JP5747864B2 - Heat storage system - Google Patents
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Description
本発明は、温度変化によって吸着剤の吸着調節する温度スイング方式、および圧力変化によって吸着剤の吸着制御する圧力スイング方式を用いた蓄熱システムに関する。 The present invention relates to a heat storage system using a temperature swing system that adjusts adsorption of an adsorbent by a change in temperature and a pressure swing system that controls adsorption of an adsorbent by a change in pressure.
特許文献1に記載の蓄冷型冷凍装置では、太陽熱を利用するため、太陽熱を吸着剤に蓄熱している。具体的には、吸着剤の再生時には60℃以上の温水を有効に利用したTPSA方式による再生方式の採用により蓄熱効率の高い冷凍サイクルを確立している。また吸着剤の吸着時には、冷媒蒸気の吸着による発熱を押さえるべく用意された冷却水が供給され、その流量の加減によってより効率良く冷凍出力を加減している。
In the cold storage type refrigeration apparatus described in
前述の蓄冷型冷凍装置では、温度スイング方式と圧力スイング方式を併用することで、吸着剤の再生温度が低温化し作動温度が高くなるので、効率(COP)を大きくすることができる。しかし、温度スイング方式は予熱を使って行うことができるが、圧力スイング方式はポンプを用いる必要がある。したがってポンプを稼働した分だけ蓄冷型冷凍装置の効率(COP)が低下するという問題がある。 In the above-described regenerative refrigerating apparatus, by using both the temperature swing method and the pressure swing method, the regeneration temperature of the adsorbent is lowered and the operating temperature is increased, so that the efficiency (COP) can be increased. However, the temperature swing method can be performed using preheating, but the pressure swing method requires the use of a pump. Therefore, there is a problem that the efficiency (COP) of the regenerative refrigerating apparatus is reduced by the amount of operation of the pump.
そこで、本発明は前述の問題点を鑑みてなされたものであり、効率よく蓄熱することができる蓄熱システムを提供することを目的とする。 Then, this invention is made | formed in view of the above-mentioned problem, and it aims at providing the thermal storage system which can store heat efficiently.
本発明は前述の目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。 The present invention employs the following technical means in order to achieve the aforementioned object.
本発明では、第1配管から作動流体が供給され、作動流体の圧力を低下させる作動手段(13,13A,13B)と、反応器の上流側の第2配管に設けられ、第2配管を通過する作動流体の流量を調節する第1流量調整手段(11)と、反応器の下流側の第2配管に設けられ、第2配管を通過する作動流体の流量を調節する第2流量調整手段(12)と、を含み、作動手段は、供給前に比べて圧力が低下した作動流体を第1配管の下流側に供給することを特徴とする蓄熱システムである。 In the present invention, the working fluid is supplied from the first pipe and is provided in the working pipe (13, 13A, 13B) for reducing the pressure of the working fluid and the second pipe on the upstream side of the reactor, and passes through the second pipe. First flow rate adjusting means (11) for adjusting the flow rate of the working fluid, and second flow rate adjusting means (2) for adjusting the flow rate of the working fluid that is provided in the second pipe downstream of the reactor and passes through the second pipe ( 12), and the operation means supplies a working fluid having a pressure lower than that before supply to the downstream side of the first pipe.
このような本発明に従えば、反応器の上流側および下流側のそれぞれに流量調整手段が設けられる。これによって反応器に作動流体が流れ込む量を調整することができる。作動手段は、供給前に比べて圧力が低下した作動流体を下流側に供給する。したがって反応器に流れ込む作動流体の圧力は、上流側と下流側とのいずれ側から流れ込むかによって異なることになる。流体は圧力が高くなれば、温度が高くなる。したがって下流側から反応器に流れ込む作動流体は高温であり、上流側から流れ込む作動流体は低温となる。これによって反応器に蓄熱材料の蓄熱量を調節することができる。したがって温度調節対象物の温度を調節することができる。このようにポンプなどの昇圧手段を用いることなく反応器に蓄熱し、蓄熱した熱量を用いることができる。したがって効率よく蓄熱することができる蓄熱システムを実現することができる。 According to the present invention, the flow rate adjusting means is provided on each of the upstream side and the downstream side of the reactor. Thereby, the amount of the working fluid flowing into the reactor can be adjusted. The operating means supplies the working fluid having a pressure lower than that before supply to the downstream side. Therefore, the pressure of the working fluid flowing into the reactor varies depending on which of the upstream side and the downstream side flows. The temperature of the fluid increases as the pressure increases. Therefore, the working fluid flowing into the reactor from the downstream side is high temperature, and the working fluid flowing from the upstream side is low temperature. Thereby, the heat storage amount of the heat storage material can be adjusted in the reactor. Therefore, the temperature of the temperature adjustment object can be adjusted. In this way, heat can be stored in the reactor without using a boosting means such as a pump, and the amount of heat stored can be used. Therefore, a heat storage system that can store heat efficiently can be realized.
