JP3765933B2

JP3765933B2 - 燃料改質装置およびその制御方法

Info

Publication number: JP3765933B2
Application number: JP31661498A
Authority: JP
Inventors: 和人松田; 英明隅; 隆宏立原; 保紀小谷
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1998-11-06
Filing date: 1998-11-06
Publication date: 2006-04-12
Anticipated expiration: 2018-11-06
Also published as: JP2000143206A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化水素を含む改質用燃料を改質することにより、水素を含む改質ガスを生成する燃料改質装置およびその制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電解質、例えば、固体高分子電解質膜を挟んでアノード側電極とカソード側電極とを対設した燃料電池セルを、セパレータによって挟持して複数積層することにより構成された燃料電池スタックが開発され、種々の用途に実用化されつつある。
【０００３】
この種の燃料電池スタックは、炭化水素、例えば、メタノール水溶液の水蒸気改質により生成された水素を含む改質ガス（燃料ガス）をアノード側電極に供給するとともに、酸化剤ガス（空気）をカソード側電極に供給することにより、前記水素ガスがイオン化して固体高分子電解質膜内を流れ、これにより燃料電池の外部に電気エネルギが得られるように構成されている。
【０００４】
上記のように、メタノール水溶液を改質して水素を含む改質ガスを生成する水蒸気改質反応は、ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋３Ｈ₂と表される吸熱反応である。従って、改質反応に必要な熱量を供給するために、通常、改質器内に複雑な伝熱構造を組み込むことが行われており、構造が複雑化していた。
【０００５】
そこで、例えば、特開平９−３１５８０１号公報や特開平７−３３５２３８号公報に開示されているように、炭化水素を含有する原燃料ガスに酸素を供給して発熱反応である酸化反応を行わせ、この酸化反応により放出される熱量を利用して吸熱反応である前記原燃料ガスの改質反応を行う方法が知られている。これにより、構造の簡素化が可能になるという利点が得られる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、一般的に酸化反応速度が改質反応速度よりも大きいことが知られている。このため、改質触媒のガス入口側の温度が上昇する一方、改質反応で重要な前記改質触媒のガス出口側の温度が低下し易く、該改質触媒の内部には、ガス流れ方向に沿って温度分布が生じている。
【０００７】
その際、改質反応を効率よく行うために、改質触媒のガス出口側の温度を制御しようとすると、この改質触媒のガス入口側の温度が局部的に前記改質触媒の耐熱温度以上になってしまうおそれがある。これにより、発生する一酸化炭素の濃度が高くなり、改質触媒が急激に熱劣化するという問題が指摘されている。一方、改質触媒の熱劣化を防ぐために、この改質触媒のガス出口側の温度を低く設定しようとすると、改質触媒の反応効率が著しく低下してしまうという不具合がある。
【０００８】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、改質触媒部の熱劣化の発生を確実に阻止するとともに、所望の改質反応を円滑に遂行することが可能な燃料改質装置およびその制御方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る燃料改質装置では、改質触媒部が配置される改質室に改質用燃料、水蒸気および酸素が供給され、いわゆる、オートサーマル方式により、この改質触媒部で酸化反応と改質反応とが同時に行われる。具体的には、ＣＨ₃ＯＨ→ＣＯ＋２Ｈ₂（但し、反応量は少ない）と、ＣＨ₃ＯＨ＋３／２Ｏ₂→ＣＯ₂＋２Ｈ₂Ｏ（発熱反応）と、ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋３Ｈ₂（吸熱反応）とが同時に遂行され、外部から熱を供給するために改質器内に複雑な伝熱構造を配置することが不要となり、装置全体の構成が有効に簡素化される。
