JP4462082B2

JP4462082B2 - 燃料改質装置

Info

Publication number: JP4462082B2
Application number: JP2005082425A
Authority: JP
Inventors: 計宏桜井; 和弘若尾
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-03-22
Filing date: 2005-03-22
Publication date: 2010-05-12
Anticipated expiration: 2025-03-22
Also published as: CN1977104A; KR20070012476A; EP1861609B1; EP1861609A1; CN100465427C; WO2006100863A1; US20070258871A1; JP2006265008A; US7753971B2; KR100755225B1; DE602006016748D1

Description

本発明は、炭化水素系燃料を触媒によって改質し、水素を含む改質ガスを生成する燃料改質装置に関する。

従来、例えば特許文献１等に開示されるように、炭化水素系燃料と空気の混合気を触媒に供給し、触媒上での改質反応により得られた改質ガスを内燃機関に供給する技術が知られている。特許文献１に記載された燃料改質装置では、改質反応として部分酸化反応を利用している。炭化水素系燃料の部分酸化反応では、下記の化学式に示すようにＨ₂とＣＯを含む改質ガスが生成される。
Ｃ_mＨ_n＋(m/2)Ｏ₂ → mＣＯ＋(n/2)Ｈ₂ ・・・(１)

また、炭化水素系燃料と空気の混合気にさらに水蒸気を加え、これを触媒に供給することで改質ガスを得るようにした燃料改質装置も知られている。この場合、上記の部分酸化反応に加え、触媒上では下記の化学式に示す炭化水素系燃料の水蒸気改質反応も生じている。
Ｃ_mＨ_n＋mＨ₂Ｏ → mＣＯ＋(m＋n/2)Ｈ₂ ・・・(２)

上記の部分酸化反応や水蒸気改質反応で生成されるＨ₂やＣＯは燃焼性に優れているため、例えば、冷間始動時にＨ₂やＣＯを含む改質ガスを内燃機関に供給することで、内燃機関の始動性を向上させることができ、また、排気エミッションを向上させることができる。
特開２００４−２５１２７３号公報特公平５−６５７０８号公報特開２００１−２２７４１９号公報

ところで、上記の部分酸化反応の反応速度は速く、混合気が触媒に流入した際、反応は触媒の上流域でほぼ終了する。図４は、ガスの流れ方向における触媒内の位置と触媒床温との関係を示すグラフである。このグラフに示すように、部分酸化反応（Ｐ．Ｏ反応）が進行している触媒の上流域では触媒床温は極めて高温になる。これは、部分酸化反応が発熱反応であり、反応により発生した熱によって触媒が加熱されることによる。一方、部分酸化反応がほとんど終わっている触媒の下流域では、触媒からの放熱によって触媒床温は次第に低下していく。さらに、混合気中の燃料の霧化不良やミキシング不良により、リーン域ではＨ₂やＣＯ以外にＣＯ₂やＨ₂Ｏが生成される。一方、リッチ域では未改質のＨＣが発生する。これらＣＯ₂，Ｈ₂Ｏ及び未改質のＨＣは、触媒の下流域で下記の反応式に示す反応を起こす。
ａＣ_mＨ_n＋ｂＣＯ₂＋ｃＨ₂Ｏ → ｄＣＯ＋ｅＨ₂ ・・・(３)
上記の反応は吸熱反応であるため、触媒の下流域における触媒床温はさらに低下することになる。

また、部分酸化反応と水蒸気改質反応（Ｓ．Ｒ反応）とを比較した場合、反応速度は水蒸気改質反応のほうが遅い。このため、炭化水素系燃料と空気と水蒸気とを含む混合気が触媒に流入した際、触媒の上流域では主として部分酸化反応が起こり、触媒の下流域で主として水蒸気改質反応が起こることになる。図５は、この場合のガスの流れ方向における触媒内の位置と触媒床温との関係を示すグラフである。このグラフに示すように、発熱反応である部分酸化反応が進行している触媒の上流域では触媒床温は極めて高温になる。一方、水蒸気改質反応が進行している触媒の下流域では触媒床温は大きく低下していく。これは、触媒からの放熱に加え、吸熱反応である水蒸気改質反応の進行に伴い触媒から熱が奪われていくことによる。

