JP2004035308A

JP2004035308A - 部分酸化改質器

Info

Publication number: JP2004035308A
Application number: JP2002193279A
Authority: JP
Inventors: Toshiro Fujimori; 藤森　俊郎; Tetsuya Hirata; 平田　哲也
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2002-07-02
Filing date: 2002-07-02
Publication date: 2004-02-05

Abstract

【課題】燃料として液体燃料を用いる場合でも、燃料を燃空比１以上で安定燃焼させて、水素及び一酸化炭素を含む改質ガスを生成することができ、かつシンプルな構造で小型化が可能である部分酸化改質器を提供する。
【解決手段】下流に向けて液体燃料Ｌを噴霧する燃料噴射ノズル１２と、燃料噴射ノズルで噴霧された液体燃料を加熱・蒸発し空気Ａと混合して通過させる通気性の蒸発板１４と、蒸発板の下流に間隔を隔てた通気性の加熱板１６とを有し、蒸発板１４と加熱板１６の間に燃焼火炎Ｆを保持する燃焼室１５を形成して液体燃料を空気比１以下で燃焼させ、燃焼ガスＧ’及び前記燃焼火炎Ｆにより上流側の蒸発板１４と下流側の加熱板１６を燃焼ガスによる直接加熱及び燃焼火炎Ｆにより輻射加熱し、加熱板１６を通して高温ガスＧを発生させる過濃燃焼器１０を備える。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料を空気比１以下で燃焼させ、水素及び一酸化炭素を含む改質ガスを生成する部分酸化改質器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、燃料電池自動車の研究開発が活発に行われており、特に、燃料電池としては作動温度が比較的低い（１００℃前後）固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）が有力である。また燃料としては、補給が容易でインフラ整備の必要性が少ないメタノールが有力視されている。この場合、メタノールを水素に改質する改質器が必須となる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
メタノールを水素に改質する改質器として、本発明の出願人等は、先に、「燃料電池用改質器とその起動方法」を創案し、出願した（特開２００１−２２６１０６）。この発明は、図５に示すように、水蒸気を含む原料ガスを部分酸化させその発熱で原料ガスを水素含有ガスに改質する燃焼・改質触媒１が充填された部分酸化改質器２と、該部分酸化改質器の上流側と下流側に空気を供給する上流側空気ライン４及び下流側空気ライン６と、部分酸化改質器内の温度を検出して上流側空気ライン４及び下流側空気ライン６の空気流量を制御する流量制御器８とを備え、改質器内の上流側温度が触媒の耐熱温度を超えないように上流側空気ラインの空気流量を制御し、かつ改質器内の下流側温度が所定の温度範囲になるように下流側空気ラインの空気流量を制御するものである。
【０００４】
この発明により、燃焼・改質触媒１が充填された部分酸化改質器１２に空気ライン４、６から空気を供給するので、触媒の作用により水蒸気を含む原料ガスの一部が直ちに部分酸化し、その発熱で燃焼・改質触媒を直接加熱するので、間接加熱式のように大型の熱交換器が不要となり、短時間に加熱でき、燃料電池の急速な負荷変化に容易に追従できるようになった。
【０００５】
しかし、特開２００１−２２６１０６の場合でも、燃料として液体燃料（例えばメタノール）を用いる場合、燃料の加熱に熱交換器・蒸発器を用い、加熱・蒸発させるため、装置が大きくなり、かつ起動に時間がかかっていた。
