JP5567850B2

JP5567850B2 - 水素製造システム

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Publication number: JP5567850B2
Application number: JP2010024719A
Authority: JP
Inventors: 一椛島; 守戸頃
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2010-02-05
Filing date: 2010-02-05
Publication date: 2014-08-06
Anticipated expiration: 2030-02-05
Also published as: JP2011162372A

Description

本発明は、車両用の燃料を簡便に改質し、収率よく水素を製造する水素製造システムに関する。

水素は、クリーンなエネルギーであり、内燃機関や燃料電池等のエネルギー源として、将来的な利用が期待されている。内燃機関に関しては、水素エンジン、水素添加エンジン、水素を還元剤としてＮＯｘを浄化するＮＯｘ浄化触媒等についての研究が進められている（特許文献１参照）。また、内燃機関や燃料電池への水素の供給に関しては、燃料改質による水素製造についての研究が進められている。

特開２００６−１０５０８８号公報

ところで、車両上で燃料改質を行う場合、車両に搭載容易とするため水素製造システムが小型であること、負荷変動に対する応答性が高いこと、速やかに水素製造可能となることが重要視される。

そこで、本発明は、小型で、負荷変動に対する応答性が高く、速やかに水素製造できる水素製造システムを提供することを課題とする。

ここで、本願発明者は、車両用の燃料からの水素の製造について、鋭意検討したところ、（１）まず、燃料を内燃機関でリッチ燃焼させ、燃料の一部を、水素、一酸化炭素及び水蒸気を含む改質ガスに変換し、（２）一酸化炭素と水蒸気とを水性ガスシフト反応させて、水素と二酸化炭素とに変換することで、連続的に燃料を改質して、水素を安定して高収率で製造できる、という知見を得た。

このような知見に基づいて、前記課題を解決するための手段として、本発明は、車両に搭載される水素製造システムであって、車両用の燃料をリッチ燃焼し、水素、一酸化炭素及び水蒸気を含む改質ガスを生成する駆動用の内燃機関と、前記内燃機関からの改質ガスに含まれる一酸化炭素と水蒸気とを、水性ガスシフト反応させることで、水素と二酸化炭素とを生成する水性ガスシフト触媒を内蔵するシフト反応器と、前記内燃機関に吸気される新規の吸気空気が通流する吸気流路と、前記シフト反応器で生成した水素を新規の吸気空気と混合するように前記吸気流路に合流させる合流流路と、を備えることを特徴とする水素製造システムである。

このような水素製造システムによれば、（１）内燃機関が、車両用の燃料をリッチ燃焼し、水素、一酸化炭素及び水蒸気を含む改質ガスを生成する。そして、（２）シフト反応器に内蔵される水性ガスシフト触媒が、一酸化炭素と水蒸気とを、水性ガスシフト反応させることで、水素と二酸化炭素とを生成する。このようにして、水素製造システムによれば、車両上で、簡易に水素を製造できる。

すなわち、車両が搭載する駆動用の内燃機関を利用して、車両用の燃料を改質し、水素製造システムを構成するので、つまり、燃料を改質するためだけの改質器や水素タンクを備えないので、水素製造システムの部品点数は少なく安価で構成され、水素製造システムは小型化され、車両に搭載容易となる。そして、改質器の制御（温度制御等）も不要となる。

また、駆動用の内燃機関の運転状態は負荷変動に追従するので、内燃機関による改質ガスの生成も、負荷変動に容易に対応し、負荷変動に対する応答性も高まる。

さらに、水性ガスシフト反応させるために、水性ガスシフト触媒を所定温度に高める必要があるが、水性ガスシフト触媒には、内燃機関で生成した高温の改質ガスが供給されるので、水性ガスシフト触媒は速やかに昇温し、水性ガスシフト反応可能となる。つまり、短時間で速やかに水素製造可能となる。

また、前記水素製造システムにおいて、前記内燃機関は、リッチ燃焼用の気筒と、通常燃焼用の気筒とを備えることを特徴とする。

このような水素製造システムによれば、内燃機関が、リッチ燃焼用の気筒と、通常燃焼用の気筒とを備えるので、内燃機関において、リッチ燃焼用の気筒におけるリッチ燃焼と、通常燃焼用の気筒における通常燃焼とを、同時に行うこともできる。

