JP2004315310A - 水素供給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】水素の供給を高効率で実施できる水素供給装置を提供する。
【解決手段】芳香族化合物の水素化誘導体３０の脱水素化反応を実施することにより、水素３６の供給を行うことのできる水素供給装置１である。水素供給装置１は、芳香族化合物の水素化誘導体３０を貯蔵する原料貯蔵タンク２、反応装置３、気液分離装置４、コンプレッサ７、水素貯蔵タンク８を具備している。コンプレッサ７は、反応装置３の下流側に配置されており、反応装置３から発生した水素３６の水素ガス利用機器６０に対する供給動作を実施すると共に、この供給動作によって反応装置３内の圧力Ｐ３を低下できるように構成されている。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素供給装置に関し、特に、燃焼電池に好適な水素供給装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、世界のエネルギー消費は一貫して増加しており、エネルギー利用に伴って排出される有害物質が、地球規模での環境破壊の一因となっている。このような背景から、燃料電池への関心が高まっている。燃料電池は、水素と酸素を電気化学的に反応させて水と共に電気エネルギーを発生することから、地球温暖化や大気汚染の防止に貢献できるものと考えられている。
【０００３】
燃料電池において必要とされる水素の供給技術について種々の検討がなされており、例えば、（ｉ）液化水素タンク等に水素を貯蔵し、必要に応じて液化水素を気化させて水素を供給する方法、（ｉｉ）メタノール，液化天然ガス，ガソリン等の液体燃料を水素前駆体として貯蔵し、改質によって水素ガスを供給する方法が知られている。
上記（ｉ），（ｉｉ）の方法によれば、水素又は水素前駆体が液体で貯蔵されることから、気体で貯蔵される場合と比較して、貯蔵容量に対する水素ガスの供給量が大きいという利点を有する。
しかし、上記（ｉ）の方法では、水素を冷却・圧縮して液化水素とするために、さらには、低温状態を維持するために、多大なエネルギーが必要である。
一方、上記（ｉｉ）の液体燃料を改質して水素を得る方法では、本質的に、水素発生に炭酸ガス（二酸化炭素）の発生を伴うとともに、燃料電池の電極に悪影響を及ぼす一酸化炭素ガスを副生成物として含有している。
【０００４】
上記問題を解決するために、芳香族化合物の水素化誘導体水の脱水素化を利用した水素貯蔵・供給システムが提案されている（例えば特許文献１参照）。このシステムは、芳香族化合物に水素付加することにより水素化誘導体として貯蔵し、そして、必要時に、この水素化誘導体の脱水素化反応を行い、水素を取り出すようにしたものである。
【０００５】
このシステムによれば、芳香族化合物及びその水素化誘導体は、常温で液体であることから、貯蔵・輸送に要するエネルギーが非常に少なく、また、脱水素反応生成物中に含まれる“芳香族化合物及びその水素化誘導体”と“水素”との分離を確実にかつ容易に実施することができ、しかも、水素ガスの発生に際して、本質的に二酸化炭素の発生を伴なわないとともに、一酸化炭素も原理的には発生しない、という利点を有している。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−２７４８０１公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前記水素貯蔵・供給システムにおいて、芳香族化合物の水素化誘導体の脱水素化反応は、芳香族化合物の水素化誘導体を、反応装置内に設けられた加熱状態の触媒と接触させることによってなされる。
より具体的には、特許文献１には、原料貯蔵手段と反応装置との間にポンプ等の原料供給手段を配置し、原料貯蔵手段に貯蔵された原料（芳香族化合物の水素化誘導体）を原料供給手段により反応装置へ圧送して触媒と接触させる技術が記載されている。
【０００８】
