JP7228613B2 - 燃料合成装置 - Google Patents

Description

本発明は、水素及び二酸化炭素より燃料を合成する燃料合成装置に関する。

従来、水素と二酸化炭素を混合し、触媒を有するリアクタ（反応筒）を通過させることで、燃料を合成する技術がある（例えば、特許文献１参照）。特許文献１では、内燃機関より排出された排気中の二酸化炭素（ＣＯ_２）をいったん吸着した後、当該二酸化炭素を脱離させる。脱離された二酸化炭素は、別途供給された水素と混合されて、圧縮機で昇圧された後、触媒を有するリアクタに入れられる。リアクタを通過した流体は、気液分離により、燃料が取り出される。

特開２０２０－１６４４２４号公報

ここで、実際には、リアクタを通過した流体は、一度通っただけですべて燃料になるわけではない。リアクタ通過後のガスを気液分離し、液相のメタノール（ＣＨ_３ＯＨ）や水（Ｈ_２Ｏ）を次の工程の蒸留システムに移動させる一方で、気相に分離されたガスは、還流通路を介して、再びリアクタの上流側に還流される。気相に分離される物質は、未反応物として残る水素（Ｈ_２）及び二酸化炭素（ＣＯ_２）、副生成物となる一酸化炭素（ＣＯ）の他、水（Ｈ_２Ｏ）やメタノール（ＣＨ_３ＯＨ）も含まれる。ここで、気体の水がリアクタ内の触媒の表面を覆うと、燃料合成触媒の活性を低下させ、燃料生成率が低くなるという問題があった。

本発明は、以上のような課題を解決するためになされたものであり、気体の水が燃料合成触媒を覆うことを抑制することで、燃料合成触媒による燃料生成率を向上させる燃料合成装置を提供することを目的とする。

この目的を達成するために、請求項１に係る発明は、燃料合成装置（１）であって、少なくとも水素（Ｈ２）及び二酸化炭素（ＣＯ２）が供給される主通路（１０）と、前記主通路に配置され前記水素と前記二酸化炭素とを化学反応させて燃料を合成する燃料合成触媒（２０）と、前記主通路から分岐するように構成され且つ前記燃料合成触媒よりも上流側に接続されるバイパス通路（第一バイパス通路３０）と、前記バイパス通路に配置され水性ガスシフト反応を行う水性ガスシフト触媒（４０）と、前記主通路に配置され前記主通路と前記バイパス通路とを切替える切替手段（第一切替手段ＳＶ１）と、前記主通路において前記燃料合成触媒よりも上流側に配置される水濃度検出手段（５０）と、前記切替手段を制御する制御手段（ＥＣＵ９０）と、前記主通路において前記燃料合成触媒よりも下流側に配置される気液分離手段（５５）と、前記気液分離手段にて分離したガスを前記主通路に還流させる還流通路（６０）と、を有し、前記制御手段は、前記水濃度検出手段に検出される水濃度が閾値以上となった場合に、前記切替手段を前記主通路から前記バイパス通路へと切替えるように制御することを特徴とする。

このように、主通路に配置された水濃度検出手段に検出される水濃度に基づいて前記切替手段を制御することとすると、主通路の水濃度が高くなった場合に、主通路に流れる流体がバイパス通路に導かれる。バイパス通路では、水性ガスシフト触媒にて水性ガスシフト反応が行われ、流体内の水が減少する。これにより、水濃度が低くなった流体がバイパス通路から主通路に導かれることで、気体の水が燃料合成触媒の表面を覆うことを低減させ、燃料合成触媒の活性が向上し、燃料生成率が高くなる。よって、気体の水が燃料合成触媒を覆うことを抑制することで、燃料合成触媒による燃料生成率を向上させる燃料合成装置を提供することができる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の燃料合成装置（１）であって、前記還流通路から分岐するように構成され且つ前記バイパス通路において前記水性ガスシフト触媒よりも上流側に接続される第二バイパス通路（７０）と、前記還流通路に配置され前記還流通路と前記第二バイパス通路とを切替える第二切替手段（ＳＶ２）と、を有し、前記制御手段は、前記水濃度検出手段に検出される前記水濃度が閾値以上となった場合に、前記第二切替手段を前記還流通路から前記第二バイパス通路へと切替えるように制御することを特徴とする。

このように、主通路に配置された水濃度検出手段に検出される水濃度に基づいて前記第二切替手段を制御することとすると、主通路の水濃度が高くなった場合に、還流通路に流れる流体が第二バイパス通路からバイパス通路に導かれる。バイパス通路では、水性ガスシフト触媒にて水性ガスシフト反応が行われ、流体内の水が減少する。これにより、水濃度が低くなった流体がバイパス通路から主通路に導かれることで、気体の水が燃料合成触媒の表面を覆うことを低減させ、燃料合成触媒の活性が向上し、燃料生成率が高くなる。

