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発明の名称 燃料改質装置
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2007−2684(P2007−2684A)
公開日 平成19年1月11日(2007.1.11)
出願番号 特願2005−180952(P2005−180952)
出願日 平成17年6月21日(2005.6.21)
代理人 【識別番号】100106150
【弁理士】
【氏名又は名称】高橋 英樹
発明者 若尾 和弘 / 桜井 計宏
要約 課題
燃料改質装置に関し、炭化水素系燃料の改質効率を向上させる。

解決手段
上流側触媒40で改質されなかった未改質の炭化水素系燃料を下流側触媒42で再反応させて改質する。再反応させる手段としては、下流側触媒42に熱を供給するヒータが好ましい。ヒータとしては、触媒42の中心部に配置された中心電極50と、触媒42の外周部に配置された外側電極30とを含み、触媒42に通電することで触媒42自体を発熱させるように構成したものを用いることができる。
特許請求の範囲
【請求項1】
酸素を含む酸化ガスと炭化水素系燃料との混合気を触媒に供給し、前記混合気を触媒上で部分酸化反応させることでH2とCOを含む改質ガスを生成する燃料改質装置において、
前記触媒の上流部で改質されなかった未改質の炭化水素系燃料を前記触媒の下流部で再反応させて改質する再反応手段を備えることを特徴とする燃料改質装置。
【請求項2】
前記再反応手段は、前記触媒の下流部に熱を供給するヒータであることを特徴とする請求項1記載の燃料改質装置。
【請求項3】
前記ヒータは、前記触媒の中心部に配置された中心電極と、前記触媒の外周部に配置された外側電極とを含み、前記触媒に通電することで前記触媒自体を発熱させるように構成されていることを特徴とする請求項2記載の燃料改質装置。
【請求項4】
前記触媒は、上流部を構成する上流側触媒と、下流部を構成する下流側触媒とからなり、前記下流側触媒に前記ヒータが設けられていることを特徴とする請求項2又は3記載の燃料改質装置。
【請求項5】
前記中心電極及び前記外側電極は、ともに前記触媒の下流部から上流部まで配置され、前記触媒の下流部は、前記触媒の上流部よりも電気抵抗が小さくなるように構成されていることを特徴とする請求項3記載の燃料改質装置。
【請求項6】
前記中心電極は、前記触媒の下流部から上流部まで配置され、前記外側電極は、前記触媒の下流部のみに配置されていることを特徴とする請求項3記載の燃料改質装置。
【請求項7】
前記触媒の下流部の温度を測定する温度センサと、
前記温度センサで測定される温度に基づき、前記ヒータへの通電量を制御する制御手段とをさらに備えることを特徴とする請求項2乃至6の何れか1項に記載の燃料改質装置。
【請求項8】
前記混合気の供給量に基づき、前記ヒータへの通電量を制御する制御手段をさらに備えることを特徴とする請求項2乃至6の何れか1項に記載の燃料改質装置。
発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
本発明は、酸素を含む酸化ガスと炭化水素系燃料との混合気を触媒上で部分酸化反応させることでH2とCOを含む改質ガスを生成する燃料改質装置に関し、特に、内燃機関への改質ガスの供給源として用いて好適な燃料改質装置に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、例えば特許文献1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、触媒上での部分酸化反応等により改質されたガスを内燃機関に供給する技術が知られている。炭化水素系燃料の部分酸化反応では、下記の反応式に示すようにH2とCOを含む改質ガスが生成される。
mn+(m/2)O2 → mCO+(n/2)H2 ・・・(1)
【0003】
2、COともに燃焼性に優れ且つ高い熱量を有している。このため、例えば、冷間始動時に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。
【特許文献1】特開2001−248506号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、部分酸化反応によるH2及びCOの生成効率は、触媒の温度によって左右される。触媒温度が高くなりすぎると、改質ガス中のH2及びCOの濃度は低下し、THC(総炭化水素成分)の濃度が上昇する。これは、触媒温度の上昇に伴い下記の気相反応が進行し、部分酸化反応により生成されたH2及びCOが酸化されてしまうことによる。