【００１０】
さらに、改質触媒部は、改質用燃料の反応率が９０％であり、かつガス流れ方向に沿って温度分布を有するとともに、前記改質触媒部内のピーク温度と該改質触媒部のガス出口温度との差が１００℃以内に設定されている。ここで、改質用燃料の反応率とは、ＣＨ₃ＯＨ→ＣＯ＋２Ｈ₂と、ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋３Ｈ₂（吸熱反応）と、ＣＨ₃ＯＨ＋３／２Ｏ₂→ＣＯ₂＋２Ｈ₂Ｏ（発熱反応）との反応が同時に進行する中で、供給されたメタノールが上記のいずれかの反応を起こす割合をいう。
【００１１】
従って、ピーク温度を改質触媒部の耐熱温度以下に抑えて改質触媒部の熱劣化を防ぐとともに、改質反応で重要なガス出口温度を高く維持することができ、改質反応が効率よく遂行される。しかも、改質触媒部の全体の温度が均一になり、その上、前記改質触媒部がガス流れ方向に沿って大幅に肉薄化され、圧損を有効に減少させることが可能になる。また、肉薄化によって改質触媒部を小さなスペースに多段に配置することが容易となり、装置全体を有効に小型化することができる。
【００１２】
また、改質触媒部のガス入口面から内方に向かってこの改質触媒部のガス流れ方向の厚さの１／４以内の位置でピーク温度を検出している。このため、改質触媒部内でのピーク温度の検出が高精度かつ良好に遂行される。さらに改質用燃料がメタノールであり、このメタノールの改質処理が良好に行われて、例えば、水素を含む改質ガスを、燃料電池に対して効率的に供給することができる。
【００１３】
また、本発明では、改質触媒部内のピーク温度を検出し、この検出されたピーク温度に基づいて燃料改質装置が制御される。これにより、改質触媒部を熱劣化させることがなく、前記改質触媒部を最高効率で使用することが可能になる。しかも、改質触媒部を最高効率で使用することができるため、必要な触媒量を少なくすることができる。さらに、燃料改質装置の制御は、改質室に供給される酸素を含む空気の量を制御することにより行われるため、改質触媒部のピーク温度を、レスポンスよく迅速に制御することが可能になる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態に係る燃料改質装置１０を組み込む燃料電池システム１２の概略構成図である。燃料電池システム１２は、炭化水素を含む改質用燃料を改質することにより水素ガスを生成する本実施形態に係る燃料改質装置１０と、この燃料改質装置１０から改質ガスが供給されるとともに、酸化剤ガスとして空気が供給され、前記改質ガス中の水素ガスと前記空気中の酸素とにより発電を行う燃料電池スタック１４とを備える。炭化水素としては、メタノール、天然ガスまたはメタン等が使用可能である。
【００１５】
燃料改質装置１０は、炭化水素、例えば、メタノールを貯留するメタノールタンク１６と、燃料電池スタック１４から気液分離器１７ａ、１７ｂを通して排出される生成水等を貯留する水タンク１８と、前記メタノールタンク１６および前記水タンク１８からそれぞれ所定量のメタノールおよび水が供給されてメタノール水溶液を混合する混合器２０と、前記混合器２０から供給されるメタノール水溶液を蒸発させるための蒸発器２２と、前記蒸発器２２に蒸発熱を供給する触媒燃焼器２４と、前記蒸発器２２から導入される水蒸気が混在されたメタノール（以下、改質用燃料という）を改質して水素ガスを含む改質ガスを生成する改質器２６と、この改質器２６から導出される改質ガス中の一酸化炭素を除去するＣＯ除去器２８とを備える。
【００１６】
