JP2019098263A - 反応器 - Google Patents

Abstract

【課題】反応効率を高くでき、かつ、メンテナンスコストを抑制可能な反応器を提供する。【解決手段】対向する２枚の平板３０，３０と、２枚の平板３０，３０の間に配置され、天然ガスと水蒸気との混合ガスが通流可能に構成される触媒層４０と、２枚の平板３０，３０を構成するそれぞれの平板において、触媒層４０が配置された面とは反対の面の側にそれぞれ形成され、平板３０，３０を介して混合ガスの加熱を行う燃焼ガスが通流するための少なくとも２つの燃焼ガス流路５２，５２と、混合ガスが触媒層４０を通流することで生成された改質ガスを回収するための改質ガス鉛直流路５１と、を備える。【選択図】図３

Description

本発明は、反応器に関する。

反応器において、反応速度の増大の観点から、熱交換ガスと原料ガスとの間での熱交換量を増大させることが好ましい。具体的には、吸熱反応の場合には原料ガスに与える熱量を多くし、発熱反応の場合には原料ガスから奪う熱量を多くすることが好ましい。そこで、熱交換量を多くすることで反応速度を速めた反応器が提案されている。

特許文献１には、ガス燃料を燃焼させる燃焼室と、改質触媒を有し、原料ガスが通流する処理室と、燃焼室と処理室とを仕切る平板で構成された伝熱板とを備え、ガス燃料の燃焼により生じた熱によって処理室で原料ガスの改質を行う反応器が記載されている。

特許第４６４６５２７号公報（特に、段落００２１、図２参照）

特許文献１に記載の技術では、２枚の平板で仕切られた処理室の片面側のみに燃焼室が配置されている。そのため、処理室に収容された触媒への伝熱ムラが生じ易く、触媒の配置位置によって劣化の進行度合いが異なる。この結果、メンテナンス時、劣化した触媒の交換に伴い、さほど劣化していない触媒の交換も余儀なくされる可能性がある。これにより、メンテナンスコストが増大する。

また、処理室において、燃焼室から離れた位置には熱が伝わりにくい。そのため、燃焼室から離れた位置では、反応に使用される熱が不足する。この結果、改質触媒によって生じる反応の速度が低下し、反応効率が低下する。

本発明の少なくとも一実施形態は、反応効率を高くでき、かつ、メンテナンスコストを抑制可能な反応器を提供することを目的とする。

（１）本発明の少なくとも幾つかの実施形態に係る反応器は、原料ガスから触媒を用いて生成ガスを生成する反応器であって、対向する少なくとも２枚の平板と、前記２枚の平板の間に前記触媒が配置されてなる触媒層であって、前記原料ガスが通流可能に構成される触媒層と、前記２枚の平板を構成するそれぞれの平板において、前記触媒層が配置された面とは反対の面の側にそれぞれ形成され、前記それぞれの平板を介して前記原料ガスとの間で熱交換を行う熱交換ガスが通流するための少なくとも２つの熱交換ガス流路と、前記原料ガスが前記触媒層を通流することで生成した前記生成ガスを回収するための少なくとも１つの生成ガス流路と、を備えることを特徴とする。

上記（１）の構成によれば、２枚の平板のそれぞれの外側（触媒層が配置された面の反対側）から、熱交換ガスが触媒層及び原料ガスと熱交換することができる。このため、触媒層に両側から伝熱を行うことができ、伝熱ムラを抑制することができる。この結果、触媒の劣化の偏りを抑制し、メンテナンスコストを抑制することができる。また、触媒全体を使用して反応を生じさせることができるため、反応効率を高めることができる。

（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、前記少なくとも２枚の平板は鉛直方向に沿って配置された少なくとも２枚の平板を含み、前記触媒層は、前記原料ガスを下方に通流させるように構成されたことを特徴とする。

上記（２）の構成によれば、触媒層を構成する触媒には下方に向かう原料ガスが接触するので、重力が下方に向かうことと相俟って、原料ガスの風圧による触媒のがたつきを抑制することができる。また、触媒のがたつきが抑制されることで、隣接する触媒同士の接触に伴う微粉の発生を抑制でき、発生した微粉による下流側の配管等の閉塞を抑制することができる。

（３）幾つかの実施形態では、上記（２）の構成において、前記少なくとも２枚の平板の下端同士は閉塞されており、前記少なくとも１つの生成ガス流路は、前記少なくとも２枚の平板の間を延在する、前記触媒層において生成した前記生成ガスを上方に抜き出すための生成ガス鉛直流路を含むことを特徴とする。

上記（３）の構成によれば、原料ガスの導入と生成ガスの回収とを近い位置で行うことができる。これにより、反応器の設置スペースを削減することができ、設置の自由度を増すことができる。

（４）幾つかの実施形態では、上記（３）の構成において、前記生成ガス鉛直流路は、前記少なくとも２枚の平板の間であって、かつ、対向する少なくとも２枚の第２平板の間に形成され、前記少なくとも２枚の第２平板の外側であって、かつ、前記少なくとも２枚の平板の内側には、前記触媒層が配置されたことを特徴とする。

上記（４）の構成によれば、生成ガス流路が触媒層で挟み込まれるようにして形成されるため、生成ガス流路には、両側の触媒層を原料ガスが満遍なく流れて得られた生成ガスが流れる。このため、流れやすい部分のみを流れるような流れの偏りを抑制し、触媒層全体を満遍なく使用して反応効率を高めることができる。

（５）幾つかの実施形態では、上記（１）〜（４）の何れか１の構成において、前記少なくとも２枚の平板は、第１の平板と、前記第１の平板に対向する第２の平板と、前記第２の平板に対向する第３の平板と、前記第３の平板に対向する第４の平板と、を含み、前記第１の平板と前記第２の平板との間には、前記触媒層が形成され、前記第３の平板と前記第４の平板との間には、前記触媒層が形成され、前記第２の平板と前記第３の平板との間には、前記熱交換ガス流路が形成されることを特徴とする。

上記（５）の構成によれば、１つの熱交換ガス流路を流れる熱交換ガスにより、２つの触媒層との間で熱交換を行うことができる。これにより、反応器内部での省スペース化を図ることができる。

