JP5632050B1 - 脱水素システム - Google Patents

Abstract

【課題】 脱水素システムの提供【解決手段】 脱水素反応を促進させる触媒を設けた通路を有し、通路に供給された有機ハイドライドが水素と芳香族化合物に分離される脱水素反応器と、排出された水素を貯蔵する第１タンクと第２タンクと、第１タンクや第２タンクから供給された水素に基づいて電力を発生させる電力供給装置と、第１タンクと第２タンクにおける、水素が供給される入口や、水素が排出される出口の開閉制御を行う制御装置を備える。第１タンクは、脱水素反応が活性化するまでの間、電力供給装置で使用する水素を貯蔵するために使用され、第２タンクは、脱水素反応が活性化した後に電力供給装置で使用する水素や、脱水素システムを構成する装置以外の外部機器で使用する水素を貯蔵するために使用され、脱水素反応が活性化するまでの間は、通路を温めるヒーターが駆動され、電力供給装置は、有機ハイドライドの供給、ヒーターの駆動に使用される。【選択図】図２

Description

本発明は、有機ハイドライドから水素を分離して抽出する脱水素システムに関する。

従来、特許文献１のように、脱水素反応装置が提案されている。

特開２００７−２３８３４１号公報

しかし、脱水素反応を行わせるために電力など外部のエネルギーを必要としている。

したがって本発明の目的は、有機ハイドライド以外に、外部のエネルギーを用いずに脱水素反応を行わせることが可能な脱水素システムを提供することである。

本発明に係る脱水素システムは、有機ハイドライドを貯蔵する原料タンクと、有機ハイドライドと、有機ハイドライドから水素を分離させた芳香族化合物の少なくとも一方を燃料として貯蔵する燃料タンクと、外気取り込み装置と、原料タンクから供給された有機ハイドライドの脱水素反応を促進させる第１触媒を設けた第１通路と、第１通路と隣接し、燃料タンクから供給された燃料と外気取り込み装置から供給された空気の混合気の燃焼を促進させる第２触媒を設けた第２通路を有し、第２通路における燃焼による熱は第１通路に伝達され、第１通路に供給された有機ハイドライドが水素と芳香族化合物に分離される脱水素反応器と、第１通路から排出された水素を貯蔵する第１水素タンクと第２水素タンクと、第１水素タンクや第２水素タンクから供給された水素に基づいて電力を発生させる電力供給装置と、第１水素タンクと第２水素タンクにおける、第１通路からの水素が供給される入口や、電力供給装置へ水素が排出される出口の開閉制御を行う制御装置とを備えた脱水素システムであって、第１水素タンクは、脱水素システムを稼働させてから脱水素反応器における脱水素反応が活性化するまでの間、電力供給装置で使用する水素を貯蔵するために使用され、第２水素タンクは、第１水素タンクよりも大きい容量を有し、脱水素反応器における脱水素反応が活性化した後に電力供給装置で使用する水素や、脱水素システムを構成する装置以外の外部機器で使用する水素を貯蔵するために使用され、脱水素システムを稼働させてから脱水素反応器における脱水素反応が活性化するまでの間は、外気取り込み装置で取り込みされる外気を温める第１ヒーターと、第１通路を温める第２ヒーターの少なくとも一方が駆動され、電力供給装置は、原料タンクから第１通路への有機ハイドライドの供給、燃料タンクから第２通路への燃料の供給、第１ヒーターと第２ヒーターの少なくとも一方の駆動に使用される。

第１水素タンクに脱水素反応が活性化するまでに必要な電力供給のための水素が充填されていれば、外部からのエネルギー供給を受けずとも、脱水素反応器に供給する有機ハイドライドの脱水素反応を活性化させることが可能になる。

好ましくは、脱水素システムを稼働させてから脱水素反応器における脱水素反応が活性化するまでの間は、第１水素タンクの入口は閉状態にされ、第１水素タンクの出口は開状態にされ、第２水素タンクの入口は開状態にされ、第２水素タンクの出口は閉状態にされ、脱水素システムを稼働させてから脱水素反応器における脱水素反応が活性化した後であって、第１水素タンクに水素が十分に充填されるまでの間は、第１水素タンクの入口は開状態にされ、第１水素タンクの出口は閉状態にされ、第２水素タンクの入口は閉状態にされ、第２水素タンクの出口は開状態にされ、第１水素タンクに水素が十分に充填された後は、第１タンクの入口と出口は閉状態にされ、第２タンクの入口と出口は開状態にされる。

水素を充填させる期間を除けば、第１水素タンクに脱水素反応が活性化するまでに必要な電力供給のための水素が常に充填されているため、外部からのエネルギー供給を受けずとも、脱水素反応器に供給する有機ハイドライドの脱水素反応を行うことが可能になる。

また、脱水素システムの稼働中は、第１水素タンクと第２水素タンクの入口は、常に一方が開状態で他方が閉状態にされ、第１水素タンクと第２水素タンクの出口は、常に一方が開状態で他方が閉状態にされるので、水素が逆流するおそれが少ない。

さらに好ましくは、脱水素システムを稼働させてから脱水素反応器における脱水素反応が活性化した後であって、第１水素タンクに水素が十分に充填されるまでの間で、第２水素タンクの水素が所定値よりも少ない場合は、第１水素タンクの入口が閉状態にされ、第２水素タンクの入口が開状態にされる。

第１水素タンクに水素を充填させるための時間が長くなるが、この間も電力供給装置へ水素を安定的に供給することが可能になる。

また、好ましくは、脱水素システムを稼働させてから脱水素反応器における脱水素反応が活性化するまでの間は、単位時間あたりの脱水素反応器が排出する水素の量が、単位時間あたりの電力供給装置が消費する水素の量よりも少なく、脱水素システムを稼働させてから脱水素反応器における脱水素反応が活性化した後は、単位時間あたりの脱水素反応器が排出する水素の量が、単位時間あたりの電力供給装置が消費する水素の量よりも多い。

