JPWO2006011409A1 - 燃料供給システム - Google Patents

Abstract

本発明の燃料供給システムは、液体の原燃料内で放電を行い、改質ガス含有燃料を生成する燃料改質装置（４）と、前記改質ガス含有燃料又は前記改質ガス含有燃料と前記原燃料との混合物をエンジン（５）の燃焼室に供給する燃料供給装置（８）と、を有することを特徴としている。

Description

本発明は、燃料供給システムに関する。より詳細には、燃料液中における放電によって水素含有ガスを生成させるための燃料改質装置と、改質燃料をエンジンに供給する燃料供給装置とを有する燃料供給システムに関するものである。

近年、燃料電池の燃料や種々の有機化合物の水素化等、各種の工業用途に利用するため、燃料改質による水素含有ガスの製造に関し、様々な研究開発が行われている。

水素含有ガスを製造するための燃料としては、メタンやガソリンなどの炭化水素や、メタノールなどのアルコール類などが一般的に用いられている。かような燃料を用いた燃料改質反応には、水蒸気改質、部分酸化改質、及び水蒸気改質と部分酸化改質とを組み合わせたオートサーマル改質がある。メタンを部分酸化改質及び水蒸気改質する場合の反応式を以下に示す。

部分酸化反応：ＣＨ_４＋１／２Ｏ_２→２Ｈ_２＋ＣＯ
水蒸気改質反応：ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→３Ｈ_２＋ＣＯ
従来、上記の燃料を用いて水素含有ガスを製造するには、まず燃料と水とを所定の割合で混合し、その後、この燃料と水との混合物を気化させ、この気体を改質触媒を備える改質器に供給して水素含有ガスを製造する方法が一般的に用いられる。ただこのような改質触媒による従来の方法では、７００〜９００℃といった高温で上記反応を進行させる必要がある。このため、得られる水素含有ガス中の一酸化炭素濃度が、平衡により高くなってしまうことがあった。その結果、改質器の後段に設置される、一酸化炭素を除去するためのシフト反応器が大型化するという問題があった。また、改質触媒を所定の温度に加熱する必要があり、装置の起動性や応答性に劣るという問題があった。また高価な改質触媒を使用するため、コストが高くなるという問題もあった。

従来の方法における上記のような問題を解決すべく、放電により発生するプラズマを利用し、気相にて水素含有ガスを製造する方法が提案されている（特開平７−２９２３７２号公報及び特開２００１−１６７７８４号公報参照）。しかしながら、放電プラズマを用いて気相で燃料を改質するには、燃料を気化させる必要がある。従って、液体状の燃料を気化させるための気化器を設置しなければならず、また、燃料を気化させるための熱エネルギも必要となる。このため、燃料電池車両などに適用する際に装置が大型化するという問題があった。さらに、燃料の気化に伴う起動時間や応答時間の延長、起動エネルギの増大といった問題も生じていた。また冷間起動時や低出力から高出力への出力変動時に、気化に必要な熱量が回収できず、プラズマ処理を行うことができないといった問題が生じていた。

かような問題を解決すべく、本発明者らは、液体燃料を気化させることなく、液相にて改質を達成しうる手段として、一対の電極間にピンホールを有する絶縁膜を設け、放電プラズマにより水素含有ガスを発生させうる燃料改質装置を開示している（第１３回日本エネルギ学会大会予稿集、２２８頁参照）。

しかしながら、かような燃料改質装置は、絶縁膜を備えることにより以下のような問題を抱えている。すなわち、改質により発生したガスの気泡が、絶縁膜の有するピンホール部分に付着する場合があり、充分な時間にわたって安定した放電が維持できない虞がある。また、絶縁膜の設置に伴い、反応容器の形状や液体燃料の供給形態が制約され、放電時の出力を充分に向上させることができない虞がある。さらに、絶縁膜を設置すること自体、製造コストの高騰の原因ともなる。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、電極間に絶縁膜を設置することなく、液相において優れた改質性能を発揮しうる燃料改質装置及び生成した水素含有ガス等を効率的にエンジンに供給する燃料供給装置を含む燃料供給システムを提供することにある。

本発明の態様に係る燃料供給システムは、液体の原燃料内で放電を行い、改質ガス含有燃料を生成する燃料改質装置と、前記改質ガス含有燃料又は前記改質ガス含有燃料と前記原燃料との混合物をエンジンの燃焼室に供給する燃料供給装置と、を有することを特徴とする。

図１は、本発明における実施の形態１の燃料供給システムを示す概略図である。 図２は、本発明における実施の形態２の燃料供給システムを示す概略図である。 図３は、本発明における実施の形態３の燃料供給システムを示す概略図である。 図４は、本発明における実施の形態４の燃料供給システムを示す概略図である。 図５は、本発明における実施の形態５の燃料供給システムを示す概略図である。 図６は、本発明における他の実施の形態の燃料供給システムを示す概略図である。 図７は、本発明における燃料改質装置の一例を示す概略図である。 図８は、本発明における燃料改質装置の他の例を示す概略図である。 図９は、比較例１の燃料改質装置を示す概略図である。 図１０は、比較例２の燃料改質装置を示す概略図である。 図１１は、実施例１、並びに比較例１および２における改質時間の経過に伴う水素生成速度の変化を示すグラフである。 図１２は、本発明の触媒反応器を示す概略図である。 図１３は、本発明の触媒反応器におけるプレートフィンの一例を示す斜視図である。

以下、図面を用いて本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、以下で説明する図面で、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。また、説明の都合上、図面の寸法比率は誇張されており、図示する形態が実際とは異なる場合がある。

本発明の燃料供給システムは、改質燃料又は改質燃料と原燃料との混合物をエンジンの燃焼室に供給するものであって、原燃料を改質する燃料改質装置と、改質された改質燃料及び／または原燃料をエンジンの燃焼室に供給する燃料供給装置を備えたものである。

図１では実施の形態１における燃料供給システムの構成を示す。本実施の形態の燃料供給システム３０は、第１バルブ２を備えた第１燃料供給路３と、この第１燃料供給路３の途中に設けた燃料改質装置４と、改質燃料及び原燃料をエンジン５の燃焼室に供給する燃料供給装置８を有している。さらに本燃料供給システム３０は、前記燃料改質装置４に備えた電極に電圧を印加する電圧印加部６と、前記電圧印加部６及び第１バルブ２を制御する制御部７とからなる放電制御装置を有している。

