JP2021014393A - 改質システム - Google Patents

Abstract

【課題】改質器が定常動作に達するまでの起動時間を短縮することができる改質システムを提供する。【解決手段】改質システム１は、アンモニアガスを水素に分解する改質触媒５ａを有する改質器５と、改質器５に供給されるアンモニアガス及び空気が流れる共通メイン流路１０と、共通メイン流路１０と分岐接続され、改質器５に向けてアンモニアガス及び空気が流れる共通起動用流路１５と、共通起動用流路１５を流れるアンモニアガス及び空気を加熱する電気ヒータ６と、電気ヒータ６と改質器５との間に配置され、空気によりアンモニアガスを燃焼させる燃焼触媒７と、改質器５の起動時に、燃焼触媒７へのアンモニアガス及び空気の供給を開始すると共に、アンモニアガス及び空気の加熱を開始し、その後改質器５へのアンモニアガス及び空気の供給を開始するコントローラ２４とを備え、燃焼触媒７は、改質触媒５ａよりも小型である。【選択図】図１

Description

本発明は、改質システムに関する。

従来の改質システムとしては、例えば特許文献１に記載されている技術が知られている。特許文献１に記載の改質システムは、燃料を気化する燃料気化器と、この燃料気化器により気化された燃料、空気及び水蒸気が供給され、改質反応により水素を生成する改質反応装置とを備えている。改質反応装置には、上流側から下流側に向かって、通電により発熱すると共に触媒燃焼によって発熱を促進する発熱触媒を担持するハニカム型の触媒ヒータと、主に部分酸化反応を促進するハニカム触媒と、主に自己熱改質（ＡＴＲ）反応を促進するハニカム触媒とが配設されている。

特開２００２−１５４８０５号公報

上記従来技術においては、上流の触媒ヒータで発生した熱を利用して、下流のハニカム触媒を加熱している。しかし、触媒ヒータのサイズがハニカム触媒のサイズと同程度であるため、触媒ヒータの熱容量が大きくなり、改質反応装置（改質器）が定常動作に達するまでの起動時間が長くなってしまう。

本発明の目的は、改質器が定常動作に達するまでの起動時間を短縮することができる改質システムを提供することである。

本発明の一態様に係る改質システムは、燃料ガスを水素に分解する改質触媒を有し、燃料ガスを改質して水素を含有した改質ガスを生成する改質器と、改質器に供給される燃料ガス及び酸化性ガスが流れるメイン流路と、メイン流路と分岐接続され、改質器に向けて燃料ガス及び酸化性ガスが流れる起動用流路と、起動用流路を流れる燃料ガス及び酸化性ガスの少なくとも一方を加熱するヒータ部と、ヒータ部と改質器との間に配置され、酸化性ガスにより燃料ガスを燃焼させる燃焼触媒と、メイン流路を流れる燃料ガスの流量を制御する第１燃料ガスバルブと、メイン流路を流れる酸化性ガスの流量を制御する第１酸化性ガスバルブと、起動用流路を流れる燃料ガスの流量を制御する第２燃料ガスバルブと、起動用流路を流れる酸化性ガスの流量を制御する第２酸化性ガスバルブと、改質器の起動時に、燃焼触媒への燃料ガス及び酸化性ガスの供給を開始するように第２燃料ガスバルブ及び第２酸化性ガスバルブを制御すると共に、燃料ガス及び酸化性ガスの少なくとも一方の加熱を開始するようにヒータ部を制御し、その後改質器への燃料ガス及び酸化性ガスの供給を開始するように第１燃料ガスバルブ及び第１酸化性ガスバルブを制御する制御部とを備え、燃焼触媒は、改質触媒よりも小型である。

このような改質システムにおいては、改質器の起動時に、燃料ガス及び酸化性ガスが起動用流路を流れて燃焼触媒に供給されると共に、起動用流路を流れる燃料ガス及び酸化性ガスの少なくとも一方がヒータ部により加熱される。すると、暖められた燃料ガス及び酸化性ガスの少なくとも一方が燃焼触媒に供給され、燃料ガス及び酸化性ガスの少なくとも一方の熱によって燃焼触媒が加熱されるため、燃焼触媒において燃料ガスが燃焼され、燃焼ガスが発生する。そして、燃焼ガスが改質器に供給され、燃焼ガスの熱によって改質器が加熱される。その状態で、燃料ガス及び酸化性ガスがメイン流路を流れて改質器に供給されると、改質器の改質触媒において燃料ガスの燃焼及び改質が行われ、改質器が定常動作となる。ここで、燃焼触媒は、改質触媒よりも小型である。従って、燃焼触媒に合わせてヒータ部を小型化することで、ヒータ部の熱容量が小さくなるため、燃焼触媒が早期に加熱される。そして、燃焼触媒で発生した燃焼ガスの熱によって改質触媒が加熱されるため、改質触媒の昇温速度が速くなる。これにより、改質器が定常動作に達するまでの起動時間が短縮される。

燃焼触媒は、起動用流路におけるヒータ部よりも下流側に配設されていてもよい。このような構成では、燃焼触媒が起動用流路に配設されているため、ヒータ部により暖められた燃料ガス及び酸化性ガスの少なくとも一方の熱によって燃焼触媒がより早期に加熱される。

