JP2010064745A - Engine system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、水素の貯蔵と放出を化学的に繰り返す媒体を搭載し、該媒体から生成した水素リッチガスを燃料として用いた水素エンジンシステムに関するものである。 The present invention relates to a hydrogen engine system equipped with a medium that chemically repeats storage and release of hydrogen and using a hydrogen rich gas generated from the medium as a fuel.
水素の貯蔵と放出を化学的に繰り返す媒体を搭載し、その媒体から水素リッチガスを生成する水素供給装置を備え、水素供給装置で生成した水素リッチガスをエンジンに供給するシステムにおいては、水素供給装置に水素リッチガスを生成するための熱を供給する必要がある。この熱にエンジンの廃熱を利用することで、水素供給装置へ新たにエネルギーを供給する必要がないため、高効率なシステムとなる。しかし、エンジンの廃熱は、運転点によって変動するため、水素供給装置へ供給するエンジン廃熱を管理するシステムが必要となる。 In a system that is equipped with a hydrogen supply device that generates hydrogen-rich gas from the medium and that chemically stores and releases hydrogen, and supplies the engine with the hydrogen-rich gas generated by the hydrogen supply device, the hydrogen supply device It is necessary to supply heat for generating the hydrogen-rich gas. By utilizing the waste heat of the engine for this heat, it is not necessary to supply new energy to the hydrogen supply device, so that the system becomes highly efficient. However, since the engine waste heat varies depending on the operating point, a system for managing the engine waste heat supplied to the hydrogen supply device is required.
従来の熱および動力を管理システムとして例えば、特許文献1に記載されているように、エンジン,改質器,燃料電池の構成で、熱供給方法を始動時と暖機後で切り替えることで、熱を管理するシステム、または、エンジン,燃料電池の負荷−効率特性を利用した動力を管理するシステムの双方を組み合わせたシステムが記載されている。 As described in, for example, Patent Document 1, a conventional heat and power management system has a configuration of an engine, a reformer, and a fuel cell. Or a system that combines both an engine and a system that manages power using the load-efficiency characteristics of the fuel cell.
特許文献1に記載のシステムは、媒体を燃料とするエンジンと、改質器で媒体を改質した水素を含有する燃料ガスと酸化ガスを用いて発電する燃料電池を動力源とするハイブリッドシステムである。このハイブリッドシステムでは、エンジンに供給する燃料は媒体となるため、CO2の排出を抑制することは困難である。これに対して、水素供給装置で生成した水素リッチガスをエンジンに供給するシステムでは、CO2の排出を抑制することが可能となり環境性に優れたシステムとすることができる。しかし、水素供給装置で生成した水素リッチガスをエンジンに供給するシステムでは、エンジンの廃熱を使って媒体から改質した燃料をエンジンに供給するため、エンジンの廃熱とエンジンの効率の相応を管理する必要がある。また、全体を高効率なシステムとするには、モータ,電力貯蔵装置,エンジンを組み合わせ、エンジンの運転点は、熱効率の高い領域で運転するといった動力を管理するシステムが必要となる。 The system described in Patent Document 1 is a hybrid system that uses an engine that uses a medium as fuel, and a fuel cell that generates power using a fuel gas containing hydrogen reformed by a reformer and an oxidizing gas as a power source. is there. In this hybrid system, since the fuel supplied to the engine serves as a medium, it is difficult to suppress CO 2 emissions. On the other hand, in the system that supplies the hydrogen-rich gas generated by the hydrogen supply device to the engine, it is possible to suppress CO 2 emission and to make the system excellent in environmental performance. However, in the system that supplies the hydrogen-rich gas generated by the hydrogen supply system to the engine, the fuel reformed from the medium using the engine waste heat is supplied to the engine, so the engine waste heat and the engine efficiency are managed accordingly. There is a need to. Further, in order to make the whole system highly efficient, a system for managing power such that a motor, a power storage device, and an engine are combined and the engine operating point is operated in a region with high thermal efficiency is required.
