(57)【要約】【課題】排気ガスの熱を利用して排気ガス中の二酸化炭素を効率よく削減できる内燃機関を提供する。【解決手段】内燃機関は、排気ガスに含まれる二酸化炭素を分離する分離装置３０と、分離装置３０により分離された二酸化炭素を、水素と触媒によってメタンに改質する改質装置２０と、分離装置３０において排気ガスの熱を利用して二酸化炭素を分離するための第１加熱装置１０と、改質装置２０において二酸化炭素をメタンに改質するために、排気ガスの熱を利用して触媒を加熱する第２加熱装置２１を備える。【選択図】図１
2018035767.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気ガスに含まれる二酸化炭素を分離する分離装置と、
上記分離装置により分離された上記二酸化炭素を、水素と触媒を用いてメタンに改質する改質装置と、
上記分離装置において上記排気ガスの熱を利用して上記二酸化炭素を分離するための第１加熱装置と、
上記改質装置において上記二酸化炭素をメタンに改質するために、上記排気ガスの熱を利用して少なくとも上記触媒を加熱する第２加熱装置と
を備えたことを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
請求項１に記載の内燃機関において、
上記改質装置により改質された上記メタンを燃料として燃焼可能に構成された可燃性ガスを燃料とするガスエンジンであることを特徴とする内燃機関。
【請求項３】
請求項１または２に記載の内燃機関において、
上記分離装置は、上記排気ガスに含まれる二酸化炭素をアミン系吸収液に吸収し、上記二酸化炭素を吸収した上記アミン系吸収液を上記排気ガスの熱を利用して加熱することにより、上記アミン系吸収液から上記二酸化炭素を分離することを特徴とする内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、内燃機関としては、排気ガスから二酸化炭素を分離・回収する回収槽と、水素ガスを供給する改質器と、回収槽により分離・回収された二酸化炭素と改質器から供給された水素ガスとを反応させて燃料(メタノールおよび／またはジメチルエーテル)を生成する反応装置を備えたガスエンジンがある(例えば、特開２００５−０６９００５号公報(特許文献１)参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−０６９００５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記従来の内燃機関では、ガスエンジンの冷却水により回収槽内の溶液に温熱を与えることによって、溶液内の二酸化炭素を分離して取り出している。
【０００５】
このため、上記内燃機関では、冷却水の温度が１００℃以下であるため、排気ガスに含まれる二酸化炭素を分離する装置の効率が悪いという問題がある。
【０００６】
また、上記内燃機関では、二酸化炭素と水素ガスとを反応装置で高温状態にして反応させるため、外部から熱エネルギーを供給する必要がある。したがって、上記内燃機関では、高温の排気ガスがそのまま排出されるため、排気ガスの熱エネルギーが有効に利用されていないという問題がある。
【０００７】
そこで、この発明の課題は、排気ガスの熱を利用して排気ガス中の二酸化炭素を効率よく削減できる内燃機関を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、この発明の内燃機関は、
排気ガスに含まれる二酸化炭素を分離する分離装置と、
上記分離装置により分離された上記二酸化炭素を、水素と触媒を用いてメタンに改質する改質装置と、
上記分離装置において上記排気ガスの熱を利用して上記二酸化炭素を分離するための第１加熱装置と、
上記改質装置において上記二酸化炭素をメタンに改質するために、上記排気ガスの熱を利用して少なくとも上記触媒を加熱する第２加熱装置と
を備えたことを特徴とする。
【０００９】
上記構成によれば、分離装置において、第１加熱装置により排気ガスの熱を利用して、排気ガスに含まれる二酸化炭素を分離する。次に、改質装置において、分離装置により分離された二酸化炭素を、水素と触媒を用いてメタンに改質する。このとき、二酸化炭素をメタンに改質するための水素は、外部から供給してもよいし、水素タンクなどの水素貯蔵手段から供給してもよいし、水素生成装置により水を電気分解したり燃料を改質したりすることにより供給してもよい。ここで、第２加熱装置によって排気ガスの熱を利用して少なくとも触媒を適切な温度に加熱することにより、二酸化炭素と水素との化学反応が促進される。
