JP2013029039A - 燃料供給システム - Google Patents

Abstract

【課題】エネルギ出力手段へ供給される水素の温度を低下させることができる燃料供給システムを提供する。
【解決手段】水素を含有する化合物を燃料として消費してエネルギを出力するエンジンＥＧと、燃料を分解して水素を発生させる改質器１３とを備え、改質器１３にて発生した水素がエンジンＥＧに供給される燃料供給システムにおいて、改質器１３にて発生した水素を冷却する冷却手段１２を備える。この冷却手段１２により、改質器１３にて発生した水素を冷却することで、エンジンＥＧへ供給される水素の温度を低下させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、水素を含有する燃料を分解して水素を発生させ、当該水素を助燃剤としてエネルギ出力手段へ供給する燃料供給システムに関するものである。

従来、燃料であるアンモニアを分解して水素を発生させる改質器として、アンモニア分解触媒の存在下にアンモニアを分解して水素を製造するアンモニア分解帯域と、アンモニア分解帯域の上流側に、アンモニア酸化触媒の存在下にアンモニアを酸化させるアンモニア酸化帯域とを備えるものが開示されている（例えば、特許文献１参照）。

この特許文献１に記載の従来技術では、アンモニア酸化触媒を用いることで担体の酸化により熱を発生させ、この熱でアンモニア酸化反応を起動させ、同反応で生じた熱を下流側のアンモニア分解帯域に用いることができる。これにより、アンモニア分解工程で電気ヒータ等での予備加熱が不要となり、水素の製造コストを低減することができる。

特開２０１０−２６９９６５号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の従来技術では、改質器からエネルギ出力手段であるエンジンに供給される水素が高温になるので、エンジンに供給される燃料密度が低下する。このため、圧縮比が低下して、エンジン効率が低下するという問題がある。

本発明は上記点に鑑みて、エネルギ出力手段へ供給される水素の温度を低下させることができる燃料供給システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、水素を含有する化合物を燃料として消費してエネルギを出力するエネルギ出力手段（ＥＧ）と、燃料を分解して水素を発生させる改質手段（１３）とを備え、改質手段（１３）にて発生した水素がエネルギ出力手段（ＥＧ）に供給される燃料供給システムにおいて、改質手段（１３）にて発生した水素を冷却する冷却手段（１２、１４）を備えることを特徴とする。

これによれば、改質手段（１３）にて発生した水素を冷却することができるので、エネルギ出力手段（ＥＧ）へ供給される水素の温度を低下させることが可能となる。

また、請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の燃料供給システムにおいて、さらに、液体燃料貯蔵手段（１１）から流出した高圧液体燃料を気化させ、改質器（１３）側に流出させる気化手段（１２）を備え、改質手段（１３）は、気化手段（１２）にて気化された気体燃料を分解して水素を発生させ、冷却手段は、気化手段（１２）にて燃料を気化させる際の気化潜熱によって、改質手段（１３）にて発生した水素を冷却することを特徴とする。

これによれば、冷却手段として気化手段（１２）を用いることができるので、新たに外部からエネルギを加えることなく、エネルギ出力手段（ＥＧ）へ供給される水素の温度を低下させることが可能となる。

また、請求項３に記載の発明では、請求項２に記載の燃料供給システムにおいて、エネルギ出力手段（ＥＧ）は、燃料を燃焼させることによって機械的エネルギを出力し、さらに、エネルギ出力手段（ＥＧ）にて燃料を燃焼させた際に生じる排熱を改質手段（１３）へ供給する排熱供給手段（１５）を備えることを特徴とする。

これによれば、改質手段（１３）を加熱するための加熱手段としてエネルギ出力手段（ＥＧ）の排熱を利用することができるので、新たに外部からエネルギを加えることなく、改質手段（１３）において燃料を分解して水素を発生させることが可能となる。

また、請求項４に記載の発明では、請求項３に記載の燃料供給システムにおいて、さらに、エネルギ出力手段（ＥＧ）にて燃料が燃焼した際に生成される燃焼ガスを改質手段（１３）へ供給する燃焼ガス供給流路（１５）と、燃焼ガスに含まれる未燃焼の燃料を燃焼させる燃焼手段とを備えることを特徴とする。

これによれば、エネルギ出力手段（ＥＧ）において充分な燃焼が起こらなかった場合でも、燃焼手段にて燃料ガスに含まれる未燃焼の燃料を燃焼させることができる。したがって、エネルギ出力手段（ＥＧ）において充分な燃焼が起こらなかった場合でも、改質手段（１３）を充分に加熱して、燃料の改質反応に必要な熱を供給することが可能となる。

また、燃焼手段には、エネルギ出力手段（ＥＧ）にて生成された高温の燃焼ガスが供給される。このため、燃焼手段において、もともと高温であった燃焼ガスをさらに昇温することができる。したがって、より高温の燃焼ガスを改質手段（１３）へ供給することが可能となる。

また、請求項５に記載の発明では、請求項４に記載の燃料供給システムにおいて、さらに、燃焼ガス供給流路（１５）を流通する燃焼ガスに燃料を混合させる燃料混合手段（１６２）を備えることを特徴とする。

これによれば、エネルギ出力手段（ＥＧ）にて生成される燃焼ガスに未燃焼の燃料がほとんど含まれない場合であっても、燃料混合手段（１６２）にて燃焼ガスに燃料を混合させることで、燃焼手段において燃料を燃焼させて、改質手段（１３）における燃料の改質反応に必要な熱を供給することが可能となる。

