JP2013094722A - 反応器 - Google Patents

Abstract

【課題】体格の小型化を図りつつ、製造コストを低減することができる反応器を提供する。
【解決手段】未反応物を反応させて水素と窒素を生成する反応部３２ａ、３２ｂと、水素および窒素から窒素を選択的に吸蔵することにより、窒素を分離除去する除去部３３ａ、３３ｂとを備え、除去部３３ａ、３３ｂは、窒素を選択的に吸蔵する際に熱を放出する吸収剤３３０ａ、３３０ｂと、吸収剤３３０ａ、３３０ｂが放出する熱を除去する冷却手段３５ａ、３５ｂとを有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、未反応物を反応させて少なくとも２つの生成物を生成させるとともに、当該２つの生成物から少なくとも１つの生成物を分離除去する反応器に関するものである。

従来、燃料と水蒸気から水素を生成する燃料改質器が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の従来技術では、燃料を水蒸気改質して水素を製造する燃料改質触媒層、および水蒸気改質により生成する水素を主成分とするガスから水素を選択的に透過する水素透過膜等を多段に積層された構造を有している。

この従来技術では、改質される燃料としてメタノール（Ｍｅ−ＯＨ）が用いられ、水素を主成分とするガスが流通するガス流路に面するように、パラジウム合金製の水素透過膜が配置されている。ガス流路にて生じる反応の化学反応式は、次の化学式１に示される。

（化１）
ＭｅＯＨ→Ｈ_２＋ＣＯ
水素分離膜により水素を分離すると上記反応は非平衡となるので、水素生成量を増大できる。すなわち、上記反応温度を低下させることができ、改質温度の低温化を図ることができる。

特開２００３−１１９００２号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の従来技術では、改質により生成するガス（改質ガス）から水素を分離する手段として水素透過膜を用いているので、膜の強度を考慮すると、改質ガスから分離する水素の流量を増大させることができず、また膜の上流側と下流側との圧力差（差圧）を確保し難い。このため、改質ガスから分離する水素の流量および膜の上流側と下流側との差圧を所望量確保するためには、水素透過膜の面積を増大させる必要があり、燃料改質器全体が大型化してしまうという問題がある。

また、上記特許文献１に記載の従来技術では、水素透過膜を枠体内に固定しているので、水素透過膜と枠体との間のシールを行う必要がある。ここで、上記従来技術の燃料改質器は、当該水素透過膜と燃料改質触媒層等を多段に積層した構造になっているので、シール長さが長くなる。したがって、シールの手間がかかり製造コストが高くなるという問題もある。さらに、水素透過膜の材料として高価な貴金属であるパラジウム合金を使用しているため、製造コストがより一層高くなってしまう。

本発明は上記点に鑑みて、体格の小型化を図りつつ、製造コストを低減することができる反応器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、未反応物を反応させて少なくとも２つの生成物を生成する反応部（３２ａ、３２ｂ）と、少なくとも２つの生成物から少なくとも１つの生成物を選択的に吸蔵することにより、少なくとも１つの生成物を分離除去する除去部（３３ａ、３３ｂ）とを備え、除去部（３３ａ、３３ｂ）は、少なくとも１つの生成物を選択的に吸蔵する際に熱を放出する吸収剤（３３０ａ、３３０ｂ）と、吸収剤（３３０ａ、３３０ｂ）が放出する熱を除去する冷却手段（３５ａ、３５ｂ）とを有することを特徴とする。

これによれば、除去部（３３ａ、３３ｂ）において吸収剤（３３０ａ、３３０ｂ）に少なくとも１つの生成物を選択的に吸蔵させるとともに、この際に吸収剤（３３０ａ、３３０ｂ）が放出する熱を冷却手段（３５ａ、３５ｂ）によって除去することで、透過膜を用いることなく、当該少なくとも１つの生成物を分離除去することができる。すなわち、透過膜を用いないため、未反応物の流量を大きくしたり、圧力を高くしたりしても、除去部（３３ａ、３３ｂ）が破損することなく、分離除去機能を確保することができる。換言すると、透過膜を用いないので、分離除去機能を確保するために反応器全体を大型化する必要がなくなる。

また、透過膜を用いないので、透過膜と枠体との間のシールを行う必要がなくなり、シールの手間がかからず、製造コストを低減できる。さらに、従来の透過膜は一般に貴金属製であるが、その透過膜に代えて吸収剤（３３０ａ、３３０ｂ）を用いることにより、少なくとも１つの生成物を分離除去することができるので、製造コストをより一層低減できる。

したがって、体格の小型化を図りつつ、製造コストを低減することが可能となる。

なお、本発明における「少なくとも２つの生成物から少なくとも１つの生成物を選択的に吸蔵する」とは、ｍ個（ｍは２以上の整数）の生成物からｎ個（ｎは１以上（ｍ−１）以下の整数）の生成物を選択的に吸蔵するという意味である。

また、請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の反応器において、反応部として、少なくとも２つの小反応部（３２ａ、３２ｂ）が設けられており、除去部（３３ａ、３３ｂ）は、小反応部（３２ａ、３２ｂ）毎に１つずつ配設されているとともに、少なくとも１つの生成物を選択的に吸蔵する際に熱を放出し、吸蔵した少なくとも１つの生成物を脱離させる際に熱を吸収する吸収剤（３３０ａ、３３０ｂ）と、吸収剤（３３０ａ、３３０ｂ）が放出する熱を除去する冷却手段（３５ａ、３５ｂ）と、吸収剤（３３０ａ、３３０ｂ）に対して熱を付与する加熱手段（３５ａ、３５ｂ）とを有しており、さらに、除去部（３２ａ、３２ｂ）は、吸収剤（３３０ａ、３３０ｂ）が少なくとも１つの生成物を選択的に吸蔵するとともに、冷却手段（３５ａ、３５ｂ）によって吸収剤（３３０ａ、３３０ｂ）が放出する熱を除去する吸蔵モードと、加熱手段（３５ａ、３５ｂ）によって吸収剤（３３０ａ、３３０ｂ）に対して熱を付与するとともに、吸収剤（３３０ａ、３３０ｂ）から少なくとも１つの生成物を脱離させる脱離モードとを実行可能に構成されていることを特徴とする。

