JP2018002550A - 熱、水素生成装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】バーナーへの供給空気を、低温の空気と高温の空気に切換え可能にする。【解決手段】バーナー燃焼室（３）と、バーナー燃焼室（３）内においてバーナー燃焼を行うためのバーナー（７）と、バーナー燃焼ガスが送り込まれる改質用触媒（４）と、バーナー（７）に供給される空気を加熱するための熱交換部（１３ａ）を具備している。バーナー（７）に外気を導くための空気流通経路を、熱交換部（１３ａ）内を流通して熱交換部（１３ａ）により加熱された外気をバーナー（７）に導く高温空気流通経路（１３）と、熱交換部（１３ａ）を流通せずかつ熱交換部（１３ａ）において加熱された外気よりも温度の低い外気をバーナー（７）に導く低温空気流通経路（１４）との間で切換え可能な切換え装置（１６，１７）を具備している。【選択図】図１

Description

本発明は、熱、水素生成装置に関する。
バーナー燃焼室と、バーナー燃焼室内に燃料を噴射するための燃料噴射口を有するバーナーと、バーナー燃焼室内に空気を供給するための空気供給装置と、改質用触媒とを具備しており、バーナー燃焼室内で生成されたバーナー燃焼ガスを改質用触媒に送り込むことによって、熱および水素を生成するようにした熱、水素生成装置が公知である（例えば非特許文献１を参照）。この熱、水素生成装置では、部分酸化改質反応を生じさせるために、空気と燃料とが、空気と燃料とのO２/Cモル比を０．５に維持した状態で反応せしめられ、それによって熱が発生せしめられると共に、水素が生成せしめられる。
"Application of a Diesel Fuel Reformer for Tier 2 Bin 5 Emissions" Delphi, 2006 DEER Conference, August 21, 2006 Detroit, Michigan
ところで、改質用触媒を用いて燃料の部分酸化改質反応を行わせた場合、部分酸化改質反応が平衡状態になったときの改質用触媒の温度、即ち、反応平衡温度は、空気と燃料とのO２/Cモル比によって変化し、例えば、O２/Cモル比が０．５のときには、改質用触媒の温度、即ち、反応平衡温度は、ほぼ８３０℃となる。ただし、この改質用触媒の温度は、供給される空気温が２５℃の場合の値であって、供給される空気温が上昇すると、それに伴って、改質用触媒の温度は上昇する。ところが、上述の熱、水素生成装置では、供給される空気は、改質用触媒から流出ガスによって常時加熱される構造になっている。従って、改質用触媒からの流出ガスの加熱作用によって、供給される空気温が上昇すると、改質用触媒の温度が上昇する。改質用触媒の温度が上昇すると、改質用触媒から流出するガス温が上昇し、供給される空気温が上昇するので、供給される空気温が上昇し続けることになる。その結果、改質用触媒の温度が高くなり、改質用触媒が熱劣化するという問題を生ずる。
本発明によれば、上記問題を解決するために、ハウジングと、ハウジング内に形成されたバーナー燃焼室と、バーナー燃焼室内においてバーナー燃焼を行うための燃料噴射口と空気供給口とを有するバーナーと、燃料噴射口に燃料を供給するための燃料供給装置と、空気供給口に空気を供給するための空気供給装置と、ハウジング内に配置されかつバーナー燃焼室内で生成されたバーナー燃焼ガスが送り込まれる改質用触媒とを具備しており、空気供給装置が、空気供給口に供給される空気をバーナー燃焼ガスにより加熱するための熱交換部を具備しており、バーナー燃焼を行うことにより熱および水素を生成するようにした熱、水素生成装置において、空気供給装置は、空気供給口に外気を導くための空気流通経路を、熱交換部を流通して熱交換部により加熱された外気を空気供給口に導く高温空気流通経路と、熱交換部を流通しなかったことにより熱交換部において加熱された外気よりも温度の低い外気を空気供給口に導く低温空気流通経路との間で切換え可能な切換え装置を具備している。
高温空気流通経路と、低温空気流通経路との間で切換え可能な切換え装置を具備していることによって、改質用触媒が熱劣化をしないように、必要に応じて、熱交換部を流通せずかつ熱交換部において加熱された外気よりも温度の低い外気を空気供給口に導くことが可能となる。
図１は熱、水素生成装置の全体図である。 図２は軽油の改質反応を説明するための図である。 図３は、反応平衡温度ＴＢと、Ｏ２/Ｃモル比との関係を示す図である。 図４は、炭素原子１個当りの生成分子個数と、Ｏ２/Ｃモル比との関係を示す図である。 図５は、改質用触媒内の温度分布を示す図である。 図６は、供給される空気温ＴＡが変化したときの反応平衡温度ＴＢと、Ｏ２/Ｃモル比との関係を示す図である。 図７は、熱、水素生成制御を示すタイムチャートである。 図８Ａおよび８Ｂは、２次暖機を行う運転領域を示す図である。 図９は、熱、水素生成制御を行うためのフローチャートである。 図１０は、熱、水素生成制御を行うためのフローチャートである。 図１１は、熱、水素生成制御を行うためのフローチャートである。
図１に熱、水素生成装置１の全体図を示す。この熱、水素生成装置１は全体的に円筒状をなす。
図１を参照すると、２は熱、水素生成装置１の円筒状ハウジング、３はハウジング２内に形成されたバーナー燃焼室、４はハウジング２内に配置された改質用触媒、５はハウジング内に形成されたガス流出室を夫々示す。図１に示される実施例では、ハウジング２の長手方向中央部に改質用触媒４が配置されており、ハウジング２の長手方向一端部にバーナー燃焼室３か配置されており、ハウジング２の長手方向他端部にガス流出室５か配置されている。図１に示されるように、この実施例では、ハウジング２の外周全体が断熱材６により覆われている。
