JP2013253004A - 改質装置 - Google Patents

Abstract

【課題】起動時において混合ガスの酸化反応により生成される水（Ｈ₂Ｏ）に起因する改質領域の触媒への悪影響を回避しうるような改質装置を提供すること。
【解決手段】本発明の改質装置は、電気加熱式ヒーターを介した触媒ユニットへの空気の供給をもたらす空気供給バルブと、電気加熱式ヒーターを介した触媒ユニットへの水素系燃料の供給をもたらす燃料噴射装置とを有する供給制御手段であって、改質領域と酸化領域との各領域の温度に基づいて水素系燃料と空気との触媒ユニットに対する供給を制御する供給制御手段とを具備し、改質装置の起動時、触媒ユニットの温度を昇温すべく、電気加熱式ヒーターは通電され、供給制御手段は、改質領域の温度が水（Ｈ₂Ｏ）の蒸発をもたらしうる第１の所定温度に昇温されるまでの間は、水素系燃料あるいは空気のいずれか一方のみの触媒ユニットに対する供給を許可するように空気供給バルブと燃料噴射装置とを制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池や内燃機関の吸気／排気系などに供給する水素を生成すべく、少なくとも水素を一構成成分として含む燃料（以下、水素系燃料と称す）を改質して水素を生成する改質装置に関する。

近年、水素系燃料と空気とを含む混合ガスの一部を、改質装置の上流側に位置し酸化反応を行う領域（以下、酸化領域という）にて酸化させ、その反応熱を利用して内部から改質反応を行う領域（以下、改質領域という）を昇温して改質反応を促進させる触媒ユニットを有する改質装置、いわゆるオートサーマル方式の改質装置の開発が進められている。

また、改質反応を促進させて水素ガス発生までに要する時間の短縮化を図るべく、通電により発熱する発熱体を触媒ユニットの上流側に配置し、さらに、取り入れられた混合ガスと発熱反応する触媒粒子を該発熱体に担持させる構成、すなわち、所謂電気加熱式触媒（ＥＨＣ）を触媒ユニットの上流側に配置する構成を有する改質装置が知られている（特許文献１参照）。このような改質装置の構成によれば、発熱体への通電によって発熱体自体が昇温されるとともに発熱体に担持された触媒粒子が昇温され、該触媒粒子と取り入れられた混合ガスとの発熱反応が促進されて、触媒ユニットの昇温を促進させることができ、改質領域の改質可能温度への到達時間の短縮化を図ることが可能となりうる。

特開２００２−１５４８０５号公報 特開２０００−２０３８０３号公報

ところで、上記のようなオートサーマル方式の改質装置に、その入口部から水素系燃料を空気とともに混合ガスとして取り入れて、該混合ガスを酸化領域および改質領域に接触させることによって生成された改質ガスを出口部から放出させる場合、酸化領域が過度に加熱される一方で、改質領域の昇温が遅れる。そのために、酸化領域における混合ガスの酸化反応により水（Ｈ₂Ｏ）が生成されるような場合であって、酸化領域の下流側に位置する改質領域が十分に昇温されていない低温状態にあるような場合においては、酸化反応により生成された水（Ｈ₂Ｏ）が、該改質領域にて凝縮水として出現し、この凝縮水の出現に起因して、改質領域の触媒の性能劣化や目詰まり等の支障をきたす虞がありうる。

本発明は上記課題に鑑み、改質領域と該改質領域の上流側に位置する酸化領域との２つの領域にて構成される触媒ユニットと、該触媒ユニットの上流側に配置されて該触媒ユニットを加熱する電気加熱式ヒーターとを有する改質装置において、該改質装置の起動時に、混合ガスの酸化反応により生成される水（Ｈ₂Ｏ）に起因する改質領域の触媒への悪影響を回避しうるような改質装置を提供することを目的とする。より具体的には、本発明の改質装置は、その起動時において、改質領域の温度が水（Ｈ₂Ｏ）の蒸発をもたらしうるような所定温度に昇温されるまでの間は、酸化領域における混合ガスの酸化反応を禁止するように、触媒ユニットに対する水素系燃料と空気との供給を制御しうるような手段を有する改質装置を提供することを目的とする。

