JP2009250093A - エンジンシステム - Google Patents
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Abstract
【課題】
排ガスの熱を利用して脱水素反応器で生成する水素で駆動するエンジンシステムにおいて、排ガスからの熱回収効率を向上し、水素ガスの生成能力が高いエンジンシステムを提供する。
【解決手段】
排ガス管に設置した少なくとも一つの主反応器と、前記主反応器よりも排ガス管の上流に設置し、かつ反応器内の排ガス流路と燃料流路との隔壁の熱伝導率が前記主反応器の隔壁よりも低い副反応器を備え、燃料が副反応器，主反応器，エンジンの順で流入する。
【選択図】図１
排ガスの熱を利用して脱水素反応器で生成する水素で駆動するエンジンシステムにおいて、排ガスからの熱回収効率を向上し、水素ガスの生成能力が高いエンジンシステムを提供する。
【解決手段】
排ガス管に設置した少なくとも一つの主反応器と、前記主反応器よりも排ガス管の上流に設置し、かつ反応器内の排ガス流路と燃料流路との隔壁の熱伝導率が前記主反応器の隔壁よりも低い副反応器を備え、燃料が副反応器，主反応器，エンジンの順で流入する。
【選択図】図１
Description
本発明は、有機化合物から脱水素反応によって水素を生成する反応器を搭載したエンジンシステムに関するものである。
ガソリンを燃料とする自動車はＣＯ2を排出するため、代替燃料として水素が注目されている。しかし、水素は可燃性物質であり、爆発性が高いため、保存，貯留には注意が必要である。この課題を解決するための技術として、特許文献１および２に開示されているように、水素化燃料として水素を貯留し、必要なときに化学反応を利用して水素ガスを取り出し、自動車に供給する技術が示されている。
上記の開示された発明では、水素を得るために触媒を担持した反応器に水素化燃料を注入している。ここで利用される水素化燃料における脱水素反応は、吸熱反応であるために反応器に熱を供給する必要があり、一般的にエンジンからの排ガスが持つ熱を利用している。しかし、エンジンが要求する水素量を得るための十分な熱を得ることができないため、不足分は炭化水素を供給して燃料の不足分を補っている。したがって、反応器が発生できる水素量、つまり供給熱量の不足はＣＯ2の排出量増加に繋がる。また、熱回収効率向上のために、反応器に供給する排ガスの温度を上昇させた場合、低温で失活する触媒を保護するために、反応器内の流路を隔てる隔壁の熱抵抗を高くする必要がある。しかし、反応器の内部形状が上流から下流にかけて一様な構造となっているために、下流での伝熱特性が悪化するため反応器の体積が大きくなってしまう。
本発明は、上述の課題を解決するもので、エンジンからの排熱を効率良く回収し脱水素反応を進行させることで、より多くの水素ガスを生成できるエンジンシステムを提供することを目的とする。
本発明は、少なくとも、エンジンと、水素の貯蔵と放出を化学的に繰り返すことが可能な水素媒体と、触媒が担持された反応器とを有し、排ガスの熱を用いて前記反応器にて発生した水素又は発生した水素と水素媒体の混合物を前記エンジンへ供給するエンジンシステムにおいて、エンジンからの排ガス管と、当該排ガス管に少なくとも２つの前記反応器を設け、各反応器は内部に排ガス流路と燃料流路との隔壁を有し、上流側に位置する第１の反応器の隔壁の熱抵抗は、下流側に位置する第２の反応器の隔壁の熱抵抗より大きく、かつ、前記水素媒体を前記第１の反応器から第２の反応器へと供給するよう構成したことに特徴があります。
また、本発明では、排ガス管に設置する前記反応器を１つとし、反応器内の排ガス流路と前記水素媒体流路とを画する隔壁を設け、隔壁の排ガスの入口側の熱抵抗を出口側の熱抵抗よりも大きくしたことに特徴があります。
本発明では、脱水素反応器にて飽和炭化水素から生成された水素ガスを主燃料とするエンジンシステムにおいて、エンジンからの排熱を効率よく回収し脱水素反応に供給することで、反応器体積を低減でき、水素ガスの生成能力が高いエンジンシステムを提供することが可能である。
以下に図面を用いて本発明の実施例を説明する。
