JP5136958B2 - パワーソースシステム - Google Patents

Description

本発明は、車載用として好適な水素生成機能を有する燃料改質装置を備えたパワーソースシステムに関し、更に詳しくは、パワーソースシステムを流通する流体の流体エネルギーを利用して、水素の生成効率を向上させたパワーソースシステムに関する。

近年、地球環境問題への関心の高まりから、燃料電池の利用が検討されている。燃料電池は、水素を燃料とし、酸素又は酸素を含む空気を酸化剤として電気化学的反応により発電するものである。
燃料電池を車体に搭載する場合は、燃料電池システム全体の体積（容積）は、可能な限り小さくすることが好ましい。そのため、燃料源として水素ガスよりもエネルギー密度の高い液体燃料を用いることが望ましい。
燃料電池の燃料源として液体燃料を用いる場合は、この液体燃料を改質し、得られた改質ガスから水素のみを選択的に透過させることのできる機能を有する燃料改質装置が必要となる。

また、燃料電池に限らず、燃費や排気浄化処理を向上させるために、水素を燃料や排ガス処理に使用する検討がなされている。燃料改質装置は、このような水素の供給源としても用いられる。

液体燃料から高純度な水素を得るための燃料改質装置は、改質部、シフト反応部、ＣＯ除去部などを設けている。このような装置は、構造が複雑で、小型化が容易ではない。
装置を小型化するために、シフト反応部、ＣＯ除去部などを必要としない、水素を分離する膜を利用した燃料改質装置も用いられている。

特許文献１には、水素を分離する分離膜を備え、水素の生成量を向上させるために、更に水蒸気発生手段を備えたガソリンエンジンが提案されている。
このガソリンエンジンは、水蒸気発生手段で発生させた水蒸気をスイープガスとして利用し、水素が分離抽出される前の改質燃料が存在する１次空間と、分離膜で分離抽出された水素が存在する２次空間との間に圧力差を発生させて、水素生成量を増大させている。
特許第３７７３４３７号公報

しかし、上記特許文献１のガソリンエンジンは、水素を反応場から引き抜くためのスイープガスとして、水蒸気を利用しているために、水蒸気を発生させるためのボイラーやポンプなどの装置が必要であり、システムが大型化する懸念がある。また、スイープガスとして利用する水蒸気の凝縮を防止するために、水蒸気を流通させる配管やバルブなどを加熱又は保温する必要もあり、装置が大型化することが推測される。
上記特許文献１に記載されているように、水蒸気発生手段として、例えばボイラーを利用した場合には、起動性や過度応答性が低い可能性もある。

本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、システムを大型化することなく、内燃機関、燃料電池、燃焼式ヒータなどのパワーソースに水素を供給する燃料改質装置の水素の分離を促進させて、水素の生成効率を向上させることのできるパワーソースシステムを提供することにある。

本発明者らは、上記目的を達成するべく鋭意検討を重ねた結果、パワーソースと、燃料改質装置とを備えたパワーソースシステムにおいて、このパワーソースシステムを流通する流体の流体エネルギーを利用することによって、上記目的を達成することができることを見出し、本発明を完成した。

即ち、本発明のパワーソースシステムは、水素分離機能を有する燃料改質装置と、パワーソースと、上記燃料改質装置又はパワーソースに供給又は排出される流体の流通経路を備えたパワーソースシステムであって、上記燃料改質装置で生成された水素を、上記流体の流体エネルギーを利用して上記燃料改質装置から分離させて、水素リッチな改質ガスとして上記パワーソースに供給する改質ガス供給手段を備え、上記改質ガス供給手段が、上記燃料改質装置から排出された流体を駆動流とし、上記燃料改質装置で生成された水素を被駆動流とするエジェクタであり、駆動流となる流体をエジェクタに供給する流通経路と、被駆動流となる水素をエジェクタに供給する流通経路に、それぞれ熱交換器を設けたことを特徴としている。

本発明によれば、パワーソースシステムの稼動中に常に存在する流体の流体エネルギーを利用して、燃料改質装置で生成された水素を分離させて、水蒸気改質反応などの平衡反応を水素の生成側にシフトさせて、水素の生成効率を向上させることができる。この際、熱交換器により流体を冷却し、流体を密度の高い状態にしてエジェクタに供給することにより、燃料改質装置における水素の生成反応をより促進させることができる。
また、本発明によれば、パワーソースシステムの稼動中に常に存在する流体の流体エネルギーを利用するため、システム中にスイープガスを発生させるための手段を設ける必要がなく、システムを小型化及び簡素化することができる。

