知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」
▶ 株式会社日本自動車部品総合研究所の特許一覧 ▶ 株式会社デンソーの特許一覧
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023164193
(43)【公開日】2023-11-10
(54)【発明の名称】改質反応器
(51)【国際特許分類】
C01B 3/38 20060101AFI20231102BHJP
【ＦＩ】
C01B3/38
【審査請求】未請求
【請求項の数】5
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022075596
(22)【出願日】2022-04-29
(71)【出願人】
【識別番号】000004695
【氏名又は名称】株式会社ＳＯＫＥＮ
(71)【出願人】
【識別番号】000004260
【氏名又は名称】株式会社デンソー
(74)【代理人】
【識別番号】110001128
【氏名又は名称】弁理士法人ゆうあい特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】山本 亮平
(72)【発明者】
【氏名】泉 桂広
(72)【発明者】
【氏名】吉川 達也
【テーマコード（参考）】
4G140
【Ｆターム（参考）】
4G140EA03
4G140EA06
4G140EB14
4G140EB23
4G140EC02
4G140EC03
(57)【要約】
【課題】触媒層に温度分布が生じる場合において、改質反応器全体の原料ガスの改質率を向上させる。
【解決手段】改質反応器１０は、原料ガスが流れる原料ガス流路１１と、原料ガス流路１１の内部に配置された触媒層１２と、触媒層１２を加熱する燃焼ガス流路１３と、を備え、触媒層１２は、触媒層１２が配置されている位置での原料ガス流路１１の横断面において、触媒層のうち燃焼ガス流路１３によって加熱されているときに最も温度が高い部分を含む下層１２２と、触媒層１２のうち燃焼ガス流路１３によって加熱されているときに最も温度が低い部分を含む上層１２１と、を有し、下層１２２の空隙率は、上層１２１の空隙率よりも大きい。
【選択図】図１
【解決手段】改質反応器１０は、原料ガスが流れる原料ガス流路１１と、原料ガス流路１１の内部に配置された触媒層１２と、触媒層１２を加熱する燃焼ガス流路１３と、を備え、触媒層１２は、触媒層１２が配置されている位置での原料ガス流路１１の横断面において、触媒層のうち燃焼ガス流路１３によって加熱されているときに最も温度が高い部分を含む下層１２２と、触媒層１２のうち燃焼ガス流路１３によって加熱されているときに最も温度が低い部分を含む上層１２１と、を有し、下層１２２の空隙率は、上層１２１の空隙率よりも大きい。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
化学構造に炭化水素を含む原料ガスを改質反応により水素を含む燃料ガスに改質する改質反応器であって、
前記原料ガスが流れる原料ガス流路（１１、２１）と、
前記原料ガス流路の内部に配置され、前記原料ガスが通過可能な空隙を有し、前記改質反応を生じさせる触媒層（１２、２２）と、
前記触媒層を加熱する加熱部（１３、２３）と、を備え、
前記触媒層は、前記触媒層が配置されている位置での前記原料ガス流路の横断面において、前記触媒層のうち前記加熱部に加熱されているときに最も温度が高い部分（１２ａ、２２ａ）を含む第１領域（１２２、２２２）と、前記触媒層のうち前記加熱部に加熱されているときに最も温度が低い部分（１２ｂ、２２ｂ）を含む第２領域（１２１、２２２）と、を有し、
前記第１領域の空隙率は、前記第２領域の空隙率よりも大きい、改質反応器。
前記原料ガスが流れる原料ガス流路（１１、２１）と、
前記原料ガス流路の内部に配置され、前記原料ガスが通過可能な空隙を有し、前記改質反応を生じさせる触媒層（１２、２２）と、
前記触媒層を加熱する加熱部（１３、２３）と、を備え、
前記触媒層は、前記触媒層が配置されている位置での前記原料ガス流路の横断面において、前記触媒層のうち前記加熱部に加熱されているときに最も温度が高い部分（１２ａ、２２ａ）を含む第１領域（１２２、２２２）と、前記触媒層のうち前記加熱部に加熱されているときに最も温度が低い部分（１２ｂ、２２ｂ）を含む第２領域（１２１、２２２）と、を有し、
前記第１領域の空隙率は、前記第２領域の空隙率よりも大きい、改質反応器。
【請求項2】
前記触媒層は、前記横断面において、前記第１領域と前記第２領域との間に第３領域（１２３）を有し、
前記第３領域の空隙率は、前記第１領域の空隙率よりも小さく、前記第２領域の空隙率よりも大きい、請求項１に記載の改質反応器。
前記第３領域の空隙率は、前記第１領域の空隙率よりも小さく、前記第２領域の空隙率よりも大きい、請求項１に記載の改質反応器。
【請求項3】
前記原料ガス流路は、前記原料ガスが流入する入口（１１１）と、前記原料ガスが流出する出口（１１２）とを有し、
前記触媒層のうち前記横断面で最も温度が高い部分が位置する側かつ前記入口から前記出口に向かう方向での前記出口側の端部の温度が、前記触媒層のなかで最も高く、
前記横断面における前記触媒層の前記第２領域に対する前記第１領域の割合は、前記触媒層のうち前記入口側の端部よりも前記触媒層のうち前記出口側の端部の方が小さい、請求項１に記載の改質反応器。
