JP3800907B2 - 燃料改質器 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料を水素、一酸化炭素などを主成分とする改質ガスに改質する燃料改質器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料改質器として、改質触媒を充填した筒状の改質部の周囲に、蒸発部を構成する燃料配管を巻回して配置し、この燃料配管にて、燃料を改質部の熱で蒸発させた後、空気と混合して、改質部に供給することにより、燃料改質を行わせるようにしたものがある（ＳＡＥペーパー７４０６００参照）。
【０００３】
この場合、始動時は改質部入口側にてスタートアップノズルから燃料を噴射すると共に空気を供給し、点火プラグによって点火して燃焼させ、その燃焼熱で改質部の温度を上昇させる。
【０００４】
改質部の温度が十分に上昇すると、スタートアップノズルからの燃料噴射を停止すると共に、燃料を蒸発部を構成する燃料配管を経由させて、該燃料配管にて改質部の熱（定常状態に移行した後は、改質反応により発生した熱）で燃料を蒸発させ、蒸発した燃料を空気と混合して、改質部に供給することにより、燃料改質を行わせている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の燃料改質器では、燃料配管を改質部の周囲に取り回し、改質部の熱で燃料を徐々に暖めて燃料の蒸発温度で燃料を蒸発させた後、空気と混合して改質部に供給するという構成になっていたため、次のような問題点があった。
【０００６】
燃料として、ガソリン等の沸点の異なる多成分燃料を使用した場合、沸点の低い成分から順に蒸発する。蒸発後の燃料成分は混合しにくいため、燃料が蒸発した後の配管中には多成分の気化燃料が分離して存在する。この分離した多成分燃料を、更に下流側の配管で空気と混合するため、空気及び気化した多成分燃料が分離した状態で存在する。
【０００７】
この状態のガスを改質部に供給して改質を行うと、改質部入口部で燃料の混合が悪く、改質部に供給する燃料成分や空燃比が局所的に分布を持ち、その結果、燃料成分が理論値に対して分布を持つ場合には、理論値以外の成分が生じて改質ガス成分のうち例えば水素の割合が減少して改質性能が低下し、空燃比が理論値に対して分布を持つ場合には、改質温度を適正に保てず、改質効率が低下するという問題点があった。また、これらの分布は有害成分や煤を発生させるという問題点があった。
【０００８】
加えて、このような従来の燃料改質器では、カーボン数の大きい燃料成分が蒸発し難く、タールとなって燃料配管中に次第に蓄積し、最終的に燃料配管が詰まるという問題点もあった。
【０００９】
以上のように、燃料配管を改質部の周囲に取り回し、改質部の熱で燃料を徐々に暖めて燃料の蒸発温度に達した際に蒸発させた後、空気と混合して改質部に供給するという構成では、燃料成分や空燃比の分布の偏りにより、改質性能が低下する、有害成分や煤が発生する、燃料配管が詰まるという問題点があった。
【００１０】
本発明は、このような従来の問題点を解決できる燃料改質器を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１に係る発明では、燃料改質器を、液体燃料を霧化して供給する燃料供給部と、該燃料供給部からの燃料が衝突する蒸発部と、該蒸発部に連なる改質部とから構成し、前記蒸発部と前記改質部とはメタルハニカムで一体に構成し、メタルハニカムの改質部を構成する部位に、改質触媒を表面コーティングすると共に、燃料の流れ方向に対して直交する小穴を複数設けたことを特徴とする。
【００１２】
すなわち、蒸発部と改質部とを熱伝導に優れるメタルハニカムで一体に構成し、蒸発部に改質部での改質反応熱を効率良く熱伝達して、蒸発部を高温に加熱できるようにする。
【００１３】
このようにして、改質部直前に燃料の蒸発温度に対して十分高温の蒸発部を設け、霧化した液体燃料をこの蒸発部に衝突させつつ通過させ、蒸発温度の異なる多成分燃料を瞬時に蒸発することで、気化した多成分燃料の蒸発温度の差による燃料成分の分布を無くすのである。
