(57)【要約】【課題】エネルギー効率がよく、改質量の変化に素早く対応する車両用燃料改質システムを提供する。【解決手段】水素リッチな改質ガスを生成する改質反応器１と、改質ガス中の一酸化炭素を低減するシフト反応器２、選択酸化反応器３を備えた車両用燃料改質システムのおいて、車両のブレーキ部１０を冷却する水が蓄えられるウォータージャケット１２と、ウォータージャケット１２に水を供給し、制動時にブレーキ部１０で加熱された水が再び戻ってくる気液分離タンク５を備える。そして気液分離タンク５の水蒸気を改質反応器１に供給する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料を水蒸気と酸化剤によって水素リッチな改質ガスに改質する改質手段と、
前記改質手段の下流に位置し、前記改質手段によって改質された前記改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気、または酸化剤で低減する少なくとも一つの一酸化炭素低減手段と、を備えた車両用燃料改質システムにおいて、
車両の制動を行うブレーキ部を水により冷却する冷却手段と、
前記冷却手段と接続し、前記車両の制動時に前記ブレーキ部により加熱された前記水を蓄える加熱水貯留手段と、を備え、
前記加熱水貯留手段内の水蒸気を前記改質手段へ供給することを特徴とする車両用燃料改質システム。
【請求項２】
前記加熱水貯留手段から前記改質手段へ水蒸気を供給する流路に前記加熱水貯留手段内の圧力を制御する圧力制御手段を備え、
前記圧力制御手段を開くことで、前記加熱水貯留手段から前記改質手段へ前記加熱水貯留手段内の水蒸気を供給することを特徴とする請求項１に記載の車両用燃料改質システム。
【請求項３】
前記加熱水貯留手段に水を供給する水供給手段を備え、
前記加熱水貯留手段の水が前記冷却手段を循環することを特徴とする請求項１または２に記載の車両用燃料改質システム。
【請求項４】
前記車両の加速時に前記加熱水貯留手段から前記改質手段へ水蒸気を供給することを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の車両用燃料改質システム。
【請求項５】
前記加熱水貯留手段から前記冷却手段へ水を供給する流路に逆止弁を設けることを特徴する請求項１から４にいずれか一つに記載の車両用燃料改質システム。
【請求項６】
前記加熱水貯留手段を前記冷却手段よりも高い位置に配置し、重力を利用して前記水を循環させることを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の車両用燃料改質システム。
【請求項７】
前記加熱水貯留手段内の水蒸気を液化する液化手段と、
前記加熱水貯留手段と前記液化手段を接続する流路に、前記加熱水貯留手段の圧力が或る所定圧力以上となった場合に前記加熱水貯留手段内を減圧する減圧手段と、を備え、
前記加熱水貯留手段内の圧力が前記所定圧力以上となった場合に、前記減圧手段により前記加熱水貯留手段内の水蒸気を前記液化手段に供給することを特徴とする請求項１から６のいずれか一つに記載の車両用燃料改質システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は車両用燃料改質システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料を改質して水素リッチな改質ガスを得る燃料改質システムにおいては、改質反応器に原料と酸化剤（空気）と共に改質反応に使用する水蒸気を供給する必要があるが、この水蒸気を発生させるために専用の加熱手段を用いると燃料改質システムのエネルギー効率が低下してしまう。この効率を向上させるため、燃料改質システム内の改質反応器の下流側にある他の反応器で発生する熱を利用して水蒸気を発生させるものが、特許文献１に開示されている。
【特許文献１】特開２００２−５３３０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、上記の発明では、熱交換器での発熱量は燃料改質システムの改質反応器で生成された改質ガスの流量に応じて決まるので、例えば、加速時などの過渡的に流量を増加したい場合には、熱量が不足し十分な水蒸気を発生させることができない場合があり、加熱手段によって水蒸気を発生させなければならず、加熱手段によるエネルギー消費が頻繁に起こり、燃料改質システムの全体として効率を向上させることができないといった問題点がある。
