JPH0947664A - 触媒反応装置 - Google Patents
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 本発明は、電磁誘導加熱や伝熱管を用い、触
媒反応を均一に生じさせることにより、装置の小型化、
起動時間の短縮、負荷変動により優れた追従性を実現す
るこのできる画期的な触媒反応装置を提案することにあ
る。 【解決手段】 本発明は、流体通路１１に設けられた伝
熱体１２を有する触媒反応装置であって、伝熱体１２
は、触媒金属で形成された金属板３１，３２、又は表面
に触媒粒子１４が略均一に着けられた金属板３て１，３
２を積層した積層体１２であり、積層体１２の積層の仕
方が、金属板３１，３２間に多数の規則的な小流路を形
成し、積層体１２を通過する流体に略均一な拡散を生じ
させるものであり、積層体１２を構成する金属板３１，
３２自体が全体にわたって略均一な加熱板又は吸熱板に
形成されたものであり、金属板３１，３２に沿って流れ
る流体に、均一な加熱又は吸熱と同時の均一な触媒反応
を起こさせるようにしたものである。
媒反応を均一に生じさせることにより、装置の小型化、
起動時間の短縮、負荷変動により優れた追従性を実現す
るこのできる画期的な触媒反応装置を提案することにあ
る。 【解決手段】 本発明は、流体通路１１に設けられた伝
熱体１２を有する触媒反応装置であって、伝熱体１２
は、触媒金属で形成された金属板３１，３２、又は表面
に触媒粒子１４が略均一に着けられた金属板３て１，３
２を積層した積層体１２であり、積層体１２の積層の仕
方が、金属板３１，３２間に多数の規則的な小流路を形
成し、積層体１２を通過する流体に略均一な拡散を生じ
させるものであり、積層体１２を構成する金属板３１，
３２自体が全体にわたって略均一な加熱板又は吸熱板に
形成されたものであり、金属板３１，３２に沿って流れ
る流体に、均一な加熱又は吸熱と同時の均一な触媒反応
を起こさせるようにしたものである。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、所定温度下で原料
流体を触媒金属と触れさせて触媒反応を起こさせる触媒
反応装置に関する。
流体を触媒金属と触れさせて触媒反応を起こさせる触媒
反応装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】このような触媒反応装置の典型的なもの
としては、天然ガス、メタノール、ナフサの如き軽質
油、ＬＮＧ、ＬＰＧ、石炭ガス等の原燃料を、水蒸気を
加えて所定温度下で触媒金属に触れさせて水素リッチな
気体に変える改質装置がある。この改質反応は吸熱反応
であるため、エネルギーを補給する必要がある。
としては、天然ガス、メタノール、ナフサの如き軽質
油、ＬＮＧ、ＬＰＧ、石炭ガス等の原燃料を、水蒸気を
加えて所定温度下で触媒金属に触れさせて水素リッチな
気体に変える改質装置がある。この改質反応は吸熱反応
であるため、エネルギーを補給する必要がある。
【０００３】この改質装置において、触媒金属自体はエ
ネルギーを有していないため、原燃料をガスバーナ、余
熱器、過熱器（スーパーヒータ）等で適切な温度まで加
熱して改質装置に移送する必要がある。また、改質装置
自体も、触媒金属を収納するパイプを熱媒体を用いて加
熱する多管式熱交換器に構成し、改質装置内での触媒反
応を持続させる必要がある。
ネルギーを有していないため、原燃料をガスバーナ、余
熱器、過熱器（スーパーヒータ）等で適切な温度まで加
熱して改質装置に移送する必要がある。また、改質装置
自体も、触媒金属を収納するパイプを熱媒体を用いて加
熱する多管式熱交換器に構成し、改質装置内での触媒反
応を持続させる必要がある。
【０００４】しかしながら、余熱器又は過熱器等と、多
管式熱交換器に構成された改質装置との組み合わせによ
る触媒反応装置は、温度制御が難しく、機器構成が複雑
で大型化し、起動時間が長くかかり、負荷変動に対する
追従性が悪いという難点を有している。
管式熱交換器に構成された改質装置との組み合わせによ
る触媒反応装置は、温度制御が難しく、機器構成が複雑
で大型化し、起動時間が長くかかり、負荷変動に対する
追従性が悪いという難点を有している。
【０００５】このような難点を部分的に解決する触媒反
応装置として、特開昭６１−２７５１０３に開示される
ように電磁誘導加熱を用いるものが提案されている。不
良導体材料の断熱材からなる改質管内に、導電性物質と
触媒粒子を混在させ、前記改質管外周に設けられた導電
コイルに高周波電流を通電して、前記導電性物質の表面
に渦電流を発生させて加熱し、導電性物質と混在する触
媒粒子を所定の温度に保持するものである。
応装置として、特開昭６１−２７５１０３に開示される
ように電磁誘導加熱を用いるものが提案されている。不
良導体材料の断熱材からなる改質管内に、導電性物質と
触媒粒子を混在させ、前記改質管外周に設けられた導電
コイルに高周波電流を通電して、前記導電性物質の表面
に渦電流を発生させて加熱し、導電性物質と混在する触
媒粒子を所定の温度に保持するものである。
【０００６】そして、導電性物質と触媒粒子とを混在さ
せる形態として、導電性物質の粒子と触媒粒子を混在さ
せる形態と、触媒粒子中にコイル状の導電性物質を埋設
する形態と、導電性物質の粒子の周りを触媒物質で包含
した触媒粒子にする形態とが提案されている。吸熱反応
の如く触媒反応を生じさせる触媒粒子自体又はこの触媒
粒子に接触するものが発熱するため、装置の小型化、起
動時間の短縮、負荷変動に対する追従性が理論的には向
上するはずである。
せる形態として、導電性物質の粒子と触媒粒子を混在さ
せる形態と、触媒粒子中にコイル状の導電性物質を埋設
する形態と、導電性物質の粒子の周りを触媒物質で包含
した触媒粒子にする形態とが提案されている。吸熱反応
の如く触媒反応を生じさせる触媒粒子自体又はこの触媒
粒子に接触するものが発熱するため、装置の小型化、起
動時間の短縮、負荷変動に対する追従性が理論的には向
上するはずである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た電磁誘導加熱による触媒反応装置は以下のような欠点
を有している。この触媒反応装置は、ランダムに配設さ
れた触媒粒子自体又はこの触媒粒子に接触するものを電
磁誘導で加熱するため、触媒粒子に沿った流体の流れも
必然的に均一ではなくなる。そのため、触媒粒子に沿っ
て最も流れやすい道筋が生じるという偏流が改質管内に
生じ、均一加熱が不可能になる。
た電磁誘導加熱による触媒反応装置は以下のような欠点
を有している。この触媒反応装置は、ランダムに配設さ
れた触媒粒子自体又はこの触媒粒子に接触するものを電
磁誘導で加熱するため、触媒粒子に沿った流体の流れも
必然的に均一ではなくなる。そのため、触媒粒子に沿っ
て最も流れやすい道筋が生じるという偏流が改質管内に
生じ、均一加熱が不可能になる。
【０００８】さらに、導電性物質の粒を触媒金属で包含
させた場合や触媒粒子と導電性粒子とを混在させた場合
には、電磁誘導で加熱される対象が電気的にランダムに
配設されていることになり、電磁誘導で加熱される状態
も不均一で効率的にも良くない。
させた場合や触媒粒子と導電性粒子とを混在させた場合
には、電磁誘導で加熱される対象が電気的にランダムに
配設されていることになり、電磁誘導で加熱される状態
も不均一で効率的にも良くない。
【０００９】結局、触媒粒子を用いて電磁誘導加熱する
触媒反応装置は、加熱の不均一と流れの不均一を生じる
ため、改質を生じさせるための理論計算道理に装置が作
動せず、部分的に未反応が生じる。そのため、実際の使
用に際しては、触媒反応装置を数段直列配置しないと改
質が不十分になるため、エネルギーロスが大きく、装置
の小型化、起動時間の短縮、負荷変動に対する優れた追
従性も結局実現できなくなる。
触媒反応装置は、加熱の不均一と流れの不均一を生じる
ため、改質を生じさせるための理論計算道理に装置が作
動せず、部分的に未反応が生じる。そのため、実際の使
用に際しては、触媒反応装置を数段直列配置しないと改
質が不十分になるため、エネルギーロスが大きく、装置
の小型化、起動時間の短縮、負荷変動に対する優れた追
従性も結局実現できなくなる。
【００１０】なお、出願人は、特開平３−９８２８６号
公報に開示されるように、流体通路内に規則充填材を収
納し、この規則充填材を電磁誘導で加熱する加熱装置を
提案している。この装置はあくまで流体の加熱装置であ
って、規則充填材に触媒を適用するにあたっての最適な
組み合わせ形態を示唆するものではない。
公報に開示されるように、流体通路内に規則充填材を収
納し、この規則充填材を電磁誘導で加熱する加熱装置を
提案している。この装置はあくまで流体の加熱装置であ
って、規則充填材に触媒を適用するにあたっての最適な
組み合わせ形態を示唆するものではない。
【００１１】同様に、出願人は、特公平４−４４１８９
号公報に開示されるように、規則充填材の表面に伝熱管
を固着した熱交換器を提案している。この機器もあくま
で流体を冷却するための熱交換器であって、規則充填材
に触媒を適用するにあたっての最適な組み合わせ形態を
示唆するものではない。
号公報に開示されるように、規則充填材の表面に伝熱管
を固着した熱交換器を提案している。この機器もあくま
で流体を冷却するための熱交換器であって、規則充填材
に触媒を適用するにあたっての最適な組み合わせ形態を
示唆するものではない。
【００１２】本発明は上述した問題点を解決するために
なされたものであり、その目的とするところは、電磁誘
導加熱などを用い、触媒反応を均一に生じさせることに
よって、装置の小型化、起動時間の短縮、負荷変動に対
する優れた追従性を実現することができる画期的な触媒
反応装置を提案することにある。
なされたものであり、その目的とするところは、電磁誘
導加熱などを用い、触媒反応を均一に生じさせることに
よって、装置の小型化、起動時間の短縮、負荷変動に対
する優れた追従性を実現することができる画期的な触媒
反応装置を提案することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決する本発
明の触媒反応装置は、特開平３−９８２８６号公報や特
公平４−４４１８９号公報に開示される積層体の表面
に、均一に触媒金属を配設すると、均一な熱交換と均一
な触媒反応とが同時に達成できるという知見を得て本発
明を完成したものである。
明の触媒反応装置は、特開平３−９８２８６号公報や特
公平４−４４１８９号公報に開示される積層体の表面
に、均一に触媒金属を配設すると、均一な熱交換と均一
な触媒反応とが同時に達成できるという知見を得て本発
明を完成したものである。
【００１４】具体的には、請求項１記載の触媒反応装置
では、流体通路に設けられた伝熱体を有する触媒反応装
置であって、前記伝熱体は、触媒金属で形成された金属
板、又は表面に触媒粒子が略均一に着けられた金属板を
積層した積層体であり、前記積層体の積層の仕方が、前
記金属板間に多数の規則的な小流路を形成し、前記積層
体を通過する流体に略均一な拡散を生じさせるものであ
り、前記積層体を構成する金属板自体が全体にわたって
略均一な発熱板又は吸熱板に形成されたものであり、前