前記触媒層のうち前記横断面で最も温度が高い部分が位置する側かつ前記入口から前記出口に向かう方向での前記出口側の端部の温度が、前記触媒層のなかで最も高く、
前記横断面における前記触媒層の前記第２領域に対する前記第１領域の割合は、前記触媒層のうち前記入口側の端部よりも前記触媒層のうち前記出口側の端部の方が小さい、請求項１に記載の改質反応器。
【請求項4】
前記原料ガス流路は、前記原料ガスが流入する入口（１１１）と、前記原料ガスが流出する出口（１１２）とを有し、
前記触媒層のうち前記横断面で最も温度が高い部分が位置する側かつ前記入口から前記出口に向かう方向での前記入口側の端部の温度が、前記触媒層のなかで最も高く、
前記横断面における前記触媒層の前記第２領域に対する前記第１領域の割合は、前記触媒層のうち前記出口側の端部よりも前記触媒層のうち前記入口側の端部の方が小さい、請求項１に記載の改質反応器。
前記触媒層のうち前記横断面で最も温度が高い部分が位置する側かつ前記入口から前記出口に向かう方向での前記入口側の端部の温度が、前記触媒層のなかで最も高く、
前記横断面における前記触媒層の前記第２領域に対する前記第１領域の割合は、前記触媒層のうち前記出口側の端部よりも前記触媒層のうち前記入口側の端部の方が小さい、請求項１に記載の改質反応器。
【請求項5】
前記第１領域は、前記改質反応を生じさせる触媒機能を有する触媒粒子としての第１粒子が充填された状態であり、
前記第２領域は、前記触媒粒子としての第２粒子が充填された状態であり、
前記第１粒子の粒径が前記第２粒子の粒径よりも大きいことで、前記第１領域の空隙率は、前記第２領域の空隙率よりも大きい、請求項１に記載の改質反応器。
前記第２領域は、前記触媒粒子としての第２粒子が充填された状態であり、
前記第１粒子の粒径が前記第２粒子の粒径よりも大きいことで、前記第１領域の空隙率は、前記第２領域の空隙率よりも大きい、請求項１に記載の改質反応器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、化学構造に炭化水素を含む原料ガスを改質反応により水素を含む燃料ガスに改質する改質反応器に関する。
【背景技術】
【0002】
このような改質反応器が特許文献１に開示されている。この改質反応器は、改質触媒を保持した複数の改質ブロックと、各改質ブロックに原料ガスを導く複数のガス流路とを備える。この改質反応器では、触媒を分散して配置することで、局所的な吸熱反応による温度低下を抑制し、改質反応の反応量分布や温度分布を抑制することが図られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開平９－３０８０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
上記の従来技術では、反応量分布を均一にするために、触媒全体を均一に加熱する必要がある。それには、多くのエネルギーが必要であり、システム全体の効率が低下するとともに、コストが増加する。このため、低コスト化の観点では、触媒層の一部を加熱し、触媒層のうち加熱した一部から他の一部へ伝熱させることが好ましい。
【0005】
しかし、この場合、触媒層のうち加熱部から受熱した受熱部を含む領域での温度が高く、触媒層のうち受熱部から離れた側の領域での温度が低いという温度分布が、触媒層に生じる。触媒層のうち温度が低い低温領域を原料ガスが通過するときの改質率は、触媒層のうち温度が高い高温領域を原料ガスが通過するときの改質率よりも低い。このため、改質反応器全体の原料ガスの改質率が低くなる。
【0006】
本発明は上記点に鑑みて、触媒層に温度分布が生じる場合において、改質反応器全体の原料ガスの改質率を向上させることができる改質反応器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】
【0007】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明によれば、
化学構造に炭化水素を含む原料ガスを改質反応により水素を含む燃料ガスに改質する改質反応器は、
原料ガスが流れる原料ガス流路（１１、２１）と、
原料ガス流路の内部に配置され、原料ガスが通過可能な空隙を有し、改質反応を生じさせる触媒層（１２、２２）と、
触媒層を加熱する加熱部（１３、２３）と、を備え、
触媒層は、触媒層が配置されている位置での原料ガス流路の横断面において、触媒層のうち加熱部に加熱されているときに最も温度が高い部分（１２ａ、２２ａ）を含む第１領域（１２２、２２２）と、触媒層のうち加熱部に加熱されているときに最も温度が低い部分（１２ｂ、２２ｂ）を含む第２領域（１２１、２２１）と、を有し、
第１領域の空隙率は、第２領域の空隙率よりも大きい。
化学構造に炭化水素を含む原料ガスを改質反応により水素を含む燃料ガスに改質する改質反応器は、
原料ガスが流れる原料ガス流路（１１、２１）と、
原料ガス流路の内部に配置され、原料ガスが通過可能な空隙を有し、改質反応を生じさせる触媒層（１２、２２）と、
触媒層を加熱する加熱部（１３、２３）と、を備え、
触媒層は、触媒層が配置されている位置での原料ガス流路の横断面において、触媒層のうち加熱部に加熱されているときに最も温度が高い部分（１２ａ、２２ａ）を含む第１領域（１２２、２２２）と、触媒層のうち加熱部に加熱されているときに最も温度が低い部分（１２ｂ、２２ｂ）を含む第２領域（１２１、２２１）と、を有し、
第１領域の空隙率は、第２領域の空隙率よりも大きい。
【0008】
