JP2011144055A - 燃料改質装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】改質触媒を効率良く再生でき、高い改質効率を維持できる安価で小型の燃料改質装置を提供すること。
【解決手段】燃料と空気の混合ガス中で燃料を改質して水素を生成する改質触媒を備えた燃料改質装置10において、改質触媒の上流側から下流側に向かって供給される空気の供給量を制御する第1空気供給制御手段と、改質触媒の下流側から上流側に向かって供給される空気供給量を制御する第2空気供給制御手段と、第1空気供給制御手段による第1空気供給制御の実行と、第2空気供給制御手段による第2空気供給制御の実行のいずれかを選択する切替手段と、改質処理の実行後の所定時期に、切替手段により第2空気供給制御の実行を選択することにより、改質触媒に堆積したコークおよび未反応成分を燃焼させて改質触媒を再生する再生処理を実行する再生手段と、を備える。
【選択図】図1
【解決手段】燃料と空気の混合ガス中で燃料を改質して水素を生成する改質触媒を備えた燃料改質装置10において、改質触媒の上流側から下流側に向かって供給される空気の供給量を制御する第1空気供給制御手段と、改質触媒の下流側から上流側に向かって供給される空気供給量を制御する第2空気供給制御手段と、第1空気供給制御手段による第1空気供給制御の実行と、第2空気供給制御手段による第2空気供給制御の実行のいずれかを選択する切替手段と、改質処理の実行後の所定時期に、切替手段により第2空気供給制御の実行を選択することにより、改質触媒に堆積したコークおよび未反応成分を燃焼させて改質触媒を再生する再生処理を実行する再生手段と、を備える。
【選択図】図1
Description
本発明は、燃料改質装置に関する。詳しくは、燃料と空気の混合ガス中で燃料を改質して水素を生成する改質触媒を備えた燃料改質装置に関する。
近年、水素は、クリーンな石油代替エネルギーとして注目されており、燃料電池や内燃機関のエネルギー源などに利用されている。例えば、水素内燃機関、水素添加内燃機関、燃料電池を用いた補助電源などに利用されている他、排気中に含まれるNOxの還元剤としても水素が利用されている。
ところで、水素が広く利用されるに従って、水素の製造方法についての検討が進められている。水素の製造方法としては、例えば、炭化水素、水、アルコールなどを、触媒改質、熱分解または電気分解などにより分解して再結合させる方法が挙げられる。特に、天然ガス、ガソリン、軽油、アルコールなどの燃料を触媒改質して水素を製造する方法について、多くの検討がなされている。この方法では、使用する燃料や改質触媒、反応条件などによって、水素の製造効率が変化することが知られている。
ここで、炭化水素燃料の触媒改質では、次の3つの反応が利用される。
第1の反応は、下記式(1)で示される炭化水素の部分酸化反応である。この反応は、炭化水素と酸素とによる発熱反応であり、自発的に反応が進行する。このため、一旦反応が開始されると、外部から熱を供給しなくても反応が進行し、下記式(1)で示されるように水素が生成される。
第1の反応は、下記式(1)で示される炭化水素の部分酸化反応である。この反応は、炭化水素と酸素とによる発熱反応であり、自発的に反応が進行する。このため、一旦反応が開始されると、外部から熱を供給しなくても反応が進行し、下記式(1)で示されるように水素が生成される。
第2の反応は、下記式(2)で示される炭化水素の水蒸気改質反応である。この反応は、炭化水素と水蒸気とによる吸熱反応であり、自発的に反応が進行しない。このため、反応を継続させるためには、外部から熱を供給する必要がある。これは、反応の制御が容易であることを意味する。この反応により、下記式(2)で示されるように水素が生成される。
第3の反応は、下記式(3)で示される炭化水素の燃焼反応である。この反応は、部分酸化反応と同様に、炭化水素と酸素とによる発熱反応であり、自発的に反応が進行する。特に、高温条件下において、炭化水素と酸素とが共存する場合に進行する。この反応により、下記式(3)で示されるように水蒸気が生成され、上記の水蒸気改質反応に利用される。
[化1]
CnHm+n/2O2→nCO+m/2H2 ・・・式(1)
CnHm+nH2O→nCO+(n+m/2)H2 ・・・式(2)
CnHm+(n+m/4)O2→nCO2+m/2H2O ・・・式(3)
CnHm+n/2O2→nCO+m/2H2 ・・・式(1)
CnHm+nH2O→nCO+(n+m/2)H2 ・・・式(2)
CnHm+(n+m/4)O2→nCO2+m/2H2O ・・・式(3)
上述したように、上記式(1)で示される部分酸化反応は、自発的に反応が進行するため、反応の制御が容易ではない。このため、この部分酸化反応を、改質触媒全体で均一に進行させることは困難であり、改質触媒内で部分的に酸素が不足した状態となる。すると、酸素が不足した部分では部分酸化反応が進行しない結果、かかる部分において改質触媒の温度が低下し、炭化水素はコークや未反応成分(以下、単にコークという)として改質触媒の表面に堆積する。
改質触媒の表面に堆積したコークは、改質反応の妨げとなり、改質効率の低下を招く。特に、堆積したコークが飛散した場合には、配管の詰まりや圧力損失が生じ、改質効率が著しく低下する。最悪の場合には、装置自体が稼動しなくなる。
ところで、改質剤として酸素を用いた燃料の改質反応の場合には、改質触媒の上流側では酸素分圧が高く、燃焼反応が優位に進行する。このため、改質触媒の温度は高温に維持され、改質触媒の表面にコークが付着することはあまりない。これに対して、改質触媒の下流側では、酸素分圧が低く、燃焼反応などの酸化反応が進行し難い。このため、改質触媒の温度が低下し、改質触媒の表面にコークが付着して堆積し易い。このような改質触媒の下流側におけるコークの付着および堆積を抑制する目的で、供給する酸素量を増加させた場合にあっては、改質触媒の上流側において、酸化反応が過剰に進行して温度上昇が著しくなる結果、シンタリングなどの触媒劣化が発生する。
また、改質触媒内における酸素欠損の発生を防止するためには、燃料と空気の混合ガス
や改質により生ずる改質ガスなどの反応ガスの流れ方向における改質触媒の長さを短く設計することが考えられる。この場合には、反応ガスの流れ方向における改質触媒の温度差が小さくなり、下流側においても高温下で反応を進行させることができる結果、コークの堆積は生じ難くなる。しかしながら、改質触媒内における反応ガスの滞留時間、即ち反応時間が十分に確保できなくなり、改質効率が低下してしまう。
や改質により生ずる改質ガスなどの反応ガスの流れ方向における改質触媒の長さを短く設計することが考えられる。この場合には、反応ガスの流れ方向における改質触媒の温度差が小さくなり、下流側においても高温下で反応を進行させることができる結果、コークの堆積は生じ難くなる。しかしながら、改質触媒内における反応ガスの滞留時間、即ち反応時間が十分に確保できなくなり、改質効率が低下してしまう。
高い改質効率を得る手段として、改質触媒の上流側で優位に進行する燃焼反応により生ずる水蒸気から水素を回収する方法が挙げられる。例えば、水蒸気改質反応や水性シフト反応などは水蒸気から水素を取り出す反応であるものの、これらの反応は積分型の反応である。このため、反応ガスの流れ方向における改質触媒の長さを長く設計する必要があり、この場合には、上述したように、改質触媒の下流側でコークが堆積してしまう。
以上述べたように、改質効率を低下させることなく、改質触媒の表面にコークが付着して堆積するのを抑制するのは困難であり、高い改質効率を得るためには、堆積したコークを除去する技術が不可欠である。
そこで、改質触媒の表面に堆積したコークを燃焼除去することにより、改質触媒を再生する技術が提案されている(特許文献1参照)。この技術によれば、改質触媒の表面に堆積したコークを酸素富化空気でバーンオフすることにより、触媒活性を回復できる。
そこで、改質触媒の表面に堆積したコークを燃焼除去することにより、改質触媒を再生する技術が提案されている(特許文献1参照)。この技術によれば、改質触媒の表面に堆積したコークを酸素富化空気でバーンオフすることにより、触媒活性を回復できる。
また、重質燃料の改質において、改質時に生じたコークやピッチを除去する技術が提案されている(特許文献2参照)。この技術では、流動層反応器内の流動層により重質燃料を改質し、改質時に生じたコークやピッチを流動層反応器から取り出して燃焼器に導入する。これにより、流動層反応器内の改質触媒を再生できるとともに、コークやピッチの燃焼により得られたスチームを重質燃料の改質に利用できるとされている。