記金属板に沿って流れる流体に、発熱又は吸熱と同時の
触媒反応を起こさせるものである。これにより、金属板
を規則的に積層した伝熱体を流れる流体は、多数の規則
的な小流路で、略均一に拡散され、流体は分散、放散、
揮散され、金属板の表面に強制的に接触される。また、
この金属板のそれ自体が触媒金属であるか、又は金属板
の表面に略均一に触媒粒子が着けられているため、略均
一に拡散された流体に対して触媒反応が略均一に生じ
る。
では、流体通路に設けられた伝熱体を有する触媒反応装
置であって、前記伝熱体は、触媒金属で形成された金属
板、又は表面に触媒粒子が略均一に着けられた金属板を
積層した積層体であり、前記積層体の積層の仕方が、前
記金属板間に多数の規則的な小流路を形成し、前記積層
体を通過する流体に略均一な拡散を生じさせるものであ
り、前記積層体を構成する金属板自体が全体にわたって
略均一な発熱板又は吸熱板に形成されたものであり、前
記金属板に沿って流れる流体に、発熱又は吸熱と同時の
触媒反応を起こさせるものである。これにより、金属板
を規則的に積層した伝熱体を流れる流体は、多数の規則
的な小流路で、略均一に拡散され、流体は分散、放散、
揮散され、金属板の表面に強制的に接触される。また、
この金属板のそれ自体が触媒金属であるか、又は金属板
の表面に略均一に触媒粒子が着けられているため、略均
一に拡散された流体に対して触媒反応が略均一に生じ
る。
【００１５】請求項２記載の触媒反応装置では、流体通
路内に設けられた導電性物質の発熱体と、該発熱体の周
囲に設けられたコイルと、該コイルに対する高周波電流
発生器とを備えてなる触媒反応装置であって、前記発熱
体は、触媒金属で形成された金属板、又は表面に触媒粒
子が略均一に着けられた金属板を積層した積層体であ
り、前記積層体の積層の仕方が、前記金属板間に多数の
規則的な小流路を形成し、前記積層体を通過する流体に
略均一な拡散を生じさせるものであるとともに、前記金
属板を互いに電気的に導通して、前記積層体の断面の略
全体に渦電流を形成するものであり、前記金属板に沿っ
て流れる流体に、前記金属板の発熱による加熱と同時の
触媒反応を起こさせるようにしたものである。これによ
り、金属板を規則的に積層した発熱体を流れる流体は、
多数の規則的な小流路で、略均一に拡散され、金属板の
表面に強制的に接触される。また、発熱体の各金属板を
互いに電気的に導通して、この断面の略全体に渦電流を
形成するため、触媒反応において、略均一に拡散された
流体に対して渦電流による発熱体の発熱を均一に熱交換
できる。
路内に設けられた導電性物質の発熱体と、該発熱体の周
囲に設けられたコイルと、該コイルに対する高周波電流
発生器とを備えてなる触媒反応装置であって、前記発熱
体は、触媒金属で形成された金属板、又は表面に触媒粒
子が略均一に着けられた金属板を積層した積層体であ
り、前記積層体の積層の仕方が、前記金属板間に多数の
規則的な小流路を形成し、前記積層体を通過する流体に
略均一な拡散を生じさせるものであるとともに、前記金
属板を互いに電気的に導通して、前記積層体の断面の略
全体に渦電流を形成するものであり、前記金属板に沿っ
て流れる流体に、前記金属板の発熱による加熱と同時の
触媒反応を起こさせるようにしたものである。これによ
り、金属板を規則的に積層した発熱体を流れる流体は、
多数の規則的な小流路で、略均一に拡散され、金属板の
表面に強制的に接触される。また、発熱体の各金属板を
互いに電気的に導通して、この断面の略全体に渦電流を
形成するため、触媒反応において、略均一に拡散された
流体に対して渦電流による発熱体の発熱を均一に熱交換
できる。
【００１６】請求項３記載の触媒反応装置では、請求項
２のものに、前記金属板間の規則的な小流路は、互いに
交差する第１、第２小流路と、この交差する第１、第２
小流路間を行き来可能とする第３小流路とを含んで形成
されているものである。これにより、金属板を規則的に
積層した発熱体を流れる流体を、第１〜第３小流路で導
きながら、均一に拡散させることができる。
２のものに、前記金属板間の規則的な小流路は、互いに
交差する第１、第２小流路と、この交差する第１、第２
小流路間を行き来可能とする第３小流路とを含んで形成
されているものである。これにより、金属板を規則的に
積層した発熱体を流れる流体を、第１〜第３小流路で導
きながら、均一に拡散させることができる。
【００１７】請求項４記載の触媒反応装置では、請求項
２又は請求項３のものに、前記金属板の表面に梨地又は
エンボス等の凹凸が施されているものである。これによ
り、均一に拡散される流体に対して、金属に略均一に配
置された触媒の作用を有効ならしめることができる。
２又は請求項３のものに、前記金属板の表面に梨地又は
エンボス等の凹凸が施されているものである。これによ
り、均一に拡散される流体に対して、金属に略均一に配
置された触媒の作用を有効ならしめることができる。
【００１８】請求項５記載の触媒反応装置では、請求項
２のものに、前記金属板の厚みが３０ミクロン以上１ｍ
ｍ以下であり、前記高周波電流発生器による高周波電流
の周波数が１５〜１５０ＫＨｚの範囲にあるものであ
る。これにより、金属板の厚みが３０ミクロン以上１ｍ
ｍ以下であると、電力が入り易く、又伝熱面積を大きく
とるための波形等の加工による小流路の確保が容易にな
る。また、使用する周波数が１５ＫＨｚ〜１５０ＫＨｚ
の範囲であると、コイルの銅損や、スイッチング素子の
損失を防止できる。特に、損失が少ない周波数帯として
は、２０〜７０ＫＨｚである。
２のものに、前記金属板の厚みが３０ミクロン以上１ｍ
ｍ以下であり、前記高周波電流発生器による高周波電流
の周波数が１５〜１５０ＫＨｚの範囲にあるものであ
る。これにより、金属板の厚みが３０ミクロン以上１ｍ
ｍ以下であると、電力が入り易く、又伝熱面積を大きく
とるための波形等の加工による小流路の確保が容易にな
る。また、使用する周波数が１５ＫＨｚ〜１５０ＫＨｚ
の範囲であると、コイルの銅損や、スイッチング素子の
損失を防止できる。特に、損失が少ない周波数帯として
は、２０〜７０ＫＨｚである。
【００１９】請求項６記載の触媒反応装置では、請求項
２又は請求項５のものに、前記積層体の１立方センチメ
ートル当たりの伝熱面積が、２．５平方センチメートル
以上であるものである。これにより、発熱体の１立方セ
ンチメートル当たりの伝熱面積が２．５平方センチメー
トル以上、より好ましくは５平方センチメートル以上に
なるように金属板を積層すると、熱交換の効率を上げる
ことができる。
２又は請求項５のものに、前記積層体の１立方センチメ
ートル当たりの伝熱面積が、２．５平方センチメートル
以上であるものである。これにより、発熱体の１立方セ
ンチメートル当たりの伝熱面積が２．５平方センチメー
トル以上、より好ましくは５平方センチメートル以上に
なるように金属板を積層すると、熱交換の効率を上げる
ことができる。
【００２０】請求項７記載の触媒反応装置では、請求項
２、請求項５又は請求項６のものに、前記積層体の伝熱
面積１平方センチメートル当たりで加熱すべき流体量
が、０．４立方センチメートル以下であるものである。
これにより、発熱体の伝熱面積１平方センチメートル当
たりの流体量を０．４立方センチメートル以下、より好
ましくは０．１立方センチメートル以下にすると、流体
に対する伝熱の急速応答性が得られる。
２、請求項５又は請求項６のものに、前記積層体の伝熱
面積１平方センチメートル当たりで加熱すべき流体量
が、０．４立方センチメートル以下であるものである。
これにより、発熱体の伝熱面積１平方センチメートル当
たりの流体量を０．４立方センチメートル以下、より好
ましくは０．１立方センチメートル以下にすると、流体
に対する伝熱の急速応答性が得られる。
【００２１】請求項８記載の触媒装置では、流体通路に
設けられた吸熱体と、該吸熱体に沿って設けられた伝熱
管とを備えてなる触媒反応装置であって、前記吸熱体
は、触媒金属で形成された金属板、又は表面に触媒粒子
が略均一に着けられた金属板を積層した積層体であり、
前記積層体の積層の仕方が、前記金属板間に多数の規則
的な小流路を形成し、前記積層体を通過する流体に略均
一な拡散を生じさせるものであり、前記伝熱管は、前記
金属板の前記小流路に沿って略均一に前記金属板に固着
されたものであり、前記金属板に沿って流れる流体に、
前記伝熱管を介する前記金属板の吸熱と同時の触媒反応
を起こさせるようにしたものである。これにより、金属
板を規則的に積層した吸熱体を流れる流体は、多数の規
則的な小流路で、略均一に拡散され、金属板の表面に強
制的に接触されて、金属板のそれ自体が触媒金属である
か、又は金属板の表面に略均一に触媒粒子が着けられて
いるため、略均一に拡散された流体に対して触媒反応が
略均一に生じる。また、金属板間の小流路に沿って略均
一に伝熱管を固着することで、触媒反応における吸熱に
対応する均一な熱交換を得られる。
設けられた吸熱体と、該吸熱体に沿って設けられた伝熱
管とを備えてなる触媒反応装置であって、前記吸熱体
は、触媒金属で形成された金属板、又は表面に触媒粒子
が略均一に着けられた金属板を積層した積層体であり、
前記積層体の積層の仕方が、前記金属板間に多数の規則
的な小流路を形成し、前記積層体を通過する流体に略均
一な拡散を生じさせるものであり、前記伝熱管は、前記
金属板の前記小流路に沿って略均一に前記金属板に固着
されたものであり、前記金属板に沿って流れる流体に、
前記伝熱管を介する前記金属板の吸熱と同時の触媒反応
を起こさせるようにしたものである。これにより、金属
板を規則的に積層した吸熱体を流れる流体は、多数の規
則的な小流路で、略均一に拡散され、金属板の表面に強
制的に接触されて、金属板のそれ自体が触媒金属である
か、又は金属板の表面に略均一に触媒粒子が着けられて
いるため、略均一に拡散された流体に対して触媒反応が
略均一に生じる。また、金属板間の小流路に沿って略均
一に伝熱管を固着することで、触媒反応における吸熱に
対応する均一な熱交換を得られる。
【００２２】請求項９記載の触媒反応装置では、請求項
８のものに、前記金属板間の規則的な小流路は、互いに
交差する第１、第２小流路と、この交差する第１、第２
小流路間を行き来可能とする第３小流路とを含んで形成
されているものである。これにより、金属板を規則的に
積層した発熱体を流れる流体を、第１〜第３小流路で導
きながら、均一に拡散させることができる。
８のものに、前記金属板間の規則的な小流路は、互いに
交差する第１、第２小流路と、この交差する第１、第２
小流路間を行き来可能とする第３小流路とを含んで形成
されているものである。これにより、金属板を規則的に
積層した発熱体を流れる流体を、第１〜第３小流路で導
きながら、均一に拡散させることができる。
【００２３】請求項１０記載の触媒反応装置では、請求
項８又は請求項９のものに、 前記金属板の表面に梨地
又はエンボス等の凹凸が施されているものである。これ
により、流体に対して、マクロ的乱流を起こして、金属
に略均一に配置された触媒の作用を有効ならしめること
ができる。
項８又は請求項９のものに、 前記金属板の表面に梨地
又はエンボス等の凹凸が施されているものである。これ
により、流体に対して、マクロ的乱流を起こして、金属
に略均一に配置された触媒の作用を有効ならしめること
