JP2004352543A - Hydrocarbon modification system and internal combustion engine equipped with hydrocarbon modification system - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化水素系燃料を放電プラズマによって改質して水素を発生させる炭化水素改質システム、特に発生した水素を内燃機関の燃料として適用する炭化水素改質システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
炭化水素系燃料を改質して水素を生成する炭化水素改質システムにおいて、炭化水素系燃料と水蒸気の反応によって水素や一酸化炭素を生成する方法として、スチームリフォーミングと呼ばれる水蒸気改質が行われている。そこで、炭化水素系燃料をガス化させて水蒸気と混合させた混合ガス中で直流パルス放電を行って鎖式炭化水素と水蒸気を反応させることで、低温、低圧、且つ触媒を用いないという条件下で水素を生成させる技術が公開されている(例えば、特許文献1を参照。)。
【0003】
また、炭化水素改質装置によって発生した水素を利用する技術として、炭化水素系燃料をパルス放電装置によってプラズマ化することで水素を生成し、水素による電気化学反応で起電力が発生する燃料電池に、該生成された水素を供給する燃料システムが公開されている(例えば、特許文献2を参照。)。
【0004】
【特許文献1】
特開2001−335302号公報
【特許文献2】
特開2001−167784号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
従来のパルス放電による炭化水素改質システムにおいては、炭化水素から水素へ転化させる転化反応が行われる雰囲気、即ち、ガス状の炭化水素と水蒸気が混合した混合ガスが置かれる雰囲気の圧力は、大気圧状態であった。
【0006】
ここで、混合ガス内にパルス放電を発生させるためには、電極間に所定の電圧(以下、「要求放電開始電圧」という)以上の高電圧を印加する必要がある。しかし、ガス状の炭化水素と水蒸気が混合した混合ガスが存在する雰囲気の圧力が高くなるに従い、前記要求放電開始電圧は上昇する。そのため、該圧力が大気圧状態であれば、要求放電開始電圧が比較的高くなるため、電極に電圧を印加するパルス電源の容量が増大する虞がある。
【0007】
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、ガス状の炭化水素と水蒸気との混合ガス内にパルス放電を発生させるための要求放電開始電圧を低下させて、パルス放電用電源の容量を低く抑える炭化水素改質システムを提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明は、パルス放電によって炭化水素から水素への転化反応が行われる炭化水素ガスと水蒸気の混合ガスが置かれる雰囲気の圧力に着目した。これは、該圧力によってパルス放電を発生させるための要求放電開始電圧が変動することによる。
【0009】
そこで、炭化水素ガスと水蒸気とを含む混合ガスが内在する混合ガス容器と、パルス状電圧を出力するパルス電源と、前記パルス電源から出力されたパルス状電圧が印加されて、前記混合ガス容器に内在する混合ガス中にパルス放電を起こす一対の電極と、前記混合ガス容器内の圧力を大気圧より減じて負圧状態とする負圧発生手段と、を備え、炭化水素系燃料を水素へ転化する炭化水素改質システムにおいて、前記負圧発生手段によって前記混合ガス容器内の圧力を所定の圧力以下である負圧状態とした後に前記パルス電源によって前記一対の電極に電圧を印加しパルス放電を行うことで、該混合ガス中の炭化水素を水素に転化する。
【0010】
炭化水素系燃料を改質して水素を得るには、炭化水素系燃料を気化させて炭化水素ガスにした上で(以下、該炭化水素ガスを単に「炭化水素」という)、水蒸気と混合し、その混合ガスにおいてパルス放電を起こし、プラズマを発生させる。該パルス放電は、前記一対の電極にパルス状電圧が印加されることで発生する。また、炭化水素系燃料としては、単一種類の炭化水素で構成されるプロパン、ブタン等の燃料や複数種類の炭化水素で構成されるガソリン等が挙げられる。
【0011】
前記混合ガスにおいてプラズマを発生させるためのパルス放電方式については、混合ガス中に正極と負極からなる一対の電極を設け、該電極間において放電を行ういわゆるグロー放電又はアーク放電が挙げられる。更に、混合ガスが収容される混合ガス容器が絶縁材でできている場合には、該混合ガス容器の内部と外部にそれぞれ電極を設けて、該電極間においてパルス放電を行ってもよい。このような放電方式では電極間において流れる電流量が小さく、転化反応が効率的に行われない。そこで、転化反応を促進するために、該混合ガス容器中に光触媒や高誘電剤等を充填させたいわゆるパックドベット方式によるパルス放電が好適である。また、混合ガス容器に備えられた一対の電極に印加されるパルス状電圧は、直流パルス電圧でも、交流パルス電圧でもでもよい。
【0012】
電極にパルス状電圧を印加することでパルス放電を発生させるが、電極間に存在する混合気や空気の絶縁層を突破して放電を行うために一定の電圧である要求放電開始電圧以上の電圧を電極に印加する必要がある。ここで、要求放電開始電圧は、放電が行われる空間、即ち混合ガスが存在する混合ガス容器内の圧力が高くなるに従って高くなる物理的特性を有している。
【0013】
そこで、転化反応のためのパルス放電を行うに際して、前記負圧発生手段によって該混合ガス容器内の圧力を大気圧より低い前記所定の圧力以下の負圧状態にすることで、該混合ガス容器内の圧力が大気圧状態である場合と比べて、要求放電開始電圧を低下させることが可能となる。その結果、前記パルス電源の容量を低く抑えることが可能となる。負圧発生手段としては、前記混合ガス容器内を吸引するポンプ等が挙げられる。
【0014】
また、前記所定の圧力とは、大気圧より低い圧力であり、且つ、前記パルス電源の容量と前記負圧発生手段とによって形成可能な前記混合ガス容器内の圧力である。即ち、前記パルス電源の容量から決定される電極への印加電圧の範囲内に要求放電開始電圧を下げるために、前記負圧発生手段により形成すべき前記混合ガス容器内の圧力である。
【0015】
ここで、前記混合ガス容器内においてパルス放電が一旦開始されると、前記パルス電源から電極に印可される電圧を、前記混合ガス容器内の圧力状態にかかわらず要求放電開始電圧より比較的低い電圧としても、パルス放電は維持される。これは、一旦パルス放電が開始されると、混合ガスがプラズマ化し、そのエネルギによりパルス放電が維持されることに依る。
【0016】
