JP2006125313A - 燃料改質装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 酸素を含む酸化ガスと炭化水素系燃料との混合気を触媒上で部分酸化反応させることでH2とCOを含む改質ガスを生成する燃料改質装置に関し、放熱に伴う触媒の下流部での温度低下を抑制する。
【解決手段】 触媒22からの放熱を抑制する等して、触媒22の上流部と下流部の温度差が小さくなるように温度差の管理を行う。触媒22からの放熱を抑制する手段としては、例えば、触媒22の外周に断熱材の層30を配置する等、触媒22を断熱する断熱構造を設ければよい。
【選択図】 図2
【解決手段】 触媒22からの放熱を抑制する等して、触媒22の上流部と下流部の温度差が小さくなるように温度差の管理を行う。触媒22からの放熱を抑制する手段としては、例えば、触媒22の外周に断熱材の層30を配置する等、触媒22を断熱する断熱構造を設ければよい。
【選択図】 図2
Description
本発明は、酸素を含む酸化ガスと炭化水素系燃料との混合気を触媒上で部分酸化反応させることでH2とCOを含む改質ガスを生成する燃料改質装置に関し、特に、内燃機関への改質ガスの供給源として用いて好適な燃料改質装置に関する。
従来、例えば特許文献1や特許文献2に開示されるように、炭化水素系燃料と空気の混合気を触媒に供給し、触媒上での部分酸化反応等により改質されたガスを内燃機関に供給する技術が知られている。改質ガスは燃焼性に優れているため、例えば、冷間始動時に改質ガスを供給することで、内燃機関の始動性を向上させることができ、また、排気エミッションを向上させることができる。
特開平4−58064号公報
特開2000−291499号公報
炭化水素系燃料の部分酸化反応では、下記の化学式に示すようにH2とCOを含む改質ガスが生成される。
CmHn+(m/2)O2 → mCO+(n/2)H2 ・・・(1)
H2、COともに燃焼性に優れ且つ高い熱量を有しているが、部分酸化反応によるH2及びCOの生成効率は触媒の温度によって左右される。
CmHn+(m/2)O2 → mCO+(n/2)H2 ・・・(1)
H2、COともに燃焼性に優れ且つ高い熱量を有しているが、部分酸化反応によるH2及びCOの生成効率は触媒の温度によって左右される。
例えば、触媒温度が高くなりすぎると改質ガス中のH2及びCOの濃度は低下し、THC(総炭化水素成分)の濃度が上昇する。これは、触媒温度の上昇に伴い下記の気相反応が進行し、部分酸化反応により生成されたH2及びCOが酸化されてしまうことによる。
CO+H2+O2 → CO2+H2O ・・・(2)
上記反応は部分酸化反応よりも多くの酸素を必要とするため、上記反応が進行すると反応に必要な酸素が不足し、その結果、未反応の炭化水素系燃料が増大してしまう。
CO+H2+O2 → CO2+H2O ・・・(2)
上記反応は部分酸化反応よりも多くの酸素を必要とするため、上記反応が進行すると反応に必要な酸素が不足し、その結果、未反応の炭化水素系燃料が増大してしまう。
一方、触媒温度が低くなりすぎても改質ガス中のH2及びCOの濃度は低下し、THCの濃度が上昇してしまう。これは、触媒温度の低下に伴い進行する下記のメタン生成反応が原因である。下記の反応は、H2及びCOの濃度が高く、且つ、酸素の濃度が低いという特徴を有する、部分酸化反応により燃料を改質する燃料改質装置に特有の現象である。
2H2+2CO → CO2+CH4 ・・・(3)
上記反応が進むことによって改質ガス中のH2やCOの濃度は低下し、CH4の濃度が上昇することになる。
2H2+2CO → CO2+CH4 ・・・(3)
上記反応が進むことによって改質ガス中のH2やCOの濃度は低下し、CH4の濃度が上昇することになる。
図15に示すグラフは、改質ガスのTHC濃度と触媒温度との関係を示している。THC濃度が低くいほど逆にH2及びCOの濃度は高く、THC濃度が高くなるほど逆にH2及びCOの濃度は低くい。図15に示すように、触媒温度にはTHC濃度が最小になる適正温度が存在しており、適正温度より触媒温度が低くても、また、高くても、THC濃度は上昇する。したがって、燃料改質装置では、触媒温度が適正温度になるよう触媒の温度管理を行う必要がある。
