JP2005082446A - 反応装置 - Google Patents

Abstract

【課題】水素含有材料を原料とする水素取り出しシステムにおいて、装置のコンパクト化を実現するとともに、マイクロノズルを利用して加熱された触媒表面に均一に有機ハイドライドを噴霧することにより、エネルギー効率に優れた水素の取り出しを実現する反応装置を提供する。
【解決手段】触媒３４が収容された容器３０と、触媒３４に対向してマトリクス状に配置され、有機ハイドライドを前記容器３０内に噴霧する複数の噴霧ユニット３２を有し、触媒３４と熱の作用により、有機ハイドライドを容器３０内で脱水素化することにより、水素を発生させる。
【選択図】 図２

Description

本発明は反応装置、特に、有機ハイドライド等の水素含有材料から水素を取り出すための水素取り出しシステムに用いられる反応装置に関する。

環境問題やエネルギー問題が深刻化するに伴い、石油に代わって新しいエネルギー源として水素が有望視されている。水素はそのままではエネルギーとして使えないので、水素を媒介とする新しいシステムが必要であり、水素を燃料とする燃料電池が注目されている。

燃料電池は小型でも４０％以上の高い発電効率を有しており、負荷が小さいときでも定格運転時と同様な高効率の運転が可能である優れた特性を有している。燃料電池は炭酸ガスや窒化酸素ガスを発生せず、発電器のような騒音や振動も発生しない。また、燃料電池は温水や水蒸気の形で廃熱回収をすることができる利点もある。

燃料電池は、このように高効率で環境にやさしい発電装置、エネルギー供給装置として多岐にわたる利用が期待されている。例えば、集合住宅、オフィスビル、ホテル、病院等での数百ｋＷ級の電熱供給システム、乗用車やバス等の交通機関の動力用電源、数ｋＷの家庭用電源、数十Ｗの電子機器用電源等の用途が考えられ、これらの分野における実用化研究が積極的に進められている。

燃料電池は水素を燃料とするが、燃料の水素を安全に安定的に供給することに課題がある。自動車用燃料電池の場合、小型、軽量であること、１回の充填での航続距離が長いこと、充填の手間が簡単であること等の条件があり、これら条件を考慮した様々な水素供給方法が提案されている。例えば、圧縮水素、液体水素として直接水素を供給するようにしたり、水素吸蔵合金やカーボンナノチューブ等の水素吸蔵材から水素を供給するようにしたり、メタノールや炭化水素を改質して水素を供給するようにしている。

これらに並ぶ水素供給方法として、近年、水素吸蔵材として無機ハイドライドや有機ハイドライドを用いることが注目されている（例えば特許文献１、２を参照）。無機ハイドライドや有機ハイドライドは、水素吸蔵率が高く、水素吸蔵と水素供給を繰り返し行って再利用が可能であるので、水素吸蔵合金に代わる材料として期待されている。

図７は、有機ハイドライドを用いた水素供給方法に用いられる従来の改質器の構造の一例を示す概略図である。

改質器１００の底部には、脱水素化反応の触媒１０２が配置されている。触媒１０２の下方には、触媒１０２を加熱するヒータ１０４が配置されている。触媒１０２の上方には、原料タンクから供給される有機ハイドライドを噴射する噴射装置１０６が設けられている。

改質器１００内では、噴射装置１０６により、ヒータ１０４により加熱されている触媒１０２の上方から有機ハイドライドが噴射される。

噴射された有機ハイドライドは、触媒１０２と熱の作用により、水素と、有機ハイドライドの脱水素化物とに分解される。

図８（ａ）及び図８（ｂ）は、それぞれ有機ハイドライドとしてシクロヘキサン及びナフタレンを用いた場合の化学反応を説明する図である。有機ハイドライドとしてシクロヘキサン（Ｃ₆Ｈ₁₂）を用いた場合、図８（ａ）に示すように、シクロヘキサン（Ｃ₆Ｈ₁₂）は水素（３×Ｈ₂）とベンゼン（Ｃ₆Ｈ₆）とに分解される。また、有機ハイドライドとしてデカリン（Ｃ₁₀Ｈ₁₈）を用いた場合、図８（ｂ）に示すように、デカリン（Ｃ₁₀Ｈ₁₈）は水素（５×Ｈ₂）とナフタレン（Ｃ₁₀Ｈ₈）とに分解される。

分解された水素と有機ハイドライドの脱水素化物は、改質器１００に設けられた配管１０８を介して分離装置に供給される。分離装置では、供給された水素と有機ハイドライドの脱水素化物が冷却され、脱水素化物が液体として回収され、気体の水素が取り出される。

