JP2011157842A - 燃料改質器用起動装置およびその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】起動装置に火炎燃焼などのシステムを付加して装置を複雑にしたり、通電加熱による消費電力を増大したりすることなく、燃焼触媒をライトオフ温度に昇温できる消費電力が少ない簡素な構造の燃料改質器用起動装置を得る。
【解決手段】燃焼触媒部と、この燃焼触媒部にエンジンから排出された排気ガスを供給する排気ガス供給部と、燃焼触媒部に燃料の蒸気および空気を供給する燃料蒸気供給部とを備え、触媒燃焼にエンジンの排気ガスを供給して昇温するものである。
【選択図】図１

Description

この発明は、燃料から水素を主成分とする改質ガスを生成する燃料改質装置を起動する燃料改質装置用起動装置に関するものである。

水素を利用して燃料電池で発電したり、また、ガソリン燃料と空気とのエンジン燃焼用混合気に水素を添加することでエンジンの燃焼性を向上させたりと、水素の利用は多岐にわたっている。一般的なエンジンの燃料である炭化水素燃料から水素を生成するためには、水蒸気改質反応や部分酸化反応などの触媒反応を応用した燃料改質器が必要である。炭化水素の改質は一般に数百℃の高温で進行する触媒反応であるため、燃料改質器を反応温度に保たなければならない。とくに燃料改質器の起動時には、燃料改質器を反応温度まで昇温する必要がある。

起動時に燃料改質器を昇温するために、触媒燃焼を利用した起動装置が用いられている。従来の起動装置においては、燃焼触媒の上流に液体燃料噴射弁、空気導入口、点火源を備え、燃焼触媒が反応温度以下である場合には、燃焼触媒の上流で火炎を形成する燃焼を行うことで、下流の燃焼触媒を昇温している（例えば、特許文献１参照）。また、別の起動装置においては、燃焼触媒に電極を取り付け、この電極を通電加熱して燃焼触媒を昇温している（例えば、特許文献２参照）。これらの起動装置においては、燃焼触媒がライトオフ温度（触媒反応が可能となる下限温度）以上に達したら、火炎燃焼や通電加熱を停止して、空気と炭化水素燃料を供給して触媒燃焼を開始している。

特開２００４−１１１０７１号公報（３頁、図１） 特開２００６−１７６３５０号公報（５頁、図１）

しかしながら、従来の火炎燃焼を用いた起動装置では、液体燃料噴射弁と点火源とが必要となり、さらに高温の火炎を形成するための耐熱設計や制御が必要になり、装置の複雑化を招くという課題があった。また、通電加熱を用いた起動装置では、大きな消費電力が必要になるという課題があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、起動装置に火炎燃焼などのシステムを付加して装置を複雑にしたり、通電加熱による消費電力を増大したりすることなく、燃焼触媒をライトオフ温度に昇温できる消費電力が少ない簡素な構造の燃料改質器用起動装置を得ることを目的としている。

この発明に係る燃料改質器用起動装置は、燃焼触媒部と、この燃焼触媒部にエンジンから排出された排気ガスを供給する排気ガス供給部と、燃焼触媒部に燃料の蒸気および空気を供給する燃料蒸気供給部とを備えたものである。

この発明に係る燃料改質器用起動装置においては、触媒燃焼にエンジンの排気ガスを供給して昇温するため、火炎燃焼部や通電加熱が不要となり、さらに気体状態の燃料蒸気を供給して触媒燃焼を開始させるため燃料を噴霧あるいは蒸発させる手段が不要となり、起動装置を簡素化することができ、消費電力を節約することができる。

この発明の実施の形態１の燃料改質システムの構成図である。 この発明の実施の形態１の燃料改質器用起動装置の模式図である。 この発明の実施の形態１の特性図である。 この発明の実施の形態１の燃料改質器用起動装置の模式図である。

実施の形態１．
図１は、この発明を実施するための実施の形態１による燃料改質システムの構成図である。本実施の形態のおける燃料改質システム１は、図１に示すように、順番に燃料改質器用起動装置２、燃料改質器３、ガソリンを燃料とするエンジン４を接続している。燃料改質器３は、定常運転時に水蒸気改質反応と部分酸化反応を組み合わせたオートサーマル反応を行い、燃料と水と空気とから水素や一酸化炭素などを含む改質ガスを生成してエンジン４へ供給する。燃料改質器用起動装置２は、内部の備えられた燃焼触媒で生成される高温の燃焼ガスを燃料改質器３へ供給する。

