JP2003192307A

JP2003192307A - 燃料改質装置

Info

Publication number: JP2003192307A
Application number: JP2001395131A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Ogino; 温荻野; Satoshi Owada; 聡大和田; Hironori Ishikawa; 浩規石川
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2001-12-26
Filing date: 2001-12-26
Publication date: 2003-07-09

Abstract

(57)【要約】【課題】改質原燃料や水を改質反応に供するのに先立
ってこれを気化させる際に、気化させるべき改質原燃料
や水の量が変動しても、この変動に充分に追従して気化
の動作を行なう技術を提供する。【解決手段】改質器１６は、改質原燃料であるメタノ
ールと水とを混合した改質燃料を、第１ノズル３０およ
び第２ノズル３１を用いて、燃焼室３８内に噴霧する。
これら第１ノズル３０および第２ノズル３１を用いた噴
霧を行なう際には、噴霧すべき流量に応じて用いるノズ
ルを選択する。また、上記ノズルを用いた噴霧の際に
は、補助流体として空気を用いる。燃料室３８内にメタ
ノールおよび空気が供給されるときに、点火プラグ３３
を用いて点火を行なうと、燃焼室３８内でメタノールの
燃焼反応が開始される。この燃焼反応で生じた熱を利用
して、残りのメタノールや水が気化され、改質反応に供
される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、所定の改質原燃
料と水から水素を生成する燃料改質装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池に水素を供給する方法として、
炭化水素などの改質原燃料を改質して得られる水素を用
いる方法が知られている。改質原燃料から水素を生成す
る改質反応としては、水蒸気改質反応や部分酸化反応が
知られている。このような改質反応を行なうためには、
所定の温度条件下において、改質触媒に対して、気体状
の改質原燃料や水蒸気を供給する。したがって、改質原
燃料として液体燃料を用いる場合や、改質器に水を供給
する際には、改質反応に供するのに先立ってこれらの液
体を気化・昇温させる必要がある。

【０００３】液体の改質原燃料を気化させる方法の一つ
として、燃焼触媒に対して空気を供給すると共に液体燃
料を噴霧して、液体燃料を用いた触媒燃焼を行なわせ、
触媒燃焼で生じた熱を利用して残りの液体燃料を蒸発さ
せる方法が提案されている（例えば、特開２０００−１
９１３０４号公報等）。この方法では、液体燃料を燃焼
させて生じた熱が、残りの液体燃料に直ちに供給されて
これを気化させる。したがって、他の熱源を用いた蒸発
器を設ける場合に比べて、装置の構成を簡素化すること
ができると共に、燃料改質装置の起動時間を短縮するこ
とが可能となる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、燃料電池を
電気自動車に搭載し、燃料電池から得られる電気エネル
ギを用いて車両を駆動する場合には、燃料電池に対する
負荷要求は、車両の走行状態に応じて大きく変動する。
このように負荷要求が変動するときには、改質器に供給
される改質原燃料量も、それに応じて変動する。しかし
ながら、上記のように液体燃料を噴霧して燃焼反応を行
なわせ、生じた熱で液体燃料を気化させる燃料改質装置
において、負荷変動に対する応答性については、充分に
検討されていなかった。

【０００５】本発明は、上述した従来の課題を解決する
ためになされたものであり、改質原燃料や水を改質反応
に供するのに先立ってこれを気化させる際に、気化させ
るべき改質原燃料や水の量が変動しても、この変動に充
分に追従して気化の動作を行なう技術を提供することを
目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段およびその作用・効果】上
記目的を達成するために、本発明は、所定の改質原燃料
と水とを用いて改質反応を進行し、水素を生成する燃料
改質装置であって、前記改質原燃料と水とのうちの少な
くとも一方を噴霧する複数の噴霧ノズルを備え、前記改
質原燃料と水とを、前記燃料改質装置内の所定の空間に
供給する改質燃料供給部と、前記所定の空間に空気を供
給する空気供給部と、前記空気が混合された前記改質原
燃料において燃焼反応を開始させる着火部と、前記改質
反応を促進する活性を有する触媒を備え、前記燃焼反応
で生じた熱によって気化された前記改質原燃料および水
の気体が供給される触媒部とを備えることを要旨とす
る。

【０００７】このような構成とすれば、上記ノズルから
噴霧すべき改質原燃料および／または水の量が変動する
ときに、実際に噴霧に用いるノズルとして、複数のノズ
ルのうちのいずれかのノズルを、単独であるいは組み合
わせて用いることができる。したがって、噴霧すべき流
量が変動しても、広い流量の範囲にわたって、充分に微
細な粒子の状態で適正に噴霧を行なうことが可能とな
る。

【０００８】なお、ここで噴霧とは、液体を充分に微細
な粒状にして所定の空間に拡散させることをいう。複数
のノズルを用いて、改質原燃料および／または水を充分
に微細な粒状にして拡散させることにより、燃焼反応や
気化を良好に進行させることができる。これによって、
燃料改質装置に供給される改質原燃料および水の量が変
動するときにも、この変動に精度良く追従して、所望量
の改質反応を行なうことができる。

