JP2003212503A

JP2003212503A - 燃料電池用燃料改質装置

Info

Publication number: JP2003212503A
Application number: JP2002013966A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Sakakida; 明宏榊田
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-01-23
Filing date: 2002-01-23
Publication date: 2003-07-30

Abstract

(57)【要約】【課題】ガスの助けを借りることなく水噴射を行う場
合よりも水の蒸発を容易とし、かつ水の蒸発を促進させ
るための装置や複雑な燃料噴射装置を不要とする。【解決手段】炭化水素系原料と空気を導入して部分酸
化反応を行わせる改質反応部（３１）と、この部分酸化
反応により昇温した高温ガスに対しこの高温ガスの一部
を取り出して水とを混合させつつ噴射を行って水を蒸発
させる混合部（３２）と、この蒸発した水を混合させた
高温ガスを導入してシフト反応を行わせるシフト反応部
（３３）とで構成する。

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燃料改質
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】改質器に加湿用の水を供給する際に、そ
の水を燃料電池の熱や燃料電池からの排ガスを利用して
加熱するものがある（特開２０００−３０６５９４号公
報参照）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、一酸化炭素
の濃度を低減するためのシフト反応器に、水を液体のま
ま供給した場合、水は微粒化しにくく且つ気化しにくい
という特性を持っており、その微粒化や気化の不足がシ
フト反応の反応効率の低下をもたらす。

【０００４】これを避けるにはシフト反応器への導入前
に予め水を蒸発させておくことであり、上記の従来装置
では、燃料電池からの排ガスを利用して加湿用の水を加
熱するようにしている。

【０００５】しかしながら、燃料電池の排ガスを利用す
るには、燃料電池へと流れる作動ガスの量を増加させる
必要があり、このとき相対的に窒素（Ｎ₂）の分率が増
加することにより水素の分率が低下して燃料電池の効率
が低下してしまう。

【０００６】一方、燃料噴射装置を用いて水を微粒化す
ることが可能であるが、微粒化した水を完全に気化させ
るためには、水粒子を極めて微細にする必要があり、こ
のとき燃料噴射装置が複雑になったり高価なものとな
る。

【０００７】そこで本発明は、改質反応部で部分酸化反
応を行わせて昇温した高温ガスに対しこの高温ガスの一
部を取り出して水と混合させつつ噴射を行って水を蒸発
させることにより、ガスの助けを借りることなく水噴射
を行う場合よりも水の蒸発を容易とし、かつ水の蒸発を
促進させるための装置や複雑な燃料噴射装置を不要とす
ることを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】第１の発明は、炭化水素
系原料（例えばメタノール）と空気を導入して部分酸化
反応を行わせる改質反応部と、この部分酸化反応により
昇温した高温ガスに対しこの高温ガスの一部を取り出し
て水とを混合させつつ噴射を行って水を蒸発させる混合
部と、この蒸発した水を混合させた高温ガスを導入して
シフト反応を行わせるシフト反応部とで構成する。

【０００９】第２の発明では、第１の発明において前記
混合部が、前記改質反応部を出た高温ガスを前記シフト
反応部へと流す中空室と、この中空室を流れる高温ガス
の一部を取り出すガス取出通路と、このガス取出通路に
より取り出されたガスと水と混合させつつ前記中空室内
に噴射するエアアシスト噴射装置（例えばエアアシスト
噴射弁、霧吹き）とからなる。

【００１０】第３の発明では、第２の発明において前記
ガス取出通路に加圧ポンプを備える。

【００１１】第４の発明は、炭化水素（例えばメタノー
ル）と空気を導入して部分酸化反応を行わせる改質反応
部と、この部分酸化反応により昇温した高温ガスに対し
シフト反応部を出たガスの一部を取り出して加圧し、こ
の加圧したガスを水と混合させつつ噴射を行って水を蒸
発させる混合部と、この蒸発した水を混合させた高温ガ
スを導入してシフト反応を行わせるシフト反応部とで構
成する。

【００１２】第５の発明では、第４の発明おいて前記混
合部が、改質反応部を出た高温ガスをシフト反応部へと
流す中空室と、シフト反応部を出たガスの一部を加圧す
る加圧ポンプと、この加圧されたシフト反応部からのガ
スと水とを混合させつつ前記中空室内に噴射するエアア
シスト噴射装置（例えばエアアシスト噴射弁、霧吹き）
とからなる。

【００１３】第６の発明では、第１の発明において前記
混合部が、前記改質反応部を出た高温ガスを前記シフト
反応部へと流す中空室と、この中空室を流れる高温ガス
の一部を取り出すガス取出通路と、このガス取出通路に
より取り出されたガスに水を噴射する水噴射弁と、この
水の噴射されたガスを加圧する加圧ポンプと、この加圧
ポンプにより加圧されたガスを前記中空室内に噴射する
ガス噴射弁とからなる。