そこで、前記炭化水素改質システムにおいて、前記パルス電源によって前記一対の電極に電圧を印加しパルス放電が開始された後に、前記負圧発生手段によって前記混合ガス容器内の圧力を負圧状態とすることを中止、または該負圧発生手段による負圧状態をパルス放電開始時より低減させる。即ち、前記負圧発生手段によって要求放電開始電圧を低下させた後、パルス放電を維持するために電極に印加する電圧(以下、「放電持続電圧」という)を、前記混合ガス容器内の圧力にかかわらず比較的低い電圧とすることが可能となるため、前記負圧発生手段による負圧状態の形成を中止、または該負圧状態を低減させるものである。その結果、負圧状態を形成されるために消費されるエネルギ、例えば負圧発生手段がポンプである場合は該ポンプによる駆動損失を低減することが可能となる。
【0017】
ここで、先述までの炭化水素改質システムを内燃機関に備える場合、炭化水素改質システムによって炭化水素燃料から転化された水素を内燃機関の燃料として利用することが可能である。水素は、プロパンやガソリン等の炭化水素系燃料と比べて、酸化燃焼がより良好に行われるため、排気エミッションの改善や内燃機関の燃費の改善が見込まれる。尚、炭化水素システムによって生成された水素を内燃機関の燃料として利用する場合、燃料の一部として、即ちガソリン等の燃料と併せて利用してもよい。
【0018】
そこで、先述までの炭化水素改質システムが、内燃機関に備えられている場合において、前記混合ガス容器は、前記内燃機関の吸気系と接続され、前記負圧発生手段は、前記内燃機関が駆動して前記吸気系を吸引することで前記混合ガス容器内の圧力を負圧状態とする。
【0019】
内燃機関が駆動することで気筒内のピストンが作動し、該内燃機関の吸気系である吸気管や吸気枝管に存在する吸気(空気等)を燃焼室内に吸引される。そこで、前記混合ガス容器が内燃機関の吸気系と接続されているため、内燃機関の駆動による吸引作用によって前記混合ガス容器内も吸引される。その結果、負圧状態を形成するためのポンプ等の特別な設備に依らずに、前記混合ガス容器内を負圧状態とすることが可能となる。
【0020】
尚、内燃機関の駆動によって前記混合ガス容器内をより効率的に吸引するために、内燃機関の吸気系において吸気の流入が制限される時、即ちスロットルバルブ等によって該吸気系の流れが遮断、もしくは大きく制限される内燃機関の運転状態時に、上述の内燃機関の駆動による前記混合ガス容器内の吸引を行うのが好ましい。このような内燃機関の運転状態として、モータリング運転時、無負荷運転時、軽負荷運転時、減速運転時等が挙げられる。
【0021】
次に、上述の炭化水素改質システムを備える内燃機関において、機関停止状態にある内燃機関を始動させる場合を考慮する。内燃機関は機関停止状態にあるため、内燃機関の駆動によって前記混合ガス容器内を負圧状態とすることができない。そこで、上述の炭化水素改質システムを備える前記内燃機関が、該内燃機関の出力軸を介して外部駆動装置と接続されている場合、前記負圧発生手段は、前記外部駆動装置によって前記出力軸を介して前記内燃機関を駆動し前記吸気系を吸引することで前記混合ガス容器内の圧力を負圧状態とし、前記パルス電源によって前記一対の電極に電圧を印加しパルス放電を行った後に、前記内燃機関を機関始動する。
【0022】
即ち、機関停止状態にある内燃機関を、内燃機関の出力軸を介して接続されている前記外部駆動装置によって強制的に駆動させることで、内燃機関の駆動による前記混合ガス容器内を吸引し、負圧状態を形成することが可能となる。この時、内燃機関の燃焼室においては燃料の酸化燃焼が行われずに、ピストンが前記外部駆動装置によって駆動されている状態である。ここで、前記外部駆動装置としては、前記内燃機関の始動を行うスタータモータが挙げられる。また、前記内燃機関が電気モータ等の別の出力装置と併せて設けられているいわゆるハイブリッドシステムにおける内燃機関である場合には、該電気モータを前記外部駆動装置として利用することが可能である。
【0023】
その後、前記混合ガス容器内の圧力が、パルス放電を発生できる程度の圧力に低下すると、パルス放電によって炭化水素から水素への転化反応が行われる。そして、その生成された水素を内燃機関へ燃料として供給し、内燃機関の機関始動を行う。
【0024】
このように構成することで、内燃機関の機関始動時から水素を燃料として内燃機関に供給することが可能となるので、機関始動時において燃料の良好な酸化燃焼が行われる。その結果、機関始動時、特に冷間始動時における排気エミッションの改善を図ることが可能となるとともに、内燃機関の排気系に設けられた排気浄化触媒が活性化する以前においても排気エミッションを改善することが可能となる。
【0025】
尚、炭化水素システムを内燃機関に備える場合であっても、前記混合ガス容器内を吸引して負圧状態を形成するために、内燃機関の駆動ではなく、内燃機関とは別の外部設備であるポンプ等を利用してもよい。
【0026】
【発明の実施の形態】
<第1の実施の形態>
ここで、本発明に係る炭化水素改質システムの実施の形態について図面に基づいて説明する。図1は、本発明が適用される炭化水素改質システムの概略構成を示す図である。
【0027】
本実施の形態における炭化水素改質システムは、パルス放電が行われる転化反応部1と、パルス放電を発生させるための電力を転化反応部1に供給するパルス電源部2と、を有している。まず、転化反応部1においては、燃料タンク3に貯留されている炭化水素系燃料であるプロパンがガス化されて、水蒸気添加装置4に流入する。そして、水蒸気添加装置4によってガス化されたプロパンと水蒸気が混合されて、その混合気が、導入管7を経て絶縁管10に順次、流入する。このとき、導入管7における混合気の流れは、流量制御弁15の開度によって調整される。
【0028】
絶縁管10の内部には、対をなす電極5および電極6が設けられている。一方の電極5は接地されており、他方の電極6はパルス電源部2と電気的に接続されている。パルス電源部2は、パルス信号発生器11と電圧発生器12から主に構成されている。パルス信号発生器11は、直流パルス信号または交流パルス信号を出力する装置である。パルス信号発生器11から出力されたパルス信号は伝送線14を介して電圧発生器12に伝えられる。電圧発生器12は、該伝えられたパルス信号に基づいてパルス状高電圧を発生させ、伝送線13を介してその高電圧を電極6に伝える。
【0029】
電極6にパルス状高電圧が伝えられることで、電極5と電極6との間にパルス放電が発生する。該パルス放電によって混合気を形成するプロパンガスと水蒸気がプラズマ化され、再結合して水素や一酸化炭素に変換される。その後、発生した水素や一酸化炭素は放出管8を経て、絶縁管10の外へ導かれる。生成された水素は内燃機関の燃料として供給されたり、また、燃料電池における発電用燃料として供給されたりすることも可能である。
【0030】
ここで、燃料電池に一酸化炭素が供給されると、燃料電池に対して強い毒性を持つため、燃料電池の劣化が促進される。そこで、水素と一酸化炭素を分離するために、放出管8を介して絶縁管10の外部に出た水素および一酸化炭素を、図示しない水蒸気添加装置に送ってもよい。
