JP2004123477A

JP2004123477A - 燃料改質器

Info

Publication number: JP2004123477A
Application number: JP2002292397A
Authority: JP
Inventors: Shiro Tanaka; 田中　詩郎; Akihiro Sakakida; 榊田　明宏; Mikiya Shinohara; 篠原　幹弥
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-10-04
Filing date: 2002-10-04
Publication date: 2004-04-22

Abstract

【課題】簡単でかつ小型な構成でありながら、改質触媒に流入する原燃料の濃度並びに速度の均一化、かつ触媒の上流から下流までの温度差を少なくすることが可能な燃料改質器を提供する。
【解決手段】炭化水素系の原燃料と高温空気とを反応させて水素リッチな改質ガスを生成する燃料改質器において、高温空気が送り込まれる空気導入管１３と、空気導入管１３からの高温空気が絞り部１９を介して導入される混合室１２と、混合室１２の下流側に配置した改質触媒１１と、改質触媒１１の外周面と混合室内周壁との間に形成された環状の隙間１７と、環状隙間１７を通過した混合気流を絞り部１９に循環させる循環通路１５とを備える。
【選択図】　　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は燃料電池の燃料改質器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
炭化水素系の原燃料から水素リッチな改質ガスを生成する燃料改質器にあっては、原燃料は十分に気化され、均一的な濃度で改質触媒に導入する必要があり、しかも改質触媒の温度を上流から下流まで全域的に所定値に維持する必要があり、このため、整流板を設けて改質触媒に流入する原燃料の濃度、速度を一定にすることが、特許文献１により提案されている。
【０００３】
また、改質触媒での改質反応として、原燃料と酸素とにより発熱反応である部分酸化反応を起こし、この部分酸化反応により放出される熱を利用にして吸熱反応である原燃料の水蒸気改質反応を行うことが知られている（特許文献２、３参照）。
【０００４】
さらにまた改質反応に必要な温度を維持するために、改質触媒の周囲に断熱材を配したり、改質器ケースを二重筒にして断熱効果を高めたりしているものもある（特許文献４参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−２９７７８９号公報
【特許文献２】
特開平９−３１５８０１号公報
【特許文献３】
特開平７−３１５８０１号公報
【特許文献４】
特開２００１−２５３７０３号公報
【発明の解決すべき課題】
しかし、小型で改質反応効率のよい改質器とすることはなかなか難しく、上記特許文献によって、一部には問題の解決がなされても、全てに満足のいく燃料改質器は得られなかった。
【０００６】
本発明は、簡単でかつ小型な構成でありながら、改質触媒に流入する原燃料の濃度並びに速度の均一化、かつ触媒の上流から下流までの温度差を少なくすることが可能な燃料改質器を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料改質器は、上記した目的を達成するために、炭化水素系の原燃料と高温空気とを反応させて水素リッチな改質ガスを生成する燃料改質器において、高温空気が送り込まれる空気導入管と、前記空気導入管からの高温空気が絞り部を介して導入される混合室と、前記混合室の下流側に配置した改質触媒と、前記改質触媒の外周面と混合室内周壁との間に形成され、かつ混合室に開口した環状の隙間と、前記環状隙間に流入した混合気流を下流域から取り出して前記絞り部に循環させる循環通路とを備える。
【０００８】
【作用・効果】
したがって、改質触媒の周囲に沿って環状間隙の上流から下流へと混合気が流れ、改質触媒の高温の上流側から受けた熱を低温の下流側で再び改質触媒に放出することにより、改質触媒の上流と下流の温度差を少なくし、良好な改質反応を可能とする。
【０００９】
また、改質触媒周囲の環状間隙は断熱空間としても機能し、改質触媒を高温に保ち、さらに一部の混合気が環状間隙、循環通路を経て絞り部に吸引され、さらに混合室に再循環することで、混合気の混合経路が延び、混合気の混合が促進され、濃度分布が均一化する。
【００１０】
【実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１１】
第１の実施形態を図１から図３に示す。
【００１２】
