WO2011152365A1 - エンジンシステム及び水素ステーション - Google Patents

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WO2011152365A1
WO2011152365A1 PCT/JP2011/062421 JP2011062421W WO2011152365A1 WO 2011152365 A1 WO2011152365 A1 WO 2011152365A1 JP 2011062421 W JP2011062421 W JP 2011062421W WO 2011152365 A1 WO2011152365 A1 WO 2011152365A1
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hydrogen
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fuel
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島田　敦史
石川　敬郎
雅史 能島
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Definitions

  • the present invention relates to an engine system and a hydrogen station that generate hydrogen and electric power.
  • Patent Document 1 proposes a “high-pressure hydrogen supply system” that generates hydrogen by dehydrogenating an organic hydride using exhaust gas from a combustion turbine power generator that generates electric power.
  • Patent Document 1 the combustion turbine power generation device of Patent Document 1 is usually large and has a disadvantage of large energy loss due to operation / stop.
  • an object of the present invention is to provide an engine system and a hydrogen station that can generate hydrogen and electric power with high efficiency.
  • the present invention relates to an engine that burns combustion fuel and generates power, a generator that operates by the power generated by the engine and generates electric power, and an exhaust from the engine.
  • An engine system comprising: a reactor heated by gas and having a catalyst that generates hydrogen and a fuel for combustion by decomposing a hydrogen-containing fuel.
  • electric power can be generated with high efficiency by a generator that is operated by power generated by the engine.
  • the catalyst of the reactor can be heated and activated by the high temperature exhaust gas from the engine.
  • the hydrogen-containing fuel can be decomposed well, and hydrogen and combustion fuel can be generated with high efficiency. That is, by operating the engine, it is possible to generate hydrogen and combustion fuel by decomposing the hydrogen-containing fuel by effectively using the exhaust gas discharged from the engine while generating electric power with the generator.
  • a hydrogen station 1 is a station in which an engine system is incorporated, and an engine 11 that burns toluene (C 7 H 14 , fuel for combustion), a generator 13,
  • the compressor 14, the supercharger 21 (turbo), the hydrogen injector 23, the fuel injector 24, and the exhaust gas heat from the engine 11 are used to make MCH (methylcyclohexane, C 7 H 14 , hydrogen-containing A reactor 30 that decomposes (fuel) to produce hydrogen and toluene (see equation (1)), and a controller 70 (control means) that electronically controls the system.
  • the energy efficiency of the entire system is increased by utilizing the heat of the exhaust gas in the reactor 30, that is, by recovering the energy of the exhaust gas.
  • MCH methylcyclohexane
  • organic hydride a hydrogen-containing fuel
  • the hydrogen-containing fuel is a fuel in which hydrogen is easily added / generated, and is, for example, a hydrocarbon fuel or a mixed fuel thereof.
  • the configuration using toluene as the combustion fuel is exemplified, but naphthalene, benzene, and the like can also be used.
  • the combustion fuel is a fuel combustible in the engine 11, and is, for example, a hydrocarbon fuel or a mixed fuel thereof.
  • the octane number of toluene (about 120) is higher than that of gasoline, which is a normal fuel for spark ignition, knocking is unlikely to occur in the engine 11, and the engine 11 is operated at a high compression ratio and combustion efficiency is increased. It is also possible to increase. Specifically, in the case of a general spark ignition type engine 11, the compression ratio of about 13 is the maximum value, but by using toluene, the compression ratio can be increased to about 15. Further, in the case of the spark ignition type engine 11, the theoretical cycle is the Otto cycle, so that the thermal efficiency is improved when the compression ratio is increased.
  • the engine 11 is a four-stroke engine that repeats four cycles (intake, compression, combustion / expansion, and exhaust).
  • the engine 11 includes a plurality of cylinders, a piston that reciprocates within the cylinder, a crankshaft 12 connected to the piston via a connecting rod, an intake valve and an exhaust valve that are linked to the crankshaft 12, and a controller 70. And a spark plug that is electronically controlled.
  • the output of the engine 11 (rotation speed, torque, exhaust gas flow rate, etc.) is controlled by a controller 70 that controls the intake amount of fuel / air and the ignition timing.
