JP2004018275A

JP2004018275A - 改質器用燃料混合器

Info

Publication number: JP2004018275A
Application number: JP2002171497A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Shoji; 庄子　忠; Koichi Yamaguchi; 山口　浩一; Akihiro Sakakida; 榊田　明宏; Hisashi Mitsumoto; 光本　久司
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-06-12
Filing date: 2002-06-12
Publication date: 2004-01-22

Abstract

【課題】簡単な構成で燃料気化の過渡応答性が高い改質器用燃料混合器を提供する。
【解決手段】改質器用燃料混合器８を第１多孔質体９で上流部８ａと下流部８ｂとに仕切る。上流部８ａに第１燃料供給装置１０から燃料、第１空気供給口７から空気を供給し、第１着火源１２で着火して燃焼させる。この燃焼の火炎は、第１多孔質体９で遮られて、高温の燃焼ガスが下流部８ｂに流入する。この高温燃焼ガス中に第２燃料供給装置１１から燃料を供給して、蒸発・気化させる。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素リッチの改質ガスを生成する改質器に気化燃料と酸化剤あるいは水分を混合して供給する改質器用燃料混合器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、水素と空気中の酸素とを電解質を介して電気化学反応させることにより、直接電気を発生させるエネルギーシステムである。このため、他の発電システムのようなエネルギー形態の変換を伴わないので、効率の高い発電を行うことができる。
【０００３】
水素の供給源としては、純水素が理想的ではあるが、新たなインフラ整備を必要とする。このため現実的には、構成元素として水素を含む炭化水素系燃料から改質反応により水素を発生させて利用することが考えられている。改質反応には、部分酸化反応または炭化水素と水の水蒸気改質反応、あるいはこれら二つの反応を組合せた反応（オートサーマル反応）などがある。
【０００４】
炭化水素系燃料としては、メタン、エタン、プロパンなどの気体炭化水素や、ガソリンやメタノールなどの液体燃料がある。液体燃料は、エネルギー密度が高く、貯蔵に高圧容器を必要としないため、燃料改質型燃料電池を自動車などの重量・容積に制限のある用途へ利用する場合に有利である。
【０００５】
燃料が液体の場合には、改質反応を行うために気化させる必要がある。また、水蒸気改質反応を行うときにも水を気化させて改質器へ供給しなければならない。
【０００６】
一方、改質反応は触媒反応を利用しているが、触媒表面の全面で反応をさせるためには、燃料と酸化剤（空気）とを均質化して供給する必要がある。例えば、メタノールの部分酸化反応は、次に示す式（１）の化学反応が進行する。
【０００７】
【化１】
ＣＨ_３ＯＨ＋１／２Ｏ_２→２Ｈ_２＋ＣＯ_２　　　　…（１）
改質燃料の均質化が十分でなく、部分的に酸素が少ない斑ができたとすると、メタノールは酸化されずに未反応物として触媒を通過するか、一酸化炭素を生成するようになる。
【０００８】
前述のように液体燃料は、改質前に気化させる必要があるが、その燃料気化技術としては、例えば特開２００１−５２７３０号公報（以下、第１従来技術）記載の熱交換型燃料蒸発器が知られている。
【０００９】
この第１従来技術によれば、通常運転時には、燃料電池から排出される排水素を排水素燃焼器で燃焼させ、この燃焼熱で蒸発器を加熱し、蒸発器で液体燃料を蒸発させている。また排水素が得られない発電装置の起動時には、排水素燃焼器に液体燃料と空気とを導入して予備燃焼させ、この予備燃焼ガスで蒸発器を加熱している。
【００１０】
他の燃料気化技術としては、特開２０００−６３１０５号公報（以下、第２従来技術）に記載されたものがある。第２従来技術は、第１従来技術と同様に、通常運転時には、燃料電池の排水素の燃焼熱で蒸発器を加熱し、メタノール水溶液を蒸発器で蒸発させ、気化燃料と空気を混合した混合気を改質器の上流へ供給するように構成されている。
