JP4457559B2 - 燃料蒸発装置 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料蒸発装置、特に燃料改質器に燃料蒸気を供給する燃料蒸発装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料改質装置に関する技術として、燃料改質器から排出される改質ガスの一部を燃焼器に供給し、供給される改質ガス量を所定量と比較、または改質ガス温を所定温度と比較する技術がある（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
また、燃料電池の出力要求値に応じて蒸発器に投入する原料投入量目標値を算出する原料投入量算出手段と、前記蒸発器における熱量の収支を推定する熱量収支推定手段と、前記熱量収支推定手段の推定した前記蒸発器における熱量の収支に基づいて、前記燃焼器を制御する燃焼器制御手段を備えた燃料改質器の制御装置に関する技術がある（例えば、特許文献２参照。）。
【０００４】
また、改質器に燃料ガスを供給する燃焼器に関する技術として、燃焼器の燃焼触媒を酸素含有ガスを加熱するための加熱部と、加熱部の下流側に接続された燃焼触媒部とから構成する技術がある（例えば、特許文献３参照。）。
【０００５】
また、燃料改質装置であって、改質触媒部が配置される改質室と、燃焼室で燃焼したガスを改質触媒部に供給する始動用燃焼室と備え、始動用燃焼機構は、燃焼室に加熱用燃料を供給する燃料噴射手段と、燃焼室に供給された加熱用燃料を着火させる着火用プラグとを備えることを特徴とする技術がある（例えば、特許文献４参照。）。
【０００６】
燃料改質装置であって、内部に改質触媒層を備える第１の部屋と、第１の部屋に隣接して配置され、第１の部屋に冷却媒体を導入する第２の部屋とを有することを特徴とする技術がある（例えば、特許文献５参照。）。
【０００７】
炭化水素系燃料を液相と気相の状態で水蒸気を添加して改質反応器に導入し、２５０℃以上の改質触媒により、２５０℃〜９００℃に予熱された一酸化炭素、水素、二酸化炭素に富んだ改質ガスを改質反応器から排出して加熱器に供給する技術がある（例えば、特許文献６参照。）。
【０００８】
他の改質装置であって、改質触媒が充填され且つ上下方向に向けて配置された反応管の外壁面に沿って加熱室を形成するとともに、加熱室の下方位置に燃焼器を備えたことを特徴とする技術がある（例えば、特許文献７参照。）。
【０００９】
燃料改質システムであって、バーナの過剰加熱により改質部の構造材料が熱応力破壊されることを防ぐことを目的として、燃料を気化させる気化部及び気化された燃料を改質させて水素リッチガスを生成する改質器と、改質器の気化部及び改質部へそれぞれ送られる熱源ガスを生成する燃焼器とを備え、燃焼器は、冷却水を噴霧する冷却手段を備えることを特徴とする技術がある（例えば、特許文献８参照。）。
【００１０】
改質器用燃焼器であって、改質部の過熱を防止し、改質触媒内の温度分布に差異が生じることを防止し、さらに改質器の構成材料の選択範囲を広げることを目的に、熱源発生部の発生する熱量を制御して一定量の熱量の熱源ガスに変換する熱源ガス変換部を有し、熱源ガス変換部が▲１▼熱源発生部を取り巻くように耐火性蓄熱材により形成され、▲２▼その内部に熱源発生部から発生する排ガスを通過させる排ガス抜口と、熱媒体を通過させ熱交換を行わせる熱媒体流路とを有し、▲３▼且つ、排ガスと熱媒体が合流してなる熱源ガスを排出する熱源ガス排出口とを有する技術がある（例えば、特許文献９参照。）。
【００１１】
【特許文献１】
特開２００１‐２２３０１６号公報
【特許文献２】
特開２００１‐２１０３４７号公報
【特許文献３】
特開２００１‐２７４０３号公報
【特許文献４】
特開２０００‐６３１０４号公報
【特許文献５】
特開平８‐１８９３８０号公報
【特許文献６】
