JP2022166952A - 改質装置 - Google Patents

Abstract

【課題】体格の小型化を図ることができる改質装置を提供する。【解決手段】改質装置１は、ＡＴＲ触媒１４を収容する主筐体１３と、主筐体１３に向けて空気が流れる空気供給管１６と、主筐体１３内にアンモニアガスを供給するインジェクタ１１と、主筐体１３におけるＡＴＲ触媒１４よりも上流側部分に取り付けられた燃焼器１５とを備え、燃焼器１５は、主筐体１３に連結された補助筐体１７と、補助筐体１７内に配置され、空気が混合されたアンモニアガスを着火させる点火部１８とを有し、補助筐体１７は、補助筐体１７の一部が主筐体１３内に収容されるように主筐体１３に連結されており、補助筐体１７における主筐体１３内に収容された領域には、アンモニアガス及び空気を補助筐体１７内に導入するためのスリット１９と、補助筐体１７内で発生した燃焼ガスを補助筐体１７内から導出するための開放端２１とが設けられている。【選択図】図２

Description

本発明は、改質装置に関する。

従来の改質装置としては、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に記載の改質装置は、燃料、空気及び水蒸気を供給して改質反応により水素を生成する装置である。改質装置には、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。

また、特許文献２には、管状火炎バーナが記載されている。特許文献２に記載の管状火炎バーナは、先端が開放された管状の燃焼室と、この燃焼室内に燃料ガス及び空気をそれぞれ吹き込む燃料含有ガス用ノズル及び酸素含有ガス用ノズルと、燃焼室の後端から燃焼室内に挿入された棒状体と、この棒状体を加熱する電気ヒータとを備えている。燃料含有ガス用ノズル及び酸素含有ガス用ノズルの噴射方向は、燃焼室の内周面の接線方向と一致している。これにより、燃焼室内に高速旋回流で管状火炎が形成される。

特開２００２－１５４８０５号公報 特開２００８－１０７０３１号公報

上記の特許文献１においては、触媒ヒータによりハニカム触媒を活性温度まで昇温させているが、燃料の着火までに時間がかかり、改質装置の起動が遅くなる。そこで、上記の特許文献２に記載の管状火炎バーナを使って、ハニカム触媒を加熱することも考えられる。しかし、この場合には、管状火炎バーナに空気を供給する配管とハニカム触媒に空気を供給する配管とがそれぞれ必要となるため、改質装置の体格が大型化してしまう。

本発明の目的は、体格の小型化を図ることができる改質装置を提供することである。

本発明の一態様は、燃料ガスを燃焼させて発生した熱を利用して燃料ガスを改質することにより、水素を含有した改質ガスを生成する改質装置において、燃料ガスを水素に分解することで燃料ガスを改質する触媒部と、触媒部を収容する主筐体と、主筐体の一端部に連結され主筐体に向けて酸化性ガスが流れる供給管を有し、主筐体内に酸化性ガスを供給する酸化性ガス供給部と、主筐体内に燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、主筐体における触媒部よりも上流側部分に取り付けられ、燃料ガスを燃焼させる燃焼器とを備え、燃焼器は、主筐体に連結された補助筐体と、補助筐体内に配置され、酸化性ガスが混合された燃料ガスを着火させる点火部とを有し、補助筐体は、補助筐体の少なくとも一部が主筐体内に収容されるように主筐体に連結されており、補助筐体における主筐体内に収容された領域には、主筐体内に供給された燃料ガスと供給管から主筐体内に供給された酸化性ガスとを補助筐体内に導入するためのガス導入部と、補助筐体内で発生した燃焼ガスを補助筐体内から導出するためのガス導出部とが設けられている。

このような改質装置においては、酸化性ガスが供給管を流れて主筐体内に供給されると共に、燃料ガスが主筐体内に供給される。そして、燃料ガス及び酸化性ガスが燃焼器の補助筐体内に導入され、酸化性ガスが混合された燃料ガスが着火して燃焼することで、補助筐体内に燃焼ガスが生成される。燃焼ガスは、補助筐体内から導出され、主筐体内を触媒部に向かって流れる。また、燃料ガス及び酸化性ガスも、主筐体内を触媒部に向かって流れる。このとき、燃焼ガスの熱によって、触媒部が加熱されて昇温する。そして、触媒部において、例えば燃料ガスが燃焼し、その燃焼熱により燃料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。ここで、補助筐体の少なくとも一部が主筐体内に収容されるように、補助筐体が主筐体に連結されている。そして、供給管から主筐体内に供給された酸化性ガスは、ガス導入部を通って補助筐体内に導入される。従って、燃焼器及び触媒部に酸化性ガスを供給するための配管が１つの供給管で共有化されることになる。これにより、配管の数を増やさなくて済むため、改質装置の体格の小型化が図られる。

燃料ガス供給部は、主筐体内における燃焼器よりも上流側に燃料ガスを供給する第１供給弁と、主筐体内における燃焼器と触媒部との間に燃料ガスを供給する第２供給弁とを有し、ガス導入部は、第１供給弁により主筐体内に供給された燃料ガスを補助筐体内に導入してもよい。このような構成では、第１供給弁によって主筐体内における燃焼器よりも上流側に供給された燃料ガスは、ガス導入部を通って補助筐体内に導入される。また、第２供給弁によって主筐体内における燃焼器と触媒部との間に供給された燃料ガスは、主筐体内を触媒部に向かって流れる。このとき、第２供給弁による燃料ガスの供給量を調整することにより、触媒部による改質動作に適した酸化性ガスと燃料ガスとの流量比を容易に設定することができる。

