JP2003206105A - 触媒反応器 - Google Patents
触媒反応器Info
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Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
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- Y02P20/52—Improvements relating to the production of bulk chemicals using catalysts, e.g. selective catalysts
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
- Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)
- Catalysts (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 簡単な構造で出力密度が高く、小型・軽量な
触媒反応器を得る。 【解決手段】 触媒反応器１は、多孔質担体に改質触媒
が担持された中空円筒状の触媒層３１と、触媒層３１の
径方向外側に設けられて触媒層３１に反応ガスを供給す
る反応ガス供給路３と、触媒層３１の径方向内側に設け
られて触媒層３１を通過した反応ガスが集合する反応ガ
ス排出路５と、を備える。反応ガス供給路３に供給され
た反応ガスは、反応ガス排出路５に向かって触媒層３１
を径方向に流れる。
触媒反応器を得る。 【解決手段】 触媒反応器１は、多孔質担体に改質触媒
が担持された中空円筒状の触媒層３１と、触媒層３１の
径方向外側に設けられて触媒層３１に反応ガスを供給す
る反応ガス供給路３と、触媒層３１の径方向内側に設け
られて触媒層３１を通過した反応ガスが集合する反応ガ
ス排出路５と、を備える。反応ガス供給路３に供給され
た反応ガスは、反応ガス排出路５に向かって触媒層３１
を径方向に流れる。
Description
【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。
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。
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。
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２
０００−３０２４０８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。
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２
０００−３０２４０８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。
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。
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。
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９
５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。
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９
５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。
【０００９】
【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、多孔質担体に触媒（例
えば、後述する第１および第２の実施の形態における改
質触媒、第３の実施の形態におけるＣＯ除去触媒）が担
持された中空円筒状の触媒層（例えば、後述する第１お
よび第３の実施の形態における触媒層３１、第２の実施
の形態における第１触媒層４１、第２触媒層４２）を備
え、この触媒層の径方向内側と径方向外側の一方側から
他方側へ反応ガスが流れることを特徴とする触媒反応器
（例えば、後述する第１および第２の実施の形態におけ
る改質反応器１、第３に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から径方向内側に向かって径
方向に、あるいは、径方向内側から径方向外側に向かっ
て径方向に流れる。そして、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。
に、請求項１に記載した発明は、多孔質担体に触媒（例
えば、後述する第１および第２の実施の形態における改
質触媒、第３の実施の形態におけるＣＯ除去触媒）が担
持された中空円筒状の触媒層（例えば、後述する第１お
よび第３の実施の形態における触媒層３１、第２の実施
の形態における第１触媒層４１、第２触媒層４２）を備
え、この触媒層の径方向内側と径方向外側の一方側から
他方側へ反応ガスが流れることを特徴とする触媒反応器
（例えば、後述する第１および第２の実施の形態におけ
る改質反応器１、第３に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から径方向内側に向かって径
方向に、あるいは、径方向内側から径方向外側に向かっ
て径方向に流れる。そして、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。
【００１０】請求項２に記載した発明は、多孔質担体に
触媒（例えば、後述する第１および第２の実施の形態に
おける改質触媒、第３の実施の形態におけるＣＯ除去触
媒）が担持された中空円筒状の触媒層（例えば、後述す
る第１および第３の実施の形態における触媒層３１、第
２の実施の形態における第１触媒層４１、第２触媒層４
２）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、後述する第１および第３の実施の
形態における反応ガス供給路３、第２の実施の形態にお
ける反応ガス供給路３Ａ，３Ｂ）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、後述する第１および第３の実施の形態における反応
ガス排出路５、第２の実施の形態における反応ガス排出
路５Ａ，５Ｂ）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ことを特徴とする触媒反応器
（例えば、後述する第１および第２の実施の形態におけ
る改質反応器１、第３に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。
触媒（例えば、後述する第１および第２の実施の形態に
おける改質触媒、第３の実施の形態におけるＣＯ除去触
媒）が担持された中空円筒状の触媒層（例えば、後述す
る第１および第３の実施の形態における触媒層３１、第
２の実施の形態における第１触媒層４１、第２触媒層４
２）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、後述する第１および第３の実施の
形態における反応ガス供給路３、第２の実施の形態にお
ける反応ガス供給路３Ａ，３Ｂ）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、後述する第１および第３の実施の形態における反応
ガス排出路５、第２の実施の形態における反応ガス排出
路５Ａ，５Ｂ）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ことを特徴とする触媒反応器
（例えば、後述する第１および第２の実施の形態におけ
る改質反応器１、第３に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。
【００１１】請求項３に記載した発明は、請求項２に記
載の発明において、前記触媒層の径方向外側に反応ガス
供給部が設けられ、該触媒層の径方向内側に反応ガス排
出部が設けられていることを特徴とする。このように構
成することにより、触媒層において内周面よりも表面積
の大きい外周面に沿った部分を上流部分にすることがで
き、したがって、反応面積をより大きくすることが可能
になる。
載の発明において、前記触媒層の径方向外側に反応ガス