これらの差異分の水素を、第１水素タンクや第２水素タンクに貯蔵したり、第２水素タンクの水素排出口を介して、外部機器へ供給したりすることが可能になる。

また、好ましくは、脱水素反応器における脱水素反応が活性化したか否かの判断は、脱水素システムの稼働してからの経過時間、第１通路内若しくは第２ヒーターの温度、若しくは、第１水素タンクや第２水素タンクへ供給される気体の流量の少なくとも１つに基づく。

また、好ましくは、第１水素タンクに水素が十分に充填されたか否かの判断は、第１水素タンク内の圧力状態、若しくは、第１水素タンクの入口を通過して第１水素タンクに流入する水素の流量と第１水素タンクの出口を通過して第１水素タンクから排出される水素の流量の差異の少なくとも一方に基づく。

また、好ましくは、脱水素システムを稼働させてから脱水素反応器における脱水素反応が活性化するまでの間における、第１ヒーターと第２ヒーターの少なくとも一方の駆動に必要な電力は、脱水素システムを稼働させてから脱水素反応器における脱水素反応が活性化した後における、第１ヒーターと第２ヒーターの少なくとも一方の駆動に必要な電力よりも多い。

また、好ましくは、燃料タンクに貯蔵される燃料は、第１通路から排出される有機ハイドライドや芳香族化合物である。

本発明に係る脱水素システムは、有機ハイドライドを貯蔵する原料タンクと、原料タンクから供給された有機ハイドライドの脱水素反応を促進させる第１触媒を設けた第１通路を有し、第１通路に供給された有機ハイドライドが水素と芳香族化合物に分離される脱水素反応器と、第１通路から排出された水素を貯蔵する第１水素タンクと第２水素タンクと、第１水素タンクや第２水素タンクから供給された水素に基づいて電力を発生させる電力供給装置と、第１水素タンクと第２水素タンクにおける、第１通路からの水素が供給される入口や、電力供給装置へ水素が排出される出口の開閉制御を行う制御装置とを備えた脱水素システムであって、第１水素タンクは、脱水素システムを稼働させてから脱水素反応器における脱水素反応が活性化するまでの間、電力供給装置で使用する水素を貯蔵するために使用され、第２水素タンクは、脱水素反応器における脱水素反応が活性化した後に電力供給装置で使用する水素や、脱水素システムを構成する装置以外の外部機器で使用する水素を貯蔵するために使用され、脱水素システムを稼働させてから脱水素反応器における脱水素反応が活性化するまでの間は、第１通路を温めるヒーターが駆動され、電力供給装置は、原料タンクから第１通路への有機ハイドライドの供給、ヒーターの駆動に使用される。

本発明に係る脱水素システムは、有機ハイドライドを貯蔵する原料タンクと、有機ハイドライドと、有機ハイドライドから水素を分離させた芳香族化合物の少なくとも一方を燃料として貯蔵する燃料タンクと、外気取り込み装置と、原料タンクから供給された有機ハイドライドの脱水素反応を促進させる第１触媒を設けた第１通路と、第１通路と隣接し、燃料タンクから供給された燃料と外気取り込み装置から供給された空気の混合気の燃焼を促進させる第２触媒を設けた第２通路を有し、第２通路における燃焼による熱は第１通路に伝達され、第１通路に供給された有機ハイドライドが水素と芳香族化合物に分離される脱水素反応器と、第１通路から排出された水素を貯蔵する第３水素タンクと、第３水素タンクから供給された水素に基づいて電力を発生させる電力供給装置と、第３水素タンクにおける、第１通路からの水素が供給される入口や電力供給装置へ水素が排出される出口とは別の水素排出口の開閉制御を行う制御装置とを備えた脱水素システムであって、第３水素タンクは、電力供給装置で使用する水素や、脱水素システムを構成する装置以外の外部機器で使用する水素を貯蔵するために使用され、脱水素システムを稼働させてから脱水素反応器における脱水素反応が活性化するまでの間は、外気取り込み装置で取り込みされる外気を温める第１ヒーターと、第１通路を温める第２ヒーターの少なくとも一方が駆動され、電力供給装置は、原料タンクから第１通路への有機ハイドライドの供給、燃料タンクから第２通路への燃料の供給、第１ヒーターと第２ヒーターの少なくとも一方の駆動に使用され、制御装置は、脱水素システムを稼働させてから脱水素反応器における脱水素反応が活性化するまでの間、電力供給装置で使用する水素が、第３水素タンクに充填されているか否かを判断し、充填されていないと判断した場合には、水素排出口を閉状態にし、外部機器への水素供給を制限する。

以上のように本発明によれば、有機ハイドライド以外に、外部のエネルギーを用いずに脱水素反応を行わせることが可能な脱水素システムを提供することができる。

第１実施形態における脱水素システムを構成する部材を略直方体形状の枠内に収めた例を示す構成図である。 第１実施形態における脱水素システムの構成を示す模式図である。 第１実施形態における脱水素反応器の一部（第１通路、第２通路）の構成を示す断面図である。 第１実施形態における第１水素タンクや第２水素タンクの開閉制御手順を示すフローチャートである。 第２実施形態における脱水素システムの構成を示す模式図である。

以下、第１実施形態について、図を用いて説明する（図１〜図４参照）。第１実施形態における脱水素システム１は、原料タンク（ＭＣＨタンク）１１、原料ポンプ（ＭＣＨポンプ）１３、燃料タンク（ＴＯＬ／ＭＣＨタンク）１５、燃料ポンプ（ＴＯＬ／ＭＣＨポンプ）１７、外気取り込み装置１９、熱交換器２１、制御装置２９、脱水素反応器３０（第１通路３１ａ、第２通路３１ｂ、第１触媒（脱水素触媒）３３ａ、第２触媒（燃焼触媒）３３ｂ、第２ヒーター３５、温度センサ３６）、気液分離器４１、第１水素タンク４３ａ、第２水素タンク４３ｂ、電力供給装置５１を備える。

