JP2004262689A - Fuel reformer and its operation method - Google Patents

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    • Y02P20/50Improvements relating to the production of bulk chemicals
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To inhibit decrease in reforming reaction efficiency caused by carbon deposited on a reforming catalyst. <P>SOLUTION: In a fuel reformer 10, a liquid reformed fuel is intermittently injected into a fuel-introducing chamber 22 by an injector 20. Meanwhile, a reforming gas comprising air and steam is heated and subsequently fed to the fuel-introducing chamber 22. When the reformed fuel is injected, it is mixed with the reforming gas, vaporized by heat of the reforming gas and introduced into the reformer 24. While injection of the reformed fuel is suspended, oxidation and removal of carbon deposited on the reforming catalyst is performed by oxygen present within the reforming gas. The fuel-introducing chamber 22 has a volume smaller than the amount of the reforming gas fed while the injection of the reformed fuel is suspended. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、改質反応を利用して炭化水素系の改質燃料から水素を生成する燃料改質装置およびその運転方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
水素を生成する方法として、改質反応によって炭化水素系燃料から水素を生成する方法が知られている。例えば、特許文献1では、改質反応として水蒸気改質反応と部分酸化反応とを併用して、ガソリンから水素を生成し、生成した水素を燃料電池に供給する技術が開示されている。
【0003】
【特許文献1】
特開平11−79703号公報
【特許文献2】
特開2001−139301号公報
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ガソリンなどの炭化水素系燃料を改質する際には、改質反応を進行する過程において、改質反応を促進する触媒上に炭素が析出するという問題があった。改質触媒上に炭素が析出すると、析出した炭素によって改質反応が阻害されて、改質反応の効率が低下してしまう可能性がある。
【0005】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、炭化水素系燃料を改質して水素を生成する際に、改質触媒上に炭素が析出することに起因する改質反応の効率の低下を抑えることを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上記目的を達成するために、本発明の第1の燃料改質装置は、改質触媒に対して炭化水素系の改質燃料を間欠的に供給し、改質反応を利用して前記改質燃料から水素を生成する燃料改質装置であって、
前記改質燃料を間欠的に吐出する改質燃料吐出部と、
少なくとも前記改質燃料吐出部が前記改質燃料の吐出を停止しているときに、酸素を含有する酸化剤ガスを、吐出する酸化剤ガス供給部と、
前記改質燃料吐出部が吐出した前記改質燃料と、前記酸化剤ガス供給部が吐出した前記酸化剤ガスとが、直接導入される燃料導入室と、
前記燃料導入室に接続して設けられ、前記改質触媒を備えて、前記燃料導入室を経由した前記改質燃料および前記酸化剤ガスが供給される触媒部と、
前記改質反応に適した量の前記改質燃料を吐出するように前記改質燃料吐出部を制御すると共に、前記改質燃料吐出部が前記改質燃料の吐出を停止する毎に、前記燃料導入室の容積以上の量の前記酸化剤ガスを吐出するように前記酸化剤ガス供給部を制御する制御部と
を備えることを要旨とする。
【0007】
以上のように構成された本発明の第1の燃料改質装置によれば、改質燃料を吐出する動作と吐出を停止する動作とを交互に繰り返す際に、改質燃料の吐出を停止するときには酸化剤ガスを触媒部に供給することで、改質触媒上に析出している炭素を酸化除去することができる。ここで、改質燃料の吐出を停止する毎に、燃料導入室の容積以上の量の酸化剤ガスを燃料導入室に吐出するため、改質燃料の吐出停止時には、燃料導入室内を酸化剤ガスによって良好に掃気することができる。燃料導入室内の掃気が充分に行なわれることで、触媒部に供給されるガス中の改質燃料濃度が極めて低い状態が実現され、析出炭素の酸化除去を良好に行なうことができる。
【0008】
本発明の第1の燃料改質装置において、前記制御部は、前記改質燃料吐出部が前記改質燃料の吐出を停止する間に、前記燃料導入室を介して前記触媒部に供給されるガス中の前記改質燃料の濃度が、1vol%以下となるように、前記酸化剤ガス供給部からの前記酸化剤ガスの吐出量を制御することが好ましい。このような構成とすることで、改質触媒上に析出した炭素の酸化除去を、より確実に行なうことができる。
【0009】
本発明の第1の燃料改質装置において、前記制御部は、前記燃料改質装置が生成すべき水素量に応じて、前記酸化剤ガス供給部が吐出する前記酸化剤ガスの量を変動させると共に、前記酸化剤ガス供給部が吐出する前記酸化剤ガスの量が少ないときほど、前記改質燃料の吐出を停止する動作を行なう時間が長くなるように、前記改質燃料吐出部と前記酸化剤ガス供給部との制御を行なうこととしても良い。
【0010】
このような構成にすれば、燃料改質装置が生成すべき水素量の変動に伴って酸化剤ガスの供給量が減少するときにも、酸化剤ガスによる燃料導入室内の掃気を確実に行なうことができる。
【0011】
本発明の第2の燃料改質装置は、改質触媒に対して炭化水素系の改質燃料を間欠的に供給し、改質反応を利用して前記改質燃料から水素を生成する燃料改質装置であって、
前記改質燃料を間欠的に吐出する改質燃料吐出部と、
少なくとも前記改質燃料吐出部が前記改質燃料の吐出を停止しているときに、酸素を含有する酸化剤ガスを吐出する酸化剤ガス供給部と、
前記改質燃料吐出部が吐出した前記改質燃料と前記酸化剤ガス供給部が吐出した前記酸化剤ガスとが直接導入され、前記改質燃料吐出部が前記改質燃料の吐出を停止する間に前記酸化剤ガス供給部が吐出する前記酸化剤ガスの量以下の容積を有するように形成されている燃料導入室と、
前記燃料導入室に接続して設けられ、前記改質触媒を備えて、前記燃料導入室を経由した前記改質燃料および前記酸化剤ガスが供給される触媒部と、
前記改質反応に適した量の前記改質燃料を前記触媒部に供給するように前記改質燃料吐出部を制御すると共に、前記改質燃料吐出部から吐出される前記改質燃料の量に応じた量の前記酸化剤ガスを吐出するように前記酸化剤ガス供給部を制御する制御部と
を備えることを要旨とする。
【0012】
以上のように構成された本発明の第2の燃料改質装置によれば、改質燃料を吐出する動作と吐出を停止する動作とを交互に繰り返す際に、改質燃料の吐出を停止するときには酸化剤ガスを触媒部に供給することで、改質触媒上に析出している炭素を酸化除去することができる。ここで、改質燃料の吐出を停止する間に供給される酸化剤ガスの量以下の容積を有するように、燃料導入室が形成されているため、改質燃料の吐出停止時には、燃料導入室内を酸化剤ガスによって良好に掃気することができる。燃料導入室内の掃気が充分に行なわれることで、触媒部に供給されるガス中の改質燃料濃度が極めて低い状態が実現され、析出炭素の酸化除去を良好に行なうことができる。
【0013】
本発明の第1または第2の燃料改質装置において、
前記改質燃料吐出部は、液体の前記改質燃料を前記燃料導入室内に噴霧し、
前記酸化剤ガス供給部は、噴霧された前記改質燃料を気化可能な所定の高温に昇温させた前記酸化剤ガスを、前記改質燃料の吐出の動作を行なう際にも吐出し、
前記燃料導入室は、その内壁面を加熱するための加熱部を備えることとしても良い。
【0014】
このような構成とすれば、燃料導入室内に噴霧された改質燃料は、酸化剤ガスの有する熱を利用して気化すると共に、加熱部に加熱される燃料導入室の内壁面の熱をさらに利用して気化することができる。したがって、改質燃料は効率よく気化することができ、噴霧された改質燃料の液滴が燃料導入室内に滞留してしまうことがない。そのため、改質燃料の吐出を停止するときには、燃料導入室内を速やかに掃気すると共に、触媒部に供給されるガス中の改質燃料濃度をより確実に低下させることができ、析出炭素除去の効率を向上させることができる。
【0015】
このような燃料改質装置において、前記酸化剤ガス供給部は、前記酸化剤ガスが前記燃料導入室内で旋回流を形成するように、前記酸化剤ガスを前記燃料導入室内に供給することとしても良い。これにより、噴霧された改質燃料の液滴を、燃料導入室の内壁面の熱を利用して気化させる効率を、さらに向上させることができる。
【0016】
また、本発明の第1または第2の燃料改質装置において、
前記改質燃料吐出部は、液体の前記改質燃料を前記燃料導入室内に噴霧し、
前記酸化剤ガス供給部は、噴霧された前記改質燃料を気化可能な所定の高温に昇温させた前記酸化剤ガスを、前記改質燃料の吐出の動作を行なう際にも乱流の状態で前記燃料導入室内に供給することとしても良い。
【0017】
このような構成とすることで、燃料導入室内に噴霧した改質燃料の液滴の気化を促進することができ、燃料導入室内を掃気する効率を向上させることができる。
【0018】
なお、本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、燃料改質装置を備える燃料電池システムや、燃料改質装置の運転方法などの形態で実現することが可能である。
【0019】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
A.装置の全体構成:
B.析出炭素の除去操作:
C.効果:
D.第2実施例:
E.変形例:
【0020】
A.装置の全体構成:
図1は、実施例としての燃料改質装置10と燃料電池17とを備える燃料電池システム15の構成の概略を表わすブロック図である。燃料改質装置10は、噴射器20、燃料導入室22、改質器24、熱交換器26、CO低減部28、加熱部30および制御部35を備えている。
【0021】
噴射器20は、炭化水素系の改質燃料を上記燃料導入室22内に噴射する。本実施例では、改質燃料として液体炭化水素を用いており、噴射器20は、この液体の改質燃料を、液体微粒子の状態で噴霧するノズルを備えている。この噴射器20は、例えば、噴霧する改質燃料量を弁の開閉によって制御可能な電磁ソレノイド弁として形成することができる。噴霧される改質燃料の液滴の大きさは、ノズル先端に設けられた吐出口の大きさによって調節可能である。本実施例では、噴射器20は、所定量の改質燃料を噴射する際に、この噴射の動作を間欠的に行なうように制御される。
【0022】
燃料導入室22には、噴射器20から噴射される改質燃料の他に、水蒸気および空気(以下、燃料導入室22に供給される水蒸気と空気とを合わせて改質用ガスと呼ぶ)が、改質用ガス流路32を介して供給される。この燃料導入室22に供給される改質用ガスは、供給に先立って、加熱部30において加熱される。加熱部30から燃料導入室22に供給される改質用ガスの量を調節するために、加熱部30と燃料導入室22とを接続する改質用ガス流路32には、バルブ31が設けられている。燃料導入室22では、上記改質燃料と改質用ガスとが混合されて混合ガスとなり、この混合ガスは改質器24に送出される。なお、本実施例の燃料改質装置10は、既述した噴射器20が改質燃料の噴射を停止しているときに供給される改質用ガス量が、燃料導入室22の容積以上になるという特徴を有するが、これについては後に詳しく説明する。
【0023】
改質器24は、改質反応を促進する改質触媒を備えている。改質触媒は、用いる改質燃料に応じて適宜選択すればよい。本実施例の改質器24では、既述したように水蒸気と空気とが供給されるため、改質反応として、水蒸気改質反応および部分酸化反応が進行する。吸熱反応である水蒸気改質反応と発熱反応である部分酸化反応とを行なわせることで、水蒸気改質反応に要する熱の少なくとも一部を部分酸化反応によって供給することができる。改質器24には、さらにヒータ等の熱源を備えることとしても良く、用いる改質燃料および改質触媒に適した所定の温度範囲となるように、改質器24内の温度は制御される。本明細書では、改質器24で生成された水素を含有するガスを改質ガスと称する。なお、改質器24内では、改質触媒上に析出した炭素を酸化させる反応も進行するが、これについては後述する。
【0024】
熱交換器26は、所定の冷媒と熱交換させることによって、改質器24から排出された改質ガスを降温させるための装置である。熱交換器26において冷却された改質ガスは、CO低減部28に供給される。なお、熱交換器26で用いる冷媒として、燃料導入室22に供給すべき空気と水との内の少なくとも一方を用いることとしても良い。
