JP2002221098A

JP2002221098A - ガスエンジン

Info

Publication number: JP2002221098A
Application number: JP2001321761A
Authority: JP
Inventors: Toshio Matsuoka; 俊雄松岡; Toru Nakazono; 徹中園
Original assignee: Yanmar Diesel Engine Co Ltd
Current assignee: Yanmar Co Ltd
Priority date: 2000-11-27
Filing date: 2001-10-19
Publication date: 2002-08-09
Anticipated expiration: 2021-10-19
Also published as: JP3618312B2

Abstract

(57)【要約】【課題】炭化水素系燃料と水蒸気との吸熱反応を比較
的低い温度環境下で行った場合であっても高い転化率が
得られ、これによって、ガスエンジン全体としての熱効
率の向上を図る。【解決手段】ガスエンジン１の燃料供給系５に備えら
れた燃料改質器５１に水素分離装置５６を取り付ける。
燃料改質器５１内でのメタンガスと水蒸気との吸熱反応
によって生成された水素ガスを水素分離装置５６によっ
て分離抽出して水素タンク５４に貯留する。燃料改質器
５１からの一酸化炭素と水素タンク５４からの水素とを
ミキサ５５で混合し、エンジン本体２に供給する。ノッ
キング発生時には、水素タンク５４からの水素供給量を
減少させて、メタン価を大きくしてノッキングを回避す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、炭化水素系燃料を
燃料改質器で改質した後、この改質後の燃料を燃焼室に
向けて供給するガスエンジンに係る。特に、本発明は燃
料転化率の向上を図るための対策に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、ガスエンジンの一形態とし
て、炭化水素系燃料（Ｃ_mＨ_n）を燃料改質器で改質する
ことにより、発熱量の大きな燃料を得て、エンジンの熱
効率の向上を図るようにしたものが知られている。

【０００３】図６は、この種のガスエンジンによって発
電を行う発電システムの概略構成を示すブロック図であ
る。この図に示すように、本ガスエンジンは、エンジン
本体ａから延びる出力軸ａ１が発電機ｂに接続されてお
り、この出力軸ａ１の回転駆動力によって発電機ｂによ
る発電を行わせるようになっている。

【０００４】また、ガスエンジンの吸気系は、空気供給
系と燃料供給系とから成っており、空気供給系から供給
される空気と燃料供給系から供給される燃料との混合気
が燃焼室に供給されてエンジン本体ａが駆動するように
なっている。

【０００５】空気供給系は、過給機（コンプレッサ）ｃ
及びインタクーラｄを備えている。つまり、この過給機
ｃによって空気を圧縮した後、この空気をインタクーラ
ｄで冷却することにより、高密度の空気を燃焼室に向け
て供給できるようになっている。尚、上記過給機ｃは、
排気ガスが流れる排気管ｅに設けられたタービンｆの出
力軸ｆ１に直結されており、タービンｆの回転出力を受
けて空気を圧縮する。

【０００６】一方、燃料供給系は、燃料改質器ｇ、排熱
ボイラｈ、脱硫装置ｉ、タンクｊを備えている。この燃
料供給系では、炭化水素系燃料（Ｃ_mＨ_n）と水蒸気（Ｈ
₂Ｏ）とを燃料改質器ｇ内で吸熱反応させることによっ
て燃料組成を変化させ、これによって、元の炭化水素系
燃料よりも発熱量が大きな燃料が得られるようにしてい
る。また、この吸熱反応に必要な熱エネルギは排気管ｅ
を流れる排気ガスから得るようになっている。

【０００７】具体的には、先ず、炭化水素系燃料は硫黄
分を含んでいるため、脱硫装置ｉによってこの硫黄分を
除去し、この硫黄分が除去された後の炭化水素系燃料が
燃料改質器ｇに供給される。尚、燃料改質器ｇの触媒
（金属（Ｒｈ，Ｒｕ，Ｎｉ，Ｉｒ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｒｅ，
Ｃｏ，Ｆｅ）、アルカリ炭酸塩（Ｋ₂ＣＯ₃）、塩基性酸
化物（ＭｇＯ，ＣａＯ，Ｋ₂Ｏ）、石炭等の鉱物質（Ｆ
ｅＳ₂）等）は、硫黄（消化ガスやバイオガス中の硫化
水素、都市ガスの付臭剤、石油系燃料の硫黄分など）に
よる被毒の虞があり、これを回避するために上記脱硫装
置ｉ及びこの脱硫装置ｉに水添脱硫を行わせるための水
素を供給する水素ボンベｋが必要である。一方、排熱ボ
イラｈでは、排気管ｅを流れる排気ガスの熱量を利用し
て水蒸気が発生しており、この水蒸気が燃料改質器ｇに
供給される。また、燃料改質器ｇには排気ガスの熱エネ
ルギを取得するための図示しない熱交換器が備えられて
いる。これにより、燃料改質器ｇの内部では以下の吸熱
反応が行われる。

【０００８】Ｃ_mＨ_n＋ｍＨ₂Ｏ→ｍＣＯ＋（ｎ／２＋ｍ）Ｈ₂ …（１）炭化水素系燃料がメタン（ｍ＝１、ｎ＝４）である場合
には以下の吸熱反応となる。

【０００９】ＣＨ₄＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ₂ …（２）このような反応が行われた場合、改質後の燃料の発熱量
は元の炭化水素系燃料よりも大幅に上昇し（例えば２５
％程度上昇する）、これによって熱効率（発電機出力／
供給燃料Ｃ_mＨ_n）の向上を図ることが可能な燃料が得ら
れることになる。

【００１０】そして、改質後の燃料は、一旦タンクｊに
貯蔵され、このタンクｊに内蔵された図示しない除湿器
で余分な残留Ｈ₂Ｏが取り除かれた後、上記空気供給系
から供給された空気と混合されて燃焼室に供給される。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記排気管
ｅを流れる排気ガスの温度は、４００℃〜５００℃程度
であり、燃料改質器ｇの内部での上記吸熱反応を良好に
行うために必要な熱エネルギを取得できるほどの温度に
は至っていないのが実情である。図３の曲線Ｂは、この
従来例における排ガス温度とメタン転化率との関係を示
している。この図のように、排ガス温度が５００℃程度
である場合、従来の改質方法では、メタン転化率は１５
％程度しか得られておらず、改質後の燃料の発熱量を大
幅に増大させるには至っていなかった。つまり、従来の
構成において、メタン転化率を８０％程度の高い値にす
るためには排ガス温度としては７００℃程度が必要であ
った。

【００１２】吸熱反応を高温度の環境下で行わせるため
に、排気ガスや燃料改質器を、新たに設けた加熱源によ
って加熱することも考えられるが、これでは、加熱源に
別途エネルギが必要となってしまい、ガスエンジン全体
としての熱効率の向上を図ることは困難である。

【００１３】本発明は、かかる点に鑑みてなされたもの
であり、その目的とするところは、上記吸熱反応を比較
的低い温度環境下で行った場合であっても高い転化率が
得られ、これによって、ガスエンジン全体としての熱効
率の向上を図ることにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】−発明の概要− 上記の目的を達成するために、本発明は、炭化水素系燃
料を燃料改質器で改質するに際し、生成した水素を順次
燃料改質器から分離抽出することにより、燃料改質器内
での改質反応の促進を図るようにしている。

【００１５】−解決手段− 具体的に、第１の解決手段では、炭化水素系燃料を燃料
改質器で改質した後、この改質後の燃料を燃焼室に向け
て供給するガスエンジンを前提とする。このガスエンジ
ンに対し、改質後の燃料から水素を分離抽出する水素分
離手段と、この水素分離手段によって分離抽出された水
素を燃焼室に向けて供給する水素供給経路とを備えさせ
ている。

【００１６】この特定事項により、燃料改質器内部での
改質反応によって生成された水素が水素分離手段によっ
て燃料改質器から順次抽出されていく。つまり、燃料改
質器内部の水素濃度を減少させていくことで改質反応の
促進が図れ、比較的低い温度環境下であっても、高い転
化率で改質が行われて、熱効率の大幅な上昇を図ること
が可能な燃料が得られることになる。