補助筐体は、第１供給弁により主筐体内に供給された燃料ガスと供給管から主筐体内に供給された酸化性ガスとの混合ガスの一部がガス導入部を通って補助筐体内に導入され、残りの混合ガスが補助筐体の外部を触媒部に向かって流れるように主筐体に連結されていてもよい。このような構成では、燃焼器による燃料ガスの燃焼に寄与しない一定量の酸化性ガスが、主筐体内を流れて触媒部に供給される。従って、触媒部において燃料ガスが燃焼しやすくなり、その燃焼熱により触媒部が更に昇温するため、燃料ガスの改質が効率的に行われる。

主筐体及び補助筐体は、管状を有し、補助筐体は、補助筐体の軸心が主筐体の軸心と交差するように主筐体に連結されていてもよい。このような構成では、主筐体内に供給された燃料ガスと酸化性ガスとの混合ガスの一部は、補助筐体の外周面に沿って補助筐体の周方向に流れる。このとき、混合ガスがガス導入部を通って補助筐体内に導入されるため、アンモニアガスの着火及び燃焼が確実に行われる。

補助筐体は、補助筐体の両端部のうちガス導出部側の一端部が他端部よりも主筐体の軸方向に沿った触媒部側に位置するように、主筐体に対して傾斜して配置されていてもよい。このような構成では、補助筐体の軸心が主筐体の軸心と交差している構造でも、主筐体内において補助筐体内に導入されない混合ガスの流路が広くなるため、主筐体内を混合ガスが流れる際の圧力損失が小さくなる。従って、混合ガスが触媒部に向かって流れやすくなる。

補助筐体は、ガス導入部が供給管の出口と向き合うように配置されており、第１供給弁は、供給管を通して主筐体内における燃焼器よりも上流側に燃料ガスを供給してもよい。このような構成では、燃料ガスと酸化性ガスとの混合ガスがガス導入部を通りやすくなるため、混合ガスが補助筐体内にスムーズに導入される。従って、燃料ガスの着火及び燃焼が効率的に行われる。

主筐体及び補助筐体は、管状を有し、補助筐体は、補助筐体の軸心が主筐体の軸心に対して主筐体の径方向にオフセットするように主筐体に連結されていてもよい。このような構成では、主筐体内に供給された燃料ガスと酸化性ガスとの混合ガスの一部は、補助筐体の外周面に沿って補助筐体の軸方向及び周方向に流れる。このとき、混合ガスがガス導入部を通って補助筐体内に導入されるため、アンモニアガスの着火及び燃焼が確実に行われる。

ガス導入部は、燃料ガス及び酸化性ガスを補助筐体内に管状流を発生させるように導入してもよい。このような構成では、燃料ガスが着火して燃焼することで、管状火炎が形成されるため、高温の燃焼ガスが得られる。

本発明によれば、改質装置の体格の小型化を図ることができる。

本発明の第１実施形態に係る改質装置を示す概略構成図である。 図１に示された燃焼器付き改質器の略斜視図である。 図２に示された燃焼器付き改質器の断面図である。 図２に示された燃焼器の断面図である。 図１に示された制御ユニットにより実行される制御処理の手順の詳細を示すフローチャートである。 本発明の第２実施形態に係る改質装置の燃焼器付き改質器を示す略斜視図である。 本発明の第３実施形態に係る改質装置の燃焼器付き改質器を示す略斜視図である。 図２に示された燃焼器付き改質器の変形例を示す略斜視図である。

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装置を示す概略構成図である。図１において、本実施形態の改質装置１は、燃料ガスであるアンモニアガス（ＮＨ_３ガス）を燃焼させて発生した熱を利用してアンモニアガスを改質することにより、水素を含有した改質ガスを生成する装置である。

改質装置１により生成された改質ガスは、改質ガス流路２を流れて水素利用装置３に供給される。水素利用装置３は、改質ガスに含まれる水素を利用する装置である。水素利用装置３としては、例えば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の燃焼装置や、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等が挙げられる。

改質装置１は、空気供給源４と、アンモニアガス供給源５と、燃焼器付き改質器６とを備えている。

空気供給源４は、酸化性ガスである空気を発生させる。空気供給源４としては、例えば送風機等が用いられる。空気供給源４で発生した空気は、空気流路７を流れて燃焼器付き改質器６に供給される。空気流路７には、燃焼器付き改質器６に供給される空気の流量を制御する電磁式のスロットルバルブ８が配設されている。

アンモニアガス供給源５は、アンモニアガスを発生させる。アンモニアガス供給源５は、特に図示はしないが、アンモニアを液体状態で貯蔵するアンモニアタンクと、液体のアンモニアを気化させてアンモニアガスを生成する気化器とを有している。

アンモニアガス供給源５で発生したアンモニアガスは、アンモニアガス流路９，１０を流れて燃焼器付き改質器６に供給される。アンモニアガス流路９，１０には、燃焼器付き改質器６にアンモニアガスを供給する電磁式のインジェクタ１１，１２がそれぞれ配設されている。インジェクタ１１，１２については、後で詳述する。

