(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
触媒を用いた反応によって水素含有媒体から発生した水素、または、前記水素と前記水素含有媒体との混合物を燃料とするエンジンシステムであって、
前記エンジンシステムは、前記触媒を用いて反応を生じさせる反応器を備え、
前記反応器は、前記エンジンシステムの複数の排気通路と複数の燃料通路とが壁を介して交互に配設されることによって構成され、
前記燃料通路の少なくとも一つには、その内部に、前記触媒を担持する板状に形成された担体が少なくとも一つ間挿されており、
前記担体は、
その面が前記燃料の流れ方向に沿うように配設され、前記燃料通路内を分割してプレート燃料通路を並列に形成するプレート部と、
前記プレート部により並列に形成された前記プレート燃料通路間を連通し、前記燃料の流れ方向に前記プレート部の面を分断する少なくとも一つのスリット部と、を備えている
ことを特徴とするエンジンシステム。
【請求項２】
前記スリット部を間にして対向する分断された前記プレート部同士を橋設する少なくとも一つの接続部を備えている
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】
前記プレート部の少なくとも一つの面には、複数の突起が形成されている
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のエンジンシステム。
【請求項４】
前記担体は、前記燃料の流れと直角方向に前記プレート部の面を分断する少なくとも一つの第２スリット部を備えている
ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のエンジンシステム。
【請求項５】
前記スリット部と前記第２スリット部との間には、対向する分断された前記プレート部同士を橋設する少なくとも一つの接続部を備えている
ことを特徴とする請求項４に記載のエンジンシステム。
【請求項６】
前記担体は、前記燃料の流れ方向と直交方向に所定の間隔を空けて複数積層され、
少なくとも隣り合う前記担体の前記スリット部または／および前記第２スリット部は、略同位置に形成されている
ことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のエンジンシステム。
【請求項７】
前記担体が複数積層された担体積層は、前記燃料の流れ方向に沿って、所定の間隔を空けて複数配設されている
ことを特徴とする請求項６に記載のエンジンシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンシステムに関する。詳しくは、触媒を用いた反応によって水素含有媒体から発生した水素、または、前記水素と前記水素含有媒体との混合物を燃料とするエンジンシステムに係る。
【背景技術】
【０００２】
ガソリンを燃料とするエンジンシステムは、二酸化炭素を排出するため、地球温暖化対策の代替燃料として水素が注目されている。しかし、水素は、可燃性物質であり、爆発性が高いことから取り扱いが難しい。特に、水素を気体状態または液体状態で保存することは、技術的にも高度であり、保存容器の重量面や安全面からも難しい技術となっている。
【０００３】
そこで、水素を水素媒体に含ませた状態で貯留し、必要なときに化学反応を利用して水素ガスを取り出し、この水素ガスをエンジンシステムに供給する技術が開発されている。しかし、この化学反応は吸熱反応であることから、化学反応を進行させるには恒常的な熱源を必要とする。例えば、ガソリンを燃料とするエンジンシステムを搭載した自動車において、前記した化学反応を伴う水素ガスを供給するエンジンに代替するときには、エンジンの排気ガスを熱源として利用する方法が提案されている（特許文献１）。
【特許文献１】特開２００５−２９９４９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このようなエンジンシステムの反応器は、エンジンの排気ガスによって高温環境に置かれることとなり、場合によっては、局所的な温度差もしくは線膨張係数の異なる材料の組み合わせに起因する反応器の各部の熱膨張の違いのため、反応器自体に熱変形を生ずるおそれがある。変形が激しい場合には、複数の燃料流路や排気ガス流路の断面が不均一となることから、排気ガスから供給される熱量も不均一となり、反応器全体としての反応効率が低下するおそれがある。
【０００５】
種々の産業分野において反応器と同様な伝熱機構を有する熱交換器の技術は、公知とはなっているが、前記したような自動車に搭載するような特別な環境に基づいたものではなく、コンパクト化を求められているエンジンシステムが大型化や複雑化することを回避することは困難である。
【０００６】