なお、回収された有機ハイドライドの脱水素化物は、水素を添加することにより、再び原料として用いることができる。例えばシクロヘキサンの脱水素化物であるベンゼン（Ｃ₆Ｈ₆）は、図８（ａ）に示すように、水素（３×Ｈ₂）を添加することにより、シクロヘキサン（Ｃ₆Ｈ₁₂）となり、再び原料として用いることができる。また、デカリン（Ｃ₁₀Ｈ₁₈）の脱水素化物であるナフタレン（Ｃ₁₀Ｈ₈）は、図８（ｂ）に示すように、水素（５×Ｈ₂）を添加することにより、デカリン（Ｃ₁₀Ｈ₁₈）となり、再び原料として用いることができる。
特開２００２−２５５５０３号公報 特開２００３−９５６０３号公報

上記従来の水素取り出しシステムに用いられる改質器では、有機ハイドライドを噴射するためのインジェクター等を用いたスプレー式のものが採用されていた。このようなスプレー式の噴射装置により有機ハイドライドを噴霧する場合、以下に述べるような難点が存在していた。

まず、１つのスプレーノズルにより有機ハイドライドをできる限り広い触媒表面に噴射するためには、インジェクターと触媒はノズルの噴霧角度に応じた広がりが必要であり、改質器にある程度の容積が必要となっていた。また、改質器の容積が大きいと、システムが安定するまでにある程度の時間が必要になっていた。

また、スプレー式により有機ハイドライドを噴射する方法では、噴霧が飛翔する間に次第に液滴の速度が失われ、触媒の全面にわたり均一に有機ハイドライドを噴霧することは困難であり、その現象は噴霧位置と触媒の間隔が遠くなるほど顕著であった。例えば、１つのノズルを用いたスプレー方式で触媒に有機ハイドライドを噴霧する場合は、触媒の中心付近には比較的多くの有機ハイドライドが噴射され、外周部は噴射量が中心部より少なくなる。このような噴射方法では、触媒を加熱するヒータにとっては、中心部では比較的多くの有機ハイドライドが噴霧されたことによる気化熱と脱水素反応の吸熱により、外周部より温度が比較的低くなる。一般にヒータの制御は最も温度が低下した部分にあわせて制御されるため、部分的に触媒温度が低下した場合であっても、ヒータ全体の出力が上昇してしまい、無駄なエネルギーが消費される。また、低い部分にあわせて温度制御を行うと、有機ハイドライドの噴霧量が少ない部分では、反応に必要な温度以上に温度が上昇し、有機ハイドライドが脱水素反応の温度領域から分解反応の温度領域まで上昇してしまうことがあり、分解により生じた炭素分は触媒の活性点を被毒して、反応性低下を加速させる一因でもあった。

このように、スプレー方式により有機ハイドライドを噴霧する従来の方法では、上述のように、触媒表面の全面にわたって均一に有機ハイドライドを噴霧することが困難であった。

本発明の目的は、水素含有材料を原料とする水素取り出しシステムにおいて、装置のコンパクト化を実現するとともに、マイクロノズルを利用して加熱された触媒表面に均一に有機ハイドライドを噴霧することにより、エネルギー効率に優れた水素の取り出しを実現する反応装置を提供することにある。

上記目的は、第１の反応物が収容された容器と、前記第１の反応物に対向してマトリクス状に配置され、前記第１の反応物と反応する液体状の第２の反応物を前記容器内に噴霧する複数のセルを有する噴霧手段とを有し、前記第１の反応物と前記第２の反応物とを前記容器内で反応させることにより、反応生成物を発生させることを特徴とする反応装置により達成される。第１の反応物は、化学反応の原料のみでなく、触媒、熱媒体等の化学反応に関与する物を含む。

また、上記の反応装置において、前記セルは、前記第２の反応物で満たされ、吐出口を有する圧力室と、前記圧力室に満たされた前記第２の反応物を加熱する発熱素子とを有し、前記発熱素子により前記第２の反応物を加熱することにより、前記吐出口より前記第２の反応物の液滴を噴射するようにしてもよい。

また、上記の反応装置において、前記セルは、前記第２の反応物で満たされ、吐出口を有する圧力室と、変位を発生することにより前記圧力室を加圧する圧電素子とを有し、前記圧電素子により前記圧力室を加圧することにより、前記吐出口より前記第２の反応物の液滴を噴射するようにしてもよい。

また、上記の反応装置において、前記第１の反応物は、脱水素化反応の触媒であり、前記第２の反応物は、前記触媒により脱水素化される水素含有材料であり、前記反応生成物として、水素を発生させるようにしてもよい。