しかしながら、特許文献1の技術は、酸素富化空気を用いてコークをバーンオフする技術であるため、酸素富化気体を製造する装置が必要となる。このため、装置が大型化し、コストの増加や電力消費量の増加を招く。
また、上述したように、コークは改質触媒の下流側に多く堆積するが、特許文献1の技術では改質触媒の上流側から酸素富化空気を供給するため、最も酸素を必要とする改質触媒の下流側に十分な酸素が供給されない。このため、改質触媒の下流側においてコークを効率的にバーンオフできず、改質触媒の再生に長時間を要する。
また、上述したように、コークは改質触媒の下流側に多く堆積するが、特許文献1の技術では改質触媒の上流側から酸素富化空気を供給するため、最も酸素を必要とする改質触媒の下流側に十分な酸素が供給されない。このため、改質触媒の下流側においてコークを効率的にバーンオフできず、改質触媒の再生に長時間を要する。
また、特許文献1の技術では、コークが多量に堆積した状態で酸素富化空気を一気に供給すると、急激に温度が上昇し、改質触媒を劣化させてしまうおそれがある。このため、コークの堆積量に応じて酸素富化気体の供給量を制限するなどの難しい制御が必要となる。
一方、特許文献2の技術は、流動層反応器からコークやピッチを取り出して処理することにより、流動層反応器内の改質触媒を再生する技術であるが、流動層反応器は経済性の面から大規模な化学プラントで使用されるのが一般的である。このため、特許文献2の技術は、車載などを考慮した小型の燃料改質装置には不向きである。
本発明は上記に鑑みてなされたものであり、その目的は、改質触媒を効率良く再生でき、高い改質効率を維持できる安価で小型の燃料改質装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため本発明は、燃料と空気の混合ガス中で燃料を改質して水素を生成する改質触媒を備えた燃料改質装置(例えば、後述の燃料改質装置10)を提供する。本発明の燃料改質装置は、前記改質触媒の上流側から下流側に向かって燃料を供給する燃料供給路(例えば、後述の燃料供給管111)と、当該燃料供給路を介した燃料の供給量を制御する燃料供給制御手段(例えば、後述の燃料バルブ112,ECU19)と、前記改質触媒の上流側から下流側に向かって空気を供給する第1空気供給路(例えば、後述の第1空気供給管117)と、当該第1空気供給路を介した空気の供給量を制御する第1空気供給制御手段(例えば、後述の空気バルブ119,ECU19)と、前記改質触媒の下流側から上流側に向かって空気を供給する第2空気供給路(例えば、後述の第2空気供給管118)と、当該第2空気供給路を介した空気の供給量を制御する第2空気供給制御手段(例えば、後述の空気バルブ119,ECU19)と、前記第1空気供給制御手段による第1空気供給制御の実行と、前記第2空気供給制御手段による第2空気供給制御の実行のいずれかを選択する切替手段(例えば、後述の第1切替バルブ116A,第2切替バルブ116B,ECU19)と、前記燃料供給制御手段による燃料供給制御を実行するとともに、前記切替手段により前記第1空気供給制御の実行を選択することにより、燃料を改質する改質処理を実行する改質手段(例えば、後述のECU19)と、前記改質処理の実行後の所定時期に、前記切替手段により前記第2空気供給制御の実行を選択することにより、前記改質触媒に堆積したコークおよび未反応成分を燃焼させて前記改質触媒を再生する再生処理を実行する再生手段(例えば、後述のECU19)と、を備えることを特徴とする。
本発明に係る燃料改質装置は、燃料および空気を改質触媒に供給して燃料を改質した後、所定の時期に、第2空気供給制御を実行することにより、改質触媒に堆積したコークを燃焼させて改質触媒を再生する構成とした。即ち、改質処理実行後の所定時期に、改質触媒の上流側から下流側への空気の供給を停止する代わりに、改質触媒の下流側から上流側に向かって空気を供給し、改質触媒内の反応ガスの流れを逆転させて改質触媒を再生する構成とした。
これにより、最もコークが堆積する改質触媒の下流側に、効率良く酸素を供給することができる。このため、改質触媒の下流側においてコークの燃焼反応を効率良く進行させることができ、短時間で改質触媒を再生できる。ひいては、改質触媒を効率良く再生できるため、高い改質効率を維持できる。
また、改質触媒の下流側から上流側に向かって空気を供給するのみであるため、簡単な構成により、上記効果が得られる。従って、改質触媒を効率良く再生でき、高い改質効率を維持できる安価で小型の燃料改質装置を提供できる。
なお、本発明のように、改質触媒の下流側から上流側に向かって空気を供給した場合、改質触媒に堆積していたコークの一部が、改質触媒の上流側に移動する場合がある。この場合には、再生処理の実行後に、改質処理を再度実行することにより、改質触媒の上流側が高温化されて酸素分圧が高まったときに燃焼されるため、問題は無い。
これにより、最もコークが堆積する改質触媒の下流側に、効率良く酸素を供給することができる。このため、改質触媒の下流側においてコークの燃焼反応を効率良く進行させることができ、短時間で改質触媒を再生できる。ひいては、改質触媒を効率良く再生できるため、高い改質効率を維持できる。
また、改質触媒の下流側から上流側に向かって空気を供給するのみであるため、簡単な構成により、上記効果が得られる。従って、改質触媒を効率良く再生でき、高い改質効率を維持できる安価で小型の燃料改質装置を提供できる。
なお、本発明のように、改質触媒の下流側から上流側に向かって空気を供給した場合、改質触媒に堆積していたコークの一部が、改質触媒の上流側に移動する場合がある。この場合には、再生処理の実行後に、改質処理を再度実行することにより、改質触媒の上流側が高温化されて酸素分圧が高まったときに燃焼されるため、問題は無い。
また、本発明では、前記燃料改質装置の運転回数、前記燃料改質装置の運転時間、前記改質処理の実行により生じた改質ガスの流量、前記改質ガス中の酸素濃度、前記改質ガス中の炭化水素濃度、前記混合ガス中の酸素のモル数に対する炭素のモル数の比であるO/C比、前記改質触媒の上流側圧力と下流側圧力の差圧、燃料消費量および前記改質触媒の温度のうちの少なくとも1つに基づいて、前記改質触媒に堆積したコークおよび未反応成分の堆積量を推定する堆積量推定手段(例えば、後述のECU19)をさらに備え、前記再生手段は、前記改質処理の実行後、前記堆積量推定手段により推定されたコークおよび未反応成分の堆積量が所定量を上回ったときに、前記再生処理を実行することが好ましい。
この発明に係る燃料改質装置では、改質触媒に堆積したコークの堆積量を推定し、推定されたコークの堆積量が所定量を上回ったときに、改質触媒の下流側から上流側に向かって空気を供給し、改質触媒を再生する構成とした。
これにより、より適切な時期に改質触媒を再生でき、再生処理の頻度を低減できる。また、不要な再生処理を低減できるため、改質触媒の再生による熱劣化を抑制できる。
これにより、より適切な時期に改質触媒を再生でき、再生処理の頻度を低減できる。また、不要な再生処理を低減できるため、改質触媒の再生による熱劣化を抑制できる。
また、本発明では、前記燃料供給制御手段は、前記再生処理の実行中においては、燃料の供給量を0にすることが好ましい。
この発明に係る燃料改質装置では、改質触媒の再生処理中には燃料の供給量を0とし、改質触媒に燃料を供給しない構成とした。
これにより、不要な燃料の供給を回避でき、燃費の悪化を回避できる。
これにより、不要な燃料の供給を回避でき、燃費の悪化を回避できる。
また、本発明では、前記改質触媒の温度を検出する触媒温度検出手段(例えば、後述の上流側温度センサ171,下流側温度センサ172)をさらに備え、前記第2空気供給制御手段は、前記再生処理の実行中において、前記触媒温度検出手段により検出された触媒温度に基づいて、前記第2空気供給制御を開始または停止することが好ましい。
この発明に係る燃料改質装置では、改質触媒の再生処理中においては、改質触媒の温度に基づいて第2空気供給制御を開始または停止する構成とした。即ち、再生処理中には、改質触媒の温度に基づいて、改質触媒の下流側から上流側に向かう空気の供給を開始または停止する構成とした。
これにより、改質触媒の温度が、後述の使用上限温度を上回ったり、活性化温度を下回ったりするのを回避でき、改質触媒の熱劣化を抑制しつつ、コークを断続的に燃焼除去できる。また、空気供給の所謂ON/OFF制御を利用したものであるため、簡単な装置構成で上記効果が得られる。
これにより、改質触媒の温度が、後述の使用上限温度を上回ったり、活性化温度を下回ったりするのを回避でき、改質触媒の熱劣化を抑制しつつ、コークを断続的に燃焼除去できる。また、空気供給の所謂ON/OFF制御を利用したものであるため、簡単な装置構成で上記効果が得られる。
