JP2006144665A - 燃料改質装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 炭化水素燃料を改質して水素を含む改質ガスを生成する燃料改質装置において、改質触媒の過熱を抑える。
【解決手段】 主に部分酸化反応により、炭化水素燃料を改質して水素と一酸化炭素を含む改質ガスを生成する燃料改質装置３０であって、炭化水素燃料及び酸素を含む混合気の供給を受けて改質ガスを生成する改質触媒であって、混合気の流れ方向に分割された改質触媒３０ａ及び改質触媒３０ｂと、隣接する２つの改質触媒３０ａ，３０ｂの間に設けられた冷却手段５２と、を備える。改質触媒３０ａ，３０ｂを分割して設けたため、各改質触媒３０ａ，３０ｂで部分酸化反応が行われることとなり、各改質触媒３０ａ，３０ｂにおける発熱量を低下させることができる。そして、上流側の改質触媒３０ａでの反応によって温度が上昇した混合気を冷却手段５２で冷却して下流側の改質触媒３０ｂへ送るため、混合気の最高到達温度を低下させることが可能となる。
【選択図】 図２

Description

この発明は、燃料改質装置に関する。

従来、例えば特開２００１−２２７４１９号公報に記載されているように、炭化水素燃料と加熱空気を改質触媒に供給して反応させ、一酸化炭素、水素などのガスを取り出す燃料改質装置が知られている。

特開２００１−２２７４１９号公報 特開２００１−２４１３６５号公報

しかしながら、改質反応（部分酸化反応）は発熱反応であるため、改質触媒に供給する燃料量、空気量が多くなると、発熱量が増大し、改質触媒が過熱するという問題が生じる。このため、シンタリング等により改質触媒が劣化し、所望の改質性能を得ることができなくなるという問題が生じる。また、改質触媒は、耐熱金属箔やセラミック単体などのハニカム体から構成されるが、改質触媒の過熱によってハニカム体が熱変形した場合、またはハニカム体が溶損した場合なども、所望の改質性能を得ることが困難となる。

改質触媒が９００℃程度まで過熱されると、改質触媒に供給された混合気が暖められ、部分酸化反応とは別に気相反応である完全酸化反応が生じる場合がある。完全酸化反応が行われると、触媒内の酸素が不足し、部分酸化反応が進行しなくなるという問題が生じる。また、完全酸化反応は発熱反応であるため、改質触媒が更に過熱されるという問題も生じる。

この発明は、上述のような問題を解決するためになされたものであり、炭化水素燃料を改質して水素を含む改質ガスを生成する燃料改質装置において、改質触媒の過熱を抑え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、主に部分酸化反応により、炭化水素燃料を改質して水素と一酸化炭素を含む改質ガスを生成する燃料改質装置であって、前記炭化水素燃料及び酸素を含む混合気の供給を受けて前記改質ガスを生成する改質触媒であって、前記混合気の流れ方向に複数に分割された改質触媒と、隣接する２つの前記改質触媒の間に設けられた冷却手段と、を備えたことを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明において、前記改質触媒は、前記混合気の流れ方向に２つ設けられ、上流側に配置された前記改質触媒の容量は、供給された前記炭化水素燃料の一部のみが反応する容量であることを特徴とする。

第３の発明は、第２の発明において、上流側の前記改質触媒の体積を下流側の改質触媒の体積よりも小さくしたことを特徴とする。

第４の発明は、第２の発明において、上流側の前記改質触媒中の触媒貴金属量を下流側の前記改質触媒中の触媒貴金属量よりも少なくしたことを特徴とする。

第５の発明は、第２の発明において、前記混合気の流れ方向の上流側に配置された前記改質触媒と、下流側に配置された前記改質触媒のそれぞれに酸素を供給する酸素供給手段を備え、前記酸素供給手段は、上流側の前記改質触媒に供給される前記炭化水素燃料中の炭素原子数と、上流側の前記改質触媒に供給される酸素原子数との比が１以下となるように上流側の前記改質触媒に酸素を供給することを特徴とする。

第６の発明は、第５の発明において、前記酸素供給手段は、前記複数の改質触媒の全てに供給される前記炭化水素燃料中の炭素原子数と、上流側及び下流側の前記改質触媒に供給される酸素の総原子数との比が１以上となるように下流側の前記改質触媒に酸素を供給することを特徴とする。

第７の発明は、第１〜第６の発明のいずれかにおいて、前記冷却手段は、前記混合気中に含まれる未反応の前記炭化水素燃料に水又は水蒸気を供給することを特徴とする。

第１の発明によれば、改質触媒を複数に分割したため、各改質触媒で部分酸化反応が行われることとなり、各改質触媒における発熱量を低下させることができる。そして、上流側の改質触媒での反応によって温度が上昇した混合気を冷却手段によって冷却して下流側の改質触媒へ送ることができるため、改質触媒の最高到達温度を低下させることが可能となる。これにより、改質触媒におけるシンタリングの発生、または改質触媒における熱変形、溶損の発生などを確実に抑えることが可能となる。

