CN100516494C - 燃气发动机 - Google Patents

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Abstract

于燃气发动机(1)的燃料供给系统(5)中设置有以废气的热为热源的变换器(57)，在此变换器(57)中含氢与二氧化碳进行变换反应(H2+CO2→CO+H2O)而改变燃料组成，将此改变了组成的燃料提供给燃烧室。此外，通过以废气的热为热源的废热锅炉(52)产生水蒸汽，将此水蒸汽提供给燃料供给系统。还设有从燃料中分离提取氢的氢分离器(56)，将分离提取出氢后的燃料供给燃烧室。

Description

燃气发动机
技术领域
本发明涉及采用6C或6B之类燃气等氢成份所占比例大的燃料的燃气发动机或是采用以纯氢为燃料的发动机。特别是本发明涉及到用于提高这类燃气发动机的装置与结构。
背景技术
作为已有的燃气发动机的一种形式，周知有采用6C或6B之类燃气等氢成份所占比例大的燃料的燃气发动机或是采用以纯氢为燃料的发动机。
图13是概示由这种燃气发动机进行发电的发电系统概要结构的框图。如该图所示。此燃气发动机是以从发动机主体131延伸出的输出轴131a与发电机132连接，通过此输出轴131a的旋转动力使发电机进行发电。
此燃气发动机的进气系统由空气供给系统与燃料供给系统组成，由空气供给系统供给的空气与从燃料供给系统供给的燃料的混合气体提供给燃烧室，驱动发动机主体131。
空气供给系统具有增压机133和中间冷却器134。具体地说，能将经此增压机压缩的空气由中间冷却器134冷却，而后将这种高密度的空气供给燃烧室。上述增压机133直接连接设于废气流出的排气管135中涡轮机136的输出轴136，接收涡轮机136的旋转输出而压缩空气。
由此空气供给系统供给的空气与燃料供给系统供给的燃料(烃系燃料或纯氢等)的混合气体供给于燃烧室，驱动发动机主体131而进行发电。
但在这种燃气发动机中存在以下所述问题，还不能说能充分保证其实用性。
(1)由于燃烧室内的燃烧速度高，易发生逆火。
(2)由于燃料的甲烷值低，易发生爆震。
(3)由于热发生率大，导致了发动机的热效率低。
本发明的发明人对这类不合适情形的原因进行了研究。发现了燃料中氢成份的存在乃是发生这类不合适情形的原因。
发明内容
本发明正是考虑到上述问题而提出的，目的在于提供能防止逆火与爆震且能谋求提高发动机热效率的燃气发动机。
为了达到上述目的，本发明通过氢与二氧化碳等的变换反应导致燃料组成的变化或通过从燃料中分离氢而降低供给燃料中的氢组份量，或是通过将水蒸汽供给燃料供给系统，而使燃烧速度降低，提高燃料的甲烷值，还降低热发生率。
本发明的燃气发动机(以后称作发明1)是以使用具有氢成份的燃料的发动机为前提。此发动机构成为：包括有以发动机的废热为热源的变换器，在此变换器中使氢与二氧化碳进行变换反应(H2+CO2→CO+H2O)而改变燃料组成，将此改变了组成的燃料供给燃烧室。
本发明的燃气发动机(以后称作发明2)，它对于使用具有氢成份燃料的发动机构成为：包括有从燃料分离提取氢的氢分离装置，将通过此氢分离装置分离提取出氢后的燃料提供给燃烧室。
本发明的燃气发动机(以后称作发明3)，它构成为进行下述操作中的两种以上操作：将使用发明1的燃气发动机中的变换器进行变换反应而改变了组成的燃料提供给燃烧室的操作、将发明2的燃气发动机中水蒸汽发生装置发生的水蒸汽提供给燃料供给系统的操作、将发明3的燃气发动机中氢分离装置分离提取出氢后的燃料提供给燃烧室的操作。
根据上述结构，通过发明1中于变换器内部的变换反应能降低燃料中的氢成份量，在发明2中可降低供给燃料中的氢浓度。结果，燃烧室内的燃烧速度降低，除能抑制逆火的发生，还能提高燃料的甲烷值和制止爆震的发生(H2的甲烷值为0，CO的甲烷值为73)，再者，可减小热发生率而提高发动机的热效率。作为用于进行发明1的供给操作、发明2的供给操作与将水蒸汽提供给燃料系统的操作之中二种以上操作的发明3能使上述作用与效果更其显著。
本发明的燃气发动机(以后称作发明4)具体化为将二氧化碳提供给变换器结构。也即在发明1或发明3的结构中于发动机排气系统中设有CO2分离装置，将此CO2分离装置从废气中分离出的CO2提供给变换器。
本发明的燃气发动机(以后称作发明5)具体化为将氢提供给变换器的结构。也即在发明1或发明3中设有从燃料分离提取出氢的氢分离装置，将此氢分离装置分离出的氢提供给变换器。
本发明的燃气发动机(以后称作发明6)是兼用发明4与发明5两者结构的结果。也即构成为同时进行将发明4的CO2分离装置分离出的二氧化碳提供给变换器的操作和将发明5的氢分离装置分离的氢提供给变换器的操作。
根据发明4与发明6，能有效地利用废气于变换器中进行变换反应，且不必具备特别的二氧化碳供给源。此外，根据发明5与发明6，能有效地利用从燃料分离提取出的氢而于变换器中进行变换反应，不必配备特别的氢供给源。
本发明的燃气发动机(以后称作发明7-发明9)，是增设有对作为燃料的烃系燃料进行改性的装置。具体地说，发明7是使发明1、发明3-发明6的结构之中任一发明的结构内，具备有以烃系燃料为燃料，利用发动机的废热使水蒸汽与燃料进行吸热反应(CmHn+mH2O→mCO+(n/2+m)H2)，使燃料改性的燃料改性器。然后将由此燃料改性器改性的燃料提供给燃烧室。
