(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素リッチアンモニアの原料として尿素水を供給する尿素水供給源に接続された燃焼部ケーシングと、前記燃焼部ケーシングに形成されていて前記高温水素リッチアンモニアと前記燃焼用空気とを燃焼させて前記高温燃焼ガスを生成する燃焼室と、前記高温燃焼ガスの熱エネルギーの一部を熱源として前記尿素水から高温アンモニアガスをオンデマンドにて生成すると共に前記高温アンモニアガスの一部を水素と窒素に転化して高温水素リッチガスを生成する水素リッチアンモニア生成器と、前記高温アンモニアガスの残部と前記高温水素リッチガスとの混合ガスを前記高温水素リッチアンモニアとして前記燃焼室に供給する水素リッチアンモニア供給ラインとを備え、
前記水素リッチアンモニア生成器が、前記燃焼室に配置されていて前記燃焼ガスの熱エネルギーの一部を熱源として加熱される伝熱部材と、前記伝熱部材に配置されていて前記燃焼ガスの熱エネルギーの存在下で前記尿素水を加水分解して前記高温アンモニアガスを生成する加水分解部と、前記伝熱部材に配置されていて前記燃焼ガスの熱エネルギーの存在下で前記高温アンモニアガスの一部を前記高温水素リッチガスに転化するアンモニア分解部とを備えることを特徴とする次世代カーボンフリー燃焼器。
【請求項２】
前記加水分解部が、前記伝熱部材に収納されていて複数の乱流発生通路を形成し、前記前記加水分解部における前記尿素水の滞留時間を延長する複数の固形状伝熱体を備えることを特徴とする請求項１記載の次世代カーボンフリー燃焼器。
【請求項３】
高温水素リッチアンモニアと燃焼用空気とを燃焼させて高温燃焼ガスを生成するカーボンフリー燃焼器と、前記水素リッチアンモニアの原料として尿素水を供給する尿素水供給源を備えた燃料供給システムと、前記高温燃焼ガスにより作動して出力軸から動力を得る熱機関とを備え、前記カーボンフリー燃焼器が、燃焼部ケーシングと、前記燃焼部ケーシングに形成されていて前記高温水素リッチアンモニアと前記燃焼用空気とを燃焼させて前記高温燃焼ガスを生成する燃焼室と、前記高温燃焼ガスの熱エネルギーの一部を熱源として前記尿素水から高温アンモニアガスをオンデマンドにて生成すると共に前記高温アンモニアガスの一部を水素と窒素に転化して高温水素リッチガスを生成する水素リッチアンモニア生成器と、前記高温アンモニアガスの残部と前記高温水素リッチガスとの混合ガスを前記高温水素リッチアンモニアとして前記燃焼室に供給する水素リッチアンモニア供給ラインとを備え、
前記水素リッチアンモニア生成器が、前記燃焼室に配置されていて前記燃焼ガスの熱エネルギーの一部を熱源として加熱される伝熱部材と、前記伝熱部材に配置されていて前記燃焼ガスの熱エネルギーの存在下で前記尿素水を加水分解して前記高温アンモニアガスを生成する加水分解部と、前記伝熱部材に配置されていて前記燃焼ガスの熱エネルギーの存在下で前記高温アンモニアガスの一部を前記高温水素リッチガスに転化するアンモニア分解部とを備えることを特徴とする次世代カーボンフリーエンジン。
【請求項４】
前記水素リッチアンモニア生成器に接続されたパージガス供給手段と、前記次世代カーボンフリーエンジンの停止時に前記パージガス供給手段からパージガスを前記水素リッチアンモニア生成器に供給して残留ガスを排出させる開閉弁とをさらに備えることを特徴とする請求項３記載の次世代カーボンフリーエンジン。
【請求項５】
前記燃料供給システムが、前記水素リッチアンモニアの一部を一時的に貯蔵する補助燃料貯蔵タンクと、前記補助燃料貯蔵タンクの水素リッチアンモニアを前記燃焼室に供給するための開閉弁とを備えることを特徴とする請求項３又は４記載の次世代カーボンフリーエンジン。
【請求項６】
前記燃料供給システムが、前記尿素水供給タンクとは独立して設けられた炭素質燃料タンクと、前記炭素質燃料タンクの炭素質燃料を前記燃焼室に供給する流量制御弁とを備えることを特徴とする請求項３〜５のいずれかに記載の次世代カーボンフリーエンジン。
【請求項７】
前記熱機関が、
空気を圧縮して前記燃焼用空気を生成する圧縮器と、
前記圧縮器に連結された出力軸と、
前記出力軸に連結されていて、前記カーボンフリー燃焼器からの前記高温燃焼ガスにより作動するタービンとを備えることを特徴とする請求項３〜６のいずれかに記載の次世代カーボンフリーエンジン。
【請求項８】
高温水素リッチアンモニアと燃焼用空気とを燃焼させて高温燃焼ガスを生成するカーボンフリー燃焼器と、前記水素リッチアンモニアの原料として尿素水を供給する尿素水供給源を備えた燃料供給システムと、前記高温燃焼ガスにより作動して出力軸から動力を得る熱機関と、前記熱機関の動力により発電する発電機と、を備え、
前記カーボンフリー燃焼器が、前記熱機関に支持された燃焼部ケーシングと、前記燃焼部ケーシングに形成されていて前記高温水素リッチアンモニアと前記燃焼用空気とを燃焼させて前記高温燃焼ガスを生成する燃焼室と、前記高温燃焼ガスの熱エネルギーの一部を熱源として前記尿素水から高温アンモニアガスをオンデマンドにて生成すると共に前記高温アンモニアガスの一部を水素と窒素に転化して高温水素リッチガスを生成する水素リッチアンモニア生成器と、前記高温アンモニアガスの残部と前記高温水素リッチガスとの混合ガスを前記高温水素リッチアンモニアとして前記燃焼室に供給する水素リッチアンモニア供給ラインとを備え、
前記水素リッチアンモニア生成器が、前記燃焼室に配置されていて前記燃焼ガスの熱エネルギーの一部を熱源として加熱される伝熱部材と、前記伝熱部材に配置されていて前記燃焼ガスの熱エネルギーの存在下で前記尿素水を加水分解して前記高温アンモニアガスを生成する加水分解部と、前記伝熱部材に配置されていて前記燃焼ガスの熱エネルギーの存在下で前記高温アンモニアガスの一部を前記高温水素リッチガスに転化するアンモニア分解部とを備えることを特徴とする次世代カーボンフリー発電装置。
【請求項９】
請求項１及び２記載の次世代カーボンフリー燃焼器、請求項３〜７記載の次世代カーボンフリーエンジン及び請求項８記載の次世代カーボンフリー発電装置に利用される尿素水であって、前記尿素水が、アルカリ金属の水酸化物，炭酸塩及び珪酸塩からなる群から選ばれる１種以上を主成分とするアルカリ触媒溶液と、尿素と、水からなることを特徴とする尿素水。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【技術分野】
