JP2006265007A - 燃料改質装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料改質装置に関し、発熱反応による触媒の過熱と放熱や吸熱反応による触媒の温度低下とを同時に解消する。
【解決手段】 両面に触媒２０，２２が担持された隔壁１２を設ける。そして、この隔壁１２の一方の面に接して流れた混合気が、その後、他方の面にも接して流れるようにガス流路１４，１８を設ける。これにより、隔壁１２の一方の面に担持された触媒２０上では発熱反応である部分酸化反応を生じさせ、隔壁１２の他方の面に担持された触媒２２上では水蒸気改質反応等の吸熱反応を生じさせる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、炭化水素系燃料を触媒によって改質し、水素を含む改質ガスを生成する燃料改質装置に関する。

従来、例えば特許文献１等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、触媒上での改質反応により得られた改質ガスを内燃機関に供給する技術が知られている。特許文献１に記載された燃料改質装置では、改質反応として部分酸化反応を利用している。炭化水素系燃料の部分酸化反応では、下記の反応式に示すようにＨ₂とＣＯを含む改質ガスが生成される。
Ｃ_mＨ_n＋(m/2)Ｏ₂ → mＣＯ＋(n/2)Ｈ₂ ・・・(１)

また、炭化水素系燃料と空気の混合気にさらに水蒸気を加え、これを触媒に供給することで改質ガスを得るようにした燃料改質装置も知られている。この場合、上記の部分酸化反応に加え、触媒上では下記の反応式に示す炭化水素系燃料の水蒸気改質反応も生じている。
Ｃ_mＨ_n＋mＨ₂Ｏ → mＣＯ＋(m＋n/2)Ｈ₂ ・・・(２)

上記の部分酸化反応や水蒸気改質反応で生成されるＨ₂やＣＯは燃焼性に優れているため、例えば、冷間始動時にＨ₂やＣＯを含む改質ガスを内燃機関に供給することで、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２００４−２５１２７３号公報 特公平５−６５７０８号公報 特開２００１−２２７４１９号公報

ところで、上記の部分酸化反応の反応速度は速く、混合気が触媒に流入した際、反応は触媒の上流域でほぼ終了する。図５は、ガスの流れ方向における触媒内の位置と触媒床温との関係を示すグラフである。このグラフに示すように、部分酸化反応（Ｐ．Ｏ反応）が進行している触媒の上流域では触媒床温は極めて高温になる。これは、部分酸化反応が発熱反応であり、反応により発生した熱によって触媒が加熱されることによる。一方、部分酸化反応がほとんど終わっている触媒の下流域では、触媒からの放熱によって触媒床温は次第に低下していく。さらに、混合気中の燃料の霧化不良やミキシング不良により、リーン域ではＨ₂やＣＯ以外にＣＯ₂やＨ₂Ｏが生成される。一方、リッチ域では未改質のＨＣが発生する。これらＣＯ₂，Ｈ₂Ｏ及び未改質のＨＣは、触媒の下流域で下記の反応式に示す反応を起こす。
ａＣ_mＨ_n＋ｂＣＯ₂＋ｃＨ₂Ｏ → ｄＣＯ＋ｅＨ₂ ・・・(３)
上記の反応は吸熱反応であるため、触媒の下流域における触媒床温はさらに低下することになる。

また、部分酸化反応と水蒸気改質反応（Ｓ．Ｒ反応）とを比較した場合、反応速度は水蒸気改質反応のほうが遅い。このため、炭化水素系燃料と空気と水蒸気とを含む混合気が触媒に流入した際、触媒の上流域では主として部分酸化反応が起こり、触媒の下流域で主として水蒸気改質反応が起こることになる。図６は、この場合のガスの流れ方向における触媒内の位置と触媒床温との関係を示すグラフである。このグラフに示すように、発熱反応である部分酸化反応が進行している触媒の上流域では触媒床温は極めて高温になる。一方、水蒸気改質反応が進行している触媒の下流域では触媒床温は大きく低下していく。これは、触媒からの放熱に加え、吸熱反応である水蒸気改質反応の進行に伴い触媒から熱が奪われていくことによる。

以上のように、従来の燃料改質装置には、触媒の上流域では部分酸化反応の反応熱によって触媒が過熱しやすく、逆に触媒の下流域では放熱や水蒸気改質反応等の吸熱反応によって触媒床温が低下しやすいという特徴があった。

