JP2005298260A - 燃料改質システム - Google Patents
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Abstract
【課題】燃焼触媒通路の温度を均一化できる水素製造装置を提供する。
【解決手段】改質触媒を有し、改質燃料が供給されることにより改質ガスを生成する改質触媒通路7と、改質触媒通路7と重なるように構成され、燃焼触媒が塗布された燃焼塗布領域16を有する燃焼触媒通路6と、を備える。さらに、燃焼触媒通路6を複数に分割するとともに、分割して形成された少なくとも一つの分割通路12の断面積が通路軸方向に沿って変化するように構成する。
【選択図】 図2
【解決手段】改質触媒を有し、改質燃料が供給されることにより改質ガスを生成する改質触媒通路7と、改質触媒通路7と重なるように構成され、燃焼触媒が塗布された燃焼塗布領域16を有する燃焼触媒通路6と、を備える。さらに、燃焼触媒通路6を複数に分割するとともに、分割して形成された少なくとも一つの分割通路12の断面積が通路軸方向に沿って変化するように構成する。
【選択図】 図2
Description
本発明は燃料改質システムに関する。特に、燃焼部と改質部との間で熱交換を行うことにより改質反応を生じて、水素を生成する燃料改質システムに関する。
従来の改質装置として、反応物質通路、熱媒体通路、分解生成ガス通路を積層して配置したものが知られている。入口部から反応物質通路内に流入したメタノールは、向流関係にある隣接する熱媒体通路からの入熱を受けてフィンコーティングされた触媒により、メタノールの改質反応が促進される。改質反応により水素とその他の排気ガスに分解され、排気ガスは反応物質通路を通って出口部から排出される。また水素はメンブレンプレートの表目にコーティングされたガス分離膜および多孔質材料のセラミックス板を通って分解生成ガス通路に入り、出口部より水素ガスとして回収される(例えば、特許文献1、参照)。
特開平6−345404号公報
このような水素製造装置において、改質触媒通路(反応物質通路)および水素分離膜(ガス分離膜)を加熱する燃焼触媒通路(熱媒体通路)に燃料および空気を供給し、燃焼触媒による燃焼反応を発生させる場合、燃焼触媒通路全面に燃料および空気を供給する構成としているため、燃焼触媒通路入口部で過度の温度上昇が発生する。その結果、熱的な負荷により、水素分離膜、改質触媒や水素製造装置本体の耐久性が低下するという問題がある。また、水素分離膜に温度分布が発生して水素透過性を低下させたり、改質触媒に温度分布が生じて改質効率が低下させたりするという問題が生じる。
そこで本発明は、上記問題を鑑みて、燃焼触媒通路の温度を均一化できる水素製造装置を提供することを目的とする。
本発明は、改質触媒を有し、改質燃料が供給されることにより改質ガスを生成する改質触媒通路と、前記改質触媒通路と重なるように構成され、燃焼触媒が塗布された燃焼触媒塗布領域を有する燃焼触媒通路と、を備える。さらに、前記燃焼触媒通路を複数に分割するとともに、分割して形成された少なくとも一つの分割通路の断面積が通路軸方向に沿って変化するように構成する。
燃焼触媒通路を、少なくとも一つの分割通路の断面積が変化するように構成することで、燃焼反応の生じ易さを軸方向に変更することができる。これにより、局所的に過熱される領域の燃焼反応を抑制することができ、燃焼触媒通路の温度を均一化することができる。
第1の実施形態に用いる燃料改質システムの構成を図1に示す。
燃料改質システムを制御するコントロールユニット1と、改質原料となる炭化水素系燃料および水を蒸発させる蒸発器4と、コントロールユニット1からの信号に応じて蒸発器4に炭化水素系燃料および水を噴射する燃料噴射弁2a、水噴射弁3を備える。
また、蒸発器4で生成された炭化水素系燃料と水の混合蒸気である燃料蒸気を用いて改質反応を生じる水素製造装置5を備える。水素製造装置5を、改質触媒通路7、燃焼触媒通路6、水素分離膜8と水素通路9から構成する。改質触媒通路7に隣接して燃焼触媒通路6を構成することにより、燃焼触媒通路6と改質触媒通路7との間で熱交換可能に構成する。また、改質触媒通路7と水素通路9を水素分離膜8を介して隣接するように構成することで、改質触媒通路7で生じた水素を、水素分離膜8を選択的に透過させて水素通路9側に回収可能に構成する。水素分離膜8としては、セラミックス等の支持体にPd、Cu、Ag等の金属を含む薄膜を形成したものを用い、水素分圧差により複数成分の混合ガスから水素のみを選択的に透過する。
