JP2005169319A - 触媒担持体及び触媒コンバータ - Google Patents

Abstract

【課題】環状の流体通路内への組み込みが容易であり、かつ触媒と流体との接触が効果的に行われ得る触媒担持体及び触媒コンバータを提供する。
【解決手段】環状の流体通路１３，１９，２１内に配置するための触媒担持体２７であって、前記流体通路１３，１９，２１の断面積の大きさに対応した環状に形成してあり、かつ表面に触媒を担持した網状に形成してあり、また断面形状が非平面状である。さらに、環状の流体通路１３，１９，２１内に配置するための触媒担持体２７であって、断面形状が前記環状通路の内側面と外側面との間を横断する複数の横断面を備えた蛇腹状を呈する網状の管状部材よりなり、この管状部材の表面に触媒を担持している。さらに、環状の流体通路内に配置するための触媒担持体であって、前記流体通路の径に対応した径の螺旋状の網状部材よりなり、この網状部材の表面に触媒を担持している。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば燃料電池の燃料としての水素を得るために炭化水素を改質するための改質器や、自動車，二輪車等の車両のエンジンから排出される排気ガスを浄化するための反応器等の触媒コンバータに使用する触媒を担持する触媒担持体及びその触媒担持体を使用した触媒コンバータに係り、さらに詳細には、環状に形成した流体通路内への配置が容易であり、かつ上記流体通路内の流体と触媒との接触を効果的に行うことのできる触媒担持体及び触媒コンバータに関する。

炭化水素類を、触媒を用いて水素を主成分とするガスに改質するための改質器や、車等のエンジンから排出される排気ガスを、触媒を用いて浄化するための反応器等の触媒コンバータにおいて、流体通路を環状に形成した構造のものが知られている（例えば特許文献１，２参照）。
特許第３４０３４１６号公報 特開平１０−３２８５５５号公報

前記特許文献１に記載の触媒コンバータ１Ａは、図６に概略的に示されているように、バーナ３を備えた燃焼室５を囲繞した環状の改質反応室７を備えている。そして、この改質反応室７の外側には、上記改質反応室７に連通した環状のシフト反応室９及び酸化反応室１１を備えた構成である。

前記触媒コンバータ１Ａにおいて、前記改質反応室７，シフト反応室９及び酸化反応室１１内には、ペレット状の触媒を内装してある。前記特許文献２に記載の構成においても、環状に形成した室内にペレット状の触媒を内装した構成である。

前述したように、環状の室（通路）内にペレット状の触媒を内装する構成においては、内部を流れる流体が全体に亘って均等に流れるようにペレット状の触媒を環状の流路内に充填するとき、均一に詰め込む必要がある。すなわち、環状の流路を構成する内側の管体と外側の管体との軸心が一致せずに片寄っていると、流体の流れが片寄ることとなり良好の改質ができないものであり、環状の流路の間隔管理が難しいものである。

また、全体的構成の小型化、コンパクト化を図るために、前記環状の流路の間隔を狭くすると、ペレット状の触媒の充填がやりにくくなる。またペレットの粒径の管理が難しくなるという問題がある。

そこで、環状の流路内に、ハニカム状の触媒を内装することも考えられるが、この場合には、触媒に接触することなく通過する流体の流量を少なくするには、触媒を配置する流路長が長くなり、小型化，コンパクト化を図る上においては問題がある。

本発明は、前述のごとき問題に鑑みてなされたもので、環状の流体通路内に配置するための触媒担持体であって、前記流体通路の断面の大きさに対応した環状に形成してあり、かつ表面に触媒を担持した網状に形成してあることを特徴とするものである。

また、本発明は、上記触媒担持体において、断面形状が非平面状であることを特徴とするものである。

また本発明は、環状の流体通路内に配置するための触媒担持体であって、断面形状が前記環状通路の内側面と外側面との間を横断する複数の横断面を備えた蛇腹状を呈する網状の管状部材よりなり、この管状部材の表面に触媒を担持していることを特徴とするものである。