以上の通り、本発明による反応装置は、第１の反応物が収容された容器と、第１の反応物に対向して数十〜数百ＤＰＩ間隔でマトリクス状に配置され、第１の反応物と反応する液体状の第２の反応物を容器内に噴霧する複数のセルを有する噴霧手段とを有し、第１の反応物と第２の反応物とを容器内で反応させることにより、反応生成物を発生させるので、装置のコンパクト化を実現することができる。また、第１の反応物に対して第２の反応物を均一に噴霧することができるので、エネルギー効率に優れた反応生成物の取り出しを実現することができる。さらには、均一に噴霧することにより局所的な温度の上昇が抑えられるため、第２の反応物が分解反応を起こすことを抑制する結果、第１の反応物のコーキングを抑制して、反応性の低下を招く現象を抑制することができる。

［第１実施形態］
本発明の第１実施形態による反応装置について図１乃至図４を用いて説明する。図１は本実施形態による反応装置が用いられる水素取り出しシステムの構成を示す概略図、図２は本実施形態による反応装置の構造を示す斜視図、図３は本実施形態による反応装置の構造を示す正面図、上面図、及び側面図、図４は本実施形態による反応装置における発熱素子セル１セルの構造を示す断面図である。

本実施形態による反応装置は、水素を供給する原料に有機ハイドライドを用いた水素取り出しシステムにおける改質器として用いられるものである。なお、有機ハイドライドとしては、芳香族炭化水素化合物あるいはケトンを水素化して得られるものが用いられ、例えば、ベンゼン、トルエン、キシレン、ナフタレン等を単独又は混合した芳香族炭化水素を水素化して得られる物質、好ましくは、炭素数６〜１８の飽和脂環式炭化水素、例えば、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、エチルメチルシクロヘキサン、トリメチルシクロヘキサン、プロピルシクロヘキサン、ブチルシクロヘキサン、ジエチルシクロヘキサン、イソブチルシクロヘキサン、テトラメチルシクロヘキサン、イソプロピルメチルシクロヘキサン、アミルシクロヘキサン、４−tert−ブチルシクロヘキサン、（２，２−ジメチルプロピル）シクロヘキサン、ペンタメチルシクロヘキサン、tert−ブチルジメチルシクロヘキサン、ジイソプロピルシクロヘキサン、ヘキサメチルシクロヘキサン、トリエチルシクロヘキサン、１−シクロヘキシルヘキサン、１−シクロヘキシルペンタンなどのシクロヘキサン類、テトラリン、メチルテトラリン、エチルテトラリン、プロピルテトラリン、イソプロピルテトラリン、ジメチルテトラリン、ジエチルテトラリン、ジプロピルテトラリン、ジイソプロピルテトラリン、メチルエチルテトラリン、メチルプロピルテトラリン、メチルイソプロピルテトラリン、エチルプロピルテトラリン、エチルイソプロピルテトラリン、プロピルイソプロピルテトラリンなどのテトラリン類、デカリン、メチルデカリン、エチルデカリン、プロピルデカリン、イソプロピルデカリン、ジメチルデカリン、ジエチルデカリン、ジプロピルデカリン、ジイソプロピルデカリン、メチルエチルデカリン、メチルプロピルデカリン、メチルイソプロピルデカリン、エチルプロピルデカリン、エチルイソプロピルデカリン、プロピルイソプロピルデカリンなどデカリン類、ビシクロヘキシル、メチルビシクロヘキシル、エチルビシクロヘキシル、ジメチルビシクロヘキシルなどのビシクロヘキシル類、２−プロピルアルコール、２−ブチルアルコール、２−ペンチルアルコール、３−ペンチルアルコール、２，４−ペンタンジオールなどの第２級アルコール類、等の単独または混合物で常温で液体となるものを用いることができる。

まず、本実施形態による反応装置が用いられる水素取り出しシステムの構成について図１を用いて説明する。

水素取り出しシステムは、図１に示すように、水素を供給する原料として有機ハイドライドが収容される原料タンク１０と、原料タンク１０から供給される有機ハイドライドの脱水素化反応が行われる本実施形態による反応装置１２と、反応装置１２における有機ハイドライドの脱水素化反応により発生したガスを冷却する冷却装置１４と、冷却装置１４により液体化され水素ガスと分離された有機ハイドライドの脱水素化物を回収するための回収タンク１６とを有している。

原料タンク１０は、配管１８ａ、１８ｂを介して反応装置１２に接続されている。配管１８ａと配管１８ｂとは、熱交換器２０を介して接続されている。配管１８ａには、原料タンク１０に収容された有機ハイドライドを反応装置１２に供給するためのポンプ２２と、バルブ２３とが設けられている。