【００１４】第７の発明では、第１の発明において前記
混合部が、前記改質反応部を出た高温ガスを前記シフト
反応部へと流す中空室と、この中空室を流れる高温ガス
の一部を取り出すガス取出通路と、このガス取出通路に
より取り出されたガスを加圧する加圧ポンプと、この加
圧されたガスを前記中空室内に噴射するガス噴射弁と、
前記加圧ポンプの上流側に水を噴射する水噴射弁と、前
記加圧ポンプの下流側に水を噴射する水噴射弁と、前記
混合部の雰囲気温度を実測する手段と、この実測される
混合部の雰囲気温度が設定温度以下のとき前記加圧ポン
プの下流側に、これに対して実測される混合部の雰囲気
温度が設定温度を超えるとき前記加圧ポンプの上流側に
水噴射が行われるように前記上流側と下流側の各水噴射
弁を制御する水噴射弁制御手段とからなる。

【００１５】第８の発明では、第１の発明において前記
混合部が、前記改質反応部を出たガスを前記シフト反応
部へと流す中空室と、前記改質反応部を出たガスの一部
と前記シフト反応部を出たガスの一部を選択的に取り出
すガス選択的取出手段と、このガス選択的取出手段によ
り取り出されたガスを加圧する加圧ポンプと、この加圧
ポンプにより加圧されたガスと水とを混合させつつ前記
中空室内に噴射するエアアシスト噴射装置（例えばエア
アシスト噴射弁、霧吹き）と、混合部の雰囲気温度を実
測する手段と、この実測される混合部の雰囲気温度が設
定温度以下のとき前記改質反応部を出たガスの一部が、
これに対して実測される混合部の雰囲気温度が設定温度
を超えるとき前記シフト反応部を出たガスの一部が選択
されるように前記ガス選択的取出手段を制御する制御手
段とからなる。

【００１６】第９の発明では、第８の発明において前記
ガス選択的取出手段が、前記改質反応部を出たガスの一
部を取り出すガス取出通路と、このガス取出通路を開閉
する第１開閉弁と、前記シフト反応部を出たガスの一部
を取り出すガス取出通路と、このガス取出通路を開閉す
る第２開閉弁と、前記２つのガス取出通路を合流して前
記加圧ポンプに導く合流通路とからなり、前記制御手段
が、前記実測される混合部の雰囲気温度が設定温度以下
のとき前記第１開閉弁を開きかつ前記第２開閉弁を閉
じ、これに対して混合部の雰囲気温度が設定温度を超え
るとき前記第１開閉弁を閉じかつ前記第２開閉弁を開
く。

【００１７】

【発明の効果】第１、第２の発明によれば、部分酸化反
応により昇温した高温ガスに対しこの高温ガスの一部を
取り出して水とを混合させつつ噴射を行って水を蒸発さ
せるので、高温のガスによる加熱の効果とガスの助けを
かりての水噴射による水の噴霧の微粒化の効果とが生
じ、これらの効果によりガスの助けを借りることなく水
噴射を行う場合よりも水が蒸発しやすくなり、かつ水の
蒸発を促進させるための装置や複雑な燃料噴射装置を設
ける必要がない。

【００１８】また、水噴射を補助するためのガスとして
外部の空気を用いたのでは、この空気中の酸素とシフト
反応部で生成される水素とが反応して水が生成されるこ
とによりシフト反応部での水素生成量が低下してしまう
のであるが、第１、第２の発明によれば部分酸化反応に
より昇温した高温ガスの一部を水噴射を補助するための
ガスとして取り出しているので、シフト反応部で生成さ
れるガス組成に影響を与えることがない（水素生成量の
低下を防止できる）。

【００１９】また、従来装置では改質反応部からの高温
ガスを燃料電池本体の作動ガス温度である約８０℃まで
冷却する必要があり、このためシフト反応部を冷却する
ための熱交換器が大型化する傾向にあったが、第１、第
２の発明によればシフト反応部に流入する高温ガスの温
度が水噴射による冷却により低下するので、シフト反応
部を冷却するための熱交換器の負担を小さくでき、これ
を小型化できる。

【００２０】第３の発明によれば、加圧ポンプによる加
圧により水噴射を助けるガスの圧力が増すので水噴射に
おける水の微粒化を一層促進できる。

【００２１】シフト反応部を出たガスの温度のほうが改
質反応部を出たガスの温度より相対的に低くなる。一
方、ガス加圧による仕事により加圧後のほうがガス温度
が高くなる。従って、シフト反応部を出た相対的に温度
低下したガスであっても加圧することでガス温度を上昇
させることができ、この温度上昇させたガスを水噴射を
助けるために用いる第４、第５の発明によれば、シフト
反応部を出た相対的に低温のガスを水噴射を助けるため
に用いる場合であっても、水噴射における水の噴霧の微
粒化を良好に図ることができる。

【００２２】また、シフト反応部を出たガスの一部がシ
フト反応部の上流に戻されることから、この戻されたガ
スはシフト反応部を再度通過することになり、シフト反
応部での反応効率を向上できる。

【００２３】第６の発明によれば、加圧ポンプの上流に
水噴射を行うことにより、噴射された水の蒸発分で加圧
ポンプに導入されるガスの温度を低下させることがで
き、これにより混合部の雰囲気温度が高い場合に、加圧
ポンプのポンプ効率の低下を防ぐことができる。