  • Such an engine 11 has a smaller energy loss due to operation / stop as compared with a turbine, and its size (displacement) can be easily changed in design. Further, the engine displacement, the number of cylinders (2 cylinders, 4 cylinders, 6 cylinders, etc.) and the arrangement (V type, in-line type, etc.) can be changed as appropriate.
  • the generator 13 is a device that operates by the power of the engine 11 to generate electric power. That is, the generator 13 is mechanically connected to the crankshaft 12 of the engine 11 through a speed reduction mechanism and a clutch (not shown). Thereby, the motive power of the engine 11 is transmitted to the generator 13 without loss, and is converted into electric power by the generator 13.
  • the electric power generated by the generator 13 is configured to be supplied to an electric vehicle or charged to a battery. In addition, it is good also as a structure by which surplus electric power is sold to system electric power.
  • the compressor 14 is operated by the power of the engine 11 and compresses the hydrogen from the pipe 53b to increase the pressure to a predetermined pressure (for example, several MPa to several tens of MPa).
  • the compressor 14 is external to hydrogen vehicles, fuel cell vehicles, hydrogen tanks, and the like. It is a device that pumps toward hydrogen demand equipment. That is, the compressor 14 is mechanically connected to the crankshaft 12 of the engine 11 via a speed reduction mechanism and a clutch (not shown). As a result, the power of the engine 11 is transmitted to the compressor 14 without loss, and is converted into hydrogen fluid energy by the compressor 14.
  • the compressor 14 is connected to the crankshaft 12 and operates using the engine 11 as a power source.
  • the generator 13 includes an electric motor, and the generator 13 It is good also as a structure which the said electric motor rotates when the electric power of this is supplied and the compressor 14 act
  • the compressor 14 is operated by the power of the engine 11.
  • a plurality of compressors 14 may be connected in series, and hydrogen compressed by one compressor 14 may be further compressed by another compressor 14 to boost the hydrogen stepwise.
  • the supercharger 21, the pipe 21b, the throttle valve 22, the pipe 22a (intake port), and the engine 11 are connected in this order from the pipe 21a whose upstream end opens to the outside air toward the engine 11.
  • the pipe 21a is provided with an air cleaner (not shown) for removing dust and the like.
  • the hydrogen injector 23 and the fuel injector 24 are attached to the pipe 22a.
  • the supercharger 21 is a device that operates by the exhaust gas discharged from the engine 11, compresses air taken into the engine 11, and supercharges the engine 11.
  • the air is supercharged to the engine 11 by the supercharger 21, that is, the flow rate of the intake air is increased, so that the torque generated by the engine 11 is improved, and the thermal efficiency and output of the engine 11 are improved. It is supposed to be.
  • the throttle valve 22 is a device that controls, for example, a butterfly valve and controls the flow rate of air taken into the engine 11 by controlling the opening degree of the throttle valve 22 by the controller 70.
  • the hydrogen injector 23 is a device that injects hydrogen into the pipe 22 a (intake port) in accordance with a command from the controller 70 and supplies the hydrogen to the engine 11.
  • the hydrogen is separated by a separator 52, which will be described later, and then led to the hydrogen injector 23 through a pipe 52a.
  • the “hydrogen supply means for supplying the hydrogen generated in the reactor 30 to the engine 11” includes the pipe 51a, the second three-way valve 51, the pipe 51b, the separator 52, and the pipe 52a. And a hydrogen injector 23.
  • the fuel injector 24 is a device that injects toluene into the pipe 22a (port injection) and supplies it to the engine in accordance with a command from the controller 70. Note that the position of the fuel injector 24 is not limited to this, and a structure in which fuel is injected directly into a cylinder (not shown) formed in the engine 11 may be employed. In addition, toluene is led from the tank 54 described later to the fuel injector 24 through a pipe 54a, a pump 55, and a pipe 55a.
  • the “combustion fuel supply means for supplying toluene (combustion fuel) generated in the reactor 30 to the engine 11” includes the pipe 51a, the second three-way valve 51, the separator 52, and the like.
