(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
容器と、その容器内に設けられ、導入されたメタンガスおよびエンジンの排気ガスから分離した二酸化炭素ガスを混合して反応させることによって水素ガスおよび一酸化炭素ガスを生成するためのメタンガス改質用触媒と、前記メタンガス改質用触媒および生成された前記一酸化炭素ガスの前記エンジンへの排出路を一方の空間に有し水素ガスの前記エンジンへの排出路を他方の空間に有するように前記容器を仕切るとともに生成された前記水素ガスをイオン化して透過させる電極に挟まれた電解質層と、該電極間に印加すべき電圧を制御する電圧制御器とを有するものであることを特徴とする改質ガス供給装置。
【請求項２】
容器と、その容器内に設けられ、導入されたメタンガスおよびエンジンの排気ガスから分離した二酸化炭素ガスを混合して反応させることによって水素ガスおよび一酸化炭素ガスを生成するためのメタンガス改質用触媒と、前記水素ガスおよび一酸化炭素ガスの前記エンジンへの排出路を一方の空間に有し酸素ガスの導入路および水の排出路を他方の空間に有するように前記容器内を仕切るとともに前記水素ガスと導入された前記酸素ガスを用いて得られた電力を蓄電池に供給する電極に挟まれた電解質層とを有するものであることを特徴とする改質ガス供給装置。
【請求項３】
容器と、その容器内に設けられ、導入されたメタンガスおよびエンジンの排気ガスから分離した二酸化炭素ガスを混合して反応させることによって水素ガスおよび一酸化炭素ガスを生成するためのメタンガス改質用触媒と、前記メタンガス改質用触媒および生成された前記一酸化炭素ガスの前記エンジンへの排出路を一方の空間に有し水素ガスの前記エンジンへの排出路を他方の空間に有するように前記容器内を仕切るとともに、生成された前記水素ガスをイオン化して透過させる電極に挟まれた第１の電解質層と、前記触媒および前記一酸化炭素ガスの前記エンジンへの排出路を一方の空間に有し、酸素ガスの導入路および水の排出路を他方の空間に有するように前記容器内を仕切るとともに前記水素ガスと導入された前記酸素ガスを用いて得られた電力を蓄電池に供給する電極に挟まれた第２の電解質層と、第１の電解質層の電極間に印加すべき電圧を制御する電圧制御器とを有するものであることを特徴とする改質ガス供給装置。
【請求項４】
前記各電解質層は、リン酸を主成分とする電解質を含有するものであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の改質ガス供給装置。
【請求項５】
前記メタンガス改質用触媒は、元素周期表のVIII族の金属、Ib族の金属、希土類酸化物、アルカリ金属酸化物および／またはアルカリ土類金属酸化物との混合物であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の改質ガス供給装置。
【請求項６】
前記排出路および導入路との間には開閉弁を設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の改質ガス供給装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は改質ガスを内燃機関に供給する改質ガス供給装置に関し、特に、天然ガスをエンジンの排気ガスを用いて改質する際の改質率を高めて、該改質ガスを自動車や発電機等の動力源であるエンジンに供給するための改質ガス供給装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、エンジンに供給するメタンガスを主成分とする天然ガスについて、天然ガスと二酸化炭素を反応させることで、水素と一酸化炭素を生成して天然ガスを改質することにより、ガスの発熱量を増加させてエンジンに供給する改質ガス供給装置があった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来の方法によるガス改質率はせいぜい８０〜９０％程度であり、この方法では、燃費について高い熱効率が得られないという問題点を有していた。
【０００４】
そこで、本発明の第一の目的は、低温においても改質反応を促進させて水素ガスと一酸化炭素ガスを生成させ、得られた改質ガスをエンジンに送り込んで燃費を向上させる改質ガス供給装置を提供することである。
【０００５】
第二の目的は、天然ガスの改質時に、生成した水素を選択的に吸収することによって、水素ガスを生成する方向の反応を促進して改質率を高め、熱効率を向上させる改質ガス供給装置を提供することである。
