JP2006062887A - 水素供給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 脂環式化合物を脱水素触媒により脱水素反応させて水素を生成し、生成した水素を水素消費設備へ供給する水素供給装置において、脱水素反応を効率よく行うことができる上、小型化と省エネルギー化が可能な水素供給装置を提供する。
【解決手段】 脱水素触媒(21)を加熱する加熱部(23)と、脱水素触媒(21)と加熱部(23)との間に介在する熱伝導材(22)と、脱水素触媒(21)により生成した生成物から水素を分離する水素分離手段(25)とを含み、加熱部(23)は、燃焼触媒(50)と、水素消費設備(FC)で消費されなかった水素を燃焼触媒(50)へ供給するための第２流入口(52)とを有し、第２流入口(52)から供給された水素を燃焼触媒(50)により燃焼して脱水素触媒(21)を加熱する水素供給装置(11)とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、脂環式化合物を脱水素触媒により脱水素反応させて水素を生成し、生成した水素を水素消費設備へ供給する水素供給装置に関する。

従来、シクロヘキサン等の脂環式化合物を脱水素反応させて水素を生成し、生成した水素を燃料電池等の水素消費設備へ供給する水素供給装置が知られている（特許文献１等参照）。図４に、特許文献１に提案された水素供給装置を用いた水素供給システムの構成図を示す。

図４に示すように、水素供給システム１００は、脂環式化合物を貯蔵する第１貯蔵タンク１０１と、水素供給装置１０２と、第１貯蔵タンク１０１に貯蔵された脂環式化合物を水素供給装置１０２へと送り込む送液ポンプ１０３と、水素供給装置１０２で生成した芳香族化合物を貯蔵する第２貯蔵タンク１０４とを含む。

水素供給装置１０２は、脱水素触媒１１０と、水素分離膜１１１とを含む。ここで、脂環式化合物の脱水素反応は吸熱反応であるため、脱水素触媒１１０を加熱する過熱部が必要となる。水素供給装置１０２は、送風器１１３、燃料供給部１１４及び燃焼室１１５を含むバーナーシステム１１２を更に備えており、このバーナーシステム１１２が前記過熱部の役割を果たしている。

水素供給システム１００によって、水素消費設備（図示せず）へ水素を供給する際は、まず、第１貯蔵タンク１０１に貯蔵されている脂環式化合物を、送液ポンプ１０３により、一定流量で水素供給装置１０２に送り込む。そして、送り込まれた前記脂環式化合物が、バーナーシステム１１２により加熱された脱水素触媒１１０と接触する。この際、前記脂環式化合物の脱水素反応により水素と芳香族化合物とが生成する。例えば、前記脂環式化合物としてシクロヘキサンを使用した場合は、水素と前記芳香族化合物としてベンゼンとが生成する。生成した水素は、水素分離膜１１１を透過して配管１２０から取り出され、水素消費設備へ供給される。一方、生成した芳香族化合物は、水素分離膜１１１を透過しないので脱水素触媒１１０の底部に流下し、配管１２１を通って、第２貯蔵タンク１０４へ流入する。

脱水素触媒による脂環式化合物の脱水素反応は、平衡反応であるため、装置内（即ち脱水素反応が行われる反応容器内）の水素の分圧が小さいほど効率よく反応する。水素供給装置１０２の場合は、装置内に水素分離膜１１１を設けているため、生成した水素が速やかに、装置外へと排出される。これにより、装置内における水素の分圧の上昇を抑えることができるため、脱水素反応が効率よく進行する。
特開２００３−４０６０１号公報

しかし、特許文献１に提案された水素供給装置は、送風器等を必要とするバーナーシステムを用いるため小型化が困難となる上、バーナーシステムの動力源が別途必要となるため省エネルギー化が困難となる。

本発明は、前記課題を解決するためになされたものであり、脂環式化合物を脱水素触媒により脱水素反応させて生成した水素を水素消費設備へ供給する水素供給装置において、脱水素反応を効率よく行うことができる上、小型化と省エネルギー化が可能な水素供給装置を提供する。

