JP2020203814A - 高温ガス生成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エネルギーを有効に利用することができる高温ガス生成装置を提供する。【解決手段】高温ガス生成装置５は、改質層５１、燃焼層５２、及び暖気層５３が互いに積層された層構造を備えている。このように、アンモニアを燃焼させる燃焼層５２が、他の層と積層されていることで、燃焼で発生した熱を他の層へ伝達することができる。従って、暖気層５３は、燃焼層５２の燃焼で発生した熱で、所望のガス（ここではアンモニアガス）を効率良く暖気することができる。また、改質層５１も、燃焼層５２の燃焼で発生した熱を利用して、効率良く改質を行うことができる。これにより、高温ガス生成装置５は、少なくとも水素ガス及びアンモニアガスを含んだ高温ガスを効率良く生成することができる。従って、高温ガスの供給先においては、高温な状態の水素ガス、及び高温な状態のアンモニアガスを有効に利用することができる。【選択図】図５

Description

本発明は、高温ガス生成装置に関する。

従来より水素を含有する原料を用いるシステムが利用されている。例えば特許文献１に記載されているような改質システムは、液体状の原料を気化させる蒸発部と、この蒸発部により気化された原料ガスを改質する改質部とを備えている。この改質システムは、改質部の熱を蒸発部に伝熱している。

特開２００１−２４７３０１号公報

上記従来技術のような改質システムでは、起動時において、改質部の熱を熱伝導によって蒸発部に伝熱しているため、改質システムの運転が安定するまでの起動時間が長いという問題がある。このように改質システムの起動時間が長くなる場合、システム全体としてのエネルギー効率が低下する。従って、水素を含有する原料を用いるシステムにおいて、エネルギーを有効に利用することが求められる。

本発明の目的は、エネルギーを有効に利用することができる高温ガス生成装置を提供することである。

本発明の一態様に係る高温ガス生成装置は、高温ガスを生成する高温ガス生成装置であって、水素含有原料を水素に分解する改質触媒を有し、水素含有原料を改質して水素ガスを含有した改質ガスを生成する改質層と、水素含有原料を燃焼させる燃焼触媒を有する燃焼層と、燃焼層の燃焼で発生した熱で水素含有原料及び酸化性ガスの少なくとも一方を暖気する暖気層と、が互いに積層された層構造を備える。

このような高温ガス生成装置は、改質層、燃焼層、及び暖気層が互いに積層された層構造を備えている。このように、水素含有原料を燃焼させる燃焼触媒を有する燃焼層が、他の層と積層されていることで、燃焼で発生した熱を他の層へ伝達することができる。従って、暖気層は、燃焼層の燃焼で発生した熱で、水素含有原料及び酸化性ガスの少なくとも一方を効率良く暖気することができる。また、改質層も、燃焼層の燃焼で発生した熱を利用して、効率良く改質を行うことができる。これにより、高温ガス生成装置は、少なくとも水素ガス及び水素含有原料及び酸化性ガスの少なくとも一方の所望のガスを含んだ高温ガスを効率良く生成することができる。従って、高温ガスの供給先においては、高温な状態の水素ガス、及び高温な状態の所望のガスを有効に利用することができる。以上より、エネルギーを有効に利用することができる。

高温ガス生成装置は、改質層、燃焼層、及び暖気層の何れかに対して、水素含有原料及び酸化性ガスの少なくとも一方をそれぞれ分配するヘッダを更に備えてよい。この場合、各層の目的に応じて、供給する必要があるガスを他の層と分けた状態で供給することができる。

改質層、燃焼層、及び暖気層の出口側において、各層から流出した高温ガスを混合させてよい。この場合、高温ガスの供給先では、各層から流出したガスを均一に混合された状態で、有効に利用することができる。

改質層、燃焼層、及び暖気層から流出した高温ガスは、当該高温ガスを改質触媒で改質して水素ガスを含有した改質ガスを生成する改質部へ供給されてよい。この場合、改質部は、高温な状態の水素ガス及び水素含有原料を用いて、速やかに起動することができる。