【０００６】
第三の目的は、エンジンの他に、燃料電池によって得られた電力を利用したり、他のエネルギー源の動力を利用することによって、システム全体としてのエネルギー効率を高めることのできる改質ガス供給装置を提供することである。
【０００７】
第四の目的は、エンジンの排気ガスに含まれる二酸化炭素を利用して改質率を高めることによって、二酸化炭素ガスの放出による地球温暖化を防止することができる環境に優しい改質ガス供給装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
以上の技術的課題を解決するために、第一の発明は、容器と、その容器内に設けられ、導入されたメタンガスおよびエンジンの排気ガスから分離した二酸化炭素ガスを混合して反応させることによって水素ガスおよび一酸化炭素ガスを生成するためのメタンガス改質用触媒と、前記メタンガス改質用触媒および生成された前記一酸化炭素ガスの前記エンジンへの排出路を一方の空間に有し水素ガスの前記エンジンへの排出路を他方の空間に有するように前記容器を仕切るとともに生成された前記水素ガスをイオン化して透過させる電極に挟まれた電解質層と、該電極間に印加すべき電圧を制御する電圧制御器とを有するものである。
【０００９】
ここで、「電極に挟まれた電解質層」は、いわゆる燃料電池の構造をもつものである。該電極としては、例えば、多孔質で形成したり、該電極の表面に水素を吸着する触媒をつけるのが好ましい。水素用触媒には、白金・パラジウム等がある。電解質層には、水溶液電解質や、固体電解質がある。前記電圧制御器は、電圧を可変とするものであっても、また、所定の電圧に固定するものであっても良い。
【００１０】
本発明によれば、前記改質ガス供給装置内に電解質層を設けることによって、水素ガスをイオン化して移動し、さらに、エンジンに供給するために該改質ガス供給装置から排出するようにしているため、該水素ガスを生成する前記触媒による反応を促進することによって、メタンガスの改質率を高めることができる。また、電圧制御器によって電圧を可変とすることによってエンジンの出力を可変とすることができる。
【００１１】
第二の発明は、容器と、その容器内に設けられ、導入されたメタンガスおよびエンジンの排気ガスから分離した二酸化炭素ガスを混合して反応させることによって水素ガスおよび一酸化炭素ガスを生成するためのメタンガス改質用触媒と、前記水素ガスおよび一酸化炭素ガスの前記エンジンへの排出路を一方の空間に有し酸素ガスの導入路および水の排出路を他方の空間に有するように前記容器内を仕切るとともに前記水素ガスと導入された前記酸素ガスを用いて得られた電力を蓄電池に供給する電極に挟まれた電解質層とを有するものである。
【００１２】
ここで、「電極に挟まれた電解質層」は、いわゆる燃料電池の構造および機能を有するものである。負極側には酸素用触媒を用いる。該酸素用触媒には、銀、ニッケル等がある。本発明によれば、該電解質層によって、前記触媒によって生成した水素ガスの一部が吸収されて発生した電力を蓄電池の充電に用いられている。そのために、前記触媒による水素ガスの生成をより促進する方向に反応を移行させて改質率を高めることができる。また、同時に蓄電池の充電を促進するように働くので、高い効率で電力を得ることができる。
【００１３】
第三の発明は、容器と、その容器内に設けられ、導入されたメタンガスおよびエンジンの排気ガスから分離した二酸化炭素ガスを混合して反応させることによって水素ガスおよび一酸化炭素ガスを生成するためのメタンガス改質用触媒と、前記メタンガス改質用触媒および生成された前記一酸化炭素ガスの前記エンジンへの排出路を一方の空間に有し水素ガスの前記エンジンへの排出路を他方の空間に有するように前記容器内を仕切るとともに、生成された前記水素ガスをイオン化して透過させる電極に挟まれた第１の電解質層と、前記触媒および前記一酸化炭素ガスの前記エンジンへの排出路を一方の空間に有し、酸素ガスの導入路および水の排出路を他方の空間に有するように前記容器内を仕切るとともに前記水素ガスと導入された前記酸素ガスを用いて得られた電力を蓄電池に供給する電極に挟まれた第２の電解質層と、第１の電解質層の電極間に印加すべき電圧を制御する電圧制御器とを有するものである。
【００１４】
ここで、「第１の電解質層」および「第２の電解質層」は、各々燃料電池の構造をもつものである。第２の電解質層は機能的にも燃料電池の機能をもつものである。本発明によれば、第１の電解質層および第２の電解質層の存在によって、前記触媒によって生成した水素ガスを排除するようにするので、該触媒による水素ガスの生成反応を促進し、メタンガスの改質率をより高めることができる。同時に、第２の電解質層によって生じた電力を前記蓄電池の充電に当てているので、効率の高い電力を得ることができる。
