WO2021079689A1 - 改質装置及び改質システム - Google Patents

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WO2021079689A1
WO2021079689A1 PCT/JP2020/036563 JP2020036563W WO2021079689A1 WO 2021079689 A1 WO2021079689 A1 WO 2021079689A1 JP 2020036563 W JP2020036563 W JP 2020036563W WO 2021079689 A1 WO2021079689 A1 WO 2021079689A1
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reformer
unit
supply pipe
fuel gas
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河内浩康
鈴木秀明
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株式会社豊田自動織機
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Definitions

  • the present invention relates to a reformer and a reformer system.
  • Patent Document 1 describes a reformer.
  • the reformer described in Patent Document 1 contains an ammonia combustion catalyst that burns ammonia to generate heat, and hydrogen and nitrogen by decomposing ammonia using the heat generated by the ammonia combustion catalyst. It has an ammonia decomposition catalyst that produces gas.
  • An object of the present invention is to provide a reformer and a reforming system capable of shortening the start-up time.
  • the reformer according to one aspect of the present invention is connected to a reformer that reforms the fuel gas by utilizing the heat generated by burning the fuel gas with an oxidizing gas, and reforms.
  • a supply pipe through which a gas containing fuel gas and an oxidizing gas to be supplied to the vessel flows, and a first gas provided in the supply pipe and introducing the fuel gas and the oxidizing gas so as to generate a tubular flow inside the supply pipe.
  • a second gas introduction unit for introducing fuel gas into the supply pipe is provided.
  • the fuel gas and the oxidizing gas are introduced into the inside of the supply pipe from the first gas introduction part, and the ignition part ignites, so that the fuel gas ignites and burns.
  • the fuel gas and the oxidizing gas are introduced so as to generate a tubular flow inside the supply pipe. Therefore, the fuel gas is ignited to form a tubular flame in a state where the fuel gas and the oxidizing gas are in a tubular flow, so that the high-temperature combustion gas swirls inside the supply pipe toward the reformer. It flows.
  • fuel gas is introduced into the supply pipe from the second gas introduction section. The fuel gas is supplied to the reformer in a heated state by receiving heat (combustion heat) from the high-temperature combustion gas.
  • the fuel gas is burned and reformed to generate a reformed gas containing hydrogen. Since the high-temperature combustion heat generated by igniting and burning the fuel gas by the ignition unit is used in this way, the time until the reformed fuel gas ignites is shortened. This shortens the start-up time of the reformer.
  • the reformer may be further provided with a third gas introduction unit which is provided in the supply pipe and introduces the oxidizing gas into the inside of the supply pipe.
  • the third gas introduction section may be provided on the reformer side of the second gas introduction section in the supply pipe.
  • the fuel gas introduced into the supply pipe from the second gas introduction section receives heat from the combustion gas and lowers the temperature of the combustion gas. Then, the oxidizing gas introduced into the inside of the supply pipe from the third gas introduction section receives heat from the combustion gas containing the fuel gas, thereby lowering the temperature of the combustion gas containing the fuel gas. Therefore, the temperature of the high-temperature combustion gas generated by igniting and burning the fuel gas by the ignition unit can be effectively lowered.
  • the first gas introduction unit may introduce the fuel gas and the oxidizing gas into the inside of the supply pipe in the tangential direction of the inner peripheral surface of the supply pipe.
  • the fuel gas and the oxidizing gas are introduced into the inside of the supply pipe in the tangential direction of the inner peripheral surface of the supply pipe, so that the fuel gas and the oxidizing gas flow in a tubular flow inside the supply pipe in a short time. It becomes.
  • the second gas introduction part introduces the fuel gas into the inside of the supply pipe in the tangential direction of the inner peripheral surface of the supply pipe, and the third gas introduction part introduces the oxidizing gas into the inside of the supply pipe. It may be introduced in the tangential direction of.
  • the fuel gas and the oxidizing gas introduced into the supply pipe from the second gas introduction section and the third gas introduction section respectively form a tubular flow, so that they swirl toward the reformer. It flows. Therefore, the fuel gas and the oxidizing gas are mixed with the combustion gas flowing in the tubular flow in the same flow. Therefore, the mixing path of the fuel gas, the oxidizing gas, and the combustion gas becomes long. As a result, in the reformer, the mixing ratio of the fuel gas and the oxidizing gas is equalized, so that the fuel gas is easily ignited and burned.
  • the reforming system includes a reforming apparatus, a fuel gas supply unit that supplies fuel gas to the reforming apparatus, and an oxidizing gas supply unit that supplies oxidizing gas to the reforming apparatus.
  • the reformer is equipped with a reformer that reforms the fuel gas by utilizing the heat generated by burning the fuel gas with the oxidizing gas, and is connected to the reformer and supplied to the reformer.
  • a supply pipe through which a gas containing fuel gas and an oxidizing gas flows, a first gas introduction section provided in the supply pipe and introducing the fuel gas and the oxidizing gas so as to generate a tubular flow inside the supply pipe, and a supply
  • An ignition part that is attached to the pipe and ignites the fuel gas introduced from the first gas introduction part to the inside of the supply pipe, and a reformer side of the first gas introduction part in the supply pipe are provided to supply the fuel gas. It is provided with a second gas introduction unit to be introduced inside the pipe.
  • the fuel gas and the oxidizing gas are introduced into the inside of the supply pipe from the first gas introduction section, and the ignition section ignites, so that the fuel gas is ignited. And burn.
  • the fuel gas and the oxidizing gas are introduced so as to generate a tubular flow inside the supply pipe. Therefore, the fuel gas is ignited to form a tubular flame in a state where the fuel gas and the oxidizing gas are in a tubular flow, so that the high-temperature combustion gas swirls inside the supply pipe toward the reformer. It flows. Further, fuel gas is introduced into the supply pipe from the second gas introduction section.
  • the fuel gas is supplied to the reformer in a heated state by receiving heat (combustion heat) from the high-temperature combustion gas. Then, in the reformer, the fuel gas is burned and reformed to generate a reformed gas containing hydrogen. Since the high-temperature combustion heat generated by igniting and burning the fuel gas by the ignition unit is used in this way, the time until the reformed fuel gas ignites is shortened. This shortens the start-up time of the reformer.
  • the reformer may be further provided with a third gas introduction unit which is provided in the supply pipe and introduces the oxidizing gas into the inside of the supply pipe.
  • the reforming system further includes a control unit that controls a fuel gas supply unit, an oxidizing gas supply unit, and an ignition unit, and the fuel gas supply unit controls the flow rate of the fuel gas supplied to the first gas introduction unit. It has one fuel gas valve and a second fuel gas valve that controls the flow rate of the fuel gas supplied to the second gas introduction unit, and the oxidizing gas supply unit is the oxidizing gas supplied to the first gas introduction unit. It has a first oxidizing gas valve that controls the flow rate and a second oxidizing gas valve that controls the flow rate of the oxidizing gas supplied to the third gas introduction unit.
  • the first fuel gas valve and the first oxidizing gas valve are controlled to open, and then the first fuel gas valve and the first oxidizing gas valve are controlled to close. Therefore, after the reformer is started, the introduction of the fuel gas as the starting gas and the oxidizing gas into the inside of the supply pipe is stopped, so that the fuel gas as the starting gas is prevented from being burned wastefully. Will be done.
  • the reforming system further includes a temperature detection unit that detects the temperature of the reformer, and the second control unit is a reformer detected by the temperature detection unit after the control process by the first control unit is executed.
  • the temperature of the above temperature becomes equal to or higher than a predetermined predetermined temperature
  • the first fuel gas valve and the first oxidizing gas valve may be controlled to be closed.
  • the first fuel gas valve and the first oxidizing gas valve are controlled to close. Therefore, the introduction of the fuel gas and the oxidizing gas as the starting gas into the inside of the supply pipe is stopped at an appropriate time when the fuel gas is burned and reformed. Therefore, wasteful combustion of the fuel gas is further prevented.
  • the reforming system further includes a temperature detection unit that detects the temperature of the reformer, the reformer has a catalyst for burning fuel gas, and the first control unit is a first fuel gas valve and a first oxidizing unit. After controlling to open the gas valve and the second fuel gas valve and controlling to ignite the ignition part, when the temperature of the reformer detected by the temperature detection part becomes equal to or higher than a predetermined predetermined temperature, the second It may be controlled to open the oxidizing gas valve.
  • the fuel gas and the oxidizing gas as the starting gas are introduced into the inside of the supply pipe from the first gas introduction part, and the reformed fuel gas is introduced from the second gas introduction part of the supply pipe.
  • the second oxidizing gas valve is controlled to open. Therefore, even if the catalyst that burns the fuel gas is easily oxidized, the oxidizing gas will not be introduced into the supply pipe from the third gas introduction section until the temperature of the reformer reaches the specified temperature or higher. Therefore, the catalyst is prevented from being oxidized and deteriorated.
  • the first fuel gas valve and the first oxidizing gas valve are controlled to be closed. Therefore, the introduction of the fuel gas and the oxidizing gas as the starting gas into the inside of the supply pipe is stopped at an appropriate time when the fuel gas is burned and reformed. Therefore, wasteful combustion of the fuel gas is further prevented.
  • the reforming system further includes a control unit that controls a fuel gas supply unit, an oxidizing gas supply unit, and an ignition unit, and the fuel gas supply unit controls the flow rate of the fuel gas supplied to the first gas introduction unit. It has one fuel gas valve and a second fuel gas valve that controls the flow rate of the fuel gas supplied to the second gas introduction unit, and the oxidizing gas supply unit is the oxidizing gas supplied to the first gas introduction unit. It has an oxidizing gas valve that controls the flow rate, and the control unit controls to open the first fuel gas valve, the second fuel gas valve, and the oxidizing gas valve when the reformer is started, and ignites the ignition part. It may have a first control unit to be controlled and a second control unit to control so as to close the first fuel gas valve after the control process by the first control unit is executed.
  • the first fuel gas valve and the oxidizing gas valve are controlled to open, and then the first fuel gas valve is controlled to close. Therefore, after the reformer is started, the introduction of the fuel gas as the starting gas into the inside of the supply pipe is stopped, so that the fuel gas as the starting gas is prevented from being burned wastefully. Further, since the third gas introduction section for introducing the oxidizing gas into the inside of the supply pipe becomes unnecessary, the valve for controlling the flow rate of the oxidizing gas supplied to the third gas introduction section becomes unnecessary. Therefore, the configuration of the oxidizing gas supply unit can be simplified.
  • the start-up time of the reformer can be shortened.
  • FIG. 2 is a sectional view taken along line III-III of FIG.
  • FIG. 2 is a sectional view taken along line IVa-IVa and a sectional view taken along line IVb-IVb of FIG.
  • It is a flowchart which shows the detail of the procedure of the control processing executed by the control unit shown in FIG.
  • It is a timing diagram which shows the operation of the reforming system shown in FIG.
  • It is a block diagram which shows the reformer which concerns on 2nd Embodiment of this invention.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a reforming system including the reforming apparatus according to the first embodiment of the present invention.
  • the reforming system 1 includes an ammonia gas supply source 2, an air supply source 3, and a reforming device 4 of the present embodiment.
  • Ammonia gas source 2 generates ammonia gas (NH 3 gas) as a fuel gas.
  • the ammonia gas supply source 2 includes an ammonia tank that stores ammonia in a liquid state and a vaporizer that vaporizes the liquid ammonia to generate ammonia gas.
  • the air supply source 3 generates air, which is an oxidizing gas.
  • the air supply source 3 for example, a blower or the like is used.
  • FIG. 2 is a configuration diagram showing the reformer 4 of the present embodiment.
  • the reformer 4 is a device that reforms ammonia gas.
  • the reformer 4 includes a reformer 5 and a supply pipe 6 connected to the reformer 5.
  • the reformer 5 produces a reformed gas containing hydrogen by reforming the ammonia gas using the heat generated by burning the ammonia gas with air.