また、本発明は、環状の流体通路内に配置するための触媒担持体であって、前記流体通路の径に対応した径の螺旋状の網状部材よりなり、この網状部材の表面に触媒を担持していることを特徴とするものである。

また、本発明は、環状の流体通路内に、当該流体通路内の流体の改質又は反応を行うための触媒を内装してなる触媒コンバータであって、前記流体通路内に、前記触媒担持体を備えていることを特徴とするものである。

また、本発明は、上記触媒コンバータにおいて、環状の前記流体通路を形成する内管の内周面又は外管の外周面に、ひだ状部を備えていることを特徴とするものである。

本発明によれば、環状の流体通路に対する触媒担持体の挿入，組付けが容易に行い得ると共に、上記流体通路内を流れる流体が触媒と接触することなく通過する流量を少なくすることができるものである。

図１を参照するに、図１には、前述した従来の触媒コンバータ１Ａと同様の構成の触媒コンバータに本発明を実施した場合が例示してある。したがって、前述した構成と同一機能を奏する部分には同一符号を付することとして重複した説明は省略する。

本実施形態に係る触媒コンバータ１は、前述した触媒コンバータ１Ａと同様に、バーナ３を備えた燃焼室５を備えている。この燃焼室５は、前述した改質反応室７に相当する環状の流体通路１３によって囲繞されている。上記流体通路１３は、円筒形状の内管１５と円筒形状の外管１７との間に環状に形成してあるものである。

さらに、前記流体通路１３の外側には、前記シフト反応室９に相当する環状の流体通路１９及び前記酸化反応室１１に相当する環状の流体通路２１を備えている。上記流体通路１９，２１は、円筒形状の内管２３と円筒形状の外管２５との間に形成してある。

すなわち、前記触媒コンバータ１の全体的構成は、前述した触媒コンバータと同様に構成してあり、相違する点は、前記各流体通路１３，１９，２１に対して、網状の触媒担持体２７が積層するように配置してある。

前記触媒担持体２７は、環状の前記流体通路１３，１９，２１の断面形状の大きさに対応して、図２に示すように、環状に形成してある。この触媒担持体２７の内径は、前記流体通路１３，１９，２１の内径、すなわち前記内管１５，２３の外径に対応する大きさであり、外径は前記流体通路１３，１９，２１の外径、すなわち前記外管１７，２５の内径に対応する大きさに形成してある。

前記触媒担持体２７は、ガス，液体の流体が通過し易いように、適宜メッシュの網状に形成してある。前記触媒担持体２７を網状に形成する構成としては、線材を網状に編んだ構成でも、または薄板材に多数の穴加工を行ったパンチングメタルよりなるものであっても良いものである。そして、前記触媒担持体２７の表面には、前記流体通路１３，１９，２１内を流れる流体の改質，反応等に必要な触媒が担持されている。なお、前記触媒担持体２７の表面に触媒を担持する処理としては、従来の通常の処理に従えば良いものである。

既に理解されるように、触媒担持体２７は、環状の流体通路１３，１９，２１の断面の大きさに対応した環状に形成してあり、かつ表面に触媒を担持した網状に形成してあるので、前記流体通路１３，１９，２１内に挿入し組込むとき、容易に組込むことができるものである。

すなわち、前記内管１５，２３と外管１７，２５との軸心が組立誤差等により多少片寄っているような場合であっても、前記触媒担持体２７の一部に僅かな変形を生じることにより、前記誤差を吸収して組付けることができるものである。

環状の前記流体通路１３，１９，２１内に複数の触媒担持体２７を組付けるとき、各触媒担持体２７の目又は小孔を揃えることなく周方向に位相を異にして組付けることが望ましいものである。このように構成することにより、前記流体通路内を流れる流体に三次元的な乱れを生起させ、触媒と流体との接触を効果的に行うことができるものである。

