JP2000007301A - 改質反応装置 - Google Patents

改質反応装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 触媒体の反応流体との接触効率や、ヒーター
ユニットの熱交換効率等について改良を施し、水素の生
成効率や、副生成物であるＣＯの低減効率を向上させ
る。 【解決手段】 流体流路３内の上流側に通電発熱可能な
ハニカム構造を有するヒーターユニット１を配置し、ヒ
ーターユニット１の下流側に有機化合物又は一酸化炭素
を含む反応流体から触媒反応によって水素を発生させる
ハニカム構造を有する触媒体２を配置してなる改質反応
装置である。ヒーターユニット１と触媒体２とは、ヒー
ターユニットのセル密度≦触媒体のセル密度という関係
を満たす。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】 本発明は、産業用、車載用
として好適に用いることができる水素発生のための改質
反応装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】 近年、電気の製造におけるクリーン化
が注目され、燃料電池に対する関心が高まっている。燃
料電池は、発電効率が高く、二酸化炭素（CO2）の発生
量も低く、加えて一酸化炭素（CO）や窒素酸化物（N
Ox）等の有害ガスの発生を抑えられるという利点があ
る。したがって、最近、オンサイト(On-site)型の発電
器や車載用に燃料電池を使うための開発が行われてい
る。燃料電池により電気を発生させるためには高純度の
水素が必要とされるが、この水素は、主としてブタンや
プロパン等の炭化水素、メタノール等のアルコール、CO
等を出発原料として触媒反応により生成される。
【０００３】 水素合成の主反応は、水蒸気と触媒の存
在下で起こる水蒸気改質反応（Steam Reforming）であ
るが、本反応は出発原料の物質にも依存するが、一般に
吸熱反応であるがために、いかに触媒を均一に所望の温
度に加熱するかが重要であり、また、反応温度が下がる
とコーキングが発生し、触媒の失活につながるため、工
業上は反応器の設計に多大な注力を必要とする。
【０００４】 また、上記水蒸気改質反応は、燃焼反応
の如く反応速度が速くはないので、処理量に対し比較的
大きな触媒体積を必要とするが、触媒の作用温度が高い
ために触媒の暖気に時間がかかり、オンサイト型や車載
用の燃料電池のように速やかに水素の発生が要求される
技術分野に適用するには問題が多かった。
【０００５】 従来の触媒プロセスにおいては、触媒を
外部加熱する方法が一般的に用いられるが、固定床流通
系の場合、比較的大きな反応管では、触媒床中央部に熱
を伝えることは困難であり、多管式の反応装置を金属浴
や燃焼排ガス等の加熱媒体で加熱する複雑な反応プロセ
スを必要とした。
【０００６】 また、従来の他の方法としては、反応管
内部に燃焼排ガス（気相反応や接触燃焼）を投入し、対
流伝熱で触媒を加熱する方法が用いられるが、流体流量
を増加させるために反応活性の低下をもたらすととも
に、燃焼によりCO2が発生するため、好ましい方法と言
えない。
【０００７】 また、水蒸気改質反応で得られた生成ガ
スにおいて、水素の純度は燃料電池用として使用できる
ほどには高くなく、また、水素とともに生成したCOは、
燃料電池に用いられるPt系電極に対し被毒作用を持つた
めに、COシフト反応（水性転化反応）やCOのみの選択的
酸化反応によって水素の純度を向上させる。しかしなが
ら、これらの触媒をいかに作用状態に暖気するか、ま
た、これらの反応をいかにして安定に進行させるかにつ
いては、多くの技術課題がある。
【０００８】 炭化水素等から水素を発生させる他の反
応としては、水蒸気改質反応の代わりに炭化水素の部分
酸化反応により、水素やCOを発生させ、前述のCOシフト
反応やCO選択的酸化反応によって水素を得る方法があ
る。第１段目の部分酸化反応は発熱反応であり、熱の供
給に関しての問題は軽減されるが、一般に反応温度が水
蒸気改質反応より高く、やはり触媒の温度をいかに維持
するか、また、オンサイト型や車載用の燃料電池に使用
できるように、いかにして短期間に高純度の水素を発生
させるかということについては、プロセス上完成された
技術はない。更に、炭化水素等から水素を発生させる反
応として、分解反応が挙げられる。具体的には、メタノ
ールから水素を発生する分解反応があるが、この反応
は、水蒸気改質反応同様吸熱反応であり、上記と同様の
問題がある。
【０００９】 大量に水素を必要とする工業、例えばア
ンモニア合成反応や水素化反応、水添脱硫等において
も、反応効率を高め、また、低エネルギーで運転でき、
かつ反応器の立ち上げを短縮し、未反応ガスを排出しな
いようにするという点において、改良の余地が多々ある
といえる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】 このような種々の技
術的課題を解決すべく、本発明者らは、先に特願平９−
２９６００４号により新規な構成を有する改質反応装置
を提案した。この装置は、有機化合物又は一酸化炭素を
含む反応流体から触媒反応によって水素を発生させる触
媒体と、通電発熱可能なヒーターユニットとを流体流路
内に配置してなるもので、触媒体とヒーターユニットに
は、それぞれハニカム構造を有するものが好適に用いら
れる。
【００１１】 この改質反応装置は、産業用あるいは車
載用として、短時間に高純度の燃料電池用の水素を発生
することができるものであるが、本発明者らが更に研究
を重ねたところ、触媒体の反応流体との接触効率や、ヒ
ーターユニットを複数配置する場合におけるそれらヒー
ターユニットの熱交換効率等について、更に改良の余地
があることを認識した。
【００１２】 本発明は上記の認識に鑑みてなされたも
のであり、その目的とするところは、有機化合物又は一
酸化炭素を含む反応流体から触媒反応によって水素を発
生させる触媒体と、通電発熱可能なヒーターユニットと
を流体流路内に配置してなる改質反応装置において、触
媒体の反応流体との接触効率や、ヒーターユニットを複
数配置する場合におけるそれらヒーターユニットの熱交
換効率等について改良を加えた改質反応装置を提供する
ことにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】 本発明によれば、流体
流路内の上流側に通電発熱可能なハニカム構造を有する
ヒーターユニットを配置し、当該ヒーターユニットの下
流側に有機化合物又は一酸化炭素を含む反応流体から触
媒反応によって水素を発生させるハニカム構造を有する
触媒体を少なくとも１つ配置してなる改質反応装置であ
って、前記ヒーターユニットと前記触媒体の少なくとも
いずれか１つとが、ヒーターユニットのセル密度≦触媒
体のセル密度という関係を満たすものであることを特徴
とする改質反応装置（第１の発明）、が提供される。
【００１４】 また、本発明によれば、流体流路内に、
通電発熱可能なハニカム構造を有する複数個のヒーター
ユニットを配置し、当該複数個のヒーターユニット間の
少なくともいずれか１ヶ所の位置に有機化合物又は一酸
化炭素を含む反応流体から触媒反応によって水素を発生
させるハニカム構造を有する触媒体を少なくとも１つ配
置してなる改質反応装置であって、前記触媒体の上流側
に配置したヒーターユニット（上流側ヒーターユニッ
ト）の少なくともいずれか１つと、触媒体の下流側に配
置したヒーターユニット（下流側ヒーターユニット）の
少なくともいずれか１つとが、上流側ヒーターユニット
のセル密度≧下流側ヒーターユニットのセル密度という
関係を満たすものであることを特徴とする改質反応装置
（第２の発明）、が提供される。
【００１５】 更に、本発明によれば、流体流路内に、
