JP2003238108A - 燃料改質装置および燃料改質方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 改質ガスの生成量を可及的に増加することの
できる燃料改質装置を提供する。 【解決手段】 燃料および水を加熱して気化させること
により、混合ガスを生成する蒸発器３と、蒸発器３から
混合ガスが供給され、かつ、所定反応によって改質ガス
を生成する改質器４とを有する燃料改質装置Ａ１におい
て、蒸発器３の燃料および水を加熱する加熱用燃料を燃
焼させる燃焼器２と、燃焼器２に供給され、気化された
未燃焼の加熱用燃料または燃焼済みの加熱用燃料のうち
少なくとも一方を改質器４に供給して、所定反応を担わ
せる反応促進器９，Ｈ１とを有する。

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、メタノールなど
の炭化水素系の燃料の改質反応によって、水素などの可
燃性のガスを主成分とする改質ガスを生成する燃料改質
装置および燃料改質方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】常温では液体の燃料（例えば、メタノー
ルなど）から、可燃性の改質ガス（例えば水素など）を
生成する燃料改質方法が知られている。この種の燃料改
質方法は、燃料と水とを加熱気化して混合ガスを生成す
るとともに、その混合ガスにより、水蒸気改質反応を生
じさせ、あるいは燃料と酸化剤ガスとの混合ガスにより
部分酸化反応を生じさせ、水素リッチな改質ガスを生成
するものである。

【０００３】このような燃料改質方法の一例が、特開２
００１−８９１０６号公報に記載されている。この公報
に記載された燃料改質方法は、メタンガスやメタノー
ル、エタノール、ガソリンなどの液状の炭化水素と、水
との混合物を気化した原燃料ガスを、酸化剤ガスととも
に改質触媒層に供給し、水蒸気改質反応と部分酸化改質
反応との併用によって、水素リッチな改質ガスを生成す
るものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記の公報に記載され
ている燃料改質方法においては、改質ガスの目標生成量
（言い換えれば、目標出力）を設定し、この目標生成量
に基づいて、所定量の原燃料および水が蒸発器に供給さ
れる。ところで、燃料改質装置の起動時などにおいて
は、改質器の触媒が活性温度に到達するまでに長時間を
要し、所望の水素リッチなガスが改質ガスが生成される
までに長時間を要していた。一方で燃料改質装置の運転
中に、改質ガスの目標生成量が急激に変化（具体的には
増加）した場合には、改質ガスの実際の生成量と目標生
成量との差が拡大する問題があった。このような問題に
対処するために、蒸発器に供給する燃料および水の、単
位時間あたりの供給量を増加することも考えられるが、
蒸発器が大型化するという別の問題が発生するため実用
的ではなかった。

【０００５】この発明は、上記の技術的課題に着目して
なされたものであり、起動時における改質器の暖機時間
を可及的に短縮することを目的とする。また、蒸発器を
大型化させることなく、改質ガスの目標生成量に対する
応答追従性を高めることのできる燃料改質装置および燃
料改質方法を提供することを目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段およびその作用】上記の目
的を達成するために請求項１の発明は、燃料および水を
加熱して気化させることにより、混合ガスを生成する蒸
発器と、この蒸発器から混合ガスが供給され、かつ、所
定反応によって改質ガスを生成する改質器とを有する燃
料改質装置において、加熱用燃料を燃焼させて、前記蒸
発器の燃料および水を加熱する熱を発生する燃焼器と、
前記燃焼器に供給され気化された未燃焼の加熱用燃料ま
たは燃焼済みの加熱用燃料のうちの少なくとも一方を前
記改質器に供給するとともに、この加熱用燃料により前
記所定反応を担わせる反応促進器とを有することを特徴
とするものである。

【０００７】また、請求項５の発明は、燃料および水を
加熱して気化させることにより、混合ガスを生成する蒸
発工程と、前記混合ガスの所定反応によって改質ガスを
生成する改質工程とを有する燃料改質方法において、加
熱用燃料を燃焼させて、前記蒸発工程で燃料を加熱する
熱を発生させる加熱用燃料燃焼工程と、この加熱用燃料
燃焼工程で気化された未燃焼の加熱用燃料または燃焼済
みの過熱用燃料のうち少なくとも一方を前記改質工程に
供給して、前記所定反応を担わせる反応促進工程とを有
することを特徴とするものである。

