(57)【要約】  本発明は、炭化水素燃料を自己熱反応により高水素濃度ガスに転化するための改質反応器に関し、該改質反応器は、好ましくは、内壁と外壁と２つの側面を備えた円筒状の２重壁ハウジングを有しており、前記内壁と前記２つの側面は反応室を形成している。さらに、前記内壁が第１電荷を帯びており、これにより、燃料入口より前記反応室内に噴出される炭化水素燃料の分子は前記反応室の暖かい内面に衝突することが防止され、その後燃焼してすすとなる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
空間（１２）を間に有する内壁（４）及び外壁（６）と２つの側面（８ａ、８ｂ）とを備えるハウジング（２）を有し、
該内壁（４）及び該２つの側面（８ａ、８ｂ）により、改質反応器（１）の反応室（１０）が画定されている、
炭化水素燃料（２０）を自己熱反応により燃料電池及び／又は排気処理用の高水素濃度ガス（２６）に転化するための改質反応器（１）であって、
前記内壁（４）が第１電荷（３２）を帯びている、改質反応器。
【請求項２】
前記２つの側面の一方（８ａ）に燃料入口（２２）を有する、請求項１に記載の改質反応器（１）。
【請求項３】
前記燃料入口（２２）が第１電荷（３２）を帯びている、請求項２に記載の改質反応器（１）。
【請求項４】
前記燃料入口（２２）が、燃料噴射器として形成されている、請求項２又は３に記載の改質反応器（１）。
【請求項５】
前記反応室（１０）内に、自己熱反応用の触媒（２８）を有する、請求項１〜４のいずれかに記載の改質反応器（１）。
【請求項６】
前記触媒（２８）が、第２電荷（３６）を帯びている、請求項５に記載の改質反応器（１）。
【請求項７】
前記触媒（２８）が、セラミックモノリス又は金属グリッドである、請求項５又は６に記載の改質反応器（１）。
【請求項８】
前記第１電荷（３２）が、前記第２電荷（３６）とは反対の電荷である、請求項１又は３又は６に記載の改質反応器（１）。
【請求項９】
前記空間（１２）が、前記外壁（６）に設けられた酸化剤入口（１６）と内壁（４）に設けられた酸化剤出口（１８）との間に、酸化剤通路として構成されている、請求項１〜８のいずれかに記載の改質反応器（１）。
【請求項１０】
前記酸化剤出口（１８）が、前記燃料入口（２２）の近傍に設置されている、請求項２又は９に記載の改質反応器（１）。
【請求項１１】
前記酸化剤出口（１８）が、酸化剤（１４）を反応室（１０）内に導入する複数の孔として構成されている、請求項９又は１０に記載の改質反応器（１）。
【請求項１２】
前記複数の孔が、様々な寸法及び／又は形状を有する、請求項１１に記載の改質反応器（１）。
【請求項１３】
前記複数の孔が、様々に異なる位置に配置されている、請求項１１又は１２に記載の改質反応器（１）。
【請求項１４】
前記複数の孔の寸法及び／又は形状及び／又は位置が、使用する炭化水素燃料及び／又は使用する酸化剤に応じて定められる、請求項１２又は１３に記載の改質反応器（１）。
【請求項１５】
前記酸化剤（１４）が、空気又は水蒸気、或いは空気及び水蒸気の混合物である、請求項１１〜１４のいずれかに記載の改質反応器（１）。
【請求項１６】
前記空気／水蒸気混合物が予混合される、請求項１５に記載の改質反応器（１）。
【請求項１７】
前記ハウジング（２）が円筒形である、請求項１〜１６のいずれかに記載の改質反応器（１）。
【請求項１８】
請求項１〜１７のいずれかに記載の改質反応器（１）を用いて、自己熱反応によって炭化水素燃料を燃料電池及び／又は排気処理用の高水素濃度ガスに転化する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１に記載の自己熱反応によって炭化水素燃料を燃料電池及び／又は排気処理向けの高水素濃度ガスに転化するための改質反応器、並びに、該改質反応器を使用して炭化水素燃料を高水素濃度ガスに転化する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在の技術において、ガソリン又はディーゼル燃料などの炭化水素燃料を改質することによって、高水素濃度ガスを生成し、輸送手段の燃料電池に使用することは周知である。水素は、従来、大型の産業施設において生成され、輸送手段に供給・貯蔵されていた。最近では、小型の車載水素源、いわゆる改質反応器が発達したので、水素を貯蔵する必要がなくなり、必要に応じた水素の生成が可能になった。
