JP2002154805A

JP2002154805A - 改質反応装置及び改質システム

Info

Publication number: JP2002154805A
Application number: JP2000347217A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Komatsu; 宏小松; Noboru Yamauchi; 昇山内; Kazuhiko Ishiwatari; 和比古石渡; Hisashi Aoyama; 尚志青山
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2000-11-14
Filing date: 2000-11-14
Publication date: 2002-05-28

Abstract

(57)【要約】【課題】炭化水素系の燃料を改質して水素を生成する改
質反応装置の始動時の改質反応開始時期を早める。【解決手段】燃料、空気、水蒸気を供給されて改質反応
により水素を生成する改質反応装置２４に、触媒燃焼に
よって発熱を促進する発熱触媒を発熱体（通電ヒータ）
に担持した触媒ヒータ２８と、主として部分酸化反応を
生じるハニカム触媒３０と、主として自己熱改質反応を
生じるハニカム触媒３２とを配設し、コントロールユニ
ット３５により、各触媒出口温度を熱電対２９，３１，
３３で検出しつつ燃料、空気、水蒸気の供給及び触媒ヒ
ータ２８の通電を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、炭化水素系の燃料
（ガソリン、軽油、メタノール、ＣＮＧ、ナフサ等、以
下原燃料と表記）を、触媒によって改質して水素を生成
する改質反応装置と、その制御系を含む改質システムに
関し、特に改質反応の開始を早めた技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の改質反応装置としては、例えば、
図５に示すようなものがある（特開平１１−１３０４０
５号公報参照）。有機化合物は又は一酸化炭素を含む反
応流体Ａから触媒反応によって水素を発生させる改質触
媒１１と、通電によって発熱可能なヒータユニット１０
とを流体流路１２内に配置して構成される改質反応装置
である。

【０００３】起動時の運転方法としては、まず、通電を
開始する。ヒータユニット１０が所定温度、好ましくは
ヒータユニット１０が水蒸気改質反応、部分酸化反応ま
たは分解反応に必要な温度に達するまで加熱する。水蒸
気改質反応、部分酸化反応または分解反応に必要な温度
とは５００°Ｃ以上、好ましくは６００°Ｃ以上であ
り、この温度まで通電により昇温させる。ヒータユニッ
ト１０自体の温度を測温してもよく、また、予めこの温
度に達するように設定された通電時間通電して昇温させ
ることもできる。この温度まで昇温した後、反応流体を
流し始める。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来装置のように、ヒータユニット１０が水蒸気改質反
応、部分酸化反応または分解反応に必要な温度に達する
まで加熱する方法では、ヒータユニット１０を通電のみ
で加熱する方式であるため、ヒータユニット１０が昇温
するまでの時間が長く、水素発生までに時間がかかり、
該水素を供給されて発電する燃料電池が発電し始めるま
での時間がかかる。その結果、それらのパワートレイン
搭載車両の始動性が極めて良くないという問題があっ
た。

【０００５】本発明は、このような従来の課題に着目し
てなされたもので、改質反応が促進されて水素発生まで
に要する時間を短縮した改質反応装置と、その制御系を
含む改質システムを提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】このため、請求項１に係
る発明は、炭化水素系の燃料から触媒反応により水素を
発生する改質触媒と、通電により発熱する発熱体と、を
含んで構成される改質反応装置において、前記発熱体に
燃料との発熱反応を促進する発熱触媒を担持させたこと
を特徴とする。

【０００７】請求項１に係る発明によると、発熱体の通
電によって、発熱触媒が温度上昇すると燃料との発熱反
応（触媒燃焼）が促進され、発熱体の通電のみで昇温さ
せる場合に比較して、改質触媒の温度上昇が早められる
ので、改質可能な温度に短時間で到達して、改質ガス
（水素）の生成を早めることができる。

