JP4578867B2 - Hydrogen storage / supply device and system thereof, distributed power source using the same, and automobile - Google Patents
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Description
本発明は、水素を貯蔵し、自動車又は家庭用燃料電池などの分散電源に水素を供給する新規な水素貯蔵・供給装置とそのシステム及びそれを用いた分散電源並びに自動車に関する。 The present invention relates to a novel hydrogen storage and supply device that stores hydrogen and supplies hydrogen to a distributed power source such as an automobile or a household fuel cell, a system thereof, a distributed power source using the system, and an automobile.
二酸化炭素などによる地球温暖化が深刻になる中で、化石燃料に代わって次世代を担うエネルギー源として水素が注目されている。また、エネルギーを有効活用してCO2排出を削減する省エネルギー化を推進するため、発電設備のコージェネ化が注目されている。水素を利用し発電を行う燃料電池発電システムは、近年、自動車、家庭用発電設備、自動販売機、携帯機器など多様な用途の電源として技術開発が急速に進んでいる。燃料電池は、水素と酸素を反応させ水になる際に電気を発生し、同時に発生する熱エネルギーを利用して給湯及び空調を行うことができるため、家庭用分散電源に適用されている。燃料電池の他、マイクロタービンやマイクロエンジンといった内燃機関の開発も進んでいる。 As global warming due to carbon dioxide and the like becomes serious, hydrogen is attracting attention as an energy source for the next generation instead of fossil fuels. In addition, cogeneration of power generation facilities has attracted attention in order to promote energy saving by effectively using energy and reducing CO 2 emissions. In recent years, fuel cell power generation systems that generate power using hydrogen have been rapidly developed as a power source for various uses such as automobiles, household power generation facilities, vending machines, and portable devices. A fuel cell generates electricity when hydrogen and oxygen are reacted to form water, and can be used for hot water supply and air conditioning using thermal energy generated at the same time. In addition to fuel cells, internal combustion engines such as microturbines and microengines are also being developed.
一方、水素を燃料として用いるために不可欠な水素の輸送、貯蔵、供給システムが大きな課題となっている。水素は常温で気体であるため、液体や固体に比べて、貯蔵や輸送が難しい。しかも、水素は可燃性物質であり、空気と所定の混合比になると、爆発の危険性がある。 On the other hand, a hydrogen transportation, storage, and supply system that is indispensable for using hydrogen as a fuel has become a major issue. Since hydrogen is a gas at room temperature, it is difficult to store and transport compared to liquids and solids. Moreover, hydrogen is a flammable substance, and there is a risk of explosion when it is mixed with air at a predetermined mixing ratio.
このような問題を解決する技術に、特許文献1に開示されるように、炭化水素燃料に水蒸気を加えて水素を発生させ、この水素を水素吸蔵合金に貯蔵し、起動時に放出させて炭化水素燃料に添加して水添脱硫して燃料電池に供給する発電システムが示されている。
As disclosed in
又、近年、安全性、運搬性及び貯蔵能力に優れた水素貯蔵方法として、シクロヘキサンやデカリンのような炭化水素を用いた有機ハイドライドシステムが注目されている。これらの炭化水素は、常温で液体であるため、運搬性に優れている。 In recent years, organic hydride systems using hydrocarbons such as cyclohexane and decalin have attracted attention as a hydrogen storage method that is excellent in safety, transportability, and storage capacity. Since these hydrocarbons are liquid at room temperature, they are excellent in transportability.
例えば、ベンゼンとシクロヘキサンは同じ炭素数を有する環状炭化水素であるが、ベンゼンは炭素同士の結合が二重結合である不飽和炭化水素であるのに対し、シクロヘキサンは二重結合を持たない飽和炭化水素である。ベンゼンの水素付加反応によりシクロヘキサンが得られ、シクロヘキサンの脱水素反応によりベンゼンが得られる。すなわち、これらの炭化水素の水素付加と脱水素反応を利用することにより、水素の貯蔵とその供給が可能となる。 For example, benzene and cyclohexane are cyclic hydrocarbons having the same carbon number, but benzene is an unsaturated hydrocarbon in which the bonds between carbons are double bonds, whereas cyclohexane is a saturated hydrocarbon having no double bonds. Hydrogen. Cyclohexane is obtained by the hydrogenation reaction of benzene, and benzene is obtained by the dehydrogenation reaction of cyclohexane. That is, hydrogen can be stored and supplied by utilizing hydrogenation and dehydrogenation of these hydrocarbons.
特許文献2及び3に開示されるように、噴霧器により高温の触媒層にシクロヘキサンを吹き付けて脱水素反応を行い、冷却器で生成物である水素とベンゼンを気体と液体に分離させる方法が示されている。
As disclosed in
しかし、ベンゼンとシクロヘキサンとの反応に代表される水素付加反応と脱水素反応とを利用して水素の貯蔵と供給を行うには、反応効率が低いので、反応効率を高める必要がある。 However, in order to store and supply hydrogen using a hydrogenation reaction and a dehydrogenation reaction typified by a reaction between benzene and cyclohexane, the reaction efficiency is low, so the reaction efficiency needs to be increased.
更に、実用化する上では、シクロヘキサンやデカリンなどの有機ハイドライドの脱水素反応の反応温度が250℃以上と高く、ヒータで加熱を行うために、燃料電池で発生した電力の一部を使用しなくてはならず効率が低下してしまう。又、特許文献2及び3に開示される装置においては、装置が大型となってしまう。
Furthermore, in practical use, the reaction temperature of the dehydration reaction of organic hydrides such as cyclohexane and decalin is as high as 250 ° C. or higher, and heating with a heater does not use part of the power generated in the fuel cell. Doing so will reduce efficiency. Moreover, in the apparatuses disclosed in
本発明の目的は、低温での水素の貯蔵及び供給が可能で、小型で効率の良い水素貯蔵・供給装置とそのシステム及びそれを用いた分散電源並びに自動車を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a small and efficient hydrogen storage / supply device, a system thereof, a distributed power source and an automobile that can store and supply hydrogen at a low temperature.
水素の貯蔵と放出とを化学的に繰り返す媒体を用いて水素の放出又は貯蔵を行う水素貯蔵・供給装置において、
前記媒体が流通する面状の媒体流路と、
前記放出された水素と、水素を貯蔵した前記媒体及び水素を放出した前記媒体とを分離する面状の水素分離手段と、
前記放出された水素、水素を貯蔵した前記媒体及び水素を放出した前記媒体の各々が流入又は流出する流通口とが一体に形成されており、
前記水素分離手段が、多孔質樹脂に形成された空孔内表面に触媒層が形成された複合機能層からなり、前記放出された水素を、気体状態で、水素を貯蔵した前記媒体及び水素を放出した前記媒体から分離するものであり、
前記複合機能層が前記媒体流路に接して設けられ、
前記媒体流路は、基板の一方の面に形成された平面構造で反応部と該反応部に前記媒体を注入する複数の注入部とを有し、
前記媒体流路、水素分離手段及び複合機能層が順次形成されていることを特徴とする。
In a hydrogen storage / supply device that releases or stores hydrogen using a medium that chemically repeats the storage and release of hydrogen,
A planar medium flow path through which the medium flows;
And hydrogen, which are pre-Symbol released, and the planar hydrogen separating means for separating the medium releasing the medium and hydrogen were stored hydrogen,
The released hydrogen, the medium storing hydrogen, and the circulation port through which each of the medium releasing hydrogen flows in or out are formed integrally.
The hydrogen separation means is composed of a composite functional layer in which a catalyst layer is formed on the inner surface of pores formed in a porous resin, and the released hydrogen is converted into a gaseous state with the medium storing hydrogen and the hydrogen. Separating from the discharged medium,
The composite functional layer is provided in contact with the medium flow path;
The medium flow path, have a plurality of injection unit for injecting the medium into the reaction section and the reaction section as a planar structure formed on one surface of the substrate,
The medium flow path, the hydrogen separation unit and the composite functional layer characterized that you have been successively formed.
本発明は、水素の貯蔵と放出とを化学的に繰り返す媒体を用いて水素の放出又は貯蔵を行う水素貯蔵・供給装置において、
前記媒体が流通する面状の媒体流路と、
該流路に形成された触媒層と、
前記放出された水素と水素を貯蔵した前記媒体及び水素を放出した前記媒体とを分離する面状の水素分離手段と、
前記放出された水素、水素を貯蔵した前記媒体及び水素を放出した前記媒体が流出する流通口とが一体に形成されており、
前記水素分離手段が、前記放出された水素を、気体状態で、水素を貯蔵した前記媒体及び水素を放出した前記媒体から分離する水素分離膜からなり、
該水素分離膜が前記触媒層に接して形成され、
前記媒体流路は、基板の一方の面に形成された平面構造で反応部と該反応部に前記媒体を注入する複数の注入部とを有し、
前記媒体流路、触媒層及び水素分離手段が順次形成されていること、
又は、前記水素分離手段が、前記放出された水素、水素を貯蔵した前記媒体及び水素を放出した前記媒体を冷却する平板状の冷却器であり、該冷却器によって前記放出された水素を、気体状態で、水素を貯蔵した前記媒体及び水素を放出した前記媒体を液体として、前記媒体から分離するものであり、
前記冷却器が、前記媒体流路の面上に隣接して形成され、
前記媒体流路は、基板の一方の面に形成された平面構造で反応部と該反応部に前記媒体を注入する複数の注入部とを有し、
前記媒体流路、触媒層及び水素分離手段が順次形成されていることを特徴とする。
The present invention relates to a hydrogen storage / supply device that releases or stores hydrogen using a medium that chemically repeats storage and release of hydrogen.
A planar medium flow path through which the medium flows;
A catalyst layer formed in the flow path;
A planar hydrogen separation means for separating the released hydrogen from the medium storing hydrogen and the medium releasing hydrogen;
The released hydrogen, the medium storing hydrogen and the flow outlet through which the medium released hydrogen flows out are formed integrally.
The hydrogen separation means comprises a hydrogen separation membrane that separates the released hydrogen in a gaseous state from the medium storing hydrogen and the medium releasing hydrogen;
The hydrogen separation membrane is formed in contact with the catalyst layer;
The medium flow path, have a plurality of injection unit for injecting the medium into the reaction section and the reaction section as a planar structure formed on one surface of the substrate,
The medium flow path, Rukoto catalyst layer and a hydrogen separating means are sequentially formed,
Alternatively, the hydrogen separation means is a flat plate cooler for cooling the released hydrogen, the medium storing hydrogen, and the medium releasing hydrogen, and the hydrogen released by the cooler is converted into a gas In the state, the medium storing hydrogen and the medium releasing hydrogen are separated from the medium as a liquid,
The cooler is formed adjacent to the surface of the medium flow path;
The medium flow path, have a plurality of injection unit for injecting the medium into the reaction section and the reaction section as a planar structure formed on one surface of the substrate,
The medium flow path, the catalyst layer and the hydrogen separation means is characterized that you have been successively formed.
又、前記分離された水素、水素を貯蔵した前記媒体及び水素を放出した前記媒体の前記流通口は、各々の流入又は流出を交互に変える切り替え手段によって放出口又は供給口となることが好ましい。 Further, the flow port of the separated hydrogen, the medium that has released the medium and hydrogen was stored hydrogen is preferably made as outlet or supply opening by the switching means for changing alternately each inflow or outflow .
本発明の水素貯蔵・供給装置は、高熱伝導基板の少なくとも一方の面に前記流路、触媒層、スペーサ、水素流路層及ぴ冷却器よりなる前記水素分離手段が順次形成されていること、前記高熱伝導基板の少なくとも一方の面に前記流路、触媒層、水素分離膜よりなる前記水素分離手段、スペーサ及び水素流路層が順次形成されてなる。あるいは、高熱伝導基板の少なくとも一方の面に前記流路、水素分離膜、触媒層、複数の貫通孔が配置された水素を貯蔵した前記媒体を前記触媒層に注入する燃料注入層及び前記燃料を貯蔵する燃料貯蔵層が順次形成されていることが好ましい。 Hydrogen storage and supply system of the present invention, that the flow path on at least one surface of the high thermal conductivity substrate, a catalyst layer, a spacer, said hydrogen separation unit consisting of hydrogen flow path layer及Pi cooler are successively formed The flow path, the catalyst layer, the hydrogen separation means comprising a hydrogen separation membrane, a spacer, and a hydrogen flow path layer are sequentially formed on at least one surface of the high thermal conductive substrate. Alternatively, the flow path on at least one surface of the high thermal conductivity substrate, the hydrogen separation membrane, a catalyst layer, a fuel injection layer and the fuel injecting the medium in the catalyst layer in which a plurality of through holes were stored disposed hydrogen It is preferable that a fuel storage layer for storing is sequentially formed.
本発明の水素貯蔵・供給装置は、水素貯蔵のためだけに利用することもできれば、水素供給のためだけに利用することもできる。また、脱水素反応及び水素付加反応それぞれに対して反広温度を制御することで、水素貯蔵及び供給両方の機能を果たすことができる。 The hydrogen storage / supply apparatus of the present invention can be used only for hydrogen storage or can be used only for hydrogen supply. In addition, by controlling the anti-wide temperature for each of the dehydrogenation reaction and the hydrogenation reaction, both hydrogen storage and supply functions can be achieved.
前記流路は、前記水素を貯蔵した前記媒体を注入する燃料注入部、反応部及び拡散部の各種形状の平面パターンを有する基板状又はシート状のものである。 The flow path is in the form of a substrate or a sheet having various planar patterns of a fuel injection part, a reaction part and a diffusion part for injecting the medium storing the hydrogen.
前記燃料注入部は、燃料を触媒層へ均一に拡散させることが重要であり、以下の2つの方法により達成される。第一に、燃料注入部が触媒層と同一平面に形成され、注入口断面が曲率を有する流路パターンより燃料供給する方法である。特に、スプレーノズル形状に形成され、ノズル径が1〜500μm、スプレー角度がO〜85°であることが好ましい。第二に、燃料貯蔵層で燃料を均一に拡散させた後に、複数の貫通孔が配置された燃料注入層より燃料供給する方法である。前記貫通孔の孔径が上面から下面に対して縮小した形状を有し、下面における孔径がO.3〜300μmであることが好ましい。いずれの場合も、流路パターン、貫通孔の数に制限はなく、触媒層に均一に燃料供給できるように、適宜作製する。 It is important for the fuel injection portion to uniformly diffuse the fuel into the catalyst layer, and is achieved by the following two methods. The first method is to supply fuel from a flow path pattern in which the fuel injection portion is formed in the same plane as the catalyst layer and the injection port cross section has a curvature. In particular, it is preferably formed in a spray nozzle shape, the nozzle diameter is 1 to 500 μm, and the spray angle is O to 85 °. Secondly, after the fuel is uniformly diffused in the fuel storage layer, the fuel is supplied from the fuel injection layer in which a plurality of through holes are arranged. It is preferable that the hole diameter of the through-hole is reduced from the upper surface to the lower surface, and the hole diameter on the lower surface is O.3 to 300 μm. In either case, the number of flow path patterns and the number of through holes is not limited, and the flow path pattern and the number of through holes are appropriately prepared so that fuel can be uniformly supplied to the catalyst layer.
前記反応部は、前記媒体の流通の障壁となる障壁パターンを有すること、前記流路のパターン幅及び配線間隙がそれぞれO.1〜1000μmであること、前記流路のパターンが金属からなり、外部からの通電によって加熱ヒータとなること、前記触媒層が多孔質膜又は陽極酸化により作製した多孔質層であることが好ましい。 The reaction section has a barrier pattern that serves as a barrier for the flow of the medium, the pattern width of the flow path and the wiring gap are each 0.1 to 1000 μm, the flow path pattern is made of metal, It becomes preferable that it becomes a heater by energizing from the above, and that the catalyst layer is a porous film or a porous layer produced by anodic oxidation.
本発明の水素貯蔵・供給装置は、前記高熱伝導基板の触媒層の形成側に対して反対面側の面に、燃料電池の残渣水素又は脱水素反応後の前記媒体を燃焼させる燃焼触媒層及び前記残渣水素又は媒体を導入する流路が形成された燃焼室基板が順次形成されていることが好ましい。 The hydrogen storage / supply device of the present invention comprises a combustion catalyst layer for burning residual hydrogen of a fuel cell or the medium after dehydrogenation reaction on the surface opposite to the catalyst layer formation side of the high thermal conductivity substrate, and It is preferable that a combustion chamber substrate on which a channel for introducing the residual hydrogen or the medium is formed is sequentially formed.
前記水素を放出し貯蔵する媒体として、室温で気体又は液体であり、有機化合物又は無機化合物からなり、特に、ベンゼン、トルエン、キシレン、メシチレン、アセトン、ナフタレン、メチルナフタレン、アントラセン、ビフェニル、フェナスレン及びそれらのアルキル置換体のいずれか又は複数混合したものを利用することができ、芳香族化合物が好ましい。これらの媒体としての燃料は、炭素同士の二重結合に水素が付加することにより、水素を貯蔵する。水素付加後の水素供給体は、水素を放出して元の水素貯蔵体に戻る。これらの媒体は、水素のリサイクルに適したキャリアとなる。 As a medium for releasing and storing hydrogen, it is a gas or liquid at room temperature, and is composed of an organic compound or an inorganic compound. Any of these alkyl-substituted products or a mixture of a plurality of them may be used, and an aromatic compound is preferred. The fuel as these media stores hydrogen by adding hydrogen to a double bond between carbons. The hydrogen supply body after hydrogen addition releases hydrogen and returns to the original hydrogen storage body. These media are suitable carriers for hydrogen recycling.
本発明は、より低温での水素の貯蔵とその放出が可能な触媒を用いることが好ましく、システム全体の効率を向上することができる。触媒としては、金属触媒であるニッケル、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、オスミウム、クロム、コバルト、及び鉄からなる群から選ばれる少なくとも1種の金属と、アルミナ、酸化亜鉛、シリカ、酸化ジルコニウム及び珪藻土からなる群から選ばれる少なくとも1種とからなるのが好ましく、金属触媒と塩基性担体との組み合わせが好ましい。塩基性担体がアルミナ、酸化亜鉛及び酸化ジルコニウムからなる。 In the present invention, it is preferable to use a catalyst capable of storing and releasing hydrogen at a lower temperature, and the efficiency of the entire system can be improved. The catalyst includes at least one metal selected from the group consisting of nickel, palladium, platinum, rhodium, iridium, ruthenium, molybdenum, rhenium, tungsten, vanadium, osmium, chromium, cobalt, and iron, which are metal catalysts, and alumina. It is preferably composed of at least one selected from the group consisting of zinc oxide, silica, zirconium oxide and diatomaceous earth, and a combination of a metal catalyst and a basic support is preferable. The basic carrier consists of alumina, zinc oxide and zirconium oxide.
塩基性担体が、アルミニウム又は非金属表面にアルミニウム層を設けたクラッド材を高熱伝導基板とし、そのアルミニウム表面に陽極酸化により形成したアルミナ皮膜に対しては、更に陽極酸化によって生成した細孔を拡大処理した後、ベーマイト処理、焼成することにより形成するのが好ましい。さらに、陽極酸化により得られた細孔内に酸化亜鉛、シリカ、酸化ジルコニウム、珪藻土からなる群から選ばれる少なくとも1種を充填するのが好ましい。 The basic support is made of a clad material with an aluminum layer on an aluminum or non-metal surface, and a high thermal conductivity substrate. The alumina film formed by anodizing the aluminum surface further expands the pores generated by anodizing. After the treatment, it is preferably formed by boehmite treatment and baking. Furthermore, it is preferable to fill at least one selected from the group consisting of zinc oxide, silica, zirconium oxide and diatomaceous earth into the pores obtained by anodization.
本発明の水素貯蔵・供給システムは、燃料供給部、タンク部、熱交換器及び前述の水素貯蔵・供給装置を有し、熱交換器は、供給する燃料と前記水素貯蔵・供給部より排出される加熱廃液又は燃料電池より排出される加熱水との間で熱交換するものが好ましい。 The hydrogen storage / supply system of the present invention includes a fuel supply unit, a tank unit, a heat exchanger, and the hydrogen storage / supply device described above, and the heat exchanger is discharged from the fuel to be supplied and the hydrogen storage / supply unit. It is preferable to exchange heat with heated waste liquid or heated water discharged from the fuel cell.
燃料供給部は間欠送液が可能な液体輸送装置であること、タンク部は可動式仕切り板で燃料である水素化物と廃液である脱水素化物とを各々分離貯蔵し、下部に燃料、上部に廃液を貯蔵することが好ましい。 The fuel supply unit is a liquid transport device capable of intermittent liquid feeding, and the tank unit is a movable partition plate that separates and stores hydride as fuel and dehydrogenated product as waste liquid. It is preferable to store the waste liquid.
本発明の分散電源及び自動車は、前述の水素貯蔵・供給システムと、燃料電池、ガスタービン及び内燃機関から選ばれる発電機又は原動機と組み合わせたものであり、それらの廃熱を利用し水素貯蔵・供給を行う。また、燃料電池、水素エンジンより排出される未反応水素を燃焼させた際に発生する燃焼熱を利用し水素貯蔵・供給を行う。 A distributed power source and an automobile according to the present invention are a combination of the above-described hydrogen storage / supply system and a generator or a prime mover selected from a fuel cell, a gas turbine, and an internal combustion engine. Supply. In addition, hydrogen is stored and supplied by using the combustion heat generated when unreacted hydrogen discharged from the fuel cell and the hydrogen engine is burned.
本発明の水素貯蔵・供給装置は、前述の高熱伝導基板上に流路として種々のパターンの平面形状とし、その上部に触媒層、スペーサ、水素流路層を順次積層して一体化すること、又、流路の上部に触媒層、冷却器又は水素分離膜、スペーサ、水素流路層を順次積層して一体化すること、又、その上部に触媒層、貫通孔が面内に多数配置された燃料注入層、前記燃料を貯蔵する燃料貯蔵層を積層して一体化すること、その上部に冷却器又は水素分離膜、触媒層、貫通孔が面内に多数配置された燃料注入層、前記燃料を貯蔵する燃料貯蔵層を順次積層して一体化する薄膜形成プロセスによるマイクロリアクターとすることが好ましい。 The hydrogen storage / supply device of the present invention has a planar shape of various patterns as a flow path on the above-described high thermal conductive substrate, and a catalyst layer, a spacer, and a hydrogen flow path layer are sequentially stacked and integrated on the top. In addition, a catalyst layer, a cooler or hydrogen separation membrane, a spacer, and a hydrogen channel layer are sequentially stacked and integrated on the upper part of the channel, and a large number of catalyst layers and through holes are arranged on the upper part in the plane. A fuel injection layer, a fuel storage layer for storing the fuel is laminated and integrated, a cooler or a hydrogen separation membrane, a catalyst layer, a fuel injection layer in which a large number of through holes are arranged in a plane, It is preferable to form a microreactor by a thin film forming process in which fuel storage layers for storing fuel are sequentially stacked and integrated.
更に、本発明の水素貯蔵・供給装置は、前述の水素貯蔵・供給装置における高熱伝導基板の下面に、燃料電池の残渣水素又は脱水素反応後に生成する芳香族化合物を燃焼させる燃焼触媒層を設け、その下部に、残渣水素又は芳香族化合物を導入する流路が形成された燃焼室基板を積層して一体化することが好ましい。又、再生可能エネルギーで発生した電力により製造された水素を利用することが好ましい。 Furthermore, the hydrogen storage / supply device of the present invention is provided with a combustion catalyst layer for burning residual hydrogen of the fuel cell or an aromatic compound generated after the dehydrogenation reaction on the lower surface of the high thermal conductivity substrate in the hydrogen storage / supply device described above. It is preferable that a combustion chamber substrate having a flow path for introducing residual hydrogen or an aromatic compound is laminated and integrated under the lower portion. In addition, it is preferable to use hydrogen produced by electric power generated by renewable energy.