ちなみに、特許文献２においては、炭化水素を水素へ改質する改質器において、該改質器の起動時間の短縮化を図ることを目的として、改質触媒の表面を予め還元状態にしておき、起動時に空気のみを改質触媒に供給して酸化する改質器が開示されている。しかしながら、特許文献２において開示されている改質器は、本発明のような混合ガスの酸化反応により生成される水（Ｈ₂Ｏ）に起因する改質領域の触媒への悪影響を回避しうるような改質装置として提供されるものではなく、よって、起動時において、改質領域の温度が水（Ｈ₂Ｏ）の蒸発をもたらしうるような所定温度に昇温されるまでの間は、酸化領域における混合ガスの酸化反応を禁止するように、触媒ユニットに対する水素系燃料と空気との供給を制御する、というような本発明の構成は何ら記載もされておらず、また、示唆もされていない。

請求項１に記載の発明によれば、少なくとも水素を一構成成分として含む水素系燃料と空気とを上流側通路から取り入れて前記水素系燃料を改質して水素を生成する改質装置であって、主として前記水素系燃料を改質して水素を生成する改質領域と該改質領域の上流側に位置し主として酸素雰囲気で酸化を行う酸化領域との２つの領域にて構成される触媒ユニットと、該触媒ユニットの上流側に配置されて通電されることにより該触媒ユニットを加熱する電気加熱式ヒーターとを有する改質装置において、前記改質領域と前記酸化領域との各領域の温度を検出する触媒温度検出手段と、前記電気加熱式ヒーターを介した前記触媒ユニットへの空気の供給をもたらす空気供給バルブと、前記電気加熱式ヒーターを介した前記触媒ユニットへの前記水素系燃料の供給をもたらす燃料噴射装置とを有する供給制御手段であって、前記触媒温度検出手段により検出された前記改質領域と前記酸化領域との各領域の温度に基づいて、前記水素系燃料と空気との前記触媒ユニットに対する供給を制御する供給制御手段とを具備し、前記改質装置の起動時、前記触媒ユニットの温度を昇温すべく、前記電気加熱式ヒーターは通電され、前記供給制御手段は、前記改質領域の温度が水の蒸発をもたらしうる第１の所定温度に昇温されるまでの間は、前記水素系燃料あるいは空気のいずれか一方のみの前記触媒ユニットに対する供給を許可するように前記空気供給バルブと前記燃料噴射装置とを制御する、改質装置が提供される。

すなわち、請求項１に記載の発明では、主として水素系燃料を改質して水素を生成する改質領域と該改質領域の上流側に位置し主として酸素雰囲気で酸化を行う酸化領域との２つの領域にて構成される触媒ユニットと、該触媒ユニットの上流側に配置されて該触媒ユニットを加熱する電気加熱式ヒーターとを有する改質装置において、その起動時に、改質領域の温度が水（Ｈ₂Ｏ）の蒸発をもたらしうるような所定温度に昇温されるまでの間は、酸化領域における混合ガスの酸化反応を禁止するように触媒ユニットに対する水素系燃料と空気との供給を制御することで、該改質装置の起動時における混合ガスの酸化反応により生成される水（Ｈ₂Ｏ）に起因する改質領域の触媒への悪影響を回避することを可能とする。

より具体的には、本発明の改質装置は、改質領域と酸化領域との各領域の温度に基づいて、水素系燃料と空気との触媒ユニットに対する供給を制御する供給制御手段を有して構成される。そして、改質装置の起動時においては、触媒ユニットの温度を昇温すべく電気加熱式ヒーターが通電されるとともに、供給制御手段により、改質領域の温度が水（Ｈ₂Ｏ）の蒸発をもたらしうる所定温度に昇温されるまでの間は、水素系燃料あるいは空気のいずれか一方のみの触媒ユニットに対する供給が許可されるように空気供給バルブと燃料噴射装置とが制御される。触媒ユニットの酸化領域における酸化反応であって水（Ｈ₂Ｏ）が生成されるような酸化反応は概して、該酸化領域に水素系燃料と空気との両方が混合ガスとして同時に供給されることによりもたらされるものであり、該酸化領域に水素系燃料あるいは空気のいずれか一方のみしか供給されない場合においては、酸化領域において、水（Ｈ₂Ｏ）が生成されるような混合ガスの酸化反応はもたらされない。従って、上記のような供給制御手段によれば、改質領域の温度が水（Ｈ₂Ｏ）の蒸発をもたらしうる所定温度に昇温されるまでの間は、酸化領域に水素系燃料あるいは空気のいずれか一方のみしか供給されないので、改質領域の温度が水（Ｈ₂Ｏ）の蒸発をもたらしうるような所定温度に昇温されるまでの間の混合ガスの酸化反応を禁止することが可能され、よって、該改質装置の起動時に混合ガスの酸化反応により生成される水（Ｈ₂Ｏ）に起因する改質領域の触媒への悪影響を回避することが可能とされる。

