JP2002003206A

JP2002003206A - 燃料改質装置

Info

Publication number: JP2002003206A
Application number: JP2000178411A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Inoue; 雅博井上
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2000-06-14
Filing date: 2000-06-14
Publication date: 2002-01-09
Anticipated expiration: 2020-06-14
Also published as: JP4356198B2

Abstract

(57)【要約】【課題】燃料改質装置の限られたスペースへの設置を
容易とすると共に装置ので熱効率の向上を図る。【解決手段】改質反応部１０とシフト反応部１５と
を、鉛直方向に１８０度屈曲した水供給混合部２０で連
絡し、水供給混合部２０において水噴射ノズル２２で改
質ガスに対して水を噴霧し、噴霧した水を改質ガスとの
熱交換により気化し混合する。改質反応部１０とシフト
反応部１５とを屈曲した水供給混合部２０で連絡するの
で、装置の限られたスペースへの設置が容易となる。ま
た、水の気化のための特別な熱源が不要となると共に改
質ガスを冷却することができるので、装置全体の熱効率
を向上させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料改質装置に関
し、詳しくは、炭化水素系の燃料を水素リッチな燃料ガ
スに改質する燃料改質装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の燃料改質装置としては、
水素と一酸化炭素とを含む改質ガスに水蒸気を混合し、
改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気を用いて水素と二酸化
炭素とにシフトして水素リッチな燃料ガスを得るものが
提案されている（特開昭６３−３０３８０１号公報な
ど）。この装置は、水を気化する蒸発器を備え、この蒸
発器により蒸気化した水蒸気を改質ガスに混合してい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、こうし
た燃料改質装置では、蒸発器が必要なために装置が複雑
化すると共に大型化する。また、水の気化に熱源が必要
となる一方、シフト部における温度調節の必要から、装
置全体の熱効率が低くなる場合が多い。

【０００４】本発明の燃料改質装置は、限られたスペー
スへの設置を容易にすることを目的の一つとする。ま
た、本発明の燃料改質装置は、装置全体の熱効率の向上
を目的の一つとする。

【０００５】

【課題を解決するための手段およびその作用・効果】本
発明の燃料改質装置は、上述の目的の少なくとも一部を
達成するために以下の手段を採った。

【０００６】本発明の燃料改質装置は、炭化水素系の燃
料を水素リッチな燃料ガスに改質する燃料改質装置であ
って、前記炭化水素系の燃料を水素と一酸化炭素とを含
む改質ガスに改質する改質部と、一酸化炭素を水蒸気を
用いて水素と二酸化炭素とにシフトするシフト部と、前
記改質部とシフト部とを屈曲して連絡する連絡部を有
し、該連絡部で前記改質ガスに対して水を噴霧すると共
に該噴霧した水を気化して該改質ガスと混合する水供給
混合手段とを備えることを要旨とする。

【０００７】本発明の燃料改質装置では、改質部とシフ
ト部とを屈曲した連絡部で連絡するので、限られたスペ
ースへの装置の設置が容易になる。しかも、この連絡部
で改質ガスに対して水を噴霧すると共にこの噴霧した水
を気化して改質ガスと混合するので、水の気化のための
特別な熱源が不要になると共に改質ガスを冷却すること
ができ、装置全体の熱効率を向上させることができる。

【０００８】こうした本発明の燃料改質装置において、
前記連絡部は、前記改質部の上方に前記シフト部が配置
されるよう鉛直方向に１８０度屈曲してなるものとする
こともできる。連絡部を鉛直方向に１８０度屈曲してな
るものにすることで、限られたスペースへの装置の設置
が容易になる。

【０００９】こうした本発明の燃料改質装置において、
前記連絡部は、前記改質部の横に前記シフト部が配置さ
れるよう水平方向に１８０度屈曲してなるものとするこ
ともできる。連絡部を水平方向に１８０度屈曲してなる
ものにすることで、高さに制限があるスペースへの装置
の設置が容易になる。

