JP3773437B2

JP3773437B2 - ガスエンジン

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Publication number: JP3773437B2
Application number: JP2001321757A
Authority: JP
Inventors: 俊雄松岡
Original assignee: Yanmar Co Ltd
Current assignee: Yanmar Co Ltd
Priority date: 2001-10-19
Filing date: 2001-10-19
Publication date: 2006-05-10
Anticipated expiration: 2021-10-19
Also published as: JP2003120426A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化水素系燃料を燃料改質器で改質した後、この改質後の燃料を燃焼室に向けて供給するガスエンジンに係る。特に、本発明は燃料転化率の向上を図るための対策に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ガスエンジンの一形態として、炭化水素系燃料（Ｃ_mＨ_n）を燃料改質器で改質することにより、発熱量の大きな燃料を得て、エンジンの熱効率の向上を図るようにしたものが知られている。
【０００３】
図４は、この種のガスエンジンによって発電を行う発電システムの概略構成を示す図である。この図に示すように、本ガスエンジンは、エンジン本体ａから延びる出力軸ａ１が発電機ｂに接続されており、この出力軸ａ１の回転駆動力によって発電機ｂによる発電を行わせるようになっている。
【０００４】
また、ガスエンジンの吸気系は、空気供給系と燃料供給系とから成っており、空気供給系から供給される空気と燃料供給系から供給される燃料との混合気が燃焼室に供給されてエンジン本体ａが駆動するようになっている。
【０００５】
空気供給系は、過給機（コンプレッサ）ｃ及びインタクーラｄを備えている。つまり、この過給機ｃによって空気を圧縮した後、この空気をインタクーラｄで冷却することで、高密度の空気を燃焼室に向けて供給できるようになっている。尚、上記過給機ｃは、排気ガスが流れる排気管ｅに設けられたタービンｆの出力軸ｆ１に直結されており、タービンｆの回転出力を受けて空気を圧縮する。
【０００６】
一方、燃料供給系は、燃料改質器ｇ、排熱ボイラｈ、脱硫装置ｉ、タンクｊを備えている。この燃料供給系では、炭化水素系燃料（Ｃ_mＨ_n）と水蒸気（Ｈ₂Ｏ）とを燃料改質器ｇ内で吸熱反応させることによって燃料組成を変化させ、これによって、元の炭化水素系燃料よりも発熱量が大きな燃料が得られるようにしている。また、この吸熱反応に必要な熱エネルギは排気管ｅを流れる排気ガスから得るようになっている。
【０００７】
具体的には、先ず、炭化水素系燃料は硫黄分を含んでいるため、脱硫装置ｉによってこの硫黄分を除去し、この硫黄分が除去された後の炭化水素系燃料が燃料改質器ｇに供給される。尚、燃料改質器ｇの触媒（金属（Ｒｈ，Ｒｕ，Ｎｉ，Ｉｒ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｒｅ，Ｃｏ，Ｆｅ）、アルカリ炭酸塩（Ｋ₂ＣＯ₃）、塩基性酸化物（ＭｇＯ，ＣａＯ，Ｋ₂Ｏ）、石炭等の鉱物質（ＦｅＳ₂）等）は、硫黄（消化ガスやバイオガス中の硫化水素、都市ガスの付臭剤、石油系燃料の硫黄分など）による被毒の虞があり、これを回避するために上記脱硫装置ｉ及びこの脱硫装置ｉに水添脱硫を行わせるための水素を供給する水素ボンベｋが必要である。一方、排熱ボイラｈでは、排気管ｅを流れる排気ガスの熱量を利用して水蒸気が発生しており、この水蒸気が燃料改質器ｇに供給される。また、燃料改質器ｇには排気ガスの熱エネルギを取得するための図示しない熱交換器が備えられている。これにより、燃料改質器ｇの内部では以下の吸熱反応が行われる。
【０００８】
Ｃ_mＨ_n＋ｍＨ₂Ｏ→ｍＣＯ＋（ｎ／２＋ｍ）Ｈ₂ …（１）
炭化水素系燃料がメタン（ｍ＝１、ｎ＝４）である場合には以下の吸熱反応となる。
【０００９】
ＣＨ₄＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ₂ …（２）
このような反応が行われた場合、改質後の燃料の発熱量は元の炭化水素系燃料よりも大幅に上昇し（例えば２５％程度上昇する）、これによって発電効率（発電機出力／供給燃料Ｃ_mＨ_n）の向上を図ることが可能な燃料が得られることになる。
