特許 6392548 改質器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6392548

(24)【登録日】2018年8月31日

(45)【発行日】2018年9月19日

(54)【発明の名称】改質器

(51)【国際特許分類】

   C01B 3/22 20060101AFI20180910BHJP

   F02M 27/02 20060101ALI20180910BHJP

【ＦＩ】

   C01B3/22 A

   F02M27/02 F

   F02M27/02 P

   F02M27/02 Q

【請求項の数】3

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2014-108462(P2014-108462)

(22)【出願日】2014年5月26日

(65)【公開番号】特開2015-224146(P2015-224146A)

(43)【公開日】2015年12月14日

【審査請求日】2017年3月1日

(73)【特許権者】

【識別番号】000004695

【氏名又は名称】株式会社ＳＯＫＥＮ

(73)【特許権者】

【識別番号】000004260

【氏名又は名称】株式会社デンソー

(74)【代理人】

【識別番号】100121821

【弁理士】

【氏名又は名称】山田 強

(74)【代理人】

【識別番号】100139480

【弁理士】

【氏名又は名称】日野 京子

(74)【代理人】

【識別番号】100125575

【弁理士】

【氏名又は名称】松田 洋

(72)【発明者】

【氏名】大島 健司

(72)【発明者】

【氏名】武山 雅樹

【審査官】 村岡 一磨

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０６−３４６８０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−００１３０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−３０２２７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−２４１３６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１７０５３５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ０１Ｂ ３／００−３／５８

Ｆ０２Ｍ ２７／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

内燃機関（１０）の排気経路（４１，４２）に設けられ、前記内燃機関の排気熱により原燃料を改質燃料へと改質する改質器（５０）であって、
前記排気が通過する排気通路（５０ａ）と、
前記排気通路と略平行に設けられ、前記燃料が通過する燃料通路（５０ｂ）と、
前記燃料の通過方向と前記排気の通過方向とを、並行方向と対向方向とに切り替える切替手段（Ｖ１，Ｖ２）と、
前記改質器へ流入する前記排気の温度を計測する排気温度計測手段（６１）と、
前記排気を、前記排気通路の入口から前記排気通路の出口へと直接通過させるバイパス手段と、
前記改質器から流出する前記燃料の温度を計測する燃料温度計測手段（６２）と、を備え、
前記排気の温度が、前記改質燃料とは異なる副生成物の生成により改質効果が低下すると見なすことができる所定値（Ｔ２）よりも低い場合に、前記対向方向とし、
前記排気の温度が前記所定値よりも高く、且つ、前記燃料の温度が前記所定値よりも低い場合に、前記並行方向とし、
前記燃料の温度が前記所定値よりも高く、且つ、前記燃料の温度が前記所定値よりも高い場合に、前記並行方向とすると共に、前記バイパス手段により前記排気の一部を前記排気通路の入口から前記排気通路の出口へと直接通過させることを特徴とする改質器。

【請求項2】

前記切替手段は、前記排気の通過方向を切り替えることにより、前記燃料の通過方向に対する前記排気の通過方向を、前記並行方向と前記対向方向とに切り替えることを特徴とする請求項１に記載の改質器。

【請求項3】

前記排気通路は、前記燃料通路と略平行に設けられた排気平行通路（５４）と、前記排気通路の入口から流入した前記排気を前記排気平行通路の両端の一方に導入する排気流入部（５１）と、前記排気平行通路の両端の他方から流出した前記排気を前記排気通路の出口へと導入する排気流出部（５２）とを含み、
前記切替手段は、前記排気流入部に設けられ、前記排気流入部を前記排気平行通路の両端の一方に選択的に接続する第１切替弁（Ｖ１）と、前記排気流出部に設けられ、前記排気流出部を前記排気平行通路の両端の他方に選択的に接続する第２切替弁（Ｖ２）とにより構成されることを特徴とする請求項２に記載の改質器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、改質触媒により炭化水素系の燃料から改質燃料を生成し、生成された改質燃料を内燃機関へと供給する改質器に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、改質器を備える内燃機関として、特許文献１に記載のものがある。特許文献１に記載された内燃機関では、排気経路に改質器を設け、排気熱により、原燃料（メタン）を発熱量がより大きい燃料である改質燃料（水素と一酸化端）に改質し、吸気に導入して燃焼させている。特許文献１に記載された内燃機関は、排気通路の改質器上流側と下流側とをつないで改質器をバイパスするバイパス通路と、排気の流路を、改質器とバイパスとに切り替えるバイパス弁をさらに備えており、改質器が排気熱量を回収できるときに排気を改質器側に導き、改質器が排気熱量を回収できないときに、排気をバイパス通路側へ導いている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００１−２４１３６４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、内燃機関の負荷の増加に伴い排気の温度が上昇した場合等には、原燃料の温度が改質の適温よりも高温となり、改質燃料と共に副生成物が生成される。また、排気の温度が低い場合には、原燃料の温度が改質の適温よりも低温となり、原燃料が十分に改質されず、原燃料の吹き抜けが生ずる。