これによれば、小反応部（３２ａ、３２ｂ）毎に１つずつ配設された除去部（３３ａ、３３ｂ）において、それぞれ、吸蔵モードまたは脱離モードを実行させることができる。したがって、所望のタイミングで、少なくとも１つの生成物の吸蔵および離脱を行うことが可能となる。

また、請求項３に記載の発明のように、請求項２に記載の反応器において、燃料または水素を酸化させることによりエネルギを出力させるエネルギ出力手段（ＥＧ）に供給する燃料供給システム（１０）に適用される反応器であって、反応部（３２ａ、３２ｂ）は、分子中に少なくとも１つの水素原子が含まれる燃料を反応させて、水素と他の生成物を生成するように構成されており、加熱手段（３５ａ、３５ｂ）は、脱離モード時に、エネルギ出力手段（ＥＧ）において燃料または水素を酸化させた際に生じる熱により、吸収剤（３３０ａ、３３０ｂ）を加熱してもよい。

また、請求項４に記載の発明では、請求項３に記載の反応器において、反応部（３２ａ、３２ｂ）は、燃料を改質して水素を生成するための触媒（３２０ａ、３２０ｂ）を有しているとともに、吸蔵モード時に、エネルギ出力手段（ＥＧ）において燃料または水素を酸化させた際に生じる熱により触媒（３２０ａ、３２０ｂ）が加熱されるように構成されており、加熱手段（３５ａ、３５ｂ）は、脱離モード時に、触媒（３２０ａ、３２０ｂ）を加熱した後の排熱により、吸収剤（３３０ａ、３３０ｂ）を加熱することを特徴とする。

これによれば、エネルギ出力手段（ＥＧ）において燃料または水素を酸化させた際に生じる熱により、まず触媒（３２０ａ、３２０ｂ）が加熱されるので、触媒（３２０ａ、３２０ｂ）を充分に加熱することができる。そして、触媒（３２０ａ、３２０ｂ）を加熱した後の排熱により、吸収剤（３３０ａ、３３０ｂ）が加熱されるので、エネルギ出力手段（ＥＧ）において燃料または水素を酸化させた際に生じる熱を有効利用することが可能となる。

また、請求項５に記載の発明では、請求項４に記載の反応器において、少なくとも２つの小反応部（３２ａ、３２ｂ）毎に１つずつ配設された除去部（３３ａ、３３ｂ）のうち、一方の除去部（３３ａ）と他方の除去部（３３ｂ）において、吸蔵モードおよび脱離モードのうち互いに異なるモードが実行されるように構成されており、小反応部（３２ａ、３２ｂ）は、触媒（３２０ａ、３２０ｂ）と熱媒体とを熱交換させることで触媒（３２０ａ、３２０ｂ）を加熱または冷却する第１熱交換器（３４ａ、３４ｂ）を有しており、除去部（３３ａ、３３ｂ）は、吸収剤（３３０ａ、３３０ｂ）と熱媒体とを熱交換させることで吸収剤（３３０ａ、３３０ｂ）を加熱または冷却する第２熱交換器（３５ａ、３５ｂ）を有しており、第１熱交換器（３４ａ、３４ｂ）および第２熱交換器（３５ａ、３５ｂ）には、熱媒体として加熱用熱媒体または冷却用熱媒体が供給されるように構成されており、第１熱交換器（３４ａ、３４ｂ）および第２熱交換器（３５ａ、３５ｂ）に供給される熱媒体を加熱用熱媒体と冷却用熱媒体との間で切り替えることで、一方の除去部（３３ａ）および他方の除去部（３３ｂ）において実行されるモードが吸蔵モードと脱離モードとの間で切り替わることを特徴とする。

これによれば、一方の除去部（３３ａ）と他方の除去部（３３ｂ）において、吸蔵モードおよび脱離モードのうち互いに異なるモードが実行されるので、一方の除去部（３３ａ）および他方の除去部（３３ｂ）のうちいずれか一方において、必ず脱離モードが実行されるようにできる。このため、一方の除去部（３３ａ）および他方の除去部（３３ｂ）のうちいずれか一方から、常時少なくとも一方の生成物を脱離させてエネルギ出力手段（ＥＧ）に供給することが可能となる。

このとき、第１熱交換器（３４ａ、３４ｂ）および第２熱交換器（３５ａ、３５ｂ）に供給される熱媒体を加熱用熱媒体と冷却用熱媒体との間で切り替えることで、一方の除去部（３３ａ）および他方の除去部（３３ｂ）において実行されるモードを吸蔵モードと脱離モードとの間で切り替えることができるので、簡易な構成で、一方の除去部（３３ａ）および他方の除去部（３３ｂ）において実行されるモードを切り替えることが可能となる。

また、請求項６に記載の発明では、請求項５に記載の反応器において、少なくとも２つの小反応部（３２ａ、３２ｂ）は、それぞれ、加熱用熱媒体および冷却用熱媒体のうち一方の熱媒体が流通する第１熱媒体流路（４１０）を形成する外側配管（４１）と、外側配管（４１）の内側に配置されるとともに、加熱用熱媒体および冷却用熱媒体のうち他方の熱媒体が流通する第２熱媒体流路（４２０）を形成する内側配管（４２）と、外側配管（４１）と内側配管（４２）との間に配置されるとともに、燃料が流通する中側配管（４３）とを有して構成されており、内側配管（４２）の外壁面には、触媒（３２０ａ、３２０ｂ）が配置されており、中側配管（４１）の内壁面には、吸収剤（３３０ａ、３３０ｂ）が配置されていることを特徴とする。

