水素製造装置
【課題】小型で高効率の触媒反応を可能とする水素製造装置を提供する。
【解決手段】水素製造装置を、溝部を備えた反応容器と、この反応容器の前記溝部を封止するように配設された蓋部材と、蓋部材に設けられた原料導入口とガス排出口と、原料導入口から前記反応容器内に先端部を挿入して装着された原料導入管と、ガス排出口から反応容器内に先端部を挿入して装着されたガス排出管と、反応容器内に配設された触媒担持層と、この触媒担持層に担持された触媒と、を有するものとし、上記の原料導入管とガス排出管は、反応容器内挿入側の先端部に切欠き部を備えた円筒形状であり、かつ、切欠き部を備えた先端部を反応容器内の底部に当接するまで挿入した状態で蓋部材に固着されたものとする。
【解決手段】水素製造装置を、溝部を備えた反応容器と、この反応容器の前記溝部を封止するように配設された蓋部材と、蓋部材に設けられた原料導入口とガス排出口と、原料導入口から前記反応容器内に先端部を挿入して装着された原料導入管と、ガス排出口から反応容器内に先端部を挿入して装着されたガス排出管と、反応容器内に配設された触媒担持層と、この触媒担持層に担持された触媒と、を有するものとし、上記の原料導入管とガス排出管は、反応容器内挿入側の先端部に切欠き部を備えた円筒形状であり、かつ、切欠き部を備えた先端部を反応容器内の底部に当接するまで挿入した状態で蓋部材に固着されたものとする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用の水素製造装置に係り、特に担持した触媒によって所望の反応を進行させるための水素製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、触媒を利用したリアクターが種々の分野で使用されており、目的に応じて最適な設計がなされている。
一方、近年、地球環境保護の観点で二酸化炭素等の地球温暖化ガスの発生がなく、また、エネルギー効率が高いことから、水素を燃料とすることが注目されている。特に、燃料電池は水素を直接電力に変換できることや、発生する熱を利用するコジェネレーションシステムにおいて高いエネルギー変換効率が可能なことから注目されている。これまで燃料電池は宇宙開発や海洋開発等の特殊な条件において採用されてきたが、最近では自動車や家庭用分散電源用途への開発が進んでおり、また、携帯機器用の燃料電池も開発されている。
【０００３】
上記の携帯機器用の燃料電池では小型化が必須であり、炭化水素系燃料を水蒸気改質して水素ガスを生成する改質器の小型化が種々検討されている。例えば、金属基板、シリコン基板、セラミックス基板等にマイクロチャネルを形成し、このマイクロチャネル内に触媒を担持した水素製造装置、あるいは、筐体内部に触媒を担持した水素製造装置が開発されている（特許文献１）。
【特許文献１】特開２００２−２５２０１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の水素製造装置では、触媒を担持させた後に原料導入管、ガス排出管を配設する際、これらを装着するための穴部をマイクロチャネルの基体や筐体の蓋部材等に形成し、この穴部に原料導入管、ガス排出管を挿入しロウ付けにより気密状に接合することが行われていた。
このように穴部から挿入した原料導入管、ガス排出管をロウ付けにより固着する前に、所望の挿入深さとなる位置で仮止めする作業が必要であるが、安定した仮止めが難しく、このため、ロウ付けの作業性が悪く、作業に要する時間が長いという問題があった。また、原料導入管、ガス排出管が固着保持される部位は、蓋部材や基体の厚さに相当する狭い部位だけであるため、原料導入管、ガス排出管の保持強度が低いという問題もあった。
本発明は、上述のような実情に鑑みてなされたものであり、小型で高効率の触媒反応を可能とする水素製造装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