【0005】

特許文献１に記載された発明では、排気の温度が上昇した場合等に、排気をバイパス側に導き、原燃料の温度の上昇を抑制することもできる。しかしながら、バイパスを利用することにより、排気経路から改質器へと流入する熱量を調整することはできるものの、原燃料の温度を改質の適温とし、副生成物の生成及び原燃料の吹き抜けを抑制するためには、熱量の調整を細かく行う必要が生ずる。すなわち、細かなバイパス弁の制御が必要となり、それに伴い、バイパス弁の構造の複雑化、及び、バイパス弁の制御系の複雑化が必要となる。

【0006】

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その主たる目的は、内燃機関の排気温度が上昇した場合の副生成物の増加、及び、内燃機関の排気温度が低い場合の原燃料の吹き抜けを抑制することが可能な、簡易な構造の改質器を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明は、内燃機関の排気経路に設けられ、内燃機関の排気熱により原燃料を改質燃料へと改質する改質器であって、排気が通過する排気通路と、排気通路と略平行に設けられ、燃料が通過する燃料通路と、燃料の通過方向と排気の通過方向とを、並行方向と対向方向とに切り替える切替手段と、を備えることを特徴とする。

【0008】

温度の異なる流体を並行方向に流して熱交換を行う場合、通路の出口におけるそれぞれの流体の温度は中間値となる。一方、温度の異なる流体を対向方向に流して熱交換を行う場合、通路の出口における低温の流体の温度は、高温の流体の温度に近い値となる。すなわち、温度の異なる流体を対向方向に流す場合は、温度の異なる流体を並行方向に流す場合と比較して、熱交換効率が高いということができる。そして、これらの場合は、原燃料の改質状態を比較的制御しやすい状態である。

【0009】

ところで、原燃料を改質燃料へと改質する場合、高温の状況下で改質が行われれば、副生成物が生成され、原燃料に対する改質燃料の割合を示す改質効率が低下する。一方、原燃料を改質燃料へと改質する場合、低温の状況下で改質が行われれば、改質が十分に行われず、原燃料に対する改質燃料の割合を示す改質効率が低下する。

【0010】

上記構成とすることで、燃料の通過方向と排気の通過方向とを、熱交換効率の高い対向方向と、熱交換効率が低い並行方向とに切り替えることができる。このため、原燃料の改質状態を比較的制御し易い２つの状態で切り替えることができ、簡易な構造により改質効率の低下を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】発電システムの構成の概略図である。

【図2】改質器の拡大図である。

【図3】第１切替弁及び第２切替弁の位置と通路面積とを示している。

【図4】燃料の通過方向と排気の通過方向とを対向方向とした場合を示している。

【図5】燃料の通過方向と排気の通過方向とを並行方向とした場合を示している。

【図6】燃料の通過方向と排気の通過方向とを並行方向とし、排気の一部をバイパスさせた場合を示している。

【図7】燃料温度と改質効率の関係を示している。

【図8】燃料の通過方向と排気の通過方向とを対向方向とした場合の、燃料通路内の温度変化と排気通路内の温度変化を示している。

【図9】燃料の通過方向と排気の通過方向とを並行方向とした場合の、燃料通路内の温度変化と排気通路内の温度変化を示している。

【図10】第１切替弁及び第２切替弁の制御を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、各実施形態を図面に基づいて説明する。なお、図中、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付しており、同一符号の部分についてはその説明を援用する。

【0013】

＜実施形態＞
図１は、本実施形態に係る発電システムを示している。発電システムは、原燃料を改質燃料へと改質する改質器を備えており、改質燃料を燃焼させることで得られる動力により発電を行うシステムである。

【0014】

発電システムは、内燃機関１０と、エアクリーナ３０と、原燃料タンク３１と、原燃料気化器３２と、排気浄化装置３３と、改質器５０とを含んで構成されている。内燃機関１０は、ディーゼル機関である。エアクリーナ３０は、外部の空気から粉塵等を取り除き、清浄な空気を発電システムへと取り込む。原燃料タンク３１は、液体の燃料である原燃料を貯留している。原燃料気化器３２は、内部に原燃料流路を備えており、液体の原燃料を蒸発させ気体の原燃料へと変化させる。排気浄化装置３３は、排気を浄化する触媒を備えている。改質器５０は、排気通路５０ａと燃料通路５０ｂとを備えており、排気通路５０ａ内を通過する流体と燃料通路５０ｂ内を通過する流体との間で熱交換が可能となっている。また、改質器５０は、切替手段として機能する第１切替弁Ｖ１と第２切替弁Ｖ２とを備えている。

【0015】

内燃機関１０は、シリンダブロック１１とシリンダヘッド１２とを含んで構成されている。シリンダブロック１１にはシリンダ１３が形成されており、シリンダ１３内にはシリンダ１３に対して上下方向に往復動するピストン１４が配設されている。ピストン１４はコンロッド１５を介してクランク軸１６に連結されている。ピストン１４の上方には、シリンダブロック１１とシリンダヘッド１２により区画形成された燃焼室１７が設けられ、燃焼室１７は吸気バルブ１８及び排気バルブ１９を介して、シリンダヘッド１２に形成された吸気ポート２０及び排気ポート２１に連通している。また、シリンダヘッド１２には、燃焼室１７へ副燃料を供給する副燃料供給装置２２が設けられている。なお、副燃料としては、圧縮着火が可能な軽油等が用いられる。

