JP2011132082A - 燃料改質装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成により、反応ガスの流通量を均一化でき、優れた反応効率が得られるラジアルフロー型燃料改質装置を提供すること。
【解決手段】燃料を改質して水素を生成する燃料改質装置１０において、改質触媒を担持し、中空部１３３を有する円筒形状の多孔質体１３１と、多孔質体１３１を収容し、多孔質体１３１の外周面１３２との間に隙間１３７を設けて配置された円筒形状のケーシング１３５と、を備える改質器１３と、燃料と改質剤との混合気を中空部１３３に供給する供給部１１と、改質器１３の外周面１３２から隙間１３７に流出する水素を排出する排出部１５と、を備え、供給部１１による混合気の供給位置および排出部１５による水素の排出位置が、改質器１３の中心軸Ｘ方向の同一端側に配置されることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料改質装置に関する。詳しくは、燃料を改質して水素を生成する燃料改質装置に関する。

従来より、ラジアルフロー型の触媒コンバータや触媒充填塔が知られている（例えば、特許文献１および２参照）。このラジアルフロー型では、円筒形状の触媒コンバータや触媒充填塔が用いられ、その中空部に、原料ガスを供給する。すると、供給された原料ガスは、中空部から外周方向に向かって、放射状に拡散する。これにより、原料ガスと触媒とが接触して触媒反応が進行する。

実公昭５９−１０３４０号公報 特開平４−１４１２２７号公報

ところで、従来の触媒コンバータや触媒充填塔では、原料ガスの供給位置が、触媒コンバータや触媒充填塔の中心軸方向の一端側に配置され、反応により生成したガスの排出孔が、その他端側に配置される。このような構成の場合、触媒コンバータや触媒充填塔の構造、原料ガスの流入量によっては、周方向および軸方向において、反応に関与するガス（以下、反応ガス）の流通量が部分的に不均一となることがあった。このため、触媒コンバータや触媒充填塔に担持された触媒全体を有効利用することができず、優れた反応効率が得られない、という問題があった。
また、特に特許文献１のような触媒コンバータは、装置の構成が複雑であるという問題もあった。

本発明は上記に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡単な構成により、反応ガスの流通量を均一化でき、優れた反応効率が得られるラジアルフロー型燃料改質装置を提供することにある。

上記目的を達成するため本発明は、燃料を改質して水素を生成する燃料改質装置（例えば、後述の燃料改質装置１０）において、改質触媒を担持し、中空部（例えば、後述の中空部１３３）を有する円筒形状の多孔質体（例えば、後述の多孔質体１３１）と、当該多孔質体を収容し、当該多孔質体の外周面との間に隙間（例えば、後述の隙間１３７）を設けて配置された円筒形状のケーシング（例えば、後述のケーシング１３５）と、を備える改質器（例えば、後述の改質器１３）と、燃料と改質剤との混合気を前記中空部に供給する供給手段（例えば、後述の供給部１１）と、前記改質器の外周面から前記隙間に流出する水素を排出する排出手段（例えば、後述の排出部１５）と、を備え、前記供給手段による混合気の供給位置および前記排出手段による水素の排出位置が、前記改質器の中心軸（例えば、後述の中心軸Ｘ）方向の同一端側に配置されることを特徴とする。

本発明によれば、ラジアルフロー型の燃料改質装置において、燃料と改質剤との混合気を供給する位置と、改質により生成した水素を排出する位置とを、改質器の中心軸方向の同一端側に配置させた。即ち、混合気の供給位置と水素の排出位置とを、改質器に対して同じ側に配置させた。
これにより、従来、混合気の供給位置を改質器の一端側に配置し、水素の排出位置をその他端側に配置させることにより生じていた不均一な反応ガスの流通を、簡単な装置構成で抑制できる。ひいては、改質器内における反応ガスの均一な流通を確保できるため、改質触媒全体を有効に活用でき、優れた反応効率が得られる。また、コストの削減、装置の小型化も可能である。