【００１０】
そして、改質後の燃料は、一旦タンクｊに貯蔵され、このタンクｊに内蔵された図示しない除湿器で余分な残留Ｈ₂Ｏが取り除かれた後、上記空気供給系から供給された空気と混合されて燃焼室に供給される。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記排気管ｅを流れる排気ガスの温度は、４００℃〜５００℃程度であり、燃料改質器ｇの内部での上記吸熱反応を良好に行うために必要な熱エネルギを取得できるほどの温度には至っていないのが実情である。図２の曲線Ｂは、この従来例における排ガス温度とメタン転化率との関係を示している。この図のように、排ガス温度が５００℃程度である場合、従来の改質方法では、メタン転化率は１５％程度しか得られておらず、改質後の燃料の発熱量を大幅に増大させるには至っていなかった。つまり、従来の構成において、メタン転化率を８０％程度の高い値にするためには排ガス温度としては７００℃程度が必要であった。
【００１２】
吸熱反応を高温度の環境下で行わせるために、排気ガスや燃料改質器を、新たに設けた加熱源によって加熱することも考えられるが、これでは、加熱源に別途エネルギが必要となってしまい、ガスエンジン全体としての熱効率の向上を図ることは困難である。
【００１３】
この点に鑑みて、本発明の発明者は、炭化水素系燃料を燃料改質器で改質するに際し、生成した水素を順次燃料改質器から分離抽出することにより、燃料改質器内での改質反応を促進させ、転化率の向上を図ることを既に提案している（特願２０００−３５９９５６号）。そして、本発明の発明者は、燃料改質器から水素を分離抽出する速度を更に高めるための構成について考察を行った。
【００１４】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、炭化水素系燃料を燃料改質器で改質するに際し、燃料改質器からの水素の分離抽出を大幅に促進させることによって高い転化率を得て、ガスエンジン全体としての熱効率の向上を図ることにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
−発明の概要−
上記の目的を達成するために、本発明は、炭化水素系燃料を燃料改質器で改質するに際し、生成した水素を順次燃料改質器から分離抽出することにより、燃料改質器内での改質反応の促進を図るようにしている。そして、この改質反応の促進を更に高めるために、水素が分離抽出される前の改質燃料が存在する一次側空間と分離抽出された水素が存在する二次側空間との間に圧力差を発生させている。
【００１９】
−解決手段−
具体的には、炭化水素系燃料を燃料改質器における吸熱反応により改質した後、この改質後の燃料を燃焼室に供給するガスエンジンを前提とする。このガスエンジンに対し、分離膜によって上記改質後の燃料から水素を分離抽出すると共に、この分離抽出された水素が存在する二次側空間を備えた水素分離手段を備えさせる。そして、水素分離手段によって分離抽出された水素を燃焼室に向けて供給する水素供給経路と、水蒸気を発生させる水蒸気発生手段と、この水蒸気発生手段で発生した水蒸気を水素分離手段の二次側空間に供給する水蒸気供給経路と、上記水素分離手段の二次側空間の水素を吸蔵する水素吸蔵手段とを備えさせ、上記燃料改質器における吸熱反応に必要な熱エネルギ及び水蒸気発生手段における水蒸気発生のための熱エネルギを共に排気ガスから得る構成としている。
この特定事項により、水素分離手段の二次側空間の水素が水素吸蔵手段によって吸蔵されるのに伴って、この二次側空間の圧力が低下する。これによって、水素の分離抽出動作の促進を図ることができ、燃料改質器内部の水素濃度を減少させていくことで改質反応の促進が図れ、比較的低い温度環境下であっても、高い転化率で改質が行われて、熱効率の大幅な上昇を図ることが可能な燃料が得られることになる。
【００２０】
更に、水素分離手段によって分離抽出された水素を吸蔵する吸蔵動作と、この吸蔵した水素を燃焼室に向けて放出することにより水素供給圧力を昇圧させる放出動作とが可能な水素ポンプ手段を設けている。これによれば、水素分離手段による水素分離抽出動作と、この分離抽出された水素の燃焼室への供給動作とを円滑に行うことができ、高転化率を維持しながらガスエンジンの連続運転を良好に行うことが可能になる。また、この水素ポンプ手段として水素吸蔵合金のように温度によって水素の吸蔵と放出とを切り換えることができるものを採用すれば、エンジンの排熱などを有効に利用しながら上記各動作を行うことが可能になり、水素の吸蔵及び放出を行うための特別な動力源は必要なくなる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。本形態では、メタンガス（ＣＨ₄）を燃料改質器で改質することにより発熱量の大きな燃料を得るようにしたガスエンジンに本発明を適用した場合について説明する。また、本形態に係るガスエンジンは、その出力を発電に利用するものである。