ところで、部分酸化反応は発熱反応であり、反応により発生した熱によって触媒は加熱される。反応により発生する熱量は、反応が進行している触媒の上流部ほど大きく、下流側にいくに従って小さくなる。また、図16Aの模式図に示すように触媒82は触媒容器80内に収容されているが、触媒82の熱は触媒容器80を介して外部へ放熱されている。放熱量は温度差に比例するので、触媒82の外周側ほど放熱量は大きくなる。その結果、触媒82内には図16Bに示すような温度分布が生じることになる。図16Bでは図16Aに示すA,B,C,Dの各点における温度を示している。このグラフから分かるように、触媒温度は、触媒82の下流部、特に、下流外周部において他の部分よりも大きく低下してしまう。
図16Bに示すような温度分布が触媒82内に生じる結果、触媒82の上流部温度を適正温度に維持しようとすると、触媒82の下流部、特に、下流外周部における温度が適正温度よりも低下してしまう。触媒82の下流部を適正温度に維持するには、簡単には触媒82の温度を全体的に高めればよい。しかし、そうすると触媒82の上流部を始めとする大部分において適正温度を超えることとなり、上記の(2)式に示す反応によってH2及びCOを得られなくなってしまう。このように、触媒82の下流部に合わせて温度設定を行うと、触媒82の上流部温度が適正温度を超えることになってしまい好ましくない。このため、部分酸化反応によるH2及びCOの生成効率を高めるための手段としては、触媒82の上流部温度を適正温度に維持しながら、下流部における温度の低下を抑制することが望ましい。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、触媒の下流部での温度低下を抑制できるようにした燃料改質装置を提供することを目的とする。
第1の発明は、上記の目的を達成するため、酸素を含む酸化ガスと炭化水素系燃料との混合気を触媒に供給し、前記混合気を触媒上で部分酸化反応させることでH2とCOを含む改質ガスを生成する燃料改質装置において、
前記触媒の上流部と下流部の温度差が小さくなるように前記温度差を管理する温度差管理手段を備えることを特徴としている。
前記触媒の上流部と下流部の温度差が小さくなるように前記温度差を管理する温度差管理手段を備えることを特徴としている。
第2の発明は、前記第1の発明において、前記温度差管理手段は、前記触媒からの放熱を抑制する放熱抑制手段として構成されていることを特徴としている。
第3の発明は、前記第2の発明において、前記放熱抑制手段として、前記触媒を断熱する断熱構造が設けられていることを特徴としている。
第4の発明は、前記第3の発明において、前記断熱構造として、前記触媒の外周に断熱材の層が配置されていることを特徴としている。
第5の発明は、前記第3の発明において、前記断熱構造として、前記触媒を収容する容器が二重管構造を有していることを特徴としている。
第6の発明は、前記第3の発明において、前記触媒はハニカム構造を有しており、
前記断熱構造として、前記ハニカムの外周部に位置するセルの入口が閉塞されていることを特徴としている。
前記断熱構造として、前記ハニカムの外周部に位置するセルの入口が閉塞されていることを特徴としている。
第7の発明は、前記第6の発明において、前記の入口を閉塞されたセルは、他のセルよりも穴径を大きく形成されていることを特徴としている。
第8の発明は、前記第2の発明において、前記放熱抑制手段として、前記触媒を収容する容器の外周に前記触媒から排出された改質ガスの流路が設けられていることを特徴としている。
第9の発明は、前記第1の発明において、前記温度差管理手段として、前記混合気の空燃比が前記触媒の中心部よりも外周部においてリーンとなるように前記炭化水素系燃料を前記触媒上に供給する燃料供給手段が設けられていることを特徴としている。
第10の発明は、前記第1の発明において、前記温度差管理手段として、前記混合気とは別に前記触媒の外周側に酸素を含む酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段が設けられていることを特徴としている。
第11の発明は、前記第10の発明において、前記酸化ガス供給手段は、前記触媒の流れ方向の中央部から前記酸化ガスを供給することを特徴としている。
第12の発明は、前記第1の発明において、前記温度差管理手段として、前記触媒の中心部は外周部よりも熱伝導に優れた構造を有していることを特徴としている。
第13の発明は、前記第12の発明において、前記触媒の中心部は、外周部よりも高い密度に構成されていることを特徴としている。