本发明的燃气发动机(以后称作发明8)，它是在发明3的将水蒸汽提供给燃料供给系统的供给操作中，以烃系燃料为燃料，具有利用发动机的废热使水蒸汽与燃料进行吸热反应(CmHn+mH2O→mCO+(n/2+m)H2)，使燃料改性的燃料改性器。然后将由此燃料改性器改性的燃料提供给燃烧室。
本发明的燃气发动机(以后称作发明9)，是使发明2的结构中具备有，以烃系燃料为燃料，利用发动机的废热使水蒸汽与燃料进行吸热反应(CmHn+mH2O→mCO+(n/2+m)H2)，使燃料改性的燃料改性器。然后将由此燃料改性器改性的燃料提供给燃烧室。
根据上述发明7-9的结构，通过对烃系燃料改性可以提高发动机的热效率。此外，由于可使用氢系燃料以外的燃料，就易实现燃料多元化。也就是说，在同一结构的燃气发动机中，能够选择烃系燃料以及此外的燃料。
本发明的燃气发动机(以后分别称作发明10与发明11)是对具有上述燃料改性器情形的结构进行改进的结果。具体地说，发明10的结构是在发明1的结构中将氢分离装置与燃料改性器构成整体，由氢分离装置分离提取出氢同时于燃料改性器中进行燃料改性作业。
发明11的结构则是在发明8的结构中将从燃料中分离提取出氢的氢分离装置与燃料改性器构成整体，在由氢分离装置分离提取出氢的同时于燃料改性器中进行燃料改性作业。
根据上述结构，不必要有配管来连接燃料改性器和氢分离装置，可谋求发动机整体的紧凑化。
本发明的燃气发动机(以下称作发明12-发明19)是有关促进变换反应或吸热反应(改性反应)的结构。具体地说，发明12的结构是在发明1、发明3-6、发明7与发明11的结构的任何一种结构之中，通过燃烧变换器的燃料或改性后燃料的一部分而使变换器的内部温度上升。
发明13的结构是在发明7或发明11的结构中，通过燃烧变性前的燃料或变性后的燃料的一部分，而使变换器的内部温度升高。
本发明的燃气发动机是在发明7-发明11中任一种结构中，通过燃烧变性前的燃料或改性后的燃料的一部分，而使燃料改性器的内部温度升高。
本发明的燃气发动机是在发明8-发明12中任一种结构中，通过燃烧变换前的燃料或变换后的燃料的一部分，而使变燃料改性器的内部温度升高。
本发明的燃气发动机是在发明1、发明3-7、发明11-13与发明16的结构中的任一种结构中，设有使废气中未燃成分燃烧的氧化催化装置，通过此未燃成份于氧化催化装置中的燃烧，使变换器的内部温度高于废气温度。
本发明的燃气发动机是在发明7-11、发明13-15的结构中的任一种结构中，设有使废气中未燃成分燃烧的氧化催化装置，通过此未燃成份于氧化催化装置中的燃烧，使燃料改性器的内部温度高于废气温度。
本发明的燃气发动机是在发明1、发明3-6、发明7、发明11-13与发明15结构中的任何一种内，配备有内设氢吸收物质而可吸收氢的氢吸收装置，通过氢吸收物质吸收氢时产生的氢化物生成热，而使变换器的内部温度高于废气温度。
本发明的燃气发动机是在发明7-11与发明13-15结构中的任何一种结构之内，配备有内设氢吸收物质而可吸收氢的氢吸收装置，通过氢吸收物质吸收氢的产生的氢化物生成热，而使变换器的内部温度高于废气温度。
根据上述特定情形，能在高温环境下进行变换反应或改性反应，能有效地促进反应。例如，一般的变换反应与改性反应需要700℃以上的温度。在把废气用作反应热源时，即使此废气温度在700℃以下时，也可在高的温度环境进行各种反应，实现高的转化率。
本发明的燃气发动机(以下称作发明20)是于发明7-11、发明13-15、发明17与发明19的结构中的任一种结构内，构成能于烃系燃料改性时使内部压力减压的燃料改性器。当把燃料改性器的内部压力设定得低时，即使将燃料改性器加热的热源的温度(废气温度)较低，也能进行充分的改性反应，获得高的转化率。
本发明的燃气发动机(以下称作发明21)兼用了发明12-20的结构。具体地说，它构成为进行下述种种操作中两种以上的操作：于发明12结构中燃烧变换前的燃料成变换后的燃料的一部分使变换器的内部温度上升的操作；于发明13结构中燃烧变换前的燃料或变换后的燃料的一部分使变换器的内部温度上升的操作；于发明14结构中燃烧变换前的燃料或变换后的燃料的一部分使燃料改性器的内部温度上升的操作；于发明15的结构中燃烧变换前的燃料或变换后的燃料的一部分使燃料改性器的内部温度上升的操作；于发明16的结构中由氧化催化装置进行未燃烧成份的燃烧使变换器的内部温度上升的操作；于发明17的结构中由氧化催化装置进行未燃烧成份的燃烧使燃料改性器的内部温度上升的操作；于发明18的结构中通过氢吸收物质吸收氢的产生的氢化物生成热使变换器内部温度上升的操作；于发明19的结构中通过氢吸收物质吸收氢时产生的氢化物生成热使燃料改性器的内部温度上升的操作；发明20的结构中燃料改性器的内部压力的减压操作。由此，通过采用发明12-19的结构中的某个时，能在高的温度环境下进行变换反应或改性反应，可有效地促进反应。此外，若兼用以上操作，例如即使废气温度在600℃以下时，也能以高的转化率进行反应。此外，采用发明20的结构时还能得到高的转化率。
