(57)【要約】【課題】蒸発部の排ガスの有効利用をはかった燃料改質装置の提供。【解決手段】（１）蒸発部２、改質部３、ＣＯ浄化部４を有する燃料改質装置１であって、蒸発部２の排ガス１０の少なくとも一部を改質部３に導入し改質部３での酸化改質の酸化エアとして使用する燃料改質装置。（２）蒸発部２、改質部３、ＣＯ浄化部４を有する燃料改質装置１であって、蒸発部２の排ガス１０の少なくとも一部をＣＯ浄化部４に導入しＣＯ浄化部４でのＣＯ酸化の酸化エアとして使用する燃料改質装置。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸発部、改質部、ＣＯ浄化部を有する燃料改質装置であって、蒸発部の排ガスの少なくとも一部を改質部に導入し改質部での酸化改質の酸化エアとして使用する燃料改質装置。
【請求項２】
蒸発部、改質部、ＣＯ浄化部を有する燃料改質装置であって、蒸発部の排ガスの少なくとも一部をＣＯ浄化部に導入しＣＯ浄化部でのＣＯ酸化の酸化エアとして使用する燃料改質装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液状燃料から燃料電池（たとえば、固体高分子電解質型燃料電池）等に使用する水素含有燃料ガスを生成する燃料改質装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料改質装置１０１は、図３に示すように、蒸発部１０２、改質部１０３、ＣＯ浄化部１０４を有する。流路１０７は蒸発部１０２と改質部１０３とを接続し、流路１０８は改質部１０３とＣＯ浄化部１０４とを接続し、流路１０９はＣＯ浄化部１０４と燃料電池とを接続している。液状燃料（たとえば、メタノール、ガソリン等）１０５は水を混ぜられ、熱交換器である蒸発部１０２で燃焼エア１０６の熱によって気化され、改質部１０３で酸化エア１１０が導入されて水蒸気改質と酸化改質が行われて水素含有ガスが生成され、ＣＯ浄化部１０４で別の酸化エア１１１が導入されてＣＯが低減される。
蒸発部１０２の燃焼エア１０６は、燃料の一部を燃焼させたもので、蒸発部１０２で熱を奪われて、その熱が液状燃料１０５と水の気化に用いられ、温度が下げられた燃焼エアである排ガスはそのまま外気に排気される。燃焼エア１０６と、水を混合された液状燃料１０５とは、蒸発部１０２で混じり合わない。
改質部１０３では、気化された燃料と水、および導入された酸化エア１１０（蒸発部１０２の排ガスとは別のエア）により、
ＣＨ３  ＯＨ＋Ｈ２  Ｏ      →  ３Ｈ２  ＋ＣＯ２  −熱  ……  水蒸気改質
ＣＨ３  ＯＨ＋１／２Ｏ２    →  ２Ｈ２  ＋ＣＯ２  ＋熱  ……  酸化改質
が行われ、Ｈ２  、ＣＯ２  、Ｈ２  Ｏ、Ｎ２  、ＴＨＣ（Ｔｏｔａｌ  Ｈｙｄｒｏ−Ｃａｒｂｏｎ、燃えかすのＨＣ）、ＣＯを含む水素含有ガスが生成される。ＣＯは燃料電池（Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）で触媒のＣＯ被毒を起こし、触媒がＨ２  と反応しなくなる。
それを防止するために、ＣＯ浄化部１０４で別の酸化エア１１１（蒸発部１０２の排ガスとは別のエア）が導入されてＣＯがＣＯ２  に酸化され、浄化される。ＣＯが除去された水素含有ガスは燃料電池に供給され、燃料電池は水素含有ガスを燃料ガスとして電気化学反応により発電する。
従来の燃料改質装置において、蒸発部１０２の排ガスは、通常、外気に捨てられている。したがって、蒸発部１０２の排ガスを改質部１０３やＣＯ浄化部１０４に導入して燃料と水の蒸発ガスに混ぜて蒸発部１０２の排ガス中に残っている酸素を改質部１０３での酸化改質の酸素やＣＯ浄化部１０４でのＣＯ酸化用の酸素に使用することは、行われていない。
