JP5049947B2 - アンモニアエンジンシステム - Google Patents
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Description
本発明は、アンモニアを燃料とするアンモニアエンジンと、アンモニアを分解するアンモニアクラッカー触媒を含み、アンモニアを分解して水素を生じさせるアンモニアクラッカー装置とを備えたアンモニアエンジンシステムに関する。
アンモニアを燃料とするアンモニアエンジンが従来から知られているが、こうしたアンモニアエンジンは、アンモニアの着火性が悪いという特性からエンジンの低負荷運転時および高負荷運転時にアンモニアの燃焼が不十分となるため、アンモニアの燃焼を補助するために助燃剤の添加が必要である。助燃剤としては、炭化水素系の燃料や水素が使用可能である。アンモニアは水素原子と窒素原子とからなる化合物であり、アンモニアを化学的に分解することにより水素を製造することが可能であるので、アンモニアを分解することにより製造した水素を助燃剤として使用すれば、アンモニアのみでエンジンを駆動させることができる点で最も望ましいシステムであると考えられる。
アンモニアクラッカー触媒によりアンモニアから水素と窒素を生成する反応は吸熱反応であるため、この反応を進行させるためには、アンモニアクラッカー触媒に２９０℃以上（好ましくは３４０℃以上）の温度を付与しながらアンモニアを接触させる必要がある。
特許文献１には、アンモニア燃焼エンジンにおけるアンモニアの燃焼後の排気ガスをアンモニア分解反応手段に供給するようにしたアンモニア燃焼エンジンが開示されている。
このアンモニア燃焼エンジンでは、アンモニア燃焼エンジンでの燃焼によりアンモニア含有の排気ガスが高温であることを利用して、アンモニアの分解反応の促進が図られている。
しかしながら、この装置では、アンモニアクラッカー触媒の温度が排ガスの温度に依存しているため、低負荷運転時（エンジン始動時）には、アンモニアエンジンでのアンモニアの燃焼効率が悪く、このため高温の排気ガスがアンモニアクラッカー触媒に供給されず、したがって、アンモニアから水素および窒素を生成する反応の進行性が悪く、結果として、エンジンの駆動を促進するための助燃剤となる水素が低負荷運転状態のアンモニア燃焼エンジンに供給されないために、アンモニアエンジンが低負荷運転状態から抜け出すのに長時間を要することになる。
特開平５−３３２１５２号公報
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、アンモニアエンジンからの排ガス温度がアンモニアクラッカー触媒の作動温度よりも低い低負荷運転時においても、アンモニアクラッカー触媒に反応促進に必要な温度を供給することができるアンモニアエンジンシステムを提供することを目的とする。
上記に説明したように、アンモニアクラッカー触媒を用いてアンモニアから安定して水素を製造するためには、アンモニアクラッカー触媒を２９０℃以上（好ましくは３４０℃以上）に保つ必要がある。そこで、本発明者らが鋭意検討したところ、アンモニアが下記（１）式に示されるように酸素と酸化反応すると発熱するため、このような発熱反応を起こさせるアンモニア酸化装置が、アンモニアエンジンとアンモニアクラッカー装置との間に組み入れられれば、上記課題が解決され得ることを見出した。
ＮＨ３ ＋ ３／４Ｏ２ → １／２Ｎ２ ＋ ３／２Ｈ２Ｏ ・・・（１）
すなわち、本発明のアンモニアエンジンシステムは、アンモニアタンクより供給されるアンモニアを燃料とするアンモニアエンジンと、該アンモニアタンクから供給されるアンモニアを分解するアンモニアクラッカー触媒を含み、該アンモニアエンジンの排ガスとアンモニアガスが熱交換されることでアンモニアを分解して水素を生じさせるアンモニアクラッカー装置とを備えたアンモニアエンジンシステムにおいて、該アンモニアクラッカー装置内で生じた水素含有のアンモニア分解ガスが、該アンモニアエンジンの助燃剤として該アンモニアエンジンの吸気系に供給され、該アンモニアエンジンの排気系と該アンモニアクラッカー装置の排ガス導入側との間に、アンモニア酸化装置が備えられているものである。