第14の発明は、前記第12の発明において、前記触媒の中心部は、外周部よりも肉厚の厚いセルで形成されていることを特徴としている。
第15の発明は、前記第12の発明において、前記触媒の中心部は、外周部よりも熱伝導率の高い材料で構成されていることを特徴としている。
第16の発明は、前記第1の発明において、前記触媒は前記混合気の流れ方向に積層された複数の層からなり、
前記温度差管理手段として、前記複数の層のうち少なくとも1つの層は他の層よりも熱伝導に優れた構造を有していることを特徴としている。
前記温度差管理手段として、前記複数の層のうち少なくとも1つの層は他の層よりも熱伝導に優れた構造を有していることを特徴としている。
第17の発明は、前記第1の発明において、前記温度差管理手段は、前記触媒に外部から熱を供給する熱供給手段として構成されていることを特徴としている。
第18の発明は、前記第17の発明において、前記熱供給手段は、前記触媒の下流部に熱を供給することを特徴としている。
本発明によれば、触媒の上流部と下流部の温度差が小さくなるように温度差の管理が行われているので、触媒の下流部温度の上流部温度に対する温度低下は抑制される。これにより、触媒の上流部温度を適正温度に設定される場合には触媒の下流部温度も適正温度に保たれることになり、部分酸化反応によるH2及びCOの生成効率を高く維持することが可能になる。
実施の形態1.
以下、図1及び図2を参照して、本発明の実施の形態1について説明する。図1は一般的な燃料改質装置付き内燃機関の構成を示す概略図である。図1に示すように、内燃機関のシリンダ2内には往復運動するピストン8が配置され、ピストン8の上面とシリンダ2の内壁とで区画される空間が燃焼室10になっている。燃焼室10には吸気管4と排気管6が接続されており、吸気管4と燃焼室10との接続部には吸気バルブ4aが設けられ、排気管6と燃焼室10との接続部には排気バルブ6aが設けられている。
以下、図1及び図2を参照して、本発明の実施の形態1について説明する。図1は一般的な燃料改質装置付き内燃機関の構成を示す概略図である。図1に示すように、内燃機関のシリンダ2内には往復運動するピストン8が配置され、ピストン8の上面とシリンダ2の内壁とで区画される空間が燃焼室10になっている。燃焼室10には吸気管4と排気管6が接続されており、吸気管4と燃焼室10との接続部には吸気バルブ4aが設けられ、排気管6と燃焼室10との接続部には排気バルブ6aが設けられている。
内燃機関は複数のシリンダ2を備えており、吸気管4はサージタンク12からシリンダ2毎に延びている。サージタンク12には、新気が供給される新気供給管14と、改質ガスが供給される改質ガス供給管16が接続されている。新気供給管14には、新気の供給量を制御するためのスロットルバルブ18が配置されている。
改質ガス供給管16は触媒容器20とサージタンク12とを接続している。触媒容器20内には触媒22が配置されている。この触媒22上にガソリン等の炭化水素系燃料と空気等の酸素を含む酸化ガスの混合気が供給されることで、上記の(1)式に示す部分酸化反応が起こり、H2とCOを含む改質ガスが生成されるようになっている。触媒容器20の下流側端部には、酸化ガスとしての空気を触媒22に供給するための空気供給管26が接続され、空気供給管26の触媒容器20との接続部の近傍には、炭化水素系燃料を噴射するインジェクタ24が触媒22に向けて配置されている。空気供給管26から供給される空気にインジェクタ24から噴射された燃料が混じり、混合気となって触媒22に供給される。空気供給管26におけるインジェクタ24の上流には、触媒22への空気の供給量を制御するための制御バルブ28が配置されている。
図2は本発明の実施の形態1としての燃料改質装置の特徴部を示す概略図である。本実施形態の燃料改質装置は、図1に示す内燃機関の燃料改質装置として用いることができる。図2に示すように、本実施形態では、触媒22の外周部を覆うように触媒容器20の周囲に断熱材の層30が設けられている。断熱材層30が設けられることで触媒22からの放熱は抑制され、触媒22の上流部と下流部、特に、下流外周部との間の温度差は抑制される。これにより、触媒22の上流部温度を適正温度に制御することで、触媒22の下流外周部温度も適正温度に維持することができ、部分酸化反応によるH2及びCOの生成効率を高く維持することが可能になる。
実施の形態2.