以下、本発明のパワーソースシステムについて、図面に基づき詳細に説明する。
本発明のパワーソースシステムは、以下に説明する実施形態に限られるものではない。
図１は、本発明のパワーソースシステムの実施形態の第１の例を示す概念図である。
図１に示すように、本例のパワーソースシステム１は、燃料改質装置２と、パワーソース３とを備え、燃料改質装置２又はパワーソース３に供給又は排出される流体の流通経路４，５を備えている。パワーソースシステム１は、加熱により燃料の改質を行う機能を有する改質器６を備えている。
燃料改質装置２は、改質ガスから水素を生成する改質層２ａと、生成された水素を選択的に透過させる水素分離体２ｂと、透過された水素を一時的に蓄える水素透過層２ｃとを備えている。

本例のパワーソースシステム１は、燃料改質装置２の水素透過層２ｃに透過させた水素を、水素透過層２ｃから引き抜き（分離抽出させ）、燃料改質装置２における水素の生成反応を促進させる改質ガス供給手段７を備えている。この改質ガス供給手段７によって、燃料改質装置２の水素透過層２ｃに蓄えられた水素は、パワーソースシステム１に常に流れる流体の流体エネルギーを利用して、燃料改質装置２から分離され、水素リッチな改質ガスとして水素利用装置８に供給される。

水素利用装置８は、パワーソース３自体であってもよく、パワーソース３以外の水素リッチな改質ガスを利用する機器やパワーソースの付属装置であってもよい。
本明細書においてパワーソースとは、システム内を流通する流体燃料の供給により駆動源となる内燃機関や燃料電池、又は、熱源となる燃焼式ヒータなどを意味する。
以下に示す実施形態では、主に内燃機関（エンジン）をパワーソースに用いた例について説明しているが、パワーソースは、内燃機関（エンジン）に限らず、燃料電池であっても、燃焼式ヒータであってもよい。

改質ガス供給手段７としては、燃料改質装置２から排出される流体（例えば改質ガスや加熱ガス）、パワーソース３（例えば内燃機関）に供給される流体（例えば燃料）、又は排出される流体（例えば排ガス）を駆動流とするエジェクタや燃料噴射弁が挙げられる。
改質ガス供給手段７として、エジェクタを用いた場合は、例えばパワーソース３から排出された流体を駆動流とし、この流体がエジェクタのノズルから減圧膨張される際に、水素透過層２ｃに一時的に蓄えられている水素が、被駆動流（吸引流）としてエジェクタ内に吸い込まれ、水素透過層２ｃから分離される。エジェクタに吸い込まれた水素は、エジェクタ内で駆動流として利用された流体と混合され、水素リッチな改質ガスとして水素利用装置８に供給される。

本例のパワーソースシステム１は、改質ガス供給手段７を備えたことによって、パワーソースシステム１に流通している流体の流体エネルギーを利用して、水素透過層２ｃから水素を分離させて、水素の生成効率を向上させることができる。

本例のパワーソースシステム１に用いる燃料改質装置２及び改質器６について説明する。
燃料改質装置２の改質層２ａ又は改質器６は、燃料から水素を得る反応を行う部分である。なお、改質層２ａに改質器６の機能を持たせる場合は、触媒を担持させた改質層２ａに熱を供給するための加熱層が必要となる。

一般的に水素は、水蒸気改質反応により生成される。水素の生成は、水蒸気改質反応に限らず、脱水素反応、部分酸化反応、オートサーマルリフォーミング反応、分解反応などの反応を利用してもよい。これらの反応を利用する場合は、改質層２ａ又は改質器６には、水素の生成に適した触媒を配置し、水素を得るための燃料や、反応に必要な水蒸気又は空気などを供給する必要がある。例えば水蒸気改質反応を利用する場合は、燃料及び水蒸気を改質器６又は改質層２ａに供給する。脱水素反応を利用する場合は、燃料のみを供給すればよい。

改質層２ａ又は改質器６に用いられる触媒としては、例えば燃料改質用触媒、脱水素反応用触媒、水性ガスシフト反応用触媒などが挙げられる。
具体的には、白金、ロジウム、ルテニウムなどの貴金属や、銅、コバルト、鉄などの遷移金属を、アルミナ、セリア、シリカ、チタニアなどの無機多孔体に担持したものを用いることができる。
このような触媒としては、例えばペレット状の触媒を、改質層２ａ又は改質器６に充填したものであってもよく、触媒成分となる粉末を含むスラリーを改質器６に備えられたフィンなどに塗布してもよい。
また、触媒は、１種に限らず、２種以上を利用してもよい。改質する燃料や利用する水素生成反応の違いにより、例えば、改質層２ａ又は改質器６の流入口側には、水蒸気改質反応の活性の高い触媒を用い、流出口側には、シフト反応の活性の高い触媒を用いてもよい。

