JP2004316662A

JP2004316662A - 水素供給・貯蔵装置

Info

Publication number: JP2004316662A
Application number: JP2003107021A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Oyama; 眞一大山; Tadahisa Matsumoto; 忠久松本; Yasunori Sukai; 保徳須貝; Tadashi Sakuramoto; 正桜元
Original assignee: H2 JAPAN KK; Kansai Electric Power Co Inc
Current assignee: H2 JAPAN KK; Kansai Electric Power Co Inc
Priority date: 2003-04-10
Filing date: 2003-04-10
Publication date: 2004-11-11

Abstract

【課題】広範囲の用途あるいは条件に対応可能な水素供給・貯蔵装置を提供する。
【解決手段】水素を放出して芳香族化合物に変化する水素供給体と、水素と反応してその水素を貯蔵する芳香族化合物から成る水素貯蔵体との間における脱水素反応または水素付加反応を利用して水素の供給または貯蔵を行う水素供給・貯蔵装置１４であって、触媒４１を備えた反応部３４，３５，３６と、水素供給体または水素貯蔵体を供給する液供給部３３とを上下方向に積み重ねた構造とし、反応部３４，３５，３６および液供給部３３を、相互に配置変換可能なユニットとしている。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素を供給または貯蔵可能な水素供給・貯蔵装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、主として、火力発電および原子力発電が電気エネルギーの供給方法であるが、かかる方法は、地球環境への影響、安全面および残留量など、種々の問題を抱えている。また、自動車は、主として、ガソリン、軽油、プロパンガス等の炭化水素系の燃料を用いているが、かかる燃料は、地球環境に悪影響を与えるという問題を抱えている。
【０００３】
上記問題に鑑みて、発電用の燃料として水素が注目されてきている。水素は、水の電気分解により生成できるため、ほぼ無尽蔵に存在すると共に、燃焼後に二酸化炭素を発生させないクリーンなエネルギー源でもある。
【０００４】
一方、同じ炭素数を有する環状炭化水素として、ベンゼンとシクロヘキサンが知られている。前者のベンゼンは、炭素同士の結合が部分的に二重結合となっている不飽和炭化水素であるのに対し、後者のシクロヘキサンは、炭素同士の結合に二重結合を持たない飽和炭化水素である。このため、ベンゼンに水素を付加させると、シクロヘキサンが得られ、シクロヘキサンから水素の一部を除くと、ベンゼンが得られる。同様に、ナフタレンの水素付加反応によりデカリンが得られ、デカリンの脱水素反応によりナフタレンが得られる。このように、これらの炭化水素の水素付加反応と脱水素反応とを利用することにより、水素の貯蔵および供給が可能となる。かかる水素の貯蔵あるいは供給の技術は、自動車の動力としても期待されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−１８７７０２号公報（要約書など）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、飽和炭化水素と不飽和炭化水素との間における脱水素反応および水素付加反応を利用した水素の供給および貯蔵を実用化するには、当該反応を行う装置が広範囲の用途・条件に対応できることが望まれている。具体的には、使用する飽和炭化水素もしくは不飽和炭化水素の種類、水素の供給もしくは貯蔵量、または反応温度に適した装置に変更容易とすることが望まれている。
【０００７】
本発明は、かかる問題に鑑みてなされたものであり、広範囲の用途あるいは条件に対応可能な水素供給・貯蔵装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記問題点に鑑み、水素を放出して芳香族化合物に変化する水素供給体と、水素と反応してその水素を貯蔵する芳香族化合物から成る水素貯蔵体との間における脱水素反応または水素付加反応を利用して水素の供給または貯蔵を行う水素供給・貯蔵装置であって、脱水素反応または水素付加反応に必要な触媒を備え、脱水素反応または水素付加反応を行う反応部と、水素供給体または水素貯蔵体を供給する液供給部と、を上下方向に積み重ねた構造を有し、反応部および液供給部は、相互に配置変換可能なユニットであることを特徴としている。
【０００９】
上述の発明によれば、脱水素反応または水素付加反応をさせるための反応部と、水素供給体または水素貯蔵体を供給する液供給部とが相互に配置変換可能なユニットで構成されている。したがって、液供給部と反応部とを交互に配置して、物質の反応効率を高くすることができると共に、各部の修繕および触媒の補給等の作業が容易となる。
【００１０】
また、他の発明は、上述の水素供給・貯蔵装置において、気体状態にある水素供給体または水素貯蔵体を冷却して液化させる冷却部を、さらに液供給部および反応部の上下方向に積み重ね、反応部、液供給部および冷却部は、相互に配置変換可能なユニットであることを特徴としている。
【００１１】
