(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料改質装置であって、
燃料を酸化剤の作用により乾式改質し、水素リッチな燃料ガスを生成する改質部と、
電磁駆動式の燃料噴射器を備え且つ前記燃料を導入する燃料導入部と、
前記酸化剤を導入する酸化剤導入部と、
導入された燃料及び酸化剤を混合する混合部と、
この混合部で混合された燃料及び酸化剤を前記改質部内に供給する供給部と、
前記改質部で生成された水素リッチな燃料ガスを吐出する吐出部と、を備え、
前記改質部が、触媒が担持された担体からなり且つ前記供給部からの供給方向に中心軸が向くように設けられた円筒形状の触媒コンバータと、この触媒コンバータの内壁に沿って設けられ且つ前記供給部に連通する連通路と、を有し、
前記供給部から前記連通路内に供給された燃料及び酸化剤が、強制対流によって前記触媒コンバータの内壁から外壁に向かって放射状に拡散して通過し、且つ入口線速度が出口線速度の５〜３０倍であることにより燃料の改質が行われ、
前記入口線速度が３５〜１５０ｃｍ／秒であり、且つ前記出口線速度が５〜２０ｃｍ／秒であり、
前記触媒コンバータの内筒内に、グロープラグ及びスパークプラグのうち少なくとも一方を備え、
前記燃料が、軽油であり、
前記触媒コンバータが、その内径をＤ１、外径をＤ２、長さをＬとしたときに、これらＤ１、Ｄ２、及びＬが下記数式（Ｉ）で表される関係を満たすように設定されて形成されたものである燃料改質装置。
【数１】
0005097160.tif 000006
【請求項２】
前記燃料噴射器の噴射孔が、前記燃料噴射器の作動軸に対してオフセットされるとともに、前記作動軸が、前記触媒コンバータの中心軸に対してオフセットされることにより、前記噴射孔が前記触媒コンバータの中心軸上に配置された請求項１記載の燃料改質装置。
【請求項３】
前記グロープラグ及びスパークプラグのうち少なくとも一方が、前記触媒コンバータの内筒内に前記供給部の反対側から配置される請求項１または２記載の燃料改質装置。
【請求項４】
前記酸化剤が、酸素及び窒素を主成分とする混合気体である請求項１から３いずれか記載の燃料改質装置。
【請求項５】
前記酸化剤が、大気である請求項１から３いずれか記載の燃料改質装置。
【請求項６】
前記燃料噴射器が、前記燃料改質装置を周期的にリーン条件下で運転させるように制御される請求項１から５いずれか記載の燃料改質装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料を改質して水素リッチなガスを製造する燃料改質装置に関し、特に、燃料を効率的に改質できるうえ、始動性に優れ、廉価で小型の燃料改質装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
水素は、将来の石油代替燃料として注目されているクリーンなエネルギー燃料であり、燃料電池や内燃機関のエネルギー源等への利用研究が進められている。特に、水素エンジンや水素添加エンジンのエネルギー源の他、ＮＯｘやＳＯｘ等の有害廃棄物ガスを浄化するための還元剤としての利用研究が精力的に行われている。このように、近年、水素の利用について多くの研究が進められており、これと同時に、水素の製造方法についても様々な方法が検討されている。
【０００３】
水素の製造方法としては、炭化水素、水、アルコール燃料等の含水素分子を、触媒改質反応、熱分解反応、又は電気分解反応等を利用して分解し、再結合させて水素気体分子とする方法が一般的である。熱分解反応を利用した方法は、高温且つ変動の少ない熱エネルギーが必要であり、電気分解反応を利用した方法は、電力消費量が大きく反応速度が遅いために過渡的な水素需要に対応できない。このため、過渡的な水素需要に対応するためには、触媒改質反応を利用した方法が好ましく用いられる。
【０００４】
触媒改質反応に用いられる燃料としては、天然ガス、ガソリン、軽油（ディーゼル燃料）の他、メタノールやエタノール等のアルコール燃料等が挙げられる。特に、これらの燃料のうち、軽油は広い炭素価分布を有し、その炭素価も大きいため、残渣が無く効率の良い改質反応を行うことが困難である。さらには、軽油は燃焼が起こり難いため、始動性を向上させることが困難である。
【０００５】
触媒改質反応に用いられる改質反応器としては、例えば、特許文献１及び特許文献２に示されるような円柱型流通反応器が一般的である。この反応器の製造は簡便であり、触媒コンバータも円柱形状で作製が容易であるという利点がある。
【０００６】
