(57)【要約】  水素供給体から脱水素して得られる水素を併用した効率的な内燃機関を提供するものであり、水素供給体および炭化水素系燃料の少なくともいずれか一方を燃料源とし、水素供給体から水素を生成する脱水素反応器を備え、脱水素反応器は一方の面に脱水素触媒を担持した水素発生部を有し、他方の面には内燃機関からの排気が通過するとともに水素供給体から生成した脱水素生成物を酸化して発熱させる酸化触媒を担持した酸化反応部を有し、発生した水素と脱水素生成物とを分離する水素分離手段、分離された水素を貯蔵する貯蔵手段および脱水素生成物を貯蔵する手段、および発生した水素を燃料源に添加供給する手段とを備えた内燃機関用水素供給装置。
2009101715.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素供給体および炭化水素系燃料の少なくともいずれか一方を燃料源とし、水素供給体から水素を生成する脱水素反応器を備え、脱水素反応器は一方の面に脱水素触媒を担持した水素発生部を有し、他方の面には内燃機関からの排気が通過するとともに水素供給体から生成した脱水素生成物を酸化して発熱させる酸化触媒を担持した酸化反応部を有し、発生した水素と脱水素生成物とを分離する水素分離手段、分離された水素を貯蔵する貯蔵手段および脱水素生成物を貯蔵する手段、および発生した水素を燃料源に添加供給する手段とを備えたことを特徴とする内燃機関用水素供給装置。
【請求項２】
脱水素反応器の脱水素触媒および酸化触媒は、基材金属に積層したアルミニウム層のアルマイト化の後に形成された多孔質アルミナ層の表面に担持されたものであることを特徴とする請求項１記載の内燃機関用水素供給装置。
【請求項３】
基材金属自体への通電加熱によって脱水素触媒を加熱する通電加熱手段を有することを特徴とする請求項２記載の内燃機関用水素供給装置。
【請求項４】
脱水素反応器には、温度センサ、水素供給体噴射ノズルとともに、水素反応部の加熱用の脱水素生成物供給ノズルおよび空気供給管が設けられていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項記載の内燃機関用水素供給装置。
【請求項５】
脱水素反応器に接続する排気管には、排気管を分岐する分岐部が設けられ、分岐部には水素発生手段の温度によって流量が調整される排気流量調整弁が設けられたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項記載の内燃機関用水素供給装置。
【請求項６】
発生した水素を排気浄化触媒コンバータに供給する水素供給手段を設けたことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項記載の内燃機関用水素供給装置。
【請求項７】
水素供給体および炭化水素系燃料の少なくともいずれか一方を燃料源とし、水素供給体から水素を生成する脱水素反応器を備え、脱水素反応器は一方の面に脱水素触媒を担持した水素発生部を有し、他方の面には内燃機関からの排気が通過するとともに、水素供給体から生成した脱水素生成物を酸化して発熱させる酸化触媒を担持した酸化反応部を有し、発生した水素と脱水素生成物とを分離する水素分離手段、分離された水素を貯蔵する貯蔵手段および脱水素生成物を貯蔵する手段、および発生した水素を燃料源に添加供給する手段を備え、内燃機関の排気管から大気に放出される二酸化炭素濃度の量を濃度センサによって測定し、二酸化炭素の測定値が所定値以下となるように炭化水素燃料に対する水素の混合比率を制御することを特徴とする内燃機関の運転方法。
【請求項８】
脱水素反応器を構成する部材への通電加熱によって脱水素触媒を加熱することを特徴とする請求項７記載の内燃機関の運転方法。
【請求項９】
脱水素反応器の水素反応部の温度が所定の以下の場合に、脱水素生成物供給ノズルから脱水素生成物と、空気供給管から供給される空気によって脱水素生成物の燃焼させて、水素反応部を所定の温度に加熱した後に水素供給体噴射ノズルから水素供給体を噴射して脱水素反応を行うことを特徴とする請求項７または８のいずれか１項に記載の内燃機関の運転方法。
【請求項１０】
水素供給体から発生した水素の一部を排気浄化触媒コンバータに供給して排出される窒素酸化物の濃度を調整することを特徴とする請求項７ないし９のいずれか１項記載の内燃機関の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気系の廃熱を利用した、液状水素供給体の脱水素反応による水素供給装置および発生した水素を用いた内燃機関の運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明者らは、芳香族化合物等の不飽和化合物等を水素化した液状の有機化合物は、水素の脱離および再結合が比較的容易に可能であって、液状の水素供給体として使用することを提案しており、これらの有機物からなる水素供給体を有機ハイドライドとも称している。【０００３】