以上のように、従来の燃料改質装置には、触媒の上流域では部分酸化反応の反応熱によって触媒が過熱しやすく、逆に触媒の下流域では放熱や水蒸気改質反応等の吸熱反応によって触媒床温が低下しやすいという特徴があった。

しかし、触媒が過熱しすぎると、触媒中の貴金属がシンタリング等をおこして劣化してしまうおそれがある。また、触媒を担持するハニカム構造体が金属製であれば、高温酸化等でハニカム構造体が腐食してしまう可能性もある。セラミクス製のハニカム構造体が用いられている場合であっても強度低下が起きる可能性は有り、外筒等は金属のためやはり高温酸化腐食が発生する可能性もある。

一方、触媒の下流域での触媒床温の低下は、改質ガス中のＨ₂及びＣＯの濃度を低下させ、ＴＨＣの濃度を上昇させてしまう。これは、触媒床度の低下に伴い進行する下記のメタン生成反応が原因である。
２Ｈ₂＋２ＣＯ → ＣＯ₂＋ＣＨ₄ ・・・(４)
上記反応が進むことによって改質ガス中のＨ₂やＣＯの濃度は低下し、ＣＨ₄の濃度が上昇することになる。図６に示すグラフは、改質ガスのＴＨＣ濃度と触媒床温との関係を示している。このグラフに示すように、触媒床温にはＴＨＣ濃度が最小になる適正温度が存在しており、適正温度より触媒温度が低くなるほどＴＨＣ濃度は上昇してしまう。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、発熱反応による触媒の過熱と放熱や吸熱反応による触媒の温度低下とを同時に解消できるようにした燃料改質装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記の目的を達成するため、少なくとも炭化水素系燃料と空気とを含む混合気を触媒が担持されたハニカム構造体に供給し、前記混合気を触媒上で反応させることで改質ガスを生成する燃料改質装置において、
前記ハニカム構造体には触媒の担持位置の異なる第１のセルと第２のセルが交互に配列され、前記第２のセルには前記第１のセルよりも混合気の流れ方向の下流側にずらして触媒が担持されていることを特徴としている。

少なくとも炭化水素系燃料と空気とを含む混合気を触媒に供給したとき、触媒の上流側では発熱反応である部分酸化反応が起きる。その後、触媒の下流側では未改質の炭化水素系燃料、ＣＯ₂及びＨ₂Ｏを反応物質として、吸熱反応であるＣＯ及びＨ₂の生成反応が起きる。また、混合気中に水蒸気が含まれる場合には、触媒の下流側では、部分酸化反応に遅れて吸熱反応である水蒸気改質反応も起きる。本発明によれば、隣接する第１セルと第２セルとでは混合気の流れ方向における触媒の担持位置がずらされているので、第１セルと第２セルとを隔てる隔壁の第２セル側の面で発熱反応が起きているとき、その裏面である第１セル側の面では放熱や吸熱反応が起きている。これにより、第２セル内での発熱反応によって生じる熱を第２セル内での放熱や吸熱反応によって消費させることができ、発熱反応による触媒の過熱と放熱や吸熱反応による触媒の温度低下とを同時に解消することができる。

以下、図１乃至図３を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明の実施の形態としての燃料改質装置の特徴部を示す断面図である。図２は本発明の実施の形態としての燃料改質装置の内部を示す断面図であり、図２中のＡ部を拡大して示したのが図１に相当する。また、図３は本発明の実施の形態としての燃料改質装置の特徴部を示す平面図であり、図３中のＢ−Ｂ断面或いはＣ−Ｃ断面を示したのが図１に相当する。本実施形態の燃料改質装置は、例えば、内燃機関用の燃料改質装置として用いることができる。

図２に示すように、燃料改質装置の外筒２の内部には、外筒２内を流れるガスの流路を塞ぐように触媒反応部４が設けられている。外筒２内に流入した混合気は、この触媒反応部４を通過する際に改質される。外筒２内へ供給される混合気は、炭化水素系燃料（例えばガソリン）と空気と水蒸気とからなる混合気であり、触媒反応部４では炭化水素系燃料の部分酸化反応と水蒸気改質反応が起きる。これら反応により生成されたＨ₂及びＣＯを含む改質ガスは、内燃機関の吸気系へ供給され、内燃機関の燃料として使用される。