従来、特開平１０−２９７９０３号公報は、蒸発部の排ガスを改質部の床に導き、蒸発部の排ガスを改質部を通る燃料と水の蒸発ガスに混ぜることなく、蒸発部の排ガスの熱で改質部を温め、排ガスの熱を利用することを開示している。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１０−２９７９０３号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の改質装置では、蒸発部の燃焼エアは蒸発部の温度上限があるため、理論空燃比以上に投入されており、排ガスにはかなり多くのＯ２  が含まれているのかかわらず、そのまま外気に捨てていたため、エアの供給に無駄がある。また、燃焼ガスが燃料（メタノール、ガソリン等）の一部を燃やして作られた場合、ＴＨＣを含むため、それを外気に捨てると、環境上望ましくない。
また、改質部やＣＯ浄化部に空気を導入するのに専用のコンプレッサーが必要であり、装置費用上、および車両搭載スペース上、コンプレッサー削減が望まれていた。
本発明の目的は、蒸発部の排ガスの有効利用をはかった燃料改質装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
（１）  蒸発部、改質部、ＣＯ浄化部を有する燃料改質装置であって、蒸発部の排ガスの少なくとも一部を改質部に導入し改質部での酸化改質の酸化エアとして使用する燃料改質装置。
（２）  蒸発部、改質部、ＣＯ浄化部を有する燃料改質装置であって、蒸発部の排ガスの少なくとも一部をＣＯ浄化部に導入しＣＯ浄化部でのＣＯ酸化の酸化エアとして使用する燃料改質装置。
【０００６】
上記（１）の燃料改質装置では、蒸発部の排ガスの少なくとも一部を改質部に導入し改質部での酸化改質の酸化エアとして使用するので、排ガスを外気に捨てていた場合に比べ、あるいは排ガスの熱しか利用していなかった場合に比べ、排ガスの酸素の有効利用がはかられる。
また、ＴＨＣを含む排ガスを全量外気に排出していた従来では、ＴＨＣ排出による環境上の問題が生じたが、本発明では、エアを蒸発部に導入する場合は蒸発部の排ガスはＴＨＣを含まず、また従来同様に燃焼エアを蒸発部に導入した場合でも排ガスが改質部、ＣＯ浄化部に流れＴＨＣも酸化され浄化されるので、環境上有利である。
また、改質部に酸化エアを供給する専用コンプレッサーが必要でなくなり、コストおよび設置スペースの削減上有利である。
上記（２）の燃料改質装置では、蒸発部の排ガスの少なくとも一部をＣＯ浄化部に導入しＣＯ酸化の酸化エアとして使用するので、排ガスを外気に捨てていた場合に比べ、排ガスの酸素の有効利用がはかられる。
また、ＴＨＣを含む排ガスを全量外気に排出していた従来では、ＴＨＣ排出による環境上の問題が生じたが、本発明では、エアを蒸発部に導入する場合は蒸発部の排ガスはＴＨＣを含まず、また従来同様に燃焼エアを蒸発部に導入した場合でも排ガスがＣＯ浄化部に流れＴＨＣも酸化され浄化されるので、環境上有利である。
また、ＣＯ浄化部に酸化エアを供給する専用コンプレッサーが必要でなくなり、コストおよび設置スペースの削減上有利である。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の燃料改質装置の望ましい実施例を、図１、図２を参照して説明する。図１は本発明の実施例１を示し、図２は本発明の実施例２を示す。
本発明の実施例１、２にわたって共通する部分には、本発明の実施例１、２にわたって同じ符合を付してある。
【０００８】
まず、本発明の実施例１、２にわたって共通する部分を、図１を参照して説明する。
本発明の燃料改質装置１は、蒸発部２、改質部３、ＣＯ浄化部４を有する。流路７は蒸発部２と改質部３とを接続し、流路８は改質部３とＣＯ浄化部４とを接続し、流路９はＣＯ浄化部４と燃料電池（ＦＣ）とを接続している。
【０００９】
蒸発部２は、水が混ぜられた液状改質燃料５（たとえば、メタノール、ディメチルエーテル、その他のＨＣ燃料等、以下、単に燃料という）、または水のみ（たとえば、ガソリン、液化天然ガスを燃料とする場合）を、熱で、蒸発、気化させる熱交換器である。蒸発部２での熱は、蒸発部２に常温のエア６が供給され蒸発部２で化学反応によりたとえば５００℃程度に昇温された時の熱か（図１、図２はこの場合を示す）、または、燃料５の一部あるいはＦＣで用いられる水素の一部を燃焼させて得た熱である。蒸発部２では、水が混ぜられた液状燃料５とエア６とは混ざり合わない。蒸発部２にて気化された燃料および水は、流路７を介して改質部３に流れる。蒸発部２で燃料および水の蒸発に熱を奪われて蒸発部２から出るエア６である排ガス１０は、蒸発部２を出る時には、たとえば、数百℃になっている。
