JP2006182598A - 水素製造システム - Google Patents

Abstract

【課題】水素製造時の反応での水の使用を避けることができる水素製造システムを提供する。
【解決手段】有機ハイドライドを貯蔵する燃料タンク１と、有機ハイドライドから水素とその副生成物を生成する反応層１９と、生成された水素と副生成物を分離して水素を抽出する水素分離膜４および抽出層２１と、を備える。さらに、副生成物と未分離の水素を反応させて有機ハイドライドを生成する回収タンク９を備え、回収タンク９で生成した有機ハイドライドを燃料タンク１に回収して再利用する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、水素製造システムに関する。特に、移動体搭載用の燃料電池に用いる水素を生成するための水素製造システムに関する。

従来の水素製造装置として、ケミカルハイドライドと呼ばれる金属水素化合物を用いて、水素リッチな燃料ガスを生成するシステムが知られている。

これは、反応器内に金属水素化物を微細化して供給しつつ、噴射機から水を噴射し、金属水素化物を加水分解して水素を生成する。供給される水は燃料電池の生成水を用いる。こうすることにより、加水分解用の水タンクを小型化または省略でき、システム全体の小型化を図ることができる。燃料電池の廃熱を反応器に供給して金属水素化物を熱分解する構成、加水分解時に発生した熱を用いて別の金属水素化物を熱分解する構成などを採っている（例えば、特許文献１、参照。）。
特開２００２−８０２０２号公報

しかしながら、上記従来技術のように、燃料電池の生成水を用いて加水分解を行う構成とした場合、水タンクを備えないと水マネージメントが複雑化、または困難となってしまう。また、水タンクを備えると、システムが巨大化する、重量が増大するといった問題が生じてしまう。

そこで本発明は、上記問題を鑑みて、水素製造時の反応での水の使用を避けることができる水素製造システムを提供することを目的とする。

本発明は、有機ハイドライドを貯蔵する燃料タンクと、前記有機ハイドライドから水素とその副生成物を生成する水素生成機構と、生成された水素と副生成物を分離して水素を抽出する水素抽出機構と、前記副生成物と未分離の水素を反応させて有機ハイドライドを生成する有機ハイドライド回生機構と、を備え、前記有機ハイドライド回生機構で生成した有機ハイドライドを前記燃料タンクに回収して再利用する。

有機ハイドライドから水素とその副生成物を生成するため、水タンクおよび水を供給するための機構が不要となり、水マネージメントを単純化し、かつ、システムをコンパクト化することができる。また、水素抽出機構で抽出されなかった水素を、有機ハイドライドに回生して、再利用することができるので、燃料効率を向上することができる。

第１の実施形態について説明する。水素製造システムの概略構成を、図１に示す。

水素製造システムには、燃料として有機ハイドライドを貯蔵する燃料タンク１を備える。有機ハイドライドとしては、デカリン、シクロヘキサンといった水素キャリアとなる燃料を貯蔵する。また、燃料タンク１から燃料を取り出す燃料ポンプ２と、取り出された燃料を化学反応により水素と副生成物に分解する水素抽出器３を備える。

ここでは、水素抽出器３を図２に示すような積層型の熱交換器により構成する。水素抽出器３を、抽出層２１と、その両側に水素分離膜４を介して隣接する反応層１９と、さらにその両側に熱伝達の優れた隔壁を介して隣接する加熱層１８と、を積層することにより構成する。加熱層１８には燃焼触媒を備え、反応層１９を加熱可能に構成する。反応層１９には、化学反応を促進させるために、貴金属やニッケルといった触媒を担持させる。

反応層１９には、燃料タンク１からの燃料が供給され、以下のような分解が生じる。

デカリンＣ₁₀Ｈ₁₈−ナフタレンＣ₁₀Ｈ₈反応：Ｃ₁₀Ｈ₁₈⇔Ｃ₁₀Ｈ₈＋５Ｈ₂ …（１）
シクロヘキサンＣ₆Ｈ₁₂−ベンゼンＣ₆Ｈ₆反応：Ｃ₆Ｈ₁₂⇔Ｃ₆Ｈ₆＋３Ｈ₂ …（２）
デカリンは触媒下、水素雰囲気中２００℃〜３５０℃で水素を放出し、副生成物としてナフタレンを生成する。また、シクロヘキサンは触媒下、水素雰囲気中２００℃〜３５０℃で水素を放出し、副生成物としてベンゼンを生成する。なお、反応層１９に供給される有機ハイドライドは、噴射弁により供給される噴霧状の液体でも、気化された気体でもよい。