これによれば、第１領域の平均温度は、第２領域の平均温度よりも高い。このため、第１領域では、第２領域よりも改質反応の反応速度が大きい。そして、第１領域の空隙率は、第２領域の空隙率よりも大きい。このため、反応速度が小さい第２領域よりも反応速度が大きい第１領域に原料ガスが多く流れる。よって、本発明と異なり、触媒層をガスが均等に流れる場合や、反応速度が大きい第１領域よりも反応速度が小さい第２領域にガスが多く流れる場合と比較して、改質反応器全体での原料ガスの改質率を向上させることができる。
【0009】
なお、各構成要素等に付された括弧付きの参照符号は、その構成要素等と後述する実施形態に記載の具体的な構成要素等との対応関係の一例を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】第１実施形態における改質反応器の縦断面図である。
【図7】比較例１における改質反応器の縦断面図である。
【図8】第１実施形態および比較例１における原料ガス流路の内部の温度分布を示す図である。
【図12】実施例１、２および比較例２の改質率のシミュレーション結果である。
【図13】第２実施形態における改質反応器の縦断面図である。
【図16】第３実施形態における改質反応器の縦断面図である。
【図19】第４実施形態における改質反応器の縦断面図である。
【図20】第５実施形態における改質反応器の縦断面図である。
【図27】比較例３における改質反応器の縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。
【0012】
（第１実施形態）
本実施形態の改質反応器は、化学構造に炭化水素を含む原料ガスを改質反応により水素を含む燃料ガスに改質する。改質反応は、水蒸気を用いた水蒸気改質反応である。水蒸気改質反応では、原料ガスと水蒸気とが触媒存在下で吸熱反応して、水素と一酸化炭素とが生成する。
本実施形態の改質反応器は、化学構造に炭化水素を含む原料ガスを改質反応により水素を含む燃料ガスに改質する。改質反応は、水蒸気を用いた水蒸気改質反応である。水蒸気改質反応では、原料ガスと水蒸気とが触媒存在下で吸熱反応して、水素と一酸化炭素とが生成する。
【0013】
図１～図４に示すように、改質反応器１０は、原料ガス流路１１と、触媒層１２と、燃焼ガス流路１３と、断熱材１４と、を備える。図１は、原料ガス流路１１の長手方向に双方向で切断した改質反応器１０の縦断面図である。
【0014】
原料ガス流路１１は、原料ガスが流れる流路である。原料ガス流路１１は、原料ガスが流入する入口１１１と、原料ガスが流出する出口１１２とを有する。
【0015】
原料ガス流路１１は、筒状の流路形成部材１５と、仕切り部材１６とによって構成されている。流路形成部材１５および仕切り部材１６は、金属材料で構成される。仕切り部材１６は、流路形成部材１５の内部空間を上下に並ぶ２つの流路に仕切る。原料ガス流路１１は、２つの流路のうち上側に位置する流路である。原料ガス流路１１の横断面形状は、長方形である。
【0016】
触媒層１２は、原料ガス流路１１に配置される。触媒層１２は、原料ガスが通過可能な空隙を有する。触媒層１２は、上記の改質反応を生じさせる改質触媒を含む。触媒層１２は、原料ガス流路１１のうち入口側から出口側にわたって配置されている。触媒層１２は、原料ガスが触媒層１２中を流れるように、原料ガス流路１１の横断面の全体を占めている。触媒層１２の詳細については、後述する。
【0017】
燃焼ガス流路１３は、図示しない燃料電池から排出されたガスを燃焼させた燃焼ガスが流れる流路である。燃焼ガス流路１３は、燃焼ガス流路１３を流れる燃焼ガスによって、触媒層１２を加熱する加熱部である。
【0018】
燃焼ガス流路１３は、燃焼ガス流れと原料ガス流れとが平行になるように、原料ガス流路１１に隣接して配置されている。燃焼ガス流路１３は、仕切り部材１６によって仕切られた２つの流路のうち下側に位置する流路である。燃焼ガスと原料ガスとは対向して流れる。燃焼ガス流路１３の横断面形状は、長方形である。
【0019】
断熱材１４は、原料ガス流路１１と燃焼ガス流路１３の両方を含む流路全体の周囲を覆う。
【0020】
触媒層１２は、触媒粒子の集合体で構成される。触媒粒子は、改質反応を生じさせる触媒機能を有する粒子である。触媒粒子として、粒子状の担体の表面に、触媒材料が担持されたものが用いられる。触媒粒子として、粒子状の触媒材料が用いられてもよい。触媒材料は、ロジウムやルテニウム等の貴金属またはＮｉである。
【0021】
触媒層１２は、上層１２１と下層１２２とを有する。上層１２１は、触媒層１２のうち上側半分の部分である。下層１２２は、触媒層１２のうち下側半分の部分である。図５に示すように、上層１２１は、触媒粒子としての第１粒子の集合体で構成されており、第１粒子が充填された状態である。図６に示すように、下層１２２は、第１粒子よりも粒径が大きい、触媒粒子としての第２粒子の集合体で構成されており、第２粒子が充填された状態である。下層１２２には、上層１２１と比較して大きな空隙が存在する。
【0022】
このため、触媒層１２が配置されている位置での原料ガス流路１１の横断面において、触媒層１２の空隙率を比較したとき、下層１２２の空隙率は、上層１２１の空隙率よりも大きい。原料ガス流路１１の横断面は、原料ガス流路１１の長手方向に垂直な面で切断したときの原料ガス流路１１の断面である。原料ガス流路１１の長手方向に垂直な面は、原料ガス流路１１の中心線に対して垂直な面である。空隙率は、原料ガス流路の横断面における単位面積当たりの空隙の面積の割合である。上層１２１および下層１２２のとり得る空隙率の範囲は、２５％から８０％までの範囲である。下層１２２の空隙率と上層１２１の空隙率との差は、空隙率の測定誤差よりも大きく、例えば、０．１％以上である。なお、原料ガス流路１１の横断面における上層１２１と下層１２２の面積比は、１：１であるが、これ以外であってもよい。