改質層、燃焼層、及び暖気層から流出した高温ガスは、バーナーに供給されてよい。この場合、バーナーは、高温な状態の水素ガス及び水素含有原料を用いて、速やかに着火することができる。

高温ガス生成装置は、改質層、燃焼層、及び暖気層の出口側において、各層から流出した高温ガスを分離した状態で流出させてよい。この場合、各層から流出した高温ガスを目的に応じて有効に利用することができる。

本発明によれば、エネルギーを有効に利用することができる高温ガス生成装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る高温ガス生成装置を備える改質システムを示す概略構成図である。 本発明の一実施形態に係る高温ガス生成装置の外観を示す斜視図である。 図２に示された高温ガス生成装置の一部構成を除いた状態を示す斜視図である。 図２に示された高温ガス生成装置の平面図である。 高温ガス生成装置の層構造を示す模式図である。 高温ガス生成装置をバーナー装置に採用した場合の構成を示す概略構成図である。 変形例に係る高温ガス生成装置の層構成を示す模式図である。 （ａ）（ｂ）は変形例に係る高温ガス生成装置の構造を示す概略構成図であり、（ｃ）はハニカム構造にガスを供給する構造を示す概略構成図である。 変形例に係る高温ガス生成装置を示す平面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、図面において、同一または同等の要素には同じ符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本発明の実施形態に係る高温ガス生成装置を備える改質システムを示す概略構成図である。図１に示すように、改質システム１は、原料供給部２と、空気供給部３と、改質部４と、高温ガス生成装置５及び加熱部６を備える起動装置１０と、コントローラ９と、を備える。

原料供給部２は、改質部４に水素含有原料を供給する。水素含有原料とは、組成の構成元素として水素を含む原料である。本実施形態では、水素含有原料としてアンモニア（ＮＨ_３）を採用する。原料供給部２は、例えば、液体状態でアンモニアを貯蔵するタンクと、当該液体状態のアンモニアを気化してアンモニアガスとする気化器と、を備える。原料供給部２は、ラインＬ１，Ｌ３を介して、改質部４へアンモニアガスを供給する。また、原料供給部２は、ラインＬ６を介して、高温ガス生成装置５へアンモニアガスを供給する。

空気供給部３は、空気（酸化性ガス）を改質部４へ供給する。空気供給部３としては、例えば大気中の空気を改質部４へ送る送風機等が用いられる。空気供給部３は、ラインＬ２，Ｌ３を介して空気を改質部４へ供給する。また、空気供給部３は、ラインＬ７を介して、高温ガス生成装置５へ空気を供給する。

改質部４は、アンモニアガスを改質して、水素ガスを含有した改質ガスを生成する。改質部４は、アンモニアガスを水素に分解する改質触媒を有している。改質触媒は、アンモニアガスを水素に分解する機能に加え、アンモニアガスを燃焼させる機能も有してよい。改質触媒としては、例えばパラジウム、ロジウムまたは白金等が用いられる。

改質部４では、改質触媒によりアンモニアが酸化されて燃焼熱が発生する。下記式のように、一部のアンモニアと酸素とが化学反応することで、アンモニアが着火して燃焼する燃焼反応が起こり、燃焼熱が発生する（発熱反応）。
ＮＨ_３＋３／４Ｏ_２→１／２Ｎ_２＋３／２Ｈ_２Ｏ＋Ｑ

そして、改質触媒によりアンモニアが改質されて改質ガスが生成される。具体的には、下記式のように、燃焼熱によってアンモニアが水素と窒素とに分解される改質反応が起こり、水素がリッチな状態の改質ガスが生成される（吸熱反応）。
ＮＨ_３→３／２Ｈ_２＋１／２Ｎ_２−Ｑ

改質部４にて生成された改質ガスは、ラインＬ４を介してガス利用部８に供給される。ガス利用部８としては、例えば水素と空気中の酸素とを化学反応させて発電を行う燃料電池、アンモニアを燃料としたアンモニアエンジンまたはアンモニアガスタービン等が挙げられる。

