(57)【要約】【課題】エンジンからの排熱を効率よく回収し、反応器内の脱水素反応を進行させることにより、システムの小型化ができるとともに、水素ガスの生成能力が高いエンジンシステムを提供する。【解決手段】排ガスと燃料を反応させて発生した水素を用いたエンジンシステムにおいて、排ガスが流れる排ガス流路と、排ガス流路に設置され、触媒が担持された反応器と、反応器よりも上流の排ガス流路に設置された高温予熱器と、反応器よりも下流の排ガス流路に設置された予熱器とを備え、燃料は、予熱器，高温予熱器，反応器の順で通過する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排ガスと燃料を反応させて発生した水素を用いたエンジンシステムにおいて、
前記排ガスが流れる排ガス流路と、
前記排ガス流路に設置され、触媒が担持された反応器と、
前記反応器よりも上流の前記排ガス流路に設置された高温予熱器と、
前記反応器よりも下流の前記排ガス流路に設置された予熱器とを備え、
前記燃料は、前記予熱器，前記高温予熱器，前記反応器の順で通過することを特徴とするエンジンシステム。
【請求項２】
前記反応器は、前記排ガス流路と、前記燃料が流れる燃料流路とが交互に複数積層され、
前記燃料流路は、触媒が担持された反応部と、前記反応部へ燃料を供給するマニホールドと、前記マニホールドの上流に熱交換を行うための予熱流路とを備えたことを特徴とする請求項１に記載のエンジンシステム。
【請求項３】
前記反応器は、
前記燃料が流れる燃料流路と、
前記排ガス流路と前記燃料流路とを仕切るプレートと、
前記プレート上に設けられ、触媒が担持された反応部と、
前記反応部へ前記燃料を供給するマニホールドと、
前記マニホールドの上流に設けられ、熱交換を行う予熱流路とを備え、
前記排ガス流路と前記燃料流路とが交互に複数積層されたことを特徴とする請求項１に記載のエンジンシステム。
【請求項４】
前記マニホールドと前記予熱流路とは略平行に設置され、
前記マニホールドでの流れ方向と前記予熱流路での前記燃料の流れ方向が略反対方向であることを特徴とする請求項２又は３に記載のエンジンシステム。
【請求項５】
排ガスと燃料を反応させて発生した水素を用いたエンジンシステムにおいて、
前記排ガスが流れる排ガス流路と、
触媒が担持された反応部と、前記反応部へ前記燃料を供給するマニホールドとを有する燃料流路とを備え、
前記排ガス流路と前記燃料流路とは相互に複数積層され、
前記燃料流路は、隣り合う前記燃料流路の前記マニホールドの入口における前記燃料の流れ方向が略反対方向となるように積層されたことを特徴とするエンジンシステム。
【請求項６】
排ガスと燃料を反応させて発生した水素を用いたエンジンシステムにおいて、
前記排ガスが流れる排ガス流路と、
前記排ガス流路に設置され、触媒が担持された反応器と、
前記反応器よりも上流の前記排ガス流路に設置された予熱器とを備え、
前記燃料は、前記予熱器，前記反応器の順で通過することを特徴とするエンジンシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機化合物から脱水素反応によって水素を生成する反応器を搭載した水素エンジンシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガソリンを燃料とする自動車はＣＯ2を排出するため、代替燃料として水素が注目されている。しかし、水素は爆発性が高いため、保存，貯留には注意が必要である。この課題を解決するための技術として、特開２００８−８８９２２号公報及び特開２００５−１４７１２４号公報には、必要なときに化学反応を利用して有機化合物から水素ガスを取り出し、自動車に供給する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−８８９２２号公報
【特許文献２】特開２００５−１４７１２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記の開示された発明では、水素を得るために触媒を担持した反応器に燃料を注入している。ここで利用される脱水素反応は、吸熱反応であるために反応器に熱を供給する必要があり、一般的にエンジンからの排ガスが持つ熱を利用している。
【０００５】
しかし、反応器へ供給する燃料の温度が低いために、反応器内に流入した燃料は排ガスによってさらに加熱されるため、微視的に見た流路内の経路の差異よって受熱条件が異なり、反応器内の位置によって燃料と触媒との接触時に温度差が発生する。したがって、高温で接触した燃料は反応が速く進行し、低温で接触した燃料は反応が進行しにくくなる。このため、目的の水素発生量を得るには、反応器の体積を大型化が必要となる。
【０００６】