【０００１】  本発明はカ燃焼器、この燃焼器を利用したエンジン及びこれにより駆動される発電装置に関し、特に、地球環境に優しいカーボンフリー燃焼器、カーボンフリーエンジン及びカーボンフリー発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】  近年、化石燃料利用の拡大に伴う二酸化炭素（ＣＯ２）排出による地球温暖化が原因となって異常な海面上昇、異常気象による水害や山火事等の自然災害、生態系における甚大な被害が多発して地球規模で深刻となり、一刻も早い対策が急務となっている。その中で、酸素中で燃焼して窒素と水になり、温暖化ガスを排出しないアンモニアがカーボンフリー燃料として有望視され、アンモニア燃焼内燃機関やアンモニア燃焼ガスタービンが提案されている。【０００３】  特許文献１には、内燃機関の燃料タンクとしてアンモニアタンクを備え、アンモニアタンクから供給されたアンモニアを内燃機関の排ガスの熱エネルギーの存在下でアンモニア分解触媒で水素と窒素（部分的にはアンモニアが残留する）に分解し、さらに空気と混合して第１燃料とし、一方、スロットル弁の下流側に供給された第２燃料と混合して内燃機関で燃焼させるようにしたアンモニア燃焼内燃機関が提案されている。【０００４】  特許文献２には、内燃機関の補助燃料タンクとしてアンモニアタンクを備え、アンモニアタンクから供給されたアンモニアを内燃機関の排ガスの熱エネルギーの存在下でアンモニア分解触媒で水素と窒素に分解して補助燃料とし、一方、ガソリン等の炭化水素燃料と空気との混合比をリーン側に調整した主混合気と補助燃料とを混合して燃焼させることで燃費改善を図るようにした内燃機関が提案されている。【０００５】  特許文献３には、エンジンの燃料タンクとしてアンモニアタンクを備え、アンモニアをエンジンの吸気管から燃焼室に供給し、一方、アンモニアの難燃性を改善することと目的として、燃焼室の排ガスの熱エネルギーの存在下でアンモニア分解反応器でアンモニアを水素と窒素とに分解し、分解して得た水素を副燃焼室に導入して難燃性のアンモニアの燃焼性を向上させるようにしたアンモニア燃焼エンジンが提案されている。【０００６】  特許文献４には、オンボードアンモニア供給装置を備えたアンモニア供給システムから供給されたアンモニアをゼロカーボン燃料として空気と混合し、エンジンシリンダーにて燃焼させるようにしたアンモニア燃焼内燃機関が提案されている。【０００７】  特許文献５及び６には、アンモニアとこのアンモニアの燃焼を促進するための助燃剤（ガソリン）とを燃料として使用し、これら燃料を吸気管に噴射して燃焼させるようにしたアンモニア燃焼内燃機関が提案されている。【０００８】  特許文献７には、アンモニアタンクから供給されたアンモニアの一部を改質器で改質してアンモニア及び水素ガスを吸気管内に噴射してエンジンシリンダー内の混合気を点火して燃焼させるようにしたエンジンシステムが提案されている。【０００９】  特許文献８には、尿素水供給タンクから供給された尿素水を改質器でアンモニアを生成し、該アンモニアを基に水素を生成し、該アンモニアと水素との混合燃料を燃料用アンモニア供給管を介してエンジンの吸気管に供給し、エンジンシリンダー内では、インジェクタから噴射されたガソリンと共にアンモニア及び水素を燃焼させることで内燃機関の燃焼効率を向上させるようにしたエンジンシステムが提案されている。【００１０】  特許文献９には、アンモニアタンクから供給されたアンモニアを燃料改質器で改質して水素を生成し、該アンモニアと水素とをセパレータで互いに分離してアンモニアをアンモニア蓄圧器に貯蔵し、分離された水素と窒素とを水素インジェクタを介して吸気管に噴射し、一方、アンモニアインジェクタを介してアンモニアを吸気管に噴射するようにしたエンジンシステムが提案されている。【００１１】  特許文献１０には、複数の温度範囲にて作動する複数のアンモニア転化部にアンモニアを供給して水素と窒素に分解し、アンモニアと窒素との混合ガスでエンジンを駆動するようにした水素発生装置とアンモニア燃焼エンジンが提案されている。【００１２】  特許文献１１には、液体アンモニアタンクから供給された液体アンモニアをアンモニアリサーバーに貯留してアンモニアインジェクターから吸気ポートに噴射し、一方、可燃物質を可燃物質インジェクターを介して燃焼室に噴射してこれら燃料と吸入空気との予混合気を燃焼させるようにしたアンモニア燃焼内燃機関が提案されている。【００１３】  特許文献１２には、液体アンモニアタンクから供給された液体アンモニアを排ガスの熱エネルギーを利用した蒸発器でアンモニアに変換して、一旦、アンモニアタンクに貯留し、この貯留したアンモニアをアンモニアインジェクターから吸気ポートに噴射し、一方、非アンモニア燃料タンクから供給された非アンモニア燃料を非アンモニア燃料インジェクターを介して燃焼室に噴射してこれら燃料と吸入空気との混合気を燃焼させるようにしたアンモニア燃焼内燃機関が提案されている。【００１４】  特許文献１３には、液体アンモニアタンクから供給された液体アンモニアを排ガスの熱エネルギーを利用した熱交換器を収納した反応容器でアンモニアに変換するとともにアンモニアの一部を水素と窒素に分解して、反応容器の第１ポートの水素と窒素との混合ガスを水素インジェクターから吸気ポートに噴射し、一方、反応容器の第２ポートのアンモニアをアンモニア燃料インジェクターを介して燃焼室に噴射してこれら燃料と吸入空気との混合気を燃焼させるようにしたアンモニア燃焼内燃機関が提案されている。【００１５】  特許文献１４には、液体アンモニアタンクから供給された液体アンモニアをアンモニア予熱器及びアンモニア加熱器で加熱した後、アンモニア分解装置で分解することで水素と窒素とに分解し、該水素を内燃機関に供給する一方、窒素を窒素駆動タービン経由して選択還元型触媒に供給するようにしたアンモニアを持続可能燃料および窒素酸化物浄化剤として利用するようにした方法及び装置が提案されている。【００１６】  特許文献１５には、水素供給タンクから供給された水素と、アンモニア供給タンクから供給されたアンモニアとの混合ガスを燃料として作動させるようにした水素／アンモニア燃焼内燃機関が提案されている。【００１７】  特許文献１６には、ガスタービンにパイロットノズルと予混合ノズルを配置したカーボンフリー燃焼器において、ガスタービンの始動時・始動直後には予混合ノズルに天然ガス等の化石燃料を供給し、ガスタービンの暖機運転時には予混合ノズルにアンモニアを供給するようにしたアンモニア燃焼ガスタービンが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１８】
【特許文献１】米国特許第４４８０５９５号
【特許文献２】米国特許第４７５０４５３号
【特許文献３】特開平第０５−３３２１５２号
【特許文献４】米国特許公開広報第２０１０／００１９５０６号
【特許文献５】特開平第２００９−８５１６８号
【特許文献６】特開平第２００９−８５１６９号
【特許文献７】特開平第２００９−９７４２２号
【特許文献８】特開平第２００９−９７４１９号
【特許文献９】日本国特許第４８５３４５１号
【特許文献１０】米国特許公開広報第２０１１／０００８６９４号
【特許文献１１】米国特許公開広報第２０１１／０２５９２９０号
【特許文献１２】米国特許公開広報第２０１１／０２６４３５５号
【特許文献１３】米国特許公開広報第２０１０／０２８８２４９号
【特許文献１４】米国特許公開広報第２０１１／００１１３５４号
【特許文献１５】米国特許第２８０２５０３３号
