JP2012116724A

JP2012116724A - 燃料改質装置および燃料改質方法

Info

Publication number: JP2012116724A
Application number: JP2010269778A
Authority: JP
Inventors: Minoru Sato; 稔佐藤; Kazuhiko Kawajiri; 和彦川尻
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-12-02
Filing date: 2010-12-02
Publication date: 2012-06-21

Abstract

【課題】熱機関の燃焼状態に関わらず燃料改質器の温度を最適にできる燃料改質装置等の提供。
【解決手段】燃料改質装置１は、水素を生成する燃料改質器９と、熱機関２の排ガスの少なくとも一部を燃料改質器に導入する排ガス供給通路１１と、改質用燃料を燃料改質器に導入する改質用燃料供給手段１４，１５と、改質用空気を燃料改質器に導入する改質用空気供給手段１６，１７と、燃料改質器の温度が所定温度より低い時に改質用空気供給手段から改質用空気を燃料改質器に添加する制御装置８とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料から、水素を主成分とする改質ガスを得る燃料改質装置等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ガソリンなどの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により改質する必要がある。この水蒸気改質反応を生じさせるためには炭化水素燃料と水蒸気が必要であり、また、部分酸化反応を生じさせるためには炭化水素燃料と酸素すなわち空気が必要である。

水蒸気改質反応を生じさせる一つの方法として、エンジンの排ガスを利用する改質装置（以下、排ガス改質装置と呼ぶ）がある（例えば特許文献１参照）。この種の改質装置は、エンジン排ガスの少なくとも一部を改質装置の改質用触媒に導入し、これに炭化水素燃焼を添加して、排ガス中の水蒸気と炭化水素燃料で水蒸気改質反応を生じさせるものである。水蒸気改質反応は吸熱反応であり、外部からの加熱量が不足する場合には、改質用触媒の温度が低下して十分な改質反応を行えない場合がある。特許文献１には、この対策として、改質用触媒の温度が低下した場合に、エンジンにリーン燃焼を行わせて排ガス中に酸素を残し、この酸素と炭化水素燃料とで発熱反応である部分酸化反応を生じさせて改質用触媒の温度を上昇させることが開示されている。

特開２００６−５７６２５号公報

しかしながら、従来の排ガス改質装置では、改質用触媒の温度が低下して部分酸化反応を生じさせたい場合であっても、加速時などのエンジンが量論燃焼を行う必要がある場合にはリーン燃焼を行えず、部分酸化反応を生じさせられない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、熱機関の燃焼状態に関わらず燃料改質器の温度を最適にできる燃料改質装置等を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するための本発明の燃料改質装置は、水素を生成する燃料改質器と、熱機関の排ガスの少なくとも一部を前記燃料改質器に導入する排ガス供給通路と、改質用燃料を前記燃料改質器に導入する改質用燃料供給手段と、改質用空気を前記燃料改質器に導入する改質用空気供給手段と、前記燃料改質器の温度が所定温度より低い時に前記改質用空気供給手段から改質用空気を前記燃料改質器に添加する制御装置とを備える。
さらに、同目的を達成するための本発明の燃料改質方法は、水素を生成する燃料改質器と、熱機関の排ガスの少なくとも一部を前記燃料改質器に導入する排ガス供給通路と、改質用燃料を前記燃料改質器に導入する改質用燃料供給手段と、改質用空気を前記燃料改質器に導入する改質用空気供給手段とを用意し、前記燃料改質器の温度が所定温度より低い時に前記改質用空気供給手段から改質用空気を前記燃料改質器に添加し、該燃料改質器を昇温させる。

本発明の燃料改質装置によれば、燃料改質装置に必要な時にいつでも空気を供給できるため、排ガス中の酸素濃度を熱機関の燃焼状態に関わらず任意の濃度に保て、高温化に必要な酸化反応を熱機関の燃焼状態に関わらず生じさせることができる。

この発明の実施の形態１における燃料改質装置の全体構成図である。この発明の実施の形態１における燃料改質器を示す構成図である。この発明の実施の形態２における燃料改質装置の始動時の制御を説明するフローチャートである。この発明の実施の形態２におけるブタン燃料の触媒燃焼温度特性図である。

以下、本発明に係る燃料改質装置の実施の形態について添付図面に基づいて説明する。なお、図中、同一符号は同一又は対応部分を示すものとする。

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による燃料改質装置の全体構成図、図２は燃料改質器を示す構成図である。ここでは、炭化水素燃料としてガソリンを用いる。