【００１０】
これにより、排気ガスの熱のみを利用して排気ガス中の二酸化炭素を削減することが可能になる。したがって、外部からの熱エネルギーを用いずに、排気ガス中の二酸化炭素を分離してメタンを生成することができ、二酸化炭素の分離と改質に排気ガスの熱エネルギーを有効に利用することで熱効率を向上できる。
【００１１】
また、一実施形態の内燃機関は、
上記改質装置により改質された上記メタンを燃料として燃焼可能に構成された可燃性ガスを燃料とするガスエンジンである。
【００１２】
ここで、上記ガスエンジンは、プロパン、ブタン、都市ガス、ＬＮＧ(Liquefied Natural Gas:液化天然ガス)、ＬＰＧ(Liquefied Petroleum Gas:液化石油ガス)、ＳＮＧ(Substitute Natural Gas：代替天然ガス)などの可燃性ガスを燃料とする内燃機関である。
【００１３】
上記実施形態によれば、可燃性ガスを燃料とするガスエンジンに、改質装置により改質されたメタンを燃料として再利用することにより、熱効率をさらに向上できる。
【００１４】
また、一実施形態の内燃機関では、
上記分離装置は、上記排気ガスに含まれる二酸化炭素をアミン系吸収液に吸収し、上記二酸化炭素を吸収した上記アミン系吸収液を上記排気ガスの熱を利用して加熱することにより、上記アミン系吸収液から上記二酸化炭素を分離する。
【００１５】
上記実施形態によれば、排気ガスとアミン系吸収液とを接触させて排気ガス中の二酸化炭素を吸収した後、アミン系吸収液を加熱して二酸化炭素を分離することによって、比較的低い温度(例えば、吸収:４０℃〜５０℃、分離：１１０℃〜１３０℃)で二酸化炭素の吸収と分離ができるので、排気ガスの熱エネルギーを活用することができる。また、排気ガス中の二酸化炭素が低圧、低濃度であっても高い除去率を達成できる。
【発明の効果】
【００１６】
以上より明らかなように、この発明によれば、排気ガスの熱を利用して排気ガス中の二酸化炭素を効率よく削減できる内燃機関を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１はこの発明の実施の一形態の内燃機関の一例としてのガスエンジンの構成図である。
【図２】図２は上記ガスエンジンの改質装置における二酸化炭素の変換効率の温度依存性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、この発明の内燃機関を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００１９】
図１はこの発明の実施の一形態の内燃機関の一例としてのガスエンジンの構成図を示している。このガスエンジンは、プロパン、ブタン、都市ガス、ＬＮＧ(Liquefied Natural Gas:液化天然ガス)、ＬＰＧ(Liquefied Petroleum Gas:液化石油ガス)、ＳＮＧ(Substitute Natural Gas：代替天然ガス)などの可燃性ガスを燃料とする。
【００２０】
この実施の形態のガスエンジンは、図１に示すように、吸気ポート１ａと排気ポート１ｂを有する円筒状のシリンダ１と、シリンダ１内に配置されたピストン２と、ガス燃料が混合された混合ガスが流入する吸気ポート１ａを開閉する吸気バルブ３と、排気ガスが排出される排気ポート１ｂを開閉する排気バルブ４と、シリンダ１内の混合ガスに点火する点火装置５とを備えている。この実施の形態では、点火装置５に点火プラグを用いたが、副室式点火装置であってもよい。
【００２１】
また、上記ガスエンジンは、熱交換器１１と加熱器１２とで構成された第１加熱装置１０と、改質装置２０と、分離装置３０と、第２加熱装置２１とを備えている。上記熱交換器１１は、排気ガスと熱媒体との間で熱交換を行って熱媒体を加熱し、その熱媒体を加熱器１２を介して循環させて、分離装置３０内のアミン系吸収液を加熱する。
【００２２】
上記分離装置３０は、吸収塔３０ａと再生塔３０ｂとを有し、吸収塔３０ａの底部と再生塔３０ｂの底部が連通している。この再生塔３０ｂ内の下側に、アミン系吸収液を加熱するための加熱部１２を配置している。