  • the pipe 52b, the tank 54, the pipe 54a, the pump 55, the pipe 55a, and the fuel injector 24 are provided.
  • the exhaust side of the engine 11 will be described.
  • the exhaust gas outlet of the engine 11 is connected to the exhaust gas inlet of the reactor 30 through a pipe 21c, a supercharger 21, and a pipe 21d.
  • the exhaust gas from the engine 11 is led to the reactor 30 after operating (rotating) the supercharger 21.
  • the downstream end of the pipe 21d branches so that the exhaust gas flows outside the reaction cell 31 (see FIG. 3) and through the entire inside of the second casing 34 (see FIG. 2).
  • the reactor 30 includes a plurality of reaction cells 31 whose outer shape has a columnar shape, and a cylindrical first casing 32 that accommodates the plurality of reaction cells 31.
  • MCH methylcyclohexane, hydrogen-containing fuel
  • high-temperature exhaust gas flows outside the reaction cell 31 and through the first casing 32.
  • the first casing 32 and the second casing 34 which will be described later are made of metal (for example, SUS) so as to have high thermal conductivity.
  • the shape of the 1st casing 32 and the 2nd casing 34 is not limited to a cylindrical shape, For example, a square cylinder shape and a polygonal cylinder shape may be sufficient.
  • the reaction cell 31 includes a plurality of stacked reaction sheets 33 and a second casing 34 that accommodates the plurality of reaction sheets 33.
  • each reaction sheet 33 includes a base metal foil 35, a porous layer 36 formed on each surface of the metal foil 35, and a catalyst 37 supported on the porous layer 36. And. That is, each reaction sheet 33 has a three-layer structure in which the porous layer 36 supported by the catalyst 37, the metal foil 35, and the porous layer 36 supported by the catalyst 37 are stacked in this order. In addition, a gap through which MCH, generated hydrogen, and toluene can flow is formed between the reaction sheets 33 adjacent to each other in the thickness direction.
  • reaction sheet 33 is in the form of a sheet, its heat capacity is small, heat is quickly conducted through the reaction sheet 33, and the temperature of the catalyst 37 is quickly raised to a temperature at which the catalyst functions well. Thereby, the efficiency of the decomposition reaction which decomposes
  • each reaction sheet 33 is formed with a plurality of through holes 33a. Thereby, the heat of exhaust gas is conducted well in the thickness direction, and MCH, generated hydrogen, and toluene flow well in the thickness direction.
  • the metal foil 35 is made of, for example, an aluminum foil and has a thickness of about 50 to 200 ⁇ m. However, the metal foil 35 may not be provided, or instead of the metal foil 35, a porous layer serving as a base may be provided, and the entire reaction sheet 33 may have a porous structure.
  • the porous layer 36 is a layer for supporting the catalyst 37 and has a plurality of pores through which MCH, generated hydrogen, and toluene can flow.
  • a porous layer 36 is made of an oxide mainly composed of alumina, for example.
  • Catalyst 37 is a catalyst for decomposing MCH to generate hydrogen and toluene (see formula (1)).
  • a catalyst 37 is composed of at least one selected from, for example, platinum, nickel, palladium, rhodium, iridium, ruthenium, molybdenum, rhenium, tungsten, vanadium, osmium, chromium, cobalt, iron and the like.
  • the exhaust gas flowing through the reactor 30 is discharged to the outside through a pipe 21e connected to the exhaust gas outlet of the reactor 30 (see FIGS. 1 and 2).
  • a temperature sensor 25 is attached to the pipe 21e. The temperature sensor 25 detects the temperature T13 of the exhaust gas discharged outside after heating the reactor 30, and outputs it to the controller 70. ing.
  • the MCH supply system includes a tank 41 that stores MCH, a pump 42 that pumps MCH, a normally closed injector 43, a first three-way valve 44, a first flow control valve 45, and a second flow control valve 46. And a temperature sensor 47.
  • the reactor 30 sequentially passes through the pipe 41a, the pump 42, the pipe 42a, the injector 43, the pipe 43a, the first three-way valve 44, the pipe 44a, the first flow control valve 45, and the pipe 45a.