【0023】
ここで、空隙率の測定方法について説明する。まず、原料ガス流路１１の横断面に対応する触媒層１２の断面の画像が取得される。続いて、取得した画像に対して画像処理が行われることで、空隙率が算出される。なお、空隙率の算出では、原料ガス流路１１を構成する壁と触媒層１２との間に形成される隙間は、含まれない。
【0024】
次に、触媒層１２の製造方法について説明する。第２粒子が充填されることで、下層１２２が形成される。その後、下層１２２の上に第１粒子が充填されることで、上層１２１が形成される。これにより、触媒層１２が製造される。
【0025】
また、種々の粒径を有する触媒粒子を揺らしながら容器の中に充填する。この場合、触媒粒子のうち粒径が小さな粒子が下側に充填され、触媒粒子のうち粒径が大きな粒子が上側に充填される。その後、容器の上下を反転させる。このようにして、触媒層１２を製造することも可能である。
【0026】
第１粒子の粒径は、第２粒子同士の隙間よりも大きい。第１粒子と第２粒子のそれぞれは、移動できないほど充填されている。このため、第１粒子の集合体と第２粒子の集合体とが混ざらない。なお、第１粒子の集合体と、第２粒子の集合体との間に、第１粒子と第２粒子とのそれぞれの移動を抑制する網等の仕切りが設けられてもよい。
【0027】
次に、本実施形態の効果について、比較例１と対比して説明する。図７に示す比較例１の改質反応器１０Ａでは、本実施形態と異なり、原料ガス流路１１の横断面での空隙率を比較したとき、下層１２２の空隙率は、上層１２１の空隙率よりも小さい。比較例１の触媒層１２は、種々の粒径を有する触媒粒子を揺らしながら充填することで、製造される。比較例１の改質反応器１０Ａの他の構成は、本実施形態と同じである。
【0028】
図８～図１１は、本実施形態の改質反応器１０および比較例１の改質反応器１０Ａにおいて、触媒層１２が配置された領域における原料ガス流路１１の内部の温度分布を示している。図８～図１１において、原料ガス流路１１の内部に付された１～８の数字は、温度の高低を示している。数字が小さいほど温度が高い。
【0029】
燃焼ガス流路１３を流れる燃焼ガスから原料ガス流路１１の内部へ熱が伝わる。原料ガス流路１１の内部で生じる改質反応は吸熱反応である。原料ガス流路１１の内部の触媒層１２では、触媒粒子同士の接触部を熱が伝わるため、熱伝達しにくい。このため、原料ガス流路１１の内部に温度分布が生じる。
【0030】
図８～図１１に示すように、本実施形態と比較例１のどちらにおいても、原料ガス流路１１の内部は、原料ガス流路１１のどの横断面においても、燃焼ガス流路１３に近い側である下側の部分の温度が燃焼ガス流路１３から遠い側である上側の部分の温度よりも高いという温度分布を有する。このため、触媒層１２の上層１２１の平均温度よりも、触媒層１２の下層１２２での平均温度の方が高い。よって、上層１２１での反応速度よりも、下層１２２での反応速度が大きい。
【0031】
比較例１では、下層１２２の空隙率は、上層１２１の空隙率よりも小さい。このため、反応速度が大きい下層１２２よりも反応速度が小さい上層１２１に原料ガスが多く流れる。よって、原料ガスの改質率が低い。
【0032】
これに対して、本実施形態では、下層１２２の空隙率は、上層１２１の空隙率よりも大きい。このため、反応速度が小さい上層１２１よりも反応速度が大きい下層１２２に原料ガスが多く流れる。よって、本実施形態によれば、比較例１よりも原料ガスの改質率が高い。
【0033】
図２～図４に示すように、本実施形態では、触媒層１２が配置されている位置での原料ガス流路１１の横断面において、触媒層１２のうち燃焼ガス流路１３に最も近い部分である下端部１２ａの温度が最も高い。したがって、下層１２２は、原料ガス流路の横断面において、触媒層のうち最も温度が高い部分を含む第１領域に対応する。また、触媒層１２が配置されている位置での原料ガス流路１１の横断面において、触媒層１２のうち燃焼ガス流路１３から最も遠い部分である上端部１２ｂの温度が最も低い。したがって、上層１２１は、原料ガス流路の横断面において、触媒層のうち最も温度が低い部分を含む第２領域に対応する。
【0034】
ここで、図１２に、本発明者が行った実施例１、２および比較例２の改質反応器の改質率のシミュレーション結果を示す。実施例１、２および比較例２では、触媒層１２を上層、中層、下層の三層に分割したときの各層の空隙率が図１２に示す数値である。本発明者は、原料ガス流路１１の内部が図８に示す温度分布を有するときの実施例１、２および比較例２の改質率をシミュレーションで計算した。
【0035】
実施例１では、上層と中層の空隙率は同じであり、下層の空隙率は上層と中層の空隙率よりも大きい。実施例２では、上層と中層の空隙率は実施例１と同じであり、下層の空隙率は、実施例１よりも大きい。実施例１と実施例２とを比較してわかるように、下層の空隙率が増加すると、改質率が向上する。具体的には、空隙率の０．６％の増加によって、改質率が０．１４％向上する。下層は、触媒層のうち温度が最も高い下端部を含む領域である。この結果より、触媒層のうち温度が最も高い部分を含む領域の空隙率が大きいほど、改質率が大きくなることがわかる。