【０００３】
気体又は液体炭化水素燃料を水素に改質する既知の方法としては、基本的に、触媒水蒸気改質法、部分酸化改質法、及び、自己熱改質法の３つが挙げられる。
【０００４】
触媒水蒸気改質処理では、水蒸気と炭化水素燃料の混合物を、高温（７００°Ｃ〜１０００°Ｃ）においてニッケルなどの適当な触媒にさらす。この反応は吸熱性が高いので、外付けの熱源及び水蒸気源が必要となる。
【０００５】
部分酸化改質処理では、混合水素燃料と周囲空気などの酸素含有ガスが一緒に反応室に送り込まれ、好ましくは触媒の存在下において、温度上昇にさらされる。使用する触媒は、通常、貴金属又はニッケルであり、適用される温度は７００°Ｃ〜１７００°Ｃである。この反応は発熱性が高いので、反応が始まると、自立運転に十分な熱が得られる。酸化反応を促進するには、供給燃料を予熱するとともに、反応器内での温度変動を抑えることが必要である。
【０００６】
例えば特許文献１には、炭化水素又はメタンを含有する供給ガスを改質するための部分酸化改質器が開示されている。この部分酸化改質器では、反応器を予熱された供給ガス用の通路で覆うことで供給ガス通路から遮熱することにより、温度変動を抑制している。反応熱は、供給ガスを予熱するために、熱交換器により回収される。
【０００７】
自己熱改質処理は、水蒸気改質処理と部分酸化改質処理とを組み合わせたものである。部分酸化改質反応による廃熱を吸熱性水蒸気改質反応に利用し、加熱する。
【０００８】
これら全ての改質処理において自然に生成される副産物は、一酸化炭素と二酸化炭素である。その一方、炭化水素燃料は、水素を生成するための供給原料として意図されていなかったこともあり、硫黄、オレフィン、ベンゼン、メチルアミド、及び高分子量芳香族化合物といった、その他の副産物もある。これらの副産物は、燃料電池に有害なことがあるので、改質反応器の外部で後続ステップにおいて除去されるべきである。
【０００９】
もう１つ不都合な点として、炭化水素燃料、特にディーゼル燃料は、反応器の内側面と接触して燃焼し、すすを発生し易いことが挙げられる。すす粒子もまた、燃料電池に非常に有害なので、改質水素を燃料電池に導入する前に除去されるべきである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許第６，７７０，１０６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
従って、本発明の目的は、燃料分子が反応器の内側面と接触して燃焼し、すすを発生する要因を低減することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この目的は、請求項１に記載の改質反応器と、請求項１７に記載の方法により解決される。
【００１３】
本発明の一実施形態では、反応空間の内壁、すなわち内側面を第１電荷で帯電させる。これは、燃料入口から反応室内へ噴霧された燃料粒子が帯電していることを考慮に入れている。反応器ハウジングの内壁を一定の電荷に帯電させることで、静電反発力により、統計では燃料分子の５０％を、反応室の内側面との接触から保護することができる。その結果、燃料分子が燃焼してすすを発生する要因が大幅に減少する。
【００１４】
本発明による別の有利な実施形態では、燃料入口も帯電させる。燃料入口を内壁と同じ電荷に帯電させることが、好ましい。その結果、燃料分子の全てが内壁と同じ電荷を有することになり、内壁に対して電気的に反発する。従って、燃料分子が内壁と接触して燃焼し、すすが発生することは殆ど無い。
【００１５】