このような目的を達成するために、本発明は、溝部を備えた反応容器と、該反応容器の前記溝部を封止するように配設された蓋部材と、該蓋部材に設けられた原料導入口とガス排出口と、前記原料導入口から前記反応容器内に先端部を挿入して装着された原料導入管と、前記ガス排出口から前記反応容器内に先端部を挿入して装着されたガス排出管と、前記反応容器内に配設された触媒担持層と、該触媒担持層に担持された触媒と、を有し、前記原料導入管と前記ガス排出管は、前記反応容器内挿入側の先端部に切欠き部を備えた円筒形状であり、かつ、前記切欠き部を備えた先端部を前記反応容器内の底部に当接させた状態で前記蓋部材に固着されたものであるような構成とした。
本発明の他の態様として、前記切欠き部は、円筒形状の前記原料導入管および前記ガス排出管の内部流路の直径と略同じ幅であるような構成とした。
本発明の他の態様として、前記原料導入管と前記ガス排出管は、前記蓋部材にロウ付けによって固着されているような構成とした。
【発明の効果】
【０００６】
本発明の水素製造装置は、原料導入管とガス排出管が反応容器内の底部に先端部を当接させて挿入し装着されているので、装着時の仮止めが容易であり、機械的な保持強度が高いとともに、反応容器内への原料の導入は原料導入管の先端部に形成された切欠き部を介して行われ、反応容器内からの生成ガスの回収はガス排出管の先端部に形成された切欠き部を介して行われるので、原料導入とガス排出の経路が確保され、安定した水素製造が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は本発明の水素製造装置の実施形態を示す斜視図であり、図２は図１に示される水素製造装置のＡ−Ａ線における拡大縦断面図である。図１および図２において、本発明の水素製造装置１１は、蓋部材１２と反応容器１４とを備えている。
蓋部材１２は方形状の板部材であり、原料導入口１３Ａとガス排出口１３Ｂを対角の位置に有している。
また、反応容器１４は溝部１４Ａを備えており、この溝部１４Ａを封止するように蓋部材１２が固着されている。
【０００８】
また、反応容器１４内には触媒担持層１５が配設されており、この触媒担持層１５には触媒Ｃが担持されている。
上記の蓋部材１２の原料導入口１３Ａには、反応容器１４の底部１４Ｂ（触媒担持層１５）に先端部１６ａが当接するように原料導入管１６が挿入され装着されている。また、蓋部材１２のガス排出口１３Ｂには、反応容器１４の底部１４Ｂ（触媒担持層１５）に先端部１８ａが当接するようにガス排出管１８が挿入され装着されている。
【０００９】
図３は、上記の水素製造装置１１を構成する原料導入管１６とガス排出管１８の一例を示す斜視図である。原料導入管１６とガス排出管１８は、それぞれ円筒形状をなすものであり、反応容器１４に挿入されている先端部１６ａ，１８ａには切欠き部１７，１９を備えている。切欠き部１７の幅Ｗ１は、原料導入管１６の内部流路１６ｂの直径Ｄ１と略同一であり、また、切欠き部１９の幅Ｗ２は、ガス排出管１８の内部流路１８ｂの直径Ｄ２と略同一である。
蓋部材１２の原料導入口１３Ａと原料導入管１６との接合、蓋部材１２のガス排出口１３Ｂとガス排出管１８との接合は、例えば、ロウ付けにより行うことができる。
【００１０】
このような本発明の水素製造装置１１では、原料導入管１６に供給された原料は、その内部流路１６ｂを流れ、切欠き部１７を経由して反応容器１４内へ導入される。そして、反応容器１４の内部において触媒Ｃの存在の下で所望の反応が行われ、生成された水素は、ガス排出管１８の切欠き部１９から内部流路１８ｂに入り回収される。
水素製造装置１１を構成する蓋部材１２、反応容器１４は、加工が容易で、かつ、接合が容易な金属材料を選択することができ、例えば、ステンレス基板、銅基板、アルミニウム基板、チタン基板、鉄基板、鉄合金基板等であってよい。
蓋部材１２の厚み、反応容器１４の厚み、溝部１４Ａの容積は、水素製造装置１１の大きさ、使用する金属材料の熱容量、熱伝導率等の特性等を考慮して適宜設定することができる。
【００１１】