第２の発明によれば、改質触媒を混合気の流れ方向に２つ設け、上流側に配置した改質触媒の容量を、供給された炭化水素燃料の一部のみが反応する容量としたため、上流側の改質触媒における発熱量を低下させることができる。そして、冷却手段によって冷却された混合気を下流側の改質触媒で反応させるため、改質触媒の最高到達温度を低下させることが可能となる。

第３の発明によれば、上流側の改質触媒の体積を下流側の改質触媒の体積よりも小さくしたため、上流側に配置した改質触媒において、供給された炭化水素燃料の一部のみを反応させることができる。

第４の発明によれば、上流側の改質触媒中の触媒貴金属量を下流側の改質触媒中の触媒貴金属量よりも少なくしたため、上流側に配置した改質触媒において、供給された炭化水素燃料の一部のみを反応させることができる。

第５の発明によれば、上流側に配置された改質触媒と、下流側に配置された改質触媒のそれぞれに酸素を供給する酸素供給手段を設け、上流側の改質触媒に供給される炭化水素燃料中の炭素原子数と、上流側の改質触媒に供給される酸素原子数との比が１以下となるように上流側の前記改質触媒に酸素を供給するため、上流側に配置した改質触媒において、供給された炭化水素燃料の一部のみを反応させることができる。

第６の発明によれば、複数の改質触媒の全てに供給される炭化水素燃料中の炭素原子数と、上流側及び下流側の改質触媒に供給される酸素の総原子数との比が１以上となるように下流側の改質触媒に酸素を供給するため、混合気が下流側の改質触媒に流れる過程で、全ての炭化水素燃料を反応させることができる。

第７の発明によれば、混合気中に含まれる未反応の炭化水素燃料に水又は水蒸気を供給するようにしたため、水分が蒸発する際の潜熱、または水蒸気が加熱される際の顕熱によって、混合気を冷却することが可能となる。また、供給した水又は水蒸気と混合気に含まれる未反応の炭化水素燃料および酸素とを反応させることで、水蒸気改質反応を行うことができる。これにより、水蒸気改質反応によって水素、一酸化炭素を生成することができる。また、水蒸気改質反応は吸熱反応であるため、混合気を冷却することが可能となる。

以下、図面に基づいてこの発明のいくつかの実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。なお、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料改質装置を備えたシステムの構成を説明するための図である。図１に示すシステムは、例えば自動車などの車両に搭載されるものである。内燃機関１０には吸気管１２および排気管１４が連通している。吸気管１２にはスロットル弁１６が設けられている。また、排気管１４には排気浄化触媒１８が設けられている。

内燃機関１０の筒内には、その内部を往復運動するピストン２０が設けられている。また、内燃機関１０は、シリンダヘッド２２を備えている。ピストン２０とシリンダヘッド２２との間には、燃焼室２４が形成されている。燃焼室２４には、吸気管１２および排気管１４がそれぞれ接続されている。

吸気通路１２には、内部に改質ガスを噴射する燃料噴射弁２６が設けられている。燃料噴射弁２６には、改質ガス通路２８が連通している。改質ガス通路２８は、改質器３０と接続されている。改質ガス通路２８には、改質ガスを貯蔵するための貯蔵タンク３２が設けられている。

改質器３０には、改質器３０に燃料（炭化水素燃料（Ｃ_ｎＨ_ｍ））を供給するための燃料供給管３６が連通している。燃料供給管３６には、燃料の供給量を制御する燃料供給制御弁３８が設けられている。

また、改質器３０には、改質器３０に酸素を含むガス（ここでは空気）を供給するための空気供給管４０が連通しており、空気供給管４０には空気ポンプ４２が設けられている。また、空気供給管４０には、改質器３０への空気の供給量を制御する空気供給制御弁４４が設けられている。

本実施形態のシステムは、ＥＣＵ５０を備えている。ＥＣＵ５０には、上述したスロットル弁１６、燃料噴射弁２６、燃料供給制御弁３８、空気供給制御弁４４に加えて、内燃機関１０の運転状態を把握すべく、ノッキングの発生を検知するKCSセンサや、機関回転数、排気温度、触媒温度、冷却水温度、潤滑油温度、排気中のＯ_２、ＮＯxなどを検出するための各種センサ（不図示）が接続されている。

このように構成された本実施形態のシステムにおいて、燃料供給管３６から供給された燃料と、空気供給管４０から供給された空気中の酸素は、改質器３０へ供給される。改質器３０内では、内部に設けられた改質触媒３０ａ，３０ｂ上で改質反応（部分酸化反応）が行われ、改質器３０内に供給された燃料、および酸素から改質ガス（水素（Ｈ_２）と一酸化炭素（ＣＯ））が生成される。

改質器３０で生成された改質ガスは、貯蔵タンク３２に送られ、更に貯蔵タンク３２から燃料噴射弁２６に送られる。燃料噴射弁２６から内燃機関１０の筒内に噴射された改質ガスは、筒内で着火されて燃焼する。これにより、内燃機関１０が駆動される。この際、改質して得られた水素、一酸化炭素を内燃機関で燃焼させることで、炭化水素燃料を燃焼させる場合に比べて排気ガスのエミッションを低減させることができ、燃焼改善を行うことが可能となる。