改質部４には、改質触媒の温度を検出する温度センサ１９が設けられている。温度センサ１９は、アンモニアガスが流入する改質触媒の入口部の温度、及び改質ガスが流出する改質触媒の出口部の温度の何れかを検出すればよい。

起動装置１０は、改質システム１の起動時において、当該起動を早めるための装置である。起動装置１０の高温ガス生成装置５は、改質システム１の起動時において、高温ガスを生成して、改質部４へラインＬ８を介して供給する装置である。高温ガスとは、少なくとも原料供給部２及び空気供給部３から改質部４へ直接供給されるガスよりも高温のガスであり、例えば、２００℃以上のガスである。高温ガスには、高温の水素ガス、アンモニアガス、水蒸気、及び空気が含まれる。起動装置１０の加熱部６は、高温ガス生成装置５の上流に設けられ、起動初期時にアンモニアガスを加熱する。加熱部６は、例えば電気ヒータによって構成される。このような電気ヒータとして、ＥＨＣ（電気加熱式触媒装置：Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ Ｈｅａｔｅｄ Ｃａｔａｌｙｓｔ）のヒータが用いられてよい。加熱部６は、起動初期にアンモニアガスを加熱し、高温ガス生成装置５に導入する。これにより、高温ガス生成装置５内に設けられたアンモニア燃焼部でアンモニアの燃焼反応が起き、燃焼熱が発生する。この状態に移行した時点で加熱部６の通電を止めてよい。その後は、高温ガス生成装置５内のアンモニア燃焼熱により反応が継続する。なお、上流側の加熱部６と下流側の高温ガス生成装置５とを一つの筐体で結合することで、両者を一体化した構成としてよい。

改質システム１は、バルブ１１，１２，１３，１４を備える。バルブ１１は、原料供給部２から改質部４へアンモニアガスを供給するためのラインＬ１に設けられる。バルブ１２は、空気供給部３から改質部４へ空気を供給するためのラインＬ２に設けられる。バルブ１３は、原料供給部２から高温ガス生成装置５へアンモニアガスを供給するためのラインＬ６に設けられる。バルブ１４は、空気供給部３から高温ガス生成装置５へ空気を供給するためのラインＬ７に設けられる。バルブ１１，１２，１３，１４は、ラインＬ１，Ｌ２，Ｌ６，Ｌ７の開閉を切り替える。

コントローラ９は、改質システム１全体を制御する制御部である。コントローラ９は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ及び入出力インターフェース等により構成されている。コントローラ９は、原料供給部２、空気供給部３、加熱部６、及びバルブ１１，１２，１３，１４に電気的に接続されており、これらに対して制御信号を送信する。また、コントローラ９は、温度センサ１９に電気的に接続されている。コントローラ９は、温度センサ１９によって検出された改質触媒の温度を取得する。コントローラ９は、温度センサ１９の検出結果から改質触媒が目標温度になったことを判定することができる。コントローラ９は、温度センサ１９の検出結果に基づいて、加熱部７、及びバルブ１１，１２，１３，１４を制御する。

コントローラ９は、改質システム１の起動時には、原料供給部２及び空気供給部３を起動させると共に、バルブ１３，１４を開としてバルブ１１，１２を閉とする。また、コントローラ９は加熱部６をＯＮとする。これにより、起動時においては、高温ガス生成装置５からの高温ガスが改質部４に供給される。コントローラ９は、温度センサ１９の検出結果により改質触媒が目標温度となったことを判定したら、バルブ１３，１４を閉としてバルブ１１，１２を開とする。また、コントローラ９は、加熱部６をＯＦＦとする。これにより、改質部４が定常状態となった後は、原料供給部２及び空気供給部３が直接改質部４へガスを供給する。

