(57)【要約】【課題】改質触媒上に炭素が析出することに起因する改質反応の効率の低下を防止する。【解決手段】燃料改質装置１０では、燃料導入室２２内に対する液体改質燃料の噴射が、噴射器２０によって断続的に行なわれる。また、燃料導入室２２内には、空気と水蒸気とからなる改質用ガスが、加熱された後に供給される。改質燃料が噴射されると、改質燃料は、改質用ガスと混合しつつ、改質用ガスの熱によって気化されて、改質器２４に導入される。改質燃料の噴射停止時には、改質用ガス中の酸素によって、改質触媒上の析出炭素の酸化除去が行なわれる。燃料導入室２２は、その容積が、上記噴射停止時に供給される改質用ガス量よりも小さくなるように形成されている。【選択図】        図１
2004262689.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
改質触媒に対して炭化水素系の改質燃料を間欠的に供給し、改質反応を利用して前記改質燃料から水素を生成する燃料改質装置であって、
前記改質燃料を間欠的に吐出する改質燃料吐出部と、
少なくとも前記改質燃料吐出部が前記改質燃料の吐出を停止しているときに、酸素を含有する酸化剤ガスを、吐出する酸化剤ガス供給部と、
前記改質燃料吐出部が吐出した前記改質燃料と、前記酸化剤ガス供給部が吐出した前記酸化剤ガスとが、直接導入される燃料導入室と、
前記燃料導入室に接続して設けられ、前記改質触媒を備えて、前記燃料導入室を経由した前記改質燃料および前記酸化剤ガスが供給される触媒部と、
前記改質反応に適した量の前記改質燃料を吐出するように前記改質燃料吐出部を制御すると共に、前記改質燃料吐出部が前記改質燃料の吐出を停止する毎に、前記燃料導入室の容積以上の量の前記酸化剤ガスを吐出するように前記酸化剤ガス供給部を制御する制御部と
を備える燃料改質装置。
【請求項２】
請求項１記載の燃料改質装置であって、
前記制御部は、前記改質燃料吐出部が前記改質燃料の吐出を停止する間に、前記燃料導入室を介して前記触媒部に供給されるガス中の前記改質燃料の濃度が、１ｖｏｌ％以下となるように、前記酸化剤ガス供給部からの前記酸化剤ガスの吐出量を制御する
燃料改質装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の燃料改質装置であって、
前記制御部は、前記燃料改質装置が生成すべき水素量に応じて、前記酸化剤ガス供給部が吐出する前記酸化剤ガスの量を変動させると共に、前記酸化剤ガス供給部が吐出する前記酸化剤ガスの量が少ないときほど、前記改質燃料の吐出を停止する動作を行なう時間が長くなるように、前記改質燃料吐出部と前記酸化剤ガス供給部との制御を行なう
燃料改質装置。
【請求項４】
改質触媒に対して炭化水素系の改質燃料を間欠的に供給し、改質反応を利用して前記改質燃料から水素を生成する燃料改質装置であって、
前記改質燃料を間欠的に吐出する改質燃料吐出部と、
少なくとも前記改質燃料吐出部が前記改質燃料の吐出を停止しているときに、酸素を含有する酸化剤ガスを吐出する酸化剤ガス供給部と、
前記改質燃料吐出部が吐出した前記改質燃料と前記酸化剤ガス供給部が吐出した前記酸化剤ガスとが直接導入され、前記改質燃料吐出部が前記改質燃料の吐出を停止する間に前記酸化剤ガス供給部が吐出する前記酸化剤ガスの量以下の容積を有するように形成されている燃料導入室と、
前記燃料導入室に接続して設けられ、前記改質触媒を備えて、前記燃料導入室を経由した前記改質燃料および前記酸化剤ガスが供給される触媒部と、
前記改質反応に適した量の前記改質燃料を前記触媒部に供給するように前記改質燃料吐出部を制御すると共に、前記改質燃料吐出部から吐出される前記改質燃料の量に応じた量の前記酸化剤ガスを吐出するように前記酸化剤ガス供給部を制御する制御部と
を備える燃料改質装置。
【請求項５】
請求項１ないし４いずれか記載の燃料改質装置であって、
前記改質燃料吐出部は、液体の前記改質燃料を前記燃料導入室内に噴霧し、
前記酸化剤ガス供給部は、噴霧された前記改質燃料を気化可能な所定の高温に昇温させた前記酸化剤ガスを、前記改質燃料の吐出の動作を行なう際にも吐出し、
前記燃料導入室は、その内壁面を加熱するための加熱部を備える
燃料改質装置。
【請求項６】
請求項５記載の燃料改質装置であって、
前記酸化剤ガス供給部は、前記酸化剤ガスが前記燃料導入室内で旋回流を形成するように、前記酸化剤ガスを前記燃料導入室内に供給する
燃料改質装置。
【請求項７】
請求項１ないし４いずれか記載の燃料改質装置であって、
前記改質燃料吐出部は、液体の前記改質燃料を前記燃料導入室内に噴霧し、
前記酸化剤ガス供給部は、噴霧された前記改質燃料を気化可能な所定の高温に昇温させた前記酸化剤ガスを、前記改質燃料の吐出の動作を行なう際にも乱流の状態で前記燃料導入室内に供給する
燃料改質装置。
【請求項８】
改質反応を利用して炭化水素系の改質燃料から水素を生成する燃料改質装置の運転方法であって、
（ａ）所定の燃料導入室内に対して、前記改質燃料を吐出する動作を間欠的に繰り返す工程と、
（ｂ）前記（ａ）行程で吐出された前記改質燃料を、前記改質反応を促進する改質触媒に導くと共に、前記改質反応によって前記改質燃料から水素を生成する工程と、