改質触媒通路7内には、改質触媒を塗布した低圧損のフィンを設ける。改質触媒としては例えば銅―亜鉛系等の触媒を用いる。また、燃焼触媒通路6内には、燃焼触媒を塗布した低圧損のフィンを設ける。燃焼触媒としては、例えば白金等の触媒を用いる。
また、コントローラ1からの信号に応じて燃焼触媒通路6に選択的に燃料を噴射する燃料噴射弁2bと、燃焼触媒通路6に導入する空気量を制御する空気制御バルブ11aを備える。さらに、水素製造装置5で生成された水素と酸化剤ガスとしての空気を用いて発電を行う燃料電池10と、コントロールユニット1からの信号を受けて燃料電池10に導入する空気の流量を制御する空気制御バルブ11bを備える。
次に、このような燃料改質システムにおける反応について説明する。
蒸発器4において、燃料噴射弁2a、水噴射弁3から供給された炭化水素系燃料および水と、水素製造装置5の燃焼触媒通路6で生成された燃焼ガスとの間で熱交換を行うことにより燃料蒸気を生成する。燃料蒸気は水素製造装置5の改質触媒通路7に導入され、改質触媒と接触することにより改質反応を生じて水素とその他のガスに分解する。このとき、改質触媒通路7と燃焼触媒通路6の間で熱交換を行うことで、改質反応場の温度を維持する。改質反応の例として、メタノールの水蒸気改質反応を(1)式に示す。ただし、ガソリンや天然ガス等を用いてもよい。
CH3OH + H2O → CO2 + 3H2 − 49.5(kJ/mol)・・・(1)
生成された改質ガス中の水素は、水素分離膜8を選択的に透過することにより水素通路9に回収される。燃料電池10のアノードに水素通路9に回収した水素を、カソードに空気を供給することにより(2)式に示すような発電反応を生じる。
生成された改質ガス中の水素は、水素分離膜8を選択的に透過することにより水素通路9に回収される。燃料電池10のアノードに水素通路9に回収した水素を、カソードに空気を供給することにより(2)式に示すような発電反応を生じる。
H2+(1/2)O2 → H2O ・・・(2)
ここでは、燃料電池10として、電池反応を促進する白金等の触媒を備えた固体高分子型燃料電池を用いる。なお、固体高分子型の燃料電池10において、供給されるガス中のCO濃度許容置は、通常数十ppm程度である。
ここでは、燃料電池10として、電池反応を促進する白金等の触媒を備えた固体高分子型燃料電池を用いる。なお、固体高分子型の燃料電池10において、供給されるガス中のCO濃度許容置は、通常数十ppm程度である。
水素分離膜8を透過せずに改質触媒通路7から排出された改質排ガスおよび燃料電池10のアノードから排出されるアノード排ガス等の可燃燃料に空気を混合した燃焼燃料を、水素製造装置5の燃焼触媒通路6に流通することにより燃焼反応を生じる。燃焼触媒通路6で生成される熱が不足する場合、例えば燃焼触媒通路6の温度上昇が必要な場合には、コントロールユニット1からの信号を受けて、燃料噴射弁2bから燃料が噴射され、燃焼燃料が調整される。
次に、水素製造装置5の詳細な構成を図2に示す。図2(a)は、水素製造装置5を燃焼触媒通路6側より見たときの平面図、図2(b)は、水素製造装置5の俯瞰図である。
燃焼触媒通路6を複数に分割して構成する。ここでは、燃焼触媒通路6を2分割して、二つの分割通路12i、12jより構成する。分割通路12i、12jは、それぞれ両端に分割通路出入口13、14を備え、一方の出入口からもう一方にかけて通路断面積が一方向に変化するように構成する。ここでは、第一、第二分割通路12i、12jは、それぞれ第一、第二分割通路出入口13s、14s側で断面積が小さく、第一、第二燃分割通路出入口13b、14b側で断面積が大きくなるように構成する。
また、第一、第二分割通路12i、12jの通路軸方向を同じとする。ここでは、第一、第二分割通路12i、12jを略同形状に構成して、断面積の変化方向が逆に向かい合うように配置する。つまり、燃焼触媒通路6の軸方向一端に、第一分割通路出入口13sと第二分割通路出入口14bを、もう一端に第一分割通路出入口13bと第二分割通路出入口14sを設ける。
また、第一、第二分割通路出入口13s、14sそれぞれの近傍に、触媒を塗布しない領域であるダクト部15i、15jを設ける。さらに、第一、第二分割通路12i、12jそれぞれに、燃焼触媒を塗布した燃焼触媒塗布部16i、16jを設ける。ここでは、第一、第二分割通路出入口13s、14sから第一、第二分割通路12i、12jの全長1/3程度までをそれぞれダクト部15i、15jとし、その他を燃焼触媒塗布部16i、16jとする。燃焼触媒塗布部16i、16jのダクト部15i、15j側半分の領域では、通路断面積がダクト部15i、15jから離れるにしたがって徐々に増大するように構成し、残りの半分の領域では、通路断面積が最大を維持するように構成する。燃焼触媒通路6全体の流路断面内にダクト部15i、15jの一方が存在する領域は、燃焼反応が抑制されやすい領域となる。