これらの反応は、水素の授受の際にＣＯ₂を生成せず、水素を気体以外の状態で貯蔵することができる。つまり、移動体用燃料電池など小型化が望まれるシステムにおいて、燃料となる水素のキャリアとして有機ハイドライドを利用することで、ＣＯ₂の排出を防止し、燃料タンク１の容量を抑制しつつ長い航続距離を得ることができる。また、反応に水を用いないため、システムの水マネージメントを簡易化することができ、水タンクが不要となるため、システムをコンパクト化することができる。

反応ガス層１９の温度は、加熱層１８における燃焼反応に伴って生じる熱により維持される。加熱層１８では、後述するように回収タンク９からの残ガス、または水素抽出器３で抽出された水素の一部と、燃料電池８からのカソード排ガスが供給されて燃焼反応を生じ、反応層１９を２００℃〜３５０℃に維持する。

反応層１９で生成された水素は、水素分離膜４を透過して抽出層２１に分離される。水素分離膜４と抽出層２１により、水素の抽出機構を構成する。水素抽出器３を積層型の熱交換器としているため、水素分離膜４の透過性能を維持するための必要熱は、加熱層１８から反応層１９に伝達された熱を使用することができる。

また、水素製造システムには、水素抽出器３の抽出層２１から水素を取り出す水素回収通路１６と、水素蓄圧ポンプ５を備え、さらに取り出した水素を貯蔵する蓄圧タンク６を備える。また、蓄圧タンク６に貯蔵された水素をアノード側に、コンプレッサ等により外部より供給された空気をカソード側に導入することにより発電を行う燃料電池８と、燃料電池８に導入する水素流量を調整する流量調整バルブ７を備える。

さらに、水素抽出器３で反応層１９に残留する副生成物と残水素からなる残ガスを回収する回収タンク９を備える。回収タンク９では、水素抽出器３から供給された副生成物と残水素からなる残ガスから有機ハイドライドを生成する。回収タンク９の構成を、図３、図４を用いて説明する。図４は図３におけるＡ−Ａ断面図である。

回収タンク９を、冷却室２３、副生成物貯蔵室２６、燃料回収室２８から構成する。ここでは、冷却室２３を最上層に、燃料回収室２８を最下層に構成する。

冷却室２３には、副生成物と残水素からなる残ガスの入り口となる残ガス入口２２と、フィン付き冷却配管２４を備える。フィン付き冷却配管２４には、例えば、燃料電池８にて生成される水蒸気が途中の放熱で冷却されて液体となったもの、あるいは、燃料電池８の温度を調整するためのＬＬＣ（Ｌｏｎｇ Ｌｉｆｅ Ｃｏｏｌａｎｔ）などを流通させる。また、冷却室２３と副生成物貯蔵室２６の間には、中央部分に設けた孔が最下部に位置するように斜面を形成するジョロウ板２５を備える。

残ガス入口２２から導入された残ガスが、フィン付き冷却配管２４と熱交換を行う。これにより、残ガス中の副生成物が液化または固体化し、下方のジョロウ板２５に集められ、副生成物貯蔵室２６に落下する。

また、副生成物貯蔵室２６の下面には、副生成物と残水素との有機ハイドライドへの反応を促進する為の貴金属触媒、または、ニッケル触媒等が担持された回生メッシュ２７を備える。冷却室２３から落下した固体化された副生成物は、副生成物貯蔵室２６で回生メッシュ２７上に蓄積される。回生メッシュ２７で、副生成物貯蔵室２６内の残水素と副生成物とが反応し、有機ハイドライドを生成する。

ここで、副生成物と残水素との有機ハイドライドへの反応を、以下に示す。

ナフタレンＣ₁₀Ｈ₈−デカリンＣ₁₀Ｈ₁₈反応：Ｃ₁₀Ｈ₈＋５Ｈ₂⇔Ｃ₁₀Ｈ₁₈
ベンゼンＣ₆Ｈ₆−シクロヘキサンＣ₆Ｈ₁₂反応：Ｃ₆Ｈ₆＋３Ｈ₂⇔Ｃ₆Ｈ₁₂
ナフタレンは触媒下、５０℃〜１５０℃の温度で加熱すると水素（５Ｈ₂）を吸収し、デカリンを生成する。同様に、ベンゼンは触媒下、５０℃〜１５０℃の温度で加熱すると水素（３Ｈ₂）を吸収し、シクロヘキサンを生成する。

