JP2013067588A - 動力変換システム - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明は、有機ハイドライドを使用してエネルギー変換効率に優れた動力変換システムを提供する。
【解決手段】本発明の動力変換システムＳは、供給される有機ハイドライドを所定の触媒の存在下に加熱して水素及び有機ハイドライドの脱水素化物を生成する水素発生装置１と、前記水素発生装置１で得られる水素と有機ハイドライドの脱水素化物とを分離すると共に水素を送出する分離装置２と、前記分離装置２から送出される水素を燃焼させることで動力を得る動力変換装置４と、前記動力変換装置４から排出される排ガスと、前記水素発生装置１に供給する前の有機ハイドライドとの間で熱交換を行う熱交換器５と、前記熱交換器５での熱交換で過熱蒸気となった有機ハイドライドにより動力を発生すると共にこの有機ハイドライドを前記水素発生装置１に送出する膨張機６と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱機関の排熱を利用して動力を生成する動力変換システムに関する。
自然エネルギーを備蓄し、電力の需給バランスを緩和することができるエネルギー貯蔵手段として、有機ハイドライドを利用するものが挙げられる。
有機ハイドライドは、所定の触媒の存在下で加熱すると脱水素反応により水素と例えば芳香族炭化水素等からなる脱水素化物とを生成する。また、この脱水素化物と水素とを所定の触媒の存在下で反応させると、有機ハイドライドを生成する。したがって、例えば、太陽光、地熱等の自然エネルギーから得た電気を利用して水を電気分解すると共に、この電気分解で得られた水素を有機ハイドライドとして高密度に貯蔵することができる。
従来、有機ハイドライドから取り出した水素を供給する水素供給システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。この水素供給システムは、燃焼タービン発電装置の高温排ガスを熱源として有機ハイドライドから水素を生成するように構成されている。
特開２００４−１９７７０５号公報
しかしながら、従来の水素供給システム（例えば、特許文献１参照）は、燃焼タービンの高温排ガス熱を有機ハイドライドからの水素の生成に使いきることは難しい。つまり、従来の水素供給システムは、余剰の排ガス熱が捨てられてエネルギー変換効率が低い課題がある。
そこで、本発明の課題は、有機ハイドライドを使用してエネルギー変換効率に優れた動力変換システムを提供することにある。
前記課題を解決する本発明の動力変換システムは、供給される有機ハイドライドを所定の触媒の存在下に加熱して水素及び有機ハイドライドの脱水素化物を生成する水素発生装置と、前記水素発生装置で得られる水素と有機ハイドライドの脱水素化物とを分離すると共に水素を送出する分離装置と、前記分離装置から送出される水素を燃焼させることで動力を得る動力変換装置と、前記動力変換装置から排出される排ガスと、前記水素発生装置に供給する前の有機ハイドライドとの間で熱交換を行う熱交換器と、前記熱交換器での熱交換で過熱蒸気となった有機ハイドライドにより動力を発生すると共にこの有機ハイドライドを前記水素発生装置に送出する膨張機と、を備えることを特徴とする。
この動力変換システムによれば、動力変換装置からの排熱で有機ハイドライドを加熱し、過熱蒸気となった有機ハイドライドを膨張機に供給して動力を得る。そして、膨張機を通過した有機ハイドライドは水素発生装置に供給され、水素を生成し、この水素は動力変換装置が動力を発生する際の燃料として使用される。
本発明によれば、有機ハイドライドを使用してエネルギー変換効率に優れた動力変換システムを提供することができる。
本発明の第１実施形態に係る動力変換システムの構成説明図である。 （ａ）は動力変換システムの水素発生装置の断面図であり、（ｂ）は水素発生装置に内蔵する反応セルの断面図であり、（ｃ）は反応セルに内蔵する反応シートの断面図である。 本発明の第２実施形態に係る動力変換システムの構成説明図である。 本発明の第３実施形態に係る動力変換システムの構成説明図である。 本発明の第４実施形態に係る動力変換システムの構成説明図である。 本発明の第５実施形態に係る動力変換システムの構成説明図である。 本発明の第５実施形態に係る動力変換システムにおいて、昇圧ポンプＰ１の駆動又は停止、バルブＶ３の切り替え、及びバルブＶ４の開閉のタイミングを説明するタイムチャートである。 本発明の第５実施形態に係る動力変換システムのコントローラが、バルブＶ３の切り替え、及びバルブＶ４の開閉の制御を行う手順を示すフローチャートである。
以下に、本発明の第１実施形態から第４実施形態について適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
（第１実施形態）
図１に示すように、本実施形態に係る動力変換システムＳは、水素発生装置１と、分離装置２と、第１膨張機３等を有する動力変換装置４と、熱交換器５と、第２膨張機６と、を備えている。なお、第１膨張機３は、特許請求の範囲にいう「水素燃焼装置からの水素燃焼ガスにより動力を発生させる膨張機」に相当する。また、第２膨張機６は、特許請求の範囲にいう「有機ハイドライドにより動力を発生すると共にこの有機ハイドライドを水素発生装置に送出する膨張機」に相当する。
この動力変換システムＳは、有機ハイドライドを利用して得られた動力によって発電するものであり、有機ハイドライドの過熱蒸気により動力を発生すると共に、この有機ハイドライドから得られる水素を燃焼させて動力を発生させる構成となっている。
なお、第１膨張機３は、水素燃焼ガスを供給するガスタービンで構成され、第２膨張機６は、有機ハイドライドの過熱蒸気を供給する蒸気タービンで構成される。