（ｃ）前記改質燃料を吐出する動作が停止されているときに、前記燃料導入室に対して、前記燃料導入室の容積以上の量であって酸素を含有する酸化剤ガスを供給する工程と、
（ｄ）前記（ｃ）工程で供給された前記酸化剤ガスを前記改質触媒に導くと共に、前記改質触媒上に析出している炭素を酸化除去する工程と
を備える燃料改質装置の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、改質反応を利用して炭化水素系の改質燃料から水素を生成する燃料改質装置およびその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
水素を生成する方法として、改質反応によって炭化水素系燃料から水素を生成する方法が知られている。例えば、特許文献１では、改質反応として水蒸気改質反応と部分酸化反応とを併用して、ガソリンから水素を生成し、生成した水素を燃料電池に供給する技術が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−７９７０３号公報
【特許文献２】
特開２００１−１３９３０１号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ガソリンなどの炭化水素系燃料を改質する際には、改質反応を進行する過程において、改質反応を促進する触媒上に炭素が析出するという問題があった。改質触媒上に炭素が析出すると、析出した炭素によって改質反応が阻害されて、改質反応の効率が低下してしまう可能性がある。
【０００５】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、炭化水素系燃料を改質して水素を生成する際に、改質触媒上に炭素が析出することに起因する改質反応の効率の低下を抑えることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上記目的を達成するために、本発明の第１の燃料改質装置は、改質触媒に対して炭化水素系の改質燃料を間欠的に供給し、改質反応を利用して前記改質燃料から水素を生成する燃料改質装置であって、
前記改質燃料を間欠的に吐出する改質燃料吐出部と、
少なくとも前記改質燃料吐出部が前記改質燃料の吐出を停止しているときに、酸素を含有する酸化剤ガスを、吐出する酸化剤ガス供給部と、
前記改質燃料吐出部が吐出した前記改質燃料と、前記酸化剤ガス供給部が吐出した前記酸化剤ガスとが、直接導入される燃料導入室と、
前記燃料導入室に接続して設けられ、前記改質触媒を備えて、前記燃料導入室を経由した前記改質燃料および前記酸化剤ガスが供給される触媒部と、
前記改質反応に適した量の前記改質燃料を吐出するように前記改質燃料吐出部を制御すると共に、前記改質燃料吐出部が前記改質燃料の吐出を停止する毎に、前記燃料導入室の容積以上の量の前記酸化剤ガスを吐出するように前記酸化剤ガス供給部を制御する制御部と
を備えることを要旨とする。
【０００７】
以上のように構成された本発明の第１の燃料改質装置によれば、改質燃料を吐出する動作と吐出を停止する動作とを交互に繰り返す際に、改質燃料の吐出を停止するときには酸化剤ガスを触媒部に供給することで、改質触媒上に析出している炭素を酸化除去することができる。ここで、改質燃料の吐出を停止する毎に、燃料導入室の容積以上の量の酸化剤ガスを燃料導入室に吐出するため、改質燃料の吐出停止時には、燃料導入室内を酸化剤ガスによって良好に掃気することができる。燃料導入室内の掃気が充分に行なわれることで、触媒部に供給されるガス中の改質燃料濃度が極めて低い状態が実現され、析出炭素の酸化除去を良好に行なうことができる。
【０００８】
本発明の第１の燃料改質装置において、前記制御部は、前記改質燃料吐出部が前記改質燃料の吐出を停止する間に、前記燃料導入室を介して前記触媒部に供給されるガス中の前記改質燃料の濃度が、１ｖｏｌ％以下となるように、前記酸化剤ガス供給部からの前記酸化剤ガスの吐出量を制御することが好ましい。このような構成とすることで、改質触媒上に析出した炭素の酸化除去を、より確実に行なうことができる。
【０００９】
本発明の第１の燃料改質装置において、前記制御部は、前記燃料改質装置が生成すべき水素量に応じて、前記酸化剤ガス供給部が吐出する前記酸化剤ガスの量を変動させると共に、前記酸化剤ガス供給部が吐出する前記酸化剤ガスの量が少ないときほど、前記改質燃料の吐出を停止する動作を行なう時間が長くなるように、前記改質燃料吐出部と前記酸化剤ガス供給部との制御を行なうこととしても良い。
【００１０】
このような構成にすれば、燃料改質装置が生成すべき水素量の変動に伴って酸化剤ガスの供給量が減少するときにも、酸化剤ガスによる燃料導入室内の掃気を確実に行なうことができる。
【００１１】
本発明の第２の燃料改質装置は、改質触媒に対して炭化水素系の改質燃料を間欠的に供給し、改質反応を利用して前記改質燃料から水素を生成する燃料改質装置であって、
前記改質燃料を間欠的に吐出する改質燃料吐出部と、
少なくとも前記改質燃料吐出部が前記改質燃料の吐出を停止しているときに、酸素を含有する酸化剤ガスを吐出する酸化剤ガス供給部と、
前記改質燃料吐出部が吐出した前記改質燃料と前記酸化剤ガス供給部が吐出した前記酸化剤ガスとが直接導入され、前記改質燃料吐出部が前記改質燃料の吐出を停止する間に前記酸化剤ガス供給部が吐出する前記酸化剤ガスの量以下の容積を有するように形成されている燃料導入室と、