また、請求項６に記載の発明では、請求項４または５に記載の燃料供給システムにおいて、さらに、燃焼手段において燃焼ガスに含まれる未燃焼の燃料を燃焼させるために必要な酸素を供給する酸素供給手段（１７１）を備えることを特徴とする。

これによれば、エネルギ出力手段（ＥＧ）にて生成される燃焼ガスに酸素がほとんど含まれない場合であっても、酸素供給手段（１７１）にて燃焼ガスに酸素を供給することで、燃焼手段において燃料を燃焼させて、改質手段（１３）における燃料の改質反応に必要な熱を供給することが可能となる。

また、請求項７に記載の発明では、請求項２ないし６のいずれか１つに記載の燃料供給システムにおいて、改質手段（１３）および気化手段（１２）は、１つの熱交換器（３）として一体的に構成されていることを特徴とする。

これによれば、改質手段（１３）および気化手段（１２）を小型化できる。さらに、改質手段（１３）および気化手段（１２）を接続する配管を廃止することができるので、当該配管において放熱等の熱損失が発生することを防止できる。

また、請求項８に記載の発明では、請求項４ないし６のいずれか１つに記載の燃料供給システムにおいて、改質手段（１３）、気化手段（１２）および燃焼手段は、１つの熱交換器（３）として一体的に構成されていることを特徴とする。

これによれば、改質手段（１３）、気化手段（１２）および燃焼手段を小型化できる。さらに、改質手段（１３）および気化手段（１２）を接続する配管を廃止することができるので、当該配管において放熱等の熱損失が発生することを防止できる。

具体的には、請求項９に記載の発明のように、請求項８に記載の燃料供給システムにおいて、熱交換器（３）は、液体燃料が流通するとともに、液体燃料を気化させる液体燃料流路（３１Ｂ）と、気体燃料が流通するとともに、気体燃料を分解して水素を発生させる気体燃料流路（３１Ａ）と、燃焼ガスが流通する燃焼ガス流路（３１Ｃ）とを有しており、気体燃料流路（３１Ａ）と燃焼ガス流路（３１Ｃ）との間には、燃焼ガスの有する熱を液体燃料に伝える第１伝熱部（３５１）が設けられており、液体燃料流路（３１Ｂ）と気体燃料流路（３１Ａ）との間には、水素の有する熱を液体燃料に伝える第２伝熱部（３５２）が設けられていてもよい。

また、請求項１０に記載の発明では、請求項１に記載の燃料供給システムにおいて、冷却手段は、改質手段（１３）にて発生した水素と熱媒体との間で熱交換を行い水素を冷却する熱交換器（１４）であることを特徴とする。これによれば、改質手段（１３）にて発生した水素を冷却する構成を容易かつ確実に実現できる。

さらに、請求項１１に記載の発明のように、請求項１ないし１０のいずれか１つに記載の燃料供給システムにおいて、具体的に、燃料としてアンモニアを採用してもよい。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

第１実施形態に係る燃料供給システムの全体構成図である。 第２実施形態に係る燃料供給システムの全体構成図である。 第３実施形態に係る燃料供給システムの全体構成図である。 第４実施形態に係る燃料供給システムの全体構成図である。 第５実施形態に係る燃料供給システムの全体構成図である。 第６実施形態に係る燃料供給システムの全体構成図である。 第６実施形態の熱交換器を示す斜視図である。 図７のＸ部分を示す分解斜視図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
以下、図面を用いて本発明の第１実施形態を説明する。図１は、本第１実施形態の燃料供給システム１の全体構成図である。この燃料供給システム１は、車両に適用されており、車両走行用の駆動力を出力するエネルギ出力手段としてのエンジン（内燃機関）ＥＧへ燃料を供給するものである。まず、燃料供給システム１は、加圧されて液化された高圧液体燃料を貯蔵する液体燃料貯蔵手段としての高圧タンク１１を備えている。

この高圧タンク１１に貯蔵される燃料は、エンジンＥＧにて燃料として燃焼させるために可燃性を有し、さらに、その製造コストを低減させるために高圧下においては常温（１５℃〜２５℃程度）でも液化させやすい燃料であることが望ましい。

そこで、本実施形態では、燃料として、可燃性を有し、常温であっても１．５ＭＰａ以下で液化する燃料として、アンモニア（ＮＨ_３）を採用している。さらに、アンモニアは水素を含有する燃料（化合物）であるから、改質することによって可燃性を有する水素ガスを生成することもできる。

この他にも同等の性質を有する燃料として、ジメチルエーテル、アルコール含有燃料等を採用することもできる。さらに、水素を含有する燃料であって、同燃料の分子中に、硫黄（Ｓ）、酸素（Ｏ）、窒素（Ｎ）およびハロゲンのうち少なくとも１種の原子が含まれるものであり、かつ、分子間にて水素結合が発現するものを採用してもよい。なお、この他にも、燃料としてプロパンを採用することもできる。

高圧タンク１１の燃料流出口には、気化器１２の燃料流入ポート１２ａが接続されている。気化器１２は、高圧タンク１１から流出した液相状態の燃料（液体燃料）を、後述する水素流入ポート１２ｃから流入した水素ガスと熱交換させることによって加熱して気化させる気化用熱交換器（気化手段）である。具体的には、気化器１２は、燃料が流通する燃料通路１２ｅと、水素ガスが流通する水素ガス通路１２ｆとを有している。