すなわち、本発明のアンモニアエンジンシステムは、アンモニアタンクより供給されるアンモニアを燃料とするアンモニアエンジンと、該アンモニアタンクから供給されるアンモニアを分解するアンモニアクラッカー触媒を含み、該アンモニアエンジンの排ガスとアンモニアガスが熱交換されることでアンモニアを分解して水素を生じさせるアンモニアクラッカー装置とを備えたアンモニアエンジンシステムにおいて、該アンモニアクラッカー装置内で生じた水素含有のアンモニア分解ガスが、該アンモニアエンジンの助燃剤として該アンモニアエンジンの吸気系に供給され、該アンモニアエンジンの排気系と該アンモニアクラッカー装置の排ガス導入側との間に、アンモニア酸化装置が備えられているものである。
前記アンモニア酸化装置としては、上記（１）式の反応を生じさせることができるものであればいかなるものでもよいが、アンモニア酸化触媒として、白金担持触媒が好適に用いられる。この場合、この触媒の作動温度は１５０℃以上である。アンモニアエンジンが低負荷運転している時においてもエンジンからの排ガスの温度は通常１５０℃以上であるので、排ガスの温度で十分に（１）式のアンモニア酸化反応を進行させることが可能であり、アンモニアクラッカー装置内のアンモニアクラッカー触媒が２９０℃以上（好ましくは３４０℃以上）の温度になるように、アンモニア酸化装置から十分な熱を供給することができる。アンモニアエンジンからの排ガスに含まれるアンモニアの量は、アンモニア酸化装置に供給されるガス流量を調整することによって制御され、これにより、アンモニア酸化装置で発生する熱量を制御することが可能である。
前記白金担持触媒は、いかなる形状を有してもよいが、例えば、モノリス形状を有するものを用いることが可能である。
また、エンジンの始動時には排ガスの温度が１５０℃以下の場合もある。このような場合には、触媒の作動温度に達していないために白金担持触媒を（１）式のために機能させることができない。こうした場合には、前記アンモニアエンジンの排気系と前記アンモニア酸化装置との間の配管等にヒータをさらに設けることが有利である。このようにすれば、エンジン始動時にエンジンからの排ガスが１５０℃に達していなくても、排ガスの温度が１５０℃になるまでヒータを作動させることによって必要な熱量をアンモニア酸化装置に提供することができ、エンジンの始動時から安定してアンモニア酸化装置内の温度が維持され、結果として、アンモニアクラッカー装置からの安定した水素製造も可能となり、安定したエンジンの運転が可能となる。
前記アンモニアクラッカー装置は、いかなる構造を有するものであってもよいが、例えば、プレート型熱交換器の構造を有するものが挙げられる。アンモニアクラッカー装置がこのようなプレート型熱交換器の構造を有する場合、アンモニアクラッカー触媒は、このアンモニアクラッカー装置のアンモニア供給側に充填されるようにするか、アンモニアクラッカー装置のアンモニア供給側の材質の表面上に触媒がコーティングされるようにすることが好ましい。
上記のアンモニアクラッカー装置のアンモニアクラッカー触媒としては、例えば、ルテニウム、ロジウム、ニッケルおよび／または鉄を担持する触媒が挙げられる。
本発明のアンモニアエンジンシステムにおいては、アンモニアクラッカー装置の排ガス導入側入口温度は２９０℃以上（好ましくは３４０℃以上）に保たれ、アンモニア酸化装置の入口温度は１５０℃以上に保たれる。
また、本発明のアンモニアエンジンシステムでは、前記アンモニアクラッカー装置の排ガス導入側入口温度が３００℃以下である場合には、前記アンモニアエンジンからの排出ガスにアンモニアガスがさらに添加される。さらには、前記アンモニアエンジンからの排出ガスのアンモニア濃度が３％以下である場合にも、アンモニアガスが添加されるようにしてもよい。
