JP4437696B2

JP4437696B2 - 触媒反応装置

Info

Publication number: JP4437696B2
Application number: JP2004129515A
Authority: JP
Inventors: 俊雄篠木; 光昭中田; 秀規小関; 光家松村
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2004-04-26
Filing date: 2004-04-26
Publication date: 2010-03-24
Anticipated expiration: 2024-04-26
Also published as: JP2005305381A

Description

本発明は、触媒反応装置に関し、例えば燃料電池に用いる水素の製造に適用することができる。

燃料電池に用いる水素を製造する触媒反応装置は、加熱された第１触媒に原料ガスを接触させることで水素を発生させる。第１触媒は、例えばＮｉ系触媒やＲｕ系触媒であり、５００〜８００℃に加熱される。原料ガスは、メタン、プロパン、ガソリン、灯油及びアルコール等の炭化水素系ガスと、水蒸気及び空気の少なくとも一つとを含む。

例えばメタンガスで水蒸気改質反応を行う場合には、ＣＨ₄＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ₂の反応と、ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋Ｈ₂の反応とによって水素を生じる。そして、第１触媒の温度が７００℃程度の場合には、反応ガスの水素含有率は乾燥ガス換算で７５パーセント程度となる。

第１触媒との接触で原料ガスは、水素を多く含んだ反応ガスとなる。ただし、一酸化炭素（ＣＯ）も多く含む。触媒反応装置が、固体酸化物形燃料電池や溶融炭酸塩形燃料電池に適用されている場合には、水素と共に一酸化炭素を多く含んだ反応ガスを、そのまま燃料電池側へと供給することができる。

一方、燐酸形燃料電池や固体高分子形燃料電池に適用される場合には、一酸化炭素の影響が問題となる。このため、一酸化炭素濃度を低くした反応ガスを燃料電池側へと供給する必要がある。燐酸形燃料電池においては一酸化炭素濃度が１パーセント程度以下の反応ガスが、固体高分子形燃料電池においては１０ｐｐｍ程度以下の反応ガスがそれぞれ必要とされる。

そこで、一酸化炭素濃度を低下させるために、第１触媒と接触した反応ガスを第２触媒に接触させる。第２触媒は、例えばＣｕ−Ｚｎ系触媒やＰｔ系触媒であり、２００〜３５０℃の温度場で機能させる。第２触媒の温度は２００〜３５０℃であるので、第１触媒と接触した７００℃程度の反応ガスは、第２触媒と接触するまでに熱回収されて、第２触媒と同程度の温度まで冷やされる。第２触媒は、ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋Ｈ₂の反応を行い、反応ガスの一酸化炭素濃度を１パーセント程度以下にする。

更に一酸化炭素濃度を低下する場合には、第２触媒と接触した反応ガスを第３触媒に接触させる。第３触媒は、例えばＲｕ系触媒やＰｔ系触媒であり、１００〜１５０℃の温度場で機能させる。第３触媒の温度は１００〜１５０℃であるので、第２触媒と接触した３００℃程度の反応ガスは、第３触媒と接触するまでに熱回収されて第３触媒と同程度の温度まで冷やされる。第３触媒は、２ＣＯ＋Ｏ₂→２ＣＯ₂の反応を行い、反応ガスの一酸化炭素濃度を１０ｐｐｍ程度以下にする。

なお、本発明に関連する技術が下記文献に示されている。

特開２０００−２７２９０２号公報特開平５−７６７７５号公報特開平５−１８６２０２号公報

ところで、燃料電池とともに上述した触媒反応装置が、移動体や、家庭用等の小規模なシステムに組み込まれている場合には、頻繁に動作の起動と停止が行われる。起動時と停止時には、触媒反応装置の温度が上昇もしくは低下する。これにより、触媒反応装置に熱勾配による歪みが生じ、触媒が破砕されやすくなる。また、移動体に搭載されている場合においては、振動等によっても触媒が破砕されやすい。触媒が破砕すると、粒径の小さな触媒粉が形成される。粒径の小さな触媒粉は、反応ガスとともに流されやすい。例えば、第１触媒で生じた触媒粉は、反応ガスとともに第１触媒から第２触媒側へと移動する。

第１触媒で生じた触媒粉（第１触媒粉）は、第２触媒に至るまでにその温度が７００℃程度から３５０℃程度まで低下、すなわち第１触媒と第２触媒との間で約３５０〜約７００℃の温度分布を有する。このうち７００℃よりも低い領域では、第１触媒粉は、ＣＯ＋３Ｈ₂→ＣＨ₄＋Ｈ₂Ｏの反応と、ＣＯ₂＋Ｈ₂→ＣＯ＋Ｈ₂Ｏの反応とを起こしやすくなる。よって、反応ガス中の水素濃度が低下する。水素濃度が低下すると、必要とされる十分な電力量を燃料電池において発生することができなくなる。

そこで、第１触媒及び第２触媒の間にフィルタを設けることで、触媒粉の移動を妨げることができる。これにより、水素濃度の低下を防止できる。このような技術は例えば上述の特許文献１に開示されている。また、フィルタを交換する頻度が低減できる技術が上述の特許文献２に開示されている。あるいは、フィルタで捕集した触媒粉を再利用する技術が上述の特許文献３に開示されている。

しかしながら、第１触媒から第２触媒へと移動する触媒粉が少量であっても、反応ガスの水素濃度が低下し、もしくは一酸化炭素濃度が高くなる。よって、目の細かなフィルタを使用する必要があった。しかし、従来技術と同様の方法で目の細かなフィルタを用いると、目詰まりを生じやすく、頻繁にフィルタの交換をするなどのメンテナンスが必要となる。

また、フィルタを設ける場合には、フィルタの交換等を行う箇所では密閉性が必要とされる。更には、フィルタが触媒反応装置の高温部に設けられる場合には、例えば、フィルタ等も配管内で焼き付けを起こして交換ができなくなる可能性もあり、また、フィルタ自体の耐熱性が必要とされる。

あるいは、フィルタの交換を容易にするために、配管により高温部から一旦低温部へと反応ガスを導き、低温部にフィルタを設けることが考えられる。しかし、触媒反応装置が大型化するので望ましくない。また、低温部またはその経路に触媒粉が付着すると、水素生成の逆反応が進行するので非効率になる。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、触媒粉が第１触媒から第２触媒側へと流れることを防止し、以って反応ガスへの悪影響を回避する。しかも、触媒粉を捕集するためのフィルタを必須とせず、メンテナンスの必要性を低減する。

この発明にかかる触媒反応装置の第１の態様乃至第６の態様は、第１触媒と、触媒支持体と、第２触媒と、粉体排出部とを備える。前記第１触媒は、所定の粒径を有する粒状であって、ガスの供給側に設けられる。前記触媒支持体は、前記粒径よりも小さい孔を有し、前記第１触媒を支持する。前記第２触媒は、前記触媒支持体に対して前記第１触媒と反対側に位置し、前記ガスの排気側に設けられる。前記粉体排出部は、前記第２触媒と前記触媒支持体との間に設けられ、前記第１触媒から飛散した前記孔よりも粒径の小さな前記第１触媒の粉体を含む前記ガスから前記粉体が排出される部分である。
また、この発明にかかる触媒反応装置の第１の態様乃至第３の態様及び第５の態様において、前記粉体排出部は、鉛直方向の成分を有する方向に延在する管と、捕集部とを有する。前記管は、上側が前記排気側に、下側が前記捕集部を介して供給側に各々連通する。
また、この発明にかかる触媒反応装置の第１の態様において、前記管は、前記第２触媒側の一端で開口する開口部の面積よりも断面積が大きい部分を少なくとも下方に有する。
この発明にかかる触媒反応装置の第２の態様において、前記粉体排出部は、前記捕集部の下方の内壁に設けられ、前記粉体排出部内を前記供給側から前記排気側へと向かう前記ガスの流れの方向に非平行に延在し、前記捕集部の底面に溜まった前記粉体へ前記ガスが流れることを妨げる隔離壁を更に有する。
この発明にかかる触媒反応装置の第３の態様は、通気口と、仕切りとを持つ隔離壁を更に備え、前記隔離壁は、前記捕集部を、鉛直方向に隣接する二つの部分に分離して設けられ、前記仕切りは、前記隔離壁の上方に設けられ、供給ガスを前記通気口へと導く。
この発明にかかる触媒反応装置の第４の態様において、前記粉体排出部は、前記粉体排出部内を前記供給側から前記排気側へと向かう前記ガスの流れの方向に非平行で、鉛直方向の成分を有する方向へと延在する仕切りを有し、前記仕切りは、前記粉体を含む前記ガスの流れる方向を下方へと導く。
この発明にかかる触媒反応装置の第５の態様は、前記ガスの流路において前記粉体の通過を妨げるフィルタを備え、前記フィルタは、前記粉体排出部内の前記排気側に設けられる。
また、この発明にかかる触媒反応装置の第６の態様は、前記粉体の通過を妨げるフィルタを備え、前記粉体排出部は、下方から前記ガスが供給され、前記供給側に連通する第１開口部と、前記排出側に連通する第２開口部と、重力により落下する前記粉体を前記フィルタの下方で捕集する捕集部とを有し、前記フィルタは、前記粉体排出部内の前記第２開口部側に設けられ、前記捕集部は、前記フィルタに対して前記第１開口部側であって、鉛直方向に対して前記フィルタの下部に、前記フィルタ側に開口して設けられる。