本発明の水素供給装置は、反応容器と、前記反応容器内に設けられた脱水素触媒とを含み、脂環式化合物を前記脱水素触媒により脱水素反応させて水素を生成し、前記水素を水素消費設備へ供給する水素供給装置であって、
前記脱水素触媒を加熱する加熱部と、
前記脱水素触媒と前記加熱部との間に介在する熱伝導材と、
前記反応容器内に設けられ、前記脱水素触媒により生成した生成物から前記水素を分離する水素分離手段とを含み、
前記反応容器は、前記脱水素触媒へ前記脂環式化合物を供給するための第１流入口と、前記水素分離手段により分離された前記水素を前記水素消費設備へ供給するための流出口とを有し、
前記加熱部は、燃焼触媒と、前記水素消費設備で消費されなかった前記水素を前記燃焼触媒へ供給するための第２流入口とを有し、前記第２流入口から供給された前記水素を前記燃焼触媒により燃焼して前記脱水素触媒を加熱することを特徴とする。

本発明の水素供給装置によれば、反応容器内に脱水素触媒と水素分離手段とが設けられているため、反応容器内における水素の分圧の上昇を抑えて脱水素反応を効率よく行うことができる。また、脱水素触媒と加熱部との間に熱伝導材が介在するため、空間を介して加熱する方式に比べ熱伝達性が向上し、脱水素触媒を効率よく加熱することができる上、燃焼触媒により加熱するため、送風器等が不要となり小型化が可能となる。更に、水素消費設備で消費されなかった水素を燃焼触媒により燃焼して脱水素触媒を加熱するため、加熱部の動力源が不要となり、省エネルギー化が可能となる。これにより、例えば小型化及び省エネルギー化が要求される車載用途等にも適用することができる。

本発明の水素供給装置は、反応容器と、反応容器内に設けられた脱水素触媒とを含み、脂環式化合物を脱水素触媒により脱水素反応させて水素を生成し、生成した水素を水素消費設備へ供給する水素供給装置である。反応容器の構成材料は、脱水素反応時の反応温度（例えば５０〜８００℃、好ましくは１５０〜６００℃）に対して耐熱性を有する材料であれば特に限定されず、例えばステンレス鋼等を使用することができる。脱水素触媒は、例えば、Pt、Ru、Pd、Rh、Ni、Cu、Cr等の金属を、アルミナ、シリカ、ゼオライト、活性炭等の担体に担持したもの等が使用できる。脂環式化合物としては、脱水素反応により芳香族化合物が生成するものであればよく、例えばシクロヘキサン、メチルシクロヘキサン、エチルシクロヘキサン、デカリン等が例示できる。水素消費設備としては、燃料電池、水素エンジン、水素燃焼タービン、水素を用いる二次電池等が例示できる。

そして、本発明の水素供給装置は、脱水素触媒を加熱する加熱部と、脱水素触媒と前記加熱部との間に介在する熱伝導材と、反応容器内に設けられ、脱水素触媒により生成した生成物（芳香族化合物と水素との混合物）から水素を分離する水素分離手段とを含む。これにより、反応容器内における水素の分圧の上昇を抑えて脱水素反応を効率よく行うことができる。また、脱水素触媒と加熱部との間に熱伝導材が介在するため、空間を介して加熱する方式（図４参照）に比べ熱伝達性が向上し、脱水素触媒を効率よく加熱することができる。

また、本発明の水素供給装置は、反応容器が、脱水素触媒へ脂環式化合物を供給するための第１流入口と、水素分離手段により分離された水素を水素消費設備へ供給するための流出口とを有し、更に加熱部が、燃焼触媒と、水素消費設備で消費されなかった水素を燃焼触媒へ供給するための第２流入口とを有する。そして、加熱部は、第２流入口から供給された水素を燃焼触媒により燃焼することにより脱水素触媒を加熱する。このように本発明の水素供給装置は、燃焼触媒により脱水素触媒を加熱するため、送風器等が不要となり小型化が可能となる。更に、水素消費設備で消費されなかった水素を燃焼触媒により燃焼して脱水素触媒を加熱するため、加熱部の動力源が不要となり、省エネルギー化が可能となる。

