(57)【要約】【課題】改質器の起動時における改質触媒の改質可能温度への到達時間の更なる短縮化を図ることを可能としうる改質システムを提供すること。【解決手段】本発明の改質システムは、水素系燃料を空気とともに混合ガスとして取り入れて水素を生成する改質器であって、改質触媒と、該改質触媒よりも上流側に配設される酸化触媒とを有する改質器を備える改質システムにおいて、改質器の上流側に配置されて該改質器と流体連通する上流側通路に、担体が還元状態にある場合において常温にて酸化反応により自己発熱するとともに水素系燃料を改質して水素を生成するという常温起動触媒を配設し、改質器の運用停止期間中にわたり常温起動触媒の担体を還元状態に保持する還元雰囲気保持手段を有し、該還元雰囲気保持手段は、改質器の運転停止時に、常温起動触媒に残存する残存ガスを押出して該常温起動触媒を水素系燃料にて満たすように構成される。【選択図】図１
2013237581.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも水素を一構成成分として含む水素系燃料を空気とともに混合ガスとして取り入れて水素を生成する改質器であって、水素系燃料を改質して水素を生成する改質触媒と、該改質触媒よりも上流側に配設されて酸素雰囲気で酸化を行う酸化触媒とを有する改質器を備える改質システムにおいて、
前記改質器の上流側に、常温にて酸化反応により自己発熱するとともに水素系燃料を改質して水素を生成する触媒であって、該触媒の担体が還元状態にある場合において常温にて酸素と該担体との反応により自己発熱するという常温起動触媒が配設され、
当該改質システムは、前記改質器の運用停止期間中にわたり前記常温起動触媒の担体を還元状態に保持する還元雰囲気保持手段を有し、
前記還元雰囲気保持手段は、
前記改質器の上流側に配置されて該改質器と流体連通する第１上流側通路であって、該第１上流側通路の上流側端部となる第１分岐部と該第１分岐部よりも下流側に配置される第２分岐部とを有する第１上流側通路と、
前記第１分岐部にて前記第１上流側通路から分岐して前記第２分岐部にて前記第１上流側通路と再び合流するように形成された第２上流側通路と、
前記第２上流側通路に配置されて該第２上流側通路を介して前記改質器に前記水素系燃料を供給する第１燃料噴射装置と、
前記第１分岐部に配設されて、前記第１上流側通路及び前記第２上流側通路への空気の流入を遮断するか、あるいは、前記第１上流側通路及び前記第２上流側通路のいずれか一方の通路への空気の流入をもたらす第１制御バルブと、
前記第２分岐部における前記第２上流側通路と前記第１上流側通路との流体連通を制御する第２制御バルブとを有し、
前記常温起動触媒は、前記改質器よりも上流側に配設された前記第２上流側通路において前記第１燃焼噴射装置と前記第２制御バルブとの間に配設され、
前記還元雰囲気保持手段は、前記常温起動触媒に残存する残存ガスを押出して該常温起動触媒を前記水素系燃料にて満たすように、前記第１制御バルブと前記第２制御バルブと前記第１燃料噴射装置とを制御する、改質システム。
【請求項２】
前記第２上流側通路は、前記１分岐部にて前記第１上流側通路から分岐して前記改質器の中央部を貫通してから前記改質器外周部を迂回して前記第２分岐部にて前記第１上流側通路と合流するように形成され、
前記常温起動触媒は、前記第２上流側通路において前記改質器の前記酸化触媒と隣接するように配設される、請求項１に記載の改質システム。
【請求項３】
前記第１上流側通路において前記第１分岐部と前記第２分岐部との間に、前記第１上流側通路を介して前記水素系燃料を前記改質器に供給する第２燃料噴射装置を有する、請求項１または請求項２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、燃料電池や内燃機関の吸気／排気系などに供給する水素を生成すべく、少なくとも水素を一構成成分として含む水素系燃料を空気とともに混合ガスとして取り入れて水素を生成する改質器であって、水素系燃料を改質して水素を生成する改質触媒と、該改質触媒よりも上流側に配設されて酸素雰囲気で酸化を行う酸化触媒とを有する改質器を備える、改質システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、水素系燃料と空気とを含む混合ガスの一部を、改質器に配設された酸化反応を行う触媒（以下、酸化触媒という）で酸化させ、その反応熱を利用して内部から改質反応を行う触媒（以下、改質触媒という）を昇温して改質反応を促進させる、いわゆるオートサーマル方式の改質器の開発が進められている。このような改質器における課題の一つに、改質触媒における改質反応は改質触媒温度が高温に昇温された際に起こるがゆえに、改質触媒温度の昇温に相当の時間を要し、水素ガスの供給を必要とする装置（例えば、内燃機関）の始動性に支障をきたす場合がある、という課題がある。