また、部分酸化改質器内でも部分酸化により加熱するため、原料ガスの供給温度は反応温度より低くする必要があり、改質反応が入口付近では十分に進行せず、触媒が十分に利用できていなかった。
【０００６】
また、これらの問題点を解決するために、特開平７−２１５７０２号、特開２００１−１５３３１３等が提案されている。
【０００７】
特開平７−２１５７０２号の「燃料改質装置」は、燃料噴射ノズルからの燃料を完全燃焼させる工程と、燃料気化用コイルからの燃料を部分酸化反応させる工程とを備え、装置の前段部において、バーナとして理論空燃比で完全燃焼させ、この熱で触媒床と反応ガスの加熱を行い、触媒床においては、部分酸化によりＣＯが発生し、このＣＯと完全燃焼により生成した水蒸気により水素へのシフト反応が行われるものである。
【０００８】
しかし、この装置では、前段部において完全燃焼させるため、空燃比を非常に大きく設定するため、下流部に大量の酸素が残留し、これを部分酸化により完全に消費する必要がある。また、その結果大量のＣＯが発生するため、ＣＯ濃度を従来のリン酸型燃料電池には適用可能な程度（約１％前後）まで下げることが困難である。またこのＣＯと燃焼により生成した水蒸気のみを反応させるため、改質反応の制御が困難である等の問題点があった。
【０００９】
また、特開２００１−１５３３１３の「部分酸化バーナ」は、燃焼空間壁の内壁にセラミック部材を設け、燃焼空間の下流側に、液体燃料を気化させる機構を備える熱交換器を配設し、熱交換器で気化した燃料ガスを燃焼空間で燃焼させるものである。
【００１０】
この装置は、低い空気比でも火炎を安定化させることができるが、排ガス温度を低減するために熱交換器を用いるため、装置構造が複雑かつ大型となり、かつその温度制御が困難である問題点があった。
【００１１】
本発明は上述した種々の問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、燃料として液体燃料を用いる場合でも、燃料を空気比１以下で安定燃焼させて、水素及び一酸化炭素を含む改質ガスを生成することができ、かつシンプルな構造で小型化が可能である部分酸化改質器を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、下流に向けて液体燃料Ｌを噴霧する燃料噴射ノズル（１２）と、該燃料噴射ノズルで噴霧された液体燃料を加熱・蒸発し空気Ａと混合して通過させる通気性の蒸発板（１４）と、該蒸発板の下流に間隔を隔てた通気性の加熱板（１６）とを有し、前記蒸発板（１４）と加熱板（１６）の間に燃焼火炎Ｆを保持する燃焼室（１５）を形成して液体燃料を空気比１以下で燃焼させ、燃焼ガスＧ’及び前記燃焼火炎Ｆにより上流側の蒸発板（１４）と下流側の加熱板（１６）を燃焼ガスによる直接加熱及び燃焼火炎Ｆにより輻射加熱し、加熱板（１６）を通して高温ガスＧを発生させる過濃燃焼器（１０）を備える、ことを特徴とする部分酸化改質器が提供される。
【００１３】
上記本発明の構成によれば、燃料噴射ノズル（１２）で下流に向けて液体燃料Ｌを噴霧し、噴霧され付着した液体燃料を蒸発板（１４）の保有熱（顕熱）を利用して加熱・蒸発させることができる。また、同時に蒸発板を液体燃料の蒸発熱で冷却しその過熱を防ぐことができる。また、蒸発板（１４）は通気性があるので、蒸発した燃料と空気Ａを同時に通過させながらその混合を促進することができる。
【００１４】
さらに、蒸発板の下流に通気性の加熱板（１６）が間隔を隔てた設けられているので、その間に燃焼火炎Ｆを保持する燃焼室（１５）を形成することができる。また、燃焼室（１５）を挟んで蒸発板（１４）と加熱板（１６）が位置するので、燃焼火炎Ｆにより上流側の蒸発板（１４）と下流側の加熱板（１６）を輻射加熱して昇温することができ、燃焼速度を高めてガス化した燃料をより低い空気比で安定燃焼させ、高温ガスＧを発生させることができる。