より詳しくは、この発明によれば、触媒温度検出手段を備えるため、検出された触媒温度に基づいて、改質触媒が劣化する温度(使用上限温度)に達する前に、改質触媒の下流側から上流側に向かう空気の供給を停止することができる。即ち、改質触媒の下流側から上流側に向かって空気を供給し、改質触媒の表面に堆積したコークを燃焼除去する際に、その燃焼熱によって改質触媒の温度が上記使用上限温度を超えてしまうのを回避できる。これにより、改質触媒の劣化を確実に回避できる。
また、この発明によれば、改質触媒が活性化する温度(活性化温度)を下回る前に、改質触媒の下流側からの空気の供給を開始することができる。これにより、改質触媒の温度が上記活性化温度を下回るのを回避でき、改質触媒の表面に堆積したコークを確実に燃焼除去できる。
従って、この発明によれば、改質触媒の温度が使用上限温度に達する前に、改質触媒の下流側から上流側に向かう空気の供給を開始するとともに、改質触媒の温度が活性化温度を下回る前に、改質触媒の下流側から上流側に向かう空気の供給を停止する操作を繰り返し実行することにより、改質触媒の熱劣化を抑制しつつ、コークを断続的に燃焼除去できる。
また、この発明によれば、改質触媒が活性化する温度(活性化温度)を下回る前に、改質触媒の下流側からの空気の供給を開始することができる。これにより、改質触媒の温度が上記活性化温度を下回るのを回避でき、改質触媒の表面に堆積したコークを確実に燃焼除去できる。
従って、この発明によれば、改質触媒の温度が使用上限温度に達する前に、改質触媒の下流側から上流側に向かう空気の供給を開始するとともに、改質触媒の温度が活性化温度を下回る前に、改質触媒の下流側から上流側に向かう空気の供給を停止する操作を繰り返し実行することにより、改質触媒の熱劣化を抑制しつつ、コークを断続的に燃焼除去できる。
また、この発明によれば、改質触媒の表面に堆積したコークが全て燃焼除去され、燃焼による温度上昇が得られなくなったときに、改質触媒の下流側から上流側に向かう空気の供給を停止することができる。これにより、必要以上に空気を供給することなく、改質触媒の再生処理を終了できる。
なお、この発明では、改質触媒の温度それ自体の他、改質触媒の温度に相関するパラメータ、例えば単位時間当たりの触媒温度上昇速度に基づいて、改質触媒の下流側から上流側に向かう空気の供給を開始または停止するように構成してもよい。空気供給の開始または停止の判定基準を改質触媒の温度自体とした場合には、装置構成を簡素化でき、コストの点で有利である。また、上記の単位時間当たりの触媒温度上昇速度を判定基準とした場合には、改質触媒の温度をより正確にコントロールできるため、改質触媒の熱劣化をより確実に抑制しつつ、コークを断続的に確実に燃焼除去できる。
また、本発明では、前記触媒温度検出手段は、前記改質触媒の上流側に設けられて上流側の触媒温度を検出する上流側触媒温度検出手段(例えば、後述の上流側温度センサ171)と、前記改質触媒の下流側に設けられて下流側の触媒温度を検出する下流側触媒温度検出手段(例えば、後述の下流側温度センサ172)と、を有し、前記燃料供給制御手段は、前記改質処理の実行中においては、前記上流側触媒温度検出手段により検出された上流側の触媒温度に基づいて、燃料の供給量を制御し、前記第1空気供給制御手段は、前記改質処理の実行中においては、前記上流側触媒温度検出手段により検出された上流側の触媒温度に基づいて、空気の供給量を制御し、前記第2空気供給制御手段は、前記再生処理の実行中においては、前記下流側触媒温度検出手段により検出された下流側の触媒温度に基づいて、空気の供給量を制御することが好ましい。
この発明では、上流側の触媒温度を検出する上流側触媒温度検出手段と、下流側の触媒温度を検出する下流側触媒温度検出手段の2つの触媒温度検出手段を設けた。また、改質処理の実行中には、上流側の触媒温度に基づいて燃料の供給量と上流側からの空気の供給量を制御し、再生処理の実行中には、下流側の触媒温度に基づいて下流側からの空気の供給量を制御する構成とした。即ち、改質処理と再生処理とで、燃料および空気の供給量を制御する判定基準を異なるものとした。
これにより、再生処理の実行中は、改質処理の実行中とは異なり、下流側の触媒温度に基づいて空気の供給量を制御できる。即ち、直接検出した下流側の触媒温度に基づいて空気の供給量を制御できるため、コークの燃焼反応効率をより向上でき、燃焼残渣をより低減できる。また、過剰酸素存在下でのコークの燃焼に伴う改質触媒の急激な温度上昇をより抑制でき、改質触媒の劣化が生ずる使用上限温度を超えて改質触媒が熱劣化するのをより確実に抑制できる。
これにより、再生処理の実行中は、改質処理の実行中とは異なり、下流側の触媒温度に基づいて空気の供給量を制御できる。即ち、直接検出した下流側の触媒温度に基づいて空気の供給量を制御できるため、コークの燃焼反応効率をより向上でき、燃焼残渣をより低減できる。また、過剰酸素存在下でのコークの燃焼に伴う改質触媒の急激な温度上昇をより抑制でき、改質触媒の劣化が生ずる使用上限温度を超えて改質触媒が熱劣化するのをより確実に抑制できる。
本発明によれば、改質触媒を効率良く再生でき、高い改質効率を維持できる安価で小型の燃料改質装置を提供できる。
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、燃料と空気の混合ガス中で燃料を改質し、水素を生成する。本実施形態では、生成した水素は、内燃機関(エンジン)の排気浄化用の還元剤として利用される。ここで、「混合ガス」には、例えば軽油を噴霧した場合など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は、燃料と空気の混合ガス中で燃料を改質し、水素を生成する。本実施形態では、生成した水素は、内燃機関(エンジン)の排気浄化用の還元剤として利用される。ここで、「混合ガス」には、例えば軽油を噴霧した場合など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の構成を図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。
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で使用される空気は、燃料の改質剤として作用する。具体的には、空気中に含まれる酸素が燃料の改質剤として作用することにより、燃料の改質反応が進行して水素が生成される。
供給部11は、燃料供給管111と、燃料バルブ112と、噴射器113と、空気供給管115と、第1切替バルブ116Aと、第2切替バルブ116Bと、第1空気供給管117と、第2空気供給管118と、空気バルブ119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。
燃料供給管11には、燃料供給管111内を流通する燃料の流量を制御する燃料バルブ112が設けられている。この燃料バルブ112は、アクチュエータを介して後述のECU19に接続されている。燃料バルブ112の開度は、ECU19からの制御信号により制御され、これにより、燃料の供給量が制御される。
燃料供給管11には、燃料供給管111内を流通する燃料の流量を制御する燃料バルブ112が設けられている。この燃料バルブ112は、アクチュエータを介して後述のECU19に接続されている。燃料バルブ112の開度は、ECU19からの制御信号により制御され、これにより、燃料の供給量が制御される。
空気供給管115は、図示しないエアコンプレッサに接続されており、エアコンプレッサにより圧縮された空気が、この空気供給管115内を流通する。この空気供給管115は、第1空気供給管117と第2空気供給管118とに分岐している。
第1空気供給管117は、噴射器113に接続されており、改質処理の実行中に、空気を噴射器113に供給する。第2空気供給管118は、後述の排出管151に接続されており、再生処理の実行中に、排出管151を介して改質器13の下流側から上流側に向かって空気を供給する。
第1空気供給管117は、噴射器113に接続されており、改質処理の実行中に、空気を噴射器113に供給する。第2空気供給管118は、後述の排出管151に接続されており、再生処理の実行中に、排出管151を介して改質器13の下流側から上流側に向かって空気を供給する。
空気供給管115の分岐部には、第1空気供給管117を介した流路と第2空気供給管118を介した流路の切替を実行するための第1切替バルブ116Aが設けられている。即ち、この第1切替バルブ116Aにより、第1空気供給管117を介した空気の供給制御(第1空気供給制御)と、第2空気供給管118を介した空気の供給制御(第2空気供給制御)との切替が実行される。
