JP2019135378A

JP2019135378A - 内燃機関

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Publication number: JP2019135378A
Application number: JP2016084188A
Authority: JP
Inventors: 金枝　雅人; Masahito Kanae; 雅人金枝; 助川　義寛; Yoshihiro Sukegawa; 義寛助川; 重雄幡宮; Shigeo Hatamiya; 晃平吉川; Kohei Yoshikawa
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2016-04-20
Filing date: 2016-04-20
Publication date: 2019-08-15
Also published as: WO2017183388A1

Abstract

【課題】ガス中のCO2を回収し、回収CO2から燃料への転換効率を向上可能な内燃機関を提供することを目的とする。【解決手段】本発明に係る内燃機関は、CO2を含むガスの流路に配置した、前記ガス中のCO2を捕捉するCO2捕捉材と、H2供給源と、前記CO2捕捉材から脱離したCO2と、H2供給源から得られたH2とを反応させて、炭素と水素を分子構造に含む燃料を合成する燃料合成触媒と、を有し、前記燃料合成触媒の前段に、CO2捕捉材から脱離したガス中の水分を除去する水分除去装置を設置する。【選択図】図２

Description

本発明は、乗用車やディーゼルエンジンに代表される内燃機関から排出されるCO₂を低減する内燃機関のCO₂回収装置及び回収CO₂からの燃料合成方法に関する。

近年、地球温暖化を抑制する観点から、内燃機関から排出されるCO₂量及び大気中のCO₂量を低減させることが求められている。

内燃機関から排出されるCO₂を減らす方法としては、内燃機関の燃費を向上させることで生成するCO₂を減らす試みがなされている。更には、発生したCO₂を分離回収して得られたCO₂を用いて燃料を合成する技術や、燃料合成時にガス中の水分を冷却除去することで燃料合成の効率を高める技術が開示されている(特許文献１、２)。

特開平10-185170号公報特開2000-254508号公報

特許文献1には、CO₂と水素を触媒反応器へ導入することでメタンを合成し、その一部を燃焼塔へ再供給することが記載されている。しかし、メタン化反応を効果的に促進させる方法は明示されていない。

特許文献2には、炭化水素改質ガス用アモルファス合金触媒を充填して形成した複数段の反応管と該複数段の反応管間を直列に接続する経路を設け、反応管内で生成された水分を冷却除去する技術が記載されている。しかし反応ガス中にCO₂の明示が無く、CO₂の発生を抑制する方法が明示されていない。

本発明の目的は、内燃機関から排出されるCO₂を低減でき、更にはCO₂を用いた燃料の合成効率を高めることができる、内燃機関のCO₂回収装置及び回収CO₂からの燃料合成方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係る内燃機関は、CO₂を含むガスの流路に配置した、前記ガス中のCO₂を捕捉するCO₂捕捉材と、H₂供給源と、前記CO₂捕捉材から脱離したCO₂と、H₂供給源から得られたH₂とを反応させて、炭素と水素を分子構造に含む燃料を合成する燃料合成触媒と、を有し、前記燃料合成触媒の前段に、CO₂捕捉材から脱離したガス中の水分を除去する水分除去装置を設置する。

本発明によれば、内燃機関から排出されるCO₂を低減できる。更には回収CO₂を原料とした燃料合成を効果的に進めることができ、合成燃料を内燃機関の燃料として用いることも可能であるため、燃料消費量を高度に抑制することができる。従って、燃料消費に伴うCO₂排出量も削減することが可能である。

CO₂捕捉材の後段に、凝縮器と再加熱器を設置して、CO₂捕捉材から脱離したCO₂ガスを水分除去後にメタン化触媒へ導入することを示した図 CO₂捕捉材の後段に、ゼオライトを設置した図 CO₂捕捉材の後段に、無機分離膜を設置した図内燃機関の排ガスに含まれるCO₂ガスを回収した後、CO₂ガスに含まれる水分を除去後にメタン化し、燃料として使用することを示した図燃料の改質により得られたガスをエンジンへ導入することを示した図

