(57)【要約】  水素発生装置は、水素原子および窒素原子を含む化合物を分解して水素を生成する分解器と、分解器に化合物を供給する化合物供給装置と、分解器に酸素を供給する酸素供給装置とを備える。分解器は、化合物の分解を促進する触媒粒子と化合物の酸化を促進する触媒粒子とを有する触媒を含む。分解器に化合物および酸素を供給し、化合物を酸化させて酸化熱を発生させ、発生する酸化熱を用いて化合物の分解を行なう。
2012090739.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素原子および窒素原子を含む化合物を分解して水素を生成する分解器と、
分解器に前記化合物を供給する化合物供給装置と、
分解器に酸素を供給する酸素供給装置とを備え、
分解器は、前記化合物の分解を促進する触媒粒子と前記化合物の酸化を促進する触媒粒子とを有する触媒を含み、
分解器に前記化合物および酸素を供給し、前記化合物を酸化させて酸化熱を発生させ、発生する酸化熱を用いて前記化合物の分解を行なうことを特徴とする、水素発生装置。
【請求項２】
前記分解器は、第１の分解器を構成しており、
前記化合物の分解を促進する触媒粒子を有する触媒を含む第２の分解器を更に備え、
第１の分解器の触媒と第２の分解器の触媒とは互いに熱交換を行なうように形成されており、
化合物供給装置は、第１の分解器および第２の分解器に前記化合物を供給し、第１の分解器に供給する前記化合物の流量および第２の分解器に供給する前記化合物の流量を調整可能に形成されている、請求項１に記載の水素発生装置。
【請求項３】
第２の分解器の触媒の温度を検出する触媒温度検出器を備え、
第２の分解器の触媒の温度が予め定められた温度未満の場合には、第２の分解器に供給する前記化合物の流量を減少させ、第１の分解器に供給する前記化合物の流量を増加させることを特徴とする、請求項２に記載の水素発生装置。
【請求項４】
酸素供給装置は、化合物供給装置が供給する前記化合物に対する酸素のモル比が０以上０．３以下になるように酸素を分解器に供給することを特徴とする、請求項１に記載の水素発生装置。
【請求項５】
触媒の温度を検出する触媒温度検出器と、
化合物供給装置および酸素供給装置のうち少なくとも一方を制御する制御装置とを備え、
化合物供給装置は、分解器に供給する前記化合物の流量を調整可能に形成されており、
酸素供給装置は、分解器に供給する酸素の流量を調整可能に形成されており、
制御装置は、触媒温度検出器により検出される触媒の温度が予め定められた温度の範囲内になるように触媒に供給する前記化合物の流量および酸素の流量のうち少なくとも一方を調整することを特徴とする、請求項１に記載の水素発生装置。
【請求項６】
制御装置は、触媒温度検出器により触媒の温度を検出し、検出された触媒の温度が予め定められた温度よりも高い場合に、前記化合物に対する酸素の流量比を減少させることを特徴とする、請求項５に記載の水素発生装置。
【請求項７】
制御装置は、触媒温度検出器により触媒の温度を検出し、検出された触媒の温度が予め定められた温度よりも低い場合に、前記化合物に対する酸素の流量比を増加させることを特徴とする、請求項５に記載の水素発生装置。
【請求項８】
触媒よりも上流側の流路に配置されている混合器を備え、
混合器は、酸素供給装置から供給された酸素を含む気体と、化合物供給装置から供給された前記化合物を含む気体との混合を促進するように形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の水素発生装置。
【請求項９】
請求項１に記載の水素発生装置と、
燃料が燃焼する燃焼室および燃焼室に接続されている機関吸気通路を含む機関本体と、
水素発生装置に接続されている水素供給機とを備え、
酸素供給装置は、機関吸気通路内の空気を分解器に供給し、
水素供給機は、水素発生装置にて生成された水素を燃料として燃焼室に供給することを特徴とする、内燃機関。
【請求項１０】
化合物供給装置は、液体の前記化合物を貯留するタンクと、
液体の前記化合物を加熱して気化させる蒸発器とを含み、
蒸発器で生成された気体の前記化合物の少なくとも一部が、分解器を通らずに燃料として燃焼室に供給されることを特徴とする、請求項９に記載の内燃機関。
【請求項１１】
機関本体は、冷却水で冷却されるように形成されており、
水素発生装置は、分解器の下流側に配置され、分解器から流出する気体を冷却する冷却器を含み、
冷却器は、分解器から流出する気体を機関本体の冷却水により冷却するように形成されていることを特徴とする、請求項９に記載の内燃機関。
【請求項１２】
内燃機関の機関回転数を検出する回転数検出装置を備え、
水素供給機は、燃焼室に供給する水素の量を調整可能に形成されており、
機関回転数を検出し、機関回転数が高くなるほど、燃焼室に供給する水素の量を増加させることを特徴とする、請求項９に記載の内燃機関。
【請求項１３】
水素発生装置は、化合物供給装置および酸素供給装置のうち少なくとも一方を制御する制御装置を備え、
化合物供給装置は、分解器に供給する前記化合物の流量を調整可能に形成されており、
酸素供給装置は、分解器に供給する酸素の流量を調整可能に形成されており、
制御装置は、水素供給機により燃焼室に供給される水素の量に基づいて、分解器に供給する酸素の流量および前記化合物の流量のうち少なくとも一方を調整することを特徴とする、請求項１２に記載の内燃機関。
【請求項１４】
内燃機関の負荷を検出する負荷検出装置を備え、
水素供給機は、燃焼室に供給する水素の量を調整可能に形成されており、
内燃機関の負荷を検出し、内燃機関の負荷が小さくなるほど、燃焼室に供給する水素の量を増加させることを特徴とする、請求項９に記載の内燃機関。
【請求項１５】
水素発生装置は、化合物供給装置および酸素供給装置のうち少なくとも一方を制御する制御装置を備え、
化合物供給装置は、分解器に供給する前記化合物の流量を調整可能に形成されており、
酸素供給装置は、分解器に供給する酸素の流量を調整可能に形成されており、
制御装置は、水素供給機により燃焼室に供給される水素の量に基づいて、分解器に供給する酸素の流量および前記化合物の流量のうち少なくとも一方を調整することを特徴とする、請求項１４に記載の内燃機関。
【請求項１６】
水素発生装置は、触媒を加熱する加熱器を備え、
内燃機関を始動した時に、加熱器により触媒を加熱し、触媒の温度が予め定められた温度よりも高くなった後に、触媒に対して酸素および前記化合物の供給を開始することを特徴とする、請求項９に記載の内燃機関。
【請求項１７】
化合物供給装置は、分解器に供給する前記化合物の流量を調整可能に形成されており、
酸素供給装置は、分解器に供給する酸素の流量を調整可能に形成されており、
触媒の温度が予め定められた温度よりも低い場合には、前記化合物に対する酸素の流量比を増加させることを特徴とする、請求項９に記載の内燃機関。
【請求項１８】
機関本体の温度を検出する機関温度検出器を備え、
化合物供給装置は、分解器に供給する前記化合物の流量を調整可能に形成されており、
酸素供給装置は、分解器に供給する酸素の流量を調整可能に形成されており、
水素発生装置は、機関本体の温度が予め定められた温度よりも低い場合には、前記化合物に対する酸素のモル比が０．１５以上になるように分解器に前記化合物および酸素を供給することを特徴とする、請求項９に記載の内燃機関。
【請求項１９】
内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出装置を備え、
化合物供給装置は、分解器に供給する前記化合物の流量を調整可能に形成されており、
水素発生装置は、内燃機関の運転状態に基づいて、分解器を通らずに蒸発器から燃焼室に供給する前記化合物に対する蒸発器から分解器に供給する前記化合物の流量比を変化させることを特徴とする、請求項１０に記載の内燃機関。
【請求項２０】
運転状態検出装置は、機関本体の温度を検出する機関温度検出器を備え、
機関本体の温度を検出し、機関本体の温度が低くなるほど、分解器を通らずに燃焼室に供給する前記化合物に対する分解器に供給する前記化合物の流量比を増加させることを特徴とする、請求項１９に記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素発生装置および水素発生装置を備える内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池や水素を燃料とするエンジン等においては、装置に水素を供給する必要がある。水素を供給する装置としては、天然ガス等を改質する装置または水素ボンベに水素を貯留する装置等の他に、アンモニアを原料として水素を生成する装置が知られている。この装置においては、アンモニアをタンクに貯留しておき、アンモニアを高温にして分解することにより水素を生成することができる。【０００３】
特開平５−３３２１５２号公報においては、アンモニアガスを燃焼させて駆動力を得るアンモニア燃焼エンジンであって、燃焼室の排気ガスを用いてアンモニアを分解するアンモニア分解反応器を備える燃焼エンジンが開示されている。燃焼室からの排気ガスによって、アンモニア分解反応器内の熱交換パイプが加熱される。熱交換パイプに導かれるアンモニアガスは、排気ガスの熱を吸収する吸熱反応によって水素と窒素とに分解されることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平５−３３２１５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
アンモニアを高温にして分解することにより水素を生成する水素発生装置においては、アンモニアの分解を促進する触媒粒子を含む分解触媒を配置することができる。分解触媒を配置することにより、アンモニアの分解を促進することができ、例えばアンモニアを分解させるための温度を下げることができる。【０００６】
アンモニアの分解反応は吸熱反応であるために、分解触媒によりアンモニアの分解を継続するためには、分解触媒に熱を供給する必要がある。上記の特開平５−３３２１５２号公報に開示されているアンモニア燃焼エンジンにおいては、燃焼室から排出される排気ガスの熱を利用して、アンモニアガスを水素と窒素とに分解している。ところが、排気ガスからアンモニアの分解に必要な熱を取得する装置では、排気ガスの温度が低いときには、分解触媒に十分な熱を供給することができずに適切に水素を生成することができない虞がある。【０００７】
例えば、内燃機関の冷間始動時などには、排気ガスの温度上昇に時間がかかってしまうために、水素発生装置が適切に水素を発生させるためには時間がかかる虞がある。上記の公報に開示されているアンモニア燃焼エンジンでは、アンモニアを分解する熱交換パイプを加熱する補助ヒータが配置されている。排気ガスの温度が低い場合には、補助ヒータにより熱交換パイプを加熱している。しかしながら、補助ヒータによりアンモニアの分解反応が生じる温度まで分解触媒を加熱したり、または、補助ヒータによりアンモニアの分解を継続するための熱を供給したりすると、大きな電力が必要となる。補助ヒータに大きな電力を供給するために、大きな電源が必要になるという問題がある。【０００８】
また、上記のアンモニア燃焼エンジンでは、水素の吸蔵装置が配置されている。しかし、水素発生装置に水素の吸蔵装置を配置すると水素発生装置が大型化したり、複雑化したりするという問題がある。さらに、水素の吸蔵装置に吸蔵されている水素が消費されてしまうと、水素を供給できなくなってしまうという問題がある。【０００９】
本発明は、原料を分解するための熱を触媒に供給する性能に優れた水素発生装置および水素発生装置を備える内燃機関を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の水素発生装置は、水素原子および窒素原子を含む化合物を分解して水素を生成する分解器と、分解器に上記化合物を供給する化合物供給装置と、分解器に酸素を供給する酸素供給装置とを備える。分解器は、上記化合物の分解を促進する触媒粒子と上記化合物の酸化を促進する触媒粒子とを有する触媒を含む。分解器に上記化合物および酸素を供給し、上記化合物を酸化させて酸化熱を発生させ、発生する酸化熱を用いて上記化合物の分解を行なう。【００１１】