この発明にかかる触媒反応装置の第１乃至第６の態様によれば、原料ガスが供給側から供給されて、第１触媒で反応する。反応ガスは、触媒支持体及び粉体排出部を通って、第２触媒へと流入する。触媒支持体は、粒状の第１触媒が移動することを防止する。粉体排出部は、第１触媒が破砕等して生じた触媒粉が、反応ガスと共に第２触媒側へと流れることを防止する。よって、第１触媒若しくはその触媒粉が、第２触媒に至るまでの領域及び第２触媒の領域で反応ガスに悪影響を与えることを回避できる。しかも、この発明にかかる触媒反応装置の第１乃至第４の態様によれば、触媒粉を捕集するためのフィルタを設けなくてもよいので、メンテナンスの必要性が低減される。

実施の形態１．
図１は、本実施の形態にかかる触媒反応装置を概念的に示す断面図である。触媒反応装置は、位置Ａ−Ａを軸とした円筒状の形態を有する。図１で示される触媒反応装置の断面図は、位置Ａ−Ａに対して一方の側のみが示されている。以下のいずれの実施の形態においても、位置Ａ−Ａが示された図においては、同様のことが言える。

触媒反応装置は、円筒４，５，６、板８、触媒支持体３，７，３１、第１触媒１、第２触媒２及びセンタープラグ１７を備える。また、図１では示されていないが、触媒反応装置は、その外周部を覆う保温材も備えている。保温材は、触媒反応装置からの放熱を防止する。以下、触媒反応装置を示す図については同様のことが言える。

円筒４，５，６は鉛直方向に延在し、それぞれの中心軸は位置Ａ−Ａで一致する。円筒４，５，６のそれぞれの半径ｒ４，ｒ５，ｒ６は、ｒ４＜ｒ５＜ｒ６の関係にある。円筒４，６は、下方において円環状の板８により接続される。円筒５の下方側の一端と板８との間には隙間が設けられる。円筒５の下方側の一端から下方の、円筒４，６及び板８によって囲まれる部分を捕集部１０１ａと把握する。

円筒４，５の隙間には、第１触媒１が、触媒支持体３，３１の間に設けられる。触媒支持体３は、第１触媒１の下方への移動を妨げる。第１触媒１は、例えば粒径が２〜４ｍｍ程度の粒状である。触媒支持体３は、粒状の第１触媒を通過させず、後述する反応ガスを通過させる。

円筒５，６の隙間には、触媒支持体７が設けられる。触媒支持体７は、上方側に第２触媒２が設けられ、第２触媒２が下方へと移動することを妨げる。円筒５，６の隙間のうち、触媒支持体３が円筒５に接触する位置から下方側を、円筒５，６で形成される管１０２ａと把握する。第２触媒２は、例えば粒径が２〜４ｍｍ程度の粒状である。触媒支持体７は、粒状の第２触媒を通過させず、後述する反応ガスを通過させる。

円筒４内には、センタープラグ１７が、位置Ａ−Ａに、その方向に延在して設けられる。そして、矢印１７１の方向へと高温の燃焼ガスが流れる。燃焼ガスの温度は、例えば１０００℃程度である。センタープラグ１７によって円筒４内の断面積が小さくなるので、燃焼ガスの流速が大きくなる。これにより、燃焼ガスから円筒４へと熱が伝達しやすくなる。

燃焼ガスは下方から上方へと流れるので、触媒反応装置の下方側の温度が上方側に比べて高くなる。例えば、下方側では８００℃程度、上方側では４００℃程度となる。よって、円筒４側の下方に設けられた第１触媒１は高温、例えば第１触媒１の下方側の温度が７００℃程度となる。また、円筒６側の上方に設けられた第２触媒２は低温、例えば第２触媒２の下方側の温度が３５０℃程度となる。更には、供給側１１ａから供給される原料ガスを、例えば３５０℃程度に予熱することもできる。

第１触媒１及び第２触媒２の温度は、それぞれの触媒において反応が起きやすい範囲に設定されることが望ましい。このような設定は、触媒の寿命を長くするという点でも望ましい。

原料ガスは、供給側１１ａから矢印１４ａの方向へと供給される。そして、原料ガスは、第１触媒１と接触して、反応ガスとなって下方へと流れる。反応ガスの流れは矢印１５により示される。反応ガスは、例えば一酸化炭素と水素を多く含む。そして、第１触媒１の破砕により触媒粉が生じると、反応ガス中には触媒粉が含まれる。

例えば、起動と停止とを複数回繰り返した触媒反応装置で生じた触媒粉を分析した結果、触媒粉の粒径が５００μｍ以上、１００〜１５０μｍ、３０μｍ以下の３種類に分類することができた。分析には、各粒径に対応したメッシュを用いて、発生した触媒粉をフルイにかける方法を適用した。粒径が５００μｍ以上及び１００〜１５０μｍの触媒粉は、円筒４，５の半径方向への熱収縮（応力）によって第１触媒１が破壊されて生じる。特に、第１触媒１が固定された状態で応力がかかると、粒径が５００μｍ以上の触媒粉が生じやすい。また、第１触媒１が移動可能な状態で応力がかかると、応力が緩和されるため、粒径が１００〜１５０μｍの触媒粉が生じやすい。粒径が３０μｍの触媒粉は、第１触媒１の表面が磨耗することによって生じることが多い。特に、粒径３０μｍの触媒粉は、粒径５００μｍ及び粒径１００〜１５０μｍの触媒粉に比べて、飛散しやすい。

第１触媒の触媒粉が、温度の低い第２触媒（例えば２００〜３５０℃）側へと移動すると、水素の濃度が低下する。例えば、原料ガスとしてメタンを用いた場合には、第１触媒１の充填量の約０．１パーセントに相当する触媒粉が第２触媒側へと移動すると、付着する温度領域によっては、メタンの転化率が９５パーセントから８６パーセントまで低下する。

触媒粉を含んだ反応ガスは、捕集部１０１ａを通って管１０２ａを上方へと流れる。管１０２ａでは、反応ガスの流速が所定の値より小さい場合には、触媒粉が重力によって捕集部１０１ａ側へと移動しやすい。流速の所定の値は、運動方程式を用いて求められる。運動方程式には、触媒粉を含まない反応ガスの密度と、触媒粉の粒径及び密度と、レイノルズ数とが、パラメータとして用いられる。レイノルズ数は、反応ガスの粘度及び流速ならびに触媒粉の粒径から求められる。

例えば、反応ガスは、水素を約５５パーセント、一酸化炭素を約８パーセント、二酸化炭素を約８パーセント、メタンを約１パーセント、水蒸気を約２８パーセント（全体で１００パーセントとなる）のそれぞれを含む。このとき、反応ガスの密度は約０．１６４１ｋｇ／ｍ³であり、粘度は３．１５０２×１０^-5ｋｇ／ｍ・ｓである。そして、この反応ガスが、触媒粉として粒径３０μｍのニッケル粉（密度は８．９ｇ／ｃｍ³）を含む場合には、運動方程式から流速の所定の値が０．１４ｍ／ｓと求められる。

粒径が１００〜１５０μｍ及び５００μｍの触媒粉については、触媒粉の粒径以外の条件を上記と同じにすれば、流速の所定の値は０．１４ｍ／ｓよりも大きくなる。つまり、粒径が１００〜１５０μｍ及び５００μｍの触媒粉は、粒径が３０μｍの触媒粉よりも重力方向に移動しやすい。よって、流速の所定の値として粒径が３０μｍの触媒粉について求めたものを用いることで、３０μｍよりも粒径の大きい触媒粉も捕らえることができる。

