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JP4737023B2 - 水素エンジンシステム - Google Patents

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Description

本発明は、水素エンジンシステムに関し、特に有機ハイドライドから脱水素反応によって水素を生成する媒体を搭載したものに好適である。
二酸化炭素などによる地球温暖化が深刻になる中で、化石燃料に代わって次世代を担うエネルギ源として水素が注目されている。水素を燃料として用いるために不可欠な水素の輸送，貯蔵，供給システムをどのように構築するかが検討されている。つまり、水素は常温で気体であるため液体や固体に比べて、貯蔵や輸送が難しい。しかも水素は可燃性物質であり空気と所定の混合比になると爆発の危険性がある。このため、分散電源並びに自動車に使用される小型，効率の良い水素貯蔵・供給装置として、面状流路と、触媒層，水素分離手段，流通口、とを一体に形成することが知られ、例えば特許文献１に記載されている。
また、従来の有機ハイドライドから脱水素反応によって水素を生成する媒体から生成された水素ガスを燃料の一つとして、エンジンを駆動するシステムとして、有機ハイドライド（水素化燃料という）から水素リッチガスを分離して、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン，水素エンジンなどの内燃機関に供給することが知られ、例えば、特許文献２に記載されている。
特開２００５−１２６３１５号公報 特開２００５−１４７１２４号公報
上記、特許文献１に記載のものは、多量の水素ガスを生成することが困難であり、自動車のエンジンにおいてＣＯ2 排出量を可能な限り削減、若しくは排出しないようにすることができない。また、特許文献２に記載のものでは、ガソリンまたは水素化ガソリンを燃料としてエンジンに供給するとＣＯ2 を排出してしまうことになる。
さらに、メチルシクロヘキサンやデカリンなどの有機ハイドライドの脱水素反応は吸熱反応（６８ｋＪ／mol）であり、反応温度も２５０℃以上と非常に高く、脱水素反応器の加熱のためにヒータなどを用いると電源を別途車載しなければならず、装置全体が大型になる。
本発明の目的は、上記従来技術の課題を解決し、多くの水素ガスを効率よく生成すると共に、装置全体のより小型化を図り、自動車への搭載、その他コージェネレーション，コンバインシステム，各種発電プラント，ボイラ設備などの動力源に適したものとすることにある。
上記課題を解決するため、本発明は、有機ハイドライドから脱水素反応によって水素を生成する水素供給装置を有し、前記水素ガスを燃料としてエンジンを駆動する水素エンジンシステムにおいて、水素化液体燃料を液相状態で保持する水素化液体燃料タンクと、前記水素化液体燃料と前記水素供給装置からの脱水素化燃料とが輸送され、熱交換により、前記水素化液体燃料を予熱する予熱器と、予熱された前記水素化液体燃料と前記エンジンの排気ガスとが輸送され、前記水素化液体燃料を加熱して気相状態とする気化器と、気相状態になった前記水素化液体燃料と前記エンジンの排気ガスとが輸送され、脱水素反応により水素ガスを発生させ前記エンジンへ輸送する前記水素供給装置と、を備えたものである。
本発明によれば、水素化液体燃料は、水素供給装置から脱水素化燃料により予熱すると共に、エンジンの排気ガスを利用して気化し、水素ガスを発生させるので、より多くの水素ガスを効率よく生成すると共に、装置全体のより小型化を図ることができる。
図１は一実施の形態による水素エンジンシステムの概要を示し、水素エンジンシステムは水素ガスを燃料とするエンジン１０１，有機ハイドライドから脱水素反応によって水素を生成する水素供給装置１０２，水素化液体燃料を保持する水素化液体燃料タンク１０３と脱水素化燃料タンク１０４，水素化液体燃料を予熱する予熱器１０５，予熱された水素化液体燃料を気化する気化器１０６，水素化液体燃料，脱水素後燃料，水素ガスをそれぞれ輸送するためのポンプ（１０７，１０８，１０９）および輸送用の配管などから構成されている。