【0031】
水蒸気添加装置は、生成された一酸化炭素に水蒸気を添加することで、COシフト転換反応あるいは選択酸化反応を利用して、二酸化炭素に変換させるものである。これによって、純度の高い水素を内燃機関や燃料電池等に供給することが可能となる。
【0032】
更に、放出管8(生成された水素および一酸化炭素を水蒸気添加装置に送る場合には該水蒸気添加装置)の下流には、水素放出管18を介してポンプ17が備えられている。ポンプ17を駆動させると、絶縁管10内を吸引し絶縁管10内の圧力を大気圧より低い圧力状態、即ち負圧状態とすることが可能である。また、絶縁管10内のパルス放電によって生成された水素はポンプ17の下流へと運ばれる。
【0033】
ここで、流量制御弁15は、電子制御ユニット(以下、ECU:Electronic Control Unitと称する)20からの制御信号によって開閉動作を行う。更に、パルス電源部2とポンプ17はECU20と電気的に接続されており、ECU20の指令に従って、パルス電源部2はパルス放電のためのパルス状電圧を電極6に印加、ポンプ17は絶縁管10内を吸引する。また、絶縁管10内の圧力を検出する圧力センサ19が絶縁管10に備えられており、圧力センサ19はECU20と電気的に接続され、ECU20が絶縁管10内の圧力を検出することが可能である。
【0034】
このように構成される炭化水素改質システムにおいて、パルス放電によって炭化水素から水素への転換反応を行う場合の制御について、図2に基づいて説明する。図2はパルス放電時における絶縁管10内の圧力制御(パルス放電時負圧制御)のフローチャートである。尚、該制御は、ECU20によって実行される。
【0035】
先ずS100では、流量制御弁15を閉弁する。従って、この時点においては、絶縁管10内にプロパンと水蒸気の混合ガスは供給されていない。S100の処理が終了すると、S101へ進む。
【0036】
S101では、ポンプ17を起動し、絶縁管10内を吸引することで、絶縁管10内の圧力状態を負圧状態としていく。S101の処理が終了すると、S102へ進む。
【0037】
S102では、絶縁管10の管内圧力Piを、圧力センサ19によって検出する。即ち、ポンプ17によって形成される絶縁管10内の負圧状態を検出する。S102の処理が終了すると、S103へ進む。
【0038】
S103では、S102で検出した管内圧力Piが、所定の圧力P0以下である否かが判断される。ここで、所定の圧力P0とは、大気圧より低い圧力であって、且つ、パルス電源2の容量から決定される電極6への印加電圧の範囲内に要求放電開始電圧を下げるために、ポンプ17により形成すべき絶縁管10内の圧力である。従って、S103で、S102で検出した管内圧力Piが所定の圧力P0以下であると判断された場合は、絶縁管10内の圧力状態が、パルス放電のための要求放電開始電圧を下げるために、十分に負圧状態となっていることを意味し、S104へと進む。一方で、S103で、S102で検出した管内圧力Piが所定の圧力P0より大きいと判断された場合は、絶縁管10内の圧力状態が、パルス放電のための要求放電開始電圧を下げるためには、十分に負圧状態となっていないことを意味し、さらにポンプ17によって絶縁管10内の吸引を行うべく、再びS102以降の処理が行われる。
【0039】
S104では、絶縁管10内の圧力状態が十分に負圧状態となっているので、流量制御弁15を開弁して、混合ガスを絶縁管10内に導入するとともに、パルス電源部2によって電極6にパルス状電圧を印加することで、パルス放電を行う。その結果、炭化水素から水素への転化反応が起こり、水素と一酸化炭素が生成される。生成された水素と一酸化炭素は、放出管8、水素放出管18へと流れる。S104の処理が終了すると、S105へ進む。
【0040】
S105では、ポンプ17の駆動を停止、またはポンプ回転数を低下する。ポンプ17の駆動を停止することにより絶縁管10内の圧力状態は負圧状態から大気圧状態となり、またポンプ17のポンプ回転数を低下することにより絶縁管10内の負圧状態が低減されて大気圧に近い負圧状態となる。S105の処理が終了することで、本制御は終了する。
【0041】
本制御によると、炭化水素から水素への転換反応を起こすためのパルス放電を開始する際に、絶縁管10内の圧力状態を大気圧より低い負圧状態等することで、パルス放電開始時の要求放電開始電圧を低くすることが可能となる。以て、パルス電源部の容量を低く抑えることが可能となる。また、パルス放電を維持するための放電持続電圧は絶縁管10内の圧力状態にかかわらず比較的低いため、パルス放電が一旦開始された後は、絶縁管10内の圧力状態を高い負圧状態に保つ必要はない。そこで、パルス放電開始後はポンプの駆動を中止、または負圧形成能力を低下することで、ポンプ駆動のために消費されるエネルギを低減することが可能となる。
【0042】
尚、本制御においては、圧力センサ19によって絶縁管10内の圧力を検出しているが、それに代えて、ポンプ17の駆動時間によって絶縁管10内の圧力を推測し、推測した圧力に基づいてパルス放電開始時を判断してもよい。尚、ポンプ17の駆動時間と絶縁管10内の圧力との関係は予め実験等で求めておけばよい。
【0043】
<第2の実施の形態>
次に、パルス放電開始時の要求放電開始電圧を低くするためのその他の実施の形態について、図3に基づいて説明する。図3は、本発明が適用される炭化水素改質システムおよび該炭化水素改質システムを備える内燃機関の概略構成を示す図である。尚、図3に示す炭化水素改質システム等は、図1に示す炭化水素改質システムの一部を変更したものである。そこで、同一の構成については、同一の参照番号を付すことにより、その説明を省略する。
【0044】
図3に示す炭化水素改質システムにおいては、水素放出路18が、図1に示す炭化水素改質システムにおけるポンプ17に代えて、内燃機関22の吸気系21に接続されている。吸気系21は、内燃機関22における吸気管や吸気枝管等であって、内燃機関1の駆動で作動するピストンによって内燃機関22の燃焼室に吸引される吸気が存在する部位である。
【0045】
このように構成される炭化水素改質システムおよび内燃機関では、内燃機関の駆動による吸気の燃焼室への吸引に伴って絶縁管10内を吸引することで、絶縁管10内の圧力状態を負圧状態とすることが可能となる。
【0046】
ここで、吸気系21に、該吸気系21を流れる吸気の量を制限する吸気絞り弁が備えられている場合は、内燃機関の駆動による絶縁管10内の負圧状態の形成時において該吸気絞り弁を閉弁もしくはその開度を小さくすることで、該負圧状態の形成をより効率的に行うことが可能となる。尚、このような場合、内燃機関22に供給される吸気量が低減するため、内燃機関22における燃料の酸化燃焼に影響が少ない内燃機関22の運転状態時に行うのが好ましい。例えば、内燃機関22の機関負荷が少ないモータリング運転時、無負荷運転時もしくは軽負荷運転時、または内燃機関の機関回転速度を低減するべく内燃機関22に供給される燃料が制限される減速運転時等において、絶縁管10内の圧力状態をより効率的に負圧状態とすることが可能となる。