これによれば、少なくとも２つの小反応部（３２ａ、３２ｂ）をいわゆる三重管構造とすることにより、第１熱媒体流路（４１０）および第２熱媒体流路（４２０）に供給される熱媒体を加熱用熱媒体と冷却用熱媒体との間で切り替えることで、一方の除去部（３５ａ）および他方の小反応部（３５ｂ）において実行されるモードを吸蔵モードと脱離モードとの間で切り替えることが可能となる。すなわち、一方の除去部（３５ａ）および他方の小反応部（３５ｂ）において実行されるモードを吸蔵モードと脱離モードとの間で切り替えることができる構成を、容易かつ確実に実現できる。

また、請求項７に記載の発明のように、請求項１ないし６のいずれか１つに記載の反応器において、反応部（３２ａ、３２ｂ）は、分子中に少なくとも１つの窒素原子が含まれる未反応物を反応させて、窒素と他の生成物を生成するように構成されており、除去部（３３ａ、３３ｂ）は、窒素の物理吸着または窒素の固定化反応により、窒素を選択的に吸蔵するようにしてもよい。

また、請求項８に記載の発明のように、請求項７に記載の反応器において、未反応物はアンモニアであり、反応部（３２ａ、３２ｂ）は、アンモニアを改質して水素を生成するための触媒（３２０ａ、３２０ｂ）を有していてもよい。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明の実施形態における燃料供給システム１０の全体構成図である。 改質器３を示す模式図である。 第１改質部３ａを示す一部透過斜視図である。

以下、本発明の実施形態について図１〜図３に基づいて説明する。図１は、本実施形態の燃料供給システム１０の全体構成図である。本実施形態では、本発明の反応器を、燃料供給システム１０に適用している。この燃料供給システム１０は、車両に適用されており、車両走行用の駆動力（機械エネルギ）を出力するエネルギ出力手段としてのエンジン（内燃機関）ＥＧへ燃料を供給するものである。

まず、燃料供給システム１０は、加圧されて液化された高圧液体燃料を貯蔵する液体燃料貯蔵手段としての高圧タンク１を備えている。

この高圧タンク１に貯蔵される燃料は、分子中に少なくとも１つの水素原子が含まれる燃料が採用されている。燃料として、分子中に少なくとも１つの水素原子が含まれる燃料を採用することで、燃料を改質することによって可燃性を有する水素ガスを生成することができる。

また、燃料としては、エンジンＥＧにて燃料として燃焼させるために可燃性を有し、さらに、その製造コストを低減させるために高圧下においては常温（１５℃〜２５℃程度）でも液化させやすいものであることが望ましい。

そこで、本実施形態では、燃料として、分子中に３つの水素原子と１つの窒素原子とを含有し、さらに可燃性を有しており、常温であっても１．５ＭＰａ以下で液化する燃料として、アンモニア（ＮＨ_３）を採用している。

この他にも同等の性質を有する燃料として、ジメチルエーテル、アルコール含有燃料等を採用することもできる。さらに、水素を含有する燃料であって、同燃料の分子中に、硫黄（Ｓ）、酸素（Ｏ）、窒素（Ｎ）およびハロゲンのうち少なくとも１種の原子が含まれるものであり、かつ、分子間にて水素結合が発現するものを採用してもよい。

高圧タンク１の燃料流出口には、気化器２の燃料流入口が接続されている。気化器２は、高圧タンク１から流出した液相状態の燃料（液体燃料）を気化させる気化手段である。

気化器２にて気化された気相状態の燃料（気体燃料）は、気化器２の燃料流出口から流出する。気化器２から流出した気体燃料の流れは、２つの流れに分岐され、分岐された一方の気体燃料は、気体燃料をエンジンＥＧの燃焼室内へ噴射供給する燃料噴射弁（インジェクタ）へ流入し、分岐された他方の気体燃料は、気体燃料を改質して水素ガスを発生させる改質器３へ流入する。

改質器３は、気体燃料を触媒下で改質可能温度まで加熱して改質反応させることによって、水素ガスを発生させる改質手段（反応器）である。本実施形態では、燃料として水素含有燃料であるアンモニアを採用しているので、燃料を３００℃〜７００℃まで加熱して、触媒下にて改質反応をさせて水素ガスを発生させている。

図２は本実施形態の改質器３を示す模式図である。図２に示すように、改質器３は２つの改質部３ａ、３ｂを備えている。各改質部３ａ、３ｂは、それぞれ、未反応物としての燃料であるアンモニアが流通する燃料流路３１０ａ、３１０ｂを形成する燃料流路形成部材３１ａ、３１ｂと、アンモニアを改質して水素と窒素という２つの生成物を生成する反応部３２ａ、３２ｂと、反応部３２ａ、３２ｂにおいて生成された窒素を除去する除去部３３ａ、３３ｂとを有して構成されている。すなわち、除去部３３ａ、３３ｂは、反応部３２ａ、３２ｂ毎に１つずつ配設されている。

反応部３２ａ、３２ｂは、アンモニアを改質して水素を生成するための触媒３２０ａ、３２０ｂを有している。また、反応部３２ａ、３２ｂは、燃料流路３１ａ、３１ｂ内に設けられている。このため、各改質部３ａ、３ｂは、燃料流路３１ａ、３１ｂを流通するアンモニアが反応部３２ａ、３２ｂの触媒３２０ａ、３２０ｂに接触するように構成されている。また、反応部３２ａ、３２ｂにて生成された水素および窒素は、燃料流路３１ａ、３１ｂに放出される。