上述の発明によれば、冷却部をさらに液供給部および反応部の上下方向に積み重ねたため、反応せずに気化してしまった未反応物質が、再度冷却部で冷却されて液体に戻され触媒に接触し、反応するため反応効率が向上する。また、冷却部も反応部、液供給部と相互に配置変換可能となっており、各部の修繕および触媒の補給等の作業が容易となる。
【００１２】
他の発明は、上述の水素供給・貯蔵装置において、ユニットを、全て同一の外観形状とし、各ユニットを必要に応じて自在に配置することが可能であることを特徴としている。
【００１３】
上述の発明によれば、各ユニットが全て同一の外観形状となるため、ユニット同士の入れ替えが自在となり、用途に応じて適宜各ユニットを配置することができる。したがって、さらに、物質の反応効率を高くすることが可能である。
【００１４】
また、他の発明は、上述の水素供給・貯蔵装置において、反応部に、触媒を加熱するためのヒータまたは燃焼触媒を有することを特徴としている。
【００１５】
上述の発明によれば、触媒がヒータおよび燃焼触媒によって加熱されるため、反応効率が向上する。
【００１６】
また、他の発明は、上述の水素供給・貯蔵装置において、触媒を担持する担持部材を備え、その担持部材は、パンチングによりあけられた穴を有し、パンチング前の状態よりも表面積が大きいことを特徴としている。
【００１７】
上述の発明によれば、触媒を担持させた担持部材にパンチ穴をあけることにより、パンチ穴内の壁面を有効に使って、触媒を担持させる表面積を稼いでいる。この結果、物質の反応効率を向上させることができる。
【００１８】
また、他の発明は、上述の水素供給・貯蔵装置において、水素供給体または水素貯蔵体を燃焼させることによって加熱された熱媒体を通す管路を備え、熱媒体によって触媒を加熱することを特徴としている。
【００１９】
上述の発明によれば、当該水素供給・貯蔵装置により生成された水素供給体または水素貯蔵体が、熱媒体を加熱するために有効に活用される。
【００２０】
また、他の発明は、上述の水素供給・貯蔵装置において、熱媒体は、循環ポンプによって循環されることを特徴としている。
【００２１】
上述の発明によれば、熱媒体が循環されるため、効率よく反応部ユニット内の触媒を加熱することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る水素供給・貯蔵装置の実施の形態を、図１から図７に基づいて詳細に説明する。
【００２３】
図１は、以下に説明する各実施の形態に共通する仕組みを説明するための図である。具体的には、芳香族化合物の水素付加反応を利用した水素の貯蔵と、その水素付加反応により生成した化合物（以後、有機ハイドライドという）の脱水素反応を利用した水素の供給の原理を示す図である。
【００２４】
ベンゼン等の芳香族化合物１は、水の電気分解等により生成した水素２と水素付加反応をして、シクロヘキサン等の有機ハイドライド３となる。具体的には、芳香族化合物１の炭素間の二重結合に水素２が付加する。すなわち、水素２は、有機ハイドライド３の形で貯蔵されることになる。
【００２５】
また、有機ハイドライド３は、脱水素反応により、芳香族化合物１と水素２とに分解する。なお、このように供給した水素２は、酸素４と共に燃料電池５に供給される。この燃料電池５は、水の電気分解と逆の原理で、電気を供給する。
【００２６】
このように、芳香族化合物１は水素２を貯蔵できる水素貯蔵体として機能し、有機ハイドライド３は水素２を供給させる水素供給体として機能する。このため、芳香族化合物１と有機ハイドライド３とのサイクルを利用した水素供給・貯蔵システムが形成できる。
【００２７】
次に、図１に示す原理を利用した水素供給・貯蔵システムの一例について、図２を用いて説明する。なお、以後、有機ハイドライド等の原料に、番号を付さない。また、図２で示した水素供給・貯蔵システムの一部となる水素供給・貯蔵装置１４は、本発明の実施の形態における装置である。
【００２８】
図２は、エネルギー自立型の家庭用自家発電を例とした水素貯蔵・供給システムを模式的に示す図である。本発明の水素供給・貯蔵装置は、このシステムの一部として機能する。
【００２９】
家屋１０に設けた水素貯蔵・供給システムは、主に、屋根等に設置した太陽電池１１と、風力発電機１２と、電解装置１３と、水素供給・貯蔵装置１４と、燃料電池３０とを備えている。
【００３０】
水素供給・貯蔵装置１４は、シクロヘキサンに代表される有機ハイドライドの脱水素反応を利用して水素を発生させ、この水素を当該水素供給・貯蔵装置１４の外部へ供給することが可能な装置である。また、水素供給・貯蔵装置１４は、ベンゼンに代表される芳香族化合物と水素を反応させて、水素を当該水素供給・貯蔵装置１４内に貯蔵することが可能なものとなっている。
【００３１】
図３は、水素供給・貯蔵装置１４の一構成例を示す図である。なお、以下、水素供給・貯蔵装置１４が脱水素反応により水素を供給する場合について、主に説明する。ただし、この水素供給・貯蔵装置１４では、有機ハイドライドタンク１５内に水素貯蔵体となる芳香族化合物を投入し、反応装置１６内へ水素を投入することにより、水素付加反応を利用した水素の貯蔵を行うこともできる。
【００３２】
図３に示す水素供給・貯蔵装置１４は、有機ハイドライドの脱水素反応を利用して水素と芳香族化合物とに分解し、水素を当該水素供給・貯蔵装置１４の水素取出口１９から外部へ送ると共に、芳香物化合物を回収することが可能である。
【００３３】
