JP2009008033A - エンジンシステム - Google Patents

Abstract

【課題】
本発明の目的は、水素の貯蔵と放出を化学的に繰り返す媒体を搭載したエンジンシステムにおいて、ＣＯ₂ の排出を抑制でき、システム効率に優れたエンジンシステムを提供することを目的とする。
【解決手段】
水素の貯蔵と放出を化学的に繰り返す媒体から水素リッチガスを生成する水素供給装置を備え、前記水素供給装置で生成した水素リッチガスを燃料の一つとして、エンジンを駆動するエンジンシステムにおいて、前記エンジンの廃熱を前記水素供給装置へ供給する廃熱供給装置と、前記エンジンの動力で発電する発電機と、前記発電機で発電した電力を充電する電力貯蔵装置と、前記電力貯蔵装置から放電した電力を動力へ変換するモータとを備えたことを特徴とするエンジンシステム。
【選択図】図１

Description

本発明は、水素の貯蔵と放出を化学的に繰り返す媒体を搭載し、該媒体から生成した水素リッチガスを燃料として用いた水素エンジンシステムに関するものである。

水素の貯蔵と放出を化学的に繰り返す媒体を搭載し、その媒体から水素リッチガスを生成する水素供給装置を備え、水素供給装置で生成した水素リッチガスをエンジンに供給するシステムにおいては、水素供給装置に水素リッチガスを生成するための熱を供給する必要がある。この熱にエンジンの廃熱を利用することで、水素供給装置へ新たにエネルギーを供給する必要がないため、高効率なシステムとなる。しかし、エンジンの廃熱は、運転点によって変動するため、水素供給装置へ供給するエンジン廃熱を管理するシステムが必要となる。

従来の熱および動力を管理システムとして例えば、特許文献１に記載されているように、エンジン，改質器，燃料電池の構成で、熱供給方法を始動時と暖機後で切り替えることで、熱を管理するシステム、または、エンジン，燃料電池の負荷−効率特性を利用した動力を管理するシステムの双方を組み合わせたシステムが記載されている。

特開２０００−３０３８３６号公報

特許文献１に記載のシステムは、媒体を燃料とするエンジンと、改質器で媒体を改質した水素を含有する燃料ガスと酸化ガスを用いて発電する燃料電池を動力源とするハイブリッドシステムである。このハイブリッドシステムでは、エンジンに供給する燃料は媒体となるため、ＣＯ₂ の排出を抑制することは困難である。これに対して、水素供給装置で生成した水素リッチガスをエンジンに供給するシステムでは、ＣＯ₂ の排出を抑制することが可能となり環境性に優れたシステムとすることができる。しかし、水素供給装置で生成した水素リッチガスをエンジンに供給するシステムでは、エンジンの廃熱を使って媒体から改質した燃料をエンジンに供給するため、エンジンの廃熱とエンジンの効率の相応を管理する必要がある。また、全体を高効率なシステムとするには、モータ，電力貯蔵装置，エンジンを組み合わせ、エンジンの運転点は、熱効率の高い領域で運転するといった動力を管理するシステムが必要となる。

本発明の目的は、水素の貯蔵と放出を化学的に繰り返す媒体を搭載したエンジンシステムにおいて、ＣＯ₂ の排出を抑制でき、システム効率に優れたエンジンシステムを提供することを目的とする。

水素の貯蔵と放出を化学的に繰り返す媒体から水素リッチガスを生成する水素供給装置を備え、前記水素供給装置で生成した水素リッチガスを燃料の一つとして、エンジンを駆動するエンジンシステムであって、前記エンジンの廃熱を前記水素供給装置へ供給する廃熱供給装置と、前記エンジンの動力で発電する発電機と、前記発電機で発電した電力を充電する電力貯蔵装置と、前記電力貯蔵装置から放電した電力を動力へ変換するモータとを備えたエンジンシステムを特徴とする。このエンジンシステムでは、エンジンの動力で発電し、電力貯蔵装置へ充電し、ユーザの要求に応じて、電力貯蔵装置から放電し、モータで動力へ変換することで、ユーザの要求にモータが追従する。そのため、エンジンの運転はユーザの要求に完全に追従する必要がなく、水素供給装置へ供給するエンジン廃熱の熱供給割合が高く、またエンジンが高効率な運転域にて駆動できるため、媒体の消費率が低く、システム効率が高いという特徴がある。