また、改質器３０において生成した改質ガスを貯蔵タンク３２に貯蔵するため、加速時などの過渡運転時において内燃機関１０が要求する改質ガス量が増加した場合は、貯蔵タンク３２に貯蔵された改質ガスを内燃機関１０に供給することができる。従って、改質ガスを筒内に供給する際の応答性を高めることができる。

図２は、改質器３０の内部構造と、改質器３０の周辺の構造を詳細に示す模式図である。改質器３０内では、図２中の矢印方向にガス、燃料が流れる。改質器３０は円筒状に構成されており、ガス、燃料の流れ方向の上流側に設けられた改質触媒３０ａと、下流側に設けられた改質触媒３０ｂを有している。改質触媒３０ａ，３０ｂは、耐熱金属箔やセラミック単体から構成されるハニカム体上に白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｈ）などの金属を担持することで構成されている。改質触媒３０ａの上流側には、燃料供給管３６と空気供給管４０が接続されている。

燃料供給管３６内には、改質器３０に向けて燃料を噴射する噴射弁４６が設けられている。噴射弁４６は、改質器３０への燃料の供給量を制御する燃料供給制御弁３８として機能する。燃料供給管３６から供給された燃料は、噴射弁４６から噴射されて、空気供給管４０から供給された空気と混合される。そして、燃料、空気を含む混合気は、改質触媒３０ａから改質触媒３０ｂに向かって流れる。

図２に示すように、改質器３０の内径は混合気の流れ方向に沿って変化しており、混合気の流れ方向の上流側に比べて下流側の径が大きくなるように構成されている。改質触媒３０ａは、上流側の径縮小部に設けられ、改質触媒３０ｂは下流側の径拡大部に設けられている。

改質触媒３０ａと改質触媒３０ｂの間には、冷却手段５２が設けられている。冷却手段５２には、その内部に冷却媒体を供給するための冷却媒体入口５２ａと、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口５２ｂが設けられている。

図３は、図２中の一点鎖線Ｉ−Ｉ’に沿った断面を示す模式図である。図３に示すように、冷却手段５２には、改質器３０の内部において複数の冷却管５２ｃが設けられている。冷却管５２ｃの周囲には冷却媒体としての冷却水、または冷却された空気などが循環している。そして、冷却管５２ｃ内に改質器３０内を流れる混合気が通過することで、混合気が冷却されるように構成されている。

空気供給管４０から供給された空気と、噴射弁４６から噴射された燃料は、改質触媒３０ａの上流のミキシング室３０ｃ内で混合される。そして、燃料、空気を含む混合気は改質触媒３０ａに送られ、更に下流の改質触媒３０ｂに送られる。混合気が改質触媒３０ａ，３０ｂに流れると、改質触媒３０ａ，３０ｂ上で改質反応（部分酸化反応）が行われる。

ここで、部分酸化反応の反応式は一般的に下式で示される。
Ｃ_ｎＨ_ｍ＋０．５×ｎ×Ｏ_２→ｎ×ＣＯ＋（ｍ／２）×Ｈ_２ ・・・（１）
このように、部分酸化反応では、炭化水素燃料（Ｃ_ｎＨ_ｍ）と酸素（Ｏ_２）から一酸化炭素（ＣＯ）と水素（Ｈ_２）が生成される。

部分酸化反応は発熱反応であるため、反応によって改質器３０内を流れる混合気の温度が上昇し、改質触媒３０ａ，３０ｂの温度が上昇する。この際、改質器３０に供給された全ての燃料、空気が一度に反応すると、改質触媒が過熱状態となり、触媒床温が非常に高くなる場合がある。

このため、本実施形態では、改質器３０内に２つの触媒（改質触媒３０ａおよび改質触媒３０ｂ）を設け、改質器３０に供給した空気、燃料を上流側の改質触媒３０ａと下流側の改質触媒３０ｂのそれぞれで反応させることで、各触媒における温度上昇を最小限に抑えるようにしている。

改質器３０内では混合気は先ず上流側の改質触媒３０ａに送り込まれるため、改質触媒３０ａの容量が十分に大きいと、送り込まれた混合気の全てが改質触媒３０ａ内で反応してしまい、改質触媒３０ａが過熱してしまう。このため、改質器３０内で行われる改質反応の一部が上流側の改質触媒３０ａで行われるように、上流側の改質触媒３０ａの容量は十分に小さく設定されている。これにより、改質触媒３０ａで反応しなかった未反応の混合気を下流の改質触媒３０ｂに送ることができ、未反応の混合気を改質触媒３０ｂで反応させることができる。