燃料改質装置１は、図１のように、エンジン２と、このエンジン２に空気を導入する吸気流路３と、エンジン２から排出された排ガスを外部に排出する排気流路４を備えている。

エンジン２には、駆動用燃料供給手段である第１燃料供給路７が接続されている。第１燃料供給路７は、同じく駆動用燃料供給手段である第１燃料ポンプ５を用いて燃料タンク６のガソリン（駆動用燃料）をエンジン２に供給する。ガソリンの供給量は電子制御装置８により制御される。

排気流路４には、燃料改質器９が配置され、排ガスの熱を利用して改質用触媒を加熱するようになっている。燃料改質器９は、図２のように、流れ方向に沿ってその順で並ぶ整流部９Ａと酸化触媒９Ｂと水蒸気改質触媒９Ｃとで構成されている。整流部９Ａは、発泡金属などで構成し、酸化触媒９Ｂに流入するガスの流れを均一化し、上流に供給されたガソリンの蒸発を完了させるための空間である。酸化触媒９Ｂと水蒸気改質触媒９Ｃ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、酸化触媒９Ｂには白金やパラジウムなどを、水蒸気改質触媒９Ｃにはロジウムなどを担持したものである。酸化触媒９Ｂの白金やパラジウムは、供給される空気が十分な場合には完全酸化反応を、供給される空気が少ない場合は後述するように部分酸化反応を生じる。この酸化触媒９Ｂの温度は温度センサ１０で検知して電子制御装置８へ取り込む。

燃料改質器９には、排気流路４と燃料改質器９をつなぐ排ガス供給通路１１と、燃料改質器９と吸気流路３をつなぐ改質ガス供給通路１２を設置している。排ガス供給通路１１には排ガスの流量を調節するコントロールバルブ１３を設けている。さらに、排ガス供給通路１１には、燃料タンク６のガソリン（改質用燃料）を供給するための第２燃料ポンプ（改質用燃料供給手段）１４及び第２燃料供給路（改質用燃料供給手段）１５と、排気流路４の外部の空気（改質用空気）を供給する空気ブロワ（改質用空気供給手段）１６及び空気供給路（改質用空気供給手段）１７とが設置されている。コントロールバルブ１３、第２燃料ポンプ１４及び空気ブロワ１６は、電子制御装置８によって制御される。なお、燃料タンク６のガソリンは、駆動用燃料でもあり改質用燃料でもあり、すなわち、その後、駆動用燃料供給手段を通るか改質用燃料供給手段を通るかによって、駆動用燃料として機能するか改質用燃料として機能するかが決まる。

次に、本実施の形態における燃料改質装置の動作について説明する。エンジン２が量論燃焼（ストイキオメトリック燃焼）している条件では、排気流路４に酸素をほとんど含まない排ガスが流れる。この排ガスの少なくとも一部が、排ガス供給通路１１を介して燃料改質器９へと流される。燃料改質器９に流す排ガスの流量はコントロールバルブ１３で制御する。排ガスの温度は通常４００℃程度であり、この排ガスで燃料改質器９の温度を４００℃近くに保つ。更に、空気ブロワ１６から改質用空気を燃料改質器９に供給し、第２燃料ポンプ１４から改質用燃料として機能するガソリンを燃料改質器９に供給する。定常状態の燃料改質装置において、ガソリンは、燃料改質器９の整流部９Ａで蒸発し、空気と混合して、酸化触媒９Ｂで部分酸化反応が生じる。

少なくとも定常状態で供給する空気の流量は、ガソリンの完全酸化反応に必要な流量より少ない流量である。ガソリンの分子式をＣ_７Ｈ_１３とすると、ガソリンの完全酸化反応は以下の式１で表される。
Ｃ_７Ｈ_１３＋１０．３Ｏ_２＋３８．６Ｎ_２
→６．５Ｈ_２Ｏ＋７ＣＯ_２＋３８．６Ｎ_２（式１）
すなわち、ガソリン１モルに対して１０．３＋３８．６＝４８．９モルの空気を供給すれば完全酸化反応が生じるが、ここではそれより少ない空気とする。例えば、ガソリン１モルに対して空気を７＋２６．３＝３３．３モル供給した場合には、下記の式２の部分酸化反応が生じる。
Ｃ_７Ｈ_１３＋７Ｏ_２＋２６．３Ｎ_２
→６．５Ｈ_２＋７Ｏ_２＋２６．３Ｎ_２（式２）
この部分酸化反応で、水素Ｈ_２を生成すると同時に、酸化による発熱を生じて、酸化触媒９Ｂおよび水蒸気改質触媒９Ｃの温度を７００℃以上に昇温する。

