JP2004018338A - 燃料改質装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】必要以上にエネルギを消費することなく、必要最低限のエネルギで起動可能な燃料改質装置を提供する。
【解決手段】供給された燃料を気化する燃料蒸発手段3と、燃料蒸発手段3を加熱可能な加熱手段4と、燃料蒸発手段3で気化した燃料を改質して水素リッチな燃料ガスを生成する燃料改質手段5とを備え、起動時に加熱手段4で燃料蒸発手段3を加熱して暖機しても、燃料蒸発手段3は燃料改質手段5に接触せず、暖機完了後、燃料改質手段5が水素リッチな燃料ガスを生成するときの発熱による熱膨張によって、燃料蒸発手段3に接触するように燃料蒸発手段3及び燃料改質手段5を配置した。
【選択図】 図1
【解決手段】供給された燃料を気化する燃料蒸発手段3と、燃料蒸発手段3を加熱可能な加熱手段4と、燃料蒸発手段3で気化した燃料を改質して水素リッチな燃料ガスを生成する燃料改質手段5とを備え、起動時に加熱手段4で燃料蒸発手段3を加熱して暖機しても、燃料蒸発手段3は燃料改質手段5に接触せず、暖機完了後、燃料改質手段5が水素リッチな燃料ガスを生成するときの発熱による熱膨張によって、燃料蒸発手段3に接触するように燃料蒸発手段3及び燃料改質手段5を配置した。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、メタノールやガソリンのような炭化水素系燃料に、酸化剤としての空気及び水を混入させて、水素リッチな改質ガスを生成可能な改質器を有する燃料改質装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、このような燃料改質装置としては、例えば特開2001−248506号公報に記載のものがある。この燃料改質装置では、ケーシング内の燃料流れ方向上流側を燃料の蒸発部とし、下流側をこれに直接改質触媒を溶射して燃料の改質部としている。起動時は、電熱ヒータで加熱して、燃料、水等を蒸発させる。定常運転時は、電熱ヒータによる加熱を停止し、改質部における部分酸化改質反応によって発生する熱を蒸発部に熱伝導で伝えて、その熱によって燃料、水を気化させて改質運転を維持する。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前述した従来の燃料改質装置は、燃料の蒸発部と改質部とが一体で形成されているので、起動時において蒸発部だけ加熱して触媒燃焼を開始させる場合であっても、その熱が改質部に逃げてしまい蒸発部の昇温を妨げたり、電気加熱のためのエネルギが必要以上に消費されるなどの問題があった。
【0004】
本発明は、このような従来の問題に着目してなされたものであり、必要以上にエネルギを消費することなく、必要最低限のエネルギで起動可能な燃料改質装置を提供することを目的としている。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明は、以下のような解決手段により、前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために、本発明の実施形態に対応する符号を付して説明するが、これに限定されるものではない。
【0006】
本発明は、供給された燃料を気化する燃料蒸発手段(3)と、前記燃料蒸発手段(3)を加熱可能な加熱手段(4)と、前記燃料蒸発手段(3)で気化した燃料を改質して水素リッチな燃料ガスを生成する燃料改質手段(5)とを備え、起動時に前記加熱手段(4)で前記燃料蒸発手段(3)を加熱して暖機しても、前記燃料蒸発手段(3)は前記燃料改質手段(5)に接触せず、暖機完了後、前記燃料改質手段(5)が水素リッチな燃料ガスを生成するときの発熱による熱膨張によって、前記燃料蒸発手段(3)に接触するように前記燃料蒸発手段(3)及び前記燃料改質手段(5)を配置したことを特徴とする。
【0007】
【作用・効果】
本発明によれば、必要最低限の電気エネルギで起動可能であり、また、暖気後の改質運転時には燃料改質手段で発生した熱を燃料蒸発手段に効率よく伝導させることができる。
【0008】
【発明の実施の形態】
以下、図面等を参照して、本発明の実施の形態について、さらに詳しく説明する。
(第1実施形態)
図1は、本発明による燃料改質装置の第1実施形態の構成を示す図である。
【0009】
本実施形態の燃料改質装置は、起動前には空隙がある燃料蒸発器3及び燃料改質器5を、暖機後改質運転時の熱膨張によって接触するようにしたことを特徴とするものである。
【0010】
本実施形態の燃料改質装置は、燃料噴射弁1と、空気供給器2と、燃料蒸発器3と、電気ヒータ4と、燃料改質器5と、水噴射弁6と、ブロア(もしくはコンプレッサ)7と、空気流量制御バルブ8とを備え、この燃料噴射弁1、空気供給器2、燃料蒸発器3、電気ヒータ4及び燃料改質器5がハウジング9に納められている。
【0011】
燃料噴射弁1はハウジング9の内部に燃料を供給する燃料供給手段である。この燃料噴射弁1の開口部に近接して空気供給器2が配設されている。この空気供給器2は燃料噴射弁1から噴射される燃料噴霧(液滴)の微粒化を促進するように配置されるとより効果的である。空気供給器2には、空気供給源としてのブロア(もしくはコンプレッサ)7から空気が供給され、その流量は空気流量制御バルブ8によって制御される。その下流側には、燃料噴射弁1から供給された燃料を気化させる燃料蒸発器3が配設されている。
【0012】
