JP2004123478A

JP2004123478A - 燃料改質器

Info

Publication number: JP2004123478A
Application number: JP2002292399A
Authority: JP
Inventors: Shiro Tanaka; 田中　詩郎; 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: 2002-10-04
Filing date: 2002-10-04
Publication date: 2004-04-22

Abstract

【課題】簡単な構成でありながら原燃料を良好に気化し、改質触媒に均等に気化燃料を導入できるようにする。
【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１４を介して導入される予混合室１２と、予混合室１２に設けた改質触媒１１と、高温空気と混合されるように原燃料を噴射する燃料噴射弁１６と、改質触媒１１の上流側に配置され、改質触媒入口部を複数の区画に区分する整流板１７を備える。そして、整流板１７は、改質触媒入口部での空気と原燃料との混合気の濃度分布を均質化するように、前記複数の区画の少なくとも一つの区画における改質触媒入口部の面積と、整流板入口部での面積とを異ならせている。
【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、このため、複数の燃料蒸発器を備えたり、空気と原燃料の混合を促進するため混合室の気流に乱れを生じさせたりしている（特許文献１、２参照）
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−１８０９０４号公報
【特許文献２】
特開２００１−１２７４０号公報
【０００４】
【発明の解決すべき課題】
しかし、原燃料の気化のために複数の蒸発器を備えるのでは装置が大型化するし、また混合室での気流に乱れを発生させても改質触媒に流入する混合気の濃度のバラツキにより、改質触媒内での反応に偏りが生じ、反応効率が悪く、また改質ガスの組成も不安定となる。
【０００５】
したがって、本発明の目的は、簡単な構成でありながら原燃料の気化特性が良く、かつ改質触媒に均等に気化燃料を導入できるようにすることである。
【０００６】
【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予混合室と、前記予混合室に設けた改質触媒と、前記高温空気と混合されるように原燃料を噴射する燃料噴射弁と、前記改質触媒の上流側に配置され、前記改質触媒入口部を複数の区画に区分する整流板を備え、該整流板は、前記改質触媒入口部での空気と原燃料との混合気の濃度分布を均質化するように、前記複数の区画の少なくとも一つの区画における改質触媒入口部の面積と、前記整流板入口部での面積とを異ならせている。
【０００７】
【作用・効果】
したがって、高温空気と混合した原燃料は、原燃料の濃度分布に応じた大きさの入口部をもつ整流板によって隔てられた区画毎に改質触媒に導かれるので、改質触媒入口部での燃料分布が均等化し、これにより触媒反応が全域的に均一化し、安定した組成の改質ガスを生成することができる。
【０００８】
【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。
【０００９】
第１の実施形態を図１から図３に示す。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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、この熱を受けて熱交換器７では空気を加熱し高温にする。
【００１３】
このようにして改質器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。
【００１４】
図２に原燃料を改質する改質器５の詳細を示す。
【００１５】
改質器５は熱交換器７で加熱され高温となった空気の空気導入管１３が設けられ、この空気導入管１３と同軸上にあり、流路断面が縮小している絞り部１４を介して原燃料を予混合する予混合室１２が接続する。予混合室１２は絞り部１４に連なってドーム状に拡大する円筒形のハウジング１５内に形成され、このハウジング１５には予混合室１２の下流側に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１５ａから、前記ＣＯ除去器４を経て燃料電池２へと供給される。
【００１６】
予混合室１２には絞り部１４を流れる空気流と対向するように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の絞り部１４までの距離と噴射角は、予混合室形状、混合気の空燃比、絞り部１４からの空気流速、燃料のペネトレーションなどを考慮して設定されるが、噴射燃料が予混合室１２の対向壁に付着しないように設定される。
【００１７】
前記改質触媒１１の入口側には整流板１７が設けられ、この整流板１７はこの実施形態にあっては、全体的には複数の口径の異なる円筒部材１７ａ、１７ｂを同心的に配列することにより、円筒部材１７ａ、１７ｂ及び予混合室１２の内壁面とで、改質触媒１１の入口部を複数の区画に区分し、かつ円筒部材１７ａ、１７ｂの入口側には内側に円錐状に傾斜した傾斜部１７ｃを形成して、これにより各区画の整流板入口部１７ｄの面積は、対応する区画の改質触媒入口部の面積との比率で、中央部ほど小さく、周辺部ほど大きくなるように構成される。
【００１８】
なお整流板１７は高温空気や原燃料に晒されても劣化せず、耐久性のあるステンレス鋼やセラミックスなどから構成する。
【００１９】
次に作用について図３を参照しながら説明する。
【００２０】
空気導入管１３に導入された高温の空気は、絞り部１４で加速されつつ予混合室１２に高速で流入し、この空気流に対向するように燃料噴射弁１６から原燃料が所定の噴射角をもって噴射されると、高速空気流と原燃料噴霧が激しくぶつかりあい、原燃料噴霧は拡散し、このとき原燃料噴霧は高温空気と接触することで、すばやく気化する。
【００２１】
