JP4072337B2 - 改質炭化水素及び水素の製造方法と製造装置、燃料電池搭載型エンジン、及びエネルギーステーション - Google Patents
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- Cooling, Air Intake And Gas Exhaust, And Fuel Tank Arrangements In Propulsion Units (AREA)
- Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は炭化水素を効果的に分解するための方法及び装置に関し、さらに詳しくは、飽和炭化水素等の炭化水素原料から高オクタン価の改質炭化水素及び水素を効率よく製造する方法と装置、及びこれらを利用し、さらにエネルギー効率を向上させた燃料電池搭載型エンジン、さらにはエネルギーステーションに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、世界的な環境規制の高まりに対応し、炭化水素燃料を用いたエンジンに対し、より低燃費で、ＣＯ2ガス排出の少ないものが強く求められている。ＣＯ2ガス排出の低減は、炭化水素燃焼におけるエネルギー効率の向上と同意義を有する。燃料電池は、最近上記のような目的のために適用されている。
【０００３】
燃料電池の最も効率的な燃料は、水素である。なぜなら、水素は、室温より高い温度において、燃料電池の適切な表面上で容易に反応して電気を発生するからである。
水素は分子量の最も小さなガスであるから、燃料電池では、水素を如何に製造し、運搬し、貯蔵するかが問題となる。
【０００４】
近年になり、通常のレシプロエンジンに二次電池を組み合わせたハイブリッド型エンジンが実用化されるようになった。しかしながら、このハイブリッド型エンジンにおいても、そのエネルギー効率はせいぜい３０％である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明は、上記した従来の課題に鑑みなされたもので、その目的とするところは、効率的に水素を発生するとともにカーボン発生を押さえつつ良質な（高オクタン価等の）改質炭化水素を製造することができる方法と装置、及びこれらを利用しよりエネルギー効率を向上させた燃料電池搭載型エンジン、さらにエネルギーステーションを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、炭化水素原料を水素存在下に接触熱分解して脱水素化し、前記炭化水素原料より不飽和度を増加させた改質炭化水素及び水素を生成し、次いで、得られた改質炭化水素と水素及び未反応炭化水素を減圧・昇圧装置に導入し、減圧後昇圧することにより、未反応炭化水素のさらなる分解を促進するとともに、後工程における液−ガス分離を促進することを特徴とする改質炭化水素及び水素の製造方法、が提供される。
【０００７】
また、本発明によれば、炭化水素原料を水素存在下に接触熱分解して脱水素化し、前記炭化水素原料より不飽和度を増加させた改質炭化水素及び水素を生成する反応器と、該反応器で得られた改質炭化水素と水素及び未反応炭化水素を減圧後昇圧する減圧・昇圧装置と、該減圧・昇圧装置で得られた改質炭化水素と水素及び未反応炭化水素に対して、液−ガス分離操作を行って、水素からなるガス成分と、改質炭化水素及び未反応炭化水素からなる液成分とに分離するセパレーターとを備えたことを特徴とする改質炭化水素及び水素の製造装置、が提供される。
【０００８】
さらに、本発明によれば、炭化水素原料を水素存在下に接触熱分解して脱水素化し、前記炭化水素原料より不飽和度を増加させた改質炭化水素及び水素を生成する反応器と、該反応器で得られた改質炭化水素と水素及び未反応炭化水素を減圧後昇圧する減圧・昇圧装置と、該減圧・昇圧装置で得られた改質炭化水素と水素及び未反応炭化水素に対して、液−ガス分離操作を行って、水素からなるガス成分と、改質炭化水素及び未反応炭化水素からなる液成分とに分離するセパレーターと、該セパレーターからの水素からなるガス成分を燃料とする燃料電池と、該セパレーターからの改質炭化水素を燃料とするエンジンとを備えたことを特徴とする燃料電池搭載型エンジン、が提供される。
【０００９】