【0036】
比較例２では、中層と下層の空隙率は実施例１と同じであり、上層の空隙率が実施例１よりも大きい。実施例１と比較例２とを比較してわかるように、上層の空隙率が増加すると、改質率が低下する。比較例２の上層の空隙率は、比較例２の下層の空隙率よりも大きい。上層は、触媒層のうち温度が最も低い上端部を含む領域である。このため、改質率を高めるためには、触媒層のうち温度が最も低い部分を含む領域の空隙率は、触媒層のうち温度が最も高い部分を含む領域の空隙率よりも小さいことが必要である。
【0037】
（第２実施形態）
図１３～図１５に示すように、本実施形態では、触媒層１２の上層１２１と下層１２２の配置が、第１実施形態と異なる。すなわち、原料ガス流路１１の横断面における触媒層１２の上層１２１に対する下層１２２の割合は、触媒層１２の入口側端部１２ｃよりも触媒層１２の出口側端部１２ｄの方が小さい。入口側端部１２ｃは、触媒層１２のうち原料ガス流路１１の入口１１１側に位置する端部である。出口側端部１２ｄは、触媒層１２のうち原料ガス流路１１の出口１１２側に位置する端部である。
図１３～図１５に示すように、本実施形態では、触媒層１２の上層１２１と下層１２２の配置が、第１実施形態と異なる。すなわち、原料ガス流路１１の横断面における触媒層１２の上層１２１に対する下層１２２の割合は、触媒層１２の入口側端部１２ｃよりも触媒層１２の出口側端部１２ｄの方が小さい。入口側端部１２ｃは、触媒層１２のうち原料ガス流路１１の入口１１１側に位置する端部である。出口側端部１２ｄは、触媒層１２のうち原料ガス流路１１の出口１１２側に位置する端部である。
【0038】
図１４に示すように、触媒層１２の入口側端部１２ｃでは、触媒層１２の全体に対する上層１２１の割合よりも触媒層１２の全体に対する下層１２２の割合の方が大きい。
【0039】
図１５に示すように、触媒層１２の出口側端部１２ｄでは、触媒層１２の全体に対する上層１２１の割合よりも触媒層１２の全体に対する下層１２２の割合の方が小さい。
【0040】
図１３に示すように、原料ガス流路の入口１１１ら出口１１２に向かう方向での触媒層１２の全域において、下層１２２は触媒層１２の下端部１２ａを含んでいるとともに、上層１２１は触媒層１２の上端部１２ｂを含んでいる。そして、入口側端部１２ｃから出口側端部１２ｄに向かうにつれて、仕切り部材１６からの下層１２２の高さは徐々に低くなっている。すなわち、入口側端部１２ｃから出口側端部１２ｄに向かうにつれて、原料ガス流路１１の横断面における上層１２１に対する下層１２２の割合は徐々に小さくなっている。
【0041】
本実施形態の改質反応器１０の他の構成は、第１実施形態と同じである。このため、本実施形態においても、第１実施形態と同じ効果が得られる。さらに、本実施形態によれば、下記の効果が得られる。
【0042】
燃焼ガス流路１３では、燃焼ガスは原料ガスに対して対向して流れる。すなわち、原料ガスと燃焼ガスとは、対向流の関係である。この場合、原料ガス流路１１の内部は、図８に示す温度分布を有する。原料ガス流路１１の横断面では、下側に向かうにつれて温度が高くなる。原料ガス流路１１の入口１１１から出口１１２に向かう方向では、出口１１２側に向かうにつれて、原料ガス流路１１の内部の温度が高くなる。したがって、触媒層１２のうち下側かつ出口１１２側の部分である図１３に示す下側出口部分Ａ１の温度が、触媒層１２のなかで最も高くなる。
【0043】
本実施形態によれば、原料ガス流路１１の横断面における触媒層１２の上層１２１に対する下層１２２の割合は、触媒層１２の入口側端部１２ｃよりも触媒層１２の出口側端部１２ｄの方が小さい。上層１２１よりも下層１２２の方が空隙率が大きいため、上層１２１よりも下層１２２の方が原料ガスが流れやすい。このため、触媒層１２のなかで最も温度が高い下側出口部分Ａ１に、選択的に原料ガスを流すことができる。
【0044】
原料ガス流路１１の横断面における触媒層１２の上層１２１に対する下層１２２の割合は、触媒層１２の出口側端部１２ｄよりも触媒層１２の入口側端部１２ｃの方が大きい。このため、触媒層１２の入口側での原料ガス流れの圧力損失が小さく、触媒層１２に原料ガスが流入しやすい。
【0045】
また、本実施形態によれば、入口側端部１２ｃから出口側端部１２ｄに向かうにつれて、原料ガス流路１１の横断面における上層１２１に対する下層１２２の割合は徐々に小さくなっている。このため、原料ガスは、入口１１１から出口１１２に向かうにつれて、原料ガス流路１１の底面に近づくように、触媒層１２を流れる。すなわち、原料ガスは斜め下向きに触媒層１２を流れる。よって、原料ガスが、原料ガス流路１１の天井と触媒層１２との間の隙間を流れることを抑制することができる。
【0046】
なお、本実施形態では、燃焼ガスが原料ガスに対して対向して流れることで、触媒層１２が加熱される。しかしながら、触媒層１２の加熱方法は、これに限られない。他の加熱方法が採用されてもよい。加熱方法に関わらず、原料ガス流路１１の横断面では、下側に向かうにつれて触媒層１２の温度が高くなり、触媒層１２の下側出口部分Ａ１の温度が、触媒層１２のなかで最も高くなる場合に、本実施形態のように、触媒層１２の上層１２１と下層１２２とが配置されることで、本実施形態と同じ効果が得られる。
【0047】
（第３実施形態）
図１６に示すように、本実施形態では、第１実施形態と異なり、燃焼ガスが原料ガスと同じ向きで燃焼ガス流路１３を流れる。
図１６に示すように、本実施形態では、第１実施形態と異なり、燃焼ガスが原料ガスと同じ向きで燃焼ガス流路１３を流れる。