有機ハイドライドは、芳香族炭化水素の水素化物であり、芳香族炭化水素の炭素−炭素間二重結合に水素が付加することより水素を脱離可能に貯蔵している。
この有機ハイドライドとしては、例えば、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン、ジメチルシクロヘキサン等の単環式水素化芳香族類、テトラリン、デカリン、メチルデカリン等の２環式水素化芳香族類、テトラデカヒドロアントラセン等の３環式水素化芳香族類等が挙げられる。そして、所定の触媒の存在下で加熱すると有機ハイドライドは、水素と有機ハイドライドの脱水素化物である前記芳香族炭化水素とに分解する。ちなみに、有機ハイドライドの脱水素化物としては、例えば、ベンゼン、トルエン、キシレン、メシチレン、ナフタレン、メチルナフタレン、アントラセン等が挙げられる。
有機ハイドライドについて前記メチルシクロヘキサン[Ｃ６Ｈ１１（ＣＨ３）]を例にさらに詳しく説明すると、メチルシクロヘキサンは、次式（１）に示すように、水素（Ｈ２）と有機ハイドライドの脱水素化物としてのトルエン[Ｃ６Ｈ５（ＣＨ３）]とに分解する。
Ｃ６Ｈ１１（ＣＨ３）→Ｃ６Ｈ５（ＣＨ３）＋３Ｈ２−２０５ｋＪ・・・（１）
ちなみに、式（１）で示される反応は、吸熱反応であり、１モルのメチルシクロヘキサンから３モルの水素が生成する際に２０５ｋＪの熱が吸収されるため加熱下に前記反応を行うことが望ましい。なお、本実施形態では、有機ハイドライドとしてメチルシクロヘキサンを使用することを前提に、この加熱温度を３００〜４００℃程度に設定しているが、この加熱温度は、使用される前記有機ハイドライドの種類に応じて適宜に設定することができる。
水素発生装置１は、有機ハイドライドが貯蔵される後記の第１タンク７から後記する分離装置２、熱交換器５、及び第２膨張機６を介して供給される有機ハイドライドをその脱水素化物と水素とに分解するものである。なお、図１中、符号Ｐ１は第１タンク７の有機ハイドライドを昇圧して第２膨張機６側に向けて供給する昇圧ポンプであり、符号Ｖ１はバルブであり、これらは第１タンク７と分離装置２との間を繋ぐ配管途中に設けられている。これらの昇圧ポンプＰ１及びバルブＶ１は、第１タンク７から分離装置２に向けて送出する有機ハイドライドの流量、流速、圧力等を調節するためのものである。
次に参照する図２（ａ）は水素発生装置の断面図であり、図２（ｂ）は水素発生装置に内蔵する反応セルの断面図であり、図２（ｃ）は反応セルに内蔵する反応シートの断面図である。
水素発生装置１は、図２（ａ）に示すように、外形が円柱状を呈する複数本の反応セル３１と、これらの反応セル３１を収容した円筒状の第１ケーシング３２と、を備えている。そして、各反応セル３１内には、図１に示す第１タンク７に貯留される有機ハイドライド（例えば、メチルシクロヘキサン）が、後記する分離装置２、熱交換器５、及び第２膨張機６を介して送り込まれる。
反応セル３１同士の間に形成される間隙には、後記する水素燃焼装置８からの高温の水素燃焼ガスが通流するようになっている。
第１ケーシング３２及び後記する第２ケーシング３４は、熱伝導率が高くなるように金属製（例えば、ＳＵＳ）で形成されている。なお、第１ケーシング３２、第２ケーシング３４の形状は、円筒状に限定されず、その他に例えば、四角形筒状、多角形筒状でもよい。
反応セル３１は、図２（ｂ）に示すように、積層された複数枚の反応シート３３と、複数枚の反応シート３３を収容した第２ケーシング３４と、を備えている。
各反応シート３３は、図２（ｃ）に示すように、ベースとなる金属箔３５と、金属箔３５の両面にそれぞれ形成された多孔質層３６と、多孔質層３６に担持された触媒３７と、を備えている。つまり、各反応シート３３は、触媒３７が担持した多孔質層３６、金属箔３５、触媒３７が担持した多孔質層３６の順で積層した三層構造である。
なお、厚さ方向において隣り合う反応シート３３、３３間には、有機ハイドライド、生成した水素及び脱水素化物（例えば、トルエン）が通流可能な隙間が形成されている。
また、反応シート３３はシート状であるから、その熱容量が小さく、熱が反応シート３３を速やかに伝導し、触媒３７がその触媒機能を良好に発揮する温度に速やかに昇温する。これにより、有機ハイドライドを水素と脱水素化物とに分解する分解反応の効率は、高くなっている。
さらに、各反応シート３３には、複数の貫通孔３３ａが形成されている。これにより、水素燃焼ガスの熱が厚さ方向に良好に伝導し、また、有機ハイドライド、生成した水素及び脱水素化物が、厚さ方向にも良好に通流するようになっている。
金属箔３５は、例えばアルミニウム箔で構成され、その厚さは５０〜２００μｍ程度とされる。ただし、金属箔３５を備えず、又は、金属箔３５に代えて、ベースとなる多孔質層を備え、反応シート３３全体を多孔質構造としてもよい。
多孔質層３６は、触媒３７を担持するための層であって、有機ハイドライド、生成した水素及び脱水素化物が通流可能な複数の細孔を有している。このような多孔質層３６は、例えば、アルミナ、チタニア、シリカ、ジルコニア等を主体とする酸化物で形成することができる
触媒３７は、有機ハイドライドを分解し、水素及び脱水素化物を生成させるための触媒である。このような触媒３７は、例えば、白金、ニッケル、パラジウム、ロジウム、イリジウム、ルテニウム、モリブデン、レニウム、タングステン、バナジウム、オスミウム、クロム、コバルト、鉄等から選択された少なくとも１種で構成される。
ちなみに、水素発生装置１（図１参照）を通流した水素燃焼ガスは、水素発生装置１に接続された所定の配管（図示省略）を通って水素発生装置１の外部に排出されるようになっている。