回生メッシュ２７には、反応に必要な温度（５０℃〜１５０℃）を維持するために、図４に示すように、全体に配管３０を敷設する。配管３０には、水素抽出器３の反応層１９からの残ガスを、前述した冷却室２３の残ガス入口２２に導入する以前に流通させる。反応層１９から排出された残ガスは比較的高温であり、残ガスを冷却する以前に配管３０に流通させることで、残ガスが有する熱を有効利用することができ、回生メッシュ２７に担持させた触媒を適切な温度に維持することができる。生成されたゲル状の有機ハイドライドは、回生メッシュ２７を透過して、下方の燃料回収室２８に回収される。燃料回収室２８には、燃料の取り出し口となる燃料取り出し口３７を備える。

また、図１に示すように、水素製造システムには、回収タンク９と燃料タンク１とを、回収燃料バルブ１１を介して接続する燃料回収通路１０を備える。燃料回収通路１０を通って、回収タンク９の燃料回収室２８から有機ハイドライドを取り出し、燃料タンク１に導入することで、水素抽出器３で抽出されなかった水素を無駄にすることなく有機ハイドライドに回生させることができ、燃料効率を向上することができる。

また、図３に示すように、回収タンク９の副生成物貯蔵室２６に、主に水素からなる気体状の残ガスを取り出す残ガス取り出し口３１を供える。また、図１に示すように、回収タンク９と水素抽出器３を接続する加熱用残ガス通路１２を備え、さらに加熱用残ガス通路１２に流量制御バルブ１３を備える。加熱用残ガス通路１２は、回収タンク９の副生成物貯蔵室２６の残ガス取り出し口３１と、水素抽出器３の加熱層１８を接続し、残ガスの一部を加熱層１８に導入することで、反応層１９における反応に必要な熱を発生する。

また、図１に示すように、蓄圧タンク６と、水素抽出器３の加熱層１８を結ぶ圧縮水素通路１４を備え、さらに圧縮水素通路１４に流量制御バルブ１５を備える。起動時に、蓄圧タンク６内に存在する圧縮水素を水素抽出器３の加熱層１８に供給することにより暖機のための熱を発生する。その後、暖機が終了し、定常的に水素抽出器３から水素が取り出されるようになったら流量制御バルブ１５を閉じて蓄圧タンク６から水素抽出器３への水素の供給を停止する。前述したように回収タンク９で有機ハイドライドの回生に使用されなかった残水素を、加熱用残ガス通路１２を通って水素抽出器３の加熱層１８に供給することにより、水素を生成するための熱を得る。

なお、回収タンク９で有機ハイドライドの回生に使用されなかった水素のみでは、生成される熱が不足する可能性がある。そこで、水素抽出器３で抽出された水素の流通路である水素回収通路１６から分岐して、水素抽出器３の加熱層１８に連通する加熱水素通路３６を備え、さらに加熱水素通路３６に流量制御バルブ１７を備える。

また、回収タンク９で有機ハイドライドに回生されなかった副生成物は、回収タンク９の回収メッシュ２７上に蓄積される。ステーションにて有機ハイドライドを供給する際などに、副生成物として回収し、オフサイト工場などで水素を添加して再び有機ハイドライドとしてステーションで供給することによりリサイクルが為される。

このように、水素抽出器３から排出される残ガスを再度化学反応させて、燃料となる有機ハイドライドを生成し、燃料タンク１に回収する。また、有機ハイドライドの回生に使用されなかった残ガスを、有機ハイドライドの分解に必要な熱の生成に使用することで、燃料効率を向上することができる。

次に、本実施形態の効果について説明する。

有機ハイドライドを貯蔵する燃料タンク１と、有機ハイドライドから水素とその副生成物を生成する反応層１９と、生成された水素と副生成物を分離して水素を抽出する水素分離膜４および抽出層２１と、を備える。さらに、副生成物と未分離の水素を反応させて有機ハイドライドを生成する回収タンク９を備え、回収タンク９で生成した有機ハイドライドを燃料タンク１に回収して再利用する。有機ハイドライドから水素を生成する反応では水が不要となるので、システムの水マネージメントを簡易化することができ、また、水タンクが不要となるので、システムを小型化することができる。また、生成後の残ガスから、再度、有機ハイドライドを生成して再利用することができるので、燃料効率を向上することができる。

反応層１９、または、水素分離膜５を加熱する加熱層１８を備え、回収タンク９で有機ハイドライドに戻しきれなかった残ガスを加熱層１８に供給する。このように、有機ハイドライドに回生されなかった残ガスを水素生成に必要な熱に使用することができるので、燃料効率を向上することができる。

水素分離膜４で分離された水素を貯蓄する蓄圧タンク６を備え、蓄圧タンク６に導入された水素を、選択的に加熱層１８に供給する。これにより、反応層１９で必要な熱を確実に確保することができる。また、起動時に、蓄圧タンク６より加熱層１８に水素を供給することにより、反応層１９を暖機することができる。また、蓄圧タンク６を備えることで、負荷に応じて適切に水素を燃料電池８に供給することができる。