図２は、本実施の形態における燃料改質器用起動装置の模式図である。燃料改質器起動装置２は、図２に示すように、整流部１０と燃焼触媒部１１とを接続した構成である。燃焼触媒部１１は、メタルハニカムやコージェライトセラミックなどの基体にアルミナなどの担体を塗布し、パラジウムや白金を担持したものである。ここでは、整流部１０と接続しやすく破損に強いメタルハニカム触媒を使用している。整流部１０は燃焼触媒部１１に流入するガスの流れを均一化するための空間である。整流部１０には、エンジンの排気管１２から排気ガスを供給するための送風機１３と第１導入管１４と第１開閉弁１５とが接続されている。送風機１３は回転数を可変できる構造である。送風機１３と第１導入管１４と第１開閉弁１５とで排気ガス供給部を構成している。

送風機１３には、さらに、燃料蒸気を供給するためのキャニスタ１６が第２導入管１７を介して接続されている。キャニスタ１６には、第２導入管１７へ燃料蒸気を流すために大気中からの空気をキャニスタ１６に導入する第３の導入管１８が第２開閉弁１９を介して接続されている。キャニスタ１６と送風機１３とで燃料蒸気供給部を構成している。

キャニスタ１６は、ガソリン蒸気の放散を防止するための装置であり、活性炭を入れた容器をガソリンタンク２０と接続してガソリン蒸気を吸着させたものである。このキャニスタ１６は、自動車の走行中には取り入れる新鮮空気によって活性炭に吸着されたガソリンを脱離させてエンジンに供給するように構成されている。ここでは、キャニスタ１６とガソリンタンク２０とをエバポチューブ２１で接続し、その途中にバルブ２２を設置した構造としている。

燃焼触媒部１１には温度を検出するために温度センサ２３が取り付けられており、この温度センサ２３の信号を取り込む制御装置２４が設置されている。制御装置２４は、送風機１３、第１開閉弁１５、第２開閉弁１８およびバルブ２２とも接続されており、これらを制御するように構成されている。

次に、本実施の形態における燃料改質器用起動装置の動作について説明する。エンジンが始動すると、燃料改質器用起動装置２を動作させるために、制御装置２３により送風機１３を回転させると同時に第１開閉弁１５を開にして、第１導入管１４を経由して排気管１２から高温の排ガスを燃焼触媒部１１へ供給する。制御装置２４は温度センサ２３からの信号を検知しながら、燃焼触媒１１が反応を開始する温度に達するまで排ガスの供給を継続する。ガソリンは炭素数が４〜１０の炭化水素の混合物であるため、厳密なライトオフ温度の定義は困難であるが、キャニスタ１６から脱離してくるガソリン蒸気の主成分は炭素数４のブタンである。

図３は、本実施の形態における、ブタンの燃焼触媒部１１で反応率の温度特性を示した特性図である。図３において、横軸は燃焼触媒部１１の燃焼触媒の温度、縦軸はブタンの燃焼触媒部１１における反応率である。ここで、反応率（％）は、（１−出口ブタン濃度／入口ブタン濃度）×１００で定義される。この特性図は、燃焼触媒部１１に触媒としてパラジウムを担持して、空間速度（供給混合気流量を触媒体積で割った値）を６００００（１／ｈ）に調節して測定した結果である。ブタンは図３に示すように、約３００℃から触媒で燃焼反応を生じる。ここでは、より確実に触媒反応を開始させるためにライトオフ温度を４００℃とし、燃焼触媒部１１が４００℃になるまで排気管１２から排ガスを供給する。