原料タンク１１は、メチルシクロヘキサンなどの有機ハイドライドを貯蔵するタンクで、原料タンク１１に貯蔵された有機ハイドライドは、原料ポンプ１３を介して、脱水素反応器３０の第１通路３１ａに供給され、脱水素反応で、トルエンなどの芳香族化合物と水素に分離される。

燃料タンク１５は、脱水素反応器３０の第１通路３１ａを通過する有機ハイドライドや、当該有機ハイドライドの脱水素反応を早める第１触媒３３ａを温めるために使用される燃料を貯蔵するタンクで、燃料タンク１５に貯蔵された燃料は、燃料ポンプ１７を介して、脱水素反応器３０の第２通路３１ｂに供給され、燃焼する。

燃料は、脱水素反応の対象物である有機ハイドライドや、トルエンなど脱水素反応後の芳香族化合物で、後述する気液分離器４１から供給される。

外気取り込み装置１９は、第１ヒーター１９ａやブロア１９ｂを有し、第１ヒーター１９ａで温めた空気をブロア１９ｂで取り込み、熱交換器２１に供給する。第１ヒーター１９ａとブロア１９ｂの配置は逆であってもよい（ブロア１９ｂで外気を取り込み、取り込んだ空気を第１ヒーター１９ａで温める形態）。

熱交換器２１は、第２通路３１ｂ内の燃焼後の排ガス（二酸化炭素や水蒸気）を取り込み、当該高温の排ガスを使って、外気取り込み装置１９から供給された空気を温め、温められた空気を第２通路３１ｂに供給する。このため、第２通路３１ｂには、燃料と空気の混合気が供給されることになる。

脱水素システム１の稼働開始直後は、脱水素反応器３０の第２通路３１ｂにおける燃料と空気の混合気の燃焼が十分に行われないため、出口３１ｂ２から排出される気体の温度が高くなっておらず、熱交換器２１による熱交換で外気取り込み装置１９からの空気を十分に温めることが出来ない。このため、第１ヒーター１９ａを稼働させて、ブロア１９ｂで取り入れる空気を温める必要がある。

脱水素反応器３０の第２通路３１ｂにおける燃料と空気の混合気の燃焼が十分に行われると、出口３１ｂ２から排出される気体の温度が高くなっているため、熱交換器２１による熱交換で外気取り込み装置１９からの空気を十分に温めることが出来る。この場合、第１ヒーター１９ａで、ブロア１９ｂで取り入れる空気を温める必要は無い。

排ガスは、外気取り込み装置１９からの空気との熱交換により冷やされた後、熱交換器２１から排出される。

制御装置２９は、ＣＰＵなど脱水素システム１の各部を制御する装置で、特に、脱水素システム１の稼働状態（脱水素反応の活性化状態）や、第１水素タンク４３ａにおける水素の充填状態に基づいて、第１水素タンク４３ａの入口４３ａ１と出口４３ａ２の開閉制御、及び第２水素タンク４３ｂの入口４３ｂ１と出口４３ｂ２の開閉制御を行う。

脱水素システム１の稼働状態（脱水素反応の活性化状態）、すなわち、脱水素反応器３０における脱水素反応が活性化したか否かの判断は、脱水素システム１の稼働してからの経過時間、第１通路３１ａ内若しくは第２ヒーター３５の温度、若しくは、気液分離器４１の気体排出口４１ａを通過する流量などに基づいて行われる。

第１水素タンク４３ａにおける水素の充填状態、すなわち、第１水素タンク４３ａに水素が十分に充填されたか否かの判断は、第１水素タンク４３ａ内の圧力状態、若しくは、入口４３ａ１を通過して第１水素タンク４３ａに流入する水素の流量と出口４３ａ２を通過して第１水素タンク４３ａから排出される水素の流量の差異などに基づいて行われる。第１実施形態では、第１水素タンク４３ａに圧力センサ４５を設け、圧力センサ４５を使って、第１水素タンク４３ａ内の圧力状態を検出し、これに基づいて第１水素タンク４３ａにおける水素の充填状態を判断する例を示す。

脱水素反応器３０は、略筒形状で三重管構造を有し、第１通路３１ａ、第２通路３１ｂ、第１触媒（脱水素触媒）３３ａ、第２触媒（燃焼触媒）３３ｂ、第２ヒーター３５、温度センサ３６を有する。

第１通路３１ａは、脱水素反応対象の有機ハイドライドが、下端の入口３１ａ１から外壁に沿って上方に流れ、上端部の出口３１ａ２から排出される通路で、通路内には脱水素反応を促進させる白金などの第１触媒（脱水素触媒）３３ａが設けられ、外壁面には、第１通路３１ａ内の有機ハイドライドや第１触媒３３ａを温める第２ヒーター３５が設けられる。

第１通路３１ａの内部を有機ハイドライドが通過する際に、第１触媒３３ａによって脱水素反応が促進され、有機ハイドライドから水素が分離し、上端部の出口３１ａ２からは、脱水素反応で得られた水素と芳香族化合物、及び脱水素反応せずに残った有機ハイドライドが排出され、これらが気液分離器４１に供給される。

第２通路３１ｂは、燃焼対象の燃料と空気の混合気が、下端の入口３１ｂ１から第１通路３１ａよりも内側で上方に流れ、上部で折り返して更に内側で下方に流れ下端部の出口３１ｂ２から排出される通路で、通路内には燃料が燃焼するのを促進させる白金などの第２触媒（燃焼触媒）３３ｂが設けられる。

第２通路３１ｂの内部で燃料と空気の混合気が燃焼することにより、外周に設けられた第１通路３１ａや第１通路３１ａの内部の第１触媒３３ａや有機ハイドライドが温められる。図３の太線矢印は、熱の伝達方向を示す。熱の伝達効率を高めるため、第１通路３１ａと第２通路３１ｂの境界は、金属など熱伝導率が高い材料で構成されるのが望ましい。

第１触媒３３ａは、ひだ状、格子状、ハニカム形状、フィン形状などで、第１通路３１ａ内に担持され、第２触媒３３ｂは、ひだ状、格子状、ハニカム形状、フィン形状などで、第２通路３１ｂ内に担持される。