この第1切替バルブ116Aは、アクチュエータを介して後述のECU19に接続されており、ECU19からの制御信号により制御される。具体的には、改質処理の実行を開始する際に、第1切替バルブ116Aにより第1空気供給管117を介した流路への切替が実行される。また、再生処理の実行を開始する際に、第1切替バルブ116Aにより第2空気供給管118を介した流路への切替が実行される。
この第1切替バルブ116Aは、アクチュエータを介して後述のECU19に接続されており、ECU19からの制御信号により制御される。具体的には、改質処理の実行を開始する際に、第1切替バルブ116Aにより第1空気供給管117を介した流路への切替が実行される。また、再生処理の実行を開始する際に、第1切替バルブ116Aにより第2空気供給管118を介した流路への切替が実行される。
第2空気供給管118と排出管151の接続部には、第2空気供給管118を介した空気の供給と、後述の第1排出管152を介した水素の排出との切替を実行するための第2切替バルブ116Bが設けられている。即ち、この第2切替バルブ116Bにより、第2空気供給管118を介した空気の供給制御(第2空気供給制御)と、改質器13で生成した水素の第1排出管152を介した排出制御との切替が実行される。
この第2切替バルブ116Bは、アクチュエータを介して後述のECU19に接続されており、ECU19からの制御信号により制御される。具体的には、改質処理の実行を開始する際に、第2切替バルブ116Bにより第1排出管152への切替が実行される。また、再生処理の実行を開始する際に、第2切替バルブ116Bにより第2空気供給管118への切替が実行される。
この第2切替バルブ116Bは、アクチュエータを介して後述のECU19に接続されており、ECU19からの制御信号により制御される。具体的には、改質処理の実行を開始する際に、第2切替バルブ116Bにより第1排出管152への切替が実行される。また、再生処理の実行を開始する際に、第2切替バルブ116Bにより第2空気供給管118への切替が実行される。
空気供給管115の第1切替バルブ116Aよりも上流側には、空気バルブ119が設けられている。この空気バルブ119は、アクチュエータを介して後述のECU19に接続されている。空気バルブ119の開度は、ECU19からの制御信号により制御され、これにより、空気の供給量が制御される。
噴射器113は、燃料供給管111を介して供給された燃料と、第1空気供給管117を介して供給された空気とを混合し、後述の改質器13内に噴射する。具体的には、噴射器113は、改質器13の上流側から下流側に向かって、噴射して供給する。
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。
多孔質体131の形状については特に限定されず、多孔質体131内を通過することにより、燃料が改質される。
多孔質体131の形状については特に限定されず、多孔質体131内を通過することにより、燃料が改質される。
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/セリアを使用することができる。このRh/セリアは、硝酸Rh水溶液にセリアを添加した後、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。
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。
以下、改質触媒を担持する多孔質体131の製造方法について、一例を挙げて詳しく説明する。下記の例では、操作a〜cにより、改質触媒を担持する多孔質体131が得られる。
(操作a)
セリアに対して、ロジウムが質量比で1%となるように硝酸ロジウム溶液を秤量し、イオン交換水とともにナス型フラスコに投入し、ロータリーエバポレーターにて余分な水分を除去する。次いで、乾燥炉にて、200℃×2時間、マッフル炉にて、600℃×2時間の焼成を行い、触媒粉末Aを得る。
(操作b)
操作aで得た触媒粉末Aに対し、Alバインダーが10%となるよう秤量し、イオン交換水およびアルミナボールとともにポリエチレン製容器に入れて、14時間湿式粉砕し、スラリーを得る。
(操作c)
操作bで得たスラリーを、ハニカム外径φ25.4mm×長さL25mm、セル密度600個/in2および壁厚4ミルのコージエライト製ハニカム支持体を浸漬させる。次いで、そのハニカム支持体をスラリーから取り出して、過剰分をエア噴射により除去する。その後、ハニカム支持体を200℃×2時間、加熱する。この操作を所定の担持量が得られるまで繰り返す。所定の担持量が得られた後、マッフル炉で500℃×2時間の焼成を行うことにより、改質触媒を担持する多孔質体131が得られる。
(操作a)
セリアに対して、ロジウムが質量比で1%となるように硝酸ロジウム溶液を秤量し、イオン交換水とともにナス型フラスコに投入し、ロータリーエバポレーターにて余分な水分を除去する。次いで、乾燥炉にて、200℃×2時間、マッフル炉にて、600℃×2時間の焼成を行い、触媒粉末Aを得る。
(操作b)
操作aで得た触媒粉末Aに対し、Alバインダーが10%となるよう秤量し、イオン交換水およびアルミナボールとともにポリエチレン製容器に入れて、14時間湿式粉砕し、スラリーを得る。
(操作c)
操作bで得たスラリーを、ハニカム外径φ25.4mm×長さL25mm、セル密度600個/in2および壁厚4ミルのコージエライト製ハニカム支持体を浸漬させる。次いで、そのハニカム支持体をスラリーから取り出して、過剰分をエア噴射により除去する。その後、ハニカム支持体を200℃×2時間、加熱する。この操作を所定の担持量が得られるまで繰り返す。所定の担持量が得られた後、マッフル炉で500℃×2時間の焼成を行うことにより、改質触媒を担持する多孔質体131が得られる。
ケーシング135は、多孔質体131を収容し、多孔質体131を固定して保護する。本実施形態では、円筒形状の多孔質体131が使用されるため、多孔質体131と同心の円筒形状に形成されたケーシングが使用される。
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。
改質器13には、上流側温度センサ171と、下流側温度センサ172と、が設けられている。上流側温度センサ171は、改質器13の上流側に設けられており、上流側の触媒温度を検出する。下流側温度センサ172は、改質器13の下流側に設けられており、下流側の触媒温度を検出する。これら上流側温度センサ171と下流側温度センサ172は、それぞれ、後述のECU19に接続されており、各検出値に略比例した信号をECU19に送信する。
排出部15は、排出管151と、第1排出管152と、第2排出管153と、排出バルブ154と、を備える。
排出管151は、改質器13の下流側に接続されている。また、第1排出管152は、第2切替バルブ116Bを介して排出管151に接続されている。改質処理の実行中において、改質器13で生成した水素は、これら排出管151および第1排出管152を介して、系外に排出される。
第2排出管153は、改質器13の上流側の側部に接続されている。再生処理の実行中において、コークおよび未反応成分(以下、単にコークという)の燃焼により生成した燃焼ガスは、この第2排出管153を介して系外に排出される。
第2排出管153は、改質器13の上流側の側部に接続されている。再生処理の実行中において、コークおよび未反応成分(以下、単にコークという)の燃焼により生成した燃焼ガスは、この第2排出管153を介して系外に排出される。
第2排出管153には、排出バルブ154が設けられている。この排出バルブ154は、アクチュエータを介して後述のECU19に接続されており、ECU19からの制御信号により制御される。具体的には、排出バルブ154は、改質処理の実行時には閉弁され、再生処理の実行時には開弁される。
ECU19は、各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定のレベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換するなどの機能を有する入力回路と、中央演算処理ユニット(以下、「CPU」という)とを備える。この他、ECU19は、CPUで実行される各種演算プログラムおよび演算結果などを記憶する記憶回路と、燃料バルブ112、第1切替バルブ116A、第2切替バルブ116B、空気バルブ119および排出バルブ154などに制御信号を出力する出力回路と、を備える。以上のようなハードウェア構成により、ECU19には、以下に示す改質触媒の再生処理を実行するモジュールが構成される。
次に、本実施形態に係る改質触媒の再生処理について説明する。
