JP2011058446A - 水素利用エンジン並びに脱水素反応器及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンの排ガスの熱を利用してガソリン等の燃料から水素を生成する脱水素反応器において、排ガスの持つ熱エネルギーを効率よく低温流体である燃料側に伝熱可能とする。
【解決手段】脱水素反応器２１は、燃料が導入される燃料流路５１と排ガスが導入される排ガス流路５２とが交互に複数段積層されるとともに、前記排ガス流路５２に金属多孔体６１（６１ａ、６１ｂ、６１ｃ）が充填され、該金属多孔体６１の平均細孔径が、排ガスの流れ方向で見て上流側（６１ａ）よりも下流側（６１ｃ）の方が小さくされてなる。
【選択図】図２

Description

本発明は、排ガスの熱を利用してガソリン等の燃料から水素を生成する脱水素反応器を備え、該脱水素反応器から得られる水素を燃料等として使用する水素利用エンジンに関する。

ガソリン等を燃料とする車載用エンジンは二酸化炭素を排出するため、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、下記特許文献１にも見られるように、化学反応を利用して必要なときに有機化合物から水素（気体）を取り出し、該水素を燃料等してエンジンで使用する技術が知られている。

ここで利用する化学反応は、吸熱反応である脱水素反応であり、水素を供給するためには熱源が必要になる。下記特許文献２では、熱源としてエンジンの排ガスを利用しており、排ガスから燃料への熱伝達を促進するため、排ガスの流路内に金属多孔体を充填し、伝熱性能の向上を図っている。

特開２００５−１４７１２４号公報 特開２００５−３０２４３号公報

しかしながら、上気した如くの従来の水素利用エンジンに備えられている脱水素反応器では、高温流体となる排ガスの持つ熱エネルギーを効率よく低温流体である燃料側に伝達できないという問題があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その主目的とするところは、排ガスの持つ熱エネルギーを効率よく低温流体である燃料側に伝熱可能とする脱水素反応器を備えた水素利用エンジンを提供することにある。

他の目的とするところは、伝熱性能の良い脱水素反応器及びその製造方法を提供することにある。

上記目的を達成すべく、本発明に係る水素利用エンジンは、基本的には、排ガスの熱を利用してガソリン等の燃料から水素を生成する脱水素反応器を備え、該脱水素反応器から得られる水素を燃料等として使用するようにされ、前記脱水素反応器は、前記燃料が導入される燃料流路と排ガスが導入される排ガス流路とが交互に複数積層されるとともに、前記排ガス流路には金属多孔体が充填されていて、該金属多孔体の平均細孔径が、排ガスの流れ方向で見て上流側よりも下流側の方が小さくされていることを特徴としている。

また、本発明に係る脱水素反応器は、エンジンの排ガスの熱を利用してガソリン等の燃料から水素を生成するもので、前記燃料が導入される燃料流路と前記排ガスが導入される排ガス流路とが交互に複数積層されるとともに、前記排ガス流路には金属多孔体が充填されていて、該金属多孔体の平均細孔径が、前記排ガスの流れ方向で見て上流側よりも下流側の方が小さくされていることを特徴としている。

この場合、好ましくは、前記排ガス流路の断面積が前記燃料流路の断面積よりも大きくされる。

前記流路を画成する隔壁と前記金属多孔体とは、好ましくは、ろう材で接合される。

一方、上記脱水素反応器の製造方法は、好ましくは、前記流路を画成する隔壁と前記金属多孔体とで、該隔壁と前記金属多孔体とを接合するためのシート状ろう材を挟む工程と、前記ろう材が溶融する温度まで加熱する工程と、を含んで構成される。

この場合、前記シート状ろう材の厚みを、前記金属多孔体における細孔径が小さな部分よりも細孔径が大きな部分の方を厚くすることが好ましい。

また、他の好ましい態様では、前記隔壁に接合すべき前記金属多孔体の端面部を平坦面にする工程を含むようにされる。

本発明に係る水素利用エンジンにおいて、脱水素反応器内を流れる排ガスは、熱を供給しながら温度低下で収縮する。このため、脱水素反応器内に排ガス流路と燃料流路とを交互に複数段積層し、さらに排ガス流路に金属多孔体を充填し、該金属多孔体の平均細孔径を、排ガスが高温かつ高速で流れる上流側では大きくし、排ガスが低温かつ低速になる下流側では小さくすることにより、圧力損失が大きくなりやすい排ガス流路の上流側では、圧力損失の増大を抑制することができ、一方、圧力損失が生じにくい排ガス流路の下流側では、金属多孔体の表面積の増大および代表径の低減により伝熱効率を向上させることができる。その結果、全体として、圧力損失の増大を抑制しつつ伝熱効率を大幅に向上させることが可能となり、排ガスの持つ熱エネルギーを効率よく低温流体である燃料側に伝達することができる。