（６）幾つかの実施形態では、上記（１）〜（５）の何れか１の構成において、前記少なくとも１つの生成ガス流路は、前記少なくとも２枚の平板の間であって、かつ、対向する少なくとも２枚の第２平板の間に形成され、前記少なくとも１つの生成ガス流路には、前記少なくとも２枚の第２平板の変形を抑制するための生成ガス流路補強部材が配置されることを特徴とする。

上記（６）の構成によれば、原料ガス及び熱交換ガスのうちの少なくとも一方であって高圧のガスが触媒層を流れたときに、高圧のガスによって第２平板が変形してしまうことを抑制することができる。これにより、生成ガス流路の閉塞を抑制し、圧力損失を過度に高めることなく、生成ガスを外部に抜き出すことができる。

（７）幾つかの実施形態では、上記（６）の構成において、前記生成ガス流路補強部材は、波板を含むことを特徴とする。

上記（７）の構成によれば、生成ガス流路補強部材を容易に後付けで配置することができる。そのため、例えば、原料ガスと熱交換ガスとの差圧が大きいときには生成ガス流路補強部材を取り付けたり、当該差圧が小さいときには生成ガス流路補強部材を取り外したりする等、適宜、生成ガス流路補強部材を脱着することができる。

（８）幾つかの実施形態では、上記（１）〜（７）の何れか１の構成において、前記触媒層での原料ガスの通流方向と、前記少なくとも２つの熱交換ガス流路での熱交換ガスの通流方向とが向流になるように前記触媒層及び前記少なくとも２つの熱交換ガス流路が構成されたことを特徴とする。

上記（８）の構成によれば、並流よりも反応効率を高めることができる。特に、１つの触媒層に対して２つの熱交換ガス流路が配置されることから、加熱ムラを抑制しつつ、反応器の小型化を図ることもできる。

（９）幾つかの実施形態では、上記（１）〜（８）の何れか１の構成において、前記少なくとも２つの熱交換ガス流路には、前記少なくとも２枚の平板の変形を抑制するための熱交換ガス流路補強部材が配置されることを特徴とする。

上記（９）の構成によれば、原料ガス及び熱交換ガスのうちの少なくとも一方であって高圧のガスが触媒層を流れたときに、高圧のガスによって２枚の平板が変形してしまうことを抑制することができる。これにより、熱交換ガス流路の閉塞を抑制して熱交換ガス流路の全体に熱交換ガスを行き渡らせ、触媒層との間で十分な熱交換を行うことができる。

（１０）幾つかの実施形態では、上記（９）の構成において、前記熱交換ガス流路補強部材は、前記少なくとも２枚の平板の間に配置される波板を含むことを特徴とする。

上記（１０）の構成によれば、熱交換ガス流路補強部材を容易に後付けで配置することができる。そのため、例えば、原料ガスと燃焼ガスとの差圧が大きいときには熱交換ガス流路補強部材を取り付けたり、当該差圧が小さいときには熱交換ガス流路補強部材を取り外したりする等、適宜、熱交換ガス流路補強部材を脱着することができる。

（１１）幾つかの実施形態では、上記（９）の構成において、前記補強部材は、前記少なくとも２枚の平板の外側表面に形成された凸部を含むことを特徴とする。

上記（１１）の構成によれば、平板の剛性を高めることができ、平板を撓みにくくすることができる。これにより、平板の変形を抑制することができる。また、平板の外側表面に凸部を設けるとともに、凸部を設けた面（外側表面）に隣接する平板の表面にも同じく凸部を設けることで、凸部同士を接触させるようにすることが可能になる。このようにすることで、平板の変形を抑制することができる。

（１２）幾つかの実施形態では、上記（１）〜（１１）の何れか１の構成において、前記少なくとも２枚の平板と、前記触媒層と、前記少なくとも２つの熱交換ガス流路と、前記少なくとも１つの生成ガス流路とを収容するための筐体を備え、前記筐体は、前記熱交換ガスを導入するための熱交換ガス導入口と、前記原料ガスとの間で熱交換した後の熱交換ガスを排出するための熱交換ガス排出口と、前記触媒層に原料ガスを導入するための原料ガス導入口と、前記少なくとも１つの生成ガス流路からの生成ガスを排出するための生成ガス排出口と、を含むことを特徴とする。

上記（１２）の構成によれば、筐体の内部に原料ガス及び熱交換ガスを導入し、筐体の内部から生成ガスが排出されるため、配管の接続を簡素にすることができる。

（１３）幾つかの実施形態では、上記（１２）の構成において、前記少なくとも２つの熱交換ガス流路には、前記少なくとも２枚の平板の変形を抑制するための熱交換ガス流路補強部材が配置され、前記熱交換ガス導入口は前記筐体の下方に備えられ、前記熱交換ガス排出口は前記筐体の上方側面に備えられ、前記熱交換ガス流路補強部材は、前記熱交換ガス導入口から導入された前記熱交換ガスを前記熱交換ガス排出口へ流すように構成されたことを特徴とする。

上記（１３）の構成によれば、熱交換ガス導入口から熱交換ガス排出口まで、熱交換ガスを流れ易くすることができる。このため、上方側面に備えられた熱交換ガス排出口から、使用済みの熱交換ガスを排出し易くすることができる。

（１４）幾つかの実施形態では、上記（１２）又は（１３）の構成において、前記筐体は、本体部と、前記本体部に脱着可能に取り付けられる蓋部とを含み、前記蓋部を外すことで前記少なくとも２枚の平板を上方から視認可能に構成されたことを特徴とする。

上記（１４）の構成によれば、蓋部を外すことで２枚の平板を上方から視認することができ、２枚の平板の間に配置された触媒層を視認することができる。これにより、触媒層の交換作業を上方から容易に行うことができる。

