JP2005030243A - 燃料改質装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】この発明は，排気ガスの熱エネルギーを利用して天然ガスを水蒸気と共に触媒の存在下で熱分解させて改質燃料に高効率で変換させると共に，排気ガスに含まれる未燃ＨＣ等を酸化処理して排気ガスを浄化する。
【解決手段】この燃料改質装置は，天然ガスを水蒸気と共に触媒の存在で改質燃料に変換する燃料改質室６と排気ガスを流す排気ガス室５とを備えた燃料改質ステーション３，及びその後流に接続された水蒸気生成室８と排気ガス室７とを備えた水蒸気生成ステーション４を有し，エンジン１の負荷変動に応答して燃料改質室６へ供給する天然ガスと水蒸気との供給量を制御するコントローラを有する。燃料改質ステーション３と水蒸気生成ステーション４には，金属板１１，１２の両面に接合された金属多孔質部材が収納されている。
【選択図】 図２
【解決手段】この燃料改質装置は，天然ガスを水蒸気と共に触媒の存在で改質燃料に変換する燃料改質室６と排気ガスを流す排気ガス室５とを備えた燃料改質ステーション３，及びその後流に接続された水蒸気生成室８と排気ガス室７とを備えた水蒸気生成ステーション４を有し，エンジン１の負荷変動に応答して燃料改質室６へ供給する天然ガスと水蒸気との供給量を制御するコントローラを有する。燃料改質ステーション３と水蒸気生成ステーション４には，金属板１１，１２の両面に接合された金属多孔質部材が収納されている。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は，エンジンから排気される排気ガスの熱エネルギーを利用して天然ガスを改質燃料に改質する燃料改質装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自然界に多く存在する天然ガスは，その主成分がメタン（ＣＨ４ ）であり，その燃焼で発生する排気ガスは，窒素酸化物の含有量が軽油燃料を用いたディーゼルエンジンの５００ｐｐｍ以上であるのに対して１０ｐｐｍ以下と極めて少ない。また，天然ガスは，同一エネルギー当たりの二酸化炭素の排出量が石油燃料とするディーゼルエンジンに比較して３０％以上少なくなり，極めてクリーンであり，近年，それを燃料とする自動車用，発電用等のエンジンが多く用いられるようになり，将来の公害対策エンジンの燃料として極めて有望なものである。
【０００３】
従来，天然ガスを燃料とするガスエンジンが知られている（例えば，特許文献１，２参照）。ディーゼル燃焼では，圧縮された空気中に燃料を吹き込むが，その燃料を圧縮された空気圧以上の圧力に圧縮しないと，燃焼室に燃料を噴射することができない。従って，ガスエンジンは，ガス燃料を圧縮して高圧にするために大掛かりな多くの仕事を要し，必ずしも燃費が良くならない。また，ガスエンジンでは，圧縮された空気中に燃料を噴射した場合，ガス燃料と空気とが気体同士であるため混合が良好に行われず，天然ガスの良好な燃焼を確保できず，燃費も改善されず，窒素酸化物も少なくならないのが現状である。
【０００４】
また，天然ガスを改質した燃料を用いるガスエンジンが知られている。従来のガスエンジンに組み込まれた燃料改質装置は，天然ガス主成分のＣＨ４ と水等を吸熱反応によりＣＯとＨ２ の改質燃料に変換し，燃料による熱効率を改善すると共に排気ガス中のＣＯ２ を触媒による吸熱反応に使用し，改質による発熱量増大で燃費の改善をするものである。従来の燃料改質装置は，排気ガスパイプ内に排気ガス通路を形成する排気ガス通路体を配置し，排気ガスパイプの外側にガス燃料が流れるガス燃料ケースを配置し，ガス燃料ケース内にガス燃料通路を形成する多孔質セラミックスから成る多孔質部材を配置し，多孔質部材の表面にＣＨ４ とＣＯ２ とでＣＯとＨ２ の改質燃料に変換させる作用を有する触媒を被覆し，更にガス燃料パイプの外周に断熱材を配置したものである（例えば，特許文献３参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平６−１０８８６５号公報（第１頁）
【特許文献２】
特開平６−１０１４９５号公報（第１頁）
【特許文献３】
特開平１１−９３７７７号公報（第１頁）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら，天然ガスは，有望な石油代替燃料として将来性が極めて高いが，天然ガスが気体であることから，エンジン用燃料とした場合に，次のような種々の問題点がある。
１）天然ガスを燃料とするガスエンジンを車両に搭載した場合に，天然ガスを入れる燃料ボンベを搭載するための大きなスペースが必要であるが，車両にはボンベの搭載スペースに限度がある。
２）天然ガスは気体であるため，天然ガスを高圧噴射するディーゼルサイクルで燃焼させるのに不向きであり，オットサイクルで燃焼させる方が良く，そのため燃費が悪くなる。
３）燃費を改善するため，ガス燃料の一部を予混合燃焼させ，残部をディーゼル燃焼させるＨＣＣＩ（Ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ Ｉｇｎｉｔｉｏｎ） 方式があるが，ガスエンジンではノッキングの発生を防止する制御が確立されていない。
【０００７】
一方，天然ガスを燃料とするガスエンジンは，次のような特徴を有している。１）天然ガスは気体であるため，天然ガスと空気とを均一混合させ，燃焼させると，排気ガス中のＮＯＸ のレベルが極端に減少し，ゼロエミッションに近くなるが，未燃ＨＣが残存する現象がある。
２）天然ガスは，着火温度が７００℃以上と高い温度であるので，爆発等の危険性が少ない燃料になる。
３）天然ガスは，発熱量が大きく，単位体積当たりの発生熱量が大きくなる。
【０００８】
また，天然ガスを，水蒸気又はＣＯ２ と共に触媒の下で排気ガス熱エネルギーを利用して熱分解してＨ２ とＣＯとの改質燃料に変換し，該改質燃料を燃料とするガスエンジンでは，熱効率が３０％以上向上する可能性がある。天然ガスを二酸化炭素と反応させ，改質させる場合に，改質反応温度が高いので，天然ガスを十分に反応させることが困難である。特に，ガスエンジンのように，排気ガスの温度が７００℃〜６００℃程度では，この傾向が著しく現れる。しかしながら，ガスエンジンでは，排気ガス温度が低く，天然ガスの改質反応温度が低ければ低いほど，燃料改質装置の実現性が高くなる。
【０００９】
本発明者は，これらの課題を考慮した天然ガス改質装置を開発して先に出願した（例えば，特願平２００２−１３２５５７号参照）。該天然ガス改質装置は，排気ガス中のＣＯ２ を捕捉すると共に排気ガスが有する熱エネルギーを利用して天然ガスを触媒を用いて反応させ，改質率をアップし，燃料の熱量を増加させてエンジンの熱効率を向上させるものである。上記天然ガス改質装置は，排気ガス中に含まれるＣＯ２ ，外部から供給するＨ２ Ｏ，及び排気ガス中に含まれるＯ２ を用いて，それぞれに適合した触媒の存在下で天然ガスとＣＯ２ ，Ｈ２ Ｏを順次に反応させて天然ガスを改質燃料に変換するものである。しかしながら，上記の燃料改質装置は，エンジンの燃焼後の排気ガスから炭酸ガス（ＣＯ２ ）を分離し回収する機能，分離した炭酸ガスと天然ガスのメタン（ＣＨ４ ）を触媒の存在下で反応させて天然ガスをＨ２ とＣＯの改質燃料に改質させる機能，水蒸気（Ｈ２ Ｏ）とメタンを触媒下で反応させる機能が要求されるものであり，これらの機能は高効率の熱交換器を用いて作用させる必要があるが，構造そのものが極めて複雑であるという問題を有している。
【００１０】
ところで，天然ガスは，その主成分がＣＨ４ であり，次のように反応することが知られている。
ＣＨ４ ＋Ｈ２ Ｏ＝ＣＯ＋３Ｈ２ （−４９５４０Ｋｃａｌ／Ｋｍｏｌ）
ＣＯ＋Ｈ２ Ｏ＝ＣＯ２ ＋Ｈ２
しかしながら，上記の反応は，いずれも吸熱反応であり，反応するためには熱エネルギーが必要になる。
ＣＨ４ を熱分解によって改質することなく，ＣＨ４ を単独で燃焼させると，次式のとおりである。
