(57)【要約】【課題】改質触媒の劣化を抑制することができる改質システムを提供する。【解決手段】改質システム１は、空気を窒素と酸素とに分離する分離部６を備えている。従って、分離部６に対して空気を供給することで、分離部６は、当該空気を窒素と酸素とに分離することができる。また、改質システム１は、分離部６で分離された窒素を加熱して改質部３へ供給する加熱部７を備えている。従って、改質部３には、加熱された状態の窒素が供給される。この場合、加熱された窒素が改質部３に供給されることによって、改質部３の改質触媒３ａの温度は上昇する。また、このような改質触媒３ａの温度上昇が、酸素から分離した窒素によって行われるため、改質触媒３ａの酸化が抑制される。このように、酸化が抑制された状態で改質触媒３ａの温度上昇が行われることで、改質触媒３ａの劣化を抑制することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素含有原料を水素に分解する改質触媒を有し、前記水素含有原料を改質して水素ガスを含有した改質ガスを生成する改質部と、
前記改質部に前記水素含有原料を供給する原料供給部と、
空気を窒素と酸素とに分離する分離部と、
前記分離部で分離された前記窒素を加熱して前記改質部へ供給する加熱部と、を備える、改質システム。
【請求項２】
前記分離部で分離された前記酸素の供給先を前記改質部と、他の部分とで切り替える切替部を更に備え、
前記切替部は、前記改質触媒が目標温度となるまで、前記酸素の供給先を前記他の部分へ設定し、前記改質触媒が前記目標温度となったら、前記酸素の供給先を前記改質部へ設定する、請求項１に記載の改質システム。
【請求項３】
前記原料供給部は、前記改質触媒が目標温度となるまで、前記水素含有原料の供給を停止し、前記改質触媒が前記目標温度となったら、前記改質部へ前記水素含有原料を供給する、請求項１又は２に記載の改質システム。
【請求項４】
前記分離部に前記空気を供給する空気供給部は、前記改質触媒が定常状態になったら、前記空気を前記改質部へ供給する、請求項１〜３の何れか一項に記載の改質システム。
【請求項５】
前記分離部で分離された前記窒素を貯留する第１のバッファタンクと、
前記分離部で分離された前記酸素を貯留する第２のバッファタンクと、を更に備える、請求項１〜４の何れか一項に記載の改質システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、改質システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の改質システムとしては、例えば特許文献１に記載されている技術が知られている。特許文献１に記載の改質システムは、原料ガスとしてのアンモニアと酸素を燃焼触媒で燃焼させると共に改質を行うことで、水素ガスを含む改質ガスを生成している。これにより、改質システムは、燃焼によって発生した熱を利用して、改質を行っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２４０６４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記従来技術のような改質システムでは、原料ガスと共に酸素を供給することにより、起動時における温度上昇中に、改質触媒が劣化する可能性があった。すなわち、起動時に改質触媒の温度が上昇していない状態にて酸素が供給されることで、改質触媒が酸化する可能性がある。従って、改質触媒が酸化によって劣化することを抑制することが求められていた。
【０００５】
本発明の目的は、改質触媒の劣化を抑制することができる改質システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様に係る改質システムは、水素含有原料を水素に分解する改質触媒を有し、水素含有原料を改質して水素ガスを含有した改質ガスを生成する改質部と、改質部に水素含有原料を供給する原料供給部と、空気を窒素と酸素とに分離する分離部と、分離部で分離された窒素を加熱して改質部へ供給する加熱部と、を備える。
【０００７】
このような改質システムは、空気を窒素と酸素とに分離する分離部を備えている。従って、分離部に対して空気を供給することで、分離部は、当該空気を窒素と酸素とに分離することができる。また、改質システムは、分離部で分離された窒素を加熱して改質部へ供給する加熱部を備えている。従って、改質部には、加熱された状態の窒素が供給される。この場合、加熱された窒素が改質部に供給されることによって、改質部の改質触媒の温度は上昇する。また、このような改質触媒の温度上昇が、酸素から分離した窒素によって行われるため、改質触媒の酸化が抑制される。このように、酸化が抑制された状態で改質触媒の温度上昇が行われることで、改質触媒の劣化を抑制することができる。