請求項２に記載の発明によれば、前記改質装置の起動時、前記供給制御手段は、前記改質領域の温度が水の蒸発をもたらしうる第１の所定温度に昇温され、且つ、前記酸化領域の温度が酸化反応をもたらしうる第２の所定温度に昇温されるまでの間は、空気のみの前記触媒ユニットに対する供給を許可するように前記空気供給バルブと前記燃料噴射装置とを制御し、また、前記供給制御手段は、前記改質領域の温度が改質反応をもたらしうる第３の所定温度に昇温されるまでの間は、前記触媒ユニットに対する前記水素系燃料の供給量が、前記酸化領域においての酸化反応に使用されうる所定量のみに制限されるように前記燃料噴射装置を制御する、請求項１に記載の改質装置が提供される。

請求項３に記載の発明によれば、前記触媒ユニットは、前記水素系燃料を改質して水素を生成する触媒であって、該触媒の担体が還元状態にある場合において常温にて酸素と該担体との反応により自己発熱するという常温起動触媒にて構成される、請求項２に記載の改質装置が提供される。

請求項４に記載の発明によれば、前記触媒ユニットの前記酸化領域は、粒状の担体に触媒粒子が担持されたペレット触媒にて形成される、請求項２に記載の改質装置が提供される。

各請求項に記載の発明によれば、改質領域と該改質領域の上流側に位置する酸化領域との２つの領域にて構成される触媒ユニットと、該触媒ユニットの上流側に配置されて該触媒ユニットを加熱する電気加熱式ヒーターとを有する改質装置において、改質領域の温度が水（Ｈ₂Ｏ）の蒸発をもたらしうる所定温度に昇温されるまでの間は、水素系燃料あるいは空気のいずれか一方のみの触媒ユニットに対する供給が許可されるように空気供給バルブと燃料噴射装置とを制御する供給制御手段を具備することで、改質領域の温度が水（Ｈ₂Ｏ）の蒸発をもたらしうるような所定温度に昇温されるまでの間の混合ガスの酸化反応を禁止することが可能され、よって、該改質装置の起動時に混合ガスの酸化反応により生成される水（Ｈ₂Ｏ）に起因する改質領域の触媒への悪影響を回避することが可能とされる、という共通の効果を奏する。

本発明の改質装置の一実施形態を示す構成図である。 図１に示す実施形態の本改質装置における供給制御手段による制御の一実施形態の示すフローチャートである。 本発明の改質装置における触媒ユニット構造の一実施形態を示す図である。

以下、添付図面を用いて本発明に係る改質装置の実施形態について説明する。図１は、本発明の改質装置の一実施形態を示す構成図である。図１において、１は改質装置、２は触媒ユニット、３は改質領域、４は酸化領域、５は電気加熱式ヒーター、６は燃料噴射装置、７は空気供給バルブ、８は改質領域温度検出センサー、９は酸化領域温度検出センサー、をそれぞれ示す。

図１に示される実施形態における本発明の改質装置１は、少なくとも水素を一構成成分として含む水素系燃料を改質して水素を生成する改質装置であって、主として水素系燃料を改質して水素を生成する改質領域３と該改質領域３の上流側に位置し主として酸素雰囲気で酸化を行う酸化領域４との２つの領域にて構成される触媒ユニット２と、該触媒ユニット２の上流側に配置されて通電されることにより該触媒ユニット２を加熱する電気加熱式ヒーター５とを有して構成される。

改質領域３は、主として水素系燃料を改質して水素を生成するという役割を果たす領域であり、水素系燃料を改質するための触媒粒子が配置される。本実施形態における改質領域３は、ハニカム構造にて形成され、取り入れられた水素系燃料と空気との混合ガスが流れる方向に沿って形成されている複数の流路を有するものとされ、ハニカム状に貫通孔が複数形成された担体の隣接する該貫通孔を隔てる隔壁の表面に触媒粒子が担持されたハニカム触媒にて形成されるものとする。そして、改質領域３の担体は、例えば酸化アルミニウムで形成され、基材にて支持されるものとする。また、取り入れられた水素系燃料を改質するための触媒粒子の金属としては、白金やルテニウム等の貴金属や、あるいは、ニッケルやコバルト等の卑金属を例示することができるが、これらに限られることはなく、取り入れられた水素系燃料の改質をもたらしうるような任意の金属から構成されることができる。