水素供給・貯蔵装置１４は、有機ハイドライドが貯蔵されている有機ハイドライドタンク１５と、有機ハイドライドを脱水素反応させるための反応装置１６と、反応装置１６内の触媒４１を加熱させるための加熱システム１７と、水素以外の未反応物および反応生成物を回収するための回収タンク１８と、脱水素反応により発生した水素を取り出すための水素取出口１９と、を有している。回収タンク１８は、反応装置１６と直接連通され、反応装置１６内に液体で残留する未反応物および反応生成物を回収することができるものである。
【００３４】
なお、水素付加反応を行う場合、有機ハイドライドタンク１５には、水素貯蔵体である芳香族化合物が貯蔵される。また、水素付加反応をさせる場合、反応装置１６内には、図示しないバルブから水素が投入される。回収タンク１８は、反応装置１６内での水素付加反応により生成される有機ハイドライドを回収する。
【００３５】
有機ハイドライドタンク１５は、管２０によって反応装置１６に接続されている。管２０には、有機ハイドライドを有機ハイドライドタンク１５から反応装置１６へ送るためのポンプ２１が設けられている。
【００３６】
また、有機ハイドライドタンク１５は、管２２によってバーナー２３に接続されている。有機ハイドライドタンク１５に貯蔵されている有機ハイドライドは、主として、水素供給体として反応装置１６に供給されるが、有機ハイドライドの一部はバーナー２３に送られる。バーナー２３に送られた有機ハイドライドは、バーナー２３の燃料として消費される。一方、熱媒タンク２５には、液体の熱媒体が入れられている。バーナー２３で熱せられた熱媒体は、反応装置１６内の触媒４１を加熱するため、循環ポンプ２６によって第１反応部ユニット３４、第２反応部ユニット３５および第３反応部ユニット３６と熱媒タンク２５との間で循環する。
【００３７】
なお、本実施の形態では、触媒を加熱するために、熱媒体を用いているが、特に、この方法に限定されるものではない。たとえば、各反応部ユニット３４，３５，３６内に、触媒４１を加熱するためのカートリッジヒータを内蔵するようにしても良い。また、上述の熱媒体を第１反応部ユニット３４、第２反応部ユニット３５および第３反応部ユニット３６にそれぞれ送り、さらに上述のカートリッジヒータを、各反応部ユニット３４，３５，３６に内蔵するようにしても良い。
【００３８】
反応装置１６は、有機ハイドライドタンク１５から送られてきた有機ハイドライドを、触媒４１に接触させて脱水素反応を起こし、水素を供給する装置である。この反応装置１６は、管２０によって有機ハイドライドタンク１５と接続された第１の冷却部ユニット３１と、管２７ａによって第１の冷却部ユニット３１と接続された第２の冷却部ユニット３２と、管２７ｂによって第２の冷却部ユニット３２と接続された液供給部ユニット３３を有している。
【００３９】
また、反応装置１６は、熱媒タンク２５と連通する管２８ａ，２９ａにそれぞれ接続され、熱媒タンク２５との間で熱媒を循環する流路３４ｄを内部に有する第１の反応部ユニット３４と、熱媒タンク２５と連通する管２８ｂ，２９ｂにそれぞれ接続され、熱媒タンク２５との間で熱媒を循環する流路３５ｄを内部に有する第２の反応部ユニット３５と、熱媒タンク２５と連通する管２８ｃ，２９ｃにそれぞれ接続され、熱媒タンク２５との間で熱媒を循環する流路３６ｄを内部に有する第３の反応部ユニット３６と、を有している。
【００４０】
反応装置１６は、最上部から下方に向かって、第１の冷却部ユニット３１、第３の反応部ユニット３６、第２の冷却部ユニット３２、第２の反応部ユニット３５、液供給部ユニット３３および第１の反応部ユニット３４の順に配置されている。これらの各ユニット３１〜３６は、ほぼ同一の外観形状を有しており、各ユニット３１〜３６を必要に応じて自在に入れ換えて配置することが可能である。各ユニット３１〜３６の上下方向端部に設けられた端板の周壁から外方へ突出するように設けられたフランジ部分は、互いに上下方向に隣接するユニット３１〜３６への取り付け部となる。
【００４１】
第１の冷却部ユニット３１は、図３における上下方向端部に配置される端板３１ａ，３１ｂと、周囲を覆う周壁面３１ｃから構成されており、内部には空間が形成されている。端板３１ａ，３１ｂは、周壁面３１ｃよりも外方に突出しており、この突出した部分が他のユニットに対する取り付け用のフランジ部となる。第１の冷却部ユニット３１は、熱媒を循環しておらず常温の有機ハイドライドを内部に通過させているため、図３において下部に配置される第１の反応部ユニット３４、第２の反応部ユニット３５および第３の反応部ユニット３６で気化された未反応の有機ハイドライドを冷却し液化すると共に、供給する有機ハイドライドの予熱も行う。
【００４２】
第１の冷却部ユニット３１の内部には、有機ハイドライドを流す導通管３１ｄが通っている。導通管３１ｄの一端は、周壁面３１ｃの外部に突出しており、この突出部分が管２０の端部と接続されている。また、導通管３１ｄの他端は、図１における左右方向反対側の周壁面３１ｃの外側に突出しており、この突出部分が管２７ａの端部と接続されている。
【００４３】
端板３１ａは、脱水素反応により発生した水素等を反応装置１６の外部へ送出するための送出口３１ｅを備えている。すなわち、反応部ユニット３４，３５，３６における脱水素反応によって発生した水素は、送出口３１ｅを通って反応装置１６の外部に送られる。
【００４４】
