JP2006318882A5 - - Google Patents

Description

燃料電池搭載型エンジンその２

燃料電池用水素に関する、省エネに関する技術分野

電気化学、化学工学、アンモニア分解技術、燃料電池技術、

ＮＨ_３の分解を自動車の廃熱を利用することにより、水素を発生、それを燃料電池の燃料とすることにより、エンジンの燃費を向上させつつ、未反応ＮＨ_３を燃料電池からの水を利用し、Ｎｏｘ、Ｓｏｘ用の安水にする。

課題を解決する為の手段

燃料電池、特に水素を燃料とする場合、最大の問題は水素分子が常に化合物、例えば炭化水素、炭水化物等のようにして存在しており、一担、分離すればガス体になるために貯臓にも問題が発生する。最小の分子として、金属間からも抜け出す物質なので出来るだけ、使用する、この場合燃料電池への原料として供給する時に必要なだけ製造するのが最も合理的である。
本方法は使用する量に合せ、アンモニアから水素を分解、分離して使用するので余分なロスは発生しない。しかも分解の熱源としてはエンジン、特にデーゼルエンジンの排熱を利用することにより、総合効率を上げることが出来るのである。アンモニアの分解は触媒のあるなしにかゝわらず４００℃ぐらい迄昇温すれば分解する。
４００℃前後の熱源は既存のエンジンの排熱なら充分、供給可能である。この熱源を使用すると総合効率が２〜３倍になる。
尚、未反応部分のＮＨ_３や原料ＮＨ_３を排ガスに噴霧すればＮｏｘ、Ｓｏｘ対策にもなるが燃料電池からの水も排ガスｌｉｎｅに通せばｃａｒｂｏｎ類、特にススを少くすることが出来る。
尚、特許公開２００１−３００３１４には４００℃でも１００％分解する触媒について言及している。この場合、２００℃以下から分解し始めている。
燃料電池からの水は未反応ＮＨ_３の稀釈に使えることはいうまでもなく、アンモニア水として噴射する事も当然可能である。燃料電池から発生する水はＮＨ_３分解後の水素純度を上げる為に、水素を洗浄すると必然的に排気ガスの浄浄用アンモニア水となり、Ｎｏｘ、Ｓｏｘ対策用に丁度よいことになる、省エネと環境保全が同時に達成される。

発明の効果

この方法により、使用する石油類を半減以上させるが出来、総合効率が２〜３倍となる。以下に詳述するがＮＨ_３分解は簡単に出来る為、循環水素がいらない等運転操作が容易となるなどの利点がある。すでに述べたが未反応のアンモニアを排ガスの最高温度部分に噴射することにより、Ｎｏｘ、Ｓｏｘの還元反応を容易にし、窒化アンモニウム、硫化アンモニウムの発生をみる。排気ガス組成は温度、圧とともに変化するが、通常より多めの水蒸気、水の存在下ではほゞ無公害の排ガスとなる一方、

ものとなる。

さて、エンジンをディーゼルとし、この排熱を使って、ＮＨ_３ガスを分解するとモル比で１．５倍の水素を発生させる事ができる。

この水素を燃料電池に通すと効率６０％では１．５×０．６＝０．９モルの水素を燃焼させたｅｎｅｒｇｙを電気としてとり出せる。一方、この分解熱を発生させるにはエンジンで軽油を燃焼させるが燃料電池で発生される回転力分だけ軽油の消費を削減出来ることになる。
エンジンで１０，０００Ｋｃａｌ／ｋｇの軽油が１５％の効率で回転力に使用されたとすると１，５００Ｋｃａｌ／ｋｇの評価となる。そのエンジンの排熱の５５％が利用され、３０％がｈｅａｔ ｌｏｓｓとして系外に排出したとすると、５，５００Ｋｃａｌ／ｋｇが利用出来る事になる。１００％分解に利用されたとすると約１００モルのＮＨ_３が分解されることになる。（∵４６．１ＫＪ／ｍｏｌ×１／４．２≒１１Ｋｃａｌ／ｍｏｌ）
１００モルは１７×１００＝１７００ｇであるがｔｕｒｂｏ ｃｈｅｒｇｅｒにも排熱は利用されるので６掛として約１ｋｇのＮＨ_３が分解できることになる。
水素の発生は１００％ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｃａｓｅでは、
ＮＨ_３ １７ｇから水素３ｇの発生となるので
ＮＨ_３ １ｋｇからは水素３／１７ｋｇの発生となる。
燃料電池による発電量６０％ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｃａｓｅでＬＨＶベースでは３／１７×０．６×２４２×１／２×１０^３×１／４．２〔∵２４２ＫＪ／ｍｏｌ、水素のＬＨＶ、１Ｋｃａｌ≒４．２ＫＪ〕≒３，０５０Ｋｃａｌとなる。即ち１０，０００Ｋｃａｌ／ｋｇの発熱量の軽油から１，５００Ｋｃａｌ（エンジン）＋３，０５０Ｋｃａｌ（燃料電池）≒４，５５０Ｋｃａｌのエネルギーが取り出された事になり、４，５５０／１，５００≒３倍のエネルギーがとり出すことが出来たことになる。本方法によれば通常のエンジンの効率を２，３倍にあげることが出来るのである。即ち、燃料電池の効率が４０％ならば上式は３／１７×０．４×２４２×１／２×１０^３×１／４．２≒３，０５０×４／６≒２，０３０Ｋｃａｌとなり、（２，０３０＋１，５００）／１，５００＝３，５３０／１，５００≒２倍となるからである。