【００１０】また、本発明の燃料改質装置において、前
記水供給混合手段は、前記改質ガスの流れに対向するよ
う水を噴霧する噴霧手段を備えるものとすることもでき
る。改質ガスの流れに対向するように水を噴霧するの
で、改質ガス中での水の気化と混合とを促進することが
できる。また、改質ガスの上流側と比較して下流側の混
合ガスの温度が低くなるので、改質ガスを適正温度でシ
フト部へ供給することができる。この態様の本発明の燃
料改質装置において、前記噴霧手段は、所定の角度をも
って鉛直上方から下方に向けて水を噴霧する手段である
ものとすることもできる。こうすれば、鉛直下方の改質
ガスの温度が鉛直上方の改質ガスの温度より高くなり、
鉛直下方での水の気化を促進することができる。

【００１１】さらに、本発明の燃料改質装置において、
前記連絡部は、底面に水を溜める水溜部を備えるものと
することもできる。水溜部を備えることで、改質部への
水の流れ込みを防ぐことができる。この態様の本発明の
燃料改質装置において、前記水溜部の水の溜まり程度に
基づいて該水溜部の水を排水する排水機構を備えるもの
とすることもできる。こうすれば、水溜部からの水の溢
れ出しを防ぐことができる。水溜部の水を排水する排水
機構を備える態様の燃料改質装置において、前記排水機
構は、前記水溜部の液封を保持する手段であるものとす
ることもできる。水溜部に液封を保持することで、排水
時に改質ガスが装置外に流出することを防ぐことができ
る。

【００１２】あるいは、本発明の燃料改質装置におい
て、前記水供給混合手段は、水の噴霧に対向する前記改
質ガスの気流を促進する気流促進手段を備えるものとす
ることもできる。こうすれば、噴霧した水が連絡部内に
滞留する時間を長くすることができ、水の気化を促進す
ることができる。この態様の本発明の燃料改質装置にお
いて、前記気流促進手段は、プロペラ機構を有する手段
であるものとすることもできる。こうすれば、容易に改
質ガスの気流を促進することができる。

【００１３】こうした本発明の燃料改質装置において、
前記水供給混合手段は、水が噴霧される部位を加熱可能
な加熱手段を備えるものとすることもできる。この加熱
手段により水の気化を促進することができる。水供給混
合手段がプロペラ機構を有する気流促進手段と水が噴霧
される部位を加熱可能な加熱手段とを備える態様の本発
明の燃料改質装置において、前記加熱手段は、前記気流
促進手段に取り付けられてなる手段であるものとするこ
ともできる。こうすれば、加熱手段で水の気化を促進す
るとともに気流促進手段で気化した水と改質ガスとの混
合を促進することができる。この態様の本発明の燃料改
質装置において、前記加熱手段は、前記プロペラ表面に
担持された酸化活性の高い触媒であるものとすることも
できる。こうすれば、プロペラ近傍での水の気化を促進
することができる。

【００１４】また、本発明の燃料改質装置において、前
記水供給混合手段は、水の噴霧の広角を検出する噴霧広
角検出手段と、該検出された広角に基づいて水の噴霧の
広角を調節する広角調節手段とを備えるものとすること
もできる。水の噴霧の広角を調節することで、より適切
に水の気化を促進することができる。この態様の本発明
の燃料改質装置においては、前記噴霧広角検出手段は、
前記連絡部の側面の所定位置の温度に基づいて所定の広
角以内であるかを検出する手段であるものとすることも
できる。側面へ水が付着すると側面の温度が変化するの
で、側面の所定位置の温度に基づいて水の噴霧の広角が
所定の広角以内であるかを検出することができる。