また、本発明のアンモニアエンジンシステムにおいて、前記アンモニア酸化装置の入口温度が１５０℃以下である場合にのみ、前記アンモニア酸化装置に供給されるアンモニアが前記ヒータにより加温されるようにされる。
本発明のアンモニアエンジンシステムは、アンモニアエンジンとアンモニアクラッカー装置の間にアンモニア酸化装置を設置するようにしたので、アンモニアエンジンからの排ガスの温度がアンモニアクラッカー装置のアンモニアクラッカー触媒の作動温度よりも低い場合に、アンモニアの酸化反応による酸化熱により排ガスを昇温させることができ、これにより、アンモニアエンジンからの排ガスの温度が低い低負荷運転時にもアンモニアクラッカー触媒の温度をその作動温度以上に維持することが可能となり、安定したアンモニアエンジンの運転が可能となる。
以下、本発明のアンモニアエンジンシステムを図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明のアンモニアエンジンシステムを示すフローシートである。
アンモニアエンジン（２）は、ＮＨ３タンク（１）より供給されるアンモニアを燃料としてその燃焼により駆動するエンジンである。
アンモニアエンジン（２）からの排ガスは、アンモニア酸化装置（４）に供給される。ここで、アンモニアエンジン（２）からの排ガスは、直接的にアンモニア酸化装置（４）に供給されてもよいが、アンモニア酸化装置（４）に供給される前にラインヒータ（３）に通されるようにしてもよい。また、ラインヒータ（３）が排ガスを加熱すべく駆動するか否かは、排ガスの温度次第である。すなわち、ラインヒータ（３）は本発明においては任意の構成要素である。アンモニアエンジン（２）におけるアンモニアの燃焼反応は発熱反応であるので、アンモニアエンジン（２）からの排ガスはアンモニアエンジン（２）が通常に駆動しているのであれば１５０℃以上の温度を有している。しかしながら、アンモニアエンジン（２）の始動時等にはアンモニアエンジン（２）で十分な発熱反応が進行せず、このために、排ガスの温度が１５０℃の温度に達しない場合がある。排ガスの温度が１５０℃に達していないと、アンモニア酸化装置（４）でアンモニアの酸化反応が十分に進行しない。そのような場合に、排ガスが１５０℃以上の温度を有するようにラインヒータ（３）が補助的に駆動することになる。
アンモニア酸化装置（４）は、アンモニア酸化触媒として、白金担持触媒を有するものである。また、この白金担持触媒は、例えばモノリス形状を有している。白金担持触媒の作動温度は１５０℃であり、アンモニアエンジン（２）から直接的に供給されるかまたはラインヒータ（３）によって加熱されてから供給される排ガスが１５０℃以上の温度を有していることによってアンモニアの酸化が進行する。
このアンモニア酸化装置（４）におけるアンモニアの酸化反応は発熱反応であり、この発熱反応により、アンモニア酸化装置（４）内のガスは２９０℃以上（好ましくは３４０℃以上）に達する。このように２９０℃以上（好ましくは３４０℃以上）の温度に達したガスは、アンモニアクラッカー装置（５）の排ガス導入側に供給される。
アンモニアクラッカー装置（５）は、例えばプレート型熱交換器の構造を有するものである。また、アンモニアを分解するための触媒として、例えばルテニウム担持触媒を有しており、このアンモニアクラッカー触媒は、アンモニアクラッカー装置（５）のアンモニア供給側に充填されるか、アンモニア供給側の材質表面上にコーティングされている。
アンモニアクラッカー装置（５）には、アンモニア酸化装置（４）から供給される２９０℃以上（好ましくは３４０℃以上）のガスが排ガス導入側に供給されると共に、ＮＨ３タンク（１）からアンモニア供給側にアンモニアが供給される。アンモニアクラッカー装置（５）内では、排ガスとアンモニアガスが熱交換されることで供給されたアンモニアガス及びアンモニアクラッカー触媒の温度が上昇し、アンモニアクラッカー触媒の触媒作用により、ＮＨ３タンク（１）から供給されるアンモニアが水素と窒素とに分解される。こうして生じた水素含有のアンモニア分解ガスは、アンモニアエンジン（２）の助燃剤としてアンモニアエンジン（２）に供給される。