【0047】
従って、図3に示す炭化水素改質システムを備える内燃機関22においても、図1に示すポンプによる吸引に代えて内燃機関の駆動による吸引を行うことで、図2に示すようなパルス放電時負圧制御を行うことが可能である。但し、炭化水素改質システムによって生成された水素は内燃機関22の燃料として、もしくは燃料の一部として内燃機関22に供給されるため、パルス放電の開始後において、内燃機関22の駆動を停止しない。
【0048】
その結果、図3に示す炭化水素改質システムを備える内燃機関22においても、炭化水素から水素への転換反応を起こすためのパルス放電を開始する際に、絶縁管10内の圧力状態を大気圧より低い負圧状態等することで、パルス放電開始時の要求放電開始電圧を低くすることが可能となる。以て、パルス電源部2の容量を低く抑えることが可能となる。そして、負圧状態を形成するためのポンプ等の別の設備を必要としない。更に、転換反応によって生成された水素を内燃機関22の燃料として、もしくは燃料の一部として利用することで、排気エミッションの改善や内燃機関22の燃費の改善が見込まれる。
【0049】
<第3の実施の形態>
次に、機関停止状態にある内燃機関を始動させる際におけるパルス放電開始時の要求放電開始電圧を低くするための実施の形態について、図4に基づいて説明する。図4は、本発明が適用される炭化水素改質システムおよび該炭化水素改質システムを備える内燃機関の概略構成を示す図である。尚、図4に示す炭化水素改質システム等は、図1および図4に示す炭化水素改質システム等の一部を変更したものである。そこで、同一の構成については、同一の参照番号を付すことにより、その説明を省略する。
【0050】
図4に示す炭化水素改質システムを備える内燃機関22は、該内燃機関22とは別の外部駆動装置である電動モータ24と伝達切替装置23を介して接続されている。即ち、内燃機関22と電動モータ24とは、いわゆるハイブリッドシステムを構成している。ここで電動モータ24は、図示されないバッテリから電力の供給を受けて駆動される。伝達切替装置23はECU20からの指令に従って、電動モータ24の駆動力を外部へと伝達する。一方で、内燃機関22が機関停止状態、即ち内燃機関22において燃料の酸化燃焼が行われずに機関停止している状態には、該駆動力を内燃機関22の方へ伝達することで内燃機関22を強制的に駆動することが可能である。
【0051】
このように構成される炭化水素改質システムおよび内燃機関では、内燃機関が機関停止状態であっても、電動モータ24によって内燃機関22を強制駆動することで、先述の第2の実施の形態と同様に、絶縁管10内を吸引し絶縁管10内の圧力状態を負圧状態とすることが可能となる。また、内燃機関22は機関停止状態にあるので、内燃機関22では燃料の燃焼は行われていない。そこで、吸気系21に吸気絞り弁が備えられている場合は、先述の第2の実施の形態の場合と同様に、該吸気絞り弁を閉弁もしくはその開度を小さくすることが好ましい。
【0052】
従って、図4に示す炭化水素改質システムを備える内燃機関においても、ポンプによる吸引に代えて内燃機関の駆動による吸引を行うことで、図2に示すようなパルス放電時負圧制御を行うことが可能である。但し、炭化水素改質システムによって生成された水素は機関停止状態にある内燃機関22を機関始動するための燃料として、もしくは燃料の一部として、内燃機関22に供給されることで、内燃機関22の機関始動が行われる。
【0053】
その結果、図4に示す炭化水素改質システムを備える内燃機関22において、炭化水素から水素への転換反応を起こすためのパルス放電を開始する際に、絶縁管10内の圧力状態を大気圧より低い負圧状態等することで、パルス放電開始時の要求放電開始電圧を低くすることが可能となる。以て、パルス電源部2の容量を低く抑えることが可能となる。そして、負圧状態を形成するためのポンプ等の別の設備を必要としない。更に、転換反応によって生成された水素を内燃機関22の燃料として、もしくは燃料の一部として利用して該内燃機関22の機関始動を行うことで、機関始動時の排気エミッションの改善が見込まれる。更に、内燃機関の排気系に設けられた排気浄化触媒が活性化する以前においても排気エミッションを改善することが可能となる。
【0054】
尚、本実施の形態にいては、ハイブリッドシステムにおいて、内燃機関22とは別の外部出力装置である電動モータ24によって内燃機関22を強制駆動したが、ハイブリッドシステムを構成しない内燃機関については、内燃機関の始動時に用いられるスタータモータによって内燃機関を強制駆動することで、絶縁管内の圧力状態を負圧状態とすることも可能である。
【0055】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る炭化水素改質システムおよび該炭化水素改質システムを備える内燃機関は、ガス状の炭化水素と水蒸気との混合ガス内にパルス放電を開始する際に、該混合ガスが置かれる雰囲気の圧力を低下させて負圧状態とすることで、パルス放電を発生させるための要求放電開始電圧を低下させ、以て、パルス放電用電源の容量を低く抑えることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態に係る炭化水素改質システムの概略構成を表すブロック図である。
【図2】本発明の実施の形態に係る炭化水素改質システムにおいて、パルス放電時における絶縁管内の圧力状態を負圧状とするための制御のフローチャートである。
【図3】本発明の実施の形態に係る炭化水素改質システムおよび該炭化水素改質システムを備える内燃機関の概略構成を表すブロック図である。
【図4】本発明の実施の形態に係る炭化水素改質システムおよび該炭化水素改質システムを備える内燃機関の概略構成を表す第2のブロック図である。
【符号の説明】
1・・・・転化反応部
2・・・・パルス電源部
3・・・・燃料タンク
5・・・・電極
6・・・・電極
10・・・・絶縁管
11・・・・パルス信号発生器
12・・・・電圧発生器
15・・・・流量制御弁
17・・・・ポンプ
20・・・・ECU
21・・・・内燃機関の吸気系
22・・・・内燃機関
24・・・・電動モータ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a hydrocarbon reforming system that generates hydrogen by reforming a hydrocarbon-based fuel using discharge plasma, and more particularly to a hydrocarbon reforming system that uses the generated hydrogen as fuel for an internal combustion engine.
