JP4023875B2 - メタノール改質装置の加熱装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、メタノールを触媒反応させて水素ガスを得るメタノール改質装置において、改質用の触媒を加熱するのに利用するメタノール改質装置の加熱装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
この種のメタノール改質装置としては、例えば、気化させたメタノールと水を触媒反応させて水素ガスを得るものや、気化させたメタノールと酸素を触媒反応させて水素ガスを得るものがある。
【0003】
メタノールと水を用いる場合には、触媒における反応が吸熱反応であることから、触媒を効果的に作用させるために触媒を所定の温度(200〜300℃)に保温する必要があり、例えば、触媒を収容した反応器に保温用オイルの流路を設けて常に保温用オイルを循環させるようにしていた。
【0004】
メタノールと酸素を用いる場合には、触媒における反応が発熱反応であることから、一旦触媒反応が開始されれば、その反応熱により触媒反応を継続することができるが、初期において触媒を所定の温度に加熱する必要があり、例えば、電気式の着火装置あるいはヒーターなどを用いていた。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記したような従来のメタノール改質装置における触媒の加熱にあっては、保温用オイルの循環装置、電気式の着火装置あるいはヒーターのいずれの場合もメタノール改質装置とは全く別系統の作動源を用いるため、その分構造が複雑化し且つ大型化するという問題があり、このような問題を解決することが課題であった。
【0006】
【発明の目的】
本発明は、上記従来の課題に着目して成されたもので、とくにメタノールと酸素を用いるメタノール改質装置に好適であって、装置の構造の簡単化や小型化を図ることができるメタノール改質装置の加熱装置を提供することを目的としている。
【0008】
【課題を解決するための手段】
また、本発明に係わるメタノール改質装置の加熱装置は、請求項1として、メタノールを触媒反応させて水素ガスを得るメタノール改質装置において、改質用触媒を収容した反応器に設けられる中空体を備え、中空体は、一端部に、液体メタノールおよび酸素の噴射部が設けてあると共に、内部に、加熱用触媒を収容して触媒層を形成し、他端部に、触媒層を通過したガスを反応器内の改質用触媒に対して排出するガス排出部が設けてある構成とし、請求項2として、改質用及び加熱用の触媒が多孔質の粒子に触媒金属を担持させた触媒であり、多数の粒子により触媒層を形成している構成とし、請求項3として、多孔質の粒子がアルミナ製であり、触媒金属がプラチナ系金属である構成としており、上記の構成を課題を解決するための手段としている。なお、上記構成において、触媒に吹き付ける酸素は純酸素に限らず、例えば空気を用いることも良い。
【0012】
【発明の作用】
本発明の請求項1に係わるメタノール改質装置の加熱装置では、メタノール改質装置の反応器に対して設けられる。つまり、反応器に設けた中空体において、メタノール噴射部により霧化した液体メタノールを加熱用触媒に噴射して、同加熱用触媒に液体メタノールを染み込ませ、こののち、酸素噴射部から酸素を加熱用触媒に吹き付ける。これにより、加熱用触媒の触媒層において発熱が起こり、触媒層を通過した高温のガスをガス排出部からメタノール改質装置の反応器の改質用触媒に対して排出することにより、改質用触媒を加熱することとなる。
【0013】
本発明の請求項2に係わるメタノール改質装置の加熱装置では、改質用及び加熱用の触媒が多孔質の粒子に触媒金属を担持させた触媒であり、多数の粒子により触媒層を形成しているので、夫々の触媒ならびに触媒層が液体メタノールを吸収し且つ保持しやすいものとなる。
【0015】
本発明の請求項3に係わるメタノール改質装置の加熱装置では、多孔質の粒子がアルミナ製であり、触媒金属がプラチナ系金属であるので、液体メタノールの供給とこれに続く酸素の吹き付けにより、メタノールと酸素を用いたメタノール改質装置における改質用触媒を効果的に作用させるのに充分な温度が得られることとなる。
【0019】
【発明の効果】
本発明の請求項1に係わるメタノール改質装置の加熱装置によれば、とくにメタノールと酸素を用いるメタノール改質装置において、同じ材料を用いて改質用触媒を容易に且つ充分な温度に加熱することができ、また、装置の大幅な簡略化や小型化を実現することができ、しかも、各噴射部から噴射するメタノールと酸素との比を調整することによって加熱温度を簡単に変化させることができる。
【0020】
本発明の請求項2に係わるメタノール改質装置の加熱装置によれば、請求項1と同様の効果を得ることができるうえに、改質用及び加熱用の触媒が多孔質の粒子に触媒金属を担持させた触媒であり、多数の粒子により触媒層を形成したことから、触媒ならびに触媒層における液体メタノールの吸収性や保持性が高いものとなり、これにより一層安定した発熱を行うことができる。
【0022】
本発明の請求項3に係わるメタノール改質装置の加熱装置によれば、請求項1及び2と同様の効果を得ることができるうえに、アルミナ製の多孔質粒子およびプラチナ系金属の触媒金属を採用したことにより、メタノールと酸素を用いたメタノール改質装置における触媒を効果的に作用させるのに充分な温度を得ることができる。