一方で、酸化領域４は、改質領域３よりも上流側に位置し主として酸素雰囲気で酸化を行う領域であり、水素系燃料とともに取り入れられる空気中の酸素を用いて水素系燃料の一部を燃焼して、該燃焼により生じた熱を用いて下流側に位置する改質領域３の改質可能温度への昇温を促進する役割を果たす領域であり、上流側流路から取り入れられた水素系燃料の一部を、部分酸化や完全酸化などの酸化をさせる触媒粒子が配置される。本実施形態における酸化領域４は、改質領域３と同様にハニカム構造にて形成され、取り入れられた混合ガスが流れる方向に沿って形成されている複数の流路を有するものとされる。そして、酸化領域４の触媒粒子についても、改質領域３と同様に担体に担持されているものとされ、該担体は、例えば酸化アルミニウムで形成され、基材にて支持されるものとする。取り入れられた水素系燃料を酸化するための触媒粒子の金属としては、白金等の貴金属や鉄等の卑金属を例示することができるが、これらに限られることはなく、取り入れられた燃料の酸化をもたらしうるような任意の金属から構成されることができる。

上記のような触媒ユニット２と電気加熱式ヒーター５とを有して構成される本実施形態における改質装置１においては、触媒ユニット２の温度が低温状態にあるような場合に、電気加熱式ヒーター５への通電がなされて触媒ユニットの迅速な昇温が行われる。そして、酸化可能温度に昇温された酸化領域４における酸化反応による反応熱を利用して、改質反応を行う改質領域３を昇温して改質反応を促進させる、いわゆるオートサーマル方式の改質制御が実行される。

ところで、先にも述べたように、上記のようなオートサーマル方式の改質装置に、その入口部から水素系燃料を空気とともに混合ガスとして取り入れて、該混合ガスを酸化領域および改質領域に接触させることによって生成された改質ガスを出口部から放出させる場合、酸化領域が過度に加熱される一方で、酸化領域下流側に位置する改質領域の昇温が遅れる。そのために、酸化領域における混合ガスの酸化反応により水（Ｈ₂Ｏ）が生成されるような場合であって、酸化領域の下流側に位置する改質領域が十分に昇温されていない低温状態にあるような場合においては、酸化反応により生成された水（Ｈ₂Ｏ）が、該改質領域にて凝縮水として出現し、この凝縮水の出現に起因して、改質領域の触媒の性能劣化や目詰まり等の支障をきたす虞がありうる。

このことに基づいて、発明においては、改質装置の起動時に、混合ガスの酸化反応により生成される水（Ｈ₂Ｏ）に起因する改質領域の触媒への悪影響を回避しうるように、装置起動時において、改質領域の温度が水（Ｈ₂Ｏ）の蒸発をもたらしうるような所定温度に昇温されるまでの間は、酸化領域における混合ガスの酸化反応を禁止するように、触媒ユニットに対する水素系燃料と空気との供給を制御しうるような構成を有する改質装置を提供することを目的とする。

このような目的を実現すべく本発明の改質装置１は、改質領域３の温度を検出する改質領域温度検出センサー８と酸化領域４の温度を検出する酸化領域温度検出センサー９とを有して構成される触媒温度検出手段と、電気加熱式ヒーター５を介した触媒ユニット２への空気の供給をもたらす空気供給バルブ７と、電気加熱式ヒーター５を介した触媒ユニット２への水素系燃料の供給をもたらす燃料噴射装置６とを有して構成される供給制御手段であって、上記触媒温度検出手段により検出された改質領域３と酸化領域４との各領域の温度に基づいて、水素系燃料と空気との触媒ユニット２に対する供給を制御する供給制御手段とを備えて構成されるものとする。尚、本実施形態においては、改質領域３の温度を検出する改質領域温度検出センサー８は、改質領域３の中でも最後に遅れて昇温されるような領域となる、改質領域３の中でもその下流側領域に配置されるものとされる。