【0016】

クランク軸１６には図示しない発電機が接続されており、ピストン１４の上下動に伴うクランク軸１６の回転により発電機で発電が行われ、外部機器または蓄電装置への給電がなされる。

【0017】

内燃機関１０の吸気ポート２０は、吸気通路４０を介して、エアクリーナ３０と接続されており、内燃機関１０の排気ポート２１は、第１排気通路４１を介して、改質器５０の排気通路５０ａの排気入口に接続されている。一方、改質器５０の排気通路５０ａの排気出口は、第２排気通路４２により、排気浄化装置３３の排気入口に接続されており、排気浄化装置３３の浄化排気出口は、第３排気通路４３に接続されている。すなわち、第１排気通路４１、第２排気通路４２、及び、第３排気通路４３により、排気経路を構成している。

【0018】

原燃料タンク３１は、原燃料を送出する燃料ポンプ４４ａが設けられた原燃料通路４４を介して、原燃料気化器３２の原燃料入口に接続されている。原燃料気化器３２の気化原燃料出口は、気化原燃料通路４５を介して、改質器５０の燃料通路５０ｂの燃料供給口に接続されている。なお、原燃料気化器３２は、内燃機関１０と熱交換通路４６ａ、４６ｂを介して接続されており、内燃機関１０において発生した熱を、原燃料気化器３２内を流通する原燃料へ供給可能な構成となっている。改質器５０の燃料通路５０ｂの改質燃料出口は、改質燃料導入通路４７を介して、エアクリーナ３０と吸気ポート２０との間に介在する吸気通路４０に接続されている。

【0019】

また、内燃機関１０には、計測装置として、内燃機関１０のクランク軸１６の回転数を計測するクランク角センサ６０が設けられている。第１排気通路４１には、排気温度センサ６１が設けられており、改質燃料導入通路４７には、燃料温度センサ６２が設けられている。排気温度センサ６１は、排気温度計測手段として機能し、改質器５０の排気通路５０ａへ流入する排気の温度を示す排気温度Ｔ＿ｅｘを計測する。また、燃料温度センサ６２は、燃料温度計測手段として機能し、改質器５０の燃料通路５０ｂから送出される燃料の温度を示す燃料温度Ｔ＿ｆｏを計測する。

【0020】

発電システムは、制御装置７０を備えており、クランク角センサ６０により計測された内燃機関１０のクランク軸１６の回転数、排気温度センサ６１により計測された排気温度Ｔ＿ｅｘ、燃料温度センサ６２により計測された燃料温度Ｔ＿ｆｏが制御装置７０に入力される。また、外部から入力された発電システムの駆動命令、または、制御装置７０内で生成された発電システムの駆動命令に基づいて、燃料ポンプ４４ａ、第１切替弁Ｖ１、第２切替弁Ｖ２へ制御信号を送信する。

【0021】

本実施形態に係る発電システムにおいて、原燃料タンク３１から供給される原燃料はメタノールである。原燃料タンク３１から改質器５０へと供給されたメタノールは、改質器５０内において、下記熱化学方程式１に示す吸熱反応である化学反応により、水素と一酸化炭素とに改質される。そして、この化学反応により生成された水素と一酸化炭素が改質燃料となる。

【0022】

【化1】

ここで、本実施形態に係る発電システムの動作について説明する。まず、制御装置７０から燃料ポンプ４４ａへ送信された制御信号により燃料ポンプ４４ａが作動し、原燃料タンク３１に蓄えられた原燃料が、原燃料通路４４を介して原燃料気化器３２へと供給される。原燃料気化器３２へ供給された原燃料は、内燃機関１０から熱交換通路４６ａ、４６ｂを介して流入した熱により、気化される。気化された原燃料は、気化原燃料通路４５を介して改質器５０の燃料通路５０ｂの原燃料入口へと供給され、改質器５０の燃料通路５０ｂを通過し、上述した化学反応により改質燃料へと改質される。改質器５０の燃料通路５０ｂの改質燃料出口から送出された改質燃料は、改質燃料導入通路４７を通過し、吸気通路４０へと流入する。一方、エアクリーナ３０から吸入された空気も吸気通路４０へと流入する。吸気通路４０内では、改質燃料と空気とが混合して混合気となり、混合気は吸気ポート２０へ供給される。

【0023】

吸気ポート２０へ供給された混合気は、吸気行程における吸気バルブ１８の開放に伴い、燃焼室１７内へと流入する。圧縮行程において、ピストン１４の上昇に伴い、混合気が圧縮され、燃焼室１７内は高温高圧となる。ここで、クランク角センサ６０が、ピストン１４が上死点近傍まで上昇したことを検出すれば、制御装置７０からの指令により、副燃料供給装置２２から副燃料が燃焼室１７内へと供給される。供給された副燃料は、高温高圧の環境下で自己発火し、発生した火炎が改質燃料へと伝播して改質燃料の燃焼が行われる。そして、副燃料及び改質燃料の燃焼により、燃焼室１７内の混合気が膨張し、ピストン１４が下降する。ピストン１４が下死点近傍まで下降すれば、排気バルブ１９が開放され、排気が排気ポート２１から排出される。