【０００９】本発明の燃料改質装置において、前記複数
の噴霧ノズルは、噴霧可能な流量の範囲が異なるノズル
を備えることとしても良い。

【００１０】また、本発明の燃料改質装置において、前
記複数の噴霧ノズルによって噴霧すべき前記改質原燃料
および／または水の流量に応じて、前記複数の噴霧ノズ
ルのうち、実際に噴霧に用いるノズルを選択する選択部
をさらに備えることとしても良い。

【００１１】このような本発明の燃料改質装置におい
て、前記改質原燃料は、親水性を有する液体燃料であ
り、前記複数の噴霧ノズルは、前記液体燃料と前記水と
の混合液を噴霧することとしても良い。

【００１２】あるいは、本発明の燃料改質装置におい
て、前記改質原燃料は、疎水性を有する液体燃料であ
り、前記改質燃料供給部は、前記液体燃料を噴霧する複
数の噴霧ノズルと、前記水を噴霧する複数の噴霧ノズル
とを備えることとしても良い。

【００１３】あるいは、本発明の燃料改質装置におい
て、前記改質原燃料は、気体燃料であり、前記複数の噴
霧ノズルは、前記水を噴霧することとしても良い。

【００１４】また、本発明の燃料改質装置において、前
記複数の噴霧ノズルは、２流体ノズルであり、前記２流
体ノズルは、前記所定の空間に供給すべき空気の一部
を、噴霧のための補助流体として用いることとしても良
い。

【００１５】本発明の燃料改質装置において、前記着火
部は、前記所定の空間に設けた点火プラグであることと
しても良い。これによって、上記所定の空間において、
容易に気相燃焼を開始させることができる。

【００１６】このような燃料改質装置において、前記所
定の空間と前記触媒部との間に、前記改質原燃料および
水の気化を促進する気化促進部を配設することとしても
良い。

【００１７】また、本発明の燃料改質装置において、前
記気化促進部は、金属を含有する多孔質部材であること
としても良い。

【００１８】また、本発明の燃料改質装置において、前
記着火部は、酸化触媒を有することとしても良い。この
ような構成とすれば、酸化触媒上で、触媒燃焼を行なわ
せることができる。

【００１９】このような燃料改質装置において、前記着
火部は、前記酸化触媒を加熱するヒータを備えることと
しても良い。このような構成とすれば、ヒータを用いて
酸化触媒を加熱することで、より早く充分な活性で触媒
燃焼を開始させることができ、始動性を向上させること
ができる。

【００２０】本発明は、上記以外の種々の形態で実現可
能であり、例えば、改質燃料を気化させる蒸発器や燃料
改質方法、または燃料電池システム、あるいは燃料電池
システムを搭載する電気自動車などの形態で実現するこ
とが可能である。

【００２１】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態を実施
例に基づいて以下の順序で説明する。Ａ．装置の全体構成：Ｂ．改質器１６の構成：Ｃ．改質器１６の動作：Ｄ．第２実施例：Ｅ．第３実施例：Ｆ．変形例：

【００２２】Ａ．装置の全体構成：図１は、実施例とし
ての燃料電池システム１０の構成の概略を示す説明図で
ある。燃料電池システム１０は、メタノールタンク１２
と、水タンク１４と、改質器１６と、ＣＯ低減部１８
と、燃料電池２０と、制御部２６とを備える。

【００２３】メタノールタンク１２は、改質原燃料であ
るメタノールを貯蔵する。メタノールタンク１２に貯蔵
されるメタノールは、メタノール流路４０を介して改質
器１６に供給される。メタノールタンク１２から改質器
１６に供給されるメタノールの量は、制御部２６に接続
されるポンプ１１によって制御される。

【００２４】水タンク１４に貯蔵される水は、水供給路
４１を介して改質器１６に供給される。水タンク１４か
ら改質器１６に供給される水の量は、制御部２６に接続
されるポンプ１３によって制御される。水供給路４１は
メタノール流路４０と合流して改質燃料供給路４２とな
る。この改質燃料供給路４２において、メタノールと水
とは、所定量ずつ混合されて改質器１６に供給される。

【００２５】改質器１６は、改質燃料供給路４２を介し
て供給されたメタノールおよび水を気化・昇温させると
共に、気化したメタノールおよび水を用いて改質反応を
進行して、水素を生成する。改質器１６の構成について
は、後に詳しく説明する。改質反応によって生成された
水素を含有する水素リッチガスは、改質ガス流路４３を
介して、改質器１６からＣＯ低減部１８に供給される。
なお、改質器１６には、空気供給路４６を介して改質器
１６に空気を供給するブロワ２４が併設されている。ブ
ロワ２４から改質器１６に供給される空気量は、制御部
２６によって制御される。