【００２３】
＜二酸化炭素の吸収・分離＞
上記シリンダ１の排気ポート１ｂから排出された排気ガスの一部は、第１加熱装置１０の熱交換器１１と第２加熱装置２１を介して分離装置３０の吸収塔３０ａ内の下側に供給される。
【００２４】
上記分離装置３０の吸収塔３０ａ内で、排気ガス中の二酸化炭素がアミン系吸収液に吸収される。そして、排気ガスの残りは、上部から大気中に放出される。
【００２５】
なお、改質装置２０を介して分離装置３０に供給する排気ガスをエンジン冷却水により冷却する冷却器４０を備えてもよい。この冷却器４０によって、分離装置３０に供給する排気ガスを最適な温度(例えば４０℃〜５０℃)になるように冷却することで、大気圧下で二酸化炭素がアミン系吸収液に効率よく吸収される。
【００２６】
一方、分離装置３０の再生塔３０ｂでは、アミン系吸収液を加熱器１２により加熱して最適な温度(例えば１１０℃〜１３０℃)にすることにより、大気圧下でアミン系吸収液から二酸化炭素(ＣＯ２)を効率よく分離する。
【００２７】
この分離装置３０では、吸収液としてアルカノールアミン水溶液などのアミン系吸収液を使用して二酸化炭素を分離するアミン法を用いている。上記アルカノールアミン水溶液などのアミン系吸収液は、アミノ基を分子構造中に有し、アミノ基と二酸化炭素が結合反応を起こしてアミン炭酸塩を形成する。このアミン炭酸塩を加熱すると、二酸化炭素が解離して放散される。
【００２８】
＜メタンの生成＞
次に、改質装置２０は、分離装置３０から供給された二酸化炭素(ＣＯ２)と、水素タンク(図示せず)から供給された水素(Ｈ２)とを大気圧下で高温状態にして、Ｒｕ／ＴｉＯ２を触媒に用いて二酸化炭素(ＣＯ２)を水素還元させるサバチエ反応によってメタン(ＣＨ４)と水(Ｈ２Ｏ)を生成する。このときの化学反応は次式で表される。
ＣＯ２＋４Ｈ２  →ＣＨ４＋２Ｈ２Ｏ
【００２９】
ここで、触媒のＲｕ／ＴｉＯ２は、酸化チタンＴｉＯ２上にルテニウムＲｕを担持させたものである。
【００３０】
このようにして、改質装置２０により得られたメタンは、再び燃料としてガス燃料に混合されてシリンダ１内に供給される。
【００３１】
なお、改質装置２０で得られたメタンをタンクなどに一旦貯蔵して、必要なときにタンクのメタンをガス燃料に混合してシリンダ１内に供給してもよいし、タンクに貯蔵されたメタンを他の用途に利用してもよい。
【００３２】
図２は上記ガスエンジンの改質装置２０における二酸化炭素の変換効率の温度依存性を示している。図２では、サバチエ反応に用いる触媒をＲｕ／ＴｉＯ２としている。
【００３３】
この改質装置２０では、図２に示すように、大気圧下において、１５０℃〜２３０℃で変換効率は２０％〜９５％(１７０℃で変換効率は約５０％)であり、３００℃以上の反応温度が必要な一般的なサバチエ反応に比べて反応温度が低い触媒を用いている。
【００３４】
このように、改質装置２０では、比較的低温でサバチエ反応が行えるので、排気ガスの温度でも、排気ガスの熱を利用して触媒を加熱することにより化学反応を促進させることができる。例えば、排出直後の排気ガスの温度が４００℃であっても、装置構成を考慮した場合、熱エネルギーを利用するときの温度は２００℃程度かそれよりも低くなる。
【００３５】
上記ガスエンジンでは、分離装置３０および改質装置２０において加熱に利用する排気ガスの温度を調整する手段を備えていないが、改質装置２０におけるサバチエ反応の温度を１７０℃〜２００℃となるように装置全体を構成することで、少なくとも５０％〜８０％の変換効率が得られる。これによって、ガスエンジンの運転状況に応じて排気ガスの温度が変動しても、多くのメタンを生成して二酸化炭素の排出量を低減しつつ、エネルギー効率を向上できる。
【００３６】
上記構成のガスエンジンによれば、分離装置３０において、第１加熱装置１０により排気ガスの熱を利用して、排気ガスに含まれる二酸化炭素を分離した後、分離装置３０により分離された二酸化炭素を、改質装置２０において水素と触媒を用いてメタンに改質する。このときの水素は、水素貯蔵手段としての水素タンクから供給したが、外部から供給してもよいし、水を電気分解したりガス燃料を改質したりする水素生成装置によって得られた水素を供給してもよい。なお、水素生成は、総合的なエネルギー効率の観点から太陽光などの自然エネルギーを用いるか、あるいは、排気ガスの熱を利用するのが望ましい。