【００１５】
第四の発明は、第一の発明乃至第三の発明のいずれかにおいて、前記各電解質層は、リン酸を主成分とする電解質を含有するものである。前記各電解質層は、リン酸を主成分とする電解質を含有するものである。これによって、高い効率で、水素ガスを吸収して、移動させ、または前記蓄電池に電力を供給することができる。
【００１６】
第五の発明は、第一の発明乃至第三の発明のいずれかにおいて、前記メタンガス改質用触媒は、元素周期表のVIII族の金属、Ib族の金属、希土類酸化物、アルカリ金属酸化物および／またはアルカリ土類金属酸化物との混合物である。
これによって、高い改質率をもつ触媒を得ることができる。
【００１７】
第六の発明は、第一の発明乃至第三の発明のいずれかにおいて、前記排出路および導入路との間には開閉弁を設けたものである。本発明によれば、前記改質ガス供給装置、したがって、エンジンを停止させて、モーターのみを駆動することができるので、小さな動力のみを必要とする場合には、無駄な燃料の消耗を防止し、燃費の向上に役立てることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明に第一の実施の形態に係る改質ガス供給装置１１を適用した改質ガスエンジン−燃料電池ハイブリッドシステム１０について、図１に基づいて説明する。また、この実施の形態は特に指定のない限り本発明を限定するものではない。
【００１９】
該システム１０はモーター１２と、エンジン１３と、そのエンジン１３の排気ガスから二酸化炭素を分離する分離器１４と、分離した二酸化炭素ガス、メタンガス、および空気を導入して、水素ガスおよび一酸化炭素ガスを生成して得られた改質ガスを前記エンジン１３に供給する改質ガス供給装置１１と、そのモーター１２を駆動する蓄電池１５とを有している。
【００２０】
該改質ガス供給装置１１は、容器１６と、その容器１６内に設けられ、前記メタンガスおよび前記二酸化炭素を混合して反応させることによって水素ガスおよび一酸化炭素ガスを生成するためのメタンガス改質用触媒１７を有する。また、該改質ガス供給装置１１は、その容器１６内に設けられ、前記触媒１７によって生成した水素ガスを吸収してイオン化して移動させる電極１８ａ，１８ｂ間に挟まれた第１の電解質層１８を有する。さらに、該改質ガス供給装置１１は、その容器１６内に設けられ、前記触媒１７によって発生した水素ガスと導入された前記空気中の酸素ガスを用いて得られた電力を前記蓄電池１５に供給する電極１９ａ，１９ｂ間に挟まれた第２の電解質層１９と、前記第１の電解質層１８の電極１８ａ，１８ｂ間に印加すべき電圧を制御する電圧制御器２０とを有するものである。
【００２１】
該第１の電解質層１８は、前記容器１６内の前記メタンガス改質用触媒１７の下流部において前記メタンガス改質用触媒１７によって生成された前記一酸化炭素ガスの前記エンジン１３への排出路２１を有する一方の空間２２と、前記水素ガスのエンジンへの排出路２３を有する他方の空間２４とに仕切っている。また、前記第２の電解質層１９は、前記容器１６内の前記メタンガス改質用触媒１７の下流部において、前記触媒１７によって生成された前記一酸化炭素ガスの前記エンジン１３への排出路２１を有する一方の空間２２と、前記酸素ガスの導入路２５および水の排出路２６を有する第三の空間２７とに仕切っている。
【００２２】
ここで、前記メタンガス改質用触媒１７は、例えば、ハニカム状のセラミックスや、多孔体のセラミックスや、該容器１６の一部領域に充填された多数のペレットやタブレット状のセラミックスの表面に吸着させたものである。該メタンガス改質用触媒１７は、例えば、元素周期表のVIII族の金属、Ib族の金属、希土類酸化物、アルカリ金属酸化物および／またはアルカリ土類金属酸化物との混合物が用いられる。
【００２３】
また、前記第１の電解質層１８および第２の電解質層１９の各電極１８ａ，１８ｂ，１９ａ，１９ｂは、水素ガスまたは酸素ガスが透過可能となるような多孔質電極を用いる。また、電極１８ａおよび電極１９ａは、水素ガスを吸収するための触媒が用いられ、電極１９ｂでは、酸素ガスを吸収するための触媒が用いられる。該第１の電解質層１８および第２の電解質層１９は各々燃料電池の構造をもつ。尚、前記蓄電池１５は、前記モーター１２のみならず、その他の電源２８にも電力を供給するものである。
【００２４】