通電発熱可能なハニカム構造を有するヒーターユニット
を、流体の流れ方向に複数個隣接して配置するととも
に、有機化合物又は一酸化炭素を含む反応流体から触媒
反応によって水素を発生させるハニカム構造を有する触
媒体を配置してなる改質反応装置であって、前記複数個
のヒーターユニットの内の隣接する少なくともいずれか
２つのヒーターユニットが、上流側ヒーターユニットの
セル密度≦下流側ヒーターユニットのセル密度という関
係を満たすものであることを特徴とする改質反応装置
（第３の発明）、が提供される。
【００１６】 なお、本発明において、「ハニカム構
造」とは、隔壁により仕切られた多数の貫通孔（セル）
を有する構造を意味する。また、本発明において「有機
化合物又は一酸化炭素を含む反応流体から触媒反応によ
って水素を発生させるハニカム構造を有する触媒体」に
は、ハニカム構造を有する触媒体であって、COシフト反
応やCO選択酸化反応等のように、有機化合物又は一酸化
炭素を含む反応流体から触媒反応によって発生した水素
の純度を高めるような触媒反応を示す触媒体も含むもの
とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】 第１の発明に係る改質反応装置
は、流体流路内の上流側に通電発熱可能なハニカム構造
を有するヒーターユニットを配置し、当該ヒーターユニ
ットの下流側に有機化合物又は一酸化炭素を含む反応流
体から触媒反応によって水素を発生させるハニカム構造
を有する触媒体を少なくとも１つ配置してなるものであ
る。
【００１８】 このような構成の改質反応装置におい
て、ヒーターユニットは有機化合物や一酸化炭素といっ
た反応基質を含む流体に熱を与え、一方、触媒体は流体
中の反応基質に触媒反応の場を与えるが、前者の単純な
熱伝達に比較し、後者の“触媒サイトへの反応基質の吸
着→触媒反応→触媒サイトからの反応生成物の脱離”と
いう過程からなる触媒反応の方が遥かに流体との接触効
率の影響が大きい。したがって、触媒体のセル密度をヒ
ーターユニットのセル密度以上に設定して、触媒体と反
応流体との接触効率を高めることが加熱から反応までの
全体の処理を効果的に進めるために好ましい。特に、反
応が燃焼反応の如く反応速度が速くないものである場
合、反応流体と触媒サイトとの接触効率を高めることは
一層重要である。
【００１９】 また、ヒーターユニットと触媒体のセル
構造（形状、密度）が異なり、更に下流側に配置される
触媒体が、上流側に配置されるヒーターユニット以上に
細かいセル構造を有する、すなわちヒータユニット以上
のセル密度を有する方がヒーターユニットと触媒体との
間での反応流体の混合効率が良く、触媒体の断面方向に
おける温度ムラを低減できる。
【００２０】 これらの観点から、第１の発明に係る改
質反応装置は、その特徴的な構成要件として、ヒーター
ユニットとその下流側に配置した触媒体の少なくともい
ずれか１つとが下記の関係を満たすものとした。 ヒーターユニットのセル密度≦触媒体のセル密度…
【００２１】 図１は、第１の発明に係る改質反応装置
の一実施形態を示す概要断面図である。図１において、
ヒーターユニット１と触媒体２は、金属質の缶体（流体
流路）３内に配置されて改質反応装置を構成する。ヒー
ターユニット１は、電極４を有し、図示しない外部電源
から電気が投入される。ヒーターユニット１は触媒体２
の上流側に配置される。反応流体Ａは入口孔５より流入
され、ヒーターユニット１、触媒体２を経て出口孔６に
至る。得られた水素を含む流体Ｂは、改質反応装置の後
流側に配置する燃料電池部へ搬送される。ヒーターユニ
ット１と触媒体２は共にハニカム構造を有するものであ
り、それらのセル密度が上記の関係を満たす。
【００２２】 なお、図１の実施形態では、装置中の触
媒体は１つであるが、装置中に複数個の触媒体を配置し
てもよい。その場合、ヒーターユニットとその下流側に
配置した複数個の触媒体の内の少なくともいずれか１つ
とが上記の関係を満たせば、意図するところの効果が
得られるが、ヒーターユニットとその下流側に隣接する
触媒体とが上記の関係を満たす場合にその効果は大き
く、更に、ヒーターユニットとその下流側に配置した全
ての触媒体とが上記の関係を満たすと一層効果的であ
る。
【００２３】 第２の発明に係る改質反応装置は、流体
流路内に、通電発熱可能なハニカム構造を有する複数個
のヒーターユニットを配置し、当該複数個のヒーターユ
ニット間の少なくともいずれか１ヶ所の位置に有機化合
物又は一酸化炭素を含む反応流体から触媒反応によって
水素を発生させるハニカム構造を有する触媒体を少なく
とも１つ配置してなるものである。
【００２４】 このような構成の改質反応装置において
は、触媒体の上流側に配置したヒーターユニット（上流
側ヒーターユニット）は、流体との熱交換効率を高める
ようセル密度を高くすることが好ましい。一方、触媒体
の下流側に配置したヒーターユニット（下流側ヒーター
ユニット）は、その上流側に上流側ヒーターユニットと
触媒体が配置されおり、これら上流側ヒーターユニット
及び触媒体によって熱を奪われる分、流れ込む流体の温
度が低下している。そして、装置の冷間始動時には、こ
の冷えた流体により下流側ヒーターユニットの熱が奪わ
れて、ヒーターの昇温が遅れるおそれがあるので、下流
側ヒーターユニットは、そのセル密度を上流側ヒーター
ユニットのセル密度以下にして、流体との接触効率を控
えめにしておくのが好ましい。
【００２５】 また、特に上流側ヒーターユニットと下
流側ヒーターユニットとの間に配置された触媒体が水素
を発生するものである場合には、下流側ヒーターユニッ
トに流れ込む流体は、上流側ヒーターユニットに流れ込
む流体よりも高濃度の水素を含むことになるので、必要
以上に流体を加熱しない方が、危険性を回避する観点か
ら好ましく、予め下流側ヒーターユニットのセル密度が
上流側ヒーターユニットのセル密度以下となるように設
計しておくことが好ましい。
【００２６】 これらの観点から、第２の発明に係る改
質反応装置は、その特徴的な構成要件として、触媒体の
上流側に配置したヒーターユニット（上流側ヒーターユ
ニット）の少なくともいずれか１つと、触媒体の下流側
に配置したヒーターユニット（下流側ヒーターユニッ
ト）の少なくともいずれか１つとが下記の関係を満た
すものとした。 上流側ヒーターユニットのセル密度≧下流側ヒーターユ
ニットのセル密度…
【００２７】 図２は、第２の発明に係る改質反応装置
の一実施形態を示す概要断面図である。図２において、
上流側ヒーターユニット１０、触媒体１２、下流側ヒー
ターユニット１１及び触媒体１７は、金属質の缶体（流
体流路）１３内に配置されて改質反応装置を構成する。
各ヒーターユニット１０、１１は、電極１４を有し、図
示しない外部電源から電気が投入される。上流側ヒータ
ーユニット１０は触媒体１２の上流側に配置され、下流
側ヒーターユニット１１は触媒体１２の下流側に配置さ
れる。反応流体Ａは入口孔１５より流入され、上流側ヒ
ーターユニット１０、触媒体１２、下流側ヒーターユニ
ット１１、触媒体１７を経て出口孔１６に至る。得られ
た水素を含む流体Ｂは、改質反応装置の後流側に配置す
る燃料電池部へ搬送される。上流側ヒーターユニット１
０と下流側ヒーターユニット１１は共にハニカム構造を
有するものであり、それらのセル密度が上記の関係を
満たす。
【００２８】 なお、図２の実施形態は、流体流路中に
２つのヒーターユニットを配置した例で、間に触媒体を
挟んでその上流側と下流側とにそれぞれ存在する上流側
ヒーターユニットと下流側ヒーターユニットとがいずれ
も１つずつとなるように構成しているが、装置中に３つ
以上のヒーターユニットを配置して、上流側ヒーターユ
ニット及び／又は下流側ヒーターユニットが複数個とな
るように構成してもよい。その場合、上流側ヒーターユ
ニットの少なくともいずれか１つと、下流側ヒーターユ
