(57)【要約】【課題】軽量化、小型化が可能であり、還元力の高い改質ガスの生成を促進させることができる燃料改質器を提供する。【解決手段】炭化水素燃料Ｆから改質ガスＧRを生成する燃料改質器１である。燃料改質器は、反応器２と隔壁３とを有する。隔壁３は反応器２の内部を酸化反応室２１と燃料改質室２２とに区画する。隔壁３は、第１主面３１と第２主面３２とを有する。酸化反応室２１は、第１主面３１に面し、酸化雰囲気に曝される。燃料改質室２２は、第２主面３２に面し、炭化水素燃料が供給される共に還元雰囲気に曝される。隔壁３が所定の貴金属種を除く金属及び／又は金属酸化物からなる改質触媒を含有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素燃料（Ｆ）から改質ガス（ＧR）を生成する燃料改質器（１）であって、
反応器（２）と、
上記反応器の内部を区画し、第１主面（３１）と第２主面（３２）とを有する隔壁（３）と、
上記第１主面に面し、酸化雰囲気に曝される酸化反応室（２１）と、
上記第２主面に面し、上記炭化水素燃料が供給される共に還元雰囲気に曝される燃料改質室（２２）と、を有し、
上記隔壁が金属及び／又は金属酸化物かならなる改質触媒を含有し、該改質触媒が、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ａｕ、Ｏｓ、及びＩｒを実質的に含有しない、燃料改質器。
【請求項２】
上記改質触媒が固体電解質からなる、請求項１に記載の燃料改質器。
【請求項３】
上記隔壁に外部エネルギーを付与するエネルギー源（４）を備えた、請求項１又は２に記載の燃料改質器。
【請求項４】
上記酸化反応室に酸素含有ガス（ＧO）が供給されるように構成された、請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料改質器。
【請求項５】
上記酸化反応室に排ガス又は大気が供給されるように構成された、請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料改質器。
【請求項６】
上記酸化反応室はガス流路によって構成されており、上記酸化反応室の上記ガス流路の上流には流路調整弁（１１）が設けられている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料改質器。
【請求項７】
上記燃料改質室はガス流路によって構成されており、上記燃料改質室の上記ガス流路の上流には燃料噴射弁（５）が設けられている、請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料改質器。
【請求項８】
上記燃料噴射弁が第１燃料噴射弁（５１）であり、上記燃料改質室にはさらに第２燃料噴射弁（５２）が設けられており、上記第１燃料噴射弁と上記第２燃料噴射弁とは時間的な位相差をもって上記燃料改質室内に上記炭化水素燃料を供給するように構成された、請求項７に記載の燃料改質器。
【請求項９】
上記炭化水素燃料が軽油である、請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料改質器。
【請求項１０】
上記隔壁は、固体電解質からなる上記改質触媒を含有する中間層（３３）と、該中間層に積層形成されると共に上記酸化反応室に面する酸化層（３４）と、上記中間層に積層形成されると共に上記燃料改質室に面する還元層（３５）とを有し、上記酸化層及び上記還元層は、金属及び／又は金属酸化物からなる上記改質触媒を含有する、請求項１〜９のいずれか１項に記載の燃料改質器。
【請求項１１】
上記中間層が緻密体であり、上記酸化層及び／又は上記還元層が多孔質である、請求項１０に記載の燃料改質器。
【請求項１２】
上記隔壁は、緻密層（３６）と、該緻密層に積層形成された多孔層（３７）とを有し、該多孔層が上記酸化反応室及び／又は上記燃料改質室に面している、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の燃料改質器。
【請求項１３】
さらに、上記反応器内を加熱するヒータ（４８）を備える、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の燃料改質器。
【請求項１４】
上記反応器内の温度が１００〜５００℃に調整されている、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の燃料改質器。
【請求項１５】
上記改質ガスが燃料に用いられる、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の燃料改質器。
【請求項１６】
上記改質ガスが排ガス中のＮＯxの浄化に用いられる、請求項１〜１５のいずれか１項に記載の燃料改質器。
【請求項１７】
上記燃料改質器が車載用である、請求項１〜１６のいずれか１項に記載の燃料改質器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料を改質する改質触媒を含有する隔壁を備えた燃料改質器に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭化水素燃料を改質して水素などの改質ガスを生成する燃料改質器が知られている。改質ガスは、例えば排ガスの浄化や燃料に利用される。