前記燃料導入室に接続して設けられ、前記改質触媒を備えて、前記燃料導入室を経由した前記改質燃料および前記酸化剤ガスが供給される触媒部と、
前記改質反応に適した量の前記改質燃料を前記触媒部に供給するように前記改質燃料吐出部を制御すると共に、前記改質燃料吐出部から吐出される前記改質燃料の量に応じた量の前記酸化剤ガスを吐出するように前記酸化剤ガス供給部を制御する制御部と
を備えることを要旨とする。
【００１２】
以上のように構成された本発明の第２の燃料改質装置によれば、改質燃料を吐出する動作と吐出を停止する動作とを交互に繰り返す際に、改質燃料の吐出を停止するときには酸化剤ガスを触媒部に供給することで、改質触媒上に析出している炭素を酸化除去することができる。ここで、改質燃料の吐出を停止する間に供給される酸化剤ガスの量以下の容積を有するように、燃料導入室が形成されているため、改質燃料の吐出停止時には、燃料導入室内を酸化剤ガスによって良好に掃気することができる。燃料導入室内の掃気が充分に行なわれることで、触媒部に供給されるガス中の改質燃料濃度が極めて低い状態が実現され、析出炭素の酸化除去を良好に行なうことができる。
【００１３】
本発明の第１または第２の燃料改質装置において、
前記改質燃料吐出部は、液体の前記改質燃料を前記燃料導入室内に噴霧し、
前記酸化剤ガス供給部は、噴霧された前記改質燃料を気化可能な所定の高温に昇温させた前記酸化剤ガスを、前記改質燃料の吐出の動作を行なう際にも吐出し、
前記燃料導入室は、その内壁面を加熱するための加熱部を備えることとしても良い。
【００１４】
このような構成とすれば、燃料導入室内に噴霧された改質燃料は、酸化剤ガスの有する熱を利用して気化すると共に、加熱部に加熱される燃料導入室の内壁面の熱をさらに利用して気化することができる。したがって、改質燃料は効率よく気化することができ、噴霧された改質燃料の液滴が燃料導入室内に滞留してしまうことがない。そのため、改質燃料の吐出を停止するときには、燃料導入室内を速やかに掃気すると共に、触媒部に供給されるガス中の改質燃料濃度をより確実に低下させることができ、析出炭素除去の効率を向上させることができる。
【００１５】
このような燃料改質装置において、前記酸化剤ガス供給部は、前記酸化剤ガスが前記燃料導入室内で旋回流を形成するように、前記酸化剤ガスを前記燃料導入室内に供給することとしても良い。これにより、噴霧された改質燃料の液滴を、燃料導入室の内壁面の熱を利用して気化させる効率を、さらに向上させることができる。
【００１６】
また、本発明の第１または第２の燃料改質装置において、
前記改質燃料吐出部は、液体の前記改質燃料を前記燃料導入室内に噴霧し、
前記酸化剤ガス供給部は、噴霧された前記改質燃料を気化可能な所定の高温に昇温させた前記酸化剤ガスを、前記改質燃料の吐出の動作を行なう際にも乱流の状態で前記燃料導入室内に供給することとしても良い。
【００１７】
このような構成とすることで、燃料導入室内に噴霧した改質燃料の液滴の気化を促進することができ、燃料導入室内を掃気する効率を向上させることができる。
【００１８】
なお、本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、燃料改質装置を備える燃料電池システムや、燃料改質装置の運転方法などの形態で実現することが可能である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．装置の全体構成：
Ｂ．析出炭素の除去操作：
Ｃ．効果：
Ｄ．第２実施例：
Ｅ．変形例：
【００２０】
Ａ．装置の全体構成：
図１は、実施例としての燃料改質装置１０と燃料電池１７とを備える燃料電池システム１５の構成の概略を表わすブロック図である。燃料改質装置１０は、噴射器２０、燃料導入室２２、改質器２４、熱交換器２６、ＣＯ低減部２８、加熱部３０および制御部３５を備えている。
【００２１】
噴射器２０は、炭化水素系の改質燃料を上記燃料導入室２２内に噴射する。本実施例では、改質燃料として液体炭化水素を用いており、噴射器２０は、この液体の改質燃料を、液体微粒子の状態で噴霧するノズルを備えている。この噴射器２０は、例えば、噴霧する改質燃料量を弁の開閉によって制御可能な電磁ソレノイド弁として形成することができる。噴霧される改質燃料の液滴の大きさは、ノズル先端に設けられた吐出口の大きさによって調節可能である。本実施例では、噴射器２０は、所定量の改質燃料を噴射する際に、この噴射の動作を間欠的に行なうように制御される。
【００２２】
燃料導入室２２には、噴射器２０から噴射される改質燃料の他に、水蒸気および空気（以下、燃料導入室２２に供給される水蒸気と空気とを合わせて改質用ガスと呼ぶ）が、改質用ガス流路３２を介して供給される。この燃料導入室２２に供給される改質用ガスは、供給に先立って、加熱部３０において加熱される。加熱部３０から燃料導入室２２に供給される改質用ガスの量を調節するために、加熱部３０と燃料導入室２２とを接続する改質用ガス流路３２には、バルブ３１が設けられている。燃料導入室２２では、上記改質燃料と改質用ガスとが混合されて混合ガスとなり、この混合ガスは改質器２４に送出される。なお、本実施例の燃料改質装置１０は、既述した噴射器２０が改質燃料の噴射を停止しているときに供給される改質用ガス量が、燃料導入室２２の容積以上になるという特徴を有するが、これについては後に詳しく説明する。