燃料改質装置４としては、液体燃料中に相対向して配置され、放電を行う１対の電極からなる装置を使用することができる。本発明の燃料改質装置４は、燃料タンク１より供給された液体の原燃料を気化させることなく、原燃料中において放電を行うことによって、プラズマ改質反応を起こし、水素含有ガスを生成するものである。燃料改質装置４については後ほど詳述する。

燃料供給装置８は、燃料改質装置４で改質された改質ガス（改質燃料）及び／または未改質の原燃料をエンジン５の燃焼室に供給するものである。燃料供給装置８としては、タンク内圧力を高めて燃料を圧送する装置、燃料噴射弁及び燃料ポンプなどを使用することができる。制御部７は、エンジンの始動状況や車速などのデータに基づき、第１バルブ２の開度や電圧印加部６の出力電圧などを制御する。電圧印加部６は、制御部７からの信号に基づき、燃料改質装置４に備えた一対の電極に所定の電圧を印加する。電圧印加部６としては、高圧電源、直流電源、交流電源及び高周波電源などを使用することができる。燃料タンク１としては、原燃料を貯蔵できるものであれば、あらゆるタンクを使用することができる。第１バルブ２は制御部７からの信号に基づき開閉し、燃料改質装置４への燃料供給量を調節している。

第１燃料供給路３は、燃料タンク１、燃料改質装置４及び燃料供給装置８を連通している。本システム３０では、第１燃料供給路３を通じて、燃料タンク１から原燃料を燃料改質装置４に供給し、さらに燃料改質装置４で生成した改質燃料及び未改質の原燃料を燃料供給装置８に供給している。原燃料としては、炭化水素、具体的にはエタノールなどのアルコールやトルエンなどの芳香族化合物を用いることができる。

本システム３０の動作について説明する。本システム３０では、まず制御部７がエンジンの始動状況や車速データを受信する。受信した各種データに基づき、制御部７は第１バルブ２を開放し、燃料タンク１に貯蔵された原燃料を、第１燃料供給路３を通じて燃料改質装置４に供給する。燃料改質装置４では、液体の原燃料中で放電が行われ、原燃料の一部が改質されて水素を含有する改質ガスが生成される。このとき放電電圧は、制御部７からの信号を受信した電圧印加部６により印加される。生成した改質燃料及び原燃料は、第１燃料供給路３を通じて燃料供給装置８に送られる。そして燃料供給装置８は改質燃料及び原燃料を混合した状態でエンジンの燃焼室に供給する。

本発明の燃料供給システムでは、燃料改質装置として、原燃料を気化させることなく水素を含有する改質燃料を生成する装置を使用する。そのため、エンジンの始動時から燃料改質装置を作動させ、水素を含有する改質燃料を、応答性を損なうことなく速やかにエンジンに供給することができる。また液体の原燃料を気化させるための熱交換器などを設ける必要が無いため、システムを大型化することなく、またこれに伴うコスト増も回避することができる。さらに本実施の形態のシステム３０では、水素を含有する改質燃料と未改質の原燃料を混合してエンジン５の燃焼室に供給し、燃焼が行なわれる。気体の改質燃料と液体の原燃料との混合燃料は、燃焼のリーン限界を伸ばすことができるので、本システムを用いることにより、効率的な超希釈燃焼が実現でき、エンジンの燃費を向上させることが可能となる。

次に実施の形態２の燃料供給システムについて説明する。図２に示すように、実施の形態２の燃料供給システム３１は、実施の形態１のシステム３０に対し、さらに第２燃料供給路１０を設けていることを特徴とする。第２燃料供給路１０は、燃料タンク１と燃料供給装置８とを直接連結しており、燃料タンク１内の原燃料を、燃料改質装置４を介さず、直接燃料供給装置８に供給している。さらに第２燃料供給路１０上には、第２バルブ９を備えている。第２バルブ９は、制御部７からの信号に基づきバルブを開閉し、燃料供給装置８への燃料供給量を調節している。

本システム３１の動作について説明する。本システム３１では、実施の形態１のシステム３０と同様に、まず制御部７がエンジンの始動状況や車速データを受信する。受信した各種データに基づき、制御部７は第１バルブ２を開放し、燃料タンク１に貯蔵された原燃料を、第１燃料供給路３を通じて燃料改質装置４に供給する。燃料改質装置４では、液体の原燃料中で放電が行われ、原燃料が改質されて水素を含有する改質ガスが生成される。生成した改質燃料は、第１燃料供給路３を通じて燃料供給装置８に送られる。さらに本実施の形態では、制御部７からの信号に基づき、第２バルブ９を開放し、原燃料を燃料タンク１から直接燃料供給装置８に供給する。燃料供給装置８は、改質燃料と原燃料とを混合し、エンジン５の燃焼室に供給する。

このように本実施の形態のシステム３１では、改質燃料と原燃料の供給量を、制御部７、第１バルブ及び第２バルブからなる供給制御装置により制御している。つまり本実施の形態では、制御部７の信号に基づき、第１バルブ２と第２バルブ９の開度を各々変化させることにより、改質燃料と原燃料の供給量を調節している。そして改質燃料と原燃料の混合比が最適な状態でエンジンに供給する。したがってエンジン出力に応じて最適な燃焼を行うことができ、さらに燃費を向上させることが可能となる。

また本実施の形態のシステム３１では、エンジンの出力状態に応じて、第２燃料供給路１０によって原燃料のみをエンジンに供給したり、第１燃料供給路３によって改質燃料のみをエンジンに供給したり、さらには第１燃料供給路３と第２燃料供給路１０の両方からそれぞれ適量の改質燃料と原燃料とを供給したりすることができる。よって、エンジンが要求される出力に対して最適な燃焼状態を実現することができ、運転性の向上を図ることができる。

次に実施の形態３の燃料供給システムについて説明する。図３に示すように、実施の形態３の燃料供給システム３２は、実施の形態２のシステム３１に対し、燃料改質装置４を燃料タンク１内に設けていることを特徴とする。