本発明により、水素供給装置から生成した水素リッチガスを使って動力を生み出すことができるため、ＣＯ₂ 排出を抑制でき、かつ、媒体の消費率が低く、システム効率の高いエンジンシステムを提供することができる。

以下、本発明の実施形態について図を用いて説明する。

図１は、全体システムの構成図を示す。水素化媒体タンク１に水素を化学的に貯蔵している媒体（以下、水素化媒体）を搭載し、水素化媒体を水素供給装置３に供給する。脱水素化媒体タンク２に貯蔵される媒体は、水素供給装置３により水素化媒体から水素を放出した後の燃料である（以下、脱水素化媒体）。水素化媒体は、たとえば、デカリン，シクロヘキサン，メチルシクロヘキサンなどの炭化水素系燃料およびその混合燃料であり、脱水素化媒体は、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のことを示す。水素化媒体にメチルシクロヘキサンを使用した場合について以下説明する。

水素供給装置３にて、下記のような反応を行う。

Ｃ₇Ｈ₁₄(メチルシクロヘキサン)⇒Ｃ₇Ｈ₈(トルエン)＋３Ｈ₂(水素)−２０５ｋＪ
…式（１）
上記式（１）により、生成したトルエンと水素を分離装置１２で、トルエンと水素に分離し、水素をエンジン５へ供給し、トルエンは、脱水素化媒体タンク２へ回収される。エンジン５に供給する水素は、トルエン、または、メチルシクロヘキサンが混合する可能性があるため、以下、水素リッチガスとする。式（１）よりメチルシクロヘキサンから水素１mol を生成するためには約６８ｋＪ／mol の熱量が必要である。そのため、水素供給装置３へエンジン５のガスを供給する構成である。反応温度を所定範囲内（２５０〜４００℃）にするために、エンジン５の排ガスは、排ガス流量調整装置１３により、水素供給装置３へ供給する排ガス流量を調整する。エンジン５は、発電機６と接続し、発電機６で発電した電力は、電力貯蔵装置７へ充電される。電力貯蔵装置７は、電力変換装置も含む。電力貯蔵装置７からモータ８へ放電し、タイヤ１０に動力を伝達する。また、タイヤ１０の減速時は、発電機９により回生エネルギーを生成し、電力貯蔵装置７へ充電される。水素供給装置３に反応式（１）にて必要な熱量が不足する際、燃焼器４または電力貯蔵装置７よりヒータ１１を介し、熱量を供給する。ヒータ１１への電力供給は、電力貯蔵装置７にて電力を貯蔵せずに、電力変換のみを行いモータへ放電してもよい。燃焼器４へは、水素リッチガスを供給するが、必要に応じて脱水素媒体を供給してもよい。図１の構成により、貯蔵燃料は、液体燃料である水素化媒体を用い、動力を生成する際に、水素供給装置３にて、水素リッチガスを生成し、エンジン５に供給し、動力を生成する構成となる。安全性，利便性およびエネルギー密度の高い、液体燃料を貯蔵して、全体システムとしてＣＯ₂が排出されずに動力を生成する構成となる。

図２にエンジン５と水素供給装置３で生成可能な水素量の関係を示す。

Ｓ２０１にてエンジン５の運転状態であるエンジン回転数、エンジントルクが決まると、Ｓ２０２にてエンジン５の排ガス温度Ｔ_ex，排ガス流量Ｆ_ex、エンジン排ガス比熱Ｃｐ_exが決定する。反応式１の最低温度をT_re，熱回収効率をη_reとするとＳ２０３にて、水素供給装置３への供給可能熱量Ｑ₁は、下記のように決定する。