下流側の改質触媒３０ｂでは、未反応の混合気を全て反応させるため、余裕を見込んで容量を比較的大きくしておくことが望ましい。これにより、改質器３０内に供給した燃料、空気（酸素）を改質器３０内で完全に反応させることができる。このように、実施の形態１では、上流側の改質触媒３０ａの容量を十分に小さくし、下流側の改質触媒３０ｂの容量を比較的大きくするため、上流側の改質触媒３０ａの体積が下流側の改質触媒３０ｂの体積よりも小さくされている。下流側の改質触媒３０ｂを改質器３０の径拡大部に設けることで、改質触媒３０ｂの体積を十分に大きくすることが可能である。

図４は、部分酸化反応によって混合気の温度が上昇する様子を示す特性図であって、横軸はミキシング室３０ｃの上流側の端部（図２中に示す基準位置）を始点とするガス流れ方向の距離を、縦軸は改質器３０内を流れる混合気および改質触媒３０ａ，３０ｂの温度を示している。

図４に示すように、基準位置からの距離がｄ１〜ｄ２の範囲に改質触媒３０ａが設けられている。また、基準位置からの距離がｄ３〜ｄ４の範囲に改質触媒３０ｂが設けられている。更に、基準位置からの距離がｄ２〜ｄ３の範囲に冷却手段５２が設けられている。

図４中に実線の特性で示すように、改質触媒３０ａ，３０ｂが設けられた範囲では、部分酸化反応が行われるため、混合気が上流から下流に流れながら反応が進行する。これにより、改質触媒３０ａ，３０ｂの温度は、入口側から出口側に向かって上昇する。そして、上流側の改質触媒３０ａの容量は十分に小さく設定されているため、混合気は、改質触媒３０ａで全て反応する前に改質触媒３０ａを通過してしまう。このため、改質触媒３０ａの下流側の端部における混合気の温度は図４に示すＴ１程度までしか上昇しない。

改質触媒３０ａの下流を流れる混合気中には、部分酸化反応によって生成された水素、一酸化炭素とともに、改質触媒３０ａで反応しなかった炭化水素燃料および酸素が含まれている。そして、改質触媒３０ａの下流を流れる混合気は、改質触媒３０ａの下流において、冷却手段５２によって冷却される。従って、冷却手段５２を通過した後の混合気の温度はΔＴだけ低下し、温度Ｔ２まで下降する。

冷却された混合気が改質触媒３０ｂ内に供給されると、改質触媒３０ａで反応しなかった炭化水素燃料および酸素が反応し、が改質触媒３０ｂ内で部分酸化反応が行われる。これにより、改質触媒３０ｂ内で混合気の温度はＴ２からＴ３まで上昇する。

図４中に示す破線の特性は、改質器３０内に容量の大きな１つの改質触媒を設けた場合の温度変化を示している。改質器３０内に１つの改質触媒のみを設けた場合は、改質器３０に供給した混合気の全てが改質触媒中で反応するため、改質器３０内の混合気の温度が連続的に上昇し、最高到達温度Ｔ_ＭＡＸが非常に高くなる。

本実施形態の構成によれば、改質触媒を２つに分割しているため、１つの改質触媒のみを設けた場合と比べると、改質触媒３０ａ、改質触媒３０ｂのそれぞれにおける発熱量を低減することができる。そして、上流側の改質触媒３０ａでの反応によって温度が上昇した混合気を冷却手段５２によって冷却した後、下流側の改質触媒３０ｂへ送るため、ガス流の最高到達温度（＝Ｔ３）を低下させることが可能となる。これにより、改質触媒３０ａ，３０ｂにおけるシンタリングの発生、または改質触媒３０ａ，３０ｂにおける熱変形、溶損の発生などを確実に抑えることが可能となる。

従って、上流側の改質触媒３０ａの容量、冷却手段５２の冷却能力を適宜設定し、各改質触媒３０ａ，３０ｂの温度を最適に制御することで、各改質触媒３０ａ，３０ｂの到達温度を最適にすることが可能となる。これにより、改質触媒３０ａ，３０ｂが過熱してしまうことを確実に抑止することができる。

なお、全ての運転状態を考慮した上で、改質触媒３０ａの最高到達温度が図４中に示す温度Ｔ１となるように改質触媒３０ａの容量を定めておくことが望ましい。これにより、改質器３０に供給される空気、燃料の量が最大となる場合においても、改質触媒３０ａが過熱してしまうことを抑えることができる。

以上説明したように実施の形態１によれば、改質器３０内の触媒を改質触媒３０ａと改質触媒３０ｂの２つに分割し、両者の間に冷却手段５２を設けたため、それぞれの改質触媒３０ａ，３０ｂにおける発熱量を低下させることができる。そして、上流側の改質触媒３０ａでの反応によって温度が上昇した混合気を、冷却手段５２によって冷却して下流側の改質触媒３０ｂへ送るため、混合気の最高到達温度Ｔ３を低下させることが可能となる。これにより、改質触媒３０ａ，３０ｂにおけるシンタリングの発生、または改質触媒３０ａ，３０ｂにおける熱変形、溶損の発生などを確実に抑えることが可能となる。