本システム３２の動作について説明する。本システム３２では、実施の形態２のシステム３１と同様に、まず、制御部７がエンジンの始動状況や車速データを受信する。受信した各種データに基づき、制御部７は電圧印加部６に信号を送り、電圧印加部６は燃料タンク１内の燃料改質装置４に設けられた電極に電圧を印加し、改質燃料を生成する。さらに制御部７は第１バルブ２を開放し、生成した改質燃料を燃料供給装置８に供給する。また制御部７は、各種データに基づき、第２バルブも開放し、原燃料を直接燃料供給装置８に供給する。その後、燃料供給装置８は、改質燃料と原燃料を混合し、エンジン５に供給する。

このように本実施の形態のシステム３２では、燃料改質装置４を燃料タンク１内部に設けたため、システムの簡素化を図ることができる。また本実施の形態のシステム３２では、実施の形態２と同様に、改質燃料と原燃料の供給量を、制御部７の信号に基づき、第１バルブ２と第２バルブ９の開度を各々変化させることにより調節している。そして改質燃料と原燃料の混合比が最適な状態でエンジンに供給する。したがってエンジン出力に応じて最適な燃焼を行うことができ、さらに燃費を向上させることが可能となる。

次に実施の形態４の燃料供給システムについて説明する。図４に示すように、実施の形態４の燃料供給システム３３は、実施の形態１のシステム３０に対し、エンジン５からの排熱を利用した改質触媒を用いて改質した燃料をエンジン５に供給する第３燃料供給路１３をさらに設けていることを特徴とする。第３燃料供給路１３は、第３バルブ１１と触媒反応器１２を有している。第３バルブ１１は、制御部７からの信号に基づきバルブを開閉し、触媒反応器１２への燃料供給量を調節している。触媒反応器１２は、原燃料を改質する改質触媒を設けた低温部１２ａと、エンジン５から高温の排気ガスが導入される高温部１２ｂからなる。改質触媒は原燃料を水素含有ガスに改質する機能を有している。

さらに本実施の形態のシステム３３では、エンジン５から触媒反応器１２の高温部１２ｂに高温の排気ガスを導入するための排気路１４を設けており、さらに排気路１４上には排気ガスの温度を測定する温度センサ１５が設けられている。この温度センサ１５で検出されたデータは、逐次制御部７に送られる。

本実施の形態の触媒反応器１２では、エンジン５から排出される排気ガスの排熱を高温部１２ｂから低温部１２ａへ伝達させ、低温部１２ａの改質触媒及び原燃料を加熱し、触媒作用により燃料改質を行う。この触媒反応器については、後ほど詳述する。

本実施の形態では、冷間起動時や低出力運転時などエンジンの排熱量が少ない時には燃料改質装置４を用いて、放電により改質燃料を生成する一方、高出力運転時などエンジンの排熱量が多いときは触媒反応器１２に燃料改質を行う。また本実施の形態のシステム３３では、燃料改質装置４による改質燃料と触媒反応器１２による改質燃料の供給量を、制御部７、第１バルブ２及び第３バルブ１１からなる選択制御装置により制御している。つまり本実施の形態では、制御部７の信号に基づき、第１バルブ２と第３バルブ１１の開度を各々変化させることにより、それぞれの改質燃料の供給量を調節している。そして燃料の供給を第１燃料供給路３若しくは第３燃料供給路１３のいずれかで行うかの選択に関する制御は、温度センサ１５により検出された排気ガス温度に基づいて行うことができる。

このように本実施の形態のシステム３３では、エンジンの状態に合わせて最適な改質方法を選択することができるので、燃費、運転性、起動性、応答性の向上を図ることができる。

次に実施の形態５の燃料供給システムについて説明する。図５に示すように、実施の形態５の燃料供給システム３５は、実施の形態２のシステム３１に対し、改質燃料貯蔵部２６及び第６バルブ２７を設けていることを特徴とする。改質燃料貯蔵部２６は燃料改質装置４と燃料供給装置８との間に設けられ、燃料改質装置４により生成された改質燃料を一次的に貯蔵する。また第６バルブ２７は、制御部７からの信号に基づきバルブを開閉し、燃料供給装置８への改質燃料供給量を調節している。

本システム３５の動作について説明する。本システム３５では、実施の形態１のシステム３０と同様に、まず制御部７がエンジンの始動状況や車速データを受信する。受信した各種データに基づき、制御部７は第１バルブ２を開放し、燃料タンク１に貯蔵された液体の原燃料を、第１燃料供給路３を通じて燃料改質装置４に供給する。燃料改質装置４では、液体の原燃料中で放電が行われ、原燃料が改質されて水素を含有する改質ガスが生成される。生成した改質燃料は、第１燃料供給路３を通じて改質燃料貯蔵部２６に送られ、一次的に貯蔵される。そして改質燃料を燃料供給装置８に供給する場合に、制御部７からの信号に基づき第６バルブ２７を開放する。さらに本実施の形態では、制御部７からの信号に基づき、第２バルブ９を開放し、原燃料を燃料タンク１から直接燃料供給装置８に供給する。燃料供給装置８は、改質燃料と原燃料を混合し、エンジン５の燃焼室に供給する。

このように本実施の形態のシステム３５では、改質燃料と原燃料の供給量を、制御部７、第２バルブ９及び第６バルブ２７からなる供給制御装置により制御している。つまり本実施の形態では、制御部７の信号に基づき、第２バルブ９と第６バルブ２７の開度を各々変化させることにより、改質燃料と原燃料の供給量を調節している。そして改質燃料と原燃料の混合比が最適な状態でエンジンに供給する。したがってエンジン出力に応じて最適な燃焼を行うことができ、さらに燃費を向上させることが可能となる。

また本実施の形態のシステムでは、第１燃料供給路３を経て燃料改質装置４で改質されたガスが一旦改質燃料貯蔵部２６に貯蔵されることから、制御部７の指示に基づいて、改質ガスを第６バルブ２７から遅れなくエンジン５に供給することができ、起動性、応答性の向上を図ることができる。

なお上述のシステムにおいて、燃料の供給量をバルブの開閉により制御していたが、図６に示すようにポンプ２Ａを用いて供給量を制御しても良い。また図示しないが、バルブとポンプを組み合わせて供給量を制御しても良い。