本発明は、反応器の熱変形の影響を少なくすることができる、触媒を用いた反応によって水素含有媒体から発生した水素、または、前記水素と前記水素含有媒体との混合物を燃料とする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】
前記課題を解決するため、本発明は、触媒を用いた反応によって水素含有媒体から発生した水素、または、前記水素と前記水素含有媒体との混合物を燃料とするエンジンシステムであって、前記エンジンシステムは、前記触媒を用いて反応を生じさせる反応器を備え、前記反応器は、前記エンジンシステムの複数の排気通路と複数の燃料通路とが壁を介して交互に配設されることによって構成され、前記燃料通路の少なくとも一つには、その内部に、前記触媒を担持する板状に形成された担体が少なくとも一つ間挿されており、前記担体は、その面が前記燃料の流れ方向に沿うように配設され、前記燃料通路内を分割してプレート燃料通路を並列に形成するプレート部と、前記プレート部により並列に形成された前記プレート燃料通路間を連通し、前記燃料の流れ方向に前記プレート部の面を分断する少なくとも一つのスリット部と、を備えていることを特徴としている。
【０００８】
前記構成によれば、触媒を用いた反応によって水素含有媒体から発生した水素、または、前記水素と前記水素含有媒体との混合物を燃料とするエンジンシステムにおいて、反応器内における熱伝達環境の変動を小さくするスリットを反応器内の担体に形成することによって、反応器への熱変形の影響を少なくすることができる。
【発明の効果】
【０００９】
このようなエンジンシステムによれば、反応器への熱変形の影響を少なくし、反応器全体としての反応効率の低下を抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。図１は本実施形態に係るエンジンシステムの全体構成を示す説明模式図である。
本実施形態に係るエンジンシステム１００は、水素媒体を燃料とするエンジン１０を備えている。エンジン１０は、吸気管１１と排気管１２とが接続され、排気管１２の途中には反応器１が配設されている。
【００１１】
ここで、水素媒体とは、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およびその混合燃料や、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指す。以下の説明では、水素を化学的に貯蔵している媒体を「水素媒体」、水素を化学的に放出した後の媒体を「脱水素媒体」と呼ぶことにする。
【００１２】
燃料である水素媒体は水素媒体タンク１４からポンプ３０に流入する（矢印Ｆ０１）。そして、ポンプ３０によって加圧され、配管４１を通って反応器１に注入される（矢印Ｆ０２）。水素媒体は反応器１内において高温状態で触媒と接触することにより化学反応が促進され、分解して水素ガスと脱水素媒体との生成ガスを発生させる。
【００１３】
この生成ガスは配管４４を通り（矢印Ｆ０３）、分離装置１６に供給される。生成ガスは、冷却装置を備えた分離装置１６において、水素とそれ以外の脱水素媒体等に分離される。分離された脱水素媒体は配管４５を通って（矢印Ｆ０４）、脱水素媒体タンク１５に貯留される。一方、分離された水素は配管４６を通って（矢印Ｆ０５）、吸気管１１を介してエンジン１０の筒内（図示せず）に供給される。エンジン１０で燃焼した水素は高温の排気ガスとなって排気管１２を通り（矢印Ｆ０６）、熱源として反応器１に供給され、反応器１を通過した後、大気解放される（矢印Ｆ０７）。
【００１４】
図２は、反応器１の断面図であり、図１におけるＡ−Ａ断面を示している。反応器１の骨格は筐体５３で形成され、内部に排気通路５２と燃料通路５１とが隣り合って配設されている。詳しくは、反応器１は、矩形の流路断面を持つ排気通路５２と燃料通路５１とが筐体５３の壁を介して、交互に積層される構造となっている。このような反応器１の構成によれば、エンジン１０の排気の熱を排気通路５２から壁を介して隣り合う燃料通路５１へ伝達して、その伝熱によって水素媒体の脱水素反応を進行させるので、効率の良い熱交換を実現でき、反応器１の小型化を可能にしている。
【００１５】
また、脱水素反応は、高温であればあるほど反応速度が向上する。そこで、本実施形態では最外部（図２における最上部と最下部）の流路を排気通路５２とすることで、燃料通路５１の温度低下が防止されている。このような構成によれば、燃料通路５１の温度を高く維持することができるため、反応器をより小型化することができる。
【００１６】
図３は、一つの燃料通路５１の燃料の流れ方向（図２、図３において、紙面奥から手前への方向）に垂直な一断面について、図の縦方向のみを拡大した説明断面図である。図４は、燃料通路５１に設置された後記するプレートの一実施例の斜視図である。なお、図４においても図３と同様にプレートを縦方向に拡大している。
【００１７】