ところで、実際の反応ガスの流れは、一様流とは異なり、管内に速度分布を有する。例えば渦が生じる場合もある。ところが、上述した運動方程式で求められる反応ガスの流速は、平均的なものである。よって、流速の所定の値を、運動方程式で求められる反応ガスの流速の半分程度もしくはそれ以下にすることが望ましい。

本実施の形態においては、円筒５，６の隙間の幅を適切に設定することによって、所望の流速を得ることができる。

またこのとき、第２触媒２において効率良く反応が進行するのに必要な断面積が、上記隙間の幅と異なる可能性がある。この場合には、円筒５，６のうち、第２触媒２が充填される部分の幅を、必要に応じて設定してもよい。具体的には、第２触媒２が充填されている円筒５，６の幅を、後述する熱交換路１０３ａの幅に比べて大きく、もしくは小さくする。

反応ガスの流速が所定の値よりも小さい場合、管１０２ａを流れる反応ガスに含まれる触媒粉は、重力によって捕集部１０１ａへと移動しやすい。捕集部１０１ａに至った触媒粉は、捕集部１０１ａで捕集される。よって、管１０２ａを経て第２触媒２へと流入される反応ガスは、触媒粉をほとんど含まない。

その後、反応ガスは、第２触媒２と接触し、例えば一酸化炭素濃度が低下する。そして、排気側１１ｂから反応ガスが矢印１４ｂの方向へと排気される。排気された反応ガスは、例えば水素を多く含み、かつ一酸化炭素の濃度が低い。

上述の内容において、捕集部１０１ａ及び管１０２ａを粉体排出部１０ａと把握すると、触媒反応装置は次のように把握できる。つまり、触媒反応装置は、第１触媒１、第２触媒２、触媒支持体３及び粉体排出部１０ａを備える。第１触媒１は、供給側１１ａに設けられ、所定の粒径を有する。触媒支持体３は、第１触媒１の粒径よりも小さい孔を有し、第１触媒１を支持する。第２触媒２は、触媒支持体３に対して第１触媒１と反対側に位置し、排気側１１ｂに設けられる。粉体排出部１０ａは、第２触媒２と触媒支持体３との間に設けられ、触媒支持体３の孔よりも粒径の小さな粉体、つまり触媒粉を排出する。

また、粉体排出部１０ａは、管１０２ａと捕集部１０１ａとを有する。管１０２ａは、鉛直方向の成分を有する方向に延在し、上側が排気側１１ｂに、下側が捕集部１０１ａを介して供給側１１ａに各々連通する。

本実施の形態にかかる触媒反応装置によれば、原料ガスが供給側１１ａから供給されて、第１触媒１で反応する。反応ガスは、触媒支持体３及び粉体排出部１０ａを通って、第２触媒２へと流入する。触媒支持体３は、粒状の第１触媒１が移動することを防止する。粉体排出部１０ａは、第１触媒１が破砕等して生じた触媒粉が、反応ガスと共に第２触媒２側へと流れることを防止する。よって、第１触媒１若しくはその触媒粉が、第２触媒２に至るまでの領域及び第２触媒の領域で反応ガスに悪影響を与えることを回避できる。しかも、触媒粉を捕集するためのフィルタを設けなくてもよいので、メンテナンスの必要性が低減される。

また管１０２ａが鉛直方向の成分を有する方向に延在するので、管１０２ａ内を流れる触媒粉は、重力によって捕集部１０１ａへと移動しやすくなる。よって、触媒粉は熱交換路１０３ａ及び第２触媒２にまで到達しにくくなり、反応ガスへの影響を低減することができる。

図２は、ヒートサイクル回数に対するメタン転化率の変化をグラフ２０１，２０２に示す。メタン転化率は、排気側１１ｂから排気された反応ガスに対して計測されたものである。ヒートサイクル回数とは、触媒反応装置の動作の起動と停止の繰り返し回数である。グラフ２０１は、本実施の形態にかかる触媒反応装置に対して計測される。グラフ２０２は、例えば図１で示される触媒反応装置において、管１０２ａを通過する反応ガスの流速が約０．５ｍ／ｓである場合、すなわち上記した所定の値０．１４ｍ／ｓよりも流速が大きい場合の実験結果である。図２で示される各々のグラフ２０１，２０２によれば、本実施の形態にかかる触媒反応装置は、ヒートサイクル回数に対するメタン転化率の低下が、従来にかかる触媒反応装置に比べて著しく改善されている。

触媒反応装置において、第２触媒２の温度を第１触媒１よりも低温とする場合には、反応ガスが第２触媒に至るまでに、反応ガスから熱を回収することが望まれる。このような場合には、反応ガスが流れる流路に接触させて第１触媒を設けることで、反応ガスから熱を回収することができる。

具体的には、図１で示される触媒反応装置では、円筒５の側面のうち、触媒支持体７と管１０２ａとの間であって円筒６とは反対側に、第１触媒１が接触される。例えば、原料ガスとしてメタンガスを用いた場合には、第１触媒においてＣＨ₄＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ₂の吸熱反応が行われる。第１触媒１との接触により７００℃程度に温められた反応ガスは、円筒５，６の隙間を管１０２ａから触媒支持体７へと流れる。このとき、反応ガスが有する熱が、円筒５を介して第１触媒１側に伝わる。すなわち、円筒５，６の隙間のうち管１０２ａから触媒支持体７までを流れる反応ガスは、第１触媒１側に熱が回収される。よって、第２触媒２へと流入する手前では、反応ガスは、例えば３５０℃程度まで冷やされる。

円筒５，６の隙間のうち管１０２ａから触媒支持体７までを熱交換路１０３ａと把握すると、上述の内容は次のように把握することができる。つまり、触媒反応装置は、粉体排出部１０ａと第２触媒２との間に熱交換路１０３ａを更に備える。第１触媒１は、熱交換路１０３ａの外側に接触して設けられて吸熱反応を行う。熱交換路１０３ａの内部を流れる流体、例えば反応ガスから第１触媒１へと熱が伝達する。

上述した触媒反応装置によれば、熱回収を行うための装置等を別途設けなくてもよい。

実施の形態２．
実施の形態１では、例えば円筒５，６の隙間の幅を適切に設定することによって、所望の流速を得ることを述べた。しかし、円筒６の外径が大きくなるため、触媒反応器そのものも大きくなる可能性がある。また、それに伴って、放熱が増大することや、円筒５側へと熱伝達しにくくなること等、触媒反応器の性能が低下する可能性もある。

そこで、本実施の形態では、触媒反応装置の寸法が大きくなることを防ぎつつも、触媒粉を捕集することを可能にする。

図３は、本実施の形態にかかる触媒反応装置である。図３で示される触媒反応装置を構成する要素のうち、図１で示される構成要素と同じものには、同符号が付されている。円筒５，６の隙間のうち、触媒支持体３が円筒５に接触する位置から下方側を、円筒５，６で形成される管１０２ｂと把握し、管１０２ｂから触媒支持体７までを熱交換路１０３ｂと把握する。このとき、管１０２ｂのうち、排気側１１ｂの一端で開口する部分を開口部４５と把握する。また、円筒５の下方側の一端から下方の、円筒４，６及び板８によって囲まれる部分を捕集部１０１ｂと把握する。そして、捕集部１０１ｂ及び管１０２ｂは粉体排出部１０ｂと把握する。

触媒反応装置は、円筒５の下方側の一端が円筒４側へと湾曲している。つまり、管１０２ｂは下方へと拡がっている。したがって、管１０２ｂの拡がった部分１１０の断面積は、開口部４５の面積よりも大きい。

上述した触媒反応装置は次のように把握できる。つまり、管１０２ｂは、排気側１１ｂの一端で開口する開口部４５を有し、開口部４５の面積よりも断面積が大きい部分を少なくとも下方に有すると把握することができる。

上述した触媒反応装置によれば、管１０２ｂの断面積が大きい部分１１０を流れる反応ガスの流速は、開口部４５を通過する反応ガスの流速に比べて小さくなる。これにより、触媒粉は重力によって捕集部１０１ｂへと移動しやすくなる。よって、触媒粉は捕集部１０１ｂで捕集されて、第２触媒２への触媒粉の流入を防止する。

