JP2016010758A - 反応器 - Google Patents

Abstract

【課題】 粒状の触媒からなる触媒層において、触媒の経年劣化によりその一部が微細な粉末として分離する現象が起こるが、分離した微細な粉末が触媒層の下流側の流体通路に流出することを効果的に防止する。【解決手段】 上下方向に垂直に延長する容器内に触媒層を有する反応室を備えた縦型の反応器において、前記反応室内の下部に穴あき板が水平に設けられ、粒状の触媒を充填して形成される触媒層が前記穴あき板で下方から支持され、前記穴あき板には、流体は通過させるが粒状の触媒は通過させない多数の微細な穴が設けられ、それら穴の周囲に粉末捕捉領域が形成され、前記粉末捕捉領域は穴より下方に形成された捕捉面を有することを特徴とする。【選択図】 図１

Description

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縦型の反応器に関する。

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。

燃料電池用の改質器、特に家庭用として利用される改質器は、起動停止が頻繁に行われる。改質器内に形成した改質用の触媒層は、粒状の改質触媒を充填して形成されているが、改質器が起動停止を繰り返すと、触媒層もその都度大きな温度変化を伴う。このように温度変化が繰り返されると粒状の触媒がダメージを受け、劣化が進行（経年変化）して一部が微細な粉末として粒状の触媒から分離することがある。

触媒層には反応用の流体（および反応により生成した流体）が流通するが、上記のように発生した微細な触媒粉末が流体に同伴して触媒層から反応器の下流側に漏洩すると、改質器内の流体通路の一部を閉鎖するなど、予期しないトラブルを起こす恐れがある。

発生した触媒粉末による流体通路の閉鎖を防止するための改質器が特許文献１に開示されている。特許文献１の改質器は、触媒層の出口側の流体通路に突起部を設け、その突起部の上流側で漏洩した触媒粉末を阻止し、それより下流側に触媒粉末が流出することを防止している。

なお関連技術として特許文献２には、円筒型の反応室と加熱室（熱源の流通路）を互いに隣接して交互に配置した多重円筒型の反応器（特許文献２の図９参照）が示されている。

特開２０１１−６２８９号公報 特開平５−１５５６０２号公報

しかし特許文献１のように流体通路内に突起を設けると、その部分の通路が狭くなり、必然的にそこを通過する流体の流速が高くなる。その結果、突起の上流側で一旦捕捉した触媒粉末の一部がその高い流速の流体に再び吸い出されて下流側に漏洩してしまうという現象が起こる。さらに突起部を設けるための空間が必要となり、それが装置の小型化の妨げの一因になる。

そこで本発明は、上記のような問題を生じることなく、触媒層の下流側の流体通路へ触媒粉末が漏洩しない新しい反応器を提供することを課題とする。

上記課題を解決する本発明の反応器は、上下方向に垂直に延長する容器内に触媒層を有する反応室を備えた縦型の反応器であり、
前記反応室内の下部に穴あき板が水平に設けられ、粒状の触媒を充填して形成される触媒層が前記穴あき板で下方から支持され、前記穴あき板には流体は通過させるが粒状の触媒は通過させない多数の微細な穴が設けられ、
それら穴の周囲に粉末捕捉領域が形成され、前記粉末捕捉領域は穴より下方に形成された捕捉面を有することを特徴とする（請求項１）。

上記本発明の反応器において、
前記穴あき板をパンチングメタルで構成し、パンチングメタルに形成された多数の微細な穴の縁に、垂直上方に突出したバーリングを設け、
前記バーリングで囲まれた領域に前記捕捉面を形成することができる（請求項２）。

前記本発明の反応器において、
前記穴あき板は垂直上方に向かって突出する多数のディンプルを有するディンプル板で構成し、ディンプルの頂部には微細な穴を形成し、
ディンプルの穴より下方に前記捕捉面を形成することができる（請求項３）。

前記本発明の反応器において、
前記穴あき板を波板で構成し、前記波板の頂部または傾斜面には多数の微細な穴を形成し、
前記穴より下方に前記捕捉面を形成することができる（請求項４）。