次に、本発明による具体的な効果を実施例により確認したので、そのことについて以下に説明する。
（実施例１）
本発明の効果を模式的に示すために図２に示す構成の装置を用いてアンモニア酸化装置（４）およびアンモニアクラッカー装置（５）の駆動を試験した。なお、図２に示すシステムは、図１のアンモニアエンジンシステムを模したものであり、アンモニアエンジン（２）の代わりに加熱空気が供給される空気加熱器（６）が備えられていると共に、ＮＨ３タンク（１）からアンモニアがラインヒータ（３）に供給されるようにし、アンモニア酸化装置（４）の入口側および出口側およびアンモニアクラッカー装置のＮＨ３ガス導入側およびアンモニア酸化装置（４）からのガス導入側に、それぞれ、発熱量を測定するための熱電対が設置されている。なお、図１と同一の構成に関しては、同一の参照符号を付し、ここでは詳細な説明は省略する。
本発明の効果を模式的に示すために図２に示す構成の装置を用いてアンモニア酸化装置（４）およびアンモニアクラッカー装置（５）の駆動を試験した。なお、図２に示すシステムは、図１のアンモニアエンジンシステムを模したものであり、アンモニアエンジン（２）の代わりに加熱空気が供給される空気加熱器（６）が備えられていると共に、ＮＨ３タンク（１）からアンモニアがラインヒータ（３）に供給されるようにし、アンモニア酸化装置（４）の入口側および出口側およびアンモニアクラッカー装置のＮＨ３ガス導入側およびアンモニア酸化装置（４）からのガス導入側に、それぞれ、発熱量を測定するための熱電対が設置されている。なお、図１と同一の構成に関しては、同一の参照符号を付し、ここでは詳細な説明は省略する。
実施例１の試験において、アンモニアエンジンからの排ガスの模擬ガスとして加熱空気を用いた。また、アンモニア酸化装置（４）が有するアンモニア酸化触媒として、ハニカム状の白金系触媒（コージェライトハニカム基材に白金担持Ａｌ２Ｏ３触媒がコーティングされたもの：白金担持量２ｇ／Ｌ）を用い、アンモニアクラッカー装置（５）が有するアンモニアクラッカー触媒としては、ペレット状（径１ｍｍφ）のルテニウム系触媒（担体：活性炭、促進剤にＢａ化合物を使用：Ｒｕ担持量５ｗｔ％）を用いた。アンモニアクラッカー触媒は、アンモニアクラッカー装置（５）のアンモニア供給側に充填した。
加熱空気のガス流速を１０ＮＬ／ｍｉｎとし、温度を室温から２５０℃に昇温した。また、アンモニアクラッカー装置（５）への直接的なアンモニアの供給量は０．５ＮＬ／ｍｉｎとなるようにし、アンモニア酸化装置（４）へのアンモニアの供給量を種々変化させて、各々の装置の触媒を作用させ、アンモニアクラッカー装置（５）でのアンモニア分解率を計測した。実施例１ではラインヒータ（３）を駆動させなかった。
（実施例２）
ラインヒータ（３）を駆動させた以外は実施例１と同様にして試験を行った。
ラインヒータ（３）を駆動させた以外は実施例１と同様にして試験を行った。
（比較例１）
アンモニア酸化装置へのアンモニアの供給を行わなかった以外は実施例１と同様にして試験を行った。
アンモニア酸化装置へのアンモニアの供給を行わなかった以外は実施例１と同様にして試験を行った。
実施例１の試験結果を表１に、実施例２の試験結果を表２に、比較例１の試験結果を表３にそれぞれ示す。
表１〜３に示す通り、アンモニア酸化装置（４）の入口温度が１５０℃以上である場合には、アンモニアをアンモニア酸化装置（４）に供給することによってアンモニア酸化反応の酸化熱によりガスを昇温させることが可能であり、さらにアンモニアクラッカー装置（５）のアンモニア供給側の温度が３４０℃以上である場合に、アンモニアクラッカー装置（５）において１００％の分解率でアンモニアが分解して水素が生じていることが分かった。