Ｑ₁＝Ｆ_ex・Ｃｐ_ex・（Ｔ_ex−Ｔ_re）・η_re …式（２）
Ｑ₁が決定することで、式（１）より、水素１mol 生成するのに必要な熱量が６８ｋＪであるので、Ｓ２０４にて、水素供給装置３にて生成可能な水素量Ｆ₂が決定する。一方、Ｓ２０１でエンジン５の運転状態が決まると、エンジンの熱効率が決まり、Ｓ２０５にてエンジン５へ必要な水素量Ｆ₁が決定する。図１の構成にて、燃費をよくするには、媒体の消費率を小さくする必要がある。そのためには、下記の値を考慮する必要がある。

・Ｆ₁−Ｆ₂
・Ｐｅ／（Ｆ₁・Ｌ_H2）
ただし、Ｐｅは、エンジン５の出力とする。Ｌ_H2は水素の低位発熱量とする。

Ｆ₁−Ｆ₂が０以下の場合、エンジンの排ガス熱のみで、水素供給装置３に必要な熱量を賄うことができる。つまり、Ｆ₁−Ｆ₂が０以下のときは、水素化媒体の消費率は、Ｐｅ／（Ｆ₁・Ｌ_H2）のみに依存する。一方、Ｆ₁−Ｆ₂が０よりも大きい場合、図１の燃焼器４または、ヒータ１１より排ガス以外の熱量を水素供給装置３へ供給する必要があり、Ｆ₁−Ｆ₂が大きいほど、燃焼器４または、ヒータ１１より供給する熱量が大きくなる。この熱量が大きいと、媒体の消費率が大きくなり、燃費が悪化する。よって、Ｆ₁−Ｆ₂が０以下であることが望ましい、または、Ｆ₁−Ｆ₂が０より大きいときは、水素化媒体の消費率は、Ｆ₁−Ｆ₂，Ｐｅ／（Ｆ₁・Ｌ_H2）の双方に影響を受ける。つまり、Ｆ₁−Ｆ₂が０以下のときは、Ｐｅ／（Ｆ₁・Ｌ_H2）を大きく、Ｆ₁−Ｆ₂が０よりも大きい場合、Ｐｅ／（Ｆ₁・Ｌ_H2）を大きく、Ｆ₁−Ｆ₂を小さくすることで、水素化媒体の消費率を小さくできる。

エンジン５の運転条件とエンジン熱効率の関係を図３に示す。一般的に、火花点火エンジンの場合、エンジントルクの高い領域において、エンジン熱効率が高い。エンジン熱効率が高い場合、Ｐｅ／（Ｆ₁・Ｌ_H2）が高くなるので、媒体の消費率が小さくなる。一方、エンジン５の運転条件と排気管の所定位置におけるエンジン排ガス温度の関係を図４に示す。エンジンが高出力であるほど、エンジン５の排気温度が高い。エンジン５の排気温度が高い程、式（２）から、Ｑ₁が大きくなり、Ｆ₂が大きくなる。よって、Ｆ₁−Ｆ₂が小さくなり、媒体の消費率が小さくなる。図３および図４の特性を持つエンジンを図１の構成のエンジン５に使用した場合、水素化媒体の消費率が小さい領域は図５のようになる。このようにエンジン５の運転点が決まると、水素化媒体の消費率が決まる。このように本システムにおいては、エンジン５から水素供給装置３への熱供給割合が水素化媒体の消費率マップに影響するため、エンジンの熱効率と水素化媒体の消費率は必ずしも一致しない。

図６に全体システムの運転フロー図を示す。Ｓ６０１，Ｓ６０２の車速，アクセル開度に基づいてＳ６０３にて、ユーザの要求する動力を決定する。その後、Ｓ６０５の電力貯蔵装置から出力された電力によりＳ６０４にてモータを制御する。Ｓ６０６にて電力貯蔵装置の残量計測を行い、残量が所定範囲内になるように、Ｓ６０７にて要求エンジン出力を決定する。また、Ｓ６０３の要求動力に基づいて要求エンジン出力を決定してもよい。要求エンジン出力と、Ｓ６０８の水素化媒体消費率マップより、Ｓ６０９にて図５に示すようにエンジン同出力ライン上で水素化媒体の消費率が最も小さくなるように、エンジン回転数，エンジントルクを決定し、そのエンジン回転数，エンジントルクになるようにＳ６１０，Ｓ６１１にて発電機６，エンジン５を制御する。その後、Ｓ６１２にて水素供給装置３への熱供給制御を行う。