燃料蒸発器3は、燃料改質器5と反対側の上流部(図1中、左側)が保持部材3aでハウジング9の内部に固定されている。このため、燃料蒸発器3は、後述の通り、燃料改質器5に近接する方向(図1中、右方向)にのみ伸びる。この燃料蒸発器3には電気ヒータ4が設けられており、後述のように、起動時はこの電気ヒータ4で燃料蒸発器3を加熱する。この燃料蒸発器3は酸化触媒又は酸化触媒の機能を併せ持つ改質触媒が担持されていればより望ましい。その直下流には所定の空隙量Xを介して燃料改質器5が配設されている。燃料改質器5は、燃料蒸発器3と反対側の下流部(図1中、右側)が保持部材5aでハウジング9の内部に固定されている。このため、燃料改質器5は、後述の通り、燃料蒸発器3に近接する方向(図1中、左方向)にのみ伸びる。燃料改質器5には、改質触媒の他に酸化触媒を担持するか、または酸化触媒機能を併せ持つ改質触媒が担持されている。6は燃料改質時に燃料改質器5に水を供給するための水供給手段としての水噴射弁である。この水供給手段は、水を水蒸気もしくは加湿空気として供給するシステムであるときは、図に示す位置に配設しなくてもよい。
【0013】
図2は、本発明による燃料改質装置の運転状態を示す図であり、図2(A)は起動時、図2(B)は改質運転時(通常運転時)を示す。
【0014】
図2(A)に示すように、起動時は、まず燃料蒸発器3の電気ヒータ4に通電して燃料蒸発器3を加熱する。この時点においては、燃料蒸発器3と燃料改質器5との間の空隙量Xは維持されたままの状態であるので、電気ヒータ4によって加熱される部位は燃料蒸発器3に限定され、燃料改質器5は加熱されない。
【0015】
そして、燃料蒸発器3が所定温度に達したら、燃料噴射弁1及び空気供給器2から反応に必要な燃料及び空気を供給して触媒燃焼を開始させ、触媒燃焼が開始したら電気ヒータ4の通電を停止する。
【0016】
燃料改質器5が所定の温度に達したら、燃料噴射弁1から供給する燃料の量及び空気供給器2から供給する空気の量を改質運転条件の供給量に変更して、燃料改質器5で燃料改質を行う。なお、このとき、燃料改質器5は燃料改質時に発生する熱によって燃料蒸発器3の方向に熱膨張して、燃料蒸発器3に接触して空隙量Xが0になる(図2(B))。このように、燃料改質器5が燃料蒸発器3に接触すると、燃料改質器5で発生した熱が燃料蒸発器3に伝導され、その熱で燃料を気化させることができる。また、条件によっては水噴射弁から供給される水も気化させる。そして、この気化した燃料を燃料改質器5に供給する。なお、燃料改質器5に供給する燃料、空気、水の割合は、燃料蒸発器3で燃料及び水を気化させるために必要な気化潜熱分に相当する熱量が発生するように、発熱側すなわち部分酸化反応寄りの改質反応が行われるように制御する。
【0017】
図3は、本発明による燃料改質装置の第1実施形態の作動を示す概念図であり、図3(A)は起動時、図3(B)は燃料蒸発器の暖機するための電気ヒータ通電時、図3(C)は改質運転時を示す。
【0018】
燃料蒸発器3は起動時においては触媒燃焼器として用いられ、その運転温度はおよそ400℃から900℃の間で設定されるのが一般的である。また、燃料改質器5は燃料改質運転時においておよそ600℃から900℃の間の温度で改質反応を行うのが一般的である。
【0019】
起動時の空隙量X、燃料蒸発器3及び燃料改質器5の初期温度T0 、燃料蒸発器3の全長L1 、線膨張係数α1 、起動時運転温度T1 、燃料改質器5の全長L2 、線膨張係数α2 、改質運転温度T2 とすると、燃料蒸発器3は通電時に熱膨張によって燃料改質器5の方向に、α1 L1 (T1 −T0 )伸びる(図3(B))。したがって、X>α1 L1 (T1 −T0 )とすれば、通電時に燃料蒸発器3が燃料改質器5に接触することはない。
【0020】
また、燃料改質器5は改質運転時に熱膨張によって燃料蒸発器3の方向に、α2 L2 (T2 −T0 )伸びる(図3(C))。したがって、X−α1 L1 (T1 −T0 )<α2 L2 (T2 −T0 )とすれば、改質運転時に燃料改質器5が燃料蒸発器3に接触する。以上より、
X>α1 L1 (T1 −T0 )
X−α1 L1 (T1 −T0 )<α2 L2 (T2 −T0 )
の両関係を満たすように、燃料蒸発器3及び燃料改質器5を選択し、また、起動時の空隙量Xを設定することで、起動前には燃料蒸発器3及び燃料改質器5の間に距離Xの空隙が存在し、改質運転時には燃料蒸発器3及び燃料改質器5を接触させることができる。
【0021】
本実施形態によれば、空隙量X>α1 L1 (T1 −T0 )としたので、起動時に燃料蒸発器3の温度が上昇しても空隙が維持される。このため、起動時は、燃料蒸発器3のみを加熱することができ、必要最低限の電気エネルギで起動可能である。
【0022】
また、X−α1 L1 (T1 −T0 )<α2 L2 (T2 −T0 )、すなわち、X<α1 L1 (T1 −T0 )+α2 L2 (T2 −T0 )としたので、暖機後改質運転が開始され燃料改質器5の温度が十分上昇した時点で空隙Xが無くなり、燃料改質器5の熱を燃料蒸発器3に効率よく伝導させることが可能になる。
【0023】
さらに、燃料蒸発器3及び燃料改質器5の一端側を、それぞれ保持部材3a及び保持部材5aでハウジング9に固定するという簡素な構造で、燃料蒸発器3及び燃料改質器5の間隔を熱膨張を利用して調整することができる。
【0024】
(第2実施形態)
図4は、本発明による燃料改質装置の第2実施形態の作動を示す概念図であり、図4(A)は起動時、図4(B)は燃料蒸発器の暖機するための電気ヒータ通電時、図4(C)は改質運転時を示す。
【0025】
なお、以下に示す各実施形態では、前述した第1実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を付して、重複する説明を適宜省略する。
【0026】