しかし、触媒が過熱しすぎると、触媒中の貴金属がシンタリング等をおこして劣化してしまうおそれがある。また、触媒を担持するハニカム構造体が金属製であれば、高温酸化等でハニカム構造体が腐食してしまう可能性もある。セラミクス製のハニカム構造体が用いられている場合であっても強度低下が起きる可能性は有り、外筒等は金属のためやはり高温酸化腐食が発生する可能性もある。

一方、触媒の下流域での触媒床温の低下は、改質ガス中のＨ₂及びＣＯの濃度を低下させ、ＴＨＣの濃度を上昇させてしまう。これは、触媒床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。
２Ｈ₂＋２ＣＯ → ＣＯ₂＋ＣＨ₄ ・・・(４)
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７に示すグラフは、改質ガスのＴＨＣ濃度と触媒床温との関係を示している。図７に示すように、触媒床温には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なるほどＴＨＣ濃度は上昇してしまう。

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、発熱反応による触媒の過熱と放熱や吸熱反応による触媒の温度低下とを同時に解消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、少なくとも炭化水素系燃料と空気とを含む混合気を触媒に供給し、前記混合気を触媒上で反応させることで改質ガスを生成する燃料改質装置において、
両面に触媒が担持された隔壁と、
前記混合気が前記隔壁の一方の面に接して流れた後に前記隔壁の他方の面に接して流れるように形成されたガス流路と、
を備えることを特徴としている。

また、第２の発明は、上記の目的を達成するため、炭化水素系燃料と空気とを含む第１の混合気、及び、炭化水素系燃料と水蒸気とを含む第２の混合気をそれぞれ触媒に供給し、前記の各混合気をそれぞれ触媒上で反応させることで改質ガスを生成する燃料改質装置において、
両面に触媒が担持された隔壁と、
前記第１の混合気が前記隔壁の一方の面に接して流れるように形成された第１のガス流路と、
前記第２の混合気が前記隔壁の他方の面に接して流れるように形成された第２のガス流路と、
を備えることを特徴としている。

少なくとも炭化水素系燃料と空気とを含む混合気を触媒に供給したとき、触媒の上流側では発熱反応である部分酸化反応が起きる。その後、触媒の下流側では未改質の炭化水素系燃料、ＣＯ₂及びＨ₂Ｏを反応物質として、吸熱反応であるＣＯ及びＨ₂の生成反応が起きる。また、混合気中に水蒸気が含まれる場合には、触媒の下流側では、部分酸化反応に遅れて吸熱反応である水蒸気改質反応も起きる。第１の発明によれば、混合気が隔壁の一方の面に接して流れる際、発熱反応である部分酸化反応が主として起き、その後、混合気が隔壁の他方の面に接して流れる際、水蒸気改質反応等の吸熱反応が主として起きる。つまり、第１の発明によれば、発熱反応と吸熱反応とを隔壁の表裏で起こすことができ、発熱反応によって生じる熱を吸熱反応によって消費させることができる。これにより、発熱反応による触媒の過熱と吸熱反応による触媒の温度低下とを同時に解消することができる。

炭化水素系燃料と空気とを含む第１の混合気を触媒に供給したとき、触媒では発熱反応である部分酸化反応が起きる。炭化水素系燃料と水蒸気とを含む第２の混合気を触媒に供給したとき、触媒では吸熱反応である水蒸気改質反応が起きる。第２の発明によれば、第１の混合気が接する隔壁の一方の面では部分酸化反応が起き、第２の混合気が接する他方の面では水蒸気改質反応が起きる。つまり、第２の発明によれば、発熱反応と吸熱反応とを隔壁の表裏で起こすことができ、発熱反応によって生じる熱を吸熱反応によって消費させることができる。これにより、発熱反応による触媒の過熱と吸熱反応による触媒の温度低下とを同時に解消することができる。

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断面図である。図２は本発明の実施の形態１としての燃料改質装置の内部を示す断面図であり、図２中のＡ部を拡大して示したのが図１に相当する。本実施形態の燃料改質装置は、例えば、内燃機関用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、燃料改質装置の外筒２の内部には、外筒２内を流れるガスの流路を塞ぐように触媒反応部４が設けられている。外筒２内に流入した混合気は、この触媒反応部４を通過する際に改質される。外筒２内へ供給される混合気は、炭化水素系燃料（例えばガソリン）と空気と水蒸気とからなる混合気であり、触媒反応部４では炭化水素系燃料の部分酸化反応と水蒸気改質反応が起きる。これら反応により生成されたＨ₂及びＣＯを含む改質ガスは、内燃機関の吸気系へ供給され、内燃機関の燃料として使用される。

