JP2835182B2 - 気相反応に用いる触媒反応装置 - Google Patents

気相反応に用いる触媒反応装置

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JP2835182B2 JP3504125A JP50412591A JP2835182B2 JP 2835182 B2 JP2835182 B2 JP 2835182B2 JP 3504125 A JP3504125 A JP 3504125A JP 50412591 A JP50412591 A JP 50412591A JP 2835182 B2 JP2835182 B2 JP 2835182B2
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    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
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    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
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Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、化学反応装置に関し、特に、炭化水素燃料
流を改質して燃料電池に水素燃料流を供給するための触
媒化学反応装置に関するものである。
背景技術 燃料電池は、燃料の化学エネルギーを電気エネルギー
に変換する装置である。燃料電池は、アノードと、カソ
ードと、アノードとカソードの間の電解質から構成され
る。アノードとカソードは、それぞれ、電解質に接して
配置された触媒層を有している。燃料流は、アノード側
触媒層において電気化学的に酸化されて電子流を発生す
る。オキシダント流は、カソード側触媒層において電気
化学的に還元される。電子流は、外部回路を介してアノ
ードからカソードへ導通する。電解質を通過するイオン
流により、回路が完成する。
通常、炭化水素燃料流は、触媒により改質されて燃料
電池のアノードに対する水素燃料流となる。改質過程の
最終段階として、燃料流は、低温シフトコンバータを通
過する。低温シフトコンバータは、銅触媒粒子の層を含
んでいる。銅触媒微細粒子が蒸気によって気流内に同伴
され、燃料電池のアノードに運ばれると、アノード側触
媒の汚染が起きる。
従来の燃料電池発電装置では、シフトコンバータと燃
料電池との間の配管内にフィルターを設けて、蒸気同伴
された触媒粒子を捕獲し、触媒粒子がシフトコンバータ
からアノード側に運ばれるのを防いでいる。
しかしながら、上述した従来のフィルターは、触媒屑
により目詰りを起こすことがあり、これによりシステム
に大きな圧力降下が生じ、燃料ガスの流速が減少する。
そこで、本発明の技術課題は、前記欠点に鑑み、フィ
ルターの目詰りを起こすことなく大量の微粒子屑を捕獲
できるようにした、触媒反応装置を提供することであ
る。
また、本発明の他の技術的課題は、フィルターの目詰
りを起こすことなく大量の微粒子屑を捕獲できるように
した、燃料電池のアノードに供給する燃料を処理するた
めのシフトコンバータを提供することである。
図面の簡単な説明 第１図は、本発明による触媒反応装置の縦断面図であ
る。
第２図は、第１図の触媒反応装置の線２−２に沿った
横断面図である。
第３図は、第１図の触媒反応装置の線３−３に沿った
横断面図である。
発明の概要 本発明によれば、気相化学反応に用いる触媒反応装置
において、第１の封入端部から第２の封入端部まで軸に
沿って延在し、実質的に連続的な内部表面を有し、前記
第１の端部には反応気体留を内部に導入するための入口
を形成し、前記第２の端部には生成気体流を外部へ導出
するための出口を形成したハウジングと、前記ハウジン
グ内部に配置された、前記気相化学反応において触媒と
して作用する触媒粒子の層と、前記ハウジング内部の前
記触媒粒子の層を支持するための多孔性支持手段と、前
記ハウジングの前記軸に直交する平面において前記ハウ
ジングを横切って前記触媒層と前記ハウジングの前記出
口との間に延在し、前記ハウジングから前記触媒粒子が
生成気体流にのって搬出されるのを防ぐためのフィルタ
ー手段とを備えたことを特徴とする気相化学反応に用い
