(57)【要約】  本発明は、炭化水素燃料を車両上で製造するための方法及びシステムに関する。内燃機関によって作られたＣＯ２を水素及び場合によっては水と結合させ、合成ガス及び他の燃料を作るために、電気化学が使用される。
2018523046.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動車両において、内燃機関（ＩＣＥ）によって作られたＣＯ２を炭化水素燃料に変換するための方法であって、
（ｉ）ＣＯ２を含み前記ＩＣＥによって作られた排ガスを熱交換器に輸送し、前記ガスから過剰な熱を除去することと、
（ｉｉｉ）電気化学反応器で前記ＣＯ２と水とを結合させ、炭化水素燃料を形成することと、
を含む方法。
【請求項２】
前記熱交換された排ガスをＣＯ２分離器に移動し、それからＣＯ２を除去することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記加熱ガスをＣＯ２分離器に、前記ＣＯ２を電気化学発生器に輸送することをさらに含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記炭化水素燃料を貯蔵手段に輸送することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記熱交換器は、温度測定セル、ランキンサイクラー、又はスターリングエンジンである、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記ＣＯ２分離器は、ＣＯ２を透過させるが前記排ガスに存在する他のガスは透過させない液体溶媒、固体吸着材、又は膜である、請求項２に記載の方法。
【請求項７】
前記膜はまた、ガス状Ｈ２Ｏ又は蒸気形態のＨ２Ｏを透過させる、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
電気発生器から前記電気化学反応器に電気エネルギーを供給することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記熱交換器から前記電気化学反応器に熱エネルギーを供給することをさらに含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
移動車両において内燃機関（ＩＣＥ）で作られた炭化水素燃料を作るための方法であって、前記ＩＣＥで作られた排ガスからの水蒸気及びＣＯ２を電気化学反応器に輸送することと、前記電気化学反応器で前記Ｈ２Ｏ及びＣＯ２を反応させて炭化水素燃料を形成することと、を含む方法。
【請求項１１】
前記炭化水素燃料は、合成ガス、エタノール、メタン、メタノール又はジメチルエーテルである、請求項１又は１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記電気化学反応器でＨ２を作ることをさらに含む、請求項１又は１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記電気化学反応器で作られた前記炭化水素燃料を前記ＩＣＥのための主燃料と混合することをさらに含む、請求項１又は１０に記載の方法。
【請求項１４】
前記Ｈ２Ｏ及びＣＯ２をＨ２及びＣＯに変換することと、前記Ｈ２及びＣＯをフィッシャー・トロプシュ反応器に輸送して炭化水素を作ることと、をさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
前記Ｈ２Ｏ及びＣＯ２をＨ２及びＣＯに変換することと、前記Ｈ２及びＣＯを水性ガスシフトに輸送することと、そこへＨ２Ｏを加えてより多くの水素を作ることと、をさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、好ましくは移動車両において、内燃機関（ＩＣＥ）によって作られたＣＯ２を使用して電気化学によって液体状又はガス状の炭化水素燃料を作るための方法及び装置、並びにこれを達成するための装置システムに関する。本発明によって提供される利点には、ＣＯ２を液体状又はガス状燃料に変換するエネルギーとして排ガス内のエネルギーを使用できることがある。車両上での変換された燃料の貯蔵もまた可能である。
【背景技術】
【０００２】
輸送産業は、特に例えばガソリン及びディーゼルエンジンなどのエンジンからのＣＯ２排出の分野において、ますます厳重な規制を経験している。それ故に、何れかの形態の内燃機関（ＩＣＥ）を使用した移動車両が作動する場合にどのようにＣＯ２及び他のガスの排出を低下させるか、にますます関心が集まっている。
【０００３】