本発明のまた別の好適な実施形態では、反応室の内部に自己熱反応用の触媒を設けることにより、炭化水素燃料の高水素濃度ガスへの転化を促進する。触媒も帯電させることが好ましい。更に別の実施形態では、触媒の電荷と内壁及び／又は燃料入口の電荷とを反対にすることにより、炭化水素燃料の高水素濃度ガスへの転化を促進する。反対の電荷を持たせることにより、燃料／酸化剤混合物が触媒に引き寄せられ、その結果、転化反応が加速する。この触媒は、セラミックモノリス又は金属グリッドであってよい。
【００１６】
本発明の更なる好適な実施形態では、燃料粒子が反応器の内壁と接触して燃焼し、すすが形成されるのは、壁の温度が一定温度よりも高いときだけであるということを利用する。例えば壁を冷却したり、反応空間の温度を一定レベルよりも低く保ったりすることによって、壁温度を一定温度よりも低く維持し、燃料粒子の燃焼を防止することができる。
【００１７】
反応器に冷却装置を外付けしてもよいが、こうすると、基本的に反応器の寸法が増大し、燃料電池からエネルギー供給を受けるシステムによるエネルギー消費量が増加する。従って、比較的低温の酸化剤を用いて反応器の内壁を冷却する実施形態が好適である。これにより同時に、内壁を遮熱する必要が無くなるので、反応器の寸法を更に縮小することができる。
【００１８】
内壁を冷却することによるもう１つの利点として、反応室内部の温度を一定に維持し、酸化剤の温度を制御できることが挙げられる。
【００１９】
本発明のまた別の好適な実施形態では、図示するように、ハウジングの内壁に、複数の孔状の酸化剤出口を設ける。こうすると、反応室内で酸化剤を均一に分布させ易くなる。使用する酸化剤、使用する炭化水素燃料、及び／又はそれらの温度に応じて、孔の寸法、形状及び／又は位置を変化させることが好ましい。酸化剤出口を、燃料入口の近傍に設けると、最も好ましい。
【００２０】
本発明によるその他の好適な実施形態及び利点は、従属請求項に記載されている。
【００２１】
これより、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明する。ここに記載する内容は、本発明の概念を例証するためのものであって、特許請求の範囲を制限するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の好適な実施形態の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
図１は、本発明の好適な実施形態おける改質反応器である。
【００２４】
改質反応器１は、内壁４、外壁６及び側壁８ａ、８ｂを備えるハウジング２を有する。内壁４及び側壁８ａ、８ｂにより反応室１０が画定されており、反応室１０には、炭化水素燃料と酸化剤が一緒に導入されて自己熱反応が生じる。
【００２５】
内壁４と外壁６との間には、空間１２が画定されている。空間１２は、酸化剤入口１６と酸化剤出口１８との間を通る酸化剤１４の通路となる。酸化剤出口１８は、複数の孔状に形成されており、使用する酸化剤１４、使用する炭化水素燃料２０、及びそれらの温度に応じて、その寸法、形状及び位置を変更することができる。これら複数の孔の寸法及び形状は均一であってよいが、それぞれに異なっていてもよい。
【００２６】
改質反応器１は、更に、ハウジング２の一方の側壁８ａ内に、炭化水素燃料入口２２を有する。燃料入口２２を、反応室１０内に燃料を噴霧する燃料噴射器として形成することが好ましい。反対側のハウジング２の側壁８ｂに、改質ガス出口２４が設けられる。改質ガス２６は、燃料電池の動作に用いられる、自己熱反応による生成物である高水素濃度ガスである。
【００２７】
改質反応器１は、更に、反応室１０内の自己熱反応に触媒作用を与える触媒２８を含む。触媒２８により、自己熱反応を加速することができるが、本発明では改質反応器に触媒を用いない実施形態も可能である。触媒２８は、金属グリッド又はセラミックモノリスであることが好ましい。しかし、任意の他の適当な基材を用いて触媒２８を構成してもよい。
【００２８】