図中の矢印は水素化液体燃料，水素化気体燃料，脱水素化燃料，水素ガス，排気ガスの輸送される方向を示す。水素化液体燃料とは、例えば、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である。
以下、水素化液体燃料をメチルシクロヘキサンとして説明する。
水素化液体燃料タンク１０３に常温、液相状態で保持されたメチルシクロヘキサンをポンプ１０７によって予熱器１０５に輸送する。予熱器１０５には水素供給装置１０２から脱水素化燃料すなわちトルエンがポンプ１０８によって輸送される。予熱器１０５に輸送された両媒体の温度差によって熱交換が行われ、メチルシクロヘキサンが予熱される。この時トルエンの温度は２５０℃以下である。トルエンからより多くの熱を回収するためには、予熱器１０５を水素供給装置１０２に近づけて配置したほうが良い。
次に予熱されたメチルシクロヘキサンは、エンジン１０１からの排気管に取り付けられた気化器１０６に輸送される。また、エンジン１０１の排気ガスは、エンジン１０１から見て上流側に配置された水素供給装置１０２を経て気化器１０６に輸送される。
気化器１０６に輸送された両媒体の温度差によって熱交換が行われる。気化器１０６内部では常温以上に予熱されたメチルシクロヘキサンがさらに加熱され気相状態に変化する。気化されたメチルシクロヘキサンを水素供給装置１０２に輸送し、脱水素反応により水素ガスを発生させる。
発生した水素ガスは、ポンプ１０９でエンジン１０１へと輸送され、燃料としてエンジン１０１を駆動させる。この時、エンジン１０１の運転状態、つまりエンジン推定トルク及びエンジン回転数により、エンジン１０１に必要な水素ガスの量が決まる。それに基づき、電子制御装置（図示せず）により各ポンプ（１０７，１０８，１０９）の制御を行う。
以上により、エンジン１０１直後で、排出される高温の排気ガスで得られる熱量を利用して水素供給装置１０２で水素を生成することになるので、より多くの水素生成量を得ることが可能になる。
次に予熱器を用いた場合の効果を熱収支計算により説明する。
予熱器へ投入されるトルエンの温度Ｔ１を２５０℃、予熱器から排出されるトルエンの温度Ｔ２を１００℃、予熱器へ投入するメチルシクロヘキサンの温度ｔ１を２５℃、トルエンの比熱Ｃptを１.８５ｋＪ／kgＫ、メチルシクロヘキサンの比熱Ｃpmを１.８４ｋＪ／kgＫ、熱交換率を４５％とし、次式により予熱器から排出されるメチルシクロヘキサンの温度ｔ２を求める。
Ｇｒ・Ｃpg・（Ｔ１−Ｔ２）＝Ｇｒ・Ｃpm（ｔ１−ｔ２）
計算によれば、予熱器から排出されるメチルシクロヘキサンの温度ｔ２は９２.８℃ まで昇温される。この時、メチルシクロヘキサンの沸点温度は１００℃であるため、予熱器内ではメチルシクロヘキサンは液相の状態が保たれる。その後、メチルシクロヘキサンを気化器１０６に投入し、水素供給装置１０２を経た排気ガスとの熱交換により気化する。
特許文献２に記載の水素供給装置は、常温、液相のメチルシクロヘキサンを水素供給装置に直接投入するため、顕熱と潜熱（３２ｋＪ／mol ）と脱水素反応（吸熱反応６８ｋＪ／mol）の合計１００ｋＪ／molの熱量を消費する。本実施例では、顕熱と潜熱（３２ｋＪ／mol ）の熱量をトルエンの排熱、および脱水素後の排気ガス熱量を利用するため、水素供給装置に投入される熱量が等しいとすると、水素供給装置に投入される熱量が３２％増加し、その分の水素生成量が増大する。
図２の水素エンジンシステムは図１に示したものにおいて、常温、液相状態のメチルシクロヘキサンを予熱器１０５に輸送する前にポンプ２０１によってエンジン１０１のシリンダ外周に設けられたウォータジャケット（図示せず）へと輸送する。
これにより、メチルシクロヘキサンによってエンジン１０１は冷却され、そのときの熱交換によってメチルシクロヘキサンは加熱される。その後、加熱されたメチルシクロヘキサンは予熱器１０５へと輸送され、さらに加熱される。水素供給装置１０２に輸送される時には、図１のものより高温の状態で供給されることになり、メチルシクロヘキサンをより高温の状態で水素供給装置１０２に供給できるので、水素の生成量が増大する。