【００１５】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記燃焼火炎Ｆは平面燃焼火炎である。
【００１６】
燃焼室（１５）では、ガスの流速と火炎の燃焼速度をバランスさせて燃焼させることができる。また、この燃焼火炎Ｆは平面燃焼火炎にすることにより、燃焼火炎Ｆにより上流側の蒸発板（１４）と下流側の加熱板（１６）を均一に輻射加熱することができる。
【００１７】
前記蒸発板（１４）は、耐熱金属粒子の焼結板、メタルファイバーまたはセラミックスファイバーであり、前記加熱板（１６）は、耐熱金属又はセラミックスの多孔板又は積層メッシュである。
【００１８】
この構成により、焼結板、メタルファイバーまたはセラミックスファイバーからなる蒸発板（１４）により燃焼室（１５）における流速分布を一様にできる。また、多孔板又は積層メッシュからなる加熱板（１６）により、圧損を低く抑えることができる。
【００１９】
発生した前記高温ガスにより液体燃料を蒸発させて所望の温度に加熱する蒸発加熱装置（１８）と、該蒸発加熱装置の下流側に設けられ、改質触媒が充填され、混合原料を水素含有ガスに改質する改質器（２０）とを備え、改質器の入口ガス温度が触媒の耐熱温度を超えないように前記蒸発加熱室において混合原料の温度を制御する。
【００２０】
この構成により、高温ガスで液体燃料を蒸発させて空気比を低くすることができ、併せて発生した高温ガスを所望の温度、例えば触媒の耐熱温度を超えない温度（例えば３５０℃以下）に冷却して改質器（１６）に供給することができ、水素及び一酸化炭素を含む改質ガスを生成することができる。さらに、上述した構造はシンプルであり、小型化が可能である。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付して使用する。
【００２２】
図１は、本発明による部分酸化改質器の構成図である。この図に示すように、本発明の部分酸化改質器は、過濃燃焼器１０、蒸発加熱装置１８及び改質器２０を備える。
【００２３】
液体燃料は、好ましくはメタノール等アルコール、灯油、軽油、ガソリン（ナフサ）、ＤＭＥなどの炭化水素化合物である。またこの燃料と水を混合した混合原料を液体燃料としてもよい。また、本発明において、「空気比１以下の燃焼」とは、空気と燃料の当量比が１以下であることを意味し、燃焼後の高温ガスが酸素を含まない還元状態となるものをいう。
【００２４】
図１において、過濃燃焼器１０は、燃料噴射ノズル１２、蒸発板１４及び加熱板１６を備える。
【００２５】
燃料噴射ノズル１２は、ポンプ９により、下流に位置する蒸発板１４に向けて液体燃料Ｌを噴霧する。
【００２６】
蒸発板１４は、通気性のある耐熱金属粒子の焼結板またはメタルファイバー、例えばステンレス焼結板であり、燃料噴射ノズル１２で噴霧された液体燃料Ｌを加熱・蒸発し、ブロア１１から供給される空気Ａと混合して通過させる。この蒸発板１４は、下流側の流れが層流となるように粒径及び圧損が設定されている。
【００２７】
加熱板１６は、通気性のある耐熱金属又はセラミックスの多孔板又は積層メッシュであり、蒸発板１４の下流にほぼ平行に間隔を隔てて位置する。
蒸発板１４と加熱板１６の放射率ε（輻射率）は高いほどよく、好ましくは黒体（ε＝１）に近いのがよい。
【００２８】
また、図１において、蒸発板１４と加熱板１６の間に燃焼室１５を形成し、この燃焼室１５に燃焼火炎Ｆを保持するようになっている。さらに燃焼室１５内の燃料に着火する着火装置（図示せず）も備えるのがよい。
【００２９】
さらに本発明において、蒸発板１４の粒径、圧損及び開口分布等により、燃焼火炎Ｆが予混合燃料の流速と燃焼速度が一致し、火炎が平面状に形成された平面燃焼火炎となるように設定されている。
【００３０】
上述した本発明の構成によれば、燃料噴射ノズル１２で下流に向けて液体燃料Ｌを噴霧し、噴霧され付着した液体燃料を蒸発板１４の保有熱（顕熱）を利用して加熱・蒸発させることができる。また、同時に蒸発板を液体燃料の蒸発熱で冷却しその過熱を防ぐことができる。また、蒸発板１４は通気性があるので、蒸発した燃料と空気Ａを同時に通過させながらその混合を促進することができる。