先行文献では、ＣＯ２源が固定されている場合の燃料の燃焼からのＣＯ２捕捉に対して、より多くの努力が示されている。固定源に使用されるＣＯ２捕捉の原理を移動源に適用することは、必ずしも可能とは限らない。移動源“上での（ｏｎ  ｂｏａｒｄ）”ＣＯ２捕捉に対する限定的なアプローチは、燃焼に純粋なＯ２を使用し、ＣＯ２捕捉に使用される物質の再使用及び再生の手段を提供しないか、及び／又は同様にプロセスで回収される排熱を使用しない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
例えば車両上で使用可能な燃料の発生などのための、移動車両でのＣＯ２の捕捉及び再使用の問題の解決は、空間制限、エネルギー及び装置の要件、及び例えば減速期間に続く断続的な加速期間などのような車両の操作サイクルの動的性質により、難しい又は少なくとも実現困難であると見られてきた。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の目的は、ＩＣＥによって作られたＣＯ２及び排熱を車両上で使用するためのプロセス及び装置システムを提供することであり、これはＣＯ２の液体状又はガス状燃料への変換を伴い、それはそして適切な設備が除去のために到着するまで車両上で貯蔵され得る。
【０００６】
さらに、車両上で作られた燃料は、デュアル（又はバイ）フューエル車両において第二の燃料として使用され得る。
【０００７】
デュアルフューエル車両は、第一の又は主な燃料、及び第二の又は予備的な燃料によって作動する。エンジン性能を改善させ、且つより少ない加工ステップを伴う燃料の使用を許容する燃料と示唆される材料には、エタノール、合成ガス、水素、及びメタンがある。これらの第二の燃料は、必要に応じて主燃料とともにシリンダーに注入されるが、通常はより高いエンジン負荷での“ノック”を抑えるために注入される。
【０００８】
また、第二の燃料は、主燃料のオクタン価を増やすためのいわゆる“スプラッシュブレンド”で使用され得る。その代わりに、主燃料はあまり加工されていないか又は低オクタン品質を有するものであり得、故にエンジン燃料はよりコスト効率の良いものとなり、そして圧縮着火エンジンにおいてＮＯｘ及びすす排出を制御することが可能になる。
【０００９】
デュアルフューエルエンジンは、様々な理由から高い価値を有する。（ＩＣＥで作られた）排熱を車両上で燃料を作るために利用することにより、より良いエネルギー効率が達成される。また、ＩＣＥで作られたＣＯ２を使用して第二の燃料を作り、そしてその燃料を使用することにより、貯蔵及び積み下ろしシステムはもはや必要ではない。より“グローバルな”レベルでは、より少ない主燃料が必要となるため精製所はより少ないＣＯ２を作り出し、主燃料と第二の燃料との相互作用により燃料消費コストが低減される。
【００１０】
これがどのように達成されるかは、以下の開示で見られるだろう。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１ａ】高温化学反応器を使用した本発明のプロセスのブロック図である。
【図１ｂ】高温化学反応器を使用した本発明のプロセスのブロック図である。
【図１ｃ】高温化学反応器を使用した本発明のプロセスのブロック図である。
【図１ｄ】高温化学反応器を使用した本発明のプロセスのブロック図である。
【図２ａ】低温電気化学反応器を使用した本発明のプロセスのブロック図である。
【図２ｂ】低温電気化学反応器を使用した本発明のプロセスのブロック図である。
【図２ｃ】低温電気化学反応器を使用した本発明のプロセスのブロック図である。
【図２ｄ】低温電気化学反応器を使用した本発明のプロセスのブロック図である。
【図３】どのように固体酸化物形電解セル（“ＳＯＥＣ”）が蒸気の電気分解を行うように機能するかを一般的に示す図面である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
ここで図１ａ−１ｄを参照すると、１０２で示される排ガスの源であるＩＣＥ“１０１”が示される。図１ａ及び１ｂに示される実施形態では、ＣＯ２は排ガスから分離されておらず、その全てが電気化学反応器１０３に移動する。電気化学反応器は機能するのに高温又は低温の何れかを必要とすると知られる。図１ａ及び１ｂでは、高温反応器が使用され、それ故に、高温排ガスが直接反応器に移動して必要とされる熱を提供する。本明細書で使用される“高温”とは、４００℃を超えて約９００℃までの温度を意味する。後で簡潔に議論されるように、電流源（図示せず）が、電気化学反応器１０３と、図１ａの場合にはコンプレッサ１０５と、の両方に提供される。
【００１３】