【００２６】ＣＯ低減部１８は、改質器１６から供給さ
れた水素リッチガス中の一酸化炭素濃度を低減させる装
置である。改質器１６から供給される水素リッチガス
は、通常は所定量の一酸化炭素を含んでいる。このよう
に一酸化炭素を含有するガスを燃料電池２０に供給する
と、燃料電池２０が備える白金触媒に一酸化炭素が吸着
して、電池性能の低下を引き起こすおそれがある。そこ
で、ＣＯ低減部１８を設け、燃料電池２０に供給する水
素リッチガス中の一酸化炭素濃度の低減を図っている。
ＣＯ低減部１８は、一酸化炭素と水蒸気とから二酸化炭
素と水素とを生じるシフト反応を促進する触媒を備え、
シフト反応によって水素リッチガス中の一酸化炭素濃度
を低減するシフト部とすることができる。シフト反応を
促進する触媒としては、例えば銅系触媒を用いることが
できる。あるいは、水素に優先して一酸化炭素を酸化す
る選択酸化反応を促進する触媒を備え、一酸化炭素選択
酸化反応によって水素リッチガス中の一酸化炭素濃度を
低減する一酸化炭素選択酸化部とすることができる。一
酸化炭素選択酸化触媒としては、白金触媒、ルテニウム
触媒、パラジウム触媒、金触媒、あるいはこれらを第１
元素とした合金触媒を挙げることができる。また、ＣＯ
低減部１８は、これらシフト部と一酸化炭素選択酸化部
との両方を備えることとしても良い。

【００２７】燃料電池２０は、電気化学反応を進行して
起電力を得る。本実施例では、燃料電池２０として、固
体高分子型燃料電池を用いた。ＣＯ低減部１８で一酸化
炭素濃度が下げられた水素リッチガスは、燃料ガス供給
路４４によって燃料電池２０に導かれ、燃料ガスとして
アノード側における電池反応に供される。一方、燃料電
池２０のカソード側における電池反応に関わる酸化ガス
は、ブロワ２２から酸化ガス供給路４５を介して圧縮空
気として供給される。以下に、燃料電池２０で進行する
電気化学反応を表わす式を示す。

【００２８】Ｈ₂ → ２Ｈ⁺＋２ｅ^- …（１）２Ｈ⁺＋２ｅ^-＋（１／２）Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ …（２）Ｈ₂＋（１／２）Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ …（３）

【００２９】（１）式はアノード側における反応を示
し、（２）式はカソード側における反応を示し、（３）
式は燃料電池全体で行なわれる反応を示す。

【００３０】制御部２６は、マイクロコンピュータを中
心とした論理回路として構成され、ＣＰＵやＲＯＭやＲ
ＡＭ、あるいは、各種信号を入出力する入出力ポートを
備える。制御部２６は、燃料電池システム１０が備える
各種センサからの検出信号を入力すると共に、既述した
ブロワやポンプなどに駆動信号を出力して、燃料電池シ
ステム１０全体の運転状態を制御する。

【００３１】Ｂ．改質器１６の構成：図２は、改質器１
６の構成を表わす説明図である。改質器１６の内部は、
改質燃料であるメタノールおよび水の気化・昇温に関わ
る霧化・気化部６０と、改質反応を進行する改質部６５
とに分けることができる。

【００３２】霧化・気化部６０は、第１ノズル３０、第
２ノズル３１、点火プラグ３３、燃焼室３８、空気拡散
板３４、整流板３６、整流室３９を備える。燃焼室３８
は、改質器１６の上流側の内部空間として形成され、こ
の燃焼室３８の上流側端部の近傍には、改質燃料供給路
４２の端部構造として、第１ノズル３０および第２ノズ
ル３１が設けられている。また、この第１ノズル３０お
よび第２ノズル３１は、空気供給路４６の端部構造でも
ある。第１ノズル３０および第２ノズル３１は、メタノ
ールと水とが混合された液状の改質燃料を、ブロワ２４
から供給される空気の圧力を利用して燃焼室３８内に噴
霧する。すなわち、第１ノズル３０および第２ノズル３
１は、空気を補助流体として用いる二流体ノズルであ
る。なお、このような液体の噴霧に用いるノズルには、
適正な流量範囲（噴霧する液を充分に微細な粒子とする
ことができる範囲）がある。本実施例では、適正流量範
囲の異なる２つのノズルを用いることとし、適正流量範
囲の大きい方のノズルを、第２ノズル３１とした。

【００３３】また、改質器１６の上流側端部付近には、
燃焼室３８内に空気を供給するための空気供給口３２が
設けられている。空気供給口３２も、空気供給路４６に
接続されており、ブロワ２４から供給される空気が吐出
される。すなわち、空気供給路４６は、その端部が３つ
に分岐しており、ブロワ２４からの空気は、各分岐路を
介して、第１ノズル３０と第２ノズル３１と空気供給口
３２とのぞれぞれに対して供給される。なお、上記各分
岐路には、制御部２６に接続するマスフロコントローラ
（図示せず）が設けられており、このマスフロコントロ
ーラによって供給空気量が制御される。