送出口３１ｅには、管２９ｄの一端が接続されている。管２９ｄの他端は、気液分離装置４０ａに接続されている。この気液分離装置４０ａは、連結された冷却器４０ｂによって送られてきた水素、未反応の有機ハイドライドおよび反応生成物である芳香族化合物（以後、未反応有機ハイドライド等という）を冷却し液化する。これによって、気液分離装置４０ａに設けられた水素取り出し口１９からは、純度の高い水素を取り出すことができる。また、この気液分離装置４０ａでトラップされた未反応有機ハイドライド等は、回収タンク１８にて回収される。なお、反応装置１６内における脱水素反応によって水素と分離し底部へ落下した未反応有機ハイドライド等は、反応装置１６から、直接、回収タンク１８へ送られる。
【００４５】
また、端板３１ｂは、中央部分に通過口（図示省略）を有している。この通過口は、図３における下部の反応部ユニット３４，３５，３６で生成した水素等を第１の冷却部ユニット３１内に取り込む部分である。未反応有機ハイドライド等は、第１の冷却部ユニット３１内に配置された導通管３１ｄで液化し、導通管３１ｄから、通過口を通って、第３の反応部ユニット３６側に滴下する。また、端板３１ｂは、下部の第３の反応部ユニット３６との取り付け板としての役割も有している。
【００４６】
第２の冷却部ユニット３２は、上述の第１の冷却部ユニット３１と同様、図３における上下方向端部に配置される端板３２ａ，３２ｂと、周囲を覆う周壁面３２ｃから構成されており、内部には空間が形成されている。端板３２ａ，３２ｂは、周壁面３２ｃよりも外方に突出しており、この突出した部分が他のユニットに対する取り付け用のフランジ部となる。第２の冷却部ユニット３２は、熱媒を循環しておらず常温の有機ハイドライドを内部に通過させている。このため、第１の反応部ユニット３４および第２の反応部ユニット３５で生成した未反応有機ハイドライド等は、ここで冷却され液化する。また、供給する有機ハイドライドの予熱も行われる。
【００４７】
第２の冷却部ユニット３２の内部には、有機ハイドライドを通す導通管３２ｄが通っている。導通管３２ｄの一端は、周壁面３２ｃの外部に突出しており、この突出部分が管２７ａの端部と接続されている。また、導通管３２ｄの他端は、図３における左右方向反対側の周壁面３２ｃの外側に突出しており、この突出部分が管２７ｂの端部と接続されている。
【００４８】
端板３２ａは、上方から落下してくる未反応有機ハイドライド等を第２の冷却部ユニット３２内へ取り込むと共に、反応部ユニット３４，３５で生成した水素等を、上方へ送出するための通過口（図示省略）を備えている。この端板３２ａは、上部の第３の反応部ユニット３６との取り付け板としての役割も有している。
【００４９】
また、端板３２ｂは、中央部分に通過口を有している。この通過口は、図３における下部の反応部ユニット３４，３５で生成した水素等を第２の冷却部ユニット３２内に取り込む部分である。未反応有機ハイドライド等は、第２の冷却部ユニット３２内に配置された導通管３２ｄで液化し、導通管３２ｄから、通過口を通って、第２の反応部ユニット３５側に滴下する。また、端板３２ｂは、下部の第２の反応部ユニット３５との取り付け板としての役割も有している。
【００５０】
液供給部ユニット３３は、上述の第１の冷却部ユニット３１および第２の冷却部ユニット３２と同様、図３における上下方向端部に配置される端板３３ａ，３３ｂと、周囲を覆う周壁面３３ｃから構成されており、内部には空間が形成されている。端板３３ａ，３３ｂは、周壁面３３ｃよりも外方に突出しており、この突出した部分が他のユニットに対する取り付け用のフランジ部となる。液供給部ユニット３３は、第１の反応部ユニット３４で生成した未反応有機ハイドライド等を冷却し液化する冷却部としての役割も有している。
【００５１】
液供給部ユニット３３の内部には、多数の穴（図示省略）が設けられた導通管３３ｄが通っている。導通管３３ｄの一端は、周壁面３３ｃの外部に突出しており、この突出部分が管２７ｂの端部と接続されている。
【００５２】
端板３３ａは、上方から落下してくる未反応有機ハイドライド等を液供給部ユニット３３内へ取り込むと共に、第１の反応部ユニット３４で生成した水素等を、上方へ送出するための通過口（図示省略）を備えている。この端板３３ａは、上部の第２の反応部ユニット３５との取り付け板としての役割も有している。
【００５３】
また、端板３３ｂは、図３における下部に配置された第１の反応部ユニット３４で生成した水素等を液供給部ユニット３３内に取り込むと共に、導通管３３ｄの穴から落下した有機ハイドライドを、第１の反応部ユニット３４側へ通過させるための通過口（図示省略）を有している。この端板３３ｂは、下部の第１の反応部ユニット３４との取り付け板としての役割も有している。
【００５４】
上述したように、第３の反応部ユニット３６を挟んで配置された第１の冷却部ユニット３１と第２の冷却部ユニット３２とは、管２７ａを介して連通され、第２の反応部ユニット３５を挟んで配置された第２の冷却部ユニット３２と液供給部ユニット３３とは、管２７ｂを介して連通されている。なお、これらは、並列に接続されていても良い。このような構成から、有機ハイドライドタンク１５から送られてきた有機ハイドライドは、第１の冷却部ユニット３１に配置された導通管３１ｄを通過した後、管２７ａを通って第２の冷却部ユニット３２へ送られる。さらに、有機ハイドライドは、第２の冷却部ユニット３２に配置された導通管３２ｄを通過した後、管２７ｂを通って液供給部ユニット３３へ送られる。
【００５５】
図４は、第３の反応部ユニット３６の内部構成を示す断面図である。図５は、図４に示す第３の反応部ユニット３６を上方から見た平面図である。なお、他の反応部ユニット３４，３５は、第３の反応部ユニット３６とほぼ同一の外観形状および内部構造を有している。