本実施形態の燃料改質装置は、触媒反応部４の構造に特徴を有している。図１に示すように、触媒反応部４は、ガスの流れを上流側と下流側とに仕切る仕切り壁１０を備えている。仕切り壁１０に複数の穴１０ａが設けられ、各穴１０ａからガスの流れ方向の下流側に向けて内管１２が延びている。各内管１２には、内管１２よりも径の大きいガイド管１６が被せられている。ガイド管１６の一方の端部は蓋１６ａで閉じられている。内管１２の外壁面とガイド管１６の内壁面との間には隙間が設けられ、内管１２の先端とガイド管１６の蓋１６ａとの間にも隙間が設けられている。

上記のような構造により、仕切り壁１０の穴１０ａに入った混合気は、内管１２内のガス流路（内管ガス流路）１４を通ってガイド管１６内に流入し、さらに、内管１２とガイド管１６との間に形成されるガス流路（ガイド管ガス流路）１８を通ってガイド管１６の外へ流出する。つまり、触媒反応部４を通過する混合気は、内管１２の内壁面に沿って流れた後、その裏面にあたる外壁面に沿って流れることになる。

触媒は、上記のように内管１２の内側から外側に折り返されたガスの流路に沿って配置されている。具体的には、内管１２の内壁面に触媒のコート層２０が設けられ、内管１２の外壁面にも触媒のコート層２２が設けられている。本実施の形態では、内管１２が第１の発明の「両面に触媒が担持された隔壁」に相当している。外側の触媒コート層２２は、内管１２の先端からガイド管１６と重なっている領域の末端まで設けられている。このように、内管１２のガイド管１６と重なっている部分にのみ外側触媒コート層２２を設けることで、混合気を確実に外側触媒コート層２２に接触させることができる。内側の触媒コート層２０は、外側触媒コート層２２と背中合わせになるように、外側触媒コート層２２の位置に合わせて設けられている。

このように触媒コート層２０，２２が設けられる結果、仕切り壁１０の穴１０ａから内管１２内に流入した混合気は、内管ガス流路１４を流れる際に内側触媒コート層２０上で反応を起こし、さらに、ガイド管ガス流路１８を通る際に外側触媒コート層２２上で反応を起こす。このとき、ガスの流れ方向において内側触媒コート層２０のほうが外側触媒コート層２２よりも上流になるため、上流側の内側触媒コート層２０上では反応速度の速い部分酸化反応が主として起き、下流側の外側触媒コート層２２上では比較的反応速度の遅い水蒸気改質反応や反応式（３）で示す反応が主として起きることになる。内管１２とガイド管１６の重なり部分の長さ、つまり、触媒コート層２０，２２のガスの流れ方向における長さは、ガスの流量と各反応の反応速度を考慮して設定されている。

したがって、本実施形態の燃料改質装置によれば、発熱反応である部分酸化反応と、吸熱反応である水蒸気改質反応や反応式（３）で示す反応とを内管１２を挟んで表裏で起こすことができる。これにより、部分酸化反応によって生じる反応熱をその裏側で起きている水蒸気改質反応や反応式（３）で示す反応によって消費させることができ、反応熱によって内側触媒コート層２０が過熱するのを防止することができる。また、外側触媒コート層２２には内側触媒コート層２０から熱が供給されるので、放熱や吸熱反応による外側触媒コート層２２の温度低下を防止することもできる。外側触媒コート層２２の温度低下が防止されることで、外側触媒コート層２２上での水蒸気改質反応や反応式（３）で示す反応は促進され、逆にメタン生成反応は抑制される。