熱伝導材としては、熱伝導度が大きい材料（例えば１０Ｗ／ｍＫ以上）であればよく、例えばステンレス鋼等が例示できる。燃焼触媒としては、例えばアルミナに白金、パラジウム等の貴金属を担持させたもの等が使用できる。また、水素分離手段としては、例えば、シリカ膜とジルコニア膜とを積層させた積層分離膜等を使用したセラミック製分離膜や、Pd膜、Pd合金膜、バナジウム膜等を使用した金属製分離膜等を含むものが使用でき、コストの観点からセラミック製分離膜を含むものが好ましい。

また、本発明の水素供給装置に使用される熱伝導材は、脱水素触媒との接触面が凹凸形状に形成されていてもよい。これにより、熱伝導材の表面積が増大するため、熱伝達性がより向上する上、脱水素反応時における脱水素触媒の温度が均一化する。なお、前記接触面の凹部や凸部の大きさや個数は特に限定されないが、熱伝導性をより向上させるためには、前記接触面が、凹凸形状でない場合と比べ１．５倍以上の面積となるように凹凸が形成されていることが好ましい。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。参照する図１は、本発明の一実施形態に係る水素供給装置を用いた燃料電池システムの構成図である。また、参照する図２は、本発明の一実施形態に係る水素供給装置で使用される熱伝導材の概略斜視図である。また、参照する図３は、本発明の一実施形態に係る水素供給装置の上面図である。

図１に示すように、燃料電池システム１は、脂環式化合物を貯蔵する第１貯蔵タンク１０と、水素供給装置１１と、第１貯蔵タンク１０に貯蔵された脂環式化合物を水素供給装置１１へと送り込むポンプ１２と、ポンプ１２と水素供給装置１１との間に配設され、水素供給装置１１へ供給される脂環式化合物を加熱する熱交換器１３と、水素供給装置１１内で生成した水素が供給される燃料電池ＦＣと、水素供給装置１１内で生成した芳香族化合物と後述する水素分離手段２５で分離できなかった水素との混合気体を冷却し、前記芳香族化合物を液化させることによって前記混合気体から前記水素を分離する冷却器１４と、前記芳香族化合物を貯蔵する第２貯蔵タンク１５とを含む。

水素供給装置１１は、反応容器２０と、反応容器２０内の図中下方に設けられた脱水素触媒２１と、脱水素触媒２１に接触して設けられた熱伝導材２２と、脱水素触媒２１の図中下方に熱伝導材２２を介して設けられ、脱水素触媒２１を加熱する加熱部２３と、反応容器２０内の図中上方に設けられた支持体２４と、支持体２４に釣支され、脱水素触媒２１により生成した生成物から水素を分離する水素分離手段２５とを含む。これにより、反応容器２０内における水素の分圧の上昇を抑えて脱水素反応を効率よく行うことができる。また、脱水素触媒２１と加熱部２３との間に熱伝導材２２が介在するため、空間を介して加熱する方式に比べ熱伝達性が向上し、脱水素触媒２１を効率よく加熱することができる。

熱伝導材２２は、図２に示すように、円柱状の基部２２ａと、基部２２ａにおける脱水素触媒２１との接触面２２１ａに突出して形成された複数のフィン２２ｂとからなる。これにより、熱伝導材２２の表面積が増大するため、熱伝達性がより向上する上、脱水素反応時における脱水素触媒２１の温度が均一化する。なお、基部２２ａの厚みＴ₁は、例えば２〜１０ｍｍとすればよい。また、フィン２２ｂの幅Ｗ、高さＨ₁及び設置間隔Ｃは、例えばそれぞれ、０．５〜２ｍｍ、１０〜３０ｍｍ及び５〜２０ｍｍとすればよい。

反応容器２０は、図３に示すように、上面視円形状に形成されている。また水素分離手段２５は、セラミック製分離膜からなり、上部に開口２５ａ（図１参照）を有する有底円筒状に形成されている。そして、水素分離手段２５は、脱水素触媒２１により生成した生成物から水素のみを内部２５ｂ（図１参照）に取り込み、開口２５ａから反応容器２０の水素供給室２０ａ（図１参照）へと送り込む。また、水素分離手段２５は、図３に示すように、反応容器２０内において、同心円状に複数配置されている。これにより、反応容器２０内において、均一に水素を取り込むことができる。