請求項３に係る発明は、燃料合成装置（２、３）であって、少なくとも水素及び二酸化炭素が供給される主通路（１０）と、前記主通路に配置され前記水素と前記二酸化炭素とを化学反応させて燃料を合成する燃料合成触媒（２０）と、前記主通路において前記燃料合成触媒よりも上流側に配置され水性ガスシフト反応を行う水性ガスシフト触媒（４０）と、前記主通路において前記水性ガスシフト触媒よりも上流側に配置される水濃度検出手段（５０）と、前記主通路において前記燃料合成触媒よりも下流側に配置される気液分離手段（５５）と、前記気液分離手段にて分離したガスを前記主通路に還流させる還流通路（６０）と、前記主通路において前記水性ガスシフト触媒よりも上流側に配置され前記主通路に一酸化炭素を供給する一酸化炭素供給手段（８０）と、前記一酸化炭素供給手段からの供給量を制御する制御手段（ＥＣＵ９０）と、を有し、前記制御手段は、前記水濃度検出手段に検出される水濃度が閾値以上となった場合に、前記一酸化炭素供給手段が一酸化炭素を前記主通路に供給するように制御することを特徴とする。

このように、主通路に配置された水濃度検出手段に検出される水濃度に基づいて一酸化炭素供給手段から一酸化炭素を主通路に供給することとすると、主通路の水濃度が高くなった場合に、主通路の一酸化炭素を多くすることができる。これにより、主通路に配置される水性ガスシフト触媒による水性ガスシフト反応が行われ、流体内の水が減少する。これにより、気体の水が燃料合成触媒の表面を覆うことを低減させ、燃料合成触媒の活性が向上し、燃料生成率が高くなる。よって、気体の水が燃料合成触媒を覆うことを抑制することで、燃料合成触媒による燃料生成率を向上させる燃料合成装置を提供することができる。

請求項４に係る発明は、請求項３に記載の燃料合成装置であって、前記一酸化炭素供給手段は、前記主通路に供給する一酸化炭素を、燃料と酸素とを化学反応させることで生成する一酸化炭素生成手段（８５）を有することを特徴とする。

このように、一酸化炭素供給手段が供給する一酸化炭素を、一酸化炭素生成手段における化学反応にて生成することができれば、水性ガスシフト反応を効果的に行うことが可能となる。

請求項５に係る発明は、請求項４に記載の燃料合成装置であって、前記一酸化炭素生成手段は、前記一酸化炭素を生成する過程において、前記燃料合成触媒の化学反応過程において発生した反応熱を得るための熱交換器（８８）を有することを特徴とする。

このように、前記燃料合成触媒の化学反応過程において発生した反応熱を得るための熱交換器を有する構成とすると、燃料合成触媒による化学反応が発熱反応であることから、燃料合成触媒による化学反応における反応熱を有効利用することができる。よって、より効率的に水性ガスシフト反応を行うことが可能となる。

請求項６に係る発明は、燃料合成装置（４）であって、少なくとも水素及び二酸化炭素が供給される主通路（１０）と、前記主通路に配置され前記水素と前記二酸化炭素とを化学反応させて燃料を合成する燃料合成触媒（２０）と、前記主通路において前記燃料合成触媒よりも上流側に配置され水性ガスシフト反応を行う水性ガスシフト触媒（４０）と、前記主通路において前記水性ガスシフト触媒よりも上流側に配置される水濃度検出手段（５０）と、前記主通路において前記燃料合成触媒よりも下流側に配置される気液分離手段（５５）と、前記気液分離手段にて分離したガスを前記主通路の前記水性ガスシフト触媒よりも上流側に還流させる還流通路（６０）と、前記燃料合成触媒を加熱する加熱手段（２５）と、前記加熱手段の制御を行う制御手段（ＥＣＵ９０）と、を有し、前記制御手段は、前記水濃度検出手段に検出される水濃度が閾値以上となった場合に、前記加熱手段が前記燃料合成触媒を加熱するように制御することを特徴とする。

このように、主通路に配置された水濃度検出手段に検出される水濃度に基づいて加熱手段を制御することとすると、主通路の水濃度が高くなった場合に、燃料合成触媒を加熱することができる。燃料合成触媒を加熱することにより、燃料合成触媒における化学反応の過程において一酸化炭素が多く生成され、この一酸化炭素が還流通路から主通路に導かれ、且つ当該一酸化炭素が水性ガスシフト反応に用いられることで、流体内の水が減少する。これにより、気体の水が燃料合成触媒の表面を覆うことを低減させ、燃料合成触媒の活性が向上し、燃料生成率が高くなる。よって、気体の水が燃料合成触媒を覆うことを抑制することで、燃料合成触媒による燃料生成率を向上させる燃料合成装置を提供することができる。

第一実施形態の燃料合成装置の全体構造を示す図である。 第一実施形態の切替制御のフローチャートである。 第二実施形態の燃料合成装置の全体構造を示す図である。 第二実施形態の一酸化炭素供給制御のフローチャートである。 第三実施形態の燃料合成装置の全体構造を示す図である。 第三実施形態の一酸化炭素生成・供給制御のフローチャートである。 第四実施形態の燃料合成装置の全体構造を示す図である。 第四実施形態の加熱制御のフローチャートである。

［第一実施形態］
以下、図面を参照しながら、本発明の第一実施形態の燃料合成装置１を詳細に説明する。なお、下記の説明において、上流側や下流側という用語は、説明対象となる装置に流れる流体の流れる方向における上流側と下流側を表す。