【００３４】燃焼室３８の上流側のコーナー部には、円
錐面状の形状を有する空気拡散板３４が設けられてい
る。空気拡散板３４と、改質器１６の外壁との間には、
空気供給口３２から吐出される空気が流入する空気導入
室５０が形成されている。

【００３５】空気拡散板３４には、これを貫通する複数
の貫通孔３５が設けられている。空気供給口３２から空
気導入室５０に流入した空気は、これら複数の貫通孔３
５を介して、燃焼室３８内に供給される。このように、
貫通孔３５を有する空気拡散板３４を用いることで、空
気供給口３２から吐出される空気を、より均一な状態で
燃焼室３８内に供給することができる。

【００３６】点火プラグ３３は、制御部２６に接続され
ており、燃焼室３８内において所望の時期に火花を形成
する。上記したように、燃焼室３８内には、メタノール
が噴霧されると共に、空気が供給される。したがって、
点火プラグ３３を用いることによって、霧状のメタノー
ルに点火して、メタノールの燃焼反応を開始することが
できる。すなわち、燃焼室３８にメタノールおよび空気
が供給されるときに、点火プラグ３３を用いて点火を行
なうと、燃焼室３８内では気相反応である燃焼反応が開
始される（着火する）。燃焼反応が開始されると、燃焼
反応で生じた熱によって、燃焼室３８内の温度は速やか
に上昇し、燃焼室３８内に残留するメタノールや、完全
燃焼せずに残留する液状の炭素化合物が、気化する。

【００３７】整流板３６は、燃焼室３８の下流側端部に
配設される薄板状の部材であり、例えば、発泡ニッケル
や金属網によって形成される。上記したように、燃焼室
３８内においては、燃焼反応で生じる熱によってメタノ
ールおよび水が気化するが、気化したメタノールと水お
よび残余の空気は、この整流板３６を通過することによ
って整流される。

【００３８】さらに、整流板３６は、メタノールおよび
水の気化を促進する働きも有する。すなわち、燃焼室３
８内において、液体微粒子状のメタノールや水が気化せ
ずに残っていると、これらのメタノールや水は、改質器
１６内を通過する際に整流板３６の表面に捕捉される。
整流板３６は、金属によって形成されるため、燃焼反応
で生じる熱によって速やかに昇温する。そのため、整流
板３６の表面では、燃焼室３８内で気化し残ったメタノ
ールや水が直ちに気化し、気化したこれらの改質燃料
は、整流室３９側に供給される。このようにメタノール
や水の気化を促進するために、整流板３６は、伝熱性の
高い部材によって形成することが望ましく、上記のよう
に金属製の部材あるいは金属を含有する多孔質部材によ
って形成するのが好適である。

【００３９】整流室３９においては、上記のように、残
余のメタノールや完全燃焼していない残余の炭素化合物
が気化したものと、水蒸気と残余の空気とからなる改質
燃料気体が、気化促進板で整流された後に流入する。こ
れらの改質燃料気体は、改質部６５を構成する改質反応
部３７に供給される。

【００４０】改質反応部３７は、その表面に改質触媒を
担持するハニカムチューブを備える。改質触媒として
は、例えばＣｕ−Ｚｎ触媒を用いることができる。この
改質触媒を担持するハニカムチューブとしては、ステン
レス鋼等から成るメタルハニカムを用いても良いし、コ
ージェライトなどのセラミックス製のモノリスを用いる
こととしても良い。充分に昇温した改質燃料気体が、こ
の改質反応部３７を通過すると、上記Ｃｕ−Ｚｎ触媒上
で改質反応が進行する。本実施例の改質反応部３７で
は、水蒸気改質反応と部分酸化反応が進行する。ここで
は、改質器１６に供給する空気量を制御することによっ
て、部分酸化反応で生じた熱を利用して、水蒸気改質反
応で要する熱を賄っている。改質反応で得られた水素リ
ッチガスは、改質器１６から、既述した改質ガス流路４
３に排出される。

【００４１】Ｃ．改質器１６の動作：改質器１６が備え
る第１ノズル３０および第２ノズル３１は、既述したよ
うに、その適正流量範囲が異なっている。本実施例の改
質器１６は、改質器１６に供給すべき改質燃料の量に応
じて、改質燃料を噴霧するのに用いるノズルを選択して
いる。なお、第１ノズル３０および第２ノズル３１を介
して改質器１６に供給される改質燃料量は、燃料電池２
０に接続される負荷の大きさに応じて定まる。制御部２
６は、負荷要求に関する情報を取得して、改質器１６に
供給すべき改質燃料量を決定し、ポンプ１１，１３や、
第１ノズル３０および第２ノズル３１に対して駆動信号
を出力する。これによって、負荷要求に応じた所望量の
改質燃料が、改質燃料量に応じた所定のノズルによっ
て、燃焼室３８内に噴霧される。