触媒燃焼器２４とＣＯ除去器２８とには、エアー供給器３０からそれぞれエアーが供給されるとともに、改質器２６と前記ＣＯ除去器２８との間には、改質ガスの温度を低下させるための熱交換器３２が配置されている。蒸発器２２と改質器２６と熱交換器３２とＣＯ除去器２８と触媒燃焼器２４とは、経路３４ａ〜３４ｃを介して連結され、循環流路を構成している（図２参照）。
【００１７】
図３に示すように、改質器２６は、改質室３６に配置される第１および第２改質触媒層（改質触媒部）３８、４０と、前記改質室３６にメタノール水溶液、水蒸気および酸素含有ガス、例えば、空気を供給して前記第１および第２改質触媒層３８、４０で酸化反応と改質反応とを同時に行わせるための供給機構４２と、前記第１および第２改質触媒層３８、４０の上流側に配置され、始動時に該第１および第２改質触媒層３８、４０に、直接、加熱用燃焼ガスを供給するための始動用燃焼機構４４とを備える。
【００１８】
図２および図３に示すように、燃焼機構４４は、改質器２６にガス流れ方向（矢印Ａ方向）上流側に対応しかつ第１および第２改質触媒層３８、４０と同心的に設けられており、この燃焼機構４４は燃焼室４６に燃料、例えば、メタノールを供給するためのインジェクタ４８と、着火用プラグであるグロープラグ４９とを備える。このインジェクタ４８は、燃料経路５０を介してメタノールタンク１６に接続されている（図１参照）。
【００１９】
インジェクタ４８の先端側周囲には、図３に示すように、エアーノズル５２が装着され、このエアーノズル５２は、燃焼室４６に向かって開口する４つのエアー導出口５４ａ〜５４ｄを設けている。エアーノズル５２は、第１エアー経路５６を介してエアー供給器５８（またはエアー供給器３０）に接続されている（図１参照）。
【００２０】
供給機構４２は、図２および図３に示すように、燃焼機構４４の下流側に配置されており、インジェクタ４８の下流側でかつ第１改質触媒層３８の上流側に位置して燃料ガス（改質用燃料および水蒸気）と空気（酸化用および希釈用）とが混合または独立して供給される供給口６０を設けている。供給口６０は、経路３４ａを介して蒸発器２２に連結されるとともに、この経路３４ａの途上に設けられたジョイント部６２は、例えば、エアー供給器３０に第２エアー経路６４を介して連通している。供給口６０は、二重壁内の開口６０ａを介して複数の導入口６０ｂから流路室６６に連通する。
【００２１】
改質器２６は、燃焼室４６に連通する流路室６６から第１改質触媒層３８に向かって拡径する円錐状のガス供給流路６８を形成するディフューザ部７０を備える。ディフューザ部７０の拡径する端部には、略円筒状のケース７２がねじ止めされており、このケース７２内に第１および第２改質触媒層３８、４０が装着される。
【００２２】
第１および第２改質触媒層３８、４０は、銅または銅・亜鉛系触媒で構成されており、ドーナツ形状のハニカム構造に設定されている。ハニカム構造は、ペレット状の触媒に比べて熱伝導率がよく、ピーク温度を下げるのに有効である。各ハニカムのメッシュは、３００〜８００セル／ＩＮ²に設定されており、それぞれの面方向が改質室３６内のガスの流れ方向（矢印Ａ方向）に直交して並列されている。
【００２３】
第１および第２改質触媒層３８、４０のガス流れ方向の上流側に第１および第２整流板７４ａ、７４ｂが固定される。第１および第２整流板７４ａ、７４ｂは、適切な圧力損失を有しており、第１および第２改質触媒層３８、４０へのガスの流れを均等化するとともに、各触媒層面内の流れを均等化する。
【００２４】
第１および第２改質触媒層３８、４０は、負荷（改質用燃料の流量）に対して、図４に示すような特性を有している。すなわち、第１および第２改質触媒層３８、４０に供給される改質用燃料の単位時間当たりの流量が少ないと、この改質用燃料が前記第１および第２改質触媒層３８、４０に滞留する時間が長くなる。従って、改質用燃料の改質反応が十分に進行し、ＣＨ₃ＯＨ→ＣＯ＋２Ｈ₂、ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋３Ｈ₂（吸熱反応）、ＣＨ₃ＯＨ＋３／２Ｏ₂→ＣＯ₂＋２Ｈ₂Ｏ（発熱反応）のいずれかの反応を起こす割合（すなわち、反応率）が増加する。一方、改質用燃料の単位時間当たりの流量が増加すると、第１および第２改質触媒層３８、４０に滞留する時間が短くなり、前記改質用燃料が未反応のまま通過する割合が増えてしまう。これにより、改質用燃料の流量が増大すると、この改質用燃料の反応率が減少することになる。