ができる。
【００２４】請求項１１記載の触媒反応装置では、流体
通路内に設けられた導電性物質の発熱体と、該発熱体の
周囲に設けられたコイルと、該コイルに対す高周波電流
発生器とを備えてなる触媒反応装置であって、前記発熱
体は、触媒金属で形成された金属部材、又は表面に触媒
粒子が略均一に着けられた金属部材を組み立てした組立
体であり、前記組立体の組み立ての仕方が、前記金属部
材を規則的に配列して多数の小流路を形成し、前記組立
体を通過する流体を前記小流路に均一に流入させるもの
であるとともに、前記金属部材を互いに電気的に導通し
て、前記組立体の断面の略全体に渦電流を形成するもの
であり、前記金属部材に沿って流れる流体に、前記金属
部材の発熱による加熱と同時の触媒反応を起こさせるよ
うにしたものである。これにより、発熱体が部材を規則
正しく組み立てて、これらの部材が電気的に導通する構
造にすると、電磁誘導による渦電流の発生が発熱体の断
面の略全域にわたって生じるが、流体の単位容積に対す
る比表面積を極端に大きくすることなく、表面温度が大
きくされた各小流路の壁に、流体が接触する機会が得ら
れる。
通路内に設けられた導電性物質の発熱体と、該発熱体の
周囲に設けられたコイルと、該コイルに対す高周波電流
発生器とを備えてなる触媒反応装置であって、前記発熱
体は、触媒金属で形成された金属部材、又は表面に触媒
粒子が略均一に着けられた金属部材を組み立てした組立
体であり、前記組立体の組み立ての仕方が、前記金属部
材を規則的に配列して多数の小流路を形成し、前記組立
体を通過する流体を前記小流路に均一に流入させるもの
であるとともに、前記金属部材を互いに電気的に導通し
て、前記組立体の断面の略全体に渦電流を形成するもの
であり、前記金属部材に沿って流れる流体に、前記金属
部材の発熱による加熱と同時の触媒反応を起こさせるよ
うにしたものである。これにより、発熱体が部材を規則
正しく組み立てて、これらの部材が電気的に導通する構
造にすると、電磁誘導による渦電流の発生が発熱体の断
面の略全域にわたって生じるが、流体の単位容積に対す
る比表面積を極端に大きくすることなく、表面温度が大
きくされた各小流路の壁に、流体が接触する機会が得ら
れる。
【００２５】請求項１２記載の触媒反応装置では、異種
の流体を混合流体にして触媒反応させる触媒反応装置で
あって、前記混合流体の通路内に電磁誘導で加熱される
発熱体を収納し、この発熱体の流体接触部には触媒金属
が設けられた第１触媒反応器と、前記第１触媒反応器か
らの流体の通路中に電磁誘導で加熱される発熱体を収納
し、この発熱体の流体接触部には触媒金属が設けられた
第２触媒反応器とからなり、前記第１触媒反応器の加熱
温度と前記第２触媒反応器との加熱温度を異ならせたも
のである。これにより、発熱体の温度制御が厳密にでき
るため、大量反応に適した温度に設定する第１触媒反応
器と、反応率を高めるために適した温度に設定する第２
触媒反応器のように、使い分けてシステム全体としての
効率を高めることができる。
の流体を混合流体にして触媒反応させる触媒反応装置で
あって、前記混合流体の通路内に電磁誘導で加熱される
発熱体を収納し、この発熱体の流体接触部には触媒金属
が設けられた第１触媒反応器と、前記第１触媒反応器か
らの流体の通路中に電磁誘導で加熱される発熱体を収納
し、この発熱体の流体接触部には触媒金属が設けられた
第２触媒反応器とからなり、前記第１触媒反応器の加熱
温度と前記第２触媒反応器との加熱温度を異ならせたも
のである。これにより、発熱体の温度制御が厳密にでき
るため、大量反応に適した温度に設定する第１触媒反応
器と、反応率を高めるために適した温度に設定する第２
触媒反応器のように、使い分けてシステム全体としての
効率を高めることができる。
【００２６】請求項１３記載の触媒反応装置では、異種
の流体を混合流体にして触媒反応させる触媒反応装置で
あって、異種の前記流体のうち少なくとも一つの通路内
に、電磁誘導で加熱される発熱体を収納した加熱器と、
前記加熱器で加熱された流体を含む前記混合流体の通路
内に電磁誘導で加熱される発熱体を収納し、この発熱体
の流体接触部には触媒金属が設けられた触媒反応器とを
備えてなるものである。これにより、発熱体の温度制御
が厳密にできるため、予め必要な個別流体毎に加熱し、
触媒反応器としての効率を高めることができる。
の流体を混合流体にして触媒反応させる触媒反応装置で
あって、異種の前記流体のうち少なくとも一つの通路内
に、電磁誘導で加熱される発熱体を収納した加熱器と、
前記加熱器で加熱された流体を含む前記混合流体の通路
内に電磁誘導で加熱される発熱体を収納し、この発熱体
の流体接触部には触媒金属が設けられた触媒反応器とを
備えてなるものである。これにより、発熱体の温度制御
が厳密にできるため、予め必要な個別流体毎に加熱し、
触媒反応器としての効率を高めることができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。図１は電磁誘導加熱による触媒反
応装置の要部斜視図であり、図２は積層体の構造図であ
る。
に基づいて説明する。図１は電磁誘導加熱による触媒反
応装置の要部斜視図であり、図２は積層体の構造図であ
る。
【００２８】図１において、触媒反応装置の装置本体１
は、非導電性のパイプ１１と、このパイプ１１内に収納
された発熱体１２と、前記パイプ１１の外周に巻かれた
コイル１３と、発熱体１２を構成する金属板の表面に略
均一に着けられた触媒粒子１４とからなっている。
は、非導電性のパイプ１１と、このパイプ１１内に収納
された発熱体１２と、前記パイプ１１の外周に巻かれた
コイル１３と、発熱体１２を構成する金属板の表面に略
均一に着けられた触媒粒子１４とからなっている。
【００２９】図２は装置本体１に組み込まれる発熱体１
２の構造を示してる。ジグザグの山型に折り曲げられた
第１金属板３１と平たい第２金属板３２とを交互に積層
し、全体として円筒状の積層体１２に形成したものであ
る。この第１金属板３１や第２金属板３２の材質として
は、ＳＵＳ４４７Ｊ１の如きマルテンサイト系ステンレ
スが用いられる。そして、第１金属板３１の山（又は
谷）３３は中心軸３４に対して角度αだけ傾くように配
設され、第２金属板３２を挟んで隣り合う第１金属板３
１の山（又は谷）３３は交差するように配設されてい
る。そして、隣り合う第１金属板３１における山（又は
谷）３３の交差点において、第１金属板３１と第２金属
板３２がスポット溶接で溶着され、電気的に導通可能に
なっている。
２の構造を示してる。ジグザグの山型に折り曲げられた
第１金属板３１と平たい第２金属板３２とを交互に積層
し、全体として円筒状の積層体１２に形成したものであ
る。この第１金属板３１や第２金属板３２の材質として
は、ＳＵＳ４４７Ｊ１の如きマルテンサイト系ステンレ
スが用いられる。そして、第１金属板３１の山（又は
谷）３３は中心軸３４に対して角度αだけ傾くように配
設され、第２金属板３２を挟んで隣り合う第１金属板３
１の山（又は谷）３３は交差するように配設されてい
る。そして、隣り合う第１金属板３１における山（又は
谷）３３の交差点において、第１金属板３１と第２金属
板３２がスポット溶接で溶着され、電気的に導通可能に
なっている。
【００３０】結局、手前側の第１金属板３１と第２金属
板３２との間には、角度αだけ傾いた第１小流路３５が
形成され、第２金属板３２と奥側の第１金属板３１との
間には、角度−αだけ傾いた第２小流路３６が形成さ
れ、この第１小流路３５と第２小流路３６は角度２×α
で交差している。また、第１金属板３１や第２金属板３
２の表面には、流体の乱流を生じさせるための第３小流
路としての孔３７が設けられている。さらに、第１金属
板３１や第２金属板３２の表面は平滑ではなく、梨地加
工又はエンボス加工によって微小な凹凸３８が施されて
いる。この凹凸３８は山（又は谷）３３の高さに比較し
て無視できる程度に小さい。
板３２との間には、角度αだけ傾いた第１小流路３５が
形成され、第２金属板３２と奥側の第１金属板３１との
間には、角度−αだけ傾いた第２小流路３６が形成さ
れ、この第１小流路３５と第２小流路３６は角度２×α
で交差している。また、第１金属板３１や第２金属板３
２の表面には、流体の乱流を生じさせるための第３小流
路としての孔３７が設けられている。さらに、第１金属
板３１や第２金属板３２の表面は平滑ではなく、梨地加
工又はエンボス加工によって微小な凹凸３８が施されて
いる。この凹凸３８は山（又は谷）３３の高さに比較し
て無視できる程度に小さい。
【００３１】そして、第１金属板３１と第２金属板３２
の表面に均一に、所定金属の触媒粒子１４が着けられて
いる。この触媒粒子１４の着け方には、塗布、付着、蒸
着、圧着等がある。いずれの着け方にしろ、触媒粒子１
４が金属板３１，３２の単位面積当たり略等しい量にな
るように分散して又は全体的に着けられる。最も均一な
触媒粒子の付着方法は、金属板３１，３２自体を触媒金
属で構成するものであり、手に入りやすく安価であり、
且つ電磁誘導で電力が入り易い触媒金属の場合は採用可
能である。
の表面に均一に、所定金属の触媒粒子１４が着けられて
いる。この触媒粒子１４の着け方には、塗布、付着、蒸
着、圧着等がある。いずれの着け方にしろ、触媒粒子１
４が金属板３１，３２の単位面積当たり略等しい量にな
るように分散して又は全体的に着けられる。最も均一な
触媒粒子の付着方法は、金属板３１，３２自体を触媒金
属で構成するものであり、手に入りやすく安価であり、
且つ電磁誘導で電力が入り易い触媒金属の場合は採用可
能である。
【００３２】コイル１３に高周波電流を流して、積層体
１２に高周波磁界を作用させると、第１金属板３１と第
２金属板３２の全体に渦電流が生じ、積層体１２が発熱
する。このときの温度分布は、図３に示されるように、
第１金属板３１と第２金属板３２の長手方向に延びた目
玉型となり、周辺部より中心部の方が発熱し、中央部を
流れようとする流体の加熱に有利になっている。
１２に高周波磁界を作用させると、第１金属板３１と第
２金属板３２の全体に渦電流が生じ、積層体１２が発熱
する。このときの温度分布は、図３に示されるように、
第１金属板３１と第２金属板３２の長手方向に延びた目
玉型となり、周辺部より中心部の方が発熱し、中央部を
流れようとする流体の加熱に有利になっている。
【００３３】また、図２のように、積層体１２内には交
差する第１小流路３５と第２小流路３６が形成され、周
辺と中央との拡散が行われ、加えて第３小通路を形成す
る孔３７の存在によって、第１小流路３５と第２小流路
３６間の厚み方向の拡散も行われる。したがって、これ
らの小流路３５，３６，３７によって積層体１２の全体
にわたる流体のマクロ的な分散、放散、揮散が生じる。
加えて、表面の微小な凹凸３８によってミクロ的な拡
散、放散、揮散も生じる。その結果、積層体１２を通過
する流体は略均一な流れになって、第１金属板３１及び
第２金属板３２と流体との均一な接触機会が得られる。
その結果均一な熱伝達と均一な触媒反応の両方が確保さ
れる。なお、積層体１２での流体の温度が所定になって
反応が生じる部分にだけ、触媒粒子１４を着けるもので
もよく、触媒粒子の無い積層体１２と触媒粒子１４を着
けた積層体１２を周方向の向きを変えて直列多段に配設