【００１４】
また、霧化した液体燃料を空気と混合する場合は、気化燃料を空気と混合するよりも混合がよく、改質部入口で空燃比に局所的な分布を生じることもない。
更には、燃料配管中で燃料を蒸発させることはないので、タールによって配管が詰まることもない。
【００１５】
請求項２に係る発明では、前記メタルハニカムの蒸発部を構成する部位にも、燃料の流れ方向に対して直交する小穴を複数設けたことを特徴とする。
ここで、前記メタルハニカムの蒸発部を構成する部位に設ける小穴は、請求項３に係る発明のように、燃料の流れ方向上流側において密に、下流側において疎に設けるとよい。
【００１６】
請求項４に係る発明では、前記燃料供給部は、蒸発部を構成するメタルハニカムの入口側端面に相対させて設けた燃料噴射ノズルであることを特徴とする。
【００１７】
【発明の効果】
請求項１に係る発明によれば、霧化した液体燃料を充分に高温の蒸発部で瞬時に蒸発することにより、改質部入口で気化燃料の各成分、更には空燃比を均一にすることができ、改質性能を向上することができる。更に、燃料配管中で燃料を蒸発させることはないので、タールによって配管が詰まることなく安定して燃料を供給できる。
また、メタルハニカムの改質部を構成する部位に、燃料の流れ方向に対して直交する小穴を複数設けることで、改質部内の温度分布をなくして、均一な改質を行うことができ、改質性能を更に向上できる。
【００１８】
請求項２に係る発明によれば、メタルハニカムの蒸発部を構成する部位に、燃料の流れ方向に対して直交する小穴を複数設けることで、蒸発部上流側に対して蒸発部下流側の改質部入口での気化燃料の各成分、更には空燃比の分布をより均一にすることができ、改質性能を更に向上できる。
【００１９】
請求項３に係る発明によれば、蒸発部に小穴を設ける場合に、上流側において密に、下流側において疎に設けることで、改質部側から蒸発部側への熱伝導を良好にすることができる。
【００２０】
請求項４に係る発明によれば、燃料供給部として、蒸発部を構成するメタルハニカムの入口側端面に相対させて燃料噴射ノズルを設けることで、燃料噴霧を蒸発部を構成するメタルハニカムに確実に衝突させて、より速やかに蒸発させることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の一実施形態を示す燃料改質器の断面図、図２はメタルハニカムの斜視図である。
【００２２】
燃料改質器は、筒状のケーシング１に、燃料を霧化して供給する燃料供給部２、該燃料供給部２からの燃料が衝突する蒸発部３、該蒸発部３に連なる改質部４、該改質部４にて生成した改質ガスを導出する改質ガス出口９を順に備えて構成される。
【００２３】
蒸発部３と改質部４とは、図２に示すようなメタルハニカム５で一体に構成し、メタルハニカム５の改質部４を構成する部分には、改質触媒Ｃを溶射等により表面コーティングしてある。
【００２４】
尚、メタルハニカム５は、図３に示すような平板６と波板７とを接合し、これを図２に示すように渦巻状に巻いて形成したものであり、改質触媒Ｃは予め平板６及び波板７の改質部４となる部分に表面コーティングしてある。
【００２５】
また、メタルハニカム５（その平板６及び波板７）の蒸発部３を構成する部位に、燃料の流れ方向に対して直交する方向に多数の小穴１１を設けてある。
また、メタルハニカム５（その平板６及び波板７）の改質部４を構成する部位に、燃料の流れ方向に対して直交する方向に多数の小穴１２を設けてある。
【００２６】
燃料供給部２は、ケーシング１の入口側端面の開口部より、蒸発部３上流側の空間部に臨ませて、蒸発部３を構成するメタルハニカム５の入口側端面に相対させた燃料噴射ノズル８を有して構成される。この燃料噴射ノズル８は、燃料を霧化して、すなわち燃料噴霧を円錐状に拡散させつつ噴射して、蒸発部３を構成するメタルハニカム５に衝突させる。
【００２７】