上記発明においては、上記分解器は、第１の分解器を構成しており、上記化合物の分解を促進する触媒粒子を有する触媒を含む第２の分解器を更に備え、第１の分解器の触媒と第２の分解器の触媒とは互いに熱交換を行なうように形成されており、化合物供給装置は、第１の分解器および第２の分解器に上記化合物を供給し、第１の分解器に供給する上記化合物の流量および第２の分解器に供給する上記化合物の流量を調整可能に形成されていることが好ましい。【００１２】
上記発明においては、第２の分解器の触媒の温度を検出する触媒温度検出器を備え、第２の分解器の触媒の温度が予め定められた温度未満の場合には、第２の分解器に供給する上記化合物の流量を減少させ、第１の分解器に供給する上記化合物の流量を増加させることが好ましい。【００１３】
上記発明においては、酸素供給装置は、化合物供給装置が供給する上記化合物に対する酸素のモル比が０以上０．３以下になるように酸素を分解器に供給することが好ましい。【００１４】
上記発明においては、触媒の温度を検出する触媒温度検出器と、化合物供給装置および酸素供給装置のうち少なくとも一方を制御する制御装置とを備え、化合物供給装置は、分解器に供給する上記化合物の流量を調整可能に形成されており、酸素供給装置は、分解器に供給する酸素の流量を調整可能に形成されており、制御装置は、触媒温度検出器により検出される触媒の温度が予め定められた温度の範囲内になるように触媒に供給する上記化合物の流量および酸素の流量のうち少なくとも一方を調整することが好ましい。【００１５】
上記発明においては、制御装置は、触媒温度検出器により触媒の温度を検出し、検出された触媒の温度が予め定められた温度よりも高い場合に、上記化合物に対する酸素の流量比を減少させることが好ましい。【００１６】
上記発明においては、制御装置は、触媒温度検出器により触媒の温度を検出し、検出された触媒の温度が予め定められた温度よりも低い場合に、上記化合物に対する酸素の流量比を増加させることが好ましい。【００１７】
上記発明においては、触媒よりも上流側の流路に配置されている混合器を備え、混合器は、酸素供給装置から供給された酸素を含む気体と、化合物供給装置から供給された上記化合物を含む気体との混合を促進するように形成されていることが好ましい。【００１８】
本発明の内燃機関は、上述の水素発生装置と、燃料が燃焼する燃焼室および燃焼室に接続されている機関吸気通路を含む機関本体と、水素発生装置に接続されている水素供給機とを備える。酸素供給装置は、機関吸気通路内の空気を分解器に供給する。水素供給機は、水素発生装置にて生成された水素を燃料として燃焼室に供給する。【００１９】
上記発明においては、化合物供給装置は、液体の上記化合物を貯留するタンクと、液体の上記化合物を加熱して気化させる蒸発器とを含み、蒸発器で生成された気体の上記化合物の少なくとも一部が、分解器を通らずに燃料として燃焼室に供給されることが好ましい。【００２０】
上記発明においては、機関本体は、冷却水で冷却されるように形成されており、水素発生装置は、分解器の下流側に配置され、分解器から流出する気体を冷却する冷却器を含み、冷却器は、分解器から流出する気体を機関本体の冷却水により冷却するように形成されていることが好ましい。【００２１】
上記発明においては、内燃機関の機関回転数を検出する回転数検出装置を備え、水素供給機は、燃焼室に供給する水素の量を調整可能に形成されており、機関回転数を検出し、機関回転数が高くなるほど、燃焼室に供給する水素の量を増加させることが好ましい。【００２２】
上記発明においては、水素発生装置は、化合物供給装置および酸素供給装置のうち少なくとも一方を制御する制御装置を備え、化合物供給装置は、分解器に供給する上記化合物の流量を調整可能に形成されており、酸素供給装置は、分解器に供給する酸素の流量を調整可能に形成されており、制御装置は、水素供給機により燃焼室に供給される水素の量に基づいて、分解器に供給する酸素の流量および上記化合物の流量のうち少なくとも一方を調整することが好ましい。【００２３】
上記発明においては、内燃機関の負荷を検出する負荷検出装置を備え、水素供給機は、燃焼室に供給する水素の量を調整可能に形成されており、内燃機関の負荷を検出し、内燃機関の負荷が小さくなるほど、燃焼室に供給する水素の量を増加させることが好ましい。【００２４】
上記発明においては、水素発生装置は、化合物供給装置および酸素供給装置のうち少なくとも一方を制御する制御装置を備え、化合物供給装置は、分解器に供給する上記化合物の流量を調整可能に形成されており、酸素供給装置は、分解器に供給する酸素の流量を調整可能に形成されており、制御装置は、水素供給機により燃焼室に供給される水素の量に基づいて、分解器に供給する酸素の流量および上記化合物の流量のうち少なくとも一方を調整することが好ましい。【００２５】
上記発明においては、水素発生装置は、触媒を加熱する加熱器を備え、内燃機関を始動した時に、加熱器により触媒を加熱し、触媒の温度が予め定められた温度よりも高くなった後に、触媒に対して酸素および上記化合物の供給を開始することが好ましい。【００２６】
上記発明においては、化合物供給装置は、分解器に供給する上記化合物の流量を調整可能に形成されており、酸素供給装置は、分解器に供給する酸素の流量を調整可能に形成されており、触媒の温度が予め定められた温度よりも低い場合には、上記化合物に対する酸素の流量比を増加させることが好ましい。【００２７】
上記発明においては、機関本体の温度を検出する機関温度検出器を備え、化合物供給装置は、分解器に供給する上記化合物の流量を調整可能に形成されており、酸素供給装置は、分解器に供給する酸素の流量を調整可能に形成されており、水素発生装置は、機関本体の温度が予め定められた温度よりも低い場合には、上記化合物に対する酸素のモル比が０．１５以上になるように分解器に上記化合物および酸素を供給することが好ましい。【００２８】
上記発明においては、内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出装置を備え、化合物供給装置は、分解器に供給する上記化合物の流量を調整可能に形成されており、水素発生装置は、内燃機関の運転状態に基づいて、分解器を通らずに蒸発器から燃焼室に供給する上記化合物に対する蒸発器から分解器に供給する上記化合物の流量比を変化させることが好ましい。【００２９】
上記発明においては、運転状態検出装置は、機関本体の温度を検出する機関温度検出器を備え、機関本体の温度を検出し、機関本体の温度が低くなるほど、分解器を通らずに燃焼室に供給する上記化合物に対する分解器に供給する上記化合物の流量比を増加させることが好ましい。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によれば、原料を分解するための熱を触媒に供給する性能に優れた水素発生装置および水素発生装置を備える内燃機関を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】実施の形態１における水素発生装置の概略図である。
【図２】実施の形態１における水素発生装置の電気ヒータの温度と、触媒の温度との関係を示すグラフである。
【図３】実施の形態１における水素発生装置の電気ヒータの温度と、分解器から流出する気体に含まれる水素濃度とのグラフである。
【図４】実施の形態１における水素発生装置の分解器に流入する気体のモル比と、分解器から流出する気体に含まれる水素濃度との関係を示すグラフである。
【図５】実施の形態１における水素発生装置の分解器に流入する気体のモル比と、分解器から流出する気体に含まれるアンモニア濃度との関係を示すグラフである。
【図６】実施の形態１における水素発生装置の分解器に流入する気体のモル比と、触媒の温度との関係を示すグラフである。
【図７】実施の形態１における水素発生装置の運転制御のフローチャートである。
【図８】実施の形態２における水素発生装置の概略図である。
【図９】実施の形態２における水素発生装置の運転制御のフローチャートである。
【図１０】実施の形態３における第１の内燃機関の概略図である。
【図１１】実施の形態３における内燃機関の電子制御ユニットの概略図である。
【図１２】実施の形態３における内燃機関の運転制御のフローチャートである。
【図１３】実施の形態３における第２の内燃機関の概略図である。
【図１４】実施の形態３における第３の内燃機関の概略図である。
【図１５】実施の形態３における第４の内燃機関の概略図である。
【図１６】実施の形態３における第５の内燃機関の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
実施の形態１
図１から図７を参照して、実施の形態１における水素発生装置について説明する。本実施の形態における水素発生装置は、窒素原子および水素原子を含む化合物を原料として用いている。本実施の形態においては、原料として液体のアンモニアを用いている。水素発生装置は、液体のアンモニアに熱を供給して気化させることにより気体のアンモニアを生成する。さらに、気体のアンモニアを昇温して分解触媒上で分解することにより水素を生成する。
【００３３】
図１は、本実施の形態における水素発生装置の概略図である。本実施の形態における水素発生装置は、アンモニアを分解するための分解器５１ａを備える。本実施の形態における分解器５１ａは、触媒６０ａを含む。触媒６０ａは、アンモニアの分解を促進する触媒粒子と、アンモニアの酸化を促進する触媒粒子とを含む。本実施の形態における触媒６０ａはアンモニアを分解する分解触媒として機能して、更に、アンモニアを酸化する酸化触媒として機能する。すなわち、本実施の形態における分解器５１ａは、分解触媒および酸化触媒を含む。分解器５１ａは、分解触媒と酸化触媒とが一体的に形成されている触媒６０ａを含む。
【００３４】
本実施の形態における触媒６０ａは、ハニカム構造に形成されている。本実施の形態における触媒６０ａは、流体が流れる方向に沿って形成されている複数の流路を有する。触媒６０ａは、複数の流路が形成されている基材を含む。基材は、例えばコーディエライトまたは金属で形成されている。基材のそれぞれの流路の表面には、コート層が形成されている。コート層には触媒粒子を担持する粒子状の担持体が配置されている。
【００３５】
本実施の形態においては、アンモニアを酸化するための触媒粒子およびアンモニアを分解するための触媒粒子は、担持体に担持されている。担持体は、たとえば酸化アルミニウムで形成されている。アンモニアを酸化するための触媒粒子の金属は、白金等の貴金属や鉄等の卑金属を例示することができる。本実施の形態においては、白金が採用されている。アンモニアを酸化するための触媒粒子は、この形態に限られず、アンモニアの酸化を促進する任意の金属から形成することができる。
【００３６】
アンモニアを分解するための触媒粒子の金属は、白金、ロジウム、ルテニウム等の貴金属やニッケルまたはコバルト等の卑金属を例示することができる。本実施の形態においては、ロジウムおよびルテニウムが採用されている。アンモニアを分解するための触媒粒子は、この形態に限られず、アンモニアの分解を促進する任意の金属から形成することができる。
【００３７】
分解器５１ａは、容器７５を含む。触媒６０ａは、容器７５の内部に配置されている。容器７５は、例えばステンレスで形成することができる。容器７５には、空気および原料のアンモニアが流入する流入管７１が接続されている。また、容器７５には、生成した水素を含む気体が流出する流出管７０が接続されている。
【００３８】
本実施の形態における水素発生装置は、原料としてのアンモニアを分解器５１ａに供給するための化合物供給装置を備える。化合物供給装置は、アンモニアを貯留するためのタンク６４を含む。タンク６４は、内部が加圧されており、液体のアンモニア４９が貯留されている。本実施の形態における化合物供給装置は、液体のアンモニア４９を供給するためのポンプ６５を含む。ポンプ６５は、液体アンモニア供給管６８に接続されている。
【００３９】
化合物供給装置は、液体アンモニア供給管６８に接続されている蒸発器６６を含む。蒸発器６６は、液体のアンモニアを加熱することができるように形成されている。蒸発器６６は、液体のアンモニアを気化することができる。本実施の形態における蒸発器６６は、電気式の加熱器が取り付けられており、外部から熱が供給されるように形成されている。蒸発器６６の出口には、気体のアンモニアを供給するアンモニア供給管６１が接続されている。アンモニア供給管６１は、流入管７１に接続されている。
【００４０】