図２は、燃焼器付き改質器６の略斜視図である。図３は、図２に示された燃焼器付き改質器６の断面図である。図２及び図３において、燃焼器付き改質器６は、円管状の主筐体１３と、この主筐体１３の内部に配置されたＡＴＲ触媒１４（自己熱式改質触媒）と、主筐体１３におけるＡＴＲ触媒１４よりも上流側部分に取り付けられた燃焼器１５とを備えている。

主筐体１３は、ＡＴＲ触媒１４を収容する。主筐体１３は、アンモニアガスに対して耐腐食性を有するステンレス鋼等の材料で形成されている。主筐体１３の上流側端部（一端部）には、上記の空気流路７を構成する配管である空気供給管１６が連結されている。主筐体１３の下流側端部（他端部）には、上記の改質ガス流路２を構成する配管（図示せず）が連結されている。

空気供給管１６の径は、主筐体１３の径よりも小さい。従って、特に図示はしないが、主筐体１３の上流側端部には、空気供給管１６を主筐体１３に連結するためのテーパ状の連結管が設けられている。また、同様に、主筐体１３の下流側端部には、改質ガス流路２を構成する配管を主筐体１３に連結するためのテーパ状の連結管が設けられている。テーパ状の連結管は、主筐体１３の一部を構成する。

このとき、空気供給管１６は、空気供給管１６の軸心Ｊ１が主筐体１３の軸心Ｊ２に対して径方向の外側にオフセットされるように主筐体１３に連結されている。

空気供給管１６には、上記のインジェクタ１１が取り付けられている。インジェクタ１１は、空気供給管１６内にアンモニアガスを噴射する燃料噴射弁である。このため、空気供給管１６内を流れる空気にアンモニアガスが混合されることとなる。そして、空気とアンモニアガスとの混合ガスが空気供給管１６内を流れて主筐体１３内に供給される。インジェクタ１１の数は、１つでもよいし、複数でもよい。インジェクタ１１は、空気供給管１６を通して主筐体１３内における燃焼器１５よりも上流側にアンモニアガスを供給する第１供給弁である。

主筐体１３には、上記のインジェクタ１２が取り付けられている。インジェクタ１２は、主筐体１３内における燃焼器１５とＡＴＲ触媒１４との間にアンモニアガスを噴射する燃料噴射弁である。インジェクタ１２の数も、１つでもよいし、複数でもよい。インジェクタ１２は、主筐体１３内における燃焼器１５とＡＴＲ触媒１４との間にアンモニアガスを供給する第２供給弁である。

空気供給管１６は、スロットルバルブ８と協働して、主筐体１３内に酸化性ガスである空気を供給する酸化性ガス供給部を構成している。インジェクタ１１，１２は、主筐体１３内に燃料ガスであるアンモニアガスを供給する燃料ガス供給部を構成している。

ＡＴＲ触媒１４は、アンモニアガスを燃焼させると共に、そのアンモニアガスの燃焼熱によりアンモニアガスを水素に分解することで、アンモニアガスを改質する触媒部である。ＡＴＲ触媒１４は、例えばハニカム構造を有している。ＡＴＲ触媒１４は、主筐体１３の下流側部分に固定されている。

ＡＴＲ触媒１４は、例えば２００℃～４００℃程度の温度領域においてアンモニアガスを燃焼させると共に、アンモニアガスの燃焼温度よりも高い温度領域（例えば２５０℃～５００℃程度）においてアンモニアガスを改質する。ＡＴＲ触媒１４としては、例えばコバルト系触媒、ロジウム系触媒、ルテニウム系触媒またはパラジウム系触媒等が使用される。

燃焼器１５は、インジェクタ１１により主筐体１３内に供給されたアンモニアガスを燃焼させて、ＡＴＲ触媒１４を加熱するための燃焼ガスを発生させる管状火炎バーナである。燃焼器１５は、円管状の補助筐体１７と、この補助筐体１７内に配置された点火部１８とを有している。

補助筐体１７は、主筐体１３の上流側部分に連結されている。補助筐体１７の径は、主筐体１３の径よりも小さい。また、補助筐体１７の径は、空気供給管１６の径と等しくてもよいし、異なっていてもよい。補助筐体１７は、主筐体１３と同じ材料で形成されている。

補助筐体１７は、補助筐体１７の一部が主筐体１３内に収容されるように主筐体１３の上流側部分に連結されている。また、補助筐体１７は、補助筐体１７の軸心Ｊ３が主筐体１３の軸心Ｊ２と垂直に交差するように主筐体１３の上流側部分に連結されている。

補助筐体１７における主筐体１３内に収容された領域の周壁には、インジェクタ１１により主筐体１３内に供給されたアンモニアガスと空気供給管１６から主筐体１３内に供給された空気とを補助筐体１７内に導入するためのガス導入部であるスリット１９が設けられている。スリット１９は、例えば補助筐体１７の軸方向の中央部付近に設けられている。

スリット１９は、図４に示されるように、アンモニアガス及び空気を補助筐体１７内に管状流を発生させるように導入する。具体的には、スリット１９は、アンモニアガス及び空気を補助筐体１７内に補助筐体１７の内周面１７ａの接線方向に導入するように補助筐体１７に形成されている。