ただし、コントローラ９の制御内容は、上述のものに限定されない。例えば、コントローラ９は、起動と同時にバルブ１１，１２を開として、高温ガス生成装置５からの高温ガスと原料供給部２及び空気供給部３からのガスとを、ラインＬ８とラインＬ３との合流部にて均一に混合してもよい。このように、合流部で高温ガスと、低温のガス（アンモニアガスと空気）とを均一に混合することで、改質部４の改質触媒に対しては、面内ガス分布を均一にした状態にて、ガスの供給を行うことができる。また、改質触媒が目標温度に達した後も、バルブ１３，１４を引き続き開としておいて、高温ガス生成装置５の高温ガスを改質部４へ供給し続けてよい。

次に、図２〜図５を参照して、高温ガス生成装置５の構成について詳細に説明する。図２は、本発明の一実施形態に係る高温ガス生成装置の外観を示す斜視図である。図３は、図２に示された高温ガス生成装置の一部構成を除いた状態を示す斜視図である。図４は、図２に示された高温ガス生成装置の平面図である。図５は、高温ガス生成装置の層構造を示す模式図である。

図２〜図４に示すように、本実施形態の高温ガス生成装置５は、改質層５１、燃焼層５２、及び暖気層５３（図５参照）が互いに積層された層構造を有する本体部２０と、空気を供給する層の入口に設けられた複数の入口ヘッダ２１（ヘッダ）と、複数の入口ヘッダ２１に固定された２つの空気供給部材２３と、を備えている。なお、図中には、ＸＹＺ座標が示されている。Ｘ方向は、ガスが流れる方向を示す。Ｘ方向の負側が各層の入口側であり、Ｘ方向の正側が各層の出口側である。Ｙ方向は、各層が広がる幅方向を示す。Ｚ方向は、各層の積層方向を示す。

本体部２０は、正面視矩形状の角筒状体２５と、この角筒状体２５の内部に配置されたハニカム構造体２６とを有している。角筒状体２５及びハニカム構造体２６は、例えばステンレス鋼等の金属で形成されている。

角筒状体２５は、上壁２５ａ、及び側壁２５ｃ，２５ｄを備える。また、角筒状体２５は、下端側には下壁を備える。上壁２５ａ及び下壁は、Ｚ方向に互いに対向している。側壁２５ｃ，２５ｄは、Ｙ方向に互いに対向している。本体部２０の上流側及び下流側の端部は、開口している。本体部２０の上流側（Ｘ方向負側）の開口部は、各層のガスの入口２０ａを構成する。本体部２０の下流側（Ｘ方向正側）の開口部は、各層のガスの出口２０ｂを構成する。ハニカム構造体２６は、正方形状または矩形状のセルを形成する複数のセル壁部２７から構成されている。

入口ヘッダ２１は、入口２０ａから上流側に突き出るように当該入口２０ａに取り付けられている。入口ヘッダ２１は、アンモニアガス及び空気を燃焼層５２（図５参照）に導入する。入口ヘッダ２１は、例えばステンレス鋼等の金属で形成されている。入口ヘッダ２１は、平面視で２つの直角三角形が本体部２０の幅方向（Ｙ方向）の中心に対して線対称に並んだ形状を呈している。

具体的には、入口ヘッダ２１は、側壁２５ｃ，２５ｄ付近から上流側に延在し、空気が導入される２つの空気導入部３０と、各空気導入部３０の先端部３０ａから本体部２０の中央部まで延在し、アンモニアガスが導入される２つのアンモニアガス導入部３１とを有している（図３参照）。空気導入部３０はＹ方向に開口しているため、空気は、本体部２０の側方から入口ヘッダ２１内に導入される。アンモニアガス導入部３１は、Ｘ方向に傾斜した状態で、当該Ｘ方向に開口している。従って、アンモニアガスは、本体部２０の上流側から入口ヘッダ２１内に導入される。

空気供給部材２３は、複数の入口ヘッダ２１の空気導入部３０に固定されている。空気供給部材２３は、本体部２０の高さ方向（Ｚ方向）に延在している。空気供給部材２３は、空気を各空気導入部３０に供給する部材である。空気供給部材２３は、例えば入口ヘッダ２１に導入された空気がアンモニアガス導入部３１の延在方向に平行な方向に流れるように、空気を空気導入部３０に供給する。これにより、入口ヘッダ２１内に導入された空気がアンモニアガス導入部３１から抜け出にくくなる。

