JP5508146B2 - エンジンシステム及び水素ステーション - Google Patents
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Description
本発明は、水素及び電力を生成するエンジンシステム及び水素ステーションに関する。
近年、水素自動車や燃料電池車等の開発・実用化が進められており、これに並行して、水素自動車や燃料電池車等に、その燃料となる水素を供給するための水素ステーションの開発・実用化も進められている。例えば、特許文献１では、電力を発生する燃焼タービン発電装置からの排気ガスを利用して、有機ハイドライドを脱水素反応させ、水素を生成する「高圧水素の供給システム」が提案されている。
しかしながら、特許文献１の燃焼タービン発電装置は、通常、大型であり、運転・停止に伴うエネルギロスが大きいという不都合があった。
そこで、本発明は、水素及び電力を高効率で生成可能とするエンジンシステム及び水素ステーションを提供することを課題とする。
前記課題を解決するための手段として、本発明は、燃焼用燃料を燃焼し、動力を発生するエンジンと、前記エンジンで発生した動力により作動し電力を生成する発電機と、前記エンジンからの排気ガスで加熱され、水素含有燃料を分解することで水素及び燃焼用燃料を生成する触媒を有する反応器と、を備えることを特徴とするエンジンシステムである。
このようなエンジンシステムによれば、エンジンで発生した動力により作動する発電機によって、電力を高効率で生成できる。また、エンジンからの高温の排気ガスによって、反応器の触媒を加熱し活性化できる。そして、この活性化した触媒によって、水素含有燃料を良好に分解し、水素及び燃焼用燃料を高効率で生成できる。
すなわち、エンジンを作動させることで、発電機で電力を生成しつつ、エンジンから排出された排気ガスを有効利用して、水素含有燃料を分解し、水素及び燃焼用燃料を生成できる。
すなわち、エンジンを作動させることで、発電機で電力を生成しつつ、エンジンから排出された排気ガスを有効利用して、水素含有燃料を分解し、水素及び燃焼用燃料を生成できる。
本発明によれば、水素及び電力を高効率で生成可能とするエンジンシステム及び水素ステーションを提供することができる。
以下、本発明の一実施形態について、図１〜図６を参照して説明する。
≪水素ステーションの構成≫
図１に示すように、本実施形態に係る水素ステーション１は、エンジンシステムが組み込まれたステーションであって、トルエン（Ｃ７Ｈ１４、燃焼用燃料）を燃焼するエンジン１１と、発電機１３と、圧縮機１４と、過給器２１（ターボ）と、水素インジェクタ２３と、燃料インジェクタ２４と、エンジン１１からの排気ガスの熱を利用して、ＭＣＨ（メチルシクロヘキサン、Ｃ７Ｈ１４、水素含有燃料）を分解し水素及びトルエンを生成する反応器３０と（式（１）参照）、システムを電子制御するコントローラ７０（制御手段）と、を備えている。
図１に示すように、本実施形態に係る水素ステーション１は、エンジンシステムが組み込まれたステーションであって、トルエン（Ｃ７Ｈ１４、燃焼用燃料）を燃焼するエンジン１１と、発電機１３と、圧縮機１４と、過給器２１（ターボ）と、水素インジェクタ２３と、燃料インジェクタ２４と、エンジン１１からの排気ガスの熱を利用して、ＭＣＨ（メチルシクロヘキサン、Ｃ７Ｈ１４、水素含有燃料）を分解し水素及びトルエンを生成する反応器３０と（式（１）参照）、システムを電子制御するコントローラ７０（制御手段）と、を備えている。
Ｃ７Ｈ１４（ＭＣＨ）→Ｃ７Ｈ１４（トルエン）＋３Ｈ２−２０５ｋｊ …（１）
なお、式（１）は吸熱反応であるから、反応器３０において排気ガスの熱を利用することにより、つまり、排気ガスのエネルギを回収することにより、システム全体のエネルギ効率を高めている。
＜ＭＣＨ、トルエン＞
すなわち、本実施形態では、水素含有燃料（有機ハイドライド）として、ＭＣＨ（メチルシクロヘキサン）を使用した構成を例示するが、その他に例えば、シクロヘキサン、デカリン等も使用できる。なお、水素含有燃料とは、水素を容易に添加・生成する燃料であって、例えば、炭化水素系燃料やその混合燃料である。
すなわち、本実施形態では、水素含有燃料（有機ハイドライド）として、ＭＣＨ（メチルシクロヘキサン）を使用した構成を例示するが、その他に例えば、シクロヘキサン、デカリン等も使用できる。なお、水素含有燃料とは、水素を容易に添加・生成する燃料であって、例えば、炭化水素系燃料やその混合燃料である。
また、本実施形態では、燃焼用燃料（エンジン駆動用燃料）として、トルエンを使用した構成を例示するが、その他に例えば、ナフタレン、ベンゼン等も使用できる。なお、燃焼用燃料とは、エンジン１１で燃焼可能な燃料であって、例えば、炭化水素系燃料やその混合燃料である。
そして、トルエンのオクタン価（約１２０）は、通常の火花点火用の燃料であるガソリンに対して高いので、エンジン１１でノッキングが発生し難く、また、高圧縮比でエンジン１１を作動させ、燃焼効率を高めることも可能となっている。具体的には、一般的な火花点火式のエンジン１１の場合、圧縮比１３程度が最大値であるが、トルエンを使用することにより、圧縮比１５程度に高めることも可能となる。さらに、火花点火式のエンジン１１の場合、理論サイクルがオットーサイクルであるから、圧縮比が高くなると、熱効率が向上する関係である。
＜エンジン＞