【００２３】
（第１実施形態）
先ず、第１実施形態について説明する。
【００２４】
−ガスエンジンの構成説明−
図１は、本形態に係るガスエンジン１によって発電を行う発電システムの概略構成を示す図である。この図に示すように、本ガスエンジン１は、エンジン本体２から延びる出力軸２１が発電機３に接続されており、この出力軸２１の回転駆動力によって発電機３による発電を行わせる構成となっている。
【００２５】
また、ガスエンジン１の吸気系は、空気供給系４と燃料供給系５とから成っており、空気供給系４から供給される空気と燃料供給系５から供給される燃料との混合気がエンジン本体２の図示しない燃焼室に供給されてエンジン本体２が駆動するようになっている。以下、空気供給系４及び燃料供給系５について説明する。
【００２６】
空気供給系４は、過給機（コンプレッサ）４１及びインタクーラ４２を備えている。つまり、この過給機４１によって空気を圧縮した後、この空気をインタクーラ４２で冷却することにより、高密度の空気を燃焼室に向けて供給できるようになっている。尚、上記過給機４１は、排気ガスが流れる排気管６に設けられたタービン６１の出力軸６２に直結されており、タービン６１の回転出力を受けて空気を圧縮する。
【００２７】
一方、燃料供給系５は、燃料改質器５１、水蒸気発生手段としての排熱ボイラ５２、高次脱硫装置５３、タンク５５などを備えている。この燃料供給系５では、炭化水素系燃料であるメタンガス（ＣＨ₄）と水蒸気（Ｈ₂Ｏ）とを燃料改質器５１内で吸熱反応させることによって燃料組成を変化させ、これによって、元のメタンガスよりも発熱量が大きな燃料が得られるようにしている。また、この吸熱反応に必要な熱エネルギは排気管６を流れる排気ガスから得るようになっている。以下、この燃料供給系５を構成する各要素について説明する。
【００２８】
排熱ボイラ５２は、外部から水が供給され、その水が内部に貯留されており、この水と排気管６を流れる排気ガスとの間で熱交換を行うことで、水を蒸発させて水蒸気を発生させるものである。この排熱ボイラ５２と燃料改質器５１とは水蒸気供給管７１によって接続されており、排熱ボイラ５２内で発生した水蒸気が燃料改質器５１内に供給可能となっている。また、この水蒸気供給管７１には開度調整可能な電動弁７１ａが設けられている。
【００２９】
高次脱硫装置５３は、メタンガス中に含まれている硫黄分を除去するためのものである。つまり、燃料改質器５１の触媒（金属（Ｒｈ，Ｒｕ，Ｎｉ，Ｉｒ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｒｅ，Ｃｏ，Ｆｅ）、アルカリ炭酸塩（Ｋ₂ＣＯ₃）、塩基性酸化物（ＭｇＯ，ＣａＯ，Ｋ₂Ｏ）、石炭等の鉱物質（ＦｅＳ₂）等）は、硫黄による被毒の虞があり、これを回避するために、この高次脱硫装置５３が設置されている。また、この高次脱硫装置５３には、メタンガスを供給するための改質前燃料供給管７２及び脱硫後の燃料を燃料改質器５１に供給するための脱硫燃料供給管７３が接続されている。
【００３０】
この高次脱硫装置５３は炭化水素系燃料中に含まれる硫黄分（一般にスリップ硫黄と呼ばれる）を１ppbレベルまで削減することができるものであって、常温の環境下であっても高性能の脱硫動作を行うことができるものである。その脱硫の原理としては、金属酸化物上の活性金属によってチオフェン等の有機硫黄をも分解して脱硫を行うことができるようにされている。
【００３１】
また、上記高次脱硫装置５３からの燃料を燃料改質器５１に供給するための脱硫燃料供給管７３にも電動弁７３ａが設けられており、通常の運転時には、水蒸気供給管７１の電動弁７１ａ及び脱硫燃料供給管７３の電動弁７３ａが共に開放されて、燃料改質器５１に対してメタンガス及び水蒸気が供給されて吸熱反応に伴うガスエンジン１の運転が行われる。一方、燃料改質器５１の触媒が被毒された場合や発電負荷が小さい場合には、水蒸気供給管７１の電動弁７１ａが開放され、脱硫燃料供給管７３の電動弁７３ａが閉鎖される。これにより、燃料改質器５１に対して水蒸気のみが供給される状態となる。この水蒸気のみの供給により燃料改質器５１の触媒が被毒される原因となっている硫黄分が分解され、これによって触媒を再生することができる。