まず、図１は燃料改質器を有する燃料電池システム全体を示すもので、この燃料電池システムは、炭化水素系燃料である原燃料を改質して水素リッチな改質ガスを生成する改質器５を備え、この改質器５には熱交換器７で加熱されたコンプレッサー３からの加圧空気と、ガソリン、メタノールなどの炭化水素及び水とが供給される。
【００１３】
改質器５で生成された改質ガスには一酸化炭素が含まれ、この改質ガスと空気とをＣＯ除去器４で反応させてＣＯを除去し、この水素リッチな改質ガスと空気とが燃料電池２に供給されると、燃料電池２は水素ガスと空気中の酸素との電気化学反応により発電を行う。
【００１４】
燃料電池２から排出される余剰の空気と水素ガスとは燃焼器６で燃焼され、この燃焼ガスは熱交換器７を通して外部に排出されるが、熱交換器７ではこの熱を受け改質器５に供給する空気を加熱し高温にする。
【００１５】
このように燃料電池システムでは、改質器５で原燃料を水素リッチなガスに改質し、この改質ガスと空気とを燃料電池２に供給して発電させるのである。
【００１６】
図２に燃料を改質する改質器５の詳細を示す。
【００１７】
改質器５は熱交換器７で加熱され高温となった空気が送り込まれる空気導入管１３が設けられ、この空気導入管１３と同軸上には、流路断面が縮小している絞り部１９を介して、原燃料を予混合する混合室１２が接続する。混合室１２は絞り部１９に連なってドーム状に拡大する円筒形のハウジング１４内に形成され、このハウジング１４の内部には混合室１２の下流側に位置して円形断面をもつ改質触媒１１が備えられる。改質触媒１１は原燃料と高温空気とを反応させて水素リッチな改質ガスを生成するものであり、改質ガスはハウジング出口部１４ａから、前記ＣＯ除去器４を経て燃料電池２へと供給される。
【００１８】
改質触媒１１の直径はハウジング１４の直径よりも小さく形成されていて、改質触媒１１を周囲から保持する筒型の触媒支持板２０を、ハウジング１４に取り付けた複数のボルトなどからなる支持具１８により支持し、触媒支持板２０の外周とハウジング１４の内周との間に所定の均一的な環状間隙１７を存するように、改質触媒１１をハウジング１４に取付支持している。なお、触媒支持板２０や支持具１８はステンレス鋼やセラミックスの材料で構成することにより、劣化や熱などに対して高い耐久性を維持できる。
【００１９】
環状間隙１７は上流側が混合室１２に直接的に開口し、かつ下流側は閉じていて、改質触媒１１の入口からほぼ出口に至るまで軸方向に延びており、この最も下流側に循環通路１５の一端が開口接続する。循環通路１５の他端は前記絞り部１９に開口接続し、これにより環状間隙１７に流入した原燃料と空気との混合気を絞り部１９に発生する負圧を利用して（エゼクタ効果により）再度絞り部１９から混合室１２に循環させるようになっている。
【００２０】
この場合、図３にも示すように、循環通路１５から還流される混合気を、絞り部１９の断面について接線方向から導入するように、循環通路１５の接続部１５ａを偏在させることで、混合気に旋回成分を持たせ、高温空気と十分に混合させる。
【００２１】
空気導入管１３には原燃料を噴霧する燃料噴射弁１６が配置される。燃料噴射弁１６は上記と同じく空気導入管１３の接線方向から燃料を噴射し、旋回運動を付与して燃料噴霧の高温空気との混合と、高温空気からの熱を受けての気化を促進させるようにすることもできる。
【００２２】
次に作用について図４を参照しながら説明する。
【００２３】
空気導入管１３の高温空気流に対して燃料噴射弁１６から原燃料が噴射されると、原燃料は空気と交わり、熱を受けて気化し、絞り部１９でさらに混合が促進されながら混合室１２に流入する。混合室１２では断面積が急拡大し、原燃料と高温空気の混合気は周辺に向けて拡散し、混合気の濃度がより均一化しながら改質触媒１１へと流入していく。
【００２４】
ハウジング１４の内壁面に近い領域では混合気流に乱れが発生するが、改質触媒１１の外周とハウジング１４の内周との間には、所定の間隔をもった環状間隙１７があるため、図４に示すように、改質触媒１１には乱れの少ない、中心から周辺まで全域的に濃度の一定化した混合気が流入する。
【００２５】
改質触媒１１では発熱反応である部分酸化反応と、吸熱反応である水蒸気改質反応が起こるが、部分酸化反応で発生した熱を利用して吸熱反応である原燃料の水蒸気改質反応を促進する。しかし、一般的には酸化反応速度が水蒸気改質反応速度よりも大きいため、改質触媒１１の入口側の温度が上昇する一方、水蒸気改質反応に重要な改質触媒１１の出口側の温度が低下しやすい。
【００２６】
ところが、改質触媒１１の周囲の環状間隙１７には、改質触媒１１の入口側から高温空気と原燃料との混合気の一部が流れ込み、これが常時最も下流に位置して開口している循環通路１５へと流れる。
【００２７】