【０００３】
このような課題を解決する一手段として、改質反応を促進させて水素ガス発生までに要する時間の短縮化を図るべく、通電により発熱する発熱体を改質触媒の上流側に配置し、さらに、取り入れられた混合ガスと発熱反応する触媒粒子を該発熱体に担持させる構成、すなわち、所謂電気加熱式触媒（ＥＨＣ）を改質触媒の上流側に配置する構成を有する改質器が知られている（特許文献１参照）。このような改質器の構成によれば、発熱体への通電によって発熱体自体が昇温されるとともに発熱体に担持された触媒粒子が昇温され、該触媒粒子と取り入れられた混合ガスとの発熱反応が促進されて、加熱された混合ガスにより迅速に酸化触媒及び改質触媒を昇温させることができ、改質触媒の改質可能温度への到達時間の短縮化を図ることが可能となりうる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−１５４８０５号公報
【特許文献２】特開２００８−２２９６０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のようなオートサーマル方式の改質器の適用が期待される技術分野は拡大傾向にあり、また、消費電力などの観点から、上記のような電気加熱式触媒の使用による消費電力を抑制しつつ、可能であるならば電気加熱式触媒を使用することなく、改質触媒の改質可能温度への到達時間の更なる短縮化を可能としうるような改質システムの要望がある。
【０００６】
ところで、常温にて酸化反応により自己発熱するとともに水素系燃料を改質して水素を生成する触媒であって、該触媒の反応停止期間中にわたり該触媒の担体を還元状態に保持することができれば、外部熱エネルギーを供給せずに常温からの短時間起動を繰り返し可能とする触媒（以下、常温起動触媒と称す）が知られている（特許文献２参照）。すなわち、触媒反応停止期間中にわたり該触媒の担体を還元状態に保持することができれば、常温にて酸素と触媒の担体との反応による自己発熱が生じて該自己発熱にて触媒温度を急速に昇温させることができ、一方で、改質反応により生成された水素と反応熱とにより担体が自動的に還元状態に戻るというような触媒が知られている。改質器の上流側に配置されて混合ガスを改質器内にもたらす上流側通路に、このような常温起動触媒を配置することによれば、最初に触媒の担体を還元状態にしてから後に実行される起動においては、外部熱エネルギーを供給することなく改質器に高温ガスを流入させることができ、改質器に配置された酸化触媒の迅速な昇温を可能とし、よって、改質触媒の改質可能温度への到達時間の更なる短縮化を図ることを可能にするとともに、要求される改質可能温度への到達時間短縮化の仕様から電気加熱式触媒の使用を必要とする場合においても、電気加熱式触媒の小型化を図ることができ、消費電力という点においても改善することを可能とする。
【０００７】
しかしながら、上記のような常温起動触媒がもたらす効果を有効に引き出すにあたっては、触媒反応が停止している期間中にわたり触媒の担体を還元状態に保持しておくことを可能とするような構成が必要となる。
【０００８】
本発明は上記課題に鑑み、少なくとも水素を一構成成分として含む水素系燃料を空気とともに混合ガスとして取り入れて水素を生成する改質器であって、水素系燃料を改質して水素を生成する改質触媒と、該改質触媒よりも上流側に配設されて酸素雰囲気で酸化を行う酸化触媒とを有する改質器を備える改質システムにおいて、改質器の上流側に配置されて混合ガスを改質器内にもたらす上流側通路に、上記のような常温起動触媒とともに、該触媒の反応が停止している期間中にわたり該触媒の担体を還元状態に保持しておくことを可能とするような手段を配設することで、改質器に配置された酸化触媒の迅速な昇温を可能とし、よって、改質触媒の改質可能温度への到達時間の更なる短縮化を図ることを可能にするとともに、消費電力という観点においても優れた改質システム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】
【０００９】
請求項１に記載の発明によれば、少なくとも水素を一構成成分として含む水素系燃料を空気とともに混合ガスとして取り入れて水素を生成する改質器であって、水素系燃料を改質して水素を生成する改質触媒と、該改質触媒よりも上流側に配設されて酸素雰囲気で酸化を行う酸化触媒とを有する改質器を備える改質システムにおいて、前記改質器の上流側に、常温にて酸化反応により自己発熱するとともに水素系燃料を改質して水素を生成する触媒であって、該触媒の担体が還元状態にある場合において常温にて酸素と該担体との反応により自己発熱するという常温起動触媒が配設され、当該改質システムは、前記改質器の運用停止期間中にわたり前記常温起動触媒の担体を還元状態に保持する還元雰囲気保持手段を有し、前記還元雰囲気保持手段は、前記改質器の上流側に配置されて該改質器と流体連通する第１上流側通路であって、該第１上