反応装置１２は、配管２４ａ、２４ｂを介して回収タンク１６に接続されている。配管２４ａと配管２４ｂとは熱交換器２０を介して接続されている。配管２４ａからは、反応装置１２内における有機ハイドライドの脱水素化反応により発生したガスが取り出される。また、配管２４ｂの所定の区間は、冷却装置１４により冷却されるようになっており、有機ハイドライドの脱水素化物が配管２４ｂ内において液体化される。

また、反応装置１２には、反応装置１２内における有機ハイドライドの噴霧を制御するための制御装置２６が接続されている。

回収タンク１６には、有機ハイドライドの脱水素化物と分離された水素ガスを燃料電池（図示せず）に供給するための配管２８が設けられている。

こうして、本実施形態による反応装置１２が用いられる水素取り出しシステムが構成されている。

次に、本実施形態による反応装置１２について図２乃至図４を用いて詳述する。なお、図３（ａ）、図３（ｂ）及び図３（ｃ）は、それぞれ本実施形態による反応装置１２の正面図、上面図及び側面図である。

本実施形態による反応装置１２のシール材よりなる容器３０の上部には、図２及び図３に示すように、有機ハイドライドを噴霧するための複数の噴霧ユニット３２がマトリクス状に配置されている。なお、図２及び図３では、５×５個の噴霧ユニット３２が配置されている場合を示しているが、噴霧ユニット３２の総数及び縦横に配置する数の比は、必要とされる水素ガスの発生量等に応じて適宜変更することができる。

容器３０の底部には、第１の反応物に対応する脱水素化反応の触媒３４が敷かれている。さらに、触媒３４の下には、触媒３４を加熱するためのヒータ３６が設けられている。触媒３４に対向してマトリクス状に配置された複数の噴霧ユニット３２と容器３０底部との間が反応室３８となっている。反応室３８の側壁には、排出口３９が設けられており、排出口３９には、反応室３８内における有機ハイドライドの脱水素化反応により発生したガスを取り出すための配管２４ａが接続されている。

ここで、脱水素反応の触媒３４としては、例えば、特開２００１−１９８４６９号公報に記載される触媒、すなわち、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、ニッケル、コバルト、鉄、レニウム、バナジウム、クロム、タングステン、モリブデン、銅によって構成される群から選定された少なくとも１以上の金属を、活性炭、ゼオライト、チタニア、カーボンナノチューブ、モレキュラーシーブ、ジルコニア、メソ細孔シリカ多孔質材料、アルミナ、及びシリカによって構成される群から選定された少なくとも１以上でなる担体に担持した金属担持触媒を用いることができる。金属担体触媒における金属担持率は、好ましくは０.００１〜１０重量％であり、より好ましくは０.０１〜５重量％である。

また、脱水素化反応の触媒３４として、例えば、陽極酸化により生成した酸化物担体表面に、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、ニッケル、コバルト、鉄、レニウム、バナジウム、クロム、タングステン、モリブデン、銅によって構成される群から選定された少なくとも１以上の金属を高分散に担持したプレートフィン型触媒を用いることもできる。プレートフィン型触媒では、酸化物担体と触媒金属とが密着している。このため、触媒３４としてプレートフィン型触媒を用いることにより、ヒータ３６により触媒３４を加熱する際の熱伝導効率を向上することができる。なお、プレートフィン型触媒については、特開２００２−２４８３５７号公報等において詳述されている。

各噴霧ユニット３２は、原料タンク１０から供給される有機ハイドライドが収容される予備タンク４０と、予備タンク４０から供給される有機ハイドライドを反応室３８内に噴霧するための発熱素子セル４２とを有している。

予備タンク４０の上部端面には、図２に示すように、有機ハイドライド供給口４３が設けられている。容器３０の上部には、原料タンク１０から供給される有機ハイドライドが収容されるタンクユニット（図示せず）がシール材を介して配置されている。予備タンク４０には、有機ハイドライド供給口４３を介してタンクユニット（図示せず）から有機ハイドライドが供給される。

発熱素子セル４２は、図４に示すように、インクジェット記録装置においてインク液滴の噴射を行う発熱素子を用いたインクジェットヘッドとほぼ同様の構造を有している。

すなわち、図４に示すように、例えばアルミニウムを主材料とする支持体４４上に、有機ハイドライドの噴霧を制御するための電気回路が形成された例えばシリコン基板よりなる素子基板４６と、同じく有機ハイドライドの噴霧を制御するための電気回路が形成されたプリント回路基板４８とが接着剤で固定されている。

素子基板４６上には、発熱することにより有機ハイドライドを噴霧するための吐出エネルギーを発生する発熱素子５０が形成されている。発熱素子５０及び素子基板４６上には、例えばシリコン酸化膜よりなる保護膜５２が形成されており、発熱素子５０が有機ハイドライドとは直接接触しない構造となっている。