発明を実施する為の最良の形態

ここでいう燃料電池搭載型エンジンとはＵ．Ｓ．Ｐａｔｅｎｔ（Ｕ．Ｓ．６，７０３，１４９．Ｂ２）に掲載されているもので通常のエンジン（レシプロ、デーゼル）の排熱からのエネルギーを吸熱反応に利用して脱硫ナフサから水素と粗成ガソリンを発生させ、水素は燃料電池に粗成ガソリンはレシプロエンジンの燃料として利用し、全体の効率を上げるものである。

本出願は更にデーゼルの排熱を利用してアンモニアを分解するもので触媒によって低温で分解させて、水素は燃料電池に供給する事によって効率を高めることが出来る一方、未分解アンモニアは該燃料電池から派生する水と共に煙道に噴射すればＮｏｘ、Ｓｏｘ対策にもなる。勿論場合により、原料アンモニアの噴射もありえるのである。（船舶系重油ケース等）広く、使用されているＥＧＲ熱交を使うのも一方策である。

更なる特長

燃料電池搭載型エンジンは図−２に示すように通常のエンジンのもつターボチャージャーからのＡｉｒも利用出来るのも大きな特長となる。
この空気は空気洗浄フィルターを経由して昇圧後冷却されてエンジンに供給されるがこのＡｉｒの一部を更に精密フィルターに通せば燃料電池のカソード側の効率を上げることが出来る。それは発生する水分を急速に除去し、反応を促進させる為とカソード表面を微生物の働きを押える事によって燃料電池の寿命を延ばす事等による。

産業上の利用の可能性

極めて高い２０５０年に向けての石油製品の半減化はこの種の技術の実現なくしては達成されえません。アンモニアそのものは高圧、高温で製造する為にアンモニア自体が高蓄エネルギー物質となっており、その内部エネルギーを利用する事になる。アンモニアの安全性については十分対応出来るところまで達成されている。液封鎖に対する対応、リークに対する対応、高圧機器に対する対応等、技術的課題は、明治時代から使用されているアンモニアは、ＬＰＧ並みの対応で十分可能である。勿論、水素よりはすべての面で安全側である。

鳥瞰図 車（Ｃ）中の配置を示すが左からエンジン（Ｅ）排熱回収機構（Ｈ）反応器（Ｒ）があってタンク（Ｔ_１）は軽油、タンク（Ｔ_２）はＮＨ_３ボンベを示す。反応器（Ｒ）から出た水素ガス（Ｌ）は燃料電池（Ｆ）を通り、電気としてバッテリー（Ｂ）で蓄電される。▲Ｍ▼はモーターを示し、回転エネルギーの回収、補充を行っている。ハイブリッド（電気、エンジン）車である。〔符号の説明〕

Ｃ 車
Ｅ Ｅｎｇｉｎｅ
Ｈ 排熱回収機構
Ｒ 反応器
Ｔ_１ タンク（軽油）
Ｔ_２ ボンベ（ＮＨ_３）
Ｌ 水素ガス
Ｆ 燃料電池
Ｂ バッテリー
Ｍ モーター
Ｇ タイヤ

具体例 図２は具体例を示す。エンジンＥから出た排気ガスＥＧは二重管ＦＬを経由して、ターボチャージーＤ側とＮＨ_３ガス分解用熱交Ｅ_３側に分れ熱利用が促進される。ターボチャージーＤは空気Ａを昇圧し、空気インタークーラーＥ_４を経由して昇圧装置ＣＯを経由してエンジンＥに軽油Ｋと共に供給される。軽油タンクＴ_１からの軽油Ｋは昇圧された空気中で爆発燃焼し、回転力発揮する。一方ターボチャージャーＤによって熱を利用された排気ガスは更にアンモニアガスヒーターＥ_２にてアンモニアガスを昇温し、１／３バイパス系からの排気ガスと共にアンモニアクラックキングヒーターＥ_３を昇温し、アンモニアクラッキング反応塔Ｒ_１内の反応を促進する。液体アンモニアタンクＴ_２のアンモニアはＥ_１、Ｅ_２、Ｅ_３によって蒸発、昇温、分解の為の熱と反応熱の供給を受け、Ｒ_１内の触媒作用によってＨ_２とＮ_２に分解されるＲ_１を出た水素リッチガスＬは水洗塔Ｖに入り、未反応アンモニアが洗い落されアンモニア吸着塔Ｒ_２に送られる。残留ＮＨ_３は燃料電池Ｆの被害にならぬ程度以下まで落され、燃料電池Ｆに供給される。水洗塔Ｖは燃料電池から排出される水Ｗによって水素リッチ中のアンモニアを洗浄し、塔底のアンモニア水はスプレーノズルＳによって排煙ガス中にスプレーされ、Ｎｏｘ、Ｓｏｘを落とし、アンモニア化を促進する。一方、空気Ａの一部はＥ_１で冷却され、精密フィルターＦ_１に送られ、清浄されて、燃料電池Ｆのカソード側に送られる。Ｆの冷却と反応によって生ずる水の排出を助け、Ｆの効率を高める。本方式だと排気ガス中の水分が通常の２倍程になり、終端の触媒層は不用になる。

符号の説明

Ａ ＡｉＲ、空気
Ｄ ターボチャージャー
Ｅ_１ アンモニア蒸発器
Ｅ_２ アンモニアガスヒーター
Ｅ_３ アンモニアクラッキングヒーター
Ｅ_４ 空気インタークーラー
Ｒ_１ アンモニアクラッキングリアクター
Ｒ_２ アンモニア吸着塔
Ｆ_１ 精密フィルター
Ｓ スプレーノズル
Ｗ 水
ＣＯ 圧縮装置
ＥＧ 排気ガス
ＦＬ 二重管
Ｋ 軽油