図2は、本実施形態に係る改質触媒の再生処理の手順を示すフローチャートである。この処理は、改質処理の実行により改質触媒にコークが堆積したときに、第1空気供給制御から第2空気供給制御への切替えを実行し、改質触媒の下流側から上流側に向かって空気を供給することにより、コークを燃焼除去させて改質触媒を再生する処理である。この処理は、ECUにより繰り返し実行される。
図2は、本実施形態に係る改質触媒の再生処理の手順を示すフローチャートである。この処理は、改質処理の実行により改質触媒にコークが堆積したときに、第1空気供給制御から第2空気供給制御への切替えを実行し、改質触媒の下流側から上流側に向かって空気を供給することにより、コークを燃焼除去させて改質触媒を再生する処理である。この処理は、ECUにより繰り返し実行される。
ステップS1では、改質触媒に堆積したコークの堆積量ΣCkが、予め設定された閾値ΣCk_THRを上回っているか否かを判別する。この判別がYESの場合には、ステップS6に進み、第1空気供給制御から第2空気供給制御への切替えを行って、再生処理の実行に移る。一方、この判別がNOの場合には、ステップS2に進み、第1空気供給制御による改質処理の実行を継続する。
コークの堆積量ΣCkは、後述のステップS3〜S5の手順に従って算出される。また、閾値ΣCk_THRは、実験を行うことにより設定され、予めECUに格納されている。具体的には、閾値ΣCk_THRは、改質触媒の活性が大きく低下しない範囲で設定される。
コークの堆積量ΣCkは、後述のステップS3〜S5の手順に従って算出される。また、閾値ΣCk_THRは、実験を行うことにより設定され、予めECUに格納されている。具体的には、閾値ΣCk_THRは、改質触媒の活性が大きく低下しない範囲で設定される。
ステップS2では、第1空気供給制御への切替えを実行する。具体的には、第1空気供給管を介した改質触媒の上流側から下流側に向かう空気の供給制御への切替えを実行する。実行後はステップS3に進む。
ステップS3では、目標改質ガス流量QRFMG_TRGTおよび目標O/C比O/C_TRGTに基づいて、燃料供給量QFUELおよび第1空気供給管を介した改質触媒の上流側からの空気供給量QAIR1を決定する。決定後は、ステップS4に進む。
ここで、O/C比とは、改質器に供給された混合ガス中の酸素のモル数に対する炭素のモル数の比率(酸素のモル数/炭素のモル数)を意味する。
目標改質ガス流量QRFMG_TRGTおよび目標O/C比O/C_TRGTは、エンジンの排気浄化用の還元剤として要求される改質ガス量およびO/C比に設定される。例えば、エンジンの排気中に含まれるNOx濃度に基づいて、目標改質ガス流量QRFMG_TRGTが設定される。また、O/C比は、改質ガス中に含まれる水素、一酸化炭素および軽質の炭化水素の含有比率に影響を及ぼすとともに、改質ガスをエンジンの排気系に導入したときの昇温効果に影響を及ぼすことから、エンジンの排気系の温度に基づいて目標O/C比O/C_TRGTが設定される。
なお、改質ガスの流量は、改質触媒の温度による影響を受ける。このため、本ステップで決定された燃料供給量QFUELおよび空気供給量QAIR1は、改質ガスの流量が目標改質ガス流量QRFMG_TRGTに一致するように、改質触媒の温度に基づいて補正制御される。このとき、改質触媒の温度として、上流側温度センサの検出信号に基づいてECUで算出された上流側の触媒温度が使用される。これにより、改質処理をより正確に制御可能となっている。
ここで、O/C比とは、改質器に供給された混合ガス中の酸素のモル数に対する炭素のモル数の比率(酸素のモル数/炭素のモル数)を意味する。
目標改質ガス流量QRFMG_TRGTおよび目標O/C比O/C_TRGTは、エンジンの排気浄化用の還元剤として要求される改質ガス量およびO/C比に設定される。例えば、エンジンの排気中に含まれるNOx濃度に基づいて、目標改質ガス流量QRFMG_TRGTが設定される。また、O/C比は、改質ガス中に含まれる水素、一酸化炭素および軽質の炭化水素の含有比率に影響を及ぼすとともに、改質ガスをエンジンの排気系に導入したときの昇温効果に影響を及ぼすことから、エンジンの排気系の温度に基づいて目標O/C比O/C_TRGTが設定される。
なお、改質ガスの流量は、改質触媒の温度による影響を受ける。このため、本ステップで決定された燃料供給量QFUELおよび空気供給量QAIR1は、改質ガスの流量が目標改質ガス流量QRFMG_TRGTに一致するように、改質触媒の温度に基づいて補正制御される。このとき、改質触媒の温度として、上流側温度センサの検出信号に基づいてECUで算出された上流側の触媒温度が使用される。これにより、改質処理をより正確に制御可能となっている。
ステップS4では、改質ガス流量QRFMGおよびO/C比に応じて、単位時間当たりのコークの堆積量Ckを算出する。算出後はステップS5に進む。
具体的には、改質ガス流量QRFMGおよびO/C比に応じて、予め設定されてECUに格納された所定のマップを検索することにより、単位時間当たりのコークの堆積量Ckを算出する。
図3は、改質ガス流量QRFMGおよびO/C比と、単位時間当たりのコークの堆積量Ckとの関係を示す図であり、上記マップの一例を示す図である。図3に示すマップによれば、単位時間当たりのコークの堆積量Ckは、改質ガス流量QRFMGが少なく、かつ、O/C比が小さくなるほど増加する。これは、O/C比が小さいときは、空気に対して燃料が多量に存在する所謂改質リッチの状態であるため、コークが堆積し易いことを表している。また、改質ガス流量QRFMGが少ないときは、改質反応により生ずる熱量が少ないため、改質触媒が低温化してコークが堆積し易いことを表している。
なお、改質ガス流量QRFMGおよびO/C比については、ステップS3で設定された目標改質ガス流量QRFMG_TRGTおよび目標O/C比O/C_TRGTを用いる。
具体的には、改質ガス流量QRFMGおよびO/C比に応じて、予め設定されてECUに格納された所定のマップを検索することにより、単位時間当たりのコークの堆積量Ckを算出する。
図3は、改質ガス流量QRFMGおよびO/C比と、単位時間当たりのコークの堆積量Ckとの関係を示す図であり、上記マップの一例を示す図である。図3に示すマップによれば、単位時間当たりのコークの堆積量Ckは、改質ガス流量QRFMGが少なく、かつ、O/C比が小さくなるほど増加する。これは、O/C比が小さいときは、空気に対して燃料が多量に存在する所謂改質リッチの状態であるため、コークが堆積し易いことを表している。また、改質ガス流量QRFMGが少ないときは、改質反応により生ずる熱量が少ないため、改質触媒が低温化してコークが堆積し易いことを表している。
なお、改質ガス流量QRFMGおよびO/C比については、ステップS3で設定された目標改質ガス流量QRFMG_TRGTおよび目標O/C比O/C_TRGTを用いる。
ステップS5では、改質処理の実行により、改質触媒に堆積したコークの堆積量ΣCkを算出する。具体的には、ステップS4で算出した単位時間当たりのコークの堆積量Ckに燃料改質装置の積算稼動時間dtを乗じた値を、前回の処理で算出したコークの堆積量ΣCkに加算することにより、コークの堆積量ΣCkを算出する。算出後、今回の処理を終了する。
ステップS6では、第1空気供給制御から第2空気供給制御への切替えを実行する。具体的には、第2空気供給管を介した改質触媒の下流側から上流側に向かう空気の供給制御への切替えを実行する。実行後はステップS7に進む。
ステップS7では、空気供給フラグF_air_prvが「1」であるか否かを判別する。空気供給フラグF_air_prvは、再生処理の実行中に、第2空気供給管を介した改質触媒の下流側からの空気の供給を要求するフラグであり、後述のステップS10およびステップS15で更新される。この判別がYESの場合には、ステップS11に進み、NOの場合には、ステップS8に進む。
ステップS8では、燃料供給量QFUELを0に設定するとともに、第2空気供給管を介した改質触媒の下流側からの空気供給量QAIR2を0に設定する。即ち、ステップS7において、空気供給フラグF_air_prvが「1」でない、「0」であると判別され、空気の供給は要求されていないことから、燃料供給量および空気供給量ともに「0」に設定する。設定後、ステップS9に進む。
ステップS9では、改質触媒の温度TCATが、所定の温度T1を下回っているか否かを判別する。ここで、改質触媒の温度TCATは、改質触媒の下流側に設けられた下流側温度センサの検出信号に基づいて、ECUにより算出された値が使用される。また、所定の温度T1は、改質触媒が活性を示す活性化温度を下回らない範囲で、予め設定されてECUに格納されている。なお、所定の温度T1は、後述の温度T2よりも低い温度に設定される。