【００１１】
第２従来技術は、改質器の上流に始動用燃焼機構を備え、始動時に、始動用燃焼機構内に空気を供給するとともにメタノールを噴霧ノズルから噴霧し、グロープラグでこれに点火して燃焼させ、この燃焼熱で改質触媒層を加熱している。
【００１２】
さらに第２従来技術では、負荷増加時に、始動用燃焼機構の噴霧ノズルから改質用燃料を噴霧し、必要な量の改質用燃料を瞬時に供給するようにしている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の燃料気化技術によれば、燃料気化の過渡応答性が低く、急激に燃料を増量しても、これを充分気化することができないという問題点があった。
【００１４】
第１従来技術では、燃料電池のアノード排ガス中の水素を燃焼させ、この燃焼ガスと水や液体燃料とを熱交換する熱交換型蒸発器を用いる構成で、水や液体燃料の気化を行っている。この熱交換型蒸発器の欠点としては、気化速度が遅いことがあり、従来例では燃料電池の排ガスを燃焼させ気化潜熱の熱源としているため、負荷変動時の応答性は特に遅くなる。
【００１５】
また、第２従来技術のように負荷急変時に高温気流中に燃料を噴霧して気化させる方法も考えられるが、負荷急変時に供給する燃料を気化させるのに見合った高温気流（改質器用燃料ガス＋空気）の温度を確保できないため、燃料が十分に気化できないという問題点があった。
【００１６】
また、完全に気化させるためには噴霧粒が滞留する時間を長くする必要があるため、実際には始動用燃焼機構（気化反応器）の大きさを相当大きくしなければならないといった問題点もあった。
【００１７】
以上の問題点に鑑み、本発明の目的は、簡単な構成で燃料気化の過渡応答性が高い改質器用燃料混合器を提供することである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、上記課題を解決するため、水素リッチの改質ガスを生成する改質器に気化燃料と酸化剤あるいは水分を混合して供給する改質器用燃料混合器において、該改質器用燃料混合器を上流部と下流部とに仕切る第１多孔質体と、該上流部に燃料を供給する第１燃料供給装置と、該上流部に空気を供給する第１空気供給口と、該上流部に供給した燃料と空気を燃焼させるための第１着火源と、前記下流部に燃料を供給する第２燃料供給装置と、を備えたことを要旨とする。
【００１９】
請求項２記載の発明は、上記課題を解決するため、請求項１記載の改質器用燃料混合器において、前記下流部に水供給装置を備えたことを要旨とする。
【００２０】
請求項３記載の発明は、上記課題を解決するため、請求項１または請求項２記載の改質器用燃料混合器において、前記上流部で燃料を燃焼させ、その燃焼熱で前記下流部の燃料と水の少なくとも一方を気化させることを要旨とする。
【００２１】
請求項４記載の発明は、上記課題を解決するため、請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の改質器用燃料混合器において、前記下流部に第２空気供給口を備えたことを要旨とする。
【００２２】
請求項５記載の発明は、上記課題を解決するため、請求項４記載の改質器用燃料混合器において、第２燃料供給装置と第２空気供給口、または水供給装置と第２空気供給口とが略対向する位置に配設されたことを要旨とする。
【００２３】
請求項６記載の発明は、上記課題を解決するため、請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の改質器用燃料混合器において、前記下流部に第２多孔質体を備えたことを要旨とする。
【００２４】
請求項７記載の発明は、上記課題を解決するため、請求項６記載の改質器用燃料混合器において、第２多孔質体の下流側に第２着火源を備えたことを要旨とする。
【００２５】
請求項８記載の発明は、上記課題を解決するため、請求項７記載の改質器用燃料混合器において、改質器の起動時に第２多孔質体下流の燃焼により改質器を暖機させることを要旨とする。
【００２６】