【0024】

排気ポート２１から排出された排気は、第１排気通路４１を介して改質器５０の排気通路５０ａの排気入口へと流入し、改質器５０の燃料通路５０ｂの原燃料と熱交換を行った後、改質器５０の排気通路５０ａの排気出口から、第２排気通路４２を経て排気浄化装置３３の排気入口へ流入し、浄化される。浄化された排気は、排気浄化装置３３の浄化排気出口から第３排気通路４３を介して、外部へ排出される。

【0025】

図２は、図１で示した改質器５０の拡大図である。排気通路５０ａは、排気流入部５１と、排気流出部５２と、排気分岐部５３と、複数の排気平行通路５４とにより構成されている。

【0026】

排気流入部５１は、第１排気通路４１から流入する排気を分岐させる第１排気流入部５１ａと、第２排気流入部５１ｂとにより構成されている。また、排気流出部５２は、第２排気通路４２へと流出する排気を合流させる第１排気流出部５２ａと、第２排気流出部５２ｂとにより構成されている。

【0027】

排気分岐部５３は、第１排気分岐部５３ａと、第２排気分岐部５３ｂとにより構成されている。第１排気分岐部５３ａは、第１端が第１排気流入部５１ａに接続されており、第２端が第１排気流出部５２ａに接続されている。第２排気分岐部５３ｂは、第１端が第２排気流入部５１ｂに接続されており、第２端が第２排気流出部５２ｂに接続されている。

【0028】

第１排気分岐部５３ａの第１端と第２端との間には、排気平行通路５４の第１端が、それぞれ所定の間隔を空けて接続されており、第２排気分岐部５３ｂの第１端と第２端との間には、排気平行通路５４の第２端が、それぞれ所定の間隔を空けて接続されている。

【0029】

排気流入部５１には、第１切替弁Ｖ１が設けられており、第１切替弁Ｖ１の切替制御により、第１排気流入部５１ａの閉塞及び開放、第２排気流入部５１ｂの閉塞及び開放が可能となっている。また、排気流出部５２には、第２切替弁Ｖ２が設けられており、第２切替弁Ｖ２の切替制御により、第１排気流出部５２ａの閉塞及び開放、第２排気流出部５２ｂの閉塞及び開放が可能となっている。すなわち、第１切替弁Ｖ１の切替制御により、排気流入部５１と、排気平行通路５４の第１端と第２端との一方とを選択的に接続することが可能となっており、第２切替弁Ｖ２の切替制御により、排気流出部５２と、排気平行通路５４の第１端と第２端との一方とを選択的に接続することが可能となっている。

【0030】

一方、燃料通路５０ｂは、燃料入口が気化原燃料通路４５に接続された燃料流入部５５と、燃料出口が改質燃料導入通路４７に接続された燃料流出部５６と、複数の燃料平行通路５７とにより構成されている。

【0031】

燃料平行通路５７は、排気平行通路５４とそれぞれが互い違いとなるように設けられており、各排気平行通路５４と各燃料平行通路５７とは、略平行となるように設けられている。そして、燃料平行通路５７の第１端は、燃料流入部５５に、それぞれ所定の間隔を空けて接続されており、燃料平行通路５７の第２端は、燃料流出部５６に、それぞれ所定の間隔を空けて接続されている。すなわち、各排気平行通路５４と各燃料平行通路５７とが略平行となるように設けられ、且つ、第１排気分岐部５３ａと、第２排気分岐部５３ｂと、燃料流入部５５と、燃料流出部５６とが、略平行となるように設けられている。

【0032】

本実施形態では、第１切替弁Ｖ１、第２切替弁Ｖ２の位置を０〜１で表されるバルブ位置を用いて制御している。図３は、第１切替弁Ｖ１及び第２切替弁Ｖ２のバルブ位置と、第１排気流入部５１ａ、第２排気流入部５１ｂ、第１排気流出部５２ａ、第２排気流出部５２ｂの通路面積との関係を示している。

【0033】

第１切替弁Ｖ１のバルブ位置を０とすれば、第１排気流入部５１ａが閉塞されるとともに、第２排気流入部５１ｂが開放され、第１切替弁Ｖ１のバルブ位置を１とすれば、第１排気流入部５１ａが開放されるとともに、第２排気流入部５１ｂが閉塞される。一方、第２切替弁Ｖ２のバルブ位置を０とすれば、第１排気流出部５２ａが閉塞されるとともに、第２排気流出部５２ｂが開放され、第２切替弁Ｖ２のバルブ位置を１とすれば、第１排気流出部５２ａが開放されるとともに、第２排気流出部５２ｂが閉塞される。

【0034】

また、第１切替弁Ｖ１のバルブ位置を０よりも大きく１よりも小さい値とすれば、第１排気流入部５１ａ及び第２排気流入部５１ｂが共に開放され、第２切替弁Ｖ２のバルブ位置を０よりも大きく１よりも小さい値とすれば、第１排気流出部５２ａ及び第２排気流出部５２ｂが共に開放される。

【0035】

本実施形態では、第１切替弁Ｖ１のバルブ位置を切り替えることにより、排気流入部５１と、排気平行通路５４の両端の一方とを選択的に接続している。また、第２切替弁Ｖ２のバルブ位置を切り替えることにより、排気流出部５２と、排気平行通路５４の両端の他方とを接続している。こうすることにより、排気平行通路５４を通過する排気の通過方向を変更している。

