JP2003054905A

JP2003054905A - 燃料電池用改質装置

Info

Publication number: JP2003054905A
Application number: JP2001249106A
Authority: JP
Inventors: Hironori Ishikawa; 浩規石川
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2001-08-20
Filing date: 2001-08-20
Publication date: 2003-02-26

Abstract

(57)【要約】【課題】均一な噴霧状態と微粒化が可能となり、液ダ
レを少なく噴霧させることが可能となる燃料電池用改質
装置を提供する。【解決手段】燃料と霧化用空気とが投入される噴霧器
が配設された蒸発器と、改質触媒層からなる改質器とを
備えた燃料電池用改質装置において、前記蒸発器の入口
近傍には、拡散室が形成され、該拡散室には、噴霧器か
らの噴霧体の噴射方向に対して９０度以上、下流側に傾
斜された傾斜角度を備えた第１空気噴射口が配設され、
該第１空気噴射口より拡散用空気が投入されることを特
徴とする燃料電池用改質装置である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池用の改質
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、炭化水素系燃料を主成分とする改
質ガスに触媒で改質して、水素燃料として利用する方法
がさかんに研究されている。前記改質ガスを利用する有
力な方法として燃料電池の開発が活発化している。前記
燃料電池は、水素と酸素を使用して電気分解の逆反応で
発電する電池であり、水以外の排出物がなくクリーンな
発電装置として注目されている。

【０００３】大気の汚染をできる限り減らすために自動
車の排ガス対策が重要になっており、その対策の一つと
して電気自動車が使用されているが、充電設備や走行距
離などの問題で普及に至っていない。水素ボンベを積載
した燃料電池も試作されているが、水素の高圧ボンベを
積載しなければならず、走行距離も十分でない課題も残
されている。

【０００４】炭化水素系燃料を改質燃料にした燃料電池
を使用した自動車が、現状では、インフラ、積載性等を
考慮すると最も実現性が早いクリーンな自動車であると
見られている。炭化水素系燃料としてはメタノールやガ
ソリンが適しているとされている。前記燃料電池は、二
酸化炭素以外の排出物が少なく、二酸化炭素の排出量
も、発電所で電気を製造するときに排出される二酸化炭
素を考慮に入れると電気自動車と同程度であり、地球温
暖化対策にもなっている。

【０００５】前記燃料電池は、炭化水素系燃料であるメ
タノールを蒸発させて、触媒（例えば、Ｃｕ−Ｚｎ触媒
等）により水素を主成分とする改質ガスに改質する。

【０００６】従来技術として、特開２０００−１９１３
０４号公報が開示されている。特開２０００−１９１３
０４号公報は、内部に通気性燃焼触媒を充填した触媒燃
焼器と、該触媒燃焼器に空気を供給する空気供給ライン
と、前記燃焼触媒より上流側に液体燃料を噴霧する燃料
噴霧器とを備え、燃焼触媒の温度が低下しない範囲で空
気と燃料をほぼ理論混合比で供給して触媒燃焼を開始さ
せ、次いで過剰に液体燃料を供給してこれを蒸発させる
ことを特徴とする液体燃料蒸発器である。

【０００７】これを図５で説明する。この技術は燃料噴
霧器２０１、水噴霧器２０２、空気投入口２０３より、
夫々燃料、水、触媒燃焼用空気が投入され、通気性燃焼
触媒２０５で燃料の一部が燃焼し、その発生した熱によ
り、残りの燃料と水が蒸発して更に改質に適する温度ま
で昇温される。触媒燃焼器２０６を出たガスは改質用の
空気と混合され改質器２０７に入り水素を主成分とする
改質ガスに変わり燃料電池に供給される技術である。