さらにまた、本発明によれば、炭化水素原料を水素存在下に接触熱分解して脱水素化し、前記炭化水素原料より不飽和度を増加させた改質炭化水素及び水素を生成する反応器と、該反応器で得られた改質炭化水素と水素及び未反応炭化水素を減圧後昇圧する減圧・昇圧装置と、該減圧・昇圧装置で得られた改質炭化水素と水素及び未反応炭化水素に対して、液−ガス分離操作を行って、水素からなるガス成分と、改質炭化水素及び未反応炭化水素からなる液成分とに分離するセパレーターと、該減圧・昇圧装置を作動させるための動力装置とを備え、改質炭化水素及び水素を燃料として取り出すとともに、該動力装置により該減圧・昇圧装置を作動させて、該動力装置の作動により発生する電気エネルギー及び熱エネルギーを取り出すことを特徴とするエネルギーステーション、が提供される。
【００１０】
本発明においては、減圧・昇圧装置として、レシプロ型の減圧・昇圧装置を用いることが好ましい。
また、本発明のエネルギーステーションでは、セパレーターからの水素からなるガス成分を燃料とする燃料電池をさらに備え、この燃料電池で発電された電気エネルギーを取り出すこともできる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施形態に基づいてさらに詳しく説明するが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。
本発明の基本的概念は、炭化水素原料（燃料）を触媒などが充填された反応器を利用して、水素存在下に接触熱分解して脱水素化し、不飽和炭化水素などの不飽和度が増加した改質炭化水素及び水素を含む分解生成物を発生させるとともに、これらの分解生成物をレシプロ型エンジンなどの減圧・昇圧機能により、二重の効果、即ち、触媒活性化での水素下分解、及び瞬時水素下熱分解により、より効果的に良質な燃料及び水素をとり出すことにある。
【００１２】
例えば、軽質飽和炭化水素を脱硫し、昇圧、昇温後ゼオライト系の触媒の入った反応器で接触熱分解させれば脱水素反応により、水素がとり出せる。得られた水素を、そのまま燃料電池に通すことも可能であるが、熱分解で得られた水素を含む熱分解成分（未反応成分を含む）をレシプロエンジン型のシリンダー装置（減圧・昇圧装置）に通すと、減圧することで、分解されつつあった成分の更なる分解が促進されることになり、次いで昇圧することで、分解成分の温度がさらに上昇することにより、更なる分解が可能となるとともに、後工程でのガスの循環、液−ガス分離の効率が向上し、より良質な不飽和炭化水素燃料と水素が効果的に取り出せることになる。
【００１３】
なお、レシプロエンジン型のシリンダー装置内に放電機構を備えることが好ましい。放電機構のプラグにより電気火花放電されると、炭化水素がラジカル化し、脱水素反応がより促進されるからである。放電のタイミングは、減圧時、昇圧時のいずれでもよいが、昇圧時の方がより好ましい。
【００１４】
したがって、本発明によれば、ガソリン代替用やディーゼル用燃料を作り出すことが出来る。本発明においては、水素は燃料電池に通して電力を発生させてモーター、エアコンその他の電気制御機器に、他に得られた高オクタン価（不飽和）の炭化水素は燃料として上記に示したレシプロエンジン、ロータリーエンジン、ディーゼルエンジン、さらにタービン型ジェットエンジンなどに利用することができ、燃料電池搭載型エンジンとして好適に用いることができる。
【００１５】
また、本発明では、水素を循環利用することにより、種々の利点を享受することができる。水素はヒートキャリアとなるほか、炭化水素原料の接触熱分解の際におけるカーボン発生を防止でき、しかも熱分解反応を促進するという効能を有する。反応器に導入される水素量は、一般に、飽和炭化水素などの炭化水素原料に対して、（水素／炭化水素原料）が３〜２０（モル比）であり、５〜１０がより好ましい。
【００１６】
本発明の、いわゆる燃料変換型エンジンは、特に燃料電池と組み合せることにより、極めて効率的なエンジンとなるが、更なる展開としては、例えばプロパンやシクロベンゼンをうまく熱分解させれば水素とベンゼンになるが、水素のみを燃料電池に利用して、ベンゼンは石油化学プラント、石油精製プラントにリサイクルすることで、完全リサイクル水素利用エンジンにもつながっていくものである。水素のパイプラインやインフラ設備のいらないタイプのもので水素燃料電池型自動車になる。この場合、ガソリンスタンドで分解供給する水素吸蔵合金タイプか、車内で分解しベンゼンを返却するタイプの２種が考えられる。
【００１７】
また、本発明においては、高オクタン価など不飽和度の増加した改質炭化水素と水素の製造装置に、減圧・昇圧装置を作動させるための動力装置を併設したエネルギーステーションとし、高オクタン価の不飽和炭化水素（改質炭化水素）及び水素を燃料として取り出すとともに、上記の動力装置により減圧・昇圧装置を作動させ、その作動により発生する電気エネルギー及び熱エネルギーを取り出すようにすることができる。このようなエネルギーステーションは、好ましくは燃料電池をさらに備えて、現在主流となっているレシプロエンジンタイプの自動車のほか、電気自動車、ハイブリッド型自動車などへの燃料供給、電気エネルギー供給のステーション（スタンド）として有効に利用することができる。