本実施の形態における水素発生装置は、分解器５１ａに酸素を供給する酸素供給装置を備える。本実施の形態における酸素供給装置は、酸素を含む気体としての空気を分解器５１ａに供給する。本実施の形態における酸素供給装置は、空気ポンプ７６を含む。本実施の形態における空気ポンプ７６は、分解器５１ａに外気を供給する。酸素供給装置は、空気ポンプ７６に接続されている空気供給管６２を含む。空気供給管６２は、流入管７１に空気を供給するように流入管７１に接続されている。本実施の形態における酸素供給装置は、空気を分解器に供給するように形成されているが、この形態に限られず、酸素供給装置は、酸素を含む気体を分解器に供給可能に形成されていれば構わない。
【００４１】
流入管７１の内部には、触媒６０ａに流入する気体を混合するための混合器６９が配置されている。混合器６９は、気体のアンモニアと空気とを十分に混合するように形成されている。本実施の形態においては渦巻型の混合器が配置されている。混合器６９は、空気供給管６２が流入管７１に接続される位置よりも下流に配置されている。
【００４２】
アンモニア供給管６１の途中には、触媒６０ａに供給する気体のアンモニアの流量を調整するための流量調整弁７２ａが配置されている。また、空気供給管６２の途中には、触媒６０ａに供給する空気の流量を調整する流量調整弁７３ａが配置されている。
【００４３】
流出管７０には、冷却器８５が接続されている。冷却器８５は、分解器５１ａから流出する高温の気体を冷却するように形成されている。冷却器８５には流入管８７を通して冷媒が流入する。冷却器８５にて熱交換を行なった冷媒は流出管８８から排出される。水素発生装置から流出する気体は水素を含む。水素発生装置から流出する気体が高温の状態のままで酸素を含む気体に接触すると、水素が燃焼する場合がある。または、水素発生装置から水素が供給される装置が熱的な損傷を受ける場合がある。このために、本実施の形態の水素発生装置は、分解器５１ａに冷却器８５を接続して、分解器５１ａから流出する気体を冷却している。
【００４４】
本実施の形態における水素発生装置は、制御装置としての電子制御ユニット３１を備える。本実施の形態における電子制御ユニット３１は、デジタルコンピュータを含む。水素発生装置に含まれるそれぞれの機器は、電子制御ユニット３１により制御されている。アンモニアを供給するポンプ６５および空気ポンプ７６は、電子制御ユニット３１に制御されている。また、流量調整弁７２ａ，７３ａは、電子制御ユニット３１により制御されている。
【００４５】
分解器５１ａの容器７５の内部において、触媒６０ａの下流には、触媒６０ａの温度を検出するための触媒温度検出器として、温度センサ７４ａが配置されている。温度センサ７４ａで検出された温度の信号は、電子制御ユニット３１に入力される。温度センサ７４ａとしては、この形態に限られず、触媒６０ａの温度を検出可能に形成されていれば構わない。例えば、温度センサ７４ａは、触媒６０ａの内部に配置されていても構わない。
【００４６】
本実施の形態における水素発生装置は、触媒６０ａを加熱する加熱器としての電気ヒータ６３を備える。電気ヒータ６３は、触媒６０ａを加熱することができるように形成されている。電気ヒータ６３には、電源７７が接続されている。本実施の形態における電源７７は、電子制御ユニット３１に制御されている。
【００４７】
分解器５１ａの周りには、断熱部材６７が配置されている。断熱部材６７は、例えば、ガラスウールなどで形成することができる。分解器５１ａの周りに断熱部材６７を配置することにより、分解器５１ａからの放熱を抑制することができる。また、水素発生装置の周りに配置する装置や部材が熱的な損傷を受けることを抑制できる。
【００４８】
本実施の形態における触媒６０ａを加熱する加熱器は、電気ヒータ６３を含むが、この形態に限られず、加熱器は、触媒６０ａを加熱するように形成されていれば構わない。例えば、分解器５１ａの容器７５の内部において、触媒６０ａの上流側に触媒６０ａに流入する気体を加熱するための電気加熱触媒（ＥＨＣ：Electrically Heated Catalyst）が配置されていても構わない。
【００４９】
本実施の形態の水素発生装置は、起動時には電気ヒータ６３により触媒６０ａを昇温する。本実施の形態における電気ヒータ６３は、触媒６０ａを活性化温度以上に加熱する。たとえば、触媒６０ａの温度が略２００℃以上になるまで電気ヒータ６３にて触媒６０ａを加熱する。
【００５０】
本実施の形態においては、触媒６０ａの温度が予め定められた温度以上になった場合にアンモニアの供給が開始される。たとえば、触媒６０ａが活性化温度以上になった場合に、アンモニアの供給が開始される。電子制御ユニット３１は、蒸発器６６を加熱する加熱器を駆動する。電子制御ユニット３１は、ポンプ６５を駆動し、流量調整弁７２ａを開いた状態にする。液体のアンモニア４９は、矢印１００に示すように、蒸発器６６に供給される。蒸発器６６においては、液体のアンモニア４９が気体に変化する。気体になったアンモニアは、アンモニア供給管６１を通って、矢印１０１に示すように流入管７１に供給される。
【００５１】
一方で、電子制御ユニット３１は、空気ポンプ７６を駆動する。電子制御ユニット３１は、流量調整弁７３ａを開いた状態にする。矢印１０２に示すように、空気は、空気供給管６２を通って、流入管７１に供給される。空気とアンモニアとの混合気は、混合器６９に流入して混合される。混合気が、混合器６９を通ることにより、空気およびアンモニアの局所的な濃度の偏りが生じることを抑制できる。空気とアンモニアとの混合気は、この後に触媒６０ａに流入する。このように、本実施の形態における水素発生装置は、触媒６０ａにアンモニアに加えて空気が供給される。
【００５２】
触媒６０ａに流入する気体には酸素が含まれるために、触媒６０ａの酸化機能により、供給された一部のアンモニアが酸化する。アンモニアは以下の式の通り酸化反応を生じる。
【００５３】
ＮＨ３＋（3/4）Ｏ２→ （1/2）Ｎ２＋（3/2）Ｈ２Ｏ  …（１）
アンモニアの酸化は、発熱反応である。このため、触媒６０ａが加熱される。酸化反応に用いられなかったアンモニアは、触媒６０ａの分解機能により、分解反応が生じる。アンモニアは、窒素と水素とに改質される。アンモニアの分解反応は、以下の式に示すように生じる。
【００５４】
ＮＨ３→ （1/2）Ｎ２＋（3/2）Ｈ２  …（２）
アンモニアの分解反応は、所定の温度以上で生じる。また、アンモニアの分解反応は、吸熱反応である。本実施の形態の水素発生装置は、触媒６０ａにおいてアンモニアの一部を酸化させて、その酸化熱を用いてアンモニアの分解を行なうことができる。触媒６０ａから流出する分解ガスは、水素および窒素の他に水蒸気を含む。生成された分解ガスは、矢印１０３に示すように、流出管７０を通って流出する。分解器５１ａから流出した高温の気体は、冷却器８５により冷却される。
【００５５】
本実施の形態における化合物供給装置は、流量調整弁７２ａの開度を調整することにより、触媒６０ａに供給するアンモニアの流量を調整することができる。本実施の形態における酸素供給装置は、流量調整弁７３ａの開度を調整することにより、触媒６０ａに供給する空気の流量、すなわち酸素の流量を調整することができる。このように、本実施の形態における水素発生装置は、触媒６０ａに供給するアンモニアの流量に対する空気の流量（酸素の流量）の比率を調整する流量比調整装置を備える。流量比調整装置は、触媒６０ａに供給する気体のアンモニアに対する酸素の流量比（モル比）を調整することができる。
【００５６】
図２は、本実施の形態の水素発生装置において、触媒を加熱する電気ヒータの温度と触媒の温度との関係を示すグラフである。図２は、分解器５１ａに供給する気体のアンモニアに対する酸素のモル比を固定して、水素を生成したときのグラフである。電気ヒータの温度を徐々に上昇させていくと、電気ヒータの温度が略２００℃で、触媒の温度が急激に上昇している。すなわち、電気ヒータの温度が略２００℃で、触媒６０ａに含まれる酸化反応を促進する触媒粒子が活性化する。アンモニアの酸化が生じることにより、酸化熱が発生していることが分かる。
【００５７】
図３に、本実施の形態の水素発生装置において、触媒を加熱する電気ヒータの温度と、分解器から流出する気体に含まれる水素濃度との関係を説明するグラフを示す。図３は、図２と同様に、分解器５１ａに供給する気体のアンモニアに対する酸素のモル比を固定して、水素を生成したときのグラフである。電気ヒータの温度が略２００℃未満では、水素が生成されていないことが分かる。電気ヒータの温度が略２００℃になったときに、水素が生成されていることが分かる。図２および図３を参照して、触媒の温度が略２００℃になったときに、酸化反応により触媒６０ａの温度が急激に上昇し、更にアンモニアが分解されていることが分かる。
【００５８】
なお、図２および図３の試験において、分解器に供給する空気の流量を零とした場合についても試験を行なったが、電気ヒータの温度を２００℃まで上昇しても、水素の生成は観察されなかった。このように、本実施の形態における水素発生装置は、起動時等において、分解反応を生じるために加熱器により触媒を加熱すべき温度を低くすることができる。
【００５９】
図４に、本実施の形態の分解器に供給する気体のアンモニアに対する酸素のモル比と、分解器から流出する気体の水素濃度との関係を説明するグラフを示す。この試験においては、空間速度を速度Ｖ１から速度Ｖ４まで変更して複数回の試験を行なっている。アンモニアに対する酸素のモル比を零の近傍から徐々に上昇させると、生成される気体の水素濃度が上昇することが分かる。モル比Ｒｍａｘでは水素濃度が最大になる。モル比Ｒｍａｘよりも大きな領域では、モル比が大きくなるほど水素濃度が減少している。
【００６０】
図５に、本実施の形態の分解器に供給する気体のアンモニアに対する酸素のモル比と、分解器から流出する気体のアンモニア濃度との関係を説明するグラフを示す。縦軸は、分解器において分解されずに流出したアンモニア濃度である。アンモニアに対する酸素のモル比を上昇していくと、分解器から流出するアンモニア濃度が減少することが分かる。アンモニアに対する酸素のモル比が、略０．２において分解器から流出する気体のアンモニア濃度が零になることが分かる。すなわち、分解器に供給されるアンモニアが略全て消費されていることが分かる。
【００６１】
図４および図５を参照して、アンモニアに対する酸素のモル比が小さな領域においては、アンモニアの分解を行なうための熱量が不足している。アンモニアに対する酸素のモル比を上昇させていくと、触媒の温度が上昇する。このために、分解器から流出する気体の水素濃度が上昇するとともに、分解器から流出する気体のアンモニア濃度が減少する。
【００６２】
ところが、アンモニアに対する酸素のモル比が略０．２を超えると、供給されたアンモニアの全てが消費される。更に、生成された水素が酸化反応で消費される。このために、アンモニアに対する酸素のモル比を上昇させていくと、生成される気体の水素濃度が減少する。このように、分解器に供給するアンモニアに対する酸素のモル比を変更することにより、水素発生装置から流出する気体に含まれる水素濃度およびアンモニア濃度を調整することができる。
【００６３】
また、図４および図５のグラフにより、触媒に流入する気体の空間速度を変更しても生成される気体の水素濃度およびアンモニア濃度が、ほぼ同じであることが分かる。本実施の形態における水素発生装置は、従来の技術における水素発生装置よりも、空間速度を高くしても大きな濃度で水素を生成することができる。このために、従来の技術における水素発生装置よりも分解器を小型にすることができる。または、触媒を製造するために使用する触媒金属の量を少なくすることができる。
【００６４】
図６に、本実施の形態の水素発生装置において、分解器に供給する気体のアンモニアに対する酸素のモル比を変化させたときの触媒の温度のグラフを示す。アンモニアに対する酸素のモル比を大きくすると、すなわち酸素の含有率を大きくすると、触媒６０ａの温度が上昇することが分かる。たとえば、触媒６０ａに流入する気体に含まれる空気の比率を大きくすると、酸化反応がより多く発生して触媒６０ａの温度が上昇する。このようにアンモニアに対する酸素のモル比を変更することにより、触媒の温度を調整できることが分かる。
【００６５】
ところで、触媒の温度が高温になると、触媒が劣化する場合がある。たとえば触媒の温度が高温になると触媒粒子が凝集するシンタリングが生じる場合がある。または、触媒粒子を担持する基材が金属で形成されている場合には、基材の熱的な損傷が生じる場合がある。このために、触媒の温度は、たとえば略１０００℃以下であることが好ましい。
