(57)【要約】【課題】改質触媒の温度を迅速に上昇させることができ、再起動に要する時間を短縮する水素発生装置を提供する。【解決手段】本発明によれば、水素発生装置１０を停止する際に、第１の遮断弁２６及び第２の遮断弁２８が閉塞されて改質ライン３０に閉空間３２が形成される。水素系燃料が閉空間３２内の改質器１８に供給され、水素系燃料が改質器１８の余熱によって改質反応を起こし、閉空間３２に水素が存在する状態になる。水素発生装置１０の起動に際し、改質器１８が水素の燃焼温度又は水素系燃料の燃焼温度まで加熱される。この状態から第１の遮断弁２６及び第２の遮断弁２８を開放して酸素を流入させて水素又は水素系燃料を燃焼させる。改質器１８の改質触媒は、水素又は水素系燃料の燃焼反応に起因する熱によって活性温度まで速やかに昇温される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素原子を含む化合物を構成成分として少なくとも含む燃料を改質器に通して水素を発生させる水素発生装置において、
酸素を供給する酸素供給器と、
酸素の流れに対して前記酸素供給器の下流に位置する第１の遮断弁と、
酸素の流れに対して前記第１の遮断弁の下流に位置する第２の遮断弁と、
前記第１の遮断弁と前記第２の遮断弁との間に配置されていて加熱手段を備える改質器と、
前記第１の遮断弁と前記改質器との間に配置される燃料供給器と、
前記第１の遮断弁及び前記第２の遮断弁並びに前記燃料供給器の動作を制御する制御器と、を備えており、
該制御器は、
当該水素発生装置を停止するための停止信号に応答して、前記改質器を包囲する閉空間が形成されるように前記第１の遮断弁及び前記第２の遮断弁を閉塞させ、前記燃料供給器を作動させて、所定量の前記燃料を前記改質器に供給して水素を前記閉空間内に発生させるとともに、
当該水素発生装置を起動するための起動信号に応答して、前記閉空間内の前記改質器を前記加熱手段によって少なくとも前記燃料の燃焼温度まで加熱した後に、前記第１の遮断弁及び前記第２の遮断弁を開放し、前記閉空間に存在する水素を利用して前記改質器をさらに昇温することを特徴とする、水素発生装置。
【請求項２】
前記閉空間内における前記改質器の加熱は、前記改質器の温度が水素の燃焼温度に達するまで行われることを特徴とする、請求項１に記載の水素発生装置。
【請求項３】
前記加熱手段に酸化触媒が担持されており、前記閉空間内における前記改質器の加熱は、前記改質器の温度が前記燃料の燃焼温度に達するまで行われることを特徴とする、請求項１に記載の水素発生装置。
【請求項４】
前記制御器は、前記第１の遮断弁及び前記第２の遮断弁を開放する際に、前記第１の遮断弁を先に開放した後、所定時間経過後に前記第２の遮断弁を開放することを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の水素発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は改質器を備える水素発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関又は燃料電池において、燃料から水素を発生させる改質器を備えた水素発生装置が使用される（特許文献１〜４参照）。改質器は、部分酸化反応及び水蒸気改質反応の少なくとも一方を通じて、水素原子を含む化合物を構成成分として少なくとも含む燃料(以下、「水素系燃料」と称する。)から水素を生成する。例えば酸化触媒を活性化させて発熱反応である部分酸化反応を引き起こし、その結果として発生する熱を利用して吸熱反応である水蒸気改質反応を行うオートサーマル方式（自己熱改質法）の改質器が公知である。このような改質反応を起こすためには触媒を活性温度まで加熱する必要がある。特に発熱反応である部分酸化反応を開始させるためには、触媒の温度を水素系燃料の酸化反応が起こる温度まで昇温させる必要がある。したがって、改質器をいったん停止した後に、再起動してから定常運転に移行するまで加熱のために時間を要していた。
【０００３】
例えば特許文献１は、エンジン停止後に、改質器の余熱を利用して水蒸気改質反応を起こし、発生された改質ガスを貯蔵タンクに貯蔵することを開示する。そして、再起動時に定常運転に移行するまでの間、貯蔵された改質ガスを使用してシステムを動作させる。また、特許文献３は、燃料電池システムにおいて、ヒータを備えたタンクに水素を貯蔵しておいて、暖機時に加熱された水素を改質器に供給する暖機装置を開示している。しかしながら、このような先行技術においては、改質ガスを貯蔵するためのタンクを別途要求するため、システムが複雑化及び大型化するという問題があった。また、タンク内に貯蔵された比較的体積の大きい水素を十分な温度まで加熱するのには相応の時間を要するため、再起動時間の短縮の効果は限定的であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２４１３６５号公報