第２ヒーター３５は、第１通路３１ａの外周面を温めるために使用される。温度センサ３６は、第１通路３１ａの内部若しくは第２ヒーター３５の温度に関する情報を検出する。当該温度情報は、制御装置２９に送信され、第１水素タンク４３ａと第２水素タンク４３ｂの開閉制御に使用される。

気液分離器４１は、脱水素反応器３０の第１通路３１ａから排出された気体（水素）と液体（芳香族化合物や有機ハイドライド）とを分離し、気体（水素）は、気体排出口４１ａから、第１水素タンク４３ａや第２水素タンク４３ｂに排出され、液体（芳香族化合物や有機ハイドライド）は、液体排出口４１ｂから、燃料として、燃料タンク１５に排出される。

気液分離器４１の前段（脱水素反応器３０と連通する管）や後段（第１水素タンク４３ａや第２水素タンク４３ｂと連通する管、燃料タンク１５と連通する管）に、電力供給装置５１で駆動するチラーを設けて、脱水素反応器３０から排出される液体や気体を冷却する形態であってもよい。

第１水素タンク４３ａ、第２水素タンク４３ｂは、気液分離器４１で分離された水素を貯蔵するタンクである。

第１水素タンク４３ａは、脱水素システム１を稼働させてから脱水素反応器３０における脱水素反応が活性化するまでの第１期間Ｔ１の間、脱水素システム１を構成する電気機器（原料ポンプ１３、燃料ポンプ１７、外気取り込み装置１９の第１ヒーター１９ａやブロア１９ｂ、制御装置２９、第２ヒーター３５、温度センサ３６、気液分離器４１）に電力を供給する電力供給装置（水素発電機若しくは燃料電池）５１で使用する水素を貯蔵するために使用される。

第２水素タンク４３ｂは、脱水素反応器３０における脱水素反応が活性化した後（第２期間Ｔ２、第３期間Ｔ３の間）に電力供給装置５１で使用する水素や、脱水素システム１を構成する装置以外の外部機器で使用する水素を貯蔵するために使用される。

第１水素タンク４３ａは、脱水素システム１を稼働させてから第１通路３１ａ内若しくは第２ヒーター３５の温度が、脱水素反応が活性化する所定値（例えば、２００度）になるまでに、脱水素システム１を構成する電気機器を駆動するために必要な電力（第１期間Ｔ１の間、これらの電気機器を駆動するために必要な電力）を、電力供給装置５１で発生させるために必要な水素を、貯蔵する容量を有する。

具体的には、脱水素システム１を稼働させてから第１通路３１ａ内若しくは第２ヒーター３５の温度が、脱水素反応が活性化する所定値になるまでの所要時間（３０分〜１時間）である第１期間Ｔ１の長さを算出し、当該所要時間の間、脱水素システム１を構成する電気機器を駆動するために必要な電力を算出し、当該電力を電力供給装置５１で発生させるために必要な水素の量を算出し、少なくとも当該水素の量を貯蔵出来るだけの容量を第１水素タンク４３ａの容量とする。

第１水素タンク４３ａは、気液分離器４１の気体排出口４１ａと連通する入口４３ａ１と、電力供給装置５１の水素供給口に連通する出口４３ａ２を有する。

第２水素タンク４３ｂは、気液分離器４１の気体排出口４１ａと連通する入口４３ｂ１と、電力供給装置５１の水素供給口に連通する出口４３ｂ２と、外部機器の水素供給口に連通する水素排出口４３ｂ３を有する。第２水素タンク４３ｂは、外部機器への水素供給のために使用されるので、第１水素タンク４３ａよりも大きい容量を有するのが望ましい。

第１水素タンク４３ａの入口４３ａ１と出口４３ａ２の開閉制御、及び第２水素タンク４３ｂの入口４３ｂ１と出口４３ｂ２の開閉制御は、脱水素システム１の稼働状態（脱水素反応の活性化状態）や、第１水素タンク４３ａにおける水素の充填状態に基づいて行われる。第２水素タンク４３ｂの水素排出口４３ｂ３の開閉制御は、外部機器への水素供給需要に応じて任意に行われる。

電力供給装置５１は、水素発電機や燃料電池など、第１水素タンク４３ａや第２水素タンク４３ｂから供給された水素に基づいて電力を外部機器に供給する装置であり、特に、脱水素システム１を構成する電気機器（原料ポンプ１３、燃料ポンプ１７、外気取り込み装置１９の第１ヒーター１９ａやブロア１９ｂ、制御装置２９、第２ヒーター３５、温度センサ３６、気液分離器４１）に電力を供給する。

第１水素タンク４３ａや第２水素タンク４３ｂの入口や出口の開閉制御手順について、図４のフローチャートを用いて説明する。

予め、原料タンク１１には、原料となる有機ハイドライドが貯蔵され、第１水素タンク４３ａには、第１期間Ｔ１の間、電力供給装置５１を駆動するのに使用される水素が充填されている。燃料タンク１５にも、燃料となる有機ハイドライドや芳香族化合物が予め貯蔵されているのが望ましいが、稼働中に気液分離器４１を介して燃料タンク１５に有機ハイドライドや芳香族化合物が供給されるので、予めこれらが貯蔵されていない状態であってもよい。

脱水素システム１を稼働させる。具体的には、制御装置２９が、原料ポンプ１３などを駆動し、原料ポンプ１３を使って原料タンク１１内の原料（有機ハイドライド）を第１通路３１ａに供給し、燃料ポンプ１７を使って燃料タンク１５内の燃料（有機ハイドライドや芳香族化合物）を第２通路３１ｂに供給し、外気取り込み装置１９を使って外気を熱交換器２１の通過後に第２通路３１ｂに供給し、第２ヒーター３５や気液分離器４１を作動させる。

脱水素システム１を稼働させてから、脱水素反応が活性化するまでの第１期間Ｔ１の間は、制御装置２９は、第１水素タンク４３ａの入口４３ａ１を閉状態にし、出口４３ａ２を開状態にし、第２水素タンク４３ｂの入口４３ｂ１を開状態にし、出口４３ｂ２を閉状態にする（図４のステップＳ１１参照）。