請求項９記載の発明は、上記課題を解決するため、高温気流中に液体燃料を噴射して、気化混合する改質器用燃料混合器において、該改質器用燃料混合器を上流部と下流とに仕切る第１多孔質体を備え、前記上流部で燃料と空気との燃焼により高温気流を発生させ、前記下流部で燃料を気化・混合することを要旨とする。
【００２７】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、混合器を第１多孔質体により上流部と下流部とに仕切り、下流部に供給する燃料が必要とする蒸発熱量に応じて上流部で燃焼させる燃料量を制御できるので、負荷変動時でも供給した燃料を十分に気化させることができるという効果がある。
【００２８】
さらに、第１多孔質体が第２燃料供給装置や改質器への火炎伝播を防ぐフレームアレスタの役割を果たすことができるので、改質器の長さを短くしても第２燃料供給装置や改質器を火炎から保護できるという効果がある。
【００２９】
請求項２記載の発明によれば、水蒸気改質反応やオートサーマル反応により燃料改質する改質器への適応を可能としている。
【００３０】
請求項３記載の発明によれば、第１多孔質体で仕切られた混合器の上流部では、燃焼によって熱量を発生させるため、発生熱量は第１燃料供給装置と第１空気供給口からの供給量だけで瞬時に制御可能であり、燃料電池の急激な負荷変動に速やかに対応した制御が可能となり、負荷変動時にも改質用燃料を十分に気化することができるという効果がある。
【００３１】
請求項４記載の発明によれば、第１多孔質体で仕切られた混合器の下流部にも空気を供給することができるという効果がある。
【００３２】
請求項５記載の発明によれば、第１多孔質体で仕切られた混合器の下流部に供給される燃料および／または水と空気とが対向流を形成するので、混合を促進することができるという効果がある。
【００３３】
請求項６記載の発明によれば、第１多孔質体で仕切られた混合器の下流部にさらに第２多孔質体を配置したので、第２多孔質体による乱流により、改質燃料を一層均質に混合することができるという効果がある。
【００３４】
請求項７または請求項８記載の発明によれば、第２多孔質体の下流で燃料を燃焼させた燃焼熱で改質器を暖機することができる。第２多孔質体の下流部分での燃焼は、燃料の予蒸発予混合の均質燃焼であり、窒素酸化物の排出を抑制することができる。
【００３５】
請求項９記載の発明によれば、混合器を第１多孔質体により上流部と下流部とに仕切り、下流部に供給する燃料が必要とする蒸発熱量に応じて上流部で燃焼させる燃料量を制御できるので、負荷変動時でも供給した燃料を十分に気化させることができるという効果がある。
【００３６】
【発明の実施の形態】
［第１実施形態］
次に、図面を参照して、本発明の第１実施形態を詳細に説明する。図１は本発明に係る改質器用燃料混合器の第１実施形態を備えた燃料電池システムの構成を説明する構成図である。
【００３７】
図１において、燃料電池システムは、アノード（燃料極）及びカソード（酸化剤極）を備える燃料電池本体である燃料電池１と、燃料電池１に供給する改質ガスを生成する改質器２と、改質器２から燃料電池１に改質ガスを供給する改質ガスライン３と、図外のコンプレッサ等から燃料電池１に空気を供給する燃料電池空気ライン４と、燃料電池１のアノードから排ガスを排出するアノード排ガスライン５と、燃料電池１のカソードから排空気を排出するカソード排ガスライン６と、第１多孔質体９により上流部８ａと下流部８ｂとに仕切られた改質器用燃料混合器（以下、混合器と略す）８と、上流部８ａに空気を供給する第１空気供給口７と、上流部８ａに液体の燃料を噴射する第１燃料供給装置１０と、上流部８ａ内の可燃性ガスに着火する第１着火源１２と、下流部８ｂに液体の燃料を噴射する第２燃料噴射装置１１と、を備えている。
【００３８】
ここで、上流部８ａと下流部８ｂとの間には、第１多孔質体９が設けられ、上流部８ａ，第１多孔質体９及び下流部８ｂは混合器８を構成している。この混合器８の下流に改質器２が設けられ、改質器２で生成された水素リッチな改質ガスが燃料ガスとして改質ガスライン３を介して燃料電池１に供給される。
【００３９】
