(57)【要約】【課題】未反応の改質原料が水素製造装置の下流側へ流れることを抑制できる水素製造装置を提供する。【解決手段】水素製造装置１００は、改質部１の下流側のラインＬ４に設けられ、ガスの流れを遮断する切替弁１３を備える。また、切替弁１３は、水素製造装置１００の起動後から改質部１が活性化されるまで、ラインＬ４を流れるガスを遮断する。これにより、改質部１が活性化される前の状態においては、切替弁１３は、ラインＬ４を流れるガスを遮断することで、当該ガスが水素製造装置１００の下流側へ流れることを抑制することができる。すなわち、改質部１が活性化していないことによって、改質部１から流出するガスに未反応の改質原料が含まれていたとしても、当該ガスを切替弁１３で遮断できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を製造する水素製造装置であって、
改質原料であるアンモニアガスから水素を含有する改質ガスを生成する改質部と、
前記改質部の下流側の第１流路に設けられ、前記ガスの流れを遮断する遮断部と、を備え、
前記遮断部は、前記水素製造装置の起動後から前記改質部が活性化されるまで、前記第１流路を流れるガスを遮断する、水素製造装置。
【請求項２】
前記第１流路の前記遮断部よりも上流側の部分と、前記改質部の上流側の第２流路とに接続される循環ラインと、
前記遮断部で遮断された前記ガスを前記循環ラインを介して前記第１流路から前記第２流路へ送る送気部と、を備える、請求項１に記載の水素製造装置。
【請求項３】
前記第１流路の前記遮断部よりも上流側に設けられ、前記遮断部で遮断された前記ガスを無害化して排出する排出部を備える、請求項１に記載の水素製造装置。
【請求項４】
前記改質部は、
前記アンモニアガスを燃焼させることで発熱する燃焼層と、
前記燃焼層の下流側に設けられ、前記アンモニアガスを改質して前記改質ガスを生成する改質層と、を備える、請求項１〜３の何れか一項に記載の水素製造装置。
【請求項５】
前記改質部の温度を検出する温度検出部を備え、
前記遮断部は、前記温度検出部の検出結果に基づいて前記ガスの流れの遮断を解除する、請求項１〜４の何れか一項に記載の水素製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の水素製造装置として、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に記載の水素製造装置は、改質原料を改質することで水素を含有する改質ガスを生成する改質部を有している。改質部で生成された水素は、改質部の下流側に設けられたエンジンなどの水素利用部へ供給される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−２３８３５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上述のような水素製造装置においては、改質部は、水素製造装置の起動時から、改質触媒が所望の性能を発揮するように活性化されるまでの間に、一定の時間がかかる。従って、改質部が活性化する前には、未反応の改質原料が改質部から流出されるガスに含まれる場合がある。すなわち、未反応の改質原料が、水素製造装置の下流側に流れ、水素利用部に流入する場合がある。
【０００５】
本発明は、未反応の改質原料が水素製造装置の下流側へ流れることを抑制できる水素製造装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一側面に係る水素製造装置は、水素を製造する水素製造装置であって、改質原料であるアンモニアガスから水素を含有する改質ガスを生成する改質部と、改質部の下流側の第１流路に設けられ、ガスの流れを遮断する遮断部と、を備え、遮断部は、水素製造装置の起動後から改質部が活性化されるまで、第１流路を流れるガスを遮断する。
【０００７】
この水素製造装置は、改質部の下流側の第１流路に設けられ、ガスの流れを遮断する遮断部を備える。また、遮断部は、水素製造装置の起動後から改質部が活性化されるまで、第１流路を流れるガスを遮断する。これにより、改質部が活性化される前の状態においては、遮断部は、第１流路を流れるガスを遮断することで、当該ガスが水素製造装置の下流側へ流れることを抑制することができる。すなわち、改質部が活性化していないことによって、改質部から流出するガスに未反応の改質原料が含まれていたとしても、当該ガスを遮断部で遮断できる。以上により、未反応の改質原料が水素製造装置の下流側へ流れることを抑制できる。
【０００８】