供給部が設けられ、該触媒層の径方向内側に反応ガス排
出部が設けられていることを特徴とする。このように構
成することにより、触媒層において内周面よりも表面積
の大きい外周面に沿った部分を上流部分にすることがで
き、したがって、反応面積をより大きくすることが可能
になる。
【００１２】請求項４に記載した発明は、請求項２また
は請求項３に記載の発明において、径の異なる複数の前
記触媒層（例えば、後述する第２の実施の形態における
第１触媒層４１、第２触媒層４２）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（例えば、
後述する第２の実施の形態における反応ガス供給路３
Ａ，３Ｂ）と前記反応ガス排出部（例えば、後述する第
２の実施の形態における反応ガス排出路５Ａ，５Ｂ）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。
は請求項３に記載の発明において、径の異なる複数の前
記触媒層（例えば、後述する第２の実施の形態における
第１触媒層４１、第２触媒層４２）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（例えば、
後述する第２の実施の形態における反応ガス供給路３
Ａ，３Ｂ）と前記反応ガス排出部（例えば、後述する第
２の実施の形態における反応ガス排出路５Ａ，５Ｂ）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。
【００１３】請求項５に記載した発明は、請求項１から
請求項４のいずれかに記載の発明において、前記触媒
は、炭化水素を含む前記反応ガスを水素リッチなガスに
改質する改質触媒であることを特徴とする。このように
構成することにより、炭化水素を含む反応ガスを水素リ
ッチなガスに改質する改質反応器の出力密度の増大が可
能になる。
請求項４のいずれかに記載の発明において、前記触媒
は、炭化水素を含む前記反応ガスを水素リッチなガスに
改質する改質触媒であることを特徴とする。このように
構成することにより、炭化水素を含む反応ガスを水素リ
ッチなガスに改質する改質反応器の出力密度の増大が可
能になる。
【００１４】請求項６に記載した発明は、請求項５に記
載の発明において、燃料電池自動車に搭載され、燃料電
池に供給される燃料ガスを生成することを特徴とする触
媒反応器である。このように構成することにより、燃料
ガス生成用の改質反応器の出力密度を増大することが可
能になる。
載の発明において、燃料電池自動車に搭載され、燃料電
池に供給される燃料ガスを生成することを特徴とする触
媒反応器である。このように構成することにより、燃料
ガス生成用の改質反応器の出力密度を増大することが可
能になる。
【００１５】請求項７に記載した発明は、請求項１から
請求項６のいずれかに記載の発明において、前記多孔質
担体には、熱媒体が流通可能な通路（例えば、後述する
第３の実施の形態における冷却管５３）が形成されてい
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。
請求項６のいずれかに記載の発明において、前記多孔質
担体には、熱媒体が流通可能な通路（例えば、後述する
第３の実施の形態における冷却管５３）が形成されてい
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。
【００１６】請求項８に記載した発明は、請求項７に記
載の発明において、前記通路は前記多孔質担体をその軸
線方向に貫通して形成されていることを特徴とする。こ
のように構成することにより、前記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。
載の発明において、前記通路は前記多孔質担体をその軸
線方向に貫通して形成されていることを特徴とする。こ
のように構成することにより、前記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。
【００１７】請求項９に記載した発明は、請求項８に記
載の発明において、前記通路は管体であることを特徴と
する。このように構成することにより、前記通路を触媒
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。
載の発明において、前記通路は管体であることを特徴と
する。このように構成することにより、前記通路を触媒
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。
【００１８】
【発明の実施の形態】以下、この発明に係る触媒反応器
の実施の形態を図１から図９の図面を参照して説明す
る。 〔第１の実施の形態〕初めに、この発明に係る触媒反応
器の第１の実施の形態を図１および図２の図面を参照し
て説明する。第１の実施の形態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。
の実施の形態を図１から図９の図面を参照して説明す
る。 〔第１の実施の形態〕初めに、この発明に係る触媒反応
器の第１の実施の形態を図１および図２の図面を参照し
て説明する。第１の実施の形態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の実施の形態における改質反
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１
４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。
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１
４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２
１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２１
ａ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。
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２
１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２１
ａ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３
０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。
内蔵されたエレメント３０を備えている。エレメント３
０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１
５ｂ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３
３ａ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。
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１
５ｂ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３
３ａ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。
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。
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。
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。
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）
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１２
ａ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。
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１２
ａ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の実施の形態における改
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。