【特許文献２】特開２００１−２４８５０６号公報
【特許文献３】特開２００２−３２９５１７号公報
【特許文献４】特開２００４−３０７２３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、別個の水素貯蔵手段を設けることなく改質触媒の温度を迅速に上昇させることができ、再起動に要する時間を短縮する水素発生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】
本願に係る１番目の発明によれば、水素原子を含む化合物を構成成分として少なくとも含む燃料を改質器に通して水素を発生させる水素発生装置において、酸素を供給する酸素供給器と、酸素の流れに対して前記酸素供給器の下流に位置する第１の遮断弁と、酸素の流れに対して前記第１の遮断弁の下流に位置する第２の遮断弁と、前記第１の遮断弁と前記第２の遮断弁との間に配置されていて加熱手段を備える改質器と、前記第１の遮断弁と前記改質器との間に配置される燃料供給器と、前記第１の遮断弁及び前記第２の遮断弁並びに前記燃料供給器の動作を制御する制御器と、を備えており、該制御器は、当該水素発生装置を停止するための停止信号に応答して、前記改質器を包囲する閉空間が形成されるように前記第１の遮断弁及び前記第２の遮断弁を閉塞させ、前記燃料供給器を作動させて、所定量の前記燃料を前記改質器に供給して水素を前記閉空間内に発生させるとともに、当該水素発生装置を起動するための起動信号に応答して、前記閉空間内の前記改質器を前記加熱手段によって少なくとも前記燃料の燃焼温度まで加熱した後に、前記第１の遮断弁及び前記第２の遮断弁を開放し、前記閉空間に存在する水素を利用して前記改質器をさらに昇温することを特徴とする、水素発生装置が提供される。
【０００７】
本願に係る２番目の発明によれば、１番目の発明において、前記閉空間内における前記改質器の加熱は、前記改質器の温度が水素の燃焼温度に達するまで行われることを特徴とする、水素発生装置が提供される。
【０００８】
本願に係る３番目の発明によれば、１番目の発明において、前記加熱手段に酸化触媒が担持されており、前記閉空間内における前記改質器の加熱は、前記改質器の温度が前記燃料の燃焼温度に達するまで行われることを特徴とする、水素発生装置が提供される。
【０００９】
本願に係る４番目の発明によれば、１番目から３番目のいずれかの発明において、前記制御器は、前記第１の遮断弁及び前記第２の遮断弁を開放する際に、前記第１の遮断弁を先に開放した後、所定時間経過後に前記第２の遮断弁を開放することを特徴とする、水素発生装置が提供される。
【発明の効果】
【００１０】
本願に係る１番目の発明によれば、水素発生装置を停止する際に、改質器の周囲に閉空間を形成するとともに、改質器の余熱を利用して改質反応を起こして閉空間内に水素を発生させておく。そして、水素発生装置を再起動する際には、閉空間内の水素を利用して閉空間における燃焼反応が促進されるようになる。燃焼反応によって発生される熱は、改質器の改質触媒の温度を上昇させるために利用される。したがって、停止状態から水素発生装置を再起動するのに要する時間が顕著に短縮される。また、改質ラインに形成される閉空間に水素を閉じ込めるので、水素を貯蔵するための別個の貯蔵タンクを設ける必要がない。したがって、システムの大型化及び複雑化を回避できる。
【００１１】
本願に係る２番目の発明によれば、改質器が水素の燃焼温度まで加熱されてから改質ラインを開放する。このような状態において空気を流入させれば水素と酸素とが反応し、水素が燃焼する。そして、水素の燃焼反応により発生する熱によって改質触媒が速やかに昇温される。このようにして改質触媒を活性温度まで加熱し、水素発生装置を定常運転に速やかに移行できる。
【００１２】
本願に係る３番目の発明によれば、改質器が水素系燃料の燃焼温度まで加熱されてから改質ラインを開放する。このような状態において空気を流入させれば水素系燃料の一部と酸素とが反応し、水素系燃料の一部が燃焼する。このとき、改質ラインにおける水素は助燃ガスとして作用する。水素系燃料の燃焼反応によって発生される熱によって改質触媒が速やかに昇温される。このようにして改質触媒を活性温度まで加熱し、水素発生装置を定常運転に速やかに移行できる。