ＣＨ４ ＋２Ｏ２ ＝ＣＯ２ ＋２Ｈ２ Ｏ＋１９０９００Ｋｃａｌ／Ｋｍｏｌ
ＣＨ４ を，熱分解して改質燃料として燃焼させると，次式のとおりである。
ＣＯ＋３Ｈ２ ＋２Ｏ２ ＝ＣＯ２ ＋３Ｈ２ Ｏ＋２４０８３０Ｋｃａｌ／Ｋｍｏｌ従って，ＣＨ４ を熱分解して改質燃料として燃焼させれば，２５％程度の発生熱量が増加することになる。しかしながら，排気ガスからＣＯ２ を，吸着と改質用に使用することは，構造そのものが極めて複雑になり，コストも上昇するという問題がある。
【００１１】
そこで，天然ガスを燃料とするガスエンジンについて，天然ガスの主成分であるＣＨ４ を，水を用いてＣＯとＨ２ から成る改質燃料に変換すれば，燃料の発生熱量が増加し，燃費の向上，装置の小型化が実現できるので，ＣＨ４ を改質燃料にする燃料改質装置をガスエンジンに如何にコンパクト化させて適用するかの課題がある。また，燃料改質装置の実現には，排気ガスの熱エネルギーを有効に利用することが重要である。内燃機関では，一般的に，天然ガスのガスエンジンの熱効率が３５％，排気ガス損失が３５％，冷却水損失が２０％，フリクション等の損失が１０％程度である。従って，ガスエンジンにおける各種の熱損失から天然ガスの改質のための熱エネルギーを回収して，天然ガスを改質燃料に変換させれば，極めて有望な燃料改質装置を実現させることができる。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この発明の目的は，上記の課題を解決することであり，エンジンに組み込んで使用される天然ガスの主成分であるＣＨ４ を改質燃料に改質する燃料改質装置に関し，金属多孔質部材を用いて排気ガスの熱エネルギーを有効に回収して該熱エネルギーによって，触媒の存在の下でＣＨ４ の主成分から成る天然ガスを水蒸気と共に熱分解してＣＯとＨ２ から成る改質燃料に改質する燃料改質装置を提供することである。
【００１３】
この発明は，エンジンから排出される排気ガスの熱エネルギーを利用して天然ガスの主成分のＣＨ４ を水と共にＨ２ とＣＯから成る改質燃料に変換する燃料改質装置において，前記エンジンからの前記排気ガスを排出する排気管に接続され且つ前記天然ガスを水蒸気と触媒反応させて改質燃料に変換する燃料改質室と前記排気管からの前記排気ガスの熱エネルギーを前記燃料改質室に与えるため前記排気ガスを流す第１排気ガス室とを備えた燃料改質ステーション，及び前記燃料改質ステーションの前記第１排気ガス室の後流に接続された第２排気ガス室と前記燃料改質室に供給する高温の前記水蒸気を生成する水蒸気生成室とを備えた水蒸気生成ステーションを有し，前記エンジンの負荷変動に応答して前記燃料改質室へ供給する前記天然ガスと前記水蒸気との供給量を制御するコントローラを有することを特徴とする燃料改質装置に関する。
【００１４】
前記燃料改質ステーションは，耐熱性の金属板，前記金属板の両側に溶着された三次元的に通孔を有する金属多孔質部材，前記金属多孔質部材と前記金属板の表面に形成されたアルミニウムの薄膜，前記薄膜の表面に生成した酸化アルミニウム，及び前記金属層と前記アルミニウムとの境界に形成された合金層から成り，前記燃料改質室を形成する一方の側の前記金属多孔質部材上の前記酸化アルミニウムの表面にはγアルミナ被膜と燃料改質触媒粒子が付着され，また，前記第１排気ガス室を形成する他方の側の前記金属多孔質部材上の前記酸化アルミニウムの表面にはγアルミナ被膜と酸化触媒粒子が付着されており，前記燃料改質室を形成する前記金属多孔質部材同士と前記第１排気ガス室を形成する前記金属多孔質部材同士とがそれぞれ溶着して積層されている。ガンマ（γ）アルミナは，活性アルミナであり，比表面積が大きく触媒や触媒担体として用いられるものである。
【００１５】
前記水蒸気生成ステーションは，耐熱性の金属板，前記金属板の両側に溶着された三次元的に通孔を有する金属多孔質部材，前記金属多孔質部材と前記金属板の表面に形成されたアルミニウムの薄膜，前記薄膜の表面に生成した酸化アルミニウム，及び前記金属層と前記アルミニウムとの境界に形成された合金層から成り，前記水蒸気生成室を形成する前記金属多孔質部材同士と前記第２排気ガス室を形成する前記金属多孔質部材同士とがそれぞれ溶着して積層されている。
【００１６】
また，前記燃料改質ステーションは，前記燃料改質室を形成するため流れ方向に直角に連続する直方体状の対向凹凸面が交互に噛み合うように配置された三次元的に通孔を有する第１金属多孔質部材，前記第１金属多孔質部材の外面を封鎖した耐熱性金属板，及び前記第１排気ガス室を形成するため前記耐熱性金属板の外面に溶着された三次元的に通孔を有する第２金属多孔質部材から成る構造体を複数積層した積層構造体，前記積層構造体を収納した入口と出口を設けた収納容器，及び前記収納容器の外側を覆った断熱層から構成されている。
【００１７】
この燃料改質装置は，前記燃料改質ステーションでは前記天然ガスと前記水蒸気とを前記排気ガスの流れに対して下流側から供給し且つ前記改質燃料を上流側から取り出し，前記水蒸気生成ステーションでは低温の前記水蒸気を前記排気ガスの流れに対して下流側から供給し且つ高温の前記水蒸気を前記燃料改質ステーションの前記燃料改質室に供給するものである。
【００１８】
この燃料改質装置は，前記水蒸気生成ステーションの前記水蒸気生成室に，前記エンジンの循環オイルと水との熱交換によって発生した低温の前記水蒸気が供給されるものである。
【００１９】
前記熱交換機能を有する前記金属多孔質部材は，前記金属板を構成する材料と同種の耐熱性を有するＮｉ−Ｃｒ材の基材から構成され，前記金属板と前記金属多孔質部材とは，接合フラックスによって互いに溶着されている。
【００２０】
更に，この燃料改質装置は，前記金属多孔質部材と前記金属板との前記基材には，アルミニウムコーティング層の表面が酸化雰囲気中で転化されたアルミナから成る前記薄膜が形成され，前記燃料改質室内の前記薄膜にはＮｉ（ニッケル），Ｒｈ（ロジウム），Ｒｕ（ルテニウム），Ｐｔ（白金），ＣｅＯ２ （酸化セレン）等の前記燃料改質触媒粒子が付着され，また，前記第１排気ガス室内の前記薄膜には前記排気ガス中の未燃ＨＣ等の有害物質を酸化させるためのＮｉ，Ｒｕ，Ｐｔ等の前記酸化触媒粒子が付着されている。従って，この燃料改質装置は，天然ガスと水蒸気との反応が良好に行われ，天然ガスのＣＨ４ がＣＯとＨ２ との改質燃料に効率的に改質され，発生熱量をアップさせ，熱効率を向上させることができる。
【００２１】
この燃料改質装置は，前記燃料改質ステーションと前記水蒸気生成ステーションとは外面が遮熱構造に構成されている。
【００２２】
この燃料改質装置は，上記のように構成されているので，排気ガスが有する熱エネルギーを有効に利用して天然ガスの主成分であるＣＨ４ を水と共に，触媒の存在下でＣＯとＨ２ との改質燃料に効率的に改質し，発生熱量をアップさせることができるものであり，ガスエンジンに取り付けることによって，天然ガスを燃料として有効に利用でき，エンジンの出力をアップさせ，発電機で電力を有効に発電させたり，自動車用エンジンの出力をアップさせることができ，トータルの熱効率を大幅にアップさせることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下，図面を参照して，この発明による燃料改質装置の実施例を説明する。この燃料改質装置は，ＣＨ４ の主成分から成る天然ガスを，エンジンから排出される排気ガスが有する熱エネルギーを効率的に利用して水即ち水蒸気と共に触媒の存在下でＨ２ とＣＯとから成る熱量の高い改質燃料に有効に変換し，その改質燃料をエンジンに供給して燃焼させて熱効率をアップさせるのに適用されるものである。
【００２４】
