WO2021192156A1 - 燃料製造装置 - Google Patents

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combustion engine
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雄三 白川
寛人 内藤
石川　敬郎
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Definitions

  • the present invention relates to a fuel manufacturing apparatus.
  • Patent Document 1 describes a method for producing a hydrocarbon or a hydrocarbon derivative from an electric energy source, wherein a. Steps to provide an electrical energy source, b. The steps of electrolyzing water to produce hydrogen and oxygen using the electrical energy from the electrical energy source, and c. A method including a step of hydrogenating carbon dioxide to produce methane using the generated hydrogen is described, and in the method, a renewable energy source is used as an electric energy source.
  • the present inventors decompose high-temperature water vapor contained in the exhaust gas discharged from the internal combustion engine into hydrogen and oxygen by an electrolyzer and decompose them.
  • fuel can be produced by efficiently utilizing the energy from an internal combustion engine by converting the hydrogen from a high temperature state into a fuel, and completed the present invention.
  • the present invention includes an internal combustion engine, an electrolyzer connected to the internal combustion engine, and a hydrogenation reactor connected to the electric decomposition apparatus, and the electrolysis apparatus is contained in the exhaust gas from the internal combustion engine. It is a device for decomposing high-temperature water vapor contained in hydrogen and oxygen, and is characterized by a fuel production device which is a device for converting the decomposed hydrogen into fuel by a hydrogenation reactor.
  • an apparatus for producing fuel using high-temperature exhaust gas emitted from an internal combustion engine there is provided an apparatus for producing fuel using high-temperature exhaust gas emitted from an internal combustion engine. Issues, configurations and effects other than those described above will be clarified by the description of the following embodiments.
  • the present invention includes an internal combustion engine, an electrolyzer connected to the internal combustion engine, and a hydrogenation reactor connected to the electric decomposition apparatus, and the electrolyzer is included in the exhaust gas from the internal combustion engine.
  • the present invention relates to a fuel production device which is a device for decomposing high-temperature water vapor into hydrogen and oxygen, and is a device for converting the decomposed hydrogen into fuel by a hydrogenation reactor.
  • the internal combustion engine in the present invention refers to an engine in which the combustion gas is a working fluid, and includes a reciprocating engine, a rotary engine, and the like.
  • the internal combustion engine in the fuel production apparatus of the present invention can be started and / or stopped quickly, and is derived from the renewable energy source when the renewable energy source is used as the electric power used for electrolysis in the electrolyzer. It is possible to easily follow the fluctuating surplus power. Further, the internal combustion engine in the fuel production apparatus of the present invention can shorten the warm-up operation time of the fuel production apparatus.
  • bioethanol or hydrous ethanol can be used as an auxiliary fuel.
  • bioethanol as an auxiliary fuel in an internal combustion engine, it is possible to suppress the emission of carbon dioxide, which is one of the causes of global warming.
  • Combustion in an internal combustion engine is carried out at a temperature known in the art, usually 300 ° C. to 900 ° C., preferably 500 ° C. to 700 ° C.
  • the external device for example, the generator can be operated by the mechanical power of the internal combustion engine.
  • the temperature of the exhaust gas discharged from the internal combustion engine is usually 250 ° C. to 850 ° C., preferably 350 ° C. to 650 ° C., for example, 350 ° C. to 550 ° C., and the temperature is the electrolysis apparatus described below. Since it corresponds to the temperature of electrolysis, the water vapor contained in the exhaust gas is efficiently decomposed into hydrogen in the electrolysis apparatus as described below.
  • the internal combustion engine is operated after being adjusted (adjusted) so that the air-fuel ratio (Air / Fuel ratio) becomes the stoichiometric ratio combustion (stoichiometric combustion: hereinafter referred to as stoichiometric combustion) which is the stoichiometric air-fuel ratio. Is preferable.
  • the exhaust gas that will be supplied to the electrolyzer may contain oxygen (O 2).
  • oxygen oxygen
  • the electrolysis of water vapor in the electrolyzer can be suppressed.
  • the exhaust gas discharged from the internal combustion engine does not contain oxygen, and the electricity of the water vapor in the electrolyzer to which the exhaust gas is supplied becomes electric. It is possible to prevent a decrease in decomposition efficiency and consumption of generated hydrogen.
  • a spark ignition engine suitable for operation in stoichiometric combustion is desirable for the internal combustion engine in the present invention.
  • the internal combustion engine is connected to the electrolyzer, and the exhaust gas discharged from the internal combustion engine is supplied to the electrolyzer.
  • the electrolyzer in the present invention is referred to as high temperature electrolysis or steam electrolysis performed at a high temperature with respect to room temperature, for example, usually 250 ° C. to 850 ° C., preferably 350 ° C. to 650 ° C., for example 350 ° C. to 550 ° C. It is a device for performing electrolysis.
  • the exhaust gas discharged from the internal combustion engine is at a temperature within the range in which the electrolyzer is operated, and by performing electrolysis in the electrolyzer at the temperature, water vapor is electrolyzed with high efficiency. And can generate hydrogen.
  • the water vapor contained in the exhaust gas supplied to the cathode receives electrons and is decomposed into hydrogen and oxygen ions (O 2- ), and the oxygen ions generated at the cathode are between the cathode and the anode. It moves to the anode through the electrolyte located in and produces oxygen at the anode.
  • the electrolyzer may include a solid oxide electrolyte as the electrolyte.
  • the solid oxide electrolyte for example, yttria-stabilized zirconia ( "YSZ", Y 2 O 3 added ZrO 2) and the like.
  • the electrolyzer contains an airtight solid oxide electrolyte, oxygen ions are well conducted at high temperatures, and the separation of hydrogen and oxygen ions can be further promoted.
  • the electrolyzer includes an electrode known in the art as an electrode, and for example, a nickel cermet steam / hydrogen electrode may be used.
  • renewable energy sources include one or more energies selected from wind energy, tidal energy, wave energy, hydraulic energy, geothermal energy, and solar energy.
  • the fuel production apparatus of the present invention may further include an apparatus for decomposing and / or removing harmful substances other than water vapor between the internal combustion engine and the electrolyzer.
  • the fuel production apparatus of the present invention further includes an exhaust gas purification catalyst such as a three-way catalyst between the internal combustion engine and the electrolysis apparatus.
  • the fuel production apparatus of the present invention further contains an exhaust gas purification catalyst, harmful substances in the exhaust gas discharged from the internal combustion engine are efficiently decomposed and / or removed, and the exhaust gas is supplied. Deterioration and / or corrosion due to harmful substances can be prevented.
  • oxygen generated by the electrolyzer may be supplied to the internal combustion engine for combustion of the internal combustion engine.
  • the combustion efficiency of the internal combustion engine can be improved.
  • the electrolyzer is connected to the hydrogenation reactor, and the hydrogen generated by the electrolyzer is supplied to the hydrogenation reactor.
  • a hydrogenation reactor is a device for converting hydrogen generated in an electrolysis device into a fuel with high operability.
  • a metanation reactor that reacts hydrogen with carbon dioxide to generate methane, or hydrogen and hydrogen.
  • examples thereof include an organic hydride reactor that reacts toluene to produce methylcyclohexane (MCH).
  • the methanation reaction is also called the Sabatier reaction, and this reaction is known in the art.
  • a temperature of 200 ° C. to 300 ° C. for example, 200 ° C. to 250 ° C. or 250 ° C. to 300 ° C. is required.
  • hydrogen produced in the electrolyzer operated at a high temperature is also at a high temperature. Therefore, the hydrogen generated by the electrolyzer does not need to be heated and is adjusted to the temperature range and supplied to the metanation reactor using a cooling device or a cooling water line as described below. And the Sabatier reaction can be started efficiently.
  • the carbon dioxide used in the Sabatier reaction may be supplied from the outside, but it is preferable to use the carbon dioxide contained in the exhaust gas.
  • Carbon dioxide contained in exhaust gas if discharged as it is, causes global warming. Therefore, by using carbon dioxide contained in the exhaust gas in the reaction, the amount of carbon dioxide emitted can be reduced.
  • carbon dioxide contained in the exhaust gas does not decompose and / or react in the electrolyzer arranged between the internal combustion engine and the metanation reactor, so that the high temperature is maintained in the internal combustion engine and the electrolyzer. .. Therefore, the carbon dioxide contained in the exhaust gas is supplied to the metanation reactor in the same manner as the hydrogen described above, so that the Sabatier reaction can be efficiently started.
  • the reaction temperature can be maintained at around 300 ° C by using a cooling device or a cooling water line as described below. preferable.
  • the reaction temperature is usually 200 ° C. to 400 ° C., for example, 200 ° C. to 250 ° C., preferably 220 ° C. to 350 ° C., more preferably 220 ° C. to 260 ° C., and even more preferably 220 ° C. to 250 ° C.
  • a catalyst is used in the Sabatier reaction.
  • a catalyst known in the art can be used, and examples thereof include, but are not limited to, a ruthenium-supported aluminum catalyst and a nickel catalyst. Good selectivity can be obtained by using the catalyst.
  • the carbon dioxide emitted by the internal combustion engine can be effectively used, and the high temperature emitted from the electrolyzer can be used. Hydrogen and carbon dioxide can be used in the reaction without further heating, and energy efficiency can be improved. Furthermore, the methane obtained by hydrogenation can be input to an internal combustion engine as fuel, and can also be transported by pipeline.
  • the organic hydride reactor will be described by the example using the above-mentioned methylcyclohexane.
  • Methylcyclohexane and toluene in the reaction are cyclic hydrocarbons having the same number of carbon atoms, but while methylcyclohexane is a saturated hydrocarbon that does not have a double bond, toluene is a portion where carbons are bonded to each other by a double bond. It is an unsaturated hydrocarbon having. That is, toluene is obtained by the dehydrogenation reaction of methylcyclohexane, and methylcyclohexane is obtained by the hydrogenation reaction of toluene. Therefore, the organic hydride reactor enables the supply and storage of hydrogen by utilizing the dehydrogenation reaction and the hydrogen addition reaction of these hydrocarbons.
  • a temperature of usually 70 ° C. to 100 ° C., preferably 80 ° C. to 100 ° C., more preferably 80 ° C. to 90 ° C. is required to initiate the hydrogenation reaction. be.
  • hydrogen produced in the electrolyzer operated at a high temperature is also at a high temperature. Therefore, the hydrogen generated by the electrolyzer does not need to be heated and is adjusted to the temperature range and supplied to the organic hydride reactor using a cooling device or a cooling water line as described below. And the hydrogenation reaction can be started efficiently.
