WO2006120841A1 - 有機ハイドライド合成装置、有機ハイドライド合成システムおよび水素生成装置 - Google Patents

有機ハイドライド合成装置、有機ハイドライド合成システムおよび水素生成装置 Download PDF

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Yasunori Sugai
Katsumori Tanabe
Tadashi Sakuramoto
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Definitions

  • the present invention relates to an organic hydride synthesizer that synthesizes organic hydride by a hydrogenation reaction of an unsaturated hydrocarbon and hydrogen, a power generation device that generates electricity using natural energy, and water by electrolyzing water.
  • an organic hydride synthesis system comprising an electrolysis apparatus for producing an organic hydride and an organic hydride synthesis apparatus for synthesizing an organic hydride by a hydrogen addition reaction, and a hydrogen generator for producing hydrogen by a dehydrogenation reaction of the organic hydride
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-176696 (Claims, Abstract, etc.)
  • the present invention has been made in view of the above problems, and aims to enable storage and transportation of a large amount of energy and to store or supply energy according to fluctuations in natural energy. To do.
  • the present invention provides an unsaturated hydrocarbon and water in the presence of a catalyst.
  • An organic hydride synthesizer for synthesizing organic hydride by hydrogen addition reaction with element, a catalyst, a heating means for heating the catalyst, a hydrogen supply amount detection means for detecting the supply amount of hydrogen into the apparatus,
  • the organic hydride synthesizer is equipped with control means for controlling the supply amount of unsaturated hydrocarbons, the amount of product recycling, or the temperature of the catalyst according to the supply amount.
  • Another aspect of the present invention is a power generation device that generates electricity using natural energy, and hydrogen that is decomposed using water generated by the power generation device connected to the power generation device.
  • An organic hydride synthesis system comprising: an electrolyzer to produce; and an organic hydride synthesizer that is connected to the hydrogen production device and synthesizes organic hydride by hydrogenation reaction of an unsaturated hydrocarbon and hydrogen in the presence of a catalyst.
  • It is an organic hydride synthesis system equipped with control means to control the supply amount, product recycling amount or catalyst temperature.
  • the supply amount of unsaturated hydrocarbons, the amount of product recycling, or the temperature of the catalyst is adjusted in synchronization with the fluctuation.
  • an effective catalytic reaction can be performed, and the synthesis efficiency of organic hydride can be increased.
  • organic hydride is an easily transportable substance that stores hydrogen, even if the distance between the organic hydride synthesizer and the hydrogen supply destination is long, it can be transported using a tank truck or the like. Therefore, long pipelines and electric wires are not required, which is economically advantageous.
  • the amount of product recycled refers to the amount of unsaturated hydrocarbons recycled from hydrogen generators, or the amount of products containing organic hydrides in addition to unsaturated hydrocarbons.
  • Another aspect of the present invention is the organic hydride synthesis system including a battery between the power generation apparatus and the electrolysis apparatus in the previous invention. For this reason, electricity can be stored in response to fluctuations in natural energy, and a stable supply of electricity supplied to the electrolyzer can be achieved. Therefore, the amount of hydrogen supplied to the organic hydride synthesizer can also be controlled.
  • another invention of the present invention is an organic hydride synthesis system including a buffer tank capable of storing hydrogen between the electrolysis device and the organic hydride synthesis device in the previous invention. For this reason, fluctuations in hydrogen obtained by the electrolyzer can be reduced and the amount of hydrogen supplied to the organic hydride synthesizer can be controlled.
  • Another aspect of the present invention is a hydrogen generator for generating hydrogen by dehydrogenation of an organic hydride in the presence of a catalyst, the catalyst, a heating means for heating the catalyst, and the necessary hydrogen
  • a hydrogen generator equipped with hydrogen quantity information acquisition means for acquiring quantity information, and control means for controlling the amount of organic hydride supplied to the apparatus or the temperature of the catalyst based on the required hydrogen quantity information! / Speak.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an organic hydride synthesis system and a hydrogen generator according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing a configuration of the control device (device for controlling the hydrogenation reaction of unsaturated hydrocarbons) shown in FIG.
  • FIG. 3 is a diagram showing a configuration of the control device (device for controlling the dehydrogenation reaction of organic hydride) shown in FIG. 1.
  • FIG. 4 is a diagram partially showing a modification of the organic hydride synthesis system shown in FIG.
  • FIG. 5 shows the case where toluene is used as an unsaturated hydrocarbon and toluene is converted to methyl. It is a graph which shows the result of having investigated the catalyst temperature dependence of the conversion rate to a cyclohexane.
  • FIG. 6 is a graph showing the results of examining the relationship between the reaction rate constant of the hydrogen addition reaction to methylcyclohexane and the reaction pressure when toluene is used as the unsaturated hydrocarbon.
  • Wind power generator (a form of power generator)
  • Control device (including control means)
  • Control device including control means
  • unsaturated hydrocarbons are produced by dehydrogenation of saturated hydrocarbons.