この燃料改質装置は，図２に示されるように，エンジン１からの排気ガスが排出される排気管３０に排気ガス入口管３２が接続されており，エンジン１からの排気ガスは，排気ガス入口管３２から燃料改質ステーション３及び水蒸気生成ステーション４を通過して排気ガスが有する熱エネルギーが吸収され，未燃ＨＣが酸化処理されたクリーンな排気ガスになって排気ガス出口管３３から外部に排出される。この燃料改質装置は，概して，図１及び図２に示すように，エンジン１からの排気ガスを排出する排気管３０に接続された天然ガスを改質する燃料改質室６と排気管３０からの排気ガスを流す排気ガス室５（第１排気ガス室）とを備えた燃料改質ステーション３，及び燃料改質ステーション３の後流に設置され且つ排気ガス室５からの排気ガスを排気ガス通路１０を通じて接続された排気ガス室７（第２排気ガス室）と燃料改質室６に供給する高温の水蒸気を生成する水蒸気生成室８とを備えた水蒸気生成ステーション４を有している。
【００２５】
また，この燃料改質装置は，エンジン１の負荷変動に応答して燃料改質室６へ供給する天然ガスと水蒸気との供給量を制御するコントローラ（図示せず）を有している。即ち，コントローラは，エンジン１の負荷状態に伴う各情報を受けて，燃料ボンベ２から天然ガス供給管１９を通じて燃料改質ステーション３の燃料改質室６に供給される天然ガスの供給量を制御し，また，水蒸気ポンプ２３を制御して水蒸気発生装置９から水蒸気生成ステーション４の水蒸気生成室８へ供給される水蒸気の供給量を制御するように設定されている。
【００２６】
この燃料改質装置については，燃料改質ステーション３は，特に，図３に示すように，耐熱性金属板である隔壁の金属板１１の一方の面に燃料改質室６を形成する改質用金属多孔質部材１３と金属板１１の他方の面に排気ガス室５（第１排気ガス室）を形成する排気ガス用金属多孔質部材１４とが接合された熱交換機能を持つ構造体１７が積層して積層構造体が構成されている。燃料改質ステーション３は，具体的には，耐熱性の金属板１１，金属板１１の両側に溶着された三次元的に通孔を有する金属多孔質部材１３，１４，金属多孔質部材１３，１４と金属板１１の表面に形成されたアルミニウムの薄膜即ち被膜２６，２８，被膜２６，２８の表面に生成した酸化アルミニウム（図示せず），及び金属層とアルミニウムとの境界に形成された合金層（図示せず）から構成されている。燃料改質室６を形成する一方の側の金属多孔質部材１３上の酸化アルミニウムの表面にはガンマアルミナ（γアルミナ）被膜と燃料改質触媒粒子が付着され，また，排気ガス室５を形成する他方の側の金属多孔質部材１４上の酸化アルミニウムの表面にはγアルミナ被膜と酸化触媒粒子が付着されている。更に，図３に示すように，燃料改質室６を形成する金属多孔質部材１３同士と，排気ガス室６を形成する金属多孔質部材１４同士とが接触部３９でそれぞれ溶着して積層されている。金属多孔質部材１３，１４の接触部３９は，流れ方向に直角に連続する直方体状の対向凹凸面３７（図５）が交互に噛み合うように形成されていることがガスの流れを金属多孔質材表面に確実に接触させることができ好ましい。
【００２７】
また，この燃料改質装置では，構造体１７は，例えば，図５に示すように構成されており，燃料改質ステーション３は，構造体１７が複数段積層されて積層構造体に形成されている。燃料改質ステーション３は，具体的には，燃料改質室６を形成するため流れ方向に直角に連続する直方体状の対向凹凸面３７が交互に噛み合うように配置された三次元的に通孔を有する改質用金属多孔質部材１３（第１金属多孔質部材），金属多孔質部材１３の外面を封鎖した耐熱性金属板１１，及び排気ガス室５を形成するため耐熱性金属板１１の外面に溶着された三次元的に通孔を有する金属多孔質部材１４（第２金属多孔質部材）から成る構造体１７を複数積層した積層構造体，積層構造体を収納した入口と出口を設けた収納容器（図示せず），及び収納容器の外側を覆った断熱層（図示せず）から構成されている。金属多孔質部材１３の対向面が対向凹凸面３７に形成され，対向凹凸面３７が交互に噛み合うように配置されることによって，ガスの流れが金属多孔質部材表面に十分に複雑に接触して天然ガス，水蒸気等の燃料の改質が良好に進行するようになる。
【００２８】
また，水蒸気生成ステーション４は，特に，図４に示すように，耐熱性隔壁を構成する金属板１２の一方の面に水蒸気生成室８を形成する水蒸気用金属多孔質部材１５と金属板１２の他方の面に排気ガス室７（第２排気ガス室）を形成する排気ガス用金属多孔質部材１６とが接合された熱交換機能を持つ構造体１８が積層して積層構造体に構成されている。水蒸気生成ステーション４は，具体的には，耐熱性の金属板１２，金属板１２の両側に溶着された三次元的に通孔を有する金属多孔質部材１５，１６，金属多孔質部材１５，１６と金属板１２の表面に形成されたアルミニウムの薄膜２６，２８（図６），薄膜２６，２８の表面に生成した酸化アルミニウム（図示せず），及び金属層とアルミニウムとの境界に形成された合金層（図示せず）から成り，水蒸気生成室８を形成する金属多孔質部材１５同士と，排気ガス室７を形成する金属多孔質部材同士１６とが接触部３９でそれぞれ溶着して積層されている。金属多孔質部材１５，１６の接触部３９は，流れ方向に直角に連続する直方体状の対向凹凸面３７（図５）が交互に噛み合うように形成されていることがガスの流れを金属多孔質材表面に確実に接触させることができ好ましい。
【００２９】
この燃料改質装置は，図１と図２に示すように，燃料改質室６の下流側には燃料改質室６へ天然ガスを燃料ボンベ２から供給する天然ガス供給管１９と水蒸気を水蒸気発生装置９から供給する水蒸気供給管２０（第１水蒸気供給管）とが接続され，燃料改質室６の上流側には燃料改質室６から改質燃料を送り出す改質燃料送出管２１が接続されている。具体的には，天然ガス供給管１９は，多段に積層された燃料改質室６の入口側に天然ガスが漏洩しないようにそれぞれ接続され，また，改質燃料送出管２１は，多段に積層された燃料改質室６の出口側に改質燃料が漏洩しないようにそれぞれ接続されている。また，この燃料改質装置は，水蒸気生成ステーション４の上流側には燃料改質室６へ水蒸気を供給するため水蒸気供給管２０が接続され，水蒸気生成ステーション４の下流側には水蒸気生成ステーション４の水蒸気生成室８へ水蒸気を供給するため水蒸気供給管２２（第２水蒸気供給管）が接続されている。具体的には，水蒸気供給管２２は，多段に積層された水蒸気生成室８の入口側に水蒸気が漏洩しないようにそれぞれ接続され，また，水蒸気供給管２０は，多段に積層された水蒸気生成室８の出口側に水蒸気が漏洩しないようにそれぞれ接続されている。更に，水蒸気供給管２０は，多段に積層された燃料改質室６の入口側に天然ガスが漏洩しないようにそれぞれ接続されている。
【００３０】
この燃料改質装置は，図１と図２に示すように，水蒸気生成ステーション４の水蒸気生成室８へ供給する水蒸気を発生させる水蒸気発生装置９が水蒸気生成室８に水蒸気ポンプ２３を介して連結されている。即ち，この燃料改質装置は，水蒸気生成ステーション４の水蒸気生成室８に，エンジンの循環オイルと水との熱交換によって発生した水蒸気が供給されるように構成されている。水蒸気発生装置９は，例えば，エンジン１を循環するオイルが持つ熱エネルギーを利用でき，エンジン１を冷却して高温オイルを高温オイル管３４を通じて供給され，高温オイルが水道管３６から供給された水と熱交換され，水蒸気を発生し，水を水蒸気に変換した低温オイルは低温オイル管３５を通じてエンジン１へ循環され，エンジンを冷却する。
【００３１】
水蒸気発生装置９で発生した水蒸気は，水蒸気ポンプ２３によって水蒸気生成ステーション４の水蒸気生成室８に送り込まれ，高温の水蒸気になって燃料改質ステーション３の燃料改質室６に送り込まれる。燃料改質室６では，天然ガスのＣＨ４ と水蒸気Ｈ２ Ｏとが排気ガスの熱エネルギーによって触媒のもとで熱分解され，ＣＯとＨ２ とから成る改質燃料に変換される。
【００３２】