改質システムは、燃焼触媒における燃焼に関する温度を検出する第１温度検出部と、改質触媒の温度を検出する第２温度検出部とを更に備え、制御部は、第１温度検出部により検出された燃焼触媒における燃焼に関する温度が予め定められた第１規定温度以上であるときは、燃料ガス及び酸化性ガスの少なくとも一方の加熱を停止させるようにヒータ部を制御し、その後第２温度検出部により検出された改質触媒の温度が予め定められた第２規定温度以上であるときは、燃焼触媒への燃料ガス及び酸化性ガスの供給を停止させるように第２燃料ガスバルブ及び第２酸化性ガスバルブを制御してもよい。このような構成では、ヒータ部による燃料ガス及び酸化性ガスの少なくとも一方の加熱を停止させることにより、ヒータ部の省電力化を図ることができる。また、燃焼触媒への燃料ガス及び酸化性ガスの供給を停止させることにより、燃料ガス及び酸化性ガスを起動用流路に無駄に流さなくて済む。

制御部は、第１温度検出部により検出された燃焼触媒における燃焼に関する温度が第１規定温度以上であるときは、改質器への酸化性ガスの供給を開始するように第１酸化性ガスバルブを制御すると共に、燃焼触媒に供給される燃料ガスの流量を増加させるように第２燃料ガスバルブを制御し、その後第２温度検出部により検出された改質触媒の温度が第２規定温度以上であるときは、改質器への燃料ガスの供給を開始するように第１燃料ガスバルブを制御してもよい。このような構成では、燃焼触媒に供給される燃料ガスの流量を増加させることにより、燃焼触媒における燃焼に関する温度の上昇が抑制される。

燃焼触媒は、メイン流路における起動用流路との接続点と改質器との間に配設されていてもよい。このような構成では、燃焼触媒がメイン流路に配設されているため、燃焼触媒で発生した燃焼ガスとメイン流路を流れる燃料ガス及び酸化性ガスとが混合されて分散するようになる。従って、燃焼ガスと燃料ガス及び酸化性ガスとを均一性良く改質器に供給することができる。

改質システムは、燃焼触媒における燃焼に関する温度を検出する第１温度検出部と、改質触媒の温度を検出する第２温度検出部とを更に備え、制御部は、第１温度検出部により検出された燃焼触媒における燃焼に関する温度が予め定められた第１規定温度以上であるときは、燃料ガス及び酸化性ガスの少なくとも一方の加熱を停止させるようにヒータを制御し、その後第２温度検出部により検出された改質触媒の温度が予め定められた第２規定温度以上であるときは、燃焼触媒への燃料ガス及び酸化性ガスの供給を停止させるように第２燃料ガスバルブ及び第２酸化性ガスバルブを制御してもよい。このような構成では、ヒータ部による燃料ガス及び酸化性ガスの少なくとも一方の加熱を停止させることにより、ヒータ部の省電力化を図ることができる。また、燃焼触媒への燃料ガス及び酸化性ガスの供給を停止させることにより、燃料ガス及び酸化性ガスを起動用流路に無駄に流さなくて済む。

制御部は、第１温度検出部により検出された燃焼触媒における燃焼に関する温度が第１規定温度以上であるときは、改質器への燃料ガス及び酸化性ガスの供給を開始するように第１燃料ガスバルブ及び第１酸化性ガスバルブを制御し、その後第２温度検出部により検出された改質触媒の温度が第２規定温度以上であるときは、改質器に供給される燃料ガス及び酸化性ガスの流量を変更するように第１燃料ガスバルブ及び第１酸化性ガスバルブを制御してもよい。このような構成では、第１燃料ガスバルブと第１酸化性ガスバルブとが同じタイミングで制御されると共に、第２燃料ガスバルブと第２酸化性ガスバルブとが同じタイミングで制御される。従って、燃料ガス及び酸化性ガスの流量の制御処理を簡素化することができる。

燃焼触媒は、複数の細孔がランダムに空いている多孔質形状を呈していてもよい。このような構成では、燃焼触媒で発生した燃焼ガスとメイン流路を流れる燃料ガス及び酸化性ガスとの混合及び分散が促進されるため、燃焼ガスと燃料ガス及び酸化性ガスとをより均一性良く改質器に供給することができる。

本発明によれば、改質器が定常動作に達するまでの起動時間を短縮することができる。

本発明の第１実施形態に係る改質システムを示す概略構成図である。 図１に示された改質器の正面図である。 図１に示されたコントローラにより実行される制御処理手順の詳細を示すフローチャートである。 図１に示された改質システムの動作を示すタイミング図である。 本発明の第２実施形態に係る改質システムを示す概略構成図である。 図５に示された燃焼触媒の概略正面図である。 図５に示されたコントローラにより実行される制御処理手順の詳細を示すフローチャートである。 図５に示された改質システムの動作を示すタイミング図である。

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、本発明の第１実施形態に係る改質システムを示す概略構成図である。図１において、本実施形態の改質システム１は、アンモニアタンク２と、気化器３と、空気供給部４と、改質器５と、電気ヒータ６と、燃焼触媒７とを備えている。