【０００８】また他の技術として、特開２０００−０６
３１０５号公報がある。これは、炭化水素を含む改質用
燃料を改質することにより、水素を含む改質ガスを生成
する燃料改質装置であって、改質触媒部が配置される改
質室と、前記改質触媒部の上流側に配置され、前記改質
室に連通する燃焼蒸発室内で燃焼を行って前記燃料改質
装置の始動時に該改質触媒部に加温用燃焼ガスを直接供
給するための始動用燃焼機構と、を備えるとともに、前
記始動用燃焼機構は、前記改質室内に霧化された前記改
質用燃料を供給可能な噴霧ノズルを備えることを特徴と
する燃料改質装置であって、着火用のグロープラグで着
火してその熱を利用する技術が開示されている。

【０００９】さらに、一般に単一噴射口より噴霧する場
合、その噴霧角度は２０度程度が限界であり、旋回を伴
って噴射させる技術として例えば、特開平０８−２００
６２３号公報に示すような技術が開示されている。この
技術は、液体燃料供給用のノズルの先端に装着され、内
部に前記ノズルの中心軸を中心として巻かれて形成され
た螺旋状の溝を有し、この溝によって前記燃料に旋回運
動を与えて前記燃料を中空円錐液膜状に噴霧させるノズ
ルチップと、このノズルチップよりも外周側であって、
かつ中空円錐液膜状とされた前記燃料に交差する状態で
衝突させることにより前記燃料を微粒化する微粒化用空
気の通路上に設けられ、この微粒化用空気に前記燃料の
旋回方向とは逆方向の旋回運動を与える案内羽根を有す
る微粒化用空気スワーラとを備えたことを特徴とするバ
ーナである。

【００１０】また、ターンダウン比の向上方法としては
一般的には弁状の可変オリフィス（噴射口径）や二段に
する方式や、開弁時間で制御するインジェクタ方式（一
般にターンダウン比１：１０程度）が公知である。な
お、ターンダウン比とは、燃料の最小噴霧流量と最大噴
霧流量の比を表したものである。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記、
特開２０００−１９１３０４号公報、及び特開２０００
−０６３１０５号公報の技術は、燃料を直接噴霧するこ
とから、噴霧状態を如何に均一に分布させ、微粒化さ
せ、さらに燃焼触媒や改質触媒の入口部の熱負荷の軽減
と流速をある程度遅くする必要があり、その為には噴射
角度を広角に噴霧する必要がある。

【００１２】また、自動車用として改質装置を採用する
場合は、ターンダウン比を１：２０程度の広範囲で液ダ
レなく運転できることが望ましい。

【００１３】特開平０８−２００６２３号公報は、噴射
角度を広角にできるが中央が疎の分布をもつ円錐噴霧と
なってしまう。また複数の角度を変えた噴射口でも広角
かつ均一に噴霧することは難しい。

【００１４】また、ターンダウン比の向上方法としての
弁状の可変オリフィス（噴射口径）や二段にする方式
や、開弁時間で制御するインジェクタ方式（一般にター
ンダウン比１：１０程度）は、噴霧角度と均一分布の点
で問題がある。

【００１５】本発明は、本発明は上記課題を解決したも
ので、均一な噴霧状態と微粒化が可能となり、さらに燃
焼触媒や改質触媒入口部の熱負荷の軽減と流速を遅くす
ることができ、運転範囲即ちターンダウン比を向上させ
ることができ、液ダレなく噴霧させることが可能な燃料
電池用改質装置を提供する。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記技術的課題を解決す
るためになされた請求項１の発明は燃料と霧化用空気と
が投入される噴霧器が配設された蒸発器と、改質触媒層
からなる改質器とを備えた燃料電池用改質装置におい
て、前記蒸発器の入口近傍には、拡散室が形成され、該
拡散室には、噴霧器からの噴霧体の噴射方向に対して９
０度以上、下流側に傾斜された傾斜角度を備えた第１空
気噴射口が配設され、該第１空気噴射口より拡散用空気
が投入されることを特徴とする燃料電池用改質装置であ
る。