混合気が環状間隙１７を上流から下流へと流れるときに、改質触媒１１の入口付近の高温領域と、出口付近の低温領域とで行われる熱の授受により、すなわち高温領域で熱を受け、これを低温領域で放出することで、改質触媒１１の流れ方向の温度差を少なくし、上流と下流の温度を一定に保持しようとする。また、同時にこの環状間隙１７は改質触媒１１の熱が外部に放出されるのを防ぐ断熱空間としても機能し、改質触媒１１の温度維持に貢献する。
【００２８】
一方、循環通路１５に流入した混合気は、絞り部１９のもつエゼクタ効果により再度空気導入管１３からの混合気流に吸引循環されるので、この循環作用により混合気の混合空間領域がそれだけ延長されたことになり、混合室１２に循環された混合気の混合促進が十分に高められ、より均質化した濃度分布の混合気を改質触媒１１に導入することが可能となる。
【００２９】
このように本実施形態によれば、改質触媒１１の周囲に沿って環状間隙１７の上流から下流へと混合気が流れ、高温の上流側で改質触媒１１から受けた熱を低温の下流側で再び改質触媒１１に与えることにより、改質触媒１１の上流と下流の温度差を少なくし、水蒸気改質反応にとって重要な触媒下流域での温度の低下を抑制し、良好な改質反応を維持することができる。
【００３０】
また、改質触媒周囲の環状間隙１７は改質触媒１１の温度を保持する断熱空間としても機能し、改質触媒１１を高温に保つことができる。
【００３１】
一部の混合気が環状間隙１７、循環通路１５を経て絞り部１９に吸引され、さらに高温の空気及び原燃料と混合しながら混合室１２に再循環することで、混合気の混合経路が延び、混合気の混合促進が高められるという効果もある。
【００３２】
次に第２の実施形態を図５、図６を参照して説明する。
【００３３】
この実施形態では、燃料噴射弁１６を空気導入管１３ではなく、循環通路１５の出口部１５ａに設け、絞り部１９に吸引される循環気流中に燃料を噴射するようにしている。
【００３４】
循環気流は改質触媒１１の周囲を通過して高温となっているので、ここに燃料噴射弁１６を設けて燃料を噴霧することで、燃料の気化特性が良好となる。また、燃料の噴射方向を循環気流の流れる方向と一致させることで、燃料噴射エネルギを利用して循環気流の流速を高め、改質触媒１１の周囲の環状間隙１７で循環気流が停滞するのを防ぐことができる。このことにより改質触媒１１が過剰に加熱されるのを防ぎ、しかも改質触媒１１のもつ熱を効率よく燃料噴霧の気化に利用することを可能とする。
【００３５】
また、接続部１５ａは絞り部１９の断面に対して接線方向から燃料噴霧を含む気流を導入するように偏在させ、これにより絞り部１９の軸線周りに旋回運動を付与して、空気導入管１３からの高温空気と燃料との混合を良くし、かつ燃料を素早く気化させられる。
【００３６】
第３の実施形態を図７、図８を参照して説明する。
【００３７】
この実施形態では、循環通路１５に配置する燃料噴射弁１６を延長し、その噴射口１６ａを絞り部１９に対する開口部１５ｂに臨ませたもので、原燃料は空気導入管１３からの高温空気が加速される絞り部１９に直接的に噴射される。
【００３８】
このため、噴射口１６ａから噴射される燃料は、絞り部１９に発生する負圧を利用して噴霧の微粒化と気化とが促進でき、また循環通路１５から絞り部１９に噴出する高速の循環気流および気流の乱れにより原燃料と空気の一層の混合と気化が図れる。
【００３９】
また循環通路１５の接続部１５ａを絞り部１９の軸心から偏在させることで、燃料噴射弁１６からの燃料噴霧が絞り部１９を流れる高速気流の軸回りに旋回成分をもつように噴射され、このことも原燃料と空気の混合促進に寄与する。
【００４０】
第４の実施形態を図９、図１０を参照して説明する。
【００４１】
この実施形態では、燃料噴射弁１６が循環通路１５の接続部１５ａの円形断面の接線方向から燃料を噴射するように配置している。
【００４２】
このように接線方向から循環気流に燃料を噴射することにより、循環気流と燃料とが旋回し、その混合が促進される。
【００４３】
本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池システムを示すブロック図である。
【図２】本発明の改質器の第１実施形態を示す断面図である。
【図３】同じくその一部の断面図である。
【図４】同じく混合気濃度分布の特性図である。
【図５】本発明の第２実施形態を示す断面図である。
【図６】同じくその一部の断面図である。
【図７】本発明の第３実施形態を示す断面図である。
【図８】同じくその一部の断面図である。
【図９】本発明の第４実施形態を示す断面図である。
【図１０】同じくその一部の断面図である。
【符号の説明】
２　燃料電池
５　改質器
７　熱交換器
１１　改質触媒
１２　混合室
１３　空気導入管
１４　ハウジング
１５　循環通路
１５ａ　接続部
１６　燃料噴射弁
１７　環状間隙
１９　絞り部