また、前記水素製造システムにおいて、前記内燃機関からの改質ガスが供給され、三元触媒を内蔵する触媒反応器と、前記内燃機関から前記シフト反応器又は前記触媒反応器に向かう改質ガスの流量を制御する流量制御手段と、を備えることを特徴とする。

このような水素製造システムによれば、流量制御手段によって、内燃機関からシフト反応器又は触媒反応器に向かう改質ガスの流量を制御できる。よって、例えば、シフト反応器に向かう改質ガスの流量を増加すれば、水性ガスシフト触媒の温度を高めることもできる。

また、前記水素製造システムにおいて、前記水性ガスシフト触媒の温度を制御する第１温度制御手段を備えることを特徴とする。

このような水素製造システムによれば、第１温度制御手段が水性ガスシフト触媒の温度を制御することにより、水性ガスシフト反応を制御し、水素の生成量を制御できる。

また、前記水素製造システムにおいて、前記内燃機関におけるリッチ燃焼のＡ／Ｆ（空気／燃料比）を制御するＡ／Ｆ制御手段を備えることを特徴とする。

このような水素製造システムによれば、Ａ／Ｆ制御手段がリッチ燃焼のＡ／Ｆを制御することにより、改質ガス中の一酸化炭素及び水蒸気の量を制御し、その結果、水素の生成量を制御できる。

また、前記水素製造システムにおいて、前記内燃機関から前記シフト反応器に向かう改質ガスの温度を制御する第２温度制御手段を備えることを特徴とする。

このような水素製造システムによれば、第２温度制御手段が、内燃機関からシフト反応器に向かう改質ガスの温度を制御するので、水性ガスシフト触媒の温度を制御できる。その結果、水素の生成量を制御できる。

また、前記水素製造システムにおいて、前記内燃機関には、改質剤として、空気、酸素富化空気、窒素富化空気、酸素、二酸化炭素、及び、ＥＧＲガス、の少なくとも一種が供給されることを特徴とする。

このような水素製造システムによれば、内燃機関は、改質剤として供給される、空気、酸素富化空気、窒素富化空気、酸素、二酸化炭素、及び、ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）ガス、の少なくとも一種の雰囲気下で、燃料をリッチ燃焼させて、改質ガスを製造できる。

また、前記水素製造システムにおいて、前記シフト反応器で生成した水素と新規の吸気空気とを混合し、前記内燃機関に供給する混合器を備えることを特徴とする。

このような水素製造システムによれば、混合器によって、シフト反応器で生成した水素と、新規の吸気空気とを混合し、均一な混合状態とした後、これを内燃機関に供給できる。よって、内燃機関における燃焼が安定することになる。

また、前記水素製造システムにおいて、前記内燃機関におけるリッチ燃焼と、前記シフト反応器における水性ガスシフト反応とは、連続的に実行されることを特徴とする。

このような水素製造システムによれば、内燃機関におけるリッチ燃焼と、シフト反応器における水性ガスシフト反応とは、バッチ式でなく、それぞれ連続的に実行されるので、連続的に水素を生成できる。

本発明によれば、小型で、負荷変動に対する応答性が高く、速やかに水素製造できる水素製造システムを提供することができる。

本実施形態に係る水素製造システムの構成を示す図である。本実施形態に係る混合器の側断面図である。内燃機関を７２Ｎｍ／１５００ｒｐｍでリッチ燃焼させた場合において、（ａ）はクランクアングルと筒内圧力との関係を示すグラフであり、（ｂ）はクランクアングルと熱発生率との関係を示すグラフである。内燃機関を１４０Ｎｍ／１５００ｒｐｍでリッチ燃焼させた場合において、（ａ）はクランクアングルと筒内圧力との関係を示すグラフであり、（ｂ）はクランクアングルと熱発生率との関係を示すグラフである。内燃機関を７２Ｎｍ／１５００ｒｐｍでリッチ燃焼させた場合において、Ａ／Ｆと、改質ガス中の水素濃度、一酸化炭素濃度との関係を示すグラフである。内燃機関を１４０Ｎｍ／１５００ｒｐｍでリッチ燃焼させた場合において、Ａ／Ｆと、改質ガス中の水素濃度、一酸化炭素濃度との関係を示すグラフである。