実施の形態１と同じ理由から、管１０２ｂの断面積が大きい部分１１０において、反応ガスの流速が所定の値よりも小さくなることが特に望ましい。

本実施の形態にかかる触媒反応装置は、例えば図４若しくは図５で示されるものであってもよい。図４及び図５で示される触媒反応装置を構成する要素のうち、図１で示される構成要素と同じものには、同符号が付されている。図４及び図５で示される触媒反応装置は、円筒５の下方側の一端から下方の、円筒４，６及び板８によって囲まれる部分を捕集部１０１ｃ，１０１ｄと把握する。

図４で示される触媒反応装置は、円筒６が、水平方向へと延在する張り出し６１を有し、張り出し６１の円筒５側の一端から上方、他端から下方のそれぞれへと円筒６が延在する。円筒５，６の隙間のうち、張り出し６１より下方側を、円筒５，６で形成される管１０２ｃと把握し、管１０２ｃから触媒支持体７までを熱交換路１０３ｃと把握する。このとき、管１０２ｃのうち、排気側１１ｂの一端で開口する部分を、管１０２ｃの開口部４５と把握する。管１０２ｃの断面積は、管１０２ｃの延在方向に対してほぼ一様であり、管１０２ｃの開口部４５の面積よりも大きい。そして、捕集部１０１ｃ及び管１０２ｃは、粉体排出部１０ｄと把握する。

図５で示される触媒反応装置は、円筒６が、水平方向へと延在する張り出し６１，６３を有する。張り出し６１の一端及び他端からは図４と同様に円筒６が延在する。張り出し６３は、張り出し６１の上方に位置し、円筒５側の一端から下方、他端から上方のそれぞれへと円筒６が延在する。張り出し６３から上方には、第２触媒２が、触媒支持体７により下方へ移動することが妨げられて充填される。

円筒５，６の隙間のうち、張り出し６１より下方を、円筒５，６で形成される管１０２ｄと把握し、管１０２ｄから触媒支持体７までを熱交換路１０３ｄと把握する。このとき、管１０２ｄのうち、排気側１１ｂの一端で開口する部分を、管１０２ｄの開口部４５と把握する。管１０２ｄの断面積は、管１０２ｄの延在方向に対してほぼ一様であり、管１０２ｄの開口部４５の面積よりも大きい。そして、捕集部１０１ｄ及び管１０２ｄは、粉体排出部１０ｄと把握する。

熱交換路１０３ｄでの熱伝達を向上させるためには、円筒５，６で構成される流路の断面積を小さくすることが望ましく、図５ではそのような場合が示されている。

上述した図４及び図５で示される触媒反応装置のいずれにおいても、管１０２ｃ，１０２ｄは、排気側１１ｂの一端で開口する開口部４５を有し、開口部４５の面積よりも断面積が大きい部分を少なくとも下方に有すると把握することができる。

上述した図４若しくは図５で示される触媒反応装置によれば、管１０２ｃ，１０２ｄは、断面積が開口部４５の面積よりも大きい部分を、図３で示される触媒反応装置と同等に、若しくはそれより多く有している。よって、図３で示される触媒反応装置において得られる効果を同様に、若しくはより効率よく得ることができる。

本実施の形態の内容は、例えば触媒が水平方向に設けられる場合に採用してもよい。図６は、触媒が水平方向に設けられた触媒反応装置である。触媒反応装置は、水平に設けられる管２２，２３，２４、第１触媒１、第２触媒２、触媒支持体３，３１，７，７１及び粉体排出部１０ｆを備える。望ましくは、管２２，２３，２４は、その断面が矩形である。

管２２，２４は水平方向に延在する。鉛直方向に対して、管２２は上方に、管２４は下方に設けられる。管２２，２４は側面の一部を共有している。また、第１触媒１及び第２触媒２を内側に設けるそれぞれの管２２，２４は、例えば各々が別個の矩形容器であって、これらを積層して設けてもよい。

粉体排出部１０ｆは、捕集部１０１ｆ及び管１０２ｆを有する。管１０２ｆは、鉛直方向に延在し、上方側の端が管２４の一端に接続され、下方側の端が捕集部１０１ｆを介して管２２の一端に接続される。このとき、管１０２ｆのうち、排気側１１ｂの一端で開口する部分を開口部４５と把握する。捕集部１０１ｆは、管１０２ｆの下方に位置する。管２２の一端は、管２４の一端と同方向に位置する。

第１触媒１は、管２２内に設けられる。そして、粉体排出部１０ｆ側及び供給側１１ａにそれぞれ設けられる触媒支持体３及び触媒支持体３１の間に、第１触媒１は保持される。第２触媒は、管２４内に設けられる。そして、粉体排出部１０ｆ側及び排気側１１ｂにそれぞれ設けられる触媒支持体７，７１の間に、第２触媒２は保持される。

また、管２３が管２２の上方に設けられる。管２２，２３は側面の一部を共有している。第１触媒１を内側に設ける管２２及び管２３は、例えば各々が別個の矩形容器であって、これらを積層して設けてもよい。管２３内には、高温の燃焼ガスが矢印１７３の方向へと流れる。よって、触媒反応装置において、矢印１７３の方向へと向かって温度が低くなる。よって、第１触媒１の温度は高く、第２触媒２の温度は低くなる。

図６で示される触媒反応装置では、管１０２ｆの断面積が開口部４５の面積よりも大きい。そして、第１触媒１及び第２触媒２が水平方向に設けられるものの、粉体排出部１０ｆの配置が、上述した粉体排出部１０ｂ，１０ｃ，１０ｄと同じである。よって、図３〜図５で示される触媒反応装置と同様の効果を得ることができる。

実施の形態３．
実施の形態１もしくは実施の形態２では、反応ガスは、捕集部１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃ，１０１ｄ，１０１ｆの底面（板８）の近傍においても流れる。これにより、捕集部１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃ，１０１ｄ，１０１ｆで捕集された触媒粉は、反応ガスによって巻き上げられる可能性がある。よって、触媒粉を捕集する効率が低下する可能性がある。そこで、本実施の形態では、捕集部に捕集された触媒粉の巻き上げを防止する。

図７は、本実施の形態にかかる触媒反応装置を示す。図７で示される触媒反応装置を構成する要素のうち、図１で示される構成要素と同じものには、同符号が付されている。円筒５の下方側の一端から下方の、円筒４，６及び板８によって囲まれる部分を捕集部１０１ｇと把握する。また、管１０２ｇのうち、排気側１１ｂの一端で開口する部分を開口部４５と把握する。

円筒６は、水平方向へと延在する張り出し６２を有し、張り出し６２の円筒５側の一端から上方、他端から下方のそれぞれへと円筒６が延在する。円筒５，６の隙間のうち、張り出し６２より下方側を、円筒５，６で形成される管１０２ｇと把握し、管１０２ｇから触媒支持体７までを熱交換路１０３ｇと把握する。管１０２ｇの断面積は、管１０２ｇの延在方向に対してほぼ一様であり、開口部４５の面積よりも大きい。そして、捕集部１０１ｇ及び管１０２ｇは、粉体排出部１０ｇと把握する。

捕集部１０１ｇは円筒２７１を更に有する。円筒２７１は、鉛直方向に延在し、下方側の一端が捕集部１０１ｇの下方の内壁たる板８に接続される。図７では、円筒５が延在する方向の延長上に、円筒２７１が位置する場合が例示されている。そして、円筒５と円筒２７１との間には隙間が設けられている。円筒２７１が設けられることで、捕集部１０１ｇの下方側の部分は、円筒６側の部分１１３ａと、円筒４側の部分１１３ｂとに分離される。

反応ガスは、円筒５と円筒２７１との間に設けられた隙間を通って、管１０２ｇを上方へ、つまり矢印１５の方向へと流れる。よって、部分１１３ａもしくは部分１１３ｂ側へは、反応ガスはほとんど流れない。触媒粉のうち粒径の大きいものは、部分１１３ｂで捕集されやすい。また、管１０２ｇへと流れた反応ガス中の触媒粉は、実施の形態１もしくは実施の形態２と同様の理由により、捕集部１０１ｇ側へと移動して、部分１１３ａで捕集される。

上述した触媒反応装置は、粉体排出部１０ｇが、捕集部１０１ｇに部分１１３ｂを有しない構造であってもよい。このような触媒反応装置では、粒径の大きな触媒粉についても部分１１３ａで捕集される。

上述の内容において円筒２７１を隔離壁と把握すると、触媒反応装置が備える粉体排出部１０ｇは、捕集部１０１ｇの下方の内壁たる板８に設けられ、供給側１１ａから排気側１１ｂへと向かう方向に非平行に延在する隔離壁２７１を更に有すると把握できる。