ニットの少なくともいずれか１つとが上記の関係を満
たせば、意図するところの効果が得られるが、触媒体の
みを間に挟んで（触媒体以外の構成要素(例えばヒータ
ーユニット)が間に存在しないという意味であり、間に
存在するのが触媒体のみであればその個数は問わな
い。）、当該触媒体の上流側と下流側とに各々隣接する
上流側ヒーターユニットと下流側ヒーターユニットとが
上記の関係を満たす場合にその効果は大きい。
【００２９】 特に、３つ以上のヒーターユニットを配
置し、当該ヒーターユニット間の２ヶ所以上の位置にそ
れぞれ触媒体を配置した場合においては、最も上流側に
配置した触媒体のみを間に挟んで、当該触媒体の上流側
と下流側とに各々隣接する上流側ヒーターユニットと下
流側ヒーターユニットとが上記の関係を満たすことが
好ましい。更に、３つ以上のヒーターユニットを配置し
た場合においては、上流側ヒーターユニットと下流側ヒ
ーターユニットとが、全て上記の関係を満たすと一層
効果的である。
【００３０】 第３の発明に係る改質反応装置は、流体
流路内に、通電発熱可能なハニカム構造を有するヒータ
ーユニットを、流体の流れ方向に複数個隣接して配置す
るとともに、有機化合物又は一酸化炭素を含む反応流体
から触媒反応によって水素を発生させるハニカム構造を
有する触媒体を少なくとも１つ配置してなるものであ
る。
【００３１】 このような構成の改質反応装置におい
て、隣接する複数個のヒーターユニットで流体を加熱す
る場合、これら隣接するヒーターユニットの内の下流側
ヒーターユニットのセル密度を上流側ヒーターユニット
のセル密度以上に設定して、下流側ヒーターユニットが
上流側ヒーターユニット以上の熱交換効率を持つように
しておけば、上流側ヒーターユニットから下流側ヒータ
ーユニットへと、流体の流れに沿って連続して効果的に
流体を加熱することができる。一方、下流側ヒーターユ
ニットの方が熱交換効率が低い、すなわち上流側ヒータ
ーユニットよりセル密度が低いものであると、折角上流
側ヒーターユニットで稼いだ流体の温度を下流側ヒータ
ーユニットで維持することができなかったり、却って低
下させるおそれもあるので、下流側ヒーターユニットの
セル密度を上流側ヒーターユニットのセル密度以上とす
ることがヒーターユニット全体としての加熱効果の観点
から好ましい。
【００３２】 上流側ヒーターユニットと下流側ヒータ
ーユニットのセル構造（形状、密度）が異なり、更に下
流側ヒーターユニットが、上流側ヒーターユニット以上
に細かいセル構造を有する、すなわち上流側ヒーターユ
ニット以上のセル密度を有する方が両ヒーターユニット
間での反応流体の混合効率が良く、下流側ヒーターユニ
ット及びその下流側に隣接して更に別のヒーターユニッ
ト又は触媒体が存在する場合は同ヒーターユニット又は
触媒体の断面方向における温度ムラが低減できる。
【００３３】 これらの観点から、第３の発明に係る改
質反応装置は、その特徴的な構成要件として、前記複数
個のヒーターユニットの内の隣接する少なくともいずれ
か２つのヒーターユニットが下記の関係を満たすもの
とした。 上流側ヒーターユニットのセル密度≦下流側ヒーターユ
ニットのセル密度…
【００３４】 図３は、第３の発明に係る改質反応装置
の一実施形態を示す概要断面図である。図３において、
上流側ヒーターユニット２０、下流側ヒーターユニット
２１及び触媒体２２は、金属質の缶体（流体流路）２３
内に配置されて改質反応装置を構成する。各ヒーターユ
ニット２０、２１は、電極２４を有し、図示しない外部
電源から電気が投入される。上流側ヒーターユニット２
０と下流側ヒーターユニット２１は流体の流れ方向に隣
接して配置され、その下流側に触媒体２２が配置され
る。反応流体Ａは入口孔２５より流入され、上流側ヒー
ターユニット２０、下流側ヒーターユニット２１、触媒
体２２を経て出口孔２６に至る。得られた水素を含む流
体Ｂは、改質反応装置の後流側に配置する燃料電池部へ
搬送される。上流側ヒーターユニット２０と下流側ヒー
ターユニット２１は共にハニカム構造を有するものであ
り、それらのセル密度が上記の関係を満たす。
【００３５】 なお、図３の実施形態では、隣接して配
置したヒーターユニットは２つであるが、装置中に３つ
以上のヒーターユニットを流体の流れ方向に隣接して配
置してもよい。その場合、それらのヒーターユニットの
内の隣接する少なくともいずれか２つのヒーターユニッ
トが上記の関係を満たせば、意図するところの効果が
得られるが、最も上流側に配置したヒーターユニットと
その下流側に隣接して配置したヒーターユニットとが上
記の関係を満たす場合にその効果は大きい。更に、３
つ以上のヒーターユニットを流体の流れ方向に隣接して
配置した場合において、それら隣接している全てのヒー
ターユニットが上記の関係を満たすと一層効果的であ
る。
【００３６】 上述した第１〜第３の発明は、任意に組
み合わせて装置に適用することも可能である。以下、第
１〜第３の発明に係る改質反応装置に共通する事項につ
いて説明する。
【００３７】 本発明において、水素を得るための出発
原料としては、ブタンやプロパン等の炭化水素、メタノ
ール等のアルコールからなる有機化合物又は一酸化炭素
(CO)を含む反応流体を用いる。ボンベやパイプラインの
輸送の観点からは、炭化水素が好ましく、また車載用と
したときのハンドリングを考えると、液体で搭載可能な
ガソリンやメタノールのようなアルコール原料が好まし
いが、何らこれらに限定されるものではない。COは有毒
ガスでもあり、出発成分としては好ましくない。
【００３８】 本発明の改質反応装置における主反応
は、水蒸気存在下で起こる水蒸気改質反応であり、更に
高純度のH2を得るためと副生成物のCOが燃料電池の電極
を被毒することから、COシフト反応やCO部分酸化反応に
よってCOを低減させる。ブタンを用いた反応例を以下に
示す。 (1) C4H10+9H2O→9H2+4CO 水蒸気改質反応 (2) CO+H2O→CO2+H2 COシフト反応 (3) CO+1/2O2→CO2 CO選択的酸化反応
【００３９】 水素を得る別の反応として、水蒸気改質
反応の代わりに部分酸化反応を用いる手法もある。 (4) C4H10+ 2O2→4CO+ 5H2 部分酸化反応
【００４０】 部分酸化反応に引き続き、通常上記
(2)、(3)の反応を進行させ、水素の純度を向上させる。
反応(1)から水素を得る方法を水蒸気改質法、反応(4)か
ら水素を得る方法を部分酸化法と呼ぶが、本発明はいず
れの方法にも適用可能である。水蒸気改質法を用いる
か、部分酸化法を用いるかについては、任意であるが、
車載用には、ガソリンにおいては部分酸化法が、メタノ
ール等のアルコールについては水蒸気改質法が注目され
ている。一般に水蒸気改質法の方が、低温で高純度の水
素が得やすく、効率的である。
【００４１】 また、メタノールから水素を発生させる
反応として、以下の２種類がある。 (5) CH3OH→CO+H2 分解反応（吸熱） (6) CH3OH+H2O→3H2+CO2 水蒸気改質反応（吸熱）
【００４２】 これらの反応に用いる触媒成分は後述す
るが、通常異なる触媒成分が用いられ、また反応温度も
異なる。(1)、(5)、(6)の反応は一般に吸熱反応であ
り、５００℃以上の温度を必要とする。(2)、(3)の反応
は発熱反応であり３００℃以下の比較的低温で進行させ
る。(4)の反応は発熱反応であり、やはり５００℃以上
の反応温度を必要とする。高純度の水素を得るために
は、通常上記(1)〔又は(5)、(6)〕、(2)、(3)、若しく
は(4)、(2)、(3)の反応を行う各触媒成分を、流体流路
内において直列に配置する。なお、必要とする水素濃度
によっては、(1)〔又は(5)、(6)〕、あるいは(4)のみの
反応による改質反応装置であってよく、また、COを出発