以下、本発明の一実施形態について、図１〜図２を参照して説明する。

≪水素製造システムの構成≫
図１に示す本実施形態に係る水素製造システム１は、図示しない車両に搭載されている。
水素製造システム１は、内燃機関１０と、内燃機関１０に燃料を噴射する第１インジェクタ２１〜第４インジェクタ２４と、車外の空気を内燃機関１０に導く吸気系と、内燃機関１０で生成した排気ガスを車外に導く排気系と、内燃機関１０で生成した改質ガスを水性ガスシフト反応させ水素を生成するシフト反応系と、これらを電子制御する制御手段であるＥＣＵ６０（Electronic Control Unit、電子制御装置）と、を備えている。

そして、水素製造システム１は、（１）内燃機関１０の後記する第１気筒１１で燃料を改質して、水素、一酸化炭素及び水蒸気を含む改質ガスを生成し、（２）シフト反応系の後記するシフト反応器５１（水性ガスシフト触媒）で、改質ガス中の一酸化炭素と水蒸気とを水性ガスシフト反応させ、水素及び二酸化炭素を生成（製造）することを特徴としている。

ここで、燃料は、車両用の燃料であり、具体的には、ガソリン、ディ−ゼル燃料、アルコール、天然ガス、プロパンガス、バイオディ−ゼル等の炭化水素類である。また、炭化水素類としては、アルカン類、アルケン類、アルキン類、芳香族化合物等である。
また、内燃機関１０のリッチ燃焼用の第１気筒１１には、改質剤として、空気、酸素富化空気、窒素富化空気、酸素、水蒸気、二酸化炭素、及びＥＧＲガスから選ばれた少なくとも一種が供給される。

＜内燃機関＞
内燃機関１０は、車両の駆動力を発生する動力源であり、その運転条件（回転速度）は負荷変動に良好に追従する。よって、後記する第１気筒１１による改質ガスの生成も、負荷変動に良好に追従する。ここで、本実施形態に係る内燃機関１０は、直列４気筒で排気量が２Ｌのディーゼル内燃機関であり、燃料が筒内に噴射され、圧縮されることで自己着火するものである。
ただし、気筒数、配列、排気量は、これに限定されず変更自由である。また、内燃機関１０の種類は、ディーゼル内燃機関に限定されず、公知の内燃機関から適宜選択して使用できる。さらに、内燃機関１０における着火方式は、圧縮による自己着火式に限定されず、その他に例えば、点火プラグによる火花点火式でもよい。

内燃機関１０は、第１気筒１１〜第４気筒１４を備えている。そして、第１気筒１１はリッチ燃焼用又は通常燃焼用に、第２気筒１２、第３気筒１３及び第４気筒１４は通常燃焼用に、それぞれ割り振られている。これにより、内燃機関１０は、第１気筒１１におけるリッチ燃焼と、第２気筒１２〜第４気筒１４における通常燃焼とを、同時に並行して行うことも可能となる。
ただし、リッチ燃焼用又は通常燃焼用の気筒数、通常燃焼用の気筒数は、これに限定されず変更自由である。

＜インジェクタ＞
第１インジェクタ２１〜第４インジェクタ２４は、第１気筒１１内〜第４気筒１４内に、所望量の燃料を噴射するものである。なお、第１インジェクタ２１〜第４インジェクタ２４には、燃料タンク（図示しない）の燃料が、燃料ポンプ（図示しない）によって、コモンレール（図示しない）を介して圧送・供給されるようになっている。

第１インジェクタ２１は第１気筒１１に、第２インジェクタ２２は第２気筒１２に、第３インジェクタ２３は第３気筒１３に、第４インジェクタ２４は第４気筒１４に、それぞれ設けられている。そして、第１インジェクタ２１〜第４インジェクタ２４は、ＥＣＵ６０によって燃料噴射量（噴射時間）が独立制御されるようになっている。つまり、後記するスロットルバルブ３２の開度に対応した新規の吸気空気等の流量等に対応して、第１インジェクタ２１〜第４インジェクタ２４が適宜に制御されることで、第１気筒１１〜第４気筒１４におけるＡ／Ｆ（空気／燃料）比が、個別に制御されるようになっている。
そして、本実施形態では、第１インジェクタ２１は、第１気筒１１においてリッチ燃焼又は通常燃焼が行われるように制御され、第２インジェクタ２２〜第４インジェクタ２４は、第２気筒１２〜第４気筒１４において通常燃焼が行われるように制御される。

