(57)【要約】  内燃機関から排出されるＣＯ２及び大気中のＣＯ２を高効率に回収し、ＣＯ２を用いたメタンの合成を高効率に行う内燃機関のＣＯ２回収装置を提供する。  本発明の構成は以下の通りである。ＣＯ２を含むガスの流路に、ガス中のＣＯ２を捕捉するＣＯ２捕捉材を配置し、かつＣＯ２捕捉材から脱離したＣＯ２とＨ２供給源から得られたＨ２とを反応させてメタン化するメタン化触媒が設けられた内燃機関のＣＯ２回収装置において、内燃機関から発生した熱を用いてＣＯ２捕捉材の温度を高めることでＣＯ２を脱離させる機能を有する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
CO2を含むガスの流路に、ガス中のCO2を捕捉するCO2捕捉材を配置し、CO2捕捉材から脱離したCO2と、H2供給源から得られたH2とを反応させてメタン化するメタン化触媒を配置した内燃機関のCO2回収装置において、
内燃機関から発生した熱を用いてCO2捕捉材の温度を高めることでCO2を脱離させる機能を有することを特徴とする内燃機関のCO2回収装置。
【請求項２】
請求項1において、前記メタンを前記内燃機関の燃料として使用することを特徴とする内燃機関のCO2回収装置。
【請求項３】
請求項1または2において、前記H2供給源が、水の電気分解装置であることを特徴とする内燃機関のCO2回収装置。
【請求項４】
請求項3において、前記内燃機関から発生する熱の少なくとも一部を電気として回収し、電気を用いて水を電気分解することでH2を得ることを特徴とする内燃機関のCO2回収装置。
【請求項５】
請求項4において、更に、内燃機関から生じる排ガスの流路に熱交換器を設置し、前記内燃機関から発生する排ガスの熱を用いて、熱交換器により液体をガス化し、得られたガスを膨張機に導入することで電気を得ることを特徴とする内燃機関のCO2回収装置。
【請求項６】
請求項4または5において、更に、内燃機関から生じる排ガスの流路に熱電変換素子を設置し、前記内燃機関から発生する排ガスの熱を熱電変換素子を用いて電気に変換することを特徴とする内燃機関のCO2回収装置。
【請求項７】
請求項5または6において、前記熱交換器あるいは熱電変換素子と前記エンジンとの間に、排ガス中のH2、CO、炭化水素の少なくとも一種を燃焼する機能を有する触媒を配置したことを特徴とする内燃機関のCO2回収装置。
【請求項８】
請求項1ないし7のいずれかにおいて、CO2を含むガスが、大気であることを特徴とする内燃機関のCO2回収装置。
【請求項９】
請求項1ないし8のいずれかにおいて、更に、CO2捕捉材によるCO2捕捉量が飽和に達した場合、CO2捕捉材を交換する手段を配置したことを特徴とする内燃機関のCO2回収装置。
【請求項１０】
請求項1において、前記メタン化触媒が、Al,Ce,Si,Ti,Zrから選ばれた少なくとも1種を含む無機化合物を担体とし、当該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種を含むことを特徴とする内燃機関のCO2回収装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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及び大気中のCO2を低減する内燃機関のCO2回収装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。【０００３】
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の排出量を低減するために、自動車から排出されたCO2を用いて燃料を合成する技術が開示されている(特許文献1,2)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開2010-235736号公報
【特許文献２】特開2009-269983号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献1には、CO2吸収装置とCO2放出装置を備え、回収したCO2を原料として用いて燃料を合成することが記載されている。更には熱供給装置を用いてCO2放出装置へ熱エネルギーを加えることが記載されている。しかし、熱の供給法が開示されておらず、CO2を放出させるために多くの熱エネルギーを必要とすると考えられる。【０００６】
特許文献2には、エンジンから排出されたCO2を用いてメタンを合成する技術が記載されている。しかし、CO2を回収する材料を使用しておらず、その為燃料合成時のCO2濃度が低く、燃料合成の効率が低いと考えられる。【０００７】
本発明の目的は、内燃機関から排出されるCO2及び大気中のCO2を高効率に回収し、更にはCO2を用いたメタンの合成を高効率に行う内燃機関のCO2回収装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
CO2を含むガスの流路に、ガス中のCO2を捕捉するCO2捕捉材を配置し、CO2捕捉材から脱離したCO2と、H2供給源から得られたH2とを反応させてメタン化するメタン化触媒を配置した内燃機関のCO2回収装置において、内燃機関から発生した熱を用いてCO2捕捉材の温度を高めることでCO2を脱離させる機能を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、内燃機関から排出されるCO2及び大気中のCO2を高度に回収することができる。更には回収CO2を原料としてメタンを合成し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、燃料消費に伴うCO2排出量も削減することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】CO2捕捉材とメタン化触媒を設置してエンジン排ガス中のCO2を回収しメタン化することを示した図。
【図２】エンジン排ガス流路へ熱交換器を設置した図。
【図３】エンジン排ガス流路へ熱電変換素子を設置した図。
【図４】CO2捕捉材とメタン化触媒を設置して大気中のCO2を回収しメタン化することを示した図。
【図５】ディーゼルエンジンを使用した船舶へCO2捕捉材とメタン化触媒を設置してエンジン排ガス中のCO2を回収しメタン化することを示した図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明を詳細に説明する。
【００１２】
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。
【００１３】