【０００８】これにより、例えば、改質ガスを原料とす
る燃料電池を搭載した車両の始動性を向上することがで
きる。また、請求項２に係る発明は、上流側から、前記
発熱体に担持された発熱触媒と、主に部分酸化反応を促
進する改質触媒と、主に自己熱改質反応を促進する改質
触媒と、が、分離して配設されていることを特徴とす
る。

【０００９】請求項２に係る発明によると、改質反応装
置内に、上流側から各反応（触媒燃焼、部分酸化反応、
自己熱改質反応）の開始温度が低い順に触媒が分離して
配設されるので、各反応を順次効果的に生じさせること
ができる。また、請求項３に係る発明は、前記発熱体
に、前記発熱触媒と共に前記改質触媒も一体に担持させ
たことを特徴とする応装置。

【００１０】請求項３に係る発明によると、発熱機能と
改質機能を持つ２種類の触媒を、発熱体に一体に担持す
ることにより、部品点数が減少すると共に、装置をコン
パクト化できる。また、請求項４に係る発明は、前記改
質反応装置と、燃料と空気と水の供給及び前記発熱体の
通電を制御する制御系と、を備えたことを特徴とする。

【００１１】上記改質反応を早めることができる改質反
応装置を備え、制御系により燃料と空気と水の供給及び
前記発熱体の通電を制御することにより、始動性に優れ
た改質システムを得られる。また、請求項５に係る発明
は、通電により発熱し、水を加熱して前記改質反応装置
に供給する水蒸気を発生させる第２の発熱体を備えたこ
とを特徴とする。

【００１２】請求項５に係る発明によると、十分暖機さ
れた状態では、例えば水を改質反応装置からの改質ガス
と熱交換させるだけでも水蒸気を発生することが可能で
あるが、始動時など、改質反応を開始できない冷機条件
では、水蒸気を発生することが困難である。そこで、前
記第２の発熱体を通電して発熱することにより、水を加
熱して水蒸気を発生することができる。

【００１３】また、請求項６に係る発明は、始動時に、
触媒の温度状態に応じて改質反応装置に供給する燃料と
空気と水の量を制御することを特徴とする。請求項６に
係る発明によると、始動時に、発熱触媒および改質触媒
の温度状態に応じて各反応の発生状態を考慮して、改質
反応装置に供給する燃料と空気と水の量を制御すること
により、改質反応の開始時期をできるだけ早めることが
できる。

【００１４】また、請求項７に係る発明は、前記発熱触
媒を担持した発熱体を通電して、該発熱触媒が第１の所
定温度に達した後、燃料と空気のみを第１の空燃比で前
記改質反応装置に供給することを特徴とする。請求項７
に係る発明によると、発熱触媒が第１の所定温度に達し
て燃料との発熱反応の促進機能が得られる状態となって
から、燃料と空気を前記改質反応装置に供給することに
より、発熱触媒による発熱により改質触媒の温度上昇を
早めることができる。

【００１５】また、請求項８に係る発明は、前記燃料と
空気のみの供給開始後、改質触媒が第２の所定温度に達
した後、燃料の供給割合を増加し、第２の空燃比とする
ことを特徴とする。請求項８に係る発明によると、前記
発熱触媒による燃料との発熱反応の促進により、改質触
媒の温度が上昇し、該改質触媒による発熱反応が生じる
温度となったときに、燃料の供給割合を増加することに
より、前記改質触媒による発熱反応が促進されて温度上
昇をより早めることができる。

【００１６】また、請求項９に係る発明は、前記第２の
発熱体に通電して水蒸気が生成され、かつ、前記改質触
媒が第３の所定温度に達した後、燃料と空気と水蒸気と
を所定の割合で供給することを特徴とする。請求項９に
係る発明によると、既述のように始動時等の冷機時に第
２の発熱体の通電によって水蒸気を生成しておき、一
方、改質触媒の温度が上昇して水蒸気の供給によって改
質反応が生じる温度となったときに、燃料と空気と水蒸
気とを所定の割合で供給して、改質反応を開始させるこ
とにより、部分酸化よりも効率の高い自己熱改質に早く
移行することができる。