図３に示すように、図２の一つの燃料通路５１には、極めて薄い複数枚のプレート６１が、通路空間に積層状態で嵌挿されている。そして、図４に示すように、プレート６１は、略矩形の板状に形成され、第１プレート６４と第２プレート６５に触媒を担持した担体を構成している。第１プレート６４部分の厚みは、第２プレート６５部分の厚みよりも厚くなっており、第２プレート６５は凹状面を形成する。そして、図３に示すように、図の上下方向に積層され隣接したプレート６１，６１は、この第１プレート６４，６４の積層方向の表面同士を重合することにより、プレート燃料通路６２を形成する。プレート６１には、燃料の流れ方向に沿ってプレート６１を面方向に分断するスリット６３が形成されている。このスリット６３によって、積層されたそれぞれのプレート６１、・・、６１のプレート燃料通路６２、・・、６２同士が連通されている。
【００１８】
このような構成によれば、熱の影響によってプレートの一部が変形し、プレート燃料通路６２の流路断面が不均一になる部分が発生したとしても、プレート燃料通路６２は、不均一になった部分の上流および下流でスリット６３によって燃料を往来させることができる。この燃料の往来の発生によって、水素媒体の分配をより適正に再び行うことができ（再分配）、反応を均一化させることができる。
例えば、プレート燃料通路６２の一部が、熱変形によって閉塞した場合であっても、スリット６３が形成されているため、他の部分において閉塞部を回避できる流路が存在し、この流路を燃料が往来することによって、伝達される熱量が不均一な状態を少なくすることができ、反応器１全体としての反応効率の低下を抑えることができる。
【００１９】
さらに、複数枚のプレート６１が燃料通路５１に積層して間挿されており（図３参照）、このときスリット６３の位置を一致させるように積層することによって、熱変形による流路断面不均一や閉塞が発生した際に、燃料の再分配を均一化しやすくさせている。
【００２０】
ここで、筐体５３は耐熱性が求められ、プレート６１は触媒担持性能が求められることから、それぞれ異なる金属材料が使用される場合がある。異種の金属材料の組み合わせによっては、相対的にプレート６１が、燃料流れと垂直な面の幅方向（図３における左右方向）に大きく熱膨張する場合がある。従来であれば、筐体５３にプレート側面６１Ｓが拘束されており、プレート６１の変形を回避することは難しい。しかし、本実施形態のようにスリット６３を形成することによって、この膨張分が吸収されるため、熱膨張による座屈等の大変形を抑制することができる。
【００２１】
脱水素反応は吸熱反応であるため、十分な熱の供給が必要となり、反応器１までの熱の供給経路が重要になる。燃料通路５１への主要な伝熱ルートを説明すると、エンジンの排気の熱は、筐体５３に伝達され、その後プレート６１を伝導し、プレート燃料通路６２（燃料通路５１）へ伝達される。本実施形態では、スリット６３の最小幅を、プレート燃料通路６２の最小幅よりも小さくしており、大半の水素媒体はプレート燃料通路６２を流すようにしている。
【００２２】
また、本実施形態では、スリット６３をプレート６１の幅方向の中心付近に形成することによって、図３における左右の外側の筐体５３からプレート側面６１Ｓへ、プレート側面６１Ｓからプレート６１の幅方向の中心へ向かって、効率良く熱が供給されるようにしている。さらに、スリット６３の最小幅をプレート６１の厚さよりも小さくすることにより、プレート６１の表面積を大きくすることができる。
前記構成によれば、脱水素反応に必要な触媒の担持面積を拡大でき、反応器１を小型化することが可能になる。
【００２３】
［第２実施形態］
次に、本発明に係るエンジンシステムの第２実施形態について説明する。本実施形態におけるエンジンシステムにおいて、前記した第１実施形態（図１等参照）と同一構成の部分は、同一の符号を付して重複する説明は省略し、第１実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００２４】
図５は、本実施形態に係る反応器１の燃料通路５１内（図１、２参照）に配設されたプレート１６１の斜視図である。例えば、プレート１６１の大きさは２００mm×５００mm×０．５mm以下としており、積層されたプレート１６１、１６１間に形成されたプレート燃料通路６２（図３参照）は、１mm以下としている。なお、これは一例であり、これらの寸法により本実施形態が限定されることはない。
【００２５】
本実施形態は、前記した第１実施形態と比較すると、図５に示すプレート１６１の形態が異なっている。すなわち、本実施形態では、図５における右側のプレート１６１Ｒと左側のプレート１６１Ｌとが、第１接続部１６７と第２接続部１６８を介して橋設されている。言い換えれば、スリット１６３によって分断された第２プレート１６５が、第１接続部１６７と第２接続部１６８を介して橋設されている。前記構成とすることにより、左右のプレート１６１Ｌ，１６１Ｒを接続した場合であっても、熱変形を吸収することができる。