【００３７】
ここで、第２加熱装置２１によって排気ガスの熱を利用して二酸化炭素と水素および触媒を適切な温度(例えば１７０℃〜２００℃)に加熱することにより、二酸化炭素と水素との化学反応が促進される。なお、第２加熱装置２１は、排気ガスの熱を利用して二酸化炭素と水素および触媒のうちの少なくとも触媒を加熱すればよい。
【００３８】
これにより、排気ガスの熱のみを利用して排気ガス中の二酸化炭素を削減することが可能になる。したがって、外部からの熱エネルギーを用いずに、排気ガス中の二酸化炭素を分離してメタンを生成することができ、二酸化炭素の分離と改質に排気ガスの熱エネルギーを有効利用することで熱効率を向上できる。
【００３９】
また、可燃性ガスを燃料とするガスエンジンに、改質装置２０により改質されたメタンを燃料として再利用することにより、熱効率をさらに向上できる。
【００４０】
このように、排気ガス中の二酸化炭素を燃料化して再利用することにより、地球温暖化を引き起こす温室効果ガスの１つである二酸化炭素の排出量を削減できる。
【００４１】
また、上記排気ガスとアミン系吸収液とを接触させて排気ガス中の二酸化炭素を吸収した後、アミン系吸収液を加熱して二酸化炭素を分離することによって、比較的低い温度(例えば、吸収:４０℃〜５０℃、分離：１１０℃〜１３０℃)で二酸化炭素の吸収と分離ができるので、排気ガスの熱エネルギーを活用することができる。また、排気ガス中の二酸化炭素が低圧、低濃度であっても高い除去率を達成できる。
【００４２】
なお、上記実施の形態では、第１加熱装置１０の熱交換器１１と第２加熱装置２１の順に排気ガスを通過させて分離装置３０に供給したが、第２加熱装置２１と第１加熱装置１０の熱交換器１１の順に排気ガスを通過させて分離装置３０に供給してもよい。あるいは、第１加熱装置１０の熱交換器１１と第２加熱装置２１の夫々に別々の流路を介して排気ガスを通過させた後、少なくとも一方を分離装置３０に供給するようにしてもよい。
【００４３】
また、上記実施の形態では、排気ガス中の二酸化炭素(ＣＯ２)をアミン系吸収液を用いて分離するアミン法を用いたが、二酸化炭素の分離方法はこれに限らず、化学吸収法(アミン法を除く)、膜分離法、物理吸収法を用いてもよい。この化学吸収法は、アルカリ性溶液を吸収液として二酸化炭素を化学反応によって吸収させた後、加熱により二酸化炭素を放出させる方法である。また、膜分離法は、高分子膜などによる気体の透過速度の違いを利用して混合ガスから各気体を分離する方法である。また、物理吸収法は、メタノールやポリエチレングリコールなどの吸収液を使用して、高圧、低温下で物理的に二酸化炭素を吸収させた後、減圧または加熱により二酸化炭素を放散させる方法である。
【００４４】
また、上記実施の形態では、二酸化炭素と水素とをＲｕ／ＴｉＯ２を触媒に用いたサバチエ反応によってメタンと水を生成したが、サバチエ反応に用いる触媒はこれに限らず、ニッケルＮｉや、酸化アルミニウムＡｌ２Ｏ３上にルテニウムＲｕを担持させた触媒などを用いてもよい。また、サバチエ反応に限らず、二酸化炭素と水素を反応させてメタンと水を生成する他の反応を用いてもよい。
【００４５】
また、上記実施の形態では、内燃機関としてのガスエンジンについて説明したが、ガソリンなどの液体燃料を用いたエンジンにこの発明を適用してもよい。この場合、改質装置により生成されたメタンを液体燃料に混合して用いてもよい。
【００４６】
また、上記実施の形態では、排気ガスの熱のみを利用して排気ガス中の二酸化炭素の分離と改質を行ったが、排気ガスの熱エネルギー以外に他の熱エネルギーを、二酸化炭素の分離と改質の少なくとも一方において部分的に用いてもよい。
【００４７】
この発明の具体的な実施の形態について説明したが、この発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。
【符号の説明】
【００４８】
１…シリンダ
１ａ…吸気ポート
１ｂ…排気ポート
２…ピストン
３…吸気バルブ
４…排気バルブ
５…点火装置
１０…第１加熱装置
１１…熱交換器
１２…加熱器
２０…改質装置
２１…第２加熱装置
３０…分離装置
３０ａ…吸収塔
３０ｂ…再生塔