本実施形態の燃料改質装置は、燃料改質器5を保持する保持部材5aの熱膨張によって、燃料蒸発器3及び燃料改質器5を接触させるようにしたことを特徴とするものである。
【0027】
保持部材5aは、一端を燃料改質器5の下流部(図1中、右側)に接続し、他端をハウジング9の内壁に固定して、燃料改質器5を保持する部材である。保持部材5aは、温度変化に対する伸縮量が燃料改質器5よりも大きく、燃料改質器5の熱が伝達されると、その熱によって伸縮する。すなわち、燃料改質器5が高温のときは、その熱が伝達されて保持部材5aが伸び、燃料改質器5が低温のときは、その熱が伝達されて保持部材5aが縮む。これに合わせて、燃料改質器5が前進後退する。
【0028】
起動時の空隙量X、燃料蒸発器3及び燃料改質器5の初期温度T0 、燃料蒸発器3の全長L1 、線膨張係数α1 、起動時運転温度T1 、保持部材5aの全長L3 、線膨張係数α3 、改質運転温度T2 とすると、燃料蒸発器3は通電時に熱膨張によって燃料改質器5の方向に、α1 L1 (T1 −T0 )伸びる(図4(B))。したがって、X>α1 L1 (T1 −T0 )とすれば、通電時に燃料蒸発器3が燃料改質器5に接触することはない。
【0029】
また、改質運転時に燃料改質器5の熱が保持部材5aに伝導される、保持部材5aは熱膨張によってα3 L3 (T2 −T0 )伸びる(図4(C))。したがって、X−α1 L1 (T1 −T0 )<α3 L3 (T2 −T0 )とすれば、改質運転時に燃料改質器5が燃料蒸発器3に接触する。以上より、
X>α1 L1 (T1 −T0 )
X−α1 L1 (T1 −T0 )<α3 L3 (T2 −T0 )
の両関係を満たすように、燃料蒸発器3及び保持部材5aを選択し、また、起動時空隙量Xを設定することで、起動前には燃料蒸発器3及び燃料改質器5の間に距離Xの空隙が存在し、改質運転時には燃料蒸発器3及び燃料改質器5を接触させることができる。
【0030】
本実施形態によれば、空隙量X>α1 L1 (T1 −T0 )としたので、起動時に燃料蒸発器3の温度が上昇しても空隙が維持される。このため、起動時は、燃料蒸発器3のみを加熱することができ、必要最低限の電気エネルギで起動可能である。
【0031】
また、X−α1 L1 (T1 −T0 )<α3 L3 (T2 −T0 )、すなわち、X<α1 L1 (T1 −T0 )+α3 L3 (T2 −T0 )としたので、暖機後改質運転が開始され燃料改質器5の温度が十分上昇した時点で空隙Xが無くなり、燃料改質器5の熱を燃料蒸発器3に伝導させることが可能になる。
【0032】
さらに、燃料改質器の保持部材5aの熱膨張によって燃料蒸発器3及び燃料改質器5の間隔を調整することができるので、簡素な構造で実現可能である。
【0033】
さらにまた、燃料改質器5とは別の保持部材5aの熱膨張を利用するので、材料を自由に選択することができる。
【0034】
(第3実施形態)
図5は、本発明による燃料改質装置の第3実施形態の構成及び運転状態を示す図であり、図5(A)は起動時、図5(B)は改質運転時(通常運転時)を示す。
【0035】
本実施形態の燃料改質装置は、燃料改質器5の温度を温度センサ10(温度検出手段)で検出し、検出温度が所定値以上になったら、燃料改質器5をポンプの圧力によって移動させて燃料蒸発器3に接触させることを特徴とするものである。
【0036】
燃料改質器5は、ハウジング9内を軸方向(図5の左右方向)に移動可能になっている。また、燃料改質器5はハウジング9の外周部に設けられたシリンダ11の内部のピストン12及びリターンスプリング13に接続されている。このピストン12はポンプ14からの流体圧力(油圧)を受けて、軸方向(図5中、左方向)に移動する。これにより、燃料改質器5も左方向に移動する。このポンプ14としては、例えば油圧ポンプを使用するとよい。
【0037】
図5(A)に示すように、起動時は、ピストン12にポンプ14の油圧がかかっておらず、ピストン12はリターンスプリング13によって軸方向右側に押され、燃料改質器5が燃料蒸発器3から離されている。この状態で、燃料蒸発器3が加熱され、必要な燃料及び空気が供給されて触媒燃焼によって暖機される。
【0038】
暖機後改質運転が開始され、燃料改質器5の温度が十分に上昇したことが温度センサ10で検出されたらポンプ14で配管15に油を送り、燃料改質器5を移動させて燃料蒸発器3に接触させる(図5(B))。これによって燃料改質器5の熱を燃料蒸発器3に伝導させる。
【0039】
本実施形態によれば、起動時に燃料蒸発器3の温度が上昇しても空隙が維持され、暖機後改質運転が開始され燃料改質器5の温度が十分上昇した時点で空隙Xが無くなり、燃料改質器5の熱を燃料蒸発器3に伝導させることが可能になる。
【0040】
また、油圧ポンプ14からの油圧によってピストン12を移動させる。この油圧は配管15を通って伝達されるので、油圧ポンプ14を燃料改質器5から離れた位置に配置することが可能であり、搭載性に優れる。
【0041】
なお、上記実施形態ではピストン12を移動させる流体圧の供給手段として油圧ポンプ14を使用したが、例えば空気圧ポンプを使用しても同様の効果を得ることができる。さらに、空気圧ポンプを使用すれば軽量化をも図ることができる。
【0042】
(第4実施形態)
図6は、本発明による燃料改質装置の第4実施形態の構成及び運転状態を示す図であり、図6(A)は起動時、図6(B)は改質運転時(通常運転時)を示す。
【0043】
本実施形態の燃料改質装置は、燃料改質器5の温度を温度センサ10で検出し、検出温度が所定値以上になったら、燃料改質器5を電動モータ16を駆動源として移動させて燃料蒸発器3に接触させることを特徴とするものである。
【0044】