するものであってもよい。
差する第１小流路３５と第２小流路３６が形成され、周
辺と中央との拡散が行われ、加えて第３小通路を形成す
る孔３７の存在によって、第１小流路３５と第２小流路
３６間の厚み方向の拡散も行われる。したがって、これ
らの小流路３５，３６，３７によって積層体１２の全体
にわたる流体のマクロ的な分散、放散、揮散が生じる。
加えて、表面の微小な凹凸３８によってミクロ的な拡
散、放散、揮散も生じる。その結果、積層体１２を通過
する流体は略均一な流れになって、第１金属板３１及び
第２金属板３２と流体との均一な接触機会が得られる。
その結果均一な熱伝達と均一な触媒反応の両方が確保さ
れる。なお、積層体１２での流体の温度が所定になって
反応が生じる部分にだけ、触媒粒子１４を着けるもので
もよく、触媒粒子の無い積層体１２と触媒粒子１４を着
けた積層体１２を周方向の向きを変えて直列多段に配設
するものであってもよい。
【００３４】なお、図１のコイル１３はリッツ線を撚り
合わせたものであり、パイプ１１の外周に巻回される
か、又はパイプ１１の肉厚内に巻回して埋設される。パ
イプ１１はコイル１３を保持し、流体通路を区画し、そ
の通路内に発熱体１２を収納するものであるため、耐蝕
性、耐熱性、耐圧性があって非磁性体の材質で形成され
る。具体的には、セラミック等の無機質材料、ＦＲＰ
（繊維強化プラスチック）、フッ素樹脂等の樹脂材料、
ステンレス等の非磁性金属等が用いられるが、セラミッ
クが最も好ましい。
合わせたものであり、パイプ１１の外周に巻回される
か、又はパイプ１１の肉厚内に巻回して埋設される。パ
イプ１１はコイル１３を保持し、流体通路を区画し、そ
の通路内に発熱体１２を収納するものであるため、耐蝕
性、耐熱性、耐圧性があって非磁性体の材質で形成され
る。具体的には、セラミック等の無機質材料、ＦＲＰ
（繊維強化プラスチック）、フッ素樹脂等の樹脂材料、
ステンレス等の非磁性金属等が用いられるが、セラミッ
クが最も好ましい。
【００３５】つぎに、電磁誘導加熱の全体の機器構成を
図４により説明する。触媒反応装置は、装置本体１と、
２自由度ＰＩＤ温度制御部２と、位相シフト制御部３
と、ゲートドライバー４と、センサレス高力率高周波イ
ンバータ部５とからなっている。装置本体１の流体出口
には温度センサ１７が設けられ、温度センサ１７は温度
制御部２に接続されている。
図４により説明する。触媒反応装置は、装置本体１と、
２自由度ＰＩＤ温度制御部２と、位相シフト制御部３
と、ゲートドライバー４と、センサレス高力率高周波イ
ンバータ部５とからなっている。装置本体１の流体出口
には温度センサ１７が設けられ、温度センサ１７は温度
制御部２に接続されている。
【００３６】高周波インバータ部５は、交流電源２１に
対する整流部２２と、非平滑フィルタ２３と、高周波イ
ンバータ部２４とからなっている。高周波インバータ部
２４の出力電力と周波数は、位相シフト制御部３とゲー
トドライバー４によって制御され、商用の交流電源２１
を効率的に高周波電流に変換して電気エネルギーが有効
利用される。
対する整流部２２と、非平滑フィルタ２３と、高周波イ
ンバータ部２４とからなっている。高周波インバータ部
２４の出力電力と周波数は、位相シフト制御部３とゲー
トドライバー４によって制御され、商用の交流電源２１
を効率的に高周波電流に変換して電気エネルギーが有効
利用される。
【００３７】温度制御部２は、ファジー＋オートチュー
ニング２自由度ＰＩＤ温度制御器で構成され、出力電圧
制御信号を位相シフト制御部３に出力する。このよう
に、出力制御のための温度センサ１７がパイプ１１の出
口に設けられているため、インバータ５やコイル１３の
損失を考慮した出力の制御が可能である。
ニング２自由度ＰＩＤ温度制御器で構成され、出力電圧
制御信号を位相シフト制御部３に出力する。このよう
に、出力制御のための温度センサ１７がパイプ１１の出
口に設けられているため、インバータ５やコイル１３の
損失を考慮した出力の制御が可能である。
【００３８】高周波インバータ部２４は、４個のスイッ
チング素子Ｑ１〜Ｑ４を用いたものであり、Ｑ１とＱ４
とを直列に接続したものと、Ｑ３とＱ４とを直列に接続
したものを並列に接続してなっている。また、コイル１
３が巻かれた非金属パイプ１１と導電性金属の発熱体１
２からなる加熱体系は、漏れインダクタンスの大きいト
ランス回路モデルで表すことができ、単純なＲ−Ｌ回路
で表示することができる。このＲ−Ｌ回路に補償コンデ
ンサＣ１を直列に接続すると、電気回路定数が殆ど変化
しない不時変回路系とすることができる。そのため、共
振コンデンサＣ１でＲ−Ｌ負荷系のＬ分を補償した同調
が取りやすく、作動周波数と共振コンデンサＣ１の最適
設計回路が行える。このスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４は
スイッチＳ１〜Ｓ４とダイオードＤ１〜Ｄ４とを並列に
接続した回路で表され、ＳＩＴ（Ｓｔａｔｉｃ Ｉｎｄ
ｕｃｔｉｏｎ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、Ｂ−ＳＩＴ、
ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏ
ｎｄｕｃｔｏｒ ＦＥＴ）、ＩＧＢＴ、ＭＣＴ等の半導
体パワーデバイスを用いて形成される。
チング素子Ｑ１〜Ｑ４を用いたものであり、Ｑ１とＱ４
とを直列に接続したものと、Ｑ３とＱ４とを直列に接続
したものを並列に接続してなっている。また、コイル１
３が巻かれた非金属パイプ１１と導電性金属の発熱体１
２からなる加熱体系は、漏れインダクタンスの大きいト
ランス回路モデルで表すことができ、単純なＲ−Ｌ回路
で表示することができる。このＲ−Ｌ回路に補償コンデ
ンサＣ１を直列に接続すると、電気回路定数が殆ど変化
しない不時変回路系とすることができる。そのため、共
振コンデンサＣ１でＲ−Ｌ負荷系のＬ分を補償した同調
が取りやすく、作動周波数と共振コンデンサＣ１の最適
設計回路が行える。このスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４は
スイッチＳ１〜Ｓ４とダイオードＤ１〜Ｄ４とを並列に
接続した回路で表され、ＳＩＴ（Ｓｔａｔｉｃ Ｉｎｄ
ｕｃｔｉｏｎ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、Ｂ−ＳＩＴ、
ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏ
ｎｄｕｃｔｏｒ ＦＥＴ）、ＩＧＢＴ、ＭＣＴ等の半導
体パワーデバイスを用いて形成される。
【００３９】スイッチＳ１，Ｓ４が閉じると、ａ点から
負荷Ｌ１，Ｒ１を経てｂ点に至る回路に電流が流れ、ス
イッチＳ２，Ｓ３が閉じると、ｂ点から負荷Ｌ１，Ｒ１
を経てａ点に至る回路に電流が流れる。すなわち、負荷
Ｌ１，Ｒ１から見ると、正又は逆に電流が流れたことに
なる。各スイッチＳ１〜Ｓ４はそれぞれ５０％弱のデュ
ーディサイクルの電圧パルスで駆動する。スイッチＳ
１，Ｓ２の電圧駆動パルスを基準相パルスとし、スイッ
チＳ３，Ｓ４の電圧駆動パルスを制御相パルスとする。
基準相と制御相との電圧駆動パルスの位相差φを０〜１
８０°まで連続的に変化させることにより出力電圧をＰ
ＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏ
ｎ）によって制御することができ、理論的には出力電力
を０から負荷回路定数とインバータ動作周波数で決まる
最大出力まで連続的に変化させることができる。
負荷Ｌ１，Ｒ１を経てｂ点に至る回路に電流が流れ、ス
イッチＳ２，Ｓ３が閉じると、ｂ点から負荷Ｌ１，Ｒ１
を経てａ点に至る回路に電流が流れる。すなわち、負荷
Ｌ１，Ｒ１から見ると、正又は逆に電流が流れたことに
なる。各スイッチＳ１〜Ｓ４はそれぞれ５０％弱のデュ
ーディサイクルの電圧パルスで駆動する。スイッチＳ
１，Ｓ２の電圧駆動パルスを基準相パルスとし、スイッ
チＳ３，Ｓ４の電圧駆動パルスを制御相パルスとする。
基準相と制御相との電圧駆動パルスの位相差φを０〜１
８０°まで連続的に変化させることにより出力電圧をＰ
ＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏ
ｎ）によって制御することができ、理論的には出力電力
を０から負荷回路定数とインバータ動作周波数で決まる
最大出力まで連続的に変化させることができる。
【００４０】なお、電力制御の方式として位相シフトＰ
ＷＭ方式を説明したが、一般にその外の電力制御方法と
して、アクティブＰＷＭ整流回路や高周波トランジスタ
チョッパによる直流電源制御（ＰＡＭ方式）、可変周波
数制御（ＰＦＭ方式）、パルス密度変調制御（パルスサ
イクル制御）（ＰＤＭ方式）等がある。要するに、半導
体パワーデバイスを交互に切り換えるインバータであっ
て、温度調整のためにある程度の電力制御が可能であっ
て、高力率のインバータであれば、図２の発熱体と組み
合わせることができる。
ＷＭ方式を説明したが、一般にその外の電力制御方法と
して、アクティブＰＷＭ整流回路や高周波トランジスタ
チョッパによる直流電源制御（ＰＡＭ方式）、可変周波
数制御（ＰＦＭ方式）、パルス密度変調制御（パルスサ
イクル制御）（ＰＤＭ方式）等がある。要するに、半導
体パワーデバイスを交互に切り換えるインバータであっ
て、温度調整のためにある程度の電力制御が可能であっ
て、高力率のインバータであれば、図２の発熱体と組み
合わせることができる。
【００４１】つぎに、図１の具体的な装置本体１によ
り、発熱体に対する周波数の影響、発熱体を構成する薄
板部材の厚みの影響、発熱体の伝熱面積の影響、発熱体
の伝熱面積の集積度の影響などを調べた結果を以下に説
明する。
り、発熱体に対する周波数の影響、発熱体を構成する薄
板部材の厚みの影響、発熱体の伝熱面積の影響、発熱体
の伝熱面積の集積度の影響などを調べた結果を以下に説
明する。
【００４２】図５は板厚と熱効率の関係を示す。なお、
直径１０ｃｍ又は５ｃｍの発熱体を用いて２０〜４０Ｋ
Ｈｚの範囲で加熱実験を行う際して、金属板の厚みを５
０ミクロン前後で変更し、全体の熱効率を測定した。金
属板の材質はＳＵＳ４４７Ｊ１であった。図によると、
３０ミクロンを越えると、熱効率の上昇率が急速に低下
し、３０ミクロン以上では９０％以上の略一定の熱効率
になっている。また、３０ミクロン以下での熱効率の低
下割合は金属板の厚みが薄い程大であることが確認され
た。
直径１０ｃｍ又は５ｃｍの発熱体を用いて２０〜４０Ｋ
Ｈｚの範囲で加熱実験を行う際して、金属板の厚みを５
０ミクロン前後で変更し、全体の熱効率を測定した。金
属板の材質はＳＵＳ４４７Ｊ１であった。図によると、
３０ミクロンを越えると、熱効率の上昇率が急速に低下
し、３０ミクロン以上では９０％以上の略一定の熱効率
になっている。また、３０ミクロン以下での熱効率の低
下割合は金属板の厚みが薄い程大であることが確認され
た。
【００４３】図６は周波数と熱効率の関係を示す。な
お、直径１０ｃｍ、板の厚み５０ミクロンで山形の高さ
は３ｍｍの発熱体を用いて、周波数を変更して全体の熱
効率を測定した。金属板の材質はＳＵＳ４４７Ｊ１であ
