JP2003306307A - 燃料改質装置 - Google Patents

燃料改質装置

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JP2003306307A JP2002106642A JP2002106642A JP2003306307A JP 2003306307 A JP2003306307 A JP 2003306307A JP 2002106642 A JP2002106642 A JP 2002106642A JP 2002106642 A JP2002106642 A JP 2002106642A JP 2003306307 A JP2003306307 A JP 2003306307A
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air
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reformer according
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詩郎 田中
Mikiya Shinohara
幹弥 篠原
Akihiro Sakakida
明宏 榊田
Tadashi Shoji
忠 庄子
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Nissan Motor Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】コンパクトでありながら、均質な予混合気を生
成することのできる燃料改質装置を提供する。 【解決手段】原燃料を空気とを予混合する予混合室12に
空気導入路13より高温空気を絞り部14を介して導入し、
燃料噴射部16から噴射された原燃料と空気とを十分に混
合し、さらに改質触媒11の上流側に配置した整流フィル
タ17により混合気の濃度分布を均質化し、改質触媒11で
安定した水素リッチな改質ガスの生成を可能とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は原燃料から水素リッチな
改質ガスを生成するための燃料改質装置の改良に関す
る。
【０００２】
【従来技術】ガソリンやアルコールなどの炭化水素を原
燃料として、これと酸化剤としての空気を予混合し、こ
の原燃料ガスを触媒で反応させて水素リッチな改質ガス
を生成する改質装置が、特開2001-180904号公報などに
より提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】原燃料と空気との混合
が均一に行われないと、改質触媒での改質反応に偏りが
発生し、反応温度を安定に維持できず、改質ガスの組成
も不安定になる。そこで予混合された原燃料ガスを均一
濃度にするために、予混合室内に原燃料を噴射する噴射
弁から改質触媒までの距離を大きくとったり、さらに別
の予混合室を設けたりすると、改質装置が大型化、複雑
化したり、熱容量が大きくなったりの問題を生じる。
【０００４】本発明はこのような問題を解決し、コンパ
クトでありながら、均質な予混合気を生成することので
きる燃料改質装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明は、原燃料を改質
して水素リッチな改質ガスを生成する燃料改質装置であ
って、この燃料改質装置は、原燃料と空気とを予混合す
る予混合室と、前記予混合室に高温の空気を導入する空
気導入路と、前記予混合室と空気導入路との接続部に介
在させた絞り部と、前記空気と混合する原燃料を供給す
る燃料噴射部と、前記予混合室で予混合された原燃料を
水素リッチな改質ガスに改質する改質触媒と、前記改質
触媒の上流側に配置された整流フィルタとを備えてい
る。
【０００６】
【作用・効果】本発明において、改質触媒の上流には整
流フィルタがあり、ここでの空気抵抗により、絞り部か
ら噴出する高温の空気流は、直接的に改質触媒に流入せ
ずに予混合室内で旋回流を生起し、この問に原燃料と空
気とが十分に混合する。この混合ガスが整流フィルタを
通過するときに、整流フィルタの予熱により残存する燃
料液滴は気化し、したがって、改質触媒にはほぼ均一濃