図１に示されるように、バーナー燃焼室３の一端部には、燃料噴射弁８を備えたバーナー７が配置されている。燃料噴射弁８の先端はバーナー燃焼室３内に配置されており、この燃料噴射弁８の先端には燃料噴射口９が形成されている。また、燃料噴射弁８周りには空気室１０が形成されており、燃料噴射弁８の先端周りには空気室１０内の空気をバーナー燃焼室３内に向けて噴出させるための空気供給口１１が形成されている。図１に示される実施例では、燃料噴射弁８は燃料タンク１２に接続されており、燃料タンク１２内の燃料が燃料噴射弁８の燃料噴射口９から噴射される。図１に示される実施例では、この燃料は軽油からなる。
一方、空気室１０は、一方では高温空気流通路１３を介して吐出量の制御可能な空気ポンプ１５に接続され、他方では低温空気流通路１４を介して吐出量の制御可能な空気ポンプ１５に接続されている。図１に示されるように、これらの高温空気流通路１３および低温空気流通路１４内には、夫々高温空気弁１６および低温空気弁１７が配置されている。また、図１に示されるように、高温空気流通路１３は、ガス流出室５内に配置された熱交換部を具備しており、この熱交換部が図１に、符号１３ａでもって図解的に示されている。なお、この熱交換部は、改質用触媒４の下流であってガス流出室５を画定するハウジング２の周囲に形成することもできる。即ち、この熱交換部１３ａは、ガス流出室５から流出した高温ガス熱を用いて熱交換作用が行われる場所に配置、又は形成することが好ましい。一方、低温空気流通路１４は、このようにガス流出室５から流出した高温ガス熱を用いて熱交換作用の行われる熱交換部１３ａを有していない。
高温空気弁１６が開弁し、低温空気弁１７が閉弁せしめられると外気は、エアクリーナ１８、空気ポンプ１５、高温空気流通路１３および空気室１０を介して空気供給口１１からバーナー燃焼室３内に供給される。このとき外気、即ち、空気は熱交換部１３ａ内を流通せしめられる。これに対し、低温空気弁１７が開弁し、高温空気弁１６が閉弁せしめられると外気、即ち、空気は、エアクリーナ１８、空気ポンプ１５、低温空気流通路１４および空気室１０を介して空気供給口１１から供給される。従って、高温空気弁１６および低温空気弁１７は、空気室１０を介して空気供給口１１に空気を供給する空気流通路を、高温空気流通路１３と低温空気流通路１４との間で切換え可能な切換え装置を形成している。
一方、バーナー燃焼室３内には点火装置１９が配置されており、図１に示される実施例では、この点火装置１９はグロープラグからなる。このグロープラグ１９はスイッチ２０を介して電源２１に接続されている。一方、図１に示される実施例では、改質用触媒４が、酸化部４ａと改質部４ｂからなる。図１に示される実施例では、改質用触媒４の基体はゼオライトからなり、この基体上に、酸化部４ａでは主にパラジウムＰｄが担持されており、改質部４ｂでは主にロジウムＲｈが担持されている。また、バーナー燃焼室３内には、改質用触媒４の酸化部４ａの上流側端面の温度を検出するための温度センサ２２が配置されており、ガス流出室５内には、改質用触媒４の改質部４ｂの下流側端面の温度を検出するための温度センサ２３が配置されている。更に、断熱材６の外部に位置する低温空気流通路１４には、低温空気流通路１４内を流通する空気の温度を検出するための温度センサ２４が配置されている。
図１に示されるように、熱、水素生成装置１は電子制御ユニット３０を具備している。この電子制御ユニット３０はデジタルコンピュータからなり、図１に示されるように、双方向性バス３１によって互いに接続されたROM（リードオンリメモリ）３２、RAM（ランダムアクセスメモリ）３３、CPU（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５および出力ポート３６を具備する。各温度センサ２２，２３および２４の出力信号は夫々対応するAD変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。また、グロープラグ１９の抵抗値を示す出力信号が対応するAD変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。更に入力ポート３５には、各種指令を発生する各種指令発生部３９からの各種指令が入力される。
一方、出力ポート３６は、対応する駆動回路３８を介して夫々燃料噴射弁８、高温空気弁１６、低温空気弁１７、およびスイッチ２０に接続される。更に、出力ポート３６は、空気ポンプ１５の吐出量を制御するポンプ駆動回路４０に接続され、空気ポンプ１５の吐出量は、このポンプ駆動回路４０により、出力ポート３６に出力された吐出量の指令値となるように駆動制御される。
熱、水素生成装置１の運転開始時には、バーナー７から噴射された燃料がグロープラグ１９により着火され、それにより、バーナー燃焼室３内において、バーナー７から噴射された燃料および空気が反応することによりバーナー燃焼が開始される。バーナー燃焼が開始されると、改質用触媒４の温度が次第に上昇する。このとき、バーナー燃焼はリーン空燃比のもとで行われている。次いで、改質用触媒４の温度が、燃料を改質可能な温度に到達すると、空燃比がリーン空燃比からリッチ空燃比に切換えられ、改質用触媒４における燃料の改質作用が開始される。燃料の改質作用が開始されると、水素が生成され、生成された水素を含む高温のガスが、ガス流出室５のガス流出口２５から流出せしめられる。
熱、水素生成装置１により生成された水素は、例えば、車両の排気浄化用触媒を暖機するために用いられる。この場合、熱、水素生成装置１は、例えば、車両のエンジンルーム内に配置される。無論、熱、水素生成装置１により生成された水素は、その他の種々の目的のために使用される。いづれにしても、熱、水素生成装置１では、燃料を改質することにより水素を生成するようにしている。そこでまず初めに、図２を参照しつつ、燃料として軽油を用いた場合の改質反応について説明する。