CO+H2+O2 → CO2+H2O ・・・(2)
上記反応は部分酸化反応よりも多くの酸素を必要とするため、上記反応が進行すると反応に必要な酸素が不足し、その結果、未改質の炭化水素系燃料が増大してしまう。
【0005】
一方、触媒温度が低くなりすぎても改質ガス中のH2及びCOの濃度は低下し、THCの濃度が上昇してしまう。これは、触媒温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。下記の反応は、H2及びCOの濃度が高く、且つ、酸素の濃度が低いという特徴を有する、部分酸化反応により燃料を改質する燃料改質装置に特有の現象である。
2H2+2CO → CO2+CH4 ・・・(3)
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。
【0006】
部分酸化反応は発熱反応であり、反応により発生した熱によって触媒は加熱される。このため、部分酸化反応が進行している触媒の上流部では、触媒温度は高くなりやすく、式(2)の反応の進行によって改質ガス中には炭化水素系燃料が未改質のまま残存しやすい。そして、酸素不足によって部分酸化反応が進行しない触媒の下流部では、周囲への放熱によって触媒温度が低下する。その結果、式(3)の反応の進行によって改質ガス中のH2やCOの濃度は低下し、炭化水素系燃料の改質効率はさらに低下してしまう。
【0007】
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、炭化水素系燃料の改質効率を向上させた燃料改質装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
第1の発明は、上記の目的を達成するため、
酸素を含む酸化ガスと炭化水素系燃料との混合気を触媒に供給し、前記混合気を触媒上で部分酸化反応させることでH2とCOを含む改質ガスを生成する燃料改質装置において、
前記触媒の上流部で改質されなかった未改質の炭化水素系燃料を前記触媒の下流部で再反応させて改質する再反応手段を備えることを特徴としている。
【0009】
第2の発明は、第1の発明において、
前記再反応手段は、前記触媒の下流部に熱を供給するヒータであることを特徴としている。
【0010】
第3の発明は、第2の発明において、
前記ヒータは、前記触媒の中心部に配置された中心電極と、前記触媒の外周部に配置された外側電極とを含み、前記触媒に通電することで前記触媒自体を発熱させるように構成されていることを特徴としている。
【0011】
第4の発明は、第2又は第3の発明において、
前記触媒は、上流部を構成する上流側触媒と、下流部を構成する下流側触媒とからなり、前記下流側触媒に前記ヒータが設けられていることを特徴としている。
【0012】
第5の発明は、第3の発明において、
前記中心電極及び前記外側電極は、ともに前記触媒の下流部から上流部まで配置され、前記触媒の下流部は、前記触媒の上流部よりも電気抵抗が小さくなるように構成されていることを特徴としている。
【0013】
第6の発明は、第3の発明において、
前記中心電極は、前記触媒の下流部から上流部まで配置され、前記外側電極は、前記触媒の下流部のみに配置されていることを特徴としている。
【0014】
第7の発明は、第2乃至第6の何れか1つの発明において、
前記触媒の下流部の温度を測定する温度センサと、
前記温度センサで測定される温度に基づき、前記ヒータへの通電量を制御する制御手段とをさらに備えることを特徴としている。
【0015】
第8の発明は、第2乃至第6の何れか1つの発明において、
前記混合気の供給量に基づき、前記ヒータへの通電量を制御する制御手段をさらに備えることを特徴としている。
【発明の効果】
【0016】
本発明によれば、触媒の上流部で改質されなかった未改質の炭化水素系燃料を触媒の下流部で再反応させて改質することができるので、炭化水素系燃料の改質効率を向上させることができる。特に、第2の発明によれば、ヒータによって触媒の下流部に熱を供給することで、未改質の炭化水素系燃料と触媒の上流部で生成したH2O及びCO2との反応(吸熱反応)を促進することができ、未改質の炭化水素系燃料を効率良くH2及びCOに改質することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0017】
実施の形態1.