１０３では、水が添加され得るが、ほとんどの排ガスの場合にはそれは既に存在している。電気化学発生器では、反応生成物の多くがＣＯ及びＨ２であり、“合成ガス”として知られる混合物である。図１ａ及び１ｂに示されるように、これらの及び他のガスはＩＣＥに戻され、燃料としての役割を果たす。ここで開示されるシステムの操作により十分な合成ガスが産出されない場合、例えば電池又は代替物などから追加の電気を供給してもよい。
【００１４】
図１ａ及び１ｂではともに、排熱、つまり排ガスからの熱エネルギーが熱電発生器１０４で電気を生じさせるために使用され得ることが示される。詳しく述べると、熱輸送の抵抗を低減させて変換効率を向上させるために、熱輸送面が熱電材料に一体化される。ここで作られる電気は、本明細書で議論される任意の実施形態において、電気化学反応器１０３に電力を供給するために使用され得る。
【００１５】
上記で述べたように、図１ａは、さらなる反応が望ましい場合に使用され得るコンプレッサを含む。例えば、フィッシャー・トロプシュ反応器１０６が使用されてそれにＨ２及びＣＯが供給される場合、フィッシャー・トロプシュ反応が生じるための圧力条件は変動し得るためコンプレッサが使用される。その反応に必要な温度は、１５０−３００℃の範囲と良く知られている。本明細書で議論されるように、これは排ガスから、そして上記のように熱輸送面で、熱を取り除くことを必要とする。
【００１６】
コンプレッサは任意の装置であり、大気圧を超える圧力でのフィッシャー・トロプシュ反応器の操作が望まれる場合に使用され得る。増加された圧力は変換率、すなわち炭化水素の産出を増加させるが、長鎖アルカン結果物及びこれらの固体は望ましくない。ガスが輸送手段１１０を介して１０４からコンプレッサに移動する。注目すべきは、このガスは熱を失っており、その熱は電気に変換されていることである。上記のように、コンプレッサは高圧で必要とされる。それ故に、図１ａのシステムはそのように使用され得、一方で図１ｂのシステムはフィッシャー・トロプシュ反応器１０６と分離ユニット１０７との間に挿入されたコンプレッサの使用を必要とする。これは任意であるため、図示されていない。
【００１７】
図１ａ及び１ｂに示されるように、反応の後、炭化水素生成物はＩＣＥに戻されるか、又は車両上に貯蔵され得る。
【００１８】
本明細書で議論されるフィッシャー・トロプシュ反応は任意であり、コンプレッサ１０５も反応器１０６も本発明で必要とされないことも注意すべきである。
【００１９】
図１ｂは、さらなる任意の分離ステップを示している点で図１ａと異なるが、その分離ステップによって既知のプロセスを用いてＣＯ及びＨ２以外のガス（例えばＮ２、Ｈ２Ｏ、及びＣＯ２）が取り除かれ、ＣＯ及びＨ２のみが残ってフィッシャー・トロプシュ反応器に移動する。このような分離は、フィッシャー・トロプシュ反応器での反応を促進する。
【００２０】
図１ｃ及び１ｄは、図１ａ及び１ｂに具現化された本発明の追加の実施形態を描写する。図１ａ及び１ｂと同様に、これらの図面は高温化学反応の使用を示し、ここで排ガスからの熱エネルギーは熱交換器１０８を通過し、電気化学反応器を加熱するために使用される。図１ａ及び１ｂと同様に、追加の熱は電気に変換され、結果として生じる電気は反応器に電力を供給するために使用される。
【００２１】
図１ｃ及び１ｄはともに、１０９で排ガスの成分の部分的分離を生じさせ、ＣＯ２及びＨ２Ｏの一部を電気化学反応器に輸送し、使用される場合にはこれらの成分の一部をフィッシャー・トロプシュ反応器に輸送し、Ｎ２を取り除く点で、図１ａ及び１ｂとは異なる。例えば特定の分離膜を選択することによって、他の材料からのＣＯ２及びＨ２Ｏの分離度合いは当業者によって制御され得る。膜、液体溶媒、及び固体吸着材が全て使用され得る。
【００２２】
図１ｄは、追加の任意の実施形態、水性ガスシフトのための手段１１０を示し、ここではＨ２ＯがＣＯ及びＨ２に添加され、結果としてさらなるＨ２の製造及び有害なＣＯからあまり有害ではないＣＯ２への変換をもたらす。さらにＨ２を加えることにより、結果として生じる生成物のオクタン価が増加する。
【００２３】
図２ａ−２ｄは、それらが低温電気化学反応器を採用することを除いて、図１ａ−１ｄと同等である。本明細書で使用される“低温”は、室温から４００℃までの温度で作動する反応器を意味する。例えば排ガスなどからの熱は電気化学反応器の作動に必須ではなく、高温は必須ではないため、アイテム“１０４”及び“１０３”の順番がそのプロセスでは反転している。
【００２４】
後で議論される反応器で生じる反応は、１つ以上の液体炭化水素燃料、合成ガス、炭化水素ガス、又は液体酸素（ｏｘｙｇｅｎａｔｅ）の生成物をもたらし、それは車両上に貯蔵され、そして例えばガスステーション又は他の適切な貯蔵所などで積み下ろされ得る。上記のように、これらの生成物はまた、移動車両上で使用され得る。