【特許文献１６】特開平第２０１０−１９１９５号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】  ところで、特許文献１及び２に開示されたアンモニア燃焼内燃機関では、補助燃料としてアンモニアを貯蔵したアンモニアタンクを利用している。アンモニアは有毒で、腐食性が強く、皮膚や粘膜及び眼に対する刺激性が高く、眼への接触により極めて重度の危険性がある。そのため、アンモニアタンクの容量をできるたけ小さくしてリスクをより少なくする必要がある。しかしながら、アンモニア燃焼内燃機関においてアンモニアのクリーンな排ガス清浄効果のメリットを享受するためには、アンモニアタンクの容量を根本的に小さくすることができなかった。【００２０】  特許文献３で開示されたアンモニア燃焼エンジンでは、エンジンの吸気管にアンモニアを主燃料として直接噴射する一方、アンモニアの難燃性を改善することを目的として、排気管の一部にアンモニア分解反応器を配置してその内部に熱交換パイプを設置し、エンジンの排気ガスの熱エネルギーを利用して熱交換パイプに充填されたアンモニア分解触媒を加熱してアンモニアガスを窒素と水素とに転化する構成を採用している。エンジンの吸気管に対して液体アンモニアは噴霧状に噴射されて吸入空気と混合される。アンモニアは気化熱が非常に大きいため、エンジンの吸気管に噴射された際に、吸入空気を冷却してしまい、十分な気化熱を受けないまま混合気となって燃焼室に流入する。したがって、アンモニアと吸入空気との均一な混合気が形成されないため、燃焼室内で不完全燃焼が生じやすい。このことはエンジンの始動時及び始動直後に顕著となり、アンモニアと吸入空気との混合気が不均一であると不完全燃焼が多く発生し、継続した燃焼が困難となって、有害な未燃焼成分が大気に放出される事態に発展するため、アンモニア燃焼エンジンの実用化が困難であった。【００２１】  特許文献４で開示された動力装置及びアンモニア燃焼内燃機関では、オンボード・アンモニア供給部が採用されていて、エネルギー密度の高いアンモニアを主燃料として燃焼させて動力出力を得るようにしている。この動力装置及びアンモニア燃焼内燃機関では、アンモニアのみが主燃料として採用されている。アンモニアは燃焼速度が遅く燃えにくい性質を有するため、エンジンが所定の負荷範囲、例えば、３０〜１００％の負荷範囲にあるときにのみ、アンモニアを燃料としてエンジンで燃焼させるようにしていた。そして、エンジン負荷が３０％以下となった場合には、低負荷運転専用に、別途、設けたモータ及び発電機と蓄電装置からなる大容量の電気装置を作動させることで補助動力を得て車両の走行を維持させるようにしていた。しかしながら、市街地走行では、頻繁に低速走行運転が行われてエンジン負荷が３０％以下となる頻度が高いため、電気装置の使用比率が高くなり、電力消費が増加し、その分、燃費が悪化していた。従って、アンモニア利用率が低下し、十分な環境対策を実行することができなかった。しかも、電気装置自体が必然的に高価で複雑な構造となり、動力装置が全体的に大型構造となって製造コストが上昇するため、広く普及させることが困難であった。【００２２】  特許文献５〜７に開示されたアンモニア燃焼内燃機関では、特許文献１及び２に開示されたアンモニア燃焼内燃機関と同様な問題を抱えて���り、アンモニア燃焼内燃機関の耐久性の観点から実用化が困難であった。【００２３】  特許文献８で開示されたエンジンシステムでは、アンモニア生成改質器において、エンジンの排ガスの熱エネルギーを利用して尿素水を分解してアンモニアを生成し、アンモニアの少なくとも一部を水素生成改質器で分解して水素を得てアンモニアと水素との混合ガスを吸気管に供給する構成を採用している。上述のように、ディーゼルトラック・バスや乗用車等の自動車が市街地で運行される際には、頻繁に低速走行が行われてエンジン出力が低い運転状態となる。そのため、市街地走行では、排気温度が連続して高温に維持されることが少なく、尿素水の分解に必要な熱エネルギーが不十分となり、尿素水からアンモニアを安定的に生成することが困難であった。そのことは特許文献３に開示された発明からも明白であり、アンモニア生成改質器の性能及び信頼性を実用化レベルにまで引き上げることは困難であった。このように、エンジンの排ガスの熱エネルギーのみを利用して尿素水からアンモニアを安定的に生成するためには解決しなければならない課題が多く、従って、エンジンシステムの実用化は極めて困難であった。【００２４】  特許文献９〜１４に開示されたアンモニア燃焼内燃機関では、特許文献１及び２に開示されたアンモニア燃焼内燃機関と同様な問題を抱えており、アンモニア燃焼内燃機関の耐久性という観点から実用化が困難であった。【００２５】  特許文献１５に開示されたアンモニア燃焼内燃機関では、アンモニアタンク及び水素タンクが採用されているが、これらは何れもタンク容量が必然的に大きくなり、取り扱いが困難であって危険性が高いものであった。このため、自動車等の車両にかような内燃機関を採用した場合には、車両の衝突時におけるタンクの安全対策が大きな課題となり、実用化が困難であった。【００２６】  特許文献１６に開示されたガスタービンでは、カーボンフリー燃焼器の混合ノズルからアンモニアを燃焼室内に噴射するように構成されている。この構成では、カーボンフリー燃焼器から低温のアンモニアが噴射された際に、アンモニアの気化熱が大きいためにカーボンフリー燃焼器や供給空気が冷却されて十分な熱が混合気に与えられなくなり、アンモニアの気化が不十分となり、均一な混合気が生成されず、アンモニアを完全燃焼させることは困難であった。その対策として、ガスタービンの始動時及び始動直後にはアンモニアよりも燃焼性の高い燃料を供給していた。したがって、始動時及び始動直後にもアンモニアを完全燃焼させることが可能なガスタービンの実用化が困難であった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２７】  本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、次世代カーボンフリー燃焼器、次世代カーボンフリーエンジン及びこれを利用した次世代カーボンフリー発電装置並びに次世代カーボンフリー燃焼器、次世代カーボンフリーエンジン及びこれを利用した次世代カーボンフリー発電装置に利用される尿素水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】