水素供給体として、有機ハイドライドの脱水素反応は熱力学的な制約を受ける。有機ハイドライドの脱水素反応は吸熱反応であり、高温で、水素及び生成した芳香族炭化水素分圧が小さいほど脱水素側に平衡が移動する。逆に低温で、水素や芳香族炭化水素分圧が大きいほど水素化側に平衡が移動し水素を取り出すことが困難となる。従って、水素の貯蔵については低温でも容易に進行するが、脱水素反応である水素供給は難しい。 As a hydrogen supplier, organic hydride dehydrogenation is subject to thermodynamic constraints. The dehydration reaction of organic hydride is an endothermic reaction, and the equilibrium shifts to the dehydrogenation side as the partial pressure of hydrogen and the generated aromatic hydrocarbon decreases at a high temperature. Conversely, as the partial pressure of hydrogen or aromatic hydrocarbon increases at low temperatures, the equilibrium shifts to the hydrogenation side, making it difficult to extract hydrogen. Accordingly, hydrogen storage proceeds easily even at low temperatures, but it is difficult to supply hydrogen as a dehydrogenation reaction.
その転化率は脱水素と水素付加の平衡により決定され、250℃の場合、有機ハイドライドの熱力学的に計算される転化率は、メチルシクロヘキサンで約30%、デカリンで約50%である。250℃という温度でより脱水素反応を進行させるには、平衡分圧を制御する必要がある。その代表的なものが水素分離膜を用いた制御方法であり、生成した水素を反応系外に除去することで、水素分圧を低下させ反応の平衡を水素生成の方向に移行することができる。しかし、水素分離膜と触媒が隣接していなければその効果が少ない。 The conversion is determined by the equilibrium of dehydrogenation and hydrogenation, and at 250 ° C., the thermodynamically calculated conversion of organic hydride is about 30% for methylcyclohexane and about 50% for decalin. In order to proceed the dehydrogenation reaction at a temperature of 250 ° C., it is necessary to control the equilibrium partial pressure. A typical example is a control method using a hydrogen separation membrane, and by removing the produced hydrogen from the reaction system, the hydrogen partial pressure can be reduced and the reaction equilibrium can be shifted in the direction of hydrogen production. . However, the effect is small unless the hydrogen separation membrane and the catalyst are adjacent to each other.
又、本発明は、水素生成の吸熱反応による急激な触媒層温度の低減を抑制するために高熱伝導基板上に直接触媒層を形成して熱伝導を向上させることで、高速水素生成を可能にしている。また、小さなスペースで反応を行い隣接した水素分離膜によって水素を効率よく分離し、平衡分圧制御を容易に行うことができる。さらに、ミクロン又はナノオーダーまで小さくした媒体の流路上に触媒が塗布等により形成され、触媒層の表面積/体積比を大きくし有機ハイドライドと触媒層の接触効率を大きくすることで、触媒を有効に利用することができ反応速度を向上することができる。 In addition, the present invention enables high-speed hydrogen generation by forming a catalyst layer directly on a high thermal conductivity substrate to improve thermal conduction in order to suppress a rapid decrease in catalyst layer temperature due to an endothermic reaction during hydrogen generation. ing. Further, the reaction can be performed in a small space, hydrogen can be efficiently separated by the adjacent hydrogen separation membrane, and the equilibrium partial pressure control can be easily performed. In addition, the catalyst is formed on the flow path of the medium reduced to the micron or nano order by coating, etc., and the catalyst is made effective by increasing the surface area / volume ratio of the catalyst layer and increasing the contact efficiency between the organic hydride and the catalyst layer. The reaction rate can be improved.
流路が大きい場合は、液体部の厚みが厚く複合界面の存在比が小さい。流路を小さくし液体の表面積を大きくすることで、液体部の厚みは薄くなり、複合界面の存在比を大きくすることができる。また、触媒層の触媒表面や触媒層に隣接して形成した多孔質膜にはnmオーダの細孔が存在する。液体は自身の液滴サイズが小さくなるほど液体の蒸気圧が大きくなり、低温でも気化しやすく反応も促進される。液滴サイズの小さな流路とnmサイズの触媒表面の細孔の組み合わせにより、ミクロな複合界面を形成することができ、低温でも脱水素反応を効率よく進行させることができる。 When the flow path is large, the liquid portion is thick and the existence ratio of the composite interface is small. By reducing the flow path and increasing the surface area of the liquid, the thickness of the liquid portion is reduced and the abundance ratio of the composite interface can be increased. Moreover, the porous film formed adjacent to the catalyst surface of the catalyst layer or the catalyst layer has pores on the order of nm. As the droplet size of the liquid becomes smaller, the vapor pressure of the liquid increases, and the liquid is easily vaporized even at a low temperature. A combination of a small droplet size channel and pores on the nanometer-size catalyst surface can form a micro composite interface, and the dehydrogenation reaction can proceed efficiently even at low temperatures.
本発明は、全体を封止材で封止することにより小型で薄型設計される。封止材の一部には基板上に作製されたパターン間隙へ通じる燃料供給口及び排出口が設けられており、外部の可動式仕切り板で燃料である水素化物と廃液である脱水素化物を分離貯蔵する燃料タンクに連結されている。燃料の供給にはマスフローメータなどで供給量を制御しながらポンプなどを用いて間欠送液する。各部材及び作製手順について以下説明する。 The present invention is designed to be small and thin by sealing the whole with a sealing material. A part of the sealing material is provided with a fuel supply port and a discharge port that lead to the pattern gap formed on the substrate, and the hydride as the fuel and the dehydrogenated product as the waste liquid are separated by an external movable partition plate. It is connected to a separate fuel tank. The fuel is supplied intermittently using a pump or the like while controlling the supply amount with a mass flow meter or the like. Each member and manufacturing procedure will be described below.
高熱伝導基板は、窒化アルミニウム、窒化珪素、アルミナ、ムライトなどのセラミックスやグラファイトシートなどのカーボン材、銅、ニッケル、アルミニウム、シリコン、チタンなどの金属やクラッド材、ポリイミドなどの耐熱性高分子薄膜及びこれらの混合物を用いることができ、熱伝導率を膜厚で除した値が1000以上、より好ましくは10000以上である。熱伝導率が大きく、膜厚が薄いほど廃熱、燃焼熱を有効に利用して触媒層を加熱することができる。 High thermal conductive substrates include ceramic materials such as aluminum nitride, silicon nitride, alumina, mullite, carbon materials such as graphite sheets, metal and clad materials such as copper, nickel, aluminum, silicon and titanium, heat resistant polymer thin films such as polyimide, and These mixtures can be used, and the value obtained by dividing the thermal conductivity by the film thickness is 1000 or more, more preferably 10,000 or more. The larger the thermal conductivity and the thinner the film thickness, the more effectively the waste heat and combustion heat can be used to heat the catalyst layer.
本発明は燃料電池など高温システムの廃熱、未反応ガスの燃焼熱を利用するものであり、それらの熱を触媒層により速く伝達することができる。特に、脱水素反応は吸熱反応であり、反応の進行に伴い、触媒の温度が低下して反応速度が低下するが、前述の高熱伝導基板を用いることにより触媒温度の低下を防ぐことができる。 The present invention uses waste heat of a high-temperature system such as a fuel cell and combustion heat of unreacted gas, and can transfer the heat to the catalyst layer faster. In particular, the dehydrogenation reaction is an endothermic reaction. As the reaction proceeds, the temperature of the catalyst decreases and the reaction rate decreases. However, the use of the above-described high thermal conductive substrate can prevent the catalyst temperature from decreasing.
特に、ナノプリントプロセスによりパターン形成する場合を以下説明する。例えば表面に微細な凹凸加工を施したSi、SiO2、SiC、Fe、Al、Al2O3などを金型として用いて、それを樹脂薄膜にプレスすることにより形状を転写し、樹脂突起物を作製することができる。金型の凹凸加工には半導体製造工程で一般的に用いられるフォトリソグラフィ技術やエッチング技術を適用することができる。樹脂薄膜の材料としては、シクロオレフィンポリマー、ポリメチルメタアルクリレート、ポリスチレン、ポリカーボネイト、ポリプロピレンなどの熱可塑性又は光硬化性樹脂が挙げられる。ナノプリントプロセスにより作製する樹脂突起物はその直径又は一辺が0.01〜100μm、高さが0.5〜100μmである。微細な樹脂突起物表面に、ゾルゲル法により触媒担体を形成することができる。その後、無電解NiめっきなどによりナノスケールのNiパターンが形成できる。最後に、樹脂を溶解除去し、触媒担体に触媒金属を担持することにより触媒層を作製する。Niパターンをヒータとして用いることで直接触媒層を加熱することができ、触媒温度の低下を防ぐことができる。 In particular, the case of pattern formation by a nanoprint process will be described below. For example, Si, SiO 2 , SiC, Fe, Al, Al 2 O 3 etc. with fine irregularities on the surface are used as a mold, and the shape is transferred by pressing it on a resin thin film, and resin protrusions Can be produced. A photolithography technique and an etching technique generally used in a semiconductor manufacturing process can be applied to the uneven processing of the mold. Examples of the material for the resin thin film include thermoplastic or photocurable resins such as cycloolefin polymer, polymethyl methacrylate, polystyrene, polycarbonate, and polypropylene. The resin protrusion produced by the nanoprint process has a diameter or side of 0.01 to 100 μm and a height of 0.5 to 100 μm. A catalyst carrier can be formed on the surface of fine resin protrusions by a sol-gel method. Thereafter, a nanoscale Ni pattern can be formed by electroless Ni plating or the like. Finally, the resin is dissolved and removed, and a catalyst layer is prepared by supporting a catalyst metal on a catalyst carrier. By using the Ni pattern as a heater, the catalyst layer can be directly heated, and a decrease in the catalyst temperature can be prevented.
また、触媒担体を形成した後、触媒担体表面に無電解めっきによりPd、Ag層を形成し、最後に、樹脂を溶解除去し、触媒担体に触媒金属を担持することにより、触媒層と水素分離膜層が隣接した層構造を形成することができる。反応で生成する水素分圧を低減でき、結果的に反応速度を向上できる。また、無電解めっきやスパッタなどにより生成されるPd-Ag膜は凹凸形状に対してコンフォーマルに析出し、凹凸形状が維持されるため、凹凸形状の触媒層側を燃料供給及び廃液排出口、水素分離膜側を水素流通口として利用することができる。 After forming the catalyst carrier, Pd and Ag layers are formed on the surface of the catalyst carrier by electroless plating. Finally, the resin is dissolved and removed, and the catalyst metal is supported on the catalyst carrier, thereby separating the catalyst layer and hydrogen. A layer structure with adjacent film layers can be formed. The partial pressure of hydrogen generated by the reaction can be reduced, and as a result, the reaction rate can be improved. In addition, the Pd-Ag film produced by electroless plating or sputtering is deposited conformally with respect to the concavo-convex shape, and the concavo-convex shape is maintained. The hydrogen separation membrane side can be used as a hydrogen circulation port.
ナノプリントに用いる金型に対して、無電解NiめっきなどによりナノスケールのNiパターンが形成できる。形成したパターン表面に、前述の方法と同様に触媒層を形成させることができる。 A nanoscale Ni pattern can be formed on the mold used for nanoprinting by electroless Ni plating or the like. A catalyst layer can be formed on the formed pattern surface in the same manner as described above.
次に触媒層について説明する。触媒層は前述のパターンの上に直接形成する場合と水素分離膜側に形成する場合がある。いずれの場合も触媒層は、金属触媒と金属触媒担体材料から構成され、金属材料にはNi、Pd、Pt、Rh、Ir、Re、Ru、Mo、W、V、Os、Cr、Co、Feなどの金属及びこれらの合金触媒を用いることができる。触媒材料の製造法は、共沈法、熱分解法など特に限定はない。 Next, the catalyst layer will be described. The catalyst layer may be formed directly on the aforementioned pattern or may be formed on the hydrogen separation membrane side. In any case, the catalyst layer is composed of a metal catalyst and a metal catalyst support material, and the metal material includes Ni, Pd, Pt, Rh, Ir, Re, Ru, Mo, W, V, Os, Cr, Co, Fe Such metals and their alloy catalysts can be used. The method for producing the catalyst material is not particularly limited, such as a coprecipitation method or a thermal decomposition method.
触媒担体材料としては、活性炭、カーボンナノチューブやシリカ、アルミナ、ゼオライトなどのアルミナシリケートなどを用いることができる。200℃以下での脱水素反応の場合は、アルミナ、酸化亜鉛、シリカ、酸化ジルコニウム、珪藻土などの塩基性酸化物を用いることもできる。また、それらを複合したものを用いることができる。触媒担体の形成は、ゾルゲル法、めっき、陽極酸化などの溶液プロセスや蒸着法、スパッタ法、CVD法などのドライプロセスなどを使用することができる。 As the catalyst support material, activated carbon, carbon nanotubes, silica, alumina, alumina silicate such as zeolite, and the like can be used. In the case of a dehydrogenation reaction at 200 ° C. or lower, basic oxides such as alumina, zinc oxide, silica, zirconium oxide and diatomaceous earth can be used. Moreover, what compounded them can be used. The catalyst carrier can be formed by a solution process such as a sol-gel method, plating, or anodization, or a dry process such as a vapor deposition method, a sputtering method, or a CVD method.
高熱伝導基板に、アルミニウム又は非アルミニウム表面にアルミニウム層を設けたクラッド材を用いた場合、アルミニウム表面に陽極酸化により作製した多孔質アルミナを直接作製することができ、高熱伝導基板と触媒担体の密着性及び熱伝導性が良好であり、より好ましい。アルミニウム表面を陽極酸化し、次いで陽極酸化によって生成した細孔を拡大処理した後、ベーマイト処理、焼成した皮膜を担体として用いた場合、陽極酸化をしただけの場合に比べて担体表面積が増大し、触媒担持量を増大させることができるため、さらに好ましい形態である。 When using a clad material with an aluminum layer on an aluminum or non-aluminum surface, a porous alumina produced by anodization on the aluminum surface can be directly produced, and the high thermal conductivity substrate and the catalyst carrier are in close contact. And heat conductivity are favorable and more preferable. After anodizing the aluminum surface and then enlarging the pores produced by anodization, boehmite treatment, when the fired film is used as a carrier, the surface area of the carrier is increased compared to the case where only anodization is performed, This is a more preferable form because the amount of catalyst supported can be increased.
また、陽極酸化により生成した多孔質細孔内に塩基性酸化物などの別の触媒担体を充填することもでき、担体表面の酸性度や燃料に対する吸着能を調整できる。 In addition, another catalyst carrier such as a basic oxide can be filled in the porous pores generated by anodic oxidation, and the acidity of the carrier surface and the adsorption ability to the fuel can be adjusted.
非アルミニウム金属表面にアルミニウム層を設けたクラッド材としては、例えばMg、Cr、Mo、W、Mn、Fe、Co、Ni、Ti、Zr、V、Cu、Ag、Zn、Bi、Sn、Pb及びSbなどからなる単一の金属又は合金の板、複数の金属板を重合させた金属合板又は海綿状金属板等の表面に非水メッキ、圧着、蒸着、どぶ付けなどの方法によりアルミニウム層を設けたものを使用することができる。 Examples of the clad material provided with an aluminum layer on the non-aluminum metal surface include Mg, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Co, Ni, Ti, Zr, V, Cu, Ag, Zn, Bi, Sn, Pb and An aluminum layer is formed on the surface of a single metal or alloy plate made of Sb or the like, a metal plywood obtained by polymerizing a plurality of metal plates, or a sponge-like metal plate, etc. by non-water plating, pressure bonding, vapor deposition, or bumping. Can be used.
陽極酸化法としては、電解液として例えば燐酸、クロム酸、蓚酸、硫酸水溶液等を使用することができるが、触媒被毒を避けるためには、燐酸、クロム酸、蓚酸水溶液が好ましい。陽極酸化により形成される多孔層の孔径、膜厚は、印加電圧、処理温度、処理時間などの条件により、適宜設定することができる。孔径は10nm〜300nm、膜厚は5〜300μmであることが好ましい。陽極酸化の処理液温度は、0〜50℃、特に30〜40℃とすることが好ましい。また、この陽極酸化の処理時間は処理条件や形成したい膜厚によって異なるが、例えば4重量%の蓚酸水溶液を電解液とし、処理浴温度を30℃、印加電圧40Vとした場合には7時間処理することで100μmの陽極酸化層を形成できる。 In the anodic oxidation method, for example, phosphoric acid, chromic acid, oxalic acid, sulfuric acid aqueous solution or the like can be used as the electrolytic solution, but phosphoric acid, chromic acid, or oxalic acid aqueous solution is preferable in order to avoid catalyst poisoning. The pore diameter and film thickness of the porous layer formed by anodization can be appropriately set according to conditions such as applied voltage, processing temperature, and processing time. The pore diameter is preferably 10 nm to 300 nm, and the film thickness is preferably 5 to 300 μm. The temperature of the anodizing treatment solution is preferably 0 to 50 ° C, particularly 30 to 40 ° C. The treatment time for this anodic oxidation varies depending on the treatment conditions and the film thickness to be formed. For example, when a 4% by weight oxalic acid aqueous solution is used as the electrolyte, the treatment bath temperature is 30 ° C., and the applied voltage is 40 V, the treatment time is 7 hours. By doing so, an anodized layer of 100 μm can be formed.
燐酸又は蓚酸等を溶解した酸性水溶液を用いて陽極酸化皮膜表面を処理し、形成された細孔を拡大した後、ベーマイト処理する。酸性水溶液の濃度は、例えば燐酸の場合には5〜20重量%であることが好ましく、10℃〜30℃で10分〜3時間、細孔径が適度に拡大されるまで処理する。陽極酸化終了後、陽極酸化処理浴に、そのまま所定時間浸漬して孔拡大処理することもできる。ベーマイト処理は、pH6以上、好ましくは7以上の水中50℃〜200℃で処理し、乾燥した後焼成する。ベーマイト処理の処理時間はpHや処理温度によっても異なるが、5分以上とすることが好ましい。例えばpH7の水中で処理する場合、約2時間処理する。焼成はγ―アルミナを形成させるものであり、300〜550℃、0.5〜5時間行う。
The surface of the anodized film is treated with an acidic aqueous solution in which phosphoric acid or oxalic acid is dissolved, and the formed pores are enlarged, followed by boehmite treatment. For example, in the case of phosphoric acid, the concentration of the acidic aqueous solution is preferably 5 to 20% by weight, and the treatment is performed at 10 to 30 ° C. for 10 minutes to 3 hours until the pore diameter is appropriately expanded. After completion of the anodization, the pores can be expanded by immersing in an anodizing bath for a predetermined time. The boehmite treatment is performed at 50 ° C. to 200 ° C. in water having a pH of 6 or more, preferably 7 or more, dried and then fired. The treatment time of the boehmite treatment varies depending on the pH and treatment temperature, but is preferably 5 minutes or more. For example, when treating in water of
スペーサは触媒層の上部に装着され、水素供給装置として用いる場合は生成水素の流通層となり、水素貯蔵装置として使用する場合は水素の供給口となる。スペーサの構造は、面内に溝を切ったもの、又は基板の垂直方向に貫通孔を形成したもので、その片面側に水素分離膜が設けられている。スペーサの材料としては、多孔質材料を用いることもできる。多孔質材料としては、シリカやアルミナ及びゼオライトのようなアルミノシリケートなどセラミックス材料、メッシュ状に加工した金属を積層したもの、カーボン、ガラス、アルミナなどの繊維を織り込んだもの、フッ素樹脂やポリイミドなど耐熱性高分子材料などを用いることができる。 The spacer is mounted on the upper part of the catalyst layer, and when used as a hydrogen supply device, it serves as a flow layer for generated hydrogen, and when used as a hydrogen storage device, it serves as a hydrogen supply port. The spacer has a structure in which a groove is cut in a plane or a through-hole is formed in a direction perpendicular to the substrate, and a hydrogen separation membrane is provided on one side of the spacer. A porous material can also be used as the spacer material. Porous materials include ceramic materials such as aluminosilicates such as silica, alumina, and zeolite, laminated metal processed into mesh, carbon fiber, woven fibers such as alumina, heat resistant materials such as fluororesin and polyimide Can be used.
水素流路の材料としては、ステンレス、チタン、アルミニウム、ニッケル、シリコンなどの金属材料、ガラス状カーボンや多孔質カーボンなどの炭素系材料、ガラス、アルミナ、コージェライトなどのセラミック材料など流路加工が可能であればよい。金属材料は切削加工やプレス成型により作製できる。炭素系材料は、天然黒鉛などの層間に硫酸を流し込み、700〜800℃に加熱して膨張させた後、プレス成形する方法や人造黒鉛、カーボン粒子、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバ、カーボンナノホーンなどをフェノール樹脂、フラン樹脂、ポリイミド樹脂などの熱硬化性樹脂を射出成形又は圧縮成形した後、真空中又は不活性ガス雰囲気下で炭化焼成して得ることができる。 Materials for hydrogen flow path include flow path processing such as metal materials such as stainless steel, titanium, aluminum, nickel and silicon, carbon-based materials such as glassy carbon and porous carbon, and ceramic materials such as glass, alumina and cordierite. If possible. The metal material can be produced by cutting or press molding. For carbon-based materials, sulfuric acid is poured between layers such as natural graphite, heated to 700 to 800 ° C., and then expanded, followed by press molding, artificial graphite, carbon particles, carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbon nanohorns, etc. It can be obtained by injection-molding or compression-molding a thermosetting resin such as a phenol resin, a furan resin, or a polyimide resin and then carbonizing and firing in a vacuum or in an inert gas atmosphere.
水素分離手段は、生成された水素と、水素を貯蔵した媒体及び水素を放出した前記媒体とを各々分離するものであり、水素分離膜を用いた分離、吸着分離、冷却分離がある。いずれも水素貯蔵・供給装置内部で気体の水素と媒体を分離し、平衡状態を脱水素化方向へ移動し、低温で水素生成を可能にする。水素分離膜は多孔質ポリイミドなどの耐熱性高分子、ゼオライトなどのアルミナシリケートやシリカ、ジルコニア、アルミナなどの酸化物、及びPd、Pd-Ag、V系、Nb系、Zr系、Ta系、Ni-Zr系などの水素吸蔵金属の膜を用いることができる。また、多孔質ポリイミド片表面にPd-Ag膜を形成するなど、上記材料を組み合わせて用いることもできる。金属膜として、好ましくはV系金属膜を用いる。V金属にMo、Co、Niなどを合金化した膜は250℃以下の低温下でも水素透過性能に優れている。それらの膜は、膜厚が大きくなるほど水素透過速度が減少するため3μm以下のできるだけ薄い膜とすることが好ましい。より厚い膜を用いる場合は、水素透過側の圧力を反応側の圧力より低圧条件にすれば、水素透過速度を増大することができる。 The hydrogen separation means separates the produced hydrogen from the medium storing hydrogen and the medium releasing hydrogen, and includes separation using a hydrogen separation membrane, adsorption separation, and cooling separation. In both cases, gaseous hydrogen and the medium are separated inside the hydrogen storage and supply device, the equilibrium state is moved in the direction of dehydrogenation, and hydrogen can be produced at a low temperature. Hydrogen separation membranes include heat-resistant polymers such as porous polyimide, alumina silicates such as zeolite, oxides such as silica, zirconia, and alumina, and Pd, Pd-Ag, V, Nb, Zr, Ta, Ni A film of hydrogen storage metal such as -Zr can be used. Also, the above materials may be used in combination, such as forming a Pd—Ag film on the surface of the porous polyimide piece. A V-based metal film is preferably used as the metal film. A film in which Mo, Co, Ni or the like is alloyed with V metal has excellent hydrogen permeation performance even at a low temperature of 250 ° C. or lower. These films are preferably made as thin as possible with a thickness of 3 μm or less because the hydrogen permeation rate decreases as the film thickness increases. In the case of using a thicker membrane, the hydrogen permeation rate can be increased by setting the pressure on the hydrogen permeation side to be lower than the pressure on the reaction side.