  • the hydrogenation reaction when the hydrogenation reaction is started, the hydrogenation reaction itself is an exothermic reaction, so it is usually necessary to cool the reaction system. If the reaction temperature significantly exceeds the boiling point of methylcyclohexane under atmospheric pressure of 100.9 ° C, the efficiency will decrease. Therefore, using a cooling device or cooling water line as described below, the reaction temperature will be around 100 ° C. It is preferable to maintain the temperature.
  • the temperature range is usually 80 ° C. to 100 ° C., preferably 85 ° C. to 98 ° C., and more preferably 85 ° C. to 96 ° C.
  • the hydrogen reservoir that can be used in the organic hydride reactor is chain saturated.
  • Hydrocarbons, cyclic saturated hydrocarbons, and chain saturated hydrocarbons include, for example, pentane, hexane, heptane, octane, nonane, decane, undecane, dodecane, their structural isomers, and their substitutions.
  • cyclic saturated hydrocarbons examples include cyclobutane, cyclopentane, cyclohexane, cycloheptane, cyclooctane, cyclononane, and alkyl substituents thereof.
  • alkyl substituent of the cyclic saturated hydrocarbon examples include the above-mentioned methylcyclohexane and the like.
  • a plurality of single bonds thereof may be used as the cyclic saturated hydrocarbon. Examples of such a compound include bicyclohexane and the like.
  • examples of the hydrogen reservoir that can be used in the organic hydride reactor include bicyclic saturated hydrocarbons, and as the bicyclic saturated hydrocarbon, for example, decalin, tetralin and alkyl substituents thereof can be used. can.
  • examples of the alkyl substituent of the bicyclic saturated hydrocarbon include methyldecalin and the like.
  • the hydrogen storage body if hydrogen can be separated from the hydrogen storage body by the following catalyst, the hydrogen, the dehydrogenation body, and the unreacted hydrogen storage body can be separated from the above-mentioned compounds.
  • two or more may be mixed and used.
  • other compounds such as hydrocarbons and stabilizers that are not involved in the hydrogen addition reaction and dehydrogenation reaction may be added. It may be included as appropriate.
  • Examples of the catalyst that can be used when extracting hydrogen from the hydrogen storage include a catalyst containing a metal catalyst and a carrier that carries the metal catalyst, and the catalyst further includes a carrier for holding the carrier. Is preferable.
  • the metal catalyst examples include nickel (Ni), palladium (Pd), platinum (Pt), rhodium (Rh), iridium (Ir), renium (Re), ruthenium (Ru), molybdenum (Mo), and tungsten (W). ), Vanadium (V), osmium (Os), chromium (Cr), cobalt (Co), and iron (Fe). preferable.
  • the size of the particles of the metal catalyst can be, for example, those having an average particle size of 1 nm to 10 nm, for example, about 2 nm, but the size is not limited to this, and the dehydrogenation reaction of the hydrogen storage is carried out. Any size can be used as long as it can be used.
  • the carrier examples include alumina silicates such as activated carbon, carbon nanotubes, silica, alumina, and zeolite, porous polyimide, zinc oxide, zirconium oxide, diatomaceous earth, niobium oxide, vanadium oxide, and the like.
  • the carrier can be in any form according to the immobilization mode of the catalyst.
  • an organic hydride reactor is used as a hydrogenation reactor, and high-temperature hydrogen discharged from the electrolyzer is used for the reaction without further heating to improve energy efficiency. Can be done. Furthermore, by making the hydrogen storage obtained by hydrogenation into a liquid (for example, methylcyclohexane), storability, transportability, and operability can be improved. Also, for liquid fuels, gasoline infrastructure can be utilized.
  • a liquid for example, methylcyclohexane
  • FIG. 1 schematically shows an example of a hydrogenation reactor.
  • the hydrogenation reactor 300 includes a plurality of reaction cells 31 having a columnar outer shape, and a cylindrical first casing 32 for accommodating the plurality of reaction cells 31. .. Then, carbon dioxide contained in the exhaust gas, a gas containing hydrogen produced by the electrolyzer, a dehydrogenator, for example, vapor of toluene, etc., flows through each reaction cell 31, and cooling water flows out of the reaction cell 31. Therefore, it is designed to pass through the inside of the first casing 32.
  • the first casing 32 and the second casing 34 described below are made of metal (for example, SUS) so as to have high thermal conductivity.
  • the shapes of the first casing 32 and the second casing 34 are not limited to a cylindrical shape, and may be, for example, a quadrangular tubular shape or a polygonal tubular shape.
  • the reaction cell 31 includes a plurality of laminated reaction sheets 33 and a second casing 34 for accommodating the plurality of reaction sheets 33.
  • each reaction sheet 33 includes a base metal foil 35, a porous layer 36 formed on both sides of the metal foil 35, and a catalyst 37 supported on the porous layer 36. ing. That is, each reaction sheet 33 has a three-layer structure in which the porous layer 36 supporting the catalyst 37, the metal foil 35, and the porous layer 36 supporting the catalyst 37 are laminated in this order.
  • a gap is formed between the reaction sheets 33 adjacent to each other in the thickness direction through which gas components such as carbon dioxide, water vapor, generated hydrogen, and a dehydrogenator, for example, toluene vapor can pass.
  • gas components such as carbon dioxide, water vapor, generated hydrogen, and a dehydrogenator, for example, toluene vapor can pass.
  • reaction sheet 33 is in the form of a sheet, its heat capacity is small, heat is rapidly conducted through the reaction sheet 33, and the temperature at which the catalyst 37 exerts its catalytic function well is quickly adjusted.
  • hydrogen supplied from the electrolyzer reacts with carbon dioxide or toluene and is efficiently converted into a hydrogen reservoir such as methane or methylcyclohexane.
  • each reaction sheet 33 Further, a plurality of through holes 33a are formed in each reaction sheet 33.
  • carbon dioxide, water vapor, generated hydrogen and dehydrogenated substances such as toluene vapor, which are gas components, can flow well in the thickness direction.
  • the metal foil 35 is made of, for example, an aluminum foil, and its thickness is usually 50 ⁇ m to 200 ⁇ m.
  • the metal foil 35 may not be provided, or instead of the metal foil 35, the base porous layer 36 may be provided, and the entire reaction sheet 33 may have a porous structure.
  • the porous layer 36 is a layer for supporting the catalyst 37, and has a plurality of pores through which gas components such as carbon dioxide, water vapor, generated hydrogen and dehydrogenate, for example, toluene vapor can pass. Have.
  • a porous layer 36 is composed of, for example, an oxide mainly composed of alumina.
  • the catalyst 37 is a catalyst for producing methane or a hydrogen reservoir from generated hydrogen, which is a gas component, and carbon dioxide or a dehydrogenator, for example, vapor of toluene or the like.
  • a catalyst 37 is as described above and may differ depending on the hydrogenation reaction, but typical catalysts include, for example, platinum, nickel, palladium, rhodium, iridium, ruthenium, molybdenum, rhenium, and tungsten. , Vanadium, osmium, chromium, cobalt, iron and the like.
  • the fuel production apparatus of the present invention may further include a cooling apparatus or a cooling water line for adjusting the temperature of hydrogen or the like supplied to the hydrogenation reactor and the reaction temperature of the hydrogenation reactor.
  • the internal combustion engine, the hydrogenation reactor, and in some cases, the cooling device may be connected by a cooling water line for cooling the internal combustion engine.
  • the cooling device is a device for adjusting the temperature of hydrogen or the like supplied to the hydrogenation reactor, and the cooling water line appropriately adjusts the temperature of the internal combustion engine, the cooling device and / or the hydrogenation device.
  • the cooling device and the cooling water line those known in the art can be used.
  • the temperature of the metanation reactor is appropriately adjusted by connecting the internal combustion engine and the metanation reactor with a cooling water line.
  • the reaction temperature can be adjusted.
  • a cooling device that cools by drainage between the electrolyzer and the metanation reactor, the generated hydrogen and carbon dioxide can be adjusted to a temperature range suitable for the start temperature of the metanation reaction, and the said.
  • Energy efficiency can be improved by supplying the wastewater that has become hot due to heat exchange in the cooling device to the electrolyzer as hot water or steam.
  • water contained in the methane mixed gas generated in the metanation reactor can be used. Separation of water from the methane mixed gas can be carried out by cooling the methane mixed gas to less than 100 ° C. in a cooling device installed after the metanation reactor and separating the gaseous methane and the liquid water. can.
  • the reaction temperature of the organic hydride reactor can be adjusted by connecting the internal combustion engine and the organic hydride reactor with a cooling water line. Can be adjusted appropriately.
  • the generated hydrogen can be adjusted to a temperature range suitable for the start temperature of the hydrogenation reaction, and the hydrogen supplied to the organic hydride reactor can be adjusted. Excess water vapor can be removed from the gas to improve the reaction efficiency in the organic hydride reactor.
  • FIG. 4 shows the configuration of the first embodiment of the fuel manufacturing apparatus of the present invention.
  • the configuration of the first embodiment includes an internal combustion engine 1, an electrolyzer 2 connected to the internal combustion engine 1, and a hydrogenation reactor 300 connected to the electrolyzer 2 in series.
  • a fuel tank 4 for supplying fuel to the internal combustion engine 1 and a generator 5 operated by the mechanical power of the internal combustion engine 1 are further connected to the internal combustion engine 1, and the internal combustion engine 1 and the electrolysis device 2 are connected.
  • a renewable energy source 6 for supplying electric power to the electrolyzer 2 is further connected to the electrolyzer 2.
  • a storage tank 700 for storing the fuel produced in the hydrogenation reactor 300 is further connected to the hydrogenation reactor 300.
  • the fuel supplied from the fuel tank 4 to the internal combustion engine 1 is burned to generate steam at 400 ° C. and mechanical power, and the steam at 400 ° C. is supplied to the electrolysis device 2.
  • Mechanical power is transmitted to the generator 5.
  • the steam at 400 ° C. supplied to the electrolyzer 2 operated by the renewable energy source 6 is decomposed into oxygen and hydrogen by high-temperature electrolysis, oxygen is supplied to the internal combustion engine 1, and hydrogen is a hydrogenation reaction. It is supplied to the vessel 300.
  • the hydrogen supplied to the hydrogenation reactor 300 is converted into fuel for methane or methylcyclohexane (MCH) and stored in the storage tank 700.
  • MCH methane or methylcyclohexane
  • the hydrogen generated in the electrolyzer 2 is supplied to the hydrogenation reactor 300 connected in series with the electrolyzer 2 at a high temperature, and is therefore heated for the hydrogenation reaction. It is not necessary and can be converted into a form that is easy to store.