本发明的燃气发动机(以下称作发明22)是在发明17、18或21的结构中配备有储存氢的槽，在由氢吸收装置内的氢吸收物质吸收此槽内的氢时，可利用发动机的废热将氢吸收装置中取出的氢提供给燃烧室。根据这种结构，能稳定地储存氢吸收装置中的氢，将氢稳定地供给于燃烧室。
本发明的燃气发动机(以下称作发明23)是在发明17、18或20的结构中配备有储存氢的槽，能由氢吸收装置内的氢吸收物质吸收此槽内的氢，另一方面设有检测废气温度的废气温度传感器和调节氢吸收装置内的压力的压力调节装置。于是可根据废气温度传感器检测出的废气温度用压力调节装置调节氢吸收装置内的压力，由此来控制氢与氢吸收物质的氢化物的生成此及从氢吸收物质分离出氢。通过这种结构能有效地利用废气的热和能容易地控制氢吸收物质对氢的吸收与释出。
本发明的燃气发动机(以下称作发明24)兼用了发明22与发明23的结构。具体地说，它能在进行发明22的结构中将氢吸收装置取出的氢供给燃烧室的操作的同时，进行发明24结构中通过氢吸收装置内的压力调节使氢与氢吸收物质的氢化物生成与从氢吸收物质中分离出氢的控制操作。
本发明的燃气发动机(以下分别称作发明25与26)中，发明25与发明26的结构涉及到有关变换器与燃料改性器的起动性与负荷响应性的改进。具体地说：
发明26的结构是在发明1、发明3-7、发明11-13、发明15-16、发明18与发明21之中的任一结构内配备有：将氢与变换后的燃料混合的混合器；可对此混合器内的氢与变换后的燃料的混合比作任意调节的调节装置。
本发明26的结构是在发明7-11、发明13-15、发明17、发明19-21的结构之中的任一结构内配备有：将氢与氢分离后的改性燃料混合的混合器；可对此混合器内氢与氢分离后的改性燃料的混合比作任意调节的调节装置。
在上述特定情形下，能缩短变换器与燃料改性器的起动时间，使负荷投入时与负荷截止时的响应性良好。
本发明的燃气发动机(以下称作发明27)是用于扩大由氢分离装置分离出的氢的利用范围的结构。具体地说，是在发明9-11结构中的任一种结构内配备有通过加水脱硫除去燃料中所含硫黄成份的脱硫装置，而将氢分离装置分离提取出的氢的一部分提供给此脱硫装置。
在上述特定情形下，通过氢分离装置分离出的氢也可供脱硫装置加水脱硫之用。传统上需要配备用来供给加水脱硫用的氢的高压储气瓶，并在此储气瓶空竭后需要补充氢。根据本结构，可不需要配备这种氢的高压储气瓶，也不需要交换和补充氢的作业。
本发明的燃气发动机(以下称作发明28)，具体地特定了氢的供给作业。也即在发明1、发明2-27结构中的任何一种结构之内配备有：探测爆震发生的爆震传感器；接收此爆震传感器的输出测定爆震强度，当其超过预定值时，降低供给燃烧室的总燃料中的氢混合比的氢供给量控制装置。
爆震的发生状况据认为在于受到供给燃料中氢成份的影响，使甲烷值变得过小。因此在这种状况下，降低氢的供给量而增大甲烷值能有效地防止爆震。具体地说，由氢供给量测定装置接收爆震传感器的输出，测定爆震强度，当探测出或预先知得爆震发生时，可降低氢的供给量以降低总燃料中的氢的混合比。由此可加大供给燃料的甲烷值而避免爆震的发生。
本发明的燃气发动机(以下称作发明29)具体地特定了氢分离后与改性燃料的混合比的调整操作。亦即在发明9-11、发明27与发明28结构中任何一种的结构之内配备有调节氢与氢分离后改性燃料混合比的混合比调节装置。为了最大限度减少废气中的有害物质NOx、CO、HC，最好进行低浓度燃烧。为此，混合比调节装置预先识别总燃料中的氢混合比，为在此氢混合比下以必要的最低限度的燃料供给量于燃烧室内良好地进行燃烧，求出对应于此氢混合比的低浓度可燃极限值，基于其调节上述混合比例。由此可以由低浓度燃烧来运转发动机，减少废气中的有害物质。
本发明的燃气发动机(以下称作发明30)，是以纯氢作为用于上述燃气发动机的燃料。
附图说明
图1是根据第一实施形式的燃气发动机进行发电的发电系统的概略结构的框图；
图2是第二实施形式的相当于图1的图；
图3是第三实施形式的相当于图1的图；
图4是第四实施形式的相当于图1的图；
图5是第五实施形式的相当于图1的图；
图6(a)示明以甲烷燃气作为燃料的燃料改性器的内部压力与改性反应后的生成燃气组成的关系，图6(b)示明以甲烷燃气为燃料时燃料改性器的内部压力与未改性甲烷比例的关系。
图7示明变换器的内部温度与由此变换器的变换反应所产生的CO量的关系。
图8示明氢吸收物质吸收氢时氢吸收装置内的气氛温度(热源温度)与升高温度(随着氢化物生成热的发生而升高的温度)的关系。
图9说明根据变动的氢吸收装置内的温度所对应的内部压力的变化进行氢吸收与氢释出的控制操作。
图10是第六实施形式的相当于图1的图。
图11是第七实施形式的相当于图1的图。
图12是第8实施形式的相当于图1的图。
图13是已有例子中相当于图1的图。
具体实施形式
下面根据附图说明本发明的实施形式。在此分别说明以6C燃气(氢成份所占比例大的燃料)用作燃料的多种实施形式，以及以纯氢燃气用作燃料的多种实施形式。
将6C燃气用作燃料时的实施形式
第一实施形式
图1是由本实施形式的燃气发动机1进行发电的发电系统的概略结构框图。如图1所示，从发动机主体2延伸出的输出轴21与发电机3连接，通过此输出轴21的旋转驱动力由发电机3进行发电。