【００１７】請求項１の発明により、均一な噴霧状態と
微粒化が可能となり、液ダレを少なく噴霧させることが
可能となる。

【００１８】上記技術的課題を解決するためになされた
請求項２の発明は、前記第１噴射口から噴射される前記
拡散用空気の拡散噴射速度ベクトルは、前記噴霧体が前
記拡散室へ噴射される噴射速度ベクトルよりも小さく設
定されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池
用改質装置である。

【００１９】請求項２の発明により、請求項１の効果に
加えて、液ダレをさらに少なく噴霧させることができ
る。

【００２０】上記技術的課題を解決するためになされた
請求項３の発明は、前記噴霧器は、燃料が投入される内
管と霧化用空気が投入される外管とから形成され、前記
内管の長さは前記外管の長さより短く形成され、前記拡
散室の上流側に形成された霧化室から前記燃料と前記霧
化用空気からなる噴霧体が前記拡散室に噴射されること
を特徴とする請求項１記載の燃料電池用改質装置であ
る。

【００２１】請求項３の発明により、請求項１の効果に
加えて、均一な噴霧状態と微粒化が可能とるといった効
果が得られる。

【００２２】上記技術的課題を解決するためになされた
請求項４の発明は、前記拡散室の下流には保炎部材が形
成され、該保炎部材には保炎用空気が噴射される第２空
気噴射口が配設されていることを特徴とする請求項１記
載の燃料電池用改質装置である。

【００２３】請求項４の発明により、請求項１の効果に
加えて、着火器により着火された火炎は保炎部材の第２
空気噴射口により安定化されるといった効果が得られ
る。

【００２４】上記技術的課題を解決するためになされた
請求項５の発明は、前記燃料の増加に伴い、霧化用空気
と拡散用空気は増加率を小さく、保炎用空気は増加率を
大きくなるようにしたことを特徴とする請求項１記載の
燃料電池用改質装置である。

【００２５】請求項５の発明により、請求項１の効果に
加えて、運転範囲即ちターンダウン比を向上させること
ができるといった効果が得られる。

【００２６】上記技術的課題を解決するためになされた
請求項６の発明は、前記蒸発器の入口近傍には、燃焼用
空気を投入する第１空気投入口と噴霧体を着火する着火
器が配設され、前記蒸発器の出口近傍には、改質用空気
が投入される第２空気取入口が配設され、前記第２空気
取入口の上流側と下流側に、防炎あるいは蒸気の拡散さ
せる防炎・拡散手段と、蒸気あるいは改質用空気を拡散
・整流させる拡散・整流手段が配設されていることを特
徴とする請求項１〜請求項６いずれか記載の燃料電池用
改質装置である。

【００２７】請求項６の発明により、請求項１〜請求項
６の効果に加えて、防炎、蒸気の拡散、蒸気あるいは改
質用空気の拡散・整流が効率良く行なわれるといった効
果が得られる。

【００２８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例について図
１〜図５を参照して説明する。

【００２９】図１は燃料電池に水素を供給する燃料電池
用改質装置１００全体の概略図である。この燃料電池用
改質装置１００は、燃料と霧化用空気とが投入される噴
霧器１が配設された蒸発器１０と、白金、銅―亜鉛等が
担持された改質触媒層からなる改質器７０とを備えてい
る。

【００３０】図２は、図１の燃料電池用改質装置におけ
る蒸発器１０の拡大断面図である。円筒状の蒸発器１０
の入口近傍には、噴霧器１と連通する拡散室２０が形成
されている。拡散室２０の周りには拡散空気室２１が形
成されている。この拡散空気室２１と拡散室２０の壁２
２の円周状には噴霧器１からの噴射方向に対して９０度
以上の傾斜角度Ｂを備えた複数個の第１空気噴射口１７
が配設されている。第１空気投入口１６より拡散用空気
ＫＫが投入され第１空気噴射口１７より拡散用空気ＫＫ
が噴射される。なおこの第１空気噴射口１７は改質器の
能力に応じて設計されるが、直径約０．５〜１ｍｍ程度
である。