エンジン１１は、４サイクル（吸気、圧縮、燃焼・膨張、排気）を繰り返す４ストローク機関である。エンジン１１は、複数の気筒（シリンダ）と、気筒内を往復運動するピストンと、ピストンにコンロッドを介して接続されたクランク軸１２と、クランク軸１２に連動する吸気弁及び排気弁と、コントローラ７０により電子制御される点火プラグと、を備えている。エンジン１１の出力（回転速度、トルク、排気ガスの流量等）は、燃料・空気の吸気量、点火タイミングを制御するコントローラ７０で制御される。
エンジン１１は、４サイクル（吸気、圧縮、燃焼・膨張、排気）を繰り返す４ストローク機関である。エンジン１１は、複数の気筒（シリンダ）と、気筒内を往復運動するピストンと、ピストンにコンロッドを介して接続されたクランク軸１２と、クランク軸１２に連動する吸気弁及び排気弁と、コントローラ７０により電子制御される点火プラグと、を備えている。エンジン１１の出力（回転速度、トルク、排気ガスの流量等）は、燃料・空気の吸気量、点火タイミングを制御するコントローラ７０で制御される。
なお、このようなエンジン１１は、タービンと比較して、運転・停止に伴うエネルギロスは小さく、その大きさ（排気量）等は設計変更容易である。また、エンジンの排気量や、気筒の数（２気筒、４気筒、６気筒等）及び配列（Ｖ型、直列型等）は、適宜変更自由である。
＜発電機＞
発電機１３は、エンジン１１の動力によって作動し電力を生成する装置である。すなわち、発電機１３は、減速機構及びクラッチ（図示しない）を介して、エンジン１１のクランク軸１２と機械的に接続されている。これにより、エンジン１１の動力がロス無く発電機１３に伝達し、発電機１３で電力に変換されるようになっている。
なお、発電機１３で生成した電力は、電気自動車に供給されたり、バッテリに充電されるように構成されている。その他、余剰電力が系統電力に売電される構成としてもよい。
発電機１３は、エンジン１１の動力によって作動し電力を生成する装置である。すなわち、発電機１３は、減速機構及びクラッチ（図示しない）を介して、エンジン１１のクランク軸１２と機械的に接続されている。これにより、エンジン１１の動力がロス無く発電機１３に伝達し、発電機１３で電力に変換されるようになっている。
なお、発電機１３で生成した電力は、電気自動車に供給されたり、バッテリに充電されるように構成されている。その他、余剰電力が系統電力に売電される構成としてもよい。
＜圧縮機＞
圧縮機１４は、エンジン１１の動力によって作動し、配管５３ｂからの水素を圧縮して所定圧力（例えば、数ＭＰａ〜数十ＭＰａ）に昇圧し、水素自動車、燃料電池車、水素タンク等の外部の水素需要機器に向けて圧送する装置である。すなわち、圧縮機１４は、減速機構及びクラッチ（図示しない）を介して、エンジン１１のクランク軸１２と機械的に接続されている。これにより、エンジン１１の動力がロス無く圧縮機１４に伝達し、圧縮機１４で水素の流体エネルギに変換されるようになっている。
圧縮機１４は、エンジン１１の動力によって作動し、配管５３ｂからの水素を圧縮して所定圧力（例えば、数ＭＰａ〜数十ＭＰａ）に昇圧し、水素自動車、燃料電池車、水素タンク等の外部の水素需要機器に向けて圧送する装置である。すなわち、圧縮機１４は、減速機構及びクラッチ（図示しない）を介して、エンジン１１のクランク軸１２と機械的に接続されている。これにより、エンジン１１の動力がロス無く圧縮機１４に伝達し、圧縮機１４で水素の流体エネルギに変換されるようになっている。
なお、ここでは、圧縮機１４がクランク軸１２に接続され、エンジン１１を動力源として作動する構成を例示しているが、その他に例えば、発電機１３が電動モータを内蔵し、発電機１３からの電力が供給されると前記電動モータが回転し、圧縮機１４が作動する構成としてもよい。この構成の場合も、圧縮機１４は、エンジン１１の動力によって作動することになる。
その他、複数の圧縮機１４を直列で接続し、一の圧縮機１４で圧縮された水素を、他の圧縮機１４でさらに圧縮し、水素を段階的に昇圧する構成としてもよい。
その他、複数の圧縮機１４を直列で接続し、一の圧縮機１４で圧縮された水素を、他の圧縮機１４でさらに圧縮し、水素を段階的に昇圧する構成としてもよい。
次に、エンジン１１の吸気側を説明する。
上流端が外部の空気に開口した配管２１ａから、エンジン１１に向かって順に、過給器２１、配管２１ｂ、スロットル弁２２、配管２２ａ（吸気ポート）、エンジン１１の順に接続されている。配管２１ａには、塵等を除去するエアクリーナ（図示しない）が設けられている。そして、水素インジェクタ２３及び燃料インジェクタ２４は、配管２２ａに取り付けられている。
上流端が外部の空気に開口した配管２１ａから、エンジン１１に向かって順に、過給器２１、配管２１ｂ、スロットル弁２２、配管２２ａ（吸気ポート）、エンジン１１の順に接続されている。配管２１ａには、塵等を除去するエアクリーナ（図示しない）が設けられている。そして、水素インジェクタ２３及び燃料インジェクタ２４は、配管２２ａに取り付けられている。
＜過給器＞
過給器２１は、エンジン１１から排出された排気ガスにより作動し、エンジン１１に吸気される空気を圧縮しエンジン１１に過給する装置である。このように、過給器２１によって空気がエンジン１１に過給、つまり、吸気される空気の流量が増加するので、エンジン１１で生成するトルクが向上し、また、エンジン１１の熱効率及び出力が向上するようになっている。
過給器２１は、エンジン１１から排出された排気ガスにより作動し、エンジン１１に吸気される空気を圧縮しエンジン１１に過給する装置である。このように、過給器２１によって空気がエンジン１１に過給、つまり、吸気される空気の流量が増加するので、エンジン１１で生成するトルクが向上し、また、エンジン１１の熱効率及び出力が向上するようになっている。
スロットル弁２２は、例えば、バタフライ弁で構成され、その開度がコントローラ７０で制御されることで、エンジン１１に吸気される空気の流量を制御する装置である。