なお、前述の各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。 In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each above-mentioned means is an example which shows a corresponding relationship with the specific means as described in embodiment mentioned later.
以下、図面を参照しながら本発明を実施するための形態を、複数の形態について説明する。各実施形態で先行する実施形態で説明している事項に対応している部分には同一の参照符を付すか、または先行の参照符号に一文字追加し、重複する説明を略する場合がある。また各実施形態にて構成の一部を説明している場合、構成の他の部分は、先行して説明している実施形態と同様とする。各実施形態で具体的に説明している部分の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、実施形態同士を部分的に組合せることも可能である。 Hereinafter, a plurality of embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. In some embodiments, portions corresponding to the matters described in the preceding embodiments may be given the same reference numerals, or one letter may be added to the preceding reference numerals, and overlapping descriptions may be omitted. In addition, when a part of the configuration is described in each embodiment, the other parts of the configuration are the same as those of the embodiment described in advance. In addition to the combination of parts specifically described in each embodiment, the embodiments may be partially combined as long as the combination does not hinder the combination.
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態に関して、図1〜図3を用いて説明する。蓄熱システム10は、図1に示すように、第1バルブ11と、第2バルブ12と、システム要素13と、反応器14と、加熱対象物15と、熱源16と、基準配管17と、迂回配管18とを含んで構成される。
(First embodiment)
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. As shown in FIG. 1, the
基準配管17の上流側の端部には、基準配管17に作動流体を供給する供給手段(図示せず)が設けられる。基準配管17は、第1配管であって、供給された作動流体が内部を通過する。システム要素13は、作動手段であって、基準配管17に設けられる。システム要素13は、基準配管17から作動流体が供給され、作動流体の圧力によって所定の作用をする。所定の作用は、たとえば作動流体の圧力によって対象物を回転または移動させたり、対象物を圧縮して高温にしたりする。またシステム要素13は、作動流体の圧力による所定の作用に起因して、供給された作動流体の圧力を損失(圧損ΔP)し、供給前に比べて圧力が低下した作動流体を基準配管17の下流側に供給する。
A supply means (not shown) for supplying the working fluid to the
迂回配管18は、第2配管であって、システム要素13の上流側で基準配管17から分岐し、システム要素13の下流側で基準配管17に合流する。迂回配管18には、反応器14が設けられる。また迂回配管18には、第1バルブ11および第2バルブ12が設けられる。第1バルブ11は、迂回配管18の反応器14の上流側に設けられ、迂回配管18を通過する作動流体の流量を調節する。第1バルブ11は、第1流量調整手段であって、本実施形態では迂回配管18内の通路を開閉する。したがって第1バルブ11を開状態にすると、上流側から作動流体が反応器14に供給される。
The
第2バルブ12は、迂回配管18の反応器14の下流側に設けられ、迂回配管18を通過する作動流体の流量を調節する。第2バルブ12は、第2流量調整手段であって、本実施形態では迂回配管18内の通路を開閉する。したがって第2バルブ12を開状態にすると、下流側から作動流体が反応器14に供給される。
The
反応器14は、蓄熱材19を有する。蓄熱材19は、迂回配管18から供給される作動流体と反応し、作動流体の温度に応じて発熱または吸熱する。蓄熱材19(蓄熱材料ともいう)は、様々なものが用いられるが、たとえば、CaO−H2O、CaO−CO2、MgO−H2O、MgO−CO2、CaCl2−H2O、CaBr−H2O、CaCl2−NH3、SrCl2−NH3、SrBr−NH3、ゼオライト−H2O、活性炭−H2O、ゼオライト−NH3、ゼオライト−アルコール系、活性炭−アルコール系、およびターシャルブチルアルコール−水のいずれかである。
The