【0036】

図４は、第１切替弁Ｖ１の位置を０とし、第２切替弁Ｖ２の位置を１とした場合の、排気の通過方向と、燃料の通過方向とを示している。図中、排気の通過方向を破線で示し、燃料の通過方向を実線で示している。第１切替弁Ｖ１の位置を０としており、第２切替弁Ｖ２の位置を１としているため、第１排気流入部５１ａ及び第２排気流出部５２ｂが閉塞され、第２排気流入部５１ｂ及び第１排気流出部５２ａが開放されている。

【0037】

第１排気通路４１から流入した排気は、第２排気流入部５１ｂ、第２排気分岐部５３ｂを経て、各排気平行通路５４へと流入する。各排気平行通路５４を通過した排気は、第１排気分岐部５３ａ、第１排気流出部５２ａを経て、第２排気通路４２へと送出される。

【0038】

一方、気化原燃料通路４５から流入した原燃料は、燃料流入部５５を経て、各燃料平行通路５７へと流入する。燃料平行通路５７を通過する燃料は、排気平行通路５４を通過する排気と熱交換を行う。このとき、燃料平行通路５７を通過する燃料の通過方向と、排気平行通路５４を通過する排気の通過方向とは、対向方向である。そして、燃料平行通路５７を通過した燃料は、燃料流出部５６を経て、改質燃料導入通路４７へ送出される。

【0039】

図５は、第１切替弁Ｖ１の位置を１とし、第２切替弁Ｖ２の位置を０とした場合の、排気の通過方向と、燃料の通過方向とを示している。図中、排気の通過方向を破線で示し、燃料の通過方向を実線で示している。第１切替弁Ｖ１の位置を１としており、第２切替弁Ｖ２の位置を０としているため、第１排気流入部５１ａ及び第２排気流出部５２ｂが開放され、第２排気流入部５１ｂ及び第１排気流出部５２ａが閉塞されている。

【0040】

第１排気通路４１から流入した排気は、第１排気流入部５１ａ、第１排気分岐部５３ａを経て、各排気平行通路５４へと流入する。各排気平行通路５４を通過した排気は、第２排気分岐部５３ｂ、第２排気流出部５２ｂを経て、第２排気通路４２へと送出される。

【0041】

一方、気化原燃料通路４５から流入した原燃料は、燃料流入部５５を経て、各燃料平行通路５７へと流入する。燃料平行通路５７を通過する燃料は、排気平行通路５４を通過する排気と熱交換を行う。このとき、燃料平行通路５７を通過する燃料の通過方向と、排気平行通路５４を通過する排気の通過方向とは、並行方向である。そして、燃料平行通路５７を通過した燃料は、燃料流出部５６を経て、改質燃料導入通路４７へ送出される。

【0042】

図６は、第１切替弁Ｖ１の位置を１とし、第２切替弁Ｖ２の位置を０よりも大きく１よりも小さい値に対応した位置とした場合の、排気の通過方向と、燃料の通過方向とを示している。図中、排気の通過方向を破線で示し、燃料の通過方向を実線で示している。第１切替弁Ｖ１の位置を１としているため、第１排気流入部５１ａが開放され、第２排気流入部５１ｂが閉塞されている。また、第２切替弁Ｖ２の位置を０よりも大きく１よりも小さい値に対応した位置としているため、第１排気流出部５２ａ及び第２排気流出部５２ｂはともに開放されている。

【0043】

第１排気通路４１から流入した排気は、第１排気流入部５１ａ、第１排気分岐部５３ａを経て、一部は各排気平行通路５４へと流入し、一部は第１排気流出部５２ａへ流入する。各排気平行通路５４を通過した排気は、第２排気分岐部５３ｂ、第２排気流出部５２ｂを経て、第１排気流出部５２ａを通過した排気と合流し、第２排気通路４２へと送出される。すなわち、排気は、第１排気流入部５１ａから第１排気流出部５２ａへと直接通過しており、第１切替弁Ｖ１及び第２切替弁Ｖ２をバイパス手段として機能させているということができる。

【0044】

一方、気化原燃料通路４５から流入した原燃料は、燃料流入部５５を経て、各燃料平行通路５７へと流入する。燃料平行通路５７を通過する燃料は、排気平行通路５４を通過する排気と熱交換を行う。このとき、燃料平行通路５７を通過する燃料の通過方向と、排気平行通路５４を通過する排気の通過方向とは、並行方向である。そして、燃料平行通路５７を通過した燃料は、燃料流出部５６を経て、改質燃料導入通路４７へ送出される。

【0045】

ところで、改質器５０内では、下記熱化学方程式２に示す化学反応により、副生成物も生成される。

【0046】

【化2】

副生成物にはメタンが含まれているため、そのメタンを燃料として用いることはできる。ところが、副生成物は発熱反応により生成されているため、副生成物を燃焼させた際に発生する熱量は、原燃料を直接燃焼させる場合と比較しても小さくなる。そのため、改質器５０での副生成物の生成は、発電システム全体での発電効率の低下の一因となる。そのうえ、上記熱化学方程式２に係る化学反応は発熱反応であるため、排気熱と反応熱とによりさらに温度が上昇し、より一層副生成物が生成されることになり、さらに発電効率が低下する。