本発明では、前記供給位置が、前記改質器の中心軸上で前記中空部に対向する位置に配置され、前記排出位置が、前記多孔質体の外周側で前記隙間に対向する位置に配置されることが好ましい。

この発明によれば、混合気の供給位置を、改質器の中心軸上に配置させ、水素の排出位置を、多孔質体の外周側に配置させた。また、混合気の供給位置を、多孔質体の中空部に対向するように配置させ、水素の排出位置を、多孔質体の外周面とケーシングとの隙間に対向するように配置させた。
これにより、燃料と改質剤との混合気を、中空部に効率良く供給することができる。また、中空部に供給された混合気が、改質触媒が担持された多孔質体内を外周方向に向かって放射状に拡散することにより生成されて多孔質体の外周面から隙間に流出する水素を、効率良く排出することができる。このため、改質器内における反応ガスのより均一な流通を確保でき、上記発明の効果を高めることができる。

本発明では、前記排出手段が、２以上の排出孔（例えば、後述の排出孔１５１，１５１５）を備えることが好ましい。

この発明によれば、多孔質体の外周側で隙間に対向する位置に、水素を排出する排出孔を２以上設けた。
これにより、排出孔が１つの場合と比べて、水素の排出が効率良く行われるため、改質器内における反応ガスのより均一な流通を確保でき、上記発明の効果をより高めることができる。

本発明では、前記多孔質体の外径に対する長さの比が、０．６以下であることが好ましい。

この発明によれば、円筒形状の多孔質体の大きさを、特定の範囲内に制限した。具体的には、多孔質体の外径に対する長さの比（長さ／外径）が０．６以下となるように制限した。
これにより、改質器内における反応ガスのより均一な流通を確保でき、上記発明の効果をさらに高めることができる。

本発明によれば、簡単な構成により、反応ガスの流通量を均一化でき、優れた反応効率が得られるラジアルフロー型の燃料改質装置を提供できる。

本発明の一実施形態に係る燃料改質装置の縦断面図である。 本発明の一実施形態に係る燃料改質装置の反応ガスの流れを示す図である。 従来の燃料改質装置の縦断面図である。 従来の燃料改質装置の反応ガスの流れを示す図である。 混合ガス温度と、収率および転化率の変化率との関係を示す図である。 流量／容量比と、収率の変化率との関係を示す図である。 反応ガスの均一性指数を示す図である。 長さ／外径比と、反応ガスの均一性指数との関係を示す図である。 Ｖｓ／Ｖｃ比と、反応ガスの均一性指数との関係を示す図である。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。

本実施形態に係る燃料改質装置１０は、ラジアルフロー型の燃料改質装置であり、燃料と改質剤との混合気（以下、混合ガス）中で燃料を改質し、水素を生成する。生成した水素は、燃料電池や内燃機関の排気浄化用の還元剤などに利用される。なお、本実施形態でいう「混合ガス」には、例えば軽油を噴霧した場合などのように、微細な液滴が空気と混ざり合った状態も含まれる。

本実施形態に係る燃料改質装置１０の縦断面図を図１に示す。図１に示すように、燃料改質装置１０は、供給部１１と、改質器１３と、排出部１５と、を備える。なお、図１中の矢印は、反応ガスの流れ方向を示しており、これについては後段で詳述する。

燃料改質装置１０で使用される燃料としては、改質反応により水素を生成できるものであればよく、特に限定されない。具体的には、ガソリン、軽油（ディーゼル燃料）、バイオディーゼル燃料、天然ガスまたはプロパンガスなどの炭化水素系燃料の他、メタノールまたはエタノールなどのアルコール系燃料が使用される。これらのうち、好ましくは炭化水素系燃料が使用され、中でも軽油が好ましく使用される。本実施形態では、燃料として軽油を使用する。

燃料改質装置１０で使用される改質剤としては、上記の燃料を改質して水素を生成できるものであればよく、特に限定されない。具体的には、空気、酸素、酸素および窒素を主成分とする混合ガス、酸素富化空気または水蒸気などが使用される。これらのうち、空気が好ましく使用される。なお、酸素を含む改質剤を使用する場合には、酸素量が過剰であると、改質反応により生成した水素が酸化されて水に変化し、水素の収率が低下してしまうため好ましくない。本実施形態では、改質剤として空気を使用する。