【００１７】また、請求項１０に係る発明は、前記第１
の所定温度を、前記発熱触媒の触媒燃焼開始温度とした
ことを特徴とする。請求項１０に係る発明によると、燃
料と空気の改質反応装置への供給を開始する第１の所定
温度を、発熱触媒の触媒燃焼開始温度とすることによ
り、触媒燃焼による発熱を早く得ることができる。

【００１８】また、請求項１１に係る発明は、前記第２
の所定温度を、前記改質触媒の部分酸化反応開始温度と
したことを特徴とする。請求項１１に係る発明による
と、燃料の供給割合を増加する第２の所定温度を、改質
触媒の部分酸化反応開始温度とすることにより、該部分
酸化反応による発熱を早く得ることができる。

【００１９】また、請求項１２に係る発明は、前記第３
の所定温度を、前記改質触媒の自己熱改質反応開始温度
としたことを特徴とする。請求項１２に係る発明による
と、燃料と空気に加えて水蒸気の供給を開始する第３の
所定温度を、改質触媒の自己熱改質反応開始温度とする
ことにより、該自己熱改質反応による改質ガス（水素）
の生成を早く開始することができる。

【００２０】また、請求項１３に係る発明は、前記第１
の空燃比を、前記発熱触媒の触媒燃焼に適合した空燃比
に設定することを特徴とする。請求項１３に係る発明に
よると、第１の空燃比を、前記発熱触媒の触媒燃焼に適
合した例えば理論空燃比に設定することにより、触媒燃
焼の温度を高めることができる。

【００２１】また、請求項１４に係る発明は、前記第２
の空燃比を、前記改質触媒の部分酸化反応に適合した空
燃比に設定することを特徴とする。請求項１４に係る発
明によると、第２の空燃比を、改質触媒の部分酸化反応
に適合した例えば理論空燃比よりリッチな空燃比に設定
することにより、部分酸化反応の温度を高めることがで
きる。

【００２２】また、請求項１５に係る発明は、前記燃料
と空気と水蒸気との所定の割合を、前記改質触媒の自己
熱改質反応に適合した値に設定することを特徴とする。
請求項１５に係る発明によると、燃料と空気と水蒸気と
の割合を、改質触媒の自己熱改質反応に適合した値に設
定することにより、自己熱改質反応による改質ガスの生
成効率を高めることができる。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。図１は本発明の第1の実施の形態
にかかる改質反応装置を備えた改質システムを示す。燃
料ポンプ２０、空気ポンプ２１、水ポンプ２２は、それ
ぞれ燃料,空気及び水を、回転速度によって流量制御し
つつ圧送する。燃料と空気は、直接燃料気化器２３に供
給される。水ポンプ２２から圧送された水は、前記燃料
気化器２３の下流側に接続された改質反応装置２４によ
り生成された改質ガスと熱交換器２５を介して熱交換
し、始動時等の冷機時には第２の発熱体である電気ヒー
タ２６によっても加熱され、水蒸気となって電磁弁２７
を経て燃料気化器２３に供給される。

【００２４】暖機後は前記燃料気化器２３内で、主に水
蒸気の持つ熱量により燃料が気化され、改質反応装置２
４に供給される。前記改質反応装置２４には、上流側か
ら通電により発熱すると共に触媒燃焼によって発熱を促
進する発熱触媒を担持するハニカム型の触媒ヒータ２
８、該触媒ヒータ２８の出口温度を検出する熱電対２
９、主に部分酸化反応を促進するハニカム触媒３０、該
ハニカム触媒３０の出口温度を検出する熱電対３１、主
に自己熱改質（ＡＴＲ）反応を促進するハニカム触媒３
２、該ハニカム触媒３２の出口温度を検出する熱電対３
３が配設されている。