原料とする場合は(2)若しくは必要に応じて(3)の反応を
行わせる。
【００４３】 本発明において用いられる触媒体は、前
述の水蒸気改質反応、部分酸化反応又は分解反応、COシ
フト反応、CO選択的酸化反応等についての触媒作用を有
する触媒成分のいずれかを少なくとも含む。この内、CO
選択的酸化反応はCOを低減させる目的であり、直接水素
合成には関係ないが、高い水素濃度を必要とする場合に
は重要で、改質反応装置内に組み込むため、本発明にお
ける触媒体の中に包含する。
【００４４】 触媒成分としては、具体的には、長周期
の周期律表においてVB〜VIII族、IB族及びIIB族に属す
る金属元素の内の少なくとも１種と耐熱性酸化物とを主
成分として含むものが好適に使用できる。
【００４５】 水蒸気改質反応、部分酸化反応又は分解
反応に有効な金属元素としては、VIII族の金属を必須成
分とすることが好ましい。その内、好ましい金属元素
は、Ni、Rh、Ru、Ir、Pd、Pt、Co、Feであり、これらを
単独若しくは組み合わせて用いる。これらの金属成分に
助触媒として、VB族のV、Nb、VIB族のCr、Mo、WやVIIB
族のMn、Re等を添加することが好ましい。また、炭素析
出防止剤として、アルカリ土類金属も添加すると良い。
これらの金属を通常耐熱性酸化物の上に担持する。これ
により、触媒の比表面積を向上させ活性を向上させると
ともに、高い反応温度に対する耐久性を付与させる。
【００４６】 耐熱性酸化物としては、 Al2O3、SiO2、
TiO2、ZrO2、MgO又はゼオライト、SAPO、ALPO、層状化
合物及びこれらの複合酸化物を用いることができる。こ
れらの耐熱性酸化物は、通常その比表面積が５〜３００
m2/gのものを用いる。これらの耐熱性酸化物と前述の金
属成分は、浸漬法、共沈法、ゾルゲル法等の化学的手法
や物理的混合等の公知の手法によって合成される。合成
後の触媒の比表面積も通常５〜３００m2/gの範囲とす
る。触媒の比表面積が５m2/g未満の場合には活性が低下
し、３００m2/gを越えると、高温下における特性変化が
著しくなり、耐久性に劣る。
【００４７】 耐熱性酸化物としては、アルミナ（Al2O
3）が比較的安価で、かつ高温時においても高い比表面
積を示すために好ましく用いることができる。また、ア
ルミナにマグネシアを添加させたスピネルや、炭素の析
出を抑制する目的で塩基性担体であるマグネシア単身若
しくはマグネシアの複合酸化物を使用することができ
る。
【００４８】 耐熱性酸化物に添加する触媒金属の割合
は１〜３０重量％の範囲が好ましい。貴金属系の金属の
場合は、活性が高いので最大１０重量％程度の添加まで
で十分であるが、Ni等卑金属系の金属の場合は１０〜３
０重量％の範囲とすることが好ましい。
【００４９】 COシフト反応に適切な触媒成分として
は、VIII族のFe、Co、IB族のCuやIIB族のZn等がよく使
用されるが、本願で規定する金属元素は少なからずその
活性を示す。比較的低温で活性を示す金属はCu、Zn系若
しくは両者を含むものであり、これらを前述のアルミナ
等の耐熱性酸化物に担持することにより、耐熱性が確保
できる。この場合の金属の耐熱性酸化物に対する添加量
としては１０〜５０重量％の範囲が好ましい。なお、比
較的高温で反応させる場合には、Fe-Cr等のスピネルそ
のものも使用できる。
【００５０】 CO選択的酸化反応に適切な触媒成分とし
ては、VII族のMn、VIII族のCoや貴金属、IB族のCu、A
g、Au等の金属を、通常前述の耐熱性酸化物に担持して
用いることができる。生成した水素まで酸化する必要は
なく、COと強い相互作用を持つPt等を使用することが可
能である。また、ホプカライト触媒も好適な例の１つと
して挙げることができる。
【００５１】 触媒体はハニカム構造を有するが、これ
は触媒成分それ自体をハニカム化してもよく、又コージ
ェライトやムライト等の不活性材料からなるハニカム担
体に触媒成分を被覆担持し、使用してもよい。ハニカム
担体の材料としては、コーディエライト、ムライト等の
セラミック質のもの、Fe-Cr-Al合金等の耐熱性ステンレ
ス鋼よりなるフォイル型のメタル質のもの、粉末冶金を
利用してハニカム構造体に成形したメタル質のものが好
適に用いられる。また、ハニカム担体は、セラミック
質、メタル質のいずれの場合においても、多孔質である
ことが、熱容量を小さくし触媒担持性を向上させるとい
う観点から好ましく、その気孔率としては０．５〜５０
％が好ましく、１０〜４０％がより好ましい。触媒成分
をハニカム担体に被覆担持する場合は、膜厚を５〜１０
０μmとすることが好ましい。膜厚が５μmより薄い場合
には、活性の低下をもたらし、１００μmより厚い場合
には圧損の増大をもたらす。
【００５２】 触媒体は、水蒸気改質反応、部分酸化反
応及び分解反応のいずれかの反応、COシフト反応、 CO
選択的酸化反応用の触媒成分を通常直列に配列する。触
媒体は、１つのハニカム構造体に各々の触媒成分を区分
したものでも良いが、それぞれ反応温度が異なるため
に、複数個の触媒体を改質反応装置内に配設することが
好ましい。
【００５３】 本発明において用いられるヒーターユニ
ットも、触媒体と同様にハニカム構造を有する。ヒータ
ーユニットは、発熱体そのものでも良いが、触媒体の冷
間始動時の暖気特性や反応促進、定常運転時の触媒体の
温度均一化の観点から、水蒸気改質反応、部分酸化反応
又は分解反応、COシフト反応、CO部分酸化反応等の触媒
作用を有する触媒成分のいずれかを含有する方が、より
好ましい。触媒成分を含有させる方法としては、触媒成
分と発熱体を混在（複合化）させる方法もあるが、好ま
しくは、発熱体の表面に触媒成分を被覆担持する方法を
用いることができる。反応活性を期待しうる観点から
は、発熱特性を有するハニカム構造体上に触媒成分を被
覆したヒーターユニットが最も好ましい。このようにヒ
ーターユニットにも触媒成分を含ませる場合、ヒーター
ユニットの触媒成分と触媒体の触媒成分とは、同種のも
のであっても異種のものであってよい。
【００５４】 ヒーターユニットの材料としては、発熱
抵抗特性を有する焼結体、すなわち例えばチタン酸バリ
ウム（通称PTC、正的抵抗特性と言われる物質）やSiC、
MoSi2等の炭化物、ＹやBi系の超伝導酸化物、負的抵抗
特性を示すペロブスカイトやZrO2等の酸素イオン伝導
体、その他シリサイド、ボライド、ナイトライドや、焼
結体の概念からはずれるがイオン伝導性ガラスを用いる
ことができる。更に、発熱抵抗特性を示す金属質体とし
て、Fe-Cr-Alのフェライト組成、Ni-Cr、Fe-Al、 Fe-Cr
Ni-Al等の合金組成や、これらの金属とそれ自体は発熱
抵抗特性を有さないが耐熱性物質である、例えばアルミ
ナ等を複合させたサーメットを使用することができる。
【００５５】 前述のヒーターユニットに用いる材料は
各々単独で、又は複合化させて使用してもよい。また、
触媒成分との複合化も可能である。重要なことは、通電
により発熱する特性を示すことであり、材料的には限定
されるものではない。コストと製造性の点からは、Fe-C
r-Al、Fe-Al、Fe-Cr等の合金組成が好ましい。これらは
既に自動車用触媒コンバーターとして実用化され、耐熱
性、耐熱衝撃性にも優れ、かつ圧延方式や粉末冶金方式
で容易にハニカム構造体に作製可能なる利点を有する。
ハニカム構造のヒーターの例として、特開平３−２９５
１８４号公報に示すもの（図２０）や、特表平３−５０
０９１１号公報に示すもの（図２１）が挙げられる。
【００５６】 ヒーターユニットには、ヒーターユニッ
トに通電するための電極を接続させ、外部電源より電気
を供給する。車載用の場合には、バッテリやオルタネー
ター、キャパシタ（コンデンサ）等の電源を用いること
が可能である。装置内に複数個のヒーターユニットが存
在する場合には、それらは各々別々の電源に接続されて