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とを反応させてメタン化するメタン化触媒が設けられた内燃機関において、内燃機関から発生した熱を用いてCO2捕捉材の温度を高めることでCO2を脱離させる機能を有することで、内燃機関から排出されるCO2及び大気中のCO2を高効率に回収することができることを明らかにした。
（CO2捕捉材について）
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。
【００１４】
使用する元素や添加量もしくは、材料によって添加方法を変化させることで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。
【００１５】
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。
【００１６】
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ることで、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。
【００１７】
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。
【００１８】
もしくは、CO2捕捉材を回転式にすることで、CO2捕捉工程とCO2脱離工程を繰り返すことも可能である。
（内燃機関について）
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。（メタン化触媒について）
メタン化触媒としては、CO2と水素を反応させて以下のメタン化反応を促進できる触媒であれば特に拘らない。
【００１９】
CO2+4H2→CH4+2H2O
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Pt,Pd,Rh,Ni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Pt,Pd,Rh,Ni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。
【００２０】
触媒活性成分としてPt,Pd,Rh,Niから選ばれた二種以上を含有させても良い。
【００２１】
触媒活性成分のPt,Pd,Rh,Ni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。Pt,Pd,Rh,Ni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。
【００２２】
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。
【００２３】
メタン化反応によって得られたメタンは、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、メタン化反応によって得た水を使用することも可能である。
（H2の供給源について）
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。
【００２４】
または、アンモニアやメタノール、有機ハイドライド、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。アンモニアやメタノール、有機ハイドライド等は常温で液体である為、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、CO2吸着材の温度を高める場合と同様に、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。
【００２５】
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。
【００２６】
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を生じさせ、得られた電気を水電解に使用することが考えられる。
（熱回収方法）
内燃機関から排出される排ガスは400℃以上になりうる。従って排ガスの熱を利用して電気を得ることも有効である。その方法の一つとして、熱交換器、膨張機及び作動媒体の組み合わせを使用することが考えられる。
【００２７】
熱交換器には予め作動媒体を流通させておく。この熱交換器へ排ガスが流入すると、排ガスの熱により作動媒体が液体からガスへと変化する。ガスへ変化した作動媒体は、膨張機に送られ、電気を発生させることができる。その後作動媒体は凝縮機へ送られることで液体へ戻る。このように作動媒体を循環させ、排ガスの熱を回収することで電気を発生させることができる。得られた電気は水電解に用いることができる。
【００２８】
使用する作動媒体は、上記の目的に合うものであれば特に拘らない。例えばエチレングリコール、水等が考えられる。
【００２９】
熱が回収された排ガスをCO2捕捉材へ導入しても良い。一般に排ガスの温度が低いほどCO2捕捉材によるCO2の捕捉効果は高まる為、排ガスの熱を上記の方法により回収することは、CO2捕捉材による捕捉性能を高める上でも有効である。
（熱電変換素子）
排ガスの熱を利用して電気を得る方法の一つとして、熱電変換素子の利用も考えられる。排ガス流路へ熱電変換素子を設置し、排ガスを熱電変換素子へ接触させることで、排ガスの熱を電気へと変換させ、電気を得ることができる。得られた電気は、水電解時の電気として使用する事ができる。
【００３０】
使用する熱電変換素子の種類は特に拘らない。例えばビスマスとテルルからなる素子や鉛を含有する素子、シリコンとゲルマニウムからなる素子等が考えられる。
（燃焼触媒設置）
熱交換器あるいは熱電変換素子と、内燃機関に含まれるエンジンとの間に、排ガス中のH2、CO、炭化水素の少なくとも一種以上を燃焼する機能を有する触媒を設置することも考えられる。このような触媒を設置することで、排ガス中のH2、CO、炭化水素等が浄化されるのみならず、浄化反応により触媒後段の排ガス温度が上昇する。従って、熱交換器あるいは熱電変換素子による排熱の回収効率が更に高めることができる。
【００３１】
H2、CO、炭化水素等を燃焼できる触媒であれば特に拘らない。例えば、アルミナを含んだ多孔質担体上に、触媒活性成分としてPt,Pd,Rhから選ばれた少なくとも1種が担持されている触媒等が考えられる。
（大気中CO2回収）
CO2捕捉材へ大気を流入させることで、大気中のCO2を捕捉することもできる。この場合、CO2捕捉工程と、CO2脱離工程を組み合わせてCO2を回収する工程とすることもできる。更には、CO2捕捉材へある程度のCO2が捕捉された後には、新たなCO2捕捉材へ交換することも考えられる。