【0048】
図１６～図１８に示すように、本実施形態では、触媒層１２の上層１２１と下層１２２の配置が、第１実施形態と異なる。すなわち、原料ガス流路１１の横断面における触媒層１２の上層１２１に対する下層１２２の割合は、触媒層１２の出口側端部１２ｄよりも触媒層１２の入口側端部１２ｃの方が小さい。
【0049】
図１７に示すように、触媒層１２の入口側端部１２ｃでは、触媒層１２の全体に対する上層１２１の割合よりも触媒層１２の全体に対する下層１２２の割合の方が小さい。
【0050】
図１８に示すように、触媒層１２の出口側端部１２ｄでは、触媒層１２の全体に対する上層１２１の割合よりも触媒層１２の全体に対する下層１２２の割合の方が大きい。
【0051】
図１６に示すように、原料ガス流路の入口１１１ら出口１１２に向かう方向での触媒層１２の全域において、下層１２２は触媒層１２の下端部１２ａを含んでいるとともに、上層１２１は触媒層１２の上端部１２ｂを含んでいる。そして、入口側端部１２ｃから出口側端部１２ｄに向かうにつれて、仕切り部材１６からの下層１２２の高さは徐々に高くなっている。すなわち、入口側端部１２ｃから出口側端部１２ｄに向かうにつれて、原料ガス流路１１の横断面における上層１２１に対する下層１２２の割合は徐々に大きくなっている。
【0052】
本実施形態の改質反応器１０の他の構成は、第１実施形態と同じである。このため、本実施形態においても、第１実施形態と同じ効果が得られる。さらに、本実施形態によれば、下記の効果が得られる。
【0053】
燃焼ガス流路１３では、燃焼ガスは原料ガスと同じ向き流れる。すなわち、原料ガスと燃焼ガスとは、並行流の関係である。この場合、原料ガス流路１１の横断面では、下側に向かうにつれて温度が高くなる。原料ガス流路１１の入口１１１から出口１１２に向かう方向では、入口１１１側に向かうにつれて、原料ガス流路１１の内部の温度が高くなる。したがって、触媒層１２のうち下側かつ入口１１１側の部分である図１６に示す下側入口部分Ａ２の温度が、触媒層１２のなかで最も高くなる。
【0054】
本実施形態によれば、原料ガス流路１１の横断面における触媒層１２の上層１２１に対する下層１２２の割合は、触媒層１２の出口側端部１２ｄよりも触媒層１２の入口側端部１２ｃの方が小さい。上層１２１よりも下層１２２の方が空隙率が大きいため、上層１２１よりも下層１２２の方が原料ガスが流れやすい。このため、触媒層１２のなかで最も温度が高い下側入口部分Ａ２に、選択的に原料ガスを流すことができる。
【0055】
なお、本実施形態では、燃焼ガスが原料ガスに対して同じ向きに流れることで、触媒層１２が加熱される。しかしながら、触媒層１２の加熱方法は、これに限られない。他の加熱方法が採用されてもよい。加熱方法に関わらず、原料ガス流路１１の横断面では、下側に向かうにつれて触媒層１２の温度が高くなり、触媒層１２の下側入口部分Ａ２の温度が、触媒層１２のなかで最も高くなる場合に、本実施形態のように、触媒層１２の上層１２１と下層１２２とが配置されることで、本実施形態と同じ効果が得られる。
【0056】
（第４実施形態）
図１９に示すように、本実施形態では、第１実施形態と異なり、触媒層１２は、上層１２１と下層１２２との間に、中層１２３を有する。中層１２３の空隙率は、上層１２１の空隙率よりも大きい。中層１２３の空隙率は、下層１２２の空隙率よりも小さい。各層の空隙率の差は、０．１％以上である。
図１９に示すように、本実施形態では、第１実施形態と異なり、触媒層１２は、上層１２１と下層１２２との間に、中層１２３を有する。中層１２３の空隙率は、上層１２１の空隙率よりも大きい。中層１２３の空隙率は、下層１２２の空隙率よりも小さい。各層の空隙率の差は、０．１％以上である。
【0057】
下層１２２は、下端部１２ａを含んでおり、原料ガス流路１１の横断面において、触媒層１２のうち最も温度が高い部分を含む第１領域に対応する。上層１２１は、上端部１２ｂを含んでおり、原料ガス流路１１の横断面において、触媒層１２のうち最も温度が低い部分を含む第２領域に対応する。中層１２３は、原料ガス流路１１の横断面において、第１領域と第２領域との間に位置する第３領域に対応する。改質反応器１０の他の構成は、第１実施形態と同じである。
【0058】
本実施形態によれば、下層１２２の空隙率は、上層１２１の空隙率よりも大きい。このため、第１実施形態と同じ効果が得られる。さらに、本実施形態によれば、上層１２１よりも中層１２３の方に、原料ガスが多く流れる。中層１２３よりも下層１２２の方に、原料ガスが多く流れる。このため、触媒層１２が上層１２１と下層１２２の２層のみを有する場合と比較して、下側出口部分Ａ１に原料ガスを多く流すことができる。
【0059】
なお、本実施形態では、燃焼ガスと原料ガスとは対向流の関係であるが、並行流の関係であってもよい。触媒層１２の加熱方法は、他の加熱方法であってもよい。また、本実施形態では、触媒層１２は、３層であるが、４層以上であってもよい。
【0060】
（第５実施形態）
図２０～図２３に示すように、本実施形態の改質反応器２０は、原料ガス流路２１と、触媒層２２と、燃焼ガス流路２３と、を備える。原料ガス流路２１、触媒層２２および燃焼ガス流路２３のそれぞれは、第１実施形態の原料ガス流路１１、触媒層１２および燃焼ガス流路１３に対応する。以下では、第１実施形態と異なる点について説明する。