キャニスタ１６はエンジンの停止中には通常のキャニスタ１６と同様に、エバポチューブ２１に設置したバルブ２２を開いてガソリン蒸気を吸着させてガソリンタンク２０からのガソリン蒸気の大気放散を防止している。したがって、エンジンの始動時にはキャニスタ１６にはガソリン蒸気が吸着している状態である。燃焼触媒部１１が設定温度の４００℃に達したら、制御装置２４により第１開閉弁１５を閉にして整流部１０を介して触媒部１１への排気ガスの供給を停止する。その後、バルブ２２を閉じるとともに、第２開閉弁１９を開にして第２導入管１７を介してキャニスタ１６からガソリン蒸気と空気との混合気を燃焼触媒部１１へ整流部１０を介して供給する。キャニスタ１６に空気を流すことで、キャニスタ１６からガソリン蒸気が脱離して、ガソリン蒸気と空気との混合気を供給することができる。制御装置２４で送風機１３の回転数を可変することで、第２導入管１７に流れるガソリン混合気の濃度を調整することができる。

キャニスタ１６から脱離したガスの主成分であるブタンは、沸点が０℃以下であるため、常温では高濃度の蒸気になる。また、炭素数５のペンタンの蒸気圧は、２０℃で４２０（ｍｍＨｇ）であり、常温の大気圧条件で大気へ蒸発させると５５０００（ｐｐｍ）程度の混合気濃度となる。キャニスタ１６には蒸発しやすいこれらの炭化水素が吸着しており、キャニスタ１６から脱離するガスは常温で高濃度の混合気となる。

燃焼触媒部１１で触媒燃焼反応が開始されると、その反応熱で触媒温度が上昇してさらに反応率が上がり反応熱も増大するため、最終的には触媒燃焼率がほぼ１００％に達して高温の燃焼ガスを生成する。この高温の燃焼ガスは、図１に示すように、下流に接続されてある燃料改質器３へ供給されて、ガソリンの改質に必要な７００℃程度の温度まで燃料改質器３を加熱する。

燃料改質器用起動装置の燃焼触媒部１１では、触媒燃焼の反応率が１００％に達した場合の温度は断熱火炎温度に近くなる。ブタンは濃度８０００（ｐｐｍ）での断熱火炎温度が７２０℃であり、図３に示したブタン濃度が８０００（ｐｐｍ）での条件の測定結果も、反応率が１００％に達した場合に約７２０℃の温度を示した。制御装置２４は燃焼触媒部１１に取り付けた温度センサ２３の出力を検出しながら、燃焼触媒部１１の温度が約７００℃になるように送風機１３の回転数を制御して、混合気の濃度を調節する。

燃料改質器３が７００℃まで加熱された時点で、制御装置２４により第２開閉弁１９を閉にするとともに送風機１３を停止して燃料改質器用起動装置２を停止させ、加熱された燃料改質器３に燃料のガソリンと水と空気とを供給してオートサーマル改質反応を生じさせ、水素を主成分とする改質ガスを生成させる。オートサーマル改質反応では、供給する空気の量により発熱反応とすることができ、この発熱を利用して改質反応を継続したり、液体状態のガソリンを気化させたりすることが可能である。したがって、燃料改質器用起動装置２は燃料改質器３が７００℃に達するまでの短時間の動作でよく、キャニスタ１６に吸着したガソリン蒸気で燃料改質器３を昇温することができる。

このように構成された燃料改質器用起動装置においては、燃焼触媒部にエンジンの排気ガスを供給して燃料触媒を昇温するため、火炎燃焼部や通電加熱が不要となり、起動装置を簡素化し、消費電力を節約することができる。さらにガソリン混合気を供給するために既設のキャニスタを利用でき、気体状態のガソリン蒸気を供給して触媒燃焼を開始させるため燃料を噴霧や蒸発させる手段が不要となる。

なお、本実施の形態においては、燃焼触媒部に温度センサを取り付けて、この温度センサによって検出された燃焼触媒部の温度に基づいて燃料改質器用起動装置の動作を制御したが、必ずしも温度検知は必要ではない。温度センサを取り付けていない場合には、あらかじめ燃焼触媒部１１の入口部温度を測定し、その測定結果に基づいて燃料改質器用起動装置の起動から停止までの時間を決定し、この決定した時間を制御装置内に記憶させて燃料改質器用起動装置の動作を制御してもよい。