図3は本発明の実施の形態2としての燃料改質装置の特徴部を示す概略図である。本実施形態の燃料改質装置も、図1に示す内燃機関の燃料改質装置として用いることができる。図3に示すように、本実施形態では、触媒22を収容する触媒容器20が内筒32aと外筒32bとを有する二重管構造になっている。内筒32aと外筒32bとの間には隙間が設けられ、空気の層が設けられている。空気層は熱伝導率が小さく断熱層として作用する。これにより、実施の形態1と同様に触媒22からの放熱を抑制することができ、触媒22の上流部と下流部、特に、下流外周部との間の温度差を抑制し、部分酸化反応によるH2及びCOの生成効率を高く維持することが可能になる。
図3は本発明の実施の形態2としての燃料改質装置の特徴部を示す概略図である。本実施形態の燃料改質装置も、図1に示す内燃機関の燃料改質装置として用いることができる。図3に示すように、本実施形態では、触媒22を収容する触媒容器20が内筒32aと外筒32bとを有する二重管構造になっている。内筒32aと外筒32bとの間には隙間が設けられ、空気の層が設けられている。空気層は熱伝導率が小さく断熱層として作用する。これにより、実施の形態1と同様に触媒22からの放熱を抑制することができ、触媒22の上流部と下流部、特に、下流外周部との間の温度差を抑制し、部分酸化反応によるH2及びCOの生成効率を高く維持することが可能になる。
なお、より好ましくは、触媒容器20の内筒32aと外筒32bとの隙間は真空にする。隙間を真空層とすることで、二重管構造による断熱効果をより高めることができる。
実施の形態3.
図4は本発明の実施の形態3としての燃料改質装置の特徴部を示す概略図である。本実施形態の燃料改質装置も、図1に示す内燃機関の燃料改質装置として用いることができる。図4に示すように、触媒22は多数のセルからなるハニカム構造を有しており、各セルが混合気の流れの方向に向くように配置されている。本実施形態では、触媒22を構成する多数のセルのうち、最も外周部に位置している最外セル34の入口を蓋36で塞いでいる。入口を閉塞されることで最外セル34へのガスの出入りは無くなり、最外セル34は断熱層として機能する。これにより、実施の形態1と同様に触媒22からの放熱を抑制することができ、触媒22の上流部と下流部、特に、下流外周部との間の温度差を抑制することが可能になる。
図4は本発明の実施の形態3としての燃料改質装置の特徴部を示す概略図である。本実施形態の燃料改質装置も、図1に示す内燃機関の燃料改質装置として用いることができる。図4に示すように、触媒22は多数のセルからなるハニカム構造を有しており、各セルが混合気の流れの方向に向くように配置されている。本実施形態では、触媒22を構成する多数のセルのうち、最も外周部に位置している最外セル34の入口を蓋36で塞いでいる。入口を閉塞されることで最外セル34へのガスの出入りは無くなり、最外セル34は断熱層として機能する。これにより、実施の形態1と同様に触媒22からの放熱を抑制することができ、触媒22の上流部と下流部、特に、下流外周部との間の温度差を抑制することが可能になる。
なお、通常、触媒22を構成するセルの穴径は略一定であるが、図5に示すように、蓋36で入口を閉塞する最外セル34のみ他のセルよりも穴径を大きくしてもよい。これによれば、図4に示す構成に比較して断熱層を厚くすることができ、触媒22からの放熱をより抑制することが可能になる。
実施の形態4.
図6は本発明の実施の形態4としての燃料改質装置の特徴部を示す概略図である。本実施形態の燃料改質装置も、図1に示す内燃機関の燃料改質装置として用いることができる。図6に示すように、本実施形態の燃料改質装置は、触媒容器20を収容する収容器40を備えている。収容器40内には、触媒容器20の出口から排出された改質ガスが触媒容器20の周囲に沿って流れるようにガス流路42が形成されている。収容器40は改質ガス供給管16に接続されており、触媒容器20から排出された高温の改質ガスは、ガス流路42内を触媒容器20の周囲に沿って流れた後、改質ガス供給管16へ供給される。このように高温の改質ガスが触媒容器20の周囲に沿って流れることで、触媒22の熱が触媒容器20を介して外部へ放出されることは抑制され、触媒22の上流部と下流部、特に、下流外周部との間の温度差を抑制することが可能になる。
図6は本発明の実施の形態4としての燃料改質装置の特徴部を示す概略図である。本実施形態の燃料改質装置も、図1に示す内燃機関の燃料改質装置として用いることができる。図6に示すように、本実施形態の燃料改質装置は、触媒容器20を収容する収容器40を備えている。収容器40内には、触媒容器20の出口から排出された改質ガスが触媒容器20の周囲に沿って流れるようにガス流路42が形成されている。収容器40は改質ガス供給管16に接続されており、触媒容器20から排出された高温の改質ガスは、ガス流路42内を触媒容器20の周囲に沿って流れた後、改質ガス供給管16へ供給される。このように高温の改質ガスが触媒容器20の周囲に沿って流れることで、触媒22の熱が触媒容器20を介して外部へ放出されることは抑制され、触媒22の上流部と下流部、特に、下流外周部との間の温度差を抑制することが可能になる。
実施の形態5.
