(57)【要約】  トラックエンジン（１２）の通常運転中、触媒部分酸化剤（３０）が合成ガス（水素と一酸化炭素）を供給し、短期間の間ＮＯｘトラップ（３５）を再生するか、又はＥＧＲシステム（４３〜４６）を介してエンジン（１２）の入口（１３）に方向転換（３３）させる。水素の一部がパラジウム膜分離器（６３）により合成ガスから抽出され、燃料電池スタック（５１）の燃料入口（５２）に送られる。スタック（５１）は補助電力をトラックに供給する。スタックの空気出口（５５）から湿気のある空気が燃料／排気／空気の静的混合器（２５）に供給される。メタネータ（６６）がパラジウム膜から漏れたＣＯをＣＨ４に変換する。パラジウム膜分離器の入口にあるか又はパラジウム膜分離器の内側にある水／ガスシフト又は蒸気改質触媒（７６）が、追加のＨ２をいくらか提供できる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素と一酸化炭素とを含んだ混合物（以下「合成ガス」という）により再生される吸着物質を有する窒素酸化物（以下「ＮＯｘ」という）トラップアセンブリ（３４、３５）；
空気入口（５４）で空気を受け入れ、燃料入口（５２）で水素に富んだ燃料混合物を受け入れ、そして湿った空気を空気出口（５５）から排出し、乗物の補助装置を作動させるための電力を供給する燃料電池発電装置；
エンジン燃料（１３、１９、２０）で作動し、ＮＯｘを含んだエンジン排気（２３）を前記ＮＯｘトラップアセンブリに供給する内燃機関システム（１２）；
前記エンジン排気、前記エンジン燃料及び前記燃料電池発電装置から排出される湿った空気（５９、６２）から、前記ＮＯｘトラップアセンブリ内の吸着物質を再生するのに必要な量を超えた量の合成ガスを生成する手段（２４〜２６、２９〜３１）；及び
入力にて合成ガスを受け入れ、その主出力（７０）にて前記吸着物質の再生に用いられる合成ガスを供給し、パラジウム膜分離器の補助出力（６５）から前記燃料電池のスタックの前記燃料入口に水素に富んだガス混合物を供給する該パラジウム膜分離器（６３）、
を備えた乗物。
【請求項２】
前記パラジウム膜分離器（６３）がＣＯを含むいくらかの合成ガスを前記補助出力から漏らし得る膜を有する請求項１に記載の乗物であって、
さらにメタネータ（６６）を備え、前記パラジウム膜分離器の前記補助出力（６５）から水素に富んだガス混合物が、前記メタネータに与えられて前記ＣＯがＣＨ４に変換され、前記メタネータ（６９）の出力が前記燃料電池スタックの燃料入口（５２）に与えられる、前記乗物。
【請求項３】
さらに水／ガスシフト反応器触媒と蒸気改質反応器触媒とから選択した触媒（７６）を、前記合成ガスを生成する手段（３０）の出力（３１）と前記パラジウム膜分離器（６３）の膜との間に配置して含み、前記量の合成ガスが一部は前記合成ガスを生成する手段により供給され、一部は前記触媒により供給される、請求項１に記載の乗物。
【請求項４】
ＮＯｘトラップの触媒を再生するのに利用されていない前記分離器の前記主出力からの合成ガスを、（ａ）エンジン（４３、４６、１２）に、又は（ｂ）バーナー駆動式空調システム（７１）に方向転換するための手段、
をさらに含む請求項１に記載の乗物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、内燃機関を有する乗物において、生成した水素と一酸化炭素の混合物（以下、合成ガス）をＮＯｘトラップ中のＮＯｘ吸収剤の再生に用いることと、Ｈ２合成ガスの一部を方向転換して、水素含有燃料をディーゼルトラックなどの乗物の補助発電用の燃料電池に供給することとの組み合わせに関する。
【背景技術】
【０００２】