る触媒反応装置が得られる。
また、本発明によれば、前記軸は水平軸であり、前記
第１の端部は上部端部であり、前記第２の端部は底部端
部であり、前記多孔性支持手段は前記触媒層と前記フィ
ルター手段の間に配置されることを特徴とする前記触媒
反応装置が得られる。
また、本発明によれば、前記軸は水平軸であり、前記
第１の端部は底部端部であり、前記第２の端部は上部端
部であることを特徴とする前記触媒反応装置が得られ
る。
また、本発明によれば、前記ハウジングは、直円柱か
ら構成されることを特徴とする前記触媒反応装置が得ら
れる。
また、本発明によれば、前記多孔性支持手段は、前記
ハウジングの前記軸に直交する平面において前記ハウジ
ングを横切って延在する多孔性プレートから構成される
ことを特徴とする前記触媒反応装置が得られる。
また、本発明によれば、前記触媒粒子は約3.0mm乃至
約6.0mmの公称寸法を有し、前記多孔性支持プレートに
は、直径2.0mm乃至2.5mmの複数個の穴が設けられ、前記
フィルター手段により、約1.0ミクロンよりも大きな粒
子寸法を有する粒子の搬出を防ぐことを特徴とする請求
項５記載の触媒反応装置が得られる。
また、本発明によれば、前記フィルター手段は、繊維
質のフィルターパッドから構成されることを特徴とする
前記触媒反応装置が得られる。
また、本発明によれば、前記繊維質のフィルターパッ
ドは、セラミック繊維から構成されることを特徴とする
前記触媒反応装置が得られる。
また、本発明によれば、前記セラミック繊維は、シリ
カ繊維、アルミナ繊維、アルミノシリケート繊維のいず
れかもしくはその混合物から構成されることを特徴とす
る前記触媒反応装置が得られる。
また、本発明によれば、前記セラミック繊維は、2.0
ミクロン乃至3.0ミクロンの直径を有し、前記フィルタ
ーパッドは、92％乃至98％の空隙容積を有することを特
徴とする前記触媒反応装置が得られる。
また、本発明によれば、燃料電池のアノードに対する
燃料流を処理するための低温シフトコンバータにおい
て、第１の端部から第２の端部まで軸に沿って延在し、
前記第１の端部には反応気体流を内部に導入するための
入口を形成し、前記第２の端部には生成気体流を外部へ
導出するための出口を形成したハウジングと、前記ハウ
ジング内部に配置された、シフト変換反応において触媒
として作用する触媒粒子の層と、前記ハウジング内部の
前記触媒粒子の層を支持するための多孔性支持手段と、
前記ハウジングの前記軸に直交する平面において前記ハ
ウジングを横切って前記触媒層と前記ハウジングの前記
出口との間に延在し、前記ハウジングから前記触媒粒子
が生成気体流にのって搬出されるのを防ぐことにより、
前記燃料電池のアノードの汚染を防ぐためのフィルター
手段とを備えたことを特徴とする低温シフトコンバータ
が得られる。
また、本発明によれば、前記軸は水平軸であり、前記
第１の端部は上部端部であり、前記第２の端部は底部端
部であり、前記多孔性支持手段は前記触媒層と前記フィ
ルター手段の間に配置されることを特徴とする前記低温
シフトコンバータが得られる。
また、本発明によれば、前記軸は水平軸であり、前記
第１の端部は底部端部であり、前記第２の端部は上部端
部であることを特徴とする前記低温シフトコンバータが
得られる。
また、本発明によれば、前記ハウジングは、直円柱か
ら構成されることを特徴とする前記低温シフトコンバー
タが得られる。
また、本発明によれば、前記多孔性支持手段は、前記
ハウジングの前記軸に直交する平面において前記ハウジ
ングを横切って延在する多孔性プレートから構成される
ことを特徴とする前記低温シフトコンバータが得られ
る。
また、本発明によれば、前記触媒粒子は約3.0mm乃至
約6.0mmの粒子寸法を有し、前記多孔性支持プレートに
は、直径2.0mm乃至2.5mmの複数個の穴が設けられ、前記
フィルター手段により、約1.0ミクロンよりも大きな粒
子寸法を有する粒子の搬出を防ぐことを特徴とする前記
低温シフトコンバータが得られる。
また、本発明によれば、前記フィルター手段は、繊維
質のフィルターパッドから構成されることを特徴とする
前記低温シフトコンバータが得られる。
また、本発明によれば、前記繊維質のフィルターパッ
ドは、セラミック繊維から構成されることを特徴とする
前記低温シフトコンバータが得られる。
また、本発明によれば、前記セラミック繊維は、シリ
カ繊維、アルミナ繊維、アルミノシリケート繊維のいず