そこで、本発明は、上述の課題を解決するために、エンジンからの排熱を効率よく回収し、反応器内の脱水素反応を進行させることにより、システムの小型化ができるとともに、水素ガスの生成能力が高いエンジンシステム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】
【０００７】
上記の目的を達成するために、排ガスと燃料を反応させて発生した水素を用いたエンジンシステムにおいて、前記排ガスが流れる排ガス流路と、前記排ガス流路に設置され、触媒が担持された反応器と、前記反応器よりも上流の前記排ガス流路に設置された高温予熱器と、前記反応器よりも下流の前記排ガス流路に設置された予熱器とを備え、前記燃料は、前記予熱器，前記高温予熱器，前記反応器の順で通過することを特徴とする。
【０００８】
さらに、前記反応器は、前記排ガス流路と、前記燃料が流れる燃料流路とが交互に複数積層され、前記燃料流路は、触媒が担持された反応部と、前記反応部へ燃料を供給するマニホールドと、前記マニホールドの上流に熱交換を行うための予熱流路とを備えたことを特徴とする。
【０００９】
さらに、前記反応器は、前記燃料が流れる燃料流路と、前記排ガス流路と前記燃料流路とを仕切るプレートと、前記プレート上に設けられ、触媒が担持された反応部と、前記反応部へ前記燃料を供給するマニホールドと、前記マニホールドの上流に設けられ、熱交換を行う予熱流路とを備え、前記排ガス流路と前記燃料流路とが交互に複数積層されたことを特徴とする。
【００１０】
さらに、前記マニホールドと前記予熱流路とは略平行に設置され、前記マニホールドでの流れ方向と前記予熱流路での前記燃料の流れ方向が略反対方向であることを特徴とする。
【００１１】
また、排ガスと燃料を反応させて発生した水素を用いたエンジンシステムにおいて、前記排ガスが流れる排ガス流路と、触媒が担持された反応部と、前記反応部へ前記燃料を供給するマニホールドとを有する燃料流路とを備え、前記排ガス流路と前記燃料流路とは相互に複数積層され、前記燃料流路は、隣り合う前記燃料流路の前記マニホールドの入口における前記燃料の流れ方向が略反対方向となるように積層されたことを特徴とする。
【００１２】
また、排ガスと燃料を反応させて発生した水素を用いたエンジンシステムにおいて、前記排ガスが流れる排ガス流路と、前記排ガス流路に設置され、触媒が担持された反応器と、前記反応器よりも上流の前記排ガス流路に設置された予熱器とを備え、前記燃料は、前記予熱器，前記反応器の順で通過することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、システムの小型化ができるとともに、水素ガスの生成能力が高いエンジンシステムを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施例１のエンジンシステムを示す図である。
【図２】実施例１の反応器の斜視図である。
【図３】実施例１の反応器断面の概略図である。
【図４】実施例１の反応器断面の概略図である。
【図５】実施例１の反応器断面の斜視図である。
【図６】実施例２の反応器断面の斜視図である。
【図７】実験による水素の転化率を示すグラフである。
【図８】実施例３の反応器断面の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１は、実施例１のエンジンシステムの概要を示す。ここに図示されたエンジンシステムは、燃料として水素化合物を利用し、反応器を用いて水素を取り出し、その水素を燃焼させるエンジン１０を備えている。エンジン１０には、吸気管１１と排気管１２が接続され、排気管の上流から順に、高温予熱器（第一予熱器）１，反応器２，予熱器（第二予熱器）３が設置されている。
【００１６】
上記水素化合物とは、ガソリン，軽油，灯油，重油，デカリン，シクロヘキサン，メチルシクロヘキサン，ナフタレン，ベンゼン，トルエンなどの炭化水素系燃料及びその混合燃料や、過酸化水素，アンモニア，窒素，酸素など、水素を化学的に貯蔵・放出することが可能なものすべてのものを示す。水素を化学的に貯蔵している水素化合物を燃料，水素を化学的に放出した後の残りの成分を生成物と呼ぶことにする。
【００１７】
まず、燃料は、燃料タンク４からポンプ３０によって加圧され、配管４１を通って予熱器３に注入される。予熱器３内は、向流型の熱交換器となっており、排ガスの持つ熱によって燃料が昇温される。予熱器３を出た燃料は、配管４２を通り、高温予熱器１に注入される。燃料は、高温予熱器１内において排ガスと熱交換を行う。高温予熱器１の出口において、排ガスの温度と燃料の温度が近い温度になる。
【００１８】
次に、燃料は、配管４３を通り、排ガス側から見て反応器２の上流側から注入される。反応器２において、再び排ガスから燃料に熱が供給され、触媒と接触して、水素と生成物が発生する。
【００１９】