図2に示すCaCl2・NH3は、蓄熱材19として用いられる。図2では、配位数1の条件のCaCl2を蓄冷材として用いる。またCaCl2・NH3の反応式を次式(1)に示す。
CaCl 2 · NH 3 shown in FIG. 2 is used as the
反応式: CaCl2+NH3 → CaCl2・NH3+69kJ/mol …(1)
反応式(1)および図2に示すように、CaCl2とNH3とが反応すると、熱が発生して、右側のNH3の波形から左側のCaCl2・NH3の波形となる。したがって同じ圧力下において、温度が上昇しているので、熱量を蓄えることができる。またいずれも波形も圧力が上昇すると、温度が高くなっている。
Reaction formula: CaCl 2 + NH 3 → CaCl 2 · NH 3 +69 kJ / mol (1)
As shown in the reaction formula (1) and FIG. 2, when CaCl 2 reacts with NH 3 , heat is generated, and the waveform of NH 3 on the right side changes to the waveform of CaCl 2 · NH 3 on the left side. Therefore, since the temperature rises under the same pressure, the amount of heat can be stored. In both waveforms, the temperature increases as the pressure increases.
図3に示すCa(OH)2は、蓄熱材19として用いられる。Ca(OH)2の反応式を次式(2)に示す。
Ca (OH) 2 shown in FIG. 3 is used as the
反応式: CaO+H2O → Ca(OH)2+108kJ/mol …(2)
反応式(2)および図3に示すように、CaOとH2Oとが反応すると、熱が発生して、右側のH2Oの波形から左側のCa(OH)2の波形となる。したがって同じ圧力下において、温度が上昇しているので、熱量を蓄えることができる。
Reaction formula: CaO + H 2 O → Ca (OH) 2 +108 kJ / mol (2)
As shown in the reaction formula (2) and FIG. 3, when CaO and H 2 O react, heat is generated, and the waveform of the left side Ca (OH) 2 changes from the waveform of the right side H 2 O. Therefore, since the temperature rises under the same pressure, the amount of heat can be stored.
反応器14は、加熱対象物15と熱交換可能に構成される。また反応器14は、熱源16と熱交換可能に構成される。熱源16は、蓄熱材19を加熱可能であり、たとえばヒータなどの加熱手段である。熱源16は、蓄熱材19の熱量が不足している場合に、蓄熱材19を蓄熱するために用いられる。加熱対象物15は、蓄熱材19と熱交換して、蓄熱材19の熱量によって加熱される。蓄熱材19に多くの熱量が蓄熱されているときは、加熱対象物15と熱交換して、加熱対象物15を加熱することができる。また蓄熱材19の熱量が不足しているときには、熱源16と熱交換して、蓄熱材19に熱量を蓄積することができる。
The
次に、蓄熱システム10の作動に関して説明する。蓄熱材19を作動させるときは、システム要素13の上流の高圧の作動流体側の第1バルブ11を開き蓄熱材19と反応させる。また蓄熱材19を再生させるときは、システム要素13下流の低圧の作動流体側の第2バルブ12を開き蓄熱材19と反応させる。これによって、作動時は高温で作動し、再生時は低温で蓄熱材19を再生させることが可能となる。この結果、ポンプレスで圧力スイングを行うことが可能となり、高いCOPが望める。
Next, the operation of the
以上説明したように本実施形態の蓄熱システム10では、反応器14の上流側および下流側のそれぞれにバルブ11,12が設けられるので、反応器14に作動流体が流れ込む量を調整することができる。作動手段であるシステム要素13は、所定の作用に起因して、供給された作動流体の圧力を損失し、供給前に比べて圧力が低下した作動流体を下流側に供給する。したがって反応器14に流れ込む作動流体の圧力は、上流側と下流側とのいずれ側から流れ込むかによって異なることになる。流体は圧力が高くなれば、温度が高くなる。したがって下流側から反応器14に流れ込む作動流体は高温であり、上流側から流れ込む作動流体は低温となる。これによって反応器14に蓄熱材料の蓄熱量を調節することができる。したがって温度調節対象物、たとえば加熱対象物15の温度を調節することができる。このように本実施形態の蓄熱システム10では、ポンプなどの昇圧手段を用いることなく反応器14に蓄熱し、蓄熱した熱量を用いることができる。したがって効率よく蓄熱することができる蓄熱システム10を実現することができる。
As described above, in the
(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態に関して、図4を用いて説明する。本実施形態では、前述の第1実施形態において、システム要素13が蒸気タービン13Aであり、作動流体が水であり、加熱対象物15が蒸気タービン13Aである点に特徴を有する。また基準配管17は、作動流体の水が回流する経路を形成している。したがってランキンサイクルは、密閉サイクル(クローズドサイクル)であり、作動流体である水が大気から隔離されて回流する熱力学的サイクルである。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The present embodiment is characterized in that, in the first embodiment described above, the