本実施形態の燃料改質装置では、燃料改質器5がギヤ17を介して電動モータ16に接続されており、この電動モータ16の力を受けて、燃料改質器5は軸方向(図6中、左方向)に移動する。このギヤ17としては、例えばヘリカルギヤ、ウォームギヤ、ラックアンドピニオンギヤ等を使用することができる。
【0045】
起動時は、燃料改質器5を燃料蒸発器3から離した状態で、燃料蒸発器3を加熱し、必要な燃料及び空気を供給して触媒燃焼によって暖機し(図6(A))、暖機後改質運転が開始され、燃料改質器5の温度が十分上昇したことが温度センサ10で検出されたら、燃料改質器5を移動させて燃料蒸発器3に接触させることによって燃料改質器5の熱を燃料蒸発器3に伝導させる(図6(B))。
【0046】
本実施形態によれば、起動時に燃料蒸発器3の温度が上昇しても空隙が維持され、暖機後改質運転が開始され燃料改質器5の温度が十分上昇した時点で空隙Xが無くなり、燃料改質器5の熱を燃料蒸発器3に伝導させることが可能になる。
【0047】
また、電動モータ16によって燃料改質器5を移動させることとしているので、燃料改質器5の位置を正確に制御することができる。
【0048】
(第5実施形態)
図7は、本発明による燃料改質装置の第5実施形態の構成及び運転状態を示す図であり、図7(A)は起動時、図7(B)は改質運転時(通常運転時)を示す。
【0049】
本実施形態の燃料改質装置は、燃料改質器5を形状記憶合金バネの力によって移動させて燃料蒸発器3に接触させることを特徴とするものである。
【0050】
本実施形態の燃料改質装置では、燃料改質器5がシリンダ11の内部の形状記憶合金バネ18及びリターンスプリング13に接続されている。この形状記憶合金バネ18は、高温になると伸びる性質を有するものであり、燃料改質器5が高温になると、その熱が形状記憶合金バネ18に伝わり、形状記憶合金バネ18が伸びる。すると、リターンスプリング13を押し戻して燃料改質器5が図7中、左方向に移動して燃料蒸発器3に接触する。
【0051】
本実施形態によれば、起動時に燃料蒸発器3の温度が上昇しても空隙が維持され、暖機後改質運転が開始され燃料改質器5の温度が十分上昇した時点で空隙Xが無くなり、燃料改質器5の熱を燃料蒸発器3に伝導させることが可能になる。
【0052】
また、温度によって伸縮する形状記憶合金バネ18によって燃料改質器5を移動させるので、第4、5実施形態のような温度センサは不要である。
【0053】
以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明と均等であることは明白である。
【0054】
例えば、上記実施形態では、燃料改質器5を移動させて燃料蒸発器3に接触させることとしているが、同様の移動手段を用いて、燃料蒸発器3を移動させて燃料蒸発器3に接触させても同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による燃料改質装置の第1実施形態の構成を示す図である。
【図2】本発明による燃料改質装置の運転状態を示す図である。
【図3】本発明による燃料改質装置の第1実施形態の作動を示す概念図である。
【図4】本発明による燃料改質装置の第2実施形態の作動を示す概念図である。
【図5】本発明による燃料改質装置の第3実施形態の構成及び運転状態を示す図である。
【図6】本発明による燃料改質装置の第4実施形態の構成及び運転状態を示す図である。
【図7】本発明による燃料改質装置の第5実施形態の構成及び運転状態を示す図である。
【符号の説明】
1 燃料噴射弁(燃料供給手段)
2 空気供給器(空気供給手段)
3 燃料蒸発器(燃料蒸発手段)
5 燃料改質器(燃料改質手段)
5a 保持部材(保持手段)
9 ハウジング
10 温度センサ(温度検出手段)
11 シリンダ
12 ピストン
13 リターンスプリング
14 ポンプ
16 電動モータ
18 形状記憶合金バネ
【発明の属する技術分野】
本発明は、メタノールやガソリンのような炭化水素系燃料に、酸化剤としての空気及び水を混入させて、水素リッチな改質ガスを生成可能な改質器を有する燃料改質装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、このような燃料改質装置としては、例えば特開2001−248506号公報に記載のものがある。この燃料改質装置では、ケーシング内の燃料流れ方向上流側を燃料の蒸発部とし、下流側をこれに直接改質触媒を溶射して燃料の改質部としている。起動時は、電熱ヒータで加熱して、燃料、水等を蒸発させる。定常運転時は、電熱ヒータによる加熱を停止し、改質部における部分酸化改質反応によって発生する熱を蒸発部に熱伝導で伝えて、その熱によって燃料、水を気化させて改質運転を維持する。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前述した従来の燃料改質装置は、燃料の蒸発部と改質部とが一体で形成されているので、起動時において蒸発部だけ加熱して触媒燃焼を開始させる場合であっても、その熱が改質部に逃げてしまい蒸発部の昇温を妨げたり、電気加熱のためのエネルギが必要以上に消費されるなどの問題があった。
【0004】
本発明は、このような従来の問題に着目してなされたものであり、必要以上にエネルギを消費することなく、必要最低限のエネルギで起動可能な燃料改質装置を提供することを目的としている。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明は、以下のような解決手段により、前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために、本発明の実施形態に対応する符号を付して説明するが、これに限定されるものではない。
【0006】