したがって、本実施形態において、第１気筒１１におけるリッチ燃焼のＡ／Ｆを制御するＡ／Ｆ制御手段は、第１インジェクタ２１と、スロットルバルブ３２と、ＥＣＵ６０とを備えて構成されている。そして、第１気筒１１におけるリッチ燃焼のＡ／Ｆが制御されることで、改質ガス（水素、一酸化炭素、水蒸気）の生成量が制御され、その結果、シフト反応器５１における水素の生成量も制御されるようになっている。

＜吸気系＞
吸気系は、塵等を除去するエアクリーナ３１と、スロットルバルブ３２と、混合器３３と、下流側が四股に分岐した吸気マニホールド３４と、を備えている。エアクリーナ３１から下流に向かって、配管３１ａ、スロットルバルブ３２、配管３２ａ、混合器３３、配管３３ａ、吸気マニホールド３４の順に接続されており、吸気マニホールド３４の４つの下流端は、第１気筒１１〜第４気筒１４にそれぞれ接続されている。

そして、内燃機関１０が作動すると、車外の空気は自然吸気され、配管３１ａ等を通って、混合器３３に向かうようになっている。
なお、配管３２ａには、後記するシフト反応器５１からの配管５１ａが合流しており、水性ガスシフト反応で生成した水素及び二酸化炭素が、新規に吸気された空気と合流し、混合器３３に向かい、内燃機関１０に水素添加されるようになっている。

スロットルバルブ３２は、バタフライ弁等から構成され、ＥＣＵ６０によってその開度が制御されることで、車外からの新規の吸気空気の流量を制御するようになっている。

＜混合器＞
混合器３３（ガスミキサ）は、車外から新規に吸気された空気と、シフト反応器５１からの水素及び二酸化炭素とを混合し、均一な混合状態とした後、吸気マニホールド３４（第１気筒１１〜第４気筒１４）に供給するものである。このように均一な混合状態となって、第１気筒１１等に供給されるので、第１気筒１１等における燃焼が安定し、ノッキング等しにくくなる。

本実施形態に係る混合器３３は、図２に示すように、内部を通流する新規な吸気空気と、シフト反応器５１からの水素及び二酸化炭素とを、分割・転換・反転することにより、効率的に混合するものである。
具体的には、混合器３３は、円筒状の筐体３３ｂと、複数（図２では３つ）の右エレメント３３ｃ（右旋回羽根）と、複数（図２では３つ）の左エレメント３３ｄ（左旋回羽根）と、を備えている。

そして、筐体３３ｂ内において、下流に向かって、右エレメント３３ｃ、左エレメント３３ｄ、右エレメント３３ｃ、…のように交互に配置されている。右エレメント３３ｃは、下流方向視において、新規な吸気空気等を右旋回させる羽根であり、左エレメント３３ｄは、左旋回させる羽根である。このような右エレメント３３ｃ、左エレメント３３ｄは、長方形の板材を、右又は左に１８０°にてねじることで形成される。また、右エレメント３３ｃ、左エレメント３３ｄの通流方向における長さＬ１は、例えば、その直径Ｄ１の１．５倍に設計されている（Ｌ１＝１.５×Ｄ１）。

＜排気系＞
図１に戻って説明を続ける。
排気系は、上流側が三股に分岐した排気マニホールド４１と、触媒反応器４２と、を備えている。そして、第２気筒１２、第３気筒１３及び第４気筒１４は、排気マニホールド４１、配管４２ａを介して触媒反応器４２に接続されており、第２気筒１２〜第４気筒１４で生成した排気ガスは、排気マニホールド４１で集合した後、配管４２ａを通って、触媒反応器４２に供給されるようになっている。