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。
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、本実施の形態の改質反応器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。
した場合に、本実施の形態の改質反応器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の実施の形態〕次に、この発明に係
る触媒反応器の第２の実施の形態を図３から図６の図面
を参照して説明する。第２の実施の形態も第１の実施の
形態と同様に改質反応器の態様であり、第２の実施の形
態における改質反応器１が第１の実施の形態のものと相
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の実施の形態における改質反
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の実施の形態におけるエレ
メント３０に対応する第２の実施の形態におけるエレメ
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４
６が設置されている。
る触媒反応器の第２の実施の形態を図３から図６の図面
を参照して説明する。第２の実施の形態も第１の実施の
形態と同様に改質反応器の態様であり、第２の実施の形
態における改質反応器１が第１の実施の形態のものと相
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の実施の形態における改質反
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の実施の形態におけるエレ
メント３０に対応する第２の実施の形態におけるエレメ
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４
６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側端面と反応ガス供給路３Ａ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１
２側端面と反応ガス排出路５Ａ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。
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側端面と反応ガス供給路３Ａ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１
２側端面と反応ガス排出路５Ａ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５
Ｂ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の実施の形態の改質反応器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の実
施の形態で説明した構成を援用する。
ナーケーシング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５
Ｂ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の実施の形態の改質反応器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の実
施の形態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の実施の形態における触媒層３
１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。
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の実施の形態における触媒層３
１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の実施の形態の単
層構造の改質反応器１と、第２の実施の形態の二重構造
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。
層構造の改質反応器１と、第２の実施の形態の二重構造
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の実施の形態における改質反応器
１によれば、前述した第１の実施の形態の改質反応器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。
１によれば、前述した第１の実施の形態の改質反応器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】〔第３の実施の形態〕次に、この発明に係
る触媒反応器の第３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ＣＯ 2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。
る触媒反応器の第３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ＣＯ 2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。第３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。
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。第３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、第３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、
第３の実施の形態のＣＯ除去器５０の縦断面であり、基
本構成は第１の実施の形態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。
器をＣＯ除去器５０としての態様で説明する。図７は、
第３の実施の形態のＣＯ除去器５０の縦断面であり、基
本構成は第１の実施の形態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５
３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。
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５
３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ＣＯ
2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。
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ＣＯ
2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第３の実施
の形態のＣＯ除去器５０と、冷却システムを備えないＣ
Ｏ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Ｃ
Ｏ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。
濃度の関係について、冷却システムを備えた第３の実施
の形態のＣＯ除去器５０と、冷却システムを備えないＣ
Ｏ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Ｃ
Ｏ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、この第３の実施の形態のＣ
Ｏ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。
Ｏ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
た各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。
た実施の形態に限られるものではない。例えば、前述し