【０００４】
本発明ではこのような問題点を解決するために発明されたもので、燃料改質システムの効率を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明では、原料と水蒸気と酸化剤によって水素リッチな改質ガスを改質する改質手段と、改質ガス中の一酸化炭素を低減する一酸化炭素低減手段を備えた車両用燃料改質システムにおいて、車両の制動を行うブレーキ部を水により冷却する冷却手段と、車両の制動時にブレーキ部との熱交換により加熱された水を蓄える加熱水貯留手段を備える。そして、加熱水貯留手段内の水蒸気を改質手段に供給する。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によると、車両の制動時に発生する熱によって、改質手段に使用する水蒸気を発生させ、その水蒸気を加熱水貯留手段に蓄えるので、例えば車両の加速時など過渡的に水蒸気の供給量が増加するときでも、例えばヒーターなどの加熱手段によって発生させる必要がないので、ヒーターによって消費されるエネルギーを無くすことができ、改質システム全体として、エネルギー効率を向上することができ、更にブレーキ部を冷却することができる。また、加熱水貯留手段に水蒸気が予め蓄えられているので、水蒸気を素早く供給できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明の実施形態の構成を図１のブロック図を用いて説明する。この実施形態は、燃料改質型の燃料電池システムを車両に搭載するものである。炭化水素系の原料を水（純水）と空気（酸化剤）により改質する改質手段である改質反応器１と、改質反応器１で生成された改質ガスの温度を水蒸気と空気との熱交換により調整する熱交換器４と、熱交換器４で温度調整された改質ガス中の一酸化炭素を低減する一酸化炭素低減手段であるシフト反応器２と、シフト反応器２で一酸化炭素を低減された改質ガス中の一酸化炭素を更に低減する一酸化炭素低減手段である選択酸化反応器３を備える。また車両のブレーキ部１０を循環する水を蓄え、熱交換器４へ水蒸気を供給する加熱水貯留手段である気液分離タンク５と、気液分離タンク５と接続し、水蒸気の一部を液化する液化手段である冷却容器８を備える。また、気液分離タンク５と接続する車両の制動を行うブレーキ部１０を備える。
【０００８】
改質反応器１は、例えばガソリンなどの炭化水素系の原料を、水蒸気と空気中の酸素によって水素リッチな改質ガスに改質する。なお、改質反応器１で使用する水蒸気と空気は、熱交換器４によって加熱される。改質反応器１は、オートサーマル反応器であり、炭化水素系の原料を水蒸気による改質と、空気による改質の２つの改質を同時に進行させ、水蒸気改質による吸熱反応と、空気改質による発熱反応による熱平衡状態で運転する。この時の温度は、例えば８００℃とほぼ一定に保たれる。
【０００９】
熱交換器４は改質反応器１の下流に位置し、図示しないエアコンプレッサなどにより供給される空気と、気液分離タンク５から供給される水蒸気、または選択酸化反応器３によって熱交換を行い加熱された水蒸気と、改質反応器１により改質された高温の改質ガスの間で熱交換を行い、改質ガスを冷却し、空気と水蒸気を加熱する。なお、この熱交換により空気と水蒸気は４００〜５００℃程度に加熱される。また、空気の流量は流量制御弁２０によって、水蒸気の流量は流量制御弁２１、後述する圧力調整弁２４によって制御される。
【００１０】
シフト反応器２は、熱交換器４の下流に位置し、図示しない水タンクから水が供給され、その水が高温の改質ガスによって水蒸気となり、その水蒸気で改質ガス中の一酸化炭素を低減する。熱交換器４による熱交換と水の供給により、シフト反応器２の温度は一酸化炭素を低減するため最適な温度に制御される。このシフト反応器２では改質ガス中の一酸化炭素濃度は数％程度まで低減する。シフト反応器２は高温シフト反応器と低温シフト反応器の２段構成としてもよい。なお、シフト反応器２に供給される水の流量は流量制御弁２２によって制御される。
【００１１】