これらの水素分離膜は、圧延法、溶液法、蒸着法、スパッタ法などの成膜法を用いて作成することができる。溶液法ではディッピング法、スピンコート法、スプレー法などによりコーティングすることができ、コーティング液は微粒子分散液等も使用することができる。金属系の膜については、めっきプロセスを使用することも可能で、無電解めっきや電気めっき法などにより成膜できる。 These hydrogen separation membranes can be formed using film forming methods such as a rolling method, a solution method, a vapor deposition method, and a sputtering method. In the solution method, coating can be performed by a dipping method, a spin coating method, a spray method, or the like, and a fine particle dispersion or the like can also be used as the coating solution. For the metal film, a plating process can be used, and the film can be formed by electroless plating or electroplating.
多孔質ポリイミドを水素分離膜として使用する場合、片表面にスキン層を有し、ボイド形状、又はスポンジ形状の空孔を有する多孔質ポリイミドを使用することができる。多孔質ポリイミド膜は、空孔径が0.01μm以上の空孔が膜全体に均一に存在する膜を示しており、膜に分布する空孔径の評価は窒素吸着法などにより測定される。スキン層は多孔質ポリイミド膜表面の極近傍に形成される数nmの空孔を有する比較的緻密な層であり、水素分離能を示す。一方、ボイド、スポンジ形状の空孔には、触媒粒子を担持することもできる。多孔質空孔内への触媒担持方法としては、多孔質ポリイミドを触媒分散液へ浸漬又は真空吸引した後、乾燥させ固定化する方法や塩化白金酸などの前駆液に浸漬し、還元剤により空孔内部で粒子析出させる方法などがある。 When porous polyimide is used as a hydrogen separation membrane, a porous polyimide having a skin layer on one surface and having voids or sponge-shaped pores can be used. The porous polyimide film is a film in which pores having a pore diameter of 0.01 μm or more exist uniformly throughout the film, and the evaluation of the pore diameter distributed in the film is measured by a nitrogen adsorption method or the like. The skin layer is a relatively dense layer having pores of several nm formed in the very vicinity of the surface of the porous polyimide film, and exhibits hydrogen separation ability. On the other hand, catalyst particles can also be supported in voids and sponge-like holes. As a method for supporting the catalyst in the porous pores, the porous polyimide is immersed in a catalyst dispersion or vacuumed, and then dried and fixed, or immersed in a precursor solution such as chloroplatinic acid, and then vacated with a reducing agent. There is a method of depositing particles inside the pores.
多孔質ポリイミドの作製は、芳香族テトラカルボン酸二無水物としてビフェニルテトラカルボン酸(sBPDA)、芳香族ジアミンとしてパラフェニレンジアミン(PPD)及び4,4'ジアミノジフェニルエーテル(DDE)を用いることができる。溶媒としては、ポリマーを溶解するものであれば、例えば、N−メチルピロリドン、Y−ブチロラクトン等がある。 For production of the porous polyimide, biphenyltetracarboxylic acid (sBPDA) can be used as the aromatic tetracarboxylic dianhydride, and paraphenylenediamine (PPD) and 4,4′diaminodiphenyl ether (DDE) can be used as the aromatic diamine. Examples of the solvent include N-methylpyrrolidone and Y-butyrolactone as long as they can dissolve the polymer.
多孔質層の形成方法には、湿式凝固法、乾式凝固法、延伸法など種々の製膜方法がある。湿式凝固法によれば、連続気泡多孔質膜が得られ好ましい。湿式凝固法では、溶剤に樹脂と添加剤等を溶解した製膜原液(ドープ)を調製し、これを銅などの基板上に塗布(キャスト)したものを凝固液に浸漬して溶剤置換させ、樹脂を凝固(ゲル化)させ、その後、凝固液等を乾燥除去し、多孔質層を得る。 As a method for forming the porous layer, there are various film forming methods such as a wet coagulation method, a dry coagulation method, and a stretching method. The wet coagulation method is preferable because an open-cell porous membrane can be obtained. In the wet coagulation method, a film-forming stock solution (dope) in which a resin and additives are dissolved in a solvent is prepared, and this is applied (cast) on a substrate such as copper to be immersed in the coagulation solution to replace the solvent, The resin is solidified (gelled), and then the coagulation liquid and the like are removed by drying to obtain a porous layer.
湿式凝固法におけるドープは、好ましくは−20〜40℃の温度範囲で塗布される。また、凝固液としては、用いる樹脂を溶解せずに上記溶剤と相溶性を有するものであればよい。水と、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール等のアルコール類と、これらの混合液とが用いられ、特に水がよく用いられる。浸漬時の凝固液の温度は特に限定されない。好ましくは、0〜50℃の温度範囲である。 The dope in the wet coagulation method is preferably applied in a temperature range of -20 to 40 ° C. The coagulation liquid may be any one that is compatible with the solvent without dissolving the resin used. Water, alcohols such as methanol, ethanol and isopropyl alcohol, and a mixed solution thereof are used, and water is particularly often used. The temperature of the coagulation liquid at the time of immersion is not particularly limited. Preferably, it is the temperature range of 0-50 degreeC.
製膜原液のポリマー濃度は、5重量部から25重量部の範囲が好ましく、特に、より優れた強度を有する多孔質成型体を得るには、7重量部以上であり、高空孔率を有する多孔質成型体を得るには、20重量部以下がより好ましい。濃度が高すぎると、粘度が高くなりすぎて取り扱いが困難になるし、濃度が低すぎると、多孔質膜を形成できないからである。 The polymer concentration of the film-forming stock solution is preferably in the range of 5 to 25 parts by weight. In particular, in order to obtain a porous molded body having superior strength, the polymer concentration is 7 parts by weight or more and has a high porosity. In order to obtain a molded product, the amount is preferably 20 parts by weight or less. If the concentration is too high, the viscosity becomes too high and handling becomes difficult, and if the concentration is too low, a porous film cannot be formed.
孔径形状や孔径制御のために硝酸リチウムのような無機物やポリビニルピロリドンのような有機物を添加することもできる。添加物の濃度は、溶液中に1重量部から10重量部まで添加するのが好ましい。硝酸リチウムを添加すると、溶剤と凝固液との置換速度が速く、スポンジ構造の中にフィンガーボイド構造(指状にボイドを有する構造)を形成できる。ポリビニルピロリドンのような凝固スピードを遅くする添加剤を加えると、スポンジ構造が均一に広がった多孔質層が得られる。 An inorganic substance such as lithium nitrate or an organic substance such as polyvinyl pyrrolidone can be added for controlling the pore shape and the pore diameter. The concentration of the additive is preferably 1 to 10 parts by weight in the solution. When lithium nitrate is added, the replacement speed of the solvent and the coagulating liquid is high, and a finger void structure (structure having a void in a finger shape) can be formed in the sponge structure. When an additive such as polyvinyl pyrrolidone that slows the coagulation speed is added, a porous layer having a sponge structure uniformly spread can be obtained.
ドープは一定の厚みに塗布し、水等の凝固液中に浸漬して凝固させたり、水蒸気雰囲気下に放置して凝固した後、水中に浸漬するなどして、脱溶剤され、多孔質層となる。多孔質層の形成後、凝固液から取り出し、乾燥する。乾燥温度は、特に制限されない。200℃以下での乾燥が望ましい。形成した多孔質層は、最終的に200〜500℃で熱処理して、前駆体(ポリアミド酸)を加熱閉環させてポリイミド化する。 The dope is applied to a certain thickness, soaked in a coagulating liquid such as water, solidified, or left to solidify in a water vapor atmosphere, and then soaked in water. Become. After forming the porous layer, the porous layer is taken out from the coagulation liquid and dried. The drying temperature is not particularly limited. Drying at 200 ° C. or lower is desirable. The formed porous layer is finally heat-treated at 200 to 500 ° C., and the precursor (polyamic acid) is heated and closed to be polyimide.
上記の手段により、30〜85%程度の高い空孔率を有する多孔質体を銅などの基板上に形成できる。好ましくは空孔径が1.0μm以下で、空孔率が30%以上、より好ましくは空孔径が0.5μm以下で、空孔率が40〜70%とする。この範囲であればポリイミド膜全体に空孔が十分均一に分布する。 By the above means, a porous body having a high porosity of about 30 to 85% can be formed on a substrate such as copper. Preferably, the pore diameter is 1.0 μm or less and the porosity is 30% or more, more preferably the pore diameter is 0.5 μm or less and the porosity is 40 to 70%. Within this range, the pores are sufficiently uniformly distributed throughout the polyimide film.
多孔質ポリイミド膜は水素分離膜として機能するだけでなく、触媒担体としても機能する。多孔質膜の空孔内には触媒を担持することができ、空孔内ではガス化した燃料と毛管凝縮により液化した燃料とが混在することで、膜全面において数多くの気液固体複合界面を形成することができる。また、水素分離膜として機能するスキン層が隣接して存在することにより、生成水素を即座に分離して水素分圧を低減することが可能となり、脱水素反応を効率よく進行させることができる。 The porous polyimide membrane functions not only as a hydrogen separation membrane but also as a catalyst carrier. Catalysts can be supported in the pores of the porous membrane, and the gasified fuel and the fuel liquefied by capillary condensation coexist in the pores. Can be formed. In addition, since the skin layer functioning as a hydrogen separation membrane is adjacent, the produced hydrogen can be immediately separated to reduce the hydrogen partial pressure, and the dehydrogenation reaction can proceed efficiently.
水素分離膜と一体型した触媒担体を用いることができる。例えば、Pd-Ag金属表面にアルミニウム層を設けたクラッド材を用いる場合を以下説明する。アルミニウム表面を流路加工した後、アルミニウム層全てを陽極酸化酸化膜にする。その際に形成するAl2O3/Pd-Ag界面のAl2O3バリア皮膜の厚みを薄くするため、陽極酸化処理後半で電解電圧を低下させる。引き続き、Al2O3バリア皮膜のみを除去することにより下地のAg-Pd金属表面を露出させる。最後に、Al2O3膜中にPtを担持することにより水素分離膜一体型触媒を得ることができる。また、Zrを用いた場合でも同様に、水素分離膜一体型触媒が作製でき、Zr自体が水素分離膜として機能し、かつZr表面に酸化皮膜が形成できるため、より好ましい形態である。 A catalyst carrier integrated with a hydrogen separation membrane can be used. For example, a case where a clad material in which an aluminum layer is provided on the surface of a Pd—Ag metal is used will be described below. After the surface of the aluminum is processed, the entire aluminum layer is made an anodized oxide film. In order to reduce the thickness of the Al 2 O 3 barrier film at the Al 2 O 3 / Pd—Ag interface formed at that time, the electrolysis voltage is lowered in the latter half of the anodizing treatment. Subsequently, the underlying Ag—Pd metal surface is exposed by removing only the Al 2 O 3 barrier film. Finally, a hydrogen separation membrane integrated catalyst can be obtained by supporting Pt in an Al 2 O 3 membrane. Similarly, when Zr is used, a hydrogen separation membrane-integrated catalyst can be produced, Zr itself functions as a hydrogen separation membrane, and an oxide film can be formed on the Zr surface, which is a more preferable form.
吸着分離による水素分離には、アルミナ、シリカ、チタニア、ジルコニアなどの複合酸化物、ゼオライト、活性炭など水素を貯蔵する媒体を吸着することができる材料を用いる。これらの材料は触媒担体として使用し、金属触媒上で生成した水素貯蔵媒体を一旦吸着し分離する。吸着した水素貯蔵媒体は、水素が反応器より排出された後、速やかに脱離し反応器より排出される。 For hydrogen separation by adsorption separation, a material capable of adsorbing a hydrogen storage medium such as composite oxides such as alumina, silica, titania and zirconia, zeolite and activated carbon is used. These materials are used as a catalyst carrier, and once adsorb and separate the hydrogen storage medium produced on the metal catalyst. The adsorbed hydrogen storage medium is quickly desorbed and discharged from the reactor after hydrogen is discharged from the reactor.
水素貯蔵体の吸着脱離は温度によるサイクル、又は圧力によるサイクルにより行われる。温度によるサイクルについて以下説明する。反応器内の触媒は所定の反応温度に設定された状態で、水素供給体が触媒に供給される。水素供給体は触媒表面で脱水素反応が進行し、水素と水素貯蔵体が生成する。この際脱水素反応が吸熱反応であり触媒の温度が低下し、生成した水素貯蔵体が触媒の担体に吸着し、水素はそのまま反応器外に排出され水素ガスと分離される。脱水素反応が終了すると触媒の温度が所定の温度に戻ると触媒担体に吸着していた水素貯蔵体が脱離し反応器外に排出される。以上のように脱水素反応の吸熱反応を利用することで温度サイクルを生み出し、水素貯蔵体の吸着脱離による水素分離をおこなうことができる。また、水素と水素貯蔵体の排出に時間差が生じるため、水素供給体の反応器への注入はパルスで行うことが好ましい。 The adsorption / desorption of the hydrogen storage body is performed by a cycle by temperature or a cycle by pressure. The cycle by temperature will be described below. With the catalyst in the reactor set to a predetermined reaction temperature, a hydrogen supplier is supplied to the catalyst. The hydrogen supply body undergoes a dehydrogenation reaction on the catalyst surface, and hydrogen and a hydrogen storage body are generated. At this time, the dehydrogenation reaction is an endothermic reaction, the temperature of the catalyst is lowered, the produced hydrogen storage body is adsorbed on the catalyst carrier, and the hydrogen is discharged out of the reactor as it is and separated from the hydrogen gas. When the dehydrogenation reaction is completed, when the temperature of the catalyst returns to a predetermined temperature, the hydrogen storage body adsorbed on the catalyst carrier is desorbed and discharged out of the reactor. As described above, by utilizing the endothermic reaction of the dehydrogenation reaction, a temperature cycle can be created, and hydrogen separation can be performed by adsorption and desorption of the hydrogen storage body. In addition, since there is a time difference between the discharge of the hydrogen and the hydrogen storage body, it is preferable to inject the hydrogen supply body into the reactor by a pulse.
圧力によるサイクルは、反応器の燃料注入部及び反応性生物の排出口にバルブを設け、それぞれの開閉のタイミングを最適化した状態で行う。反応器内部に水素供給体をパルスで注入した後注入部及び排出部のバルブを閉じ、反応器内部の圧力を上昇させ、水素貯蔵体を触媒担体に吸着させ水素と分離する。次いで、排出口のバルブを開け反応器内部のガスを排出する。このとき減圧ポンプを接続し強制的に吸着物を排出してもよい。 The pressure cycle is performed in a state where valves are provided at the fuel injection portion of the reactor and the outlet of the reactive organism, and the timing of opening and closing of each is optimized. After the hydrogen supply body is injected into the reactor in pulses, the valves of the injection section and the discharge section are closed, the pressure inside the reactor is increased, and the hydrogen storage body is adsorbed on the catalyst carrier and separated from the hydrogen. Next, the valve inside the outlet is opened and the gas inside the reactor is discharged. At this time, a vacuum pump may be connected to forcibly discharge the adsorbate.
以上の吸着による水素分離は、温度又は圧力によるサイクルによって水素と水素貯蔵体を分離するが、水素分離膜を用いて水素を水素分離膜で分離し、水素貯蔵体を吸着分離することでより効果的に平衡制御を行うことが可能で、低温水素供給を行うことができる。このように吸着により水素と生成物を分離することで、反応の平衡条件を脱水素側にすることが可能で、低温で水素を効率よく発生することができる。 The above-mentioned hydrogen separation by adsorption separates hydrogen and the hydrogen storage body by a cycle based on temperature or pressure, but it is more effective to separate the hydrogen with a hydrogen separation membrane using a hydrogen separation membrane and to separate the hydrogen storage body by adsorption. Thus, equilibrium control can be performed and low-temperature hydrogen supply can be performed. Thus, by separating hydrogen and products by adsorption, the equilibrium condition of the reaction can be set to the dehydrogenation side, and hydrogen can be efficiently generated at a low temperature.
冷却による水素分離には、高熱伝導基板から伝達された熱により加熱された気体状の水素及び媒体を冷却器で冷却することにより媒体のみを液体に相変化させることで、水素を分離する手段である。冷却された液体媒体は再度高温の触媒層へ供給され、一方、水素は水素流路を経由し、系外へ除去されるため、脱水素反応方向へ平衡が移動し、低温で効率よく水素生成することが可能となる。 The hydrogen separation by cooling is a means for separating hydrogen by changing the phase of only the medium to a liquid by cooling the gaseous hydrogen heated by the heat transferred from the high thermal conductive substrate and the medium with a cooler. is there. The cooled liquid medium is supplied again to the high-temperature catalyst layer. On the other hand, hydrogen is removed from the system via the hydrogen flow path, so the equilibrium moves in the direction of the dehydrogenation reaction, and hydrogen is efficiently generated at a low temperature. It becomes possible to do.
本発明においては、前述した各部材を積層し一体化した複数の水素貯蔵・供給装置は、大面積スケールで一括形成し、その後、単一の水素貯蔵・供給装置に切り出して製作することが可能である。 In the present invention, a plurality of hydrogen storage / supply devices in which the above-described members are stacked and integrated can be collectively formed on a large area scale and then cut into a single hydrogen storage / supply device. It is.
水素貯蔵・供給装置の外周部分は封止する必要がある。封止する際には、各部材を金属板間に挟持し、周囲をボルト締めする方法及び封止材により封止する方法がある。封止材としては、水素や燃料の液体がもれないようにすることができれば金属、セラミックス、ガラス、樹脂材料などを用いることができる。封止はコーティングや溶融法などを用いて行うことができる。又はんだのような回路実装で用いられる材料を使用する際は、リフローなどの実装プロセスを用いることもできる。 The outer periphery of the hydrogen storage / supply device needs to be sealed. When sealing, there are a method in which each member is sandwiched between metal plates and the periphery is bolted and a method in which sealing is performed with a sealing material. As the sealing material, metal, ceramics, glass, a resin material, or the like can be used as long as hydrogen or fuel liquid can be prevented from leaking. Sealing can be performed using a coating or a melting method. Alternatively, when a material used in circuit mounting such as sand is used, a mounting process such as reflow can be used.
本発明の水素貯蔵・供給装置は、全体を封止材で封止することにより小型で薄型設計される。封止材の一部には燃料貯蔵層へ通じる燃料供給口及び排出口が設けられており、外部の可動式仕切り板で燃料である水素化物と廃液である脱水素化物を分離貯蔵する燃料タンクに連結されている。燃料の供給にはマスフローメータなどで供給量を制御しながらポンプなどを用いて送液する。 The hydrogen storage / supply device of the present invention is designed to be small and thin by sealing the whole with a sealing material. Part of the sealing material is provided with a fuel supply port and a discharge port leading to the fuel storage layer, and a fuel tank that separates and stores the hydride as fuel and the dehydrogenated product as waste by an external movable partition plate It is connected to. The fuel is supplied using a pump or the like while controlling the supply amount with a mass flow meter or the like.
水素貯蔵・供給装置への媒体の供給は、反応器外部のポンプと配管により直接注入する方法のほか、本装置内部に水素供給部を内蔵してもよい。媒体注入部を内蔵する場合、触媒層と同一平面より注入する方法と、触媒層と垂直方向に注入する方法がある。同一平面より注入する場合は、触媒層が形成される基材に直接注入部を加工して形成する。平面内で均一に注入できる方法であればよい。スプレーノズルの形態で広角に注入する、或は数多くの注入口を形成し注入するなど均一に媒体を供給できる方法を使用する。一方、垂直方向に注入する場合は、多くの孔を形成した基板を注入部とし触媒層に積層する。必要に応じて注入部と触媒層間にスペーサを入れてもよい。 The supply of the medium to the hydrogen storage / supply device may be carried out by directly injecting it with a pump and piping outside the reactor, or a hydrogen supply unit may be built in the present device. When the medium injection part is built in, there are a method of injecting from the same plane as the catalyst layer and a method of injecting in the direction perpendicular to the catalyst layer. When injecting from the same plane, the injection portion is directly formed on the substrate on which the catalyst layer is formed. Any method that can uniformly inject in a plane may be used. A method is used in which the medium can be supplied uniformly, such as injecting at a wide angle in the form of a spray nozzle, or forming and injecting many injection ports. On the other hand, in the case of injecting in the vertical direction, the substrate having many holes is used as an injection part and laminated on the catalyst layer. If necessary, a spacer may be inserted between the injection part and the catalyst layer.
垂直方向に注入する場合は、燃料タンクより供給された燃料は水素貯蔵・供給装置内の燃料貯蔵層へ導入され、一時貯留することができる。燃料貯蔵層内には燃料が常時満たされており、そこへ加圧ポンプにより燃料が更に供給されると、貯蔵層に貯留しきれない分、すなわち、貯蔵層に供給された分の燃料が燃料注入層の貫通孔を経由して、下層に配置された触媒層面内に均一に滴下又は噴射供給される。貫通孔は上面から下面に対して縮小した形状を有しており、スプレーノズルとして機能する。下面における孔径は、好ましくは0.3〜300μmで、ノズル径が小さいほど、より微細な液滴を得ることができ、均一に触媒に燃料を供給することができる。 In the case of injecting in the vertical direction, the fuel supplied from the fuel tank can be introduced into the fuel storage layer in the hydrogen storage / supply device and temporarily stored. The fuel storage layer is always filled with fuel, and if fuel is further supplied to the fuel storage layer by a pressure pump, the fuel that cannot be stored in the storage layer, that is, the fuel supplied to the storage layer is fueled. Via the through hole of the injection layer, it is uniformly dropped or injected and supplied into the surface of the catalyst layer arranged in the lower layer. The through hole has a reduced shape from the upper surface to the lower surface, and functions as a spray nozzle. The hole diameter on the lower surface is preferably 0.3 to 300 μm, and the smaller the nozzle diameter, the finer droplets can be obtained and the fuel can be uniformly supplied to the catalyst.
燃料注入層に用いる材料には、ポリイミド、フッ素化樹脂、シリコン樹脂など耐薬品性、耐熱性に優れた射出成型が可能な熱硬化性樹脂やシリカ、アルミナ、ムライト、コージェライト、などのガラス及びセラミックス、また、銅、アルミニウム、鉄などを使用することができる。貫通孔を形成する場合、エッチングやサンドブラストなどの機械的加工により形成することができる。例えば、銅に貫通孔を形成する場合、銅表面にフォトリソグラフィにより多数の穴が存在するレジストを形成した後、レジストを形成した面にのみ塩化鉄溶液などにより所定時間スプレーエッチングする。等方的にエッチングが進行するため、エッチング処理後の銅断面は、楕円形状をしており、エッチング処理面からその裏面に対して縮小した形状となる。同様に、ガラスに貫通孔を形成する場合、ガラス表面にレジストを形成し、所定時間サンドブラストすることにより孔が縮小する貫通孔を形成することができる。 Materials used for the fuel injection layer include thermosetting resins such as polyimide, fluorinated resin, and silicon resin that are excellent in chemical resistance and heat resistance, and glass such as silica, alumina, mullite, and cordierite. Ceramics, copper, aluminum, iron and the like can be used. When the through hole is formed, it can be formed by mechanical processing such as etching or sand blasting. For example, when forming a through hole in copper, after forming a resist having a large number of holes on the copper surface by photolithography, spray etching is performed for a predetermined time with an iron chloride solution or the like only on the resist-formed surface. Since the etching progresses isotropically, the copper cross section after the etching process has an elliptical shape and is reduced from the etched surface to the back surface. Similarly, when forming a through hole in glass, a through hole in which the hole is reduced can be formed by forming a resist on the glass surface and sandblasting for a predetermined time.