以下、図1及び図2を参照して、本発明の実施の形態1について説明する。図1は一般的な燃料改質装置付き内燃機関の構成を示す概略図である。図1に示すように、内燃機関のシリンダ2内には往復運動するピストン8が配置され、ピストン8の上面とシリンダ2の内壁とで区画される空間が燃焼室10になっている。燃焼室10には吸気管4と排気管6が接続されている。吸気管4と燃焼室10との接続部には吸気バルブ14が設けられ、排気管6と燃焼室10との接続部には排気バルブ16が設けられている。
【0018】
内燃機関は複数のシリンダ2を備え、吸気管4はサージタンク18からシリンダ2毎に延びている。サージタンク18には、新気が供給される新気供給管20と、改質ガスが供給される改質ガス供給管24が接続されている。新気供給管20には、新気の供給量を制御するためのスロットルバルブ22が配置されている。
【0019】
改質ガス供給管24は、内部に触媒が配置されたケーシング30とサージタンク18とを接続している。ケーシング30の上流側端部には、酸化ガスとしての空気をケーシング30に供給するための空気供給管34が接続されている。空気供給管34には、空気の供給量を制御するための制御バルブ36が配置されている。空気供給管34とケーシング30との接続部の近傍には、炭化水素系燃料を噴射するインジェクタ32が配置されている。空気供給管34から供給される空気にインジェクタ32から噴射された燃料が混じり、混合気となってケーシング30内に供給される。インジェクタ32から噴射される燃料量は、ケーシング30内に供給される混合気の空燃比が一定空燃比になるように、空気の供給量に応じて制御されている。
【0020】
図2は本発明の実施の形態1としての燃料改質装置の特徴部を示す概略図である。本実施形態の燃料改質装置は、図1に示す内燃機関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、本実施形態では、ケーシング30内にガスの流れ方向に2段に触媒40,42を備えている。上流側触媒40と下流側触媒42との間には、隙間が設けられている。
【0021】
上流側触媒40と下流側触媒42のうち、下流側触媒42のみヒータ付き触媒として構成されている。ヒータ付き触媒である下流側触媒42は、その中心に電極50を備えている。中心電極50は、ケーシング30とともに電源52に接続されている。ケーシング30は金属製で、外側電極として機能する。電源52をオンにして中心電極50とケーシング30との間に電圧を印加することで、中心電極50からケーシング30へ向けて下流側触媒42内を電流が流れる。電流が流れることで下流側触媒42は発熱し、下流側触媒42の触媒温度は上昇する。電源52の電圧は、下流側触媒42の触媒温度が1100〜1400℃、好ましくは、1200〜1300℃になるように設定されている。
【0022】
図2に示す構成の燃料改質装置では、炭化水素系燃料の部分酸化反応は、主として上流側触媒40上にて起きる。このとき、上流側触媒40上では式(2)で示す反応も同時に起き、酸素が消費されてCO2及びH2Oが生成される。このため、上流側触媒40から流れ出た改質ガス中には、部分酸化反応により生成したH2及びCOとともに、未改質の炭化水素系燃料とCO2及びH2Oも含まれる。上流側触媒40から流れ出た改質ガスは、下流側触媒42を通過する。
【0023】
前述のように、下流側触媒42はヒータ付き触媒であり、触媒温度が1100〜1400℃、好ましくは、1200〜1300℃になるよう熱が供給されている。このため、未改質の炭化水素系燃料とCO2及びH2Oを含む改質ガスが下流側触媒42を通過すると、下流側触媒42上では、例えば下記の反応式で示すような炭化水素系燃料の改質反応が起きる。
mn+(m/2)H2O+(m/2)CO2 →(3/2)mCO+(m/2+n/2)H2 ・・・(4)
上記式(4)で示す改質反応は吸熱反応であるので、下流側触媒42自体から発せられる熱によって反応は促進され、炭化水素系燃料のH2及びCOへの改質が進む。
【0024】
このように、本実施形態にかかる燃料改質装置によれば、上流側触媒40で改質されなかった未改質の炭化水素系燃料を、上流側触媒40で生成したH2O及びCO2と再反応(吸熱反応)させることができ、未改質の炭化水素系燃料をH2及びCOに改質することができる。また、下流側触媒42自体の発熱によって触媒温度の低下は防止されるので、上記式(3)に示すメタン生成反応も抑制することができる。つまり、本実施形態にかかる燃料改質装置によれば、炭化水素系燃料の改質効率を向上させることができる。
【0025】
なお、下流側触媒42を加熱する方法としては、本実施形態のように下流側触媒42をヒータ付き触媒として構成する他、燃料(例えば、HC、CO、H2等)の酸化熱によって加熱する方法も考えられる。しかし、この場合は、上記式(4)の改質反応により生成したH2及びCOも同時に酸化してしまうことになる。したがって、本実施形態のようにヒータ付き触媒を用いることで、未改質の炭化水素系燃料を効率良くH2及びCOに改質することができる。
【0026】
上記実施の形態では、上流側触媒40と下流側触媒42とを距離をあけて配置しているが、上流側触媒40に下流側触媒42をくっ付けて配置してもよい。
【0027】
実施の形態2.