また、原料導入管１６、ガス排出管１８は、加工が容易で、かつ、接合が容易な金属材料を選択することができ、例えば、蓋部材１２、反応容器１４と同じ金属材料であってよい。円筒形状の原料導入管１６とガス排出管１８の外径、内径（内部流路１６ｂ，１８ｂの直径Ｄ１，Ｄ２）、長さは、水素製造装置１１の大きさ等を考慮して適宜設定することができる。さらに、原料導入管１６、ガス排出管１８の切欠き部１７，１９の深さｄ１，ｄ２は、原料導入管１６、ガス排出管１８の金属材料の強度、原料導入管１６とガス排出管１８の内径Ｄ１，Ｄ２等を考慮して設定することができ、例えば、０．５〜２ｍｍの範囲で適宜設定することができる。
触媒担持層１５は、例えば、金属酸化膜とすることができる。この金属酸化膜は、反応容器１４の金属材料に対して陽極酸化を施したり、ベーマイト処理を施すことにより形成することができる。また、アルミナ溶射によりアルミナ被膜を形成することもできる。
また、触媒Ｃとしては、従来から水素製造に使用されているＣｕ−Ｚｎ系触媒、Ｐｔ系触媒等の公知の触媒を使用することができる。
【００１２】
本発明では、図４に示すように、反応容器１４内に独立した触媒担持体２１を配設してもよい。この触媒担持体２１は、例えば、図５に示されるように、波型に折り曲げられた金属基体２２と、この金属基体２２を覆う触媒担持層２３（金属酸化膜）と、触媒担持層２３に担持された触媒Ｃで構成されたものとすることができる。金属基体２２は、陽極酸化により触媒担持層２３（金属酸化膜）を形成することが可能なＡｌ、Ｓｉ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｖ、Ｂｉ、Ｙ、Ｗ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｈｆ等、ベーマイト処理により触媒担持層２３（金属酸化膜）を形成することが可能なＣｕ、ステンレス、Ｆｅ、Ａｌ等を使用することができる。また、アルミナ溶射によって触媒担持層２３（金属酸化膜）を形成する場合には、金属基体２２の材質には制限はない。
尚、上述の水素製造装置は例示であり、本発明はこれらに限定されるものではない。
【産業上の利用可能性】
【００１３】
本発明は、メタノールの改質、一酸化炭素の酸化除去等の反応からなる水素製造の用途に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の水素製造装置の実施形態を示す斜視図である。
【図２】図１に示される水素製造装置のＡ−Ａ線における拡大縦断面図である。
【図３】本発明の水素製造装置を構成する原料導入管とガス排出管の斜視図である。
【図４】本発明の水素製造装置の他の実施形態を示す斜視図である。
【図５】図４に示される水素製造装置に用いられる触媒担持体を示す部分図断面図である。
【符号の説明】
【００１５】
１１…水素製造装置
１２…蓋部材
１３Ａ…原料導入口
１３Ｂ…ガス排出口
１４…反応容器
１４Ａ…溝部
１５…触媒担持層
１６…原料導入管
１６ａ…先端部
１７…切欠き部
１８…ガス排出管
１８ａ…先端部
１９…切欠き部
２１…触媒担持体
２３…触媒担持層
Ｃ…触媒
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用の水素製造装置に係り、特に担持した触媒によって所望の反応を進行させるための水素製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、触媒を利用したリアクターが種々の分野で使用されており、目的に応じて最適な設計がなされている。
一方、近年、地球環境保護の観点で二酸化炭素等の地球温暖化ガスの発生がなく、また、エネルギー効率が高いことから、水素を燃料とすることが注目されている。特に、燃料電池は水素を直接電力に変換できることや、発生する熱を利用するコジェネレーションシステムにおいて高いエネルギー変換効率が可能なことから注目されている。これまで燃料電池は宇宙開発や海洋開発等の特殊な条件において採用されてきたが、最近では自動車や家庭用分散電源用途への開発が進んでおり、また、携帯機器用の燃料電池も開発されている。
【０００３】