前記波板を有する反応器において、
前記容器を多重円筒型に形成し、多重円筒の内部に筒状の反応室と筒状の熱源の流通路を形成し、前記波板の波を同心円状に形成することができる（請求項５）。

前記波板を有する反応器において、
前記容器を多重円筒型に形成し、多重円筒の内部に筒状の反応室と筒状の熱源の流通路を形成し、前記波板の波を放射状に形成することができる（請求項６）。

本発明の反応器は、請求項１に記載のように、反応室内の触媒層を下方から支持する穴あき板が設けられ、その穴あき板に設けられた多数の微細な穴の周囲に粉末捕捉領域を形成し、その粉末捕捉領域は穴より下方に形成された捕捉面を有することを特徴とする。

このように構成すると、触媒の劣化が進行し、その一部が微細な粉末として粒状の触媒から分離したとしても、分離した微細な粉末は穴あき板より下方に形成された粉末捕捉領域により捕捉されるので、触媒層の下流側の通路に微細な粉末が流出することを防止できる。
そして従来のように、下流側の通路に特別な微細粉末の流出防止手段を設ける必要が無いので、下流側通路の構造複雑化や容積拡大化等の問題も解消できる。また穴あき板の構造を僅かに変化させるだけの極めて簡単な構成なので、反応器全体の構造の複雑化も回避でき、コストアップも実質的に発生することはない。

上記反応器において、請求項２に記載のように、穴あき板をパンチングメタルで構成し、パンチングメタルに形成された多数の微細な穴の縁に、垂直上方に突出したバーリングを設け、前記バーリングで囲まれた領域に前記捕捉面を形成することができる。
このようにパンチングメタルの穴の縁を利用し、そこにバーリングを突出させる加工だけでよいので、パンチングメタルの構造自体を有効に活用することができる。

前記本発明の反応器において、請求項３に記載のように、前記穴あき板は垂直上方に向かって突出する多数のディンプルを有するディンプル板で構成し、ディンプルの頂部には微細な穴を形成し、ディンプルの穴より下方に前記捕捉面を形成することができる。
このようにディンプルの頂部を利用し、そこに穴をあけるだけで、頂部の周辺の低い部分に捕捉面が自動的に形成されるので、ディンプル板の構造自体を有効に活用することができる。

前記本発明の反応器において、請求項４に記載のように、前記穴あき板を波板で構成し、前記波板の頂部または傾斜面には多数の微細な穴を形成し、前記穴より下方に前記捕捉面を形成することができる。
このように波板の頂部または傾斜面に穴をあけるだけで、それより低い領域に捕捉面が自動的に形成されるので、波板の構造自体を有効に活用できる。

上記波板を有する反応器において、請求項５に記載のように、前記容器を多重円筒型に形成し、多重円筒の内部に筒状の反応室と筒状の熱源の流通路を形成し、前記波板の波を同心円状に形成することができる。
このようにすると反応器の構造をよりコンパクトに構成できる。

前記波板を有する反応器において、請求項６に記載のように、前記容器を多重円筒型に形成し、多重円筒の内部に筒状の反応室と筒状の熱源の流通路を形成し、前記波板の波を放射状に形成することができる。
このようにすると上記と同様に反応器の構造をよりコンパクトに構成できる。

本発明の反応器の実施例を示す側断面図。 図１の反応器の外観を示す斜視図。 図１のIII部拡大図であり、反応器の触媒層を支持する穴あき板として使用するパンチングメタルの構造を説明する図。 図１の反応器の触媒層を支持する穴あき板として使用する波板の構造を説明する模式的断面図。 図４に示す穴あき板を二重円筒型の容器に適用する場合の模式図。 図５の変形例であり、図４に示す穴あき板を多重円筒型の容器に適用する場合の模式図。 図１の反応器の触媒層を支持する穴あき板として使用するディンプル板の構造を説明する模式的断面図。

図１、図２に示す反応器Ａは、燃料電池に供給される改質器として使用される多重円筒型の反応器Ａである。なお本実施例では二重円筒縦型の反応器Ａが示されているが、円筒型の反応室１０と熱源Ｃの流通路を３つ以上配置した３重円筒縦型以上の反応器Ａであってもよい。
反応器Ａは上下方向に垂直で断面円形な外筒１と内筒２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の流入部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、内筒２の内側には反応に利用する熱源Ｃの流路が形成される。