そして、改質装置１の起動時においては、触媒ユニット２の温度を昇温すべく電気加熱式ヒーター５が通電されるとともに、供給制御手段により、改質領域３の温度が水の蒸発をもたらしうる所定温度に昇温されるまでの間は、水素系燃料あるいは空気のいずれか一方のみの触媒ユニット２に対する供給が許可されるように空気供給バルブ７と燃料噴射装置６とを制御する。触媒ユニット２の酸化領域４における酸化反応は概して、該酸化領域４に水素系燃料と空気との両方が混合ガスとして同時に供給されることによりもたらされるものであり、該酸化領域４に水素系燃料あるいは空気のいずれか一方のみしか供給されない場合においては、該酸化領域４における酸化反応はもたらされない。従って、上記のような供給制御手段によれば、改質領域３の温度が水の蒸発をもたらしうる所定温度に昇温されるまでの間は、酸化領域４に水素系燃料あるいは空気のいずれか一方のみしか供給されないので、改質領域３の温度が水の蒸発をもたらしうるような所定温度に昇温されるまでの間の酸化領域４における混合ガスの酸化反応を禁止することが可能とされ、よって、該改質装置の起動時における混合ガスの酸化反応により生成される水分に起因する改質領域の触媒への悪影響を回避することが可能とされる。

図２は、図１に示す実施形態の本改質装置における供給制御手段による制御の一実施形態の示すフローチャートである。図２に示される実施形態における供給制御手段による制御においては、改質装置の起動時、触媒ユニット２の温度を昇温すべく電気加熱式ヒーター５が通電され、供給制御手段は、改質領域３の温度が水の蒸発をもたらしうる第１の所定温度（α）に昇温され、また、酸化領域の温度が酸化反応をもたらしうる第２の所定温度（β）に昇温されるまでの間は、空気のみの触媒ユニット２に対する供給を許可するように空気供給バルブ７と燃料噴射装置６とが制御される。

本実施形態における供給制御手段による制御によれば、装置起動時に、改質領域３の温度が水（Ｈ₂Ｏ）の蒸発をもたらしうる第１の所定温度（α）に昇温されるまでの間において、触媒ユニット２に対して水素系燃料が供給されることなく空気のみが供給されることになるが故に、酸化領域４における混合ガスの酸化反応はもたらされることはなく、該改質装置１の起動時における混合ガスの酸化反応により生成される水（Ｈ₂Ｏ）に起因する改質領域３の触媒への悪影響を回避することが可能とされる。

尚、本実施形態における供給制御手段による制御においては、装置起動時に、改質領域３の温度が水（Ｈ₂Ｏ）の蒸発をもたらしうる第１の所定温度（α）に昇温されるまでの間においては、電気加熱式ヒーター５を介して触媒ユニット２に対して空気が供給されることとしているが、これは、電気加熱式ヒーター５によりもたらされた熱の触媒ユニット２への円滑な熱伝達をもたらすべく、電気加熱式ヒーター５から触媒ユニット２への熱媒体流動をもたらすように実行されるものである。従って、このような電気加熱式ヒーター５から触媒ユニット２への空気のような熱媒体の流動がなくとも、電気加熱式ヒーター５によりもたらされた熱を触媒ユニットへ円滑な伝達ができるような場合においては、装置起動時に、改質領域３の温度が水の蒸発をもたらしうる第１の所定温度（α）に昇温されるまでの間において、電気加熱式ヒーター５を介して触媒ユニット２に対して空気を供給するというような構成は排除されうる。

また、本実施形態における供給制御手段による制御においては、改質装置起動時に、改質領域３の温度が水（Ｈ₂Ｏ）の蒸発をもたらしうる第１の所定温度（α）に昇温されるまでの間において触媒ユニット２に対して供給する対象が空気のみとされた。しかしながら、酸化領域４における混合ガスの酸化反応を阻止するという点、及び、電気加熱式ヒーター５によりもたらされた熱の触媒ユニット２への円滑な伝達という点の両観点においても、その対象が燃料のみとされてもよく、すなわち、装置起動時に、改質領域３の温度が水の蒸発をもたらしうる第１の所定温度（α）に昇温されるまでの間において、触媒ユニット２に対して空気が供給されることなく水素系燃料のみが供給されるように構成されてもよい。