第１多孔質体９は、発泡体、焼結体、細線集合体、ハニカム構造体の少なくとも一つを用いて構成されている。さらに詳しくは、第１多孔質体９は、メタルフォーム材やセラミックフォーム材に代表される発泡体、金属やセラミック粉末の焼結体、スチールウールやその他細線化した金属を積層または圧縮などの手段により成型された細線集合体、またはハニカム構造体である。
【００４０】
第１燃料供給装置１０及び第２燃料供給装置１１から供給する燃料は、特に規定するものではないがメタノールやガソリンなどは、入手も容易であり改質型燃料電池用の燃料としては適している。第１燃料供給装置１０及び第２燃料供給装置１１は、燃料噴射弁など、燃料を霧化できる装置が望ましく、第１空気供給口７と第１燃料供給装置１０の機能を兼ね備えた二流体噴射弁の適応も可能である。
【００４１】
第１着火源１２は、グロープラグやスパークプラグなどの着火源を使用することができる。
【００４２】
第１燃料供給装置１０と第１空気供給口７から導入される燃料と空気は、第２燃料供給装置１１から供給される改質用燃料が必要とする気化潜熱を算出して、これらの供給量を制御する。第１多孔質体の上流にある上流部８ａの燃焼によって生じた火炎は、第１多孔質体９で消炎される。その結果、混合器８の下流部８ｂには、第２燃料供給装置１１から短い距離で燃焼熱のみが効率よく供給でき、第２燃料供給装置１１から導入される液体燃料を蒸発させ、燃焼ガス中の空気と均質に混合することができ、第２燃料供給装置１１から改質器２までの大きさを小さくすることが可能となる。
【００４３】
また、第１多孔質体９上流の燃焼熱を簡単に調整できるため、急に負荷が変動しても混合器８の下流部８ｂで燃料をすみやかに蒸発できる。
【００４４】
［第２実施形態］
図２に示す第２実施形態の改質器用燃料混合器は、図１の基本構成に加えて、混合器８の下流部８ｂに水供給装置１３及び第２空気供給口１４を備え、さらに下流部８ｂと改質器２との間に第２多孔質体１５を配した構成である。第２多孔質体１５の構造材料は、第１多孔質体９と同様のものである。
【００４５】
改質器２がオートサーマル反応をするような場合は、燃料と水蒸気、空気を任意に設定された比率で改質器２に供給しなければならない。
【００４６】
その場合は、水供給装置１３から水蒸気改質反応に必要な水、第２空気供給口１４からは部分酸化反応に必要な空気、第２燃料供給装置１１からはこれらのオートサーマル反応に必要な改質燃料を供給する。また、第１多孔質体９上流の燃焼は第１多孔質体９下流から導入される燃料や水の気化潜熱から計算され、制御される。
【００４７】
第２燃料供給装置１１および水供給装置１３と第２空気供給口１４の配置であるが、混合を促進するために対向流を起こさせるようなレイアウトにすることが好ましい。また、空気は燃料や水よりも下流で供給すると、より気化混合を促進することができる。空気の供給方法としては、回転させた気流や空気噴射弁などを用いることもできる。
【００４８】
また、上述の下流部８ｂから改質器２までの間に第２多孔質体１５を配置することによって、混合ガスを均質化することが可能となる。また、仮に液体燃料や水が第２多孔質体１５上流で完全に気化できなかったとしても、液滴は第２多孔質体１５でトラップされ、液滴が改質器２へ進入することを防ぐ効果もあるため混合器８が小さくても蒸発が可能である。
【００４９】
［第３実施形態］
図３に示す第３実施形態の改質器用燃料混合器は、図２の構成に加えて、第２多孔質体１５の下流に、第２着火源１６と燃焼部８ｃとを配し、混合器８を上流部８ａ、第１多孔質体９，下流部８ｂ、第２多孔質体１５，燃焼部８ｃから成る構成とした。第２着火源１６は、第１着火源１２と同様のものである。
【００５０】
このような構成にすると、本発明の混合器８をＮＯｘ　の少ない起動用燃焼器とすることもできる。改質器２を始動させるときは、前述のように改質反応が進行する温度まで改質器を加熱昇温させる必要がある。加熱する方法として特開２０００−６３１０５号公報のように、メタノール等の液体燃料の拡散燃焼により改質器を暖機した場合には、局所的な空燃比が異なるため燃焼温度分布が広くなる傾向にあり、燃焼温度が高い領域で窒素酸化物を生成する。
【００５１】
