JP2004339007A

JP2004339007A - 燃料改質システム

Info

Publication number: JP2004339007A
Application number: JP2003138304A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Suzuki; 弘鈴木; Tatsuyoshi Takeda; 樹由竹田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-05-16
Filing date: 2003-05-16
Publication date: 2004-12-02

Abstract

【課題】改質器に供給される酸化エアに結露水が含まれていることによって生じる改質器の反応効率低下を抑制する。
【解決手段】本発明の燃料改質システムは、原燃料を水素リッチな燃料ガスに改質する改質器（３０）と、改質器（３０）に加圧エアを供給するエアコンプレッサ（１２）と、エアコンプレッサ（１２）から改質器（３０）へ供給される加圧エアを気液分離する気液分離手段（１４）を備える。エアコンプレッサ（１２）から出力される加圧エアに含まれている結露水などの水分を気液分離手段（１４）で気液分離することにより、改質器（３０）への水分混入を抑止し、改質器（３０）における反応効率低下を回避できる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は原燃料を改質して水素リッチな燃料ガスを生成するための燃料改質システムに関し、特に、改質器に投入される酸化エアに含まれている結露水を除去して燃料改質システムの安定した運転を実現するための改良技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池システムをオンボード発電機として運用する燃料電池電気自動車においては、メタノールなどの炭化水素系液体原燃料を原燃料タンクに貯溜し、これを水素リッチな燃料ガスに改質する方式が知られている。車上で液体原燃料を改質して燃料ガスを得るには、改質効率に優れた水蒸気改質（Ｓｔｅａｍｒｅｆｏｒｍｉｎｇ）と、始動性に優れた部分酸化改質（Ｐａｒｔｉａｌｏｘｉｄａｔｉｏｎｒｅｆｏｒｍｉｎｇ）とを組み合わせたオートサーマル改質（Ａｕｔｏｔｈｅｒｍａｌｒｅｆｏｒｍｉｎｇ）を用いるのが一般的であり、システム起動時には発熱反応を伴う部分酸化改質で原燃料を改質する一方で、システムが定常状態に移行すると、水蒸気改質を行うようにシステム制御している。
【０００３】
原燃料の部分酸化改質を行うには、原燃料を燃焼させるための部分酸化エアが必要となるため、改質触媒が充填された改質部に部分酸化エアを供給する必要がある。また、改質処理後の燃料ガスにはＣＯ成分が含まれているため、選択酸化処理によりＣＯ濃度を低減するためのＣＯ酸化エアをＣＯ低減部に供給する必要がある。特開２０００−４８８４０号公報には、改質部とＣＯ低減部に酸化エアを供給する手段としてエアコンプレッサを用いて、高圧に圧縮された加圧エアを供給する構成が開示されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−４８８４０号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、エアコンプレッサを回転させて加圧エアを生成し、改質部とＣＯ低減部のそれぞれにこの加圧エアを供給すると、エアが高圧に圧縮されることにより、エア中に結露水が生じる。改質部での改質反応を良好な状態で進行させるには、改質部内の温度を適度な温度範囲（部分酸化改質では４００℃〜６００℃）に保つ必要があるため、改質部に結露水が混入すると、改質部の温度低下を招き、改質反応が低下するという問題がある。ＣＯ低減部についても同様に触媒温度の低下による反応効率の低下を招くという問題が生じる。
【０００６】
また、改質部に供給される酸化エアの流量を熱式流量計などで計測する場合には、酸化エアに結露水が含まれていると、熱式流量計を構成する感温抵抗体の表面に水滴が溜まり、熱式流量計の発熱を一部吸収するため、計測誤差が生じるという問題がある。
【０００７】
このような問題は、大気の水分含有率が高くなる多雨・多湿の環境下において顕著となる。燃料電池システムをオンボード発電機として運用する燃料電池電気自動車においては、走行環境に左右されずに安定した改質反応を実現する必要がある。さらに、熱式流量計の測定誤差を低減して適量の酸化エアを改質器に投入する必要もある。
【０００８】
