(57)【要約】【課題】優れた起動性や過渡応答特性を有し、小型化を実現し得る水素生成装置を提供することにある。【解決手段】水素生成装置は、加熱部と、燃料を改質ガスに改質する改質部と、該改質部で改質した改質ガスから水素ガスを分離抽出する水素分離膜と、該水素分離膜で分離抽出した水素ガスが流れる透過部と、該透過部に対して酸素低濃度ガスを供給するガス供給手段と、を具備する。上記ガス供給手段は、内燃機関においてストイキ燃焼された排ガスを上記透過部に導入する第１排ガス導入部を備えている。【選択図】図１
2010024070.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱部と、
燃料を改質ガスに改質する改質部と、
上記改質部で改質した改質ガスから水素ガスを分離抽出する水素分離膜と、
上記水素分離膜で分離抽出した水素ガスが流れる透過部と、
上記透過部に対して酸素低濃度ガスを供給するガス供給手段と、
を具備することを特徴とする水素生成装置。
【請求項２】
上記ガス供給手段が、内燃機関においてストイキ燃焼された排ガスを上記透過部に導入する第１排ガス導入部を備えていることを特徴とする請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項３】
上記ガス供給手段が、内燃機関においてリーン燃焼された排ガスを上記加熱部に導入する第２排ガス導入部と、燃料を該加熱部に導入する燃料導入部及び上記改質部において改質された排改質ガスを該加熱部に導入する排改質ガス導入部のうちの少なくとも１つの導入部と、該加熱部においてストイキ燃焼された排ガスを上記透過部に導入する第３排ガス導入部と、を備えていることを特徴とする請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項４】
上記ガス供給手段が、内燃機関においてリーン燃焼された排ガスから高濃度窒素ガス及び／又は高濃度二酸化炭素ガスを分離抽出することにより酸素低濃度ガスを生成する酸素低濃度ガス生成手段と、内燃機関においてリーン燃焼された排ガスを該酸素低濃度ガス生成手段に導入する第４排ガス導入部と、該酸素低濃度ガス生成手段において生成された酸素低濃度ガスを上記透過部に導入する第５排ガス導入部と、を備えていることを特徴とする請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項５】
上記ガス供給手段が、上記加熱部においてリッチ燃焼された燃焼ガスを上記透過部に導入する第１燃焼ガス導入部を備えていることを特徴とする請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項６】
上記ガス供給手段が、燃焼手段と、上記改質部及び上記加熱部のうちの少なくとも１つに導入される燃料及び／又は該改質部に導入される水と該燃焼手段においてリッチないしストイキ燃焼された燃焼ガスとの熱交換を行う第１熱交換手段と、該加熱部においてリーン燃焼された燃焼ガスを該燃焼手段に導入する第２燃焼ガス導入部と、該燃焼手段においてリッチないしストイキ燃焼された燃焼ガスを該第１熱交換手段に導入する第３燃焼ガス導入部と、該第１熱交換手段において熱交換された燃焼ガスを上記透過部に導入する第４燃焼ガス導入部と、を備えていることを特徴とする請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項７】
上記ガス供給手段が、燃焼手段と、上記改質部、上記加熱部及び上記燃焼手段のうちの少なくとも１つに導入される燃料及び／又は該改質部に導入される水と該燃焼手段においてストイキ燃焼された燃焼ガスとの熱交換を行う第２熱交換手段と、該加熱部においてリーン燃焼された燃焼ガスを該燃焼手段に導入する第５燃焼ガス導入部と、該燃焼手段においてストイキ燃焼された燃焼ガスを該第２熱交換手段に導入する第６燃焼ガス導入部と、該第２熱交換手段において熱交換された燃焼ガスを上記透過部に導入する第７燃焼ガス導入部と、を備えていることを特徴とする請求項１に記載の水素生成装置。  