本発明に係る水素利用エンジンの一実施形態を示す概略構成図。 図１に示される脱水素反応器の内部構造の一例を示す部分切欠拡大斜視図。 図２示される脱水素反応器の製造方法の一例、より詳しくは、流路を画成する隔壁と金属多孔体とをシート状ろう材を用いて接合する際の一工程の説明に供される図。 図２示される脱水素反応器の製造方法の一例、より詳しくは、流路を画成する隔壁と金属多孔体とをシート状ろう材を用いて接合する際の他の工程の説明に供される図。 図２示される脱水素反応器の製造方法の一例、より詳しくは、流路を画成する隔壁と金属多孔体とをシート状ろう材を用いて接合する際の他の工程の説明に供される図。 図３〜図５に示される脱水素反応器の製造方法の変形例の説明に供される図。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係る水素利用エンジンの一実施形態を示す概略構成図である。
図示例の水素利用エンジン１は、通常の車載用ガソリンエンジン等と同様に、シリンダ２、ピストン４、吸気弁６、排気弁７、点火プラグ８等を備えたエンジン本体１０を有し、該エンジン本体１０（の燃焼室５）には、吸気弁６を介して吸気通路１１が接続されるとともに、排気弁７を介して排気通路１２が接続され、吸気通路１１の下流端近くには吸気ポートに向けて燃料を噴射する燃料噴射弁９が臨設され、排気通路１２を含む排気系には、ガソリン等の有機物である液体燃料を、排気通路１２を流れる排ガスが持つ熱エネルギーを利用して分解して水素を発生させる水素生成装置２０が配備されている。

水素生成装置２０は、排ガスがその内部に導入される脱水素反応器２１及び第二熱交換機２２、第一熱交換機２３、供給タンク２４、回収タンク２５、分離装置２６等を備えている。

前記脱水素反応器２１は、図２に示される如くに、前記燃料が導入される、触媒が塗布された燃料流路５１と排ガスが導入される排ガス流路５２とが交互に複数段積層されるとともに、前記排ガス流路５２には金属多孔体６１が充填されている（詳細は後述）。

前記水素生成装置２０においては、まず、液体である燃料は、供給タンク２４からポンプ３０によって加圧され、配管４１を通って第一熱交換器２３に供給される。第一熱交換器２３では、脱水素反応器２１で反応した高温ガスが熱源となり、液体燃料が加熱されて気化する。気化した燃料は、配管４２を通り第二熱交換器２２で排ガスによってさらに加熱され、配管４３を通り、脱水素反応器２１内の、触媒が塗布された燃料流路５１に導入される。

前記脱水素反応器２１内の排ガス流路５２には、排気通路１２を流れる排ガスが導入される。反応器２１内においては、排ガスの熱エネルギーが燃料流路５１に伝達され、燃料流路５１では燃料の脱水素反応が進行して水素と副生成物のガスが発生する。

この水素と副生成物のガスは配管４７を通り、第一熱交換器２３に導かれ、常温の燃料と熱交換を行いながら、副生成物が液化する。２相流となった混合流体は配管４４を通って分離装置２６に導かれ、気体である水素と液体である副生成物に分離される。分離された液体燃料は配管４５を通って回収タンク２５に貯留される。一方、分離された水素は、配管４６を通って燃料噴射弁９に導かれ、該燃料噴射弁９から、水素単独で、あるいは、別系統で供給される副生成物及び／又は液体燃料と共に、吸気通路１１に噴射供給され、吸入空気と混合されて燃焼室５で燃焼せしめられ、燃焼廃ガス（排ガス）は排気通路１２に排出され、その熱エネルギーが水素生成装置２０で利用される。なお、上記構成では、燃料噴射弁９を吸気通路１１に配在した吸気ポート噴射式エンジンを例にとっているが、燃料噴射弁を燃焼室５に臨設した筒内噴射式エンジンでも略同じ構成となる。