素子基板４６の電気回路とプリント回路基板４８の電気回路とは、ボンディングワイヤ５４により電気的に接続されている。プリント回路基板４８の電気回路には制御装置２６が接続されており、制御装置２６により、プリント回路基板４８及び素子基板４６の電気回路を介して発熱素子５０の発熱のタイミング及び発熱量を制御することができるようになっている。

支持体４４上には、予備タンク４０から供給される有機ハイドライドが流れる有機ハイドライド流路が形成されている天板部５６が設けられている。すなわち、天板部５６には、天板部５６の一端に設けられた供給口５８を介して予備タンク４０に接続される細流路６０と、細流路６０が接続され、細流路６０よりも広くなっている液室６２と、液室６２に隣接して接続され、液室６２よりも狭くなっている圧力室６４とから構成される有機ハイドライド流路が形成されている。圧力室６４の一端は、天板部５６の触媒３４に対向する側の端面に位置しており、有機ハイドライドの液滴６５が噴射される吐出口６６となっている。また、圧力室６４の底部には、素子基板４６上に形成された発熱素子５０が位置している。なお、複数の発熱素子セル４２の発熱素子５０は、例えば１インチ当たり数十〜数百個の割合で、すなわち数十〜数百ＤＰＩ（Dot Per Inch）の間隔に配置されている。

こうして、図４に示す発熱素子セル４２が構成されている。このような構造を有する複数の発熱素子セル４２が、吐出口６６を触媒３４に向けてマトリクス状に配置されている。触媒３４に対向する側の吐出口６６が設けられている発熱素子セル４２の端面は、例えば一辺が０．０２〜１ｍｍの正方形状をしている。隣接する発熱素子セル４２の端面に設けられた吐出口６６は、例えば１０〜６００ＤＰＩの密度で設けられている。また、発熱素子セル４２の吐出口６６と容器３０底部に敷かれた触媒３４との間の距離は、例えば数ｍｍ程度となっている。

本実施形態による反応装置は、インクジェット記録装置においてインク液滴の噴射を行う発熱素子を用いたインクジェットヘッドと同様の機構により有機ハイドライドを噴霧する複数の噴霧ユニット３２が、触媒３４に対向してマトリクス状に配置されていることに主たる特徴がある。

複数の噴霧ユニット３２が、触媒３４に対向してマトリクス状に配置されているので、触媒３４に対して有機ハイドライドを均一に噴霧することができ、触媒３４と噴霧ユニット３２の吐出口６６との間隔を狭くすることができる。これにより、反応装置のコンパクト化を図ることができる。具体的には、例えば一般的な噴霧ノズルは１５〜１２０°の噴射角度を有する。噴射角度が鈍角であるほど、触媒３４に対する距離は短くなるので、例えば最も短くなる角度１２０°を例として計算を行うと、直径１００ｍｍの触媒に均一に噴霧するために必要な触媒３４に対する噴霧ノズルの距離は触媒の半径に１／√３を乗じた距離が必要となるので約２９．４ｍｍの距離が必要となり、これに触媒の面積を乗じたものが反応に必要な最低限の容量となる。本実施形態によれば、触媒３４に対する距離は２〜３ｍｍが一般的であるので、約１／１０の容量の小型化が図れる。

次に、本実施形態による反応装置を用いた水素取り出し方法について図１乃至図４を用いて説明する。

まず、配管１８ａのバルブ２３を開き、原料タンク１０に収容されている有機ハイドライドを、ポンプ２２により配管１８ａ、１８ｂを介して、反応装置１２の容器３０上にシール材を介して配設されたタンクユニット（図示せず）に供給する。

タンクユニット（図示せず）に供給された有機ハイドライドは、有機ハイドライド供給口４３を介して、マトリクス状に配置された各噴霧ユニット３２の予備タンク４０に供給される。さらに、予備タンク４０に供給された有機ハイドライドは、供給口５８を介して、発熱素子セル４２の有機ハイドライド流路に供給され、圧力室６４、液室６２、及び細流路６０が有機ハイドライドで満たされる。水素の取り出しを行う間は、原料タンク１０から予備タンク４０の有機ハイドライド供給口４３までの配管１８ａ、１８ｂ、タンクユニット（図示せず）等の内圧が、例えば１０〜数１００ｋＰａ程度に保たれ、予備タンク４０及び発熱素子セル４２の有機ハイドライド流路内が有機ハイドライドで常に満たされた状態となっている。