以下、本発明を詳細に説明する。一般に、乗用車やディーゼルエンジンに代表される内燃機関から排出される排ガスには数%〜数10%のCO₂が含有されており、これら内燃機関から排出されるCO₂量を減らすことは地球温暖化の防止につながると考えられる。一方、大気中にもCO₂は400ppm程度含まれており、大気中のCO₂を減らすことも地球温暖化の防止につながる。

本発明者らは、鋭意検討した結果、CO₂を含むガスの流路に、該ガス中のCO₂を捕捉するCO₂捕捉材を配置し、かつ該CO₂捕捉材から脱離したCO₂と、H₂供給源から得られたH₂とを反応させて、炭素と水素を分子構造に含む燃料を合成する燃料合成触媒が設けられた内燃機関において、前記燃料合成触媒の前段に、CO₂捕捉材から脱離したガス中の水分を除去する装置を設置することで、内燃機関から排出されるCO₂及び大気中のCO₂を高効率に回収できることを明らかにした。

CO₂とH₂を反応させて燃料を合成する代表的な反応として、下記反応式で表されるメタン合成反応を取り上げる。

CO₂+4H₂→CH₄+2H₂O
本反応では、CO₂とH₂からなる反応ガス中に水分が含まれていると、上記反応式は化学平衡上、メタン合成反応が進行し難くなる。メタンの合成に際して水分も合成されてしまう為である。従って、CO₂とH₂からなる反応ガス中の水分を予め除去しておくと上記反応を促進させることができる。

CO₂とH₂から合成する燃料に関し、水素と炭素を分子構造に含む燃料であれば特に限定は無い。例えば、メタン、エタン、プロパン等のアルカン、エチレン、プロピレン等のアルケン、アセチレン等のアルキンが考えられる。更にはメタノール、エタノール等のアルコールやジメチルエーテル等の、水素と炭素以外に、酸素を分子構造に含む燃料も考えられる。燃料合成触媒の組成や、触媒に流入するガスの温度、圧力等により得られる燃料も異なってくる。これらの燃料合成時には水分も同時に合成される為、メタン合成反応と同様に、CO₂とH₂からなる反応ガス中の水分を予め除去しておくと、燃料合成反応が進む。想定される合成反応としては、例えば、エタノールを合成する反応であれば
2CO₂+6H₂→C₂H₅OH+3H₂O
等が考えられる。

得られた燃料は液化もしくは高圧ガス化することでコンパクト化できる。これら燃料を内燃機関の燃料として使用することも可能である。

CO₂捕捉材から脱離したガス中の水分を除去する方法として、ガスを冷却する方法がある。ガスを冷却することでガス中の水分を凝縮させ液化し分離できる。ガスの露点温度以下にまでガス温度を低下させることで、ガス中の水分を液化し除去することができる。更には目的とする水分除去量に応じてガスの冷却温度を設定することができる。

CO₂捕捉材から脱離したガス中の水分を除去する方法としては、無機材による手法も考えられる。CO₂捕捉材の後段に水分を除去できる無機材を設置する。無機材としては水分を除去でき、CO₂は殆ど捕捉しない材料が望ましい。例えば、3A、4A、5A、13X等のゼオライトやシリカゲル、活性アルミナ、活性炭等が考えられる。CO₂と水分が共存するガスを、ゼオライト、シリカゲル、活性アルミナ、活性炭に接触させた場合、一般的には、ガス中の水分が優先的にこれら無機材に捕捉され、CO₂ガスは殆ど捕捉されない。従って、これら無機材の後段に設置した燃料合成触媒へ水分が除去されたCO₂ガスを効果的に導入することができる。