燃料改質装置２若しくは改質器６で改質される燃料、又は、パワーソース３に供給される燃料としては、例えば、ガソリンなどの液体炭化水素や、エタノールなどのアルコール、アルデヒド類又は天然ガスなどの水素生成反応によって水素が得られる種々の炭化水素系燃料を用いることができる。なお、これらの燃料が硫黄分を含有するものである場合は、パワーソースシステム１中に、脱硫器を設け、脱硫された燃料を燃料改質装置２又は改質器６に供給することが望ましい。

燃料改質装置２の水素分離体２ｂは、水素を選択的に透過させる水素透過膜及びその他の部材によって構成される。水素透過膜としては、Ｐｄ、Ｖ、Ｎｂ及びＺｒから成る群より選ばれた少なくとも１種の金属系合金の膜や、シリカ系、ゼオライト系の分子ふるい機能を有するものなどを利用することができる。
水素透過膜は、その膜厚が薄いほど透過させる水素の量を増大させることができ、装置を小型化することができ、高価なＰｄなどの貴金属の使用量も低減するため、水素透過膜を薄膜化することが種々検討されている。

薄膜化された水素透過膜を補強し、支持するために、水素分離体２ｂには、その他の部材として、水素透過膜を透過した水素の流れを妨げない、多孔体プレートなどが用いられる。
多孔体プレートとしては、セラミック製又は金属製のものを用いることができる。金属製の多孔体プレートを用いる場合は、この金属製多孔体プレートと水素透過膜が合金化してしまう場合がある。そのため、多孔体プレートに、水素透過膜との合金化を阻止する保護層を設けた多孔体プレートを用いることが好ましい。具体的には、保護層としてアルミナやジルコニアなどを表面（水素透過膜と接触する表面）に設けた金属製多孔体プレートが用いられる。

燃料改質装置２の水素透過層２ｃは、水素分離体２ｂで選択的に透過された水素を一時的に蓄える機能を有する。
燃料改質装置２において、改質層２ａと水素透過層２ｃとの分圧差が大きい程、即ち、改質層２ａの分圧よりも水素透過層２ｃの分圧が小さい程、水蒸気改質反応の平衡反応が水素を生成する側にシフトされ、水素の生成効率が向上される。そのため、水素透過層２ｃに一時的に蓄えられた水素は、水素透過層２ｃから出来るだけ素早く分離されることが望ましい。
本例のパワーソースシステム１は、改質ガス供給手段７によって、水素透過層２ｃに一時的に蓄えられた水素を水素透過層２ｃから引き抜き（分離抽出）、水素の生成反応を促進させる。

次に、図２に基づき、本発明のパワーソースシステムの好ましい実施形態の第２の例を説明する。
図２（Ａ）に示すパワーソースシステム２０は、燃料改質装置２１と、パワーソースとして内燃機関（エンジン）２２と、燃料改質装置２１に燃料を供給する燃料タンク２３と、蒸発器２４を備えている。
また、パワーソースシステム２０は、燃料改質装置２１の改質層２１ｂから排出された改質ガスを流通させる改質ガス流通経路ａ_１、燃料改質装置２１の水素透過層２１ｄから排出された水素を流通させる水素流通経路ｂ_１、及び、後述するその他の流体の流通経路ｃ_１〜ｆ_１を備えている。

燃料改質装置２１は、加熱層２１ａと、改質層２１ｂと、水素分離体２１ｃと、水素透過層２１ｄとを備えている。水蒸気改質反応を行う場合は、加熱層２１ａで燃料と空気とを燃焼させて、水蒸気改質反応に必要な熱量を有する加熱ガスを改質層２１ｂに供給する。改質層２１ｂは、燃料の改質を行う改質器として利用される。

加熱層２１ａには、燃料や水素を燃焼させて加熱ガスが得られる燃焼触媒を設けてもよい。燃焼触媒としては、例えば白金、パラジウムなどの貴金属や、銅、コバルト、鉄などの遷移金属をアルミナ、セリア、シリカ、チタニアなどの無機多孔体に担持したものを用いることができる。また、加熱層２１ａの代わりに、加熱用ヒータを用いてもよい。
改質層２１ｂには、実施形態の第１例の改質層に用いた触媒と同様の触媒を用いることができる。
また、加熱層２１ａ及び改質層２１ｂには、ガスの流れの偏りを減らし、熱の伝わりを良くするために、フィン等を設けてもよい。