また、本実施形態での燃料改質は、燃料と空気との部分酸化反応によるもの、又は、燃料と空気との部分酸化反応と、燃料と水との水蒸気改質反応とを併用し、水蒸気改質反応（吸熱反応）に必要な熱を部分酸化反応（発熱反応）により供給するオートサーマル方式によるものであり、空気、更には水を燃料噴射ノズル８の周囲から燃料と共に供給できるようにしてある。
【００２８】
次に作用を説明する。
蒸発部３と改質部４とは熱伝導に優れるメタルハニカム５により一体に構成されており、蒸発部３には改質部４の改質反応熱が熱伝達されることで、蒸発部３を燃料の蒸発温度に対して充分高温に加熱することができる。
【００２９】
燃料は燃料噴射ノズル８に供給され、霧化される。霧化された燃料（燃料噴霧）は燃料噴射ノズル８の周辺から供給される空気と均一に混合し、蒸発部３に供給される。
【００３０】
空気と均一に混合した燃料は蒸発部３を構成するメタルハニカム５に衝突しつつ蒸発部３を通過する際、燃料が蒸発温度の異なる多成分燃料であっても瞬時に蒸発することで、多成分燃料の蒸発温度の差による燃料成分の分布を無くすことができる。
【００３１】
また、一般的に、気体同士を混合するよりも空気中に液体燃料を噴霧した方が均一に混合できるため、空燃比に局所的な分布を生じることもない。
これらにより、従来例に比較して改質性能を向上することができる。
【００３２】
更には、燃料配管中で燃料を蒸発させることはないので、タールによって配管が詰まることもない。
【００３３】
また、メタルハニカム５（その平板６及び波板７）の蒸発部３を構成する部位に、燃料の流れ方向に対して直交する方向に多数の小穴１１を設けてあるので、蒸発部３の入口側で空気と霧化した燃料とが円筒状のメタルハニカム５の中心部に偏るような若干の分布を持っていた場合にも、蒸発部３での流れ方向と直交する流れＦ１が可能なため、蒸発部３の出口側すなわち改質部４の入口側で空気と燃料との分布をより均一にすることができ、より改質性能を向上することができる。
【００３４】
この場合、小穴１１は、メタルハニカム５での改質部４側から蒸発部３側への熱伝導を良好にするため、燃料の流れ方向下流側において疎に、上流側において密に設けるとよい。
【００３５】
また、メタルハニカム５（その平板６及び波板７）の改質部４を構成する部位に、燃料の流れ方向に対して直交する方向に多数の小穴１２を設けてあるので、次のような効果が得られる。
改質部４内で局所的に温度分布を生じ、改質性能が低下した場合に、温度が高く改質反応が進行している部位ほど圧力が高くなるため、改質部４での流れ方向に直交する小穴１２を設けることによって、図示Ｆ２のように、改質反応の進行していない部位へ高温の改質ガスが流れ込むことが可能になり、改質部４内で自動的に温度分布を均一化することができる。これにより、改質部４内の局所的な温度分布を均一化することができ、全体の改質性能をより向上することができる。
【００３６】
尚、始動時に、メタルハニカム５に直接通電することにより、これをヒータとして、蒸発部３及び改質部４を瞬時に加熱すれば、始動時より改質ガスを供給することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態を示す燃料改質器の概略断面図
【図２】 メタルハニカムの斜視図
【図３】 メタルハニカム形成用の平板及び波板を示す図
【符号の説明】
１ ケーシング
２ 燃料供給部
３ 蒸発部
４ 改質部
５ メタルハニカム
８ 燃料噴射ノズル
１１，１２ 小穴
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料を水素、一酸化炭素などを主成分とする改質ガスに改質する燃料改質器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料改質器として、改質触媒を充填した筒状の改質部の周囲に、蒸発部を構成する燃料配管を巻回して配置し、この燃料配管にて、燃料を改質部の熱で蒸発させた後、空気と混合して、改質部に供給することにより、燃料改質を行わせるようにしたものがある（ＳＡＥペーパー７４０６００参照）。