実施の形態２．
以下、図３及び図４を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。
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断面図である。図４は本発明の実施の形態２としての燃料改質装置を示す図（一部断面図）であり、図４中のＢ部を拡大して示したのが図３に相当する。本実施形態の燃料改質装置は、例えば、内燃機関用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、燃料改質装置の外筒３２には、混合気を作るための予混合室３６，３８が２つ設けられている。第１の予混合室３６は、外筒３２の上流先端に設けられている。この第１予混合室３６には、炭化水素系燃料（例えばガソリン）と空気とが供給され、炭化水素系燃料と空気とからなる第１混合気が作られている。第２の予混合室３８は、外筒３２の側面に設けられている。この第２予混合室３８には、炭化水素系燃料（例えばガソリン）と水蒸気とが供給され、炭化水素系燃料と水蒸気とからなる第２混合気が作られている。燃料改質装置の外筒３２の内部には、外筒３２内を流れるガスの流路を塞ぐように触媒反応部３４が設けられている。第２予混合室３８はこの触媒反応部３４の外側に設けられ、第２予混合室３８と触媒反応部３４の内部とは連通している。第１予混合室３６から供給される第１混合気と、第２予混合室３８から供給される第２混合気は、それぞれ触媒反応部３４を通過し、その際、Ｈ₂及びＣＯを含む改質ガスに改質される。得られた改質ガスは、内燃機関の吸気系へ供給され、内燃機関の燃料として使用される。

本実施形態の燃料改質装置は、触媒反応部３４の構造に特徴を有している。図３に示すように、触媒反応部３４は、平行に配置された２つの仕切り壁４０，４６備えている。上記の第１予混合室３６は第１仕切り壁４０側に配置され、第１混合気は、触媒反応部３４の第１仕切り壁４０側に供給されるようになっている。また、２つの仕切り壁４０，４６に囲まれた空間に上記の第２予混合室３８が連通しており、第２混合気は、仕切り壁４０，４６に囲まれた空間内に供給されるようになっている。

第１仕切り壁４０には複数の穴４０ａが設けられ、各穴４０ａから第２仕切り壁４６に向けて内管４２が延びている。第２仕切り壁４６にも複数の穴４６ａが設けられ、各穴４６ａから第１仕切り壁４０に向けて外管４８が延びている。外管４８の径は内管４２の径よりも大きく、外管４８は内管４２に被せられている。内管４２の外壁面と外管４８の内壁面との間には隙間が設けられている。また、外管４８の先端と第１仕切り壁４０との間には隙間が設けられ、内管４２の先端は外管４８の中に収まっている。

上記のような構造により、第１予混合室３６から供給される第１混合気は、第１仕切り壁４０の穴４０ａから内管４２内に流入し、内管４２内のガス流路（内管ガス流路）４４を通って第２仕切り壁４６の穴４６ａから流出する。一方、第２予混合室３８から供給される第２混合気は、２つの仕切り壁４０，４６に囲まれた空間から内管４２と外管４８との間に流入し、内管４２と外管４８との間に形成されるガス流路（外管ガス流路）５０を通って第２仕切り壁４６の穴４６ａから流出する。つまり、第１混合気は内管４２の内壁面に沿って流れ、第２混合気は内管４２の外壁面に沿って流れることになる。

内管４２の内壁面には触媒のコート層５２が設けられ、内管４２の外壁面にも触媒のコート層５４が設けられている。本実施の形態では、内管４２が第２の発明の「両面に触媒が担持された隔壁」に相当している。外側の触媒コート層５４は、内管４２の先端から外管４８と重なっている領域の末端まで設けられている。このように、内管４２の外管４８と重なっている部分にのみ外側触媒コート層５４を設けることで、混合気を確実に外側触媒コート層５４に接触させることができる。内側の触媒コート層５２は、外側触媒コート層５４と背中合わせになるように、外側触媒コート層５４の位置に合わせて設けられている。

このように触媒コート層５２，５４が設けられる結果、仕切り壁４０の穴４０ａから内管４２内に流入した第１混合気は、内管ガス流路４４を流れる際に内側触媒コート層５２に接触する。その際、第１混合気を構成する炭化水素系燃料と空気は、内側触媒コート層５２上で部分酸化反応を起こす。一方、内管４２と外管４８との間に流入した第２混合気は、外管ガス流路５０を流れる際に外側触媒コート層５４に接触する。その際、第２混合気を構成する炭化水素系燃料と水蒸気は、外側触媒コート層５４上で水蒸気改質反応を起こす。

したがって、本実施形態の燃料改質装置によれば、発熱反応である部分酸化反応と、吸熱反応である水蒸気改質反応とを内管４２を挟んで表裏で起こすことができる。これにより、部分酸化反応によって生じる反応熱をその裏側で起きている水蒸気改質反応によって消費させることができ、反応熱によって内側触媒コート層５２が過熱するのを防止することができる。また、外側触媒コート層５４には内側触媒コート層５２から熱が供給されるので、放熱や吸熱反応による外側触媒コート層５４の温度低下を防止することもできる。外側触媒コート層５４の温度低下が防止されることで、外側触媒コート層５４上での水蒸気改質反応は促進され、逆にメタン生成反応は抑制される。