燃气发动机1的吸气系统由空气供给系统4与燃料供给系统5组成，由空气供给系统4供给的空气与燃料供给系统5供给的燃料组成的混合气体提供给发动机主体2的未图示的燃烧室，驱动发动机主体2。下面说明空气供给系统4与燃料供给系统5。
空气供给系统4具有增压机41和中间冷却器42。空气经此增压机41压缩后由中间冷却器42冷却，将高密度的空气提供给燃烧室。上述增压机41与设在废气流过的排气管6中的涡轮61的输出轴62直接连接，接收涡轮61的旋转输出，压缩空气。
另一方面，燃料供给系统5具有作为水蒸汽发生装置的废热锅炉52、变换器57、氢的高压储气瓶54、混合器55以及作为氢分离装置的氢分离器56。此燃料供给系统5使氢(H2)与二氧化碳(CO2)进行变换反应(H2+CO2→CO+H2O)而改变燃料组成，将此组成变化了的燃料提供给发动机主体2的燃烧室。此变换反应所需的热能从流过排气管6的废气求得。下面说明物成此燃料供给系统5的各主要部分。
废热锅炉52在内部贮留着水，于水和流过这种排气管6的废气之间进行热交换，使水蒸发而发生水蒸汽。废热锅炉52与混合器55由水蒸气供给管71连接，废热锅炉52内发生的水蒸汽(H2O)能供给到混合器55内。水蒸气供给管71内设有可调节开度的电动阀71a。
变换器57在其内部使氢弹与二氧化碳发生变换反应(H2+CO2→CO+H2O)而改变燃料组成。变换器57通过氢供给管72与氢的高压储气瓶经由氢气供给管72连接，此储气瓶贮存的氢可供给于变换器内。氢供给管72内设有可调开度的电动阈72a。此外，变换器57通过变换后燃料供给管73与混合器55连接，变换器57内已变换的燃料(CO、H2O与残留的H2)能供给于混合器55内。变换后燃料供给管73中设有可调开度的电动阀73a。变换器57还连接二氧化碳供给管74，例如能由未图示的二氧化碳的高压储气瓶供给CO2。
氢分离器56从燃料(CmHn、H2、CO等)分并提取出氢。此氢分离器56的具体结构成在内设有分离膜与氢吸收物质，由此能只将氢分离出提取。作为分离膜有钯合金、酯酸纤维膜、聚酰亚胺、聚酰胺、聚砜多孔质膜/硅等。作为氢吸收物质例如有氢吸收合金。此外也可把碳纳米纤维、フラ-レン、多层フラ-レン等碳分子组成的物质作为氢吸收物质。作为分离膜与氢吸收物质并不局限于以上所述，只要是能分离提取出的氢的各种材料都可采用。此氢分离器56通过分离后氢供给管75与氢的高压储气瓶连接，通过氢分离后燃料供给管56与混合器55连接。这就是说，在将氢分离器56分离提取出的H2回收到氢的高压储气瓶54的同时，能将分离后的燃料(CmHn)提供给混合器55。上述氢分离后燃料供给管76设有可调开度的电动阀76a。
这样，在由上述水蒸汽供给管71供给水蒸汽的同时，由各燃料供给管73、76供给有燃料的混合器55，一旦贮存了水蒸汽与各种燃料后，由此混合器55内中所设的未图示的除湿器除去多余的H2O，将混入有水蒸汽的燃料经混合燃料供给管77与空气混合，而提供给发动机主体2的燃烧室。
上述发动机1的设有用于控制各部分的控制器8。此控制器8与多个传感器81、82、83连接，接收传感器81、82、83的检测信号，同时进行上述各电动阀71a、72a、73a、76a的开度控制。作为上述这类传感器例如有检测发电机3负荷的负荷传感器81、测定发动机主体的爆震强度的爆震传感器82、测定由混合器55供给主体2的燃料中氢成份浓度(混合燃料供给管77中氢成份的浓度)的氢浓度传感器83。以上说明了气体发动机1的结构。
下面说明上述结构的发动机1的操作。这些操作是在各电动阀71a、72a、73a-76a同时打开的状态下进行。
首先将废热锅炉52内部的水通过流经排气管中的废气加热成水蒸汽，此水蒸汽由水蒸汽供给管71顺次供给混合器55。
与此同时，将氢气供给管的氢气与二氧化碳供给管74的二氧化碳分别供给变换器57的内部。变换器57的内部由流经排气管6的废气加热。这样，在变换器57内部进行氢与二氧化碳的变换反应(H2+CO2→CO+H2O)。改变燃料组成。经此变换的燃料通过变换后燃料供给管73供给混合器55内。也就是由此变换反应生成减少了氢成份量的燃料，而将此燃料供给混合器55。
氢分离器56从烃系燃料分离氢，将分离出的氢通过分离后氢供给管75回收到氢的高压储器瓶54中，同时经此氢分离后的燃料也由氢分离后燃料供给管76提供给混合器55。亦即通过此氢分离后燃料供给管76供给混合器55的燃料成为降低了氢浓度的燃料。
这样地供给于混合器55的水蒸汽与各种燃料在此混合器55内部混合后，经混合燃料供给管77顺次供给发动机主体2的燃烧室。此时通过于燃料中混入水蒸汽，燃料整体的热容变得较大。随着燃料的供给，使发动机2主体驱动，通过轴出轴21的旋转驱动而驱动发电机3进行发电。
如上所述，本实施形式中通过变换器57内部的变换反应降低了燃料中的氢成份量，由于水蒸汽混入燃料中而增大了燃料整体的热容，还由于氢的分离使供给燃料中的氢浓度降低。由此，降低了燃烧室内的燃烧速度，抑制了逆火的发生，同时由于提高了燃料的甲烷值而抑制了爆震的发生，此外由于热发生率小而能提高发动机的热交率。
第二实施形式