上記の携帯機器用の燃料電池では小型化が必須であり、炭化水素系燃料を水蒸気改質して水素ガスを生成する改質器の小型化が種々検討されている。例えば、金属基板、シリコン基板、セラミックス基板等にマイクロチャネルを形成し、このマイクロチャネル内に触媒を担持した水素製造装置、あるいは、筐体内部に触媒を担持した水素製造装置が開発されている（特許文献１）。
【特許文献１】特開２００２−２５２０１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の水素製造装置では、触媒を担持させた後に原料導入管、ガス排出管を配設する際、これらを装着するための穴部をマイクロチャネルの基体や筐体の蓋部材等に形成し、この穴部に原料導入管、ガス排出管を挿入しロウ付けにより気密状に接合することが行われていた。
このように穴部から挿入した原料導入管、ガス排出管をロウ付けにより固着する前に、所望の挿入深さとなる位置で仮止めする作業が必要であるが、安定した仮止めが難しく、このため、ロウ付けの作業性が悪く、作業に要する時間が長いという問題があった。また、原料導入管、ガス排出管が固着保持される部位は、蓋部材や基体の厚さに相当する狭い部位だけであるため、原料導入管、ガス排出管の保持強度が低いという問題もあった。
本発明は、上述のような実情に鑑みてなされたものであり、小型で高効率の触媒反応を可能とする水素製造装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
このような目的を達成するために、本発明は、溝部を備えた反応容器と、該反応容器の前記溝部を封止するように配設された蓋部材と、該蓋部材に設けられた原料導入口とガス排出口と、前記原料導入口から前記反応容器内に先端部を挿入して装着された原料導入管と、前記ガス排出口から前記反応容器内に先端部を挿入して装着されたガス排出管と、前記反応容器内に配設された触媒担持層と、該触媒担持層に担持された触媒と、を有し、前記原料導入管と前記ガス排出管は、前記反応容器内挿入側の先端部に切欠き部を備えた円筒形状であり、かつ、前記切欠き部を備えた先端部を前記反応容器内の底部に当接させた状態で前記蓋部材に固着されたものであるような構成とした。
本発明の他の態様として、前記切欠き部は、円筒形状の前記原料導入管および前記ガス排出管の内部流路の直径と略同じ幅であるような構成とした。
本発明の他の態様として、前記原料導入管と前記ガス排出管は、前記蓋部材にロウ付けによって固着されているような構成とした。
【発明の効果】
【０００６】
本発明の水素製造装置は、原料導入管とガス排出管が反応容器内の底部に先端部を当接させて挿入し装着されているので、装着時の仮止めが容易であり、機械的な保持強度が高いとともに、反応容器内への原料の導入は原料導入管の先端部に形成された切欠き部を介して行われ、反応容器内からの生成ガスの回収はガス排出管の先端部に形成された切欠き部を介して行われるので、原料導入とガス排出の経路が確保され、安定した水素製造が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は本発明の水素製造装置の実施形態を示す斜視図であり、図２は図１に示される水素製造装置のＡ−Ａ線における拡大縦断面図である。図１および図２において、本発明の水素製造装置１１は、蓋部材１２と反応容器１４とを備えている。
蓋部材１２は方形状の板部材であり、原料導入口１３Ａとガス排出口１３Ｂを対角の位置に有している。
また、反応容器１４は溝部１４Ａを備えており、この溝部１４Ａを封止するように蓋部材１２が固着されている。
【０００８】
また、反応容器１４内には触媒担持層１５が配設されており、この触媒担持層１５には触媒Ｃが担持されている。
上記の蓋部材１２の原料導入口１３Ａには、反応容器１４の底部１４Ｂ（触媒担持層１５）に先端部１６ａが当接するように原料導入管１６が挿入され装着されている。また、蓋部材１２のガス排出口１３Ｂには、反応容器１４の底部１４Ｂ（触媒担持層１５）に先端部１８ａが当接するようにガス排出管１８が挿入され装着されている。