  • the reformer 5 has a combustion catalyst 7 that burns ammonia gas, and a reformer 8 that decomposes ammonia gas into hydrogen by the heat generated by the combustion catalyst 7.
  • the reforming catalyst 8 is arranged on the downstream side (opposite side of the supply pipe 6) of the combustion catalyst 7.
  • the combustion catalyst 7 for example, zeolites supported palladium and copper catalysts or CuO / 10Al 2 O 3 ⁇ 2B 2 O 3 or the like is used.
  • the combustion catalyst 7 burns ammonia gas in a temperature range of, for example, 200 ° C. to 400 ° C.
  • the reforming catalyst 8 decomposes ammonia gas into hydrogen in a temperature range of, for example, 250 ° C. to 500 ° C.
  • the supply pipe 6 is a cylindrical pipe through which a gas containing ammonia gas and air supplied to the reformer 5 flows.
  • the opening at the tip of the supply pipe 6 is closed with a lid 9.
  • the tip of the supply pipe 6 is the end of the supply pipe 6 opposite to the connecting portion with the reformer 5.
  • each gas introduction unit 10 introduces ammonia gas and air so as to generate a tubular flow inside the supply pipe 6.
  • the gas introduction portions 10 are arranged at equal intervals in the tangential direction of the inner peripheral surface 6a of the supply pipe 6. Therefore, the ammonia gas and air are introduced into the supply pipe 6 in the tangential direction of the inner peripheral surface 6a of the supply pipe 6. At this time, the ammonia gas and air are introduced into the supply pipe 6 in a mixed state.
  • the ammonia gas and air introduced into the supply pipe 6 from the gas introduction unit 10 are referred to as start-up ammonia gas and start-up air, respectively.
  • an ignition unit 11 for igniting the starting ammonia gas introduced into the supply pipe 6 from each gas introduction unit 10 is attached.
  • the ignition unit 11 is fixed to the lid 9.
  • the ignition unit 11 is, for example, a glow plug or a spark plug.
  • each ammonia gas introduction unit 12 introduces ammonia gas so as to generate a tubular flow inside the supply pipe 6.
  • each ammonia gas introduction unit 12 is arranged in the tangential direction of the inner peripheral surface 6a of the supply pipe 6. Therefore, the ammonia gas is introduced into the inside of the supply pipe 6 in the tangential direction of the inner peripheral surface 6a of the supply pipe 6.
  • the ammonia gas introduced into the supply pipe 6 from the ammonia gas introduction unit 12 is used as the main ammonia gas for reforming.
  • each air introduction unit 13 introduces air so that a tubular flow is generated inside the supply pipe 6.
  • each air introduction portion 13 is arranged in the tangential direction of the inner peripheral surface 6a of the supply pipe 6. Therefore, air is introduced into the supply pipe 6 in the tangential direction of the inner peripheral surface 6a of the supply pipe 6.
  • the air introduction unit 13 is arranged at a position corresponding to, for example, the ammonia gas introduction unit 12.
  • the air introduced into the supply pipe 6 from the air introduction unit 13 is used as the main air for reforming.
  • the gas introduction unit 10, the ammonia gas introduction unit 12, and the air introduction unit 13 may be separate from the supply pipe 6 or may be integrated with the supply pipe 6.
  • ammonia gas supply source 2 and the reformer 4 are connected to each other via the ammonia gas flow paths 14 and 15.
  • the air supply source 3 and the reformer 4 are connected to each other via the air flow paths 16 and 17.
  • ammonia gas flow path 14 is connected to the ammonia gas supply source 2.
  • the other end of the ammonia gas flow path 14 is connected to each gas introduction section 10 of the reformer 4.
  • the ammonia gas flow path 14 is a flow path through which the starting ammonia gas flows from the ammonia gas supply source 2 to the gas introduction unit 10.
  • One end of the air flow path 16 is connected to the air supply source 3.
  • the other end of the air flow path 16 is connected to the ammonia gas flow path 14.
  • the air flow path 16 is a flow path through which starting air flows from the air supply source 3 to the gas introduction unit 10.
  • ammonia gas flow path 15 One end of the ammonia gas flow path 15 is connected to the ammonia gas flow path 14. The other end of the ammonia gas flow path 15 is connected to each ammonia gas introduction section 12 of the reformer 4.
  • the ammonia gas flow path 15 is a flow path through which the main ammonia gas flows from the ammonia gas supply source 2 to the ammonia gas introduction unit 12.
  • the air flow path 17 is a flow path through which the main air flows from the air supply source 3 to the air introduction portion 13.
  • An ammonia gas valve 18 is arranged in the ammonia gas flow path 14.
  • the ammonia gas valve 18 is a first fuel gas valve that controls the flow rate of the starting ammonia gas supplied to the gas introduction unit 10.
  • the ammonia gas valve 18 functions as a starting ammonia gas valve.
  • An air valve 19 is arranged in the air flow path 16.
  • the air valve 19 is a first oxidizing gas valve that controls the flow rate of the starting air supplied to the gas introduction unit 10.
  • the air valve 19 functions as a starting air valve.
  • an electromagnetic flow control valve is used as the ammonia gas valve 18 and the air valve 19.
  • An ammonia gas valve 20 is arranged in the ammonia gas flow path 15.
  • the ammonia gas valve 20 is a second fuel gas valve that controls the flow rate of the main ammonia gas supplied to the ammonia gas introduction unit 12.
  • the ammonia gas valve 20 functions as a main ammonia gas valve.
  • An air valve 21 is arranged in the air flow path 17.
  • the air valve 21 is a second oxidizing gas valve that controls the flow rate of the main air supplied to the air introduction unit 13.
  • the air valve 21 functions as a main air valve.
  • an electromagnetic flow control valve is used as the ammonia gas valve 20 and the air valve 21, an electromagnetic flow control valve is used.
  • the ammonia gas supply source 2 the ammonia gas flow paths 14 and 15, and the ammonia gas valves 18 and 20 constitute an ammonia gas supply unit 22 (fuel gas supply unit) that supplies ammonia gas to the reformer 4.
  • the air supply source 3, the air flow paths 16 and 17, and the air valves 19 and 21 constitute an air supply unit 23 (oxidizing gas supply unit) that supplies air to the reformer 4.
  • a hydrogen utilization device 25 is connected to the reformer 5 of the reformer 4 via a reforming gas flow path 24.
  • the reformed gas flow path 24 is a flow path through which the reformed gas generated by the reformer 5 flows toward the hydrogen utilization device 25.
  • the hydrogen utilization device 25 is a device that utilizes hydrogen contained in the reforming gas.
  • Examples of the hydrogen utilization device 25 include a combustion device such as an ammonia engine or an ammonia gas turbine using ammonia as fuel, or a fuel cell that chemically reacts hydrogen with oxygen in the air to generate power.
  • the reforming system 1 includes a temperature sensor 26 and a control unit 27.
  • the temperature sensor 26 is a temperature detection unit that detects the temperature of the reformer 5.
  • the temperature sensor 26 may detect, for example, the temperature of the gas flowing into the combustion catalyst 7, or may detect the temperature of the reforming catalyst 8 or the combustion catalyst 7.
  • the control unit 27 is composed of a CPU, RAM, ROM, an input / output interface, and the like.
  • the control unit 27 controls the ammonia gas valves 18 and 20 of the ammonia gas supply unit 22, the air valves 19 and 21 of the air supply unit 23, and the ignition unit 11 based on the detected value of the temperature sensor 26.
  • the control unit 27 has a first control unit 28 and a second control unit 29.
  • the first control unit 28 controls to open the ammonia gas valves 18 and 20 and the air valves 19 and 21 when the reformer 4 is started, and also controls to ignite the ignition unit 11.
  • the second control unit 29 controls to close the ammonia gas valve 18 and the air valve 19 after the control process by the first control unit 28 is executed. Specifically, the second control unit 29 determines that the temperature of the reformer 5 detected by the temperature sensor 26 becomes equal to or higher than a predetermined predetermined temperature after the control process by the first control unit 28 is executed. The ammonia gas valve 18 and the air valve 19 are controlled to be closed.
  • FIG. 5 is a flowchart showing the details of the procedure of the control process executed by the control unit 27 shown in FIG. Before the execution of this treatment, the ammonia gas valves 18 and 20 and the air valves 19 and 21 are all fully closed.
  • the control unit 27 first controls the ammonia gas valve 18 and the air valve 19 to open when the reformer 4 is instructed to start by a manual switch or the like (procedure S101).
  • the starting ammonia gas is supplied to the gas introduction section 10 of the reformer 4 (see FIG. 6A), and the starting air is supplied to the gas introduction section 10 (see FIG. 6B).
  • the ammonia gas valve 18 and the air valve 19 are controlled so that the supply flow rates of the starting ammonia gas and the starting air become specified values (for example, equivalent ratio).
  • control unit 27 controls to ignite the ignition unit 11 (procedure S102). As a result, the ignition unit 11 ignites, so that the starting ammonia gas ignites.
  • control unit 27 controls to open the ammonia gas valve 20 (procedure S103).
  • the main ammonia gas is supplied to the ammonia gas introduction unit 12 of the reformer 4 (see FIG. 6C).
  • control unit 27 controls to open the air valve 21 (procedure S104).
  • the main air is supplied to the air introduction unit 13 of the reformer 4 (see FIG. 6D).
  • the air valve 21 is controlled together with the ammonia gas valve 20 so that the supply flow rates of the main ammonia gas and the main air become specified values (for example, equivalent ratio).
  • the control unit 27 acquires the detected value of the temperature sensor 26 (procedure S105). Then, the control unit 27 determines whether or not the temperature of the reformer 5 is equal to or higher than the specified temperature T1 (see FIG. 6E) (procedure S106).
  • the specified temperature T1 is a temperature at which the main ammonia gas can be burned (combustible temperature).
  • the control unit 27 executes the procedure S105 again.
  • control unit 27 determines that the temperature of the reformer 5 is equal to or higher than the specified temperature T1 (procedure S106: YES)
  • the control unit 27 controls to close the ammonia gas valve 18 and the air valve 19 (procedure S107). At this time, it is desirable that the ammonia gas valve 18 and the air valve 19 are fully closed.
  • the supply of the starting ammonia gas to the gas introduction section 10 of the reformer 4 is stopped (see FIG. 6A), and the supply of the starting air to the gas introduction section 10 is stopped (FIG. 6). See (b)).
  • the control unit 27 acquires the detected value of the temperature sensor 26 (procedure S108). Then, the control unit 27 determines whether or not the temperature of the reformer 5 is equal to or higher than the specified temperature T2 (see FIG. 6E) (procedure S109).
  • the specified temperature T2 is a temperature at which the main ammonia gas can be reformed (reformable temperature), and is higher than the specified temperature T1.
  • the control unit 27 executes the procedure S108 again.
  • control unit 27 determines that the temperature of the reformer 5 is equal to or higher than the specified temperature T2 (procedure S109: YES)
  • the control unit 27 controls the opening degrees of the ammonia gas valve 20 and the air valve 21 (procedure S110). At this time, the opening degrees of the ammonia gas valve 20 and the air valve 21 are controlled so that the supply flow rates of the main ammonia gas and the main air for performing an appropriate reforming operation are set by the reformer 5. (C), (d)).
  • the first control unit 28 executes the above steps S101 to S104.
  • the second control unit 29 executes the above procedures S105 to S110.
  • the ammonia gas valve 18 and the air valve 19 are opened, as shown in FIGS. 6A and 6B.
  • Ammonia gas for starting and air for starting are supplied to the gas introduction unit 10 of the reformer 4.
  • the starting ammonia gas and the starting air are introduced into the inside of the supply pipe 6 from the gas introduction unit 10.
  • the starting ammonia gas and the starting air are introduced in the tangential direction of the inner peripheral surface 6a of the supply pipe 6, a tubular flow is formed inside the supply pipe 6.