図２０～図２３に示すように、本実施形態の改質反応器２０は、原料ガス流路２１と、触媒層２２と、燃焼ガス流路２３と、を備える。原料ガス流路２１、触媒層２２および燃焼ガス流路２３のそれぞれは、第１実施形態の原料ガス流路１１、触媒層１２および燃焼ガス流路１３に対応する。以下では、第１実施形態と異なる点について説明する。
【0061】
原料ガス流路２１は、原料ガス流路２１の長手方向が燃焼ガス流れ方向に対して交差するように、燃焼ガス流路２３の内部に配置される。原料ガス流路２１は、筒状の流路形成部材２４によって構成される。原料ガス流路２１の横断面形状は、円である。
【0062】
図２１～図２３に示すように、触媒層２２は、上層２２１と、下層２２２とを有する。上層２２１は、触媒層２２のうち上側半分の部分である。下層２２２は、触媒層１２のうち下側半分の部分である。原料ガス流路２１の横断面での空隙率を比較したとき、下層２２２の空隙率は、上層２２１の空隙率よりも大きい。上層２２１と下層２２２のそれぞれの構成は、第１実施形態の上層１２１と下層１２２のそれぞれと同じである。なお、原料ガス流路２１の横断面における上層２２１と下層２２２の面積比は、１：１であるが、これ以外であってもよい。
【0063】
図２０に示すように、燃焼ガス流路２３では、原料ガス流路２１の下方から原料ガス流路２１に向かって、燃焼ガスが流れる。図２１～図２３に示すように、燃焼ガスは、原料ガス流路２１の下側に当たった後、原料ガス流路２１の外面に沿って、原料ガス流路２１の周囲を流れた後、原料ガス流路２１の上方に向かって流れる。
【0064】
このため、図２４～図２６に示すように、原料ガス流路２１の内部は、原料ガス流路２１のどの横断面においても、燃焼ガス流れの上流側である下側の部分の温度が燃焼ガス流れの下流側である上側の部分の温度よりも高いという温度分布を有する。図２４～図２６において、原料ガス流路２１の内部に付された１～８の数字は、温度の高低を示している。数字が小さいほど温度が高い。このことから、触媒層２２の上層２２１の平均温度よりも、触媒層２２の下層１２２での平均温度の方が高い。よって、上層２２１での反応速度よりも、下層２２２での反応速度が大きい。
【0065】
ここで、本実施形態と比較例３とを比較する。図２７に示す比較例３の改質反応器２０Ａでは、本実施形態と異なり、原料ガス流路２１の横断面での空隙率を比較したとき、下層２２２の空隙率は、上層２２１の空隙率よりも小さい。比較例３の改質反応器２０Ａの他の構成は、本実施形態と同じである。比較例３では、反応速度が大きい下層２２２よりも反応速度が小さい上層２２１に原料ガスが多く流れる。よって、原料ガスの改質率が低い。
【0066】
これに対して、本実施形態によれば、反応速度が小さい上層２２１よりも反応速度が大きい下層１２２２に原料ガスが多く流れる。よって、比較例３よりも原料ガスの改質率が高い。
【0067】
図２１～図２３に示すように、本実施形態では、触媒層２２が配置されている位置での原料ガス流路２１の横断面において、触媒層２２のうち燃焼ガス流れの最上流側の部分である下端部２２ａの温度が最も高い。下層２２２は、原料ガス流路２１の横断面において、下端部２２ａを含む領域であり、触媒層のうち最も温度が高い部分を含む第１領域に対応する。また、触媒層２２が配置されている位置での原料ガス流路２１の横断面において、触媒層２２のうち燃焼ガス流れの最下流側の部分である上端部２２ｂの温度が最も低い。上層２２１は、原料ガス流路２１の横断面において、上端部２２ｂを含む領域であり、触媒層のうち最も温度が低い部分を含む第２領域に対応する。
【0068】
（他の実施形態）
（１）第２実施形態において、触媒層１２のうち出口側端部１２ｄよりも原料ガス流路１１の入口１１１側の部分では、上層１２１が存在せず、原料ガス流路１１の横断面において、触媒層１２の全部が下層１２２と同じ空隙率とされていてもよい。この場合も、原料ガス流路１１の横断面における触媒層１２の上層１２１に対する下層１２２の割合は、触媒層１２の入口側端部１２ｃよりも触媒層１２の出口側端部１２ｄの方が小さい。このため、第２実施形態と同じ効果が得られる。
（１）第２実施形態において、触媒層１２のうち出口側端部１２ｄよりも原料ガス流路１１の入口１１１側の部分では、上層１２１が存在せず、原料ガス流路１１の横断面において、触媒層１２の全部が下層１２２と同じ空隙率とされていてもよい。この場合も、原料ガス流路１１の横断面における触媒層１２の上層１２１に対する下層１２２の割合は、触媒層１２の入口側端部１２ｃよりも触媒層１２の出口側端部１２ｄの方が小さい。このため、第２実施形態と同じ効果が得られる。
【0069】
（２）第３実施形態において、触媒層１２のうち入口側端部１２ｃよりも原料ガス流路１１の出口１１２側の部分では、上層１２１が存在せず、原料ガス流路１１の横断面において、触媒層１２の全部が下層１２２と同じ空隙率とされていてもよい。この場合も、原料ガス流路１１の横断面における触媒層１２の上層１２１に対する下層１２２の割合は、触媒層１２の出口側端部１２ｄよりも触媒層１２の入口側端部１２ｃの方が小さい。このため、第３実施形態と同じ効果が得られる。
【0070】
（３）第１～第４実施形態では、原料ガス流路１１と燃焼ガス流路１３のそれぞれの横断面形状は、長方形であるが、他の形状であってもよい。
【0071】
（４）第１～第４実施形態では、燃焼ガス流路１３は、原料ガス流路１１の下側に配置されている。しかしながら、燃焼ガス流路１３は、燃焼ガスから原料ガス流路１１の内部へ伝熱可能に、原料ガス流路１１の上側に配置されてもよい。また、燃焼ガス流路１３は、燃焼ガスから原料ガス流路１１の内部へ伝熱可能に、原料ガス流路１１の横方向に並んで配置されてもよい。これらのどちらの場合においても、触媒層１２のうち燃焼ガス流路１３に近い側の層の空隙率が、触媒層１２のうち燃焼ガス流路１３から遠い側の層の空隙率よりも大きくされる。