【００２４】混合部雰の囲気温度が低いときには混合部
の雰囲気温度が高いときよりも相対的に低温のガスが加
圧ポンプへと流れてくる。こうした場合に水の蒸発をよ
くするにはなるべく温度の高いガスに対して水噴射を行
うことである。第７の発明によれば混合部の雰囲気温度
が低いときにポンプ仕事により温度が高くなるポンプ下
流側で水噴射を行うので、混合部の雰囲気温度が低いと
きにも水の蒸発を促進することができる。一方、混合部
の雰囲気温度が高くて加圧ポンプに導入されるガスの温
度も高くなるときにはポンプ効率が低下するのである
が、第７の発明によればこのとき（つまり混合部の雰囲
気温度が高いとき）には加圧ポンプの上流側で水噴射を
行うので、加圧ポンプに導入されるガスの温度を低下さ
せることができ、その分ポンプ効率を向上させることが
できる。

【００２５】混合部の雰囲気温度が高いときには改質反
応部を出たガスの温度も高いので、この高温のガスを加
圧ポンプに導いたのではポンプ効率が低下するととも
に、加圧ポンプの耐久性も悪くなるのであるが、第８、
第９の発明では、このとき（混合部の雰囲気温度が高い
とき）には、改質反応部を出たガスより相対的に温度の
低いシフト反応部を出たガスを加圧ポンプに導くので、
ポンプ効率の低下と加圧ポンプの耐久性の悪化とを防止
できる。一方、混合部の雰囲気温度が低いために改質反
応部を出たガスを加圧ポンプに導いても加圧ポンプのポ
ンプ効率が低下しないときには改質反応部を出たガスを
加圧ポンプに導くので、シフト反応部を出たガスより相
対的に温度の高いガスを水噴射の助けとすることがで
き、これにより水噴射における水の噴霧の微粒化を良好
なものとすることができる。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を添付
図面に基づいて説明する。図１は本発明の第１実施形態
を示す。まず燃料改質システムとしての基本的な構成お
よび動作につき説明する。図において、メタノール供給
装置１からのメタノールは蒸発器（図示しない）に送ら
れて加熱蒸発され、メタノールの蒸気となって改質器４
に供給（送気）される。また空気供給装置２からの空気
が改質器４に圧送（送気）され、水供給装置３からの水
も改質器４に供給される。

【００２７】ここでの改質器４は改質反応部３１、混合
部３２、シフト反応部３３からなり、改質反応部３１で
は、燃料であるメタノールを、空気内の酸素を用いて、ＣＨ₃ＯＨ＋（１／２）Ｏ₂⇔ＣＯ₂＋２Ｈ₂…（１）の触媒反応により、さらに改質反応部３１では燃料であ
るメタノールを、水を用いてＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ⇔ＣＯ₂＋３Ｈ₂…（２）の触媒反応により燃料改質し、水素リッチな改質ガスを
生成する。

【００２８】（１）式はメタノールの部分酸化反応（発
熱反応）であり、（２）式はメタノールの水蒸気反応
（吸熱反応）である。（２）式の反応は、主として下記
に示されるように段階的に進行する。

【００２９】ＣＨ₃ＯＨ⇔ＣＯ＋２Ｈ₂…（３）ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ⇔ＣＯ₂＋Ｈ₂…（４）（３）式はメタノールの分解反応（吸熱反応）であり、
（４）式は一酸化炭素のシフト反応（発熱反応）であ
る。改質反応部３１では、これらの反応式の、発熱なら
びに吸熱のバランスするオートサーマル条件で運転され
る。従って改質反応部３１のサイズや構成、あるいは触
媒の性能が決まれば、燃料であるメタノールの流量に対
する水蒸気の流量、そして空気の流量といった流量比は
ほぼ定まる。部分酸化反応（ＰＯＸ）に消費されるメタ
ノール流量の、供給された全メタノール流量に対する比
を、ＰＯＸ率と定義すれば、供給された酸素のほぼ全量
が式（２）の部分酸化反応（ＰＯＸ）に使用されるた
め、ＰＯＸ率から全メタノール流量に対する必要な空気
流量が定まるものとしている。

【００３０】また、触媒の温度が低い起動時では、さら
に、下記の副反応が併発する。

【００３１】ＣＨ₃ＯＨ⇔ＨＣＨＯ＋Ｈ₂…（５) ＨＣＨＯ⇔ＣＯ＋Ｈ₂…（６）改質反応部３１の運転温度は３００〜６００℃であり、
熱力学的化学平衡により数％オーダーの一酸化炭素を含
む改質ガスが得られる。一酸化炭素は固体高分子型燃料
電池本体６の、白金等からなる燃料極電極触媒を被毒
し、その活性を著しく低下させてしまうため、シフト反
応部３３ならびにＣＯ処理反応器（選択酸化反応器）５
からなる一酸化炭素クリーナシステムにより、数十〜数
百ｐｐｍにまで一酸化炭素を低減した上で燃料電池本体
６に供給する必要がある。

【００３２】数％オーダーの一酸化炭素を含む改質ガス
は、シフト反応部３３に送られ、（４）式のシフト反応
の早い触媒により、一酸化炭素が低減される。シフト反
応部３３の運転温度は２００〜３００℃であり、熱力学
的化学平衡により０．数％オーダーの一酸化炭素を含む
改質ガスとなる。