補助筐体１７における主筐体１３の外部に位置する側の端部には、フタ２０が固定されている。補助筐体１７における主筐体１３の内部に位置する側の端は、開放端２１となっている。開放端２１は、補助筐体１７内で発生した燃焼ガスを補助筐体１７内から導出するためのガス導出部である。スリット１９は、補助筐体１７におけるフタ２０と開放端２１との間に位置している。

点火部１８は、補助筐体１７内において、空気が混合されたアンモニアガスを着火させる。点火部１８は、フタ２０に固定されている。点火部１８は、例えばグロープラグまたはスパークプラグ等である。点火部１８は、補助筐体１７の軸方向にスリット１９の位置まで延びている。つまり、点火部１８の先端部の位置は、スリット１９に対応する位置である。

このような燃焼器１５は、補助筐体１７のスリット１９が空気供給管１６の出口１６ａと向き合うように配置されている。また、燃焼器１５は、主筐体１３内に供給されたアンモニアガスと空気との混合ガスの一部がスリット１９を通って補助筐体１７内に導入され、残りの混合ガスが補助筐体１７の外部をＡＴＲ触媒１４に向かって流れるように配置されている。残りの混合ガスは、主筐体１３内における補助筐体１７の開放端２１と主筐体１３の内周面１３ａとの間の空間Ｓを流れる。

このとき、空気供給管１６の出口１６ａに対するスリット１９の配置位置を変更することにより、補助筐体１７内に導入される混合ガスの流量と補助筐体１７内に導入されずにＡＴＲ触媒１４に向かって流れる混合ガスの流量との比率を変えることが可能である。

なお、補助筐体１７は、ＡＴＲ触媒１４に対して、改質装置１の起動時に、燃焼器１５により補助筐体１７内に発生した燃焼ガスの熱によって、ＡＴＲ触媒１４を所望の温度まで加熱することができる範囲内に配置されている。

このような燃焼器付き改質器６において、空気供給管１６から主筐体１３内に供給されたアンモニアガスと空気との混合ガスの一部は、スリット１９を通過して補助筐体１７内に導入される。そして、点火部１８によりアンモニアガスが着火して燃焼することで、燃焼ガスが発生する。燃焼ガスは、開放端２１を通って補助筐体１７内から導出されて、主筐体１３内をＡＴＲ触媒１４に向かって流れる。

一方、スリット１９を通過しない混合ガスは、補助筐体１７を回り込むようにして主筐体１３内をＡＴＲ触媒１４に向かって流れる。このとき、インジェクタ１２から噴射されたアンモニアガスも、主筐体１３内をＡＴＲ触媒１４に向かって流れる。

図１に戻り、改質装置１は、温度センサ２２と、制御ユニット２３とを更に備えている。温度センサ２２は、ＡＴＲ触媒１４の温度を検出するセンサである。温度センサ２２は、例えばＡＴＲ触媒１４自体の温度を検出してもよいし、ＡＴＲ触媒１４に流入するガスの温度を検出してもよい。

制御ユニット２３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。制御ユニット２３は、温度センサ２２の検出値に基づいて、スロットルバルブ８、インジェクタ１１，１２及び点火部１８を制御する。

図５は、制御ユニット２３により実行される制御処理の手順の詳細を示すフローチャートである。本処理は、手動スイッチ等により改質装置１の起動が指示されると実行される。なお、本処理の実行前は、スロットルバルブ８及びインジェクタ１１，１２は、何れも全閉状態となっている。

図５において、制御ユニット２３は、まずスロットルバルブ８及びインジェクタ１１を開くように制御する（手順Ｓ１０１）。これにより、燃焼器付き改質器６の主筐体１３内に空気及びアンモニアガスが供給される。そして、空気とアンモニアガスとの混合ガスの一部が燃焼器１５に供給される。このとき、制御ユニット２３は、燃焼器１５により燃焼を行うための空燃比（空気とアンモニアガスとの流量比）が得られるようにスロットルバルブ８及びインジェクタ１１の開度を制御する。具体的には、制御ユニット２３は、空気リッチになるようにスロットルバルブ８及びインジェクタ１１の開度を制御する。

続いて、制御ユニット２３は、点火部１８を点火させるように点火部１８の電源（図示せず）を制御する（手順Ｓ１０２）。これにより、点火部１８が点火するため、アンモニアガスが着火して燃焼し、燃焼ガスが生成される。

続いて、制御ユニット２３は、インジェクタ１２を開くように制御する（手順Ｓ１０３）。これにより、主筐体１３内における燃焼器１５とＡＴＲ触媒１４との間にアンモニアガスが供給される。このとき、制御ユニット２３は、例えばインジェクタ１２の開度を予め決められた規定値とするように制御する。

続いて、制御ユニット２３は、温度センサ２２の検出値を取得する（手順Ｓ１０４）。そして、制御ユニット２３は、温度センサ２２の検出値に基づいて、ＡＴＲ触媒１４の温度が規定温度Ｔ１以上であるかどうかを判断する（手順Ｓ１０５）。規定温度Ｔ１は、ＡＴＲ触媒１４によりアンモニアガスの燃焼が可能となる温度（燃焼可能温度）である。制御ユニット２３は、ＡＴＲ触媒１４の温度が規定温度Ｔ１以上でないと判断したときは、手順Ｓ１０４を再度実行する。