４０…冷却器
【図１】
2018035767.tif 000003
【図２】
2018035767.tif 000004
【手続補正書】
【提出日】平成29年8月10日(2017.8.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気ガスに含まれる二酸化炭素を分離する分離装置と、
上記分離装置により分離された上記二酸化炭素を、水素と触媒を用いてメタンに改質する改質装置と、
上記分離装置において上記排気ガスの熱を利用して上記二酸化炭素を分離するための第１加熱装置と、
上記改質装置において上記二酸化炭素をメタンに改質するために、上記排気ガスの熱を利用して少なくとも上記触媒を加熱する第２加熱装置と
を備え、
上記改質装置は、大気圧下の１５０℃〜２３０℃において、上記触媒にＲｕ／ＴｉＯ２を用いたサバチエ反応によって上記二酸化炭素を水素還元させて上記メタンと水を生成することを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
請求項１に記載の内燃機関において、
上記改質装置により改質された上記メタンを燃料として燃焼可能に構成された可燃性ガスを燃料とするガスエンジンであることを特徴とする内燃機関。
【請求項３】
請求項１または２に記載の内燃機関において、
上記分離装置は、上記排気ガスに含まれる二酸化炭素をアミン系吸収液に吸収し、上記二酸化炭素を吸収した上記アミン系吸収液を上記排気ガスの熱を利用して加熱することにより、上記アミン系吸収液から上記二酸化炭素を分離することを特徴とする内燃機関。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、内燃機関としては、排気ガスから二酸化炭素を分離・回収する回収槽と、水素ガスを供給する改質器と、回収槽により分離・回収された二酸化炭素と改質器から供給された水素ガスとを反応させて燃料(メタノールおよび／またはジメチルエーテル)を生成する反応装置を備えたガスエンジンがある(例えば、特開２００５−０６９００５号公報(特許文献１)参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−０６９００５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記従来の内燃機関では、ガスエンジンの冷却水により回収槽内の溶液に温熱を与えることによって、溶液内の二酸化炭素を分離して取り出している。
【０００５】
このため、上記内燃機関では、冷却水の温度が１００℃以下であるため、排気ガスに含まれる二酸化炭素を分離する装置の効率が悪いという問題がある。
【０００６】
また、上記内燃機関では、二酸化炭素と水素ガスとを反応装置で高温状態にして反応させるため、外部から熱エネルギーを供給する必要がある。したがって、上記内燃機関では、高温の排気ガスがそのまま排出されるため、排気ガスの熱エネルギーが有効に利用されていないという問題がある。
【０００７】
そこで、この発明の課題は、排気ガスの熱を利用して排気ガス中の二酸化炭素を効率よく削減できる内燃機関を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、この発明の内燃機関は、
排気ガスに含まれる二酸化炭素を分離する分離装置と、
上記分離装置により分離された上記二酸化炭素を、水素と触媒を用いてメタンに改質する改質装置と、
上記分離装置において上記排気ガスの熱を利用して上記二酸化炭素を分離するための第１加熱装置と、
上記改質装置において上記二酸化炭素をメタンに改質するために、上記排気ガスの熱を利用して少なくとも上記触媒を加熱する第２加熱装置と
を備え、
上記改質装置は、大気圧下の１５０℃〜２３０℃において、上記触媒にＲｕ／ＴｉＯ２を用いたサバチエ反応によって上記二酸化炭素を水素還元させて上記メタンと水を生成することを特徴とする。
【０００９】
上記構成によれば、分離装置において、第１加熱装置により排気ガスの熱を利用して、排気ガスに含まれる二酸化炭素を分離する。次に、改質装置において、分離装置により分離された二酸化炭素を、水素と触媒を用いてメタンに改質する。このとき、二酸化炭素をメタンに改質するための水素は、外部から供給してもよいし、水素タンクなどの水素貯蔵手段から供給してもよいし、水素生成装置により水を電気分解したり燃料を改質したりすることにより供給してもよい。ここで、第２加熱装置によって排気ガスの熱を利用して少なくとも触媒を適切な温度に加熱することにより、二酸化炭素と水素との化学反応が促進される。