CO₂捕捉材としてアミン液のような液体やもしくはCO₂を捕捉できる固体酸化物等が想定される。これらCO₂捕捉材に捕捉されたCO₂を捕捉材から脱離させる為には、一般的には50℃から300℃の熱を捕捉材へ加える必要があり、従って得られるCO₂含有ガスも50℃から300℃になる。一方で燃料合成触媒による燃料合成時には、CO₂とH₂を含有するガス温度を200℃以上にする必要があると想定される。従って、CO₂捕捉材から脱離したガス中の水分を冷却によって除去した場合、この脱離ガスを燃料合成触媒へ導入する際には再度ガス温度を高めるための再加熱器が必要となる。従って装置が大型化し、ガス冷却及び再加熱の為のエネルギーがかかる。従ってCO₂捕捉材の後段に設置する無機材としては、CO₂捕捉材から脱離したガスの温度をなるべく低下させずに水分を除去できるものが望ましい。好ましい無機材を選択することで、再加熱器が不要となる可能性がある。無機材としてゼオライト、シリカゲル、活性アルミナ、活性炭を用いることができるが、ゼオライトや活性アルミナが本観点から好ましい。

水分捕捉のための無機材は二つ以上設置することで、水分捕捉工程と水分脱離工程を繰り返すことが可能となる。ガス流路に無機材を設置した場合、無機材による水分捕捉反応が継続すると無機材の水分捕捉能力を超えてしまう。そのような場合には、排ガス流路を切換えることで、別の無機材へガスを導入することで、継続してガス中の水分を捕捉する事ができる。一方で、水分を十分捕捉した無機材へは、乾燥空気等の乾燥したガスを流入させ、かつ無機材の温度を高めることで無機材から水分を脱離させることができ、無機材の再利用が可能となる。

無機材の温度を高める際に、エンジンから排出された排熱を利用することで、エネルギー的に効率良く水分を脱離させることができる。例えば、エンジン排ガスの一部を取り出し、取出したガスの熱を、熱媒体を介して無機材に与えることで、無機材の温度を高めることができる。

CO₂捕捉材から脱離したガス中の水分を除去する方法としては、無機膜を使用する手法も考えられる。水分子の方がCO₂分子よりも分子径が小さく、従って分子径の違いによる水分とCO₂の分離は可能であると考えられる。更にアモルファスシリカ等の無機膜を用いれば、例えば500℃程度の高温でも使用することができるため、CO₂捕捉材から脱離したガスをそのまま膜へ導入することができる。従って、膜分離の後工程での燃料合成時に再加熱器等の設置が不要になる可能性があると考えられる。

分離膜による水分分離について述べる。分離膜の片側((a)水分含有CO₂ガス流通側)へ、CO₂捕捉材から排出された水分含有CO₂を流通させる。一方でCO₂分離膜のもう一方の側((b)キャリアガス流通側)には、例えば乾燥空気をキャリアガスとして流通させる。そうすることで分離膜の両側に水分の分圧差が生じ、水分及びCO₂を含むガスから水分が分離膜を通過し、キャリアガスと混ざる。従って、CO₂ガス中の水分を除去することができる。分離膜の両側に水分分圧差を生じさせる為には、(b)キャリアガス流通側の水分分圧を低下させればよい。そのための手法としては、(b)キャリアガス流通側を真空引きする、乾燥したN₂やO₂等のガスを流通させる等も考えられる。

CO₂分離膜の種類は特に拘らない。例えばゼオライトやメソポーラスシリカ等を用いた無機膜も使用可能である。使用する水分分離膜によって水分分離性能が異なる為、水分含有CO₂ガス及びキャリアガスの流通量や圧力を変化させることで水分分離量を最適化できる。

用いるCO₂捕捉材は特に拘らない。例えば、活性炭、ゼオライト、更にはセリアやマグネシア等の固体酸化物等が考えられる。またはアミン液等の液体も使用可能である。また、酸化物にアミン基を付与した材料もCO₂捕捉材として使用できる。但し、活性炭やゼオライトをCO₂捕捉材として用いる場合には、ガス中の水分を予め除去しておく必要がある。使用する材料や使用原料及び元素の組合せもしくは元素使用量によってCO₂捕捉材によるCO₂捕捉量、捕捉温度、さらにはCO₂脱離温度を最適化できる。

CO₂捕捉材に流入するCO₂濃度は、CO₂捕捉材に流入するガス種によって異なる。ガス種が、内燃機関の排ガスの場合には10%以上になる事もある。ガス種が大気の場合には、400ppm程度と予想される。CO₂捕捉材へ流入する、CO₂量、CO₂濃度によって、CO₂捕捉材を選定する必要がある。