【0023】
【実施例】
図1および図2は、本発明に係わるメタノール改質装置の加熱装置の参考例を説明する図である。
【0024】
図1(a)に示すメタノール改質装置は、例えば燃料電池に供給する水素ガスを発生させるものであって、液体酸素を蓄えた酸素供給源1と、液体メタノールを蓄えたメタノール供給源2と、液体酸素および液体メタノールを気化させる加熱器3と、気化させた酸素およびメタノールを触媒反応させて水素ガスを得る反応器4を備えている。各供給源1,2は、貯蔵用のタンク、タンク内の液体酸素あるいは液体メタノールを加圧して送り出す加圧手段、流量制御用のバルブなどで構成してあり、反応器4との間に、加熱器3を経由する供給管5,6が設けてある。
【0025】
反応器4は、概略円柱状の中空体7を備えると共に、中空体7の内部に一部を図示した触媒層8を備えており、中空体7の一端部にメタノール噴射部9および酸素噴射部10を備えると共に、中空体7の他端部にガス排出部11を備えている。
【0026】
ここで、この参考例の加熱装置は、上記メタノール改質装置の構成の一部を兼用したものとなっている。すなわち、中空体7に設けた各噴射部9,10が、触媒層8の触媒8aに対して霧化した液体メタノールを噴射するメタノール噴射部9、および触媒層8の触媒8aに対して酸素を吹き付ける酸素噴射部10となっており、改質用の触媒8aを直接加熱する。
【0027】
メタノール噴射部9は、図1(b)にも示すように、中空体7の軸線上に設けてあって、メタノール供給源2からの供給管6を接続する流路9aと、流路9aを経た液体メタノールを霧化するオリフィス9bと、オリフィス9bで霧化した液体メタノールを触媒層8の入口側全面に均一に噴射するためのテーパ部9cにより構成してある。他方、酸素噴射部10は、メタノール噴射部9を中心にして等間隔で複数個(図では8個)設けてあって、酸素供給源1からの供給管5を接続する流路10aと、流路10aを経た酸素を噴射するオリフィス10bにより構成してある。
【0028】
触媒8aは、例えば直径数mm程度のアルミナ製の多孔質粒子に、プラチナ系金属を触媒金属として担持させて成るものであり、中空体7内に所定間隔で設けた2枚の金網12a,12bの間に多数の粒子を収容することにより、触媒層8を形成している。触媒8aは、その製造を簡単に述べると、金属塩(Pt)を完全に溶解させたのち、その溶解液にアルミナ製の多孔質粒子を浸漬し、攪拌を行いながら徐々に溶媒を蒸発させる。そして、多孔質粒子に熱処理等を行うことにより得られる。
【0029】
次に、上記メタノール改質装置における加熱方法を加熱装置の動作とともに説明する。
【0030】
メタノール改質装置および加熱装置は、図2のタイムチャートに示すように、メタノール供給源2の作動(ON)により、供給管6を介して液体メタノールを反応器4に供給する。このとき、当該メタノール改質装置では、加熱器3を不作動(OFF)としているので、メタノール供給源2の液体メタノールはそのまま反応器4に供給されることとなる。
【0031】
反応器4では、供給管6からの液体メタノールをメタノール噴射部9により霧化し、これを触媒層8に向けて噴射することにより、触媒8aに液体メタノールを染み込ませる。このとき、触媒8aは、多孔質粒子を用いているので、液体メタノールを容易に吸収し且つ確実に保持する。
【0032】
こののち、メタノール供給源2を不作動(OFF)とし、一定時間経過させたところで、酸素供給源1および加熱器3を作動(ON)させ、酸素供給源1から供給管5に送り出した液体酸素を加熱器3により気化させ、気化させた酸素を反応器4に供給する。反応器4では、供給管5からの酸素が複数の酸素噴射部10から触媒層8に向けて吹き付けられる。すると、触媒活性によりメタノールが反応して発熱が起こり、触媒層8全体が加熱されることとなる。
【0033】
次に、触媒層8の温度が触媒8aを効果的に作用させる所定の温度(例えば350〜400℃)となったのちには、再びメタノール供給源2を作動(ON)させる。このときには加熱器3が作動しているので、加熱器3により液体メタノールは気化する。そして、気化したメタノールおよび酸素を各噴射部9,10から触媒層8に供給することにより、触媒層8における触媒反応によって水素ガスを得る。このときの反応は発熱反応であるので、気化したメタノールおよび酸素を供給すれば触媒反応は継続して行われることとなる。
【0034】
このように、メタノール改質装置における加熱方法および加熱装置では、メタノールと酸素を用いるメタノール改質装置に対して同じ材料を用いて触媒の加熱を行うので、材料の供給系や装置をかなりの部分で兼用したものとなっており、別系統の作動源を用いる従来の加熱手段と比べると、装置が大幅に簡略化され、小型化も可能となる。このため、例えば、宇宙機の燃料電池に水素ガスを供給するメタノール改質装置の加熱装置としてきわめて好適である。
【0035】
また、加熱温度を変化させるには、メタノールと酸素との比を調整するだけで良いので、制御もきわめて容易である。さらに、アルミナ製の多孔質粒子およびプラチナ系金属の触媒金属の採用により、触媒を効果的に作用させるのに充分な温度が確実に得られる。