図６に示すように，熱交換機能を有する金属多孔質部材１３〜１６は，金属板１１，１２を構成する材料と同種の耐熱性を有するＮｉ−Ｃｒ材を基材３１から構成され，金属板１１，１２と金属多孔質部材１３〜１６とは，接合フラックスによって互いに接合されている。更に，図６及び図７の拡大図に示すように，金属多孔質部材１３〜１６と，金属板１１，１２との基材３１には，アルミニウムコーティング層２５の表面が酸化雰囲気中で転化されたＡｌ２ Ｏ３ から成る薄膜２６が形成され，燃料改質室６内の薄膜２６にはＮｉ（ニッケル），Ｒｈ（ロジウム），Ｒｕ（ルテニウム），Ｐｔ（白金），ＣｅＯ２ （酸化セリウム即ち酸化セレン）等の触媒機能を有する微粒子２７が付着されている。また，排気ガス室５，６内の薄膜２８には排気ガス中の未燃ＨＣ等の有害物質を酸化させるためのＮｉ，Ｒｕ，Ｐｔ等の触媒機能を有する微粒子２９が付着されている。
【００３３】
この燃料改質装置は，図３と図４に示すように，燃料改質ステーション３と水蒸気生成ステーション４とは，排気ガスが有する熱エネルギーを熱放散させないように，それらの外周が遮熱材，遮蔽空気等から成る遮蔽層２４で覆われた遮熱構造に構成されている。また，図示していないが，この燃料改質装置では，同様に，排気ガス通路１０，天然ガス供給管１９，水蒸気供給管２０，改質燃料送出管２１，水蒸気供給管２２，排気管３０，排気ガス入口管３２は，遮熱材，遮蔽空気等から成る遮蔽層で覆われた遮熱構造に構成されている。
【００３４】
この燃料改質装置は，上記のように構成されているので，次のように作用する。まず，エンジン１から排出された排気ガスは，排気管３０を通って排気ガス入口管３２から燃料改質ステーション３の排気ガス室５に流入し，そこで，排気ガスが有する熱エネルギーを燃料改質室６へ与えると共に，排気ガスに含まれる未燃ＨＣが触媒の微粒子２９の存在の下で酸化燃焼され，その熱量を燃料改質室６へ与え，次いで，排気ガス通路１０を通って水蒸気生成ステーション４の排気ガス室７へ送り込まれる。排気ガス室７へ送り込まれた排気ガスは，十分に高温である排気ガスが有する熱エネルギーを水蒸気生成室８に与えて低温の水蒸気を高温にすると共に，排気ガスに含まれる未燃ＨＣが触媒の微粒子２９の存在の下で酸化燃焼され，その熱量を水蒸気生成室８へ与え，最後にクリーンな排気ガスとなって排気ガス出口管３３から放出される。
【００３５】
一方，この燃料改質装置は，燃料ボンベ２からの天然ガスは，コントローラによって負荷状態に応じた流量に制御され，天然ガス供給管１９から改質燃料室３の燃料改質室６に供給される。天然ガスは，燃料改質室６において，触媒の微粒子２７と高温水蒸気の存在の下で排気ガスの熱エネルギーが与えられて改質燃料に変換される。また，水蒸気発生装置９からの水蒸気は，コントローラによって水蒸気ポンプ２３が負荷状態に応じた流量になるように駆動制御され，水蒸気供給管２２から水蒸気生成ステーション４の水蒸気生成室８に供給される。水蒸気生成室８に供給された水蒸気は，排気ガスから熱エネルギーを与えられ，高温の水蒸気に加熱され，次いで，高温の水蒸気は水蒸気供給管２０を通って燃料改質ステーション３の燃料改質室６へ供給される。上記のように，燃料改質室６では，高温の水蒸気（Ｈ２ Ｏ）と天然ガス（ＣＨ４ ）とが触媒の微粒子２７の存在の下で熱分解され，ＣＯとＨ２ の改質燃料に変換される（ＣＨ４ ＋Ｈ２ Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ２ ）。改質された改質燃料は，改質燃料送出管２１を通じてエンジン１へ供給される。
【００３６】
【発明の効果】
この発明による燃料改質装置は，上記のように構成されているので，天然ガスを効果的に改質燃料に改質でき，発生熱量を増加させることができ，また，排気ガス中の未燃ＨＣを酸化処理して排気ガスを浄化できる。現在，使われているガスエンジンは，天然ガスを燃料とし，多くが火花点火方式であり，理論混合比に近い混合気を用いており，熱効率が３２〜３４％と悪いものである反面，排気ガス温度が７００〜９００℃と高いのが一般的である。そこで，この燃料改質装置は，上記のように高温の排気ガスの熱エネルギーを，天然ガスを改質燃料に改質するのに利用し，改質燃料の熱量をアップさせると，エンジンの熱効率が４０％〜４２％になり，出力も１．２５倍程に増加させることができるものである。この燃料改質装置は，熱通過率の大きい金属多孔質部材を燃料改質側と熱交換側に用いたことを特徴とし，しかも金属多孔質にアルミニウム薄膜を被覆し，金属多孔質部材の熱伝導性を良くし，更にアルミニウム薄膜の皮膜に触媒金属を担持させたので，燃料改質の効率をアップできると共に，排気ガス中の未燃ＨＣが酸化処理され，排気ガス浄化をすると共に，未燃燃料の熱も利用される等の特徴を有している。従って，この燃料改質装置は，全負荷用に大型であるにも拘らず，上記金属多孔質部材が極めてコンパクトな構造に構成でき，全体としてコンパクトな装置を完成させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による燃料改質装置の一実施例を示す概略説明図である。
【図２】図１の燃料改質装置を示す概略説明図である。
【図３】図２の燃料改質装置における燃料改質ステーションの符号Ａの領域を示す拡大断面図である。
【図４】図２の燃料改質装置における水蒸気生成ステーションの符号Ｂの領域を示す拡大断面図である。
【図５】図２の燃料改質装置の燃料改質ステーションにおける熱交換状態を説明するための概略図である。
【図６】この燃料改質装置における金属板と金属多孔質部材との関係を説明する概略図である。
【図７】図６の符号Ｃの領域の金属多孔質部材の被覆断面を示す拡大図である。
【符号の説明】
１ エンジン
２ 燃料ボンベ
３ 燃料改質ステーション
４ 水蒸気生成ステーション
５ 排気ガス室（第１排気ガス室）
６ 燃料改質室
７ 排気ガス室（第２排気ガス室）
８ 水蒸気生成室
９ 水蒸気発生装置
１０ 排気ガス通路
１１，１２ 金属板
１３，１４，１５，１６ 金属多孔質部材
１７，１８ 構造体
１９ 天然ガス供給管
２０ 水蒸気供給管（第１水蒸気供給管）
２１ 改質燃料送出管
２２ 水蒸気供給管（第２水蒸気供給管）
２３ 水蒸気ポンプ
２４ 遮蔽層
２５ アルミニウムコーティング層
２６，２８ 薄膜
２７，２９ 微粒子
３０ 排気管
３１ 基材
３２ 排気ガス入口管
３３ 排気ガス出口管
３４ 高温オイル管
３５ 低温オイル管
３６ 水道管
３７ 凹凸面
３９ 接触部
【発明の属する技術分野】
この発明は，エンジンから排気される排気ガスの熱エネルギーを利用して天然ガスを改質燃料に改質する燃料改質装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自然界に多く存在する天然ガスは，その主成分がメタン（ＣＨ４ ）であり，その燃焼で発生する排気ガスは，窒素酸化物の含有量が軽油燃料を用いたディーゼルエンジンの５００ｐｐｍ以上であるのに対して１０ｐｐｍ以下と極めて少ない。また，天然ガスは，同一エネルギー当たりの二酸化炭素の排出量が石油燃料とするディーゼルエンジンに比較して３０％以上少なくなり，極めてクリーンであり，近年，それを燃料とする自動車用，発電用等のエンジンが多く用いられるようになり，将来の公害対策エンジンの燃料として極めて有望なものである。
【０００３】
従来，天然ガスを燃料とするガスエンジンが知られている（例えば，特許文献１，２参照）。ディーゼル燃焼では，圧縮された空気中に燃料を吹き込むが，その燃料を圧縮された空気圧以上の圧力に圧縮しないと，燃焼室に燃料を噴射することができない。従って，ガスエンジンは，ガス燃料を圧縮して高圧にするために大掛かりな多くの仕事を要し，必ずしも燃費が良くならない。また，ガスエンジンでは，圧縮された空気中に燃料を噴射した場合，ガス燃料と空気とが気体同士であるため混合が良好に行われず，天然ガスの良好な燃焼を確保できず，燃費も改善されず，窒素酸化物も少なくならないのが現状である。
【０００４】