本発明の目的は、水素の貯蔵と放出を化学的に繰り返す媒体を搭載したエンジンシステムにおいて、CO2の排出を抑制でき、システム効率に優れたエンジンシステムを提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide an engine system that can suppress CO 2 emission and is excellent in system efficiency in an engine system equipped with a medium that chemically stores and releases hydrogen.
水素の貯蔵と放出を化学的に繰り返す媒体から水素リッチガスを生成する水素供給装置を備え、前記水素供給装置で生成した水素リッチガスを燃料の一つとして、エンジンを駆動するエンジンシステムであって、前記エンジンの廃熱を前記水素供給装置へ供給する廃熱供給装置と、前記エンジンの動力で発電する発電機と、前記発電機で発電した電力を充電する電力貯蔵装置と、前記電力貯蔵装置から放電した電力を動力へ変換するモータとを備えたエンジンシステムを特徴とする。このエンジンシステムでは、エンジンの動力で発電し、電力貯蔵装置へ充電し、ユーザの要求に応じて、電力貯蔵装置から放電し、モータで動力へ変換することで、ユーザの要求にモータが追従する。そのため、エンジンの運転はユーザの要求に完全に追従する必要がなく、水素供給装置へ供給するエンジン廃熱の熱供給割合が高く、またエンジンが高効率な運転域にて駆動できるため、媒体の消費率が低く、システム効率が高いという特徴がある。 An engine system comprising a hydrogen supply device that generates a hydrogen-rich gas from a medium that chemically repeats storage and release of hydrogen, and driving the engine using the hydrogen-rich gas generated by the hydrogen supply device as one of fuels, A waste heat supply device that supplies waste heat of the engine to the hydrogen supply device, a generator that generates power using the power of the engine, a power storage device that charges the power generated by the generator, and a discharge from the power storage device And an engine system including a motor that converts the generated electric power into power. In this engine system, power is generated by the power of the engine, the power storage device is charged, discharged from the power storage device according to the user's request, and converted into power by the motor, so that the motor follows the user's request. . Therefore, the engine operation does not need to completely follow the user's request, the heat supply ratio of the engine waste heat supplied to the hydrogen supply device is high, and the engine can be driven in a highly efficient operation region. It is characterized by low consumption rate and high system efficiency.
本発明により、水素供給装置から生成した水素リッチガスを使って動力を生み出すことができるため、CO2排出を抑制でき、かつ、媒体の消費率が低く、システム効率の高いエンジンシステムを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to generate power using hydrogen-rich gas generated from a hydrogen supply device, so that it is possible to suppress CO 2 emission, provide a low system consumption rate, and provide an engine system with high system efficiency. it can.