ランキンサイクルシステム10Aは、図4に示すように、作動流体である水を加熱して高圧蒸気を生成するボイラ21と、ボイラ21にて生成された高圧蒸気により駆動される蒸気タービン13Aと、蒸気タービン13Aの駆動に利用した蒸気を冷却水で冷却して液化する復水器22と、この復水器22にて液化された作動流体(つまり水)を汲み上げ、ボイラ21に供給する水ポンプ23とを含んで構成される。
As shown in FIG. 4, the
次に、ランキンサイクルシステム10Aの作動に関して説明する。図4に示すように、蒸気タービン13Aの前後に反応器14がバルブ11,12を有する迂回配管18によって接続されているので、作動時は、高圧側の第1バルブ11のみを開放し、高圧蒸気との反応により反応器14から熱を取り出す。再生時は、低圧側の第2バルブ12のみを開放し、比較的小さい熱を外から加えることによって反応器14を再生させる。この圧力スイングの作動により、作動時の温度が上昇し、再生時の温度が低下する。このため、システムのCOP=(作動時の発熱)/(再生時の入熱)が向上する。
Next, the operation of the
また反応器14に蓄熱された熱は、蒸気タービン13Aの温度上昇に用いられる。蒸気タービン13Aは、システムの作動開始時には熱量が不足しているので、反応器14に蓄熱されている熱量を用いることによって、作動開始時から温度を上昇させることができる。
Further, the heat stored in the
反応器14と蒸気タービン13Aとの熱交換に関する構成は、特に限定するものではなく、たとえば反応器14と蒸気タービン13Aとを密着させておいてもよいし、熱媒体などを用いて熱交換してもよい。
The configuration related to heat exchange between the
第1バルブ11を開にして、蒸気タービン13Aを加熱するタイミングは、システム起動時が好ましい。蒸気タービン13Aの温度が不足しているからである。また第2バルブ12を開にして、蓄熱材19に蓄熱するタイミングは、システムが定常運転になり、熱が余っている定常時が好ましい。熱がシステムに余っているからである。
The timing at which the
従来技術では、ポンプを作動させることで圧力スイングを行っているため、ポンプ動力分、システムのCOPが低下する。しかしながら、本実施形態では一部、水ポンプ23の動力により圧力を昇圧しているが、水ポンプ23の動力は気体ポンプの動力と比べて充分に小さいので、無視することが可能である。本実施形態のランキンサイクルシステム10Aは、蒸気タービン13Aの前後の圧力差のみを駆動力として圧力スイングを行うので、ポンプ動力分の効率低下なしにシステム効率を向上させることができる。
In the prior art, since the pressure swing is performed by operating the pump, the COP of the system is reduced by the amount of pump power. However, in this embodiment, the pressure is partially increased by the power of the
(第3実施形態)
次に、本発明の第3実施形態に関して、図5を用いて説明する。本実施形態では、前述の第1実施形態において、システム要素13が気化器13Bであり、作動流体がアンモニア系の燃料であり、加熱対象物15が改質器31である点に特徴を有する。また基準配管17は、作動流体の燃料が回流せずに下流側にて大気中に開放する開放サイクル(オープンサイクル)の経路を形成している。
(Third embodiment)
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The present embodiment is characterized in that, in the first embodiment described above, the
コージェネレーションシステム10Bは、図5に示すように、アンモニア(NH3)タンク32と、アンモニアタンク32から供給されるアンモニアを気化する気化器13Bと、気化器13Bからの気化した燃料と空気とを混合して改質し、燃料ガスを生成する改質器31と、燃料ガスによって駆動するエンジン33と、を含んで構成される。
As shown in FIG. 5, the
次に、コージェネレーションシステム10Bの作動に関して説明する。図5に示すように、気化器13Bの前後に反応器14がバルブ11,12を有する迂回配管18によって接続されているので、作動時は、高圧側の第1バルブ11のみを開放し、高圧燃料との反応により反応器14から熱を取り出す。再生時は、低圧側の第2バルブ12のみを開放し、比較的小さい熱を外から加えることによって反応器14を再生させる。この圧力スイングの作動により、作動時の温度が上昇し、再生時の温度が低下する。このため、システムのCOPが向上する。
Next, the operation of the
また反応器14に蓄熱された熱は、改質器31の温度上昇に用いられる。改質器31は、システムの作動開始時には熱量が不足しているので、反応器14に蓄熱されている熱量を用いることによって、作動開始時から温度を上昇させることができる。また、加熱対象物15としては改質器31の他に、気化器13B、エンジン33のいずれかであってもよく、改質器31をあわせたいずれかひとつ以上がであってもよい。またアンモニアは難燃性のため、蓄熱により低温始動時の挙動がよりスムーズになる。