第１流路の遮断部よりも上流側の部分と、改質部の上流側の第２流路とに接続される循環ラインと、遮断部で遮断されたガスを循環ラインを介して第１流路から第２流路へ送る送気部と、を備えてよい。この場合、改質部から流出されるガスに未反応の改質原料が含まれていても、当該ガスが第１流路、循環ガス及び第２流路を介して改質部へ再び供給される。よって、未反応の改質原料を改質部で再度改質することができる。
【０００９】
第１流路の遮断部よりも上流側に設けられ、遮断部で遮断されたガスを無害化して排出する排出部を備えてよい。これにより、改質部から流出されるガスに未反応の改質原料が含まれていても、排出部で無害化して排出することができる。
【００１０】
改質部は、アンモニアガスを燃焼させることで発熱する燃焼層と、燃焼層の下流側に設けられ、アンモニアガスを改質して改質ガスを生成する改質層と、を備えてよい。このような構成を有する改質部は、燃焼層で発生した熱が下流側の改質層で用いられるため、改質部の活性化が早くなる。
【００１１】
改質部の温度を検出する温度検出部を備え、遮断部は、温度検出部の検出結果に基づいてガスの流れの遮断を解除してよい。改質部の温度を用いることで遮断を解除するタイミングを容易に判定することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、未反応の改質原料が水素製造装置の下流側へ流れることを抑制できる水素製造装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態に係る水素製造装置を示すシステム構成図である。
【図２】水素製造装置の起動時における制御部の処理内容を示すフローチャートである。
【図３】変形例に係る水素製造装置を示すシステム構成図である。
【図４】（ａ）は変形例に係る水素製造装置の改質部を示す斜視図であり、（ｂ）は変形例に係る水素製造装置を示すシステム構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照して種々の実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１５】
図１は、本発明の一実施形態に係る水素製造装置を示すシステム構成図である。図１に示される水素製造装置１００は、例えば移動体又は定置式の燃料電池に用いられ得る。水素製造装置１００は、水素を製造して水素利用部２へ水素を供給する。水素製造装置１００は、改質部１と、燃料供給部３と、酸素供給部４と、制御部５０と、を備える。
【００１６】
改質部１は、改質原料であるアンモニアガスから水素を含有する改質ガスを生成する。改質部１は、燃焼層２１と改質層２２とを備える。燃焼層２１は、アンモニアガスを燃焼させることで発熱する。改質層２２は、燃焼層２１の下流側に設けられ、アンモニアガスを改質して改質ガスを生成する。燃焼層２１は、アンモニアガスを燃焼させることで発熱する。このように、改質部１は、内部で発熱を行い、発生した熱を用いて吸熱反応によってアンモニアガスの改質を行って水素を生成するオートサーマル式の改質部である。
【００１７】
燃焼層２１では、アンモニアを酸化させることで熱を発生させる。燃焼層２１は、改質部１の容器の内部に設けられる。燃焼層２１は、例えば白金（Ｐｔ）又はロジウム（Ｒｈ）等の燃焼触媒を備えている。燃焼層２１では、燃焼触媒を用いることで、下記の式のように、一部のアンモニアと空気中の酸素とが化学反応し、そのアンモニアの酸化反応により熱が発生する（発熱反応）。この反応により、窒素、及び水を含む流出ガスが生成される。このような発熱反応により、改質層２２へ供給されるアンモニアガスが加熱される。なお、改質部１は、ヒータを備えていてよい。当該ヒータは、燃焼層２１の燃焼が開始するまでの間に、当該燃焼層２１での加熱を速やかに開始できるように熱を発生する。燃焼層２１での発熱反応が定常状態となったら、ヒータは停止してよい。
ＮＨ３＋３／４Ｏ２→１／２Ｎ２＋３／２Ｈ２Ｏ
【００１８】
改質層２２は、改質部１の内部のうち、燃焼層２１よりも下流側の部分に設けられる。改質層２２は、例えばルテニウム（Ｒｕ）又はロジウム（Ｒｈ）等の改質触媒を備えている。改質層２２に導入されたアンモニアは、燃焼層２１で発生した熱及び改質触媒によって水素及び窒素に分解される。より具体的には、下記の式のように、アンモニアの分解反応が起こり（吸熱反応）、水素がリッチな状態の改質ガスが生成される。
ＮＨ３→３／２Ｈ２＋１／２Ｎ２
【００１９】
燃料供給部３は、改質部１に対して燃料であるアンモニアガスを供給する。燃料供給部３は、例えば、アンモニアガスを貯留する貯留部と、貯留部のアンモニアガスを送気する送気部と、を備える。酸素供給部４は、改質部１に対して酸素を供給する。酸素供給部４は、例えば、酸素を貯留する貯留部と、貯留部の酸素を送気する送気部と、を備える。なお、酸素供給部４は酸素を含むガス、例えば空気を供給するものであってもよい。
