JP2004196630A

JP2004196630A - 燃料改質装置

Info

Publication number: JP2004196630A
Application number: JP2002369898A
Authority: JP
Inventors: Fumihiro Haga; 史浩羽賀
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-12-20
Filing date: 2002-12-20
Publication date: 2004-07-15

Abstract

【課題】燃料改質装置の過渡応答性を向上し、過渡時においても目標量の水素ガスを速やかに供給できる燃料改質装置を提供する。
【解決手段】炭化水素と水および酸化剤から水素を含有する改質ガスを生成する改質部（１）を有する燃料改質装置において、目標水素発生量の変化を検出する手段（５０、５５）と、目標水素発生量が増大した場合に、炭化水素とは別に含酸素燃料を改質部に導入する手段（６、１１、５０）を備えた燃料改質装置。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料改質装置、特に、炭化水素燃料から水素を含有する改質ガスを発生する燃料改質装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料改質装置として、ガソリン等の炭化水素系燃料、水蒸気、および空気等の酸化剤を含む混合ガスを改質して水素を含有する改質ガスを生成し、その改質ガスの熱を熱交換器で伝熱媒体である水に回収し、発生した水蒸気を前記混合ガスの水蒸気として供給する燃料改質装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この装置では熱の利用率を向上させることにより、装置の効率を向上させている。
【０００３】
【特許文献１】
特開2002-37603号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、こうした燃料改質装置では、低負荷から高負荷へ出力を上昇させる時などに熱量が足りず、高負荷運転で改質器が必要な水蒸気が十分供給できないために応答遅れ生じる。このため、燃料改質装置からの実際の水素ガスの発生量が、目標負荷（目標の水素ガス発生量）の増大に追従できないことがある。
【０００５】
本発明は、燃料改質装置の過渡応答性を向上し、過渡時においても目標量の水素ガスを速やかに供給できる燃料改質装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料改質装置は、炭化水素と水および酸化剤から水素を含有する改質ガスを生成する改質部を有し、さらに目標水素発生量の変動を検出する手段と、目標水素発生量が増大した場合に、炭化水素とは別に含酸素燃料を改質部に導入する手段を備えている。ここで前記含酸素燃料は、メタノールやエタノールなどのアルコール類、ジメチルエーテルなどのエーテル類、アセトンなどのケトン類であることが好ましい。
【０００７】
【作用・効果】
本発明では、燃料と水および空気を導入し水素を含有する改質ガスを生成する改質部を有する燃料改質装置において、低負荷から高負荷へ出力を上昇させる時など水素を大量に発生する必要があるとき、水蒸発用の熱量が足りず水蒸気供給量が少ないために炭化水素の改質で不足する水素を、改質部へ含酸素燃料を供給し含酸素燃料の分解反応又は部分酸化反応を行うことにより供給する。これにより負荷上昇時の応答遅れが低減でき、過渡応答性を向上させることができる。
【０００８】
【発明の実施形態】
以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【０００９】
本発明の第一実施形態にかかる燃料改質装置を図１に基づいて説明する。燃料改質装置は、ガソリン等の炭化水素系燃料、水蒸気、酸化剤としての空気から改質ガスを生成する改質部1（改質反応器）と、改質ガス中の一酸化炭素（CO)と水（H₂O)とで水素（H₂)と二酸化炭素（CO₂)を生成する高温シフト反応部2及び低温シフト反応部３と、残留した一酸化炭素を酸素で酸化する一酸化炭素選択酸化部４と、ガソリンタンク5（燃料タンク）とから構成されている。
【００１０】
空気は、エアコンプレッサなどの図示しない空気供給源から改質部1と一酸化炭素選択酸化部４に供給され、空気の流量は、電子制御される流量制御バルブ２１、２２により調整される。ガソリンタンク5から供給されるガソリンは燃料噴射装置２３により改質部1に導入される。また、燃料改質装置には、メタノールタンク６と、改質部１へメタノールをメタノールタンク６から供給するメタノール供給配管７が設置されている。メタノールの流量は、メタノール供給配管７に設置される流量制御バルブ１１により調整される。このように、メタノールタンク６、メタノール供給配管７、流量制御バルブ１１は、メタノール供給装置を構成している。流量制御バルブ１１の代わりに改質部1へのメタノール供給配管７の接続箇所にメタノール噴射装置を設けて、メタノールの供給量を制御してもよい。なお、メタノールの代わりに、エタノールなどのアルコール類、ジメチルエーテルなどのエーテル類、アセトンなどのケトン類が、含酸素燃料として用いられても良い。
【００１１】
通常の運転時には、燃料改質装置外部の図示しない水供給源から導入された水が一酸化炭素選択酸化部４で発生した熱により気化され水蒸気となり、改質部１へ空気及び燃料と一緒に導入される。水の流量は、電子制御可能な流量制御バルブ２４により調整される。改質部１に導入された炭化水素系燃料（本実施形態ではガソリン）、水蒸気および空気は、改質部１内の改質触媒の作用により水素を含有する改質ガスを生成する。改質触媒としては、例えば、白金、パラジウムなどの貴金属触媒、ニッケルなどの金属触媒が使用可能である。
【００１２】