【０００３】
排ガスの浄化用途としては例えばＳＣＲ（選択触媒還元）システムに用いられる還元ガスが挙げられる。燃料用途としては、例えば、燃料電池の燃料極側に供給される水素、化学工場のエネルギー源として用いられる改質燃料が挙げられる。
【０００４】
特許文献１には、ロジウム触媒、白金触媒、ルテニウム触媒、パラジウム触媒、金触媒などの触媒により炭化水素系燃料を改質して水素を生成する燃料改質装置が提案されている。この燃料改質装置では、改質部に、触媒の比表面積を大きくした高密度部と、触媒の比表面積を小さくした低密度部とを形成することにより、水素の生成効率の向上を目指している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−３０８６０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載の燃料改質装置では、改質触媒として、ロジウム、白金等の酸化力の高い貴金属種が用いられている。このような改質触媒は炭化水素燃料を二酸化炭素や水にまで完全に酸化しやすい。つまり、炭化水素燃料の部分酸化が起こり難くなり、水素や含酸素炭化水素などを含む改質ガスの生成が抑制される。その結果、改質ガスに求められる還元力が十分に得られなくなる。
【０００７】
例えば車両用途の燃料改質器には、燃費向上などの観点から、小型化、軽量化が求められる。車両用途以外でも、小型化、軽量化は、運搬性の向上や設置場所の多様化に貢献する。しかし、改質触媒が酸化力の高い貴金属種を含有する場合には、還元力の高い改質ガスを生成するために、改質触媒の炭化水素燃料に対する酸化力を低く制御する必要性が生じる。そこで、改質器への燃料供給のタイミング、燃料供給量、改質器内の温度などの調整が要求される。したがって、燃料改質器には、各種センサや制御装置の装着が必要となり、燃料改質器の大型化や重量化を余儀なくされる傾向がある。
【０００８】
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、軽量化、小型化が可能であり、還元力の高い改質ガスの生成を促進させることができる燃料改質器を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一態様は、炭化水素燃料（Ｆ）から改質ガス（ＧR）を生成する燃料改質器（１）であって、
反応器（２）と、
上記反応器の内部を区画し、第１主面（３１）と第２主面（３２）とを有する隔壁（３）と、
上記第１主面に面し、酸化雰囲気に曝される酸化反応室（２１）と、
上記第２主面に面し、上記炭化水素燃料が供給される共に還元雰囲気に曝される燃料改質室（２２）と、を有し、
上記隔壁が金属及び／又は金属酸化物かならなる改質触媒を含有し、該改質触媒が、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ａｕ、Ｏｓ、及びＩｒを実質的に含まない、燃料改質器にある。
【発明の効果】
【００１０】
上記燃料改質器は、反応器と隔壁とを有する。隔壁は反応器の内部を酸化反応室と燃料改質室とに区画する。隔壁は金属及び／又は金属酸化物からなる改質触媒を含有する。隔壁中の改質触媒は、第１主面側では酸化反応室の酸化雰囲気により酸化され、第２主面側では炭化水素燃料により還元される。したがって、改質触媒は、金属と金属酸化物との間で可逆的に変化する。
【００１１】
第２主面側では、改質触媒が還元されると共に、炭化水素燃料が酸化される。炭化水素燃料は、酸化力の弱い金属酸化物中の酸素によって酸化されるため、部分酸化されやすい。さらに、改質触媒は、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ａｕ、Ｏｓ、及びＩｒを含有していないため、金属の状態であっても炭化水素燃料に対する酸化力が抑制される。これにより、炭化水素燃料が完全に酸化されて二酸化炭素や水が発生することを抑制し、炭化水素燃料が部分的に酸化されて水素や含酸素炭化水素を発生しやすくなる。したがって、還元力の高い改質ガスの生成が促進される。
【００１２】
上記態様では、隔壁が改質触媒を含有する。つまり、改質触媒は、隔壁に固定され、所謂固定床を形成する。したがって、例えば改質触媒が流動する流動床を有する改質器に比べて、燃料改質器の小型化、軽量化が可能になる。
【００１３】
改質触媒としては、酸化力の高い触媒を必ずしも必要としない。したがって、改質触媒の酸化力を例えば弱く制御するために、燃料供給量、燃料供給のタイミング、改質器内の温度などの諸条件の調整の必要がない。つまり、諸条件の調整のための各種センサや制御装置を減らしたり、なくしたりすることが可能になる。その結果、燃料改質器の小型化、軽量化が可能になる。
【００１４】
以上のごとく、上記態様によれば、軽量化、小型化が可能であり、還元力の高い改質ガスの生成を促進できる燃料改質器を提供することができる。
なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施形態１における燃料改質器の構成を示す模式図。
【図２】実施形態２における排ガス浄化システムの模式図。
【図３】変形例１における排ガス浄化システムの模式図。
【図４】変形例２における排ガス浄化システムの模式図。