  • the reaction cell 31 is connected.
  • the downstream end of the pipe 45a branches into a plurality of crotches corresponding to the plurality of reaction cells 31 (see FIG. 2).
  • the middle of the pipe 44a is connected to the pipe 45a on the upstream side of the branch point through the pipe 46a, the second flow rate control valve 46, and the pipe 46b.
  • the injector 43 injects MCH in accordance with a command from the controller 70 while the pump 42 is operating, the injected MCH passes through the first flow control valve 45 and / or the second flow control valve 46.
  • the plurality of reaction cells 31 are supplied.
  • the first flow control valve 45 and the second flow control valve 46 are control valves configured to be variable in opening degree including 0 in accordance with a command from the controller 70, that is, the flow rate including 0 can be controlled. Control valve.
  • a part of the pipe 45a is preheated (heated) by the exhaust gas that flows through the pipe 21d and flows toward the reactor 30 through the inside of the MCH (air when the reactor 30 is warmed up).
  • the pipe 21d is arranged to be able to exchange heat.
  • a part of the pipe 45a is provided in the pipe 21d so as to have a double pipe structure.
  • the “first preheating part A that preheats the MCH heading toward the reactor 30 by the exhaust gas heading from the engine 11 toward the reactor 30” includes the pipe 45a and the pipe 21d arranged so as to be able to exchange heat. It consists of
  • the MCH preheated in the first preheating part A can be introduced into the reactor 30, and the temperature of the catalyst 37 is maintained well.
  • the air introduced into the reactor 30 can be preheated by the first preheating part A, and the temperature of the catalyst 37 can be quickly raised.
  • a part of the pipe 46b is arranged to be able to exchange heat with the pipe 21e so that the MCH flowing through the pipe 46b is preheated (heated) by the exhaust gas discharged from the reactor 30.
  • the “second preheating part B that preheats the MCH toward the reactor 30 by the exhaust gas discharged from the reactor 30” includes the pipe 46b and the pipe 21e.
  • one of the three ports of the first three-way valve 44 is open to the outside air via the pipe 44b.
  • the hydrogen / toluene lead-out system includes a second three-way valve 51, a separator 52, a normally closed on-off valve 53, a tank 54, and a pump 55.
  • the plurality of reaction cells 31 are connected to a separator 52 via a pipe 51a (see FIG. 2) whose upstream side is branched into a plurality of crotches, a second three-way valve 51, and a pipe 51b.
  • the hydrogen and toluene produced in the plurality of reaction cells 31 are led out to the separator 52 through the pipe 51a, the second three-way valve 51, and the pipe 51b while being mixed.
  • the second three-way valve 51 is connected to the pipe 52 a via a pipe 51 c that bypasses the separator 52.
  • the separator 52 is a device that separates hydrogen and toluene.
  • the separator 52 cools a mixture of hydrogen and toluene by air cooling so that only toluene (boiling point: 110 ° C.) is liquefied and hydrogen and toluene are separated. . Therefore, for example, a heat radiating fin (not shown) is provided on the outer peripheral surface of the separator 52 for promoting cooling by the air cooling method.
  • the separation method is not limited to this, and other methods such as a pressure swing adsorption device or a hydrogen permeable membrane (such as a Pd membrane) that selectively permeate hydrogen may be used.
  • the hydrogen separated by the separator 52 is supplied to the hydrogen injector 23 through the pipe 52a.
  • the structure provided with the pump which pumps hydrogen into the piping 52a may be sufficient.
  • the middle of the pipe 52a is connected to the intake port of the compressor 14 through the pipe 53a, a normally closed on-off valve 53, and the pipe 53b.
  • the on / off valve 53 is opened by the controller 70 and the compressor 14 is operated, hydrogen is sucked into the compressor 14.
  • the toluene separated by being liquefied by the separator 52 flows through the pipe 52 b extending from the bottom of the separator 52 by its own weight, and is stored in the tank 54.
  • the structure provided with the pump (not shown) which pumps toluene in the piping 52b may be sufficient.