本発明の一実施形態によれば、反応効率を高くでき、かつ、メンテナンスコストを抑制可能な反応器を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る反応器を適用した改質反応のフローである。 本発明の一実施形態に係る反応器の外観斜視図である。 図２のＡ−Ａ線断面図である。 図２のＢ−Ｂ線断面図である。 本発明の二実施形態に係る反応器の燃焼ガス流路に配置される燃焼ガス流路補強部材の斜視図である。 本発明の三実施形態に係る反応器の外観斜視図である。 本発明の四実施形態に係る反応器の外観斜視図である。 本発明の一実施形態に係る反応器を適用した別の改質反応のフローである。 本発明の一実施形態に係る反応器を適用したさらに別の改質反応のフローである。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、以下に実施形態として記載されている内容又は図面に記載されている内容は、あくまでも例示に過ぎず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で、任意に変更して実施することができる。また、各実施形態は、２つ以上を任意に組み合わせて実施することができる。
また、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

図１は、本発明の一実施形態に係る反応器１０を適用した改質反応のフローである。図１に示す改質反応は、反応器１０を使用した水蒸気改質反応であり、天然ガスと水蒸気とを含む原料ガスから触媒を用いて改質ガス（生成ガス）を生成するものである。

反応器１０には、上記のように、天然ガスと水蒸気との混合物である原料ガスが供給される。また、反応器１０には、燃料と空気とを燃焼器１０１で燃焼させて得られた高温の燃焼ガスが供給される。そして、反応器１０において、原料ガスが燃焼ガスによって加熱される。これにより、原料ガスが改質され、反応器１０から改質ガス（水素、二酸化炭素等を含む生成ガス）が排出される。また、原料ガスを加熱して熱を失った燃焼ガスは、排ガスとして反応器１０から排出される。

図２は、本発明の一実施形態に係る反応器１０の外観斜視図である。反応器１０は、いずれも後記し、図２では図示しないが、２枚の平板３０と、触媒層４０と、燃焼ガス流路５２と、改質ガス鉛直流路５１とを収容するための筐体１を備えて構成される。筐体１は、後記する触媒層４０等を収容した本体部１１と、本体部１１に脱着可能に取り付けられる蓋部１２とを備える。蓋部１２の本体部１１への固定は、本体部１１の上端に備えらえるフランジ１１ａと、蓋部１２の下端に備えられるフランジ１２ａとを、ボルト２０ａ及びナット２０ｂ（図３参照）で締結することで、行われる。

一方で、ボルト２０ａ及びナット２０ｂを外すことで、蓋部１２を本体部１１から取り外すことができる。そして、蓋部１２が取り外されることで、作業者が、筐体１の内部に配置された平板３０（後記する）を上方から視認することができる。これにより、２枚の平板３０の間に配置された触媒層４０（後記する）を視認することができ、触媒層４０の交換作業を上方から容易に行うことができる。

筐体１の下方（即ち、本体部１１の下方）には、燃焼ガス（熱交換ガス）を筐体の内部に導入するための燃焼ガス導入口（熱交換ガス導入口）１５が備えられる。さらに、筐体１の上方側面（即ち、本体部１１の上方側面）には、原料ガスを加熱した後（即ち、原料ガスとの間で熱交換した後）の燃焼ガスを排出するための燃焼ガス排出口（熱交換ガス排出口）１６が備えられる。そして、燃焼ガスは、燃焼ガス導入口１５を通じて筐体１に導入された後、内部で原料ガスを加熱し、燃焼ガス排出口１６から排出される。なお、図２では図示していないが、燃焼ガス排出口１６は正面側に１つ備えられるほか、背面側にも１つ備えられる（図４を参照）。従って、反応器１０では、燃焼ガス排出口１６は２つ備えられる。

なお、本発明の一実施形態では、反応器１０において生じる化学反応として、吸熱反応である水蒸気改質反応を例示したため、原料ガスを加熱するための燃焼ガスを使用したが、例えば反応器１０において発熱反応が生じる場合には、原料ガスを冷却するための冷却ガス（図示しない。例えば空気等）を熱交換ガスとして使用することができる。

また、筐体１の上方（即ち蓋部１２の上方）には、触媒層４０（後記する）に原料ガスを導入するための原料ガス導入口１３が備えられる。さらに、筐体１の上方（即ち蓋部１２の上方）には、原料ガス導入口１３に隣接して、改質ガス鉛直流路５１（後記する。生成ガス流路）からの改質ガスを排出するための改質ガス排出口１４が備えられる。原料ガスは、原料ガス導入口１３を通じて筐体１に導入された後、上記の燃焼ガスによって内部で加熱され、改質ガス排出口１４から排出される。

これらのように、反応器１０は上記の筐体１を備え、筐体１は、燃焼ガス導入口１５と燃焼ガス排出口１６と原料ガス導入口１３と改質ガス排出口１４とを含む。これにより、筐体１の内部に原料ガス及び燃焼ガスを導入し、筐体１の内部から改質ガスが排出されるため、配管の接続を簡素にすることができる。

図３は、図２のＡ−Ａ線断面図である。本発明の一実施形態に係る反応器１０では、５つの反応ユニット３５が備えられる。反応ユニット３５は、鉛直方向に沿って配置され、対向する２枚の平板３０と、触媒層４０と、鉛直方向に沿って配置され、対向する２枚の第２平板３１と、改質ガス鉛直流路５１（改質ガス流路の一例）とを備える。これらのうち、対向する平板３０の下端同士は閉塞されており、上端同士は閉塞されていない。一方で、対向する第２平板３１の下端同士及び上端同士はいずれも閉塞されていない。

触媒層４０は、２枚の第２平板３１の外側であって、かつ、２枚の平板３０の内側に配置され、改質反応を促進するための触媒が配置されてなるものである。触媒層４０を構成する触媒は粒状であり、粒状の触媒が２枚の平板３０の間に収容されることで、原料ガスが通流可能に触媒層４０が形成される。なお、触媒層４０は、例えば波板等の原料ガスを通流可能な担体の表面に触媒を担持させたものであってもよい。

具体的には、上記のように２枚の平板３０の上端同士は閉塞されていないから、２枚の平板３０の間に配置される触媒層４０の上端面４０ａは原料ガス導入空間５４（後記する）に露出している。そのため、原料ガスが上端面４０ａから触媒層４０に入り込む。そして、上端面４０ａから触媒層４０に入り込んだ原料ガスは、燃焼ガス（後記する）で加熱されながら、粒状の触媒の隙間を通って下方に流れる。そのため、触媒層４０は原料ガス流路５０として機能している。