【００３１】この第1空気噴射口１７は、噴霧器１から
の噴霧体の噴射方向に対して９０度以上、下流側に傾斜
された傾斜角度を備えているが。本実施例では、１３５
から１５０度の角度である。

【００３２】第１空気噴射口１７から噴射される拡散用
空気ＫＫの拡散噴射速度ベクトルＫＫ１は、霧化された
燃料と空気が拡散室２０へ噴射される霧化噴射速度ベク
トルＫＫ２よりも小さく設定されるようにしなければな
らないが、この設定条件を満たすためには第1空気噴射
口１７が、噴霧器１からの噴射方向に対して９０度以上
の傾斜角度を備えていることが必要条件となる。傾斜角
度が９０度より小さいと噴霧体Ｈは増速され、かつ拡散
効果が小さくなる。図２の壁２２にダレが生じる。

【００３３】また合成ベクトルＫＫ３の方向が図２の壁
２２に向くと液ダレを生じる為、ＫＫ１とＫＫ２はその
点を考慮してＫＫ１の方が小さく設定される。

【００３４】噴射器１に投入される燃料Ｆと霧化用空気
ＭＫとが混合された噴霧体Ｈは噴霧器１の噴霧口１Ａか
ら噴射される。噴霧器１は、燃料が投入される内管１１
と霧化用空気ＭＫが投入される外管１２とから形成さ
れ、内管１１の長さは外管１２の長さより短く形成され
ている。

【００３５】噴霧器１から水とメタノールの燃料を燃焼
蒸発室２に向け噴射するが、メタノールは改質分の水
とメタノールを改質に適する温度まで蒸発、昇温するの
に必要な燃焼熱を得る量だけ余分に投入される。燃焼に
必要な空気は空気投入口１３より供給される。また霧化
用空気ＭＫは噴霧器１に代えて液用と霧化用空気のニ流
体噴霧器としても良い。

【００３６】図２に示すように、液体燃料Ｆは内管１１
より供給され、空気投入口１６より外管１２に供給され
た霧化用空気ＭＫと霧化室１５で混合、霧化され外管１
２内部に形成された霧化室１５の噴霧口１Ａより噴出さ
れる。この霧化用空気ＭＫの流量は液側の流量と霧の微
粒化状態に影響を与え、可変噴射口径機構（可変オリフ
ィス）と同様な効果を生む。例えば投入する液が少ない
場合には空気を多めにすれば液が通る通路が狭くなるこ
とになる。液が多めの時は逆になり、従って高範囲なタ
ーンダウン比がとれることになる。

【００３７】一般に単口より噴霧される場合の霧化気は
中実な円錐状になるが、噴霧角度Ａは２０度程度が限界
である。下流に配置する改質器７０は投入部熱負荷を軽
減したり、流速を落とすなどの必要からある程度流路断
面積を大きく取る必要があり、その為には噴霧角度を広
げかつ均一な断面分布を持たせる必要がある。

【００３８】本発明は、上記説明したように、そこで空
気投入口１６より供給された拡散用空気ＫＫを第１空気
噴射口１７より噴射して外管１２の噴霧口１Ａより噴霧
された流れを拡散させる。空気噴射口１７は外管１２中
心線と成す角度Ｂは９０度以上とすることで拡散と共
に、流速を下げる効果があり、着火不良や噴き消えなど
が起きにくくなる。

【００３９】拡散角度は霧化気流の速度ベクトルと拡散
用空気ＫＫの速度ベクトルの合成で決まるが、霧化気流
の速度ベクトルの方を大きくすることで、拡散室の壁に
気流があたり、液ダレすることが防止できる。また図２
のＡの角度は、上記第１空気噴射口１７より噴射しない
場合の噴霧状態を示す。