従って、第１期間Ｔ１の間は、第１水素タンク４３ａに貯蔵された水素が、電力供給装置５１に供給され、電力供給装置５１は、第１水素タンク４３ａから供給された水素を使って発電し、電力を原料ポンプ１３などに供給する。

第１期間Ｔ１の間は、第１触媒３３ａの温度が低く、脱水素反応が活性化されていないため、原料タンク１１から供給された有機ハイドライドの殆どは、脱水素反応をせず、水素と芳香族化合物に分離しない。このため、第２水素タンク４３ｂには、殆ど水素が加えられることはないが、予め第１水素タンク４３ａに貯蔵しておいた水素で、第１期間Ｔ１の間の電力供給をまかなうことが出来る。

脱水素システム１が稼働してから第１期間Ｔ１が経過したか否か、温度センサ３６からの情報で第１通路３１ａ内若しくは第２ヒーター３５の温度が、脱水素反応が活性化する所定値になったか否か、気液分離器４１の気体排出口４１ａを通過する単位時間当たりの水素流量が閾値を越えたか否かなどに基づいて、制御装置２９は、脱水素反応が活性化したか否かを判断する。（図４のステップＳ１２参照）。

脱水素反応が活性化したと判断した場合には、第１水素タンク４３ａに水素を充填するまでの間（第２期間Ｔ２）は、第１水素タンク４３ａの入口４３ａ１は開状態にされ、第１水素タンク４３ａの出口４３ａ２は閉状態にされ、第２水素タンク４３ｂの入口４３ｂ１は閉状態にされ、第２水素タンク４３ｂの出口４３ｂ２は開状態にされる（図４のステップＳ１３参照）。

従って、第２期間Ｔ２の間は、第２水素タンク４３ｂに貯蔵された水素が、電力供給装置５１に供給され、電力供給装置５１は、第２水素タンク４３ｂから供給された水素を使って発電し、電力を原料ポンプ１３などに供給する。また、第２期間Ｔ２の間に、第１水素タンク４３ａに水素が充填される。

脱水素システム１が稼働してから第１期間Ｔ１の経過後で、既に脱水素反応が活性化しており、脱水素反応の反応熱や第２通路３１ｂの燃焼熱などで脱水素反応器３０の高温状態は維持出来るので、第１ヒーター１９ａや第２ヒーター３５の出力は第１期間Ｔ１の時に比べて低く出来、単位時間あたりの電力消費量は、第２期間Ｔ２の方が第１期間Ｔ１よりも少ない。

第１水素タンク４３ａが第２水素タンク４３ｂよりも容量が小さいこと、既に脱水素反応が活性化していて、気液分離器４１の気体排出口４１ａを通過する単位時間当たりの水素流量が、原料ポンプ１３等への電力供給のために電力供給装置５１で必要な水素の単位時間あたりの量よりも多いことを考えると、第１水素タンク４３ａへの水素充填に必要な第２期間Ｔ２は比較的短時間で済むが、第１期間Ｔ１経過直後における第２水素タンク４３ｂの水素充填度合いや水素排出口４３ｂ３の開閉状態によっては、この間に、第２水素タンク４３ｂの水素が電力供給装置５１に供給する量を下回ることも起こりえる。

このため、第２期間Ｔ２の間に、第２水素タンク４３ｂの圧力状態などから第２水素タンク４３ｂの水素充填状態を判断し、水素充填度合いが足りない（第２水素タンク４３ｂの水素の量が所定値よりも少ない）と判断した場合には、一時的に第１水素タンク４３ａの入口４３ａ１を閉状態にし、第２水素タンク４３ｂの入口４３ｂ１を開状態にして、第２水素タンク４３ｂに水素を充填させてもよい。第２期間Ｔ２（第１水素タンク４３ａに水素を充填させるための時間）が長くなるが、この間も電力供給装置５１へ水素を安定的に供給することが可能になる。

第１水素タンク４３ａの圧力状態などから、制御装置２９は、第１水素タンク４３ａへの水素の充填が十分に行われたか否かを判断する（図４のステップＳ１４参照）。

第１水素タンク４３ａへの水素充填が十分であると判断した場合には、脱水素システム１の稼働を終了させるまでの間（第３期間Ｔ３）は、第１水素タンク４３ａの入口４３ａ１と出口４３ａ２は閉状態にされ、第２水素タンク４３ｂの入口４３ｂ１と出口４３ｂ２は開状態にされる（図４のステップＳ１５参照）。

従って、第３期間Ｔ３の間は、第２水素タンク４３ｂに貯蔵された水素や第２水素タンク４３ｂに供給された水素が、電力供給装置５１に供給され、電力供給装置５１は、第２水素タンク４３ｂから供給された水素を使って発電し、電力を原料ポンプ１３などに供給する。

脱水素システム１が稼働してから第１期間Ｔ１と第２期間Ｔ２の経過後で、既に脱水素反応が活性化しており、脱水素反応の反応熱や第２通路３１ｂの燃焼熱などで脱水素反応器３０の高温状態は維持出来るので、第１ヒーター１９ａや第２ヒーター３５の出力は第１期間Ｔ１の時に比べて低く出来、単位時間あたりの電力消費量は、第３期間Ｔ３の方が第１期間Ｔ１よりも少ない。

また、脱水素反応が活性化していて、気液分離器４１の気体排出口４１ａを通過する単位時間当たりの水素流量が、原料ポンプ１３等への電力供給のために電力供給装置５１で必要な水素の単位時間あたりの量よりも多いので、第３期間Ｔ３の間、第２水素タンク４３ｂへの水素充填や第２水素タンク４３ｂを介した電力供給装置５１への水素供給を行うことが出来る。

第１実施形態では、第１水素タンク４３ａに脱水素反応が活性化するまでに必要な電力供給のための水素が充填されていれば、外部からのエネルギー供給を受けずとも、脱水素反応器３０に供給する有機ハイドライドの脱水素反応を活性化させることが可能になる。