【００２０】
水素利用部２は、改質部１の下流側に設けられ、改質部１で生成された水素を利用する部分である。水素利用部２としては、水素を用いて発電を行う燃料電池、水素を用いて駆動するエンジン、その他、バーナー加熱器などの機器が挙げられる。
【００２１】
水素製造装置１００は、ラインＬ１（第２流路）と、ラインＬ２（第２流路）と、ラインＬ３（第２流路）と、ラインＬ４（第１流路）と、循環ラインＬ５と、を備える。ラインＬ１は、燃料供給部３に接続され、当該燃料供給部３から供給されるアンモニアガスを流通させる。ラインＬ２は、酸素供給部４に接続され、当該酸素供給部４から供給される酸素を流通させる。ラインＬ３は、ラインＬ１とラインＬ２とが合流する部分に接続され、改質部１の上流側の端部に接続される。ラインＬ４は、改質部１の下流側の端部に接続され、水素利用部２に接続される。循環ラインＬ５は、ラインＬ４の切替弁１３よりも上流側の部分と、改質部１の上流側のラインＬ３とに接続される。
【００２２】
水素製造装置１００は、切替弁１１，１２，１３，１４，１５と、送気部１６と、を備える。切替弁１１，１２，１３，１４，１５は、各ライン上で開・閉を切り替える。切替弁１１は、ラインＬ１に設けられ、燃料供給部３からのアンモニアガスの供給と停止を切り替える。切替弁１２は、ラインＬ２に設けられ、酸素供給部４からの酸素の供給と停止を切り替える。切替弁１４は、循環ラインＬ５のラインＬ４との接続部付近に設けられる。切替弁１５は、循環ラインＬ５のラインＬ３との接続部付近に設けられる。切替弁１４，１５は、循環ラインＬ５へのガスの循環と停止を切り替える。切替弁１３（遮断部）は、改質部１の下流側のラインＬ４に設けられ、改質部１からのガスの流れを遮断する。また、切替弁１３は、水素製造装置１００の起動後から改質部１の改質層２２が活性化されるまで、ラインＬ４を流れるガスを遮断する。切替弁１３は、改質部１の改質層２２が活性化されたら、ラインＬ４を開放し、ラインＬ４のガスが水素利用部２に流れるようにする。なお、改質部１の改質層２２が活性化した状態とは、改質層２２での改質反応が進行し、改質層２２から流出するガスに含まれる未反応の改質原料が、所定量以下となっている状態である。例えば、図１に示すような水素製造装置１００においては、改質層２２から流出するガスに含まれるアンモニアが１％以下の濃度となった場合、改質部１が活性化したといえる。ただし、活性化したと言える基準値は、水素製造装置１００の構成などによって適宜変更されるものであるため、特に限定されるものではなく、製造時に任意に設定することができる。
【００２３】
水素製造装置１００は、温度検出部２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃと、組成検出部２０Ｄと、を備える。温度検出部２０Ａは、改質部１内の燃焼層２１と改質層２２との間の空間に設けられ、当該位置における温度を検出する。温度検出部２０Ｂは、改質層２２内に設けられ、当該位置における温度を検出する。温度検出部２０Ｃは、改質部１内の改質層２２よりも下流側の空間に設けられ、当該位置における温度を検出する。温度検出部２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃは、温度センサによって構成される。組成検出部２０Ｄは、改質層２２から流出するガスの組成を検出する。組成検出部２０Ｄは、ガス中に水素、未反応のアンモニア及びその他の物質がどの程度含まれるかを検出することができる。組成検出部２０Ｄは、組成センサによって構成される。
【００２４】
制御部（遮断部）５０は、水素製造装置１００全体の動作を制御する。制御部５０は、プロセッサ、メモリ、ストレージ、通信インターフェース及びユーザインターフェースを備える。プロセッサは、ＣＰＵ（Central  Processing  Unit）などの演算器である。メモリは、ＲＯＭ（Read  Only  Memory）やＲＡＭ（Random  Access  Memory）などの記憶媒体である。ストレージは、ＨＤＤ（Hard  Disk  Drive）などの記憶媒体である。通信インターフェースは、データ通信を実現する通信機器である。ユーザインターフェースは、液晶やスピーカなどの出力器、及び、キーボードやタッチパネルやマイクなどの入力器である。プロセッサは、メモリ、ストレージ、通信インターフェース及びユーザインターフェースを統括し、各種機能を実現する。制御部５０では、例えば、ＲＯＭに記憶されているプログラムをＲＡＭにロードし、ＲＡＭにロードされたプログラムをＣＰＵで実行することにより各種の機能を実現する。