本発明において反応器の上下関係とは、図１、図２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、図２に示す流入部５に近い領域で、流体の下流側とは排出部６に近い領域を意味する。

外筒１、上蓋３および底板４により反応器Ａにおける円筒縦型の容器９が構成される。内筒２と外筒１の間の空間に円筒縦型の反応室１０が形成され、その反応室１０内に触媒層７が形成される。触媒層７は粒状の改質触媒を密に充填することにより、いわゆる固定層型に形成される。さらに触媒層７を下方から支持する穴あき板８が設けられる。

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からなるパンチングメタル、ディンプル板、波板等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、粒状の触媒を通過させず流体のみが通過できる範囲とされる。

図３は図１のIII部拡大図であり、反応器Ａの触媒層７を支持する穴あき板８として使用するパンチングメタルの構造を説明するものである。パンチングメタルは水平方向に延長する平板部１１とその平板部１１に多数設けた微細な穴８ａと、穴８ａの縁から垂直上方に突出したバーリング１２を有する。穴８ａの周辺領域におけるバーリング１２の頂部より高さの低い部分に、水平方向に平坦な捕捉面２１が形成され、この捕捉面２１により捕捉領域２０が構成される。

板状のバーリング１２は各穴８ａの縁周の全部もしくはその大部分から垂直上方に突出するように加工され、その高さは通常の粒状の触媒から分離した微細な粉末７ａを所定の運転期間において捕捉し蓄積できるような高さに設定される。

所望の期間、例えば触媒層７の交換時期までに蓄積される微細な粉末７ａの量は、触媒の種類や構造、運転条件などにより変化するので、バーリング１２の好ましい高さの範囲は実験により設定することが望ましい。なお、パンチングメタルに対するバーリングの加工方法は周知技術であるので、詳細説明は省略する。

図４は、図１の反応器Ａの触媒層７を支持する穴あき板８として使用する波板の構造を説明する図である。
波板は波の頂部１３と底部１４が 二次元的に交互に分散し、各頂部１３にそれぞれ微細な穴８ａが形成される。なお、図４の例では穴８ａが波板の頂部に形成されているが、それ以外に波の傾斜面１３ａの途中、好ましくは頂部１３と底部１４の高さ方向中間（底部１４から１／２の高さ）より上方の傾斜面１３ａに穴８ａを設けることもできる。

各穴８ａの周囲、具体的には穴８ａの高さより低い領域に、側断面が円弧状の底部１４を有する捕捉面２１が形成され、その捕捉面２１により捕捉領域２０が構成される。なお、捕捉領域２０に捕捉蓄積される触媒の微細な粉末７ａの量は、前述したパンチングメタルの場合と同様に触媒の種類や構造、運転条件などにより変化するので、波板の頂部１３と底部１４の高度差の範囲は実験により設定することが望ましい。

図５は、図４に示す波板を使用した穴あき板８を図１のような二重円筒型の容器に適用する場合の図であり、図５（ａ）は波の方向が同心円状に形成された例であり、図５（ｂ）は波の方向が放射状に形成された例である。図５（ａ）及び図５（ｂ）において、波板の頂部１３は一点鎖線により、波の底部１４は点線により表している。これは、図６においても同様に表している。

図６は、図５の変形例であって、図４に示す波板を使用した穴あき板８を三重円筒型の容器に適用する場合の図であり、波の方向が同心円状に形成された例である。図６は、図５（ｂ）のように波の方向を放射状に形成しても良い。また、二重円筒型、三重円筒型の容器以上の多重円筒型としてもよい。一例として、図６の三重円筒型の容器は外筒１と内筒２の中間部に中間筒２２を設ける。そして、中間筒２２と内筒２の間に熱源Ｃを設けることができるものである。この場合、穴あき板８は、外筒１と中間筒２２の間、内筒２内に配置する。

図７は、図１の反応器の触媒層を支持する穴あき板として使用するディンプル板の構造を説明する図である。
ディンプル板は平板１５から垂直上方に突出する小さなディンプル１６が二次元的に分散して形成されており、各ディンプル１６の頂部に微細な穴８ａが形成される。各ディンプル１６の穴８ａより下方の平板１５に捕捉面２１が形成され、その捕捉面２１により捕捉領域２０が構成される。