【００３２】
尚、この高次脱硫装置５３の上流側に水添脱硫装置を備えさせるようにしてもよい。これによれば、高次脱硫装置５３に導入される硫黄量を極端に少なくすることができ、高次脱硫装置５３での硫黄除去動作の高効率化と高次脱硫装置５３の長寿命化とを図ることができる。
【００３３】
燃料改質器５１は、その内部で水蒸気とメタンガスとを吸熱反応させて燃料改質動作を行わせるものである。つまり、上記水蒸気供給管７１から供給された水蒸気と脱硫燃料供給管７３から供給されたメタンガスとの間で吸熱反応を行わせるようになっている。また、この燃料改質器５１の内部には、排気ガスの熱エネルギを取得するための図示しない熱交換器が備えられている。これにより、燃料改質器５１の内部では所定温度（排気ガスの温度であって例えば６００℃程度）の環境下で以下の吸熱反応が行われるようになっている。
【００３４】
ＣＨ₄＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ₂ …（２）
このような反応が行われることで、改質後の燃料の発熱量は元のメタンガスよりも大幅に上昇し、これによって発電効率（発電機出力／供給燃料）の向上が図れる燃料を得ることができるようになっている。
【００３５】
また、上記燃料改質器５１とタンク５５とは、上記吸熱反応によって得られた水素ガス及びその他の燃料等（ＣＯ、ＣＨ₄、Ｈ₂Ｏ）をタンク５５に向かって供給するための燃料供給管７６によって接続されている。この燃料供給管７６には開度調整可能な電動弁７６ａが設けられている。
【００３６】
そして、この燃料供給管７６によって燃料が供給されるタンク５５は、燃料を一旦貯蔵し、改質後の燃料を改質後燃料供給管７８を経て空気と混合して燃焼室に供給するようになっている。
【００３７】
上記燃料改質器５１には水素分離手段としての水素分離装置５６が設けられている。この水素分離装置５６は、燃料改質器５１内での上記吸熱反応によって発生した水素ガスを他のガスや水蒸気から分離して抽出するものである。この水素分離装置５６の具体構成としては、その内部空間に分離膜が配設されており、この分離膜によって上流側の一次側空間と下流側の二次側空間とを区画している。一次側空間は上記燃料改質器５１側の空間であって、上記吸熱反応によって発生した水素ガスその他のガスが存在している。二次側空間は、後述する水素回収管７５が接続されており、分離膜によって分離抽出された水素ガスを水素回収管７５へ導出するようになっている。
【００３８】
上記分離膜としては、パラジウム合金、パラジウム基合金、無機分離膜、多孔質ガラス膜、多孔質中空ガラス繊維膜、多孔質セラミックス膜、ゼオライト膜、酢酸セルロース膜、ポリイミド、ポリアミド、ポリスルホン多孔質膜／シリコーンなどがある。例えば、上記無機分離膜は水素分子のみが通過可能な細孔を有する膜として形成されている。特に、無機分離膜、多孔質ガラス膜、多孔質中空ガラス繊維膜、多孔質セラミックス膜は、耐熱性に優れ且つ機械的強度も高いため好適である。また、多孔質セラミックス材料として具体的には、ジルコニア、ゼオライト、シリカ、アルミナ等が掲げられる。
【００３９】
また、上記構成に加えて水素分離装置５６の二次側空間に水素吸蔵物質を収容し、これによって水素ガスの分離抽出を促進するようにしている。この水素吸蔵物質としては、水素吸蔵合金が挙げられる。また、カーボンナノファイバ、フラーレン、多層フラーレン、カーボンナノチューブなどの炭素分子よりなる物質、金属水素化物、塩型水素化物、金属結合型水素化物、境界領域水素化物、共有結合型水素化物、有機系炭化水素、メタルハイドライド、ケミカルハイドライドを水素吸蔵物質として採用することも可能である。
【００４０】
尚、分離膜や水素吸蔵物質としては、これらに限るものではなく、水素を分離抽出できるものであれば種々の材料を採用することが可能である。この構成により、燃料改質器５１内での吸熱反応によって生成した水素を水素分離装置５６によって順次分離抽出することで、燃料改質器５１内での吸熱反応の促進が図れるようになっている。
【００４１】
また、水素分離装置５６と上記燃料供給管７６とは水素供給経路を構成する水素回収管７５によって接続されている。つまり、水素分離装置５６によって分離抽出された水素ガスが水素回収管７５を経て燃料供給管７６に導入され、この燃料供給管７６を流れる水素ガス及びその他の燃料等に混入されるようになっている。