さらに、本実施形態における供給制御手段による制御においては、改質領域３の温度が水（Ｈ₂Ｏ）の蒸発をもたらしうるような所定温度に昇温されるまでの間の酸化領域における混合ガスの酸化反応を、より確実に禁止することを可能とすべく、供給制御手段は、改質領域３の温度が水（Ｈ₂Ｏ）の蒸発をもたらしうる第１の所定温度（α）に昇温され、且つ、酸化領域４の温度が酸化反応をもたらしうる第２の所定温度（β）に昇温されるまでの間は、空気のみの触媒ユニット２に対する供給を許可するように空気供給バルブ７と燃料噴射装置６とを制御するものとされる。しかしながら、上記のようなオートサーマル方式の改質装置の構成において、改質領域３の温度が水の蒸発をもたらしうる第１の所定温度（α）に昇温された状態となった場合においては、酸化領域４の温度は概して、酸化反応をもたらしうる第２の所定温度（β）に既に昇温されている状態となっていることが考えられ、酸化領域４の温度が酸化反応をもたらしうる第２の所定温度（β）に昇温されているか否かの確認は不要とされてもよい。

また、図２に示される実施形態における供給制御手段による制御においては、供給制御手段は、改質領域３の温度が改質反応をもたらしうる第３の所定温度（γ）に昇温されるまでの間は、触媒ユニット２に対する水素系燃料の供給量が、酸化領域４においての酸化反応に使用されうる所定量（δ）のみに制限されるように燃料噴射装置を制御する。尚、本実施形態においては、酸化領域４においての酸化反応に使用されうる所定量（δ）は、解析評価や評価試験などに基づいて、予め設定されるものとする。

このような本実施形態における供給制御手段による制御によれば、装置起動時に、改質領域３の温度が改質反応をもたらしうる第３の所定温度（γ）に昇温されるまでの間は、触媒ユニット２に対する水素系燃料の供給量が、酸化領域４においての酸化反応に使用されうる所定量（δ）のみに制限されることになるが故に、改質領域３の温度が改質反応をもたらしうる第３の所定温度（γ）に昇温されるまでの間において改質領域３に水素系燃料が供給されてしまうというような事態を抑制することができ、よって、改質装置１からの未改質な水素系燃料の放出を抑制することを可能とする。

図２に示される実施形態における供給制御手段の制御において、まず、ステップ１０１及びステップ１０２において、触媒ユニット２を加熱すべく電気加熱式ヒーター５が通電（ＯＮ）されて、また、燃料噴射装置６から燃料が噴射されることなく、空気供給バルブ７を開放して空気のみを電気加熱式ヒーター５を介して触媒ユニット２に供給することを許可することで、触媒ユニット２の昇温が開始される。

続くステップ１０３及びステップ１０４において、触媒温度検出手段を構成する改質領域温度検出センサー８及び酸化領域温度検出センサー９からの検出情報に基づいて、改質領域３の温度が水（Ｈ₂Ｏ）の蒸発をもたらしうる第１の所定温度（α）に昇温されているか否か、また、酸化領域４の温度が酸化反応をもたらしうる第２の所定温度（β）に昇温されているか否かの判定がなされる。そして、電気加熱式ヒーター５による触媒ユニット２の継続した昇温がなされて、改質領域３の温度が水（Ｈ₂Ｏ）の蒸発をもたらしうる第１の所定温度（α）に昇温され、且つ、酸化領域４の温度が酸化反応をもたらしうる第２の所定温度（β）に昇温されたと判定されると、続くステップ１０５及びステップ１０６に進み、電気加熱式ヒーター５が通電解除（ＯＦＦ）されるとともに、酸化領域４においての酸化反応に使用されうる所定量（δ）のみの水素系燃料が触媒ユニット２に供給されるように、供給制御手段により燃料噴射装置６が制御される。すなわち、改質領域３に水素系燃料が供給されてしまうというような事態を抑制しつつ、酸化領域４における酸化反応をもたらし、該酸化反応による反応熱を利用して改質領域３の昇温が行われる。

ステップ１０６に続くステップ１０７においては、酸化領域４における酸化反応の反応熱による改質領域３の継続した昇温がなされて、改質領域３の温度が改質反応をもたらしうる第３の所定温度（γ）に昇温されたか否かの確認がなされる。すなわち、改質領域３の温度が改質反応をもたらしうる第３の所定温度（γ）に昇温されたことが確認されるまで、酸化領域４においての酸化反応に使用されうる所定量（δ）のみに制限された触媒ユニット２への燃料供給が継続される。そして、ステップ１０７にて、改質領域３の温度が改質反応をもたらしうる第３の所定温度（γ）に昇温されたことが確認されると、ステップ１０８に進み、触媒ユニット２に対して、酸化領域４において酸化反応に使用されうる量の水素系燃料とともに、改質領域３において改質反応に使用されうる量の水素系燃料が触媒ユニット２へ供給されるように、供給制御手段により燃料噴射装置６が制御される。