CO₂捕捉材は二つ以上設置することで、CO₂捕捉工程とCO₂脱離工程を繰り返すことが可能となる。排ガス流路もしくは大気流路にCO₂捕捉材を設置した場合、CO₂捕捉材によるCO₂捕捉反応が継続すると捕捉材のCO₂捕捉能力を超えてしまう。そのような場合には、排ガス流路を切換えて別のCO₂捕捉材へ排ガスもしくは大気を導入することで、継続して排ガス中もしくは大気中のCO₂を捕捉する事ができる。一方で、CO₂を十分捕捉したCO₂捕捉材については、CO₂捕捉材へのガス流入を止め、CO₂捕捉材の温度を高めることで捕捉材からCO₂を脱離させ、CO₂を回収することができる。

CO₂捕捉材の温度を高める際に、エンジンから排出された熱を利用することで、エネルギー的に効率良くCO₂を脱離させることができる。例えば、エンジン排ガスの一部を取り出し、取出したガスの熱を、熱媒体を介してCO₂吸着材に与えることで、CO₂吸着材の温度を高めることができる。

CO₂捕捉材へ大気を流入させることで、大気中のCO₂を分離することもできる。

本発明が対象とする内燃機関は、CO₂を発生するものであれば特に限定は無い。例えば、ガソリン車、ディーゼル車、天然ガス車等の内燃機関、更には建設機械や農業用機械及び船舶に使用される内燃機関等が考えられる。また、定置用エンジンも対象となりえる。メタンを主成分とする天然ガスを燃料として用いる内燃機関は、CO₂排出量削減の観点から好ましい。更に例えば、ディーゼルエンジン及びディーゼル発電機を積んだ船舶も対象となる。この場合、ディーゼル発電機から発生した電気を、水の電気分解へ使用することも考えられる。もしくは排熱を変換して得られた電気も併用することで、船舶内の照明や空調に用いる電気として使用することも考えられる。

燃料合成触媒としては、CO₂と水素を反応させて水素と炭素を分子構造に含む燃料合成反応を促進できる触媒であれば特に拘らない。燃料合成触媒の一例として、メタン化触媒を適用する場合、メタン化触媒を、無機化合物の多孔質担体と、当該多孔質担体上に触媒活性成分として担持されたRh, Pt, Pd, Ir, Ni, Mn, Cuから選ばれた少なくとも1種とを有し、前記多孔質担体が、Al, Ce, La, Ti, Zrから選ばれた少なくとも1種を含む触媒とすることでメタン化性能が高まる。メタン化触媒の多孔質担体として比表面積が高い酸化物を用いることでRh, Pt, Pd, Ir, Ni, Mn, Cuが高分散化し、メタン化性能が高まる。特に多孔質担体としてAlを含む酸化物を使用すると安定して高いメタン化性能が得られる。本発明において用いる多孔質担体の比表面積は、30〜800m²/gの範囲が好ましく、特に50〜400m²/gの範囲が好ましい。

触媒活性成分としてRh, Pt, Pd, Ir, Ni, Mn, Cuから選ばれた二種以上を含有させても良い。触媒活性成分のRh, Pt, Pd, Ir, Ni, Mn, Cuの合計担持量は、好ましくは、多孔質担体2mol部に対して元素換算で0.0003mol部〜1.0mol部である。Rh, Pt, Pd, Ir, Ni, Mn, Cuの合計担持量が0.0003mol部未満であると、担持効果は不十分となり、一方、1.0mol部を越えると、活性成分自体の比表面積が低下し、さらに触媒コストが高くなる。

ここで「mol部」とは、各成分のmol数換算での含有比率を意味する。例えば、A成分2mol部に対してB成分の担持量が1mol部とは、A成分の絶対量の多少に関わらず、mol数換算でA成分が2に対し、B成分が1の割合で担持されていることを意味する。

燃料合成反応によって得られた燃料は、内燃機関の燃料源としてエンジンへ導入することで内燃機関の燃料使用量を減らせることができる。また、内燃機関に水電解装置を設置し、水の電気分解により水素を発生させる場合には、水の供給源として、燃料合成時に生じた水を使用することも可能である。