【図５】変形例３における排ガス浄化システムの模式図。
【図６】変形例４における排ガス浄化システムの模式図。
【図７】実施形態３における燃料改質器の構成を示す模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
（実施形態１）
燃料改質器に係る実施形態について、図１を参照して説明する。燃料改質器１は、炭化水素燃料Ｆを改質し、改質ガスＧRを生成するために用いられる。炭化水素燃料Ｆとしては、軽油、ガソリン、天然ガス等の化石燃料が例示される。
【００１７】
改質ガスＧRは、例えば水素、含酸素炭化水素を含む。含酸素炭化水素は、酸素が結合した炭化水素であり、炭化水素を「ＨＣ」で表すと、含酸素炭化水素は「ＨＣＯ」で表される。
【００１８】
図１に例示されるように、燃料改質器１は、反応器２と隔壁３とを有する。隔壁３は、反応器２の内部を酸化反応室２１と燃料改質室２２とに区画する。
【００１９】
隔壁３は、例えば板状であり、第１主面３１と第２主面３２とを有する。隔壁３は、金属及び／又は金属酸化物からなる改質触媒を含有する。金属と金属酸化物とは、隔壁３内で相互に可逆的に変化しうる。金属としては、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ａｕ、Ｏｓ、Ｉｒ以外の金属が例示される。本明細書では、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ａｕ、Ｏｓ、Ｉｒのことを、適宜「高酸化力金属」という。改質触媒の金属は、具体的には、遷移金属、希土類、高酸化力金属以外の貴金属などである。遷移金属としては、具体的には、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎなどが例示される。希土類としては、具体的には、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄなどが例示される。高酸化力金属以外の貴金属としてはＡｇが例示される。金属酸化物は、高酸化力金属以外の金属を含む酸化物であるが、単一の金属を含有する酸化物だけでなく、２種以上の金属を含有する複合酸化物を含む概念である。金属酸化物は、蛍石型複合酸化物、ペロブスカイト型複合酸化物、スピネル型複合酸化物などからなるイオン伝導性の固体電解質を含む。
【００２０】
隔壁３は、改質触媒を含有していればよく、隔壁３の全体が改質触媒から構成されていてもよいが、隔壁３が基材と、基材中に分散された改質触媒とから構成されていてもよい。隔壁３は、単層から構成されていても、積層体から構成されていてもよい。図１では、単層の隔壁３を例示する。
【００２１】
酸化反応室２１は、隔壁３によって区画された反応室であり、隔壁３の第１主面３１に面する。酸化反応室２１は、酸化雰囲気に曝される。酸化雰囲気は例えば酸素を含むガス雰囲気である。酸素を含むガスのことを、「酸素含有ガス」という。酸素含有ガスＧOを酸化反応室２１に供給することにより、酸化反応室２１内を容易に酸化雰囲気にすることができる。
【００２２】
酸化反応室２１における酸素ガス濃度は、酸化反応が進行しやすくなるという観点から、例えば５体積％以上であることが好ましく、７体積％以上であることがより好ましく、１０体積％以上であることがさらに好ましい。酸素ガス濃度は、例えば図示しない酸素センサによりモニタされる。
【００２３】
酸素含有ガスＧOとしては、内燃機関から排出される排ガス、大気等が例示される。つまり、酸化雰囲気は、例えば排ガス雰囲気、大気雰囲気である。排ガス、大気を酸化反応室２１に供給することにより、酸化反応室２１内を容易に酸化雰囲気にすることができる。排ガスを供給する場合には、燃料改質器１における燃料の改質反応に排ガスの熱を利用できるという利点もある。
【００２４】
酸化反応室２１は、ガス流路によって構成されており、酸化反応室２１のガス流路の上流には流路調整弁１１が設けられていることが好ましい。例えば、酸化反応室２１にガス導入口、ガス排出口を設け、ガス導入口、ガス排出口に、それぞれ酸化ガス導入管２１１、酸化ガス排出管２１２を接続することにより、ガス流路を形成することができる。流路調整弁１１は、酸化反応室２１内への例えば酸素含有ガスＧOの流量を調整するものである。流路調整弁１１は、酸化反応室内への酸素含有ガスＧOの流入をせき止め、流量を０にすることも可能である。流路調整弁１１によって、酸素含有ガスＧOの流量を調整することにより、酸化反応室２１における酸化反応を制御することができる。流路調整弁１１の設置位置は適宜調整可能である。
【００２５】
酸化反応室２１内では隔壁３が酸化される。具体的には、改質触媒の金属が酸化されて金属酸化物が生成する。隔壁３の酸化は、第１主面３１側で進行する。第１主面３１のことを酸化面ということもできる。
【００２６】
燃料改質室２２は、隔壁３によって区画された反応室であり、隔壁３の第２主面３２に面する。燃料改質室２２内には、炭化水素燃料Ｆが供給され、燃料改質室２２は還元雰囲気に曝される。
【００２７】
燃料改質室２２は、ガス流路によって構成されており、燃料改質室２２のガス流路の上流には燃料噴射弁５が設けられていることが好ましい。例えば、燃料改質室２２にガス導入口、ガス排出口を設け、ガス導入口、ガス排出口に、それぞれ燃料導入管２２１、改質ガス排出管２２２を接続することにより、ガス流路を形成することができる。燃料噴射弁５は、燃料改質室２２内に炭化水素燃料Ｆを供給するものである。燃料噴射のタイミング、噴射量の制御は、燃料噴射弁５に電気的に接続された、図示しない燃料噴射制御回路に