反応部３２ａ、３２ｂには、触媒３２０ａ、３２０ｂを加熱または冷却可能な反応部側熱交換器３４ａ、３４ｂが設けられている。この反応部側熱交換器３４ａ、３４ｂの詳細については後述する。

除去部３３ａ、３３ｂは、反応部３２ａ、３２ｂにおいて生成された水素および窒素のうち、窒素のみを選択的に吸蔵することにより、窒素を分離除去する。詳細には、除去部３３ａ、３３ｂは、窒素の物理吸着または窒素の固定化反応により、窒素を選択的に吸蔵する吸収剤３３０ａ、３３０ｂを有している。

ここで、吸収剤３３０ａ、３３０ｂとして、例えばゼオライトや活性炭を用いることで、窒素の物理吸着により窒素を選択的に吸蔵することができる。また、吸収剤３３０ａ、３３０ｂとして、例えばモリブデンを用いることで、モリブデン錯体化反応により、窒素を選択的に吸蔵することができる。また、これらの吸収剤３３０ａ、３３０ｂは、窒素を選択的に吸蔵する際に熱を放出する。

除去部３３ａ、３３ｂは、燃料流路３１ａ、３１ｂ内に設けられている。このため、各改質部３ａ、３ｂの吸収剤３３０ａ、３３０ｂは、反応部３２ａ、３２ｂから燃料流路３１ａ、３１ｂに放出された水素および窒素に接触するように構成されている。

除去部３３ａ、３３ｂには、吸収剤３３０ａ、３３０ｂを加熱または冷却可能な除去部側熱交換器３５ａ、３５ｂが設けられている。この除去部側熱交換器３５ａ、３５ｂの詳細については後述する。

２つの改質部３ａ、３ｂの燃料入口側には、電気式三方弁３６が接続されている。電気式三方弁３６は、図示しない制御装置から出力される制御電圧によって、その作動が制御される流路切替手段である。

具体的には、電気式三方弁３６は、入口、第１出口および第２出口を形成する三つの弁を有する。電気式三方弁３６の入口は、気化器２の出口側に接続されている。電気式三方弁３６の第１出口は、２つの改質部３ａ、３ｂのうち一方の改質部（以下、第１改質部３ａという）の燃料入口側に接続されている。電気式三方弁３６の第２出口は、２つの改質部３ａ、３ｂのうち他方の改質部（以下、第２改質部３ｂという）の燃料入口側に接続されている。

そして、電気式三方弁３６の第１出口が開弁され、第２出口が閉弁されることで、気化器２から流出した燃料が第１改質部３ａにのみ流入する。一方、電気式三方弁３６の第１出口が閉弁され、第２出口が開弁されることで、気化器２から流出した燃料が第２改質部３ｂにのみ流入する。

２つの改質部３ａ、３ｂの出口側には、第１電気式四方弁３７が接続されている。第１電気式四方弁３７は、制御装置から出力される制御電圧によって、その作動が制御される流路切替手段である。

第１電気式四方弁３７は、第１改質部３ａの出口側とエンジンＥＧの燃料入口側（具体的には燃料噴射弁）の間および第２改質部３ｂの出口側と排気口（図示せず）との間を同時に接続する第１回路と、第１改質部３ａの出口側と排気口との間および第２改質部３ｂの出口側とエンジンＥＧの燃料入口側との間を同時に接続する第２回路とを切り替える機能を果たす。

ところで、反応部側熱交換器３４ａ、３４ｂおよび除去部側熱交換器３５ａ、３５ｂは、加熱用熱媒体または冷却用熱媒体（以下、単に熱媒体ともいう）が流通可能に構成されている。本実施形態では、加熱用熱媒体としてのエンジンＥＧの排ガスを採用し、冷却用熱媒体として空気を採用している。

改質器３は、第１改質部３ａにおける反応部側熱交換器３４ａ（以下、第１反応部側熱交換器３４ａという）の熱媒体出口側と第２改質部３ｂにおける除去部側熱交換器３５ｂの熱媒体入口側とを接続する第１熱媒体回路３９１と、第２改質部３ｂにおける反応部側熱交換器３４ｂ（以下、第２反応部側熱交換器３４ｂという）の熱媒体出口側と第１改質部３ａにおける除去部側熱交換器３５ａの熱媒体入口側とを接続する第２熱媒体回路３９２とを備えている。

第１熱媒体回路３９１における第１反応部側熱交換器３４ａの熱媒体入口側、および第２熱媒体回路３９２における第２反応部側熱交換器３４ｂの熱媒体入口側には、第２電気式四方弁３８が接続されている。第２電気式四方弁３８は、制御装置から出力される制御電圧によって、その作動が制御される回路切替手段である。

第２電気式四方弁３８は、第１熱媒体回路３９１における第１反応部側熱交換器３４ａの熱媒体入口側とエンジンＥＧの排ガス出口側の間および第２熱媒体回路３９２における第２反応部側熱交換器３４ｂの熱媒体入口側と空気流入口（図示せず）との間を同時に接続する第１回路と、第１熱媒体回路３９１における第１反応部側熱交換器３４ａの熱媒体入口側と空気流入口との間および第２熱媒体回路３９２における第２反応部側熱交換器３４ｂの熱媒体入口側とエンジンＥＧの排ガス出口側との間を同時に接続する第２回路とを切り替える機能を果たす。