【００４２】
そして、本形態の特徴は、上記排熱ボイラ５２と水素分離装置５６とが水蒸気供給経路を構成する水蒸気導入管７９によって接続されていることにある。つまり、この排熱ボイラ５２内で発生した水蒸気の一部が水素分離装置５６の二次側空間に供給可能となっており、この水蒸気の供給により、二次側空間の水素分圧を一次側空間よりも低く設定することができるようになっている。また、この水蒸気導入管７９には開度調整可能な電動弁７９ａが設けられている。
【００４３】
更に、本ガスエンジン１の燃料供給系５には、上記構成に加えて、熱交換器５７及び純水装置５８が備えられている。
【００４４】
上記熱交換器５７は、燃料供給管７６を流れる改質後燃料（改質ガス）と、燃料改質器５１に供給されるメタンガス（高次脱硫装置５３で脱硫された後のメタンガス）との間で熱交換を行うようになっている。これにより燃料改質器５１に供給されるメタンガスを予熱できる構成となっている。また、この熱交換器５７は、燃料供給管７６を流れる改質後燃料（改質ガス）と、純水装置５８から排熱ボイラ５２に供給される純水との間でも熱交換が行われるようになっている。これにより排熱ボイラ５２に供給される純水を予熱できる構成となっている。このように、本ガスエンジン１の原料であるメタンガス及び純水を改質後燃料によって予熱しておく構成を採用することによって改質後燃料中の熱エネルギを回収でき、排熱回収量の増大を図ることができる。
【００４５】
また、上記純水装置５８は水供給管５８ａによって排熱ボイラ５２に接続されており、熱交換器５７は水戻し管５７ａによってこの水供給管５８ａに接続されている。つまり、熱交換器５７によって改質後燃料中に含まれる水分が凝縮されて成る水を排熱ボイラ５２で生成される水蒸気の原料とすることができるようになっている。このため、改質後燃料中に含まれる水分を廃棄することなく有効に利用することができ、純水供給設備のランニングコストの削減を図ることができる。
【００４６】
一方、上記純水装置５８は、例えば水道水が供給され、この水道水から純水を生成し、この純水を上記水供給管５８ａによって排熱ボイラ５２に供給するものである。つまり、水道水中に含まれるハロゲンや砒素等の不純物を除去することによって高純度の純水を生成するようになっている。この純水装置５８の具体的なものとしては、蒸留式純水装置、カートリッジ式純水装置、イオン交換式純水装置、電気再生式純水装置、電気透析原理を応用した連続イオン交換法（ＥＤＩ）による装置などが掲げられる。
【００４７】
特に、ハロゲンを除去するための手法としては、活性炭濾過法、精密濾過法（ＭＦ膜（マイクロフィルタ）などによる）、限外濾過法（ＵＦ膜（ウルトラフィルタ）などによる）、逆浸透膜法（ＲＯ膜（リバース・オスモシス）などによる）のうち少なくとも一つが選択されている。一方、砒素を除去するための手法としては、凝集沈殿法（供沈法）、イオン交換法、活性アルミナ法、低圧逆浸透膜法、逆浸透膜法（浸透圧とは逆方向に圧力をかける手法）、ＡＤＩ法のうち少なくとも一つが選択されている。
【００４８】
例えば、上記供沈法では、原水（水道水）に酸化剤と凝集剤とが注入され、これをミキサで混合してＵＤフィルタに通過させる。この際、フィルタの濾過層を原水が通過する際に、砒素を取り込んだ凝集フロックが補足される。この処理水は更に急速で濾過され、残留している砒素や濁質が除去される。
【００４９】
活性アルミナ法では、酸化剤と、ｐＨ調整のための酸を注入した原水をミキサで混合し、活性アルミナ吸着塔に流入させる。その後、この処理水は浄化池でｐＨ値を中性付近まで上げるための再調整が行われる。更に、濁質、鉄、マンガン等が濾過器によって除去される。
【００５０】
ここで純水とは一般にはppm（mg/l）オーダの濃度で不純物を含有している水をいう。また、高性能の純水装置５８であれば、超純水を生成することも可能である。この超純水とは一般にはppb（μg/l）オーダの濃度で不純物を含有している水をいう。
【００５１】
このようにして排熱ボイラ５２に供給される水を純水とすることによって、燃料改質器５１に供給される水蒸気中にハロゲンや砒素等の不純物が含まれてしまうことを回避し、これによって上記吸熱反応を効率良く行うことができるようにしている。これにより、燃料改質器５１、排熱ボイラ５２の高寿命化、純水タンクが不要になることによる低コスト化を図ることができる。
【００５２】