図３の水素エンジンシステムは、エンジン１０１外周にエンジンからの放熱を回収する熱回収板３０１を配置し、冷媒を用いて熱を回収し、ヒートポンプ３０２で冷媒を圧縮し高温の熱を水素供給装置１０２へ放熱する。この時、熱回収板３０１の材質は比較的に熱伝導率の高いアルミニウムや銅等が望ましい。冷媒はＨＦＣ１３４ａ等がよい。これにより、水素供給装置１０２により多くの熱を与える事ができ、より水素の生成量が増大する。
図４の水素エンジンシステムは、自動車のエンジンシステムであり、水素を燃料とし自動車を駆動させる場合において、自動車の減速時に発生する回生エネルギを電気エネルギに変換し、バッテリ４０１に蓄電し、水素供給装置１０２に取り付けた加熱ヒータ４０２の電源にする。すなわち、回生ブレーキを搭載した自動車において、回生ブレーキ４０３より発電された電気を自動車に搭載されているバッテリ４０１に蓄電し、エンジンの運転状態、つまり、少なくともエンジン推定トルク及びエンジン回転数のいずれかにより、エンジンに必要な水素ガスの生成量に基づき、必要に応じて水素供給装置１０２に取り付けられた加熱ヒータ４０２を作動させる。これにより、水素供給装置１０２により多くの熱を与える事ができ、水素の生成量を増大することができる。
本発明による一実施の形態を示す水素エンジンシステムのブロック図。 本発明による他の実施の形態を示す水素エンジンシステムのブロック図。 さらに、他の実施の形態を示す水素エンジンシステムのブロック図。 さらに、他の実施の形態を示す水素エンジンシステムのブロック図。
符号の説明
１０１ エンジン
１０２ 水素供給装置
１０３ 水素化液体燃料タンク
１０４ 脱水素化燃料タンク
１０５ 予熱器
１０６ 気化器
１０７，１０８，１０９，２０１ ポンプ
３０１ 熱回収板
３０２ ヒートポンプ
４０１ バッテリ
４０２ 加熱ヒータ
４０３ 回生ブレーキ

Claims (6)

  1. 有機ハイドライドから脱水素反応によって水素を生成する水素供給装置を有し、前記水素ガスを燃料としてエンジンを駆動する水素エンジンシステムにおいて、
    水素化液体燃料を液相状態で保持する水素化液体燃料タンクと、
    前記水素化液体燃料と前記水素供給装置からの脱水素化燃料とが輸送され、熱交換により、前記水素化液体燃料を予熱する予熱器と、
    予熱された前記水素化液体燃料と前記エンジンの排気ガスとが輸送され、前記水素化液体燃料を加熱して気相状態とする気化器と、
    気相状態になった前記水素化液体燃料と前記エンジンの排気ガスとが輸送され、脱水素反応により水素ガスを発生させ前記エンジンへ輸送する前記水素供給装置と、
    を備えたことを特徴とする水素エンジンシステム。
  2. 請求項１に記載の水素エンジンシステムにおいて、前記水素供給装置は前記エンジンからの排気ガスの上流側に、前記気化器は下流側に配置されたことを特徴とする水素エンジンシステム。
  3. 請求項１に記載の水素エンジンシステムにおいて、前記水素化液体燃料は、前記予熱器へ輸送される前に前記エンジンに設けられたウォータジャケットへと輸送され、加熱されることを特徴とする水素エンジンシステム。
  4. 請求項１に記載の水素エンジンシステムにおいて、前記エンジン外周に放熱を回収する熱回収板を配置し、前記水素供給装置へ放熱することを特徴とする水素エンジンシステム。
  5. 請求項１に記載の水素エンジンシステムは自動車のエンジンシステムであり、前記自動車の減速時に発生する回生エネルギを電気エネルギに変換してバッテリに蓄電し、前記水素供給装置を加熱することを特徴とする水素エンジンシステム。
  6. 請求項１に記載の水素エンジンシステムは自動車のエンジンシステムであり、前記自動車の減速時に発生する回生エネルギを電気エネルギに変換してバッテリに蓄電し、前記水素供給装置をエンジンの運転状態に関連して加熱することを特徴とする水素エンジンシステム。
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