気化器１２にて気化された気相状態の燃料（気体燃料）は、気化器１２の燃料流出ポート１２ｂから流出する。この燃料流出ポート１２ｂから流出した気体燃料の流れは、２つの流れに分岐され、分岐された一方の気体燃料は、気体燃料をエンジンＥＧの燃焼室内へ噴射供給する燃料噴射弁（インジェクタ）へ流入し、分岐された他方の気体燃料は、気体燃料を改質して水素ガスを発生させる改質器１３へ流入する。

改質器１３は、気体燃料を触媒下で改質可能温度まで加熱して改質反応させることによって、水素ガスを発生させる改質手段である。具体的には、本実施形態では、燃料として水素含有燃料であるアンモニアを採用しているので、燃料を３００℃〜７００℃まで加熱して、触媒下にて改質反応をさせて水素ガスを発生させている。また、本実施形態では、気体燃料を改質可能温度まで加熱する加熱手段として、電気ヒータ（図示せず）を採用している。

改質器１３の水素流出口には、気化器１２の水素流入ポート１２ｃが接続されている。気化器１２では、上述したように、高圧タンク１１から流出した液体燃料と、水素流入ポート１２ｃから流入した水素ガスとの間で熱交換が行われる。すなわち、気化器１２では、液体燃料と水素ガスとを熱交換させることによって液体燃料が加熱されると同時に、水素ガスが冷却される。

つまり、高圧タンク１１から流出した液体燃料が気化する際に、気化器１２内を流通する水素ガスから気化潜熱分の熱量が吸熱され、水素ガスが冷却される。このとき、水素ガスの有する熱量を吸熱することによって燃料が加熱されて、燃料の気化が促進される。

したがって、気化器１２は、改質器１３にて発生した水素ガスを冷却してエンジンＥＧ側へ流出させる冷却手段としての機能を果たす。具体的には、本実施形態では、燃料として水素含有燃料であるアンモニアを採用しているので、水素ガスは−４０℃〜３００℃に冷却される。

気化器１２の水素流出ポート１２ｄには、エンジンＥＧの吸気ポートが接続されている。このため、改質器１３で発生して気化器１２で冷却された水素ガスは、補助燃料として吸気に混合されてエンジンＥＧの吸気ポートより燃焼室へ供給される。

本実施形態によれば、冷却手段としての機能を果たす気化器１２において、改質器１３にて発生した水素を冷却することができるので、エンジンＥＧへ供給される水素ガスの温度を低下させることが可能となる。これにより、エンジンＥＧに供給される燃料密度を上昇させることができるので、圧縮比を増大させてエンジンＥＧの効率を向上できる
また、冷却手段として気化器１２を用いることで、新たに外部からエネルギを加えることなく、エンジンＥＧへ供給される水素ガスの温度を低下させることができる。

また、気化器１２においては、燃料の気化潜熱によって水素ガスを冷却している。このため、燃料として気化潜熱の比較的高いアンモニアを採用することで、水素ガスを充分に冷却することができる。

さらに、本実施形態によれば、気化器１２において水素ガスの有する熱量を吸熱して加熱された気体燃料が改質器１３に流入するので、改質器１３の入口側から、すなわち改質器１３の全体において気体燃料の改質を行うことができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図２に基づいて説明する。本第２実施形態は、上記第１実施形態と比較して、改質器１３で発生した水素ガスを冷却する冷却手段として、冷却用熱交換器を採用した点が異なるものである。

図１は、本第２実施形態の燃料供給システム１の全体構成図である。本実施形態の気化器１２は、高圧タンク１１から流出した高圧液化燃料を減圧させて気化させる気化手段を構成するものである。

また、改質器１３にて発生した水素ガスは、冷却用熱交換器１４に流入する。この冷却用熱交換器１４は、改質器１３にて発生した水素ガスを、エンジン冷却水と熱交換させることによって冷却する冷却手段である。冷却用熱交換器１４で冷却された水素ガスは、補助燃料として吸気に混合されてエンジンＥＧの吸気ポートより燃焼室へ供給される。具体的には、冷却用熱交換器１４は、水素ガスが流通する水素ガス通路１４ａと、冷却水循環回路２０を循環するエンジン冷却水が流通する冷却水通路２１とを有している。

ここで、冷却水循環回路２０について説明する。冷却水循環回路２０は、エンジンＥＧを冷却する冷却水（例えば、エチレングリコール水溶液）を循環させる回路で、前述した冷却用熱交換器１４の冷却水通路２１、冷却水ポンプ２２、エンジンＥＧ内に形成されたエンジンＥＧの冷却用通路２３、ラジエータ２４を環状に接続したものである。

ラジエータ２４は、冷却水を外気と熱交換させることで冷却水を冷却する冷却水冷却手段である。また、冷却水ポンプ２２は、エンジンＥＧ内の冷却用通路２３へ冷却水を圧送する電動式のポンプであり、図示しないシステム制御装置から出力される制御信号によって回転数（流量）が制御される。そして、システム制御装置が、冷却水ポンプ２２を作動させると、冷却水は、冷却水ポンプ２２→エンジンＥＧ内の冷却用通路２３→ラジエータ２４→冷却用熱交換器１４内の冷却水通路２１→冷却水ポンプ２２の順に循環する。

このため、エンジンＥＧ内の冷却用通路２３で加熱された冷却水がラジエータ２４を通過することで、冷却水が冷却される。そして、冷却された冷却水が冷却用熱交換器１４の冷却水通路２１を通過することで、水素ガスが冷却される。その後、冷却水がエンジンＥＧ内の冷却用通路２３を通過することで、エンジンＥＧが冷却される。