【００６６】
図６を参照すると、アンモニアに対する酸素のモル比が略０．３のときの触媒の温度は、１０００℃未満である。このために、水素発生装置は、アンモニアに対する酸素のモル比が略０以上略０．３以下になるように制御することが好ましい。
【００６７】
本実施の形態における水素発生装置は、アンモニアに対する酸素のモル比を調整して酸化熱を発生させ、アンモニアの酸化熱によりアンモニアの分解を行なうことができる。図１を参照して、水素発生装置の起動時等においては、電気ヒータ６３の通電を行なって、触媒６０ａを加熱する。触媒６０ａが所定の活性を得ることができる温度まで昇温した後では、電気ヒータ６３の通電を停止している。このように、本実施の形態における水素発生装置は、アンモニアの分解を行なっている運転期間中では、触媒６０ａに対して外部からの熱の供給を行なわずにアンモニアの分解を行なうことができる。
【００６８】
図７に、本実施の形態における水素発生装置の運転制御を説明するフローチャートを示す。図７に示す運転制御は、例えば、予め定められた時間間隔で繰り返し行なうことができる。本実施の形態における水素発生装置は、分解器の触媒の温度を検出し、触媒の温度が予め定められた温度範囲内になるように、触媒に供給する気体のアンモニアに対する酸素のモル比を調整する。本実施の形態においては、アンモニアの流量および空気の流量を調整する。
【００６９】
図１および図７を参照して、ステップ２０１においては、触媒６０ａの温度を検出する。触媒６０ａの温度は、触媒６０ａの下流に配置されている温度センサ７４ａにより検出することができる。
【００７０】
ステップ２０２においては、触媒６０ａの温度が、予め定められた高温側の温度判定値よりも大きいか否かが判別される。すなわち、予め定められた温度範囲から逸脱しているか否かが判別される。触媒６０ａの高温側の温度判定値としては、例えば、触媒６０ａの劣化が顕著に進行する温度を採用することができる。ステップ２０２において、触媒６０ａの温度が、予め定められた高温側の温度判定値よりも高い場合には、ステップ２０３に移行する。
【００７１】
ステップ２０３においては、アンモニアに対する空気の流量比を減少させる制御を行なう。本実施の形態においては、触媒に供給する気体の空間速度は変更せずに、アンモニアに対する空気の流量比を減少させている。図１を参照して、本実施の形態においては、空気の流量を調整する流量調整弁７３ａの開度を小さくする一方で、アンモニアの流量を調整する流量調整弁７２ａの開度を大きくする制御を行なう。図６を参照して、この制御を行なうことにより、アンモニアに対する酸素のモル比が減少して、触媒６０ａの温度を下げることができる。ステップ２０３において、触媒６０ａの温度が予め定められた温度まで下降したらこの制御を終了する。または、予め定められた流量比まで変化したら、この制御を終了しても構わない。
【００７２】
ステップ２０２において、触媒６０ａの温度が、予め定められた高温側の温度判定値以下の場合には、ステップ２０４に移行する。ステップ２０４においては、触媒６０ａの温度が、予め定められた低温側の温度判定値未満であるか否かが判別される。すなわち、触媒６０ａの温度が、予め定められた温度範囲から逸脱しているか否かが判別される。触媒６０ａの低温側の温度判定値としては、例えば、触媒６０ａの活性化温度を採用することができる。
【００７３】
ステップ２０４において、触媒６０ａの温度が、予め定められた低温側の温度判定値未満である場合には、ステップ２０５に移行する。ステップ２０５においては、アンモニアに対する空気の流量比を増加させる制御を行なう。本実施の形態においては、触媒における気体の空間流量は変更せずに、アンモニアに対する空気の流量比を増加させている。図１を参照して、本実施の形態においては、空気の流量を調整する流量調整弁７３ａの開度を大きくする一方で、アンモニアの流量を調整する流量調整弁７２ａの開度を小さくする制御を行なう。図６を参照して、この制御を行なうことにより、アンモニアに対する酸素のモル比が増加して、触媒６０ａの温度を上げることができる。ステップ２０５において、触媒６０ａの温度が予め定められた温度まで上昇したらこの制御を終了する。または、予め定められた流量比まで変化したら、この制御を終了しても構わない。
【００７４】
本実施の形態においては、触媒６０ａに供給する気体の全流量は変更せずに、アンモニアに対する空気の流量比を変化させているが、この形態に限られず、触媒６０ａに供給する気体の全流量を変更しても構わない。例えば、触媒温度が高温側の温度判定値を超えた場合には、触媒に供給するアンモニアの流量は変化させずに、空気の流量を零としても構わない。
【００７５】
本実施の形態の運転制御では、触媒温度の高温側の温度判定値を判別した後に、低温側の温度判定値を判別しているが、この形態に限られず、低温側の温度判定値を判別した後に、高温側の温度判定値を判別しても構わない。または、高温側の温度判定値と低温側の温度判定値を同時に判別しても構わない。更に、触媒温度の高温側の温度判定値と低温側の温度判定値の両方を判別しているが、この形態に限られず、いずれか一方を採用しても構わない。
【００７６】
ところで、本実施の形態における水素発生装置は、触媒６０ａに供給するアンモニアに対する酸素のモル比を所望の値に制御するために、触媒６０ａの温度を用いて制御することができる。図６を参照して、触媒６０ａの温度は、触媒６０ａに供給するアンモニアに対する酸素のモル比に対応している。このために、触媒６０ａの温度を検出することにより、触媒６０ａに供給するアンモニアに対する酸素のモル比を推定することができる。すなわち、触媒６０ａに供給するアンモニアに対する空気の流量比を推定することができる。
【００７７】
例えば、触媒６０ａに供給するアンモニアに対する酸素のモル比を高くする場合には、触媒６０ａの温度が高くなるように制御することができる。アンモニアに対する酸素のモル比を目標値に対応する触媒の温度になるように、空気の流量およびアンモニアの流量を制御することができる。このように、本実施の形態における水素発生装置は、アンモニアに対する酸素のモル比の目標値の代わりに、触媒の温度の目標値を採用することができる。
【００７８】
本実施の形態における水素原子および窒素原子を含む化合物、すなわち水素を生成する原料としては、アンモニアを例に取り上げて説明したが、この形態に限られず、原料は、水素原子および窒素原子を含み、分解して水素を生成する任意の化合物を採用することができる。例えば、原料はヒドラジン（Ｎ２Ｈ４）を含むことができる。
【００７９】
本実施の形態における化合物供給装置は、液体の原料を供給するように形成されているが、この形態に限られず、気体の原料を供給するように形成されていても構わない。
【００８０】
また、原料になる気体を分解および酸化する触媒としては、ハニカム構造に限られず、任意の構造の触媒を採用することができる。たとえば、触媒は、触媒粒子を担持した小型の球状の担体を有するペレット触媒を含んでいても構わない。また、本実施の形態においては、分解触媒と酸化触媒とが一体的に形成された触媒が採用されているが、この形態に限られず、化合物の分解を促進する触媒粒子と化合物の酸化を促進する触媒粒子とを有する触媒が、分解触媒と酸化触媒とから構成されていても構わない。たとえば、排気ガスの流れ方向に沿って、上流側にハニカム構造の酸化触媒が配置され、下流側にハニカム構造の分解触媒が配置されていても構わない。酸化触媒および分解触媒を備える装置において、触媒の温度を検出すべき場合には、たとえば分解触媒の温度を検出することができる。
【００８１】
実施の形態２
図８および図９を参照して、実施の形態２における水素発生装置について説明する。本実施の形態における水素発生装置は、酸化を促進する触媒粒子および分解を促進する触媒粒子を含む分解器に加えて、分解を促進する触媒粒子を含む分解器を備える。
【００８２】
図８に、本実施の形態おける水素発生装置の概略図を示す。本実施の形態における水素発生装置は、第１の分解器としての分解器５１ａに加え、第２の分解器としての分解器５１ｂを備える。第１の分解器は、実施の形態１における分解器５１ａと同様である。
【００８３】
分解器５１ｂは、触媒６０ｂを含む。本実施の形態における触媒６０ｂは、ハニカム構造に形成されている。本実施の形態における触媒６０ｂは、分解を促進する触媒粒子を含む。本実施の形態における触媒６０ｂは、酸化を促進するための触媒粒子が担持されていないが、この形態に限られず、酸化を促進する触媒粒子が担持されていても構わない。
【００８４】
空気供給管６２は、分解器５１ａの流入管７１に接続されている。本実施の形態における酸素供給装置は、分解器５１ａの触媒６０ａには酸素を供給する一方で、分解器５１ｂの触媒６０ｂには酸素を供給しないように形成されている。
【００８５】
本実施の形態における水素発生装置は、触媒６０ａと触媒６０ｂとが熱交換を行なうように形成されている。本実施の形態においては、分解器５１ａの容器７５と、分解器５１ｂの容器７５とが互いに接触して配置されている。触媒６０ａと触媒６０ｂとが互いに熱交換する構成としては、この形態に限られず、例えば、分解器５１ａと分解器５１ｂとの間に、熱交換器が配置されていても構わない。熱交換器は、たとえば、触媒６０ａの内部に配置された第１フィンと、触媒６０ｂの内部に配置された第２フィンとを含み、第１フィンと第２フィンとが伝熱可能な部材で互いに接続されているものを例示することができる。
【００８６】
分解器５１ｂの容器７５の内部において、触媒６０ｂの下流には、触媒６０ｂの温度を検出する触媒温度検出器として、温度センサ７４ｂが配置されている。本実施の形態における化合物供給装置は、化合物としてのアンモニアを触媒６０ａ，６０ｂに供給できるように形成されている。化合物供給装置は、蒸発器６６に接続されているアンモニア供給管６１が分岐している。分岐したアンモニア供給管６１は、分解器５１ａの流入管７１および分解器５１ｂの流入管７１に接続されている。分解器５１ｂに向かうアンモニア供給管６１の途中には、触媒６０ｂに供給する気体のアンモニアの流量を調整する流量調整弁７２ｂが配置されている。
【００８７】
本実施の形態における化合物供給装置は、流量調整弁７２ａ，７２ｂの開度を調整することにより、それぞれの触媒６０ａ，６０ｂに供給するアンモニアの流量を調整可能に形成されている。または、分解器５１ａの触媒６０ａに供給するアンモニアと、分解器５１ｂの触媒６０ｂに供給するアンモニアとの流量比を変更できるように形成されている。
【００８８】
分解器５１ｂの容器７５には、流出管７０が接続されている。分解器５１ａの容器７５に接続されている流出管７０および分解器５１ｂの容器７５に接続されている流出管７０は、互いに合流して冷却器８５に接続されている。
【００８９】
本実施の形態おける水素発生装置は、電子制御ユニット３１を備える。それぞれの温度センサ７４ａ，７４ｂの出力は、電子制御ユニット３１に入力される。また、それぞれの流量調整弁７２ａ，７２ｂ，７３ａは、電子制御ユニット３１により制御されている。
【００９０】
本実施の形態の水素発生装置は、第１の分解器としての分解器５１ａにおいて、アンモニアの酸化を行ないながらアンモニアの分解を行なうことができる。また、第２の分解器としての分解器５１ｂにおいてアンモニアの分解を行なうことができる。さらに、分解器５１ａの触媒６０ａで生じた酸化熱が、分解器５１ｂの触媒６０ｂに伝達される。本実施の形態の水素発生装置は、分解器５１ｂの触媒６０ｂにおいても、触媒６０ａにて生じた酸化熱を利用してアンモニアの分解を行なうことができる。
【００９１】
本実施の形態における水素発生装置は、第１の分解器としての分解器５１ａに供給するアンモニアの流量および第２の分解器としての分解器５１ｂに供給するアンモニアの流量が変更可能に形成されている。この構成により、水素発生装置に要求される水素量や触媒の温度等の運転状態に応じて、第１の分解器に供給するアンモニア流量および第２の分解器に供給するアンモニア流量を最適化することができる。運転状態に応じて適切に水素の生成を行なうことができる。
【００９２】
図９に、本実施の形態における水素発生装置の運転制御のフローチャートを示す。本実施の形態の運転制御においては、第２の分解器としての分解器５１ｂの触媒６０ｂの温度が、予め定められた温度の範囲内になるように制御を行う。図９に示す制御は、例えば予め定められた時間間隔ごとに繰り返して行なうことができる。
【００９３】