反応層１９と、水素分離膜４および抽出層２１と、加熱層１８と、からなる積層型の熱交換器を備える。積層型の熱交換器に構成することで、コンパクト化でき、また、放熱を抑えることができる。

回収タンク９を、副生成物を冷却し、副生成物を液化または固体化させるための冷却室２３と、液化または固体化された副生成物を貯める為の副生成物貯蔵室２６と、を備える。さらに、副生成物貯蔵室２６には、前記副生成物と未分離の水素が反応して燃料としての有機ハイドライドに戻すための触媒を有する、液化または固体化された副生成物の受け面となる回生メッシュ２７を備える。さらに、回生メッシュ２７の下には、有機ハイドライドを回収する燃料回収室２８を備える。このように構成することで、回収タンク９で有機ハイドライドを生成することができる。また、層状とすることで、コンパクト化することができる。

また、回生メッシュ２７と熱交換可能な配管３０を備え、配管３０には、冷却室２３に供給される以前の、未分離の水素と副生成物を流通させる。これにより、冷却される以前の残ガスの持つ熱を使用して、回収メッシュ２７上の触媒温度を適切に維持することができる。

回生メッシュ２７に蓄積された副生成物を外部に取り出し可能に構成する。これにより、蓄積された副生成物を回収してリサイクルすることができる。

次に、第２の実施形態について説明する。回収タンク９の構成を図５に示す。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。

回収タンク９を、集合室３２と、燃料回収室２８から構成する。集合室３２には、水素抽出器３からの残ガスを導入する残ガス入口２２を備える。また、集合室３２と燃料回収室２８の間には、貴金属触媒またはニッケル触媒等が担持された膜状の回生メッシュ３９を備える。回収メッシュ３９には、第１の実施形態と同様に、温度を有機ハイドライド生成に適切に維持するために、集合室２８に導入される以前の残ガスが流通する配管３０を備える。

残ガス入口２２から導入された副生成物と残水素は、回生メッシュ３９を透過する際に反応して、有機ハイドライドを生成する。有機ハイドライドは燃料回収室２８に蓄積され、燃料回収通路１０を介して燃料タンク１に回収される。このように、反応層１９から排出された残ガスを再び有機ハイドライドに戻して燃料タンク１に回収することで、燃料の利用効率を向上することができる。

また、回収タンク９の燃料回収室２８には、回生メッシュ３９を透過する際に有機ハイドライドに戻されなかった残ガスを取り出す残ガス出口３１を備える。残ガス出口３１を介して取り出された残ガスは、加熱用残ガス通路１２を通って水素抽出器３の加熱層１８に導入されて燃焼され、有機ハイドライドの分解に必要な熱を生成する。

次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第１の実施形態異なる効果のみを説明する。

回収タンク９は、副生成物と未分離の水素を反応させ、燃料となる有機ハイドライドを生成するための触媒が担持された集合室３２と、集合室３２に面し、有機ハイドライドを通過することのできる回生メッシュ３９と、回生メッシュ３９の集合室３２の反対側に、回生メッシュ３９を通過した有機ハイドライドを貯蔵する燃料回収室２８と、を備える。このように構成することで、回収タンク９で有機ハイドライドを生成することができる。また、層状とすることで、コンパクト化することができる。

回生メッシュ３９と熱交換可能な配管３０を備え、配管３０には、冷却室２３に供給される以前の、未分離の水素と副生成物を流通させる。これにより、冷却される以前の残ガスの持つ熱を使用して、回収メッシュ３９上の触媒温度を適切に維持することができる。

次に、第３の実施形態について説明する。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。

水素製造システムの概略を図６に示す。

燃料電池８のアノード排ガスを回収タンク９に回収する回収配管３３を備え、さらに回収配管３３に流量制御バルブ３４を備える。回収配管３３は、図７に示すように、回収タンク９の燃料回収室２８に設けた水素戻し口３５に接続される。回収タンク９に回収されたアノード排ガス中の水素は、燃料回収室２８から回生メッシュ２７に向かって上昇し、回生メッシュ２７で副生成物と反応して有機ハイドライドを生成する。

このように、燃料電池８からのアノード排ガスを回収タンク９に回収することで、回収タンク９内の水素分圧が増大するため、有機ハイドライドの生成反応が促進され、燃料効率をさらに向上することができる。