アンモニアタンク２は、アンモニア（ＮＨ_３）を液体状態で貯蔵するタンクである。気化器３は、アンモニア流路８を介してアンモニアタンク２と接続されている。気化器３は、ポンプ（図示せず）によりアンモニアタンク２から導出された液体状態のアンモニアを気化させて、燃料ガスであるアンモニアガスを生成する。空気供給部４は、酸化性ガスである空気を改質器５に供給する。空気供給部４としては、例えば送風機等が用いられる。

改質器５は、気化器３により生成されたアンモニアガスを改質して、水素を含有した改質ガスを生成する。改質器５は、アンモニアガスを水素に分解する改質触媒５ａを有している。改質触媒５ａは、メイン触媒である。改質触媒５ａ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いる。改質触媒５ａとしては、例えばルテニウム、ロジウムまたは白金等が用いられる。

改質器５は、図２に示されるように、ハニカム構造の担体９を有している。担体９は、円筒状を有している。担体９は、例えばコージェライトまたはＳｉＣ等といったセラミックスからなっている。改質触媒５ａは、担体９に担持されている。

改質器５には、共通メイン流路１０が接続されている。共通メイン流路１０は、メインアンモニアガス流路１１を介して気化器３と接続されていると共に、メイン空気流路１２を介して空気供給部４と接続されている。メインアンモニアガス流路１１は、改質器５の定常動作時（後述）にアンモニアガスが流れるメイン流路である。メイン空気流路１２は、改質器５の定常動作時に空気が流れるメイン流路である。共通メイン流路１０は、改質器５の定常動作時に改質器５に供給されるアンモニアガス及び空気が流れるメイン流路である。

メインアンモニアガス流路１１には、電磁式の第１アンモニアガスバルブ１３が配設されている。第１アンモニアガスバルブ１３は、メインアンモニアガス流路１１を流れるアンモニアガスの流量を制御する第１燃料ガスバルブである。メイン空気流路１２には、電磁式の第１空気バルブ１４が配設されている。第１空気バルブ１４は、メイン空気流路１２を流れる空気の流量を制御する第１酸化性ガスバルブである。

共通メイン流路１０には、共通起動用流路１５が分岐接続されている。共通起動用流路１５は、起動用アンモニアガス流路１６を介してメインアンモニアガス流路１１と分岐接続されていると共に、起動用空気流路１７を介してメイン空気流路１２と分岐接続されている。起動用アンモニアガス流路１６は、改質器５の起動時（後述）にアンモニアガスが流れる起動用流路である。起動用空気流路１７は、改質器５の起動時に空気が流れる起動用流路である。共通起動用流路１５は、改質器５の起動時にアンモニアガス及び空気が改質器５に向けて流れる起動用流路である。

起動用アンモニアガス流路１６には、電磁式の第２アンモニアガスバルブ１８が配設されている。第２アンモニアガスバルブ１８は、起動用アンモニアガス流路１６を流れるアンモニアガスの流量を制御する第２燃料ガスバルブである。起動用空気流路１７には、電磁式の第２空気バルブ１９が配設されている。第２空気バルブ１９は、起動用空気流路１７を流れる空気の流量を制御する第２酸化性ガスバルブである。

電気ヒータ６は、共通起動用流路１５に配設されている。電気ヒータ６は、共通起動用流路１５を流れるアンモニアガス及び空気を加熱するヒータ部である。電気ヒータ６は、例えば熱を発生させる発熱体を有している。

燃焼触媒７は、共通起動用流路１５における電気ヒータ６よりも下流側に配設されている。つまり、燃焼触媒７は、電気ヒータ６と改質器５との間に配置されている。燃焼触媒７は、酸化触媒であり、アンモニアガスを燃焼させる機能を有している。燃焼触媒７としては、例えばＣｕＯ／１０Ａｌ_２Ｏ_３・２Ｂ_２Ｏ_３等が用いられる。燃焼触媒７は、改質器５と同様に、円筒状のハニカム構造を有する担体に担持されている。

燃焼触媒７は、改質器５の改質触媒５ａよりも小型である。例えば、燃焼触媒７を担持する担体の容積及び表面積等は、改質触媒５ａを担持する担体９の容積及び表面積等よりも小さい。具体的には、燃焼触媒７を担持する担体の外径及び長さ寸法は、改質触媒５ａを担持する担体９の外径及び長さ寸法よりも小さい。

改質器５には、改質ガス流路２０を介して水素利用装置２１が接続されている。改質ガス流路２０は、改質器５により生成された改質ガスが流れる流路である。水素利用装置２１は、改質ガスに含有された水素を利用する装置である。水素利用装置２１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。

また、改質システム１は、温度センサ２２，２３と、コントローラ２４とを備えている。温度センサ２２は、燃焼触媒７における燃焼に関する温度を検出する第１温度検出部である。温度センサ２２は、燃焼触媒７における燃焼に関する温度として、共通起動用流路１５における燃焼触媒７の下流側の温度を検出する。温度センサ２３は、改質器５の改質触媒５ａの温度を検出する第２温度検出部である。温度センサ２３は、例えば改質触媒５ａの上流側端部の温度を検出する。

コントローラ２４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２４は、温度センサ２２，２３の検出値に基づいて、電気ヒータ６、第１アンモニアガスバルブ１３、第１空気バルブ１４、第２アンモニアガスバルブ１８及び第２空気バルブ１９を制御する制御部である。