【００５６】
第３の反応部ユニット３６は、上述の各冷却部ユニット３１，３２、液供給部ユニット３３および他の反応部ユニット３４，３５と同様、上下方向端部に配置される端板３６ａ，３６ｂと、周囲を覆う周壁面３６ｃから構成されており、内部には空間が形成されている。第３の反応部ユニット３６の内部空間には、熱媒タンク２５から送られてくる熱媒を通過させるための流路３６ｄが配置されている。
【００５７】
図４および図５に示すように、流路３６ｄの一端は、周壁面３６ｃの外部に突出しており、この突出部分が管２８ｃの端部と接続されている。また、流路３６ｃの他端は、図４における左右方向反対側の周壁面３６ｃの外側に突出しており、この突出部分が管２９ｃの端部と接続されている。管２８ｃ，２９ｃの他端は、それぞれ熱媒タンク２５に接続され、熱媒タンク２５の熱媒は、循環ポンプ２６の作用により、熱媒タンク２５、管２８ｃ、流路３６ｄ、管２９ｃ、熱媒タンク２５の順に循環する。
【００５８】
流路３６ｄは、図４における紙面手前側および紙面奥側（図５における上側および下側）に管２８ｃ，２９ｃと平行に伸びる２本の平行流路部分３６ｄ１，３６ｄ２と、この平行流路部分３６ｄ１，３６ｄ２を連結するように通る９本の直交流路部分３６ｄ３，３６ｄ４，３６ｄ５，３６ｄ６，３６ｄ７，３６ｄ８，３６ｄ９，３６ｄ１０，３６ｄ１１と、から構成されている。各直交流路部分３６ｄ３，３６ｄ４，３６ｄ５，３６ｄ６，３６ｄ７，３６ｄ８，３６ｄ９，３６ｄ１０，３６ｄ１１のそれぞれ隣接するもの同士の間には、仕切り板３６ｅ１，３６ｅ２，３６ｅ３，３６ｅ４，３６ｅ５，３６ｅ６，３６ｅ７，３６ｅ８がそれぞれ配置されている。
【００５９】
そして、各仕切り板３６ｅ１，３６ｅ２，３６ｅ３，３６ｅ４，３６ｅ５，３６ｅ６，３６ｅ７，３６ｅ８には、それぞれ流路３６ｄに直交する方向（図４において上下方向、図５において紙面前後方向）に、穴３６ｆ１，３６ｆ２，３６ｆ３，３６ｆ４，３６ｆ５，３６ｆ６，３６ｆ７，３６ｆ８が設けられている。これらの穴３６ｆ１，３６ｆ２，３６ｆ３，３６ｆ４，３６ｆ５，３６ｆ６，３６ｆ７，３６ｆ８は、各仕切り板３６ｅ１，３６ｅ２，３６ｅ３，３６ｅ４，３６ｅ５，３６ｅ６，３６ｅ７，３６ｅ８にそれぞれ等間隔で複数（図４においては３つずつ）形成されている。穴３６ｆ１，３６ｆ２，３６ｆ３，３６ｆ４，３６５，３６ｆ６，３６ｆ７，３６ｆ８は、流路３６ｄの上下方向に、気化された水素および反応物等のガスを挿通させるためのガス抜き用の穴である。
【００６０】
上述のように構成された流路３６ｄおよび各仕切り板３６ｅ１，３６ｅ２，３６ｅ３，３６ｅ４，３６ｅ５，３６ｅ６，３６ｅ７，３６ｅ８の上下面に接する位置には、シクロヘキサンに代表される有機ハイドライドを脱水素反応させるための触媒４１を担持した平板状金属部材（以下、この平板状金属部材を符号４１で示す）が配置されている。上述したように、上面側から見て梯子形状に構成された流路３６ｄを、反応部ユニット３６内に設け、この流路３６ｄに熱媒を流しているため、触媒が均一に加熱される。この結果、脱水素反応の効率が向上する。この実施の形態では、触媒として、平面形状の活性炭素地に白金触媒を担持させたものが用いられている。なお、水素付加反応時には、この触媒４１の表面において、芳香族化合物と水素とが反応して、有機ハイドライドが生成する。
【００６１】
図６は、図４に示す反応部ユニット内の触媒を担持する平板状金属部材４１を示す平面図である。図６に示すように、触媒を担持させた平板状金属部材４１には、多数のパンチ穴４３が形成されている。これらのパンチ穴４３は、パンチングにより形成されたものである。
【００６２】
図７は、パンチングにより平板状金属部材４１から打ち抜かれた部分を示す斜視図である。図７に示す平面Ａ２は、パンチングにより打ち抜かれた部分の仮想平面部に相当する。また、図７に示す外壁面Ａ３の表面積は、パンチングにより形成されたパンチ穴４３の内壁面の表面積に相当する。以下、平面Ａ２を仮想平面部として、外壁面Ａ３を穴内部の壁面として説明する。
【００６３】
パンチングにより打ち抜かれた部分の仮想平面部４３ａの表面積は、π（（１／２）φ）^２となる。一方、パンチングによって形成された穴内部の壁面の表面積は、πφｔ（板厚寸法）となる。
【００６４】
本実施の形態では、パンチングにより打ち抜かれた部分の仮想平面部４３ａの表面積π（（１／２）φ）^２より、パンチングによって形成されたパンチ穴４３の内壁面の表面積πφｔ（板厚寸法）の方が大きく設定されている。すなわち、下記の数式１が成立するように、パンチ穴４３の寸法が設定される。
【００６５】
【数１】
πφｔ＞π・（（１／２）φ）^２
【００６６】
このことから、ｔ＞φ／４の関係が成り立つ。すなわち、板厚寸法ｔが、直径φの１／４より大きくなるように、パンチ穴４３が設けられている。
【００６７】
このように設定されたパンチ穴４３を備えた平板状金属部材４１に触媒を担持させることにより、パンチ穴４３内の壁面を有効に使って、担持面積を稼ぐことができる。すなわち、パンチ穴４３内の壁面の表面積が、パンチ穴４３によって打ち抜かれた仮想平面部４３ａの面積よりも大きいと、パンチ穴４３の無い平板状金属部材と比べ、平板状金属部材自体の表面積が増加する。これによって、平板状金属部材４１の触媒を担持する面積も増加する。この結果、有機ハイドライド及び水素が、反応部ユニット３４，３５，３６内における平板状金属部材４１上に担持された触媒と接触する面積が増え、有機ハイドライドの脱水素反応の効率が向上する。
【００６８】