＜水素インジェクタ（水素供給手段）＞
水素インジェクタ２３は、コントローラ７０からの指令に従って、水素を配管２２ａ（吸気ポート）に噴射し、エンジン１１に供給する装置である。なお、水素は、後記する分離器５２で分離された後、配管５２ａを介して、水素インジェクタ２３に導かれている。
水素インジェクタ２３は、コントローラ７０からの指令に従って、水素を配管２２ａ（吸気ポート）に噴射し、エンジン１１に供給する装置である。なお、水素は、後記する分離器５２で分離された後、配管５２ａを介して、水素インジェクタ２３に導かれている。
ここで、本実施形態において、「反応器３０で生成した水素をエンジン１１に供給する水素供給手段」は、配管５１ａと、第２三方弁５１と、配管５１ｂと、分離器５２と、配管５２ａと、水素インジェクタ２３と、を備えて構成されている。
そして、このようにして、燃焼速度の大きい水素がエンジン１１に供給されるので、エンジン１１において、希薄・均一燃焼が可能となり、また、ポンピングロスも低減される。また、エンジン１１内の混合気（トルエン、水素、空気が混合したもの）の比熱比（定容比熱(Ｃｖ)／定圧比熱(Ｃｐ)）が向上し、エンジン１１の熱効率を高めることができる。
＜燃料インジェクタ（燃焼用燃料供給手段）＞
燃料インジェクタ２４は、コントローラ７０からの指令に従って、トルエンを配管２２ａに噴射し（ポート噴射）、エンジンに供給する装置である。なお、燃料インジェクタ２４の位置はこれに限定されず、エンジン１１内に形成された気筒（図示しない）に直接噴射する構成でもよい。また、トルエンは、後記するタンク５４から、配管５４ａ、ポンプ５５、配管５５ａを介して、燃料インジェクタ２４に導かれている。
燃料インジェクタ２４は、コントローラ７０からの指令に従って、トルエンを配管２２ａに噴射し（ポート噴射）、エンジンに供給する装置である。なお、燃料インジェクタ２４の位置はこれに限定されず、エンジン１１内に形成された気筒（図示しない）に直接噴射する構成でもよい。また、トルエンは、後記するタンク５４から、配管５４ａ、ポンプ５５、配管５５ａを介して、燃料インジェクタ２４に導かれている。
ここで、本実施形態において、「反応器３０で生成したトルエン（燃焼用燃料）をエンジン１１に供給する燃焼用燃料供給手段」は、配管５１ａと、第２三方弁５１と、分離器５２と、配管５２ｂと、タンク５４と、配管５４ａと、ポンプ５５と、配管５５ａと、燃料インジェクタ２４と、を備えて構成されている。
そして、このようにして高オクタン価のトルエンがエンジン１１に供給されるので、前記したように、エンジン１１でノッキングが発生し難くなり、エンジン１１を高圧縮比で作動させ、燃焼効率を高めることも可能となる。
次に、エンジン１１の排気側を説明する。
エンジン１１の排気ガス出口は、配管２１ｃ、過給器２１、配管２１ｄを介して、反応器３０の排気ガス入口に接続されている。そして、エンジン１１からの排気ガスは、過給器２１を作動（回転）させた後、反応器３０に導かれるようになっている。なお、配管２１ｄの下流端は、排気ガスが反応セル３１（図３参照）の外であって第２ケーシング３４内の全体を通流するように分岐している（図２参照）。
エンジン１１の排気ガス出口は、配管２１ｃ、過給器２１、配管２１ｄを介して、反応器３０の排気ガス入口に接続されている。そして、エンジン１１からの排気ガスは、過給器２１を作動（回転）させた後、反応器３０に導かれるようになっている。なお、配管２１ｄの下流端は、排気ガスが反応セル３１（図３参照）の外であって第２ケーシング３４内の全体を通流するように分岐している（図２参照）。
＜反応器＞
反応器３０は、図２、図３（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、複数の反応セル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、ＭＣＨ（メチルシクロヘキサン、水素含有燃料）が各反応セル３１内を通流し、高温の排気ガスが反応セル３１の外であって第１ケーシング３２内を通流するようになっている。
反応器３０は、図２、図３（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、複数の反応セル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、ＭＣＨ（メチルシクロヘキサン、水素含有燃料）が各反応セル３１内を通流し、高温の排気ガスが反応セル３１の外であって第１ケーシング３２内を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＞
反応セル３１は、図３（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。
反応セル３１は、図３（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３（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、ＭＣＨ、生成した水素及びトルエンが通流可能な隙間が形成されている。
なお、厚さ方向において隣り合う反応シート３３、３３間には、ＭＣＨ、生成した水素及び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、ＭＣＨを水素とトルエン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、排気ガスの熱が厚さ方向に良好に伝導し、また、ＭＣＨ、生成した水素及びトルエンが、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。