コントローラ２４は、改質器５の起動時に、燃焼触媒７へのアンモニアガス及び空気の供給を開始するように第２アンモニアガスバルブ１８及び第２空気バルブ１９を制御すると共に、アンモニアガス及び空気の加熱を開始するように電気ヒータ６を制御し、その後改質器５へのアンモニアガス及び空気の供給を開始するように第１アンモニアガスバルブ１３及び第１空気バルブ１４を制御する。

図３は、図１に示されたコントローラ２４により実行される制御処理手順の詳細を示すフローチャートである。なお、本処理は、図示しない手動スイッチ等により改質システム１の起動が指示されると実行される。また、本処理の実行前は、第１アンモニアガスバルブ１３、第１空気バルブ１４、第２アンモニアガスバルブ１８及び第２空気バルブ１９は、何れも閉じた状態となっている。

図３において、コントローラ２４は、改質システム１の起動が指示されると、電気ヒータ６の通電を開始するように電気ヒータ６を制御する（手順Ｓ１０１）。

そして、コントローラ２４は、第２アンモニアガスバルブ１８及び第２空気バルブ１９を開くように制御する（手順Ｓ１０２）。すると、アンモニアガスが改質器５に向けて起動用アンモニアガス流路１６及び共通起動用流路１５を流れると共に、空気が改質器５に向けて起動用空気流路１７及び共通起動用流路１５を流れる。つまり、燃焼触媒７へのアンモニアガス及び空気の供給が開始される。このとき、第２アンモニアガスバルブ１８及び第２空気バルブ１９の開度は、アンモニアガスの流量ａ１と空気の流量ａ２とが当量（例えばａ１：ａ２＝１：３／４）となるように設定される（図４（ｂ），（ｃ）参照）。

アンモニアガス及び空気が共通起動用流路１５を流れると、電気ヒータ６によりアンモニアガス及び空気が加熱され、暖められたアンモニアガス及び空気の熱によって燃焼触媒７が加熱される。すると、燃焼触媒７においてアンモニアガスが燃焼し、燃焼ガスが生成される。そして、燃焼ガスが改質器５に供給され、燃焼ガスの熱によって改質器５の改質触媒５ａが加熱される。

続いて、コントローラ２４は、温度センサ２２により検出された燃焼触媒７の下流側の温度が予め定められた第１規定温度以上であるかどうかを判断する（手順Ｓ１０３）。第１規定温度は、例えば改質器５の改質触媒５ａによりアンモニアガスの燃焼を可能にするような燃焼ガスが生成される温度である。なお、改質触媒５ａにおいてアンモニアガスの燃焼が可能となる温度は、例えば２００℃程度である。

コントローラ２４は、燃焼触媒７の下流側の温度が第１規定温度以上であると判断したときは、電気ヒータ６の通電を停止させるように電気ヒータ６を制御する（手順Ｓ１０４）。

そして、コントローラ２４は、第２アンモニアガスバルブ１８の開度が大きくなるように第２アンモニアガスバルブ１８を制御する（手順Ｓ１０５）。すると、起動用アンモニアガス流路１６及び共通起動用流路１５を流れるアンモニアガスの流量が増加するため、燃焼触媒７に供給されるアンモニアガスの流量が増加する。

そして、コントローラ２４は、第１空気バルブ１４を開くように制御する（手順Ｓ１０６）。すると、空気が改質器５に向けてメイン空気流路１２及び共通メイン流路１０を流れ、改質器５への空気の供給が開始される。このとき、第２アンモニアガスバルブ１８及び第１空気バルブ１４の開度は、アンモニアガスの流量の増加分ｂ１と空気の流量ｂ２とが当量（例えばｂ１：ｂ２＝１：３／４）となるように設定される（図４（ｂ），（ｅ）参照）。

続いて、コントローラ２４は、温度センサ２３により検出された改質触媒５ａの温度が予め定められた第２規定温度以上であるかどうかを判断する（手順Ｓ１０７）。第２規定温度は、改質触媒５ａにおいてアンモニアガスの改質反応が安定化する定常動作となるような温度であり、例えば４００℃〜６００℃程度である。

コントローラ２４は、改質触媒５ａの温度が第２規定温度以上であると判断したときは、第２アンモニアガスバルブ１８及び第２空気バルブ１９を閉じるように制御する（手順Ｓ１０８）。すると、アンモニアガスが起動用アンモニアガス流路１６及び共通起動用流路１５を流れなくなると共に、空気が起動用空気流路１７及び共通起動用流路１５を流れなくなるため、燃焼触媒７へのアンモニアガス及び空気の供給が停止する。

また、コントローラ２４は、第１アンモニアガスバルブ１３を開くように制御すると共に、第１空気バルブ１４の開度を変更するように第１空気バルブ１４を制御する（手順Ｓ１０９）。すると、アンモニアガスが改質器５に向けてメインアンモニアガス流路１１及び共通メイン流路１０を流れ、改質器５へのアンモニアガスの供給が開始されると共に、メイン空気流路１２及び共通メイン流路１０を流れる空気の流量が変更されるため、改質器５に供給される空気の流量が変更される。