【0047】

図７は、燃料温度Ｔ＿ｆｏと、改質効率との関係性を示している。ここで、改質効率とは、改質器５０へ導入された原燃料の、熱化学方程式１に係る化学反応が起こる割合を示している。燃料温度Ｔ＿ｆｏが低い場合、改質が十分に行われず、原燃料の吹き抜けが生ずる。そのため、改質効率が低下する。一方、燃料温度Ｔ＿ｆｏが高い場合、熱化学方程式１に係る化学反応の割合が低下し、上述した熱化学方程式２に係る化学反応の割合が上昇する。そのため、改質効率が低下する。本実施形態では、図７で示した改質効率に基づいて、原燃料の吹き抜けにより改質効率が低下すると見なすことができる温度を第１温度閾値Ｔ１と定義し、副生成物の生成により改質効率が低下すると見なすことができる温度を第２温度閾値Ｔ２と定義する。すなわち、燃料温度Ｔ＿ｆｏの、第１温度閾値Ｔ１よりも高く、第２温度閾値Ｔ２よりも低い温度範囲を、改質の適正温度帯ということができる。

【0048】

図８（ａ）〜（ｃ）は、燃料の通過方向と排気の通過方向が対向方向である場合の、排気通路５０ａ中の排気の温度変化と、燃料通路５０ｂ中の燃料の温度変化を示している。燃料の通過方向と排気の通過方向とが対向方向である場合、燃料は、燃料平行通路５７の燃料流入部５５側において、熱交換により温度が低下した排気からの熱を得る。燃料が燃料通路５０ｂを通過する過程で、対向方向に流れる排気の温度は上昇し、それに伴い、燃料の温度も上昇する。そして、燃料温度Ｔ＿ｆｏは、排気温度Ｔ＿ｅｘと同等の値、または、排気温度Ｔ＿ｅｘよりも低く、且つ、排気温度Ｔ＿ｅｘに近似した値となる。なお、上記熱化学方程式１に係る化学反応により改質燃料が生成される限りは、排気から燃料へと熱を供給しており、且つ、化学反応が吸熱反応であるため、燃料温度Ｔ＿ｆｏが排気温度Ｔ＿ｅｘよりも高くなることはない。

【0049】

図８（ａ）は、排気温度Ｔ＿ｅｘが第２温度閾値Ｔ２よりも高い場合の、排気通路５０ａ中の排気の温度変化と、燃料通路５０ｂ中の燃料の温度変化を示している。燃料温度Ｔ＿ｆｏは、排気温度Ｔ＿ｅｘと同等の値、または、排気温度Ｔ＿ｅｘよりも低く、且つ、排気温度Ｔ＿ｅｘに近似した値となるため、燃料温度Ｔ＿ｆｏが第２温度閾値Ｔ２よりも高くなるおそれがある。そのため、副生成物の生成が促進され、改質効率が低下する。

【0050】

図８（ｂ）、（ｃ）は、排気温度Ｔ＿ｅｘが第２温度閾値Ｔ２よりも低い場合の、排気通路５０ａ中の排気の温度変化と、燃料通路５０ｂ中の燃料の温度変化を示している。燃料温度Ｔ＿ｆｏは、排気温度Ｔ＿ｅｘと同等の値、または、排気温度Ｔ＿ｅｘよりも低く、且つ、排気温度Ｔ＿ｅｘに近似した値となるため、燃料温度Ｔ＿ｆｏは、第２温度閾値Ｔ２よりも低い値となる。

【0051】

したがって、排気温度Ｔ＿ｅｘが第２温度閾値Ｔ２よりも低い場合には、燃料の通過方向と排気の通過方向とを対向方向とすれば、燃料温度Ｔ＿ｆｏを第２温度閾値Ｔ２よりも低くすることができるといえる。

【0052】

図９（ａ）〜（ｃ）は、燃料の通過方向と排気の通過方向が対向方向である場合の、排気温度Ｔ＿ｅｘと、燃料温度Ｔ＿ｆｏとを示している。ここで、図９（ａ）における排気温度Ｔ＿ｅｘは、図８（ａ）における排気温度Ｔ＿ｅｘと同じであり、図９（ｂ）における排気温度Ｔ＿ｅｘは、図８（ｂ）における排気温度Ｔ＿ｅｘと同じであり、図９（ｃ）における排気温度Ｔ＿ｅｘは、図８（ｃ）における排気温度Ｔ＿ｅｘと同じである。

【0053】

燃料の通過方向と排気の通過方向とが並行方向である場合、燃料は、燃料平行通路５７の燃料流入部５５側において、高温の排気からの熱を得る。燃料が燃料通路５０ｂを通過する過程で、燃料の温度が上昇するとともに、並行方向に流れる排気の温度は低下する。そして、燃料温度Ｔ＿ｆｏは、燃料通路５０ｂの出口において、排気温度Ｔ＿ｅｘと、気化原燃料通路４５から燃料通路５０ｂに流入する燃料の温度との中間値となる。したがって、燃料の通過方向と排気の通過方向が並行方向である場合、排気温度Ｔ＿ｅｘが低いほど、燃料温度Ｔ＿ｆｏが第１温度閾値Ｔ１よりも低くなるおそれが生ずる。一方、排気温度Ｔ＿ｅｘが第２温度閾値Ｔ２よりも高くても、燃料温度Ｔ＿ｆｏが第２温度閾値Ｔ２よりも高くなるおそれは小さくなる。