  • FIG. 5 shows the configuration of the second embodiment in which the metanation reactor 301 is used as the hydrogenation reactor in the fuel production apparatus of the present invention.
  • the configuration of the second embodiment includes an internal combustion engine 1, an electrolyzer 2 connected to the internal combustion engine 1, and a metanation reactor 301 connected to the electrolyzer 2 in series.
  • a fuel tank 4 for supplying fuel to the internal combustion engine 1 and a generator 5 operated by the mechanical power of the internal combustion engine 1 are further connected to the internal combustion engine 1, and the internal combustion engine 1 and the electrolysis device 2 are connected.
  • a renewable energy source 6 for supplying electric power to the electrolyzer 2 is further connected to the electrolyzer 2.
  • a methane storage tank 701 for storing methane produced in the methane reactor 301 is further connected to the methane reactor 301.
  • the internal combustion engine 1 and the metanation reactor 301 may be connected by a cooling water line.
  • the fuel supplied from the fuel tank 4 to the internal combustion engine 1 is burned to generate steam, carbon dioxide and mechanical power at 400 ° C., and the steam and carbon dioxide at 400 ° C. are electric. It is supplied to the disassembling device 2 and the mechanical power is transmitted to the generator 5.
  • the ratio of fuel and oxygen supplied to the internal combustion engine 1 so as to be stoichiometric combustion, almost all oxygen is consumed at the time of combustion, and oxygen is not contained in the exhaust gas.
  • the gas temperature (outlet side gas temperature) of methane discharged from the methane reactor 301 is preferably 220 ° C. to 250 depending on the cooling device and / or the cooling water line or the like arranged in front of the methane reactor 301. Set to ° C.
  • the hydrogen generated in the electrolyzer 2 and the carbon dioxide contained in the exhaust gas are supplied to the methane reactor 301 connected in series with the electrolyzer 2 at a high temperature. It can be converted to methane, which is easy to store, without the need for heating for metanation.
  • FIG. 6 shows the configuration of the third embodiment, which is a further embodiment of the second embodiment.
  • the configuration of the third embodiment is an internal combustion engine 1, a three-way catalyst 8 for removing harmful substances connected to the internal combustion engine 1, an electrolysis device 2 connected to the three-way catalyst 8, and the electrolysis.
  • a first cooling device 9 for adjusting the temperature suitable for the metanation reaction connected to the device 2 and a metanation reactor 301 connected to the first cooling device 9 are included in series.
  • a second cooling device 10 for cooling the water (water vapor) generated in the metanation reactor 301 is connected to the subsequent stage of the metanation reactor 301, and a second cooling device 10 is connected to the subsequent stage of the second cooling device 10.
  • a water recovery tank 11 for recovering the cooled water is connected, and a methane storage tank 701 for recovering the generated methane mixed gas is connected to the subsequent stage of the water recovery tank 11.
  • the internal combustion engine 1 further includes a cooling water line (including a cooling water pump 12, a cooling water tank 13, and a radiator 14) connecting the internal combustion engine 1, the second cooling device 10, and the metanation reactor 301.
  • the first cooling device 9 supplies the piping for supplying wastewater that can be a cooling medium from the water recovery tank 11 and the high-temperature wastewater or steam that has been heat-exchanged in the first cooling device 9 to the electrolysis device 2.
  • the piping for cooling is further connected.
  • the fuel supplied from the fuel tank to the internal combustion engine for example, methane is burned to generate water vapor and carbon dioxide at 350 ° C. to 550 ° C. (CH 4 + 2O 2 ⁇ CO 2). + 2H 2 O (Formula 1)), the high-temperature water vapor and carbon dioxide are supplied to the electrolytic converter 2 after the harmful substances (unburned hydrocarbons, carbon monoxide, nitrogen oxide, etc.) are removed by the three-way catalyst 8. Will be done. At this time, by adjusting the ratio of fuel and oxygen supplied to the internal combustion engine 1 so as to be stoichiometric combustion, oxygen is not contained in the exhaust gas.
  • the high-temperature water vapor supplied to the electrolyzer 2 is decomposed into oxygen and hydrogen by high-temperature electrolysis (CO 2 + 2H 2 O ⁇ 2H 2 + CO 2 + O 2 (Equation 2)), and hydrogen is released.
  • the temperature is adjusted to 250 ° C. to 300 ° C., which is suitable for the start temperature of the metanation reaction, and then supplied to the metanation reactor 301.
  • the carbon dioxide contained in the exhaust gas is also supplied to the metanation reactor 301 without being electrolyzed.
  • Hydrogen and carbon dioxide supplied to the methanation reactor 301 are converted to methane and water vapor at an appropriate reaction temperature of 220 ° C to 260 ° C adjusted by the cooling water line (2H 2 + 2H 2 + CO 2). ⁇ CH 4 + 2H 2 O (Equation 3)).
  • the converted methane and steam are supplied from the metanation reactor 301 to the second cooling device 10 at a temperature of 220 ° C. to 260 ° C.
  • the water vapor is cooled to water and recovered in the water recovery tank 11, and the methane mixed gas from which the water is separated is recovered in the methane storage tank 701 further after the water recovery tank 11.
  • the nitrogen contained in the exhaust gas (including the nitrogen converted by the three-way catalyst 8) is contained in the final product.
  • Equation 1 1 mol of methane, which is the fuel of the internal combustion engine 1, is burned to generate 1 mol of carbon dioxide and 2 mol of water vapor (Equation 1), and 2 mol of water vapor is electricity.
  • 2 mol of hydrogen is produced by electrolysis in the decomposition apparatus 2 (Equation 2). That is, 1 mol of carbon dioxide and 2 mol of hydrogen are produced from 1 mol of methane.
  • 1 mol of carbon dioxide and 4 mol of hydrogen are required (Equation 3).
  • 1 mol of carbon dioxide contained in the exhaust gas discharged from the internal combustion engine 1 is all of 2 mol of hydrogen generated by 2 mol of water vapor contained in the exhaust gas also discharged from the internal combustion engine 1.
  • 2 mol of steam produced in the metanation reactor 301 that is, 2 mol of water recovered in the water recovery tank 11 is used.
  • the hydrogen generated in the electrolyzer 2 and the carbon dioxide contained in the exhaust gas are supplied to the methane reactor 301 connected in series with the electrolyzer 2 at a high temperature. It can be converted to methane, which is easy to store, without the need for heating for metanation.
  • FIG. 7 shows the configuration of the fourth embodiment in which the organic hydride reactor 302 is used as the hydrogenation reactor and toluene and methylcyclohexane are used as the organic hydride in the fuel production apparatus of the present invention.
  • the configuration of the fourth embodiment includes an internal combustion engine 1, an electrolyzer 2 connected to the internal combustion engine 1, and an organic hydride reactor 302 connected to the electrolyzer 2.
  • a fuel tank 4 for supplying fuel to the internal combustion engine 1 and a generator 5 operated by the mechanical power of the internal combustion engine 1 are further connected to the internal combustion engine 1, and the internal combustion engine 1 and the electrolysis device 2 are connected.
  • the organic hydride reactor 302 further includes a methylcyclohexane storage tank 702 for storing the liquid methylcyclohexane produced in the organic hydride reactor 302, and a toluene storage tank 15 for storing toluene as a dehydrogenator. It is connected.
  • a cooling device for adjusting the temperature suitable for the start temperature of the hydrogen addition reaction for example, a heat exchanger may be arranged between the electrolyzer 2 and the organic hydride reactor 302. Further, the internal combustion engine 1 and the organic hydride reactor 302 may be connected by a cooling water line.
  • the fuel supplied from the fuel tank 4 to the internal combustion engine 1 is burned to generate steam at 400 ° C. and mechanical power, and the steam at 400 ° C. is supplied to the electrolysis device 2.
  • Mechanical power is transmitted to the generator 5.
  • the steam at 400 ° C. supplied to the electrolyzer 2 operated by the renewable energy source 6 is decomposed into oxygen and hydrogen by high-temperature electrolysis, oxygen is supplied to the internal combustion engine 1, and hydrogen is an organic hydride reaction. It is supplied to the vessel 302.
  • the hydrogen supplied to the organic hydride reactor 302 reacts with the toluene supplied from the toluene storage tank 15 to be converted into liquid methylcyclohexane, and is stored in the methylcyclohexane storage tank 702.
  • the temperature (outlet side temperature) of methylcyclohexane discharged from the organic hydride reactor 302 is preferably 85 ° C. to 98 ° C. depending on the cooling device and / or the cooling water line or the like arranged in front of the organic hydride reactor 302. Is set to.
  • the hydrogen generated in the electrolyzer 2 is supplied to the organic hydride reactor 302 connected in series with the electrolyzer 2 at a high temperature, and is therefore heated for the hydrogenation reaction. It can be converted to a liquid methylcyclohexane that is not necessary and is easy to store.
  • FIG. 8 shows the configuration of the fifth embodiment, which is a further embodiment of the fourth embodiment.
  • the configuration of the fifth embodiment is an internal combustion engine 1, a three-way catalyst 8 for removing harmful substances connected to the internal combustion engine 1, an electrolysis device 2 connected to the three-way catalyst 8, and the electrolysis.
  • a cooling device 16 connected to the device 2 for adjusting to a temperature suitable for the hydrogen addition reaction, a toluene vaporizer 17 connected to the cooling device 16, and an organic hydride reaction connected to the toluene vaporizer 17.
  • a toluene storage tank 15 for storing toluene as a dehydrogenator is further connected to the toluene vaporizer 17.
  • the organic hydride reactor 302 is further connected to a methylcyclohexane storage tank 702 for storing the liquid methylcyclohexane produced in the organic hydride reactor 302.
  • the internal combustion engine 1 further includes a cooling water line (including a cooling water pump 12, a cooling water tank 13, and a radiator 14) connecting the internal combustion engine 1, the cooling device 16, and the organic hydride reactor 302.
  • the fuel supplied from the fuel tank to the internal combustion engine 1 is burned to generate high-temperature steam, and the high-temperature steam is a harmful substance (unburned hydrocarbon) in the three-way catalyst 8. , Carbon monoxide, nitrogen oxide, etc.) are removed before being supplied to the electrolytic converter 2.
  • the ratio of fuel and oxygen supplied to the internal combustion engine 1 so as to be stoichiometric combustion, oxygen is not contained in the exhaust gas.