【００２８】  上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、次世代カーボンフリー燃焼器が、水素リッチアンモニアの原料として尿素水を供給する尿素水供給源に接続された燃焼部ケーシングと、前記燃焼部ケーシングに形成されていて前記高温水素リッチアンモニアと前記燃焼用空気とを燃焼させて前記高温燃焼ガスを生成する燃焼室と、前記高温燃焼ガスの熱エネルギーの一部を熱源として前記尿素水から高温アンモニアガスをオンデマンドにて生成すると共に前記高温アンモニアガスの一部を水素と窒素に転化して高温水素リッチガスを生成する水素リッチアンモニア生成器と、前記高温アンモニアガスの残部と前記高温水素リッチガスとの混合ガスを前記高温水素リッチアンモニアとして前記燃焼室に供給する水素リッチアンモニア供給ラインとを備え、前記水素リッチアンモニア生成器が、前記燃焼室に配置されていて前記燃焼ガスの熱エネルギーの一部を熱源として加熱される伝熱部材と、前記伝熱部材に配置されていて前記燃焼ガスの熱エネルギーの存在下で前記尿素水を加水分解して前記高温アンモニアガスを生成する加水分解部と、前記伝熱部材に配置されていて前記燃焼ガスの熱エネルギーの存在下で前記高温アンモニアガスの一部を前記高温水素リッチガスに転化するアンモニア分解部とを備えることを要旨とする。【００３０】  請求項２に記載された発明によれば、請求項１記載の構成に加えて、前記加水分解部が、前記伝熱部材に収納されていて複数の乱流発生通路を形成し、前記前記加水分解部における前記尿素水の滞留時間を延長する複数の固形状伝熱体を備えることを要旨とする。【００３１】  請求項３に記載された発明によれば、次世代カーボンフリーエンジンが、高温水素リッチアンモニアと燃焼用空気とを燃焼させて高温燃焼ガスを生成するカーボンフリー燃焼器と、前記水素リッチアンモニアの原料として尿素水を供給する尿素水供給源を備えた燃料供給システムと、前記高温燃焼ガスにより作動して出力軸から動力を得る熱機関とを備え、前記カーボンフリー燃焼器が、燃焼部ケーシングと、前記燃焼部ケーシングに形成されていて前記高温水素リッチアンモニアと前記燃焼用空気とを燃焼させて前記高温燃焼ガスを生成する燃焼室と、前記高温燃焼ガスの熱エネルギーの一部を熱源として前記尿素水から高温アンモニアガスをオンデマンドにて生成すると共に前記高温アンモニアガスの一部を水素と窒素に転化して高温水素リッチガスを生成する水素リッチアンモニア生成器と、前記高温アンモニアガスの残部と前記高温水素リッチガスとの混合ガスを前記高温水素リッチアンモニアとして前記燃焼室に供給する水素リッチアンモニア供給ラインとを備え、前記水素リッチアンモニア生成器が、前記燃焼室に配置されていて前記燃焼ガスの熱エネルギーの一部を熱源として加熱される伝熱部材と、前記伝熱部材に配置されていて前記燃焼ガスの熱エネルギーの存在下で前記尿素水を加水分解して前記高温アンモニアガスを生成する加水分解部と、前記伝熱部材に配置されていて前記燃焼ガスの熱エネルギーの存在下で前記高温アンモニアガスの一部を前記高温水素リッチガスに転化するアンモニア分解部とを備えることを要旨とする。【００３３】  請求項４に���載された発明によれば、請求項３記載の構成に加えて、前記水素リッチアンモニア生成器に接続されたパージガス供給手段と、前記次世代カーボンフリーエンジンの停止時に前記パージガス供給手段からパージガスを前記水素リッチアンモニア生成器に供給して残留ガスを排出させる開閉弁とをさらに備えることを要旨とする。【００３４】  請求項５に記載された発明によれば、請求項３又は４記載の構成に加えて、前記燃料供給システムが、前記水素リッチアンモニアの一部を一時的に貯蔵する補助燃料貯蔵タンクと、前記補助燃料貯蔵タンクの水素リッチアンモニアを前記燃焼室に供給するための開閉弁とを備えることを要旨とする。【００３５】  請求項６に記載された発明によれば、請求項３〜５のいずれかの構成に加えて、前記燃料供給システムが、前記尿素水供給タンクとは独立して設けられた炭素質燃料タンクと、前記炭素質燃料タンクの炭素質燃料を前記燃焼室に供給する流量制御弁とを備えることを要旨とする。【００３６】  請求項７に記載された発明によれば、請求項３〜５のいずれかの構成に加えて、前記熱機関が、空気を圧縮して前記燃焼用空気を生成する圧縮器と、前記圧縮器に連結された出力軸と、前記出力軸に連結されていて、前記カーボンフリー燃焼器からの前記高温燃焼ガスにより作動するタービンとを備えることを要旨とする。【００３７】  請求項８に記載された発明によれば、次世代カーボンフリー発電装置が、高温水素リッチアンモニアと燃焼用空気とを燃焼させて高温燃焼ガスを生成するカーボンフリー燃焼器と、前記水素リッチアンモニアの原料として尿素水を供給する尿素水供給源を備えた燃料供給システムと、前記高温燃焼ガスにより作動して出力軸から動力を得る熱機関と、前記熱機関の動力により発電する発電機と、を備え、前記カーボンフリー燃焼器が、前記熱機関に支持された燃焼部ケーシングと、前記燃焼部ケーシングに形成されていて前記高温水素リッチアンモニアと前記燃焼用空気とを燃焼させて前記高温燃焼ガスを生成する燃焼室と、前記高温燃焼ガスの熱エネルギーの一部を熱源として前記尿素水から高温アンモニアガスをオンデマンドにて生成すると共に前記高温アンモニアガスの一部を水素と窒素に転化して高温水素リッチガスを生成する水素リッチアンモニア生成器と、前記高温アンモニアガスの残部と前記高温水素リッチガスとの混合ガスを前記高温水素リッチアンモニアとして前記燃焼室に供給する水素リッチアンモニア供給ラインとを備え、前記水素リッチアンモニア生成器が、前記燃焼室に配置されていて前記燃焼ガスの熱エネルギーの一部を熱源として加熱される伝熱部材と、前記伝熱部材に配置されていて前記燃焼ガスの熱エネルギーの存在下で前記尿素水を加水分解して前記高温アンモニアガスを生成する加水分解部と、前記伝熱部材に配置されていて前記燃焼ガスの熱エネルギーの存在下で前記高温アンモニアガスの一部を前記高温水素リッチガスに転化するアンモニア分解部とを備えることを要旨とする。【００３８】  請求項９に記載された発明によれば、前記請求項１及び２記載の次世代カーボンフリー燃焼器、請求項３〜７のいずれかに記載の次世代カーボンフリーエンジン及び請求項１０記載の次世代カーボンフリー発電装置に利用される尿素水であって、前記尿素水が、アルカリ金属の水酸化物，炭酸塩及び珪酸塩からなる群から選ばれる１種以上を主成分とするアルカリ触媒溶液と、尿素と、水からなることを要旨とする。
【発明の効果】
【００３９】  請求項１記載の発明では、次世代カーボンフリー燃焼器が水素リッチアンモニア生成部を備えていて、燃焼室で発生した高温燃焼ガスの熱エネルギーの一部を利用して、極めて安全で取り扱いの容易な尿素水から高温アンモニアガスを生成し、さらに、高温燃焼ガスの熱エネルギーの存在下で高温アンモニアガスから高温水素リッチガスに転化することを可能にしている。このため、尿素水のアンモニアへの転換効率が高く、アンモニアの転換効率も高い。従って、高温水素リッチアンモニアの必要量を、常時、オンデマンドにて生成することが可能となる。即ち、カーボンフリー燃焼器の運転中に、カーボンフリー燃焼器の内部で尿素水から高温アンモニアガスを生成すると共に高温アンモニアガスの一部を高温水素リッチガスに転化してこれらの混合ガスを高温水素リッチアンモニアとしてカーボンフリー燃焼器内部に還流して燃焼させている。高温水素リッチアンモニアと燃焼用空気とは均一混合気を生成して完全燃焼を促進するため、未燃アンモニアがカーボンフリー燃焼器外部に漏洩することはなく、極めて安全性と信頼性が高い。その結果、温暖化ガスの排出源である化石燃料への依存度を大幅に削減して、地球温暖化防止に多大の貢献が可能となる。さらに、前記水素リッチアンモニア生成器が、前記燃焼室に配置されていて前記高温燃焼ガスの熱エネルギーの一部を熱源として加熱される伝熱部材を備え、前記伝熱部材に加水分解部とアンモニア分解部とが配置されている。