また，天然ガスを改質した燃料を用いるガスエンジンが知られている。従来のガスエンジンに組み込まれた燃料改質装置は，天然ガス主成分のＣＨ４ と水等を吸熱反応によりＣＯとＨ２ の改質燃料に変換し，燃料による熱効率を改善すると共に排気ガス中のＣＯ２ を触媒による吸熱反応に使用し，改質による発熱量増大で燃費の改善をするものである。従来の燃料改質装置は，排気ガスパイプ内に排気ガス通路を形成する排気ガス通路体を配置し，排気ガスパイプの外側にガス燃料が流れるガス燃料ケースを配置し，ガス燃料ケース内にガス燃料通路を形成する多孔質セラミックスから成る多孔質部材を配置し，多孔質部材の表面にＣＨ４ とＣＯ２ とでＣＯとＨ２ の改質燃料に変換させる作用を有する触媒を被覆し，更にガス燃料パイプの外周に断熱材を配置したものである（例えば，特許文献３参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平６−１０８８６５号公報（第１頁）
【特許文献２】
特開平６−１０１４９５号公報（第１頁）
【特許文献３】
特開平１１−９３７７７号公報（第１頁）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら，天然ガスは，有望な石油代替燃料として将来性が極めて高いが，天然ガスが気体であることから，エンジン用燃料とした場合に，次のような種々の問題点がある。
１）天然ガスを燃料とするガスエンジンを車両に搭載した場合に，天然ガスを入れる燃料ボンベを搭載するための大きなスペースが必要であるが，車両にはボンベの搭載スペースに限度がある。
２）天然ガスは気体であるため，天然ガスを高圧噴射するディーゼルサイクルで燃焼させるのに不向きであり，オットサイクルで燃焼させる方が良く，そのため燃費が悪くなる。
３）燃費を改善するため，ガス燃料の一部を予混合燃焼させ，残部をディーゼル燃焼させるＨＣＣＩ（Ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ Ｉｇｎｉｔｉｏｎ） 方式があるが，ガスエンジンではノッキングの発生を防止する制御が確立されていない。
【０００７】
一方，天然ガスを燃料とするガスエンジンは，次のような特徴を有している。１）天然ガスは気体であるため，天然ガスと空気とを均一混合させ，燃焼させると，排気ガス中のＮＯＸ のレベルが極端に減少し，ゼロエミッションに近くなるが，未燃ＨＣが残存する現象がある。
２）天然ガスは，着火温度が７００℃以上と高い温度であるので，爆発等の危険性が少ない燃料になる。
３）天然ガスは，発熱量が大きく，単位体積当たりの発生熱量が大きくなる。
【０００８】
また，天然ガスを，水蒸気又はＣＯ２ と共に触媒の下で排気ガス熱エネルギーを利用して熱分解してＨ２ とＣＯとの改質燃料に変換し，該改質燃料を燃料とするガスエンジンでは，熱効率が３０％以上向上する可能性がある。天然ガスを二酸化炭素と反応させ，改質させる場合に，改質反応温度が高いので，天然ガスを十分に反応させることが困難である。特に，ガスエンジンのように，排気ガスの温度が７００℃〜６００℃程度では，この傾向が著しく現れる。しかしながら，ガスエンジンでは，排気ガス温度が低く，天然ガスの改質反応温度が低ければ低いほど，燃料改質装置の実現性が高くなる。
【０００９】
本発明者は，これらの課題を考慮した天然ガス改質装置を開発して先に出願した（例えば，特願平２００２−１３２５５７号参照）。該天然ガス改質装置は，排気ガス中のＣＯ２ を捕捉すると共に排気ガスが有する熱エネルギーを利用して天然ガスを触媒を用いて反応させ，改質率をアップし，燃料の熱量を増加させてエンジンの熱効率を向上させるものである。上記天然ガス改質装置は，排気ガス中に含まれるＣＯ２ ，外部から供給するＨ２ Ｏ，及び排気ガス中に含まれるＯ２ を用いて，それぞれに適合した触媒の存在下で天然ガスとＣＯ２ ，Ｈ２ Ｏを順次に反応させて天然ガスを改質燃料に変換するものである。しかしながら，上記の燃料改質装置は，エンジンの燃焼後の排気ガスから炭酸ガス（ＣＯ２ ）を分離し回収する機能，分離した炭酸ガスと天然ガスのメタン（ＣＨ４ ）を触媒の存在下で反応させて天然ガスをＨ２ とＣＯの改質燃料に改質させる機能，水蒸気（Ｈ２ Ｏ）とメタンを触媒下で反応させる機能が要求されるものであり，これらの機能は高効率の熱交換器を用いて作用させる必要があるが，構造そのものが極めて複雑であるという問題を有している。
【００１０】
ところで，天然ガスは，その主成分がＣＨ４ であり，次のように反応することが知られている。
ＣＨ４ ＋Ｈ２ Ｏ＝ＣＯ＋３Ｈ２ （−４９５４０Ｋｃａｌ／Ｋｍｏｌ）
ＣＯ＋Ｈ２ Ｏ＝ＣＯ２ ＋Ｈ２
しかしながら，上記の反応は，いずれも吸熱反応であり，反応するためには熱エネルギーが必要になる。
ＣＨ４ を熱分解によって改質することなく，ＣＨ４ を単独で燃焼させると，次式のとおりである。
ＣＨ４ ＋２Ｏ２ ＝ＣＯ２ ＋２Ｈ２ Ｏ＋１９０９００Ｋｃａｌ／Ｋｍｏｌ
ＣＨ４ を，熱分解して改質燃料として燃焼させると，次式のとおりである。
ＣＯ＋３Ｈ２ ＋２Ｏ２ ＝ＣＯ２ ＋３Ｈ２ Ｏ＋２４０８３０Ｋｃａｌ／Ｋｍｏｌ従って，ＣＨ４ を熱分解して改質燃料として燃焼させれば，２５％程度の発生熱量が増加することになる。しかしながら，排気ガスからＣＯ２ を，吸着と改質用に使用することは，構造そのものが極めて複雑になり，コストも上昇するという問題がある。
【００１１】
そこで，天然ガスを燃料とするガスエンジンについて，天然ガスの主成分であるＣＨ４ を，水を用いてＣＯとＨ２ から成る改質燃料に変換すれば，燃料の発生熱量が増加し，燃費の向上，装置の小型化が実現できるので，ＣＨ４ を改質燃料にする燃料改質装置をガスエンジンに如何にコンパクト化させて適用するかの課題がある。また，燃料改質装置の実現には，排気ガスの熱エネルギーを有効に利用することが重要である。内燃機関では，一般的に，天然ガスのガスエンジンの熱効率が３５％，排気ガス損失が３５％，冷却水損失が２０％，フリクション等の損失が１０％程度である。従って，ガスエンジンにおける各種の熱損失から天然ガスの改質のための熱エネルギーを回収して，天然ガスを改質燃料に変換させれば，極めて有望な燃料改質装置を実現させることができる。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この発明の目的は，上記の課題を解決することであり，エンジンに組み込んで使用される天然ガスの主成分であるＣＨ４ を改質燃料に改質する燃料改質装置に関し，金属多孔質部材を用いて排気ガスの熱エネルギーを有効に回収して該熱エネルギーによって，触媒の存在の下でＣＨ４ の主成分から成る天然ガスを水蒸気と共に熱分解してＣＯとＨ２ から成る改質燃料に改質する燃料改質装置を提供することである。
【００１３】
この発明は，エンジンから排出される排気ガスの熱エネルギーを利用して天然ガスの主成分のＣＨ４ を水と共にＨ２ とＣＯから成る改質燃料に変換する燃料改質装置において，前記エンジンからの前記排気ガスを排出する排気管に接続され且つ前記天然ガスを水蒸気と触媒反応させて改質燃料に変換する燃料改質室と前記排気管からの前記排気ガスの熱エネルギーを前記燃料改質室に与えるため前記排気ガスを流す第１排気ガス室とを備えた燃料改質ステーション，及び前記燃料改質ステーションの前記第１排気ガス室の後流に接続された第２排気ガス室と前記燃料改質室に供給する高温の前記水蒸気を生成する水蒸気生成室とを備えた水蒸気生成ステーションを有し，前記エンジンの負荷変動に応答して前記燃料改質室へ供給する前記天然ガスと前記水蒸気との供給量を制御するコントローラを有することを特徴とする燃料改質装置に関する。
【００１４】
前記燃料改質ステーションは，耐熱性の金属板，前記金属板の両側に溶着された三次元的に通孔を有する金属多孔質部材，前記金属多孔質部材と前記金属板の表面に形成されたアルミニウムの薄膜，前記薄膜の表面に生成した酸化アルミニウム，及び前記金属層と前記アルミニウムとの境界に形成された合金層から成り，前記燃料改質室を形成する一方の側の前記金属多孔質部材上の前記酸化アルミニウムの表面にはγアルミナ被膜と燃料改質触媒粒子が付着され，また，前記第１排気ガス室を形成する他方の側の前記金属多孔質部材上の前記酸化アルミニウムの表面にはγアルミナ被膜と酸化触媒粒子が付着されており，前記燃料改質室を形成する前記金属多孔質部材同士と前記第１排気ガス室を形成する前記金属多孔質部材同士とがそれぞれ溶着して積層されている。ガンマ（γ）アルミナは，活性アルミナであり，比表面積が大きく触媒や触媒担体として用いられるものである。