供給部１１は、燃料供給管１１１と、噴射器１１３と、改質剤供給管１１５と、混合器１１７と、を備える。

燃料が流通する燃料供給管１１１は、図示しない燃料を貯蔵する燃料タンクに接続され、この燃料タンクに貯蔵された燃料を噴射器１１３に供給する。また、本実施形態では改質剤として空気を使用するため、改質剤供給管１１５は、図示しないエアコンプレッサに接続され、エアコンプレッサにより圧縮された空気を混合器１１７に供給する。燃料供給管１１１および改質剤供給管１１５には、それぞれを流通する燃料および改質剤の流量を制御する図示しない燃料バルブおよび改質剤バルブが設けられている。

噴射器１１３は、燃料供給管１１１を流通して供給された燃料を、後述する混合器１１７内に噴射する。噴射器１１３としては、汎用の電磁駆動式の噴射器が好ましく使用される。燃料の噴射量は、燃料供給管１１１に設けられた燃料バルブを制御することにより、調整される。

混合器１１７は、噴射器１１３から噴射された燃料と、改質剤供給管１１５を通じて供給された改質剤とを混合し、この混合ガスを後述の中空部１３３に供給する。混合器１１７は、改質器１３の一端側に設けられ、改質器１３の中心軸Ｘ上で中空部１３３に対向して配置された供給孔１１９を備える。この供給孔１１９の配置により、混合ガスの供給位置が決定される。混合器１１７で混合された混合ガスは、この供給孔１１９から中空部１３３に供給される。なお、供給孔１１９の孔径は特に限定されず、適宜設定される。

改質器１３は、改質触媒が担持された多孔質体１３１と、ケーシング１３５と、を備える。

多孔質体１３１は、改質触媒を担持し、中空部１３３を有する円筒形状に形成される。
中空部１３３は、多孔質体１３１の一端面と他端面を貫く貫通孔を形成し、この中空部１３３に、上記の供給孔１１９から燃料と改質剤の混合ガスが供給される。
多孔質体１３１としては、後述の改質触媒を担持でき、改質触媒の担体として機能するものであればよく、特に限定されない。好ましくは、耐熱性を有する多孔質体が使用される。具体的には、例えば、アルミナ、コージェライト、ムライト、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）などの多孔質体や、ステンレスなどの金属メッシュを使用することができる。

改質触媒としては、燃料を改質して水素を生成させることができるものであればよく、特に限定されない。具体的には、例えば、Ｒｈ／Ａｌ_２Ｏ_３を使用することができる。このＲｈ／Ａｌ_２Ｏ_３は、硝酸Ｒｈ水溶液にγＡｌ_２Ｏ_３を添加した後、含浸法により得ることができる。
なお、改質触媒の多孔質体への担持方法については、特に限定されない。例えば、上記の改質触媒を含むスラリーに、後述の多孔質体を含浸させることにより、多孔質体内の細孔内表面にも、改質触媒を担持させることができる。

ケーシング１３５は、多孔質体１３１を収容し、多孔質体１３１と同心の円筒形状に形成される。また、ケーシング１３５は、多孔質体１３１の外周面１３２との間に、隙間１３７を設けて配置される。隙間１３７は、多孔質体１３１の全周に亘って設けられ、その径方向の長さは、適宜設定される。多孔質体１３１の外周面１３２から流出する水素は、この隙間１３７に流れ込み、この隙間１３７を介して、後述の排出孔１５１，１５１から排出される。