【００１５】さらに、本発明の燃料改質装置において、
前記連絡部は、前記改質ガスの一部の流れる方向を側面
に沿う方向へ変更する方向変更手段を備えるものとする
こともできる。こうすれば、改質ガスの一部を側面に沿
う方向に流すことができ、側面に付着した水の気化を促
進することができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態を実施
例を用いて説明する。図１は、本発明の一実施例である
燃料改質装置１００の構成の概略を示す構成図である。
実施例の燃料改質装置１００は、水と炭化水素系の燃料
（例えば、プロパンやブタンなど）と空気とを混合した
改質原料を水素と一酸化炭素とを含む改質ガスに改質す
る改質反応部１０と、改質反応部１０の上方に配置され
水蒸気を用いて一酸化炭素をシフト反応により水素と二
酸化炭素とにシフトするシフト反応部１５と、鉛直上方
に１８０度屈曲して改質反応部１０とシフト反応部１５
とを連絡し鉛直下方から流れる改質ガスに対して水を噴
霧して水蒸気と改質ガスとを混合する水供給混合部２０
とを備える。水供給混合部２０では、６００℃〜１００
０℃程度で運転される改質反応部１０からの改質ガスに
水蒸気を混合すると共に２００℃〜６００℃程度で運転
されるシフト反応部１５に混合ガスを供給するために混
合ガスを２００℃〜６００℃程度まで冷却する。

【００１７】水供給混合部２０は、改質ガスへ水を噴霧
する水噴射ノズル２２と、水噴射ノズル２２から噴射す
る水の広角を調節する広角調節機構４０と、底面に設け
られ気化されない水を排水する排水機構２３と、水供給
混合部２０内に上昇気流を発生させる気流発生機構３３
とを備える。

【００１８】水噴射ノズル２２は、改質ガスの流れに対
向するよう鉛直上方から下方に向けて水を噴霧する。噴
霧された水は、改質ガスと熱交換することで気化して水
蒸気となり、改質ガスと混合する。このとき、改質ガス
は水が気化する際の気化熱などにより冷却される。水を
改質ガスに対向して噴霧することで、改質ガス中での水
の気化と混合とを促進することができる。

【００１９】広角調節機構４０は、水供給混合部２０の
側面に設置された温度センサ３８と、アクチュエータ４
１より駆動され水の噴霧の広角を調節する可変バッフル
４２とを備える。アクチュエータ４１は、温度センサ３
８が水供給混合部２０の側面の温度が低下したこと、即
ち、水の噴霧の広角が広く側面に水が付着したことを検
出したときに、水の噴霧の広角が狭くなるように可変バ
ッフル４２を駆動する。このように水の噴霧の広角を調
節することにより効率的な水の気化と混合とを図ってい
る。

【００２０】排水機構２３は、水混合供給部２０の底面
に設けられた水溜部２４と、水溜部２４での水位を検出
する２つのレベルセンサ２６，２８と、アクチュエータ
３０により開閉される開閉弁３２とを備える。アクチュ
エータ３０は、レベルセンサ２６の水位の検出に伴って
出力されるオン信号により開閉弁３２を開いて水溜部２
４に溜めた水を排水し、レベルセンサ２８の水位の検出
に伴って出力されるオフ信号により開閉弁３２を閉じて
排水を中断する。レベルセンサ２８は、図示するよう
に、開閉弁３２より上方に取り付けられているので、開
閉弁３２が閉じた時には若干の水が残り、常に液封が保
持されるようになっている。この液封により、排水時に
改質ガスが開閉弁３２から流出することを防ぐ。

【００２１】気流発生機構３３は、モータ３４で回転駆
動するプロペラ３６により構成されており、水混合供給
部２０内に上昇気流を発生させて噴霧された水の重力に
よる落下を抑制し、水が水供給混合部２０内に滞留する
時間を長くしている。この結果、水の気化を促進するこ
とができる。また、プロペラ３６の表面には酸化活性の
高い触媒（例えば、Ｐｄ）が担持されており、改質ガス
中の水素または一酸化炭素を酸化する際の熱を用いてプ
ロペラ３６の上方近傍における水の気化を促進してい
る。

【００２２】さらに水供給混合手段２０は、その側面近
傍に鉛直上方から下方に所定の角度を持って配置された
複数のフィン４４を備えている。図２は、図１に示した
燃料改質装置１００においてフィン４４が設けられた箇
所の拡大図である。複数のフィン４４は、水供給混合部
２０の側面に間隙をもって取り付けられている。このた
め、改質ガスの一部は、フィン４４に導かれて、図中の
矢印で示すように、側面に平行に流れる。この結果、液
滴化し側面に付着した水滴４６の気化を促進することが
できる。