以下、本発明の実施形態について図を用いて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、全体システムの構成図を示す。水素化媒体タンク1に水素を化学的に貯蔵している媒体(以下、水素化媒体)を搭載し、水素化媒体を水素供給装置3に供給する。脱水素化媒体タンク2に貯蔵される媒体は、水素供給装置3により水素化媒体から水素を放出した後の燃料である(以下、脱水素化媒体)。水素化媒体は、たとえば、デカリン,シクロヘキサン,メチルシクロヘキサンなどの炭化水素系燃料およびその混合燃料であり、脱水素化媒体は、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のことを示す。水素化媒体にメチルシクロヘキサンを使用した場合について以下説明する。
FIG. 1 shows a configuration diagram of the entire system. A medium that stores hydrogen chemically (hereinafter referred to as a hydrogenation medium) is mounted in the hydrogenation medium tank 1, and the hydrogenation medium is supplied to the
水素供給装置3にて、下記のような反応を行う。
The
C7H14(メチルシクロヘキサン)⇒C7H8(トルエン)+3H2(水素)−205kJ
…式(1)
上記式(1)により、生成したトルエンと水素を分離装置12で、トルエンと水素に分離し、水素をエンジン5へ供給し、トルエンは、脱水素化媒体タンク2へ回収される。エンジン5に供給する水素は、トルエン、または、メチルシクロヘキサンが混合する可能性があるため、以下、水素リッチガスとする。式(1)よりメチルシクロヘキサンから水素1molを生成するためには約68kJ/molの熱量が必要である。そのため、水素供給装置3へエンジン5のガスを供給する構成である。反応温度を所定範囲内(250〜400℃)にするために、エンジン5の排ガスは、排ガス流量調整装置13により、水素供給装置3へ供給する排ガス流量を調整する。エンジン5は、発電機6と接続し、発電機6で発電した電力は、電力貯蔵装置7へ充電される。電力貯蔵装置7は、電力変換装置も含む。電力貯蔵装置7からモータ8へ放電し、タイヤ10に動力を伝達する。また、タイヤ10の減速時は、発電機9により回生エネルギーを生成し、電力貯蔵装置7へ充電される。水素供給装置3に反応式(1)にて必要な熱量が不足する際、燃焼器4または電力貯蔵装置7よりヒータ11を介し、熱量を供給する。ヒータ11への電力供給は、電力貯蔵装置7にて電力を貯蔵せずに、電力変換のみを行いモータへ放電してもよい。燃焼器4へは、水素リッチガスを供給するが、必要に応じて脱水素媒体を供給してもよい。図1の構成により、貯蔵燃料は、液体燃料である水素化媒体を用い、動力を生成する際に、水素供給装置3にて、水素リッチガスを生成し、エンジン5に供給し、動力を生成する構成となる。安全性,利便性およびエネルギー密度の高い、液体燃料を貯蔵して、全体システムとしてCO2が排出されずに動力を生成する構成となる。
C 7 H 14 (methylcyclohexane) ⇒C 7 H 8 (toluene) + 3H 2 (hydrogen) −205 kJ
... Formula (1)
According to the above formula (1), the generated toluene and hydrogen are separated into toluene and hydrogen by the
図2にエンジン5と水素供給装置3で生成可能な水素量の関係を示す。
FIG. 2 shows the relationship between the amount of hydrogen that can be generated by the
S201にてエンジン5の運転状態であるエンジン回転数、エンジントルクが決まると、S202にてエンジン5の排ガス温度T_ex,排ガス流量F_ex、エンジン排ガス比熱Cp_exが決定する。反応式1の最低温度をT_re,熱回収効率をη_reとするとS203にて、水素供給装置3への供給可能熱量Q1は、下記のように決定する。
When the engine speed and the engine torque that are the operating states of the
Q1=F_ex・Cp_ex・(T_ex−T_re)・η_re …式(2)
Q1が決定することで、式(1)より、水素1mol生成するのに必要な熱量が68kJであるので、S204にて、水素供給装置3にて生成可能な水素量F2が決定する。一方、S201でエンジン5の運転状態が決まると、エンジンの熱効率が決まり、S205にてエンジン5へ必要な水素量F1が決定する。図1の構成にて、燃費をよくするには、媒体の消費率を小さくする必要がある。そのためには、下記の値を考慮する必要がある。
Q 1 = F_ex · Cp_ex · (T_ex−T_re) · η_re Equation (2)
By determining Q 1, the amount of heat necessary to generate 1 mol of hydrogen is 68 kJ from equation (1), and therefore the hydrogen amount F 2 that can be generated by the