上述した触媒反応装置によれば、捕集部１０１ｇの底面に溜まった触媒粉へと反応ガスが流れるのを隔離壁２７１が妨げるので、触媒粉の巻き上げが防止される。

望ましくは、隔離壁２７１の高さｄ１を、管１０２ｇの幅ｄ２よりも大きくする。あるいは、上述した触媒反応装置は、複数の隔離壁を有してもよい。これにより、より有効に巻き上げを防止できる。

本実施の形態にかかる触媒反応装置は、例えば図８で示されるものであってもよい。図８で示される触媒反応装置を構成する要素のうち、図１で示される構成要素と同じものには、同符号が付されている。円筒５，６の隙間のうち、触媒支持体３が円筒５に接触する位置から下方側を、円筒５，６で形成される管１０２ｈと把握し、管１０２ｈから触媒支持体７までを熱交換路１０３ｈと把握する。また、円筒５の下方側の一端から下方の、円筒４，６及び板８によって囲まれる部分を捕集部１０１ｈと把握する。そして、捕集部１０１ｈ及び管１０２ｈは粉体排出部１０ｈと把握する。

捕集部１０１ｈは隔離壁２７２を更に有する。隔離壁２７２は、通気口２７４と仕切り２７３とを有し、捕集部１０１ｈ内において円筒４と円筒６との間に水平に接続される。これにより、捕集部１０１ｈは、上方側の部分１１４と下方側の部分１１５とに分離される。部分１１４，１１５は、鉛直方向に隣接し、通気口２７４により連通する。仕切り２７３は、通気口２７４の近傍で、隔離壁２７２の上方に設けられる。そして、供給側１１ａから流れる反応ガスを、矢印１５に沿って通気口２７４から部分１１５へと導く。

部分１１５では、触媒粉が、重力によって部分１１５の底部へと移動して捕集される。その後、反応ガスは、通気口２７４から排出されて管１０２ｈを通って、排気側１１ｂへと排気される。

図８で示される触媒反応装置によれば、触媒粉を含んだ反応ガスは、仕切りにより、隔離壁２７２で分離された捕集部１０１ｈの下部へと導かれる。そして、そこで触媒粉は捕集され、触媒粉をほとんど含まない反応ガスが排気側１１ｂへと流れる。よって、触媒粉の巻き上げを防止しつつも、より効率良く触媒粉を捕集することができる。

図８で示される触媒反応装置において、隔離壁２７２は、複数の穴を有してもよい。例えば、触媒粉を含む反応ガスの一部が、仕切り２７３により部分１１５へと導かれずに、管１０２ｈへと流れ込む可能性がある。このとき、管１０２ｈへと流れ込んだ触媒粉は、重力によって、捕集部１０１ｈに設けられた隔離壁２７２の上面へと移動する。隔離壁２７２は穴を有するので、触媒粉は、隔離壁２７２の上面に溜まることなく、穴を通過して部分１１５へと移動することができる。

よって、隔離壁２７２の上方側に触媒粉が溜まった場合に生じる、反応ガスによる触媒粉の巻き上げを防止することができる。

実施の形態４．
図９は、本実施の形態にかかる触媒反応装置を示す。図９で示される触媒反応装置を構成する要素のうち、図１で示される構成要素と同じものには、同符号が付されている。円筒４，６は、下方において板８１により接続される。板８１は、湾曲して設けられ、第１触媒１と接触した反応ガスの流れる方向を、矢印１５の方向へと滑らかに変える。そして、板８１の円筒６側の端を含む部分８１１では、反応ガスの流れる方向を下方へと導く。図９では、反応ガスは矢印１５１に沿って導かれる。

円筒５，６の隙間のうち、触媒支持体３が円筒５に接触する位置から下方側を、円筒５，６で形成される管１０２ｉと把握し、管１０２ｉから触媒支持体７までを熱交換路１０３ｉと把握する。また、湾曲した板８１によって囲まれる部分を捕集部１０１ｉと把握する。そして、捕集部１０１ｉ及び管１０２ｉは粉体排出部１０ｉと把握する。

上述の内容において、板８１の円筒６側の端を含む部分８１１を仕切りと把握すると、次のように把握することができる。つまり、粉体排出部１０ｉは仕切り８１１を有する。仕切り８１１は、供給側１１ａから排気側１１ｂへと向かう方向に非平行で、鉛直方向の成分を有する方向へと延在する。そして、仕切り８１１は、粉体（触媒粉）の流れる方向を下方へと導く。

その後、反応ガスは矢印１５２の方向へと流れ、管１０２ｉを通って排気側１１ｂへと排気される。

上述した触媒反応装置によれば、触媒粉の流れが重力方向へと導かれるので、重力を利用して触媒粉が捕集されやすくなる。

また、粉体排出部１０ｉは管１０２ｉを有するので、実施の形態１もしくは実施の形態２と同様の効果を得ることもできる。

実施の形態５．
本実施の形態では、触媒反応装置がフィルタを更に備える。図１０は、本実施の形態にかかる触媒反応装置を示す。この触媒反応装置は、図１で示される触媒反応装置がフィルタ７１を更に備える場合に相当する。

フィルタ７１は、管１０２ａ内に設けられる。この内容は、フィルタ７１が粉体排出部１０ａの排気側１１ｂに設けられると把握することができる。そして、フィルタ７１は、触媒粉の通過を妨げる。フィルタ７１は、例えば１インチ四方あたり１００×１００〜８００×８００の網目を有するステンレス製の網を、一つもしくは複数を重ねて有する。

管１０２ａは、実施の形態１と同様に、反応ガスに含まれる触媒粉を重力により捕集部１０１ａへと移動させる。しかし、管１０２ａの通過後においても、反応ガスは触媒粉を含む可能性がある。フィルタ７１は、管１０２ａにおいて捕集できない可能性のある触媒粉を、反応ガスから除去する。

上述した触媒反応装置によれば、粉体排出部１０ａ内で捕集されずに第２触媒へと流れようとする触媒粉を、フィルタ７１によって捕集するので、熱交換路１０３ａ及び第２触媒２における反応ガスへの影響をより効果的に低減することができる。また、フィルタ７１で捕えられた触媒粉は、振動等により捕集部１０１ａへ落下するので、フィルタ７１の目詰まりを低減することができる。

上述した内容において、フィルタ７１は管１０２ａの上方に設けられることが、特に望ましい。なぜなら、フィルタ７１の下方において触媒粉をできるだけ捕集部１０１ａへと移動させることで、フィルタ７１に到達する触媒粉の量を少なくし、フィルタ７１の目詰まりを低減することができるからである。

また、粉体排出部１０ａとフィルタ７１との各々が、粒径の異なる触媒粉を捕集してもよい。すなわち、粉体排出部１０ａとフィルタ７１とに機能を分担させる。例えば、粉体排出部１０ａは粒径が１００μｍ以上の触媒粉を捕集し、フィルタ７１は粒径が３０μｍ程度の触媒粉を捕集する。

図１１〜図１４は、フィルタ７１の形態を示す。図１１で示されるフィルタ７１は、一端が円筒５の内壁に固定され、他端は固定されない。また、固定部２１が、フィルタ７１の上方に、一端を円筒５の内壁に固定して設けられている。固定部２１には、例えば反応ガスが通る穴が設けられる。そして、フィルタ７１の他端を固定部２１の他端へと引っ掛けることで、固定部２１はフィルタ７１を担持する。

フィルタ７１が、固定部２１に担持されなくても、鉛直下方へと垂れること、若しくは反応ガスによって上方へと押し上げられること等がなければ、固定部２１は設けなくてもよい。

例えば、実施の形態１で説明されるように、円筒４内を高温の燃焼ガスが流れる場合には、粉体排出部１０ａに熱勾配が生じる。例えば、円筒５の温度が円筒６の温度よりも高くなる。これにより、円筒５，６の熱膨張量が異なり、例えばフィルタ７１が円筒５，６の両方向に固定された場合には、フィルタ７１に応力が生じる。この応力により、フィルタ７１は破損に至る可能性がある。

図１１で示されるフィルタ７１によれば、粉体排出部１０ａに熱勾配が生じることによって歪みが発生した場合でも、フィルタ７１の一端だけが粉体排出部１０ａに固定されているので、フィルタ７１に応力が生じて破損することを防止することができる。