さらに、運転条件に応じて、第一、第二分割通路12i、12jの入口と出口を切り替え可能に構成する。例えば、図3に示すように構成することにより、出入口の切り替えを可能に構成する。なお、この切り替え流路は、水素製造装置5の内部または外部のどちらに設けても良い。
図3(a)に示すように、可燃燃料と空気との混合流体である燃焼燃料は、第一分割通路12i側と第二分割通路12j側に分岐される。第一分割通路12i側に分岐する流路と、第二分割通路12j側に分岐する流路それぞれには、通路断面積を変更する第一、第二分配バルブ17i、17jを備え、運転条件に応じて第一、第二分割通路12i、12jに分配する燃焼燃料の流量割合を変更可能に構成する。さらに、第一分割通路12i側は、第一分割通路出入口13s側と第一分割通路出入口13b側に分岐し、それぞれの分岐路に第一供給バルブ18s、18bを備える。また、第一分割通路出入口13s、13bは、それぞれ第一排出バルブ20s、20bを備えた排出流路に選択的に連通する。また、第二分割通路12j側も同様に、燃焼燃料の入口を選択する第二供給バルブ19s、19b、燃焼ガスの出口を選択する第二排出バルブ21s、21bを設ける。第一、第二供給バルブ18、19および第一、第二排出バルブ20、21の開閉を制御することにより、分割通路12の出入口の切り替えを行う。また、第一、第二分配バルブ17i、17jの開度を制御することにより、第一、第二分割通路12i、12jに供給する燃焼燃料の流量割合を調整する。
また、後述するように、運転条件に応じて燃焼燃料の空気燃料比を変更する場合には、図3(b)に示すように、改質排ガス、アノード排ガス、燃料よりなる可燃燃料と、空気の導入を別々に行う。つまり、出口を設定する第一、第二排出バルブ30、31に加えて、分割通路12の可燃燃料の入口を切り替える第一、第二供給バルブ28、29と、可燃燃料の流量割合を制御する第一、第二分配バルブ27i、27jを備える。また、分割通路12の空気の入口を切り替える第一、第二供給バルブ38、39と、空気の流量割合を制御する第一、第二分配バルブ37i、37jを備える。なお、空気燃料比の調整を行うための構成はこの限りではない。
一方、改質触媒通路7の一端には、改質触媒入口22を、もう一端には改質触媒出串23を設ける。さらに、改質触媒通路7から水素分離膜8を透過して水素通路9に回収された水素の取出し口となる水素流路出口24を設ける。図2に示すように、改質触媒通路7と燃焼触媒通路6の通路軸が略直交するように構成する。第一分割通路12iが改質触媒通路7の上流側、第二分割通路12jが下流側に重なるように構成する。
このように、一方の出入口から他方にかけて通路面積が変化する複数の通路(第一、第二分割通路12i、12j)を組み合わせて燃焼触媒通路6を形成する。水素製造装置5全体としては、このような燃焼触媒通路6、改質触媒通路7、水素分離膜8、水素通路9を一組として、多数積層された形で構成される。
次に、制御方法について図4を用いて説明する。運転条件によりこれら分割通路12i、12jに供給する燃焼燃料の供給口および量を変更する。なお、図4中のグラフにおける一点鎖線は従来の水素製造装置における温度であり、図4の左から右に向かって燃料と空気を一括して供給した場合の燃焼触媒通路6の温度を示している。
通常運転条件(後述するステップS502で始動状態でないとき)では、燃焼燃料を流路断面積の小さい側から導入する。つまり、第一、第二分割通路12i、12jの第一、第二分割通路出入口13s、14sから燃焼燃料を供給し、図中AからBに向かって流通させる。
供給された燃焼燃料は、ダクト部15i、15jを介して燃焼触媒塗布部16i、16jに導入される。第一、第二分割通路12i、12jは、それぞれ燃焼触媒塗布部16i、16jに導入される位置から温度上昇が開始する。かつ、燃焼触媒塗布部16i、16jの入口側(A側)では、燃焼燃料の濃度が高いため、燃焼反応が多く生じ、第一、第二分割通路12i、12jの温度が上昇し易い。また、燃焼触媒塗布部16の面積が徐々に増大するように構成しているので、その面積増大に従って燃焼反応が生じ易くなり次第に温度が上昇する。