次に、本発明の燃料供給システムにおける燃料改質装置について詳述する。

（燃料改質装置）
図７では、本発明の燃料改質装置４の好ましい一実施の形態を示す。燃料改質装置４は、原燃料（液体燃料）を放電プラズマにより改質し、改質燃料（水素含有ガス）を生成させる装置である。なお、図７は、燃料改質装置４の定常運転状態を示す図であり、反応容器４０の内部には、液体燃料６４が充填されている。

燃料改質装置４は、第１燃料供給路３を通じて燃料タンク１と接続されている。この燃料タンク１は、液体燃料６４を貯留している。本実施の形態において、液体燃料６４は炭化水素系化合物であるイソオクタンである。ただし、その他の化合物が液体燃料６４として用いられてもよく、ガソリン、灯油、ナフサなどの炭化水素系化合物や、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノールなどのアルコール類が液体燃料６４として用いることができる。入手が容易であるという観点からは、メタノールやエタノールが好ましく用いられる。特にエタノールは、それ自体に毒性が少なく、かつバイオマスからの入手が可能であるため、環境保全の観点からも好ましく用いられる。また液体燃料６４として、芳香族化合物を含有する炭化水素も用いることができる。芳香族化合物（例えば、トルエン）を含有する炭化水素（例えば、ガソリン）中で放電を行うことによって、燃料中の芳香族化合物が低分子の炭化水素に分解され、芳香族化合物を含有しない燃料に改質されるため、燃焼性が向上すると共に、排気ガス中のススの発生が抑制される。これらの燃料は、１種のみが単独で用いられてもよいし、２種以上が併用されてもよい。２種以上の燃料が併用される場合、それぞれの燃料は、別々の燃料タンクに貯留されて別々の原燃料供給路３ａを通じて反応容器４０に供給されてもよいし、混合燃料として１つの燃料タンクに貯留されて、１つの原燃料供給路３ａを通じて反応容器４０に供給されてもよい。

燃料タンク１には、原燃料供給路３ａが接続されている。そして原燃料供給路３ａの途中には、制御部７により電気的に制御を受ける第１バルブ２が設けられている。第１バルブ２の開閉により、燃料タンク１から液体燃料６４が原燃料供給路３ａを通じて所定の流量で反応容器４０に供給される。

第１バルブ２の下流側には、円筒状の反応容器４０が設けられている。なお、反応容器４０の形状や、反応容器４０への原燃料供給路３ａの接続位置、原燃料供給路３ａ上への第１バルブ２の設置位置などが、図示する形態のみに制限されることはない。

反応容器４０は、自身の円筒形状の両底面から挿入された、一対の電極（５０，６０）を備えている。このうち、一方の電極５０は、反応容器４０の外部に設置された電圧印加部６に電気的に接続されている。この電圧印加部６は、制御部７により電気的に制御され、当該電圧印加部６に接続された電極５０に電圧を印加する。また、他方の電極６０は、上記の一方の電極５０に対向するように設置されており、この電極６０の端部はアースされている。これらの電極（５０，６０）及び電圧印加部６は、放電により反応容器４０内でプラズマを発生させるためのプラズマ発生手段として機能する。

本実施の形態の燃料改質装置４において用いられる電極は、図７に示すように一対である。ただし可能であれば、図８に示すように、複数対の電極を反応容器４０に設置してもよい。図８に示す形態においては、３対の電極対が設置されており、各対の一方の電極（５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ）は電圧印加部６に接続され、各対の他方の電極（６０Ａ、６０Ｂ、６０Ｃ）はアースされている。なお、複数対の電極を反応容器４０に設置する場合には、図８に示すように、各電極対間に発生する放電プラズマが互いに干渉しないように、位置をずらすなどして各電極対を配置することが好ましい。

本実施の形態において、一対の電極（５０，６０）は、ともにステンレス製である。ただし、その他の材料により電極が構成されてもよく、ステンレスの他にも、アルミニウムと銅との合金、チタニウム合金、アルミニウム、銅、炭素などの材料により構成されていてもよい。燃料や生成する水素含有ガスに対して悪影響を及ぼさず、プラズマ発生手段として機能するのであれば、その他の材料により電極が構成されてもよい。

本実施の形態において、電極の形状は円柱状である。ただし、プラズマ発生手段として機能するのであれば、直方体状、三角柱状などのその他の形状が採用されてもよい。

さらに、本実施の形態において、電極の直径はともに２ｍｍであり、対向する電極間の距離は６ｍｍである。これらのサイズについてもかような値のみに制限されるわけではなく、燃料の種類、反応容器の内圧、印加電圧、及び製造コストなどを考慮して、適宜調節される。一例を挙げると、電極の直径は、通常は１〜７ｍｍ程度であり、好ましくは２〜５ｍｍである。また、対向する電極間の距離は、通常は３〜１０ｍｍ程度であり、好ましくは５〜７ｍｍである。電極間の距離が短すぎると、電極が接触しショートしやすくなるという問題が生じる虞がある。一方、電極間の距離が長すぎると、電極間において放電が起こりにくくなる。ただし、これらの値を外れる形態の電極が採用されてもよいことは勿論である。

本実施の形態において、電圧印加部６に接続された電極５０の、反応容器４０の内部に位置する表面は、絶縁性材料により被覆されて、被覆部５２となっている。ただし、電極５０の、電極６０に対向する面、すなわち電極５０を構成する円柱形状の、反応容器４０の内部に位置する側の底面の中央部には、絶縁性材料により被覆されない部位である露出部５４が存在する。露出部５４は、直径０．５ｍｍのエポキシ樹脂により被覆されない円形の部位として構成される。

本実施の形態において、被覆部５２を構成する絶縁性材料は、エポキシ樹脂である。ただし、かような形態のみには制限されず、液体燃料と相互作用することなく安定して絶縁を確保する材料であれば、同様に用いられる。エポキシ樹脂以外の絶縁性材料としては、ポリテトラフルオロエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリカーボネート、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリスチレンなどが例示される。その他の絶縁性材料が用いられてもよい。