なお、実施の形態１では、改質器３０内の改質触媒を２つに分割しているが、改質触媒をより多数の触媒に分割し、隣接する触媒間に冷却手段を設けても良い。これにより、各改質触媒における発熱量を更に低減させることが可能である。

実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２について説明する。実施の形態１では、上流側の改質触媒３０ａの容量を設定する際に、触媒を構成するハニカム体の表面積を減少させるようにしたが、実施の形態２では、ハニカム体の表面積を変更することなく、改質触媒３０ａの単位体積当たりの触媒貴金属担持量（グラム（ｇ）／リットル（ｌ））を減少させている。すなわち、実施の形態では、ハニカム体表面の単位面積当たりの活性点（＝触媒を構成する金属粒子の数）を減少させることで改質触媒３０ａの容量を小さくし、改質器３０に供給した混合気の一部のみを改質触媒３０ａで反応させるようにしている。これにより。改質触媒３０ａ中の触媒貴金属量は改質触媒３０ｂ中の触媒貴金属量よりも少なくなる。

従って、実施の形態１と同様に、改質触媒３０ａにおける発熱量を抑えることができ、改質触媒３０ａが過熱してしまうことを抑止できる。そして、改質触媒３０ａを通過したガスを冷却手段５２によって冷却することで、改質触媒３０ｂが過熱してしまうことを抑えることが可能となる。

また、実施の形態２の方法では、ハニカム体の表面積を減少させる必要がなく、改質触媒３０ａの体積を減少させる必要がないため、改質触媒３０ａの容量を低下させた場合であってもガス流れ方向における改質触媒３０ａの厚みが減少してしまうことはない。従って、容量を低下させた場合であっても、改質触媒３０ａに十分な機械的強度を持たせることが可能となる。

以上説明したように実施の形態２によれば、改質触媒３０ａの単位体積当たりの触媒貴金属担持量を減少させることで、改質触媒３０ａ内での混合気の反応量を低下させることが可能となる。これにより、改質触媒３０ａの発熱量を減少させることができ、改質触媒３０ａが過熱してしまうことを確実に抑止できる。そして、実施の形態１と同様に改質触媒３０ａを通過した混合気を冷却手段５２で冷却することで、改質触媒３０ｂに流入するガスの温度を低下させることができる。これにより、改質触媒３０ｂが過熱してしまうことを確実に抑止できる。

実施の形態３．
次に、本発明の実施の形態３について説明する。実施の形態３の基本的なシステム構成は、実施の形態１の図１のシステムと同様である。図５は、改質器３０の内部構造と、改質器３０の周辺の構造を詳細に示す模式図である。

実施の形態１と同様に、改質器３０には２つの改質触媒３０ａ，３０ｂが設けられている。改質触媒３０ａと改質触媒３０ｂの間には、冷却手段５４が設けられている。冷却手段５４には、その内部に水又は水蒸気、又はこれらを混合したもの（以下、水蒸気等という）を供給するための水／水蒸気入口流路５４ａが設けられている。冷却手段５４は、改質器３０内に水蒸気等を噴射することで改質器３０内を流れる混合気を冷却し、更に噴射した水、水蒸気と改質器３０内を流れる混合気とを反応させて水蒸気改質反応を生じさせるものである。

図６は、実施の形態３の冷却手段５４の構成を示す模式図であって、改質器３０内において混合気の流れ方向から冷却手段５４を見た状態を示している。

図６に示すように、冷却手段５４は同心円状に配置された２つの円管部５４ｂを有しており、円管部５４ｂには噴射孔５４ｃが設けられている。水／水蒸気入口流路５４ａから供給された水、水蒸気は、円管部５４ｂ内に供給され、噴射孔５４ｃから改質器３０内へ噴射される。

改質器３０内を流れる混合気の温度は、改質触媒３０ａにおける部分酸化反応によって図４で説明した温度Ｔ１近傍まで上昇している。この状態で冷却手段５４から改質器３０内に水、水蒸気が供給されると、水分が蒸発する際の潜熱、または水蒸気が加熱される際の顕熱によって、改質器３０を流れる混合気の熱が吸収される。従って、改質器３０内を流れる混合気を冷却することができる。

また、冷却手段５４が設けられた位置を流れる混合気中には、改質触媒３０ａで反応しなかった未反応の炭化水素燃料、および酸素が含まれている。これらの未反応の燃料、酸素は、噴射孔５２ｃから噴射された水または水蒸気と反応し、下流側の改質触媒３０ｂにおいて、下式で示される水蒸気改質反応が行われる。
Ｃ_ｎＨ_ｍ＋ｎ×Ｈ_２Ｏ → ｎ×ＣＯ＋（ｍ／２＋ｎ）×Ｈ_２ ・・・（２）
これにより、改質触媒３０ｂでは、部分酸化反応と水蒸気改質反応の双方によって一酸化炭素と水素が生成される。

水蒸気改質反応は吸熱反応であるため、改質器３０内で水蒸気改質反応を生じさせることで、改質器３０内の混合気の温度を低下させることができる。これにより、改質触媒３０ｂを流れる混合気の温度を低下させることができ、改質触媒３０ｂが過熱してしまうことを抑止できる。