H₂を発生させる方法にも特に拘らない。例えば、水素用のタンクを内燃機関に設置して、タンクからH₂をメタン化触媒へ供給する事が考えられる。この場合、水素をガスのまま圧縮する、もしくは液化することでタンクにH₂を積むことができる。または、有機ハイドライドや水素吸蔵合金等のH₂キャリアを用いることも可能である。有機ハイドライドや水素吸蔵合金を用いる場合、貯蔵タンクが必要であるが、H₂そのものを運搬するよりも低エネルギーでH₂を運搬できると考えられる。これらH₂キャリアからH₂を取り出す際には熱が必要であるが、エンジンからの排熱を用いれば、効率良くH₂キャリアの温度を高めることができる。H₂キャリアとしてアンモニアを用いることも可能であるが、NH₃からH₂を取出す際に、N₂も同時に発生してしまう為、燃料合成時に使用する前にN₂を除去する工程が必要となる。

もしくは、内燃機関に水電解装置を設置し、水の電気分解により水素を発生させることも有効である。この場合、水を電気分解する方式には特に拘らない。以下の反応によりH₂を得る方法であれば良い。

2H₂O→2H₂+O₂
水を電気分解する方式として、例えば、アルカリ水電解型、固体高分子型等が考えられる。水を電気分解する為には、電気が必要となる。その場合、例えば内燃機関からのエンジン排ガスの熱を回収して電気に変換し、得られた電気を水電解に使用することが考えられる。

内燃機関から排出される排ガスの熱を利用して燃料を改質し、得られたガスを内燃機関の燃料として使用することも有効である。

例えばメタンを水蒸気で改質する反応として以下が考えられる
CH₄+H₂O→CO+3H₂
本反応は吸熱反応であり、この場合メタン1mol当り、エンタルピーが206kJ/mol増加する。その為、CH₄を燃焼させるよりも、上記反応で得られるCOとH₂を燃焼させる方が燃焼熱は高い。即ち、内燃機関の燃料としてCH₄を用いる場合よりも得られるCO,H₂を燃料として用いる場合の方が内燃機関の燃費は向上する。従って、燃料を一旦改質する本手法は内燃機関の燃費向上策として有効であると考えられる。

上記のメタン改質を進行させる為には、用いる触媒組成やガス条件にもよるが、触媒温度を700℃以上にする必要があると考えられる。そこでより低温の排熱を用いて燃料を改質する反応を進行させる手段として、例えばアルコールを用いることも考えられる。例えばエタノールは常温で液体であるので、タンクに入れて車に積むこともできる。

一例としてエタノールの水蒸気改質反応は以下の反応式で記載される。

C₂H₅OH+H₂O→2CO+4H₂
本反応も吸熱反応であり、この場合エタノール1mol当り、エンタルピーが256kJ/mol増加する。従ってC₂H₅OHを燃焼させるよりも、得られるCO,H₂を燃焼させた方が燃焼熱は高い。即ち、内燃機関の燃料としてC₂H₅OHを用いる場合よりも得られるCO,H₂を燃料として用いる場合の方が内燃機関の燃費は向上する。更に、本反応は用いる触媒組成によっては300℃程度で反応が進む。従って本反応を用いることで300℃程度の排熱を利用して、内燃機関の燃費を向上させることができる。

改質触媒は、燃料を改質できる触媒であれば特にこだわらない。例えば、改質触媒を、無機化合物の多孔質担体と、当該多孔質担体上に触媒活性成分として担持されたPt,Pd,Rh,Ni,Coから選ばれた少なくとも1種とを有し、前記多孔質担体が、Al,Ce,La,Ti,Zr,Znから選ばれた少なくとも1種を含む触媒とすることで改質性能が高まる。