制御ユニット２３は、ＡＴＲ触媒１４の温度が規定温度Ｔ１以上であると判断したときは、点火部１８の点火を停止するように点火部１８の電源を制御する（手順Ｓ１０６）。これにより、点火部１８の点火が停止する。また、制御ユニット２３は、インジェクタ１１を閉じるように制御する（手順Ｓ１０７）。これにより、主筐体１３内へのアンモニアガスの供給が停止する。

続いて、制御ユニット２３は、温度センサ２２の検出値を取得する（手順Ｓ１０８）。そして、制御ユニット２３は、温度センサ２２の検出値に基づいて、ＡＴＲ触媒１４の温度が規定温度Ｔ２以上であるかどうかを判断する（手順Ｓ１０９）。規定温度Ｔ２は、ＡＴＲ触媒１４によりアンモニアガスの改質が可能となる温度（改質可能温度）であり、規定温度Ｔ１よりも高い温度である。制御ユニット２３は、ＡＴＲ触媒１４の温度が規定温度Ｔ２以上でないと判断したときは、手順Ｓ１０８を再度実行する。

制御ユニット２３は、ＡＴＲ触媒１４の温度が規定温度Ｔ２以上であると判断したときは、インジェクタ１２の開度を制御する（手順Ｓ１１０）。このとき、燃焼器１５によるアンモニアガスの着火時に設定される空燃比は、ＡＴＲ触媒１４によるアンモニアガスの改質にとっては高すぎる。従って、制御ユニット２３は、ＡＴＲ触媒１４により改質を行うための空燃比が得られるようにインジェクタ１２の開度を制御する。具体的には、制御ユニット２３は、アンモニアリッチになるようにインジェクタ１２の開度を制御する。

以上のような改質装置１において、起動が指示されると、スロットルバルブ８及びインジェクタ１１が開弁することで、空気供給管１６内を空気が燃焼器付き改質器６に向かって流れると共に、インジェクタ１１から空気供給管１６内にアンモニアガスが噴射される。すると、アンモニアガスと空気との混合ガスが燃焼器付き改質器６の主筐体１３内に供給される。そして、主筐体１３内に供給された混合ガスの一部がスリット１９を通って燃焼器１５の補助筐体１７内に導入される。このとき、混合ガスは、補助筐体１７内において管状流となる。

その状態で点火部１８が点火すると、アンモニアガスが着火して管状火炎が形成され、アンモニアガスが燃焼する。具体的には、下記式のように、アンモニアと空気中の酸素とが化学反応し、燃焼ガスが生成される（発熱反応）。
ＮＨ_３＋３／４Ｏ_２→１／２Ｎ_２＋３／２Ｈ_２Ｏ …（Ａ）

このとき、管状火炎の温度は、例えば１０００℃～１７００℃程度まで上昇する。このため、上記のアンモニアの酸化反応により高温の燃焼ガスが発生する。高温の燃焼ガスは、補助筐体１７内を旋回して流れ、開放端２１を通って補助筐体１７内から導出された後、主筐体１３内をＡＴＲ触媒１４に向かって流れる。

また、主筐体１３内に供給された残りの混合ガスは、補助筐体１７内に導入されずにＡＴＲ触媒１４に向かって流れる。その状態で、インジェクタ１２が開弁することで、インジェクタ１２から主筐体１３内にアンモニアガスが噴射される。従って、主筐体１３内を流れるアンモニアガスの流量が増加する。

アンモニアガスと空気との混合ガスが燃焼ガスと共にＡＴＲ触媒１４に供給されると、燃焼ガスの熱によってＡＴＲ触媒１４が加熱（暖機）され、ＡＴＲ触媒１４の温度が上昇する。そして、ＡＴＲ触媒１４の温度が規定温度Ｔ１（燃焼可能温度）に達すると、点火部１８の点火が停止する。ただし、一度着火して形成された管状火炎は、点火部１８の点火を停止させるだけでは止まらない。このため、インジェクタ１１を閉弁させることで、主筐体１３内における燃焼器１５よりも上流側へのアンモニアガスの供給が停止する。これにより、燃焼器１５による燃焼ガスの生成が完了する。

また、ＡＴＲ触媒１４の温度が規定温度Ｔ１に達すると、ＡＴＲ触媒１４によりアンモニアガスが燃焼することで、上記（Ａ）式の発熱反応が起こり、その燃焼熱（ＡＴＲ触媒１４の自己熱）によってＡＴＲ触媒１４の温度が更に上昇する。

そして、ＡＴＲ触媒１４の温度が規定温度Ｔ２（改質可能温度）に達すると、改質動作に適した空燃比となるようにインジェクタ１２の開度が調整され、ＡＴＲ触媒１４によりアンモニアガスが改質される。具体的には、下記式のように、アンモニアの分解反応が起こり（吸熱反応）、水素を含む改質ガスが生成される。改質ガスは、改質ガス流路２を流れて水素利用装置３に供給される。
ＮＨ_３→３／２Ｈ_２＋１／２Ｎ_２ …（Ｂ）