図3は本発明の実施の形態2としての燃料改質装置の特徴部を示す概略図である。本実施形態の燃料改質装置も、図1に示す内燃機関の燃料改質装置として用いることができる。図3中、図2に示す燃料改質装置と同一の部位及び部品については、同一の符号を付している。
【0028】
図3に示すように、本実施形態にかかる燃料改質装置のケーシング30には、下流側触媒42の触媒温度を測定するための温度センサ56が取り付けられている。また、本実施形態にかかる燃料改質装置は可変抵抗等の電圧調整装置54を備え、中心電極50とケーシング(外側電極)30との間に印加する電圧を調整可能になっている。温度センサ56が出力する信号は内燃機関の制御装置であるECU58に送信され、ECU58は温度センサ56の信号から測定される触媒温度に基づいて電圧調整装置54を制御する。具体的には、ECU58は、下流側触媒42の触媒温度が常に1100〜1400℃、好ましくは、1200〜1300℃になるように、電圧調整装置54を制御して中心電極50とケーシング30との間に印加する電圧を調整している。
【0029】
本実施形態にかかる燃料改質装置によれば、実施の形態1にかかる燃料改質装置で得られる効果に加え、さらに、下流側触媒42の触媒温度を常に上記式(4)の改質反応に適した触媒温度に制御することができ、未改質の炭化水素系燃料を効率良くH2及びCOに改質することができる。
【0030】
実施の形態3.
図4は本発明の実施の形態3としての燃料改質装置の特徴部を示す概略図である。本実施形態の燃料改質装置も、図1に示す内燃機関の燃料改質装置として用いることができる。図4中、図2に示す燃料改質装置と同一の部位及び部品については、同一の符号を付している。
【0031】
図4に示すように、本実施形態では、ケーシング30内にガスの流れ方向に2段に触媒44,46を備えている。本実施形態では、上流側触媒44と下流側触媒46とは一体化され、ともにヒータ付き触媒として構成されている。両触媒44,46の中心には、共通の中心電極50が配置され、電源52をオンにして中心電極50とケーシング30との間に電圧を印加することで、中心電極50からケーシング30へ向けて各触媒44,46内を電流が流れるようになっている。
【0032】
上流側触媒44と下流側触媒46とは、その電気抵抗に差が設けられている。下流側触媒46は上流側触媒44よりもセル箔が厚く、また、セルサイズも大きい。これにより、下流側触媒46は上流側触媒44よりも電気抵抗が小さく、通電時には、上流側触媒44よりも下流側触媒46に多くの電流が流れる。その結果、下流側触媒46の発熱量は上流側触媒44よりも大きくなり、下流側触媒46の触媒温度は上流側触媒44の触媒温度よりも高温に維持される。言い換えれば、下流側触媒46の触媒温度を上記式(4)の改質反応に適した触媒温度に維持しつつ、上流側触媒44の触媒温度が高くなりすぎるのを防止することができる。
【0033】
以上のような構成により、本実施形態にかかる燃料改質装置によれば、上流側触媒44上で炭化水素系燃料を部分酸化反応させつつ、改質されなかった未改質の炭化水素系燃料を、上流側触媒44で生成したH2O及びCO2と下流側触媒46上で再反応させてH2及びCOに改質することができる。また、下流側触媒46の触媒温度は高温に維持されるので、メタン生成反応も抑制される。
【0034】
実施の形態4.