露出部５４の形状も特に制限されず、円形以外にも、正方形、長方形、三角形、五角形、その他の任意の形状が採用される。また、露出部５４が円形の場合、その直径は特に制限されないが、好ましくは１ｍｍ以下であり、より好ましくは０．５〜１ｍｍである。かような形態によれば、安定した放電が達成される。他の好ましい形態によれば、前記被覆部と前記露出部との合計面積に対する、前記露出部の面積の割合は、好ましくは１〜２０％であり、より好ましくは５〜１０％である。また、さらに他の好ましい形態によれば、電極６０に対向する面５５に存在する露出部５４の面積は、好ましくは０．５〜１０ｍｍ^２であり、より好ましくは１〜５ｍｍ^２である。

本実施の形態においては、電圧印加部６に接続された電極５０の、電極６０に対向する面のみに露出部５４が存在する。ただし、電極５０及び６０間で効率よくプラズマが発生するならば、その他の面に露出部５４が存在する形態も採用することができる。

反応容器４０の上部には、ガス回収部６２が設けられている。このガス回収部６２の下流側には、改質燃料供給路３ｂが設けられている。これらガス回収部６２及び改質燃料供給路３ｂは、液体燃料とプラズマとの接触により生成した水素含有ガスを、反応容器４０から排出させるための排出部として機能する。なお、生成する水素含有ガスの比重は、一般的に液体燃料よりも小さい。このため、通常、生成したガスは反応容器４０の上部へ移動する。従って、本実施の形態においては、反応容器上部の中央にガス回収部６２及び改質燃料供給路３ｂが設けられている。ただし、反応容器４０へのガス回収部６２及び改質燃料供給路３ｂの設置位置は、図示する形態のみには制限されない。

続いて、図７に示す燃料改質装置４の動作について説明する。

まず、制御部７から第１バルブ２に作動信号が出力され、第１バルブ２を開放する。この第１バルブ２の開放により、液体燃料６４が燃料タンク１から原燃料供給路３ａを通じて反応容器４０に供給される。

本実施の形態において、液体燃料６４の供給方式は、連続流通式である。液体燃料６４の供給量は、放電プラズマによって生成し、改質燃料供給路３ｂから排出される水素含有ガスの量に応じて制御される。かような制御により、図７に示す定常運転状態においては、反応容器４０内に液体燃料６４が充填された状態が維持される。なお、液体燃料６４の供給量は、制御部７に接続された第１バルブ２により制御される。また、液体燃料６４の供給量の具体的な値は、改質による反応容器４０内の液体燃料６４の消費速度に応じて変動するため、一概には規定されない。

上述したように、定常運転状態においては、反応容器４０内に液体燃料６４が充填されている。この状態で制御部７から電圧印加部６に作動信号が出力され、電圧印加部６が作動する。この電圧印加部６の作動によって、当該電圧印加部６に接続された電極５０に電圧が印加され、当該電極５０と、アースされている電極６０との間に電位差が生じる。その結果、一対の電極（５０，６０）の間において放電が起こり、プラズマが発生する。反応容器４０内に充填された液体燃料６４は、このプラズマと接触することにより改質され、水素含有ガスが生成される。生成した水素含有ガスは、反応容器４０に設置されたガス回収部６２及び改質燃料供給路３ｂを通じて反応容器４０から排出され、エンジン５に送られる。またこの際、水素含有ガスは液体燃料６４と混合された状態で、ガス回収部６２及び改質燃料供給路３ｂを通じてエンジン５に送られても良い。

電圧印加部６の作動により電極５０に印加される電圧の大きさは特に制限されず、所望の改質性能などを考慮して適宜設定される。一例を挙げると、印加電圧は、通常は０．１〜５０ｋＶ程度であり、好ましくは１〜１０ｋＶである。印加電圧が小さすぎると、プラズマが充分に発生せず、燃料の改質が充分に進行しない虞がある。一方、印加電圧が大きすぎると、危険性が増すことに加えて、改質効率が低下してしまう虞がある。ただし、場合によっては、この範囲を外れる大きさの電圧が印加されてもよい。プラズマを発生させるための放電の種類についても特に制限はない。採用される放電の種類としては、パルス放電、コロナ放電、グロー放電、アーク放電などが挙げられる。バリア放電などのその他の放電によりプラズマを発生させてもよい。エネルギ効率やコストの観点から、好ましくはパルス放電が用いられる。パルス放電が用いられる場合、パルス放電のパルス数は特に制限されないが、好ましくは５〜５００回／秒であり、より好ましくは５０〜１００回／秒である。このパルス数が少なすぎると、プラズマが充分に発生せず、改質が充分に進行しない虞がある。ただし、場合によっては、この範囲を外れるパルス数でパルス放電を行ってもよい。

本発明の燃料改質装置４を用いて燃料の改質を行う場合には、放電により発生したプラズマとの接触により燃料が改質される。従って、反応容器４０自体を加熱しなくとも改質反応が進行する。このため、本発明の燃料改質装置によれば、ヒータ等の加熱手段の設置が省略されるため、装置のコンパクト化にも有効に寄与する。ただし、必要に応じてヒータ等の加熱手段を設置して、液体燃料６４や反応容器４０を加熱することは差し支えない。例えば液体燃料を加熱したい場合には、原燃料供給路３ａの途中にヒータを設置すればよい。反応容器４０を加熱したい場合には、反応容器４０の周囲にヒータを設置すればよい。反応容器４０内の温度は特に制限されないが、好ましくは０〜５０℃程度、より好ましくは５〜３０℃である。すなわち、本発明の燃料改質装置４によれば、室温条件下において燃料の改質が進行する。

本実施の形態の燃料改質装置４においては、上述したように、電圧印加部６に接続された電極５０の、反応容器４０の内部に位置する表面が、絶縁性材料により被覆された被覆部５２と、絶縁性材料により被覆されない露出部５４とを有する。かような構成によれば、放電プラズマを用いた液体燃料の改質に従来必要であるとされていた絶縁膜を設けなくとも、効率的に改質が進行し、水素含有ガスを発生させることが可能となる。本発明の構成によりかような効果が得られるメカニズムについては、未だ明らかとはなっていない。ただし、表面が全て露出している電極を用いた放電においては、電極の表面の全てに分散した形で放電が起こる。このため、局所に集中したプラズマを発生させることが困難である。従来の燃料改質装置の反応容器が備えていたピンホールを有する絶縁膜は、この分散した放電をピンホール部分に集中させることで、局所における集中的なプラズマの発生を可能としていたと考えられる。これに対し、本発明の燃料改質装置は、電圧印加部に接続された電極の表面が絶縁性材料により被覆された被覆部と、被覆されない露出部とを有する。このため、電圧印加部に接続された電極においては放電領域が制限され、放電が露出部のみに集中して起こる。これにより、局所に集中してプラズマが発生し、燃料が効率的に改質されるものと推測される。ただし、本発明の技術的範囲は特許請求の範囲の記載に基づいて定められるべきであり、本発明による改質効率の向上効果が、上記のメカニズム以外のメカニズムにより得られていたとしても、本発明の技術的範囲は何ら影響を受けることはない。