メタン化触媒に使用する多孔質担体、または活性成分は、基材上に担持させてもよい。基材としては従来から使用されてきたコージェライト、Si-Al-Oからなるセラミックス或いはステンレススチールなどの耐熱性金属基板などが適している。基材を用いる場合には、CO₂捕捉性能及びメタン化性能を向上させる上で、材料の担持量は、基材1Ｌに対して10g以上300g以下であることが好ましい。10g以下であるとCO₂捕捉性能及びメタン化性能が低下する。一方300g以上であると、基材がハニカム形状の場合にガス流路への目詰まりが発生し易くなる等の不具合が生じるようになる。

メタン化触媒の調製方法としては、例えば、含浸法、混練法、共沈法、ゾルゲル法、イオン交換法、蒸着法等の物理的調製方法や化学反応を利用した調製方法等などを用いることができる。

メタン化触媒の出発原料としては、硝酸化合物、塩化物、酢酸化合物、錯体化合物、水酸化物、炭酸化合物、有機化合物などの種々の化合物、金属、金属酸化物を用いることができる。例えば触媒活性成分として２種以上の元素を組み合わせる場合には、活性成分が同一の溶液中に存在するような含浸液を用いて共含浸法にて調製することで触媒成分を均一に担持することができる。

メタン化触媒の形状は、用途に応じて適宜調整できる。例えば、コージェライト、Si-Al-O、SiC、ステンレス等の各種基体材料からなるハニカム構造体に、本発明の浄化触媒をコーティングして得られるハニカム形状をはじめ、ペレット状、板状、粒状、粉末状などが挙げられる。ハニカム形状の場合、その基材はコ−ジェライトまたはSi-Al-Oからなる構造体もしくはメタルからなる構造体を用いることができる。

以下、本発明の実施例及び実施の形態について説明する。

＜凝縮器による水分除去＞
図1に、CO₂捕捉材25の後段に、水分凝縮器33と再加熱器34を設置した実施例1を示した。CO₂捕捉材25としてアミン液等のCO₂を吸収可能な液体を用いる。内燃機関から排出されるCO₂を含むガスを、室温にてCO₂捕捉材25へ導入し、排ガス中のCO₂を分離除去する。その後、CO₂捕捉材25を150℃程度に昇温させることでCO₂捕捉材25からCO₂ガスを脱離させ、CO₂捕捉材25を再生する。この際、CO₂捕捉材25から脱離したCO₂ガスは、水分を含む。この水分含有CO₂ガスを水分凝縮器33へ導入し、ガス温度を20℃程度へ低下させることでガス中の水分を凝縮させ、水分を除去する。得られたCO₂ガスへ水素を混ぜ、再加熱器34で200℃程度に昇温させた後に、メタン化触媒29へ導入する。なお、上述の水素は水素供給源35により供給する。

本構成とすることで、メタン化触媒へ流入する水分量を高度に抑制することができ、CO₂とH₂からメタンを合成する効率を高めることができる。

＜ゼオライト使用＞
図2に、CO₂捕捉材25の後段に、ゼオライト36を設置した実施例2を示した。ここでは、ゼオライトとしてゼオライト5Aを用いた。CO₂捕捉材25としてセリウム酸化物を用いる。内燃機関から排出されるCO₂を含むガスを、室温にてCO₂捕捉材25へ導入し、排ガス中のCO₂を分離除去する。その後、CO₂捕捉材25を200℃程度に昇温させることでCO₂捕捉材25からCO₂ガスを脱離させ、CO₂捕捉材25を再生する。この際、CO₂捕捉材25から脱離したCO₂ガスは、水分を含む。この水分含有CO₂ガスをゼオライト36へ導入する。水分含有CO₂ガスの温度が200℃程度であれば、ゼオライト36を用いて、CO₂ガス中の水分を除去することができる。一方でCO₂ガスと水分が共存した場合、ゼオライト表面では水分の吸着が優先される為、CO₂は殆ど吸着除去されない。ゼオライトは水分を吸着するので、吸着材ともいう。従って、ゼオライトを用いることで、一旦ガス温度を低下させなくてもガス中の水分を除去することが可能である。得られたCO₂ガスへ水素を混ぜ、再加熱器34で200℃程度に昇温させた後に、メタン化触媒29へ導入する。なお、上述の水素は水素供給源35により供給する。