本発明は、供給された燃料を気化する燃料蒸発手段(3)と、前記燃料蒸発手段(3)を加熱可能な加熱手段(4)と、前記燃料蒸発手段(3)で気化した燃料を改質して水素リッチな燃料ガスを生成する燃料改質手段(5)とを備え、起動時に前記加熱手段(4)で前記燃料蒸発手段(3)を加熱して暖機しても、前記燃料蒸発手段(3)は前記燃料改質手段(5)に接触せず、暖機完了後、前記燃料改質手段(5)が水素リッチな燃料ガスを生成するときの発熱による熱膨張によって、前記燃料蒸発手段(3)に接触するように前記燃料蒸発手段(3)及び前記燃料改質手段(5)を配置したことを特徴とする。
【0007】
【作用・効果】
本発明によれば、必要最低限の電気エネルギで起動可能であり、また、暖気後の改質運転時には燃料改質手段で発生した熱を燃料蒸発手段に効率よく伝導させることができる。
【0008】
【発明の実施の形態】
以下、図面等を参照して、本発明の実施の形態について、さらに詳しく説明する。
(第1実施形態)
図1は、本発明による燃料改質装置の第1実施形態の構成を示す図である。
【0009】
本実施形態の燃料改質装置は、起動前には空隙がある燃料蒸発器3及び燃料改質器5を、暖機後改質運転時の熱膨張によって接触するようにしたことを特徴とするものである。
【0010】
本実施形態の燃料改質装置は、燃料噴射弁1と、空気供給器2と、燃料蒸発器3と、電気ヒータ4と、燃料改質器5と、水噴射弁6と、ブロア(もしくはコンプレッサ)7と、空気流量制御バルブ8とを備え、この燃料噴射弁1、空気供給器2、燃料蒸発器3、電気ヒータ4及び燃料改質器5がハウジング9に納められている。
【0011】
燃料噴射弁1はハウジング9の内部に燃料を供給する燃料供給手段である。この燃料噴射弁1の開口部に近接して空気供給器2が配設されている。この空気供給器2は燃料噴射弁1から噴射される燃料噴霧(液滴)の微粒化を促進するように配置されるとより効果的である。空気供給器2には、空気供給源としてのブロア(もしくはコンプレッサ)7から空気が供給され、その流量は空気流量制御バルブ8によって制御される。その下流側には、燃料噴射弁1から供給された燃料を気化させる燃料蒸発器3が配設されている。
【0012】
燃料蒸発器3は、燃料改質器5と反対側の上流部(図1中、左側)が保持部材3aでハウジング9の内部に固定されている。このため、燃料蒸発器3は、後述の通り、燃料改質器5に近接する方向(図1中、右方向)にのみ伸びる。この燃料蒸発器3には電気ヒータ4が設けられており、後述のように、起動時はこの電気ヒータ4で燃料蒸発器3を加熱する。この燃料蒸発器3は酸化触媒又は酸化触媒の機能を併せ持つ改質触媒が担持されていればより望ましい。その直下流には所定の空隙量Xを介して燃料改質器5が配設されている。燃料改質器5は、燃料蒸発器3と反対側の下流部(図1中、右側)が保持部材5aでハウジング9の内部に固定されている。このため、燃料改質器5は、後述の通り、燃料蒸発器3に近接する方向(図1中、左方向)にのみ伸びる。燃料改質器5には、改質触媒の他に酸化触媒を担持するか、または酸化触媒機能を併せ持つ改質触媒が担持されている。6は燃料改質時に燃料改質器5に水を供給するための水供給手段としての水噴射弁である。この水供給手段は、水を水蒸気もしくは加湿空気として供給するシステムであるときは、図に示す位置に配設しなくてもよい。
【0013】
図2は、本発明による燃料改質装置の運転状態を示す図であり、図2(A)は起動時、図2(B)は改質運転時(通常運転時)を示す。
【0014】
図2(A)に示すように、起動時は、まず燃料蒸発器3の電気ヒータ4に通電して燃料蒸発器3を加熱する。この時点においては、燃料蒸発器3と燃料改質器5との間の空隙量Xは維持されたままの状態であるので、電気ヒータ4によって加熱される部位は燃料蒸発器3に限定され、燃料改質器5は加熱されない。
【0015】
そして、燃料蒸発器3が所定温度に達したら、燃料噴射弁1及び空気供給器2から反応に必要な燃料及び空気を供給して触媒燃焼を開始させ、触媒燃焼が開始したら電気ヒータ4の通電を停止する。
【0016】
燃料改質器5が所定の温度に達したら、燃料噴射弁1から供給する燃料の量及び空気供給器2から供給する空気の量を改質運転条件の供給量に変更して、燃料改質器5で燃料改質を行う。なお、このとき、燃料改質器5は燃料改質時に発生する熱によって燃料蒸発器3の方向に熱膨張して、燃料蒸発器3に接触して空隙量Xが0になる(図2(B))。このように、燃料改質器5が燃料蒸発器3に接触すると、燃料改質器5で発生した熱が燃料蒸発器3に伝導され、その熱で燃料を気化させることができる。また、条件によっては水噴射弁から供給される水も気化させる。そして、この気化した燃料を燃料改質器5に供給する。なお、燃料改質器5に供給する燃料、空気、水の割合は、燃料蒸発器3で燃料及び水を気化させるために必要な気化潜熱分に相当する熱量が発生するように、発熱側すなわち部分酸化反応寄りの改質反応が行われるように制御する。
【0017】
図3は、本発明による燃料改質装置の第1実施形態の作動を示す概念図であり、図3(A)は起動時、図3(B)は燃料蒸発器の暖機するための電気ヒータ通電時、図3(C)は改質運転時を示す。
【0018】
燃料蒸発器3は起動時においては触媒燃焼器として用いられ、その運転温度はおよそ400℃から900℃の間で設定されるのが一般的である。また、燃料改質器5は燃料改質運転時においておよそ600℃から900℃の間の温度で改質反応を行うのが一般的である。
【0019】
起動時の空隙量X、燃料蒸発器3及び燃料改質器5の初期温度T0 、燃料蒸発器3の全長L1 、線膨張係数α1 、起動時運転温度T1 、燃料改質器5の全長L2 、線膨張係数α2 、改質運転温度T2 とすると、燃料蒸発器3は通電時に熱膨張によって燃料改質器5の方向に、α1 L1 (T1 −T0 )伸びる(図3(B))。したがって、X>α1 L1 (T1 −T0 )とすれば、通電時に燃料蒸発器3が燃料改質器5に接触することはない。