【００４０】拡散された霧化気流はグロープラグ等の着
火器４で点火され、通常火炎は付設の保炎部材１９によ
り安定化される。図３では円錐上部材に複数の空気噴射
口１９を配置した例を示すが、旋回器（スワーラ）等で
も良い。

【００４１】拡散室２０の下流には下流に向かって傘状
に広がる保炎部材１９が形成され、この保炎部材１９に
は第２空気投入口１８を介して保炎用空気ＨＫが噴射さ
れる第２空気噴射口２３が複数個配設されている。

【００４２】蒸発器１の入口近傍には、燃料の一部を着
火する着火器４の着火部は保炎部材１９によって囲まれ
た空間である着火室２３に配設されている。

【００４３】霧化された液粒と空気との噴霧体Ｈは着火
器４で点火される。着火器４はグロープラグ（電気ヒー
タ式）やスパークプラグ（火花点火式）などが利用でき
る。燃焼蒸発室２内では燃料Ｆ中のメタノールの部分燃
焼による発熱で残りのメタノール及び水が蒸発して改質
に適する温度よりやや高い温度まで昇温される。

【００４４】ここで、実際には燃料Ｆの増加に伴い火炎
が伸び、燃焼蒸発室２の中央と上側に高温蒸気が分布す
ることが有り、空気投入口１８より投入される部分酸化
改質用の空気と反応して再着火してしまうことがある。

【００４５】そこで、燃焼・蒸発室２出口にセラミック
スや金属の多孔体などの防炎・拡散手段５０を付設する
ことにより蒸気温度を燃焼蒸発室２内で平均化され着火
温度よりも低くなり燃焼・蒸発室２より排出される。

【００４６】一方蒸発器１の出口近傍には、改質用空気
ＫＫが投入される第２空気取入口５と、この第２空気投
入口５の蒸発器１の上流側と下流側に、それぞれ防炎あ
るいは蒸気の拡散させる防炎・拡散手段５０と、蒸気あ
るいは改質用空気ＫＫを拡散・整流させる拡散・整流手
段６０とが配設されている。この防炎・拡散手段５０と
拡散・整流手段６０の間に投入された改質用空気ＫＫと
が噴霧体Ｈと均一に混ぜ合わせられる。

【００４７】このように高温蒸気と部分酸化改質用空気
ＫＫは多孔体や金属メッシュなどの拡散・整流手段６０
により均一に混合され改質に適する温度まで下げられて
改質器７０に入り水素を主成分とするガスに改質され更
にＣＯ低減部８０でＣＯが低減されて改質ガスとして燃
料電池に供給される。

【００４８】ここで、上記多孔体の直径は車輌搭載性、
改質能力、火炎形状などを考慮して設計されるが、全体
の開口率は蒸発器１０での燃料と空気の流量が通過する
断面積に対して約６０％がよい。

【００４９】また、燃焼・蒸発室２内では燃料中、例え
ば投入した水とメタノールの混合気のうち、メタノール
の一部が投入した空気量に応じて燃焼してその発生熱に
より燃料を蒸発、昇温させる。高温蒸気は更に防炎・拡
散手段６０により均一化され、改質器に供給される。

【００５０】図４に示すように、蒸発器１０は改質器用
であるから投入できる燃焼用空気ＮＫは制限がある。例
えば改質に適する蒸気温度でかつ燃料電池の効率を落と
すような余分な空気を改質器７０より排出しないことで
ある。

【００５１】燃焼用空気ＮＫの流量は燃料の流量に比例
する。燃焼用空気ＮＫは霧化用空気ＭＫと拡散用空気Ｋ
Ｋと保炎用空気ＨＫを加算した量であるが、各流量比を
燃料の流量に応じて変えることで運転範囲即ちターンダ
ウン比を向上させることができる。