また、反応容器２０は、図１に示すように、脱水素触媒２１へ脂環式化合物を供給するための第１流入口３０と、水素分離手段２５により分離された水素を燃料電池ＦＣへ供給するための第１流出口３１と、水素供給装置１１内で生成した芳香族化合物と水素分離手段２５で分離できなかった水素との混合気体を排出する第２流出口３２とを有する。第１流入口３０は、配管４５に接続されており、脂環式化合物は、第１貯蔵タンク１０から配管４５及び第１流入口３０を経由して脱水素触媒２１へ供給される。また、第１流出口３１は、配管４６に接続されており、水素分離手段２５により分離された水素は、水素供給室２０ａから第１流出口３１及び配管４６を経由して燃料電池ＦＣへ供給される。なお、「第１流出口３１」は、特許請求の範囲にいう「流出口」に相当する。

第２流出口３２から排出される前記混合気体は、配管４０を経由して熱交換器１３に流入し、熱交換器１３の熱媒として水素供給装置１１へ供給される脂環式化合物を加熱した後、配管４１を経由して冷却器１４に流入する。このように、燃料電池システム１では、熱交換器１３により水素供給装置１１へ供給される脂環式化合物を加熱するため、脂環式化合物の脱水素反応を効率よく行うことができる。また、熱交換器１３に使用される熱媒として前記混合気体を使用するため、熱媒を別途用意する必要がなくなり、低コスト化が可能となる。

冷却器１４は、前記混合気体を冷却し、前記芳香族化合物を液化させることによって前記混合気体から水素を分離する。例えば、前記芳香族化合物がナフタレンの場合は、前記混合気体を９０℃以下に冷却してナフタレンを液化し、前記混合気体から水素を分離する。そして、液化した前記芳香族化合物は、配管４２を経由して第２貯蔵タンク１５に貯蔵される。また、分離された水素は、配管４３を経由して燃料電池ＦＣに供給される。このように、燃料電池システム１では、水素分離手段２５で分離できなかった水素を冷却器１４により分離して燃料電池ＦＣへ供給するため、脂環式化合物から効率よく水素を取り出して燃料電池ＦＣへ供給することができる。なお、貯蔵した前記芳香族化合物を、例えば水素化反応触媒により水素化して脂環式化合物を再生し、再生した前記脂環式化合物を燃料電池システム１で再利用してもよい。前記水素化反応触媒としては、例えばRh、Ru、Pt、Pd、Ni、Co、Cu等の金属を、アルミナ、シリカ、ゼオライト等の担体に担持したもの等が例示できる。また、冷却器１４及び第２貯蔵タンク１５の代わりに、活性炭等からなる芳香族化合物吸着フィルター等を設置して、前記混合気体から水素を分離してもよい。

加熱部２３は、燃焼触媒５０と、水素を燃焼する燃焼室５１とを有し、燃焼室５１には、燃料電池ＦＣで消費されなかった水素を燃焼触媒５０へ供給するための第２流入口５２と、燃焼補助剤として脂環式化合物を燃焼触媒５０へ供給するための第３流入口５３と、水素を燃焼することにより発生した水を排出する第３流出口５４とが設けられている。第２流入口５２は、配管４７に接続されており、燃料電池ＦＣで消費されなかった水素は、燃料電池ＦＣから配管４７及び第２流入口５２を経由して燃焼触媒５０へ供給される。また、第３流入口５３は、配管４４に接続されており、燃焼補助剤となる脂環式化合物は、第１貯蔵タンク１０から配管４４を経由して燃焼触媒５０へ供給される。そして、加熱部２３は、第２流入口５２から供給された水素を燃焼触媒５０により燃焼して脱水素触媒２１を加熱する。

なお、反応容器２０の内径Ｄは、例えば１００〜３００ｍｍとすればよい。また、水素分離手段２５と脱水素触媒２１との距離Ｌは、例えば５０〜１５０ｍｍとすればよい。また、脱水素触媒２１の厚みＴ₂、燃焼室５１の高さＨ₂及び燃焼触媒５０の厚みＴ₃は、例えばそれぞれ５〜２０ｍｍ、５０〜２００ｍｍ及び１０〜３０ｍｍとすればよい。なお、脱水素触媒２１は、熱伝導材２２のフィン２２ｂ間（図２参照）に埋設されていてもよい。