【００３３】シフト反応により一酸化炭素の低減された
改質ガスは、ＣＯ処理反応器５に送られ、次に示す
（７）式の触媒酸化反応（発熱反応）により、さらに一
酸化炭素が数十〜高々百ｐｐｍにまで低減される。必要
な酸素は空気供給装置２により空気として供給される。

【００３４】ＣＯ＋（１／２）Ｏ₂⇔ＣＯ₂……（７）ＣＯ処理反応器５では、水素雰囲気下で酸化反応を行う
ため、下記の水素の燃焼反応（発熱反応）も併発し、次
の（８）式に対する（７）式の選択性が改質システムの
効率に大きな影響を及ぼす。

【００３５】Ｈ₂＋（１／２）Ｏ₂⇔Ｈ₂Ｏ……（８）ＣＯ処理反応器５は、（７）式ならびに（８）式による
発熱を除去し、運転温度を百数十℃に維持するために、
熱交換器９により空気あるいはＬＬＣ（冷却液）または
オイル等により冷却される。シフト反応部８も熱交換器
８により温度制御される。

【００３６】このようにして極めて低レベルな濃度にま
で一酸化炭素が低減された改質ガスと空気供給装置２か
ら空気とが燃料電池本体６の燃料極と空気極に送気さ
れ、発電が行われる。

【００３７】燃料電池本体６において、改質ガス中の水
素を全て利用することは困難であり、一部の水素を残し
た、発電に使用済みの改質ガスと、一部の酸素を残し
た、発電に使用済みの空気とを、触媒燃焼器７に送り燃
焼させる。得られた高温の燃焼ガスは、蒸発器に送ら
れ、メタノールの蒸発のエネルギーとして再利用され
る。

【００３８】１１はＣＯ処理反応器５に供給される空気
の流量を制御する流量制御弁、１２は改質反応部３１に
供給される空気の流量を制御する流量制御弁、１３は燃
料電池本体６の空気極に供給される空気の流量を制御す
る流量制御弁である。

【００３９】１４は改質反応部３１に供給されるメタノ
ールの流量を制御する流量制御弁、１５は混合部３２に
供給される水の流量を制御する流量制御弁である。

【００４０】このような燃料改質システムを備える移動
体では、アクセルセンサ２２からのアクセル開度を要求
負荷として、燃料電池本体の発電量をコントロールする
必要がある。このため、コントローラ２１ではアクセル
センサ２２からのアクセル開度の信号に基づき、改質器
４に必要なメタノール供給流量、空気供給流量並びに水
供給流量を次のように算出する。まず、アクセル開度に
基づいてメタノール供給流量を算出する。アクセル開度
（要求負荷）とメタノール供給流量とは比例関係にある
ので、アクセル開度からメタノール供給流量のテーブル
を検索することによりアクセル開度に応じたメタノール
供給流量を演算すればよい。

【００４１】このメタノール供給流量に基づいて空気供
給流量を算出する。これは例えばメタノールと空気との
混合で理論空燃比の混合気が得られるように空気供給流
量を算出すればよく、要求負荷が大きくなるほど空気供
給流量は大きくなる。

【００４２】次にメタノール供給流量に基づいて水供給
流量を算出する。前述のようにオートサーマル反応やシ
フト反応を最適に行わせるためのメタノール供給流量と
空気供給流量と水供給流量の各比率は決まっているた
め、メタノール供給流量とこの比率とを用いることで水
供給流量を算出することができる。要求負荷が大きくな
るほど水供給流量も大きくなる。

【００４３】そして、これら算出したメタノール供給流
量、空気供給流量並びに水供給流量となるように、メタ
ノール供給装置１、空気供給装置２、水供給装置３を駆
動し、流量制御弁１４、１２、１５を制御する。２３、
２４は流量センサである。

【００４４】本発明では、例えばこのような燃料改質シ
ステムにおいて、シフト反応に必要な水蒸気を得ると共
に水の気化熱を利用して改質反応部３１からの高温ガス
の温度を低下させるため、メタノール並びに空気を導入
して部分酸化反応を行わせる改質部３１と、この部分酸
化反応により高温となったガスと水蒸気とを混合させた
ガスを導入してシフト反応を行わせるシフト反応部３３
との間に混合部３２を設け、この混合部３２を図２に示
したように構成している。

【００４５】これについて説明すると、図２は改質器４
の概略構成図を示し、例えば円筒状に形成される改質器
４はその軸心が鉛直方向と一致するように配置される。
図で上方と下方にはハニカム構造の担体に触媒を担持さ
せて構成される改質反応部３１とシフト反応部３３とが
軸方向に所定の長さを有して配置されている。

【００４６】図で改質反応部３１とシフト反応部３３の
間に位置する混合部３２は、主に中空室４１と、この中
空室に水噴射を行うエアアシスト噴射弁４３（エアアシ
スト噴射装置）とから構成される。すなわち、改質反応
部３１とシフト反応部３３の間には、所定の空間を有す
る中空室４１が形成され、改質反応部３１からの高温ガ
スはこの中空室４１を鉛直下方に向けて流れ、シフト反
応部３３へと導入される。