【０００８】請求項１および請求項５の発明によれば、
改質器に対して、２系統から高温の気体が供給されるた
め、改質器の昇温が促進される。

【０００９】請求項２の発明は、請求項１の構成に加え
て、前記燃焼器から前記改質器に供給される加熱用燃料
には、少なくとも気化された未燃焼の加熱用燃料が含ま
れていることを特徴とするものである。

【００１０】請求項２の発明によれば、請求項１の発明
と同様の作用が生じる他に、改質器への改質ガスの要求
値に対して、蒸発部における燃料の気化能力が追いつか
ない場合でも、改質ガスの要求値に対する蒸発器からの
供給量の不足分を、燃焼器から供給され、かつ、気化さ
れた未燃焼の加熱用燃料により補うことができる。

【００１１】請求項３の発明は、請求項１または２の構
成に加えて、前記蒸発器に供給される燃料の成分と、前
記燃焼器に供給される加熱用燃料の成分とが同一である
ことを特徴とするものである。

【００１２】請求項３の発明によれば、請求項１または
２の発明と同様の作用が生じる他に、反応促進器を経由
して改質器に供給する燃料を、格別に用意しなくともよ
い。

【００１３】請求項４の発明は、請求項３の構成に加え
て、前記蒸発器に燃料を供給する経路と、前記燃焼器に
前記加熱用燃料を供給する経路の少なくとも一部が、共
通化されていることを特徴とするものである。

【００１４】請求項４の発明においても、請求項３の作
用と同じ作用が生じる他に、少なくとも一部においては
蒸発器に燃料を供給する経路と、燃焼器に加熱用燃料を
供給する経路とを別個に設ける必要はない。

【００１５】

【発明の実施の形態】つぎに、この発明を図面に基づい
て具体的に説明する。図１は、この発明で対象とする燃
料改質装置Ａ１の概念図であり、ここに示す燃料改質装
置Ａ１は、燃焼器（加熱器）２と、蒸発器３と、改質器
４と、ＣＯ浄化部（ＣＯ除去部）５とを備えている。ま
た、燃料供給装置６および空気供給装置７が設けられて
いる。前記燃焼器２は、加熱のための熱を発生させるた
めに加熱用燃料を燃焼させる部分である。この燃焼器２
としては、燃料供給装置６から供給される燃料を、バー
ナによって燃焼させる構造のものや触媒燃焼によるもの
などが挙げられる。燃料供給装置６に貯蔵される液体燃
料としては、メタノール、エタノール、ガソリン、メタ
ンなどが挙げられる。以下、この実施例では、燃料とし
てメタノールを用いた場合について説明する。

【００１６】さらに、燃料改質装置Ａ１には燃料供給経
路Ｂ１および空気供給経路Ｃ１，Ｆ１および水供給経路
Ｄ１が設けられている。この空気供給経路Ｃ１により、
前記空気供給装置７と燃焼器２とが接続されている。ま
た、燃料供給経路Ｂ１の一端は、燃料供給装置６に接続
されているとともに、燃料供給経路Ｂ１の他端は、２股
に分岐されている。燃料供給経路Ｂ１の他端の一方は、
燃焼器２に接続され、燃料供給経路Ｂ１の他端の他方
は、蒸発器３に接続されている。さらに水供給装置８が
設けられており、水供給装置８と蒸発器３とが、水供給
経路Ｄ１により接続されている。

【００１７】さらに蒸発器３は、燃料供給装置６から蒸
発器３に供給される液体燃料と、水供給装置８から蒸発
器３に供給される水とを、燃焼器２で発生させた熱によ
って蒸発させ、混合ガスを生成する装置であって、蒸発
器３は、熱交換器として機能する構造を備えている。蒸
発器３としては、燃料および水が流れる複数のチューブ
と、各チューブ同士の間に設けられ、かつ波形に成形さ
れたフィンとを備えたコアを有し、チューブとフィンと
の間に通気路が形成されているものや、積層型のものな
どが挙げられる。なお、燃焼器２で生じた燃焼排ガス
は、排気経路Ｅ１を経由して排気されるようになってい
る。さらに、改質器４は所定の改質触媒を有する。ま
た、空気供給経路Ｆ１により、空気供給装置７の空気が
改質器４に供給されるように構成されている。