図１は、第一実施形態の燃料合成装置１の全体構造を示す図である。まず、燃料合成装置１が有する各通路の構成を説明する。燃料合成装置１は、供給された気体に対する燃料の合成と燃料の分離とが行われる主通路１０と、燃料の分離後の気相に残留したガスを、再び主通路１０における燃料合成装置２よりも上流側に還流させる還流通路６０とを、有する。なお、燃料合成装置１は、これらの通路外に、ＥＣＵ９０（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）を有する。ＥＣＵ９０は、各通路に配置される各種センサの値に基づいて、調整弁や切替手段を制御する。次に、本実施形態におけるその他の通路を説明する。

第一バイパス通路３０は、主通路１０において燃料合成触媒２０よりも上流側に配置される第一切替手段ＳＶ１から分岐し、再び燃料合成触媒２０の上流側に接続される。第一バイパス通路３０では、水性ガスシフト触媒４０を用いた水性ガスシフト反応が行われる。なお、本実施形態においては、第一バイパス通路３０が、還流通路６０の下流側の一部を介して主通路１０に接続されているが、これに限るものではない。例えば、第一バイパス通路３０の下流端が主通路１０に直接接続される構成でもよい。

第二バイパス通路７０は、還流通路６０に配置される第二切替手段ＳＶ２から分岐するように配置される。第二バイパス通路７０は、第一バイパス通路３０における水性ガスシフト触媒４０よりも上流側に接続される。

次に、各通路に配置される構成を詳細に説明する。主通路１０には、燃料合成触媒２０が配置される。また、主通路１０の燃料合成触媒２０よりも上流側には、第一切替手段ＳＶ１と、水濃度検出手段５０と、二酸化炭素供給手段５１と、水素供給手段５２と、が配置され、主通路１０の燃料合成触媒２０よりも下流側には、気液分離手段５５が配置される。主通路１０は、上流側から下流側に向かって、配管１１、配管１２、配管１３、配管１８、配管１９を有する。

燃料合成触媒２０は、二酸化炭素還元触媒であり、主通路１０に配置される反応筒２１内に配置される。反応筒２１は、上流側が主通路１０の配管１３に接続され、下流側が主通路１０の配管１８に接続される。主通路１０において燃料合成触媒２０の上流側から供給されるガスには、少なくとも水素（Ｈ_２）及び二酸化炭素（ＣＯ_２）が含まれる。水素と二酸化炭素は、反応筒２１内において、所定比で化学反応（水素化反応）が行われる。燃料合成触媒２０は、二酸化炭素及び水素の存在下において二酸化炭素を還元するとともに燃料としてのメタノール（ＣＨ_３ＯＨ）を生成する二酸化炭素の水素化反応を促進する。二酸化炭素還元触媒としては、例えば、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）やシリカ（ＳｉＯ_２）等の酸化物からなる担体に、銅（Ｃｕ）や亜鉛（Ｚｎ）等の遷移金属からなる触媒金属が担持された銅－亜鉛酸化物系触媒等の既知のものが用いられる。

燃料合成触媒２０による燃料合成の過程は、周知の技術を用いて行うことができる。例えば、反応筒２１内における二酸化炭素と水素の比が所定比になるように計量した水素を、Ｈ_２インジェクタから反応筒２１内に噴射し、さらに、不図示の圧縮機や加熱器によって反応筒２１内のガスを昇温、圧縮する。これにより、反応筒２１内では二酸化炭素還元触媒の作用下で、二酸化炭素の水素化反応（下記式（１）参照）が進行し、メタノールが生成される。また同時に、この二酸化炭素還元触媒の作用により、逆水性ガスシフト反応（下記式（２）参照）、及び一酸化炭素の水素化反応（下記式（３）参照）も進行し、メタノールを含む合成ガスが生成される。
ＣＯ_２＋３Ｈ_２→ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ …（１）
ＣＯ_２＋Ｈ_２→ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ …（２）
ＣＯ＋２Ｈ_２→ＣＨ_３ＯＨ …（３）

第一切替手段ＳＶ１は、主通路１０の配管１１と配管１２との間に配置され、主通路１０と第一バイパス通路３０とを切替える切替バルブである。第一切替手段ＳＶ１が切替わると、配管１１に流れる流体の流入先が、配管１２と第一バイパス通路３０とのいずれか一方に切替わる。第一切替手段ＳＶ１の切替えは、ＥＣＵ９０により行われる。

水濃度検出手段５０は、主通路１０において燃料合成触媒２０よりも上流側に配置され、主通路１０内の水濃度を検出するセンサである。水濃度検出手段５０は、主通路１０における配管１２と配管１３との間に配置される。水濃度検出手段５０で検出した水濃度の検出値は、ＥＣＵ９０に伝達される。