【0025】
CO低減部28は、改質器24から供給された改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減させる装置である。改質器24から供給される改質ガスは、通常は所定量の一酸化炭素を含んでいる。このように一酸化炭素を含有するガスを燃料電池17に供給すると、燃料電池17が備える白金触媒が一酸化炭素により被毒して、電池性能が低下する可能性がある。そこで、CO低減部28を設け、燃料電池17に供給する改質ガス中の一酸化炭素濃度の低減を図っている。CO低減部28は、一酸化炭素と水蒸気とから二酸化炭素と水素とを生じるシフト反応を促進する触媒を備え、シフト反応によって水素リッチガス中の一酸化炭素濃度を低減するシフト部とすることができる。あるいは、水素に優先して一酸化炭素を酸化する選択酸化反応を促進する触媒を備え、一酸化炭素選択酸化反応によって水素リッチガス中の一酸化炭素濃度を低減する一酸化炭素選択酸化部とすることができる。また、CO低減部28は、これらシフト部と一酸化炭素選択酸化部との両方を備えることとしても良い。あるいは、CO低減部28は、例えばパラジウム等を含有する水素分離膜を用いて、水素を選択的に抽出する装置とすることも可能である。
【0026】
CO低減部28で一酸化炭素濃度が低減された改質ガスは、燃料ガスとして燃料電池17のアノードに供給される。さらに燃料電池17のカソードには、酸化ガスとして空気がブロワ34から供給されて、燃料電池17において電気化学反応が進行する。
【0027】
制御部35は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、CPUやROMやRAM、あるいは、各種信号を入出力する入出力ポートを備える。制御部35は、燃料電池システム15が備える各種センサからの検出信号を入力すると共に、既述した噴射器20やバルブ31などに駆動信号を出力する。このように制御部35は、燃料改質装置10を備える燃料電池システム15全体の運転状態を制御する。
【0028】
なお、本実施例の燃料改質装置10は、燃料電池17に対して水素を供給することとしたが、燃料改質装置が生成した水素を、異なる種類の水素消費装置に供給することとしても良い。
【0029】
B.析出炭素の除去操作:
本実施例の燃料改質装置10では、噴射器20から燃料導入室22内に改質燃料を間欠的に噴射することによって、析出炭素の除去操作を行なっている。すなわち、改質反応を進行する際には改質触媒上に炭素が析出する可能性があるが、燃料噴射を停止する期間を設け、この期間には燃料導入室22に対して改質用ガスだけを供給することで、改質触媒上に析出した炭素の酸化除去を図っている。さらに、本実施例の燃料改質装置10では、燃料導入室22は、その容積が、燃料噴射を停止する間に燃料導入室22に供給される改質用ガスの量(体積)以下となるように形成されている。これによって、析出炭素除去をより確実に行なうことが可能となっている。以下、燃料噴射を間欠的に行なう制御について説明する。
【0030】
図2は、燃料改質装置10の運転中に、制御部35において所定のタイミングで繰り返し実行される運転制御処理ルーチンを表わすフローチャートである。
【0031】
本ルーチンが実行されると、制御部35は、まず、要求水素量を入力する(ステップS100)。要求水素量とは、燃料改質装置10が生成すべき水素量であり、例えば、燃料電池17に要求される電力量に基づいて求めることができる。
【0032】
次に制御部35は、上記要求水素量に基づいて、燃料噴射量および改質用ガス量を設定する(ステップS110)。燃料噴射量は、要求水素量に相当する量の水素を改質反応により生成するのに要する改質燃料量であり、改質器24における改質反応の効率に応じて設定される。また、改質用ガス量(空気量および水蒸気量)は、供給する改質燃料量に対して、所定の割合となるように設定される。本実施例では、改質器24において良好に改質反応が進行するように、予めO/C(改質燃料中の炭素原子に対する改質用ガス中の酸素分子の割合)およびS/C(改質燃料中の炭素原子に対する改質用ガス中の水分子の割合)が定められている。そして、上記改質燃料量とO/CおよびS/Cとに基づいて、改質用ガス量が設定される。なお、ステップS110において設定される改質燃料量および改質用ガス量は、要求水素量に基づいて上記のようにその都度算出しても良いし、要求水素量とこれらの設定量とを予め関連づけたマップを利用して設定しても良い。
【0033】
燃料噴射量および改質用ガス量は、要求水素量以外のパラメータを考慮して設定しても良い。このような他のパラメータとしては、例えば、改質器24の温度が挙げられる。改質器24の温度によって改質反応の効率が変化するため、改質器24の温度を考慮することで、所望量の水素を得るのに必要な改質燃料量をより正確に設定することができる。また、改質器24の温度が低いとき(暖気時など)には、改質用ガス中の水蒸気量を削減すると共に空気量を増加させて、改質器24内で酸化反応をより活発に行なわせることとしても良い。
【0034】
燃料噴射量および改質用ガス量を設定すると、制御部35は、燃料噴射を行なう期間と燃料噴射停止を行なう期間とを設定する(ステップS120)。図3は、析出炭素の除去操作における燃料噴射の様子を例示する説明図である。図3に示すように、実行周期Tは、燃料噴射を行なう噴射期間t1と、燃料噴射を停止する停止期間t2とによって構成される。停止期間t2では、改質用ガスのみが燃料導入室22に供給される。本実施例では、実行周期Tを一定として、噴射期間t1と停止期間t2との時間密度(以下、デューティー比という)を、ステップS110で設定した燃料噴射量に応じて制御している。噴射器20の性能(例えばノズルの吐出口の大きさや噴射圧など)によって噴射器20から噴射される改質燃料の流量は定まるため、この改質燃料流量と、ステップS120で設定した燃料噴射量とに基づいて、噴射期間t1を設定することができる。図3(A)は、要求電力量がより多いとき、すなわち要求水素量がより多いときを表わし、図3(B)は、要求水素量および要求水素量がより少ないときを表わす。図3に示すように、要求水素量が多いときほど噴射期間t1はより長く設定される。実際に上記各期間を設定する際には、要求水素量、あるいはさらに改質触媒温度に対応して、噴射期間t1および/または停止期間t2を予め定めてマップとして制御部35に記憶しておき、このマップを参照することとしても良い。
【0035】
以上の処理により設定された種々の制御量に従って、制御部35は、燃料改質装置10の各部を制御して(ステップS130)、本ルーチンを終了する。これにより、燃料噴射が期間t1行なわれ、噴射停止が期間t2行なわれる動作が繰り返され、全体としてステップS110で設定した量の改質燃料が供給されて、改質反応により水素が生成される。また、改質用ガスは、その供給量がステップS110で設定された量(以下、改質用ガス流量Qという)となるように、噴射期間t1と停止期間t2とに関わらない略一定の状態で供給される。これにより、停止期間t2では改質用ガス中の酸素を利用して析出炭素の酸化除去が行なわれる。
【0036】
ここで、本実施例の燃料改質装置10は、停止期間t2の間に供給される改質用ガス量(体積)が、燃料導入室22の容積V以上となるように構成されている。すなわち、要求水素量が変動して停止期間t2が変動する場合にも、改質用ガス流量Qに対して、以下の(1)式が成り立つ。
Q×t2≧V …(1)
【0037】
図4は、噴射器20から間欠的に改質燃料が噴射されるときの、燃料導入室22および改質器24の様子を模式的に表わす説明図である。噴射期間t1において噴射器20から改質燃料の噴射を開始すると(図4(A))、燃料導入室22内の改質燃料濃度が上昇し、燃料導入室22から改質器24に供給されるガス中の改質燃料濃度も上昇する(図4(B))。このように供給された改質燃料を用いて、改質器24では改質反応が進行する。噴射期間t1が経過して停止期間t2になると、燃料導入室22には、改質用ガスだけが供給されるようになる。そして、停止期間t2の間に燃料導入室22に供給される改質用ガスの量は、燃料導入室22の容積V以上のQ×t2であるため、停止期間t2の間に燃料導入室22内は充分に掃気される(図4(C))。これにより、燃料導入室22から改質器24に供給されるガス中の改質燃料濃度は極めて低くなり、改質器24では、改質用ガス中の酸素を用いて析出炭素の酸化が行なわれる。
【0038】
既述したように、要求水素量が減少するときには、停止期間t2がより長く設定されると共に、改質用ガス流量Qがより小さく設定される。逆に、要求水素量が増加するときには、停止期間t2がより短く設定されると共に、改質用ガス流量Qがより大きく設定される。このように要求水素量が変動する場合にも、常に上記(1)式が成り立つように、燃料導入室22の大きさが定められている。このように、燃料改質装置10において予め設定される処理能力の範囲内において運転されるときに、常に上記(1)式が成り立つように、燃料導入室22は設計されている。
【0039】
燃料導入室22の設計の際には、例えば、想定される要求水素量の変動の範囲全体にわたってシミュレーションを行ない、「Q×t2」の予想される最小値を求め、燃料導入室22の容積が上記最小値以下となるようにすればよい。あるいは、上記「Q×t2」の値が特に小さくなると予測される運転状態において、常に上記「Q×t2」以下となるように、燃料導入室22の容積を設定することとしても良い。例えば、本実施例に示したような燃料改質装置では、一般的に低負荷時ほど上記Q×t2が小さくなる傾向があるため、低負荷時の代表的な運転状態(例えば燃料電池システム15が起動状態を維持するのに要する電力のみを発電するアイドリング状態)において(1)式が成り立つように、燃料導入室22の容積Vを定めることとしても良い。上記(1)式が成り立つ範囲において、噴霧した改質燃料を充分に気化させて改質用ガスと混合することができる容積が確保されていればよい。
【0040】
C.効果:
以上のように構成された本実施例の燃料改質装置10によれば、改質燃料の供給を間欠的に行なって改質触媒上の析出炭素の酸化除去を図る際に、停止期間t2に供給される改質用ガス量を、燃料導入室22の容積以上とすることで、析出炭素除去をより確実に実行可能となっている。停止期間t2に供給される改質用ガス量を、燃料導入室22の容積以上とすることで、燃料噴射停止の際には燃料導入室22内が充分に掃気され、改質器24に供給されるガス中の改質燃料の濃度が極めて低くなる状態が実現される。このように改質器24に供給されるガス中の改質燃料の濃度が極めて低くなることで、改質触媒の析出炭素の酸化が効果的に行なわれる。そして、このような動作が繰り返し実行されることで、改質触媒上に析出炭素が堆積してしまうのを防止することができる。
【0041】
図5は、燃料噴射の動作と、改質器24に供給されるガス中の改質燃料濃度との関係を表わす説明図である。図5に示すように、改質器24に供されるガス中の改質燃料濃度は、噴射期間t1において燃焼噴射が開始されると急激に高まり、燃料噴射期間t1の終わりに最も高くなる。そして、改質燃料濃度は、停止期間t2になると、燃料導入室22が改質用ガスによって掃気されることで急激に低下する。このように改質器24に供給されるガス中の改質燃料濃度が低くなる状態を設けることで、改質触媒の析出炭素を良好に酸化除去することが可能となる。具体的には、改質器24に供給されるガス中の改質燃料濃度が1vol%以下となる時間が50msec以上あることが望ましい。なお、析出炭素を燃焼除去する際の効率は、上記改質器24に供給されるガス中の改質燃料濃度の他に、改質触媒上に析出している炭素量や、改質用ガス中の酸素量や、改質触媒温度などの影響を受ける。
【0042】
停止期間t2においては、上記のように、改質器24に供給されるガス中の改質燃料濃度が充分に低くなる状態を設けることで、析出炭素の除去を確実に実行可能となっている。さらに、改質器24に供給されるガス中の改質燃料濃度をより低くすることで、改質器24内の温度がより低い状態であっても、析出炭素の酸化を行なうことが可能となる。そのため、高温となることに起因して改質触媒が劣化するのを抑え、改質器24の耐久性を向上させることができる。
【0043】
本実施例では、燃料噴射量を変更するときには、噴射器20において、デューティー比を一定としつつ噴射期間t1および停止期間t2の長さを変更している。このような構成とすることで、燃料噴射量がより少なく設定されるときにも燃料導入室22内の掃気を充分に行ない、析出炭素を効率よく除去可能となっている。すなわち、燃料噴射量が少ないときには、これに応じて改質用ガス量も少なく設定され、燃料導入室22内の掃気が行なわれにくくなるが、燃料噴射量が少ないときには停止期間t2もより長く設定することにより、改質用ガス流量が少なくなっても燃料導入室22の掃気を充分に行なうことが可能となっている。
【0044】
なお、燃料噴射量を変更するときに、デューティー比に代えて周期Tを変更する制御を行なう場合にも、同様の効果を得ることができる。デューティー比に代えて周期Tを変更する場合にも、燃料噴射量をより少なく設定するときには停止期間t2がより長くなるため、燃料導入室22の掃気を充分に行なうことが可能となる。
【0045】
上記実施例では、停止期間t2において改質燃料の噴射が完全に停止されることとしたが、噴射器20からの改質燃料噴射が完全には停止しない構成とすることも可能である。本実施例では噴射器20として電磁ソレノイド弁を用いたが、用いる噴射器20の種類によっては、燃料噴射の信号がオフとなっても、直ちには燃料噴射が停止しない場合も考えられる。このような場合にも、燃料噴射信号がオフとなる停止期間t2を設けることによって、改質器24に供給されるガス中の改質燃料濃度が上記のように充分に低くなる状態を実現し、同様の効果を得ることができる。
【0046】
D.第2実施例:
第1実施例では、停止期間t2に供給される改質用ガス量を、燃料導入室22の容積以上とすることで、燃料導入室22内を充分に掃気し、改質器24に供給されるガス中の改質燃料濃度を充分に低減可能にしている。以下の第2実施例では、このような構成に加えて、燃料導入室の構造によって燃料導入室内での改質燃料の気化を促進することで、燃料導入室内の掃気の効率のさらなる向上と、改質器24に供給されるガス中の改質燃料濃度のさらなる低減を図っている。
【0047】
図6は、第2実施例の燃料改質装置の要部の断面の様子を表わす説明図である。また、図7は、図6における7−7断面の様子を表わす説明図である。第2実施例の燃料改質装置は、第1実施例の燃料電池システム15と同様のシステムに備えられており、図6では、図1中の噴射器20と燃料導入室22と改質器24に対応する部分のみ示している。図6では、図1と共通する部分には同じ参照番号を付しており、詳しい説明は省略する。
【0048】
図6に示すように、第2実施例では、燃料導入室122と改質器24とは、それぞれ略円柱状に形成されている。そして、断面直径がより大きな円柱として形成される燃料導入室122をと、断面直径がより小さな円柱として形成される改質器124とを直列に接続させた形状として、両者は一体で形成されている。
【0049】
燃料導入室122には、改質用ガス流路32が接続されているが、改質用ガス流路32から導入された高温の改質用ガスは、燃料導入室122内で、円柱内壁面に沿って旋回流を形成する。そして、噴射器20から噴射される改質燃料は、この旋回流を形成する改質用ガスと混ざり合いながら気化する。また、燃料導入室122の壁面内にはヒータ121が配設されており、ヒータ121によって燃料導入室122の壁面は加熱されている。
【0050】
燃料導入室122と改質器124との間には、隔壁123aが設けられている。隔壁123aは、燃料導入室122側に凸となる円錐壁面状に形成されており、その中央部(頭頂部)には連通穴123bが形成されている。燃料導入室122内で気化した改質燃料と改質用ガスとが混合された混合ガスは、連通穴123bを介して改質器124へ導入される。
【0051】
改質器124内には、改質触媒125が備えられている。改質触媒125は、ハニカム担体上に担持させたりペレット状に形成するなど種々の形状とすることができるが、本実施例ではハニカム担体を用いている。混合ガスが改質器124に供給されると、改質触媒上で改質反応が進行し、生じた改質ガスは熱交換器へと排出される。
【0052】
以上のように構成された第2実施例の燃料改質装置によれば、燃料導入室122に供給される改質用ガスが燃料導入室122内で旋回流を形成するため、噴霧された改質燃料液滴のうち、比較的粒径が大きく気化が遅いものは、燃料導入室122の壁面上へと吹き飛ばされる。旋回流によって壁面上へと吹き飛ばされることで、改質燃料液滴と燃料導入室122の壁面との接触面積(伝熱面積)は大きくなる。このとき、燃料導入室122の壁面は、ヒータ121によって加熱されているため、燃料導入室122の壁面上に吹き飛ばされた改質燃料液滴は、燃料導入室122の壁面上で速やかに気化することができる。このように、改質燃料液滴の気化を促進することで、燃料導入室122内で改質燃料が滞留してしまうのを防ぐことができ、燃料噴射を停止する停止期間t2における燃料導入室122内の掃気効率を向上させることができる。そして、燃料導入室122の掃気効率を向上させることで、改質触媒における析出炭素の酸化除去の効率を向上させることができる。なお、ヒータ121によって燃料導入室122の壁面を加熱する際に、壁面上でライデンフロスト現象が起こる温度にまで上記壁面が昇温する場合には、改質燃料の液滴が壁面上を動き回ることにより液滴の微粒化が促進される。このように改質燃料の液滴を微粒化することによっても、改質燃料の気化を促進することができる。
【0053】
さらに、上記のように燃料導入室122内に供給される改質用ガスが燃料導入室122内で旋回流を形成することによって、未気化の液滴が改質器124側に流れ込んで、改質触媒表面に改質燃料液滴が付着して不都合を生じるのを防止するという効果も得られる。
【0054】
さらに、本実施例の燃料改質装置において、改質用ガス流路32の直径は、改質用ガス流路32から燃料導入室122内に導入される改質用ガスが乱流として流動する直径(図7に示したD)に設定することが好ましい。流体の流れが層流であるか乱流であるかは、レイノルズ係数Re(Re=Dv/ν、v:改質用ガスの流速、ν:流体の動粘性係数)を用いて判断することが可能である。流体の流れが乱流となる境界臨界レイノルズ係数Re=約2000であることが知られている。
【0055】
このように、燃料導入室122に供給する改質用ガスを乱流とすることで、噴霧された改質燃料液滴の気化をさらに促進し、燃料導入室122からの掃気の効率を向上させることができる。改質用ガスを乱流とすることで改質燃料液滴の気化が促進されるのは、以下のような理由であると考えられる。微粒化した改質燃料液滴が蒸発する際には、蒸発した改質燃料蒸気の層によって改質燃料液滴の周りが覆われてしまう。この結果、改質燃料液滴への熱伝導が妨げられ、改質用ガスの熱エネルギによって改質燃料液滴を気化する効率が低下してしまう場合がある。ここで、改質用ガスの流れを乱流とすることにより、改質燃料液滴を覆う蒸気層を除去する効果が得られ、改質燃料の気化を促進することができる。
【0056】
なお、第2実施例では、燃料導入室122の壁面を加熱するためにヒータ121を設けたが、異なる種類の加熱部を設けることとしても良い。燃料改質装置を備えるシステム内で高温ガス(例えば燃焼ガス)が発生する場合には、この高温ガスが燃料導入室122の壁面を加熱可能となるように、上記高温ガスの流路を引き回すこととしても良い。
【0057】
E.変形例:
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【0058】
E1.変形例1:
第1および第2実施例では、改質用ガスの流量は、噴射期間t1と停止期間t2とを通して略一定となるように制御したが、噴射期間t1と停止期間t2とで改質用ガス流量を変える制御を行なっても良い。この場合にも、停止期間t2に燃料導入室内に供給される改質用ガス量が、燃料導入室の容積以上であれば、同様の効果を得ることができる。
【0059】
E2.変形例2:
第1および第2実施例では、停止期間t2には、空気と水蒸気とからなる改質用ガスを供給したが、少なくとも酸素を含有する酸化剤ガスを供給することとすれば、析出炭素の酸化除去を同様に行なうことができる。例えば、停止期間t2には、水蒸気の供給を行なわないこととしてもよい。停止期間t2に燃料導入室に供給する酸化剤ガスとして空気を用いる場合には、停止期間t2に供給される空気量が、燃料導入室の容積以上であればよい。
【0060】
E3.変形例3:
また、既述した実施例では、燃料導入室に対して、改質用ガスとして空気と水蒸気とを一緒に投入することとしたが、両者を別々に燃料導入室に供給することとしても良い。例えば、予め生成した水蒸気を燃料導入室に供給する代わりに、ノズルを用いて燃料導入室内に液水を噴霧して、加熱空気の持ち込む熱を利用して改質燃料と共に気化させることとしても良い。この場合には、停止期間t2に加熱空気を燃料導入室に供給する際に、水の噴霧を同時に行なうこととしても良いし、水の噴霧は行なわないこととしても良い。
【0061】
あるいは、空気の全量を水蒸気と共に改質用ガスとして燃料導入室に供給するのに代えて、供給すべき空気の少なくとも一部を、噴射器20から供給することとしても良い。例えば、2流体ノズルとして構成される噴射器20によって改質燃料を噴霧することとし、2流体ノズルで用いるアシストガスとして空気を用いることとしても良い。
【0062】
E4.変形例4:
また、既述した実施例では、燃料導入室と改質器とを区別して設けたが、構造上、両者の区別を設けない構成も可能である。図8は、変形例としての燃料改質装置の構成の概略を表わす説明図である。図8の燃料改質装置における改質器224は、改質触媒125と、その上流側に所定の広さを持つ空間として形成され、ヒータ221を配設した噴霧・混合部222と、を備えている。そして、改質燃料を噴射器220からこの噴霧・混合部222内に噴射すると共に、改質用ガスを噴霧・混合部222内に供給している。噴射器220から噴射された改質燃料は、ヒータ221の熱および改質用ガスの熱によって気化され、改質用ガスと混ざり合いながら、改質用ガスの流れによって改質触媒225に導かれる。このような燃料改質装置では、上記噴霧・混合部222が、改質燃料が直接導入される燃料導入室に相当し、停止期間t2に供給される改質用ガス量が、噴霧・混合部222の容積以上であればよい。
【0063】
E5.変形例5:
噴射器20から噴射する液体改質燃料としては、種々の炭化水素系燃料を用いることができる。例えば、ガソリンやアルコール、あるいはアルデヒドを含有するものを用いることができる。また、実施例では、改質燃料として液体燃料を用いたが、気体燃料を用いることとしても良い。この場合には、燃料導入室内に液体燃料を噴霧するのに代えて、燃料導入室に気体燃料を気体のまま導入すればよい。間欠的に改質燃料を燃料導入室内に吐出し、燃料の吐出を停止している間に、燃料導入室の容積以上の量の酸化剤ガスが燃料導入室内に供給されるならば、同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例としての燃料改質装置10を備える燃料電池システム15の構成の概略を表わすブロック図である。
【図2】運転制御処理ルーチンを表わすフローチャートである。
【図3】析出炭素の除去操作における燃料噴射の様子を例示する説明図である。
【図4】噴射器20から間欠的に改質燃料が噴射されるときの、燃料導入室22および改質器24の様子を模式的に表わす説明図である。
【図5】燃料噴射の動作と、改質触媒に供給されるガス中の改質燃料濃度との関係を表わす説明図である。
【図6】第2実施例の燃料改質装置の要部断面の様子を表わす説明図である。
【図7】図6における7−7断面の様子を表わす説明図である。
【図8】変形例としての燃料改質装置の構成の概略を表わす説明図である。
【符号の説明】
10…燃料改質装置
15…燃料電池システム
17…燃料電池
20,220…噴射器
22,122…燃料導入室
24,124,224…改質器
26…熱交換器
28…CO低減部
30…加熱部
31…バルブ
32…改質用ガス流路
35…制御部
121…ヒータ
123a…隔壁
123b…連通穴
125,225…改質触媒
221…ヒータ
222…噴霧・混合部
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel reforming apparatus that generates hydrogen from a hydrocarbon-based reformed fuel by utilizing a reforming reaction, and a method of operating the same.
[0002]
[Prior art]
As a method for generating hydrogen, a method for generating hydrogen from a hydrocarbon-based fuel by a reforming reaction is known. For example, Patent Literature 1 discloses a technique in which a steam reforming reaction and a partial oxidation reaction are used in combination as a reforming reaction to generate hydrogen from gasoline and supply the generated hydrogen to a fuel cell.
[0003]
[Patent Document 1]
JP-A-11-79703
[Patent Document 2]
JP 2001-139301 A
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, when reforming a hydrocarbon-based fuel such as gasoline, there is a problem that carbon is deposited on a catalyst that promotes the reforming reaction in the course of the progress of the reforming reaction. If carbon is deposited on the reforming catalyst, the reforming reaction may be hindered by the deposited carbon, and the efficiency of the reforming reaction may be reduced.
[0005]
The present invention has been made in order to solve the above-mentioned conventional problems, and when reforming a hydrocarbon-based fuel to generate hydrogen, a modification caused by carbon precipitation on a reforming catalyst. The purpose of the present invention is to suppress a decrease in efficiency of the quality reaction.
[0006]
[Means for Solving the Problems and Their Functions and Effects]