したがって、第２電気式四方弁３８を制御することで、第１熱媒体回路３９１および第２熱媒体回路３９２に循環させる熱媒体を、排ガスと空気との間で切り替えることができる。また、第１熱媒体回路３９１および第２熱媒体回路３９２には、排ガスおよび空気のうち互いに異なる熱媒体が循環する。

反応部側熱交換器３４ａ、３４ｂに排ガスを流通させることで、反応部側熱交換器３４ａ、３４ｂにて排ガスの熱により触媒３２０ａ、３２０ｂを加熱することができる。したがって、反応部側熱交換器３４ａ、３４ｂに排ガスを流通させる場合、反応部側熱交換器３４ａ、３４ｂは触媒３２０ａ、３２０ｂを加熱する加熱手段としての機能を果たす。

一方、反応部側熱交換器３４ａ、３４ｂに空気を流通させることで、反応部側熱交換器３４ａ、３４ｂにて空気が触媒３２０ａ、３２０ｂの熱を吸熱して触媒３２０ａ、３２０ｂを冷却することができる。したがって、反応部側熱交換器３４ａ、３４ｂに空気を流通させる場合、反応部側熱交換器３４ａ、３４ｂは触媒３２０ａ、３２０ｂを冷却する冷却手段としての機能を果たす。

また、除去部側熱交換器３５ａ、３５ｂに排ガスを流通させることで、除去部側熱交換器３５ａ、３５ｂにて排ガスの熱により吸収剤３３０ａ、３３０ｂを加熱することができる。したがって、除去部側熱交換器３５ａ、３５ｂに排ガスを流通させる場合、除去部側熱交換器３５ａ、５４ｂは吸収剤３３０ａ、３３０ｂを加熱する加熱手段としての機能を果たす。

一方、除去部側熱交換器３５ａ、３５ｂに空気を流通させることで、除去部側熱交換器３５ａ、３５ｂにて空気が吸収剤３３０ａ、３３０ｂの熱を吸熱して吸収剤３３０ａ、３３０ｂを冷却することができる。したがって、除去部側熱交換器３５ａ、３５ｂに空気を流通させる場合、除去部側熱交換器３５ａ、３５ｂは吸収剤３３０ａ、３３０ｂを冷却する冷却手段としての機能を果たす。

改質器３の改質部３ａ、３ｂは、吸蔵モードおよび脱離モードの２つのモードを実行可能に構成されている。ここで、吸蔵モードは、除去部３３ａ、３３ｂにおいて、吸収剤３３０ａ、３３０ｂが窒素を選択的に吸蔵するとともに、空気が流通している除去部側熱交換器３５ａ、３５ｂによって吸収剤３３０ａ、３３０ｂが放出する熱を除去するモードである。また、脱離モードは、除去部３３ａ３３ｂにおいて、排ガスが流通している除去部側熱交換器３５ａ、３５ｂによって吸収剤３３０ａ、３３０ｂに対して熱を付与するとともに、吸収剤３３０ａ、３３０ｂから窒素を脱離させるモードである。

改質器３の改質部３ａ、３ｂは、吸蔵モード時に、反応部３２ａ、３２ｂにおいて、排ガスが流通している反応部側熱交換器３４ａ、３４ｂによって触媒３２０ａ、３２０ｂに対して熱を付与して、アンモニアを改質して水素および窒素を生成させるように構成されている。また、改質器３の改質部３ａ、３ｂは、脱離モード時に、空気が流通している反応部側熱交換器３４ａ、３４ｂによって触媒３２０ａ、３２０ｂを冷却するように構成されている。

本実施形態では、第１熱媒体回路３９１において、第１反応部側熱交換器３４ａの熱媒体流れ下流側に第２除去部側熱交換器３５ｂが接続されている。したがって、第１熱媒体回路３９１に排ガスが流通している場合、すなわち第２改質部３ｂで脱離モードが実行されている時に、第２除去部側熱交換器３５ｂでは、第１反応部側熱交換器３４ａにおいて触媒３２０ａを加熱した後の排熱により、吸収剤３３０ｂを加熱する。

同様に、本実施形態では、第２熱媒体回路３９２において、第２反応部側熱交換器３４ｂの熱媒体流れ下流側に第１除去部側熱交換器３５ａが接続されている。したがって、第２熱媒体回路３９２に排ガスが流通している場合、すなわち第１改質部３ａで脱離モードが実行されている時に、第１除去部側熱交換器３５ａでは、第２反応部側熱交換器３４ｂにおいて触媒３２０ｂを加熱した後の排熱により、吸収剤３３０ａを加熱する。

ところで、改質器３は、第１改質部３ａと第２改質部３ｂにおいて、吸蔵モードおよび脱離モードのうち互いに異なるモードが実行されるように構成されている。すなわち、改質器３は、第１改質部３ａにおいて吸蔵モードが実行されている際には、第２改質部３ｂにおいて脱離モードが実行されるようになっており、第１改質部３ａにおいて脱離モードが実行されている際には、第２改質部３ｂにおいて吸蔵モードが実行されるようになっている。

改質部３ａ、３ｂにおいて実行されるモードの切り替えは、制御装置によって電気式三方弁３６、第１電気式四方弁３７および第２電気式四方弁３８の作動を制御することにより行われる。また、第１電気式四方弁３７および第２電気式四方弁３８の作動は、電気式三方弁３６の作動に連動している。

具体的には、電気式三方弁３６にて気化器２から流出したアンモニアを第１改質部３ａに流入させる回路に切り替える際には、第１電気式四方弁３７にて第１改質部３ａの出口側とエンジンＥＧの燃料入口側の間および第２改質部３ｂの出口側と排気口との間を同時に接続する第１回路に切り替えるとともに、第２電気式四方弁３８にて第１熱媒体回路３９１における第１反応部側熱交換器３４ａの熱媒体入口側とエンジンＥＧの排ガス出口側の間および第２熱媒体回路３９２における第２反応部側熱交換器３４ｂの熱媒体入口側と空気流入口との間を同時に接続する第１回路に切り替える。