次に、反応装置１６内で生じている反応について説明する。図８は、液供給部ユニット３３に送られていた有機ハイドライドが、第１の反応部ユニット３４に供給されて脱水素反応を起こし、その後、生成された化合物および水素が上昇していく様子を示した図である。以下、図８を利用する説明においては、有機ハイドライドに符号Ｄ、反応によって生成する化合物に符号Ｎ、水素に符号Ｈ、触媒に符号Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３を付して説明する。
【００６９】
有機ハイドライドタンク１５内の有機ハイドライドＤは、第１の冷却部ユニット３１および第２の冷却部ユニット３２を通過して、液供給部ユニット３３に到達し、液供給部ユニット３３内の導通管３３ｄの下面に形成された穴から落下する（落下部位を黒点にて表示）。これにより、有機ハイドライドＤは、第１の反応部ユニット３４に配置された触媒Ｃ１に接触して脱水素反応を起こす。
【００７０】
脱水素反応によって発生した水素Ｈおよび化合物Ｎは、気体となって、第１の反応部ユニット３４から、その上部の液供給部ユニット３３側へと上昇する。また、脱水素されなかった未反応物質（有機ハイドライドＤ）も、気体となって、水素Ｈおよび化合物Ｎと共に液供給部ユニット３３側へと上昇する。
【００７１】
液供給部ユニット３３内の導通管３３ｄ内には、常温の有機ハイドライドＤが流れている。このため、上昇してきた水素Ｈ、未反応物質（有機ハイドライドＤ）と混合状態の化合物Ｎは、導通管３３ｄによって冷却される。
【００７２】
この冷却によって、未反応物質（有機ハイドライドＤ）と混合状態の化合物Ｎの一部は、液化し落下する。落下してきた化合物Ｎの一部は、第１反応部ユニット３４内の触媒Ｃ１に接触する。未反応物質（有機ハイドライドＤ）は、再び脱水素を起こし、気体となって上昇する。また、落下してきた化合物Ｎは、触媒Ｃ１に接触して加熱され反応し、気体となって上昇していく。
【００７３】
水素は、冷却されても液化しないため、気体のまま上昇していく。そして、水素Ｈは、図３に示す、反応装置１６の最上部に形成された送出口３１ｅから気液分離装置４０ａ側へ送られ、水素取出口１９から水素供給・貯蔵装置１４の外部へ送り出される。
【００７４】
液供給部ユニット３３の導通管３３ｃで液化されずに気体のまま上昇していった未反応物質（有機ハイドライドＤ）は、第２の反応部ユニット３５内の平板状金属部材４１に担持された触媒Ｃ２と接触する。これにより、触媒Ｃ２に気体の未反応物質（有機ハイドライドＤ）が接触し、脱水素反応を起こす。この脱水素反応により生成した水素Ｈと化合物Ｎは、気体となって上昇していく。
【００７５】
第２の冷却部ユニット３２内の導通管３２ｄは、上述した導通管３３ｄと同様に、未反応物質（有機ハイドライドＤ）を冷却する役割を有している。そのため、下部にある第１の反応部ユニット３４および第２の反応部ユニット３５内で脱水素反応せずに気体の状態で上昇してきた未反応物質（有機ハイドライドＤ）は、液化して落下する。落下した未反応物質（有機ハイドライドＤ）は、下部の第２の反応部ユニット３５またはさらに下部の第１の反応部ユニット３４で脱水素反応を起こす。
【００７６】
上述の未反応物（有機ハイドライドＤ）等の脱水素反応および冷却による液化は、上述したように、▲１▼液供給部ユニット３３からの滴下、▲２▼第１反応部ユニット３４での反応（気化）、▲３▼液供給部ユニット３３及び２つの冷却部ユニット３１，３２での冷却による液化と落下、▲４▼反応部ユニット３４，３５，３６での反応（気化）、というように何度も繰り返される。そして、その間に供給した水素は、液化されずに上昇し、反応装置１６の最上部に形成された送出口３１ｅから気液分離装置４０ａ側へ送られ、水素取出口１９から水素供給・貯蔵装置１４の外部へ送り出される。また、液化されなかった一部の化合物Ｎおよび有機ハイドライドＤは、送出口３１ｅから気液分離装置４０ａ側に送られ、気液分離装置４０ａで液化されて回収タンク１８に回収される。このように、本実施の形態では、液供給部ユニット３３から滴下させた有機ハイドライドの脱水素反応を何度も起こすことにより、水素の生成率を向上させることができる。
【００７７】
この実施の形態では、各冷却部ユニット３１，３２および液供給部ユニット３３は、ほぼ同様の構成をしているが、図３において上側にそれぞれ配置される端板３１ａ，３２ａ，３３ａの各構成に異なる点がある。具体的に述べると、第１の冷却部ユニット３１の端板３１ａには、送出口３１ｅが設けられているが、第２の冷却部ユニット３２の端板３２ａおよび液供給部ユニット３３の端板３３ａには、送出口が設けられていない。また、第２の冷却部ユニット３２の端板３２ａおよび液供給部ユニット３３の端板３３ａには、通過口が設けられているが、第１の冷却部ユニット３１の端板３１ａには、通過口が設けられていない。なお、各冷却部ユニット３１，３２及び液供給部ユニット３３の外観形状を同一化し、必要に応じて通過口を塞ぐ蓋または送出口３１ｅを塞ぐ蓋を用いるようにしても良い。
【００７８】
また、この実施の形態では、有機ハイドライドタンク１５に連通された冷却部ユニット３１，３２を、内部に有機ハイドライドが単に通過していく導通管３１ｄ，３２ｄを配置した構成としている。しかし、各導通管３１ｄ，３２ｄの下面にも穴を設け、第１及び第２の冷却部ユニット３１，３２からも、液供給部ユニット３３内の導通管３３ｄ同様、有機ハイドライドが穴から下方へ落下する構成としても良い。
【００７９】