より行うことができる。
【００２８】
燃料噴射弁５は、例えば、燃料改質室２２のガス導入口に接続された燃料導入管２２１内に炭化水素燃料Ｆを供給することができる。これにより、燃料改質室２２の上流に炭化水素燃料Ｆが供給され、気流により燃料改質室２２内に炭化水素燃料Ｆが導入される。燃料噴射弁５の噴射口の設置位置を調整することにより、例えば、燃料改質室２２内に炭化水素燃料Ｆを直接供給させることも可能である。いずれの場合であっても、燃料噴射弁５は、燃料改質室２２内に炭化水素燃料Ｆを供給するように構成される。ガス排出口からは燃料改質室２２内で生成した改質ガスＧRが排出され、改質ガスＧRは各種用途に利用される。
【００２９】
燃料改質室２２のガス流路の上流には、流路調整弁を設けることができる。この流路調整弁により、燃料改質室２２内への炭化水素燃料Ｆの流入や、その流量を調整することができる。燃料噴射弁５、流路調整弁の設置位置は適宜調整可能である。燃料改質室のガス流路の上流に設けられる流路調整弁の図示は省略する。
【００３０】
燃料改質器１は、燃料噴射弁５を少なくとも２つ備えることができる。具体的には、第１燃料噴射弁５１及び第２燃料噴射弁５２を備えることができる。第１燃料噴射弁５１及び第２燃料噴射弁５２は、両者が時間的な位相差をもって燃料改質室２２内に燃料を供給するように構成されていることが好ましい。この場合には、第１燃料噴射弁５１と第２燃料噴射弁５２とから例えば交互に炭化水素燃料Ｆを噴射させることが可能になる。したがって、噴射のタイミング、噴射量の制御が容易になり、最適なタイミング、量で炭化水素燃料Ｆを供給しやすくなる。第１燃料噴射弁５１、第２燃料噴射弁５２による噴射制御は、例えば、図示しない燃料噴射制御回路により行われる。
【００３１】
燃料改質室２２内では、隔壁３が還元される。具体的には、改質触媒の金属酸化物が還元されて金属が生成する。隔壁３の還元は、第２主面３２側で進行する。第２主面３２のことを還元面ということもできる。
【００３２】
隔壁３の第１主面３１側では隔壁３の酸化反応が起こり、第２主面３２側では隔壁３の還元反応が起こる。具体的には、第１主面側では金属が酸化されて金属酸化物が生成、第２主面側では金属酸化物が還元されて金属が生成する。したがって、図１に例示されるように、隔壁３は、酸化反応室２１内の酸素を第１主面３１側で受け取り、第２主面３２側で炭化水素燃料Ｆ（具体的にはＨＣ）に渡すという役割を果たす。隔壁３内では、第１主面３１側で改質触媒の金属が金属酸化物になり、第２主面３２側で金属酸化物が金属になることにより、あたかも酸素が第１主面３１から第２主面３２側に移動するような挙動を示す。図１では、金属をＭｅで表し、金属酸化物をＭｅＯで表す。隔壁内での酸化反応、還元反応がより起こり易くなるという観点から、隔壁３の厚みは、０．０１ｍｍ〜０．１ｍｍであることが好ましく、０．０１５ｍｍ〜０．０５ｍｍであることがより好ましい。
【００３３】
燃料改質室２２では、金属酸化物が還元されて金属が生成すると共に、炭化水素燃料Ｆの酸化が起こる。炭化水素燃料Ｆの酸化には、金属酸化物中の酸素が利用される。金属酸化物中の酸素は、ガス状の酸素と比べると酸化力が低いため、炭化水素燃料Ｆの部分酸化が促進される。さらに、改質触媒が高酸化力金属を含有していないため、炭化水素燃料Ｆに対する強力な酸化作用を回避できる。したがって、隔壁３中の改質触媒によって炭化水素燃料Ｆが二酸化炭素や水にまで完全に酸化されることを抑制できる。このように、燃料改質室２２では、金属酸化物中の酸素による緩やかな酸化と、強力な酸化作用の回避とにより、炭化水素燃料Ｆの部分酸化が起こり易くなる。したがって、炭化水素燃料Ｆから含酸素炭化水素や水素が生成しやすくなる。
【００３４】
燃料改質室２２での部分酸化による炭化水素燃料Ｆの改質反応は、以下の式（１）、式（２）で表される。式（１）は水素への改質反応を表し、式（２）は含酸素炭化水素への改質反応を表す。なお、式（１）、式（２）において、ＨＣは炭化水素、Ｍｅは金属、ＭｅＯは金属酸化物、ＨＣＯは含酸素炭化水素を表す。
ＨＣ＋ＭｅＯ  →  Ｍｅ＋ＣＯ＋１／２Ｈ2  ・・・（１）
ＨＣ＋ＭｅＯ  →  Ｍｅ＋ＨＣＯ  ・・・（２）
【００３５】
燃料改質室２２は、酸素ガスを実質的に含まないことが好ましい。燃料改質室２２内の酸素ガス濃度を実質的に０体積％にしたり、０体積％に近づけることにより、炭化水素燃料Ｆの完全酸化がさらに抑制される。しかし、燃料改質室２２内の酸素ガス濃度を０体積％に保つことは、燃料改質室２２内のガス組成の制御を困難にする。したがって、燃料改質室２２内のガス組成の制御が容易になるという観点からは、燃料改質室２２内の酸素ガスの存在はある程度許容される。
【００３６】
この許容量は、改質ガスＧRの種類（具体的には成分組成）に依存する。例えば含酸素炭化水素を生成しやすくする場合には、燃料改質室２２内における酸素ガス濃度を５体積％未満にすることが好ましい。水素を生成しやすくする場合には、燃料改質室２２内における酸素ガス濃度を１体積％未満にすることが好ましい。例えば炭化水素燃料Ｆが軽油の場合には、燃料改質室２２内における炭化水素燃料に対する酸素の量は、モル比で、０．５〜１０であることが好ましく、５〜８であることがより好ましく、６〜７であることがさらに好ましい。このモル比は、酸素（単位：モル）／燃料（単位：モル）で表されている。