本例のパワーソースシステム２０は、改質される燃料を改質層２１ｂに供給する燃料供給経路ｃ_１と、熱源として利用される燃料を加熱層２１ａに供給する燃料供給経路ｃ_２を備えている。燃料は、燃料タンク２３から燃料供給経路ｃ_１を流通して、蒸発器２４で昇温加圧された後、改質層２１ｂに供給される。また、熱源として利用される燃料は、燃料タンク２３から燃料供給経路ｃ_２を流通して、加熱用燃料供給弁２５から加熱層２１ａに供給される。
燃料経路ｃ_１から供給された燃料は、改質層２１ｂで改質される。そして、この改質ガス中から水素分離体２１ｃによって水素が選択的に透過され、透過された水素が水素透過層２１ｄに一時的に蓄えられる。

本例のパワーソースシステム２０は、改質ガス供給手段として、エジェクタ１０を備えている。図２（Ｂ）は、エジェクタ１０の拡大図である。
図２（Ｂ）に示すように、エジェクタ１０のノズル１１は、改質ガス流通経路ａ_１と連通され、エジェクタ１０の流入ポート１２は水素流通経路ｂ_１と連通されている。
エジェクタ１０は、燃料改質装置２１の改質層２１ｂから排出された改質ガス（流体）を駆動流として利用している。

改質ガス供給手段としてエジェクタ１０を用いた場合は、駆動流として利用される改質ガスがノズル１１から減圧膨張される際に、水素透過層２１ｄに一時的に蓄えられている水素が、吸引ポート１２から被駆動流（吸引流）としてエジェクタ１０内に吸い込まれて、水素透過層２１ｄから分離される。
エジェクタ１０に吸い込まれた水素は、エジェクタ１０のディフューザー１３内で、ＣＯ、メタンなどを含む改質ガスと混合されて、水素リッチな改質ガスとして、改質ガス流通経路ｄ_１から直噴弁２６を通じて、水素利用装置であるエンジン２２に供給される。

本例のパワーソースシステム２０は、エジェクタ１０によって、改質層２１ｂから排出される改質ガスの流体エネルギーを利用して、燃料改質装置２１の水素透過層２１ｄから水素を分離させ、水素の生成反応を促進させることができる。即ち、燃料改質装置２１の水素透過層２１ｄに一時的に蓄えられた水素が、エジェクタ１０により水素透過層２１ｄから分離されることによって、改質層２１ｂと水素透過層２１ｄに分圧差を生じさせて、平衡反応である水蒸気改質反応を水素の生成側にシフトさせて、水素の生成量を増大させる。
本例のパワーソースシステム２０は、システムの稼動中に常に存在する流体（例えば改質ガス）の流体エネルギーを利用しているため、スイープガスの発生手段を別途設ける必要がなく、パワーソースシステムを小型化及び簡素化することができる。

また、本例のパワーソースシステム２０は、エンジン２２から排出された排ガスの流通経路ｅ_１を備え、この排ガス流通経路ｅ_１を通じて排ガスの熱を蒸発器２４の熱源の一部として利用している。
また、本例のパワーソースシステム２０は、排ガス流通経路ｅ_１から分岐された排ガスバイパス経路ｆ₀とｆ_１を備えている。この排ガスバイパス経路ｆ_１を通じて、排ガスの一部を、ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）として加熱層２１ａに供給し、加熱層２１ａの熱源として利用している。

本例のパワーソースシステム２０は、パワーソースシステム２０に常に流通する流体の流体エネルギーを水素透過層２１ｄに一時的に蓄えられた水素の分離に利用するだけではなく、ＥＧＲ、熱源などに利用することによって水素の生成効率を向上させると共に、燃費や排気浄化を向上させることが可能である。

次に、本発明のパワーソースシステムの実施形態の第３の例を図３に基づき説明する。
図３に示すパワーソースシステム３０は、改質ガス供給手段として、エンジン２２に燃料を噴射する燃料噴射弁３１を用いている。図３において、図２に示すパワーソースシステムと同様の部材には、同一の符号を付し、説明を省略する。
本例のパワーソースシステム３０は、燃料タンク２３からエンジン２２に燃料を供給する燃料供給経路ｃ_３と、改質層２１ｂから排出された改質ガスを蒸発器２４に供給する改質ガス流通経路ａ_２と、水素透過層２１ｄから排出された水素を流通させる水素流通経路をｂ_２を備えている。