【0020】
また、燃料改質器5は改質運転時に熱膨張によって燃料蒸発器3の方向に、α2 L2 (T2 −T0 )伸びる(図3(C))。したがって、X−α1 L1 (T1 −T0 )<α2 L2 (T2 −T0 )とすれば、改質運転時に燃料改質器5が燃料蒸発器3に接触する。以上より、
X>α1 L1 (T1 −T0 )
X−α1 L1 (T1 −T0 )<α2 L2 (T2 −T0 )
の両関係を満たすように、燃料蒸発器3及び燃料改質器5を選択し、また、起動時の空隙量Xを設定することで、起動前には燃料蒸発器3及び燃料改質器5の間に距離Xの空隙が存在し、改質運転時には燃料蒸発器3及び燃料改質器5を接触させることができる。
【0021】
本実施形態によれば、空隙量X>α1 L1 (T1 −T0 )としたので、起動時に燃料蒸発器3の温度が上昇しても空隙が維持される。このため、起動時は、燃料蒸発器3のみを加熱することができ、必要最低限の電気エネルギで起動可能である。
【0022】
また、X−α1 L1 (T1 −T0 )<α2 L2 (T2 −T0 )、すなわち、X<α1 L1 (T1 −T0 )+α2 L2 (T2 −T0 )としたので、暖機後改質運転が開始され燃料改質器5の温度が十分上昇した時点で空隙Xが無くなり、燃料改質器5の熱を燃料蒸発器3に効率よく伝導させることが可能になる。
【0023】
さらに、燃料蒸発器3及び燃料改質器5の一端側を、それぞれ保持部材3a及び保持部材5aでハウジング9に固定するという簡素な構造で、燃料蒸発器3及び燃料改質器5の間隔を熱膨張を利用して調整することができる。
【0024】
(第2実施形態)
図4は、本発明による燃料改質装置の第2実施形態の作動を示す概念図であり、図4(A)は起動時、図4(B)は燃料蒸発器の暖機するための電気ヒータ通電時、図4(C)は改質運転時を示す。
【0025】
なお、以下に示す各実施形態では、前述した第1実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を付して、重複する説明を適宜省略する。
【0026】
本実施形態の燃料改質装置は、燃料改質器5を保持する保持部材5aの熱膨張によって、燃料蒸発器3及び燃料改質器5を接触させるようにしたことを特徴とするものである。
【0027】
保持部材5aは、一端を燃料改質器5の下流部(図1中、右側)に接続し、他端をハウジング9の内壁に固定して、燃料改質器5を保持する部材である。保持部材5aは、温度変化に対する伸縮量が燃料改質器5よりも大きく、燃料改質器5の熱が伝達されると、その熱によって伸縮する。すなわち、燃料改質器5が高温のときは、その熱が伝達されて保持部材5aが伸び、燃料改質器5が低温のときは、その熱が伝達されて保持部材5aが縮む。これに合わせて、燃料改質器5が前進後退する。
【0028】
起動時の空隙量X、燃料蒸発器3及び燃料改質器5の初期温度T0 、燃料蒸発器3の全長L1 、線膨張係数α1 、起動時運転温度T1 、保持部材5aの全長L3 、線膨張係数α3 、改質運転温度T2 とすると、燃料蒸発器3は通電時に熱膨張によって燃料改質器5の方向に、α1 L1 (T1 −T0 )伸びる(図4(B))。したがって、X>α1 L1 (T1 −T0 )とすれば、通電時に燃料蒸発器3が燃料改質器5に接触することはない。
【0029】
また、改質運転時に燃料改質器5の熱が保持部材5aに伝導される、保持部材5aは熱膨張によってα3 L3 (T2 −T0 )伸びる(図4(C))。したがって、X−α1 L1 (T1 −T0 )<α3 L3 (T2 −T0 )とすれば、改質運転時に燃料改質器5が燃料蒸発器3に接触する。以上より、
X>α1 L1 (T1 −T0 )
X−α1 L1 (T1 −T0 )<α3 L3 (T2 −T0 )
の両関係を満たすように、燃料蒸発器3及び保持部材5aを選択し、また、起動時空隙量Xを設定することで、起動前には燃料蒸発器3及び燃料改質器5の間に距離Xの空隙が存在し、改質運転時には燃料蒸発器3及び燃料改質器5を接触させることができる。
【0030】
本実施形態によれば、空隙量X>α1 L1 (T1 −T0 )としたので、起動時に燃料蒸発器3の温度が上昇しても空隙が維持される。このため、起動時は、燃料蒸発器3のみを加熱することができ、必要最低限の電気エネルギで起動可能である。
【0031】
また、X−α1 L1 (T1 −T0 )<α3 L3 (T2 −T0 )、すなわち、X<α1 L1 (T1 −T0 )+α3 L3 (T2 −T0 )としたので、暖機後改質運転が開始され燃料改質器5の温度が十分上昇した時点で空隙Xが無くなり、燃料改質器5の熱を燃料蒸発器3に伝導させることが可能になる。
【0032】
さらに、燃料改質器の保持部材5aの熱膨張によって燃料蒸発器3及び燃料改質器5の間隔を調整することができるので、簡素な構造で実現可能である。
【0033】
さらにまた、燃料改質器5とは別の保持部材5aの熱膨張を利用するので、材料を自由に選択することができる。
【0034】
(第3実施形態)
図5は、本発明による燃料改質装置の第3実施形態の構成及び運転状態を示す図であり、図5(A)は起動時、図5(B)は改質運転時(通常運転時)を示す。
【0035】
本実施形態の燃料改質装置は、燃料改質器5の温度を温度センサ10(温度検出手段)で検出し、検出温度が所定値以上になったら、燃料改質器5をポンプの圧力によって移動させて燃料蒸発器3に接触させることを特徴とするものである。
【0036】