现在说明第二实施形式。此实施形式是把用于将二氧化碳供给变换器57的供给源具体化，其他的结构则与上述第一实施形式的相同。故在此只说明与第一实施例的不同处。
图2(略去了控制器与传感器)示明由本实施形式的燃气发动机1进行发电的发电系统概略结构的框图，如图2所示，此燃气发动机1具有作为CO2分离装置的CO2分离器58。此CO2分离器58将流过排气管6的废气中的CO2分离提取。用于分离提取CO2的结构与前述氢分离器58相同，利用了分离膜。CO2分离器58与变换器57通过二氧化碳供给管74连接，于CO2分离器58内分离提取出的CO2可顺次提供给变换器57。
用于将氢供给变换器57的供给源与上述第一实施形式的相同，是氢的高压储气瓶54，而于上述氢分离器56中分离提取出的氢由分离后氢供给管75顺次供给氢的高压储气瓶54。此外，该分离后氢供给管75设有可调节开度的电动阀75a。
根据这一实施形式，能有效地利用从废气分离出的CO2进行变换器57中的变换反应，而不必要配备特别的CO2供给源。能有效地利用从燃料分离提取出的氢而于变换器57中进行变换反应，也没有必要配备特别的氢供给源。于是不需要有更换二氧化碳或氢的供给源进行补充这类气体的作业，可改进保养性能。
第三实施形式
下面说明第三实施形式，它具有脱硫装置与燃料改性器，其他结构与上述第二实施形式的相同，因此只说明它与第二实施形式的不同处。
图3是概示由本实施形式的燃气发动机1进行发电的发电系统结构的框图。如图3所示，此燃气发动机1具有脱硫装置53和燃料改性器51。
脱硫装置53是用于除去烃系燃料中所含硫黄成分。也就是说燃料改性器51的催化剂(金属(Ni)、碳酸钾(K2CO3)、碱性氧化物(CaO)、煤等之中所含矿物质(FeS2)等)有受硫黄毒化之虞，为了避免这种情形而设置了脱硫装置53，此脱硫装置53为了进行加水脱硫的脱硫操作，将从上述氢供给管72分岔出的脱硫用氢供给管78连接到脱硫装置53上。此脱硫用氢供给管78设有可调开度的电动阀78a。也就是说，氢高压储气瓶54内氢的一部分能供给脱硫装置53供加水脱硫用。在此脱硫装置53上连接有用于供给烃系燃料的改性前燃料供给管53a和用于将脱硫后燃料给燃料改性器的供给管53b。
燃料改性器51在其内部使水蒸汽与烃系燃料进行吸热反应的燃料改性操作。具体地说，此燃料改性器51与上述水蒸汽供给管71分岔出的分岔管51a连接。在此分岔管51a中设有可调节开度的电动阀51b。此燃料改性器51于供给的水蒸汽和从脱硫燃料供给管53b供给的烃系燃料之间进行吸热反应。在燃料改性器51的内部设有用于获得废气热能的未图示的热交换器。由此，于燃料改性器51的内部可在预定温度(废气温度，例如约600℃)的环境下进行吸热反应(CmHn+mH2O→mCO+(n/2+m)H2)。
通过进行这种反应，改性后的燃料发热量比原来的烃系燃料有大幅度提高，由此可以获得能提高热效率(发电机的输出/供给燃料)的燃料。
上述燃料改性器51与氢分离器56通过改性后的燃料供给管56a连接，燃料改性器51中改性的燃料供给于氢分离器56。
燃料改性器51具有可降低内部压力的未图示的减压机构。通过降低此燃料改性器51的内部压力，即使加热燃料改性器51的热源的温度(废气温度)较低，也能进行充分的改性反应而得到高的转化率。图6(a)示明以甲烷燃气为燃料时燃料改性器51的内部压力与改性反应后的生成燃气组成关系的曲线图，图6(b)示明以甲烷燃气为燃料时燃料改性器51的内部压力与未改性甲烷比例关系的曲线图。如这些图所示，燃料改性器51的内部压力愈低，愈能判明甲烷燃气改性的程度愈高。
根据本实施形式的结构，通过这种烃系燃料的改性，可求得发热量大的燃料，还由于可采用烃系燃料以外的燃料，就易实现燃料的多元化。也即在同一结构的燃气发动机中可以任意选择烃系燃料或其他燃料，从而能扩大燃气发动机的适用范围。
第四实施形式
以下说明第四实施形式。此实施形式中的燃料改性器51与氢分离器56构成整体，其他结构则与上述第三实施形式的相同，因而在此只说明与第三实施形式的不同之处。
图4是概示由此实施形式的发动机1进行发电的发电系统结构的框图。如图4所示，发动机1取燃料改性器51和氢分离器56成整体的结构。具体地说，燃料改性器51的内部空间与氢分离器56的内部空间连通，燃料改性器51中改性的燃料由其中供给氢分离器56，氢分离器56中将氢分离提取出。
根据此实施形式的结构，燃料改性器51与氢分离器56不需由配管连接，故可简化燃气发动机1的制造工序和使发动机1的整体紧凑化。
第五实施形式
现在说明第五实施形式。本实施形式具有氧化催化装置和氢吸收装置，其他结构与上述第四实施形式的相同，故只说明与第四实施形式的不同处。
图5概示由本实施形式的发电机1进行发电的发电系统结构的框图。如图5所示，此发电机1具有氧化催化装置91和氢吸收装置92。
氧化催化装置用来使废气中的未燃成分燃烧，通过这种燃烧以使燃料改性器51和变换器57的内部温度高达废气温度以上。也即是提高燃料改性器51与变换器57的内部温度来提高燃料改性器51的吸热反应温度和变换器内变换反应温度，由此来促进反应。