度の混合気が導入され、改質触媒での温度ムラも無くな
り、改質ガスの組成が安定する。
【０００７】
【実施形態】以下、本発明の実施形態を図にしたがって
説明する。まず、図1によって本発明の燃料改質装置を
備えた燃料電池システムの概要を説明する。
【０００８】燃料電池システム1の燃料電池2には、燃料
改質装置5によって改質された水素リッチな改質ガス
と、エアコンプレッサ3からの空気とが供給され、燃料
電池2は水素と酸素に基づく電気化学反応により発電を
行う。
【０００９】燃料改質装置5には炭化水素(ガソリン、ア
ルコール)と水などの原燃料と、エアコンプレッサ3から
の空気とが供給され、これらに基づいて触媒反応により
水素リッチな改質ガスを生成する。この改質ガスは一酸
化炭素除去器4により一酸化炭素が除去された状態で燃
料電池2に送り込まれる。燃料電池2から排出されたガス
中には余剰の水素を含み、これらは燃焼器6により燃焼
され、この燃焼ガスにより熱交換器7で前記した燃料改
質装置5に送り込む空気を高温となるように加熱する。
このような燃料電池システム1に改質ガスを供給する
本発明の燃料改質装置5の具体的な構成を図2に示す。
【００１０】先端がドーム状をした円筒型のハウジング
15の内部には、予混合室12が形成され、このハウジング
15の先端部には、絞り部14を介して、予め加熱により高
温となった空気を予混合室12に導入する、導入管(空気
導入路)13が同軸的に接続される。
【００１１】ハウジング15の奥部には改質触媒11が配置
され、この上流に近接して整流フィルタ17が設けられ
る。整流フィルタ17は金属細線繊維または多孔質セラミ
ックスなどからなり、無数の小胞群を内包している。整
流フィルタ17は改質触媒11の流入断面積と同一の断面積
をもち、その内部には加熱用のヒータ18が設けられる。
ヒータ18は通電により発熱する電気的なヒータとして構
成される。
【００１２】整流フィルタ17の上流側には原燃料を噴射
する燃料噴射弁(燃料噴射部)16が設けられ、燃料噴射弁
16の噴射部は前記絞り部14の延長線上にあって、燃料を
絞り部14からの高温空気流に向けて噴射する。なお、こ
のときに燃料噴射弁16は広角に燃料を噴霧でき、かつ噴
射燃料が予混合室内壁面に付着しない程度の距離だけ離
した位置に配置される。
【００１３】作用について説明する。
【００１４】導入管13から導入された高温の空気は絞り
部14を通過することで高速気流となって予混合室12に噴
出する。燃料噴射弁16からこの高速気流に向けて燃料が
噴射され、燃料噴霧と高速気流がぶつかり合って互いに
混合し、かつ高温空気のもつ熱により原燃料は気化す
る。
【００１５】予混合室12の内部では、改質触媒11の上流
に配置した整流フィルタ18の抵抗により、混合ガスは整
流フィルタ17に当たって中心から外側に向けて旋回し、
図の矢印で示すような旋回流を形成する。この旋回運動
により原燃料と空気の混合が促進され、この混合気は整
流フィルタ17の小胞群を通るときにさらに混合する。ま
た、整流フィルタ!7は下流側に近接配置されている改質
触媒11からの熱を受け、温度が高いため、原燃料は整流
フィルタ17を通過するきに、その熱により十分に気化さ
れる。
【００１６】このようにして十分に気化し、かつ濃度分
布の均一化した混合気が、改質触媒11に流入する。混合
気の濃度が均質化するために改質触媒11での反応が均質
となり、反応温度も一様になり、生成される水素リッチ
な改質ガスの組成も安定する。この場合、燃料噴射部位
から改質触媒11までの距離を大きくしなくても十分に混
合気の濃度分布の均質化が可能となり、装置をコンパク
トに構成することができる。
【００１７】また、整流フィルタ17は改質触媒11と流入
断面が同一で、このため、改質触媒11には全域的に均等
に原燃料が流入し、この結果、改質触媒11の触媒利用率
が高まり、効率のよい改質反応が行われる。
【００１８】なお、燃料電池システム1の始動直後の低
温時や、原燃料や空気の量が増大する高負荷時には、整
流フィルタ17内のヒータ18に通電し、気化しきれなかっ
た燃料液滴を加熱気化する。これにより、始動直後など
でも安定した改質ガスの生成が可能となる。ところで、
図3にも示すように、整流フィルタ17の入口付近では、
旋回流により予混合室12の中心部の混合気濃度が高くな