以上のような高温ガス生成装置５において、本体部２０の入口２０ａ全体に対して、アンモニアガスを供給するためのラインＬ６（図１参照）が接続されている。これにより、本体部２０の入口２０ａ全体に対してアンモニアガスが供給される。各空気供給部材２３には、空気を供給するためのラインＬ７（図１参照）が接続されている。これにより、入口２０ａのうち、入口ヘッダ２１が設けられた箇所に対応する層に、空気が供給される。高温ガス生成装置５の出口２０ｂ側には、各層を区分けするためのヘッダは設けられていない。従って、各層から流出した高温ガスは、互いに混合されて混合ガスとして流出する。本体部の出口２０ｂ全体に対して、高温ガスを改質部４へ供給するためのラインＬ８（図１参照）が接続される。これにより、出口２０ｂから流出した混合ガスが改質部４に供給される。

次に、図５を参照して、高温ガス生成装置５の層構造について説明する。図５に示すように、高温ガス生成装置５は、改質層５１と、燃焼層５２と、暖気層５３と、を備える。

改質層５１は、アンモニアガスを水素に分解する改質触媒５１ａを有し、アンモニアガスを改質して水素ガスを含有した改質ガスを生成する層である。改質層５１には、アンモニアガスが供給される。改質層５１では、改質部４と同趣旨の改質反応が起きる。燃焼層５２は、燃焼触媒５２ａを有し、当該燃焼触媒５２ａでアンモニアガスを燃焼させる層である。燃焼層５２には、アンモニアガス及び空気が供給される。燃焼層５２では、改質部４と同趣旨の発熱反応が起きる。上記の改質触媒５１ａは、改質層５１を構成するセル壁部２７に担持されている。上記の燃焼触媒５２ａは、燃焼層５２を構成するセル壁部２７に担持されている。すなわち、改質触媒５１ａ及び燃焼触媒５２ａの材料がセル壁部２７に塗られている。また、改質触媒５１ａ及び燃焼触媒５２ａとしては、ハニカム構造体２６の空間（セル）に触媒ペレットをつめることで設けられてもよい。なお、改質触媒５１ａとしては、改質部４と同様に例えばパラジウム、ロジウムまたは白金等が用いられる。燃焼触媒５２ａとしては、ロジウムまたは白金などが用いられる。改質触媒５１ａと燃焼触媒５２ａとは、互いに異なる材料が採用されてもよく、互いに同じ材料が採用されてもよい。

暖気層５３は、ガスを暖気する層である。暖気層５３は、燃焼層５２の燃焼で発生した熱でガスを暖気する。暖気層５３には、アンモニアガスが供給される。従って、暖気層５３は、アンモニアガスを暖気して出口２０ｂから流出させる。暖気層５３は、触媒を有していないため、暖気層５３では、アンモニアガスは反応を起こさない。

図５に示す層構造では、燃焼層５２と積層方向に隣合う位置に改質層５１が設けられる。また、一対の改質層５１に挟まれる箇所に暖気層５３が設けられる。これにより、改質層５１は、燃焼層５２で発生した熱を用いて改質反応を起こす。暖気層５３は、改質層５１を介して燃焼層５２からの熱を供給されることで、暖気を行う。

改質層５１の出口２０ｂからは、改質反応によって生じた水素及び窒素と、未反応のアンモニアガスが、高温ガスとして流出する。燃焼層５２の出口２０ｂからは、燃焼反応によって生じた窒素及び水蒸気と、過剰の酸素が高温ガスとして流出する。暖気層５３の出口２０ｂからは、暖機されたアンモニアガスが高温ガスとして流出する。これらの各層から流出したガスは、互いに混合されて、混合ガスとして改質部４へ供給される。