選択酸化反応器３は、シフト反応器２の下流に位置し、図示しないエアコンプレッサなどにより空気が供給され、空気中の酸素によって改質ガス中の一酸化炭素を更に低減する。選択酸化反応器３によって改質ガス中の一酸化炭素濃度は数十ｐｐｍまで低減される。選択酸化反応器３における一酸化炭素低減反応は発熱反応であるために、選択酸化反応器３を冷却するために図示しない水タンクから水を供給し、選択酸化反応器３を冷却し温度を制御する。なお、選択酸化反応器３に供給される水の流量は流量制御弁２３によって制御され、熱交換器４に供給する水蒸気は、流量制御弁２１によって流量を制御される。また、選択酸化反応器３に供給する空気は流量制御弁２８によって流量を制御される。
【００１２】
気液分離タンク５は、図示しない水タンクから水が供給され、その水を蓄える。また気液分離タンク５は水供給流路１６によって、ブレーキ部１０に設けた後述するキャリパー１１内に設けたウォータージャケット１２と接続し、ウォータージャケット１２内に水を供給する。更にウォータージャケット１２とは水排出流路１７によって接続する。そして気液分離タンク５の水は、キャリパー１１によって加熱され水蒸気と水の気液二層流の状態でウォータージャケット１２から水排出流路１７を通り気液分離タンク５に供給される。これにより、水蒸気、または加熱された水によって気液分離タンク５では水蒸気圧が高くなるので気液分離タンク５の圧力は上昇する。気液分離タンク５の圧力は圧力制御手段である圧力調整弁２４によって制御される。なお、図示しない水タンク（水供給手段）から流量制御弁２７によって流量を制御され、その流量は、改質反応器１に供給された水蒸気に応じて制御される。また、気液分離タンク５内の水位を計測し、気液分離タンク５の水位が或る一定の水位となるように制御してもよい。
【００１３】
また、気液分離タンク５は熱交換器４と圧力調整弁２４を介して接続しており、圧力調整弁２４を制御することで、熱交換器４と気液分離タンク５の圧力差によって熱交換器４に水蒸気を供給する。熱交換器４、すなわち改質反応器１への水蒸気供給は、気液分離タンク５の圧力が熱交換器４よりも高くなっているので、圧力調整弁２４を開くことで自動的に行われる。また、気液分離タンク５は減圧手段であるリリーフ弁２５を介して冷却容器８とも接続しており、熱交換器４、すなわち改質反応器１に水蒸気を供給しておらず、気液分離タンク５の圧力が高くなった場合に気液分離タンク５の圧力が或る所定圧力よりも高くならないように、リリーフ弁２５によって圧力を調整する。或る所定圧力は、気液分離タンク５、または熱交換器４などを劣化させない圧力である。ここでは、図示しない水タンクから供給される水を蓄えるタンクと、キャリパー１１によって加熱された水を蓄える加熱水タンクを気液分離タンク５の１つのタンクとしたが、この機能を分け、２つのタンクを設けてもよい。
【００１４】
冷却容器８は気液分離タンク５の圧力が高くなり、リリーフ弁２５が開かれた場合に、気液分離タンク５から水蒸気が供給され、水蒸気を水に液化する。そして液化した水は図示しない水タンクに蓄えられる。これにより、気液分離タンク５から排出される水蒸気を液化し、再び水タンクに蓄えるので水を有効利用することができる。
【００１５】
次にブレーキ部１０について図２（ａ）、（ｂ）の概略図を用いて説明する。図２（ａ）はブレーキ部１０の正面図であり、図２（ｂ）は側面図である。
【００１６】
ブレーキ部１０は車両の車輪に設けられたディスクロータ１３と、キャリパー１１と、キャリパー１１の内部に気液分離タンク５から供給された水が流れるウォータージャケット１２と、ディスクロータ１３と接触し車両を減速させるブレーキパット１４と、ブレーキパット１４を押し出すピストン１５を備える。
【００１７】
キャリパー１１はブレーキ操作時には、ピストン１５によりブレーキパット１４とディスクロータ１３を接触させ、車両を減速する。この際にキャリパー１１はブレーキパットとディスクロータ１３の接触により熱を発生する。
【００１８】
ウォータージャケット１２は、前述したように水供給流路１６によって気液分離タンク５と接続し、その内部には気液分離タンク５から供給された水が存在し、ブレーキ操作時にキャリパー１１で発生する熱と水の間で熱交換を行い、キャリパー１１を冷却する。また、加熱された水と加熱により発生した水蒸気を、水排出流路１７を介して気液分離タンク５へ供給する。これにより、気液分離タンク５内に水蒸気を蓄えることができる。