一方、電気式三方弁３６にて気化器２から流出したアンモニアを第２改質部３ｂに流入させる回路に切り替える際には、第１電気式四方弁３７にて第１改質部３ａの出口側と排気口との間および第２改質部３ｂの出口側とエンジンＥＧの燃料入口側との間を同時に接続する第２回路に切り替えるとともに、第２電気式四方弁３８にて第１熱媒体回路３９１における第１反応部側熱交換器３４ａの熱媒体入口側と空気流入口との間および第２熱媒体回路３９２における第２反応部側熱交換器３４ｂの熱媒体入口側とエンジンＥＧの排ガス出口側との間を同時に接続する第２回路に切り替える。

本実施形態では、制御装置は、２つの改質部３ａ、３ｂのうち一方の改質部３ａで吸蔵モードが実行され、他方の改質部３ｂで脱離モードが実行されている場合に、他方の改質部３ｂにおいて、吸収剤３３０ｂに吸蔵されている窒素が完全に脱離された後、各改質部３ａ、３ｂのモードを現在のモードと異なるモードに切り替えるように構成されている。

より詳細には、各改質部３ａ、３ｂには、燃料流路３１０ａ、３１０ｂ内の窒素濃度を検出する窒素濃度センサ３９ａ、３９ｂが配置されている。この窒素濃度センサ３９ａ、３９ｂにより燃料流路３１０ａ、３１０ｂ内の窒素濃度を検出することで、吸収剤３３０ａ、３３０ｂに吸蔵されている窒素が完全に脱離されたか否かを推定することができる。

例えば、制御装置は、第１改質部３ａで吸蔵モードが実行され、第２改質部３ｂで脱離モードが実行されている場合、第２改質部３ｂの燃料流路３１０ｂ内の窒素濃度を窒素濃度センサ３９ｂにて検出し、その検出結果により第２改質部３ｂの吸収剤３３０ｂに吸蔵されている窒素が完全に脱離されたと判定したときに、電気式三方弁３６、第１電気式四方弁３７および第２電気式四方弁３８を切り替え、第１改質部３ａで脱離モードが実行され、第２改質部３ｂで吸蔵モードが実行されるようにする。

なお、吸収剤３３０ａ、３３０ｂにおける窒素の吸蔵のスピードと窒素の脱離のスピードとは、同じとは限らないが、除去部側熱交換器３５ａ、３５ｂにおいて吸収剤３３０ａ、３３０ｂへの入熱を制御することで、窒素の吸蔵および脱離のスピードを制御することができる。

続いて、改質部３ａ、３ｂの詳細な構成について説明する。なお、第１改質部３ａと第２改質部３ｂとは、同様の構成であるため、以下では第１改質部３ａについて説明し、第２改質部３ｂについては説明を省略する。

図３は、第１改質部３ａを示す一部透過斜視図である。図３に示すように、第１改質部３ａは、三重管構造になっている。すなわち、第１改質部３ａは、排ガスおよび空気のうち一方の熱媒体が流通する第１熱媒体流路４１０を形成する外側配管４１、外側配管４１の内側に配置されるとともに、排ガスおよび空気のうち他方の熱媒体が流通する第２熱媒体流路４２０を形成する内側配管４２と、外側配管４１と内側配管４２との間に配置されるとともに、燃料流路３１０ａを形成する中側配管４３とを有して構成されている。

内側配管４２の外壁面、すなわち燃料流路３１０ａに対向する側の面は、触媒３２０ａが配置されており、反応部３２ａを構成している。触媒３２０ａは、内側配管４２の外壁面を介して第２熱媒体流路４２０を流通する熱媒体と熱交換可能に構成されている。したがって、内側配管４２の外壁面が、反応部側熱交換器３４ａとしての機能を果たす。

中側配管４３の内壁面、すなわち燃料流路３１０ａに対向する側の面は、吸収剤３３０ａが配置されており、除去部３３ａを構成している。吸収剤３３０ａは、中側配管４３の内壁面を介して第１熱媒体流路４１０を流通する熱媒体と熱交換可能に構成されている。したがって、中側配管４３の内壁面が、除去部側熱交換器３５ａとしての機能を果たす。

以上説明したように、除去部３３ａ、３３ｂにおいて吸収剤３３０ａ、３３０ｂに窒素を選択的に吸蔵させるとともに、この際に吸収剤３３０ａ、３３０ｂが放出する熱を除去部側熱交換器３５ａ、３５ｂにて除去することで、透過膜を用いることなく、窒素を分離除去することができる。すなわち、透過膜を用いないため、燃料の流量を大きくしたり、圧力を高くしたりしても、除去部３３ａ、３３ｂが破損することなく、分離除去機能を確保することができる。換言すると、透過膜を用いないので、分離除去機能を確保するために改質器３全体を大型化する必要がなくなる。

また、透過膜を用いないので、透過膜と枠体との間のシールを行う必要がなくなり、シールの手間がかからず、製造コストを低減できる。本実施形態では、吸収剤３３０ａ、３３０ｂを燃料流路３１０ａ、３１０ｂ内に配置して、直接窒素と接触するようにしている。すなわち、吸収剤３３０ａ、３３０ｂと系外（外部）との接触部を設ける必要がないので、確実にシールを行うことができる。

さらに、従来の透過膜は一般に貴金属製であるが、その透過膜に代えて吸収剤３３０ａ、３３０ｂを用いることにより窒素を分離除去することができるので、製造コストをより一層低減できる。