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、ＭＣＨ、生成した水素及びトルエン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、アルミナを主体とする酸化物で構成される。
触媒３７は、ＭＣＨを分解し、水素及びトルエンを生成させるための触媒である（式（１）参照）。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。
なお、反応器３０を通流した排気ガスは、反応器３０の排気ガス出口に接続された配管２１ｅを通って外部に排出されるようになっている（図１、図２参照）。
そして、配管２１ｅには、温度センサ２５が取り付けられており、温度センサ２５は、反応器３０の加熱後、外部に排出される排気ガスの温度Ｔ１３を検出し、コントローラ７０に出力するようになっている。
そして、配管２１ｅには、温度センサ２５が取り付けられており、温度センサ２５は、反応器３０の加熱後、外部に排出される排気ガスの温度Ｔ１３を検出し、コントローラ７０に出力するようになっている。
＜ＭＣＨ供給系＞
次に、図１、図２を参照して、反応器３０に、ＭＣＨを供給するＭＣＨ供給系について説明する。
ＭＣＨ供給系は、ＭＣＨを貯溜するタンク４１と、ＭＣＨを圧送するポンプ４２と、常閉型のインジェクタ４３と、第１三方弁４４と、第１流量制御弁４５と、第２流量制御弁４６と、温度センサ４７と、を備えている。
次に、図１、図２を参照して、反応器３０に、ＭＣＨを供給するＭＣＨ供給系について説明する。
ＭＣＨ供給系は、ＭＣＨを貯溜するタンク４１と、ＭＣＨを圧送するポンプ４２と、常閉型のインジェクタ４３と、第１三方弁４４と、第１流量制御弁４５と、第２流量制御弁４６と、温度センサ４７と、を備えている。
タンク４１から、下流に向かって、配管４１ａ、ポンプ４２、配管４２ａ、インジェクタ４３、配管４３ａ、第１三方弁４４、配管４４ａ、第１流量制御弁４５、配管４５ａを順に介して、反応器３０の反応セル３１に接続されている。なお、配管４５ａの下流端は、複数の反応セル３１に対応して複数股に分岐している（図２参照）。
また、配管４４ａの途中は、配管４６ａ、第２流量制御弁４６、配管４６ｂを介して、前記した分岐点よりも上流側で配管４５ａに接続されている。
また、配管４４ａの途中は、配管４６ａ、第２流量制御弁４６、配管４６ｂを介して、前記した分岐点よりも上流側で配管４５ａに接続されている。
そして、ポンプ４２が作動している状態で、コントローラ７０からの指令に従ってインジェクタ４３がＭＣＨを噴射すると、噴射されたＭＣＨが、第１流量制御弁４５及び／又は第２流量制御弁４６を通って、複数の反応セル３１に供給されるようになっている。
なお、第１流量制御弁４５及び第２流量制御弁４６は、コントローラ７０からの指令に従って、０を含めて開度を可変可能に構成された制御弁、つまり、０を含めて流量を制御可能な制御弁である。
なお、第１流量制御弁４５及び第２流量制御弁４６は、コントローラ７０からの指令に従って、０を含めて開度を可変可能に構成された制御弁、つまり、０を含めて流量を制御可能な制御弁である。
＜第１予熱部＞
また、配管４５ａの一部は、その内部を通流するＭＣＨ（反応器３０の暖機時は空気）が、配管２１ｄを通流し反応器３０に向かう排気ガスによって予熱（加熱）されるように、配管２１ｄと熱交換可能に配置されている。具体的に例えば、配管４５ａの一部は、配管２１ｄ内に二重管構造となるように設けられる。
また、配管４５ａの一部は、その内部を通流するＭＣＨ（反応器３０の暖機時は空気）が、配管２１ｄを通流し反応器３０に向かう排気ガスによって予熱（加熱）されるように、配管２１ｄと熱交換可能に配置されている。具体的に例えば、配管４５ａの一部は、配管２１ｄ内に二重管構造となるように設けられる。
したがって、本実施形態において、「エンジン１１から反応器３０に向かう排気ガスによって、反応器３０に向かうＭＣＨを予熱する第１予熱部Ａ」は、熱交換可能に配置された配管４５ａと配管２１ｄとで構成されている。
これにより、第１予熱部Ａで予熱されたＭＣＨを反応器３０に導入でき、触媒３７の温度が良好に維持されるようになっている。また、システム起動時には、第１予熱部Ａによって、反応器３０に導入される空気を予熱でき、触媒３７が速やかに昇温されるようになっている。
＜第２予熱部＞
また、配管４６ｂの一部は、その内部を通流するＭＣＨが、反応器３０から排出された排気ガスによって予熱（加熱）されるように、配管２１ｅと熱交換可能に配置されている。
また、配管４６ｂの一部は、その内部を通流するＭＣＨが、反応器３０から排出された排気ガスによって予熱（加熱）されるように、配管２１ｅと熱交換可能に配置されている。
したがって、本実施形態において、「反応器３０から排出された排気ガスによって、反応器３０に向かうＭＣＨを予熱する第２予熱部Ｂ」は、配管４６ｂと配管２１ｅとで構成されている。
これにより、外部に排出される排気ガスの温度が余っている場合、第２予熱部Ｂによってこれを回収し、反応器３０に向かうＭＣＨを予熱することで、エネルギ効率を高めることができる。
これにより、外部に排出される排気ガスの温度が余っている場合、第２予熱部Ｂによってこれを回収し、反応器３０に向かうＭＣＨを予熱することで、エネルギ効率を高めることができる。
また、第１三方弁４４の３つのポートのうち１つのポートは、配管４４ｂを介して外部の空気に開放されている。