【００１３】
本願に係る４番目の発明によれば、遮断弁を開放する際に、酸素の流れに対して改質器の上流に位置する第１の遮断弁を先に開放する。そして、所定時間経過後に改質器の下流に位置する第２の遮断弁を開放する。このように遮断弁の動作を制御することによって、燃焼ガスが改質ラインから排出されるのを一時的に防止できる。したがって、燃焼反応により発生される熱を無駄にすることなく活性触媒の昇温に効果的に利用できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態に係る水素発生装置の要部を示す図である。
【図２】水素発生装置から水素の供給を受けて動作するエンジンを示す概略図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る水素発生装置を再起動させる工程について説明するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。図示される実施形態の各構成要素は、本発明の理解を助けるためにその縮尺が実用的な縮尺とは異なるように記載される場合があることに留意されたい。
【００１６】
図１は、本発明の一実施形態に係る水素発生装置１０の要部を示す図である。図２は、水素発生装置から水素の供給を受けて動作するエンジン１２を示す概略図である。水素発生装置１０は、圧縮空気を供給する空気供給器１４と、水素系燃料を噴射する燃料供給器である燃料噴射弁１６と、水素系燃料から水素を主成分とする改質ガスを生成するための改質触媒を備えた改質器１８と、改質器１８から排出される改質ガスを冷却する熱交換器２０と、を備えている。水素発生装置１０は、各構成要素を制御する制御器２２をさらに備えている。制御器２２は、ＣＰＵ及び各種制御プログラムを記憶するメモリ部を少なくとも備えている。水素発生装置１０によって生成された水素ガスは、改質ガス供給ライン３８及び給気ライン５４を通って、例えば図２に示されるエンジン１２に供給される。
【００１７】
改質器１８は、電力の供給を受けて加熱器として作用するＥＨＣ（電気加熱式触媒）１８ａと、触媒部１８ｂと、から主として形成される公知の改質器である。ＥＨＣ１８ａは、電力の供給を受けて発熱する発熱体を少なくとも備えている。また、ＥＨＣ１８ａには、後述するＥＨＣ１８ａの温度管理に使用される温度センサ２４が取付けられている。触媒部１８ｂは、例えばルテニウム、ニッケル、タングステン、パラジウム、白金などの材料から形成される。触媒部１８ｂは、活性化すると発熱反応である酸化反応を起こす酸化触媒と、活性化すると吸熱反応である改質反応を起こして水素系燃料から水素を発生させる改質触媒と、を有している。これら酸化触媒及び改質触媒は、別個の担体に分けて設けられてもよいし、互いに混合された状態で１つの担体に設けられてもよい。
【００１８】
空気供給器１４から供給される空気の流れに対して、改質器１８及び燃料噴射弁１６の上流には第１の遮断弁２６が設けられている。また、空気の流れに対して、改質器１８及び熱交換器２０の下流には第１の遮断弁２６とは別個の第２の遮断弁２８が設けられている。これら第１の遮断弁２６及び第２の遮断弁２８は、定常運転時には開放されているが、後述するように水素発生装置１０を停止する際に、制御器２２によって改質ライン３０を閉止するように制御される。第１の遮断弁２６及び第２の遮断弁２８が閉塞されると、改質ライン３０において、第１の遮断弁２６と第２の遮断弁２８との間に閉空間３２が形成される。図１において、閉空間３２は破線によって概念的に表されている。
【００１９】
上流側の第１の遮断弁２６と改質器１８との間には燃料噴射弁１６が設けられる。燃料噴射弁１６は、制御器２２から送出される制御信号に応答して、水素系燃料、例えば炭化水素、アルコール類を改質ライン３０に噴射する。定常運転時において改質ライン３０に供給される水素系燃料の量は、水素発生装置１０から出力されるべき水素の量に応じて決定される。
【００２０】
改質ライン３０に対して並列に延びるバイパスライン３４には、スロットル弁３６が設けられている。このスロットル弁３６の開度を調整することによって、スロットル弁３６の上流と下流との間の差圧が調整される。このようにして、改質ライン３０に流れる空気、ひいては酸素の量が調整される。
【００２１】