また、部分酸化反応は発熱反応であるため、改質器３０内で部分酸化反応のみが行われる場合は、内燃機関１０に送られる改質ガスの発熱量は、改質器３０に供給される炭化水素燃料が本来有している発熱量から部分酸化反応による発熱分だけ減少することになる。しかし、水蒸気改質反応は吸熱反応であるため、改質器３０内で吸熱反応を生じさせることで、吸熱による熱量分だけ内燃機関１０に送られる改質ガスの発熱量を増やすことができる。従って、実施の形態３によれば、部分酸化反応のみで改質ガスを生成する場合と比較して、内燃機関１０に供給される改質ガスの発熱量を増加させることが可能である。

更に、改質触媒３０ａに供給される混合気が若干燃料リッチであり改質触媒３０ａを通過した後の混合気に未燃炭化水素燃料（未燃ＨＣ）が含まれる場合、または、改質触媒３０ａに供給される混合気が若干燃料リーンであり、改質触媒３０ａを通過した後の混合気に二酸化炭素（ＣＯ_２）が含まれる場合は、未燃ＨＣまたはＣＯ_２をＣＯとＨ_２に改質することができため、供給混合気のＡ／Ｆの制御精度の幅を広げることができる。

以上説明したように実施の形態３によれば、冷却手段５４から水蒸気等を改質器３０内に噴射するようにしたため、水分が蒸発する際の潜熱、または水蒸気が加熱される際の顕熱によって、改質器３０を流れる混合気の熱を吸収することができる。これにより、改質器３０内を流れる混合気を冷却することが可能となる。また、改質器３０内に噴射した水蒸気等と、混合気に含まれる未反応の炭化水素燃料および酸素とを反応させることで、水蒸気改質反応を行うことができる。これにより、水蒸気改質反応によって水素、一酸化炭素を生成することができ、また水蒸気改質反応は吸熱反応であるため混合気を冷却することが可能となる。

実施の形態４．
次に、本発明の実施の形態４について説明する。実施の形態４の基本的なシステム構成は、実施の形態１の図１のシステムと同様である。図７は、実施の形態４のシステムにおける改質器４０の周辺を示す模式図である。

実施の形態４の改質器３０においても、改質器３０内には２つの改質触媒３０ａ，３０ｂが設けられている。そして、実施の形態１と同様に、空気ポンプ４２の作動によって空気供給管４０内に空気が流れ、空気制御弁４４を介して改質器３０内に空気が導入される。また、噴射弁４２から炭化水素燃料が供給される。空気と炭化水素燃料はミキシング室３０ｃで混合され、上流側の改質触媒３０ａへ送られる。

図７に示すように、実施の形態４では、改質器３０の内径は流れ方向に沿って一定の値とされている。従って、上流側の改質触媒３０ａの外径と、下流側の改質触媒３０ｂの外径はほぼ等しい値とされている。

改質触媒３０ａと改質触媒３０ｂの間には、冷却手段５２と空気供給手段５６が設けられている。空気供給手段５６には空気供給管５８が接続されており、空気供給管５８は、空気供給制御弁４４の下流において、空気供給管４０と接続されている。空気供給手段５６の内部構造は、例えば図６に示した冷却手段５４と同様のものであり、図６の構造において、水蒸気等の代わりに空気供給管４０から供給された空気が供給される。冷却手段５２の構成は、実施の形態１と同様である。

このように構成された実施の形態４のシステムでは、空気供給管４０に設けられた空気供給制御弁４４の下流で空気の流れが２つに分離される。そして、空気供給管４０を流れる空気は噴射弁４６側に供給され、空気供給管５８を流れる空気は空気供給手段５６へ供給される。

上述の（１）式で示されるように、部分酸化反応では、１モルの炭素原子と１モルの酸素原子が反応する。すなわち、部分酸化反応では、酸素原子数と炭素原子数との比（Ｏ／Ｃ）を１とすることで、理論上、全ての炭化水素燃料が一酸化炭素と水素に改質される。従って、改質器３０内での反応を過不足なく行うために、燃料供給管３６から供給される炭化水素燃料中の炭素原子数（単位流量当たり）と、空気供給管４０から供給される空気中の酸素原子数（単位流量当たり）とが等しくなるように、燃料供給制御弁３８と空気供給制御弁４４の開度が設定されている。

空気供給制御弁４４の下流を流れる空気の一部が空気供給管５８側に流れると、噴射弁側４６側に送られる空気中の酸素量が減少する。従って、噴射弁４６の下流のミキシング室３０ｃ内では、混合気中の酸素原子数と炭素原子数との比（Ｏ／Ｃ）は１以下となる。

このため、ミキシング室３０ｃから改質触媒３０ａを経て冷却手段５２に至る経路では、炭化水素燃料量に対して空気量（酸素量）が不足することとなり、改質触媒３０ａでは、供給された燃料の一部のみで改質反応が行われ、残りの燃料は未反応の状態で改質触媒３０ｂへ送られる。