  • the toluene in the tank 54 is pumped to the fuel injector 24 through the pipe 54a, the pump 55 that operates according to the command from the controller 70, and the pipe 55a.
  • the start switch 61 is a switch that is turned ON / OFF when the hydrogen station 1 is started / stopped, and is arranged at an appropriate position.
  • the start switch 61 outputs the ON / OFF signal to the controller 70.
  • the controller 70 is a control device that electronically controls the hydrogen station 1, and includes a CPU, a ROM, a RAM, various interfaces, an electronic circuit, and the like, and performs various functions according to programs stored therein. In addition, various devices are controlled.
  • step S101 the controller 70 controls the first three-way valve 44 to connect the pipe 44a and the pipe 44b. Thereby, the piping 44a is open
  • step S102 the controller 70 controls the second three-way valve 51 to cause the pipe 51a and the pipe 51c to communicate with each other. Thereby, the air which flows after this by step S103 bypasses the separator 52.
  • step S ⁇ b> 103 the controller 70 operates a cell motor (not shown) for starting the engine 11, ignites with a spark plug based on the crank angle, starts the engine 11, and starts combustion of the engine 11. Specifically, the controller 70 injects toluene by the fuel injector 24 after operating the pump 55. The injection amount of toluene is controlled so as to obtain a suitable fuel-air ratio. In addition, when the remaining amount of toluene stored in the tank 54 is equal to or less than the predetermined remaining amount, the MCH in the tank 41 may be supplied to the fuel injector 24 via a pipe (not shown), and the MCH may be injected by the fuel injector 24. .
  • the first flow control valve 45 is fully opened, the second flow control valve 46 is fully closed, and the hydrogen injector 23 is fully opened.
  • the external air includes the pipe 44b, the first three-way valve 44, the pipe 44a, the first flow control valve 45, the pipe 45a, the plurality of reaction cells 31 (see FIG. 2), the pipe 51a, the second three-way valve 51, and the pipe. 51c, the piping 52a, and the hydrogen injector 23 are passed through in order, and the air is sucked into the piping 22a.
  • the opening degree of the throttle valve 22 is reduced in order to reduce the flow rate of the air sucked from the pipe 21a side.
  • the high-temperature exhaust gas preheats (heats) the air toward the reactor 30 and heats the catalyst 37 while flowing through the reaction cell 31. Further, the catalyst 37 is heated while the exhaust gas flows outside the reaction cell 31. Thereby, the reactor 30 (catalyst 37) is warmed up in a short time.
  • the air heated by the exhaust gas bypasses the air-cooled separator 52, is not cooled by the separator 52, and is sucked into the engine 11 through the hydrogen injector 23 and the like while maintaining a high temperature. Thereby, the engine 11 is also warmed up in a short time.
  • step S104 the controller 70 determines whether or not the temperature T11 of the air after preheating by the first preheating unit A detected via the temperature sensor 47 is equal to or higher than the first predetermined temperature T1.
  • the first predetermined temperature T1 is obtained by a preliminary test or the like, and is set to a temperature at which it is determined that the reactor 30 has been warmed up (temperature at which the catalyst 37 has reached the activation temperature), for example, 500 ° C.
  • step S104 When it is determined that the temperature T11 is equal to or higher than the first predetermined temperature T1 (S104 / Yes), the processing of the controller 70 proceeds to step S105. On the other hand, when it determines with temperature T11 not being 1st predetermined temperature T1 or more (S104 * No), the controller 70 repeats determination of step S104.
  • step S105 the controller 70 controls the first three-way valve 44 to connect the pipe 43a and the pipe 44a.
  • step S106 the controller 70 controls the second three-way valve 51 to connect the pipe 51a and the pipe 51b.
  • step S107 the controller 70 starts supplying MCH. Specifically, the controller 70 injects MCH from the injector 43 after operating the pump 42. The injected MCH is supplied to each reaction cell 31 of the reactor 30 through the pipe 43a, the first three-way valve 44, the pipe 44a, the first flow rate control valve 45, and the pipe 45a. The MCH is preheated by the exhaust gas when passing through the first preheating part A.