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、次のように変形して実施してもよい。

実施の形態１では、炭化水素系燃料と空気と水蒸気とからなる混合気を供給しているが、炭化水素系燃料と空気とからなる混合気を供給してもよい。この場合、混合気中の炭化水素系燃料と空気は触媒に接触することで部分酸化反応を起こすが、部分酸化反応が起こるのは触媒の上流域、つまり、内管ガス流路１４の内側触媒コート層２０上となる。混合気がガイド管ガス流路１８を通り外側触媒コート層２２に接触したときには、部分酸化反応は既に終わっており、外側触媒コート層２２では熱の放出の他、反応式（３）で示す吸熱反応が起きる。このため、内側触媒コート層２０上での部分酸化反応によって生じる反応熱をその裏側で起きている放熱や吸熱反応によって消費させることができ、反応熱によって内側触媒コート層２０が過熱するのを防止することができる。また、外側触媒コート層２２には内側触媒コート層２０から熱が供給されるので、放熱や吸熱反応による外側触媒コート層２２の温度低下を防止し、メタン生成反応を抑制することができる。

実施の形態１において、混合気の流れ方向を逆方向にしてもよい。つまり、ガイド管ガス流路１８内に流入した混合気が内管ガス流路１４を通って仕切り壁１０の穴１０ａから流れ出るようにしてもよい。この場合でも、実施の形態１と同様の効果が得られる。

実施の形態２において、第１混合気と第２混合気の供給先を入れ替えてもよい。つまり、内管ガス流路４４には第２混合気が流れ、外管ガス流路５０には第１混合気が流れるようにしてもよい。この場合でも、実施の形態２と同様の効果が得られる。

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。

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、図２中のＡ部を拡大して示す断面図である。 本発明の実施の形態１としての燃料改質装置の内部を示す断面図である。 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、図２中のＢ部を拡大して示す断面図である。 本発明の実施の形態２としての燃料改質装置を示す図（一部断面図である。 炭化水素系燃料と空気の混合気を触媒に供給したときの、ガスの流れ方向における触媒内の位置と触媒床温との関係を示すグラフである。 炭化水素系燃料と空気と水蒸気の混合気を触媒に供給したときの、ガスの流れ方向における触媒内の位置と触媒床温との関係を示すグラフである。 触媒床温とＴＨＣ濃度との関係を示す図である。

符号の説明

２ 外筒
４ 触媒反応部
１０ 仕切り壁
１０ａ 穴
１２ 内管
１４ 内管ガス流路
１６ ガイド管
１６ａ 蓋
１８ ガイド管ガス流路
２０ 内側触媒コート層
２２ 外側触媒コート層
３２ 外筒
３４ 触媒反応部
３６ 第１予混合室
３８ 第２予混合室
４０ 第１仕切り壁
４０ａ 穴
４２ 内管
４４ 内管ガス流路
４６ 第２仕切り壁
４６ａ 穴
４８ 外管
５０ 外管ガス流路
５２ 内側触媒コート層
５４ 外側触媒コート層

Claims (2)

1. 少なくとも炭化水素系燃料と空気とを含む混合気を触媒に供給し、前記混合気を触媒上で反応させることで改質ガスを生成する燃料改質装置において、
   両面に触媒が担持された隔壁と、
   前記混合気が前記隔壁の一方の面に接して流れた後に前記隔壁の他方の面に接して流れるように形成されたガス流路と、
   を備えることを特徴とする燃料改質装置。
2. 炭化水素系燃料と空気とを含む第１の混合気、及び、炭化水素系燃料と水蒸気とを含む第２の混合気をそれぞれ触媒に供給し、前記の各混合気をそれぞれ触媒上で反応させることで改質ガスを生成する燃料改質装置において、
   両面に触媒が担持された隔壁と、
   前記第１の混合気が前記隔壁の一方の面に接して流れるように形成された第１のガス流路と、
   前記第２の混合気が前記隔壁の他方の面に接して流れるように形成された第２のガス流路と、
   を備えることを特徴とする燃料改質装置。

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