  • the starting ammonia gas ignites to form a tubular flame, and the starting ammonia gas burns.
  • ammonia and oxygen in the air chemically react to generate combustion gas (exothermic reaction).
  • the temperature of the tubular flame rises to, for example, about 1000 ° C to 1700 ° C. Therefore, a high-temperature combustion gas is generated by the above-mentioned oxidation reaction of ammonia.
  • the high-temperature combustion gas swirls inside the supply pipe 6 toward the reformer 5 and flows.
  • the main ammonia gas is supplied to the ammonia gas introduction unit 12 of the reformer 4 as shown in FIG. 6 (c). Then, the main ammonia gas is introduced into the inside of the supply pipe 6 from the ammonia gas introduction unit 12.
  • the temperature of the main ammonia gas is about room temperature, which is sufficiently lower than the temperature of the combustion gas. Therefore, the main ammonia gas and the combustion gas exchange heat. Specifically, the main ammonia gas is heated by receiving heat from the combustion gas and cools the combustion gas. At this time, the temperature of the combustion gas containing the main ammonia gas is lower than the ignition temperature of ammonia (for example, about 650 ° C. in the atmosphere). Therefore, the main ammonia gas does not shift to the combustion state inside the supply pipe 6.
  • the main air is supplied to the air introduction unit 13 of the reformer 4 as shown in FIG. 6 (d). Then, the main air is introduced into the inside of the supply pipe 6 from the air introduction unit 13.
  • the temperature of the main air is also about room temperature. Therefore, heat is exchanged between the main air and the combustion gas containing the main ammonia gas. Specifically, the main air is heated by receiving heat from the combustion gas containing the main ammonia gas, and at the same time, the combustion gas containing the main ammonia gas is cooled. At this time, the temperature of the mixed gas in which the main ammonia gas, the main air and the combustion gas are mixed drops to, for example, about 200 ° C. to 400 ° C.
  • the temperature of the reformer 5 reaches the specified temperature T1 (combustible temperature)
  • the main ammonia gas is burned by the combustion catalyst 7.
  • the exothermic reaction of the above formula (A) occurs, and combustion gas is generated.
  • the temperature of the reformer 5 further rises due to the heat of the combustion gas (heat of combustion).
  • the temperature of the reformer 5 reaches the specified temperature T2 (reformable temperature)
  • T2 specified temperature
  • the flow rates of the main ammonia gas and the main air are adjusted, the flow rates of the main ammonia gas and the main air introduced into the supply pipe 6 are adjusted.
  • the flow rate of the main air is reduced and the flow rate of the main ammonia gas is not changed, but the flow rates of the main ammonia gas and the main air may be changed.
  • the reforming catalyst 8 reforms the main ammonia gas. Specifically, as shown in the following formula, a decomposition reaction of ammonia occurs (endothermic reaction), and a reformed gas containing hydrogen is generated. The reformed gas is supplied to the hydrogen utilization device 25. NH 3 ⁇ 3 / 2H 2 + 1 / 2N 2 ... (B)
  • ammonia gas and air are introduced into the supply pipe 6 from the gas introduction unit 10 as starting gas, and the ignition unit 11 is ignited.
  • the ammonia gas ignites and burns.
  • the starting gas is introduced so as to generate a tubular flow inside the supply pipe 6. Therefore, since the ammonia gas is ignited to form a tubular flame while the starting gas is in a tubular flow, the high-temperature combustion gas swirls and flows inside the supply pipe 6 toward the reformer 5. .. Further, the reformed ammonia gas is introduced into the supply pipe 6 from the ammonia gas introduction unit 12.
  • the ammonia gas is supplied to the reformer 5 in a heated state by receiving heat (combustion heat) from the high-temperature combustion gas. Then, in the reformer 5, the ammonia gas is burned and reformed to generate a reformed gas containing hydrogen. Since the high-temperature combustion heat generated by igniting and burning ammonia gas as a starting gas by the ignition unit 11 is used in this way, the time until the reformed ammonia gas ignites is shortened. As a result, the start-up time of the reformer 4 is shortened. In addition, a heater for heating ammonia gas, air, or a catalyst is not required.
  • the air introduction unit 13 is provided on the reformer 5 side of the ammonia gas introduction unit 12 in the supply pipe 6. Therefore, the ammonia gas introduced into the supply pipe 6 from the ammonia gas introduction unit 12 receives heat from the combustion gas, thereby lowering the temperature of the combustion gas. Then, the air introduced into the supply pipe 6 from the air introduction unit 13 receives heat from the combustion gas containing ammonia gas, thereby lowering the temperature of the combustion gas containing ammonia gas.
  • the specific heat of ammonia gas is higher than the specific heat of air, ammonia gas can absorb heat at a flow rate smaller than that of air. Therefore, the temperature drop of the combustion gas due to the endothermic heat of the ammonia gas becomes large. Therefore, the high-temperature combustion gas generated by igniting and burning the ammonia gas by the ignition unit 11 can be effectively lowered in temperature.
  • ammonia gas and air are introduced into the supply pipe 6 in the tangential direction of the inner peripheral surface 6a of the supply pipe 6, the ammonia gas and air are tubular inside the supply pipe 6 in a short time. It becomes a flow.
  • the ammonia gas introduction unit 12 introduces ammonia gas into the supply pipe 6 in the tangential direction of the inner peripheral surface 6a of the supply pipe 6, and the air introduction unit 13 introduces air into the supply pipe 6. It is introduced inside in the tangential direction of the inner peripheral surface 6a of the supply pipe 6. Therefore, the ammonia gas and air introduced into the supply pipe 6 from the ammonia gas introduction unit 12 and the air introduction unit 13 respectively form a tubular flow, so that they swirl and flow toward the reformer 5. Therefore, the ammonia gas and the air are mixed with the combustion gas flowing in the tubular flow in the same flow. Therefore, the mixing path of ammonia gas and air and combustion gas becomes long. As a result, in the reformer 5, the mixing ratio of the ammonia gas and the air is equalized, so that the ammonia gas is easily ignited and burned.
  • the ammonia gas valve 18 and the air valve 19 are controlled to open, and then the ammonia gas valve 18 and the air valve 19 are controlled to close. Therefore, after the reformer 4 is started, the introduction of the ammonia gas as the starting gas and the air into the inside of the supply pipe 6 is stopped, so that it is possible to prevent the ammonia gas as the starting gas from being burned wastefully. Will be done.
  • the ammonia gas valve 18 and the air valve 19 are controlled to be closed. Therefore, the introduction of ammonia gas and air as starting gas into the inside of the supply pipe 6 is stopped at an appropriate time when the ammonia gas is burned and reformed. Therefore, wasteful combustion of ammonia gas as a starting gas is further prevented.
  • the air introduction unit 13 is provided on the reformer 5 side of the ammonia gas introduction unit 12 in the supply pipe 6, but the embodiment is not particularly limited.
  • Ammonia gas introduction section 12 may be provided on the reformer 5 side of the supply pipe 6 on the reformer 5 side, or the ammonia gas introduction section 12 and the air introduction section 13 may be located at the same position in the axial direction of the supply pipe 6. It may be provided. Further, the air introduction section 13 may be provided on the tip side (ignition section 11 side) of the supply pipe 6 with respect to the gas introduction section 10.
  • the two ammonia gas introduction units 12 and the two air introduction units 13 are provided in the supply pipe 6, but the number of the ammonia gas introduction units 12 and the air introduction units 13 is particularly 2.
  • the number is not limited to one, and may be, for example, four or one.
  • the main ammonia gas is supplied to the ammonia gas introduction unit 12, and then the main air is supplied to the air introduction unit 13.
  • the timing at which the main ammonia gas is supplied to the ammonia gas introduction unit 12 and the timing at which the main air is supplied to the air introduction unit 13 are the same as the timing at which the start-up ammonia gas and the start-up air are supplied to the gas introduction unit 10. It may be.
  • the ammonia gas valve 18 and the air valve 19 are controlled to close.
  • T1 combustionible temperature
  • the ammonia gas valve 18 and the air valve 19 are controlled to close.
  • T2 reformable temperature
  • FIG. 7 is a configuration diagram showing a reformer according to a second embodiment of the present invention.
  • the reformer 4 of the present embodiment includes an ammonia gas introduction unit 32 and an air introduction unit 33 in place of the ammonia gas introduction unit 12 and the air introduction unit 13 of the first embodiment.
  • the ammonia gas introduction unit 32 is provided on the downstream side (reformer 5 side) of the gas introduction unit 10.
  • the ammonia gas introduction section 32 extends in the radial direction of the supply pipe 6. Therefore, the starting ammonia gas is introduced into the inside of the supply pipe 6 in the radial direction of the supply pipe 6.
  • the number of the ammonia gas introduction units 32 is not particularly limited to one, and may be two or more.
  • the air introduction unit 33 is provided on the downstream side of the ammonia gas introduction unit 32.
  • the air introduction section 33 extends in the radial direction of the supply pipe 6 like the ammonia gas introduction section 32. Therefore, the starting air is introduced into the supply pipe 6 in the radial direction of the supply pipe 6.
  • the number of air introduction units 33 is not particularly limited to one, and may be two or more.
  • the ammonia gas introduction unit 32 may be provided on the reformer 5 side of the air introduction unit 33 in the supply pipe 6, or the ammonia gas introduction unit 32 and the air introduction unit 33 may be provided in the supply pipe 6. It may be provided at the same position in the axial direction of. Further, the air introduction section 33 may be provided on the tip side (ignition section 11 side) of the supply pipe 6 with respect to the gas introduction section 10.
  • FIG. 8 is a flowchart showing the details of the procedure of the control process executed by the control unit 27 in the reforming system provided with the reforming apparatus according to the third embodiment of the present invention, and corresponds to FIG. ..
  • the reformer 5 has a combustion catalyst 7 and a reforming catalyst 8 as in the first embodiment described above.
  • a catalyst such as a cobalt-based catalyst that oxidizes at room temperature and raises the temperature is used.
  • control unit 27 has a first control unit 28 and a second control unit 29, as in the first embodiment described above.
  • the first control unit 28 controls the ammonia gas valves 18 and 20 and the air valve 19 to open when the reformer 4 is started, controls the ignition unit 11 to ignite, and then detects the temperature sensor 26. When the temperature of the reformer 5 becomes equal to or higher than a predetermined temperature, the air valve 21 is controlled to open.
  • the second control unit 29 controls to close the ammonia gas valve 18 and the air valve 19 after the control process by the first control unit 28 is executed.
  • the control unit 27 when the control unit 27 is instructed to start the reformer 4, the control unit 27 sequentially executes the procedures S101 to S103 in the same manner as in the first embodiment described above. As a result, starting ammonia gas is supplied to the gas introduction unit 10 of the reformer 4 (see FIG. 9A), and starting air is supplied to the gas introduction unit 10 (see FIG. 9B). ). Further, the main ammonia gas is supplied to the ammonia gas introduction unit 12 of the reformer 4 (see FIG. 9C).
  • the control unit 27 acquires the detected value of the temperature sensor 26 (procedure S105). Then, the control unit 27 determines whether or not the temperature of the reformer 5 is equal to or higher than the specified temperature T1 (see FIG. 9E) (procedure S106).
  • the specified temperature T1 is the combustible temperature of the main ammonia gas.
  • control unit 27 determines that the temperature of the reformer 5 is equal to or higher than the specified temperature T1 (procedure S106: YES)
  • the control unit 27 controls to open the air valve 21 (procedure S104).
  • the main air is supplied to the air introduction unit 13 of the reformer 4 (see FIG. 9D).
  • control unit 27 controls to close the ammonia gas valve 18 and the air valve 19 (procedure S107).
  • the supply of the starting ammonia gas to the gas introduction section 10 of the reformer 4 is stopped (see FIG. 9A), and the supply of the starting air to the gas introduction section 10 is stopped (FIG. 9). See (b)).
