JP2007002684A - 燃料改質装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料改質装置に関し、炭化水素系燃料の改質効率を向上させる。
【解決手段】 上流側触媒４０で改質されなかった未改質の炭化水素系燃料を下流側触媒４２で再反応させて改質する。再反応させる手段としては、下流側触媒４２に熱を供給するヒータが好ましい。ヒータとしては、触媒４２の中心部に配置された中心電極５０と、触媒４２の外周部に配置された外側電極３０とを含み、触媒４２に通電することで触媒４２自体を発熱させるように構成したものを用いることができる。
【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。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)

Ｈ₂、ＣＯともに燃焼性に優れ且つ高い熱量を有している。このため、例えば、冷間始動時に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２００１−２４８５０６号公報

しかしながら、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。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、未改質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。

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。このため、部分酸化反応が進行している触媒の上流部では、触媒温度は高くなりやすく、式（２）の反応の進行によって改質ガス中には炭化水素系燃料が未改質のまま残存しやすい。そして、酸素不足によって部分酸化反応が進行しない触媒の下流部では、周囲への放熱によって触媒温度が低下する。その結果、式（３）の反応の進行によって改質ガス中のＨ₂やＣＯの濃度は低下し、炭化水素系燃料の改質効率はさらに低下してしまう。

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、炭化水素系燃料の改質効率を向上させ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、
前記触媒の上流部で改質されなかった未改質の炭化水素系燃料を前記触媒の下流部で再反応させて改質する再反応手段を備えることを特徴としている。

第２の発明は、第１の発明において、
前記再反応手段は、前記触媒の下流部に熱を供給するヒータであることを特徴としている。

第３の発明は、第２の発明において、
前記ヒータは、前記触媒の中心部に配置された中心電極と、前記触媒の外周部に配置された外側電極とを含み、前記触媒に通電することで前記触媒自体を発熱させるように構成されていることを特徴としている。

第４の発明は、第２又は第３の発明において、
前記触媒は、上流部を構成する上流側触媒と、下流部を構成する下流側触媒とからなり、前記下流側触媒に前記ヒータが設けられていることを特徴としている。

第５の発明は、第３の発明において、
前記中心電極及び前記外側電極は、ともに前記触媒の下流部から上流部まで配置され、前記触媒の下流部は、前記触媒の上流部よりも電気抵抗が小さくなるように構成されていることを特徴としている。

第６の発明は、第３の発明において、
前記中心電極は、前記触媒の下流部から上流部まで配置され、前記外側電極は、前記触媒の下流部のみに配置されていることを特徴としている。

第７の発明は、第２乃至第６の何れか１つの発明において、
前記触媒の下流部の温度を測定する温度センサと、
前記温度センサで測定される温度に基づき、前記ヒータへの通電量を制御する制御手段とをさらに備えることを特徴としている。

第８の発明は、第２乃至第６の何れか１つの発明において、
前記混合気の供給量に基づき、前記ヒータへの通電量を制御する制御手段をさらに備えることを特徴としている。

本発明によれば、触媒の上流部で改質されなかった未改質の炭化水素系燃料を触媒の下流部で再反応させて改質することができるので、炭化水素系燃料の改質効率を向上させることができる。特に、第２の発明によれば、ヒータによって触媒の下流部に熱を供給することで、未改質の炭化水素系燃料と触媒の上流部で生成したＨ₂Ｏ及びＣＯ₂との反応（吸熱反応）を促進することができ、未改質の炭化水素系燃料を効率良くＨ₂及びＣＯに改質することができる。

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が接続されている。吸気管４と燃焼室１０との接続部には吸気バルブ１４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１６が設けられている。

内燃機関は複数のシリンダ２を備え、吸気管４はサージタンク１８からシリンダ２毎に延びている。サージタンク１８には、新気が供給される新気供給管２０と、改質ガスが供給される改質ガス供給管２４が接続されている。新気供給管２０には、新気の供給量を制御するためのスロットルバルブ２２が配置されている。