また、本ガスエンジン１には、各部の制御を行うためのコントローラ８が備えられている。このコントローラ８は、複数のセンサ８１，８２，８３が接続され、これらセンサ８１，８２，８３からの検出信号を受信すると共に、上記各電動弁７１ａ，７３ａ，７６ａ，７９ａの開度制御を行うようになっている。上記センサとしては、発電機３の負荷を検出する負荷センサ８１、エンジン本体２のノッキング強度を測定するためのノッキングセンサ８２、タンク５５からエンジン本体２に供給される燃料中の水素成分濃度（改質後燃料供給管７８中の水素成分濃度）を測定する水素濃度センサ８３が掲げられる。以上が、ガスエンジン１の構成説明である。
【００５３】
−ガスエンジン１の動作説明−
次に、上述の如く構成されたガスエンジン１の動作について説明する。
【００５４】
先ず、水蒸気供給管７１の電動弁７１ａが開放された状態で、純水装置５８から排熱ボイラ５２に供給された水が、この排熱ボイラ５２において排気管６を流れる排気ガスによって加熱されて水蒸気となる。そして、この水蒸気の一部は、水蒸気供給管７１によって燃料改質器５１に順次供給されていく。また、他の水蒸気は水蒸気導入管７９によって水素分離装置５６の二次側空間に導入される。
【００５５】
これと同時に、メタンガスが改質前燃料供給管７２によって高次脱硫装置５３に供給され、ここで脱硫動作が行われる。この高次脱硫装置５３における脱硫動作にあっては、上述したように、常温の環境下においてスリップ硫黄を１ppbレベルまで削減することができる。このため、脱硫燃料供給管７３によって高次脱硫装置５３から燃料改質器５１に供給されるメタンガス中には殆ど硫黄分は存在しておらず、燃料改質器５１の触媒の被毒は殆どなくなる。
【００５６】
このようにして、燃料改質器５１に水蒸気及びメタンガスが供給された状態で上記の吸熱反応が行われる。また、この燃料改質器５１には水蒸気及びメタンガスの他に、空気、酸素（Ｏ₂）、二酸化炭素（ＣＯ₂）なども供給されている。上記吸熱反応の際には、排気ガスの熱エネルギが燃料改質器５１内の熱交換器によって取得され、これにより、燃料改質器５１の内部では所定温度の環境下で吸熱反応が行われて、一酸化炭素（ＣＯ）と水素ガス（Ｈ₂）とが発生する。尚、この際、改質されなかった水蒸気（Ｈ₂Ｏ）及びメタンガス（ＣＨ₄）も燃料改質器５１の内部には存在している。
【００５７】
そして、この燃料改質器５１内の水素ガスは、水素分離装置５６によって他のガスや水蒸気から分離して抽出され、水素回収管７５及び燃料供給管７６を経てエンジン本体２の燃料室に向けて供給される。この燃料改質器５１内の水素ガスの分離抽出により、この燃料改質器５１内では、吸熱反応が促進され、高い転化率で燃料の改質が行われる。
【００５８】
また、この際、上述した如く排熱ボイラ５２で発生した水蒸気の一部は水蒸気導入管７９によって水素分離装置５６の二次側空間に供給されている。このため、この二次側空間では、一次側空間に比べて水素の分圧が低くなっており、一次側空間から二次側空間へ向けての水素の分離抽出は比較的高速度で行われる。その結果、単位時間当たりの水素の分離抽出量が多くなって、吸熱反応が大幅に促進され、高い転化率で燃料の改質が行われる。
【００５９】
エンジン本体２に燃料を供給する際には、上記燃料供給管７６の電動弁７６ａが開放されている。燃料改質器５１内の水素ガス、メタンガス、一酸化炭素、水蒸気に対して、上記分離抽出された水素ガスが水素回収管７５より混入され、これら燃料などは、燃料供給管７６によってタンク５５に供給される。そして、改質後の燃料がタンク５５から改質後燃料供給管７８を経て、空気供給系４から供給された空気と混合されてエンジン本体２の燃焼室に供給される。
【００６０】
これによってエンジン本体２が駆動し、出力軸２１の回転駆動に伴って発電機３が駆動して発電が行われる。
【００６１】
−実施形態の効果−
以上説明したように、本形態では、メタンガスを燃料改質器５１で改質するに際し、生成した水素を、水素分離装置５６によって順次燃料改質器５１から分離抽出することにより、燃料改質器５１内での水素濃度を低下させることで吸熱反応の促進を図るようにしている。また、排熱ボイラ５２で発生した水蒸気の一部を水素分離装置５６の二次側空間に供給することによって二次側空間の水素分圧を低くし、水素の分離抽出動作の高速化を図っている。このため、比較的低い温度環境下（例えば６００℃程度）であっても、高い転化率で改質が行われ、発電効率の大幅な上昇を図ることが可能な燃料が得られて、ガスエンジン全体としての発電効率の向上を図ることができる。その結果、本形態のガスエンジン１では、従来のものと同一発電量を得るために必要な燃料の量を削減することができ、省エネルギ性の向上を図ることができる。