第２燃料ポンプ１４から供給するガソリンの流量は、部分酸化反応に必要なガソリン流量以上であり、酸化触媒９Ｂを通過したガスにはガソリンが残っている。このガソリンと排ガス中の水蒸気Ｈ_２Ｏは、水蒸気改質触媒９Ｃで下記の式３の水蒸気改質反応が生じる。
Ｃ_７Ｈ_１３＋１４Ｈ_２Ｏ→２０．５Ｈ_２＋７Ｏ_２（式３）

したがって、燃料改質器９全体では、部分酸化反応と水蒸気改質反応とを併用する自己熱改質（オートサーマル改質）となる。燃料改質器９から出たガスには水素Ｈ_２が含まれており、改質ガス供給通路１２を介して吸気流路３に戻されて、エンジン２へと供給される。改質反応で生成した水素をエンジン２の吸気流路３に混入すると、燃焼性に優れた水素の効果でエンジン２の燃焼性が向上し、ノッキングを防止して高圧縮比が可能になったり、リーン燃焼によるガソリン使用料削減が可能となったりする。

燃料改質器９に供給する排ガス流量、空気流量およびガソリン流量は全て電子制御装置８で制御する。電子制御装置８による自己熱改質反応の制御目標値の設定は以下のようにした。

まず、吸気流路３に供給する水素の量、すなわちエンジン２に供給する混合気中の水素濃度に応じて、燃料改質器９に流す排ガスの流量をコントロールバルブ１３で制御する。エンジン２の混合気中の水素濃度の目標値を約３％に設定して、排ガス再循環率は２０％とする。ここで排ガス再循環率は以下の式で定義する。
排ガス再循環率＝燃料改質器へ流す排ガス／（エンジンへ流す空気＋燃料改質器へ流す排ガス）×１００
なお、排ガス再循環率２０％の排ガス流量を相対値１００とする。

燃料改質器９に流す排ガスの流量が決まると、その中に含まれる水蒸気の流量も決まる。エンジン２で生じるガソリンの完全酸化反応は上記の式１で表される。式１を参照すると、排ガス中の水蒸気濃度は６．５／（６．５＋７＋３８．６）×１００＝１２．５％であるため、水蒸気流量の相対値は１２．５である。

この水蒸気流量に適したガソリン流量と空気流量の組み合わせとして、それぞれの相対値を３と４０にした場合をケース１とする。この組み合わせは、自己熱改質（オートサーマル改質）の平衡計算に基づき、反応温度が約７００℃になる場合である。燃料改質器９の反応温度が７００℃以上であると、定常的に改質反応が維持されるためである。

以上から、排ガス流量相対値１００、ガソリン流量相対値３、空気流量相対値４０のガスを燃料改質器９に４００℃（排ガスの代表的な温度）で導入した場合を想定し、平衡計算を行った結果、燃料改質器９の出口すなわち改質ガス供給通路１２に流れる改質ガスの水素濃度は１４％となる。排ガス再循環率が２０％であるため、エンジン２の燃焼用空気と混合した後のエンジン混合気中の水素濃度は０．１４×０．２＝０．０２８となり、目標値の３％に近い２．８％の水素濃度となる。

次に、ケース２として、ガソリン流量を相対値４とすると、空気流量の相対値を５０にすれば、改質温度は７００℃となり、水素濃度１６．５％の改質ガスを得ることができる。この場合のエンジン混合気中の水素濃度は、０．１６５×０．２＝０．０３３となり、目標値の３％に近い３．３％の水素濃度となる。

このように、排ガス再循環率に応じて、ガソリン流量と空気流量の組み合わせは多数存在する。しかしながら、ケース１とケース２を比較すると、ケース１は相対値３のガソリンで１４％の水素濃度を得たのに対して、ケース２は相対値４のガソリンで１６．５％の水素濃度を得た。ガソリン供給を４／３＝１．３倍にしたのに、得られた水素濃度は１６．５／１４＝１．１８倍であり、水素の生成効率は低下している。したがって、ガソリン流量の相対値は低い方が効果的である。