【０００９】
図３は、上記の水素製造装置１１を構成する原料導入管１６とガス排出管１８の一例を示す斜視図である。原料導入管１６とガス排出管１８は、それぞれ円筒形状をなすものであり、反応容器１４に挿入されている先端部１６ａ，１８ａには切欠き部１７，１９を備えている。切欠き部１７の幅Ｗ１は、原料導入管１６の内部流路１６ｂの直径Ｄ１と略同一であり、また、切欠き部１９の幅Ｗ２は、ガス排出管１８の内部流路１８ｂの直径Ｄ２と略同一である。
蓋部材１２の原料導入口１３Ａと原料導入管１６との接合、蓋部材１２のガス排出口１３Ｂとガス排出管１８との接合は、例えば、ロウ付けにより行うことができる。
【００１０】
このような本発明の水素製造装置１１では、原料導入管１６に供給された原料は、その内部流路１６ｂを流れ、切欠き部１７を経由して反応容器１４内へ導入される。そして、反応容器１４の内部において触媒Ｃの存在の下で所望の反応が行われ、生成された水素は、ガス排出管１８の切欠き部１９から内部流路１８ｂに入り回収される。
水素製造装置１１を構成する蓋部材１２、反応容器１４は、加工が容易で、かつ、接合が容易な金属材料を選択することができ、例えば、ステンレス基板、銅基板、アルミニウム基板、チタン基板、鉄基板、鉄合金基板等であってよい。
蓋部材１２の厚み、反応容器１４の厚み、溝部１４Ａの容積は、水素製造装置１１の大きさ、使用する金属材料の熱容量、熱伝導率等の特性等を考慮して適宜設定することができる。
【００１１】
また、原料導入管１６、ガス排出管１８は、加工が容易で、かつ、接合が容易な金属材料を選択することができ、例えば、蓋部材１２、反応容器１４と同じ金属材料であってよい。円筒形状の原料導入管１６とガス排出管１８の外径、内径（内部流路１６ｂ，１８ｂの直径Ｄ１，Ｄ２）、長さは、水素製造装置１１の大きさ等を考慮して適宜設定することができる。さらに、原料導入管１６、ガス排出管１８の切欠き部１７，１９の深さｄ１，ｄ２は、原料導入管１６、ガス排出管１８の金属材料の強度、原料導入管１６とガス排出管１８の内径Ｄ１，Ｄ２等を考慮して設定することができ、例えば、０．５〜２ｍｍの範囲で適宜設定することができる。
触媒担持層１５は、例えば、金属酸化膜とすることができる。この金属酸化膜は、反応容器１４の金属材料に対して陽極酸化を施したり、ベーマイト処理を施すことにより形成することができる。また、アルミナ溶射によりアルミナ被膜を形成することもできる。
また、触媒Ｃとしては、従来から水素製造に使用されているＣｕ−Ｚｎ系触媒、Ｐｔ系触媒等の公知の触媒を使用することができる。
【００１２】
本発明では、図４に示すように、反応容器１４内に独立した触媒担持体２１を配設してもよい。この触媒担持体２１は、例えば、図５に示されるように、波型に折り曲げられた金属基体２２と、この金属基体２２を覆う触媒担持層２３（金属酸化膜）と、触媒担持層２３に担持された触媒Ｃで構成されたものとすることができる。金属基体２２は、陽極酸化により触媒担持層２３（金属酸化膜）を形成することが可能なＡｌ、Ｓｉ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｖ、Ｂｉ、Ｙ、Ｗ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｈｆ等、ベーマイト処理により触媒担持層２３（金属酸化膜）を形成することが可能なＣｕ、ステンレス、Ｆｅ、Ａｌ等を使用することができる。また、アルミナ溶射によって触媒担持層２３（金属酸化膜）を形成する場合には、金属基体２２の材質には制限はない。
尚、上述の水素製造装置は例示であり、本発明はこれらに限定されるものではない。
【産業上の利用可能性】
【００１３】
本発明は、メタノールの改質、一酸化炭素の酸化除去等の反応からなる水素製造の用途に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の水素製造装置の実施形態を示す斜視図である。
【図２】図１に示される水素製造装置のＡ−Ａ線における拡大縦断面図である。