【００２５】また、前記電気ヒータ２６直下の水蒸気通
路には、該通路内の水蒸気温度を検出する熱電対３４が
配設される。前記各熱電対２９，３１，３３，３４によ
り検出される温度信号は、コントロールユニット３５に
入力される。次に、上記のように構成された改質システ
ムの作動を説明する。

【００２６】十分暖機された状態では、前記燃料気化器
２３で気化された燃料が、空気、水蒸気と混合しつつ、
前記改質反応装置２４内で、主に自己熱改質（ＡＴＲ）
を促進するハニカム触媒３２によって改質され、改質ガ
ス（水素）が生成される。すなわち、前記コントロール
ユニット３５による特別な制御を行なうことなく、十分
な改質ガスが得られる。

【００２７】一方、始動時のように、前記ハニカム触媒
３２が自己熱改質の反応温度に達していない冷機時は、
コントロールユニット３５は、前記電気ヒータ２６を通
電して水蒸気の発生を促進するとともに、前記各熱電対
２９，３１，３３，３４からの温度信号に基づいて、改
質反応装置２４内の触媒ヒータ２８の通電及び燃料、空
気、水の供給を制御する。

【００２８】以下に、上記改質システムの始動時の制御
を、図２に示したタイムチャートに基づき、時間を追っ
て説明する。イグニションスイッチがオンされる（Ｓ
１）と同時に、電気ヒータ２６、触媒ヒータ２８が通電
され（Ｓ２）、水蒸気の発生を促進するとともに、触媒
ヒータ28を発熱して温度上昇させる。

【００２９】熱電対２９により検出される触媒ヒータ２
８の出口温度が、第1の所定温度Ｔ１に達したときに、
該触媒ヒータ２８の発熱触媒による触媒燃焼が可能と判
断する（Ｓ３）。該判断により、燃料ポンプ２０と空気
ポンプ２１を駆動し、これらの回転速度を制御して燃料
と空気とを理論空燃比で供給する（Ｓ４）。電磁弁２７
は、通電がオフされたまま閉弁状態を維持され、水蒸気
は供給されない。これにより、触媒ヒータ２８では、供
給された燃料と空気の混合気により触媒燃焼を生じる。
燃料としてイソオクタンを使用した場合の触媒燃焼の反
応式を下記に示す。

【００３０】Ｃ₈Ｈ₁₈＋12.5Ｏ₂→９Ｈ₂Ｏ＋８ＣＯ₂（発熱反応）熱電対３１により検出されるハニカム触媒３０の出口温
度が、第２の所定温度Ｔ２（＞Ｔ１）に達したときに、
該ハニカム触媒３０での部分酸化反応が可能と判断する
（Ｓ５）。該判断により、燃料ポンプ２０と空気ポンプ
２１の回転速度を制御して燃料の供給割合を増加し、リ
ッチ空燃比で供給する（Ｓ６）。これにより、ハニカム
触媒３０で部分酸化反応を開始する。同じく燃料をイソ
オクタンとした場合の、部分酸化の反応式を下記に示
す。

【００３１】Ｃ₈Ｈ₁₈＋８Ｏ₂→９Ｈ₂＋８ＣＯ₂（発熱反応）また、前記部分酸化反応の開始に伴ない、触媒ヒータ２
８への通電を停止する。すなわち、触媒ヒータ２８によ
る発熱は、ハニカム触媒３０で部分酸化反応の開始を早
めるためのものであるから、該部分酸化反応の開始後は
通電を停止して消費電力を節減する。

【００３２】熱電対３４により検出される水蒸気温度
が、燃料の気化が行なえる温度に達したと判断する（Ｓ
７）。このときから、電気ヒータ２６の通電量を徐々に
減少し、最後に通電を停止する。熱電対３３により検出
されるハニカム触媒３２の出口温度が、第３の所定温度
Ｔ３（＞Ｔ２）に達したときに、該ハニカム触媒３２で
の自己熱改質（ＡＴＲ）が可能と判断する（Ｓ８）。