そこで、本発明はこのような問題を解決し、酸化エアに結露水が含まれていることによって生じる改質器の反応効率低下を防ぐための燃料改質システムを提案することを課題とする。
【０００９】
また、本発明は酸化エアに結露水が含まれていることによって生じる熱式流量計の誤動作を防ぐための燃料改質システムを提案することを課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明の燃料改質システムは、原燃料を水素リッチな燃料ガスに改質する改質器と、前記改質器に加圧エアを供給するエアコンプレッサと、前記エアコンプレッサから前記改質器へ供給される加圧エアを気液分離する気液分離手段を備える。
【００１１】
エアコンプレッサから出力される加圧エアに含まれている結露水などの水分を気液分離手段で気液分離することにより、改質器への水分混入を抑止し、改質器における反応効率低下を回避できる。
【００１２】
本発明の好適な形態として、前記改質器は、原燃料を蒸気化して原燃料ガスを生成する蒸発部と、前記原燃料ガスを水素リッチな燃料ガスに改質する改質部と、前記燃料ガスに含まれているＣＯ濃度を低減するＣＯ低減部を含み、前記エアコンプレッサから出力される加圧エアは、前記改質部又は前記ＣＯ低減部のうち少なくとも何れか一方に酸化エアとして供給される。
【００１３】
かかる構成により、改質部又はＣＯ低減部への水分混入を抑制し、改質部における改質反応効率低下、又はＣＯ低減部における酸化反応効率低下を回避できる。
【００１４】
本発明の好適な形態として、前記気液分離手段から前記改質器へ至るエア流路に、前記エア流路を流れるエア流量を計測するための熱式流量計が配設されている。かかる構成により、熱式流量計を通過する加圧エアに含まれている結露水などの水分を除去できるため、熱式流量計の計測誤差を回避できる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の好適な実施形態について説明する。
図１は本実施形態の燃料改質システムを中心とするシステム構成図である。同図に示すように、燃料改質システムは、主に、車外から導入したエアを加圧するエアコンプレッサ１２と、加圧エアに含まれている結露水を除去する気液分離手段としてのフィルタ（ドレンキャッチタンク）１４と、加圧エアの流量を計測する熱式流量計１７と、液体原燃料を水素リッチな燃料ガスに改質する改質器３０と、システムの運転状態に応じて補機類の制御を行う制御部４０とを備えて構成されている。この燃料改質システムによって生成された燃料ガスは燃料電池４０に供給されて発電が行われる。
【００１６】
車外から導入したエアはエアフィルタ１１にて粉塵などの不純物が濾過され、エアコンプレッサ１２によって高圧に圧縮される。エアコンプレッサ１２はモータ１３によって回転制御される。大気の水分含有量が多いと、加圧エアに含まれる結露水の含有量も多くなる。エアコンプレッサ１２から改質器３０に至るエア流路７１にはフィルタ１４が配設されており、加圧エアに含まれている結露水を気液分離する。フィルタ１４の内部には加圧エアが略水平方向に沿って移動できる室内空間１４ａが画成されており、この室内空間１４ａにはスクリーン１４ｂが略鉛直方向に垂下している。スクリーン１４ｂには加圧エアが通過できる程度の小孔が穿孔されており、スクリーン１４ｂに加圧エアが衝突することによって結露水を気液分離できるように構成されている。気液分離された結露水は室内空間１４ａ内に自重滴下して液溜り７０を形成し、ドレン孔１４ｃを通過して排水されるように構成されている。
【００１７】
尚、加圧エアに含まれている結露水を気液分離できる手段であれば、上述のフィルタ１４に限らず、あらゆる気液分離手段を採用できる。例えば、加圧エアを高速旋回させることによって結露水を遠心方向に飛翔させて気液分離するサイクロン式分離器なども好適である。また、冷却水を還流させた冷却管に加圧エアを接触させて熱交換方式により冷却する熱交換方式の気液分離手段を採用することもできる。また、このような気液分離手段によって気液分離された結露水は車外に排水してもよいが、結露水に含有されている不純物をイオン交換樹脂膜などで濾過し、燃料電池４０に供給される反応ガス（燃料ガス、酸化ガス）の加湿水として、或いは水蒸気改質の改質水として利用することも可能である。燃料電池４０として、固体高分子型燃料電池を採用する場合、高負荷状態では、高分子電解質膜を流れる電流密度が増加し、電気浸透現象による高分子電解質膜の乾燥が生じるため、燃料電池４０に供給される反応ガス（燃料ガス、酸化ガス）は適度に加湿していることが望ましい。
【００１８】