【００１５】
前記水蒸気生成ステーションは，耐熱性の金属板，前記金属板の両側に溶着された三次元的に通孔を有する金属多孔質部材，前記金属多孔質部材と前記金属板の表面に形成されたアルミニウムの薄膜，前記薄膜の表面に生成した酸化アルミニウム，及び前記金属層と前記アルミニウムとの境界に形成された合金層から成り，前記水蒸気生成室を形成する前記金属多孔質部材同士と前記第２排気ガス室を形成する前記金属多孔質部材同士とがそれぞれ溶着して積層されている。
【００１６】
また，前記燃料改質ステーションは，前記燃料改質室を形成するため流れ方向に直角に連続する直方体状の対向凹凸面が交互に噛み合うように配置された三次元的に通孔を有する第１金属多孔質部材，前記第１金属多孔質部材の外面を封鎖した耐熱性金属板，及び前記第１排気ガス室を形成するため前記耐熱性金属板の外面に溶着された三次元的に通孔を有する第２金属多孔質部材から成る構造体を複数積層した積層構造体，前記積層構造体を収納した入口と出口を設けた収納容器，及び前記収納容器の外側を覆った断熱層から構成されている。
【００１７】
この燃料改質装置は，前記燃料改質ステーションでは前記天然ガスと前記水蒸気とを前記排気ガスの流れに対して下流側から供給し且つ前記改質燃料を上流側から取り出し，前記水蒸気生成ステーションでは低温の前記水蒸気を前記排気ガスの流れに対して下流側から供給し且つ高温の前記水蒸気を前記燃料改質ステーションの前記燃料改質室に供給するものである。
【００１８】
この燃料改質装置は，前記水蒸気生成ステーションの前記水蒸気生成室に，前記エンジンの循環オイルと水との熱交換によって発生した低温の前記水蒸気が供給されるものである。
【００１９】
前記熱交換機能を有する前記金属多孔質部材は，前記金属板を構成する材料と同種の耐熱性を有するＮｉ−Ｃｒ材の基材から構成され，前記金属板と前記金属多孔質部材とは，接合フラックスによって互いに溶着されている。
【００２０】
更に，この燃料改質装置は，前記金属多孔質部材と前記金属板との前記基材には，アルミニウムコーティング層の表面が酸化雰囲気中で転化されたアルミナから成る前記薄膜が形成され，前記燃料改質室内の前記薄膜にはＮｉ（ニッケル），Ｒｈ（ロジウム），Ｒｕ（ルテニウム），Ｐｔ（白金），ＣｅＯ２ （酸化セレン）等の前記燃料改質触媒粒子が付着され，また，前記第１排気ガス室内の前記薄膜には前記排気ガス中の未燃ＨＣ等の有害物質を酸化させるためのＮｉ，Ｒｕ，Ｐｔ等の前記酸化触媒粒子が付着されている。従って，この燃料改質装置は，天然ガスと水蒸気との反応が良好に行われ，天然ガスのＣＨ４ がＣＯとＨ２ との改質燃料に効率的に改質され，発生熱量をアップさせ，熱効率を向上させることができる。
【００２１】
この燃料改質装置は，前記燃料改質ステーションと前記水蒸気生成ステーションとは外面が遮熱構造に構成されている。
【００２２】
この燃料改質装置は，上記のように構成されているので，排気ガスが有する熱エネルギーを有効に利用して天然ガスの主成分であるＣＨ４ を水と共に，触媒の存在下でＣＯとＨ２ との改質燃料に効率的に改質し，発生熱量をアップさせることができるものであり，ガスエンジンに取り付けることによって，天然ガスを燃料として有効に利用でき，エンジンの出力をアップさせ，発電機で電力を有効に発電させたり，自動車用エンジンの出力をアップさせることができ，トータルの熱効率を大幅にアップさせることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下，図面を参照して，この発明による燃料改質装置の実施例を説明する。この燃料改質装置は，ＣＨ４ の主成分から成る天然ガスを，エンジンから排出される排気ガスが有する熱エネルギーを効率的に利用して水即ち水蒸気と共に触媒の存在下でＨ２ とＣＯとから成る熱量の高い改質燃料に有効に変換し，その改質燃料をエンジンに供給して燃焼させて熱効率をアップさせるのに適用されるものである。
【００２４】
この燃料改質装置は，図２に示されるように，エンジン１からの排気ガスが排出される排気管３０に排気ガス入口管３２が接続されており，エンジン１からの排気ガスは，排気ガス入口管３２から燃料改質ステーション３及び水蒸気生成ステーション４を通過して排気ガスが有する熱エネルギーが吸収され，未燃ＨＣが酸化処理されたクリーンな排気ガスになって排気ガス出口管３３から外部に排出される。この燃料改質装置は，概して，図１及び図２に示すように，エンジン１からの排気ガスを排出する排気管３０に接続された天然ガスを改質する燃料改質室６と排気管３０からの排気ガスを流す排気ガス室５（第１排気ガス室）とを備えた燃料改質ステーション３，及び燃料改質ステーション３の後流に設置され且つ排気ガス室５からの排気ガスを排気ガス通路１０を通じて接続された排気ガス室７（第２排気ガス室）と燃料改質室６に供給する高温の水蒸気を生成する水蒸気生成室８とを備えた水蒸気生成ステーション４を有している。
【００２５】
また，この燃料改質装置は，エンジン１の負荷変動に応答して燃料改質室６へ供給する天然ガスと水蒸気との供給量を制御するコントローラ（図示せず）を有している。即ち，コントローラは，エンジン１の負荷状態に伴う各情報を受けて，燃料ボンベ２から天然ガス供給管１９を通じて燃料改質ステーション３の燃料改質室６に供給される天然ガスの供給量を制御し，また，水蒸気ポンプ２３を制御して水蒸気発生装置９から水蒸気生成ステーション４の水蒸気生成室８へ供給される水蒸気の供給量を制御するように設定されている。
【００２６】
この燃料改質装置については，燃料改質ステーション３は，特に，図３に示すように，耐熱性金属板である隔壁の金属板１１の一方の面に燃料改質室６を形成する改質用金属多孔質部材１３と金属板１１の他方の面に排気ガス室５（第１排気ガス室）を形成する排気ガス用金属多孔質部材１４とが接合された熱交換機能を持つ構造体１７が積層して積層構造体が構成されている。燃料改質ステーション３は，具体的には，耐熱性の金属板１１，金属板１１の両側に溶着された三次元的に通孔を有する金属多孔質部材１３，１４，金属多孔質部材１３，１４と金属板１１の表面に形成されたアルミニウムの薄膜即ち被膜２６，２８，被膜２６，２８の表面に生成した酸化アルミニウム（図示せず），及び金属層とアルミニウムとの境界に形成された合金層（図示せず）から構成されている。燃料改質室６を形成する一方の側の金属多孔質部材１３上の酸化アルミニウムの表面にはガンマアルミナ（γアルミナ）被膜と燃料改質触媒粒子が付着され，また，排気ガス室５を形成する他方の側の金属多孔質部材１４上の酸化アルミニウムの表面にはγアルミナ被膜と酸化触媒粒子が付着されている。更に，図３に示すように，燃料改質室６を形成する金属多孔質部材１３同士と，排気ガス室６を形成する金属多孔質部材１４同士とが接触部３９でそれぞれ溶着して積層されている。金属多孔質部材１３，１４の接触部３９は，流れ方向に直角に連続する直方体状の対向凹凸面３７（図５）が交互に噛み合うように形成されていることがガスの流れを金属多孔質材表面に確実に接触させることができ好ましい。
【００２７】