この判別がYESの場合には、改質触媒の温度TCATが活性化温度を下回るのを回避すべく、ステップS10に進んで空気供給フラグF_air_prvを、「0」から「1」にセットする。これにより、空気の供給が要求され、今回の処理を終了する。一方、この判別がNOの場合には、改質触媒の温度TCATが活性化温度を下回ることはないと判断し、空気供給フラグF_air_prvを「0」のままで維持して、今回の処理を終了する。
この判別がYESの場合には、改質触媒の温度TCATが活性化温度を下回るのを回避すべく、ステップS10に進んで空気供給フラグF_air_prvを、「0」から「1」にセットする。これにより、空気の供給が要求され、今回の処理を終了する。一方、この判別がNOの場合には、改質触媒の温度TCATが活性化温度を下回ることはないと判断し、空気供給フラグF_air_prvを「0」のままで維持して、今回の処理を終了する。
ステップS11では、燃料供給量QFUELを「0」に設定するとともに、第2空気供給管を介した改質触媒の下流側からの空気供給量QAIR2を、目標空気供給量QAIR2_TRGTに設定する。設定後、ステップS12に進む。
ここで、目標空気供給量QAIR2_TRGTは、下流側温度センサの検出信号に基づいてECUにより算出された下流側の触媒温度に基づいて、適宜設定される。具体的には、下流側の触媒温度に基づいて、空気を供給したときに触媒温度がT1と後述のT2との間に位置するように制御することが可能な範囲内で、目標空気供給量QAIR2_TRGTは設定される。
ここで、目標空気供給量QAIR2_TRGTは、下流側温度センサの検出信号に基づいてECUにより算出された下流側の触媒温度に基づいて、適宜設定される。具体的には、下流側の触媒温度に基づいて、空気を供給したときに触媒温度がT1と後述のT2との間に位置するように制御することが可能な範囲内で、目標空気供給量QAIR2_TRGTは設定される。
ステップS12では、改質触媒の温度TCATが、所定の温度T2を上回っているか否かを判別する。ここで、改質触媒の温度TCATは、ステップS9と同様に、改質触媒の下流側に設けられた下流側温度センサの検出信号に基づいて、ECUにより算出された値が使用される。所定の温度T2は、改質触媒の劣化が生ずる使用上限温度を超えない範囲で、予め設定されてECUに格納されている。また、所定の温度T2は、温度T1よりも高い温度に設定される。
この判別がYESの場合には、改質触媒の温度TCATが使用上限温度を上回るのを回避すべく、ステップS15に進んで空気供給フラグF_air_prvを、「1」から「0」にリセットする。これにより、空気供給の要求を取下げて、今回の処理を終了する。
一方、この判別がNOの場合には、改質触媒の温度TCATが使用上限温度を上回ることはないと判断し、空気供給フラグF_air_prvを「1」のままで維持して、ステップS13に進む。
この判別がYESの場合には、改質触媒の温度TCATが使用上限温度を上回るのを回避すべく、ステップS15に進んで空気供給フラグF_air_prvを、「1」から「0」にリセットする。これにより、空気供給の要求を取下げて、今回の処理を終了する。
一方、この判別がNOの場合には、改質触媒の温度TCATが使用上限温度を上回ることはないと判断し、空気供給フラグF_air_prvを「1」のままで維持して、ステップS13に進む。
ステップS13では、単位時間当たりの改質触媒の温度上昇速度dT/dtが、予め設定された閾値dT/dt_THRを下回っているか否かを判別する。ここで、単位時間当たりの改質触媒の温度上昇速度dT/dtは、改質触媒の下流側に設けられた下流側温度センサの検出信号に基づいて、ECUにより算出された値が使用される。また、閾値dT/dt_THRは、改質触媒の表面にコークが微量堆積している状態で再生処理を実行したときの改質触媒の温度上昇速度として予め設定され、ECUに格納されている。
この判別がYESの場合には、再生処理の実行による改質触媒の温度上昇は見られず、コークは全て燃焼除去されたと判断し、ステップS14に進んでコークの堆積量ΣCkを「0」にリセットして、今回の処理を終了する。一方、この判別がNOの場合には、再生処理の実行により改質触媒の温度上昇が確認され、コークがまだ改質触媒の表面に残存していると判断し、空気供給フラグF_air_prvを「1」のままで維持して、今回の処理を終了する。
この判別がYESの場合には、再生処理の実行による改質触媒の温度上昇は見られず、コークは全て燃焼除去されたと判断し、ステップS14に進んでコークの堆積量ΣCkを「0」にリセットして、今回の処理を終了する。一方、この判別がNOの場合には、再生処理の実行により改質触媒の温度上昇が確認され、コークがまだ改質触媒の表面に残存していると判断し、空気供給フラグF_air_prvを「1」のままで維持して、今回の処理を終了する。
次に、本実施形態に係る再生処理について、タイムチャートを参照して説明する。
図4は、本実施形態に係る再生処理の一例を示すタイムチャートである。図4の横軸は、再生処理時間を示しており、縦軸は、改質触媒の温度を示している。なお、改質触媒の温度は、下流側温度センサの検出信号に基づいてECUにより算出された下流側の改質触媒温度である。また、「使用上限温度」、「T1」および「T2」の意味については、上述した通りである。
図4は、本実施形態に係る再生処理の一例を示すタイムチャートである。図4の横軸は、再生処理時間を示しており、縦軸は、改質触媒の温度を示している。なお、改質触媒の温度は、下流側温度センサの検出信号に基づいてECUにより算出された下流側の改質触媒温度である。また、「使用上限温度」、「T1」および「T2」の意味については、上述した通りである。
時刻t0において、改質触媒の再生処理を開始する。このとき、改質処理の実行直後であるため、改質触媒の温度はT2よりも高い。このため、空気供給フラグF_air_prvは「0」のまま維持され、第2空気供給管を介した改質触媒の下流側からの空気の供給は実行されずに待機状態となる(図2のステップS12,S15参照)。これにより、改質触媒の温度が使用上限温度を超えることが回避され、時間の経過とともに改質触媒の温度は低下していく。
時刻t1において、改質触媒の温度がT1を下回ったため、空気供給フラグF_air_prvが「0」から「1」にセットされ、第2空気供給管を介した改質触媒の下流側からの空気の供給が開始される(図2のステップS9,S10参照)。これにより、改質触媒の温度が活性化温度を下回ることが回避され、時間の経過とともに改質触媒の温度は上昇していく。
時刻t2において、改質触媒の温度がT2を上回ったため、空気供給フラグF_air_prvが「1」から「0」にリセットされ、第2空気供給管を介した改質触媒の下流側からの空気の供給が停止される(図2のステップS12,S15参照)。これにより、改質触媒の温度の上昇がストップし、改質触媒の温度が使用上限温度を超えることが回避される。その後、改質触媒の温度は、時間の経過とともに低下していく。
ここで、時刻t2において、空気供給フラグF_air_prvを「1」に維持したまま空気の供給を継続した場合には、図4の破線で示されるように、改質触媒の温度は時間の経過とともにさらに上昇する。そして、ついには使用上限温度を超えて改質触媒の熱劣化が起こり、改質触媒は回復不可能な損傷を受けることとなる。
ここで、時刻t2において、空気供給フラグF_air_prvを「1」に維持したまま空気の供給を継続した場合には、図4の破線で示されるように、改質触媒の温度は時間の経過とともにさらに上昇する。そして、ついには使用上限温度を超えて改質触媒の熱劣化が起こり、改質触媒は回復不可能な損傷を受けることとなる。
時刻t3およびt5においては、時刻t1と同様の処理が実行され、その後の改質触媒の温度も、時刻t1後と同様の挙動を示す。また、時刻t4においては、時刻t2と同様の処理が実行され、その後の改質触媒の温度も、時刻t2後と同様の挙動を示す。
時刻t6においては、第2空気供給管を介した改質触媒の下流側からの空気の供給を実行中であるにも関わらず、改質触媒の温度上昇はほとんど見られず、T2を上回ることはない(図2のステップS12参照)。さらには、単位時間当たりの改質触媒の温度上昇速度dT/dtは、閾値dT/dt_THRを下回っている(図2のステップS13参照)。このため、改質触媒の表面に堆積していたコークは全て燃焼除去されたと判断され、第2空気供給管を介した改質触媒の下流側からの空気の供給が停止される。そして、コークの堆積量ΣCkを「0」にリセットし(図2のステップS14参照)、再生処理を終了する。