【０００３】
この場合、始動時は改質部入口側にてスタートアップノズルから燃料を噴射すると共に空気を供給し、点火プラグによって点火して燃焼させ、その燃焼熱で改質部の温度を上昇させる。
【０００４】
改質部の温度が十分に上昇すると、スタートアップノズルからの燃料噴射を停止すると共に、燃料を蒸発部を構成する燃料配管を経由させて、該燃料配管にて改質部の熱（定常状態に移行した後は、改質反応により発生した熱）で燃料を蒸発させ、蒸発した燃料を空気と混合して、改質部に供給することにより、燃料改質を行わせている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の燃料改質器では、燃料配管を改質部の周囲に取り回し、改質部の熱で燃料を徐々に暖めて燃料の蒸発温度で燃料を蒸発させた後、空気と混合して改質部に供給するという構成になっていたため、次のような問題点があった。
【０００６】
燃料として、ガソリン等の沸点の異なる多成分燃料を使用した場合、沸点の低い成分から順に蒸発する。蒸発後の燃料成分は混合しにくいため、燃料が蒸発した後の配管中には多成分の気化燃料が分離して存在する。この分離した多成分燃料を、更に下流側の配管で空気と混合するため、空気及び気化した多成分燃料が分離した状態で存在する。
【０００７】
この状態のガスを改質部に供給して改質を行うと、改質部入口部で燃料の混合が悪く、改質部に供給する燃料成分や空燃比が局所的に分布を持ち、その結果、燃料成分が理論値に対して分布を持つ場合には、理論値以外の成分が生じて改質ガス成分のうち例えば水素の割合が減少して改質性能が低下し、空燃比が理論値に対して分布を持つ場合には、改質温度を適正に保てず、改質効率が低下するという問題点があった。また、これらの分布は有害成分や煤を発生させるという問題点があった。
【０００８】
加えて、このような従来の燃料改質器では、カーボン数の大きい燃料成分が蒸発し難く、タールとなって燃料配管中に次第に蓄積し、最終的に燃料配管が詰まるという問題点もあった。
【０００９】
以上のように、燃料配管を改質部の周囲に取り回し、改質部の熱で燃料を徐々に暖めて燃料の蒸発温度に達した際に蒸発させた後、空気と混合して改質部に供給するという構成では、燃料成分や空燃比の分布の偏りにより、改質性能が低下する、有害成分や煤が発生する、燃料配管が詰まるという問題点があった。
【００１０】
本発明は、このような従来の問題点を解決できる燃料改質器を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１に係る発明では、燃料改質器を、液体燃料を霧化して供給する燃料供給部と、該燃料供給部からの燃料が衝突する蒸発部と、該蒸発部に連なる改質部とから構成し、前記蒸発部と前記改質部とはメタルハニカムで一体に構成し、メタルハニカムの改質部を構成する部位に、改質触媒を表面コーティングすると共に、燃料の流れ方向に対して直交する小穴を複数設けたことを特徴とする。
【００１２】
すなわち、蒸発部と改質部とを熱伝導に優れるメタルハニカムで一体に構成し、蒸発部に改質部での改質反応熱を効率良く熱伝達して、蒸発部を高温に加熱できるようにする。
【００１３】
このようにして、改質部直前に燃料の蒸発温度に対して十分高温の蒸発部を設け、霧化した液体燃料をこの蒸発部に衝突させつつ通過させ、蒸発温度の異なる多成分燃料を瞬時に蒸発することで、気化した多成分燃料の蒸発温度の差による燃料成分の分布を無くすのである。
【００１４】
また、霧化した液体燃料を空気と混合する場合は、気化燃料を空気と混合するよりも混合がよく、改質部入口で空燃比に局所的な分布を生じることもない。
更には、燃料配管中で燃料を蒸発させることはないので、タールによって配管が詰まることもない。
【００１５】
請求項２に係る発明では、前記メタルハニカムの蒸発部を構成する部位にも、燃料の流れ方向に対して直交する小穴を複数設けたことを特徴とする。