この構成によれば、高温燃焼ガスの熱エネルギーの一部を利用して尿素水から高効率でアンモニアを得るとともに水素リッチガスを得て、水素リッチアンモニアを効率的に生成することができる。従って、化石燃料への依存度を著しく低下させ、地球温暖化対策に多いに貢献可能となる。【００４１】  請求項２記載の構成では、前記加水分解部が、前記伝熱部材に収納された複数の固形状伝熱体を備えているため、前記加水分解部に噴霧状に噴射された尿素水はガス状となって複数の固形状伝熱体に形成された複数の乱流発生通路を通過する。このため、ガス状尿素水の加水分解部における滞留時間が長くなって、効率的な加水分解が行われ、アンモニア転換効率が向上する。【００４２】  請求項３記載の構成では、次世代カーボンフリーエンジンが、カーボンフリー燃焼器を備える。カーボンフリー燃焼器が、燃焼室で発生した高温燃焼ガスの熱エネルギーの一部を利用して、直接、尿素水からアンモニアを高効率で生成し、その一部から水素リッチガスを生成して水素リッチアンモニアを生成し、これを燃焼室に還流する構成となっている。従って、エンジンの軽負荷運転領域から高負荷運転領域を含む全運転領域において、水素リッチアンモニアで熱機関を作動させることが可能となる。次世代カーボンフリーエンジンは極めて簡単な構造で低コスト生産が可能であり、広く普及させることができる。したがって、温暖化ガスの排出源である化石燃料への依存度を大幅に低下させることができ、地球温暖化防止に多大の貢献が可能となる。さらに、前記水素リッチアンモニア生成器が、前記燃焼室に配置されていて前記燃焼ガスの熱エネルギーの一部を熱源として加熱される伝熱部材を備え、前記伝熱部材に加水分解部とアンモニア分解部とが配置されているため、前記燃焼ガスの熱エネルギーの存在下で前記尿素水を容易に効率よく加水分解してアンモニアを得るとともに水素リッチガスの生成を可能とする。このように、従来必要とされた複雑な構造の改質器等を不要にして、燃焼室で生じた高温燃焼ガスの一部を利用して直接、尿素水からアンモニアと水素リッチガスとを生成してこれを水素リッチアンモニアとして燃焼室に供給する。したがって、少ない部品点数の構成部材により最大の効果を低コストで達成することが可能となる。【００４４】  請求項４記載の構成では、次世代カーボンフリーエンジンの停止時にパージガス供給手段からパージガスを水素リッチアンモニア生成器に供給しているため、水素リッチアンモニア生成器には尿素の水蒸気、アンモニア及び水素等の残留ガスが残らない。特に、尿素の水蒸気は外部からの熱エネルギーが絶たれると凝縮して水素リッチアンモニア生成器の内部において結晶化し目詰まりの原因となり、次回のエンジン始動時にトラブルとなるため、これをパージガスの導入によって未然に防止している。【００４５】  請求項５記載の構成では、補助燃料貯蔵タンクに一時的に水素リッチアンモニアを貯蔵し、エンジン始動時やエンジンの高負荷運転時に前記カーボンフリー燃焼器に水素リッチアンモニアを供給することが可能となる。この構成によれば、化石燃料への依存度を１００％無くすことができ、地球温暖化防止に多大の貢献が可能となる。また、エンジンの高負荷運転時に水素リッチアンモニアの供給量を増大することが可能となるため、エンジンの小型高性能化も可能となる。【００４６】  請求項６記載の構成では、前記燃料供給システムにおいて、前記炭素質燃料タンクから炭素質燃料を前記燃焼室に供給することができるため、水素リッチアンモニアと炭素質燃料との併用が可能となり、利便性が向上する。【００４７】  請求項７記載の構成では、前記熱機関が、空気を圧縮して前記燃焼用空気を生成する圧縮器と、前記圧縮器に連結された出力軸と、前記出力軸に連結されていて、前記カーボンフリー燃焼器からの前記高温燃焼ガスにより作動するタービンとを備えているため、化石燃料への依存度を大幅に抑制した次世代カーボンフリーガスタービンが実現可能となる。【００４８】  請求項８記載の構成では、次世代カーボンフリー発電装置が、カーボンフリー燃焼器で発生した高温燃焼ガスで作動する熱機関により駆動されて発電を行う。このため、温暖化ガスの排出源である化石燃料への依存度を大幅に低下させて発電させることができ、地球温暖化防止に多大の貢献が可能となる。また、水素リッチアンモニアの原料となる尿素は世界中、どこでも極めて低コストにて調達可能であるため、環境保全に貢献しながら低コストでの発電が可能となり、その経済効果は計り知れない。【００４９】  請求項９に記載された発明によれば、尿素水が、アルカリ金属の水酸化物，炭酸塩及び珪酸塩からなる群から選ばれる１種以上を主成分とするアルカリ触媒が添加された水溶液であるため、加水分解部が、例えば、８００℃以上の高温の燃焼ガスで加熱された際に、アルカリ触媒の存在下で尿素を効率よく加水分解してアンモニア生成効率が増大する。高温燃焼ガスの熱エネルギーの一部により尿素水が加熱されると、アルカリ触媒の存在下で、▲１▼式のように、熱分解する。熱分解により生成したイソシアン酸（ＨＮＣＯ）は、水蒸気と反応して加水分解し▲２▼式のようにＮＨ３とＣＯ２に転化する。４００℃以上の高温では、イソシアン酸がＨ２Ｏと反応し▲３▼式のようにＮＨ３とＣＯ２に加水分解される。なお、アンモニアの一部はアンモニア分解触媒の存在下で▲４▼式のように３Ｈ２とＮ２に転化され水素リッチアンモニアの一部となる。【００５０】
【化１】
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水素リッチアンモニアは、燃焼室で生ずる高温燃焼ガスの熱エネルギーの一部を熱源として利用してオンデマンドで生成されるため、化石燃料に１００％依存する必要はなく、環境保全に有効な対策となる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の第１実施例による、次世代カーボンフリー燃焼器を組み込んだ次世代カーボンフリーエンジンを利用した次世代カーボンフリー発電装置のブロック図を示す。
【図２】図１の次世代カーボンフリーエンジンの次世代カーボンフリー燃焼器の断面図を示す。
【図３】本発明の第２実施例による、次世代カーボンフリー燃焼器を組み込んだ次世代カーボンフリーエンジンのブロック図を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【実施例】