このとき、第１アンモニアガスバルブ１３及び第１空気バルブ１４の開度は、改質器５の改質性能または必要な水素量に応じたアンモニアガス及び空気の流量が得られるように設定される。例えば、アンモニアガスが空気に対してリッチとなるように、アンモニアガスの流量ｃ１と空気の流量ｃ２とが決定される（図４（ｄ），（ｅ）参照）。

図４は、改質システム１の動作を示すタイミング図である。図４において、改質器５を含む改質システム１の起動が指示されると、電気ヒータ６の通電が開始される（図４（ａ）参照）。また、アンモニアガス及び空気が共通起動用流路１５を改質器５に向けて流れる（図４（ｂ），（ｃ）参照）。すると、電気ヒータ６によりアンモニアガスと空気との混合ガスが加熱され、暖められた混合ガスの熱によって燃焼触媒７が加熱される（図４（ｆ）参照）。

燃焼触媒７の温度が燃焼可能な温度（例えば２００℃以上）に達すると、燃焼触媒７によりアンモニアガスが燃焼され、燃焼ガスが生成される。そして、燃焼ガスが改質器５に供給され、燃焼ガスの熱によって改質器５の改質触媒５ａが加熱される（図４（ｇ）参照）。

時刻ｔ１において燃焼触媒７の下流側の温度が第１規定温度に達すると、電気ヒータ６の通電が停止する（図４（ａ）参照）。また、共通起動用流路１５を改質器５に向けて流れるアンモニアガスの流量が増加する（図４（ｂ）参照）と共に、空気が共通メイン流路１０を改質器５に向けて流れるようになる（図４（ｅ）参照）。このとき、共通起動用流路１５を流れるアンモニアガスの流量が共通起動用流路１５を流れる空気の流量よりも多くなるが、流量増加分のアンモニアガスは燃焼触媒７での燃焼に寄与しないため、燃焼触媒７の温度が僅かに低下する（図４（ｆ）参照）。流量増加分のアンモニアガスは、燃焼触媒７の燃焼熱により加熱される。

暖められたアンモニアガスは、共通メイン流路１０を流れる空気と混合されて改質器５に供給される。燃焼ガスの熱によって加熱された改質触媒５ａの温度が燃焼可能な温度に達すると、改質触媒５ａによりアンモニアガスが燃焼される。すると、燃焼熱により改質触媒５ａが更に加熱される。そして、改質触媒５ａの温度が改質可能な温度に達すると、改質触媒５ａによりアンモニアガスの改質が行われ、水素を含有した改質ガスが生成される。

そして、時刻ｔ２において改質触媒５ａの温度が第２規定温度に達すると、アンモニアガス及び空気が共通起動用流路１５を流れなくなり、燃焼触媒７へのアンモニアガス及び空気の供給が停止する（図４（ｂ），（ｃ）参照）。また、アンモニアガスが共通メイン流路１０を流れて改質器５に供給される（図４（ｄ）参照）と共に、共通メイン流路１０を流れて改質器５に供給される空気の流量が増加し（図４（ｅ）参照）、その状態でアンモニアガスの改質が継続される。以上により、改質器５の起動が完了し、改質器５が定常動作に移行する。

以上のように本実施形態にあっては、改質器５の起動時に、アンモニアガス及び空気が共通起動用流路１５を流れて燃焼触媒７に供給されると共に、共通起動用流路１５を流れるアンモニアガス及び空気が電気ヒータ６により加熱される。すると、暖められたアンモニアガス及び空気が燃焼触媒７に供給され、アンモニアガス及び空気の熱によって燃焼触媒７が加熱されるため、燃焼触媒７においてアンモニアガスが燃焼され、燃焼ガスが発生する。そして、燃焼ガスが改質器５に供給され、燃焼ガスの熱によって改質器５が加熱される。その状態で、アンモニアガス及び空気が共通メイン流路１０を流れて改質器５に供給されると、改質器５の改質触媒５ａにおいてアンモニアガスの燃焼及び改質が行われ、改質器５が定常動作となる。ここで、燃焼触媒７は、改質触媒５ａよりも小型である。従って、燃焼触媒７に合わせて電気ヒータ６を小型化することで、電気ヒータ６の熱容量が小さくなるため、燃焼触媒７が早期に加熱される。そして、燃焼触媒７で発生した燃焼ガスの熱によって改質触媒５ａが加熱されるため、改質触媒５ａの昇温速度が速くなる。これにより、改質器５が定常動作になるまでの起動時間Ｔ（図４参照）が短縮される。

また、本実施形態では、燃焼触媒７が共通起動用流路１５における電気ヒータ６よりも下流側に配設されているため、電気ヒータ６により暖められたアンモニアガス及び空気の熱によって燃焼触媒７がより早期に加熱される。

また、本実施形態では、燃焼触媒７の下流側の温度が第１規定温度以上になると、電気ヒータ６によるアンモニアガス及び空気の加熱を停止させることにより、電気ヒータ６の省電力化を図ることができる。また、改質触媒５ａの温度が第２規定温度以上になると、燃焼触媒７へのアンモニアガス及び空気の供給を停止させることにより、アンモニアガス及び空気を共通起動用流路１５に無駄に流さなくて済む。