  • control unit 27 sequentially executes the procedures S108 to S110 as in the first embodiment described above.
  • the first control unit 28 executes the above steps S101 to S106.
  • the second control unit 29 executes the above steps S107 to S110.
  • ammonia gas and air as starting gas are introduced into the supply pipe 6 from the gas introduction unit 10, and the reformed ammonia gas is supplied from the ammonia gas introduction unit 12.
  • the air valve 21 is controlled to open. Therefore, even when the combustion catalyst 7 and the reforming catalyst 8 are easily oxidized, air is introduced into the supply pipe 6 from the air introduction unit 13 until the temperature of the reformer 5 reaches the specified temperature T1 or higher. Therefore, the combustion catalyst 7 and the reforming catalyst 8 are prevented from being oxidized and deteriorated.
  • the ammonia gas valve 18 and the air valve 19 are controlled to be closed. Therefore, the introduction of ammonia gas and air as starting gas into the inside of the supply pipe 6 is stopped at an appropriate time when the ammonia gas is burned and reformed. Therefore, it is further prevented that the ammonia gas is burned wastefully.
  • the ammonia gas valve 18 and the air valve 19 may be controlled to be closed.
  • FIG. 10 is a schematic configuration diagram showing a reforming system including the reforming apparatus according to the fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a block diagram showing a reformer according to a fourth embodiment of the present invention.
  • the reformer 4 of the present embodiment includes a reformer 5 and a supply pipe 6 as in the first embodiment described above.
  • the supply pipe 6 is provided with the gas introduction unit 10 and the ammonia gas introduction unit 12 according to the first embodiment described above.
  • the supply pipe 6 is not provided with the air introduction unit 13 according to the first embodiment. Therefore, the gas introduction unit 10 introduces the starting ammonia gas, the starting air, and the main air into the inside of the supply pipe 6.
  • the reforming system 1 provided with such a reforming device 4 includes the ammonia gas flow paths 14 and 15, the air flow path 16, the ammonia gas valves 18 and 20, and the air valve 19 according to the first embodiment described above.
  • the reforming system 1 does not include the air flow path 17 and the air valve 21 in the first embodiment described above. Therefore, the air valve 19 controls the flow rates of the starting air and the main air introduced into the gas introduction unit 10.
  • control unit 27 controls the ammonia gas valves 18 and 20 of the ammonia gas supply unit 22, the air valve 19 of the air supply unit 23, and the ignition unit 11 based on the detected value of the temperature sensor 26.
  • the control unit 27 has a first control unit 28 and a second control unit 29, as in the first embodiment described above.
  • the first control unit 28 controls to open the ammonia gas valves 18 and 20 and the air valve 19 when the reformer 4 is started, and also controls to ignite the ignition unit 11.
  • the second control unit 29 controls to close the ammonia gas valve 18 after the control process by the first control unit 28 is executed.
  • FIG. 12 is a flowchart showing the details of the procedure of the control process executed by the control unit 27 shown in FIG. 11, and corresponds to FIG.
  • control unit 27 when the control unit 27 is instructed to start the reformer 4, the control unit 27 sequentially executes the procedures S101 to S103 in the same manner as in the first embodiment described above. As a result, the starting ammonia gas and air are supplied to the gas introduction section 10 of the reformer 4, and the main ammonia gas is supplied to the ammonia gas introduction section 12 of the reformer 4.
  • control unit 27 sequentially executes the procedures S105 and S106 in the same manner as in the first embodiment described above.
  • the control unit 27 determines in the procedure S106 that the temperature of the reformer 5 is equal to or higher than the specified temperature T1 (procedure S106: YES)
  • the control unit 27 controls to close the ammonia gas valve 18 (procedure S115).
  • the supply of starting ammonia gas to the gas introduction unit 10 of the reformer 4 is stopped.
  • control unit 27 sequentially executes the procedures S108 and S109 in the same manner as in the first embodiment described above.
  • the control unit 27 determines in step S109 that the temperature of the reformer 5 is equal to or higher than the specified temperature T2 (procedure S109: YES)
  • the control unit 27 controls the opening degrees of the ammonia gas valve 20 and the air valve 19 (procedure S116). ..
  • the opening degrees of the ammonia gas valve 20 and the air valve 19 are controlled so that the main ammonia gas and the air supply flow rate for performing an appropriate reforming operation are set by the reformer 5.
  • the first control unit 28 executes the above steps S101 to S103.
  • the second control unit 29 executes the above procedures S105, S106, S115, S108, S109, and S116.
  • the ammonia gas valve 18 and the air valve 19 are controlled to open, and then the ammonia gas valve 18 is controlled to close. Therefore, after the reformer 4 is started, the introduction of the ammonia gas as the starting gas into the inside of the supply pipe 6 is stopped, so that the ammonia gas as the starting gas is prevented from being burned wastefully. .. Further, since the air introduction unit 13 that introduces air into the supply pipe 6 becomes unnecessary, the air valve 21 that controls the flow rate of the air supplied to the air introduction unit 13 becomes unnecessary. Therefore, the configuration of the air supply unit 23 can be simplified.
  • the timing at which the main ammonia gas is supplied to the ammonia gas introduction unit 12 may be the same as the timing at which the starting ammonia gas and air are supplied to the gas introduction unit 10.
  • the ammonia gas valve 18 may be controlled to be closed.
  • the gas introduction unit 10 introduces ammonia gas and air into the supply pipe 6 in the tangential direction of the inner peripheral surface 6a of the supply pipe 6, but is particularly limited to such a form. Absent. If ammonia gas and air are introduced so as to generate a tubular flow inside the supply pipe 6, the gas introduction portion 10 may be arranged so as to be offset from the tangential direction of the inner peripheral surface 6a of the supply pipe 6. Good.