いてもよいし、１つの電源に直列あるいは並列に接続さ
れていてもよい。ヒーターユニットは、投入電力、電圧
等に応じて抵抗を調整する必要がある。これらの調整方
法は限定されるものではないが、ヒーターユニットがハ
ニカム構造体の場合には、特開平３−２９５１８４号公
報や、特表平３−５００９１１号公報に示すように、ス
リットやギャップを形成することによって抵抗を調節可
能である。
【００５７】 触媒体とヒーターユニットとのセル密度
は、共に４〜２０００セル／平方インチ（cpsi）の範囲
で、第１〜第３発明における各々の条件を満たすことが
好ましく、５０〜１５００cpsiの範囲であると更に好ま
しい。セル密度が４cpsi未満では接触効率が低すぎて作
用（ヒーターユニットにあっては加熱、触媒体にあって
は触媒反応。）が不十分であり、一方、セル密度が２０
００cpisを越えると圧力損失の問題が大きくなる。セル
の断面形状は、丸、四角、多角形、コルゲート等任意の
形状を取り得る。
【００５８】
【実施例】 以下、本発明を実施例に基づいて更に詳細
に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるも
のではない。
【００５９】［ヒーターユニットの作製］：次の手順に
てヒーターユニットＡ〜Ｉを作製した。
【００６０】（ヒーターユニットＡ）平均粒径４４μm
以下のＦｅ粉末、Ｃｒ−３０Ａｌ粉末（重量％）、Ｆｅ
−５０Ａｌ粉末（重量％）、Ｆｅ−２０Ｂ粉末（重量
％）及びＹ2Ｏ3粉末を、Ｆｅ−１６Ｃｒ−８Ａｌ−０．
０５Ｂ−０．５Ｙ2Ｏ3という組成となるように添加、混
合した。この混合物１００ｇあたり、メチルセルロース
４ｇを有機バインダーとして、また、オレイン酸１ｇを
酸化防止剤として添加し、混合した。このように坏土を
調製した後、円柱状のハニカム成形体を押出成形により
得た。このハニカム成形体を大気中、９０℃で１６時間
乾燥した後、水素雰囲気下で１３２５℃に２時間保持し
て焼結した。次いで、空気中、１１５０℃で３０分間、
熱処理を行った。
【００６１】 上記方法により、外径：９３mmφ、厚
さ：３０mm、隔壁厚さ：０．１mm（約４mil）、六角セ
ルよりなるセル密度が４００セル／平方インチのハニカ
ム構造体を得た。このハニカム構造体にスリットを配設
して、その中心部を急速加熱できるようにし、図２０に
示すようなハニカムヒーターを得た。このハニカムヒー
ターに電極を取り付け、ＳＵＳ製の缶体内に該缶体と絶
縁をとりながら収納してヒーターユニットＡを完成し
た。ヒーターユニットＡの有効体積は０．２リットルで
あった。
【００６２】（ヒーターユニットＢ）ハニカム構造体の
セル密度を６００セル／平方インチとした以外はヒータ
ーユニットＡと同様にして、ヒーターユニットＢを作製
した。
【００６３】（ヒーターユニットＣ）比表面積２００ｍ
2／ｇの市販のγ−Ａｌ2Ｏ3に、Ｒｕを含有する水溶液
を含浸し、乾燥後６００℃で焼成してＲｕ担持Ａｌ2Ｏ3
粉を得た。次いで、このＲｕ担持Ａｌ2Ｏ3粉に水と酢酸
とを適量加え、湿式解砕にて担持用スラリーを調製し
た。こうして得られた担持用スラリーを、ヒーターユニ
ットＡと同じハニカム構造体（セル密度：４００セル／
平方インチ）に被覆担持し、５００℃で焼成した後、ヒ
ーターユニットＡと同様にスリットの形成、電極の取り
付け、及び缶体への収容を行って、水蒸気改質反応用の
触媒成分が担持されたヒーターユニットＣを作製した。
【００６４】（ヒーターユニットＤ）担持用スラリーを
被覆担持するためのハニカム構造体のセル密度を３００
セル／平方インチとした以外はヒーターユニットＣと同
様にして、水蒸気改質反応用の触媒成分が担持されたヒ
ーターユニットＤを作製した。
【００６５】（ヒーターユニットＥ）担持用スラリーを
被覆担持するためのハニカム構造体のセル密度を５００
セル／平方インチとした以外はヒーターユニットＣと同
様にして、水蒸気改質反応用の触媒成分が担持されたヒ
ーターユニットＥを作製した。
【００６６】（ヒーターユニットＦ）比表面積２００ｍ
2／ｇの市販のγ−Ａｌ2Ｏ3に、酢酸銅水溶液及び酢酸
亜鉛水溶液を含浸し、乾燥後５００℃で焼成してＣｕ／
Ｚｎ担持Ａｌ2Ｏ3粉を得た。次いで、このＣｕ／Ｚｎ担
持Ａｌ2Ｏ3粉に水と酢酸とを適量加え、湿式解砕にて担
持用スラリーを調製した。こうして得られた担持用スラ
リーを、ヒーターユニットＡと同じハニカム構造体（セ
ル密度：４００セル／平方インチ）に被覆担持し、５０
０℃で焼成した後、ヒーターユニットＡと同様にスリッ
トの形成、電極の取り付け、及び缶体への収容を行っ
て、ＣＯシフト反応用の触媒成分が担持されたヒーター
ユニットＦを作製した。
【００６７】（ヒーターユニットＧ）担持用スラリーを
被覆担持するためのハニカム構造体のセル密度を３００
セル／平方インチとした以外はヒーターユニットＦと同
様にして、ＣＯシフト反応用の触媒成分が担持されたヒ
ーターユニットＧを作製した。
【００６８】（ヒーターユニットＨ）担持用スラリーを
被覆担持するためのハニカム構造体のセル密度を６００
セル／平方インチとした以外はヒーターユニットＦと同
様にして、ＣＯシフト反応用の触媒成分が担持されたヒ
ーターユニットＨを作製した。
【００６９】（ヒーターユニットＩ）比表面積２００ｍ
2／ｇの市販のγ−Ａｌ2Ｏ3に、Ｈ2ＰｔＣｌ5水溶液を
含浸し、乾燥後５００℃で焼成してＰｔ担持Ａｌ2Ｏ3粉
を得た。次いで、このＰｔ担持Ａｌ2Ｏ3粉に水と酢酸と
を適量加え、湿式解砕にて担持用スラリーを調製した。
こうして得られた担持用スラリーを、セル密度が２００
セル／平方インチである以外はヒーターユニットＡで用
いたのと同じハニカム構造体に被覆担持し、５００℃で
焼成した後、ヒーターユニットＡと同様にスリットの形
成、電極の取り付け、及び缶体への収容を行って、ＣＯ
選択酸化反応用の触媒成分が担持されたヒーターユニッ
トＩを作製した。
【００７０】［触媒体の作製］：次の手順にて触媒体Ａ
〜Ｎを作製した。なお、ハニカム担体の単位体積あたり
の触媒成分の担持量は全ての触媒体で同じになるように
してある。触媒成分の大部分はＡｌ2Ｏ3が占めるためハ
ニカム担体の単位体積あたりに被覆担持された触媒成分
の熱容量もほぼ同一である。
【００７１】（触媒体Ａ）ヒーターユニットＣの作製に
用いたのと同じ担持用スラリーを、日本ガイシ(株)製の
コーディエライトハニカム担体（セル密度：６００セル
／平方インチ、体積：１．０リットル、外径：９３mm
φ、隔壁厚さ：０．１５mm（約６mil）、六角セル）に
被覆担持し、これを５００℃で焼成して、水蒸気改質反
応用の触媒成分が担持された触媒体Ａを作製した。
【００７２】（触媒体Ｂ）担持用スラリーを被覆担持す
るためのハニカム担体のセル密度が４００セル／平方イ
ンチである以外は触媒体Ａと同様にして、水蒸気改質反
応用の触媒成分が担持された触媒体Ｂを作製した。
【００７３】（触媒体Ｃ）担持用スラリーを被覆担持す
るためのハニカム担体の体積が０．８リットルである以
外は触媒体Ａと同様にして、水蒸気改質反応用の触媒成
分が担持された触媒体Ｃを作製した。
【００７４】（触媒体Ｄ）担持用スラリーを被覆担持す
るためのハニカム担体の体積が０．６リットルである以
外は触媒体Ａと同様にして、水蒸気改質反応用の触媒成
分が担持された触媒体Ｄを作製した。
【００７５】（触媒体Ｅ）担持用スラリーを被覆担持す
るためのハニカム担体のセル密度が３００セル／平方イ
ンチで、体積が０．８リットルである以外は触媒体Ａと
同様にして、水蒸気改質反応用の触媒成分が担持された
触媒体Ｅを作製した。
【００７６】（触媒体Ｆ）担持用スラリーを被覆担持す
るためのハニカム担体のセル密度が３００セル／平方イ
ンチで、体積が０．６リットルである以外は触媒体Ａと
同様にして、水蒸気改質反応用の触媒成分が担持された
触媒体Ｆを作製した。