水素供給装置３への燃焼器４による熱供給制御方法を図７に示す。エンジン５のＳ７０１にて、現在運転点とＳ７０２にて水素供給装置３の不足熱量マップから、Ｓ７０３にて燃焼器４の加熱量を決定し、Ｓ７０４にて水素リッチガスの燃焼器４への供給量を決定し、水素リッチガスを燃焼器４に供給する。Ｓ７０５の水素リッチガス限界供給量マップとＳ７０１の現在エンジン運転域からＳ７０６で水素リッチガス供給量が所定範囲内であるかを判定する。Ｓ７０５の水素リッチガス限界供給量マップは、エンジン排ガス中の酸素濃度より決まる。エンジン排ガス中の酸素濃度は、エンジンへ供給する燃料と空気の割合で決まる。つまりエンジンの運転域が決まると水素リッチガスの限界供給量が決まる。この限界点を越えるとＳ７０７にて水素リッチガスの供給量を減らす必要がある。その後、Ｓ７０９にて触媒温度計測装置または推測装置により検出した触媒温度が所定範囲内であるかをＳ７１０にて検討し所定範囲外の場合は、触媒温度が所定範囲内になるように、Ｓ７０３にて燃焼器４の加熱量を制御する。上記熱供給制御方法は、燃焼器４の代わりにヒータ１１を用いて熱供給を行っても良い。

次に、図１で示した水素供給装置３の構成について図８を用いて説明する。水素供給装置３の構成は、図８に記載のように、流路突起２１が設けられた純アルミニウム（熱伝導率：２５０Ｗ／ｍＫ）高熱伝導基板２２の上に、Ｐｔ／アルミナ触媒からなる触媒層２４が形成されている。この触媒層２４の上に水素のみを選択的に透過する水素分離膜２０が積層され、スペーサ１９を介して水素流路１８が積層された構造を基本構造とし、エンジン排気管に設置される。

水素供給装置３へ供給される水素化媒体は、燃料流路２３を通り、高熱伝導基板２２の表面上に形成された触媒層２４と接触しながら脱水素反応が進行し、水素が生成する。生成された水素は、水素分離膜２０を透過し、スペーサ１９を介して、水素流路１８より水素供給装置３から排出される。また、水素分離膜２０を透過しなかった水素と脱水素化媒体は、燃料流路２３を通って水素供給装置３の外に排出される。ここで排出された水素と脱水素化媒体は、水素流路１８より排出された水素と合流し、混合され、図１の分離装置１２に供給される。なお、水素流路１８より排出される水素を、燃料流路２３より排出される水素と脱水素化媒体に混合せず、分離装置１２とエンジン５の間に供給する構成としてもよい。また、図８では、水素化媒体からの脱水素化反応を低温で効率よく行うために水素分離膜２０を設ける構成としたが、水素分離膜２０を備えない構成とすることも可能である。また、図８に示した基本構造を積層して配置してもよい。

図９に燃焼器４の構成図を示す。エンジン５の排ガスを水素供給装置３に供給する構成において、水素供給装置３は、排ガスの流れ方向において、温度分布を示す。エンジン５の運転条件によっては、水素供給装置３の排ガス上流部では、水素生成が可能な触媒温度であるが、水素供給装置３の排ガス下流部では、触媒温度が低下し、水素生成が不可能な触媒温度域になる領域が出てくる。このときは、図９のように燃焼器４の排ガス上流側と下流側に水素供給装置３を設置して、水素供給装置３の排ガス上流部で生成した水素リッチガスを、水素供給装置３を使い、下流側の排気管内に供給する。こうすることで、排ガス下流部に設置した水素供給装置３で不足する熱を排ガス上流部に設置した水素供給装置３に供給した熱にて補うことが可能となる。