二酸化炭素供給手段５１は、二酸化炭素（ＣＯ_２）を貯蔵する二酸化炭素タンクから、二酸化炭素流量調整弁Ｖ５１を調整して、二酸化炭素を主通路１０の配管１１に供給する。二酸化炭素流量調整弁Ｖ５１の調整は、ＥＣＵ９０により行われる。なお、二酸化炭素供給手段５１の二酸化炭素タンクを、自動車等の車両における内燃機関から排出された排気中のＣＯ_２を吸着剤にて吸着したものとしてもよい。この場合、必要に応じてＣＯ_２を脱離させれば、二酸化炭素タンクとして用いることができる。排気中のＣＯ_２を吸着したものを二酸化炭素タンクとして用いた場合、不純物としての水も主通路１０に供給されることとなる。

水素供給手段５２は、水素（Ｈ_２）を貯蔵するタンクから、水素流量調整弁Ｖ５２を調整して、水素を主通路１０の配管１３に供給する。水素流量調整弁Ｖ５２の調整は、ＥＣＵ９０により行われる。

気液分離手段５５は、燃料合成触媒２０から供給される合成ガスを、熱交換により凝縮することで、液相と気相とに分離する。気液分離手段５５は、主通路１０における配管１８と配管１９の間に配置される。気液分離手段５５により分離され、メタノールを主成分とする液相は、配管１９を介して不図示の燃料タンクに供給される。気液分離手段５５により分離された気相には、副生成物の一酸化炭素（ＣＯ）、未反応の二酸化炭素及び窒素（Ｎ_２）、未回収となったメタノールや水が含まれる。気液分離手段５５にて気相として分離された気体は、還流通路６０に導かれる。

第一バイパス通路３０には、水性ガスシフト触媒４０が配置される。第一バイパス通路３０は、上流側から下流側に向かって、配管３１、配管３２を有する。

水性ガスシフト触媒４０は、第一バイパス通路３０に配置される反応器４１内に配置される。反応器４１は、上流側が第一バイパス通路３０の配管３１に接続され、下流側が第一バイパス通路３０の配管３２に接続される。水性ガスシフト触媒４０は、一酸化炭素と水蒸気を水性ガスシフト反応させ、水素及び二酸化炭素を生成する。水性ガスシフト反応は、周知の技術を用いて行うことができる。水性ガスシフト触媒４０は、本実施形態では白金（Ｐｔ）を用いているが、これに限るものではなく、周知の触媒を用いることもできる。これにより、水性ガスシフト反応（下記式（４）参照）が進行し、水素及び二酸化炭素が生成される。
ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋Ｈ_２ …（４）

還流通路６０には、第二切替手段ＳＶ２が配置される。還流通路６０は、上流側から下流側に向かって、配管６１、配管６２を有する。配管６２の下流端は主通路１０の配管１２に接続される。

第二切替手段ＳＶ２は、還流通路６０の配管６１と配管６２との間に配置され、還流通路６０と第二バイパス通路７０とを切替える切替バルブである。第二切替手段ＳＶ２が切替わると、配管６１を流れる流体の流入先が、配管６２と第二バイパス通路７０とのいずれか一方に切替わる。第二バイパス通路７０の下流端は、第一バイパス通路３０の配管３１に接続される。第二切替手段ＳＶ２の切替えは、ＥＣＵ９０により行われる。

ＥＣＵ９０は、上述の水濃度検出手段５０等の各種センサの検出値を信号にて受信する。これらの信号に基づいて、ＥＣＵ９０は、第一切替手段ＳＶ１や第二切替手段ＳＶ２を切替える。なお、ＥＣＵ９０が受信する検出信号の種類や、ＥＣＵ９０が制御する対象となる機器は、これに限るものではない。ＥＣＵ９０は、燃料合成装置１内に付帯される不図示のセンサの検出信号を受信するとともに、二酸化炭素流量調整弁Ｖ５１、水素流量調整弁Ｖ５２、圧縮機、加熱器、気液分離手段等、燃料合成装置１の各手段を制御する。

次に、図２を参照して、本実施形態の燃料合成装置１の切替制御を説明する。図２は、第一実施形態の切替制御のフローチャートである。本制御は、水濃度検出手段５０の検出値に基づいて、ＥＣＵ９０が、第一切替手段ＳＶ１及び第二切替手段ＳＶ２を制御する。

図２に示すように、ＥＣＵ９０が切替制御を開始すると、水濃度検出手段５０が、水濃度Ｃｓを検出する（ステップＳ０１）。ここで、水濃度Ｃｓが、閾値Ｃｔ以上となったかどうかを判断する（ステップＳ０２）。

ステップＳ０２で、水濃度Ｃｓが、閾値Ｃｔ以上（Ｃｓ≧Ｃｔ）と判断された場合、第一切替手段ＳＶ１が第一バイパス通路３０側となるように切替える（ステップＳ０３）。また、第二切替手段ＳＶ２が第二バイパス通路７０側となるように切替える（ステップＳ０４）。一方、水濃度Ｃｓが、閾値Ｃｔ以上と判断されない場合、第一切替手段ＳＶ１が主通路１０側となるように切替える（ステップＳ０５）。また、第二切替手段ＳＶ２が還流通路６０側となるように切替える（ステップＳ０６）。なお、第一切替手段ＳＶ１及び第二切替手段ＳＶ２の切替えの際、既に切替対象の状態となっていた場合には、切替動作を行わない。