図7は本発明の実施の形態5としての燃料改質装置の特徴部を示す概略図である。本実施形態の燃料改質装置も、図1に示す内燃機関の燃料改質装置として用いることができる。図7に示すように、本実施形態では、触媒容器20の周囲に電気加熱式のヒーター50が配置されている。ヒーター50により触媒容器20の外側から加熱されることで、放熱による触媒22の下流部、特に、下流外周部における温度低下は補償される。これにより、触媒22の上流部と下流外周部との間の温度差を抑制し、触媒22の下流外周部も適正温度に維持することが可能になる。なお、ヒーター50による加熱の目的は、あくまでも放熱による触媒22の温度低下を補償することにあり、触媒22の全体の温度上昇を目的としたものではない。したがって、ヒーター50に供給する電力量は、触媒22の下流外周部における温度低下を抑制できる程度に小さくてよい。
図7は本発明の実施の形態5としての燃料改質装置の特徴部を示す概略図である。本実施形態の燃料改質装置も、図1に示す内燃機関の燃料改質装置として用いることができる。図7に示すように、本実施形態では、触媒容器20の周囲に電気加熱式のヒーター50が配置されている。ヒーター50により触媒容器20の外側から加熱されることで、放熱による触媒22の下流部、特に、下流外周部における温度低下は補償される。これにより、触媒22の上流部と下流外周部との間の温度差を抑制し、触媒22の下流外周部も適正温度に維持することが可能になる。なお、ヒーター50による加熱の目的は、あくまでも放熱による触媒22の温度低下を補償することにあり、触媒22の全体の温度上昇を目的としたものではない。したがって、ヒーター50に供給する電力量は、触媒22の下流外周部における温度低下を抑制できる程度に小さくてよい。
また、図7では、触媒22の外周の全体を加熱するようにヒーター50が配置されているが、図8に示すように、触媒22の下流部のみ加熱するようにヒーター52を配置してもよい。触媒22の温度低下は下流部、特に、下流外周部において大きいので、このように触媒22の下流部に限定して加熱することによっても触媒22の上流部と下流外周部との間の温度差を抑制することができる。また、加熱部分が小さくなる分、図7に示す構成に比較して消費電力量を抑えることもできる。
実施の形態6.
図9は本発明の実施の形態6としての燃料改質装置の特徴部を示す概略図である。本実施形態の燃料改質装置も、図1に示す内燃機関の燃料改質装置として用いることができる。図9に示すように、本実施形態では、触媒22の中央に偏って燃料が噴射されるようにインジェクタ24が配置されている。一方、酸化ガスとしての空気は触媒22の前面に均等に供給されるようになっている。このように燃料が触媒22の中央に偏って噴射される結果、触媒22に流入する空気と燃料の混合気の空燃比は、触媒22の外周部においてリーンになる。
図9は本発明の実施の形態6としての燃料改質装置の特徴部を示す概略図である。本実施形態の燃料改質装置も、図1に示す内燃機関の燃料改質装置として用いることができる。図9に示すように、本実施形態では、触媒22の中央に偏って燃料が噴射されるようにインジェクタ24が配置されている。一方、酸化ガスとしての空気は触媒22の前面に均等に供給されるようになっている。このように燃料が触媒22の中央に偏って噴射される結果、触媒22に流入する空気と燃料の混合気の空燃比は、触媒22の外周部においてリーンになる。
図10は混合気の空燃比(混合気中の酸素原子と炭素原子との比)O/Cと触媒22の温度との関係を示すグラフである。図10に示すように、触媒温度は混合気の空燃比がリーンなほど高く、特にO/C=1を超えたあたりから大きく上昇する。したがって、リーンな混合気が供給される触媒22の外周部は中央に比較して温度上昇が大きく、放熱により温度低下があったとしても下流部の温度が適正温度を大きく下回ることはない。これにより、触媒22の下流外周部におけるメタン生成反応の進行を抑えて、部分酸化反応によるH2及びCOの生成効率を高く維持することが可能になる。
実施の形態7.