本実施形態では、改質器１３にて発生した水素ガスを冷却する冷却手段として、水素ガスとエンジンＥＧの冷却水との間で熱交換を行い水素ガスを冷却する冷却用熱交換器１４を採用している。このため、冷却手段として、エンジンシステムに必須の構成であるエンジン冷却系統を利用することができるので、新たに外部からエネルギを加えることなく、エンジンＥＧへ供給される水素ガスの温度を低下させることができる。

さらに、本実施形態によれば、改質器１３がエンジンＥＧより先に温まった場合は、改質器１３から流出した高温の水素ガスと冷却水との間で熱交換が行われるので、エンジンＥＧの起動初期段階においてエンジンＥＧの早期暖機を行うことが可能となる。この結果、エンジンＥＧのフリクションロスを低減させることができ、車両燃費の向上を図ることができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図３に基づいて説明する。本第３実施形態は、上記第１実施形態と比較して、改質器１３の加熱手段としてエンジンＥＧの排熱を利用した点が異なるものである。

図３は、本第３実施形態の燃料供給システム１の全体構成図である。本実施形態では、改質器１３において気体燃料を改質可能温度まで加熱する加熱手段としてエンジンＥＧの排熱を採用している。

具体的には、本実施形態の燃料供給システムは、エンジンＥＧにて燃料が燃焼した際に生成される燃焼ガスを改質器１３へ供給する燃焼ガス供給流路１５を備えている。これにより、エンジンＥＧにて燃料を燃焼させた際に生じる排熱を改質器１３へ供給することができるので、燃焼ガス供給流路１５が本発明の排熱供給手段に相当している。

改質器１３は、気化器１２から流出した気体燃料を、エンジンＥＧから排出された燃焼ガスと熱交換させることによって加熱して分解させて、水素を発生させる熱交換器である。

改質器１３は、気化器１２の燃料流出ポート１２ｂに接続された気体燃料流入ポート１３ａ、気化器１２の水素流入ポート１２ｃに接続された水素流出ポート１３ｂ、および気体燃料流入ポート１３ａから流入した気体燃料が流通するとともに、当該気体燃料を分解して水素を発生させる燃料通路１３ｅを有している。

また、改質器１３は、燃焼ガス供給流路１５の出口側に接続された燃焼ガス流入ポート１３ｃ、および燃焼ガス流入ポート１３ｃから流入した燃焼ガスが流通する燃焼ガス通路１３ｆを有している。そして、改質器１３は、燃焼ガス通路１３ｆを流通する燃焼ガスと、燃料通路１３ｅを流通する気体燃料との間で熱交換を行うように構成されている。なお、燃料通路１３ｅを流通する気体燃料と熱交換させた後の燃焼ガスは、燃焼ガス流出ポート１３ｄから外部へ排出される。

改質器１３の燃焼ガス通路１３ｆ内には、燃焼ガスに含まれる未燃焼の燃料（アンモニア）を燃焼させる燃焼手段として、燃焼触媒が設けられている。

以上説明したように、改質器１３を加熱するための加熱手段としてエンジンＥＧの排熱を利用することで、新たに外部からエネルギを加えることなく、改質器１３において気体燃料を分解して水素ガスを発生させることが可能となる。

ところで、上述した従来技術では、改質器に供給される燃料の一部を酸化（燃焼）させることで熱を発生させ、当該熱を用いて気体燃料を分解させている。このため、燃料の一部がエンジンＥＧに供給される前に酸化されてしまい、エンジンＥＧの効率が低下するという問題がある。

さらに、上述した従来技術において、燃料としてアンモニアを採用した場合、改質器においてアンモニアを酸化させることにより水蒸気や窒素が生成されるので、当該水蒸気や窒素がエンジンＥＧに供給されてしまうという問題もある。この場合、エンジンＥＧの圧縮比を高くすることが困難となるので、エンジンＥＧの効率を向上できない。

これに対し、本実施形態では、エンジンＥＧの排熱、すなわち燃焼ガスの有する熱を利用して気体燃料を分解させているので、改質器１３に供給される燃料を燃焼させる必要がない。このため、燃料がエンジンＥＧに供給される前に酸化されることによりエンジンＥＧの効率が低下することを抑制できる。

また、本実施形態では、改質器１３において燃料を燃焼させることはないので、水蒸気や窒素がエンジンＥＧに供給されることを抑制できる。これにより、エンジンＥＧの圧縮比を高くすることができるので、エンジンＥＧの効率を向上させることが可能となる。

さらに、本実施形態では、改質器１３の燃焼ガス通路１３ｆ内に燃焼ガスに含まれる未燃焼の燃料を燃焼させる燃焼手段である燃焼触媒を設けているので、エンジンＥＧにおいて充分な燃焼が起こらなかった場合でも、燃焼触媒が配置された燃焼ガス通路１３ｆ内において、燃料ガスに含まれる未燃焼の燃料を燃焼させることができる。したがって、エンジンＥＧにおいて充分な燃焼が起こらなかった場合でも、改質器１３を充分に加熱して、気体燃料の改質反応に必要な熱を供給することができる。

また、本実施形態では、改質器１３の燃焼ガス通路１３ｆ内には、エンジンＥＧにて生成された高温の燃焼ガスが供給される。このため、燃焼触媒が配置された燃焼ガス通路１３ｆ内において、もともと高温であった燃焼ガスをさらに昇温することができる。したがって、より高温の燃焼ガスを改質器１３へ供給することが可能となる。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について図４に基づいて説明する。本第４実施形態は、上記第３実施形態と比較して、燃焼ガスに燃料を混合する燃料混合手段を設けた点が異なるものである。