触媒コンバータ内における反応は、大きく三つの反応に区分される（図６参照）。これら三つの反応の化学反応式を、下記反応式（１）〜（３）に示す。図６のＡ、Ｂ、Ｃで示される範囲において、反応式（１）、（２）、（３）で表される反応がそれぞれ支配的に起こると考えられている。第一の反応は、最表面で起こる燃焼反応である（完全燃焼）。この反応は、燃料と酸素との反応により水蒸気が生成する反応である。第二の反応は、酸素量が減少した後に、燃料が部分的に酸化されることにより、水素と一酸化炭素が生成する反応である（部分酸化）。そして、第三の反応は、触媒コンバータ内の酸素量がほぼゼロとなった状態で、第一の反応で生じた水蒸気と燃料が反応することにより、水素が生成する反応である（水蒸気改質）。
【化１】
0005097160.tif 000002
【０００７】
ここで、これらの反応の反応速度の序列は、第一の反応＞第二の反応＞第三の反応の順である。第一の反応は、燃料と酸素含有気体との混合気体が初期に接触する最表面層で起こるものであり、第二の反応も、その反応領域は表面層近傍である。第三の反応は反応速度が遅いため、効率を上げるためには反応気体の通過速度を遅くしたり、触媒コンバータの体積を大きくする等の工夫が必要である。
【０００８】
この触媒コンバータ内における上記三つの反応は、それぞれの反応が明確に区別されるものではなく、且つ一様な反応が起きているわけでもない。例えば、第一の反応と第二の反応、又は第二の反応と第三の反応といったように、相互に並行して反応が進行する。そして、これらの反応は、燃料の濃度、酸素や水蒸気等の酸化剤の濃度、触媒の種類、触媒の塗布量、触媒コンバータ内の温度分布等による影響を受ける。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許第６８６９４５６号明細書
【特許文献２】米国特許第６８８７４３６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、上述の第二の反応で示した部分酸化反応は発熱反応であるため、触媒層は自発熱により温度が上昇する。この反応を利用した反応器の場合、部分酸化反応が顕著に起こる部分では１０００℃近い高温にさらされる。このため、耐熱金属を使用しなければならず、重量が嵩み、費用もかかる。
【００１１】
部分酸化反応は微分型の反応であり、触媒コンバータが燃料と接する反応初期断面での反応割合が大きい。この反応初期断面での線速度が遅い場合には、燃焼反応が支配的になることから、生成した水素が燃焼する等して水素収率が低下してしまう。同時に、触媒コンバータが高温になるため、燃料投入量や空気投入量を制限する必要があり、結果的に水素の製造量を多くすることができない。
【００１２】
ここで、触媒コンバータの温度は、燃料量と酸素量を制御することにより制御できる。始動時に燃料を燃焼させて触媒コンバータの温度を急上昇させ、早期に触媒コンバータを活性化させる場合には、この燃焼を小さい空間で行い、熱を効率的に触媒コンバータに伝えることが重要となる。この点、筒型流通反応器においては、触媒コンバータの上流で燃料を燃焼させると、燃焼エネルギーが触媒コンバータ表面だけでなく、筒内壁にも伝播する構造となっており、熱のロスが生じる。
【００１３】
突発的な温度変動を抑制して温度制御を行う別のアプローチとして、水蒸気を導入するという手法がある。しかしながら、水蒸気を使用すると水タンクや気化器等が必要となりシステムが複雑になる、装置立ち上げに時間がかかる、運転の継続には水の補給が必要である等の負荷が発生するため、水蒸気を導入することは多くの応用にとって望ましくない。本発明では、現実的な温度限界を超えずに、炭化水素燃料を（水を使用せずに）乾式改質することができる。
【００１４】
また、筒型流通反応器の場合、燃料噴射器により燃料を噴射する際に、筒の内壁に燃料が付着し、燃料と酸素の混合比のずれが生じる。水素収率は燃料と酸素の比率により変動するため、これは水素製造量のバラツキや温度変動の要因となる。これを回避すべく、燃料と空気（酸素）を予め高温状態で混合して添加することも考えられるが、加熱装置が必要となるため、反応器が大型化し、コストやエネルギーがかかる。
【００１５】
また、円柱型流通反応器の触媒コンバータでは気体の流れが１方向であり、触媒コンバータを評価する指標である空間速度もほぼ一定である。上述した通り、触媒コンバータ内の反応は一様ではなく、第一の反応は早く進行し、第三の反応は遅く進行する。反応効率を向上させるためには、触媒コンバータの径を多様化する方法も考えられるが、反応器が大型化するうえ、燃焼熱を利用するのが困難となる等の問題が生じる。
【００１６】