ここで、前記メタルハニカムの蒸発部を構成する部位に設ける小穴は、請求項３に係る発明のように、燃料の流れ方向上流側において密に、下流側において疎に設けるとよい。
【００１６】
請求項４に係る発明では、前記燃料供給部は、蒸発部を構成するメタルハニカムの入口側端面に相対させて設けた燃料噴射ノズルであることを特徴とする。
【００１７】
【発明の効果】
請求項１に係る発明によれば、霧化した液体燃料を充分に高温の蒸発部で瞬時に蒸発することにより、改質部入口で気化燃料の各成分、更には空燃比を均一にすることができ、改質性能を向上することができる。更に、燃料配管中で燃料を蒸発させることはないので、タールによって配管が詰まることなく安定して燃料を供給できる。
また、メタルハニカムの改質部を構成する部位に、燃料の流れ方向に対して直交する小穴を複数設けることで、改質部内の温度分布をなくして、均一な改質を行うことができ、改質性能を更に向上できる。
【００１８】
請求項２に係る発明によれば、メタルハニカムの蒸発部を構成する部位に、燃料の流れ方向に対して直交する小穴を複数設けることで、蒸発部上流側に対して蒸発部下流側の改質部入口での気化燃料の各成分、更には空燃比の分布をより均一にすることができ、改質性能を更に向上できる。
【００１９】
請求項３に係る発明によれば、蒸発部に小穴を設ける場合に、上流側において密に、下流側において疎に設けることで、改質部側から蒸発部側への熱伝導を良好にすることができる。
【００２０】
請求項４に係る発明によれば、燃料供給部として、蒸発部を構成するメタルハニカムの入口側端面に相対させて燃料噴射ノズルを設けることで、燃料噴霧を蒸発部を構成するメタルハニカムに確実に衝突させて、より速やかに蒸発させることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の一実施形態を示す燃料改質器の断面図、図２はメタルハニカムの斜視図である。
【００２２】
燃料改質器は、筒状のケーシング１に、燃料を霧化して供給する燃料供給部２、該燃料供給部２からの燃料が衝突する蒸発部３、該蒸発部３に連なる改質部４、該改質部４にて生成した改質ガスを導出する改質ガス出口９を順に備えて構成される。
【００２３】
蒸発部３と改質部４とは、図２に示すようなメタルハニカム５で一体に構成し、メタルハニカム５の改質部４を構成する部分には、改質触媒Ｃを溶射等により表面コーティングしてある。
【００２４】
尚、メタルハニカム５は、図３に示すような平板６と波板７とを接合し、これを図２に示すように渦巻状に巻いて形成したものであり、改質触媒Ｃは予め平板６及び波板７の改質部４となる部分に表面コーティングしてある。
【００２５】
また、メタルハニカム５（その平板６及び波板７）の蒸発部３を構成する部位に、燃料の流れ方向に対して直交する方向に多数の小穴１１を設けてある。
また、メタルハニカム５（その平板６及び波板７）の改質部４を構成する部位に、燃料の流れ方向に対して直交する方向に多数の小穴１２を設けてある。
【００２６】
燃料供給部２は、ケーシング１の入口側端面の開口部より、蒸発部３上流側の空間部に臨ませて、蒸発部３を構成するメタルハニカム５の入口側端面に相対させた燃料噴射ノズル８を有して構成される。この燃料噴射ノズル８は、燃料を霧化して、すなわち燃料噴霧を円錐状に拡散させつつ噴射して、蒸発部３を構成するメタルハニカム５に衝突させる。
【００２７】
また、本実施形態での燃料改質は、燃料と空気との部分酸化反応によるもの、又は、燃料と空気との部分酸化反応と、燃料と水との水蒸気改質反応とを併用し、水蒸気改質反応（吸熱反応）に必要な熱を部分酸化反応（発熱反応）により供給するオートサーマル方式によるものであり、空気、更には水を燃料噴射ノズル８の周囲から燃料と共に供給できるようにしてある。
【００２８】
次に作用を説明する。
蒸発部３と改質部４とは熱伝導に優れるメタルハニカム５により一体に構成されており、蒸発部３には改質部４の改質反応熱が熱伝達されることで、蒸発部３を燃料の蒸発温度に対して充分高温に加熱することができる。