【図３】本発明の水素製造装置を構成する原料導入管とガス排出管の斜視図である。
【図４】本発明の水素製造装置の他の実施形態を示す斜視図である。
【図５】図４に示される水素製造装置に用いられる触媒担持体を示す部分図断面図である。
【符号の説明】
【００１５】
１１…水素製造装置
１２…蓋部材
１３Ａ…原料導入口
１３Ｂ…ガス排出口
１４…反応容器
１４Ａ…溝部
１５…触媒担持層
１６…原料導入管
１６ａ…先端部
１７…切欠き部
１８…ガス排出管
１８ａ…先端部
１９…切欠き部
２１…触媒担持体
２３…触媒担持層
Ｃ…触媒
【特許請求の範囲】
【請求項１】
溝部を備えた反応容器と、該反応容器の前記溝部を封止するように配設された蓋部材と、該蓋部材に設けられた原料導入口とガス排出口と、前記原料導入口から前記反応容器内に先端部を挿入して装着された原料導入管と、前記ガス排出口から前記反応容器内に先端部を挿入して装着されたガス排出管と、前記反応容器内に配設された触媒担持層と、該触媒担持層に担持された触媒と、を有し、前記原料導入管と前記ガス排出管は、前記反応容器内挿入側の先端部に切欠き部を備えた円筒形状であり、かつ、前記切欠き部を備えた先端部を前記反応容器内の底部に当接させた状態で前記蓋部材に固着されたものであることを特徴とする水素製造装置。
【請求項２】
前記切欠き部は、円筒形状の前記原料導入管および前記ガス排出管の内部流路の直径と略同じ幅であることを特徴とする請求項１に記載の水素製造装置。
【請求項３】
前記原料導入管と前記ガス排出管は、前記蓋部材にロウ付けによって固着されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の水素製造装置。
【請求項１】
溝部を備えた反応容器と、該反応容器の前記溝部を封止するように配設された蓋部材と、該蓋部材に設けられた原料導入口とガス排出口と、前記原料導入口から前記反応容器内に先端部を挿入して装着された原料導入管と、前記ガス排出口から前記反応容器内に先端部を挿入して装着されたガス排出管と、前記反応容器内に配設された触媒担持層と、該触媒担持層に担持された触媒と、を有し、前記原料導入管と前記ガス排出管は、前記反応容器内挿入側の先端部に切欠き部を備えた円筒形状であり、かつ、前記切欠き部を備えた先端部を前記反応容器内の底部に当接させた状態で前記蓋部材に固着されたものであることを特徴とする水素製造装置。
【請求項２】
前記切欠き部は、円筒形状の前記原料導入管および前記ガス排出管の内部流路の直径と略同じ幅であることを特徴とする請求項１に記載の水素製造装置。
【請求項３】
前記原料導入管と前記ガス排出管は、前記蓋部材にロウ付けによって固着されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の水素製造装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００７−９９５７４（Ｐ２００７−９９５７４Ａ）
【公開日】平成１９年４月１９日（２００７．４．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２９３６１９（Ｐ２００５−２９３６１９）
【出願日】平成１７年１０月６日（２００５．１０．６）
【出願人】（０００００２８９７）大日本印刷株式会社 (14,506)
【出願人】（３９７００３２１９）司ゴム電材株式会社 (10)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年４月１９日（２００７．４．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１０月６日（２００５．１０．６）
【出願人】（０００００２８９７）大日本印刷株式会社 (14,506)
【出願人】（３９７００３２１９）司ゴム電材株式会社 (10)
【Ｆターム（参考）】
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