以上の通り、従来の燃料改質装置では、効率的な燃料改質を実現するためには、始動性の低下や高コスト化、装置の大型化が避けられないのが現状である。従って、燃料を効率的に改質できるうえ、始動性に優れ、廉価で小型の燃料改質装置を開発することは有益である。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた。その結果、燃料と酸化剤との混合ガスを、円筒形状の触媒コンバータの中空部に供給し、触媒コンバータの内壁から外壁に向かって放射状に拡散して通過するような構造を採用することにより、上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。より具体的には、本発明は以下のようなものを提供する。
【００１８】
請求項１記載の発明は、燃料を酸化剤の作用により乾式改質し、水素リッチな燃料ガスを生成する改質部と、電磁駆動式の噴射器を備え且つ前記燃料を導入する燃料導入部と、前記酸化剤を導入する酸化剤導入部と、導入された燃料及び酸化剤を混合する混合部と、この混合部で混合された燃料及び酸化剤を前記改質部内に供給する供給部と、前記改質部で生成された水素リッチな燃料ガスを吐出する吐出部と、を備え、前記改質部が、触媒が担持された担体からなり且つ前記供給部からの供給方向に中心軸が向くように設けられた円筒形状の触媒コンバータと、この触媒コンバータの内壁に沿って設けられ且つ前記供給部に連通する連通路と、を有し、前記供給部から前記連通路内に供給された燃料及び酸化剤が、強制対流によって前記触媒コンバータの内壁から外壁に向かって通過し、且つ入口線速度が出口線速度の５〜３０倍であることにより燃料の改質が行われる燃料改質装置である。
【００１９】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の燃料改質装置において、前記入口線速度が３５〜１５０ｃｍ／秒であり、且つ前記出口線速度が５〜２０ｃｍ／秒である燃料改質装置である。
【００２０】
請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の燃料改質装置において、前記触媒コンバータの内筒内に、グロープラグ及びスパークプラグのうち少なくとも一方を備える燃料改質装置である。
【００２１】
請求項４記載の発明は、請求項１から３いずれか記載の燃料改質装置において、前記酸化剤が、酸素及び窒素を主成分とする混合気体である燃料改質装置である。
【００２２】
請求項５記載の発明は、請求項１から３いずれか記載の燃料改質装置において、前記酸化剤が大気である燃料改質装置である。
【００２３】
請求項６記載の発明は、請求項１から５いずれか記載の燃料改質装置において、前記燃料が炭化水素燃料である燃料改質装置である。
【００２４】
請求項７記載の発明は、請求項１から５いずれか記載の燃料改質装置において、前記燃料が軽油である燃料改質装置である。
【００２５】
請求項８記載の発明は、請求項１から７いずれか記載の燃料改質装置において、前記触媒コンバータが、その内径をＤ１、外径をＤ２、長さをＬとしたときに、これらＤ１、Ｄ２、及びＬが下記数式（Ｉ）で表される関係を満たすように設定されて形成されたものである燃料改質装置である。
【数１】
0005097160.tif 000003
【００２６】
請求項９記載の発明は、請求項１から８いずれか記載の燃料改質装置において、前記供給部が電磁駆動式の燃料噴射器を備える燃料改質装置である。
【００２７】
請求項１０記載の発明は、請求項９記載の燃料改質装置において、前記燃料噴射器が、前記燃料改質装置を周期的にリーン条件下で運転させるように制御されている燃料改質装置である。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、従来の円柱型流通反応器に比して、燃料を効率的に改質できるうえ、始動性に優れ、廉価で小型の燃料改質装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本実施形態に係る燃料改質装置の斜視図である。
【図２】本実施形態に係る燃料改質装置の縦断面図である。
【図３】本実施形態に係る燃料改質装置の空間速度と転化率との関係を示す図である。
【図４】円柱型反応器と筒型反応器を説明するための図である。
【図５】本実施形態に係る燃料改質装置の触媒コンバータを示す図である。
【図６】従来の円柱型流通反応器を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００３１】
本実施形態に係る燃料改質装置１０の斜視図を図１に、縦断面図を図２に示す。これらの図に示されるように、本実施形態に係る燃料改質装置１０は、燃料を酸化剤の作用により改質し、水素リッチな燃料ガスを生成する改質部１５を備えた燃料改質装置１０である。より詳しくは、燃料を導入する燃料導入部１１と、酸化剤を導入する酸化剤導入部１２と、導入された燃料及び酸化剤を混合する混合部１３と、この混合部１３で混合された燃料及び酸化剤を改質部１５内に供給する供給部と、改質部１５で生成された水素リッチな燃料ガスを吐出する吐出部１６と、を備える。