【００７７】（触媒体Ｇ）ヒーターユニットＦの作製に
用いたのと同じ担持用スラリーを、日本ガイシ(株)製の
コーディエライトハニカム担体（セル密度：６００セル
／平方インチ、体積：１．０リットル、外径：９３mm
φ、隔壁厚さ：０．１５mm（約６mil）、六角セル）に
被覆担持し、これを５００℃で焼成して、ＣＯシフト反
応用の触媒成分が担持された触媒体Ｇを作製した。
【００７８】（触媒体Ｈ）担持用スラリーを被覆担持す
るためのハニカム担体のセル密度が４００セル／平方イ
ンチである以外は触媒体Ｇと同様にして、ＣＯシフト反
応用の触媒成分が担持された触媒体Ｈを作製した。
【００７９】（触媒体Ｉ）担持用スラリーを被覆担持す
るためのハニカム担体の体積が０．８リットルである以
外は触媒体Ｇと同様にして、ＣＯシフト反応用の触媒成
分が担持された触媒体Ｉを作製した。
【００８０】（触媒体Ｊ）担持用スラリーを被覆担持す
るためのハニカム担体のセル密度が４００セル／平方イ
ンチで、体積が０．８リットルである以外は触媒体Ｇと
同様にして、ＣＯシフト反応用の触媒成分が担持された
触媒体Ｊを作製した。
【００８１】（触媒体Ｋ）担持用スラリーを被覆担持す
るためのハニカム担体のセル密度が４００セル／平方イ
ンチで、体積が０．６リットルである以外は触媒体Ｇと
同様にして、ＣＯシフト反応用の触媒成分が担持された
触媒体Ｋを作製した。
【００８２】（触媒体Ｌ）ヒーターユニットＣの作製に
用いたのと同じ担持用スラリーを、日本ガイシ(株)製の
コーディエライトハニカム担体（セル密度：６００セル
／平方インチ、体積：２．０リットル、外径：９３mm
φ、隔壁厚さ：０．１５mm（約６mil）、六角セル）の
上流側の半分に被覆担持し、残りの下流側半分にヒータ
ーユニットＦの作製に用いたのと同じ担持用スラリーを
被覆担持し、これを５００℃で焼成して、水蒸気改質反
応用の触媒成分とＣＯシフト反応用の触媒成分とが１つ
の担体に区分して担持された触媒体Ｌを作製した。
【００８３】（触媒体Ｍ）ヒーターユニットＩの作製に
用いたのと同じ担持用スラリーを、日本ガイシ(株)製の
コーディエライトハニカム担体（セル密度：６００セル
／平方インチ、体積：１．０リットル、外径：９３mm
φ、隔壁厚さ：０．１５mm（約６mil）、六角セル）に
被覆担持し、これを５００℃で焼成して、ＣＯ選択酸化
反応用の触媒成分が担持された触媒体Ｍを作製した。
【００８４】（触媒体Ｎ）担持用スラリーを被覆担持す
るためのハニカム担体のセル密度が４００セル／平方イ
ンチである以外は触媒体Ｍと同様にして、ＣＯ選択酸化
反応用の触媒成分が担持された触媒体Ｎを作製した。
【００８５】（触媒体Ｏ）担持用スラリーを被覆担持す
るためのハニカム担体の体積が０．８リットルである以
外は触媒体Ｍと同様にして、ＣＯ選択酸化反応用の触媒
成分が担持された触媒体Ｏを作製した。
【００８６】［改質反応装置の構成］：前記により得ら
れたヒータユニット及び触媒体を用いて以下に示すよう
な改質反応装置を構成した。なお、ヒーターユニット及
び触媒体の種類を示す記号と図中の参照符号との区別を
明確にするため、以下の装置の説明の文中において、図
中の参照符号は括弧( )を付して記述した。
【００８７】（装置Ａ）図４に示すように、流体流路内
において反応流体の流れ方向上流側から、ヒーターユニ
ットＡ(３０)、触媒体Ａ(４０)、触媒体Ｇ(４６)、触媒
体Ｍ(５２)の順で配置して、装置Ａを構成した。
【００８８】（装置Ｂ）図５に示すように、流体流路内
において反応流体の流れ方向上流側から、ヒーターユニ
ットＡ(３０)、触媒体Ａ(４０)、触媒体Ｈ(４７)、触媒
体Ｎ(５３)の順で配置して、装置Ｂを構成した。
【００８９】（装置Ｃ）図６に示すように、流体流路内
において反応流体の流れ方向上流側から、ヒーターユニ
ットＢ(３１)、触媒体Ｂ(４１)、触媒体Ｈ(４７)、触媒
体Ｎ(５３)の順で配置して、装置Ｃを構成した。
【００９０】（装置Ｄ）図７に示すように、流体流路内
において反応流体の流れ方向上流側から、ヒーターユニ
ットＡ(３０)、触媒体Ｂ(４１)、触媒体Ｈ(４７)、触媒
体Ｎ(５３)の順で配置して、装置Ｄを構成した。
【００９１】（装置Ｅ）図８に示すように、流体流路内
において反応流体の流れ方向上流側から、ヒーターユニ
ットＣ(３２)、触媒体Ｃ(４２)、触媒体Ｈ(４７)、触媒
体Ｎ(５３)の順で配置して、装置Ｅを構成した。
【００９２】（装置Ｆ）図９に示すように、流体流路内
において反応流体の流れ方向上流側から、ヒーターユニ
ットＡ(３０)、触媒体Ｌ(５１)、触媒体Ｍ(５２)の順で
配置して、装置Ｆを構成した。
【００９３】（装置Ｇ）図１０に示すように、流体流路
内において反応流体の流れ方向上流側から、ヒーターユ
ニットＣ(３２)、触媒体Ｃ(４２)、ヒーターユニットＧ
(３６)、触媒体Ｊ(４９)、触媒体Ｎ(５３)の順で配置し
て、装置Ｇを構成した。
【００９４】（装置Ｈ）図１１に示すように、流体流路
内において反応流体の流れ方向上流側から、ヒーターユ
ニットＣ(３２)、触媒体Ｅ(４４)、ヒーターユニットＧ
(３６)、触媒体Ｊ(４９)、触媒体Ｎ(５３)の順で配置し
て、装置Ｈを構成した。
【００９５】（装置Ｉ）図１２に示すように、流体流路
内において反応流体の流れ方向上流側から、ヒーターユ
ニットＣ(３２)、触媒体Ｃ(４２)、ヒーターユニットＨ
(３７)、触媒体Ｊ(４９)、触媒体Ｎ(５３)の順で配置し
て、装置Ｉを構成した。
【００９６】（装置Ｊ）図１３に示すように、流体流路
内において反応流体の流れ方向上流側から、ヒーターユ
ニットＣ(３２)、ヒーターユニットＥ(３４)、触媒体Ｄ
(４３)、触媒体Ｈ(４７)、触媒体Ｎ(５３)の順で配置し
て、装置Ｊを構成した。
【００９７】（装置Ｋ）図１４に示すように、流体流路
内において反応流体の流れ方向上流側から、ヒーターユ
ニットＣ(３２)、ヒーターユニットＥ(３４)、触媒体Ｆ
(４５)、触媒体Ｈ(４７)、触媒体Ｎ(５３)の順で配置し
て、装置Ｋを構成した。
【００９８】（装置Ｌ）図１５に示すように、流体流路
内において反応流体の流れ方向上流側から、ヒーターユ
ニットＣ(３２)、ヒーターユニットＤ(３３)、触媒体Ｄ
(４３)、触媒体Ｈ(４７)、触媒体Ｎ(５３)の順で配置し
て、装置Ｌを構成した。
【００９９】（装置Ｍ）図１６に示すように、流体流路
内において反応流体の流れ方向上流側から、ヒーターユ
ニットＣ(３２)、ヒーターユニットＥ(３４)、触媒体Ｄ
(４３)、ヒーターユニットＧ(３６)、触媒体Ｊ(４９)、
触媒体Ｎ(５３)の順で配置して、装置Ｍを構成した。
【０１００】（装置Ｎ）図１７に示すように、流体流路
内において反応流体の流れ方向上流側から、ヒーターユ
ニットＣ(３２)、ヒーターユニットＤ(３３)、触媒体Ｄ
(４３)、ヒーターユニットＨ(３７)、触媒体Ｊ(４９)、
触媒体Ｎ(５３)の順で配置して、装置Ｎを構成した。
【０１０１】（装置Ｏ）図１８に示すように、流体流路
内において反応流体の流れ方向上流側から、ヒーターユ
ニットＣ(３２)、触媒体Ｃ(４２)、ヒーターユニットＧ
(３６)、ヒーターユニットＦ(３５)、触媒体Ｋ(５０)、
触媒体Ｎ(５３)の順で配置して、装置Ｏを構成した。
【０１０２】（装置Ｐ）図１９に示すように、流体流路
内において反応流体の流れ方向上流側から、ヒーターユ
ニットＣ(３２)、触媒体Ｃ(４２)、ヒーターユニットＧ
(３６)、触媒体Ｉ(４８)、ヒーターユニットＩ(３８)、
触媒体Ｏ(５４)の順で配置して、装置Ｐを構成した。
【０１０３】［改質反応装置の評価］：前記装置Ａ〜Ｐ
に、それぞれＣＨ3ＯＨ（メタノール）とＨ2Ｏを一定流
量にて供給した。供給原料のＳ／Ｃ（Steam Carbon Rat
io）は２．０とした。ヒーターユニットへの通電は供給
原料導入と同時に開始し、その投入電力は２．５ｋＷと
した。なお、水蒸気改質反応用の触媒成分を担持した触