ステップ２１１においては、第２の分解器の触媒の温度を検出する。図８を参照して、電子制御ユニット３１は、分解器５１ｂの触媒６０ｂの温度を温度センサ７４ｂにより検出する。
【００９４】
次に、ステップ２１２において、分解器５１ｂの触媒６０ｂの温度が予め定められた低温側の温度判定値未満であるか否かを判別する。低温側の温度判定値としては、例えば、分解器５１ｂの触媒６０ｂが活性化する温度を採用することができる。ステップ２１２において、第２の分解器としての分解器５１ｂの触媒６０ｂの温度が、低温側の温度判定値未満である場合にはステップ２１３に移行する。
【００９５】
ステップ２１３においては、分解器５１ｂに供給するアンモニアに対する分解器５１ａに供給するアンモニアの流量比を増加させる。本実施の形態においては、分解器５１ｂに供給するアンモニアの流量を減少させる一方で、分解器５１ａに供給するアンモニアの流量を増加させる制御を行う。図８を参照して、本実施の形態においては、分解器５１ａに連通する流量調整弁７２ａの開度を大きくする一方で、分解器５１ｂに連通する流量調整弁７２ｂの開度を小さくする制御を行う。
【００９６】
この制御を行なうことにより、発熱を伴わない触媒６０ｂに供給するアンモニアの流量を少なくして、発熱を伴う触媒６０ａに供給するアンモニアの流量を多くする制御を行うことができる。アンモニアの酸化が生じる分解器５１ａに、多くのアンモニアを供給することができる。触媒６０ｂにおいては、アンモニアの分解反応が少なくなるために、触媒６０ｂの温度を上昇させることができる。分解器５１ｂの触媒６０ｂの温度が下がりすぎて、アンモニアの分解能力が所望の能力未満になることを抑制できる。この場合には、分解器５１ａに供給する空気の流量を増加させても構わない。分解器５１ａに供給する空気の流量を増加させることにより、触媒６０ａの温度低下を抑制することができる。または、触媒６０ａの温度を上昇させることができる。この結果、触媒６０ｂの温度を速やかに上昇させることができる。
【００９７】
ステップ２１３については、たとえば、第２の分解器の触媒６０ｂの温度が予め定められた温度以上になったときに終了することができる。または、予め定められた流量比まで変化させて終了しても構わない。ステップ２１３における分解器５１ｂの昇温が終了したらこの制御を終了する。
【００９８】
ステップ２１２において、分解器５１ｂの触媒６０ｂの温度が低温側の温度判定値以上である場合には、ステップ２１４に移行する。
【００９９】
ステップ２１４においては、分解器５１ｂの触媒６０ｂの温度が予め定められた高温側の温度判定値よりも大きいか否かが判別される。高温側の温度判定値としては、例えば、酸化熱を生じる触媒６０ａの温度が劣化を生じる温度になるときの触媒６０ｂの温度を採用することができる。ステップ２１４において、分解器５１ｂの触媒６０ｂの温度が予め定められた高温側の温度判定値以下である場合には、この制御を終了する。分解器５１ｂの触媒６０ｂの温度が予め定められた高温側の温度判定値よりも大きい場合には、ステップ２１５に移行する。
【０１００】
ステップ２１５においては、分解器５１ｂに供給するアンモニアに対する分解器５１ａに供給するアンモニアの流量比を減少させる制御を行う。本実施の形態においては、分解器５１ｂに供給するアンモニアの流量を増加させる一方で、分解器５１ａに供給するアンモニアの流量を減少させる制御を行う。図８を参照して、本実施の形態においては、分解器５１ａに連通する流量調整弁７２ａの開度を小さくする一方で、分解器５１ｂに連通する流量調整弁７２ｂの開度を大きくする制御を行う。
【０１０１】
この制御を行うことにより、触媒６０ａの温度を低下させることができる。この場合には、分解器５１ａに供給する空気の流量を減少させても構わない。分解器５１ａに供給する空気の流量を減少させることにより、触媒６０ａの温度を速やかに下降させることができる。アンモニアの酸化反応が生じずに分解反応が生じる触媒６０ｂに供給するアンモニアの流量が多くなるために、触媒６０ｂの温度を低下させることができる。分解器５１ａの触媒６０ａの温度が上がりすぎて触媒６０ａが劣化することを抑制できる。
【０１０２】
ステップ２１５においては、たとえば、第２の分解器の触媒６０ｂの温度が予め定められた温度以下になったときに終了することができる。または、予め定められた流量比まで変化したらこの制御を終了しても構わない。
【０１０３】
このように、本実施の形態の水素発生装置の制御においては、触媒の温度に基づいて、酸化反応が生じる触媒および酸化反応が生じない触媒に供給するアンモニアの流量を調整することができる。
【０１０４】
本実施の形態の運転制御においては、第２の分解器の触媒の温度を検出しているが、この形態に限られず、第１の分解器の触媒の温度を検出しても構わない。また、本実施の形態においては、低温側の温度判定値の判別を行なった後に高温側の温度判定値の判別を行なっているが、この形態に限られず、いずれを先に行なっても構わない。または、低温側の温度判定値の判別と高温側の温度判定値の判別とを同時に行なっても構わない。または、低温側の温度判定値または高温側の温度判定値の、いずれか一方の温度判定値を採用した制御を行っても構わない。
【０１０５】
その他の構成、作用および効果については、実施の形態１と同様であるので、ここでは説明を繰り返さない。
【０１０６】
実施の形態３
図１０から図１６を参照して、実施の形態３における水素発生装置を備える内燃機関について説明する。本実施の形態においては、車両に配置されている内燃機関を例に取り上げて説明する。
【０１０７】
図１０は、本実施の形態における内燃機関の概略図である。本実施の形態における内燃機関は、火花点火式である。内燃機関は、機関本体１を備える。機関本体１は、シリンダブロック２とシリンダヘッド４とを含む。シリンダブロック２の内部には、ピストン３が配置されている。ピストン３の冠面とシリンダヘッド４とにより燃焼室５が形成されている。燃焼室５はそれぞれの気筒ごとに形成されている。
【０１０８】
燃焼室５には、機関吸気通路および機関排気通路が接続されている。シリンダヘッド４には、吸気ポート７および排気ポート９が形成されている。吸気弁６は吸気ポート７の端部に配置され、燃焼室５に連通する機関吸気通路を開閉可能に形成されている。排気弁８は、排気ポート９の端部に配置され、燃焼室５に連通する機関排気通路を開閉可能に形成されている。シリンダヘッド４には、点火装置としての点火栓１０が固定されている。点火栓１０は、燃焼室５にて燃料を点火するように形成されている。本実施の形態における点火栓１０は、プラズマジェット点火栓である。
【０１０９】
各気筒の吸気ポート７は、対応する吸気枝管１３を介してサージタンク１４に連結されている。サージタンク１４は、吸気ダクト１５を介してエアクリーナ１２に連結されている。吸気ダクト１５には、吸入空気量を検出するエアフローメータ１６が配置されている。吸気ダクト１５の内部には、ステップモータ１７によって駆動されるスロットル弁１８が配置されている。
【０１１０】
本実施の形態における内燃機関は、排気ガスを浄化する排気浄化装置を備える。排気浄化装置は、触媒コンバータ２１を含む。各気筒の排気ポート９は、排気マニホールド１９に連結されている。排気マニホールド１９は、触媒コンバータ２１に連結されている。本実施の形態における触媒コンバータ２１は、酸化触媒２０を含む。触媒コンバータ２１は、排気管２２に接続されている。
【０１１１】
本実施の形態における排気浄化装置は酸化触媒を含むが、この形態に限られず、排気ガスを浄化する任意の装置を配置することができる。例えば、排気浄化装置は、三元触媒やＮＯＸを浄化するための触媒が含んでいても構わない。
【０１１２】
本実施の形態における内燃機関は、水素発生装置を備える。本実施の形態における水素発生装置の構成は、実施の形態１における水素発生装置と同様である（図１参照）。水素発生装置は、触媒６０ａを含む分解器５１ａを備える。分解器５１ａの流入管７１は、空気供給管６２に接続されている。空気供給管６２は、スロットル弁１８の上流において、機関吸気通路に接続されている。本実施の形態の内燃機関においては、スロットル弁の下流側の圧力が上流側の圧力よりも低くなることにより、燃料噴射弁８６から水素等が噴射される。分解器５１ａの流出管７０は、冷却器８５に接続されている。
【０１１３】
本実施の形態における冷却器８５には、機関本体１を冷却する機関冷却水が流入する。冷却器８５は、分解器５１ａから流出する気体と機関本体１の冷却水との間で熱交換を行なうように形成されている。機関冷却水により分解器５１ａから流出する気体が冷却される。この構成により、機関本体の機関冷却水を利用して、分解器５１ａから流出する気体を冷却することができる。
【０１１４】
本実施の形態における蒸発器６６は、加熱部６６ａを含む。本実施の形態における加熱部６６ａは、電気ヒータにより加熱するように形成されている。加熱部６６ａは、この形態に限られず、液体のアンモニアを気化するように形成されていれば構わない。たとえば、加熱部６６ａは、排気浄化装置を流れる排気ガスとの熱交換により液体のアンモニアを気化するように形成されていても構わない。
【０１１５】
本実施の形態における内燃機関は、水素発生装置にて生成された水素を燃料として燃焼室に供給する水素供給機を備える。本実施の形態における水素供給機は、機関吸気通路の内部に向かって水素を噴射する燃料噴射弁８６を含む。燃料噴射弁８６は、供給管９０を介して冷却器８５に接続されている。分解器５１ａで生成された水素は、矢印１０３に示すように、流出管７０、冷却器８５および供給管９０を通って燃料噴射弁８６に供給される。燃料噴射弁８６を開くことにより、水素を含む気体が機関吸気通路に放出される。
【０１１６】
分解器５１ａにおいて生成された水素を含む気体を冷却器８５にて冷却することにより、水素が機関吸気通路に放出されたときに、水素が空気と接触して燃焼することを抑制できる。更に、燃焼した水素が機関吸気通路を逆流するバックファイヤを抑制することができる。
【０１１７】
図１１に、本実施の形態における内燃機関の電子制御ユニットの概略図を示す。本実施の形態における内燃機関の制御装置は、電子制御ユニット３１を含む。本実施の形態における電子制御ユニット３１は、デジタルコンピュータを含む。電子制御ユニット３１は、双方向バス３２を介して相互に接続されたＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）３４、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３５、入力ポート３６および出力ポート３７を含む。
【０１１８】
図１０および図１１を参照して、エアフローメータ１６は、燃焼室５に吸入される吸入空気量に比例した出力電圧を発生する。この出力電圧は、対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。アクセルペダル４０には、負荷センサ４１が接続されている。負荷センサ４１は、アクセルペダル４０の踏込量に比例した出力電圧を発生する。この出力電圧は、対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。また、クランク角センサ４２は、クランクシャフトが、例えば３０°回転する毎に出力パルスを発生し、この出力パルスは入力ポート３６に入力される。クランク角センサ４２の出力により、機関回転数を検出することができる。
【０１１９】
また、内燃機関の機関本体１は、機関冷却水により冷却されている。内燃機関は、機関本体１の温度を検出する機関温度検出器として、機関冷却水温度センサ４３を含む。機関冷却水温度センサ４３は、機関冷却水の温度を検出するように形成されている。機関冷却水温度センサ４３の出力は、対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。更に、電子制御ユニット３１には、水素発生装置に含まれる温度センサ等の信号が入力されている。
【０１２０】
電子制御ユニット３１の出力ポート３７は、それぞれの対応する駆動回路３９を介して燃料噴射弁８６および点火栓１０に接続されている。本実施の形態における電子制御ユニット３１は、燃料噴射制御を行うように形成されている。また、出力ポート３７は、対応する駆動回路３９を介して、スロットル弁１８を駆動するステップモータ１７に接続されている。更に、電子制御ユニット３１は、水素発生装置に含まれる流量調整弁やポンプ等に接続されている。電子制御ユニット３１は、水素発生装置に含まれる機器を制御している。