第一、第二分割通路12i、12jを互いに向かい合うように構成しているため、燃焼触媒通路6全体としては、改質触媒通路7の通路軸に沿った中央部付近(図中の点線で囲んだ部分)の温度が相対的に高くなる。かつ、この最高温度は、燃焼触媒通路6を分割せず、燃料と空気を一括で供給する場合の最高温度(図中グラフの一点鎖線)に比べて、2分割していることで半分程度に低下する(図中グラフの太線)。最高温度を抑制することで燃焼触媒通路6の過度の温度上昇を抑制し,水素分離膜8、改質触媒や水素製造装置5本体への熱負荷を低下させることができるとともに、温度分布の発生による改質効率や水素透過性能の低下を避けることが可能となる。さらに、水素を含む改質ガスの流量が流路壁近傍より相対的に増加する改質触媒通路7の中央付近で温度を効果的に高めるため、吸熱反応である水蒸気改質反応の効率を高めることが可能となる。
また、通常運転時には、運転条件に応じて、改質触媒通路7の上流側に重なる領域に配置される第一分割通路12iの温度を変更する。改質触媒入口22から導入される燃料蒸気量が増加する場合、すなわち負荷が増加した場合には、第一分割通路12iの温度を高めるように制御する。例えば、第一分割通路12iに導入する燃焼燃料を増大する、または、導入する燃焼燃料の空気燃料比を抑制する。
さらに、改質触媒流路7の上流側に重なる第一分割通路12iの温度を、下流側に重なる第二分割通路12jに比較して高くなるように制御してもよい。例えば、第一分割通路12i側に分岐する流路と、第二分割通路12j側に分岐する流路、それぞれに設けた第一、第二分配バルブ17i、17jの開度を調整することにより、第一分割通路12iに導入する燃焼燃料量を大きく設定する。または、第一、第二分配バルブ27i、27jおよび37i、37jの開度を調整することにより、第一分割通路12iに導入する空気燃料比を小さく設定する。これにより、水蒸気改質反応の進み易い改質触媒入口22近傍で加熱を促進し、改質効率を高めることが可能となる。
一方、始動時には、燃焼燃料を流路断面積の大きい側から導入する。つまり、第一、第二分割通路12i、12jの第一、第二分割通路出入口13b、14bから燃焼燃料を供給し、図4中BからAに向かって燃焼燃料を流通させる。
このとき最高温度は、燃焼触媒通路6を分割せず、燃料と空気を一括で供給する場合の最高温度(図中グラフの一点鎖線)に比べて、半分程度に低下する。しかし、ここでは燃焼燃料が流入された直後において、燃焼触媒塗布部16が占める断面積が大きくなるため、前述した図中Aから燃焼燃料を供給する場合と比べ、最高温度は入口端部で上昇することとなる。従って、燃焼触媒通路6全体の温度としては、改質触媒通路7の流路壁面付近が相対的に高い温度分布となる(図中グラフの太線)。ただし、図中Aから燃焼燃料を供給する場合には、燃焼触媒の存在していないダクト部15を積極的に加熱していないものの、この図中Bから供給する場合には、ダクト部15にも燃焼ガスが通過して加熱を行うこととなる。従って水素製造装置5全面に渡り加熱することが可能となり、水素分離膜8を均一に加熱して、熱負荷による水素分離膜8の耐久性の低下を避けることが可能となる。
次に、図5のフロー図に沿って、運転制御の一例を説明する。本フローは、燃料改質システムを起動する信号が出力された後、停止信号が出力されるまでの間に、所定時間毎に繰り返し実行される。
ステップS501において運転条件をルックアップする。ステップS502で運転条件から始動時か否かを判断する。始動時の場合はステップS503に進み、流路断面の大きな第一、第二分割通路出入口13b、14b側から燃焼燃料の供給を行う。つまり、図3において、第一、第二供給バルブ18s、19sおよび第一、第二排出バルブ20b、21bを閉とし、第一、第二供給バルブ18b、29bおよび第一、第二排出バルブ20s、21sを開とする。また、第一、第二分配バルブ17i、17jの開度は、第一、第二分割通路12i、12jそれぞれに導入される燃焼燃料が、略同量となるように制御する。
一方、ステップS502において始動時でないと判断されたら、通常の改質運転時と判断する。そこで、ステップS504に進み、流路断面の小さな第一、第二分割通路出入口13s、14s側から燃焼燃料の供給を行う。つまり、図3において、第一、第二供給バルブ18b、19bおよび第一、第二排出バルブ20s、21sを閉とし、第一、第二供給バルブ18s、19sおよび第一、第二排出バルブ20b、21bを開とする。
このとき、第一、第二分配バルブ17i、17jは予め設定した開度に制御する。例えば、ここでは、第一分割通路12iに、燃焼燃料が比較的多く供給されるように設定する。または、燃料と空気の混合比を分割通路12毎に変更可能に構成し、第一分割通路12iに導入される燃焼燃料の空気燃料比が比較的小さくなるように設定してもよい。