燃料注入層の下部に配置される触媒層は、貫通孔の各孔に対応して触媒層に凹部を設け、各貫通孔から供給される燃料をそれに対応する凹部の微細な空間に存在する触媒で反応させることにより、より効率よく反応を進行させることができる。 The catalyst layer disposed below the fuel injection layer is a catalyst in which a recess is provided in the catalyst layer corresponding to each hole of the through hole, and the fuel supplied from each through hole is present in a minute space of the corresponding recess. By making it react by, reaction can be advanced more efficiently.
本発明の水素貯蔵・供給装置を燃料電池等と組み合わせる場合、廃熱を有効に利用できる箇所に適宜設置する。その際、燃料電池の廃熱が発生する部分に水素貯蔵・供給装置の高熱伝導基板を密着させて設置することで、触媒を効率的に加熱することができる。具体的には、例えば固体高分子型燃料電池と組み合わせる場合、廃熱が発生する部分として、スタックから発生する廃熱を熱交換する熱交換機筐体面が挙げられる。家庭用燃料電池では温水製造のため熱交換機へ水を流通させるが、併せて燃料である有機ハイドライドを流通させることで、燃料電池スタックを冷却して電解質膜を熱によるダメージから保護すると同時に有機ハイドライドを予備加熱することができる。尚、燃料電池へ供給する空気の加湿には、熱交換により得られた温水利用又は発電で生じた水蒸気を利用する。自動車用燃料電池では、燃料電池へ供給する空気の加湿には発電で生じた水蒸気で十分まかなえるため、熱交換機には燃料を流通させて、燃料の予備加熱を行う。また、廃熱が発生する部分として、自動車用燃料電池の場合、カソード極へ空気を供給するために用いる圧縮機が挙げられる。 When the hydrogen storage / supply device of the present invention is combined with a fuel cell or the like, it is appropriately installed at a location where waste heat can be effectively used. At that time, the catalyst can be efficiently heated by placing the high thermal conductivity substrate of the hydrogen storage / supply device in close contact with the portion where the waste heat of the fuel cell is generated. Specifically, for example, when combined with a polymer electrolyte fuel cell, the heat exchanger housing surface that exchanges heat of waste heat generated from the stack is an example of the portion where waste heat is generated. In household fuel cells, water is distributed to heat exchangers for the production of hot water, but the organic hydride, which is the fuel, is also distributed to cool the fuel cell stack and protect the electrolyte membrane from heat damage. Can be preheated. For humidification of the air supplied to the fuel cell, use of hot water obtained by heat exchange or water vapor generated by power generation is used. In a fuel cell for automobiles, water vapor generated by power generation is sufficient to humidify the air supplied to the fuel cell. Therefore, fuel is circulated through the heat exchanger to preheat the fuel. Further, as a part where waste heat is generated, in the case of an automobile fuel cell, a compressor used for supplying air to the cathode electrode can be mentioned.
高熱伝導基板の下面に未反応水素を燃焼させる燃焼室層を設ける場合は、燃料電池に密着させて配置する必要は特にない。例えば、従来の都市ガス改質による家庭用燃料電池の場合、燃料電池の水素利用率は80%で、残りは燃焼させて改質器の約600℃の熱源に利用している。本発明の水素貯蔵・供給装置を用いる場合、水素生成に必要な反応温度が改質器に比べて低温であるため、燃料電池の水素利用効率を向上させることができる。 When a combustion chamber layer for burning unreacted hydrogen is provided on the lower surface of the high thermal conductive substrate, it is not particularly necessary to place it in close contact with the fuel cell. For example, in the case of a conventional fuel gas for home use by city gas reforming, the hydrogen utilization rate of the fuel cell is 80%, and the rest is burned and used as a heat source of about 600 ° C. for the reformer. When the hydrogen storage / supply device of the present invention is used, the reaction temperature required for hydrogen generation is lower than that of the reformer, so that the hydrogen utilization efficiency of the fuel cell can be improved.
従来の水素供給装置は、噴霧器やシリンダー、ピストン、冷却器など多くの付属機器が必要で、全体として装置が大型化し、更に、加熱ヒータを使用するため、燃料電池を接続して作製した発電システムは、総合効率が低下してしまうが、本発明の水素貯蔵・供給装置は、マイクロリアクタ構造を有するものであり、小型、薄型であるので、その廃熱、又は燃料電池、水素エンジンなどから排出される未反応水素ガスを燃焼して得られる燃焼熱も有効に利用でき、高効率なものである。 A conventional hydrogen supply device requires many accessories such as a sprayer, cylinder, piston, and cooler. The overall size of the device is larger, and a heater is used. However, since the overall efficiency of the hydrogen storage / supply device of the present invention has a microreactor structure and is small and thin, it is exhausted from its waste heat or from a fuel cell, a hydrogen engine, etc. Combustion heat obtained by burning unreacted hydrogen gas can be used effectively and is highly efficient.
本発明は、燃料電池等と接続した発電システムを作製することができ、有機ハイドライドの脱水素反応を250℃以下で行うことができ、小型化が可能で、燃料電池の廃熱、又は未反応の水素ガスを燃焼して得られる燃焼熱を利用すれば、加熱するヒータの負荷を低減できるため、システム効率を向上できる。燐酸型燃料電池の廃熱温度は150〜220℃、固体高分子型燃料電池の廃熱温度は80〜150℃であり、それらの廃熱又は未反応ガスを燃焼させて得られる燃焼熱を利用して、水素の貯蔵・供給装置を効率よく稼動できる。 The present invention can produce a power generation system connected to a fuel cell, etc., can perform a dehydrogenation reaction of organic hydride at 250 ° C. or less, can be downsized, and waste heat of fuel cell or unreacted If the combustion heat obtained by burning the hydrogen gas is used, the load on the heater to be heated can be reduced, so that the system efficiency can be improved. The waste heat temperature of phosphoric acid type fuel cells is 150 to 220 ° C, and the waste heat temperature of solid polymer fuel cells is 80 to 150 ° C. Utilizing the waste heat or combustion heat obtained by burning unreacted gas Thus, the hydrogen storage / supply device can be operated efficiently.
水素貯蔵としての芳香族炭化水素類への水素添加反応は、発熱反応で水素分圧が高い方が有利である。芳香族炭化水素類への水素添加反応は、脱水素反応より容易であり、本発明の装置を用いれば効率よく水素貯蔵できる。 The hydrogenation reaction to aromatic hydrocarbons as hydrogen storage is an exothermic reaction, and it is advantageous that the hydrogen partial pressure is high. The hydrogenation reaction to aromatic hydrocarbons is easier than the dehydrogenation reaction, and hydrogen can be efficiently stored using the apparatus of the present invention.
水素貯蔵・供給装置に利用できる廃熱は燃料電池に限らず、タービンやエンジンなど高温システムの廃熱も利用できる。タービンやエンジンの廃熱は300℃以上であり、ヒータを使用することなく、水素貯蔵、供給が可能となる。また、水素供給装置より得られる水素は燃料電池の他、例えば、水素を燃焼させてタービン、エンジンにより発電してもよい。さらに、従来の火力発電所や原子力発電所等の大規模発電システムに本水素貯蔵・供給システムを用いることもできる。又、上記のような発電システムを構築することにより、エネルギー効率が向上し、CO2削減が可能となり地球温暖化を防止できる。 The waste heat that can be used in the hydrogen storage / supply device is not limited to the fuel cell, and waste heat from high-temperature systems such as turbines and engines can also be used. The waste heat of the turbine and engine is 300 ° C. or higher, and hydrogen storage and supply can be performed without using a heater. In addition to the fuel cell, the hydrogen obtained from the hydrogen supply device may be generated by, for example, burning hydrogen and using a turbine or an engine. Furthermore, the present hydrogen storage / supply system can be used in a large-scale power generation system such as a conventional thermal power plant or nuclear power plant. In addition, by constructing the power generation system as described above, energy efficiency is improved, CO 2 can be reduced, and global warming can be prevented.
水素貯蔵・供給装置を固体酸化物型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池と組み合わせる場合、得られる廃熱温度がそれぞれ1000℃及び600〜700℃であるため、燃料電池本体に直接設置することは、材質面、反応効率の点で困難である。すなわち、材質面では耐熱温度、各部材の熱膨張の違いから封止が不完全になり、燃料や水素漏れが生じる点で好ましくない。反応効率の面では、反応温度が高すぎることで、燃料は気化してしまい、気液固体複合界面を効率よくできないこと、また、燃料の熱分解や触媒層への炭素析出などの副反応が進行してしまう点で好ましくない。従って、水素貯蔵・供給装置と固体酸化物型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池を組み合わせる場合は、水素供給装置を適切な箇所に配置したり、熱交換器を配置することで、ヒータを使用することなく、所望の温度まで低下させた廃熱を利用することが好ましい。固体酸化物型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池と組み合わせる場合はそれらの廃熱のみで十分であるが、高熱伝導基板の下面に未反応水素を燃焼させる燃焼室層を設ける場合は、固体高分子型燃料電池の場合と同様、燃料電池に密着させて配置する必要は特にない。 When combining hydrogen storage / supply devices with solid oxide fuel cells and molten carbonate fuel cells, the waste heat temperatures obtained are 1000 ° C and 600-700 ° C, respectively. In terms of material and reaction efficiency, it is difficult. That is, in terms of material, sealing is incomplete due to differences in heat-resistant temperature and thermal expansion of each member, which is not preferable in terms of fuel and hydrogen leakage. In terms of reaction efficiency, if the reaction temperature is too high, the fuel is vaporized, and the gas-liquid solid composite interface cannot be efficiently used, and there are side reactions such as thermal decomposition of the fuel and carbon deposition on the catalyst layer. It is not preferable in that it progresses. Therefore, when combining a hydrogen storage / supply device with a solid oxide fuel cell or a molten carbonate fuel cell, use a heater by placing the hydrogen supply device in an appropriate location or by installing a heat exchanger. Without using, it is preferable to utilize the waste heat lowered to a desired temperature. When combined with a solid oxide fuel cell or a molten carbonate fuel cell, only the waste heat is sufficient, but when a combustion chamber layer for burning unreacted hydrogen is provided on the lower surface of the high thermal conductive substrate, As in the case of the molecular fuel cell, it is not particularly necessary to place it in close contact with the fuel cell.
本発明によれば、低温での水素の貯蔵及び供給が可能で、小型で効率の良い水素貯蔵・供給装置とそのシステム及びそれを用いた分散電源並びに自動車を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the storage and supply of hydrogen at low temperature is possible, and a small and efficient hydrogen storage / supply device, its system, a distributed power source using the system, and an automobile can be provided.
以下、本発明を実施するための最良の形態を具体的な実施例によって詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described in detail by way of specific examples, but the present invention is not limited to the following examples.
図1は、本発明に係る系統電力及び再生可能エネルギー利用発電である家庭用分散電源及び水素自動車を例とした水素貯蔵・供給システムを示す模式図である。本実施例の水素貯蔵・供給装置は、このシステムの一部として機能する。家屋1000には、屋根等に設置した太陽電池1001、系統電力1002、水電解装置1003、水素貯蔵・供給装置1004、燃料電池システム1005を備えている。また、自動車1008には水素貯蔵・供給装置1009、燃料電池システム1010が搭載されている。太陽電池1001のような再生可能エネルギー発電により造られた電気は、インバータ1006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1007に使用されるか、電気機器1007に使用せず、余剰電力が発生したときには、変換された電気を水電解装置1003に供給する。
FIG. 1 is a schematic diagram showing a hydrogen storage / supply system using a home-use distributed power source and a hydrogen vehicle as examples of grid power and renewable power generation according to the present invention. The hydrogen storage / supply device of this embodiment functions as a part of this system. The
水電解装置1003では、水の電気分解により水素と酸素が発生する。発生した水素は、水素貯蔵・供給装置1004に送られ、水素付加反応を利用して水素貯蔵・供給装置1004により脱水素化した芳香族化合物を水素化し燃料に再生することができる。
In the
電力は昼間の負荷変動に対応したピーク電力と昼夜一定の基本電力を供給するベース電力に分けられる。図1に示した発電システムは昼間の負荷変動に対応したピーク電力を供給する発電システムであって、ベース電力は電力会社などの系統電力1002を利用する。系統電力1002もCO2削減のためには再生可能エネルギーを利用することが好ましい。太陽光発電に限らず、風力、地熱、海洋温度差、潮力、バイオマスなど多くの再生可能エネルギーを利用できる。太陽光は昼間のみ発電可能であるが、他の再生可能エネルギーは夜間も発電できる。夜間は昼間に比べ電力使用量が激減するため火力発電所などの場合は、消費燃料を削減するために発電を一時停止する。これに対し再生可能エネルギーは燃料費がかからないので夜間でも発電可能であれば電力供給を行っても問題はない。ただし、利用の少ない夜間では余剰電力になる可能性が大きいので、これら発生した余剰電力を水の電気分解に用い水素を製造し、本発明の水素貯蔵・供給装置1004、1009を用いて有機ハイドライドとして水素を貯蔵する。有機ハイドライドとして貯蔵した水素は図1に示した燃料電池等の燃料として提供する。昼間の再生可能エネルギーによる発電は積極的に系統のピーク電力として供給する。
Electric power can be divided into peak power corresponding to daytime load fluctuations and base power for supplying constant basic power day and night. The power generation system shown in FIG. 1 is a power generation system that supplies peak power corresponding to daytime load fluctuations, and base power uses grid power 1002 of an electric power company or the like. The grid power 1002 also preferably uses renewable energy to reduce CO 2 . Not only solar power generation but also many renewable energies such as wind power, geothermal, ocean temperature difference, tidal power, and biomass can be used. Solar power can only be generated during the day, while other renewable energy can be generated at night. In the case of a thermal power plant or the like, power generation is temporarily stopped in order to reduce fuel consumption at night, because the amount of power used is drastically reduced compared to the daytime. On the other hand, since renewable energy does not incur fuel costs, there is no problem even if power is supplied as long as power can be generated at night. However, since there is a high possibility of surplus power at night when the usage is low, hydrogen is produced using the generated surplus power for water electrolysis, and organic hydride is produced using the hydrogen storage /
自動車1008は、燃料である有機ハイドライドから水素貯蔵・供給装置1009により発生した水素を燃料電池システム1010に供給し、発電してモータにより走行する。自動車1008も家庭用分散電源と同様に水電解装置1003を備え、水素供給・貯蔵装置1009を夜間電力により起動させ、有機ハイドライドとして水素を貯蔵することができる。
The
図2は、本発明の水素貯蔵・供給装置の外観図、図3は図2の内部構造を示す斜視図及び図4はその内部構造を示す断面図である。本実施例の水素貯蔵・供給装置1は、焼結体のAlN(熱伝導率:250W/mK)から成る高熱伝導基板2、Cuの流路突起3、5wt%Pt/アルミナ触媒からなる触媒層4、突起間の間隙によって形成された媒体流路5、スペーサ6、水素流路8、冷却器13、封止材9で構成される。封止材9の一部には高熱伝導基板2上に作製されたパターン間隙へ通じる燃料供給口10、排出口11及び水素流通口12が設けられており、可動式仕切り板で燃料である水素化物と廃液である脱水素化物を分離貯蔵する燃料タンクに連結されている(図示せず)。燃料と成る媒体の供給は、間欠制御が可能な加圧ポンプを用い、マスフローメーターにより流量を制御しながら実施した。
2 is an external view of the hydrogen storage / supply device of the present invention, FIG. 3 is a perspective view showing the internal structure of FIG. 2, and FIG. 4 is a cross-sectional view showing the internal structure. The hydrogen storage /
媒体としての有機ハイドライド燃料は、凹部の媒体流路5を通り、パターン表面上に形成された触媒層4と接触しながら脱水素反応が進行し水素が生成する。生成した水素は冷却器13により燃料及び生成した芳香族炭化水素と分離され、水素流路8を通り、水素流通口12を通って外部の燃料電池等へ供給される。水素貯蔵の場合、水素は水素流通口12を通って水素流路8からスペーサ6を通り触媒層4に接触し、流路5から供給される芳香族炭化水素化合物を水素化し流路5出口より有機ハイドライドを得ることができる。
The organic hydride fuel as a medium passes through the
製造方法を以下説明する。50mm×50mm、1mm厚のAlN高熱伝導基板2上にスパッタ及び電気めっきにより100μm厚さのCu膜を形成した後、エッチングにより流路突起3を形成した。流路突起3の腐食防止のためその表面に金めっきを施した。引き続き、その上にPt粒子混合アルミナゾルを塗布し、450℃で1時間焼成することで触媒層4を形成した。流路突起3として、パターン幅、間隙がともに100μm、高さ20μmの燃料供給口から排出口に向かうストレートな形状を有する突起を形成した。触媒層4の厚みは0.5μmで、流路突起3の形状を反映した凹凸のある形状になっている。一方、スペーサ6として100μm厚さのアルミナセラミックスを用いた。それらと凹凸状のSUS304/Ti製水素流路8、触媒層4を形成した基板及び冷却器13とを積層し、燃料供給口10、排出口11及び水素流通口12部を設けて、その外周をガラスの封止材9により封止した。燃料供給口10と排出口11とは媒体流路5を通して後述する図5のように同一平面上で連通している。
The manufacturing method will be described below. A Cu film having a thickness of 100 μm was formed on a 50 mm × 50 mm, 1 mm thick AlN high thermal
本実施例の水素貯蔵・供給装置は70mm×70mm、厚み7mmの大きさである。この装置を外部熱源として用意したセラミックスヒータ上に高熱伝導基板2側が接するように設置し、250℃に加熱した。燃料には、1−メチルデカヒドロナフタレンを用いて、本装置内に供給し、脱水素反応を行った。その結果、燃料供給のパルス間隔が25秒のときに水素発生速度が最大となり、Pt1g当たり18L/minであった。このように本実施例の水素貯蔵・供給装置は、外部熱源から触媒層までを高熱伝導性基板で構成することにより、効率的に触媒が加熱されて反応が進行した。本実施例においては、燃料流路5はストレートな形状を有するものであるが、以下の図5に示す平面形状にすることができる。
The hydrogen storage / supply device of this example has a size of 70 mm × 70 mm and a thickness of 7 mm. This apparatus was installed on a ceramic heater prepared as an external heat source so that the high thermal
図5は媒体流路の種々のパターンからなる平面構造を示す平面図である。高熱伝導基板2の表面には媒体流路5として種々のパターンが形成される。そのパターンは、パターン間隙が燃料などの流路として使用されるため、燃料の入口から出口まで連続したパターンになるように設計されている。燃料の入口や出口の数に特に限定はなく、適度な流量を供給できるようになっていればよい。好ましくは、媒体流路5の平面パターンは図5に示すように燃料注入部2003、反応部2004及び拡散部2005の少なくとも1つ以上のパターンから構成されており、反応部2004及び拡散部2005の表面には触媒が塗布されている。図面上では、黒で示した部分が突起であり、白の部分が媒体流路5である。
FIG. 5 is a plan view showing a planar structure composed of various patterns of the medium flow path. Various patterns are formed as the
又、反応部2004のパターンは、燃料供給口に近い上流側から廃液排出口に近い下流に向かって燃料が流通する際の障壁となる突起を有するパターンを設け、一部の燃料は障壁に接触して触媒反応が進行し、一部は障壁間のスリットを燃料が通過し、次段の障壁へ接触するという過程を繰り返す。触媒層面内において燃料が効率よく触媒表面と接触することで、反応効率が向上し、水素供給速度が増大する。使用する燃料の沸点や粘性などの性状に応じて、液の流通抵抗を調整して障壁パターン長を変化させて、面内に均一に燃料が供給されるよう最適なパターンを設計する。
In addition, the pattern of the
障壁パターン長とは、燃料流通方向に対して面内垂直方向におけるパターンの長さを示している。液の流通抵抗が大きい燃料を用いる場合、障壁パターン長を小さくし、図5(b)に示すように、下流に燃料が供給され易いパターン形状に設計する。障壁パターン形状は、特に制限はなく、角形、円形などが挙げられる。また、上流から下流に対して異なるパターン長の障壁パターンや異なる形状の障壁パターンを組み合わせて配置してもよい。さらに、角形の障壁パターンの場合、燃料流通方向に対して角度を持たせて配置してもよい。障壁高さは、大きければ触媒担持面積が増大できる。また、障壁上部では下部に比べて熱伝達が遅いため、障壁内において熱の分布が生じる。その結果、気液固体複合界面が多数形成され、反応効率を向上することができる。 The barrier pattern length indicates the length of the pattern in the in-plane vertical direction with respect to the fuel flow direction. In the case of using a fuel having a large liquid flow resistance, the barrier pattern length is made small, and the pattern shape is designed so that the fuel is easily supplied downstream as shown in FIG. The barrier pattern shape is not particularly limited, and examples thereof include a square shape and a circular shape. Moreover, you may arrange | position combining the barrier pattern of a different pattern length, and the barrier pattern of a different shape from upstream to downstream. Further, in the case of a rectangular barrier pattern, the barrier pattern may be arranged at an angle with respect to the fuel flow direction. If the barrier height is large, the catalyst supporting area can be increased. In addition, since heat transfer is slower in the upper part of the barrier than in the lower part, heat distribution occurs in the barrier. As a result, a large number of gas-liquid solid composite interfaces are formed, and the reaction efficiency can be improved.
パターン形成の際には、切削加工、プレス加工などの機械的加工や、より微細なパターンを作製する場合はエッチングやめっき及びナノプリントプロセスのようなソフトリソグラフィを用いることができる。また、蒸着、スパッタ法などのドライプロセスを用いても良い。 In the pattern formation, mechanical processing such as cutting and pressing, and soft lithography such as etching, plating, and nanoprinting process can be used to form a finer pattern. Further, a dry process such as vapor deposition or sputtering may be used.
パターン材料は特に限定はないが、Ni、Cr、Cuなどエッチングやめっきプロセスに適した材料である方が容易に作製でき、好ましい。更にその上にAuめっきを施すことで、作製したパターンの腐食を防止することができる。 The pattern material is not particularly limited, but a material suitable for etching and plating processes such as Ni, Cr and Cu can be easily manufactured and is preferable. Furthermore, corrosion of the produced pattern can be prevented by applying Au plating thereon.
また、突起を有するパターンをヒータ線として使用してもよい。例えば、燃料電池一体型の水素貯蔵・供給装置の場合、廃熱が発生しない始動時に外部よりヒータ線に電流を印加することにより、触媒を加熱することができる。 Further, a pattern having protrusions may be used as the heater wire. For example, in the case of a hydrogen storage / supply device integrated with a fuel cell, the catalyst can be heated by applying an electric current to the heater wire from the outside at the start-up when no waste heat is generated.
図6は、本実施例の水素供給・貯蔵装置の燃料注入部の形状を示す図である。燃料注入部2003は図6に示すようなスプレーノズル形状に形成され、ノズル径2001が1〜500μm、スプレー角度2002が0〜85°のものを用いることができる。
FIG. 6 is a diagram showing the shape of the fuel injection part of the hydrogen supply / storage device of this embodiment. The
以上、本実施例によれば、水素を貯蔵し、自動車、家庭用燃料電池などの分散電源に水素を供給する小型で効率のよい水素貯蔵・供給装置とそのシステムを提供できる。 As described above, according to this embodiment, it is possible to provide a small and efficient hydrogen storage / supply device and system for storing hydrogen and supplying hydrogen to a distributed power source such as an automobile or a household fuel cell.