【００２６】
このように、左右のプレート１６１Ｌ，１６１Ｒを接続部１６７，１６８を橋設させて一体とさせることで、作動時の熱変形の影響を少なくすることができるとともに、一体のプレート１６１となることで、反応器２の製作時におけるプレート１６１の位置決めを容易にすることができ、製造コストおよび製造時間を短縮することができる。
例えば、一実施例として第２接続部１６８を０．２mm以下の幅で橋設することで容易に弾性変形を起こし、プレート１６１の膨張を吸収できるようになっている。
【００２７】
［第３実施形態］
次に、本発明に係るエンジンシステムの第３実施形態について説明する。本実施形態におけるエンジンシステムにおいて、前記した第１実施形態（図１等参照）または第２実施形態（図５参照）と同一構成の部分は、同一の符号を付して重複する説明は省略し、第１実施形態または第２実施形態と異なる部分を中心に説明する。
図６は、本実施形態に係る反応器１の燃料通路５１内に配設されたプレート２６１の斜視図である。
【００２８】
本実施形態では第２プレート２６５に突起２６６が形成されており、この構成以外は第２実施形態と同様としている。突起２６６の高さは、第２プレート２６５から階段状に上がっている第１プレート６４と同じ高さもしくは、２倍の高さが好ましい。同じ高さの場合は、第２プレート２６５の表裏面に突起２６６を形成し、一方、２倍の高さの場合は片面に突起２６６を形成することが好ましい。
【００２９】
積層された隣接するプレート２６１、２６１において、対面する第２プレート２６５、２６５間の隙間は、燃料通路を形成している。かかる構成によれば、重合する第１プレート６４だけでなく、対面する第２プレート２６５，２６５に形成された突起２６６，２６６同士が当接する、もしくは、突起２６６が対向する第２プレート２６５に当接することによって、突起２６６が支柱となり、隣接するプレート２６１、２６１の隙間を保持することができるため、燃料通路が不均一となるのを抑制することができる。
【００３０】
突起２６６の形状は、半球、円錐や角錐でも良いが、熱による変形によって、積層された隣接するプレート２６１に当接したり、外郭となる筐体５３（図３参照）に当接したりして摺動する際に、当接した対象に変形をもたらしやすくするため、円柱、角柱等の面接触する形状であることが好ましい。また、突起２６６を、例えば円柱とした場合の代表径は、水素媒体の流れを妨げない１０mm以下であることが好ましい。
【００３１】
［第４実施形態］
次に、本発明に係るエンジンシステムの第４実施形態について説明する。本実施形態におけるエンジンシステムにおいて、前記した第１実施形態から第３実施形態と同一構成の部分は、同一の符号を付して重複する説明は省略し、前記した実施形態と異なる部分を中心に説明する。
図７は、本実施形態に係る反応器１の燃料通路５１内に配設されたプレート３６１の斜視図である。
【００３２】
本実施形態では、第２プレート３６５の表面に多数のスリット３６３が形成されている。スリット３６３を多数形成することにより、プレート３６１の表面積を大きくすることができる。触媒を担持したプレート３６１と水素媒体との接触面積を増大させ、反応器１の性能が向上するため、反応器１を小型化することができる。本実施形態でも、基本的に図５に示した第２実施形態と同様に右側のプレート３６１Ｒと左側のプレート３６１Ｌとが、第１接続部３６７と第２接続部３６８を介して接続されている。図７に示した一実施例では、第２接続部３６８をプレートの熱が伝導する方向に対して２個所としているが、第２接続部３６８の熱抵抗が相対的に高い場合は第２接続部３６８の数を例えば３箇所以上に増加して、熱供給を容易にすることもできる。
【００３３】
［第５実施形態］
次に、本発明に係るエンジンシステムの第５実施形態について説明する。本実施形態におけるエンジンシステムにおいて、前記した第１実施形態から第４実施形態と同一構成の部分は、同一の符号を付して重複する説明は省略し、前記した実施形態と異なる部分を中心に説明する。
図８は、本実施形態に係る反応器１の燃料通路５１内に配設されたプレート４６１の斜視図である。
【００３４】
本実施形態ではプレート４６１に複数のスリット４６３が形成されている。スリット４６３は、流路方向に延設された縦スリット４６３Ｌおよび流路と垂直方向に延設された横スリット４６３Ｓの直交した二方向に形成されている。
そして、本実施形態では、図８に示すように、縦スリット４６３Ｌは、プレート４６１の流れと直角な方向の面を幅方向に対して中間点より僅かにずれた位置において流れ方向へ直線的に形成され、横スリット４６３Ｓは、プレート４６１の流れ方向の面を奥行き方向に対して中間点より僅かにずれた位置において流れと直角な方向へ直線的に形成されている。ここで、それぞれのスリット４６３Ｌ，４６３Ｓは、連通させず、その間に接続部４６７、４６８が形成されている。