なお、図２に示すように、本体部２０では、複数のセル壁部２７によって、Ｚ方向に複数段に空間が分割されている。このうち、１段分又は複数段分の空間によって、改質層５１、燃焼層５２、及び暖気層５３が構成される。各層は、Ｙ方向には、側壁２５ｃ，２５ｄ間の全域に広がっている。図２に示す例では、入口ヘッダ２１が設けられた二段分の空間によって、燃焼層５２が構成される。一対の入口ヘッダ２１でＺ方向に挟まれる複数段の空間が、改質層５１及び暖気層５３に設定される。各層を構成する空間の段数は特に限定されず、一段分の空間によって一層が構成されてもよく、二段分以上の空間によって一層が構成されてもよい。また、各層における一層分の段数は同じであってもよく、異なっていてもよい。なお、層数は図５に示す物に限定されず、更に多層としてもよく、図５よりも少ない層数にしてもよい。

次に、本実施形態に係る高温ガス生成装置５の作用・効果について説明する。

本実施形態に係る高温ガス生成装置５は、改質層５１、燃焼層５２、及び暖気層５３が互いに積層された層構造を備えている。このように、アンモニアを燃焼させる燃焼層５２が、他の層と積層されていることで、燃焼で発生した熱を他の層へ伝達することができる。従って、暖気層５３は、燃焼層５２の燃焼で発生した熱で、所望のガス（ここではアンモニアガス）を効率良く暖気することができる。また、改質層５１も、燃焼層５２の燃焼で発生した熱を利用して、効率良く改質を行うことができる。これにより、高温ガス生成装置５は、少なくとも水素ガス及びアンモニアガスを含んだ高温ガスを効率良く生成することができる。従って、高温ガスの供給先のガス利用部８においては、高温な状態の水素ガス、及び高温な状態のアンモニアガスを有効に利用することができる。以上より、エネルギーを有効に利用することができる。

高温ガス生成装置５は、燃焼層５２に対して、空気を分配する入口ヘッダ２１を更に備える。この場合、燃焼層５２の目的に応じて、供給する必要がある空気を他の層と分けた状態で供給することができる。

改質層５１、燃焼層５２、及び暖気層５３の出口側において、各層から流出した高温ガスを混合させる。この場合、高温ガスの供給先では、各層から流出したガスを均一に混合された状態で、有効に利用することができる。特に、高温ガス生成装置５は、層構造を有しているため、同一の面内（図２におけるＹＺ平面内）に改質層５１、燃焼層５２、及び暖気層５３の場所が混在したような構成となる。当該構成によれば、出口２０ｂにおいて、各層から流出したガスを容易に混合することができる。このように、各ガスが均一に混合している場合、改質部４では、同一面内にて各成分が均一に分散した状態にて発熱反応及び改質反応を行うことができるため、各反応の反応性を向上できる。

改質層５１、燃焼層５２、及び暖気層５３から流出した高温ガスは、当該高温ガスを改質触媒で改質して水素ガスを含有した改質ガスを生成する改質部４へ供給される。この場合、改質部４は、高温な状態の水素ガス及びアンモニアガスを用いて、速やかに起動することができる。例えば、改質部４が原料供給部２及び空気供給部３から直接供給されるガスのみで起動しようとした場合、改質触媒の温度が上昇するまでに時間がかかり、起動時間が長くなる。あるいは、改質触媒を速やかに加熱するために大きなヒータを設ける必要が生じ、エネルギー効率が低下する可能性がある。これに対し、本実施形態では、既に高温となったアンモニアガス、及び高温となった水素ガスを含んだ高温ガスが、改質部４に供給される。従って、改質部４は、速やかに起動することができる。なお、高温ガス生成装置５の燃焼層５２も、加熱部６のヒータの熱を用いて着火してよいが、このようなヒータは、燃焼層５２だけを加熱すればよいので、改質部４の改質触媒全体を加熱しなくてはならないヒータに比して、かなり小型にすることができる。

本発明は、上述の実施形態に限定されるものではない。

例えば、高温ガス生成装置５の高温ガスの供給先は特に限定されず、高温ガスを有効に利用することができるものであれば、どのようなものに供給されてもよい。例えば、図６に示すように、バーナー装置１００に高温ガス生成装置５が適用されてもよい。この場合、 改質層５１、燃焼層５２、及び暖気層５３から流出した高温ガスは、バーナー１０１に供給される。バーナー１０１は、高温ガスを着火装置１０２で着火することで炎を発生させる。この場合、バーナー１０１は、高温な状態の水素ガス及びアンモニアガスを用いて、速やかに着火することができる。