また、加熱空気の温度が１５０℃以下である場合には、ラインヒータ（３）を作動させることにより加熱空気の温度をさらに上げ、これによりアンモニア酸化装置（４）の入口温度を１５０℃以上にすることによってアンモニア酸化装置（４）での酸化反応が促進されることから、アンモニア酸化装置（４）においてガスが昇温し、アンモニアクラッカー装置（５）のアンモニアクラッカー触媒を作用させて水素を生じさせることが可能であることが分かった。したがって、排ガスの温度が低い場合にもラインヒータ（３）を作動させることにより、アンモニアクラッカー装置（５）において水素を生じさせることが可能であることが分かった。
さらに、アンモニア酸化装置（５）へのアンモニアの供給量を調節することにより、アンモニア酸化装置（５）での発熱を３４０℃超にまで増加させることができ、これにより、アンモニアクラッカー装置でのアンモニアの分解を促進させることができることが分かった。
１ ＮＨ３タンク
２ アンモニアエンジン
３ ラインヒータ
４ アンモニア酸化装置
５ アンモニアクラッカー装置
２ アンモニアエンジン
３ ラインヒータ
４ アンモニア酸化装置
５ アンモニアクラッカー装置
Claims (12)
- アンモニアタンクより供給されるアンモニアを燃料とするアンモニアエンジンと、該アンモニアタンクから供給されるアンモニアを分解するアンモニアクラッカー触媒を含み、該アンモニアエンジンの排ガスとアンモニアガスが熱交換されることでアンモニアを分解して水素を生じさせるアンモニアクラッカー装置とを備えたアンモニアエンジンシステムにおいて、
該アンモニアクラッカー装置内で生じた水素含有のアンモニア分解ガスが、該アンモニアエンジンの助燃剤として該アンモニアエンジンの吸気系に供給され、該アンモニアエンジンの排気系と該アンモニアクラッカー装置の排ガス導入側との間に、アンモニア酸化装置が備えられていることを特徴とするアンモニアエンジンシステム。 - 前記アンモニア酸化装置は、白金担持触媒を有する、請求項１に記載のアンモニアエンジンシステム。
- 前記白金担持触媒は、モノリス形状を有する、請求項２に記載のアンモニアエンジンシステム。
- 前記アンモニアエンジンの排気系と前記アンモニア酸化装置との間にヒータをさらに有する、請求項１〜３のいずれか１つに記載のアンモニアエンジンシステム。
- 前記アンモニアクラッカー装置は、プレート型熱交換器の構造を有する、請求項１〜４のいずれか１つに記載のアンモニアエンジンシステム。
- 前記アンモニアクラッカー装置のアンモニア供給側にアンモニアクラッカー触媒が充填されるか、または、前記アンモニアクラッカー装置のアンモニア供給側の材質の表面上に触媒がコーティングされている、請求項５に記載のアンモニアエンジンシステム。
- 前記アンモニアクラッカー触媒は、ルテニウム、ロジウム、ニッケルおよび／または鉄を担持する触媒である、請求項６に記載のアンモニアエンジンシステム。
- 前記アンモニアクラッカー装置の排ガス導入側入口温度は２９０℃以上に保たれる、請求項１〜７のいずれか１つに記載のアンモニアエンジンシステム。
- 前記アンモニア酸化装置の入口温度は１５０℃以上に保たれる、請求項１〜８のいずれか１つに記載のアンモニアエンジンシステム。
- 前記アンモニアクラッカー装置の排ガス導入側入口温度が３００℃以下である場合に、前記アンモニアエンジンからの排出ガスにアンモニアガスがさらに添加される、請求項１〜９のいずれか１つに記載のアンモニアエンジンシステム。
- さらに前記アンモニアエンジンからの排出ガスのアンモニア濃度が３％以下である場合にも、アンモニアガスが添加される、請求項１０に記載のアンモニアエンジンシステム。
- 前記アンモニア酸化装置の入口温度が１５０℃以下である場合にのみ、前記アンモニア酸化装置に供給されるアンモニアが前記ヒータにより加温される、請求項４〜１１のいずれか１つに記載のアンモニアエンジンシステム。
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