Claims

炭化水素系の原燃料と高温空気とを反応させて水素リッチな改質ガスを生成する燃料改質器において、
高温空気が送り込まれる空気導入管と、
前記空気導入管からの高温空気が絞り部を介して導入される混合室と、
前記混合室の下流側に配置した改質触媒と、
前記改質触媒の外周面と混合室内周壁との間に形成され、かつ混合室に開口した環状の隙間と、
前記環状隙間に流入した混合気流を下流域から取り出して前記絞り部に循環させる循環通路とを備えたことを特徴とする燃料改質器。
前記改質触媒は円形断面に形成され、その外周を取り囲んで保持する触媒支持板が設けられ、この触媒支持板と混合室のハウジング内周との間に所定の前記環状間隙を形成するように、触媒支持板を前記ハウジングに支持具を介して取り付けた請求項１に記載の燃料改質器。
前記循環通路は前記環状間隙の最も下流側から循環気流を取り出すように構成されている請求項１または２に記載の燃料改質器。
前記循環通路は前記絞り部の軸心について旋回成分をもつように循環気流を導入させるように、絞り部の軸心から偏心して絞り部に開口接続する請求項１〜３のいずれか一つに記載の燃料改質器。
前記循環通路に原燃料を噴射する燃料噴射弁が備えられる請求項１〜４のいずれか一つに記載の燃料改質器。
前記燃料噴射弁は原燃料を循環気流の進行方向に噴射する請求項５に記載の燃料改質器。
前記燃料噴射弁は原燃料が循環気流に対して旋回成分をもつように循環通路の接線方向から噴射する請求項５に記載の燃料改質器。
前記燃料噴射弁の噴射口が絞り部に臨んで配置される請求項５に記載の燃料改質器。
前記燃料噴射弁は空気導入管に燃料を噴射する請求項１〜４のいずれか一つに記載の燃料改質器。