【００６２】
図２は、排ガス温度とメタン転化率との関係を示しており、曲線Ａは本形態のガスエンジン１に係るものであり、曲線Ｂは上述した如く従来のガスエンジン（図４参照）に係るものである。この図のように、排ガス温度が６００℃の場合、従来のものではメタン転化率は４０％程度しか得られていないのに対し、本形態では９０％以上の高い転化率が得られ、発電効率の大幅な向上を図ることができている。
【００６３】
（第２実施形態）
次に、第２実施形態について説明する。本形態は、水素分離装置５６における水素分離抽出動作の促進を図るための構成の変形例である。その他の構成は上述した第１実施形態のものと同様である。従って、ここでは第１実施形態との相違点についてのみ説明する。
【００６４】
図３に示すように、本形態に係るガスエンジン１の水素分離装置５６は、二次側空間が水素ポンプ手段としての水素ポンプユニット９を介してタンク５５に接続されている。以下、この水素ポンプユニット９について説明する。
【００６５】
この水素ポンプユニット９は、一方が水素回収管７５によって水素分離装置５６の二次側空間に接続されており、他方が水素放出管９１によってタンク５５に接続されている。また、この水素放出管９１には開度調整可能な電動弁９１ａが設けられている。
【００６６】
水素ポンプユニット９は、一対の水素吸蔵体９２ａ，９２ｂ、（９３ａ，９３ｂ）が直列に接続されて成る第１及び第２の水素ポンプ９２，（９３）と、この水素ポンプ９２，（９３）に接続された水素貯蔵手段としての水素貯蔵体９４とを備えている。これら水素吸蔵体９２ａ〜９３ｂ及び水素貯蔵体９４はそれぞれ上述した水素吸蔵物質が内蔵されている。また、これら水素吸蔵体９２ａ〜９３ｂ及び水素貯蔵体９４には図示しない温冷熱源が備えられており、この温冷熱源によって冷却された際には水素吸蔵動作を行う一方、加熱された際には水素放出動作を行うようになっている。この加熱源としてはエンジン本体２の排熱を利用することも可能である。尚、上記水素貯蔵体９４の構成として、具体的には、水素吸蔵合金タンク、圧縮水素タンク、液体水素タンク、メタルハイドライドタンク、ケミカルハイドライドタンク等が採用可能である。
【００６７】
このように構成された水素ポンプユニット９では、個々の水素ポンプ９２，９３において、上流側の水素吸蔵体９２ａ，（９３ａ）が冷却され下流側の水素吸蔵体９２ｂ，（９３ｂ）が加熱された場合には、この上流側の水素吸蔵体９２ａ，（９３ａ）では水素分離装置５６の二次側空間から水素が取り出されて吸蔵されると共に、下流側の水素吸蔵体９２ｂ，（９３ｂ）では予め吸蔵していた水素がタンク５５に向けて放出されることになる（以下、水素吸放動作）。逆に、上流側の水素吸蔵体９２ａ，（９３ａ）が加熱され下流側の水素吸蔵体９２ｂ，（９３ｂ）が冷却された場合には、この上流側の水素吸蔵体９２ａ，（９３ａ）に吸蔵されていた水素が下流側の水素吸蔵体９２ｂ，（９３ｂ）に供給されてこの下流側の水素吸蔵体９２ｂ，（９３ｂ）に吸蔵されることになる（以下、水素吸蔵予備動作）。そして、各水素ポンプ９２，９３では、一方が水素吸放動作を行い、他方が水素吸蔵予備動作を行う状態が所定時間毎に交互に繰り返される。これにより、水素分離装置５６の二次側空間から取り出した水素を連続的にタンク５５に向けて放出することができるようになっている。
【００６８】
また、負荷遮断時（エンジン本体２への燃料供給が必要ない時）には、水素貯蔵体９４が冷却されて、水素分離装置５６の二次側空間の水素を取り出して一時的に貯留する。そして、負荷投入時には、水素貯蔵体９４が加熱され、この貯蔵していた水素がタンク５５へ放出されるようになっている。これにより、エンジン本体２の運転状態に応じて適切な量の水素ガスを燃料として供給することが可能となり、ガスエンジン１の応答性を良好に得ることができる。
【００６９】
尚、タンク５５への水素ガス放出量の調整動作としては、上述した各水素吸蔵体９２ａ〜９３ｂ及び水素貯蔵体９４の加熱冷却の制御と、上記電動弁９１ａの開度制御によって行われる。
【００７０】
本形態によれば、水素ポンプユニット９によって、水素分離装置５６の二次側空間からの水素の取り出しと、タンク５５に向けての水素の放出とを同時且つ連続的に行うことができ、ガスエンジン１の実用性の向上を図ることができる。また、この水素ポンプユニット９の駆動原理として温度によって水素の吸蔵と放出とを切り換える構成を採用しているので、エンジンの排熱などを有効に利用することが可能となって水素の吸蔵及び放出を行うための特別な動力源を廃することも可能である。