水素発生装置１の温度は、熱交換器５から水素発生装置１に向けて送り込まれる水素燃焼ガスの温度、及びその水素燃焼ガスの流量によって調節することができる。また、本実施形態での水素発生装置１の温度は、前記したように、有機ハイドライドとしてメチルシクロヘキサンを使用することを前提に、３００〜４００℃程度に設定することを想定しているが、これに限定されるものではなく、使用する有機ハイドライドの種類に応じた分解温度の範囲内で適宜に設定することができる。
再び図１に戻って、分離装置２としては、水素発生装置１から送出される高温の前記有機ハイドライド（例えば、メチルシクロヘキサン）の脱水素化物（例えば、トルエン）、及び水素の混合物を、脱水素化物の沸点未満（トルエンの場合にはｂｐ．１１１℃未満）の温度に冷却することで、液体としての脱水素化物と、気体としての水素とを気液分離する構成となっている。そして、分離装置２は、分離した水素を後記する動力変換装置４に送出するようになっている。
本実施形態での分離装置２は、第１タンク７から供給される有機ハイドライドと、水素発生装置１から送出される脱水素化物及び水素の混合物との間で熱交換することで、気体としての脱水素化物を冷却して凝縮させる構成となっている。この具体的な構成としては、例えば、脱水素化物及び水素の混合物が流入するチャンバ内に、第１タンク７から供給される有機ハイドライドが通流する冷却管が配置されるものが挙げられる。
なお、分離装置２では、第１タンク７から供給される有機ハイドライドが、後記する熱交換器５に供給される前に、脱水素化物及び水素の混合物によって、予熱されるようになっている。
動力変換装置４としては、前記分離装置から送出される水素を燃焼させる水素燃焼装置８と、この水素燃焼装置８に圧縮した空気を送り込む軸流式の圧縮機９と、水素燃焼装置８からの高温高圧の水素燃焼ガスにより動力を発生させる膨張タービンであって、圧縮機９と同軸に連結される第１膨張機３と、を備えている。
そして、第１膨張機３の出力軸は、第１発電機１０の入力軸に連結されている。つまり、第１発電機１０は、動力変換装置４が発生する動力によって発電するようになっている。
この第１膨張機３は、高温の水素燃焼ガスを後記する熱交換器５に送出するようになっている。
熱交換器５は、第１膨張機３から排気された高温の水素燃焼ガスと、分離装置２で予熱された有機ハイドライドとの間で熱交換を行うように構成されている。このことで分離装置２から送出された有機ハイドライドは、３００℃を超える過熱蒸気となって、次の第２膨張機６に供給されるようになっている。
第２膨張機６は、膨張タービンで構成され、熱交換器５から供給される高温高圧の過熱蒸気となった有機ハイドライドにより動力を発生するようになっている。そして、第２膨張機６の出力軸は、第２発電機１１の入力軸に連結されている。つまり、第２発電機１１は、過熱蒸気となった有機ハイドライドにより第２膨張機６が発生する動力で発電するようになっている。
そして、この第２膨張機６は、高温の有機ハイドライドガスを前記した水素発生装置１に送出するようになっている。ちなみに、この有機ハイドライドガスの温度は３００〜４００℃程度を維持している。
このような第１実施形態に係る動力変換システムＳは、分離装置２で分離された有機ハイドライドの脱水素化物を貯留する第２タンク１２を備えている。
なお、本実施形態に係る動力変換システムＳにおいては、水素発生装置１に供給される有機ハイドライドガスの全てを、その脱水素化物と水素とに分解することを想定しているが（分解率１００％）、有機ハイドライドの分解率が１００％未満である場合には、未分解の有機ハイドライドは液体として、第２タンク１２に回収されることとなる。
また、図示しないが、第１実施形態に係る動力変換システムＳは、分離装置２と、水素燃焼装置８とを繋ぐ配管の途中に、水素を圧縮して水素燃焼装置８に送出する圧縮機を配置することができる。
以上のような第１実施形態に係る動力変換システムＳによれば、動力変換装置４からの排ガスの熱（排熱）の大部分を利用して、水素発生装置１にて有機ハイドライドから効率よく水素を生成できる。また、前記した排熱を第２膨張機６にて膨張仕事（動力）に変換することで発電が可能となる。そして、生成した前記水素を燃焼させて発生した熱を第１膨張機３にて膨張仕事（動力）に変換することで発電が可能となる。これにより動力変換システムＳは、エネルギー変換効率に優れたものとなる。
なお、第２膨張機６及び第２発電機１１は、同軸上、或いは変速機を介して繋がっていてもよい。このような構成によれば、始動時における第２発電機１１はモータとして作動することができる。
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る動力変換システムＳについて、構成説明図である図３を参照しながら説明する。
図３に示すように、本実施形態に係る動力変換システムＳは、前記第１実施形態に係る動力変換システムＳ（図１参照）において使用した第２膨張機６（図1参照）に代えて、膨張機型水素発生装置２０を使用すると共に、第２膨張機６（図1参照）の下流側に設けられる水素発生装置１（図１参照）を省略した以外は、第１実施形態と同様に構成されている。つまり、第２実施形態では、膨張機型水素発生装置２０が第１実施形態での水素発生装置１と第２膨張機６とを兼ねている。以下では、主に膨張機型水素発生装置２０について説明し、第１実施形態と同様の構成要素については同じ符号を付して詳細な説明を省略する。
図３に示す膨張機型水素発生装置２０は、膨張タービンで構成されると共にその内部において過熱蒸気となった有機ハイドライドガスが通流する流路に臨むように前記した触媒を有している。触媒の配置位置としては、分離装置２に向けて有機ハイドライドガスを送出するための出口近傍が望ましい。ちなみに、触媒は、所定のケーシング（図示省略）内に充填されると共に、このケーシングが有機ハイドライドガスの流路上に配置される。