[0002]
[Prior art]
In a hydrocarbon reforming system that reforms hydrocarbon-based fuel to generate hydrogen, steam reforming called steam reforming is performed as a method of producing hydrogen or carbon monoxide by reacting hydrocarbon-based fuel with steam. Has been done. Therefore, by conducting a DC pulse discharge in a mixed gas obtained by gasifying a hydrocarbon-based fuel and mixing it with water vapor to cause chain hydrocarbons to react with water vapor, a low-temperature, low-pressure, and catalyst-free condition is used. A technique for generating hydrogen by using the method has been disclosed (for example, see Patent Document 1).
[0003]
In addition, as a technology that uses hydrogen generated by a hydrocarbon reformer, a fuel cell that generates hydrogen by converting hydrocarbon-based fuel into plasma using a pulse discharge device and generates an electromotive force by an electrochemical reaction with hydrogen is used. A fuel system for supplying the generated hydrogen has been disclosed (for example, see Patent Document 2).
[0004]
[Patent Document 1]
JP 2001-335302A
[Patent Document 2]
JP 2001-167784 A
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In a conventional hydrocarbon reforming system using pulse discharge, the pressure of an atmosphere in which a conversion reaction for converting hydrocarbons to hydrogen is performed, that is, an atmosphere in which a mixed gas of gaseous hydrocarbons and steam is placed, has a large pressure. It was at atmospheric pressure.
[0006]
Here, in order to generate a pulse discharge in the mixed gas, it is necessary to apply a high voltage equal to or higher than a predetermined voltage (hereinafter, referred to as “required discharge start voltage”) between the electrodes. However, as the pressure of the atmosphere in which the mixed gas in which the gaseous hydrocarbon and the steam are mixed is increased, the required discharge start voltage is increased. Therefore, if the pressure is in the atmospheric pressure state, the required discharge start voltage becomes relatively high, and there is a possibility that the capacity of the pulse power supply for applying the voltage to the electrodes increases.
[0007]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and reduces the required discharge starting voltage for generating a pulse discharge in a mixed gas of a gaseous hydrocarbon and water vapor to lower the capacity of a pulse discharge power supply. It is an object of the present invention to provide a hydrocarbon reforming system that suppresses oil.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The present invention has focused on the pressure of an atmosphere in which a mixed gas of hydrocarbon gas and water vapor in which a conversion reaction from hydrocarbon to hydrogen is performed by pulse discharge is placed. This is because the required discharge starting voltage for generating the pulse discharge varies depending on the pressure.