反応器２から排出された混合物は、冷却装置を伴う分離装置６で生成物と水素に分離される。分離された生成物は、配管４５を通って生成物タンク５に貯留される。一方、分離された水素は、配管４６を通って吸気管１１もしくはエンジン１０の筒内に供給される。エンジン１０で燃焼した水素は、高温の排ガスとなって排気管１２を通り、高温予熱器１に熱源として供給され、反応器２，予熱器３を通って大気開放される。
【００２０】
図２に反応器２の斜視図を示す。反応器２の内部は、燃料の流路と排ガスの流路が交互に積層されており、排ガスから燃料に熱が供給される仕組みとなっている。配管４３から供給される燃料は、第一流入マニホールド２１で、ほぼ均一になるように並列に設置された反応器２の内部の燃料流路に分配される。反応器２を通過した燃料は、第一流出マニホールド２４で合流し、配管４４を通って分離装置６に供給されることとなる。
【００２１】
図３に図１中のＡ断面図を、図４に図１中のＢ断面図を示す。図３中左側から供給される排ガスは、反応器内排ガス流路１４に分配され、触媒が担持された反応部２５に熱を供給しながら通過していく。一方、第一流入マニホールド２１から供給された燃料は、第二流入マニホールド２２を通過し、反応部２５の流速分布がほぼ均一になるように分配される。各反応部では、熱を受給しながら脱水素反応が進行し、第二流出マニホールド２３で合流する。さらに、第一流出マニホールド２４で他の反応部からの燃料が合流する。
【００２２】
図５に図３中のＣ断面の斜視図を示す。第二流入マニホールド２２は、反応部２５に流れ込む燃料の流速を揃えるために設置してある。したがって、図５に示したプレートの法線方向の流路高さは、反応部２５よりも第二流入マニホールド２２の方が高い。
【００２３】
ここでもし、第二流入マニホールド２２に流入する燃料の入口温度が、熱交換する排ガス温度よりも低い場合は、燃料は、第二流入マニホールド２２内で排ガスによって加熱されるため、燃料温度は第二流入マニホールド２２を奥に進むにつれて高くなる。したがって、反応部２５に導入される燃料の温度は、入口近傍では低く、反対側では高くなる。反応部２５で進行する脱水素反応では、反応温度が高ければ高いほど反応が素早く進行する。したがって、第二流入マニホールド２２を奥まで進み、入口の反対側まで到達した燃料は、高温まで加熱されるため、反応部２５を流れる内に反応がほぼ完了する。しかし、これに対して、入口近傍から流入する燃料は、第二流出マニホールド２３に到達するまでに十分に反応が進まないという現象が起こる場合がある。したがって、目的の水素量を発生させるためには、反応部２５の長さを延長する必要がある。この場合、第二流入マニホールド２２を奥まで進んだ燃料は、反応が完了しているため、下流部における熱交換は脱水素反応ではなく昇温に使われ、反応部２５が延長されたとしてもその利用効率は低く、反応器２の大型化を招く。
【００２４】
この課題を解決するために、実施例１では、高温予熱器１により燃料温度を排ガス温度に近い温度まで加熱し、燃料を反応器２に供給している。この場合、第二流入マニホールド２２内で加熱されることはないので、流路内で発生する温度差は低減されることとなる。したがって、反応部２５においても、流れ方向に対して面内で垂直な方向に発生する温度差が減少する。この場合、反応部２５では入口近傍、奥側ともにほぼ均等に反応が進むため、適切な反応部２５の長さを設計できるようになるとともに、反応器２を小型化できるようになる。
【００２５】
また、実施例１では、高温予熱器１が排気管１２に設置されているが、その目的は、燃料の温度を反応器２の排ガス入口温度に近づけるためであるため、直接エンジンブロックから受熱する構造としてもよい。
【００２６】
さらに、図３および図４では、反応部２５，反応器内排ガス流路１４は矩形の流路構造となっているが、フィンやプレート等を設置して表面積を拡大し、熱交換や反応を促進してもよい。
【００２７】
実施例２を説明する。図６に図３中のＣ断面の斜視図の他の一例を示す。実施例２では、図１に示した高温予熱器１を省力することができる。この構造では、予熱流路２６は、第一流入マニホールド２１と第二流入マニホールド２２の間に接続されている。また、第二流入マニホールド２２と予熱流路２６とは略平行に設置され、第二流入マニホールド２２での流れ方向と予熱流路２６での燃料の流れ方向が略反対方向である。予熱流路２６では、燃料が反応器内排ガス流路１４を通過する排ガスの熱によって加熱される。この予熱流路２６で、燃料が十分加熱されるように設計されているため、第二流入マニホールド２２の上流部と下流部での温度差はほとんど無くなる。したがって、反応部２５における流路と垂直な方向の温度差もほとんど無くなるため、上述の理由により、反応器２を小型化することができる。
【００２８】