なお、本実施形態に係る燃料改質装置１０では、加熱手段は特に設けられていないが、燃焼反応を促進するために加熱手段を設けてもよい。

排出部１５は、２つの排出孔１５１，１５１と、排出管１５３と、を備える。

多孔質体１３１の外周面１３２から隙間１３７に流出した水素は、２つの排出孔１５１，１５１から排出される。２つの排出孔１５１，１５１は、いずれも、改質器１３の中心軸Ｘ方向の一端側に配置され、これら２つの排出孔１５１，１５１と上記供給孔１１９とは、改質器１３の中心軸Ｘ方向の同一端側に配置される。また、２つの排出孔１５１，１５１は、それぞれ、多孔質体１３１の外周側で隙間１３７に対向する位置に配置される。これら２つの排出孔１５１，１５１の配置により、水素の排出位置が決定される。

より詳しくは、２つの排出孔１５１，１５１は、図１に示されるように、多孔質体１３１の外周面１３２と隙間１３７を設けて配置されたケーシング１３５の上端面に設けられている。また、２つの排出孔１５１，１５１は、ケーシング１３５の上端面において、円周方向に互いに等間隔に配置される。

２つの排出孔１５１，１５１の孔径は、特に限定されず、適宜設定される。本実施形態では、２つの排出孔１５１，１５１がケーシング１３５の上端面で円周方向に互いに等間隔に配置されているうえ、後述するように２つの排出管が略中央で合流して排出管１５３が構成されることから、２つの排出孔１５１，１５１の孔径は同一に設定されている。これにより、２つの排出孔１５１，１５１から排出される水素の排出量が均等となり、改質器１３内を流通する反応ガスの均一性が確保される。

２つの排出孔１５１，１５１から排出された水素は、排出管１５３を流通して系外に排出される。排出管１５３は、２つの排出孔１５１，１５１からそれぞれ延びる排出管が、改質器１３の径方向の略中央で合流することにより構成される。

なお、排出管１５３と改質剤供給管１１５には、熱交換器１５５が設けられている。熱交換器１５５は、排出管１５３内を流通する水素を含む改質ガスから熱を受けて、改質剤供給管１１５内を流通する改質剤にその熱を供給する。これにより、昇温された改質剤が燃料と混合されて、高温化された混合ガスが中空部１３３に供給され、反応効率が向上する。

以上のような構成を備える本実施形態に係る燃料改質装置１０の動作について、図１〜図２を参照して説明する。ここで、図２は、本実施形態に係る燃料改質装置１０の改質器１３の横断面模式図である。また、図２中の矢印は、反応ガスの流れ方向を示している。

先ず、燃料供給管１１１を流通して、燃料の軽油が噴射器１１３内に供給される。噴射器１１３内に供給された軽油は、この噴射器１１３から混合器１１７内に向かって噴射される。また、改質剤供給管１１５を流通して、改質剤の空気が混合器１１７内に供給される。このとき、改質剤は、熱交換器１５５の作用により、排出された水素を含む改質ガスの熱を受けて、昇温されてから混合器１１７内に供給される。

次いで、混合器１１７内で軽油と空気が均一に混合された後、この混合ガスが、供給孔１１９から中空部１３３に供給される。このとき、混合ガスは、図１の矢印で示されるように、中空部１３３の下方に向かって流れ込む。

次いで、混合ガスなどの反応ガスは、図１および図２の矢印で示されるように、多孔質体１３１の内周面１３４から外周面１３２に向かって放射状に拡散し、多孔質体１３１内を通過する。このとき、改質触媒を担持した多孔質体１３１内を通過する過程で、改質触媒の作用により軽油の改質が行われる。

改質されて生成した水素は、多孔質体１３１の外周面１３２から、ケーシング１３５との間に設けられた隙間１３７に流出する。隙間１３７内に流出した水素は、２つ設けられた排出孔１５１，１５１から排出管１５３を通じて系外に排出される。これにより、本実施形態に係る燃料改質装置１０の動作が終了となる。

ここで、本実施形態に係る燃料改質装置１０の改質器１３内を流通する反応ガスの流れについて、図１〜４を参照しながら、従来の燃料改質装置５０と比較して説明する。図３は、従来の燃料改質装置５０の縦断面図である。また、図４は、従来の燃料改質装置５０の改質器５３の横断面模式図である。
図３に示されるように、従来の燃料改質装置５０は、本実施形態に係る燃料改質装置１０と比較して、排出孔５５１が改質器５３の下方に１つ設けられている点と、熱交換器５１５が設けられていない点で構成が相違し、他の構成については本実施形態と同様であるため、その説明を省略する。