【００２５】
ここで、改質用燃料の反応率を９０％以下にした場合、未反応のメタノールが大量に発生し、この未反応のメタノールが、直接、燃料電池セルに供給されると、該燃料電池セルの発電性能が低下してしまい、好ましくない。このため、例えば、改質器２６の後段に未反応のメタノールを処理する変成器を設けることがあるが、システム構成要素が増加し、容積および重量の増加を惹起して好ましくない。従って、第１および第２改質触媒層３８、４０の反応率が９０％以上、より好ましくは９５％以上になるように最大負荷を設定する。
【００２６】
一方、燃料改質装置１０は、オートサーマル方式を採用しており、第１および第２改質触媒層３８、４０では、酸化反応と改質反応とが共存する。このため、第１および第２改質触媒層３８、４０のガス流れ方向（厚さ方向）の位置に対して、図５に示すように、ガス入口側からガス出口側に向かって温度が急激に上昇し、ピーク温度に達した後に、温度がなだらかに低下していく温度分布が存在している。これは、第１および第２改質触媒層３８、４０内では、酸化反応の方が改質反応よりも反応速度が速く、ガス入口側で酸化反応の発熱により温度が急激に上昇し、その後、吸熱反応である改質反応が起こるからである。
【００２７】
この場合、反応率を下げることにより、ピーク温度とガス出入口温度との差を小さくすることが考えられるが、上記のように、反応率が下がることによって未反応のメタノールが大量に発生するという問題がある。一方、反応率を高い状態に維持してピーク温度とガス出入口温度との差を所定の範囲内に納めるためには、第１および第２改質触媒層３８、４０の厚さを適切に設定する必要がある。
【００２８】
そこで、本実施形態では、第１および第２改質触媒層３８、４０が、それぞれの内部におけるピーク温度とガス出口温度との差が１００℃以内、より好ましくは５０℃以内になる位置、すなわち、図５中、ガス流れ方向の位置に相当する厚さｈに設定されている。
【００２９】
図６に示すように、改質触媒層Ｍに原料ガス（燃料ガス）を導入して改質ガスを生成する際、この改質触媒層Ｍのピーク温度を一定にした場合、前記改質触媒層Ｍの厚さｈを変更すると、図７に示すメタノール反応率の変化が現れた。従って、改質触媒層Ｍの厚さｈが薄ければ薄いほど、メタノール反応率が高くなって性能の向上が図られており、本実施形態では、第１および第２改質触媒層３８、４０の厚さｈが５ｍｍ〜４０ｍｍの範囲内、より好ましくは、１０ｍｍ〜３０ｍｍの範囲内に設定されるとともに、外径が１５０ｍｍ〜２５０ｍｍ程度に設定されている。
【００３０】
図３に示すように、第１および第２改質触媒層３８、４０の間には、改質用燃料ガスがいずれか一方のみを通過するようにガス流路形成手段７６が配置される。ガス流路形成手段７６は、例えば、ＳＵＳ製の板材で構成されており、第１改質触媒層３８の中央空洞部分３８ａに挿入される筒状部７８と、この筒状部７８の端部からガス流れ方向に沿って拡径する円錐部８０と、この円錐部８０の端部に一体的に設けられ、第２改質触媒層４０の外周を覆うリング部８２とを有する。
【００３１】
筒状部７８の先端には、ガス流れ方向とは逆方向に向かって縮径する絞り形状部８４が一体成形されている。絞り形状部８４の形状を適切に選定することにより、第１および第２改質触媒層３８、４０に流入するガスの分配状態を容易に調整することができる。第２改質触媒層４０の中央空洞部分４０ａには、円錐状のカバー部材８６が装着されている。
【００３２】
図２に示すように、触媒燃焼器２４とＣＯ除去器２８とにそれぞれ接続される経路３４ｂ、３４ｃのジョイント部８８には、三方弁９０が設けられており、この三方弁９０は、前記経路３４ｂと燃料電池スタック１４とが連通する位置と、該経路３４ｂと経路３４ｃとが連通する位置とに切り換え自在である。この経路３４ｃには、燃料電池スタック１４から排出される排出成分中の未反応水素ガス等のガスを導入するための導入口９２が配置されている。