また、前述のごとく、複数の触媒担持体２７を流体通路内に組付けるとき、各触媒担持体２７が互いに密着するおそれがある場合には、前記触媒担持体２７と同径で、開口率が極めて大きな環状のスペーサを触媒担持体２７の間に介在することが望ましいものである。

ところで、前記触媒担持体２７の形状としては、図２（Ａ）に示したごとき偏平形状に限ることなく、例えば図２（Ｂ）に示すように、環状の周方向に適宜ピッチで凹部２７Ａ，凸部２７Ｂを形成した構成としても良いものである。このように凹部２７Ａ，凸部２７Ｂをを備えた構成とすることにより、偏平形状の触媒担持体と交互に積層した場合であっても互いに密着するようなことがなく、前述したごときスペーサを省略することができると共に、流体の流れに三次元的な乱れをより効果的に生起でき、流体と触媒との接触をより効果的に行うことができるものである。

また、前記触媒担持体２７の断面形状としては、例えば図３（Ａ）〜（Ｄ）に示すように、Ｖ，Ｗ，Ｓ，Ｕ形状などのように非平面形状であって、流体の流れに適宜の三次元的な乱れを生起させるための曲面的な断面形状を呈することが望ましいものである。このように、断面形状が曲面的な断面を呈する構成とすることにより、触媒担持体２７の表面積が増大すると共に、リング状の触媒担持体２７は径方向に弾性変形を生じ易い構成となるものである。なお、触媒担持体２７の断面形状としては、前述のごとき断面形状に限ることなく、表面積を増大するために所望の断面形状とすることができるものである。

したがって、環状の前記流体通路１３，１９，２１内に環状の触媒担持体２７を組み込むとき、上記流体通路１３，１９，２１に前述したごとき誤差によって多少の片寄りがあるような場合であっても、上記誤差を吸収して組み込むことができるものである。

図４は第２の実施形態を示すものである。すなわち、この実施形態においては、内管２９と外管３１との間に形成された環状の流体通路３３内に組み込み配置するための触媒担持体３５は、予め環状に形成してある。

より詳細には、前記触媒担持体３５は網状部材又は多数の小孔を備えた薄板材によって予め管状に形成してあり、そして外周には周方向の溝３７が形成してある。したがって、上記触媒担持体３５の断面形状は、前記環状の通路３３の内側面（内管２９の外周面）と外側面（外管３１の内周面）との間を横断する複数の横断面３９を傾斜して備えた蛇腹状を呈するものである。なお、前記溝３７としては環状の溝であってもよく、また螺旋状の溝であっても良いものである。

上記構成においては、触媒担持体３５を、環状の流体通路３３の長さに対応した長さの管状に予め構成することができるもので、前記流体通路３３に対する挿入組み込みを容易に行い得るものである。また、前記触媒担持体３５に備えた横断面３９は流体通路３３の軸方向（流体の流れ方向）に対して傾斜した態様となり、しかも傾斜方向が逆方向の横断面３９を交互に配置した態様であるので、前記流体通路３３内を流れる流体に三次元的な乱れを生起易く、触媒担持体３５の表面に担持された触媒と流体との接触を効果的に行い得るものである。

図５は第３の実施形態を示すものである。この第３の実施形態においては、触媒担持体４１は、環状の流体通路３３の径に対応した径の螺旋状の網状部材よりなるものであって、この網状部材の表面に触媒を担持しているものである。

上記構成によれば、触媒担持体４１の長さを、流体通路３３の長さに対応した長さに予め設定することができ、また螺旋状の触媒担持体４１の内径，外径を、環状の流体通路３３の内径，外径に対応した径とすることができるので、流体通路３３に対する挿入，組み込みを容易に行い得るものである。

この場合、内管２９及び外管３１に、流体通路３３に挿入される前記触媒担持体４１を案内する螺旋状の案内溝４３，４５をそれぞれ備えることが望ましいものである。このように、内管２９，外管３１に案内溝４３，４５を備えることにより、螺旋状の前記触媒担持体４１を流体通路３３内に螺入するとき、触媒担持体４１を案内することとなり、触媒担持体４１のピッチを所定のピッチに保持することができるものである。