【０１２１】
内燃機関の制御装置としては、この形態に限られず、内燃機関を制御可能に形成されていれば構わない。たとえば、制御装置は、水素発生装置を制御する電子制御ユニットと、機関本体を制御する電子制御ユニットとを含み、これらの複数の電子制御ユニットが、ＣＡＮ（Controller Area Network）通信などの通信方法により互いに接続されていても構わない。
【０１２２】
図１０を参照して、本実施の形態における内燃機関は、水素発生装置の分解器５１ａにて生成された水素および水素発生装置にて分解されなかった気体のアンモニアが、燃料噴射弁８６により吸気枝管１３の内部に噴射される。吸入された空気、水素およびアンモニアの混合気は、吸気ポート７を通って燃焼室５に供給される。
【０１２３】
本実施の形態における内燃機関は、燃焼室５において燃料が燃焼されて排気ガスが生じる。燃焼室５において生じた排気ガスは、燃焼室５から排気ポート９に流出する。排気ポート９に流出した排気ガスは、触媒コンバータ２１に流入する。触媒コンバータ２１の酸化触媒２０においては、排気ガスに含まれる未燃の燃料等が酸化される。触媒コンバータ２１にて浄化された排気ガスは、排気管２２を通って排出される。
【０１２４】
図１０および図１１を参照して、本実施の形態における内燃機関は、アンモニアおよび水素のうち少なくとも一方を燃料として、燃焼室５において燃焼を行なうことができる。本実施の形態における内燃機関は、内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出装置を備える。内燃機関の運転状態としては、例えば、機関回転数や内燃機関の負荷などを例示することができる。本実施の形態における内燃機関は、運転状態を検出し、内燃機関の運転状態に応じて、燃焼室５に供給するアンモニア量および水素量を変化させる制御を行う。
【０１２５】
本実施の形態における内燃機関は、機関回転数を検出する回転数検出装置を備える。また、本実施の形態における内燃機関は、内燃機関の負荷を検出する負荷検出装置を備える。燃焼室５に供給するアンモニア量および水素量は、たとえば、機関回転数および内燃機関の負荷に基づいて選定することができる。機関回転数と内燃機関の負荷とを関数にするアンモニアの供給量のマップおよび水素の供給量のマップを予め作成し、このマップを電子制御ユニット３１のＲＯＭ３４に記憶させておくことができる。
【０１２６】
たとえば、クランク角センサ４２の出力等により機関回転数を検出する。又は、負荷センサ４１の出力等から負荷を検出する。検出した機関回転数または負荷等の運転状態に基づいて、電子制御ユニット３１に記憶したマップを用いて、燃焼室に供給するアンモニア量および水素量を選定することができる。
【０１２７】
本実施の形態の内燃機関において、燃焼室５に供給する空気量は、スロットル弁１８の開度を制御することにより調整することができる。燃焼室５に流入するアンモニアおよび水素の混合気の量は、燃料噴射弁８６の噴射時間または噴射流量を制御することにより調整することができる。更に、水素発生装置は、燃料噴射弁８６に供給する混合気に含まれる水素量とアンモニア量との比率を調整することができる。
【０１２８】
水素発生装置の分解器５１ａに供給する空気流量およびアンモニア流量を調整することにより、燃焼室５に供給する水素量とアンモニア量との比率を変化させることができる。図４および図５を参照して、本実施の形態の水素発生装置においては、分解器５１ａに供給するアンモニアに対する空気の流量比を変化させることにより、分解器５１ａから流出する水素濃度およびアンモニア濃度を変化させることができる。たとえば、アンモニアに対する酸素のモル比が０以上Ｒｍａｘ以下の範囲内においては、アンモニアに対する酸素のモル比を大きくすることにより、分解器５１ａから流出する水素濃度を上昇させる一方で、アンモニア濃度を減少させることができる。
【０１２９】
分解器５１ａから流出する気体の全流量は、分解器５１ａに供給する空気流量およびアンモニア流量を制御することにより調整することができる。たとえば、燃料噴射弁８６から噴射される単位時間当たりの混合気の量が、分解器５１ａから流出する気体の流量に相当する。このために、燃料噴射弁８６から噴射される単位時間当たりの混合気の量に基づいて、分解器５１ａに供給するアンモニア流量および空気流量を調整することができる。
【０１３０】
ところで、アンモニアは燃焼速度が遅く、かつ着火性が悪いという燃焼特性を有する。燃焼室５においてアンモニアを燃焼させる場合には、水素は、燃焼室５における燃料の燃焼を促進する助燃剤として機能する。このために、燃焼室５においてアンモニアの燃焼性が悪い場合には、燃料に含まれる水素の比率を高くすることが好ましい。たとえば、機関回転数が高い場合や、内燃機関の負荷が低い場合には、燃焼室に供給する燃料のアンモニアに対する水素の比率を大きくすることが好ましい。
【０１３１】
図１２に、本実施の形態における内燃機関の運転制御のフローチャートを示す。ステップ２２１において、内燃機関の運転状態を検出する。次に、ステップ２２２において、検出した内燃機関の運転状態に基づいて、燃焼室に供給する水素量およびアンモニア量を選定する。たとえば、電子制御ユニットに予め記憶されているマップにより、水素量およびアンモニア量を選定することができる。
【０１３２】
次に、ステップ２２３において、燃焼室に供給する水素量およびアンモニア量に基づいて、水素発生装置を制御する。燃焼室に供給する水素量およびアンモニア量は、水素発生装置の分解器から流出する水素量およびアンモニア量に対応する。燃焼室に供給する水素量およびアンモニア量に基づいて、水素発生装置の分解器に供給する空気流量およびアンモニア流量の比率を調整する。この制御を行なうことにより、燃料室に供給する水素量およびアンモニア量を調整できるとともに、水素発生装置において適切な量の水素を生成することができる。本実施の形態においては、燃焼室に供給するアンモニア量および水素量の両方を制御しているが、この形態に限られず、いずれか一方の量を制御しても構わない。
【０１３３】
内燃機関の運転状態として機関回転数を検出する場合には、機関回転数が高いほど、燃焼室に供給する水素の量を増加させる制御を行うことができる。または、内燃機関の回転数が高いほど、燃焼室に供給する燃料のアンモニアに対する水素の比率を大きくする制御を行なうことができる。図４を参照して、水素発生装置においては、内燃機関の回転数が高いほど、分解器に供給する気体のアンモニアに対する空気の流量比を増加させる制御を行なうことができる。この制御を行なうことにより、内燃機関の回転数が高くなっても、燃焼室において安定した燃焼を行なうことができる。
【０１３４】
内燃機関の運転状態として内燃機関の負荷を検出する場合には、内燃機関の負荷が小さいほど、燃焼室に供給する水素の量を増加させる制御を行うことができる。または、内燃機関の負荷が小さいほど、燃焼室に供給する燃料のアンモニアに対する水素の比率を大きくする制御を行なうことができる。図４を参照して、水素発生装置においては、内燃機関の負荷が小さいほど、分解器に供給する気体のアンモニアに対する空気の流量比を増加させる制御を行なうことができる。この制御を行なうことにより、内燃機関の負荷が小さくなっても、燃焼室において安定した燃焼を行なうことができる。
【０１３５】
また、内燃機関の運転状態として、機関本体１の温度を例示することができる。たとえば、機関本体１の温度として、機関冷却水の温度を検出することができる。内燃機関には、機関本体１の温度が低い場合がある。アンモニアは着火性が悪いために、機関本体１の温度が低い場合にはアンモニアに対する水素の比率を高くした燃料を燃焼室５に供給することが好ましい。本実施の形態における内燃機関は、機関本体１の温度が予め定められた温度判定値よりも低い場合には、燃焼室５に供給するアンモニア量に対する水素量を増加させる制御を行なっている。水素発生装置から流出する気体のアンモニアに対する水素の比率が予め定められた比率以上になるように制御することができる。分解器５１ａに供給するアンモニアに対する空気の流量比を予め定められた比率以上に制御することができる。または、機関本体１の温度が低くなるほど、分解器５１ａに供給するアンモニアに対する空気の流量比を大きくする制御を行うことができる。
【０１３６】
たとえば、内燃機関を長時間停止した後に始動した場合には、機関本体１は低温である。本実施の形態における内燃機関は、冷間始動時には、分解器５１ａの周りに配置されているヒータ６３（図１参照）により、触媒６０ａの温度が予め定められた温度以上になるまで触媒６０ａを加熱する。たとえば、触媒６０ａの温度が活性化温度以上になったときに、触媒６０ａに対してアンモニアおよび空気を供給する。本実施の形態においては、内燃機関を始動した時に分解器５１ａに供給するアンモニアに対する空気の流量比が予め定められた比率以上になるように制御する。または、機関本体１の温度を検出し、機関本体１の温度が上昇すると共に、分解器５１ａに供給するアンモニアに対する空気の流量比を徐々に小さくする制御を行うことができる。
【０１３７】
図４および図５を参照して、例えば、機関本体１の温度が予め定められた温度判定値よりも低い場合には、アンモニアに対する酸素のモル比を０．１５以上にすることができる。すなわち、アンモニアに対する空気のモル比を０．７以上にすることができる。この制御を行なうことにより、分解器から流出する気体に含まれるアンモニアの濃度をほぼ０％にすることができる。更に好ましくは、アンモニアに対する酸素のモル比を０．２以上にすることができる。分解器から流出する気体に含まれる燃料のほぼ全てを水素にすることができる。この結果、燃焼室５において安定した燃焼を行なうことができる。
【０１３８】
内燃機関の運転状態としては、機関回転数、内燃機関の負荷、および機関本体の温度等に限られず、任意の運転状態を採用することができる。
【０１３９】
図１０を参照して、本実施の形態の内燃機関は、実施の形態１における水素発生装置が、内燃機関の吸気通路に取り付けられている。実施の形態１において説明したように、分解器に供給するアンモニアに対する酸素のモル比の制御は、触媒の温度を用いて行なうことができる。すなわち、水素発生装置に要求される水素量およびアンモニア量に応じて分解器を制御する場合に、分解器５１ａの温度センサ７４ａにより触媒６０ａの温度を検出し、検出した触媒６０ａの温度に基づいて、分解器５１ａに供給するアンモニア流量および空気流量を調整することができる。
【０１４０】
また、実施の形態１と同様に、分解器５１ａに供給するアンモニアの流量および酸素の流量を調整する場合には、触媒６０ａの温度が予め定められた所定の範囲内になるように制御することが好ましい。触媒６０ａの温度範囲としては、たとえば低温側の温度判定値として触媒６０ａが活性化する温度を例示することができ、また高温側の温度判定値として触媒６０ａの耐熱温度を例示することができる。
【０１４１】
図１３に、本実施の形態における第２の内燃機関の概略図を示す。本実施の形態における第２の内燃機関は、蒸発器６６にて生成された気体のアンモニアの一部が、分解器５１ａを通らずに燃焼室５に供給されるように形成されている。
【０１４２】
本実施の形態における第２の内燃機関は、機関吸気通路に向かって気体のアンモニアを噴射するアンモニア噴射弁８３を備える。アンモニア噴射弁８３は、供給管８９を介して、水素発生装置の蒸発器６６に接続されている。蒸発器６６で生成されたアンモニアの一部は、矢印１０６に示すように、供給管８９を通ってアンモニア噴射弁８３に供給される。蒸発器６６において気化したアンモニアの一部は、アンモニア噴射弁８３から吸気枝管１３の内部に噴射される。図１１および図１３を参照して、電子制御ユニット３１の出力ポート３７は、対応する駆動回路３９を介してアンモニア噴射弁８３に接続されている。アンモニア噴射弁８３は、電子制御ユニット３１に制御されている。
【０１４３】
本実施の形態の第２の内燃機関においても、アンモニアおよび水素のうち少なくとも一方を燃料として、燃焼室５において燃料を燃焼させることができる。本実施の形態の第２の内燃機関においては、水素発生装置の分解器５１ａに供給する空気流量およびアンモニア流量を調整することにより、燃料噴射弁８６から噴射して燃焼室５に供給する水素量およびアンモニア量を調整することができる。更に、アンモニア噴射弁８３を制御することにより、燃焼室５に供給するアンモニア量を調整することができる。