一方、反応装置１２へ有機ハイドライドを供給するのとあわせて、ヒータ３６を稼働し、触媒３４を所定の温度にまで加熱する。

触媒３４が所定の温度に加熱された後、制御装置２６により、マトリクス状に配置された噴霧ユニット３２に対して原料噴霧信号を送り、発熱素子セル４２の吐出口６６から反応室３８への有機ハイドライドの噴霧を開始する。

制御装置２６から発せられた原料噴霧信号は、噴霧ユニット３２の発熱素子セル４２において、プリント回路基板４８の電気回路及びボンディングワイヤ５４を介して素子基板４６の電気回路に伝えられる。

素子基板４６の電気回路に伝えられた原料噴霧信号により、発熱素子５０は所定の発熱量で発熱する。この発熱により圧力室６４内に満たされた有機ハイドライドが加熱されて気泡が発生し、圧力室６４内の圧力が上昇する。こうして圧力室６４内の圧力が上昇することにより、吐出口６６から有機ハイドライドの液滴が噴射され、反応室３８内に有機ハイドライドが噴霧される。１回の噴霧で、例えば０．１〜２０ピコリットルの有機ハイドライドを噴霧することができる。

ここで、発熱素子セル４２から噴霧される有機ハイドライドは、発熱素子５０により加熱されている。例えば、吐出口６６から噴霧された直後の有機ハイドライドの温度は３００℃程度になっている。このため、反応室３８内に噴霧された有機ハイドライドが触媒３４に接した際に生じる温度低下を低減することができ、有機ハイドライドが噴霧されることによりヒータ３６が過剰に冷却されるのを防止することができる。

上述のようにして有機ハイドライドを噴霧する各噴霧ユニット３２により噴霧する有機ハイドライドの量をヒータ表面で均一になるように制御装置２６により制御して噴霧を行い、水素を取り出す反応を継続的に行うことが可能となる。

以上のようにして、マトリクス状に配置された複数の噴霧ユニット３２から有機ハイドライドが反応室３８内に噴霧されると、触媒３４と熱の作用により、有機ハイドライドは、水素と、有機ハイドライドの脱水素化物とに分解される。

例えば、有機ハイドライドとしてシクロヘキサン（Ｃ₆Ｈ₁₂）を用いた場合、シクロヘキサン（Ｃ₆Ｈ₁₂）は水素（３×Ｈ₂）とベンゼン（Ｃ₆Ｈ₆）とに分解される。また、有機ハイドライドとしてデカリン（Ｃ₁₀Ｈ₁₈）を用いた場合、デカリン（Ｃ₁₀Ｈ₁₈）は水素（５×Ｈ₂）とナフタレン（Ｃ₁₀Ｈ₈）とに分解される。

分解された水素と有機ハイドライドの脱水素化物は、配管２４ａから取り出され、配管２４ｂ内において冷却装置１４により冷却される。

冷却によって脱水素化物は液体となり、液体の脱水素化物は回収タンク１６に回収される。一方、燃料である気体の水素は、配管２８を介して燃料電池に供給される。

こうして、本実施形態による反応装置１２により、原料の有機ハイドライドから水素が取り出される。

なお、回収タンク１６に回収された有機ハイドライドの脱水素化物は、水素を添加することにより、再び原料として用いることができる。例えばシクロヘキサンの脱水素化物であるベンゼン（Ｃ₆Ｈ₆）は、水素（３×Ｈ₂）を添加することにより、シクロヘキサン（Ｃ₆Ｈ₁₂）となり、再び原料として用いることができる。また、デカリン（Ｃ₁₀Ｈ₁₈）の脱水素化物であるナフタレン（Ｃ₁₀Ｈ₈）は、水素（５×Ｈ₂）を添加することにより、デカリン（Ｃ₁₀Ｈ₁₈）となり、再び原料として用いることができる。

このように、本実施形態によれば、有機ハイドライドの噴霧をマトリクス状に配置されたマイクロ噴霧ユニット３２から触媒３４表面に対して噴霧することにより、均一に有機ハイドライドを触媒３４表面に噴霧することができ、ヒータ温度のばらつきを抑制することができるとともに、触媒３４との間隔を空けなくても有機ハイドライドを触媒３４に対して均一に噴霧することができる。これにより、エネルギー効率に優れ、コンパクトな反応器で水素の取り出しを実現することができる。

［第２実施形態］
本発明の第２実施形態による反応装置について図５及び図６を用いて説明する。図５は本実施形態による反応装置の正面図、上面図、及び側面図、図６は本実施形態による反応装置における圧電素子セルの構造を示す断面図である。なお、第１実施形態による反応装置と同様の構成要素については同一の符号を付し説明を省略し或いは簡略にする。