以上のように構成された燃料電池システム１により、燃料電池ＦＣに水素を供給する際は、まず、ポンプ１２により第１貯蔵タンク１０に貯蔵された脂環式化合物を水素供給装置１１へと送り込む。この際、送り込まれる前記脂環式化合物は、熱交換器１３により加熱された後、配管４５及び第１流入口３０を経由して脱水素触媒２１へ供給される。

そして、加熱部２３で加熱された脱水素触媒２１により、送り込まれた前記脂環式化合物から水素及び芳香族化合物を生成する。この際、例えば前記脂環式化合物として、液体状のシクロヘキサンを用いた場合は、反応容器２０内の圧力が０．１〜１０ＭＰａ程度、脱水素触媒２１の温度が１５０〜６００℃程度となるように、シクロヘキサンの供給量や燃料電池ＦＣからの水素の供給量等を調整すればよい。

続いて、水素分離手段２５により、生成物（水素と芳香族化合物との混合物）から水素のみを分離し、分離された水素が水素供給室２０ａへ送り込まれる。そして、水素供給室２０ａへ送り込まれた水素は、第１流出口３１及び配管４６を経由して燃料電池ＦＣへ供給される。

このように燃料電池システム１（水素供給装置１１）では、脱水素触媒２１を燃焼触媒５０により加熱するため、送風器等が不要となり小型化が可能となる。更に、燃料電池ＦＣで消費されなかった水素を燃焼触媒５０により燃焼して脱水素触媒２１を加熱するため、加熱部２３の動力源が不要となり、省エネルギー化が可能となる。これにより、水素供給装置１１は、従来のバーナーにより脱水素触媒を加熱する水素供給装置に対し、例えば１／１０程度まで小型化することができた。

本発明の水素供給装置は、例えば小型化及び省エネルギー化が要求される燃料電池、水素エンジン、水素燃焼タービン、水素を用いる二次電池等の水素消費設備に水素を供給するための水素供給装置として好適である。

本発明の一実施形態に係る水素供給装置を用いた燃料電池システムの構成図である。 本発明の一実施形態に係る水素供給装置で使用される熱伝導材の概略斜視図である。 本発明の一実施形態に係る水素供給装置の上面図である。 従来の水素供給装置を用いた水素供給システムの構成図である。

符号の説明

１ 燃料電池システム
１０ 第１貯蔵タンク
１１ 水素供給装置
１２ ポンプ
１３ 熱交換器
１４ 冷却器
１５ 第２貯蔵タンク
２０ 反応容器
２１ 脱水素触媒
２２ 熱伝導材
２２ａ 基部
２２ｂ フィン
２３ 加熱部
２５ 水素分離手段
３０ 第１流入口
３１ 第１流出口（流出口）
３２ 第２流出口
５０ 燃焼触媒
５１ 燃焼室
５２ 第２流入口
５３ 第３流入口
５４ 第３流出口
２２１ａ 接触面
ＦＣ 燃料電池（水素消費設備）

Claims (4)

1. 反応容器と、前記反応容器内に設けられた脱水素触媒とを含み、脂環式化合物を前記脱水素触媒により脱水素反応させて水素を生成し、前記水素を水素消費設備へ供給する水素供給装置であって、
   前記脱水素触媒を加熱する加熱部と、
   前記脱水素触媒と前記加熱部との間に介在する熱伝導材と、
   前記反応容器内に設けられ、前記脱水素触媒により生成した生成物から前記水素を分離する水素分離手段とを含み、
   前記反応容器は、前記脱水素触媒へ前記脂環式化合物を供給するための第１流入口と、前記水素分離手段により分離された前記水素を前記水素消費設備へ供給するための流出口とを有し、
   前記加熱部は、燃焼触媒と、前記水素消費設備で消費されなかった前記水素を前記燃焼触媒へ供給するための第２流入口とを有し、前記第２流入口から供給された前記水素を前記燃焼触媒により燃焼して前記脱水素触媒を加熱することを特徴とする水素供給装置。
2. 前記熱伝導材は、前記脱水素触媒との接触面が凹凸形状に形成されている請求項１に記載の水素供給装置。
3. 前記熱伝導材は、ステンレス鋼である請求項１又は請求項２に記載の水素供給装置。
4. 前記水素分離手段は、セラミック製分離膜を含む請求項１に記載の水素供給装置。
   
   

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