・F1−F2 ・Pe/(F1・LH2)
ただし、Peは、エンジン5の出力とする。LH2は水素の低位発熱量とする。
・ F 1 −F 2・ Pe / (F 1・ L H2 )
However, Pe is an output of the
F1−F2が0以下の場合、エンジンの排ガス熱のみで、水素供給装置3に必要な熱量を賄うことができる。つまり、F1−F2が0以下のときは、水素化媒体の消費率は、Pe/(F1・LH2)のみに依存する。一方、F1−F2が0よりも大きい場合、図1の燃焼器4または、ヒータ11より排ガス以外の熱量を水素供給装置3へ供給する必要があり、F1−F2が大きいほど、燃焼器4または、ヒータ11より供給する熱量が大きくなる。この熱量が大きいと、媒体の消費率が大きくなり、燃費が悪化する。よって、F1−F2が0以下であることが望ましい、または、F1−F2が0より大きいときは、水素化媒体の消費率は、F1−F2,Pe/(F1・LH2)の双方に影響を受ける。つまり、F1−F2が0以下のときは、Pe/(F1・LH2)を大きく、F1−F2が0よりも大きい場合、Pe/(F1・LH2)を大きく、F1−F2を小さくすることで、水素化媒体の消費率を小さくできる。
When F 1 -F 2 is 0 or less, only the exhaust gas heat of the engine can cover the amount of heat necessary for the
エンジン5の運転条件とエンジン熱効率の関係を図3に示す。一般的に、火花点火エンジンの場合、エンジントルクの高い領域において、エンジン熱効率が高い。エンジン熱効率が高い場合、Pe/(F1・LH2)が高くなるので、媒体の消費率が小さくなる。一方、エンジン5の運転条件と排気管の所定位置におけるエンジン排ガス温度の関係を図4に示す。エンジンが高出力であるほど、エンジン5の排気温度が高い。エンジン5の排気温度が高い程、式(2)から、Q1が大きくなり、F2が大きくなる。よって、F1−F2が小さくなり、媒体の消費率が小さくなる。図3および図4の特性を持つエンジンを図1の構成のエンジン5に使用した場合、水素化媒体の消費率が小さい領域は図5のようになる。このようにエンジン5の運転点が決まると、水素化媒体の消費率が決まる。このように本システムにおいては、エンジン5から水素供給装置3への熱供給割合が水素化媒体の消費率マップに影響するため、エンジンの熱効率と水素化媒体の消費率は必ずしも一致しない。
The relationship between the operating conditions of the
図6に全体システムの運転フロー図を示す。S601,S602の車速,アクセル開度に基づいてS603にて、ユーザの要求する動力を決定する。その後、S605の電力貯蔵装置から出力された電力によりS604にてモータを制御する。S606にて電力貯蔵装置の残量計測を行い、残量が所定範囲内になるように、S607にて要求エンジン出力を決定する。また、S603の要求動力に基づいて要求エンジン出力を決定してもよい。要求エンジン出力と、S608の水素化媒体消費率マップより、S609にて図5に示すようにエンジン同出力ライン上で水素化媒体の消費率が最も小さくなるように、エンジン回転数,エンジントルクを決定し、そのエンジン回転数,エンジントルクになるようにS610,S611にて発電機6,エンジン5を制御する。その後、S612にて水素供給装置3への熱供給制御を行う。
FIG. 6 shows an operation flowchart of the entire system. Based on the vehicle speed and accelerator opening in S601 and S602, the power requested by the user is determined in S603. Thereafter, the motor is controlled in S604 by the power output from the power storage device in S605. In S606, the remaining amount of the power storage device is measured, and the requested engine output is determined in S607 so that the remaining amount is within a predetermined range. Further, the required engine output may be determined based on the required power in S603. Based on the required engine output and the hydrogenation medium consumption rate map in S608, the engine speed and engine torque are set so that the hydrogenation medium consumption rate is minimized on the engine output line in S609 as shown in FIG. The