  • the mixed gas of ammonia gas and air is introduced into the inside of the supply pipe 6 from all four gas introduction units 10, but the present embodiment is not particularly limited, and for example, two gas introduction units. Only ammonia gas may be introduced into the supply pipe 6 from 10 and only air may be introduced into the supply pipe 6 from the remaining two gas introduction portions 10.
  • the supply pipe 6 is provided with four gas introduction units 10, but the number of gas introduction units 10 is as long as ammonia gas and air are introduced into the supply pipe 6. In particular, the number is not limited to four, and may be two or one.
  • the ammonia gas valve 18 and the air valve 19 are controlled to close when the temperature of the reformer 5 detected by the temperature sensor 26 becomes equal to or higher than the specified temperature. It is not necessary to use the temperature sensor 26 that detects the temperature, and the temperature of the reformer 5 may be estimated from, for example, the flow rate of ammonia gas, the flow rate of air, the time, the room temperature, and the like.
  • the reformer 5 has a combustion catalyst 7 for burning ammonia gas and a reforming catalyst 8 for decomposing ammonia gas into hydrogen, but the present invention is not particularly limited to that form. ..
  • the reformer 5 may have a combustion reforming catalyst having a function of burning ammonia gas and a function of decomposing ammonia gas into hydrogen.
  • ammonia gas is used as the fuel gas, but the present invention can also be applied to a reforming apparatus and a reforming system using a hydrocarbon gas or the like as the fuel gas.
  • air is used as the oxidizing gas
  • the present invention can also be applied to a reforming apparatus and a reforming system using oxygen as the oxidizing gas.

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Abstract

改質装置（４）は、空気によりアンモニア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改質器（５）と、改質器（５）と連結され、改質器（５）に供給されるアンモニアガス及び空気を含むガスが流れる供給管（６）と、供給管（６）に設けられ、アンモニアガス及び空気を供給管（６）の内部に管状流が発生するように導入するガス導入部（１０）と、供給管（６）に取り付けられ、ガス導入部（１０）より供給管（６）の内部に導入されたアンモニアガスを着火させる点火部（１１）と、供給管（６）におけるガス導入部（１０）よりも改質器（５）側に設けられ、アンモニアガスを供給管（６）の内部に導入するアンモニアガス導入部（１２）とを備える。

Description

改質装置及び改質システム
　本発明は、改質装置及び改質システムに関する。
　例えば特許文献１には、改質装置が記載されている。特許文献１に記載の改質装置は、アンモニアを燃焼させて熱を発生させるアンモニア燃焼触媒と、このアンモニア燃焼触媒で発生した熱を利用してアンモニアを分解することで、水素と窒素とを含むガスを生成するアンモニア分解触媒とを有している。
特開２０１０－２４０６４６号公報
　上記従来技術においては、改質装置の起動時に、アンモニア燃焼触媒によりアンモニアと酸素とが反応することで、アンモニアが着火して燃焼する。しかし、アンモニアの着火までに時間がかかると、改質装置の起動時間が長くなってしまう。
　本発明の目的は、起動時間を短縮することができる改質装置及び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装置は、酸化性ガスにより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改質器と、改質器と連結され、改質器に供給される燃料ガス及び酸化性ガスを含むガスが流れる供給管と、供給管に設けられ、燃料ガス及び酸化性ガスを供給管の内部に管状流が発生するように導入する第１ガス導入部と、供給管に取り付けられ、第１ガス導入部より供給管の内部に導入された燃料ガスを着火させる点火部と、供給管における第１ガス導入部よりも改質器側に設けられ、燃料ガスを供給管の内部に導入する第２ガス導入部とを備える。
　このような改質装置の起動時には、第１ガス導入部より燃料ガス及び酸化性ガスが供給管の内部に導入されると共に、点火部が点火することで、燃料ガスが着火して燃焼する。このとき、燃料ガス及び酸化性ガスは、供給管の内部に管状流が発生するように導入される。従って、燃料ガス及び酸化性ガスが管状流となっている状態で燃料ガスが着火して管状火炎が形成されるため、高温の燃焼ガスが供給管の内部を改質器に向かって旋回して流れる。また、第２ガス導入部より燃料ガスが供給管の内部に導入される。その燃料ガスは、高温の燃焼ガスからの熱（燃焼熱）を受けて加熱された状態で、改質器に供給される。そして、改質器において、燃料ガスの燃焼及び改質が行われ、水素を含有した改質ガスが生成される。このように点火部によって燃料ガスを着火・燃焼させて発生した高温の燃焼熱を利用するので、改質される燃料ガスが着火するまでの時間が短くなる。これにより、改質装置の起動時間が短縮される。
　改質装置は、供給管に設けられ、酸化性ガスを供給管の内部に導入する第３ガス導入部を更に備えてもよい。
　このような構成では、第３ガス導入部より酸化性ガスが供給管の内部に導入されるため、改質器に供給される酸化性ガスの流量の調整を容易に行うことができる。
　第３ガス導入部は、供給管における第２ガス導入部よりも改質器側に設けられていてもよい。
　このような構成では、第２ガス導入部より供給管の内部に導入された燃料ガスは、燃焼ガスからの熱を受けることで、燃焼ガスの温度を下げる。そして、第３ガス導入部より供給管の内部に導入された酸化性ガスは、燃料ガスを含んだ燃焼ガスからの熱を受けることで、燃料ガスを含んだ燃焼ガスの温度を下げる。従って、点火部により燃料ガスを着火・燃焼させることで生成された高温の燃焼ガスを効果的に降温させることができる。
　第１ガス導入部は、燃料ガス及び酸化性ガスを供給管の内部に供給管の内周面の接線方向に導入してもよい。
　このような構成では、燃料ガス及び酸化性ガスが供給管の内部に供給管の内周面の接線方向に導入されるため、燃料ガス及び酸化性ガスが供給管の内部において短時間で管状流となる。
　第２ガス導入部は、燃料ガスを供給管の内部に供給管の内周面の接線方向に導入し、第３ガス導入部は、酸化性ガスを供給管の内部に供給管の内周面の接線方向に導入してもよい。
　このような構成では、第２ガス導入部及び第３ガス導入部より供給管の内部にそれぞれ導入された燃料ガス及び酸化性ガスは、管状流となるため、改質器に向かって旋回して流れる。従って、燃料ガス及び酸化性ガスは、管状流で流れてくる燃焼ガスに対して同様の流れで混合することになる。このため、燃料ガス及び酸化性ガスと燃焼ガスとの混合経路が長くなる。これにより、改質器において、燃料ガス及び酸化性ガスの混合比が均等化されるため、燃料ガスが着火・燃焼しやすくなる。
　本発明の他の態様に係る改質システムは、改質装置と、改質装置に燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、改質装置に酸化性ガスを供給する酸化性ガス供給部とを具備し、改質装置は、酸化性ガスにより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改質器と、改質器と連結され、改質器に供給される燃料ガス及び酸化性ガスを含むガスが流れる供給管と、供給管に設けられ、燃料ガス及び酸化性ガスを供給管の内部に管状流が発生するように導入する第１ガス導入部と、供給管に取り付けられ、第１ガス導入部より供給管の内部に導入された燃料ガスを着火させる点火部と、供給管における第１ガス導入部よりも改質器側に設けられ、燃料ガスを供給管の内部に導入する第２ガス導入部とを備える。
　このような改質システムにおいて、改質装置の起動時には、第１ガス導入部より燃料ガス及び酸化性ガスが供給管の内部に導入されると共に、点火部が点火することで、燃料ガスが着火して燃焼する。このとき、燃料ガス及び酸化性ガスは、供給管の内部に管状流が発生するように導入される。従って、燃料ガス及び酸化性ガスが管状流となっている状態で燃料ガスが着火して管状火炎が形成されるため、高温の燃焼ガスが供給管の内部を改質器に向かって旋回して流れる。また、第２ガス導入部より燃料ガスが供給管の内部に導入される。その燃料ガスは、高温の燃焼ガスからの熱（燃焼熱）を受けて加熱された状態で、改質器に供給される。そして、改質器において、燃料ガスの燃焼及び改質が行われ、水素を含有した改質ガスが生成される。このように点火部によって燃料ガスを着火・燃焼させて発生した高温の燃焼熱を利用するので、改質される燃料ガスが着火するまでの時間が短くなる。これにより、改質装置の起動時間が短縮される。
　改質装置は、供給管に設けられ、酸化性ガスを供給管の内部に導入する第３ガス導入部を更に備えてもよい。
　このような構成では、第３ガス導入部より酸化性ガスが供給管の内部に導入されるため、改質器に供給される酸化性ガスの流量の調整を容易に行うことができる。
　改質システムは、燃料ガス供給部、酸化性ガス供給部及び点火部を制御する制御ユニットを更に備え、燃料ガス供給部は、第１ガス導入部に供給される燃料ガスの流量を制御する第１燃料ガスバルブと、第２ガス導入部に供給される燃料ガスの流量を制御する第２燃料ガスバルブとを有し、酸化性ガス供給部は、第１ガス導入部に供給さ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、第３ガス導入部に供給さ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を有し、制御ユニットは、改質装置の起動時に、第１燃料ガスバルブ、第１酸化性ガスバルブ、第２燃料ガスバルブ及び第２酸化性ガスバルブを開くように制御すると共に、点火部を点火させるように制御する第１制御部と、第１制御部による制御処理が実行された後、第１燃料ガスバルブ及び第１酸化性ガスバルブを閉じるように制御する第２制御部とを有してもよい。
　このような構成では、改質装置の起動時に、第１燃料ガスバルブ及び第１酸化性ガスバルブが開くように制御された後、第１燃料ガスバルブ及び第１酸化性ガスバルブが閉じるように制御される。従って、改質装置が起動された後に、供給管の内部への起動用ガスとしての燃料ガス及び酸化性ガスの導入が停止するため、起動用ガスとしての燃料ガスが無駄に燃焼することが防止される。
　改質システムは、改質器の温度を検出する温度検出部を更に備え、第２制御部は、前記第１制御部による制御処理が実行された後、温度検出部により検出された改質器の温度が予め決められた規定温度以上になると、第１燃料ガスバルブ及び第１酸化性ガスバルブを閉じるように制御してもよい。
　このような構成では、改質器の温度が規定温度以上になると、第１燃料ガスバルブ及び第１酸化性ガスバルブが閉じるように制御される。このため、燃料ガスの燃焼及び改質が行われる適切な時期に、供給管の内部への起動用ガスとしての燃料ガス及び酸化性ガスの導入が停止する。従って、燃料ガスが無駄に燃焼することが一層防止される。
　改質システムは、改質器の温度を検出する温度検出部を更に備え、改質器は、燃料ガスを燃焼させる触媒を有し、第１制御部は、第１燃料ガスバルブ、第１酸化性ガスバルブ及び第２燃料ガスバルブを開くように制御すると共に、点火部を点火させるように制御した後、温度検出部により検出された改質器の温度が予め決められた規定温度以上になると、第２酸化性ガスバルブを開くように制御してもよい。
　このような構成では、起動用ガスとしての燃料ガス及び酸化性ガスが第１ガス導入部より供給管の内部に導入されると共に、改質される燃料ガスが第２ガス導入部より供給管の内部に導入された後、改質器の温度が規定温度以上になると、第２酸化性ガスバルブが開くように制御される。従って、燃料ガスを燃焼させる触媒が酸化しやすい場合でも、改質器の温度が規定温度以上になるまでは、酸化性ガスが第３ガス導入部より供給管の内部に導入されることはないため、触媒が酸化して劣化することが防止される。また、改質器の温度が規定温度以上であるときに、第１燃料ガスバルブ及び第１酸化性ガスバルブが閉じるように制御されることになる。このため、燃料ガスの燃焼及び改質が行われる適切な時期に、供給管の内部への起動用ガスとしての燃料ガス及び酸化性ガスの導入が停止する。従って、燃料ガスが無駄に燃焼することが一層防止される。