エアコンプレッサ１２から出力された加圧エアは、フィルタ１４にて気液分離された後、サージタンク（エアタンク）１５に蓄えられる。サージタンク１５に加圧エアを貯溜することで、改質器３０に供給される酸化エアのエア圧の脈動を抑制している。サージタンク１５には圧力センサ１６が備えられており、センサ信号（圧力値）を制御部５０に出力している。制御部５０はサージタンク１５の内圧がほぼ一定となるようにモータ１３の回転制御を行う。サージタンク１５に貯溜する加圧エアはエア流路７２、７３又は７４を経由して、部分酸化改質反応又はＣＯ選択酸化反応に利用される酸化エアとして、改質部３２とＣＯ低減部３３のそれぞれに供給される。
【００１９】
フィルタ１４から改質器３０へ至るエア流路７２には、エア流路７２を流れるエア流量を計測するための熱式流量計１７が配設されている。熱式流量計１７は感温抵抗体を含んで構成される流量センサであり、感温抵抗体の温度が一定となるように感温抵抗体の発熱量を調節することで、感温抵抗体への通電量からエア流量を計測する。エア流路７２は、改質部３２に部分酸化エアを供給するためのエア流路７３と、ＣＯ低減部３３にＣＯ選択酸化反応に要するＣＯ酸化エアを供給するためのエア流路７４とに分岐している。部分酸化エア流量は流量調整弁１８の弁開度によって調節され、ＣＯ酸化エア流量は流量調整弁１９の弁開度によって調節される。
【００２０】
改質器３０は、原燃料を蒸気化して原燃料ガスを生成する蒸発部３１と、原燃料ガスを水素リッチな燃料ガスに改質する改質部３２と、燃料ガスのＣＯ濃度を低下させるためのＣＯ低減部３３を備えて構成されている。蒸発部３１には、燃料タンク２１に貯蔵されているメタノール（ＣＨ_３ＯＨ）と、水タンク２３に貯蔵されている水とが供給される。蒸発部３１に供給されるメタノール流量と水量のそれぞれはメタノールポンプ２２と水ポンプ２４によって制御される。改質部３２の内部には、Ｃｕ−Ｚｎ系触媒、Ｃｕ−Ｚｎ−Ｃｒ系触媒、Ｃｕ−Ｚｎ−Ａｌ系触媒、Ｚｎ−Ｃｒ系触媒などの改質触媒が充填されており、水蒸気改質、部分酸化改質、又はこれらを併用したオートサーマル改質を行う。
【００２１】
部分酸化改質は発熱反応であるため、システム暖機時には発熱反応を伴う部分酸化改質を中心に行いつつ、システムの暖機完了後には負荷追従性に優れたオートサーマル改質を行うのが望ましい。メタノールと水の混合溶液を原燃料として水蒸気改質を行うと、以下に示す（１）式〜（３）式の水蒸気改質反応が進行する。さらに、流量調整弁１８の弁開度を調整して改質部３２に部分酸化エアを導入すると、（１）式〜（３）式の水蒸気改質反応に加えて（４）式の部分酸化改質反応が進行する。
【００２２】
ＣＨ_３ＯＨ → ＣＯ＋２Ｈ_２−９０．０ｋＪ／ｍｏｌ …（１）
ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ → ＣＯ_２＋Ｈ_２＋４０．５ｋＪ／ｍｏｌ …（２）
ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ → ＣＯ_２＋３Ｈ_２−４９．５ｋＪ／ｍｏｌ …（３）
ＣＨ_３ＯＨ＋（１／２）Ｏ_２ → ＣＯ_２＋２Ｈ_２＋１８９．５ｋＪ／ｍｏｌ …（４）
【００２３】
改質部３２の内部温度は電気触媒加熱ヒータなどの加熱作用によって、改質反応に適度な温度範囲に保たれている。メタノール改質を行う場合、水蒸気改質では２００℃〜３００℃、部分酸化改質では４００℃〜６００℃、オートサーマル改質では２００℃〜６００℃の温度範囲が好適である。
【００２４】
尚、原燃料としては、メタノールに限らず、例えば、メタン（ＣＨ_４）、エタン（Ｃ_２Ｈ_５）、プロパン（Ｃ_３Ｈ_８）、ブタン（Ｃ_４Ｈ_１０）、メタノール（ＣＨ_３ＯＨ）、ジメチルエーテル（ＣＨ_３ＯＣＨ_３）、アセトン（ＣＨ_３Ｃ（＝Ｏ）ＣＨ_３）、ガソリン、軽油、天然ガスなどが好適である。
【００２５】
ＣＯ低減部３３には一酸化炭素の選択酸化触媒である白金触媒、ルテニウム触媒、パラジウム触媒、金触媒、或いはこれらを第１元素とした合金触媒を担持した担体が充填されている。流量調整弁１９の弁開度を調整してＣＯ低減部３３にＣＯ酸化エアを導入すると、ＣＯの選択酸化反応が生じる。燃料電池４０における電池反応を良好に促進するには、燃料ガス中の一酸化炭素濃度は数ｐｐｍ程度以下が望ましい。
【００２６】
改質器３０にて生成された燃料ガスは燃料電池４０の燃料極に供給され、酸化ガスは空気極に供給される。空気極に供給される酸化ガスとして、エアコンプレッサ１２から出力される加圧エアを用いることが可能である。
【００２７】