一方、ガソリン流量の相対値が低すぎると、燃料改質器の反応温度が７００℃になる場合の水素濃度が低くなる。例えば、ガソリン流量の相対値を２にすると、空気流量相対値３０で反応温度７００℃になり、この場合の水素濃度は１０．５％である。エンジン混合気中の水素濃度は０．１０５×０．２＝０．０２１、つまり２．１％となり、最終的なエンジン混合気中の水素濃度が３％に届かなくなる。したがって、排ガス再循環率を２０％とした場合には、ケース１のガソリン流量と空気流量の組み合わせ＝相対値３と相対値４０に近い条件が最適である。

ここで、本願発明とは異なり燃料改質器９に改質用空気を供給しない場合を述べる。エンジン２は量論燃焼であるため排ガスには酸素がほとんど含まれていない。排ガスを燃料改質器９へと流すことで、燃料改質器９の温度を４００℃近くに保つことは可能である。しかし、この状態で、燃料改質器９へ第２燃料ポンプ１４でガソリンを供給しても、吸熱反応の水蒸気改質反応は十分に進行せず、改質温度の７００℃に達していないため水素の生成量は殆ど期待できないものであり、さらに酸化触媒９Ｂや水蒸気改質触媒９Ｃなどにガソリンに含まれる炭素Ｃが析出してしまう不都合が生じる。

自動車の加速状態などではエンジン２をリーン燃焼にしないため、排ガス中に含まれる酸素はほぼゼロであり、排ガス中の酸素だけを利用するシステムでは反応に必要な温度を確保できず、十分な水素生成を実現することができない。したがって、排ガス中の酸素だけを利用するシステムでは、排ガスで燃料改質器９を反応温度の７００℃まで昇温することもできないし、さらに、吸熱反応の水蒸気改質反応を定常的に維持することもできない。

これに対して、本願発明のシステムは、燃料改質器９に空気ブロワ１６で改質用空気を供給することで、エンジンが量論燃焼の場合でも、燃料改質器９を７００℃以上に保つことが可能であり、良好な水素生成を実現することができる。エンジン２がリーン燃焼を行う場合は、そのリーン度合いに応じた酸素が排ガスに含まれるため、空気ブロワ１６から供給する空気流量を減少させることで、上述した最適な条件を実現することもできる。

上述のように本実施の形態の燃料改質装置においては、エンジン２が量論燃焼でもリーン燃焼でも燃料改質器に最適量の空気を供給することで、燃料改質器を反応温度に保つことができ、定常的に水素をエンジンへ導入して、エンジンの燃焼性を向上させることが可能となる。

実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２について説明する。本実施の形態は、上記実施の形態１において、特に、燃料改質装置の始動時の動作を以下に説明するようにしたものであり、したがって、燃料改質装置に関する構成や定常状態の動作については、上記実施の形態１と同様であってもよいものとする。図３は燃料改質装置の始動時の制御を説明するフローチャート、図４はブタン燃料の触媒燃焼温度特性図である。この実施の形態の運転制御は電子制御装置９により実現できる。

第１燃料ポンプ５により駆動用燃料であるガソリンが供給されてエンジン２が始動すると（ステップＳ１０１）、燃料改質器９を動作させるために、電子制御装置８によりコントロールバルブ１３を開いて排ガスの一部を燃料改質器９へと導入し（ステップＳ１０２）、排ガスの熱で燃料改質器を加熱する。排ガスで加熱する温度は４００℃を目安とする。ガソリンは炭素数４〜１０の炭化水素の混合物であるため、厳密な触媒燃焼の始動温度の定義は困難であるが、炭素数４のブタンについて酸化触媒９Ｂで反応率の温度特性を測定した結果が図４である。酸化触媒９Ｂには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４に示すように、約３００℃から触媒で酸化反応を生じる。ここでは、より確実に触媒燃焼を開始するために、酸化触媒９Ｂが４００℃になるまで燃料改質器９への排ガス供給を継続する（ステップＳ１０３からのＮＯループ）。

酸化触媒９Ｂが４００℃に加熱されると（ステップＳ１０３；ＹＥＳ）、電子制御装置８によって空気ブロワ１６を回転させて燃料改質器９に外部から改質用空気を供給し（ステップＳ１０４）、第２燃料ポンプ１４を動作させて燃料改質器９に改質用燃料であるガソリンを供給する（ステップＳ１０５）。

ガソリンの完全酸化反応は上述した式１で表される。供給するガソリンと空気の割合は、完全酸化反応に必要な割合である１：（１０．３＋３８．６）＝１：４９．９にして、ガソリンの完全酸化反応の触媒燃焼を実行する。酸化触媒９Ｂが７００℃になるまで燃料改質器９の昇温を継続する（ステップＳ１０６からのＮＯループ）。ステップＳ１０４で、供給する空気流量を完全酸化に必要な流量にすることで、ガソリンの発熱反応を最大にして、燃料改質器９の昇温時間を最大限に短縮する。