また，この燃料改質装置では，構造体１７は，例えば，図５に示すように構成されており，燃料改質ステーション３は，構造体１７が複数段積層されて積層構造体に形成されている。燃料改質ステーション３は，具体的には，燃料改質室６を形成するため流れ方向に直角に連続する直方体状の対向凹凸面３７が交互に噛み合うように配置された三次元的に通孔を有する改質用金属多孔質部材１３（第１金属多孔質部材），金属多孔質部材１３の外面を封鎖した耐熱性金属板１１，及び排気ガス室５を形成するため耐熱性金属板１１の外面に溶着された三次元的に通孔を有する金属多孔質部材１４（第２金属多孔質部材）から成る構造体１７を複数積層した積層構造体，積層構造体を収納した入口と出口を設けた収納容器（図示せず），及び収納容器の外側を覆った断熱層（図示せず）から構成されている。金属多孔質部材１３の対向面が対向凹凸面３７に形成され，対向凹凸面３７が交互に噛み合うように配置されることによって，ガスの流れが金属多孔質部材表面に十分に複雑に接触して天然ガス，水蒸気等の燃料の改質が良好に進行するようになる。
【００２８】
また，水蒸気生成ステーション４は，特に，図４に示すように，耐熱性隔壁を構成する金属板１２の一方の面に水蒸気生成室８を形成する水蒸気用金属多孔質部材１５と金属板１２の他方の面に排気ガス室７（第２排気ガス室）を形成する排気ガス用金属多孔質部材１６とが接合された熱交換機能を持つ構造体１８が積層して積層構造体に構成されている。水蒸気生成ステーション４は，具体的には，耐熱性の金属板１２，金属板１２の両側に溶着された三次元的に通孔を有する金属多孔質部材１５，１６，金属多孔質部材１５，１６と金属板１２の表面に形成されたアルミニウムの薄膜２６，２８（図６），薄膜２６，２８の表面に生成した酸化アルミニウム（図示せず），及び金属層とアルミニウムとの境界に形成された合金層（図示せず）から成り，水蒸気生成室８を形成する金属多孔質部材１５同士と，排気ガス室７を形成する金属多孔質部材同士１６とが接触部３９でそれぞれ溶着して積層されている。金属多孔質部材１５，１６の接触部３９は，流れ方向に直角に連続する直方体状の対向凹凸面３７（図５）が交互に噛み合うように形成されていることがガスの流れを金属多孔質材表面に確実に接触させることができ好ましい。
【００２９】
この燃料改質装置は，図１と図２に示すように，燃料改質室６の下流側には燃料改質室６へ天然ガスを燃料ボンベ２から供給する天然ガス供給管１９と水蒸気を水蒸気発生装置９から供給する水蒸気供給管２０（第１水蒸気供給管）とが接続され，燃料改質室６の上流側には燃料改質室６から改質燃料を送り出す改質燃料送出管２１が接続されている。具体的には，天然ガス供給管１９は，多段に積層された燃料改質室６の入口側に天然ガスが漏洩しないようにそれぞれ接続され，また，改質燃料送出管２１は，多段に積層された燃料改質室６の出口側に改質燃料が漏洩しないようにそれぞれ接続されている。また，この燃料改質装置は，水蒸気生成ステーション４の上流側には燃料改質室６へ水蒸気を供給するため水蒸気供給管２０が接続され，水蒸気生成ステーション４の下流側には水蒸気生成ステーション４の水蒸気生成室８へ水蒸気を供給するため水蒸気供給管２２（第２水蒸気供給管）が接続されている。具体的には，水蒸気供給管２２は，多段に積層された水蒸気生成室８の入口側に水蒸気が漏洩しないようにそれぞれ接続され，また，水蒸気供給管２０は，多段に積層された水蒸気生成室８の出口側に水蒸気が漏洩しないようにそれぞれ接続されている。更に，水蒸気供給管２０は，多段に積層された燃料改質室６の入口側に天然ガスが漏洩しないようにそれぞれ接続されている。
【００３０】
この燃料改質装置は，図１と図２に示すように，水蒸気生成ステーション４の水蒸気生成室８へ供給する水蒸気を発生させる水蒸気発生装置９が水蒸気生成室８に水蒸気ポンプ２３を介して連結されている。即ち，この燃料改質装置は，水蒸気生成ステーション４の水蒸気生成室８に，エンジンの循環オイルと水との熱交換によって発生した水蒸気が供給されるように構成されている。水蒸気発生装置９は，例えば，エンジン１を循環するオイルが持つ熱エネルギーを利用でき，エンジン１を冷却して高温オイルを高温オイル管３４を通じて供給され，高温オイルが水道管３６から供給された水と熱交換され，水蒸気を発生し，水を水蒸気に変換した低温オイルは低温オイル管３５を通じてエンジン１へ循環され，エンジンを冷却する。
【００３１】
水蒸気発生装置９で発生した水蒸気は，水蒸気ポンプ２３によって水蒸気生成ステーション４の水蒸気生成室８に送り込まれ，高温の水蒸気になって燃料改質ステーション３の燃料改質室６に送り込まれる。燃料改質室６では，天然ガスのＣＨ４ と水蒸気Ｈ２ Ｏとが排気ガスの熱エネルギーによって触媒のもとで熱分解され，ＣＯとＨ２ とから成る改質燃料に変換される。
【００３２】
図６に示すように，熱交換機能を有する金属多孔質部材１３〜１６は，金属板１１，１２を構成する材料と同種の耐熱性を有するＮｉ−Ｃｒ材を基材３１から構成され，金属板１１，１２と金属多孔質部材１３〜１６とは，接合フラックスによって互いに接合されている。更に，図６及び図７の拡大図に示すように，金属多孔質部材１３〜１６と，金属板１１，１２との基材３１には，アルミニウムコーティング層２５の表面が酸化雰囲気中で転化されたＡｌ２ Ｏ３ から成る薄膜２６が形成され，燃料改質室６内の薄膜２６にはＮｉ（ニッケル），Ｒｈ（ロジウム），Ｒｕ（ルテニウム），Ｐｔ（白金），ＣｅＯ２ （酸化セリウム即ち酸化セレン）等の触媒機能を有する微粒子２７が付着されている。また，排気ガス室５，６内の薄膜２８には排気ガス中の未燃ＨＣ等の有害物質を酸化させるためのＮｉ，Ｒｕ，Ｐｔ等の触媒機能を有する微粒子２９が付着されている。
【００３３】
この燃料改質装置は，図３と図４に示すように，燃料改質ステーション３と水蒸気生成ステーション４とは，排気ガスが有する熱エネルギーを熱放散させないように，それらの外周が遮熱材，遮蔽空気等から成る遮蔽層２４で覆われた遮熱構造に構成されている。また，図示していないが，この燃料改質装置では，同様に，排気ガス通路１０，天然ガス供給管１９，水蒸気供給管２０，改質燃料送出管２１，水蒸気供給管２２，排気管３０，排気ガス入口管３２は，遮熱材，遮蔽空気等から成る遮蔽層で覆われた遮熱構造に構成されている。
【００３４】
この燃料改質装置は，上記のように構成されているので，次のように作用する。まず，エンジン１から排出された排気ガスは，排気管３０を通って排気ガス入口管３２から燃料改質ステーション３の排気ガス室５に流入し，そこで，排気ガスが有する熱エネルギーを燃料改質室６へ与えると共に，排気ガスに含まれる未燃ＨＣが触媒の微粒子２９の存在の下で酸化燃焼され，その熱量を燃料改質室６へ与え，次いで，排気ガス通路１０を通って水蒸気生成ステーション４の排気ガス室７へ送り込まれる。排気ガス室７へ送り込まれた排気ガスは，十分に高温である排気ガスが有する熱エネルギーを水蒸気生成室８に与えて低温の水蒸気を高温にすると共に，排気ガスに含まれる未燃ＨＣが触媒の微粒子２９の存在の下で酸化燃焼され，その熱量を水蒸気生成室８へ与え，最後にクリーンな排気ガスとなって排気ガス出口管３３から放出される。
【００３５】
一方，この燃料改質装置は，燃料ボンベ２からの天然ガスは，コントローラによって負荷状態に応じた流量に制御され，天然ガス供給管１９から改質燃料室３の燃料改質室６に供給される。天然ガスは，燃料改質室６において，触媒の微粒子２７と高温水蒸気の存在の下で排気ガスの熱エネルギーが与えられて改質燃料に変換される。また，水蒸気発生装置９からの水蒸気は，コントローラによって水蒸気ポンプ２３が負荷状態に応じた流量になるように駆動制御され，水蒸気供給管２２から水蒸気生成ステーション４の水蒸気生成室８に供給される。水蒸気生成室８に供給された水蒸気は，排気ガスから熱エネルギーを与えられ，高温の水蒸気に加熱され，次いで，高温の水蒸気は水蒸気供給管２０を通って燃料改質ステーション３の燃料改質室６へ供給される。上記のように，燃料改質室６では，高温の水蒸気（Ｈ２ Ｏ）と天然ガス（ＣＨ４ ）とが触媒の微粒子２７の存在の下で熱分解され，ＣＯとＨ２ の改質燃料に変換される（ＣＨ４ ＋Ｈ２ Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ２ ）。改質された改質燃料は，改質燃料送出管２１を通じてエンジン１へ供給される。
【００３６】
【発明の効果】