図１２で示されるフィルタ７１は、フィルタ７０ａ，７０ｂを含む。フィルタ７０ａは、一端が円筒５の内壁に固定され、他端は固定されない。フィルタ７０ｂは、一端が円筒６の内壁で、フィルタ７０ａが固定される位置とほぼ対向する位置に固定され、他端は固定されない。フィルタ７０ａは、フィルタ７０ｂの上方に位置する。

また、固定部２１ａが、フィルタ７０ａの上方に、一端を円筒５の内壁に固定して設けられている。固定部２１ｂが、フィルタ７０ｂの下方に、一端を円筒６の内壁に固定して設けられている。固定部２１ａ，２１ｂには、例えば反応ガスが通る穴が設けられる。固定部２１ａは、フィルタ７０ａの他端を固定部２１ａの他端へと引っ掛けることで、フィルタ７０ａを担持する。固定部２１ｂは、フィルタ７０ｂの他端を固定部２１ａの他端へと引っ掛けることで、フィルタ７０ｂを担持する。

フィルタ７０ａ，７０ｂが、固定部２１ａ，２１ｂに担持されなくても、鉛直下方へと垂れること、若しくは反応ガスによって上方へと押し上げられること等がなければ、固定部２１ａ，２１ｂは設けなくてもよい。

フィルタ７０ａは、一端だけが粉体排出部１０ａに固定されているので、フィルタ７０ａだけが設けられている場合には、固定されない側から触媒粉が捕集されずに通過する可能性がある。図１２で示されるフィルタ７１によれば、複数のフィルタ７０ａ，７０ｂの各々の一端を、互いにほぼ対向する位置で固定するので、固定されていない他端から触媒粉が流れるのを、各々のフィルタ７０ａ，７０ｂが互いに補う。

また、粉体排出部１０ａに熱勾配が生じることによって歪みが発生した場合でも、フィルタ７０ａ，７０ｂの一端だけが粉体排出部１０ａに固定されているので、フィルタ７０ａ，７０ｂに応力が生じて破損することを防止することができる。

更には、フィルタ７０ａ，７０ｂが目の粗いメッシュであっても、フィルタ７０ａ，７０ｂが密着することで、全体として目が細かくなる。よって、触媒粉の通過を効率よく妨げることができる。例えば、実施の形態１で説明されるように、円筒４内を高温の燃焼ガスが流れる場合には、円筒５の温度が円筒６の温度よりも高くなる。これにより、円筒５の膨張量が円筒６よりも大きくなって、相対的に、フィルタ７０ａはフィルタ７０ｂに近づき密着する。

図１３で示されるフィルタ７１は、例えば材質がステンレスであり、固定部２１ａと固定部２１ｂの間に挟み込んでスポット溶接される。スポット溶接された固定部２１ａ，２１ｂ及びフィルタ７１は一体化し、当該一体化したもののうち、固定部２１ｂの一端が円筒５の内壁に固定して設けられる。

図１３で示されるフィルタによれば、上記した一体化したものの少なくとも一端、換言すればフィルタ７１の少なくとも一端は、円筒５もしくは円筒６に固定されないので、粉体排出部１０ａに熱勾配が生じることによって歪みが発生した場合でも、フィルタ７１に応力がほとんど生じない。よって、フィルタ７１の破損を防止することができる。

固定部２１ａと固定部２１ｂの間には、フィルタ７１の複数を重ねて挟みこんでもよい。また、スポット溶接により一体化せずに、固定部２１ａ，２１ｂの各々を円筒５の内壁に固定して、フィルタ７１をそれらの間に挟みこんでもよい。

図１４で示されるフィルタ７１は、円筒５，６に固定された固定部２１ｃに、固定して設けられる。フィルタ７１は、例えば可撓性のあるステンレス製の網であり、撓ませて設けられる。

また、フィルタ７１は、例えば固定部２１ｃによらずに、円筒５，６に直接固定してもよい。

図１４で示されるフィルタ７１によれば、粉体排出部１０ａに熱勾配が生じることによって歪みが発生した場合でも、フィルタ７１のたわみによって、歪み等で生じる応力を吸収するので、フィルタ７１の破損を防止することができる。

上述したいずれの実施の形態においても、本実施の形態にかかるフィルタ７１を採用することができる。例えば、実施の形態２において説明した図４で示される触媒反応装置にフィルタ７１を設けたものが、図１５に示される。図１５では、フィルタ７１が、管１０２ｃの上方側に設けられる。

また、図１６で示される触媒反応装置であってもよい。図１６では、図５で示される触媒反応装置において、管１０２ｄの断面積が熱交換路１０３ｄの断面積と等しく構成される。図５で示される触媒反応装置と同様に、熱交換路１０３ｄでの熱伝達率を向上させるために、円筒５，６で構成される流路の断面積を小さくしている。フィルタ７１は、管１０２ｄの上方側に設けられる。

図１５及び図１６で示される触媒反応装置によれば、粉体排出部１０ｃ，１０ｄとフィルタ７１とに機能を分担させて、触媒粉を捕集することができる。すなわち、粒径の大きい触媒粉については粉体排出部１０ｃ，１０ｄで捕集し、粒径の小さい触媒粉についてはフィルタ７１で捕捉する。

図１６で示される触媒反応装置については、更に断熱材３０１が、捕集部１０１ｄの下方に板８に接触して設けられる。このとき、断熱材３０１の上方側が捕集部１０１ｄとされる。断熱材３０１は、触媒反応装置の外部へと放熱することを抑制する。これにより、捕集部１０１ｄの下部に蓄積した触媒粉の温度が低下して、水素生成の逆反応が進行すること、すなわち水素濃度が低下することが妨げられる。

なお、図１０〜図１６で示されるフィルタ７１は、ステンレス製の網以外に、例えば金属焼結体や、セラミック繊維若しくは石英繊維などからなるウール状のもの、並びにこれらを組み合わせたものであってもよい。

また、フィルタ７１は、目の細かさが異なるメッシュを、供給側から排気側に向かって目の粗いものから目の細かいものへと段階的に重ねたものであってもよい。つまり、それぞれのメッシュに機能分担させる。これによれば、段階的に粒径の異なる触媒粉を捕集することができる。

上述したいずれの実施の形態においても、第１触媒１及び第２触媒は、捕集部に対して鉛直上方に設けられていた。しかし、第１触媒１及び第２触媒は、その他の配置であってもよい。

図１７〜図１９は、第１触媒１及び第２触媒の配置が、図１６で示される触媒反応装置と異なる場合を示す。図１７〜図１９で示される触媒反応装置を構成する要素のうち、図１６で示される構成要素と同じものには、同符号が付されている。

図１７では、捕集部１０１ｄに対して、第１触媒１は上方に、第２触媒２は下方に位置する。そして、排気側１１ｂは第２触媒２の下方に位置する。排気側１１ｂは、第２触媒２を介して、管１０２ｄの下流側の一端へと連通する。

円筒４内は、仕切り４１により上方と下方とに区切られている。仕切り４１は、円筒４に対して板８と反対側に位置する。円筒４内の仕切り４１の上方では、例えば矢印１７１の方向へと高温の燃焼ガスが流れて、第１触媒１の下方側の温度を７００℃程度にする。

第１触媒１の下方側から第２触媒２へと流れる反応ガスの温度は７００℃程度である。よって、第２触媒２は、反応ガスによって温められる。また、第２触媒２として発熱反応を行う触媒を採用した場合には、第２触媒の温度が高くなる。よって、第２触媒２は、所望の温度、例えば第２触媒の上方側で３５０℃程度よりも高くなる可能性がある。そこで、円筒４内の仕切り４１の下方では、例えば矢印１７２の方向へと冷却媒体を流すことで、第２触媒を所望の温度にする。

図１８では、捕集部１０１ｄに対して、第１触媒１は下方に、第２触媒２は上方に位置する。供給側１１ａは、第１触媒１の下方に位置する。供給側１１ａは、捕集部１０１ｄの上流側へと連通する。

円筒４内は、仕切り４２により上方と下方とに区切られている。仕切り４２は、円筒４に対してフィルタ７１と反対側に位置する。円筒４内の仕切り４２の下方では、例えば矢印１７１の方向へと高温の燃焼ガスが流れ、上方では、例えば矢印１７２の方向へと冷却媒体が流れる。

図１９では、供給側１１ａは、第１触媒１の下方に位置し、第１触媒１を介して捕集部１０１ｄの上方側へと連通する。また、捕集部１０１ｄに対して、第２触媒は下方に位置する。そして、排気側１１ｂは、第２触媒２の下方に位置し、第２触媒を介して、管１０２ｄの下流側の一端へと連通する。