　改質システムは、燃料ガス供給部、酸化性ガス供給部及び点火部を制御する制御ユニットを更に備え、燃料ガス供給部は、第１ガス導入部に供給される燃料ガスの流量を制御する第１燃料ガスバルブと、第２ガス導入部に供給される燃料ガスの流量を制御する第２燃料ガスバルブとを有し、酸化性ガス供給部は、第１ガス導入部に供給される酸化性ガスの流量を制御する酸化性ガスバルブを有し、制御ユニットは、改質装置の起動時に、第１燃料ガスバルブ、第２燃料ガスバルブ及び酸化性ガスバルブを開くように制御すると共に、点火部を点火させるように制御する第１制御部と、第１制御部による制御処理が実行された後、第１燃料ガスバルブを閉じるように制御する第２制御部とを有してもよい。
　このような構成では、改質装置の起動時に、第１燃料ガスバルブ及び酸化性ガスバルブが開くように制御された後、第１燃料ガスバルブが閉じるように制御される。従って、改質装置が起動された後に、供給管の内部への起動用ガスとしての燃料ガスの導入が停止するため、起動用ガスとしての燃料ガスが無駄に燃焼することが防止される。また、酸化性ガスを供給管の内部に導入する第３ガス導入部が不要となるため、第３ガス導入部に供給される酸化性ガスの流量を制御するバルブが不要となる。従って、酸化性ガス供給部の構成を簡単化することができる。
　本発明によれば、改質装置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装置を備えた改質システムを示す概略構成図である。 本発明の第１実施形態に係る改質装置を示す構成図である。 図２のIII－III線断面図である。 図２のIVa－IVa線断面図及びIVb－IVb線断面図である。 図２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。 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装置を示す構成図である。 本発明の第３実施形態に係る改質装置を備えた改質システムにおいて、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。 図８に示された制御処理を実行する制御ユニットを備え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４実施形態に係る改質装置を備えた改質システムを示す概略構成図である。 本発明の第４実施形態に係る改質装置を示す構成図である。 図１０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。
　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備えた改質システムを示す概略構成図である。図１において、改質システム１は、アンモニアガス供給源２と、空気供給源３と、本実施形態の改質装置４とを具備している。
　アンモニアガス供給源２は、燃料ガスであるアンモニアガス（ＮＨ３ガス）を発生させる。アンモニアガス供給源２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、液体状態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。
　空気供給源３は、酸化性ガスである空気を発生させる。空気供給源３としては、例えば送風機等が用いられる。
　図２は、本実施形態の改質装置４を示す構成図である。図２において、改質装置４は、アンモニアガスを改質する装置である。改質装置４は、改質器５と、この改質器５と連結された供給管６とを備えている。
　改質器５は、空気によりアンモニア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。改質器５は、アンモニアガスを燃焼させる燃焼触媒７と、この燃焼触媒７により発生した熱によりアンモニアガスを水素に分解する改質触媒８とを有している。改質触媒８は、燃焼触媒７よりも下流側（供給管６の反対側）に配置されている。
　燃焼触媒７としては、例えばゼオライトにパラジウム及び銅が担持された触媒またはＣｕＯ／１０Ａｌ２Ｏ３・２Ｂ２Ｏ３等が用いられる。燃焼触媒７は、例えば２００℃～４００℃の温度領域においてアンモニアガスを燃焼させる。改質触媒８としては、例えＲｕ／ＣｅＯ２、Ｒｕ／ＺｒＯ２、Ｒｕ／ＭｇＯ、Ｒｕ／Ａｌ２Ｏ３またはＲｕ／ＳｉＯ２等が用いられる。改質触媒８は、例えば２５０℃～５００℃の温度領域においてアンモニアガスを水素に分解する。
　供給管６は、改質器５に供給されるアンモニアガス及び空気を含むガスが流れる円筒状の配管である。供給管６の先端の開口は、フタ９で塞がれている。なお、供給管６の先端は、供給管６における改質器５との連結部とは反対側の端である。
　供給管６の先端部には、図３にも示されるように、アンモニアガス及び空気を起動用ガスとして供給管６の内部に導入する４つのガス導入部１０（第１ガス導入部）が設けられている。各ガス導入部１０は、アンモニアガス及び空気を供給管６の内部に管状流が発生するように導入する。具体的には、各ガス導入部１０は、供給管６の内周面６ａの接線方向に等間隔で配置されている。従って、アンモニアガス及び空気は、供給管６の内部に供給管６の内周面６ａの接線方向に導入されることとなる。このとき、アンモニアガス及び空気は、混合した状態で供給管６の内部に導入される。ここでは、ガス導入部１０より供給管６の内部に導入されるアンモニアガス及び空気を、それぞれ起動用アンモニアガス及び起動用空気とする。
　供給管６の先端部には、各ガス導入部１０より供給管６の内部に導入された起動用アンモニアガスを着火させる点火部１１が取り付けられている。点火部１１は、フタ９に固定されている。点火部１１は、例えばグロープラグまたはスパークプラグ等である。
　供給管６におけるガス導入部１０よりも下流側（改質器５側）には、図４（ａ）にも示されるように、アンモニアガスを供給管６の内部に導入する２つのアンモニアガス導入部１２（第２ガス導入部）が設けられている。各アンモニアガス導入部１２は、アンモニアガスを供給管６の内部に管状流が発生するように導入する。具体的には、各アンモニアガス導入部１２は、供給管６の内周面６ａの接線方向に配置されている。従って、アンモニアガスは、供給管６の内部に供給管６の内周面６ａの接線方向に導入されることとなる。ここでは、アンモニアガス導入部１２より供給管６の内部に導入されるアンモニアガスを、改質用の主アンモニアガスとする。
　供給管６におけるアンモニアガス導入部１２よりも下流側には、図４（ｂ）にも示されるように、空気を供給管６の内部に導入する２つの空気導入部１３（第３ガス導入部）が設けられている。各空気導入部１３は、空気を供給管６の内部に管状流が発生するように導入する。具体的には、各空気導入部１３は、供給管６の内周面６ａの接線方向に配置されている。従って、空気は、供給管６の内部に供給管６の内周面６ａの接線方向に導入されることとなる。空気導入部１３は、例えばアンモニアガス導入部１２に対応する位置に配置されている。ここでは、空気導入部１３より供給管６の内部に導入される空気を、改質用の主空気とする。
　なお、ガス導入部１０、アンモニアガス導入部１２及び空気導入部１３は、供給管６とは別体であってもよいし、供給管６と一体化されていてもよい。
　図１に戻り、アンモニアガス供給源２と改質装置４とは、アンモニアガス流路１４，１５を介して接続されている。空気供給源３と改質装置４とは、空気流路１６，１７を介して接続されている。
　アンモニアガス流路１４の一端は、アンモニアガス供給源２に接続されている。アンモニアガス流路１４の他端は、改質装置４の各ガス導入部１０に接続されている。アンモニアガス流路１４は、アンモニアガス供給源２からガス導入部１０に起動用アンモニアガスが流れる流路である。空気流路１６の一端は、空気供給源３に接続されている。空気流路１６の他端は、アンモニアガス流路１４に接続されている。空気流路１６は、空気供給源３からガス導入部１０に起動用空気が流れる流路である。
　アンモニアガス流路１５の一端は、アンモニアガス流路１４に接続されている。アンモニアガス流路１５の他端は、改質装置４の各アンモニアガス導入部１２に接続されている。アンモニアガス流路１５は、アンモニアガス供給源２からアンモニアガス導入部１２に主アンモニアガスが流れる流路である。
　空気流路１７の一端は、空気流路１６に接続されている。空気流路１７の他端は、改質装置４の各空気導入部１３に接続されている。空気流路１７は、空気供給源３から空気導入部１３に主空気が流れる流路である。
　アンモニアガス流路１４には、アンモニアガスバルブ１８が配設されている。アンモニアガスバルブ１８は、ガス導入部１０に供給される起動用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。ここでは、アンモニアガスバルブ１８は、起動用アンモニアガスバルブとして機能する。空気流路１６には、空気バルブ１９が配設されている。空気バルブ１９は、ガス導入部１０に供給される起動用空気の流量を制御する第１酸化性ガスバルブである。空気バルブ１９は、起動用空気バルブとして機能する。アンモニアガスバルブ１８及び空気バルブ１９としては、電磁式の流量制御弁が使用される。
　アンモニアガス流路１５には、アンモニアガスバルブ２０が配設されている。アンモニアガスバルブ２０は、アンモニアガス導入部１２に供給される主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。アンモニアガスバルブ２０は、主アンモニアガスバルブとして機能する。空気流路１７には、空気バルブ２１が配設されている。空気バルブ２１は、空気導入部１３に供給される主空気の流量を制御する第２酸化性ガスバルブである。空気バルブ２１は、主空気バルブとして機能する。アンモニアガスバルブ２０及び空気バルブ２１としては、電磁式の流量制御弁が使用される。
　アンモニアガス供給源２、アンモニアガス流路１４，１５及びアンモニアガスバルブ１８，２０は、改質装置４にアンモニアガスを供給するアンモニアガス供給部２２（燃料ガス供給部）を構成している。空気供給源３、空気流路１６，１７及び空気バルブ１９，２１は、改質装置４に空気を供給する空気供給部２３（酸化性ガス供給部）を構成している。
　改質装置４の改質器５には、改質ガス流路２４を介して水素利用装置２５が接続されている。改質ガス流路２４は、改質器５により生成された改質ガスが水素利用装置２５に向けて流れる流路である。
　水素利用装置２５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２５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、或いは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。
　また、改質システム１は、温度センサ２６と、制御ユニット２７とを具備している。温度センサ２６は、改質器５の温度を検出する温度検出部である。温度センサ２６は、例えば燃焼触媒７に流入するガスの温度を検出してもよいし、改質触媒８または燃焼触媒７の温度を検出してもよい。
　制御ユニット２７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２７は、温度センサ２６の検出値に基づいて、アンモニアガス供給部２２のアンモニアガスバルブ１８，２０、空気供給部２３の空気バルブ１９，２１及び点火部１１を制御する。制御ユニット２７は、第１制御部２８と、第２制御部２９とを有している。
　第１制御部２８は、改質装置４の起動時に、アンモニアガスバルブ１８，２０及び空気バルブ１９，２１を開くように制御すると共に、点火部１１を点火させるように制御する。
　第２制御部２９は、第１制御部２８による制御処理が実行された後、アンモニアガスバルブ１８及び空気バルブ１９を閉じるように制御する。具体的には、第２制御部２９は、第１制御部２８による制御処理が実行された後、温度センサ２６により検出された改質器５の温度が予め決められた規定温度以上になると、アンモニアガスバルブ１８及び空気バルブ１９を閉じるように制御する。
　図５は、図１に示された制御ユニット２７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。なお、本処理の実行前は、アンモニアガスバルブ１８，２０及び空気バルブ１９，２１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２７は、まず手動スイッチ等により改質装置４の起動が指示されると、アンモニアガスバルブ１８及び空気バルブ１９を開くように制御する（手順Ｓ１０１）。これにより、改質装置４のガス導入部１０に起動用アンモニアガスが供給される（図６（ａ）参照）と共に、ガス導入部１０に起動用空気が供給される（図６（ｂ）参照）。このとき、起動用アンモニアガス及び起動用空気の供給流量が規定値（例えば当量比）となるように、アンモニアガスバルブ１８及び空気バルブ１９が制御される。
　続いて、制御ユニット２７は、点火部１１を点火させるように制御する（手順Ｓ１０２）。これにより、点火部１１が点火するため、起動用アンモニアガスが着火する。
　続いて、制御ユニット２７は、アンモニアガスバルブ２０を開くように制御する（手順Ｓ１０３）。これにより、改質装置４のアンモニアガス導入部１２に主アンモニアガスが供給される（図６（ｃ）参照）。
　続いて、制御ユニット２７は、空気バルブ２１を開くように制御する（手順Ｓ１０４）。これにより、改質装置４の空気導入部１３に主空気が供給される（図６（ｄ）参照）。このとき、主アンモニアガス及び主空気の供給流量が規定値（例えば当量比）となるように、空気バルブ２１がアンモニアガスバルブ２０と共に制御される。
　続いて、制御ユニット２７は、温度センサ２６の検出値を取得する（手順Ｓ１０５）。そして、制御ユニット２７は、改質器５の温度が規定温度Ｔ１（図６（ｅ）参照）以上であるかどうかを判断する（手順Ｓ１０６）。規定温度Ｔ１は、主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２７は、改質器５の温度が規定温度Ｔ１より小さいと判断したとき（手順Ｓ１０６：ＮＯ）は、手順Ｓ１０５を再度実行する。
　制御ユニット２７は、改質器５の温度が規定温度Ｔ１以上であると判断したとき（手順Ｓ１０６：ＹＥＳ）は、アンモニアガスバルブ１８及び空気バルブ１９を閉じるように制御する（手順Ｓ１０７）。このとき、アンモニアガスバルブ１８及び空気バルブ１９は、全閉状態となるのが望ましい。これにより、改質装置４のガス導入部１０への起動用アンモニアガスの供給が停止する（図６（ａ）参照）と共に、ガス導入部１０への起動用空気の供給が停止する（図６（ｂ）参照）。