図２に示す家屋１０では、太陽電池１１または風力発電機１２により作られた電気は、インバータ５１を経由して交流に変換される。変換された電気は、家庭用の電気機器５２に使用されるか、電気機器５２を使用していないときには、電解装置１３に供給される。電解装置１３では、水の電気分解により水素（Ｈ_２）と酸素（Ｏ_２）が発生する。発生した水素は、水素供給・貯蔵装置１４に送られ、芳香族化合物との水素付加反応により有機ハイドライドの形で、水素供給・貯蔵装置１４に貯蔵される。
【００８０】
なお、水素付加反応を利用して水素供給・貯蔵装置１４内に水素を貯蔵する場合には、図示しないバルブを開放して上述の反応装置１６内に水素を投入すると共に、水素取り出し口１９を塞ぐ。また、有機ハイドライドタンク１５には、芳香族化合物が貯蔵されている。
【００８１】
一方、図３を用いて説明したように、脱水素反応を利用して水素供給・貯蔵装置１４で水素を供給させる場合には、有機ハイドライドが有機ハイドライドタンク１５内に貯蔵されており、上述のバルブは閉じられ、水素取り出し口１９は開放されている。
【００８２】
太陽電池１１または風力発電機１２により作られた電気が過剰な場合、すなわち、家庭用の電気機器５２によって使用される電気以上の発電がなされている場合にも、余分な電気は電解装置１３に送られる。そして、電解装置１３で発生した水素は、水素供給・貯蔵装置１４に送られる。そして、水素は、芳香族化合物との水素付加反応により有機ハイドライドの形で、水素供給・貯蔵装置１４に貯蔵される。
【００８３】
電解装置１３から水素を水素供給・貯蔵装置１４の反応装置１６へ送り、水素を貯蔵する場合、有機ハイドライドタンク１５に予め貯蔵された芳香族化合物を、ポンプ２１で反応装置１６へ送る。反応装置１６内では、芳香族化合物の液体は、導通管３３ｄから触媒４１の上に滴下する。一方、熱媒は、熱媒タンク２５から反応装置１６の各流路３４ｄ，３５ｄ，３６ｄに送られてくる。これにより、触媒４１の上に落下してきた芳香族化合物は加熱され、水素付加反応が起こる。これにより、芳香化合物は、反応装置１６の最上部に形成された送出口３１ｅから気液分離装置４０ａ側へ送られ、気液分離装置４０ａで液化されて回収タンク１８に回収される。
【００８４】
また、家屋１０内で使用する電力が足りない場合、水素供給・貯蔵装置１４内の有機ハイドライドを脱水素反応させ、水素を取り出して燃料電池３０へ供給する。燃料電池３０では、水素供給・貯蔵装置１４から送られてくる水素と空気中から供給される酸素との反応により、電気が発生する。この電気は、家庭用の電気機器５２用に使用される他、電気自動車５３の動力に使用される。このように、水素供給・貯蔵装置１４は、家庭の電力の需要に応じて、シクロへキサンのような水素供給体の形でエネルギーを保存したり、水素供給体の脱水素反応によりエネルギーを作り出す。
【００８５】
水素供給・貯蔵装置１４で水素を供給させる場合、有機ハイドライドタンク１５に貯蔵された有機ハイドライド（水素供給体）を、ポンプ２１により反応装置１６へ送る。反応装置１６内では、有機ハイドライドの液体が、導通管３３ｄから触媒４１の上に落下する。一方、熱媒タンク２５から熱媒が、反応装置１６の各流路３４ｄ，３５ｄ，３６ｄへ送られてくる。これにより、触媒４１の上に滴下してきた有機ハイドライド（水素供給体）が加熱され、脱水素反応が起こる。有機ハイドライドは、反応装置１６内で、気化と液化とを繰り返しながら高効率で脱水素反応される。
【００８６】
なお、上述の実施の形態は、本発明の好適な実施の形態の例であるが、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、上述の実施の形態では、冷却部ユニット３１，３２、液供給部ユニット３３および反応部ユニット３４，３５，３６の外観形状を全てほぼ同一としたが、全てを同一とする必要はない。各ユニット３１〜３６は、それぞれ単体で交換可能であると共に、配置変換を行えるのであれば、外観形状が全て同一でなくても良い。
【００８７】
また、上述の実施の形態では、冷却部ユニット３１，３２、液供給部ユニット３３と反応部ユニット３４，３５，３６とが交互に配置されるように構成されている。しかし、冷却部ユニット３１，３２、液供給部ユニット３３と反応部ユニット３４，３５，３６との配置は、交互としなくても良い。
【００８８】
また、上述の実施の形態では、各反応部ユニット３４，３５，３６内にそれぞれ流路３４ｄ，３５ｄ，３６ｄを設け、熱媒タンク２５から循環ポンプ２６によって熱媒を流路３４ｄ，３５ｄ，３６ｄへ送り、反応部ユニット３４，３５，３６内の触媒４１を加熱している。しかし、加熱方法は、上述したように、他の方法であっても良い。また、３つの反応部ユニット３４，３５，３６に全て流路３４ｄ，３５ｄ，３６ｄを設けるのではなく、一部に設けるようにしても良い。この場合、流路の無い反応部ユニット、もしくは全ての反応部ユニット３４，３５，３６内に加熱用のヒータを設けても良い。
【００８９】
また、上述の実施の形態では、各流路３４ｄ，３５ｄ，３６ｄをそれぞれ仕切る仕切り板３６ｅ１，３６ｅ２，３６ｅ３，３６ｅ４，３６ｅ５，３６ｅ６，３６ｅ７，３６ｅ８に、それぞれ流路３４ｄ，３５ｄ，３６ｄに直交する方向（図４において上下方向、図５において紙面前後方向）に、穴３６ｆ１，３６ｆ２，３６ｆ３，３６ｆ４，３６ｆ５，３６ｆ６，３６ｆ７，３６ｆ８が設けられている。しかし、これらの穴３６ｆ１，３６ｆ２，３６ｆ３，３６ｆ４，３６ｆ５，３６ｆ６，３６ｆ７，３６ｆ８を設けない構成としても良い。
【００９０】