以上のように、本実施形態によれば、主通路１０に配置された水濃度検出手段５０に検出される水濃度Ｃｓに基づいて第一切替手段ＳＶ１を制御する。主通路１０の水濃度Ｃｓが高くなった場合に、主通路１０に流れる流体が第一バイパス通路３０に導かれる。第一バイパス通路３０では、水性ガスシフト触媒４０にて水性ガスシフト反応が行われ、流体内の水が減少する。これにより、水濃度Ｃｓが低くなった流体が第一バイパス通路３０から主通路１０に導かれることで、気体の水が燃料合成触媒２０の表面を覆うことを低減させ、燃料合成触媒２０の活性が向上し、燃料生成率が高くなる。よって、気体の水が燃料合成触媒２０を覆うことを抑制することで、燃料合成触媒２０による燃料生成率を向上させる燃料合成装置１を提供することができる。

なお、本実施形態では、第一切替手段ＳＶ１の上流側には二酸化炭素供給手段５１が配置されている。ここで、二酸化炭素供給手段５１は、必ずしも純粋な二酸化炭素を供給するものでなくともよい。例えば、車両の排気ガスを吸着したものである場合など、二酸化炭素を供給する過程において、不純物として水が含まれている場合もある。この場合、第一切替手段ＳＶ１を切替えることで、水性ガスシフト反応にて気体の水を減らし、燃料合成触媒２０による燃料生成率を高くすることができる。

また、本実施形態によれば、主通路１０に配置された水濃度検出手段５０に検出される水濃度Ｃｓに基づいて第二切替手段ＳＶ２を制御する。還流通路６０には、気液分離手段５５で分離されなかった水が含まれる。ここで、主通路１０の水濃度Ｃｓが高くなった場合に、還流通路６０に流れる流体（水）が第二バイパス通路７０から第一バイパス通路３０に導かれる。第一バイパス通路３０では、水性ガスシフト触媒４０にて水性ガスシフト反応が行われ、流体内の水が減少する。これにより、水濃度Ｃｓが低くなった流体が第一バイパス通路３０から主通路１０に導かれることで、気体の水が燃料合成触媒２０の表面を覆うことを低減させ、燃料合成触媒２０の活性が向上し、燃料生成率が高くなる。

本実施形態においては、水濃度が閾値以上と判断された場合、第一切替手段ＳＶ１及び第二切替手段ＳＶ２の両方を切替えていたが、これに限るものではない。例えば、水濃度が閾値以上と判断された場合、第一切替手段ＳＶ１のみを第一バイパス通路３０側となるように切替えてもよいし、第二切替手段ＳＶ２のみを第二バイパス通路７０側となるように切替えてもよい。

［第二実施形態］
以下、図面を参照しながら、本発明の第二実施形態の燃料合成装置２を詳細に説明する。なお、前述の実施形態と同様の構成については、特に必要な場合を除き、同符号を付して説明を省略する。

図３は、第二実施形態の燃料合成装置２の全体構造を示す図である。まず、燃料合成装置２が有する各通路の構成を説明する。燃料合成装置２は、供給された気体に対する水性ガスシフト反応、燃料の合成及び燃料の分離が行われる主通路１０と、燃料の分離後の気相に残留したガスを、再び主通路１０における燃料合成装置２よりも上流側に還流させる還流通路６０とを、有する。なお、燃料合成装置２は、これらの通路外に、ＥＣＵ９０を有する。

次に、各通路に配置される構成を詳細に説明する。主通路１０には、燃料合成触媒２０が配置される。また、主通路１０の燃料合成触媒２０よりも上流側には、水性ガスシフト触媒４０と、水濃度検出手段５０と、二酸化炭素供給手段５１と、水素供給手段５２と、が配置され、主通路１０の燃料合成触媒２０よりも下流側には、気液分離手段５５が配置される。主通路１０は、上流側から下流側に向かって、配管１１、配管１４、配管１５、配管１８、配管１９を有する。

燃料合成触媒２０は、主通路１０に配置される反応筒２１内に配置される。反応筒２１は、上流側が主通路１０の配管１５に接続され、下流側が主通路１０の配管１８に接続される。主通路１０において燃料合成触媒２０の上流側から供給されるガスには、少なくとも水素（Ｈ_２）及び二酸化炭素（ＣＯ_２）が含まれる。

水性ガスシフト触媒４０は、主通路１０に配置される反応器４１内に配置される。反応器４１は、上流側が主通路１０の配管１４に接続され、下流側が主通路１０の配管１５に接続される。

水濃度検出手段５０は、主通路１０において燃料合成触媒２０よりも上流側に配置され、且つ、本実施形態においては、水性ガスシフト触媒４０よりも上流側に配置される。水濃度検出手段５０は、主通路１０における配管１１と配管１４との間に配置される。