本実施形態による反応装置は、第１実施形態による反応装置と同様に水素を供給する原料として有機ハイドライドを用いた水素取り出しシステムに用いられるものであり、その基本的構成も第１実施形態による反応装置とほぼ同様である。本実施形態による反応装置は、噴霧ユニット３２が、インクジェット記録装置においてインク液滴の噴射を行う圧電素子を用いたインクジェットヘッドとほぼ同様の構造を有する圧電素子セルを備えている点で、第１実施形態による反応装置と異なっている。

以下、本実施形態による反応装置の構造について図５及び図６を用いて説明する。図５（ａ）、図５（ｂ）及び図５（ｃ）は、それぞれ本実施形態による反応装置の正面図、上面図及び側面図である。

図５に示すように、本実施形態による反応装置の容器３０の上部には、第１実施形態による反応装置と同様に、複数の噴霧ユニット３２がマトリクス状に配置されている。

各噴霧ユニット３２は、原料タンク１０から供給される有機ハイドライドが収容される予備タンク４０と、予備タンク４０から供給される有機ハイドライドを反応室３８内に噴霧するための圧電素子セル７０とを有している。

圧電素子セル７０は、図６に示すように、インクジェット記録装置においてインク液滴の噴射を行う圧電素子を用いたインクジェットヘッドとほぼ同様の構造を有している。

すなわち、図６に示すように、支持体７２上に、有機ハイドライドの噴霧を制御するための電気回路が形成された例えばシリコン基板よりなる素子基板７４が接着剤で固定されている。素子基板７４上には、変位を発生することにより有機ハイドライドを噴霧するための吐出エネルギーを発生する圧電素子７６が固定されている。圧電素子７６は、例えばＰＺＴ等よりなるものである。なお、複数の圧電素子セル７０の圧電素子７６は、例えば１インチ当たり数十〜数百個の割合で、すなわち数十〜数百ＤＰＩの間隔に配置されている。

素子基板７４の電気回路は、ボンディングワイヤ７８等を介して制御装置２６に接続されており、制御装置２６により、素子基板７４の電気回路を介して圧電素子７６の変位の発生のタイミング及び変位量を制御することができるようになっている。

支持体７２上には、支持体８０、８２が設けられ、支持体７２、８０、８２により、予備タンク４０から供給される有機ハイドライドが流れる有機ハイドライド流路が形成されている。すなわち、支持体７２、８０、８２により、供給口８４を介して予備タンク４０に接続される細流路８６と、細流路８６が接続され、細流路８６よりも広くなっている圧力室８８とから構成される有機ハイドライド流路が形成されている。圧力室８８の一端は、触媒３４に対向する側の端面に位置しており、有機ハイドライドの液滴６５が噴射される吐出口９０となっている。

圧力室８８の吐出口９０に対向する側には、圧電素子７６に固定され、圧電素子７６の変位に応じて撓みを生じる振動板９２が設けられている。

こうして、図６に示す圧電素子セル７０が構成されている。このような構造を有する複数の圧電素子セル７０が、吐出口９０を触媒３４に向けてマトリクス状に配置されている。触媒３４に対向する側の吐出口６６が設けられている圧電素子セル７０の端面は、第１実施形態による反応装置における発熱素子セル４２と同様に、例えば一辺が０．０２〜１ｍｍの正方形状をしている。隣接する圧電素子セル７０の端面に設けられた吐出口９０は、例えば１０〜６００ＤＰＩの密度で設けられている。また、圧電素子セル４２の吐出口９０と容器３０底部に敷かれた触媒３４との間の距離は、例えば数ｍｍ程度となっている。

圧電素子セル７０を有する噴霧ユニット３２は、次のようにして有機ハイドライドを噴霧する。

細流路８６及び圧力室８８は、予備タンク４０から供給された有機ハイドライドで満たされている。

圧電素子７６は、制御装置２６からの原料噴霧信号に基づき吐出口９０に向かう方向に変位する。この圧電素子７６の変位に伴い、振動板９２に撓みが生じ、圧力室８８内が加圧され、吐出口９０からの有機ハイドライドの液滴が噴射され、反応室３８内に有機ハイドライドが噴霧される。第１実施形態による反応装置における発熱素子セル４２と同様に、圧電素子セル７０により、１回の噴霧で、例えば０．１〜２０ピコリットルの有機ハイドライドを噴霧することができる。圧電素子７６の変位の発生のタイミング及び変位量を制御することにより、吐出口９０からの有機ハイドライドの噴霧のタイミング及び噴霧量を制御することができる。

かかる圧電素子セル７０を有する複数の噴霧ユニット３２がマトリクス状に配置された本実施形態による反応装置においても、第１実施形態による反応装置の場合と同様に、各噴霧ユニット３２により有機ハイドライドを触媒３４表面に対して均一に噴霧することができる。これにより、エネルギー効率に優れた水素の取り出しを実現することができる。