図２の（ａ）から（ｃ）には、燃料として一般的に使用されている軽油を用いた場合を例にとって、完全酸化反応が行われたときの反応式、部分酸化改質反応が行われたときの反応式、および水蒸気改質反応が行われたときの反応式が示されている。なお、各反応式における発熱量ΔＨ０は低位発熱量（ＬＨＶ）で示されている。さて、図２の（ｂ）および（ｃ）からわかるように、軽油から水素を発生させるには、部分酸化改質反応を行わせる方法と、水蒸気改質反応を行わせる方法との二つの方法がある。水蒸気改質反応は、軽油に水蒸気を添加する方法であり、図２（ｃ）からわかるように、この水蒸気改質反応は吸熱反応である。従って、水蒸気改質反応を生じさせるには外部から熱を加える必要がある。大型の水素生成プラントでは、通常、部分酸化改質反応に加え、水素の生成効率を高めるために、発生した熱を捨てずに、発生した熱を水素の生成のために使用する水蒸気改質反応が用いられている。
これに対し、本発明では、水素と熱の両方を生成するために、発生した熱を水素の生成のために使用する水蒸気改質反応は用いておらず、本発明では、部分酸化改質反応のみを用いて水素を生成している。この部分酸化改質反応は、図２（ｂ）からわかるように、発熱反応であり、従って外部から熱を加えなくても自分の発生した熱でもって改質反応が進行し、水素が生成される。さて、図２（ｂ）の部分酸化改質反応の反応式に示されるように、部分酸化改質反応は、反応せしめられる空気と燃料との比を示すＯ２/Ｃモル比が０．５のリッチ空燃比でもって行われ、このときＣＯとＨ２とが生成される。
図３は、空気と燃料とを改質触媒において反応させて平衡に達したときの反応平衡温度ＴＢと、空気と燃料のＯ２/Ｃモル比との関係を示している。なお、図３の実線は、空気温が２５℃のときの理論値を示している。図３の実線に示されるように、Ｏ２/Ｃモル比＝０．５のリッチ空燃比でもって部分酸化改質反応が行われたときには、平衡反応温度ＴＢはほぼ８３０℃となる。なお、このときの実際の平衡反応温度ＴＢは８３０℃よりも若干低くなるが、以下、平衡反応温度ＴＢは図３の実線に示す値になるものとして、本発明による実施例について説明する。
一方、図２（ａ）の完全酸化反応の反応式からわかるように、Ｏ２/Ｃモル比＝１．４５７５のときに空気と燃料との比が理論空燃比となり、図３に示されるように、反応平衡温度ＴＢは、空気と燃料との比が理論空燃比になったときに最も高くなる。Ｏ２/Ｃモル比が０．５と１．４５７５との間では、一部では部分酸化改質反応が行われ、一部では完全酸化反応が行われる。この場合、Ｏ２/Ｃモル比が大きくなるほど、部分酸化改質反応が行われる割合比べて完全酸化反応が行われる割合が大きくなるので、Ｏ２/Ｃモル比が大きくなるほど、反応平衡温度ＴＢが高くなる。
一方、図４は、炭素原子１個当りの生成分子（Ｈ２およびＣＯ）の個数とＯ２/Ｃモル比との関係を示している。上述したように、Ｏ２/Ｃモル比が０．５よりも大きくなるほど、部分酸化改質反応が行われる割合が減少する。従って、図４に示されるように、Ｏ２/Ｃモル比が０．５よりも大きくなるほど、Ｈ２およびＣＯの生成量が減少する。なお、図４には記載していないが、Ｏ２/Ｃモル比が０．５よりも大きくなると、図２（ａ）に示される完全酸化反応によって、ＣＯ２とＨ２Ｏの生成量は増大する。ところで、図４は、図２（ｄ）に示される水性ガスシフト反応が生じないと仮定した場合のＨ２およびＣＯの生成量を示している。しかしながら、実際には部分酸化改質反応によって生成されたＣＯと完全酸化反応にとって生成されたＨ２Ｏとにより図２（ｄ）に示される水性ガスシフト反応が生じ、この水性ガスシフト反応によっても、水素が生成される。
さて、上述したように、Ｏ２/Ｃモル比が０．５よりも大きくなるほど、Ｈ２およびＣＯの生成量が減少する。一方、図４に示されるように、Ｏ２/Ｃモル比が０．５よりも小さくなると、反応し得ない余剰の炭素Ｃが増大する。この余剰の炭素Ｃは改質用触媒の基体の細孔内に付積し、いわゆる、コーキングを生ずる。コーキングが生ずると改質用触媒の改質能力が著しく低下する。従って、コーキングが生ずるのを回避するために、Ｏ２/Ｃモル比は０．５よりも小さくさせないようにする必要がある。また、図４からわかるように、余剰の炭素Ｃが生じない範囲で、水素の生成量が最大となるのは、Ｏ２/Ｃモル比が０．５のときである。従って、本発明の実施例では、水素を生成するために部分酸化改質反応が行われるときには、コーキングが生ずるのを回避しつつ、水素を最も効率よく生成しうるように、Ｏ２/Ｃモル比が、原則０．５とされる。
一方、Ｏ２/Ｃモル比が、理論空燃比であるＯ２/Ｃモル比＝１．４５７５よりも大きくされても完全酸化反応が行われるが、Ｏ２/Ｃモル比が大きくなるほど昇温すべき空気量が増大する。従って、図３に示されるように、Ｏ２/Ｃモル比が、理論空燃比を示すＯ２/Ｃモル比＝１．４５７５よりも大きくされると、Ｏ２/Ｃモル比が大きくなるほど、反応平衡温度ＴＢが低下する。この場合、例えば、Ｏ２/Ｃモル比が２．６のリーン空燃比にされると、空気温が２５℃である場合には、反応平衡温度ＴＢはほぼ９２０℃となる。
さて、前述したように、図１に示される熱、水素生成装置１の運転開始時には、バーナー７から噴射された燃料がグロープラグ１９により着火され、それにより、バーナー燃焼室３内において、バーナー７から噴射された燃料および空気が反応することによりバーナー燃焼が開始される。バーナー燃焼が開始されると、改質用触媒４の温度が次第に上昇する。このとき、バーナー燃焼はリーン空燃比のもとで行われている。次いで、改質用触媒４の温度が、燃料を改質可能な温度に到達すると、空燃比がリーン空燃比からリッチ空燃比に切換えられ、改質用触媒４における燃料の改質作用が開始される。燃料の改質作用が開始されると、水素が生成される。図５には、改質用触媒４における反応が平衡状態になったときの改質用触媒４の酸化部４ａおよび改質部４ｂ内の温度分布を示している。なお、この図５は、外気温が２５℃のときに、この外気が図１に示される低温空気流通路１４を介して、バーナー７からバーナー燃焼室３内に供給された場合の温度分布を示している。