その他、高温ガス生成装置５の高温ガスは、ガスタービンなどに供給されてもよい。

高温ガス生成装置５の層構成は、図５に示すものに限定されない。また、暖気層５３にて暖気されるガスは、目的に応じて適宜変更することができる。

例えば、図７に示す層構造を採用してもよい。当該層構造では、一対の燃焼層５２によって改質層５１のみが挟まれる箇所と、一対の燃焼層５２によって暖気層５３のみが挟まれる箇所と、を有している。アンモニアガスは、全層に対して供給される。空気は、燃焼層５２、及び暖気層５３に対して供給される。これにより、暖気層５３は、空気とアンモニアガスとが混合したガスを暖気することができる。このような層構造の場合、暖気層５３が、燃焼層５２とは別の段で空気を暖気することができる。従って、燃焼層５２での燃焼のために用いる空気（酸素）の量と、暖機して後段の改質部４で用いるための空気（酸素）の量とを、容易に設計・制御することができる。

また、上述の実施形態では、各層が、一つの積層方向（Ｚ方向）にのみ積層された状態となっていた。これに代えて、図８（ａ）に示すように、ハニカム構造体に対して、ブロックごとに層を分けてもよい。この場合は、各層は、二つの方向に積層されたような層構造となる。図８（ａ）に示す本体部２００は、セル壁部で縦方向及び横方向に区分けされたハニカム構造２０１を有している。このうち、領域２０２（白抜きの部分）の中に領域２０３Ａ，２０３Ｂ，２０３Ｃ，２０３Ｄ，２０３Ｅ（グレースケールが付された部分）が点在している。領域２０２が改質層として構成され、領域２０３Ａ，２０３Ｂ，２０３Ｃ，２０３Ｄ，２０３Ｅの各々が燃焼層及び暖気層の何れかとして構成される。あるいは、図８（ｂ）に示すように、領域２０３Ａ，２０３Ｂ，２０３Ｃ，２０３Ｄ，２０３Ｅの外周側の部分（濃いグレースケールが付された部分）を燃焼層とし、内周側の部分２０４（薄いグレースケールが付された部分）を暖気層としてよい。なお、図８（ａ）（ｂ）のような構成が採用された場合、ハニカム構造２０１に対して、図８（ｃ）のような構成によって、アンモニアガス及び空気が供給される。すなわち、ハニカム構造２０１全体に対してアンモニアガスを供給するための流路２１２が形成される。また、流路２１２の外側に空気の流路２１０を設け、当該流路２１０から、空気を供給すべき層に対して、供給部２１１を延ばす。これにより、供給部２１１の先端付近では、アンモニアガスと空気が混合された状態で、ハニカム構造２０１の対応箇所へ供給される。

また、図９に示すように、高温ガス生成装置５は、改質層５１、燃焼層５２、及び暖気層５３の出口２０ｂ側において、各層から流出した高温ガスを分離した状態で流出させてよい。この場合、各層から流出した高温ガスを目的に応じて有効に利用することができる。具体的には、出口２０ｂに出口ヘッダ２２を設け、水蒸気を含むガスを導出部３３から流出させ、水蒸気を含まないガスを導出部３４から流出させてよい。この場合、高温の水蒸気を他のガス、熱媒等の暖気に有効に利用することができる。