次に、上記した脱水素反応器２１の詳細構成を説明する（第二熱交換機２２もこれに類似した構成）。脱水素反応器２１の内部は、図２に示される如くに、排ガス流路５２内に金属多孔体６１（６１ａ、６１ｂ、６１ｃ）が充填されている。これは、排ガスから燃料への熱伝達を促進するためである。さらに、排ガス流路５２に充填されている金属多孔体６１は、排ガスの流れ方向で見て上流側と下流側とでその平均細孔径が異なるものが使用されている。すなわち、脱水素反応器２１内を流れる排ガスは、熱を供給しながら温度低下で収縮するので、排ガスが高温かつ高速で流れる上流側では細孔径が大きな金属多孔体６１ａを使用して、圧力損失の増大を抑制する一方、排ガスが低温で低速になる下流側では、圧力損失が増大しにくいので、細孔径の小さな金属多孔体６１ｃを使用して、表面積の増大および流路の代表径の低減を図ることにより伝熱効率を向上させ、中間部では、細孔径が上流側のもの（６１ａ）と下流側のもの（６１ｃ）の中間のもの（６１ｂ）を使用し、全体として圧力損失の増大を抑制しつつ伝熱量を増大させ得るようになっている。

さらに、脱水素反応器２１において、燃料流路５１の断面積は排ガス流路５２の断面積よりも小さくされている。これは、反応物である燃料を燃料流路５１の壁面に塗布された触媒に効率よく接触させるためである。このため、流路断面の短辺の長さが１ｍｍ以下となっており、燃料流路５１で発生する圧力損失が大きくなっている。したがって、燃料流路５１の圧力は入口側（図２中右側）が高くなり、排ガス流路を狭める方向に応力がかかる。しかし、反応器２１の排ガス流路５２には金属多孔体が充填してあり、燃料流路５１の圧力による変形を阻止できるようになっている。さらに、金属多孔体６１の空孔率が同程度の場合、細孔径の大きな多孔体よりも小さな多孔体の方が圧縮強度が高い。反応器２１では、燃料の入口側かつ排ガスの出口側に細孔径の小さな金属多孔体が充填されているため、反応器２１の強度対策および伝熱効率の向上を同時に達成している。

ここで、図２に示される脱水素反応器２１では、細孔径の異なる三種類の金属多孔体６１ａ、６１ｂ、６１ｃを使用しているが、この数にこだわる必要は無く、細孔径の異なる二種類あるいは四種類以上の金属多孔体を用いてもよく、さらに、その配置順序としては、排ガス流路５２の入口側で金属多孔体６１の細孔径が大きくなるように設置されていればよい。また、使用する金属多孔体６１の種類が増すほど伝熱効率は向上するので、連続的に細孔径の大きさが変化している金属多孔体の使用が最も好ましい。

脱水素反応の生成物は、気体の水素と副生成物である。エンジン本体１０には水素を供給するため、水素と副生成物を分離する必要がある。この副生成物は常温では液体となるので、脱水素反応器２１の下流に冷却器を設置し、常温近傍まで冷却することで気体の水素と液体の副生成物に分離することが可能になる。一般的な生成物の冷却方法としては、外気を利用する方法があるが、新たに熱交換器を追加する必要があり、システムの肥大につながる。また、反応器２１では燃料を予め加熱しておいた方が、反応器２１の水素生成効率が向上する。したがって、第一熱交換器２３の高温側流体には脱水素反応の生成物を、低温側流体には燃料を使用することで、２つの目的を同時に達成している。

次に、排ガス流路５２への金属多孔体６１の充填方法を説明する。金属多孔体６１の接合面は、図３に示される如くに、一般的に丸みを帯びており、そのまま隔壁６３と接触させるだけでは点接触となるので、この２者間の熱抵抗が大きく、排ガスから金属多孔体６１に伝達された熱を効率よく隔壁に伝熱することができない。したがって、反応器２１の製造工程では、図３に示される如くに、流路５２を形成する隔壁６３と金属多孔体６１の間にシート状のろう材６２を配置する。この状態でろう材が溶融する温度まで加熱すると、表面張力により液化したろう材が移動し、図４に示される如くに、金属多孔体６１の端部にろう材６２が集まる。したがって、このろう材６２の熱伝導による伝熱が可能になるため、金属多孔体６１と隔壁６３とを接触させただけの場合と比較して、ろう付けした方が圧倒的に熱抵抗を小さく抑えることが可能になる。また、金属多孔体６１の接合面の反対側でも同様のろう付けが必要であるが、液化したろう材の移動は重力の影響よりも表面張力の影響が大きいため、上述の場合と同様の現象が起こる。