【００３３】電磁弁２７を通電して開弁するとともに、
水ポンプ２２を駆動し、回転速度を制御して流量を制御
しながら水蒸気を供給する（Ｓ９）。これにより、燃料
気化器２３で水蒸気により燃料が気化されるとともに、
ハニカム触媒３２で自己熱改質反応を生じて改質ガス
（水素）が生成される。ここで、燃料をイソオクタンと
した場合の改質反応は、下記の水蒸気改質反応のように
なるが、この吸熱反応において必要な熱量を、外部から
供給することなく前記ハニカム触媒３０を主とした部分
酸化による発熱で賄っているので、自己熱改質反応とな
る。

【００３４】Ｃ₈Ｈ₁₈＋16Ｈ₂Ｏ→17Ｈ₂＋８ＣＯ₂（吸熱反応）以上のように、発熱触媒を担持した触媒ヒータ２８によ
って発熱を促進することにより、ハニカム触媒３０で部
分酸化反応の開始を早め、ひいては、主に自己熱改質
（ＡＴＲ）を促進するハニカム触媒３２を、反応のため
に必要な所定温度に短時間に到達させることができる。

【００３５】これにより、例えば、前記改質反応装置か
らの改質ガス（水素）を原料とする燃料電池を搭載した
車両の始動性を著しく向上できる。本第１の実施の形態
では、改質反応装置内に、上流側から各反応（触媒反
応、部分酸化反応、自己熱改質反応）の開始温度が低い
順に触媒を分離して配設したので、各反応を順次効果的
に生じさせることができる。

【００３６】図３は、本発明の第２の実施の形態にかか
る改質反応装置を備えた改質システムを示す。本第2の
実施の形態にかかる改質反応装置４１は、前記第１の実
施の形態における触媒燃焼によって発熱を促進する発熱
触媒を担持する触媒ヒータ、主に部分酸化を促進するハ
ニカム触媒、主に自己熱改質（ＡＴＲ）を促進するハニ
カム触媒を一体化した、３機能一体化触媒４２（大きく
は、発熱触媒と改質触媒とを共通の発熱体に担持させた
もの）と、その下流側に設けた触媒出口温度検出用の１
個の熱電対４３とを備えて構成される。その他の構成
は、第１の実施の形態と同様である。

【００３７】第２の実施の形態においても、第１の実施
の形態で各触媒出口温度を各熱電対３１，３３，３４で
検出していたのを、熱電対４３で３機能一体化触媒４２
の出口温度を検出して、同様に制御する。すなわち、図
４のタイムチャートに示すように、上記３機能一体化触
媒４２を、始めは通電による発熱で温度上昇させ、第１
の所定温度以上で発熱触媒による触媒燃焼を開始させ
る。該触媒燃焼により発熱反応が促進されて第２の所定
温度以上になると、部分酸化反応が開始される。触媒４
２に内蔵されたヒータへの通電は停止される。該部分酸
化反応による発熱でさらに第３の所定温度以上になる
と、水蒸気の供給を開始して自己熱改質反応により改質
ガスを生成する。

【００３８】したがって、第１の実施の形態と同様な効
果が得られるとともに、部品点数が減少し、コンパクト
化される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態にかかる改質反応装
置を備えた改質システムの構成を示す図

【図２】第１の実施の形態における始動時の制御を示
すタイムチャート

【図３】本発明の第２の実施形態にかかる改質反応装
置を備えた改質システムの構成を示す図

【図４】第２の実施の形態における始動時の制御を示
すタイムチャート

【図５】改質反応装置の従来例を示す図

【符号の説明】

２０燃料ポンプ２１空気ポンプ２２水ポンプ２４改質反応装置２６電気ヒータ２８触媒ヒータ２９熱電対３０ハニカム触媒３１熱電対３２ハニカム触媒３３熱電対３４熱電対３５コントロールユニット