る傾向がある。
【００１９】そこで、整流フィルタ17による混合気濃度
の均質化の機能を高めるために、混合気濃度分布に対応
して、整流フィルタ17を全域的に同一厚さとしたとき
は、フィルタ面の粗密度を異ならせたり、粗密度を全域
的に同一としたときには、その厚さを変化させたりす
る。
【００２０】つまり、整流フィルタ!7を同一の厚さとし
たときには、中央を密にして、周辺にいくほど粗にする
か、あるいは粗密度を全域的に同一にしておき、周辺に
比較して中央ほど厚みを大きくする。このようにする
と、整流フィルタ17の空気抵抗が中央部で大きく、周辺
部で小さくなり、中央部の濃度の濃い混合気は周辺部へ
と流れ、このため整流フィルタ17に流入する混合気は、
全域でなお一層均質化するようになる。
【００２１】次に他の実施形態について、図4以下によ
り説明する。
【００２２】まず、図4に示す第2の実施形態では、燃料
噴射弁16が予混合室12ではなく、高温空気の導入管13の
内部に配置され、高温の空気流に向けて燃料噴霧を噴射
するように取付けられる。また、絞り部14の下流の同軸
上には円錐形をした邪魔板19が複数の支持脚20を介して
ハウジング15に固定される。
【００２３】燃料噴射弁16から空気流の上流に向けて原
燃料が噴霧され、この混合気が絞り部14を通過するとき
に加速され、そのとき十分に混合が促進され、また噴霧
燃料が改質触媒11に到達するまでの距離を大きくとれる
ので、その分だけ原燃料と空気との混合時間も長くな
る。そして、絞り部14の通過直後に円錐形の邪魔板19に
より混合気の流れが拡がり、その下流側で多数の渦列が
発生し、このことによりさらに原燃料と空気との混合が
促進され、十分に均質化した混合気を改質触媒11に導入
することが可能となる。
【００２４】図5の第3実施形態では、絞り部14の内部に
スワーラ21を配置し、このスワーラ21により混合気に軸
回りのスワールを発生させる。このようにして絞り部14
を通過するときに旋回運動が付与され、この結果、混合
気は整流フィルタ17の抵抗もあって予混合室内で大きく
旋回し、改質触媒11に流入するまでにその気化がさらに
促進されるのである。
【００２５】図6、図7に示す第4の実施形態を説明す
る。この実施形態では、高温空気の導入管13の途中にス
ワーラ22を設け、空気流に軸回りの旋回運動を付与す
る。同時に燃料噴射弁16は図7に示すように、導入管13
の内部の略接線方向から燃料を噴射できるように取付け
る。導入管13での空気流の流速は、絞り部14の手前で
は、その抵抗に応じて低下し、軸回りの旋回運動を付与
された空気流に対して燃料噴霧が旋回流に乗るように噴
射され、これにより原燃料と高温の空気の混合が十分に
促進され、さらに絞り部14から予混合室12へと流入する
ときに、軸回りの遠心力により予混合室内壁面に沿うよ
うに拡散し、このとき整流フィルタ17の抵抗もあって、
予混合室12内において大きく旋回し、均質濃度の混合気
を形成する。
【００２６】このように第2〜第4の実施形態にあって
も、予混合室12において混合気は十分に混合、気化し、
さらに整流フィルタ17を通過することで、濃度分布の均
一化が高められ、これらにより改質触媒11での反応が安
定し、均質組成の改質ガスを生成することが可能とな
る。
【００２７】また、上記の第2から第4の実施例において
は、整流フィルタ17の入口付近では、予混合室12の中心
部よりも周辺部付近の混合気濃度が高くなる傾向があ
る。そこで、整流フィルタ17による混合気濃度の均質化
の機能を高めるために、混合気濃度分布に対応して、整
流フィルタ17を全域的に同一厚さとしたときは、フィル
タ面の粗密度を異ならせたり、粗密度を全域的に同一と
したときには、その厚さを変化させたりする。つまり、
整流フィルタ17を同一の厚さとしたときには、周辺部を
密にして、中央に向かうほど粗にするか、あるいは粗密
度を全域的に同一にしておき、周辺に比較して中央ほど
厚みを小さくする。このようにすると、整流フィルタ17
の空気抵抗が周辺部で大きく、中央部で小さくなり、周
辺部の濃度の濃い混合気は中央部へと流れ、このため整
流フィルタ17に流入する混合気は、全域でなお一層均質
化するようになる。
【００２８】本発明は上記した実施形態に限定されるわ
けではなく、特許請求の範囲に記載した技術的思想の範