図11は本発明の実施の形態7としての燃料改質装置の特徴部を示す概略図である。本実施形態の燃料改質装置も、図1に示す内燃機関の燃料改質装置として用いることができる。図11に示すように、本実施形態では、空気供給管26における制御バルブ62の上流において空気供給管26から分岐する補助空気供給管60が設けられている。また、触媒容器20の外周には環状の補助空気導入部64が形成されている。補助空気導入部64は、均等に配置された複数の孔(図示略)を介して触媒容器20の内部と連通している。補助空気供給管60はこの補助空気導入部64に接続されており、その途中には制御バルブ62が配置されている。
図11は本発明の実施の形態7としての燃料改質装置の特徴部を示す概略図である。本実施形態の燃料改質装置も、図1に示す内燃機関の燃料改質装置として用いることができる。図11に示すように、本実施形態では、空気供給管26における制御バルブ62の上流において空気供給管26から分岐する補助空気供給管60が設けられている。また、触媒容器20の外周には環状の補助空気導入部64が形成されている。補助空気導入部64は、均等に配置された複数の孔(図示略)を介して触媒容器20の内部と連通している。補助空気供給管60はこの補助空気導入部64に接続されており、その途中には制御バルブ62が配置されている。
上記のような構成により、触媒22の外周部には、空気供給管26からの空気とインジェクタ24からの燃料の混合気とは別に、補助空気導入部64からの補助空気が追加供給される。その結果、触媒22に流入する混合気の空燃比は、実施の形態6と同様、触媒22の外周部においてリーンになる。これにより、触媒22の外周部は中央に比較して温度上昇が大きくなり、触媒容器20を介して外部への放熱がある場合でも、下流部の温度が適正温度を大きく下回ることは防止される。
また、図11では、触媒22の上流に補助空気を導入するように補助空気導入部64が形成されているが、図12に示すように、触媒22の流れ方向の中央部に補助空気を導入するよう補助空気導入部66を形成してもよい。これによれば、触媒22の上流部における過度な温度上昇を防止しつつ、触媒22の下流部外周部における温度低下を確実に抑制することができる。
実施の形態8.
図13A及び図13Bは本発明の実施の形態8としての燃料改質装置の特徴部を示す概略図である。本実施形態の燃料改質装置も、図1に示す内燃機関の燃料改質装置として用いることができる。図13A及び図13Bに示すように、本実施形態では、触媒22は一様な構造ではなく、その外周部70を構成するハニカムセルと中心部72を構成するハニカムセルとは異なる構造を有している。具体的には、外周部70よりも中心部72のほうが高い密度に構成されている。密度が高い分、中心部72の熱伝導は外周部70よりも優れており、外周部70の熱が触媒容器20を介して外部へ放出される場合には、中心部72から外周部70への熱伝導によって放出された熱を補償することができる。これにより、触媒22の下流部外周部における温度低下を抑制し、部分酸化反応によるH2及びCOの生成効率を高く維持することが可能になる。
図13A及び図13Bは本発明の実施の形態8としての燃料改質装置の特徴部を示す概略図である。本実施形態の燃料改質装置も、図1に示す内燃機関の燃料改質装置として用いることができる。図13A及び図13Bに示すように、本実施形態では、触媒22は一様な構造ではなく、その外周部70を構成するハニカムセルと中心部72を構成するハニカムセルとは異なる構造を有している。具体的には、外周部70よりも中心部72のほうが高い密度に構成されている。密度が高い分、中心部72の熱伝導は外周部70よりも優れており、外周部70の熱が触媒容器20を介して外部へ放出される場合には、中心部72から外周部70への熱伝導によって放出された熱を補償することができる。これにより、触媒22の下流部外周部における温度低下を抑制し、部分酸化反応によるH2及びCOの生成効率を高く維持することが可能になる。
なお、触媒22の中心部72を外周部70よりも熱伝導に優れた構造とするための手段としては、上記のようにハニカムセルの密度を異ならせる他、ハニカムセルの肉厚を異ならせてもよい。つまり、中心部72を構成するハニカムセルの肉厚を、外周部70を構成するハニカムセルの肉厚よりも厚くする。これによれば、ハニカムセルの肉厚差の分、中心部72を外周部70よりも熱伝導に優れた構造にすることができる。
中心部72を構成するハニカムセルの材質として、外周部70を構成するハニカムセルの材質よりも熱伝導率に優れたものを選択するようにしてもよい。例えば、外周部70にはセラミックセルを用い、中心部72には金属セルを用いてもよい。また、ともにセラミックセルの場合には、中心部72と外周部70とで空孔率を異ならせることで熱伝導率に差をつけるようにしてもよい。
実施の形態9.