図３（Ｂ）は、燃料噴射弁３１の一部の概略構成を説明する拡大図である。燃料噴射弁３１の燃料噴射ノズル３１ａは、燃料供給経路ｃ_３と連通され、燃料噴射弁３１の吸入ポート３１ｂは、水素流通経路ｂ_２と連通されている。
図３（Ｂ）に示すように、燃料供給手段及び改質ガス供給手段である燃料噴射弁３１は、燃料タンク２３から燃料供給経路ｃ_３を通じて供給された燃料を駆動流として利用している。

改質ガス供給手段として燃料噴射弁３１を用いた場合は、駆動流として利用される燃料が、燃料噴射ノズル３１ａから噴出される際に、水素透過層２１ｄに一時的に蓄えられている水素が、吸引ポート３１ｂから被駆動流（吸引流）として燃料噴出弁３１に吸い込まれて、水素透過層２１ｄから分離される。燃料噴出弁３１に燃料と共に吸い込まれた水素は、水素リッチな改質ガスとしてエンジン２２に供給される。
改質ガス供給手段としても利用する燃料噴射弁は、パワーソース（エンジン）の筒内に燃料を直接噴射する直噴弁であってもよい。

本例のパワーソースシステム３０は、改質ガス供給手段として燃料噴射弁３１を用いたことによって、エンジンに供給される燃料の流体エネルギーを利用して、燃料改質装置２１の水素透過層２１ｄから水素を分離させ、水素の生成効率を向上させることができる。
本例のパワーソースシステム３０は、水素流通経路ｂ_２に熱交換器３３を設けている。この熱交換器３３により、水素が冷却されて、密度が高められて燃料噴射弁３１からエンジン２２に供給される。
なお、図示を省略したが、水素流通経路ｂ_２には、燃料噴射弁３１への水素の供給を停止又は開始させるバルブを設けてもよい。

また、本例のパワーソースシステム３０において、加熱層２１ａによって加熱され、改質層２１ｂから排出されるＣＯ，メタンなどを含む高温高圧の改質ガスは、改質ガス流通経路ａ_２を通じて蒸発器２４に供給され、蒸発器２４の熱源として利用される。
改質層２１ｂから排出されるＣＯ、ＣＯ_２、メタンなどを含む改質ガスは、その改質ガスの組成によって、エンジン２２から排出された排ガスと混合し、排ガスの浄化に利用してもよい。
エンジン２２から排出される排ガスの排ガス流通経路ｅ_１には、例えば三元触媒などの触媒３２を設け、排ガス中に含まれるＮＯ_ｘ，ＣＯ，メタンなどを無害なガスに浄化する。

本例のパワーソースシステム３０は、パワーソースシステム３０に常に流通する流体の流体エネルギーを、水素の分離、ＥＧＲ，熱源などに利用することによって水素の生成効率を向上させると共に、パワーソースシステム３０の燃費や排気浄化を向上させることが可能である。

次に、本発明のパワーソースシステムの実施形態の第４の例を図４に基づき説明する。
図４に示すパワーソースシステム４０は、改質ガス供給手段として、加熱層２１ａから排出される加熱ガスを駆動流として利用し、水素透過層２１ｄから排出される水素を被駆動流（吸引流）とするエジェクタ４１を用いている。図４において、図２又は図３に示すパワーソースシステムと同様の部材には、同一の符号を付し、説明を省略する。
本例のパワーソースシステム４０は、改質層２１ｂから排出された改質ガスを燃料噴射弁３１からエンジン２２に供給する改質ガス流通経路ａ_３と、加熱層２１ａから排出された加熱ガスをエジェクタ４１に供給する加熱ガス流通経路ｇ_１を備えている。

エジェクタ４１のノズルは、加熱ガス流通経路ｇ_１と連通され、エジェクタ４１の吸入ポートは、水素透過層２１ｄから排出された水素を流通させる水素流通経路ｂ_３と連通されている。
本例のパワーソースシステム４０は、加熱ガス流通経路ｇ_１と水素流通経路ｂ_３に、それぞれ熱交換器４４，４５を設けている。この熱交換器４４，４５によって、流体（加熱ガス又は水素）が冷却されて密度の高い状態でエジェクタ４１に供給される。