流側通路の上流側端部となる第１分岐部と該第１分岐部よりも下流側に配置される第２分岐部とを有する第１上流側通路と、前記第１分岐部にて前記第１上流側通路から分岐して前記第２分岐部にて前記第１上流側通路と再び合流するように形成された第２上流側通路と、前記第２上流側通路に配置されて該第２上流側通路を介して前記改質器に前記水素系燃料を供給する第１燃料噴射装置と、前記第１分岐部に配設されて、前記第１上流側通路及び前記第２上流側通路への空気の流入を遮断するか、あるいは、前記第１上流側通路及び前記第２上流側通路のいずれか一方の通路への空気の流入をもたらす第１制御バルブと、前記第２分岐部における前記第２上流側通路と前記第１上流側通路との流体連通を制御する第２制御バルブとを有し、前記常温起動触媒は、前記改質器よりも上流側に配設された前記第２上流側通路において前記第１燃焼噴射装置と前記第２制御バルブとの間に配設され、前記還元雰囲気保持手段は、前記常温起動触媒に残存する残存ガスを押出して該常温起動触媒を前記水素系燃料にて満たすように、前記第１制御バルブと前記第２制御バルブと前記第１燃料噴射装置とを制御する、改質システムが提供される。
【００１０】
すなわち、請求項１に記載の発明では、少なくとも水素を一構成成分として含む水素系燃料を空気とともに混合ガスとして取り入れて水素を生成する改質器を備える改質システムにおいて、改質器の上流側に、担体が還元状態にある場合において常温にて酸化反応により自己発熱するとともに水素系燃料を改質して水素を生成するという常温起動触媒を配置する。そして、このような常温起動触媒がもたらす効果を有効に引き出すべく、本改質システムは、改質器の運用停止期間中にわたり常温起動触媒の担体を還元状態に保持する還元雰囲気保持手段を有して構成される。
【００１１】
より具体的には、還元雰囲気保持手段は、改質器の上流側に配置される２つの通路、すなわち、第１上流側通路と、該第１上流側通路の上流側端部となる第１分岐部から分岐して該第１上流側通路の第２分岐部にて再び合流するという第２上流側通路とを有し、また、該第２上流側通路を介して改質器に水素系燃料を供給する第１燃料噴射装置を有し、さらに、第１分岐部に配設されて第１上流側通路及び第２上流側通路への空気の流入を遮断するか、あるいは、第１上流側通路及び第２上流側通路のいずれか一方の通路への空気の流入をもたらす第１制御バルブと、第２分岐部における第２上流側通路と第１上流側通路との流体連通を制御する第２制御バルブとを有して構成される。そして、常温起動触媒は、第２上流側通路において第１燃焼噴射装置と第２制御バルブとの間に配設されるものとされ、還元雰囲気保持手段は、常温起動触媒に残存する残存ガスを押出して該常温起動触媒を水素系燃料にて満たすように、第１制御バルブと第２制御バルブと第１燃料噴射装置とを制御するように構成されるものとする。
【００１２】
このような還元雰囲気保持手段を有する改質システムによれば、改質器の上流側に配置される第２上流側通路に配置された常温起動触媒の反応が停止している期間中にわたり、該触媒の担体を還元状態に保持しておくことができ、次の改質器の運用起動の際に、常温にて酸素と触媒の担体との反応による自己発熱が生じて該自己発熱にて触媒温度を急速に昇温させることができ、外部熱エネルギーを供給することなく、第２上流側通路を介して高温ガスを改質器に供給することを可能とする。そして、このような改質器への高温ガスの供給は、改質器に配置された酸化触媒の迅速な昇温を可能とし、よって、改質触媒の改質可能温度への到達時間の更なる短縮化を図ることを可能にする。また、要求される改質可能温度への到達時間短縮化の仕様から電気加熱式触媒の使用を必要とする場合においても、電気加熱式触媒の小型化を図ることができ、消費電力という点においても改善することを可能としうる。
【００１３】
請求項２に記載の発明によれば、前記第２上流側通路は、前記１分岐部にて前記第１上流側通路から分岐して前記改質器の中央部を貫通してから前記改質器外周部を迂回して前記第２分岐部にて前記第１上流側通路と合流するように形成され、前記常温起動触媒は、前記第２上流側通路において前記改質器の前記酸化触媒と隣接するように配設される、請求項１に記載の改質システムが提供される。
【００１４】
請求項３に記載の発明によれば、前記第１上流側通路において前記第１分岐部と前記第２分岐部との間に、前記第１上流側通路を介して前記水素系燃料を前記改質器に供給する第２燃料噴射装置を有する、請求項１または請求項２に記載の改質システムが提供される。
【発明の効果】
【００１５】