従って、改質触媒３０ａでは、供給された炭化水素燃料の一部のみが反応するため、改質触媒３０ａにおける発熱量を最小限に抑えることができる。これにより、改質触媒３０ａが過熱してしまうことを抑止できる。

図８は、改質触媒３０ａに供給される混合気中の酸素原子数と炭素原子数との比（Ｏ／Ｃ）と、改質反応後の混合気の温度（＝改質触媒３０ａの温度）との関係を示す特性図である。図８に示すように、Ｏ／Ｃが１以下の場合は、混合気中の炭化水素燃料が全て反応しないため、Ｏ／Ｃが１よりも大きい場合に比べて反応後の混合気の温度が低くなる。従って、混合気中のＯ／Ｃを１以下として改質触媒３０ａに送ることで、改質触媒３０ａの過熱を確実に抑えることができる。

改質触媒３０ａの下流では、実施の形態１と同様に、冷却手段５２によって混合気が冷却される。これにより、改質触媒３０ａでの部分酸化反応によって上昇した混合気の温度を低下させることができる。

冷却手段５２の下流では、空気供給手段５６から改質器３０内に空気が供給される。そして、上述したように、燃料供給管３６から供給される炭化水素燃料中の炭素原子数（単位流量当たり）と、空気供給管４０から供給される空気中の酸素原子数（単位流量当たり）とが等しくなるように、燃料供給制御弁３８と空気供給制御弁４４の開度が設定されているため、空気供給手段５６から供給された空気中の酸素原子数（単位流量当たり）と、改質触媒３０ａから改質触媒３０ｂへ送られた未反応の炭化水素燃料中の炭素原子数（単位流量当たり）とは等しくなる。従って、空気供給手段５６から改質器３０内に供給された空気中の酸素と、改質触媒３０ａから改質触媒３０ｂへ送られた混合気中の未反応の炭化水素燃料を、改質触媒３０ｂ内で過不足なく反応させることができる。

図９は、実施の形態４において、部分酸化反応によって混合気の温度が上昇する様子を示す特性図であって、図４と同様に、横軸はミキシング室３０ｃの上流側の端部（図２中に示す基準位置）を始点とするガス流れ方向の距離を、縦軸は改質器３０内を流れる混合気の温度を示している。このように、改質触媒３０ａに流入する混合気中のＯ／Ｃを１以下とすることで、改質触媒３０ａの下流側の端部における混合気の温度を図９に示すＴ４程度に抑えることができる。

改質触媒３０ａの下流を流れる混合気は、改質触媒３０ａの下流において、冷却手段５２によって冷却される。これにより、冷却手段５２を通過した後の混合気の温度はΔＴだけ低下し、温度Ｔ５まで下降する。

冷却された混合気に空気供給手段５６から空気が供給されると、改質触媒３０ａで反応しなかった炭化水素燃料および酸素が反応し、改質触媒３０ｂ内で部分酸化反応が行われる。これにより、改質触媒３０ｂ内で混合気の温度はＴ５からＴ６まで上昇する。

図９中に示す破線の特性は、図４の破線の特性と同様に、改質器３０内に１つの改質触媒のみを設けた場合の温度変化を示している。このように、実施の形態４によれば、改質触媒３０ａに供給する混合気中のＯ／Ｃを１以下とすることで、改質触媒３０ａにおける発熱量を抑えることができ、改質触媒３０ａの下流で混合気を冷却することで、改質触媒３０ｂにおける最高到達温度Ｔ６を、１つの改質触媒で全反応を行った場合の最高到達温度Ｔ_ＭＡＸよりも大幅に低下させることができる。

従って、上流側の改質触媒３０ａに供給する混合気中のＯ／Ｃや、冷却手段５２の冷却能力を適宜設定し、各改質触媒３０ａ，３０ｂの温度を最適に制御することで、各改質触媒３０ａ，３０ｂの到達温度を最適にすることが可能となる。これにより、改質触媒３０ａ，３０ｂが過熱してしまうことを確実に抑止できる。

以上説明したように実施の形態４によれば、改質器３０に供給する空気を分流して改質触媒３０ａと改質触媒３０ｂのそれぞれに供給し、上流側の改質触媒３０ａに供給する混合気中のＯ／Ｃを１以下としたため、混合気中の炭化水素燃料の一部のみを改質触媒３０ａ内で反応させることができる。これにより、改質触媒３０ａにおける発熱量を抑えることができ、改質触媒３０ａが過熱してしまうことを確実に抑止できる。そして、上流側の改質触媒３０ａでの反応によって温度が上昇したガス流を冷却手段５２によって冷却して下流側の改質触媒３０ｂへ送るため、ガス流の最高到達温度を低下させることが可能となる。これにより、改質触媒３０ａ，３０ｂにおけるシンタリングの発生、または改質触媒３０ａ，３０ｂにおける熱変形、溶損の発生などを確実に抑えることが可能となる。