有機ハイドライド等の水素化燃料を自動車に搭載して脱水素反応で得られる水素、および脱水素生成物を内燃機関の燃料とした水素利用内燃機関において、脱水素生成物を貯留して、水素化燃料、脱水素生成物、水素の少なくとも一種を任意に選択して内燃機関の燃料とすることが提案されている(例えば、特許文献１参照)。
ところが、脱水素反応触媒はハニカム担体に担持されたものであって、内燃機関の排気管を取り巻いて形成されたハニカム担体には、排気の有する熱エネルギーが排気管を熱伝達して利用されるものの、熱伝達速度が遅く、加速時には水素発生量が充分に追従しないという問題があった。
【特許文献１】特開２００５−１４７１２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、水素供給体である有機ハイドライドから脱水素反応で生成した水素を炭化水素系燃料とともに内燃機関に供給し、炭化水素の燃焼効率を改善し、高い空燃比での運転を可能にし、二酸化炭素の排出削減と炭化水素の燃費の向上を可能とした内燃機関を提供することを課題とするものであって、水素供給体からの脱水素反応による水素発生が内燃機関の負荷変動に対応して速やかに動作する水素供給装置を有する内燃機関を提供することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、水素供給体および炭化水素系燃料の少なくともいずれか一方を燃料源とし、水素供給体から水素を生成する脱水素反応器を備え、脱水素反応器は一方の面に脱水素触媒を担持した水素発生部を有し、他方の面には内燃機関からの排気が通過するとともに水素供給体から生成した脱水素生成物を酸化して発熱させる酸化触媒を担持した酸化反応部を有し、発生した水素と脱水素生成物とを分離する水素分離手段、分離された水素を貯蔵する貯蔵手段および脱水素生成物を貯蔵する手段、および発生した水素を燃料源に添加供給する手段とを備えた内燃機関用水素供給装置である。【０００６】
また、脱水素反応器の脱水素触媒および酸化触媒は、基材金属に積層したアルミニウム層のアルマイト化の後に形成された多孔質アルミナ層の表面に担持されたものであること前記の内燃機関用水素供給装置である。
基材金属自体への通電加熱によって脱水素触媒を加熱する通電加熱手段を有する前記の内燃機関用水素供給装置である。
脱水素反応器には、温度センサ、水素供給体噴射ノズルとともに、水素反応部の加熱用の脱水素生成物供給ノズルおよび空気供給管が設けられた前記の内燃機関用水素供給装置である。
また、脱水素反応器に接続する排気管には、排気管を分岐する分岐部が設けられ、分岐部には水素発生手段の温度によって流量が調整される排気流量調整弁が設けられた前記の内燃機関用水素供給装置である。
発生した水素を排気浄化触媒コンバータに供給する水素供給手段を設けた前記の内燃機関用水素供給装置である。【０００７】
水素供給体および炭化水素系燃料の少なくともいずれか一方を燃料源とし、水素供給体から水素を生成する脱水素反応器を備え、脱水素反応器は一方の面に脱水素触媒を担持した水素発生部を有し、他方の面には内燃機関からの排気が通過するとともに、水素供給体から生成した脱水素生成物を酸化して発熱させる酸化触媒を担持した酸化反応部を有し、発生した水素と脱水素生成物とを分離する水素分離手段、分離された水素を貯蔵する貯蔵手段および脱水素生成物を貯蔵する手段、および発生した水素を燃料源に添加供給する手段を備え、内燃機関の排気管から大気に放出される二酸化炭素濃度の量を濃度センサによって測定し、二酸化炭素の測定値が所定値以下となるように炭化水素燃料に対する水素の混合比率を制御する内燃機関の運転方法である。【０００８】
脱水素反応器を構成する部材への通電加熱によって脱水素触媒を加熱する前記の内燃機関の運転方法である。
脱水素反応器の水素反応部の温度が所定の以下の場合に、脱水素生成物供給ノズルから脱水素生成物と、空気供給管から供給される空気によって脱水素生成物の燃焼させて、水素反応部を所定の温度に加熱した後に水素供給体噴射ノズルから水素供給体を噴射して脱水素反応を行う前記の内燃機関の運転方法である。