図7は、本比較例の水素貯蔵・供給装置の外観図である。図8は、その内部構造を示す断面図である。直径15mm、長さ50mm、板厚が2mmのステンレス鋼製管511を用いた水素貯蔵・供給装置501を作製した。その装置の内部は、図8に示すようにハニカム構造体512、直径10mm×、長さ50mm、厚さ80μmのパラジウム管502、パラジウム管502の内部に5wt%Pt/活性炭触媒10gを塗布し、触媒層503を有するものである。水素貯蔵・供給装置501に燃料供給口504及び燃料排出口505、水素取り出し口506を接続した。燃料供給口504、燃料排出口505にはそれぞれ燃料タンク507、廃液タンク508を接続した。燃料はポンプ509により送液した。水素貯蔵・供給装置501を外部熱源として用意したヒータ(図示せず)をその周囲に設置し250℃に加熱した。燃料にはメチルシクロヘキサンを用い供給し、メチルシクロヘキサンの脱水素反応を行った。その結果、水素発生量はPt1g当り2L/min であった。水素貯蔵・供給装置501は、燃料流路幅が大きく、燃料のガス化が不十分で触媒層表面に気液固体複合界面がうまく形成されず、また、水素分離膜が触媒層に隣接せず外周部に設けられており、水素を即座に分離して水素分圧を低減することができないため、脱水素反応の転化率が低い結果となった。
FIG. 7 is an external view of the hydrogen storage / supply device of this comparative example. FIG. 8 is a cross-sectional view showing the internal structure. A hydrogen storage /
図9は、本実施例の水素貯蔵・供給装置の外観図、図10はその内部構造、及び図11はその断面図である。本実施例は、実施例1の水素貯蔵・供給システムに用いた水素貯蔵・供給装置の水素分離手段として水素分離膜を用いた例である。本実施例の水素貯蔵・供給装置21は、実施例1と同様に、高熱伝導基板22、Cuパターン23、触媒層24、パターン間隙の燃料流路25、スペーサ26、Pd-Ag膜からなる水素分離膜27、水素流路28、封止材29で構成される。封止材の一部には基板上に作製されたパターン間隙へ通じる燃料供給口30、排出口31及び水素流通口32が設けられており、外部の可動式仕切り板で燃料である水素化物と廃液である脱水素化物を分離貯蔵する燃料タンクに連結されている(図示せず)。燃料の供給は、実施例1と同様であり、有機ハイドライド燃料は、パターン間である凹部の流路25を通り触媒層24と接触しながら脱水素反応が進行し水素が生成する。生成した水素は水素分離膜27を介して燃料及び生成した芳香族炭化水素と分離された後、純粋な水素がスペーサ26へ排出され、水素流路28を通り、水素流通口32を通って外部へ供給される。水素貯蔵の場合、水素は水素流通口32を通って水素流路28からスペーサ26及び水素分離膜27を通り触媒層24に接触し、流路25から供給される芳香族炭化水素化合物を水素化し流路25出口より有機ハイドライドを得ることができる。
FIG. 9 is an external view of the hydrogen storage / supply device of the present embodiment, FIG. 10 is its internal structure, and FIG. 11 is its sectional view. This embodiment is an example in which a hydrogen separation membrane is used as the hydrogen separation means of the hydrogen storage / supply device used in the hydrogen storage / supply system of the first embodiment. Similar to the first embodiment, the hydrogen storage /
図12は本実施例の水素貯蔵・供給装置の製造方法を示すフロー図である。50×50mm2、1mm厚のAlN高熱伝導基板22上にスパッタ及び電気めっきにより100μm厚のCu膜を形成した後、エッチングにより金属パターン23を形成した。パターンの腐食防止のためその表面に金めっきを施した。引き続き、その上にPt粒子混合アルミナゾルを塗布し、450℃で1時間焼成することで触媒層24を形成した。パターンとして、パターン幅、間隙がともに100μmの燃料供給口から排出口に向かうストレートラインを形成した。触媒層24の厚みは0.5μmで、パターン23の形状を反映した凹凸のある形状になっている。一方、スペーサ26として100μm厚のアルミナセラミックスを用い、その片面側に2μmのPd-Ag合金膜をスパッタにより形成し、水素分離膜27とした。それらと凹凸状のSUS304/Ti製水素流路28及び触媒層を形成した基板とを積層し、燃料供給口30、排出口31及び水素流通口32部を設けてそれ以外の外周をガラス封止材29した。
FIG. 12 is a flowchart showing a method for manufacturing the hydrogen storage / supply device of this embodiment. A Cu film having a thickness of 100 μm was formed on a 50 × 50 mm 2 , 1 mm thick AlN high thermal
この水素貯蔵・供給装置は70mm×70mm、厚み4mmの大きさである。この装置を外部熱源として用意したセラミックスヒータ上にAlN高熱伝導基板側が接するように設置し250℃に加熱した。燃料には1−メチルデカヒドロナフタレンを用い装置内に供給し脱水素反応を行った。その結果、燃料供給のパルス間隔が20秒のときに水素発生速度が最大となり、Pt1g当たり20L/minの水素を連続的に生成することができた。このように本発明の水素貯蔵・供給装置は、外部熱源から触媒層までを高熱伝導性基板で構成することにより、効率的に触媒が加熱され、また効率よく利用することができるといえる。また、水素分離膜を設けることで、冷却器を取り除き、水素供給装置の構成を簡素化するとともに、発生水素をすみやかに分離することが可能となり水素化方向へ脱平衡化し、結果として低温でも効率良く反応が進行する効果が得られた。尚、水素分離膜として、Ni-Zrアモルファス合金、Zr金属、表面にAg-Pd金属をスパッタした多孔質ポリイミドを用いた場合でも、同様の効果が得られた。本実施例においても、実施例1と同様の効果を有するものである。 This hydrogen storage / supply device has a size of 70 mm × 70 mm and a thickness of 4 mm. This apparatus was installed on a ceramic heater prepared as an external heat source so that the AlN high thermal conductivity substrate side was in contact with it and heated to 250 ° C. 1-methyldecahydronaphthalene was used as the fuel and supplied into the apparatus for dehydrogenation reaction. As a result, the hydrogen generation rate was maximized when the fuel supply pulse interval was 20 seconds, and it was possible to continuously generate 20 L / min of hydrogen per gram of Pt. Thus, it can be said that the hydrogen storage / supply device of the present invention can be efficiently utilized by efficiently heating the catalyst by configuring the external heat source to the catalyst layer with the high thermal conductivity substrate. In addition, by providing a hydrogen separation membrane, the cooler can be removed, the configuration of the hydrogen supply device can be simplified, and the generated hydrogen can be promptly separated, resulting in de-equilibrium in the hydrogenation direction, resulting in efficiency even at low temperatures. The effect that the reaction proceeds well was obtained. The same effect was obtained even when Ni-Zr amorphous alloy, Zr metal, or porous polyimide with sputtered Ag-Pd metal on the surface was used as the hydrogen separation membrane. This embodiment also has the same effect as that of the first embodiment.
本実施例は、実施例2の媒体流路幅を変化させて作製した水素貯蔵・供給装置である。各条件で作製した水素貯蔵・供給装置を用いて、燃料液送の可否の観察及び水素生成速度を測定した。尚、媒体流路幅が0.01〜10μmの場合はナノプリントプロセス、50〜5000μmの場合は実施例2と同様にフォトリソグラフィプロセスにより作製した。ナノプリントプロセスを以下説明する。シリコン基板上にスピンコートにより分子量2500のポリメチルメタアクリレート製の薄膜を塗布した。薄膜の厚さは5μmである。次に、表面に0.01、 0.05、 0.1、 10μm間隔の凹凸を形成したそれぞれのシリコン製金型を薄膜にプレスした。金型を垂直に引き上げ樹脂突起物を形成した。樹脂突起物のパターンは燃料供給口10から排出口11に向かうストレートラインとした。突起の高さは10μmであった。引き続き、微細な樹脂突起物表面に、無電解銅めっき、電気銅めっき、金めっきを施し、樹脂突起物を溶解除去した。作製した銅の流路パターン表面上にPt粒子混合アルミナゾルを塗布した。最後に、450℃で1時間焼成することで触媒層を形成した。
The present embodiment is a hydrogen storage / supply device manufactured by changing the medium flow path width of the second embodiment. Using a hydrogen storage / supply device manufactured under each condition, observation was made on whether or not the fuel liquid could be fed and the hydrogen production rate was measured. When the medium flow path width was 0.01 to 10 μm, the nanoprint process was used. When the medium flow width was 50 to 5000 μm, the photolithographic process was used as in Example 2. The nanoprint process is described below. A thin film made of polymethyl methacrylate having a molecular weight of 2500 was applied on a silicon substrate by spin coating. The thickness of the thin film is 5 μm. Next, each of the silicon molds having irregularities at intervals of 0.01, 0.05, 0.1, and 10 μm on the surface was pressed into a thin film. The mold was pulled up vertically to form resin protrusions. The resin protrusion pattern was a straight line from the
以上、媒体流路幅を変化させて作製した水素貯蔵・供給装置の燃料の液送可否、水素生成速度測定結果を表1に示す。水素生成速度測定は、燃料に1−メチルデカヒドロナフタレンを用い装置内に供給し250℃を行った。燃料供給のパルス間隔は20秒とした。媒体流路幅0.01、 0.05μmの場合、燃料供給したところ、液送できなかった。内部の流路パターンを観察したところ、パターンが破壊しており、流路抵抗が高く液送できなかったと考えられる。0.1μm以上の場合、液送可能となり、水素生成速度測定したところ、媒体流路幅10μmのときPt 1g当たり水素生成速度23L/minと最大値を示した。媒体流路幅が2000、 5000μmと大きくなると、水素生成速度が著しく低下した。流路パターンの凸部と水素分離膜と接触している面積が大き過ぎ、凸部に存在する触媒層への燃料の物質移動及び生成した水素のすみやかな物質移動の妨げとなっており、水素分離膜を有効に利用できていないためと考えられる。本実施例においても、実施例1と同様の効果を有するものである。 Table 1 shows the results of measuring whether or not the liquid can be fed and the hydrogen generation rate of the hydrogen storage and supply device manufactured by changing the width of the medium flow path. The hydrogen production rate was measured at 250 ° C. by supplying 1-methyldecahydronaphthalene as a fuel into the apparatus. The fuel supply pulse interval was 20 seconds. When the medium flow path width was 0.01 and 0.05 μm, the liquid could not be fed when the fuel was supplied. When the internal flow path pattern was observed, it was considered that the pattern was broken and the flow path resistance was high, and the liquid could not be fed. In the case of 0.1 μm or more, the liquid can be fed and the hydrogen generation rate was measured. As a result, when the medium flow path width was 10 μm, the maximum hydrogen generation rate was 23 L / min per 1 g of Pt. When the medium flow path width was increased to 2000 and 5000 μm, the hydrogen generation rate was significantly reduced. The area where the convex part of the flow path pattern is in contact with the hydrogen separation membrane is too large, hindering the mass transfer of fuel to the catalyst layer existing in the convex part and the rapid mass transfer of the generated hydrogen. This is probably because the separation membrane cannot be used effectively. This embodiment also has the same effect as that of the first embodiment.
本実施例は、実施例2のAlNの代わりに20μm厚のポリイミドシート(熱伝導率:0.6W/mK)を高熱伝導基板として用い、実施例2の製造方法に準拠して作製した水素貯蔵・供給装置である。本水素貯蔵・供給装置は70×70mm2、厚み3mmの大きさである。この装置を外部熱源として用意したセラミックスヒータ上に高熱伝導基板側が接するように設置し250℃に加熱した。燃料には1−メチルデカヒドロナフタレンを用い装置内に供給し脱水素反応を行った。その結果、燃料供給のパルス間隔が25秒のときに水素発生速度が最大となり、Pt1g当たり17L/minの水素を連続的に生成することができた。実施例2に比べて若干熱伝導性が小さいため、パルス間隔をより長く設定する必要があり、結果として水素発生速度が小さくなっているが、効率的に触媒が加熱され、また、発生水素をすみやかに分離することが可能となり水素化方向へ脱平衡化し、低温でも効率良く反応が進行する効果が得られた。 This example uses a 20 μm-thick polyimide sheet (thermal conductivity: 0.6 W / mK) in place of AlN of Example 2 as a high thermal conductive substrate, and produced hydrogen storage according to the manufacturing method of Example 2. -It is a supply device. This hydrogen storage / supply device has a size of 70 × 70 mm 2 and a thickness of 3 mm. This apparatus was installed on a ceramic heater prepared as an external heat source so that the high thermal conductive substrate side was in contact with it and heated to 250 ° C. 1-methyldecahydronaphthalene was used as the fuel and supplied into the apparatus for dehydrogenation reaction. As a result, the hydrogen generation rate was maximized when the fuel supply pulse interval was 25 seconds, and it was possible to continuously generate 17 L / min of hydrogen per gram of Pt. Since the thermal conductivity is slightly smaller than in Example 2, it is necessary to set the pulse interval longer, and as a result, the hydrogen generation rate is reduced, but the catalyst is efficiently heated, and the generated hydrogen is reduced. Separation was possible quickly, and the reaction was de-equilibrated in the hydrogenation direction, and the reaction proceeded efficiently even at low temperatures.
本実施例は、実施例2のAlNの代わりに100μmのグラファイトシート(500W/mK)を高熱伝導基板として用い、実施例2の製造方法に準拠して作製した水素貯蔵・供給装置である。本水素貯蔵・供給装置は70mm×70mm、厚み3mmの大きさである。この装置を外部熱源として用意したセラミックスヒータ上に高熱伝導基板側が接するように設置し250℃に加熱した。燃料にはメチルシクロヘキサンを用い装置内に供給し脱水素反応を行った。その結果、燃料供給のパルス間隔が10秒のときに水素発生速度が最大となり、Pt1g当たり19L/minの水素を連続的に生成することができた。このように本発明の水素貯蔵・供給装置は、外部熱源から触媒層までを高熱伝導薄膜で構成することにより、効率的に触媒が加熱され、また、発生水素をすみやかに分離することが可能となり水素化方向へ脱平衡化し、低温でも効率良く反応が進行する効果が得られた。 The present example is a hydrogen storage / supply device manufactured using the 100 μm graphite sheet (500 W / mK) instead of the AlN of Example 2 as a high thermal conductive substrate according to the manufacturing method of Example 2. This hydrogen storage / supply device has a size of 70 mm × 70 mm and a thickness of 3 mm. This apparatus was installed on a ceramic heater prepared as an external heat source so that the high thermal conductive substrate side was in contact with it and heated to 250 ° C. Methylcyclohexane was used as the fuel and supplied into the apparatus for dehydrogenation reaction. As a result, the hydrogen generation rate was maximized when the fuel supply pulse interval was 10 seconds, and it was possible to continuously generate 19 L / min of hydrogen per gram of Pt. Thus, in the hydrogen storage / supply device of the present invention, the catalyst is efficiently heated and the generated hydrogen can be promptly separated by configuring the external heat source to the catalyst layer with a high thermal conductive thin film. The effect of allowing the reaction to proceed efficiently even at low temperatures was obtained by de-equilibrium in the hydrogenation direction.
図13は本実施例の水素貯蔵・供給装置の斜視図、図14はその内部構造を示す断面図である。
本実施例は、燃料注入口を同一平面に作製した例であり、実施例2でのAlNの代わりに1mm厚の純アルミニウム(熱伝導率:250W/mK)高熱伝導基板62を用い、金属パターン63として、図5(b)に示すような、スプレー形状を有する燃料注入部、障壁パターンが存在する反応部、拡散部を形成した。
FIG. 13 is a perspective view of the hydrogen storage / supply device of the present embodiment, and FIG. 14 is a cross-sectional view showing its internal structure.
This embodiment is an example in which the fuel injection port is formed on the same plane. A 1 mm thick pure aluminum (thermal conductivity: 250 W / mK) high thermal
図15は、実施例2の製造方法に準拠した本実施例の水素貯蔵・供給装置の製造方法を示すフロー図である。アルミニウム表面上へのパターニング形成は以下の手順で行った。アルミニウム基板62を4wt%NaOH水溶液に浸漬し自然酸化層を除去した後、レジストを塗布した。次に、スプレーノズル形状、障壁パターンを有するフォトマスクを用いて露光した後、現像した。引き続き、FeCl3/HCl水溶液でエッチングし、最後に、NaOH水溶液、10wt%HNO3を用いて後処理した。金属からなる突起のパターン63として、100μm×300μmが300μm間隔で配列したものを100段形成した。スプレーノズル径、角度はそれぞれ300μm、45°で作製した。燃料注入部、反応部、拡散部ともパターン厚み100μmであった。
FIG. 15 is a flowchart showing a method for manufacturing the hydrogen storage / supply device according to the present embodiment based on the manufacturing method according to the second embodiment. Patterning formation on the aluminum surface was performed by the following procedure. The
本水素貯蔵・供給装置61は70mm×70mm、厚み4mmの大きさである。この装置を外部熱源として用意したセラミックスヒータ上に高熱伝導基板62側が接するように設置し250℃に加熱した。燃料には1−メチルデカヒドロナフタレンを用い装置内に供給し脱水素反応を行った。その結果、燃料供給のパルス間隔が20秒のときに水素発生速度が最大となり、Pt1g当たり21L/minの水素を連続的に生成することができた。このように本発明の水素貯蔵・供給装置は、外部熱源から触媒層までを高熱伝導薄膜で構成することにより、効率的に触媒が加熱された。また、スプレーノズル形状の燃料注入部、触媒反応部に障壁が存在することで、供給された1−メチルデカヒドロナフタレンが均一に効率よく触媒層と接触して頻度因子を向上できた。さらに、発生水素をすみやかに分離することが可能となり水素化方向へ脱平衡化し、低温でも効率良く反応が進行する効果が得られた。
The hydrogen storage /
本実施例は、1mm厚の純アルミニウム板(熱伝導率:250W/mK)を高熱伝導基板として用い、実施例6と同じ金属からなる平面パターンを有する流路突起を形成した後、アルミニウム表面を陽極酸化、細孔拡大、ベーマイト処理した水素貯蔵・供給装置である。実施例6の製造方法に準拠して作製した。アルミニウム表面上への陽極酸化、細孔拡大、ベーマイト処理は以下の手順で行った。 In this example, a 1 mm thick pure aluminum plate (thermal conductivity: 250 W / mK) was used as a high thermal conductive substrate, and after forming flow path protrusions having a planar pattern made of the same metal as in Example 6, the aluminum surface was formed. This is a hydrogen storage and supply device that has been anodized, expanded in pore size, and boehmite treated. It produced according to the manufacturing method of Example 6. Anodization, pore enlargement, and boehmite treatment on the aluminum surface were performed in the following procedure.
パターニングしたアルミニウム基板を85wt%燐酸水溶液中60℃、電流密度20A/dm2で4分間電解研磨した。次に、4wt%蓚酸水溶液中30℃、印加電圧40Vで7時間陽極酸化し、パターン形成した面にのみ100μmの多孔質アルミナ層を形成した。次に、処理した基板を30℃の5wt%燐酸水溶液中に30分間浸漬し、細孔を拡大した。次に、ベーマイト処理として、沸騰水中に2時間浸漬し、その後、450℃で焼成した。最後に、田中貴金属製5wt%白金コロイドを用いて触媒担持した。
The patterned aluminum substrate was electropolished in an 85 wt% phosphoric acid aqueous solution at 60 ° C. and a current density of 20 A /
本水素貯蔵・供給装置は70mm×70mm、厚み4mmの大きさである。この装置を外部熱源として用意したセラミックスヒータ上に高熱伝導基板側が接するように設置し250℃に加熱した。燃料には1−メチルデカヒドロナフタレンを用い装置内に供給し脱水素反応を行った。その結果、燃料供給のパルス間隔が20秒のときに水素発生速度が最大となり、Pt1g当たり22L/minの水素を連続的に生成することができた。 This hydrogen storage / supply device has a size of 70 mm × 70 mm and a thickness of 4 mm. This apparatus was installed on a ceramic heater prepared as an external heat source so that the high thermal conductive substrate side was in contact with it and heated to 250 ° C. 1-methyldecahydronaphthalene was used as the fuel and supplied into the apparatus for dehydrogenation reaction. As a result, the hydrogen generation rate was maximized when the fuel supply pulse interval was 20 seconds, and it was possible to continuously generate 22 L / min of hydrogen per gram of Pt.
本実施例の水素貯蔵・供給装置は、外部熱源から触媒層までを高熱伝導薄膜で構成することにより、効率的に触媒が加熱された。また、スプレーノズル形状の燃料注入部、触媒反応部に障壁が存在することで、供給された1−メチルデカヒドロナフタレンが均一に効率よく触媒層と接触して頻度因子を向上できた。また、一連の陽極酸化処理により障壁パターン表面上に形成された多数の細孔の中に多量の白金触媒を担持できたため、反応速度が向上した。さらに、発生水素をすみやかに分離することが可能となり水素化方向へ脱平衡化し、低温でも効率良く反応が進行する効果が得られた。 In the hydrogen storage / supply device of this example, the catalyst was efficiently heated by configuring the external heat source to the catalyst layer with a high thermal conductive thin film. Further, the presence of barriers in the spray nozzle-shaped fuel injection part and the catalyst reaction part allowed the supplied 1-methyldecahydronaphthalene to uniformly and efficiently contact the catalyst layer, thereby improving the frequency factor. In addition, since a large amount of platinum catalyst could be supported in a large number of pores formed on the surface of the barrier pattern by a series of anodizing treatments, the reaction rate was improved. In addition, the generated hydrogen can be promptly separated, and the hydrogen is de-equilibrated in the direction of hydrogenation, so that the reaction proceeds efficiently even at low temperatures.
又、本実施例の水素貯蔵・供給装置に燃料注入口及び排出口にバルブを設け、圧力を変動させた。圧力によるサイクルは、反応器内部に水素供給体をパルスで注入した後注入部及び排出部のバルブを閉じ、反応器内部の圧力を上昇させ、次いで、排出口のバルブを開け反応器内部のガスを排出した。その結果、Pt1g当たり30L/minの水素を連続的に生成することができた。反応器内部に水素供給体をパルスで注入した後、注入部及び排出部のバルブを閉じ、反応器内部の圧力を上昇させ、水素貯蔵体を触媒担体に吸着させ水素と分離させる。また、反応器内部の水素分圧が上昇し、水素分離膜の水素透過速度が大きくなり、水素分離能力も向上することができる。このように反応器内部の圧力変動によって、水素と水素貯蔵体の分離効率が向上し、より水素生成速度を向上することができる。 In addition, the hydrogen storage / supply device of this example was provided with valves at the fuel inlet and outlet to vary the pressure. In the pressure cycle, the hydrogen supply body is pulsed into the reactor, the valves in the injection section and the discharge section are closed, the pressure in the reactor is increased, and then the valve in the discharge port is opened and the gas in the reactor is opened. Was discharged. As a result, it was possible to continuously generate 30 L / min of hydrogen per gram of Pt. After the hydrogen supply body is injected into the reactor in pulses, the valves of the injection section and the discharge section are closed, the pressure inside the reactor is increased, and the hydrogen storage body is adsorbed on the catalyst carrier and separated from the hydrogen. Further, the hydrogen partial pressure inside the reactor is increased, the hydrogen permeation rate of the hydrogen separation membrane is increased, and the hydrogen separation capability can be improved. Thus, by the pressure fluctuation inside the reactor, the separation efficiency between hydrogen and the hydrogen storage body is improved, and the hydrogen production rate can be further improved.