特開平８‐１８８７８４号公報
【特許文献７】
特開平８−２９０１号公報
【００１２】
【特許文献８】
特開平７−１７２８０２号公報
【００１３】
【特許文献９】
特開平７−１０３０９０号公報
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の技術では、改質器で改質反応を行わせるためにガソリンやメタノール等の炭化水素系燃料からなる燃料および水を改質触媒に供給する前に気化しておく必要があるが、蒸発した燃料が即時に気層で部分酸化され、Ｈ2Ｏと燃料の反応である水蒸気改質のような速度の遅い反応が期待できない。このため、改質により得られる水素の生成効率である改質効率が低いという課題がある。
【００１５】
改質効率が低い理由をガソリン等炭化水素系燃料に多く含まれるオクタン（Ｃ8Ｈ18）で説明する。
【００１６】
まず、各改質反応の反応式は以下のように表される。
部分酸化反応 Ｃ8Ｈ18＋（８／２）Ｏ2→８ＣＯ＋９Ｈ2＋ΔＱ （１）
水蒸気改質反応 Ｃ8Ｈ18＋８Ｈ2Ｏ→８ＣＯ＋１７Ｈ2−ΔＱ （２）
上式より、水蒸気改質反応は部分酸化反応に比べ、同じオクタン１モルから生成するＨ2の量がおよそ１．９倍であることがわかる。ここで、部分酸化反応は発熱反応であり、水蒸気改質反応は吸熱反応である。
【００１７】
特許文献８に記載のようなバーナー方式の改質が、部分酸化により高温になる原因は、式（１）が発熱反応によるためである。式（２）の混合比で、１ａｔｍ、２５℃のオクタンと酸素を含む空気が部分酸化した場合、断熱界温度は６９４．２℃となり、この時には燃料は水蒸気改質反応があまり進行しないうちに既に部分酸化反応により改質されていることになる。
【００１８】
一方、２つの改質反応の反応速度を比較すると、これは平衡論的には論じられないが、一般的に部分酸化反応が水蒸気改質反応より速い。このことは、高温水蒸気存在化においても、部分酸化反応は気層で生じるが、水蒸気改質反応は必ず触媒による活性化が必要とされることからも明らかである。
【００１９】
以上のことから、燃料を気化−着火した７００℃以上の火炎により、気層で改質を行っている改質器の場合、とりわけ特許文献８に記載のような気層バーナー部で部分酸化を起こすタイプの改質方式では、改質方式は部分酸化とならざるを得ず、水蒸気改質反応のような改質効率の高い改質方式を望むことができない。また、気層改質方式の自己起動を考えた場合、改質が始まるまでの間は未燃燃料が排出され、環境を悪化することが考えられる。
【００２０】
一般的に冷間時の触媒は、活性化する前に燃料蒸気や燃料蒸気に含まれるＣＯに触れると、それらが触媒表面に吸着し、触媒反応の開始温度を引き上げることが知られる。特許文献３に記載の技術は、この課題を解決するために燃焼器において、より高温のガスを速やかに発生し、加熱すべき触媒に供給するものである。この技術では、燃料気化前の空気、燃料を加熱した後、この気体の熱により触媒が加熱されるため、前述の触媒表面への燃料付着による活性化の遅延を完全に回避することはできない。
【００２１】
またここで、特許文献３に記載のような気層燃焼式バーナーを下式のような完全燃焼でＣＯ等が存在しないクリーンな高温ガス発生器として用いることを考える。
完全酸化 Ｃ8Ｈ18＋（２５／２）Ｏ2→８ＣＯ2＋９Ｈ2Ｏ＋ΔＱ （３）
この場合、１ａｔｍ、２５℃の状態からの燃焼と仮定すると、断熱界温度は、１８８４℃となり、通常の改質器構成部材の耐熱温度を越えてしまう。対策として、燃焼用空気の量を理論完全燃焼量の３倍（空気過剰率λ＝３）とすると、加えられた空気の熱容量により、反応場の断熱界温度は８８７℃となり、材料の耐熱性は解決できる。但し、実際には燃焼用空気の量を理論完全燃焼量の３倍とする燃焼を気層燃焼器で実現するのは、燃料と空気の混合比の不均一などから、高温のヒートスポットや火炎の吹き消えが生じ、非常に困難である。