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素生成装置に係り、更に詳細には、酸素低濃度ガスを供給するガス供給手段を具備する水素生成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球環境問題に対する関心の高まりから、水素を内燃機関や燃料電池システム、排ガス浄化装置に供給することによって、燃費の向上やエネルギー効率の向上、排ガス浄化率の向上を図ることが考えられている。
液体燃料から高純度の水素を得るための水素生成装置として、改質部、シフト反応部及び一酸化炭素除去部を備える改質システムが知られている。このような改質システムは、複雑であり小型化することに困難を伴う。
また、液体燃料から高純度の水素を得るための他の水素生成装置として、改質部及び水素透過膜を備える改質システムが知られている。このような改質システムは、シフト反応部や一酸化炭素除去部を必須の構成要素としないため、小型化することが比較的容易である。
そして、改質部及び水素透過膜を備える水素生成装置として、水蒸気発生手段や、この水蒸気発生手段で発生した水蒸気を水素透過側に供給する水蒸気供給経路を備える水素生成装置が提案されている（特許文献１参照。）。
なお、上記水素生成装置においては、水蒸気をスイープガスとして利用することにより、水素透過側の水素分圧を低下させることができる。そして、水素透過側と改質部との水素分圧差を大きくすることが可能であるため、水素の分離抽出が促進されるようになる。
【０００３】
【特許文献１】特許第３７７３４３７号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１に記載の水素生成装置においては、スイープガスとして水蒸気を利用するので、ボイラーなどの水蒸気発生手段が必須であり、更に水蒸気の凝縮を防止する必要もあるため、システムが大型化してしまうという問題がある。
また、ボイラーなどの水蒸気発生手段を利用するので、システムの起動性や過渡応答特性が低いという問題もある。
【０００５】
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、優れた起動性や過渡応答特性を有し、小型化を実現し得る水素生成装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者らは、上記目的を達成するため鋭意検討を重ねたところ、燃料を改質ガスに改質する改質部と、該改質部で改質した改質ガスから水素ガスを分離抽出する水素分離膜と、該水素分離膜で分離抽出した水素ガスが流れる透過部と、該透過部に対して酸素低濃度ガスを供給するガス供給手段とを具備する構成とすることにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００７】
即ち、本発明の水素生成装置は、燃料を改質ガスに改質する改質部と、該改質部で改質した改質ガスから水素ガスを分離抽出する水素分離膜と、該水素分離膜で分離抽出した水素ガスが流れる透過部と、該透過部に対して酸素低濃度ガスを供給するガス供給手段とを具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、燃料を改質ガスに改質する改質部と、該改質部で改質した改質ガスから水素ガスを分離抽出する水素分離膜と、該水素分離膜で分離抽出した水素ガスが流れる透過部と、該透過部に対して酸素低濃度ガスを供給するガス供給手段とを具備する構成としたため、優れた起動性や過渡応答特性を有し、小型化を実現し得る水素生成装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の若干の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態の全図においては、同一又は対応する部分には同一の符号を付す。
【００１０】
図１は、本発明の第１実施形態に係る水素生成装置の構成の一例を示す概略図である。
同図に示すように、この水素生成装置は、加熱部１０と、改質部２０、水素透過膜３０と、透過部４０と、ガス供給手段５０とを具備する。
【００１１】