[0009]
Therefore, a mixed gas container in which a mixed gas containing a hydrocarbon gas and water vapor is present, a pulse power supply that outputs a pulsed voltage, and a pulsed voltage output from the pulse power supply are applied, and the mixed gas container is applied to the mixed gas container. A pair of electrodes for generating a pulse discharge in the mixed gas contained therein, and negative pressure generating means for reducing the pressure in the mixed gas container from atmospheric pressure to a negative pressure state, and converting the hydrocarbon-based fuel to hydrogen In the hydrocarbon reforming system, a voltage is applied to the pair of electrodes by the pulse power source after the pressure in the mixed gas container is reduced to a predetermined pressure or less by the negative pressure generating means, thereby performing pulse discharge. By doing so, hydrocarbons in the mixed gas are converted into hydrogen.
[0010]
To obtain hydrogen by reforming a hydrocarbon-based fuel, the hydrocarbon-based fuel is vaporized into a hydrocarbon gas (hereinafter, the hydrocarbon gas is simply referred to as “hydrocarbon”), and then mixed with steam. A pulse discharge is caused in the mixed gas to generate plasma. The pulse discharge is generated by applying a pulse voltage to the pair of electrodes. Examples of the hydrocarbon-based fuel include fuels such as propane and butane composed of a single type of hydrocarbon, gasoline composed of a plurality of types of hydrocarbons, and the like.
[0011]
As the pulse discharge method for generating plasma in the mixed gas, a so-called glow discharge or arc discharge in which a pair of electrodes including a positive electrode and a negative electrode are provided in the mixed gas and a discharge is performed between the electrodes. Further, when the mixed gas container accommodating the mixed gas is made of an insulating material, electrodes may be provided inside and outside the mixed gas container, and pulse discharge may be performed between the electrodes. In such a discharge method, the amount of current flowing between the electrodes is small, and the conversion reaction is not efficiently performed. Therefore, in order to promote the conversion reaction, pulse discharge by a so-called packed bed system in which a photocatalyst, a high dielectric agent, or the like is filled in the mixed gas container is preferable. The pulse voltage applied to the pair of electrodes provided in the mixed gas container may be a DC pulse voltage or an AC pulse voltage.
[0012]
A pulsed discharge is generated by applying a pulsed voltage to the electrodes, but a voltage equal to or higher than the required discharge start voltage, which is a constant voltage to break through the insulating layer of air-fuel mixture or air existing between the electrodes and perform the discharge Must be applied to the electrodes. Here, the required discharge starting voltage has a physical property that increases as the pressure in the space where the discharge is performed, that is, the mixed gas container in which the mixed gas exists increases.
[0013]
Therefore, when performing the pulse discharge for the conversion reaction, the pressure in the mixed gas container is set to a negative pressure state equal to or lower than the atmospheric pressure and equal to or lower than the predetermined pressure by the negative pressure generating means, so that the internal pressure of the mixed gas container is reduced. The required discharge start voltage can be reduced as compared with the case where the pressure is in the atmospheric pressure state. As a result, the capacity of the pulse power supply can be reduced. Examples of the negative pressure generating means include a pump for sucking the inside of the mixed gas container.
[0014]
Further, the predetermined pressure is a pressure lower than the atmospheric pressure and a pressure in the mixed gas container that can be formed by the capacity of the pulse power supply and the negative pressure generating means. In other words, it is the pressure in the mixed gas container to be formed by the negative pressure generating means in order to lower the required discharge starting voltage within the range of the voltage applied to the electrode determined from the capacity of the pulse power supply.
[0015]
Here, once the pulse discharge is started in the mixed gas container, the voltage applied to the electrode from the pulse power source is set to a voltage relatively lower than the required discharge start voltage regardless of the pressure state in the mixed gas container. However, the pulse discharge is maintained. This is because once the pulse discharge is started, the mixed gas is turned into plasma, and the pulse discharge is maintained by its energy.
[0016]
Therefore, in the hydrocarbon reforming system, after the voltage is applied to the pair of electrodes by the pulse power source and the pulse discharge is started, the pressure in the mixed gas container is set to the negative pressure state by the negative pressure generating means. Is stopped, or the negative pressure state by the negative pressure generating means is reduced from that at the start of the pulse discharge. That is, after the required discharge starting voltage is reduced by the negative pressure generating means, the voltage applied to the electrodes to maintain the pulse discharge (hereinafter, referred to as “discharge sustaining voltage”) is reduced to the pressure in the mixed gas container. Regardless, since a relatively low voltage can be obtained, formation of a negative pressure state by the negative pressure generating means is stopped or the negative pressure state is reduced. As a result, energy consumed for forming the negative pressure state, for example, when the negative pressure generating means is a pump, drive loss by the pump can be reduced.
[0017]
Here, when the above-described hydrocarbon reforming system is provided in the internal combustion engine, hydrogen converted from hydrocarbon fuel by the hydrocarbon reforming system can be used as fuel for the internal combustion engine. Since hydrogen performs oxidative combustion more favorably than hydrocarbon-based fuels such as propane and gasoline, improvement in exhaust emission and improvement in fuel efficiency of an internal combustion engine are expected. When hydrogen generated by the hydrocarbon system is used as fuel for the internal combustion engine, it may be used as a part of the fuel, that is, in combination with fuel such as gasoline.
[0018]
Therefore, when the above-described hydrocarbon reforming system is provided in an internal combustion engine, the mixed gas container is connected to an intake system of the internal combustion engine, and the negative pressure generating unit operates the internal combustion engine when the internal combustion engine is driven. Then, the pressure in the mixed gas container is set to a negative pressure state by sucking the suction system.