【００２２】
本発明は、このような従来技術の課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、燃料蒸気の部分酸化を抑制しながら十分な量の燃料を改質器に供給して水蒸気改質反応を行わせることができるとともに、液体の燃料を確実に気化させることができる燃料蒸発装置を提供することにある。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、燃料改質器に燃料蒸気を供給する燃料蒸発装置であって、供給した燃料の一部を燃焼するように空気を供給し、その燃焼熱で残留した燃料を蒸発させ、その蒸発した燃料に二次空気を混合する。
【００２４】
【発明の効果】
本発明によれば、供給した燃料の一部のみを燃焼させることで過剰な部分酸化反応を抑制しつつ、燃焼しなかった燃料を燃焼熱で蒸発させることができるため、十分な燃料蒸気を確実に気化した状態で燃料改質器に供給することができる。これにより、燃料改質器において水蒸気改質反応により改質ガスを効率よく生成することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
図１に示す本発明の燃料蒸発装置を備えた燃料改質装置の概略図を用いて、以下、説明する。
【００２６】
本発明の燃料改質装置１は、水蒸気改質触媒を充填した燃料改質器（ＡＴＲ）２と、燃料を改質ガスと熱交換して昇温する熱交換器（ＨＥＸ）３と、改質ガス中の一酸化炭素を除去する第１、第２の一酸化炭素選択酸化反応器（ＰｒＯＸ）４、５と、燃料改質器２に燃料ガスを供給する燃料蒸発器６とから構成される。
【００２７】
さらに燃料のガソリンを貯蔵するガソリンタンク７が備えられ、前述した燃料蒸発器６の上流側に設置した第１インジェクタ８と下流側に設置した第２インジェクタ９とから燃料蒸発器６内にガソリンを噴霧する。また水蒸気改質反応に必要な水を貯蔵する水タンク１０を備え、貯蔵された水は、燃料蒸発器６の上流側に設置された第３インジェクタ１１から燃料蒸発器６内に噴霧される。第２インジェクタ９の上流側には金属繊維等により形成されるフレームアレスター２１が設置され（図２参照）、燃料蒸発器６内、特に後述する二次空気供給域での不均一な燃料蒸気の拡散燃焼を抑制し、ヒートスポットによるＮＯｘ生成を抑制する。
【００２８】
また、空気供給源としてのコンプレッサ１２を設置し、コンプレッサ１２の作動により一次空気が第４インジェクタ８ａからガソリンと混合して燃料蒸発器６内に噴霧される。燃料蒸発器６内には噴霧された燃料の一部を部分酸化させるためのグロープラグ１３が設けられ、グロープラグ１３に接し、反応した燃料の一部は酸化反応を生じて発熱する。この熱により酸素と反応せずに残留した燃料が燃料蒸気となり改質器２に供給される。燃料蒸発器６から排出された燃料蒸気にコンプレッサ１２により供給される二次空気がシステム起動時に混合可能である。なお、この二次空気は加熱手段、例えば電気加熱式ヒータ１４により加熱され、供給される。さらにコンプレッサ１２から供給される空気は、第１、第２一酸化炭素選択酸化反応器４、５にも送られる。
【００２９】
コンプレッサ１２から第１、第２一酸化炭素選択酸化反応器４、５と、燃料蒸発器６と、燃料蒸発器６下流に供給される二次空気の量を制御するための制御弁１５、１６、１７、１８が各流路途中に設置される。
【００３０】
前述の第１から第４インジェクタ８、９、１１、８ａと、コンプレッサ１２と、グロープラグ１３と、ヒータ１４と、制御弁１５から１８の運転状態を制御するコントローラ１９が設置され、コントローラ１９には改質器２の触媒温度を検出する温度センサ２０の出力が入力され、コントローラ１９はこの入力された温度に基づき前述したインジェクタ等を制御する。
【００３１】
このように構成され、次に燃料改質装置１の運転状態毎の作用を説明する。
【００３２】