図４は、本第４実施形態の燃料供給システム１の全体構成図である。本実施形態では、高圧タンク１１から流出した液体燃料の流れは、２つの流れに分岐され、分岐された一方の液体燃料は、気化器１２へ流入し、分岐された他方の液体燃料は、燃焼ガス供給流路１５へ流入する。

ここで、２つに分岐された一方の液体燃料が流通する流路を気化器側液体燃料流路１６１といい、２つに分岐された他方の液体燃料が流通する流路を混合側液体燃料流路１６２という。気化器側液体燃料流路１６１の出口側は、気化器１２の燃料流入ポート１２ａに接続されている。

混合側液体燃料流路１６２の出口側は、燃焼ガス供給流路１５に接続されている。このため、液体燃料は、混合側液体燃料流路１６２を介して、燃焼ガス供給流路１５を流通する燃焼ガスに混合される。したがって、混合側液体燃料流路１６２が、本発明の燃料混合手段に相当している。

より詳細には、混合側液体燃料流路１６２の出口側は、改質器１３の燃焼ガス通路１３ｆの上流側に接続されている。つまり、混合側液体燃料流路１６２の出口側は、燃焼手段としての燃焼触媒の上流側に接続されている。したがって、液体燃料は、燃焼ガス流れにおける燃焼触媒の上流側において、燃焼ガスに混合される。

混合側液体燃料流路１６２には、当該混合側液体燃料流路１６２を開閉する開閉手段としての第１電磁弁１６３が設けられている。この第１電磁弁１６３は、図示しないシステム制御装置から出力される制御電圧によってその作動が制御される。したがって、第１電磁弁１６３を開く時間を調整することによって、燃焼ガス供給流路１５内へ供給される燃料の供給流量を調整することができる。

本実施形態によれば、エンジンＥＧにて生成される燃焼ガスに未燃焼の燃料がほとんど含まれない場合であっても、混合側液体燃料流路１６２から燃焼ガス供給流路１５を流通する燃焼ガスに燃料を混合させることで、燃焼触媒が配置された燃焼ガス通路１３ｆ内において燃料を燃焼させて、改質器１３における燃料の改質反応に必要な熱を供給することが可能となる。

ところで、一般に、空気は大気圧であるのに対し、燃料は高圧タンク１１に加圧状態で保存されている。このため、圧力は、空気＜燃焼ガス＜燃料の順に高くなっている。したがって、従来技術のエンジンに燃料を供給するための燃料供給流路に空気を混入させる構成よりも、本実施形態のようにエンジンＥＧから排出された燃焼ガスが流通する燃焼ガス供給流路１５に燃料を混入させる構成のほうが、燃料の逆流を防ぎやすく、燃料混入量の微妙な制御を容易に行うことが可能となる。

（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態について図５に基づいて説明する。本第５実施形態は、上記第４実施形態と比較して、改質器１３の燃焼触媒において燃焼ガスに含まれる未燃焼の燃料を燃焼させるために必要な酸素を供給する酸素供給手段を設けた点が異なるものである。

図５は、本第５実施形態の燃料供給システム１の全体構成図である。本実施形態の燃焼ガス供給流路１５には、燃焼ガス供給流路１５を流通する燃焼ガスに空気を混合させる空気混合流路１７１が接続されている。空気混合流路１７１は、燃焼ガス供給流路１５における混合側液体燃料流路１６２との接続部よりも燃焼ガス流れ上流側に接続されている。つまり、空気混合流路１７１は、改質器１３の燃焼触媒よりも燃焼ガス流れ上流側に接続されている
空気混合流路１７１を介して燃焼ガスに空気を混合することで、改質器１３の燃焼触媒において燃焼ガスに含まれる未燃焼の燃料を燃焼させるために必要な酸素を供給することができる。したがって、空気混合流路１７１が、本発明の酸素供給手段に相当している。

空気混合流路１７１には、当該空気混合流路１７１を開閉する開閉手段としての第２電磁弁１７２が設けられている。この第２電磁弁１７２は、図示しないシステム制御装置から出力される制御電圧によってその作動が制御される。したがって、第２電磁弁１７２を開く時間を調整することによって、燃焼ガス供給流路１５内へ供給される空気の供給流量を調整することができる。

本実施形態によれば、エンジンＥＧにて生成される燃焼ガスに酸素がほとんど含まれない場合であっても、空気混合流路１７１から燃焼ガス供給流路１５を流通する燃焼ガスに空気（酸素）を供給することで、燃焼触媒が配置された燃焼ガス通路１３ｆ内において燃料を燃焼させて、改質器１３における燃料の改質反応に必要な熱を供給することが可能となる。

ところで、上述した従来技術では、エンジンに燃料を供給するための燃料供給流路に空気を混入させる構成であるので、改質器において燃料（アンモニア）を燃焼させることにより水蒸気や窒素が生成される。このため、水蒸気や窒素がエンジンＥＧに大量に供給されてしまうので、エンジンＥＧの圧縮比を高くすることが困難となり、エンジンＥＧの効率を向上できないという問題がある。

これに対し、本実施形態では、エンジンＥＧから排出された燃焼ガスが流通する燃焼ガス供給流路１５に空気を供給する構成であるので、エンジンＥＧに供給される燃料には水蒸気や窒素が混入することはない。したがって、エンジンＥＧの圧縮比を高くして、エンジンＥＧの効率を向上させることが可能となる。