以上、液体燃料６４を単独で反応容器４０に供給し、プラズマとの接触により水素含有ガスを生成させる形態について説明したが、場合によっては、改質効率の向上などを目的として、液体燃料６４以外の成分を反応容器４０に供給してもよい。反応容器４０に供給される液体燃料以外の成分の例としては、水が挙げられる。液体燃料に加えて水を供給すると、得られる水素含有ガス中の水素含有量が増加する。水の供給形態は特に制限されない。燃料タンク１の他に別途水タンクを設け、原燃料供給路３ａの他に別途水供給路を設けることにより水を供給してもよいし、エタノールなど水と混和する燃料を用いる場合には、燃料を水との混合物として燃料タンク１中に貯留させておき、原燃料供給路３ａから当該混合物を反応容器４０へ供給してもよい。かような形態において、水の供給量は特に制限されないが、燃料（例えば、エタノール）分子１モルに対して、水分子が１〜１０モル程度、好ましくは１〜３モルとなるように供給するとよい。

本発明の燃料改質装置４において生成した水素含有ガスは、エンジン５における燃焼用に用いられるが、その他水素ガスを必要とする種々の用途にも用いることができる。かような用途としては、燃料電池の燃料、化学工業における合成用原料、内燃機関用燃料などが挙げられる。

具体的には、上記の水素含有ガスは、高温作動型の溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）や固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）などの燃料として用いられる。かような場合には、水素ガス以外の一酸化炭素ガスや炭化水素ガスなども燃料として利用される。従って、かような用途においては、本発明の燃料改質装置から得られた水素含有ガスに対してさらに特段の処理を施さず、そのまま燃料として用いればよい。

これに対し、上記の水素含有ガスを、低温作動型の固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）などの燃料としてそのまま用いると、当該ガス中に含まれる一酸化炭素が、ＰＥＦＣのスタックを構成する電極触媒層中の白金触媒に対して、触媒毒として作用する場合がある。従って、上記の水素含有ガス中の一酸化炭素濃度を低減させるための手段を本発明の燃料改質装置の後段に設置し、その後に燃料電池に燃料として供給するとよい。かような一酸化炭素濃度低減手段としては、ＣＯシフト反応（ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋Ｈ_２）によりＣＯをＣＯ_２へと転化するシフト反応器や、一酸化炭素の選択酸化反応（２ＣＯ＋Ｏ_２→２ＣＯ_２）によりＣＯをＣＯ_２へと転化する選択酸化反応器などが挙げられる。なお、上記の手段以外にも、深冷分離法、ＰＡＳ法、水素貯蔵合金、またはパラジウム膜拡散法などの手段により、高純度の水素ガスを得ることも可能である。

以下、本発明の燃料改質装置を実施例により詳細に説明するが、本発明の技術的範囲は下記の実施例のみには制限されない。

（実施例１）
図７に示す形態の燃料改質装置４を用いて液相でイソオクタンを改質し、水素含有ガスを生成させた。

反応容器４０内の温度を３０℃に維持し、電圧印加部６の作動により電極（５０，６０）間に５ｋＶの電圧を印加した。これにより、電極（５０，６０）間において安定して放電が発生し、イソオクタンが改質されて水素含有ガスが生成した。

生成したガスはガス回収部６２及び改質燃料供給路３ｂを通じて反応容器４０の外部に排出させた。この排出された水素含有ガスを回収し、ガスクロマトグラフィにより当該ガスの成分組成を分析した。また、水素含有ガスの生成速度を測定した。分析により得られた水素含有ガスの成分組成、及び水素含有ガスの生成速度の値を下記の表１に示す。さらに、本実施例における改質時間の経過に伴う水素生成速度の変化を、図１１のグラフに示す。

（実施例２）
図８に示す形態の燃料改質装置４を用いて液相でイソオクタンを改質し、水素含有ガスを生成させた。

図８に示す燃料改質装置４は、反応容器４０が３対の電極（５０Ａ及び６０Ａ、５０Ｂ及び６０Ｂ、並びに５０Ｃ及び６０Ｃ）を備えていること以外は、図７に示す形態の燃料改質装置４と同様である。具体的には、３対の電極は、３対のそれぞれの一方の電極（５０Ａ、５０Ｂ、及び５０Ｃ）が電圧印加部６に接続されている。そして、この電圧印加部６に接続された電極の、反応容器４０の内部に位置する表面が、絶縁性材料であるエポキシ樹脂により被覆されて被覆部５２となっており、さらに、これらの電極表面のうち、他方の電極（６０Ａ、６０Ｂ、及び６０Ｃ）に対向する面の中央に、直径０．５ｍｍのエポキシ樹脂により被覆されない露出部５４が存在する。そして、これらの３対の電極は、それぞれの電極対における放電どうしが干渉しないように位置をずらして、具体的には、一方の放電領域（放電を行う一対の電極間）から、電極間距離以上離れた場所に他方の放電領域が位置するようにして、反応容器４０内に設置されている。

それぞれの電極対どうしの間に５ｋＶの電圧を印加したこと以外は、上記の実施例１と同様の条件により改質を行い、水素含有ガスを生成させ、当該ガスの成分組成を分析した。また、水素含有ガスの生成速度を測定した。分析により得られた水素含有ガスの成分組成、及び水素含有ガスの生成速度の値を下記の表１に示す。

（比較例１）
図９に示す形態の燃料改質装置を用いて気相でイソオクタンを改質し、水素含有ガスを生成させた。

図９に示す燃料改質装置は、電圧印加部６に接続された電極５０の表面が絶縁性材料により被覆されていない点、及び、原燃料供給路３ａの第１バルブ２の下流側に、液体状態のイソオクタンを気化させるための気化器６７が設置されている点で、図７に示す形態の燃料改質装置４とは異なる。