加熱部１０は、改質部２０での反応に必要な熱を供給する部分である。従って、改質部に効率良く熱を伝えられる構造を有することが望ましい。
例えば、加熱ガスを流通させることにより加熱するようにすることができるが、これに限定されるものではない。例えば、ヒータを設置して、このヒータにより加熱してもよい。また、加熱部に燃料、排ガス、排改質ガス、空気などを適宜を供給して、これらを燃焼させて燃焼ガスを得、この燃焼ガスにより加熱してもよい。なお、その際には、燃焼触媒を用いてもよい。
燃焼ガスを得ることができる燃焼触媒としては、例えば白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）等の貴金属や銅（Ｃｕ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）等の遷移金属をアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、セリア（ＣｅＯ２）、シリカ（ＳｉＯ２）、チタニア（ＴｉＯ２）等の無機多孔体に担持したものを挙げることができる。
【００１２】
改質部２０は、燃料及び水から水素を得る反応を行う部分である。改質部２０には、燃料導入部２１ａから燃料が供給され、水導入部２１ｂから水が導入される。
例えば、改質用触媒としてロジウム（Ｒｈ）をアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）の無機多孔体に担持したものを配置すればよいが、これに限定されるものではない。
一般的には、水蒸気改質反応により水素を得ることができるが、脱水素反応、部分酸化反応、オートサーマルリフォーミング反応、分解反応などを利用しても構わない。
各反応に適した触媒を配置し、燃料及び反応に必要な水蒸気や空気などを供給する必要がある。燃料から水素を得ることができる触媒としては、例えば燃料改質用触媒、脱水素反応用触媒、水性ガスシフト反応用触媒などが挙げられる。
具体的には、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、ルテニウム（Ｒｕ）等の貴金属や銅（Ｃｕ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）等の遷移金属をアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、セリア（ＣｅＯ２）、シリカ（ＳｉＯ２）、チタニア（ＴｉＯ２）等の無機多孔体に担持したものを挙げることができる。触媒は、ペレット状の触媒を充填したものであっても構わない。また、触媒成分粉末を含むスラリーを、スプレー法やウォッシュコート法などにより、フィン等に塗布すると好適である。
水素を得ることができる反応により、改質部に供給するガスなどは異なる。例えば水蒸気改質反応により水素含有ガスを得る場合には、燃料及び水蒸気の供給が必要である。また、例えば脱水素反応により水素含有ガスを得る場合には、燃料のみを供給すればよい。燃料としては、例えばガソリンなどの液体炭化水素や、エタノールなどのアルコール、アルデヒド類、天然ガスなど反応によって水素を生成可能な種々の炭化水素系燃料を用いることができる。
なお、燃料が硫黄分を含有する場合には、脱硫器を設けて、燃料の脱硫を行った後、用いることが望ましい。
水素含有ガスを得る反応や燃料により、水素生成部に配置する触媒の位置は、適宜選択することが望ましい。例えば、入口部では、水蒸気改質反応に活性の高い触媒を配置し、出口部分では、水性ガスシフト反応に活性の高い触媒を配置することが望ましい。
【００１３】
水素透過膜３０としては、特に限定されるものではないが、例えば、パラジウム（Ｐｄ）系合金、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）系合金の膜やシリカ系、ゼオライト系の分子ふるい機能を利用した膜を使用できる。
水素透過膜は、膜厚が薄いほど、水素透過量が増すため、薄膜化に関する研究が盛んに行われている。薄膜化された水素透過膜を用いることで、水素生成装置をより小型化することができる。また、小型化することにより、Ｐｄ使用量を抑えることもできるため、薄膜化された水素透過膜を用いることが望ましい。