【００２３】以上説明した実施例の燃料改質装置１００
によれば、水供給混合部２０を鉛直上方に１８０度屈曲
して設けたので、車輌や船舶などに搭載する場合のよう
な限られたスペースへの設置を容易なものとすることが
できる。また、水供給混合部２０で改質ガスに対して水
を噴霧すると共にこの噴霧した水を気化して改質ガスと
混合するので、蒸発器など水の気化のための特別な熱源
を不要とすることができると共に改質ガスを冷却するこ
とができる。この結果、装置全体の熱効率を向上させる
ことができる。

【００２４】実施例の燃料改質装置１００では、水供給
混合部２０を鉛直上方に１８０度屈曲して形成したが、
水平方向に屈曲させて形成してもよい。図３は、第二実
施例の燃料改質装置２００の平面概略図であり、図４は
燃料改質装置２００のＡＡ線での断面と構成の概略を示
す構成図である。第二実施例の燃料装置２００では、シ
フト反応部１５は改質反応部１０の横に配置され、水供
給混合部２０は水平に１８０度屈曲して改質反応部１０
とシフト反応部１５とを連絡する。燃料改質装置２００
では、水噴射ノズル２２は、改質ガスの流れに対向する
方向であって、所定の角度をもって鉛直上方から下方に
向けて水を噴霧するように設けられている。所定の角度
をもって鉛直上方から下方に向けて水を噴霧すること
で、鉛直下方の改質ガスの温度を鉛直上方の改質ガスの
温度より高くし、液滴化し水供給混合部２０の底面に集
められた水の気化を促進することができる。

【００２５】このように第二実施例の燃料改質装置２０
０では、水供給混合部２０が水平方向に１８０度屈曲し
て設けられているので、高さに制限があるスペースにも
装置を容易に設置することができる。

【００２６】各実施例の燃料改質装置１００，２００で
は、水供給混合部２０を１８０度に屈曲するものとした
が、角度は１８０度に限定されるものではなく燃料改質
装置の設置場所などに応じて適宜決めるものとすること
もできる。

【００２７】また、各実施例の燃料改質装置１００，２
００では、プロペラ３６の表面に酸化活性の高い触媒を
担持したが、プロペラ３６に電気ヒータなどの加熱手段
を設けるものとすることもできる。また、このような加
熱手段の設置個所はプロペラ３６に限定したものではな
く、噴霧した水の気化を促進する部位、例えば気液が混
合する部位に設置することもできる。

【００２８】また、各実施例の燃料改質装置１００，２
００では、プロペラ３６は一段構成のものとしたが、多
段構成のものとすることもできる。プロペラ３６を多段
構成にすることで、より強い上昇気流を起こし水の気化
と改質ガスとの混合を促進することができる。

【００２９】また、各実施例の燃料改質装置１００，２
００の排水機構２３は、二つのレベルセンサ２６，２８
を備えるものとしたが、一つのレベルセンサを備えるも
のとすることもできる。例えば、一つのレベルセンサ２
６を備える排水機構２３では、レベルセンサ２６の水位
の検出に伴い開閉弁３２を開いて水溜部２４に溜めた水
を排水し、所定の時間が経過した後に開閉弁３２を閉じ
排水を中断することで、水溜部２４の液封を常に保持す
ることができる。なお、液封の保持方法は、サイホン現
象を利用する方法などを適宜用いることもできる。ま
た、液封は必ずしも保持する必要はなく、設計仕様に応
じて液封を保持しないものとすることもできる。

【００３０】また、各実施例の燃料改質装置１００，２
００の熱供給混合部２０は、広角調節機構４０と、排水
機構２３と、気流発生機構３３と、フィン４４とを備え
るものとしたが、燃料改質装置に必要な性能に応じてこ
れらの構成は適宜無いものすることもできる。例えば、
気流発生機構３３を備えていない燃料改質装置では、水
を気化する性能は若干落ちるものの装置自体の簡易化を
図ることができるため、設計仕様に応じて適宜変えるこ
とができる。