【００１０】
これにより、排気ガスの熱のみを利用して排気ガス中の二酸化炭素を削減することが可能になる。したがって、外部からの熱エネルギーを用いずに、排気ガス中の二酸化炭素を分離してメタンを生成することができ、二酸化炭素の分離と改質に排気ガスの熱エネルギーを有効に利用することで熱効率を向上できる。
【００１１】
また、一実施形態の内燃機関は、
上記改質装置により改質された上記メタンを燃料として燃焼可能に構成された可燃性ガスを燃料とするガスエンジンである。
【００１２】
ここで、上記ガスエンジンは、プロパン、ブタン、都市ガス、ＬＮＧ(Liquefied Natural Gas:液化天然ガス)、ＬＰＧ(Liquefied Petroleum Gas:液化石油ガス)、ＳＮＧ(Substitute Natural Gas：代替天然ガス)などの可燃性ガスを燃料とする内燃機関である。
【００１３】
上記実施形態によれば、可燃性ガスを燃料とするガスエンジンに、改質装置により改質されたメタンを燃料として再利用することにより、熱効率をさらに向上できる。
【００１４】
また、一実施形態の内燃機関では、
上記分離装置は、上記排気ガスに含まれる二酸化炭素をアミン系吸収液に吸収し、上記二酸化炭素を吸収した上記アミン系吸収液を上記排気ガスの熱を利用して加熱することにより、上記アミン系吸収液から上記二酸化炭素を分離する。
【００１５】
上記実施形態によれば、排気ガスとアミン系吸収液とを接触させて排気ガス中の二酸化炭素を吸収した後、アミン系吸収液を加熱して二酸化炭素を分離することによって、比較的低い温度(例えば、吸収:４０℃〜５０℃、分離：１１０℃〜１３０℃)で二酸化炭素の吸収と分離ができるので、排気ガスの熱エネルギーを活用することができる。また、排気ガス中の二酸化炭素が低圧、低濃度であっても高い除去率を達成できる。
【発明の効果】
【００１６】
以上より明らかなように、この発明によれば、排気ガスの熱を利用して排気ガス中の二酸化炭素を効率よく削減できる内燃機関を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１はこの発明の実施の一形態の内燃機関の一例としてのガスエンジンの構成図である。
【図２】図２は上記ガスエンジンの改質装置における二酸化炭素の変換効率の温度依存性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、この発明の内燃機関を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００１９】
図１はこの発明の実施の一形態の内燃機関の一例としてのガスエンジンの構成図を示している。このガスエンジンは、プロパン、ブタン、都市ガス、ＬＮＧ(Liquefied Natural Gas:液化天然ガス)、ＬＰＧ(Liquefied Petroleum Gas:液化石油ガス)、ＳＮＧ(Substitute Natural Gas：代替天然ガス)などの可燃性ガスを燃料とする。
【００２０】
この実施の形態のガスエンジンは、図１に示すように、吸気ポート１ａと排気ポート１ｂを有する円筒状のシリンダ１と、シリンダ１内に配置されたピストン２と、ガス燃料が混合された混合ガスが流入する吸気ポート１ａを開閉する吸気バルブ３と、排気ガスが排出される排気ポート１ｂを開閉する排気バルブ４と、シリンダ１内の混合ガスに点火する点火装置５とを備えている。この実施の形態では、点火装置５に点火プラグを用いたが、副室式点火装置であってもよい。
【００２１】
また、上記ガスエンジンは、熱交換器１１と加熱器１２とで構成された第１加熱装置１０と、改質装置２０と、分離装置３０と、第２加熱装置２１とを備えている。上記熱交換器１１は、排気ガスと熱媒体との間で熱交換を行って熱媒体を加熱し、その熱媒体を加熱器１２を介して循環させて、分離装置３０内のアミン系吸収液を加熱する。
【００２２】
上記分離装置３０は、吸収塔３０ａと再生塔３０ｂとを有し、吸収塔３０ａの底部と再生塔３０ｂの底部が連通している。この再生塔３０ｂ内の下側に、アミン系吸収液を加熱するための加熱部１２を配置している。