改質層５１、燃焼層５２、及び暖気層５３の各層に対して供給されるガスの組み合わせは、図５または図７に示した例に限定されるものではない。すなわち、改質層５１には少なくとも水素含有燃料（実施形態ではアンモニアガス）が供給されればよいため、当該改質層５１に対して、上述のように水素含有燃料のみが供給されるパターン、及び水素含有燃料及び酸化性ガスが供給されるパターンがあってよい。燃焼層５２には少なくとも水素含有燃料が供給されればよいため、当該燃焼層５２に対して、水素含有燃料のみが供給されるパターン、及び上述のように水素含有燃料及び酸化性ガスが供給されるパターンがあってよい。暖気層５３には水素含有原料及び酸化性ガスの少なくとも一方が供給されればよいため、当該暖気層５３に対し、上述のように水素含有燃料のみが供給されるパターンと、上述のように水素含有燃料及び酸化性ガスが供給されるパターンと、酸化性ガスのみが供給されるパターンと、があってよい。そして、改質層５１、燃焼層５２、及び暖気層５３に対し、上述のパターンを適宜選択することで、あらゆる組み合わせが採用可能である。なお、改質層５１、燃焼層５２、及び暖気層５３の上述のパターンに対し、水素含有燃料及び酸化性ガス以外のガスが追加で供給される場合があってもよい。

入口ヘッダは、図２及び図３に示すような構造のものに限定されず、各層に対して目的のガスを供給できるような構造であれば、どのような構造を採用してもよい。例えば、暖気層５３で空気のみを暖気する場合、暖気層５３にアンモニアガスが供給されないような入口ヘッダを設けてよい。例えば、図３に示す入口ヘッダ２１に対してアンモニアガス導入部３１を塞ぐ部材を設け、当該入口ヘッダを暖気層５３に設けてよい。また、暖気層５３でアンモニアガスのみを暖機する場合、暖気層５３に空気が供給されないような入り口ヘッダを設けてもよい。この場合は、図３に示す空気供給部材２３と連通しないような入口ヘッダを暖気層５３に設けてよい。また、暖気層５３でアンモニアガス及び空気を暖機する場合、暖気層５３に図３で示すような入口ヘッダ２１を設けてよい。改質層５１及び燃焼層５２に対しても、アンモニアガスのみを供給するパターンか、アンモニアガス及び空気を供給するパターンかに合わせて、対応する入口ヘッダを設けてよい。

また、上記実施形態では、酸化性ガスとして空気を使用しているが、特にその形態には限られず、酸化性ガスとして酸素を使用してもよい。

また、上記実施形態では、燃料ガスとしてアンモニアガスを使用しているが、本発明は、燃料ガスとして炭化水素ガス等を使用した改質システムにも適用可能である。

４…改質部、５…高温ガス生成装置、５１…改質層、５２…燃焼層、５３…暖気層、２１…入口ヘッダ（ヘッダ）、１０１…バーナー。

Claims (6)

1. 高温ガスを生成する高温ガス生成装置であって、
   水素含有原料を水素に分解する改質触媒を有し、前記水素含有原料を改質して水素ガスを含有した改質ガスを生成する改質層と、
   前記水素含有原料を燃焼させる燃焼触媒を有する燃焼層と、
   前記燃焼層の燃焼で発生した熱で前記水素含有原料及び酸化性ガスの少なくとも一方を暖気する暖気層と、が互いに積層された層構造を備える、高温ガス生成装置。
2. 前記改質層、前記燃焼層、及び前記暖気層の何れかに対して、前記水素含有原料及び酸化性ガスの少なくとも一方をそれぞれ分配するヘッダを更に備える、請求項１に記載の高温ガス生成装置。
3. 前記改質層、前記燃焼層、及び前記暖気層の出口側において、各層から流出した前記高温ガスを混合させる、請求項１又は２に記載の高温ガス生成装置。
4. 前記改質層、前記燃焼層、及び前記暖気層から流出した前記高温ガスは、当該高温ガスを改質触媒で改質して水素ガスを含有した改質ガスを生成する改質部へ供給される、請求項１〜３の何れか一項に記載の高温ガス生成装置。
5. 前記改質層、前記燃焼層、及び前記暖気層から流出した前記高温ガスは、バーナーに供給される、請求項１〜３の何れか一項に記載の高温ガス生成装置。
6. 前記改質層、前記燃焼層、及び前記暖気層の出口側において、各層から流出した前記高温ガスを分離した状態で流出させる、請求項１〜５の何れか一項に記載の高温ガス生成装置。