実施の形態２．
図４は、実施の形態２における燃料改質器用起動装置の模式図である。実施の形態１においては、燃焼触媒部に燃料と空気との混合気を供給する燃料蒸気供給部としてキャニスタを利用したが、本実施の形態においては、キャニスタの替わりに燃料タンクを利用するものである。

図４において、本実施の形態の燃料改質器用起動装置２においては、燃料タンク２０とキャニスタ１６とを接続するエバポチューブ２１に備えられたバルブ２２を三方弁２２ａに変更し、この三方弁２２ａと送風機１３の入口側の第２導入管１７とを結ぶ第４導入管２５を付設し、三方弁２２ａはキャニスタ１６への流路と第４導入管２５への流路が切り換えるように構成されている。さらに、第２開閉弁１９はその開度を調節できるように構成されている。

本実施の形態における燃料改質器用起動装置の動作について説明する。燃料改質器用起動装置２を動作させる際に、実施の形態１と同様に、キャニスタ１６からガソリン蒸気を燃焼触媒部１１に供給する場合、キャニスタ１６に十分な量のガソリン蒸気が吸着していない場合は混合気のガソリンの濃度が薄くなり、燃焼触媒部１１で触媒反応が不十分となり燃焼ガスの温度が必要な温度まで上昇しない。このような場合には、燃焼触媒部１１に備えられた温度センサ２３の信号を制御装置２４で検知し、三方弁２２ａを第４導入管２５側の流路に切り換えてガソリンタンク２０の内部に充満しているガソリン蒸気を送風機１３で吸引する。通常、ガソリンタンク２０には圧力を調整する機能があり、タンクキャップ（図示せず）やカットバルブ（図示せず）などで内圧を調整しており、送風機１３でガソリン蒸気を吸引してもガソリンタンク２０内部の圧力に不都合が生じることはない。この際、第２開閉弁１９の開度を調節することで、燃焼触媒部１１へ供給するガソリン混合気の濃度を可変することができる。その他の動作は実施の形態１と同様である。

このように構成された燃料改質器用起動装置においては、焼触媒部にエンジンの排気ガスを供給して燃料触媒を昇温するため、火炎燃焼部や通電加熱が不要となり、起動装置を簡素化し、消費電力を節約することができる。また、気体状態のガソリン蒸気を供給して触媒燃焼を開始させるため燃料を噴霧や蒸発させる手段が不要となる。さらにガソリン混合気を供給するために既設のガソリンタンクを利用でき、キャニスタに比較して十分なガソリン蒸気が存在するためにガソリン混合気が不足することなく、確実な起動が可能となる。

１ 燃料改質システム、 ２ 燃料改質器用起動装置、 ３ 燃料改質器、
４ エンジン、 １０ 整流部、 １１ 燃焼触媒部、 １２排気管、
１３ 送風機、 １４ 第１導入管、 １５ 第１開閉弁１５、 １６ キャニスタ
１７ 第２導入管、 １８ 第３の導入管、 １９ 第２開閉弁、
２０ ガソリンタンク、 ２１ エバポチューブ、２２ バルブ、
２３ 温度センサ、 ２４ 制御装置、 ２５ 第４導入管

Claims (5)

1. 燃焼触媒部と、
   この燃焼触媒部にエンジンから排出された排気ガスを供給する排気ガス供給部と、
   前記燃焼触媒部に燃料の蒸気および空気を供給する燃料蒸気供給部と
   を備えたことを特徴とする燃料改質器用起動装置。
2. 燃料は、ガソリンであり、
   燃料蒸気供給部は、前記ガソリンの放散防止用キャニスタと空気供給用送風機とで構成されたことを特徴とする請求項１記載の燃料改質器用起動装置。
3. 燃料は、ガソリンであり、
   燃料蒸気供給部は、前記ガソリンの貯蔵タンクと空気供給用送風機とで構成されたことを特徴とする請求項１記載の燃料改質器用起動装置。
4. 燃焼触媒部に温度検出手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の燃料改質器用起動装置。
5. 請求項４記載の燃料改質器用起動装置の制御方法であって、
   温度検出手段で検出された燃焼触媒部の温度が所定の温度以下の場合には燃料蒸気供給部から燃料のみを前記燃焼触媒部に供給することを特徴とする燃料改質器用起動装置の制御方法。

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