【００３２】
燃料導入部１１は、燃料を導入するための燃料噴射器１１ａを備える。本発明の噴射器に相当する燃料噴射器１１ａは、燃料経路、燃料ポンプを介して燃料タンク（図示せず）に接続される。燃料導入部１１は燃料噴射器１１ａを備えているため、燃料の導入量を精度良く設定できる。特に、多量の水素が求められ、急激に負荷が増加する場合であっても、応答性良く燃料を導入できる。
【００３３】
酸化剤導入部１２は、酸化剤を導入するためのノズル１２ａを備える。このノズル１２ａは、酸化剤経路を介して酸化剤供給器（図示せず）に接続される。また、ノズル１２ａは、導入された燃料及び酸化剤を混合する混合部１３に対して複数の開口を有する。ノズル１２ａの開口の数、角度は適宜設定され、混合部１３内で燃料と酸化剤とが均一に混合されるように、渦流を発生させるような配置で設定されることが好ましい。これにより、燃料の微粒子化、拡散が達成され、燃料と酸化剤が十分に混合する結果、反応率が上がるとともに、始動時の燃焼効果も上がる。
【００３４】
混合部１３では、燃料噴射器１１ａ及びノズル１２ａの作用により、燃料及び酸化剤が均一に混合される。混合部１３は、導入された燃料及び酸化剤を均一に混合できるような空間を有していることが必要である。本実施形態に係る燃料改質装置１０では、混合部１３は触媒コンバータ１５ａの上流に配置され、連通路１５ｂに連通するように設けられている。なお、本実施形態においては、供給部は、上記燃料導入部１１、酸化剤導入部１２、及び混合部１３を含んで構成されるが、これらとは別に供給部を設けてもよい。
【００３５】
また、混合部１３の下流には、着火デバイスとしてグロープラグ１４を備える。着火デバイスとしては、グロープラグ１４の他、スパークプラグを用いることもできる。グロープラグ１４の加熱作用により、触媒コンバータ１５ａの内壁の温度が上昇した後に燃料及び酸化剤の混合ガスが加熱、燃焼される。ここで、混合部１３は、グロープラグ１４や触媒コンバータ表面よりも上流にあり、可燃性燃料の場合は逆火が生じやすい。この逆火を防ぎ、燃料噴射器１１ａを保護するため、十分に混合部１３の線速度を上げる必要がある。
【００３６】
低コストの燃料改質装置のためには、燃料噴射器１１ａとして、汎用の電磁駆動式の噴射器を用いるのが望ましい。しかしながら、小型で少量のＨ２を生成するためには、上記燃料噴射器１１ａの噴射孔は、径を小さくし、且つ高い周波数で使用できるように１ショットの容量を少なくする必要がある。また、駆動板の中心軸（作動軸）上に噴射孔を設けた場合、駆動板の作用を直接受けるため噴射角が小さく、霧状にはなりにくい。従って、噴射孔は、燃料噴射器１１ａの作動軸に対してオフセットしていることが燃焼を霧化させるためには必要である。ここで、噴射孔を触媒コンバータ１５ａの中心軸上に位置させることで混合部１３の壁面への燃料付着を抑制し、反応時の燃料と酸化剤の比率のずれを抑えることができる。このため、上記燃料噴射器１１ａ作動軸に対して、触媒コンバータ１５ａの中心軸がオフセットして配置されている。
【００３７】
改質部１５は、上記供給部からの燃料および酸化剤の供給方向に中心軸が向くように設けられた円筒形状の触媒コンバータ１５ａを有する。触媒コンバータ１５ａは、触媒が担持された担体から構成される。本実施形態で用いられる触媒としては、本発明の効果が奏される限り、特に限定されず、従来公知のものを用いることができる。具体的には、例えば、Ｒｈ／Ａｌ２Ｏ３等を用いることができる。この触媒Ｒｈ／Ａｌ２Ｏ３は、硝酸Ｒｈ水溶液にγＡｌ２Ｏ３を添加した後、含浸法により得ることができる。担体も、本発明の効果が奏される限り特に限定されず、従来公知のものを用いることができる。具体的には、例えば、アルミナ、コージェライト、ムライト、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）等の多孔質体やステンレス等の金属メッシュを用いることができる。また、担体に対する触媒の担持方法についても、本発明の効果が奏される限り特に限定されない。例えば、上記触媒のスラリーに、円筒形状に形成された担体を含浸させることにより、担体の細孔の内壁面に触媒が層状に吸着、担持された触媒コンバータ１５ａが得られる。
【００３８】
上記触媒コンバータ１５ａは、入口線速度が３５〜１５０ｃｍ／秒の範囲であり、出口線速度が５〜２０ｃｍ／秒の範囲であるように形成されている。後述するような関係を満たすようにして設定された外径、内径、長さを具備する触媒コンバータ１５ａによれば、従来の円柱状の触媒コンバータに比して、効率的な改質が可能となる。