図５の実線は、バーナー７から供給される空気と燃料のＯ２/Ｃモル比が０．５のときの改質用触媒４の酸化部４ａおよび改質部４ｂ内の温度分布を示している。図５に示されるように、この場合には、改質用触媒４の酸化部４ａでは、改質用触媒４内の温度は、残存酸素による酸化反応熱により下流側に向けて上昇する。燃焼ガスが改質用触媒４の酸化部４ａ内から改質部４ｂ内に進む頃には、燃焼ガス中の残存酸素は消滅し、改質用触媒４の改質部４ｂでは燃料の改質作用が行われる。この改質反応は吸熱反応であり、従って改質用触媒４内の温度は、改質作用が進むに従って、即ち、改質用触媒４の下流側に向けて低下する。このときの改質用触媒４の下流側端面の温度は８３０℃であり、図３に示されるＯ２/Ｃモル比＝０．５のときの反応平衡温度ＴＢに一致する。
一方、図５には、バーナー７から供給される空気と燃料のＯ２/Ｃモル比が２．６のリーン空燃比であるときの改質用触媒４内の温度分布が、破線で示されている。この場合も、改質用触媒４内の温度は、改質用触媒４の酸化部４ａ内では、燃料の酸化反応熱によって下流側に向けて上昇する。一方、この場合には、改質用触媒４の改質部４ｂ内において改質作用は行われないので、改質用触媒４内の温度は、改質部４ｂ内では一定に保持される。このときの改質用触媒４の下流側端面の温度は９２０℃であり、図３に示されるＯ２/Ｃモル比＝２．６のときの反応平衡温度ＴＢに一致する。即ち、図３の反応平衡温度ＴＢは、外気温が２５℃のときにこの外気が図１に示される低温空気流通路１４を介して、バーナー７からバーナー燃焼室３内に供給されたときの改質用触媒４の下流側端面の温度を示していることになる。
次に、図６を参照しつつ、改質触媒において燃料と反応する空気の温度を変化させたときの反応平衡温度ＴＢについて説明する。図６は、図３と同様に、空気と燃料とを改質触媒において反応させて平衡に達したときの反応平衡温度ＴＢと、空気と燃料のＯ２/Ｃモル比との関係を示している。なお、図６においてＴＡは空気温を示しており、この図６には、図３において実線で示される反応平衡温度ＴＢとＯ２/Ｃモル比との関係が再度実線で示されている。図６には更に、空気温ＴＡを２２５℃、４２５℃、６２５℃に変化させたときの反応平衡温度ＴＢとＯ２/Ｃモル比との関係が破線で示されている。図６から、空気温ＴＡが上昇すると、Ｏ２/Ｃモル比にかかわらず反応平衡温度ＴＢが全体的に高くなることがわかる。
一方、本発明の実施例において用いられている改質用触媒４は、触媒温度が９５０℃以下であれば、大きな熱劣化を生じないことが確認されている。従って、本発明の実施例では、９５０℃が、改質用触媒４の熱劣化を回避しうる許容触媒温度ＴＸとされており、この許容触媒温度ＴＸが図３、図５および図６に示されている。図５からわかるように、空気温ＴＡが２５℃のときには、Ｏ２/Ｃモル比が０．５のときでも、Ｏ２/Ｃモル比が２．６のときでも、改質用触媒４における反応が平衡状態になったときの改質用触媒４の温度は、改質用触媒４のいずれの場所でも、許容触媒温度ＴＸ以下となる。従って、この場合には、実用上、熱劣化を問題とすることなく、改質用触媒４を使用し続けることができる。
一方、図３からわかるように、空気温ＴＡが２５℃のときでも、Ｏ２/Ｃモル比が０．５よりも少し大きくなると、改質用触媒４における反応が平衡状態になったときの改質用触媒４の下流側端面の温度、即ち、反応平衡温度ＴＢは許容触媒温度ＴＸを越えてしまい、Ｏ２/Ｃモル比が２．６よりも少し小さくなると、改質用触媒４における反応が平衡状態になったときの改質用触媒４の下流側端面の温度は許容触媒温度ＴＸを越えてしまう。従って、例えば、改質用触媒４における反応が平衡状態であるときに部分酸化改質反応を生じさせる場合、Ｏ２/Ｃモル比を０．５よりも大きくすることもできるが、Ｏ２/Ｃモル比を大きくし得る範囲は限られている。
一方、図６からわかるように、空気温ＴＡが高くなると、改質用触媒４における反応が平衡状態になっているときに、Ｏ２/Ｃモル比を０．５にしたとしても、改質用触媒４における反応が平衡状態になったときの改質用触媒４の下流側端面の温度は、許容触媒温度ＴＸよりも高くなり、従って、改質用触媒４が熱劣化することになる。従って、空気温ＴＡが高くなったときには、改質用触媒４における反応が平衡状態になっているときに、Ｏ２/Ｃモル比を０．５とすることができない。そこで、本発明の実施例では、改質用触媒４における反応が平衡状態になったときには、空気温ＴＡが２５℃程度の低い温度とされ、空気温ＴＡを２５℃程度の低い温度に維持した状態で、Ｏ２/Ｃモル比が０．５とされる。
次に、図７を参照しつつ、図１に示される熱、水素生成装置１による熱、水素生成方法の概要について説明する。なお、図７には、グロープラグ１９の作動状態、バーナー７からの供給空気量、バーナー７からの噴射燃料量、反応せしめられる空気と燃料のＯ２/Ｃモル比、バーナー７から供給される空気の供給空気温、および改質用触媒４の下流側端面の温度ＴＣが示されている。なお、図７等に示される改質用触媒４の下流側端面の温度ＴＣに対する各目標温度および改質用触媒４の温度に対する各目標温度は、理論値であり、本発明による実施例では、前述したように、例えば、実際の平衡反応温度ＴＢは、目標温度である８３０℃よりも若干低くなる。これらの各目標温度は、熱、水素生成装置１の構造等によって変化し、従って、実際には、実験を行って、熱、水素生成装置１の構造に応じた最適の各目標温度を予め定める必要がある。
熱、水素生成装置１の運転が開始されると、グロープラグ１９がオンとされ、次いで、空気が高温空気流通路１３を介してバーナー燃焼室３内に供給される。この場合、図７において、破線で示されるように、空気が高温空気流通路１３を介してバーナー燃焼室３内に供給された後、グロープラグ１９をオンにすることもできる。次いで、バーナー７から燃料が噴射される。バーナー７から噴射された燃料がグロープラグ１９により着火されると、燃料量が増量されると共に、反応せしめられる空気と燃料のＯ２/Ｃモル比が４．０から３．０に減少され、バーナー燃焼室３内においてバーナー燃焼が開始される。燃料の供給が開始されてから燃料が着火されるまでの期間は、ＨＣの発生量を極力抑えるために、空燃比がリーン空燃比とされている。