また、本実施形態では、改質触媒５ａの温度が第２規定温度以上になると、燃焼触媒７に供給されるアンモニアガスの流量を増加させることにより、燃焼触媒７の下流側の温度の上昇が抑制される。

なお、本実施形態では、電気ヒータ６と燃焼触媒７とが別々の部品として構成されているが、特にその形態には限られず、電気ヒータと燃焼触媒とが一体構成の通電加熱触媒（ＥＨＣ：ElectricalHeating Catalyst）を使用してもよい。

図５は、本発明の第２実施形態に係る改質システムを示す概略構成図である。図５において、本実施形態の改質システム１Ａは、上記の第１実施形態における燃焼触媒７に代えて、燃焼触媒３０を備えている。燃焼触媒３０は、共通メイン流路１０における共通起動用流路１５との接続点１０ａと改質器５との間に配設されている。つまり、燃焼触媒３０は、電気ヒータ６と改質器５との間に配置されている。

燃焼触媒３０は、図６に示されるように、複数の細孔３０ａがランダムに空いている多孔質形状を呈している。燃焼触媒３０では、未反応のアンモニアガスがすり抜けることができる程度に細孔３０ａの目が粗くなっている。燃焼触媒３０は、例えばステンレス鋼等の金属ワイヤーをランダムに折り曲げて形成された担体にＣｕＯ／１０Ａｌ_２Ｏ_３・２Ｂ_２Ｏ_３等が担持された構造を有している。担体は、円筒状を有している。燃焼触媒３０は、改質器５の改質触媒５ａよりも小型である。

また、改質システム１Ａは、上記の第１実施形態と同様に、温度センサ２２，２３及びコントローラ２４を備えている。温度センサ２２は、燃焼触媒３０における燃焼に関する温度を検出する。温度センサ２２は、燃焼触媒３０における燃焼に関する温度として、共通メイン流路１０における燃焼触媒３０の下流側の温度を検出する。

図７は、図５に示されたコントローラ２４により実行される制御処理手順の詳細を示すフローチャートである。図７において、コントローラ２４は、上記の第１実施形態と同様に、手順Ｓ１０１〜Ｓ１０４を順次実行する。

コントローラ２４は、手順Ｓ１０４を実行した後、第１アンモニアガスバルブ１３及び第１空気バルブ１４を開くように制御する（手順Ｓ１１１）。すると、アンモニアガスが改質器５に向けてメインアンモニアガス流路１１及び共通メイン流路１０を流れると共に、空気が改質器５に向けてメイン空気流路１２及び共通メイン流路１０を流れる。このため、改質器５へのアンモニアガス及び空気の供給が開始される。このとき、第１アンモニアガスバルブ１３及び第１空気バルブ１４の開度は、アンモニアガスの流量ｄ１と空気の流量ｄ２とが当量（例えばｄ１：ｄ２＝１：３／４）となるように設定される（図８（ｄ），（ｅ）参照）。

続いて、コントローラ２４は、上記の第１実施形態と同様に、手順Ｓ１０７，Ｓ１０８を順次実行する。コントローラ２４は、手順Ｓ１０８を実行した後、第１アンモニアガスバルブ１３及び第１空気バルブ１４の開度を変更するように第１アンモニアガスバルブ１３及び第１空気バルブ１４を制御する（手順Ｓ１１２）。すると、メインアンモニアガス流路１１及び共通メイン流路１０を流れるアンモニアガスの流量が変更されると共に、メイン空気流路１２及び共通メイン流路１０を流れる空気の流量が変更される。このため、改質器５に供給されるアンモニアガス及び空気の流量が変更される。このとき、例えばアンモニアガスが空気に対してリッチとなるように、アンモニアガスの流量ｅ１と空気の流量ｅ２とが決定される（図８（ｄ），（ｅ）参照）。

図８は、改質システム１Ａの動作を示すタイミング図である。図８において、改質器５を含む改質システム１Ａの起動が指示されると、電気ヒータ６の通電が開始される（図８（ａ）参照）。また、アンモニアガス及び空気が共通起動用流路１５を改質器５に向けて流れる（図８（ｂ），（ｃ）参照）。すると、電気ヒータ６によりアンモニアガスと空気との混合ガスが加熱され、暖められた混合ガスの熱によって燃焼触媒３０が加熱される（図８（ｆ）参照）。

燃焼触媒３０の温度が燃焼可能な温度（例えば２００℃以上）に達すると、燃焼触媒３０によりアンモニアガスが燃焼され、燃焼ガスが生成される。そして、燃焼ガスが改質器５に供給され、燃焼ガスの熱によって改質器５の改質触媒５ａが加熱される（図８（ｇ）参照）。

時刻ｔ１において燃焼触媒３０の下流側の温度が第１規定温度に達すると、電気ヒータ６の通電が停止する（図８（ａ）参照）。また、アンモニアガス及び空気が共通メイン流路１０を改質器５に向けて流れるようになる（図８（ｄ），（ｅ）参照）。すると、アンモニアガスの一部が燃焼触媒３０において燃焼すると共に、未燃のアンモニアガス及び空気が燃焼触媒３０の燃焼熱により加熱される。