【００３９】
多くの反応を完結させるために触媒反応器内で反応物質の滞留時間を長くとる必要があることは、当該分野で公知である。しかしながら、本発明で記載する反応器では、空間速度が高いほど見かけの転化率が高くなるという結果になる（図３）。これは、いくつかの反応について転化生成物への選択性を改善する理由による。例えば、速い酸化反応が起こる入口近傍では短い滞留時間の効果があらわれる。他方で、外周方向へ行くにつれて滞留時間が長くなり、遅い反応（例えば、水性ガスシフト反応等の改質反応）には有利となる。本発明で記載する筒型反応器では、可変の滞留時間が設定できる。反応器の入口近傍における短い滞留時間では、過度な酸化反応を抑制できるために反応器の温度が潜在的に低いことはさらなる利点である。これは円柱型反応器では不可能である。定義から筒型反応器で単一の滞留時間を設定することは難しく、入口領域での滞留時間と出口領域での滞留時間は異なるため、本明細書で考察する改質反応についての好適な運転範囲を定義するために、反応器の入口および出口における線速度を使用する。この線速度については、円柱型反応器と筒型反応器とを参照して以下の段落で定義する。
【００４０】
図４に、軸方向の入口および出口、ならびに直径（Ｄｃ）および長さ（Ｌ）を有する円柱型反応器と、半径方向の入口直径（ＤＴ−ｉｎ）および出口直径（ＤＴ−ｅｘ）を有する筒型反応器を示す。この解析の目的のために、これらの反応器はともに等しい容積を有し、従って等しい全滞留時間を有するものとする。円柱型反応器の寸法は長さＬ＝１インチ（約２．５４ｃｍ）、直径Ｄｃ＝１．６インチ（約４．０ｃｍ）で、反応器の容積は２立方インチ（約３２．８ｃｍ３）である。筒型反応器の寸法は長さＬ＝１インチ（約２．５４ｃｍ）、ＤＴ−ｉｎ＝０．２５インチ（約０．６４ｃｍ）、ＤＴ−ｅｘ＝１．６２インチ（約４．１ｃｍ）で反応器の容積は２立方インチ（約３２．８ｃｍ３）である。円柱型反応器（図４（ａ））の入口速度および出口速度は、所与の物質流量についてほとんど変化はない。例えば毎分２５リットルの物質流量なら、この円柱型反応器では、入口速度および出口速度は３３．２ｃｍ／秒になる。同じ毎分２５リットルの流量に対しては、筒型反応器の入口速度および出口速度は、一定温度でそれぞれ８２．２ｃｍ／秒および１２．７ｃｍ／秒である。
【００４１】
円柱型反応器では、線速度が低いほど入口での反応器温度は高くなる可能性があり、現実的な材料の限界を超える可能性がある。しかしながら、円柱型反応器では、その直径をかなり小さく且つ長くすることで、高い入口速度を実現することができる。ところが、こうすると非常に細長い反応器となってしまい、許容できないほど大きい圧力低下および所望の部分酸化反応（ＣＰＯＸ）生成物への選択性の低下が発生するであろう。
【００４２】
上記筒型反応器に対して、より低い出口速度と組合せてより高い入口速度を採用すると、改質反応が所望の通りに進行するようになり、これによって適度な物質温度限界内で高い燃料転化が実現できる。Ｏ／Ｃ＝１の運転の場合、この反応器の入口線速度は出口線速度の５〜３０倍であることが好ましい。
【００４３】
筒型反応器でのディーゼル燃料の部分酸化について、所望のパフォーマンスを得るための好適な線速度の範囲は、入口線速度が３５〜１５０ｃｍ／秒の範囲であり、出口線速度が５〜２０ｃｍ／秒であることを見出した。これらの流速は、全入口体積流量を流路面積で割ることで決定することができる。円柱型反応器については、入口面積および出口面積は、  （流量）／［π（Ｄｃ／２）２Ｌ］  で定義される。筒型反応器については、入口流路面積および出口流路面積はそれぞれ、  （流量）／［π（ＤＴ−ｉｎ／２）２Ｌ］  および  （流量）／［π（ＤＴ−ｅｘ／２）２Ｌ］  で定義される。従って、流速は、触媒の長さ（Ｌ）ならびに内径および外径の関数である。
【００４４】
また、改質部１５は、上記触媒コンバータ１５ａの内壁に沿って設けられ、上記連通路１５ｂを有する。上記円筒形状の触媒コンバータ１５ａの中空部がこの連通路１５ｂを主として構成する。連通路１５ｂは、混合部１３から供給される燃料及び酸化剤の混合ガスを、触媒コンバータ１５ａに導くことができる。このときの燃料及び酸化剤の混合ガスの流れを模式的に表したものを図５に示す。図５において矢印で示されるように、連通路１５ｂを通って導入された燃料及び酸化剤の混合ガスは、触媒コンバータ１５ａの内壁から外壁に向かって放射状に拡散して通過する。後述するように、図５のＡ、Ｂ、Ｃの範囲において、既出の反応式（１）、（２）、（３）で表される反応がそれぞれ支配的に起こると考えられる。このように、触媒コンバータ１５ａを通過する過程で、燃料の改質が行われ、水素リッチな燃料ガスが製造される。