【００１８】
本発明の原理を説明する。
炭化水素原料として飽和炭化水素であるヘプタン（Ｃ7Ｈ16）を用いた場合、これを触媒などが充填された反応器で水素雰囲気下に熱分解すると、下式に示すように、不飽和炭化水素であるトルエン（Ｃ7Ｈ8）と水素が生成する（石油学会誌第９巻、第１号「ｎ−ヘプタンの脱水素環化−水素化熱分解反応」（第２６−２７頁）（１９６６）。
Ｃ7Ｈ16 → Ｃ7Ｈ8＋４Ｈ2＋ΔＨ1 …（１）
上記反応式（１）の反応は吸熱反応で、所定量の熱量が必要である。
【００１９】
一方、ヘプタン（Ｃ7Ｈ16）の熱分解で発生した水素は燃料電池の燃料として使用でき、トルエン（Ｃ7Ｈ8）は通常のレシプロエンジン燃料として使用できる。これは、次式で示される。
４Ｈ2＋２Ｏ2 → ４Ｈ2Ｏ＋ΔＨ2 …（２）
Ｃ7Ｈ8＋９Ｏ2 → ７ＣＯ2＋４Ｈ2Ｏ＋ΔＨ3 …（３）
【００２０】
上記反応式（２）、（３）はそれぞれ発熱反応であり、それらの発熱量は上記した反応式（１）での吸熱量に比してきわめて大きく、熱回収を容易に行うことができる。
標準（２５℃）状態では、
であり、また、ヘプタン（Ｃ7Ｈ16）の発熱量は４８５３ｋＪ／ｍｏｌｅである。
【００２１】
通常のエンジンは、走行中の効率が１５％程度であり、Ｃ7Ｈ16の有効エネルギーは４８５３×０．１５＝７２８ｋＪ／ｍｏｌｅとなる。一方、トルエン（Ｃ7Ｈ8）は６３ｋＪ／ｍｏｌｅの吸熱が必要であるので、３９４８−６３＝３８８５ｋＪ／ｍｏｌｅ相当の燃料となる。トルエン（Ｃ7Ｈ8）を同様にエンジンに使用すると、熱効率が同じとして、３８８５×０．１５＝５８３ｋＪ／ｍｏｌｅとなる。また、水素を燃料電池用に使用すると、燃料電池の効率を６０％とすると、９６８×０．６＝５８１ｋＪ／ｍｏｌｅで、循環エネルギーなどに約７０ｋＪ／ｍｏｌｅ必要としても、５８１−７０＝５１１ｋＪ／ｍｏｌｅとなる。
したがって、本発明の方法、装置並びにエンジンでは、（５８３＋５１１）−７２８＝３６６ｋＪ／ｍｏｌｅのエネルギーが従来のエンジンに比して有効に利用できることになる。燃料効率から言えば、（３６６／７２８）×１００＝約５０％の効率アップとなる。
【００２２】
【実施例】
次に、本発明を図面に示す具体的な実施例に基づいてさらに詳しく説明する。
（実施例１）
図１は、本発明に係る改質炭化水素及び水素の製造装置の構成の概要を示すブロック図である。
この製造装置は、飽和炭化水素などの炭化水素原料６の上流側から、ゼオライト系触媒を充填した熱分解反応器２、レシプロエンジン型シリンダー装置１、液−ガス分離用セパレーター３、及び燃料電池７が配置されている。炭化水素原料６及びセパレーター３からリサイクルされてくる水素４がヒーター９で予熱されて熱分解反応器２に導入されると、炭化水素原料が熱分解されて脱水素化され不飽和度が増加した改質炭化水素及び水素が生成し、これらの分解生成物がレシプロエンジン型シリンダー装置１に導入される。シリンダー装置１では、動力装置１ｇにより、まずピストン−クランク機構１ｄを駆動させてピストン１ａを下方に引くことにより装置１ｂ内を減圧にして、分解生成物中の未反応炭化水素の分解を促進する。次いで、シリンダー装置１のピストン−クランク機構１ｄを駆動させてピストン１ａを上方に動かし装置１ｂ内を昇圧することにより、未反応炭化水素の温度がさらに上昇し、更なる分解が可能となる。
【００２３】
シリンダー装置１で得られた改質炭化水素と水素及び未反応炭化水素は、次いで、セパレーター３において液−ガス分離操作を行い、水素からなるガス成分８と、大部分が改質炭化水素で少量の未反応炭化水素からなる液成分５とに分離される。
ここで、得られた液成分５は改質炭化水素、例えば不飽和炭化水素が大部分を占めるので、このまま通常のエンジン用の高オクタン価燃料として用いることができ、一方、水素８は一部が反応器２へリサイクルされ、残部は燃料電池７の燃料として使用される。
【００２４】
（実施例２）
図２は、本発明に係る燃料電池搭載型エンジンの構成例の概要を示すブロック図である。