図１は本発明の一実施例であるエンジンシステムの概要図を示す。ここに図示されたエンジンシステムは、水素媒体を燃料とするエンジン１０を備えている。エンジン１０には吸気管１１と排気管１２が接続され、排気管の上流から順に、第一反応器１，第二反応器２，気化器３が設置されている。
上記水素媒体とは、ガソリン，軽油，灯油，重油，デカリン，シクロヘキサン，メチルシクロヘキサン，ナフタレン，ベンゼン，トルエンなどの炭化水素系燃料およびその混合燃料や、過酸化水素，アンモニア，窒素，酸素など、水素を化学的に貯蔵・放出することが可能なものすべてのものを示す。中でも、水素を化学的に貯蔵している媒体は水素化媒体、水素を化学的に放出した後の媒体は脱水素化媒体と呼ぶことにする。
まず、燃料である水素化媒体はタンク４からポンプ３０によって加圧され、配管４１を通って気化器３に注入される。気化器内は向流型の熱交換器となっており、排ガスの持つ熱によって液体燃料が昇温されて気化する。気化器３を出た燃料ガスは配管４２を通り、排ガス側から見て第一反応器１の上流側から注入される。燃料ガスは第一反応器１内において高温状態で触媒と接触することにより、一部が分解して水素ガスと脱水素化媒体が発生する。
次に、燃料ガスと生成ガスは配管４３を通り、排ガス側から見て第二反応器２の上流側から注入される。第二反応器２において、再び排ガスから熱が供給され、未反応であった燃料ガスの大半はここで分解される。
ここで、反応器内での流れ方向は排ガスと燃料が同じ向き（以下、並流）となることが重要である。図２は、本発明の一実施例における反応器の入口からの距離と燃料流路の平均温度の関係図を示す。並流では流入直後が温度が高く出口付近で温度が低い。これに対し、向流では出口付近の温度が高くなっている。したがって、出口付近で燃料側に伝熱された熱の一部が、燃料が反応する前に反応器外へ排出されることになり、有効利用できる熱が低下することになる。したがって、本発明のエンジンシステムでは反応器内の流れが並流であることが好ましい。
第二反応器２から排出された混合ガスは、冷却装置を伴う分離装置６で不飽和炭化水素と水素に分離される。分離された不飽和炭化水素は配管４５を通ってタンク５に貯留される。一方、分離された水素は配管４６を通って吸気管１１もしくはエンジン１０の筒内に供給される。エンジン１０で燃焼した水素は高温の排気ガスとなって排気管１２を通り、第一反応器１に熱源として供給され、第二反応器２，気化器３を通って大気開放される。また、バイパス排気管１３が排気管１２の第一反応器１の上流と気化器３の下流で接続されており、流量制限バルブ３２が下流側の接続部手前に設置されている。さらに、流量制限バルブ３１が気化器３の下流の排ガス管に設置されている。これらの２つの流量制限バルブはＥＣＵ２０からの制御信号で動作するようになっている。また、温度センサー２１が第一反応器１に、流量センサー２２が配管４２に設置され、検出信号はＥＣＵ２０に接続されている。ここで、温度センサー２１での検出温度が設定温度を上回った場合、もしくは流量センサー２２の検出流量が設定値を下回った場合は、第一反応器１内の触媒が失活する恐れがあるため、自動的にＥＣＵ２０が流量制限バルブ３１，３２を駆動し、排ガスの大半がバイパス排気管１３に流れるように制御するようになっている。
上述の第一反応器１と第二反応器２の差は、反応器内で伝熱にかかわる材料の差にある。それぞれの反応器において、排ガスの流路と燃料の流路は固体の隔壁で仕切られており、この隔壁を通して伝熱している。この隔壁の燃料流路側に触媒が担持されているが、この触媒の失活温度が低いために、燃料側の最高温度を失活温度以下に押さえる必要がある。したがって、排ガスから見て上流側に位置する第一反応器１の隔壁はステンレスや鉄，セラミックスなどの熱伝導率の低い材料を使用して燃料流路側への伝熱量を抑えて温度上昇を抑えながら分解反応を進行させ、排ガスから見て下流側に位置する第二反応器では失活温度以下での伝熱が効果的に進行するように、隔壁の材料は銅やアルミなどの熱伝導率の高い材料を使用することが好ましい。尚、第一反応器１内と第二反応器２内の隔壁の熱抵抗に差を持たせるため、第一反応器１内の隔壁の厚さを第二反応器２内の隔壁よりも厚くする構成しても良い。