各請求項に記載の発明によれば、少なくとも水素を一構成成分として含む水素系燃料を空気とともに混合ガスとして取り入れて水素を生成する改質器であって、水素系燃料を改質して水素を生成する触媒を有する改質器を備える改質システムにおいて、改質器の上流側に、担体が還元状態にある場合において常温にて酸化反応により自己発熱するとともに水素系燃料を改質して水素を生成する常温起動触媒を配設し、また、改質器の運用停止期間中にわたり常温起動触媒の担体を還元状態に保持する還元雰囲気保持手段を有することで、上記のような常温起動触媒の効果を有効に引き出すことを可能とし、改質器に配置された酸化触媒の迅速な昇温を可能とし、よって、改質触媒の改質可能温度への到達時間の更なる短縮化を図ることを可能にするとともに、電力消費という観点においても優れた改質システムを提供すること可能とする、という共通の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の改質システムの全体構成の一実施形態を示す図である。
【図２】図１に示す改質システムの実施形態における、運用停止時の改質器に対する流入ガスの流れを示す図である。
【図３】図１に示す改質システムの実施形態における、運用再起動時の改質器対する流入ガスの流れを示す図である。
【図４】図１に示す改質システムの実施形態における、酸化触媒着火後の改質器に対する流入ガスの流れを示す図である。
【図５】本発明の改質システムの全体構成の別の一実施形態を示す図である。
【図６】図５に示す改質システムの実施形態における、運用停止時の改質器に対する流入ガスの流れを示す図である。
【図７】図５に示す改質システムの実施形態における、運用再起動時の改質器に対する流入ガスの流れを示す図である。
【図８】図５に示す改質システムの実施形態における、酸化触媒着火後の改質器に対する流入ガスの流れを示す図である。
【図９】本発明の改質システムの全体構成のさらに別の一実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、添付図面を用いて本発明に係る改質システムの実施形態について説明する。図１は、本発明の改質システムの全体構成の一実施形態を示す図である。図１において、１は改質システム、２は改質器、３は改質触媒、４は酸化触媒、５は常温起動触媒、６は第１上流側通路、７は第１分岐部、８は第２分岐部、９は第２上流側通路、１０は第１燃料噴射装置、１１は第１制御バルブ、１２は第２制御バルブ、１３は第２燃料噴射装置、のそれぞれを示す。
【００１８】
図１に示される実施形態における改質器２は、少なくとも水素を一構成成分として含む水素系燃料を改質して水素を生成する改質器であって、水素系燃料を改質して水素を生成する改質触媒３と、該改質触媒３よりも上流側に配設されて酸素雰囲気で部分酸化や完全酸化などの酸化を行う酸化触媒４と、改質触媒３及び酸化触媒４を内部に収容する外装筐体とを有して構成される。そして、該外装筐体は、酸化触媒４よりも上流側に配設された上流側通路から水素系燃料を空気とともに混合ガスとして取り入れる入口部と、生成された改質ガスを改質触媒３よりも下流側に配設された下流側通路に放出する出口部と、改質触媒３及び酸化触媒４の外周囲を取り囲む外周壁部とを有して構成される。
【００１９】
改質触媒３は、上流側流路から取り入れられた水素系燃料を改質して水素を生成するという役割を果たすものであり、水素系燃料を改質するための触媒粒子が配置される。本実施形態における改質触媒３は、ハニカム構造にて形成され、取り入れられた混合ガスが流れる方向に沿って形成されている複数の流路を有するものとされる。そして、改質触媒３の触媒粒子は担体に担持されているものとされ、該担体は、例えば酸化アルミニウムで形成され、基材にて支持されるものとする。また、取り入れられた水素系燃料を改質するための触媒粒子の金属としては、白金やルテニウム等の貴金属や、あるいは、ニッケルやコバルト等の卑金属を例示することができるが、これらに限られることはなく、取り入れられた水素系燃料の改質をもたらしうるような任意の金属から構成されることができる。
【００２０】
一方で、酸化触媒４は、改質触媒３よりも上流側に配設されて酸素雰囲気で酸化を行うものであり、入口部から水素系燃料とともに取り入れられる空気中の酸素を用いて水素系燃料の一部を燃焼して、該燃焼により生じた熱を用いて下流側に配置された改質触媒３の改質可能温度への昇温を促進する役割を果たすものであり、上流側流路から取り入れられた水素系燃料の一部を、部分酸化や完全酸化などの酸化をさせるための触媒粒子が配置される。本実施形態における酸化触媒４は、改質触媒３と同様にハニカム構造にて形成され、取り入れられた混合ガスが流れる方向に沿って形成されている複数の流路を有するものとされる。そして、酸化触媒４の触媒粒子についても、改質触媒３と同様に担体に担持されているものとされ、該担体は、例えば酸化アルミニウムで形成され、基材にて支持されるものとする。取り入れられた水素系燃料を酸化するための触媒粒子の金属としては、白金等の貴金属や鉄等の卑金属を例示することができるが、これらに限られることはなく、取り入れられた燃料の酸化をもたらしうるような任意の金属から構成されることができる。尚、本実施形態において、酸化触媒３の更なる迅速な所定温度への昇温を目的として酸化触媒３の上流側に電気加熱式ヒーターのような昇温促進手段が配置されてもよい。このような昇温促進手段の必要性の有無は概して酸化触媒３の性能に応じて決定される。