＜水素・トルエン導出系＞
次に、反応器３０で生成した水素及びトルエンを導出する水素・トルエン導出系を説明する。
水素・トルエン導出系は、第２三方弁５１と、分離器５２と、常閉型の開閉弁５３と、タンク５４と、ポンプ５５と、を備えている。
次に、反応器３０で生成した水素及びトルエンを導出する水素・トルエン導出系を説明する。
水素・トルエン導出系は、第２三方弁５１と、分離器５２と、常閉型の開閉弁５３と、タンク５４と、ポンプ５５と、を備えている。
複数の反応セル３１は、上流側が複数股に分岐した配管５１ａ（図２参照）、第２三方弁５１、配管５１ｂを介して、分離器５２に接続されている。そして、複数の反応セル３１で生成した水素及びトルエンは、混在したまま、配管５１ａ、第２三方弁５１、配管５１ｂを通って、分離器５２に導出されるようになっている。
また、第２三方弁５１は、分離器５２をバイパスする配管５１ｃを介して、配管５２ａに接続されている。
また、第２三方弁５１は、分離器５２をバイパスする配管５１ｃを介して、配管５２ａに接続されている。
分離器５２は、水素とトルエンとを分離する装置である。
本実施形態に係る分離器５２は、水素及びトルエンが混在したものを空冷式で冷却することで、トルエン（沸点：１１０℃）のみを液化させ、水素とトルエンとを分離するようになっている。よって、例えば、分離器５２の外周面には、空冷式による冷却を促進するための放熱フィン（図示しない）が設けられている。
なお、分離方式はこれに限定されず、その他に例えば、圧力スイング吸着装置、水素を選択的に透過する水素透過膜（Ｐｄ膜等）によって水素を分離する方式でもよい。
本実施形態に係る分離器５２は、水素及びトルエンが混在したものを空冷式で冷却することで、トルエン（沸点：１１０℃）のみを液化させ、水素とトルエンとを分離するようになっている。よって、例えば、分離器５２の外周面には、空冷式による冷却を促進するための放熱フィン（図示しない）が設けられている。
なお、分離方式はこれに限定されず、その他に例えば、圧力スイング吸着装置、水素を選択的に透過する水素透過膜（Ｐｄ膜等）によって水素を分離する方式でもよい。
そして、分離器５２で分離された水素は、配管５２ａを通って、水素インジェクタ２３に供給されるようになっている。
なお、配管５２ａに水素を圧送するポンプが設けられた構成でもよい。
なお、配管５２ａに水素を圧送するポンプが設けられた構成でもよい。
また、配管５２ａの途中は、配管５３ａ、常閉型の開閉弁５３、配管５３ｂを介して、圧縮機１４の吸気口に接続されている。そして、コントローラ７０によって開閉弁５３が開かれ、圧縮機１４が作動すると、水素が圧縮機１４に吸気されるようになっている。
一方、分離器５２で液化することで分離されたトルエンは、分離器５２の底部から延びる配管５２ｂを自重により通流し、タンク５４で貯溜されるようになっている。
なお、配管５２ｂにトルエンを圧送するポンプ（図示しない）が設けられた構成でもよい。
なお、配管５２ｂにトルエンを圧送するポンプ（図示しない）が設けられた構成でもよい。
タンク５４内のトルエンは、配管５４ａ、コントローラ７０からの指令に従って作動するポンプ５５、配管５５ａを通って、燃料インジェクタ２４に圧送されるようになっている。
＜その他機器＞
起動スイッチ６１は、水素ステーション１を起動／停止する場合に、ＯＮ／ＯＦＦされるスイッチであり、適所に配置されている。そして、起動スイッチ６１は、そのＯＮ／ＯＦＦ信号を、コントローラ７０に出力されるようになっている。
起動スイッチ６１は、水素ステーション１を起動／停止する場合に、ＯＮ／ＯＦＦされるスイッチであり、適所に配置されている。そして、起動スイッチ６１は、そのＯＮ／ＯＦＦ信号を、コントローラ７０に出力されるようになっている。
＜コントローラ＞
コントローラ７０は、水素ステーション１を電子制御する制御装置であり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インタフェイス、電子回路などを含んで構成されており、その内部に記憶されたプログラムに従って、各種機能を発揮し、各種機器を制御するようになっている。
コントローラ７０は、水素ステーション１を電子制御する制御装置であり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インタフェイス、電子回路などを含んで構成されており、その内部に記憶されたプログラムに従って、各種機能を発揮し、各種機器を制御するようになっている。
≪水素ステーションの動作・効果≫
次に、水素ステーション１の動作・効果について、図４〜図６を参照して説明する。
次に、水素ステーション１の動作・効果について、図４〜図６を参照して説明する。
＜起動時＞
まず、水素ステーション１の起動時について、図４を参照して説明する。なお、起動スイッチ６１がＯＮされると、図４に示す処理がスタートする。
まず、水素ステーション１の起動時について、図４を参照して説明する。なお、起動スイッチ６１がＯＮされると、図４に示す処理がスタートする。
ステップＳ１０１において、コントローラ７０は、第１三方弁４４を制御し、配管４４ａと配管４４ｂとを連通させる。これにより、配管４４ａは、第１三方弁４４、配管４４ｂを介して、外部の空気に開放される。
ステップＳ１０２において、コントローラ７０は、第２三方弁５１を制御し、配管５１ａと配管５１ｃとを連通させる。これにより、この後、ステップＳ１０３で通流する空気が、分離器５２をバイパスすることになる。
ステップＳ１０３において、コントローラ７０は、エンジン１１の始動用のセルモータ（図示しない）を作動させ、クランク角に基づいて点火プラグで着火し、エンジン１１を始動させ、エンジン１１の燃焼を開始させる。