また、触媒は、前記した膨張タービンのタービンブレードに直接担持させることもできる。このような膨張タービンからなる膨張機型水素発生装置２０によれば、高速回転するタービンブレードの表面での触媒作用により、有機ハイドライドから水素と脱水素化物とが生成する際に、それらの密度差によって（遠心力によって）それらが分離し易くなる。その結果、反応系の脱水素化物の分圧が低下することで、有機ハイドライドの反応温度（分解温度）を下げることができる。具体的には、触媒をタービンブレードに担持させない膨張機型水素発生装置２０での有機ハイドライドの反応温度の下限を仮に２５０℃程度とした場合に、触媒をタービンブレードに担持させた膨張機型水素発生装置２０での有機ハイドライドの反応温度の下限は、１５０℃程度にまで下げることができる。
また、膨張機型水素発生装置２０には、未分解の有機ハイドライド、生成した水素、及び脱水素化物を含む混合物から、水素を分離する水素分離膜（図示省略）を設けることができる。
水素分離膜の位置としては、膨張機型水素発生装置２０を構成する前記膨張タービンの所定のガス出口と、分離装置２から水素燃焼装置８に水素を供給する経路とを接続するバイパス経路Ｂｐを設けると共に、このパス経路Ｂｐの基端となる前記したガス出口付近が望ましい。このような水素分離膜としては、例えばパラジウム合金膜が挙げられる。
このような水素分離膜を備えて膨張機型水素発生装置２０（膨張タービン）から水素を途中で抜き出す構成（抽気構成）によれば、膨張機型水素発生装置２０（膨張タービン）の前後のエンタルピー差を大きくすることができるので、膨張タービンの出力を高めることができる。その結果、動力変換システムＳの効率がさらに向上することとなる。
このような膨張機型水素発生装置２０を備える動力変換システムＳにおいては、熱交換器５から供給される高温高圧の過熱蒸気となった有機ハイドライドにより膨張機型水素発生装置２０が動力を発生するように構成されている。そして、本実施形態での膨張機型水素発生装置２０の出力軸は、第２発電機１１の入力軸に連結されている。つまり、第２発電機１１は、過熱蒸気となった有機ハイドライドガスにより膨張機型水素発生装置２０が発生する動力で発電するようになっている。
そして、この膨張機型水素発生装置２０内では、高温の有機ハイドライドガスが前記したケーシング（図示省略）内を通過する際に、有機ハイドライドガスは触媒に接触することで水素と有機ハイドライドの脱水素化物とに分解される。その後、水素と脱水素化物との混合物は、気体のまま膨張機型水素発生装置２０の出口から分離装置２に向けて送出されることとなる。ちなみに、分離装置２は、膨張機型水素発生装置２０を出た脱水素化物を凝縮させるコンデンサ（凝縮器）の役割を果たし、膨張機型水素発生装置２０の出力を大幅に向上させる。
以上のような本実施形態に係る動力変換システムＳによれば、前記第１実施形態に係る動力変換システムＳ（図１参照）と同様の作用効果を奏すると共に、前記第１実施形態での水素発生装置１を省略することができるので、システムの小型化を達成することができる。また、膨張機型水素発生装置２０は、動力を発生させる膨張タービン内で有機ハイドライドを分解して水素を発生させるように構成されているので、これを備える動力変換システムＳによれば、別途、水素発生装置１を設けるものよりも、熱効率が向上することで（熱損失の低下を防止することで）エネルギー変換効率がさらに優れたものとなる。
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態に係る動力変換システムＳについて、構成説明図である図４を参照しながら説明する。
図４に示すように、本実施形態に係る動力変換システムＳは、前記第１実施形態に係る動力変換システムＳ（図１参照）において使用した動力変換装置４（図１参照）、つまり、図１に示す水素燃焼装置８、圧縮機９、及び第１膨張機３に代えて、エンジン１３（内燃機関）を使用した以外は、第１実施形態と同様に構成されている。以下では、主にエンジン１３（動力変換装置としての内燃機関）について説明し、第１実施形態と同様の構成要素については同じ符号を付して詳細な説明を省略する。
なお、前記第１実施形態での第２膨張機６（図１参照）は、前記したように第１膨張機３（図１参照）を省略したことで本実施形態では単に「膨張機６」（図４参照）と称する（次の第４実施形態においても同じ（図５参照））。
図４に示すエンジン１３は、第３タンク１４に貯蔵される燃料（石油や天然ガス等）と、有機ハイドライドを分解して得られる前記水素とを燃焼させて動力を発生するものである。このエンジン１３は特許請求の範囲にいう「内燃機関」に相当する。
エンジン１３は、レシプロ型及びロータリ型のいずれであってもよい。また、エンジン１３は、火花点火方式及び圧縮着火方式のいずれであってもよい。
このエンジン１３には、所定の吸気系に空気が供給されると共に、このエンジン１３の排気系からの排ガスが熱交換器５に供給される。
第３タンク１４からポンプＰ２及びバルブＶ２を介してエンジン１３に供給される燃料としては、例えば、軽油、灯油、重油、天然ガス、ＬＰＧ、ガソリン等の炭化水素系燃料が挙げられる。
水素は、分離装置２から送出されるものである。この水素は、燃焼性（引火性）に富むので、エンジン１３が火花点火方式のものである場合には、分離装置２から供給される水素をそのままエンジン１３の燃焼室内に導くことができる。そして、水素は、燃焼室内に導かれた前記燃料と混合されて火花点火によって燃焼する。
また、エンジン１３が圧縮着火方式のものである場合には、水素は空気と予混合された後に燃焼室内に導入され、第３タンク１４からの燃料は、圧縮着火時に燃焼室内に噴射される。つまり、噴射された燃料が圧縮によって自己着火する際に、燃焼室内の水素が引火燃焼することとなる（圧縮自着火拡散燃焼）。