【００２３】
改質器２４は、改質反応を促進する改質触媒を備えている。改質触媒は、用いる改質燃料に応じて適宜選択すればよい。本実施例の改質器２４では、既述したように水蒸気と空気とが供給されるため、改質反応として、水蒸気改質反応および部分酸化反応が進行する。吸熱反応である水蒸気改質反応と発熱反応である部分酸化反応とを行なわせることで、水蒸気改質反応に要する熱の少なくとも一部を部分酸化反応によって供給することができる。改質器２４には、さらにヒータ等の熱源を備えることとしても良く、用いる改質燃料および改質触媒に適した所定の温度範囲となるように、改質器２４内の温度は制御される。本明細書では、改質器２４で生成された水素を含有するガスを改質ガスと称する。なお、改質器２４内では、改質触媒上に析出した炭素を酸化させる反応も進行するが、これについては後述する。
【００２４】
熱交換器２６は、所定の冷媒と熱交換させることによって、改質器２４から排出された改質ガスを降温させるための装置である。熱交換器２６において冷却された改質ガスは、ＣＯ低減部２８に供給される。なお、熱交換器２６で用いる冷媒として、燃料導入室２２に供給すべき空気と水との内の少なくとも一方を用いることとしても良い。
【００２５】
ＣＯ低減部２８は、改質器２４から供給された改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減させる装置である。改質器２４から供給される改質ガスは、通常は所定量の一酸化炭素を含んでいる。このように一酸化炭素を含有するガスを燃料電池１７に供給すると、燃料電池１７が備える白金触媒が一酸化炭素により被毒して、電池性能が低下する可能性がある。そこで、ＣＯ低減部２８を設け、燃料電池１７に供給する改質ガス中の一酸化炭素濃度の低減を図っている。ＣＯ低減部２８は、一酸化炭素と水蒸気とから二酸化炭素と水素とを生じるシフト反応を促進する触媒を備え、シフト反応によって水素リッチガス中の一酸化炭素濃度を低減するシフト部とすることができる。あるいは、水素に優先して一酸化炭素を酸化する選択酸化反応を促進する触媒を備え、一酸化炭素選択酸化反応によって水素リッチガス中の一酸化炭素濃度を低減する一酸化炭素選択酸化部とすることができる。また、ＣＯ低減部２８は、これらシフト部と一酸化炭素選択酸化部との両方を備えることとしても良い。あるいは、ＣＯ低減部２８は、例えばパラジウム等を含有する水素分離膜を用いて、水素を選択的に抽出する装置とすることも可能である。
【００２６】
ＣＯ低減部２８で一酸化炭素濃度が低減された改質ガスは、燃料ガスとして燃料電池１７のアノードに供給される。さらに燃料電池１７のカソードには、酸化ガスとして空気がブロワ３４から供給されて、燃料電池１７において電気化学反応が進行する。
【００２７】
制御部３５は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、ＣＰＵやＲＯＭやＲＡＭ、あるいは、各種信号を入出力する入出力ポートを備える。制御部３５は、燃料電池システム１５が備える各種センサからの検出信号を入力すると共に、既述した噴射器２０やバルブ３１などに駆動信号を出力する。このように制御部３５は、燃料改質装置１０を備える燃料電池システム１５全体の運転状態を制御する。
【００２８】
なお、本実施例の燃料改質装置１０は、燃料電池１７に対して水素を供給することとしたが、燃料改質装置が生成した水素を、異なる種類の水素消費装置に供給することとしても良い。
【００２９】
Ｂ．析出炭素の除去操作：
本実施例の燃料改質装置１０では、噴射器２０から燃料導入室２２内に改質燃料を間欠的に噴射することによって、析出炭素の除去操作を行なっている。すなわち、改質反応を進行する際には改質触媒上に炭素が析出する可能性があるが、燃料噴射を停止する期間を設け、この期間には燃料導入室２２に対して改質用ガスだけを供給することで、改質触媒上に析出した炭素の酸化除去を図っている。さらに、本実施例の燃料改質装置１０では、燃料導入室２２は、その容積が、燃料噴射を停止する間に燃料導入室２２に供給される改質用ガスの量（体積）以下となるように形成されている。これによって、析出炭素除去をより確実に行なうことが可能となっている。以下、燃料噴射を間欠的に行なう制御について説明する。
【００３０】
図２は、燃料改質装置１０の運転中に、制御部３５において所定のタイミングで繰り返し実行される運転制御処理ルーチンを表わすフローチャートである。
【００３１】
本ルーチンが実行されると、制御部３５は、まず、要求水素量を入力する（ステップＳ１００）。要求水素量とは、燃料改質装置１０が生成すべき水素量であり、例えば、燃料電池１７に要求される電力量に基づいて求めることができる。
【００３２】