まず、燃料改質装置１の通常運転時においては、改質ガス生成のための燃料が常時第１、第２インジェクタ８、９から供給される。燃料蒸発器６に供給された燃料は空気過剰率λが０．２から０．４となるように第４インジェクタ８ａから供給される空気と混合される。第１、第２インジェクタ８、９から供給される燃料は、その合計の供給量で空気過剰率λが上記範囲内、ここでは例えば０．３となるように制御され、第１、第２インジェクタ８、９の燃料供給量配分は、例えば、一定比率に制御される。
【００３３】
燃料蒸発器６に供給される空気は、第４インジェクタ８ａから燃料蒸発器６の長手方向に垂直に切った円筒断面における円周方向に向けて渦を形成するように供給されるので、燃料と空気の混合が促進される。また第１インジェクタ８近傍に水を供給する第３インジェクタ１１が設置されるため、燃料と空気の混合気に水が効率よく混合されるとともに、燃料リッチ燃焼によるインジェクタ周りのデポジットや、部分酸化反応域での煤の形成を抑制できる。混合気はグロープラグ１３に接することにより、一部に部分酸化反応が生じ、酸化反応に伴う発熱が生じる。この発熱により、部分酸化反応で酸素と反応しなかった燃料が蒸気となり、この燃料蒸気が改質器２に供給される。燃料蒸気は、改質器２に充填された改質触媒により改質され、改質ガスとなる。なお、通常運転時、二次空気の供給は停止されている。改質器２で生成された改質ガスは、下流の一酸化炭素選択反応器４、５で所定濃度まで一酸化炭素が除去され、図示しない燃料電池スタックに供給され、発電に用いられる。
【００３４】
したがって、本発明においては、燃料蒸発器６に供給された燃料の一部は、同時に供給される比較的少量の空気中の酸素により部分酸化反応を生じ、酸化反応に伴う熱が発生する。この発熱により酸素と反応せずに残留した燃料が気化し、燃料蒸気となり、改質器２に供給される。燃料が蒸気となる温度は、燃料の種類により様々であるが、例えばガソリンの場合には、約２８０℃以上で構成されるすべての炭化水素が気化する。この温度は、部分酸化の両論比反応温度に比較して低温であるため、この反応を起こすために必要な酸素量は、燃料の種類により異なるが、式（１）に示す酸素量付近から少ない量とする必要がある。このように、少ない酸素量で燃料を燃焼させることにより、過剰な部分酸化反応を抑制しつつ、燃料を蒸発させることができ、十分な燃料蒸気を改質器２に供給し、水蒸気改質反応により改質ガスを生成することができる。
【００３５】
また、燃料蒸発器６内の混合気の空気過剰率λを完全燃焼空気量に対して空気と燃料の導入量比で、０．２〜０．４に設定したので、燃料の蒸発に必要な反応熱量を確保しつつ、過剰な部分酸化反応を抑制し、下流の改質器２内に充填した水蒸気改質触媒に燃料蒸気を十分に供給することができる。言い換えると、空気過剰率λが０．２から０．４となるように空気流量を制限することで、部分酸化により消費される燃料量を抑制して改質器２に供給されるべき燃料量を確保し、この消費された燃料の発熱により、残留した燃料を蒸発させ、改質器２に燃料蒸気として残留した燃料を供給できる。このとき、設定すべき空気と燃料の比率（空気過剰率λ）は、燃料の性状や燃料蒸発器６の形状、空気及び水の供給方法により変化するが、実験的、あるいは経験的に得られた燃料蒸気の発生量と燃焼蒸発反応の安定性の結果から、好適な空気過剰率λとして０．２〜０．４が設定される。
【００３６】
また、燃料蒸発器６内で燃料と空気の混合気に第３インジェクタ１１から水を噴霧し、混合することで、部分酸化反応と同時に進行する、煤の生成やコーキングの発生を抑制しつつ、燃料蒸気と反応熱で水蒸気化した水の混合が促進し、下流の改質器２での水蒸気改質反応が促進される。
【００３７】
次に燃料改質装置１の起動運転時について説明する。
【００３８】