【００３１】
さらに、蒸発板の下流に通気性の加熱板１６が間隔を隔てた設けられているので、その間に燃焼火炎Ｆを保持する燃焼室１５を形成することができる。また、燃焼室１５を挟んで蒸発板１４と加熱板１６が位置するので、燃焼火炎Ｆにより上流側の蒸発板１４と下流側の加熱板１６を輻射加熱して昇温することができ、燃焼速度を高めてガス化した燃料を空気比１以下で安定燃焼させ、高温ガスＧを発生させることができる。
【００３２】
また、燃焼室１５における流れを層流にすることにより、ガスの流速と火炎の燃焼速度をバランスさせて燃焼させることができる。また、この燃焼火炎Ｆは平面燃焼火炎にすることにより、燃焼火炎Ｆにより上流側の蒸発板１４と下流側の加熱板１６を均一に輻射加熱することができる。
【００３３】
更に、図１において、蒸発加熱装置１８は、発生した高温ガスＧにより液体燃料を蒸発させて所望の温度に加熱する。この液体燃料には、改質に必要な水を混合した混合原料を用いる。
改質器２０は、改質触媒が充填されており、蒸発加熱装置１８の下流側に設けられ、蒸発した液体燃料を水素含有ガスに改質する。この改質器２０の構成は、図５に示した改質器をそのまま適用することができる。
【００３４】
上述した蒸発加熱装置１８を設けることにより、過濃燃焼器１０で発生した高温ガス（例えば５００℃以上）で液体燃料を蒸発させて燃料比率を更に高めることができる。また、この液体燃料の蒸発により高温ガスを所望の温度、例えば触媒の耐熱温度を超えない温度（例えば３５０℃以下）に冷却して改質器１６に供給することができ、改質器１６で、水素及び一酸化炭素を含む改質ガスを生成することができる。
【００３５】
なお、改質器を出た改質ガス（水素含有ガス）は、例えば、図示しないＣＯ除去器でＣＯ濃度を低減したのち、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）に供給し、水素含有ガスと空気により電気化学的に発電する。
【００３６】
図２は、図１の過濃燃焼器の説明図である。この図において、（Ａ）は過濃燃焼器の構成図であり、（Ｂ）はこれに対応する温度分布図である。また、図中、実線は加熱板のない場合、破線は加熱板が１枚の場合、細線は加熱板が２枚の場合を示している。
【００３７】
黒体からの放射エネルギーＥは、ステファン・ボルツマンの法則から、Ｅ＝σＴ^４・・・（式１）で与えられ、放射率ε（輻射率）の物体からの放射エネルギーＥは、Ｅ＝εσＴ^４・・・（式１）で与えられる。ここでσはステファン・ボルツマン係数、Ｔは物体の絶対温度である。
【００３８】
図２（Ａ）（Ｂ）の形態の場合、Ｔ_０，Ｔ_１，Ｔ_２，Ｔ_３のうち、最も高温なのは火炎温度Ｔ_１であり、少なくとも１０００℃以上となる。蒸発板１４は火炎からの輻射熱で加熱されるが、液体燃料の蒸発で冷却されているため、あまり高温にはならず、Ｔ_０は５００℃前後である。２枚の加熱板１６、１６’は火炎からの輻射熱で加熱され輻射損失も少ないことから、Ｔ_２，Ｔ_３は火炎よりは低いが蒸発板１４よりは高い温度になる。
【００３９】
すなわち、図２（Ｂ）に模式的に示すように、蒸発板の火炎側温度Ｔ_０は、火炎及び加熱板からの輻射熱の影響で、加熱板が増えるほど高温になる。また蒸発板の温度が高温になるとその分、ガス化した燃料温度が上昇するため、火炎自体の温度も上昇する。さらに、下流側の加熱板は輻射熱の損失を抑える機能を果たすことから、燃焼室全体の温度が上昇する。なお、加熱板は多いほど効果があり、３枚以上であってもよい。
【００４０】
従って、蒸発板、火炎自体および燃焼室全体の温度上昇により、火炎の燃焼速度が高まり、燃料が過濃な状態での安定な燃焼状態が得られる。特に、メタノールなどの含水素燃料や、水との混合により、不輝炎となる場合でも、本発明による輻射還流により燃焼安定性は著しく向上する。