本方法を用いることで、メタン化触媒29へ流入する水分量を高度に抑制しメタン化反応を促進させるのみならず、CO₂ガスに含まれる水分を除去する為の水分凝縮器が不要となる。更にはメタン化触媒29の前段の再加熱器が不要もしくは縮小することができる。従って、水分凝縮に要するエネルギー及び再加熱器に要するエネルギーを節約することが可能となる。

水分を吸着したゼオライトに対しては、ガス流路を切り替えて、乾燥空気を導入させながらゼオライトの温度を350℃程度へ高めることでゼオライトに吸着した水分を除去することが可能となりゼオライトを再生することができる。

＜分離膜使用＞
図３に、CO₂捕捉材25の後段に、アモルファスシリカからなる無機材の分離膜37を設置した実施例を示した。分離膜37の一方の側にCO₂捕捉材25から生じた水分含有CO₂ガスを導入する。分離膜37の他方の側を真空ポンプ38で真空にすることで、膜の両側で水分の分圧差を生じさせることができ、CO₂ガス中の水分を分離除去することができる。得られたCO₂ガスへ水素を混ぜ、再加熱器34で200℃程度に昇温させた後に、メタン化触媒29へ導入する。なお、上述の水素は水素供給源35により供給する。

アモルファスシリカの分離膜37を使用することで、200℃程度のガスが分離膜37へ流入した場合でも水分を効果的に分離除去することができる。従って、メタン化触媒29へ流入する水分量を高度に抑制することでメタン化反応を促進させるのみならず、メタン化反応時の水分凝縮器が不要となる。更にはメタン化触媒前段の再加熱器が不要もしくは縮小することができる。従って、水分凝縮に要するエネルギー及び再加熱器に要するエネルギーを節約することが可能となる。

＜内燃機関への適用＞
図４に、実施例2で示した構成を内燃機関へ適用した実施例4を示した。CO₂捕捉材25を二つ設置する。一方のCO₂捕捉材25へはエンジン排ガスを流通させ、CO₂捕捉材25のCO₂回収量が飽和に達したら排ガスラインを切り替えて、もう一方のCO₂捕捉材25へ排ガスを流通させる構成としている。

図４ではエンジン26から排出された排ガスを、一方のCO₂捕捉材25へ流入させることでCO₂捕捉材25によるCO₂捕捉を行った後、大気へと放出させる。他方のCO₂捕捉材25へは、ガスの流通を行わず、エンジンから取り出した排熱を、熱媒体を介してCO₂吸着材に与えることで、CO₂捕捉材25の温度を高め、CO₂捕捉材25にて捕捉されていたCO₂をCO₂捕捉材から脱離させる。排ガスラインを切り替えることで、CO₂捕捉材25による、上記CO₂捕捉工程とCO₂脱離工程を繰り返し、排ガス中のCO₂を捕捉させる構成となっている。

エンジン26から生じる排ガスには水分が含まれている。その為、CO₂捕捉工程にて排ガスをCO₂捕捉材25へ導入した場合、CO₂捕捉材25へは排ガス中のCO₂以外に水分も捕捉される。従って、CO₂脱離工程にてCO₂捕捉材から脱離するCO₂ガスは水分を含む。従って、CO₂脱離工程時に、CO₂捕捉材25の後段に設置したゼオライト36には水分含有CO₂ガスが流入する。ゼオライト36では水分が吸着除去される。

また、水分を捕捉したゼオライト36は、乾燥空気を流通させ、エンジンから取り出した排熱を熱媒体を介して350℃以上に昇温することで、水分を除去することができ、再利用することができる。

得られた水分含有CO₂ガスを、ゼオライト36へ導入することでCO₂ガス中の水分を除去し、得られたCO₂ガスをメタン化触媒29へと導入する。一方で、水タンク27から得た水を水電解装置28を用いて電気分解することで得られたH₂もメタン化触媒29へ導入する。メタン化触媒29上にてCO₂とH₂が反応し、CH₄と水を含むガスが得られる。予めゼオライト36にてCO₂ガスに含まれる水分を除去した為、メタン化触媒29によるメタン化反応が効果的に進む。