  • the separated toluene flows through the pipe 52 b by its own weight and is stored in the tank 54.
  • hydrogen is supplied to the hydrogen injector 23 through the pipe 52a.
  • step S201 the controller 70 turns on the first preheating part A. Specifically, the controller 70 opens the first flow control valve 45 at an appropriate opening degree and closes the second flow control valve 46. Then, MCH passes through only the first flow control valve 45 and is preheated only by the first preheating part A, and then supplied to the reactor 30.
  • Step S202 the controller 70 determines whether or not the temperature T12 of the fluid in which hydrogen (gas) and toluene (gas) detected via the temperature sensor 48 are mixed is equal to or higher than the second predetermined temperature T2.
  • the second predetermined temperature T2 is set to a temperature (for example, 300 ° C.) at which it is determined that the MCH decomposition reaction is proceeding well in the reactor 30 when the temperature T12 is equal to or higher than the second predetermined temperature T2.
  • step S203 When it is determined that the temperature T12 is equal to or higher than the second predetermined temperature T2 (S202 / Yes), the processing of the controller 70 proceeds to step S203. On the other hand, when it determines with temperature T12 not being 2nd predetermined temperature T2 or more (S202 * No), the process of the controller 70 progresses to step S204.
  • step S203 the controller 70 detects that the temperature T13 of the exhaust gas discharged from the reactor 30 detected via the temperature sensor 25 is hydrogen (gas) and toluene (gas) detected via the temperature sensor 48. It is determined whether the temperature of the mixed fluid is equal to or higher than T12.
  • step S204 When it is determined that the temperature T13 is equal to or higher than the temperature T12 (S203 / Yes), the processing of the controller 70 proceeds to step S205. On the other hand, when it determines with temperature T13 not being temperature T12 or more (S203 * No), the process of the controller 70 progresses to step S204.
  • step S205 the controller 70 turns on the first preheating part A and the second preheating part B. Specifically, the controller 70 opens the second flow control valve 46. Then, the MCH flows through the pipe 46b and is preheated by the second preheating part B. That is, the remaining heat of the exhaust gas is recovered.
  • step S204 the controller 70 turns on the first preheating part A and turns off the second preheating part B.
  • step S206 the controller 70 determines whether or not the MCH temperature T11 detected via the temperature sensor 47 is equal to or higher than a third predetermined temperature T3.
  • the third predetermined temperature T3 is obtained by a preliminary test or the like. If the MCH temperature T11 is equal to or higher than the third predetermined temperature T3, for example, the third predetermined temperature T3 is set to a temperature at which the metal foil 35 built in the reactor 30 may melt. Is done.
  • step S207 When it is determined that the temperature T11 is equal to or higher than the third predetermined temperature T3 (S206 / Yes), the processing of the controller 70 proceeds to step S207. On the other hand, when it is determined that the temperature T11 is not equal to or higher than the third predetermined temperature T3 (S206, No), the process of the controller 70 returns to the start through a return.
  • step S207 the controller 70 controls the injector 43 so that the MCH flow rate increases.
  • the temperature T11 of MCH introduced into the reactor 30 decreases and the melting of the metal foil 35 is prevented.
  • step S301 the controller 70 stops the supply of MCH. Specifically, the controller 70 stops the pump 42 and the injector 43.
  • step S302 the controller 70 continues the combustion (operation) of the engine 11, and sucks and removes MCH, toluene, and hydrogen remaining in the reactor 30 and upstream / downstream thereof with the engine 11. Note that the process of step S302 is executed for a predetermined time (for example, 5 minutes).
  • step S303 the controller 70 controls the first three-way valve 44 to connect the pipe 44a and the pipe 44b. Thereby, the piping 44a is open
  • step S304 the controller 70 continues the combustion (operation) of the engine 11. Then, external air passes through the pipe 44b, the pipe 44a (the pipe 46a, the pipe 46b), the reactor 30 (in the reaction cell 31), the pipe 51a, the separator 52, the pipe 52a, and the hydrogen injector 23 to the engine 11. Inhaled. Then, the catalyst surface is activated by supplying air to the reactor 30 (inside the reaction cell 31) warmed by the exhaust gas of the engine 11, and as a result, deterioration of the catalyst 37 is suppressed, and the reactor 30 is a long life. At that time, since the air is sent to the reactor 30 by the pumping during the intake stroke of the engine 11, system efficiency is improved because external power such as a pump is not used. Note that the process of step S304 is executed for a predetermined time (for example, 5 minutes).