また、流量制限バルブ３１は必須のものではなく、排気管１２の圧力損失がバイパス排気管１３の圧力損失よりも非常に大きく、流量制限バルブ３２の全開時の排気管１２の流量がバイパス排気管１３の流量と比較して無視できるレベルで有れば、流量制限バルブ３１を排除することができる。
また、上述の分離装置６は、冷却装置により不飽和炭化水素の沸点以下まで冷却し、比重差や表面張力等を利用する気液分離装置、もしくは水素を選択的に透過させる水素透過膜を利用した分離装置であることが望ましい。
さらに、図１ではバイパス排気管１３の出口が再び排気管１２に接続されているが、下流に浄化装置を設置する必要がなければ、排気管１２に接続しなくても良い。
また図１では、反応器から排出された燃料のうち、水素だけを使用するエンジンシステムの実施例を示しているが、これに限られず、水素と脱水素化媒体の混合燃料をそのままエンジンに供給するエンジンシステムにも適用でき、さらには、混合燃料を分離した後任意の割合で脱水素化媒体を供給できるエンジンシステムにも同様に適用できる。
図３は、本発明の一実施例における反応器の断面図を示す。この断面は図１中のＡ−Ａ′断面であり、反応器の流れ方向に平行な断面の一部拡大図の一例である。本発明では、エンジンシステムにおける反応器を、図１において２個の場合を例示し説明しているが、反応容器を１個とすることも可能である。
反応器内部は反応器内排ガス流路１０３と反応器内燃料流路１０４が交互に積層され、図示した以上に積層した形状となっている。反応器内燃料流路１０４には触媒１０１が担持されており、燃料はこの触媒１０１と接触して水素を発生している。
本発明の反応器では反応器内排ガス流路１０３と反応器内燃料流路１０４の間には隔壁１０２が設置されており、紙面左側である排ガス入口側（Ａ側）で隔壁１０２が厚い形状となっている。このため入り口付近では隔壁の熱抵抗が大きくなり、高温で流入した排ガスからの伝熱が制限され、燃料の温度上昇が抑制される。一方出口側（Ａ′側）では、隔壁１０２の厚さは薄くなっており、熱抵抗が小さくなっているため伝熱しやすくなり、温度が低下した排ガスからも十分伝熱することとなる。
また、図３では壁厚が無段階あるいは連続的に変化しているが、階段状に厚さを変化させることでも同様の効果を得ることできる。
さらに、本発明の反応器は断面が図３に示した形状になっていれば良いので、積層の方法としては、円管外周方向へ積層した円筒積層管状の反応器でも良く、平板を積層した矩形管状の反応器でも良い。
図４は、本発明の一実施例である反応器の断面図を示す。この断面図は図１に示した反応器のＢ−Ｂ′断面図であり、流体が流れる方向に対して垂直な断面の一部拡大図を示している。したがって、図示した以上に紙面左右，上下方向に積層されている。本発明の反応器は、排ガス流路部１１３は反応器内排ガス流路１０３を並列に複数配置した集合配管となっており、燃料流路部１１４は反応器内燃料流路１０４を複数配置した集合配管となっている。また、排ガス流路部１１３と燃料流路部１１４が交互に積層した形状となっている。反応器内燃料流路１０４には触媒が担持されており、燃料はこの触媒と接触して水素を発生している。
また、反応器内排ガス流路１０３の断面は、燃料への伝熱方向に細長い断面形状となっている。さらに、反応器内燃料流路１０４の断面は、排ガスからの伝熱方向に対して垂直に細長い断面形状となっている。これは、反応器内燃料流路１０４の表面で、流量の多い排ガスからの熱を流量の少ない燃料へ、大きな熱流束として伝熱するためである。
さらに、反応器内排ガス流路１０３の断面の短辺と長辺の比は１：２〜１：５０であれば、本発明の目的を達成することができ、さらに１：５〜１：２０であれば高効率で実施できる。
また、燃料流路部１１４は一つの流路でも本発明を実施できるが、反応器内燃料流路１０４を複数配置した集合配管とした方が高効率である。
また、本発明の反応器は断面が図４に示した形状になっていれば良いので、積層の方法としては、円管外周方向へ積層した円筒積層管状の反応器でも良く、平板を積層した矩形管状の反応器でも良い。
また、燃料流路部１１４および排ガス流路部１１３は、単位体積あたりの表面積が大きいことが望まれるため、図４では高アスペクト比の断面となる流路の積層による集合配管としているが、各流路部をそれぞれをスポンジ状のような開口形の多孔質体を使用しても良い。