ここでは、反応装置内の圧力が低いほど、芳香族化合物の水素化誘導体の脱水素化反応の反応率は高く、単位量当たりの原料からより多量の水素を発生させることができる。しかしながら、特許文献１に開示されている水素貯蔵・供給システムにおいては、反応装置への原料の供給は、原料貯蔵手段と反応装置との間に配置された原料供給手段によって、原料貯蔵手段から原料を圧送することにより行われるため、脱水素化反応が行われている反応装置の圧力は、原料供給手段の作動に伴って高くなる傾向となる。
【０００９】
反応装置の圧力を低下させて脱水素化反応を活発に行わせるために、反応装置の下流側を大気に開放したとしても、反応装置の圧力が充分に低くならないせいか、水素発生効率は不十分なものとなっていた。
【００１０】
本発明は、前述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、水素の供給を高効率で実施できる水素供給装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る水素供給装置は、芳香族化合物の水素化誘導体の脱水素化反応を実施することにより、水素の供給を行うことのできる水素供給装置であって、芳香族化合物の水素化誘導体の脱水素化反応を行う反応装置と、“反応装置から発生したガスの水素ガス利用機器及び／又は水素貯蔵タンクに対する供給動作を実施すると共に、供給動作によって反応装置内の圧力を低下できる供給手段”とを備えている。
【００１２】
このような構成によれば、芳香族化合物の水素化誘導体の脱水素化反応を行う反応装置と、“反応装置から発生したガスの水素ガス利用機器及び／又は水素貯蔵タンクに対する供給動作を実施すると共に、供給動作によって反応装置内の圧力を低下できる供給手段”とを備えたので、反応装置内の圧力を低下させながら、反応装置で発生したガスを水素ガス利用機器及び／又は水素貯蔵タンクへ供給できる。これにより、前記供給手段を有さない場合と比較して、単位量当たりの原料からより多量の水素を発生させることができるので、水素の供給を高効率で実施できる。
【００１３】
請求項２に係る水素供給装置は、前記水素供給装置において、芳香族化合物の水素化誘導体を貯蔵する原料貯蔵手段を具備するとともに、供給手段の供給動作により、反応装置の圧力が原料貯蔵手段の圧力よりも低くなって、原料貯蔵手段に貯蔵された芳香族化合物の水素化誘導体が反応装置に入り込むように構成されている。
【００１４】
このような構成によれば、反応装置で発生したガスの供給手段による供給動作により、反応装置の圧力が原料貯蔵手段の圧力よりも低くなるように構成したので、供給手段による供給動作に伴って反応装置と原料貯蔵手段との間に圧力差が生じる。従って、該圧力差を利用して原料貯蔵手段に貯蔵されている芳香族化合物の水素化誘導体を反応装置に供給することができる。
【００１５】
よって、芳香族化合物の水素化誘導体を反応装置に供給するための特別の供給手段を設けることなく、単に反応装置で発生したガスを水素ガス利用機器又は水素貯蔵タンクに供給する供給動作を行うだけで原料である芳香族化合物の水素化誘導体を原料貯蔵手段から反応装置へ連続して供給することができ、水素供給装置の構造を簡単にすることができる。またこれによって、水素供給装置の製造費用を低減できるとともに、故障発生率を低減させ、メンテナンスが容易となる。
【００１６】
請求項３に係る水素供給装置は、前記反応装置の内部と他の部位及び外部との圧力差を制御できる圧力調整手段を具備している。このような構成によれば、“芳香族化合物の水素化誘導体の反応装置への供給速度”及び／又は“反応装置からの水素の排出速度”を所望の値に精度良く調整できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下本発明に係る水素供給装置の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。（第１実施形態）
図１は本発明の第１実施形態である水素供給装置の模式図である。