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者石渡和比古神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地日産自動車株式会社内 (72)発明者青山尚志神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地日産自動車株式会社内Ｆターム(参考） 4G040 EA02 EA03 EA06 EA07 EB03 EB12 EB13 EB18 EB23 EB41 EB43 4G140 EA02 EA03 EA06 EA07 EB03 EB12 EB13 EB18 EB23 EB41 EB43 5H027 AA02 BA01 KK42 MM12 MM21

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】炭化水素系の燃料から触媒反応により水素
を発生する改質触媒と、通電により発熱する発熱体と、
を含んで構成される改質反応装置において、前記発熱体に燃料との発熱反応を促進する発熱触媒を担
持させたことを特徴とする改質反応装置。
【請求項２】上流側から、前記発熱体に担持された発熱
触媒と、主に部分酸化反応を促進する改質触媒と、主に
自己熱改質反応を促進する改質触媒と、が、分離して配
設されていることを特徴とする請求項１に記載の改質反
応装置。
【請求項３】前記発熱体に、前記発熱触媒と共に前記改
質触媒も一体に担持させたことを特徴とする請求項１に
記載の改質反応装置。
【請求項４】前記請求項１〜請求項３のいずれか１つに
記載の改質反応装置と、燃料と空気と水の供給及び前記
発熱体の通電を制御する制御系と、を備えたことを特徴
とする改質システム。
【請求項５】通電により発熱し、水を加熱して前記改質
反応装置に供給する水蒸気を発生させる第２の発熱体を
備えたことを特徴とする請求項４に記載の改質システ
ム。
【請求項６】始動時に、触媒の温度状態に応じて改質反
応装置に供給する燃料と空気と水の量を制御することを
特徴とする請求項４又は請求項５に記載の改質システ
ム。
【請求項７】前記発熱触媒を担持した発熱体を通電し
て、該発熱触媒が第１の所定温度に達した後、燃料と空
気のみを第１の空燃比で前記改質反応装置に供給するこ
とを特徴とする請求項６に記載の改質システム。
【請求項８】前記燃料と空気のみの供給開始後、改質触
媒が第２の所定温度に達した後、燃料の供給割合を増加
し、第２の空燃比とすることを特徴とする請求項７に記
載の改質システム。
【請求項９】前記第２の発熱体に通電して水蒸気が生成
され、かつ、前記改質触媒が第３の所定温度に達した
後、燃料と空気と水蒸気とを所定の割合で供給すること
を特徴とする請求項６〜請求項８のいずれか１つに記載
の改質システム。
【請求項１０】前記第１の所定温度は、前記発熱触媒の
触媒燃焼開始温度であることを特徴とする請求項７〜請
求項９のいずれか１つに記載の改質システム。
【請求項１１】前記第２の所定温度は、前記改質触媒の
部分酸化反応開始温度であることを特徴とする請求項８
〜請求項１０のいずれか１つに記載の改質システム。
【請求項１２】前記第３の所定温度は、前記改質触媒の
自己熱改質反応開始温度であることを特徴とする請求項
９〜請求項１１のいずれか１つに記載の改質システム。
【請求項１３】前記第１の空燃比は、前記発熱触媒の触
媒燃焼に適合した空燃比に設定されることを特徴とする
請求項７〜請求項１２のいずれか１つに記載の改質シス
テム。
【請求項１４】前記第２の空燃比は、前記改質触媒の部
分酸化反応に適合した空燃比に設定されることを特徴と
する請求項８〜請求項１３のいずれか１つに記載の改質
システム。
【請求項１５】前記燃料と空気と水蒸気との所定の割合
は、前記改質触媒の自己熱改質反応に適合した値に設定
されることを特徴とする請求項９〜請求項１４のいずれ
か１つに記載の改質システム。