（第６実施形態）
次に、本発明の第６実施形態について図６〜図８に基づいて説明する。本第６実施形態は、上記第３実施形態と比較して、気化器１２と改質器１３とを１つの熱交換器として一体に構成した点が異なるものである。

図６は本第６実施形態の燃料供給システム１の全体構成図である。本実施形態の燃料供給システム１は、気化器１２と改質器１３とを一体に構成した１つの熱交換器３を備えている。

図７は本第６実施形態の熱交換器３を示す斜視図、図８は図７のＸ部分を示す分解斜視図である。本実施形態の熱交換器３は、熱媒体（液体燃料、気体燃料、燃焼ガス）が流通する熱媒体流路３１を有する複数のプレート部材３２を多段積層することにより、熱交換を行なうコア部分が形成されたマイクロチャネル熱交換器である。各プレート部材３２には、溝部３３が形成されている。ここで、プレート部材３２における溝部３３以外の部位を壁部３４という。

この熱交換器３は、プレート部材３２に溝部３３を形成した後、壁部３４上に上部のプレート部材３２を重ねて、壁部３４および上部プレート部材３２間の接触部を接合することにより、熱交換を行なうコア部分を形成するようになっている。このとき、上述した熱媒体流路３１は、溝部３３およびその上部に配置されたプレート部材３２で囲まれた部分、すなわち上下一対のプレート部材３２および左右一対の壁部３４で囲まれた部分で構成されている。

具体的には、熱交換器３は、気体燃料用プレート３２Ａ、液体燃料用プレート３２Ｂおよび燃焼ガス用プレート３２Ｃの三種類のプレート部材３２を有している。

気体燃料用プレート３２Ａは、液体燃料用プレート３２Ｂおよび燃焼ガス用プレート３２Ｃの間に配置されている。また、気体燃料用プレート３２Ａは、気体燃料が流通するとともに、当該気体燃料を分解して水素を発生させる気体燃料流路３１Ａを形成する気体燃料用溝３３Ａを有している。

液体燃料用プレート３２Ｂは、気体燃料用プレート３２Ａの、プレート部材３２の積層方向（以下、プレート積層方向という）の一側、すなわち図８の紙面上側に配置されている。また、液体燃料用プレート３２Ｂは、液体燃料が流通するとともに、当該液体燃料を加熱して気化させる液体燃料流路３１Ｂを形成する液体燃料用溝３３Ｂを有している。

燃焼ガス用プレート３２Ｃは、気体燃料用プレート３２Ａのプレート積層方向他側、すなわち図８の紙面下側に配置されている。また、燃焼ガス用プレート３２Ｃは、燃焼ガスが流通する燃焼ガス流路３１Ｃを形成する燃焼ガス用溝３３Ｃを有している。燃焼ガス流路３１Ｃ内には燃焼触媒（図示せず）が配置されており、燃焼ガスに含まれる未燃焼の燃料が燃焼ガス流路３１Ｃ内で燃焼するようになっている。したがって、燃焼ガス流路３１Ｃが、本発明の燃焼手段に相当している。

気体燃料用溝３３Ａは、気体燃料用プレート３２Ａのほぼ全面に亘って形成されている。また、気体燃料用溝３３Ａは、気体燃料流路３１Ａが図８の紙面手前側において気体燃料流入ポート１３ａ（図６参照）に接続されるとともに、気体燃料流路３１Ａが図８の紙面奥側において水素流出ポート１２ｄ（図６参照）に接続されるように形成されている。このため、気体燃料用溝３３Ａを流通する気体燃料の流れ方向は、紙面手前側から奥側に向かう方向とほぼ一致する。

液体燃料用溝３３Ｂの主要部３３１は、液体燃料用プレート３２Ｂにおける図８の紙面奥側に形成されている。この主要部３３１は、図８の紙面左右方向に延びるように形成されている。

また、主要部３３１における図８の紙面奥側には、当該主要部３３１と燃料流入ポート１２ａ（図６参照）とを接続する流入部３３２が形成されている。この流入部３３２の紙面左右方向の長さは、主要部３３１の紙面左右方向の長さより狭く（例えば半分以下）なっている。

また、主要部３３１における図８の紙面手前側には、当該主要部３３１と燃料流出ポート１２ｂ（図６参照）とを接続する流出部３３３が形成されている。この流出部３３３の紙面左右方向の長さは、主要部３３１の紙面左右方向の長さより狭く（例えば半分以下）なっている。

流入部３３２は、主要部３３１の紙面左右方向一側の端部に接続されており、流出部３３３は、主要部３３１の紙面左右方向の他側の端部に接続されている。このため、主要部３３１を流通する燃料の流れ方向は、紙面左右方向一側から他側に向かう方向と一致する。

燃焼ガス用溝３３Ｃは、燃焼ガス用プレート３２Ｃにおける図８の紙面手前側に形成されている。また、燃焼ガス用溝３３Ｃは、燃焼ガス流路３１Ｃが図８の紙面右側において燃焼ガス流入ポート１３ｃ（図６参照）に接続されるとともに、燃焼ガス流路３１Ｃが図８の紙面左側において燃焼ガス流出ポート１３ｄ（図６参照）に接続されるように形成されている。

上述したように、燃焼ガス用溝３３Ｃは、燃焼ガス用プレート３２Ｃにおける図８の紙面手前側に形成されている。このため、燃焼ガス流路３１Ｃに隣接する気体燃料流路３１Ａのうち、プレート積層方向から見た際に燃焼ガス流路３１Ｃと重なる部分（図８における右上がり斜線部分）のみに、燃焼ガスの有する熱が伝熱する。なお、以下、燃焼ガス流路３１Ｃに隣接する気体燃料流路３１Ａのうち、プレート積層方向から見た際に燃焼ガス流路３１Ｃと重なる部分を、上流側部分ともいう。