図１に示すように、水素供給装置１は、原料貯蔵手段の一例である原料貯蔵タンク２、反応装置３、気液分離装置４、廃液回収タンク５、原料供給ポンプ６、供給手段の一例であるコンプレッサ７、及び、水素貯蔵タンク８とを有している。
【００１８】
また、原料貯蔵タンク２は、原料である芳香族化合物の水素化誘導体３０（以下、単に“水素化誘導体”ともいう）を貯蔵するためのものであって、原料供給ポンプ６と配管２１によって接続されている。原料供給ポンプ６は、配管２２によって開閉バルブ９に接続され、更に配管２３によって反応装置３内に配置されたノズル３１に接続されている。そして、開閉バルブ９を開き、原料供給ポンプ６を作動させることにより、原料貯蔵タンク２に貯蔵されている水素化誘導体３０をノズル３１に供給できるように構成されている。
【００１９】
原料貯蔵タンク２は、配管２４を介して開閉バルブ１０に接続されており、開閉バルブ１０を開くことによって原料貯蔵タンク２を外部と連通させて大気に開放できるようになっている。更に原料貯蔵タンク２には、圧力計１１が設けられ、原料貯蔵タンク２内の圧力Ｐ１を計測することができる。また、開閉バルブ９と反応装置３とを接続する配管２３には、圧力計１２が設けられ、原料供給ポンプ６によって反応装置３に供給される芳香族化合物の水素化誘導体３０の圧力Ｐ２を計測できるようになっている。
【００２０】
反応装置３には、金属が担持体に担持されてなる触媒（金属担持触媒）（図示せず）、該触媒を加熱するための誘導加熱装置（図示せず）、及びノズル３１が設けられている。前記触媒金属としては、脱水素化反応を達成できるものであればどのようなものでもよく、例えば、金属成分として、ニッケル，パラジウム，白金，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，オスミニウム，クロム，コバルト，鉄等を用いることができる。また、これらを２種類以上合金化したものが、中でも、脱水素化反応に対する活性の高さから、白金族の金属（白金，パラジウム，ロジウム，ルテニウム）を用いることがより好ましい。
【００２１】
担持体は、電磁誘導方式による高周波誘導加熱がなされるよう、導電体を含有している。導電体を含有する担持体としては、活性炭，カーボンナノチューブ，ステンレス等の金属多孔体やハニカム状金属等の導電体からなるものや、モレキュラシーブ，ゼオライト，シリカゲル，アルミナ等の非導電体と一般的な導電体（ステンレス等）とのブレンド物などを挙げることができる。
【００２２】
誘導加熱装置は、誘導加熱コイルと、これと電気的に接続して誘導加熱コイルに高周波電流を流すことのできる高周波電流発生装置とから構成されており、電磁誘導方式によって金属担持触媒を高周波誘導加熱するようになっている。
【００２３】
ノズル３１は、金属担持触媒に対向して配置されており、原料供給ポンプ６によって反応装置３に供給された水素化誘導体３０をノズル３１から噴射させて金属担持触媒に吹き付けることにより、脱水素化反応させて水素３６を含む生成物３５を生成するように構成されている。
【００２４】
また、反応装置３には配管３２が接続されており、配管３２の他端には気液分離装置４が接続されている。さらに、反応装置３には、圧力計３３が配置されており、反応装置３内の圧力Ｐ３を測定できるようになっている。
【００２５】
気液分離装置４は、脱水素化反応による生成物３５を冷却して生成物３５を水素３６と液体成分３８とに分離するためのものであり、その方式は特に限定されないが、水冷循環式，空冷式，流水による冷却（循環させない）等、公知の冷却手段を用いることができる。冷却手段に使用される冷媒としては、水，エチレングリコール，ジエチレングリコール等を用いることができる。
【００２６】
気液分離装置４には、開閉バルブ５１との間に配管４１が接続され、更に開閉バルブ５１は配管５２を介して廃液回収タンク５と接続しており、気液分離装置４で生成物３５から分離された液体成分３８を廃液回収タンク５に回収し、貯蔵するように構成されている。また、廃液回収タンク５には、配管５３を介して開閉バルブ５４が接続されており、開閉バルブ５４を開くことにより廃液回収タンク５を外部に連通させて大気に開放できるようになっている。