氢吸收装置92在内部收容有氢吸收合金等氢吸收物质。此氢吸收装置92通过氢提取管93与氢的高压储气瓶54直接连接。同时经第一氢供给管94与混合器55连接。在各个管93、94之中分别设有可调整开度的电动阀93a、94a。氢吸收装置92在其内部收容的氢吸收物质吸收氢而生成氢化物时产生生成热。由此生成热也可提高燃料改性器51与变换器57的内部温度，使燃料改性器51的吸热反应温度和变换器57的变换反应温度升高以促进反应。
图7是示明变换器57的内部温度与通过此变换器57的变换反应所发生的CO量之间关系的曲线图。从此曲线图可以看出，变换器57的内部温度越高，CO发生量也越多，即可以判断促进了变换反应。
图8是示明氢吸收物质吸收氢时氢吸收装置92内的气氛温度(热源温度)与上升温度(随氢化物生成热的发生而上升的温度)间的关系。这样，氢吸收装置92内的气氛温度越高，上升温度也越高，从而能促进燃料改性器51的吸热反应与变换器57的变换反应。此外，图8中的圆圈表明各种氢吸收物质的实测点，而直线是各种氢吸收物质特性的近似式直线。这类氢吸收物质具体可举出下述这些：钛-钯系列金属中添加锰的、镁-镍系列的金属、沸石、烃、苯等上述各种材料。
本实施形式的燃气发动机1通过第二氢供给管95使氢的高压储气瓶54和混合器55连接，使氢的高压储气瓶中的氢能提供给混合器55。此第二氢供给管95中设有可调开度的电动阀95b。
根据上述结构，从氢吸收装置92经第一氢供给管94的路径和从氢的高压储气器54烃第二氢供给管95的路径这两者，确保了用于对混合器55的氢供给路径。于是本实施形式能相对于混合器55提供氢。
作为本实施形式的氢供给量的调节操作的特征之一是能根据氢吸收装置92内的温度与压力来切换氢气的吸收与释出。下面对此作具体说明。本实施形式的燃气发动机具有检测废气温度的废气温度传感器84、调节氢吸收装置92内的压力的未图示的压力调节装置。氢吸收装置92内的温度由废气温度支配。也就是，通过废气温度传感器84检测此废气温度，而能求出氢吸收装置92内的温度。此氢吸收装置92内的温度如图9所示，对应于发动机负荷随着变化的废气温度而变化。在此能对应于变动的氢吸收装置92的温度使其内部压力变化，由此能控制氢吸收装置92内的氢的吸收操作和氢的释出操作。具体地说，在废气温度较高的区域(图中的区域A)，通过压力调节装置将氢吸收装置92内的压力设定得较高而进行氢的吸收操作。这时，由于氢化物生成热的发生，燃料改性器51的内部温度的也上升。另一方面，在废气温度较低的区域(图中的区域B)，通过压力调节装置将氢吸收装置92内的压力设定得较低而进行氢的释出操作。也就是在废气温度较低的区域进行伴随氢的释出的氢吸收物质的吸热操作。而在废气温度较高的区域进行伴随氢的吸收的氢吸收物质的发热操作，即使之起到所谓化学泵的作用。这样，根据废气温度使氢吸收装置92内的压力变化，而能任意地控制氢的吸收操作与氢的释出操作。
在控制器8中设有使混合器55中的氢与变换后的燃料以及氢分离后的改性燃料的混合比能作任意调节的调节装置87。此调节装置87可调节：通过变换后燃料供给管73中所示电动阀73a的开度调节使变换后的燃料供给于混合器55的供给量；通过第一与第二氢供给管94、95中所设电动阀94b、95b的开度调节以及泵94a的控制而给混合器55提供的氢气量；以及通过氢分离后燃料供给管76中所设电动阀76a的开度调节而将氢分离后的改性燃料提供给混合器55的数量。
控制器8还设有氢供给量供给装置85与混合比调节装置86。
氢供给量控制装置85接收前述爆震传感器82的输出测定爆震强度，当爆震强度超过预定值时，对第一与第二氢供给管94、95的电动阀94b、95b的开度作减小控制，以减少氢的供给量而降低总燃料中的氢混合比。这就是说，爆震发生的状况据认为是在供给燃料中的氢成份的影响下使甲烷值过低所致，因此这时通过降低氢的供给量和加大甲烷值就能防止爆震。
此外，混合比调节装置86接收上述氢浓度传感器83的输出，测定总燃料中的氢混合比。根据此氢混合比调节提供给燃烧室的燃料与空气的混合比。也就是为了尽可能减少废气中的有害物质NOx、CO、HC，最好进行低浓度燃烧。因此，为了能预先掌握总燃料中的氢混合比，根据此氢混合比以必要的最低限度的燃料供给量来于燃料室内进行良好的燃烧，即应求出与氢混合比相对应的低浓度可燃极限值，以此为基础来调节燃料与空气的混合比。由此可以显著地减少燃气发动机1的废气中的有害物质，而能谋求废气的净化。
(1)纯氢用作燃料的实施形式
下面的第六-第八实施形式是把纯氢用作燃料的情形。第六实施形式的燃气发动机是把第一实施形式的燃气发动机用作纯氢用的发动机的形式。第七实施形式的燃气发动机是把第二实施形式的燃气发动机用作纯氢用的发动机的形式。第八实施形式的燃气发动机是把第五实施形式的燃气发动机用作纯氢用的发动机的形式。下面说明此第六、七、八实施形式与第一、二、五实施形式的不同之处。
第六实施形式
如图10所示，本实施形式的燃气发动机1是从上述第一实施形式的燃气发动机删除氢分离器56的结果。也就是在本发动机1中通过废热锅炉52产生的水蒸汽和由变换器57生成的燃料供给于混合器55。
第七实施形式
如图11所示，本实施形式的燃气发动机是从上述第二实施形式的燃气发动机删除氢分离器56的结果。也就是本发动机1构成为，除上述第六实施形式的燃气发动机外，将CO2分离器58经排气管6流出的废气中的CO2分离提取出，并且将此CO2顺次供给变换器57。