図14は本発明の実施の形態9としての燃料改質装置の特徴部を示す概略図である。本実施形態の燃料改質装置も、図1に示す内燃機関の燃料改質装置として用いることができる。図14に示すように、本実施形態では、触媒22は流れ方向において3層に構成されている。このうち、流れ方向の上流層74と下流層78にはセラミックセルが用いられ、中流層76には金属セルが用いられている。金属セルはセラミックセルよりも熱伝導率が高いため、触媒22の外周部において放熱があった場合には、それを補償するように金属セルの中心部から外周部へ向けて熱が移動する。特に、本実施形態のように中流層76のみ金属ハニカムを用いることで、流れ方向への熱伝達量に比較して径方向への熱伝達量を多くすることができ、触媒22の中心部から外周部へ効率的に熱を供給することができる。これにより、触媒22の下流外周部における温度低下を抑制し、部分酸化反応によるH2及びCOの生成効率を高く維持することが可能になる。
図14は本発明の実施の形態9としての燃料改質装置の特徴部を示す概略図である。本実施形態の燃料改質装置も、図1に示す内燃機関の燃料改質装置として用いることができる。図14に示すように、本実施形態では、触媒22は流れ方向において3層に構成されている。このうち、流れ方向の上流層74と下流層78にはセラミックセルが用いられ、中流層76には金属セルが用いられている。金属セルはセラミックセルよりも熱伝導率が高いため、触媒22の外周部において放熱があった場合には、それを補償するように金属セルの中心部から外周部へ向けて熱が移動する。特に、本実施形態のように中流層76のみ金属ハニカムを用いることで、流れ方向への熱伝達量に比較して径方向への熱伝達量を多くすることができ、触媒22の中心部から外周部へ効率的に熱を供給することができる。これにより、触媒22の下流外周部における温度低下を抑制し、部分酸化反応によるH2及びCOの生成効率を高く維持することが可能になる。
なお、図14では中流層76に金属セルを用いているが、上流層74或いは下流層78に金属セルを用いてもよい。また、触媒22をより複数層に形成し、そのうちの幾つかの層に金属セルを用い、他の層にはセラミックセルを用いるようにしてもよい。また、上記のように材質の異なる層を設けるのではなく、ハニカムセルの密度の異なる層を設けたり、ハニカムセルの肉厚の異なる層を設けたりすることで、触媒22の中心部から外周部への熱伝導を促すようにしてもよい。
その他.