った。図によると、周波数が低い領域では、徐々に熱効
率が低下し、周波数が高い領域では、急速に熱効率が低
下している。熱効率を９０％前後と高く維持するために
は、２０〜７０ＫＨｚの範囲がよいことが判る。ただ
し、熱効率７０％以上という実用的に利用可能な範囲と
しては、１５〜１５０ＫＨｚの範囲である。
お、直径１０ｃｍ、板の厚み５０ミクロンで山形の高さ
は３ｍｍの発熱体を用いて、周波数を変更して全体の熱
効率を測定した。金属板の材質はＳＵＳ４４７Ｊ１であ
った。図によると、周波数が低い領域では、徐々に熱効
率が低下し、周波数が高い領域では、急速に熱効率が低
下している。熱効率を９０％前後と高く維持するために
は、２０〜７０ＫＨｚの範囲がよいことが判る。ただ
し、熱効率７０％以上という実用的に利用可能な範囲と
しては、１５〜１５０ＫＨｚの範囲である。
【００４４】図７は山高と熱効率の関係を示す。なお、
直径１０ｃｍ、金属板の厚み５０ミクロンで種々の山高
の波にした発熱体を用いて、周波数２０〜３０ＫＨｚの
範囲で全体の熱効率を測定した。また、この場合の山高
と伝熱面積の関係を図８に示す。図８のＡ線は第２金属
板を有したものであるが、図８のＢ線は第２金属板が省
かれたものである。図７から、熱効率７０％以上の実用
的に利用可能なものは山高１１ｍｍであり、図８のＡ線
から１立方センチメートル当たりの伝熱面積は２．５平
方センチメートル以上である。熱効率を９０％前後とす
るためには、山高が５ｍｍであり、１立方センチメート
ル当たりの伝熱面積は５平方センチメートル以上が好ま
しい。
直径１０ｃｍ、金属板の厚み５０ミクロンで種々の山高
の波にした発熱体を用いて、周波数２０〜３０ＫＨｚの
範囲で全体の熱効率を測定した。また、この場合の山高
と伝熱面積の関係を図８に示す。図８のＡ線は第２金属
板を有したものであるが、図８のＢ線は第２金属板が省
かれたものである。図７から、熱効率７０％以上の実用
的に利用可能なものは山高１１ｍｍであり、図８のＡ線
から１立方センチメートル当たりの伝熱面積は２．５平
方センチメートル以上である。熱効率を９０％前後とす
るためには、山高が５ｍｍであり、１立方センチメート
ル当たりの伝熱面積は５平方センチメートル以上が好ま
しい。
【００４５】図９は山高と水膜厚との関係を示す。直径
１０ｃｍ、板の厚み５０ミクロンで種々の山高の波にし
た発熱体の平均の水膜厚を調べたものである。図のＡ線
は第２金属板を有したものであるが、図のＢ線は第２金
属板が省かれたものである。熱効率が７０％以上に対応
する水膜厚は４ｍｍ（発熱体の伝熱面積１平方センチメ
ートル当たりで加熱すべき流体量の０．４立方センチメ
ートルに相当）以下にする。しかし、迅速加熱と高い応
答性を確保するためには、経験的に水膜厚は１ｍｍ（発
熱体の伝熱面積１平方センチメートル当たりで加熱すべ
き流体量の０．１立方センチメートルに相当）以下にす
ることが好ましい。
１０ｃｍ、板の厚み５０ミクロンで種々の山高の波にし
た発熱体の平均の水膜厚を調べたものである。図のＡ線
は第２金属板を有したものであるが、図のＢ線は第２金
属板が省かれたものである。熱効率が７０％以上に対応
する水膜厚は４ｍｍ（発熱体の伝熱面積１平方センチメ
ートル当たりで加熱すべき流体量の０．４立方センチメ
ートルに相当）以下にする。しかし、迅速加熱と高い応
答性を確保するためには、経験的に水膜厚は１ｍｍ（発
熱体の伝熱面積１平方センチメートル当たりで加熱すべ
き流体量の０．１立方センチメートルに相当）以下にす
ることが好ましい。
【００４６】以上の実施の形態は吸熱反応に用いられる
触媒反応装置に関するものであったが、以下に発熱反応
に用いられる触媒反応装置を説明する。図１０はこの触
媒反応装置の要部を示す図であり、図１１は吸熱体の構
造図である。
触媒反応装置に関するものであったが、以下に発熱反応
に用いられる触媒反応装置を説明する。図１０はこの触
媒反応装置の要部を示す図であり、図１１は吸熱体の構
造図である。
【００４７】図１０の触媒反応装置の装置本体４０は、
パイプ４８の中に吸熱体４１を収納してなる。図１１の
ように、吸熱体４１はジグザグの山型に折り曲げられた
金属板４２の山（又は谷）４３に溶接や金属ローで固着
された伝熱管４４が配設されてなっている。この金属板
４２は熱伝達率が高く流体に対する耐腐食性に優れた材
質が選定される。この金属板４２の表面に略均一分布と
なるように、触媒粒子４５が塗布、付着、蒸着、圧着等
で着けられている。さらに、金属板４２の表面には孔４
６が開けられると共に、梨地加工やエンボス加工のよう
な微小な凹凸４７が施されている。
パイプ４８の中に吸熱体４１を収納してなる。図１１の
ように、吸熱体４１はジグザグの山型に折り曲げられた
金属板４２の山（又は谷）４３に溶接や金属ローで固着
された伝熱管４４が配設されてなっている。この金属板
４２は熱伝達率が高く流体に対する耐腐食性に優れた材
質が選定される。この金属板４２の表面に略均一分布と
なるように、触媒粒子４５が塗布、付着、蒸着、圧着等
で着けられている。さらに、金属板４２の表面には孔４
６が開けられると共に、梨地加工やエンボス加工のよう
な微小な凹凸４７が施されている。
【００４８】伝熱管４４は冷却液を流すためのものであ
り、山（又は谷）４３に沿って屈曲状態で配設されてい
る。この伝熱管４４に所定の冷却液を流すと、金属板４
２の全体が略均一な吸熱体となる。伝熱管４４内の冷却
液の熱勾配を少なくするために、伝熱管４４の下側屈曲
部分を入側ヘッドパイプに連結し、伝熱管４４の上側屈
曲部分を出側ヘッドパイプに連結することもできる。
り、山（又は谷）４３に沿って屈曲状態で配設されてい
る。この伝熱管４４に所定の冷却液を流すと、金属板４
２の全体が略均一な吸熱体となる。伝熱管４４内の冷却
液の熱勾配を少なくするために、伝熱管４４の下側屈曲
部分を入側ヘッドパイプに連結し、伝熱管４４の上側屈
曲部分を出側ヘッドパイプに連結することもできる。
【００４９】このような伝熱管４４付きの金属板４１
は、図２の第２金属板３２の代わりに伝熱管が配設され
たとした場合の第１金属板３１のように、山又は谷間の
小流路が交差するように積層されて積層体４１に構成さ
れる。そして、図１０のようにパイプ４８内に収納され
る。図１０の触媒反応装置４０の下から流体を流すと、
図１１の金属板４２の山（又は谷）４３に沿った小流路
が隣り合う金属板４２間で交差しており、また隣り合う
金属板４２を連通させる孔４６があるため、流体は積層
体の厚み方向及び幅方向に拡散を受ける。すなわち、金
属板４２に略同じ条件で接触する流体は触媒粒子で略同
じ触媒反応を起こし、その際の発熱は伝熱管４４で略同
じ条件で吸収される。その結果、触媒反応装置４０に流
体を通過させるだけで、略均一な触媒反応を生起させる
ことができる。
は、図２の第２金属板３２の代わりに伝熱管が配設され
たとした場合の第１金属板３１のように、山又は谷間の
小流路が交差するように積層されて積層体４１に構成さ
れる。そして、図１０のようにパイプ４８内に収納され
る。図１０の触媒反応装置４０の下から流体を流すと、
図１１の金属板４２の山（又は谷）４３に沿った小流路
が隣り合う金属板４２間で交差しており、また隣り合う
金属板４２を連通させる孔４６があるため、流体は積層
体の厚み方向及び幅方向に拡散を受ける。すなわち、金
属板４２に略同じ条件で接触する流体は触媒粒子で略同
じ触媒反応を起こし、その際の発熱は伝熱管４４で略同
じ条件で吸収される。その結果、触媒反応装置４０に流
体を通過させるだけで、略均一な触媒反応を生起させる
ことができる。
【００５０】つぎに、上述した触媒反応装置を適用した
燃料電池システムを図１２により説明する。天然ガスを
原料とした燃料電池では、天然ガスを水素リッチのガス
に変換し、リン酸系燃料電池本体に水素を供給するシス
テムになっている。そのため、天然ガスを脱硫器→改質
器→変成器の順に通して所定の触媒反応を起こさせ、水
素リッチに改質させる。
燃料電池システムを図１２により説明する。天然ガスを
原料とした燃料電池では、天然ガスを水素リッチのガス
に変換し、リン酸系燃料電池本体に水素を供給するシス
テムになっている。そのため、天然ガスを脱硫器→改質
器→変成器の順に通して所定の触媒反応を起こさせ、水
素リッチに改質させる。
【００５１】改質器は炭化水素の水蒸気改質を利用した
ものの場合、Ｎｉ系又はＲｕ系の触媒を使い、６５０〜
８００°Ｃ、１〜１０Ｋｇ／ｃｍ2 の条件下で行われ
る。この反応は吸熱反応である。
ものの場合、Ｎｉ系又はＲｕ系の触媒を使い、６５０〜
８００°Ｃ、１〜１０Ｋｇ／ｃｍ2 の条件下で行われ
る。この反応は吸熱反応である。
【００５２】このＮｉ系又はＲｕ系触媒の寿命は脱硫の
程度で大幅に変化するため、改質器の前に脱硫器が用い
られる。水添脱硫法による脱硫器の場合、Ｃｏ−Ｍｏ系
又はＮｉ−Ｍｏ系の触媒のもとで、３００〜３５０°Ｃ
の温度で水素と反応させて、有機硫黄化合物を硫化水素
（Ｈ2 Ｓ）に変え、酸化亜鉛に吸着させる。
程度で大幅に変化するため、改質器の前に脱硫器が用い
られる。水添脱硫法による脱硫器の場合、Ｃｏ−Ｍｏ系
又はＮｉ−Ｍｏ系の触媒のもとで、３００〜３５０°Ｃ
の温度で水素と反応させて、有機硫黄化合物を硫化水素
（Ｈ2 Ｓ）に変え、酸化亜鉛に吸着させる。
【００５３】また、改質器からの水素リッチのガスはリ
ン酸系燃料電池本体の触媒毒となる一酸化炭素を含むた
め、変成器で一酸化炭素と水蒸気を反応させて二酸化炭
素と水素に変える。この変成器は、鉄−クローム系触媒
を用いて３５０〜３７０°Ｃのホットシフトを行わせ、
残留する一酸化炭素に対して、銅−亜鉛系触媒を用いて
２００〜２３０°Ｃのコールドシフトを行わせるもので
ある。このホットシフトとコールドシフトは発熱反応で
ある。
ン酸系燃料電池本体の触媒毒となる一酸化炭素を含むた
め、変成器で一酸化炭素と水蒸気を反応させて二酸化炭
素と水素に変える。この変成器は、鉄−クローム系触媒
を用いて３５０〜３７０°Ｃのホットシフトを行わせ、
残留する一酸化炭素に対して、銅−亜鉛系触媒を用いて
２００〜２３０°Ｃのコールドシフトを行わせるもので
ある。このホットシフトとコールドシフトは発熱反応で
ある。
【００５４】上述した脱硫器→改質器→変成器→燃料電
池本体のプロセスは、加熱下又は吸熱下の触媒反応を含
むため、通常は多管式熱交換器型の触媒反応装置を用い
てプロセスを組んでいる。多管式熱交換器の場合、熱媒
体を用いた間接加熱であるため、システムが複雑で大型
化し、起動時間が長くかかり、負荷変動に対する追従性
も悪くなる。
池本体のプロセスは、加熱下又は吸熱下の触媒反応を含
むため、通常は多管式熱交換器型の触媒反応装置を用い
てプロセスを組んでいる。多管式熱交換器の場合、熱媒
体を用いた間接加熱であるため、システムが複雑で大型
化し、起動時間が長くかかり、負荷変動に対する追従性
も悪くなる。
【００５５】そこで、前述した本発明の触媒反応装置を
用いると、図１２のように単純なプロセスになる。脱硫
器５１と水蒸気発生器５２を並列に接続し、順に改質器
５３、第１変成器５４、第２変成器５５、燃料電池本体
５６を直列に接続したプロセスである。
用いると、図１２のように単純なプロセスになる。脱硫
器５１と水蒸気発生器５２を並列に接続し、順に改質器
５３、第１変成器５４、第２変成器５５、燃料電池本体