れかもしくはその混合物から構成されることを特徴とす
る前記低温シフトコンバータが得られる。
また、本発明によれば、前記セラミック繊維は、2.0
ミクロン乃至3.0ミクロンの直径を有し、前記フィルタ
ーパッドは、92％乃至98％の空隙容積を有することを特
徴とする前記低温シフトコンバータが得られる。
すなわち、本発明によれば、気相化学反応に用いる触
媒反応装置が得られる。本発明の触媒反応装置はハウジ
ングを備えている。前記ハウジングは、第１の封入端部
から第２の封入端部まで軸に沿って延在し、実質的に連
続的な内部表面を有している。前記ハウジングの前記第
１の端部には、反応気体流を前記ハウジングに導入する
ための入口が形成され、前記第２の端部には、生成気体
流を前記ハウジングの外部へ導出するための出口が形成
されている。触媒粒子の層が、多孔性支持手段により前
記ハウジング内部に支持されている。前記触媒粒子は、
気相化学反応において触媒として作用する。フィルター
手段が、前記軸に直交する平面において前記ハウジング
を横切って前記触媒層と前記出口との間に延在し、前記
ハウジングから前記触媒粒子が前記生成気体流にのって
搬出されるのを防いでいる。前記フィルター手段は、広
いフィルター表面積を提供し、目詰りに強いため、反応
装置に大きな圧力降下が生じることは起きにくくなる。
また、本発明によれば、上述の触媒反応装置の好まし
い態様として、燃料電池のアノードに対する燃料流を処
理するための低温シフトコンバータが得られる。前記低
温シフトコンバータにおいて、触媒粒子は、シフト変換
反応において触媒として作用する。フィルター手段は、
前記触媒粒子がハウジングから搬出されるのを防ぐこと
により燃料電池のアノード側触媒層の汚染を防ぐ。
実施例 次に、本発明の実施例を図面を参照して説明する。
第１図に示す触媒反応装置は、垂直軸４に沿って延在
する直円柱ハウジング２を備え、直円柱ハウジング２は
上部封入端部６及び底部封入端部８を有している。上部
封入端部６には、ハウジング２に反応気体流を導入する
ための入口10が設けられている。底部封入端部８には、
ハウジング２外部へ生成気体流を導出するための出口12
が設けられている。
多孔性支触媒支持プレート14がハウジング２内に配置
され、ハウジング２の軸４に直交する平面においてハウ
ジング２を横切って延在している。
触媒粒子の層16がハウジング２内に配置され、多孔性
触媒支持プレート14上に支持されている。触媒粒子の組
成及び粒子寸法は、従来の触媒反応装置設計原理に従っ
て選定される。触媒粒子は、反応装置内で行なわれる気
相化学反応において触媒として作用する。例えば、低温
シフトコンバータにおいて、触媒粒子には、銅触媒粒子
を用いることができる。多孔性触媒支持プレート14には
複数個の穴を設けて、プレート14を気流が通過できるよ
うに構成している。これらの穴の直径は、層16の触媒粒
子の公称粒子寸法の範囲の下限より小さい。好ましい実
施例において、触媒粒子は、酸化亜鉛上に支持された銅
からなり、約3.0mm乃至約6.0mmの公称寸法を有してい
る。多孔性触媒支持プレート14には、直径約2.25mmの複
数個の穴が設けられている。
繊維質のフィルターパッド18が、ハウジング内に触媒
粒子の層16と出口12の間に配置され、軸４に直交する平
面においてハウジング２を横切って延在し、触媒粒子16
がハウジング２から搬出されるのを防いでいる。フィル
ターパッド18は、ハウジング２の断面積とほぼ等しいフ
ィルター面積を有している。
フィルターパッド18は、編織加工繊維パッドもしくは
非編織加工繊維パッドからなる。繊維の組成は、反応装
置内の予定される反応条件に応じて選定される。一般
に、化学的不活性及び耐熱性の点で、セラミック繊維が
好ましい。好適なセラミック繊維としては、シリカ繊
維、アルミナ繊維、アルミノシリケート繊維、その混合
物が挙げられる。
繊維の直径及びフィルターパッドの空隙容積は、フィ
ルターパッドにより、予め定められた最小粒子寸法より
大きな粒子寸法を有する粒子を捕獲できるように選定さ
れる。
好ましい実施例において、繊維は約２ミクロン乃至３
ミクロンの直径を有し、繊維質フィルターパッド18は約
92％乃至約98％の空隙容積を有している。フィルターパ
ッド18は約1.0ミクロンより大きな粒子寸法を有する粒
子の搬出を防ぐ。
本発明の実施例による反応装置の向きを逆転して、入
口を反応装置の底部端部とし、出口を反応装置の上部端