　続いて、制御ユニット２７は、温度センサ２６の検出値を取得する（手順Ｓ１０８）。そして、制御ユニット２７は、改質器５の温度が規定温度Ｔ２（図６（ｅ）参照）以上であるかどうかを判断する（手順Ｓ１０９）。規定温度Ｔ２は、主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２７は、改質器５の温度が規定温度Ｔ２より小さいと判断したとき（手順Ｓ１０９：ＮＯ）は、手順Ｓ１０８を再度実行する。
　制御ユニット２７は、改質器５の温度が規定温度Ｔ２以上であると判断したとき（手順Ｓ１０９：ＹＥＳ）は、アンモニアガスバルブ２０及び空気バルブ２１の開度を制御する（手順Ｓ１１０）。このとき、改質器５により適切な改質動作を行うための主アンモニアガス及び主空気の供給流量が設定されるように、アンモニアガスバルブ２０及び空気バルブ２１の開度が制御される（図６（ｃ），（ｄ）参照）。
　ここで、第１制御部２８は、上記の手順Ｓ１０１～Ｓ１０４を実行する。第２制御部２９は、上記の手順Ｓ１０５～Ｓ１１０を実行する。
　以上のような改質システム１において、改質装置４の起動が指示されると、アンモニアガスバルブ１８及び空気バルブ１９が開弁することで、図６（ａ），（ｂ）に示されるように、起動用アンモニアガス及び起動用空気が改質装置４のガス導入部１０に供給される。そして、ガス導入部１０より供給管６の内部に起動用アンモニアガス及び起動用空気が導入される。このとき、起動用アンモニアガス及び起動用空気は、供給管６の内周面６ａの接線方向に導入されるため、供給管６の内部において管状流となる。
　その状態で点火部１１が点火すると、起動用アンモニアガスが着火して管状火炎が形成され、起動用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）。
　　　ＮＨ３＋３／４Ｏ２→１／２Ｎ２＋３／２Ｈ２Ｏ　　　…（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、供給管６の内部を改質器５に向かって旋回して流れる。
　その後、アンモニアガスバルブ２０が開弁することで、図６（ｃ）に示されるように、主アンモニアガスが改質装置４のアンモニアガス導入部１２に供給される。そして、アンモニアガス導入部１２より供給管６の内部に主アンモニアガスが導入される。主アンモニアガスの温度は、室温程度であり、燃焼ガスの温度に比べて十分に低い。このため、主アンモニアガスと燃焼ガスとが熱交換される。具体的には、主アンモニアガスは、燃焼ガスから熱をもらって加熱されると共に、燃焼ガスを冷却する。このとき、主アンモニアガスを含んだ燃焼ガスの温度は、アンモニアの発火温度（例えば大気中で６５０℃程度）よりも下がる。このため、供給管６の内部で主アンモニアガスが燃焼状態に移行することはない。
　その後、空気バルブ２１が開弁することで、図６（ｄ）に示されるように、主空気が改質装置４の空気導入部１３に供給される。そして、空気導入部１３より供給管６の内部に主空気が導入される。主空気の温度も、室温程度である。このため、主空気と主アンモニアガスを含んだ燃焼ガスとが熱交換される。具体的には、主空気は、主アンモニアガスを含んだ燃焼ガスから熱をもらって加熱されると共に、主アンモニアガスを含んだ燃焼ガスを冷却する。このとき、主アンモニアガス、主空気及び燃焼ガスが混合された混合ガスの温度は、例えば２００℃～４００℃程度まで下がる。
　そのような混合ガスが改質器５に導入されると、改質器５の温度が上昇する。そして、図６（ｅ）に示されるように、改質器５の温度が規定温度Ｔ１（燃焼可能温度）に達すると、アンモニアガスバルブ１８及び空気バルブ１９が閉弁することで、図６（ａ），（ｂ）に示されるように、ガス導入部１０への起動用アンモニアガス及び起動用空気の供給が停止する。従って、供給管６の内部への起動用アンモニアガス及び起動用空気の導入が停止するため、起動用アンモニアガスの燃焼が停止する。
　また、改質器５の温度が規定温度Ｔ１（燃焼可能温度）に達すると、燃焼触媒７により主アンモニアガスが燃焼する。すると、上記（Ａ）式の発熱反応が起こり、燃焼ガスが生成される。そして、その燃焼ガスの熱（燃焼熱）によって改質器５の温度が更に上昇する。
　そして、改質器５の温度が規定温度Ｔ２（改質可能温度）に達すると、図６（ｃ），（ｄ）に示されるように、アンモニアガス導入部１２及び空気導入部１３にそれぞれ供給される主アンモニアガス及び主空気の流量が調整されるため、供給管６の内部に導入される主アンモニアガス及び主空気の流量が調整される。ここでは、主空気の流量は減少し、主アンモニアガスの流量は変化していないが、主アンモニアガス及び主空気の流量を何れも変えてもよい。
　また、改質器５の温度が規定温度Ｔ２（改質可能温度）に達すると、改質触媒８により主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、水素利用装置２５に供給される。
　　　ＮＨ３→３／２Ｈ２＋１／２Ｎ２　　　…（Ｂ）
　以上のように本実施形態にあっては、改質装置４の起動時には、アンモニアガス及び空気が起動用ガスとしてガス導入部１０より供給管６の内部に導入されると共に、点火部１１が点火することで、アンモニアガスが着火して燃焼する。このとき、起動用ガスは、供給管６の内部に管状流が発生するように導入される。従って、起動用ガスが管状流となっている状態でアンモニアガスが着火して管状火炎が形成されるため、高温の燃焼ガスが供給管６の内部を改質器５に向かって旋回して流れる。また、改質されるアンモニアガスがアンモニアガス導入部１２より供給管６の内部に導入される。そのアンモニアガスは、高温の燃焼ガスからの熱（燃焼熱）を受けて加熱された状態で、改質器５に供給される。そして、改質器５において、アンモニアガスの燃焼及び改質が行われ、水素を含有した改質ガスが生成される。このように点火部１１によって起動用ガスとしてのアンモニアガスを着火・燃焼させて発生した高温の燃焼熱を利用するので、改質されるアンモニアガスが着火するまでの時間が短くなる。これにより、改質装置４の起動時間が短縮される。また、アンモニアガス、空気または触媒を加熱するためのヒータ等が不要となる。
　また、本実施形態では、空気導入部１３より空気が供給管６の内部に導入されるため、改質器５に供給される空気の流量の調整を容易に行うことができる。
　また、本実施形態では、空気導入部１３は、供給管６におけるアンモニアガス導入部１２よりも改質器５側に設けられている。このため、アンモニアガス導入部１２より供給管６の内部に導入されたアンモニアガスは、燃焼ガスからの熱を受けることで、燃焼ガスの温度を下げる。そして、空気導入部１３より供給管６の内部に導入された空気は、アンモニアガスを含んだ燃焼ガスからの熱を受けることで、アンモニアガスを含んだ燃焼ガスの温度を下げる。ここで、アンモニアガスの比熱は空気の比熱よりも高いため、アンモニアガスは空気よりも少ない流量で吸熱可能である。このため、アンモニアガスの吸熱による燃焼ガスの温度低下が大きくなる。従って、点火部１１によりアンモニアガスを着火・燃焼させることで生成した高温の燃焼ガスを効果的に降温させることができる。
　また、本実施形態では、アンモニアガス及び空気が供給管６の内部に供給管６の内周面６ａの接線方向に導入されるため、アンモニアガス及び空気が供給管６の内部において短時間で管状流となる。
　また、本実施形態では、アンモニアガス導入部１２は、アンモニアガスを供給管６の内部に供給管６の内周面６ａの接線方向に導入し、空気導入部１３は、空気を供給管６の内部に供給管６の内周面６ａの接線方向に導入する。このため、アンモニアガス導入部１２及び空気導入部１３より供給管６の内部にそれぞれ導入されたアンモニアガス及び空気は、管状流となるため、改質器５に向かって旋回して流れる。従って、アンモニアガス及び空気は、管状流で流れてくる燃焼ガスに対して同様の流れで混合することになる。このため、アンモニアガス及び空気と燃焼ガスとの混合経路が長くなる。これにより、改質器５において、アンモニアガス及び空気の混合比が均等化されるため、アンモニアガスが着火・燃焼しやすくなる。
　また、本実施形態では、改質装置４の起動時に、アンモニアガスバルブ１８及び空気バルブ１９が開くように制御された後、アンモニアガスバルブ１８及び空気バルブ１９が閉じるように制御される。従って、改質装置４が起動された後に、供給管６の内部への起動用ガスとしてのアンモニアガス及び空気の導入が停止するため、起動用ガスとしてのアンモニアガスを無駄に燃焼させることが防止される。
　また、本実施形態では、温度センサ２６により検出された改質器５の温度が規定温度Ｔ１以上になると、アンモニアガスバルブ１８及び空気バルブ１９が閉じるように制御される。このため、アンモニアガスの燃焼及び改質が行われる適切な時期に、供給管６の内部への起動用ガスとしてのアンモニアガス及び空気の導入が停止する。従って、起動用ガスとしてのアンモニアガスを無駄に燃焼させることが一層防止される。
　なお、本実施形態では、供給管６におけるアンモニアガス導入部１２よりも改質器５側に空気導入部１３が設けられているが、特にその形態には限られない。供給管６における空気導入部１３よりも改質器５側にアンモニアガス導入部１２を設けてもよいし、或いはアンモニアガス導入部１２及び空気導入部１３を供給管６の軸方向の同じ位置に設けてもよい。また、供給管６におけるガス導入部１０よりも先端側（点火部１１側）に空気導入部１３を設けてもよい。
　また、本実施形態では、２つのアンモニアガス導入部１２と２つの空気導入部１３とが供給管６に設けられているが、アンモニアガス導入部１２及び空気導入部１３の数としては、特に２つには限られず、例えば４つでもよいし、或いは１つでもよい。
　また、本実施形態では、起動用アンモニアガス及び起動用空気がガス導入部１０に供給された後、主アンモニアガスがアンモニアガス導入部１２に供給され、その後主空気が空気導入部１３に供給されているが、特にその形態には限られない。主アンモニアガスがアンモニアガス導入部１２に供給されるタイミング、及び主空気が空気導入部１３に供給されるタイミングは、起動用アンモニアガス及び起動用空気がガス導入部１０に供給されるタイミングと同じであってもよい。
　また、本実施形態では、温度センサ２６により検出された改質器５の温度が規定温度Ｔ１（燃焼可能温度）以上になると、アンモニアガスバルブ１８及び空気バルブ１９が閉じるように制御されているが、特にその形態には限られず、例えば改質器５の温度が規定温度Ｔ２（改質可能温度）以上になると、アンモニアガスバルブ１８及び空気バルブ１９を閉じるように制御してもよい。
　図７は、本発明の第２実施形態に係る改質装置を示す構成図である。図７において、本実施形態の改質装置４は、第１実施形態におけるアンモニアガス導入部１２及び空気導入部１３に代えて、アンモニアガス導入部３２と、空気導入部３３とを備えている。
　アンモニアガス導入部３２は、ガス導入部１０よりも下流側（改質器５側）に設けられている。アンモニアガス導入部３２は、供給管６の径方向に延びている。従って、起動用アンモニアガスは、供給管６の内部に供給管６の径方向に導入されることとなる。なお、アンモニアガス導入部３２の数としては、特に１つには限られず、２つ以上であってもよい。
　空気導入部３３は、アンモニアガス導入部３２よりも下流側に設けられている。空気導入部３３は、アンモニアガス導入部３２と同様に供給管６の径方向に延びている。従って、起動用空気は、供給管６の内部に供給管６の径方向に導入されることとなる。なお、空気導入部３３の数としては、特に１つには限られず、２つ以上であってもよい。
　このような本実施形態では、起動用アンモニアガス及び起動用空気を供給管６の内部に供給管６の内周面６ａの接線方向に導入しなくて済む。従って、アンモニアガス導入部３２及び空気導入部３３の設計自由度が向上する。
　なお、本実施形態では、供給管６における空気導入部３３よりも改質器５側にアンモニアガス導入部３２を設けてもよいし、或いはアンモニアガス導入部３２及び空気導入部３３を供給管６の軸方向の同じ位置に設けてもよい。また、供給管６におけるガス導入部１０よりも先端側（点火部１１側）に空気導入部３３を設けてもよい。
　図８は、本発明の第３実施形態に係る改質装置を備えた改質システムにおいて、制御ユニット２７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り、図５に対応している。
　本実施形態では、改質器５は、上記の第１実施形態と同様に、燃焼触媒７及び改質触媒８を有している。燃焼触媒７及び改質触媒８としては、例えばコバルト系触媒等のように常温で酸化して昇温する触媒が用いられる。
　また、本実施形態では、制御ユニット２７は、上記の第１実施形態と同様に、第１制御部２８と、第２制御部２９とを有している。
　第１制御部２８は、改質装置４の起動時に、アンモニアガスバルブ１８，２０及び空気バルブ１９を開くように制御すると共に、点火部１１を点火させるように制御した後、温度センサ２６により検出された改質器５の温度が予め決められた規定温度以上になると、空気バルブ２１を開くように制御する。第２制御部２９は、第１制御部２８による制御処理が実行された後、アンモニアガスバルブ１８及び空気バルブ１９を閉じるように制御する。
　図８において、制御ユニット２７は、改質装置４の起動が指示されると、上記の第１実施形態と同様に、手順Ｓ１０１～Ｓ１０３を順次実行する。これにより、改質装置４のガス導入部１０に起動用アンモニアガスが供給される（図９（ａ）参照）と共に、ガス導入部１０に起動用空気が供給される（図９（ｂ）参照）。また、改質装置４のアンモニアガス導入部１２に主アンモニアガスが供給される（図９（ｃ）参照）。
　続いて、制御ユニット２７は、温度センサ２６の検出値を取得する（手順Ｓ１０５）。そして、制御ユニット２７は、改質器５の温度が規定温度Ｔ１（図９（ｅ）参照）以上であるかどうかを判断する（手順Ｓ１０６）。規定温度Ｔ１は、主アンモニアガスの燃焼可能温度である。制御ユニット２７は、改質器５の温度が規定温度Ｔ１より小さいと判断したとき（手順Ｓ１０６：ＮＯ）は、手順Ｓ１０５を再度実行する。
　制御ユニット２７は、改質器５の温度が規定温度Ｔ１以上であると判断したとき（手順Ｓ１０６：ＹＥＳ）は、空気バルブ２１を開くように制御する（手順Ｓ１０４）。これにより、改質装置４の空気導入部１３に主空気が供給される（図９（ｄ）参照）。
　続いて、制御ユニット２７は、アンモニアガスバルブ１８及び空気バルブ１９を閉じるように制御する（手順Ｓ１０７）。これにより、改質装置４のガス導入部１０への起動用アンモニアガスの供給が停止する（図９（ａ）参照）と共に、ガス導入部１０への起動用空気の供給が停止する（図９（ｂ）参照）。