また、複数の噴霧ユニット３２がマトリクス状に配置されているので、触媒３４との間隔を空けなくても有機ハイドライドを触媒３４に対して均一に噴霧することができ、触媒３４との間隔を狭くすることができる。これにより、反応装置のコンパクト化を図ることができる。

［変形実施形態］
本発明は上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。

例えば、上記実施形態では、有機ハイドライドを噴霧する場合を例に説明したが、その他の水素含有材料を噴霧する場合にも本発明を適用することができる。

また、上記実施形態では、発熱素子又は圧電素子を用いたインクジェットヘッドと同様の構造を有するセルを用いて有機ハイドライドを噴霧する場合を例に説明したが、有機ハイドライドを噴霧するためのセルの構造は図４及び図６に示すものに限られず、種々のインクジェットヘッドの構造を、有機ハイドライドを噴霧するためのセルの構造に適用することができる。

また、上記実施形態では、脱水素化反応の触媒が収容された容器内において有機ハイドライドを噴霧することにより水素を発生させる場合を例に説明したが、本発明は、触媒を用いた有機ハイドライドの脱水素化反応に限らず、容器内に収容された第１の反応物に対して液体状の第２の反応物を噴霧して両者を反応させ、反応生成物を発生させる場合に広く適用することができる。

本発明の第１実施形態による反応装置が用いられる水素取り出しシステムの構成を示す概略図である。 本発明の第１実施形態による反応装置の構造を示す斜視図である。 本発明の第１実施形態による反応装置の構造を示す正面図、上面図、及び側面図である。 本発明の第１実施形態による反応装置における発熱素子セルの構造を示す断面図である。 本発明の第２実施形態による反応装置の構造を示す正面図、上面図、及び側面図である。 本発明の第２実施形態による反応装置における圧電素子セルの構造を示す断面図である。 有機ハイドライドを用いた水素供給方法に用いられる従来の改質器の構造の一例を示す概略図である。 有機ハイドライドを用いた水素供給方法における化学反応を説明する図である。

符号の説明

１０…原料タンク
１２…反応装置
１４…冷却装置
１６…回収タンク
１８ａ、１８ｂ…配管
２０…熱交換器
２２…ポンプ
２３…バルブ
２４ａ、２４ｂ…配管
２６…制御装置
２８…配管
３０…容器
３２…噴霧ユニット
３４…触媒
３６…ヒータ
３８…反応室
４０…予備タンク
４２…発熱素子セル
４３…有機ハイドライド供給口
４４…支持体
４６…素子基板
４８…プリント回路基板
５０…発熱素子
５２…保護膜
５４…ボンディングワイヤ
５６…天板部
５８…供給口
６０…細流路
６２…液室
６４…圧力室
６５…有機ハイドライドの液滴
６６…吐出口
７０…圧電素子セル
７２…支持体
７４…素子基板
７６…圧電素子
７８…ボンディングワイヤ
８０…支持体
８２…支持体
８４…供給口
８６…細流路
８８…圧力室
９０…吐出口
９２…振動板
１００…改質器
１０２…触媒
１０４…ヒータ
１０６…噴射装置
１０８…配管

Claims (4)

1. 第１の反応物が収容された容器と、
   前記第１の反応物に対向してマトリクス状に配置され、前記第１の反応物と反応する液体状の第２の反応物を前記容器内に噴霧する複数のセルを有する噴霧手段とを有し、
   前記第１の反応物と前記第２の反応物とを前記容器内で反応させることにより、反応生成物を発生させる
   ことを特徴とする反応装置。
2. 請求項１記載の反応装置において、
   前記セルは、前記第２の反応物で満たされ、吐出口を有する圧力室と、前記圧力室に満たされた前記第２の反応物を加熱する発熱素子とを有し、前記発熱素子により前記第２の反応物を加熱することにより、前記吐出口より前記第２の反応物の液滴を噴射する
   ことを特徴とする反応装置。
3. 請求項１記載の反応装置において、
   前記セルは、前記第２の反応物で満たされ、吐出口を有する圧力室と、変位を発生することにより前記圧力室を加圧する圧電素子とを有し、前記圧電素子により前記圧力室を加圧することにより、前記吐出口より前記第２の反応物の液滴を噴射する
   ことを特徴とする反応装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の反応装置において、
   前記第１の反応物は、脱水素化反応の触媒であり、
   前記第２の反応物は、前記触媒により脱水素化される水素含有材料であり、
   前記反応生成物として、水素を発生させる
   ことを特徴とする反応装置。
   

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