第八实施形式
如图12所示，本实施形式的发动机1是从上述第五实施形式的燃气发动机删除氢分离器56、燃料改性器51、脱硫装置53的结果。也就是说，本发明1除上述第七实施形式的燃气发动机之外，还通过氧化催化装置91和氢吸收装置92使反应温度上升以促进反应。
其他实施形式
在以上各实施形式中是相对于将6C燃气与纯氢用作燃料的情形进行说明。但本发明并不局限于这种情形，也可适用于以6B燃气与其他的具有氢成份为燃料的情形。此外，作为烃系燃料也能采用天燃气、液化石油气、消化气体、沼气、酒精燃料等。
作为发动机1也不局限于发电用的。本发明可以适用于供种种用途的燃气发动机。
为了促进变换器57的变换反应，也可使此变换器57的内部构造成，使变换前的燃料或变换后的燃料的一部分进行燃烧。或是使改性前的燃料或改性后的燃料的一部分进行燃烧，以提高变换器57内部温度的结构。
为了促进燃料改性器51的改性反应，也可使此燃料改性器的内部构造成，使改性前的燃料或改性后的燃料的一部分进行燃烧，或是使变换前的燃料或变换后的燃料的一部分进行燃烧，以提高燃料改性器51的内部温度。
此外，在上述第一-第五的各实施形式之中说明的是兼用下述各操作的情形：通过使用变换器57的变换反应将组成变化了的燃料提供给燃烧室的操作；将废热锅炉52产生的水蒸汽提供给燃料供给系统的操作，将经过氢分离器56分离提取出氢后的燃料提供给燃烧室的操作，但也可采用上述操作中的两种或两以上的操作。同样，在上述第六-第八各实施形式说明的是兼用通过采用变换器57的变换反应将组成改变了的燃料提供给燃烧室的操作，以及废热锅炉52产生的水蒸汽提供给燃料供给系统的操作，但也可采用上述中的任一种操作。
再有，作为用于燃料改性器51、废热锅炉52、变换器57与氢吸收装置92中的发动机废热，也不限于废气的热，还可利用发动机冷却水的热。
如上所述，本发明的燃气发动机对于使用具有氢成份燃料的燃气发动机，通过氢与二氧化碳的变换反应使燃料组成变化或从燃料中分离氢，减低了供给燃料中的氢成份量，或通过给燃料供给系统提供水蒸汽而增大了燃料的热容，由此可降低燃烧速度、提高燃料的甲烷值，还能将热发生率抑制得很低。于是可以解决已有燃气发动机中成为问题的逆火的发生、爆震的发生、发动机的热效率低等，而能谋求提高这种发动机的实用性。
在上述发动机中附设对作为燃料的烃系燃料进行改性的装置时，可谋求提高作为发动机整体的热效率。还由于可使用烃系燃料以外的燃料，故容易实现燃料的多元化。
对于将变换前的燃料或变换后的燃料的一部分燃烧，将改性前的燃料或改性后的燃料的一部分燃料、利用燃烧废气中的未燃成份以及利用氢吸收物质吸收氢时产生的氢化物生成热来提高变换器与燃料改性器的内部温度的情形，能够在高温环境进行变换反应或改性反应，可有效地促进反应。例如在把废气用作反应热源时，即使在废气温度较低的情形下，也可于高温环境下进行各种反应，实现高的转换率。
在为了使烃系燃料改性时能降低内压而构成燃料改性器的情形，即令热源温度较低，也能进行充分的改性，获得高的转化率。
此外，在根据废气温度调节氢吸收装置内的压力而由此来控制从氢和氢吸收物质的氢化物生成以及从氢吸收物质中分离出氢时，容易在有较利用废气的热的同时，控制氢吸收物质对氢的吸收与释出。
再有，在通过调节氢的供给量来防止发动机的爆震的情形下，是能够可靠地防止这种爆震从而可谋求发动机的长寿命化。

Claims (30)

1.一种燃气发动机，它是使用具有氢成分的燃气发动机，其特征在于，此发动机构成为：包括有以发动机的废热为热源的变换器，在此变换器中使氢与二氧化碳进行变换反应(H2+CO2→CO+H2O)而改变燃料组成，并将此改变了组成的燃料供给燃烧室。
2.根据权利要求1的燃气发动机，其特征在于还包括有从燃料中分离提取氢的氢分离装置，并将通过此氢分离装置分离提取出氢后的燃料提供给燃烧室。
3.如权利要求1所述的燃气发动机，其特征在于，它构成为进行下述操作：将利用发动机的废热为热源来发生水蒸气的水蒸气发生装置所发生的水蒸气提供给燃料供给系统的供给操作。
4.如权利要求2所述的燃气发动机，其特征在于，它构成为进行下述操作：将利用发动机的废热为热源来发生水蒸气的水蒸气发生装置所发生的水蒸气提供给燃料供给系统的供给操作。
5.根据权利要求1、3或4所述的燃气发动机，其特征在于，于前述发动机的排气系统中设有CO2分离装置，将此CO2分离装置从废气中分离出的CO2提供给变换器。
6.根据权利要求1所述的燃气发动机，其特征在于，它设有从燃料中分离提取出氢的氢分离装置，且将此氢分离装置分离出的氢提供给变换器。
7.根据权利要求1、3或4所述的燃气发动机，其特征在于，它以烃系燃料为燃料，具有利用发动机的废热使水蒸气与燃料进行吸热反应(CmHn+mH2O→mCO+(n/2+m)H2)而使燃料改性的燃料改性器，且将此燃料改性器改性的燃料提供给燃烧室。
8.根据权利要求2所述的燃气发动机，其特征在于，它以烃系燃料为燃料，具有利用发动机的废热使水蒸气与燃料进行吸热反应(CmHn+mH2O→mCO+(n/2+m)H2)而使燃料改性的燃料改性器，且将由此燃料改性器改性的燃料提供给燃烧室。