このようにして、改質触媒の温度がT1〜T2の間に位置するように、第2空気供給管を介した改質触媒の下流側からの空気の供給が制御される。この空気の供給制御は、改質触媒の温度が上昇してT2を上回る間は、繰り返し実行される。これにより、改質触媒の熱劣化を回避しつつ、コークの燃焼反応効率を向上させ、燃焼残渣が低減される。
以上、詳述したような本実施形態に係る燃料改質装置10によれば、以下のような効果が奏される。
本実施形態に係る燃料改質装置10は、燃料および空気を改質触媒に供給して燃料を改質した後、所定の時期に、第2空気供給制御を実行することにより、改質触媒に堆積したコークを燃焼させて改質触媒を再生する構成とした。即ち、改質処理実行後の所定時期に、改質触媒の上流側から下流側への空気の供給を停止する代わりに、改質触媒の下流側から上流側に向かって空気を供給し、改質触媒内の反応ガスの流れを逆転させて改質触媒を再生する構成とした。
これにより、最もコークが堆積する改質触媒の下流側に、効率良く酸素を供給することができる。このため、改質触媒の下流側においてコークの燃焼反応を効率良く進行させることができ、短時間で改質触媒を再生できる。ひいては、改質触媒を効率良く再生できるため、高い改質効率を維持できる。
また、改質触媒の下流側から上流側に向かって空気を供給するのみであるため、簡単な構成により、上記効果が得られる。従って、改質触媒を効率良く再生でき、高い改質効率を維持できる安価で小型の燃料改質装置を提供できる。
本実施形態に係る燃料改質装置10は、燃料および空気を改質触媒に供給して燃料を改質した後、所定の時期に、第2空気供給制御を実行することにより、改質触媒に堆積したコークを燃焼させて改質触媒を再生する構成とした。即ち、改質処理実行後の所定時期に、改質触媒の上流側から下流側への空気の供給を停止する代わりに、改質触媒の下流側から上流側に向かって空気を供給し、改質触媒内の反応ガスの流れを逆転させて改質触媒を再生する構成とした。
これにより、最もコークが堆積する改質触媒の下流側に、効率良く酸素を供給することができる。このため、改質触媒の下流側においてコークの燃焼反応を効率良く進行させることができ、短時間で改質触媒を再生できる。ひいては、改質触媒を効率良く再生できるため、高い改質効率を維持できる。
また、改質触媒の下流側から上流側に向かって空気を供給するのみであるため、簡単な構成により、上記効果が得られる。従って、改質触媒を効率良く再生でき、高い改質効率を維持できる安価で小型の燃料改質装置を提供できる。
また、本実施形態に係る燃料改質装置10では、改質触媒に堆積したコークの堆積量を推定し、推定されたコークの堆積量が所定量を上回ったときに、改質触媒の下流側から上流側に向かって空気を供給し、改質触媒を再生する構成とした。
これにより、より適切な時期に改質触媒を再生でき、再生処理の頻度を低減できる。また、不要な再生処理を低減できるため、改質触媒の再生による熱劣化を抑制できる。
これにより、より適切な時期に改質触媒を再生でき、再生処理の頻度を低減できる。また、不要な再生処理を低減できるため、改質触媒の再生による熱劣化を抑制できる。
また、本実施形態に係る燃料改質装置10では、改質触媒の再生処理中には燃料の供給量を0とし、改質触媒に燃料を供給しない構成とした。
これにより、不要な燃料の供給を回避でき、燃費の悪化を回避できる。
これにより、不要な燃料の供給を回避でき、燃費の悪化を回避できる。
また、本実施形態に係る燃料改質装置10では、改質触媒の再生処理中においては、改質触媒の温度に基づいて第2空気供給制御を開始または停止する構成とした。即ち、再生処理中には、改質触媒の温度に基づいて、改質触媒の下流側から上流側に向かう空気の供給を開始または停止する構成とした。
これにより、改質触媒の温度が、使用上限温度を上回ったり、活性化温度を下回ったりするのを回避でき、改質触媒の熱劣化を抑制しつつ、コークを断続的に燃焼除去できる。また、空気供給の所謂ON/OFF制御を利用したものであるため、簡単な装置構成で上記効果が得られる。
これにより、改質触媒の温度が、使用上限温度を上回ったり、活性化温度を下回ったりするのを回避でき、改質触媒の熱劣化を抑制しつつ、コークを断続的に燃焼除去できる。また、空気供給の所謂ON/OFF制御を利用したものであるため、簡単な装置構成で上記効果が得られる。
また、本実施形態によれば、下流側温度センサ172を備えるため、検出された下流側の触媒温度に基づいて、改質触媒が劣化する温度(使用上限温度)に達する前に、改質触媒の下流側から上流側に向かう空気の供給を停止することができる。即ち、改質触媒の下流側から上流側に向かって空気を供給し、改質触媒の表面に堆積したコークを燃焼除去する際に、その燃焼熱によって改質触媒の温度が使用上限温度を超えてしまうのを回避できる。これにより、改質触媒の劣化を確実に回避できる。
また、本実施形態によれば、改質触媒が活性化する温度(活性化温度)を下回る前に、改質触媒の下流側からの空気の供給を開始することができる。これにより、改質触媒の温度が上記活性化温度を下回るのを回避でき、改質触媒の表面に堆積したコークを確実に燃焼除去できる。
従って、本実施形態によれば、改質触媒の温度が使用上限温度に達する前に、改質触媒の下流側から上流側に向かう空気の供給を開始するとともに、改質触媒の温度が活性化温度を下回る前に、改質触媒の下流側から上流側に向かう空気の供給を停止する操作を繰り返し実行することにより、改質触媒の熱劣化を抑制しつつ、コークを断続的に燃焼除去できる。
また、本実施形態によれば、改質触媒が活性化する温度(活性化温度)を下回る前に、改質触媒の下流側からの空気の供給を開始することができる。これにより、改質触媒の温度が上記活性化温度を下回るのを回避でき、改質触媒の表面に堆積したコークを確実に燃焼除去できる。
従って、本実施形態によれば、改質触媒の温度が使用上限温度に達する前に、改質触媒の下流側から上流側に向かう空気の供給を開始するとともに、改質触媒の温度が活性化温度を下回る前に、改質触媒の下流側から上流側に向かう空気の供給を停止する操作を繰り返し実行することにより、改質触媒の熱劣化を抑制しつつ、コークを断続的に燃焼除去できる。
また、本実施形態によれば、改質触媒の表面に堆積したコークが全て燃焼除去され、燃焼による温度上昇が得られなくなったときに、改質触媒の下流側から上流側に向かう空気の供給を停止することができる。これにより、必要以上に空気を供給することなく、改質触媒の再生処理を終了できる。
また、本実施形態では、単位時間当たりの触媒温度上昇速度に基づいて、改質触媒の下流側から上流側に向かう空気の供給を開始または停止する構成とした。
これにより、改質触媒の温度をより正確にコントロールできるため、改質触媒の熱劣化をより確実に抑制しつつ、コークを断続的に確実に燃焼除去できる。
これにより、改質触媒の温度をより正確にコントロールできるため、改質触媒の熱劣化をより確実に抑制しつつ、コークを断続的に確実に燃焼除去できる。
また、本実施形態では、上流側の触媒温度を検出する上流側温度センサ171と、下流側の触媒温度を検出する下流側温度センサ172の2つの触媒温度検出手段を設けた。また、改質処理の実行中には、上流側の触媒温度に基づいて燃料の供給量と上流側からの空気の供給量を制御し、再生処理の実行中には、下流側の触媒温度に基づいて下流側からの空気の供給量を制御する構成とした。即ち、改質処理と再生処理とで、燃料および空気の供給量を制御する判定基準を異なるものとした。
これにより、再生処理の実行中は、改質処理の実行中とは異なり、下流側の触媒温度に基づいて空気の供給量を制御できる。即ち、直接検出した下流側の触媒温度に基づいて空気の供給量を制御できるため、コークの燃焼反応効率をより向上でき、燃焼残渣をより低減できる。また、過剰酸素存在下でのコークの燃焼に伴う改質触媒の急激な温度上昇をより抑制でき、改質触媒の劣化が生ずる使用上限温度を超えて改質触媒が熱劣化するのをより確実に抑制できる。
これにより、再生処理の実行中は、改質処理の実行中とは異なり、下流側の触媒温度に基づいて空気の供給量を制御できる。即ち、直接検出した下流側の触媒温度に基づいて空気の供給量を制御できるため、コークの燃焼反応効率をより向上でき、燃焼残渣をより低減できる。また、過剰酸素存在下でのコークの燃焼に伴う改質触媒の急激な温度上昇をより抑制でき、改質触媒の劣化が生ずる使用上限温度を超えて改質触媒が熱劣化するのをより確実に抑制できる。
本実施形態では、ECU19が、燃料供給制御手段、第1空気供給制御手段、第2空気供給制御手段、切替手段、改質手段、再生手段、堆積量推定手段を構成する。また、図2のステップS1の実行に係る手段が再生手段に相当し、ステップS2の実行に係る手段が第1空気供給制御手段に相当し、ステップS3〜S5の実行に係る手段が堆積量推定手段に相当し、ステップS6〜S15の実行に係る手段が第2空気供給制御手段に相当する。