気化器６７によりイソオクタンを気化させて反応容器４０に供給したこと以外は、上記の実施例１と同様の条件により改質を行い、水素含有ガスを生成させた。なお、図９に示す燃料改質装置の定常運転状態では、気体燃料６６が反応容器４０内に充填されている。得られた水素含有ガスの比重は前記気体燃料よりも小さいため、上記の実施例と同様に、反応容器４０の上部に設置されたガス回収部６２及び改質燃料供給路３ｂを通じて水素含有ガスを反応容器４０から排出させた。

改質により得られた水素含有ガスの成分組成を分析した。また、水素含有ガスの生成速度を測定した。分析により得られた水素含有ガスの成分組成、及び水素含有ガスの生成速度の値を下記の表１に示す。さらに、本比較例における改質時間の経過に伴う水素生成速度の変化を、図１１のグラフに示す。

（比較例２）
図１０に示す形態の燃料改質装置を用いて液相でイソオクタンを改質し、水素含有ガスを生成させた。

図１０に示す燃料改質装置は、電圧印加部６に接続された電極５０の表面が絶縁性材料により被覆されていない点、及び、反応容器４０の中央部に絶縁膜４２が設置されている点で、図７に示す形態の燃料改質装置とは異なる。この絶縁膜４２は、絶縁性材料であるポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）から構成されており、サイズは直径が５００ｍｍ、厚さが１ｍｍである。そしてこの絶縁膜４２の中心部には、直径が１ｍｍのピンホール４４が設けられている。なお、一対の電極（５０，６０）は、これらの電極どうしを結んだ直線がピンホール４４の中心を通過するように設置されており、前記直線と絶縁膜４２との交差角は９０°である。

この燃料改質装置を用いて、上記の実施例１と同様の条件により改質を行い、水素含有ガスを生成させ、当該ガスの成分組成を分析した。また、水素含有ガスの生成速度を測定した。分析により得られた水素含有ガスの成分組成、及び水素含有ガスの生成速度の値を下記の表１に示す。さらに、本比較例における改質時間の経過に伴う水素生成速度の変化を、図１１のグラフに示す。図１１において、横軸は改質時間（分）を示し、縦軸は水素生成速度（ミリモル／分）を示す。

表１に示す結果から、実施例１の燃料改質装置４によれば、気相にて燃料の改質を行う燃料改質装置（比較例１）や、反応容器４０内に絶縁膜４２を設置して燃料の改質を行う燃料改質装置（比較例２）とほぼ同様の組成を有する水素含有ガスが、ほぼ同様の生成速度で得られることがわかる。なお、３対の電極を設置した実施例２の燃料改質装置４においては、実施例１の装置と比較して約３倍のガス生成速度で水素含有ガスが生成しており、複数対の電極の設置が有効であることも示される。

また、図１１に示す結果から、比較例１の燃料改質装置による改質では、水素の生成が開始するまでに時間がかかり、起動性に劣ることがわかる。これは、気化器６７によってイソオクタンを気化させる必要があるためと考えられる。しかも、比較例１では、一定時間経過後に水素生成速度が低下し、最終的にはゼロになってしまう。これは、気相で改質を行っているために電極表面に炭素が析出し、最終的に電極どうしが短絡してしまうことによると考えられる。

一方、比較例２の燃料改質装置による改質では、起動性はよいものの、一定時間経過後に水素生成速度が低下してしまう。これは、絶縁膜４２に設けられたピンホール４４に生成したガスの気泡が付着し、放電が不安定化されることによると考えられる。

これに対し、実施例１及び２の燃料改質装置では、上記の種々の問題を引き起こす虞がない。このため、実施例１及び２の燃料改質装置は、起動性に優れ、かつ、長時間にわたって改質を持続させる。

なお本発明の燃料改質システムの燃料改質装置としては、実施例１及び２の装置のみでなく比較例２の装置も使用することができる。すなわち、本発明の燃料改質システムの燃料改質装置は、液体燃料を気化させることなく、プラズマ改質により改質ガスを発生させるものであれば、いかなるものも使用することができる。

次に、本発明の燃料供給システムにおける触媒反応器について詳述する。

（触媒反応器）
本発明の燃料供給システムにおける触媒反応器１２は、エンジンからの排熱及び改質触媒を利用し、原燃料を改質燃料に変換する装置である。

改質触媒としては、炭化水素を水素含有ガスに改質するものを使用することができる。炭化水素を水素含有ガスに改質する触媒としては、アルミナ，チタニア，ジルコニア，セリアなどの多孔質の耐熱性無機材料からなる担体に白金、ロジウムなどの貴金属やニッケル、鉄、コバルトなどの遷移金属を担持したものを使用することができる。このような改質触媒を用い、水蒸気改質反応を促進することにより炭化水素を水素含有ガスに改質する。そして上記改質触媒は、触媒反応器の内部に担持される。

本発明のシステムに用いられる触媒反応器としては、図１２に示すものがある。図１２は、本発明に好適に用いられる触媒反応器の概略を示している。図１２は、触媒反応器の外壁を一部省略し、内部の構造が分かるように示している。

本発明の触媒反応器１２は、プレートフィン型熱交換器（加熱部）を有しており、具体的には改質触媒が担持される低温部１２ａとエンジンからの排気ガスが通過する高温部１２ｂから構成される。低温部１２ａの内部は、図１３に示すように、プレートフィン７０が設けられており、さらにプレートフィン７０の表面には上述の貴金属や遷移金属を担持した多孔質担体７２が設けられている。また低温部１２ａの側面に、高温部１２ｂが設けられている。この触媒反応器１２は、高温部１２ｂを通過する排気ガスの熱を、プレートフィン型熱交換器を用いて低温部１２ａに伝達し、その熱により改質触媒及び原燃料を加熱し、改質反応を促進するものである。