排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を削減するために、内燃機関を有する乗物では、ＮＯｘトラップ中の吸着物質の再生のために水素と一酸化炭素のガス混合物（以下、合成ガスという）を製造することが知られている。ＮＯｘトラップの再生に使用するためにエンジン燃料、エンジン排気及び空気から合成ガスを生成することは、同時係属の米国特許出願第１０／２４３，１０５号（２００２年９月１３日出願）に開示されている。このようなシステムの別の例が、同時係属の共有の米国特許出願第１０／３０９，７１２号（２００２年１２月４日出願）に記載されている。
【０００３】
図１に示された従来技術のシステムにおいて、エンジンシステム１１は、管路１３で燃料と空気との混合物を受け取る内燃機関１２を備える。一般に管路１７の空気はターボチャージャにより供給され、その空気の圧力はバルブ１８により適切に調節される。燃料は燃料ポンプ２０から管路１９に供給される。管路２３のエンジン排気は、管路１９からバルブ又は固定開口部２６を介して送られる燃料と共に、バルブ又は固定開口部２４を介して静的混合器２５に供給される。管路２９の静的混合器の出力は、触媒部分酸化剤（ＣＰＯ）３０に加えられ、このＣＰＯ３０が水素、一酸化炭素及びその他のガスからなるガス混合物を生成するが、これらすべて慣用のものであり、本発明には関連しない。管路３１のＣＰＯの出力は、二方向バルブ３３に加えられるが、以下で説明するようにさらに多くの選択ができるバルブでもよい。
【０００４】
管路２３の排気はまた、合成ガスを利用する装置、例えば一対のＮＯｘトラップ３５に送るための１組のバルブ３４にも供給される。この装置は、上記米国特許出願第１０／２４３，１０５号に開示されたようなものでよく、エンジンのＮＯｘ放出を低減するためのＮＯｘ吸着物質として例えば炭酸バリウムを使用できる。管路３８にあるバルブ３４へのもう一方の入力は、二方向バルブ３３の一方の設定により供給される。よって、一方のＮＯｘトラップの吸収剤物質が合成ガスにより再生されている短時間の間（一般に５〜１０秒）、二方向バルブ３３は、コントローラ４０からの信号３９により有効量の合成ガスをバルブ３４に供給するようにされる。この場合、有効量とは、ＮＯｘトラップを再生するのに必要な量である。コントローラ４０は、ＮＯｘトラップの各々が交互により長い期間（一般には８０〜１００秒のオーダー）Ｎｏｘを吸着し、次により短い期間合成ガスにより再生されるように、信号４１によりバルブ３４を交互に切り替える。
【０００５】
合成ガスが必要とされていないとき、コントローラ４０は、合成ガスをＥＧＲ管路４３に与えるように信号３９を介して二方向バルブ３３を設定する。ＥＧＲ管路４３は、従来型のＥＧＲバルブ４４を介して排気管路２３から排気を受け入れる。ＥＧＲガスは熱交換器４５で冷却され、別の従来型のＥＧＲバルブ４６に送られ、それからエンジン１２内の燃焼室のすぐ前で空気／燃料の混合物と混合される。ＥＧＲ要素４３〜４６は従来型のものである。
【０００６】
図１の装置では、エンジン１２が通常運転中は連続的に有効量又は適量の合成ガスを供給するように、ＣＰＯはその定格容量にて機能できる。ＣＰＯの出力は、二者択一的に、ＮＯｘトラップ３５に提供されるか、又はエンジン１２の吸気口に方向を向けられる。合成ガスの発熱量はエンジン内で回収されてエンジンの動作を改善し、その不要なエミッションを削減するので、合成ガスを生成するのに用いられる燃料の量によって全体のエンジンシステムの効率の損失は生じない。（通常のエンジン動作中）ＣＰＯを連続的に作動させることにより、ＣＰＯを頻繁に始動及び停止する必要がなく、よって、ＣＰＯが非常に簡単になり、ＣＰＯ触媒の損傷の危険性も最小になる。
【０００７】
一般にディーゼルエンジンで動力が供給される大型トラックでは、たまに消費される電気エネルギー量のために補助電源装置が必要とされる。現在入手可能な補助電源装置は非常に高価であり、補助電源装置にパワー付与するのに必要な燃料処理システムは非常に複雑で高価なので、一般的な使用には実際的でない。
【特許文献１】米国特許出願第１０／２４３，１０５号