水素供給装置3への燃焼器4による熱供給制御方法を図7に示す。エンジン5のS701にて、現在運転点とS702にて水素供給装置3の不足熱量マップから、S703にて燃焼器4の加熱量を決定し、S704にて水素リッチガスの燃焼器4への供給量を決定し、水素リッチガスを燃焼器4に供給する。S705の水素リッチガス限界供給量マップとS701の現在エンジン運転域からS706で水素リッチガス供給量が所定範囲内であるかを判定する。S705の水素リッチガス限界供給量マップは、エンジン排ガス中の酸素濃度より決まる。エンジン排ガス中の酸素濃度は、エンジンへ供給する燃料と空気の割合で決まる。つまりエンジンの運転域が決まると水素リッチガスの限界供給量が決まる。この限界点を越えるとS707にて水素リッチガスの供給量を減らす必要がある。その後、S709にて触媒温度計測装置または推測装置により検出した触媒温度が所定範囲内であるかをS710にて検討し所定範囲外の場合は、触媒温度が所定範囲内になるように、S703にて燃焼器4の加熱量を制御する。上記熱供給制御方法は、燃焼器4の代わりにヒータ11を用いて熱供給を行っても良い。
A heat supply control method by the
次に、図1で示した水素供給装置3の構成について図8を用いて説明する。水素供給装置3の構成は、図8に記載のように、流路突起21が設けられた純アルミニウム(熱伝導率:250W/mK)高熱伝導基板22の上に、Pt/アルミナ触媒からなる触媒層24が形成されている。この触媒層24の上に水素のみを選択的に透過する水素分離膜20が積層され、スペーサ19を介して水素流路18が積層された構造を基本構造とし、エンジン排気管に設置される。
Next, the configuration of the
水素供給装置3へ供給される水素化媒体は、燃料流路23を通り、高熱伝導基板22の表面上に形成された触媒層24と接触しながら脱水素反応が進行し、水素が生成する。生成された水素は、水素分離膜20を透過し、スペーサ19を介して、水素流路18より水素供給装置3から排出される。また、水素分離膜20を透過しなかった水素と脱水素化媒体は、燃料流路23を通って水素供給装置3の外に排出される。ここで排出された水素と脱水素化媒体は、水素流路18より排出された水素と合流し、混合され、図1の分離装置12に供給される。なお、水素流路18より排出される水素を、燃料流路23より排出される水素と脱水素化媒体に混合せず、分離装置12とエンジン5の間に供給する構成としてもよい。また、図8では、水素化媒体からの脱水素化反応を低温で効率よく行うために水素分離膜20を設ける構成としたが、水素分離膜20を備えない構成とすることも可能である。また、図8に示した基本構造を積層して配置してもよい。
The hydrogenation medium supplied to the
図9に燃焼器4の構成図を示す。エンジン5の排ガスを水素供給装置3に供給する構成において、水素供給装置3は、排ガスの流れ方向において、温度分布を示す。エンジン5の運転条件によっては、水素供給装置3の排ガス上流部では、水素生成が可能な触媒温度であるが、水素供給装置3の排ガス下流部では、触媒温度が低下し、水素生成が不可能な触媒温度域になる領域が出てくる。このときは、図9のように燃焼器4の排ガス上流側と下流側に水素供給装置3を設置して、水素供給装置3の排ガス上流部で生成した水素リッチガスを、水素供給装置3を使い、下流側の排気管内に供給する。こうすることで、排ガス下流部に設置した水素供給装置3で不足する熱を排ガス上流部に設置した水素供給装置3に供給した熱にて補うことが可能となる。
FIG. 9 shows a configuration diagram of the
混合装置16により、排ガスと水素リッチガスを混合した後、点火装置15にて排ガス中の酸素と水素リッチガスを燃焼させる。点火装置15の代わりに、触媒を使い燃焼してもよい。混合装置16とは、流れに旋回を与えるようなブレード状の構造や、突起物,絞りを設けて混合する構造などにて、排ガスと水素リッチガスを混合する。本システムにより、排ガス中の酸素は、外気中の酸素に比べ、温度が高いため、所定の燃焼ガス温度まで向上するための必要水素リッチガス量が少なく、燃焼器4の熱効率が高くなる。また、外気の酸素を使う場合と比べ、ポンプ等の新たに必要な補機類が少なくなるため、システムが低コストで、シンプルである。
After the exhaust gas and the hydrogen rich gas are mixed by the mixing
排ガス中の酸素を使って、水素リッチガスを燃焼するには、エンジン5で、希薄燃焼する必要がある。希薄燃焼したときの空気中の酸素濃度は、酸素濃度検出装置17,25を用いて検出する。酸素濃度検出装置17より検出した酸素濃度より、酸素が完全燃焼する水素リッチガス量以上は燃焼器4へ供給しないように監視する。または酸素濃度検出装置25を用いた場合は、酸素濃度が所定以下にならないように水素リッチガスの燃焼器4への供給を制御する。
In order to burn hydrogen-rich gas using oxygen in the exhaust gas, it is necessary to perform lean combustion in the