これらのように、反応器１０においては、２枚の平板３０は鉛直方向に沿って配置されており、２枚の平板３０の間に配置された触媒層４０は原料ガスを下方に通流させるように構成されている。このように構成することで、触媒層４０を構成する触媒には下方に向かう原料ガスが接触するので、重力が下方に向かうことと相俟って、原料ガスの風圧による触媒のがたつきを抑制することができる。また、触媒のがたつきが抑制されることで、隣接する触媒同士の接触に伴う微粉の発生を抑制でき、発生した微粉による下流側の配管等の閉塞を抑制することができる。

また、２枚の第２平板３１の間には、原料ガスが触媒層４０を通流することで生成した改質ガスを回収するための改質ガス鉛直流路５１が形成される。具体的には、２枚の平板３０の間であって、かつ、対向する２枚の第２平板３１の間に（即ち２枚の平板３０の間を延在し）、触媒層４０において生成した改質ガスを上方に抜き出すための改質ガス鉛直流路５１が形成される。改質ガス鉛直流路５１がこのように形成されることで、原料ガスの上方からの導入と改質ガスの上方からの回収とを近い位置で行うことができる。これにより、反応器１０の設置スペースを削減することができ、設置の自由度を増すことができる。

さらに、上記のように２枚の第２平板３１の下端同士は閉塞していないため、２枚の第２平板３１の間に形成される改質ガス鉛直流路５１の下端は触媒層４０に臨むように露出している。一方で、上記のように２枚の第２平板３１の上端同士も閉塞されていないため、改質ガス鉛直流路５１の上端は、回収管６２，６３，６４，６５及び改質ガス排出口１４を通じて、外部に繋がっている。

上記のようにして触媒層４０を下方に流れる原料ガスは、燃焼ガスにより加熱され、触媒層４０の内部で改質ガスが生成する。生成した改質ガスは、上方からの原料ガスの流れにより、下方に流れる。そして、上記のように、２枚の平板３０の下端同士は閉塞されているから、下方に流れた改質ガスは、閉塞された部分で改質ガス鉛直流路５１の内部に入り（閉塞された部分で折り返し）、上方に向かうようになっている。改質ガス鉛直流路５１を上方に向かった改質ガスは、回収管６３，６４，６５，６２をこの順で流れ、改質ガス排出口１４を通じて排出される。

これらのように、反応器１０では、２枚の平板３０の間であって、かつ、対向する２枚の第２平板３１の間に改質ガス鉛直流路５１が形成される。また、２枚の第２平板３１の外側であって、かつ、２枚の平板３０の内側には触媒層４０が配置される。これらのようにすることで、改質ガス鉛直流路５１が触媒層４０で挟み込まれるようにして形成されるため、改質ガス鉛直流路５１には、両側の触媒層４０を原料ガスが満遍なく流れて得られた改質ガスが流れる。このため、流れやすい部分のみを流れるような流れの偏りを抑制し、触媒層４０全体を満遍なく使用して反応効率を高めることができる。

改質ガス鉛直流路５１には、２枚の第２平板３１の間に配置され、２枚の第２平板３１の変形を抑制するための改質ガス流路補強部材６０（生成ガス流路補強部材）が配置される。改質ガス流路補強部材６０が配置されることで、原料ガス及び燃焼ガスのうちの少なくとも一方であって高圧のガス（改質反応の場合には特に原料ガス）が触媒層４０を流れたときに、高圧のガスによって第２平板３１が変形してしまうことを抑制することができる。

即ち、原料ガスと燃焼ガスとの差圧が大きくなれば、これらを隔てる平板３０が変形し易くなる。また、平板３０が変形すれば、平板３０の変形が触媒層４０を介して第２平板３１にも伝達し、第２平板３１も変形し易くなる。しかし、改質ガス鉛直流路５１に改質ガス流路補強部材６０が備えられることで、第２平板３１の変形を抑制することができる。これにより、改質ガス鉛直流路５１の閉塞を抑制し、圧力損失を過度に高めることなく、改質ガスを外部に抜き出すことができる。

改質ガス流路補強部材６０は、上下方向に向かう凹凸を有する波板を含んで構成される。波板は例えば金属製である。改質ガス流路補強部材６０が波板を含むことで、改質ガス流路補強部材６０を容易に後付けで配置することができる。そのため、例えば、原料ガスと燃焼ガスとの差圧が大きいときには改質ガス流路補強部材６０を取り付けたり、当該差圧が小さいときには改質ガス流路補強部材６０を取り外したりする等、適宜、改質ガス流路補強部材６０を脱着することができる。

上記の構成を有する５つの反応ユニット３５の間には、各反応ユニット３５を構成するそれぞれの平板３０を介して原料ガスを加熱する（原料ガスとの間で熱交換を行う）燃焼ガスが通流するための燃焼ガス流路５２が形成される。即ち、反応ユニット３５における２枚の平板３０を構成するそれぞれの平板３０において、触媒層４０が配置された面とは反対の面の側のそれぞれに、燃焼ガス流路５２が形成される。

このことをさらに換言すれば、隣接する２つの反応ユニット３５に着目すると、一方の反応ユニット３５は、平板３０（第１の平板）と、当該平板３０と対向する平板３０（第２の平板）とを備える。そして、これらの平板３０，３０の間には、触媒層４０が形成される。また、他方の反応ユニット３５は、平板３０（第３の平板）と、当該平板３０と対向する平板３０（第４の平板）とを備える。そして、平板３０（第１の平板）と平板３０（第２の平板）との間には、触媒層４０が形成される。また、平板３０（第３の平板）と平板３０（第４の平板）との間にも、触媒層４０が形成される。さらに、一方の反応ユニット３５を構成し、他方の反応ユニット３５と隣接する側の平板３０（第２の平板）と、他方の反応ユニット３５を構成し、一方の反応ユニット３５と隣接する側の平板３０（第３の平板）との間には、上記の燃焼ガス流路５２が形成される。

このように、１つの燃焼ガス流路５２を流れる燃焼ガスにより、２つの触媒層４０との間で熱交換を行うことができる。これにより、反応器１０の内部での省スペース化を図ることができる。