鎖状炭化水素などの飽和炭化水素を多く含む炭化水素燃料を貯蔵する燃料タンクＦから燃料供給ポンプＰ１により５ｋｇ／ｃｍ2Ｇに昇圧された燃料１０は、リサイクル水素１１とモル比５で混合されて熱交換器１２を通って昇温され、さらにエンジン１４から排気されるエンジン排気ガスによる熱交換器１５により４５０℃に昇温される。このように昇温された燃料１０は、脱硫触媒又はゼオライト系触媒が充填された反応器１７に導入されて接触熱分解により脱水素−環化された後、レシプロエンジン型シリンダー装置１８に導入される。
【００２５】
レシプロエンジン型シリンダー装置１８において、未反応炭化水素は更に分解されるとともに、７ｋｇ／ｃｍ2Ｇまで昇圧される。えられた分解生成物は熱交換器４０及び熱交換器１２を経て冷却され、セパレーター２０に導入されて液−ガス分離され、水素リッチガス２１と改質塔底油（環状炭化水素）２２に分離される。水素リッチガス２１は、その一部が燃料電池用として燃料電池２３に使用され、残部はリサイクル水素１１として使用される。
【００２６】
改質塔底油（不飽和炭化水素）２２は、改質塔底油タンク２５に貯留され、改質油ポンプＰ２により、系外からの空気２６をターボチャージャー２８で昇温したものと混合器５０で混合されてエンジン１４に導入、燃焼され、回転エネルギーを発生する。エンジン１４の回転軸３０は、燃料電池２３から発生した電気を蓄電するバッテリー３２を経由した電気により回転するモーター３３とクラッチ、ベルトなどを介して連結している。
【００２７】
レシプロエンジン型シリンダー装置１８の回転軸１８ａは回転軸３０と連結している。一方、燃料電池用の空気３５もこの回転軸３０に連結しているレシプロエンジン型シリンダー装置１８で昇温、浄化されて燃料電池２３に送られる。
以上のようにして、飽和炭化水素などの炭化水素原料は環状炭化水素などの不飽和度が高められた改質炭化水素と水素に変換され、前者はオクタン価が上がりレシプロエンジンで回転力を、後者は燃料電池のモーターによって回転力を発生させることができ、走行中においては、従来のハイブリッド型エンジンに比して約７５％の効率向上を達成することができた。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、効率的に水素を発生するとともにカーボン発生を押さえつつ良質な（例えば高オクタン価な）改質炭化水素を製造することができる方法と装置、及びこれらを利用しさらにエネルギ効率を向上させた燃料電池搭載型エンジン、並びにエネルギーステーションを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る改質炭化水素及び水素の製造装置の構成の概要を示すブロック図である。
【図２】 本発明に係る燃料電池搭載型エンジンの構成例の概要を示すブロック図である。
【符号の説明】
１…レシプロエンジン型シリンダー装置、１ａ…ピストン、１ｂ…装置、１ｄ…ピストン−クランク機構、１ｇ…動力装置、２…熱分解反応器、３…液−ガス分離用セパレーター、４…水素、５…液成分、６…炭化水素原料、７…燃料電池、８…ガス成分、９…ヒーター、１０…燃料、１１…リサイクル水素、１２…熱交換器、１４…エンジン、１５…熱交換器、１７…反応器、１８…レシプロエンジン型シリンダー装置、１８ａ…回転軸、２０…セパレーター、２１…水素リッチガス、２２…改質塔底油（環状炭化水素）、２３…燃料電池、２５…改質塔底油タンク、２６…系外からの空気、２８…ターボチャージャー、３０…エンジンの回転軸、３２…バッテリー、３３…モーター、３５…燃料電池用の空気、４０…熱交換器、５０…混合器、Ｆ…燃料タンク、Ｐ１…燃料供給ポンプ、Ｐ２…改質油ポンプ。
【発明の属する技術分野】
本発明は炭化水素を効果的に分解するための方法及び装置に関し、さらに詳しくは、飽和炭化水素等の炭化水素原料から高オクタン価の改質炭化水素及び水素を効率よく製造する方法と装置、及びこれらを利用し、さらにエネルギー効率を向上させた燃料電池搭載型エンジン、さらにはエネルギーステーションに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、世界的な環境規制の高まりに対応し、炭化水素燃料を用いたエンジンに対し、より低燃費で、ＣＯ2ガス排出の少ないものが強く求められている。ＣＯ2ガス排出の低減は、炭化水素燃焼におけるエネルギー効率の向上と同意義を有する。燃料電池は、最近上記のような目的のために適用されている。
【０００３】
燃料電池の最も効率的な燃料は、水素である。なぜなら、水素は、室温より高い温度において、燃料電池の適切な表面上で容易に反応して電気を発生するからである。
水素は分子量の最も小さなガスであるから、燃料電池では、水素を如何に製造し、運搬し、貯蔵するかが問題となる。
【０００４】