さらに、本発明はエンジンシステム内の反応器の数とは関係なく、全ての場合に適用でき、課題を達成することができる。
上述の図３及び図４に示す反応器の断面構造は、それぞれ単独で、又は、これらの組合せで実現しても効果を達成することができる。
図５は、本発明の一実施例である反応器の他の断面図を示す。この断面図は、図１中のＡ−Ａ′断面であり、反応器の流れ方向に平行な断面の一部拡大図の一例である。上述の図３に示す断面構造では、隔壁の厚さを変化させた例を示しているが、図５の断面図は、隔壁を熱伝導率の異なる材料で構成した例を示している。本発明では、エンジンシステムにおける反応器を、図１において２個の場合を例示し説明しているが、反応容器を１個とすることも可能である。
反応器内部は反応器内排ガス流路１０３と反応器内燃料流路１０４が交互に積層され、図示した以上に積層した形状となっている。反応器内燃料流路１０４には触媒１０１が担持されており、燃料はこの触媒１０１と接触して水素を発生している。
本発明の反応器では反応器内排ガス流路１０３と反応器内燃料流路１０４の間には熱伝導率の異なる材料で製作した隔壁１０２が設置されている。図５では隔壁は３種の材料を使用しており、紙面左側である排ガス入口側（Ａ側）で隔壁１０２ａが最も熱伝導率の低い材料を使用している。次いで下流側に向かってやや熱伝導率の高い材料で隔壁１０２ｂを設置し、最も下流（Ａ′側）となる隔壁１０２ｃでは熱伝導率の高い材料を使用している。これにより、排ガス入り口付近では隔壁の熱抵抗が大きくなり、高温で流入した排ガスからの伝熱が制限されて燃料の温度上昇が抑制され、他方排ガス出口側では、熱抵抗が小さくなっているため伝熱しやすくなり、温度が低下した排ガスからも十分伝熱することとなる。
また、本発明の反応器は断面が図５に示した形状になっていれば良いので、積層の方法としては、円管外周方向へ積層した円筒積層管状の反応器でも良く、平板を積層した矩形管状の反応器でも良い。
また、本発明では異種材料を隣接させた隔壁としているが、全ての隣接面において接合されている必要はなく、触媒に固定することで形状を保持しても良い。反応器内の熱交換を並流で行うことによって熱回収効率を向上できる。
図６は本発明の一実施例であるエンジンシステムの他の概要図を示す。まず、熱交換器８では、排ガスからの熱を２００℃以上で流体である熱媒体に伝熱する。加熱された熱媒体は配管４９を通って反応器９に供給される。反応器では並流で熱交換が行われ、熱媒体から燃料に伝熱され、水素が発生する。熱交換で温度が低下した熱媒体は配管４８を通ってポンプ３３で加圧され、再び熱交換器８に流入する。
一方燃料は、気化器３で気化された後、配管４７を通って並流となるように反応器９に流入する。ここで熱の供給を受け、接触した燃料は水素を発生して配管４４を通り分離装置６に流入する。
したがって、このエンジンシステムでは反応器の熱源として比熱の大きな液体の熱媒体が利用されるため、反応器９内の温度分布を小さく抑えることができ、触媒の失活を防ぐことができる。
また、本発明で用いる熱媒体の配管，熱交換器，反応器等は密閉系にできるので、使用する熱媒体は、加圧状態もしくは負圧状態において２００℃以上で流体となるものを使用すれば良く、またヒートパイプのように相変化を伴う熱媒体でも良い。
１ 第一反応器
２ 第二反応器
３ 気化器
４，５ タンク
６ 分離装置
１０ エンジン
１１ 吸気管
１２ 排気管
１３ バイパス排気管
２ 第二反応器
３ 気化器
４，５ タンク
６ 分離装置
１０ エンジン
１１ 吸気管
１２ 排気管
１３ バイパス排気管
Claims (11)
- 少なくとも、エンジンと、水素の貯蔵と放出を化学的に繰り返すことが可能な水素媒体と、触媒が担持された反応器とを有し、排ガスの熱を用いて前記反応器にて発生した水素又は発生した水素と水素媒体の混合物を前記エンジンへ供給するエンジンシステムにおいて、
エンジンからの排ガス管と、当該排ガス管に少なくとも２つの前記反応器を設け、各反応器は内部に排ガス流路と水路媒体流路との隔壁を有し、上流側に位置する第１の反応器の隔壁の熱抵抗は、下流側に位置する第２の反応器の隔壁の熱抵抗より大きく、かつ、前記水素媒体を前記第１の反応器から第２の反応器へと供給することを特徴とするエンジンシステム。 - 少なくとも、エンジンと、水素の貯蔵と放出を化学的に繰り返すことが可能な水素媒体と、触媒が担持された反応器とを有し、排ガスの熱を用いて前記反応器にて発生した水素又は発生した水素と水素媒体の混合物を前記エンジンへ供給するエンジンシステムにおいて、