該改質ガスエンジン−燃料電池ハイブリッドシステム１０は、さらに、前記エンジン１３から分離器１４に排気ガスを供給するための管路２９、分離器１４から前記改質ガス供給装置１１に分離された二酸化炭素を導入するための導入路３０、該改質ガス供給装置１１にメタンガスを導入する導入路３１を有する。
【００２５】
続いて、第１の実施の形態に係る改質ガスエンジン−燃料電池ハイブリッドシステム１０の動作について説明する。
水素ガスおよび一酸化炭素ガスとの混合気体を前記エンジン１３に供給してエンジン１３を駆動する。すると、排気ガスがエンジン１３から管路２９を通って前記分離器１４に送られる。該分離器１４によって排気ガス中から二酸化炭素を分離し、分離された二酸化炭素ガスは導入路３０を通って前記改質ガス供給装置１１の容器１６内に導入される。なお、二酸化炭素を分離した残りの排気ガスは、管路２９ａより外方へ排出される。また、メタンガスが導入路３１を通って該改質ガス供給装置１１に導入される。該メタンガスおよび二酸化炭素は該容器１６内に設けられた前記メタンガス改質用触媒１７内に導かれて混合されて反応し、水素ガスと一酸化炭素ガスが生成される。
【００２６】
生成された水素ガスおよび一酸化炭素ガスのうち、水素ガスは前記第１の電解質層１８および第２の電解質層１９の電極１８ａ、１９ａに吸収される。第１の電解質層１８では、該電極１８ａにおいて水素分子はイオン化し、イオン化した水素原子は、正極に帯電している該電極１８ａから、負極に帯電している電極１８ｂに向けて該電極１８ａ、１８ｂ間に印加されている電圧に基づいた移動速度で移動する。該イオン化された水素原子は、該電極１８ｂにおいて電子を取り込んで水素分子として結合して、透過可能な電極１８ｂを通過して、水素ガスとして生成される。生成された水素ガスは排出路２３を通ってエンジン１３に供給されることになる。
【００２７】
一方、第２の電解質層１９では、前記触媒１７によって生成された前記水素ガスは、正極の該電極１９ａに吸収されてイオン化されて電極に電子ｅを与える燃料電池と同様に次の反応が進行する。
H2+2OH- →2H2O+ 2e-
また、負極の電極１９ｂにおいては、導入路２５から導入された空気に含まれる酸素ガスを吸収し該電極１９ｂから与えられた電子によって燃料電池と同様な次の反応が進行する。
O2+H2O+ 2e- → HO2-+ OH-
HO2-→OH- +1/2O2
【００２８】
このようにして、得られた電力は、前記蓄電池１５に供給されて、該蓄電池１５を充電することになり、蓄電池１５の電力効率を高めることになる。該第二の電解質層１９の反応により生成された水は、排出路２６を通って、該改質ガス供給装置１１から排出されることになる。
【００２９】
このようにして、前記触媒１７によって生成された水素ガスは、第１の電解質層１８および第２の電解質層１９によって選択的に該容器１６内から排除されるため、該水素ガスを生成する方向に該触媒１７による反応を促進させることになる。こうして、該触媒１７によるメタンガスの改質率を高める方向に反応が促進される。
【００３０】
続いて、本発明の第一の実施の形態に係る改質ガスエンジン−燃料電池ハイブリッドシステム１０の動作を具体的な数値に基づいた下記の実施例によって説明する。
【００３１】
実験によると、下記の化学反応によって得られるエンタルピーの増減は各々次の通りである。
CH4+2O2 →CO2+2H2O        ΔH =    -191.2kcal/mol       …(1)
CO+0.5O2→CO2             ΔH =    -67.65kcal/mol       …(2)
H2+0.5O2→H2O             ΔH =    -57.78kcal/mol       …(3)
（Ａ）  したがって、１モルのメタンガスを直接エンジン１３で燃焼した場合に得られる動力は、エンジン１３の効率を４０％とした場合には、式(1) ×0.4 より、76.48kcal/mol となる。
【００３２】
（Ｂ）もし、メタンガスを一酸化炭素ガスと水素ガスに85％改質してエンジン１３で燃焼させた場合に得られる動力は、エンジンの効率を40％とすると、メタンガスについては、式(1) ×(1-0.85)×0.4 より11.472kcal/molであり、一酸化炭素ガスについては、式(2) ×0.85×2 ×0.4 より46.002kcal/molであり、水素ガスについては、式(3) ×0.85×2 ×0.4 より39.2904kcal/mol であるため、全体としての動力は、96.7644kcal/mol である。したがって、（Ｂ）の場合には、（Ａ）の場合に比較して、1.27倍の熱効率が得られることになる。