In order to achieve the above object, a first fuel reformer of the present invention intermittently supplies a hydrocarbon-based reformed fuel to a reforming catalyst and utilizes the reforming reaction to perform the reforming. A fuel reformer that generates hydrogen from fuel,
A reformed fuel discharge unit that intermittently discharges the reformed fuel,
An oxidizing gas supply unit that discharges an oxidizing gas containing oxygen when at least the reformed fuel discharging unit stops discharging the reformed fuel;
A fuel introduction chamber into which the reformed fuel discharged by the reformed fuel discharge unit and the oxidant gas discharged by the oxidant gas supply unit are directly introduced;
A catalyst unit that is provided connected to the fuel introduction chamber, includes the reforming catalyst, and is supplied with the reformed fuel and the oxidizing gas via the fuel introduction chamber;
While controlling the reformed fuel discharge unit to discharge the reformed fuel in an amount suitable for the reforming reaction, every time the reformed fuel discharge unit stops discharging the reformed fuel, the fuel A control unit that controls the oxidizing gas supply unit so as to discharge the oxidizing gas in an amount equal to or greater than the volume of the introduction chamber;
The gist is to provide
[0007]
According to the first fuel reforming apparatus of the present invention configured as described above, the discharge of the reformed fuel is stopped when the operation of discharging the reformed fuel and the operation of stopping the discharge are alternately repeated. Occasionally, carbon deposited on the reforming catalyst can be oxidized and removed by supplying an oxidizing gas to the catalyst section. Here, every time the discharge of the reformed fuel is stopped, an amount of the oxidizing gas equal to or larger than the volume of the fuel introduction chamber is discharged into the fuel introduction chamber. The gas can be scavenged well. By sufficiently scavenging the fuel introduction chamber, a state in which the concentration of the reformed fuel in the gas supplied to the catalyst section is extremely low is realized, and the oxidized removal of deposited carbon can be favorably performed.
[0008]
In the first fuel reforming apparatus of the present invention, the control unit is supplied to the catalyst unit via the fuel introduction chamber while the reformed fuel discharge unit stops discharging the reformed fuel. It is preferable to control the discharge amount of the oxidizing gas from the oxidizing gas supply unit such that the concentration of the reformed fuel in the gas becomes 1 vol% or less. With this configuration, the carbon deposited on the reforming catalyst can be oxidized and removed more reliably.
[0009]
In the first fuel reforming device of the present invention, the control unit varies an amount of the oxidizing gas discharged from the oxidizing gas supply unit according to an amount of hydrogen to be generated by the fuel reforming device. In addition, the reformed fuel discharging unit and the oxidizing gas are oxidized such that the smaller the amount of the oxidizing gas discharged from the oxidizing gas supply unit, the longer the operation for stopping the discharge of the reformed fuel is performed. Control with the agent gas supply unit may be performed.
[0010]
With such a configuration, even when the supply amount of the oxidizing gas decreases due to a change in the amount of hydrogen to be generated by the fuel reformer, the scavenging of the fuel introduction chamber by the oxidizing gas can be reliably performed. Can be.
[0011]
The second fuel reforming apparatus of the present invention intermittently supplies a hydrocarbon-based reformed fuel to a reforming catalyst and utilizes a reforming reaction to generate hydrogen from the reformed fuel. Quality device,
A reformed fuel discharge unit that intermittently discharges the reformed fuel,
An oxidizing gas supply unit that discharges an oxidizing gas containing oxygen when at least the reformed fuel discharging unit stops discharging the reformed fuel;
While the reformed fuel discharged from the reformed fuel discharging unit and the oxidizing gas discharged from the oxidizing gas supply unit are directly introduced, and the reformed fuel discharging unit stops discharging the reformed fuel. A fuel introduction chamber formed to have a volume equal to or less than the amount of the oxidizing gas discharged by the oxidizing gas supply unit,
A catalyst unit that is provided connected to the fuel introduction chamber, includes the reforming catalyst, and is supplied with the reformed fuel and the oxidizing gas via the fuel introduction chamber;
While controlling the reformed fuel discharge unit to supply the reformed fuel in an amount suitable for the reforming reaction to the catalyst unit, the amount of the reformed fuel discharged from the reformed fuel discharge unit is controlled. A control unit that controls the oxidizing gas supply unit so as to discharge the oxidizing gas in an appropriate amount;
The gist is to provide
[0012]
According to the second fuel reforming apparatus of the present invention configured as described above, the discharge of the reformed fuel is stopped when the operation of discharging the reformed fuel and the operation of stopping the discharge are alternately repeated. Occasionally, carbon deposited on the reforming catalyst can be oxidized and removed by supplying an oxidizing gas to the catalyst section. Here, since the fuel introduction chamber is formed so as to have a volume equal to or less than the amount of the oxidizing gas supplied while the discharge of the reformed fuel is stopped, the fuel introduction chamber is stopped when the discharge of the reformed fuel is stopped. Can be favorably scavenged by the oxidizing gas. By sufficiently scavenging the fuel introduction chamber, a state in which the concentration of the reformed fuel in the gas supplied to the catalyst section is extremely low is realized, and the oxidized removal of deposited carbon can be favorably performed.