  • hydrocarbon-based raw materials such as decalin, cyclohexane, and methylcyclohexane that can release hydrogen present in the outside are collectively referred to as saturated hydrocarbon or organic hydride, and are referred to as naphthalene, benzene, or toluene.
  • hydrocarbon-based raw materials that can store hydrogen by combining with hydrogen from outside are collectively referred to as unsaturated hydrocarbons.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an organic hydride synthesis system and a hydrogen generator according to an embodiment of the present invention.
  • the compounds existing inside or the main reactions occurring inside are depicted.
  • the reaction between naphthalene and decalin is illustrated as an example, representing many reactions.
  • the organic hydride synthesis system of the present invention includes a wind power generator (one form of power generator) 1 that generates power using wind power, which is an example of natural energy, and electricity from the wind power generator 1.
  • a wind power generator one form of power generator
  • Mainly from electrolyzer 2 that generates water by electrolyzing water using hydrogen and organic hydride synthesizer 3 that synthesizes organic hydride using hydrogenation reaction of hydrogen and unsaturated hydrocarbons It is configured.
  • the wind power generator 1 and the electrolyzer 2 are connected by electric wires.
  • the electrolyzer 2 and the organic hydride synthesizer 3 are connected by a hydrogen pipe 4 through which hydrogen flows.
  • the organic hydride synthesizer 3 also includes an unsaturated hydrocarbon storage tank 5 that stores unsaturated hydrocarbons, and is connected to the unsaturated hydrocarbon storage tank 5 by a pipe 6. ing. In the middle of the pipe 6, there is a valve 7 for adjusting the supply amount of unsaturated hydrocarbons. Further, the pipe 6 is branched into a plurality of parts and inserted into the inside from the outer wall of the organic hydride synthesizer 3.
  • a controller 8 that controls the reaction in the organic hydride synthesizer 3 is connected to the hydrogen pipe 4 in the middle.
  • the control device 8 is connected to the hydrogen pipe 4 in such a manner that a sensor 25 (described later) connected to the tip of the wiring 8a extending from the control device 8 is inserted into the hydrogen pipe 4.
  • the electrical wiring 8b and electrical wiring 8c extending from the control device 8 are electrically connected to a valve 7 and a heater 3a (see FIG. 2) for heating a catalyst disposed in the organic hydride synthesis device 3, respectively.
  • the valve 7 can be any electric device that can receive the electrical signal from the controller 8 and control the supply of unsaturated hydrocarbons. It may be a magnetic valve or an air valve attached with a device for supplying compressed air.
  • the organic hydride synthesizer 3 includes an organic hydride storage tank 9 into which an organic hydride synthesized by hydrogenation reaction of unsaturated hydrocarbon and hydrogen is placed. Are connected by pipe 10. A valve 11 is provided in the middle of the pipe 10.
  • the organic halide stored in the storage tank 9 for organic and idride is stored, for example, in a tank 12 located in a remote place.
  • Organic hydride storage tank 9 can be transported from tank 9 to tank 12 (thick solid line in the figure), for example, by a tank truck.
  • the hydrogen generator 13 includes an organic hydride storage tank 14 that stores organic hydride.
  • the hydrogen generator 13 is connected to the organic and idride storage tank 14 by a pipe 15.
  • a pipe 15 In the middle of the pipe 15, there is a nozzle 16 for adjusting the supply amount of organic hydride.
  • the pipe 15 is branched into a plurality of parts and is inserted from the outer wall of the hydrogen generator 13 into the inside.
  • a controller 17 that controls the reaction in the hydrogen generator 13 is connected to the hydrogen generator 13.
  • the control device 17 is connected to an external information transmission device (not shown) through a communication line 17 a extending from the control device 17.
  • the electric wiring 17b and the electric wiring 17c extending from the control device 17 are electrically connected to a heater 13a (see FIG. 3) for heating the catalyst disposed in the valve 16 and the hydrogen generating device 13, respectively.
  • the valve 16 may be an electromagnetic valve or an air vernore attached with a device for supplying compressed air as long as it can receive an electric signal from the control device 17 and control the supply amount of organic hydride. .
  • the hydrogen generator 13 includes a hydrogen supply pipe 18 for supplying hydrogen generated by the dehydration reaction of organic hydride to the outside. Furthermore, the hydrogen generator 13 is used to store unsaturated hydrocarbons produced by the dehydration reaction of organic hydrides.
  • a saturated hydrocarbon storage tank 19 is provided, and is connected to the unsaturated hydrocarbon storage tank 19 by a pipe 20.
  • a valve 21 is provided in the middle of the pipe 20. Unsaturated hydrocarbons stored in the unsaturated hydrocarbon storage tank 19 can be stored, for example, in the unsaturated hydrocarbon storage tank 5 at a remote location or returned to the tank 12. Unsaturated hydrocarbons can be transported from the unsaturated hydrocarbon storage tank 19 to the unsaturated hydrocarbon storage tank 5 or tank 12 (indicated by the bold line in the figure), for example, by a tank truck. .