【００１７】第２の解決手段は、燃料改質器内部での改
質反応の更なる促進を図るための手段に係るものであ
る。つまり、上記第１の解決手段において、燃料改質器
の内部で、分離水素の一部、改質燃料の一部または炭化
水素系燃料の一部を燃焼させることにより、燃料改質器
の内部温度を上昇させる構成としている。

【００１８】この特定事項により、改質反応を高い温度
環境下で行わせることができ、上記第１の解決手段によ
る作用と相俟って更なる改質反応の促進が図れ、極めて
高い転化率を実現することができる。

【００１９】第３の解決手段は、分離抽出した水素の供
給系の構成を具体化したものである。つまり、上記第１
または第２の解決手段において、水素分離手段によって
分離抽出された水素を貯蔵するタンクと、このタンクか
ら水素供給経路を経て燃焼室に向かって供給される水素
の供給量を調整することによって、燃焼室に供給される
総燃料中の水素混合割合を調整可能とする調整手段とを
備えさせている。

【００２０】この構成により、水素分離手段によって分
離抽出された水素は一旦タンクに貯蔵される。その後、
この水素は、ガスエンジン駆動用の燃料として水素供給
経路を経て燃焼室に向かって供給される。この際、調整
手段が総燃料中の水素混合割合を調整することになり、
この水素混合割合を任意の値に設定して、ガスエンジン
の運転状態を制御することが可能となる。

【００２１】第４の解決手段は、水素分離手段によって
分離抽出された水素の利用範囲の拡大を図るための構成
に係るものである。つまり、上記第１〜第３のうち何れ
か一つの解決手段において、炭化水素系燃料に含まれる
硫黄分を水添脱硫によって除去する脱硫装置と、水素分
離手段によって分離抽出された水素の一部を脱硫装置に
供給する脱硫用水素供給経路とを備えさせている。

【００２２】この特定事項により、水素分離手段によっ
て分離抽出された水素は脱硫装置における水添脱硫用の
ものとしても使用される。従来のものでは、水添脱硫用
の水素を供給するための水素ボンベを備えさせ、この水
素ボンベが空になると、その交換や水素の補充が必要で
あった。本解決手段によれば、この水素ボンベが不要で
あり、その交換や水素補充作業も必要なくなる。

【００２３】第５の解決手段は、水素の供給動作を具体
的に特定したものである。つまり、上記第１〜第４のう
ち何れか一つの解決手段において、ノッキングの発生を
検知するノッキングセンサと、このノッキングセンサの
出力を受けてノッキング強度を測定し、ノッキング強度
が所定値を超えたときに、水素供給経路からの水素の供
給量を減少させて、燃焼室に供給される総燃料中の水素
混合割合を低下させる水素供給量制御手段とを備えさせ
ている。

【００２４】ノッキングが発生する状況では、供給燃料
中の水素成分の影響でメタン価が小さくなりすぎている
ことが考えられる。このため、このような状況では、水
素の供給量を低下させてメタン価を大きくしてノッキン
グを防止することが有効である。つまり、水素供給量制
御手段が、ノッキングセンサの出力を受けてノッキング
強度を認識し、ノッキングの発生が検知または予知され
る状況であるときには、水素の供給量を低下させて総燃
料中の水素混合割合を低下させる。これにより、供給燃
料のメタン価が大きくなり、ノッキングの発生が回避で
きる。

【００２５】第６の解決手段は、燃料と空気との混合割
合を調整する動作を具体的に特定したものである。つま
り、上記第１〜第５のうち何れか一つの解決手段におい
て、総燃料中の水素混合割合に応じて、燃焼室に向かっ
て供給する燃料と空気との混合割合を調整する混合比調
整手段を備えさせている。

【００２６】排気ガス中の有害物質であるＮＯｘ、Ｃ
Ｏ、ＨＣをできるだけ少なくするためには希薄燃焼を行
うことが好ましい。このため、混合比調整手段が、総燃
料中の水素混合割合を予め認識しておき、その水素混合
割合において必要最小限の燃料供給量で燃焼室内での燃
焼が良好に行えるように、水素混合割合に応じた希薄可
燃限界値を求め、それに基づいて燃料と空気との混合割
合を調整する。これにより、希薄燃焼によるエンジンの
運転が可能となり、排気ガス中の有害物質を削減でき
る。

【００２７】第７の解決手段は、排気ガス中の有害物質
を削減するための他の手段、エンジン本体の熱効率を改
善する手段、バックファイヤーの問題を解決する手段に
係るものである。つまり、上記第１〜第５のうち何れか
一つの解決手段において、燃料改質器を、炭化水素系燃
料と水蒸気とを吸熱反応させることにより、炭化水素系
燃料を改質するよう構成する。そして、上記水蒸気を発
生させる水蒸気発生手段と、この水蒸気発生手段で発生
した水蒸気の一部を燃焼室に向けて供給する水蒸気供給
経路と、この水蒸気供給経路からの水蒸気の供給量を調
整することによって、燃焼室内の燃焼温度を調整する水
蒸気調整手段とを備えさせている。

【００２８】排気ガス中の有害物質をできるだけ少なく
するためには燃焼室内の燃焼温度を適切に制御すること
が有効である。このため、燃焼温度が高すぎる場合、水
蒸気調整手段は、水蒸気発生手段で発生した水蒸気の一
部を燃焼室に向かって供給することによって供給燃料中
の水蒸気量を増加させる。これにより、燃焼温度が低下
し、排気ガス中の有害物質を最も削減できる燃焼温度と
なるような制御が可能となる。

【００２９】また、ガスエンジン本体の熱効率をできる
だけ大きくするためには熱発生率を適切に制御すること
が有効である。このため、熱発生率が高すぎる場合、水
蒸気発生手段で発生した水蒸気の一部を燃焼室に向かっ
て供給することによって供給燃料中の水蒸気量を増加さ
せる。これにより、熱発生率が低下し、熱損失を小さく
して熱効率を最も大きくできる熱発生率となるような制
御が可能となる。

【００３０】更に、エンジン燃焼室から燃料噴射口への
火炎の異常伝播（所謂バックファイヤー）を防止するた
めには燃焼速度を低くすることが有効である。このた
め、燃焼速度が高すぎる場合、水蒸気発生手段で発生し
た水蒸気の一部を燃焼室に向かって供給することによっ
て供給燃料中の水蒸気量を増加させる。これにより、燃
焼速度が低下し、バックファイヤーが防止できる。

【００３１】第８の解決手段は、上述した第６及び第７
の解決手段に係る構成を併せ持たせたものである。この
構成によれば、総燃料中の水素混合割合に応じた燃料と
空気との混合割合の調整及び燃焼室に向かって供給する
水蒸気量の調整を行うことで、排気ガスのクリーン化を
図るのに最適な希薄燃焼状態と燃焼温度とを共に得るこ
とができる。

【００３２】尚、上記第６〜第８の解決手段において、
総燃料中の水素混合割合や燃焼室内の燃焼温度を検出す
る手法としては、これらを直接的に検出する場合ばかり
でなく、機関回転数・負荷、排気温度、排気の空燃比等
を検出することで推測するようにしてもよい。

【００３３】第９の解決手段は、燃料改質器の応答性が
低下した場合の保証機能に係るものである。つまり、上
記第１〜８のうち何れか一つに記載の解決手段におい
て、水素分離手段によって分離抽出された水素の燃焼室
へ向かう流量を調整することによって、燃焼室に供給さ
れる総燃料中の水素混合割合を調整可能とする調整手段
を水素供給経路に設けた構成としている。

【００３４】本解決手段によれば、たとえ燃料改質器の
応答性が低下して改質ガスの組成が変動したとしても、
改質ガスの組成変動に合わせて調整手段を調整すること
により水素の供給量を適切に得ることでガスエンジンの
運転を安定して行うことが可能となる。