改質ガスは高温シフト反応部２および低温シフト反応部３に導入され、改質ガス中の一酸化炭素は、シフト触媒の作用により水（この場合水蒸気）と反応して水素と二酸化炭素を生成する。低温シフト反応部３を出た改質ガスは空気と混ぜられた後一酸化炭素選択酸化部４に導入され、改質ガス中に残留した一酸化炭素を数ｐｐｍレベルまで低減し、燃料電池などの水素ガスを必要とする装置へ供給される。
【００１３】
コントローラ５０は、互いにバスを介して結合されている中央演算装置 (CPU)、読み出し専用メモリ (ROM) 、ランダムアクセスメモリ (RAM) 及び入出力インタフェース (I/O インタフェース) 等から構成されている。
【００１４】
コントローラ５０は、改質部1に設置される燃料噴射装置２３に指令信号を送出することにより改質部１へのガソリンの噴射量を制御し、流量制御バルブ２１、２２、２４へそれぞれの開度を指令し、水及び空気の流量を制御する。改質部１へのガソリンの噴射量、水及び空気の流量は、コントローラ５０に入力される目標負荷を達成するように制御される。ここで、目標負荷は、一酸化炭素選択酸化部４から（燃料改質装置から）排出される水素ガスの目標流量、あるいは単位時間当たりの水素ガスの目標発生量に相当する。目標負荷は、改質部１、高温シフト反応部２、又は低温シフト反応部２から生じる単位時間当たりの水素の目標発生量であっても構わない。目標負荷は、制御パネルなどのユーザーインターフェース５５から燃料改質装置の利用者によってコントローラ５０に入力されるものであってよい。例えば、燃料改質装置が、燃料電池車両に搭載され燃料電池へ水素ガスを供給する場合において、目標負荷はユーザーインターフェース５５としてのアクセル踏み込み量（操作量）検出センサから入力される。
【００１５】
図２は、メタノールの供給に関してコントローラ５０が実行する制御ルーチンを示すフローチャートである。なお、制御ルーチンは繰り返し実行されるものである。
【００１６】
ステップS１０１において、目標負荷（燃料改質装置から単位時間あたりに発生する目標の水素ガス発生量）を読込む。続いて、S１０２において、前回の制御ルーチンの実行において読込んだ目標負荷からの今回読込んだ目標負荷の増加量を演算し、演算された増加量が所定値より大か否か判断する。所定値は、目標負荷の最大値（定格目標負荷）に対する百分率で、例えば２０％或いは３０％のように設定できるが、これに限定されず様々な値に設定されてよい。急激な目標負荷の増加にのみ対応して改質部１へのメタノール供給を行う場合は、所定値を増加すればよい。
【００１７】
ステップS１０２において、目標負荷の増加量が所定値より大きい場合は、ステップS１０３において、流量制御バルブ１１が開かれ、メタノールタンク６から改質器１へのメタノール供給が開始される。ここで、流量制御バルブ１１の開度つまりメタノールの流量は、目標負荷の増加量に従って増えるように決定されても良い。こうして、目標負荷の急激な増大があった場合でもメタノールが付加的に改質部１へ供給されるため、ガソリン改質のみでは遅れる水素の発生が、メタノールの分解反応又は酸化反応で発生する水素で補われる。その後、ステップS１０４において、所定の待ち時間Tｗを設けることにより、所定の待ち時間Tｗの間流量制御バルブ１１が開いた状態に維持される。なお、所定の待ち時間Tｗは、ステップＳ１０２で演算された目標負荷の増加量に応じて設定されてよい。
【００１８】
一方、ステップS１０２において、目標負荷の増加量が所定値より小さい場合は、ステップS１０５において、メタノールの流量制御バルブ１１が閉じられる。ここでメタノールの供給が行われている状態では改質器１へのメタノール供給が停止し、メタノールの供給が行われていない状態では、流量制御バルブ１１が閉じた状態で維持される。
【００１９】
ステップS１０４又はステップS１０５の後、制御ルーチンは一度終了し、所定時間間隔の後再びステップＳ１０１から開始される。
【００２０】
上記のように、第一実施形態において、炭化水素（ガソリン）の改質反応(1)に加えてメタノールの分解反応(2)又はメタノールの部分酸化反応(3)により水素および一酸化炭素をシフト反応部へ供給することにより、過渡応答性を向上させることができる。
【００２１】
【式１】
C_nH_m + nH₂O → nCO + (m/2+n)H₂ (1)
CH₃OH → CO + 2H₂ (2)
CH₃OH+(1/2) O₂ → 2H₂ + CO₂ (3)
第一実施形態による効果をより詳細に図３を参照して説明する。図３は、燃料改質装置からの単位時間当たりに発生する水素の発生量の時間変化をメタノールの供給がある場合（図３の実線）とメタノールの供給がない場合（図３の点線）について示す。
【００２２】
目標負荷上昇時には短時間で水素生成量を増やす必要があるが、一酸化炭素選択酸化部４での熱量が足りないため十分な水蒸気が供給できず、ガソリン改質で供給できる水素生成量が要求量より不足する時間が発生する。そこで、その不足する水素を補うためにメタノールタンク６よりメタノール供給配管７を通じて改質部１入口へメタノールを供給し、水蒸気が必要のないメタノールの分解反応又は部分酸化反応を行う。これにより、ガソリン改質反応だけで水素を発生する場合（図３の点線）に比べて、必要な水素を速やかに発生させることが可能になり（図３の実線参照）、過渡応答性を向上させることができる。
【００２３】
次に、本発明の第二実施形態にかかる燃料改質装置を図４に基づいて説明する。第二実施形態において、改質部１の下流より改質ガスを一部回収するための改質ガス回収配管９、改質ガス回収配管９において回収される改質ガス流量を制御する流量制御バルブ３１、回収された改質ガス中の水素と一酸化炭素よりメタノールを合成するメタノール合成器８、及びメタノール合成器８からメタノールタンク６にメタノールを供給するメタノール供給配管１３が設置されている。なお、他の構成は第一実施形態と同様である。メタノール合成器８には、メタノール合成用触媒（Cu-ZnO、Cu-ZnO-Al₂O₃等公知のものでよい）が充填されている。
【００２４】
このように、改質ガス回収配管９、流量制御バルブ３１、メタノール合成器８、及びメタノール供給配管１３が、メタノール合成装置を構成している。この合成装置が、改質部より排出される改質ガスの一部を取り込んで含酸素燃料としてのメタノールを合成する。