【００４７】中空室４１を外部と仕切る側壁４２にはエ
アアシスト噴射弁４３を備える。エアアシスト噴射弁４
３は供給液をノズル部４４から中空室４１内へと噴き出
す際に気体の助けを借りて噴射する弁である。ここでは
供給液は水、噴射を助ける気体は中空室４１から取り出
される高温ガスである。このため、図で上方より鉛直下
方に向けて流れる改質反応部３１からの高温ガスの一部
が、ラッパ状のガス入口管４５により集められた後に水
平方向に走り中空室４１の外まで延びたガス取出通路４
６により取り出され、このガス取出通路４６と噴射弁４
３のノズル部４４とを接続するガス導入通路４７を介し
て、ガス取出通路４６により取り出されたガスがエアア
シスト噴射弁４３へと導かれている。

【００４８】エアアシスト噴射弁４３によりガスの助け
を借りつつ中空室４１内へと噴射された水は、中空室４
１内において改質反応部３１からの高温ガスにより蒸発
が促進されると共に高温ガスと混合しながらシフト反応
部３３へと導入される。

【００４９】なお、エアアシスト噴射弁４３より噴射す
る水噴射流量に対して、取り出したガス流量をどの程度
混合させるかは実験によって定める必要がある。現在の
ところ、水に対して約２倍前後のガス流量があればよい
と考えている。

【００５０】ここで本実施形態の作用を説明する。

【００５１】本実施形態によれば、部分酸化反応により
昇温し中空室４１内を流れる高温ガスに対し、この高温
ガスの一部をガス取出通路４６により取り出し、この取
り出したガスをエアアシスト噴射弁４３に導入し、この
噴射弁４３においては取り出したガスと水とを混合させ
つつ噴射を行って水を蒸発させるので、高温のガスによ
る加熱の効果とガスの助けをかりての水噴射による水の
噴霧の微粒化の効果とにより、ガスの助けを借りること
なく水噴射を行う場合よりも、水が蒸発しやすくなり、
かつ水の蒸発を促進させるための装置や複雑な燃料噴射
装置を設ける必要がない。

【００５２】また、水噴射を補助するためのガスとして
外部の空気を用いたのでは、この空気中の酸素とシフト
反応部３３で生成される水素とが反応して水が生成され
ることにより水素生成量が低下してしまうのであるが、
本実施形態によれば部分酸化反応により昇温した高温ガ
スの一部を水噴射を補助するためのガスとして取り出し
ているので、シフト反応部３３で生成されるガス組成に
影響を与えることがない（水素生成量の低下を防止でき
る）。

【００５３】また、従来装置では改質反応部３１からの
高温ガスを燃料電池本体６の作動ガス温度である約８０
℃まで冷却する必要があり、このためシフト反応部３３
を冷却するための熱交換器８が大型化する傾向にあった
が、本実施形態によればシフト反応部３３に流入する高
温ガスの温度が水噴射による冷却により低下するので、
シフト反応部３３を冷却するための熱交換器８の負担を
小さくでき、これを小型化できる。

【００５４】図３は第２実施形態の改質器４の概略構成
図で、これはガス導入管４７の途中に、ガス導入管４７
を流れるガスを加圧するためコントローラにより駆動さ
れる電動の加圧ポンプ５１を設けたものである。なお、
図２と同一の部分には同一の符号を付してその説明は省
略する。

【００５５】第２実施形態によれば、加圧ポンプ５１に
より水噴射を助けるためのガスを加圧する分だけエアア
シスト噴射弁４３からの水の噴霧の微粒化を促進でき
る。

【００５６】図４は第３実施形態の改質器４の概略構成
図で、図２と同一の部分には同一の符号を付してその説
明は省略する。

【００５７】図２に示す第１実施形態では水噴射を助け
るための気体として改質反応部３１から出たガスを取り
出して用いたが、第３実施形態は水噴射を助けるための
気体として、シフト反応部３３から出たガスの一部を取
り出して用いるようにしたものである。すなわち、図で
シフト反応部の下流にも円筒状の中空室６１が設けら
れ、この中空室６１を上方より鉛直下方に向けて流れる
シフト反応部３３からのガスの一部が、ラッパ状のガス
入口管６２により集められた後に水平方向に走り中空室
６１の外まで延びたガス取出通路６３により取り出さ
れ、この取り出されたガスが、ガス取出通路６３と噴射
弁４３のノズル部４４とを接続するガス導入通路６４を
介して、エアアシスト噴射弁４３へと導かれている。ガ
ス導入通路６４にコントローラにより駆動される電動の
加圧ポンプ６５設けられ、この加圧ポンプ６５はガス導
入通路６４を流れるガスを加圧する。

【００５８】シフト反応部３３を出たガスの温度のほう
が改質反応部３１を出たガスの温度より相対的に低くな
る。一方、加圧ポンプ６５によるポンプ仕事によりポン
プ下流側のほうがガス温度が高くなる。従って、相対的
に温度低下したシフト反応部３３からのガスであっても
そのガスを加圧ポンプ６５により加圧することでガス温
度を上昇させることができ、この温度上昇させたガスを
エアアシスト噴射弁４３に導いて水噴射を助けるために
用いることで、シフト反応部３３を出た相対的に低温の
ガスを水噴射を助けるために用いる場合であっても、エ
アアシスト噴射弁４３における水の噴霧の微粒化を良好
に図ることができる。