前記反応器は排ガス管に設けられ内部に排ガス流路と水素媒体流路との隔壁を有し、排ガスの出口側よりも入口側の隔壁の熱抵抗が大きいことを特徴とするエンジンシステム。 - 少なくとも、エンジンと、水素の貯蔵と放出を化学的に繰り返すことが可能な水素媒体と、触媒が担持された反応器とを有し、排ガスの熱を用いて前記反応器にて発生した水素又は発生した水素と水素媒体の混合物を前記エンジンへ供給するエンジンシステムにおいて、
前記反応器は排ガス管に設けられ内部に排ガス流路と水素媒体流路との隔壁を有し、前記隔壁の厚さは排ガスの出口側よりも入口側が厚いことを特徴とするエンジンシステム。 - 前記反応器の隔壁は、少なくとも２種類以上の材料から構成され、排ガスの入口側よりも出口側の隔壁に熱伝導率が高い材料を有することを特徴とする請求項２に記載のエンジンシステム。
- 前記第２の反応器の下流側に配置され前記水素媒体と前記排ガスとの熱交換を行う気化器を設け、前記水素媒体を前記気化器，前記第１の反応器，前記第２の反応器の順に供給し、少なくとも一つの反応器での熱交換が並流であることを特徴とする請求項１に記載のエンジンシステム。
- 少なくとも、エンジンと、水素の貯蔵と放出を化学的に繰り返すことが可能な水素媒体と、触媒が担持された反応器とを有し、排ガスの熱を用いて前記反応器にて発生した水素又は発生した水素と水素媒体の混合物を前記エンジンへ供給するエンジンシステムにおいて、
前記反応器は排ガス管に設けられ、前記反応器の下流側に配置され前記水素媒体と前記排ガスとの熱交換を行う気化器を備え、前記反応器内の熱交換が並流であることを特徴とするエンジンシステム。 - 前記反応器の上流側で排ガス管から分岐したバイパス排ガス管と、バイパス排ガス管の中間点よりも下流に設置した流量制限バルブを備えることを特徴とする、請求項１又は２に記載のエンジンシステム。
- 少なくとも、エンジンと、水素の貯蔵と放出を化学的に繰り返すことが可能な水素媒体と、触媒が担持された反応器とを有し、前記反応器にて発生した水素又は発生した水素と水素媒体の混合物を前記エンジンへ供給するエンジンシステムにおいて、
排ガス管に設置され排ガスの熱を粗締め保持された熱媒体に伝熱する熱交換器と、前記水素媒体の流路である燃料流路に設置した前記反応器と、前記熱交換器と前記反応器を相互に接続する配管とを設け、
前記配管を介して前記熱交換器より供給される熱媒体を前記反応器へ導入し、前記反応器で前記水素媒体から水素を発生させ、前記反応器へ導入された熱媒体を前記配管を介して前記熱換器へ送ることを特徴とするエンジンシステム。 - 水素の貯蔵と放出を化学的に繰り返すことが可能な水素媒体と、排ガス管に設置され触媒が担持された反応器と、排ガスの熱を用いて前記反応器にて発生した水素又は発生した水素と水素媒体の混合物を燃料としてエンジンへ供給するエンジンシステムにおいて、
前記反応器内に、排ガス流路と前記水素媒体流路を相互に平行且つ交互に設置し、
前記各排ガス流路は複数の流路で構成され、当該複数の流路の排ガス流路の流路方向に垂直な断面形状は、長辺もしくは長軸，長半径が前記排ガスから前記水素媒体への伝熱方向と並行であることを特徴とするエンジンシステム。 - 前記水素媒体流路は複数の流路で構成され、当該複数の流路の水素媒体流路の流路方向に垂直な断面形状は、長辺もしくは長軸，長半径が排ガスから燃料への伝熱方向と垂直であることを特徴とする請求項９に記載のエンジンシステム。
- 水素の貯蔵と放出を化学的に繰り返すことが可能な水素媒体と、排ガス管に設置され触媒が担持された反応器と、排ガスの熱を用いて前記反応器にて発生した水素又は発生した水素と水素媒体の混合物を燃料としてエンジンへ供給するエンジンシステムにおいて、
前記反応器内に、排ガス流路と水素媒体流路を相互に並行且つ交互に設置し、
前記排ガス流路と前記水素媒体流路に金属の開口形の多孔質体を充填したことを特徴とするエンジンシステム。
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