図１７〜図１９で示される触媒反応装置のいずれにおいても、図１６で示される触媒反応装置と同様の効果を得ることができる。

実施の形態６．
図２０は、本実施の形態にかかる触媒反応装置を示す。触媒反応装置は、円筒４，５，６、板８２、触媒支持体３，７，３１、第１触媒１、第２触媒２、捕集部１０１ｊ、フィルタ７４及びセンタープラグ１７を備える。

円筒４，５，６は鉛直方向に延在し、それぞれの中心軸は位置Ａ−Ａで一致する。円筒４，５，６のそれぞれの半径ｒ４，ｒ５，ｒ６は、ｒ４＜ｒ５＜ｒ６の関係にある。円筒４，６は、上方において板８２により接続される。円筒５の上方側の一端と板８２との間には隙間が設けられる。この隙間にはフィルタ７４が設けられる。捕集部１０１ｊは、円筒５の円筒４側の側面に、鉛直上方へと開口して設けられる。捕集部１０１ｊとフィルタ７４とを含む、板８２で囲まれた部分を、粉体排出部１０ｊと把握する。

円筒４，５の隙間には、第１触媒１が保持される。図２０では、第１触媒１の上方に触媒支持体３が、下方に触媒支持体３１が設けられる。触媒支持体３は、粒状の第１触媒を通過させず、反応ガスを通過させる。

円筒５，６の隙間には、第２触媒２が保持される。図２０では、第２触媒２の上方に触媒支持体７が設けられる。触媒支持体７は、粒状の第２触媒を通過させず、反応ガスを通過させる。

円筒４内には、センタープラグ１７が、位置Ａ−Ａに、その方向に延在して設けられる。そして、矢印１７２の方向へと高温の燃焼ガスが流れる。燃焼ガスの温度は、例えば１０００℃程度である。センタープラグ１７によって円筒４内の断面積が小さくなるので、燃焼ガスの流速が大きくなる。これにより、燃焼ガスから円筒４へと熱が伝達しやすくなる。

供給側１１ａから矢印１４ａの方向へと供給される原料ガスが、第１触媒１と接触して反応ガスが上方に流れる。反応ガスの流れは矢印１５により示される。反応ガスは、フィルタ７４を介して、第２触媒２へと流れる。フィルタ７４では、反応ガスに含まれる触媒粉が捕えられる。よって、第２触媒２へと流れる反応ガスは、触媒粉をほとんど含まない。

フィルタ７４で捕らえられた触媒粉は、重力によって落下して、捕集部１０１ｊで捕集される。

第２触媒へと流れた反応ガスは、第２触媒と接触して、排気側１１ｂから矢印１４ｂの方向へと排気される。

上述の内容において、粉体排出部１０ｊのうち、供給側１１ａを第１開口部１０４ａ、排気側１１ｂを第２開口部１０４ｂと把握すると、本実施の形態にかかる触媒反応装置は次のように把握できる。つまり、触媒反応装置は、粉体（触媒粉）の通過を妨げるフィルタ７４、粉体排出部１０ｊ、第１触媒１、第２触媒２及び触媒支持体３を備える。そして、粉体排出部１０ｊは、下方から供給して供給側１１ａに連通する第１開口部１０４ａと、排出側１１ｂに連通する第２開口部１０４ｂと、捕集部１０１ｊとを有する。フィルタ７４は、粉体排出部１０ｊの第２開口部１０４ｂ側に設けられる。捕集部１０１ｊは、フィルタ７４に対して第１開口部１０４ａ側であって、鉛直方向に対してフィルタ７４の下部に、フィルタ７４側に開口して設けられる。

本実施の形態にかかる触媒反応装置によれば、触媒粉をフィルタ７４によって捕集できる。しかも、フィルタ７４によって捕集された触媒粉が重力によって捕集部１０１ｊへと落下するので、フィルタ７４の目詰まりを防止することができ、メンテナンスの必要性が低減される。

本実施の形態にかかる触媒反応装置は、例えば図２１で示されるものであってもよい。図２１で示される触媒反応装置を構成する要素のうち、図２０で示される構成要素と同じものには、同符号が付されている。

図２１では、捕集部１０１ｊが、円筒５の円筒６側の側面に設けられる。そして、フィルタ７４が、捕集部１０１ｊの上方側の一端と板８２との間に設けられる。

図２１で示される触媒反応装置においても、図２０で示される触媒反応装置と同様の効果を得ることができる。

本実施の形態にかかる触媒反応装置は、第１開口部１０４ａに供給される反応ガスの流速が、実施の形態１で説明した所定の値より小さい場合が望ましい。例えば、第１開口部１０４ａの面積を第２開口部１０４ｂの面積よりも大きく設定することで、反応ガスの流速を所定の値よりも小さくすることができる。

これにより、触媒粉は、フィルタ７４に至るまでに、重力によって触媒支持体３側へと移動する。よって、フィルタ７４の目詰まりを効率良く防止することができる。

また、第１開口部１０４ａに供給される反応ガスの流速を所望の値に設定することで、フィルタ７４に至るまでに重力によって粒径の大きい触媒粉を反応ガスから排除し、フィルタ７４によって粒径の小さい触媒粉を捕集してもよい。すなわち、触媒排出部１０ｊの第１開口部１０４ａからフィルタ７４までの部分と、フィルタ７４とに機能をそれぞれ分担させる。

実施の形態７．
本実施の形態では、触媒反応装置の粉体排出部で捕集された触媒粉を排出する。図２２及び図２３は、本実施の形態にかかる触媒反応装置を示す。

図２２では、図１６で示される触媒反応装置が排出口２５を更に備える。排出口２５は捕集部１０１ｄに設けられる。そして、触媒反応装置内に反応ガスを流さない状態で、例えば供給側１１ａ及び排気側１１ｂからブローガスを供給し、排出口２５から排気する。これにより、捕集部１０１ｄの底部に溜まった触媒粉が、ブローガスとともに排出口２５から矢印２５１の方向へと排出される。ブローガスには、例えば不活性である窒素ガスやアルゴンガス等が用いられる。また、水蒸気や空気もしくは燃料ガス等を利用してもよい。

あるいは、触媒反応装置内に反応ガスを流した状態で、排出口２５から触媒粉を排出してもよい。この場合には、反応ガスが排出口２５から排気され、これに伴って触媒粉も排出される。排出口２５から触媒粉を排出するタイミングは、触媒反応器の温度及びその運転条件等によって設定することが望ましい。これによれば、触媒反応装置を運転したまま、効率良く触媒粉を排出することができる。

上述では、触媒粉の排気にブローガスを用いたが、例えば真空ブロワ等を用いて、触媒粉を吸引することで排出してもよい。

図２３では、図２１で示される触媒反応装置が排出口２６を更に備える。排出口２６は、板８２に設けられ、例えばストロー状であって捕集部１０１ｊ内へと通じる。そして、例えば真空ブロア等により排出口２６から排気する。これにより、捕集部１０１ｊの底部に溜まった触媒粉を、排出口２６から矢印２６１の方向へと排出することができる。

上述した触媒反応装置によれば、捕集部１０１ｄ，１０１ｊに捕集された触媒粉を、例えば吸引機を用いて排出口２５，２６から吸引して除去することができる。

上述したいずれの実施の形態においても、触媒反応装置は、位置Ａ−Ａを中心軸とする円筒４，５，６を備える。しかし、本発明にかかる触媒反応装置は、相互に重なりあった筒によって構成される場合に限らず、例えば管などによって構成されてもよい。

上述したいずれの実施の形態においても、第２触媒２の温度を第１触媒１よりも低温とする場合には、反応ガスが第２触媒に至るまでに、反応ガスから熱を回収することが望まれる。このような場合には、実施の形態１で示される触媒反応装置と同様に、吸熱反応を行う第１触媒を反応ガスが流れる流路に接触させて設けることで、反応ガスから熱を効率良く回収することができる。

上述した実施の形態において、図１、図３、図８及び図９で示される触媒反応装置では、管１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｈ，１０２ｉは、円筒５，６の隙間のうち、触媒支持体３が円筒５に接触する位置から下方側として把握したが、触媒反応装置内の温度分布に従って、管１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｈ，１０２ｉの排気側１１ｂの一端の位置を、触媒支持体３が円筒５に接触する位置よりも上流側または下流側としてもよい。