  • step S305 the controller 70 stops the combustion of the engine 11.
  • step S306 the controller 70 controls the first three-way valve 44 to connect the pipe 44a and the pipe 43a. Thereby, the piping 44a is interrupted from outside air, and outside air does not flow into the reactor 30 while the system is stopped.
  • the configuration in which the engine system is incorporated in the hydrogen station has been exemplified.
  • a configuration in which the engine system is incorporated in a hydrogen vehicle or a hybrid vehicle may be used.
  • Hydrogen station (engine system) DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Engine 13 Generator 14 Compressor 21 Supercharger 23 Hydrogen injector (hydrogen supply means) 24 Fuel injector (fuel supply means for combustion) 30 reactor 31 reaction cell 32 first casing 34 second casing 70 controller (control means) A 1st preheating part B 2nd preheating part

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Abstract

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。トルエン（燃焼用燃料）を燃焼し、動力を発生するエンジン（１１）と、エンジン（１１）で発生した動力により作動し電力を生成する発電機（１３）と、エンジン（１１）からの排気ガスで加熱され、ＭＣＨ（水素含有燃料）を分解することで水素及びトルエンを生成する触媒を有する反応器（３０）と、を備えることを特徴とする水素ステーション（１）（エンジンシステム）である。

Description

エンジンシステム及び水素ステーション
　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。
特開２００４－１９７７０５号公報
　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。
　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。そして、本発明の諸側面および効果、並びに、他の効果およびさらなる特徴は、添付の図面を参照して後述する本発明の例示的かつ非制限的な実施の形態の詳細な説明により、一層明らかとなるであろう。
本実施形態に係る水素ステーションの構成を示す図である。 本実施形態に係る反応器の構成を示す図である。 （ａ）は本実施形態に係る反応器の輪切り断面図であり、（ｂ）は本実施形態に係る反応セルの輪切り断面図であり、（ｃ）は本実施形態に係る反応シートの断面図である。 本実施形態に係る水素ステーションの起動時の動作を示すフローチャートである。 本実施形態に係る水素ステーションの定常時（定常運転時）の動作を示すフローチャートである。 本実施形態に係る水素ステーションの停止時の動作を示すフローチャートである。
　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。
　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。
　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。
　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。
＜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。
　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。
　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。
＜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。
　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。
　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。
　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）。
＜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。
　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。
　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。
　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。
　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。
＜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。
　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。
　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。
＜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。
　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。
　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高く、排熱が余っている場合、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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
＜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。
≪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。
＜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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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（反応セル３１内）、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（反応セル３１内）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。
　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。
　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

Claims (10)

  1. 　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。
  2. 　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の範囲第１項に記載のエンジンシステム。
  3. 　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の範囲第１項に記載のエンジンシステム。
  4. 　前記反応器で生成した水素を前記エンジンに供給する水素供給手段を備える
    　ことを特徴とする請求の範囲第１項に記載のエンジンシステム。
  5. 　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の範囲第１項に記載のエンジンシステム。
  6. 　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の範囲第１項に記載のエンジンシステム。
  7. 　前記水素含有燃料を前記反応器に供給する配管の一部には三方弁を介して空気が流通する配管が接続されており、
    　前記三方弁を切り替えることで空気または前記水素含有燃料が前記反応器に供給され、
    　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をエンジンに供給する
    　ことを特徴とする請求の範囲第１項に記載のエンジンシステム。
  8. 　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を予熱する第１予熱部を備える
    　ことを特徴とする請求の範囲第１項に記載のエンジンシステム。
  9. 　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を予熱する第２予熱部を備える
    　ことを特徴とする請求の範囲第１項に記載のエンジンシステム。
  10. 　請求の範囲第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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