【００５２】  以下、本発明の実施例による次世代カーボンフリー燃焼器を組み込んだ次世代カーボンフリーエンジン１００により駆動される次世代カーボンフリー発電装置について図面に基づき詳細に説明する。次世代カーボンフリー発電装置１０において、次世代カーボンフリーエンジン１００は、周囲空気を圧縮して圧縮空気を生成するコンプレッサー及び高温燃焼ガスを膨張させて動力を発生させるエキスパンダーとしての双方の機能を備えたコンプレッサー兼エキスパンダー１１と、ガス案内路部材１２を介してコンプレッサー兼エキスパンダー１１に連結された次世代カーボンフリー（カーボンフリー）カーボンフリー燃焼器１３と、コンプレッサー兼エキスパンダー１１の出力軸１３２に駆動連結された発電機１４とを備える。【００５３】  コンプレッサー兼エキスパンダー１１は、エアーフィルターＡＦを介して吸入ポート１２６から吸入された周囲空気Ａｉをコンプレッサー機能により圧縮して圧縮空気ＣＡを生成する。コンプレッサー兼エキスパンダー１１の圧縮空気吐出ポート１３０は逆止弁ＣＶａ及び三方切替弁ＳＶａを介して始動・加速用アキュムレータＳＡと主空気供給ラインＣＡｍａに接続される。始動・加速用アキュムレータＳＡは始動・加速用開閉弁ＡＶａを介して主空気供給ラインＣＡｍａに接続される。三方切替弁ＳＶａの流路は、次世代カーボンフリーエンジン１００の低負荷時に切り替わって、圧縮空気ＣＡの一部を始動・加速用アキュムレータＳＡに貯蔵する。次世代カーボンフリーエンジン１００の始動・加速時には、始動・加速用開閉弁ＡＶａが開弁して、圧縮空気ＣＡを始動・加速用アキュムレータＳＡから主空気供給ラインＣＡｍａに送出する。主空気供給ラインＣＡｍａは三方切替弁ＳＶｂを介して次世代カーボンフリー燃焼器１３の空気供給部５０に接続される。さらに、コンプレッサー兼エキスパンダー１１は、高温ガス導入ポート１２４と排気ポート１２８を有する。高温ガス導入ポート１２４は、ガス案内路部材１２のガス案内路４４ａを介して次世代カーボンフリー燃焼器１３に接続されている。コンプレッサー兼エキスパンダー１１は、次世代カーボンフリー燃焼器１３から供給された高温燃焼ガスＨＰＧを膨脹して動力を発生させ、出力軸１３２を介して発電機１４を駆動することにより発電出力を得る。図１において、コンプレッサー兼エキスパンダー１１は模式的に図示されているもので、コンプレッサー兼エキスパンダー１１は、本願発明者と同一発明者の特許出願第２０１１−２９０７２０号「回転式流体機械」又は平成２４年５月○○日出願で本願発明者と同一発明者による特許出願第２０１１−○○○○○号「ロータリー熱機関及びロータリー熱機関駆動発電装置」に開示されたものと同一構造を有するため、詳細な説明を省略する。【００５４】  次世代カーボンフリー燃焼器１３は、尿素水供給タンクＵＷＴを有する燃料供給システムＦＳＳと、尿素水ＵＷが供給される尿素水噴射ノズル１５と、混合気生成部４０と、空気供給部５０と、燃料供給部６０と、水素リッチアンモニア生成器７０とを備える。尿素水噴射ノズル１５は尿素水供給ポンプＵＷＰ及び流量制御弁ＦＣＶｕを介して尿素水供給タンクＵＷＴに接続される。尿素水供給タンクＵＷＴには、水素リッチアンモニアの原料として５５乃至９５％濃度、好ましくは、７５乃至９０％濃度の尿素を含有する尿素水ＵＷが貯蔵される。尿素水には、ＮａＯＨ、ＫＯＨ、Ｎａ２ＣＯ３、Ｋ２ＣＯ３、Ｎａ２ＳｉＯ３及びＫ２ＳｉＯ３からなる群から選ばれる１種以上を主成分とするアルカリ触媒が添加される。尿素の濃度が５５％以下では、水分量が多すぎて水素リッチアンモニアの熱カロリーが少ないため、十分なトルク出力が得られない。尿素の濃度が９５％以上では、尿素水の粘度が高くなりすぎて送出ラインの管抵抗が大きくなり、尿素水の送出が困難となるためである。尿素水噴射ノズル１５は、次世代カーボンフリー燃焼器１３の高温燃焼ガスの熱エネルギーの一部を熱源とする、水素リッチアンモニア生成器７０と連通していて、尿素水を加水分解してアンモニアを生成し、アンモニアの一部を水素と窒素に転化して水素リッチガスを生成する。アンモニアの残部と水素リッチガスは混合されて水素リッチアンモニア供給ライン２５を介して水素リッチアンモニアＨＲＡを送出する。水素リッチアンモニア供給ライン２５は、三方切替弁ＳＶｃを介してコンプレッサーＣＭＰ及び逆止弁ＣＶｆを経由して補助燃料貯蔵タンクＡＦＴに接続される。水素リッチアンモニア供給ライン２５は、さらに、三方切替弁ＳＶｃ及び水素リッチアンモニア供給ライン２５ａを介して次世代カーボンフリー燃焼器１３の燃料供給部６０に接続されている。三方切替弁ＳＶｃは、次世代カーボンフリーエンジン１００の低負荷時に切り替わって、水素リッチアンモニアＨＲＡの一部を補助燃料貯蔵タンクＡＦＴに貯蔵される。次世代カーボンフリーエンジン１００の始動時には、三方切替弁ＳＶｃは切り替わって、補助燃料貯蔵タンクＡＦＴから開閉弁ＦＣＶｆを介して燃料供給部６０に水素リッチアンモニアＨＲＡを送出する。次世代カーボンフリーエンジン１００の高負荷時には、開閉弁ＦＣＶｆがコントローラ１９により開弁されて、補助燃料貯蔵タンクＡＦＴから水素リッチアンモニアを追加的に燃料供給部６０に供給する。このように、補助燃料貯蔵タンクＡＦＴの水素リッチアンモニアＨＲＡはエンジンの始動用並びに高負荷運転用に利用される。【００５５】  次世代カーボンフリーエンジン１００の停止時に於ける尿素の結晶による水素リッチアンモニア生成器７０の目詰まり抑制を目的として、水素リッチアンモニア生成器７０の尿素水噴射ノズル１５にはパージガス供給ラインＣＡ２を介して三方切替弁ＳＶｂに接続されている。次世代カーボンフリーエンジン１００の停止時において、三方切替弁ＳＶｂの流路が切り替わって圧縮空気ＣＡをパージガスとして尿素水噴射ノズル１５から水素リッチアンモニア生成器７０に供給し、末反応尿素や残留アンモニア等の残留成分を水素リッチアンモニア生成器７０から排出して混合気生成部４０を介して次世代カーボンフリー燃焼器１３に供給して燃焼させるようにしている。【００５６】  図１において、次世代カーボンフリーエンジン１００は、アキュムレータＳＡの圧力を検出して圧力信号を出力する圧力センサーＳ１と、次世代カーボンフリー燃焼器１３の高温燃焼ガスＨＰＧの圧力を検出して圧力信号を出力する圧力センサーＳ２と、次世��カーボンフリー燃焼器１３の作動温度を検出して温度信号を出力する温度センサＳ３と、補助燃料貯蔵タンクＡＦＴの圧力を検出して圧力信号を出力する圧力センサＳ４と、次世代カーボンフリーエンジン１００のカレンダーデータ、設定入力データ等の入力パラメータを入力するための入力装置１７と、コントローラ１９とを備える。【００５７】  図２に示すように、次世代カーボンフリー燃焼器１３は、ステンレス等の耐腐食性金属から製造されていて、エンジンハウジング１８と発電機１４との間において配置された円筒状燃焼部ケーシング３６を備える。燃焼部ケーシング３６は、出力軸１３２の外形よりも大きな内径の内周壁３７ａを有するインナースリーブ３７を備える。燃焼部ケーシング３６には、出力軸１３２の中心軸に対して垂直な平面領域において外周部から中心軸に向かってインナースリーブ３７まで延びるように形成されたスパイラル燃焼室３８と、スパイラル燃焼室３８の上流側端部３８ａに配置されていて、圧縮空気ＣＡと水素リッチアンモニアＨＲＡとの混合気を生成する混合気生成部４０と、混合気生成部４０に隣接して配置されていて混合気を着火させるセラミックヒータ等から成る着火部４２と、インナースリーブ３７に隣接するようにスパイラル燃焼室３８の後流側端部３８ｃに形成されていて、高温燃焼ガスＨＰＧをロータリー熱機関１００に供給する高圧ガス噴出ポート４４とを備える。【００５８】  図２において、次世代カーボンフリー燃焼器１３の混合気生成部４０は、ステンレス等の耐腐食性金属から製造されていて圧縮空気流通路として機能する円筒状アウターチューブからなる空気供給部５０と、燃料供給部６０とを備える。燃料噴射ノズルとして機能する円筒状インナーチューブ５２がステンレス等の耐腐食性金属から製造されていて、空気供給部５０の内部においてこれと同心的に延びている。