実施の形態１で説明される、触媒反応装置を概念的に示す断面図である。ヒートサイクル回数に対するメタン転化率の変化を示す図である。実施の形態２で説明される、触媒反応装置を概念的に示す断面図である。実施の形態２で説明される、触媒反応装置を概念的に示す断面図である。実施の形態２で説明される、触媒反応装置を概念的に示す断面図である。実施の形態２で説明される、触媒反応装置を概念的に示す断面図である。実施の形態３で説明される、触媒反応装置を概念的に示す断面図である。実施の形態３で説明される、触媒反応装置を概念的に示す断面図である。実施の形態４で説明される、触媒反応装置を概念的に示す断面図である。実施の形態５で説明される、触媒反応装置を概念的に示す断面図である。実施の形態５で説明される、フィルタを概念的に示す断面図である。実施の形態５で説明される、フィルタを概念的に示す断面図である。実施の形態５で説明される、フィルタを概念的に示す断面図である。実施の形態５で説明される、フィルタを概念的に示す断面図である。フィルタを備える触媒反応装置を概念的に示す断面図である。フィルタを備える触媒反応装置を概念的に示す断面図である。触媒の配置を概念的に示す断面図である。触媒の配置を概念的に示す断面図である。触媒の配置を概念的に示す断面図である。実施の形態６で説明される、触媒反応装置を概念的に示す断面図である。実施の形態６で説明される、触媒反応装置を概念的に示す断面図である。実施の形態７で説明される、触媒反応装置を概念的に示す断面図である。排出口が設けられる触媒反応装置を概念的に示す断面図である。

符号の説明

１第１触媒、２第２触媒、３触媒支持体、８板（内壁）、１０ａ〜１０ｄ，１０ｆ〜１０ｊ粉体排出部、１１ａ供給側、１１ｂ排気側、２５，２６排出口、４５開口部、７１，７４フィルタ、１０１ａ〜１０１ｄ，１０ｆ〜１０１ｊ捕集部、１０２ａ〜１０２ｄ，１０２ｆ〜１０２ｉ管、１０３ａ〜１０３ｄ，１０３ｆ〜１０３ｉ熱交換路、１０４ａ第１開口部、１０４ｂ第２開口部、１１４，１１５部分、２７１円筒（隔離壁）、２７２隔離壁、２７３仕切り、２７４通気口、８１１部分（仕切り）。

Claims

ガスの供給側に設けられ、所定の粒径を有する粒状の第１触媒と、
前記粒径よりも小さい孔を有し、前記第１触媒を支持する触媒支持体と、
前記触媒支持体に対して前記第１触媒と反対側に位置し、前記ガスの排気側に設けられる第２触媒と、
前記第２触媒と前記触媒支持体との間に設けられ、前記第１触媒から飛散した前記孔よりも粒径の小さな前記第１触媒の粉体を含む前記ガスから前記粉体が排出される部分である粉体排出部と、を備え、
前記粉体排出部は、
鉛直方向の成分を有する方向に延在する管と、
重力により落下する前記粉体を前記管の下方で捕集する捕集部と
を有し、
前記管は、
上側が前記排気側に、
下側が前記捕集部を介して供給側に
各々連通し、前記排気側の一端で開口する開口部を有し、前記開口部の面積よりも断面積が大きい部分を少なくとも下方に有する、触媒反応装置。
ガスの供給側に設けられ、所定の粒径を有する粒状の第１触媒と、
前記粒径よりも小さい孔を有し、前記第１触媒を支持する触媒支持体と、
前記触媒支持体に対して前記第１触媒と反対側に位置し、前記ガスの排気側に設けられる第２触媒と、
前記第２触媒と前記触媒支持体との間に設けられ、前記第１触媒から飛散した前記孔よりも粒径の小さな前記第１触媒の粉体を含む前記ガスから前記粉体が排出される部分である粉体排出部と、を備え、
前記粉体排出部は、
鉛直方向の成分を有する方向に延在する管と、
重力により落下する前記粉体を前記管の下方で捕集する捕集部と、を有し、
前記管は、上側が前記排気側に、下側が前記捕集部を介して供給側に各々連通し、
前記粉体排出部は、
前記捕集部の下方の内壁に設けられ、前記粉体排出部内を前記供給側から前記排気側へと向かう前記ガスの流れの方向に非平行に延在し、前記捕集部の底面に溜まった前記粉体へ前記ガスが流れることを妨げる隔離壁
を更に有する、触媒反応装置。
ガスの供給側に設けられ、所定の粒径を有する粒状の第１触媒と、
前記粒径よりも小さい孔を有し、前記第１触媒を支持する触媒支持体と、
前記触媒支持体に対して前記第１触媒と反対側に位置し、前記ガスの排気側に設けられる第２触媒と、
前記第２触媒と前記触媒支持体との間に設けられ、前記第１触媒から飛散した前記孔よりも粒径の小さな前記第１触媒の粉体を含む前記ガスから前記粉体が排出される部分である粉体排出部と、を備え、
前記粉体排出部は、
鉛直方向の成分を有する方向に延在する管と、
重力により落下する前記粉体を前記管の下方で捕集する捕集部と、を有し、
前記管は、上側が前記排気側に、下側が前記捕集部を介して供給側に各々連通し、
通気口と、
仕切りと
を持つ隔離壁を更に備え、
前記隔離壁は、前記捕集部を、前記鉛直方向に隣接する二つの部分に分離して設けられ、
前記仕切りは、前記隔離壁の上方に設けられ、供給ガスを前記通気口へと導く、触媒反応装置。
ガスの供給側に設けられ、所定の粒径を有する粒状の第１触媒と、
前記粒径よりも小さい孔を有し、前記第１触媒を支持する触媒支持体と、
前記触媒支持体に対して前記第１触媒と反対側に位置し、前記ガスの排気側に設けられる第２触媒と、
前記第２触媒と前記触媒支持体との間に設けられ、前記第１触媒から飛散した前記孔よりも粒径の小さな前記第１触媒の粉体を含む前記ガスから前記粉体が排出される部分である粉体排出部と、を備え、
前記粉体排出部は、
前記粉体排出部内を前記供給側から前記排気側へと向かう前記ガスの流れの方向に非平行で、鉛直方向の成分を有する方向へと延在する仕切り
を有し、
前記仕切りは、前記粉体を含む前記ガスの流れる方向を下方へと導く、触媒反応装置。
ガスの供給側に設けられ、所定の粒径を有する粒状の第１触媒と、
前記粒径よりも小さい孔を有し、前記第１触媒を支持する触媒支持体と、
前記触媒支持体に対して前記第１触媒と反対側に位置し、前記ガスの排気側に設けられる第２触媒と、
前記第２触媒と前記触媒支持体との間に設けられ、前記第１触媒から飛散した前記孔よりも粒径の小さな前記第１触媒の粉体を含む前記ガスから前記粉体が排出される部分である粉体排出部と、を備え、
前記粉体排出部は、
鉛直方向の成分を有する方向に延在する管と、
重力により落下する前記粉体を前記管の下方で捕集する捕集部と、を有し、
前記管は、上側が前記排気側に、下側が前記捕集部を介して供給側に各々連通し、
前記粉体の通過を妨げるフィルタを更に備え、
前記フィルタは、前記粉体排出部内の前記排気側に設けられる、触媒反応装置。
ガスの供給側に設けられ、所定の粒径を有する粒状の第１触媒と、
前記粒径よりも小さい孔を有し、前記第１触媒を支持する触媒支持体と、
前記触媒支持体に対して前記第１触媒と反対側に位置し、前記ガスの排気側に設けられる第２触媒と、
前記第２触媒と前記触媒支持体との間に設けられ、前記第１触媒から飛散した前記孔よりも粒径の小さな前記第１触媒の粉体を含む前記ガスから前記粉体が排出される部分である粉体排出部と、
前記粉体の通過を妨げるフィルタと
を備え、
前記粉体排出部は、
下方から前記ガスが供給され、前記供給側に連通する第１開口部と、
前記排出側に連通する第２開口部と、
重力により落下する前記粉体を前記フィルタの下方で捕集する捕集部と
を有し、
前記フィルタは、前記粉体排出部内の前記第２開口部側に設けられ、
前記捕集部は、前記フィルタに対して前記第１開口部側であって、鉛直方向に対して前記フィルタの下部に、前記フィルタ側に開口して設けられる、触媒反応装置。
前記粉体排出部は、前記粉体をその外部へと排出する排出口を更に有する、請求項１、請求項４及び請求項６のいずれか一つに記載の触媒反応装置。