水素供給体から発生した水素の一部を排気浄化触媒コンバータに供給して排出される窒素酸化物の濃度を調整する前記の内燃機関の運転方法である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明は、内燃機関の排気系の廃熱を利用して、水素供給体の脱水素反応を、触媒反応層を形成した面と、酸化触媒層を形成した面を形成した脱水素反応器を用いて行っている。このため、排気系の廃熱の効率的な利用を図ることができるので、水素の効率的な発生が可能となる。また、内燃機関の燃料と併用した場合には、高空燃比で安定して燃焼させることができるので、燃費向上とともに、二酸化炭素の発生を抑制することができる。更に、排気触媒コンバータに水素を供給した場合には、空燃比が大きい状態で発生量が増加する窒素酸化物の濃度を低下させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本発明の水素供給装置を備えた内燃機関の全体構成を説明する図である。
【図２】図２は、本発明の内燃機関用水素供給装置の動作を説明する図である。
【図３】図３は、脱水素反応器の一実施例を説明する図である。
【符号の説明】
【００１１】
１…内燃機関、３…空気清浄器、５…空気流量計、７…燃料タンク、９…供給ポンプ、１１…ガソリンインジェクタ、１３…点火プラグ、１５…排気管、１７…排気浄化触媒コンバータ、１９…脱水素反応器、２１…水素供給体貯槽、２３…供給ポンプ、２４…水素供給体インジェクタ、２５…混合物排出管、２６…水素分離装置、２７…圧縮ポンプ、２９…水素貯槽、３１…脱水素生成物貯槽、３３…排気管、３５…空気供給手段、３７…脱水素生成物供給管、３８…供給ポンプ、３９…消音器、４０…インジェクタ、４１…流量調整弁、４３…バイパス管路、４５、４５Ａ…水素インジェクタ、４７…制御装置、６１…筐体、６２…反応管、６３…脱水素反応部、６５…酸化反応部、６７…金属基材、６９…アルミニウム層、７１…脱水素触媒、７３…酸化触媒
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明は、メチルシクロヘキサン等のような脱水素が容易な水素供給体を内燃機関の水素源として用いる際に、水素生成反応器の加熱手段として内燃機関の排気の有する廃熱を利用して脱水素反応を行う水素生成反応器を有している。更に、水素生成反応器の一方の面には、脱水素反応触媒を設けた水素発生反応部を有し、他方の面に水素供給体から生成した脱水素生成物を酸化して発熱させる酸化触媒を担持した酸化反応部を設けたことによって、内燃機関の廃熱による加熱が充分ではない場合にも所定の温度とし、常に安定した水素の供給が可能である内燃機関用の水素供給装置を提供することが可能であることを見出したものである。【００１３】
以下に図面を参照して本発明を説明する。
図１は、本発明の水素供給装置を備えた内燃機関の全体構成を説明する図である。
内燃機関１には、空気清浄器３で清浄化された空気が空気流量計５を通じて供給され、また、燃料タンク７に貯蔵されたガソリン等の炭化水素が供給ポンプ９によってガソリンインジェクタ１１から供給噴射されて吸気系からシリンダ内に供給され、点火プラグ１３によって点火されて内燃機関の運転が行われる。
燃焼後の排気は、排気管１５によって排気浄化触媒コンバータ１７に送られて浄化された後に脱水素反応器１９に供給される。【００１４】
脱水素反応器１９には、メチルシクロヘキサン等の水素供給体が水素供給体貯槽２１から供給ポンプ２３によって供給されて水素供給体インジェクタ２４によって噴射され、脱水素反応器１９の脱水素反応部に配置した触媒によって脱水素反応が起こる。
生成した水素と脱水素生成物の混合物は、混合物排出管２５を通じて水素分離装置２６に送られて水素と、脱水素生成物が分離される。水素は圧縮ポンプ２７によって圧縮されて水素貯槽２９に貯蔵される。また、トルエン等の脱水素生成物は水素貯蔵体として再度使用するために水素貯蔵体貯槽３１に貯蔵される。【００１５】
水素供給体としては、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン、ジメチルシクロヘキサン、テトラリン、デカリン、メチルデカリン等の、芳香族炭化水素およびその誘導体等の不飽和結合を有する炭化水素及びその誘導体への水素添加によって生成する化合物であって、比較的容易に脱水素反応を起こして水素を生成する化合物を挙げることができる。【００１６】