次いで、リーン空燃比のもとでバーナー燃焼が続行され、それにより、改質用触媒４の温度が徐々に上昇せしめられる。一方、バーナー燃焼が開始されると、改質用触媒４を通ってガス流出室５内に流出するガスの温度が次第に上昇する。従って、このガスにより熱交換部１３ａにおいて加熱される空気の温度も次第に上昇し、その結果、高温空気流通路１３からバーナー燃焼室３内に供給される空気の温度が次第に上昇する。それにより、改質用触媒４の暖機が促進されることになる。このようにリーン空燃比のもとで行われる改質用触媒４の暖機を、本発明の実施例では、図７に示されるように１次暖機と称している。なお、図７に示される例では、この１次暖機の間に、供給空気量と燃料量が増量されている。
この１次暖機は、改質用触媒４において燃料の改質が可能になるまで続行される。本発明の実施例では、改質用触媒４の下流側端面の温度が７００℃になると、改質用触媒４において燃料の改質が可能になったと判断され、従って、図７に示されるように、本発明の実施例では、１次暖機は、改質用触媒４の下流側端面の温度ＴＣが７００℃になるまで続行される。なお、本発明の実施例では、水素生成装置１の運転が開始されてから改質用触媒４の１次暖機が完了するまで、図７に示されるように、反応せしめられる空気と燃料のＯ２/Ｃモル比が３．０から４．０とされる。無論、このときには、改質用触媒４の温度は許容触媒温度ＴＸよりもかなり低いので、反応せしめられる空気と燃料のＯ２/Ｃモル比を、例えば、２．０から３．０のような理論空燃比に近いＯ２/Ｃモル比とすることもできる。
次いで、改質用触媒４の下流側端面の温度ＴＣが７００℃になると、改質用触媒４において燃料の改質が可能になったと判断され、水素を生成するための部分酸化改質反応が開始される。本発明の実施例では、このとき、図７に示されるように、まず初めに２次暖機が行われ、２次暖機が完了すると通常運転が行われる。この２次暖機は、水素を生成しながら改質用触媒４の温度を更に上昇させるために行われる。この２次暖機は、改質用触媒４の下流側端面の温度ＴＣが、反応平衡温度ＴＢに達するまで続行され、改質用触媒４の下流側端面の温度ＴＣが、反応平衡温度ＴＢに達すると通常運転に移行する。図８Ａには、この２次暖機が行われる熱、水素生成装置１の運転領域ＧＧが、実線ＧＬ，ＧＵ，ＧＳで囲まれたハッチング領域で示されている。なお、図８Ａにおいて、縦軸は反応せしめられる空気と燃料のＯ２/Ｃモル比を示しており、横軸は改質用触媒４の下流側端面の温度ＴＣを示している。
図４を参照しつつ説明したように、反応せしめられる空気と燃料のＯ２/Ｃモル比が０．５よりも小さくなるとコーキングを生ずる。図８Ａにおける実線ＧＬは、コーキングの生成に対するＯ２/Ｃモル比の境界を示しており、この境界ＧＬよりもＯ２/Ｃモル比が小さい領域ではコーキングを生ずる。なお、改質用触媒４の温度が低くなると、Ｏ２/Ｃモル比が大きくなっても、即ち、空燃比のリッチの度合いが低下しても、炭素Ｃが酸化されることなく改質用触媒の基体の細孔内に付積するようになり、コーキングを生ずる。従って、図８Ａに示されるように、コーキングを生ずるＯ２/Ｃモル比の境界ＧＬは、改質用触媒４の温度が低くなるほど高くなる。従って、コーキングの生成を回避するために、部分酸化改質反応は、即ち、熱、水素生成装置１の２次暖機および通常運転は、このＯ２/Ｃモル比の境界ＧＬ上、又は境界ＧＬの上側で行われる。
一方、図８Ａにおいて、実線ＧＵは、熱、水素生成装置１の２次暖機時において、改質用触媒４の温度が許容触媒温度ＴＸを越えないようにするためのＯ２/Ｃモル比の上限ガード値を示しており、実線ＧＳは、熱、水素生成装置１の２次暖機時において、改質用触媒４の温度が許容触媒温度ＴＸを越えないようにするための改質用触媒４の下流側端面の温度ＴＣの上限ガード値を示している。２次暖機が開始された後、Ｏ２/Ｃモル比が０．５とされ、改質用触媒４の下流側端面の温度ＴＣが、Ｏ２/Ｃモル比＝０．５のときの反応平衡温度ＴＢに達すると、通常運転に移行し、改質用触媒４の下流側端面の温度ＴＣを反応平衡温度ＴＢに維持した状態で水素が生成し続けられる。
図８Ｂは、通常運転に移行するまでの２次暖機制御の一例を示している。図８Ｂに示される例では、矢印で示されるように、改質用触媒４の下流側端面の温度が７００℃になると、改質用触媒４の２次暖機を促進するために、Ｏ２/Ｃモル比＝０．５６でもって部分酸化改質反応が開始され、次いで、改質用触媒４の下流側端面の温度ＴＣが８３０℃になるまで、Ｏ２/Ｃモル比＝０．５６でもって部分酸化改質反応が続行される。次いで、改質用触媒４の下流側端面の温度が８３０℃になると、Ｏ２/Ｃモル比は、Ｏ２/Ｃモル比＝０．５となるまで減少せしめられる。次いで、Ｏ２/Ｃモル比＝０．５になると、改質用触媒４における改質反応が平衡状態となる。次いで、Ｏ２/Ｃモル比は０．５に維持され、通常運転に移行する。
さて、このように、改質用触媒４における改質反応が平衡状態となったときに、燃料と反応せしめられる空気の温度ＴＡが高いと、図６を参照しつつ説明したように、反応平衡温度ＴＢが高くなる。その結果、改質用触媒４の温度が、許容触媒温度ＴＸよりも高くなるために、改質用触媒４が熱劣化を生ずることになる。そこで、本発明の実施例では、Ｏ２/Ｃモル比が０．５に維持されて改質用触媒４における改質反応が平衡状態となったときには、高温空気流通路１３からバーナー燃焼室３内への高温の空気の供給が停止され、低温空気流通路１４からバーナー燃焼室３内に低温の空気が供給される。このとき、改質用触媒４の下流側端面の温度ＴＣは８３０℃に維持され、従って、改質用触媒４の温度は、許容触媒温度ＴＸ以下に維持される。従って、改質用触媒４の熱劣化を回避しつつ、部分酸化改質反応により水素を生成することができる。