【００３５】第１０の解決手段は、上記第９の解決手段
において、水素分離手段によって分離抽出された水素を
吸蔵する吸蔵動作と、この吸蔵した水素を燃焼室に向け
て放出することにより水素供給圧力を昇圧させる放出動
作とが可能な水素ポンプ手段を設ける。また、調整手段
を、この水素ポンプ手段の水素放出側に配設している。
これによれば、水素分離手段による水素分離抽出動作
と、この分離抽出された水素の燃焼室への供給動作とを
円滑に行うことができ、高転化率を維持しながらガスエ
ンジンの連続運転を良好に行うことが可能になる。

【００３６】第１１の解決手段は、上記第５の解決手段
と同様にエンジンのノッキング対策に係るものである。
つまり、上記第９または１０の解決手段において、ノッ
キングの発生を検知または予知するノッキングセンサ
と、このノッキングセンサの出力を受けてノッキング強
度を測定し、ノッキング強度が所定値を超えたときに、
調整手段の調整によって水素供給経路からの水素の供給
量を減少させて、燃焼室に供給される総燃料中の水素混
合割合を低下させる水素供給量制御手段とを備えさせて
いる。この特定事項によってもノッキングの発生が検知
または予知される状況であるときには、水素混合割合を
低下させて供給燃料のメタン価を大きくし、これによっ
てノッキングの発生を回避することができる。

【００３７】第１２の解決手段は、逆火（上記バックフ
ァイヤー）を防止するための対策に係るものである。つ
まり、上記第９、１０または１１の解決手段において、
逆火の発生を検知または予知する逆火センサと、この逆
火センサの出力を受け、逆火の発生が検知または予知さ
れたときに、調整手段の調整によって水素供給経路から
の水素の供給量を減少させて、燃焼室に供給される総燃
料中の水素混合割合を低下させる水素供給量制御手段と
を備えさせている。この特定事項により、水素供給量の
減少に伴って燃焼速度を低くすることができ、逆火を防
止することができる。

【００３８】第１３の解決手段は、排気ガスのクリーン
化対策に係るものである。つまり、上記第１〜１２のう
ち何れか一つの解決手段において、機関回転数・負荷、
排気温度、排気の空燃比、総燃料中の水素混合量、水素
分離後の改質燃料供給量、排気の濃度、総燃料中の水素
成分濃度のうち少なくとも一つの検出値を得て、その検
出値に応じて、燃焼室内での希薄燃焼を可能とするよう
に、燃焼室に向かって供給する水素と水素分離後の改質
燃料との混合割合を調整する混合比調整手段を備えさせ
ている。この特定事項により、水素と水素分離後の改質
燃料との混合割合を適切に調整することで、有害物質で
あるＮＯｘ、ＣＯ、ＨＣを大幅に削減可能な希薄燃焼状
態を得ることができ、これによって排気ガスのクリーン
化を図ることが可能となる。

【００３９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。本形態では、メタンガス（Ｃ
Ｈ₄）を燃料改質器で改質することにより発熱量の大き
な燃料を得るようにしたガスエンジンに本発明を適用し
た場合について説明する。また、本形態に係るガスエン
ジンは、その出力を発電に利用するものである。

【００４０】（第１実施形態）先ず、第１実施形態につ
いて説明する。

【００４１】−ガスエンジンの構成説明− 図１は、本形態に係るガスエンジンによって発電を行う
発電システムの概略構成を示す図である。この図に示す
ように、本ガスエンジン１は、エンジン本体２から延び
る出力軸２１が発電機３に接続されており、この出力軸
２１の回転駆動力によって発電機３による発電を行わせ
る構成となっている。

【００４２】また、ガスエンジン１の吸気系は、空気供
給系４と燃料供給系５とから成っており、空気供給系４
から供給される空気と燃料供給系５から供給される燃料
との混合気がエンジン本体２の図示しない燃焼室に供給
されてエンジン本体２が駆動するようになっている。以
下、空気供給系４及び燃料供給系５について説明する。

【００４３】空気供給系４は、過給機（コンプレッサ）
４１及びインタクーラ４２を備えている。つまり、この
過給機４１によって空気を圧縮した後、この空気をイン
タクーラ４２で冷却することにより、高密度の空気を燃
焼室に向けて供給できるようになっている。尚、上記過
給機４１は、排気ガスが流れる排気管６に設けられたタ
ービン６１の出力軸６２に直結されており、タービン６
１の回転出力を受けて空気を圧縮する。

【００４４】一方、燃料供給系５は、燃料改質器５１、
水蒸気発生手段としての排熱ボイラ５２、脱硫装置５
３、水素タンク５４及びミキサ５５を備えている。この
燃料供給系５では、炭化水素系燃料であるメタンガス
（ＣＨ₄）と水蒸気（Ｈ₂Ｏ）とを燃料改質器５１内で吸
熱反応させることによって燃料組成を変化させ、これに
よって、元のメタンガスよりも発熱量が大きな燃料が得
られるようにしている。また、この吸熱反応に必要な熱
エネルギは排気管６を流れる排気ガスから得るようにな
っている。以下、この燃料供給系５を構成する各要素に
ついて説明する。

【００４５】排熱ボイラ５２は、内部に水が貯留されて
おり、この水と排気管６を流れる排気ガスとの間で熱交
換を行うことで、水を蒸発させて水蒸気を発生させるも
のである。この排熱ボイラ５２の上部と燃料改質器５１
とは水蒸気供給管７１によって接続されており、排熱ボ
イラ５２内で発生した水蒸気が燃料改質器５１内に供給
可能となっている。また、この水蒸気供給管７１には開
度調整可能な電動弁７１ａが設けられている。

【００４６】脱硫装置５３は、メタンガス中に含まれて
いる硫黄分を除去するためのものである。つまり、燃料
改質器５１の触媒（金属（Ｒｈ，Ｒｕ，Ｎｉ，Ｉｒ，Ｐ
ｄ，Ｐｔ，Ｒｅ，Ｃｏ，Ｆｅ）、アルカリ炭酸塩（Ｋ₂
ＣＯ₃）、塩基性酸化物（ＭｇＯ，ＣａＯ，Ｋ₂Ｏ）、石
炭等の鉱物質（ＦｅＳ₂）等）は、硫黄による被毒の虞
があり、これを回避するために、この脱硫装置５３が設
置されている。また、この脱硫装置５３では水添脱硫に
よる脱硫動作が行われるため、水素を供給するための上
記水素タンク５４が備えられている。更に、この脱硫装
置５３には、メタンガスを供給するための改質前燃料供
給管７２及び脱硫後の燃料を燃料改質器５１に供給する
ための脱硫燃料供給管７３が接続されている。また、上
記水素タンク５４と脱硫装置５３とは脱硫用水素供給経
路を構成する水素供給管７４によって接続されている。

【００４７】燃料改質器５１は、その内部で水蒸気とメ
タンガスとを吸熱反応させて燃料改質動作を行わせるも
のである。つまり、上記水蒸気供給管７１から供給され
た水蒸気と脱硫燃料供給管７３から供給されたメタンガ
スとの間で吸熱反応を行わせるようになっている。ま
た、この燃料改質器５１の内部には、排気ガスの熱エネ
ルギを取得するための図示しない熱交換器が備えられて
いる。これにより、燃料改質器５１の内部では所定温度
（排気ガスの温度であって例えば６００℃程度）の環境
下で以下の吸熱反応が行われるようになっている。

【００４８】ＣＨ₄＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ₂ …（２）このような反応が行われることで、改質後の燃料の発熱
量は元のメタンガスよりも大幅に上昇し、これによって
熱効率（発電機出力／供給燃料）の向上が図れる燃料を
得ることができるようになっている。