ちなみに、水素は炭化水素系燃料（第３タンク１４からの燃料）よりも燃焼速度が速いことから、火花点火方式のエンジンでは点火時期を早め、また圧縮着火方式のエンジンでは炭化水素系燃料（第３タンク１４からの燃料）の噴射時期を早めることで、エンジン１３の熱効率を高めることができる。
なお、図４中の第１発電機１０は、その入力軸にエンジン１３の出力軸が連結されており、エンジン１３の発生した動力により発電するようになっている。
以上のような本実施形態に係る動力変換システムＳによれば、前記第１実施形態に係る動力変換システムＳ（図１参照）と同様の作用効果を奏すると共に、エンジン１３の動力で発電を行うため、システムの小型化及び高効率化を達成することができる。
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態に係る動力変換システムＳについて、構成説明図である図５を参照しながら説明する。
図５に示すように、本実施形態に係る動力変換システムＳは、エンジン排熱を利用した有機ハイドライドの予熱装置１５を備えている以外は、第３実施形態に係る動力変換システムＳ（図４参照）と同様に構成されている。以下では、主に予熱装置１５について説明し、第３実施形態と同様の構成要素については同じ符号を付して詳細な説明を省略する。
図５に示す予熱装置１５は、ラジエータ１７を有するエンジン冷却水の循環経路１８上で、ラジエータ１７の上流側に設けられた第２熱交換器１９を備えている。この第２熱交換器１９における「第２」の用語は、図４に示す熱交換器５を本実施形態では第１熱交換器５としたことによる。
また、循環経路１８のラジエータ１７の上流側には、第２熱交換器１９に対して並列となるようにバルブＶ３が設けられている。
本実施形態での予熱装置１５を構成する第２熱交換器１９は、エンジン１３からラジエータ１７に送られる高温のエンジン冷却水と、第１タンク７から分離装置２に向けて送出される有機ハイドライドとの間で熱交換を行うものである。
つまり、この予熱装置１５は、エンジン冷却水を介してのエンジン１３の排熱を回収すると共に、この回収した排熱によって、第１熱交換器５で後に過熱蒸気化することとなる有機ハイドライドを予熱するように構成されている。ちなみに、分離装置２においても有機ハイドライドが予熱されることは前記したとおりである。
なお、バルブＶ３は、流量調整弁であり、その開度により第２熱交換器１９をバイパスするエンジン冷却水の流量を調節可能とするものである。したがって、このバルブＶ３によれば、その開度を調節することにより、ラジエータ１７によるエンジン冷却水の所定の放熱効率を維持しつつ、予熱装置１５による有機ハイドライドの予熱を効率よく実行することができる。
以上のような本実施形態に係る動力変換システムＳによれば、前記第３実施形態に係る動力変換システムＳ（図４参照）と同様の作用効果を奏すると共に、さらに次のような作用効果を奏することができる。
従来のエンジンでは、投入燃料の熱量の約３０％がそれぞれ排ガスとエンジン冷却水によって大気中に廃棄されているところ、本実施形態に係る動力変換システムＳによれば、エンジン１３の排ガスから第１熱交換器５で回収した熱によって、膨張機６に供給する有機ハイドライドを過熱蒸気化すると共に、高温のエンジン冷却水から第２熱交換器１９で回収した熱によって、第１熱交換器５に供給する有機ハイドライドを予熱することができる。このことによって、予熱装置１５を有する、本実施形態に係る動力変換システムＳによれば、さらに熱効率が向上することでエネルギー変換効率がより一層優れたものとなる。
また、本実施形態に係る動力変換システムＳによれば、第１タンク７の有機ハイドライドが膨張機６に送られるまでの間に、有機ハイドライドを加熱する熱媒体（排ガス又はエンジン冷却水）の温度が低い順番で、第２熱交換器１９、分離装置２及び第１熱交換器５が配置されている。これにより、本実施形態に係る動力変換システムＳは、これらの熱媒体との間で、より熱交換率を高くすることができる。
（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態に係る動力変換システムＳについて、構成説明図である図６を参照しながら説明する。なお、本実施形態において、前記第３実施形態（図４参照）と同様の構成要素については同じ符号を付して詳細な説明を省略する。
図６に示すように、本実施形態に係る動力変換システムＳは、前記第３実施形態に係る動力変換システムＳ（図４参照）との比較で説明すると、エンジン１３（図４参照）に代えて熱機関１３０を備えている。本実施形態での熱機関１３０は、供給される水素と空気との反応熱を発生すると共に、第１発電機１０の動力を発生するものであれば、内燃機関に限定されずに、スターリングエンジン等の外燃機関を含むことを意味する。
また、図４に示す動力変換システムＳでは第１タンク７と分離装置２との間に、昇圧ポンプＰ１及びバルブＶ１が配置されているところ、本実施形態に係る動力変換システムＳでは、図６に示すように、バルブＶ４、第４タンク２７、密度計２５、及び昇圧ポンプＰ１がこの順番に配置されている。
また、図４に示す動力変換システムＳでは、分離装置２で水素と分離された脱水素化物及び未分解の有機ハイドライドが第２タンク１２に貯留されるようになっているが、本実施形態では、図６に示すように、分離装置２が三方切り替えバルブであるバルブＶ３を介して第４タンク２７及び第２タンク１２と接続されている。つまり、バルブＶ３がＡ方向に切り替えられると、分離装置２と第４タンク２７とが連通し、バルブＶ３がＢ方向に切り替えられると、分離装置２と第２タンク１２とが連通するようになっている。
なお、密度計２５は、第４タンク２７内に満たされる液中の有機ハイドライドの濃度をその液の密度によって相対的に測定するものである。