【００５９】また、シフト反応部３３を出たガスの一部
がシフト反応部３３の上流に戻されることから、この戻
されたガスはシフト反応部３３を再度通過することにな
り、シフト反応部３３での反応効率を向上できる。

【００６０】図５は第４実施形態の改質器４の概略構成
図で、図３に示す第２実施形態と置き換わるものであ
る。なお、図２、図３と同一の部分には同一の符号を付
してその説明は省略する。

【００６１】前述の３つの実施形態ではエアアシスト噴
射弁４３によりエアアシスト噴射装置を単体で構成した
ものであったが、第４実施形態は、水噴射弁とガス噴射
弁の複数の部材でエアアシスト噴射装置を構成したもの
である。すなわち、ガス取出通路４６により取り出され
た高温ガスに対して水噴射弁７１により水噴射を行い、
この水噴射により水の噴霧の混入されたガスを、ガス導
入通路４７に介装した電動の加圧ポンプ５１により加圧
してガス噴射弁７２に導入し、このガス噴射弁７２によ
りガスに混入している水の噴霧をさらに微粒化するよう
にしている。

【００６２】図３に示す第２実施形態では、加圧ポンプ
５１によるガス加圧の分だけ水噴射における水の微粒化
が促進されるものの、混合部３２の雰囲気温度が高い場
合には、それだけ加圧ポンプ５１に導入されるガスの温
度が高くなってポンプ効率が低下するのであるが、図５
に示す第４実施形態によれば、水噴射弁７１より噴射さ
れた水の蒸発分で加圧ポンプ５１に導入されるガスの温
度を低下させることができ、これにより混合部３２の雰
囲気温度が高い場合に、加圧ポンプ５１のポンプ効率の
低下を防ぐことができる。

【００６３】図６は第５実施形態の改質器４の概略構成
図で、図５に示す第４実施形態と置き換わるものであ
る。なお、図２、図５と同一の部分には同一の符号を付
してその説明は省略する。

【００６４】第５実施形態も図５に示す第４実施形態と
同様に水噴射弁とガス噴射弁の複数の部材でエアアシス
ト噴射装置を構成したものであるが、第５実施形態では
第４実施形態と相違して、加圧ポンプ５１の下流にも水
噴射弁８１を設け、混合部３２の雰囲気温度により加圧
ポンプ５１の上流側と下流側の２つの水噴射弁７１、８
１の開閉を選択的に切換えるようにしている。すなわ
ち、温度センサ８２からの混合部３２の雰囲気温度が入
力されるコントローラ２１では、図７のフローチャート
に従って２つの水噴射弁７１、８１の開閉を制御する。

【００６５】これを説明すると、図７においてステップ
１では混合部３２の雰囲気温度を読み込み、これをステ
ップ２で設定温度と比較する。混合部３２の雰囲気温度
が設定温度以下のときには加圧ポンプ５１の下流側に水
噴射を行うためステップ３に進んで水噴射弁７１を閉じ
て水噴射弁８１を開き、これに対して混合部３２の雰囲
気温度が設定温度を超えるときには加圧ポンプ５１の上
流側に水噴射を行うためステップ４に進んで水噴射弁７
１を開き水噴射弁８１を閉じる。

【００６６】混合部３２の雰囲気温度が低いときに加圧
ポンプ５１の下流側に、これに対して混合部３２の雰囲
気温度が高くなると加圧ポンプ５１の上流側にそれぞれ
水噴射を行うようにしたのは加圧ポンプ５１のポンプ仕
事でポンプ下流側のほうが温度上昇することを考慮した
ものである。すなわち、混合部３２の雰囲気温度が低い
ときには混合部３２の雰囲気温度が高いときよりも相対
的に低温のガスが加圧ポンプ５１へと流れてくる。こう
した場合に水の蒸発をよくするにはなるべく温度の高い
ガスに対して水噴射を行うことである。第５実施形態に
よれば混合部３２の雰囲気温度が低いときにポンプ仕事
により温度が高くなるポンプ下流側で水噴射を行うの
で、混合部３２の雰囲気温度が低いときにも水の蒸発を
促進することができる。

【００６７】一方、混合部３２の雰囲気温度が高くて加
圧ポンプ５１に導入されるガスの温度も高くなるときに
はポンプ効率が低下する。このとき、第５実施形態によ
れば加圧ポンプ５１の上流側で水噴射を行うので、加圧
ポンプ５１に導入されるガスの温度を低下させることが
でき、その分ポンプ効率を向上させることができる。

【００６８】図８は第６実施形態の改質器４の概略構成
図で、図３に示す第２実施形態と置き換わるものであ
る。なお、図２、図３と同一の部分には同一の符号を付
してその説明は省略する。