【００１８】一方、燃焼器２と改質器４とを接続するバ
イパス経路Ｈ１が設けられている。このバイパス経路Ｈ
１の途中にはバルブ９が設けられている。このバイパス
経路Ｈ１は、燃焼器２で加熱されて気化された未燃焼の
加熱用燃料または燃焼済みの加熱用燃料のうち少なくと
も一方を、燃焼器２から改質器４に供給するための装置
である。

【００１９】さらに、図１に示されたシステム全体を制
御するコントローラとして、電子制御装置（図示せず）
が設けられている。この電子制御装置は、演算処理装置
（ＣＰＵ）および記憶装置（ＲＡＭ，ＲＯＭ）および入
出力インタフェースを主体とするマイクロコンピュータ
により構成されている。この電子制御装置には、改質ガ
ス必要装置で必要とする目標改質ガス量を検知する目標
改質ガス量検知センサの信号、燃料改質装置Ａ１により
発生する実際の改質ガス量を検知する出力検知センサの
信号、改質器４の温度を検知する温度検知センサの信号
などが入力される。

【００２０】これに対して、電子制御装置からは、燃焼
器２に供給する燃料および空気（酸素）の供給時期およ
び供給量を制御する信号、蒸発器３に供給する燃料およ
び水の供給時期および供給量、バルブ９の開閉時期およ
び開度を制御する信号、空気供給経路Ｆ１を経由して改
質器４に供給される空気の量および供給時期を制御する
信号などが出力される。

【００２１】図１に示す燃料改質装置Ａ１による改質ガ
スの生成方法を説明する。まず、燃料供給装置６のメタ
ノールが蒸発器３に供給されるとともに、水供給装置８
の水が蒸発器３に供給される。また、燃料供給装置６の
メタノールが燃焼器２に供給され、かつ、空気供給装置
７の空気が燃焼器２に供給される。燃焼器２において
は、加熱装置（例えばバーナーなど）によりメタノール
が加熱されて気化および燃焼し、その燃焼時の熱が、蒸
発器３のコアの通気路に伝達される。すると、通気路の
ガスとメタノールおよび水との間で、熱伝達がおこなわ
れて、液体状態のメタノールおよび水が蒸発して気体と
なり、混合ガスが発生する。

【００２２】そして、蒸発器３で発生した混合蒸気は改
質器４に送られる。また、空気供給装置７の空気は、空
気供給経路Ｆ１を経由して改質器４にも送られる。改質
器４は、主としてメタノールと水との改質反応によって
水素リッチガスを発生させるように構成されている。式
で表すと、 ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋３Ｈ_２ …（１） となり、水蒸気改質反応によって水素ガスを主体とする
改質ガスを生成するようになっている。

【００２３】またこの改質器４は、メタノールの部分酸
化反応によって水素ガスおよび熱を生じさせるようにな
っている。すなわち上記の（１）式で示される水蒸気改
質反応が吸熱反応であり、これに対してメタノールの部
分酸化反応である下記の（２）式の反応が発熱反応であ
る。そして、これらの吸熱量と発熱量とをバランスさせ
ることにより、改質器４の温度をほぼ一定に維持させる
ようになっている。 ＣＨ_３ＯＨ＋１／２Ｏ_２→２Ｈ_２ ＋ＣＯ_２ …（２）

【００２４】燃料改質装置Ａ１により生成される改質ガ
スの量は、電子制御装置により判断される目標改質ガス
量に基づいて制御される。この制御には、蒸発器３に供
給するメタノールおよび水の量などが含まれている。と
ころで、燃料改質装置Ａ１の起動時においては、燃料改
質装置Ａ１の起動が開始されてから、改質器４の暖機が
完了するまでの時間（触媒が活性温度に到達するまでの
時間）が、上記発熱反応および混合ガスの熱による昇温
だけでは長時間となる。一方、燃料改質装置Ａ１の運転
中に、改質ガスの目標生成量が急激に変化、具体的には
増加すると、目標生成量と実際の生成量との差が大きく
なる可能性がある。言い換えれば、目標生成量に対する
実際の生成量の追従応答性が低くなる可能性がある。

【００２５】そこで、この実施例においては、以下のよ
うな方法により、上記不具合を回避することができる。
起動時など、改質器の温度が所定値以下の場合や、目標
量が急激に増加した場合、あるいは目標生成量と実際の
生成量との差が、所定値を越えた場合は、バルブ９が開
放される。すると、蒸発器で３で生成された混合ガスの
他に、燃焼器２で加熱されて気化した加熱用燃料の一部
が、バイパス経路Ｈ１を経由して改質器４に送られる。