更に、水素生成装置の小型化を考慮すると、平板状の水素透過膜であることが望ましい。平板状の水素透過膜を得るに際し、支持体上に水素透過膜を形成してもよいが、薄膜の水素透過膜を形成した後に、支持体上に配置させて強度を確保してもよい。
支持体は、水素透過膜の強度を補強する機能と共に、透過した水素の流れを妨げないようにする機能を備える必要があり、多孔体のプレートであることが望ましい。
多孔体プレートは、セラミック製のものでも、金属製のものでも構わない。なお、金属製のものを用いる場合には、水素透過膜と合金を形成する可能性がある成分が含まれている場合がある。このような場合には、多孔体プレートの表面に水素透過膜との合金化を阻止するための保護層を設ける必要がある。具体的には、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）やジルコニア（ＺｒＯ２）などの保護膜を金属製の多孔体プレートの表面に形成すればよい。
【００１４】
透過部４０は、改質部２０で得られた水素が水素透過膜３０を透過して得られる部分である。
なお、上述した加熱部１０や改質部２０、透過部４０においては、ガスの流れの偏りを減らし、熱の伝わりを良くするために、フィン等が設けられていることが望ましい。
【００１５】
ガス供給手段５０は、透過部４０に接続されており、酸素低濃度ガスをスイープガスとして透過部４０に供給するものである。
ここで、「酸素低濃度ガス」とは、要するに酸素が含まれていても酸素濃度が低いガス又は酸素が含まれていないガスをいう。「酸素濃度が低い」とは、透過部内の水素濃度、温度、圧力等により決定されるものであり、各条件に合わせて適宜設定すればよい。例えば、酸素濃度が５体積％以下、好ましくは３体積％以下であることをいうが、特に限定されるものではない。酸素低濃度ガスの成分としては、触媒が介在しない条件下で、水素と反応しないものであることが望ましく、例えば、窒素、二酸化炭素、水蒸気などを挙げることができる。
なお、酸素低濃度ガスは、これらの単一成分から構成されているもの、複数成分から構成されているもののいずれを用いることもできる。
【００１６】
このような構成とすることにより、自己着火する虞がなく、効率よく水素を生成することができる。また、一般に、スイープガスとして用いられている窒素ガスを利用しようとすると、従来は、例えば窒素ガスボンベを設置する必要があった。このような形態は、定置式で容積が問われない場合には問題はないが、例えば車載用などのように容積が限られている場合には、実現することが困難となる。そこで、既に車載されているものなどを利用することは、小型化を実現する上で、大きな利点となる。
【００１７】
図２は、スイープガス流量と透過水素流量との関係を示すグラフである。同図に示すように、スイープガスを流さないと水素透過側の水素分圧を低下させることができず、より多くの水素を引き抜くことができない。一方、スイープガスを流すことにより、透過する水素量は増大し、約２倍の水素を得ることができる。即ち、水素生成装置のサイズを約半分のサイズにすることができる。
【００１８】
図３は、本発明の第２実施形態に係る水素生成装置の構成の一例を示す概略図である。なお、この水素生成装置は、生成した水素を内燃機関であるエンジンに供給するものである。
同図に示すように、この水素生成装置は、加熱部１０と、改質部２０、水素透過膜３０と、透過部４０と、第１形態のガス供給手段とを具備する。
即ち、かかるガス供給手段は、エンジン１００においてλ＝１の関係を満たすストイキ燃焼された排ガスを透過部４０に導入する第１排ガス導入部５１ａを備えている。
【００１９】
このような構成とすることにより、新たな装置を設けることなく、簡便な構成によって酸素低濃度ガスを得ることができ、自己着火する虞がなく、効率良く水素を生成することができる。
特に、エンジンの排ガスを用いた場合には、暖かいガスをスイープガスとして利用することができるため、透過部が冷却されることを抑制することができる。
なお、本実施形態においては、生成した水素を内燃機関であるエンジンに供給する場合を示したが、本実施形態はこれに限定されるものではない。例えば、図示しない排ガス浄化装置に供給することもできる。