The heat stored in the
(その他の実施形態)
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に何ら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において種々変形して実施することが可能である。
(Other embodiments)
The preferred embodiments of the present invention have been described above, but the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
また前述の各実施形態の構造は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれらの記載の範囲に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内での全ての変更を含むものである。 Moreover, the structure of each above-mentioned embodiment is an illustration to the last, Comprising: The scope of the present invention is not limited to the range of these description. The scope of the present invention is indicated by the description of the scope of claims, and further includes meanings equivalent to the description of the scope of claims and all modifications within the scope.
また前述の各実施形態では、加熱対象物15は1つのみであったが、1つに限るものではなく、複数の温度調節対象物を用いてもよい。また加熱に限るものではなく、冷却や温度維持などの温度調節に用いてもよい。 Moreover, in each above-mentioned embodiment, although the heating target object 15 was only one, it is not restricted to one, You may use several temperature control target object. Moreover, it is not restricted to heating, You may use for temperature control, such as cooling and temperature maintenance.
また前述の各実施形態では、第1バルブ11、第2バルブ12は開閉の制御しかされていないが、開閉に限るものではなく、開度を調節して、流量を連続的に制御してもよい。これによって、蓄熱量を高精度に制御することができる。
In each of the above-described embodiments, the
前述の第2実施形態では、作動流体が蒸気(水)であり、蓄熱材19に関しては特に限定していないが、蓄熱材19が水と反応する水系化学蓄熱作用を有する材料であってもよい。これによって作動流体を用いて、反応器に効率よく蓄熱することができる。
In the second embodiment described above, the working fluid is steam (water), and the
また前述の第2、第3実施形態では、システム要素13が蒸気タービン13Aまたは気化器13Bであったが、これらに限るものではなく、たとえば蒸気圧縮式ヒートポンプサイクルを構成する膨張器であってもよい。
In the second and third embodiments described above, the
前述の第3実施形態では、作動流体は、アンモニア系の燃料であったが、アンモニア系の燃料に限るものではなく、アルコール系の燃料であってもよい。また第3実施形態では、システム要素13として気化器13Bを用いたが、気化器13Bに限るものではなく、改質器31であってもよい。
In the third embodiment described above, the working fluid is an ammonia-based fuel, but is not limited to an ammonia-based fuel, and may be an alcohol-based fuel. In the third embodiment, the
前述の第3実施形態では、作動流体がアンモニアであり、蓄熱材19に関しては特に限定していないが、蓄熱材19がアンモニアと反応するアンモニア系化学蓄熱作用を有する材料であってもよい。これによって作動流体を用いて、反応器14に効率よく蓄熱することができる。
In the third embodiment described above, the working fluid is ammonia, and the
10…蓄熱システム
10A…ランキンサイクルシステム(蓄熱システム)
10B…コージェネレーションシステム(蓄熱システム)
11…第1バルブ(第1流量調整手段) 12…第2バルブ(第2流量調整手段)
13…システム要素(作動手段) 13A…蒸気タービン(作動手段)
13B…気化器(作動手段) 14…反応器
15…加熱対象物 16…熱源 17…基準配管(第1配管)
18…迂回配管(第2配管) 19…蓄熱材 21…ボイラ
22…復水器 23…水ポンプ 31…改質器
32…アンモニアタンク 33…エンジン
10 ...
