するのを確実に防止することができ、ひいては、燃料電池の性能低下を確実に防止することができる。
【００４３】
図９は、ＣＯ除去器のガス流量と出口ＣＯ濃度の関係について、冷却システムを備えた実施の形態のＣＯ除去器５０と、冷却システムを備えないＣＯ除去器において比較実験を行ったときの実験結果を示したものである。
この実験結果から、冷媒供給のないＣＯ除去器ではガス流量の増大に伴い発熱量が増大するとともに、ＣＯ除去器の出口におけるＣＯ濃度が急激に増大していくのに対して、冷媒供給のあるＣＯ除去器では、触媒の温度制御が行われることから、ＣＯ除去器のガス流量を増大しても出口におけるＣＯ濃度が低レベルに維持されることが明白である。
【００４４】
以上のように、この実施の形態のＣＯ除去器５０においては、冷媒が流通する冷却管５３を触媒層３１の多孔質担体に貫通して設けたことにより、多孔質担体に担持されているＣＯ除去触媒の触媒温度を目的とする触媒反応に最適な温度に直接的に制御することが可能になり、目的とする触媒反応を効率的に且つ確実に行わしめることができる。
また、冷媒の通路を冷却管５３で形成しているので、冷却構造が容易にでき、ひいては冷却通路付きＣＯ除去器５０の構造を簡単にすることができる。
【００４５】
〔他の実施の形態〕
尚、この発明は前述した実施の形態に限られるものではない。
例えば、前述した実施の形態の触媒反応器では、触媒層の径方向外側に反応ガス供給路を設け、径方向内側に反応ガス排出路を設けて、反応ガスを触媒層の径方向外側から径方向内側に流れるように構成したが、触媒層の径方向内側に反応ガス供給路を設け、径方向外側に反応ガス排出路を設けて、反応ガスを触媒層の径方向内側から径方向外側に流れるようにすることも可能である。
【００４６】
また、第２の前提技術では、触媒層を二重構造にした触媒反応器の例を示したが、触媒層の多重化は二重に限定されるものではなく、三重あるいはそれ以上の多重化も可能である。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明するように、請求項１または請求項２に記載した発明によれば、触媒層の軸線方向長さを長くすることによって反応面積を直接的に無駄なく効果的に増大させることができるとともに、多孔質担体の採用により触媒の担持量を増大することができるので、出力密度が増大し、触媒反応器を小型・軽量化することができるという優れた効果が奏される。
また、冷媒が流通する通路を触媒層に容易に形成することが可能になるとともに、該通路を備えた触媒反応器の構造が簡単になる。
さらに、前記通路である冷却管体に冷媒を流すことにより、触媒層の触媒温度を触媒反応に最適な温度に直接的に制御することが可能になるので、目的とする触媒反応を効率的に且つ確実に行わしめることができるという優れた効果が奏される。すなわち、一酸化炭素除去触媒において一酸化炭素から二酸化炭素への反応が確実に行われるようになり、逆シフト反応を防止することができるので、一酸化炭素除去器で処理された反応ガス中の一酸化炭素濃度を確実に低くすることができる。
【００４９】
請求項３に記載した発明によれば、一酸化炭素除去器の小型・軽量化に伴い、一酸化炭素除去器の車載性が向上し、燃費が向上するという優れた効果が奏される。
請求項４に記載した発明によれば、触媒層の短尺化と反応面積の増大が可能になる。また、触媒反応器の外形寸法等の設計自由度の拡大を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明に係る触媒反応器の前提技術（第１の前提技術）における縦断面図である。
【図２】  前記第１の前提技術における触媒反応器を長尺化した場合の縦断面図である。
【図３】  この発明に係る触媒反応器の前提技術（第２の前提技術）におけるエレメントの縦断面図である。
【図４】  図３のIV−IV断面図である。
【図５】  反応器長さと触媒表面積との関係を示すグラフである。
【図６】  反応器長さと水素生成量との関係を示すグラフである。
【図７】  この発明に係る触媒反応器の実施の形態における縦断面図である。
【図８】  前記実施の形態における触媒反応器のエレメントの断面図である。
【図９】  ガス流量とＣＯ濃度の関係を示すグラフである。
【図１０】  従来の触媒反応器の縦断面図である。
【符号の説明】
３，３Ａ，３Ｂ  反応ガス供給路（反応ガス供給部）
５，５Ａ，５Ｂ  反応ガス排出路（反応ガス排出部）
１０  ケーシング
１１ａ  反応ガス入口
１２ａ  反応ガス出口
３１  触媒層
４１  第１触媒層（触媒層）
４２  第２触媒層（触媒層）
５０  ＣＯ除去器（触媒反応器）
５１  冷媒入口ヘッダ
５２  冷媒出口ヘッダ
５３  冷却管（冷却管体）
【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】
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【図９】
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【図１０】
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