【００２０】
図４は、本発明の第３実施形態に係る水素生成装置の構成の一例を示す概略図である。なお、この水素生成装置は、生成した水素を内燃機関であるエンジンに供給するものである。
同図に示すように、この水素生成装置は、加熱部１０と、改質部２０、水素透過膜３０と、透過部４０と、第２形態のガス供給手段とを具備する。
即ち、かかるガス供給手段は、エンジン１００においてλ＞１の関係を満たすリーン燃焼された排ガスを加熱部１０に導入する第２排ガス導入部５１ｂと、燃料を加熱部１０に導入する燃料導入部５１ｃ及び改質部２０において改質された排改質ガスを加熱部１０に導入する排改質ガス導入部５１ｄのうちの少なくとも１つの導入部と、加熱部１０においてλ＝１の関係を満たすストイキ燃焼された排ガス等を透過部４０に導入する第３排ガス導入部５１ｅとを備えている。
【００２１】
なお、排改質ガスには、水素透過膜を透過しなかった水素や一酸化炭素、メタンなどの燃焼可能な成分が含まれている。
また、エンジンがλ＞１の関係を満たすリーン燃焼をしている場合には、排ガスは燃焼に利用されなかった酸素を多く含んでいる。
これらを利用することにより、加熱部において燃焼させることができる。一方で、排改質ガスに含まれる燃焼可能な成分だけでは、排ガスに含まれる全ての酸素を燃焼させることができない場合には、更に燃料を加えることもできる。
【００２２】
このような構成とすることにより、排改質ガスをより有効に利用した上で、酸素低濃度ガスを得ることができ、自己着火する虞がなく、効率良く水素を生成することができる。
なお、本実施形態においては、生成した水素を内燃機関であるエンジンに供給する場合を示したが、本実施形態はこれに限定されるものではない。例えば、図示しない排ガス浄化装置に供給することもできる。
【００２３】
図５は、本発明の第４実施形態に係る水素生成装置の構成の一例を示す概略図である。なお、この水素生成装置は、生成した水素を内燃機関であるエンジンに供給するものである。
同図に示すように、この水素生成装置は、加熱部１０と、改質部２０、水素透過膜３０と、透過部４０と、第３形態のガス供給手段とを具備する。
即ち、かかるガス供給手段は、エンジン１００においてλ＞１の関係を満たすリーン燃焼された排ガスから高濃度窒素ガス及び高濃度二酸化炭素ガスのいずれか一方又は双方を分離抽出することにより酸素低濃度ガスを生成する酸素低濃度ガス生成手段５３と、エンジン１００においてλ＞１の関係を満たすリーン燃焼された排ガスを酸素低濃度ガス生成手段５３に導入する第４排ガス導入部５１ｆと、酸素低濃度ガス生成手段５３において生成された酸素低濃度ガスを透過部４０に導入する第５排ガス導入部５１ｇとを備えている。
【００２４】
なお、エンジンの排ガス中には、酸素以外に窒素、二酸化炭素、水蒸気などが多く含まれている。従って、例えば、酸素低濃度ガス生成手段として、窒素分離手段や二酸化炭素分離手段を利用し、これらを濃縮することによって、酸素低濃度ガスを得ることができる。窒素分離手段としては、例えばポリイミド製の窒素分離膜装置（宇部興産株式会社製、ＮＭ−Ｃ１０Ａ）などが市販されている。
【００２５】
このような構成とすることにより、λ＝１の関係を満たすストイキ燃焼以外の燃焼の場合にも、排ガス中の酸素以外のガスのうちの少なくとも一成分を濃縮したガスを酸素低濃度ガスとして得ることができ、自己着火する虞がなく、効率良く水素を生成することができる。
なお、本実施形態においては、生成した水素を内燃機関であるエンジンに供給する場合を示したが、本実施形態はこれに限定されるものではない。例えば、図示しない排ガス浄化装置に供給することもできる。
【００２６】
図６は、本発明の第５実施形態に係る水素生成装置の構成の一例を示す概略図である。なお、この水素生成装置は、生成した水素を、これを用いることにより機能を発揮する水素供給部１１０に供給するものである。また、水素供給部としては、例えば、上述したエンジンの他、燃料電池システムや排ガス浄化装置を挙げることができる。
同図に示すように、この水素生成装置は、加熱部１０と、改質部２０、水素透過膜３０と、透過部４０と、第４形態のガス供給手段とを具備する。