【００１０】
蒸発部２からの排ガス１０は、化学反応で昇温された場合であっても、あるいは燃料５の一部あるいはＦＣの水素の一部を燃焼をさせて昇温された場合であっても、蒸発部２の温度に上限があるため理論空気比以上にエアを投入しているので、相当量のＯ２  を含んでいる。蒸発部２からの排ガス１０は、従来その全量が外気に捨てられていたが、本発明では、その少なくとも一部（全量でもよい）が、流路１１を通して、改質部３に、またはＣＯ浄化部４に、または改質部３とＣＯ浄化部４の両方に、導入される。そして、蒸発部２からの排ガス１０は、導入された部位で、燃料５と水を蒸発させたガスに混合される。
【００１１】
従来は、改質部に蒸発部からの排ガスとは別の酸化エアが導入され、ＣＯ浄化部に蒸発部からの排ガスとは別の酸化エアが導入されていたが、本発明ではこれらの酸化エアの導入はなく、蒸発部２からの排ガス１０が酸化エアとして用いられる。
蒸発部２からの排ガス１０の、改質部３、ＣＯ浄化部４への供給は、エア６を蒸発部２の供給するコンプレッサー１４によるエア６の圧力上昇によって行われる。すなわち、コンプレッサー１４によってエア６は圧力上昇しており、排ガス１０もそれに対応して圧力が、改質部３、ＣＯ浄化部４内のガス圧より上がっており、その差圧で、排ガス１０が改質部３、ＣＯ浄化部４に流れる。
【００１２】
蒸発部２からの排ガス１０が酸化エアとして改質部３、ＣＯ浄化部４に供給される場合、排ガス１０の酸素量を測定し、供給タイミング、供給量（余剰は外気に排出する）をコントロールするために、蒸発部２からの排ガス１０出口に酸素センサー１２が設けられ、流路１１に流量制御弁１３（三方弁または２個の二方弁）が設けられる。
【００１３】
改質部３では、蒸発部２からの排ガス１０が酸化エア６として用いられ、水蒸気改質と酸化改質が行われて水素含有ガスが生成される。水蒸気改質と酸化改質の反応式および改質ガスのガス組成は前記と同じである。水蒸気改質の水蒸気は燃料５が蒸発部２に導入される時に混合された水の蒸気が用いられ、酸化改質の酸素は蒸発部２からの排ガス１０中にある酸素が用いられる。
【００１４】
また、ＣＯ浄化部１４では、蒸発部２からの排ガス１０が酸化エア６として用いられ、ＣＯが酸化反応でＣＯ２  とされることにより、ＣＯが浄化される。ＣＯ浄化部１４でのＣＯの浄化は、ＣＯがＦＣで触媒を被毒し水素をプロトンに変換する電気化学反応を阻害するので、それを防止するために行われる。
【００１５】
つぎに、本発明の実施例１、実施例２に共通な部分の作用を説明する。
蒸発部２の排ガス１０の少なくとも一部を改質部３、ＣＯ浄化部４の少なくとも一方に導入し改質部３での酸化改質の酸化エア、ＣＯ浄化部４のＣＯ酸化の酸化エアとして使用するので、排ガスを全量外気に捨てていた場合に比べ、あるいは排ガスの熱しか利用していなかった場合に比べ、排ガスの酸素の有効利用がはかられる。
【００１６】
また、ＴＨＣを含む排ガスを全量外気に排出していた従来では、ＴＨＣ排出による環境上の問題が生じるが、本発明では、エア６を蒸発部２に導入する場合は排ガス１０はＴＨＣを含まず、また従来同様に燃焼エアを蒸発部２に導入した場合でも排ガス１０が改質部３、ＣＯ浄化部４に流れＴＨＣも酸化され浄化されるので、環境上有利である。
【００１７】
また、改質部に酸化エアを供給する専用コンプレッサーが必要でなくなり、コストおよび設置スペースの削減上有利である。
すなわち、従来のように、別の酸化ガスを改質部３、ＣＯ浄化部４に導入する場合は、それぞれ、専用のコンプレッサーが必要であったが、本発明では、従来からも必要であった、エア６を蒸発部２の供給するコンプレッサー１４で、酸化ガスの供給コンプレッサーをまかなうことができ、機器の削減によるコストダウンがはかられるとともに、車両への搭載時のスペースが小で済む。