【００３７】
燃料改質室２２内における酸素ガス濃度は、例えば、図示しない酸素センサによりモニタされる。酸素ガス濃度の制御は、燃料改質室２２内への炭化水素燃料Ｆの供給により行われる。具体的には、燃料改質器２２内に炭化水素燃料Ｆを供給すると、燃料改質室２２内の酸素ガスが消費されて酸素ガス濃度が低下する。燃料噴射弁５を備える場合には、酸素ガス濃度が所定値以上となった場合に、燃料噴射弁５により炭化水素燃料Ｆを噴射させればよい。これにより、燃料改質室２２内の酸素ガス濃度を例えば所定値未満に保つことが可能になる。
【００３８】
酸化反応室２１での隔壁３の酸化反応は発熱反応である。燃料改質室２２での隔壁３の還元反応は吸熱反応である。酸化反応によって発生した熱は、隔壁３を伝わって還元反応に使用される。燃料改質器１においては熱収支の制御が可能である。具体的には、還元反応量（つまり、吸熱反応量）と酸化反応量（つまり、発熱反応量）とを制御することにより、改質器の温度制御が可能になる。図１において、「ｈｔ」は熱を示し、破線矢印は熱の移動を示す。
【００３９】
反応器２内の温度は１００〜５００℃に調整されていることが好ましい。この場合には、含酸素炭化水素、水素の生成がより促進される。その結果、還元力の高い改質ガスＧRの生成がより促進される。
【００４０】
含酸素炭化水素が生成しやすくなるという観点からは、反応器２内の温度は２００〜４００℃であることが好ましい。水素が生成しやすくなるという観点からは、反応器２内の温度は３００〜５００℃であることが好ましい。
【００４１】
反応器２内の温度調整は、例えば酸化反応室２１での酸化反応と、燃料改質室２２での還元反応のバランスにより制御することができる。これは、酸化反応が発熱反応であり、還元反応が吸熱反応であるため、両者のバランスを調整することにより、隔壁３の温度調整が可能であるからである。したがって、反応器２内を加熱するヒータの設置を回避することが可能になる。
【００４２】
具体的には、酸化反応室２１における、酸素ガス濃度を高めたり、酸素含有ガスＧOの流量を増やしたり、燃料改質室２２内への炭化水素燃料Ｆの供給量を減らすことにより、反応器２内の温度を高めることができる。これに対し、燃料改質室２２内への炭化水素燃料Ｆの供給量を増やすことにより、反応器２内の温度を下げることができる。
【００４３】
燃料改質器１はヒータ４８を備えてもよい。この場合には、ヒータ４８により反応器２内を加熱することができ、燃料改質器１の温度を調整することができる。これにより、温度制御が容易になる。
【００４４】
図１に例示されるように、燃料改質器１においては、隔壁３は反応器２の内部を酸化反応室２１と燃料改質室２２とに区画する。隔壁３は金属及び／又は金属酸化物からなる改質触媒を含有する。隔壁３中の改質触媒は、第１主面３１側では酸化反応室２１の酸素により酸化され、第２主面３２側では炭化水素燃料Ｆにより還元される。第２主面３２側では、改質触媒の還元と共に、炭化水素燃料Ｆの酸化が起こる。炭化水素燃料Ｆは、酸化力の弱い金属酸化物中の酸素によって酸化される。したがって、炭化水素燃料Ｆの部分酸化が起こりやすくなる。つまり、炭化水素燃料Ｆの完全酸化が抑制され、部分酸化が促進される。したがって、含酸素炭化水素、水素を含む、還元力の高い改質ガスＧRの生成が促進される。
【００４５】
改質触媒は、隔壁３に固定され、所謂固定床を形成しており、改質触媒自体は流動しない。したがって、改質触媒を流動させるための流動スペースや流動装置が必要なくなり、燃料改質器１の小型化、軽量化を可能にする。
【００４６】
改質触媒は遷移金属及び／又は遷移金属酸化物からなり、隔壁３は、改質触媒として、高酸化力金属のような酸化力の高い貴金属種を必要としない。したがって、酸化力の高い触媒の酸化能を例えば弱めるために、燃料供給量、燃料供給のタイミング、改質器内の温度などの諸条件を調整する必要がない。つまり、これらの条件の調整するために必要な各種センサや制御装置を減らしたり、なくしたりすることが可能になる。その結果、燃料改質器１の小型化、軽量化が可能になる。隔壁３は、部分酸化を大きく妨げない範囲で例えばＡｇのような貴金属を含有することも可能であるが、炭化水素燃料Ｆの完全酸化をより十分に抑制するという観点からは、改質触媒は実質的に貴金属を含有していないことが好ましい。
【００４７】
隔壁３中の改質触媒は、高酸化力金属を実質的に含有しない。これは、改質触媒の部分酸化を大きく妨げない範囲での高酸化力金属の含有を許容することを意味する。高酸化力金属は、改質触媒の酸化反応又は還元反応に影響を与えない程度の微量であることが好ましい。炭化水素燃料Ｆの完全酸化をより十分に抑制するという観点からは、改質触媒は、高酸化力金属を全く含有しなくてもよく、貴金属を実質的に含有ないことが好ましい。
【００４８】