燃焼ガス流路５２には、２枚の平板３０の間に配置され、２枚の平板３０の変形を抑制するための燃焼ガス流路補強部材６１（熱交換ガス流路補強部材）が配置される。燃焼ガス流路補強部材６１が配置されることで、原料ガス及び熱交換ガスのうちの少なくとも一方であって高圧のガス（改質反応の場合には特に原料ガス）が触媒層４０を流れたときに、高圧のガスによって２枚の平板３０が変形してしまうことを抑制することができる。即ち、上記の改質ガス流路補強部材６０と同様に、原料ガスと燃焼ガスとの差圧により、平板３０が変形する可能性がある。しかし、燃焼ガス流路補強部材６１が配置されることで、平板３０の変形を抑制することができる。これにより、燃焼ガス流路５２の閉塞を抑制して、燃焼ガス流路５２の全体に燃焼ガスを行き渡らせ、触媒層４０との間で十分な熱交換を行うことができる。

燃焼ガス流路補強部材６１は、上下方向に向かう凹凸を有する波板を含んで構成される。波板は例えば金属製である。燃焼ガス流路補強部材６１が波板を含むことで、燃焼ガス流路補強部材６１を容易に後付けで配置することができる。そのため、例えば、原料ガスと燃焼ガスとの差圧が大きいときには燃焼ガス流路補強部材６１を取り付けたり、当該差圧が小さいときには燃焼ガス流路補強部材６１を取り外したりする等、適宜、燃焼ガス流路補強部材６１を脱着することができる。

また、５つの反応ユニット３５は、サポート板２１に取り付けられる。また、サポート板２１は上面視で円形であり、サポート板２１の端部がフランジ１１ａ，１２ａ（図２参照）の間に挟み込まれることで、サポート板２１が筐体１の内部に固定される。

さらに、５つの反応ユニット３５は、等間隔でサポート板２１に取り付けられる。そのため、５つの反応ユニット３５の間に形成される燃焼ガス流路５２も等幅に形成される。ただし、５つの反応ユニット３５のうち、左端に配置された反応ユニット３５の左側面の外側に形成される燃焼ガス流路５２、及び、右端に配置された反応ユニット３５の右側面の外側に形成される燃焼ガス流路５２の幅は、いずれも、５つの反応ユニット３５の間に形成される燃焼ガス流路５２の幅よりも狭い。具体的には、５つの反応ユニット３５のうち、左端に配置された反応ユニット３５の左側面の外側に形成される燃焼ガス流路５２、及び、右端に配置された反応ユニット３５の右側面の外側に形成される燃焼ガス流路５２の幅は、いずれも、５つの反応ユニット３５の間に形成される燃焼ガス流路５２の幅の半分になっている。

これは、左右の両端に形成される燃焼ガス流路５２では、燃焼ガスは、片側（左又は右の一方のみ）の触媒層４０を加熱するため、他の燃焼ガス流路５２と比べて、使用される燃焼ガスの量が少なくなることに起因する。そのため、左端に配置された反応ユニット３５の左側面の外側に形成される燃焼ガス流路５２、及び、右端に配置された反応ユニット３５の右側面の外側に形成される燃焼ガス流路５２の幅は、いずれも、５つの反応ユニット３５の間に形成される燃焼ガス流路５２の幅よりも狭くしている。これにより、反応器１０の小型化を図ることができる。

５つの反応ユニット３５のうち、最も端（左右両端）に配置される反応ユニット３５の外側には、平板３０に沿って上下方向に延びるサポート部材２２が備えられる。サポート部材２２が備えられることで、原料ガスと燃焼ガスの差圧が大きく、かつ、原料ガスが高圧の場合に、平板３０が外側に変形（即ち膨張）することを抑制することができる。また、平板３０が変形した場合であっても、サポート部材２２があることで平板３０の変形がその他の部材に及びにくい。そのため、平板３０の板厚を薄くすることができる。なお、サポート部材２２は、上記のサポート板２１及び５つの反応ユニット３５とともに一体化されている。

また、反応器１０の内部の下方には、燃焼ガス導入口１５によって外部と連通する燃焼ガス導入空間５３が形成される。燃焼ガス導入空間５３と、後記する原料ガス導入空間５４とは、サポート板２１によって区切られている。そのため、燃焼ガス導入口１５によって導入された燃焼ガスは、原料ガス導入空間５４（後記する）に至ることなく、燃焼ガス排出口１６から排出される。

反応器１０の下方に備えられた燃焼ガス導入口１５から反応器１０の内部に導入された燃焼ガスは、初めに燃焼ガス導入空間５３に導入される。そして、導入された燃焼ガスは、燃焼ガス流路５２を通り、上方に向かう。このとき、燃焼ガス流路５２を流れる燃焼ガスは、２枚の平板３０を介して、触媒層４０を流れる原料ガスの加熱を行う。そして、触媒層４０を加熱した後の燃焼ガスは、使用済みの排ガスとして、図３では図示しない燃焼ガス排出口１６から反応器１０の外部に排出される。

一方で、反応器１０の内部の上方には、原料ガス導入口１３によって外部と連通する原料ガス導入空間５４が形成される。そして、上記のように、原料ガス導入空間５４と、燃焼ガス導入空間５３とは、サポート板２１によって区切られている。そのため、原料ガス導入口１３によって導入された原料ガスは、燃焼ガス導入空間５３に至ることなく、触媒層４０の上端面４０ａから触媒層４０の内部に入り込む。

また、反応器１０では、筐体１の全体を覆うように、断熱材９が配置される。断熱材９は例えば発泡ウレタンである。これにより、燃焼ガスの有する熱が外部に逃げにくくなり、効率的に原料ガスを加熱することができる。

反応器１０におけるガスの流れについて説明する。反応器１０の上方に備えられた原料ガス導入口１３から反応器１０の内部に導入された原料ガスは、初めに原料ガス導入空間５４に導入される。そして、導入された原料ガスは、触媒層４０（原料ガス流路５０）を通り、下方に向かう。このとき、触媒層４０を流れる原料ガスは、２枚の平板３０を介して燃焼ガスによって加熱される。そのため、触媒層４０を構成する触媒によって原料ガスの改質が行われ、改質ガスが生成する。