５６を直列に接続したプロセスである。
【００５６】脱硫器５１は原料となる天然ガスをＣｏ−
Ｍｏ系又はＮｉ−Ｍｏ系の触媒下で３００〜３５０°Ｃ
まで加熱するものであるため、この脱硫器５１に図１の
電磁誘導加熱による触媒反応装置が用いられる。水蒸気
発生器５２は単に水を過熱するだけであるため、図１の
金属板に触媒粒子が着いていないものを用いることがで
きる。改質器５３はＮｉ系又はＲｕ系の触媒下で６５０
〜８００°Ｃまで天然ガスを過熱し、吸熱反応が起こる
ため、この改質器５３に図１の電磁誘導加熱による触媒
反応装置が用いられる。第１変成器５４及び第２変成器
５５は触媒下の発熱反応であるため、図１０の伝熱管付
き触媒反応装置が用いられる。また、必要に応じて、ラ
インのＡ点に図１の金属板に触媒粒子が着いていない単
なる余熱器を付加し、ラインのＢ点に図１０の金属板に
触媒粒子が着いていない単なる熱交換器を付加すること
もできる。
Ｍｏ系又はＮｉ−Ｍｏ系の触媒下で３００〜３５０°Ｃ
まで加熱するものであるため、この脱硫器５１に図１の
電磁誘導加熱による触媒反応装置が用いられる。水蒸気
発生器５２は単に水を過熱するだけであるため、図１の
金属板に触媒粒子が着いていないものを用いることがで
きる。改質器５３はＮｉ系又はＲｕ系の触媒下で６５０
〜８００°Ｃまで天然ガスを過熱し、吸熱反応が起こる
ため、この改質器５３に図１の電磁誘導加熱による触媒
反応装置が用いられる。第１変成器５４及び第２変成器
５５は触媒下の発熱反応であるため、図１０の伝熱管付
き触媒反応装置が用いられる。また、必要に応じて、ラ
インのＡ点に図１の金属板に触媒粒子が着いていない単
なる余熱器を付加し、ラインのＢ点に図１０の金属板に
触媒粒子が着いていない単なる熱交換器を付加すること
もできる。
【００５７】個々の触媒反応装置は、上述したように小
型化、起動時間の短縮化、負荷変動に対する高い追従性
を有している。そのため、システム全体として顕著な小
型化、起動時間の短縮化、負荷変動に対する高い追従性
が追求できる。
型化、起動時間の短縮化、負荷変動に対する高い追従性
を有している。そのため、システム全体として顕著な小
型化、起動時間の短縮化、負荷変動に対する高い追従性
が追求できる。
【００５８】図１３はメタノール改質器５７を用いる場
合のプロセスを示す。メタノールを水蒸気と共に改質す
る場合、通常銅系触媒が使用され、２００〜３００°Ｃ
で１０Ｋｇ／ｃｍ2 以下の低圧条件下で行われる。その
ため、図１３のように、本発明の触媒反応装置を用いる
と、プロセスが単純化され、車両電源等のように移動す
る場合に特に有効である。
合のプロセスを示す。メタノールを水蒸気と共に改質す
る場合、通常銅系触媒が使用され、２００〜３００°Ｃ
で１０Ｋｇ／ｃｍ2 以下の低圧条件下で行われる。その
ため、図１３のように、本発明の触媒反応装置を用いる
と、プロセスが単純化され、車両電源等のように移動す
る場合に特に有効である。
【００５９】このように、本発明の触媒反応装置を、図
１乃至図４に示される構造とすることで、この発熱体１
２を流れる流体は、第１小流路３５，第２小流路３６及
び孔３７で、略均一に拡散され、第１金属板３１と第２
金属板３２との表面に強制的に接触される。また、発熱
体１２の各金属板３１，３２を互いに電気的に導通し
て、この断面の略全体に渦電流を形成させると、各金属
板３１，３２の長手方向に延びる目玉型の温度分布（図
３に示す）となるので、略均一に拡散された流体に対し
て発熱体１２の発熱を均一に熱交換できる。この結果、
触媒反応装置の発熱体１２の温度制御を厳格にでき、し
いては、この発熱体１２を通過する流体の温度制御も容
易となる。
１乃至図４に示される構造とすることで、この発熱体１
２を流れる流体は、第１小流路３５，第２小流路３６及
び孔３７で、略均一に拡散され、第１金属板３１と第２
金属板３２との表面に強制的に接触される。また、発熱
体１２の各金属板３１，３２を互いに電気的に導通し
て、この断面の略全体に渦電流を形成させると、各金属
板３１，３２の長手方向に延びる目玉型の温度分布（図
３に示す）となるので、略均一に拡散された流体に対し
て発熱体１２の発熱を均一に熱交換できる。この結果、
触媒反応装置の発熱体１２の温度制御を厳格にでき、し
いては、この発熱体１２を通過する流体の温度制御も容
易となる。
【００６０】従って、この発熱体１２の温度制御（発熱
体１２を通過する流体の温度制御）を厳格に行えること
を利用することで、図１４及び図１５に示すような、異
なる流体を混合流体にして触媒反応させる触媒反応装置
システムの実施が可能となるもので、以下に説明する。
体１２を通過する流体の温度制御）を厳格に行えること
を利用することで、図１４及び図１５に示すような、異
なる流体を混合流体にして触媒反応させる触媒反応装置
システムの実施が可能となるもので、以下に説明する。
【００６１】先ず、図１４の触媒反応装置システムは、
異なる流体Ｒ１，Ｒ２の流体通路６０中に直列的に、上
述に示した触媒反応装置と同一の構造からなる第１触媒
反応器６１と第２触媒反応器６２とを有してなるもので
ある。各触媒反応器６１，６２とは、各コイル１３に導
通される電力を相互に異にして、電磁誘導で加熱される
各発熱体１２を各流体Ｒ１，Ｒ２の大流量に適した加熱
温度と、各流体Ｒ１，Ｒ２の触媒反応率を高めるに適し
た温度にされている。そして、各流体Ｒ１，Ｒ２とから
なる混合流体を第１触媒反応器６１の上流側から流体通
路６０を通して、第１触媒反応器６１→第２触媒反応器
６２の順に通過させることで、第１触媒反応器６１で各
流体Ｒ１，Ｒ２の触媒反応に適した温度まで加熱して触
媒反応させる共に、その後、第２触媒反応器６２を通過
する際にその触媒反応率を高める温度にされて触媒反応
の促進を図る。
異なる流体Ｒ１，Ｒ２の流体通路６０中に直列的に、上
述に示した触媒反応装置と同一の構造からなる第１触媒
反応器６１と第２触媒反応器６２とを有してなるもので
ある。各触媒反応器６１，６２とは、各コイル１３に導
通される電力を相互に異にして、電磁誘導で加熱される
各発熱体１２を各流体Ｒ１，Ｒ２の大流量に適した加熱
温度と、各流体Ｒ１，Ｒ２の触媒反応率を高めるに適し
た温度にされている。そして、各流体Ｒ１，Ｒ２とから
なる混合流体を第１触媒反応器６１の上流側から流体通
路６０を通して、第１触媒反応器６１→第２触媒反応器
６２の順に通過させることで、第１触媒反応器６１で各
流体Ｒ１，Ｒ２の触媒反応に適した温度まで加熱して触
媒反応させる共に、その後、第２触媒反応器６２を通過
する際にその触媒反応率を高める温度にされて触媒反応
の促進を図る。
【００６２】また、図１５の触媒反応装置システムは、
流体通路６０と、この流体通路６０から分岐する流体通
路６１とに並列的に、上述した触媒反応装置と同一の構
造からなる触媒反応器７１と加熱器７２とを有してなる
ものである。そして、異なる流体Ｒ１，Ｒ２の触媒反応
において、何れかの流体、例えば流体Ｒ１を予め加熱す
る必要がある場合には、この流体Ｒ１を加熱器７２に通
過させた後、混合流体として触媒反応器７１を通過させ
ることにより触媒反応させることができ、触媒反応器７
１としての反応効率を高めることができる。
流体通路６０と、この流体通路６０から分岐する流体通
路６１とに並列的に、上述した触媒反応装置と同一の構
造からなる触媒反応器７１と加熱器７２とを有してなる
ものである。そして、異なる流体Ｒ１，Ｒ２の触媒反応
において、何れかの流体、例えば流体Ｒ１を予め加熱す
る必要がある場合には、この流体Ｒ１を加熱器７２に通
過させた後、混合流体として触媒反応器７１を通過させ
ることにより触媒反応させることができ、触媒反応器７
１としての反応効率を高めることができる。
【００６３】なお、上述した実施の形態の説明では、吸
熱反応又は発熱反応にかかる場合を説明したが、吸熱反
応又は発熱反応に属しない大気汚染及び環境保全の分野
においても、本発明の触媒反応装置が使用できる。例え
ば、排ガス中の二酸化炭素、窒素化物、硫黄酸化物の除
去の場合にも、触媒金属に接触せしめてこれら除去対象
物の軽減効果を図ることがある。この場合、排ガスを所
定温度まで上げるために、予熱器又は過熱器（スーパー
ヒータ）が用いられる。この予熱器又は過熱器として、
上述した発熱型の触媒反応装置を用いることができる。
また、逆に冷却器として、上述した吸熱型の触媒反応装
置を用いることができる。すなわち、発熱又は吸熱とい
うと発熱反応又は吸熱反応だけを意味するものではな
く、発熱の態様には単なる予熱や過熱を含み、吸熱の態
様には単なる冷却を含む。
熱反応又は発熱反応にかかる場合を説明したが、吸熱反
応又は発熱反応に属しない大気汚染及び環境保全の分野
においても、本発明の触媒反応装置が使用できる。例え
ば、排ガス中の二酸化炭素、窒素化物、硫黄酸化物の除
去の場合にも、触媒金属に接触せしめてこれら除去対象
物の軽減効果を図ることがある。この場合、排ガスを所
定温度まで上げるために、予熱器又は過熱器（スーパー
ヒータ）が用いられる。この予熱器又は過熱器として、
上述した発熱型の触媒反応装置を用いることができる。
また、逆に冷却器として、上述した吸熱型の触媒反応装
置を用いることができる。すなわち、発熱又は吸熱とい
うと発熱反応又は吸熱反応だけを意味するものではな
く、発熱の態様には単なる予熱や過熱を含み、吸熱の態
様には単なる冷却を含む。
【００６４】また、上述した実施の形態の説明における
触媒反応装置においては、図１乃至図３示すような発熱
体１２の構造として、流体の単位容積に対する比表面積
を大きくすることで、発熱体と流体との温度差を少なく
しつつ、流体の触媒反応を促進するようにしたものであ
るが、これに限定されるものでなく、流体の触媒反応に
おいては、流体の単位容積に対する比表面積を上述の実
施形態のように大きくすることなく、発熱体の表面にお
ける温度を大きくして、流体の触媒反応を促進するもの
がある。この場合においては、図１６（ａ）及び図１６
（ｂ）に示すような発熱体１２を用いると効果的であ
る。すなわち、図１６（ａ）及び図１６（ｂ）の発熱体
１２は、パイプ１１の軸方向に延びる小径パイプ部材８
０の多数を規則的に、且つ密に束ねて溶接又は金属ろー
付けで接合したものであり、小径パイプ部材８０内及び
小径パイプ部材８０間の空間を流体の通路としたもので
ある。この場合に、発熱体１２は、パイプ１１内周面に
対して各小径パイプ部材８０の外周を接触させながら挿
入されているとともに、パイプ１１の両端側から流体の
流れを拡散する分散部材８１が設けられており、その他
は図１に示す装置本体１と同一の構成を有するものであ
る。このように、発熱体１２の断面が小径パイプ部材８
０を規則正しく組み立てて、このら部材が電気的に独立
することなく、特に半径方向に導通しやすい構造にする
と、電磁誘導による渦電流の発生が発熱体１２の断面の
略全域にわたって生じ、断面での発熱ムラが少なくな
る。また、流体は、分散部材８１で均等に分散された後
に、発熱体１２の各小径パイプ部材８０で区切られた小
さなセグメントに沿って軸方向にのみ流れる。そして、
図１乃至図３に示される発熱体１２に比して、単位容積
に対する比表面積を小さくしつつ、流体の圧力損失が少
ない割に、表面温度が多くされた小径パイプ部材８０で