なお、第２の実施形態と同様に回収タンク９を集合室３２と燃料回収室２８から構成し、水素戻し口３５を回生メッシュ２７の下方に位置する燃料回収室２８に備えてもよい。

次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第１の実施形態と異なる効果のみを説明する。

水素分離膜４で抽出された水素を用いて発電を行う燃料電池８を備え、燃料電池８からの排水素を、回収タンク８に供給する。これにより、余剰水素を捨てることなく、有機ハイドライドの生成に使用することができるので、燃料効率を向上することができる。

なお、本発明は、上記発明を実施するための最良の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲内で、様々な変更を為し得ることはいうまでもない。

本発明は、水素製造システムに適用することができる。例えば、移動体搭載用の燃料電池に用いる水素を製造するためのシステムに適用することで、適切な効果を得ることができる。

第１の実施形態に用いる水素製造システムの概略構成図である。 第１の実施形態に用いる水素抽出器の概略構成図である。 第１の実施形態に用いる回収タンクの概略構成図である。 第１の実施形態に用いる回収タンクの回収メッシュの概略構成図である。 第２の実施形態に用いる回収タンクの概略構成図である。 第３の実施形態に用いる水素製造システムの概略構成図である。 第３の実施形態に用いる回収タンクの概略構成図である。

符号の説明

１ 燃料タンク
３ 水素抽出器
４ 水素分離膜（水素抽出機構）
６ 蓄圧タンク
９ 回収タンク（有機ハイドライド回生機構）
８ 燃料電池
１８ 加熱層（燃焼機構）
１９ 反応層（水素生成機構）
２１ 抽出層（水素抽出機構）
２３ 冷却室
２６ 副生成物貯蔵室
２７ 回生メッシュ（受け面）
２８ 燃料回収室
３２ 集合室
３９ 回生メッシュ（通過膜）

Claims (10)

1. 有機ハイドライドを貯蔵する燃料タンクと、
   前記有機ハイドライドから水素とその副生成物を生成する水素生成機構と、
   生成された水素と副生成物を分離して水素を抽出する水素抽出機構と、
   前記副生成物と未分離の水素を反応させて有機ハイドライドを生成する有機ハイドライド回生機構と、を備え、
   前記有機ハイドライド回生機構で生成した有機ハイドライドを前記燃料タンクに回収して再利用することを特徴とする水素製造システム。
2. 前記水素生成機構、または、前記水素抽出機構を加熱する燃焼機構を備え、
   前記有機ハイドライド回生機構で有機ハイドライドに戻しきれなかったガスを前記燃焼機構に供給する請求項１に記載の水素製造システム。
3. 前記水素抽出機構で抽出された水素を貯蓄する蓄圧タンクを備え、
   前記蓄圧タンクに導入された水素を、選択的に前記燃焼機構に供給する請求項２に記載の水素製造システム。
4. 前記水素生成機構と、前記水素抽出機構と、前記燃焼機構と、からなる積層型の熱交換器を備える請求項２に記載の水素製造システム。
5. 前記有機ハイドライド回生機構は、
   前記副生成物を冷却し、前記副生成物を液化または固体化させるための冷却室と、
   前記液化または固体化された副生成物を貯める為の副生成物貯蔵室と、を備え、
   さらに、前記副生成物貯蔵室には、前記副生成物と未分離の水素が反応して燃料としての有機ハイドライドに戻すための触媒を有する、液化または固体化された前記副生成物の受け面を備え、
   さらに、前記受け面の下には、有機ハイドライドを回収する回収室を備える請求項１に記載の水素製造システム。
6. 前記受け面と熱交換可能な配管を備え、
   前記配管には、前記冷却室に供給される以前の、前記未分離の水素と前記副生成物を流通させる請求項５に記載の水素製造システム。
7. 前記受け面に蓄積された前記副生成物を外部に取り出し可能に構成する請求項５に記載の水素製造システム。
8. 前記有機ハイドライド回生機構は、
   前記副生成物と未分離の水素を反応させ、燃料となる有機ハイドライドを生成するための触媒が担持された集合室と、
   前記集合室に面し、前記有機ハイドライドを通過することのできる通過膜と、
   前記通過膜の前記集合室の反対側に、前記通過膜を通過した有機ハイドライドを貯蔵する燃料回収室と、を備える請求項１に記載の水素製造システム。
9. 前記通過膜と熱交換可能な配管を備え、
   前記配管には、前記冷却室に供給される以前の、前記未分離の水素と前記副生成物を流通させる請求項８に記載の水素製造システム。
10. 前記水素抽出機構で抽出された水素を用いて発電を行う燃料電池を備え、
    前記燃料電池からの排水素を、前記有機ハイドライド回生機構に供給する請求項１に記載の水素製造システム。

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