【００４２】図３は、改質器１６に供給される改質燃料
流量に応じて、用いるノズルを使い分ける様子を表わす
説明図である。図３では、第１ノズル３０（小ノズル）
を用いるときと、第２ノズル３１（大ノズル）を用いる
ときと、両方のノズルを用いるときのそれぞれについ
て、適正流量範囲を示した。また、改質燃料流量に応じ
て採用するノズルの種類を、ハッチングを付して示し
た。すなわち、改質燃料流量がＶ_A1以下のときには、第
１ノズル３０を用いる。また、改質燃料流量がＶ_A1から
Ｖ_A2の間のときには、第２ノズル３１を用いる。改質燃
料流量がＶ_A2から最大流量（Ｖ_A3）のときには、第１ノ
ズル３０と第２ノズル３１の両方を用いる。このよう
に、各ノズルあるいは両方のノズルを用いたときの適正
流量範囲内において噴霧の動作が行なえるように、ノズ
ルの使い分けを行なう。

【００４３】なお、改質器１６に供給されるメタノール
量は、上記したように負荷要求に応じて定まるが、さら
に詳しくは、所望量の水素を得るために改質反応に供す
る量と、この改質反応に供するメタノールを気化させる
熱を得るために燃焼反応に供する量との合計として求め
られる。改質器１６に供給される水の量もまた、負荷要
求に応じて定まるが、これは、改質反応部３７で進行す
る水蒸気改質反応で要する量として求められる。このよ
うにして求められた量のメタノールと水とが、予め混合
されて、所定のノズルから噴霧される。

【００４４】改質器１６に供給される空気量は、上記気
化させる熱を得るための燃焼反応に要する量と、改質反
応部３７において進行する部分酸化反応に供する量との
合計として求められる。ここで、改質器１６に対する空
気の供給は、第１ノズル３０および第２ノズル３１の他
に、さらに空気供給口３２を介して行なわれる。このよ
うにして改質器１６に供給される空気のうち、第１ノズ
ル３０および第２ノズル３１を用いて燃焼室３８内に供
給される空気量は、メタノールの霧化が適正に行なわれ
る量として、ノズル特性とメタノール流量とに応じて定
められる。そして、改質器１６に供給すべき空気量のう
ち、残りの量が、空気供給口３２を介して供給される。

【００４５】なお、本実施例の改質器１６では、点火プ
ラグ３３によって点火が行なわれ、燃焼室３８内で燃焼
反応が開始されると、空気供給口３２を介して充分量の
空気が供給されるため、その後は燃焼室３８内の燃焼反
応は継続的に進行する。ここで、燃焼室３８内など、改
質器１６内の所定の場所に温度センサを設け、燃焼反応
が進行していることを検知可能としても良い。このよう
な構成とすれば、何らかの理由により燃焼反応が行なわ
れなくなったときには、温度の低下としてこれを検知す
ることができ、そのような場合には、再び点火プラグ３
３を駆動して燃焼反応を再開することができる。

【００４６】以上のように構成された本実施例の改質器
１６によれば、適正流量範囲の異なる２つのノズルを選
択して用いて改質燃料の噴霧を行なうため、低負荷時か
ら最高負荷時まで、常に、噴霧の動作を良好に行なうこ
とができる。噴霧の動作が良好に行なわれ、充分に微細
な粒子として改質燃料が噴霧されると、メタノールの燃
焼反応や、改質燃料の気化をスムーズに進行させること
ができる。したがって、負荷が大きく変動するときに
も、燃焼反応や気化を伴う改質器１６全体の反応を、良
好な状態で維持することができる。例えば、燃料電池シ
ステム１０を電気自動車に搭載し、車両の駆動用電源と
して用いる場合には、車両のアイドリング時には要求負
荷は小さくなり、坂道登坂時などには負荷要求が大きく
なる。このように車両の運転状態が大きく変化するとき
にも、これに追従して改質反応を良好な状態で維持する
ことができる。さらに、改質燃料の気化に要する熱を、
改質器１６内で進行する燃焼反応によって得るため、改
質燃料を気化させるための熱交換部を設ける必要がな
く、装置全体を小型化することができる。

【００４７】なお、燃料電池システム１０の起動時に
は、改質器１６やＣＯ低減部１８の暖機を行なう必要が
ある。このような暖機運転時には、改質器１６におい
て、両方のノズルを用いて高負荷に対応する流量の改質
燃料を供給し、活発に燃焼反応を行なわせて、暖機を促
進することができる。

【００４８】また、本実施例では、図３に示したよう
に、高負荷時には第１ノズル３０と第２ノズル３１の両
方を用いることとしたが、大ノズルである第２ノズル３
１だけを用いることとしても良い。すなわち、改質燃料
の最大流量が、図３に示すＶ_A2となるように、システム
を設定することも可能である。