  • the high-temperature water vapor supplied to the electrolysis device 2 is decomposed into oxygen and hydrogen by high-temperature electrolysis, and hydrogen is a temperature suitable for the start temperature of the hydrogen addition reaction to toluene in the cooling device 1680.
  • the toluene vaporizer 17 After adjusting to ° C. to 90 ° C., it is supplied to the toluene vaporizer 17.
  • the water generated by cooling is removed in the cooling device 16 or the water separation tank (not shown) connected to the cooling device 16.
  • the hydrogen and nitrogen gas supplied to the toluene vaporizer 17 vaporize toluene having a vapor pressure in the toluene vaporizer 17, and are supplied to the organic hydride reactor 302 together with the toluene vapor.
  • the hydrogen and toluene vapors supplied to the organic hydride reactor 302 are converted to methylcyclohexane at an appropriate reaction temperature of 85 ° C. to 96 ° C. adjusted by a cooling water line.
  • the converted methylcyclohexane is supplied from the organic hydride reactor 302 to the methylcyclohexane storage tank 702 at a temperature of 85 ° C to 96 ° C.
  • the nitrogen contained in the exhaust gas (including the nitrogen converted by the three-way catalyst) is finally discharged from the methylcyclohexane storage tank 702.
  • the hydrogen generated in the electrolyzer 2 is supplied to the organic hydride reactor 302 connected in series with the electrolyzer 2 at a high temperature, and is therefore heated for the hydrogenation reaction. It can be converted to a liquid methylcyclohexane that is not necessary and is easy to store.
  • FIG. 9 shows the configuration of the sixth embodiment in which the metanation reactor 301 and the organic hydride reactor 302 are used as the hydrogenation reactor in the fuel production apparatus of the present invention.
  • the configuration of the sixth embodiment is connected to the internal combustion engine 1, the electrolyzer 2 connected to the internal combustion engine 1, the metanation reactor 301 connected to the electrolyzer 2, and the metanation reactor 301. Includes the organic hydride reactor 302 and the like.
  • a fuel tank 4 for supplying fuel to the internal combustion engine 1 and a generator 5 operated by the mechanical power of the internal combustion engine 1 are further connected to the internal combustion engine 1, and the internal combustion engine 1 and the electrolysis device 2 are connected.
  • the methanation reactor 301 includes a methane storage tank 701 for storing methane produced in the methanation reactor 301 and an organic hydride reaction for further reacting unreacted hydrogen in the methanation reactor 301. 302 is further connected.
  • the organic hydride reactor 302 includes a methylcyclohexane storage tank 702 for storing the liquid methylcyclohexane produced in the organic hydride reactor 302 and a toluene storage tank 15 for storing toluene as a dehydrogenator. Further connected.
  • a methylcyclohexane storage tank 702 for storing the liquid methylcyclohexane produced in the organic hydride reactor 302 and a toluene storage tank 15 for storing toluene as a dehydrogenator.
  • Cooling devices such as heat exchangers may be arranged.
  • the internal combustion engine 1, the metanation reactor 301, and the organic hydride reactor 302 may be connected by a cooling water line.
  • the fuel supplied from the fuel tank 4 to the internal combustion engine 1 is burned to generate steam, carbon dioxide and mechanical power at 400 ° C., and the steam and carbon dioxide at 400 ° C. are electric. It is supplied to the disassembling device 2 and the mechanical power is transmitted to the generator 5.
  • the ratio of fuel and oxygen supplied to the internal combustion engine 1 so as to be stoichiometric combustion, almost all oxygen is consumed at the time of combustion, and oxygen is not contained in the exhaust gas.
  • the gas temperature (outlet side gas temperature) of methane discharged from the methane reactor 301 is preferably 220 ° C. to 250 depending on the cooling device and / or the cooling water line or the like arranged in front of the methane reactor 301. Set to ° C.
  • the unreacted hydrogen in the metanation reactor 301 is supplied to the organic hydride reactor 302 while being mixed with the reaction product methane.
  • the hydrogen in the mixed gas supplied to the organic hydride reactor 302 reacts with the toluene supplied from the toluene storage tank 15 to be converted into liquid methylcyclohexane, and is stored in the methylcyclohexane storage tank 702.
  • Methane in the mixed gas does not participate in the formation reaction of methylcyclohexane, and methane can be separated by being discharged as a gas.
  • the temperature (outlet side temperature) of methylcyclohexane discharged from the organic hydride reactor 302 is preferably 85 ° C. to 98 ° C. depending on the cooling device and / or the cooling water line or the like arranged in front of the organic hydride reactor 302. Is set to.