【００２９】
燃料は燃料噴射ノズル８に供給され、霧化される。霧化された燃料（燃料噴霧）は燃料噴射ノズル８の周辺から供給される空気と均一に混合し、蒸発部３に供給される。
【００３０】
空気と均一に混合した燃料は蒸発部３を構成するメタルハニカム５に衝突しつつ蒸発部３を通過する際、燃料が蒸発温度の異なる多成分燃料であっても瞬時に蒸発することで、多成分燃料の蒸発温度の差による燃料成分の分布を無くすことができる。
【００３１】
また、一般的に、気体同士を混合するよりも空気中に液体燃料を噴霧した方が均一に混合できるため、空燃比に局所的な分布を生じることもない。
これらにより、従来例に比較して改質性能を向上することができる。
【００３２】
更には、燃料配管中で燃料を蒸発させることはないので、タールによって配管が詰まることもない。
【００３３】
また、メタルハニカム５（その平板６及び波板７）の蒸発部３を構成する部位に、燃料の流れ方向に対して直交する方向に多数の小穴１１を設けてあるので、蒸発部３の入口側で空気と霧化した燃料とが円筒状のメタルハニカム５の中心部に偏るような若干の分布を持っていた場合にも、蒸発部３での流れ方向と直交する流れＦ１が可能なため、蒸発部３の出口側すなわち改質部４の入口側で空気と燃料との分布をより均一にすることができ、より改質性能を向上することができる。
【００３４】
この場合、小穴１１は、メタルハニカム５での改質部４側から蒸発部３側への熱伝導を良好にするため、燃料の流れ方向下流側において疎に、上流側において密に設けるとよい。
【００３５】
また、メタルハニカム５（その平板６及び波板７）の改質部４を構成する部位に、燃料の流れ方向に対して直交する方向に多数の小穴１２を設けてあるので、次のような効果が得られる。
改質部４内で局所的に温度分布を生じ、改質性能が低下した場合に、温度が高く改質反応が進行している部位ほど圧力が高くなるため、改質部４での流れ方向に直交する小穴１２を設けることによって、図示Ｆ２のように、改質反応の進行していない部位へ高温の改質ガスが流れ込むことが可能になり、改質部４内で自動的に温度分布を均一化することができる。これにより、改質部４内の局所的な温度分布を均一化することができ、全体の改質性能をより向上することができる。
【００３６】
尚、始動時に、メタルハニカム５に直接通電することにより、これをヒータとして、蒸発部３及び改質部４を瞬時に加熱すれば、始動時より改質ガスを供給することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態を示す燃料改質器の概略断面図
【図２】 メタルハニカムの斜視図
【図３】 メタルハニカム形成用の平板及び波板を示す図
【符号の説明】
１ ケーシング
２ 燃料供給部
３ 蒸発部
４ 改質部
５ メタルハニカム
８ 燃料噴射ノズル
１１，１２ 小穴
Claims (4)
- 燃料を改質する燃料改質器であって、液体燃料を霧化して供給する燃料供給部と、該燃料供給部からの燃料が衝突する蒸発部と、該蒸発部に連なる改質部とからなり、前記蒸発部と前記改質部とはメタルハニカムで一体に構成し、メタルハニカムの改質部を構成する部位に、改質触媒を表面コーティングすると共に、燃料の流れ方向に対して直交する小穴を複数設けたことを特徴とする燃料改質器。
- 前記メタルハニカムの蒸発部を構成する部位に、燃料の流れ方向に対して直交する小穴を複数設けたことを特徴とする請求項１記載の燃料改質器。
- 前記メタルハニカムの蒸発部を構成する部位に複数設ける小穴は、燃料の流れ方向上流側において密に、下流側において疎に設けたことを特徴とする請求項２記載の燃料改質器。
- 前記燃料供給部は、蒸発部を構成するメタルハニカムの入口側端面に相対させて設けた燃料噴射ノズルであることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の燃料改質器。
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