【0054】

そこで、本実施形態では、排気温度Ｔ＿ｅｘが第２温度閾値Ｔ２以下の場合には、燃料の通過方向と排気の通過方向とを対向方向とし、燃料温度Ｔ＿ｆｏの低下を防ぎ、改質効率を上昇させる。一方、排気温度Ｔ＿ｅｘが第２温度閾値Ｔ２よりも高い場合には、燃料の通過方向と排気の通過方向とを並行方向とし、燃料温度Ｔ＿ｆｏが第２温度閾値Ｔ２よりも高くなることを防ぎ、改質効率を上昇させる。さらに、排気温度Ｔ＿ｅｘの上昇に伴い、燃料温度Ｔ＿ｆｏが第２温度閾値Ｔ２よりも高くなった場合には、燃料の通過方向と排気の通過方向とを並行方向とするとともに、排気の一部を排気流入部５１から排気流出部５２へと直接通過させ、熱交換に用いられる排気の量を低減する。すなわち、第１切替弁Ｖ１及び第２切替弁Ｖ２の切替制御を行う際に閾値として用いる所定値を、第２温度閾値Ｔ２としている。

【0055】

図１０は、制御装置７０が実行する制御を示すフローチャートである。図１０に示すフローチャートは、所定の制御周期で実行される。

【0056】

まず、排気温度Ｔ＿ｅｘが第２温度閾値Ｔ２以下であるか否かの判定がなされる（Ｓ１０１）。ここで、上述した通り、排気と燃料との間で熱交換が行われるため、排気温度Ｔ＿ｅｘが第２温度閾値Ｔ２以下である場合、燃料温度Ｔ＿ｆｏも第２温度閾値Ｔ２以下となる。したがって、排気温度Ｔ＿ｅｘが第２温度閾値Ｔ２以下と判定された場合には（Ｓ１０１：ＹＥＳ）、第１切替弁Ｖ１を１とし、第２切替弁Ｖ２を０として（Ｓ１０２）、燃料の通過方向と排気の通過方向を対向方向とすることにより、熱交換効率を上昇させる。これにより、燃料温度Ｔ＿ｆｏが第２温度閾値Ｔ２よりも大きくならないという条件のもとで、燃料温度Ｔ＿ｆｏの低下を抑止する。

【0057】

一方、排気温度Ｔ＿ｅｘが第２温度閾値Ｔ２以下でないと判定された場合（Ｓ１０１：ＮＯ）、燃料温度Ｔ＿ｆｏが第２温度閾値Ｔ２以下であるか否かの判定がなされる（Ｓ１０３）。排気温度Ｔ＿ｅｘが第２温度閾値Ｔ２以下であると判定された場合（Ｓ１０３：ＹＥＳ）、第１切替弁Ｖ１を１とし、第２切替弁Ｖ２を０として（Ｓ１０４）、燃料の通過方向と排気の通過方向とを並行方向として、熱交換効率を低下させる。すなわち、燃料温度Ｔ＿ｆｏは第２温度閾値Ｔ２以下であるものの、排気温度Ｔ＿ｅｘは第２温度閾値Ｔ２よりも高いため、排気と燃料の通過方向とを対向方向とする制御を継続した場合、燃料温度Ｔ＿ｆｏが第２温度閾値Ｔ２よりも高くなるおそれがある。そのため、燃料の通過方向と排気の通過方向とを並行方向として、熱交換効率を低下させている。これにより、燃料温度Ｔ＿ｆｏが第２温度閾値Ｔ２よりも高くなることを抑止する。

【0058】

さらに、燃料温度Ｔ＿ｆｏが第２温度閾値Ｔ２以下でないと判定された場合（Ｓ１０３：ＮＯ）、すなわち、燃料温度Ｔ＿ｆｏが第２温度閾値Ｔ２よりも高くなり、上記熱化学方程式２に係る化学反応の割合が上昇した場合、排気の一部を排気流入部５１から排気流出部５２へと直接通過させる。このとき、まず、第２切替弁Ｖ２の位置を示す変数ｘ（０＜ｘ＜１）を、燃料温度Ｔ＿ｆｏと第２温度閾値Ｔ２との差分を変数として用いる関数を用いて算出する（Ｓ１０５）。そして、第２切替弁Ｖ２の位置をｘとする。この制御により、燃料の通過方向と排気の通過方向とを並行方向とするとともに、排気の一部を排気流入部５１から排気流出部５２へと直接通過させることとなり、熱交換に用いられる排気の量を低減する。

【0059】

上記構成により、本実施形態に係る改質器５０を備える発電システムは、以下の効果を奏する。

【0060】

・燃料の通過方向と排気の通過方向とを、熱交換効率の高い対向方向と、熱交換効率が低い並行方向とに切り替えることができる。このため、原燃料の改質状態を比較的制御し易い２つの状態で切り替えることができ、簡易な構造により改質効率の低下を抑制することができる。