以上のように本実施形態にあっては、空気が空気供給管１６を流れて主筐体１３内に供給されると共に、インジェクタ１１によりアンモニアガスが主筐体１３内に供給される。そして、アンモニアガス及び空気が燃焼器１５の補助筐体１７内に導入され、空気が混合されたアンモニアガスが着火して燃焼することで、補助筐体１７内に燃焼ガスが生成される。燃焼ガスは、補助筐体１７内から導出され、主筐体１３内をＡＴＲ触媒１４に向かって流れる。また、アンモニアガス及び空気も、主筐体１３内をＡＴＲ触媒１４に向かって流れる。このとき、燃焼ガスの熱によって、ＡＴＲ触媒１４が加熱されて昇温する。そして、ＡＴＲ触媒１４において、アンモニアガスが燃焼し、その燃焼熱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。ここで、補助筐体１７の一部が主筐体１３内に収容されるように、補助筐体１７が主筐体１３に連結されている。そして、空気供給管１６から主筐体１３内に供給された空気は、スリット１９を通って補助筐体１７内に導入される。従って、燃焼器１５及びＡＴＲ触媒１４に空気を供給するための配管が１つの空気供給管１６で共有化されることになる。これにより、配管の数を増やさなくて済むため、改質装置１の体格の小型化が図られる。

また、本実施形態では、インジェクタ１１によって主筐体１３内における燃焼器１５よりも上流側に供給されたアンモニアガスは、スリット１９を通って補助筐体１７内に導入される。また、インジェクタ１２によって主筐体１３内における燃焼器１５とＡＴＲ触媒１４との間に供給されたアンモニアガスは、主筐体１３内をＡＴＲ触媒１４に向かって流れる。このとき、インジェクタ１２によるアンモニアガスの供給量を調整することにより、ＡＴＲ触媒１４による改質動作に適した空燃比を容易に設定することができる。

また、本実施形態では、インジェクタ１１により主筐体１３内に供給されたアンモニアガスと空気との混合ガスの一部は、スリット１９を通って補助筐体１７内に導入され、残りの混合ガスは、補助筐体１７の外部をＡＴＲ触媒１４に向かって流れる。このため、燃焼器１５によるアンモニアガスの燃焼に寄与しない一定量の空気が、主筐体１３内を流れてＡＴＲ触媒１４に供給される。従って、ＡＴＲ触媒１４においてアンモニアガスが燃焼しやすくなり、その燃焼熱によりＡＴＲ触媒１４が更に昇温するため、アンモニアガスの改質が効率的に行われる。

また、本実施形態では、補助筐体１７は、補助筐体１７の軸心Ｊ３が主筐体１３の軸心Ｊ２と交差するように主筐体１３に連結されている。このため、主筐体１３内に供給されたアンモニアガスと空気との混合ガスの一部は、補助筐体１７の外周面に沿って補助筐体１７の周方向に流れる。このとき、混合ガスがスリット１９を通って補助筐体１７内に導入されるため、アンモニアガスの着火及び燃焼が確実に行われる。

また、本実施形態では、補助筐体１７は、スリット１９が空気供給管１６の出口１６ａと向き合うように配置されている。従って、アンモニアガスと空気との混合ガスがスリット１９を通りやすくなるため、混合ガスが補助筐体１７内にスムーズに導入される。このため、アンモニアガスの着火及び燃焼がより効率的に行われる。

また、本実施形態では、スリット１９は、アンモニアガス及び空気を補助筐体１７内に管状流を発生させるように導入する。従って、アンモニアガスが着火して燃焼することで、管状火炎が形成されるため、高温の燃焼ガスが得られる。

また、本実施形態では、空気供給管１６は、空気供給管１６の軸心Ｊ１が主筐体１３の軸心Ｊ２に対して主筐体１３の径方向の外側にオフセットされるように主筐体１３に連結されている。このため、スリット１９の位置が空気供給管１６の出口１６ａの位置に合うように、補助筐体１７を主筐体１３の径方向にずらすことで、主筐体１３の内周面１３ａと補助筐体１７の開放端２１との間の空間Ｓが広くなる。従って、主筐体１３内において補助筐体１７内に導入されない混合ガスの流路が広くなるため、主筐体１３内を混合ガスが流れる際の圧力損失が小さくなる。従って、混合ガスがＡＴＲ触媒１４に向かって流れやすくなる。

また、本実施形態では、ＡＴＲ触媒１４の温度が規定温度Ｔ１以上になると、点火部１８の点火が停止されると共に、インジェクタ１１による主筐体１３内へのアンモニアガスの供給が停止する。このため、点火部１８を無駄に使用しなくて済み、省電力化を図ることができる。また、アンモニアガスの燃焼を早く終了させることができると共に、アンモニアガスを無駄に消費しなくて済む。

図６は、本発明の第２実施形態に係る改質装置を示す略斜視図である。図６において、本実施形態の改質装置１では、燃焼器１５の補助筐体１７は、補助筐体１７の軸心Ｊ３が主筐体１３の軸心Ｊ２に対して斜めに交差するように主筐体１３に連結されている。