【０１４４】
燃焼室５に供給するアンモニア量および水素量は、内燃機関の運転状態に基づいて定めることができる。電子制御ユニット３１は、燃焼室５に供給するアンモニア量および水素量に基づいて、水素発生装置、燃料噴射弁８６およびアンモニア噴射弁８３を制御する。
【０１４５】
第２の内燃機関においては、蒸発器６６において生成された気体のアンモニアの一部が、分解器５１ａを通らずに燃焼室５に供給される。内燃機関の運転においては、燃焼室５に供給する水素量を少なくしたり、水素量を零にしたりする場合がある。この場合には、蒸発器６６から分解器５１ａに供給するアンモニア量を少なくして、アンモニア噴射弁８３に供給するアンモニア量を多くすることができる。たとえば、燃焼室５に供給する水素量を零にする場合には、分解器５１ａを停止させることができる。すなわち、分解器５１ａを水素が必要な時に駆動することができる。
【０１４６】
第２の内燃機関においては、内燃機関の運転状態に基づいて、蒸発器６６から分解器５１ａに供給するアンモニア量と、蒸発器６６からアンモニア噴射弁８３を介して燃焼室５に供給するアンモニア量とを変化させることができる。
【０１４７】
例えば、内燃機関の運転状態として負荷を検出し、内燃機関の負荷が小さいほど蒸発器６６から分解器５１ａに供給するアンモニア流量を増加させて、水素発生装置において多くの水素を生成することができる。燃焼室に多くの水素を供給することができる。アンモニアを分解器５１ａに供給する流量調整弁７２ａの開度を大きくすることにより、分解器５１ａに供給するアンモニア流量を増加させることができる。分解器５１ａに供給する空気流量については、水素発生装置に要求される水素量およびアンモニア量に基づいて定めることができる。また、内燃機関の負荷が小さいほど、アンモニア噴射弁８３から噴射されるアンモニア量を少なくする制御を行うことが好ましい。この制御を行なうことにより、内燃機関の負荷が小さくなるほど、燃焼室５に供給する燃料の水素の割合を大きくすることができて、安定した燃焼を行なうことができる。
【０１４８】
内燃機関の運転状態として、機関回転数を検出する場合も同様の制御を行うことができる。たとえば、機関回転数が高いほど、蒸発器６６から分解器５１ａに供給するアンモニア量を増加させる制御を行う一方で、蒸発器６６からアンモニア噴射弁８３を介して機関吸気通路に供給するアンモニア量を減少させる制御を行うことができる。分解器５１ａにおいて生成する水素量を多くすることができる。機関回転数が高いほど、多くの水素を燃焼室に供給することができる。
【０１４９】
内燃機関の運転状態として、機関本体１の温度を検出する場合には、機関本体１の温度が低くなるほど、蒸発器６６からアンモニア噴射弁８３を介して機関吸気通路に噴射されるアンモニア量を少なくして、蒸発器６６から分解器５１ａに供給するアンモニア量を多くする制御を行なうことができる。分解器５１ａにおいて生成する水素量を多くすることができる。機関本体の温度が低いほど、多くの水素を燃焼室に供給することができる。
【０１５０】
なお、燃焼室５に供給するアンモニア量を少なくする制御を行なう場合には、アンモニア噴射弁８３からのアンモニアの供給量を零にしても構わない。例えば、内燃機関の冷間始動時や機関本体１の温度が予め定められた温度未満の場合には、蒸発器６６において気化されるアンモニアの全てを分解器５１ａに供給することができる。
【０１５１】
図１４に、本実施の形態における第３の内燃機関の概略図を示す。第３の内燃機関においては、水素発生装置が分解器５１ａを備え、分解器５１ａの触媒６０ａが排気浄化装置と熱交換を行なうように形成されている。本実施の形態においては、触媒コンバータ２１の酸化触媒２０にて発生する熱が、分解器５１ａの触媒６０ａに伝達されるように形成されている。本実施の形態の第３の内燃機関においては、触媒コンバータ２１と分解器５１ａとが、互いに接触するように配置されている。
【０１５２】
本実施の形態の第３の内燃機関においては、触媒コンバータ２１と分解器５１ａとが接触することにより、酸化触媒２０の発生する熱が触媒６０ａに伝達されるが、この形態に限られず、排気浄化装置に含まれる任意の機器の熱を分解器の触媒に伝達することができる。たとえば、触媒コンバータは、三元触媒を含んでいても構わない。または、機関排気通路を流れる排気ガスが触媒６０ａの内部に配置された熱交換器の内部を通るように形成されていても構わない。または、酸化触媒２０と触媒６０ａとの間に熱交換器を配置しても構わない。熱交換器は、たとえば、酸化触媒２０の内部に配置された第１フィンと、触媒６０ａの内部に配置された第２フィンとを含み、第１フィンと第２フィンとが伝熱可能な部材で互いに接続されているものを例示することができる。
【０１５３】
また、本実施の形態の第３の内燃機関においては、分解器５１ａにアンモニアを供給する流路の途中に、分解器５１ａを迂回するバイパス管９１が接続されている。バイパス管９１は、蒸発器６６の出口に接続されている。バイパス管９１の途中には、気体のアンモニアの流量を調整する流量調整弁９２が配置されている。流量調整弁９２は、電子制御ユニット３１により制御されている。バイパス管９１は、冷却器８５と燃料噴射弁８６とを接続する供給管９０の途中に接続されている。
【０１５４】
本実施の形態の第３の内燃機関においては、蒸発器６６にて気化したアンモニアの一部を、矢印１０４に示すように、バイパス管９１を通って供給管９０に供給することができる。蒸発器６６で生成した気体のアンモニアを、分解器５１ａを通さずに機関吸気通路に供給することができる。または、分解器５１ａを通らずに燃焼室５に供給される化合物に対する分解器５１ａに供給される化合物の流量比を変化させることができる。例えば、流量調整弁７２ａの開度を小さくして、流量調整弁９２の開度を大きくすることにより、分解器５１ａに供給するアンモニア量を少なくすると共に、燃料噴射弁８６に直接的に供給するアンモニア量を多くすることができる。
【０１５５】
本実施の形態の第３の内燃機関は、触媒コンバータ２１の酸化触媒２０において発生する熱を、分解器５１ａの触媒６０ａに伝達させることができてエネルギー効率が向上する。分解器５１ａにおいてアンモニアを分解するための熱を排気浄化装置から供給することができる。この結果、触媒６０ａの昇温のために消費するアンモニア量を少なくすることができる。
【０１５６】
また、内燃機関の冷間始動時等の触媒コンバータ２１の温度が低い場合には、分解器５１ａにおいてアンモニアを酸化させて、触媒６０ａの酸化熱により触媒コンバータ２１を昇温することができる。たとえば、冷間始動時には、電気ヒータ６３により触媒６０ａを活性化温度以上に昇温した後に、アンモニアの酸化反応を生じさせる。触媒６０ａにて発生した熱を触媒コンバータ２１の酸化触媒２０に伝達することができる。このために、酸化触媒２０を短時間で活性化温度以上に昇温することができる。このため、触媒コンバータ２１が低温の場合に、排気浄化装置から排出される排気ガスの性状を向上させることができる。
【０１５７】
本実施の形態の第３の内燃機関においては、水素発生装置の分解器５１ａの触媒６０ａの温度が予め定められた温度の範囲内になるように制御を行なうことができる。触媒６０ａの温度範囲は、触媒６０ａおよび酸化触媒２０が、共に活性化温度以上になるように定めることが好ましい。また、触媒６０ａの温度範囲は、触媒６０ａおよび酸化触媒２０が許容される耐熱温度未満になるように定めることが好ましい。触媒６０ａの温度が、予め定められた低温側の温度判定値よりも低い場合には、触媒６０ａに供給するアンモニアに対する空気の流量比を増加させる制御を行なうことができる。触媒６０ａの温度が、予め定められた高温側の温度判定値よりも高い場合には、触媒６０ａに供給するアンモニアに対する空気の流量比を低下させる制御を行なうことができる。
【０１５８】
図１５に、本実施の形態における第４の内燃機関の概略図を示す。本実施の形態における第４の内燃機関は、第１の分解器としての分解器５１ａに加えて、第２の分解器としての分解器５１ｂを備える。
【０１５９】
分解器５１ａの触媒６０ａは、アンモニアの分解を促進する触媒粒子およびアンモニアの酸化を促進する触媒粒子を含む。分解器５１ａに空気を供給する空気供給管６２は、機関吸気通路から空気を取入れるように形成されている。分解器５１ａの出口には流出管７０が接続されている。流出管７０は、冷却器８５に接続されている。冷却器８５には、供給管９０が接続されている。供給管９０は、燃料噴射弁８６に接続されている。分解器５１ｂの触媒６０ｂは、アンモニアの分解を促進する触媒粒子を含む。分解器５１ｂには、流量調整弁７２ｂを介して気体のアンモニアが供給される一方で、空気が供給されないように形成されている。分解器５１ｂは、アンモニアの酸化反応を生じずにアンモニアの分解反応を生じるように形成されている。
【０１６０】
分解器５１ｂの触媒６０ｂは、触媒コンバータ２１の酸化触媒２０と熱交換を行なうように形成されている。本実施の形態においては、分解器５１ｂと触媒コンバータ２１とが接触している。
【０１６１】
本実施の形態の第４の内燃機関においては、内燃機関の始動時などの触媒コンバータ２１の温度が低い場合には、分解器５１ｂにはアンモニアを供給せずに、分解器５１ａにアンモニアを供給する。たとえば、冷間始動時に、電気ヒータ６３により触媒６０ａを活性化温度まで加熱する。触媒６０ａが活性化温度に到達したら酸化反応が生じて、アンモニアの分解を行なうことができる。このために、触媒コンバータ２１が低温の場合にも触媒６０ａにてアンモニアの分解を行なうことができる。
【０１６２】
触媒コンバータ２１の酸化触媒２０の温度が上昇するに伴って、分解器５１ｂの触媒６０ｂの温度も上昇する。触媒６０ｂの温度が予め定められた温度以上になった場合には、分解器５１ｂにアンモニアを供給する。酸化触媒２０の熱が分解器５１ｂの触媒６０ｂに伝達されて、分解器５１ｂにおいてアンモニアの分解を行なうことができる。たとえば、触媒６０ｂの温度が活性化温度以上まで上昇した場合には、流量調整弁７２ｂを開いて分解器５１ｂにアンモニアを供給する。触媒６０ｂにおいてアンモニアの分解を行なうことができる。この場合には、分解器５１ａに供給するアンモニアの流量を減少させる制御を行うことができる。
【０１６３】
第４の内燃機関においては、内燃機関の運転状態に応じて、第１の分解器に供給するアンモニア流量および第２の分解器に供給するアンモニア流量を変化させることができる。このために、エネルギー効率に優れた内燃機関を提供することができる。また、排気浄化装置の熱を用いてアンモニアの分解を行なうことができるために、分解触媒を加熱するために消費するアンモニア量を少なくすることができる。
【０１６４】
図１６に、本実施の形態における第５の内燃機関の概略図を示す。第５の内燃機関は、実施の形態２における水素発生装置と同様の水素発生装置が内燃機関に取り付けられている。第５の内燃機関においては、第１の分解器としての分解器５１ａと、第２の分解器としての分解器５１ｂとを備える。分解器５１ａは、アンモニアの分解を促進する触媒粒子およびアンモニアの酸化を促進する触媒粒子を含む。分解器５１ｂは、アンモニアの分解を促進する触媒粒子を含む。
【０１６５】
分解器５１ｂの触媒６０ｂは、触媒コンバータ２１の酸化触媒２０と熱交換を行なうように形成されている。本実施の形態においては、分解器５１ｂは、触媒コンバータ２１と接触している。さらに、分解器５１ｂの触媒６０ｂは、分解器５１ａの触媒６０ａと熱交換を行なうように形成されている。本実施の形態においては、分解器５１ａと分解器５１ｂとが、互いに接触するように配置されている。蒸発器６６にて生成されたアンモニアは、供給管８９を介して、アンモニア噴射弁８３から噴射される。分解器５１ａ，５１ｂにて生成された水素は、燃料噴射弁８６から噴射される。その他の構成については、本実施の形態における第４の内燃機関と同様である。
【０１６６】
本実施の形態の第５の内燃機関においては、発熱する機能を有しない分解器５１ｂの触媒６０ｂには、触媒コンバータ２１の酸化触媒２０にて発生する熱に加えて、分解器５１ａの触媒６０ａにて発生する熱を供給することができる。例えば、内燃機関の起動時などにおいては、分解器５１ａの触媒６０ａにてアンモニアの酸化を生じさせることにより、分解器５１ｂの触媒６０ｂを短時間で活性化温度以上に昇温することができる。
【０１６７】