まず、通常運転時と同様に燃料蒸発器６内にインジェクタから燃料と空気とを供給し、部分酸化反応を生じさせてその燃焼熱により燃料を蒸発させる。燃料蒸気は燃料蒸発器６の下流側で二次空気と混合され、改質器２に送られる。二次空気は、燃料蒸気の流れに対して渦を巻くように供給され、燃料と空気の混合が促進される。燃料蒸気と二次空気の混合気は、改質器２に送られて、改質器２内の改質触媒上で速やかに燃焼反応を起こし、この燃焼ガスの熱で改質器２を暖機する。このときの燃料蒸気と空気の混合気の空気過剰率λは改質器２の入口で３から６となるように燃料量と空気量を制御する。
【００３９】
次に、温度センサ２０により検出される改質器２の触媒温度が、部分酸化反応により昇温し、暖機完了温度に達したら、さらに触媒温度を高温の改質温度（通常運転時の触媒温度）にまで昇温させる為に二次空気の供給量を減少して、燃焼ガスの温度を上昇させ、二次空気量の供給が０になる通常運転時に改質器２の触媒温度を改質触媒として機能する温度まで上昇させる。このような加熱方法とすることで、改質器２に熱衝撃を与えることがない。
【００４０】
なお、二次空気は予めヒータ１４により加熱されているため、高温の空気により改質器２での燃焼が確実に行われ、空気過剰率（λ＝３〜６）の高い燃焼を維持することができる。また、燃料蒸発器６で燃料の蒸発が開始される前に空気の加熱を開始し、この加熱された空気により改質器２の改質触媒を暖機することで、燃料蒸気が低温の改質触媒に吸着被毒することを防止し、触媒の燃焼反応を速やかに開始でき、起動直後の燃料蒸気が改質器２から排出されることを防止できる。
【００４１】
このように、燃料蒸発器６から排出された燃料蒸気が二次空気と混合された後、改質器２に供給されて燃焼することで、暖機中には、排気悪化に繋がる燃料蒸気及び部分酸化反応で生じたＣＯやＨ2を燃焼除去しつつ、その燃焼で得られた高温、且つ燃料蒸気に比して二次空気分だけ増加した燃焼ガスを発生させ、下流に設置した燃料改質器２や一酸化炭素選択酸化反応器４、５、燃料電池スタックを暖機することができる。
【００４２】
暖機時の空気過剰率λは改質器２の入口で３から６に設定されている。空気過剰率λを３以上に設定することにより、空気過剰率λが低すぎ、余剰空気が少なく改質反応場温度が上昇してＮＯｘが生成し、排気中にＮＯｘが含まれたまま排出されるのを防止することができる。また、空気過剰率λを６以下とすることで、システム中の燃料改質器２と第１、第２一酸化炭素選択酸化反応器４、５の暖機に必要な燃焼ガス温度を確保することができる。
【００４３】
図３は、燃料改質装置１の暖機運転時の制御内容を説明するフローチャートである。この制御はコントローラ１９によって実施される。
【００４４】
まずステップ１で、温度センサ２０を用いて改質触媒温度Ｔｃを検出する。続くステップ２で、検出した改質触媒温度Ｔｃが改質器２の暖機温度ＴＣＷを越えているかを判定する。改質器２の暖機温度以上であれば制御を終了し、下回っていればステップ３に進む。
【００４５】
ステップ３では、検出した改質触媒温度Ｔｃに基づき燃料噴射量Ｑｆを図４に示すようなマップを用いて算出するとともに空気過剰率λ＝０．３を維持するのに必要な一次空気供給量Ｑａ１を演算する。続くステップ４では、検出した改質触媒温度Ｔｃに基づき改質触媒へ供給する混合気の空気過剰率λを図５に示すようなマップを用いて算出する。そしてステップ５で、ステップ３、４の演算結果に基づき、第１、第２インジェクタ８、９と、一次空気供給バルブ１７、二次空気供給バルブ１８を制御する。
【００４６】
燃料改質装置１の具体的な制御方法の一例を説明すると、起動時には、燃料流量、一次空気量、二次空気量をそれぞれ所定量（例えば、最大流量の半分）供給し（但し、このときの空気過剰率λは３から６）、改質触媒温度を上昇させ、確実に酸化反応が起きていることを検知したら（例えば、改質器２の温度が暖機温度より高い）、二次空気量を減少して、空気過剰率λを通常時の０．２から０．４として通常運転時に改質触媒として機能する温度まで改質触媒の温度を上昇させる。通常運転時には、０．２から０．４の空気過剰率λを維持しつつ、燃料流量と一次空気量は燃料電池の要求発電量に応じて設定される。