【００２５】
制御部５０は、温度検出部２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ及び組成検出部２０Ｄと電気的に接続されており、検出結果を取得することができる。制御部５０は、切替弁１１，１２，１３，１４，１５と、送気部１６と電気的に接続されており、これらの動作を制御することができる。制御部５０は、水素製造装置１００の起動後から改質部１の改質層２２が活性化されるまで、切替弁１３を閉じるように制御し、ラインＬ４を流れるガスを遮断する。また、このとき、制御部５０は、切替弁１４，１５を開とし、且つ、送気部１６を作動させることで、改質部１からのガスを循環ラインＬ５で循環させる。制御部５０は、改質部１の改質層２２が活性化したタイミングで、切替弁１３を開とし、ラインＬ４を介して水素利用部２にガスが流れるようにする。
【００２６】
制御部５０が、改質部１の改質層２２が活性化したことを判定するために、温度検出部２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃの検出結果を用いてよい。すなわち、制御部５０は、温度検出部２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃの検出結果に基づいて切替弁１３によるガスの流れの遮断を解除する。制御部５０は、温度検出部２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃで検出される温度が、予め設定された閾値に到達したときに、改質層２２が活性化したと判定してよい。制御部５０は、温度検出部２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃのうちの何れか二つ、又は一つの検出結果だけを用いてもよい。この場合、検出に用いられない温度検出部は省略してよい。なお、温度検出部２０Ａ，２０Ｃは、改質層２２の内部の温度検出部２０Ｂに比して、設置が容易である。温度検出部２０Ｂは、改質層２２の内部に設けられているため、改質層２２の温度を直接検出することができる。
【００２７】
また、制御部５０は、組成検出部２０Ｄの検出結果に基づいて切替弁１３によるガスの流れの遮断を解除する。例えば、組成検出部２０Ｄで検出された検出結果に係る未反応のアンモニアの量が所定の閾値以下となったときに、改質層２２が活性化したと判定してよい。その他、制御部５０は、水素製造装置１００を起動させてから、経過時間が所定の閾値となったときに、改質層２２が活性化したと判定してよい。なお、判定条件として、温度、組成、時間を示したが、制御部５０は、少なくとも何れか一つの判定条件に基づいて判定してよい。なお、各判定条件における閾値は、事前の実験などによって適宜設定されてよい。
【００２８】
次に、図２を参照して、水素製造装置１００の起動時における制御部５０の処理内容について説明する。図２は、水素製造装置の起動時における制御部の処理内容を示すフローチャートである。
【００２９】
図２に示すように、制御部５０は、水素製造装置１００の運転を開始する（ステップＳ１０）。このとき、制御部５０は、切替弁１１，１２を開とすることで、改質部１へアンモニウムガス及び酸素を供給する。また、制御部５０は、切替弁１３を閉とすることで、改質部１からのガスをラインＬ４で遮断する。また、制御部５０は、切替弁１４，１５を開とし、送気部１６を起動させて、改質部１からのガスを循環ラインＬ５及び改質部１にて循環させる。
【００３０】
次に、制御部５０は、改質部１が活性化したか否かを判定する（ステップＳ２０）。Ｓ２０において、制御部５０によって改質部１が活性化していないと判定された場合、制御部５０は、循環ラインＬ５を用いたガスの循環を継続する（ステップＳ３０）。一方、制御部５０によって改質部１が活性化したと判定された場合、制御部５０は、循環ラインＬ５を用いたガスの循環を停止する（ステップＳ４０）。このとき、制御部５０は、送気部１６を停止させる。また、制御部５０は、切替弁１３を開として、改質部１からのガスを水素利用部２へ供給する。以上により、図２に示す処理が終了し、改質部１での改質を継続する。
【００３１】
次に、本実施形態に係る水素製造装置１００の作用・効果について説明する。
【００３２】