脱水素反応器１９に排気を供給する排気管３３には、空気供給手段３５および脱水素生成物供給管３７が結合されており、脱水素反応器１９の脱水素触媒温度が脱水素反応温度よりも低い場合には、脱水素反応器１９内部で、脱水素生成物供給管３７から供給された脱水素生成物が空気供給手段３５から供給された空気とが酸化触媒の作用によって燃焼する結果、脱水素触媒が所定の反応温度に加熱される。また、脱水素反応器１９を通過した排気は、消音器３９から外部へ放出される。【００１７】
一方、排気管３３には、脱水素反応器１９をバイパスする流量調整弁４１およびバイパス管路４３を有しており、排気管から高温度の排気が大量に流入することによって脱水素反応器１９が所定の温度以上となった場合には、排気をバイパス管路側へ送気することによって脱水素反応器１９の温度を所定の反応温度に低下することができる。
また、水素貯槽２９に貯蔵された水素は、水素インジェクタ４５から吸気系に供給されて内燃機関の燃料とされる。
また、水素貯槽２９に貯蔵された水素は、水素インジェクタ４５Ａによって排気触媒コンバータ１７へ供給すると、リーンバーン状態で発生量が増加した窒素酸化物の濃度を低下させることができる。【００１８】
以上のガソリンインジェクタ、水素インジェクタ、ポンプ、流量計、流量調整弁、温度センサ、点火プラグ等は、制御装置４７と接続されており、内燃機関の負荷、アクセル開度、加速度等の、運転状況に応じてインジェクタによる注入量、噴射間隔、流量、必要水素量等が制御される。
また、以上の説明では、水素はシリンダの外部において吸気系の空気に混合されることを説明したが、水素は加圧されて貯蔵された水素貯槽からシリンダ内に直接供給することもできる。【００１９】
図２は、本発明の内燃機関用水素供給装置の動作を説明する図である。
内燃機関１の始動時に、ステップＳ２１により運転条件を検知し、ステップＳ２２で必要水素量が計算される。次にステップＳ２３で脱水素反応器１９の脱水素反応部の脱水素触媒温度が検知されステップＳ２４により噴射すべき水素供給体量が算出され水素供給体が算出量に応じて噴射される。
このとき脱水素反応器の脱水素触媒の温度がステップＳ２５により３００℃以下と判断された場合は、ステップＳ２６で脱水素触媒温度を上昇させるために水素貯蔵体貯槽３１に貯留された脱水素生成物である水素貯蔵体を水素貯蔵体供給管３７を通じて供給する供給ポンプ３８、インジェクタ４０、水素貯蔵体を燃焼させるための空気供給手段３５を駆動させることにより温度を上昇させる。
また、本発明の脱水素反応器においては、加熱用電気ヒータを装着して通電加熱したり、あるいは脱水素反応器の脱水素反応部の基材金属に直接通電して加熱しても良い。【００２０】
また、脱水素反応器温度がステップＳ２７で４５０℃以上と判断された場合は、排気流量調整弁４１が駆動され、排気の一部が排気バイパス管路４３を消音器３９側への送気されて脱水素反応器温度が３００℃から４５０℃の間となるよう制御される。【００２１】
また、ステップＳ２９により、空燃比、排気管口に設置された二酸化炭素センサによって検知された信号によって、ステップＳ３０で設定した二酸化炭素排出量となるようシステム全体が制御される。【００２２】
図３は、脱水素反応器の一実施例を説明する図である。
図３（Ａ）は、平面図、図３（Ｂ）は、Ａ−Ａ’線で切断した断面図、図３（Ｃ）は、Ｂ−Ｂ’線で切断した断面図、図３（Ｄ）は、図３（Ｃ）で示した一つの反応管の拡大図である。
脱水素反応器１９は、内部にステンレス鋼等の耐熱性金属材料からなる筐体６１の内に、脱水素反応部６３、酸化反応部６５を両面に形成した少なくとも１個の反応管６２を有している。
反応管６２は、ステンレス鋼、ニッケル合金等の金属基材６７の両面に、クラッド、無電解めっき等の方法によってアルミニウム層６９が積層されたものであって、アルミニウム層の表面は、アルマイト処理を行った後に、更に熱水処理等の方法によって多孔質なアルミナ層を形成されている。そして、多孔質アルミナ層上には、脱水素触媒７１および酸化触媒７３が担持されている。
脱水素触媒、酸化触媒は、白金、パラジウム、ロジウム、レニウム、ルテニウムから選ばれる少なくとも一種の元素を含む化合物の溶液を塗布した後に焼成することによって製造することができる。【００２３】
反応管６２の外部空間は排気が通過して脱水素触媒を所定の温度に加熱した後に排気される。また、反応管６２の内部空間には、メチルシクロヘキサン等の水素供給体が水素供給体インジェクタ２４によって噴射されて、水素とトルエン等の脱水素生成物が生じて、混合物排出管２５を通じて取り出される。【００２４】