部とし、触媒層を触媒支持プレートにより支持し、フィ
ルターパッドを触媒層と上部端部との間に配置するよう
な構成としてもよい。
フィルターの目詰り、すなわち、流動の制限が起きや
すいのは、フィルターの表面積に直接関係する。他の要
因が同じであれば、広い表面積を有するフィルターの方
が、相対的に狭い表面積を有するフィルターよりも、目
詰りを起こすことなく大量の微粒子屑を捕獲することが
できる。
処理配管内に設置された従来の直径の小さいフィルタ
ーでは、少量の微粒子屑で目詰まりが起き、これにより
反応装置を通過する気流を大幅に制限してしまうことに
なる。このような従来のフィルターとは異なり、本発明
による反応装置のフィルターパッドは、反応装置の断面
積に対してフィルター表面積が大きく、目詰まりを起こ
すことなく大量の微粒子屑を捕獲することができ、反応
容器に大きな圧力降下が生じることは起きにくくなる。
以上本発明の好ましい実施例について説明したが、本
発明の趣旨及び範囲を逸脱することなく、種々の修正や
変更を行ない得ることは言うまでもなく、本発明は上述
した実施例に限定されるものではない。
発明の効果 以上説明したとおり、本発明の触媒反応装置は、フィ
ルター表面積を大きくして、目詰りを起こすことなく大
量の微粒子屑を捕獲できるようにしてあるため、触媒の
汚染を効果的に防止できるとともに、反応容器に大きな
圧力降下が生じることが妨げられる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 ＦＩ Ｆ０１Ｎ 3/24 Ｆ０１Ｎ 3/24 Ｅ (56)参考文献 特開 昭52−77105（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−65715（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−210504（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−67327（ＪＰ，Ａ) 米国特許3754870（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01M 8/00 - 8/24 C01B 3/38,3/48 B01D 39/20,53/00 - 53/36 B01J 8/00 - 8/06,19/24 F01N 3/24

Claims (20)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】気相化学反応に用いる触媒反応装置におい
    て、 第１の封入端部から第２の封入端部まで軸に沿って延在
    し、実質的に連続的な内部表面を有し、前記第１の端部
    には反応気体流を内部に導入するための入口を形成し、
    前記第２の端部には生成気体流を外部へ導出するための
    出口を形成したハウジングと、 前記ハウジング内部に配置された、前記気相化学反応に
    おいて触媒として作用する触媒粒子の層と、 前記ハウジング内部の前記触媒粒子の層を支持するため
    の多孔性支持手段と、 前記ハウジングの前記軸に直交する平面におけるほぼ全
    面にわたって前記ハウジングを横切って前記触媒層と前
    記ハウジングの前記出口との間に延在し、前記ハウジン
    グから前記触媒粒子が生成気体流にのって搬出されるの
    を防ぐためのフィルター手段と を備えたことを特徴とする気相化学反応に用いる触媒反
    応装置。
  2. 【請求項２】前記第１の端部は上部端部であり、前記第
    ２の端部は底部端部であり、前記多孔性支持手段は前記
    触媒層と前記フィルター手段の間に配置されることを特
    徴とする請求項１記載の触媒反応装置。
  3. 【請求項３】前記第１の端部は底部端部であり、前記第
    ２の端部は上部端部であることを特徴とする請求項１記
    載の触媒反応装置。
  4. 【請求項４】前記ハウジングは、直円柱から構成される
    ことを特徴とする請求項１記載の触媒反応装置。
  5. 【請求項５】前記多孔性支持手段は、前記ハウジングの
    前記軸に直交する平面において前記ハウジングを横切っ
    て延在する多孔性プレートから構成されることを特徴と
    する請求項１記載の触媒反応装置。
  6. 【請求項６】前記触媒粒子は約3.0mm乃至約6.0mmの公称