混合装置１６により、排ガスと水素リッチガスを混合した後、点火装置１５にて排ガス中の酸素と水素リッチガスを燃焼させる。点火装置１５の代わりに、触媒を使い燃焼してもよい。混合装置１６とは、流れに旋回を与えるようなブレード状の構造や、突起物，絞りを設けて混合する構造などにて、排ガスと水素リッチガスを混合する。本システムにより、排ガス中の酸素は、外気中の酸素に比べ、温度が高いため、所定の燃焼ガス温度まで向上するための必要水素リッチガス量が少なく、燃焼器４の熱効率が高くなる。また、外気の酸素を使う場合と比べ、ポンプ等の新たに必要な補機類が少なくなるため、システムが低コストで、シンプルである。

排ガス中の酸素を使って、水素リッチガスを燃焼するには、エンジン５で、希薄燃焼する必要がある。希薄燃焼したときの空気中の酸素濃度は、酸素濃度検出装置１７，２５を用いて検出する。酸素濃度検出装置１７より検出した酸素濃度より、酸素が完全燃焼する水素リッチガス量以上は燃焼器４へ供給しないように監視する。または酸素濃度検出装置２５を用いた場合は、酸素濃度が所定以下にならないように水素リッチガスの燃焼器４への供給を制御する。

図１０に、脱水素化媒体をエンジン５に供給するシステムの構成を示す。

エンジン５の始動時のように水素供給装置３の触媒温度が低く、また、電力貯蔵装置７の電力貯蔵率が低い場合において、水素供給装置３により、エンジン５に必要な水素リッチガス量を生成することが困難であり、かつモータ８にて必要動力を生成することが困難である。その場合は、脱水素化媒体タンク２よりエンジン５へ脱水素化媒体を供給する。このとき、エンジン５に供給するのは、水素リッチガスと脱水素化媒体の両方、あるいは、脱水素化媒体のみの、どちらでもよい。または、脱水素化媒体が不足している際は、水素化媒体をエンジン５に供給しても良い。水素化媒体にメチルシクロヘキサンを用いた際には、脱水素化媒体は、トルエンとなり、オクタン価は、ガソリンと同等以上である。そのため、エンジン５で運転することが可能である。

また、このような構成により、エンジン５の出力が水素リッチガスのみを供給したときに比べ、高出力で運転できる。また、水素化媒体タンク１の貯蔵量がなくなった際に、脱水素化媒体をエンジン５に供給できる特徴もある。

また、脱水素化媒体は、エンジンに供給せずに、燃焼器４に供給して、水素供給装置３へ熱供給を行ってもよい。

全体システムの構成図。 エンジン運転状態と水素供給装置で生成可能な水素量の関係。 エンジンの運転条件とエンジン熱効率の関係。 エンジンの運転条件とエンジン排ガス温度の関係。 エンジンの運転条件と水素化媒体消費率の関係。 全体システムの運転フロー図。 水素供給装置への燃焼器による熱供給制御方法。 水素供給装置の構成図。 燃焼器の構成図。 脱水素化媒体をエンジンに供給する全体システム構成図。

符号の説明

１ 水素化媒体タンク
２ 脱水素化媒体タンク
３ 水素供給装置
４ 燃焼器
５ エンジン
６，９ 発電機
７ 電力貯蔵装置
８ モータ
１０ タイヤ
１１ ヒータ
１２ 分離装置
１３ 排ガス流量調整装置
１４ 水素リッチガス供給装置
１５ 点火装置
１６ 混合装置
１７，２５ 酸素濃度検出装置
１８ 水素流路
１９ スペーサ
２０ 水素分離膜
２１ 流路突起
２２ 高熱伝導基板
２３ 燃料流路
２４ 触媒層

Claims (14)