[0013]
In the first or second fuel reformer of the present invention,
The reformed fuel discharging unit sprays the liquid reformed fuel into the fuel introduction chamber,
The oxidizing gas supply unit discharges the oxidizing gas, which has been heated to a predetermined high temperature at which the sprayed reformed fuel can be vaporized, even when performing the discharging operation of the reformed fuel,
The fuel introduction chamber may include a heating unit for heating the inner wall surface.
[0014]
With such a configuration, the reformed fuel sprayed into the fuel introduction chamber is vaporized by using heat of the oxidizing gas, and further heats the inner wall surface of the fuel introduction chamber heated by the heating unit. Can be vaporized using. Therefore, the reformed fuel can be efficiently vaporized, and the sprayed droplets of the reformed fuel do not stay in the fuel introduction chamber. Therefore, when the discharge of the reformed fuel is stopped, the inside of the fuel introduction chamber is quickly scavenged, and the concentration of the reformed fuel in the gas supplied to the catalyst portion can be more reliably reduced, so that the efficiency of removing deposited carbon can be reduced. Can be improved.
[0015]
In such a fuel reforming apparatus, the oxidizing gas supply unit may supply the oxidizing gas to the fuel introducing chamber so that the oxidizing gas forms a swirling flow in the fuel introducing chamber. good. Thereby, the efficiency of vaporizing the sprayed droplets of the reformed fuel by using the heat of the inner wall surface of the fuel introduction chamber can be further improved.
[0016]
In the first or second fuel reformer of the present invention,
The reformed fuel discharging unit sprays the liquid reformed fuel into the fuel introduction chamber,
The oxidizing gas supply unit is configured to supply the oxidizing gas, which has been heated to a predetermined high temperature at which the sprayed reformed fuel can be vaporized, into a turbulent state even when the reforming fuel is discharged. May be supplied into the fuel introduction chamber.
[0017]
With such a configuration, the vaporization of the reformed fuel droplets sprayed into the fuel introduction chamber can be promoted, and the efficiency of scavenging the fuel introduction chamber can be improved.
[0018]
The present invention can be realized in various forms other than the above. For example, the present invention can be realized in a form such as a fuel cell system having a fuel reformer, an operation method of the fuel reformer, and the like.
[0019]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described in the following order based on examples.
A. Overall configuration of the device:
B. Removal operation of deposited carbon:
C. effect:
D. Second embodiment:
E. FIG. Modification:
[0020]
A. Overall configuration of the device:
FIG. 1 is a block diagram schematically illustrating a configuration of a fuel cell system 15 including a fuel reformer 10 and a fuel cell 17 as an embodiment. The fuel reformer 10 includes an injector 20, a fuel introduction chamber 22, a reformer 24, a heat exchanger 26, a CO reduction unit 28, a heating unit 30, and a control unit 35.
[0021]
The injector 20 injects a hydrocarbon-based reformed fuel into the fuel introduction chamber 22. In the present embodiment, a liquid hydrocarbon is used as the reformed fuel, and the injector 20 includes a nozzle for spraying the liquid reformed fuel in the form of liquid fine particles. The injector 20 can be formed, for example, as an electromagnetic solenoid valve that can control the amount of reformed fuel to be sprayed by opening and closing the valve. The size of the droplet of the reformed fuel to be sprayed can be adjusted by the size of the discharge port provided at the tip of the nozzle. In the present embodiment, when injecting a predetermined amount of reformed fuel, the injector 20 is controlled so as to intermittently perform this injection operation.
[0022]
In the fuel introduction chamber 22, in addition to the reformed fuel injected from the injector 20, steam and air (hereinafter, steam and air supplied to the fuel introduction chamber 22 are collectively referred to as a reforming gas). Is supplied through a reforming gas flow path 32. The reforming gas supplied to the fuel introduction chamber 22 is heated in the heating unit 30 prior to the supply. In order to adjust the amount of the reforming gas supplied from the heating unit 30 to the fuel introduction chamber 22, a valve 31 is provided in a reforming gas flow path 32 connecting the heating unit 30 and the fuel introduction chamber 22. Have been. In the fuel introduction chamber 22, the reformed fuel and the reforming gas are mixed to form a mixed gas, and the mixed gas is sent to the reformer 24. In the fuel reforming apparatus 10 of the present embodiment, the amount of the reforming gas supplied when the injector 20 described above stops the injection of the reformed fuel is greater than the volume of the fuel introduction chamber 22. This will be described in detail later.
[0023]
The reformer 24 includes a reforming catalyst that promotes a reforming reaction. The reforming catalyst may be appropriately selected according to the reforming fuel to be used. Since the steam and the air are supplied to the reformer 24 of the present embodiment as described above, the steam reforming reaction and the partial oxidation reaction proceed as the reforming reaction. By performing the steam reforming reaction, which is an endothermic reaction, and the partial oxidation reaction, which is an exothermic reaction, at least a part of the heat required for the steam reforming reaction can be supplied by the partial oxidation reaction. The reformer 24 may further include a heat source such as a heater, and the temperature in the reformer 24 is controlled so as to be in a predetermined temperature range suitable for the reforming fuel and the reforming catalyst to be used. . In this specification, the gas containing hydrogen generated in the reformer 24 is referred to as a reformed gas. In the reformer 24, a reaction for oxidizing the carbon deposited on the reforming catalyst also proceeds, which will be described later.
[0024]
The heat exchanger 26 is a device for lowering the temperature of the reformed gas discharged from the reformer 24 by exchanging heat with a predetermined refrigerant. The reformed gas cooled in the heat exchanger 26 is supplied to the CO reduction unit 28. Note that, as the refrigerant used in the heat exchanger 26, at least one of air and water to be supplied to the fuel introduction chamber 22 may be used.
[0025]
The CO reduction unit 28 is a device that reduces the concentration of carbon monoxide in the reformed gas supplied from the reformer 24. The reformed gas supplied from the reformer 24 usually contains a predetermined amount of carbon monoxide. When the gas containing carbon monoxide is supplied to the fuel cell 17 in this manner, the platinum catalyst included in the fuel cell 17 may be poisoned by the carbon monoxide, and the cell performance may be reduced. Therefore, a CO reduction unit 28 is provided to reduce the concentration of carbon monoxide in the reformed gas supplied to the fuel cell 17. The CO reduction unit 28 includes a catalyst that promotes a shift reaction that produces carbon dioxide and hydrogen from carbon monoxide and water vapor, and can be a shift unit that reduces the concentration of carbon monoxide in the hydrogen-rich gas by the shift reaction. . Alternatively, a carbon monoxide selective oxidizing unit that includes a catalyst that promotes a selective oxidation reaction that oxidizes carbon monoxide in preference to hydrogen and that reduces the concentration of carbon monoxide in a hydrogen-rich gas by the carbon monoxide selective oxidation reaction. Can be. Further, the CO reduction unit 28 may include both the shift unit and the carbon monoxide selective oxidation unit. Alternatively, the CO reduction unit 28 can be a device that selectively extracts hydrogen using a hydrogen separation membrane containing, for example, palladium.
[0026]
The reformed gas whose carbon monoxide concentration has been reduced by the CO reduction unit 28 is supplied to the anode of the fuel cell 17 as a fuel gas. Further, air is supplied as an oxidizing gas from the blower 34 to the cathode of the fuel cell 17, and an electrochemical reaction proceeds in the fuel cell 17.
[0027]
The control unit 35 is configured as a logic circuit centered on a microcomputer, and includes a CPU, a ROM, a RAM, and input / output ports for inputting and outputting various signals. The control unit 35 inputs detection signals from various sensors included in the fuel cell system 15 and outputs drive signals to the injector 20 and the valve 31 described above. As described above, the control unit 35 controls the operating state of the entire fuel cell system 15 including the fuel reformer 10.
[0028]
Although the fuel reformer 10 of the present embodiment supplies hydrogen to the fuel cell 17, the hydrogen generated by the fuel reformer may be supplied to different types of hydrogen consuming devices. good.
[0029]
B. Removal operation of deposited carbon:
In the fuel reforming apparatus 10 of the present embodiment, the operation of removing deposited carbon is performed by intermittently injecting reformed fuel from the injector 20 into the fuel introduction chamber 22. That is, when the reforming reaction proceeds, carbon may be deposited on the reforming catalyst, but a period in which fuel injection is stopped is provided. By supplying only carbon, the carbon deposited on the reforming catalyst is oxidized and removed. Further, in the fuel reforming apparatus 10 of the present embodiment, the volume of the fuel introduction chamber 22 is equal to or less than the amount (volume) of the reforming gas supplied to the fuel introduction chamber 22 while the fuel injection is stopped. It is formed as follows. This makes it possible to more reliably remove the deposited carbon. Hereinafter, control for intermittently performing fuel injection will be described.
[0030]
FIG. 2 is a flowchart illustrating an operation control processing routine that is repeatedly executed at a predetermined timing in the control unit 35 during operation of the fuel reforming apparatus 10.
[0031]
When this routine is executed, the control unit 35 first inputs a required hydrogen amount (step S100). The required hydrogen amount is the amount of hydrogen to be generated by the fuel reformer 10, and can be determined based on, for example, the amount of power required for the fuel cell 17.
[0032]
Next, the control unit 35 sets the fuel injection amount and the reforming gas amount based on the required hydrogen amount (step S110). The fuel injection amount is a reformed fuel amount required to generate an amount of hydrogen corresponding to the required hydrogen amount by the reforming reaction, and is set according to the efficiency of the reforming reaction in the reformer 24. The reforming gas amount (air amount and water vapor amount) is set to be a predetermined ratio with respect to the supplied reforming fuel amount. In this embodiment, O / C (the ratio of oxygen molecules in the reforming gas to carbon atoms in the reformed fuel) and S / C (in advance, so that the reforming reaction proceeds well in the reformer 24). (The ratio of water molecules in the reforming gas to carbon atoms in the reformed fuel). Then, the reforming gas amount is set based on the reformed fuel amount and the O / C and S / C. The reformed fuel amount and the reforming gas amount set in step S110 may be calculated each time based on the required hydrogen amount as described above, or the required hydrogen amount and the set amount may be calculated in advance. The setting may be made using the associated map.