酸化触媒９Ｂが７００℃に達すると、すぐ下流の水蒸気改質触媒９Ｃの入口部もほぼ７００℃の温度になっているために、水蒸気改質反応が生じる温度となる（ステップＳ１０６；ＹＥＳ）。この時点で、空気ブロワ１６を制御して空気の供給量を減少させて完全酸化反応から部分酸化反応へと移行する（ステップＳ１０７）。この時点以降の改質反応は、部分酸化反応と水蒸気改質反応を併用する自己熱改質（オートサーマル改質）となる（ステップＳ１０８）。

このように、上記実施の形態１及び２の燃料改質装置によれば、燃料改質装置に空気を必要な時にいつでも供給できるため、排ガス中の酸素濃度をエンジンの燃焼状態に関わらず任意の濃度に保て、高温化に必要な酸化反応をエンジンの燃焼状態に関わらず生じさせることができる。また、燃料と空気を、まず酸化触媒に供給して発熱させて酸化触媒を高温にして、高温のガスを水蒸気改質触媒に供給することで、水蒸気改質触媒も高温に保つことができる。さらに、特に始動時に上記図３に示す処理を行うようにすれば、始動時に燃料の完全酸化に必要な空気量に制御して、完全酸化反応の触媒燃焼を生じさせるため、燃料改質器の昇温時間を最大限に短縮することができ、改質装置の確実な起動が可能となる。

以上、好ましい実施の形態を参照して本発明の内容を具体的に説明したが、本発明の基本的技術思想及び教示に基づいて、当業者であれば、種々の改変態様を採り得ることは自明である。

１燃料改質装置、２エンジン（熱機関）、３吸気流路、４排気流路、８電子制御装置、９燃料改質器、９Ａ整流部、９Ｂ酸化触媒、９Ｃ水蒸気改質触媒、１１排ガス供給通路、１２改質ガス供給通路、１４第２燃料ポンプ（改質用燃料供給手段）、１５第２燃料供給路（改質用燃料供給手段）、１６空気ブロワ（改質用空気供給手段）、１７空気供給路（改質用空気供給手段）。

Claims

水素を生成する燃料改質器と、
熱機関の排ガスの少なくとも一部を前記燃料改質器に導入する排ガス供給通路と、
改質用燃料を前記燃料改質器に導入する改質用燃料供給手段と、
改質用空気を前記燃料改質器に導入する改質用空気供給手段と、
前記燃料改質器の温度が所定温度より低い時に前記改質用空気供給手段から改質用空気を前記燃料改質器に添加する制御装置と
を備える燃料改質装置。
前記燃料改質器は、酸化触媒と、水蒸気改質触媒とを搭載し、
前記酸化触媒は、前記燃料改質器における相対的な上流側に、前記水蒸気改質触媒は該燃料改質器における相対的な下流側に配置されており、
前記制御装置は、前記燃料改質器の温度が所定温度より低い時に前記改質用空気供給手段から改質用空気を添加して前記酸化触媒と前記水蒸気改質触媒の両方を昇温させる
請求項１の燃料改質装置。
水素を生成する燃料改質器と、熱機関の排ガスの少なくとも一部を前記燃料改質器に導入する排ガス供給通路と、改質用燃料を前記燃料改質器に導入する改質用燃料供給手段と、改質用空気を前記燃料改質器に導入する改質用空気供給手段とを用意し、
前記燃料改質器の温度が所定温度より低い時に前記改質用空気供給手段から改質用空気を前記燃料改質器に添加し、該燃料改質器を昇温させる
燃料改質方法。
前記燃料改質器は、熱機関の始動時に排ガスで予熱され、それに続き完全酸化反応に必要な改質用空気が該燃料改質装置に供給され、完全酸化反応による発熱で改質反応に必要な温度まで昇温される
請求項３の燃料改質方法。
前記燃料改質器が完全酸化反応による発熱で水蒸気改質反応に必要な温度まで昇温されたならば、その後は、改質用空気の導入量を減少させて完全酸化反応から部分酸化反応へと移行させ、部分酸化反応と水蒸気改質反応とを併行させるオートサーマル改質反応により前記燃料改質器を所望の温度に維持する
請求項４の燃料改質方法。