【００２５】
図５は、メタノールの供給に関してコントローラ５０が実行する制御ルーチンを示すフローチャートである。なお、制御ルーチンは繰り返し実行される。また、第一の実施形態と同じ制御内容には、同じステップ番号を示し説明を省略する。
【００２６】
ステップS１０１において、目標負荷を読込む。ステップＳ２０２において、ステップS１０１で読込んだ目標負荷と前回の制御ルーチンの実行において読込んだ目標負荷の差を求め、目標負荷の変化量を演算する。そして、変化量がゼロ以上か否か判断する。変化量がゼロ以上の場合つまり目標負荷が一定又は増加する場合、ステップＳ１０２からＳ１０５まで制御を第一の実施形態と同様に行う。変化量がゼロ未満（マイナス）の場合、つまり今回読込んだ目標負荷が前回の制御ルーチンの実行において読込んだ目標負荷より減少する場合には、ステップＳ２０３において、前回の制御ルーチン実行時の目標負荷からの現在の目標負荷の減少量を演算して第二の所定値と比較する。第二の所定値は、目標負荷の最大値（定格目標負荷）に対する百分率で、例えば２０％或いは３０％と設定できるが、これに限定されず様々な値に設定されてよい。急激な目標負荷の減少にのみ対応してメタノール合成を行う場合は、所定値を増加すればよい。
【００２７】
ステップＳ２０３において、目標負荷の減少量が第二の所定値より大きい場合は、ステップS２０４において、流量制御バルブ３１が開かれ、改質部１の下流から改質ガスの一部が回収され、メタノール合成器８でメタノールが合成される。ここで、流量制御バルブ３１の開度つまり回収ガスの流量は、目標負荷の減少量に従って増えるように決定されても良い。
【００２８】
その後、ステップS２０５において、所定の待ち時間Tｙを設けることにより、所定の待ち時間Tｙの間流量制御バルブ３１が開いた状態に維持される。なお、所定の待ち時間Tｙは、ステップＳ２０３で演算された目標負荷の減少量に応じて設定されてよい。
【００２９】
一方、ステップS２０３において、目標負荷の減少量が所定値より小さい場合は、ステップS２０６において、回収される改質ガスの流量制御バルブ３１が閉じられる。ここで改質ガスの回収が行われている状態ではメタノール合成器８への改質ガスの供給が停止し、改質ガスの供給が行われていない状態では、流量制御バルブ３１が閉じた状態で維持される。
【００３０】
ステップS２０４又はステップS２０５の後、制御ルーチンは一度終了し、所定時間間隔の空けて再びステップＳ１０１から開始される。
【００３１】
第二実施形態は、第一実施形態における効果に加えて、以下に記載する効果を奏する。
【００３２】
第二実施形態による燃料改質装置において、負荷低下時など水素が過剰となる際に改質部１より排出される改質ガスの一部が含酸素燃料合成器（本実施形態ではメタノール合成器８に相当）へ導入される。こうして、改質ガス中の水素と一酸化炭素が、メタノールの合成反応(4)を代表とする含酸素燃料合成反応を行うことにより生成した含酸素燃料がタンク６に貯蔵される。負荷上昇時など水素が不足する際に改質部１へ含酸素燃料を供給して、含酸素燃料の分解反応又は部分酸化反応により水素発生することにより、過渡応答性を向上させることができ、またメタノールの燃料改質装置外部からの補給も不必要となる。
【００３３】
【式２】
CO + 2H₂ → CH₃OH (4)
第二の実施形態による負荷上昇時および低下時の燃料改質装置の運転に対する効果を図６を参照してより詳細に説明する。図６は、燃料改質装置からの単位時間当たりに発生する水素の発生量の時間変化をメタノールの供給及び改質ガスの回収がある場合（図６の実線）とメタノールの供給及び改質ガスの回収がない場合（図６の点線）について示す。
【００３４】
負荷上昇時には短時間で水素生成量を増やす必要があるが、一酸化炭素選択酸化部４での熱量が足りないため十分な水蒸気が供給できず、ガソリン改質で供給できる水素生成量が目標量より不足する時間が発生する。そこでその不足する水素を補うためにメタノールタンク６よりメタノール供給配管７を通じて改質部１入口へメタノールを供給し、水蒸気が必要のないメタノール分解反応又は部分酸化反応を行う。これにより、必要な水素を速やかに発生させることが可能になり、過渡応答性を向上させることができる。
【００３５】
また負荷低下時などには、ガソリン改質で供給できる水素生成量が目標量より過剰となる。そこで過剰となる改質ガスを回収し、改質ガス回収配管９より触媒の充填されたメタノール合成器８に導入し、改質ガス中の水素と一酸化炭素によりメタノールを合成してメタノールタンク６に貯蔵する。負荷上昇時に消費されるメタノールが負荷低下時などに貯蔵されるので、メタノールを燃料改質装置の外部から補給する必要がなくなる。
【００３６】
なお、上記の第一及び第二の実施形態において、制御ルーチンは例示として示されたものであり、様々な変更、ステップの追加が可能である。本発明は上記の実施の形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】第一実施形態に係る燃料改質装置を示す概略図である。
【図２】第一実施形態に係るメタノールの供給制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図３】第一実施形態に係る燃料改質装置から発生する水素の発生量の時間変化を示す図である。
【図４】第二実施形態にかかる燃料改質装置を示す概略図である。
【図５】第二実施形態に係るメタノールの供給制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図６】第二実施形態に係る燃料改質装置から発生する水素の発生量の時間変化を示す図である。
【符号の説明】
１改質部
２高温シフト反応部
３低温シフト反応部
４一酸化炭素選択酸化部
５ガソリンタンク
６メタノールタンク
７メタノール供給配管
８メタノール合成器
９改質ガス回収配管
１１、３１流量制御バルブ
５０コントローラ