改質触媒としては、固体電解質を用いることができる。この場合には、酸化反応室２１内の酸素が例えば酸素イオンとして隔壁３の第１主面３１から固体電解質３内に取り込まれて、酸素イオンが固体電解質内を第２主面３２側に移動する。そして、第２主面３２から炭化水素燃料Ｆに酸素が渡される。この場合には、酸素の伝達がスムーズになり、酸化反応、還元反応が進行しやすい。さらに、固体電解質により緻密な隔壁３を形成することができる。緻密な隔壁３は、酸化反応室２１の酸素含有ガスＧoが、隔壁３を透過して燃料改質室２２に到達すること防ぎ、燃料改質室２２の炭化水素燃料Ｆや改質ガスＧRが、隔壁３を透過して酸化反応室２１に到達することを防ぐ。固体電解質としては、イットリア安定化ジルコニア（つまり、ＹＳＺ）、ＺｒＯ2、ＣｅＯ2、Ｂｉ2Ｏ3等が例示される。
【００４９】
隔壁３を積層体によって形成し、隔壁３の各層を構成する改質触媒として、それぞれ異なる材料を用いてもよい。この場合には、複数の金属、複数の固体電解質をそれぞれ用いたり、金属と固体電解質とを併用することもできる。
【００５０】
燃料改質器１、改質ガスＧRの用途は特に限定されない。改質ガスＧRは、例えば還元性の燃料として用いられる。具体的には、改質ガスＧRは、燃料電池の燃料極側に供給される燃料、工場で使用される改質燃料等として用いられる。
【００５１】
改質ガスＧRは、後述の実施形態２で説明されるＮＯxの浄化などの排ガスの浄化に用いられる。この場合には、還元力の高い改質ガスＧRにより、ＮＯxを十分に浄化することができる。より具体的には、改質ガスＧRを選択触媒還元（ＳＣＲ）システムに適用することができる。この場合には、改質ガスＧRの高い還元力によってＳＣＲシステムの浄化性能が向上する。
【００５２】
本形態の燃料改質器１は、上記のごとく、小型、軽量化が可能である。したがって、燃料改質器１は車載用に好適である。設置スペースを小さくすることができ、燃費の向上が可能になる。
【００５３】
（実施形態２）
排ガス浄化に用いられる、車載用の燃料改質器１の実施形態について説明する。なお、実施形態２以降において用いた符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。
【００５４】
図２に例示されるように、燃料改質器１は、選択触媒還元（つまり、ＳＣＲ）を用いた排ガス浄化システム６に用いられる。燃料改質器１は、排ガス浄化システム６における還元剤の生成装置として用いられる。
【００５５】
燃料改質器１は、エンジンなどの内燃機関の後処理装置に用いられる。図２に例示されるように、燃料改質器１は、例えば、ディーゼルエンジンなどのエンジン６１とＳＣＲ触媒６２との間に設置される。ＳＣＲ触媒６２は、図示しないハニカム構造の基材と、この基材に担持された、図示しない浄化触媒とから構成され、排ガス管６３を拡径した拡径管内に配置される。燃料改質器１は、例えば実施形態１と同様の構成とすることができる。
【００５６】
燃料改質器１は、エンジン６１から排出される排ガスが流れる排ガス管６３に接続される。より具体的には、排ガス管６３から分岐するバイパス管６４が燃料改質器１の酸化反応室２１に連結される。バイパス管６４の上流側が酸化反応室２１のガス導入口に連結され、バイパス管６４の下流側が酸化反応室２１のガス排出口に連結される。
【００５７】
バイパス管６４を流れる排ガスは、ガス導入口から酸化反応室２１内に供給され、ガス排出口から酸化反応室２１外へ排出される。次いで、排ガスはバイパス管６４を通って排ガス管６３に戻されてＳＣＲ触媒６２に至る。バイパス経路を通らない排ガスは、エンジン６１から排ガス管６３を通ってＳＣＲに供給される。排ガスは、酸素含有ガスＧOの１種であり、酸化反応室２１内を酸化雰囲気にする。
【００５８】
バイパス管６４には流路調整弁１１を設けることができる。流路調整弁１１により、酸化反応室２１内への排ガスの供給、供給量の制御が可能になる。
【００５９】
燃料改質室２２のガス導入口からは、炭化水素燃料Ｆが供給される。炭化水素燃料Ｆの供給には、燃料噴射弁５が用いられる。燃料噴射弁５は、例えば、ガス導入口に連結される燃料導入管２２１内に炭化水素燃料Ｆを噴射する。燃料導入管２２１内には、炭化水素燃料Ｆは、周辺雰囲気ガスの流入を伴いながら燃料改質室内に供給される。
【００６０】
炭化水素燃料Ｆは、燃料改質室２２において改質され、改質ガスＧRが生成する。改質器１での炭化水素燃料Ｆの改質は実施形態１と同様に行われる。改質ガスＧRは、燃料改質室２２のガス排出口からＳＣＲ触媒６２に供給される。改質ガスＧRの供給経路は、特に限定されないが、例えば、ガス排出口から生じる排ガスをエンジン６１とＳＣＲ触媒６２をつなぐ排ガス管６３に供給することができる。つまり、燃料改質室２２のガス排出口に連結される改質ガス排出管２２２は、例えば、エンジン６１とＳＣＲ触媒６２をつなぐ排ガス管６３に連結される。改質ガスＧRの還元力を十分保持したままＳＣＲ触媒６２に改質ガスＧR供給するという観点から、改質ガス排出管２２２の排ガス管６３への連結位置をＳＣＲ触媒６２に近づけることが好ましい。
【００６１】
本形態の排ガス浄化システム６では、例えば尿素ＳＣＲシステムにおいて要求される尿素水タンクを必要としない。したがって、タンクの設置スペースが不要になり、尿素水の補充も不要になる。
【００６２】
本実施形態では、燃料改質器１で生成される還元力の高い改質ガスＧRがＳＣＲ触媒６２に供給される。その結果、ＳＣＲ触媒６２では、ＮＯxがＮ2及びＨ2Ｏにまで十分に還元され、ＮＯxの十分な浄化が可能になる。つまり、燃料改質器１はＳＣＲ触媒６２の浄化性能の向上を可能にする。
【００６３】
（変形例１）