  • the hydrogen generated in the electrolysis apparatus 2, the carbon dioxide contained in the exhaust gas, and the unreacted hydrogen in the methane reactor 301 are connected in series with the electrolysis reactor 2. Since the methane is supplied at a high temperature to the methaneation reactor 301 and the organic hydride reactor 302 connected in series with the methaneation reactor 301, it does not need to be heated for the methaneation and hydrogen addition reaction, and methane is easy to store. And can be converted to liquid methylcyclohexane.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiment, and includes various modifications. For example, it is possible to add / delete / replace a part of the configuration of the embodiment with another configuration.

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Abstract

内燃機関から放出される高温の排気ガスを使用して燃料を製造する装置を提供する。　内燃機関と当該内燃機関に接続されている電気分解装置と当該電気分解装置に接続されている水素化反応器とを含み、電気分解装置が内燃機関からの排気ガス中に含まれる高温の水蒸気を水素と酸素とに分解するための装置であり、水素化反応器が分解された水素を燃料に変換するための装置である燃料製造装置に関する。

Description

燃料製造装置
　本発明は、燃料製造装置に関する。
　近年、地球環境の保全及び省資源を目指して、エネルギーを有効利用する試みがなされている。
　例えば、特許文献１には、電気エネルギー源から炭化水素又は炭化水素誘導体を生成する方法であって、ａ．電気エネルギー源を設けるステップ、ｂ．前記電気エネルギー源からの電気エネルギーを用いて、水を電気分解し水素と酸素を生成するステップ、及びｃ．生成した水素を用いて二酸化炭素を水素化してメタンを生成するステップを含む方法が記載されており、当該方法では、電気エネルギー源として再生可能エネルギー源が使用されている。
特表２０１５－５１３５３１号公報
　一方で、従来使用されている内燃機関について、そこから排出される熱エネルギーを効率よく利用することもまた課題である。
　したがって、本発明は、内燃機関から放出される高温の排気ガスを使用して燃料を製造する装置を提供することを課題とする。
　本発明者らは、前記課題を解決するための手段を種々検討した結果、内燃機関から排出される排気ガス中に含まれる高温の水蒸気を電気分解装置にて水素と酸素に分解し、分解された水素を高温の状態から燃料に変換することによって、内燃機関からのエネルギーを効率よく利用して燃料を製造できることを見出し、本発明を完成した。
　すなわち、本発明は、内燃機関と当該内燃機関に接続されている電気分解装置と当該電気分解装置に接続されている水素化反応器とを含み、電気分解装置が内燃機関からの排気ガス中に含まれる高温の水蒸気を水素と酸素とに分解するための装置であり、水素化反応器が分解された水素を燃料に変換するための装置である燃料製造装置を特徴とする。
　本発明によれば、内燃機関から放出される高温の排気ガスを使用して燃料を製造する装置が提供される。前記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
水素化反応器の一例を模式的に示す図である。 水素化反応器における反応セルの一例を模式的に示す図である。 水素化反応器の反応セルにおける反応シートの一例を模式的に示す図である。 本発明の燃料製造装置の実施形態１の構成を示す図である。 本発明の燃料製造装置の実施形態２の構成を示す図である。 本発明の燃料製造装置の実施形態３の構成を示す図である。 本発明の燃料製造装置の実施形態４の構成を示す図である。 本発明の燃料製造装置の実施形態５の構成を示す図である。 本発明の燃料製造装置の実施形態６の構成を示す図である。
　以下、図面等を用いて、本発明の実施形態について説明する。図面では、明確化のために各部の寸法及び形状を誇張しており、実際の寸法及び形状を正確に描写してはいない。それ故、本発明の技術的範囲は、これら図面に表された各部の寸法及び形状に限定されるものではない。また、以下の説明は本発明の内容の具体例を示すものであり、本発明がこれらの説明に限定されるものではなく、本明細書に開示される技術的思想の範囲内において当業者による様々な変更及び修正が可能である。また、本発明を説明するための全図において、同一の機能を有するものは、同一の符号を付け、その繰り返しの説明は省略する場合がある。
　本発明は、内燃機関と当該内燃機関に接続されている電気分解装置と当該電気分解装置に接続されている水素化反応器とを含み、電気分解装置が内燃機関からの排気ガス中に含まれる高温の水蒸気を水素と酸素とに分解するための装置であり、水素化反応器が分解された水素を燃料に変換するための装置である燃料製造装置に関する。
　ここで、本発明における内燃機関とは、燃焼ガスが作動流体であるものを指し、レシプロエンジン、ロータリーエンジン等が含まれる。
　本発明の燃料製造装置における内燃機関は、起動及び／又は停止を素早く実施することができ、電気分解装置における電気分解に用いる電力として再生可能エネルギー源を使用したときに、再生可能エネルギー源に由来する変動余剰電力に容易に追従することができる。さらに、本発明の燃料製造装置における内燃機関は、燃料製造装置の暖機運転時間を短くすることができる。
　さらに、内燃機関では、バイオエタノール又は含水エタノールを補助燃料として使用することができる。
　内燃機関における補助燃料としてバイオエタノールを使用することにより、地球温暖化の原因の一つとして挙げられる二酸化炭素の排出を抑えることができる。
　内燃機関における燃焼は、当該技術分野における公知の温度で行われ、通常３００℃～９００℃、好ましくは５００℃～７００℃で行われる。
　内燃機関における燃焼が前記範囲の温度で行われることにより、外部装置、例えば発電機は、内燃機関による機械動力によって動作することができる。さらに、当該内燃機関から排出される排気ガスの温度は、通常２５０℃～８５０℃、好ましくは３５０℃～６５０℃、例えば３５０℃～５５０℃になり、当該温度は下記で説明する電気分解装置における電気分解の温度に相当するため、排気ガス中に含まれる水蒸気は下記で説明するように電気分解装置において効率よく水素に分解される。
　さらに、内燃機関は、空燃比（Ａｉｒ／Ｆｕｅｌ　ｒａｔｉｏ）が理論空燃比となる量論比燃焼（ストイキトメトリ：以下ストイキ燃焼と呼称する）になるように調整（調節）されて運転されることが好ましい。
　内燃機関がストイキ燃焼よりも空気の比率の高いリーン雰囲気で運転されると、電気分解装置に供給されることになる排気ガスは酸素（Ｏ２）を含み得る。酸素が電気分解装置に供給されると、電気分解装置中での水蒸気の電気分解は抑制され得る。
　したがって、本発明の燃料製造装置において、内燃機関をストイキ燃焼で運転することにより、内燃機関から排出された排気ガスは酸素を含まなくなり、排気ガスが供給される電気分解装置中での水蒸気の電気分解の効率低下や生成した水素の消耗等を防ぐことができる。前記理由から、本発明における内燃機関にはストイキ燃焼での運転に適する火花点火エンジンが望ましい。
　本発明の燃料製造装置では、内燃機関は電気分解装置と接続され、内燃機関から排出される排気ガスは電気分解装置に供給される。
　本発明における電気分解装置とは、常温に対して高温、例えば通常２５０℃～８５０℃、好ましくは３５０℃～６５０℃、例えば３５０℃～５５０℃で行われる高温電気分解又は水蒸気電気分解と称される電気分解を行うための装置である。
　内燃機関から排出される排気ガスは、前記の通り、電気分解装置が操作される前記範囲の温度であり、電気分解装置における電気分解を前記温度で実施することにより、高い効率で水蒸気を電気分解し、水素を生成することができる。
　電気分解装置では、以下の反応が起こる。
　陰極：Ｈ２Ｏ　＋　２ｅ－　→　Ｏ２－　＋　Ｈ２↑
　陽極：Ｏ２－　→　２ｅ－　＋　１／２Ｏ２↑
　全体：Ｈ２Ｏ　→　Ｈ２　＋　１／２Ｏ２
　すなわち、電気分解装置では、陰極に供給された排気ガス中に含まれる水蒸気が電子を受け取って水素及び酸素イオン（Ｏ２－）に分解され、陰極で生成した酸素イオンは、陰極と陽極の間に位置する電解質を介して陽極に移動し、陽極において酸素を生成する。
　電気分解装置は、電解質として固体酸化物電解質を含んでいてもよい。固体酸化物電解質としては、例えばイットリア安定化ジルコニア（「ＹＳＺ」、Ｙ２Ｏ３添加ＺｒＯ２）が挙げられる。
　電気分解装置が気密性の固体酸化物電解質を含むことで、高温で酸素イオンが良好に伝導し、水素と酸素イオンの分離をより促進できる。
　電気分解装置は、電極として、当該技術分野で公知の電極を含み、例えばニッケルサーメット蒸気／水素電極を使用してもよい。
　電気分解装置における電気分解に用いる電力は、再生可能エネルギー源を使用することが好ましい。再生可能エネルギー源としては、風力エネルギー、潮力エネルギー、波力エネルギー、水力エネルギー、地熱エネルギー、太陽エネルギーから選択される１つ以上のエネルギーが挙げられる。
　電気分解装置における電気分解に用いる電力として再生可能エネルギー源を使用することにより、地球温暖化の原因の一つとして挙げられる二酸化炭素の排出を抑えるとともに、再生可能エネルギーの変動余剰電力を効率よく利用することができる。
　電気分解装置では前記の通り排気ガス中に含まれる水蒸気が電気分解されるが、排気ガスは水蒸気以外に有害物質（一酸化炭素（ＣＯ）、未燃炭化水素（ＨＣ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）等）を含み得るため、本発明の燃料製造装置は、内燃機関と電気分解装置の間に、水蒸気以外の有害物質を分解及び／又は除去するための装置をさらに含んでいてもよい。例えば、本発明の燃料製造装置は、内燃機関と電気分解装置の間に、三元触媒等の排気ガス浄化用触媒をさらに含む。
　本発明の燃料製造装置が排気ガス浄化用触媒をさらに含むことにより、内燃機関から排出された排気ガス中の有害物質は効率的に分解及び／又は除去され、排気ガスが供給される電気分解装置の有害物質による劣化及び／又は腐食等を防ぐことができる。
　本発明の燃料製造装置では、電気分解装置で生成された酸素は、内燃機関の燃焼のために内燃機関に供給してもよい。
　電気分解装置で生成された酸素を内燃機関に供給することにより、内燃機関の燃焼効率を向上させることができる。
　本発明の燃料製造装置では、電気分解装置は水素化反応器と接続され、電気分解装置で生成された水素は水素化反応器に供給される。
　水素化反応器とは、電気分解装置において生成した水素を操作性の高い燃料に変換するための装置であり、例えば水素と二酸化炭素を反応させてメタンを生成するメタネーション反応器や、水素とトルエンを反応させてメチルシクロヘキサン（ＭＣＨ）を生成する有機ハイドライド反応器等が挙げられる。
　水素化反応器としてメタネーション反応器を使用する場合、メタネーション反応器では、以下の反応が起こる。
　ＣＯ２　＋　４Ｈ２　→　ＣＨ４　＋　２Ｈ２Ｏ
　メタネーション反応は、サバティエ反応ともいわれ、この反応は、当該技術分野において公知である。
　サバティエ反応を開始するためには、通常２００℃～３００℃、例えば２００℃～２５０℃又は２５０℃～３００℃の温度が必要である。本発明の燃料製造装置では、高温で操作される電気分解装置において生成した水素もまた高温である。したがって、電気分解装置で生成された水素は、加熱する必要がなく、下記で説明するような冷却装置や冷却水ラインを使用して、当該温度範囲に調整してメタネーション反応器に供給することができ、効率的にサバティエ反応を開始することができる。