ちなみに、本発明では、この密度計２５に代えて他の濃度計を使用することもできる。他の濃度計としては、有機ハイドライドの濃度を測定することができれば公知の濃度計を好適に使用することができ、具体的には、例えば誘電率の変化によって有機ハイドライドの濃度を測定するものが挙げられる。
なお、図６中、符号２６は、第４タンク２７内の液位（レベル）を検出する液位計である。
また、本実施形態に係る動力変換システムＳは、昇圧ポンプＰ１の駆動及び停止、バルブＶ３の流路（Ａ方向又はＢ方向）の切り替え、並びにバルブＶ４の開閉等を所定の手順で制御する図示しないコントローラを備えている。
次に、本実施形態に係る動力変換システムＳの動作について説明しながら、前記したコントローラが昇圧ポンプＰ１、バルブＶ３及びＶ４を制御する手順について説明する。図７は、昇圧ポンプＰ１の駆動又は停止、バルブＶ３の切り替え、及びバルブＶ４の開閉のタイミングを説明するタイムチャートである。図８は、コントローラがバルブＶ３の切り替え、及びバルブＶ４の開閉の制御を行う手順を示すフローチャートである。
図６に示す本実施形態に係る動力変換システムＳでは、所定のスイッチ（図示省略）がオンになって起動すると、熱機関１３０の運転が開始されると共に、昇圧ポンプＰ１が駆動する。ちなみに、動力変換システムＳの起動時には、第１タンク７内及び第４タンク２７内には、それぞれのタンク容量に達するまでの有機ハイドライドが貯留されている。つまり、起動時の第１タンク７及び第４タンク２７は、いわゆる満タンとなっている。また、起動時（初期状態）のバルブＶ３の切り替え方向は、Ａ方向に設定され、バルブＶ４は閉状態となっている。
そして、運転を開始した熱機関１３０は、空気と、第３タンク１４から供給された燃料とを燃焼させて動力を発生し、第１発電機１０にて発電を行うと共に、発生した熱を、所定の熱媒体を介して熱交換器５及び水素発生装置１に通流する。そのことで、熱交換器５及び水素発生装置１は所定の温度まで暖機される。
一方、駆動した昇圧ポンプＰ１は、第４タンク２７内の有機ハイドライド（液体）を分離装置２及び熱交換器５を介して膨張機６に送り込む。つまり、昇圧ポンプＰ１で圧送される有機ハイドライド（液体）は、前記した第１実施形態等と同様に、分離装置２で予熱された後に、熱交換器５で過熱蒸気（有機ハイドライドガス）となって膨張機６で動力を発生させる。そして、膨張機６は発生した動力によって第２発電機１１にて発電を行う。
また、膨張機６から水素発生装置１に送り込まれた有機ハイドライドは、水素及び脱水素化物に分解され、これらの水素及び脱水素化物、並びに未分解の有機ハイドライドの混合物は、分離装置２に送り込まれる。そして、分離装置２で分離された水素は、熱機関１３０に供給されて前記した燃料と共に燃焼することとなる。
また、分離装置２で分離された未分解の有機ハイドライド及び脱水素化物は、バルブＶ３の切り替え方向がＡ方向に設定されている場合には、第４タンク２７に戻されると共に、再び第４タンク２７から膨張機６側に向けて供給される。また、バルブＶ３の切り替え方向がＢ方向に設定されている場合には、分離装置２からの有機ハイドライド及び脱水素化物は、第２タンク１２に貯留される。
このようなバルブＶ３の切り替え動作は、前記したバルブＶ４の開閉動作と共に、前記したコントローラ（図示省略）によって制御される。
次に、図７を参照しながら、バルブＶ３の切り替え及びバルブＶ４の開閉のタイミングについて説明する。
なお、図７中、時刻ｔ１は、本実施形態に係る動力変換システムＳの起動時であり、時刻ｔ３は、バルブＶ３をＡ方向からＢ方向に切り替えた時であり、時刻ｔ４は、バルブＶ３をＢ方向からＡ方向に切り替えると共に、バルブＶ４を開状態とした時であり、時刻ｔ５は、バルブＶ３を再びＡ方向からＢ方向に切り替えた時である。
なお、時刻ｔ２は、動力変換システムＳが起動してから水素発生装置１で分解された有機ハイドライドの分解物が最初に第４タンク２７内に到達した時である。
また、図７中、第４タンク２７内の液位（Ｌｘ）は、図６に示す液位計２６で検出した第４タンク２７内の液位（Ｌｘ）の推移を示すグラフであり、Ｌｍは、第４タンク２７のタンク容量であり、Ｌｔは、第４タンク２７内の液位の下限の目安を規定する、予め定めた閾値である。ちなみに、閾値Ｌｔは、タンク容量の５％〜５０％の範囲内で設定することができるが、これに限定されるものではない。
また、図７中、第４タンク２７内の液中の有機ハイドライドの濃度（Ｃｘ）は、図６に示す密度計２５で検出した液密度に基づいて算出された第４タンク２７内の有機ハイドライドの濃度（Ｃｘ）の推移を示すグラフであり、Ｃｍは、第１タンク７内に貯留された有機ハイドライドの濃度に等しく、Ｃｔは、第４タンク２７内の有機ハイドライドの濃度の下限の目安を規定する、予め定めた閾値である。この閾値（Ｃｔ）は、水素発生装置１における有機ハイドライドの分解で得られる水素が、殆どなくなるか、又は熱機関１３０に供給すべき水素量が不充分となる有機ハイドライドの濃度で規定することができ、例えば、０質料％を超え、１０質量％以下の範囲内で設定することができるが、これに限定されるものではない。
本実施形態に係る動力変換システムＳは、図７に示すように、起動前にあっては、昇圧ポンプＰ１は停止状態であり、バルブＶ３は、切り替え方向がＡ方向、つまり図６に示す分離装置２から第４タンク２７側に向かう方向に設定され、バルブＶ４が閉状態となるように設定されている。
そして、本実施形態に係る動力変換システムＳでの起動前の第４タンク２７内には、濃度Ｃｍの有機ハイドライドが満タン（液位Ｌｍ）となっている。つまり、時刻ｔ１となるまでは、液位（Ｌｘ）はＬｍとなっている。
まず、動力変換システムＳが起動すると（時刻ｔ１）、昇圧ポンプＰ１が駆動して第４タンク２７内の有機ハイドライドは、膨張機６（図６参照）側に向かって供給される。この際、分離装置２、熱交換器５及び水素発生装置１が暖機中であることから、分離装置２から第４タンク２７への有機ハイドライド及びその分解物の戻りは殆どなく、第４タンク２７内の液位（Ｌｘ）は膨張機６（図６参照）側への有機ハイドライドの供給に伴って徐々に低下していく。