改質ガス供給管２４は、内部に触媒が配置されたケーシング３０とサージタンク１８とを接続している。ケーシング３０の上流側端部には、酸化ガスとしての空気をケーシング３０に供給するための空気供給管３４が接続されている。空気供給管３４には、空気の供給量を制御するための制御バルブ３６が配置されている。空気供給管３４とケーシング３０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３２が配置されている。空気供給管３４から供給される空気にインジェクタ３２から噴射された燃料が混じり、混合気となってケーシング３０内に供給される。インジェクタ３２から噴射される燃料量は、ケーシング３０内に供給される混合気の空燃比が一定空燃比になるように、空気の供給量に応じて制御されている。

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、ケーシング３０内にガスの流れ方向に２段に触媒４０，４２を備えている。上流側触媒４０と下流側触媒４２との間には、隙間が設けられている。

上流側触媒４０と下流側触媒４２のうち、下流側触媒４２のみヒータ付き触媒として構成されている。ヒータ付き触媒である下流側触媒４２は、その中心に電極５０を備えている。中心電極５０は、ケーシング３０とともに電源５２に接続されている。ケーシング３０は金属製で、外側電極として機能する。電源５２をオンにして中心電極５０とケーシング３０との間に電圧を印加することで、中心電極５０からケーシング３０へ向けて下流側触媒４２内を電流が流れる。電流が流れることで下流側触媒４２は発熱し、下流側触媒４２の触媒温度は上昇する。電源５２の電圧は、下流側触媒４２の触媒温度が１１００〜１４００℃、好ましくは、１２００〜１３００℃になるように設定されている。

図２に示す構成の燃料改質装置では、炭化水素系燃料の部分酸化反応は、主として上流側触媒４０上にて起きる。このとき、上流側触媒４０上では式（２）で示す反応も同時に起き、酸素が消費されてＣＯ₂及びＨ₂Ｏが生成される。このため、上流側触媒４０から流れ出た改質ガス中には、部分酸化反応により生成したＨ₂及びＣＯとともに、未改質の炭化水素系燃料とＣＯ₂及びＨ₂Ｏも含まれる。上流側触媒４０から流れ出た改質ガスは、下流側触媒４２を通過する。

前述のように、下流側触媒４２はヒータ付き触媒であり、触媒温度が１１００〜１４００℃、好ましくは、１２００〜１３００℃になるよう熱が供給されている。このため、未改質の炭化水素系燃料とＣＯ₂及びＨ₂Ｏを含む改質ガスが下流側触媒４２を通過すると、下流側触媒４２上では、例えば下記の反応式で示すような炭化水素系燃料の改質反応が起きる。
Ｃ_mＨ_n＋(m/2)Ｈ₂Ｏ＋(m/2)ＣＯ₂ →(3/2)mＣＯ＋(m/2＋ｎ/2)Ｈ₂ ・・・(４)
上記式（４）で示す改質反応は吸熱反応であるので、下流側触媒４２自体から発せられる熱によって反応は促進され、炭化水素系燃料のＨ₂及びＣＯへの改質が進む。

このように、本実施形態にかかる燃料改質装置によれば、上流側触媒４０で改質されなかった未改質の炭化水素系燃料を、上流側触媒４０で生成したＨ₂Ｏ及びＣＯ₂と再反応（吸熱反応）させることができ、未改質の炭化水素系燃料をＨ₂及びＣＯに改質することができる。また、下流側触媒４２自体の発熱によって触媒温度の低下は防止されるので、上記式（３）に示すメタン生成反応も抑制することができる。つまり、本実施形態にかかる燃料改質装置によれば、炭化水素系燃料の改質効率を向上させることができる。

なお、下流側触媒４２を加熱する方法としては、本実施形態のように下流側触媒４２をヒータ付き触媒として構成する他、燃料（例えば、ＨＣ、ＣＯ、Ｈ₂等）の酸化熱によって加熱する方法も考えられる。しかし、この場合は、上記式（４）の改質反応により生成したＨ₂及びＣＯも同時に酸化してしまうことになる。したがって、本実施形態のようにヒータ付き触媒を用いることで、未改質の炭化水素系燃料を効率良くＨ₂及びＣＯに改質することができる。

上記実施の形態では、上流側触媒４０と下流側触媒４２とを距離をあけて配置しているが、上流側触媒４０に下流側触媒４２をくっ付けて配置してもよい。

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中、図２に示す燃料改質装置と同一の部位及び部品については、同一の符号を付している。