また、反応管６２の外面には、酸化触媒７３を担持した酸化反応部６５が形成されているので、供給された排気によっても脱水素触媒の温度が反応温度に達しない場合には、水素貯蔵体である脱水素生成物をインジェクタ４０から噴射するとともに、排気管からは空気供給手段（図示しない）によって空気を供給して、酸化触媒７３の作用によって発熱させることにより、脱水素触媒の温度を所定の温度に加熱することができる。【００２５】
また、本発明の脱水素反応器は、耐熱性の金属材料の表面に熱伝導性が良好なアルミニウムを積層した後に、触媒層を形成したものであるので熱伝導性が良好であって、排気の有する廃熱を有効に利用できる。
また、耐熱性の金属材料に通電手段を接続して自動車に搭載した電池等の電源から通電し、耐熱性の金属材料自体を加熱することによって脱水素触媒を所定の温度としても良い。
図３に示した脱水素反応器では、管状の反応器を例に挙げて説明したが、連続した波板上の部材の両面にそれぞれ、脱水素触媒層、酸化触媒層を設けたものであっても良い。【００２６】
また、本発明の内燃機関では、炭化水素系燃料に水素を混合した場合には、排気中の炭化水素は減少するものの、水素を混合しない場合に比べて窒素酸化物が増加することがあった。この場合には、内燃機関用の燃料として配合する水素の一部を水素インジェクタ４５Ａによって排気浄化触媒コンバータ１７に注入することによって、排出される窒素酸化物の濃度を減少させることができる。
【実施例】
【００２７】
以下に実施例、比較例を示し本発明を説明する。
実施例１および比較例１
１Ｌエンジンを搭載した自動車に図３に示すフィン型白金担持アルマイト触媒管状リアクタを有する水素発生装置を搭載し、触媒の温度をエンジン排気による加熱で３００℃−３５０℃の間に保持して、有機ハイドライドとしてメチルシクロヘキサンを触媒に噴射して水素を発生させた。
発生した水素を１０−５０Ｌ／分の供給速度で水素インジェクタからエンジンに導入した。ガソリンに水素を添加したガソリン−水素混焼システムと、従来のガソリンのみを用いたガソリン燃焼システムについて排出二酸化炭素濃度と燃料消費率をシャーシダイナモにおいて測定して、その結果をエンジン回転数（ｒｐｍ）、空気／燃料比とともに表１に示す。
実施例については試験１−１〜１−４に示し、比較例については、比１−１〜１−２に示す。【００２８】
ガソリンに対して水素を３−６％添加したガソリン―水素混焼における内燃機関では、高空燃比（リーンバーン条件）において安定したエンジン燃焼運転が実現され、また排出二酸化炭素濃度はガソリンのみの場合に比べて２２−３４％低減して、さらに燃料消費率が２６−６６％向上する水素添加結果が得られた。
なお、試験１−１，１−２，１−４，１−５では、ガソリン供給量：３．１Ｌ／ｈ
試験１−３では、ガソリン供給量：４．２Ｌ／ｈ
比較１−１，１−２では、ガソリン供給量：６．１Ｌ／ｈ
の条件で運転した。またいずれも、アクセル開度３０％でエンジンを稼働した。【００２９】
【表１】
2009101715.tif 000003
【００３０】
実施例２および比較例２
水素を排気浄化触媒コンバータに供給した点を除き実施例１と同様にエンジンを運転した場合の排気中の窒素酸化物濃度の変化を、試験２−１〜２-４および比較２−１〜２−４として表２に示す。
なお、試験２−１、２−２、２−４、及び比較２−１〜２−４では、
ガソリン供給量：３．１Ｌ／ｈ
試験２−３、及び比較２−３では、
ガソリン供給量：４．２Ｌ／ｈ  で運転した。またいずれも、アクセル開度３０％でエンジンを稼働した。【００３１】
【表２】
2009101715.tif 000004
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明は、内燃機関の排気系の廃熱を利用して、水素供給体の脱水素反応を触媒反応層を形成した面と、酸化触媒層を形成した面を形成した脱水素反応器を用いて行っているので、排気系の廃熱の効率的な利用を図ることができ、水素の効率的な発生が可能となる。また、内燃機関の燃料と併用した場合には、高空燃比で安定して燃焼させることができるので、燃費向上とともに、二酸化炭素の発生を抑制することができる。更に、排気触媒コンバータに水素を供給した場合には、空燃比が大きい状態で発生量が増加する窒素酸化物の発生量を低下させることが可能となる。
【図１】
2009101715.tif 000005
【図２】
2009101715.tif 000006
【図３】
2009101715.tif 000007
【国際調査報告】
2009101715.tif 000008
2009101715.tif 000009
2009101715.tif 000010
2009101715.tif 000011