【００２３】
＜二酸化炭素の吸収・分離＞
上記シリンダ１の排気ポート１ｂから排出された排気ガスの一部は、第１加熱装置１０の熱交換器１１と第２加熱装置２１を介して分離装置３０の吸収塔３０ａ内の下側に供給される。
【００２４】
上記分離装置３０の吸収塔３０ａ内で、排気ガス中の二酸化炭素がアミン系吸収液に吸収される。そして、排気ガスの残りは、上部から大気中に放出される。
【００２５】
なお、改質装置２０を介して分離装置３０に供給する排気ガスをエンジン冷却水により冷却する冷却器４０を備えてもよい。この冷却器４０によって、分離装置３０に供給する排気ガスを最適な温度(例えば４０℃〜５０℃)になるように冷却することで、大気圧下で二酸化炭素がアミン系吸収液に効率よく吸収される。
【００２６】
一方、分離装置３０の再生塔３０ｂでは、アミン系吸収液を加熱器１２により加熱して最適な温度(例えば１１０℃〜１３０℃)にすることにより、大気圧下でアミン系吸収液から二酸化炭素(ＣＯ２)を効率よく分離する。
【００２７】
この分離装置３０では、吸収液としてアルカノールアミン水溶液などのアミン系吸収液を使用して二酸化炭素を分離するアミン法を用いている。上記アルカノールアミン水溶液などのアミン系吸収液は、アミノ基を分子構造中に有し、アミノ基と二酸化炭素が結合反応を起こしてアミン炭酸塩を形成する。このアミン炭酸塩を加熱すると、二酸化炭素が解離して放散される。
【００２８】
＜メタンの生成＞
次に、改質装置２０は、分離装置３０から供給された二酸化炭素(ＣＯ２)と、水素タンク(図示せず)から供給された水素(Ｈ２)とを大気圧下で高温状態にして、Ｒｕ／ＴｉＯ２を触媒に用いて二酸化炭素(ＣＯ２)を水素還元させるサバチエ反応によってメタン(ＣＨ４)と水(Ｈ２Ｏ)を生成する。このときの化学反応は次式で表される。
ＣＯ２＋４Ｈ２  →ＣＨ４＋２Ｈ２Ｏ
【００２９】
ここで、触媒のＲｕ／ＴｉＯ２は、酸化チタンＴｉＯ２上にルテニウムＲｕを担持させたものである。
【００３０】
このようにして、改質装置２０により得られたメタンは、再び燃料としてガス燃料に混合されてシリンダ１内に供給される。
【００３１】
なお、改質装置２０で得られたメタンをタンクなどに一旦貯蔵して、必要なときにタンクのメタンをガス燃料に混合してシリンダ１内に供給してもよいし、タンクに貯蔵されたメタンを他の用途に利用してもよい。
【００３２】
図２は上記ガスエンジンの改質装置２０における二酸化炭素の変換効率の温度依存性を示している。図２では、サバチエ反応に用いる触媒をＲｕ／ＴｉＯ２としている。
【００３３】
この改質装置２０では、図２に示すように、大気圧下において、１５０℃〜２３０℃で変換効率は２０％〜９５％(１７０℃で変換効率は約５０％)であり、３００℃以上の反応温度が必要な一般的なサバチエ反応に比べて反応温度が低い触媒を用いている。
【００３４】
このように、改質装置２０では、比較的低温でサバチエ反応が行えるので、排気ガスの温度でも、排気ガスの熱を利用して触媒を加熱することにより化学反応を促進させることができる。例えば、排出直後の排気ガスの温度が４００℃であっても、装置構成を考慮した場合、熱エネルギーを利用するときの温度は２００℃程度かそれよりも低くなる。
【００３５】
上記ガスエンジンでは、分離装置３０および改質装置２０において加熱に利用する排気ガスの温度を調整する手段を備えていないが、改質装置２０におけるサバチエ反応の温度を１７０℃〜２００℃となるように装置全体を構成することで、少なくとも５０％〜８０％の変換効率が得られる。これによって、ガスエンジンの運転状況に応じて排気ガスの温度が変動しても、多くのメタンを生成して二酸化炭素の排出量を低減しつつ、エネルギー効率を向上できる。
【００３６】
上記構成のガスエンジンによれば、分離装置３０において、第１加熱装置１０により排気ガスの熱を利用して、排気ガスに含まれる二酸化炭素を分離した後、分離装置３０により分離された二酸化炭素を、改質装置２０において水素と触媒を用いてメタンに改質する。このときの水素は、水素貯蔵手段としての水素タンクから供給したが、外部から供給してもよいし、水を電気分解したりガス燃料を改質したりする水素生成装置によって得られた水素を供給してもよい。なお、水素生成は、総合的なエネルギー効率の観点から太陽光などの自然エネルギーを用いるか、あるいは、排気ガスの熱を利用するのが望ましい。