【００６９】これは、改質反応部３１を出たガスの一部
とシフト反応部３３を出たガスの一部を選択的に取り出
すガス選択的取出手段９１を設けており、このガス選択
的取出手段９１によりにより取り出されたガスを電動の
加圧ポンプ９２で加圧し、この加圧ポンプ９２により加
圧されたガスをエアアシスト噴射弁４３に導き、エアア
シスト噴射弁４３でガスと水とを混合させつつ中空室４
１内に噴射するようにしている。

【００７０】この場合、上記のガス選択的取出手段９１
は、改質反応部３１を出たガスの一部を取り出すガス取
出通路４６と、ガス取出通路４６に接続されるガス導入
通路４７を開閉する開閉弁９３（第１開閉弁）と、シフ
ト反応部３３を出たガスの一部を取り出すガス取出通路
６３と、ガス取出通路６３と接続されるガス導入通路６
４を開閉する開閉弁９４（第２開閉弁）と、２つのガス
導入通路４７、６４を合流して電動の加圧ポンプ９２に
導く合流通路９５とから構成され、混合部３２の雰囲気
温度により２つの開閉弁９３、９４の開閉が切換えられ
る。すなわち、温度センサ８２からの混合部３２の雰囲
気温度が入力されるコントローラ２１では、図９のフロ
ーチャートに従って２つの開閉弁９３、９４の開閉を制
御する。

【００７１】これを説明すると、図９においてステップ
１１、１２では混合部３２の雰囲気温度を読み込み、こ
れと設定温度を比較する。混合部３２の雰囲気温度が設
定温度以下のときには改質反応部３１を出たガスをエア
アシスト噴射弁４３に導入するためステップ１３に進ん
で開閉弁９３を開き開閉弁９４を閉じる。これに対して
混合部３２の雰囲気温度が設定温度を超えるときにはシ
フト反応部３３を出たガスをエアアシスト噴射弁４３に
導入するためステップ１４に進んで開閉弁９３を閉じ開
閉弁９４を開く。

【００７２】混合部３２の雰囲気温度により２つの開閉
弁９３、９４の開閉を切換えるようにしたのは、図６に
示す第５実施形態と同様に加圧ポンプ９２のポンプ効率
を考慮したものである。

【００７３】上記の開閉弁９３、９４は例えば２ポート
２位置切換弁により構成される。

【００７４】混合部３２の雰囲気温度が高いときには改
質反応部３１を出たガスの温度も高いので、この高温の
ガスを加圧ポンプ９２に導いたのではポンプ効率が低下
するとともに加圧ポンプの耐久性も悪くなるのである
が、第６実施形態では、このとき（混合部３２の雰囲気
温度が高いとき）には、開閉弁９３を閉じ開閉弁９４を
開き、これにより改質反応部３１を出たガスより相対的
に温度の低いシフト反応部３３を出たガスを加圧ポンプ
９２に導くので、ポンプ効率の低下と加圧ポンプ９２の
耐久性の悪化とを防止できる。

【００７５】一方、混合部３２の雰囲気温度が低いため
に改質反応部３１を出たガスを加圧ポンプ９２に導いて
も加圧ポンプ９２のポンプ効率が低下しないときには開
閉弁９３を開き開閉弁９４を閉じ、これにより改質反応
部３１を出たガスを加圧ポンプ９２に導くので、シフト
反応部３３を出たガスより相対的に温度の高いガスを水
噴射を助けるためのガスとして用いることができ、これ
により水噴射における水の噴霧の微粒化を良好なものと
することができる。

【００７６】図７のステップ２、図９のステップ１２に
おいて混合部３２の雰囲気温度と比較する設定温度は、
加圧ポンプ５１、９２のポンプ効率、耐久性を考慮して
定める。

【００７７】第２実施形態では、ガス導入管４７に加圧
ポンプ５１を設けた場合で説明したが、ガス取出通路４
６に設けてもかまわない。

【００７８】第６実施形態では、ガス選択的取出手段９
１として２つの開閉弁を有する場合で説明したが、これ
に限られるものでなく、ガス導入通路４７、６４の合流
部に１つの方向切換弁を設けるようにしてもかまわな
い。

【００７９】第１、第２、第３、第６実施形態ではエア
アシスト噴射装置をエアアシスト噴射弁４３で構成する
場合で説明したが、霧吹きのようなものでも代用でき
る。

【００８０】実施形態では炭化水素系原料の一例として
メタノールで説明したが、これに限定されるものでな
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】燃料改質システムの概略構成図。