空気供給部５０は、圧縮空気の高速旋回流を発生させながら、燃料と混合して混合気を生成する旋回流衝突部５４とを備える。空気供給部５０は、圧縮空気流通路として機能する環状圧縮空気噴流チャンバ５５と、環状圧縮空気噴流チャンバ５５内に圧縮空気ＣＡを案内するための圧縮空気導入ポート５６と、環状圧縮空気噴流チャンバ５５の先端部に形成された円錐状の高速流発生部５８とを備える。【００５９】  円筒状インナーチューブ５２の端部は、ステンレス等の耐腐食性金属から製造されていて、水素リッチアンモニアＨＲＡが供給される燃料供給部６０に接続される。円筒状インナーチューブ５２の先端部は、環状圧縮空気噴流チャンバ５５の高速流発生部５８に隣接して配置されていて圧縮空気の旋回流を発生させる旋回流発生部５９を形成する複数の旋回流発生ブレード６２と、複数の旋回流発生ブレード６２にそれぞれ隣接して円錐状高速流発生部５８に開口する第１燃料噴射口６４と旋回流衝突部５４に開口する第２燃料噴射口６５と、円筒状インナーチューブ５２の中間部に配置されていて燃料に対して旋回流Ｖｓを発生させる旋回流発生部材６６とを備える。旋回流発生ブレード６２により生じた圧縮空気ＣＡの旋回流に対して第１燃料噴射口６４から燃料が噴射されると、圧縮空気ＣＡの旋回流との衝突によって圧縮空気ＣＡと燃料とは均一に��合されて混合気ＡＦＭが生成される。スパイラル燃焼室３８には、旋回流衝突部５４から所定間隔で離れた位置に配置された乱流発生バッフル部材６７が配置される。乱流発生バッフル部材６７は燃焼ガス噴出開口部６７ａが形成された中央部を有する。高温燃焼ガスＨＰＧの一部は乱流発生バッフル部材６７の壁面に衝突して、旋回流衝突部５４側に反転して反転流ｆ１となり、旋回流衝突部５４から噴出する混合気と接触混合して燃焼促進が行われる。【００６０】  図２において、水素リッチアンモニア生成器７０は、円筒状燃焼部ケーシング３６の径方向内側においてスパイラル燃焼室３８の燃焼ゾーン３８ａに沿って配置されていて、スパイラル燃焼室３８を通過する高温燃焼ガスＨＰＧの熱エネルギーを受熱する、ステンレス等の耐腐食性金属からなる伝熱部材７１と、乱流発生バッフル部材６７に隣接した位置において円筒状燃焼部ケーシング３６と伝熱部材７１との間に形成されていて尿素水噴射ノズル１５から噴射された尿素水の蒸気を発生する蒸発部７２と、蒸発部７２の下流側に配置されていて伝熱部材７１から受熱した高温燃焼ガスの熱エネルギーを蓄熱して尿素水の蒸気に乱流を発生させながら通過させる市販の直径２．５ｍｍ〜８ｍｍのステンレスボール又はセラミックボール等からなる複数の固形状伝熱体ＳＢを内蔵し、伝熱体ＳＢに伝達された高温燃焼ガスの熱エネルキーを利用して尿素水の蒸気を加水分解してアンモニアを発生させる加水分解部７３と、加水分解部７３の下流側に配置されていてアンモニアの一部を分解して窒素と水素に転化して水素リッチガスを生成するためのアンモニア分解触媒ＡＣＣを内蔵したアンモニア分解部７４とを備える。アンモニア分解触媒としては、例えば、イタリア国ＳＡＥＳ  ＧＥＴＴＥＲＳ社製アンモニア分解触媒ＳＴ９０９（ＺｒＭｎＦｅ合金）、日揮触媒化成製のニッケル触媒Ｎ１３４，  Ｎ１３５及びＮ１３５Ｌが使用される。蒸発部７２と加水分解部７３との間において、伝熱部材７１に径方向外側に延びていて蒸発部７２から加水分解部７３に流入する尿素水の蒸気の流量を制限するオリフィス７５ａ等からなる第１流量制限部材７５が形成される。同様に、加水分解部７３とアンモニア分解部７４との間にはオリフィス７６ａを有する第２流量制限部材７６が形成されていて、アンモニアの一部をアンモニア分解部７４に流入させる。水素リッチアンモニア供給ラインに供給されるアンモニアと水素リッチガスの流量比を制御するために、流量制御弁（図示せず）をアンモニア供給ライン２１ａと水素リッチガス供給ライン２３ａにそれぞれ設置して予めコントローラ１９にプログラムされた制御ソフトに従ってこれら流量制御弁の開度を変化させるようにしてしても良い。【００６１】  次に、図１及び図２に示した次世代カーボンフリーエンジン１００に組み込んだ次世代カーボンフリー燃焼器１３の作動について説明する。【００６２】  次世代カーボンフリーエンジン１００の始動時において、コントローラ１９から空気供給指令信号ＣＭ１、ＣＭ２が出力される。この時、三方切替弁ＳＶａ、ＳＶｂが切り替わり、始動・加速用アキュムレータＳＡの圧縮空気ＣＡが三方切替弁ＳＶｂ及び主空気供給ラインＣＡｍａを介して次世代カ���ボンフリー燃焼器１３の空気供給部５０に供給される。一方、コントローラ１９から始動燃料供給指令信号ＣＭ３が出力される。この時、開閉弁ＦＣＶｆが開弁されて補助燃料貯蔵タンクＡＦＴから水素リッチアンモニアＨＲＡが次世代カーボンフリー燃焼器１３の燃料供給部６０に供給される。図２において、圧縮空気ＣＡと水素リッチアンモニアは混合気生成部４０で混合気ＡＦＭとなり、着火指令信号ＣＭ４に応答して着火部４２により着火されて高温燃焼ガスＨＰＧが発生する。高温燃焼ガスＨＰＧは高圧ガス吐出ポート４４から吐出してガス案内路部材１２のガス案内路４４ａを通過して次世代カーボンフリーエンジン１００のコンプレッサー兼エキスパンダー１１に供給され、次世代カーボンフリーエンジン１００は高温燃焼ガスＨＰＧを膨脹させて起動する。【００６３】  図２より明らかなように、次世代カーボンフリーエンジン１００の始動時において、スパイラル燃焼ゾーン３８ａを通過する高温燃焼ガスＨＰＧは水素リッチアンモニア生成器７０を加熱する。燃焼部ケーシング３６が水素リッチアンモニア生成器７０の作動可能温度に相当する、所定温度、例えば、８００℃に達したときに、即ち、温度センサＳ３から出力された温度信号がコントローラ１９に記憶された所定温度と一致した時に、コントローラ１９から尿素水供給開始指令信号ＣＭ５、ＣＭ６が出力される。【００６４】  尿素水供給開始指令信号ＣＭ５、ＣＭ６に応答して、尿素水供給ポンプＵＷＰが起動されると同時に流量制御弁ＦＣＶｕが開弁する。この時、尿素水供給タンクＵＷＴから尿素水ＵＷが尿素水噴射ノズル１５に供給されて蒸発部７２に噴霧状に噴射される。噴霧状の尿素水は蒸発部７２の壁部に衝突して効率的に蒸発する。尿素水の蒸気は第１流量制限部材７５のオリフィス７５ａを経て加水分解部７３に流入し、加熱された複数の伝熱体ＨＴＢの表面に順次、接触してアルカリ触媒の存在下で効率的に加水分解が行われ、アンモニアが生成される。アンモニアの一部は第２流量制限部材７６のオフィフィス７６ａを介してアンモニア分解部７４に流入してアンモニア分解触媒ＡＣＣと接触して水素と窒素からなる水素リッチガスＨＲＧを生成する。アンモニアの残部はアンモニアアウトレット２１から取り出されて水素リッチアンモニア供給ライン２１ａを流通し、一方、水素リッチガスＨＲＧは水素リッチガス供給ライン２３ａを流通し、これら２つの燃料成分は接合ポイントでＭｘｐで混合されて水素リッチアンモニアＨＲＡとなり、水素リッチアンモニアＨＲＡは水素リッチアンモニア供給ライン２５を経て送出され、三方切替弁ＳＶｃの開度がコントローラ１９の流量制御指令信号ＣＭ４に応答して制御されることにより、水素リッチアンモニアＨＲＡの流量が制御されて燃料供給部６０に供給される。