【００３５】
このように縦スリット４６３Ｌと横スリット４６３Ｓを形成することにより、燃料が流れる流路方向だけでなく、流路と直角の方向における熱変形を緩和することができる。さらに、第１プレート６４と第２プレート４６５の段差を利用し、プレート４６１を積層することによって形成される燃料通路６２（図３参照）を流れる流体は、いずれかのスリット４６３（４６３Ｌ、４６３Ｓ）の近傍を通過することになり、隣接流路との往来を容易にすることができる。このことから、それぞれの燃料通路６２、・・、６２間の流れを均一化することができ、反応器１の反応効率を向上させることができる。
【００３６】
［第６実施形態］
次に、本発明に係るエンジンシステムの第６実施形態について説明する。本実施形態におけるエンジンシステムにおいて、前記した第１実施形態から第５実施形態と同一構成の部分は、同一の符号を付して重複する説明は省略し、前記した実施形態と異なる部分を中心に説明する。
図９は、本実施形態に係る反応器の燃料通路５５１内に配設されたプレート５６１について、図３に示したようなプレートを積層した部分のみを燃料の流れ方向に沿って模式的に示した外観斜視図である。
【００３７】
プレート５６１を複数積層した３個のプレート積層５７１，５７２，５７３を所定の間隔Ｌを空けて、燃料の流れ方向に沿って配設している。かかる構成は、次のような作用を奏する。すなわち、燃料の入口（矢印ＩＮ）にあたるプレート積層５７３が熱変形の影響が大きく、流入される（矢印ＩＮ）燃料のプレート燃料通路６２が不均一となり、燃料が媒体に接しない部分が生ずる場合がある。このようなときであっても、熱影響の少ない他のプレート積層５７１、５７２ではプレート積層５７３と比較して均一なプレート燃料通路６２が確保されていることから、プレート積層５７３のスリット５６３を通過した燃料は、これらのプレート燃料通路６２を通過するため、反応器１の反応効率の低下を防止することができる。
【００３８】
以上、本発明について好適な実施形態を説明した。本発明は、図面に記載したものに限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で設計変更が可能である。
例えば、スリットは直線的なものとして説明しているが、曲線や波状の線で形成したり、また、スリットを橋設する接続部の数を増加させたり、熱変形の影響を少なくするという本発明の趣旨を逸脱しない範囲で設計変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】第１実施形態に係るエンジンシステムの全体構成を示す説明模式図である。
【図２】第１実施形態に係る反応器の断面図であり、図１におけるＡ−Ａ断面を示している。
【図３】第１実施形態に係る一つの燃料通路の燃料の流れ方向（図２の奥から手前への方向）に垂直な一断面について、縦方向のみを拡大した説明断面図である。
【図４】第１実施形態に係る燃料通路に設置されたプレートの一実施例の斜視図である。
【図５】第２実施形態に係る反応器の燃料通路内に配設されたプレートの斜視図である。
【図６】第３実施形態に係る反応器の燃料通路内に配設されたプレートの斜視図である。
【図７】第４実施形態に係る反応器の燃料通路内に配設されたプレートの斜視図である。
【図８】第５実施形態に係る反応器の燃料通路内に配設されたプレートの斜視図である。
【図９】第６実施形態に係る反応器の燃料通路内に配設されたプレートについて、模式的に示した外観斜視図である。
【符号の説明】
【００４０】
１    反応器
１０    エンジン
１１    吸気管
１２    排気管
１４  水素媒体タンク
１５  脱水素媒体タンク
１６  分離装置
３０    ポンプ
４１，４４，４５，４６  配管
５１    燃料通路
５２    排気通路
５３    筐体
６１、１６１、２６１、３６１、４６１、５６１  プレート
６２    プレート燃料通路
６３、１６３、２６３、３６３、４６３、５６３  スリット
６４    第１プレート
６５、１６５、２６５、３６５、４６５  第２プレート
１００  エンジンシステム
１６７、３６７  第１接続部
１６８、３６８  第２接続部
２６６  突起
４６３Ｌ  縦スリット
４６３Ｓ  横スリット
５７１，５７２，５７３  プレート積層
【図１】
0004990110.tif 000002
【図２】
0004990110.tif 000003
【図３】
0004990110.tif 000004
【図４】
0004990110.tif 000005
【図５】
0004990110.tif 000006
【図６】
0004990110.tif 000007
【図７】
0004990110.tif 000008
【図８】
0004990110.tif 000009
【図９】
0004990110.tif 000010