[0019]
When the internal combustion engine is driven, the piston in the cylinder operates, and the intake air (air or the like) present in the intake pipe or the intake branch pipe, which is the intake system of the internal combustion engine, is sucked into the combustion chamber. Therefore, since the mixed gas container is connected to the intake system of the internal combustion engine, the inside of the mixed gas container is also sucked by the suction effect of driving the internal combustion engine. As a result, the inside of the mixed gas container can be brought into a negative pressure state without using a special facility such as a pump for creating a negative pressure state.
[0020]
In order to more efficiently suck the inside of the mixed gas container by driving the internal combustion engine, when the flow of intake air is restricted in the intake system of the internal combustion engine, that is, the flow of the intake system is shut off by a throttle valve or the like. Alternatively, it is preferable to perform the above-mentioned suction in the mixed gas container by driving the internal combustion engine when the operation state of the internal combustion engine is greatly restricted. Such operating states of the internal combustion engine include a motoring operation, a no-load operation, a light-load operation, and a deceleration operation.
[0021]
Next, in the internal combustion engine including the above-described hydrocarbon reforming system, a case where the internal combustion engine in the engine stopped state is started will be considered. Since the internal combustion engine is in an engine stopped state, the inside of the mixed gas container cannot be brought into a negative pressure state by driving the internal combustion engine. Therefore, when the internal combustion engine equipped with the above-described hydrocarbon reforming system is connected to an external drive device via an output shaft of the internal combustion engine, the negative pressure generating unit is configured to control the output shaft by the external drive device. After driving the internal combustion engine through and sucking the intake system to make the pressure in the mixed gas container a negative pressure state, and applying a voltage to the pair of electrodes by the pulse power source to perform a pulse discharge, The internal combustion engine is started.
[0022]
That is, by forcibly driving the internal combustion engine in the engine stopped state by the external drive device connected via the output shaft of the internal combustion engine, the inside of the mixed gas container driven by the internal combustion engine is sucked, It is possible to form a negative pressure state. At this time, the piston is driven by the external drive device without oxidizing and burning the fuel in the combustion chamber of the internal combustion engine. Here, as the external drive device, a starter motor for starting the internal combustion engine is exemplified. Further, when the internal combustion engine is an internal combustion engine in a so-called hybrid system provided together with another output device such as an electric motor, the electric motor can be used as the external drive device.
[0023]
Thereafter, when the pressure in the mixed gas container is reduced to a pressure at which pulse discharge can be generated, a conversion reaction from hydrocarbon to hydrogen is performed by pulse discharge. Then, the generated hydrogen is supplied as fuel to the internal combustion engine, and the internal combustion engine is started.
[0024]
With this configuration, it becomes possible to supply hydrogen to the internal combustion engine as fuel from the start of the engine of the internal combustion engine, so that good oxidizing combustion of the fuel is performed at the start of the engine. As a result, it is possible to improve the exhaust emission at the time of starting the engine, particularly at the time of the cold start, and to improve the exhaust emission even before the exhaust purification catalyst provided in the exhaust system of the internal combustion engine is activated. It becomes possible.
[0025]
Note that even when the hydrocarbon system is provided in the internal combustion engine, in order to form a negative pressure state by sucking the inside of the mixed gas container, not driving the internal combustion engine, but using external equipment separate from the internal combustion engine. A certain pump or the like may be used.
[0026]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
<First embodiment>
Here, an embodiment of a hydrocarbon reforming system according to the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a hydrocarbon reforming system to which the present invention is applied.
[0027]
The hydrocarbon reforming system according to the present embodiment has a conversion reaction unit 1 in which pulse discharge is performed, and a pulse power supply unit 2 that supplies power for generating pulse discharge to the conversion reaction unit 1. . First, in the conversion reaction section 1, propane which is a hydrocarbon-based fuel stored in the
[0028]
A pair of
[0029]
When the pulsed high voltage is transmitted to the electrode 6, a pulse discharge occurs between the
[0030]
Here, when carbon monoxide is supplied to the fuel cell, the fuel cell has strong toxicity, and thus the deterioration of the fuel cell is promoted. Therefore, in order to separate hydrogen and carbon monoxide, hydrogen and carbon monoxide that have come out of the insulating
[0031]
The steam addition device converts water into carbon dioxide by using a CO shift conversion reaction or a selective oxidation reaction by adding steam to generated carbon monoxide. This makes it possible to supply high-purity hydrogen to an internal combustion engine, a fuel cell, or the like.
[0032]
Further, a
[0033]
Here, the
[0034]
In the hydrocarbon reforming system configured as described above, control when a conversion reaction from hydrocarbon to hydrogen is performed by pulse discharge will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a flowchart of pressure control in the insulating
[0035]
First, in S100, the
[0036]
In S101, the
[0037]
In S102, the pressure Pi in the insulating
[0038]
In S103, it is determined whether or not the pipe pressure Pi detected in S102 is equal to or lower than a predetermined pressure P0. Here, the predetermined pressure P0 is a pressure lower than the atmospheric pressure, and a pump for reducing the required discharge start voltage within a range of the voltage applied to the electrode 6 determined from the capacity of the pulse power supply 2.