具体的には、コントローラ７０は、ポンプ５５を作動した後、燃料インジェクタ２４によって、トルエンを噴射する。トルエンの噴射量は、好適な燃空比となるように制御する。
なお、タンク５４に貯溜されたトルエンの残量が所定残量以下ある場合、タンク４１のＭＣＨを図示しない配管を介して燃料インジェクタ２４に供給し、燃料インジェクタ２４でＭＣＨを噴射する構成としてもよい。
具体的には、コントローラ７０は、ポンプ５５を作動した後、燃料インジェクタ２４によって、トルエンを噴射する。トルエンの噴射量は、好適な燃空比となるように制御する。
なお、タンク５４に貯溜されたトルエンの残量が所定残量以下ある場合、タンク４１のＭＣＨを図示しない配管を介して燃料インジェクタ２４に供給し、燃料インジェクタ２４でＭＣＨを噴射する構成としてもよい。
また、第１流量制御弁４５を全開とし、第２流量制御弁４６を全閉とし、水素インジェクタ２３を全開とする。このような状態でエンジン１１が作動すると、ピストンの往復運動に伴ってエンジン１１で発生した負圧により、外部の空気が吸気される。
すなわち、外部の空気は、配管４４ｂ、第１三方弁４４、配管４４ａ、第１流量制御弁４５、配管４５ａ、複数の反応セル３１（図２参照）、配管５１ａ、第２三方弁５１、配管５１ｃ、配管５２ａ、水素インジェクタ２３を順に通って、配管２２ａに吸気される。
この場合において、配管２１ａ側から吸気される空気の流量を少なくするために、スロットル弁２２の開度は小さくする。
この場合において、配管２１ａ側から吸気される空気の流量を少なくするために、スロットル弁２２の開度は小さくする。
また、エンジン１１が始動すると、エンジン１１において高温の排気ガスが生成し、この排気ガスが、配管２１ｃ、過給器２１、配管２１ｄ、反応器３０、配管２１ｅを通って、外部に排出される。
そうすると、第１予熱部Ａにおいて、高温の排気ガスが反応器３０に向かう空気を予熱（加熱）し、この空気が反応セル３１内を通流しながら、触媒３７を加熱する。また、排気ガスが反応セル３１外を通流しながら、触媒３７を加熱する。これにより、反応器３０（触媒３７）が短時間で暖機される。
さらに、排気ガスで加熱された空気が、空冷式の分離器５２をバイパスし、分離器５２で冷却されず、高温のまま、水素インジェクタ２３等を通って、エンジン１１に吸気される。これにより、エンジン１１も短時間で暖機される。
ステップＳ１０４において、コントローラ７０は、温度センサ４７を介して検出される第１予熱部Ａによる予熱後の空気の温度Ｔ１１が第１所定温度Ｔ１以上であるか否か判定する。
第１所定温度Ｔ１は、事前試験等により求められ、反応器３０の暖機が完了したと判断される温度（触媒３７が活性温度に到達したと判断される温度）、例えば５００℃に設定される。
第１所定温度Ｔ１は、事前試験等により求められ、反応器３０の暖機が完了したと判断される温度（触媒３７が活性温度に到達したと判断される温度）、例えば５００℃に設定される。
温度Ｔ１１は第１所定温度Ｔ１以上であると判定した場合（Ｓ１０４・Ｙｅｓ）、コントローラ７０の処理は、ステップＳ１０５に進む。一方、温度Ｔ１１は第１所定温度Ｔ１以上でないと判定した場合（Ｓ１０４・Ｎｏ）、コントローラ７０は、ステップＳ１０４の判定を繰り返す。
ステップＳ１０５において、コントローラ７０は、第１三方弁４４を制御し、配管４３ａと配管４４ａとを連通させる。
ステップＳ１０６において、コントローラ７０は、第２三方弁５１を制御し、配管５１ａと配管５１ｂとを連通させる。
ステップＳ１０７において、コントローラ７０は、ＭＣＨの供給を開始する。
具体的には、コントローラ７０は、ポンプ４２を作動させた後、インジェクタ４３からＭＣＨを噴射する。噴射されたＭＣＨは、配管４３ａ、第１三方弁４４、配管４４ａ、第１流量制御弁４５、配管４５ａを通って、反応器３０の各反応セル３１に供給される。なお、ＭＣＨは、第１予熱部Ａを通過する際、排気ガスによって予熱される。
具体的には、コントローラ７０は、ポンプ４２を作動させた後、インジェクタ４３からＭＣＨを噴射する。噴射されたＭＣＨは、配管４３ａ、第１三方弁４４、配管４４ａ、第１流量制御弁４５、配管４５ａを通って、反応器３０の各反応セル３１に供給される。なお、ＭＣＨは、第１予熱部Ａを通過する際、排気ガスによって予熱される。
そうすると、各反応セル３１では、ＭＣＨが触媒３７下で分解し、水素とトルエンとが生成する。そして、水素とトルエンとは、混在したまま、配管５１ａ、第２三方弁５１、配管５１ｂを通って、分離器５２に導出される。次いで、分離器５２において空冷式にて冷却され、水素（気体）とトルエン（液体）とに分離される。
そして、分離されたトルエンは、自重によって、配管５２ｂを通流し、タンク５４で貯溜される。一方、水素は、配管５２ａを通って、水素インジェクタ２３に供給される。
その後、コントローラ７０の処理は、エンドに進み、図５に示す定常時のフローチャートに移行する。
＜定常時＞
次に、水素ステーション１の定常運転時（定常時）について、図５を参照して説明する。
次に、水素ステーション１の定常運転時（定常時）について、図５を参照して説明する。
ステップＳ２０１において、コントローラ７０は、第１予熱部ＡをＯＮする。
具体的には、コントローラ７０は、第１流量制御弁４５を適宜な開度で開き、第２流量制御弁４６を閉じる。そうすると、ＭＣＨは、第１流量制御弁４５のみを通り、第１予熱部Ａのみで予熱された後、反応器３０に供給される。
具体的には、コントローラ７０は、第１流量制御弁４５を適宜な開度で開き、第２流量制御弁４６を閉じる。そうすると、ＭＣＨは、第１流量制御弁４５のみを通り、第１予熱部Ａのみで予熱された後、反応器３０に供給される。