また、上述の実施の形態では、触媒を担持する平板状金属部材４１にパンチングによって形成されたパンチ穴４３を設けている。そして、このパンチ穴４３は、パンチングによって打ち抜かれた仮想平面部Ａ２の面積より、パンチングによって形成されたパンチ穴４３の内部の壁面の表面積の方が大きく形成されている。しかし、パンチ穴４３の構成は、特にこのように設定されていなくても良い。例えば、各パンチ穴４３が、上述の数式１の条件を満たさなくても、全パンチ穴４３を総合したときに、穴部分の平面部面積よりも穴内部の壁面の表面積が大きくなるようにしても良い。また、パンチ穴４３を有していない平板状金属部材に触媒４１が担持されていても良い。
【００９１】
また、上述の実施の形態では、水素を放出して芳香族化合物に変化する水素供給体としては、シクロヘキサンの他に、デカリンを用いても良い。デカリンを用いる場合、脱水素反応によりナフタレンと水素が生成される。一方、ナフタレンと水素とを水素付加反応させると、デカリンが生成される。また、シクロヘキサンおよびデカリンの他に、メチルシクロヘキサンなども、水素供給体として使用することができる。
【００９２】
また、上述の実施の形態では、水素付加反応により水素と反応して水素を貯蔵する水素貯蔵体としてベンゼンを用いているが、ベンゼンの他に、トルエン、キシレン、メシチレン、ナフタレン、メチルナフタレン、アントラセン、ビフェニル、フェナスレンおよびそれらのアルキル置換体のうちのいずれか１つ、あるいは複数の混合体などを、水素貯蔵体として用いても良い。
【００９３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の水素供給・貯蔵装置によれば、広範囲の用途あるいは条件に対応可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の水素供給・貯蔵装置を利用する水素貯蔵・供給システムの根幹をなす原理を示す図で、芳香族化合物の水素付加反応と、その芳香族化合物の水素付加反応により生成した化合物（有機ハイドライド）の脱水素反応とを利用して水素を貯蔵あるいは供給させる流れを示す図である。
【図２】本発明に係る水素供給・貯蔵装置の実施の形態を利用するシステムを示す図で、エネルギー自立型の家屋用自家発電を例とした水素貯蔵・供給システムを示す図である。
【図３】本発明に係る水素供給・貯蔵装置の実施の形態の構成概要図である。
【図４】図３に示す水素供給・貯蔵装置の反応装置の一部を構成する反応部ユニットのうちの１つにおける内部構成を示す断面図である。
【図５】図４に示す反応部ユニットを上方から見た平面図である。
【図６】図４に示す反応部ユニット内の触媒を担持する平板状金属部材を示す平面図である。
【図７】図６に示す平板状金属部材から、パンチングにより打ち抜かれた部分を示した斜視図で、パンチングによって形成されたパンチ穴の構成を説明するための図である。
【図８】図３に示す反応装置内における水素、未反応物質および反応によって生成された化合物の流れを示す図である。
【符号の説明】
１４水素供給・貯蔵装置
２５熱媒タンク
３１第１の冷却部ユニット（冷却部）
３２第２の冷却部ユニット（冷却部）
３３液供給部ユニット（液供給部）
３４第１の反応部ユニット（反応部）
３４ｄ流路
３５第２の反応部ユニット（反応部）
３５ｄ流路
３６第３の反応部ユニット（反応部）
３６ｄ流路
４１触媒（触媒を担持させた平板状金属部材）
４３パンチ穴
Ａ２仮想平面部
Ａ３パンチ穴の内部の壁面

Claims

水素を放出して芳香族化合物に変化する水素供給体と、上記水素と反応してその水素を貯蔵する上記芳香族化合物から成る水素貯蔵体との間における脱水素反応または水素付加反応を利用して水素の供給または貯蔵を行う水素供給・貯蔵装置であって、
上記脱水素反応または上記水素付加反応に必要な触媒を備え、上記脱水素反応または上記水素付加反応を行う反応部と、上記水素供給体または上記水素貯蔵体を供給する液供給部と、を上下方向に積み重ねた構造を有し、
上記反応部および上記液供給部は、相互に配置変換可能なユニットであることを特徴とする水素供給・貯蔵装置。
気体状態にある上記水素供給体または上記水素貯蔵体を冷却して液化させる冷却部を、さらに前記液供給部および前記反応部の上下方向に積み重ね、
前記反応部、前記液供給部および上記冷却部は、相互に配置変換可能なユニットであることを特徴とする請求項１記載の水素供給・貯蔵装置。
前記ユニットを、全て同一の外観形状とし、各ユニットを必要に応じて自在に配置することが可能であることを特徴とする請求項１または２記載の水素供給・貯蔵装置。
前記反応部に、前記触媒を加熱するためのヒータまたは燃焼触媒を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の水素供給・貯蔵装置。
前記触媒を担持する担持部材を備え、その担持部材は、パンチングによりあけられた穴を有し、パンチング前の状態よりも表面積が大きいことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の水素供給・貯蔵装置。
前記水素供給体または前記水素貯蔵体を燃焼させることによって加熱された熱媒体を通す管路を備え、上記熱媒体によって上記触媒を加熱することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項記載の水素供給・貯蔵装置。
前記熱媒体は、循環ポンプによって循環されることを特徴とする請求項６記載の水素供給・貯蔵装置。