[0033]
The fuel injection amount and the reforming gas amount may be set in consideration of parameters other than the required hydrogen amount. Such other parameters include, for example, the temperature of the reformer 24. Since the efficiency of the reforming reaction varies depending on the temperature of the reformer 24, it is possible to more accurately set the amount of reformed fuel required to obtain a desired amount of hydrogen by considering the temperature of the reformer 24. Can be. When the temperature of the reformer 24 is low (such as during warm air), the amount of water vapor in the reforming gas is reduced and the amount of air is increased, so that the oxidation reaction in the reformer 24 becomes more active. It may be performed.
[0034]
After setting the fuel injection amount and the reforming gas amount, the control unit 35 sets a period during which fuel injection is performed and a period during which fuel injection is stopped (step S120). FIG. 3 is an explanatory view illustrating the state of fuel injection in the operation of removing deposited carbon. As shown in FIG. 3, the execution cycle T includes an injection period t1 for performing fuel injection and a stop period t2 for stopping fuel injection. In the stop period t2, only the reforming gas is supplied to the fuel introduction chamber 22. In the present embodiment, the execution period T is fixed, and the time density (hereinafter, referred to as a duty ratio) between the injection period t1 and the stop period t2 is controlled according to the fuel injection amount set in step S110. Since the flow rate of the reformed fuel injected from the injector 20 is determined by the performance of the injector 20 (for example, the size of the discharge port of the nozzle, the injection pressure, etc.), the reformed fuel flow rate and the fuel injection amount set in step S120 , The injection period t1 can be set. FIG. 3A shows a case where the required power amount is larger, that is, a case where the required hydrogen amount is larger, and FIG. 3B shows a case where the required hydrogen amount and the required hydrogen amount are smaller. As shown in FIG. 3, the injection period t1 is set longer as the required hydrogen amount increases. When actually setting each of the above periods, the injection period t1 and / or the stop period t2 are determined in advance and stored in the control unit 35 as a map corresponding to the required hydrogen amount or the reforming catalyst temperature. Alternatively, this map may be referred to.
[0035]
The control unit 35 controls each unit of the fuel reforming apparatus 10 according to the various control amounts set by the above processing (step S130), and ends this routine. As a result, the operation in which the fuel injection is performed in the period t1 and the operation in which the injection is stopped is performed in the period t2 are repeated, and the reformed fuel in the amount set in step S110 is supplied as a whole, and hydrogen is generated by the reforming reaction. The reforming gas is supplied in a substantially constant state irrespective of the injection period t1 and the stop period t2 such that the supply amount thereof becomes the amount set in step S110 (hereinafter, referred to as the reforming gas flow rate Q). Supplied with. Thus, in the stop period t2, the carbon in the reforming gas is oxidized and removed using the oxygen in the reforming gas.
[0036]
Here, the fuel reforming apparatus 10 of the present embodiment is configured such that the reforming gas amount (volume) supplied during the stop period t2 is equal to or larger than the volume V of the fuel introduction chamber 22. That is, even when the required hydrogen amount fluctuates and the stop period t2 fluctuates, the following expression (1) holds for the reforming gas flow rate Q.
Q × t2 ≧ V (1)
[0037]
FIG. 4 is an explanatory diagram schematically showing a state of the fuel introduction chamber 22 and the reformer 24 when the reformed fuel is intermittently injected from the injector 20. When the injection of the reformed fuel from the injector 20 is started during the injection period t1 (FIG. 4A), the reformed fuel concentration in the fuel introduction chamber 22 increases and is supplied from the fuel introduction chamber 22 to the reformer 24. The concentration of the reformed fuel in the gas also increases (FIG. 4B). The reforming reaction proceeds in the reformer 24 using the reformed fuel thus supplied. When the injection period t1 elapses and the stop period t2 is reached, only the reforming gas is supplied to the fuel introduction chamber 22. The amount of the reforming gas supplied to the fuel introduction chamber 22 during the stop period t2 is Q × t2, which is equal to or larger than the volume V of the fuel introduction chamber 22, so that the fuel introduction chamber 22 during the stop period t2. The inside is sufficiently scavenged (FIG. 4C). As a result, the concentration of the reformed fuel in the gas supplied from the fuel introduction chamber 22 to the reformer 24 becomes extremely low, and the reformer 24 oxidizes the deposited carbon using oxygen in the reforming gas. It is.
[0038]
As described above, when the required hydrogen amount decreases, the stop period t2 is set longer, and the reforming gas flow rate Q is set smaller. Conversely, when the required hydrogen amount increases, the stop period t2 is set shorter and the reforming gas flow rate Q is set larger. Thus, even when the required hydrogen amount fluctuates, the size of the fuel introduction chamber 22 is determined so that the above equation (1) always holds. As described above, the fuel introduction chamber 22 is designed such that the above equation (1) is always satisfied when the fuel reforming apparatus 10 is operated within a preset processing capacity range.
[0039]
When designing the fuel introduction chamber 22, for example, a simulation is performed over the entire range of the assumed variation in the required amount of hydrogen, the expected minimum value of “Q × t2” is determined, and the volume of the fuel introduction chamber 22 is reduced. What is necessary is just to make it below the said minimum value. Alternatively, in an operating state in which the value of “Q × t2” is expected to be particularly small, the volume of the fuel introduction chamber 22 may be set so as to be always equal to or smaller than “Q × t2”. For example, in a fuel reformer such as that shown in this embodiment, since the above-mentioned Q × t2 generally tends to decrease as the load decreases, a typical operating state at a low load (for example, the fuel cell system 15). The volume V of the fuel introduction chamber 22 may be determined so that the expression (1) is satisfied in a case where the engine is in an idling state in which only the electric power required to maintain the activation state is generated. As long as the above formula (1) is satisfied, it is sufficient that a sufficient volume is secured to sufficiently vaporize the sprayed reformed fuel and mix it with the reforming gas.
[0040]
C. effect:
According to the fuel reformer 10 of the present embodiment configured as described above, when the supply of the reformed fuel is performed intermittently to oxidize and remove the deposited carbon on the reforming catalyst, the stop period t2 By setting the supplied reforming gas amount to be equal to or larger than the volume of the fuel introduction chamber 22, it is possible to more reliably remove the deposited carbon. By setting the amount of the reforming gas supplied during the stop period t2 to be equal to or larger than the volume of the fuel introduction chamber 22, the inside of the fuel introduction chamber 22 is sufficiently scavenged when the fuel injection is stopped, and supplied to the reformer 24. A state in which the concentration of the reformed fuel in the gas to be performed is extremely low is realized. Since the concentration of the reformed fuel in the gas supplied to the reformer 24 is extremely low, the oxidation of the deposited carbon of the reforming catalyst is effectively performed. Then, by repeatedly performing such an operation, it is possible to prevent deposition of deposited carbon on the reforming catalyst.
[0041]
FIG. 5 is an explanatory diagram showing the relationship between the fuel injection operation and the reformed fuel concentration in the gas supplied to the reformer 24. As shown in FIG. 5, the reformed fuel concentration in the gas supplied to the reformer 24 sharply increases when the combustion injection is started in the injection period t1, and becomes highest at the end of the fuel injection period t1. Then, when the stop period t2 is reached, the reformed fuel concentration sharply decreases as the fuel introduction chamber 22 is scavenged by the reforming gas. By providing a state in which the concentration of the reformed fuel in the gas supplied to the reformer 24 is reduced in this manner, it is possible to oxidize and remove the deposited carbon of the reforming catalyst in a favorable manner. Specifically, it is desirable that the time during which the concentration of the reformed fuel in the gas supplied to the reformer 24 becomes 1 vol% or less is 50 msec or more. The efficiency of burning and removing the deposited carbon depends on the amount of carbon deposited on the reforming catalyst and the amount of the reforming gas, in addition to the concentration of the reforming fuel in the gas supplied to the reformer 24. It is affected by the amount of oxygen in the medium and the temperature of the reforming catalyst.
[0042]
In the stop period t2, as described above, by providing a state in which the concentration of the reformed fuel in the gas supplied to the reformer 24 is sufficiently low, it is possible to reliably remove the deposited carbon. . Further, by lowering the reformed fuel concentration in the gas supplied to the reformer 24, even if the temperature inside the reformer 24 is lower, the deposited carbon can be oxidized. Become. Therefore, the deterioration of the reforming catalyst due to the high temperature can be suppressed, and the durability of the reformer 24 can be improved.
[0043]
In the present embodiment, when the fuel injection amount is changed, the length of the injection period t1 and the length of the stop period t2 are changed in the injector 20 while keeping the duty ratio constant. With such a configuration, even when the fuel injection amount is set smaller, the scavenging of the fuel introduction chamber 22 is sufficiently performed, and the deposited carbon can be efficiently removed. That is, when the fuel injection amount is small, the reforming gas amount is set to be small accordingly, and it becomes difficult to scavenge the fuel introduction chamber 22. However, when the fuel injection amount is small, the stop period t2 is set longer. By doing so, it is possible to sufficiently scavenge the fuel introduction chamber 22 even if the reforming gas flow rate decreases.
[0044]
It should be noted that a similar effect can be obtained when changing the cycle T in place of the duty ratio when changing the fuel injection amount. Even when the cycle T is changed instead of the duty ratio, when the fuel injection amount is set smaller, the stop period t2 becomes longer, so that the fuel introduction chamber 22 can be scavenged sufficiently.
[0045]
In the above embodiment, the injection of the reformed fuel is completely stopped in the stop period t2. However, a configuration in which the injection of the reformed fuel from the injector 20 is not completely stopped may be adopted. In this embodiment, an electromagnetic solenoid valve is used as the injector 20. However, depending on the type of the injector 20, the fuel injection may not be stopped immediately even if the fuel injection signal is turned off. Also in such a case, by providing the stop period t2 during which the fuel injection signal is turned off, a state in which the concentration of the reformed fuel in the gas supplied to the reformer 24 becomes sufficiently low as described above is realized. The same effect can be obtained.
[0046]
D. Second embodiment:
In the first embodiment, the amount of the reforming gas supplied during the stop period t2 is set to be equal to or larger than the volume of the fuel introduction chamber 22, so that the inside of the fuel introduction chamber 22 is sufficiently scavenged and supplied to the reformer 24. This makes it possible to sufficiently reduce the reformed fuel concentration in the gas. In the following second embodiment, in addition to such a configuration, the structure of the fuel introduction chamber promotes the vaporization of reformed fuel in the fuel introduction chamber, thereby further improving the efficiency of scavenging in the fuel introduction chamber. The reformer fuel concentration in the gas supplied to the reformer 24 is further reduced.