　さらに、サバティエ反応において用いられる二酸化炭素は、外部から供給してもよいが、排気ガス中に含まれる二酸化炭素を使用することが好ましい。排気ガス中に含まれる二酸化炭素は、そのまま排出されると地球温暖化の原因となる。したがって、排気ガス中に含まれる二酸化炭素を当該反応において使用することで、二酸化炭素の排出量を低減することができる。また、排気ガス中に含まれる二酸化炭素は、内燃機関とメタネーション反応器の間に配置される電気分解装置において分解及び／又は反応しないため、内燃機関及び電気分解装置において高温を保ったままである。したがって、排気ガス中に含まれる二酸化炭素が前記の水素と同様にメタネーション反応器に供給されることで、効率的にサバティエ反応を開始することができる。
　一方で、サバティエ反応が開始されると、サバティエ反応自体は発熱反応であるため、通常反応系を冷却する必要がある。反応温度が３００℃を大幅に超えると逆反応が優先されて効率が低下するため、下記で説明するような冷却装置や冷却水ラインを使用して、反応温度は３００℃前後に維持することが好ましい。反応温度は、通常２００℃～４００℃、例えば２００℃～２５０℃、好ましくは２２０℃～３５０℃、より好ましくは２２０℃～２６０℃、さらにより好ましくは２２０℃～２５０℃である。
　サバティエ反応では、触媒が使用される。触媒としては、当該技術分野で公知の触媒を使用することができ、限定されないが、例えばルテニウム担持アルミニウム触媒やニッケル触媒が挙げられる。当該触媒を使用することにより、良好な選択性が得られる。
　本発明の燃料製造装置における水素化反応器としてメタネーション反応器を使用することにより、内燃機関により排出される二酸化炭素を有効に使用することができ、さらに、電気分解装置から排出される高温の水素及び二酸化炭素をさらに加熱することなく反応に使用することができ、エネルギーの効率化を図ることができる。さらに、水素化されることにより得られたメタンは、燃料として内燃機関に投入することも可能であり、また、パイプライン輸送することもできる。
　水素化反応器として有機ハイドライド反応器を使用する場合、例えば有機ハイドライドとしてトルエン及びメチルシクロヘキサンを例に挙げると、以下の反応が起こる。
　Ｃ６Ｈ５ＣＨ３　＋　３Ｈ２　→　Ｃ６Ｈ１１ＣＨ３
　前記のメチルシクロヘキサンを用いる例により有機ハイドライド反応器を説明する。前記反応におけるメチルシクロヘキサンとトルエンは同じ炭素数を有する環状炭化水素であるが、メチルシクロヘキサンが二重結合を有しない飽和炭化水素であるのに対し、トルエンは炭素同士が二重結合で結合する部分を有する不飽和炭化水素である。つまり、メチルシクロヘキサンの脱水素反応によりトルエンが得られ、トルエンの水素付加反応によりメチルシクロヘキサンが得られる。したがって、当該有機ハイドライド反応器は、これらの炭化水素の脱水素反応及び水素付加反応を利用することによって水素の供給及び貯蔵を可能とするものである。
　有機ハイドライドとしてトルエン及びメチルシクロヘキサンを使用する場合、水素付加反応を開始するためには、通常７０℃～１００℃、好ましくは８０℃～１００℃、より好ましくは８０℃～９０℃の温度が必要である。本発明の燃料製造装置では、高温で操作される電気分解装置において生成した水素もまた高温である。したがって、電気分解装置で生成された水素は、加熱する必要がなく、下記で説明するような冷却装置や冷却水ラインを使用して、当該温度範囲に調整して有機ハイドライド反応器に供給することができ、効率的に水素付加反応を開始することができる。
　一方で、水素付加反応が開始されると、水素付加反応自体は発熱反応であるため、通常反応系を冷却する必要がある。反応温度がメチルシクロヘキサンの大気圧下での沸点１００.９℃を大幅に超えると効率が低下するため、下記で説明するような冷却装置や冷却水ラインを使用して、反応温度は１００℃前後に維持することが好ましい。温度域は、通常８０℃～１００℃、好ましくは８５℃～９８℃、より好ましくは８５℃～９６℃である。
　有機ハイドライドにおける水素付加反応により得られる化合物を水素貯蔵体とし、脱水素反応により得られる化合物を脱水素体としたときに、有機ハイドライド反応器に用いることができる水素貯蔵体としては、鎖式飽和炭化水素、環式飽和炭化水素が挙げられ、鎖式飽和炭化水素としては、例えば、ペンタン、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、ノナン、デカン、ウンデカン、ドデカン及びこれらの構造異性体並びにこれらの置換体が挙げられ、環式飽和炭化水素としては、例えば、シクロブタン、シクロペンタン、シクロヘキサン、シクロヘプタン、シクロオクタン、シクロノナン及びこれらのアルキル置換体が挙げられる。環式飽和炭化水素のアルキル置換体としては、例えば、前記のメチルシクロヘキサン等が挙げられる。また、環式飽和炭化水素は、これを複数個単結合したものを用いてもよい。このような化合物としては、例えば、ビシクロヘキサン等を挙げることができる。
　さらに、有機ハイドライド反応器に用いることができる水素貯蔵体として、二環式飽和炭化水素が挙げられ、二環式飽和炭化水素としては、例えば、デカリン、テトラリン及びこれらのアルキル置換体を用いることができる。二環式飽和炭化水素のアルキル置換体としては、例えば、メチルデカリン等が挙げられる。
　なお、水素貯蔵体としては、水素貯蔵体から下記の触媒により水素を取り出す場合に、水素と、脱水素体と、未反応の水素貯蔵体とを分離できるものであれば、前記した化合物の中から選択されるいずれか１種のみで用いる以外にも、２種以上を混合して用いてもよい。またさらに、下記で説明する触媒における水素付加反応及び／又は脱水素反応に支障のない限り、他の化合物、例えば水素付加反応及び脱水素反応に関与しない炭化水素や安定化剤等の添加剤を適宜含んでもよい。
　水素貯蔵体から水素を取り出す場合に用いることができる触媒としては、金属触媒と、金属触媒を担持する担体とを含む触媒が挙げられ、当該触媒は、担体を保持するための保持体をさらに含むことが好ましい。
　金属触媒としては、例えば、ニッケル（Ｎｉ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、レニウム（Ｒｅ）、ルテニウム（Ｒｕ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、バナジウム（Ｖ）、オスミウム（Ｏｓ）、クロム（Ｃｒ）、コバルト（Ｃｏ）、及び鉄（Ｆｅ）から選択される１種以上の遷移金属又はこれらの合金で形成される粒子を用いるのが好ましい。金属触媒の粒子の大きさは、例えば平均粒径が１ｎｍ～１０ｎｍ、例えば２ｎｍ程度のものを使用することができるがこれに限定されるものではなく、水素貯蔵体の脱水素反応を行わせることができればどのような大きさでもよい。
　担体としては、例えば、活性炭、カーボンナノチューブ、シリカ、アルミナ、ゼオライト等のアルミナシリケート、多孔質ポリイミド、酸化亜鉛、酸化ジルコニウム、珪藻土、酸化ニオブ、酸化バナジウム等が挙げられる。当該担体は、触媒の固定態様に合わせて任意の形態とすることができる。
　本発明の燃料製造装置において水素化反応器として有機ハイドライド反応器を使用し、電気分解装置から排出される高温の水素をさらに加熱することなく反応に使用することで、エネルギーの効率化を図ることができる。さらに、水素化されることにより得られる水素貯蔵体を液体（例えばメチルシクロヘキサン）にすることにより、貯蔵性、輸送性、及び操作性を向上させることができる。また、液体の燃料では、ガソリンのインフラを活用することができる。
　続いて、水素化反応器の構成を説明する。図１に水素化反応器の一例を模式的に示す。
　図１に示すように、水素化反応器３００は、外形が円柱状を呈する複数本の反応セル３１と、複数の反応セル３１を収容するための円筒状の第１ケーシング３２とを備えている。そして、排気ガス中に含まれる二酸化炭素、電気分解装置で製造された水素を含むガスや脱水素体、例えばトルエンの蒸気等が各反応セル３１内を通流し、冷却水が反応セル３１の外であって第１ケーシング３２内を通流するようになっている。
　第１ケーシング３２及び下記で説明する第２ケーシング３４は、熱伝導率が高くなるように金属製（例えば、ＳＵＳ）で形成されている。なお、第１ケーシング３２及び第２ケーシング３４の形状は、円筒状に限定されず、例えば、四角形筒状、多角形筒状であってもよい。
　反応セル３１は、図２に示すように、積層された複数枚の反応シート３３と、複数枚の反応シート３３を収容するための第２ケーシング３４とを備えている。
　各反応シート３３は、図３に示すように、ベースとなる金属箔３５と、金属箔３５の両面にそれぞれ形成された多孔質層３６と、多孔質層３６に担持された触媒３７とを備えている。つまり、各反応シート３３は、触媒３７を担持した多孔質層３６、金属箔３５、触媒３７を担持した多孔質層３６の順で積層した三層構造である。
　なお、厚さ方向において隣り合う反応シート３３間には、ガス成分である二酸化炭素、水蒸気、生成した水素、及び脱水素体、例えばトルエンの蒸気等が通流可能な隙間が形成されている。
　また、反応シート３３はシート状であるから、その熱容量が小さく、熱が反応シート３３を速やかに伝導し、触媒３７がその触媒機能を良好に発揮する温度に速やかに調整される。これにより、電気分解装置から供給された水素と二酸化炭素又はトルエンとが反応してメタンやメチルシクロヘキサン等の水素貯蔵体に効率よく変換される。
　さらに、各反応シート３３には、複数の貫通孔３３ａが形成されている。これにより、ガス成分である二酸化炭素、水蒸気、生成した水素及び脱水素体、例えばトルエンの蒸気等、厚さ方向にも良好に通流するようになっている。
　金属箔３５は、例えばアルミニウム箔で構成され、その厚さは通常５０μｍ～２００μｍである。
　ただし、金属箔３５を備えず、又は、金属箔３５に代えて、ベースとなる多孔質層３６を備え、反応シート３３全体を多孔質構造としてもよい。
　多孔質層３６は、触媒３７を担持するための層であって、ガス成分である二酸化炭素、水蒸気、生成した水素及び脱水素体、例えばトルエンの蒸気等が通流可能な複数の細孔を有している。このような多孔質層３６は、例えば、アルミナを主体とする酸化物で構成される。
　触媒３７は、ガス成分である生成した水素と、二酸化炭素又は脱水素体、例えばトルエンの蒸気等とからメタン又は水素貯蔵体を生成させるための触媒である。このような触媒３７は、前記した通りであり、水素化反応に依存して異なり得るが、代表的な触媒としては、例えば、白金、ニッケル、パラジウム、ロジウム、イリジウム、ルテニウム、モリブデン、レニウム、タングステン、バナジウム、オスミウム、クロム、コバルト、鉄等から選択される少なくとも１種が挙げられる。
　本発明の燃料製造装置は、水素化反応器に供給される水素等の温度や、水素化反応器の反応温度を調整するために冷却装置又は冷却水ラインをさらに含んでもよい。
　また、本発明の燃料製造装置では、内燃機関と水素化反応器と場合により冷却装置とを内燃機関を冷却するための冷却水ラインでつないでもよい。
　ここで、冷却装置は、水素化反応器に供給される水素等の温度を調整するための装置であり、冷却水ラインは、内燃機関、冷却装置及び／又は水素化装置の温度を適切に調整するための装置であり、冷却装置及び冷却水ラインとしては、当該技術分野において公知のものを使用することができる。
