JP2003120426A

JP2003120426A - ガスエンジン

Info

Publication number: JP2003120426A
Application number: JP2001321757A
Authority: JP
Inventors: Toshio Matsuoka; 俊雄松岡
Original assignee: Yanmar Co Ltd
Current assignee: Yanmar Co Ltd
Priority date: 2001-10-19
Filing date: 2001-10-19
Publication date: 2003-04-23
Anticipated expiration: 2021-10-19
Also published as: JP3773437B2

Abstract

(57)【要約】【課題】炭化水素系燃料を燃料改質器で改質した後
に、この改質後の燃料を燃焼室に供給するガスエンジン
に対し、燃料改質器からの水素の分離抽出を大幅に促進
させることによって高い転化率を得て、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】燃料改質器５１に、分離膜によって水素
分離が可能な水素分離装置５６を設ける。この水素分離
装置５６の二次側空間と、排熱ボイラ５２とを水蒸気導
入管７９によって接続する。この二次側空間への水蒸気
導入によって、二次側空間では一次側空間に比べて水素
分圧が低くなり、一次側空間から二次側空間へ向けての
水素の分離抽出の高速化が図れる。

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４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で冷却することで、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）、これによって発電効率（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２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】この点に鑑みて、本発明の発明者は、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させ、転化率の向上を図る
ことを既に提案している（特願２０００−３５９９５６
号）。そして、本発明の発明者は、燃料改質器から水素
を分離抽出する速度を更に高めるための構成について考
察を行った。

【００１４】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、炭化水素系燃料を燃
料改質器で改質するに際し、燃料改質器からの水素の分
離抽出を大幅に促進させることによって高い転化率を得
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。

【００１５】

【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。そして、こ
の改質反応の促進を更に高めるために、水素が分離抽出
される前の改質燃料が存在する一次側空間と分離抽出さ
れた水素が存在する二次側空間との間に圧力差を発生さ
せている。

【００１６】−解決手段− 具体的には、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、分離膜によっ
て改質後の燃料から水素を分離抽出すると共に、この分
離抽出された水素が存在する二次側空間を備えた水素分
離手段を備えさせる。そして、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、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を水素分離手段の二次側空
間に供給する水蒸気供給経路とを備えさせている。

【００１７】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。特に、本発明で
は、水蒸気発生手段で発生した水蒸気を水素分離手段の
二次側空間に供給しているため、この二次側空間では、
一次側空間に比べて水素分圧が低くなっており、単位時
間当たりに分離膜を通過する水素量を増加させることが
できて、水素の分離抽出は比較的高速度で行われる。そ
の結果、小型の水素分離手段であっても水素の分離抽出
量が多く得られ、高転化率を得ることができる。

【００１８】また、炭化水素系燃料と水蒸気とを燃料改
質器において吸熱反応させることにより燃料改質を行う
ようにしたものに対し、この吸熱反応に使用する水蒸気
を発生する手段である水蒸気発生手段を、上記二次側空
間に供給する水蒸気の発生源としている。つまり、吸熱
反応に使用する原料である水蒸気を発生させる手段を有
効に利用して、水素分離手段の二次側空間の水素分圧を
低くするための水蒸気を得ることができる。このため、
既存の手段を有効に利用しながら転化率の向上を図るこ
とができる。

【００１９】また、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、水素
分離手段の二次側空間の水素を吸蔵する水素吸蔵手段と
を備えさせた場合には、二次側空間の水素が水素吸蔵手
段によって吸蔵されるに伴って、この二次側空間の圧力
が低下する。これによっても、水素の分離抽出動作の促
進を図ることができる。

【００２０】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。また、こ
の水素ポンプ手段として水素吸蔵合金のように温度によ
って水素の吸蔵と放出とを切り換えることができるもの
を採用すれば、エンジンの排熱などを有効に利用しなが
ら上記各動作を行うことが可能になり、水素の吸蔵及び
放出を行うための特別な動力源は必要なくなる。

【００２１】加えて、水素分離手段によって分離抽出さ
れた水素を一時的に貯蔵可能であって、燃焼室に向けて
供給される改質後燃料に対する貯蔵水素の混入量が調整
可能な水素貯蔵手段を設けている。これによれば、負荷
遮断時には余剰水素を水素貯蔵手段に貯蔵でき、負荷投
入時には貯蔵水素を使用してエンジンの運転を行うこと
ができる。このため、応答性の良好なガスエンジンを提
供することが可能となる。

【００２２】

【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。

【００２３】（第１実施形態）先ず、第１実施形態につ
いて説明する。

【００２４】−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１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。

【００２５】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。

【００２６】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。

【００２７】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、高次脱硫装置
５３、タンク５５などを備えている。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。

【００２８】排熱ボイラ５２は、外部から水が供給さ
れ、その水が内部に貯留されており、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。