【００３３】
図８に示すように、第１および第２改質触媒層３８、４０には、この第１および第２改質触媒層３８、４０のピーク温度を検出するための温度センサ（温度検出手段）９４が配置される。第１および第２改質触媒層３８、４０は、ガス流れ方向（矢印Ａ方向）に沿って温度分布を有しており、そのガス入口側から酸化反応支配領域９６となる部分が存在し、この酸化反応支配領域９６の終端側からガス出口側にわたって改質反応支配領域９８となる部分が存在している。
【００３４】
ピーク温度は、酸化反応支配領域９６と改質反応支配領域９８との境界部位に発生するものであり、温度センサ９４は、ガス入口側の面から内方に距離Ｓだけ離間したピーク温度位置に設定される。この距離Ｓは、第１および第２改質触媒層３８、４０の厚さｈの１／４以内の位置、具体的には、この厚さｈが２０ｍｍである際に１ｍｍ〜５ｍｍ程度の位置に設定される。なお、第１および第２改質触媒層３８、４０のピーク温度は、この第１および第２改質触媒層３８、４０の面内温度分布により位置がばらつくため、温度センサ９４を複数箇所に設置することが好ましい。
【００３５】
温度センサ９４は、ＥＣＵ１００に接続されるとともに、このＥＣＵ１００は、蒸発器２２から導出される改質用燃料に空気を送るための空気供給弁１０２を制御する。
【００３６】
蒸発器２２には、所定量のメタノール水溶液を供給するための燃料供給弁１０４が接続され、ＣＯ除去器２８には、ＣＯを選択酸化するためのエアーを供給する空気供給弁１０６が接続され、前記燃料供給弁１０４および前記空気供給弁１０６がＥＣＵ１００により制御される。具体的には、改質器２６の出口温度からＣＯ濃度が検出されるため、供給される燃料の量とこのＣＯ濃度とに基づいて、発生されるＣＯの量が検出される。従って、空気供給弁１０６は、ＣＯ＋１／２Ｏ₂→ＣＯ₂を満たす量の空気を供給するように制御される。
【００３７】
このように構成される燃料改質装置１０の動作について、以下に説明する。
【００３８】
先ず、燃料改質装置１０の始動時には、始動暖気モードとして経路３４ｂ、３４ｃが三方弁９０を介して燃料電池スタック１４と遮断状態にある。そこで、燃焼機構４４を構成する第１エアー経路５６からエアーノズル５２を介して燃焼室４６にエアーが供給され、この燃焼室４６内に渦流が形成される。この状態で、グロープラグ４９が駆動されてこのグロープラグ４９の温度が所定温度になったとき、メタノールタンク１６からインジェクタ４８にメタノールが供給される。
【００３９】
メタノールは、インジェクタ４８を介して燃焼室４６内に噴霧されるとともに、このメタノールにエアーによる渦流が作用して、前記メタノールの微粒化および拡散化が図られる。このため、燃焼室４６内では、グロープラグ４９の加熱作用下にメタノールが燃焼し、この燃焼室４６内でのみ保炎がなされる。
【００４０】
次いで、第２エアー経路６４から各導入口６０ｂを介して流路室６６に希釈用エアーが導入される。従って、燃焼室４６で生成される高温の燃焼ガスにエアーが混合され、この燃焼ガスの温度が調整された状態で、前記燃料ガスが改質室３６に配置されている第１および第２改質触媒層３８、４０に直接供給される。さらに、第１および第２改質触媒層３８、４０が所定の温度に昇温した後、混合器２０を介してメタノールおよび水が所定の混合比に混合されたメタノール水溶液が蒸発器２２に供給される。
【００４１】
蒸発器２２では、触媒燃焼器２４で発生した高温の燃焼ガスと蒸発ガスとが熱交換されることによってメタノール水溶液が蒸気化し、第２エアー経路６４から送られるエアーと混合されて供給機構４２を構成する各導入口６０ｂから改質器２６内に供給される一方、インジェクタ４８から燃焼室４６内へのメタノールの供給が停止される。ここで、第１エアー経路５６からエアーノズル５２を介して燃焼室４６側にエアーが継続して供給されており、インジェクタ４８自体の温度を有効に低減している。