第５の内燃機関の運転制御においては、たとえば、空気が供給されていない分解器５１ｂの触媒６０ｂの温度を検出することができる。触媒６０ｂの温度が、予め定められた低温側の温度判定値未満の場合には、酸化機能を有する触媒６０ａに供給するアンモニア流量を増加させる一方で、酸化機能を有しない触媒６０ｂに供給するアンモニア流量を減少させる制御を行なうことができる。この結果、分解器５１ｂの触媒６０ｂの温度を上昇させることができる。触媒６０ｂの温度が、予め定められた高温側の温度判定値よりも高くなった場合には、酸化機能を有する触媒６０ａに供給するアンモニア流量を減少させ、酸化機能を有しない触媒６０ｂに供給するアンモニア流量を増加させる制御を行うことができる。
【０１６８】
本実施の形態における燃料噴射弁およびアンモニア噴射弁は、機関吸気通路に燃料を噴射するように形成されているが、この形態に限られず、それぞれの噴射弁は、燃焼室に燃料を供給できるように形成されていれば構わない。たとえば、それぞれの噴射弁は、燃焼室に直接的に燃料を噴射するように配置されていても構わない。
【０１６９】
その他の構成、作用および効果については、実施の形態１または２と同様であるので、ここでは説明を繰り返さない。
【０１７０】
上記の実施の形態は、適宜組み合わせることができる。上述のそれぞれの図において、同一または相当する部分には同一の符号を付している。なお、上記の実施の形態は例示であり発明を限定するものではない。また、実施の形態においては、請求の範囲に含まれる変更が意図されている。
【符号の説明】
【０１７１】
１    機関本体
５    燃焼室
１３    吸気枝管
２０    酸化触媒
３１    電子制御ユニット
４１    負荷センサ
４２    クランク角センサ
４３    機関冷却水温度センサ
４９    アンモニア
５１ａ，５１ｂ    分解器
６０ａ，６０ｂ    触媒
６１    アンモニア供給管
６２    空気供給管
６３    電気ヒータ
６６    蒸発器
７２ａ    流量調整弁
７２ｂ    流量調整弁
７３ａ    流量調整弁
７４ａ    温度センサ
７４ｂ    温度センサ
７６    空気ポンプ
８３    アンモニア噴射弁
８５    冷却器
８６    燃料噴射弁
８９    供給管
９０    供給管
９１    バイパス管
９２    流量調整弁
【図１】
2012090739.tif 000003
【図２】
2012090739.tif 000004
【図３】
2012090739.tif 000005
【図４】
2012090739.tif 000006
【図５】
2012090739.tif 000007
【図６】
2012090739.tif 000008
【図７】
2012090739.tif 000009
【図８】
2012090739.tif 000010
【図９】
2012090739.tif 000011
【図１０】
2012090739.tif 000012
【図１１】
2012090739.tif 000013
【図１２】
2012090739.tif 000014
【図１３】
2012090739.tif 000015
【図１４】
2012090739.tif 000016
【図１５】
2012090739.tif 000017
【図１６】
2012090739.tif 000018
【手続補正書】
【提出日】平成24年8月21日(2012.8.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料が燃焼する燃焼室を含む機関本体と、
水素発生装置と、
水素発生装置に接続されている水素供給機と、
内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出装置とを備え、
水素発生装置は、水素原子および窒素原子を含む化合物を分解して水素を生成する分解器と、分解器に前記化合物を供給する化合物供給装置と、分解器に酸素を供給する酸素供給装置と、化合物供給装置および酸素供給装置のうち少なくとも一方を制御する制御装置とを含み、
分解器は、前記化合物の分解を促進する触媒粒子と前記化合物の酸化を促進する触媒粒子とを有する触媒を含み、前記化合物を酸化させて酸化熱を発生させ、発生する酸化熱を用いて前記化合物の分解を行なうように形成されており、
化合物供給装置は、分解器に供給する前記化合物の流量を調整可能に形成されており、
酸素供給装置は、分解器に供給する酸素の流量を調整可能に形成されており、
水素供給機は、水素発生装置にて生成された水素を燃料として燃焼室に供給し、
制御装置は、内燃機関の運転状態に基づいて、燃焼室に供給する前記化合物の量および水素の量を設定し、燃焼室に供給する前記化合物の量および水素の量に基づいて、分解器に供給する酸素の流量および前記化合物の流量のうち少なくとも一方を調整することを特徴とする、内燃機関。
【請求項２】
前記分解器は、第１の分解器を構成しており、
水素発生装置は、前記化合物の分解を促進する触媒粒子を有する触媒を含む第２の分解器を更に備え、
第１の分解器の触媒と第２の分解器の触媒とは互いに熱交換を行なうように形成されており、
化合物供給装置は、第１の分解器および第２の分解器に前記化合物を供給し、第１の分解器に供給する前記化合物の流量および第２の分解器に供給する前記化合物の流量を調整可能に形成されている、請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
水素発生装置は、第２の分解器の触媒の温度を検出する触媒温度検出器を備え、
第２の分解器の触媒の温度が予め定められた温度未満の場合には、第２の分解器に供給する前記化合物の流量を減少させ、第１の分解器に供給する前記化合物の流量を増加させることを特徴とする、請求項２に記載の内燃機関。
【請求項４】
酸素供給装置は、化合物供給装置が供給する前記化合物に対する酸素のモル比が０以上０．３以下になるように酸素を分解器に供給することを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関。
【請求項５】
水素発生装置は、触媒の温度を検出する触媒温度検出器を含み、
制御装置は、触媒温度検出器により検出される触媒の温度が予め定められた温度の範囲内になるように触媒に供給する前記化合物の流量および酸素の流量のうち少なくとも一方を調整することを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関。
【請求項６】
制御装置は、触媒温度検出器により触媒の温度を検出し、検出された触媒の温度が予め定められた温度よりも高い場合に、前記化合物に対する酸素の流量比を減少させることを特徴とする、請求項５に記載の内燃機関。
【請求項７】
制御装置は、触媒温度検出器により触媒の温度を検出し、検出された触媒の温度が予め定められた温度よりも低い場合に、前記化合物に対する酸素の流量比を増加させることを特徴とする、請求項５に記載の内燃機関。
【請求項８】
水素発生装置は、触媒よりも上流側の流路に配置されている混合器を備え、
混合器は、酸素供給装置から供給された酸素を含む気体と、化合物供給装置から供給された前記化合物を含む気体との混合を促進するように形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関。
【請求項９】
機関本体は、燃焼室に接続されている機関吸気通路を含み、
酸素供給装置は、機関吸気通路内の空気を分解器に供給することを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関。
【請求項１０】
化合物供給装置は、液体の前記化合物を貯留するタンクと、
液体の前記化合物を加熱して気化させる蒸発器とを含み、
蒸発器で生成された気体の前記化合物の少なくとも一部が、分解器を通らずに燃料として燃焼室に供給されることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関。
【請求項１１】
機関本体は、冷却水で冷却されるように形成されており、
水素発生装置は、分解器の下流側に配置され、分解器から流出する気体を冷却する冷却器を含み、
冷却器は、分解器から流出する気体を機関本体の冷却水により冷却するように形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関。
【請求項１２】
内燃機関の機関回転数を検出する回転数検出装置を備え、
水素供給機は、燃焼室に供給する水素の量を調整可能に形成されており、
機関回転数を検出し、機関回転数が高くなるほど、燃焼室に供給する水素の量を増加させることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関。
【請求項１３】
（削除）
【請求項１４】
内燃機関の負荷を検出する負荷検出装置を備え、
水素供給機は、燃焼室に供給する水素の量を調整可能に形成されており、
内燃機関の負荷を検出し、内燃機関の負荷が小さくなるほど、燃焼室に供給する水素の量を増加させることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関。
【請求項１５】
（削除）
【請求項１６】
水素発生装置は、触媒を加熱する加熱器を備え、
内燃機関を始動した時に、加熱器により触媒を加熱し、触媒の温度が予め定められた温度よりも高くなった後に、触媒に対して酸素および前記化合物の供給を開始することを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関。
【請求項１７】
（削除）
【請求項１８】
運転状態検出装置は、機関本体の温度を検出する機関温度検出器を備え、
水素発生装置は、機関本体の温度が予め定められた温度よりも低い場合には、前記化合物に対する酸素のモル比が０．１５以上になるように分解器に前記化合物および酸素を供給することを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関。
【請求項１９】
水素発生装置は、内燃機関の運転状態に基づいて、分解器を通らずに蒸発器から燃焼室に供給する前記化合物に対する蒸発器から分解器に供給する前記化合物の流量比を変化させることを特徴とする、請求項１０に記載の内燃機関。
【請求項２０】
運転状態検出装置は、機関本体の温度を検出する機関温度検出器を備え、
機関本体の温度を検出し、機関本体の温度が低くなるほど、分解器を通らずに燃焼室に供給する前記化合物に対する分解器に供給する前記化合物の流量比を増加させることを特徴とする、請求項１９に記載の内燃機関。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００１】
技術分野
［０００１］
本発明は、水素発生装置および水素発生装置を備える内燃機関に関する。
背景技術
［０００２］
燃料電池や水素を燃料とするエンジン等においては、装置に水素を供給する必要がある。水素を供給する装置としては、天然ガス等を改質する装置または水素ボンベに水素を貯留する装置等の他に、アンモニアを原料として水素を生成する装置が知られている。この装置においては、アンモニアをタンクに貯留しておき、アンモニアを高温にして分解することにより水素を生成することができる。
［０００３］
特開平５−３３２１５２号公報においては、アンモニアガスを燃焼させて駆動力を得るアンモニア燃焼エンジンであって、燃焼室の排気ガスを用いてアンモニアを分解するアンモニア分解反応器を備える燃焼エンジンが開示されている。燃焼室からの排気ガスによって、アンモニア分解反応器内の熱交換パイプが加熱される。熱交換パイプに導かれるアンモニアガスは、排気ガスの熱を吸収する吸熱反応によって水素と窒素とに分解されることが開示されている。
先行技術文献
特許文献
［０００４］
特許文献１：特開平５−３３２１５２号公報
発明の概要
発明が解決しようとする課題
［０００５］
アンモニアを高温にして分解することにより水素を生成する水素発生装置においては、アンモニアの分解を促進する触媒粒子を含む分解触媒を配置することができる。分解触媒を配置することにより、アンモニアの分解を促進することができ、例えばアンモニアを分解させるための温度を下げることが
【国際調査報告】
2012090739.tif 000019
2012090739.tif 000020
2012090739.tif 000021
2012090739.tif 000022
2012090739.tif 000023