【００２９】高次脱硫装置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，Ｉ
ｒ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｒｅ，Ｃｏ，Ｆｅ）、アルカリ炭酸塩
（Ｋ₂ＣＯ₃）、塩基性酸化物（ＭｇＯ，ＣａＯ，Ｋ
₂Ｏ）、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、この高次脱硫
装置５３が設置されている。また、この高次脱硫装置５
３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。

【００３０】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。

【００３１】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
も電動弁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。

【００３２】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。

【００３３】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。

【００３４】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、これによって発電効率（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。

【００３５】また、上記燃料改質器５１とタンク５５と
は、上記吸熱反応によって得られた水素ガス及びその他
の燃料等（ＣＯ、ＣＨ₄、Ｈ₂Ｏ）をタンク５５に向かっ
て供給するための燃料供給管７６によって接続されてい
る。この燃料供給管７６には開度調整可能な電動弁７６
ａが設けられている。

【００３６】そして、この燃料供給管７６によって燃料
が供給されるタンク５５は、燃料を一旦貯蔵し、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。

【００３７】上記燃料改質器５１には水素分離手段とし
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、その内部空間に分離膜が配設されており、この
分離膜によって上流側の一次側空間と下流側の二次側空
間とを区画している。一次側空間は上記燃料改質器５１
側の空間であって、上記吸熱反応によって発生した水素
ガスその他のガスが存在している。二次側空間は、後述
する水素回収管７５が接続されており、分離膜によって
分離抽出された水素ガスを水素回収管７５へ導出するよ
うになっている。

【００３８】上記分離膜としては、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。

【００３９】また、上記構成に加えて水素分離装置５６
の二次側空間に水素吸蔵物質を収容し、これによって水
素ガスの分離抽出を促進するようにしてもよい。この水
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。

【００４０】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。

【００４１】また、水素分離装置５６と上記燃料供給管
７６とは水素供給経路を構成する水素回収管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
分離抽出された水素ガスが水素回収管７５を経て燃料供
給管７６に導入され、この燃料供給管７６を流れる水素
ガス及びその他の燃料等に混入されるようになってい
る。

【００４２】そして、本形態の特徴は、上記排熱ボイラ
５２と水素分離装置５６とが水蒸気供給経路を構成する
水蒸気導入管７９によって接続されていることにある。
つまり、この排熱ボイラ５２内で発生した水蒸気の一部
が水素分離装置５６の二次側空間に供給可能となってお
り、この水蒸気の供給により、二次側空間の水素分圧を
一次側空間よりも低く設定することができるようになっ
ている。また、この水蒸気導入管７９には開度調整可能
な電動弁７９ａが設けられている。

【００４３】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。

【００４４】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、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。

【００４５】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。

【００４６】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。

【００４７】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。

【００４８】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。

【００４９】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。

【００５０】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。

【００５１】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。

【００５２】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，７３ａ，７６
ａ，７９ａ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８
１、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、タンク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
が掲げられる。以上が、ガスエンジン１の構成説明であ
る。

【００５３】−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。

【００５４】先ず、水蒸気供給管７１の電動弁７１ａが
開放された状態で、純水装置５８から排熱ボイラ５２に
供給された水が、この排熱ボイラ５２において排気管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、この水蒸気の一部は、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。また、他の水蒸
気は水蒸気導入管７９によって水素分離装置５６の二次
側空間に導入される。

【００５５】これと同時に、メタンガスが改質前燃料供
給管７２によって高次脱硫装置５３に供給され、ここで
脱硫動作が行われる。この高次脱硫装置５３における脱
硫動作にあっては、上述したように、常温の環境下にお
いてスリップ硫黄を１ppbレベルまで削減することがで
きる。このため、脱硫燃料供給管７３によって高次脱硫
装置５３から燃料改質器５１に供給されるメタンガス中
には殆ど硫黄分は存在しておらず、燃料改質器５１の触
媒の被毒は殆どなくなる。

【００５６】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。また、この燃料改質器５１には水蒸気及びメタ
ンガスの他に、空気、酸素（Ｏ₂）、二酸化炭素（Ｃ
Ｏ₂）なども供給されている。上記吸熱反応の際には、
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（Ｈ₂）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。

【００５７】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及び燃料供給管７６を
経てエンジン本体２の燃料室に向けて供給される。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。

【００５８】また、この際、上述した如く排熱ボイラ５
２で発生した水蒸気の一部は水蒸気導入管７９によって
水素分離装置５６の二次側空間に供給されている。この
ため、この二次側空間では、一次側空間に比べて水素の
分圧が低くなっており、一次側空間から二次側空間へ向
けての水素の分離抽出は比較的高速度で行われる。その
結果、単位時間当たりの水素の分離抽出量が多くなっ
て、吸熱反応が大幅に促進され、高い転化率で燃料の改
質が行われる。