次に制御部３５は、上記要求水素量に基づいて、燃料噴射量および改質用ガス量を設定する（ステップＳ１１０）。燃料噴射量は、要求水素量に相当する量の水素を改質反応により生成するのに要する改質燃料量であり、改質器２４における改質反応の効率に応じて設定される。また、改質用ガス量（空気量および水蒸気量）は、供給する改質燃料量に対して、所定の割合となるように設定される。本実施例では、改質器２４において良好に改質反応が進行するように、予めＯ／Ｃ（改質燃料中の炭素原子に対する改質用ガス中の酸素分子の割合）およびＳ／Ｃ（改質燃料中の炭素原子に対する改質用ガス中の水分子の割合）が定められている。そして、上記改質燃料量とＯ／ＣおよびＳ／Ｃとに基づいて、改質用ガス量が設定される。なお、ステップＳ１１０において設定される改質燃料量および改質用ガス量は、要求水素量に基づいて上記のようにその都度算出しても良いし、要求水素量とこれらの設定量とを予め関連づけたマップを利用して設定しても良い。
【００３３】
燃料噴射量および改質用ガス量は、要求水素量以外のパラメータを考慮して設定しても良い。このような他のパラメータとしては、例えば、改質器２４の温度が挙げられる。改質器２４の温度によって改質反応の効率が変化するため、改質器２４の温度を考慮することで、所望量の水素を得るのに必要な改質燃料量をより正確に設定することができる。また、改質器２４の温度が低いとき（暖気時など）には、改質用ガス中の水蒸気量を削減すると共に空気量を増加させて、改質器２４内で酸化反応をより活発に行なわせることとしても良い。
【００３４】
燃料噴射量および改質用ガス量を設定すると、制御部３５は、燃料噴射を行なう期間と燃料噴射停止を行なう期間とを設定する（ステップＳ１２０）。図３は、析出炭素の除去操作における燃料噴射の様子を例示する説明図である。図３に示すように、実行周期Ｔは、燃料噴射を行なう噴射期間ｔ１と、燃料噴射を停止する停止期間ｔ２とによって構成される。停止期間ｔ２では、改質用ガスのみが燃料導入室２２に供給される。本実施例では、実行周期Ｔを一定として、噴射期間ｔ１と停止期間ｔ２との時間密度（以下、デューティー比という）を、ステップＳ１１０で設定した燃料噴射量に応じて制御している。噴射器２０の性能（例えばノズルの吐出口の大きさや噴射圧など）によって噴射器２０から噴射される改質燃料の流量は定まるため、この改質燃料流量と、ステップＳ１２０で設定した燃料噴射量とに基づいて、噴射期間ｔ１を設定することができる。図３（Ａ）は、要求電力量がより多いとき、すなわち要求水素量がより多いときを表わし、図３（Ｂ）は、要求水素量および要求水素量がより少ないときを表わす。図３に示すように、要求水素量が多いときほど噴射期間ｔ１はより長く設定される。実際に上記各期間を設定する際には、要求水素量、あるいはさらに改質触媒温度に対応して、噴射期間ｔ１および／または停止期間ｔ２を予め定めてマップとして制御部３５に記憶しておき、このマップを参照することとしても良い。
【００３５】
以上の処理により設定された種々の制御量に従って、制御部３５は、燃料改質装置１０の各部を制御して（ステップＳ１３０）、本ルーチンを終了する。これにより、燃料噴射が期間ｔ１行なわれ、噴射停止が期間ｔ２行なわれる動作が繰り返され、全体としてステップＳ１１０で設定した量の改質燃料が供給されて、改質反応により水素が生成される。また、改質用ガスは、その供給量がステップＳ１１０で設定された量（以下、改質用ガス流量Ｑという）となるように、噴射期間ｔ１と停止期間ｔ２とに関わらない略一定の状態で供給される。これにより、停止期間ｔ２では改質用ガス中の酸素を利用して析出炭素の酸化除去が行なわれる。
【００３６】
ここで、本実施例の燃料改質装置１０は、停止期間ｔ２の間に供給される改質用ガス量（体積）が、燃料導入室２２の容積Ｖ以上となるように構成されている。すなわち、要求水素量が変動して停止期間ｔ２が変動する場合にも、改質用ガス流量Ｑに対して、以下の（１）式が成り立つ。
Ｑ×ｔ２≧Ｖ    …（１）
【００３７】
図４は、噴射器２０から間欠的に改質燃料が噴射されるときの、燃料導入室２２および改質器２４の様子を模式的に表わす説明図である。噴射期間ｔ１において噴射器２０から改質燃料の噴射を開始すると（図４（Ａ））、燃料導入室２２内の改質燃料濃度が上昇し、燃料導入室２２から改質器２４に供給されるガス中の改質燃料濃度も上昇する（図４（Ｂ））。このように供給された改質燃料を用いて、改質器２４では改質反応が進行する。噴射期間ｔ１が経過して停止期間ｔ２になると、燃料導入室２２には、改質用ガスだけが供給されるようになる。そして、停止期間ｔ２の間に燃料導入室２２に供給される改質用ガスの量は、燃料導入室２２の容積Ｖ以上のＱ×ｔ２であるため、停止期間ｔ２の間に燃料導入室２２内は充分に掃気される（図４（Ｃ））。これにより、燃料導入室２２から改質器２４に供給されるガス中の改質燃料濃度は極めて低くなり、改質器２４では、改質用ガス中の酸素を用いて析出炭素の酸化が行なわれる。
【００３８】
既述したように、要求水素量が減少するときには、停止期間ｔ２がより長く設定されると共に、改質用ガス流量Ｑがより小さく設定される。逆に、要求水素量が増加するときには、停止期間ｔ２がより短く設定されると共に、改質用ガス流量Ｑがより大きく設定される。このように要求水素量が変動する場合にも、常に上記（１）式が成り立つように、燃料導入室２２の大きさが定められている。このように、燃料改質装置１０において予め設定される処理能力の範囲内において運転されるときに、常に上記（１）式が成り立つように、燃料導入室２２は設計されている。
【００３９】