生成した改質ガス及び未反応の原料ガス（以下、未反応ガスという）は、上方からの原料ガスの流れによって、さらに下方に向かう。ただし、上記のように、平板３０の下端同士は閉塞されている。そのため、下方に向かった改質ガス及び未反応ガスは、平板３０の閉塞された部分で折り返し、改質ガス鉛直流路５１に流れ込む。そして、改質ガス鉛直流路５１に流れ込んだ改質ガス及び未反応ガスは上方に向かい、回収管６２及び改質ガス排出口１４を通じて、外部に排出される。

このように、反応器１０では、触媒層４０での原料ガスの通流方向と、燃焼ガス流路５２での燃焼ガスの通流方向とが向流になるように触媒層４０及び燃焼ガス流路５２が構成されている。このようにすることで、並流よりも反応効率を高めることができる。特に、１つの触媒層４０に対して２つの燃焼ガス流路５２が配置されることから、加熱ムラを抑制しつつ、反応器１０の小型化を図ることもできる。

図４は、上記図２のＢ−Ｂ線断面図である。図４においては、参考のために、回収管６２，６３，６４，６５及び改質ガス排出口１４を破線で示している。また、回収管６３の位置を把握し易くするために、上記の図３に示した回収管６２の大きさよりも少し大きく図示している。

上記のように、改質ガス鉛直流路５１には、改質ガス鉛直流路５１の上方に、回収管６３が接続される。回収管６３は、改質ガス鉛直流路５１ごとに備えられており、５つの改質ガス鉛直流路５１を備える反応器１０では、５つの回収管６３が備えられる。正面背面方向に延在する回収管６３の正面側及び背面側の端部のそれぞれには、左右方向に延在する回収管６４が接続される。また、これらの回収管６４を接続するように、上記５つの回収管６３のうちの中央の回収管６３の上方には、正面背面方向に延在する回収管６５が配置される。

それぞれの改質ガス鉛直流路５１から排出され、それぞれの回収管６３を流れた改質ガスは、２つの回収管６４を流れる。次いで、２つの回収管６４を流れた改質ガスは、上記中央の回収管６３の上方に配置された回収管６５に流れる。そして、回収管６５に流れた改質ガスは、改質ガス排出口１４に繋がる回収管６２を流れて、改質ガス排出口１４から排出される。

以上のように、本発明の一実施形態に係る反応器１０は、原料ガスから触媒を用いて改質ガスを生成するものである。そして、反応器１０は、対向する２枚の平板３０と、２枚の平板３０の間に触媒が配置されてなる触媒層４０であって、原料ガスが通流可能に構成される触媒層４０と、２枚の平板３０を構成するそれぞれの平板３０において、触媒層４０が配置された面とは反対の面の側にそれぞれ形成され、それぞれの平板３０を介して原料ガスの加熱を行う燃焼ガスが通流するための燃焼ガス流路５２と、原料ガスが触媒層４０を通流することで生成した改質ガスを回収するための改質ガス鉛直流路５１と、を備えている。

そして、このような構成を有する反応器１０によれば、２枚の平板３０のそれぞれの外側（触媒層４０が配置された面の反対側）から、燃焼ガスが触媒層４０及び原料ガスを加熱することができる。このため、触媒層４０に両側から伝熱を行うことができ、伝熱ムラを抑制することができる。この結果、触媒の劣化の偏りを抑制し、メンテナンスコストを抑制することができる。また、触媒全体を使用して反応を生じさせることができるため、反応効率を高めることができる。

図５は、本発明の二実施形態に係る反応器１０の燃焼ガス流路５２に配置される燃焼ガス流路補強部材６１Ａの斜視図である。上記の図２及び図３を参照しながら説明した燃焼ガス流路補強部材６１は、上下方向に向かう凹凸を有していた。従って、燃焼ガスは、この凹凸に沿って下方から上方に流れ、燃焼ガス流路補強部材６１に沿って流れた燃焼ガスは、使用済みの排ガスとして、正面側と背面側とのそれぞれに備えられた２つの燃焼ガス排出口１６（図４参照）から排出されていた。

しかし、図５に示す燃焼ガス流路補強部材６１Ａは、上方側面（正面側）にのみ燃焼ガス排出口１６が備えられる反応器１０において、下方の燃焼ガス導入口１５から導入された燃焼ガスを燃焼ガス排出口１６へ流すように構成されている。具体的には、燃焼ガス流路補強部材６１Ａでは、燃焼ガスを正面側に備えられた燃焼ガス排出口１６に流すように屈曲した凸部７３及び凹部７４が備えられる。

燃焼ガス流路補強部材６１Ａがこのように構成されることで、燃焼ガス導入口１５から燃焼ガス排出口１６まで、燃焼ガスを流れ易くすることができる。このため、上方側面に備えられた燃焼ガス排出口１６から、使用済みの燃焼ガスを排出し易くすることができる。

図６は、本発明の三実施形態に係る反応器１０Ａの外観斜視図である。上記の図２及び図３を参照しながら説明した反応器１０では、触媒層４０で生成した改質ガスは、反応器１０の上方に備えられた改質ガス排出口１４から排出されていた。即ち、触媒層４０で生成した改質ガスは、改質ガス鉛直流路５１を上方に向かって流れ、反応器１０の上方から排出されていた。しかし、図６に示す反応器１０Ａでは、触媒層４０で生成した改質ガスは、原料ガス（未反応ガスを含む）とともにそのまま下方に流れ、反応器１０Ａの下方から排出されている。従って、触媒層４０は、原料ガス流路として機能するほか、改質ガス流路としても機能する。

反応器１０Ａでは、反応ユニット３５を構成する２枚の平板３０の下端同士は、上記の反応器１０とは異なり、閉塞されていない。従って、２枚の平板３０の間に配置される触媒層４０において生成した改質ガスは、上方に戻ることなく、そのまま下方に流れる。具体的には、触媒層４０において生成した改質ガスは、触媒層４０の下方に接続された回収管６３，６４，６５，６２をこの順で流れ、改質ガス排出口１４を通じて外部に排出される。