【００２１】
図１に示される実施形態における改質システム１においては、改質器２の上流側に、常温にて酸化反応により自己発熱するとともに水素系燃料を改質して水素を生成する触媒であって、該触媒の担体が還元状態にある場合において常温にて酸素と該担体との反応により自己発熱するという常温起動触媒５が配設される。このような常温起動触媒５は、改質器２の運用停止期間中すなわち触媒反応の停止期間中にわたり該触媒の担体を還元状態に保持することができれば、次の運用起動時に常温にて酸素と触媒の担体との反応による自己発熱を生じさせて該自己発熱にて触媒温度を急速に昇温させることができ、一方で、改質反応により生成された水素と反応熱とにより担体は還元状態に戻るというような触媒として知られている。
【００２２】
従って、先にも述べたように、改質器の上流側に配置されて混合ガスを改質器内にもたらす上流側通路に、このような常温起動触媒を配置することによれば、最初に触媒担体を還元状態にしてから後に実行される起動においては、外部熱エネルギーを供給することなく改質器に高温ガスを流入させることができ、改質器に配置された酸化触媒の迅速な昇温を可能とし、よって、改質触媒の改質可能温度への到達時間の更なる短縮化を図ることを可能にするとともに、要求される改質可能温度への到達時間短縮化の仕様から電気加熱式触媒の使用を必要とする場合においても、電気加熱式触媒の小型化を図ることができ、消費電力という点においても改善しうる。しかしながら、上記のような常温起動触媒がもたらす効果を有効に引き出すにあたっては、改質器の運用停止期間中すなわち触媒反応が停止している期間中にわたり触媒の担体を還元状態に保持しておくことを可能とするような構成が必要となる。
【００２３】
このことに基づいて、本発明の改質システムにおいては、改質器の上流側に配置される常温起動触媒５の担体を、改質器の運用停止期間中にわたり還元状態に保持する還元雰囲気保持手段を有して構成される。そして、本発明の改質システム１における還元雰囲気保持手段は、改質器２の上流側に配置されて該改質器２と流体連通する第１上流側通路６であって、上流側端部となる第１分岐部７と該第１分岐部７よりも下流側に配置される第２分岐部８とを有する第１上流側通路６と、第１分岐部７にて第１上流側通路６から分岐して第２分岐部８にて第１上流側通路６と再び合流するように形成された第２上流側通路９と、第２上流側通路９に配置されて該第２上流側通路９を介して改質器２に水素系燃料を供給する第１燃料噴射装置１０と、第１分岐部７に配設されて第１上流側通路６及び第２上流側通路９への空気の流入を遮断するか、あるいは、第１上流側通路及６及び第２上流側通路９のいずれか一方の通路への空気の流入をもたらす第１制御バルブ１１と、第２分岐部８における第２上流側通路９と第１上流側通路６との流体連通を制御する第２制御バルブ１２とを有して構成される。尚、本実施形態においては、改質器の運用において第２上流側通路９を使用しないような運用を可能とすべく、第１上流側通路６において第１分岐部７と第２分岐部８との間に、第１上流側通路６を介して水素系燃料を改質器に供給する第２燃料噴射装置１３を有するように構成される。しかしながら、このような第２燃料噴射装置１３の必要性は、改質器２に対して求められる運用態様に依存するものであり、例えば、改質器２の運用態様おいて第２上流側通路９を使用しないような運用を必要としない場合などにおいては、第２燃料噴射装置１３は排除されてもよい。他図においては第２燃料噴射装置１３の図示を省略する。
【００２４】
図２は、図１に示す改質システムの実施形態における還元雰囲気保持手段による運用停止時の改質器に対する流入ガスの流れを示す図である。図３は、図１に示す改質システムの実施形態における還元雰囲気保持手段による運用再起動時の改質器に対する流入ガスの流れを示す図である。図４は、図１に示す改質システムの実施形態における還元雰囲気保持手段による酸化触媒着火後の改質器に対する流入ガスの流れを示す図である。
【００２５】
図１に示される本改質システムの実施形態においては、図２に示されるごとく、還元雰囲気保持手段は、改質器２の運用が停止されると、まず、第１制御バルブ１１を閉じて第１上流側通路６及び第２上流側通路９への空気の供給を遮断する、すなわち、常温起動触媒５及び改質器２への空気の供給を遮断するように制御する。次に、還元雰囲気保持手段は、第１燃料噴射装置１０により第２上流側通路９を介して改質器２に水素系燃料を供給して、常温起動触媒５に残存するガスを常温起動触媒５から押出し、その後、第２制御バルブ１２を閉じることにより、常温起動触媒５を水素系燃料にて満たし、このような常温起動触媒５が水素系燃料にて満たされた状態すなわち常温起動触媒５が還元雰囲気とされた状態を改質器２の運用停止期間中にわたり保持するように、第１制御バルブ１１と第２制御バルブ１２と第１燃料噴射装置１０とを制御する。