その後、分離装置２、熱交換器５及び水素発生装置１の暖機が完了して、分離装置２から有機ハイドライド及びその分解物（脱水素化物）が戻り始めると（時刻ｔ２）、第４タンク２７内の有機ハイドライドの濃度（Ｃｘ）は、脱水素化物で薄められて徐々に低下していく。
時刻ｔ２を経過すると、有機ハイドライド及び脱水素化物が分離装置２（図６参照）から第４タンク２７に流入する一方で、分離装置２から熱機関１３０に向けて供給される水素当量分の有機ハイドライドが消費されることで、第４タンク２７内の液位（Ｌｘ）は、徐々に低下していく。
そして、第４タンク２７内の液中の有機ハイドライドの濃度（Ｃｘ）が、閾値（Ｃｔ）以下となると（時刻ｔ３）、第４タンク２７内の濃度（Ｃｘ）が、水素発生装置１で水素が充分に得られない濃度になっているとみなして、バルブＶ３をＡ方向からＢ方向に切り替える。つまり、分離装置２からの有機ハイドライド及び脱水素化物は、第２タンク１２（図６参照）に送り込まれる。
この際、分離装置２から第４タンク２７への有機ハイドライド及び脱水素化物の戻りがなくなるので、第４タンク２７内の液位（Ｌｘ）は膨張機６（図６参照）側への有機ハイドライド及び脱水素化物の供給に伴って徐々に低下していく。
そして、第４タンク２７内の液位（Ｌｘ）が、閾値（Ｌｔ）以下となると（時刻ｔ４）、バルブＶ３をＢ方向からＡ方向に切り替える。つまり、分離装置２からの有機ハイドライド及び脱水素化物が第４タンク２７（図６参照）内に送り込まれるようにバルブＶ３が切り替えられる。また、それと同時に、バルブＶ４が開状態とされる。この時刻ｔ３から時刻ｔ４までの間は、第４タンク２７内の有機ハイドライドの濃度（Ｃｘ）の変化はない。
そして、時刻ｔ４の経過後は、バルブＶ４が開状態となることで、第１タンク７から第４タンク２７に向けて有機ハイドライドが供給され、第４タンク２７の液位（Ｌｘ）が上昇すると共に、第４タンク２７の有機ハイドライドの濃度（Ｃｘ）も上昇する。
その後、第４タンク２７の液位（Ｌｘ）が、Ｌｍ（第４タンク２７が満タン）となった時（時刻５）に、バルブＶ４が閉状態となる。
そして、時刻ｔ５の経過後は、水素を熱機関１３０に供給することによる有機ハイドライドの消費によって、第４タンク２７内の液位（Ｌｘ）が徐所に低下すると共に、分離装置２からの戻る脱水素化物によって第４タンク２７内の有機ハイドライドの濃度（Ｃｘ）は再び低下していく。
以上のように、本実施形態に係る動力変換システムＳでは、第４タンク２７の有機ハイドライドの濃度（Ｃｘ）が所定の濃度（閾値（Ｃｔ））以下となるまでは、第４タンク２７と、膨張機６との間を循環するように有機ハイドライド（脱水素化物）を巡らせ、濃度（Ｃｘ）が所定の濃度（閾値（Ｃｔ））以下となったときには、循環している有機ハイドライド（脱水素化物）を第２タンク１２に回収すると共に、第１タンク７から不足分の有機ハイドライドを第４タンク２７に補うようになっている。
次に、図８のフローチャートを参照しながら、本実施形態に係る動力変換システムＳのコントローラ（図示省略）が、バルブＶ３の切り替え、及びバルブＶ４の開閉の制御を行う手順について説明する。
本実施形態に係る動力変換システムＳ（図６参照）では、所定のスイッチがオンになって熱機関１３０（図６参照）が運転を開始すると当時に昇圧ポンプＰ１（図６参照）が駆動する。このタイミングは、図７の時刻ｔ１に対応する。
なお、バルブＶ３（図６参照）の初期状態は、図８に示すように、切り替え方向がＡ方向（図６参照）に設定されており、バルブＶ３（図６参照）の初期状態は、閉状態に設定されている。
まず、動力変換システムＳのコントローラ（図示省略）は、密度計２５（図６参照）の検出信号に基づいて濃度（Ｃｘ）を算出すると共に、濃度（Ｃｘ）が閾値（Ｃｔ）以下か否かを判断する（ステップＳ１０１）。そして、濃度（Ｃｘ）が閾値（Ｃｔ）を超えていると判断した場合には（ステップＳ１０１のＮｏ）、このステップＳ１０１を繰り返す。
そして、濃度（Ｃｘ）が閾値（Ｃｔ）以下であると判断した場合には（ステップＳ１０１のＹｅｓ）、バルブＶ３をＢ方向に切り替える（ステップＳ１０２）。
なお、このタイミングは、図７の時刻ｔ３に対応する。
次に、動力変換システムＳのコントローラ（図示省略）は、液位計２６（図６参照）の検出信号に基づいて、液位（Ｌｘ）が閾値（Ｌｔ）以下か否かを判断する（ステップＳ１０３）。そして、液位（Ｌｘ）が閾値（Ｌｔ）を超えていると判断した場合には（ステップＳ１０３のＮｏ）、このステップＳ１０３を繰り返す。
そして、液位（Ｌｘ）が閾値（Ｌｔ）以下であると判断した場合には（ステップＳ１０３のＹｅｓ）、バルブＶ３をＡ方向に切り替えると共に（ステップＳ１０４）、バルブＶ４を開状態とする（ステップＳ１０５）。
なお、このタイミングは、図７の時刻ｔ４に対応する。
次に、動力変換システムＳのコントローラ（図示省略）は、液位計２６（図６参照）の検出信号に基づいて、液位（Ｌｘ）がタンク容量（Ｌｍ）に達したか否かを判断する（ステップＳ１０６）。そして、液位（Ｌｘ）がタンク容量（Ｌｍ）に達していないと判断した場合には（ステップＳ１０６のＮｏ）、このステップＳ１０６を繰り返す。
そして、液位（Ｌｘ）がタンク容量（Ｌｍ）に達したと判断した場合には（ステップＳ１０３のＹｅｓ）、バルブＶ４を閉状態とする（ステップＳ１０７）。
なお、このタイミングは、図７の時刻ｔ５に対応する。
このようにして動力変換システムＳは、このようなコントローラ（図示省略）によって有機ハイドライドの濃度（Ｃｘ）を監視し続けながら、有機ハイドライドの過熱蒸気により発生させた動力と、有機ハイドライドの分解で生成した水素を燃料とする熱機関による動力とを得る構成となっている。