【００２６】このように、蒸発器３で生成された混合ガ
ス、および燃焼器２で気化された未燃焼の加熱用燃料ま
たは燃焼済みの加熱用燃料のうちの少なくとも一方、と
いった２系統から生成された高温の気体が改質器４に供
給されて、改質器４の昇温が促進される。このため、燃
料改質装置Ａ１の起動が開始されてから、改質器４の暖
機が完了するまでの時間を、可及的に短縮することがで
きる。

【００２７】また、燃焼器２から気化された未燃焼の加
熱用燃料が供給される場合、蒸発器３および燃焼器２の
２系統から生成された気体が供給されるため、単位時間
あたりにおける改質ガスの実際の生成量を、可及的に増
加することができる。したがって目標生成量が急激に変
化、具体的には増加した場合でも、目標生成量と実際の
生成量との差が増加することを抑制できる。言い換えれ
ば、目標生成量に対する実際の生成量の追従応答性が向
上する。

【００２８】また、改質ガスの目標生成量の急激な増加
に対し、蒸発器３のみで対応せず、２系統から気体を供
給することで対応するため、改質器４に供給する気体の
量を、蒸発器を大型化し、蒸発器のみによって増加する
比較例と、この実施例とを比較した場合、実施例の方が
蒸発器の大型化を抑制できる。

【００２９】また、この実施例においては、燃焼器２に
供給される燃料と、蒸発器３に供給される燃料とが、同
一の成分である。したがって、蒸発器３に供給する燃料
の他に、バイパス経路Ｈ１を経由して改質器４に供給す
る燃料を、別途用意する必要はない。つまり、燃焼器２
に供給するための新たなエネルギー源を確保する必要は
なく、システムの稼働コストの上昇を抑制することがで
きる。さらに、燃焼器２および蒸発器３にメタノールを
供給する燃料供給経路Ｂ１の一部が共通化され、かつ、
燃料供給装置６が共通化されている。したがって、燃焼
器２および蒸発器３に燃料を供給するために、別々に燃
料供給設備を設けることなく、設備の構造の複雑化を抑
制でき、かつ、設備の設置コストの上昇を抑制できる。

【００３０】なお、この実施例の燃料改質装置Ａ１およ
び燃料改質方法により生成される改質ガスの用途、すな
わち改質ガス必要装置としては、例えば、燃料電池、水
素エンジンなどを挙げることができる。また、水供給装
置８とバイパス経路Ｈ１とを接続する水供給経路Ｇ１を
設け、水供給装置８の水を改質器４に供給することも可
能である。なお、図１のシステムで蒸発器３に供給する
燃料と、燃焼器２に供給する加熱燃料の成分とを異なら
せることもできる。この場合、蒸発器３に燃料を供給す
る燃料の供給系統と、燃焼器２に加熱燃料を供給する加
熱燃料供給系統とは、別々に構成される。

【００３１】さらに、水および燃料を蒸発器３に供給す
る場合、蒸発器３に供給する前に水と燃料とを混合して
おく構成、または、水と燃料とを蒸発器３に供給した後
に混合する構成のいずれを採用してもよい。また、燃焼
器２から気化された未燃焼の加熱用燃料を改質器４へ供
給する場合、燃焼器２へ供給された加熱用燃料は、蒸発
器３の加熱用および改質器４への供給用に別れてしまう
ので、燃焼器２へ供給する加熱用燃料の量を必要に応じ
て制御することが望ましい。なお、蒸発器に燃料を供給
する経路と、燃焼器に燃料を供給する経路とは、その少
なくとも一部が共通化されていてもよい。可能であれ
ば、２つの経路の全部を共通化してもよい。

【００３２】ここで実施例の構成と、発明の構成との対
応関係を説明すれば、メタノール、メタンガス、エタノ
ール、ガソリンなどの液状の炭化水素が、この発明の
“燃料”および“加熱用燃料”に相当し、バイパス経路
Ｈ１およびバルブ９が、この発明の“反応促進器”に相
当する。燃料供給装置６および燃料供給経路Ｂ１が、こ
の発明の“蒸発器に燃料を供給する経路”および“燃焼
器に加熱用燃料を供給する経路”に相当し、吸熱反応
（水蒸気改質反応）および発熱反応（部分酸化反応）
が、この発明の“所定反応”に相当する。