＜触媒反応器＞
触媒反応器４２は、排気ガス中のＮＯｘを浄化する三元触媒４２ｃを内蔵している。三元触媒４２ｃは、例えばコージェライト製のハニカム体の内壁面に、ウォッシュコート法等によって担持されている。このような三元触媒４２ｃは、表１に示すように、例えば、（Ｐｔ−Ｐｄ−Ｒｈ＋希土類）系で形成され、その反応温度は２５０〜７００（℃）に、空間速度は５０００〜１０００００（ｈ^−１）に設計される。なお、三元触媒４２ｃの反応温度とは、三元触媒４２ｃがその触媒機能を良好に発揮する温度であり、空間速度（ＧＨＳＶ：Gas Hourly Space Velocity）とは、１時間当たりにおけるガスの速度である。

そして、三元触媒４２ｃは、排気ガス中の一酸化炭素（ＣＯ）を酸化して、二酸化炭素（ＣＯ_２）を生成する（表１の式（１）参照）。また、三元触媒４２ｃは、排気ガス中のＨＣ（炭化水素）を分解して、水蒸気（Ｈ_２Ｏ）と二酸化炭素（ＣＯ_２）を生成する（表１の式（２）参照）。さらに、三元触媒４２ｃは、排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元して、窒素（Ｎ_２）を生成する（表１の式（３）参照）。

そして、このようにして窒素酸化物（ＮＯｘ）が浄化された排気ガスは、配管４２ｂを通って車外に排気される。

＜シフト反応系＞
シフト反応系は、シフト反応器５１と、流量制御弁５２〜５３と、温度センサ５４と、ヒータ５５（第１温度制御手段）と、を備えている。そして、第１気筒１１は、配管５２ａ、流量制御弁５２、配管５２ｂを介して、シフト反応器５１に接続されており、第１気筒１１におけるリッチ燃焼によって生成した改質ガス（水素、一酸化炭素、水蒸気）は、配管５２ａ等を通って、シフト反応器５１に供給されるようになっている。

＜シフト反応器＞
シフト反応器５１は、改質ガス中の一酸化炭素と水蒸気を水性ガスシフト反応させ、水素及び二酸化炭素を生成する水性ガスシフト触媒５１ｃを内蔵している（表１の式（４）参照）。水性ガスシフト触媒５１ｃは、三元触媒４２ｃと同様に、例えばコージェライト製のハニカム体の内壁面に、ウォッシュコート法等によって担持されている。このような水性ガスシフト触媒５１ｃは、表１に示すように、例えば、（Ｆｅ−Ｃｒ系＋Ｃｕ−Ｚｎ系）で形成され、その反応温度は１５０〜５００（℃）に、空間速度は５０００〜１０００００（ｈ^−１）に設計される。つまり、水性ガスシフト触媒５１ｃの反応温度は、三元触媒４２ｃの反応温度よりも低く設計される。

また、配管５２ａは、配管５３ａ、流量制御弁５３、配管５３ｂを介して、配管４２ａに接続されている。
流量制御弁５２、５３は、ＥＣＵ６０からの指令に従い、０を含めて流量を制御可能な弁であって、例えばニードル弁で構成されている。これにより、流量制御弁５２、５３の開度を適宜制御することにより、第１気筒１１から触媒反応器４２又はシフト反応器５１に向かう改質ガスの流量を適宜制御できる。具体的に例えば、流量制御弁５３を全閉し、流量制御弁５２を全開にすれば、高温の改質ガスの全てをシフト反応器５１に向かわせることができ、シフト反応器５１を速やかに暖めることができる。

温度センサ５４は、水性ガスシフト触媒５１ｃの温度を検出するセンサであり、シフト反応器５１の近傍に設けられている。そして、温度センサ５４は、検出した温度を、ＥＣＵ６０に出力するようになっている。

ヒータ５５は、水性ガスシフト触媒５１ｃの温度を制御する電熱ヒータであり、シフト反応器５１の近傍に設けられると共に、ＥＣＵ６０に制御されるインバータ５６を介して、電源５７に接続されている。そして、ＥＣＵ６０がインバータ５６を制御することで、ヒータ５５の出力（熱量）が制御され、その結果、水性ガスシフト触媒５１ｃの温度が制御される。

＜ＥＣＵ＞
ＥＣＵ６０は、水素製造システム１を電子制御する制御装置であり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インタフェイス、電子回路などを含んで構成されており、その内部に記憶されたプログラムに従って、各種機能を発揮し、各種機器を制御する。