図１に示すように、２つの電荷源３０及び３４が設けられている。電荷源３０は、内壁４及び燃料入口２２に接続されており、反応室１０の壁及び炭化水素燃料２０の分子に第１電荷３２を加える。図１の例は、帯電壁が正電荷を帯びている状態の概略図である。電荷源３４は触媒２８に接続されており、第１電荷３２と反対である第２電荷３６を触媒２８に加える。図１の例では、反対の電荷３６は負電荷である。
【００２９】
これより、空気／水蒸気混合物を酸化剤として用いることにより、炭化水素燃料であるディーゼル燃料を水素に転化する場合を例に、改質反応器の作用を説明する。このときの転化反応は自己熱式である。
【００３０】
本発明によると、空気／水蒸気混合物１４を空気及び水蒸気を混合した後、酸化剤入口１６を介して、空気／水蒸気混合物１４を、反応器の酸化剤入口１６から酸化剤出口１８までの空気／水蒸気の運搬通路である空間１２へ噴射する。
【００３１】
空気／水蒸気混合物１４は、ハウジング２の内壁４を下って複数の出口孔１８まで流れる間、反応室１０の内壁４の冷却に用いられる。反応室１０の内壁４を冷却することにより、反応器の反応室１０内のディーゼル燃料分子が反応室壁に当たり燃焼してすすが生じる要因が減少する。
【００３２】
次に、空気／水蒸気混合物１４は、孔１８を通って反応器の反応室１０内へと推し進められ、反応室内に均質な空気／水蒸気煙霧を形成する。空気／水蒸気混合物を反応室１０内へ導入した後、燃料噴射器２２を用いてディーゼル燃料２０を空気／水蒸気煙霧内へ噴霧する。反応室１０の内部で、この空気／水蒸気煙霧と、空気／水蒸気煙霧に接触すると気化するディーゼル噴霧燃料２０とが混合され、乱流が生じる。この気化の詳細は後述する。
【００３３】
反応室１０の内壁４が、例えば正帯電している場合、ディーゼル噴霧燃料のディーゼル燃料分子も正帯電しているので、ディーゼル分子は静電反発力により反応室１０の壁と反発する。従って、ディーゼル分子が反応室１０の高温の壁と接触して燃焼することによってすすが発生することはあり得ない。
【００３４】
反応室１０の壁は、空気／水蒸気混合物１４から生じる酸素が、ディーゼル燃料２０の「軽い」短鎖炭化水素分子と反応して（ＣｘＨｙ＋Ｏ２→ＣＯ２＋ＣＯ＋Ｈ２Ｏ）、反応室１０内が均一に酸化することにより加熱される。このプロセスにおいて生じるプロセス熱は、ディーゼル噴霧燃料の残りの（長鎖の）炭化水素分子の気化に用いられる。このプロセスの後、反応室１０内には、炭化水素と水蒸気が均等に混合された混合物が存在し、残りの空気部分は無視できる程度である。
【００３５】
次に、この均質なガス混合物が触媒２８に導入され、ディーゼル燃料２０の炭化水素は自己熱反応プロセスに入る。触媒２８内への均質なガス混合物の導入速度を増すために、触媒２８も燃料分子の電荷と反対の第２電荷を帯びていてよい。図示の実施形態では、燃料分子は正帯電している。従って、触媒は負の電荷を帯びており、分子は静電引力によって触媒に引き寄せられる。その結果、均質なガス混合物が触媒へ向かう移動速度が増す。
【００３６】
触媒内部で生じる自己熱反応プロセスにより、水素（Ｈ）、ＣＯ、及びＣＯ２が主なプロセス生成物として生じる。これらの生成物は、全ての他のプロセス生成物からＨを分離する目的で、後続ステップにおいて改質器の外部で処理される。
【００３７】
電荷を加えることによって、ディーゼル分子の燃焼によるすすの形成を防止することができ、また、静電反発力により、高水素濃度ガスの不純物が減少する。その結果、純水素を他のプロセス生成物から分離し易くなる。
【符号の説明】
【００３８】
１    改質反応器
２    改質反応器
４    内壁
６    外壁
８ａ  側面
８ｂ  側面
１０  反応室
１２  空間／酸化剤通路
１４  酸化剤
１６  酸化剤入口
１８  酸化剤出口
２０  炭化水素燃料
２２  炭化水素燃料入口
２４  高水素濃度燃料出口
２６  高水素濃度燃料
２８  触媒
３０  第１電荷源
３２  第１電荷
３４  第２電荷源
３６  第２電荷
【図１】
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【国際調査報告】
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