二酸化炭素供給手段５１は、二酸化炭素を主通路１０の配管１１に供給する。また、水素供給手段５２は、水素を主通路１０の配管１５に供給する。

一酸化炭素供給手段８０は、一酸化炭素（ＣＯ）を貯蔵する一酸化炭素タンクから、一酸化炭素流量調整弁Ｖ８０を調整して、一酸化炭素を主通路１０の配管１４に供給する。なお、一酸化炭素の供給先は、水性ガスシフト触媒４０よりも上流側であればよいため、必ずしもこれに限るものではなく、主通路１０の配管１１に供給することとしてもよい。一酸化炭素流量調整弁Ｖ８０の調整は、ＥＣＵ９０により行われる。

還流通路６０は、上流端が気液分離手段５５に接続されることは前述の実施形態と同様であるが、本実施形態においては、下流端が主通路１０の配管１１に接続される。このため、還流通路６０を通過した流体は、水濃度検出手段５０よりも主通路１０における上流側に供給されることになる。

ＥＣＵ９０は、上述の水濃度検出手段５０等の各種センサの検出値を信号にて受信する。これらの信号に基づいて、ＥＣＵ９０は、一酸化炭素流量調整弁Ｖ８０を制御する。

次に、図４を参照して、本実施形態の燃料合成装置２の供給制御を説明する。図４は、第二実施形態の一酸化炭素供給制御のフローチャートである。本制御は、水濃度検出手段５０の検出値に基づいて、ＥＣＵ９０が、一酸化炭素流量調整弁Ｖ８０を制御する。

図４に示すように、ＥＣＵ９０が供給制御を開始すると、水濃度検出手段５０が、水濃度Ｃｓを検出する（ステップＳ１１）。ここで、水濃度Ｃｓが、閾値Ｃｔ以上となったかどうかを判断する（ステップＳ１２）。

ステップＳ１２で、水濃度Ｃｓが、閾値Ｃｔ以上（Ｃｓ≧Ｃｔ）と判断された場合、一酸化炭素流量調整弁Ｖ８０を開いて、一酸化炭素を主通路１０に供給させる（ステップＳ１３）。ここで、具体的な一酸化炭素の供給量は、水濃度の高さに応じて量を調整することとしてもよいし、所定量としてもよい。一方、水濃度Ｃｓが、閾値Ｃｔ以上と判断されない場合、一酸化炭素流量調整弁Ｖ８０を開かず、主通路１０には一酸化炭素を供給させない（ステップＳ１４）。

以上のように、本実施形態によれば、主通路１０に配置された水濃度検出手段５０に検出される水濃度Ｃｓに基づいて一酸化炭素供給手段８０から一酸化炭素を主通路１０に供給する。このため、主通路１０の水濃度Ｃｓが高くなった場合に、主通路１０の一酸化炭素を多くすることができる。これにより、主通路１０に配置される水性ガスシフト触媒４０による水性ガスシフト反応が効果的に行われ、流体内の水が減少する。これにより、気体の水が燃料合成触媒２０の表面を覆うことを低減させ、燃料合成触媒２０の活性が向上し、燃料生成率が高くなる。よって、気体の水が燃料合成触媒２０を覆うことを抑制することで、燃料合成触媒２０による燃料生成率を向上させる燃料合成装置２を提供することができる。

［第三実施形態］
以下、図面を参照しながら、本発明の第三実施形態の燃料合成装置３を詳細に説明する。なお、前述の実施形態と同様の構成については、特に必要な場合を除き、同符号を付して説明を省略する。特に、第三実施形態の概略は、第二実施形態と類似している。このため、第二実施形態と異なり、本実施形態の特徴部分である一酸化炭素生成手段８５の構成を中心に説明する。

図５は、第三実施形態の燃料合成装置３の全体構造を示す図である。燃料合成装置３は、主通路１０や還流通路６０の通路外に、ＥＣＵ９０を有する。また、一酸化炭素供給手段８０は、主通路１０に供給する一酸化炭素を、燃料と酸素（Ｏ_２）とを化学反応させることで生成する一酸化炭素生成手段８５を有する。一酸化炭素生成手段８５によって生成された一酸化炭素は、一酸化炭素流量調整弁Ｖ８０から主通路１０の配管１４に供給される。

一酸化炭素生成手段８５は、燃料を供給する燃料供給手段８６と、酸素を供給する酸素供給手段８７と、熱交換器８８とを有する。

燃料供給手段８６は、燃料を貯蔵する燃料タンクから、燃料流量調整弁Ｖ８６を調整して、燃料を熱交換器８８に供給する。燃料は、車両用の燃料であり、具体的には、ガソリン、ディーゼル燃料、アルコール、天然ガス、プロパンガス、バイオディーゼル等の炭化水素類である。また、炭化水素類としては、アルカン類、アルケン類、アルキン類、芳香族化合物等である。燃料流量調整弁Ｖ８６の調整は、ＥＣＵ９０により行われる。

酸素供給手段８７は、酸素を貯蔵する酸素タンクから、酸素流量調整弁Ｖ８７を調整して、酸素を熱交換器８８に供給する。酸素流量調整弁Ｖ８７の調整は、ＥＣＵ９０により行われる。