【００４９】そして、本形態の特徴は、上記燃料改質器
５１に水素分離手段としての水素分離装置５６が設けら
れていることにある。この水素分離装置５６は、燃料改
質器５１内での上記吸熱反応によって発生した水素ガス
を他のガスや水蒸気から分離して抽出するものである。
この水素分離装置５６の具体構成としては、分離膜や水
素吸蔵物質を内蔵し、これによって水素のみを分離抽出
するようになっている。分離膜としては、パラジウム合
金、パラジウム基合金、無機分離膜、多孔質ガラス膜、
多孔質中空ガラス繊維膜、多孔質セラミックス膜、ゼオ
ライト膜、酢酸セルロース膜、ポリイミド、ポリアミ
ド、ポリスルホン多孔質膜／シリコーンなどがある。例
えば、上記無機分離膜は水素分子のみが通過可能な細孔
を有する膜として形成されている。特に、無機分離膜、
多孔質ガラス膜、多孔質中空ガラス繊維膜、多孔質セラ
ミックス膜は、耐熱性に優れ且つ機械的強度も高いため
好適である。また、多孔質セラミックス材料として具体
的には、ジルコニア、ゼオライト、シリカ、アルミナ等
が掲げられる。また、水素吸蔵物質としては、水素吸蔵
合金が挙げられる。また、カーボンナノファイバ、フラ
ーレン、多層フラーレン、カーボンナノチューブなどの
炭素分子よりなる物質、金属水素化物、塩型水素化物、
金属結合型水素化物、境界領域水素化物、共有結合型水
素化物、有機系炭化水素、メタルハイドライド、ケミカ
ルハイドライドを水素吸蔵物質として採用することも可
能である。尚、分離膜や水素吸蔵物質としては、これら
に限るものではなく、水素を分離抽出できるものであれ
ば種々の材料を採用することが可能である。この構成に
より、燃料改質器５１内での吸熱反応によって生成した
水素を水素分離装置５６によって順次分離抽出すること
で、燃料改質器５１内での吸熱反応の促進が図れるよう
になっている。

【００５０】この水素分離装置５６と上記水素タンク５
４とは水素回収管７５によって接続されている。つま
り、水素分離装置５６によって抽出された水素ガスが水
素回収管７５を経て水素タンク５４に一時的に貯留され
る構成となっている。尚、上記燃料改質器５１とミキサ
５５とは、水素ガスが抽出された後の燃料等（ＣＯ、Ｃ
Ｈ₄、Ｈ₂Ｏ）をミキサ５５に向かって供給するための第
１燃料供給管７６によって接続されている。この第１燃
料供給管７６には開度調整可能な電動弁７６ａが設けら
れている。

【００５１】また、上記水素タンク５４とミキサ５５と
は、水素タンク５４内に貯留されている水素ガスをミキ
サ５５に向かって供給するための水素供給経路を構成す
る第２燃料供給管７７によって接続されている。この第
２燃料供給管７７にも開度調整可能な調整手段としての
電動弁７７ａが設けられている。

【００５２】そして、これら燃料供給管７６，７７によ
って燃料が供給されるミキサ５５は、各燃料を一旦貯蔵
して混合し、このミキサ５５に内蔵した図示しない除湿
器で余分な残留Ｈ₂Ｏを取り除いた後、改質後の燃料を
改質後燃料供給管７８を経て空気と混合して燃焼室に供
給するようになっている。

【００５３】また、本ガスエンジン１には、各部の制御
を行うためのコントローラ８が備えられている。このコ
ントローラ８は、複数のセンサ８１，８２，８３が接続
され、これらセンサ８１，８２，８３からの検出信号を
受信すると共に、上記各電動弁７１ａ，７６ａ，７７ａ
の開度制御を行うようになっている。上記センサとして
は、発電機３の負荷を検出する負荷センサ８１、エンジ
ン本体２のノッキング強度を測定するためのノッキング
センサ８２、ミキサ５５からエンジン本体２に供給され
る燃料中の水素成分濃度（改質後燃料供給管７８中の水
素成分濃度）を測定する水素濃度センサ８３が挙げられ
る。

【００５４】また、このコントローラ８には、水素供給
量制御手段８５及び混合比調整手段８６が備えられてい
る。

【００５５】水素供給量制御手段８５は、上記ノッキン
グセンサ８２の出力を受けてノッキング強度を測定し、
ノッキング強度が所定値を超えたときに、第２燃料供給
管７７の電動弁７７ａの開度を小さくするように制御す
ることで、水素の供給量を低下させて総燃料中の水素混
合割合を低下させる。つまり、ノッキングが発生する状
況（ノッキングの発生が検知または予知される状況）で
は、供給燃料中の水素成分の影響でメタン価が小さくな
りすぎていることが考えられるため、この際に、水素の
供給量を低下させてメタン価を大きくしてノッキングを
防止できるようにしている。

【００５６】また、混合比調整手段８６は、水素濃度セ
ンサ８３の出力を受けて総燃料中の水素混合割合を測定
し、この水素混合割合に応じて、燃焼室に向かって供給
する燃料と空気との混合割合を調整する。つまり、排気
ガス中の有害物質であるＮＯｘ、ＣＯ、ＨＣをできるだ
け少なくするためには、希薄燃焼を行うことが好まし
い。このため、総燃料中の水素混合割合を予め認識して
おき、その水素混合割合において必要最小限の燃料供給
量で燃焼室内での燃焼が良好に行えるように、つまり、
水素混合割合に応じた希薄可燃限界値を求め、それに基
づいて燃料と空気との混合割合を調整するようにしてい
る。

【００５７】以上が、ガスエンジン１の構成説明であ
る。

【００５８】−ガスエンジン１の動作説明− 次に、上述の如く構成されたガスエンジン１の動作につ
いて説明する。

【００５９】先ず、水蒸気供給管７１の電動弁７１ａが
開放された状態で、排熱ボイラ５２内部の水が、排気管
６を流れる排気ガスによって加熱されて水蒸気となる。
そして、この水蒸気は、水蒸気供給管７１によって燃料
改質器５１に順次供給されていく。

【００６０】これと同時に、メタンガスが改質前燃料供
給管７２によって脱硫装置５３に供給され、ここで水添
脱硫による脱硫動作が行われる。この際、水素タンク５
４内の水素ガスの一部が水素供給管７４によって脱硫装
置５３に供給される。このようにして脱硫が行われたメ
タンガスは、脱硫燃料供給管７３によって燃料改質器５
１に順次供給されていく。

【００６１】このようにして、燃料改質器５１に水蒸気
及びメタンガスが供給された状態で上記の吸熱反応が行
われる。この反応の際には、排気ガスの熱エネルギが燃
料改質器５１内の熱交換器によって取得され、これによ
り、燃料改質器５１の内部では所定温度の環境下で吸熱
反応が行われて、一酸化炭素（ＣＯ）と水素ガス
（Ｈ ₂）とが発生する。尚、この際、改質されなかった
水蒸気（Ｈ₂Ｏ）及びメタンガス（ＣＨ₄）も燃料改質器
５１の内部には存在している。

【００６２】そして、この燃料改質器５１内の水素ガス
は、水素分離装置５６によって他のガスや水蒸気から分
離して抽出され、水素回収管７５を経て水素タンク５４
に回収され、この水素タンク５４に一時的に貯留され
る。この燃料改質器５１内の水素ガスの分離抽出によ
り、この燃料改質器５１内では、吸熱反応が促進され、
高い転化率で燃料の改質が行われる。

【００６３】エンジン本体２に燃料を供給する際には、
上記第１燃料供給管７６の電動弁７６ａ及び第２燃料供
給管７７の電動弁７７ａが共に開放される。これによ
り、燃料改質器５１内のメタンガス、一酸化炭素、水蒸
気は、第１燃料供給管７６によってミキサ５５に供給さ
れる。一方、水素タンク５４内の水素ガスは、第２燃料
供給管７７よってミキサ５５に供給される。このミキサ
５５では、各燃料が一旦貯蔵されて、ここで混合される
と共に、ミキサ５５に内蔵した図示しない除湿器で余分
な残留Ｈ₂Ｏが取り除かれる。そして、改質後の燃料が
改質後燃料供給管７８を経て、空気供給系４から供給さ
れた空気と混合されてエンジン本体２の燃焼室に供給さ
れる。この際、上記電動弁７７ａの開度を調整すること
により、総燃料中の水素混合割合を任意の値に設定し
て、ガスエンジンの運転状態を制御することが可能であ
る。