具体的には、補助筐体１７は、開放端２１がフタ２０よりも主筐体１３の軸方向に沿ったＡＴＲ触媒１４側に位置するように主筐体１３に対して斜めに配置されている。つまり、補助筐体１７の両端部のうち開放端２１側の一端部が、他端部よりも主筐体１３の軸方向に沿ったＡＴＲ触媒１４側に位置している。このため、主筐体１３内に供給されたアンモニアガスと空気との混合ガスのうちスリット１９に入らない混合ガスが流れる流路は、補助筐体１７の開放端２１と主筐体１３の内周面１３ａとの間の空間Ｓに向かって主筐体１３の軸方向に徐々に広くなる。

このような本実施形態では、補助筐体１７の軸心Ｊ３が主筐体１３の軸心Ｊ２と交差している構造でも、主筐体１３内において補助筐体１７内に導入されない混合ガスの流路が広くなるため、主筐体１３内を混合ガスが流れる際の圧力損失が更に小さくなる。従って、混合ガスがＡＴＲ触媒１４に向かって更に流れやすくなる。

図７は、本発明の第３実施形態に係る改質装置を示す略斜視図である。図７において、本実施形態の改質装置１では、燃焼器１５の補助筐体１７は、補助筐体１７の軸心Ｊ３が主筐体１３の軸心Ｊ２に対して平行であると共に主筐体１３の径方向にオフセットするように主筐体１３に連結されている。

具体的には、補助筐体１７は、主筐体１３の軸心Ｊ２に対して空気供給管１６の反対側に配置されている。また、補助筐体１７は、スリット１９が主筐体１３の径方向の中心側に位置するように配置されている。これにより、空気供給管１６から主筐体１３内に供給されたアンモニアガスと空気との混合ガスがスリット１９に入りやすくなる。

このとき、空気供給管１６は、主筐体１３及び補助筐体１７に対して僅かに傾斜するように主筐体１３に連結されている。つまり、空気供給管１６の軸心Ｊ１は、主筐体１３の軸心Ｊ２及び補助筐体１７の軸心Ｊ３に対して傾斜して交差している。具体的には、空気供給管１６は、スリット１９に向かって下がるように主筐体１３及び補助筐体１７に対して傾斜している。これにより、空気供給管１６から主筐体１３内に供給された混合ガスが更にスリット１９に入りやすくなる。

主筐体１３内における主筐体１３の内周面と補助筐体１７の外周面との間の空間Ｓは、空気供給管１６から主筐体１３内に供給された混合ガスのうち補助筐体１７内に導入されない混合ガスがＡＴＲ触媒１４に向かって流れる流路となっている。

このような本実施形態では、主筐体１３内に供給されたアンモニアガスと空気との混合ガスの一部は、補助筐体１７の外周面に沿って補助筐体１７の軸方向及び周方向に流れる。このとき、混合ガスがスリット１９を通って補助筐体１７内に導入されるため、アンモニアガスの着火及び燃焼が確実に行われる。

また、本実施形態では、補助筐体１７の軸心Ｊ３が主筐体１３の軸心Ｊ２と交差している構造に比べて、主筐体１３内において補助筐体１７内に導入されない混合ガスの流路が広くなるため、主筐体１３内を混合ガスが流れる際の圧力損失が小さくなる。従って、混合ガスがＡＴＲ触媒１４に向かって流れやすくなる。

なお、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、補助筐体１７における主筐体１３内に収容された領域には、空気供給管１６から主筐体１３内に供給されたアンモニアガスと空気との混合ガスを補助筐体１７内に導入するためのガス導入部であるスリット１９が設けられているが、ガス導入部としては、特にスリット１９には限られず、例えば図８に示されるように、補助筐体１７に連結されたガス導入用のパイプ３０であってもよい。

また、上記実施形態では、スリット１９は、アンモニアガスと空気との混合ガスを補助筐体１７内に管状流を発生させるように導入しているが、特にそのような形態には限られない。例えば、スリット１９及びパイプ３０は、アンモニアガスと空気との混合ガスを補助筐体１７の径方向に導入するように補助筐体１７に形成されていてもよい。

また、上記実施形態では、空気供給管１６は、空気供給管１６の軸心Ｊ１が主筐体１３の軸心Ｊ２に対して径方向の外側にオフセットされるように主筐体１３に連結されているが、特にそのような形態には限られない。空気供給管１６は、空気供給管１６の軸心Ｊ１が主筐体１３の軸心Ｊ２と一致するように主筐体１３に連結されていてもよい。

また、上記実施形態では、インジェクタ１１は、空気供給管１６内にアンモニアガスを供給するように空気供給管１６に取り付けられているが、特にそのような形態には限られない。インジェクタ１１は、主筐体１３内における空気供給管１６と燃焼器１５との間にアンモニアガスを供給するように主筐体１３または空気供給管１６に取り付けられていてもよい。

また、本実施形態では、主筐体１３及び補助筐体１７は、円管状を有しているが、主筐体１３及び補助筐体１７の形状としては、特に円管状には限られず、角管状等であってもよい。

また、上記実施形態では、燃焼器付き改質器６は、アンモニアガスを燃焼させると共にアンモニアガスを水素に分解するＡＴＲ触媒１４を有しているが、特にそのような形態には限られない。燃焼器付き改質器６は、アンモニアガスを燃焼させる燃焼触媒と、アンモニアガスを水素に分解する改質触媒とを別々に有していてもよい。