この発明による燃料改質装置は，上記のように構成されているので，天然ガスを効果的に改質燃料に改質でき，発生熱量を増加させることができ，また，排気ガス中の未燃ＨＣを酸化処理して排気ガスを浄化できる。現在，使われているガスエンジンは，天然ガスを燃料とし，多くが火花点火方式であり，理論混合比に近い混合気を用いており，熱効率が３２〜３４％と悪いものである反面，排気ガス温度が７００〜９００℃と高いのが一般的である。そこで，この燃料改質装置は，上記のように高温の排気ガスの熱エネルギーを，天然ガスを改質燃料に改質するのに利用し，改質燃料の熱量をアップさせると，エンジンの熱効率が４０％〜４２％になり，出力も１．２５倍程に増加させることができるものである。この燃料改質装置は，熱通過率の大きい金属多孔質部材を燃料改質側と熱交換側に用いたことを特徴とし，しかも金属多孔質にアルミニウム薄膜を被覆し，金属多孔質部材の熱伝導性を良くし，更にアルミニウム薄膜の皮膜に触媒金属を担持させたので，燃料改質の効率をアップできると共に，排気ガス中の未燃ＨＣが酸化処理され，排気ガス浄化をすると共に，未燃燃料の熱も利用される等の特徴を有している。従って，この燃料改質装置は，全負荷用に大型であるにも拘らず，上記金属多孔質部材が極めてコンパクトな構造に構成でき，全体としてコンパクトな装置を完成させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による燃料改質装置の一実施例を示す概略説明図である。
【図２】図１の燃料改質装置を示す概略説明図である。
【図３】図２の燃料改質装置における燃料改質ステーションの符号Ａの領域を示す拡大断面図である。
【図４】図２の燃料改質装置における水蒸気生成ステーションの符号Ｂの領域を示す拡大断面図である。
【図５】図２の燃料改質装置の燃料改質ステーションにおける熱交換状態を説明するための概略図である。
【図６】この燃料改質装置における金属板と金属多孔質部材との関係を説明する概略図である。
【図７】図６の符号Ｃの領域の金属多孔質部材の被覆断面を示す拡大図である。
【符号の説明】
１ エンジン
２ 燃料ボンベ
３ 燃料改質ステーション
４ 水蒸気生成ステーション
５ 排気ガス室（第１排気ガス室）
６ 燃料改質室
７ 排気ガス室（第２排気ガス室）
８ 水蒸気生成室
９ 水蒸気発生装置
１０ 排気ガス通路
１１，１２ 金属板
１３，１４，１５，１６ 金属多孔質部材
１７，１８ 構造体
１９ 天然ガス供給管
２０ 水蒸気供給管（第１水蒸気供給管）
２１ 改質燃料送出管
２２ 水蒸気供給管（第２水蒸気供給管）
２３ 水蒸気ポンプ
２４ 遮蔽層
２５ アルミニウムコーティング層
２６，２８ 薄膜
２７，２９ 微粒子
３０ 排気管
３１ 基材
３２ 排気ガス入口管
３３ 排気ガス出口管
３４ 高温オイル管
３５ 低温オイル管
３６ 水道管
３７ 凹凸面
３９ 接触部
Claims (9)
- エンジンから排出される排気ガスの熱エネルギーを利用して天然ガスの主成分のＣＨ４ を水と共にＨ２ とＣＯから成る改質燃料に変換する燃料改質装置において，前記エンジンからの前記排気ガスを排出する排気管に接続され且つ前記天然ガスを水蒸気と触媒反応させて改質燃料に変換する燃料改質室と前記排気管からの前記排気ガスの熱エネルギーを前記燃料改質室に与えるため前記排気ガスを流す第１排気ガス室とを備えた燃料改質ステーション，及び前記燃料改質ステーションの前記第１排気ガス室の後流に接続された第２排気ガス室と前記燃料改質室に供給する高温の前記水蒸気を生成する水蒸気生成室とを備えた水蒸気生成ステーションを有し，前記エンジンの負荷変動に応答して前記燃料改質室へ供給する前記天然ガスと前記水蒸気との供給量を制御するコントローラを有することを特徴とする燃料改質装置。
- 前記燃料改質ステーションは，耐熱性の金属板，前記金属板の両側に溶着された三次元的に通孔を有する金属多孔質部材，前記金属多孔質部材と前記金属板の表面に形成されたアルミニウムの薄膜，前記薄膜の表面に生成した酸化アルミニウム，及び前記金属層と前記アルミニウムとの境界に形成された合金層から成り，前記燃料改質室を形成する一方の側の前記金属多孔質部材上の前記酸化アルミニウムの表面にはγアルミナ被膜と燃料改質触媒粒子が付着され，また，前記第１排気ガス室を形成する他方の側の前記金属多孔質部材上の前記酸化アルミニウムの表面にはγアルミナ被膜と酸化触媒粒子が付着されており，前記燃料改質室を形成する前記金属多孔質部材同士と前記第１排気ガス室を形成する前記金属多孔質部材同士とがそれぞれ溶着して積層されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料改質装置。
- 前記水蒸気生成ステーションは，耐熱性の金属板，前記金属板の両側に溶着された三次元的に通孔を有する金属多孔質部材，前記金属多孔質部材と前記金属板の表面に形成されたアルミニウムの薄膜，前記薄膜の表面に生成した酸化アルミニウム，及び前記金属層と前記アルミニウムとの境界に形成された合金層から成り，前記水蒸気生成室を形成する前記金属多孔質部材同士と前記第２排気ガス室を形成する前記金属多孔質部材同士とがそれぞれ溶着して積層されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料改質装置。
- 前記燃料改質ステーションは，前記燃料改質室を形成するため流れ方向に直角に連続する直方体状の対向凹凸面が交互に噛み合うように配置された三次元的に通孔を有する第１金属多孔質部材，前記第１金属多孔質部材の外面を封鎖した耐熱性金属板，及び前記第１排気ガス室を形成するため前記耐熱性金属板の外面に溶着された三次元的に通孔を有する第２金属多孔質部材から成る構造体を複数積層した積層構造体，前記積層構造体を収納した入口と出口を設けた収納容器，及び前記収納容器の外側を覆った断熱層から構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料改質装置。
- 前記燃料改質ステーションでは前記天然ガスと前記水蒸気とを前記排気ガスの流れに対して下流側から供給し且つ前記改質燃料を上流側から取り出し，前記水蒸気生成ステーションでは低温の前記水蒸気を前記排気ガスの流れに対して下流側から供給し且つ高温の前記水蒸気を前記燃料改質ステーションの前記燃料改質室に供給することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料改質装置。
- 前記水蒸気生成ステーションの前記水蒸気生成室に，前記エンジンの循環オイルと水との熱交換によって発生した低温の前記水蒸気が供給されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料改質装置。
- 前記熱交換機能を有する前記金属多孔質部材は，前記金属板を構成する材料と同種の耐熱性を有するＮｉ−Ｃｒ材の基材から構成され，前記金属板と前記金属多孔質部材とは，接合フラックスによって互いに溶着されていることを特徴とする請求項２〜６のいずれか１項に記載の燃料改質装置。
- 前記金属多孔質部材と前記金属板との前記基材には，アルミニウムコーティング層の表面が酸化雰囲気中で転化されたアルミナから成る前記薄膜が形成され，前記燃料改質室内の前記薄膜にはＮｉ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｐｔ，ＣｅＯ２ 等の前記燃料改質触媒粒子が付着され，また，前記第１排気ガス室内の前記薄膜には前記排気ガス中の未燃ＨＣ等の有害物質を酸化させるためのＮｉ，Ｒｕ，Ｐｔ等の前記酸化触媒粒子が付着されていることを特徴とする請求項７に記載の燃料改質装置。
- 前記燃料改質ステーションと前記水蒸気生成ステーションとは外面が遮熱構造に構成されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料改質装置。
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