　例えば、本発明の燃料製造装置において、水素化反応器としてメタネーション反応器を使用する場合、内燃機関とメタネーション反応器の間を冷却水ラインによりつなぐことにより、メタネーション反応器の温度を適切な反応温度に調整することができる。また、電気分解装置とメタネーション反応器の間に排水により冷却を行う冷却装置を設置することにより、生成した水素及び二酸化炭素をメタネーション反応の開始温度に適した温度範囲に調整できるとともに、当該冷却装置における熱交換により高温になった排水を、高温水又は水蒸気として電気分解装置に供給することでエネルギー効率を向上させることができる。なお、冷却装置に使用する排水としては、メタネーション反応器において生成したメタン混合ガスに含まれる水を使用することができる。メタン混合ガスからの水の分離は、メタネーション反応器の後段に設置した冷却装置においてメタン混合ガスを１００℃未満に冷却し、気体のメタンと液体の水とを分離する方法で実施することができる。
　例えば、本発明の燃料製造装置において、水素化反応器として有機ハイドライド反応器を使用する場合、内燃機関と有機ハイドライド反応器の間を冷却水ラインによりつなぐことにより、有機ハイドライド反応器の反応温度を適切に調整することができる。また、電気分解装置と有機ハイドライド反応器の間に冷却装置を設置することにより、生成した水素を水素付加反応の開始温度に適した温度範囲に調整できるとともに、有機ハイドライド反応器に供給される水素ガスから余剰の水蒸気を除去して、有機ハイドライド反応器における反応効率を向上させることができる。
　図４に本発明の燃料製造装置の実施形態１の構成を示す。実施形態１の構成は、内燃機関１と当該内燃機関１に接続されている電気分解装置２と当該電気分解装置２に接続されている水素化反応器３００とを直列に含む。内燃機関１には、内燃機関１に燃料を供給するための燃料タンク４と内燃機関１の機械動力により動作する発電機５とがさらに接続されており、内燃機関１と電気分解装置２の接続は、内燃機関１からの排気ガスを電気分解装置２に供給するための配管と電気分解装置２から生成された酸素を内燃機関１に供給するための配管とを含む。電気分解装置２には、電気分解装置２に電力を供給するための再生可能エネルギー源６がさらに接続されている。水素化反応器３００には、水素化反応器３００において生成した燃料を貯蔵するための貯蔵槽７００がさらに接続されている。
　実施形態１の構成では、まず、燃料タンク４から内燃機関１に供給された燃料は燃焼されることで４００℃の水蒸気及び機械動力を生成し、４００℃の水蒸気は電気分解装置２に供給され、機械動力は発電機５に伝えられる。この際、内燃機関１に供給される燃料と酸素の比率をストイキ燃焼になるように調整することで、酸素を燃焼時にほぼ全て消費させ、排気ガス中に酸素が含まれないようにする。続いて、再生可能エネルギー源６により動作する電気分解装置２に供給された４００℃の水蒸気は、高温電気分解により酸素及び水素に分解され、酸素は内燃機関１に供給され、水素は水素化反応器３００に供給される。水素化反応器３００に供給された水素は、メタン又はメチルシクロヘキサン（ＭＣＨ）の燃料に変換され、貯蔵槽７００に貯蔵される。
　実施形態１の構成では、電気分解装置２において生成された水素は、電気分解装置２と直列で接続された水素化反応器３００に高温のまま供給されるため、水素化反応のために加熱する必要がなく、貯蔵しやすい形態に変換することができる。
　図５に本発明の燃料製造装置において水素化反応器としてメタネーション反応器３０１を使用する実施形態２の構成を示す。実施形態２の構成は、内燃機関１と当該内燃機関１に接続されている電気分解装置２と当該電気分解装置２に接続されているメタネーション反応器３０１とを直列に含む。内燃機関１には、内燃機関１に燃料を供給するための燃料タンク４と内燃機関１の機械動力により動作する発電機５とがさらに接続されており、内燃機関１と電気分解装置２の接続は、内燃機関１からの排気ガスを電気分解装置２に供給するための配管と電気分解装置２から生成された酸素を内燃機関１に供給するための配管とを含む。電気分解装置２には、電気分解装置２に電力を供給するための再生可能エネルギー源６がさらに接続されている。メタネーション反応器３０１には、メタネーション反応器３０１おいて生成したメタンを貯蔵するためのメタン貯蔵槽７０１がさらに接続されている。なお、電気分解装置２とメタネーション反応器３０１の間にはメタネーション反応の原料となる水素及び二酸化炭素等をメタネーション反応の開始温度に適した温度に調整するための冷却装置、例えば熱交換器を配置してもよい。さらに、内燃機関１とメタネーション反応器３０１の間は、冷却水ラインでつないでもよい。
　実施形態２の構成では、まず、燃料タンク４から内燃機関１に供給された燃料は燃焼されることで４００℃の水蒸気、二酸化炭素及び機械動力を生成し、４００℃の水蒸気及び二酸化炭素は電気分解装置２に供給され、機械動力は発電機５に伝えられる。この際、内燃機関１に供給される燃料と酸素の比率をストイキ燃焼になるように調整することで、酸素を燃焼時にほぼ全て消費させ、排気ガス中に酸素が含まれないようにする。続いて、再生可能エネルギー源６により動作する電気分解装置２に供給された４００℃の水蒸気は、高温電気分解により酸素及び水素に分解され、酸素は内燃機関１に供給され、水素はメタネーション反応器３０１に供給される。なお、排気ガス中に含まれる二酸化炭素もまた電気分解されずメタネーション反応器に供給される。メタネーション反応器に供給された水素及び二酸化炭素は、メタンに変換され、メタン貯蔵槽７０１に貯蔵される。なお、メタネーション反応器３０１から排出されるメタンのガス温度（出口側ガス温度）は、メタネーション反応器３０１の前段に配置された冷却装置及び／又は冷却水ライン等により好ましくは２２０℃～２５０℃に設定される。
　実施形態２の構成では、電気分解装置２において生成された水素及び排気ガス中に含まれる二酸化炭素は、電気分解装置２と直列で接続されたメタネーション反応器３０１に高温のまま供給されるため、メタネーションのために加熱する必要がなく、貯蔵しやすいメタンに変換することができる。
　図６に実施形態２をさらに具体化した実施形態３の構成を示す。実施形態３の構成は、内燃機関１と当該内燃機関１に接続されている有害物質を除去するための三元触媒８と当該三元触媒８に接続されている電気分解装置２と当該電気分解装置２に接続されているメタネーション反応に適した温度に調整するための第１の冷却装置９と当該第１の冷却装置９に接続されているメタネーション反応器３０１とを直列に含む。メタネーション反応器３０１の後段には、メタネーション反応器３０１おいて生成した水（水蒸気）を冷却するための第２の冷却装置１０が接続されており、第２の冷却装置１０の後段には冷却された水を回収するための水回収タンク１１が接続されており、水回収タンク１１の後段には生成したメタン混合ガスを回収するためのメタン貯蔵槽７０１が接続されている。内燃機関１は、内燃機関１と第２の冷却装置１０とメタネーション反応器３０１の間をつなぐ冷却水ライン（冷却水ポンプ１２、冷却水タンク１３及びラジエータ１４を含む）をさらに含む。第１の冷却装置９には、水回収タンク１１から冷却媒体となり得る排水を供給するための配管と、第１の冷却装置９において熱交換された高温の排水又は水蒸気を電気分解装置２に供給するための配管とがさらに接続されている。
　実施形態３の構成では、まず、燃料タンクから内燃機関に供給された燃料、例えばメタンが燃焼されることで３５０℃～５５０℃の水蒸気及び二酸化炭素を生成し（ＣＨ４　＋　２Ｏ２　→　ＣＯ２　＋　２Ｈ２Ｏ　（式１））、当該高温の水蒸気及び二酸化炭素は三元触媒８において有害物質（未燃炭化水素、一酸化炭素、酸化窒素等）を除去されてから電気分解装置２に供給される。この際、内燃機関１に供給される燃料と酸素の比率をストイキ燃焼になるように調整することで、排気ガス中に酸素が含まれないようにする。続いて、電気分解装置２に供給された高温の水蒸気は、高温電気分解により酸素及び水素に分解され（ＣＯ２　＋　２Ｈ２Ｏ　→　２Ｈ２　＋　ＣＯ２　＋Ｏ２　（式２））、水素は、第１の冷却装置９においてメタネーション反応の開始温度に適した２５０℃～３００℃に調整されてからメタネーション反応器３０１に供給される。なお、排気ガス中に含まれる二酸化炭素もまた電気分解されずメタネーション反応器３０１に供給される。メタネーション反応器３０１に供給された水素及び二酸化炭素は、冷却水ラインにより調整された２２０℃～２６０℃の適切な反応温度で、メタン及び水蒸気に変換される（２Ｈ２　＋　２Ｈ２　＋　ＣＯ２　→　ＣＨ４　＋２Ｈ２Ｏ　（式３））。変換されたメタン及び水蒸気は、２２０℃～２６０℃の温度でメタネーション反応器３０１から第２の冷却装置１０に供給される。第２の冷却装置１０において水蒸気が水へと冷却されて水回収タンク１１に回収され、水分が分離されたメタン混合ガスは水回収タンク１１のさらに後段のメタン貯蔵槽７０１で回収される。なお、排気ガス中に含まれる窒素（三元触媒８により変換された窒素を含む）は、最終生成物の中に含まれる。
　なお、式１～３の反応式から考慮すると、内燃機関１の燃料であるメタン１モルは燃焼されることで二酸化炭素１モル及び水蒸気２モルを生成し（式１）、水蒸気２モルは電気分解装置２での電気分解により水素２モルを生成する（式２）。すなわち、メタン１モルからは二酸化炭素１モル及び水素２モルが生成される。一方で、メタネーション反応器３０１においてメタン１モルを生成するためには、二酸化炭素１モル及び水素４モルが必要である（式３）。つまり、内燃機関１から排出された排気ガス中に含まれる二酸化炭素１モルは、同じく内燃機関１から排出された排気ガス中に含まれる水蒸気２モルにより生成された水素２モルによってでは、その全てをメタネーションすることができない。したがって、不足分の水素２モルをメタネーション反応器３０１に新たに供給するか、あるいはさらなる水蒸気２モルを電気分解装置２に供給して不足分の水素２モルを生成する必要がある。ここで、さらなる水蒸気２モルを電気分解装置２に供給して水素２モルを生成する場合には、メタネーション反応器３０１において生成した水蒸気２モル、すなわち水回収タンク１１において回収した水２モルを第１の冷却装置９を介して電気分解装置２に高温水又は水蒸気として供給することにより、電気分解装置２においてさらに水素２モルを生成することができる。このようにして生成されたさらなる水素２モルは、メタネーション反応器３０１における不足分の水素２モルとして使用することができる。
　実施形態３の構成では、電気分解装置２において生成された水素及び排気ガス中に含まれる二酸化炭素は、電気分解装置２と直列で接続されたメタネーション反応器３０１に高温のまま供給されるため、メタネーションのために加熱する必要がなく、貯蔵しやすいメタンに変換することができる。
　図７に本発明の燃料製造装置において水素化反応器として有機ハイドライド反応器３０２を使用し、有機ハイドライドとしてトルエン及びメチルシクロヘキサンを使用する実施形態４の構成を示す。実施形態４の構成は、内燃機関１と当該内燃機関１に接続されている電気分解装置２と当該電気分解装置２に接続されている有機ハイドライド反応器３０２とを含む。内燃機関１には、内燃機関１に燃料を供給するための燃料タンク４と内燃機関１の機械動力により動作する発電機５とがさらに接続されており、内燃機関１と電気分解装置２の接続は、内燃機関１からの排気ガスを電気分解装置２に供給するための配管と、電気分解装置２から生成された酸素を内燃機関１に供給するための配管とを含む。電気分解装置２には、電気分解装置２に電力を供給するための再生可能エネルギー源６がさらに接続されている。有機ハイドライド反応器３０２には、有機ハイドライド反応器３０２において生成した液体のメチルシクロヘキサンを貯蔵するためのメチルシクロヘキサン貯蔵槽７０２と、脱水素体としてのトルエンを貯蔵するためのトルエン貯蔵槽１５とがさらに接続されている。なお、電気分解装置２と有機ハイドライド反応器３０２の間には水素付加反応の開始温度に適した温度に調整するための冷却装置、例えば熱交換器を配置してもよい。さらに、内燃機関１と有機ハイドライド反応器３０２の間は、冷却水ラインでつないでもよい。