図７に図６のＥ−Ｅ′断面の水素の転化率と、高温予熱器１を省き反応器２の内部構造が図５である場合のＤ−Ｄ′断面における水素の転化率を示す。図５のＤ側では、マニホールドで十分加熱されるため反応が進行しているが、図５のＤ′側では、反応部２５を流れる燃料の温度が低いため反応速度が低く転化率が低い結果となっている。さらに、図５のＤ側では、脱水素反応がほぼ完了してしまっているので、反応部２５で受け取った熱は吸熱反応ではなく、水素や生成物の温度上昇に使われている。これに対して、図６のＥ−Ｅ′断面では、反応部２５の温度をほぼ均等にできるため、転化率もほぼ均等になっている。したがって、反応部２５の面積が等しい場合、反応部２５に供給する燃料の温度差をなるべく小さくすることで、水素発生量を増加させることができる。
【００２９】
また、図６の構造では、最も高温である反応器内排ガス流路１４の上流部で熱交換する相手が予熱流路２６を通過する燃料となり、通過する燃料の全量で受熱することになる。もし、図５の構造で高温予熱器が無い場合では、燃料が低温で第二流入マニホールド２２に流入するため、加熱されながら、分岐して反応部２５に導入される。したがって、第二流入マニホールド２２を進む燃料は、奥に行くほど流速が低下して滞在時間が増大する。このため、第二流入マニホールド２２を奥まで進んだ燃料は、反応器２に流入する排ガスの流入温度に近づくこととなる。したがって、燃料が高温まで加熱されることとなり、さらには、その状態で触媒と接触するために、本来の目的である脱水素反応だけではなく、他の反応が進行してしまう不具合が発生する恐れがある。これに対して、図６の構造では、排ガスの流入部分で熱交換する相手は予熱流路２６を通過する燃料であるため、受熱した熱量は、通過した燃料で平均化されて温度上昇に繋がる。したがって、図５の場合と比較して、図６の構造では、最高温度を低く抑えることができ、脱水素反応以外の反応を抑えることができる。
【００３０】
実施例３を説明する。図８に図３中のＣ断面の斜視図の他の一例を示す。反応器２内の構造は、図３，図４でも示したとおり、反応器内排ガス流路１４と反応部２５が交互に積層されている。実施例２では、第二流入マニホールド２２の入口は全て同じ面に設置されているが、実施例３では、図５の構造と図８の構造を交互に積層する。すなわち、反応器内排ガス流路１４と反応部２５とを備えた燃料流路は相互に複数積層され、この燃料流路は、隣り合う燃料流路の第二流入マニホールド２２の入口における燃料の流れ方向が略反対方向となるように積層する。
【００３１】
この構造では、第二流入マニホールド２２ｂに流入する燃料は反応器内排ガス流路１４ｃを通過する排ガスによって加熱されるが、その分、この排ガスは冷却される。したがって、さらに裏面の第二流入マニホールド２２ｃに流入する燃料は、一部冷却された反応器内排ガス流路１４ｃを通過する排ガスによって加熱されることになる。このときの反応器内排ガス流路１４ｃを通過する排ガスの温度は、第二流入マニホールド２２ｃの入口側では高く、反対側では低くなっているので、反応部２５ｃに流入する燃料の温度差は低下することとなる。このように、反応器内排ガス流路１４を挟んで隣り合った第二流入マニホールド２２の入口が反対向きに設置されていることにより、第二流入マニホールド２２内で熱交換によって発生する温度差が相互に影響し合うため、第二流入マニホールド２２内の温度差を低減することができる。このため、反応部２５を効率よく利用できるので、反応器２を小型化できる。
【００３２】
以上、実施例１〜３によれば、脱水素反応器にて燃料から生成された水素ガスをエンジンに供給するシステムにおいて、エンジンからの排熱を効率よく回収し脱水素反応に供給することで、反応器体積を低減でき、水素ガスの生成能力が高いエンジンシステムを提供することが可能となる。
【００３３】
また、燃料タンク４からの燃料を第二予熱器３（予熱器）を省略し、第一予熱器１（高温予熱器）に直接注入しても、排ガスと第一予熱器１で温められるため、同様の効果が得られる。さらに、実施例１〜３では、第一予熱器１と反応器２をそれぞれ設けているが、これらを一体型にしても実施例１〜３と同様の効果が得られることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００３４】
１  高温予熱器（第一予熱器）
２  反応器
３  予熱器（第二予熱器）
４  燃料タンク
５  生成物タンク
６  分離装置
１０  エンジン
１１  吸気管
１２  排気管
２１  第一流入マニホールド
２２  第二流入マニホールド
２３  第二流出マニホールド
２４  第一流出マニホールド
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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