10B ... Cogeneration system (heat storage system)
DESCRIPTION OF
13 ... System element (operating means) 13A ... Steam turbine (operating means)
13B ... Vaporizer (operating means) 14 ... Reactor 15 ...
18 ... Detour pipe (second pipe) 19 ...
Claims (6)
前記第1配管から前記作動流体が供給され、前記作動流体の圧力を低下させる作動手段(13,13A,13B)と、
前記作動手段の上流側で前記第1配管から分岐し、前記作動手段の下流側で前記第1配管に合流する第2配管(18)と、
前記第2配管から供給される前記作動流体と反応し、前記作動流体の温度に応じて発熱または吸熱する蓄熱材料(19)を有する反応器(14)と、
前記反応器の蓄熱材料との熱交換によって温度が調節される温度調節対象物(15,13A,31)と、
前記反応器の上流側の前記第2配管に設けられ、前記第2配管を通過する前記作動流体の流量を調節する第1流量調整手段(11)と、
前記反応器の下流側の前記第2配管に設けられ、前記第2配管を通過する前記作動流体の流量を調節する第2流量調整手段(12)と、を含み、
前記作動手段は、供給前に比べて圧力が低下した前記作動流体を前記第1配管の下流側に供給することを特徴とする蓄熱システム。 A first pipe (17) through which the working fluid passes;
An operating means (13, 13A, 13B) for reducing the pressure of the working fluid supplied with the working fluid from the first pipe;
A second pipe (18) branched from the first pipe upstream of the actuating means and joined to the first pipe downstream of the actuating means;
A reactor (14) having a heat storage material (19) that reacts with the working fluid supplied from the second pipe and generates or absorbs heat according to the temperature of the working fluid;
A temperature control object (15, 13A, 31) whose temperature is adjusted by heat exchange with the heat storage material of the reactor;
A first flow rate adjusting means (11) for adjusting a flow rate of the working fluid that is provided in the second pipe upstream of the reactor and passes through the second pipe;
And a second flow rate adjusting means (12) for adjusting the flow rate of the working fluid that is provided in the second piping on the downstream side of the reactor and passes through the second piping,
The said operation | movement means supplies the said working fluid in which the pressure fell compared with before supply to the downstream of the said 1st piping, The heat storage system characterized by the above-mentioned.
前記作動手段は、蒸気タービン(13A)であり、
前記温度調節対象物は、前記蒸気タービンであることを特徴とする請求項2に記載の蓄熱システム。 The working fluid is water;
The operating means is a steam turbine (13A),
The heat storage system according to claim 2, wherein the temperature adjustment object is the steam turbine.
前記作動手段は、気化器(13B)または改質器(31)の少なくともいずれか一方であり、
前記温度調節対象物は、前記気化器、前記改質器、またはエンジン(33)の少なくともいずれか1つであることを特徴とする請求項4に記載の蓄熱システム。 The working fluid is an alcohol-based or ammonia-based fuel,
The operating means is at least one of a vaporizer (13B) and a reformer (31),
The heat storage system according to claim 4, wherein the temperature control object is at least one of the vaporizer, the reformer, and the engine (33).
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