【００６４】これによってエンジン本体２が駆動し、出
力軸２１の回転駆動に伴って発電機３が駆動して発電が
行われる。

【００６５】以上が、本ガスエンジン１の基本的な運転
動作である。

【００６６】（ノッキング発生時の制御）次に、ガスエ
ンジン１の運転中にノッキングが発生する状況になった
場合の制御について説明する。このノッキングが発生す
る状況とは、上述した如く、供給燃料中の水素成分の影
響でメタン価が小さくなりすぎていることが考えられ
る。このため、このような状況では、水素の供給量を低
下させてメタン価を大きくし、ノッキングを防止する制
御が行われる。具体的には、コントローラ８の水素供給
量制御手段８５が、ノッキングセンサ８２の出力を受け
てノッキング強度を測定し、ノッキングの発生が検知ま
たは予知される状況であるときには、第２燃料供給管７
７の電動弁７７ａの開度を小さくするように制御するこ
とで、水素の供給量を低下させて総燃料中の水素混合割
合を低下させる。これにより、供給燃料のメタン価が大
きくなり、ノッキングの発生が回避できる。そして、ノ
ッキング強度が所定値以下まで低下すると、再び、電動
弁７７ａの開度を大きくして通常運転に戻る。

【００６７】（希薄燃焼制御）本ガスエンジン１の排気
ガス中の有害物質であるＮＯｘ、ＣＯ、ＨＣをできるだ
け少なくするための運転制御を行う場合には、混合比調
整手段８６によって以下の制御が行われる。つまり、排
気ガス中の有害物質をできるだけ少なくするためには希
薄燃焼を行うことが好ましい。このため、総燃料中の水
素混合割合を予め認識しておき、その水素混合割合にお
いて必要最小限の燃料供給量で燃焼室内での燃焼が良好
に行えるように、水素混合割合に応じた希薄可燃限界値
を求め、それに基づいて燃料と空気との混合割合を調整
する。図２は、この希薄可燃限界値を求めるためのマッ
プである。このマップに基づき、現在の水素混合割合に
対して、希薄可燃限界値となる希薄可燃限界当量比（空
気量に対する燃料の割合）を安定燃焼領域中で最も燃料
供給量が少なくなるように設定する（図２の曲線上に設
定する）。これにより、運転中の吹消を回避しながら
も、ガスエンジン１の排気ガス中の有害物質を大幅に削
減することができ、排気ガスのクリーン化を図ることが
可能となる。

【００６８】−実施形態の効果− 以上説明したように、本形態では、メタンガスを燃料改
質器５１で改質するに際し、生成した水素を、水素分離
装置５６によって順次燃料改質器５１から分離抽出する
ことにより、燃料改質器５１内での水素濃度を低下させ
ることで吸熱反応の促進を図るようにしている。このた
め、比較的低い温度環境下（例えば６００℃程度）であ
っても、高い転化率で改質が行われ、熱効率の大幅な上
昇を図ることが可能な燃料が得られて、ガスエンジン全
体としての熱効率の向上を図ることができる。その結
果、本形態のガスエンジン１では、従来のものと同一発
電量を得るために必要な燃料の量を削減することがで
き、省エネルギ性の向上を図ることができる。

【００６９】図３は、排ガス温度とメタン転化率との関
係を示しており、曲線Ａは本形態のガスエンジン１に係
るものであり、曲線Ｂは上述した如く従来のガスエンジ
ン（図６参照）に係るものである。この図のように、排
ガス温度が６００℃の場合、従来のものではメタン転化
率は４０％程度しか得られていないのに対し、本形態で
は９０％以上の高い転化率が得られ、熱効率の大幅な向
上を図ることができている。

【００７０】（第２実施形態）次に、第２実施形態につ
いて説明する。本形態は、エンジン本体２の燃焼室内で
の燃焼温度を制御することによって、排気ガス中の有害
物質の削減を図るようにしたものである。従って、ここ
では、燃焼温度を制御する構成及び動作についてのみ説
明する。また、本形態に係る発電システムの概略構成を
示す図４にあっては、上記図１に示したものと同一の構
成部材については同一の符号を付して説明を省略する。

【００７１】この図４に示すように、本例に係るガスエ
ンジン１は、排熱ボイラ５２と燃料改質器５１とを接続
する水蒸気供給管７１の下流側が分岐されており、一方
の分岐管７１Ａが燃料改質器５１に、他方の分岐管（本
発明でいう水蒸気供給経路を構成する）７１Ｂがミキサ
５５にそれぞれ接続されている。そして、各分岐管７１
Ａ，７１Ｂには電動弁７１ｂ，７１ｃが設けられてい
る。

【００７２】また、コントローラ８には水蒸気調整手段
８７が備えられている。この水蒸気調整手段８７は、水
蒸気供給管７１の他方の分岐管７１Ｂからミキサ５５へ
の水蒸気の供給量を調整することによって、燃焼室内の
燃焼温度を調整するものである。つまり、燃焼温度が高
すぎる場合に、分岐管７１Ｂの電動弁７１ｃを開放する
ことによって供給燃料中の水蒸気量を増加させ、これに
よって燃焼温度を低下させて、排気ガス中の有害物質を
最も削減できる燃焼温度となるように制御する。

【００７３】このように本形態では、排熱ボイラ５２で
発生した水蒸気の一部を燃焼室に向けて供給して燃焼温
度を調整できるようにしているため、簡単な制御動作
で、排気ガス中の有害物質を最も削減できる燃焼温度で
ガスエンジンを運転することが可能となる。

【００７４】また、このような排熱ボイラ５２で発生し
た水蒸気の燃焼室への供給は、ガスエンジン本体２の熱
効率向上や、燃焼室から燃料噴射口へのバックファイヤ
ー防止にも効果がある。

【００７５】尚、分岐管７１Ｂの下流端の接続箇所とし
ては、ミキサ５５に限らず、改質後燃料供給管７８や燃
焼室であってもよい。

【００７６】（第３実施形態）次に、第３実施形態につ
いて説明する。本形態は、水素分離装置５６における水
素分離抽出動作の促進を図るための構成の変形例であ
る。その他の構成は上述した第１実施形態のものと同様
である。従って、ここでは第１実施形態との相違点につ
いてのみ説明する。また、本形態に係る発電システムの
概略構成を示す図５にあっては、上記図１に示したもの
と同一の構成部材については同一の符号を付して説明を
省略する。

【００７７】この図５に示すように、本形態に係るガス
エンジン１は、脱硫装置として高次脱硫装置５３が備え
られている。この高次脱硫装置５３は炭化水素系燃料中
に含まれる硫黄分（一般にスリップ硫黄と呼ばれる）を
１ppbレベルまで削減することができるものであって、
常温の環境下であっても高性能の脱硫動作を行うことが
できるものである。その脱硫の原理としては、金属酸化
物上の活性金属によってチオフェン等の有機硫黄をも分
解して脱硫を行うことができるようにされている。

【００７８】また、上記高次脱硫装置５３からの燃料を
燃料改質器５１に供給するための脱硫燃料供給管７３に
は電動弁７３ａが設けられており、通常の運転時には、
水蒸気供給管７１の電動弁７１ａ及び脱硫燃料供給管７
３の電動弁７３ａが共に開放されて、燃料改質器５１に
対してメタンガス及び水蒸気が供給されて吸熱反応に伴
うガスエンジン１の運転が行われる。一方、燃料改質器
５１の触媒が被毒された場合や発電負荷が小さい場合に
は、水蒸気供給管７１の電動弁７１ａが開放され、脱硫
燃料供給管７３の電動弁７３ａが閉鎖される。これによ
り、燃料改質器５１に対して水蒸気のみが供給される状
態となる。この水蒸気のみの供給により燃料改質器５１
の触媒が被毒される原因となっている硫黄分が分解さ
れ、これによって触媒を再生することができる。

【００７９】尚、この高次脱硫装置５３の上流側に水添
脱硫装置を備えさせるようにしてもよい。これによれ
ば、高次脱硫装置５３に導入される硫黄量を極端に少な
くすることができ、高次脱硫装置５３での硫黄除去動作
の高効率化と高次脱硫装置５３の長寿命化とを図ること
ができる。