【００２６】
このような制御を行う還元雰囲気保持手段を有して構成される本発明の改質システム１によれば、改質器２の運用停止期間中すなわち常温起動触媒５の反応が停止している期間中にわたり触媒の担体を還元状態に保持しておくことを可能とする。
【００２７】
そして、改質器２の運用が停止されて、次の改質器２の運用起動する際（運用再起動時）においては、図３に示されるごとく、還元雰囲気保持手段は、第１制御バルブ１１を制御して第２上流側通路９への空気の流入をもたらすとともに、第１燃料噴射装置１０から燃料噴射して常温起動触媒５に混合ガスを供給するように、第１制御バルブ１１と第２制御バルブ１２と第１燃料噴射装置１０とを制御する。改質器２の運用停止期間中すなわち常温起動触媒５の反応が停止している期間中にわたり触媒の担体が還元状態に保持されているので、常温起動触媒５に空気が供給されると、常温にて空気中の酸素と触媒の担体との反応による自己発熱が生じて該自己発熱にて触媒温度が急速に昇温されることとなる。これにより、常温起動触媒５を通過するガスは高温ガスとして常温起動触媒５から放出され、改質器２に流入されることとなる。そして、この高温ガスの改質器２への流入により、改質器２に配設された酸化触媒４の迅速な昇温を可能とし、よって、改質触媒３の改質可能温度への到達時間の更なる短縮化を図ることを可能にする。また、水素系燃料も同時に噴射しているので、常温起動触媒５が起動温度に達するとすぐに水素系燃料の改質が開始され、改質器２の起動前から少量ではあるものの改質を開始できる。
【００２８】
また、改質器２に配設された酸化触媒の着火後、すなわち、酸化触媒が所定温度に達し活性化された後においては、常温起動触媒５における酸化反応による自己発熱をもたらす必要はなく、次の改質器２の運用起動時における常温にての良好な触媒反応や触媒劣化などを考慮すれば、常温起動触媒５の担体を還元状態にしておくことが有効となる。このことに基づいて、図１に示される本改質システムの実施形態においては、改質器２に配設された酸化触媒の着火後においては、図４に示されるごとく、還元雰囲気保持手段は、第１制御バルブ１１を制御して第１上流側通路６への空気の流入をもたらすとともに、第１燃料噴射装置１０から燃料噴射して常温起動触媒５に燃料のみを供給して、第２分岐部８にて混合ガスとして改質器２に混合ガスを流入させるように、第１制御バルブ１１と第２制御バルブ１２と第１燃料噴射装置１０とを制御する。
【００２９】
このような制御を行う還元雰囲気保持手段を有して構成される図１に示される本発明の改質システム１によれば、改質器２の運用停止期間中すなわち常温起動触媒５の反応が停止している期間中にわたり触媒の担体を還元状態に保持しておくことができ、次の改質器２の運用起動の際に、常温にて酸素と触媒の担体との反応による自己発熱を生じさせて該自己発熱にて触媒温度を急速に昇温させることができ、外部熱エネルギーを供給することなく改質器に高温ガスを流入させることができ、改質器に配置された酸化触媒の迅速な昇温を可能とし、よって、改質触媒の改質可能温度への到達時間の更なる短縮化を図ることを可能にするとともに、要求される改質可能温度への到達時間短縮化の仕様から電気加熱式触媒の使用を必要とする場合においても、電気加熱式触媒の小型化を図ることができ、消費電力という点においても改善することを可能とする。
【００３０】
なお、改質器２に配設された酸化触媒４の着火後においては、第２制御バルブ１２を閉じ、第２燃料噴射装置１３から水素系燃料を供給しても良い。この場合、改質器２が通常運転時に常温起動触媒５を還元雰囲気に保持できるので停止時の還元雰囲気保持のための制御が不要で、迅速に停止できる。
【００３１】
図５は、本発明の改質システムの全体構成の別の一実施形態を示す図である。図５において、１０１は改質システム、１０２は改質器、１０３は改質触媒、１０４は酸化触媒、１０５は常温起動触媒、１０６は第１上流側通路、１０７は第１分岐部、１０８は第２分岐部、１０９は第２上流側通路、１１０は第１燃料噴射装置、１１１は第１制御バルブ、１１２は第２制御バルブ、のそれぞれを示す。
【００３２】
図５に示される実施形態における改質システム１０１においては、第２上流側通路１０９は、第１分岐部１０７にて第１上流側通路１０６から分岐して改質器１０２の中央部を貫通してから改質器外周部を迂回して第２分岐部１０８にて第１上流側通路１０６と合流するように形成され、常温起動触媒１０５は、第２上流側通路１０９において改質器１０２の酸化触媒１０４と隣接するように配設される。
【００３３】