【図２】第１実施形態の改質器の概略構成図。

【図３】第２実施形態の改質器の概略構成図。

【図４】第３実施形態の改質器の概略構成図。

【図５】第４実施形態の改質器の概略構成図。

【図６】第５実施形態の改質器の概略構成図。

【図７】第５実施形態の水噴射弁の開閉制御を説明する
ためのフローチャート。

【図８】第６実施形態の改質器の概略構成図。

【図９】第６実施形態の開閉弁の開閉制御を説明するた
めのフローチャート。

【符号の説明】

４改質器２１コントローラ３１改質反応部３２混合部３３シフト反応部４１中空室４３エアアシスト噴射弁（エアアシスト噴射装置）４６ガス取出通路４７ガス導入通路５１加圧ポンプ６３ガス取出通路６４ガス導入通路６５加圧ポンプ７１水噴射弁７２ガス噴射弁８１水噴射弁８２温度センサ９１ガス選択的取出手段９２加圧ポンプ９３開閉弁（第１開閉弁）９４開閉弁（第２開閉弁）９５合流通路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】炭化水素系原料と空気を導入して部分酸化
反応を行わせる改質反応部と、この部分酸化反応により昇温した高温ガスに対しこの高
温ガスの一部を取り出して水とを混合させつつ噴射を行
って水を蒸発させる混合部と、この蒸発した水を混合させた高温ガスを導入してシフト
反応を行わせるシフト反応部とで構成することを特徴と
する燃料電池用燃料改質装置。
【請求項２】前記混合部は、前記改質反応部を出た高温
ガスを前記シフト反応部へと流す中空室と、この中空室
を流れる高温ガスの一部を取り出すガス取出通路と、こ
のガス取出通路により取り出されたガスと水と混合させ
つつ前記中空室内に噴射するエアアシスト噴射装置とか
らなることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用燃
料改質装置。
【請求項３】前記ガス取出通路に加圧ポンプを備えるこ
とを特徴とする請求項２に記載の燃料電池用燃料改質装
置。
【請求項４】炭化水素と空気を導入して部分酸化反応を
行わせる改質反応部と、この部分酸化反応により昇温した高温ガスに対しシフト
反応部を出たガスの一部を取り出して加圧し、この加圧
したガスを水と混合させつつ噴射を行って水を蒸発させ
る混合部と、この蒸発した水を混合させた高温ガスを導入してシフト
反応を行わせるシフト反応部とで構成することを特徴と
する燃料電池用燃料改質装置。
【請求項５】前記混合部は、改質反応部を出た高温ガス
をシフト反応部へと流す中空室と、シフト反応部を出た
ガスの一部を加圧する加圧ポンプと、この加圧されたシ
フト反応部からのガスと水とを混合させつつ前記中空室
内に噴射するエアアシスト噴射装置とからなることを特
徴とする請求項４に記載の燃料電池用燃料改質装置。
【請求項６】前記混合部は、前記改質反応部を出た高温
ガスを前記シフト反応部へと流す中空室と、この中空室
を流れる高温ガスの一部を取り出すガス取出通路と、こ
のガス取出通路により取り出されたガスに水を噴射する
水噴射弁と、この水の噴射されたガスを加圧する加圧ポ
ンプと、この加圧ポンプにより加圧されたガスを前記中
空室内に噴射するガス噴射弁とからなることを特徴とす
る請求項１に記載の燃料電池用燃料改質装置。
【請求項７】前記混合部は、前記改質反応部を出た高温
ガスを前記シフト反応部へと流す中空室と、この中空室
を流れる高温ガスの一部を取り出すガス取出通路と、こ
のガス取出通路により取り出されたガスを加圧する加圧
ポンプと、この加圧されたガスを前記中空室内に噴射す
るガス噴射弁と、前記加圧ポンプの上流側に水を噴射す
る水噴射弁と、前記加圧ポンプの下流側に水を噴射する
水噴射弁と、前記混合部の雰囲気温度を実測する手段
と、この実測される混合部の雰囲気温度が設定温度以下
のとき前記加圧ポンプの下流側に、これに対して実測さ
れる混合部の雰囲気温度が設定温度を超えるとき前記加
圧ポンプの上流側に水噴射が行われるように前記上流側
と下流側の各水噴射弁を制御する水噴射弁制御手段とか
らなることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用燃
料改質装置。
【請求項８】前記混合部は、前記改質反応部を出たガス
を前記シフト反応部へと流す中空室と、前記改質反応部
を出たガスの一部と前記シフト反応部を出たガスの一部
を選択的に取り出すガス選択的取出手段と、このガス選
択的取出手段により取り出されたガスを加圧する加圧ポ
ンプと、この加圧ポンプにより加圧されたガスと水とを
混合させつつ前記中空室内に噴射するエアアシスト噴射
装置と、混合部の雰囲気温度を実測する手段と、この実
測される混合部の雰囲気温度が設定温度以下のとき前記
改質反応部を出たガスの一部が、これに対して実測され
る混合部の雰囲気温度が設定温度を超えるとき前記シフ
ト反応部を出たガスの一部が選択されるように前記ガス
選択的取出手段を制御する制御手段とからなることを特
徴とする請求項１に記載の燃料電池用燃料改質装置。
【請求項９】前記ガス選択的取出手段が、前記改質反応
部を出たガスの一部を取り出すガス取出通路と、このガ
ス取出通路を開閉する第１開閉弁と、前記シフト反応部
を出たガスの一部を取り出すガス取出通路と、このガス
取出通路を開閉する第２開閉弁と、前記２つのガス取出
通路を合流して前記加圧ポンプに導く合流通路とからな
り、前記制御手段が、前記実測される混合部の雰囲気温
度が設定温度以下のとき前記第１開閉弁を開きかつ前記
第２開閉弁を閉じ、これに対して混合部の雰囲気温度が
設定温度を超えるとき前記第１開閉弁を閉じかつ前記第
２開閉弁を開くことを特徴とする請求項８に記載の燃料
電池用燃料改質装置。