これらの一連の制御が実行される供給制御手段の制御によれば、上述したように、改質領域３の温度が水（Ｈ₂Ｏ）の蒸発をもたらしうるような所定温度に昇温されるまでの間の酸化領域４における混合ガスの酸化反応を禁止することが可能とされ、よって、該改質装置の起動時における混合ガスの酸化反応により生成される水（Ｈ₂Ｏ）に起因する改質領域の触媒への悪影響を回避することが可能とされる。

ところで、常温にて酸化反応により自己発熱するとともに水素系燃料を改質して水素を生成する触媒であって、該触媒の反応停止期間中にわたり該触媒の担体を還元状態に保持することができれば、外部熱エネルギーを供給せずに常温からの短時間起動を繰り返し可能とする触媒（以下、常温起動触媒と称す）が知られている。このような触媒担体としてはＣｅ_０．５Ｚｒ_０．５Ｏ_２−Ｘ系の材料が知られている。すなわち、たとえば触媒ユニット２の下流にバルブを設け、触媒反応停止期間中にわたり該触媒の担体を還元状態に保持するようにできれば、常温にて酸素と担体との反応による自己発熱が生じて該自己発熱にて触媒温度を急速に昇温させることができ、一方で、改質反応により生成された水素と反応熱とにより担体が自動的に還元状態に戻るというような触媒が知られている。

このような常温起動触媒によれば、最初に触媒担体を還元状態にしてから後に実行される起動においては、外部熱エネルギーを供給することなく改質領域３の改質可能温度への到達時間の更なる短縮化を図りうるとともに、また、要求される改質可能温度への到達時間短縮化の仕様から電気加熱式ヒーターの使用を必要とする場合においても、電気加熱式ヒーターの小型化を図ることができ消費電力という点においても改善しうる。このことに基づいて、本発明の改質装置における触媒ユニットが、水素系燃料を改質して水素を生成する触媒であって、該触媒の担体が還元状態にある場合において常温にて酸素と該担体との反応により自己発熱するというような常温起動触媒にて構成されるものとされてもよい。

また、図１に示される実施形態の説明においては、触媒ユニット２の酸化領域４及び改質領域３の両方の領域が、ハニカム状に貫通孔が複数形成された担体の隣接する該貫通孔を隔てる隔壁の表面に触媒粒子が担持されたハニカム触媒にて形成されるものとされたが、これに限られることはなく、例えば、触媒ユニット２の酸化領域４が、粒状の担体に触媒粒子が担持されたペレット触媒にて形成されるものとされてもよい。図３は、触媒ユニットの酸化領域が、粒状の担体に触媒粒子が担持されたペレット触媒にて形成されるという、本発明の改質装置における触媒ユニット構造の一実施形態を示す図である。

触媒ユニット全体をハニカム触媒として形成する場合、触媒ユニット全体をペレット触媒として形成する場合と比較して、高表面積、低圧力損失などを実現することが可能となる。一方で、触媒自体の昇温性という観点から考察すると、ペレット触媒と比較して、ハニカム触媒は、コージェライトハニカムのような熱容量の大きなハニカムを昇温するのに多くの時間を要するものとなる。従って、触媒ユニットの一部に、特に昇温性が求められるような触媒ユニットの酸化領域に、ハニカム触媒ではなくペレット触媒を適用するような構成にすることにより、酸化領域における酸化反応開始時間の更なる短縮化を可能としうる。

このことに基づいて、図３に示される実施形態の触媒ユニット１２においては、触媒ユニット１２の酸化領域１４は、粒状の担体に触媒粒子が担持されたペレット触媒にて形成されるものとされ、一方で、触媒ユニット１２の改質領域１３は、ハニカム状に貫通孔が複数形成された担体の隣接する該貫通孔を隔てる隔壁の表面に触媒粒子が担持されたハニカム触媒にて形成されるものとされる。このような触媒ユニット１２によれば、触媒ユニット全体がハニカム触媒として形成される場合と比較して、酸化領域１４における酸化反応開始時間の更なる短縮化を可能とする。