【０００８】
改質システムは、分離部で分離された酸素の供給先を改質部と、他の部分とで切り替える切替部を更に備え、切替部は、改質触媒が目標温度となるまで、酸素の供給先を他の部分へ設定し、改質触媒が目標温度となったら、酸素の供給先を改質部へ設定してよい。この場合、改質触媒が目標温度となっていない状態では、酸素が改質部とは他の部分へ供給されるため、改質触媒が酸化されることを抑制できる。一方、改質触媒が目標温度となったら、酸素が改質部へ供給されることで、改質部は、窒素から分離された純度の高い酸素を用いて改質を行うことができる。
【０００９】
原料供給部は、改質触媒が目標温度となるまで、水素含有原料の供給を停止し、改質触媒が目標温度となったら、改質部へ水素含有原料を供給してよい。改質触媒の改質能力が低い段階にて、水素含有原料供給部が供給を停止することで、改質部の後段で未反応の水素含有原料を処理する必要が無くなる。
【００１０】
分離部に空気を供給する空気供給部は、改質触媒が定常状態になったら、空気を改質部へ供給してよい。この場合、定常状態では、分離部は改質部にガスを供給しなくてよくなる。すなわち、分離部は、起動時に必要な分のガス流量を確保しておけばよくなるので、分離部の小型化が可能となる。
【００１１】
改質システムは、分離部で分離された窒素を貯留する第１のバッファタンクと、分離部で分離された酸素を貯留する第２のバッファタンクと、を更に備えてよい。この場合、定常状態において、空気供給部が改質部に空気を送りながら、分離部にも空気を送ることで、次回の起動時に用いるための窒素及び酸素を各バッファタンクに貯めておくことができる。この場合、起動時に必要とされる分離部のガス流量を少なくできるため、分離部の小型化が可能となる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、改質触媒の劣化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態に係る改質システムを示す概略構成図である。
【図２】各種構成要素の状態を示すグラフである。
【図３】改質システムの動作を示すフローチャートである。
【図４】変形例に係る改質システムを示す概略構成図である。
【図５】変形例に係る改質システムを示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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。
【００１５】
図１は、本発明の実施形態に係る改質システムを示す概略構成図である。図１に示すように、改質システム１は、原料供給部２と、改質部３と、空気供給部４と、分離部６と、加熱部７と、コントローラ８と、を備える。
【００１６】
原料供給部２は、改質部３に水素含有原料を供給する。水素含有原料とは、組成の構成元素として水素を含む原料である。本実施形態では、水素含有原料としてアンモニア（ＮＨ３）を採用する。原料供給部２は、例えば、液体状態でアンモニアを貯蔵するタンクと、当該液体状態のアンモニアを気化してアンモニアガスとする気化器と、を備える。原料供給部２は、ラインＬ１を介して、改質部３へアンモニアガスを供給する。原料供給部２は、ポンプなどを用いてアンモニアガスをラインＬ１へ流す。
【００１７】
改質部３は、アンモニアガスを改質して、水素ガスを含有した改質ガスを生成する。改質部３は、アンモニアガスを水素に分解する改質触媒３ａを有している。改質触媒３ａは、アンモニアガスを水素に分解する機能に加え、アンモニアガスを燃焼させる機能も有してよい。改質触媒３ａとしては、例えばパラジウム、ロジウムまたは白金等が用いられる。改質部３にて生成された改質ガスは、ラインＬ５を介して水素利用部１１に供給される。水素利用部１１は、改質ガスに含有された水素を利用する部分である。水素利用部１１としては、例えば水素と空気中の酸素とを化学反応させて発電を行う燃料電池、アンモニアを燃料としたアンモニアエンジンまたはアンモニアガスタービン等が挙げられる。
【００１８】
改質部３には、改質触媒３ａの温度を検出する温度センサ１０が設けられている。温度センサ１０は、アンモニアガスが流入する改質触媒３ａの入口部の温度、及び改質ガスが流出する改質触媒３ａの出口部の温度を検出する。