【００７１】
−その他の実施形態−
上記実施形態では、炭化水素系燃料としてメタンガスを燃料改質器５１で改質することにより発熱量の大きな燃料を得るようにしたガスエンジン１に本発明を適用した場合について説明した。本発明は、これに限らず、炭化水素系燃料としては、天然ガス、石油系液体燃料、消化ガス、バイオガス、アルコール燃料等の燃料を適用することも可能である。
【００７２】
また、ガスエンジンとしては発電用のものに限らず、種々の用途に使用されているガスエンジンに本発明は適用可能である。
【００７３】
更に、燃料改質器５１での吸熱反応を更に促進させるために、この燃料改質器５１の内部で、分離水素、改質燃料（改質後の燃料であって水素以外のもの）または炭化水素系燃料（改質前の燃料）の一部を燃焼させて、燃料改質器５１の内部温度を上昇させる構成を採用することも可能である。この構成を採用すれば、燃料改質器５１から水素を抽出することによる吸熱反応の促進効果と相俟って、極めて高い転化率を実現することができる。例えば、この分離水素、改質燃料または炭化水素系燃料の燃焼により燃料改質器５１の内部温度を８００℃まで上昇させた場合には、図２に示すように、略１００％の転化率を得ることができる。
【００７６】
【発明の効果】
以上のように、本発明では、炭化水素系燃料を燃料改質器で改質するに際し、生成した水素を順次燃料改質器から分離抽出することにより、燃料改質器内での改質反応を促進するようにしている。また、水素分離手段によって分離抽出された水素を燃焼室に向けて供給する水素供給経路と、水素分離手段の二次側空間の水素を吸蔵する水素吸蔵手段とを備えさせ、二次側空間の水素が水素吸蔵手段によって吸蔵されるに伴って、この二次側空間の圧力が低下し、これにより、水素の分離抽出動作の促進を図ることができて、ガスエンジン全体としての発電効率の向上を図ることができる。
【００７７】
更に、水素分離手段によって分離抽出された水素を吸蔵する吸蔵動作と、この吸蔵した水素を燃焼室に向けて放出することにより水素供給圧力を昇圧させる放出動作とが可能な水素ポンプ手段を設けた場合には、高転化率を維持しながらガスエンジンの連続運転を良好に行うことが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態に係るガスエンジンによって発電を行う発電システムの概略構成を示す図である。
【図２】排ガス温度とメタン転化率との関係を示す図である。
【図３】第２実施形態に係るガスエンジンによって発電を行う発電システムの概略構成を示す図である。
【図４】従来例における図１相当図である。
【符号の説明】
１ガスエンジン
５１燃料改質器
５２排熱ボイラ（水蒸気発生手段）
５６水素分離装置（水素分離手段）
７５水素回収管（水素供給経路）
７９水蒸気導入管（水蒸気供給経路）
９水素ポンプユニット（水素ポンプ手段）
９４水素貯蔵体（水素貯蔵手段）

Claims

炭化水素系燃料を燃料改質器における吸熱反応により改質した後、この改質後の燃料を燃焼室に供給するガスエンジンにおいて、
分離膜によって上記改質後の燃料から水素を分離抽出すると共に、この分離抽出された水素が存在する二次側空間を備えた水素分離手段と、
この水素分離手段によって分離抽出された水素を燃焼室に向けて供給する水素供給経路と、
水蒸気を発生させる水蒸気発生手段と、
この水蒸気発生手段で発生した水蒸気を水素分離手段の二次側空間に供給する水蒸気供給経路と、
上記水素分離手段の二次側空間の水素を吸蔵する水素吸蔵手段とを備えており、
上記燃料改質器における吸熱反応に必要な熱エネルギ及び水蒸気発生手段における水蒸気発生のための熱エネルギは共に排気ガスから得る構成となっていることを特徴とするガスエンジン。
炭化水素系燃料を燃料改質器における吸熱反応により改質した後、この改質後の燃料を燃焼室に供給するガスエンジンにおいて、
上記改質後の燃料から水素を分離抽出する水素分離手段と、
この水素分離手段によって分離抽出された水素を吸蔵する吸蔵動作と、この吸蔵した水素を燃焼室に向けて放出することにより水素供給圧力を昇圧させる放出動作とが可能な水素ポンプ手段と、
水蒸気を発生させる水蒸気発生手段と、
この水蒸気発生手段で発生した水蒸気を燃料改質器に供給する水蒸気供給経路とを備えており、
上記燃料改質器における吸熱反応に必要な熱エネルギ及び水蒸気発生手段における水蒸気発生のための熱エネルギは共に排気ガスから得る構成となっていることを特徴とするガスエンジン。
上記請求項１及び２記載の構成が組み合わされて構成されていることを特徴とするガスエンジン。