窒素酸化物は自動車の排出ガス規制物質に挙げられているように、改質器の暖機時に拡散燃焼を多用することは、環境面からも問題がある。本発明では第１多孔質体９の上流では第２燃料供給装置１１から供給される液体燃料の気化潜熱を供給する。気化した燃料と第２空気供給口１４から導入された空気が第２多孔質体１５を通過することによって均質な混合ガスとなる。
【００５２】
この混合ガスに第２着火源１６で着火・燃焼させる。このときに生じる燃焼熱で改質器２を暖機させることが可能となる。第２多孔質体１５下流の燃焼は燃料を予蒸発し、さらに空気と均質に混合させて燃焼するため、燃焼温度の不均一領域（斑）がなく、窒素酸化物の生成を少なく抑えることが可能となる。
【００５３】
また、第３実施形態では、第２空気供給口１４と対向する位置に、第２燃料供給装置１１及び水供給装置１３を配設している。これにより、空気流と、燃料の噴霧及び水の噴霧とが対向流となり、これらの混合を促進することができる。
【００５４】
なお、改質器２の暖機が終了したら、混合器８への燃料の供給を一旦停止して燃焼部８ｃでの燃焼を停止し、再び燃料を供給することで、改質用の均質な混合ガスを改質器８に供給し、第２実施形態と同様の混合器として機能させることができる。
【００５５】
また、第１実施形態、第２実施形態においては、第１多孔質体９の上流で拡散燃焼することにより、混合器８を起動用燃焼器として改質器２を暖機することができる。この場合には、第１多孔質体９があるために火炎が下流まで延びることがなく、サイズの小さい起動燃焼器とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る改質器用燃料混合器の第１実施形態を備えた燃料電池システムの構成を説明する構成図である。
【図２】本発明に係る改質器用燃料混合器の第２実施形態を備えた燃料電池システムの構成を説明する構成図である。
【図３】本発明に係る改質器用燃料混合器の第３実施形態を備えた燃料電池システムの構成を説明する構成図である。
【符号の説明】
１　燃料電池
２　改質器
３　改質ガスライン
４　燃料電池空気ライン
５　アノード排ガスライン
６　カソード排ガスライン
７　第１空気供給口
８　改質器用燃料混合器
８ａ　上流部
８ｂ　下流部
９　第１多孔質体
１０　第１燃料供給装置
１１　第２燃料供給装置
１２　第１着火源
１３　水供給装置
１４　第２空気供給口
１５　第２多孔質体
１６　第２着火源

Claims

水素リッチの改質ガスを生成する改質器に気化燃料と酸化剤あるいは水分を混合して供給する改質器用燃料混合器において、
該改質器用燃料混合器を上流部と下流部とに仕切る第１多孔質体と、
該上流部に燃料を供給する第１燃料供給装置と、
該上流部に空気を供給する第１空気供給口と、
該上流部に供給した燃料と空気を燃焼させるための第１着火源と、
前記下流部に燃料を供給する第２燃料供給装置と、
を備えたことを特徴とする改質器用燃料混合器。
前記下流部に水供給装置を備えたことを特徴とする請求項１記載の改質器用燃料混合器。
前記上流部で燃料を燃焼させ、その燃焼熱で前記下流部の燃料と水の少なくとも一方を気化させることを特徴とする請求項１または請求項２記載の改質器用燃料混合器。
前記下流部に第２空気供給口を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の改質器用燃料混合器。
第２燃料供給装置と第２空気供給口、または水供給装置と第２空気供給口とが略対向する位置に配設されたことを特徴とする請求項４記載の改質器用燃料混合器。
前記下流部に第２多孔質体を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の改質器用燃料混合器。
第２多孔質体の下流側に第２着火源を備えたことを特徴とする請求項６記載の改質器用燃料混合器。
改質器の起動時に第２多孔質体下流の燃焼により改質器を暖機させることを特徴とする請求項７記載の改質器用燃料混合器。
高温気流中に液体燃料を噴射して、気化混合する改質器用燃料混合器において、
該改質器用燃料混合器を上流部と下流とに仕切る第１多孔質体を備え、
前記上流部で燃料と空気との燃焼により高温気流を発生させ、
前記下流部で燃料を気化・混合することを特徴とする改質器用燃料混合器。