近年になり、通常のレシプロエンジンに二次電池を組み合わせたハイブリッド型エンジンが実用化されるようになった。しかしながら、このハイブリッド型エンジンにおいても、そのエネルギー効率はせいぜい３０％である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明は、上記した従来の課題に鑑みなされたもので、その目的とするところは、効率的に水素を発生するとともにカーボン発生を押さえつつ良質な（高オクタン価等の）改質炭化水素を製造することができる方法と装置、及びこれらを利用しよりエネルギー効率を向上させた燃料電池搭載型エンジン、さらにエネルギーステーションを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、炭化水素原料を水素存在下に接触熱分解して脱水素化し、前記炭化水素原料より不飽和度を増加させた改質炭化水素及び水素を生成し、次いで、得られた改質炭化水素と水素及び未反応炭化水素を減圧・昇圧装置に導入し、減圧後昇圧することにより、未反応炭化水素のさらなる分解を促進するとともに、後工程における液−ガス分離を促進することを特徴とする改質炭化水素及び水素の製造方法、が提供される。
【０００７】
また、本発明によれば、炭化水素原料を水素存在下に接触熱分解して脱水素化し、前記炭化水素原料より不飽和度を増加させた改質炭化水素及び水素を生成する反応器と、該反応器で得られた改質炭化水素と水素及び未反応炭化水素を減圧後昇圧する減圧・昇圧装置と、該減圧・昇圧装置で得られた改質炭化水素と水素及び未反応炭化水素に対して、液−ガス分離操作を行って、水素からなるガス成分と、改質炭化水素及び未反応炭化水素からなる液成分とに分離するセパレーターとを備えたことを特徴とする改質炭化水素及び水素の製造装置、が提供される。
【０００８】
さらに、本発明によれば、炭化水素原料を水素存在下に接触熱分解して脱水素化し、前記炭化水素原料より不飽和度を増加させた改質炭化水素及び水素を生成する反応器と、該反応器で得られた改質炭化水素と水素及び未反応炭化水素を減圧後昇圧する減圧・昇圧装置と、該減圧・昇圧装置で得られた改質炭化水素と水素及び未反応炭化水素に対して、液−ガス分離操作を行って、水素からなるガス成分と、改質炭化水素及び未反応炭化水素からなる液成分とに分離するセパレーターと、該セパレーターからの水素からなるガス成分を燃料とする燃料電池と、該セパレーターからの改質炭化水素を燃料とするエンジンとを備えたことを特徴とする燃料電池搭載型エンジン、が提供される。
【０００９】
さらにまた、本発明によれば、炭化水素原料を水素存在下に接触熱分解して脱水素化し、前記炭化水素原料より不飽和度を増加させた改質炭化水素及び水素を生成する反応器と、該反応器で得られた改質炭化水素と水素及び未反応炭化水素を減圧後昇圧する減圧・昇圧装置と、該減圧・昇圧装置で得られた改質炭化水素と水素及び未反応炭化水素に対して、液−ガス分離操作を行って、水素からなるガス成分と、改質炭化水素及び未反応炭化水素からなる液成分とに分離するセパレーターと、該減圧・昇圧装置を作動させるための動力装置とを備え、改質炭化水素及び水素を燃料として取り出すとともに、該動力装置により該減圧・昇圧装置を作動させて、該動力装置の作動により発生する電気エネルギー及び熱エネルギーを取り出すことを特徴とするエネルギーステーション、が提供される。
【００１０】
本発明においては、減圧・昇圧装置として、レシプロ型の減圧・昇圧装置を用いることが好ましい。
また、本発明のエネルギーステーションでは、セパレーターからの水素からなるガス成分を燃料とする燃料電池をさらに備え、この燃料電池で発電された電気エネルギーを取り出すこともできる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施形態に基づいてさらに詳しく説明するが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。
本発明の基本的概念は、炭化水素原料（燃料）を触媒などが充填された反応器を利用して、水素存在下に接触熱分解して脱水素化し、不飽和炭化水素などの不飽和度が増加した改質炭化水素及び水素を含む分解生成物を発生させるとともに、これらの分解生成物をレシプロ型エンジンなどの減圧・昇圧機能により、二重の効果、即ち、触媒活性化での水素下分解、及び瞬時水素下熱分解により、より効果的に良質な燃料及び水素をとり出すことにある。
【００１２】