上述した通り、本実施形態に係る燃料改質装置１０では、２つの排出孔１５１，１５１がケーシング１３５の上端面で円周方向に互いに等間隔に配置されている。このため、図１に示されるように、中空部１３３に供給された混合ガスなどの反応ガスは、多孔質体１３１の中心軸Ｘ方向において、偏り無く多孔質体１３１内を通過する。
これに対して、従来の燃料改質装置５０では、ケーシングの下端面に排出孔５５１が１つ配置されているのみである。このため、図３に示されるように、中空部５３３に供給された混合ガスなどの反応ガスは、多孔質体５３１の中心軸Ｘ方向において、部分的に偏って多孔質体５３１内を通過する。具体的には、多孔質体５３１の下部に反応ガスが多量に流通する一方、多孔質体５３１の上部では、殆ど反応ガスが流通しない。

また、本実施形態に係る燃料改質装置１０では、図２の矢印で示されるように、中心軸Ｘ周りの全方向に均等に反応ガスが流通する。そして、隙間１３７に流出した水素は、２つの排出孔１５１，１５１から均等に排出される。
これに対して、従来の燃料改質装置５０では、図４の矢印で示されるように、中心軸Ｘ周りの特定の方向、具体的には排出孔５５１が設けられている側に偏って多量の反応ガスが流通する。即ち、排出孔５５１が設けられていない側の多孔質体５３１には、反応ガスが少量しか流通しない。

以上の通り、本実施形態に係る燃料改質装置１０は、従来とは異なり、改質器１３内における反応ガスの均一な流通が確保されていることが分かる。このため、本実施形態に係る燃料改質装置１０は、改質触媒全体を有効に活用でき、優れた反応効率が得られることが分かる。

また、上述したように動作する本実施形態に係る燃料改質装置１０では、次の３つの反応が進行する。第１の反応は、改質器１３の内表面付近で起こる燃焼反応である。この燃焼反応は、燃料の軽油と空気中の酸素とが反応して水蒸気を生成する反応である。この第１の反応段階で酸素が大量に消費される。次いで、第２の反応は、酸素量が減少した後に、軽油が部分的に酸化されて水素と一酸化炭素を生成する酸化反応である。そして、第３の反応は、酸素量がほぼゼロとなった状態で、第１の反応で生じた水蒸気と軽油とが反応し、水素を生成する反応である。

本実施形態で用いられる円筒形状の改質器１３は、中心軸Ｘから径方向に遠ざかるにつれて、反応ガスが通過する断面積が大きくなるという特徴を有する。また、中心軸Ｘに最も近い部分において、反応ガスの滞留時間が最も短く、逆に中心軸Ｘから遠ざかるにつれて、反応ガスの滞留時間が長いという特徴を有する。
ところで、上記の反応は、第１の反応、第２の反応、第３の反応の順に起こる。このため、反応断面積が最も小さい部分、即ち内表面付近で第１の反応および第２の反応が進行し、反応断面積が大きい残りの体積全体で第３の反応が進行する。上記３つの反応の反応速度の序列は、第１の反応＞第２の反応＞第３の反応の順であることから、中心軸Ｘに近い側から、反応速度の速い順に、第１の反応、第２の反応、第３の反応が進行する構造となっている。従って、本実施形態に係る燃料改質装置１０は、高い改質効率が得られる合理的な構造であると言える。

次に、改質器１３に供給する混合ガスの温度が、燃料改質装置１０の燃料改質性能に与える影響について、図５を参照して説明する。
図５は、改質器１３に供給する混合ガスの温度と、水素収率および転化率との関係を示している。このデータは、メタンと空気の混合ガスについて実験を行った結果得られたものであるが、他の燃料および改質剤からなる混合ガスについても、同様の傾向である。ここで、「収率」とは、所定量の燃料を改質器１３に供給したときに生成される水素生成量の理論値に対する実測値の割合を意味する。また、「転化率」とは、改質器１３に供給した燃料が改質されて他の成分に転化する割合を意味する。