本実施例は、1mm厚の純アルミニウム板(熱伝導率:250W/mK)を高熱伝導基板として用い、実施例6と同じく平面パターンを有する流路突起を形成した後、アルミニウム表面を陽極酸化、細孔拡大、ベーマイト処理し、細孔内に別の塩基性酸化物を充填した水素貯蔵・供給装置である。実施例7の製造方法に準拠して作製した。尚、陽極酸化により形成された細孔内への塩基性酸化物の充填は以下の手順で行った。和光純薬製アルミニウムイソプロポキシド(20g)を80℃の熱水(80g)に溶解し、和光純薬製硝酸亜鉛を所定量添加して、ゾルを作製した。ゾルをベーマイト処理した基板へ塗布した後、硝酸(5mL)を滴下しゲル化後、120℃で5時間乾燥し、450℃で2時間処理した。最後に、田中貴金属製5wt%白金コロイドを用いて触媒担持した。 In this example, a pure aluminum plate (thermal conductivity: 250 W / mK) having a thickness of 1 mm was used as a high thermal conductive substrate, and after forming channel protrusions having a planar pattern as in Example 6, the aluminum surface was anodized. This is a hydrogen storage / supply device in which pore expansion and boehmite treatment are performed, and another basic oxide is filled in the pores. It produced according to the manufacturing method of Example 7. The filling of the basic oxide into the pores formed by anodic oxidation was performed according to the following procedure. Aluminum isopropoxide (20 g) manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd. was dissolved in hot water (80 g) at 80 ° C., and a predetermined amount of zinc nitrate manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd. was added to prepare a sol. After applying the sol to a boehmite-treated substrate, nitric acid (5 mL) was added dropwise to gelate, dried at 120 ° C. for 5 hours, and treated at 450 ° C. for 2 hours. Finally, the catalyst was supported using 5 wt% platinum colloid made of Tanaka Kikinzoku.
本水素貯蔵・供給装置は70mm×70mm、厚み4mmの大きさである。この装置を外部熱源として用意したセラミックスヒータ上に高熱伝導基板側が接するように設置し250℃に加熱した。燃料には1−メチルデカヒドロナフタレンを用い装置内に供給し脱水素反応を行った。その結果、燃料供給のパルス間隔が20秒のときに水素発生速度が最大となり、Pt1g当たり23L/minの水素を連続的に生成することができた。 This hydrogen storage / supply device has a size of 70 mm × 70 mm and a thickness of 4 mm. This apparatus was installed on a ceramic heater prepared as an external heat source so that the high thermal conductive substrate side was in contact with it and heated to 250 ° C. 1-methyldecahydronaphthalene was used as the fuel and supplied into the apparatus for dehydrogenation reaction. As a result, the hydrogen generation rate was maximized when the fuel supply pulse interval was 20 seconds, and it was possible to continuously generate 23 L / min of hydrogen per gram of Pt.
本実施例の水素貯蔵・供給装置は、実施例7と同様に効率的に触媒が加熱され、また、1−メチルデカヒドロナフタレンが均一に効率よく触媒層と接触して頻度因子を向上できた。また、一連の陽極酸化処理により障壁パターン表面上に形成された多数の細孔の中に第二の塩基性酸化物及び多量の白金触媒を充填することで、1−メチルデカヒドロナフタレンとの吸着性を調整することができ、反応速度が向上した。さらに、発生水素をすみやかに分離することが可能となり水素化方向へ脱平衡化し、低温でも効率良く反応が進行する効果が得られた。 In the hydrogen storage / supply apparatus of this example, the catalyst was efficiently heated in the same manner as in Example 7, and 1-methyldecahydronaphthalene was able to improve the frequency factor uniformly and efficiently in contact with the catalyst layer. . Adsorption with 1-methyldecahydronaphthalene is achieved by filling the second basic oxide and a large amount of platinum catalyst into a large number of pores formed on the surface of the barrier pattern by a series of anodizing treatments. The reaction rate was improved. In addition, the generated hydrogen can be promptly separated, and the hydrogen is de-equilibrated in the direction of hydrogenation, so that the reaction proceeds efficiently even at low temperatures.
図16は本実施例の水素貯蔵・供給装置の斜視図、図17はその断面図である。本実施例の水素貯蔵・供給装置101は、実施例1と同様に高熱伝導基板102、触媒層104、燃料流路105、Pd-Ag膜からなる水素分離膜107、水素流路103、上蓋108、封止材109で構成される。封止材109の一部には基板上に作製された燃料流路へ通じる燃料供給口、排出口及び水素流通口が設けられており、外部の可動式仕切り板で燃料である水素化物と廃液である脱水素化物を分離貯蔵する燃料タンクに連結されている(図示せず)。燃料の供給は、間欠制御が可能な加圧ポンプを用い、マスフローメーターにより流量を制御しながら実施した。有機ハイドライド燃料は、凹部の燃料流路105を通り触媒層104と接触しながら脱水素反応が進行し水素が生成する。生成した水素は水素分離膜107を介して燃料及び生成した芳香族炭化水素と分離された後、純粋な水素が水素流路103を通り、水素流通口を通って外部へ供給される。水素貯蔵の場合、水素は水素流通口を通って水素流路及び水素分離膜107を通り触媒層104に接触し、燃料流路105から供給される芳香族炭化水素化合物を水素化し燃料流路105出口より有機ハイドライドを得ることができる。
FIG. 16 is a perspective view of the hydrogen storage / supply device of this embodiment, and FIG. 17 is a sectional view thereof. Similar to the first embodiment, the hydrogen storage /
図18は、本実施例の水素貯蔵・供給装置の製造方法を示すフロー図である。50mm×50mm、1mm厚のAlN高熱伝導基板102上にスピンコートにより分子量2500のポリメチルメタアクリレート製の薄膜110を塗布した。薄膜110の厚さは5μmである。次に、表面に凹凸を形成したシリコン製金型111を薄膜110にプレスした。金型を垂直に引き上げ、樹脂突起物112を形成した。障壁パターンとして、パターン幅、間隙がともに500nmの燃料供給口から排出口に向かうストレートラインを形成した。パターンの高さは10μmであった。微細な樹脂突起物112表面に、引き続き、その上にPt粒子混合アルミナゾルを塗布した。その後、その表面にスパッタにより3μmのAg-Pd膜を形成した。最後に、450℃で1時間焼成することで水素分離膜107及び触媒層104を形成した。後処理として、残存したポリメチルメタアクリレート成分を溶剤により除去した。触媒層104及び水素分離膜107は元々形成された樹脂突起物112の凹凸形状を維持しており、触媒層側を燃料流路105、水素分離膜側を水素流路103として利用した。水素分離膜107の上面に300μm厚のSUS304製上蓋108を積層し、燃料供給口、排出口及び水素流通口部を設けてそれ以外の外周をガラス封止した。
FIG. 18 is a flowchart showing a method for manufacturing the hydrogen storage / supply device of this embodiment. A
この水素貯蔵・供給装置は70mm×70mm、厚み3mmの大きさである。この装置を外部熱源として用意したセラミックスヒータ上にAlN高熱伝導基板側が接するように設置し250℃に加熱した。燃料には1−メチルデカヒドロナフタレンを用い装置内に供給し脱水素反応を行った。その結果、燃料供給のパルス間隔が20秒のときに水素発生速度が最大となり、Pt1g当たり24L/minの水素を連続的に生成することができた。 This hydrogen storage / supply device has a size of 70 mm × 70 mm and a thickness of 3 mm. This apparatus was installed on a ceramic heater prepared as an external heat source so that the AlN high thermal conductivity substrate side was in contact with it and heated to 250 ° C. 1-methyldecahydronaphthalene was used as the fuel and supplied into the apparatus for dehydrogenation reaction. As a result, the hydrogen generation rate was maximized when the fuel supply pulse interval was 20 seconds, and it was possible to continuously generate 24 L / min of hydrogen per gram of Pt.
本実施例においては、外部熱源から触媒層までを高熱伝導性基板で構成することにより、効率的に触媒が加熱される効果が得られた。また、ナノプリント法でパターン形成したことにより、パターンが非常に微細であるにも関わらず、障壁高さを高くすることが可能となり、触媒担持量を増大させることができた。また、障壁上部では下部に比べて熱伝達が遅いため、障壁内において熱の分布が生じ、気液固体複合界面が多数形成され、反応効率を向上することができた。さらに、触媒層形状に沿って形成された水素分離膜の存在により、発生水素をすみやかに分離することが可能となり水素化方向へ脱平衡化し、低温でも効率良く反応が進行する効果が得られた。その上、水素分離膜が凹凸形状に形成されるため、凹部をそのまま水素流路として利用することができ、より簡素な水素貯蔵・供給装置を作製できた。 In this example, an effect of efficiently heating the catalyst was obtained by configuring the external heat source to the catalyst layer with a high thermal conductivity substrate. In addition, by forming a pattern by the nanoprint method, it was possible to increase the height of the barrier and increase the amount of catalyst supported even though the pattern was very fine. In addition, since heat transfer is slower in the upper part of the barrier than in the lower part, heat distribution occurs in the barrier, and a large number of gas-liquid solid composite interfaces are formed, improving the reaction efficiency. Furthermore, the presence of a hydrogen separation membrane formed along the shape of the catalyst layer enabled the rapid separation of the generated hydrogen, which resulted in de-equilibrium in the hydrogenation direction and the effect that the reaction proceeded efficiently even at low temperatures. . In addition, since the hydrogen separation membrane is formed in a concavo-convex shape, the concave portion can be used as it is as a hydrogen flow path, and a simpler hydrogen storage / supply device can be produced.
図19は本実施例の水素貯蔵・供給装置の斜視図、図20はその内部構造図を示す断面図である。図に示すように、AlN(熱伝導率:250W/mK)高熱伝導基板42、Niの流路突起43、Pt/活性炭触媒シートからなる触媒層44、燃料流路45、スペーサ46、Pd-Ag膜からなる水素分離膜47、水素流路48、封止材49で構成される。封止材の一部には基板上に作製されたパターン間隙へ通じる原料供給口50及び排出口51が設けられており、外部の可動式仕切り板で燃料である水素化物と廃液である脱水素化物を分離貯蔵する燃料タンクに連結されている(図示せず)。燃料の供給には間欠制御が可能なポンプを用いた。有機ハイドライド燃料は、パターン間である凹部の流路45を通り触媒層44と接触しながら脱水素反応が進行し水素が生成する。生成した水素は水素分離膜47を介して燃料及び生成した芳香族炭化水素と分離された後、純粋な水素がスペーサ46へ排出され、水素流路48を通り、水素流通口52を通って外部へ供給される。水素貯蔵の場合、水素は水素流通口52を通って水素流路48からスペーサ46及び水素分離膜47を通り触媒層44に接触し、流路45から供給される芳香族炭化水素化合物を水素化し流路45出口より有機ハイドライドを得ることができる。
FIG. 19 is a perspective view of the hydrogen storage / supply device of the present embodiment, and FIG. 20 is a sectional view showing the internal structure thereof. As shown in the figure, AlN (thermal conductivity: 250 W / mK) high thermal
図21は本実施例の水素貯蔵・供給装置の製造方法を示すフロー図である。50mm×50mm、1mm厚のAlN高熱伝導基板42上にスパッタ及び電気めっきにより100μm厚のNi膜を形成した後、エッチングにより流路突起43を形成した。流路突起幅、間隙とも100μmとし、凹凸のある形状になっている。一方、100μm厚のアルミナセラミックスをスペーサ46として用い、その片面側に2μmのPd-Ag合金膜を水素分離膜47としてスパッタにより形成した後、Pt/活性炭触媒シート44を圧着した。それらと凹凸状のSUS/Ti製水素流路48及びパターン形成した基板とを積層し、燃料供給口50、排出口51及び水素流通口部52を設けてそれ以外の外周をガラス封止した。
FIG. 21 is a flowchart showing the method for manufacturing the hydrogen storage / supply device of this embodiment. A Ni film having a thickness of 100 μm was formed on a 50 mm × 50 mm, 1 mm thick AlN high thermal
この水素貯蔵・供給装置は70mm×70mm、厚み4mmの大きさである。この装置内のNi流路突起43に電極を取り付け、流路突起43を加熱ヒータとしてPt/活性炭触媒シートを直接250℃に加熱した。燃料には1−メチルデカヒドロナフタレンを用い装置内に供給し脱水素反応を行った。その結果、燃料供給のパルス間隔が25秒のときに水素発生速度が最大となり、Pt1g当たり18L/minの水素を連続的に生成することができた。
This hydrogen storage / supply device has a size of 70 mm × 70 mm and a thickness of 4 mm. An electrode was attached to the
本実施例においても、触媒層が直下に配置されたヒータにより効率的に加熱され、また、水素分離膜が触媒層と隣接し、生成水素がすみやかに分離することが可能となり水素化方向へ脱平衡化し、結果として低温でも効率良く反応が進行する効果が得られた。又、流路を構成する金属パターンを加熱ヒータとして使用することで、起動時の熱源を確保することができる。 Also in this example, the catalyst layer is efficiently heated by the heater disposed immediately below, and the hydrogen separation membrane is adjacent to the catalyst layer, so that the produced hydrogen can be promptly separated and desorbed in the hydrogenation direction. As a result, the effect of allowing the reaction to proceed efficiently even at a low temperature was obtained. Moreover, the heat source at the time of starting is securable by using the metal pattern which comprises a flow path as a heater.
本実施例は低温でも活性の高い触媒材料として、有機ハイドライドから脱水素するために金属触媒と担体材料からなる触媒について検討を行ったものである。 In this example, a catalyst composed of a metal catalyst and a support material was studied for dehydrogenation from organic hydride as a catalyst material having high activity even at low temperatures.
(担体材料)
触媒の担体材料には活性炭、Al2O3、ZnO、ZrO2、珪藻土を用いた。Al2O3以外は市販のものを使用した。活性炭はcabot社製バルカン、珪藻土、ZnO、ZrO2は和光純薬製を使用した。Al2O3は和光純薬製アルミニウムイソプロポキシド(20g)を80℃の熱水(80g)に溶解し、硝酸(5mL)を滴下しゲル化後、120℃で5時間乾燥後、450℃で2時間処理し作製した。
(Carrier material)
Activated carbon, Al 2 O 3 , ZnO, ZrO 2 , and diatomaceous earth were used as the catalyst support material. A commercially available product was used except for Al 2 O 3 . The activated carbon used was Vulcan manufactured by cabot, diatomaceous earth, ZnO, and ZrO 2 manufactured by Wako Pure Chemical Industries. For Al 2 O 3, aluminum isopropoxide (20 g) manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd. was dissolved in hot water (80 g) at 80 ° C., nitric acid (5 mL) was added dropwise to gelate, dried at 120 ° C. for 5 hours, and then 450 ° C. And processed for 2 hours.
また、複合化した担体材料は以下のように作製した。Al2O3系複合酸化物は和光純薬製アルミニウムイソプロポキシド(20g)を80℃の熱水(80g)に溶解し、硝酸亜鉛、硝酸ジルコニルを所定量添加し、硝酸(5mL)を滴下しゲル化後、120℃で5時間乾燥後、450℃で2時間処理し、2wt%ZnO- Al2O3、2wt%ZrO2- Al2O3を作製した。
珪藻土系は硝酸亜鉛、硝酸ジルコニルの水溶液を所定量珪藻土に含浸添加し、120℃で5時間乾燥後、450℃で2時間処理し、2wt%ZnO-珪藻土、2wt%ZrO2-珪藻土を作製した。
The composite carrier material was prepared as follows. Al 2 O 3 complex oxide is made by dissolving Wako Pure Chemicals Aluminum Isopropoxide (20 g) in hot water (80 g) at 80 ° C., adding predetermined amounts of zinc nitrate and zirconyl nitrate, and adding nitric acid (5 mL) dropwise. after gelation, dried for 5 hours at 120 ° C., for 2 hours at 450 ℃, 2wt% ZnO- Al 2
For diatomaceous earth, a predetermined amount of an aqueous solution of zinc nitrate and zirconyl nitrate is impregnated and added to diatomaceous earth, dried at 120 ° C. for 5 hours and then treated at 450 ° C. for 2 hours to produce 2 wt% ZnO-diatomaceous earth, 2 wt% ZrO 2 -diatomaceous earth. .
(金属触媒担持)
金属触媒には田中貴金属製Ptコロイド(2nm、4wt%)を使用した。金属触媒担持操作は次のように行った。金属担持量が触媒に対し5wt%になるように所定量のPtコロイドと担体材料を秤量した。次いでPtコロイドをメトキシエタノールで希釈し、担体材料に含浸した。80℃で20分乾燥後、He気流中で400℃、3時間処理し金属添加触媒を作製した。
(Metal catalyst support)
Tanaka Kikinzoku Pt colloid (2 nm, 4 wt%) was used as the metal catalyst. The metal catalyst loading operation was performed as follows. A predetermined amount of Pt colloid and a support material were weighed so that the amount of metal supported was 5 wt% with respect to the catalyst. The Pt colloid was then diluted with methoxyethanol and impregnated into the support material. After drying at 80 ° C. for 20 minutes, a metal-added catalyst was produced by treatment in a He stream at 400 ° C. for 3 hours.
(担体材料の脱離特性評価)
熱分解装置が装着されたGC-mass(SHIMAZU製 GC6500)を用いてデカリンとナフタレンの脱離特性を調べた。熱分解装置内の石英管に0.03mLの触媒を詰め、He流量10mL/min中、シリンジで10wt%ナフタレン添加デカリン溶液を1μL注入し担体材料にナフタレンとデカリンを吸着させた。次いで徐々に温度を上げ、ナフタレンとデカリンの脱離温度を調べた。脱離特性の結果を表2に示した。
表 2
(Evaluation of desorption characteristics of carrier materials)
The decalin and naphthalene desorption properties were investigated using a GC-mass (SHIMAZU GC6500) equipped with a thermal decomposition apparatus. A quartz tube in a thermal decomposition apparatus was filled with 0.03 mL of catalyst, and 1 μL of 10 wt% naphthalene-added decalin solution was injected with a syringe at a He flow rate of 10 mL / min to adsorb naphthalene and decalin to the support material. Next, the temperature was gradually raised, and the desorption temperature of naphthalene and decalin was examined. The results of the desorption characteristics are shown in Table 2.
Table 2
(触媒の性能評価)
熱分解装置が装着されたGC-mass(SHIMAZU製 GC6500)を用いてデカリンからナフタレンへの転化率を調べた。熱分解装置内の石英管に0.03mLのPt担持触媒を詰め、220、250℃でHe流量10mL/min中、シリンジでデカリン1μLを1分間隔で10回注入しPt担持触媒により脱水素反応を行い、GC-massの138(デカリン)、128(ナフタレン)のピーク面積比よりデカリンのナフタレン転化率を調べた。触媒の性能評価の結果を表3に示した。尚、表中の転化率の値は10回目のデータである。
表 3
(Catalyst performance evaluation)
The conversion rate from decalin to naphthalene was examined using GC-mass (GC6500 manufactured by SHIMAZU) equipped with a thermal decomposition apparatus. 0.03 mL of Pt-supported catalyst is packed in a quartz tube in the thermal decomposition apparatus, and 1 μL of decalin is injected 10 times at intervals of 1 minute with a syringe at 220 ° C. and 250 ° C. in a He flow rate of 10 mL / min. The naphthalene conversion rate of decalin was examined from the peak area ratio of GC-mass of 138 (decalin) and 128 (naphthalene). The results of the catalyst performance evaluation are shown in Table 3. The conversion values in the table are the 10th data.
Table 3
表3から分かるようにZnOやZrO2を添加することで活性炭やアルミナより220、250℃における転化率が向上している。表1の脱離特性を調べた結果では、ZnO、ZrO2はナフタレンやデカリンの脱離温度が活性炭やアルミナよりも低温化している。アルミナにZnO、ZrO2のような塩基性酸化物を添加することでナフタレンの脱離温度が低温化するため触媒表面が再生しやすく、活性炭やアルミナより転化率が向上した結果である。以上のように、担体材料は塩基性とすることが有効で、ZnO、ZrO2を添加することが有効である。
As can be seen from Table 3, by adding ZnO or ZrO 2 , the conversion rate at 220 ° C. and 250 ° C. is improved over activated carbon and alumina. As a result of examining the desorption characteristics in Table 1, ZnO and ZrO 2 have lower desorption temperatures of naphthalene and decalin than those of activated carbon and alumina. This is because the addition of a basic oxide such as ZnO or ZrO 2 to alumina lowers the desorption temperature of naphthalene, so that the catalyst surface can be easily regenerated, and the conversion rate is improved over activated carbon or alumina. As described above, it is effective to make the support material basic, and it is effective to add ZnO and ZrO 2 .
本実施例は150〜200℃とより低温で水素供給が可能な水素貯蔵・供給装置を作製したものである。実施例10の装置と比較すると使用した触媒の構成が異なり、Pt/活性炭触媒シートの代わりに2wt%ZrO2- Al2O3触媒薄膜を用い、実施例10の製造方法に準拠して作製した。 In this embodiment, a hydrogen storage / supply device capable of supplying hydrogen at a lower temperature of 150 to 200 ° C. is produced. Compared with the apparatus of Example 10, the configuration of the catalyst used was different, and a 2 wt% ZrO 2 -Al 2 O 3 catalyst thin film was used instead of the Pt / activated carbon catalyst sheet, and the catalyst was prepared according to the production method of Example 10. .
この水素貯蔵・供給装置は70mm×70mm、厚み4mmの大きさである。この装置内のNi金属パターンに電極を取り付け、金属パターンを加熱ヒータとして触媒層を直接150℃に加熱した。燃料には1−メチルデカヒドロナフタレンを用い装置内に供給し脱水素反応を行った。その結果、150〜200℃とより低温でも水素を連続的に生成することができた。このように本発明の水素貯蔵・供給装置は、200℃以下でも水素発生が可能である。燃料電池やガスタービンなどDSS運転の再スタート時は熱源がないため水素供給には、燃料電池がある程度運転するまでの間、水素発生器のヒータを250℃程度まで加熱しなければならない。 This hydrogen storage / supply device has a size of 70 mm × 70 mm and a thickness of 4 mm. An electrode was attached to the Ni metal pattern in the apparatus, and the catalyst layer was directly heated to 150 ° C. using the metal pattern as a heater. 1-methyldecahydronaphthalene was used as the fuel and supplied into the apparatus for dehydrogenation reaction. As a result, hydrogen could be continuously generated even at a lower temperature of 150 to 200 ° C. Thus, the hydrogen storage / supply apparatus of the present invention can generate hydrogen even at 200 ° C. or lower. When restarting DSS operation, such as fuel cells and gas turbines, there is no heat source, so the hydrogen generator heater must be heated to about 250 ° C until the fuel cell is operated to some extent.
本実施例では150℃から水素を発生することができるため、再スタート時は150℃までヒータで加熱し、まず水素を発生させる。発生させた水素は燃料電池に使用せずまずは水素発生器の加熱用に利用する。水素発生器が250℃に到達すれば十分な水素供給が可能となり、燃料電池への水素供給を開始する。このように、150℃という低温でも水素が発生できることが可能であることで、スタート時のヒータ消費電力を低減し、電源のスタート時の効率を向上できる。さらに、水素発生器の加熱を脱水素化合物の燃焼で行うことなく水素で行うため、CO2を排出しない。 In this embodiment, since hydrogen can be generated from 150 ° C., at the time of restart, the heater is heated to 150 ° C., and hydrogen is first generated. The generated hydrogen is not used for the fuel cell, but is first used for heating the hydrogen generator. When the hydrogen generator reaches 250 ° C., sufficient hydrogen supply becomes possible, and hydrogen supply to the fuel cell is started. As described above, since hydrogen can be generated even at a low temperature of 150 ° C., the heater power consumption at the start can be reduced, and the efficiency at the start of the power supply can be improved. In addition, since the hydrogen generator is heated with hydrogen without burning dehydrogenated compounds, no CO 2 is emitted.