ステップＳ２０２において、コントローラ７０は、温度センサ４８を介して検出される水素（気体）及びトルエン（気体）が混在した流体の温度Ｔ１２が第２所定温度Ｔ２以上であるか否か判定する。
第２所定温度Ｔ２は、温度Ｔ１２が第２所定温度Ｔ２以上であれば、反応器３０におけるＭＣＨの分解反応が良好に進行していると判断される温度（例えば３００℃）に設定される。
第２所定温度Ｔ２は、温度Ｔ１２が第２所定温度Ｔ２以上であれば、反応器３０におけるＭＣＨの分解反応が良好に進行していると判断される温度（例えば３００℃）に設定される。
温度Ｔ１２は第２所定温度Ｔ２以上であると判定した場合（Ｓ２０２・Ｙｅｓ）、コントローラ７０の処理は、ステップＳ２０３に進む。一方、温度Ｔ１２は第２所定温度Ｔ２以上でないと判定した場合（Ｓ２０２・Ｎｏ）、コントローラ７０の処理は、ステップＳ２０４に進む。
ステップＳ２０３において、コントローラ７０は、温度センサ２５を介して検出される反応器３０から排出された排気ガスの温度Ｔ１３が、温度センサ４８を介して検出される水素（気体）及びトルエン（気体）が混在した流体の温度Ｔ１２以上であるか否か判定する。
温度Ｔ１３は温度Ｔ１２以上であると判定した場合（Ｓ２０３・Ｙｅｓ）、コントローラ７０の処理は、ステップＳ２０５に進む。一方、温度Ｔ１３は温度Ｔ１２以上でないと判定した場合（Ｓ２０３・Ｎｏ）、コントローラ７０の処理は、ステップＳ２０４に進む。
ステップＳ２０５において、コントローラ７０は、第１予熱部Ａ及び第２予熱部ＢをＯＮする。具体的には、コントローラ７０は、第２流量制御弁４６を開く。そうすると、ＭＣＨが、配管４６ｂを通流し、第２予熱部Ｂによって予熱される。つまり、排気ガスの余っている熱が回収される。
ステップＳ２０４において、コントローラ７０は、第１予熱部ＡをＯＮし、第２予熱部ＢをＯＦＦする。
ステップＳ２０６において、コントローラ７０は、温度センサ４７を介して検出されるＭＣＨの温度Ｔ１１が第３所定温度Ｔ３以上であるか否か判定する。
第３所定温度Ｔ３は、事前試験等により求められ、ＭＣＨの温度Ｔ１１が第３所定温度Ｔ３以上であると、例えば、反応器３０に内蔵される金属箔３５が溶融する虞のある温度に設定される。
第３所定温度Ｔ３は、事前試験等により求められ、ＭＣＨの温度Ｔ１１が第３所定温度Ｔ３以上であると、例えば、反応器３０に内蔵される金属箔３５が溶融する虞のある温度に設定される。
温度Ｔ１１は第３所定温度Ｔ３以上であると判定した場合（Ｓ２０６・Ｙｅｓ）、コントローラ７０の処理はステップＳ２０７に進む。一方、温度Ｔ１１は第３所定温度Ｔ３以上でないと判定した場合（Ｓ２０６・Ｎｏ）、コントローラ７０の処理はリターンを通ってスタートに戻る。
ステップＳ２０７において、コントローラ７０は、ＭＣＨの流量が増加するように、インジェクタ４３を制御する。そして、ＭＣＨの流量が増加すると、反応器３０に導入されるＭＣＨの温度Ｔ１１が低下し、金属箔３５の溶融が防止される。
その後、コントローラ７０の処理は、リターンを通ってスタートに戻る。
＜停止時＞
次に、水素ステーション１の停止時について、図６を参照して説明する。なお、起動スイッチ６１がＯＦＦされると、図６に示す処理がスタートする。
次に、水素ステーション１の停止時について、図６を参照して説明する。なお、起動スイッチ６１がＯＦＦされると、図６に示す処理がスタートする。
ステップＳ３０１において、コントローラ７０は、ＭＣＨの供給を停止する。具体的には、コントローラ７０は、ポンプ４２及びインジェクタ４３を停止する。
ステップＳ３０２において、コントローラ７０は、エンジン１１の燃焼（作動）を継続させ、反応器３０やその上流／下流に残留するＭＣＨ、トルエン、水素をエンジン１１で吸引し、除去する。
なお、ステップＳ３０２の処理は、所定時間（例えば５分）の間、実行される。
なお、ステップＳ３０２の処理は、所定時間（例えば５分）の間、実行される。
ステップＳ３０３において、コントローラ７０は、第１三方弁４４を制御し、配管４４ａと配管４４ｂとを連通させる。これにより、配管４４ａは配管４４ｂを介して外部の空気に開放される。
ステップＳ３０４において、コントローラ７０は、エンジン１１の燃焼（作動）を継続させる。そうすると、外部の空気が、配管４４ｂ、配管４４ａ（配管４６ａ、配管４６ｂ）、反応器３０、配管５１ａ、分離器５２、配管５２ａ、水素インジェクタ２３を通って、エンジン１１に吸気される。そうすると、エンジン１１の排気ガスで温められている反応器３０に空気が供給されることで触媒表面が活性化処理され、その結果、触媒３７の劣化が抑制され、反応器３０が長寿命となる。またその際、エンジン１１の吸気行程時のポンピングによって反応器３０に空気が送られるため、ポンプ等の外部動力を使わないことから、システム効率が向上する。
なお、ステップＳ３０４の処理は、所定時間（例えば５分）の間、実行される。
なお、ステップＳ３０４の処理は、所定時間（例えば５分）の間、実行される。
ステップＳ３０５において、コントローラ７０は、エンジン１１の燃焼を停止させる。
ステップＳ３０６において、コントローラ７０は、第１三方弁４４を制御して、配管４４ａと配管４３ａとを連通させる。これにより、配管４４ａは外部の空気と遮断され、システム停止中に、外部の空気が反応器３０に流入することはない。
その後、コントローラ７０の処理は、エンドに進み、システム停止状態となる。
≪変形例≫
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されず、例えば次のように変更できる。