改質ガス供給手段としてエジェクタ４１を用いた場合は、駆動流である加熱ガスがエジェクタ４１のノズルから噴出される際に、水素透過層２１ｄに一時的に蓄えられた水素が、エジェクタ４１の吸引ポートから被駆動流（吸引流）として吸い込まれ、水素透過層２１ｄから分離される。
エジェクタ４１に吸い込まれた水素は、エジェクタ４１のディフューザー内で混合され、水素リッチな改質ガスとして、エジェクタ４１から改質ガス供給経路ｄ_２に供給される。

エジェクタ４１から改質ガス供給経路ｄ_２に供給された水素リッチな改質ガスは、改質ガス流通経路ａ_３を流通する不活性ガス，ＣＯ，メタンなどを含む改質ガスと混合されて、燃料噴射弁３１からエンジン２２に供給される。
改質ガスを流通させる改質ガス流通経路ａ_３は、改質層２１ｂで加圧された改質ガスの圧力を調整するための調圧弁４２と、改質ガスを冷却して密度を高めるための熱交換器４３を設けている。

また、本例のパワーソースシステム４０は、燃料タンク２３からエンジン２２に燃料を供給する燃料供給経路ｃ_３と、排ガス流通経路ｅ_１から分岐する排ガスバイパス経路ｆ_２を備えている。
燃料は、主に燃料供給経路ｃ_３から直噴弁２６を通じて、エンジン２２に供給される。エンジン２２が希薄燃焼で運転される場合は、エンジン２２から排出される排ガス中に、多量の酸素が残存している。この排ガスの一部を、排ガス流通経路ｅ_１から分岐している排ガスパイパス経路ｆ_２を通じて、燃料改質装置２１の加熱層２１ａに供給し、酸素供給源として利用する。
なお、排ガスバイパス経路ｆ_２には、排ガスバイパス経路ｆ_２を開閉するバルブ４６を設けている。本例のパワーソースシステム４０は、このバルブ４６によって、加熱層２１ａから排出された加熱ガスをエジェクタ４１の駆動流として利用する場合と、排ガスバイパス経路ｆ_２から排ガスを排ガス流通経路ｅ_１に供給する場合の流通経路の選択を可能としている。

本例のパワーソースシステム４０は、パワーソースシステム４０に常に流通する流体の流体エネルギーを、水素の分離、ＥＧＲ、熱源、酸素供給源などに利用することによって、水素の生成効率を向上させると共に、パワーソースシステムの燃費や排気浄化を向上させることが可能である。

次に、本発明のパワーソースシステムの実施形態の第５の例を図５に基づき説明する。
図５は、例えば水とエタノールなどの混合燃料を用いる場合のパワーソースシステム５０を示している。本例のパワーソースシステム５０は、水タンク５２を備え、燃料タンク２３と水タンク５２は、それぞれのタンクに貯留された流体（燃料、水）の供給量を調整するためポンプ２３ａ，５２ａが備えている。また、本例のパワーソースシステム５０は、図２〜４において図示を省略したコントロールユニット５８を備えている。図５において、図２〜４に示すパワーソースシステムと同様の部材には、同一の符号を付し、説明を省略する。

本例のパワーソースシステム５０は、燃料タンク２３からエタノールなどの燃料を改質層２１ｂに供給する燃料供給経路ｃ_１と、水タンク５２から水（水蒸気）を改質層２１ｂに供給する水（水蒸気）供給経路ｈ_１とを備えている。
エタノールなどの燃料は、燃料タンク２３から燃料供給経路ｃ_１を流通して、蒸発器２４で加圧された後、流量調整弁５３によって燃料の一部が、燃料供給経路ｃ_１から分岐された燃料バイパス経路ｃ_４を通じて、改質層２１ｂに供給される。また、加圧された燃料の一部は、流量調整弁５３によって、燃料供給経路ｃ_１から分岐された燃料バイパス経路ｃ_５を通じて、熱源として燃焼器５４に供給される。燃焼器５４で発生した熱は、燃料改質装置２１の加熱層２１ａを加熱する熱源として利用される。
水は、水タンク５２から水（水蒸気）供給経路ｈ_１を流通して、蒸発器２４で加圧された後、改質層２１ｂに供給される。
改質層２１ｂに供給された燃料及び水蒸気は、改質層２１ｂで改質される。そして、この改質ガス中から水素分離体２１ｃによって水素が選択的に透過され、透過された水素が水素透過層２１ｄに一時的に蓄えられる。