【００４２】
蒸発器２２から経路３４ａに供給された改質用燃料ガスは、第２エアー経路６４から噴射されるエアーと混合されて改質器２６内に導入された後、ディフューザ部７０側に送られる。このディフューザ部７０では、メタノール、水蒸気および酸素を含む改質用燃料ガスがその一部をガス供給流路６８に沿って第１改質触媒層３８に送られる一方、他の部分がこの第１改質触媒層３８の中央空洞部分３８ａに嵌挿された筒状部７８の内部を通って第２改質触媒層４０に送られる。
【００４３】
第１および第２改質触媒層３８、４０では、改質用燃料ガス中のメタノール、水蒸気および酸素によって発熱反応である酸化反応と吸熱反応である改質反応とが同時に行われる。これにより、外部から改質反応に必要な熱を供給する必要がないため、改質器２６内に複雑な伝熱構造を用いる必要がなく、この改質器２６全体の構造を一挙に簡素化することができる。しかも、改質器２６内の発熱反応によって改質反応に必要な熱が供給されるため、負荷変動に対する応答性がよく、水素ガスを含む改質ガスを効率的に生成することが可能になる。
【００４４】
第１改質触媒層３８を通って生成された改質ガスおよび第２改質触媒層４０を通って生成された改質ガスは、熱交換器３２に導入されて所定の温度に冷却される。次いで、改質ガスは、ＣＯ除去器２８に導入されてこの前記改質ガス中のＣＯが酸化されて選択的に反応除去された後、必要に応じて触媒燃焼器２４に送られる。そして、改質器２６から安定した改質ガスが生成され始めると、三方弁９０が切り換えられて燃料電池スタック１４にこの改質ガスが供給される。
【００４５】
この場合、本実施形態では、第１および第２改質触媒層３８、４０内のピーク温度とガス出口温度との差が１００℃以内、より好ましくは５０℃以内に設定されている。このため、一定のピーク温度（例えば、３００℃〜３５０℃の範囲のピーク温度）に対して、特に改質反応で重要なガス出口温度を高く設定することができる。これにより、第１および第２改質触媒層３８、４０の熱劣化を有効に防止するとともに、改質反応が活発に行われ、前記第１および第２改質触媒層３８、４０を全体として有効に利用することができるという効果が得られる。
【００４６】
しかも、必要な触媒量を低減することが可能になり、改質器２６全体の小型・軽量化および低コスト化が容易に図られる。さらに、第１および第２改質触媒層３８、４０の厚さｈを相当に薄く設定することができるため、全体の温度が均一化され、前記第１および第２改質触媒層３８、４０の圧損を低減し得るという利点がある。
【００４７】
ところで、本実施形態では、改質器２６内に第１および第２改質触媒層３８、４０内のピーク温度を検出する温度センサ９４が配置されている。第１および第２改質触媒層３８、４０が、例えば、銅系の触媒である場合には、耐久性を考慮して３００℃程度のピーク温度で運転することが好ましい。
【００４８】
このため、温度センサ９４を介して第１および第２改質触媒層３８、４０のピーク温度を検出し、この検出された温度が３００℃よりも低い場合には、ＥＣＵ１００が空気供給弁１０２を駆動して改質器２６に供給される酸素（空気）の供給量を増加させる。これにより、第１および第２改質触媒層３８、４０の酸化反応支配領域９６での燃焼反応（発熱反応）がより進み、ピーク温度を３００℃まで上げることができる。
【００４９】
このように、本実施形態では、第１および第２改質触媒層３８、４０の内部のピーク温度を一定に維持することができ、前記第１および第２改質触媒層３８、４０に局部的な熱劣化が発生することを阻止するとともに、前記第１および第２改質触媒層３８、４０を高効率で有効に使用することが可能になるという効果が得られる。しかも、第１および第２改質触媒層３８、４０を高効率で使用することができるため、必要な触媒量を少なくすることが可能となり、改質器２６全体の小型化および低コスト化が容易に図られる。
【００５０】
【発明の効果】