【特許文献２】米国特許出願第１０／３０９，７１２号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的としては、大型トラック用の実際的な補助電源装置；コスト効率良く効率的に燃料を供給できる補助電源装置；互換性があり、よってトラックのエンジンの他の補助装置と統合できる補助電源装置；大型トラックで使用する改良補助システムが挙げられる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によると、プロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池がＣＰＯにより生成されたＨ２の一部を利用し、トラックシステムが必要とする補助電力を供給する。さらに本発明によると、パラジウム膜が、少量の一酸化炭素を含んだいくらかの水素含有ガスと、二酸化炭素（ＣＯｘ）とを分離するのに用いられ、この二酸化炭素はメタネータに与えられて該ガスを少量のメタン（ＣＨ４）を含有した水素に変換する。本発明によると、連続的に動作する触媒部分酸化剤（ＣＰＯ）により合成ガスが生成され、パラジウム膜により除去されない合成ガスの一部が、再生期間中にＮＯｘ吸収剤を再生するのに用いられ、また、通常運転中、ＥＧＲシステムを介してエンジンの燃料入口に与えられる。エンジンがアイドル状態のとき、合成ガスをバーナー駆動式空調システムなどの他の補助装置に方向転換してトラックの空調に必要なエネルギーを供給してもよい。
【００１０】
さらに本発明によると、適宜に、少量のＣＯｘがパラジウム膜を通って漏れ、メタネータによってＣＨ４に変換され、それにより、パラジウム膜装置とメタネータは非常に小さく安価にできる。
【００１１】
機内搭載のＣＰＯにより使用される空気の加湿は、燃料電池スタックの空気排気中の湿気によって行われる。よって、この燃料電池は電力を供給するだけでなく、ＣＰＯ入口空気の加湿を行うことによって合成ガス（及びＨ２）の生成を支援する。
【００１２】
パラジウム膜分離器の入口にて合成ガスに注入される水は、燃料電池の空気排気から抽出することもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図２を参照すると、本発明による大型トラック用の補助電源装置は燃料電池の発電装置５０からなり、この発電装置５０は燃料入口マニホールド５２と、燃料出口マニホールド５３と、オキシダント入口マニホールド５４と、オキシダント出口マニホールド５５とを有する燃料電池スタック５１を備える。燃料出口マニホールド５３は、本発明の部分を形成するものではない当該技術において公知の燃料リサイクル装置と相互連結させてもよく、又は該燃料出口は、静的混合器２５にその燃料入口６０にて連結させてもよい。オキシダント入口マニホールド５４は、一般に７〜４ｋＰａ（２〜３ｐｓｉ）以下に圧縮された空気を送風器５８から受け入れ、又は空気管路１３から圧縮機により供給され得る。
【００１４】
オキシダント出口マニホールド５５は、以下で説明するようにＥＧＲの流れを冷却する熱交換器４５にダクト５９により連結される。熱交換器４５の空気出口は、ダクト６２により静的混合器２５に加えられ、それにより、暖かい湿った空気をＣＰＯの入口に提供し、ＥＧＲ排気流からの熱が、ＣＰＯ３０に供給される加湿された空気の温度を約３００°Ｃ〜３５０°Ｃ（５７２°Ｆ〜６６２°Ｆ）に上昇させるのを助けて効率的な運転に資する。上述したように、ＣＰＯ３０により生成された合成ガスは、ダクト３１によりパラジウム膜分離装置６３の入力に加えられる。これによりダクト６５で燃料電池スタック５１の燃料入口５２に水素が供給される。
【００１５】