【００２７】
また、気液分離装置４は、配管４２によってコンプレッサ７に接続しており、コンプレッサ７は配管８１を介して水素貯蔵タンク８に接続されている。これにより、気液分離装置４で分離された水素３６をコンプレッサ７で水素貯蔵タンク８に圧送して貯蔵できるように構成されている。水素貯蔵タンク８には、圧力計８５が配置されており、水素貯蔵タンク８内の圧力Ｐ４を測定できるようになっている。
【００２８】
水素貯蔵タンク８には、配管８２を介して開閉バルブ８３が接続されており、該開閉バルブ８３は、更に配管８４によって水素ガス利用機器６０（例えば燃料電池）に接続されて水素ガス３６が供給されるようになっている。また、配管８４に配置された圧力計８６により、水素ガス利用機器６０に供給される水素ガス３６の圧力Ｐ５を測定できるようになっている。
【００２９】
なお、開閉バルブ９，１０，５１，５４，８３は、反応装置の内部と他の部位及び外部との圧力差を制御できる圧力調整手段としての機能を有しており、開閉バルブ９，１０，５１，５４，８３の開閉度合い、及び、コンプレッサー７，ポンプの作動条件を調整することによって、“芳香族化合物の水素化誘導体の反応装置への供給速度”及び／又は“反応装置からの水素の排出速度”を所望の値に精度良く調整できる。
【００３０】
次に、水素供給装置１を用いた水素供給方法について、前記した図１に基づいて説明する。
原料貯蔵タンク２に、水素化誘導体３０を入れる。水素化誘導体３０としては、デカリン，１メチルデカリン、シクロヘキサン，メチルシクロヘキサン，ジメチルシクロヘキサン，トリメチルシクロヘキサン，テトラリン等を挙げることができ、単独物あるいは２種類以上の混合物として使用できる。単独物及び混合物は、常温で液状であるのが好ましい。
１メチルデカリンとデカリンの混合液の比率として、１：０．２〜２０、好ましくは１：０．３〜３が例示される。この範囲であると、反応液の１メチルナフタレンとナフタレンが常温で液状を保つことができ、取り扱いやすい。
尚、以下の説明においては、水素化誘導体３０として１メチルデカリンを用いた例について説明する。
【００３１】
次いで、開閉バルブ９，１０，５１を開いた後、原料供給ポンプ６を作動させることによって、１メチルデカリン（水素化誘導体）３０を反応装置３に導入し、ノズル３１から金属担持触媒に向けて噴射させる。例えば、ステンレスに白金を担持させて形成された金属担持触媒は、誘導加熱装置によって２００℃〜５００℃から選択された所定の温度、例えば３５０℃に加熱されている。反応装置３では、１メチルデカリン３０と金属担持触媒とが接触して、１メチルデカリン３０が水素３６と１メチルナフタレンとに分解する“水素化誘導体の脱水素化反応”が進行し、水素３６、未反応により残った１メチルデカリン３０及び１メチルナフタレンとが混合した脱水素化反応後の生成物３５が生成される。
【００３２】
次に、コンプレッサ７を作動させると、反応装置３で生成された脱水素化反応後の生成物３５は、配管３２を経て、気液分離装置４に導入されて冷却され、水素３６と液体成分３８（１メチルナフタレンと１メチルデカリン３０との混合物）とに分離する。気液分離装置４にて分離された液体成分３８は、配管４１、開閉バルブ５１を介して廃液回収タンク５に回収される。一方、水素３６は、コンプレッサ７に吸引されて配管４２，８１を介して水素貯蔵タンク８に圧送されて貯蔵される。
【００３３】
以上のようにして取り出され、水素貯蔵タンク８に貯蔵された水素３６は、必要時に開閉バルブ８３を開くことにより、配管８２，８４を介して燃料電池等の水素ガス利用機器６０へ供給される。
【００３４】