さらに、ステップS505で燃料電池10の要求負荷、または水素製造装置5に要求される負荷が増加しているか否かを判断する。負荷増加時と判断された場合には、ステップS506で第一分割通路12iに導入される燃焼燃料割合を増大する。ここでは、第一、第二分配バルブ17i、17jを制御する。これにより、第一分割通路12iの温度が上昇し、改質触媒通路7の上流側により多くの熱を供給する。または、第一分割通路12iに導入される燃焼燃料の空気燃料比を抑制してもよい。
一方、ステップS505で負荷が増加していないと判断された場合には、ステップS507に進み、第一、第二分割通路12i、12jそれぞれに導入される燃焼燃料が予め設定した割合となるように、第一、第二分配バルブ17i、17jの開度を設定する。
このように、各流路12i、12jへの供給口、供給割合を運転条件に応じて設定したら、本フローを終了する。
なお、ここでは、改質触媒通路7の上流側に重なる第一分割通路12i側で、燃焼燃料の導入割合が比較的大きくなるように、または、燃焼燃料の空気燃料比が比較的小さくなるように設定したがこの限りではない。触媒塗布量や触媒塗布面積が分割通路12毎に異なる場合には、これに応じて燃焼燃料の供給割合や空気燃料比を設定してもよい。例えば、第一、第二分割通路12i、12jの触媒塗布量や触媒塗布面積を同じとした場合には、燃焼燃料の供給割合や空気燃料比を同じに制御するように設定してもよい。
次に、本実施形態の効果について説明する。
改質触媒を有し、改質燃料が供給されることにより改質ガスを生成する改質触媒通路7と、改質触媒通路7と重なるように構成され、燃焼触媒が塗布された燃焼塗布領域16を有する燃焼触媒通路6と、を備える。さらに、燃焼触媒通路6を複数に分割するとともに、分割して形成された少なくとも一つの分割通路12の断面積が通路軸方向に沿って変化するように構成する。これにより、燃焼反応の生じ易さを軸方向に変更することができ、局所的に過熱される領域の燃焼反応を抑制することができるので、燃焼触媒通路6の温度を均一化することができる。その結果、改質触媒や水素製造装置5本体の熱負荷を抑制するとともに、温度分布による改質効率の低下を抑制することができる。ここでは、改質触媒通路7に面して水素分離膜8を有しているため、水素分離膜8の熱負荷を抑制するとともに、温度分布の発生による水素透過性能の低下を抑制することができる。
また、分割通路12それぞれの通路軸を略平行に構成する。分割通路12それぞれの断面積が通路軸方向に沿って一方向に変化するように構成するとともに、隣り合う分割通路12の断面積の変化方向が異なるように構成する。これにより、燃焼触媒通路6における燃焼反応を分散して生じさせることができるので、局所的に過熱されるのを抑制して燃焼触媒通路6の温度を均一化することができる。
さらに、燃焼触媒通路6を分割して二つの分割通路12i、12jにより構成する。分割通路12i、12jそれぞれを、一方の出入口13s、14sからもう一方の出入口13b、14bにかけて断面積を変化させて、出入口13s、13b、および、14S14bの大きさが異なるように構成する。さらに、燃焼触媒通路6全体は、二つの分割通路12i、12jの断面積の変化方向を逆向きに組み合わせて構成する。これにより、通路軸方向に燃焼反応を分散して生じさせることができるので、燃焼触媒通路6の温度を均一化することができる。
また、分割通路12i、12jそれぞれの通路軸を略平行に構成し、隣り合う分割通路12の触媒塗布部16i、16jを、通路軸方向にずらして構成する。これにより、分割通路12i、12j内の燃焼反応が生じる領域をずらすことができ、燃焼触媒通路6の温度を均一化することができる。
改質触媒通路7の通路軸と、分割通路12i、12jよりなる燃焼触媒通路6の通路軸と、が略直交となるように構成し、改質運転時には、分割通路12i、12jそれぞれの断面積が小さい側から燃焼燃料を導入する。これにより、燃焼触媒通路6内の温度差が過度に大きくなるのを避けるとともに、改質触媒通路7の通路軸に沿った中央部分の加熱を促進して、改質効率を向上することができる。
また、改質触媒通路7の通路軸と、分割通路12i、12jよりなる燃焼触媒通路6の通路軸と、が略直交となるように構成し、始動時には、分割通路12i、12jそれぞれの断面積が大きい側から燃焼燃料を導入する。これにより、改質触媒通路7および水素分離膜8全面を加熱することが可能であり、加熱状態の差により生じる熱負荷を抑制して、耐久性を向上することができる。