パラジウム膜分離器６３の主出力はダクト７０にて、水素と少量のＣＯ、ＣＯ２及びその他の未転化の炭化水素とを含む。これは三方向バルブ３３に与えられ、エンジンが単にアイドル状態のときに水素を管路７１でバーナー駆動式空調システムなどの種々の補助装置に供給できるようにする。エンジンが正常に動作しているとき（すなわち負荷のあるとき）、三方向バルブは合成ガスを管路３８でバルブ３４に供給するように短期間（数秒のオーダー）設定される。しかし、ＮＯｘ吸収剤が（例えば再生期間の間の８０〜１００秒の期間）再生されてなく、かつエンジンが正常に動作しているとき、三方向バルブは、合成ガスを管路４３に供給してエンジン１２入口にてＥＧＲと混合するように設定される。
【００１６】
所望ならば、全体的により安価なシステムを得るために、より薄くより安価なパラジウム膜を分離器６３内にて使用することもできる。しかしながら、このことによりＣＯを含んだ少量の合成ガスが膜を漏洩可能となり、それにより、導管６５に水素と少量のＣＯとの混合物が供給される。公知のように、ＣＯは燃料電池内のアノード触媒を害する。図３に示されているように、パラジウム膜分離器６３は水素とＣＯｘをダクト６５でメタネータ６６に供給する。公知のように、メタネータ６６はＰｔ-Ｒｕ触媒を含み得る。メタネータ６６では、このＣＯが燃料電池スタックに無害なＣＨ４に変換される。このＣＨ４発熱量は、燃料出口５３が静的混合器２５に連結されている場合にはＣＰＯ３０に戻してリサイクルすることにより、又はエンジン１２内で燃焼させることにより回収できる。
【００１７】
図４に示されるように、所望ならば、触媒７６はパラジウム膜分離器６３の内側、又はパラジウム膜分離器６３の入力に設けることができる。この触媒は、水／ガスシフト反応器触媒又は蒸気改質反応器触媒とし得る。この場合、ＮＯｘトラップを再生しかつ水素を燃料電池スタックに供給するために必要とされる量の合成ガスは、一部はＣＰＯ３０により（例えば約７０％のオーダーで）、一部は触媒７６により（例えば約３０％のオーダーで）供給され得る。
【００１８】
もし望めば若しくは不要と分かっていても、特に始動中又は定常状態の間、本発明を実施する上で必要ならば、静的混合器２５の入口６０に直接空気を供給することもできる。さらに、燃料電池スタックの空気排気が十分な量になる前に管路２３中の高温排気をＣＰＯの始動中に使用できる。
【００１９】
不要ではあるがもし望めば、パラジウム膜分離器６３の入口にてＣＰＯ３０の出力３１に水を注入し、合成ガスを４００°Ｃ（‐７５２°Ｆ）未満に冷却するのを助けることもできる。この水は種々の方法で供給できるが、最も簡単には水タンク（図示せず）から、又は燃料電池スタック５１から供給する。
【００２０】
二者択一的に再生される一対のＮＯｘトラップを用いる代わりに、本発明は連続的に吸着し再生されるＮＯｘトラップを用いて実施でき、このＮＯｘトラップは、同時係属の米国特許出願第１０／３０９，７１２号（２００２年１２月４日出願）に記載のように、相互に回転する吸収剤と、吸収剤の飽和に要する時間及び吸収剤の再生に要する時間に比例して排気と合成ガスを分配する入口マニホールドとを有する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】ＣＰＯの出力をＮＯｘトラップからエンジンへの燃料入口に方向転換する従来技術のエンジンシステムの概略図である。
【図２】本発明により図１の合成ガス生成機能と燃料電池スタック補助電源装置とを組み合わせたエンジンシステムの概略図である。
【図３】分離器内でより安価でより薄いＰｄ膜の使用を可能にするメタネータを備えた図２のシステムの概略図である。
【図４】Ｐｄ膜に触媒が付加されている部分概略図である。
【符号の説明】
【００２２】
１２  内燃機関
２０  燃料ポンプ
２５  静的混合器
３０  触媒部分酸化剤
３５  ＮＯｘトラップ
４０  コントローラ
４５  熱交換器
５０  燃料電池発電装置
５１  燃料電池スタック
６３  パラジウム膜分離器
６６  メタネータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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