CH₄と水を含むガスを凝縮機30に導入することで水を分離し、CH₄のみを得る。分離した水は水タンク27へ戻して、水の電気分解用に再利用する。一方、得られたCH₄は圧縮機31で圧縮された後に、メタン貯留部32で貯留され、必要に応じてエンジン26へ導入され、エンジンの燃料として使用される。

本構成とすることで、エンジンから排出されるCO₂量を削減でき、更に燃料合成時に要するエネルギーの低減が可能となる。

＜燃料改質＞
図５にはCO₂捕捉材の前段に熱交換器39を設置し、更に燃料改質器40を設置した実施例を示した。図４に示す手法で得られたメタンの一部を、熱交換器39に導入し、メタンの温度を高める。その後、燃料改質器40にメタンとH₂Oを導入させることでCO,H₂を得る。H₂Oは水タンク27から導入する。凝縮器30で得られたH₂Oを使用する。メタンの改質によって得たCO.H₂はエンジン26の燃料として使用する。メタンの燃焼熱と比較して、メタンを一旦改質して得られたCO,H₂の燃焼熱の方が大きい。従って、本構成にすることで排ガスの熱を回収することができ、内燃機関の燃費を向上させることができる。

25…CO₂捕捉材、26…エンジン、27…水タンク、28…水電解装置、29…メタン化触媒、30…凝縮器、31…圧縮機、32…メタン貯留部、33…凝縮機、34…再加熱器、35…水素供給源、36…ゼオライト、37…分離膜、38…真空ポンプ、39…熱交換器、40…燃料改質器

Claims

CO₂を含むガスの流路に配置した、前記ガス中のCO₂を捕捉するCO₂捕捉材と、
H₂供給源と、
前記CO₂捕捉材から脱離したCO₂と、H₂供給源から得られたH₂とを反応させて、炭素と水素を分子構造に含む燃料を合成する燃料合成触媒と、を有し、
前記燃料合成触媒の前段に、CO₂捕捉材から脱離したガス中の水分を除去する水分除去装置を設置することを特徴とする内燃機関。
請求項１に記載の内燃機関において、
前記燃料はメタンであることを特徴とする内燃機関。
請求項１または２に記載の内燃機関において、
前記水分除去装置は、ガスを冷却することで前記ガス中の水分を除去する凝縮器であることを特徴とする内燃機関。
請求項１または２に記載の内燃機関において、
前記水分除去装置は、ガス中の水分を吸着することで前記ガス中の水分を除去する吸着材であることを特徴とする内燃機関。
請求項４に記載の内燃機関において、
前記吸着材は無機材であることを特徴とする内燃機関。
請求項４に記載の内燃機関において、
前記吸着材はゼオライトまたは活性アルミナであることを特徴とする内燃機関。
請求項１または２に記載の内燃機関において、
前記水分除去装置は、ガス中の水分を分離することで前記ガス中の水分を除去する分離膜であることを特徴とする内燃機関。
請求項７に記載の内燃機関において、
前記分離膜は無機材であることを特徴とする内燃機関。
請求項７に記載の内燃機関において、
前記分離膜はシリカであることを特徴とする内燃機関
請求項１に記載の内燃機関において、
前記内燃機関を駆動するエンジンを有し、
前記燃料合成触媒により合成した燃料を前記エンジンへ導入することを特徴とする内燃機関。
請求項１に記載の内燃機関において、
前記内燃機関を駆動するエンジンと、
前記燃料合成触媒により合成した燃料を改質する燃料改質器と、を有し、
前記燃料改質手段により改質した燃料を前記エンジンへ導入することを特徴とする内燃機関。
請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の内燃機関において、
CO₂を含むガスが、大気であることを特徴とする内燃機関。
請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の内燃機関において、
前記燃料合成触媒は、無機化合物の担体と、前記担体に担持された触媒活性成分を有し、
前記無機化合物はAl, Ce, Si, Ti, Zrのうちの少なくとも１種を含み、
前記触媒活性成分はRh, Pt, Pd, Ir, Ni, Mn, Cuのうちの少なくとも１種を含むことを特徴とする内燃機関。