[0047]
FIG. 6 is an explanatory diagram showing a state of a cross section of a main part of the fuel reformer of the second embodiment. FIG. 7 is an explanatory diagram showing a cross section taken along line 7-7 in FIG. The fuel reforming apparatus according to the second embodiment is provided in a system similar to the fuel cell system 15 according to the first embodiment. In FIG. 6, the injector 20, the fuel introduction chamber 22, and the reformer 20 in FIG. Only the portion corresponding to 24 is shown. 6, the same reference numerals are given to the same parts as those in FIG. 1, and the detailed description will be omitted.
[0048]
As shown in FIG. 6, in the second embodiment, the fuel introduction chamber 122 and the reformer 24 are each formed in a substantially columnar shape. The fuel introduction chamber 122 formed as a column having a larger cross-sectional diameter and the reformer 124 formed as a column having a smaller cross-sectional diameter are connected in series, and both are integrally formed. I have.
[0049]
The reforming gas passage 32 is connected to the fuel introduction chamber 122, and the high-temperature reforming gas introduced from the reforming gas passage 32 flows through the inner wall of the cylinder inside the fuel introduction chamber 122. To form a swirling flow. Then, the reformed fuel injected from the injector 20 evaporates while being mixed with the reforming gas forming the swirling flow. A heater 121 is provided in the wall of the fuel introduction chamber 122, and the wall of the fuel introduction chamber 122 is heated by the heater 121.
[0050]
A partition 123a is provided between the fuel introduction chamber 122 and the reformer 124. The partition wall 123a is formed in a conical wall shape protruding toward the fuel introduction chamber 122, and a communication hole 123b is formed in a central portion (top portion) thereof. The mixed gas in which the reformed fuel vaporized in the fuel introduction chamber 122 and the reforming gas are mixed is introduced into the reformer 124 through the communication hole 123b.
[0051]
In the reformer 124, a reforming catalyst 125 is provided. The reforming catalyst 125 can have various shapes, such as being supported on a honeycomb carrier or formed in a pellet shape. In this embodiment, a honeycomb carrier is used. When the mixed gas is supplied to the reformer 124, the reforming reaction proceeds on the reforming catalyst, and the generated reformed gas is discharged to the heat exchanger.
[0052]
According to the fuel reforming apparatus of the second embodiment configured as described above, since the reforming gas supplied to the fuel introduction chamber 122 forms a swirl flow in the fuel introduction chamber 122, the reformed gas is sprayed. Among the high quality fuel droplets, those having a relatively large particle diameter and slow vaporization are blown off onto the wall surface of the fuel introduction chamber 122. By being blown off onto the wall surface by the swirling flow, the contact area (heat transfer area) between the reformed fuel droplet and the wall surface of the fuel introduction chamber 122 increases. At this time, since the wall surface of the fuel introduction chamber 122 is heated by the heater 121, the reformed fuel droplet blown off on the wall surface of the fuel introduction chamber 122 is quickly vaporized on the wall surface of the fuel introduction chamber 122. be able to. In this way, by promoting the vaporization of the reformed fuel droplets, it is possible to prevent the reformed fuel from staying in the fuel introduction chamber 122, and the fuel introduction chamber during the stop period t2 in which the fuel injection is stopped. The scavenging efficiency in the interior 122 can be improved. Then, by improving the scavenging efficiency of the fuel introduction chamber 122, the efficiency of oxidizing and removing deposited carbon in the reforming catalyst can be improved. When the wall of the fuel introduction chamber 122 is heated by the heater 121 and the temperature of the wall rises to a temperature at which the Leidenfrost phenomenon occurs on the wall, the droplet of the reformed fuel moves around on the wall. This promotes atomization of droplets. Thus, the vaporization of the reformed fuel can also be promoted by atomizing the droplets of the reformed fuel.
[0053]
Further, as described above, the reforming gas supplied into the fuel introduction chamber 122 forms a swirling flow in the fuel introduction chamber 122, so that unvaporized droplets flow into the reformer 124, and The effect of preventing inconvenience caused by the reformed fuel droplets adhering to the surface of the quality catalyst is also obtained.
[0054]
Furthermore, in the fuel reforming apparatus of the present embodiment, the diameter of the reforming gas passage 32 is such that the reforming gas introduced into the fuel introduction chamber 122 from the reforming gas passage 32 flows as a turbulent flow. It is preferable to set the diameter (D shown in FIG. 7). Whether the flow of the fluid is laminar or turbulent can be determined using the Reynolds coefficient Re (Re = Dv / ν, v: flow rate of the reforming gas, ν: kinematic viscosity of the fluid). It is possible. Boundary critical Reynolds coefficient Re where fluid flow becomes turbulent c = 2000 is known.
[0055]
In this way, by making the reforming gas supplied to the fuel introduction chamber 122 turbulent, the vaporization of the sprayed reformed fuel droplets is further promoted, and the efficiency of scavenging from the fuel introduction chamber 122 is improved. be able to. It is considered that the vaporization of the reformed fuel droplets is promoted by making the reforming gas turbulent for the following reasons. When the atomized reformed fuel droplets evaporate, the area around the reformed fuel droplets is covered by the layer of the evaporated reformed fuel vapor. As a result, heat conduction to the reformed fuel droplets is hindered, and the thermal energy of the reforming gas may lower the efficiency of vaporizing the reformed fuel droplets. Here, by making the flow of the reforming gas turbulent, the effect of removing the vapor layer covering the reformed fuel droplets can be obtained, and the vaporization of the reformed fuel can be promoted.
[0056]
In the second embodiment, the heater 121 is provided to heat the wall surface of the fuel introduction chamber 122. However, a different type of heating unit may be provided. When a high-temperature gas (for example, a combustion gas) is generated in a system including the fuel reformer, the high-temperature gas flow path is routed so that the high-temperature gas can heat the wall surface of the fuel introduction chamber 122. It is good.
[0057]
E. FIG. Modification:
The present invention is not limited to the above-described examples and embodiments, but can be implemented in various modes without departing from the gist of the invention, and for example, the following modifications are possible.
[0058]
E1. Modification 1
In the first and second embodiments, the flow rate of the reforming gas is controlled to be substantially constant during the injection period t1 and the stop period t2, but the flow rate of the reforming gas is controlled between the injection period t1 and the stop period t2. May be changed. Also in this case, the same effect can be obtained if the amount of the reforming gas supplied into the fuel introduction chamber during the stop period t2 is equal to or larger than the capacity of the fuel introduction chamber.
[0059]
E2. Modified example 2:
In the first and second embodiments, the reforming gas consisting of air and water vapor was supplied during the stop period t2. However, if the oxidizing gas containing at least oxygen was supplied, the oxidation of the deposited carbon was prevented. Removal can be performed similarly. For example, during the stop period t2, the supply of steam may not be performed. When air is used as the oxidizing gas supplied to the fuel introduction chamber during the stop period t2, the amount of air supplied during the stop period t2 may be equal to or larger than the volume of the fuel introduction chamber.
[0060]
E3. Modification 3:
Further, in the above-described embodiment, air and steam are supplied together as the reforming gas into the fuel introduction chamber, but both may be separately supplied to the fuel introduction chamber. For example, instead of supplying pre-generated steam to the fuel introduction chamber, liquid water may be sprayed into the fuel introduction chamber using a nozzle, and may be vaporized together with the reformed fuel using the heat brought in by the heated air. . In this case, when supplying the heated air to the fuel introduction chamber during the stop period t2, spraying of water may be performed simultaneously, or spraying of water may not be performed.
[0061]
Alternatively, at least a part of the air to be supplied may be supplied from the injector 20 instead of supplying the entire amount of the air together with the steam as the reforming gas to the fuel introduction chamber. For example, the reformed fuel may be sprayed by the injector 20 configured as a two-fluid nozzle, and air may be used as the assist gas used in the two-fluid nozzle.
[0062]
E4. Modification 4:
Further, in the embodiment described above, the fuel introduction chamber and the reformer are provided separately, but a configuration in which the two are not provided is also possible due to the structure. FIG. 8 is an explanatory diagram schematically illustrating a configuration of a fuel reforming apparatus as a modification. The reformer 224 in the fuel reforming apparatus of FIG. 8 includes a reforming catalyst 125 and a spray / mixing unit 222 formed as a space having a predetermined size upstream of the reforming catalyst 125 and provided with a heater 221. ing. The reforming fuel is injected from the injector 220 into the spray / mixing unit 222, and the reforming gas is supplied into the spray / mixing unit 222. The reformed fuel injected from the injector 220 is vaporized by the heat of the heater 221 and the heat of the reforming gas, and is guided to the reforming catalyst 225 by the flow of the reforming gas while being mixed with the reforming gas. . In such a fuel reforming apparatus, the spraying / mixing unit 222 corresponds to a fuel introduction chamber into which reformed fuel is directly introduced, and the amount of the reforming gas supplied during the stop period t2 is changed by the spraying / mixing unit. What is necessary is just the volume of 222 or more.
[0063]
E5. Modification 5:
Various hydrocarbon-based fuels can be used as the liquid reformed fuel injected from the injector 20. For example, those containing gasoline, alcohol, or aldehyde can be used. Further, in the embodiment, the liquid fuel is used as the reforming fuel, but a gaseous fuel may be used. In this case, instead of spraying the liquid fuel into the fuel introduction chamber, the gaseous fuel may be introduced into the fuel introduction chamber as it is. If the reforming fuel is intermittently discharged into the fuel introduction chamber and an amount of the oxidizing gas equal to or larger than the volume of the fuel introduction chamber is supplied into the fuel introduction chamber while the discharge of the fuel is stopped, the same applies. The effect can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram schematically illustrating a configuration of a fuel cell system 15 including a fuel reforming apparatus 10 as an embodiment.
FIG. 2 is a flowchart illustrating an operation control processing routine.
FIG. 3 is an explanatory diagram exemplifying a state of fuel injection in a removal operation of deposited carbon.
FIG. 4 is an explanatory diagram schematically showing a state of a fuel introduction chamber 22 and a reformer 24 when reformed fuel is intermittently injected from an injector 20.
FIG. 5 is an explanatory diagram showing a relationship between an operation of fuel injection and a reformed fuel concentration in a gas supplied to a reforming catalyst.
FIG. 6 is an explanatory diagram showing a state of a cross section of a main part of a fuel reforming apparatus according to a second embodiment.