このように、改質ガスを反応器１０Ａの下方から排出することで、触媒層４０に改質ガス鉛直流路５１を形成する必要が無い。そのため、触媒層４０を構成する触媒の量を増やすことができ、改質ガスの生成量を増やすことができる。

図７は、本発明の四実施形態に係る反応器１０Ｂの外観斜視図である。上記の図３を参照しながら説明した反応器１０では、燃焼ガス流路５２に、波板を含んで構成される燃焼ガス流路補強部材６１が配置されていた。しかし、図７に示す反応器１０Ｂでは、燃焼ガス流路５２において、波板に代えて、反応ユニット３５を構成する２枚の平板３０の外側表面に形成された凸部７５が含まれている。

反応器１０Ｂでは、隣接する２つの反応ユニット３５において、一方の反応ユニット３５を構成する２枚の平板３０のうちの、他方の反応ユニット３５と対向する平板３０の表面（外側表面）に凸部７５が形成されている。また、他方の反応ユニット３５を構成する２枚の平板３０のうちの、一方の反応ユニット３５と対向する平板３０の表面（外側表面）にも、同じ大きさの凸部７５が形成されている。凸部７５は、上記の波板を構成する凹凸と同様に、上下方向に延在する。そのため、隣接する凸部７５の間には、上下方向に延びる燃焼ガス流路５２が形成される。

このように、平板３０の外側表面に凸部７５が形成されることで、平板３０の剛性を高めることができ、平板３０を撓みにくくすることができる。これにより、平板３０の変形を抑制することができる。また、平板３０の外側表面に凸部７５を設けるとともに、凸部７５を設けた面（外側表面）に隣接する平板３０の表面にも同じく凸部７５を設けることで、凸部７５同士を接触させるようにすることが可能になる。このようにすることで、平板３０の変形を抑制することができる。

なお、対向する凸部７５同士は、２つの反応ユニット３５を並べた時点で接触していなくてもよい。即ち、平板３０が高圧の原料ガス等により変形した場合であっても、変形に伴って凸部７５同士が接触することで平板３０のこれ以上の変形が抑制され、燃焼ガス流路５２の断面積を十分に確保することができる。

なお、凸部７５は、平板３０の表面に溶接等により後付けされてもよいし、平板３０の表面加工により形成されてもよい。

図８は、本発明の一実施形態に係る反応器１０を適用した別の改質反応のフローである。図８に示すフローでは、反応器１０の燃焼ガス排出口１６（図２等を参照、図８では図示しない）の後段に、反応器１０の内部における燃焼ガスの圧力を高めるため、圧力調整装置１０２が備えられている。圧力調整装置１０２は例えば背圧弁である。そして、圧力調整装置１０２の開度が絞られることで、反応器１０の内部の燃焼ガスの圧力を、原料ガスの圧力と同程度（例えば同じか、又は１００ｋＰａ〜５００ｋＰａ低い程度）にまで高めることが可能になっている。

このようにすることで、原料ガスと燃焼ガスとの差圧を小さくして、反応ユニット３５を構成する平板３０及び第２平板３１の変形を抑制することができる。また、平板３０が変形しにくくなるため、サポート部材２２（図３参照、図８では図示しない）も簡便な構成とすることができ、サポート部材２２の板厚を薄くすることができる。

図９は、本発明の一実施形態に係る反応器１０を適用したさらに別の改質反応のフローである。上記の各フローでは、反応器１０で使用される熱交換ガスとして、燃料を燃焼させて得られた燃焼ガスを使用していた。しかし、図９に示すフローでは、反応器１０で使用される熱交換ガスとして、自己熱改質反応器１０３から排出された反応ガスを使用している。

自己熱改質反応器１０３では、空気又は酸素を使用し、発熱反応である部分酸化改質と吸熱反応である水蒸気改質反応とが併発している。そのため、自己熱改質反応器１０３には、天然ガスの部分酸化を促進する改質触媒１０３ａが収容される。なお、上記の反応器１０では、天然ガス及び水蒸気を含む原料ガス及び上記の触媒層４０を使用し、吸熱反応である水蒸気改質が行われている。

図９に示すフローにおいて、具体的なガスの流れとしては、はじめに、天然ガス及び水蒸気を含む原料ガスが、反応器１０に供給される。反応器１０では、詳細は後記するが、自己熱改質反応器１０３から排出された高温のガスにより、原料ガスの加熱が行われる。そして、反応器１０で生成した改質ガスは、上記の各フローとは異なり、そのまま改質ガスとして排出されず、自己熱改質反応器１０３に供給される。自己熱改質反応器１０３には、反応器１０で生成した改質ガス及び未反応ガスのほか、空気又は酸素も供給される。

自己熱改質反応器１０３では、反応器１０で生じた未反応ガスと空気又は酸素とを用いて、改質触媒１０３ａによる改質反応が行われる。自己熱改質反応器１０３で行われる改質反応は上記のように発熱反応であるから、自己熱改質反応器１０３から排出される改質ガス（反応器１０で生成し、自己熱改質反応器１０３に供給された改質ガスを含む）は高温となる。そこで、自己熱改質反応器１０３で生じた高温の改質ガスは、反応器１０に供給されて、反応器１０において原料ガスを加熱するために使用される。そして、最後に、原料ガスを加熱し放熱した後の改質ガスは、目的物である改質ガスとして、反応器１０の外部に排出される。

このように、図９に示すフローでは、２段階の改質が行われる。特に、２段階目の自己熱改質反応器１０３では、反応器１０での未反応ガスを使用して改質が行われるため、改質ガスを増加させることができる。

また、反応器１０に供給される熱交換ガス（即ち、反応器１０で生成した改質ガスと空気又は酸素との混合ガス）は、反応器１０から自己熱改質反応器１０３に供給される改質ガスよりも、空気又は酸素が含まれている分だけ圧力が増加する。そのため、反応器１０において、熱交換ガスの圧力を高めることができ、反応器１０に供給される原料ガスとの差圧を小さくすることができる。これにより、反応ユニット３５を構成する平板３０及び第２平板３１の変形を抑制することができる。また、平板３０が変形しにくくなるため、サポート部材２２（図３参照、図９では図示しない）も簡便な構成とすることができ、サポート部材２２の板厚を薄くすることができる。