燃料導入室２２の設計の際には、例えば、想定される要求水素量の変動の範囲全体にわたってシミュレーションを行ない、「Ｑ×ｔ２」の予想される最小値を求め、燃料導入室２２の容積が上記最小値以下となるようにすればよい。あるいは、上記「Ｑ×ｔ２」の値が特に小さくなると予測される運転状態において、常に上記「Ｑ×ｔ２」以下となるように、燃料導入室２２の容積を設定することとしても良い。例えば、本実施例に示したような燃料改質装置では、一般的に低負荷時ほど上記Ｑ×ｔ２が小さくなる傾向があるため、低負荷時の代表的な運転状態（例えば燃料電池システム１５が起動状態を維持するのに要する電力のみを発電するアイドリング状態）において（１）式が成り立つように、燃料導入室２２の容積Ｖを定めることとしても良い。上記（１）式が成り立つ範囲において、噴霧した改質燃料を充分に気化させて改質用ガスと混合することができる容積が確保されていればよい。
【００４０】
Ｃ．効果：
以上のように構成された本実施例の燃料改質装置１０によれば、改質燃料の供給を間欠的に行なって改質触媒上の析出炭素の酸化除去を図る際に、停止期間ｔ２に供給される改質用ガス量を、燃料導入室２２の容積以上とすることで、析出炭素除去をより確実に実行可能となっている。停止期間ｔ２に供給される改質用ガス量を、燃料導入室２２の容積以上とすることで、燃料噴射停止の際には燃料導入室２２内が充分に掃気され、改質器２４に供給されるガス中の改質燃料の濃度が極めて低くなる状態が実現される。このように改質器２４に供給されるガス中の改質燃料の濃度が極めて低くなることで、改質触媒の析出炭素の酸化が効果的に行なわれる。そして、このような動作が繰り返し実行されることで、改質触媒上に析出炭素が堆積してしまうのを防止することができる。
【００４１】
図５は、燃料噴射の動作と、改質器２４に供給されるガス中の改質燃料濃度との関係を表わす説明図である。図５に示すように、改質器２４に供されるガス中の改質燃料濃度は、噴射期間ｔ１において燃焼噴射が開始されると急激に高まり、燃料噴射期間ｔ１の終わりに最も高くなる。そして、改質燃料濃度は、停止期間ｔ２になると、燃料導入室２２が改質用ガスによって掃気されることで急激に低下する。このように改質器２４に供給されるガス中の改質燃料濃度が低くなる状態を設けることで、改質触媒の析出炭素を良好に酸化除去することが可能となる。具体的には、改質器２４に供給されるガス中の改質燃料濃度が１ｖｏｌ％以下となる時間が５０ｍｓｅｃ以上あることが望ましい。なお、析出炭素を燃焼除去する際の効率は、上記改質器２４に供給されるガス中の改質燃料濃度の他に、改質触媒上に析出している炭素量や、改質用ガス中の酸素量や、改質触媒温度などの影響を受ける。
【００４２】
停止期間ｔ２においては、上記のように、改質器２４に供給されるガス中の改質燃料濃度が充分に低くなる状態を設けることで、析出炭素の除去を確実に実行可能となっている。さらに、改質器２４に供給されるガス中の改質燃料濃度をより低くすることで、改質器２４内の温度がより低い状態であっても、析出炭素の酸化を行なうことが可能となる。そのため、高温となることに起因して改質触媒が劣化するのを抑え、改質器２４の耐久性を向上させることができる。
【００４３】
本実施例では、燃料噴射量を変更するときには、噴射器２０において、デューティー比を一定としつつ噴射期間ｔ１および停止期間ｔ２の長さを変更している。このような構成とすることで、燃料噴射量がより少なく設定されるときにも燃料導入室２２内の掃気を充分に行ない、析出炭素を効率よく除去可能となっている。すなわち、燃料噴射量が少ないときには、これに応じて改質用ガス量も少なく設定され、燃料導入室２２内の掃気が行なわれにくくなるが、燃料噴射量が少ないときには停止期間ｔ２もより長く設定することにより、改質用ガス流量が少なくなっても燃料導入室２２の掃気を充分に行なうことが可能となっている。
【００４４】
なお、燃料噴射量を変更するときに、デューティー比に代えて周期Ｔを変更する制御を行なう場合にも、同様の効果を得ることができる。デューティー比に代えて周期Ｔを変更する場合にも、燃料噴射量をより少なく設定するときには停止期間ｔ２がより長くなるため、燃料導入室２２の掃気を充分に行なうことが可能となる。
【００４５】
上記実施例では、停止期間ｔ２において改質燃料の噴射が完全に停止されることとしたが、噴射器２０からの改質燃料噴射が完全には停止しない構成とすることも可能である。本実施例では噴射器２０として電磁ソレノイド弁を用いたが、用いる噴射器２０の種類によっては、燃料噴射の信号がオフとなっても、直ちには燃料噴射が停止しない場合も考えられる。このような場合にも、燃料噴射信号がオフとなる停止期間ｔ２を設けることによって、改質器２４に供給されるガス中の改質燃料濃度が上記のように充分に低くなる状態を実現し、同様の効果を得ることができる。
【００４６】
Ｄ．第２実施例：
第１実施例では、停止期間ｔ２に供給される改質用ガス量を、燃料導入室２２の容積以上とすることで、燃料導入室２２内を充分に掃気し、改質器２４に供給されるガス中の改質燃料濃度を充分に低減可能にしている。以下の第２実施例では、このような構成に加えて、燃料導入室の構造によって燃料導入室内での改質燃料の気化を促進することで、燃料導入室内の掃気の効率のさらなる向上と、改質器２４に供給されるガス中の改質燃料濃度のさらなる低減を図っている。
【００４７】