【００８０】更に、本ガスエンジン１の燃料供給系５に
は、上記構成に加えて、熱交換器５７及び純水装置５８
が備えられている。

【００８１】上記熱交換器５７は、燃料供給管７６を流
れる改質後燃料（改質ガス）と、燃料改質器５１に供給
されるメタンガス（高次脱硫装置５３で脱硫された後の
メタンガス）との間で熱交換を行うようになっている。
これにより燃料改質器５１に供給されるメタンガスを予
熱できる構成となっている。また、この熱交換器５７
は、燃料供給管７６を流れる改質後燃料（改質ガス）
と、後述する純水装置５８から排熱ボイラ５２に供給さ
れる純水との間でも熱交換が行われるようになってい
る。これにより排熱ボイラ５２に供給される純水を予熱
できる構成となっている。このように、本ガスエンジン
１の原料であるメタンガス及び純水を改質後燃料によっ
て予熱しておく構成を採用することによって改質後燃料
中の熱エネルギを回収でき、排熱回収量の増大を図るこ
とができる。

【００８２】また、上記純水装置５８は水供給管５８ａ
によって排熱ボイラ５２に接続されており、熱交換器５
７は水戻し管５７ａによってこの水供給管５８ａに接続
されている。つまり、熱交換器５７によって改質後燃料
中に含まれる水分が凝縮されて成る水を排熱ボイラ５２
で生成される水蒸気の原料とすることができるようにな
っている。このため、改質後燃料中に含まれる水分を廃
棄することなく有効に利用することができ、純水供給設
備のランニングコストの削減を図ることができる。

【００８３】一方、上記純水装置５８は、例えば水道水
が供給され、この水道水から純水を生成し、この純水を
上記水供給管５８ａによって排熱ボイラ５２に供給する
ものである。つまり、水道水中に含まれるハロゲンや砒
素等の不純物を除去することによって高純度の純水を生
成するようになっている。この純水装置５８の具体的な
ものとしては、蒸留式純水装置、カートリッジ式純水装
置、イオン交換式純水装置、電気再生式純水装置、電気
透析原理を応用した連続イオン交換法（ＥＤＩ）による
装置などが掲げられる。

【００８４】特に、ハロゲンを除去するための手法とし
ては、活性炭濾過法、精密濾過法（ＭＦ膜（マイクロフ
ィルタ）などによる）、限外濾過法（ＵＦ膜（ウルトラ
フィルタ）などによる）、逆浸透膜法（ＲＯ膜（リバー
ス・オスモシス）などによる）のうち少なくとも一つが
選択されている。一方、砒素を除去するための手法とし
ては、凝集沈殿法（供沈法）、イオン交換法、活性アル
ミナ法、低圧逆浸透膜法、逆浸透膜法（浸透圧とは逆方
向に圧力をかける手法）、ＡＤＩ法のうち少なくとも一
つが選択されている。

【００８５】例えば、上記供沈法では、原水（水道水）
に酸化剤と凝集剤とが注入され、これをミキサで混合し
てＵＤフィルタに通過させる。この際、フィルタの濾過
層を原水が通過する際に、砒素を取り込んだ凝集フロッ
クが補足される。この処理水は更に急速で濾過され、残
留している砒素や濁質が除去される。

【００８６】活性アルミナ法では、酸化剤と、ｐＨ調整
のための酸を注入した原水をミキサで混合し、活性アル
ミナ吸着塔に流入させる。その後、この処理水は浄化池
でｐＨ値を中性付近まで上げるための再調整が行われ
る。更に、濁質、鉄、マンガン等が濾過器によって除去
される。

【００８７】ここで純水とは一般にはppm（mg/l）オー
ダの濃度で不純物を含有している水をいう。また、高性
能の純水装置５８であれば、超純水を生成することも可
能である。この超純水とは一般にはppb（μg/l）オーダ
の濃度で不純物を含有している水をいう。

【００８８】このようにして排熱ボイラ５２に供給され
る水を純水とすることによって、燃料改質器５１に供給
される水蒸気中にハロゲンや砒素等の不純物が含まれて
しまうことを回避し、これによって上記吸熱反応を効率
良く行うことができるようにしている。これにより、燃
料改質器５１、排熱ボイラ５２の高寿命化、純水タンク
が不要になることによる低コスト化を図ることができ
る。

【００８９】更に、本形態に係るガスエンジン１の水素
分離装置５６は、その水素導出側が水素ポンプ手段とし
ての水素ポンプユニット９を介してタンク５５に接続さ
れている。以下、この水素ポンプユニット９について説
明する。

【００９０】この水素ポンプユニット９は、一方が水素
回収管７５によって水素分離装置５６の導出側に接続さ
れており、他方が水素供給経路を構成する水素放出管９
１によってタンク５５に接続されている。また、この水
素放出管９１には開度調整可能な電動弁９１ａが設けら
れている。

【００９１】水素ポンプユニット９は、一対の水素吸蔵
体９２ａ，９２ｂ、（９３ａ，９３ｂ）が直列に接続さ
れて成る第１及び第２の水素ポンプ９２，（９３）と、
この水素ポンプ９２，（９３）に接続された水素貯蔵体
９４とを備えている。これら水素吸蔵体９２ａ〜９３ｂ
及び水素貯蔵体９４はそれぞれ上述した水素吸蔵物質が
内蔵されている。また、これら水素吸蔵体９２ａ〜９３
ｂ及び水素貯蔵体９４には図示しない温冷熱源が備えら
れており、この温冷熱源によって冷却された際には水素
吸蔵動作を行う一方、加熱された際には水素放出動作を
行うようになっている。この加熱源としてはエンジン本
体２の排熱を利用することも可能である。尚、上記水素
貯蔵体９４の構成として、具体的には、水素吸蔵合金タ
ンクの他に、圧縮水素タンク、液体水素タンク、メタル
ハイドライドタンク、ケミカルハイドライドタンク等も
採用可能である。

【００９２】このように構成された水素ポンプユニット
９では、個々の水素ポンプ９２，９３において、上流側
の水素吸蔵体９２ａ，（９３ａ）が冷却され下流側の水
素吸蔵体９２ｂ，（９３ｂ）が加熱された場合には、こ
の上流側の水素吸蔵体９２ａ，（９３ａ）では水素分離
装置５６から水素が取り出されて吸蔵されると共に、下
流側の水素吸蔵体９２ｂ，（９３ｂ）では予め吸蔵して
いた水素がタンク５５に向けて放出されることになる
（以下、水素吸放動作）。逆に、上流側の水素吸蔵体９
２ａ，（９３ａ）が加熱され下流側の水素吸蔵体９２
ｂ，（９３ｂ）が冷却された場合には、この上流側の水
素吸蔵体９２ａ，（９３ａ）に吸蔵されていた水素が下
流側の水素吸蔵体９２ｂ，（９３ｂ）に供給されてこの
下流側の水素吸蔵体９２ｂ，（９３ｂ）に吸蔵されるこ
とになる（以下、水素吸蔵予備動作）。そして、各水素
ポンプ９２，９３では、一方が水素吸放動作を行い、他
方が水素吸蔵予備動作を行う状態が所定時間毎に交互に
繰り返される。これにより、水素分離装置５６から取り
出した水素を連続的にタンク５５に向けて放出すること
ができるようになっている。

【００９３】また、負荷遮断時（エンジン本体２への燃
料供給が必要ない時）には、水素貯蔵体９４が冷却され
て、水素分離装置５６内の水素を取り出して一時的に貯
留する。そして、負荷投入時には、水素貯蔵体９４が加
熱され、この貯蔵していた水素がタンク５５へ放出され
るようになっている。これにより、エンジン本体２の運
転状態に応じて適切な量の水素ガスを燃料として供給す
ることが可能となり、ガスエンジン１の応答性を良好に
得ることができる。

【００９４】尚、タンク５５への水素ガス放出量の調整
動作としては、上述した各水素吸蔵体９２ａ〜９３ｂ及
び水素貯蔵体９４の加熱冷却の制御と、上記電動弁９１
ａの開度制御によって行われる。この電動弁９１ａの具
体的な開度制御としては、コントローラ８（図示省略）
によって電動弁９１ａの開度制御を行い、これによって
燃焼室に供給される総燃料中の水素混合割合（ミキサ５
５内における水素ガスの割合）を調整している。このよ
うに総燃料中の水素混合割合が調整可能であるため、た
とえ燃料改質器５１の応答性が低下して改質ガスの組成
が変動したとしても、改質ガスの組成変動に合わせて電
動弁９１ａの開度を調整することにより水素の供給量を
適切に得ることでガスエンジンの運転を安定して行うこ
とが可能となる。具体的には、燃料改質器５１の応答性
の低下割合が大きくなるほど水素の供給量を増加させて
いくことにより、ガスエンジンの安定運転を継続して行
うことが可能となる。