【００３１】以上、本発明の実施の形態について実施例
を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限
定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲
内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である燃料改質装置１００
の構成の概略を示す構成図である。

【図２】燃料改質装置１００のフィン４４が設けられ
た箇所の拡大図である。

【図３】第二実施例の燃料改質装置２００の平面概略
図である。

【図４】燃料改質装置２００のＡＡ線での断面と構成
の概略を示す構成図である。

【符号の説明】

１０改質反応部、１５シフト反応部、２０水供給
混合部、２２水噴射ノズル、２３排水機構、２４
水溜部、２６，２８レベルセンサ、３２開閉弁、３
３気流発生機構、３６プロペラ、３８温度セン
サ、４０広角調節機構、４２可変バッフル、４４
フィン、１００，２００燃料改質装置。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】炭化水素系の燃料を水素リッチな燃料ガ
スに改質する燃料改質装置であって、前記炭化水素系の燃料を水素と一酸化炭素とを含む改質
ガスに改質する改質部と、一酸化炭素を水蒸気を用いて水素と二酸化炭素とにシフ
トするシフト部と、前記改質部とシフト部とを屈曲して連絡する連絡部を有
し、該連絡部で前記改質ガスに対して水を噴霧すると共
に該噴霧した水を気化して該改質ガスと混合する水供給
混合手段とを備える燃料改質装置。
【請求項２】前記連絡部は、前記改質部の上方に前記
シフト部が配置されるよう鉛直方向に１８０度屈曲して
なる請求項１記載の燃料改質装置。
【請求項３】前記連絡部は、前記改質部の横に前記シ
フト部が配置されるよう水平方向に１８０度屈曲してな
る請求項１記載の燃料改質装置。
【請求項４】前記水供給混合手段は、前記改質ガスの
流れに対向するよう水を噴霧する噴霧手段を備える請求
項１ないし３いずれか記載の燃料改質装置。
【請求項５】前記噴霧手段は、所定の角度をもって鉛
直上方から下方に向けて水を噴霧する手段である請求項
４記載の燃料改質装置。
【請求項６】前記連絡部は、底面に水を溜める水溜部
を備える請求項１ないし５いずれか記載の燃料改質装
置。
【請求項７】前記水溜部の水の溜まり程度に基づいて
該水溜部の水を排水する排水手段を備える請求項６記載
の燃料改質装置。
【請求項８】前記排水手段は、前記水溜部の液封を保
持する手段である請求項７記載の燃料改質装置。
【請求項９】前記水供給混合手段は、水の噴霧に対向
する前記改質ガスの気流を促進する気流促進手段を備え
る請求項１ないし８いずれか記載の燃料改質装置。
【請求項１０】前記気流促進手段は、プロペラ機構を
有する手段である請求項９記載の燃料改質装置。
【請求項１１】前記水供給混合手段は、水が噴霧され
る部位を加熱可能な加熱手段を備える請求項１ないし１
０いずれか記載の燃料改質装置。
【請求項１２】前記加熱手段は、前記気流促進手段に
取り付けられてなる手段である請求項１０に係る請求項
１１記載の燃料改質装置。
【請求項１３】前記加熱手段は、前記プロペラ表面に
担持された酸化活性の高い触媒である請求項１２記載の
燃料改質装置。
【請求項１４】前記水供給混合手段は、水の噴霧の広
角を検出する噴霧広角検出手段と、該検出された広角に
基づいて水の噴霧の広角を調節する広角調節手段とを備
える請求項１ないし１３いずれか記載の燃料改質装置。
【請求項１５】前記噴霧広角検出手段は、前記連絡部
の側面の所定位置の温度に基づいて所定の広角以内であ
るかを検出する手段である請求項１４記載の燃料改質装
置。
【請求項１６】前記連絡部は、前記改質ガスの一部が
側面に沿って流れるよう調節する流向調節手段を備える
請求項１ないし１５いずれか記載の燃料改質装置。
【請求項１７】前記流向調節手段は、所定の角度をも
って鉛直上方から下方へ向けて前記側面と所定の間隙を
持ち平行に取り付けられた複数の板材である請求項１６
記載の燃料改質装置。