た各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の実施の形態では、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。また、前述した各実施の形
態の触媒反応器は、燃料電池用燃料ガスを生成する改質
反応器あるいはＣＯ除去器としての態様であったが、こ
の発明の触媒反応器はこれら用途に限定されるものでは
なく、種々の触媒反応を目的とする触媒反応器に適用可
能である。例えば、内燃機関から排出される排気ガスを
浄化するための排気浄化触媒を用いた触媒反応器にも適
用可能である。
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。また、前述した各実施の形
態の触媒反応器は、燃料電池用燃料ガスを生成する改質
反応器あるいはＣＯ除去器としての態様であったが、こ
の発明の触媒反応器はこれら用途に限定されるものでは
なく、種々の触媒反応を目的とする触媒反応器に適用可
能である。例えば、内燃機関から排出される排気ガスを
浄化するための排気浄化触媒を用いた触媒反応器にも適
用可能である。
【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。
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。
【００４８】請求項３に記載した発明によれば、触媒層
の径方向外側に反応ガス供給部が設けられていることか
ら、反応面積をより大きくすることが可能になり、その
結果、出力密度の増大、および、触媒反応器の小型・軽
量化をより促進することができるという効果がある。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り、改質反応器１の出力密度を高
めることができる。また、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。
の径方向外側に反応ガス供給部が設けられていることか
ら、反応面積をより大きくすることが可能になり、その
結果、出力密度の増大、および、触媒反応器の小型・軽
量化をより促進することができるという効果がある。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り、改質反応器１の出力密度を高
めることができる。また、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。
【００４９】請求項５に記載した発明によれば、炭化水
素を含む反応ガスを水素リッチなガスに改質する改質反
応器の出力密度が増大し、改質反応器の小型・軽量化を
図ることができるという優れた効果が奏される。請求項
６に記載した発明によれば、燃料ガス生成用の改質反応
器の小型・軽量化に伴い、改質反応器の車載性が向上
し、燃費が向上するという優れた効果が奏される。
素を含む反応ガスを水素リッチなガスに改質する改質反
応器の出力密度が増大し、改質反応器の小型・軽量化を
図ることができるという優れた効果が奏される。請求項
６に記載した発明によれば、燃料ガス生成用の改質反応
器の小型・軽量化に伴い、改質反応器の車載性が向上
し、燃費が向上するという優れた効果が奏される。
【００５０】請求項７に記載した発明によれば、触媒層
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。請求項８に記載した発明によれ
ば、前記通路を触媒層に容易に形成することができると
ともに、該通路を備えた触媒反応器の構造が簡単にな
る。請求項９に記載した発明によれば、前記通路を触媒
層に容易に形成することができるとともに、該通路を備
えた触媒反応器の構造が簡単になる。
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。請求項８に記載した発明によれ
ば、前記通路を触媒層に容易に形成することができると
ともに、該通路を備えた触媒反応器の構造が簡単にな
る。請求項９に記載した発明によれば、前記通路を触媒
層に容易に形成することができるとともに、該通路を備
えた触媒反応器の構造が簡単になる。
【図１】 この発明に係る触媒反応器の第１の実施の形
態における縦断面図である。
態における縦断面図である。
【図２】 前記第１の実施の形態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。
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第２の実施の形
態におけるエレメントの縦断面図である。
態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。
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。
フである。
【図７】 この発明に係る触媒反応器の第３の実施の形
態における縦断面図である。
態における縦断面図である。
【図８】 前記第３の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。
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。
る。
【図１０】 従来の触媒反応器の縦断面図である。
１ 改質反応器（触媒反応器）
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）
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）
５３ 冷却管（通路、管体）
─────────────────────────────────────────────────────
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(51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考）
Ｈ０１Ｍ 8/06 Ｈ０１Ｍ 8/06 Ｇ
8/10 8/10
Ｆターム(参考） 4G040 EA02 EA03 EA06 EB11 EB22
EB23
4G069 AA03 AA11 BA13A BA17
BB02A BC31A BC35A BC72A
BC75A CC17 CC25 CC32
EB08 EB11 EE04 EE06
5H026 AA06
5H027 AA06 BA01 BA16 DD00
Claims (9)
- 【請求項１】 多孔質担体に触媒が担持された中空円筒
状の触媒層を備え、この触媒層の径方向内側と径方向外
側の一方側から他方側へ反応ガスが流れることを特徴と
する触媒反応器。 - 【請求項２】 多孔質担体に触媒が担持された中空円筒
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
流れることを特徴とする触媒反応器。 - 【請求項３】 前記触媒層の径方向外側に反応ガス供給
部が設けられ、該触媒層の径方向内側に反応ガス排出部
が設けられていることを特徴とする請求項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２または請求項３に記載の触媒反応器。 - 【請求項５】 前記触媒は、炭化水素を含む前記反応ガ
スを水素リッチなガスに改質する改質触媒であることを
特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の触
媒反応器。 - 【請求項６】 燃料電池自動車に搭載され、燃料電池に
供給される燃料ガスを生成することを特徴とする請求項
５に記載の触媒反応器。 - 【請求項７】 前記多孔質担体には、熱媒体が流通可能
な通路が形成されていることを特徴とする請求項１から
請求項６のいずれかに記載の触媒反応器。 - 【請求項８】 前記通路は前記多孔質担体をその軸線方
向に貫通して形成されていることを特徴とする請求項７
に記載の触媒反応器。 - 【請求項９】 前記通路は管体であることを特徴とする
請求項８に記載の触媒反応器。
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- 2002-01-11 JP JP2002005335A patent/JP4204786B2/ja not_active Expired - Fee Related
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