【００９５】また、この電動弁９１ａの開度制御を利用
することにより、ガスエンジンのノッキング発生を回避
することも可能である。つまり、上記水素供給量制御手
段８５が、ノッキングセンサ８２（図５では何れも図示
省略）の出力を受けてノッキング強度を測定し、ノッキ
ングの発生が検知または予知される状況であるときに
は、電動弁９１ａの開度を小さくするように制御するこ
とで、水素の供給量を低下させて総燃料中の水素混合割
合を低下させる。これにより、供給燃料のメタン価が大
きくなり、ノッキングの発生が回避できる。そして、ノ
ッキング強度が所定値以下まで低下すると、再び、電動
弁９１ａの開度を大きくして通常運転に戻る。

【００９６】また、逆火（バックファイヤー）の発生を
検知または予知する逆火センサ（燃焼室内温度センサな
ど）を備えさせ、その出力に応じて電動弁９１ａの開度
を調整するようにすれば逆火を防止することも可能であ
る。つまり、上記水素供給量制御手段８５が、逆火セン
サの出力を受け、逆火の発生が検知または予知されたと
きに、電動弁９１ａの開度を小さくするように制御する
ことで、水素の供給量を低下させる。これにより、燃焼
室内での燃焼速度を低くすることができ、逆火を防止す
ることができる。

【００９７】本形態では、上記構成の水素ポンプユニッ
ト９を備えているため、水素分離装置５６からの水素の
取り出しと、タンク５５に向けての水素の放出とを同時
且つ連続的に行うことができ、ガスエンジン１の実用性
の向上を図ることができる。また、この水素ポンプユニ
ット９の駆動原理として温度によって水素の吸蔵と放出
とを切り換える構成を採用しているので、エンジンの排
熱などを有効に利用することが可能となって水素の放出
を行うための特別な動力源を廃することも可能である。

【００９８】尚、本形態では、排気ガス中の有害物質で
あるＮＯｘ、ＣＯ、ＨＣをできるだけ少なくする希薄燃
焼を実現するために、エンジン回転数・負荷、排気温
度、排気の空燃比、総燃料中の水素混合量、水素分離後
の改質燃料供給量、排気の濃度、総燃料中の水素成分濃
度のうち少なくとも一つをセンサによって検出可能に構
成し、その検出値に応じて、燃焼室内での希薄燃焼を可
能とするように、燃焼室に向かって供給する水素と水素
分離後の改質燃料との混合割合を上記混合比調整手段８
６によって調整するようになっている。つまり、第１燃
料供給管７６の電動弁７６ａの開度と、水素放出管９１
の電動弁９１ａの開度とを調整することによって水素と
水素分離後の改質燃料との混合割合及びその混合した総
燃料の供給量を希薄燃焼を可能とするように調整してい
る。これにより、運転中の吹消を回避しながらも、ガス
エンジン１の排気ガス中の有害物質を大幅に削減するこ
とができ、排気ガスのクリーン化を図ることが可能とな
る。

【００９９】−その他の実施形態− 上記実施形態では、炭化水素系燃料としてメタンガスを
燃料改質器５１で改質することにより発熱量の大きな燃
料を得るようにしたガスエンジン１に本発明を適用した
場合について説明した。本発明は、これに限らず、炭化
水素系燃料としては、天然ガス、石油系液体燃料、消化
ガス、バイオガス、アルコール燃料等の燃料を適用する
ことも可能である。

【０１００】また、ガスエンジンとしては発電用のもの
に限らず、種々の用途に使用されているガスエンジンに
本発明は適用可能である。

【０１０１】更に、燃料改質器５１での吸熱反応を更に
促進させるために、この燃料改質器５１の内部で、分離
水素の一部、改質燃料（改質後の燃料であって水素以外
のもの）の一部または炭化水素系燃料（改質前の燃料）
の一部のうち少なくとも一つを燃焼させて、燃料改質器
５１の内部温度を上昇させる構成を採用することも可能
である。この構成を採用すれば、燃料改質器５１から水
素を抽出することによる吸熱反応の促進効果と相俟っ
て、極めて高い転化率を実現することができる。例え
ば、この分離水素、改質燃料または炭化水素系燃料の燃
焼により燃料改質器５１の内部温度を８００℃まで上昇
させた場合には、図３に示すように、略１００％の転化
率を得ることができる。

【０１０２】また、上記実施形態では、水蒸気と炭化水
素系燃料とを吸熱反応させて燃料改質を行うものについ
て説明したが、本発明は、二酸化炭素と炭化水素系燃料
とを吸熱反応させて燃料改質を行うものに適用すること
も可能である。

【０１０３】

【発明の効果】以上のように、本発明では、炭化水素系
燃料を燃料改質器で改質するに際し、生成した水素を順
次燃料改質器から分離抽出することにより、燃料改質器
内での改質反応を促進するようにしている。このため、
比較的低い温度環境下であっても、高い転化率で改質が
行われて、熱効率の大幅な上昇を図ることが可能な燃料
が得られ、ガスエンジン全体としての熱効率の向上を図
ることができる。

【０１０４】また、燃料改質器の内部で、分離水素、改
質燃料または炭化水素系燃料の一部を燃焼させるように
すれば、改質反応を高い温度環境下で行わせることがで
き、極めて高い転化率を実現することが可能となる。

【０１０５】また、炭化水素系燃料に含まれる硫黄分を
水添脱硫によって除去する脱硫装置に対して、上記分離
抽出された水素の一部を供給する構成とした場合には、
従来の構成において必要であった水素ボンベを廃するこ
とができ、ボンベの交換や水素の補充作業が不要になっ
て、メンテナンスコストの削減を図ることができる。

【０１０６】更に、水素の供給量を調整することによっ
てエンジンのノッキングを防止するようにした場合に
は、ノッキングを確実に防止することができ、ガスエン
ジンの長寿命化を図ることが可能になる。同様に、水素
の供給量を調整することによって逆火を防止するように
した場合にも、ガスエンジンの長寿命化を図ることが可
能になる。

【０１０７】加えて、総燃料中の水素混合割合に応じて
燃焼室に向かって供給する燃料と空気との混合割合を調
整したり、水蒸気発生手段で発生した水蒸気の燃焼室へ
の供給量を調整した場合には、排気ガスのクリーン化を
図るのに最適な希薄燃焼状態や燃焼温度を得ることが可
能になり、排気ガスの清浄化に伴いガスエンジンの実用
性の向上を図ることができる。また、水蒸気発生手段で
発生した水蒸気の燃焼室への供給は、ガスエンジン本体
の熱効率向上や、燃焼室から燃料噴射口へのバックファ
イヤー防止にも効果がある。

【０１０８】また、分離抽出された水素の燃焼室へ向か
う流量を調整して燃焼室に供給される総燃料中の水素混
合割合を調整可能とすることにより、たとえ燃料改質器
の応答性が低下して改質ガスの組成が変動したとして
も、改質ガスの組成変動に合わせて水素の供給量を適切
に得ることでガスエンジンの安定運転を継続して行うこ
とが可能となり、ガスエンジンの信頼性の向上を図るこ
とができる。

【０１０９】更に、水素分離手段によって分離抽出され
た水素を吸蔵する吸蔵動作と、この吸蔵した水素を燃焼
室に向けて放出することにより水素供給圧力を昇圧させ
る放出動作とが可能な水素ポンプ手段を設けた場合に
は、高転化率を維持しながらガスエンジンの連続運転を
良好に行うことが可能になる。