燃料改質器5は、ハウジング9内を軸方向(図5の左右方向)に移動可能になっている。また、燃料改質器5はハウジング9の外周部に設けられたシリンダ11の内部のピストン12及びリターンスプリング13に接続されている。このピストン12はポンプ14からの流体圧力(油圧)を受けて、軸方向(図5中、左方向)に移動する。これにより、燃料改質器5も左方向に移動する。このポンプ14としては、例えば油圧ポンプを使用するとよい。
【0037】
図5(A)に示すように、起動時は、ピストン12にポンプ14の油圧がかかっておらず、ピストン12はリターンスプリング13によって軸方向右側に押され、燃料改質器5が燃料蒸発器3から離されている。この状態で、燃料蒸発器3が加熱され、必要な燃料及び空気が供給されて触媒燃焼によって暖機される。
【0038】
暖機後改質運転が開始され、燃料改質器5の温度が十分に上昇したことが温度センサ10で検出されたらポンプ14で配管15に油を送り、燃料改質器5を移動させて燃料蒸発器3に接触させる(図5(B))。これによって燃料改質器5の熱を燃料蒸発器3に伝導させる。
【0039】
本実施形態によれば、起動時に燃料蒸発器3の温度が上昇しても空隙が維持され、暖機後改質運転が開始され燃料改質器5の温度が十分上昇した時点で空隙Xが無くなり、燃料改質器5の熱を燃料蒸発器3に伝導させることが可能になる。
【0040】
また、油圧ポンプ14からの油圧によってピストン12を移動させる。この油圧は配管15を通って伝達されるので、油圧ポンプ14を燃料改質器5から離れた位置に配置することが可能であり、搭載性に優れる。
【0041】
なお、上記実施形態ではピストン12を移動させる流体圧の供給手段として油圧ポンプ14を使用したが、例えば空気圧ポンプを使用しても同様の効果を得ることができる。さらに、空気圧ポンプを使用すれば軽量化をも図ることができる。
【0042】
(第4実施形態)
図6は、本発明による燃料改質装置の第4実施形態の構成及び運転状態を示す図であり、図6(A)は起動時、図6(B)は改質運転時(通常運転時)を示す。
【0043】
本実施形態の燃料改質装置は、燃料改質器5の温度を温度センサ10で検出し、検出温度が所定値以上になったら、燃料改質器5を電動モータ16を駆動源として移動させて燃料蒸発器3に接触させることを特徴とするものである。
【0044】
本実施形態の燃料改質装置では、燃料改質器5がギヤ17を介して電動モータ16に接続されており、この電動モータ16の力を受けて、燃料改質器5は軸方向(図6中、左方向)に移動する。このギヤ17としては、例えばヘリカルギヤ、ウォームギヤ、ラックアンドピニオンギヤ等を使用することができる。
【0045】
起動時は、燃料改質器5を燃料蒸発器3から離した状態で、燃料蒸発器3を加熱し、必要な燃料及び空気を供給して触媒燃焼によって暖機し(図6(A))、暖機後改質運転が開始され、燃料改質器5の温度が十分上昇したことが温度センサ10で検出されたら、燃料改質器5を移動させて燃料蒸発器3に接触させることによって燃料改質器5の熱を燃料蒸発器3に伝導させる(図6(B))。
【0046】
本実施形態によれば、起動時に燃料蒸発器3の温度が上昇しても空隙が維持され、暖機後改質運転が開始され燃料改質器5の温度が十分上昇した時点で空隙Xが無くなり、燃料改質器5の熱を燃料蒸発器3に伝導させることが可能になる。
【0047】
また、電動モータ16によって燃料改質器5を移動させることとしているので、燃料改質器5の位置を正確に制御することができる。
【0048】
(第5実施形態)
図7は、本発明による燃料改質装置の第5実施形態の構成及び運転状態を示す図であり、図7(A)は起動時、図7(B)は改質運転時(通常運転時)を示す。
【0049】
本実施形態の燃料改質装置は、燃料改質器5を形状記憶合金バネの力によって移動させて燃料蒸発器3に接触させることを特徴とするものである。
【0050】
本実施形態の燃料改質装置では、燃料改質器5がシリンダ11の内部の形状記憶合金バネ18及びリターンスプリング13に接続されている。この形状記憶合金バネ18は、高温になると伸びる性質を有するものであり、燃料改質器5が高温になると、その熱が形状記憶合金バネ18に伝わり、形状記憶合金バネ18が伸びる。すると、リターンスプリング13を押し戻して燃料改質器5が図7中、左方向に移動して燃料蒸発器3に接触する。
【0051】
本実施形態によれば、起動時に燃料蒸発器3の温度が上昇しても空隙が維持され、暖機後改質運転が開始され燃料改質器5の温度が十分上昇した時点で空隙Xが無くなり、燃料改質器5の熱を燃料蒸発器3に伝導させることが可能になる。
【0052】
また、温度によって伸縮する形状記憶合金バネ18によって燃料改質器5を移動させるので、第4、5実施形態のような温度センサは不要である。
【0053】
以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明と均等であることは明白である。
【0054】
例えば、上記実施形態では、燃料改質器5を移動させて燃料蒸発器3に接触させることとしているが、同様の移動手段を用いて、燃料蒸発器3を移動させて燃料蒸発器3に接触させても同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による燃料改質装置の第1実施形態の構成を示す図である。
【図2】本発明による燃料改質装置の運転状態を示す図である。
【図3】本発明による燃料改質装置の第1実施形態の作動を示す概念図である。
【図4】本発明による燃料改質装置の第2実施形態の作動を示す概念図である。
【図5】本発明による燃料改質装置の第3実施形態の構成及び運転状態を示す図である。
【図6】本発明による燃料改質装置の第4実施形態の構成及び運転状態を示す図である。