暖められたアンモニアガス及び空気は、改質器５に供給される。燃焼ガスの熱によって加熱された改質触媒５ａの温度が燃焼可能な温度に達すると、アンモニアガスが燃焼される。すると、その燃焼熱により改質触媒５ａが更に加熱される。そして、改質触媒５ａの温度が改質可能な温度に達すると、改質触媒５ａによりアンモニアガスの改質が行われ、水素を含有した改質ガスが生成される。

そして、時刻ｔ２において改質触媒５ａの温度が第２規定温度に達すると、アンモニアガス及び空気が共通起動用流路１５を流れなくなり、燃焼触媒７へのアンモニアガス及び空気の供給が停止する（図８（ｂ），（ｃ）参照）。また、共通メイン流路１０を流れて改質器５に供給されるアンモニアガス空気の流量が増加し（図８（ｄ），（ｅ）参照）、その状態でアンモニアガスの改質が継続される。以上により、改質器５の起動が完了し、改質器５が定常動作に移行する。

以上のような本実施形態においても、燃焼触媒３０に合わせて電気ヒータ６を小型化することで、電気ヒータ６の熱容量が小さくなるため、燃焼触媒３０が早期に加熱される。そして、燃焼触媒３０で発生した燃焼ガスの熱によって改質器５の改質触媒５ａが加熱されるため、改質触媒５ａの昇温速度が速くなる。これにより、改質器５が定常動作になるまでの起動時間Ｔ（図８参照）が短縮される。

また、本実施形態では、燃焼触媒３０は、共通メイン流路１０における共通起動用流路１５との接続点１０ａと改質器５との間に配設されている。このため、燃焼触媒３０で発生した燃焼ガスと共通メイン流路１０を流れるアンモニアガス及び空気とが混合されて分散するようになる。従って、燃焼ガスとアンモニアガス及び空気とを均一性良く改質器５に供給することができる。

また、本実施形態では、燃焼触媒３０は、複数の細孔３０ａがランダムに空いている多孔質形状を呈している。従って、燃焼触媒３０で発生した燃焼ガスと共通メイン流路１０を流れるアンモニアガス及び空気との混合及び分散が促進されるため、燃焼ガスとアンモニアガス及び空気とをより均一性良く改質器５に供給することができる。

また、本実施形態では、第１アンモニアガスバルブ１３と第１空気バルブ１４とが同じタイミングで制御されると共に、第２アンモニアガスバルブ１８と第２空気バルブ１９とが同じタイミングで制御される。従って、アンモニアガス及び空気の流量の制御処理を簡素化することができる。

なお、本実施形態では、燃焼触媒３０は改質器５とは別の部品であるが、特にその形態には限られず、例えば改質器５の担体９の上流側端部に燃焼触媒３０が塗られていてもよい。

以上、本発明の実施形態について幾つか説明してきたが、本発明は上記実施形態には限定されない。例えば上記実施形態では、燃焼触媒７，３０の下流側の温度が燃焼触媒７，３０における燃焼に関する温度として検出されているが、特にその形態には限られず、例えば燃焼触媒７，３０自体の温度を燃焼触媒７，３０における燃焼に関する温度として検出してもよい。

また、上記実施形態では、温度センサ２２により燃焼触媒７，３０における燃焼に関する温度が検出されているが、特にその形態には限られず、例えばアンモニアガス及び空気の流量、時間及び室温等に基づいて、燃焼触媒７，３０における燃焼に関する温度を推定してもよい。また、温度センサ２３により改質器５の改質触媒５ａの温度が検出されているが、特にその形態には限られず、例えばアンモニアガス及び空気の流量、時間及び室温等に基づいて、改質触媒５ａの温度を推定してもよい。

また、上記実施形態では、燃焼触媒７，３０における燃焼に関する温度が第１規定温度以上であるかどうかを判断して、後の処理手順が実行されているが、特にその形態には限られず、例えば温度センサ２３により検出された改質触媒５ａの温度が予め定められた規定温度以上であるかどうかを判断して、後の処理手順を実行してもよい。

また、上記実施形態では、電気ヒータ６によりアンモニアガス及び空気が加熱されているが、特にその形態には限られず、アンモニアガス及び空気を別々の電気ヒータにより加熱してもよい。また、アンモニアガスのみを加熱してもよいし、空気のみを加熱してもよい。

また、小型の燃焼触媒７，３０の数としては、特に１つには限られず、複数であってもよい。この場合には、複数の燃焼触媒にアンモニアガス及び空気の少なくとも一方が当たるようにする。

また、上記実施形態では、改質器５の改質触媒５ａの温度が第２規定温度以上になると、燃焼触媒７へのアンモニアガス及び空気の供給が停止しているが、燃焼触媒７へのアンモニアガス及び空気の供給を停止させるタイミングとしては、特にその形態には限られず、例えば電気ヒータ６の通電の停止と同時でもよいし、或いは改質器５の改質触媒５ａの温度が第２規定温度以上になってから所定時間の経過後でもよい。

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。

１，１Ａ…改質システム、５…改質器、５ａ…改質触媒、６…電気ヒータ（ヒータ部）、７…燃焼触媒、１０…共通メイン流路（メイン流路）、１０ａ…接続点、１３…第１アンモニアガスバルブ（第１燃料ガスバルブ）、１４…第１空気バルブ（第１酸化性ガスバルブ）、１５…共通起動用流路（起動用流路）、１８…第２アンモニアガスバルブ（第２燃料ガスバルブ）、１９…第２空気バルブ（第２酸化性ガスバルブ）、２２…温度センサ（第１温度検出部）、２３…温度センサ（第２温度検出部）、２４…コントローラ（制御部）、３０…燃焼触媒、３０ａ…細孔。