媒体の上流側に配したヒーターユニット及び水蒸気改質
反応用の触媒成分を担持したヒーターユニットについて
は、水蒸気改質反応が吸熱反応であるため、供給原料導
入中は通電を継続した。一方、ＣＯシフト反応用の触媒
成分を担持したヒーターユニットについては、同反応が
発熱反応であるため、当該ヒーターユニットが３００℃
に到達した時点で通電を停止した。また、ＣＯシフト反
応用の触媒成分を担持した触媒体と、ＣＯ選択酸化反応
用の触媒成分を担持した触媒体との間より、後者に選択
酸化に必要な酸素を供給する目的で、エアーを導入し
た。
【０１０４】 このようにして、供給源量の導入開始よ
り３分間（冷間始動時含む）のメタノールの転化率を求
めた。転化率は、生成したＣＯとＣＯ2のモル数の和を
供給したメタノールのモル数で除して算出した。これを
水素生成効率の指標とし、表１に示した。一方、装置か
らのＣＯ排出濃度を、ＣＯシフト反応用の触媒成分を担
持した触媒体とＣＯ選択酸化反応用の触媒成分を担持し
た触媒体とによるＣＯ低減効率の指標とし、冷間始動時
の立ち上がり性能を評価するため、供給源量の導入開始
より１分後と３分後において測定し、その測定結果を表
１に示した。
【０１０５】
【表１】
【０１０６】
【発明の効果】 以上説明したように、本発明の改質反
応装置は、触媒体の反応流体との接触効率や、ヒーター
ユニットの熱交換効率等について改良を施したものであ
り、この改良の結果として、水素の生成効率や、副生成
物であるＣＯの低減効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 第１の発明に係る改質反応装置の一実施形態
を示す概略断面図である。
【図２】 第２の発明に係る改質反応装置の一実施形態
を示す概略断面図である。
【図３】 第３の発明に係る改質反応装置の一実施形態
を示す概略断面図である。
【図４】 実施例において用いた改質反応装置を示す概
略図である。
【図５】 実施例において用いた改質反応装置を示す概
略図である。
【図６】 実施例において用いた改質反応装置を示す概
略図である。
【図７】 実施例において用いた改質反応装置を示す概
略図である。
【図８】 実施例において用いた改質反応装置を示す概
略図である。
【図９】 実施例において用いた改質反応装置を示す概
略図である。
【図１０】 実施例において用いた改質反応装置を示す
概略図である。
【図１１】 実施例において用いた改質反応装置を示す
概略図である。
【図１２】 実施例において用いた改質反応装置を示す
概略図である。
【図１３】 実施例において用いた改質反応装置を示す
概略図である。
【図１４】 実施例において用いた改質反応装置を示す
概略図である。
【図１５】 実施例において用いた改質反応装置を示す
概略図である。
【図１６】 実施例において用いた改質反応装置を示す
概略図である。
【図１７】 実施例において用いた改質反応装置を示す
概略図である。
【図１８】 実施例において用いた改質反応装置を示す
概略図である。
【図１９】 実施例において用いた改質反応装置を示す
概略図である。
【図２０】 ハニカム構造体の一例を示す斜視図であ
る。
【図２１】 ハニカム構造体の他の例を示す概略断面図
である。
【符号の説明】
１…ヒーターユニット、２…触媒体、３…缶体、４…電
極、５…入口孔、６…出口孔、１０…上流側ヒーターユ
ニット、１１…下流側ヒーターユニット、１２…触媒
体、１３…缶体、１４…電極、１５…入口孔、１６…出
口孔、１７…触媒体、２０…上流側ヒーターユニット、
２１…下流側ヒーターユニット、２２…触媒体、２３…
缶体、２４…電極、２５…入口孔、２６…出口孔、３０
…ヒーターユニットＡ、３１…ヒーターユニットＢ、３
２…ヒーターユニットＣ、３３…ヒーターユニットＤ、
３４…ヒーターユニットＥ、３５…ヒーターユニット
Ｆ、３６…ヒーターユニットＧ、３７…ヒーターユニッ
トＨ、３８…ヒーターユニットＩ、４０…触媒体Ａ、４
１…触媒体Ｂ、４２…触媒体Ｃ、４３…触媒体Ｄ、４４
…触媒体Ｅ、４５…触媒体Ｆ、４６…触媒体Ｇ、４７…
触媒体Ｈ、４８…触媒体Ｉ、４９…触媒体Ｊ、５０…触
媒体Ｋ、５１…触媒体Ｌ、５２…触媒体Ｍ、５３…触媒
体Ｎ、５４…触媒体Ｏ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｂ０１Ｊ 35/04 ３０１ Ｂ０１Ｊ 35/04 ３０１Ａ Ｈ０１Ｍ 8/04 Ｈ０１Ｍ 8/04 Ｚ 8/06 8/06 Ｇ (72)発明者 鈴木 純一 愛知県名古屋市瑞穂区須田町２番56号 日 本碍子株式会社内 Ｆターム(参考） 4G040 EA03 EA06 EB23 EB32 EB42 EC02 EC03 EC05 EC07 EC08 4G069 AA20 BC16B BC31A BC31B BC32A BC33A BC35A BC35B BC36A BC37A BC40B BC54A BC58A BC58B BC59A BC60A BC64A BC66A BC66B BC67A BC68A BC70A BC70B BC71A BC72A BC74A BC75A BD03B CA07 CA10 CC08 CC26 DA06 EA18 EA20 FB77 FB78 FB79 5H027 AA02 BA01 BA16 BA17

Claims (28)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 流体流路内の上流側に通電発熱可能なハ
    ニカム構造を有するヒーターユニットを配置し、当該ヒ
    ーターユニットの下流側に有機化合物又は一酸化炭素を
    含む反応流体から触媒反応によって水素を発生させるハ
    ニカム構造を有する触媒体を少なくとも１つ配置してな
    る改質反応装置であって、前記ヒーターユニットと前記
    触媒体の少なくともいずれか１つとが、 ヒーターユニットのセル密度≦触媒体のセル密度という
    関係を満たすものであることを特徴とする改質反応装
    置。
  2. 【請求項２】 複数個の触媒体を配置した場合におい
    て、ヒーターユニットと当該ヒーターユニットの下流側
    に隣接する触媒体とが、 ヒーターユニットのセル密度≦触媒体のセル密度という
    関係を満たすものである請求項１記載の改質反応装置。
  3. 【請求項３】 複数個の触媒体を配置した場合におい
    て、ヒーターユニットと当該ヒーターユニットの下流側
    に配置した全ての触媒体とが、 ヒーターユニットのセル密度≦触媒体のセル密度という
    関係を満たすものである請求項１記載の改質反応装置。
  4. 【請求項４】 前記触媒体が、水蒸気改質反応、部分酸
    化反応及び分解反応のいずれかの反応、及び／又はCOシ
    フト反応、及び／又はCO選択酸化触媒反応の触媒作用を
    有する触媒成分を含有する請求項１記載の改質反応装
    置。
  5. 【請求項５】 前記触媒成分が、長周期の周期律表にお
    いてVB〜VIII族、IB族及びIIB族に属する金属元素の内
    の少なくとも１種と耐熱性酸化物とを主成分として含む
    請求項４記載の改質反応装置。
  6. 【請求項６】 前記金属元素が、VIII族の金属元素、
    V、Cr、Mo、W、Re、IB族の金属元素及びZnの金属元素の
    内の少なくとも１種である請求項５記載の改質反応装
    置。
  7. 【請求項７】 前記耐熱性酸化物が、Al2O3、SiO2、TiO
    2、ZrO2、MgO又はゼオライト、SAPO、ALPO、層状化合物
    及びこれらの複合酸化物である請求項５記載の改質反応
    装置。
  8. 【請求項８】 前記ヒーターユニット上に、水蒸気改質
    反応、部分酸化反応及び分解反応のいずれかの反応、及