さらに、燃焼触媒通路6に供給する燃焼燃料は可燃燃料と空気との混合流体であり、分割通路12i、12jそれぞれに導入する燃焼燃料の流量または空気燃料比を設定する燃焼燃料調整手段を備える。ここでは、第一、第二分配バルブ17i、17jまたは第一、第二分配バルブ27i、27j、37i、37jを備える。分割通路12i、12jそれぞれの燃焼触媒塗布部16i、16jの面積、または、塗布触媒量の少なくとも一方に応じて、分割通路12それぞれに導入する燃焼燃料量または空気燃料比を設定する。これにより、未反応のまま燃焼燃料が排出されることによる熱不足が生じるのを抑制することができる。また、発生する熱の分布を予め設定することができるので、適した温度分布状態を設定することができる。
または、分割通路12i、12jのうち改質触媒通路7の改質触媒入口22近傍に重なる領域に燃焼触媒塗布部16iを有する分割通路12iに、他に比較して多くの燃焼燃料量を供給する、または、他に比較して空気燃料比の小さな燃焼燃料を供給する。これにより、改質反応の活発な改質触媒入口22近傍の加熱量を増大し、改質効率を向上させることができる。
運転負荷増大時には、分割通路12i、12jのうち、改質触媒通路7の改質触媒入口22近傍に重なる領域に燃焼触媒塗布部16iを有する分割通路12iにおいて、燃焼燃料の供給量を増大する、または、燃焼燃料の空気燃料比を抑制する。これにより、運転条件に応じて適切な加熱を行うことができ、効率のよい改質反応を生じることができる。
次に、第2の実施形態について説明する。水素製造装置5の構成を図6に示す。以下、第1の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
燃焼触媒通路6を、第一分割通路42i、第二分割通路42jの二つに分割して構成する。第一、第二分割通路42i、42jに、それぞれダクト部45i、45jと、燃焼触媒塗布部46i、46jを備える。燃焼触媒塗布部46i、46jの流路断面を、ダクト部45i、45jから離れるに従って徐々に大きくなるように構成する。但し、燃焼触媒通路6の全体の断面は一定とし、対向して配置される他方の分割通路42j、42iにおけるダクト部45j、45iに沿っては、燃焼触媒塗布部46i、46jの断面が最大に維持されるように構成する。
燃焼触媒通路6の通路軸一端に、第一、第二分割通路出入口43s、44bを設け、もう一方の一端に、第一、第二分割通路出入口43b、44sを設ける。なお、第一、第二分割通路出入口43s、44sの断面を比較的小さく、第一、第二分割通路出入口43b、44bの断面を比較的大きく構成する。
また、ダクト部45jがダクト部45iより大きくなるように構成する。言い換えれば、第一分割通路42iの燃焼触媒塗布部46iが、第二分割通路42jの燃焼触媒塗布部46jより大きくなるように構成する。なお、第一、第二分割通路42i、42jの全通路長さおよび最大幅は略同じとする。
さらに、改質触媒通路7と燃焼触媒通路6の通路軸が略平行となるように構成する。つまり、第一、第二分割通路42i、42jを、それぞれ改質触媒通路7と略平行に構成する。
また、後述するように、燃焼触媒通路6内を燃焼燃料が一方向に流通するように制御する。よって、図7(a)に示すように、出入口切り替えのためのバルブ(18〜21、28〜31、38、39)は用いず、第一、第二分割通路42i、42jへの燃焼燃料の導入割合を制御する第一、第二分配バルブ47i、47jのみを備える。または、燃焼燃料の導入割合のみではなく、空気燃料比を変更する場合には、図7(b)に示すように、可燃燃料の導入割合を調整する第一、第二分配バルブ57i、57jと、空気の導入割合を調整する第一、第二分配バルブ67i、67jを備える。
次に、上述した水素製造装置5に燃焼燃料を導入した場合の温度状態を図8に示す。
全ての運転条件で、燃焼触媒通路6の同じ側の端部に位置する第一、第二分割通路出入口43b、44bから燃焼燃料を導入し、図面AからBに向かって流通させる。これにより、導入してすぐに燃焼触媒塗布部46iが存在する第一分割通路42i側の温度上昇が先に開始し、次に、ダクト部45jの後流に燃焼触媒塗布部46jが存在する第二分割通路42jの温度が上昇する。その結果、最高温度は、燃焼触媒通路6を分割せずに、燃料と空気を一括して供給する場合の最高温度(図中グラフの一点鎖線)に比べて、半分程度に低下する(図中グラフの太線)。最高温度を抑制することで燃焼触媒通路6における過度の温度上昇を抑制し,水素分離膜8、改質触媒や水素製造装置5本体への熱負荷を低下させ、温度分布の発生による改質効率や水素透過性能の低下を避けることが可能となる。