【００４５】
吐出部１６は、吐出路１６ａと、吐出口１６ｂとを有する。触媒コンバータ１５ａを通過する際に行われた改質反応により生成された水素リッチな燃料ガスは、この吐出路１６ａを通って吐出口１６ｂから吐出される。大気等の酸化剤が酸化剤導入部１２から導入される関係で、燃料改質装置１０内に一定の圧がかかる結果、生成された水素リッチな燃料ガスが吐出される。吐出された水素リッチな燃料ガスは、燃料電池発電のエネルギー源、内燃機関の排気浄化用還元剤等に利用される。
【００４６】
本実施形態に係る燃料改質装置１０で用いられる燃料としては、本発明の効果が奏される限り、特に限定されない。具体的には、ガソリンや軽油（ディーゼル燃料）、バイオディーゼル燃料、天然ガス、プロパンガス等の炭化水素燃料、メタノールやエタノール等のアルコール燃料が挙げられる。これらのうち、好ましくは炭化水素燃料であり、さらに好ましくは軽油である。
【００４７】
本実施形態に係る燃料改質装置１０で用いられる酸化剤は、本発明の効果が奏される限り、特に限定されない。具体的には、大気、酸素富化空気、酸素、酸素及び窒素を主成分とする混合気体、水蒸気等が挙げられる。これらのうち、大気、酸素及び窒素を主成分とする混合気体が好ましく用いられる。なお、導入する酸素量が過剰であると、改質反応により生成した水素が酸化されて水に変化し、水素の収率が低下してしまう。
【００４８】
本実施形態に係る燃料改質装置１０は、部分酸化反応が起こる範囲内で運転が行われることが好ましい。部分酸化反応は発熱反応であることから、この部分酸化反応が起こる範囲内で運転を行うことにより、発生した熱を利用して自立運転ができる。具体的には、触媒コンバータ１５ａの大きさや温度、触媒の種類、量等に応じて、上記燃料と酸化剤との混合比を所定の範囲内に適宜設定等することにより、部分酸化反応が起こるような運転が可能となる。
【００４９】
本実施形態に係る燃料改質装置１０で行われる改質反応は、触媒コンバータ１５ａの円筒内温度が６００℃〜１０００℃の温度範囲内で行われる。反応温度は、用いる燃料の種類、触媒の種類や量等に応じて、上記温度範囲内で適宜設定される。また、本実施形態に係る燃料改質装置１０で行われる改質反応は、ほぼ大気圧下で行われる。
【００５０】
以上のような構成を有する本実施形態に係る燃料改質装置１０の動作について、以下に説明する。
【００５１】
先ず、燃料導入部１１の燃料噴射器１１ａより所定量の燃料が導入され、酸化剤導入部１２のノズル１２ａより所定量の酸化剤が導入される。導入された燃料及び酸化剤は、混合部１３内で均一に混合された後、連通路１５ｂ内に供給され、連通路１５ｂを通りグロープラグ１４による加熱作用により加熱されて燃焼する。連通路１５ｂ内で暖められた燃料及び酸化剤の混合ガスは、触媒コンバータ１５ａの内壁から外壁に向かって強制対流によって通過する。触媒コンバータ１５ａを通過する過程において、触媒の作用により燃料の改質が行われる。改質されて生成した水素リッチな燃料ガスは、吐出部１６の吐出路１６ａを通って、吐出口１６ｂから吐出される。ここで、グロープラグ１４による加熱は始動時のみであり、触媒コンバータ１５ａの内壁が所定の温度になったら、あとは燃料及び酸化剤の混合ガスの酸化反応による自発熱で反応が継続する。
【００５２】
このような動作を示す本実施形態に係る燃料改質装置１０の効果について、改質効率、コスト、始動性、装置サイズ、過渡特性、水素製造量の観点から、以下に説明する。
【００５３】
［改質効率］
本実施形態に係る燃料改質装置１０の触媒コンバータ１５ａで行われる反応自体は、従来と同様であり、大きく３つの反応に区分される。これら三つの反応の化学反応式を、下記反応式（１）〜（３）に示す。第一の反応は、触媒コンバータの最表面で起こる燃焼反応である。この反応は、燃料と酸素が反応して水蒸気が生成する反応である。この第一の反応段階で酸素の消費が大きく進む。次いで、第二の反応は、酸素量がいくらか減少した後に、燃料が部分的に酸化されて水素と一酸化炭素が生成する酸化反応である。最後に、第三の反応は、酸素量がほぼゼロとなった状態で、第一の反応で生じた水蒸気と燃料とが反応し、水素が生成する反応である。
【化２】
0005097160.tif 000004
【００５４】