図３に示すように、本実施形態にかかる燃料改質装置のケーシング３０には、下流側触媒４２の触媒温度を測定するための温度センサ５６が取り付けられている。また、本実施形態にかかる燃料改質装置は可変抵抗等の電圧調整装置５４を備え、中心電極５０とケーシング（外側電極）３０との間に印加する電圧を調整可能になっている。温度センサ５６が出力する信号は内燃機関の制御装置であるＥＣＵ５８に送信され、ＥＣＵ５８は温度センサ５６の信号から測定される触媒温度に基づいて電圧調整装置５４を制御する。具体的には、ＥＣＵ５８は、下流側触媒４２の触媒温度が常に１１００〜１４００℃、好ましくは、１２００〜１３００℃になるように、電圧調整装置５４を制御して中心電極５０とケーシング３０との間に印加する電圧を調整している。

本実施形態にかかる燃料改質装置によれば、実施の形態１にかかる燃料改質装置で得られる効果に加え、さらに、下流側触媒４２の触媒温度を常に上記式（４）の改質反応に適した触媒温度に制御することができ、未改質の炭化水素系燃料を効率良くＨ₂及びＣＯに改質することができる。

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中、図２に示す燃料改質装置と同一の部位及び部品については、同一の符号を付している。

図４に示すように、本実施形態では、ケーシング３０内にガスの流れ方向に２段に触媒４４，４６を備えている。本実施形態では、上流側触媒４４と下流側触媒４６とは一体化され、ともにヒータ付き触媒として構成されている。両触媒４４，４６の中心には、共通の中心電極５０が配置され、電源５２をオンにして中心電極５０とケーシング３０との間に電圧を印加することで、中心電極５０からケーシング３０へ向けて各触媒４４，４６内を電流が流れるようになっている。

上流側触媒４４と下流側触媒４６とは、その電気抵抗に差が設けられている。下流側触媒４６は上流側触媒４４よりもセル箔が厚く、また、セルサイズも大きい。これにより、下流側触媒４６は上流側触媒４４よりも電気抵抗が小さく、通電時には、上流側触媒４４よりも下流側触媒４６に多くの電流が流れる。その結果、下流側触媒４６の発熱量は上流側触媒４４よりも大きくなり、下流側触媒４６の触媒温度は上流側触媒４４の触媒温度よりも高温に維持される。言い換えれば、下流側触媒４６の触媒温度を上記式（４）の改質反応に適した触媒温度に維持しつつ、上流側触媒４４の触媒温度が高くなりすぎるのを防止することができる。

以上のような構成により、本実施形態にかかる燃料改質装置によれば、上流側触媒４４上で炭化水素系燃料を部分酸化反応させつつ、改質されなかった未改質の炭化水素系燃料を、上流側触媒４４で生成したＨ₂Ｏ及びＣＯ₂と下流側触媒４６上で再反応させてＨ₂及びＣＯに改質することができる。また、下流側触媒４６の触媒温度は高温に維持されるので、メタン生成反応も抑制される。

実施の形態４．
図５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５中、図２に示す燃料改質装置と同一の部位及び部品については、同一の符号を付している。

図５に示すように、本実施形態では、ケーシング３０内に触媒４８を１段のみ備えている。この触媒４８はヒータ付き触媒として構成され、その中心には触媒４８の上流端から下流端まで中心電極５０が配置されている。本実施形態では、触媒４８の上流部のみ、ケーシング３０と触媒４８との間に絶縁材６０が配置されている。

図５に示す構成の燃料改質装置では、電源５２をオンにして中心電極５０とケーシング３０との間に電圧を印加したときには、絶縁材６０が設けられている触媒４８の上流部には電流が流れず、外側電極であるとケーシング３０に接している触媒４８の下流部のみ電流が流れる。その結果、触媒４８はその下流部のみ発熱し、触媒４８の下流部の触媒温度は上流部の触媒温度よりも高温に維持される。つまり、下流部の触媒温度を上記式（４）の改質反応に適した触媒温度に維持しつつ、上流部の触媒温度が高くなりすぎるのを防止することができる。

以上のような構成により、本実施形態にかかる燃料改質装置によれば、触媒４８の上流部で炭化水素系燃料を部分酸化反応させつつ、改質されなかった未改質の炭化水素系燃料を、触媒４８の上流部で生成したＨ₂Ｏ及びＣＯ₂と触媒４８の下流部で再反応させてＨ₂及びＣＯに改質することができる。また、触媒４８の下流部の触媒温度は高温に維持されるので、メタン生成反応も抑制される。