【００１９】
なお、気液分離タンク５からウォータージャケット１２へ水を供給する水供給流路１６には逆止弁である逆流防止弁２６を備え、ブレーキ部１０は気液分離タンク５よりも低い位置に配置される。これにより、気液分離タンク５から供給される水が水供給流路１６を逆流することなく、気液分離タンク５からウォータージャケット１２へ一方向に流れる。また、ブレーキ操作時にはキャリパー１１によって発生した熱により、ウォータージャケット１２内の温度が水供給流路１６よりも高くなり、密度差が生じるので気液分離タンク５からの密度の重い水が重力によってポンプなどを用いずに自動的にウォータージャケット１２に流れ、加熱された水、水蒸気が気液分離タンク５に押し出される（供給される）。
【００２０】
この実施形態では、ブレーキ部１０による発熱量、つまりブレーキ操作によって発生する発熱量によりウォータージャケット１２での水の加熱量が決まり、発生した水蒸気、または加熱された水によりウォータージャケット１２と水供給流路１６内で密度差が生じる。そして、密度の大きい水供給流路１６の水がウォータージャケット１２内に入り、密度の小さいウォータージャケット１２内の水蒸気、水がウォータージャケット１２から水排出流路１７を介して気液分離タンク５に押し出される。また、ウォータージャケット１２は気液分離タンク５よりも低い位置に配置され、ウォータージャケット１２への水供給は重力と逆流防止弁２６によって自動的に行われるので、水供給のためのポンプや流量制御装置も不要である。また、ウォータージャケット１２でキャリパー１１との熱交換により水蒸気が発生するためにウォータージャケット１２内は圧力が高くなるが、逆流防止弁２６によって、ウォータージャケット１２から水供給流路１６への流れは規制され、水排出流路１７が気液分離タンク５と連通しているので、水は気液分離タンク５、水供給流路１６、ウォータージャケット１２、水排出流路１７、気液分離タンク５の一方向（順路）で循環することになる。
【００２１】
そして、圧力制御弁２４を開くことで、水蒸気により圧力が高くなった気液分離タンク５から熱交換器４、改質反応器１へ水蒸気を供給することができる。
【００２２】
次に、この実施形態の車両の運転状況による改質反応器１への水蒸気供給について説明する。
【００２３】
この実施形態の起動時には、図示しない加熱手段によって改質反応器１やシフト反応器２を加熱する。その際に加熱手段によって水を加熱し一定量の水蒸気を発生させ、発生した水蒸気を気液分離タンク５に蓄える。ここで加熱手段としては、炭化水素系の原料の一部を燃焼させる起動燃焼器を使用し、起動燃焼器によって発生した熱で改質反応器１などを暖機する。なお、この加熱手段については、起動燃焼器以外の加熱手段を用いてもよい。発進時には、加熱手段によって発生した水蒸気を使用して改質反応器１によって改質を行う。
【００２４】
定速走行時には、ブレーキ操作が行われず、キャリパー１１では熱が発生しないので、ウォータージャケット１２内の水は加熱されない。しかし、この場合には選択酸化反応器３が十分に暖機されているので、選択酸化反応器３の反応熱と水による熱交換を行い、水を加熱することができ、改質反応器１で必要な水蒸気は、選択酸化反応器３で発生した水蒸気で対応することができる。そこで、選択酸化反応器３によって発生した水蒸気を熱交換器４に供給し、気液分離タンク５からの水蒸気の供給は行わないものとする。なお、定速走行時には図示しない燃料電池が十分に暖機されているので、燃料電池の冷却に水を用い、燃料電池で加熱された水を用いてもよい。気液分離タンク５からウォータージャケット１２への水供給は、重力とキャリパー１１での発熱に伴い発生する水蒸気による密度差によって自動的に行うので、ブレーキ操作が行われず、キャリパー１１が発熱していない場合には、水供給は行われない。そのため、気液分離タンク５の水は循環せず、外部との熱交換による気液分離タンク５の温度低下を少なくすることができる。
【００２５】