9.根据权利要求8所述的燃气发动机，其特征在于，它将氢分离装置与燃料改性器构成整体，由氢分离装置分离提取出氢的同时于燃料改性器中进行燃料改性作业。
10.根据权利要求7所述的燃气发动机，其特征在于，它将从燃料中分离提取出氢的氢分离装置与燃料改性器构成整体，在由氢分离装置分离提取出氢的同时于燃料改性器中进行燃料改性作业。
11.根据权利要求1、3或4所述的燃气发动机，其特征在于，它通过燃烧变换前的燃料或变换后的燃料的一部分而使变换器的内部温度上升。
12.根据权利要求7所述的燃气发动机，其特征在于，它通过燃烧改性前的燃料或改性后的燃料的一部分，而使变换器的内部温度升高。
13.根据权利要求7所述的燃气发动机，其特征在于，它通过燃烧改性前的燃料或改性后的燃料的一部分，而使燃料改性器的内部温度升高。
14.根据权利要求7所述的燃气发动机，其特征在于，它通过燃烧变换前的燃料或变换后的燃料的一部分而使燃料改性器的内部温度升高。
15.根据权利要求1、3或4所述的燃气发动机，其特征在于，它具有燃烧废气中未燃成分的氧化催化装置，通过于此氧化催化装置燃烧该未燃成分，使变换器的内部温度升高到废气温度之上。
16.根据权利要求7所述的燃气发动机，其特征在于，它具有燃烧废气中未燃成分的氧化催化装置，通过于此氧化催化装置燃烧该未燃成分，使燃料改性器的内部温度升高到废气温度之上。
17.根据权利要求1、3或4所述的燃气发动机，其特征在于，它配备有内设氢吸收物质而可吸收氢的氢吸收装置，通过氢吸收物质吸收氢时产生的氢化物生成热，而使变换器的内部温度高于废气温度。
18.根据权利要求7所述的燃气发动机，其特征在于，它配备有内设氢吸收物质而可吸收氢的氢吸收装置，通过氢吸收物质吸收氢时产生的氢化物生成热，而使变换器的内部温度高于废气温度。
19.根据权利要求7所述的燃气发动机，其特征在于，所述燃料改性器构成为，能于烃系燃料改性时使内部压力减压。
20.根据权利要求1、3或4所述的燃气发动机，其特征在于，它配备有：将氢与变换后的燃料混合的混合器；可对此混合器内的氢与变换后的燃料的混合比作任意调节的调节装置。
21.根据权利要求7所述的燃气发动机，其特征在于，它配备有：将氢与氢分离后的改性燃料混合的混合器；可对此混合器内的氢与氢分离后的改性燃料的混合比作任意调节的调节装置。
22.根据权利要求8和9中的任何一项所述的燃气发动机，其特征在于，它配备有通过加水脱硫除去燃料中所含硫黄成分的脱硫装置，而将氢分离装置分离提取出的氢的一部分提供给此脱硫装置。
23.根据权利要求1～4中的任何一项所述的燃气发动机，其特征在于，它配备有：探测爆震发生的爆震传感器；接收此爆震传感器的输出，测定爆震温度，当其超过预定值时，降低供给燃烧室的总燃料中的氢混合比的氢供给量控制装置。
24.根据权利要求8和9中的任何一项所述的燃气发动机，其特征在于，它配备有调节氢与氢分离后改性燃料混合比的混合比调节装置。
25.根据权利要求1、3或4所述的燃气发动机，其特征在于，它是以纯氢为燃料。
26.如权利要求17所述的燃气发动机，其特征在于，它配备有储存氢的槽，在由氢吸收装置内的氢吸收物质吸收此槽内的氢时，可利用发动机的废热将氢吸收装置中取出的氢提供给燃烧室。
27.如权利要求17所述的燃气发动机，其特征在于，它配备有储存氢的槽，能由氢吸收装置内的氢吸收物质吸收此槽内的氢，另一方面设有检测废气温度的废气温度传感器和调节氢吸收装置内的压力的压力调节装置，于是可根据废气温度传感器检测出的废气温度用压力调节装置调节氢吸收装置内的压力，由此来控制氢与氢吸收物质的氢化物的生成以及从氢吸收物质分离出氢。
28.一种燃气发动机，其特征在于，它构成为同时进行将权利要求5的CO2分离装置分离出的CO2提供给变换器的操作和将权利要求6的氢分离装置分离的氢提供给变换器的操作。
29.一种燃气发动机，其特征在于，它构成为进行下述种种操作中两种以上的操作：于权利要求11结构中燃烧变换前的燃料或变换后的燃料的一部分使变换器的内部温度上升的操作，于权利要求12结构中燃烧改性前的燃料或改性后的燃料的一部分，而使变换器的内部温度升高；于权利要求13结构中燃烧改性前的燃料或改性后的燃料的一部分，而使燃料改性器的内部温度升高；于权利要求14的结构中燃烧变换前的燃料或变换后的燃料的一部分使燃料改性器的内部温度上升的操作；于权利要求15的结构中由氧化催化装置进行未燃烧成分的燃烧使变换器的内部温度上升的操作；于权利要求16的结构中由氧化催化装置进行未燃烧成分的燃烧使燃料改性器的内部温度上升的操作；于权利要求17的结构中通过氢吸收物质吸收氢时产生的氢化物生成热使变换器内部温度上升的操作；于权利要求18的结构中通过氢吸收物质吸收氢时产生的氢化物生成热使燃料改性器的内部温度上升的操作；于权利要求19的结构中燃料改性器的内部压力的减压操作。
30.一种燃气发动机，其特征在于，它能在进行权利要求26的结构中将从氢吸收装置取出的氢供给燃烧室的操作的同时，进行权利要求27的结构中通过氢吸收装置内的压力调节使氢与氢吸收物质的氢化物生成与从氢吸收物质中分离出氢的控制操作。
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