また、改質反応は約３００℃で行われるが、従来のように常温のエアを酸化ガスとして用いる場合に比べて、本発明のように数百℃の排ガス１０が酸化ガスに用いられる場合は数百℃分の酸化ガス昇温エネルギーが助かる。
【００１８】
つぎに、本発明の各実施例を説明する。
本発明の実施例１では、図１に示すように、蒸発部２の排ガス１０の少なくとも一部（全量でもよい）が流路１１を通して改質部３に供給される。排ガス１０の圧力は改質部３の圧力より大である。改質部３に入る排ガス量は弁１３により調整される。改質部３には、従来設けられていた酸化エア供給用の、流路とコンプレッサーは設けられていない。
排ガス１０中の酸素（Ｏ２  が十数％含まれている）が酸化エアとして有効利用される。排ガス１０のＴＨＣ処理も自動的になされる。排ガス１０は数百℃であり、常温の酸化エアを供給していた従来に比べて熱エネルギーも節約できる。コンプレッサー１４がエア６供給と共に、排ガス１０を改質部３に供給するコンプレッサーとしても働くので、従来必要であった酸化エア供給用のコンプレッサーが不要となり、その分、コストダウンできる。
【００１９】
本発明の実施例２では、図２に示すように、蒸発部２の排ガス１０の少なくとも一部（全量でもよい）が流路１１を通してＣＯ浄化部４に供給される。図２の例では、ＣＯ浄化部４に供給されると共に、改質部３にも供給される場合を示している。排ガス１０の圧力はＣＯ浄化部４の圧力より大である。ＣＯ浄化部４に入る排ガス量は弁１３により調整される。ＣＯ浄化部４には、従来設けられていた酸化エア供給用の、流路とコンプレッサーは設けられていない。
排ガス１０中の酸素（Ｏ２  が十数％含まれている）が酸化エアとして有効利用される。排ガス１０のＴＨＣ処理も自動的になされる。排ガス１０は数百℃であり、常温の酸化エアを供給していた従来に比べて熱エネルギーも節約できる。コンプレッサー１４がエア６供給と共に、排ガス１０をＣＯ浄化部４に供給するコンプレッサーとしても働くので、従来必要であった酸化エア供給用のコンプレッサーが不要となり、その分、コストダウンできる。
【００２０】
【発明の効果】
請求項１の燃料改質装置によれば、蒸発部の排ガスの少なくとも一部を改質部に導入し改質部の酸化エアとして使用するので、排ガスを全量外気に捨てていた場合に比べ、あるいは排ガスを改質部に回しても排ガスの熱しか利用していなかった場合に比べ、排ガスに含まれる酸素の有効利用がはかられる。
また、ＴＨＣを含む排ガスを全量外気に排出していた従来に比べて、ＴＨＣ処理において、環境上有利である。
また、改質部に酸化エアを供給する専用コンプレッサーが必要でなくなる。
請求項２の燃料改質装置によれば、蒸発部の排ガスの少なくとも一部をＣＯ浄化部に導入しＣＯ酸化の酸化エアとして使用するので、排ガスを全量外気に捨てていた場合に比べ、排ガスの酸素の有効利用がはかられる。
また、ＴＨＣを含む排ガスを全量外気に排出していた従来に比べて、ＴＨＣ処理において、環境上有利である。
また、ＣＯ浄化部に酸化エアを供給する専用コンプレッサーが必要でなくなり、コストおよび設置スペースの削減上有利である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１の燃料改質装置の系統図である。
【図２】本発明の実施例２の燃料改質装置の系統図である。
【図３】従来の燃料改質装置の系統図である。
【符号の説明】
１  燃料改質装置
２  蒸発部
３  改質部
４  ＣＯ浄化部
５  改質される燃料
６  エア（燃焼エアである場合を含む）
７  蒸発部と改質部を接続する流路
８  改質部とＣＯ浄化部を接続する流路
９  ＣＯ浄化部と燃料電池を接続する流路
１０  排ガス
１１  排ガス流路
１２  酸素センサー
１３  弁
１４  コンプレッサー
【図１】
2004168592.tif 000003
【図２】
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【図３】
2004168592.tif 000005