水素供給装置１の運転時には、水素化誘導体の一例である１メチルデカリン３０は、原料供給ポンプ６によって原料貯蔵タンク２から反応装置３に圧送され、また脱水素化反応後の生成物３５は、コンプレッサ７によって反応装置３から吸引されるので、定常運転時における各部の圧力関係は、Ｐ２≧Ｐ１，かつＰ４＞Ｐ３となっている。なお、圧力計８５と圧力計８６との間にコンプレッサ（図示せず）が存在していてもよい。
【００３５】
水素ガス利用機器６０の一例として燃料電池自動車の水素タンク（図示せず）に水素３６を供給する場合について説明する。燃料電池自動車の水素タンクへの充填圧を、例えば３５ＭＰａとすると、燃料電池自動車の水素タンクへ水素３６を供給する水素貯蔵タンク８の圧力Ｐ４は、これより高圧とする必要があり、コンプレッサ７によって、例えば４０ＭＰａまで圧縮されて貯蔵されている。
【００３６】
コンプレッサ７が作動して水素３６の水素ガス利用機器６０への供給動作が行われると、コンプレッサ７より上流側の圧力は低下し、例えば０．０５ＭＰａ程度の低圧となる。即ち、反応装置３の圧力Ｐ３は、０．０５ＭＰａ程度の低圧となるので、脱水素化反応はこの低圧の下で行われる。水素供給装置１にコンプレッサ７が配置されずに常圧もしくは加圧状態で脱水素化反応が行われる場合と比較して、脱水素化反応は、より効率的に行われ、単位量当たりの原料（水素化誘導体３０）から、多量の水素３６を発生させることができるので、水素３６の供給を高効率で実施できる。
【００３７】
なお、水素貯蔵タンク８の圧力Ｐ４によって反応装置３の圧力Ｐ３も影響される虞がある。この場合、圧力調整弁や定圧弁等を反応装置３とコンプレッサ７との間のいずれかに設置して、反応装置３の圧力Ｐ３を一定圧力に制御し、該一定圧下で脱水素化反応を行わせることにより、安定した脱水素化反応を行わせるようにすることもできる。
【００３８】
また、水素３６を水素供給装置１から直接、水素ガス利用機器６０に供給する場合には、開閉バルブ８３を開いた状態のまま、前述した水素化誘導体３０の脱水素化反応を行わせることによって、水素３６を一時的に水素貯蔵タンク８に貯蔵することなく、直接使用することができる。尚、この場合には水素貯蔵タンク８を設けず、コンプレッサ７に接続された配管８１を水素ガス利用機器６０への配管として構成するようにしてもよい。
【００３９】
（第２実施形態）
次に、水素供給装置の第２実施形態を図２を参照して説明する。図２は水素供給装置の模式図である。
第２実施形態の水素供給装置５０は、第１実施形態の水素供給装置１から原料供給ポンプ６が削除されるとともに、配管２１が原料貯蔵タンク２に貯蔵された水素化誘導体の中まで延びた構成となっており、それ以外は水素供給装置１の構成と同一である。
その他の部分については、本発明の第１実施形態の水素供給装置１と同様であるので、同一部分には同一符号又は相当符号を付して説明を簡略化又は省略する。
【００４０】
次に、水素供給装置５０を用いた水素供給方法について、図２に基づいて説明する。原料貯蔵タンク２に、水素化誘導体の一例である１メチルデカリン３０を入れる。次いで、開閉バルブ１０を開いて原料貯蔵タンク２を外部に連通させ、原料貯蔵タンク２の圧力Ｐ１を一定圧となるようにする。開閉バルブ９，５１を開いた後、コンプレッサ７を作動させると、コンプレッサ７の上流側（反応装置３を含む）の圧力は大気圧未満に低下し、原料貯蔵タンク２の圧力Ｐ１と反応装置３の圧力Ｐ３との間に圧力差が生じ、Ｐ１＞Ｐ３となる。
【００４１】
原料貯蔵タンク２に貯蔵されている１メチルデカリン３０は、該圧力差によって反応装置３に供給され、ノズル３１から金属担持触媒に向かって噴射する。そして、１メチルデカリン３０と金属担持触媒とが接触して“水素化誘導体の脱水素化反応”が進行し、水素３６、１メチルデカリン３０及び１メチルナフタレンとが混合した脱水素化反応後の生成物３５が生成される。
【００４２】
反応装置３で生成された脱水素化反応後の生成物３５は、配管３２を経て、気液分離装置４に導入されて冷却され、水素３６と液体成分３８（１メチルナフタレンと１メチルデカリン３０との混合物）とに分離する。気液分離装置４にて分離された液体成分３８は、配管４１、開閉バルブ５１を介して廃液回収タンク５に回収される。一方、水素３６は、気液分離装置４からコンプレッサ７によって吸引され、配管４２，８１を介して水素貯蔵タンク８に圧送されて貯蔵される。