また、燃焼触媒通路6、改質触媒通路7の燃焼燃料、改質燃料それぞれの流通方向を同じ方向とする。さらに、改質触媒入口52の近傍で、改質触媒入口52の近傍に重なる領域で、燃焼触媒塗布部16iを有する第一分割通路42iの面積が第二分割通路42jの面積よりも大きくなるように構成する。このとき、第一分割通路42i側への燃焼燃料の導入割合が比較的大きい所定の割合で、燃焼燃料が導入されるように制御する。その結果、改質触媒入口22近傍に多くの熱を供給することができ、積極的に改質反応を生じることができる。なお、燃焼燃料の供給割合の替わりに、空気燃料比を設定することにより、改質触媒入口22近傍の加熱量を増大してもよい。また、第一分割通路42iの燃焼触媒塗布部46iの容積を、第二分割通路42jの燃焼触媒塗布部46jより大きく設定する。ただし、この限りではなく、燃焼触媒塗布部46i、46jの容積を略同じとしても良い。
次に、図9に示すフローチャートに沿って、運転制御の一例を説明する。本フローは、燃料電池システムを起動する信号が出力された後、停止信号が出力されるまでの間に、所定時間毎に繰り返し実行される。
ステップS901で第一、第二分割通路出入口43b、44sから燃焼燃料を供給する。このとき、燃焼燃料の供給割合が所定の割合となるように分配バルブ47i、47jの開度を設定する。次に、ステップS902で、負荷増加時であるか否かを判断する。負荷増加時には、ステップS903に進み、第一分割通路42iへの燃焼燃料供給量を増大し、改質効率を向上する。一方、ステップS902において、負荷増加時ではないと判断されたら、ステップS904において、燃焼燃料の導入割合を、第一分割通路42iが比較的大きい所定の割合に設定する。
なお、ここでは、所定割合を、改質触媒通路7の改質触媒入口52近傍に重なる領域に燃焼触媒塗布部46iを有する第一分割通路42iに導入される割合が大きくなるように設定したが、この限りではない。第一分割通路42i、42jに導入される燃焼燃料を略同量としたり、燃焼触媒塗布量や塗布面積に応じて設定してもよい。例えば、燃焼触媒塗布部46i、46jの面積比に応じて、第一分割通路42iへの燃焼触媒の導入割合が大きくなるように設定してもよい。
また、ここでは燃焼触媒通路6内の流通方向と、改質触媒通路7内の流通方向を略同一方向としたが、この限りではなく、一般的に熱交換率のよい対向流としてもよい。図10に示すように、燃焼燃料を第一、第二分割通路出入口43s、44bから、図中BからAに向かって流れるように導入してもよい。その結果、最高温度は、燃焼触媒通路6を分割せず、燃料と空気を一括で供給する場合の最高温度(図中グラフの一点鎖線)に比べて、半分程度に低下する(図中グラフの太線)。そのため、最高温度を低下させることで、燃焼触媒通路6における過度の温度上昇を抑制し、水素分離膜8、改質触媒や水素製造装置5本体への熱負荷を低下させ、耐久性を向上させるとともに、温度分布の発生による改質効率や水素透過性能の低下を避けることが可能となる。
このとき、第一分割通路42iの燃焼触媒塗布部46iの容積を,第二分割通路42jの燃焼触媒塗布部46jに対して相対的に増加させる。これにより、水蒸気改質反応の場合に改質反応の進み易い改質触媒通路7の改質触媒入口52近傍を積極的に加熱し、改質効率を高めることが可能となる。
次に、本実施形態の効果を説明する。以下、第一の実施形態と異なる効果のみを説明する。
改質触媒通路7の通路軸と、分割通路42i、42jよりなる燃焼触媒通路6の通路軸と、が略平行となるように構成する。分割通路42i、42jに、改質燃料と略同方向に燃焼燃料を流通させる。これにより、分割通路42i、42jにおける過度の温度上昇を抑制するとともに、改質触媒流路7の上流領域の加熱を促進して改質効率を向上させることができる。
また、改質触媒通路7の通路軸と、分割通路42i、42jよりなる燃焼触媒通路6の通路軸と、が略平行となるように構成する。分割通路42i、42jのうち、改質触媒通路7の改質触媒入口52近傍に重なる領域で比較的大きな断面積を占める分割通路42iが、少なくとも改質触媒通路7の改質触媒入口52近傍に重なる領域に燃焼触媒塗布部16iを有するように構成する。これにより、改質触媒通路7の上流領域の加熱をより確実に促進し、改質効率を向上することができる。
なお、本実施形態では、改質触媒通路7に面して水素分離膜8を配置したが、この限りではない。例えば、水素分離膜8を有さない場合等にも、本発明の構成をとることで、改質触媒や、水素製造装置5自体が局所的に過熱されることを避けることができ、耐熱性を向上することができる。
このように、本発明は、上記発明を実施するための最良の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲内で、様々な変更を為し得ることはいうまでもない。
本発明は、改質反応により水素を生成する水素製造装置に適用することができる。例えば、燃料電池に用いる水素を生成するための燃料電池システムに用いる水素製造装置に適用することができる。