図22は低温で可動可能な本発明の水素貯蔵・供給装置の斜視図、図23はその断面図である。本実施例の水素貯蔵・供給装置81は、実施例12で作製した水素貯蔵・供給装置にさらに改良加えて、150〜200℃で作動できる水素貯蔵・供給装置に関するものである。
FIG. 22 is a perspective view of the hydrogen storage / supply device of the present invention that is movable at a low temperature, and FIG. 23 is a sectional view thereof. The hydrogen storage /
実施例5の装置と比較すると、金属パターンを銅パターンにした点及び触媒層と水素分離膜の2つの機能を有する複合機能層84を設けた点が異なる。複合機能層84はボイド形状の空孔を有する多孔質ポリイミド膜である。尚、使用した多孔質ポリイミドの膜厚、空孔率はそれぞれ20μm、65%であった。多孔質ポリイミド膜のスペーサに隣接している表面には5nm厚のスキン層が存在しており、水素分離膜として機能する。水素透過選択性を向上させるために、スキン層表面にはスパッタによりAg-Pd膜を形成した。ボイド形状の空孔内には触媒が担持されている。有機ハイドライド燃料は、パターン間である凹部の流路85を通り、複合機能層84へ供給される。空孔内ではガス化した燃料と毛管凝縮により液化した燃料とが混在することで、膜全面において数多くの気液固体複合界面を形成される。
Compared with the apparatus of Example 5, the metal pattern was changed to a copper pattern and the composite
また、水素分離膜として機能するスキン層及びAg-Pd膜が隣接して存在することにより、生成水素を即座に分離して水素分圧を低減することが可能となり、脱水素反応を効率よく進行させることができる。生成した水素はスキン層を介してスペーサ86へすみやかに排出され、燃料及び生成した芳香族炭化水素と分離され、純粋な水素が外部へ取り出される。得られた純水素は、複合機能層84上に形成した水素流路88を通り、外部へ水素を供給する。水素貯蔵の場合、水素は水素流路88からスペーサ86を通り、複合機能層84内の触媒と接触し、流路85から供給される芳香族炭化水素化合物を水素化し流路85出口より有機ハイドライドを得ることができる。
In addition, the presence of a skin layer and an Ag-Pd membrane that function as hydrogen separation membranes makes it possible to immediately separate the produced hydrogen and reduce the hydrogen partial pressure, thus promoting the dehydrogenation reaction efficiently. Can be made. The produced hydrogen is immediately discharged to the
図24は本実施例の水素貯蔵・供給装置の製造方法を示すフロー図である。50mm×50mmサイズの銅箔18μm、多孔質ポリイミド層20μmの構成からなる銅箔付き多孔質ポリイミドシートに電気めっきを施すことにより、銅箔厚100μmの銅付き多孔質ポリイミド80を得た。次に、エッチングにより銅パターン83を形成し、腐食防止のためその上に金めっきを施した。パターンのパターン幅、間隙とも100μmとし、凹凸のある形状になっている。それをZrO2- Al2O3触媒分散液に浸漬後、乾燥して多孔質ポリイミドの空孔内に触媒を固定化した。最後に、スキン層表面にスパッタにより2μmのAg-Pd膜を形成することにより、燃料流路85が形成された複合機能層84を得た。燃料流路85が形成された複合機能層84、50×50mm2、100μm厚のグラファイトシート82、100μm厚のフッ素系樹脂をスペーサ86及び凹凸状の溝を有するフッ素系樹脂製水素流路88を積層し、燃料供給口90、排出口91及び水素流通口部92を設けてそれ以外の外周を熱硬化性ポリイミド樹脂により封止した。
FIG. 24 is a flowchart showing the method for manufacturing the hydrogen storage / supply device of this embodiment. A porous polyimide sheet with a copper foil thickness of 100 μm was obtained by electroplating a porous polyimide sheet with a copper foil having a structure of 50 μm × 50 mm copper foil of 18 μm and a porous polyimide layer of 20 μm. Next, a
この水素貯蔵・供給装置は70mm×70mm、厚み0.5mmの大きさである。この装置を外部熱源として用意したセラミックスヒータ上にグラファイトシート側が接するように設置し150℃に加熱した。燃料には1−メチルデカヒドロナフタレンを用い装置内に供給し脱水素反応を行った。その結果、150℃でも水素を生成することができた。 This hydrogen storage / supply device has a size of 70 mm × 70 mm and a thickness of 0.5 mm. This apparatus was placed on a ceramic heater prepared as an external heat source so that the graphite sheet side was in contact with it, and heated to 150 ° C. 1-methyldecahydronaphthalene was used as the fuel and supplied into the apparatus for dehydrogenation reaction. As a result, hydrogen could be generated even at 150 ° C.
本実施例においては、多孔質空孔内に固定化された低温活性触媒表面に数多くの複合界面を形成することができ、また、スキン層及びAg-Pd膜が水素分離膜として機能し、生成水素をすみやかに分離することが可能となり脱水素化方向へ脱平衡化し、結果として低温でも効率良く反応が進行する効果が得られた。さらに、構成材料に特に限定されないが、本水素貯蔵・供給装置は非常に薄型でフレキシブル性を有するため、曲面部にも密着して付設することが可能である。本実施例は、燃料電池、タービン、エンジンなどの特にモバイル機器用発電機の廃熱を利用し水素供給を行うのに有効な水素発生器である。 In this example, a large number of composite interfaces can be formed on the surface of the low-temperature active catalyst fixed in the porous pores, and the skin layer and the Ag-Pd membrane function as a hydrogen separation membrane. Hydrogen can be promptly separated and de-equilibrated in the direction of dehydrogenation. As a result, the reaction can proceed efficiently even at low temperatures. Further, although not particularly limited to the constituent materials, the present hydrogen storage / supply device is very thin and flexible, and can be attached in close contact with the curved surface portion. This embodiment is a hydrogen generator that is effective for supplying hydrogen by using waste heat of a generator for mobile devices such as a fuel cell, a turbine, and an engine.
複合機能膜は前記の例に限らず、表面に流路加工及び酸化膜を形成できる金属及びクラッド材を用いて、作製することもできる。金属にZrを用いた例を説明する。Zr表面にエッチングにより流路加工をした後、陽極酸化により酸化膜を形成した。その際、ZrO2/Zr界面のZrO2バリア皮膜の厚みを薄くするため、陽極酸化処理後半で電解電圧を低下して作製した。その後、ZrO2/Zr界面のZrO2バリア層のみを選択的にエッチングすることにより、Zr金属表面を露出させた。最後に、ZrO2膜中にPtコロイド溶液を担持することにより、複合機能膜を得た。同様にして、燃料に1−メチルデカヒドロナフタレンを用い装置内に供給し150℃で脱水素反応を行った。その結果、150℃でも水素を生成することができた。触媒層と一体化したZr金属が水素分離膜として機能し、生成水素をすみやかに分離することが可能となり脱水素化方向へ脱平衡化し、低温でも効率よく反応が進行する効果が得られた。 The composite functional film is not limited to the above example, and can be manufactured using a metal and a clad material that can form a flow path processing and oxide film on the surface. An example using Zr as a metal will be described. After processing the flow path by etching on the Zr surface, an oxide film was formed by anodic oxidation. At that time, in order to reduce the thickness of the ZrO 2 barrier film at the ZrO 2 / Zr interface, the electrolytic voltage was lowered in the latter half of the anodizing treatment. Thereafter, only the ZrO 2 barrier layer at the ZrO 2 / Zr interface was selectively etched to expose the Zr metal surface. Finally, a composite functional film was obtained by supporting a Pt colloid solution in a ZrO 2 film. Similarly, 1-methyldecahydronaphthalene was used as the fuel and was supplied into the apparatus, and dehydrogenation reaction was performed at 150 ° C. As a result, hydrogen could be generated even at 150 ° C. The Zr metal integrated with the catalyst layer functions as a hydrogen separation membrane, and the produced hydrogen can be promptly separated, de-equilibrated in the direction of dehydrogenation, and the effect that the reaction proceeds efficiently even at low temperatures was obtained.
図25は本発明の水素貯蔵・供給装置の斜視図、図26はその断面図である。本実施例の水素貯蔵・供給装置121は、AlN(熱伝導率:250W/mK)高熱伝導基板122、Niパターン123、Pd-Ag膜からなる水素分離膜127、多孔質ポリイミド膜中に5wt%Pt/アルミナ触媒が担持された触媒層124、貫通孔が面内に多数形成された燃料注入層126、燃料貯蔵層128、封止材129で構成される。封止材129の一部には燃料貯蔵層128へ通じる燃料供給口、排出口及び水素流通口が設けられており、外部の可動式仕切り板で燃料である水素化物と廃液である脱水素化物を分離貯蔵する燃料タンクに連結されている(図示せず)。
FIG. 25 is a perspective view of the hydrogen storage / supply device of the present invention, and FIG. 26 is a sectional view thereof. The hydrogen storage /
燃料の供給は、間欠制御が可能な加圧ポンプを用い、マスフローメーターにより流量を制御しながら実施した。燃料タンクより供給された燃料は水素貯蔵・供給装置内の燃料貯蔵層128へ導入され、一時貯留される。燃料貯蔵層128内には燃料が常時満たされており、そこへ加圧ポンプにより燃料が更に供給されると、貯蔵層128に貯留しきれない分、すなわち、燃料貯蔵層128に供給された分の燃料が燃料注入層126の貫通孔131と経由して、下層に配置された触媒層124面内に均一に滴下又は噴射供給される。供給された燃料は触媒層124と接触しながら脱水素反応が進行し水素が生成する。生成した水素は水素分離膜127を介して燃料及び生成した芳香族炭化水素と分離された後、純粋な水素が金属パターン間隙125を経由し、水素流通口を通って外部へ供給される。下面における孔径は0.3〜300μmであり、ノズル径が小さいほど、より微細な液滴を得ることができる。
The fuel was supplied using a pressure pump capable of intermittent control while controlling the flow rate with a mass flow meter. The fuel supplied from the fuel tank is introduced into the
燃料注入層126に用いる材料には、ポリイミド、フッ素化樹脂、シリコン樹脂など耐薬品性、耐熱性に優れた射出成型が可能な熱硬化性樹脂やシリカ、アルミナ、ムライト、コージェライト、などのガラス及びセラミックス、また、銅、アルミニウム、鉄などを使用することができる。貫通孔を形成する場合、特に限定されないが、エッチングやサンドブラストなどの機械的加工により形成することができる。例えば、銅に貫通孔を形成する場合、銅表面にフォトリソグラフィにより多数の穴が存在するレジストを形成した後、レジストを形成した面にのみ塩化鉄溶液などにより所定時間スプレーエッチングする。等方的にエッチングが進行するため、エッチング処理後の銅断面は、図27に示すような楕円を半分にしたU字形状をしており、エッチング処理面からその裏面に対して縮小した形状となる。同様に、ガラスに貫通孔を形成する場合、ガラス表面にレジストを形成し、所定時間サンドブラストすることにより孔が縮小する貫通孔を形成することができる。
Materials used for the
本実施例の水素貯蔵・供給装置の製造方法を以下説明する。50mm×50mm、1mm厚のAlN高熱伝導基板122上にスパッタ及び無電解めっきにより50μm厚のNi膜を形成した後、エッチングにより金属パターン123を形成した。パターン腐食防止のためその表面に金めっきを施した。一方、50mm×50mmサイズの50μm厚の多孔質ポリイミドシートをZrO2- Al2O3触媒分散液に浸漬後、乾燥して多孔質ポリイミドの空孔内に触媒を固定化することにより、触媒層124を得た。尚、多孔質ポリイミドシートは、ボイド形状の空孔を有し、空孔率65%であった。多孔質ポリイミドシートのスキン層面にスパッタにより3μm厚のAg-Pd膜127を形成した。一方、1mm厚のガラスの片表面に直径300μmの穴が500μmピッチで配列したレジストをラミネートした。レジスト面に対して噴射圧0.2MPaで所定時間アルミナ微粒子によるサンドブラスト処理を施し、その後、レジストを除去することで、燃料注入層126を形成した。尚、サンドブラスト処理面に対して裏面側の孔径は縮小しており、150μmであった。燃料貯蔵層128として内寸40×40mm2、深さ1mmのアルミナセラミックスを用いた。それらの部材を積層し、燃料供給口、排出口及び水素流通口部を設けてそれ以外の外周をガラス封止した。
A method for manufacturing the hydrogen storage / supply device of this embodiment will be described below. After a 50 μm thick Ni film was formed on a 50 mm × 50 mm, 1 mm thick AlN high thermal
本水素貯蔵・供給装置は70mm×70mm、厚み4mmの大きさである。この装置を外部熱源として用意したセラミックスヒータ上にAlN高熱伝導基板側が接するように設置し250℃に加熱した。燃料には1−メチルデカヒドロナフタレンを用い装置内に供給し脱水素反応を行った。その結果、燃料供給のパルス間隔が20秒のときに水素発生速度が最大となり、Pt1g当たり20L/minの水素を連続的に生成することができた。 This hydrogen storage / supply device has a size of 70 mm × 70 mm and a thickness of 4 mm. This apparatus was installed on a ceramic heater prepared as an external heat source so that the AlN high thermal conductivity substrate side was in contact with it and heated to 250 ° C. 1-methyldecahydronaphthalene was used as the fuel and supplied into the apparatus for dehydrogenation reaction. As a result, the hydrogen generation rate was maximized when the fuel supply pulse interval was 20 seconds, and it was possible to continuously generate 20 L / min of hydrogen per gram of Pt.
このように、外部熱源から触媒層までを高熱伝導性基板で構成することにより、効率的に触媒が加熱され、また効率よく利用することができる。また、微細な孔径が多数存在する燃料注入層より触媒層へ均一に燃料供給することにより、触媒層において多数の気液固体複合界面が形成され、効率よく反応を進行させることができた。また、水素分離膜を設けることで、発生水素をすみやかに分離することが可能となり水素化方向へ脱平衡化し、結果として低温でも効率良く反応が進行する効果が得られた。 As described above, by configuring the external heat source to the catalyst layer with the high thermal conductivity substrate, the catalyst is efficiently heated and can be used efficiently. In addition, by supplying fuel uniformly from the fuel injection layer having a large number of fine pore diameters to the catalyst layer, a large number of gas-liquid solid composite interfaces were formed in the catalyst layer, and the reaction could proceed efficiently. In addition, by providing a hydrogen separation membrane, it was possible to quickly separate the generated hydrogen, which resulted in de-equilibrium in the hydrogenation direction, and as a result, the effect that the reaction proceeded efficiently even at low temperatures was obtained.
図28は本発明の水素貯蔵・供給装置の斜視図、図29はその断面図である。本実施例は、実施例2の水素貯蔵・供給装置を改良したもので、高熱伝導基板下面に、燃料電池から排出される残渣水素又は脱水素反応後に生成する芳香族化合物を燃焼させる燃焼触媒層を設け、その下部に、前記残渣水素又は芳香族化合物を導入する流路が形成された燃焼室基板を配置させて積層化することで、未反応の水素又は芳香族化合物を燃焼させて得られる燃焼熱を活用し、有機ハイドライドの脱水素や水素化反応を行う水素貯蔵・供給装置である。
FIG. 28 is a perspective view of the hydrogen storage / supply device of the present invention, and FIG. 29 is a sectional view thereof. This embodiment is an improvement of the hydrogen storage / supply device of
本実施例の水素貯蔵・供給装置141は、AlN(熱伝導率:250W/mK)高熱伝導基板142、Cuからなる流路突起143、5wt%Pt/アルミナ触媒からなる触媒層144、パターン間隙の燃料流路145、スペーサ146、Pd-Ag膜からなる水素分離膜147、水素流路148、さらに、燃焼触媒層151、燃焼室溝152を設けた燃焼室基板150、封止材149で構成される。封止材の一部には基板上に作製されたパターン間隙へ通じる燃料供給口、排出口、水素流通口、残渣水素又は芳香族化合物を導入する流路が設けられており、外部の可動式仕切り板で燃料である水素化物と廃液である脱水素化物を分離貯蔵する燃料タンクに連結されている(図示せず)。燃料の供給は、間欠制御が可能な加圧ポンプを用い、マスフローメーターにより流量を制御しながら実施した。
The hydrogen storage /
有機ハイドライド燃料は、パターン間である凹部の燃料流路145を通り触媒層144と接触しながら脱水素反応が進行し水素が生成する。生成した水素は水素分離膜147を介して燃料及び生成した芳香族炭化水素と分離された後、純粋な水素がスペーサ146へ排出され、水素流路148を通り、水素流通口を通って外部へ供給される。水素貯蔵の場合、水素は水素流通口を通って水素流路148からスペーサ146及び水素分離膜147を通り触媒層144に接触し、流路145から供給される芳香族炭化水素化合物を水素化し流路145出口より有機ハイドライドを得ることができる。
The organic hydride fuel passes through the
燃焼室基板150への水素供給は、マスフローメーターにより流量を制御しながら実施した。本実施例の水素貯蔵・供給装置141は、実施例2に準拠して作製した。尚、高熱伝導基板142下面の燃焼触媒151として、5wt%Pt/アルミナ触媒を塗布した。また、燃焼室基板150として、10mm厚のアルミナセラミックスを用い、その表面を切削加工により500μm幅、深さ2mmの燃焼室溝152を形成した。各部材を積層し、燃料供給口、排出口、水素流通口、残渣水素導入口、燃焼ガス排出口部を設けてそれ以外の外周をガラス封止した。
Hydrogen supply to the
この水素貯蔵・供給装置は70mm×70mm、厚み15mmの大きさである。水素を残渣水素導入口へ供給し、高熱伝導基板内の一部に設けられた熱電対により温度を制御しながら、250℃に加熱した。燃料には1−メチルデカヒドロナフタレンを用い装置内に供給し脱水素反応を行った。その結果、燃料供給のパルス間隔が20秒のときに水素発生速度が最大となり、Pt1g当たり20L/minの水素を連続的に生成することができた。 This hydrogen storage / supply device has a size of 70 mm × 70 mm and a thickness of 15 mm. Hydrogen was supplied to the residual hydrogen inlet and heated to 250 ° C. while controlling the temperature with a thermocouple provided in a part of the high thermal conductive substrate. 1-methyldecahydronaphthalene was used as the fuel and supplied into the apparatus for dehydrogenation reaction. As a result, the hydrogen generation rate was maximized when the fuel supply pulse interval was 20 seconds, and it was possible to continuously generate 20 L / min of hydrogen per gram of Pt.
このように、外部熱源から触媒層までを高熱伝導性基板で構成することにより、高熱伝導基板下部に設けられた燃焼基板内で発生する水素の燃焼熱を効率的に利用して触媒を加熱することができる。また、水素分離膜を設けることで、発生水素をすみやかに分離することが可能となり水素化方向へ脱平衡化し、結果として低温でも効率良く反応が進行する効果が得られた。 In this way, by configuring the external heat source to the catalyst layer with the high thermal conductivity substrate, the catalyst is heated by efficiently using the combustion heat of hydrogen generated in the combustion substrate provided in the lower portion of the high thermal conductivity substrate. be able to. In addition, by providing a hydrogen separation membrane, it was possible to quickly separate the generated hydrogen, which resulted in de-equilibrium in the hydrogenation direction, and as a result, the effect that the reaction proceeded efficiently even at low temperatures was obtained.
図30は本発明の水素貯蔵・供給装置の斜視図、図31はその断面図である。本実施例の水素貯蔵・供給装置は、実施例14の水素貯蔵・供給装置を改良したもので、高熱伝導基板下面に、燃料電池から排出される残渣水素又は脱水素反応後に生成する芳香族化合物を燃焼させる燃焼触媒層を設け、その下部に、残渣水素又は芳香族化合物を導入する流路が形成された燃焼室基板を配置させて積層化することで、未反応の水素又は芳香族化合物を燃焼させて得られる燃焼熱を活用し、有機ハイドライドの脱水素や水素化反応を行う水素貯蔵・供給装置である。
30 is a perspective view of the hydrogen storage / supply device of the present invention, and FIG. 31 is a cross-sectional view thereof. The hydrogen storage / supply apparatus of the present embodiment is an improvement of the hydrogen storage / supply apparatus of
本実施例の水素貯蔵・供給装置161は、AlN(熱伝導率:250W/mK)高熱伝導基板162、Niからなる流路突起163、Pd-Ag膜からなる水素分離膜167、多孔質ポリイミド膜中に5wt%Pt/アルミナ触媒が担持された触媒層164、貫通孔が面内に多数形成された燃料注入層166、燃料貯蔵層168、さらに、燃焼触媒層171、燃焼室溝172を設けた燃焼室基板170、封止材179で構成される。封止材の一部には燃料貯蔵層168へ通じる燃料供給口、排出口及び水素流通口、残渣水素又は芳香族化合物を導入する流路が設けられており、外部の可動式仕切り板で燃料である水素化物と廃液である脱水素化物を分離貯蔵する燃料タンクに連結されている(図示せず)。
The hydrogen storage /
燃料の供給は、間欠制御が可能な加圧ポンプを用い、マスフローメーターにより流量を制御しながら実施した。燃料タンクより供給された燃料は水素貯蔵・供給装置161内の燃料貯蔵層168へ導入され、一時貯留される。燃料貯蔵層168内には燃料が常時満たされており、そこへ加圧ポンプにより燃料が更に供給されると、燃料貯蔵層168に貯留しきれない分、すなわち、燃料貯蔵層168に供給された分の燃料が燃料注入層166の貫通孔と経由して、下層に配置された触媒層164面内に均一に滴下又は噴射供給される。注入された燃料は触媒層164と接触しながら脱水素反応が進行し水素が生成する。生成した水素は水素分離膜167を介して燃料及び生成した芳香族炭化水素と分離された後、純粋な水素が金属パターン間隙165を経由し、水素流通口を通って外部へ供給される。下面における孔径0.3〜300μmであり、ノズル径が小さいほど、より微細な液滴を得ることができる。
The fuel was supplied using a pressure pump capable of intermittent control while controlling the flow rate with a mass flow meter. The fuel supplied from the fuel tank is introduced into the
燃料注入層166に用いる材料には、ポリイミド、フッ素化樹脂、シリコン樹脂など耐薬品性、耐熱性に優れた射出成型が可能な熱硬化性樹脂やシリカ、アルミナ、ムライト、コージェライト、などのガラス及びセラミックス、また、銅、アルミニウム、鉄などを使用することができる。貫通孔を形成する場合、特に限定されないが、エッチングやサンドブラストなどの機械的加工により形成することができる。例えば、銅に貫通孔を形成する場合、銅表面にフォトリソグラフィにより多数の穴が存在するレジストを形成した後、レジストを形成した面にのみ塩化鉄溶液などにより所定時間スプレーエッチングする。等方的にエッチングが進行するため、エッチング処理後の銅断面は、楕円形状をしており、エッチング処理面からその裏面に対して縮小した形状となる。同様に、ガラスに貫通孔を形成する場合、ガラス表面にレジストを形成し、所定時間サンドブラストすることにより孔が縮小する貫通孔を形成することができる。燃焼室基板170への水素供給は、マスフローメーターにより流量を制御しながら実施した。
Materials used for the
本実施例の水素貯蔵・供給装置161は、実施例14に準拠して作製した。尚、高熱伝導基板162下面の燃焼触媒171として、5wt%Pt/アルミナ触媒を塗布した。また、燃焼室基板170として、10mm厚のアルミナセラミックスを用い、その表面を切削加工により500μm幅、深さ2mmの燃焼室溝172を形成した。各部材を積層し、燃料供給口、排出口、水素流通口、残渣水素導入口、燃焼ガス排出口部を設けてそれ以外の外周をガラス封止した。50×50mm2、15mm厚のAlN高熱伝導基板162上にスパッタ及び無電解めっきにより50μm厚のNi膜を形成した後、エッチングにより金属の流路突起163を形成した。パターンの腐食防止のためその表面に金めっきを施した。一方、50×50mm2サイズの50μm厚の多孔質ポリイミドシートをZrO2- Al2O3触媒分散液に浸漬後、乾燥して多孔質ポリイミドの空孔内に触媒を固定化することにより、触媒層164を得た。
The hydrogen storage /
尚、多孔質ポリイミドシートは、ボイド形状の空孔を有し、空孔率65%であった。多孔質ポリイミドシートのスキン層面にスパッタにより3μm厚のAg-Pd膜を形成した。一方、1mm厚のガラスの片表面に直径300μmの穴が500μmピッチで配列したレジストをラミネートした。レジスト面に対して噴射圧0.2MPaで所定時間アルミナ微粒子によるサンドブラスト処理を施し、その後、レジストを除去することで、燃料注入層166を形成した。尚、サンドブラスト処理面に対して裏面側の孔径は縮小しており、150μmであった。スペーサ26として100μm厚のアルミナセラミックスを用い、燃料貯蔵層168として内寸40×40mm2、深さ1mmのアルミナセラミックスを用いた。それらの部材を積層し、燃料供給口、排出口、水素流通口、残渣水素導入口、燃焼ガス排出口部を設けてそれ以外の外周をガラス封止した。
The porous polyimide sheet had void-shaped pores and had a porosity of 65%. An Ag-Pd film having a thickness of 3 μm was formed on the skin layer surface of the porous polyimide sheet by sputtering. On the other hand, a resist in which holes having diameters of 300 μm were arranged at a pitch of 500 μm was laminated on one surface of 1 mm thick glass. The
この水素貯蔵・供給装置は70mm×70mm、厚み15mmの大きさである。水素を残渣水素導入口へ供給し、高熱伝導基板内の一部に設けられた熱電対により温度を制御しながら、250℃に加熱した。燃料には1−メチルデカヒドロナフタレンを用い装置内に供給し脱水素反応を行った。その結果、燃料供給のパルス間隔が20秒のときに水素発生速度が最大となり、Pt1g当たり21L/minの水素を連続的に生成することができた。 This hydrogen storage / supply device has a size of 70 mm × 70 mm and a thickness of 15 mm. Hydrogen was supplied to the residual hydrogen inlet and heated to 250 ° C. while controlling the temperature with a thermocouple provided in a part of the high thermal conductive substrate. 1-methyldecahydronaphthalene was used as the fuel and supplied into the apparatus for dehydrogenation reaction. As a result, the hydrogen generation rate was maximized when the fuel supply pulse interval was 20 seconds, and it was possible to continuously generate 21 L / min of hydrogen per gram of Pt.