【００４３】
以上のようにして取り出され、水素貯蔵タンク８に貯蔵された水素３６は、必要時に開閉バルブ８３を開いて、配管８２，８４を介して燃料電池等の水素ガス利用機器６０へ供給し、使用することが可能となる。
【００４４】
水素供給装置５０の定常運転時における各部の圧力関係は、Ｐ１≧Ｐ２＞Ｐ３，かつＰ４＞Ｐ１，かつＰ４＞Ｐ５となっている。すなわち、反応装置３の圧力Ｐ３は、原料貯蔵タンク２の圧力Ｐ１より低圧となっているので、原料貯蔵タンク２に貯蔵されている水素化誘導体３０は圧力差により反応装置３へ送り出されて供給される。よって、水素供給装置５０においては、水素化誘導体３０を反応装置３へ供給するための原料供給ポンプ６を設ける必要がない。従って、水素供給装置５０の構造を簡単にすることができ、またこれによって水素供給装置５０の故障の発生率を低下させると共に、メンテナンスが容易になる。
【００４５】
更に、“水素化誘導体の脱水素化反応”は、充分に低下した圧力Ｐ３の下で行われるので、反応装置３内の圧力を低下させない場合と比較して、脱水素化反応はより効率的に行われ、単位量当たりの原料（水素化誘導体３０）から、多量の水素３６を発生させることができるので、水素３６の供給を高効率で実施できる。
【００４６】
水素ガス利用機器６０への水素３６の供給は、前記第１実施形態と同様に行われるので、説明を省略する。
【００４７】
なお、反応装置３、コンプレッサ７間の配管に圧力調整弁を設けて反応装置３の圧力Ｐ３を制御するようにすれば、原料貯蔵タンク２から反応装置３へ供給される１メチルデカリン３０の流量（供給量）や、水素３６の発生量を任意に制御することもできる。
【００４８】
本発明の水素供給装置は、前述した実施形態に限定されるものではなく、原料貯蔵タンク，反応装置，気液分離装置、廃液回収タンク，原料供給ポンプ，コンプレッサ、水素貯蔵タンク等の材質、形状、寸法、数値、形態、数、配置箇所、等は本発明を実施できるものであれば、適宜な変形、改良が可能であり、限定されない。
【００４９】
【発明の効果】
本発明によれば、水素の供給を高効率で実施できる水素供給装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る水素供給装置を示す模式図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係る水素供給装置を示す模式図である。
【符号の説明】
１，５０ 水素供給装置
２ 原料貯蔵タンク（原料貯蔵手段）
３ 反応装置
７ コンプレッサ（供給手段）
８ 水素貯蔵タンク
９，１０，５１，５４，８３ 開閉バルブ（圧力調整手段）
３０ １メチルデカリン（芳香族化合物の水素化誘導体）
３６ 水素
６０ 水素ガス利用機器
Ｐ３ 反応装置内の圧力

Claims (3)

1. 芳香族化合物の水素化誘導体の脱水素化反応を実施することにより、水素の供給を行うことのできる水素供給装置であって、
   前記芳香族化合物の水素化誘導体の脱水素化反応を行う反応装置と、“前記反応装置から発生したガスの水素ガス利用機器及び／又は水素貯蔵タンクに対する供給動作を実施すると共に、前記供給動作によって前記反応装置内の圧力を低下できる供給手段”とを備える水素供給装置。
2. 前記芳香族化合物の水素化誘導体を貯蔵する原料貯蔵手段を具備するとともに、前記供給手段の前記供給動作により、前記反応装置の圧力が前記原料貯蔵手段の圧力よりも低くなって、前記原料貯蔵手段に貯蔵された前記芳香族化合物の水素化誘導体が前記反応装置に入り込むように構成された請求項１に記載の水素供給装置。
3. 前記反応装置の内部と他の部位及び外部との圧力差を制御できる圧力調整手段を具備する請求項１または２に記載の水素供給装置。

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