上記構成によれば、流体通路３３内の流体には、網状の触媒担持体４１を通過する毎に三次元的な乱れが生起されると共に、触媒担持体４１に沿っての螺旋流が生起されることになる。よって、前記流体通路３３内の流体には、前記乱流と螺旋流とが合体された態様の複雑な乱流が生起されることとなり、触媒担持体４１に担持された触媒と流体との接触が効果的に行われるものである。

また、前記構成においては、前記案内溝４３，４５を形成したことにより、前記内管２９の内周面には内方向へ突出したひだ状部２９Ａが形成され、また前記外管３１の外周面には外方向へ突出したひだ状部３１Ａが形成されることになる。したがって、前記ひだ状部２９Ａ，３１Ａを利用して熱の授受を行うことができ、流体通路３３内の温度を適温に保持することが容易なものである。

なお、内管２９と外管３１との間の流体通路３３内に螺旋状の前記触媒担持体４１を組み込む方法としては、前述したように、前記流体通路３３に触媒担持体４１を螺入することに代えて、次のようにすることも可能である。すなわち、前記内管２９の案内溝４３に前記触媒担持体４１を係合し、カシメ、溶接などのごとき適宜手段によって内管２９と触媒担持体４１とを一体的に固定した後に、外管３１と前記触媒担持体４１とを螺合することにより、内管２９と外管３１との間の流体通路３３内に触媒担持体４１を組み込んだ構成とすることも可能である。

既に理解されるように、外管３１と螺旋状の触媒担持体４１とを予め一体化し、その後に内管２９と触媒担持体４１とを螺合することにより、内管２９と外管３１との間の流体通路３３内に触媒担持体４１を組み込んだ構成とすることもできるものである。なお、上記触媒担持体４１の断面形状としては、図３に示したごとき断面形状とすることも可能である。

本発明の実施形態に係る触媒コンバータの概略的な説明図である。 触媒コンバータに使用される触媒担持体の説明図である。 上記触媒担持体の断面形状の説明図である。 第２の実施形態に係る触媒コンバータの概略的な説明図である。 第３の実施形態に係る触媒コンバータの概略的な説明図である。 従来の触媒コンバータの概略的な説明図である。

符号の説明

１ 触媒コンバータ
１３，１９，２１，３３ 流体通路
１５，２３，２９ 内管
１７，２５，３１ 外管
２７，３５ ，４１ 触媒担持体
３９ 横断面

Claims (6)

1. 環状の流体通路内に配置するための触媒担持体であって、前記流体通路の断面の大きさに対応した環状に形成してあり、かつ表面に触媒を担持した網状に形成してあることを特徴とする触媒担持体。
2. 請求項１に記載の触媒担持体において、断面形状が非平面状であることを特徴とする触媒担持体。
3. 環状の流体通路内に配置するための触媒担持体であって、断面形状が前記環状通路の内側面と外側面との間を横断する複数の横断面を備えた蛇腹状を呈する網状の管状部材よりなり、この管状部材の表面に触媒を担持していることを特徴とする触媒担持体。
4. 環状の流体通路内に配置するための触媒担持体であって、前記流体通路の径に対応した径の螺旋状の網状部材よりなり、この網状部材の表面に触媒を担持していることを特徴とする触媒担持体。
5. 環状の流体通路内に、当該流体通路内の流体の改質又は反応を行うための触媒を内装してなる触媒コンバータであって、前記流体通路内に、請求項１〜４のいずれかに記載の触媒担持体を備えていることを特徴とする触媒コンバータ。
6. 請求項５に記載の触媒コンバータにおいて、環状の前記流体通路を形成する内管の内周面又は外管の外周面に、ひだ状部を備えていることを特徴とする触媒コンバータ。

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