区切られた小さいセグメントの壁に、流体が接触する機
会が得られ、その触媒反応が促進される。尚、図１６
（ａ）及び図１６（ｂ）と同様な効果を得るためには、
各小径パイプ部材８０に代えて、多数の板部材を組み立
てることで、断面が格子形状となるようにして、流体が
通過する小さいセグメントを形成するようにしたものも
のであってもよい。
触媒反応装置においては、図１乃至図３示すような発熱
体１２の構造として、流体の単位容積に対する比表面積
を大きくすることで、発熱体と流体との温度差を少なく
しつつ、流体の触媒反応を促進するようにしたものであ
るが、これに限定されるものでなく、流体の触媒反応に
おいては、流体の単位容積に対する比表面積を上述の実
施形態のように大きくすることなく、発熱体の表面にお
ける温度を大きくして、流体の触媒反応を促進するもの
がある。この場合においては、図１６（ａ）及び図１６
（ｂ）に示すような発熱体１２を用いると効果的であ
る。すなわち、図１６（ａ）及び図１６（ｂ）の発熱体
１２は、パイプ１１の軸方向に延びる小径パイプ部材８
０の多数を規則的に、且つ密に束ねて溶接又は金属ろー
付けで接合したものであり、小径パイプ部材８０内及び
小径パイプ部材８０間の空間を流体の通路としたもので
ある。この場合に、発熱体１２は、パイプ１１内周面に
対して各小径パイプ部材８０の外周を接触させながら挿
入されているとともに、パイプ１１の両端側から流体の
流れを拡散する分散部材８１が設けられており、その他
は図１に示す装置本体１と同一の構成を有するものであ
る。このように、発熱体１２の断面が小径パイプ部材８
０を規則正しく組み立てて、このら部材が電気的に独立
することなく、特に半径方向に導通しやすい構造にする
と、電磁誘導による渦電流の発生が発熱体１２の断面の
略全域にわたって生じ、断面での発熱ムラが少なくな
る。また、流体は、分散部材８１で均等に分散された後
に、発熱体１２の各小径パイプ部材８０で区切られた小
さなセグメントに沿って軸方向にのみ流れる。そして、
図１乃至図３に示される発熱体１２に比して、単位容積
に対する比表面積を小さくしつつ、流体の圧力損失が少
ない割に、表面温度が多くされた小径パイプ部材８０で
区切られた小さいセグメントの壁に、流体が接触する機
会が得られ、その触媒反応が促進される。尚、図１６
（ａ）及び図１６（ｂ）と同様な効果を得るためには、
各小径パイプ部材８０に代えて、多数の板部材を組み立
てることで、断面が格子形状となるようにして、流体が
通過する小さいセグメントを形成するようにしたものも
のであってもよい。
【００６５】このように、金属板を密に積層した図１〜
図３に示すような発熱体１２を用いることなく、図１６
に示すように多数の小径パイプ部材８０で発熱体１２を
構成すると、上述図６及び図７に示すようなものに限ら
れず、周波数を１５０ＫＨｚ以上（１５０〜２００ＫＨ
ｚ）で、流体の１立方センチメートル当たりの伝熱面積
も２．５平方センチメートル以下であっても触媒反応装
置として実用的に利用できる。即ち、積層体の形状が変
わると入力可能な周波数も変わり、肉厚の薄いパイプを
使うと１５０ＫＨｚ以上でも加熱可能である。また、触
媒金属と反応流体の種類によっては温度差Δｔが大きい
方がよい場合もあり、この場合には伝熱面積は２．５平
方センチメートル以下でも使える。
図３に示すような発熱体１２を用いることなく、図１６
に示すように多数の小径パイプ部材８０で発熱体１２を
構成すると、上述図６及び図７に示すようなものに限ら
れず、周波数を１５０ＫＨｚ以上（１５０〜２００ＫＨ
ｚ）で、流体の１立方センチメートル当たりの伝熱面積
も２．５平方センチメートル以下であっても触媒反応装
置として実用的に利用できる。即ち、積層体の形状が変
わると入力可能な周波数も変わり、肉厚の薄いパイプを
使うと１５０ＫＨｚ以上でも加熱可能である。また、触
媒金属と反応流体の種類によっては温度差Δｔが大きい
方がよい場合もあり、この場合には伝熱面積は２．５平
方センチメートル以下でも使える。
【００６６】
【発明の効果】本発明の触媒反応装置においては、請求
項１記載の触媒反応装置では、伝熱体の金属板を積層し
て小流路を形成し、流体に拡散を生じさせるという構造
によって、流体の単位容積に対する比表面積が大きくな
り、略均一であって効率的な伝熱が実現できる。また、
伝熱体を通過する流体は略均一に拡散させられるため、
流体は分散、放散、揮散によって強制的に金属板の表面
に均一に接触させられ、触媒反応が均一に進行する。
項１記載の触媒反応装置では、伝熱体の金属板を積層し
て小流路を形成し、流体に拡散を生じさせるという構造
によって、流体の単位容積に対する比表面積が大きくな
り、略均一であって効率的な伝熱が実現できる。また、
伝熱体を通過する流体は略均一に拡散させられるため、
流体は分散、放散、揮散によって強制的に金属板の表面
に均一に接触させられ、触媒反応が均一に進行する。
【００６７】請求項２記載の触媒反応装置では、発熱体
の金属板を積層して小流路を形成し、流体に拡散を生じ
させ、且つ発熱体の断面の略全体に渦電流を形成すると
いう構造によって、流体の単位容積に対する比表面積が
大きくなり、発熱体の全体的な温度分布が略均一になる
ので、発熱体と流体の温度差を少なくしつつ、略均一で
あって効率的な伝熱が実現できる。また、発熱体を通過
する流体は略均一に拡散させられるため、流体は強制的
に金属板の表面に均一に接触させられ、触媒反応が均一
に進行する。
の金属板を積層して小流路を形成し、流体に拡散を生じ
させ、且つ発熱体の断面の略全体に渦電流を形成すると
いう構造によって、流体の単位容積に対する比表面積が
大きくなり、発熱体の全体的な温度分布が略均一になる
ので、発熱体と流体の温度差を少なくしつつ、略均一で
あって効率的な伝熱が実現できる。また、発熱体を通過
する流体は略均一に拡散させられるため、流体は強制的
に金属板の表面に均一に接触させられ、触媒反応が均一
に進行する。
【００６８】請求項３記載の触媒反応装置では、請求項
２の効果に加えて、金属板を規則的に積層した発熱体を
流れる流体を、第１〜第３小流路で導きながら、均一に
拡散させることができる。
２の効果に加えて、金属板を規則的に積層した発熱体を
流れる流体を、第１〜第３小流路で導きながら、均一に
拡散させることができる。
【００６９】請求項４記載の触媒反応装置では、請求項
２又は請求項３の効果に加えて、流体に対して、マクロ
的乱流を起こして、金属に略均一に配置された触媒の作
用を有効ならしめることができる。
２又は請求項３の効果に加えて、流体に対して、マクロ
的乱流を起こして、金属に略均一に配置された触媒の作
用を有効ならしめることができる。
【００７０】請求項５記載の触媒反応装置では、請求項
２の効果に加えて、金属板の厚みが３０ミクロン以上１
ｍｍ以下であると、電力が入り易く、又伝熱面積を大き
くとるための波形等の加工による小流路の確保が容易に
なる。また、使用する周波数が１５ＫＨＺ〜１５０ＫＨ
ｚの範囲であると、コイルの銅損や、スイッチング素子
の損失を防止できる。特に、損失が少ない周波数帯とし
ては、２０〜７０ＫＨｚである。
２の効果に加えて、金属板の厚みが３０ミクロン以上１
ｍｍ以下であると、電力が入り易く、又伝熱面積を大き
くとるための波形等の加工による小流路の確保が容易に
なる。また、使用する周波数が１５ＫＨＺ〜１５０ＫＨ
ｚの範囲であると、コイルの銅損や、スイッチング素子
の損失を防止できる。特に、損失が少ない周波数帯とし
ては、２０〜７０ＫＨｚである。
【００７１】請求項６記載の触媒反応装置では、請求項
２又は請求項５の効果に加えて、発熱対の１立方センチ
メートル当たりの伝熱面積が２．５平方センチメートル
以上、より好ましくは５平方センチメートル以上になる
ように金属板を積層すると、熱交換の効率を上げること
ができる。
２又は請求項５の効果に加えて、発熱対の１立方センチ
メートル当たりの伝熱面積が２．５平方センチメートル
以上、より好ましくは５平方センチメートル以上になる
ように金属板を積層すると、熱交換の効率を上げること
ができる。
【００７２】請求項７記載の触媒反応装置では、請求項
２、請求項５又は請求項６の効果に加えて、発熱対の伝
熱面積１平方センチメートル当たりの流体量を０．４立
方センチメートル以下、より好ましくは０．１立方セン
チメートル以下にすると、流体に対する伝熱の急速応答
性が得られる。
２、請求項５又は請求項６の効果に加えて、発熱対の伝
熱面積１平方センチメートル当たりの流体量を０．４立
方センチメートル以下、より好ましくは０．１立方セン
チメートル以下にすると、流体に対する伝熱の急速応答
性が得られる。
【００７３】請求項８記載の触媒反応装置では、吸熱体
の金属板を積層して小流路を形成し、流体に拡散を生じ
させるという構造によって、流体の単位容積に対する比
表面積が大きくなり、流体は強制的に金属板の表面に均
一に接触させられるので、略均一であって効率的な吸引
と触媒反応が実現できる。また、金属板間の小流路に沿
って略均一に伝熱管を固着することで、触媒反応におけ
る吸熱に対する均一な熱交換を得られる。
の金属板を積層して小流路を形成し、流体に拡散を生じ
させるという構造によって、流体の単位容積に対する比
表面積が大きくなり、流体は強制的に金属板の表面に均
一に接触させられるので、略均一であって効率的な吸引
と触媒反応が実現できる。また、金属板間の小流路に沿
って略均一に伝熱管を固着することで、触媒反応におけ
る吸熱に対する均一な熱交換を得られる。
【００７４】請求項９記載の触媒反応装置では、請求項
８の効果に加えて、金属板を規則的に積層した吸熱体を
流れる流体を、第１〜第３小流路で導きながら、均一に
拡散させることができる。
８の効果に加えて、金属板を規則的に積層した吸熱体を
流れる流体を、第１〜第３小流路で導きながら、均一に
拡散させることができる。
【００７５】請求項１０記載の触媒反応装置では、請求
項８又は請求項９の効果に加えて、流体に対して、マク
ロ的乱流を起こして、金属板に略均一に配置された触媒
の作用を効果ならしめることができる。
項８又は請求項９の効果に加えて、流体に対して、マク
ロ的乱流を起こして、金属板に略均一に配置された触媒
の作用を効果ならしめることができる。
【００７６】請求項１１記載の触媒反応装置では、発熱
体が部材を規則正しく組み立てて、これらの部材が電気
的に導通する構造にすると、電磁誘導による渦電流の発
生が発熱体の断面の略全域にわたって生じるが、流体の
単位容積に対する比表面積を極端に大きくすることな
く、表面温度が大きくされた各小流路の壁に、流体が接
触する機会が得られるので、発熱体に対する流体の表面
積をそれほど大きくすることなく、表面における温度を
大きくして触媒反応を行う流体に適用することが可能と
なる。
体が部材を規則正しく組み立てて、これらの部材が電気
的に導通する構造にすると、電磁誘導による渦電流の発
生が発熱体の断面の略全域にわたって生じるが、流体の
単位容積に対する比表面積を極端に大きくすることな
く、表面温度が大きくされた各小流路の壁に、流体が接
触する機会が得られるので、発熱体に対する流体の表面
積をそれほど大きくすることなく、表面における温度を
大きくして触媒反応を行う流体に適用することが可能と
なる。