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、O/C比と改質ガス流量QRFMGとの関係に基づいて算出した単位時間当たりのコーク堆積量Ckに、燃料改質装置10の積算稼動時間dtを乗じることにより、コークの堆積量ΣCkを算出したが、これに限定されない。燃料改質装置10の運転回数、燃料改質装置10の運転時間、改質処理の実行により生じた改質ガスの流量、改質ガス中の酸素濃度、改質ガス中の炭化水素濃度、O/C比、改質触媒の上流側圧力と下流側圧力の差圧、燃料消費量および改質触媒の温度のうちの少なくとも1つに基づいて、コークの堆積量ΣCkを算出してもよい。
また、上記実施形態では、生成した水素は、エンジンの排気浄化用の還元剤とした利用したが、これに限定されない。例えば、燃料電池用の水素源として利用してもよい。
例えば、上記実施形態では、O/C比と改質ガス流量QRFMGとの関係に基づいて算出した単位時間当たりのコーク堆積量Ckに、燃料改質装置10の積算稼動時間dtを乗じることにより、コークの堆積量ΣCkを算出したが、これに限定されない。燃料改質装置10の運転回数、燃料改質装置10の運転時間、改質処理の実行により生じた改質ガスの流量、改質ガス中の酸素濃度、改質ガス中の炭化水素濃度、O/C比、改質触媒の上流側圧力と下流側圧力の差圧、燃料消費量および改質触媒の温度のうちの少なくとも1つに基づいて、コークの堆積量ΣCkを算出してもよい。
また、上記実施形態では、生成した水素は、エンジンの排気浄化用の還元剤とした利用したが、これに限定されない。例えば、燃料電池用の水素源として利用してもよい。
10…燃料改質装置
13…改質器
19…ECU(燃料供給制御手段、第1空気供給制御手段、第2空気供給制御手段、切替手段、改質手段、再生手段、堆積量推定手段)
111…燃料供給管(燃料供給路)
112…燃料バルブ(燃料供給制御手段)
116A…第1切替バルブ(切替手段)
116B…第2切替バルブ(切替手段)
117…第1空気供給管(第1空気供給路)
118…第2空気供給管(第2空気供給路)
119…空気バルブ(第1空気供給制御手段、第2空気供給制御手段)
171…上流側温度センサ(上流側触媒温度検出手段)
172…下流側温度センサ(下流側触媒温度検出手段)
13…改質器
19…ECU(燃料供給制御手段、第1空気供給制御手段、第2空気供給制御手段、切替手段、改質手段、再生手段、堆積量推定手段)
111…燃料供給管(燃料供給路)
112…燃料バルブ(燃料供給制御手段)
116A…第1切替バルブ(切替手段)
116B…第2切替バルブ(切替手段)
117…第1空気供給管(第1空気供給路)
118…第2空気供給管(第2空気供給路)
119…空気バルブ(第1空気供給制御手段、第2空気供給制御手段)
171…上流側温度センサ(上流側触媒温度検出手段)
172…下流側温度センサ(下流側触媒温度検出手段)
Claims (5)
- 燃料と空気の混合ガス中で燃料を改質して水素を生成する改質触媒を備えた燃料改質装置において、
前記改質触媒の上流側から下流側に向かって燃料を供給する燃料供給路と、
当該燃料供給路を介した燃料の供給量を制御する燃料供給制御手段と、
前記改質触媒の上流側から下流側に向かって空気を供給する第1空気供給路と、
当該第1空気供給路を介した空気の供給量を制御する第1空気供給制御手段と、
前記改質触媒の下流側から上流側に向かって空気を供給する第2空気供給路と、
当該第2空気供給路を介した空気の供給量を制御する第2空気供給制御手段と、
前記第1空気供給制御手段による第1空気供給制御の実行と、前記第2空気供給制御手段による第2空気供給制御の実行のいずれかを選択する切替手段と、
前記燃料供給制御手段による燃料供給制御を実行するとともに、前記切替手段により前記第1空気供給制御の実行を選択することにより、燃料を改質する改質処理を実行する改質手段と、
前記改質処理の実行後の所定時期に、前記切替手段により前記第2空気供給制御の実行を選択することにより、前記改質触媒に堆積したコークおよび未反応成分を燃焼させて前記改質触媒を再生する再生処理を実行する再生手段と、を備えることを特徴とする燃料改質装置。 - 前記燃料改質装置の運転回数、前記燃料改質装置の運転時間、前記改質処理の実行により生じた改質ガスの流量、前記改質ガス中の酸素濃度、前記改質ガス中の炭化水素濃度、前記混合ガス中の酸素のモル数に対する炭素のモル数の比であるO/C比、前記改質触媒の上流側圧力と下流側圧力の差圧、燃料消費量および前記改質触媒の温度のうちの少なくとも1つに基づいて、前記改質触媒に堆積したコークおよび未反応成分の堆積量を推定する堆積量推定手段をさらに備え、
前記再生手段は、前記改質処理の実行後、前記堆積量推定手段により推定されたコークおよび未反応成分の堆積量が所定量を上回ったときに、前記再生処理を実行することを特徴とする請求項1記載の燃料改質装置。 - 前記燃料供給制御手段は、前記再生処理の実行中においては、燃料の供給量を0にす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。
- 前記改質触媒の温度を検出する触媒温度検出手段をさらに備え、
前記第2空気供給制御手段は、前記再生処理の実行中において、前記触媒温度検出手段により検出された触媒温度に基づいて、前記第2空気供給制御を開始または停止す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。 - 前記触媒温度検出手段は、前記改質触媒の上流側に設けられて上流側の触媒温度を検出する上流側触媒温度検出手段と、前記改質触媒の下流側に設けられて下流側の触媒温度を検出する下流側触媒温度検出手段と、を有し、
前記燃料供給制御手段は、前記改質処理の実行中においては、前記上流側触媒温度検出手段により検出された上流側の触媒温度に基づいて、燃料の供給量を制御し、
前記第1空気供給制御手段は、前記改質処理の実行中においては、前記上流側触媒温度検出手段により検出された上流側の触媒温度に基づいて、空気の供給量を制御し、
前記第2空気供給制御手段は、前記再生処理の実行中においては、前記下流側触媒温度検出手段により検出された下流側の触媒温度に基づいて、空気の供給量を制御することを特徴とする請求項4記載の燃料改質装置。
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2010003987A JP2011144055A (ja) | 2010-01-12 | 2010-01-12 | 燃料改質装置 |
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2014101771A (ja) * | 2012-11-19 | 2014-06-05 | Nissan Motor Co Ltd | 内燃機関の制御装置 |
JP2015040518A (ja) * | 2013-08-22 | 2015-03-02 | 日産自動車株式会社 | 燃料改質システム |
EP3361063A1 (en) | 2017-02-10 | 2018-08-15 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Internal combustion engine and method for controlling internal combustion engine |
-
2010
- 2010-01-12 JP JP2010003987A patent/JP2011144055A/ja active Pending
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2014101771A (ja) * | 2012-11-19 | 2014-06-05 | Nissan Motor Co Ltd | 内燃機関の制御装置 |
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US10890092B2 (en) | 2017-02-10 | 2021-01-12 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Internal combustion engine and method for controlling internal combustion engine |
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