【００４７】
本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内でさまざまな変更がなしうることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料改質装置の構成図である。
【図２】燃料蒸発器の詳細構成図である。
【図３】燃料改質装置の暖機時の制御を説明するフローチャートである。
【図４】改質触媒温度と燃料噴射量の関係を示す図である。
【図５】改質触媒温度と蒸発器出口での空気過剰率との関係を示す図である。
【符号の説明】
１ 燃料改質装置
２ 燃料改質器
３ 熱交換器
４ 第１一酸化炭素選択酸化反応器
５ 第２一酸化炭素選択酸化反応器
６ 燃料蒸発器
７ ガソリンタンク
８ 第１インジェクタ
８ａ 第４インジェクタ
９ 第２インジェクタ
１０ 水タンク
１１ 第３インジェクタ
１２ コンプレッサ
１３ グロープラグ
１４ ヒータ
１５ 制御弁
１６ 制御弁
１７ 制御弁
１８ 制御弁
１９ コントローラ
２０ 温度センサ
２１ フレームアレスター

Claims (11)

  1. 改質ガスを生成する燃料改質器に燃料が気化した燃料蒸気を供給する燃料蒸発装置であって、
    前記燃料蒸発装置内に供給される燃料の一部を燃焼するように空気を供給し、その燃焼熱により残留した燃料を蒸発させ、
    前記燃料蒸発装置内で蒸発した燃料に二次空気を混合する
    ことを特徴とする燃料蒸発装置。
  2. 前記燃料蒸発装置内の燃料と空気の混合気の空気過剰率を通常運転時に０．２〜０．４とすることを特徴とする請求項１に記載の燃料蒸発器。
  3. 前記燃料蒸発装置内に水を噴霧し、燃料と混合することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料蒸発装置。
  4. 前記二次空気を加熱する加熱手段を備えたことを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の燃料蒸発装置。
  5. 前記二次空気混合域の火炎の伝播を抑制する部材を備えたことを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の燃料蒸発装置。
  6. 前記燃料改質器に供給される燃料と空気の混合気の空気過剰率を前記燃料改質器の触媒温度に応じて設定することを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の燃料蒸発装置。
  7. 暖機時に前記燃料改質器に供給される燃料と空気の混合気の空気過剰率を３〜６に設定することを特徴とする請求項１から６のいずれか一つに記載の燃料蒸発装置。
  8. 前記燃料改質器に供給される燃料と空気の混合気の流量を前記燃料改質器の触媒温度に応じて設定することを特徴とする請求項１から７のいずれか一つに記載の燃料蒸発装置。
  9. 前記燃料改質器の起動運転時に前記燃料蒸発装置内で蒸発した燃料に二次空気を混合することを特徴とする請求項１から８のいずれか一つに記載の燃料蒸発装置。
  10. 前記燃料改質器の触媒温度が所定温度より高くなったときに、前記燃料改質器の起動運転が終了したと判定することを特徴とする請求項９に記載の燃料蒸発装置。
  11. 前記燃料改質器の触媒温度の上昇に応じて、前記燃料蒸発装置内に供給する燃料量を増加させることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一つに記載の燃料蒸発装置。
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