１ 筐体
１０，１０Ａ，１０Ｂ 反応器
１１ 本体部
１１ａ，１２ａ フランジ
１２ 蓋部
１３ 原料ガス導入口
１４ 改質ガス排出口
１５ 燃焼ガス導入口
１６ 燃焼ガス排出口
２０ａ ボルト
２０ｂ ナット
２１ サポート板
２２ サポート部材
３０ 平板
３１ 第２平板
３５ 反応ユニット
４０ 触媒層
４０ａ 上端面
５０ 原料ガス流路
５１ 改質ガス鉛直流路
５２ 燃焼ガス流路
５３ 燃焼ガス導入空間
５４ 原料ガス導入空間
６０ 改質ガス流路補強部材
６１，６１Ａ 燃焼ガス流路補強部材
６２，６３，６４，６５ 回収管
７３ 凸部
７４ 凹部
７５ 凸部
１０１ 燃焼器
１０２ 圧力調整装置
１０３ 自己熱改質反応器
１０３ａ 改質触媒

Claims (14)

1. 原料ガスから触媒を用いて生成ガスを生成する反応器であって、
   対向する少なくとも２枚の平板と、
   前記２枚の平板の間に前記触媒が配置されてなる触媒層であって、前記原料ガスが通流可能に構成される触媒層と、
   前記２枚の平板を構成するそれぞれの平板において、前記触媒層が配置された面とは反対の面の側にそれぞれ形成され、前記それぞれの平板を介して前記原料ガスとの間で熱交換を行う熱交換ガスが通流するための少なくとも２つの熱交換ガス流路と、
   前記原料ガスが前記触媒層を通流することで生成した前記生成ガスを回収するための少なくとも１つの生成ガス流路と、を備えることを特徴とする、反応器。
2. 前記少なくとも２枚の平板は鉛直方向に沿って配置された少なくとも２枚の平板を含み、
   前記触媒層は、前記原料ガスを下方に通流させるように構成されたことを特徴とする、請求項１に記載の反応器。
3. 前記少なくとも２枚の平板の下端同士は閉塞されており、
   前記少なくとも１つの生成ガス流路は、前記少なくとも２枚の平板の間を延在する、前記触媒層において生成した前記生成ガスを上方に抜き出すための生成ガス鉛直流路を含むことを特徴とする、請求項２に記載の反応器。
4. 前記生成ガス鉛直流路は、前記少なくとも２枚の平板の間であって、かつ、対向する少なくとも２枚の第２平板の間に形成され、
   前記少なくとも２枚の第２平板の外側であって、かつ、前記少なくとも２枚の平板の内側には、前記触媒層が配置されたことを特徴とする、請求項３に記載の反応器。
5. 前記少なくとも２枚の平板は、第１の平板と、前記第１の平板に対向する第２の平板と、前記第２の平板に対向する第３の平板と、前記第３の平板に対向する第４の平板と、を含み、
   前記第１の平板と前記第２の平板との間には、前記触媒層が形成され、
   前記第３の平板と前記第４の平板との間には、前記触媒層が形成され、
   前記第２の平板と前記第３の平板との間には、前記熱交換ガス流路が形成されることを特徴とする、請求項１〜４の何れか１項に記載の反応器。
6. 前記少なくとも１つの生成ガス流路は、前記少なくとも２枚の平板の間であって、かつ、対向する少なくとも２枚の第２平板の間に形成され、
   前記少なくとも１つの生成ガス流路には、前記少なくとも２枚の第２平板の変形を抑制するための生成ガス流路補強部材が配置されることを特徴とする、請求項１〜５の何れか１項に記載の反応器。
7. 前記生成ガス流路補強部材は、波板を含むことを特徴とする、請求項６に記載の反応器。
8. 前記触媒層での原料ガスの通流方向と、前記少なくとも２つの熱交換ガス流路での熱交換ガスの通流方向とが向流になるように前記触媒層及び前記少なくとも２つの熱交換ガス流路が構成されたことを特徴とする、請求項１〜７の何れか１項に記載の反応器。
9. 前記少なくとも２つの熱交換ガス流路には、前記少なくとも２枚の平板の変形を抑制するための熱交換ガス流路補強部材が配置されることを特徴とする、請求項１〜８の何れか１項に記載の反応器。
10. 前記熱交換ガス流路補強部材は、前記少なくとも２枚の平板の間に配置される波板を含むことを特徴とする、請求項９に記載の反応器。
11. 前記補強部材は、前記少なくとも２枚の平板の外側表面に形成された凸部を含むことを特徴とする、請求項９に記載の反応器。
12. 前記少なくとも２枚の平板と、前記触媒層と、前記少なくとも２つの熱交換ガス流路と、前記少なくとも１つの生成ガス流路とを収容するための筐体を備え、
    前記筐体は、
    前記熱交換ガスを導入するための熱交換ガス導入口と、
    前記原料ガスとの間で熱交換した後の熱交換ガスを排出するための熱交換ガス排出口と、
    前記触媒層に原料ガスを導入するための原料ガス導入口と、
    前記少なくとも１つの生成ガス流路からの生成ガスを排出するための生成ガス排出口と、を含むことを特徴とする、請求項１〜１１の何れか１項に記載の反応器。
13. 前記少なくとも２つの熱交換ガス流路には、前記少なくとも２枚の平板の変形を抑制するための熱交換ガス流路補強部材が配置され、
    前記熱交換ガス導入口は前記筐体の下方に備えられ、
    前記熱交換ガス排出口は前記筐体の上方側面に備えられ、
    前記熱交換ガス流路補強部材は、前記熱交換ガス導入口から導入された前記熱交換ガスを前記熱交換ガス排出口へ流すように構成されたことを特徴とする、請求項１２に記載の反応器。
14. 前記筐体は、
    本体部と、前記本体部に脱着可能に取り付けられる蓋部とを含み、
    前記蓋部を外すことで前記少なくとも２枚の平板を上方から視認可能に構成されたことを特徴とする、請求項１２又は１３に記載の反応器。

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