即ち、かかるガス供給手段は、加熱部１０においてλ＜１の関係を満たすリッチ燃焼された燃焼ガスを透過部４０に導入する第１燃焼ガス導入部５５ａを備えている。
【００２７】
なお、加熱部には、燃料導入部５１ｃからの燃料と空気導入部１０ａからの空気とが供給される。加熱部においては、改質部での反応に必要な熱を供給することができればよいので、リッチ燃焼であってもリーン燃焼であっても構わないが、例えばリッチ燃焼させることで、加熱部の燃焼ガスには、酸素低濃度ガスを得ることができる。また、リッチ燃焼させる際には、燃焼温度が高くなる場合があるので、高くなりすぎる場合には他のガス等で希釈しても構わない。
【００２８】
このような構成とすることにより、簡便な構成によって酸素低濃度ガスを得ることができ、自己着火する虞がなく、効率良く水素を生成することができる。
【００２９】
図７は、本発明の第６実施形態に係る水素生成装置の構成の一例を示す概略図である。なお、この水素生成装置は、生成した水素を、これを用いることにより機能を発揮する水素供給部１１０に供給するものである。また、水素供給部としては、例えば、上述したエンジンの他、燃料電池システムや排ガス浄化装置を挙げることができる。
同図に示すように、この水素生成装置は、加熱部１０と、改質部２０、水素透過膜３０と、透過部４０と、第５形態のガス供給手段とを具備する。
即ち、かかるガス供給手段は、燃焼手段５７と、改質部２０及び加熱部１０のうちの少なくとも１つに導入される燃料及び改質部２０に導入される水の一方又は双方と燃焼手段５７においてλ≦１の関係を満たすリッチないしストイキ燃焼された排ガスとの熱交換を行う第１熱交換手段５９ａ、５９ｂと、加熱部１０においてλ＞１の関係を満たすリーン燃焼された燃焼ガスを燃焼手段５７に導入する第２燃焼ガス導入部５５ｂと、燃焼手段５７においてλ≦１の関係を満たすリッチないしストイキ燃焼された燃焼ガスを第１熱交換手段５９ａ、５９ｂに導入する第３燃焼ガス導入部５５ｃと、第１熱交換手段５９ａ、５９ｂにおいて熱交換された燃焼ガスを透過部４０に導入する第４燃焼ガス導入部５５ｄとを備えている。
【００３０】
加熱部でリッチ燃焼した燃焼ガスには、酸素はほとんど含まれないが、多くの未燃の燃料が含まれている。このような燃焼ガスを透過部に供給し、スイープガスとして用いた後、排気してしまうのでは、投入した燃料を有効に利用できていないことになる。
そこで、未燃の燃料を有効に利用するため、空気を加えて一部を燃焼させ、燃焼により得られた熱を燃料や水の加熱に使用することで、水素生成装置のエネルギ効率を高めることができる。
燃料や水は改質部に供給される際に、加熱されガスになっていることが好ましく、この点からも燃焼により得られた熱を利用することは有効である。なお、空気を導入して未燃の燃料を燃焼させる際には、酸素が残らないように空気の導入量を調整する必要がある。
また、燃焼手段には、加熱部で用いることができるものと同様の燃焼触媒を設けることで所望の燃焼を実施することができる。その際、燃焼の温度は、２００〜８００℃程度が好ましい。燃焼の温度が高すぎると、触媒が劣化する虞があり、また反応器に使用できる材質が限られてくる。更に、燃焼により得られた熱を燃料や水の加熱に利用する際には、熱交換器型の反応器等を用いるとより効率良く熱を伝えることができる。
【００３１】
このような構成とすることにより、加熱部でλ＜１の関係を満たすリッチ燃焼された燃焼ガスを有効に利用、即ち燃焼により得られた熱を燃料や水の加熱に有効に利用した上で、酸素低濃度ガスを得ることができ、自己着火する虞がなく、効率良く水素を生成することができる。
【００３２】
図８は、本発明の第７実施形態に係る水素生成装置の構成の一例を示す概略図である。なお、この水素生成装置は、生成した水素を、これを用いることにより機能を発揮する水素供給部１１０に供給するものである。また、水素供給部としては、例えば、上述したエンジンの他、燃料電池システムや排ガス浄化装置を挙げることができる。
同図に示すように、この水素生成装置は、加熱部１０と、改質部２０、水素透過膜３０と、透過部４０と、第６形態のガス供給手段とを具備する。