≪水素製造システムの動作・効果≫
次に、水素製造システム１の動作・効果について説明する。
水素製造システム１によれば、（１）第１気筒１１によって、燃料をリッチ燃焼し、水素、一酸化炭素及び水蒸気を含む改質ガスを連続的に生成し、（２）水性ガスシフト触媒５１ｃによって、一酸化炭素と水蒸気とを、水性ガスシフト反応させ、水素と二酸化炭素とを連続的に生成できる。

また、水素製造システム１は、駆動用の内燃機関１０を利用して燃料を改質し、改質器や水素タンクを備えないので、部品点数は少なく安価で構成される。よって、水素製造システム１は小型化され、車両に搭載容易となる。
さらに、リッチ燃焼により生成した高温の改質ガスがシフト反応器５１に供給されるので、水性ガスシフト触媒５１ｃの温度を速やかに高めることができる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されず、次のように変更できる。

前記した実施形態では、燃料が内燃機関１０の第１気筒１１〜第４気筒１４内に直接噴射される構成を例示したが、その他に例えば、混合器３３と吸気マニホールド３４との間に吸気チャンバを設け、この吸気チャンバ内を通流する新規の吸気空気を含むガス（バックグラウンドガス）に燃料を噴射し気化する構成としてもよい。つまり、燃料の噴射方式は、筒内噴射、吸気ポート噴射のどちらでもよい。
なお、このようにバックグラウンドガスに燃料を噴射する場合、Ａ／Ｆは、５〜１４の範囲内に設定することが好ましい。これは、バックグラウンドガス中の酸素濃度が高くなると、水性ガスシフト反応で生成した水素が、酸素で酸化され、水になってしまい、水素の回収率が低くなる虞があるからである。

前記した実施形態では、シフト反応器５１の近傍に配置されたヒータ５５（第１温度制御手段）によって、水性ガスシフト触媒５１ｃの温度を直接的に制御する構成を例示したが、その他に例えば、配管５２ｂの近傍にヒータ（第２温度制御手段）を設け、このヒータによって配管５２ｂを通流する改質ガスの温度を制御することで、水性ガスシフト触媒５１ｃの温度を間接的に制御する構成としてもよい。

前記した実施形態では、第１気筒１１におけるリッチ燃焼によって改質ガスが連続的に生成され、シフト反応器５１（水性ガスシフト触媒５１ｃ）における水性ガスシフト反応によって、水素が連続的に生成される構成を例示したが、その他に例えば、改質ガス、水素がバッチ式で生成される構成でもよい。

以下、実施例に基づいて、本発明をさらに具体的に説明する。

（１）正常に燃焼するＡ／Ｆの範囲
ディーゼル内燃機関の気筒内に、Ａ／Ｆを変化させて軽油を直接噴射し、正常に燃焼するか否かについて試験した。Ａ／Ｆは１０〜１８の範囲とした。試験結果を図３〜図４に示す。
なお、図３（ａ）は、７２Ｎｍ／１５００ｒｐｍでリッチ燃焼させた場合におけるクランクアングルに対する気筒内の圧力を示し、図３（ｂ）は、クランクアングルに対する熱発生率を示す。また、図４（ａ）は、１４０Ｎｍ／１５００ｒｐｍでリッチ燃焼させた場合におけるクランクアングルに対する気筒内の圧力を示し、図４（ｂ）は、クランクアングルに対する熱発生率を示す。

図３（ａ）〜図４（ｂ）に示されるように、Ａ／Ｆを１０〜１８の範囲内で変化させても、気筒内の圧力の波形や、熱発生率の波形は、ほとんど変化しなかった。これにより、リッチ燃焼を行っても、ＡＦ＝１０程度までは、正常に燃焼することがわかった。

（２）Ａ／Ｆと改質ガス中の水素濃度、一酸化炭素濃度
次に、Ａ／Ｆと、改質ガス中の水素濃度、一酸化炭素濃度との関係について試験した。Ａ／Ｆは１０〜１８の範囲とした。試験結果を図５〜図６に示す。
なお、図５は、７２Ｎｍ／１５００ｒｐｍでリッチ燃焼させた場合において、Ａ／Ｆに対する、改質ガス中の水素濃度、一酸化炭素濃度を示し、図６は、１４０Ｎｍ／１５００ｒｐｍでリッチ燃焼させた場合において、Ａ／Ｆに対する、改質ガス中の水素濃度、一酸化炭素濃度を示す。