【００４９】Ｄ．第２実施例：図４は、第２実施例の改
質器１１６の構成を表わす説明図である。改質器１１６
は、第１実施例の燃料電池システム１０において、改質
器１６に代えて用いられる。改質器１１６において、改
質器１６と共通する部分には同じ参照番号を付し、詳し
い説明を省略する。

【００５０】改質器１１６は、改質燃料の霧化に関わる
霧化部１６０と、改質燃料の気化に関わる気化部１６２
と、改質反応を進行する改質部６５とに分けることがで
きる。霧化部１６０は、第１実施例の改質器１６の霧化
部１６０において、点火プラグ３３および整流板３６を
取り除いたものと同様の構成を備えており、燃焼室３８
と同様の空間として、霧化室１３８を備えている。気化
部１６２は、触媒担持ヒータ１３６と、第１実施例と同
様の整流室３９とを備える。改質部６５は、第１実施例
と同様に改質反応部３７を備える。

【００５１】気化部１６２が備える触媒担持ヒータ１３
６は、所定の担体表面に燃焼触媒（例えば白金触媒やパ
ラジウム触媒）を有している。触媒担持ヒータ１３６を
構成する担体は、通電可能な金属製部材によって構成さ
れ、制御部２６からの駆動信号により通電が行なわれる
と、ヒータとして働く。なお、この担体の形状は、改質
燃料が通過する際の流路抵抗が許容範囲内であり、改質
燃料が内部を通過する際に、充分な効率で燃焼反応が進
行しうる表面積を有していればよい。例えば、ハニカム
状、メッシュ状、多孔質状などの形状とすることができ
る。

【００５２】本実施例の改質器１１６では、その起動時
に第１ノズル３０および第２ノズル３１から改質燃料の
噴霧を開始する際には、触媒担持ヒータ１３６への通電
も行なう。触媒担持ヒータ１３６への通電を行なうと、
触媒担持ヒータ１３６は直ちに昇温し、燃焼反応を進行
可能な温度となる（着火する）。このように燃焼触媒が
昇温した状態で、霧化した改質燃料および空気が供給さ
れると、燃焼触媒上で燃焼反応が開始される。燃焼反応
が開始されると、これに伴って熱が生じ、生じた熱は、
周囲に存在する霧化された改質燃料に供給されてこれを
気化させる。このように、霧化された改質燃料および空
気が触媒担持ヒータ１３６を通過することで、気体状の
改質燃料が得られ、これが改質反応部３７に供給され
る。

【００５３】なお、改質器１１６において、触媒担持ヒ
ータ１３６において一旦燃焼反応が開始されると、通常
は、この燃焼反応で生じる熱によって燃焼反応が維持さ
れる。したがって、燃焼反応の開始後は、触媒担持ヒー
タ１３６への通電を停止すればよい。燃焼反応が開始し
たかどうかは、改質器１１６内の温度に基づいて判断可
能である。このような判断を行なう際には、改質器１１
６内の所定の部位の温度を直接検出することとしても良
いし、触媒担持ヒータ１３６を構成する担体の電気抵抗
を検出することとしても良い。また、一旦燃焼反応が開
始された後であっても、何らかの原因で触媒温度が低下
したときには、再び触媒担持ヒータ１３６に通電して、
燃焼反応を再開することができる。

【００５４】このような第２実施例の改質器１１６にお
いても、第１ノズル３０および第２ノズル３１を選択し
て用いて改質器１１６内に改質燃料を噴霧することによ
り、負荷変動に充分に追従して所望量の改質燃料を気化
させ、改質反応に供することができる。

【００５５】Ｅ．第３実施例：第１および第２実施例で
は、改質原燃料として、液状のメタノールを用いたが、
気体の改質原燃料を用いる場合にも、本発明を適用する
ことができる。気体の改質原燃料を用いる第３実施例の
燃料電池システム２１０の構成を、図５に示す。第３実
施例の燃料電池システム２１０は、改質原燃料として天
然ガスを用いる以外は、第１実施例の燃料電池システム
１０と同様の構成を有するため、共通する部分には同様
の参照番号を付し、詳しい説明を省略する。

【００５６】燃料電池システム２１０が備える改質器２
１６へは、天然ガス流路２４０を介して、改質原燃料と
して天然ガスが供給される。天然ガス流路２４０は、商
用ガスとして供給される天然ガスの供給ラインに接続さ
れている。天然ガス流路２４０には、制御部２６に接続
される流路調節バルブ２１１が設けられており、流路調
節バルブ２１１によって、改質器１１６に供給される天
然ガス量が調節される。

【００５７】図６は、改質器２１６の構成を表わす説明
図である。改質器２１６は、第１ノズル２３０および第
２ノズル２３１を備える。この第１ノズル２３０および
第２ノズル２３１は、第１実施例と同様に、第１ノズル
２３０よりも第２ノズル２３１の方が適正流量範囲が大
きくなっている。第１ノズル２３０および第２ノズル２
３１は、水供給路４１と天然ガス流路２４０の端部構造
として構成されており、各ノズルからは、天然ガスを利
用して水が噴霧される。