即ち、かかるガス供給手段は、燃焼手段５７と、改質部２０、加熱部１０及び燃焼手段５７のうちの少なくとも１つに導入される燃料及び改質部２０に導入される水の一方又は双方と燃焼手段５７においてλ＝１の関係を満たすストイキ燃焼された排ガスとの熱交換を行う第２熱交換手段５９ａ、５９ｂと、加熱部１０においてλ＞１の関係を満たすリーン燃焼された燃焼ガスを燃焼手段５７に導入する第５燃焼ガス導入部５５ｅと、燃焼手段５７においてλ＝１の関係を満たすストイキ燃焼された燃焼ガスを第２熱交換手段５９ａ、５９ｂに導入する第６燃焼ガス導入部５５ｆと、第２熱交換手段５９ａ、５９ｂにおいて熱交換された燃焼ガスを透過部４０に導入する第７燃焼ガス導入部５５ｇとを備えている。
【００３３】
加熱部でリーン燃焼した燃焼ガスには、多くの未燃の酸素が含まれている。従って、これを水素透過部に供給しスイープガスとして利用した場合、自己着火の虞がある。
そこで、燃料を加えて燃焼させ、酸素を低濃度しか含まないガスとし、その燃焼により得られた熱を燃料や水の加熱に使用することで、水素生成装置のエネルギ効率を高めることができる。
また、上述のように燃料や水は改質部に供給される際に、加熱され蒸気になっていることが好ましく、この点からも燃焼により得られた熱を利用することは有効である。
更に、燃焼手段には、加熱部で用いることができるものと同様の燃焼触媒を設けることで所望の燃焼を実施することができる。その際、燃焼の温度は、２００〜８００℃程度が好ましい。燃焼の温度が高すぎると、触媒が劣化する虞があり、また反応器に使用できる材質が限られてくる。更に、燃焼により得られた熱を燃料や水の加熱に利用する際には、熱交換器型の反応器等を用いるとより効率良く熱を伝えることができる。
【００３４】
このような構成とすることにより、加熱部でλ＞１の関係を満たすリーン燃焼された燃焼ガスを有効に利用、即ち燃焼により得られた多くの熱を燃料や水の加熱に有効に利用した上で、酸素低濃度ガスを得ることができ、自己着火する虞がなく、効率良く水素を生成することができる。
【００３５】
また、各実施形態において、酸素濃度の管理が重要になってくるため、必要に応じて酸素センサーを設け、酸素濃度をモニターおよびコントロールすることで、より安全にスイープガスとして使用することができる。
更に、各実施形態においては、適宜組み合わせることにより、例えばエンジンの燃焼状態や燃料電池システムの運転状態などに応じた対応を採ることができる。適宜組み合わせる場合には、例えば、各ガス導入部（例えば配管）を別個に設けることができる。また、これに限定されるものではなく、例えば、酸素センサーと弁機構を組み合わせることにより、各ガス導入部（例えば配管）を一体にして設けることもできる。この場合には、例えば各ガス導入部（例えば配管）においてバイパスを設けてもよい。
【実施例】
【００３６】
以下、本発明を実施例及び比較例により更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【００３７】
（実施例１）
図３に示す水素生成装置を作製した。
具体的には、水素透過膜として、パラジウム膜を適用し、改質部に改質用触媒としてＲｈ／Ａｌ２Ｏ３を配置し、ガス供給手段として、エンジンにおいてλ＝１の関係を満たすストイキ燃焼された排ガスを２Ｌ／ｍｉｎで供給するガス供給手段を適用した。
【００３８】
上記水素生成装置による水素生成量を測定した。
具体的には、改質部には、エタノール及び水蒸気をＳ／Ｃ＝２になるように供給し、４００〜５００℃で改質反応を行わせた。なお、加熱部には、改質部の温度が４００〜５００℃になるように加熱ガスを供給した。また、透過部への供給水素分圧が０．２ＭＰａになるように調整した。
その結果、所定量の水素透過量を得ることができた。
【００３９】
（実施例２）
図６に示す水素生成装置を作製した。
具体的には、燃焼手段に燃焼触媒としてＰｔ／Ａｌ２Ｏ３を配置し、水素透過膜として、パラジウム膜を適用し、改質部に改質用触媒としてＲｈ／Ａｌ２Ｏ３を配置し、ガス供給手段として、加熱部においてλ＜１の関係を満たすリッチ燃焼された排ガスを２Ｌ／ｍｉｎで供給するガス供給手段を適用した。
【００４０】