図５に示されるように、改質器１３に供給する混合ガスの温度を室温から上昇させていくと、収率および転化率ともに上昇する。このことから、本実施形態のように熱交換器１５５を設けて、水素を含む改質ガスの熱を混合ガスの昇温に利用することは、改質反応の促進の観点から非常に有効であることが分かる。

また、図５に示されるように、収率は、およそ５５０Ｋで飽和に達し、混合ガスの温度をそれ以上上昇させても、収率はほぼ一定である。一方、転化率は、およそ４５０Ｋで飽和に達し、混合ガスの温度を５５０Ｋ以上に上昇させると、転化率は逆に悪化していく。このため、例えばエンジンの冷間始動時など、改質触媒の温度が低く、改質反応を進行させて水素を生成することができない状態のときには、混合ガスの温度を、転化率が高い温度域である４５０〜５５０Ｋに制御することが好ましい。これは、水素が生成できなくても、燃料を水などに転化して排出することにより、エミッション上の問題が生じなくなるからである。一方、改質触媒の温度が高く、改質反応を進行させて水素を生成することができる状態のときには、混合ガスの温度を、収率が高い温度領域である５５０Ｋ以上に制御することが好ましい。これにより、高い収率で水素を生成できるからである。

次に、改質触媒が担持されている多孔質体１３１の容量に対する、単位時間あたりに改質器１３に流入する混合ガスの流量の比を流量／容量としたときに、この流量／容量比が、燃料改質装置１０の燃料改質性能に与える影響について、図６を参照して説明する。
図６は、上記の流量／容量比と、水素収率の変化率との関係を示しており、流量／容量比が２５０／分のときの水素収率を１としたときの水素収率の変化の割合を示している。図６に示されるように、流量／容量比が２５０／分以上であると、安定して高い水素収率が得られるのに対して、流量／容量比が２５０／分未満になると、水素収率が大きく低下することが分かる。これは、改質器１３内を流通する混合ガスの均一性が確保されていないためであると考えられる。従って、本実施形態に係る燃料改質装置１０では、流量／容量比が２５０／分以上である場合には、安定して高い水素収率を得ることができる一方、流量／容量比が２５０／分未満である場合には、排出孔の数を２つから４つに増やすなどして、改質器１３内を流通する混合ガスの均一性を確保することが好ましい。

次に、本実施形態に係る燃料改質装置１０の改質器１３内を流通する混合ガスの均一性について説明する。
混合ガスの均一性を表す指標として、均一性指数（Ｘ％）が用いられる。この「均一性指数（Ｘ％）」について、図７を参照して説明する。図７は、改質器内を流通する混合ガスが、改質器内に滞留する時間とその頻度との関係を示した図である。即ち、図７は、混合ガスが多孔質体の中空部から多孔質体内に流入してから、外周方向に向かって放射状に拡散して外周面から流出するまでの時間の分布を示している。このため、ピークが鋭いほど、改質器内を流通する混合ガスの均一性が高いことを表している。そこで、この図７において、最短の滞留時間から開始して、滞留時間と頻度との積が全体のＸ％となるときの滞留時間を均一性指数（Ｘ％）と定義する。この均一性指数が小さな値であるほど、改質器内を流通する混合ガスの均一性が高いことを意味する。

図７に示されるように、排出孔５５１を改質器５３の下方に１つ備えた、図３の従来の燃料改質装置５０では、ブロードなピークしか見られないのに対して、２つの排出孔１５１，１５１を改質器１３の上方に備えた本実施形態に係る燃料改質装置１０では、鋭いピークが確認される。また、本実施形態に係る燃料改質装置１０の均一性指数（８０％）ｔ２の方が、従来の燃料改質装置５０の均一性指数（８０％）ｔ１よりも、明らかに小さいことが分かる。従って、本実施形態に係る燃料改質装置１０は、改質器１３内を流通する混合ガスの均一性が高く、効率的に改質反応が進行することが分かる。