【００５８】また、改質器２１６の上流側端部付近であ
って、空気供給口３２の近傍には、燃焼室３８内に天然
ガスを供給するための天然ガス供給口２３２が設けられ
ている。天然ガス供給口２３２も、天然ガス流路２４０
に接続されており、天然ガス供給口２３２を介して、天
然ガスが空気導入室５０内に吐出される。ここで、改質
器２１６に供給される天然ガス量は、所望量の水素を得
るために改質反応に供する量と、この改質反応に供する
水を気化させる熱を得るために燃焼反応に供する量との
合計として求められる。改質器２１６に供給される天然
ガスのうち、第１ノズル２３０および第２ノズル２３１
を用いて燃焼室３８内に供給される天然ガス量は、水の
霧化が適正に行なわれる量として、ノズル特性と水流量
とに応じて定められる。そして、改質器２１６に供給す
べき天然ガス量のうち、残りの量が、天然ガス供給口２
３２を介して供給される。なお、本実施例では、改質器
２１６に供給される空気の全量は、空気供給口３２を介
して供給されることとした。

【００５９】このような第３実施例の改質器２１６によ
れば、第１ノズル２３０および第２ノズル２３１を選択
して用いて改質器２１６内に水を噴霧することにより、
負荷変動に充分に追従して所望量の水を気化させ、改質
反応に供することができる。

【００６０】なお、本実施例では、二流体ノズルである
第１ノズル２３０および第２ノズル２３１において、水
を噴霧するために利用する気体として、改質原燃料であ
る天然ガスを用いたが、第１実施例と同様に空気を用い
ることとしても良い。この場合には、改質器２１６に供
給する天然ガスは、全て天然ガス供給口２３２から供給
することとすればよい。

【００６１】Ｆ．変形例：なお、この発明は上記の実施
例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱
しない範囲において種々の態様において実施することが
可能であり、例えば次のような変形も可能である。

【００６２】Ｆ１．変形例１：第１ないし第３実施例で
は、噴霧に用いる２つのノズルは、互いに適正流量範囲
が異なることとしたが、同じ適正流量範囲を示すノズル
を用いることとしても良い。図７は、同じ適正流量範囲
を示す第１ノズルと第２ノズルを用いる場合に、改質器
に供給される改質燃料流量に応じて、用いるノズルを使
い分ける様子を表わす説明図である。

【００６３】図７では、第１ノズルを用いるときと、第
１および第２両方のノズルを用いるときのそれぞれにつ
いて、適正流量範囲を示した。また、改質燃料流量に応
じて採用するノズルの種類を、ハッチングを付して示し
た。すなわち、改質燃料流量がＶ_B1以下のときには、第
１ノズルを用いる。また、改質燃料流量がＶ_B1から最大
流量（Ｖ_B2）のときには、第１ノズルと第２ノズルの両
方を用いる。このように、一方のノズルあるいは両方の
ノズルを用いるように、ノズルの使い分けを行なうこと
で、適正流量範囲内において噴霧の動作を行なうことが
できる。

【００６４】Ｆ２．変形例２：また、ノズルの個数は、
２よりも多い複数個のノズルを設けることとしても良
い。噴霧すべき改質燃料の流量に応じて、用いるノズル
の種類や用いるノズルの数を選択することで、噴霧すべ
き流量が変動するときにも、噴霧の動作を適正に行な
い、所望量の気体状の改質燃料を、改質反応に供するこ
とができる。

【００６５】Ｆ３．変形例３：さらに、改質燃料の噴霧
に用いるノズルは、二流体ノズルではない、通常の液体
噴霧用のノズルを用いることとしても良い。改質燃料
を、充分に微細な粒状にして噴霧することができればよ
い。このような場合にも、複数個のノズルを用いること
による同様の効果を得ることができる。

【００６６】Ｆ４．変形例４：また、本発明は、改質原
燃料として他種のものを用いる場合にも同様に適用する
ことができる。第１および第２実施例で用いたメタノー
ル等のアルコール類や、第３実施例で用いた天然ガス等
の気体炭化水素の他、液体炭化水素やアルデヒド類な
ど、種々のものを用いることができる。

【００６７】メタノールのような親水性の改質原燃料を
用いる場合には、第１実施例のように、予め水と混合し
て、一緒に噴霧を行なうことが容易となる。また、疎水
性の液体改質原燃料を用いる場合には、この液体改質原
燃料と水とのそれぞれについて、噴霧のためのノズルを
複数用意すれば、液体改質原燃料と水との両方におい
て、流量の変動に充分に追従する既述した効果を得るこ
とが可能となる。

【００６８】Ｆ５．変形例５：既述した実施例の改質器
では、改質反応部３７をハニカムチューブによって構成
したが、異なる形状とすることも可能である。例えば、
改質触媒をペレット状に成形し、改質反応部３７にはこ
の触媒ペレットを充填することとしても良い。