【００６５】  次世代カーボンフリーエンジン１００の運転完了（停止）時には、コントローラ１９からのエンジン停止指令信号ＣＭ６が出力される。すると、尿素水供給ポンプＵＷＰがオフとなり、流量制御弁ＦＣＶｕが閉弁し、次世代カーボンフリー燃焼器１３への尿素水の供給が遮断される。この時、コントローラ１９から所定のパージ期間（例えば、１５秒間）、パージ指令信号が出力され、流量���御弁ＣＶ２，ＣＶ４，ＣＶ５及ＣＶ６が開弁される。流量制御弁ＣＶ６が開弁されると、圧縮空気が尿素水噴射ノズル１５を介して水素リッチアンモニア生成器７０にパージガスとして導入される。このため、水素リッチアンモニア生成器７０の未反応尿素や残留ガスがパージされて、水素リッチアンモニア供給ライン２５及び流量制御弁ＣＶ２を介して混合気生成部４０に供給される。この時、ポンプＰ１を駆動するとともに流量制御弁ＣＶ１及び流量制御弁ＣＶ２を開弁して水素リッチアンモニアＨＲＡを混合気生成部４０に供給しれ、圧縮空気と水素リッチアンモニアＨＲＡとの混合気とパージガスとが混合され、着火されて燃焼する。【００６６】  図３は本発明の次世代カーボンフリー燃焼器１３を組み込んだ次世代カーボンフリーエンジン１００Ａにより駆動される次世代カーボンフリー発電装置１０Ａのブロック図を示し、図１及び図２に示した実施例の次世代カーボンフリー燃焼器１３と同一又は類似の構成部品については同一の符号を用いて説明する。図３に示した次世代カーボンフリーエンジン１００Ａと図１に示した次世代カーボンフリーエンジン１００とは、図３に示した次世代カーボンフリーエンジン１００Ａはコンプレッサー兼エキスパンダー１１に代えてガスタービンエンジンを備え、さらに、図１に示した次世代カーボンフリーエンジン１００における始動・加速用アキュムレータＳＡと補助燃料貯蔵タンクＡＦＴの代わりに、図３に示した次世代カーボンフリーエンジン１００Ａでは燃料供給システムＦＳＳＡがデュアル燃料システムを採用している点において異なる。したがって、上記の相違点に基づいて、以下に説明する。【００６７】  図３において、ガスタービンエンジン１００Ａは、周囲空気Ａｉを圧縮して圧縮空気ＣＡを生成する圧縮器２００と、次世代カーボンフリー燃焼器１３と、次世代カーボンフリー燃焼器１３から供給された高温燃焼ガスＨＰＧによって作動するタービン（エキスパンダー）４００と、圧縮器２００とタービン４００との連結された出力軸１３２とを備え、圧縮器２００は出力軸１３２を介してタービン４００で発生した動力により駆動される。【００６８】  図３において、デュアル燃料システムＦＦＳＡは尿素水供給タンクＵＷＴと、炭素室燃料タンク６００と、燃料ポンプ６０２とを備える。炭素室燃料タンク６００の燃料としては、天然ガス、重油又は灯油等の化石燃料や廃食用油等のバイオオマス燃料等炭素質燃料ＢＦが貯蔵される。図１に示した第１実施例の次世代カーボンフリーエンジン１００と同様に、尿素水供給タンクＵＷＴから尿素水が尿素水供給ポンプＵＷＰ及び流量制御弁ＦＣＶＵを介して送出され、尿素水は次世代カーボンフリー燃焼器１３の尿素水噴射ノズル１５から水素リッチアンモニア生成器７０に導入されてアンモニアと水素リッチガスが生成され、アンモニアと水素リッチガスからなる水素リッチアンモニアが水素リッチアンモニア供給ライン２５を介して取り出される。水素リッチアンモニア供給ライン２５と燃料ポンプ６０２との間にはサーボモータ制御の三方切替弁６０４が配置され、三方切替弁６０４はコントローラ１９からの燃料配分比制御指令信号に応じて水素リッチアンモニアＨＲＡと炭素質燃料ＢＦ���の配分比が定められる。【００６９】  以上、本発明の各実施例を図面に基づいて説明したが、これ等はあくまでも一実施形態を示すものであり、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を加えた態様で実施することが出来る。【００７０】  例えば、第１実施例の次世代カーボンフリーエンジンのカーボンフリー燃焼器において、加水分解部及びアンモニア分解部を伝熱部材内に収納したものとして示したが、伝熱部材を円弧状のステンレスパイプにより形成して、その中に加水分解部とアンモニア分解部とを収納しても良い。また、水素リッチアンモニア生成器は燃焼室と同一平面に配置されたものとして示したが、燃焼部ケーシングを変形して、燃焼室の背面側に水素リッチアンモニア生成器を配置するように形成しても良い。また、燃焼室はスパイラル燃焼室からなるものとして説明したが、トロイダル形状に変更しても良い。【００７１】  第１実施例の次世代カーボンフリーエンジンにおいて、燃料供給システムは補助燃料貯蔵タンクを備えたものとして示したが、第２実施例の次世代カーボンフリーエンジンのように補助燃料貯蔵タンクの代わりに第２燃料貯蔵タンクを配置して第２燃料貯蔵タンクから供給された炭素質燃料と水素リッチアンモニアとを併用で燃焼させるように変形しても良い。これら燃料の配分比は燃料価格その他の条件に応じて自由に定めても良い。
【符号の説明】
【００７２】１０…次世代カーボンフリー発電装置；１１…コンプレッサー兼エキスパンダー；１２…ガス案内路部材；１３…次世代カーボンフリー燃焼器；１４…発電機；ＵＷＴ…尿素水供給タンク；ＳＶａ〜ＳＶｃ…三方切替弁；１５…尿素水噴射ノズル；ＳＡ…始動・加速用アキュムレータ；ＡＦＴ…補助燃料貯蔵タンク；１７…入力装置；１９…コントローラ；３６…燃焼部ケーシング；３８…スパイラル燃焼室；４０…混合気生成部；４２…着火部；４４…高圧ガス噴出ポート；５０…空気供給部；５２…円筒状インナーチューブ；５４…旋回流衝突部；７０…水素リッチアンモニア生成器；２００…空気圧縮器；４００…タービン；６００…炭素質燃料タンク；６０４…三方切替弁
【要約】      （修正有）【課題】次世代カーボンフリー燃焼器、次世代カーボンフリーエンジン及びこれを利用した次世代カーボンフリー発電装置並びに燃焼器に利用される尿素水を提供する。【解決手段】水素リッチアンモニアと燃焼用空気とを燃焼させて高温燃焼ガスを生成する燃焼器１３が設けられ、高温燃焼ガスを生成するカーボンフリー燃焼室３８と、高温燃焼ガスの熱エネルギーの一部を熱源として加熱されて尿素水からアンモニアをオンデマンドにて生成すると共にアンモニアの一部を水素と窒素に転化して水素リッチガスを生成する水素リッチアンモニア生成器７０とアンモニアの残部と水素リッチガスとの混合ガスを水素リッチアンモニアとしてカーボンフリー燃焼室に供給する水素リッチアンモニア供給ライン２５とを備え、次世代カーボンフリー発電装置１０は発電機１４を備え、尿素水を基に水素リッチアンモニアをオンデマンドで高効率に生成して地球温暖化防止に貢献する。【選択図】図２【図１】
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【図２】
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【図３】
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