本実施形態の燃料改質装置は、触媒反応部４の構造に特徴を有している。図１及び図３に示すように、触媒反応部４は、複数のセル１２，１４からなるハニカム構造を有している。各セル１２，１４は、他のセルと隔壁１０によって区画されている。各セル１２，１４は断面が正方形であり、それぞれ他の４つのセルと隣接している。

触媒反応部４を構成するセル１２，１４は、触媒の担持のさせ方が異なる２種類のセル、すなわち、第１セル１２と第２セル１４に分けられる。第１セル１２には、隔壁１０の入口側端部から出口側端部まで触媒のコート層１６が設けられている。一方、第２セル１４には、隔壁１０の入口から所定長さだけ奥まった位置から出口側端部まで触媒のコート層１８が設けられている。つまり、第２セル１４には第１セル１２よりも混合気の流れ方向の下流側にずらして触媒が担持されている。これら第１セル１２と第２セル１４は、それぞれ他方のセルと隣接し合うように、縦方向（図３中のＢ−Ｂ方向）にも横方向（図３中のＣ−Ｃ方向）にも交互に配列されている。

触媒反応部４に供給された混合気は、各セル１２，１４内を流れていき、その際に各セル１２，１４に設けられた触媒コート層１６，１８に接触して反応する。第１セル１２では、流入した混合気が触媒コート層１６に接触し、触媒コート層１６上で反応を起こす。その際、触媒コート層１６の上流域では、比較的反応速度の速い部分酸化反応が主として起き、触媒コート層１６の下流域では、比較的反応速度の遅い水蒸気改質反応や反応式（３）で示す反応が主として起きることになる。一方、第２セル１４では、流入した混合気が触媒コート層１８に接触し、触媒コート層１８上で反応を起こす。その際、触媒コート層１８の上流域では、比較的反応速度の速い部分酸化反応が主として起き、触媒コート層１８の下流域では、比較的反応速度の遅い水蒸気改質反応や反応式（３）で示す反応が主として起きることになる。

第１セル１２と第２セル１４の何れのセルでも、混合気の流れ方向の上流域では主として部分酸化反応が起き、下流域では主として水蒸気改質反応や反応式（３）で示す反応が起きる点では共通している。しかし、第１セル１２と第２セル１４とでは触媒の担持位置が異なっていることから、各反応が起きる位置には、隣接するセル１２，１４間でずれが生じている。具体的には、第１セル１２において触媒コート層１６の上流域にあたる部分は、隣接する第２セル１４では触媒が設けられていない部分に相当している。このため、第１セル１２の部分酸化反応が生じている領域と、第２セル１４の何ら反応が生じていない領域とが隔壁１０を挟んで隣り合うことになる。その結果、第１セル１２内での部分酸化反応により生じた反応熱を第２セル１４の壁面から放出することが可能になる。その際、第２セル１４に流入する混合気に液状の炭化水素系燃料が含まれる場合には、それが気化する際の気化潜熱によって第２セル１４からの放熱が促進される。

一方、第２セル１４において触媒コート層１８の上流域にあたる部分は、隣接する第１セル１２では触媒コート層１６の下流域にあたる部分に相当している。このため、第１セル１２の水蒸気改質反応や反応式（３）で示す反応が生じている領域と、第２セル１４の部分酸化反応が生じている領域とが隔壁１０を挟んで隣り合うことになる。部分酸化反応が発熱反応であるのに対し、水蒸気改質反応や反応式（３）で示す反応は吸熱反応であるので、第２セル１４内での部分酸化反応により生じた反応熱を、隣接する第１セル１２内での水蒸気改質反応や反応式（３）で示す反応によって吸収することができる。

また、第２セル１４において触媒コート層１８の下流域にあたる部分は、隣接する第１セル１２では触媒コート層１６の末端領域に相当している。この末端領域では水蒸気改質反応や反応式（３）で示す反応はほとんど終了しており、さらに、上流域で発生する反応熱によって末端領域におけるガス温度は上昇している。したがって、隣接する第１セル１２側から触媒コート層１８の下流域へ触媒床温を維持するのに必要な熱を供給することができる。