図5は本発明の実施の形態4としての燃料改質装置の特徴部を示す概略図である。本実施形態の燃料改質装置も、図1に示す内燃機関の燃料改質装置として用いることができる。図5中、図2に示す燃料改質装置と同一の部位及び部品については、同一の符号を付している。
【0035】
図5に示すように、本実施形態では、ケーシング30内に触媒48を1段のみ備えている。この触媒48はヒータ付き触媒として構成され、その中心には触媒48の上流端から下流端まで中心電極50が配置されている。本実施形態では、触媒48の上流部のみ、ケーシング30と触媒48との間に絶縁材60が配置されている。
【0036】
図5に示す構成の燃料改質装置では、電源52をオンにして中心電極50とケーシング30との間に電圧を印加したときには、絶縁材60が設けられている触媒48の上流部には電流が流れず、外側電極であるとケーシング30に接している触媒48の下流部のみ電流が流れる。その結果、触媒48はその下流部のみ発熱し、触媒48の下流部の触媒温度は上流部の触媒温度よりも高温に維持される。つまり、下流部の触媒温度を上記式(4)の改質反応に適した触媒温度に維持しつつ、上流部の触媒温度が高くなりすぎるのを防止することができる。
【0037】
以上のような構成により、本実施形態にかかる燃料改質装置によれば、触媒48の上流部で炭化水素系燃料を部分酸化反応させつつ、改質されなかった未改質の炭化水素系燃料を、触媒48の上流部で生成したH2O及びCO2と触媒48の下流部で再反応させてH2及びCOに改質することができる。また、触媒48の下流部の触媒温度は高温に維持されるので、メタン生成反応も抑制される。
【0038】
その他.
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。
【0039】
実施の形態3の構成において、温度センサにより下流側触媒46の触媒温度を測定し、その測定値に基づいてヒータへの通電量、具体的は、中心電極50とケーシング30との間に印加する電圧を制御してもよい。これによれば、下流側触媒46の触媒温度を未改質の炭化水素系燃料を改質するのに適した触媒温度に維持することができる。
【0040】
同様に、実施の形態4の構成においても、温度センサにより触媒48の下流部の触媒温度を測定し、その測定値に基づいてヒータへの通電量を制御してもよい。これによれば、触媒48の下流部の触媒温度を未改質の炭化水素系燃料を改質するのに適した触媒温度に維持することができる。
【0041】
また、実施の形態1の構成において、混合気の供給量に応じて、ヒータへの通電量、具体的は、中心電極50とケーシング30との間に印加する電圧を制御してもよい。下流側触媒42上での吸熱反応により吸収される熱量は、改質ガス中に含まれる未改質の炭化水素系燃料の量に比例する。そして、未改質の炭化水素系燃料の量は、ケーシング30内に供給される混合気の量に比例する。したがって、混合気の供給量に応じてヒータへの通電量を制御すれば、下流側触媒42の必要以上の過熱を防止しつつ、下流側触媒42の触媒温度を未改質の炭化水素系燃料を改質するのに適した触媒温度に維持することができ、未改質の炭化水素系燃料を効率良くH2及びCOに改質することができる。
【0042】
同様に、実施の形態3の構成においても、混合気の供給量に応じてヒータへの通電量を制御してもよい。また、実施の形態4の構成においても、混合気の供給量に応じてヒータへの通電量を制御してもよい。これによれば、温度センサを用いることなく、触媒温度を未改質の炭化水素系燃料を改質するのに適した触媒温度に維持することができる。
【0043】
また、上記実施の形態では、触媒自身をヒータ(ヒータ付き触媒)として構成しているが、ヒータを触媒とは別体に設け、別体のヒータにより触媒を加熱するようにしてもよい。ヒータはケーシングの内部に配置してもよく、ケーシングの外部に配置してもよい。
【0044】
また、上記実施の形態では、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。
【図面の簡単な説明】
【0045】
【図1】一般的な燃料改質装置付き内燃機関の構成を示す概略図である。
【図2】本発明の実施の形態1としての燃料改質装置の特徴部を示す概略図である。
【図3】本発明の実施の形態2としての燃料改質装置の特徴部を示す概略図である。
【図4】本発明の実施の形態3としての燃料改質装置の特徴部を示す概略図である。
【図5】本発明の実施の形態4としての燃料改質装置の特徴部を示す概略図である。
【符号の説明】
【0046】
30 ケーシング(外側電極)
32 インジェクタ
34 空気供給管
36 制御バルブ
40 上流側触媒
42 下流側触媒(ヒータ付き触媒)
44 上流側触媒(ヒータ付き触媒)
46 下流側触媒(ヒータ付き触媒)
48 触媒(ヒータ付き触媒)
50 中心電極
52 電源
54 電圧調整装置
56 温度センサ
58 ECU
60 絶縁材




 

 


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