上記水素生成装置による水素生成量を測定した。
具体的には、改質部には、エタノール及び水蒸気をＳ／Ｃ＝２になるように供給し、４００〜５００℃で改質反応を行わせた。なお、加熱部には、改質部の温度が４００〜５００℃になるようにエタノール及び空気を供給した。また、透過部への供給水素分圧が０．２ＭＰａになるように調整した。
その結果、所定量の水素透過量を得ることができた。
【００４１】
（実施例３）
図８に示す水素生成装置を作製した。
具体的には、燃焼手段に燃焼触媒としてＰｔ／Ａｌ２Ｏ３を配置し、水素透過膜として、パラジウム膜を適用し、改質部に改質用触媒としてＲｈ／Ａｌ２Ｏ３を配置し、ガス供給手段として、加熱部においてλ＞１の関係を満たすリーン燃焼し、燃焼手段においてλ＝１の関係を満たすストイキ燃焼された排ガスを２．５Ｌ／ｍｉｎで供給するガス供給手段を適用した。
なお、熱交換手段として、熱交換器型の反応器を適用し、燃焼手段により得られた熱を後述するエタノール及び水（水蒸気）の加熱に利用した。
【００４２】
上記水素生成装置による水素生成量を測定した。
具体的には、改質部には、エタノール及び水蒸気をＳ／Ｃ＝２になるように供給し、４００〜５００℃で改質反応を行わせた。なお、加熱部には、改質部の温度が４００〜５００℃になるようにエタノール及び空気を供給した。また、透過部への供給水素分圧が０．３ＭＰａになるように調整した。
その結果、所定量の水素透過量を得ることができた。
【００４３】
（比較例１）
ガス供給手段を適用しなかった、即ちスイープガスを供給しなかったこと以外は、実施例１と同様の操作を繰り返して、水素生成量を測定した。
その結果、所定量の約半分の水素透過量しか得ることができなかった。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の第１実施形態に係る水素生成装置の構成の一例を示す概略図である。
【図２】スイープガス流量と透過水素流量との関係を示すグラフである。
【図３】本発明の第２実施形態に係る水素生成装置の構成の一例を示す概略図である。
【図４】本発明の第３実施形態に係る水素生成装置の構成の一例を示す概略図である。
【図５】本発明の第４実施形態に係る水素生成装置の構成の一例を示す概略図である。
【図６】本発明の第５実施形態に係る水素生成装置の構成の一例を示す概略図である。
【図７】本発明の第６実施形態に係る水素生成装置の構成の一例を示す概略図である。
【図８】本発明の第７実施形態に係る水素生成装置の構成の一例を示す概略図である。
【符号の説明】
【００４５】
１０            加熱部
１０ａ          空気導入部
２０            改質部
２１ａ          燃料導入部
２１ｂ          水導入部
３０            水素透過膜
４０            透過部
５０            ガス供給手段
５１ａ          第１排ガス導入部
５１ｂ          第２排ガス導入部
５１ｃ          燃料導入部
５１ｄ          排改質ガス導入部
５１ｅ          第３排ガス導入部
５１ｆ          第４排ガス導入部
５１ｇ          第５排ガス導入部
５３            酸素低濃度ガス生成手段
５５ａ          第１燃焼ガス導入部
５５ｂ          第２燃焼ガス導入部
５５ｃ          第３燃焼ガス導入部
５５ｄ          第４燃焼ガス導入部
５５ｅ          第５燃焼ガス導入部
５５ｆ          第６燃焼ガス導入部
５５ｇ          第７燃焼ガス導入部
５７            燃焼手段
５７ａ          空気導入部
５９ａ、５９ｂ  第１熱交換手段（第２熱交換手段）
１００            エンジン
１１０            水素供給部
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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