熱交換器８８は、燃料供給手段８６から供給される燃料と酸素供給手段８７から供給される酸素との混合気に対して熱を加えて、不完全燃焼をさせることで、一酸化炭素を生成する。熱交換器８８に供給される熱は、燃料合成触媒２０を用いた水素と二酸化炭素との化学反応が発熱反応であることから、反応筒２１にて発生した熱を冷却水等の熱交換媒体を介して熱交換器８８に供給される。このようにして、熱交換器８８は、化学反応過程において発生した反応熱を得る。

次に、図６を参照して、本実施形態の燃料合成装置３の供給制御を説明する。図６は、第三実施形態の一酸化炭素生成・供給制御のフローチャートである。本制御は、水濃度検出手段５０の検出値に基づいて、ＥＣＵ９０が、燃料流量調整弁Ｖ８６、酸素流量調整弁Ｖ８７及び一酸化炭素流量調整弁Ｖ８０を制御する。

図６に示すように、ＥＣＵ９０が供給制御を開始すると、水濃度検出手段５０が、水濃度Ｃｓを検出する（ステップＳ２１）。ここで、水濃度Ｃｓが、閾値Ｃｔ以上となったかどうかを判断する（ステップＳ２２）。

ステップＳ２２で、水濃度Ｃｓが、閾値Ｃｔ以上（Ｃｓ≧Ｃｔ）と判断された場合、燃料流量調整弁Ｖ８６及び酸素流量調整弁Ｖ８７を開き、一酸化炭素の生成を開始する。熱交換器８８を通過して生成された一酸化炭素は、一酸化炭素流量調整弁Ｖ８０を開くことにより、主通路１０に供給される（ステップＳ２３）。一方、水濃度Ｃｓが、閾値Ｃｔ以上と判断されない場合、燃料流量調整弁Ｖ８６、酸素流量調整弁Ｖ８７及び一酸化炭素流量調整弁Ｖ８０を開かず、主通路１０には一酸化炭素は供給されない（ステップＳ２４）。

以上のように、本実施形態によれば、一酸化炭素供給手段８０が供給する一酸化炭素を、一酸化炭素生成手段８５における化学反応にて生成することができる。これにより、水性ガスシフト反応を効果的に行うことが可能となる。

［第四実施形態］
以下、図面を参照しながら、本発明の第四実施形態の燃料合成装置４を詳細に説明する。なお、前述の実施形態と同様の構成については、特に必要な場合を除き、同符号を付して説明を省略する。特に、第四実施形態の概略構成は、第二実施形態と類似している。本実施形態の燃料合成装置４は、一酸化炭素を生成するために、第二実施形態のような一酸化炭素供給手段８０を付帯するのではなく、燃料合成触媒２０の反応筒２１に加熱手段２５を付帯している。このため、本実施形態の特徴部分である加熱手段２５の構成を中心に説明する。

加熱手段２５は、反応筒２１に配置され、燃料合成触媒２０を加熱するヒータである。一般に、２５０℃以下の低温でメタノール合成が行われる場合、一酸化炭素が生成されない（下記式（５）参照）。一方、３００℃以上の高温でメタノール合成が行われる場合、一酸化炭素が生成される（下記式（６）参照）。
ＣＯ_２＋３Ｈ_２→ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ …（５）
２ＣＯ_２＋４Ｈ_２→ＣＨ_３ＯＨ＋２Ｈ_２Ｏ＋ＣＯ …（６）

このため、加熱手段２５で燃料合成触媒２０または反応筒２１を一酸化炭素が生成される温度以上に加熱することで、一酸化炭素を生成する。生成された一酸化炭素は、気液分離手段５５により分離され、還流通路６０を介して主通路１０における水性ガスシフト触媒４０よりも上流側に供給される。これにより、水性ガスシフト触媒４０による水性ガスシフト反応が効果的に行われ、燃料合成触媒２０に流入する水が減る。

次に、図８を参照して、本実施形態の燃料合成装置４の加熱制御を説明する。図８は、第四実施形態の加熱制御のフローチャートである。本制御は、水濃度検出手段５０の検出値に基づいて、ＥＣＵ９０が、加熱手段２５を制御する。

図８に示すように、ＥＣＵ９０が供給制御を開始すると、水濃度検出手段５０が、水濃度Ｃｓを検出する（ステップＳ３１）。ここで、水濃度Ｃｓが、閾値Ｃｔ以上となったかどうかを判断する（ステップＳ３２）。

ステップＳ３２で、水濃度Ｃｓが、閾値Ｃｔ以上（Ｃｓ≧Ｃｔ）と判断された場合、加熱手段２５をＯＮにして、燃料合成触媒２０を加熱する（ステップＳ３３）。一方、水濃度Ｃｓが、閾値Ｃｔ以上と判断されない場合、加熱手段２５をＯＦＦにして、燃料合成触媒２０の加熱を行わない（ステップＳ３４）。

以上のように、本実施形態によれば、主通路１０に配置された水濃度検出手段５０に検出される水濃度に基づいて加熱手段２５を制御することとすると、主通路１０の水濃度が高くなった場合に、燃料合成触媒２０を加熱することができる。これにより、燃料合成触媒２０における化学反応の過程において一酸化炭素が多く生成され、この一酸化炭素が還流通路６０から主通路１０に導かれ、且つ当該一酸化炭素が水性ガスシフト反応に用いられることで、流体内の水が減少する。これにより、気体の水が燃料合成触媒２０の表面を覆うことを低減させ、燃料合成触媒２０の活性が向上し、燃料生成率が高くなる。よって、気体の水が燃料合成触媒２０を覆うことを抑制することで、燃料合成触媒２０による燃料生成率を向上させる燃料合成装置４を提供することができる。