【0072】
どちらの場合においても、触媒層１２が配置されている位置での原料ガス流路１１の横断面において、触媒層１２のうち燃焼ガス流路１３に最も近い部分の温度が最も高く、触媒層１２のうち燃焼ガス流路１３から最も遠い部分の温度が最も低い。このため、触媒層１２のうち燃焼ガス流路１３に近い側の層は、原料ガス流路の横断面において、触媒層１２のうち燃焼ガス流路１３に最も近い部分を含む領域であり、触媒層のうち最も温度が高い部分を含む第１領域に対応する。触媒層１２のうち燃焼ガス流路１３から遠い側の層は、原料ガス流路の横断面において、触媒層１２のうち燃焼ガス流路１３から最も遠い部分を含む領域であり、触媒層のうち最も温度が低い部分を含む第２領域に対応する。
【0073】
（５）第１～第４実施形態では、原料ガス流路１１と燃焼ガス流路１３は、流路形成部材１５と仕切り部材１６とによって構成されている。しかしながら、原料ガス流路１１と燃焼ガス流路１３は、他の部材によって構成されてもよい。例えば、原料ガス流路１１と燃焼ガス流路１３は、流路形成部材１５を用いずに、断熱材１４と仕切り部材１６とによって構成されてもよい。
【0074】
（６）第５実施形態では、原料ガス流路２１の横断面形状は円であるが、他の形状であってもよい。
【0075】
（７）第５実施形態では、燃焼ガス流路２３において、原料ガス流路２１の下方から原料ガス流路２１に向かって、燃焼ガスが流れる。しかしながら、原料ガス流路２１に対して下方以外の方向から原料ガス流路２１に向かって、燃焼ガスが流れてもよい。この場合、触媒層２２のうち燃焼ガス流れの上流側の層の空隙率が、触媒層２２のうち燃焼ガス流れの下流側の層の空隙率よりも大きくされる。
【0076】
この場合、触媒層２２が配置されている位置での原料ガス流路２１の横断面において、触媒層２２のうち燃焼ガス流れの最上流側の部分の温度が最も高く、触媒層２２のうち燃焼ガス流れの最下流側の部分の温度が最も低い。触媒層２２のうち燃焼ガス流れの上流側の層は、原料ガス流路の横断面において、触媒層２２のうち燃焼ガス流れの最上流側の部分を含む領域であり、触媒層のうち最も温度が高い部分を含む第１領域に対応する。触媒層２２のうち燃焼ガス流れの下流側の層は、原料ガス流路の横断面において、触媒層２２のうち燃焼ガス流れの最下流側の部分を含む領域であり、触媒層のうち最も温度が低い部分を含む第２領域に対応する。
【0077】
（８）第１～第３実施形態では、触媒層１２は、上層１２１と下層１２２の２層が積み重ねられた構造である。第４実施形態では、触媒層１２は、上層１２１と中層１２３と下層１２２の３層が積み重ねられた構造である。第５実施形態では、触媒層２２は、上層２２１と下層２２２の２層が積み重ねられた構造である。しかしながら、触媒層は、複数の層が積み重なる構造でなくてもよい。
【0078】
この場合であっても、触媒層が配置されている位置での原料ガス流路の横断面において、触媒層のうち最も温度が高い部分を含む第１領域と、触媒層のうち最も温度が低い部分を含む第２領域とを比較したとき、第１領域の空隙率が第２領域の空隙率よりも大きければよい。第１領域は、原料ガス流路の横断面における触媒層の全体に対して一割以上１０割以下の領域である。第２領域は、原料ガス流路の横断面における触媒層の全体に対して一割以上１０割以下の領域である。原料ガス流路の横断面における触媒層の全体に対して第１領域と第２領域の両方が占める割合は、１０割以下である。
【0079】
（９）上記の各実施形態では、触媒層１２、２２は、触媒粒子の集合体で構成される。しかしながら、触媒層１２、２２は、原料ガスが通過可能な空隙を有し、改質反応を生じさせる触媒機能を有していれば、他の材料によって構成されてもよい。例えば、触媒層１２、２２は、連続した孔を有する多孔質の担体の表面に、触媒材料が担持された構成であってもよい。
【0080】
（１０）上記の各実施形態では、燃焼ガス流路１３が触媒層を加熱する加熱部として用いられている。しかしながら、燃焼ガス流路１３以外のものが加熱部として用いられてもよい。
【0081】
（１１）上記の各実施形態では、改質反応は、水蒸気改質反応である。しかしながら、改質反応は、これに限られず、吸熱反応であれば、他の改質反応であってもよい。
【0082】
（１２）本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能であり、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。また、上記各実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能である。例えば、第５実施形態に対して、第２～第４実施形態のそれぞれを組み合わせてもよい。また、上記各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。
【符号の説明】
【0083】
１０ 改質反応器
１１ 原料ガス流路
１２ 触媒層
１２１ 上層
１２２ 下層
１３ 燃焼ガス流路
１１ 原料ガス流路
１２ 触媒層
１２１ 上層
１２２ 下層
１３ 燃焼ガス流路
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】