したがって、体格の小型化を図りつつ、製造コストを低減することが可能となる。

また、本実施形態では、第１熱媒体回路３９１および第２熱媒体回路３９２において、除去部側熱交換器３５ａ、３５ｂの熱媒体流れ上流側に反応部側熱交換器３５ａ３４ａ、３４ｂを配置している。これにより、除去部側熱交換器３５ａ、３５ｂでは、脱離モード時に、触媒３２０ａ、３２０ｂを加熱した後の排熱により、吸収剤３３０ａ、３３０ｂが加熱される。

したがって、反応部側熱交換器３４ａ、３４ｂにおいて、エンジンＥＧの排ガスの熱（排熱）により、まず触媒３２０ａ、３２０ｂが加熱されるので、触媒３２０ａ、３２０ｂを充分に加熱することができる。そして、触媒３２０ａ、３２０ｂを加熱した後の排熱により、除去部側熱交換器３５ａ、３５ｂにおいて吸収剤３３０ａ、３３０ｂが加熱されるので、エンジンＥＧの排熱を有効利用することが可能となる。

また、本実施形態では、第１改質部３ａと第２改質部３ｂにおいて、吸蔵モードおよび脱離モードのうち互いに異なるモードが実行されるので、第１改質部３ａおよび第２改質部３ｂのうちいずれか一方において、必ず脱離モードが実行されるようにできる。このため、第１改質部３ａおよび第２改質部３ｂのうちいずれか一方から、常時窒素を脱離させてエンジンＥＧに供給することが可能となる。

このとき、反応部側熱交換器３４ａ、３４ｂおよび除去部側熱交換器３５ａ、３５ｂに供給される熱媒体を排ガスと空気との間で切り替えることで、第１改質部３ａおよび第２改質部３ｂにおいて実行されるモードを吸蔵モードと脱離モードとの間で切り替えることができるので、簡易な構成で、第１改質部３ａおよび第２改質部３ｂにおいて実行されるモードを切り替えることが可能となる。

また、本実施形態では、第１改質部３ａおよび第２改質部３ｂをいわゆる三重管構造とすることにより、第１熱媒体流路４１０および第２熱媒体流路４２０に供給される熱媒体を排ガスと空気との間で切り替えることで、一第１改質部３ａおよび第２改質部３ｂにおいて実行されるモードを吸蔵モードと脱離モードとの間で切り替えることが可能となる。すなわち、第１改質部３ａおよび第２改質部３ｂにおいて実行されるモードを吸蔵モードと脱離モードとの間で切り替えることができる構成を、容易かつ確実に実現できる。

（他の実施形態）
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、以下のように種々変形可能である。

（１）上記実施形態では、吸収剤３３０ａ、３３０ｂを冷却する冷却手段および吸収剤３３０ａ、３３０ｂを加熱する加熱手段として、除去部側熱交換器３５ａ、３５ｂを採用し、当該除去部側熱交換器３５ａ、３５ｂに流通させる熱媒体を切り替えることで、吸収剤３３０ａ、３３０ｂの冷却または加熱を行う例について説明したが、これに限らず、冷却手段および加熱手段として、それぞれ別の熱交換器（例えば、冷却用熱交換器および加熱用熱交換器）を採用してもよい。

同様に、触媒３２０ａ、３２０ｂを冷却する冷却手段および触媒３２０ａ、３２０ｂを加熱する加熱手段として、反応部側熱交換器３４ａ、３４ｂを採用し、当該反応部側熱交換器３４ａ、３４ｂに流通させる熱媒体を切り替えることで、触媒３２０ａ、３２０ｂの冷却または加熱を行う例について説明したが、冷却手段および加熱手段として、それぞれ別の熱交換器を採用してもよい。

（２）上記実施形態では、改質器３を、第１改質部３ａおよび第２改質部３ｂにおいて、吸蔵モードおよび脱離モードのうち互いに異なるモードが実行されるように構成した例について説明したが、これに限らず、第１改質部３ａおよび第２改質部３ｂにおいて、互いに同じモードが実行されるように構成してもよい。

（３）上記実施形態では、改質器３を、２つの改質部（すなわち、第１改質部３ａおよび第２改質部３ｂ）を備えるように構成した例について説明したが、これに限らず、改質部は１つであってもよいし、３つ以上であってもよい。

３２ａ、３２ｂ 反応部
３３ａ、３３ｂ 除去部
３５ａ、３５ｂ 除去部側熱交換器（冷却手段、加熱手段）
４１ 外側配管
４２ 内側配管
４３ 中側配管
３２０ａ、３２０ｂ 触媒
３３０ａ、３３０ｂ 吸収剤
４１０ 第１熱媒体流路
４２０ 第２熱媒体流路

Claims (8)