　実施形態４の構成では、まず、燃料タンク４から内燃機関１に供給された燃料は燃焼されることで４００℃の水蒸気及び機械動力を生成し、４００℃の水蒸気は電気分解装置２に供給され、機械動力は発電機５に伝えられる。この際、内燃機関１に供給される燃料と酸素の比率をストイキ燃焼になるように調整することで、酸素を燃焼時にほぼ全て消費させ、排気ガス中に酸素が含まれないようにする。続いて、再生可能エネルギー源６により動作する電気分解装置２に供給された４００℃の水蒸気は、高温電気分解により酸素及び水素に分解され、酸素は内燃機関１に供給され、水素は有機ハイドライド反応器３０２に供給される。有機ハイドライド反応器３０２に供給された水素は、トルエン貯蔵槽１５から供給されるトルエンと反応して液体のメチルシクロヘキサンに変換され、メチルシクロヘキサン貯蔵槽７０２に貯蔵される。なお、有機ハイドライド反応器３０２から排出されるメチルシクロヘキサンの温度（出口側温度）は、有機ハイドライド反応器３０２の前段に配置された冷却装置及び／又は冷却水ライン等により好ましくは８５℃～９８℃に設定される。
　実施形態４の構成では、電気分解装置２において生成された水素は、電気分解装置２と直列で接続された有機ハイドライド反応器３０２に高温のまま供給されるため、水素付加反応のために加熱する必要がなく、貯蔵しやすい液体のメチルシクロヘキサンに変換することができる。
　図８に実施形態４をさらに具体化した実施形態５の構成を示す。実施形態５の構成は、内燃機関１と当該内燃機関１に接続されている有害物質を除去するための三元触媒８と当該三元触媒８に接続されている電気分解装置２と当該電気分解装置２に接続されている水素付加反応に適した温度に調整するための冷却装置１６と当該冷却装置１６に接続されているトルエン気化器１７と当該トルエン気化器１７に接続されている有機ハイドライド反応器３０２とを直列に含む。トルエン気化器１７には、脱水素体としてのトルエンを貯蔵するためのトルエン貯蔵槽１５がさらに接続されている。有機ハイドライド反応器３０２には、有機ハイドライド反応器３０２において生成した液体のメチルシクロヘキサンを貯蔵するためのメチルシクロヘキサン貯蔵槽７０２がさらに接続されている。内燃機関１は、内燃機関１と冷却装置１６と有機ハイドライド反応器３０２の間をつなぐ冷却水ライン（冷却水ポンプ１２、冷却水タンク１３及びラジエータ１４を含む）をさらに含む。
　実施形態５の構成では、まず、燃料タンクから内燃機関１に供給された燃料は燃焼されることで高温の水蒸気を生成し、当該高温の水蒸気は三元触媒８において有害物質（未燃炭化水素、一酸化炭素、酸化窒素等）を除去されてから電気分解装置２に供給される。この際、内燃機関１に供給される燃料と酸素の比率をストイキ燃焼になるように調整することで、排気ガス中に酸素が含まれないようにする。続いて、電気分解装置２に供給された高温の水蒸気は、高温電気分解により酸素及び水素に分解され、水素は、冷却装置１６においてトルエンへの水素付加反応の開始温度に適した温度である８０℃～９０℃に調整されてからトルエン気化器１７に供給される。なお、冷却することにより生成した水は冷却装置１６又は冷却装置１６に接続されている水分離タンク（図示せず）において除去される。トルエン気化器１７に供給された水素、窒素ガスは、当該トルエン気化器１７において、蒸気圧分のトルエンを気化して、トルエン蒸気と共に有機ハイドライド反応器３０２に供給される。有機ハイドライド反応器３０２に供給された水素及びトルエン蒸気は、冷却水ラインにより調整された８５℃～９６℃の適切な反応温度で、メチルシクロヘキサンに変換される。変換されたメチルシクロヘキサンは８５℃～９６℃の温度で有機ハイドライド反応器３０２からメチルシクロヘキサン貯蔵槽７０２に供給される。なお、排気ガス中に含まれる窒素（三元触媒により変換された窒素を含む）は、最終的にメチルシクロヘキサン貯蔵槽７０２から排出される。
　実施形態５の構成では、電気分解装置２において生成された水素は、電気分解装置２と直列で接続された有機ハイドライド反応器３０２に高温のまま供給されるため、水素付加反応のために加熱する必要がなく、貯蔵しやすい液体のメチルシクロヘキサンに変換することができる。
　図９に本発明の燃料製造装置において水素化反応器としてメタネーション反応器３０１及び有機ハイドライド反応器３０２を使用する実施形態６の構成を示す。実施形態６の構成は、内燃機関１と当該内燃機関１に接続されている電気分解装置２と当該電気分解装置２に接続されているメタネーション反応器３０１と当該メタネーション反応器３０１に接続されている有機ハイドライド反応器３０２とを含む。内燃機関１には、内燃機関１に燃料を供給するための燃料タンク４と内燃機関１の機械動力により動作する発電機５とがさらに接続されており、内燃機関１と電気分解装置２の接続は、内燃機関１からの排気ガスを電気分解装置２に供給するための配管と、電気分解装置２から生成された酸素を内燃機関１に供給するための配管とを含む。電気分解装置２には、電気分解装置２に電力を供給するための再生可能エネルギー源６がさらに接続されている。メタネーション反応器３０１には、メタネーション反応器３０１おいて生成したメタンを貯蔵するためのメタン貯蔵槽７０１と、メタネーション反応器３０１おいて未反応である水素をさらに反応させるための有機ハイドライド反応３０２とがさらに接続されている。有機ハイドライド反応器３０２には、有機ハイドライド反応器３０２おいて生成した液体のメチルシクロヘキサンを貯蔵するためのメチルシクロヘキサン貯蔵槽７０２と、脱水素体としてのトルエンを貯蔵するためのトルエン貯蔵槽１５とがさらに接続されている。なお、電気分解装置２とメタネーション反応器３０１の間及びメタネーション反応器３０１と有機ハイドライド反応器３０２の間にはメタネーション反応及び／又は水素付加反応の開始温度に適した温度に調整するための冷却装置、例えば熱交換器を配置してもよい。さらに、内燃機関１とメタネーション反応器３０１と有機ハイドライド反応器３０２の間は、冷却水ラインでつないでもよい。
　実施形態６の構成では、まず、燃料タンク４から内燃機関１に供給された燃料は燃焼されることで４００℃の水蒸気、二酸化炭素及び機械動力を生成し、４００℃の水蒸気及び二酸化炭素は電気分解装置２に供給され、機械動力は発電機５に伝えられる。この際、内燃機関１に供給される燃料と酸素の比率をストイキ燃焼になるように調整することで、酸素を燃焼時にほぼ全て消費させ、排気ガス中に酸素が含まれないようにする。続いて、再生可能エネルギー源６により動作する電気分解装置２に供給された４００℃の水蒸気は、高温電気分解により酸素及び水素に分解され、酸素は内燃機関１に供給され、水素はメタネーション反応器３０１に供給される。なお、排気ガス中に含まれる二酸化炭素もまた電気分解されずメタネーション反応器３０１に供給される。メタネーション反応器３０１に供給された水素及び二酸化炭素は、メタンに変換され、メタン貯蔵槽７０１に貯蔵される。なお、メタネーション反応器３０１から排出されるメタンのガス温度（出口側ガス温度）は、メタネーション反応器３０１の前段に配置された冷却装置及び／又は冷却水ライン等により好ましくは２２０℃～２５０℃に設定される。続いて、メタネーション反応器３０１において未反応の水素は、反応生成物であるメタンと混合されたまま有機ハイドライド反応器３０２に供給される。有機ハイドライド反応器３０２に供給された前記混合ガス中の水素は、トルエン貯蔵槽１５から供給されるトルエンと反応して液体のメチルシクロヘキサンに変換され、メチルシクロヘキサン貯蔵槽７０２に貯蔵される。前記混合ガス中のメタンはメチルシクロヘキサンの生成反応には関与せず、気体のまま排出されることによりメタンを分離することが可能となる。なお、有機ハイドライド反応器３０２から排出されるメチルシクロヘキサンの温度（出口側温度）は、有機ハイドライド反応器３０２の前段に配置された冷却装置及び／又は冷却水ライン等により好ましくは８５℃～９８℃に設定される。
　実施形態６の構成では、電気分解装置２において生成された水素、排気ガス中に含まれる二酸化炭素、及びメタネーション反応器３０１において未反応の水素は、電気分解装２置と直列で接続されたメタネーション反応器３０１及びメタネーション反応器３０１と直列で接続された有機ハイドライド反応器３０２に高温のまま供給されるため、メタネーション及び水素付加反応のために加熱する必要がなく、貯蔵しやすいメタン及び液体のメチルシクロヘキサンに変換することができる。
　なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
　本明細書で引用した全ての刊行物、特許及び特許出願はそのまま引用により本明細書に組み入れられるものとする。
１：内燃機関、２：電気分解装置、３００：水素化反応器、３０１：メタネーション反応器、３０２：有機ハイドライド反応器、４：燃料タンク、５：発電機、６：再生可能エネルギー源、７：貯蔵槽、７０１：メタン貯蔵槽、７０２：メチルシクロヘキサン貯蔵槽、８：三元触媒、９：第１の冷却装置、１０：第２の冷却装置、１１：水回収タンク、１２：冷却水ポンプ、１３：冷却水タンク、１４：ラジエータ、１５：トルエン貯蔵槽、１６：冷却装置、１７：トルエン気化器、３１：反応セル、３２：第１ケーシング、３３：反応シート、３３ａ：貫通孔、３４：第２ケーシング、３５：金属箔、３６：多孔質層、３７：触媒

Claims (11)

  1. 　内燃機関と当該内燃機関に接続されている電気分解装置と当該電気分解装置に接続されている水素化反応器とを含み、電気分解装置が内燃機関からの排気ガス中に含まれる高温の水蒸気を水素と酸素とに分解するための装置であり、水素化反応器が分解された水素を燃料に変換するための装置である燃料製造装置。
  2. 　分解された酸素を内燃機関に供給するための配管をさらに含む請求項１に記載の燃料製造装置。
  3. 　水素化反応器が、メタネーション反応器であり、メタネーション反応器が、分解された水素と排気ガス中に含まれる二酸化炭素とを反応させてメタンに変換するための装置である請求項１に記載の燃料製造装置。
  4. 　電気分解装置とメタネーション反応器の間に冷却装置をさらに含み、冷却装置が、分解された水素及び排気ガス中に含まれる二酸化炭素を２００℃～２５０℃に調整するための装置である請求項３に記載の燃料製造装置。
  5. 　水素化反応器が、有機ハイドライド反応器であり、有機ハイドライド反応器が、分解された水素と脱水素体とを反応させて水素貯蔵体に変換するための装置である請求項１に記載の燃料製造装置。
  6. 　脱水素体がトルエンであり、水素貯蔵体がメチルシクロヘキサンである請求項５に記載の燃料製造装置。
  7. 　電気分解装置と有機ハイドライド反応器の間に冷却装置をさらに含み、冷却装置が、分解された水素を８５℃～９８℃に調整するための装置である請求項６に記載の燃料製造装置。
  8. 　内燃機関が、内燃機関と水素化反応器の間をつなぐ冷却水ラインをさらに含み、冷却水ラインが、水素化反応器における反応温度を調整するための機関である請求項１～７のいずれか一項に記載の燃料製造装置。
  9. 　内燃機関において燃料をストイキ燃焼することで高温の水蒸気及び二酸化炭素を生成する第１のステップと、
    　第１のステップにおいて生成した高温の水蒸気を電気分解装置により水素及び酸素に分解する第２のステップと、
    　第２のステップにおいて分解した水素を水素化反応器において燃料に変換する第３のステップと
    を含む燃料を製造する方法。
  10. 　第３のステップにおいて、水素化反応器としてメタネーション反応器を使用し、水素及び二酸化炭素を、冷却装置により２００℃～２５０℃に調整し、メタネーション反応器においてメタンに変換する請求項９に記載の方法。
  11. 　第３のステップにおいて、水素化反応器として有機ハイドライド反応器を使用し、水素を、冷却装置により８５℃～９８℃に調整し、有機ハイドライド反応器において脱水素体としてのトルエンと反応させてメチルシクロヘキサンに変換する請求項９に記載の方法。
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