改質ライン３０の下流に位置する改質ガス供給ライン３８はエンジン１２（図２）に接続される。エンジン１２は、シリンダブロック４０と、シリンダヘッド４２と、ピストン４４と、コネクティングロッド４６と、給気弁４８と、排気弁５０と、点火プラグ５２と、を備えている。また、エンジン１２からは、エンジン１２の上流に位置していて給気弁４８によって開閉制御される給気ライン５４と、エンジン１２の下流に位置していて排気弁５０によって開閉制御される排気ライン５６と、が延びている。給気ライン５４は、改質ガス供給ライン３８と連通していて、水素発生装置１０において発生された水素ガスをシリンダヘッド４２とピストン４４との間に形成される燃焼室５８内に供給できるように形成される。エンジン１２の給気ライン４８にはエンジン駆動用燃料噴射弁６０が設けられている。
【００２２】
エンジン１２は周知の構成及び作用を有するため、本明細書においては各構成要素についての詳細な説明を省略する。また、このようなエンジン１２は、本発明に係る水素発生装置１０とともに使用可能な適用例の１つにすぎない。
【００２３】
再び図１を参照して、水素発生装置１０の動作について説明する。定常運転時において、改質器１８には空気及び水素系燃料が供給される。改質器１８において、触媒部１８ｂの酸化触媒が活性化されることによって発熱反応である部分酸化反応が起こるとともに、この部分酸化反応の結果として生じる酸化熱に起因して改質触媒が活性化されることによって吸熱反応である改質反応が起こる。この改質反応によって水素系燃料から水素が生成される。定常運転時、改質ライン３０には、高温の混合ガス、すなわち空気、水素系燃料、水（水蒸気）及び改質ガス（水素）が概ね存在する。改質反応によって発生した水素は、熱交換器２０を通って冷却された後に、前述したエンジン１２に供給される。改質器１８とエンジン１２との間に、例えば図示されないガス清浄器、一酸化炭素除去装置などを必要に応じて設けてもよい。
【００２４】
続いて、水素発生装置１０の停止後の動作制御について説明する。図３は、本発明の一実施形態に係る水素発生装置１０を再起動させる工程について説明するためのフローチャートである。
【００２５】
エンジン１２を停止する停止信号を制御器２２が受信する（ステップＳ１）と、制御器２２は、燃料噴射弁１６からの水素系燃料の供給を停止させる。そして、改質ライン３０の上流に位置する第１の遮断弁２６と、下流に位置する第２の遮断弁２８とが、制御器２２によってそれぞれ閉塞される（ステップＳ２）。このようにして、改質ライン３０において、第１の遮断弁２６と第２の遮断弁２８との間に閉空間３２が形成される。閉空間３２は改質器１８及び熱交換器２０を包囲するように形成される。また、閉空間３２には、燃料噴射弁１６から延びる燃料供給ライン１６ａが接続される。改質ライン３０の閉空間３２内には、高温の水素系燃料、空気、改質ガスなどが残存している。
【００２６】
続いて、制御器２２によって燃料噴射弁１６が作動され、水素系燃料が閉空間３２内に所定量だけ噴射される（ステップＳ３）。このとき、改質器１８の周りには水素系燃料を部分酸化させるのに十分な余熱が存在する。この余熱によって水素系燃料の部分酸化反応及び改質反応が起こり、閉空間３２内に水素が発生する（ステップＳ４）。この改質反応は、閉空間３２内の酸素がなくなるまで概ね継続する。改質反応が起こった後、水素、未反応の水素系燃料及び窒素を含む混合気体は、閉空間３２の全体に概ね均一に存在する。
【００２７】
そして、制御器２２がエンジン１２を再度起動するための起動信号を受信する（ステップＳ５）と、図示されない電力供給手段を通じて改質器１８のＥＨＣ１８ａに電力が供給され、ＥＨＣ１８ａが加熱される（ステップＳ６）。このとき、ＥＨＣ１８ａの温度は温度センサ２４によってモニタされており、水素の燃焼温度である摂氏約５００度に達するまでＥＨＣ１８ａの加熱処理が継続される（ステップＳ６及びステップＳ７）。ＥＨＣ１８ａの温度が水素の燃焼温度に達すると、改質器１８の上流側の第１の遮断弁２６及び下流側の第２の遮断弁２８が開放され、空気供給器１４から供給される空気が改質ライン３０に流入する（ステップＳ８）。このとき、水素の燃焼温度に相当する温度を有するＥＨＣ１８ａにおいて、水素と、改質ライン３０に流入した空気に含まれる酸素とが反応し、水素が燃焼する。この結果、ＥＨＣ１８ａの下流に位置する触媒部１８ｂに摂氏約１０００度の水素燃焼ガスが流入する。そして、この水素燃焼ガスによって改質触媒が活性温度まで迅速に昇温される。改質触媒の具体的な活性温度は、触媒に使用される材料及び水素系燃料の組合せに応じて定まることが分かっている。
【００２８】