【００５９】エンジン本体２に燃料を供給する際には、
上記燃料供給管７６の電動弁７６ａが開放されている。
燃料改質器５１内の水素ガス、メタンガス、一酸化炭
素、水蒸気に対して、上記分離抽出された水素ガスが水
素回収管７５より混入され、これら燃料などは、燃料供
給管７６によってタンク５５に供給される。そして、改
質後の燃料がタンク５５から改質後燃料供給管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。

【００６０】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。

【００６１】−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。また、
排熱ボイラ５２で発生した水蒸気の一部を水素分離装置
５６の二次側空間に供給することによって二次側空間の
水素分圧を低くし、水素の分離抽出動作の高速化を図っ
ている。このため、比較的低い温度環境下（例えば６０
０℃程度）であっても、高い転化率で改質が行われ、発
電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発電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。

【００６２】図２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４参照）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、発電効率の大幅な
向上を図ることができている。

【００６３】（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、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。

【００６４】図３に示すように、本形態に係るガスエン
ジン１の水素分離装置５６は、二次側空間が水素ポンプ
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。

【００６５】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の二次側空間に接
続されており、他方が水素放出管９１によってタンク５
５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。

【００６６】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手
段としての水素貯蔵体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〜９３ｂ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、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
イドタンク等が採用可能である。

【００６７】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の二次側空間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９２ａ，（９３ａ）が加熱され下流側の水素吸
蔵体９２ｂ，（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５
６の二次側空間から取り出した水素を連続的にタンク５
５に向けて放出することができるようになっている。

【００６８】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の二次側空間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。

【００６９】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。

【００７０】本形態によれば、水素ポンプユニット９に
よって、水素分離装置５６の二次側空間からの水素の取
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吸蔵及
び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。

【００７１】−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。

【００７２】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。

【００７３】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、改質燃料（改質後の燃料であって水素以外のも
の）または炭化水素系燃料（改質前の燃料）の一部を燃
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２に示すように、
略１００％の転化率を得ることができる。

【００７４】また、上記各実施形態では、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。

【００７５】

【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。また、水蒸
気発生手段で発生した水蒸気を水素分離手段の二次側空
間に供給しているため、この二次側空間では、一次側空
間に比べて水素分圧が低くなっており、一次側空間から
二次側空間へ向けての水素の分離抽出を比較的高速度で
行うことが可能である。その結果、小型の水素分離手段
であっても単位時間当たりの水素の分離抽出量が多くな
って、高転化率を得ることができ、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。

【００７６】また、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、水素
分離手段の二次側空間の水素を吸蔵する水素吸蔵手段と
を備えさせた場合には、二次側空間の水素が水素吸蔵手
段によって吸蔵されるに伴って、この二次側空間の圧力
が低下し、これによっても、水素の分離抽出動作の促進
を図ることができて、ガスエンジン全体としての発電効
率の向上を図ることができる。

【００７７】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。

【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】排ガス温度とメタン転化率との関係を示す図で
ある。

【図３】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４】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）５６水素分離装置（水素分離手段）７５水素回収管（水素供給経路）７９水蒸気導入管（水蒸気供給経路）９水素ポンプユニット（水素ポンプ手段）９４水素貯蔵体（水素貯蔵手段）

───────────────────────────────────────────────────── 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）Ｆ０２Ｍ 33/00 Ｆ０２Ｍ 33/00 ＺＦターム(参考） 4D006 GA41 JA02C JA30A JA65A KA01 KA72 KB12 KB30 KE22 MA01 MB03 MC02 MC03 MC04 PA01 PB18 PB66 4G040 AA01 AA12 EA03 EA06 EB01 EB03 EB33 EB42 EB43 FA02 FB01 FC01 FE01

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供給するガスエンジン
において、分離膜によって上記改質後の燃料から水素を分離抽出す
ると共に、この分離抽出された水素が存在する二次側空
間を備えた水素分離手段と、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、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を水素分離手段の
二次側空間に供給する水蒸気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、燃料改質を行うようになっており、水蒸気発生手段は、この吸熱反応に使用する水蒸気を発
生させるものであることを特徴とするガスエンジン。
【請求項３】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供給するガスエンジン
において、分離膜によって上記改質後の燃料から水素を分離抽出す
ると共に、この分離抽出された水素が存在する二次側空
間を備えた水素分離手段と、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、上記水素分離手段の二次側空間の水素を吸蔵する水素吸
蔵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】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ていることを特徴とす
るガスエンジン。
【請求項５】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一時的
に貯蔵可能であって、燃焼室に向けて供給される改質後
燃料に対する貯蔵水素の混入量が調整可能な水素貯蔵手
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６】上記請求項１〜５のうちの複数の構成が
組み合わされて構成されていることを特徴とするガスエ
ンジン。