例えば、軽質飽和炭化水素を脱硫し、昇圧、昇温後ゼオライト系の触媒の入った反応器で接触熱分解させれば脱水素反応により、水素がとり出せる。得られた水素を、そのまま燃料電池に通すことも可能であるが、熱分解で得られた水素を含む熱分解成分（未反応成分を含む）をレシプロエンジン型のシリンダー装置（減圧・昇圧装置）に通すと、減圧することで、分解されつつあった成分の更なる分解が促進されることになり、次いで昇圧することで、分解成分の温度がさらに上昇することにより、更なる分解が可能となるとともに、後工程でのガスの循環、液−ガス分離の効率が向上し、より良質な不飽和炭化水素燃料と水素が効果的に取り出せることになる。
【００１３】
なお、レシプロエンジン型のシリンダー装置内に放電機構を備えることが好ましい。放電機構のプラグにより電気火花放電されると、炭化水素がラジカル化し、脱水素反応がより促進されるからである。放電のタイミングは、減圧時、昇圧時のいずれでもよいが、昇圧時の方がより好ましい。
【００１４】
したがって、本発明によれば、ガソリン代替用やディーゼル用燃料を作り出すことが出来る。本発明においては、水素は燃料電池に通して電力を発生させてモーター、エアコンその他の電気制御機器に、他に得られた高オクタン価（不飽和）の炭化水素は燃料として上記に示したレシプロエンジン、ロータリーエンジン、ディーゼルエンジン、さらにタービン型ジェットエンジンなどに利用することができ、燃料電池搭載型エンジンとして好適に用いることができる。
【００１５】
また、本発明では、水素を循環利用することにより、種々の利点を享受することができる。水素はヒートキャリアとなるほか、炭化水素原料の接触熱分解の際におけるカーボン発生を防止でき、しかも熱分解反応を促進するという効能を有する。反応器に導入される水素量は、一般に、飽和炭化水素などの炭化水素原料に対して、（水素／炭化水素原料）が３〜２０（モル比）であり、５〜１０がより好ましい。
【００１６】
本発明の、いわゆる燃料変換型エンジンは、特に燃料電池と組み合せることにより、極めて効率的なエンジンとなるが、更なる展開としては、例えばプロパンやシクロベンゼンをうまく熱分解させれば水素とベンゼンになるが、水素のみを燃料電池に利用して、ベンゼンは石油化学プラント、石油精製プラントにリサイクルすることで、完全リサイクル水素利用エンジンにもつながっていくものである。水素のパイプラインやインフラ設備のいらないタイプのもので水素燃料電池型自動車になる。この場合、ガソリンスタンドで分解供給する水素吸蔵合金タイプか、車内で分解しベンゼンを返却するタイプの２種が考えられる。
【００１７】
また、本発明においては、高オクタン価など不飽和度の増加した改質炭化水素と水素の製造装置に、減圧・昇圧装置を作動させるための動力装置を併設したエネルギーステーションとし、高オクタン価の不飽和炭化水素（改質炭化水素）及び水素を燃料として取り出すとともに、上記の動力装置により減圧・昇圧装置を作動させ、その作動により発生する電気エネルギー及び熱エネルギーを取り出すようにすることができる。このようなエネルギーステーションは、好ましくは燃料電池をさらに備えて、現在主流となっているレシプロエンジンタイプの自動車のほか、電気自動車、ハイブリッド型自動車などへの燃料供給、電気エネルギー供給のステーション（スタンド）として有効に利用することができる。
【００１８】
本発明の原理を説明する。
炭化水素原料として飽和炭化水素であるヘプタン（Ｃ7Ｈ16）を用いた場合、これを触媒などが充填された反応器で水素雰囲気下に熱分解すると、下式に示すように、不飽和炭化水素であるトルエン（Ｃ7Ｈ8）と水素が生成する（石油学会誌第９巻、第１号「ｎ−ヘプタンの脱水素環化−水素化熱分解反応」（第２６−２７頁）（１９６６）。
Ｃ7Ｈ16 → Ｃ7Ｈ8＋４Ｈ2＋ΔＨ1 …（１）
上記反応式（１）の反応は吸熱反応で、所定量の熱量が必要である。
【００１９】
一方、ヘプタン（Ｃ7Ｈ16）の熱分解で発生した水素は燃料電池の燃料として使用でき、トルエン（Ｃ7Ｈ8）は通常のレシプロエンジン燃料として使用できる。これは、次式で示される。
４Ｈ2＋２Ｏ2 → ４Ｈ2Ｏ＋ΔＨ2 …（２）
Ｃ7Ｈ8＋９Ｏ2 → ７ＣＯ2＋４Ｈ2Ｏ＋ΔＨ3 …（３）
【００２０】
上記反応式（２）、（３）はそれぞれ発熱反応であり、それらの発熱量は上記した反応式（１）での吸熱量に比してきわめて大きく、熱回収を容易に行うことができる。
標準（２５℃）状態では、
【００２１】