本実施形態で用いられる円筒形状の触媒コンバータ１５ａは、円筒中心軸から遠ざかるにつれて反応ガスが通過する断面積が大きくなるという特徴を有する。また、円筒中心軸に最も近い部分において、燃料ガスの滞留時間が最も短く、逆に円筒中心軸から遠ざかるにつれて燃料ガスの滞留時間が長いという特徴を有する。上述の通り、反応は、第一の反応、第二の反応、第三の反応の順に起こるため、反応断面積が最も小さい部分、即ち円筒内壁の表面部分で第一の反応及び第二の反応が起こり、反応断面積が大きい残りの体積全体で第三の反応が起こることとなる。従って、円筒中心軸に近い側から、反応速度の速い順に、第一の反応、第二の反応、第三の反応が起こることを考慮すると、本実施形態で用いられる触媒コンバータ１５ａは、高い改質効率が得られる合理的な構造となっていると言える。
【００５５】
［コスト］
発熱型の改質反応は、微分型の反応である。このため、触媒コンバータ１５ａ内に導入された燃料及び酸化剤が最初に接触する反応初期断面では、高温化の問題が生ずる。そして、高温化の問題は、材料の耐熱性という問題を引き起こす。即ち、従来の円柱型流通反応器では、この反応初期断面と反応器ケースとが接する部分において、耐熱性の高い材料を使うことが必要となる。これに対して、本実施形態に係る燃料改質装置１０では、改質部１５のケースに、触媒コンバータ１５ａの最高発熱部分（即ち、内壁の表面部分）が接することがない。このため、ケースに廉価な材料を用いることができ、燃料、酸化剤の加熱装置が不要なので、コストの削減が可能である。
【００５６】
［始動性、装置サイズ］
本実施形態に係る燃料改質装置１０は、連通路１５ｂ内にグロープラグ１４等の着火デバイスを有し、着火空間が狭いという特徴がある。このため、着火デバイスにより燃料と酸化剤との混合ガスを燃焼させる際に、触媒コンバータ１５ａに効率的に熱が伝達する。即ち、着火点から触媒コンバータ１５ａ内部で着火が起こるため、着火点から触媒層までの距離が短く、着火後に迅速に触媒コンバータ１５ａの内壁表面部分を温めることができる。また、少ない燃料で迅速に燃焼を起こすことができる。従来の円柱型流通反応器のように、触媒コンバータの上流で燃焼させる場合と異なり、発生した熱のほとんどが触媒コンバータ１５ａに伝達するのである。このため、従来の円柱型流通反応器と異なり、本実施形態では温度を維持させる電気的な加熱手段が不要である。従って、本実施形態に係る燃料改質装置１０は、始動性に優れるとともに、装置の小型化が可能である。
【００５７】
［過渡特性、装置サイズ］
従来の円柱型流通反応器では、燃料噴射器を用いて燃料を噴射する場合、噴射した燃料がケースの壁面へ付着してしまい、触媒コンバータに流入する燃料量が瞬間的に変動するという問題があった。これに対して、本実施形態に係る燃料改質装置１０では、混合部１３が短く、燃料が付着しやすい周壁が触媒コンバータ１５ａで構成されるため、ケースの壁面に燃料が付着することはない。このため、燃料は迅速に気化される結果、燃料と酸化剤との量比の瞬間的なバラツキが生ずることもなく、安定した水素の製造が可能である。また、従来のように、水素製造量のバラツキを回避するために燃料と酸化剤とを予め加熱してから混合する必要がなく、そのための加熱気化装置が不要である。従って、本実施形態に係る燃料改質装置１０は、過渡特性に優れるとともに、装置の小型化、エネルギー消費量の低減が可能である。
【００５８】
［水素製造量］
本実施形態に係る燃料改質装置１０で用いられる触媒コンバータ１５ａは、従来の円柱型流通反応器の触媒コンバータに比して、反応初期断面積を大きくできるという利点を有する。部分酸化反応は、この反応初期断面で主に進行するものであり、部分酸化反応を効率良く進行させるためには、反応初期断面積を大きくすることが重要である。ひいては、改質効率を向上させ、水素の製造量の増大を図るうえで、反応初期断面積を大きくすることは重要である。
【００５９】
ここで、従来の円柱型流通反応器では、触媒コンバータの形状は円柱形状であることから、直径をＤ２、長さをＬとすると、触媒コンバータの体積は、Ｄ２２πＬ／４で表され、反応初期断面積（即ち、体積を長さＬで割った値）は、Ｄ２２π／４で表される。一方、本実施形態に係る燃料改質装置１０の触媒コンバータ１５ａは円筒形状であるため、内径をＤ１、外径を上記と同様にＤ２、長さも上記と同様にＬとすると、触媒コンバータ１５ａの体積は、（Ｄ２２−Ｄ１２）πＬ／４で表され、反応初期断面積は、Ｄ１πＬ（即ち、内壁の表面積：円周×長さＬ）で表される。
【００６０】
従って、従来の円柱型流通反応器で用いられている円柱状の触媒コンバータに比して、改質効率を向上させ、水素製造量の増大を図るためには、Ｄ１πＬ＞Ｄ２２π／４の関係式を満たすようにして円筒形状の触媒コンバータ１５ａを形成すればよい。この点、本実施形態で用いられる触媒コンバータ１５ａは、上記関係式から導かれる下記数式（Ｉ）で表される関係を満たすようにして形成されている。このため、本実施形態に係る燃料改質装置１０は、従来に比して水素製造量の増大を図ることが可能である。なお、実際には、例えば１Ｌ以上の水素リッチな燃料ガスを製造するためには、触媒コンバータ１５ａの長さはある程度の長さに設定する必要がある。このため、３５〜１５０ｃｍ／秒の入口線速度、および５〜２０ｃｍ／秒の範囲の出口線速度を満たす範囲内で、所望の水素量が得られるように、触媒コンバータ１５ａの外径、内径、長さが設定される。