図10に、脱水素化媒体をエンジン5に供給するシステムの構成を示す。
FIG. 10 shows the configuration of a system for supplying the dehydrogenation medium to the
エンジン5の始動時のように水素供給装置3の触媒温度が低く、また、電力貯蔵装置7の電力貯蔵率が低い場合において、水素供給装置3により、エンジン5に必要な水素リッチガス量を生成することが困難であり、かつモータ8にて必要動力を生成することが困難である。その場合は、脱水素化媒体タンク2よりエンジン5へ脱水素化媒体を供給する。このとき、エンジン5に供給するのは、水素リッチガスと脱水素化媒体の両方、あるいは、脱水素化媒体のみの、どちらでもよい。または、脱水素化媒体が不足している際は、水素化媒体をエンジン5に供給しても良い。水素化媒体にメチルシクロヘキサンを用いた際には、脱水素化媒体は、トルエンとなり、オクタン価は、ガソリンと同等以上である。そのため、エンジン5で運転することが可能である。
When the catalyst temperature of the
また、このような構成により、エンジン5の出力が水素リッチガスのみを供給したときに比べ、高出力で運転できる。また、水素化媒体タンク1の貯蔵量がなくなった際に、脱水素化媒体をエンジン5に供給できる特徴もある。
Further, with such a configuration, the
また、脱水素化媒体は、エンジンに供給せずに、燃焼器4に供給して、水素供給装置3へ熱供給を行ってもよい。
Further, the dehydrogenation medium may be supplied to the
1 水素化媒体タンク
2 脱水素化媒体タンク
3 水素供給装置
4 燃焼器
5 エンジン
6,9 発電機
7 電力貯蔵装置
8 モータ
10 タイヤ
11 ヒータ
12 分離装置
13 排ガス流量調整装置
14 水素リッチガス供給装置
15 点火装置
16 混合装置
17,25 酸素濃度検出装置
18 水素流路
19 スペーサ
20 水素分離膜
21 流路突起
22 高熱伝導基板
23 燃料流路
24 触媒層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (9)
前記水素供給装置で生成された水素リッチガスと脱水素化媒体を分離する分離装置と、
前記分離装置で分離された水素リッチガスを燃料の一つとして駆動するエンジンと、
前記エンジンの廃熱を前記水素供給装置へ供給する廃熱供給装置と、
前記エンジンの動力で発電する発電機と、
前記発電機で発電した電力を充電する電力貯蔵装置と、
前記電力貯蔵装置から放電した電力を動力へ変換するモータと、を備えたことを特徴とするエンジンシステム。 A hydrogen supply device that generates a hydrogen-rich gas and a dehydrogenation medium by a dehydrogenation reaction of a hydrogenation medium that chemically stores hydrogen;
A separation device for separating the hydrogen-rich gas produced by the hydrogen supply device and the dehydrogenation medium;
An engine that drives the hydrogen-rich gas separated by the separator as one of fuels;
A waste heat supply device for supplying waste heat of the engine to the hydrogen supply device;
A generator for generating electric power from the engine;
A power storage device for charging the power generated by the generator;
An engine system comprising: a motor that converts electric power discharged from the power storage device into power.
前記燃焼装置又はヒータの熱を前記水素供給装置へ供給することを特徴とするエンジンシシステム。 The engine system according to claim 1, comprising at least one of a combustion device that burns the hydrogen-rich gas generated by the dehydrogenation medium or the hydrogen supply device, and a heater.
An engine system that supplies heat of the combustion device or heater to the hydrogen supply device.
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