【０１１０】また、機関回転数・負荷、排気温度、排気
の空燃比、総燃料中の水素混合量、水素分離後の改質燃
料供給量、排気の濃度、総燃料中の水素成分濃度のうち
少なくとも一つの検出値に応じて水素と水素分離後の改
質燃料との混合割合を調整してガスエンジンの希薄燃焼
を可能にした場合には、運転中の吹消を回避しながら
も、ガスエンジンの排気ガス中の有害物質を大幅に削減
することができ、例えばＮＯｘを数ppm以下に抑えるこ
とができて排気ガスのクリーン化を図ることが可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施形態に係るガスエンジンによって発電
を行う発電システムの概略構成を示す図である。

【図２】水素混合割合と希薄可燃限界当量比との関係を
示す図である。

【図３】排ガス温度とメタン転化率との関係を示す図で
ある。

【図４】第２実施形態に係るガスエンジンによって発電
を行う発電システムの概略構成を示す図である。

【図５】第３実施形態に係るガスエンジンによって発電
を行う発電システムの概略構成を示す図である。

【図６】従来例における図１相当図である。

【符号の説明】

１ガスエンジン５１燃料改質器５２排熱ボイラ（水蒸気発生手段）５３脱硫装置５４水素タンク５６水素分離装置（水素分離手段）７１Ｂ分岐管（水蒸気供給経路）７４水素供給管（脱硫用水素供給経路）７７第２燃料供給管（水素供給経路）７７ａ電動弁（調整手段）８２ノッキングセンサ８５水素供給量制御手段８６混合比調整手段８７水蒸気調整手段９水素ポンプユニット（水素ポンプ手段）９１ａ電動弁（調整手段）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｃ０１Ｂ 3/56 Ｃ０１Ｂ 3/56 ＺＦ０２Ｄ 19/02 Ｆ０２Ｄ 19/02 ＣＦ 45/00 ３６８ 45/00 ３６８Ｄ３６８ＺＦ０２Ｍ 25/00 Ｆ０２Ｍ 25/00 Ｈ 25/022 27/02 Ａ 25/032 Ｆ 27/02 Ｋ 25/02 ＣＨＫＦターム(参考） 3G084 AA04 AA05 BA11 DA02 DA10 DA19 FA14 FA18 FA25 FA26 FA27 FA28 FA33 3G092 AA09 AA18 AB06 AB15 AC08 BB20 DE17S FA02 FA16 HA11Z HB05X HC05Z HD01Z HD04Z HE01Z 4G040 AA12 EA03 EA06 EB01 EB14 EB33 EB42 EB44 FA02 FC01 FC02

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】炭化水素系燃料を燃料改質器で改質した
後、この改質後の燃料を燃焼室に向けて供給するガスエ
ンジンにおいて、上記改質後の燃料から水素を分離抽出する水素分離手段
と、この水素分離手段によって分離抽出された水素を燃焼室
に向けて供給する水素供給経路とを備えていることを特
徴とするガスエンジン。
【請求項２】請求項１記載のガスエンジンにおいて、燃料改質器の内部で、分離水素の一部、改質燃料の一部
または炭化水素系燃料の一部を燃焼させることにより、
燃料改質器の内部温度を上昇させる構成となっているこ
とを特徴とするガスエンジン。
【請求項３】請求項１または２記載のガスエンジンに
おいて、水素分離手段によって分離抽出された水素を貯蔵するタ
ンクと、このタンクから水素供給経路を経て燃焼室に向かって供
給される水素の供給量を調整することによって、燃焼室
に供給される総燃料中の水素混合割合を調整可能とする
調整手段とを備えていることを特徴とするガスエンジ
ン。
【請求項４】請求項１〜３のうち何れか一つに記載の
ガスエンジンにおいて、炭化水素系燃料に含まれる硫黄分を水添脱硫によって除
去する脱硫装置と、水素分離手段によって分離抽出された水素の一部を脱硫
装置に供給する脱硫用水素供給経路とを備えていること
を特徴とするガスエンジン。
【請求項５】請求項１〜４のうち何れか一つに記載の
ガスエンジンにおいて、ノッキングの発生を検知または予知するノッキングセン
サと、このノッキングセンサの出力を受けてノッキング強度を
測定し、ノッキング強度が所定値を超えたときに、水素
供給経路からの水素の供給量を減少させて、燃焼室に供
給される総燃料中の水素混合割合を低下させる水素供給
量制御手段とを備えていることを特徴とするガスエンジ
ン。
【請求項６】請求項１〜５のうち何れか一つに記載の
ガスエンジンにおいて、総燃料中の水素混合割合に応じて、燃焼室に向かって供
給する燃料と空気との混合割合を調整する混合比調整手
段を備えていることを特徴とするガスエンジン。
【請求項７】請求項１〜５のうち何れか一つに記載の
ガスエンジンにおいて、燃料改質器は、炭化水素系燃料と水蒸気とを吸熱反応さ
せることにより、炭化水素系燃料を改質するようになっ
ており、上記水蒸気を発生させる水蒸気発生手段と、この水蒸気発生手段で発生した水蒸気の一部を燃焼室に
向けて供給する水蒸気供給経路と、この水蒸気供給経路からの水蒸気の供給量を調整するこ
とによって、燃焼室内の燃焼温度を調整する水蒸気調整
手段とを備えていることを特徴とするガスエンジン。
【請求項８】請求項１〜５のうち何れか一つに記載の
ガスエンジンにおいて、燃料改質器は、炭化水素系燃料と水蒸気とを吸熱反応さ
せることにより、炭化水素系燃料を改質するようになっ
ており、総燃料中の水素混合割合に応じて、燃焼室に向かって供
給する燃料と空気との混合割合を調整する混合比調整手
段と、上記水蒸気を発生させる水蒸気発生手段と、この水蒸気発生手段で発生した水蒸気の一部を燃焼室に
向かって供給する水蒸気供給経路と、この水蒸気供給経路からの水蒸気の供給量を調整するこ
とによって、燃焼室内の燃焼温度を調整する水蒸気調整
手段とを備えていることを特徴とするガスエンジン。
【請求項９】請求項１〜８のうち何れか一つに記載の
ガスエンジンにおいて、水素供給経路には、水素分離手段によって分離抽出され
た水素の燃焼室へ向かう流量を調整することによって、
燃焼室に供給される総燃料中の水素混合割合を調整可能
とする調整手段が設けられていることを特徴とするガス
エンジン。
【請求項１０】請求項９記載のガスエンジンにおい
て、水素分離手段によって分離抽出された水素を吸蔵する吸
蔵動作と、この吸蔵した水素を燃焼室に向けて放出する
ことにより水素供給圧力を昇圧させる放出動作とが可能
な水素ポンプ手段が設けられ、調整手段は、この水素ポンプ手段の水素放出側に配設さ
れていることを特徴とするガスエンジン。
【請求項１１】請求項９または１０記載のガスエンジ
ンにおいて、ノッキングの発生を検知または予知するノッキングセン
サと、このノッキングセンサの出力を受けてノッキング強度を
測定し、ノッキング強度が所定値を超えたときに、調整
手段の調整によって水素供給経路からの水素の供給量を
減少させて、燃焼室に供給される総燃料中の水素混合割
合を低下させる水素供給量制御手段とを備えていること
を特徴とするガスエンジン。
【請求項１２】請求項９、１０または１１記載のガス
エンジンにおいて、逆火の発生を検知または予知する逆火センサと、この逆火センサの出力を受け、逆火の発生が検知または
予知されたときに、調整手段の調整によって水素供給経
路からの水素の供給量を減少させて、燃焼室に供給され
る総燃料中の水素混合割合を低下させる水素供給量制御
手段とを備えていることを特徴とするガスエンジン。
【請求項１３】請求項１〜１２のうち何れか一つに記
載のガスエンジンにおいて、機関回転数・負荷、排気温度、排気の空燃比、総燃料中
の水素混合量、水素分離後の改質燃料供給量、排気の濃
度、総燃料中の水素成分濃度のうち少なくとも一つの検
出値を得て、その検出値に応じて、燃焼室内での希薄燃
焼を可能とするように、燃焼室に向かって供給する水素
と水素分離後の改質燃料との混合割合を調整する混合比
調整手段を備えていることを特徴とするガスエンジン。