【００５２】例えば燃料Ｆが少ない時は霧化用空気ＭＫ
の流量を大きくして、拡散用空気ＫＫはそれより少なく
して液ダレなく噴霧され燃焼・蒸発する。

【００５３】この時燃焼量は小さいので保炎用空気ＨＫ
は少なくて良いが燃料が増えるに従い、燃焼量も増える
ことから、図の様に増加率を大きくし、逆に霧化用空気
ＭＫと拡散用空気ＫＫは増加率を小さくする。

【００５４】なお図２に示すように、空気噴射口１７の
形状は複数の孔の代わりに円輪状のスリットを配設して
もよい。または図３のように上記の複数の空気噴射口１
７の傾斜角度と同様な傾斜角度を有した複数の細管１１
７で構成されてもよい。

【００５５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は、燃料と
霧化用空気とが投入される噴霧器が配設された蒸発器
と、改質触媒層からなる改質器とを備えた燃料電池用改
質装置において、前記蒸発器の入口近傍には、拡散室が
形成され、該拡散室には、噴霧器からの噴霧体の噴射方
向に対して９０度以上、下流側に傾斜された傾斜角度を
備えた第１空気噴射口が配設され、該第１空気噴射口よ
り拡散用空気が投入されることを特徴とする燃料電池用
改質装置であるので、均一な噴霧状態と微粒化が可能と
なり、液ダレを少なく噴霧させることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の燃料電池に水素を供給する燃料電池用
改質装置全体の概略図。

【図２】図１の燃料電池用改質装置における蒸発器の拡
大断面図。

【図３】図２の空気噴射口における別の実施例を示した
図。

【図４】空気流量と燃料と空気流量との関係を示した
図。

【図５】従来の燃料電池用改質装置。

【符号の説明】

Ｆ・・・燃料ＭＫ・・・霧化用空気１・・・噴霧器１０・・・蒸発器７０・・・改質器６０・・・燃料電池用改質装置１７・・・第１空気噴射口ＫＫ・・・拡散用空気

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃料と霧化用空気とが投入される噴霧器
が配設された蒸発器と、改質触媒層からなる改質器とを
備えた燃料電池用改質装置において、前記蒸発器の入口近傍には、拡散室が形成され、該拡散
室には、噴霧器からの噴霧体の噴射方向に対して９０度
以上、下流側に傾斜された傾斜角度を備えた第１空気噴
射口が配設され、該第１空気噴射口より拡散用空気が投
入されることを特徴とする燃料電池用改質装置。
【請求項２】前記第１噴射口から噴射される前記拡散
用空気の拡散噴射速度ベクトルは、前記噴霧体が前記拡
散室へ噴射される噴射速度ベクトルよりも小さく設定さ
れていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池用改
質装置。
【請求項３】前記噴霧器は、燃料が投入される内管と
霧化用空気が投入される外管とから形成され、前記内管
の長さは前記外管の長さより短く形成され、前記拡散室
の上流側に形成された霧化室から前記燃料と前記霧化用
空気からなる噴霧体が前記拡散室に噴射されることを特
徴とする請求項１記載の燃料電池用改質装置。
【請求項４】前記拡散室の下流には保炎部材が形成さ
れ、該保炎部材には保炎用空気が噴射される第２空気噴
射口が配設されていることを特徴とする請求項１記載の
燃料電池用改質装置。
【請求項５】前記燃料の増加に伴い、霧化用空気と拡
散用空気は増加率を小さく、保炎用空気は増加率を大き
くなるようにしたことを特徴とする請求項１記載の燃料
電池用改質装置。
【請求項６】前記蒸発器の入口近傍には、燃焼用空気
を投入する第１空気投入口と噴霧体を着火する着火器が
配設され、前記蒸発器の出口近傍には、改質用空気が投
入される第２空気取入口が配設され、前記第２空気取入
口の上流側と下流側に、防炎あるいは蒸気の拡散させる
防炎・拡散手段と、蒸気あるいは改質用空気を拡散・整
流させる拡散・整流手段が配設されていることを特徴と
する請求項１〜請求項６いずれか記載の燃料電池用改質
装置。