このようにして原燃料と空気との混合による混合気が形成されるが、原燃料が予混合室１２の中心部に噴霧されることで、図３にもあるように、混合気の濃度は整流板１７の入口部においては、中央部の濃度が周辺部よりも高くなっている。
【００２２】
しかし、予混合室下流側の整流板入口部１７ｄの各区画の面積は、対応する区画の改質触媒入口部の面積との比率で、中央部ほど小さく、周辺部ほど大きくなるように構成される。このため、整流板１７を介して改質触媒１１に流入する混合気は、混合気濃度の高い中央部の混合気量が少なく、混合気濃度がこれよりも低い周辺部の混合気量が多くなる。
【００２３】
このため、改質触媒１１の入口断面における原燃料の分布は、周辺部と中央部とで単位面積あたりの燃料量が概略均等に近づき、改質触媒１１での燃料密度が全域的に均質化し、改質触媒１１での改質反応が全域的に均等化する。この結果、改質触媒１１で改質される改質ガスの組成に斑が少なくなり、安定した品質の改質ガスを供給することが可能となる。
【００２４】
このように本実施形態によれば、改質触媒１１の上流側に配置され、改質触媒１１入口部を複数の区画に区分する整流板１７を備え、この整流板１７は、改質触媒１１入口部での空気と原燃料との混合気の濃度分布を均質化するように、各区画における改質触媒入口部の面積と、整流板入口部１７ｄでの面積を異ならせたので、改質触媒１１での改質反応が一定化し、改質ガスの組成が安定するという効果がある。
【００２５】
燃料噴射弁１６からの燃料噴射方向を高温空気流に対向させたので、原燃料噴霧の速度が小さくなり、噴霧粒子がよく分散するので、高温空気によって原燃料はすばやく気化し、混合気の混合の均一化が促進される。
【００２６】
第２の実施形態を図４、図５を参照して説明する。
【００２７】
この実施形態では、第１の実施形態とは異なり、原燃料を噴霧する燃料噴射弁１６を空気導入管１３に設け、かつ空気導入管１３の円周方向に燃料噴射するように配置してある。
【００２８】
このため、燃料噴射弁１６から噴射された原燃料は、図５に示すように、高温の空気が流れる空気導入管１３内で旋回するように噴射され、高温空気との接触がよくなり、すばやく気化する。そして、その下流の絞り部１４を通過することにより、原燃料と空気との混合が促進され、予混合室１２に高速で流入した混合気は、断面積が急拡大することにより周辺へと拡散しながらより一層均質化する。
【００２９】
これにより、整流板１７から改質触媒１１に流入する混合気の濃度は、周辺部よりも中央部の濃度が高いものの、その変化幅は少なくなり、改質触媒１１での原燃料分布がより均一化する。したがって、改質触媒１１での改質反応が全域的により安定したものとなる。
【００３０】
第３の実施形態を図６、図７を参照して説明する。
【００３１】
この実施形態にあっては、燃料噴射弁１６は第２の実施形態と同じく空気導入管１３に設けるが、原燃料の噴射方向は高温空気の流れと対向するように、すなわち上流に向くように設定される。
【００３２】
そして、予混合室１２には絞り部１４の出口に邪魔板１９が配置される。邪魔板１９は絞り部１４の混合気流に所定の間隙をもって対峙し、予混合室内壁形状に合わせて円錐形に形成され、複数の支持脚２０によりハウジング１５に取付けられる。
【００３３】
予め高温空気と混合された原燃料の濃度分布は、邪魔板１９により予混合室１２の周辺部に向けて混合気が案内されることから、図７にもあるように、中央部に比べて周辺部の濃度が高い。
【００３４】
したがって、改質触媒１１の上流側に配置される整流板１７は、この実施形態では、各区画の整流板入口部１７ｄでの面積は、対応する区画の改質触媒１１の入口部の面積との比率で考えると、中央部ほど大きく、周辺部ほど小さくなるように、各円筒１７ａ１７ｂの入口側には、外側に傾斜した円錐状の傾斜部１７ｃが形成されている。
【００３５】
したがって、空気導入管１３において高温空気と原燃料とが混合しながら絞り部１４から予混合室１２に噴出し、邪魔板１９により周辺部へと拡散され、また支持脚２０での気流の乱れによる多数の渦が発生し、原燃料の気化と均一混合化が促進される。そして、予混合室１２内において周辺部で相対的に濃度が高い混合気に対応して、各区画の整流板入口部１７ｄでの面積は、対応する区画の改質触媒１１の入口部の面積に比べて、中央部ほど大きく、周辺部ほど小さくなるように形成されていることから、改質触媒１１に流入する原燃料の燃料分布は全域的に均一化し、改質触媒１１の改質反応が均等化し、安定した組成の改質ガスを生成することができる。
【００３６】
第４の実施形態を図８を参照して説明する。
【００３７】
この実施形態では、第３の実施形態の邪魔板１９の代わりに、絞り部１４にスワーラ２１を設け、絞り部１４を通過する混合気に旋回流を発生させるようにしたものである。
【００３８】
この旋回運動により混合気流には遠心力が付与され、混合気は予混合室１２の内壁に沿うように流入する。このため、予混合室１２の中心軸付近では壁面付近の周辺部に比べて圧力が低く、旋回運動が維持され、空気と原燃料の混合が促進される。
【００３９】
この場合にも、混合気の濃度は周辺部が中央部よりも高くなり、このため各区画の整流板入口部１７ｄでの面積は、対応する区画の改質触媒１１の入口部の面積との比率で考えると、中央部ほど大きく、周辺部ほど小さくなるように設定される。この結果、改質触媒１１に流入する燃料の分布は全域的に均一化し、改質反応が安定して行われ、改質ガスの組成も一定化させられる。
【００４０】
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】
同じく混合気濃度分布の特性図である。
【図４】
本発明の第２実施形態を示す断面図である。
【図５】
同じくその一部の断面図である。
【図６】
本発明の第３実施形態を示す断面図である。
【図７】
同じく混合気濃度分布の特性図である。
【図８】
本発明の第４実施形態を示す断面図である。
【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　予混合室
１３　空気導入管
１４　絞り部
１６　燃料噴射弁
１７　整流板
１７ａ，１７ｂ　円筒部材
１７ｄ　開口部
１９　邪魔板
２１　スワーラ