つまり、気体燃料用プレート３２Ａにおける、気体燃料流路３１Ａの上流側部分と燃焼ガス流路３１Ｃとの間には、燃焼ガスの有する熱を液体燃料に伝える第１伝熱部３５１が設けられている。

したがって、気体燃料流路３１Ａの上流側部分が、気体燃料を燃焼ガスと熱交換させることによって加熱して分解させて水素ガスを発生させる改質器１３（改質手段）を構成している。このとき、燃焼ガス流路３１Ｃを流通する燃焼ガスの有する熱により、気体燃料流路３１Ａの上流側部分を流通する気体燃料が加熱されるので、燃焼ガス流路３１Ｃが本発明の加熱手段に相当している。

また、上述したように、液体燃料用溝３３Ｂは、液体燃料用プレート３２Ｂにおける図８の紙面奥側に形成されている。このため、液体燃料流路３１Ｂに隣接する気体燃料流路３１Ａのうち、プレート積層方向から見た際に液体燃料流路３１Ｂの主要部３３１と重なる部分（図８における右下がり斜線部分）のみにおいて、水素ガスの有する熱が液体燃料に伝熱する。なお、以下、液体燃料流路３１Ｂに隣接する気体燃料流路３１Ａのうち、プレート積層方向から見た際に液体燃料流路３１Ｂの主要部３３１と重なる部分を、下流側部分ともいう。

つまり、液体燃料用プレート３２Ｂにおける、液体燃料流路３１Ｂの主要部３３１と気体燃料流路３１Ａの下流側部分との間には、水素ガスの有する熱を液体燃料に伝える第２伝熱部３５２が設けられている。

これにより、液体燃料流路３１Ｂの主要部３１１において、液体燃料は水素ガスと熱交換されることによって加熱されて気化する。したがって、液体燃料流路３１Ｂの主要部３１１が気化器１２（気化手段）を構成している。

このとき、液体燃料流路３１Ｂの主要部３１１において液体燃料が気化する際に、気体燃料流路３１Ａの下流側部分を流通する水素ガスから気化潜熱分の熱量が吸熱され、水素ガスが冷却される。したがって、液体燃料流路３１Ｂの主要部３１１は、水素ガスを冷却する冷却手段としての機能も果たす。

以上説明したように、改質器１３および気化器１２を、１つの熱交換器３として一体的に構成することで、改質器１３および気化器１２を小型化できる。さらに、改質器１３および気化器１２を接続する配管を廃止することができるので、当該配管において放熱等の熱損失が発生することを防止できる。

また、本実施形態では、気体燃料用プレート３２Ａにおける、気体燃料流路３１Ａの上流側部分と燃焼ガス流路３１Ｃとの間に、燃焼ガスの有する熱を液体燃料に伝える第１伝熱部３５１を設けるとともに、液体燃料用プレート３２Ｂにおける、液体燃料流路３１Ｂの主要部３３１と気体燃料流路３１Ａの下流側部分との間に、水素ガスの有する熱を液体燃料に伝える第２伝熱部３５２を設けている。

すなわち、熱交換器３は、プレート積層方向から見た際に、第１伝熱部３５１と第２伝熱部３５２とが互いに重ならないように構成されている。換言すると、熱交換器３は、第１伝熱部３５１の熱流束ベクトルと第２伝熱部３５１の熱流束ベクトルとが、互いに重ならないように構成されている。

これにより、マイクロチャネル型の熱交換器３において、燃料ガスと液体燃料と水素ガスの間で選択的に熱交換を行わせることが可能となる。

（他の実施形態）
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、以下のように種々変形可能である。

（１）上記第２実施形態では、エンジン冷却水を冷却する冷却水冷却手段として、外気と冷却水とを熱交換させるラジエータ２４を設けた例について説明したが、冷却水冷却手段はこれに限定されない。例えば、冷却水冷却手段として、冷却水を液体燃料と熱交換させることで、冷却水を冷却するとともに、液体燃料を加熱して気化させる気化器を採用してもよい。また、冷却水冷却手段として、車室内へ送風する送風空気と冷却水との間で熱交換を行わせることで、冷却水を冷却するとともに、送付空気を加熱する車両用空調装置のヒータコアを採用してもよい。
（２）上記第３実施形態では、気体燃料を改質可能温度まで加熱する加熱手段として、改質器１３に燃料通路１３ｅおよび燃焼ガス通路１３ｆを設けるとともに、燃焼ガス通路１３ｆに燃焼ガスを流通させることで燃料通路１３ｅを流通する気体燃料を加熱した例について説明した。すなわち、上記第３実施形態では、加熱手段を、燃料が流通する流路とは別の流路で燃焼ガスを流通させて、改質器１３において燃料と燃焼ガスとが混合しないような構成とした例について説明したが、加熱手段はこのような構成に限定されない。例えば、加熱手段を、燃料が流通する流路と同じ流路で燃焼ガスを流通させて、改質器１３において燃料と燃焼ガスとが混合するような構成としてもよい。
（３）上記第３実施形態では、燃焼ガスに含まれる未燃焼の燃料を燃焼させる燃焼手段として、燃焼触媒を改質器１３の燃焼ガス通路１３ｆ内に設けた例について説明したが、燃焼手段としてはこれに限定されない。例えば、燃焼手段として、燃焼触媒を燃焼ガス供給流路１５に設けてもよいし、燃焼ガス供給流路１５にバーナを設けてもよい。なお、燃焼手段を廃止してもよい。