図６は、第２実施例の燃料改質装置の要部の断面の様子を表わす説明図である。また、図７は、図６における７−７断面の様子を表わす説明図である。第２実施例の燃料改質装置は、第１実施例の燃料電池システム１５と同様のシステムに備えられており、図６では、図１中の噴射器２０と燃料導入室２２と改質器２４に対応する部分のみ示している。図６では、図１と共通する部分には同じ参照番号を付しており、詳しい説明は省略する。
【００４８】
図６に示すように、第２実施例では、燃料導入室１２２と改質器２４とは、それぞれ略円柱状に形成されている。そして、断面直径がより大きな円柱として形成される燃料導入室１２２をと、断面直径がより小さな円柱として形成される改質器１２４とを直列に接続させた形状として、両者は一体で形成されている。
【００４９】
燃料導入室１２２には、改質用ガス流路３２が接続されているが、改質用ガス流路３２から導入された高温の改質用ガスは、燃料導入室１２２内で、円柱内壁面に沿って旋回流を形成する。そして、噴射器２０から噴射される改質燃料は、この旋回流を形成する改質用ガスと混ざり合いながら気化する。また、燃料導入室１２２の壁面内にはヒータ１２１が配設されており、ヒータ１２１によって燃料導入室１２２の壁面は加熱されている。
【００５０】
燃料導入室１２２と改質器１２４との間には、隔壁１２３ａが設けられている。隔壁１２３ａは、燃料導入室１２２側に凸となる円錐壁面状に形成されており、その中央部（頭頂部）には連通穴１２３ｂが形成されている。燃料導入室１２２内で気化した改質燃料と改質用ガスとが混合された混合ガスは、連通穴１２３ｂを介して改質器１２４へ導入される。
【００５１】
改質器１２４内には、改質触媒１２５が備えられている。改質触媒１２５は、ハニカム担体上に担持させたりペレット状に形成するなど種々の形状とすることができるが、本実施例ではハニカム担体を用いている。混合ガスが改質器１２４に供給されると、改質触媒上で改質反応が進行し、生じた改質ガスは熱交換器へと排出される。
【００５２】
以上のように構成された第２実施例の燃料改質装置によれば、燃料導入室１２２に供給される改質用ガスが燃料導入室１２２内で旋回流を形成するため、噴霧された改質燃料液滴のうち、比較的粒径が大きく気化が遅いものは、燃料導入室１２２の壁面上へと吹き飛ばされる。旋回流によって壁面上へと吹き飛ばされることで、改質燃料液滴と燃料導入室１２２の壁面との接触面積（伝熱面積）は大きくなる。このとき、燃料導入室１２２の壁面は、ヒータ１２１によって加熱されているため、燃料導入室１２２の壁面上に吹き飛ばされた改質燃料液滴は、燃料導入室１２２の壁面上で速やかに気化することができる。このように、改質燃料液滴の気化を促進することで、燃料導入室１２２内で改質燃料が滞留してしまうのを防ぐことができ、燃料噴射を停止する停止期間ｔ２における燃料導入室１２２内の掃気効率を向上させることができる。そして、燃料導入室１２２の掃気効率を向上させることで、改質触媒における析出炭素の酸化除去の効率を向上させることができる。なお、ヒータ１２１によって燃料導入室１２２の壁面を加熱する際に、壁面上でライデンフロスト現象が起こる温度にまで上記壁面が昇温する場合には、改質燃料の液滴が壁面上を動き回ることにより液滴の微粒化が促進される。このように改質燃料の液滴を微粒化することによっても、改質燃料の気化を促進することができる。
【００５３】
さらに、上記のように燃料導入室１２２内に供給される改質用ガスが燃料導入室１２２内で旋回流を形成することによって、未気化の液滴が改質器１２４側に流れ込んで、改質触媒表面に改質燃料液滴が付着して不都合を生じるのを防止するという効果も得られる。
【００５４】
さらに、本実施例の燃料改質装置において、改質用ガス流路３２の直径は、改質用ガス流路３２から燃料導入室１２２内に導入される改質用ガスが乱流として流動する直径（図７に示したＤ）に設定することが好ましい。流体の流れが層流であるか乱流であるかは、レイノルズ係数Ｒｅ（Ｒｅ＝Ｄｖ／ν、ｖ：改質用ガスの流速、ν：流体の動粘性係数）を用いて判断することが可能である。流体の流れが乱流となる境界臨界レイノルズ係数Ｒｅｃ  ＝約２０００であることが知られている。
【００５５】
このように、燃料導入室１２２に供給する改質用ガスを乱流とすることで、噴霧された改質燃料液滴の気化をさらに促進し、燃料導入室１２２からの掃気の効率を向上させることができる。改質用ガスを乱流とすることで改質燃料液滴の気化が促進されるのは、以下のような理由であると考えられる。微粒化した改質燃料液滴が蒸発する際には、蒸発した改質燃料蒸気の層によって改質燃料液滴の周りが覆われてしまう。この結果、改質燃料液滴への熱伝導が妨げられ、改質用ガスの熱エネルギによって改質燃料液滴を気化する効率が低下してしまう場合がある。ここで、改質用ガスの流れを乱流とすることにより、改質燃料液滴を覆う蒸気層を除去する効果が得られ、改質燃料の気化を促進することができる。
【００５６】
なお、第２実施例では、燃料導入室１２２の壁面を加熱するためにヒータ１２１を設けたが、異なる種類の加熱部を設けることとしても良い。燃料改質装置を備えるシステム内で高温ガス（例えば燃焼ガス）が発生する場合には、この高温ガスが燃料導入室１２２の壁面を加熱可能となるように、上記高温ガスの流路を引き回すこととしても良い。
【００５７】