【００４１】
【実施例】
図３は、本発明の実施例の試験装置の模式図である。この試験装置は、図１に示した本発明における過濃燃焼器１０とほとんど同じであるが、加熱板１６を備えていない点で相違する。
【００４２】
図４は、液体燃料としてメタノールを用いた本発明の実施例を示す図である。この図において、横軸は当量比（すなわち空気比）、縦軸は燃料流量、図中の○は安定燃焼、×は不安定燃焼を示している。
この試験結果では、燃料流量を一定に保持したまま、当量比を増加させると、図中に示す曲線（臨界線）を越えると燃焼が不安定となる。またメタノールの場合、燃料当量比が２程度で不安定となる。この原因は、当量比の増加により空気不足となるため、液体燃料を蒸発させ空気を予熱するために必要な熱量が燃焼火炎からの輻射熱では補えなくなるためと考えられる。
【００４３】
これに対して、加熱板１６を備えた場合には、式１〜４に示したように、蒸発板の火炎側温度は、火炎及び加熱板からの輻射熱の影響で、加熱板が増えるほど高温になり、火炎自体の温度も上昇し、燃焼室全体の温度が上昇する。
従って、図４に二点鎖線で示すように、図中の曲線（臨界線）を当量比の高い方にシフトすることができ、燃料がより過濃な状態で安定な燃焼状態が得られる。
【００４４】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更できることは勿論である。
【００４５】
【発明の効果】
上述したように、本発明の部分酸化改質器は、燃料として液体燃料を用いる場合でも、燃料を空気比１以下で安定燃焼させて、水素及び一酸化炭素を含む改質ガスを生成することができ、かつシンプルな構造で小型化が可能である、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による部分酸化改質器の構成図である。
【図２】図１の過濃燃焼器の説明図である。
【図３】本発明の実施例の試験装置の模式図である。
【図４】本発明の実施例を示す図である。
【図５】従来の燃料処理装置の構成図である。
【符号の説明】
１　燃焼・改質触媒、２　部分酸化改質器、
４　上流側空気ライン、６　下流側空気ライン、８　流量制御器、
１０　過濃燃焼器、１２　燃料噴射ノズル、１４　蒸発板、
１５　燃焼室、１６　加熱板、１８　蒸発加熱装置、２０　改質器
Ｌ　液体燃料、Ａ　空気、Ｆ　燃焼火炎、Ｇ，Ｇ’　　高温ガス

Claims

下流に向けて液体燃料Ｌを噴霧する燃料噴射ノズル（１２）と、該燃料噴射ノズルで噴霧された液体燃料を加熱・蒸発し空気Ａと混合して通過させる通気性の蒸発板（１４）と、該蒸発板の下流に間隔を隔てた通気性の加熱板（１６）とを有し、
前記蒸発板（１４）と加熱板（１６）の間に燃焼火炎Ｆを保持する燃焼室（１５）を形成して液体燃料を空気比１以下で燃焼させ、燃焼ガスＧ’及び前記燃焼火炎Ｆにより上流側の蒸発板（１４）と下流側の加熱板（１６）を燃焼ガスによる直接加熱及び燃焼火炎Ｆにより輻射加熱し、加熱板（１６）を通して高温ガスＧを発生させる過濃燃焼器（１０）を備える、ことを特徴とする部分酸化改質器。
前記燃焼火炎Ｆは平面燃焼火炎である、ことを特徴とする請求項１に記載の部分酸化改質器。
前記蒸発板（１４）は、耐熱金属粒子の焼結板、メタルファイバーまたはセラミックスファイバーであり、前記加熱板（１６）は、耐熱金属又はセラミックスの多孔板又は積層メッシュである、ことを特徴とする請求項１に記載の部分酸化改質器。
発生した前記高温ガスにより液体燃料を蒸発させて所望の温度に加熱する蒸発加熱装置（１８）と、該蒸発加熱装置の下流側に設けられ、改質触媒が充填され、混合原料を水素含有ガスに改質する改質器（２０）とを備え、
改質器の入口ガス温度が触媒の耐熱温度を超えないように前記蒸発加熱室において混合原料の温度を制御する、ことを特徴とする請求項１に記載の部分酸化改質器。