なお、図８Ａおよび８Ｂに示される運転領域ＧＧ内において２次暖機が行われているときには、改質用触媒４における改質反応が平衡状態とはなっていないので、空気温ＴＡが高くても、図６に示されるように、改質用触媒４の温度が上昇するわけではない。しかしながら、この２次暖機は改質用触媒４の温度が高い状態で行われているので、何らかの原因で、改質用触媒４の温度が許容触媒温度ＴＸよりも高くなってしまう危険性がある。そこで、本発明の実施例では、改質用触媒４の温度が許容触媒温度ＴＸよりも高くなることがないように、２次暖機が開始されると同時に、高温空気流通路１３からバーナー燃焼室３内への高温の空気の供給を停止し、低温空気流通路１４からバーナー燃焼室３内に低温の空気が供給される。即ち、図７に示されるように、供給空気温が低下せしめられる。その後、通常運転が完了するまで、低温空気流通路１４からバーナー燃焼室３内に低温の空気が供給され続ける。
前述したように、燃料と反応せしめられる空気の温度ＴＡが２５℃のときには、Ｏ２/Ｃモル比＝０．５のときの平衡反応温度ＴＢは８３０℃となる。従って、一般的に言うと、燃料と反応せしめられる空気の温度がＴＡ℃ときには、Ｏ２/Ｃモル比＝０．５のときの平衡反応温度ＴＢは（ＴＡ＋８０５℃）となる。従って、本発明の実施例では、燃料と反応せしめられる空気の温度がＴＡの場合、２次暖機が開始されたときには、改質用触媒４の下流側端面の温度ＴＣが（ＴＡ＋８０５℃）になるまで、Ｏ２/Ｃモル比＝０．５６でもって部分酸化改質反応が続行され、次いで、改質用触媒４の下流側端面の温度ＴＣが（ＴＡ＋８０５℃）になると、Ｏ２/Ｃモル比は、Ｏ２/Ｃモル比＝０．５となるまで減少せしめられる。次いで、Ｏ２/Ｃモル比＝０．５になると、Ｏ２/Ｃモル比は０．５に維持される。
なお、上述の燃料と反応せしめられる空気の温度ＴＡとは、図３に示されるような平衡反応温度ＴＢを算出するときに用いられる空気の温度であり、バーナー燃焼室３内におけるバーナー燃焼の反応熱の影響を受けていない空気の温度である。例えば、空気供給口１１から供給される空気、或いは、空気室１０内の空気は、バーナー燃焼の反応熱の影響を受け、バーナー燃焼の反応熱エネルギを吸収して温度上昇をしている。従って、これら空気の温度は、既に反応の過程にある空気の温度を示しており、従って、平衡反応温度ＴＢを算出するときの空気の温度ではない。
ところで、平衡反応温度ＴＢを算出する必要があるのは、部分酸化改質反応が行われているとき、即ち、低温空気流通路１４から低温の空気がバーナー燃焼室３内に供給されているときである。そこで、本発明の実施例では、バーナー燃焼室３内におけるバーナー燃焼の反応熱の影響を受けていない空気の温度を検出するために、図１に示されるように、温度センサ２４を、断熱材６の外部に位置する低温空気流通路１４に配置し、この温度センサ２４により検出された温度を、平衡反応温度ＴＢを算出するときの空気の温度ＴＡとして用いている。
一方、停止指令が発せられると、図７に示されるように、燃料の供給が停止される。このとき、空気の供給を停止すると、熱、水素生成装置１内に残存している燃料によって改質用触媒４がコーキングを生ずる危険性がある。そこで、本発明の実施例では、熱、水素生成装置１内に残存している燃料を燃焼除去するために、図７に示されるように、停止指令が発せられてから暫くの間、空気が供給し続けられる。
このように、本発明の実施例では、改質用触媒４の温度が許容触媒温度ＴＸよりも高くなることがないように、２次暖機の開始と同時に、高温空気流通路１３からバーナー燃焼室３内への高温の空気の供給が停止され、低温空気流通路１４からバーナー燃焼室３内に低温の空気が供給される。別の言い方をすると、このとき、バーナー燃焼室３内に空気を送り込む空気流通経路が、高温の空気を送り込む高温空気流通経路から、低温の空気を送り込む低温空気流通経路に切り替えられる。本発明の実施例では、このようにバーナー燃焼室３内に空気を送り込む空気流通経路を、高温空気流通経路と、低温空気流通経路との間で切り替えることができるように、高温空気弁１６と低温空気弁１７からなる切換え装置が設けられている。この場合、本発明の実施例では、エアクリーナ１８から高温空気流通路１３を介して空気供給口１１に至る空気流通経路が高温空気流通経路に該当しており、エアクリーナ１８から低温空気流通路１４を介して空気供給口１１に至る空気流通経路が低温空気流通経路に該当している。
即ち、本発明では、ハウジング２と、ハウジング２内に形成されたバーナー燃焼室３と、バーナー燃焼室３内においてバーナー燃焼を行うための燃料噴射口９と空気供給口１１とを有するバーナー７と、燃料噴射口９に燃料を供給するための燃料供給装置と、空気供給口１１に空気を供給するための空気供給装置と、ハウジング２内に配置されかつバーナー燃焼室３内で生成されたバーナー燃焼ガスが送り込まれる改質用触媒４とを具備しており、空気供給装置が、空気供給口１１に供給される空気をバーナー燃焼ガスにより加熱するための熱交換部１３ａを具備しており、バーナー燃焼を行うことにより熱および水素を生成するようにした熱、水素生成装置１において、空気供給装置は、空気供給口１１に外気を導くための空気流通経路を、熱交換部１３ａ内を流通して熱交換部１３ａにより加熱された外気を空気供給口１１に導く高温空気流通経路と、熱交換部１３ａを流通せず、従って熱交換部１３ａにおいて加熱された外気よりも温度の低い外気を空気供給口１１に導く低温空気流通経路との間で切換え可能な切換え装置を具備している。
この場合、本発明の実施例では、ハウジング２の一端に、燃料噴射口９と空気供給口１１とを有するバーナー７が配置されており、ハウジング２の他端にガス流出口２５を具備しており、バーナー７とガス流出口２５との間のハウジング２内に改質用触媒４が配置されている。このように、ハウジング２の一端に、燃料噴射口９と空気供給口１１とを有するバーナー７を配置することによって、改質用触媒４全体に均一に燃焼ガス熱を供給することができる。更に、本発明の実施例では、改質用触媒４とガス流出口２５との間のハウジング２内に熱交換部１３ａが配置されている。このように改質用触媒４とガス流出口２５との間のハウジング２内に熱交換部１３ａを配置することによって、改質用触媒４から流出した高温のガスにより、熱交換部１３ａ内を流れる空気を効果的に加熱することができる。