また、燃焼器付き改質器６は、アンモニアガスを水素に分解する触媒のみを有していてもよい。この場合には、燃焼ガスの熱によりアンモニアガスの改質を行うために、燃焼器１５によりアンモニアガスを燃焼させ続ける必要がある。このため、インジェクタ１１による主筐体１３内へのアンモニアガスの供給が継続される。このとき、インジェクタ１１及びスロットルバルブ８の開度を制御することで、アンモニアガスの改質時の空燃比が調整可能となるため、インジェクタ１２は特に無くてもよい。

また、上記実施形態では、補助筐体１７の一部が主筐体１３内に収容されているが、特にその形態には限られず、補助筐体１７全体が主筐体１３内に収容されていてもよい。この場合には、主筐体１３内において補助筐体１７内に導入されない混合ガスの流路が狭くなるが、改質装置１の体格の更なる小型化が図られる。

また、上記実施形態では、燃料ガスとしてアンモニアガスが使用されているが、本発明は、燃料ガスとして炭化水素ガス等を使用する改質装置にも適用可能である。

また、上記実施形態では、酸化性ガスとして空気が使用されているが、本発明は、酸化性ガスとして酸素を使用する改質装置にも適用可能である。

１…改質装置、８…スロットルバルブ（酸化性ガス供給部）、１１…インジェクタ（第１供給弁、燃料ガス供給部）、１２…インジェクタ（第２供給弁、燃料ガス供給部）、１３…主筐体、１４…ＡＴＲ触媒（触媒部）、１５…燃焼器、１６…空気供給管（供給管、酸化性ガス供給部）、１６ａ…出口、１７…補助筐体、１８…点火部、１９…スリット（ガス導入部）、２１…開放端（ガス導出部）、３０…パイプ（ガス導入部）、Ｊ２，Ｊ３…軸心。

Claims (8)

1. 燃料ガスを燃焼させて発生した熱を利用して前記燃料ガスを改質することにより、水素を含有した改質ガスを生成する改質装置において、
   前記燃料ガスを水素に分解することで前記燃料ガスを改質する触媒部と、
   前記触媒部を収容する主筐体と、
   前記主筐体の一端部に連結され前記主筐体に向けて酸化性ガスが流れる供給管を有し、前記主筐体内に前記酸化性ガスを供給する酸化性ガス供給部と、
   前記主筐体内に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、
   前記主筐体における前記触媒部よりも上流側部分に取り付けられ、前記燃料ガスを燃焼させる燃焼器とを備え、
   前記燃焼器は、前記主筐体に連結された補助筐体と、前記補助筐体内に配置され、前記酸化性ガスが混合された前記燃料ガスを着火させる点火部とを有し、
   前記補助筐体は、前記補助筐体の少なくとも一部が前記主筐体内に収容されるように前記主筐体に連結されており、
   前記補助筐体における前記主筐体内に収容された領域には、前記主筐体内に供給された前記燃料ガスと前記供給管から前記主筐体内に供給された前記酸化性ガスとを前記補助筐体内に導入するためのガス導入部と、前記補助筐体内で発生した燃焼ガスを前記補助筐体内から導出するためのガス導出部とが設けられている改質装置。
2. 前記燃料ガス供給部は、前記主筐体内における前記燃焼器よりも上流側に前記燃料ガスを供給する第１供給弁と、前記主筐体内における前記燃焼器と前記触媒部との間に前記燃料ガスを供給する第２供給弁とを有し、
   前記ガス導入部は、前記第１供給弁により前記主筐体内に供給された前記燃料ガスを前記補助筐体内に導入する請求項１記載の改質装置。
3. 前記補助筐体は、前記第１供給弁により前記主筐体内に供給された前記燃料ガスと前記供給管から前記主筐体内に供給された前記酸化性ガスとの混合ガスの一部が前記ガス導入部を通って前記補助筐体内に導入され、残りの混合ガスが前記補助筐体の外部を前記触媒部に向かって流れるように前記主筐体に連結されている請求項２記載の改質装置。
4. 前記主筐体及び前記補助筐体は、管状を有し、
   前記補助筐体は、前記補助筐体の軸心が前記主筐体の軸心と交差するように前記主筐体に連結されている請求項２または３記載の改質装置。
5. 前記補助筐体は、前記補助筐体の両端部のうち前記ガス導出部側の一端部が他端部よりも前記主筐体の軸方向に沿った前記触媒部側に位置するように、前記主筐体に対して傾斜して配置されている請求項４記載の改質装置。
6. 前記補助筐体は、前記ガス導入部が前記供給管の出口と向き合うように配置されており、
   前記第１供給弁は、前記供給管を通して前記主筐体内における前記燃焼器よりも上流側に前記燃料ガスを供給する請求項４または５記載の改質装置。
7. 前記主筐体及び前記補助筐体は、管状を有し、
   前記補助筐体は、前記補助筐体の軸心が前記主筐体の軸心に対して前記主筐体の径方向にオフセットするように前記主筐体に連結されている請求項２または３記載の改質装置。
8. 前記ガス導入部は、前記燃料ガス及び前記酸化性ガスを前記補助筐体内に管状流を発生させるように導入する請求項４～７の何れか一項記載の改質装置。

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