【００３７】
ここで、第２加熱装置２１によって排気ガスの熱を利用して二酸化炭素と水素および触媒を適切な温度(例えば１７０℃〜２００℃)に加熱することにより、二酸化炭素と水素との化学反応が促進される。なお、第２加熱装置２１は、排気ガスの熱を利用して二酸化炭素と水素および触媒のうちの少なくとも触媒を加熱すればよい。
【００３８】
これにより、排気ガスの熱のみを利用して排気ガス中の二酸化炭素を削減することが可能になる。したがって、外部からの熱エネルギーを用いずに、排気ガス中の二酸化炭素を分離してメタンを生成することができ、二酸化炭素の分離と改質に排気ガスの熱エネルギーを有効利用することで熱効率を向上できる。
【００３９】
また、可燃性ガスを燃料とするガスエンジンに、改質装置２０により改質されたメタンを燃料として再利用することにより、熱効率をさらに向上できる。
【００４０】
このように、排気ガス中の二酸化炭素を燃料化して再利用することにより、地球温暖化を引き起こす温室効果ガスの１つである二酸化炭素の排出量を削減できる。
【００４１】
また、上記排気ガスとアミン系吸収液とを接触させて排気ガス中の二酸化炭素を吸収した後、アミン系吸収液を加熱して二酸化炭素を分離することによって、比較的低い温度(例えば、吸収:４０℃〜５０℃、分離：１１０℃〜１３０℃)で二酸化炭素の吸収と分離ができるので、排気ガスの熱エネルギーを活用することができる。また、排気ガス中の二酸化炭素が低圧、低濃度であっても高い除去率を達成できる。
【００４２】
なお、上記実施の形態では、第１加熱装置１０の熱交換器１１と第２加熱装置２１の順に排気ガスを通過させて分離装置３０に供給したが、第２加熱装置２１と第１加熱装置１０の熱交換器１１の順に排気ガスを通過させて分離装置３０に供給してもよい。あるいは、第１加熱装置１０の熱交換器１１と第２加熱装置２１の夫々に別々の流路を介して排気ガスを通過させた後、少なくとも一方を分離装置３０に供給するようにしてもよい。
【００４３】
また、上記実施の形態では、排気ガス中の二酸化炭素(ＣＯ２)をアミン系吸収液を用いて分離するアミン法を用いたが、二酸化炭素の分離方法はこれに限らず、化学吸収法(アミン法を除く)、膜分離法、物理吸収法を用いてもよい。この化学吸収法は、アルカリ性溶液を吸収液として二酸化炭素を化学反応によって吸収させた後、加熱により二酸化炭素を放出させる方法である。また、膜分離法は、高分子膜などによる気体の透過速度の違いを利用して混合ガスから各気体を分離する方法である。また、物理吸収法は、メタノールやポリエチレングリコールなどの吸収液を使用して、高圧、低温下で物理的に二酸化炭素を吸収させた後、減圧または加熱により二酸化炭素を放散させる方法である。
【００４４】
また、上記実施の形態では、二酸化炭素と水素とをＲｕ／ＴｉＯ２を触媒に用いたサバチエ反応によってメタンと水を生成したが、サバチエ反応に用いる触媒はこれに限らず、ニッケルＮｉや、酸化アルミニウムＡｌ２Ｏ３上にルテニウムＲｕを担持させた触媒などを用いてもよい。また、サバチエ反応に限らず、二酸化炭素と水素を反応させてメタンと水を生成する他の反応を用いてもよい。
【００４５】
また、上記実施の形態では、内燃機関としてのガスエンジンについて説明したが、ガソリンなどの液体燃料を用いたエンジンにこの発明を適用してもよい。この場合、改質装置により生成されたメタンを液体燃料に混合して用いてもよい。
【００４６】
また、上記実施の形態では、排気ガスの熱のみを利用して排気ガス中の二酸化炭素の分離と改質を行ったが、排気ガスの熱エネルギー以外に他の熱エネルギーを、二酸化炭素の分離と改質の少なくとも一方において部分的に用いてもよい。
【００４７】
この発明の具体的な実施の形態について説明したが、この発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。
【符号の説明】
【００４８】
１…シリンダ
１ａ…吸気ポート
１ｂ…排気ポート
２…ピストン
３…吸気バルブ
４…排気バルブ
５…点火装置
１０…第１加熱装置
１１…熱交換器
１２…加熱器
２０…改質装置
２１…第２加熱装置
３０…分離装置
３０ａ…吸収塔
３０ｂ…再生塔
４０…冷却器