【図面の簡単な説明】

【図１】燃料電池システム１０の構成の概略を示す説明
図である。

【図２】改質器１６の構成を表わす説明図である。

【図３】改質器１６に供給される改質燃料流量に応じ
て、用いるノズルを使い分ける様子を表わす説明図であ
る。

【図４】第２実施例の改質器１１６の構成を表わす説明
図である。

【図５】第３実施例の燃料電池システム２１０の構成を
示す説明図である。

【図６】改質器２１６の構成を表わす説明図である。

【図７】改質器に供給される改質燃料流量に応じて、用
いるノズルを使い分ける様子を表わす説明図である。

【符号の説明】

１０，２１０…燃料電池システム１１，１３…ポンプ１２…メタノールタンク１４…水タンク１６，１１６，２１６…改質器１８…ＣＯ低減部２０…燃料電池２２，２４…ブロワ２６…制御部３０，２３０…第１ノズル３１，２３１…第２ノズル３２…空気供給口３３…点火プラグ３４…空気拡散板３５…貫通孔３６…整流板３７…改質反応部３８…燃焼室３９…整流室４０…メタノール流路４１…水供給路４２…改質燃料供給路４３…改質ガス流路４４…燃料ガス供給路４５…酸化ガス供給路４６…空気供給路５０…空気導入室６０…霧化・気化部６５…改質部１３６…触媒担持ヒータ１３８…霧化室１６０…霧化部１６２…気化部２１１…流路調節バルブ２３２…天然ガス供給口２４０…天然ガス流路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者石川浩規愛知県刈谷市朝日町２丁目１番地アイシン精機株式会社内Ｆターム(参考） 4G040 EA02 EA03 EA06 EA07 EB03 EB04 EB12 EB43 5H027 AA06 BA01 BA16 BA17 DD00

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定の改質原燃料と水とを用いて改質反
応を進行し、水素を生成する燃料改質装置であって、前記改質原燃料と水とのうちの少なくとも一方を噴霧す
る複数の噴霧ノズルを備え、前記改質原燃料と水とを、
前記燃料改質装置内の所定の空間に供給する改質燃料供
給部と、前記所定の空間に空気を供給する空気供給部と、前記空気が混合された前記改質原燃料において燃焼反応
を開始させる着火部と、前記改質反応を促進する活性を有する触媒を備え、前記
燃焼反応で生じた熱によって気化された前記改質原燃料
および水の気体が供給される触媒部とを備える燃料改質
装置。
【請求項２】請求項１記載の燃料改質装置であって、前記複数の噴霧ノズルは、噴霧可能な流量の範囲が異な
るノズルを備える燃料改質装置。
【請求項３】請求項１または２記載の燃料改質装置で
あって、前記複数の噴霧ノズルによって噴霧すべき前記改質原燃
料および／または水の流量に応じて、前記複数の噴霧ノ
ズルのうち、実際に噴霧に用いるノズルを選択する選択
部をさらに備える燃料改質装置。
【請求項４】請求項１ないし３いずれか記載の燃料改
質装置であって、前記改質原燃料は、親水性を有する液体燃料であり、前記複数の噴霧ノズルは、前記液体燃料と前記水との混
合液を噴霧する燃料改質装置。
【請求項５】請求項１ないし３いずれか記載の燃料改
質装置であって、前記改質原燃料は、疎水性を有する液体燃料であり、前記改質燃料供給部は、前記液体燃料を噴霧する複数の
噴霧ノズルと、前記水を噴霧する複数の噴霧ノズルとを
備える燃料改質装置。
【請求項６】請求項１ないし３いずれか記載の燃料改
質装置であって、前記改質原燃料は、気体燃料であり、前記複数の噴霧ノズルは、前記水を噴霧する燃料改質装
置。
【請求項７】請求項１ないし６いずれか記載の燃料改
質装置であって、前記複数の噴霧ノズルは、２流体ノズルであり、前記２流体ノズルは、前記所定の空間に供給すべき空気
の一部を、噴霧のための補助流体として用いる燃料改質
装置。
【請求項８】請求項１ないし７いずれか記載の燃料改
質装置であって、前記着火部は、前記所定の空間に設けた点火プラグであ
る燃料改質装置。
【請求項９】請求項８記載の燃料改質装置であって、前記所定の空間と前記触媒部との間に、前記改質原燃料
および水の気化を促進する気化促進部を配設した燃料改
質装置。
【請求項１０】請求項９記載の燃料改質装置であっ
て、前記気化促進部は、金属を含有する多孔質部材である燃
料改質装置。
【請求項１１】請求項１ないし７いずれか記載の燃料
改質装置であって、前記着火部は、酸化触媒を有する燃料改質装置。
【請求項１２】請求項１１記載の燃料改質装置であっ
て、前記着火部は、前記酸化触媒を加熱するヒータを備える
燃料改質装置。