【００２５】
図３は、一般的に電気化学反応器で生じていることを描写する。固体酸化物形電解セル（“ＳＯＥＣ”）２０１が描写され、ＣＯ２及びＨ２Ｏの混合物が示されている。
【００２６】
ＳＯＥＣはカソード２０２及びアノード２０３を陳列し、ここで一連の“予備の”反応が生じ、続いて炭化水素燃料を産出する反応が生じる。
【００２７】
電極内で、水はアノードで反応し、Ｈ＋及びＯ２−種が形成される。アノードでは、以下の反応：
２Ｏ２−  →  Ｏ２  ＋  ４ｅ−
が生じる。一方で、カソードではＨ＋種がＨ２になり、ＣＯ２はＣＯに還元され、以下の反応：
（２ｎ＋１）Ｈ２  ＋  ｎＣＯ  →  ＣｎＨ（２ｎ＋２）  ＋  ｎＨ２Ｏ
が生じることを許容する。生成物の多くは、合成ガスと呼ばれるＨ２及びＣＯの混合物であり、これは、それが主燃料と結合されるか又は積み下ろされるような時まで、移動車両上で貯蔵され得る。ＣｎＨ（２ｎ＋２）は様々な炭化水素燃料の化学式である。さらなる反応もまた起こり得、結果として例えばメタノール、ジメチルエーテルをもたらすが、その両方が合成燃料としての役割を有する。例えば、フィッシャー・トロプシュ又は他の適切な反応器が採用される場合は、他のより大きな分子が結果として生じ得る。
【００２８】
反応器内で生じる例示的な反応は、以下：
ＣＯ２  ＋  ２Ｈ＋  ＋  ２ｅ−  →  ＣＯ  ＋  Ｈ２Ｏ
ＣＯ２  ＋  ８Ｈ＋  ＋  ８ｅ−  →  ＣＨ４  ＋  ２Ｈ２Ｏ
２ＣＯ２  ＋  １２Ｈ＋  ＋  １２ｅ−  →  Ｃ２Ｈ４  ＋  ４Ｈ２Ｏ
２ＣＯ２  ＋  ６Ｈ＋  ＋  ６ｅ−  →  ＣＨ３ＯＨ  ＋  Ｈ２Ｏ
ＣＯ２  ＋  ２Ｈ＋  ＋  ２ｅ−  →  ＨＣＯＯＨ
を含む。例えば、ベック（Ｂｅｃｋ）ら，二酸化炭素から炭化水素燃料への電気化学的変換（Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ  ｏｆ  Ｃａｒｂｏｎ  Ｄｉｏｘｉｄｅ  ｔｏ  Ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎ  Ｆｕｅｌｓ），ＥＭＥ５８０（Ｓｐｒｉｎｇ，２０１０）参照。上記文献は、本明細書に組み込まれる。
【００２９】
一般的に、以下の反応：
ＣＯ２  ＋  ２Ｈ２Ｏ  →  Ｆｕｅｌ  ＋  ２Ｏ２
が“指針”である。
【００３０】
関連する本発明の特定の特徴は、排ガスから回収されたエネルギーの使用と、外気流のための源が全く存在しないことと、を含む。
【００３１】
図１及び２に戻って参照すると、電気化学反応器が例えば熱電発電装置などからの電気エネルギーを供給されることが見られるだろう。
【００３２】
反応器で作られた炭化水素燃料は水と混ざらず、液体燃料としてそれから簡単に分離される。この液体燃料は、それが積み下ろされ得るガスステーションなどの場所に移動車両が到着するような時点まで、貯蔵コンテナ手段に移動される。
【００３３】
関連する本発明の特定の特徴は、排ガスから回収されたエネルギーの使用と、外気流のための源が全く存在しないことと、を含む。
【００３４】
本発明の他の特徴は当業者には明確であり、ここで反復する必要はない。
【００３５】
採用された用語及び表現は説明の観点で使用され、限定されるものではなく、このような用語及び表現の使用は、示され説明された特徴の同等物及びその一部の何れも排除することを意図しておらず、本発明の範囲内で様々な変更が可能であると理解される。
【符号の説明】
【００３６】
１０１  ＩＣＥ
１０２  排ガス
１０３  電気化学反応器
１０４  熱電発電装置
１０５  コンプレッサ
１０６  反応器
１０７  分離ユニット
１０８  熱交換器
１０９  部分的分離
１１０  水性ガスシフトのための手段
２０１  ＳＯＥＣ
２０２  カソード
２０３  アノード
【図１ａ】
2018523046.tif 000003
【図１ｂ】
2018523046.tif 000004
【図１ｃ】
2018523046.tif 000005
【図１ｄ】
2018523046.tif 000006
【図２ａ】
2018523046.tif 000007
【図２ｂ】
2018523046.tif 000008
【図２ｃ】
2018523046.tif 000009
【図２ｄ】
2018523046.tif 000010
【図３】
2018523046.tif 000011
【国際調査報告】
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