燃料改質器１からの改質ガスＧRの排出経路を実施形態２とは変更した例について説明する。図３に例示されるように、本例は、実施形態２と同様に、エンジン６１と、ＳＣＲ触媒６２と、燃料改質器１とを備える排ガス浄化システム６の例である。
【００６４】
図３に例示されるように、燃料改質室２２から排出される改質ガス排出管２２２を、ＳＣＲ触媒６２が配置された、図示しない拡径管に連結させることができる。ＳＣＲ触媒６２が配置される拡径管内には、ＳＣＲ触媒６２の他にも、例えば、図示しないＤＰＦ（ディーゼル・パティキュレート・フィルタ）が配置される。改質ガス排出管２２２は、拡径管内における少なくともＳＣＲ触媒６２の上流に連結することができる。本例では、燃料改質器１の燃料改質室２２内で生成した改質ガスＧRは、改質ガス排出管２２２を通ってＳＣＲ触媒６２を内包する拡径管に供給される。その他の構成は、実施形態２と同様である。
【００６５】
（変形例２）
燃料改質器１への酸素含有ガスＧOの導入経路、燃料改質器１からの酸素含有ガスＧOの排出経路を実施形態２とは変更した例について説明する。図４に例示されるように、本例は、実施形態２と同様に、エンジン６１と、ＳＣＲ触媒６２と、燃料改質器１とを備える排ガス浄化システム６の例である。
【００６６】
図４に例示されるように、バイパス管を用いることなく、エンジン６１とＳＣＲ触媒６２を連結する排ガス管６３に燃料改質器１を接続することができる。具体的には、燃料改質器１の酸化反応室２１を排ガス管６３に直接接続することができる。この場合には、排ガス管６３を流れる排ガスは、酸化反応室２１のガス導入口から酸化反応室２１内に供給され、酸化反応室２１のガス排出口から排ガス管６３に排出される。
【００６７】
図４の例示においては、実施形態２と同様に、改質ガス排出管２２２の接続位置は、排ガス管６３であるが、変形例１と同様に接続位置を拡径管にすることも可能である。つまり、変形例１の構成と変形例２の構成とを組み合わせることも可能である。
【００６８】
（変形例３）
燃料改質器１へ供給される酸素含有ガスＧOを実施形態２とは変更した例について説明する。図５に例示されるように、本例は、実施形態２と同様に、エンジン６１と、ＳＣＲ触媒６２と、燃料改質器１とを備える排ガス浄化システム６の例である。
【００６９】
燃料改質器１の酸化反応室２１には、酸素含有ガスＧOが供給される。本例では、酸素含有ガスＧOとして大気を用いる。この場合には、図５に例示されるように、酸化ガス導入管２１１を、排ガス管６３や、排ガス管６３に連結するバイパス管６４には接続せずに、図示しない大気導入部に接続する。これにより、酸化反応室２１には、酸素含有ガスＧOとして大気が導入される。大気は、酸化反応室２１の排出口から酸化ガス排出管２１２を通って排出される。
【００７０】
酸化ガス排出管２１２は、例えば排ガス管６３におけるＳＣＲ触媒６２の下流に接続される。これにより、酸化反応室２１を通過した大気は、ＳＣＲ触媒６２を通過した排ガスと共に排出される。なお、図５では酸化ガス排出管２１２と改質ガス排出管２２２とが交差しているが、実際には両者は連結されておらず、各排出管２１２、２２２は異なる経路を形成している。
【００７１】
（変形例４）
燃料導入管２２１をエンジン６１に連結した例について説明する。図６に例示されるように、本例は、実施形態２と同様に、エンジン６１と、ＳＣＲ触媒６２と、燃料改質器１とを備える排ガス浄化システム６の例である。
【００７２】
図６に例示されるように、エンジン６と燃料改質器１の燃料改質室２２とが、燃料導入管２１１により連結されている。これにより、エンジン６１へ噴射された炭化水素燃料Ｆを、燃料改質室２２内に直接導入することができる。この場合には、例えば未燃の炭化水素燃料Ｆがエンジン６１から燃料改質室２２内に供給され、燃料改質器１での改質に用いられる。つまり、エンジン６に供給された炭化水素燃料Ｆが燃料導入管２１１を通ってそのまま燃料改質室２２内に供給され、改質ガスＧRの生成に利用される。
【００７３】
一方、エンジン６１からの排ガスを燃料改質室２２に供給してもよい。つまり、燃料導入管２１１が排ガス管６１であってもよい。排ガスは、未燃の炭化水素成分を含み、酸素不足となっており、このような排ガスを燃料改質室２２で改質される炭化水素燃料Ｆとして用いることができる。排ガスのガス成分は、例えばエンジン６１における炭化水素燃料Ｆの燃焼を制御することにより調整可能である。燃料改質室２２内に排ガスを供給する場合には、排ガスが改質され、例えば、還元ガス、酸素含有ガスが生成する。つまり、排ガスを有益なガスに改質することができる。
【００７４】
改質ガスＧRは、改質ガス排出管２２２から、例えばＳＣＲ触媒６２に供給される。なお、本例における酸素含有ガスＧoの経路は、例えば、変形例３と同様である。
【００７５】
（実施形態３）
積層構造の隔壁３を有する燃料改質器１の実施形態について説明する。図７に例示されるように、隔壁３は、各層の例えば材質が異なる積層構造を有していてもよい。
【００７６】
具体的には、隔壁３を、例えば、酸化反応室２１に面する酸化層３４と、燃料改質室２２に面する還元層３５と、酸化層３４と還元層３５とに挟まれる中間層３３との三層構造にすることができる。つまり、隔壁３を、酸化層３４、中間層３３、還元層３５が順次積層された積層構造体とすることができる。
【００７７】