そして、脱水素システム１を稼働させて第１期間Ｔ１が経過してから、さらに第２期間Ｔ２が経過するまでの間（水素を充填させる期間）を除けば、第１水素タンク４３ａに脱水素反応が活性化するまでに必要な電力供給のための水素が常に充填されているため、外部からのエネルギー供給を受けずとも、脱水素反応器３０に供給する有機ハイドライドの脱水素反応を行うことが可能になる。

原料タンク１１で原料となる有機ハイドライドの供給を受けること以外に外部からのエネルギー供給を受けずに、脱水素反応で水素を得ることが出来るため、水素排出口４３ｂ３と外部機器とを連通させるホース以外は、図１のような略直方体形状の枠内に、脱水素システム１を構成する部材を収めることが出来る。

また、脱水素システム１を稼働させてから脱水素反応器３０における脱水素反応が活性化するまでの間（第１期間Ｔ１の間）は、単位時間あたりの脱水素反応器３０が排出する水素の量が、単位時間あたりの電力供給装置５１が消費する水素の量よりも少なく、脱水素システム１を稼働させてから脱水素反応器３０における脱水素反応が活性化した後（第１期間Ｔ１経過後）は、単位時間あたりの脱水素反応器３０が排出する水素の量が、単位時間あたりの電力供給装置５１が消費する水素の量よりも多くなるように、脱水素反応器３０や電力供給装置５１の仕様を決定すれば、これらの差異分の水素を、第１水素タンク４３ａや第２水素タンク４３ｂに貯蔵したり、第２水素タンク４３ｂの水素排出口４３ｂ３を介して、外部機器へ供給したりすることが可能になる。

例えば、脱水素反応で得られる水素が３Ｎｍ^３／ｈの脱水素反応器３０と、４２０ｇ（４．７０４Ｎｍ^３）の水素で７ｋＷｈの発電が可能な水素燃料電池を電力供給装置５１として用い、脱水素システム１を構成する電気機器の消費電力が、脱水素反応の活性化までは７ｋＷｈで、活性化後は２ｋＷｈであった場合には、第１水素タンク４３ａは、約５Ｎｍ^３の水素が貯蔵出来る容量があれば良い。

脱水素反応の活性化前後での消費電力の差異の殆どは、第１ヒーター１９ａと第２ヒーター３５の運転状態の差異によるものである。

当該電力供給装置５１で２ｋＷｈの電力を供給するためには、１．３４４Ｎｍ^３／ｈの水素が必要となる。

脱水素反応の活性化までは、脱水素反応器３０で得られる水素の量（３Ｎｍ^３／ｈ）が、電力供給装置５１で消費する水素の量（４．７０４Ｎｍ^３／ｈ）よりも少ないが、活性化後は、脱水素反応器３０で得られる水素の量が、電力供給装置５１で消費する水素の量（１．３４４Ｎｍ^３／ｈ）よりも多いので、差異の約２．６Ｎｍ^３／ｈの水素を、第１水素タンク４３ａや第２水素タンク４３ｂに貯蔵したり、第２水素タンク４３ｂの水素排出口４３ｂ３を介して、外部機器へ供給したりすることが可能になる。

また、脱水素システム１の稼働中は、第１水素タンク４３ａと第２水素タンク４３ｂの入口は、常に一方が開状態で他方が閉状態にされ、第１水素タンク４３ａと第２水素タンク４３ｂの出口は、常に一方が開状態で他方が閉状態にされるので、水素が逆流するおそれが少ない。

第２水素タンク４３ｂにも水素が十分に充填された場合には、脱水素反応を終了させる。具体的には、原料ポンプ１３を制御して第１通路３１ａへの有機ハイドライドの供給を制限する、燃料ポンプ１７やブロア１９ｂを制御して第２通路３１ｂへの混合気の供給を制限する、第１ヒーター１９ａや第２ヒーター３５の駆動を止めるなどが考えられる。また、脱水素反応器３０に、電力供給装置５１で駆動するチラーを設けて、冷却によって、脱水素反応を制限する形態であってもよい。

第１実施形態では、２つの水素タンク（第１水素タンク４３ａ、第２水素タンク４３ｂ）を用い、それぞれの水素の入口や出口の開閉制御を行う形態を説明したが、１つの水素タンク（第３水素タンク４３ｃ）で、水素の入口や出口は開放し、外部機器と連通する水素排出口の開閉制御を行う形態であってもよい（第２実施形態、図５参照）。

第２実施形態では、脱水素システム１は、第１水素タンク４３ａと第２水素タンク４３ｂに代えて、第３水素タンク４３ｃを備え、第３水素タンク４３ｃは、入口４３ｃ１、出口４３ｃ２、水素排出口４３ｃ３を有する。その他の構成は、第１実施形態と同じである。

入口４３ｃ１は、気液分離器４１の気体排出口４１ａと連通し、脱水素システム１の稼働中は開状態で閉制御は行わない。出口４３ｃ２は、電力供給装置５１の水素供給口と連通し、脱水素システム１の稼働中は開状態で閉制御は行わない。ただし、入口４３ｃ１や出口４３ｃ２には、逆流防止弁が設けられるのが望ましい。

水素排出口４３ｃ３は、外部機器の水素供給口に連通し、水素排出口４３ｃ３の開閉制御は、外部機器への水素供給需要に応じて任意に行われるが、更に第３水素タンク４３ｃの内部に貯蔵される水素の充填状態に応じた開閉制御も行われる。

第３水素タンク４３ｃにおける水素の充填状態は、第３水素タンク４３ｃ内の圧力状態、若しくは、入口４３ｃ１を通過して第３水素タンク４３ｃに流入する水素の流量と出口４３ｃ２や水素排出口４３ｃ３を通過して第３水素タンク４３ｃから排出される水素の流量の差異などに基づいて算出される。第２実施形態では、第３水素タンク４３ｃに圧力センサ４５を設け、圧力センサ４５を使って、第３水素タンク４３ｃ内の圧力状態を検出し、圧力状態に基づいて第３水素タンク４３ｃにおける水素の充填状態を判断する例を示す。