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充填して触媒層７を形成する。触媒層７の底部は下方から穴あき板８により支持される。触媒層７の形成が完了したら、上蓋３を閉じて内部を密封状態にする。

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式でもよい。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う。生成された水素リッチな改質ガスは生成流体Ｂ２として排出部６から排出される。

反応器Ａが運転・停止を繰り返しながら長期間経過すると、触媒層７の触媒が膨張収縮を繰り返し、その一部が微細な粉末に分離して触媒層７の内部を流体の流れに追従しながら次第に下降する。下降した微細な粉末７ａは、図３、図４、図７に示すように捕捉領域２０に捕捉される。捕捉された触媒の微細な粉末７ａは、捕捉領域２０に次第に蓄積していき、触媒層７の交換時期に合わせて穴あき板８の捕捉領域２０から外部に除去される。

本発明の反応器は、燃料電池システムにおける改質器や脱硫器などの反応器として利用できる。
上記実施例は多重円筒縦型の反応器について記載したが、円筒型に限らず、本願発明は多重方形縦型の反応器においても適用できるものである。

１ 外筒
２ 内筒
３ 上蓋
４ 底板
５ 流入部
６ 排出部
７ 触媒層
７ａ 微細な粉末

８ 穴あき板
８ａ 穴
９ 容器
１０ 反応室
１１ 平板部
１２ バーリング
１３ 頂部
１３ａ 傾斜面
１４ 底部
１５ 平板

１６ ディンプル
２０ 捕捉領域
２１ 捕捉面
２２ 中間筒
Ａ 反応器
Ｂ１ 反応流体
Ｂ２ 生成流体
Ｃ 熱源

Claims (6)

1. 上下方向に垂直に延長する容器（９）内に触媒層（７）を有する反応室（１０）を備えた縦型の反応器（Ａ）において、
   前記反応室（１０）内の下部に穴あき板（８）が水平に設けられ、
   粒状の触媒を充填して形成される触媒層（７）が前記穴あき板（８）で下方から支持され、
   前記穴あき板（８）には、流体は通過させるが粒状の触媒は通過させない多数の微細な穴（８ａ）が設けられ、それら穴（８ａ）の周囲に粉末捕捉領域（２０）が形成され、
   前記粉末捕捉領域（２０）は穴（８ａ）より下方に形成された捕捉面（２１）を有することを特徴とする反応器。
2. 請求項１に記載の反応器において、
   前記穴あき板（８）はパンチングメタルで構成され、パンチングメタルに形成された多数の微細な穴（８ａ）の縁に垂直上方に突出したバーリング（１２）が設けられ、
   前記バーリング（１２）で囲まれた領域に前記捕捉面（２１）が形成されていることを特徴とする反応器。
3. 請求項１に記載の反応器おいて、
   前記穴あき板（８）は垂直上方に向かって突出する多数のディンプル（１６）を有するディンプル板で構成され、そのディンプル（１６）の頂部には微細な穴（８ａ）が形成され、
   前記ディンプル（１６）の周囲の前記穴（８ａ）より下方に前記捕捉面（２１）が形成されていることを特徴とする反応器。
4. 請求項１に記載の反応器おいて、
   前記穴あき板（８）は波板で構成され、前記波板の頂部（１３）または傾斜面（１３ａ）には多数の微細な穴（８ａ）が形成され、
   前記穴（８ａ）より下方に前記捕捉面（２１）が形成されていることを特徴とする反応器。
5. 請求項４に記載の反応器おいて、
   前記容器（９）は多重円筒型に形成され、多重円筒の内部に筒状の反応室（１０）と筒状の熱源（Ｃ）の流通路が形成されており、
   前記波板の波は同心円状に形成されていることを特徴とする反応器。
6. 請求項４に記載の反応器おいて、
   前記容器（９）は多重円筒型に形成され、多重円筒の内部に筒状の反応室（１０）と筒状の熱源（Ｃ）の流通路が形成されており、
   前記波板の波は放射状に形成されていることを特徴とする反応器。

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