【００１９】
空気供給部４は、空気を分離部６へ供給する。空気供給部４としては、例えば大気中の空気を分離部６へ送る送風機等が用いられる。空気供給部４は、ラインＬ２を介して空気を分離部６へ供給する。
【００２０】
分離部６は、空気を窒素と酸素とに分離する。具体的には、分離部６は、空気から酸素と窒素とを分離する分離膜によって構成される。このような分離膜の材料として、ポリイミド、ゼオライト、グラフェンなどの材料が採用されてよい。分離膜の他、深冷分離法や吸着分離法などによって空気を窒素と酸素とに分離してもよい。なお、深冷分離法とは、空気を極低温まで冷却することで液化し、酸素と窒素の沸点の違いを利用して蒸留を行うことで分離を行う方法である。また、吸着分離法は、吸着剤で空気中の窒素を選択的に吸着することで、酸素と窒素を分離する方法である。分離部６は、分離した窒素をラインＬ３を介して改質部３に供給可能であり、分離した酸素をラインＬ４を介して改質部３に供給可能である。
【００２１】
加熱部７は、分離部６で分離された窒素を加熱して改質部３へ供給する。加熱部７は、例えば電気ヒータによって構成される。このような電気ヒータとして、ＥＨＣ（電気加熱式触媒装置：Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ  Ｈｅａｔｅｄ  Ｃａｔａｌｙｓｔ）のヒータが用いられてよい。加熱部７は、分離部６と改質部３との間のラインＬ３に設けられ、当該ラインＬ３を通過する窒素を加熱する。
【００２２】
改質システム１は、改質部３へ窒素を供給するためのラインＬ３に、バルブ１２を備えている。バルブ１２は、分離部６で分離された窒素の供給先を改質部３と、他の部分とで切り替える。バルブ１２は、ラインＬ３のうち、加熱部７よりも上流側に設けられる。バルブ１２は、窒素の供給先をラインＬ３の下流側の部分と、ラインＬ６との間で切り替える。ラインＬ６は、他の部分へ向かっている。他の部分は、窒素を利用する部分、または大気（ラインＬ６が大気解放された状態）である。
【００２３】
改質システム１は、改質部３へ酸素を供給するためのラインＬ４に、バルブ１３（切替部）を備えている。バルブ１３は、分離部６で分離された酸素の供給先を改質部３と、他の部分とで切り替える。バルブ１３は、酸素の供給先をラインＬ４の下流側の部分と、ラインＬ７との間で切り替える。ラインＬ７は、他の部分へ向かっている。他の部分は、酸素を利用する部分、または大気（ラインＬ７が大気解放された状態）である。
【００２４】
コントローラ８は、改質システム１全体を制御する制御部である。コントローラ８は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ及び入出力インターフェース等により構成されている。コントローラ８は、原料供給部２、空気供給部４、加熱部７、及びバルブ１２，１３に電気的に接続されており、これらに対して制御信号を送信する。また、コントローラ８は、温度センサ１０に電気的に接続されている。コントローラ８は、温度センサ１０によって検出された改質触媒３ａの温度を取得する。コントローラ８は、温度センサ１０の検出結果から改質触媒３ａが目標温度になったことを判定することができる。ここで、目標温度とは、改質触媒３ａが酸素とアンモニアによって着火可能な温度であり、例えば２００℃に設定される。また、この時の改質触媒３ａの温度は、改質触媒３ａの入口部の温度であってよい。ただし、具体的な温度の値や、改質触媒３ａのどの部分の温度などかは、特に限定されず、適宜変更されてよい。例えば、改質触媒３ａの酸化を抑制できる温度であれば、２００℃よりも低い温度が目標温度に設定されてよい。コントローラ８は、温度センサ１０の検出結果に基づいて、原料供給部２、空気供給部４、加熱部７、及びバルブ１２，１３を制御する。
【００２５】
コントローラ８は、改質システム１の起動時から改質触媒３ａが目標温度になるまでは、原料供給部２を停止し、バルブ１２を加熱部７側に開とし、バルブ１３をラインＬ７側に開とし、加熱部７をＯＮとする。また、コントローラ８は、改質触媒３ａが目標温度となったら、原料供給部２を起動し、バルブ１２をラインＬ６側に開とし、バルブ１３を改質部３側に開とし、加熱部７をＯＦＦとする。
【００２６】