尚、これら以外の改質システムの構成は、図１に示された改質システムの構成と同様である。すなわち、図５に示される実施形態の改質システム１０１における還元雰囲気保持手段は、改質器１０２の上流側に配置されて該改質器１０２と流体連通する第１上流側通路１０６であって、上流側端部となる第１分岐部１０７と該第１分岐部１０７よりも下流側に配置される第２分岐部１０８とを有する第１上流側通路１０６と、第１分岐部１０７にて第１上流側通路１０６から分岐して第２分岐部１０８にて第１上流側通路１０６と再び合流するように形成された第２上流側通路１０９と、第２上流側通路１０９に配置されて該第２上流側通路１０９を介して改質器１０２に水素系燃料を供給する第１燃料噴射装置１１０と、第１分岐部１０７に配設されて第１上流側通路１０６及び第２上流側通路１０９への空気の流入を遮断するか、あるいは、第１上流側通路１０６及び第２上流側通路１０９のいずれか一方の通路への空気の流入をもたらす第１制御バルブ１１１と、第２分岐部１０８における第２上流側通路１０９と第１上流側通路１０６との流体連通を制御する第２制御バルブ１１２とを有して構成される。
【００３４】
図６は、図５に示す改質システムの実施形態における、還元雰囲気保持手段による運用停止時の改質器に対する流入ガスの流れを示す図である。図７は、図５に示す改質システムの実施形態における、還元雰囲気保持手段による運用再起動時の改質器に対する流入ガスの流れを示す図である。図８は、図５に示す改質システムの実施形態における、還元雰囲気保持手段による酸化触媒着火後の改質器に対する流入ガスの流れを示す図である。
【００３５】
図５に示される本改質システムの実施形態においては、図６に示されるごとく、還元雰囲気保持手段は、改質器１０２の運用が停止されると、まず、第１制御バルブ１１１を閉じて第１上流側通路１０６及び第２上流側通路１０９への空気の供給を遮断する、すなわち、常温起動触媒１０５及び改質器１０２への空気の供給を遮断するように制御する。次に、還元雰囲気保持手段は、第１燃料噴射装置１１０により第２上流側通路１０９を介して改質器１０２に水素系燃料を供給して、常温起動触媒１０５に残存する残存ガスを常温起動触媒１０５から押出し、その後、第２制御バルブ１１２を閉じることにより、常温起動触媒１０５を水素系燃料にて満たし、このような常温起動触媒１０５が水素系燃料にて満たされた状態すなわち常温起動触媒１０５が還元雰囲気とされた状態を改質器１０２の運用停止期間中にわたり保持するように、第１制御バルブ１１１と第２制御バルブ１１２と第１燃料噴射装置１１０とを制御する。
【００３６】
このような制御を行う還元雰囲気保持手段を有して構成される本発明の改質システムによれば、改質器１０２の運用停止期間中すなわち常温起動触媒１０５の反応が停止している期間中にわたり触媒の担体を還元状態に保持しておくことを可能とする。
【００３７】
そして、改質器１０２の運用が停止されて、次の改質器１０２の運用起動する際（運用再起動時）においては、図７に示されるごとく、還元雰囲気保持手段は、第１制御バルブ１１１を制御して第２上流側通路１０９への空気の流入をもたらすとともに、第１燃料噴射装置１１０から燃料噴射して常温起動触媒１０５に混合ガスを供給するように、第１制御バルブ１１１と第２制御バルブ１１２と第１燃料噴射装置１１０とを制御する。改質器１０２の運用停止期間中すなわち常温起動触媒１０５の反応が停止している期間中にわたり触媒の担体が還元状態に保持されているので、常温起動触媒１０５に空気が供給されると、常温にて空気中の酸素と触媒の担体との反応による自己発熱が生じて該自己発熱にて触媒温度が急速に昇温されることとなる。これにより、常温起動触媒１０５を通過するガスは高温ガスとして常温起動触媒１０５から放出され、改質器１０２に流入されることとなる。そして、この高温ガスの改質器１０２への流入により、改質器１０２に配設された酸化触媒１０４の迅速な昇温を可能とし、よって、改質触媒の改質可能温度への到達時間の更なる短縮化を図ることを可能にする。
【００３８】
さらに図５に示される本実施形態の改質システムにおいては上述したように、図１に示される実施形態の改質システムと異なり、常温起動触媒１０５が、第２上流側通路１０９において改質器１０２の酸化触媒１０４と隣接するように配設される。従って、図１に示される実施形態の改質システムと異なり、直接的に酸化触媒１０４を常温起動触媒１０５にて昇温させることができ、よって、より迅速な酸化触媒１０４の昇温を可能とする。
【００３９】
そして、改質器１０２に配設された酸化触媒１０４の着火後、すなわち、酸化触媒１０４が所定温度に達し活性化された後においては、常温起動触媒１０５における酸化反応による自己発熱をもたらす必要はなく、次の改質器１０２の運用起動時における常温にての良好な触媒反応や触媒劣化などを考慮すれば、常温起動触媒１０５の担体を還元状態にしておくことが有効となる。このことに基づいて、図５に示される本改質システムの実施形態においては、改質器１０２に配設された酸化触媒１０４の着火後においては、図８に示されるごとく、還元雰囲気保持手段は、第１制御バルブ１１１を制御して第１上流側通路１０６への空気の流入をもたらすとともに、第１燃料噴射装置１１０から燃料噴射して常温起動触媒１０５に燃料のみを供給して、第２分岐部１０８にて混合ガスとして改質器１０２に混合ガスを流入させるように、第１制御バルブ１１１と第２制御バルブ１１２と第１燃料噴射装置１１０とを制御する。