制御装置２９は、算出結果（水素の充填状態）に基づいて、脱水素システム１を稼働させてから第１通路３１ａ内若しくは第２ヒーター３５の温度が、脱水素反応が活性化する所定値（例えば、２００度）になるまでに、脱水素システム１を構成する電気機器を駆動するために必要な電力（第１期間Ｔ１の間、これらの電気機器を駆動するために必要な電力）を、電力供給装置５１で発生させるために必要な水素が、第３水素タンク４３ｃに充填されているか否かを判断し、充填されていないと判断した場合には、水素排出口４３ｃ３を閉状態にし、外部機器への水素供給を制限する。

第２実施形態では、第３水素タンク４３ｃに脱水素反応が活性化するまでに必要な電力供給のための水素が常に充填されているため、外部からのエネルギー供給を受けずとも、原料タンク１１に充填する有機ハイドライドの脱水素反応を行うことが可能になる。

第１実施形態、第２実施形態では、脱水素反応器３０における第１通路３１ａ（第１触媒３３ａや脱水素反応対象の有機ハイドライド）を温める手段として、燃料と空気の混合器の燃焼を隣接する第２通路３１ｂで行わせる形態を説明したが、第２ヒーター３５など他の手段で第１通路３１ａを温める形態であってもよい。

１ 脱水素システム
１１ 原料タンク（ＭＣＨタンク）
１３ 原料ポンプ（ＭＣＨポンプ）
１５ 燃料タンク（ＴＯＬ／ＭＣＨタンク）
１７ 燃料ポンプ（ＴＯＬ／ＭＣＨポンプ）
１９ 外気取り込み装置
１９ａ 第１ヒーター
１９ｂ ブロア
２１ 熱交換器
２９ 制御装置
３０ 脱水素反応器
３１ａ 第１通路
３１ａ１ 第１通路の入口
３１ａ２ 第２通路の出口
３１ｂ 第２通路
３１ｂ１ 第２通路の入口
３１ｂ２ 第２通路の出口
３３ａ 第１触媒（脱水素触媒）
３３ｂ 第２触媒（燃焼触媒）
３５ 第２ヒーター
３６ 温度センサ
４１ 気液分離器
４１ａ 気体排出口
４１ｂ 液体排出口
４３ａ 第１水素タンク
４３ａ１ 第１水素タンクの入口
４３ａ２ 第１水素タンクの出口
４３ｂ 第２水素タンク
４３ｂ１ 第２水素タンクの入口
４３ｂ２ 第２水素タンクの出口
４３ｂ３ 水素排出口
４３ｃ 第３水素タンク
４３ｃ１ 第３水素タンクの入口
４３ｃ２ 第３水素タンクの出口
４３ｃ３ 第３水素タンクの水素排出口
５１ 電力供給装置

Claims (10)