Claims

炭化水素と水および酸化剤から水素を含有する改質ガスを生成する改質部を有する燃料改質装置において、
目標水素発生量の変動を検出する手段と、
目標水素発生量が増大した場合に、炭化水素とは別に含酸素燃料を改質部に導入する手段を備えた燃料改質装置。
前記含酸素燃料がメタノールやエタノールなどのアルコール類、ジメチルエーテルなどのエーテル類、アセトンなどのケトン類であることを特徴とする請求項１に記載の燃料改質装置。
前記改質部より排出される改質ガスから含酸素燃料を合成する合成器と、
合成された含酸素燃料を貯蔵するタンクと、
目標水素発生量が減少した場合に、前記改質部より排出される改質ガスの一部を合成器へ導入する手段と、をさらに備え、
前記タンクから含酸素燃料が前記改質部に供給されることを特徴とする請求項１に記載の燃料改質装置。
炭化水素と水および酸化剤から水素を含有する改質ガスを生成する改質部を有する燃料改質装置において、
含酸素燃料を前記改質部に導入する供給装置と、
目標水素発生量の変動を検出し、目標水素発生量が増大した場合に前記含酸素燃料を前記改質部に導入するよう供給装置に指令するコントローラと、
を備えた燃料改質装置。
さらに、前記改質部より排出される改質ガスの一部を取り込んで前記含酸素燃料を合成する合成装置を備え、
前記コントローラは、目標水素発生量が減少した場合に、前記改質部より排出される改質ガスの一部を取り込むよう前記合成装置に指令することを特徴とする請求項４に記載の燃料改質装置。