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３の構成において、温度センサにより下流側触媒４６の触媒温度を測定し、その測定値に基づいてヒータへの通電量、具体的は、中心電極５０とケーシング３０との間に印加する電圧を制御してもよい。これによれば、下流側触媒４６の触媒温度を未改質の炭化水素系燃料を改質するのに適した触媒温度に維持することができる。

同様に、実施の形態４の構成においても、温度センサにより触媒４８の下流部の触媒温度を測定し、その測定値に基づいてヒータへの通電量を制御してもよい。これによれば、触媒４８の下流部の触媒温度を未改質の炭化水素系燃料を改質するのに適した触媒温度に維持することができる。

また、実施の形態１の構成において、混合気の供給量に応じて、ヒータへの通電量、具体的は、中心電極５０とケーシング３０との間に印加する電圧を制御してもよい。下流側触媒４２上での吸熱反応により吸収される熱量は、改質ガス中に含まれる未改質の炭化水素系燃料の量に比例する。そして、未改質の炭化水素系燃料の量は、ケーシング３０内に供給される混合気の量に比例する。したがって、混合気の供給量に応じてヒータへの通電量を制御すれば、下流側触媒４２の必要以上の過熱を防止しつつ、下流側触媒４２の触媒温度を未改質の炭化水素系燃料を改質するのに適した触媒温度に維持することができ、未改質の炭化水素系燃料を効率良くＨ₂及びＣＯに改質することができる。

同様に、実施の形態３の構成においても、混合気の供給量に応じてヒータへの通電量を制御してもよい。また、実施の形態４の構成においても、混合気の供給量に応じてヒータへの通電量を制御してもよい。これによれば、温度センサを用いることなく、触媒温度を未改質の炭化水素系燃料を改質するのに適した触媒温度に維持することができる。

また、上記実施の形態では、触媒自身をヒータ（ヒータ付き触媒）として構成しているが、ヒータを触媒とは別体に設け、別体のヒータにより触媒を加熱するようにしてもよい。ヒータはケーシングの内部に配置してもよく、ケーシングの外部に配置してもよい。

また、上記実施の形態では、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。

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。 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。

符号の説明

３０ ケーシング（外側電極）
３２ インジェクタ
３４ 空気供給管
３６ 制御バルブ
４０ 上流側触媒
４２ 下流側触媒（ヒータ付き触媒）
４４ 上流側触媒（ヒータ付き触媒）
４６ 下流側触媒（ヒータ付き触媒）
４８ 触媒（ヒータ付き触媒）
５０ 中心電極
５２ 電源
５４ 電圧調整装置
５６ 温度センサ
５８ ＥＣＵ
６０ 絶縁材

Claims (8)

1. 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、
   前記触媒の上流部で改質されなかった未改質の炭化水素系燃料を前記触媒の下流部で再反応させて改質する再反応手段を備えることを特徴とする燃料改質装置。
2. 前記再反応手段は、前記触媒の下流部に熱を供給するヒータ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. 前記ヒータは、前記触媒の中心部に配置された中心電極と、前記触媒の外周部に配置された外側電極とを含み、前記触媒に通電することで前記触媒自体を発熱させるように構成さ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。
4. 前記触媒は、上流部を構成する上流側触媒と、下流部を構成する下流側触媒とからなり、前記下流側触媒に前記ヒータが設けられていることを特徴とする請求項２又は３記載の燃料改質装置。
5. 前記中心電極及び前記外側電極は、ともに前記触媒の下流部から上流部まで配置され、前記触媒の下流部は、前記触媒の上流部よりも電気抵抗が小さくなるように構成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。
6. 前記中心電極は、前記触媒の下流部から上流部まで配置され、前記外側電極は、前記触媒の下流部のみに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。
7. 前記触媒の下流部の温度を測定する温度センサと、
   前記温度センサで測定される温度に基づき、前記ヒータへの通電量を制御する制御手段とをさらに備えることを特徴とする請求項２乃至６の何れか１項に記載の燃料改質装置。
8. 前記混合気の供給量に基づき、前記ヒータへの通電量を制御する制御手段をさらに備えることを特徴とする請求項２乃至６の何れか１項に記載の燃料改質装置。
   

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