図５〜図６に示されるように、いずれの条件においても、Ａ／Ｆが小さくなると、改質ガス中の水素濃度、一酸化炭素濃度が高くなる傾向となった。また、いずれの条件においても、Ａ／Ｆが１０程度において、水素濃度は２ｍｏｌ％、一酸化炭素濃度は１０ｍｏｌ％程度となった。

（３）水性ガスシフト反応
次に、水性ガスシフト触媒５１ｃを使用して、一酸化炭素と水蒸気（スチーム）とを水性ガスシフト反応させた。
なお、空間速度（ＧＨＳＶ）は１００００（ｈ^−１）、一酸化炭素と水蒸気との体積比は１：２、水性ガスシフト触媒５１ｃの入口における一酸化炭素と水蒸気との混合ガスの温度は３００℃、とした。

そして、水性ガスシフト触媒５１ｃから排出されたガスの組成を分析したところ、一酸化炭素の７１％が水素に変換されていることが分かった。

（４）まとめ
以上をまとめると、Ａ／Ｆ＝１０で内燃機関１０をリッチ燃焼させると、（１）２ｍｏｌ％の水素、１０ｍｏｌ％の一酸化炭素を含む改質ガスが生成し、（２）この改質ガスを水性ガスシフト反応させると、一酸化炭素の７０％が水素に変換され、７．１ｍｏｌ％（＝１０×０.７１）の水素を生成するから、（３）水素製造システム１全体としては、９.１ｍｏｌ％（＝２＋７．１）の水素を得ることが確認され、簡便かつ高収率で水素を製造できることが確認された。

１水素製造システム
１０内燃機関
２１第１インジェクタ（Ａ／Ｆ制御手段）
３２スロットルバルブ（Ａ／Ｆ制御手段）
３３混合器
４２触媒反応器
４２ｃ三元触媒
５１シフト反応器
５１ｃ水性ガスシフト触媒
５２、５３流量制御弁
５５ヒータ（第１温度制御手段）
７０ＥＣＵ（制御手段）

Claims

車両に搭載される水素製造システムであって、
車両用の燃料をリッチ燃焼し、水素、一酸化炭素及び水蒸気を含む改質ガスを生成する駆動用の内燃機関と、
前記内燃機関からの改質ガスに含まれる一酸化炭素と水蒸気とを、水性ガスシフト反応させることで、水素と二酸化炭素とを生成する水性ガスシフト触媒を内蔵するシフト反応器と、
前記内燃機関に吸気される新規の吸気空気が通流する吸気流路と、
前記シフト反応器で生成した水素を新規の吸気空気と混合するように前記吸気流路に合流させる合流流路と、
を備える
ことを特徴とする水素製造システム。
前記内燃機関は、リッチ燃焼用の気筒と、通常燃焼用の気筒とを備える
ことを特徴とする請求項１に記載の水素製造システム。
前記内燃機関からの改質ガスが供給され、三元触媒を内蔵する触媒反応器と、
前記内燃機関から前記シフト反応器又は前記触媒反応器に向かう改質ガスの流量を制御する流量制御手段と、
を備える
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の水素製造システム。
前記水性ガスシフト触媒の温度を制御する第１温度制御手段を備える
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の水素製造システム。
前記内燃機関におけるリッチ燃焼のＡ／Ｆを制御するＡ／Ｆ制御手段を備える
ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の水素製造システム。
前記内燃機関から前記シフト反応器に向かう改質ガスの温度を制御する第２温度制御手段を備える
ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の水素製造システム。
前記内燃機関には、改質剤として、空気、酸素富化空気、窒素富化空気、酸素、二酸化炭素、及び、ＥＧＲガス、の少なくとも一種が供給される
ことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の水素製造システム。
前記シフト反応器で生成した水素と新規の吸気空気とを混合し、前記内燃機関に供給する混合器を備える
ことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の水素製造システム。
前記内燃機関におけるリッチ燃焼と、前記シフト反応器における水性ガスシフト反応とは、連続的に実行される
ことを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の水素製造システム。