また、排ガス流路５２には細孔径の異なる金属多孔体（６１ａ、６１ｂ、６１ｃ）を充填するが、細孔径の小さな金属多孔体（６１ｃ）では、細孔径が大きなもの（６１ａ）と比較して、構成する金属の線径が細い。したがって、細孔径が小さい場合の金属多孔体（６１ｃ）と隔壁６３の点接触による熱抵抗を削減するためのろう材の必要量は減少する。さらに、シート状のろう材が適切な厚さよりも厚すぎると、液化して移動するろう材の量が多くなってしまい、金属多孔体内で目詰まりを起こす可能性が有る。したがって、金属多孔体の細孔径が小さくなるにつれ、接合に使用するろう材のシート厚を薄くすることが好ましい。

また、前記隔壁６３に接合すべき金属多孔体６１の端面部は丸みを帯びている（曲面となっている）ため、図６に示される如くに、金属多孔体６１の端面部６１ｓを平坦面にする（研磨する）ことで熱抵抗を減少させることができる。端面部（接合面）６１ｓが曲面ではなく平坦面になることで、接触面積が拡大する。このとき必要なろう材は、多孔体６１の端面部６１ｓ（接合面＝平坦面）と隔壁６３との間の微小な隙間を埋めるだけでよいので、ろう材の使用量を削減することが可能になり、多孔体６１の目詰まりを発生しにくくすることが可能になる。

１ 水素利用エンジン
１０ エンジン本体
１１ 吸気通路
１２ 排気通路
２０ 水素生成装置
２１ 脱水素反応器
２２ 第二熱交換器
２３ 第一熱交換器
２４ 供給タンク
２５ 回収タンク
２６ 分離装置
５１ 燃料流路
５２ 排ガス流路
６１（６１ａ、６１ｂ、６１ｃ） 金属多孔体
６２ ろう材
６３ 隔壁

Claims (7)

1. 排ガスの熱を利用してガソリン等の燃料から水素を生成する脱水素反応器を備え、該脱水素反応器から得られる水素を燃料等として使用する水素利用エンジンであって、
   前記脱水素反応器は、前記燃料が導入される燃料流路と排ガスが導入される排ガス流路とが交互に複数段積層されるとともに、前記排ガス流路には金属多孔体が充填されていて、該金属多孔体の平均細孔径が、排ガスの流れ方向で見て上流側よりも下流側の方が小さくされていることを特徴とする水素利用エンジン。
2. エンジンの排ガスの熱を利用してガソリン等の燃料から水素を生成する脱水素反応器であって、
   前記燃料が導入される燃料流路と前記排ガスが導入される排ガス流路とが交互に複数段積層されるとともに、前記排ガス流路には金属多孔体が充填されていて、該金属多孔体の平均細孔径が、前記排ガスの流れ方向で見て上流側よりも下流側の方が小さくされていることを特徴とする脱水素反応器。
3. 前記脱水素反応器は、前記排ガス流路の断面積が前記燃料流路の断面積よりも大きくされていることを特徴とする請求項２に記載の脱水素反応器。
4. 前記流路を画成する隔壁と前記金属多孔体とは、ろう材で接合されていることを特徴とする請求項２又は３に記載の脱水素反応器。
5. 前記流路を画成する隔壁と前記金属多孔体とで、該隔壁と前記金属多孔体とを接合するためのシート状ろう材を挟む工程と、
   前記ろう材が溶融する温度まで加熱する工程と、を含んで構成される請求項４に記載の脱水素反応器の製造方法。
6. 前記シート状ろう材の厚みを、前記金属多孔体における細孔径が小さな部分よりも細孔径が大きな部分の方を厚くすることを特徴とする請求項５に記載の脱水素反応器の製造方法。
7. 前記隔壁に接合すべき前記金属多孔体の端面部を平坦面にする工程を含むことを特徴とする請求項５又は６に記載の脱水素反応器の製造方法。

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