【００７７】請求項１２記載の触媒反応装置では、発熱
体の温度制御が厳密にできるため、大量反応に適した温
度に設定する第１触媒反応器と、反応率を高めるために
適した温度に設定した第２触媒反応器のように、使い分
けてシステム全体としての効率を高めることができ、且
つその触媒反応率も向上する。
体の温度制御が厳密にできるため、大量反応に適した温
度に設定する第１触媒反応器と、反応率を高めるために
適した温度に設定した第２触媒反応器のように、使い分
けてシステム全体としての効率を高めることができ、且
つその触媒反応率も向上する。
【００７８】請求項１３記載の触媒反応装置では、発熱
体の温度制御が厳密にできるため、予め必要な個別流体
毎に加熱し、触媒反応器としての効率を高めることがで
き、且つ流体の触媒反応率も向上する。
体の温度制御が厳密にできるため、予め必要な個別流体
毎に加熱し、触媒反応器としての効率を高めることがで
き、且つ流体の触媒反応率も向上する。
【図１】本発明の触媒反応装置の機器本体の斜視図であ
る。
る。
【図２】発熱体の構造図である。
【図３】発熱体の温度分布を示す上面図である。
【図４】電磁誘導による触媒反応装置の機器構成図であ
る。
る。
【図５】板厚と熱効率の関係を示すグラフ図である。
【図６】高周波電流の周波数と熱効率との関係を示すグ
ラフ図である。
ラフ図である。
【図７】発熱体の山高と熱効率との関係を示すグラフ図
である。
である。
【図８】発熱体の山高と伝熱面積との関係を示すグラフ
図である。
図である。
【図９】発熱体の山高と水膜厚の関係を示すグラフ図で
ある。
ある。
【図１０】吸熱体による触媒反応装置の要部を示す図で
ある。
ある。
【図１１】吸熱体の構造図である。
【図１２】本発明の触媒反応装置を適用した燃料電池の
システム図である。
システム図である。
【図１３】本発明の触媒反応装置を適用した他の燃料電
池のシステム図である。
池のシステム図である。
【図１４】本発明の触媒反応装置を適用した触媒反応装
置システム図である。
置システム図である。
【図１５】本発明の触媒反応装置を適用した他の触媒反
応装置システム図である。
応装置システム図である。
【図１６】本発明の触媒反応装置に用いられる他の発熱
体を示す構造図である。
体を示す構造図である。
１ 装置本体 １１ パイプ（流体通路） １２ 発熱体（伝熱体） １３ コイル １４ 触媒粒子 ３１ 第１金属板 ３２ 第２金属板 ３５ 第１小流路 ３６ 第２小流路 ３７ 孔（第３小流路） ３８ 凹凸 ４０ 装置本体 ４１ 吸熱体 ４２ 金属板 ４４ 伝熱管 ４５ 触媒粒子 ４６ 孔 ４７ 凹凸 ８０ 小径パイプ部材（部材）
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０５Ｂ 6/10 ３３１ Ｈ０５Ｂ 6/10 ３３１
Claims (13)
- 【請求項１】 流体通路に設けられた伝熱体を有する触
媒反応装置であって、 前記伝熱体は、触媒金属で形成された金属板、又は表面
に触媒粒子が略均一に着けられた金属板を積層した積層
体であり、 前記積層体の積層の仕方が、前記金属板間に多数の規則
的な小流路を形成し、前記積層体を通過する流体に略均
一な拡散を生じさせるものであり、 前記積層体を構成する金属板自体が全体にわたって略均
一な発熱板又は吸熱板に形成されたものであり、 前記金属板に沿って流れる流体に、発熱又は吸熱と同時
の触媒反応を起こさせるようにした触媒反応装置。 - 【請求項２】 流体通路内に設けられた導電性物質の発
熱体と、該発熱体の周囲に設けられたコイルと、該コイ
ルに対する高周波電流発生器とを備えてなる触媒反応装
置であって、 前記発熱体は、触媒金属で形成された金属板、又は表面
に触媒粒子が略均一に着けられた金属板を積層した積層
体であり、 前記積層体の積層の仕方が、前記金属板間に多数の規則
的な小流路を形成し、前記積層体を通過する流体に略均
一な拡散を生じさせるものであるとともに、前記金属板
を互いに電気的に導通して、前記積層体の断面の略全体
に渦電流を形成するものであり、 前記金属板に沿って流れる流体に、前記金属板の発熱に
よる加熱と同時の触媒反応を起こさせるようにした触媒
反応装置。 - 【請求項３】 前記金属板間の規則的な小流路は、互い
に交差する第１、第２小流路と、この交差する第１、第
２小流路間を行き来可能とする第３小流路とを含んで形
成されている請求項２記載の触媒反応装置。 - 【請求項４】 前記金属板の表面に梨地又はエンボス等
の凹凸が施されている請求項２又は３記載の触媒反応装
置。 - 【請求項５】 前記金属板の厚みが３０ミクロン以上１
ｍｍ以下であり、前記高周波電流発生器による高周波電
流の周波数が１５〜１５０ＫＨｚの範囲にある請求項２
記載の触媒反応装置。 - 【請求項６】 前記積層体の１立方センチメートル当た
りの伝熱面積が、２．５平方センチメートル以上である
請求項２又は５記載の触媒反応装置。 - 【請求項７】 前記積層体の伝熱面積１平方センチメー
トル当たりで加熱すべき流体量が、０．４立方センチメ
ートル以下である請求項２又は５又は６記載の触媒反応
装置。 - 【請求項８】 流体通路に設けられた吸熱体と、該吸熱
体に沿って設けられた伝熱管とを備えてなる触媒反応装
置であって、 前記吸熱体は、触媒金属で形成された金属板、又は表面
に触媒粒子が略均一に着けられた金属板を積層した積層
体であり、 前記積層体の積層の仕方が、前記金属板間に多数の規則
的な小流路を形成し、前記積層体を通過する流体に略均
一な拡散を生じさせるものであり、 前記伝熱管は、前記金属板の前記小流路に沿って略均一
に前記金属板に固着されたものであり、 前記金属板に沿って流れる流体に、前記伝熱管を介する
前記金属板の吸熱と同時の触媒反応を起こさせるように
した触媒反応装置。 - 【請求項９】 前記金属板間の規則的な小流路は、互い
に交差する第１、第２小流路と、この交差する第１、第
２小流路間を行き来可能とする第３小流路とを含んで形
成されている請求項８記載の触媒反応装置。 - 【請求項１０】 前記金属板の表面に梨地又はエンボス
等の凹凸が施されている請求項８又は９記載の触媒反応
装置。 - 【請求項１１】 流体通路内に設けられた導電性物質の
発熱体と、該発熱体の周囲に設けられたコイルと、該コ
イルに対す高周波電流発生器とを備えてなる触媒反応装
置であって、 前記発熱体は、触媒金属で形成された金属部材、又は表
面に触媒粒子が略均一に着けられた金属部材を組み立て
した組立体であり、 前記組立体の組み立ての仕方が、前記金属部材を規則的
に配列して多数の小流路を形成し、前記組立体を通過す
る流体を前記小流路に均一に流入させるものであるとと
もに、前記金属部材を互いに電気的に導通して、前記組
立体の断面の略全体に渦電流を形成するものであり、 前記金属部材に沿って流れる流体に、前記金属部材の発
熱による加熱と同時の触媒反応を起こさせるようにした
触媒反応装置。 - 【請求項１２】 異種の流体を混合流体にして触媒反応
させる触媒反応装置であって、 前記混合流体の通路内に電磁誘導で加熱される発熱体を
収納し、この発熱体の流体接触部には触媒金属が設けら
れた第１触媒反応器と、 前記第１触媒反応器からの流体の通路中に電磁誘導で加
熱される発熱体を収納し、この発熱体の流体接触部には
触媒金属が設けられた第２触媒反応器とからなり、前記
第１触媒反応器の加熱温度と前記第２触媒反応器との加
熱温度を異ならせたことを特徴とする触媒反応装置。 - 【請求項１３】 異種の流体を混合流体にして触媒反応
させる触媒反応装置であって、 異種の前記流体のうち少なくとも一つの通路内に、電磁
誘導で加熱される発熱体を収納した加熱器と、 前記加熱器で加熱された流体を含む前記混合流体の通路
内に電磁誘導で加熱される発熱体を収納し、この発熱体
の流体接触部には触媒金属が設けられた触媒反応器とを
備えてなる触媒反応装置。
Priority Applications (6)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7349381A JPH0947664A (ja) | 1995-05-31 | 1995-12-19 | 触媒反応装置 |
| AU58443/96A AU5844396A (en) | 1995-05-31 | 1996-05-29 | Catalytic reaction device, catalytic reaction method, and la minate used for catalytic reaction |
| EP96919995A EP0830893A4 (en) | 1995-05-31 | 1996-05-29 | DEVICE AND METHOD FOR A CATALYTIC REACTION AND LAMINATE USED THEREFOR |
| CN96194144A CN1185120A (zh) | 1995-05-31 | 1996-05-29 | 催化反应装置、催化反应方法及催化反应用层叠体 |
| PCT/JP1996/001449 WO1996038224A1 (fr) | 1995-05-31 | 1996-05-29 | Dispositif de reaction catalytique, procede de reaction catalytique et lamine utilise pour la reaction catalytique |
| KR1019970708479A KR19990022004A (ko) | 1995-05-31 | 1996-05-29 | 촉매반응장치, 촉매반응방법 및, 촉매반응용적층체 |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7-158280 | 1995-05-31 | ||
| JP15828095 | 1995-05-31 | ||
| JP7349381A JPH0947664A (ja) | 1995-05-31 | 1995-12-19 | 触媒反応装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0947664A true JPH0947664A (ja) | 1997-02-18 |
Family
ID=26485453
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7349381A Pending JPH0947664A (ja) | 1995-05-31 | 1995-12-19 | 触媒反応装置 |
Country Status (6)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP0830893A4 (ja) |
| JP (1) | JPH0947664A (ja) |
| KR (1) | KR19990022004A (ja) |
| CN (1) | CN1185120A (ja) |
| AU (1) | AU5844396A (ja) |
| WO (1) | WO1996038224A1 (ja) |
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