Ｅ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００５８】
Ｅ１．変形例１：
第１および第２実施例では、改質用ガスの流量は、噴射期間ｔ１と停止期間ｔ２とを通して略一定となるように制御したが、噴射期間ｔ１と停止期間ｔ２とで改質用ガス流量を変える制御を行なっても良い。この場合にも、停止期間ｔ２に燃料導入室内に供給される改質用ガス量が、燃料導入室の容積以上であれば、同様の効果を得ることができる。
【００５９】
Ｅ２．変形例２：
第１および第２実施例では、停止期間ｔ２には、空気と水蒸気とからなる改質用ガスを供給したが、少なくとも酸素を含有する酸化剤ガスを供給することとすれば、析出炭素の酸化除去を同様に行なうことができる。例えば、停止期間ｔ２には、水蒸気の供給を行なわないこととしてもよい。停止期間ｔ２に燃料導入室に供給する酸化剤ガスとして空気を用いる場合には、停止期間ｔ２に供給される空気量が、燃料導入室の容積以上であればよい。
【００６０】
Ｅ３．変形例３：
また、既述した実施例では、燃料導入室に対して、改質用ガスとして空気と水蒸気とを一緒に投入することとしたが、両者を別々に燃料導入室に供給することとしても良い。例えば、予め生成した水蒸気を燃料導入室に供給する代わりに、ノズルを用いて燃料導入室内に液水を噴霧して、加熱空気の持ち込む熱を利用して改質燃料と共に気化させることとしても良い。この場合には、停止期間ｔ２に加熱空気を燃料導入室に供給する際に、水の噴霧を同時に行なうこととしても良いし、水の噴霧は行なわないこととしても良い。
【００６１】
あるいは、空気の全量を水蒸気と共に改質用ガスとして燃料導入室に供給するのに代えて、供給すべき空気の少なくとも一部を、噴射器２０から供給することとしても良い。例えば、２流体ノズルとして構成される噴射器２０によって改質燃料を噴霧することとし、２流体ノズルで用いるアシストガスとして空気を用いることとしても良い。
【００６２】
Ｅ４．変形例４：
また、既述した実施例では、燃料導入室と改質器とを区別して設けたが、構造上、両者の区別を設けない構成も可能である。図８は、変形例としての燃料改質装置の構成の概略を表わす説明図である。図８の燃料改質装置における改質器２２４は、改質触媒１２５と、その上流側に所定の広さを持つ空間として形成され、ヒータ２２１を配設した噴霧・混合部２２２と、を備えている。そして、改質燃料を噴射器２２０からこの噴霧・混合部２２２内に噴射すると共に、改質用ガスを噴霧・混合部２２２内に供給している。噴射器２２０から噴射された改質燃料は、ヒータ２２１の熱および改質用ガスの熱によって気化され、改質用ガスと混ざり合いながら、改質用ガスの流れによって改質触媒２２５に導かれる。このような燃料改質装置では、上記噴霧・混合部２２２が、改質燃料が直接導入される燃料導入室に相当し、停止期間ｔ２に供給される改質用ガス量が、噴霧・混合部２２２の容積以上であればよい。
【００６３】
Ｅ５．変形例５：
噴射器２０から噴射する液体改質燃料としては、種々の炭化水素系燃料を用いることができる。例えば、ガソリンやアルコール、あるいはアルデヒドを含有するものを用いることができる。また、実施例では、改質燃料として液体燃料を用いたが、気体燃料を用いることとしても良い。この場合には、燃料導入室内に液体燃料を噴霧するのに代えて、燃料導入室に気体燃料を気体のまま導入すればよい。間欠的に改質燃料を燃料導入室内に吐出し、燃料の吐出を停止している間に、燃料導入室の容積以上の量の酸化剤ガスが燃料導入室内に供給されるならば、同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例としての燃料改質装置１０を備える燃料電池システム１５の構成の概略を表わすブロック図である。
【図２】運転制御処理ルーチンを表わすフローチャートである。
【図３】析出炭素の除去操作における燃料噴射の様子を例示する説明図である。
【図４】噴射器２０から間欠的に改質燃料が噴射されるときの、燃料導入室２２および改質器２４の様子を模式的に表わす説明図である。
【図５】燃料噴射の動作と、改質触媒に供給されるガス中の改質燃料濃度との関係を表わす説明図である。
【図６】第２実施例の燃料改質装置の要部断面の様子を表わす説明図である。
【図７】図６における７−７断面の様子を表わす説明図である。
【図８】変形例としての燃料改質装置の構成の概略を表わす説明図である。
【符号の説明】
１０…燃料改質装置
１５…燃料電池システム
１７…燃料電池
２０，２２０…噴射器
２２，１２２…燃料導入室
２４，１２４，２２４…改質器
２６…熱交換器
２８…ＣＯ低減部
３０…加熱部
３１…バルブ
３２…改質用ガス流路
３５…制御部
１２１…ヒータ
１２３ａ…隔壁
１２３ｂ…連通穴
１２５，２２５…改質触媒
２２１…ヒータ
２２２…噴霧・混合部
【図１】
2004262689.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2004262689.tif 000007
【図６】
2004262689.tif 000008
【図７】
2004262689.tif 000009
【図８】
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