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予混合室と、
前記予混合室に設けた改質触媒と、
前記高温空気と混合されるように原燃料を噴射する燃料噴射弁と、
前記改質触媒の上流側に配置され、前記改質触媒入口部を複数の区画に区分する整流板を備え、
該整流板は、前記改質触媒入口部での空気と原燃料との混合気の濃度分布を均質化するように、前記複数の区画の少なくとも一つの区画における改質触媒入口部の面積と、前記整流板入口部での面積とを異ならせたことを特徴とする燃料改質器。
前記少なくとも一つの区画における前記整流板入口部の面積を、前記整流板入口部における混合気の濃度が他の区間での濃度に比べて高いときほど改質触媒入口部の面積に比べて小さくする請求項１に記載の燃料改質器。
前記少なくとも一つの区画における前記整流板入口部の面積を、前記整流板入口部における混合気の濃度が他の区間での濃度に比べて低いときほど改質触媒入口部の面積に比べて大きくする請求項１に記載の燃料改質器。
前記改質触媒は前記混合室の内径に対応して円形断面に形成され、この改質触媒の上流の前記整流板は、複数の口径の異なる円筒部材が前記改質触媒と同心的に配列され、かつ開口部に至る入口側に円錐状の傾斜部を有する請求項１〜３のいずれか一つに記載の燃料改質器。
前記整流板はステンレス鋼またはセラミックス材料で形成される請求項１〜４のいずれか一つに記載の燃料改質器。
前記燃料噴射弁は前記絞り部の下流に設けられ、原燃料の噴射方向は空気流に対向して上流に向けられる請求項１〜５のいずれか一つに記載の燃料改質器。
前記燃料噴射弁は前記絞り部の上流に設けられ、原燃料の噴射方向は空気流に対して旋回成分をもつように空気導入管の接線方向に向けられる請求項１〜５のいずれか一つに記載の燃料改質器。
前記改質触媒は円形断面に形成され、前記整流板は、複数の口径の異なる円筒部材が前記改質触媒の上流側に同心的に配列され、かつ整流板入口側に円錐状の傾斜部を有し、該整流板入口部における各区画の面積は、対応する区画の触媒入口部の面積に比べ、中央部ほど小さく、周辺部ほど大きく形成される請求項６または７に記載の燃料改質器。
前記燃料噴射弁は前記絞り部の下流に設けられ、該絞り部の直下流には混合気の流れを予混合室壁面に沿って拡げる邪魔板が配置される請求項１〜４のいずれか一つに記載の燃料改質器。
前記邪魔板は絞り部に向けて円錐面をもつ円錐形に形成される請求項９に記載の燃料改質器。
前記邪魔板は複数の支持脚を介して対向する予混合室内壁に取付けられる請求項９または１０に記載の燃料改質器。
前記燃料噴射弁は前記絞り部の下流に設けられ、前記絞り部には混合気の流れに旋回成分を付与するスワーラが設けられる請求項１〜４のいずれか一つに記載の燃料改質器。
前記改質触媒は円形断面に形成され、前記整流板は、複数の口径の異なる円筒部材が前記改質触媒の上流側に同心的に配列され、かつ整流板入口側に円錐状の傾斜部を有し、該整流板入口部における各区画の面積は、対応する区画の触媒入口部の面積に比べ、周辺部ほど小さく、中央部ほど大きく形成される請求項９〜１２のいずれか一つに記載の燃料改質器。