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されず、例えば次のように変更できる。
前記した実施形態では、エンジンシステムが水素ステーションに組み込まれた構成を例示したが、その他に例えば、エンジンシステムが水素自動車やハイブリッド車に組み込まれた構成でもよい。
１ 水素ステーション（エンジンシステム）
１１ エンジン
１３ 発電機
１４ 圧縮機
２１ 過給器
２３ 水素インジェクタ（水素供給手段）
２４ 燃料インジェクタ（燃焼用燃料供給手段）
３０ 反応器
３１ 反応セル
３２ 第１ケーシング
３４ 第２ケーシング
７０ コントローラ（制御手段）
Ａ 第１予熱部
Ｂ 第２予熱部
１１ エンジン
１３ 発電機
１４ 圧縮機
２１ 過給器
２３ 水素インジェクタ（水素供給手段）
２４ 燃料インジェクタ（燃焼用燃料供給手段）
３０ 反応器
３１ 反応セル
３２ 第１ケーシング
３４ 第２ケーシング
７０ コントローラ（制御手段）
Ａ 第１予熱部
Ｂ 第２予熱部
Claims (10)
- 燃焼用燃料を燃焼し、動力を発生するエンジンと、
前記エンジンで発生した動力により作動し電力を生成する発電機と、
前記エンジンからの排気ガスで加熱され、水素含有燃料を分解することで水素及び燃焼用燃料を生成する触媒を有する反応器と、
前記反応器に向かう水素含有燃料が通流する水素含有燃料配管と、
前記水素含有燃料配管に接続され空気が通流する空気配管と、
前記水素含有燃料配管と前記空気配管との接続部に設けられ、前記反応器への水素含有燃料又は空気の供給を切り替える三方弁と、
前記エンジンから前記反応器に向かう排気ガスによって、前記反応器に向かう水素含有燃料又は空気を予熱する第１予熱部と、
前記反応器で生成した水素及び燃焼用燃料を分離する分離器と、
前記分離器の分離した水素を前記エンジンに供給する水素供給手段と、
前記反応器と前記分離器とを接続し、水素及び燃焼用燃料が通流する上流側配管と、
前記分離器と前記水素供給手段とを接続し、前記分離器で分離された水素が通流する下流側配管と、
前記上流側配管と前記下流側配管とを接続し、前記分離器をバイパスするバイパス配管と、
前記バイパス配管を通流するか否か切り換えるバイパス弁と、
を備え、
システム起動時、前記三方弁は前記空気配管から前記水素含有燃料配管を通って前記反応器に空気が供給されるように切り替え、前記第１予熱部は前記反応器に向かう空気を予熱し、前記バイパス弁は前記反応器からの空気が前記バイパス配管を通流するように切り替え、前記水素供給手段は前記バイパス配管からの空気を前記エンジンに供給し、
システム停止時、前記三方弁は前記空気配管から前記水素含有燃料配管を通って前記反応器に空気が供給されるように切り替え、前記第１予熱部は前記反応器に向かう空気を予熱する
ことを特徴とするエンジンシステム。 - 前記反応器から排出された排気ガスによって、前記反応器に向かう水素含有燃料又は空気を予熱する第２予熱部を備え、
システム停止時、前記第２予熱部は、前記反応器に向かう空気を予熱する
ことを特徴とする請求項１に記載のエンジンシステム。 - 前記反応器に向かう水素含有燃料の流量を制御する水素含有燃料流量制御手段を備え、
前記反応器は前記触媒の担持ベースとなる金属箔を備え、
システム定常時、前記金属箔が溶融する虞があると判断される場合、前記水素含有燃料流量制御手段は水素含有燃料の流量を増加する
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のエンジンシステム。 - 前記エンジンで発生した動力により作動し、前記反応器で生成した水素を圧縮し外部に供給する圧縮機を備える
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のエンジンシステム。 - 前記水素供給手段から前記エンジンに供給される水素量を調整する第１水素量調整手段と、
前記圧縮器に供給される水素量を調整する第２水素量調整手段と、
を備える
ことを特徴とする請求項４に記載のエンジンシステム。 - 前記反応器で生成した燃焼用燃料を前記エンジンに供給する燃焼用燃料供給手段を備える
ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のエンジンシステム。 - 前記エンジンから排出された排気ガスによって作動し、外部から前記エンジンに吸気される空気を過給する過給器を備える
ことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のエンジンシステム。 - 前記反応器は、反応セルと、前記反応セルを収容する第１ケーシングと、を備え、
前記反応セルは、前記触媒を含む複数の積層された反応シートと、前記複数の反応シートを収容する筒状の第２ケーシングと、を備え、
排気ガスが、前記反応セルの外であって、前記第１ケーシング内を通流し、
水素含有燃料が、前記反応セル内を通流する
ことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のエンジンシステム。 - 前記エンジンの吸引力により前記反応器から空気または水素がエンジンに供給される
ことを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のエンジンシステム。 - 請求項１から請求項９のいずれか１項に記載のエンジンシステムを備える
ことを特徴とする水素ステーション。
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