　そして、制御ユニット２７は、上記の第１実施形態と同様に、手順Ｓ１０８～Ｓ１１０を順次実行する。
　ここで、第１制御部２８は、上記の手順Ｓ１０１～Ｓ１０６を実行する。第２制御部２９は、上記の手順Ｓ１０７～Ｓ１１０を実行する。
　このような本実施形態においては、起動用ガスとしてのアンモニアガス及び空気がガス導入部１０より供給管６の内部に導入されると共に、改質されるアンモニアガスがアンモニアガス導入部１２より供給管６の内部に導入された後、改質器５の温度が規定温度Ｔ１以上になると、空気バルブ２１が開くように制御される。従って、燃焼触媒７及び改質触媒８が酸化しやすい場合でも、改質器５の温度が規定温度Ｔ１以上になるまでは、空気が空気導入部１３より供給管６の内部に導入されることはないため、燃焼触媒７及び改質触媒８が酸化して劣化することが防止される。また、改質器５の温度が規定温度Ｔ１以上であるときに、アンモニアガスバルブ１８及び空気バルブ１９が閉じるように制御されることになる。このため、アンモニアガスの燃焼及び改質が行われる適切な時期に、供給管６の内部への起動用ガスとしてのアンモニアガス及び空気の導入が停止する。従って、アンモニアガスが無駄に燃焼することが一層防止される。
　なお、本実施形態でも、改質器５の温度が規定温度Ｔ２（改質可能温度）以上になると、アンモニアガスバルブ１８及び空気バルブ１９を閉じるように制御してもよい。
　図１０は、本発明の第４実施形態に係る改質装置を備えた改質システムを示す概略構成図である。図１１は、本発明の第４実施形態に係る改質装置を示す構成図である。図１０及び図１１において、本実施形態の改質装置４は、上記の第１実施形態と同様に、改質器５と、供給管６とを備えている。
　供給管６には、上記の第１実施形態におけるガス導入部１０及びアンモニアガス導入部１２が設けられている。供給管６には、上記の第１実施形態における空気導入部１３は設けられていない。このため、ガス導入部１０は、起動用アンモニアガス、起動用空気及び主空気を供給管６の内部に導入する。
　そのような改質装置４を具備した改質システム１は、上記の第１実施形態におけるアンモニアガス流路１４，１５、空気流路１６、アンモニアガスバルブ１８，２０及び空気バルブ１９を備えている。改質システム１は、上記の第１実施形態における空気流路１７及び空気バルブ２１を備えていない。このため、空気バルブ１９は、ガス導入部１０に導入される起動用空気及び主空気の流量を制御する。
　本実施形態では、制御ユニット２７は、温度センサ２６の検出値に基づいて、アンモニアガス供給部２２のアンモニアガスバルブ１８，２０、空気供給部２３の空気バルブ１９及び点火部１１を制御する。制御ユニット２７は、上記の第１実施形態と同様に、第１制御部２８と、第２制御部２９とを有している。
　第１制御部２８は、改質装置４の起動時に、アンモニアガスバルブ１８，２０及び空気バルブ１９を開くように制御すると共に、点火部１１を点火させるように制御する。第２制御部２９は、第１制御部２８による制御処理が実行された後、アンモニアガスバルブ１８を閉じるように制御する。
　図１２は、図１１に示された制御ユニット２７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り、図５に対応している。
　図１２において、制御ユニット２７は、改質装置４の起動が指示されると、上記の第１実施形態と同様に、手順Ｓ１０１～Ｓ１０３を順次実行する。これにより、改質装置４のガス導入部１０に起動用アンモニアガス及び空気が供給されると共に、改質装置４のアンモニアガス導入部１２に主アンモニアガスが供給される。
　続いて、制御ユニット２７は、上記の第１実施形態と同様に、手順Ｓ１０５，Ｓ１０６を順次実行する。制御ユニット２７は、手順Ｓ１０６で改質器５の温度が規定温度Ｔ１以上であると判断したとき（手順Ｓ１０６：ＹＥＳ）は、アンモニアガスバルブ１８を閉じるように制御する（手順Ｓ１１５）。これにより、改質装置４のガス導入部１０への起動用アンモニアガスの供給が停止する。
　続いて、制御ユニット２７は、上記の第１実施形態と同様に、手順Ｓ１０８，Ｓ１０９を順次実行する。制御ユニット２７は、手順Ｓ１０９で改質器５の温度が規定温度Ｔ２以上であると判断したとき（手順Ｓ１０９：ＹＥＳ）は、アンモニアガスバルブ２０及び空気バルブ１９の開度を制御する（手順Ｓ１１６）。このとき、改質器５により適切な改質動作を行うための主アンモニアガス及び空気の供給流量が設定されるように、アンモニアガスバルブ２０及び空気バルブ１９の開度が制御される。
　ここで、第１制御部２８は、上記の手順Ｓ１０１～Ｓ１０３を実行する。第２制御部２９は、上記の手順Ｓ１０５，Ｓ１０６，Ｓ１１５，Ｓ１０８，Ｓ１０９，Ｓ１１６を実行する。
　このような本実施形態においては、改質装置４の起動時に、アンモニアガスバルブ１８及び空気バルブ１９が開くように制御された後、アンモニアガスバルブ１８が閉じるように制御される。従って、改質装置４が起動された後に、供給管６の内部への起動用ガスとしてのアンモニアガスの導入が停止するため、起動用ガスとしてのアンモニアガスが無駄に燃焼することが防止される。また、空気を供給管６の内部に導入する空気導入部１３が不要となるため、空気導入部１３に供給される空気の流量を制御する空気バルブ２１が不要となる。従って、空気供給部２３の構成を簡単化することができる。
　なお、本実施形態でも、主アンモニアガスがアンモニアガス導入部１２に供給されるタイミングは、起動用アンモニアガス及び空気がガス導入部１０に供給されるタイミングと同じであってもよい。
　また、改質器５の温度が規定温度Ｔ２（改質可能温度）以上になると、アンモニアガスバルブ１８を閉じるように制御してもよい。
　以上、本発明の実施形態について説明してきたが、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、ガス導入部１０は、アンモニアガス及び空気を供給管６の内部に供給管６の内周面６ａの接線方向に導入しているが、特にそのような形態には限られない。アンモニアガス及び空気が供給管６の内部に管状流が発生するように導入されるのであれば、ガス導入部１０を供給管６の内周面６ａの接線方向に対してずれて配置してもよい。
　また、上記実施形態では、４つ全てのガス導入部１０よりアンモニアガス及び空気の混合ガスが供給管６の内部に導入されているが、特にその形態には限られず、例えば２つのガス導入部１０よりアンモニアガスのみを供給管６の内部に導入し、残りの２つのガス導入部１０より空気のみを供給管６の内部に導入してもよい。
　また、上記実施形態では、供給管６に４つのガス導入部１０が設けられているが、ガス導入部１０の数としては、アンモニアガス及び空気を供給管６の内部に導入するのであれば、特に４つには限られず、２つでもよいし、或いは１つでもよい。
　また、上記実施形態では、温度センサ２６により検出された改質器５の温度が規定温度以上になると、アンモニアガスバルブ１８及び空気バルブ１９が閉じるように制御されているが、特に改質器５の温度を検出する温度センサ２６を使用しなくてもよく、例えばアンモニアガスの流量、空気の流量、時間及び室温等から改質器５の温度を推定してもよい。
　また、上記実施形態では、改質器５は、アンモニアガスを燃焼させる燃焼触媒７と、アンモニアガスを水素に分解する改質触媒８とを有しているが、特にその形態には限られない。改質器５は、アンモニアガスを燃焼させる機能とアンモニアガスを水素に分解する機能とを併せ持った燃焼改質触媒を有していてもよい。
　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した改質装置及び改質システム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した改質装置及び改質システムにも適用可能である。
　１　　改質システム
４　　改質装置
５　　改質器
６　　供給管
７　　燃焼触媒（触媒）
８　　改質触媒（触媒）
１０　　ガス導入部（第１ガス導入部）
１１　　点火部
１２　　アンモニアガス導入部（第２ガス導入部）
１３　　空気導入部（第３ガス導入部）
１８　　アンモニアガスバルブ（第１燃料ガスバルブ）
１９　　空気バルブ（第１酸化性ガスバルブ）
２０　　アンモニアガスバルブ（第２燃料ガスバルブ）
２１　　空気バルブ（第２酸化性ガスバルブ）
２２　　アンモニアガス供給部（燃料ガス供給部）
２３　　空気供給部（酸化性ガス供給部）
２６　　温度センサ（温度検出部）
２７　　制御ユニット
２８　　第１制御部
２９　　第２制御部
３２　　アンモニアガス導入部（第１ガス導入部）
３３　　空気導入部（第２ガス導入部）
Ｔ１　　規定温度

Claims (11)

  1. 　酸化性ガスにより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改質器と、
    　前記改質器と連結され、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を含むガスが流れる供給管と、
    　前記供給管に設けられ、前記燃料ガス及び前記酸化性ガスを前記供給管の内部に管状流が発生するように導入する第１ガス導入部と、
    　前記供給管に取り付けられ、前記第１ガス導入部より前記供給管の内部に導入された前記燃料ガスを着火させる点火部と、
    　前記供給管における前記第１ガス導入部よりも前記改質器側に設けられ、前記燃料ガスを前記供給管の内部に導入する第２ガス導入部とを備える改質装置。
  2. 　前記供給管に設けられ、前記酸化性ガスを前記供給管の内部に導入する第３ガス導入部を更に備える請求項１記載の改質装置。
  3. 　前記第３ガス導入部は、前記供給管における前記第２ガス導入部よりも前記改質器側に設けられている請求項２記載の改質装置。
  4. 　前記第１ガス導入部は、前記燃料ガス及び前記酸化性ガスを前記供給管の内部に前記供給管の内周面の接線方向に導入する請求項３記載の改質装置。
  5. 　前記第２ガス導入部は、前記燃料ガスを前記供給管の内部に前記供給管の内周面の接線方向に導入し、
    　前記第３ガス導入部は、前記酸化性ガスを前記供給管の内部に前記供給管の内周面の接線方向に導入する請求項４記載の改質装置。
  6. 　改質装置と、
    　前記改質装置に燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、
    　前記改質装置に酸化性ガスを供給する酸化性ガス供給部とを具備し、
    　前記改質装置は、
    　前記酸化性ガスにより前記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改質器と、
    　前記改質器と連結され、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を含むガスが流れる供給管と、
    　前記供給管に設けられ、前記燃料ガス及び前記酸化性ガスを前記供給管の内部に管状流が発生するように導入する第１ガス導入部と、
    　前記供給管に取り付けられ、前記第１ガス導入部より前記供給管の内部に導入された前記燃料ガスを着火させる点火部と、
    　前記供給管における前記第１ガス導入部よりも前記改質器側に設けられ、前記燃料ガスを前記供給管の内部に導入する第２ガス導入部とを備える改質システム。
  7. 　前記供給管に設けられ、前記酸化性ガスを前記供給管の内部に導入する第３ガス導入部を更に備える請求項６記載の改質システム。
  8. 　前記燃料ガス供給部、前記酸化性ガス供給部及び前記点火部を制御する制御ユニットを更に備え、
    　前記燃料ガス供給部は、前記第１ガス導入部に供給さ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、前記第２ガス導入部に供給される前記燃料ガスの流量を制御する第２燃料ガスバルブとを有し、
    　前記酸化性ガス供給部は、前記第１ガス導入部に供給さ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、前記第３ガス導入部に供給さ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を有し、
    　前記制御ユニットは、前記改質装置の起動時に、前記第１燃料ガスバルブ、前記第１酸化性ガスバルブ、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開くように制御すると共に、前記点火部を点火させるように制御する第１制御部と、前記第１制御部による制御処理が実行された後、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閉じるように制御する第２制御部とを有する請求項７記載の改質システム。
  9. 　前記改質器の温度を検出する温度検出部を更に備え、
    　前記第２制御部は、前記第１制御部による制御処理が実行された後、前記温度検出部により検出された前記改質器の温度が予め決められた規定温度以上になると、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閉じるように制御する請求項８記載の改質システム。
  10. 　前記改質器の温度を検出する温度検出部を更に備え、
    　前記改質器は、前記燃料ガスを燃焼させる触媒を有し、
    　前記第１制御部は、前記第１燃料ガスバルブ、前記第１酸化性ガスバルブ及び前記第２燃料ガスバルブを開くように制御すると共に、前記点火部を点火させるように制御した後、前記温度検出部により検出された前記改質器の温度が予め決められた規定温度以上になると、前記第２酸化性ガスバルブを開くように制御する請求項８記載の改質システム。
  11. 　前記燃料ガス供給部、前記酸化性ガス供給部及び前記点火部を制御する制御ユニットを更に備え、
    　前記燃料ガス供給部は、前記第１ガス導入部に供給さ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、前記第２ガス導入部に供給される前記燃料ガスの流量を制御する第２燃料ガスバルブとを有し、
    　前記酸化性ガス供給部は、前記第１ガス導入部に供給される前記酸化性ガスの流量を制御する酸化性ガスバルブを有し、
    　前記制御ユニットは、前記改質装置の起動時に、前記第１燃料ガスバルブ、前記第２燃料ガスバルブ及び前記酸化性ガスバルブを開くように制御すると共に、前記点火部を点火させるように制御する第１制御部と、前記第１制御部による制御処理が実行された後、前記第１燃料ガスバルブを閉じるように制御する第２制御部とを有する請求項６記載の改質システム。
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