このように、外部熱源から触媒層までを高熱伝導性基板で構成することにより、高熱伝導基板下部に設けられた燃焼基板内で発生する水素の燃焼熱を効率的に利用して触媒を加熱することができる。また、微細な孔径が多数存在する燃料注入層より触媒層へ均一に燃料供給することにより、触媒層において多数の気液固体複合界面が形成され、効率よく反応を進行させることができた。また、水素分離膜を設けることで、発生水素をすみやかに分離することが可能となり水素化方向へ脱平衡化し、結果として低温でも効率良く反応が進行する効果が得られた。 In this way, by configuring the external heat source to the catalyst layer with the high thermal conductivity substrate, the catalyst is heated by efficiently using the combustion heat of hydrogen generated in the combustion substrate provided in the lower portion of the high thermal conductivity substrate. be able to. In addition, by supplying fuel uniformly from the fuel injection layer having a large number of fine pore diameters to the catalyst layer, a large number of gas-liquid solid composite interfaces were formed in the catalyst layer, and the reaction could proceed efficiently. In addition, by providing a hydrogen separation membrane, it was possible to quickly separate the generated hydrogen, which resulted in de-equilibrium in the hydrogenation direction, and as a result, the effect that the reaction proceeded efficiently even at low temperatures was obtained.
図32は固体高分子型燃料電池と実施例13の水素貯蔵・供給装置を一体化した発電システムの構成図、図33はその断面図、図34は上面図である。実施例13で作成した水素貯蔵・供給装置を燃料電池と一体化してより効率よく有機ハイドライドシステムを活用した例である。実施例13の水素貯蔵・供給装置は150〜200℃で駆動することができるので、一体化する燃料電池は固体高分子型燃料電池を用いることができる。 FIG. 32 is a configuration diagram of a power generation system in which the solid polymer fuel cell and the hydrogen storage / supply device of Example 13 are integrated, FIG. 33 is a sectional view thereof, and FIG. 34 is a top view. This is an example in which an organic hydride system is utilized more efficiently by integrating the hydrogen storage / supply device created in Example 13 with a fuel cell. Since the hydrogen storage / supply device of Example 13 can be driven at 150 to 200 ° C., a solid polymer fuel cell can be used as an integrated fuel cell.
固体高分子型燃料電池200上に実施例13で作成した水素貯蔵・供給装置300を直列に9個、並列に3個両サイドに装着した。燃料電池スタック201上下部に配置された水素貯蔵、供給システム202は水素貯蔵・供給装置300、筐体203、断熱材204、封止材205、水素流路206、燃料流路207、封止材中に内蔵されたヒータ用電流ケーブル208で構成される。燃料流路207は燃料供給及び廃液排出流路として使用できるようになっており、燃料である有機ハイドライドはこの燃料流路207を通過する間に燃料電池スタック201より発生する廃熱で予備加熱される。水素貯蔵・供給装置300及び燃料電池スタック201は断熱材204により覆われており、熱拡散を徹底して防止できるよう構成され、燃料電池廃熱利用効率を大幅に向上させている。
Nine hydrogen storage /
図35は燃料供給から生成した水素を燃料電池へ供給するフローチャートである。燃料は燃料タンクから予備加熱用燃料流路を経由して水素貯蔵・供給装置に送られる。そこで、生成した水素は水素流路207を通り、燃料電池スタック201内の燃料極へ送られる。一方、生成した芳香族化合物は燃料タンクへ送られる。
FIG. 35 is a flowchart for supplying the hydrogen generated from the fuel supply to the fuel cell. The fuel is sent from the fuel tank to the hydrogen storage / supply device via the preheating fuel passage. Therefore, the generated hydrogen passes through the
燃料タンクは燃料である有機ハイドライドと廃液である脱水素化した芳香族化合物の両者を貯蔵しなくてはならない。二つのタンクを使用するのが最も簡単であるが、容積が2倍となる。そこで、一つのタンクで燃料と廃液を両方貯蔵できるタンク400を作製した。
The fuel tank must store both organic hydride as fuel and dehydrogenated aromatic compound as waste liquid. It is easiest to use two tanks, but the volume is doubled. Therefore, a
図36は一体型燃料・廃液貯蔵タンクの構成図である。図に示すように、タンク内部は可動式の仕切り板401が設置されており、燃料と廃液をタンク内に上下に区分して貯蔵できるようになっている。下部が燃料用スペース402で上部が廃液用スペース403である。はじめに空のタンクに燃料を貯蔵するため下部の燃料流通口404より燃料が燃料用スペース402内に注入され、仕切り板401が上昇し、タンク内は燃料で満たされる。次に水素供給し発電を行う際には燃料用スペース402内の燃料流通口404よりポンプで吸引され燃料用スペース402から水素供給装置に燃料が供給される。脱水素反応後に生成した廃液は廃液流通口405を通りタンク上部の廃液用スペース403に貯蔵される。燃料が供給されれば仕切り板401は下降するため、上部には空間が生じ、廃液のタンク内への侵入が容易になる。さらに、有機ハイドライド燃料の密度と廃液である芳香族化合物の密度差はほとんどないので、容積の置換に問題が生じない。
FIG. 36 is a block diagram of an integrated fuel / waste liquid storage tank. As shown in the figure, a
水素供給を行い燃料がなくなり燃料タンクが廃液で満たされると、例えばタンクローリによる回収と燃料の供給を行う。タンクローリの燃料供給口と廃液流通口405に配管を接続し、回収と燃料供給を行う。回収と燃料供給の操作は、燃料供給をポンプで行えば、仕切り板401が上昇するので、廃液が自然にタンクローリの廃液タンクに注入されるようになっている。タンクローリのタンクもまた内部に可動式の仕切り板を有しており、燃料と廃液を区分して貯蔵している。燃料供給時に自然に廃液をスムーズに回収できるよう、家庭内のタンク同様に上部が廃液用スペースで下部が燃料用スペースになっている。
When hydrogen is supplied and the fuel is exhausted and the fuel tank is filled with the waste liquid, for example, recovery by a tank truck and supply of fuel are performed. A pipe is connected to the fuel supply port of the tank truck and the waste
以上のようなタンクを用いればタンクを効率よく利用でき、さらに廃液の回収と燃料の供給をスムーズに行うことができる。 If the tank as described above is used, the tank can be used efficiently, and the recovery of the waste liquid and the supply of fuel can be performed smoothly.
図32の発電システムで燃料に1−メチルデカヒドロナフタレンを用いて装置内に供給し発電を行った。その結果、1kWの発電を連続的に行うことができた。このように本発明の発電システムは、燃料電池の廃熱を有効に利用することができ、有機ハイドライドシステムを効率よく使用することができる。また、1kWの発電を連続的に行うことができることから、自動車や家庭用分散型発電機として使用できた。 In the power generation system of FIG. 32, 1-methyldecahydronaphthalene was used as the fuel to supply power into the apparatus to generate power. As a result, it was possible to continuously generate 1 kW of power. Thus, the power generation system of the present invention can effectively use the waste heat of the fuel cell, and can efficiently use the organic hydride system. In addition, since it can continuously generate 1 kW, it could be used as an automobile or a home-use distributed generator.
図37は固体高分子型燃料電池と水素貯蔵・供給装置を組み合わせたシステムの外観図、図38はそのシステムのフローチャートである。実施例17の水素貯蔵、供給システムを改良した例であり、固体高分子型燃料電池のスタック筐体602と実施例13で作成した水素貯蔵・供給装置601との間に熱交換器603を設けたシステムである。スタック筐体602と熱交換器603との間には断熱材が設けられている。
FIG. 37 is an external view of a system combining a polymer electrolyte fuel cell and a hydrogen storage / supply device, and FIG. 38 is a flowchart of the system. Hydrogen storage of Example 17, an example in which improved delivery system provided a
燃料である有機ハイドライドを加圧ポンプ605により熱交換器603へ流通させる。また、熱交換器603へは燃料電池スタック602より発生した水蒸気及び水素貯蔵・供給装置601より生成した高温の廃液を流通させる。その結果、水蒸気及び高温廃液の廃熱により燃料を予備加熱することができると同時に、燃料電池スタック602を冷却して電解質膜を熱によるダメージから保護することができる。予備加熱された燃料は水素貯蔵・供給装置601へ供給される。水素貯蔵・供給装置601を所望の温度にするために、燃料電池スタック602で発電した電力の一部を利用してヒータ加熱する。反応により生成した廃液は熱交換器603へ導入され、生成した水素は冷却器609を経由して、燃料電池スタック602へと供給される。一方、燃料電池スタック602へ供給する空気はブロアを経由し、さらに熱交換器603から排出される水蒸気を利用する加湿器を経由し、燃料電池スタック602へと供給される。
The organic hydride as a fuel is circulated by
図37の発電システムで燃料に1−メチルデカヒドロナフタレンを用いて装置内に供給し発電を行った。その結果、1kWの発電を連続的に行うことができた。このように本発明の発電システムは、燃料電池より発生する水蒸気及び水素貯蔵・供給装置より生成した高温の廃液の廃熱を有効に利用することができ、有機ハイドライドシステムを効率よく使用することができる。また、1kWの発電を連続的に行うことができることから、自動車や家庭用分散型発電機として使用できた。 In the power generation system of FIG. 37, 1-methyldecahydronaphthalene was used as a fuel to supply power into the apparatus to generate power. As a result, it was possible to continuously generate 1 kW of power. As described above, the power generation system of the present invention can effectively utilize the waste heat of the high-temperature waste liquid generated from the water vapor and hydrogen storage / supply device generated from the fuel cell, and can efficiently use the organic hydride system. it can. In addition, since it can continuously generate 1 kW, it could be used as an automobile or a home-use distributed generator.
図39は固体高分子型燃料電池と燃焼室基板を内蔵した水素貯蔵・供給装置を組み合わせた発電システムの外観図、図40はそのシステムのフローチャートである。実施例17の水素貯蔵、供給システムを改良した例であり、固体高分子型燃料電池のスタック筐体702と実施例15で作成した燃焼室基板711内蔵水素貯蔵・供給装置701との間に熱交換器703を設けたシステムである。尚、スタック筐体702と熱交換器703との間には断熱材が設けられている。
FIG. 39 is an external view of a power generation system in which a solid polymer fuel cell and a hydrogen storage / supply device incorporating a combustion chamber substrate are combined, and FIG. 40 is a flowchart of the system. This is an example in which the hydrogen storage and supply system of Example 17 is improved, and heat is generated between the
燃料である有機ハイドライドを加圧ポンプ705により熱交換器703へ流通させる。また、熱交換器703へは燃料電池スタック702より発生した水蒸気及び水素貯蔵・供給装置701より生成した高温の廃液を流通させる。その結果、水蒸気及び高温廃液の廃熱により燃料を予備加熱することができると同時に、燃料電池スタックを冷却して電解質膜を熱によるダメージから保護することができる。予備加熱された燃料は水素貯蔵・供給装置701へ供給される。水素貯蔵・供給装置701を所望の温度にするために、燃料電池スタック702で排出される残渣水素を残渣水素配管712を介して燃焼室基板711へ導入し、燃焼触媒により水素を燃焼させたときに発生する燃焼熱を利用するより加熱する。その際、燃焼室基板711への水素供給は、供給量をマスフローメーターにより制御して実施した。反応により生成した廃液は熱交換器703へ導入され、生成した水素は冷却器709を経由して、燃料電池スタック702へと供給される。一方、燃料電池スタック702へ供給する空気はブロアを経由し、さらに熱交換器703から排出される水蒸気を利用する加湿器を経由し、燃料電池スタック702へと供給される。
The organic hydride as a fuel is circulated by
図39の発電システムで燃料に1−メチルデカヒドロナフタレンを用いて装置内に供給し発電を行った。その結果、1kWの発電を連続的に行うことができた。このように本発明の発電システムは、燃料電池より発生する水蒸気及び水素貯蔵・供給装置より生成した高温の廃液の廃熱を有効に利用することができ、有機ハイドライドシステムを効率よく使用することができる。また、燃料電池より排出される残渣水素を有効に利用することができるため、水素利用効率を向上させることができる。また、1kWの発電を連続的に行うことができることから、自動車や家庭用分散型発電機として使用できた。 In the power generation system of FIG. 39, 1-methyldecahydronaphthalene was used as the fuel to supply power into the apparatus to generate power. As a result, it was possible to continuously generate 1 kW of power. As described above, the power generation system of the present invention can effectively utilize the waste heat of the high-temperature waste liquid generated from the water vapor and hydrogen storage / supply device generated from the fuel cell, and can efficiently use the organic hydride system. it can. Moreover, since the residual hydrogen discharged from the fuel cell can be used effectively, the hydrogen utilization efficiency can be improved. In addition, since it can continuously generate 1 kW, it could be used as an automobile or a home-use distributed generator.
1000…家屋、1001…太陽電池、1002…系統電力、1003…水電解装置、1004、1009…水素貯蔵・供給装置、1005…燃料電池、1006…インバータ、1007…電気機器、1008…自動車、1010…燃料電池システム、1、21、41、61、81、101、121、141、161、300、501、601、701…水素貯蔵・供給装置、2、22、42、62、82、102、122、142、162…高熱伝導基板、3、23、43、63、83、123、143、163…流路突起、4、24、44、64、104、124、144、164…触媒層、5、25、45、65、85、105、145、…媒体流路、6、26、46、66、86、146…スペーサ、27、47、67、107、127、147、167…水素分離膜、8、28、48、68、88、103、125、148、165…水素流路、108…上蓋、9、29、49、69、89、109、129、149、169…ガラス封止材、10、30、50、90…燃料供給口、11、31、51、91…燃料排出口、12、32、52、92…水素流通口、13…冷却器、80…銅箔付き多孔質ポリイミド、84…複合機能層、110…薄膜、111…金型、112…樹脂突起物、126、166…燃料注入層、128、168…燃料貯蔵層、131…貫通孔、150、170…燃焼室基板、151、171…燃焼触媒層、152、172…燃焼室溝、200…固体高分子型燃料電池、201…燃料電池スタック、202…水素貯蔵、供給システム、203…筐体、204…断熱材、205…封止材、206…水素流路、207…燃料流路、208…ヒータ用電流ケーブル、400…タンク、401…仕切り板、402…燃料用スペース、403…廃液用スペース、404…燃料流通口、405…廃液流通口、501…水素貯蔵・供給装置、502…パラジウム管、503…触媒層、504…燃料供給口、505…燃料排出口、506…気液分離器、507…燃料タンク、508…廃液タンク、509…ポンプ、601、701…水素貯蔵・供給装置、602、702…スタック筐体、603、703…熱交換器、604、704…タンク、605、705…ポンプ、607、707…燃料配管、608、708…廃液配管、609、709…冷却器、610、710…水素配管、711…燃焼室基板、712…残渣水素配管。
DESCRIPTION OF
Claims (28)
前記媒体が流通する面状の媒体流路と、
前記放出された水素と、水素を貯蔵した前記媒体及び水素を放出した前記媒体とを分離する面状の水素分離手段と、
前記放出された水素、水素を貯蔵した前記媒体及び水素を放出した前記媒体が各々流入又は流出する流通口とが一体に形成されており、
前記水素分離手段が、多孔質樹脂に形成された空孔内表面に触媒層が形成された複合機能層からなり、前記放出された水素を、気体状態で、水素を貯蔵した前記媒体及び水素を放出した前記媒体から分離するものであり、
前記複合機能層が前記媒体流路に接して設けられ、
前記媒体流路は、基板の一方の面に形成された平面構造で反応部と該反応部に前記媒体を注入する複数の注入部とを有し、
前記媒体流路、水素分離手段及び複合機能層が順次形成されている
ことを特徴とする水素貯蔵・供給装置。 In a hydrogen storage / supply device that releases or stores hydrogen using a medium that chemically repeats the storage and release of hydrogen,
A planar medium flow path through which the medium flows;
A planar hydrogen separation means for separating the released hydrogen from the medium storing hydrogen and the medium releasing hydrogen;
The released hydrogen, the medium storing hydrogen and the flow port through which the medium releasing hydrogen flows in or out are formed integrally,
The hydrogen separation means is composed of a composite functional layer in which a catalyst layer is formed on the inner surface of pores formed in a porous resin, and the released hydrogen is converted into a gaseous state with the medium storing hydrogen and the hydrogen. Separating from the discharged medium,
The composite functional layer is provided in contact with the medium flow path;
The medium flow path, have a plurality of injection unit for injecting the medium into the reaction section and the reaction section as a planar structure formed on one surface of the substrate,
The medium flow path, hydrogen storage and supply device according to claim Rukoto hydrogen separation unit and the composite functional layer are sequentially formed.
前記媒体が流通する面状の媒体流路と、
該流路に形成された触媒層と、
前記放出された水素と、水素を貯蔵した前記媒体及び水素を放出した前記媒体とを分離する面状の水素分離手段と、
前記放出された水素、水素を貯蔵した前記媒体及び水素を放出した前記媒体が各々流入又は流出する流通口とが一体に形成されており、
前記水素分離手段が、前記放出された水素を、気体状態で、水素を貯蔵した前記媒体及び水素を放出した前記媒体から分離する水素分離膜からなり、
該水素分離膜が前記触媒層に接して形成され、
前記媒体流路は、基板の一方の面に形成された平面構造で反応部と該反応部に前記媒体を注入する複数の注入部とを有し、
前記媒体流路、触媒層及び水素分離手段が順次形成されている
ことを特徴とする水素貯蔵・供給装置。 In a hydrogen storage / supply device that releases or stores hydrogen using a medium that chemically repeats the storage and release of hydrogen,
A planar medium flow path through which the medium flows;
A catalyst layer formed in the flow path;
A planar hydrogen separation means for separating the released hydrogen from the medium storing hydrogen and the medium releasing hydrogen;
The released hydrogen, the medium storing hydrogen and the flow port through which the medium releasing hydrogen flows in or out are formed integrally,
The hydrogen separation means comprises a hydrogen separation membrane that separates the released hydrogen in a gaseous state from the medium storing hydrogen and the medium releasing hydrogen;
The hydrogen separation membrane is formed in contact with the catalyst layer;
The medium flow path, have a plurality of injection unit for injecting the medium into the reaction section and the reaction section as a planar structure formed on one surface of the substrate,
The medium flow path, the catalyst layer and the hydrogen separation means hydrogen storage and supply device according to claim is Rukoto are sequentially formed.
前記媒体が流通する面状の媒体流路と、
該流路に形成された触媒層と、
前記放出された水素と、水素を貯蔵した前記媒体及び水素を放出した前記媒体とを各々分離する水素分離手段と、
前記放出された水素、水素を貯蔵した前記媒体及び水素を放出した前記媒体が各々流入又は流出する流通口とが一体に形成されており、
前記水素分離手段が、前記放出された水素、水素を貯蔵した前記媒体及び水素を放出した前記媒体を冷却する平板状の冷却器であり、該冷却器によって前記放出された水素を、気体状態で、水素を貯蔵した前記媒体及び水素を放出した前記媒体を液体として、前記媒体から分離するものであり、
前記冷却器が、前記媒体流路の面上に隣接して形成され、
前記媒体流路は、基板の一方の面に形成された平面構造で反応部と該反応部に前記媒体を注入する複数の注入部とを有し、
前記媒体流路、触媒層及び水素分離手段が順次形成されている
ことを特徴とする水素貯蔵・供給装置。 In a hydrogen storage / supply device that releases or stores hydrogen using a medium that chemically repeats the storage and release of hydrogen,
A planar medium flow path through which the medium flows;
A catalyst layer formed in the flow path;
A hydrogen separation means for separating the released hydrogen from the medium storing hydrogen and the medium releasing hydrogen;
The released hydrogen, the medium storing hydrogen and the flow port through which the medium releasing hydrogen flows in or out are formed integrally,
The hydrogen separation means is a flat plate cooler for cooling the released hydrogen, the medium storing hydrogen, and the medium releasing hydrogen, and the hydrogen released by the cooler is in a gaseous state. Separating the medium storing hydrogen and the medium releasing hydrogen from the medium as a liquid;
The cooler is formed adjacent to the surface of the medium flow path;
The medium flow path, have a plurality of injection unit for injecting the medium into the reaction section and the reaction section as a planar structure formed on one surface of the substrate,
The medium flow path, the catalyst layer and the hydrogen separation means hydrogen storage and supply device according to claim is Rukoto are sequentially formed.
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