本例のパワーソースシステム５０は、改質ガス供給手段として、エンジン２２から排出される排ガスを駆動流とし利用し、水素透過層２１ｄから排出される水素を被駆動流（吸引流）とするエジェクタ５１を用いている。
エジェクタ５１のノズルは、エンジン２２から排出された排ガス流通経路ｅ_１から一部の排ガスを流出させる排ガス流通経路ｅ_２と連通され、エジェクタ５１の吸入ポートは、水素透過層２１ｄから排出された水素を流通させる水素流通経路ｂ_４と連通されている。

改質ガス供給手段としてエジェクタ５１を用いた場合は、駆動流である排出ガスがエジェクタ５１のノズルから減圧膨張される際に、水素透過層２１ｄに一時的に蓄えられた水素が、エジェクタ５１の吸引ポートから被駆動流（吸引流）として吸い込まれ、水素透過層２１ｄから分離される。そして、吸い込まれた水素は、エジェクタ５１のディフューザー内で混合され、水素リッチな改質ガスとして、エジェクタ５１から改質ガス供給経路ｄ_３に供給される。

改質ガス供給経路ｄ_３に供給された水素リッチな改質ガスは、燃料噴射弁３１からエンジン２２に供給される。改質ガス供給経路ｄ_３には、熱交換器５５を設けている。この熱交換５５によって密度が高められた水素リッチな改質ガスが、燃料噴射弁３１からエンジン２２に供給される。

本例のパワーソースシステム５０は、燃料改質装置２１の改質層２１ｂから排出された改質ガスを貯留する貯留タンク５６を備えている。改質層２１ｂから排出される改質ガスは、高温高圧状態である。この高温高圧の改質ガスを貯留タンク５６に貯めておき、改質ガスの流体エネルギーを利用して、直噴弁２６から改質ガスを膨張させてエンジン２２に供給させてもよい。
改質ガス流通経路ａ_４には、熱交換器５７を設けている。この熱交換器５７によって、改質ガスの密度を高めて貯留タンク５６に貯留してもよい。また、図５においては、図示を省略したが、改質ガス流通経路には、改質ガスの圧力を調整する調圧弁を設けてもよい（図６の調圧弁６５を参照）。

本例のパワーソースシステム５０は、パワーソースシステム５０に常に流通する流体の流体エネルギーを、水素の分離、ＥＧＲ、熱源、酸素供給源、直噴弁の圧力などに利用することによって、水素の生成効率を向上させ、パワーソースシステム５０の燃費や排気浄化を向上させることが可能である。

本例のパワーソースシステム５０は、流体の供給量を調整するためのポンプ２３ａ，５２ａ、流量調整弁５３、直噴弁２６、燃料噴射弁３１は、エンジン２２の運転状況に合わせて、コントロールユニット５８によって、スロットル開度などが制御される。
例えばコントロールユニット５８により直噴弁２６の開度を制御し、貯留タンク５６に貯留された高温高圧の改質ガスをエンジン２２に供給することが可能である。また、燃料の供給量が多く高圧負荷の運転状態において、粒子状物質の発生が予想される場合には、コントロールユニット５８により燃料噴射弁３１のスロットル開度を制御し、水素リッチな改質ガスを多量にエンジン供給することが可能である。

次に、本発明のパワーソースシステムの実施形態の第６の例を図６に基づき説明する。
図６は、過給機６２を備えたパワーソースシステム６０の例を示している。なお、図６において、図２〜５に示すパワーソースシステムと同様の部材には、同一の符号を付し、説明を省略する。

本例のパワーソースシステム６０は、エンジン２２から排出された排ガスを過給機６２に供給する吸気管６３と、過給機６２の下流側に吸気フィルタ６４を設けている。
過給機６２が設けられたパワーソースシステム６０は、排ガスによって過給機６２が駆動され、吸気管６３内を流通する排ガスが加圧されるため、過給機６２に供給される前の吸気管６３を流通する圧力の高い排ガスの流体エネルギーを有効利用することが望ましい。

本例のパワーソースシステム６０は、改質ガス供給手段として、過給機６２に供給される前の圧力の高い排ガスを駆動流とし利用し、水素透過層２１ｄから排出される水素を被駆動流（吸引流）とするエジェクタ６１を用いている。
エジェクタ６１のノズルは、吸気管６３から一部の排ガスを流出させる排ガス流通経路ｅ_３と連通され、エジェクタ６１の吸入ポートは、水素透過層２１ｄから排出された水素を流通させる水素流通経路ｂ_５と連通されている。