本発明に係る燃料改質装置では、改質触媒部において、改質用燃料の反応率が９０％以上であり、かつその内部のピーク温度とガス出口温度との差が１００℃以内に設定されるため、特に改質反応で重要なガス出口温度を高くするとともに、改質触媒部全体の温度を均一化することができる。しかも、改質触媒部の厚さが肉薄となるために、圧損を大幅に低減することが可能になる。さらに、ヒートスポットによる一酸化炭素の発生量を少なくすることができる。
【００５１】
また、本発明に係る燃料改質装置の制御方法では、改質触媒部内のピーク温度を検出し、このピーク温度に基づいて燃料改質装置を制御するため、前記改質触媒部の熱劣化を阻止して高効率で使用し得るとともに、必要な触媒量を低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料改質装置を組み込む燃料電池システムの概略構成説明図である。
【図２】前記燃料改質装置の斜視説明図である。
【図３】前記燃料改質装置を構成する改質器の断面説明図である。
【図４】改質用燃料の流量と反応率との関係を説明する図である。
【図５】改質触媒層の厚さ方向の位置と触媒層温度との関係を説明する図である。
【図６】改質触媒層の厚さの違いによるメタノール反応率の変化を検出する実験結果を示す図である。
【図７】前記実験により得られたメタノール反応率の変化を示す図である。
【図８】改質器内に装着された温度センサおよびＥＣＵの説明図である。
【符号の説明】
１０…燃料改質装置１２…燃料電池システム
１６…メタノールタンク１８…水タンク
２０…混合器２２…蒸発器
２４…触媒燃焼器２６…改質器
２８…ＣＯ除去器３６…改質室
３８、４０…改質触媒層４２…供給機構
４４…燃焼機構７６…ガス流路形成手段
９４…温度センサ９６…酸化反応支配領域
９８…改質反応支配領域１００…ＥＣＵ
１０２、１０６…空気供給弁１０４…燃料供給弁

Claims

炭化水素を含む改質用燃料を改質することにより、水素を含む改質ガスを生成する燃料改質装置であって、
改質室に配置される改質触媒部と、
前記改質室に前記改質用燃料、水蒸気および酸素を含有するガスを供給して前記改質触媒部で酸化反応と改質反応とを同時に行わせるための供給機構と、
を備え、
前記改質触媒部は、前記改質用燃料の反応率が９０％以上であり、かつガス流れ方向に沿って温度分布を有するとともに、該改質触媒部内のピーク温度と該改質触媒部のガス出口温度との差が１００℃以内になるガス流れ方向の位置に相当する厚さに設定されることを特徴とする燃料改質装置。
請求項１記載の燃料改質装置において、前記改質触媒部の前記ガス流れ方向の厚さに対して該改質触媒部のガス入口面から内方に１／４以内の位置に配置され、前記ピーク温度を検出するための温度検出手段を備えることを特徴とする燃料改質装置。
請求項１または２記載の燃料改質装置において、前記改質用燃料はメタノールであることを特徴とする燃料改質装置。
炭化水素を含む改質用燃料を改質することにより、水素を含む改質ガスを生成する燃料改質装置の制御方法であって、
改質室に前記改質用燃料、水蒸気および酸素を含有するガスを供給して改質触媒部で酸化反応と改質反応とを同時に行う工程と、
前記改質触媒部内のピーク温度を検出する工程と、
前記検出されたピーク温度に基づいて、前記燃料改質装置を制御する工程と、
を有し、
前記改質触媒部は、前記改質用燃料の反応率が９０％以上であり、かつガス流れ方向に沿って温度分布を有するとともに、該改質触媒部内のピーク温度と該改質触媒部のガス出口温度との差が１００℃以内になるガス流れ方向のガス流れ方向の位置に相当する厚さに設定されることを特徴とする燃料改質装置の制御方法。
請求項４記載の制御方法において、前記検出されたピーク温度に基づいて、前記改質室に供給される酸素を含む空気の量を制御することを特徴とする燃料改質装置の制御方法。
請求項４または５記載の制御方法において、前記ピーク温度は、前記改質触媒部のガス流れ方向の厚さに対して該改質触媒層部のガス入口面から内方に１／４以内の位置で検出することを特徴とする燃料改質装置の制御方法。
請求項４乃至６のいずれか１項に記載の制御方法において、前記改質用燃料は、メタノールであることを特徴とする燃料改質装置の制御方法。