【図7】本発明による燃料改質装置の第5実施形態の構成及び運転状態を示す図である。
【符号の説明】
1 燃料噴射弁(燃料供給手段)
2 空気供給器(空気供給手段)
3 燃料蒸発器(燃料蒸発手段)
5 燃料改質器(燃料改質手段)
5a 保持部材(保持手段)
9 ハウジング
10 温度センサ(温度検出手段)
11 シリンダ
12 ピストン
13 リターンスプリング
14 ポンプ
16 電動モータ
18 形状記憶合金バネ
Claims (8)
- 供給された燃料を気化する燃料蒸発手段と、
前記燃料蒸発手段を加熱可能な加熱手段と、
前記燃料蒸発手段で気化した燃料を改質して水素リッチな燃料ガスを生成する燃料改質手段とを備え、
起動時に前記加熱手段で前記燃料蒸発手段を加熱して暖機しても、前記燃料蒸発手段は前記燃料改質手段に接触せず、暖機完了後、前記燃料改質手段が水素リッチな燃料ガスを生成するときの発熱による熱膨張によって、前記燃料蒸発手段に接触するように前記燃料蒸発手段及び前記燃料改質手段を配置した
ことを特徴とする燃料改質装置。 - 供給された燃料を気化する燃料蒸発手段と、
前記燃料蒸発手段を加熱する加熱手段と、
前記燃料蒸発手段で気化した燃料を改質して水素リッチな燃料ガスを生成する燃料改質手段と、
前記燃料蒸発手段又は前記燃料改質手段を、その燃料改質手段の温度に基づいて移動可能な移動手段とを備え、
起動時に前記燃料改質手段を前記燃料蒸発手段から分離した状態で前記加熱手段で加熱して暖機し、暖機完了後、前記燃料蒸発手段又は前記燃料改質手段を前記移動手段で移動させて、前記燃料蒸発手段及び前記燃料改質手段を接触させて、前記燃料改質手段で水素リッチな燃料ガスを生成する
ことを特徴とする燃料改質装置。 - 前記移動手段は、前記燃料改質手段を保持するとともに、前記燃料改質手段から伝導される熱によって熱膨張する燃料改質保持部材である
ことを特徴とする請求項2に記載の燃料改質装置。 - 前記移動手段は、前記燃料改質手段から伝導される熱によって伸縮する形状記憶合金製の伸縮部材である
ことを特徴とする請求項2に記載の燃料改質装置。 - 前記燃料改質手段の温度を検出する温度検出手段を備え、
前記移動手段は、前記温度検出手段で検出した前記燃料改質手段の温度に基づいて前記燃料改質手段を移動させる
ことを特徴とする請求項2に記載の燃料改質装置。 - 前記移動手段は、油圧によって前記燃料改質手段を移動させる
ことを特徴とする請求項5に記載の燃料改質装置。 - 前記移動手段は、空気圧によって前記燃料改質手段を移動させることを特徴とする請求項5に記載の燃料改質装置。
- 前記移動手段は、電動モータによって前記燃料改質手段を移動させる
ことを特徴とする請求項5に記載の燃料改質装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002178227A JP2004018338A (ja) | 2002-06-19 | 2002-06-19 | 燃料改質装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2002178227A JP2004018338A (ja) | 2002-06-19 | 2002-06-19 | 燃料改質装置 |
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JP2004018338A true JP2004018338A (ja) | 2004-01-22 |
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---|---|---|---|
JP2002178227A Pending JP2004018338A (ja) | 2002-06-19 | 2002-06-19 | 燃料改質装置 |
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JP (1) | JP2004018338A (ja) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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KR100674863B1 (ko) * | 2005-09-29 | 2007-01-29 | 삼성전기주식회사 | 박형 개질 기 |
KR100691368B1 (ko) | 2005-10-10 | 2007-03-09 | 삼성전기주식회사 | 증발 부의 배압을 감소시킨 박형 개질 기 |
KR100691365B1 (ko) | 2005-09-30 | 2007-03-12 | 삼성전기주식회사 | 박형 개질 기 |
JP2013191318A (ja) * | 2012-03-12 | 2013-09-26 | Aisin Seiki Co Ltd | 燃料電池装置 |
-
2002
- 2002-06-19 JP JP2002178227A patent/JP2004018338A/ja active Pending
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KR100691365B1 (ko) | 2005-09-30 | 2007-03-12 | 삼성전기주식회사 | 박형 개질 기 |
KR100691368B1 (ko) | 2005-10-10 | 2007-03-09 | 삼성전기주식회사 | 증발 부의 배압을 감소시킨 박형 개질 기 |
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