【0061】

・排気温度Ｔ＿ｅｘが第２温度閾値Ｔ２よりも低い場合に、燃料の通過方向と排気の通過方向とを対向方向として熱交換効率を高めているため、改質温度の低下を抑制することができ、それにより、改質が十分に行われない事態を回避することができる。また、排気温度Ｔ＿ｅｘが第２温度閾値Ｔ２よりも高い場合には、燃料の通過方向と排気の通過方向とを並行方向として熱交換効率を低下させているため、燃料温度Ｔ＿ｆｏの上昇を抑制することができ、それにより、副生成物の生成を抑制することができる。

【0062】

・燃料温度Ｔ＿ｆｏが第２温度閾値Ｔ２よりも高い場合には、燃料の通過方向と排気の通過方向とを並行方向とし、且つ、一部の排気を排気流入部５１から排気流出部５２へと直接通過させることで、燃料に供給される排気熱を低減することができる。それにより、副生成物の生成を抑制することができるため、改質効率を向上させることができる。

【0063】

＜変形例＞
・上記実施形態において、発電機として用いる内燃機関１０の排気経路に改質器５０を設けたものを示した。しかしながら、改質器５０は、内燃機関１０の排気経路に設けられ、内燃機関１０の排気の熱により改質を行うものであればよく、その内燃機関１０は、発電機以外として用いるものであってもよい。

【0064】

・上記実施形態では、排気の通過方向を切り替えることにより、燃料の通過方向と排気の通過方向とを、対向方向と並行方向とに切り替えるものとしたが、燃料の通過方向を切り替えることにより、燃料の通過方向と排気の通過方向とを、対向方向と並行方向とに切り替えるものとしてもよい。例えば、上記実施形態における改質器５０の排気通路５０ａを燃料通路として用い、燃料通路５０ｂを排気通路として用いればよい。

【0065】

・上記実施形態において、原燃料としてメタノールを用いるものとしたが、原燃料は、メタノールに限られることはない。すなわち、改質反応が吸熱反応であり、所定温度よりも低い場合では、燃料の吹き抜けによる改質効率の低下が発生し、所定温度よりも高い場合には、副生成物が発生するものであればよい。また、改質の際に空気や水等が必要な原燃料を用いることもでき、その場合には、改質器５０の燃料通路５０ｂに空気や水等を供給する構成とすればよい。

【0066】

・上記実施形態では、第２切替弁Ｖ２のバルブ位置を０よりも大きく１よりも小さい値に対応する位置とすることで、排気の一部を排気流入部５１から排気流出部５２へと直接通過させている。しかしながら、第１切替弁Ｖ１のバルブ位置を０よりも大きく１よりも小さい値に対応する位置とすることで、排気の一部を排気流入部５１から排気流出部５２へと直接通過させてもよい。

【0067】

・上記実施形態において、第１切替弁Ｖ１、第２切替弁Ｖ２を、それぞれ単一の切替弁とした。しかしながら、第１排気流入部５１ａ、第２排気流入部５１ｂのそれぞれに第１切替弁Ｖ１を設け、第１排気流入部５１ａの開放及び閉塞と、第２排気流入部５１ｂの開放及び閉塞とを独立して制御可能なものとしてもよい。また、第１排気流出部５２ａ、第２排気流出部５２ｂのそれぞれに第２切替弁Ｖ２を設け、第１排気流出部５２ａの開放及び閉塞と、第２排気流出部５２ｂの開放及び閉塞とを独立して制御可能なものとしてもよい。また、第１切替弁Ｖ１及び第２切替弁Ｖ２は、少なくとも、通路の開放及び閉塞を切り替えることが可能な構造を有していればよく、その具体的な構造は任意に設計可能である。

【0068】

・上記実施形態における排気通路５０ａの具体的な構造、及び、燃料通路５０ｂの具体的な構造は、上記実施形態で示した構造に限られることはない。すなわち、少なくとも燃料の通過方向と排気の通過方向とを、対向方向の並行方向とに切り替えられる構造であればよい。すなわち、排気平行通路５４、燃料平行通路５７とは、厳密に平行な構造である必要はなく、直線形状の通路である必要もない。例えば、排気平行通路５４中で排気平行通路５４の形状が変形していてもよい。

【0069】

・上記各実施形態では、内燃機関１０において、副燃料を燃焼させることにより発生する火炎を改質燃料に伝播させ、改質燃料を燃焼させるものとした。しかしながら、供給する改質燃料によっては、内燃機関１０に副燃料供給装置２２を設けず、点火プラグを設け、点火プラグにより発生した火花により改質燃料を燃焼させるものとしてもよい。

【0070】

・上記実施形態において、改質器５０の燃料通路５０ｂの出口の温度を燃料温度センサ６２で計測し、その温度を燃料温度Ｔ＿ｆｏとしたが、改質器５０の燃料通路５０ｂの内部の温度を計測し、その温度を燃料温度Ｔ＿ｆｏとしてもよい。

【符号の説明】

【0071】

１０…内燃機関、４１…第１排気通路、４２…第２排気通路、５０…改質器、５０ａ…排気通路、５０ｂ…燃料通路、５１…排気流入部、５２…排気流出部、５４…排気平行通路、６１…排気温度センサ、６２…燃料温度センサ、Ｖ１…第１切替弁、Ｖ２…第２切替弁。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】