（４）上記第５実施形態では、改質器１３の燃焼触媒において燃焼ガスに含まれる未燃焼の燃料を燃焼させるために必要な酸素を供給する酸素供給手段として、空気混合流路１７１を採用した例について説明したが、酸素供給手段はこれに限定されない。例えば、酸素供給手段として、システム制御装置にてエンジンＥＧの空燃比をリーンに制御してエンジンＥＧから排出される燃焼ガス内に含まれる酸素量を増加させる構成を採用してもよい。

（５）上記第６実施形態では、燃焼ガスに含まれる未燃焼の燃料を燃焼させる燃焼手段として、燃焼触媒を熱交換器３の燃焼ガス流路３１Ｃ内に設けた例について説明したが、燃焼手段としてはこれに限定されない。例えば、燃焼手段として、燃焼触媒を燃焼ガス供給流路１５に設けてもよいし、燃焼ガス供給流路１５にバーナを設けてもよい。なお、燃焼手段を廃止してもよい。

（６）上述の各実施形態は、可能な範囲で適宜組み合わせることができる。

１１ 高圧タンク（液体燃料貯蔵手段）
１２ 気化器（気化手段、冷却手段）
１３ 改質器（改質手段）
１４ 冷却用熱交換器（冷却手段）
１５ 燃焼ガス供給流路（排熱供給手段）
１６２ 混合側液体燃料流路（燃料混合手段）
１７１ 空気混合流路（酸素供給手段）

Claims (11)

1. 水素を含有する化合物を燃料として消費してエネルギを出力するエネルギ出力手段（ＥＧ）と、
   前記燃料を分解して水素を発生させる改質手段（１３）とを備え、
   前記改質手段（１３）にて発生した水素が前記エネルギ出力手段（ＥＧ）に供給される燃料供給システムであって、
   前記改質手段（１３）にて発生した水素を冷却する冷却手段（１２、１４）を備えることを特徴とする燃料供給システム。
2. さらに、液体燃料貯蔵手段（１１）から流出した高圧液体燃料を気化させ、前記改質器（１３）側に流出させる気化手段（１２）を備え、
   前記改質手段（１３）は、前記気化手段（１２）にて気化された気体燃料を分解して水素を発生させ、
   前記冷却手段は、前記気化手段（１２）にて前記燃料を気化させる際の気化潜熱によって、前記改質手段（１３）にて発生した水素を冷却することを特徴とする請求項１に記載の燃料供給システム。
3. 前記エネルギ出力手段（ＥＧ）は、前記燃料を燃焼させることによって機械的エネルギを出力し、
   さらに、前記エネルギ出力手段（ＥＧ）にて前記燃料を燃焼させた際に生じる排熱を前記改質手段（１３）へ供給する排熱供給手段（１５）を備えることを特徴とする請求項２に記載の燃料供給システム。
4. さらに、前記エネルギ出力手段（ＥＧ）にて前記燃料が燃焼した際に生成される燃焼ガスを前記改質手段（１３）へ供給する燃焼ガス供給流路（１５）と、
   前記燃焼ガスに含まれる未燃焼の前記燃料を燃焼させる燃焼手段とを備えることを特徴とする請求項３に記載の燃料供給システム。
5. さらに、前記燃焼ガス供給流路（１５）を流通する前記燃焼ガスに前記燃料を混合させる燃料混合手段（１６２）を備えることを特徴とする請求項４に記載の燃料供給システム。
6. さらに、前記燃焼手段において前記燃焼ガスに含まれる未燃焼の前記燃料を燃焼させるために必要な酸素を供給する酸素供給手段（１７１）を備えることを特徴とする請求項４または５に記載の燃料供給システム。
7. 前記改質手段（１３）および前記気化手段（１２）は、１つの熱交換器（３）として一体的に構成されていることを特徴とする請求項２ないし６のいずれか１つに記載の燃料供給システム。
8. 前記改質手段（１３）、前記気化手段（１２）および前記燃焼手段は、１つの熱交換器（３）として一体的に構成されていることを特徴とする請求項４ないし６のいずれか１つに記載の燃料供給システム。
9. 前記熱交換器（３）は、
   前記液体燃料が流通するとともに、前記液体燃料を気化させる液体燃料流路（３１Ｂ）と、
   前記気体燃料が流通するとともに、前記気体燃料を分解して水素を発生させる気体燃料流路（３１Ａ）と、
   前記燃焼ガスが流通する燃焼ガス流路（３１Ｃ）とを有しており、
   前記気体燃料流路（３１Ａ）と前記燃焼ガス流路（３１Ｃ）との間には、前記燃焼ガスの有する熱を前記液体燃料に伝える第１伝熱部（３５１）が設けられており、
   前記液体燃料流路（３１Ｂ）と前記気体燃料流路（３１Ａ）との間には、前記水素の有する熱を前記液体燃料に伝える第２伝熱部（３５２）が設けられていることを特徴とする請求項８に記載の燃料供給システム。
10. 前記冷却手段は、前記改質手段（１３）にて発生した水素と熱媒体との間で熱交換を行い前記水素を冷却する熱交換器（１４）であることを特徴とする請求項１に記載の燃料供給システム。
11. 前記燃料は、アンモニアであることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１つに記載の燃料供給システム。

Images