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において変形して実施することもできる。例えば、上記の各実施形態の特徴部の構成を他の実施形態の特徴部の構成と適宜組み合わせて実施してもよい。
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において変形して実施することもできる。例えば、上記の各実施形態の特徴部の構成を他の実施形態の特徴部の構成と適宜組み合わせて実施してもよい。
また、上記実施形態では、本発明の燃料改質装置を内燃機関への改質ガスの供給源として用いているが、本発明の燃料改質装置の用途はこれに限定されるものではない。
20 触媒容器
22 触媒
24 インジェクタ
26 空気供給管
30 断熱材層
32a 内筒
32b 外筒
34 最外セル
36 蓋
40 収容器
42 ガス流路
50,52 ヒーター
60 補助空気供給管
64,66 補助空気導入部
22 触媒
24 インジェクタ
26 空気供給管
30 断熱材層
32a 内筒
32b 外筒
34 最外セル
36 蓋
40 収容器
42 ガス流路
50,52 ヒーター
60 補助空気供給管
64,66 補助空気導入部
Claims (18)
- 酸素を含む酸化ガスと炭化水素系燃料との混合気を触媒に供給し、前記混合気を触媒上で部分酸化反応させることでH2とCOを含む改質ガスを生成する燃料改質装置において、
前記触媒の上流部と下流部の温度差が小さくなるように前記温度差を管理する温度差管理手段を備えることを特徴とする燃料改質装置。 - 前記温度差管理手段は、前記触媒からの放熱を抑制する放熱抑制手段として構成されていることを特徴とする請求項1記載の燃料改質装置。
- 前記放熱抑制手段として、前記触媒を断熱する断熱構造が設けられていることを特徴とする請求項2記載の燃料改質装置。
- 前記断熱構造として、前記触媒の外周に断熱材の層が配置されていることを特徴とする請求項3記載の燃料改質装置。
- 前記断熱構造として、前記触媒を収容する容器が二重管構造を有していることを特徴とする請求項3記載の燃料改質装置。
- 前記触媒はハニカム構造を有しており、
前記断熱構造として、前記ハニカムの外周部に位置するセルの入口が閉塞されていることを特徴とする請求項3記載の燃料改質装置。 - 前記の入口を閉塞されたセルは、他のセルよりも穴径を大きく形成されていることを特徴とする請求項6記載の燃料改質装置。
- 前記放熱抑制手段として、前記触媒を収容する容器の外周に前記触媒から排出された改質ガスの流路が設けられていることを特徴とする請求項2記載の燃料改質装置。
- 前記温度差管理手段として、前記混合気の空燃比が前記触媒の中心部よりも外周部においてリーンとなるように前記炭化水素系燃料を前記触媒上に供給する燃料供給手段が設けられていることを特徴とする請求項1記載の燃料改質装置。
- 前記温度差管理手段として、前記混合気とは別に前記触媒の外周側に酸素を含む酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段が設けられていることを特徴とする請求項1記載の燃料改質装置。
- 前記酸化ガス供給手段は、前記触媒の流れ方向の中央部から前記酸化ガスを供給することを特徴とする請求項10記載の燃料改質装置。
- 前記温度差管理手段として、前記触媒の中心部は外周部よりも熱伝導に優れた構造を有していることを特徴とする請求項1記載の燃料改質装置。
- 前記触媒の中心部は、外周部よりも高い密度に構成されていることを特徴とする請求項12記載の燃料改質装置。
- 前記触媒の中心部は、外周部よりも肉厚の厚いセルで形成されていることを特徴とする請求項12記載の燃料改質装置。
- 前記触媒の中心部は、外周部よりも熱伝導率の高い材料で構成されていることを特徴とする請求項12記載の燃料改質装置。
- 前記触媒は前記混合気の流れ方向に積層された複数の層からなり、
前記温度差管理手段として、前記複数の層のうち少なくとも1つの層は他の層よりも熱伝導に優れた構造を有していることを特徴とする請求項1記載の燃料改質装置。 - 前記温度差管理手段は、前記触媒に外部から熱を供給する熱供給手段として構成されていることを特徴とする請求項1記載の燃料改質装置。
- 前記熱供給手段は、前記触媒の下流部に熱を供給することを特徴とする請求項17記載の燃料改質装置。
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---|---|---|---|
JP2004315392A JP2006125313A (ja) | 2004-10-29 | 2004-10-29 | 燃料改質装置 |
Applications Claiming Priority (1)
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Publication Number | Publication Date |
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JP2006125313A true JP2006125313A (ja) | 2006-05-18 |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008001584A (ja) * | 2006-05-26 | 2008-01-10 | Nippon Oil Corp | 改質器および間接内部改質型固体酸化物形燃料電池 |
JP2008007359A (ja) * | 2006-06-28 | 2008-01-17 | Nippon Oil Corp | 改質器および間接内部改質型固体酸化物形燃料電池 |
JP2009179504A (ja) * | 2008-01-30 | 2009-08-13 | Honda Motor Co Ltd | 燃料改質装置 |
JP2009203136A (ja) * | 2008-02-28 | 2009-09-10 | Kyocera Corp | 反応装置 |
JP2010132482A (ja) * | 2008-12-03 | 2010-06-17 | Ngk Insulators Ltd | リアクタ |
-
2004
- 2004-10-29 JP JP2004315392A patent/JP2006125313A/ja not_active Withdrawn
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