実施の形態５．
次に、本発明の実施の形態５について説明する。実施の形態５は、実施の形態４の構成において、実施の形態３と同様の方法で改質器３０内に水蒸気等を供給して改質器３０内を流れる混合気を冷却するようにしたものである。

図１０は、実施の形態５のシステムにおける改質器３０の周辺を示す模式図である。図１０に示すように、実施の形態５では、実施の形態４の冷却手段５２の代わりに、実施の形態３で説明した冷却手段５４を設けている。

実施の形態３で説明したように、冷却手段５４から改質器３０内に水蒸気等を供給することで、潜熱または顕熱によって改質器３０内を流れる混合気を冷却することができる。

また、改質器３０内に供給した水蒸気等と未反応の炭化水素燃料を反応させることで、水蒸気改質反応を生じさせることができる。そして、水蒸気改質反応は吸熱反応であるため、改質器３０内で水蒸気改質反応を生じさせることで、改質器３０内の混合気の温度を低下させることができる。これにより、改質触媒３０ｂを流れる混合気の温度を低下させることができ、改質触媒３０ｂが過熱してしまうことを抑止できる。

以上説明したように実施の形態５によれば、冷却手段５４から水蒸気等を改質器３０内に噴射するようにしたため、水分が蒸発する際の潜熱、または水蒸気が加熱される際の顕熱によって、改質器３０を流れる混合気の熱を吸収することができる。これにより、改質器３０内を流れる混合気を冷却することが可能となる。また、改質器３０内に噴射した水蒸気等と、混合気に含まれる未反応の炭化水素燃料および酸素とを反応させることで、水蒸気改質反応を行うことができる。これにより、水蒸気改質反応によって水素、一酸化炭素を生成することができ、また水蒸気改質反応は吸熱反応であるため混合気を冷却することが可能となる。

また、上述した各実施形態では、燃料供給管３６から改質器３０へ炭化水素燃料のみを供給することしているが、炭化水素燃料とともに水を供給しても良い。

本発明の実施の形態１に係る燃料改質器付き内燃機関を備えたシステムの構成を示す模式図である。 本発明の実施の形態１に係る改質器とその周辺を詳細に示す模式図である。 図２中の一点鎖線Ｉ−Ｉ’に沿った断面を示す模式図である。 実施の形態１において、部分酸化反応によってガス流の温度が上昇する様子を示す特性図である。 本発明の実施の形態３に係る改質器とその周辺を詳細に示す模式図である。 実施の形態３に係る冷却手段の構成を示す模式図である。 本発明の実施の形態４に係る改質器とその周辺を詳細に示す模式図である。 混合気中の酸素原子数と炭素原子数との比（Ｏ／Ｃ）と、改質反応後の混合気の温度との関係を示す特性図である。 実施の形態４において、部分酸化反応によってガス流の温度が上昇する様子を示す特性図である。 本発明の実施の形態５に係る改質器とその周辺を詳細に示す模式図である。

符号の説明

３０ 改質器
３０ａ，３０ｂ 改質触媒
５２，５４ 冷却手段
５８ 空気供給管

Claims (7)

1. 主に部分酸化反応により、炭化水素燃料を改質して水素と一酸化炭素を含む改質ガスを生成する燃料改質装置であって、
   前記炭化水素燃料及び酸素を含む混合気の供給を受けて前記改質ガスを生成する改質触媒であって、前記混合気の流れ方向に複数に分割された改質触媒と、
   隣接する２つの前記改質触媒の間に設けられた冷却手段と、
   を備えたことを特徴とする燃料改質装置。
2. 前記改質触媒は、前記混合気の流れ方向に２つ設けられ、上流側に配置された前記改質触媒の容量は、供給された前記炭化水素燃料の一部のみが反応する容量であることを特徴とする請求項１記載の燃料改質装置。
3. 上流側の前記改質触媒の体積を下流側の改質触媒の体積よりも小さくしたことを特徴とする請求項２記載の燃料改質装置。
4. 上流側の前記改質触媒中の触媒貴金属量を下流側の前記改質触媒中の触媒貴金属量よりも少なくしたことを特徴とする請求項２記載の燃料改質装置。
5. 前記混合気の流れ方向の上流側に配置された前記改質触媒と、下流側に配置された前記改質触媒のそれぞれに酸素を供給する酸素供給手段を備え、
   前記酸素供給手段は、
   上流側の前記改質触媒に供給される前記炭化水素燃料中の炭素原子数と、上流側の前記改質触媒に供給される酸素原子数との比が１以下となるように上流側の前記改質触媒に酸素を供給することを特徴とする請求項２記載の燃料改質装置。
6. 前記酸素供給手段は、前記複数の改質触媒の全てに供給される前記炭化水素燃料中の炭素原子数と、上流側及び下流側の前記改質触媒に供給される酸素の総原子数との比が１以上となるように下流側の前記改質触媒に酸素を供給することを特徴とする請求項５記載の燃料改質装置。
7. 前記冷却手段は、前記混合気中に含まれる未反応の前記炭化水素燃料に水又は水蒸気を供給することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の燃料改質装置。

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