    び／又はCOシフト反応、及び／又はCO選択酸化触媒反応
    の触媒作用を有する触媒成分を含有させてなる請求項１
    記載の改質反応装置。
  9. 【請求項９】 前記ヒーターユニットが、発熱抵抗特性
    を有する焼結体又は金属質体あるいはこれらの複合体、
    若しくはそれ自体は発熱抵抗特性を有しない耐熱性物質
    と前記焼結体及び／又は前記金属質体との複合体のいず
    れかから構成されてなる請求項１記載の改質反応装置。
  10. 【請求項１０】 流体流路内に、通電発熱可能なハニカ
    ム構造を有する複数個のヒーターユニットを配置し、当
    該複数個のヒーターユニット間の少なくともいずれか１
    ヶ所の位置に有機化合物又は一酸化炭素を含む反応流体
    から触媒反応によって水素を発生させるハニカム構造を
    有する触媒体を少なくとも１つ配置してなる改質反応装
    置であって、前記触媒体の上流側に配置したヒーターユ
    ニット（上流側ヒーターユニット）の少なくともいずれ
    か１つと、触媒体の下流側に配置したヒーターユニット
    （下流側ヒーターユニット）の少なくともいずれか１つ
    とが、 上流側ヒーターユニットのセル密度≧下流側ヒーターユ
    ニットのセル密度という関係を満たすものであることを
    特徴とする改質反応装置。
  11. 【請求項１１】 当該触媒体のみを間に挟んで、当該触
    媒体の上流側と下流側とに各々隣接する上流側ヒーター
    ユニットと下流側ヒーターユニットとが、 上流側ヒーターユニットのセル密度≧下流側ヒーターユ
    ニットのセル密度という関係を満たすものである請求項
    １０記載の改質反応装置。
  12. 【請求項１２】 ３つ以上のヒーターユニットを配置
    し、当該ヒーターユニット間の２ヶ所以上の位置にそれ
    ぞれ触媒体を配置した場合において、最も上流側に配置
    した触媒体のみを間に挟んで、当該触媒体の上流側と下
    流側とに各々隣接する上流側ヒーターユニットと下流側
    ヒーターユニットとが、 上流側ヒーターユニットのセル密度≧下流側ヒーターユ
    ニットのセル密度という関係を満たすものである請求項
    １０記載の改質反応装置。
  13. 【請求項１３】 ３つ以上のヒーターユニットを配置し
    た場合において、触媒体の上流側に配置したヒーターユ
    ニット（上流側ヒーターユニット）と、触媒体の下流側
    に配置したヒーターユニット（下流側ヒーターユニッ
    ト）とが、全て、 上流側ヒーターユニットのセル密度≧下流側ヒーターユ
    ニットのセル密度という関係を満たすものである請求項
    １０記載の改質反応装置。
  14. 【請求項１４】 前記触媒体が、水蒸気改質反応、部分
    酸化反応及び分解反応のいずれかの反応、及び／又はCO
    シフト反応、及び／又はCO選択酸化触媒反応の触媒作用
    を有する触媒成分を含有する請求項１０記載の改質反応
    装置。
  15. 【請求項１５】 前記触媒成分が、長周期の周期律表に
    おいてVB〜VIII族、IB族及びIIB族に属する金属元素の
    内の少なくとも１種と耐熱性酸化物とを主成分として含
    む請求項１４記載の改質反応装置。
  16. 【請求項１６】 前記金属元素が、VIII族の金属元素、
    V、Cr、Mo、W、Re、IB族の金属元素及びZnの金属元素の
    内の少なくとも１種である請求項１５記載の改質反応装
    置。
  17. 【請求項１７】 前記耐熱性酸化物が、Al2O3、SiO2、T
    iO2、ZrO2、MgO又はゼオライト、SAPO、ALPO、層状化合
    物及びこれらの複合酸化物である請求項１５記載の改質
    反応装置。
  18. 【請求項１８】 前記ヒーターユニット上に、水蒸気改
    質反応、部分酸化反応及び分解反応のいずれかの反応、
    及び／又はCOシフト反応、及び／又はCO選択酸化触媒反
    応の触媒作用を有する触媒成分を含有させてなる請求項
    １０記載の改質反応装置。
  19. 【請求項１９】 前記ヒーターユニットが、発熱抵抗特
    性を有する焼結体又は金属質体あるいはこれらの複合
    体、若しくはそれ自体は発熱抵抗特性を有しない耐熱性
    物質と前記焼結体及び／又は前記金属質体との複合体の
    いずれかから構成されてなる請求項１０記載の改質反応
    装置。
  20. 【請求項２０】 流体流路内に、通電発熱可能なハニカ
    ム構造を有するヒーターユニットを、流体の流れ方向に
    複数個隣接して配置するとともに、有機化合物又は一酸
    化炭素を含む反応流体から触媒反応によって水素を発生
    させるハニカム構造を有する触媒体を少なくとも１つ配
    置してなる改質反応装置であって、前記複数個のヒータ
    ーユニットの内の隣接する少なくともいずれか２つのヒ
    ーターユニットが、 上流側ヒーターユニットのセル密度≦下流側ヒーターユ
    ニットのセル密度という関係を満たすものであることを
    特徴とする改質反応装置。
  21. 【請求項２１】 ３つ以上のヒーターユニットを流体の
    流れ方向に隣接して配置した場合において、最も上流側
    に配置したヒーターユニットとその下流側に隣接して配
    置したヒーターユニットとが、 上流側ヒーターユニットのセル密度≦下流側ヒーターユ
    ニットのセル密度という関係を満たすものである請求項
    ２０記載の改質反応装置。
  22. 【請求項２２】 ３つ以上のヒーターユニットを流体の
    流れ方向に隣接して配置した場合において、それら隣接
    している全てのヒーターユニットが、 上流側ヒーターユニットのセル密度≦下流側ヒーターユ
    ニットのセル密度という関係を満たすものである請求項
    ２０記載の改質反応装置。
  23. 【請求項２３】 前記触媒体が、水蒸気改質反応、部分
    酸化反応及び分解反応のいずれかの反応、及び／又はCO
    シフト反応、及び／又はCO選択酸化触媒反応の触媒作用
    を有する触媒成分を含有する請求項２０記載の改質反応
    装置。
  24. 【請求項２４】 前記触媒成分が、長周期の周期律表に
    おいてVB〜VIII族、IB族及びIIB族に属する金属元素の
    内の少なくとも１種と耐熱性酸化物とを主成分として含
    む請求項２３記載の改質反応装置。
  25. 【請求項２５】 前記金属元素が、VIII族の金属元素、
    V、Cr、Mo、W、Re、IB族の金属元素及びZnの金属元素の
    内の少なくとも１種である請求項２４記載の改質反応装
    置。
  26. 【請求項２６】 前記耐熱性酸化物が、Al2O3、SiO2、T
    iO2、ZrO2、MgO又はゼオライト、SAPO、ALPO、層状化合
    物及びこれらの複合酸化物である請求項２４記載の改質
    反応装置。
  27. 【請求項２７】 前記ヒーターユニット上に、水蒸気改
    質反応、部分酸化反応及び分解反応のいずれかの反応、
    及び／又はCOシフト反応、及び／又はCO選択酸化触媒反
    応の触媒作用を有する触媒成分を含有させてなる請求項
    ２０記載の改質反応装置。
  28. 【請求項２８】 前記ヒーターユニットが、発熱抵抗特
    性を有する焼結体又は金属質体あるいはこれらの複合
    体、若しくはそれ自体は発熱抵抗特性を有しない耐熱性
    物質と前記焼結体及び／又は前記金属質体との複合体の
    いずれかから構成されてなる請求項２０記載の改質反応
    装置。
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