本触媒反応器１２の機能について説明する。図４に示すように、まず燃料タンク１から原燃料が触媒反応器１２の低温部１２ａに供給される。供給された原燃料は、低温部１２ａのプレートフィン７０からの熱により加熱される。そして加熱された原燃料は、同様に加熱された改質触媒と接触することにより改質反応を起こし、水素含有ガスに変換される。その後、水素含有ガスと原燃料との混合物が燃料供給装置８に送られる。

このように本発明の触媒反応器１２は、改質触媒に炭化水素等の原燃料を導入すれば、水素含有ガスを連続的に生成することが可能である。そして生成した水素含有ガスを原燃料とともにエンジンに導入することにより、効率的な燃焼状態を実現することができる。また上記改質触媒中の貴金属及び遷移金属は、多孔質担体７２に担持されているため、触媒性能の低下が大幅に抑えられる。そのため上記触媒は、長期間に渡り交換の必要がないため、メンテナンス時間の削減及び交換コストの低減をも実現することが可能である。

特願２００４−２１９４６６号（出願日：２００４年７月２８日）及び特願２００５−０４４２８９号（出願日：２００５年２月２１日）の全内容はここに援用される。

以上、実施の形態及び実施例に沿って本発明の内容を説明したが、本発明はこれらの記載に限定されるものではなく、種々の変形及び改良が可能であることは、当業者には自明である。

本発明の燃料供給システムは、燃料タンクより供給された燃料を蒸発させることなく、燃料液中で放電を行うことによって水素含有ガスを生成する燃料改質装置を用いている。そのためシステムの大型化を招くことなく、エンジンの起動直後から水素を生成することができる。また気体燃料を液体燃料と共にエンジンに供給することによって、燃料の燃焼性を向上させることができる。

Claims (18)

1. 液体の原燃料内で放電を行い、改質ガス含有燃料を生成する燃料改質装置と、
   前記改質ガス含有燃料又は前記改質ガス含有燃料と前記原燃料との混合物をエンジンの燃焼室に供給する燃料供給装置と、
   を有することを特徴とする燃料供給システム。
2. 前記燃料供給システムは、燃料タンクを有し、
   前記燃料改質装置は、前記燃料タンク内に設けられることを特徴とする請求項１に記載の燃料供給システム。
3. 前記原燃料を貯蔵する燃料タンクと、
   前記燃料改質装置が備えられ、前記燃料タンクから前記燃料改質装置に前記原燃料を供給し、さらに前記燃料改質装置から前記燃料供給装置に前記改質ガス含有燃料を供給する第１燃料供給路と、
   前記燃料タンクから前記燃料供給装置に直接原燃料を供給する第２燃料供給路と、
   前記エンジンの出力状態に応じて、前記第１燃料供給路からの前記改質ガス含有燃料の供給量及び前記第２燃料供給路からの前記原燃料の供給量を変化させる供給制御装置と、
   を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料供給システム。
4. 前記原燃料を貯蔵する燃料タンクと、
   前記燃料改質装置が備えられ、前記燃料タンクから前記燃料改質装置に前記原燃料を供給し、さらに前記燃料改質装置から前記燃料供給装置に前記改質ガス含有燃料を供給する第１燃料供給路と、
   前記エンジンからの排熱を利用し、前記原燃料を改質して改質燃料を生成する触媒反応器を備え、前記燃料タンクから前記触媒反応器に前記原燃料を供給し、さらに前記触媒反応器から前記燃料供給装置に前記改質燃料を供給する第３燃料供給路と、
   前記エンジンの出力状態に応じて、前記第１燃料供給路からの前記改質ガス含有燃料の供給量及び前記第３燃料供給路からの前記改質燃料の供給量を変化させる選択制御装置と、
   を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料供給システム。
5. 前記選択制御装置は、前記エンジンからの排気ガスの温度に基づき、前記改質ガス含有燃料の供給量及び前記改質燃料の供給量を変化させることを特徴とする請求項４に記載の燃料供給システム。
6. 前記燃料改質装置と前記燃料供給装置との間に設けられ、前記改質ガス含有燃料を貯蔵する改質燃料貯蔵部を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料供給システム。
7. 前記エンジンの出力状態に応じて、前記燃料改質装置の放電電圧を制御する放電制御装置を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料供給システム。
8. 前記燃料改質装置は、
   反応容器と、
   前記放電制御装置に電気的に接続され、前記反応容器に内蔵された第１の電極と、
   前記第１の電極に対向するように前記反応容器に内蔵された、前記第１の電極との間での放電によりプラズマを発生させるための第２の電極と、
   前記原燃料と前記プラズマとの接触により生成した改質ガスを前記反応容器から排出させるための排出部と、
   を有し、
   前記第１の電極の、前記反応容器の内部に位置する表面が、絶縁性材料により被覆された被覆部と、絶縁性材料により被覆されない露出部とを有することを特徴とする請求項１０に記載の燃料供給システム。
9. 前記被覆部と前記露出部との合計面積に対する、前記露出部の面積の割合が１〜２０％であることを特徴とする請求項１０に記載の燃料供給システム。
10. 前記露出部が、前記第１の電極の、前記第２の電極に対向する面のみに存在することを特徴とする請求項１０に記載の燃料供給システム。
11. 前記露出部の面積が０．５〜１０ｍｍ^２であることを特徴とする請求項１０に記載の燃料供給システム。
12. 前記放電が、５〜５００回／秒のパルス数のパルス放電であることを特徴とする請求項１０に記載の燃料供給システム。
13. 前記触媒反応器は、改質触媒を備え、
    前記改質触媒は、貴金属若しくは遷移金属を多孔質材料に固定化してなることを特徴とする請求項４に記載の燃料供給システム。
14. 前記触媒反応器は、前記排気ガスが流通する高温部と、前記改質触媒が設けられた低温部からなることを特徴とする請求項１３に記載の燃料供給システム。
15. 前記触媒反応器は、加熱部を有していることを特徴とする請求項１４に記載の燃料供給システム。
16. 前記加熱部は、プレートフィン型熱交換器であることを特徴とする請求項１５に記載の燃料供給システム。
17. 前記原燃料が炭化水素であり、前記改質ガス含有燃料が水素含有ガスであることを特徴とする請求項１に記載の燃料供給システム。
18. 前記原燃料がアルコールと水との混合物であり、前記改質ガス含有燃料が水素含有ガスであることを特徴とする請求項１に記載の燃料供給システム。

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