この水素製造装置１００は、改質部１の下流側のラインＬ４に設けられ、ガスの流れを遮断する切替弁１３を備える。また、切替弁１３は、水素製造装置１００の起動後から改質部１が活性化されるまで、ラインＬ４を流れるガスを遮断する。これにより、改質部１が活性化される前の状態においては、切替弁１３は、ラインＬ４を流れるガスを遮断することで、当該ガスが水素製造装置１００の下流側へ流れることを抑制することができる。すなわち、改質部１が活性化していないことによって、改質部１から流出するガスに未反応の改質原料が含まれていたとしても、当該ガスを切替弁１３で遮断できる。以上により、未反応の改質原料が水素製造装置１００の下流側へ流れることを抑制できる。
【００３３】
ラインＬ４の切替弁１３よりも上流側の部分と、改質部１の上流側のラインＬ３とに接続される循環ラインＬ５と、切替弁１３で遮断されたガスを循環ラインＬ５を介してラインＬ４からラインＬ３へ送る送気部１６と、を備える。この場合、改質部１から流出されるガスに未反応の改質原料が含まれていても、当該ガスがラインＬ４、循環ラインＬ５及びラインＬ３を介して改質部１へ再び供給される。よって、未反応の改質原料を改質部１で再度改質することができる。
【００３４】
改質部１は、アンモニアガスを燃焼させることで発熱する燃焼層２１と、燃焼層２１の下流側に設けられ、アンモニアガスを改質して改質ガスを生成する改質層２２と、を備える。このような構成を有する改質部１は、燃焼層２１で発生した熱が下流側の改質層２２で用いられるため、改質部１の活性化が早くなる。例えば、水素製造装置１００が車などに搭載される場合、起動と停止の頻度が、例えば水素ステーションなどの備え付けタイプの装置よりも多くなる。
【００３５】
改質部１の温度を検出する温度検出部２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃを備え、切替弁１３は、温度検出部２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃの検出結果に基づいてガスの流れの遮断を解除する。改質部１の温度を用いることで遮断を解除するタイミングを容易に判定することができる。
【００３６】
本発明は、上述の実施形態に限定されるものではない。
【００３７】
図３に示すように、水素製造装置２００は、ラインＬ４の切替弁１３よりも上流側に設けられ、切替弁１３で遮断されたガスを無害化して排出する排出部２５を備えてよい。排出部２５は、ラインＬ４のうち、切替弁１３よりも上流側の部分に接続される排出ラインＬ６に設けられる。排出ラインＬ６の先端は大気開放されている。従って、改質部１から流出したガスは、排出部２５で無害化された後、排出ラインＬ６から大気へ排出される。排出部２５は、例えば未反応のアンモニアを窒素と水に分解するための触媒などを有している。これにより、改質部１から流出されるガスに未反応の改質原料が含まれていても、排出部２５で無害化して排出することができる。例えば、酸化燃焼によりガスを無害化することができる。排出部２５は、必要に応じて空気（酸素）を添加供給する機能を有する。
【００３８】
また、改質部の構成は上述の実施形態の様なオートサーマル式の改質部に限定されない。例えば、図４に示すような熱交換型の改質部３０が採用されてもよい。図４（ａ）に示すように、改質部３０は、アンモニアを水素に分解する改質触媒を含む複数の改質層３０ａと、アンモニアを燃焼する燃焼触媒を含む複数の燃焼層３０ｂと、を有している。改質層３０ａは、ガス流入口３２ａからのアンモニアガスを改質して、ガス流出口３３ａから改質ガスを流出させる。燃焼層３０ｂは、ガス流入口３２ｂからのアンモニアガス及び酸素を燃焼させて、排気ガスをガス流出口３３ｂから流出させる。改質層３０ａと燃焼層３０ｂとが交互に複数段積層される。このような構成により、改質層３０ａは、燃焼層３０ｂで発生した熱を利用して改質を行うことができる。図４（ｂ）に示すように、燃料供給部３は、改質層３０ａ及び燃焼層３０ｂにアンモニアガスを供給する。また、酸素供給部４は、燃焼層３０ｂに酸素を供給する。水素製造装置３００のその他の構成については、図１に示す水素製造装置１００と同様である。
【００３９】
その他、アンモニアガスを加熱する加熱機構と、アンモニアガスを改質する改質部とが互いに独立したような構成を採用してもよい。
【符号の説明】
【００４０】
１，３０…改質部、１３…切替弁（遮断部）、１６…送気部、２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ…温度検出部、２１…燃焼層、２２…改質層、２５…排出部、１００，２００，３００…水素製造装置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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