【0036】
なお、上記参考例の加熱装置では、加熱器3の不作動および作動により、反応器4に送るメタノールを液体のままとしたり気化させたりするようにしたが、図1(a)中に仮想線で示すように、メタノールの供給管6の中間に、加熱器3の外側を通るバイパス管14を設けると共に、供給管6とバイパス管14との分岐点に切換弁15を設けた構成とし、加熱時には、切換弁15およびバイパス管14を介して反応器4に液体メタノールを直接供給するようにし、加熱後には、切換弁15を切換えて供給管6内の液体メタノールを加熱器3により加熱気化するようにしてもよい。
【0037】
図3は、本発明に係わるメタノール改質装置の加熱装置の一実施例を説明する図である。なお、先の参考例と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
【0038】
この実施例では、酸素供給源1、メタノール供給源2、加熱器3、反応器4および各供給管5,6で構成したメタノール改質装置において、反応器4に、先の実施例で説明した反応器(4)を加熱装置20として設けている。したがって、メタノール改質装置における反応器4の一端部には、各供給管5,6を接続した酸素およびメタノールの供給部21,22が設けてあり、各供給部21,22からは、加熱器3により気化された酸素およびメタノールが反応器4内に供給される。
【0039】
加熱装置20は、その内部に、アルミナの製の多孔質粒子にプラチナ系金属を担持させた加熱用触媒8aを収容して触媒層8を形成すると共に、反応器4の一端部側に、ガス排出部11を反応器4内の改質用触媒23の入口側に向けた状態にして取り付けてある。また、加熱装置20には、液体メタノール用流通管24と酸素用流通管25が接続してある。液体メタノール用流通管24は、メタノール供給源2と加熱器3の間において供給管6に設けた切換弁15に接続してあって、メタノール供給源2の液体メタノールを加熱装置20に供給する。他方、酸素用流通管25は、空気ボンベ26に接続してあって、空気を加熱装置20に供給する。
【0040】
上記の構成を備えたメタノール改質装置の加熱装置は、切換弁15を液体メタノール用流通管24側に切換えることによりメタノール供給源2から液体メタノールが供給され、その液体メタノールを霧化して触媒層8に噴射する。そして、触媒層8の加熱用触媒8aに液体メタノールを染み込ませたのち、空気ボンベ26から空気の供給を受けることにより、加熱用触媒8を活性化させて発熱させ、触媒層8を通過した高温のガスをガス排出部11から反応器4内の改質用触媒23に噴射して同触媒23を加熱する。
【0041】
このように加熱を行った後には、切換弁15を供給管6側に切換え、各供給源1,2からの液体酸素および液体メタノールを加熱器3により気化して反応器4に供給し、予め加熱装置20により加熱されている改質用触媒23に気化した酸素およびメタノールを供給し、触媒反応により水素ガスを得ることとなる。得られた水素ガスは、排出管13により例えば図外の燃料電池等へ供給される。
【0042】
このように、加熱装置20は、先の実施例のように高濃度の酸素ではなく、空気を用いても加熱用触媒8aにおいて発熱を起こすことができ、先の参考例と同様の作用および効果を得ることができる。なお、上記実施例のように反応器4と別の加熱装置20を用いた場合においても、先の実施例のように、酸素供給源1の液体酸素を加熱器3により気化して用いることも当然可能である。
【0043】
また、上記各例では、プラチナ系金属を触媒金属として用いた場合を例示したが、このほか、パラジウムやロジウムなどを用いることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係わるメタノール改質装置の加熱装置の参考例を一部ブロックで示す断面説明図(a)および中空体の噴射部位置での断面図(b)である。
【図2】 図1に示すメタノール改質装置および加熱装置におけるメタノール供給源、酸素供給源および加熱器の作動状態と触媒層の温度変化を説明するタイムチャートである。
【図3】 本発明に係わるメタノール改質装置の加熱装置の一実施例を一部ブロックで示す断面説明図である。
【符号の説明】
8 触媒層
8a 触媒(加熱用触媒)
9 メタノール噴射部
10 酸素噴射部
11 ガス排出部
23 改質用触媒
Claims (3)
- メタノールを触媒反応させて水素ガスを得るメタノール改質装置において、改質用触媒を収容した反応器に設けられる中空体を備え、中空体は、一端部に、液体メタノールおよび酸素の噴射部が設けてあると共に、内部に、加熱用触媒を収容して触媒層を形成し、他端部に、触媒層を通過したガスを反応器内の改質用触媒に対して排出するガス排出部が設けてあることを特徴とするメタノール改質装置の加熱装置。
- 改質用及び加熱用の触媒が多孔質の粒子に触媒金属を担持させた触媒であり、多数の粒子により触媒層を形成していることを特徴とする請求項1に記載のメタノール改質装置の加熱装置。
- 多孔質の粒子がアルミナ製であり、触媒金属がプラチナ系金属であることを特徴とする請求項1又は2に記載のメタノール改質装置の加熱装置。
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