[0039]
In S104, since the pressure state in the insulating
[0040]
In S105, the driving of the
[0041]
According to this control, when starting the pulse discharge for causing a conversion reaction from hydrocarbon to hydrogen, the pressure state in the insulating
[0042]
In this control, the pressure in the insulating
[0043]
<Second embodiment>
Next, another embodiment for lowering the required discharge start voltage at the start of pulse discharge will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a diagram illustrating a schematic configuration of a hydrocarbon reforming system to which the present invention is applied and an internal combustion engine including the hydrocarbon reforming system. The hydrocarbon reforming system shown in FIG. 3 is a modification of the hydrocarbon reforming system shown in FIG. Therefore, the same components are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
[0044]
In the hydrocarbon reforming system shown in FIG. 3, the
[0045]
In the hydrocarbon reforming system and the internal combustion engine configured as described above, the inside of the insulating
[0046]
Here, when the
[0047]
Therefore, also in the
[0048]
As a result, even in the
[0049]
<Third embodiment>
Next, an embodiment for lowering the required discharge start voltage at the start of pulse discharge when starting the internal combustion engine in the engine stopped state will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a diagram illustrating a schematic configuration of a hydrocarbon reforming system to which the present invention is applied and an internal combustion engine including the hydrocarbon reforming system. The hydrocarbon reforming system shown in FIG. 4 is a modification of the hydrocarbon reforming system shown in FIGS. 1 and 4. Therefore, the same components are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
[0050]
The
[0051]
In the hydrocarbon reforming system and the internal combustion engine configured as described above, even when the internal combustion engine is in the engine stop state, the
[0052]
Therefore, even in the internal combustion engine equipped with the hydrocarbon reforming system shown in FIG. 4, the negative pressure control during pulse discharge as shown in FIG. 2 is performed by performing suction by driving the internal combustion engine instead of suction by the pump. Is possible. However, the hydrogen generated by the hydrocarbon reforming system is supplied to the
[0053]
As a result, in the
[0054]
In the present embodiment, in the hybrid system, the
[0055]
【The invention's effect】
As described above, the hydrocarbon reforming system according to the present invention and the internal combustion engine including the hydrocarbon reforming system, when starting pulse discharge in a mixed gas of gaseous hydrocarbon and steam, start the pulse discharge. By reducing the pressure of the atmosphere in which the mixed gas is placed and setting it in a negative pressure state, the required discharge start voltage for generating pulse discharge can be reduced, and the capacity of the pulse discharge power supply can be reduced. It becomes.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram illustrating a schematic configuration of a hydrocarbon reforming system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a flowchart of control for setting a pressure state in an insulating tube to a negative pressure at the time of pulse discharge in the hydrocarbon reforming system according to the embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a block diagram illustrating a schematic configuration of a hydrocarbon reforming system according to the embodiment of the present invention and an internal combustion engine including the hydrocarbon reforming system.
FIG. 4 is a second block diagram illustrating a schematic configuration of a hydrocarbon reforming system according to the embodiment of the present invention and an internal combustion engine including the hydrocarbon reforming system.
[Explanation of symbols]
1 ··· Conversion conversion section
2 .... Pulse power supply
3. Fuel tank
5 ... Electrode
6 Electrodes
10 Insulating tube
11 ... Pulse signal generator
12. Voltage generator
15 ... Flow control valve
17. Pump
20 ... ECU
21 ... Intake system of internal combustion engine
22 ... Internal combustion engine
24 ... Electric motor
Claims (5)
パルス状電圧を出力するパルス電源と、
前記パルス電源から出力されたパルス状電圧が印加されて、前記混合ガス容器に内在する混合ガス中にパルス放電を起こす一対の電極と、
前記混合ガス容器内の圧力を大気圧より減じて負圧状態とする負圧発生手段と、を備え、
前記負圧発生手段によって前記混合ガス容器内の圧力を所定の圧力以下である負圧状態とした後に前記パルス電源によって前記一対の電極に電圧を印加しパルス放電を行うことで、該混合ガス中の炭化水素を水素に転化することを特徴とする炭化水素改質システム。A mixed gas container containing a mixed gas containing a hydrocarbon gas and water vapor,
A pulse power supply that outputs a pulsed voltage,
A pair of electrodes, to which a pulse-like voltage output from the pulse power source is applied and which causes a pulse discharge in the mixed gas contained in the mixed gas container,
Negative pressure generating means for reducing the pressure in the mixed gas container from atmospheric pressure to a negative pressure state,
After the pressure in the mixed gas container is reduced to a predetermined pressure or less by the negative pressure generating means, a voltage is applied to the pair of electrodes by the pulse power supply to perform a pulse discharge, whereby the mixed gas A hydrocarbon reforming system characterized by converting hydrocarbons into hydrogen.
前記混合ガス容器は、前記内燃機関の吸気系と接続され、
前記負圧発生手段は、前記内燃機関が駆動して前記吸気系を吸引することで前記混合ガス容器内の圧力を負圧状態とすることを特徴とする請求項1に記載の前記炭化水素改質システムを備える内燃機関。When the hydrocarbon reforming system is provided in an internal combustion engine,
The mixed gas container is connected to an intake system of the internal combustion engine,
2. The hydrocarbon reforming device according to claim 1, wherein the negative pressure generating unit sets the pressure in the mixed gas container to a negative pressure state by driving the internal combustion engine to suck the intake system. 3. Internal combustion engine with quality system.
前記負圧発生手段は、前記外部駆動装置によって前記出力軸を介して前記内燃機関を駆動し前記吸気系を吸引することで前記混合ガス容器内の圧力を負圧状態とし、
前記パルス電源によって前記一対の電極に電圧を印加しパルス放電を行った後に、前記内燃機関を機関始動することを特徴とする請求項4に記載の炭化水素改質システムを備える内燃機関。When the internal combustion engine is connected to an external drive device via an output shaft of the internal combustion engine,
The negative pressure generating means drives the internal combustion engine through the output shaft by the external drive device and sucks the intake system to make the pressure in the mixed gas container a negative pressure state,
The internal combustion engine according to claim 4, wherein the internal combustion engine is started after applying a voltage to the pair of electrodes by the pulse power supply to perform a pulse discharge.
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JP2003150931A JP2004352543A (en) | 2003-05-28 | 2003-05-28 | Hydrocarbon modification system and internal combustion engine equipped with hydrocarbon modification system |
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JP2009097421A (en) * | 2007-10-16 | 2009-05-07 | Toyota Central R&D Labs Inc | Engine system |
RU2737125C1 (en) * | 2019-12-16 | 2020-11-24 | Виктор Эдуардович Шефер | Electric pulse ioniser of fuel |
-
2003
- 2003-05-28 JP JP2003150931A patent/JP2004352543A/en not_active Withdrawn
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