尚、図３に示される実施形態の触媒ユニット１２においては、酸化領域１４が、ペレット触媒にて形成されたとしても、ハニカム触媒にて形成された場合と同様の低圧力損失を実現すべく、酸化領域空間にワイヤーメッシュなど配置して該ワイヤーメッシュ上に、複数の粒状の担体が十分な間隔を有して離間して配置されるように構成されるものとする。また、図３に示される実施形態の触媒ユニット１２においては、酸化領域１４の酸化反応可能温度への昇温の際における更なる昇温性の向上を図るべく、酸化領域１４の酸化反応可能温度への昇温の際における酸化領域１４から改質領域１３への熱の移動を抑制するように、酸化領域１４と改質領域１３との間に適度の断熱空間が形成されて構成されるものとされる。

以上の説明から理解されうるごとく、上述したような本発明の改質装置によれば、その起動時において、改質領域の温度が水（Ｈ₂Ｏ）の蒸発をもたらしうるような所定温度に昇温されるまでの間の酸化領域における混合ガスの酸化反応を禁止することが可能され、よって、該改質装置の起動時における混合ガスの酸化反応により生成される水に起因する改質領域の触媒への悪影響を回避することが可能される。

１ 改質装置
２ 触媒ユニット
３ 改質領域
４ 酸化領域
５ 電気加熱式ヒーター
６ 燃料噴射装置
７ 空気供給バルブ
８ 改質領域温度検出センサー
９ 酸化領域温度検出センサー

Claims (4)

1. 少なくとも水素を一構成成分として含む水素系燃料と空気とを上流側通路から取り入れて前記水素系燃料を改質して水素を生成する改質装置であって、主として前記水素系燃料を改質して水素を生成する改質領域と該改質領域の上流側に位置し主として酸素雰囲気で酸化を行う酸化領域との２つの領域にて構成される触媒ユニットと、該触媒ユニットの上流側に配置されて通電されることにより該触媒ユニットを加熱する電気加熱式ヒーターとを有する改質装置において、
   前記改質領域と前記酸化領域との各領域の温度を検出する触媒温度検出手段と、
   前記電気加熱式ヒーターを介した前記触媒ユニットへの空気の供給をもたらす空気供給バルブと、前記電気加熱式ヒーターを介した前記触媒ユニットへの前記水素系燃料の供給をもたらす燃料噴射装置とを有する供給制御手段であって、前記触媒温度検出手段により検出された前記改質領域と前記酸化領域との各領域の温度に基づいて、前記水素系燃料と空気との前記触媒ユニットに対する供給を制御する供給制御手段とを具備し、
   前記改質装置の起動時、
   前記触媒ユニットの温度を昇温すべく、前記電気加熱式ヒーターは通電され、
   前記供給制御手段は、前記改質領域の温度が水の蒸発をもたらしうる第１の所定温度に昇温されるまでの間は、前記水素系燃料あるいは空気のいずれか一方のみの前記触媒ユニットに対する供給を許可するように前記空気供給バルブと前記燃料噴射装置とを制御する、改質装置。
2. 前記改質装置の起動時、前記供給制御手段は、前記改質領域の温度が水の蒸発をもたらしうる第１の所定温度に昇温され、且つ、前記酸化領域の温度が酸化反応をもたらしうる第２の所定温度に昇温されるまでの間は、空気のみの前記触媒ユニットに対する供給を許可するように前記空気供給バルブと前記燃料噴射装置とを制御し、また、
   前記供給制御手段は、前記改質領域の温度が改質反応をもたらしうる第３の所定温度に昇温されるまでの間は、前記触媒ユニットに対する前記水素系燃料の供給量が、前記酸化領域においての酸化反応に使用されうる所定量のみに制限されるように前記燃料噴射装置を制御する、請求項１に記載の改質装置。
3. 前記触媒ユニットは、前記水素系燃料を改質して水素を生成する触媒であって、該触媒の担体が還元状態にある場合において常温にて酸素と該担体との反応により自己発熱するという常温起動触媒にて構成される、請求項２に記載の改質装置。
4. 前記触媒ユニットの前記酸化領域は、粒状の担体に触媒粒子が担持されたペレット触媒にて形成される、請求項２に記載の改質装置。

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