（材料の構成）
固体のCO2捕捉材及び、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。
【００３２】
固体CO2捕捉材及び、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。
【００３３】
固体CO2捕捉材及び、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。
【００３４】
固体CO2捕捉材及び、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からなる構造体を用いることが好適であるが、
以下、本発明の実施例を説明する。
【実施例１】
【００３５】
＜CO2吸着材とメタン化触媒の組合せ＞
図1に、CO2捕捉材とメタン化触媒を組み合わせた実施例を示した。CO2捕捉材を二つ設置する。一方のCO2捕捉材へはエンジン排ガスを流通させ、CO2捕捉材の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捕捉材へ排ガスを流通させる構成としている。【００３６】
図1ではエンジン26から排出された排ガスを、一方のCO2捕捉材へ流入させることでCO2捕捉材による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捕捉材の温度を高め、CO2捕捉材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。【００３７】
次に得られたCO2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28の水電解装置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。このガスを凝縮機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。【００３８】
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、更に燃料の削減が可能となる。
【実施例２】
【００３９】
＜熱回収方法＞
図2には、CO2捕捉工程にあるCO2捕捉材の前段に熱交換器23を設置した実施例を示した。エンジン26としてガソリンエンジンを想定した。熱交換器23へは作動媒体を流通させる。熱交換器23を排ガスへ流入させることで、排ガスの熱を用いて、作動媒体を液体からガスへと変化させる。得られたガスを膨張機20へ導入することで発電させ電気を得る。膨張機20を通過した作動媒体ガスは凝縮機21へ導入され液体へと戻り、ポンプ22により循環する。【００４０】
上記により得られた電気は、水電解装置28による水の電気分解に使用される。【００４１】
なお、図2では省略しているが、捕捉工程と脱離工程を排ガスラインの切り替えにより実施する為、脱離工程のガスラインにも熱交換器23は設置されている。但し脱離工程時には熱交換器へガスは流入しない為、この場合には作動媒体の循環はしない。【００４２】
本構成とすることで、水の電気分解時に使用する電気量を削減することが可能となる。【００４３】
例えば、2kWの電力を用いて、水電解装置にて水を電気分解する場合、得られるH2量は15mol/hと想定される。メタン化反応は、CO2+4H2→CH4+2H2O、であるから、得られたH2を全て使用すると、3.7mol/hのCO2をメタン化できる。即ち、排ガスから3.7mol/hのCO2を削減でき、エンジンから排出されるCO2を約4%削減できる。更にはこの場合、3.7mol/hのメタンを得ることができる為、このメタンを燃料に用いることで、燃料の消費を約6%低減させることができる。即ち、CO2排出量を約6%削減できる。従って、CO2の回収及び燃費の低減を合わせ、CO2排出量を約10%削減することができる。CO2排出量の削減結果は、得られるH2量によって異なる為、水を電気分解する際の電力量を増やす、もしくは、H2タンクからH2を供給するようにすれば、更にCO2の排出量を削減することができる。
【実施例３】
【００４４】
＜熱電変換素子の利用＞
図3には、CO2捕捉工程にあるCO2捕捉材の前段に熱電変換素子33を設置した実施例を示した。排ガスを熱電変換素子へ流入させることで、排ガスの熱を電気に変換させる。得られた電気は、水電解装置28による水の電気分解に使用される。【００４５】
図2の場合と同様に、図3では省略しているが、捕捉工程と脱離工程を排ガスラインの切り替えにより実施する為、脱離工程のガスラインにも熱電変換素子31は設置されている。本構成とすることで、水の電気分解時に使用する電気量を削減することが可能となる。
【実施例４】
【００４６】
＜大気中CO2の回収＞
図4には大気中のCO2を回収できる構成を示した。CO2捕捉材へ導入させるガスをエンジン排ガスでは無く、大気とした事以外は、図1と同様の構成とした。本構成にすることで大気中のCO2を回収することができ、大気中のCO2を削減することができる。
【実施例５】
【００４７】
＜ディーゼル船舶への適用＞
図5には、実施例2で示した構成を、ディーゼルエンジンを積んだ船舶へ適用した実施例を示した。エンジン34としてディーゼルエンジンを想定した。実施例2の場合と同様に、ディーゼルエンジン34から排出された排ガスの熱を回収し電気に変換する。得られた電気は、28の水電解装置に投入し水の電気分解に使用することで有効に利用できる。更に実施例5では、ディーゼル発電機35を備えている。ディーゼル発電機35から発生した電気Dを、水の電気分解へ使用することもできる。排熱を変換して得られた電気Aを併用することで、ディーゼル発電機35から得られた電気Dの水電解への使用量を効果的に減らすことができ、照明及び空調に用いる電気として使用することができる。
【符号の説明】
【００４８】
20…膨張器、21…凝縮器、22…吸水ポンプ、23…熱交換器、24…熱交換器用吸水ポンプ、25… CO2捕捉塔、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…熱電変換素子、34…ディーゼルエンジン、35…ディーゼル発電機、36…照明、37…空調。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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2016076041.tif 000009
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