【００３３】また、蒸発器３に燃料および空気を供給
し、かつ、燃焼器２に空気および燃料を供給して燃焼さ
せ、燃焼により発生する熱を蒸発器３に伝達させて、混
合ガスを生成する工程が、この発明の“蒸発工程”に相
当する。また、改質器４において、混合ガスの改質反応
によって改質ガスを生成する工程が、この発明の“改質
工程”に相当し、燃焼器２にメタノールを供給し、か
つ、メタノールを燃焼させる工程が、この発明の“加熱
用燃料燃焼工程”に相当し、燃焼器２で気化された未燃
焼のメタノールもしくは燃焼済みのメタノールをバイパ
ス経路Ｈ１を経由させて改質器４に送るとともに、この
メタノールにより改質反応の一部を担わせる工程が、こ
の発明の“反応促進工程”に相当する。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１の発明お
よび請求項５の発明によれば、燃料改質装置の起動が開
始されてから、改質器の暖機が完了するまでの時間を、
可及的に短縮することができる。

【００３５】請求項２の発明によれば、請求項１の発明
と同様の効果を得られる他に、改質器で改質反応に利用
される燃料を、蒸発器と燃焼器とで分担することができ
る。したがって、蒸発器を大型化することなく、改質ガ
スの目標生成量の増加に対する応答追従性を高めること
ができる。

【００３６】請求項３の発明によれば、請求項１または
２の発明と同様の効果を得られる他に、蒸発器に供給す
る燃料の他に、反応促進器から改質器に供給する燃料
を、別途用意せずに済む。したがって、燃焼器に供給す
るための新たなエネルギー源を確保する必要はなく、燃
焼処理装置の稼働コストの上昇を抑制することができ
る。

【００３７】請求項４の発明によれば、請求項３の発明
と同様の効果を得られる他に、燃焼器および蒸発器に燃
料を供給するために、別々に燃料供給設備を設けずに済
み、設備の構造の複雑化を抑制でき、かつ、設備の設置
コストの上昇を抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明で対象とする燃料改質装置の概念図
である。

【符号の説明】

２…燃焼器、 ３…蒸発器、 ４…改質器、 ６…燃料
供給装置、７…空気供給装置、 ８…水供給装置、 ９
…バルブ、 Ａ１…燃料改質装置、 Ｂ１…燃料供給経
路、 Ｃ１，Ｆ１…空気供給経路、 Ｄ１…水供給経
路、 Ｈ１…バイパス経路。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料および水を加熱して気化させること
   により、混合ガスを生成する蒸発器と、この蒸発器から
   混合ガスが供給され、かつ、所定反応によって改質ガス
   を生成する改質器とを有する燃料改質装置において、 加熱用燃料を燃焼させて、前記蒸発器の燃料および水を
   加熱する熱を発生する燃焼器と、 前記燃焼器に供給され気化された未燃焼の加熱用燃料ま
   たは燃焼済みの加熱用燃料のうちの少なくとも一方を前
   記改質器に供給するとともに、この加熱用燃料により前
   記所定反応を担わせる反応促進器とを有することを特徴
   とする燃料改質装置。
2. 【請求項２】 前記燃焼器から前記改質器に供給される
   加熱用燃料には、少なくとも気化された未燃焼の加熱用
   燃料が含まれていることを特徴とする請求項１に記載の
   燃料改質装置。
3. 【請求項３】 前記蒸発器に供給される燃料の成分と、
   前記燃焼器に供給される加熱用燃料の成分とが同一であ
   ることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料改質
   装置。
4. 【請求項４】 前記蒸発器に燃料を供給する経路と、前
   記燃焼器に前記加熱用燃料を供給する経路とが、共通化
   されていることを特徴とする請求項３に記載の燃料改質
   装置。
5. 【請求項５】 燃料および水を加熱して気化させること
   により、混合ガスを生成する蒸発工程と、前記混合ガス
   の所定反応によって改質ガスを生成する改質工程とを有
   する燃料改質方法において、 加熱用燃料を燃焼させて、前記蒸発工程で燃料を加熱す
   る熱を発生させる加熱用燃料燃焼工程と、 この加熱用燃料燃焼工程で気化された未燃焼の加熱用燃
   料または燃焼済みの加熱用燃料のうち少なくとも一方を
   前記改質工程に供給して、前記所定反応を担わせる反応
   促進工程とを有することを特徴とする燃料改質方法。