通常のエンジンは、走行中の効率が１５％程度であり、Ｃ7Ｈ16の有効エネルギーは４８５３×０．１５＝７２８ｋＪ／ｍｏｌｅとなる。一方、トルエン（Ｃ7Ｈ8）は６３ｋＪ／ｍｏｌｅの吸熱が必要であるので、３９４８−６３＝３８８５ｋＪ／ｍｏｌｅ相当の燃料となる。トルエン（Ｃ7Ｈ8）を同様にエンジンに使用すると、熱効率が同じとして、３８８５×０．１５＝５８３ｋＪ／ｍｏｌｅとなる。また、水素を燃料電池用に使用すると、燃料電池の効率を６０％とすると、９６８×０．６＝５８１ｋＪ／ｍｏｌｅで、循環エネルギーなどに約７０ｋＪ／ｍｏｌｅ必要としても、５８１−７０＝５１１ｋＪ／ｍｏｌｅとなる。
したがって、本発明の方法、装置並びにエンジンでは、（５８３＋５１１）−７２８＝３６６ｋＪ／ｍｏｌｅのエネルギーが従来のエンジンに比して有効に利用できることになる。燃料効率から言えば、（３６６／７２８）×１００＝約５０％の効率アップとなる。
【００２２】
【実施例】
次に、本発明を図面に示す具体的な実施例に基づいてさらに詳しく説明する。
（実施例１）
図１は、本発明に係る改質炭化水素及び水素の製造装置の構成の概要を示すブロック図である。
この製造装置は、飽和炭化水素などの炭化水素原料６の上流側から、ゼオライト系触媒を充填した熱分解反応器２、レシプロエンジン型シリンダー装置１、液−ガス分離用セパレーター３、及び燃料電池７が配置されている。炭化水素原料６及びセパレーター３からリサイクルされてくる水素４がヒーター９で予熱されて熱分解反応器２に導入されると、炭化水素原料が熱分解されて脱水素化され不飽和度が増加した改質炭化水素及び水素が生成し、これらの分解生成物がレシプロエンジン型シリンダー装置１に導入される。シリンダー装置１では、動力装置１ｇにより、まずピストン−クランク機構１ｄを駆動させてピストン１ａを下方に引くことにより装置１ｂ内を減圧にして、分解生成物中の未反応炭化水素の分解を促進する。次いで、シリンダー装置１のピストン−クランク機構１ｄを駆動させてピストン１ａを上方に動かし装置１ｂ内を昇圧することにより、未反応炭化水素の温度がさらに上昇し、更なる分解が可能となる。
【００２３】
シリンダー装置１で得られた改質炭化水素と水素及び未反応炭化水素は、次いで、セパレーター３において液−ガス分離操作を行い、水素からなるガス成分８と、大部分が改質炭化水素で少量の未反応炭化水素からなる液成分５とに分離される。
ここで、得られた液成分５は改質炭化水素、例えば不飽和炭化水素が大部分を占めるので、このまま通常のエンジン用の高オクタン価燃料として用いることができ、一方、水素８は一部が反応器２へリサイクルされ、残部は燃料電池７の燃料として使用される。
【００２４】
（実施例２）
図２は、本発明に係る燃料電池搭載型エンジンの構成例の概要を示すブロック図である。
鎖状炭化水素などの飽和炭化水素を多く含む炭化水素燃料を貯蔵する燃料タンクＦから燃料供給ポンプＰ１により５ｋｇ／ｃｍ2Ｇに昇圧された燃料１０は、リサイクル水素１１とモル比５で混合されて熱交換器１２を通って昇温され、さらにエンジン１４から排気されるエンジン排気ガスによる熱交換器１５により４５０℃に昇温される。このように昇温された燃料１０は、脱硫触媒又はゼオライト系触媒が充填された反応器１７に導入されて接触熱分解により脱水素−環化された後、レシプロエンジン型シリンダー装置１８に導入される。
【００２５】
レシプロエンジン型シリンダー装置１８において、未反応炭化水素は更に分解されるとともに、７ｋｇ／ｃｍ2Ｇまで昇圧される。えられた分解生成物は熱交換器４０及び熱交換器１２を経て冷却され、セパレーター２０に導入されて液−ガス分離され、水素リッチガス２１と改質塔底油（環状炭化水素）２２に分離される。水素リッチガス２１は、その一部が燃料電池用として燃料電池２３に使用され、残部はリサイクル水素１１として使用される。
【００２６】
改質塔底油（不飽和炭化水素）２２は、改質塔底油タンク２５に貯留され、改質油ポンプＰ２により、系外からの空気２６をターボチャージャー２８で昇温したものと混合器５０で混合されてエンジン１４に導入、燃焼され、回転エネルギーを発生する。エンジン１４の回転軸３０は、燃料電池２３から発生した電気を蓄電するバッテリー３２を経由した電気により回転するモーター３３とクラッチ、ベルトなどを介して連結している。
【００２７】
レシプロエンジン型シリンダー装置１８の回転軸１８ａは回転軸３０と連結している。一方、燃料電池用の空気３５もこの回転軸３０に連結しているレシプロエンジン型シリンダー装置１８で昇温、浄化されて燃料電池２３に送られる。