5 水素製造装置
6 燃焼触媒通路
7 改質触媒通路
12、42 分割通路
13、14、43、44 分割通路出入口
13s、14s、43s、44s 分割通路出入口(断面積小)
13b、14b、43b、44b 分割通路出入口(断面積大)
16、46 燃焼触媒塗布部(燃焼触媒塗布領域)
6 燃焼触媒通路
7 改質触媒通路
12、42 分割通路
13、14、43、44 分割通路出入口
13s、14s、43s、44s 分割通路出入口(断面積小)
13b、14b、43b、44b 分割通路出入口(断面積大)
16、46 燃焼触媒塗布部(燃焼触媒塗布領域)
Claims (11)
- 改質触媒を有し、改質燃料が供給されることにより改質ガスを生成する改質触媒通路と、
前記改質触媒通路と重なるように構成され、燃焼触媒が塗布された燃焼触媒塗布領域を有する燃焼触媒通路と、を備え、
さらに、前記燃焼触媒通路を複数に分割するとともに、分割して形成された少なくとも一つの分割通路の断面積が通路軸方向に沿って変化するように構成することを特徴とする燃料改質システム。 - 前記分割通路それぞれの通路軸を略平行に構成し、
前記分割通路それぞれの断面積は通路軸方向に沿って一方向に変化するように構成するとともに、隣り合う前記分割通路の断面積の変化方向が異なるように構成する請求項1に記載の燃料改質システム。 - 前記燃焼触媒通路を分割して二つの分割通路により構成し、
前記分割通路を、それぞれの一方の出入口からもう一方の出入口にかけて断面積を変化させ、出入口の大きさが異なるように構成するとともに、
前記燃焼触媒通路全体は、二つの前記分割通路の断面積の変化方向を逆向きに組み合わせて構成する請求項2に記載の燃料改質システム。 - 前記分割通路それぞれの通路軸を略平行に構成し、
隣り合う前記分割通路の燃焼触媒塗布領域を、通路軸方向にずらして構成する請求項1から3のいずれか一つに記載の燃料改質システム。 - 前記改質触媒通路の通路軸と、前記分割通路よりなる前記燃焼触媒通路の通路軸と、が略直交となるように構成し、
改質運転時には、前記分割通路それぞれの断面積が小さい側から燃焼燃料を導入する請求項2または3に記載の燃料改質システム。 - 前記改質触媒通路の通路軸と、前記分割通路よりなる前記燃焼触媒通路の通路軸と、が略直交となるように構成し、
始動時には、前記分割通路それぞれの断面積が大きい側から燃焼燃料を導入する請求項2または3に記載の燃料改質システム。 - 前記改質触媒通路の通路軸と、前記分割通路よりなる前記燃焼触媒通路の通路軸と、が略平行となるように構成し、
前記分割通路に、改質燃料と略同じ方向に燃焼燃料を流通させる請求項1から4のいずれか一つに記載の燃料改質システム。 - 前記改質触媒通路の通路軸と、前記分割通路よりなる前記燃焼触媒通路の通路軸と、が略平行となるように構成し、
前記分割通路のうち、前記改質触媒通路の入口近傍に重なる領域で比較的大きな断面積を占める分割通路が、少なくとも前記改質触媒通路入口近傍に重なる領域に前記燃焼触媒塗布領域を有するように構成する請求項1から4または7のいずれか一つに記載の燃料改質システム。 - 前記燃焼触媒通路に供給する燃焼燃料は可燃燃料と空気との混合流体であり、
前記分割通路それぞれに導入する燃焼燃料の流量または空気燃料比を設定する燃焼燃料調整手段を備え、
前記分割通路それぞれの燃焼触媒塗布領域の面積、または、塗布触媒量の少なくとも一方に応じて、前記分割通路それぞれに導入する燃焼燃料量または燃焼燃料の空気燃料比を設定する請求項1から8のいずれか一つに記載の燃料改質システム。 - 前記燃焼触媒通路に供給する燃焼燃料は可燃燃料と空気との混合流体であり、
前記分割通路それぞれに導入する燃焼燃料の流量または空気燃料比を設定する燃焼燃料調整手段を備え、
前記分割通路のうち前記改質触媒通路の入口近傍に重なる領域に前記燃焼触媒塗布領域を有する分割通路に、他に比較して多くの燃焼燃料量を供給する、または、他に比較して空気燃料比の小さな燃焼燃料を供給する請求項1から8のいずれか一つに記載の燃料改質システム。 - 前記燃焼触媒通路に供給する燃焼燃料は可燃燃料と空気との混合流体であり、
前記分割通路それぞれに導入する燃焼燃料の流量または空気燃料比を設定する燃焼燃料調整手段を備え、
運転負荷増大時には、前記分割通路のうち前記改質触媒通路の入口近傍に重なる領域に前記燃焼触媒塗布領域を有する分割通路の、燃焼燃料の供給量を増大する、または、燃焼燃料の空気燃料比を抑制する請求項1から10のいずれか一つに記載の燃料改質システム。
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