次に、改質触媒が担持されている多孔質体１３１の外径に対する、長さ（多孔質体１３１の中心軸Ｘ方向の長さ）の比を長さ／外径比としたときに、この長さ／外径比が、改質器１３内を流通する混合ガスの均一性に及ぼす影響について、図８を参照して説明する。
図８は、上記の長さ／外径比と、均一性指数（８０％）との関係を示している。図８に示されるように、長さ／外径比が０．６０を超えると、均一性指数（８０％）の値が大きく上昇し、改質器内を流通する混合ガスの均一性が大幅に悪化することが分かる。従って、多孔質体１３１の外径に対する長さの比は、０．６０以下であることが好ましい。

次に、多孔質体１３１の外周面１３２とケーシング１３５との間に設けられた隙間１３７の容量Ｖｃに対する、中空部１３３を含めた多孔質体１３１の容量Ｖｓの比をＶｓ／Ｖｃとしたときに、このＶｓ／Ｖｃ比が、改質器１３内を流通する混合ガスの均一性に及ぼす影響について、図９を参照して説明する。
図９は、上記のＶｓ／Ｖｃ比と、均一性指数（８０％）との関係を示している。ここで、多孔質体１３１の半径をＲｓとし、中心軸Ｘ方向の長さ（高さ）をｈｓとしたときに、中空部１３３を含めた多孔質体１３１の容量Ｖｓは、下記式（１）で求められる。また、ケーシング１３５の半径をＲｃとし、中心軸Ｘ方向の長さ（高さ）をｈｃとしたときに、隙間１３７の容量Ｖｃは、下記式（２）で求められる。従って、これらの式（１）および（２）から、Ｖｓ／Ｖｃは下記式（３）で求められる。
［数１］

Ｖｓ＝πＲｓ^２ｈｓ ・・・（１）
Ｖｃ＝（Ｒｃ^２−Ｒｓ^２）πｈｃ ・・・（２）
Ｖｓ／Ｖｃ＝（Ｒｃ^２−Ｒｓ^２）ｈｃ／Ｒｓ^２ｈｓ ・・・（３）

図９に示されるように、Ｖｓ／Ｖｃ比が１．５を超えても、均一性指数（８０％）はほぼ一定となり、混合ガスの均一性がこれ以上大きく向上することはないことが分かる。また、Ｖｓ／Ｖｃ比が０．９０を下回ると、均一性指数（８０％）の値は大きく上昇し、混合ガスの均一性が著しく低下することが分かる。従って、Ｖｓ／Ｖｃ比は、０．９０〜１．５０の範囲内であることが好ましい。

次に、本実施形態に係る燃料改質装置１０の効果について説明する。
本実施形態によれば、ラジアルフロー型の燃料改質装置１０において、軽油と空気との混合気を供給する位置と、改質により生成した水素を排出する位置とを、改質器１３の中心軸Ｘ方向の同一端側に配置させた。即ち、混合気の供給位置と水素の排出位置とを、改質器１３に対して同じ側に配置させた。
これにより、従来、混合気の供給位置を改質器１３の一端側に配置し、水素の排出位置をその他端側に配置させることにより生じていた不均一な反応ガスの流通を、簡単な装置構成で抑制できる。ひいては、改質器１３内における反応ガスの均一な流通を確保できるため、改質触媒全体を有効に活用でき、優れた反応効率が得られる。また、コストの削減、装置の小型化も可能である。