以上のようにして、飽和炭化水素などの炭化水素原料は環状炭化水素などの不飽和度が高められた改質炭化水素と水素に変換され、前者はオクタン価が上がりレシプロエンジンで回転力を、後者は燃料電池のモーターによって回転力を発生させることができ、走行中においては、従来のハイブリッド型エンジンに比して約７５％の効率向上を達成することができた。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、効率的に水素を発生するとともにカーボン発生を押さえつつ良質な（例えば高オクタン価な）改質炭化水素を製造することができる方法と装置、及びこれらを利用しさらにエネルギ効率を向上させた燃料電池搭載型エンジン、並びにエネルギーステーションを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る改質炭化水素及び水素の製造装置の構成の概要を示すブロック図である。
【図２】 本発明に係る燃料電池搭載型エンジンの構成例の概要を示すブロック図である。
【符号の説明】
１…レシプロエンジン型シリンダー装置、１ａ…ピストン、１ｂ…装置、１ｄ…ピストン−クランク機構、１ｇ…動力装置、２…熱分解反応器、３…液−ガス分離用セパレーター、４…水素、５…液成分、６…炭化水素原料、７…燃料電池、８…ガス成分、９…ヒーター、１０…燃料、１１…リサイクル水素、１２…熱交換器、１４…エンジン、１５…熱交換器、１７…反応器、１８…レシプロエンジン型シリンダー装置、１８ａ…回転軸、２０…セパレーター、２１…水素リッチガス、２２…改質塔底油（環状炭化水素）、２３…燃料電池、２５…改質塔底油タンク、２６…系外からの空気、２８…ターボチャージャー、３０…エンジンの回転軸、３２…バッテリー、３３…モーター、３５…燃料電池用の空気、４０…熱交換器、５０…混合器、Ｆ…燃料タンク、Ｐ１…燃料供給ポンプ、Ｐ２…改質油ポンプ。
Claims (7)
- 炭化水素原料を水素存在下に接触熱分解して脱水素化し、前記炭化水素原料より不飽和度を増加させた改質炭化水素及び水素を生成し、次いで、得られた改質炭化水素と水素及び未反応炭化水素を減圧・昇圧装置に導入し、減圧後昇圧することにより、未反応炭化水素のさらなる分解を促進するとともに、後工程における液−ガス分離を促進することを特徴とする改質炭化水素及び水素の製造方法。
- 減圧・昇圧装置が、レシプロ型の減圧・昇圧装置である請求項１記載の改質炭化水素及び水素の製造方法。
- 炭化水素原料を水素存在下に接触熱分解して脱水素化し、前記炭化水素原料より不飽和度を増加させた改質炭化水素及び水素を生成する反応器と、
該反応器で得られた改質炭化水素と水素及び未反応炭化水素を減圧後昇圧する減圧・昇圧装置と、
該減圧・昇圧装置で得られた改質炭化水素と水素及び未反応炭化水素に対して、液−ガス分離操作を行って、水素からなるガス成分と、改質炭化水素及び未反応炭化水素からなる液成分とに分離するセパレーターと
を備えたことを特徴とする改質炭化水素及び水素の製造装置。 - 減圧・昇圧装置が、レシプロ型の減圧・昇圧装置である請求項３記載の改質炭化水素及び水素の製造装置。
- 炭化水素原料を水素存在下に接触熱分解して脱水素化し、前記炭化水素原料より不飽和度を増加させた改質炭化水素及び水素を生成する反応器と、
該反応器で得られた改質炭化水素と水素及び未反応炭化水素を減圧後昇圧する減圧・昇圧装置と、
該減圧・昇圧装置で得られた改質炭化水素と水素及び未反応炭化水素に対して、液−ガス分離操作を行って、水素からなるガス成分と、改質炭化水素及び未反応炭化水素からなる液成分とに分離するセパレーターと、
該セパレーターからの水素からなるガス成分を燃料とする燃料電池と、
該セパレーターからの改質炭化水素を燃料とするエンジンと
を備えたことを特徴とする燃料電池搭載型エンジン。 - 炭化水素原料を水素存在下に接触熱分解して脱水素化し、前記炭化水素原料より不飽和度を増加させた改質炭化水素及び水素を生成する反応器と、
該反応器で得られた改質炭化水素と水素及び未反応炭化水素を減圧後昇圧する減圧・昇圧装置と、
該減圧・昇圧装置で得られた改質炭化水素と水素及び未反応炭化水素に対して、液−ガス分離操作を行って、水素からなるガス成分と、改質炭化水素及び未反応炭化水素からなる液成分とに分離するセパレーターと、
該減圧・昇圧装置を作動させるための動力装置と
を備え、
改質炭化水素及び水素を燃料として取り出すとともに、
該動力装置により該減圧・昇圧装置を作動させて、該動力装置の作動により発生する電気エネルギー及び熱エネルギーを取り出すことを特徴とするエネルギーステーション。 - さらに該セパレーターからの水素からなるガス成分を燃料とする燃料電池を備え、該燃料電池で発電された電気エネルギーを取り出す請求項６記載のエネルギーステーション。
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