【００４０】
このような制御を行う還元雰囲気保持手段を有して構成される図５に示される本発明の改質システム１０１によれば、改質器１０２の運用停止期間中すなわち常温起動触媒１０５の反応が停止している期間中にわたり触媒の担体を還元状態に保持しておくことができ、次の改質器１０２の運用起動の際に、常温にて酸素と触媒の担体との反応による自己発熱を生じさせて該自己発熱にて触媒温度を急速に昇温させることができ、外部熱エネルギーを供給することなく改質器に高温ガスを流入させることができ、また、直接的に酸化触媒１０４を常温起動触媒１０５にて昇温させることができ、より迅速な改質器に配置された酸化触媒の昇温を可能とし、よって、改質触媒の改質可能温度への到達時間の更なる短縮化を図ることを可能にするとともに、要求される改質可能温度への到達時間短縮化の仕様から電気加熱式触媒の使用を必要とする場合においても、電気加熱式触媒の小型化を図ることができ消費電力という点においても改善することを可能とする。
【００４１】
図９は、本発明の改質システムの全体構成のさらに別の一実施形態を示す図である。図９において、２０１は改質システム、２０２は改質器、２０３は改質触媒、２０４は酸化触媒、２０５は常温起動触媒、２０６は第１上流側通路、２０７は第１分岐部、２０８は第２分岐部、２０９は第２上流側通路、２１０は第１燃料噴射装置、２１１は第１制御バルブ、２１２は第２制御バルブ、のそれぞれを示す。
【００４２】
図９に示される実施形態における改質システム２０１は、常温起動触媒２０５の配置が図５に示される実施形態の改質システムと異なるが、それ以外の構成は、図５に示される実施形態の改質システムと同様であり、その説明は省略する。すなわち、図５に示される実施形態の改質システム１０１における常温起動触媒１０５は、改質器１０２の中央部を貫通する第２上流側通路１０９の中央貫通部分であって酸化触媒１０４に隣接する部分に配置される。これに対して、図９に示される実施形態の改質システム２０１における常温起動触媒２０５は、改質器２０２の外周部に配置される第２上流側通路２０９の迂回部分であって酸化触媒２０４に隣接する部分に配置されるように構成される。
【００４３】
また上記の実施形態において運用再起動時には空気と水素系燃料を同時に供給したが、はじめに空気のみを供給し、常温起動触媒または改質器２，１０２，２０２が起動温度に達した後に水素系燃料を供給するようにしてもよい。この場合も常温起動触媒５，１０５，２０５は空気中の酸素により昇温するので改質器２，１０２，２０２の起動時間の短縮化ができ、さらに空気と水素系燃料を同時に流す場合に比べて未反応のまま改質器から出ていってしまう水素系燃料を少なくできる。
【００４４】
以上の説明から理解されうるごとく、上述したような本発明の改質システムによれば、少なくとも水素を一構成成分として含む水素系燃料を空気とともに混合ガスとして取り入れて水素を生成する改質器であって、水素系燃料を改質して水素を生成する触媒を有する改質器を備える改質システムにおいて、改質器の上流側に、担体が還元状態にある場合において常温にて酸化反応により自己発熱するとともに水素系燃料を改質して水素を生成する常温起動触媒を配設し、また、改質器の運用停止期間中にわたり常温起動触媒の担体を還元状態に保持する還元雰囲気保持手段を有することで、上記のような常温起動触媒の効果を有効に引き出すことを可能とし、改質器に配置された酸化触媒の迅速な昇温を可能とし、よって、改質触媒の改質可能温度への到達時間の更なる短縮化を図ることを可能にするとともに、電力消費という観点においても優れた改質システムを提供すること可能とする。
【符号の説明】
【００４５】
１    改質システム
２    改質器
３    改質触媒
４    酸化触媒
５    常温起動触媒
６    第１上流側通路
９    第２上流側通路
１０    第１燃料噴射装置
１１    第１制御バルブ
１２    第２制御バルブ
【図１】
2013237581.tif 000003
【図２】
2013237581.tif 000004
【図３】
2013237581.tif 000005
【図４】
2013237581.tif 000006
【図５】
2013237581.tif 000007
【図６】
2013237581.tif 000008
【図７】
2013237581.tif 000009
【図８】
2013237581.tif 000010
【図９】
2013237581.tif 000011