一方。本発明の実施例では、空気ポンプ１５を具備しており、空気ポンプ１５から吐出された空気が高温空気流通経路と、低温空気流通経路とのいずれか一方を介して空気供給口１１に供給される。即ち、一つの空気ポンプ１５でもって、高温の空気および低温の空気を選択的にバーナー燃焼室３内に供給することができる。また、本発明の実施例では、空気ポンプ１５が、吐出量を制御可能なポンプから構成されている。従って、空気ポンプ１５の吐出量を制御することによって、高温空気流通経路から供給される高温の空気流量および低温空気流通経路から供給される低温の空気流量を制御することができる。
次に、図９から図１１に示される熱、水素生成制御ルーチンについて説明する。この熱、水素生成制御ルーチンは、図１に示される各種指令発生部３９において、熱、水素生成制御開始指令が発せられると実行される。この場合、例えば、この熱、水素生成制御開始指令は、熱、水素生成装置１の始動スイッチがオンとされたときに発せられる。また、熱、水素生成装置１が車両の排気浄化用触媒を暖機するために用いられる場合には、この熱、水素生成制御開始指令はイグニションスイッチがオンとされたときに発せられる。
熱、水素生成制御ルーチンが実行されると、まず初めに、図９のステップ１００において、温度センサ２２の出力信号に基づいて、改質用触媒４の上流側端面の温度ＴＤが、改質用触媒４の上流側端面上において酸化反応を行いうる温度、例えば、３００℃以上であるか否かが判別される。改質用触媒４の上流側端面の温度ＴＤが、３００℃以下の場合には、ステップ１０１に進んで、グロープラグ１９がオンとされる。次いで、ステップ１０２では、グロープラグ１９がオンとされてから一定時間を経過したが否かが判別され、一定時間を経過したときにはステップ１０３に進む。
ステップ１０３では、空気ポンプ１５が作動せしめられ、高温空気流通路１３を介して
空気がバーナー燃焼室３に供給される。なお、熱、水素生成装置１の作動が停止されるときに、高温空気弁１６が開弁されると共に低温空気弁１７が閉弁されており、従って、熱、水素生成装置１が作動せしめられたときには、高温空気流通路１３を介して空気がバーナー燃焼室３に供給される。次いで、ステップ１０４では、グロープラグ１９の抵抗値から、グロープラグ１９の温度ＴＧが算出される。次いで、ステップ１０５では、グロープラグ１９の温度ＴＧが７００℃を越えたか否かが判別される。グロープラグ１９の温度ＴＧが７００℃を越えていないと判別されたときにはステップ１０３に戻る。これに対し、グロープラグ１９の温度ＴＧが７００℃を越えたと判別されたときには、着火可能であると判断され、ステップ１０６に進む。
ステップ１０６では、バーナー７からバーナー燃焼室３に燃料が噴射され、次いで、ステップ１０７では、温度センサ２２の出力信号に基づいて、改質用触媒４の上流側端面の温度ＴＤが検出される。次いで、ステップ１０８では、温度センサ２２の出力信号から、燃料が着火したか否かが判別される。燃料が着火すると、改質用触媒４の上流側端面の温度ＴＤが瞬時に上昇し、従って、温度センサ２２の出力信号から、燃料が着火したか否かを判別できることになる。ステップ１０８において、燃料が着火していないと判別されたちきには、ステップ１０６に戻り、ステップ１０８において、燃料が着火したと判別されたときには、ステップ１０９に進んで、グロープラグ１９がオフとされる。次いで、図１０のステップ１１０に進む。なお、燃料が着火されると、改質用触媒４の上流側端面の温度ＴＤは、ただちに、改質用触媒４の上流側端面上において酸化反応を行いうる温度、例えば、３００℃以上となる。一方、ステップ１００において、改質用触媒４の上流側端面の温度ＴＤが３００℃以上であると判別されたときにも、ステップ１１０に進む。
ステップ１１０およびステップ１１１では、１次暖機が行われる。即ち、Ｏ２/Ｃモル比が３．０となるように、ステップ１１０では空気ポンプ１５の吐出量が制御され、ステップ１１１ではバーナー７からの燃料噴射量が制御される。なお、本発明の実施例では、この１次暖機が行われているときには、図７に示されるように、空気供給量および燃料噴射量が段階的に増大される。次いで、ステップ１１２では、温度センサ２３の出力信号に基づいて、改質用触媒４の下流側端面の温度ＴＣが７００℃を越えたか否かが判別される。改質用触媒４の下流側端面の温度ＴＣが７００℃を越えていないと判別されたときには、ステップ１１０に戻り、１次暖機が継続して行われる。これに対し、改質用触媒４の下流側端面の温度ＴＣが７００℃を越えたと判別されたときにはステップ１１３に進んで、部分酸化改質反応が開始される。即ち、２次暖機が開始される。
部分酸化改質反応が開始されると、即ち、２次暖機が開始されると、ステップ１１３において低温空気弁１７が開弁され、高温空気弁１６が閉弁される。従って、このときには、空気は低温空気流通路１４を介してバーナー燃焼室３に供給される。次いで、ステップ１１５では、出力熱量（ｋＷ）の要求値が取得される。例えば、熱、水素生成装置１が、車両の排気浄化用触媒を暖機するために用いられる場合には、この出力熱量の要求値は、排気浄化用触媒を活性化温度まで上昇させるために必要な熱量とされる。次いで、ステップ１１６では、この出力熱量（ｋＷ）の要求出力熱量を発生させるのに必要な燃料噴射量が算出される。
次いで、ステップ１１７では、ステップ１１６において算出された噴射量でもって燃料が噴射され、Ｏ２/Ｃモル比が０．５６となるように空気ポンプ１５の吐出量が制御される。このとき、部分酸化改質反応が行われ、水素が生成される。次いで、ステップ１１８では、改質用触媒４の下流側端面の温度ＴＣが、温度センサ２４により検出された空気温ＴＡと８０５℃との和（ＴＡ＋８０５℃）に到達したか否かが判別される。前述したように、この温度（ＴＡ＋８０５℃）は、空気温がＴＡ℃のときに、Ｏ２/Ｃモル比＝０．５でもって部分酸化改質反応が行われたときの反応平衡温度ＴＢを示している。従って、ステップ１１８では、改質用触媒４の下流側端面の温度ＴＣが、反応平衡温度（ＴＡ＋８０５℃）に到達したか否かを判別していることになる。