【数２】
0005097160.tif 000005
【００６１】
［周期的なリーン運転］
次に、周期的なリーン運転について説明する。
反応器内では時間が経つにつれて炭素堆積物が発生すると考えられる。このような堆積物を除去するために、高い酸素分圧下で短期間動作させることで、周期的なリーン運転を行うことが望ましい。高い酸素分圧下は炭素を酸化する効果（即ち、燃焼）をもたらす。しかしこれを行うと、過剰に温度が上昇する可能性がある。そのため、この周期的なリーン運転の間は反応器の温度が高くなることを回避するように注意しなければならない。リッチ／リーンの比率はコンバータの大きさ（反応器の質量）、燃料の流量、大気の流量等から決定される。リーン運転の３つの可能な実施形態を本明細書に記載する。これらはすべて、１０５０℃という反応器の最大許容温度以下で運転させることに留意する。
【００６２】
（ｉ）非常に短時間の酸化パルス（ミリ秒のオーダー）
燃料改質装置を長期間（例えば、１〜１０時間）にわたって連続的に運転したときは、周期的なリーン運転を行って炭素堆積物を除去するのがよい。電磁駆動式の噴射器を用いて、改質反応器がリーン環境下で動作するように燃料の流れを変更し／止めてもよい。この例（ｉ）では、リーンサイクルの連続運転時間は上記長期運転期間の約２５％である。このサイクルは、Ｏ／Ｃ＝１．０でのリッチ期間（１５０ミリ秒）、これに続く大気の流れだけによるリーン期間（５０ミリ秒）からなる。全間隔期間は２００ミリ秒である。リッチ期間の最後に少量の残留燃料があれば、酸化反応を維持するのに十分である。このパルスの周波数は、反応器内で観察される炭素堆積物の様子に基づいて決定される。
【００６３】
（ｉｉ）短期間の酸化パルス（秒のオーダー）
これは、１〜１０時間以上の長期間にわたり燃料改質装置を連続動作させた場合の代替の周期的なリーン運転の例である。例（ｉｉ）では、リーンサイクルの連続運転時間は上記長期運転期間の約１０％である。このサイクルは、Ｏ／Ｃ＝１．０でのリッチ期間（１８秒）、これに続く大気の流れだけによるリーン期間（２秒）からなる。全間隔期間は２０秒である。例（ｉ）の場合のように、このパルスの周波数は、反応器内で観察される炭素堆積物の様子に基づいて決定され、燃料改質装置は反応器の最高温度限界にさらされる。
【００６４】
（ｉｉｉ）運転停止時の酸化クリーンアップ
燃料改質装置を短期間（例えば、１時間未満）運転させた場合には、運転停止時に（燃料を止めた後で）大気を導入すれば、炭素堆積物を酸化するには十分である。これは、「バーンオフ」サイクルと呼ばれている。これまで述べたように、大気だけで運転させると反応器の温度は急上昇する。そのため、コンバータの温度が１０５０℃を超える場合には空気を添加することを止めなければならない。例として、Ｏ／Ｃ＝１．０での３００秒間のリッチ動作、および運転停止時の１５〜２０秒のリーン運転（大気のみを使用する）、全動作時間３２０秒からなる条件を示すことができる。
【００６５】
上述した実施形態（ｉｉ）および（ｉｉｉ）において、リーン条件としてＯ／Ｃ＝３．０以上の比率で運転させることも同様に可能である。
【００６６】
これまで本発明の好適な実施形態を説明し示してきたが、その実施形態は単なる本発明の例示のためだけのものであると理解すべきであり、本発明を限定するものと解釈すべきではない。本発明の趣旨又は本発明の範囲から逸脱することなく上記実施形態に付加、省略、置換又は他の修正を加えることもできる。従って、本発明は上述の記載によって限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲の記載によってのみ限定されるものである。
【符号の説明】
【００６７】
１０    燃料改質装置
１１    燃料導入部
１１ａ  燃料噴射器
１２    酸化剤導入部
１２ａ  ノズル
１３    混合部
１４    グロープラグ
１５    改質部
１５ａ  触媒コンバータ
１５ｂ  連通路
１６    吐出部
１６ａ  吐出路
１６ｂ  吐出口
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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