Claims (8)

1. 燃料ガスを水素に分解する改質触媒を有し、前記燃料ガスを改質して前記水素を含有した改質ガスを生成する改質器と、
   前記改質器に供給される前記燃料ガス及び酸化性ガスが流れるメイン流路と、
   前記メイン流路と分岐接続され、前記改質器に向けて前記燃料ガス及び前記酸化性ガスが流れる起動用流路と、
   前記起動用流路を流れる前記燃料ガス及び前記酸化性ガスの少なくとも一方を加熱するヒータ部と、
   前記ヒータ部と前記改質器との間に配置され、前記酸化性ガスにより前記燃料ガスを燃焼させる燃焼触媒と、
   前記メイン流路を流れる前記燃料ガスの流量を制御する第１燃料ガスバルブと、
   前記メイン流路を流れる前記酸化性ガスの流量を制御する第１酸化性ガスバルブと、
   前記起動用流路を流れる前記燃料ガスの流量を制御する第２燃料ガスバルブと、
   前記起動用流路を流れる前記酸化性ガスの流量を制御する第２酸化性ガスバルブと、
   前記改質器の起動時に、前記燃焼触媒への前記燃料ガス及び前記酸化性ガスの供給を開始するように前記第２燃料ガスバルブ及び前記第２酸化性ガスバルブを制御すると共に、前記燃料ガス及び前記酸化性ガスの少なくとも一方の加熱を開始するように前記ヒータ部を制御し、その後前記改質器への前記燃料ガス及び前記酸化性ガスの供給を開始するように前記第１燃料ガスバルブ及び前記第１酸化性ガスバルブを制御する制御部とを備え、
   前記燃焼触媒は、前記改質触媒よりも小型である改質システム。
2. 前記燃焼触媒は、前記起動用流路における前記ヒータ部よりも下流側に配設されている請求項１記載の改質システム。
3. 前記燃焼触媒における燃焼に関する温度を検出する第１温度検出部と、
   前記改質触媒の温度を検出する第２温度検出部とを更に備え、
   前記制御部は、前記第１温度検出部により検出された前記燃焼触媒における燃焼に関する温度が予め定められた第１規定温度以上であるときは、前記燃料ガス及び前記酸化性ガスの少なくとも一方の加熱を停止させるように前記ヒータ部を制御し、その後前記第２温度検出部により検出された前記改質触媒の温度が予め定められた第２規定温度以上であるときは、前記燃焼触媒への前記燃料ガス及び前記酸化性ガスの供給を停止させるように前記第２燃料ガスバルブ及び前記第２酸化性ガスバルブを制御する請求項２記載の改質システム。
4. 前記制御部は、前記第１温度検出部により検出された前記燃焼触媒における燃焼に関する温度が前記第１規定温度以上であるときは、前記改質器への前記酸化性ガスの供給を開始するように前記第１酸化性ガスバルブを制御すると共に、前記燃焼触媒に供給される前記燃料ガスの流量を増加させるように前記第２燃料ガスバルブを制御し、その後前記第２温度検出部により検出された前記改質触媒の温度が前記第２規定温度以上であるときは、前記改質器への前記燃料ガスの供給を開始するように前記第１燃料ガスバルブを制御する請求項３記載の改質システム。
5. 前記燃焼触媒は、前記メイン流路における前記起動用流路との接続点と前記改質器との間に配設されている請求項１記載の改質システム。
6. 前記燃焼触媒における燃焼に関する温度を検出する第１温度検出部と、
   前記改質触媒の温度を検出する第２温度検出部とを更に備え、
   前記制御部は、前記第１温度検出部により検出された前記燃焼触媒における燃焼に関する温度が予め定められた第１規定温度以上であるときは、前記燃料ガス及び前記酸化性ガスの少なくとも一方の加熱を停止させるように前記ヒータ部を制御し、その後前記第２温度検出部により検出された前記改質触媒の温度が予め定められた第２規定温度以上であるときは、前記燃焼触媒への前記燃料ガス及び前記酸化性ガスの供給を停止させるように前記第２燃料ガスバルブ及び前記第２酸化性ガスバルブを制御する請求項５記載の改質システム。
7. 前記制御部は、前記第１温度検出部により検出された前記燃焼触媒における燃焼に関する温度が前記第１規定温度以上であるときは、前記改質器への前記燃料ガス及び前記酸化性ガスの供給を開始するように前記第１燃料ガスバルブ及び前記第１酸化性ガスバルブを制御し、その後前記第２温度検出部により検出された前記改質触媒の温度が前記第２規定温度以上であるときは、前記改質器に供給される前記燃料ガス及び前記酸化性ガスの流量を変更するように前記第１燃料ガスバルブ及び前記第１酸化性ガスバルブを制御する請求項６記載の改質システム。
8. 前記燃焼触媒は、複数の細孔がランダムに空いている多孔質形状を呈している請求項５〜７の何れか一項記載の改質システム。

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