改質用触媒４の下流側端面の温度ＴＣが、反応平衡温度（ＴＡ＋８０５℃）に到達していないと判別されたときには、ステップ１１７に戻り、Ｏ２/Ｃモル比が０．５６となるように空気ポンプ１５の吐出量が制御され続ける。これに対し、ステップ１１８において、改質用触媒４の下流側端面の温度ＴＣが、反応平衡温度（ＴＡ＋８０５℃）に到達したと判別されたときには、ステップ１１９に進み、空気ポンプ１５の吐出量を一定に維持した状態で燃料噴射量が徐々に増大される。その結果、Ｏ２/Ｃモル比が徐々に減少する。次いで、ステップ１２０では、Ｏ２/Ｃモル比が０．５になったか否かが判別される。Ｏ２/Ｃモル比が０．５になっていないと判別されたときには、ステップ１１９に戻る。これに対し、ステップ１２０において、Ｏ２/Ｃモル比が０．５になったと判別されたときには、２次暖機は完了したと判断される。２次暖機が完了したと判断されたときには、図１１のステップ１２１に進んで、通常運転が行われる。
本発明の実施例では、通常運転時の運転モードとして、熱、水素生成運転モードと熱生成運転モードとの二つの運転モードが選択可能である。熱、水素生成運転モードは、Ｏ２/Ｃモル比＝０．５でもって部分酸化改質反応を行う運転モードであり、この熱、水素生成運転モードでは熱および水素が生成される。一方、熱生成運転モードは、例えば、Ｏ２/Ｃモル比＝２．６でもって完全酸化反応を行う運転モードであり、この熱生成運転モードでは水素は生成されず、熱のみが生成される。これらの熱、水素生成運転モードと熱生成運転モードは、必要に応じ、選択的に用いられる。
さて、再び、図１１に戻ると、ステップ１２１において、熱、水素生成運転モードであるか否かが判別される。ステップ１２１において、熱、水素生成運転モードであると判別されたときには、ステップ１２２に進み、Ｏ２/Ｃモル比＝０．５でもって部分酸化改質反応が行われる。このときには熱および水素が生成される。次いで、ステップ１２４に進む。一方、ステップ１２１において、熱、水素生成運転モードでないと判別されたとき、即ち、熱生成運転モードであると判別されたときには、ステップ１２３に進み、Ｏ２/Ｃモル比＝２．６でもって完全酸化反応が行われる。このときには熱のみが生成される。次いで、ステップ１２４に進む。
ステップ１２４では、熱、水素生成装置１の運転を停止すべき指令が発せられているか否かが判別される。この熱、水素生成装置１の運転を停止すべき指令は、図１に示される各種指令発生部３９において発せられる。熱、水素生成装置１の運転を停止すべき指令が発せられていないときにはステップ１２１に戻る。これに対し、ステップ１２４において、熱、水素生成装置１の運転を停止すべき指令が発せられていると判別されたときには、ステップ１２５に進んで、バーナー７からの燃料噴射が停止される。次いで、ステップ１２６では、残存する燃料を空気で置き換えるために、空気ポンプ１５から少量の空気が供給される。次いで、ステップ１２７では、一定時間経過したか否かが判別される。一定時間経過していないと判別されたときには、ステップ１２６に戻る。
これに対し、ステップ１２７において、一定時間経過したと判別されたときには、ステップ１２８に進んで、空気ポンプ１５の作動が停止され、バーナー燃焼室３内への空気の供給が停止される。次いで、ステップ１２９では、低温空気弁１７が閉弁され、高温空気弁１６が開弁される。次いで、熱、水素生成装置１の作動が停止せしめられている間、低温空気弁１７が閉弁され続け、高温空気弁１６が開弁され続ける。
１ 熱、水素生成装置
３ バーナー燃焼室
４ 改質用触媒
５ ガス流出室
７ バーナー
９ 燃料噴射口
１１ 空気供給口
１３ 高温空気流通路
１３ａ 熱交換部
１４ 低温空気流通路
１５ 空気ポンプ
１６ 高温空気弁
１７ 低温空気弁
１９ グロープラグ１９
２２，２３、２４ 温度センサ

Claims (4)

  1. ハウジングと、該ハウジング内に形成されたバーナー燃焼室と、バーナー燃焼室内においてバーナー燃焼を行うための燃料噴射口と空気供給口とを有するバーナーと、該燃料噴射口に燃料を供給するための燃料供給装置と、該空気供給口に空気を供給するための空気供給装置と、該ハウジング内に配置されかつ該バーナー燃焼室内で生成されたバーナー燃焼ガスが送り込まれる改質用触媒とを具備しており、該空気供給装置が、該空気供給口に供給される空気をバーナー燃焼ガスにより加熱するための熱交換部を具備しており、該バーナー燃焼を行うことにより熱および水素を生成するようにした熱、水素生成装置において、該空気供給装置は、該空気供給口に外気を導くための空気流通経路を、該熱交換部を流通して該熱交換部により加熱された外気を該空気供給口に導く高温空気流通経路と、該熱交換部を流通しないことにより該熱交換部において加熱された外気よりも温度の低い外気を該空気供給口に導く低温空気流通経路との間で切換え可能な切換え装置を具備している熱、水素生成装置。
  2. 該ハウジングの一端に、該燃料噴射口と該空気供給口とを有する該バーナーが配置されており、該ハウジングの他端にガス流出口を具備しており、該バーナーと該ガス流出口との間の該ハウジング内に該改質用触媒が配置されている請求項１に記載の熱、水素生成装置。
  3. 該改質用触媒と該ガス流出口との間の該ハウジング内に該熱交換部が配置されており、該空気供給口に供給される空気が該改質用触媒から流出したガスにより加熱される請求項２に記載の熱、水素生成装置。
  4. 該空気ポンプが、吐出量を制御可能なポンプからなる請求項１に記載の熱、水素生成装置。
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