燃料電池４０の燃料極では（５）式の酸化反応が生じるとともに、空気極では（６）式の還元反応が生じる。燃料電池４０全体としては（７）式の起電反応が生じる。電池反応に供した酸化ガスと燃料ガスはそれぞれ酸素オフガス、水素オフガスとなって燃料電池４０から排出される。水素オフガスは蒸発部３１に導かれて燃焼され、原燃料を蒸気化するために再利用される。
【００２８】
Ｈ_２ → ２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ …（５）
（１／２）Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ → Ｈ_２Ｏ …（６）
Ｈ_２＋（１／２）Ｏ_２ → Ｈ_２Ｏ …（７）
【００２９】
燃料電池４０としては、固体高分子電解質型燃料電池、アルカリ性電解質型燃料電池、酸性電解質型燃料電池、溶融塩電解質型燃料電池、固体電解質型燃料電池、リン酸型燃料電池などを用いることができるが、この中でも固体高分子電解質型の燃料電池が望ましい。高分子電解質型の燃料電池は、常温で起動できるために起動時間が短い、常温で高い電流密度が得られる、低負荷運転が可能、小型軽量化が可能といったメリットがあり、車両搭載用の燃料電池として優れた特性を備えている。
【００３０】
制御部５０は、マイクロコンピュータを中心としたコンピュータシステムとして構成されており、システム制御に必要な各種のプログラム及び各種データを記憶したＲＯＭ５１と、ＲＯＭ５１に格納されたプログラムを読み取ってこれを実行するＣＰＵ５２と、ＣＰＵ５２のワークメモリとして機能するＲＡＭ５３と、圧力センサ１６、熱式流量計１７、アクセル開度センサ６１、車速センサ６２などの各種センサ信号を入力し、これらのセンサ信号に基づいてモータ１３、流量調整弁１８，１９、メタノールポンプ２２、水ポンプ２４などの補機類の駆動制御を行うための信号を出力する入出力ポート５４を備えて構成されている。
【００３１】
制御部４０は、アクセル開度センサ６１、車速センサ６２が出力するアクセル開度信号、車速信号などから要求負荷を算出し、燃料電池４０に要求される発電量を得るために、モータ１３の回転数と流量調整弁１８，１９の開度を調節して所要量の酸化エアを改質部３２とＣＯ低減部３３のそれぞれに送り込む他、サージタンク１５の内圧とエア流路７３，７４を通過するエア流量を監視してモータ１３の回転数と流量調整弁１８，１９の開度を適宜補正する。
【００３２】
本実施形態によれば、エアコンプレッサ１２から出力される加圧エアは、フィルタ１４によって結露水が気液分離されているため、改質部３２とＣＯ低減部３３のそれぞれに結露水が混入することによる触媒温度の低下（さらには、原燃料の改質反応の低下、及びＣＯの選択酸化反応の低下）を防ぐことができる。また、熱式流量計１７を構成する感温抵抗体の表面に液滴が付着することによるエア流量の測定誤差を回避して、精度の高いエア流量制御を行うことができる。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば、エアコンプレッサから出力される加圧エアに含まれている結露水などの水分を気液分離手段で気液分離することにより、改質器への水分混入を抑止し、改質器における反応効率低下を回避できる。また、熱式流量計を通過する加圧エアに含まれている結露水などの水分を除去できるため、熱式流量計の計測誤差を回避できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態の燃料改質システムのシステム構成図である。
【符号の説明】
１２…エアコンプレッサ１４…フィルタ１７…熱式流量計３０…改質器３１…蒸発部３２…改質部３３…ＣＯ低減部

Claims

原燃料を水素リッチな燃料ガスに改質する改質器と、
前記改質器に加圧エアを供給するエアコンプレッサと、
前記エアコンプレッサから前記改質器へ供給される加圧エアを気液分離する気液分離手段と、
を備える、燃料改質システム。
請求項１に記載の燃料改質システムであって、
前記改質器は、原燃料を蒸気化して原燃料ガスを生成する蒸発部と、前記原燃料ガスを水素リッチな燃料ガスに改質する改質部と、前記燃料ガスに含まれているＣＯ濃度を低減するＣＯ低減部を含み、
前記エアコンプレッサから出力される加圧エアは、前記改質部又は前記ＣＯ低減部のうち少なくとも何れか一方に酸化エアとして供給される、燃料改質システム。
請求項１又は請求項２に記載の燃料改質システムであって、
前記気液分離手段から前記改質器へ至るエア流路に、前記エア流路を流れるエア流量を計測するための熱式流量計が配設されている、燃料改質システム。