【００３３】
（Ｃ）また、本実施の形態を用いた場合であって、メタンガスを一酸化炭素と水素に９５％改質してエンジンで燃焼した場合について、エンジンの効率を４０％として、得られる動力の大きさについて説明する。
メタンガスについては、式（1)×(1-0.95)×0.4 により、3.824kcal/mol であり、一酸化炭素ガスについては、式(2) ×0.95×2 ×0.4 により、51.414kcal/molであり、水素ガスについては、式(3) ×0.95×2 ×0.4 により、43.9128kcal/mol であり、総計すると得られる動力は、99.1508kcal/mol である。  この場合には、Ａの場合に比較して１．２９６４２８倍の動力が得られることになる。尚、Ｂに比較しても１．０２５倍の動力が得られることになる。
【００３４】
図２には、第二の実施の形態に係る改質ガスエンジン−燃料電池ハイブリッド
システム５０を示す。尚、図２においては、図１と同一のものは、簡単のために、その番号を省略した。
【００３５】
該システム５０では、第一の実施の形態に係る改質エンジン−燃料電池ハイブリッドシステム１０とは異なり、前記改質ガス供給装置１１と接続される各導入路２５、３０、３１、各排出路２１、２３、２６との間に開閉バルブ３２、３３、３４、３５、３６、３７を設けたものである。
【００３６】
これによって、小さな動力を必要とする場合には、エンジン１３を停止させて、モーター１２のみの動力を動力伝達系を介して外部に伝えるようにしたものである。したがって、本実施の形態によれば、燃費をより削減することができる。
【００３７】
以上の実施の形態は、本発明をより良く理解させるために具体的に説明したものであって、別形態を制限するものではない。したがって、発明の主旨を変更しない範囲で変更可能である。例えば、以上の説明では、改質ガス供給装置には、第１の電解質層と第２の電解質層とを設けた場合について説明したが、該場合に限られることなく、第１の電解質層のみ、または第２の電解質層のみを設けた場合であっても良い。さらに、モーターとエンジンの両方を設けたシステムについて説明したが、エンジンのみのシステムであっても良い。また、電圧制御器を用いているが、単に直流電源を用いることもできる。さらに、排出路２１と排出路２３は、エンジンの手前で合流するようにしているが、エンジン内部で混合するような構造であっても良い。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、第一の発明によれば、改質ガス供給装置の中に電極に挟まれた電解質層をもつ燃料電池のような構造を設けることによって、水素ガスを吸収し、水素ガスおよび一酸化炭素ガスを生成する方向の反応を促進する。これによって、メタンガスの改質率を高め、熱効率を向上させることができる。
【００３９】
また、第二の発明または第三の発明によれば、第一の発明のように、改質ガス供給装置の中に電極に挟まれた電解質層をもつ燃料電池のような構造または機能を設けることによって、水素ガスを吸収し、水素ガスおよび一酸化炭素ガスを生成する方向の反応を促進することによって、メタンガスの改質率をより高めることができる。さらに、該水素ガスの吸収によって生じた電力を蓄電池等に供給することができるので、高い効率の電力を得ることができる。
【００４０】
第四の発明によれば、電解質層として、リン酸を用いるようにしているので、低温でも動作が可能であるので低温においても改質反応を促進させて、改質率を向上させることができる。
第五の発明によれば、二酸化炭素の吸収を促進する性質をもっているので、さらに、改質率を高めることができる。
【００４１】
第六の発明によれば、開閉弁を設けることによって、エンジンを停止させることができるので、小さな動力のみを必要とする場合には、モーター等のエンジンに比較して小さい動力をもつ他の動力機関を用いることによって無駄な燃料の消耗を防止し、燃費の向上に役立てることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施のい形態における改質ガス供給装置の概略系統図である。
【図２】本発明の第二の実施の形態における改質ガス供給装置の概略系統図である。
【符号の説明】
１１  改質ガス供給装置
１２  モーター
１３  エンジン
１４  分離器
１５  蓄電池
【図１】
0004238331.tif 000002
【図２】
0004238331.tif 000003