1. 未反応物を反応させて少なくとも２つの生成物を生成する反応部（３２ａ、３２ｂ）と、
   前記少なくとも２つの生成物から少なくとも１つの生成物を選択的に吸蔵することにより、前記少なくとも１つの生成物を分離除去する除去部（３３ａ、３３ｂ）とを備え、
   前記除去部（３３ａ、３３ｂ）は、
   前記少なくとも１つの生成物を選択的に吸蔵する際に熱を放出する吸収剤（３３０ａ、３３０ｂ）と、
   前記吸収剤（３３０ａ、３３０ｂ）が放出する熱を除去する冷却手段（３５ａ、３５ｂ）とを有することを特徴とする反応器。
2. 前記反応部として、少なくとも２つの小反応部（３２ａ、３２ｂ）が設けられており、
   前記除去部（３３ａ、３３ｂ）は、
   前記小反応部（３２ａ、３２ｂ）毎に１つずつ配設されているとともに、
   前記少なくとも１つの生成物を選択的に吸蔵する際に熱を放出し、吸蔵した前記少なくとも１つの生成物を脱離させる際に熱を吸収する吸収剤（３３０ａ、３３０ｂ）と、
   前記吸収剤（３３０ａ、３３０ｂ）が放出する熱を除去する冷却手段（３５ａ、３５ｂ）と、
   前記吸収剤（３３０ａ、３３０ｂ）に対して熱を付与する加熱手段（３５ａ、３５ｂ）とを有しており、
   さらに、前記除去部（３２ａ、３２ｂ）は、前記吸収剤（３３０ａ、３３０ｂ）が前記少なくとも１つの生成物を選択的に吸蔵するとともに、前記冷却手段（３５ａ、３５ｂ）によって前記吸収剤（３３０ａ、３３０ｂ）が放出する熱を除去する吸蔵モードと、前記加熱手段（３５ａ、３５ｂ）によって前記吸収剤（３３０ａ、３３０ｂ）に対して熱を付与するとともに、前記吸収剤（３３０ａ、３３０ｂ）から前記少なくとも１つの生成物を脱離させる脱離モードとを実行可能に構成されていることを特徴とする請求項１に記載の反応器。
3. 燃料または水素を酸化させることによりエネルギを出力させるエネルギ出力手段（ＥＧ）に供給する燃料供給システム（１０）に適用される反応器であって、
   前記反応部（３２ａ、３２ｂ）は、分子中に少なくとも１つの水素原子が含まれる燃料を反応させて、水素と他の生成物を生成するように構成されており、
   前記加熱手段（３５ａ、３５ｂ）は、前記脱離モード時に、前記エネルギ出力手段（ＥＧ）において燃料または水素を酸化させた際に生じる熱により、前記吸収剤（３３０ａ、３３０ｂ）を加熱することを特徴とする請求項２に記載の反応器。
4. 前記反応部（３２ａ、３２ｂ）は、前記燃料を改質して前記水素を生成するための触媒（３２０ａ、３２０ｂ）を有しているとともに、前記吸蔵モード時に、前記エネルギ出力手段（ＥＧ）において前記燃料または水素を酸化させた際に生じる熱により前記触媒（３２０ａ、３２０ｂ）が加熱されるように構成されており、
   前記加熱手段（３５ａ、３５ｂ）は、前記脱離モード時に、前記触媒（３２０ａ、３２０ｂ）を加熱した後の排熱により、前記吸収剤（３３０ａ、３３０ｂ）を加熱することを特徴とする請求項３に記載の反応器。
5. 前記少なくとも２つの小反応部（３２ａ、３２ｂ）毎に１つずつ配設された前記除去部（３３ａ、３３ｂ）のうち、一方の前記除去部（３３ａ）と他方の前記除去部（３３ｂ）において、前記吸蔵モードおよび前記脱離モードのうち互いに異なるモードが実行されるように構成されており、
   前記小反応部（３２ａ、３２ｂ）は、前記触媒（３２０ａ、３２０ｂ）と前記熱媒体とを熱交換させることで前記触媒（３２０ａ、３２０ｂ）を加熱または冷却する第１熱交換器（３４ａ、３４ｂ）を有しており、
   前記除去部（３３ａ、３３ｂ）は、前記吸収剤（３３０ａ、３３０ｂ）と前記熱媒体とを熱交換させることで前記吸収剤（３３０ａ、３３０ｂ）を加熱または冷却する第２熱交換器（３５ａ、３５ｂ）を有しており、
   前記第１熱交換器（３４ａ、３４ｂ）および前記第２熱交換器（３５ａ、３５ｂ）には、前記熱媒体として加熱用熱媒体または冷却用熱媒体が供給されるように構成されており、
   前記第１熱交換器（３４ａ、３４ｂ）および前記第２熱交換器（３５ａ、３５ｂ）に供給される前記熱媒体を前記加熱用熱媒体と前記冷却用熱媒体との間で切り替えることで、前記一方の除去部（３３ａ）および前記他方の除去部（３３ｂ）において実行される前記モードが前記吸蔵モードと前記脱離モードとの間で切り替わることを特徴とする請求項４に記載の反応器。
6. 前記少なくとも２つの小反応部（３２ａ、３２ｂ）は、それぞれ、
   前記加熱用熱媒体および前記冷却用熱媒体のうち一方の熱媒体が流通する第１熱媒体流路（４１０）を形成する外側配管（４１）と、
   前記外側配管（４１）の内側に配置されるとともに、前記加熱用熱媒体および前記冷却用熱媒体のうち他方の熱媒体が流通する第２熱媒体流路（４２０）を形成する内側配管（４２）と、
   前記外側配管（４１）と前記内側配管（４２）との間に配置されるとともに、前記燃料が流通する中側配管（４３）とを有して構成されており、
   前記内側配管（４２）の外壁面には、前記触媒（３２０ａ、３２０ｂ）が配置されており、
   前記中側配管（４１）の内壁面には、前記吸収剤（３３０ａ、３３０ｂ）が配置されていることを特徴とする請求項５に記載の反応器。
7. 前記反応部（３２ａ、３２ｂ）は、分子中に少なくとも１つの窒素原子が含まれる未反応物を反応させて、窒素と他の生成物を生成するように構成されており、
   前記除去部（３３ａ、３３ｂ）は、前記窒素の物理吸着または前記窒素の固定化反応により、前記窒素を選択的に吸蔵することを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の反応器。
8. 前記未反応物はアンモニアであり、
   前記反応部（３２ａ、３２ｂ）は、前記アンモニアを改質して水素を生成するための触媒（３２０ａ、３２０ｂ）を有していることを特徴とする請求項７に記載の反応器。

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