これにより、原料供給部２は、改質触媒３ａが目標温度となるまで、水素含有原料の供給を停止し、改質触媒３ａが目標温度となったら、改質部３へ水素含有原料を供給する。また、バルブ１２は、起動時から改質触媒３ａが目標温度となるまで、窒素の供給先を改質部３に設定し、改質触媒３ａが目標温度となったら、窒素の供給先を他の部分へ設定する。バルブ１３は、改質触媒３ａが目標温度となるまで、酸素の供給先を他の部分へ設定し、改質触媒３ａが目標温度となったら、酸素の供給先を改質部３へ設定する。加熱部７は、起動時において、改質触媒３ａを目標温度まで加熱するために、改質部３の上流側にて窒素を加熱する。加熱部７は、改質部３に対する窒素の供給が停止されたら、加熱を停止する。
【００２７】
次に、図２及び図３を参照して、改質システム１の動作について説明する。図２は、各種構成要素の状態を示すグラフである。図２の「加熱部温度」は、加熱部７の加熱温度を示すグラフである。図２の「改質触媒」は、改質触媒３ａの温度を示すグラフである。図２の「未燃ＮＨ３」は、改質ガスに含まれるＮＨ３の量を示すグラフである。図２の「バルブ（Ｎ２）」は、バルブ１２の切替状態を示すグラフである。グラフの上段側はバルブ１２が加熱部７側に切り替えられていることを示し、下段側はバルブ１２がラインＬ６側に切り替えられていることを示す。図２の「バルブ（Ｏ２）」は、バルブ１３の切替状態を示すグラフである。グラフの上段側はバルブ１３が改質部３側に切り替えられていることを示し、下段側はバルブ１３がラインＬ７側に切り替えられていることを示す。図２の「ＮＨ３供給」は、原料供給部２のＯＮ／ＯＦＦ状態を示すグラフである。グラフの上段側がＯＮを示し、下段側がＯＦＦを示す。図２の「加熱部」は、加熱部７のＯＮ／ＯＦＦ状態を示すグラフである。グラフの上段側がＯＮを示し、下段側がＯＦＦを示す。図３は、改質システム１の動作を示すフローチャートである。図３の処理は、改質システム１の起動時においてコントローラ８で実行される処理である。
【００２８】
図３に示すように、改質システム１の起動がなされたら、コントローラ８は、起動処理を実行する（ステップＳ１０）。Ｓ１０では、コントローラ８は、空気供給部４をＯＮとし、バルブ１２を加熱部７側に開とし、加熱部７をＯＮとする。これにより、加熱された状態の窒素が改質部３に供給される。図２に示すように、加熱部７の加熱温度は上昇し、改質触媒３ａの温度も上昇する。
【００２９】
次に、コントローラ８は、改質触媒３ａの温度が目標温度Ｔ１となったか否かを判定する（ステップＳ２０）。Ｓ２０において、改質触媒３ａの温度が目標温度Ｔ１となっていないと判定された場合、コントローラ８は、Ｓ１０で設定した状態を維持しながら、Ｓ２０の処理を再び行う。
【００３０】
Ｓ２０において、改質触媒３ａの温度が目標温度Ｔ１となったと判定された場合、コントローラ８は、着火処理を実行する（ステップＳ３０）。Ｓ３０では、コントローラ８は、バルブ１３を改質部３側に開とし、原料供給部２をＯＮとする。また、コントローラ８は、窒素停止処理を実行する（ステップＳ４０）。Ｓ４０では、コントローラ８は、バルブ１２を加熱部７に対して閉とし、加熱部７をＯＦＦとする。これにより、アンモニアガスと酸素が改質部３に供給され、改質触媒３ａにて着火が起こり、アンモニアが燃焼する。このとき、窒素の改質部３に対する供給は停止される。改質触媒３ａでの燃焼が行われることで、図２に示すように、改質触媒３ａの温度が上昇し、温度Ｔ２に達することで改質触媒３ａが定常状態となる。また、着火直後はアンモニウムガスの一部が燃焼されないことにより、原料供給部２から供給されるアンモニアガスの増加に従って、改質ガスに含まれるアンモニアの量が増加するが、ある程度燃焼が進むと、改質ガスに含まれるアンモニアの量は減少する。定常状態となると、改質ガスに含まれる未燃焼のアンモニアの量は一定となる。以降は、改質システム１が停止するまで同じ状態が維持され、図３に示す処理が終了する。
【００３１】
次に、本実施形態に係る改質システム１の作用・効果について説明する。
【００３２】
本実施形態に係る改質システム１は、空気を窒素と酸素とに分離する分離部６を備えている。従って、分離部６に対して空気を供給することで、分離部６は、当該空気を窒素と酸素とに分離することができる。また、改質システム１は、分離部６で分離された窒素を加熱して改質部３へ供給する加熱部７を備えている。従って、改質部３には、加熱された状態の窒素が供給される。この場合、加熱された窒素が改質部３に供給されることによって、改質部３の改質触媒３ａの温度は上昇する。また、このような改質触媒３ａの温度上昇が、酸素から分離した窒素によって行われるため、改質触媒３ａの酸化が抑制される。このように、酸化が抑制された状態で改質触媒３ａの温度上昇が行われることで、改質触媒３ａの劣化を抑制することができる。
【００３３】