減速走行時には、熱交換器４への水蒸気供給は、選択酸化反応器３から供給する。また、ブレーキ操作によってキャリパー１１で熱が発生するので、ウォータージャケット１２内の水が加熱され、その一部が水蒸気となり、加熱された水と水蒸気が気液分離タンク５に供給される。これにより気液分離タンク５の温度が高くなり、水蒸気により気液分離タンク５の圧力も高くなる。なお、このとき気液分離タンク５の圧力が或る所定圧力よりも高くなると、リリーフ弁２５を開き、水蒸気の一部を冷却容器８へ供給し、気液分離タンク５の圧力を低くする。また冷却容器８で水蒸気を水に液化し、その水を図示しない水タンクへ蓄える。
【００２６】
加速走行時には、改質反応器１での改質量が増加し、選択酸化反応器３との熱交換で生じる水蒸気だけでは不足するので、圧力調整弁２４を開き、気液分離タンク５の水蒸気を熱交換器４へ供給する。このとき、予め気液分離タンク５に水蒸気が蓄えられているので、加速によって改質反応器１で必要な改質量の増加に応じて、素早く水蒸気を供給することができる。
【００２７】
以上のように、気液分離タンク５から熱交換器４への水蒸気の供給は、加速走行時に行う。
【００２８】
本発明の第１実施形態の効果について説明する。
【００２９】
この実施形態では、キャリパー１１内にウォータージャケット１２を設け、その内部に水を流すことにより、ブレーキ操作時に生じる熱によってウォータージャケット１２内の水を加熱し、水蒸気を発生させ、その水蒸気を改質反応器１へ供給するので、ブレーキ操作時に生じる制動エネルギーを有効に利用することができ、更に、水蒸気を発生させるための加熱手段に用いるエネルギーを少なくすることができ、改質システムのエネルギー効率を向上させることができる。
【００３０】
また、例えば車両の加速時などに改質反応器１で改質する改質ガスが増加した場合でも、予め水蒸気を気液分離タンク５に蓄えておくので、改質反応器１に素早く水蒸気を供給することができ、改質反応器１の改質量変動への追従性を向上することができる。
【００３１】
気液分離タンク５をウォータージャケット１２よりも高く配置し、気液分離タンク５からウォータージャケット１２へ水を供給する水供給流路１６に逆流防止弁２４を設けたので、キャリパー１１で発生する熱に応じて、気液分離タンク５から自動的に水を供給し、更に加熱された水蒸気、または水を気液分離タンク５へ戻すので、水を自動的に循環させることができ、ポンプなどを設ける必要がなく、部品点数を少なくし、改質システムを小型にすることができる。
【００３２】
キャリパー１１を水によって冷却するので、ブレーキ部１０の温度上昇を抑えることができ、耐フェード性を向上させることができる。また、キャリパー１１を冷却するウォータージャケット１２にはキャリパー１１で発生する熱に応じて自動的に水が供給されるので、キャリパー１１の温度上昇を防ぐことができ、耐フェード性を更に向上させることができる。
【００３３】
また、気液分離タンク５の圧力が高くなった場合に、リリーフ弁２５によって気液分離タンク５から水蒸気を排出し、気液分離タンク５の圧力を制御することができ、圧力上昇による気液分離タンク５の劣化を防ぐことができる。また、排出された水蒸気を冷却容器８によって水に液化し、その水を回収するので、改質システムに外部より供給する水量を少なくすることができる。
【００３４】
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
車両で改質を行う燃料電池自動車に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施形態の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施形態のブレーキ部の構成を示す概略図であり、（ａ）正面図であり、（ｂ）側面図である。
【符号の説明】
【００３７】
１      改質反応器（改質手段）
２      シフト反応器（一酸化炭素低減手段）
３      選択酸化反応器（一酸化炭素低減手段）
４      熱交換器
５      気液分離タンク（加熱水貯留手段）
８      冷却容器（液化手段）
１０    ブレーキ部
１１    キャリパー
１２    ウォータージャケット（冷却手段）
１３    ディスクロータ
２４    圧力調整弁（圧力制御手段）
２５    リリーフ弁（減圧手段）
２６    逆流防止弁（逆止弁）
【図１】
2005302640.tif 000003
【図２】
2005302640.tif 000004