1. 水素の貯蔵と放出を化学的に繰り返す媒体から水素リッチガスを生成する水素供給装置を備え、前記水素供給装置で生成した水素リッチガスを燃料の一つとして、エンジンを駆動するエンジンシステムにおいて、
   前記エンジンの廃熱を前記水素供給装置へ供給する廃熱供給装置と、エンジンの動力で発電する発電機と、前記発電機で発電した電力を充電する電力貯蔵装置と、前記電力貯蔵装置から放電した電力を動力へ変換するモータとを備えたことを特徴とするエンジンシステム。
2. 請求項１に記載のエンジンシステムにおいて、ユーザの要求する要求動力に対して、前記電力貯蔵装置からモータへ出力する電力を制御し、
   前記電力貯蔵装置の残量、又は、前記要求動力に基づいてエンジン出力を決定し、エンジン回転数及びエンジントルクを制御する制御装置を備えたことを特徴とするエンジンシステム。
3. 請求項２に記載のエンジンシステムにおいて、前記制御装置が、前記要求動力に基づいて決定されたエンジン出力と前記媒体の消費率に基づき、エンジン回転数及びエンジントルクを制御することを特徴とするエンジンシステム。
4. 請求項１に記載のエンジンシステムにおいて、前記廃熱供給装置がエンジンからの廃熱量を調整する廃熱量調整装置を有することを特徴とするエンジンシステム。
5. 請求項４に記載のエンジンシステムにおいて、前記水素供給装置の触媒温度を推定または検出する触媒温度推定装置を備え、前記廃熱量調整装置は触媒温度に基づいて廃熱量を調整することを特徴とするエンジンシステム。
6. 請求項１に記載のエンジンシステムにおいて、
   前記媒体または前記水素供給装置で生成した前記水素リッチガスを燃焼する燃焼装置と、ヒータの少なくとも一つを備え、
   前記燃焼装置又はヒータの熱を前記水素供給装置へ供給することを特徴とするエンジンシシステム。
7. 請求項４に記載のエンジンシステムにおいて、前記水素供給装置の触媒温度を推定または検出する触媒温度推定装置を備え、
   前記燃焼装置または前記ヒータまたは前記廃熱量調整装置は、エンジンの運転状態及び前記触媒温度に基づいて制御することを特徴とするエンジンシステム。
8. 請求項６に記載のエンジンシステムにおいて、前記水素供給装置は、前記エンジンの排気管に搭載され、前記燃焼装置は、水素リッチガスを排ガス中に供給する水素リッチガス供給装置と、排ガスと前記水素リッチガスの混合ガスを点火する点火装置を備えていることを特徴とするエンジンシステム。
9. 請求項８に記載のエンジンシステムにおいて、前記燃焼装置と前記エンジンとの間の排ガスの酸素濃度を検出する酸素濃度検出装置、前記燃焼装置の下流側の排ガスに含まれる酸素濃度を検出する酸素濃度検出装置のうち少なくとも一つを備えたことを特徴とするエンジンシステム。
10. 請求項９に記載のエンジンシステムにおいて、前記酸素濃度検出装置の値をもとに前記燃焼装置に供給する前記水素リッチガスまたは前記媒体の供給量を制御することを特徴とするエンジンシステム。
11. 請求項６に記載のエンジンシステムにおいて、前記燃焼装置が排気管に設置され、前記燃焼装置の設置場所の排気管上流側、および排気管下流側の両方に前記水素供給装置が備えられていることを特徴とするエンジンシステム。
12. 請求項１１に記載のエンジンシステムにおいて、前記排気管上流側の排ガスの酸素濃度を検出する酸素濃度検出装置を備え、前記酸素濃度が所定値以下の場合、前記燃焼装置の利用を禁止することを特徴とする水素供給装置を備えたエンジンシステム。
13. 請求項５に記載のエンジンシステムにおいて、前記水素供給装置の触媒温度が所定温度以下でかつ、前記電力貯蔵装置の貯蔵量が所定以下の場合、前記媒体をエンジンに供給することを特徴とする水素供給装置を備えたエンジンシステム。
14. 請求項１１に記載のエンジンシステムにおいて、前記排気管上流側の前記水素供給装置
    で生成した水素を前記燃焼装置へ供給することを特徴とするエンジンシステム。

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