改質ガス供給手段としてエジェクタ６１を用いた場合は、過給機６２に供給される前の圧力の高い排ガスがエジェクタ６１のノズルから圧縮膨張される際に、水素透過層２１ｄに一時的に蓄えられた水素が、エジェクタの吸引ポートから被駆動流（吸引流）として吸い込まれ、水素透過層２１ｄから分離される。吸い込まれた水素は、エジェクタ６１からの水素リッチな改質ガスとして、改質ガス流通経路ｄ_３に供給される。水素リッチな改質ガスは、改質ガス流通路ｄ_３に設けられた熱交換５５によって密度が高められて、燃料噴射弁３１からエンジン２２に供給される。

実施形態の第１〜６例に示すように、本例のパワーソースシステムは、システム内を流通する流体の流体エネルギーを利用して、燃料改質装置から水素を分離させ、水蒸気改質反応などの平衡反応を水素の生成側にシフトさせて、水素の生成効率を向上させ、燃焼、発電効率などを向上させることができる。
また、本例のパワーソースシステムは、システムの稼動中に常に存在する流体（例えば改質ガス）の流体エネルギーを利用しているため、小型化及び簡素化が可能であり、車載用のパワーソースシステムとして好適に用いることができる。

本発明のパワーソースシステムの第１実施形態を概念的に示す説明図である。 本発明のパワーソースシステムの第２実施形態を模式的に示す説明図である。 本発明のパワーソースシステムの第３実施形態を模式的に示す説明図である。 本発明のパワーソースシステムの第４実施形態を模式的に示す説明図である。 本発明のパワーソースシステムの第５実施形態を模式的に示す説明図である。 本発明のパワーソースシステムの第６実施形態を模式的に示す説明図である。

符号の説明

１，２０，３０，４０，６０ パワーソースシステム
２ 燃料改質装置
２ａ 改質層
２ｂ 水素分離体
２ｃ 水素透過層
３ パワーソース
４，５ 流通経路
６ 改質器
７ 改質ガス供給手段
８ 水素利用装置
１０，４１，５１，６１ エジェクタ
１１ ノズル
１２ 吸入ポート
１３ ディフューザー
２１ 燃料改質装置
２１ａ 加熱層
２１ｂ 改質層
２１ｃ 水素分離体
２１ｄ 水素透過層
２２ 内燃機関（エンジン）
２３ 燃料タンク
２４ 蒸発器
２５ 加熱用燃料供給弁
２６ 直噴弁
３１ 燃料噴射弁
３１ａ 燃料噴射ノズル
３１ｂ 吸引ポート
３２ 触媒
３３，４３，４４，４５，５５，５７ 熱交換器
４２ 調圧弁
５２ 水タンク
５３ 流量調整弁
５４ 燃焼器
５６ 貯留タンク
５６ａ 圧力調整弁
５８ コントロールユニット
６２ 過給機
６３ 吸気管
６４ 吸気フィルタ
６５ 調圧弁
ａ_１〜ａ_４ 改質ガス流通経路
ｂ_１〜ｂ_５ 水素流通経路
ｃ_１〜ｃ_３ 燃料供給経路
ｃ_４，ｃ_５ 燃料バイパス経路
ｄ_１〜ｄ_３ 改質ガス流通経路
ｅ_１〜ｅ_３ 排ガス流通経路
ｆ₀〜ｆ_２ 排ガスバイパス経路
ｇ_１ 加熱ガス流通経路
ｈ_１ 水（水蒸気）供給経路

Claims (2)

1. 水素分離機能を有する燃料改質装置と、パワーソースと、上記燃料改質装置又はパワーソースに供給又は排出される流体の流通経路を備えたパワーソースシステムであって、
   上記燃料改質装置で生成された水素を、上記流体の流体エネルギーを利用して上記燃料改質装置から分離させて、水素リッチな改質ガスとして上記パワーソースに供給する改質ガス供給手段を備え、
   上記改質ガス供給手段が、上記燃料改質装置から排出された流体を駆動流とし、上記燃料改質装置で生成された水素を被駆動流とするエジェクタであり、
   駆動流となる流体をエジェクタに供給する流通経路と、被駆動流となる水素をエジェクタに供給する流通経路に、それぞれ熱交換器を設けたことを特徴とするパワーソースシステム。
2. 上記改質ガス供給手段から供給される水素リッチな改質ガスを、上記燃料改質装置から排出された流体と共にパワーソースに供給する燃料噴射弁を備えたことを特徴とする請求項１に記載のパワーソースシステム。

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