酸化層３４は、例えば、酸素をイオン化させることが可能な材料からなる改質触媒を含有することができる。具体的には、改質触媒として、金属及び／金属酸化物を含有する。還元層３５は、改質触媒として、金属及び／金属酸化物を含有する。酸化層３４、還元層３５は、部分的に改質触媒を含有していてもよいが、酸化層３４、還元層３５の全体がそれぞれ金属及び／金属酸化物から構成されていてもよい。酸化層３４が酸化反応室２１に面する第１主面３１を有し、還元層３５が燃料改質室２２に面する第２主面３２を有する。
【００７８】
酸化層３４と還元層３５とは同じ材質であってもよいし、異なる材質であってもよい。酸化層３４と還元層３５との材質を変更する場合には、酸化層３４を例えば酸素をイオン化し易い金属、金属酸化物によって形成し、還元層３５を例えば還元されやすい金属、金属酸化物によって形成することができる。酸化層３４、還元層３５は、例えば固体電解質以外の金属酸化物、金属から構成される。
【００７９】
中間層３３は、改質触媒として例えば固体電解質を含有する。中間層３３は、部分的に固体電解質を含有していてもよいが、中間層３３の全体が固体電解質から構成されていてもよい。本形態のように積層構造の隔壁３は、例えば、酸素極と電解質と燃料極とが順次積層された、燃料電池のセル構造と同様の構造にすることができる。
【００８０】
隔壁３では、酸化層３４中の例えば金属が酸化反応室２１内の酸素により酸化される。つまり、酸化層３４の第１主面３１から酸化反応室２１内の酸素が隔壁３内に取り込まれる。酸素は、例えばイオン（つまり、酸素イオン）の状態で、酸化層３４側から還元層３５側へ中間層３３内を移動する。中間層３３の固体電解質の材質を適宜選択することにより、酸素イオンの伝導性を調整することができる。例えばイオン伝導性の高い固体電解質を選択することにより、中間層３３内の酸素イオン伝導性が向上する。還元層３５に到達した酸素イオンは、還元層３５内の例えば金属を酸化し、還元層３５に金属酸化物を生成する。そして、還元層３５の金属酸化物が、実施形態１と同様に炭化水素燃料Ｆの部分酸化を可能にする。
【００８１】
燃料改質器１は、隔壁３に外部エネルギーを与えるエネルギー源４を備えることができる。図７に例示されるように、エネルギー源４として例えば外部電源を備える場合には、隔壁３に電圧を印加することができ、隔壁３に電場が付与される。隔壁３に外部エネルギーを付与することにより、隔壁３の第１主面３１側での酸化反応、第２主面３２側での還元反応の促進が可能になる。また、固体電解質内でのイオンの移動の促進が可能になる。これにより、還元力の高い改質ガスＧRの生成が更に促進される。外部エネルギーとしては、電場に限定されるわけではなく、熱、磁場、プラズマ、光等の他のエネルギーであってもよい。光は、例えば紫外線である。
【００８２】
また、酸化層３４及び／又は還元層３５は多孔質であり、中間層３３が緻密体であることが好ましい。この場合には、緻密な中間層３３により反応器２の内部が区画されると共に、多孔質の酸化層３４、あるいは多孔質の還元層３５が、それぞれ酸化反応室２１、燃料改質室２２に面することとなる。その結果、酸化層３４、還元層３５の比表面積を大きくしながらも、中間層３３により反応器２の内部を区画することができる。酸化層３４の比表面積の増大は、酸化層３４と酸化反応室２１の気相（具体的には、酸素）との接触面積の増加につながる。その結果、酸化層３４における酸化反応の反応性が向上する。還元層３５についても同様である。つまり、多孔層３７の形成は、酸化層３４における酸化反応、還元層３５における還元反応の反応性を高め、還元力の高い改質ガスＧRの生成をさらに促進させることができる。
【００８３】
また、隔壁３の全体を例えば金属及び／又は金属酸化物で形成しつつ、隔壁３の酸化反応室２１側及び／又は燃料改質室２２側に多孔層３７を形成することも可能である。多孔層３７を有する場合には、反応器２内を区画する緻密層３６を形成する。隔壁３中の金属の種類は、上述の酸化層３４、還元層３５、中間層３３のように変更してもよいが、同じであってもよい。この場合には、隔壁３は、緻密層３６と、この緻密層３６に積層形成された多孔層３７とを有し、多孔層３７が酸化反応室２１及び／又は燃料改質室２２に面する。多孔質層３７の形成は、隔壁３の比表面積を増大させるため、第１主面３１での酸化反応や第２主面３２での還元反応の促進が可能になる。
【００８４】
本発明は上記各実施形態、変形例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態、変形例に適用することが可能である。実施形態では、主に車載用の燃料改質器１について説明したが、実施形態１、実施形態３の構成の燃料改質器１を、例えば化学工場のエネルギー供給源として用いることも可能である。
【符号の説明】
【００８５】
１  燃料改質器
２  反応器
２１  酸化反応室
２２  燃料改質室
３  隔壁
３１  第１主面
３２  第２主面
【図１】
2020015636.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2020015636.tif 000007
【図６】
2020015636.tif 000008
【図７】
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