以上のように、本実施形態の燃料改質装置によれば、触媒コート層１８の上流域での部分酸化反応により生じた反応熱を、隣接する触媒コート層１６の下流域での水蒸気改質反応や反応式（３）で示す反応によって消費させることができる。これにより、反応熱によって触媒コート層１８の上流域が過熱するのを防止することができるとともに、触媒コート層１６の下流域の温度低下を防止して水蒸気改質反応や反応式（３）で示す反応を促進し、メタン生成反応を抑制することができる。

また、触媒コート層１６の上流域での部分酸化反応により生じた反応熱は、隣接する第２セル１４の壁面から放出することができるので、反応熱によって触媒コート層１６の上流域が過熱するのを防止することもできる。また、触媒コート層１８の下流域には、隔壁１０を介して、隣接する第１セル１２内を流れる改質ガスの熱を供給することができるので、触媒コート層１８の下流域の温度低下を防止することもできる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において変形して実施することもできる。例えば、次のように変形して実施してもよい。

上記実施の形態では、炭化水素系燃料と空気と水蒸気とからなる混合気を供給しているが、炭化水素系燃料と空気とからなる混合気を供給してもよい。この場合、第１セル１２と第２セル１４の何れのセルでも、混合気の流れ方向の上流域では主として部分酸化反応が起き、下流域では主として放熱や反応式（３）で示す吸熱反応が起きる。しかし、第１セル１２と第２セル１４とでは触媒の担持位置が異なっていることから、第１セル１２の放熱や吸熱反応が生じている領域と、第２セル１４の部分酸化反応が生じている領域とが隔壁１０を挟んで隣り合うことになる。これにより、第２セル１４内での部分酸化反応により生じた反応熱を、隣接する第１セル１２内での放熱や吸熱反応によって吸収することができ、発熱反応による触媒の過熱と放熱や吸熱反応による触媒の温度低下とを同時に解消することが可能になる。

上記実施の形態では、第１セル１２には隔壁１０の入口側端部から触媒コート層１６を設けているが、隔壁１０の入口から所定長さだけ奥まった位置から触媒コート層１６を設けてもよい。第２セル１４に設けられる触媒コート層１８の先端位置よりも、触媒コート層１６の先端位置のほうが混合気の流れ方向の上流側にずれていればよい。触媒コート層１８の先端位置と触媒コート層１６の先端位置とのずれ量は、ガスの流量と各反応の反応速度を考慮して設定すればよい。また、上記実施の形態では、各触媒コート層１６，１８の後端位置を各セル１２，１４の出口側端部で揃えているが、各触媒コート層１６，１８の後端位置には限定はない。

また、上記実施形態では、本発明の燃料改質装置を内燃機関への改質ガスの供給源として用いているが、本発明の燃料改質装置の用途はこれに限定されるものではない。

本発明の実施の形態としての燃料改質装置の特徴部を示す、図２中のＡ部を拡大して示す断面図である。本発明の実施の形態としての燃料改質装置の内部を示す断面図である。本発明の実施の形態としての燃料改質装置の特徴部を示す平面図である。炭化水素系燃料と空気の混合気を触媒に供給したときの、ガスの流れ方向における触媒内の位置と触媒床温との関係を示すグラフである。炭化水素系燃料と空気と水蒸気の混合気を触媒に供給したときの、ガスの流れ方向における触媒内の位置と触媒床温との関係を示すグラフである。触媒床温とＴＨＣ濃度との関係を示す図である。

符号の説明

２外筒
４触媒反応部
１０隔壁
１２第１セル
１４第２セル
１６触媒コート層
１８触媒コート層

Claims

少なくとも炭化水素系燃料と空気とを含む混合気を触媒が担持されたハニカム構造体に供給し、前記混合気を触媒上で反応させることで改質ガスを生成する燃料改質装置において、
前記ハニカム構造体には触媒の担持位置の異なる第１のセルと第２のセルが交互に配列され、前記第２のセルには前記第１のセルよりも混合気の流れ方向の下流側にずらして触媒が担持されていることを特徴とする燃料改質装置。