    寸法を有し、前記多孔性支持プレートには、直径2.0mm
    乃至2.5mmの複数個の穴が設けられ、前記フィルター手
    段により、約1.0ミクロンよりも大きな粒子寸法を有す
    る粒子の搬出を防ぐことを特徴とする請求項５記載の触
    媒反応装置。
  7. 【請求項７】前記フィルター手段は、繊維質のフィルタ
    ーパッドから構成されることを特徴とする請求項１記載
    の触媒反応装置。
  8. 【請求項８】前記繊維質のフィルターパッドは、セラミ
    ック繊維から構成されることを特徴とする請求項７記載
    の触媒反応装置。
  9. 【請求項９】前記セラミック繊維は、シリカ繊維、アル
    ミナ繊維、アルミノシリケート繊維のいずれかもしくは
    その混合物から構成されることを特徴とする請求項８記
    載の触媒反応装置。
  10. 【請求項１０】前記セラミック繊維は、2.0ミクロン乃
    至3.0ミクロンの直径を有し、前記フィルターパッド
    は、92％乃至98％の空隙容積を有することを特徴とする
    請求項８記載の触媒反応装置。
  11. 【請求項１１】燃料電池のアノードに対する燃料流を処
    理するための低温シフトコンバータにおいて、 第１の端部から第２の端部まで軸に沿って延在し、前記
    第１の端部には反応気体流を内部に導入するための入口
    を形成し、前記第２の端部には生成気体流を外部へ導出
    するための出口を形成したハウジングと、 前記ハウジング内部に配置された、シフト変換反応にお
    いて触媒として作用する触媒粒子の層と、 前記ハウジング内部の前記触媒粒子の層を支持するため
    の多孔性支持手段と、 前記ハウジングの前記軸に直交する平面において前記ハ
    ウジングを横切って前記触媒層と前記ハウジングの前記
    出口との間に延在し、前記ハウジングから前記触媒粒子
    が生成気体流にのって搬出されるのを防ぐことにより、
    前記燃料電池のアノードの汚染を防ぐためのフィルター
    手段とを備えた ことを特徴とする低温シフトコンバータ。
  12. 【請求項１２】前記第１の端部は上部端部であり、前記
    第２の端部は底部端部であり、前記多孔性支持手段は前
    記触媒層と前記フィルター手段の間に配置されることを
    特徴とする請求項11記載の低温シフトコンバータ。
  13. 【請求項１３】前記第１の端部は底部端部であり、前記
    第２の端部は上部端部であることを特徴とする請求項11
    記載の低温シフトコンバータ。
  14. 【請求項１４】前記ハウジングは、直円柱から構成され
    ることを特徴とする請求項11記載の低温シフトコンバー
    タ。
  15. 【請求項１５】前記多孔性支持手段は、前記ハウジング
    の前記軸に直交する平面において前記ハウジングを横切
    って延在する多孔性プレートから構成されることを特徴
    とする請求項11記載の低温シフトコンバータ。
  16. 【請求項１６】前記触媒粒子は約3.0mm乃至約6.0mmの粒
    子寸法を有し、前記多孔性支持プレートには、直径2.0m
    m乃至2.5mmの複数個の穴が設けられ、前記フィルター手
    段により、約1.0ミクロンよりも大きな粒子寸法を有す
    る粒子の搬出を防ぐことを特徴とする請求項15記載の低
    温シフトコンバータ。
  17. 【請求項１７】前記フィルター手段は、繊維質のフィル
    ターパッドから構成されることを特徴とする請求項11記
    載の低温シフトコンバータ。
  18. 【請求項１８】前記繊維質のフィルターパッドは、セラ
    ミック繊維から構成されることを特徴とする請求項17記
    載の低温シフトコンバータ。
  19. 【請求項１９】前記セラミック繊維は、シリカ繊維、ア
    ルミナ繊維、アルミノシリケート繊維のいずれかもしく
    はその混合物から構成されることを特徴とする請求項18
    記載の低温シフトコンバータ。
  20. 【請求項２０】前記セラミック繊維は、2.0ミクロン乃
    至3.0ミクロンの直径を有し、前記フィルターパッド
    は、92％乃至98％の空隙容積を有することを特徴とする
    請求項18記載の低温シフトコンバータ。
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