改質触媒が活性温度まで加熱されると、制御器２２は、燃料噴射弁１６を作動させて定常運転時の動作にしたがって水素系燃料を改質器１８に継続的に供給する（ステップＳ９）。改質触媒が活性温度まで加熱されたか否かの判定は、ＥＨＣ１８ａに取付けられた温度センサ２４をモニタすることによって間接的に行える。又は、改質触媒に別個の温度センサを取付けて、改質触媒の温度を直接モニタすることによって、この判定を行なってもよい。或いは、第１の遮断弁２６及び第２の遮断弁２８を開放してから所定時間経過後に活性触媒が活性温度に達するとみなすことによって、そのような判定を省略してもよい。
【００２９】
供給された水素系燃料は改質器１８を通って改質され、その結果として水素が生成される。なお、一実施形態において、制御器２２が起動信号を受信してから、改質器１８を通じて水素が生成されるまでの間、エンジン１２は、エンジン駆動用燃料噴射弁６０を介して供給される水素系燃料によって改質ライン３０の制御から独立して運転されてもよい。このようにしてエンジン１２を迅速に起動できるとともに定常運転への移行が円滑に行われる。また、エンジン１２を駆動させた結果として発生する負圧によって、第１の遮断弁２６及び第２の遮断弁２８が開放されたときに改質ライン３０に空気が改質ライン３０に円滑に流入する。
【００３０】
以上の本発明に係る実施形態によれば、水素発生装置１０をいったん停止した後に、再起動してから改質反応により水素を発生させる定常運転に移行するまでに要する時間が短縮される。本実施形態において、水素発生装置１０の停止後に改質ライン３０の閉空間３２において発生する水素は、改質器１８及び改質ライン３０における第１の遮断弁２６と第２の遮断弁２８の間に延びるチャネルに収容される。したがって、本発明においては、別個の水素貯蔵タンクを設ける必要はなく、比較的コンパクトでありながらシステムの構成が簡易なものとなる。
【００３１】
前述した実施形態においては、再起動に際してエンジン１２の駆動負圧を利用して、改質器１８の上流及び下流に設けられる第１の遮断弁２６及び第２の遮断弁２８を概ね同時に開放するように制御する場合を例として説明した。しかしながら、第１の遮断弁２６及び第２の遮断弁２８の開放に際して改質ライン３０における閉空間３２が予め負圧になっていれば、上流側の第１の遮断弁２６のみを先に開放しても空気が改質ライン３０に流入できる。例えば、閉空間３２を形成した後に燃料噴射弁１６から供給される水素系燃料の量を調節することによって、閉空間３２を負圧の状態にすることができる。換言すると、この場合、閉空間３２に供給される水素系燃料の量は、閉空間３２内に発生する水素を含む混合ガスの圧力がエンジン１２の停止後の冷却された状態において負圧になるように調整される。上流側の第１の遮断弁２６を先に開放すれば、水素の燃焼が開始する時点において下流側の第２の遮断弁２８が閉塞されたままである。したがって、燃焼した水素が改質ライン３０から排出されるのを一時的に防止できる。したがって、燃焼反応により発生される熱を逃がすことなく活性触媒の昇温のために効果的に利用できるようになる。
【００３２】
また、代替的な実施形態において、耐熱性の高いセラミック製又は金属製のＥＨＣを担体として酸化触媒をＥＨＣに直接担持させる構成を採用してもよい。この場合、図３に関連して前述したステップＳ７において、改質器１８を水素の燃焼温度である摂氏約５００度ではなく、より低温である水素系燃料の燃焼温度まで加熱することで足りる。このとき、閉空間３２内に存在する水素は、水素系燃料を燃焼する際に助燃ガスとして作用する。このような構成によっても、改質器１８の加熱に要する時間、すなわち水素発生装置１０の再起動に要する時間が短縮される。
【００３３】
本明細書においては、内燃機関の一例であるエンジン１２と協働する水素発生装置１０の実施形態を主として説明した。しかしながら、本発明に係る水素発生装置は、水素の供給を受けて動作し得る他の任意のシステム、例えば燃料電池などの用途にも適用可能である。また、本発明の異なる実施形態について説明したが、本明細書において明示的又は暗示的に開示される実施形態の特徴を任意に組合せることによっても本発明を同様に実施できることは当業者に自明である。
【符号の説明】
【００３４】
１０    水素発生装置
１２    エンジン
１４    空気供給器（酸素供給器）
１６    燃料噴射弁（燃料供給器）
１８    改質器
１８ａ    ＥＨＣ
１８ｂ    触媒部
２０    熱交換器
２２    制御器
２４    温度センサ
２６    第１の遮断弁
２８    第２の遮断弁
３０    改質ライン
３２    閉空間
【図１】
2013234079.tif 000003
【図２】
2013234079.tif 000004
【図３】
2013234079.tif 000005