また、本実施形態によれば、混合気の供給位置を、改質器１３の中心軸Ｘ上に配置させ、水素の排出位置を、多孔質体１３１の外周側に配置させた。また、混合気の供給位置を、多孔質体１３１の中空部１３３に対向するように配置させ、水素の排出位置を、多孔質体１３１の外周面１３２とケーシング１３５との隙間１３７に対向するように配置させた。
これにより、軽油と空気との混合気を、中空部１３３に効率良く供給することができる。また、中空部１３３に供給された混合気が、改質触媒が担持された多孔質体１３１内を外周方向に向かって放射状に拡散することにより生成されて多孔質体１３１の外周面１３２から隙間１３７に流出する水素を、効率良く排出することができる。このため、改質器１３内における反応ガスのより均一な流通を確保でき、上記の効果を高めることができる。

また、本実施形態によれば、多孔質体１３１の外周側で隙間１３７に対向する位置に、水素を排出する排出孔１５１，１５１を２つ設けた。
これにより、排出孔が１つの場合と比べて、水素の排出が効率良く行われるため、改質器１３内における反応ガスのより均一な流通を確保でき、上記の効果をより高めることができる。

また、本実施形態によれば、円筒形状の多孔質体１３１の大きさを、特定の範囲内に制限した。具体的には、多孔質体１３１の外径に対する長さの比（長さ／外径）が０．６以下となるように制限した。
これにより、改質器１３内における反応ガスのより均一な流通を確保でき、上記の効果をさらに高めることができる。

また、本実施形態によれば、排出管１５３内を流通する水素を含む改質ガスから熱を受けて、改質剤供給管１１５内を流通する空気にその熱を供給する熱交換器１５５を設けた。
これにより、昇温された空気が軽油と混合されて、高温化された混合ガスが中空部１３３に供給されることになり、反応効率が向上する。なお、改質ガスは高温であるため、その熱の有効利用が従来から望まれていたところ、原料ガスの供給孔と改質ガスの排出孔が中心軸Ｘ方向の一端側と他端側とに配置された従来の構成では、装置構成の改良が困難であるとともに、装置構成が非常に複雑化してしまうという問題があった。この点、本実施形態によれば、供給孔１１９と排出孔１５１，１５１とが、改質器１３に対して同一側に配置されていることから、簡単な装置構成により、改質ガスの熱を改質剤の昇温に利用できる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良は本発明に含まれる。

例えば、上記実施形態では、２つの排出孔１５１，１５１の孔径を同一に設定したが、これに限定されない。排出孔の位置がケーシングの上端面で円周方向に互いに等間隔に配置されていない場合や、２つの排出管の合流部が略中央でない場合には、異なる孔径とすることが好ましい。これにより、２つの排出孔から排出される水素の排出量を均等化でき、改質器内を流通する反応ガスの均一性を確保できる。

１０…燃料改質装置
１１…供給部（供給手段）
１３…改質器
１５…排出部（排出手段）
１１１…燃料供給管
１１３…噴射器
１１５…改質剤供給管
１１７…混合器
１１９…供給孔
１３１…多孔質体
１３３…中空部
１３５…ケーシング
１３７…隙間
１５１…排出孔
１５３…排出管
１５５…熱交換器

Claims (4)

1. 燃料を改質して水素を生成する燃料改質装置において、
   改質触媒を担持し、中空部を有する円筒形状の多孔質体と、当該多孔質体を収容し、当該多孔質体の外周面との間に隙間を設けて配置された円筒形状のケーシングと、を備える改質器と、
   燃料と改質剤との混合気を前記中空部に供給する供給手段と、
   前記改質器の外周面から前記隙間に流出する水素を排出する排出手段と、を備え、
   前記供給手段による混合気の供給位置および前記排出手段による水素の排出位置が、前記改質器の中心軸方向の同一端側に配置されることを特徴とする燃料改質装置。
2. 前記供給位置が、前記改質器の中心軸上で前記中空部に対向する位置に配置され、
   前記排出位置が、前記多孔質体の外周側で前記隙間に対向する位置に配置されることを特徴とする請求項１記載の燃料改質装置。
3. 前記排出手段が、２以上の排出孔を備えることを特徴とする請求項１または２記載の燃料改質装置。
4. 前記多孔質体の外径に対する長さの比が、０．６以下であることを特徴とする請求項１から３いずれか記載の燃料改質装置。

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