囲内でさまざまな変更がなしうることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明が適用される燃料電池システムの構成図
である。
【図2】本発明の第1の実施形態の断面図である。
【図3】混合気濃度の特性を示す説明図である。
【図4】第2の実施形態の断面図である。
【図5】第3の実施形態の断面図である。
【図6】第4の実施形態の断面図である。
【図7】同じくそのA-A線断面図である。
【符号の説明】
11 改質触媒 12 予混合室 13 空気導入管 14 絞り部 15 ハウジング 16 燃料噴射弁 17 整流フィルタ 18 ヒータ 19 邪魔板 21 スワーラ 22 スワーラ
フロントページの続き (72)発明者 榊田 明宏 神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日産 自動車株式会社内 (72)発明者 庄子 忠 神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日産 自動車株式会社内 Ｆターム(参考） 4G140 EA02 EA03 EA06 EA07 EB03 EB04 EB12 5H027 AA02 BA01 BA16

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】原燃料を改質して水素リッチな改質ガスを
    生成する燃料改質装置において、 原燃料と空気とを予混合する予混合室と、 前記予混合室に高温の空気を導入する空気導入路と、 前記予混合室と空気導入路との接続部に介在させた絞り
    部と、 前記空気と混合する原燃料を供給する燃料噴射部と、 前記予混合室で予混合された原燃料を水素リッチな改質
    ガスに改質する改質触媒と、 前記改質触媒の上流側に配置された整流フィルタと、を
    備えることを特徴とする燃料改質装置。
  2. 【請求項2】前記整流フィルタは改質触媒の原燃料流入
    断面積とほぼ同じ断面積を備えている請求項1に記載の
    燃料改質装置。
  3. 【請求項3】前記整流フィルタは金属細線繊維または多
    孔質セラミックスで形成される請求項1または2に記載の
    燃料改質装置。
  4. 【請求項4】前記整流フィルタは混合気が流れる方向の
    厚みが一定であって、混合気の流入面における粗密度が
    混合気の濃度分布に応じて異なる請求項1〜3のいずれか
    一つに記載の燃料改質装置。
  5. 【請求項5】前記整流フィルタはフィルタ粗密度が混合
    気流入面の全域で一定であって、混合気の流れる方向の
    厚みが混合気の濃度分布に応じて異なる請求項1〜3のい
    ずれか一つに記載の燃料改質装置。
  6. 【請求項6】前記整流フィルタは、その内部に混合気の
    加熱用ヒータを備える請求項1〜5のいずれか一つに記載
    の燃料改質装置。
  7. 【請求項7】前記燃料噴射部は前記予混合室に設置さ
    れ、前記絞り部から流出してくる空気流に向けて原燃料
    を噴射する請求項1〜6のいずれか一つに記載の燃料改質
    装置。
  8. 【請求項8】前記燃料噴射部は前記空気導入路に設置さ
    れ、空気流の上流に向けて空気流と対向して原燃料を噴
    射する請求項1〜6のいずれか一つ記載の燃料改質装置。
  9. 【請求項9】前記予混合室には絞り部の直下流側に邪魔
    板を配設した請求項8に記載の燃料改質装置。
  10. 【請求項10】前記邪魔板は前記絞り部とほぼ同軸上に配
    置され、その先端が空気流に向かう円錐形に形成されて
    いる請求項9に記載の燃料改質装置。
  11. 【請求項11】前記絞り部には空気流に旋回力を付与する
    スワーラを備える請求項8に記載の燃料改質装置。
  12. 【請求項12】前記空気導入路には空気流に旋回力を付与
    するスワーラを設け、このスワーラの下流に配置した前
    記燃料噴射部が、空気の旋回流に沿った旋回成分をもつ
    ように原燃料を噴射する請求項1〜6のいずれか一つに記
    載の燃料改質装置。
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