1. 有機ハイドライドを貯蔵する原料タンクと、
   有機ハイドライドと、前記有機ハイドライドから水素を分離させた芳香族化合物の少なくとも一方を燃料として貯蔵する燃料タンクと、
   外気取り込み装置と、
   前記原料タンクから供給された有機ハイドライドの脱水素反応を促進させる第１触媒を設けた第１通路と、前記第１通路と隣接し、前記燃料タンクから供給された前記燃料と前記外気取り込み装置から供給された空気の混合気の燃焼を促進させる第２触媒を設けた第２通路を有し、前記第２通路における燃焼による熱は前記第１通路に伝達され、前記第１通路に供給された有機ハイドライドが水素と芳香族化合物に分離される脱水素反応器と、
   前記第１通路から排出された水素を貯蔵する第１水素タンクと第２水素タンクと、
   前記第１水素タンクや前記第２水素タンクから供給された水素に基づいて電力を発生させる電力供給装置と、
   前記第１水素タンクと前記第２水素タンクにおける、前記第１通路からの水素が供給される入口や、前記電力供給装置へ水素が排出される出口の開閉制御を行う制御装置とを備えた脱水素システムであって、
   前記第１水素タンクは、前記脱水素システムを稼働させてから前記脱水素反応器における脱水素反応が活性化するまでの間、前記電力供給装置で使用する水素を貯蔵するために使用され、
   前記第２水素タンクは、前記第１水素タンクよりも大きい容量を有し、前記脱水素反応器における脱水素反応が活性化した後に前記電力供給装置で使用する水素や、前記脱水素システムを構成する装置以外の外部機器で使用する水素を貯蔵するために使用され、
   前記脱水素システムを稼働させてから前記脱水素反応器における脱水素反応が活性化するまでの間は、前記外気取り込み装置で取り込みされる外気を温める第１ヒーターと、前記第１通路を温める第２ヒーターの少なくとも一方が駆動され、
   前記電力供給装置は、前記原料タンクから前記第１通路への有機ハイドライドの供給、前記燃料タンクから前記第２通路への燃料の供給、前記第１ヒーターと前記第２ヒーターの少なくとも一方の駆動に使用されることを特徴とする脱水素システム。
2. 前記脱水素システムを稼働させてから前記脱水素反応器における脱水素反応が活性化するまでの間は、前記第１水素タンクの入口は閉状態にされ、前記第１水素タンクの出口は開状態にされ、前記第２水素タンクの入口は開状態にされ、前記第２水素タンクの出口は閉状態にされ、
   前記脱水素システムを稼働させてから前記脱水素反応器における脱水素反応が活性化した後であって、前記第１水素タンクに水素が十分に充填されるまでの間は、前記第１水素タンクの入口は開状態にされ、前記第１水素タンクの出口は閉状態にされ、前記第２水素タンクの入口は閉状態にされ、前記第２水素タンクの出口は開状態にされ、
   前記第１水素タンクに水素が十分に充填された後は、前記第１タンクの入口と出口は閉状態にされ、前記第２タンクの入口と出口は開状態にされることを特徴とする請求項１に記載の脱水素システム。
3. 前記脱水素システムを稼働させてから前記脱水素反応器における脱水素反応が活性化した後であって、前記第１水素タンクに水素が十分に充填されるまでの間で、前記第２水素タンクの水素が所定値よりも少ない場合は、前記第１水素タンクの入口が閉状態にされ、前記第２水素タンクの入口が開状態にされることを特徴とする請求項２に記載の脱水素システム。
4. 前記脱水素システムを稼働させてから前記脱水素反応器における脱水素反応が活性化するまでの間は、単位時間あたりの前記脱水素反応器が排出する水素の量が、単位時間あたりの前記電力供給装置が消費する水素の量よりも少なく、
   前記脱水素システムを稼働させてから前記脱水素反応器における脱水素反応が活性化した後は、単位時間あたりの前記脱水素反応器が排出する水素の量が、単位時間あたりの前記電力供給装置が消費する水素の量よりも多いことを特徴とする請求項１に記載の脱水素システム。
5. 前記脱水素反応器における脱水素反応が活性化したか否かの判断は、前記脱水素システムの稼働してからの経過時間、前記第１通路内若しくは前記第２ヒーターの温度、若しくは、前記第１水素タンクや前記第２水素タンクへ供給される気体の流量の少なくとも１つに基づくことを特徴とする請求項１に記載の脱水素システム。
6. 前記第１水素タンクに水素が十分に充填されたか否かの判断は、前記第１水素タンク内の圧力状態、若しくは、前記第１水素タンクの入口を通過して前記第１水素タンクに流入する水素の流量と前記第１水素タンクの出口を通過して前記第１水素タンクから排出される水素の流量の差異の少なくとも一方に基づくことを特徴とする請求項１に記載の脱水素システム。
7. 前記脱水素システムを稼働させてから前記脱水素反応器における脱水素反応が活性化するまでの間における、前記第１ヒーターと前記第２ヒーターの少なくとも一方の駆動に必要な電力は、前記脱水素システムを稼働させてから前記脱水素反応器における脱水素反応が活性化した後における、前記第１ヒーターと前記第２ヒーターの少なくとも一方の駆動に必要な電力よりも多いことを特徴とする請求項１に記載の脱水素システム。
8. 前記燃料タンクに貯蔵される燃料は、前記第１通路から排出される有機ハイドライドや芳香族化合物であることを特徴とする請求項１に記載の脱水素システム。
9. 有機ハイドライドを貯蔵する原料タンクと、
   前記原料タンクから供給された有機ハイドライドの脱水素反応を促進させる第１触媒を設けた第１通路を有し、前記第１通路に供給された有機ハイドライドが水素と芳香族化合物に分離される脱水素反応器と、
   前記第１通路から排出された水素を貯蔵する第１水素タンクと第２水素タンクと、
   前記第１水素タンクや前記第２水素タンクから供給された水素に基づいて電力を発生させる電力供給装置と、
   前記第１水素タンクと前記第２水素タンクにおける、前記第１通路からの水素が供給される入口や、前記電力供給装置へ水素が排出される出口の開閉制御を行う制御装置とを備えた脱水素システムであって、
   前記第１水素タンクは、前記脱水素システムを稼働させてから前記脱水素反応器における脱水素反応が活性化するまでの間、前記電力供給装置で使用する水素を貯蔵するために使用され、
   前記第２水素タンクは、前記脱水素反応器における脱水素反応が活性化した後に前記電力供給装置で使用する水素や、前記脱水素システムを構成する装置以外の外部機器で使用する水素を貯蔵するために使用され、
   前記脱水素システムを稼働させてから前記脱水素反応器における脱水素反応が活性化するまでの間は、前記第１通路を温めるヒーターが駆動され、
   前記電力供給装置は、前記原料タンクから前記第１通路への有機ハイドライドの供給、前記ヒーターの駆動に使用されることを特徴とする脱水素システム。
10. 有機ハイドライドを貯蔵する原料タンクと、
    有機ハイドライドと、前記有機ハイドライドから水素を分離させた芳香族化合物の少なくとも一方を燃料として貯蔵する燃料タンクと、
    外気取り込み装置と、
    前記原料タンクから供給された有機ハイドライドの脱水素反応を促進させる第１触媒を設けた第１通路と、前記第１通路と隣接し、前記燃料タンクから供給された前記燃料と前記外気取り込み装置から供給された空気の混合気の燃焼を促進させる第２触媒を設けた第２通路を有し、前記第２通路における燃焼による熱は前記第１通路に伝達され、前記第１通路に供給された有機ハイドライドが水素と芳香族化合物に分離される脱水素反応器と、
    前記第１通路から排出された水素を貯蔵する第３水素タンクと、
    前記第３水素タンクから供給された水素に基づいて電力を発生させる電力供給装置と、
    前記第３水素タンクにおける、前記第１通路からの水素が供給される入口や前記電力供給装置へ水素が排出される出口とは別の水素排出口の開閉制御を行う制御装置とを備えた脱水素システムであって、
    前記第３水素タンクは、前記電力供給装置で使用する水素や、前記脱水素システムを構成する装置以外の外部機器で使用する水素を貯蔵するために使用され、
    前記脱水素システムを稼働させてから前記脱水素反応器における脱水素反応が活性化するまでの間は、前記外気取り込み装置で取り込みされる外気を温める第１ヒーターと、前記第１通路を温める第２ヒーターの少なくとも一方が駆動され、
    前記電力供給装置は、前記原料タンクから前記第１通路への有機ハイドライドの供給、前記燃料タンクから前記第２通路への燃料の供給、前記第１ヒーターと前記第２ヒーターの少なくとも一方の駆動に使用され、
    前記制御装置は、前記脱水素システムを稼働させてから前記脱水素反応器における脱水素反応が活性化するまでの間、前記電力供給装置で使用する水素が、前記第３水素タンクに充填されているか否かを判断し、充填されていないと判断した場合には、前記水素排出口を閉状態にし、前記外部機器への水素供給を制限することを特徴とする脱水素システム。

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