FIG. 7 is an explanatory diagram showing a state of a section taken along line 7-7 in FIG. 6;
FIG. 8 is an explanatory view schematically showing a configuration of a fuel reforming apparatus as a modification.
[Explanation of symbols]
10. Fuel reformer
15 ... Fuel cell system
17 ... Fuel cell
20, 220 ... injector
22,122… Fuel introduction chamber
24, 124, 224 ... reformer
26 ... Heat exchanger
28 ... CO reduction unit
30 ... Heating section
31 ... Valve
32 Reforming gas flow path
35 ... Control unit
121 ... heater
123a ... partition wall
123b ... communication hole
125, 225 ... reforming catalyst
221 ... heater
222: Spray / mixing unit

Claims (8)

改質触媒に対して炭化水素系の改質燃料を間欠的に供給し、改質反応を利用して前記改質燃料から水素を生成する燃料改質装置であって、
前記改質燃料を間欠的に吐出する改質燃料吐出部と、
少なくとも前記改質燃料吐出部が前記改質燃料の吐出を停止しているときに、酸素を含有する酸化剤ガスを、吐出する酸化剤ガス供給部と、
前記改質燃料吐出部が吐出した前記改質燃料と、前記酸化剤ガス供給部が吐出した前記酸化剤ガスとが、直接導入される燃料導入室と、
前記燃料導入室に接続して設けられ、前記改質触媒を備えて、前記燃料導入室を経由した前記改質燃料および前記酸化剤ガスが供給される触媒部と、
前記改質反応に適した量の前記改質燃料を吐出するように前記改質燃料吐出部を制御すると共に、前記改質燃料吐出部が前記改質燃料の吐出を停止する毎に、前記燃料導入室の容積以上の量の前記酸化剤ガスを吐出するように前記酸化剤ガス供給部を制御する制御部と
を備える燃料改質装置。
A fuel reformer that intermittently supplies a hydrocarbon-based reformed fuel to a reforming catalyst and generates hydrogen from the reformed fuel using a reforming reaction,
A reformed fuel discharge unit that intermittently discharges the reformed fuel,
An oxidizing gas supply unit that discharges an oxidizing gas containing oxygen when at least the reformed fuel discharging unit stops discharging the reformed fuel;
A fuel introduction chamber into which the reformed fuel discharged by the reformed fuel discharge unit and the oxidant gas discharged by the oxidant gas supply unit are directly introduced;
A catalyst unit that is provided connected to the fuel introduction chamber, includes the reforming catalyst, and is supplied with the reformed fuel and the oxidizing gas via the fuel introduction chamber;
While controlling the reformed fuel discharge unit to discharge the reformed fuel in an amount suitable for the reforming reaction, every time the reformed fuel discharge unit stops discharging the reformed fuel, the fuel A control unit that controls the oxidizing gas supply unit so as to discharge the oxidizing gas in an amount equal to or greater than the volume of the introduction chamber.
請求項1記載の燃料改質装置であって、
前記制御部は、前記改質燃料吐出部が前記改質燃料の吐出を停止する間に、前記燃料導入室を介して前記触媒部に供給されるガス中の前記改質燃料の濃度が、1vol%以下となるように、前記酸化剤ガス供給部からの前記酸化剤ガスの吐出量を制御する
燃料改質装置。
The fuel reformer according to claim 1, wherein
The control unit is configured to control the concentration of the reformed fuel in the gas supplied to the catalyst unit through the fuel introduction chamber to be 1 vol while the reformed fuel discharge unit stops discharging the reformed fuel. %.
請求項1または2記載の燃料改質装置であって、
前記制御部は、前記燃料改質装置が生成すべき水素量に応じて、前記酸化剤ガス供給部が吐出する前記酸化剤ガスの量を変動させると共に、前記酸化剤ガス供給部が吐出する前記酸化剤ガスの量が少ないときほど、前記改質燃料の吐出を停止する動作を行なう時間が長くなるように、前記改質燃料吐出部と前記酸化剤ガス供給部との制御を行なう
燃料改質装置。
The fuel reformer according to claim 1 or 2,
The control unit varies the amount of the oxidizing gas discharged from the oxidizing gas supply unit according to the amount of hydrogen to be generated by the fuel reforming device, and the oxidizing gas supply unit discharges the amount. The fuel reforming that controls the reformed fuel discharge unit and the oxidant gas supply unit such that the smaller the amount of the oxidizing gas is, the longer the time for performing the operation of stopping the discharge of the reformed fuel is. apparatus.
改質触媒に対して炭化水素系の改質燃料を間欠的に供給し、改質反応を利用して前記改質燃料から水素を生成する燃料改質装置であって、
前記改質燃料を間欠的に吐出する改質燃料吐出部と、
少なくとも前記改質燃料吐出部が前記改質燃料の吐出を停止しているときに、酸素を含有する酸化剤ガスを吐出する酸化剤ガス供給部と、
前記改質燃料吐出部が吐出した前記改質燃料と前記酸化剤ガス供給部が吐出した前記酸化剤ガスとが直接導入され、前記改質燃料吐出部が前記改質燃料の吐出を停止する間に前記酸化剤ガス供給部が吐出する前記酸化剤ガスの量以下の容積を有するように形成されている燃料導入室と、
前記燃料導入室に接続して設けられ、前記改質触媒を備えて、前記燃料導入室を経由した前記改質燃料および前記酸化剤ガスが供給される触媒部と、
前記改質反応に適した量の前記改質燃料を前記触媒部に供給するように前記改質燃料吐出部を制御すると共に、前記改質燃料吐出部から吐出される前記改質燃料の量に応じた量の前記酸化剤ガスを吐出するように前記酸化剤ガス供給部を制御する制御部と
を備える燃料改質装置。
A fuel reformer that intermittently supplies a hydrocarbon-based reformed fuel to a reforming catalyst and generates hydrogen from the reformed fuel using a reforming reaction,
A reformed fuel discharge unit that intermittently discharges the reformed fuel,
An oxidizing gas supply unit that discharges an oxidizing gas containing oxygen when at least the reformed fuel discharging unit stops discharging the reformed fuel;
While the reformed fuel discharged from the reformed fuel discharging unit and the oxidizing gas discharged from the oxidizing gas supply unit are directly introduced, and the reformed fuel discharging unit stops discharging the reformed fuel. A fuel introduction chamber formed to have a volume equal to or less than the amount of the oxidizing gas discharged by the oxidizing gas supply unit,
A catalyst unit that is provided connected to the fuel introduction chamber, includes the reforming catalyst, and is supplied with the reformed fuel and the oxidizing gas via the fuel introduction chamber;
While controlling the reformed fuel discharge unit to supply the reformed fuel in an amount suitable for the reforming reaction to the catalyst unit, the amount of the reformed fuel discharged from the reformed fuel discharge unit is controlled. A control unit for controlling the oxidizing gas supply unit so as to discharge the oxidizing gas in an appropriate amount.
請求項1ないし4いずれか記載の燃料改質装置であって、
前記改質燃料吐出部は、液体の前記改質燃料を前記燃料導入室内に噴霧し、
前記酸化剤ガス供給部は、噴霧された前記改質燃料を気化可能な所定の高温に昇温させた前記酸化剤ガスを、前記改質燃料の吐出の動作を行なう際にも吐出し、
前記燃料導入室は、その内壁面を加熱するための加熱部を備える
燃料改質装置。
The fuel reformer according to any one of claims 1 to 4, wherein
The reformed fuel discharging unit sprays the liquid reformed fuel into the fuel introduction chamber,
The oxidizing gas supply unit discharges the oxidizing gas, which has been heated to a predetermined high temperature at which the sprayed reformed fuel can be vaporized, even when performing the discharging operation of the reformed fuel,
The fuel reformer includes a heating section for heating an inner wall surface of the fuel introduction chamber.
請求項5記載の燃料改質装置であって、
前記酸化剤ガス供給部は、前記酸化剤ガスが前記燃料導入室内で旋回流を形成するように、前記酸化剤ガスを前記燃料導入室内に供給する
燃料改質装置。
The fuel reformer according to claim 5, wherein
The fuel reformer, wherein the oxidant gas supply unit supplies the oxidant gas into the fuel introduction chamber such that the oxidant gas forms a swirling flow in the fuel introduction chamber.
請求項1ないし4いずれか記載の燃料改質装置であって、
前記改質燃料吐出部は、液体の前記改質燃料を前記燃料導入室内に噴霧し、
前記酸化剤ガス供給部は、噴霧された前記改質燃料を気化可能な所定の高温に昇温させた前記酸化剤ガスを、前記改質燃料の吐出の動作を行なう際にも乱流の状態で前記燃料導入室内に供給する
燃料改質装置。
The fuel reformer according to any one of claims 1 to 4, wherein
The reformed fuel discharging unit sprays the liquid reformed fuel into the fuel introduction chamber,
The oxidizing gas supply unit is configured to supply the oxidizing gas, which has been heated to a predetermined high temperature at which the sprayed reformed fuel can be vaporized, into a turbulent state even when the reforming fuel is discharged. And a fuel reformer for supplying the fuel into the fuel introduction chamber.
改質反応を利用して炭化水素系の改質燃料から水素を生成する燃料改質装置の運転方法であって、
(a)所定の燃料導入室内に対して、前記改質燃料を吐出する動作を間欠的に繰り返す工程と、
(b)前記(a)行程で吐出された前記改質燃料を、前記改質反応を促進する改質触媒に導くと共に、前記改質反応によって前記改質燃料から水素を生成する工程と、
(c)前記改質燃料を吐出する動作が停止されているときに、前記燃料導入室に対して、前記燃料導入室の容積以上の量であって酸素を含有する酸化剤ガスを供給する工程と、
(d)前記(c)工程で供給された前記酸化剤ガスを前記改質触媒に導くと共に、前記改質触媒上に析出している炭素を酸化除去する工程と
を備える燃料改質装置の運転方法。
A method for operating a fuel reformer that generates hydrogen from a hydrocarbon-based reformed fuel using a reforming reaction,
(A) intermittently repeating the operation of discharging the reformed fuel into a predetermined fuel introduction chamber;
(B) guiding the reformed fuel discharged in the step (a) to a reforming catalyst that promotes the reforming reaction, and generating hydrogen from the reformed fuel by the reforming reaction;
(C) supplying an oxidizing gas containing oxygen in an amount equal to or larger than the volume of the fuel introduction chamber to the fuel introduction chamber when the operation of discharging the reformed fuel is stopped. When,
(D) guiding the oxidant gas supplied in the step (c) to the reforming catalyst, and oxidizing and removing carbon deposited on the reforming catalyst. Method.
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