改質システム１は、分離部６で分離された酸素の供給先を改質部３と、他の部分とで切り替えるバルブ１３を更に備える。バルブ１３は、改質触媒３ａが目標温度となるまで、酸素の供給先を他の部分へ設定し、改質触媒３ａが目標温度となったら、酸素の供給先を改質部３へ設定する。この場合、改質触媒３ａが目標温度となっていない状態では、酸素が改質部３とは他の部分へ供給されるため、改質触媒３ａが酸化されることを抑制できる。一方、改質触媒３ａが目標温度となったら、酸素が改質部３へ供給されることで、改質部３は、窒素から分離された純度の高い酸素を用いて改質を行うことができる。
【００３４】
原料供給部２は、改質触媒３ａが目標温度となるまで、アンモニアガスの供給を停止し、改質触媒３ａが目標温度となったら、改質部３へアンモニアガスを供給する。改質触媒３ａの改質能力が低い段階にて、原料供給部２が供給を停止することで、改質部３の後段で未反応の水素含有原料を処理する必要が無くなる。
【００３５】
本発明は、上述の実施形態に限定されるものではない。
【００３６】
上述の実施形態では、改質触媒３ａが定常状態になった後も、空気供給部４は、分離部６へ空気を供給していた。これに代えて、図４に示すような構成を採用してもよい。図４に示す改質システム１は、空気供給部４が分離部６に空気を供給するためのラインＬ２から分岐して、改質部３に接続されるラインＬ１０を備えている。ラインＬ１０には、バルブ２０が設けられる。コントローラ８は、改質触媒３ａが定常状態になるまでは、バルブ２０を閉としておき、改質触媒３ａが定常状態となったら、バルブ２０を開とする。これにより、空気供給部４は、改質触媒３ａが定常状態となるまでは、ラインＬ２を介して分離部６へ空気を供給する。一方、空気供給部４は、改質触媒３ａが定常状態になったら、ラインＬ１０を介して空気を改質部３へ供給する。
【００３７】
この場合、定常状態では、分離部６は改質部３にガスを供給しなくてよくなる。すなわち、分離部６は、起動時に必要な分のガス流量を確保しておけばよくなるので、分離部６の小型化が可能となる。例えば、定常状態において、分離部６が酸素を改質部３へ供給する場合、分離部６のガス流量は、改質部３での改質反応に必要な量の酸素をまかなえるような大きさに設定される。これに対し、図４の改質システム１では、分離部６のガス流量は、起動時に改質部３での加熱に必要な量の窒素をまかなえる程度の大きさに設定されればよい。従って、図４の改質システム１の分離部６は、図１の改質システム１の分離部６に比して、小型化を図ることができる。
【００３８】
また、図５に示すような改質システム１を採用してもよい。図５に示す改質システム１は、分離部６で分離された窒素を貯留する第１のバッファタンク２１と、分離部６で分離された酸素を貯留する第２のバッファタンク２２と、を更に備える。この場合、定常状態において、空気供給部４が改質部３に空気を送りながら、分離部６にも空気を送ることで、次回の起動時に用いるための窒素及び酸素を各バッファタンクに貯めておくことができる。
【００３９】
例えば、次回の起動時には、起動と同時に、第１のバッファタンク２１から加熱部７に速やかに窒素を供給することができる。そして、改質触媒３ａが目標温度となったら、第２のバッファタンク２２から改質部３に速やかに酸素を供給することができる。この場合、起動時に必要とされる分離部６のガス流量を少なくできるため、分離部６の小型化が可能となる。すなわち、図１及び図４に示す改質システム１では、分離部６のガス流量は、起動時において、改質触媒３ａを加熱するのに必要な量の窒素をまかなえる大きさに設定する必要がある。これに対し、図５に示す改質システム１では、第１のバッファタンク２１が、予め貯めておいた窒素を用いて改質触媒３ａを加熱することができる。この場合、分離部６は、定常状態において、十分な時間をかけて第１のバッファタンク２１に窒素を貯留できるため、分離部６のガス流量は小さくてもよい。
【００４０】
また、上記実施形態では、燃料ガスとしてアンモニアガスを使用しているが、本発明は、燃料ガスとして炭化水素ガス等を使用した改質システムにも適用可能である。
【符号の説明】
【００４１】
１…改質システム、２…原料供給部、３…改質部、３ａ…改質触媒、４…空気供給部、６…分離部、７…加熱部、１３…バルブ（切替部）、２１…第１のバッファタンク、２２…第２のバッファタンク。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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