なお、本発明は、説明した実施形態に限定されることなく、種々の態様で実施することができる。また、構造的に可能な範囲において、上述の実施形態を組み合わせることができる。

１，２，３，４…燃料合成装置
１０…主通路
２０…燃料合成触媒
２５…加熱手段
３０…第一バイパス通路（バイパス通路）
４０…水性ガスシフト触媒
５０…水濃度検出手段
５５…気液分離手段
６０…還流通路
７０…第二バイパス通路
８０…一酸化炭素供給手段
８５…一酸化炭素生成手段
８８…熱交換器
９０…ＥＣＵ（制御手段）
ＳＶ１…第一切替手段（切替手段）
ＳＶ２…第二切替手段

Claims (6)

1. 少なくとも水素及び二酸化炭素が供給される主通路と、
   前記主通路に配置され前記水素と前記二酸化炭素とを化学反応させて燃料を合成する燃料合成触媒と、
   前記主通路から分岐するように構成され且つ前記燃料合成触媒よりも上流側に接続されるバイパス通路と、
   前記バイパス通路に配置され水性ガスシフト反応を行う水性ガスシフト触媒と、
   前記主通路に配置され前記主通路と前記バイパス通路とを切替える切替手段と、
   前記主通路において前記燃料合成触媒よりも上流側に配置される水濃度検出手段と、
   前記切替手段を制御する制御手段と、
   前記主通路において前記燃料合成触媒よりも下流側に配置される気液分離手段と、
   前記気液分離手段にて分離したガスを前記主通路に還流させる還流通路と、を有し、
   前記制御手段は、前記水濃度検出手段に検出される水濃度が閾値以上となった場合に、前記切替手段を前記主通路から前記バイパス通路へと切替えるように制御することを特徴とする燃料合成装置。
2. 前記還流通路から分岐するように構成され且つ前記バイパス通路において前記水性ガスシフト触媒よりも上流側に接続される第二バイパス通路と、
   前記還流通路に配置され前記還流通路と前記第二バイパス通路とを切替える第二切替手段と、を有し、
   前記制御手段は、前記水濃度検出手段に検出される前記水濃度が閾値以上となった場合に、前記第二切替手段を前記還流通路から前記第二バイパス通路へと切替えるように制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料合成装置。
3. 少なくとも水素及び二酸化炭素が供給される主通路と、
   前記主通路に配置され前記水素と前記二酸化炭素とを化学反応させて燃料を合成する燃料合成触媒と、
   前記主通路において前記燃料合成触媒よりも上流側に配置され水性ガスシフト反応を行う水性ガスシフト触媒と、
   前記主通路において前記水性ガスシフト触媒よりも上流側に配置される水濃度検出手段と、
   前記主通路において前記燃料合成触媒よりも下流側に配置される気液分離手段と、
   前記気液分離手段にて分離したガスを前記主通路に還流させる還流通路と、
   前記主通路において前記水性ガスシフト触媒よりも上流側に配置され前記主通路に一酸化炭素を供給する一酸化炭素供給手段と、
   前記一酸化炭素供給手段からの供給量を制御する制御手段と、を有し、
   前記制御手段は、前記水濃度検出手段に検出される水濃度が閾値以上となった場合に、前記一酸化炭素供給手段が一酸化炭素を前記主通路に供給するように制御することを特徴とする燃料合成装置。
4. 前記一酸化炭素供給手段は、前記主通路に供給する前記一酸化炭素を燃料と酸素とを、化学反応させることで生成する一酸化炭素生成手段を有することを特徴とする請求項３に記載の燃料合成装置。
5. 前記一酸化炭素生成手段は、前記一酸化炭素を生成する過程において、前記燃料合成触媒の化学反応過程において発生した反応熱を得るための熱交換器を有することを特徴とする請求項４に記載の燃料合成装置。
6. 少なくとも水素及び二酸化炭素が供給される主通路と、
   前記主通路に配置され前記水素と前記二酸化炭素とを化学反応させて燃料を合成する燃料合成触媒と、
   前記主通路において前記燃料合成触媒よりも上流側に配置され水性ガスシフト反応を行う水性ガスシフト触媒と、
   前記主通路において前記水性ガスシフト触媒よりも上流側に配置される水濃度検出手段と、
   前記主通路において前記燃料合成触媒よりも下流側に配置される気液分離手段と、
   前記気液分離手段にて分離したガスを前記主通路の前記水性ガスシフト触媒よりも上流側に還流させる還流通路と、
   前記燃料合成触媒を加熱する加熱手段と、
   前記加熱手段の制御を行う制御手段と、を有し、
   前記制御手段は、前記水濃度検出手段に検出される水濃度が閾値以上となった場合に、前記加熱手段が前記燃料合成触媒を加熱するように制御することを特徴とする燃料合成装置。

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