以上のような本実施形態に係る動力変換システムＳによれば、前記第３実施形態に係る動力変換システムＳ（図４参照）と同様の作用効果を奏すると共に、さらに次のような作用効果を奏することができる。
本実施形態に係る動力変換システムＳによれば、第４タンク２７と、膨張機６との間を循環するように有機ハイドライド（脱水素化物）を巡らせ、その途中で水素発生装置１にて有機ハイドライドから水素を発生させるようになっている。その結果、有機ハイドライドからの水素の生成を高効率で行うことができる。
また、本実施形態に係る動力変換システムＳによれば、水素発生装置１で生成する水素量に依存することなく、膨張機６に供給するガス媒体（有機ハイドライド及び脱水素化物）の量を設定することができる。つまり、前記第３実施形態に係る動力変換システムＳ（図４参照）では、膨張機６に供給する有機ハイドライドの量が決まると、水素発生装置１で生成する水素量の最大量は化学量論的に決まってしまう。これに対して、本実施形態に係る動力変換システムＳによれば、第４タンク２７と膨張機６との間で循環するガス媒体を有機ハイドライド及び脱水素化物の混合物とすることができるので、本実施形態での水素発生装置１（図６参照）で発生する水素量と、前記第３実施形態での水素発生装置１（図４参照）で発生する水素量とが同じとなるように条件設定した場合に、本実施形態での膨張機６に供給されるガス媒体（有機ハイドライド及び脱水素化物）の量は、前記第３実施形態での膨張機６に供給されるガス媒体（有機ハイドライド）の量よりも多くなる。その結果、本実施形態に係る動力変換システムＳによれば、前記第３実施形態に係る動力変換システムＳよりも、大きな動力を得ることができる。
１ 水素発生装置
２ 分離装置
３ 第１膨張機
４ 動力変換装置
５ 熱交換器
６ 第２膨張機
７ 第１タンク
８ 水素燃焼装置
９ 圧縮機
１０ 第１発電機
１１ 第２発電機
１２ 第２タンク
１３ エンジン（内燃機関）
２０ 膨張機型水素発生装置
１４ エンジン
１５ 予熱装置
１７ ラジエータ
１８ 循環経路
１９ 第２熱交換器
２５ 密度計
２６ 液位計
２７ 第４タンク
１３０ 熱機関
Ｓ 動力変換システム

Claims (7)

  1. 供給される有機ハイドライドを所定の触媒の存在下に加熱して水素及び有機ハイドライドの脱水素化物を生成する水素発生装置と、
    前記水素発生装置で得られる水素と有機ハイドライドの脱水素化物とを分離すると共に水素を送出する分離装置と、
    前記分離装置から送出される水素を燃焼させることで動力を得る動力変換装置と、
    前記動力変換装置から排出される排ガスと、前記水素発生装置に供給する前の有機ハイドライドとの間で熱交換を行う熱交換器と、
    前記熱交換器での熱交換で過熱蒸気となった有機ハイドライドにより動力を発生すると共にこの有機ハイドライドを前記水素発生装置に送出する膨張機と、
    を備えることを特徴とする動力変換システム。
  2. 請求項１に記載の動力変換システムにおいて、
    前記膨張機は、前記水素発生装置と一体となって膨張機型水素発装置を構成していることを特徴とする動力変換システム。
  3. 請求項１又は請求項２に記載の動力変換システムにおいて、
    前記熱交換器に供給される前の有機ハイドライドが前記分離装置内を通流し、この分離装置内でこの有機ハイドライドは、水素及び有機ハイドライドの脱水素化物と熱交換を行った後に前記熱交換器に供給されることを特徴とする動力変換システム。
  4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の動力変換システムにおいて、
    前記動力変換装置は、前記分離装置から送出される水素を燃焼させる水素燃焼装置と、
    この水素燃焼装置に供給する空気を圧縮する圧縮機と、
    前記水素燃焼装置からの水素燃焼ガスにより動力を発生させる膨張機と、
    を備えることを特徴とする動力変換システム。
  5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の動力変換システムにおいて、
    前記水素燃焼装置は、前記動力変換装置から排出される排ガスで有機ハイドライドを加熱することを特徴とする動力変換システム。
  6. 供給される有機ハイドライドを所定の触媒の存在下に加熱して水素及び有機ハイドライドの脱水素化物を生成する水素発生装置と、
    前記水素発生装置で得られる水素と有機ハイドライドの脱水素化物とを分離すると共に水素を送出する分離装置と、
    前記分離装置から送出される水素を含む燃料を燃焼させることで動力を得る内燃機関と、
    前記内燃機関から排出される排ガスと、前記水素発生装置に供給する前の有機ハイドライドとの間で熱交換を行う第１熱交換器と、
    前記第１熱交換器に供給する前の有機ハイドライドと、前記内燃機関から送り出される冷却水との熱交換により前記第１熱交換器に供給する有機ハイドライドを予熱する第２熱交換器と、
    前記第１熱交換器での熱交換で過熱蒸気となった有機ハイドライドにより動力を発生すると共にこの有機ハイドライドを前記水素発生装置に送出する膨張機と、
    を備えることを特徴とする動力変換システム。
  7. 請求項６に記載の動力変換システムにおいて、
    前記第２熱交換器から前記第１熱交換器に供給される有機ハイドライドは、前記第１熱交換器に供給される前に、前記分離装置内に通流して、この分離装置内の水素及び有機ハイドライドの脱水素化物との熱交換によりさらに予熱された後に、前記第１熱交換器に供給されることを特徴とする動力変換システム。
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