  • FIG. 2 is a diagram showing a configuration of the control device 8.
  • the control device 8 includes a sensor (one form of hydrogen supply amount detection means) 25 that detects the supply amount of hydrogen from the electrolysis device 2.
  • the control device 8 includes an interface (IZF) 30 for receiving information on the hydrogen supply amount, a central processing unit (CPU) 31 connected to the IZF 30 via a bus, and a command from the CPU 31.
  • a valve control unit 32 that receives a command to send a signal to control the valve 7 and a heater control unit 33 to send a signal to control the temperature of the heater 3a in the organic hydride synthesizer 3 in response to a command from the CPU 31 as well.
  • a memory 34 that stores a control program for the CPU 31.
  • the CPU 31, the valve control unit 32, and the heater control unit 33 constitute control means for controlling the supply amount of unsaturated hydrocarbons, the product recycling amount, or the catalyst temperature in accordance with the supply amount of hydrogen.
  • the product recycling amount is the amount of unsaturated hydrocarbons recycled from the hydrogen generator 13 or the amount of products containing organic hydride in addition to unsaturated hydrocarbons.
  • the control device 8 may have a configuration in which, for example, the generator output from the wind power generator 1 or the information power of the generator rotation speed changes the amount of hydrogen generated in the electrolyzer 2.
  • the detection method of the sensor 25 is not particularly limited as long as it is a means capable of detecting the supply amount of hydrogen.
  • the information is sent to the CPU 31 via the IZF 30.
  • the CPU 31 Based on the control program stored in the memory 34, the CPU 31 adjusts the degree of opening and closing of the knob 7 so that a hydrogen addition reaction with an appropriate conversion rate according to the hydrogen supply amount is achieved. Control the supply of saturated hydrocarbons. For example, when the supply of hydrogen is large, the opening degree of the nozzle 7 is increased so that many unsaturated hydrocarbons No., supplied to the idride synthesizer 3.
  • the CPU 31 performs the catalyst heating heater 3a so as to perform a hydrogen addition reaction at an appropriate conversion rate corresponding to the amount of hydrogen supplied. It is also possible to adjust the current to flow through. The adjustment of the current flowing through the heater 3a and the adjustment of the opening / closing degree of the valve 7 can be switched by the user's selection. Regardless of the user's selection, both the adjustment of the current flowing to the heater 3a and the opening / closing degree of the valve 7 may be adjusted to control the conversion rate of the hydrogen addition reaction.
  • FIG. 3 is a diagram showing a configuration of the control device 17.
  • the control device 17 includes an interface (I ZF) 40 for receiving information on the required hydrogen amount, and a central processing unit (CPU) 41 connected to the IZF 40 via a bus.
  • the valve control unit 42 that receives a command from the CPU 41 and sends a signal to control the valve 16 and the heater that also receives a command from the CPU 41 and sends a signal to control the temperature of the catalyst heating heater 13a in the hydrogen generator 13
  • a control unit 43 and a memory 44 storing a control program for the CPU 41 are provided.
  • the IZF 40 and the CPU 41 constitute a hydrogen amount information acquisition unit that acquires information of a required hydrogen amount.
  • the CPU 41, the nozzle control unit 42 and the heater control unit 43 constitute a control means for controlling the supply amount of the organic hydride into the apparatus or the temperature of the catalyst based on the information on the required hydrogen amount. .
  • Information on the amount of hydrogen that also requires an external force is sent to the CPU 41 via the IZF 40.
  • the CPU 41 adjusts the degree of opening and closing of the valve 16 to adjust the opening and closing of the valve 16 so as to achieve a dehydrogenation reaction with an appropriate conversion rate according to the hydrogen supply amount. Control the amount of idide supplied. For example, when the required amount of hydrogen is large, the opening degree of the nozzle 16 is increased and a large amount of organic hydride is supplied into the hydrogen generator 13.
  • the CPU 41 performs the catalyst heating heater 13a so as to perform a dehydrogenation reaction with an appropriate conversion rate corresponding to the required amount of hydrogen. It is also possible to adjust the current to flow through.
  • the adjustment of the current flowing through the heater 13a and the adjustment of the opening / closing degree of the valve 16 can be switched by the user's selection. Regardless of the user's selection, the adjustment of the current flowing through the heater 13a and the opening / closing degree of the valve 16 can be adjusted. Both can be done to control the conversion of the dehydrogenation reaction.
  • FIG. 4 is a diagram partially showing a modification of the organic hydride synthesis system according to the above-described embodiment.
  • the organic hydride synthesis system shown in Fig. 4 includes a battery 50 and a buffer tank 51 between the wind power generator 1 and the electrolysis device 2 and between the electrolysis device 2 and the organic hydride synthesis device 3, respectively. I have.
  • the notch 50 By providing the notch 50, the amount of electricity supplied to the electrolyzer 2 can be controlled to some extent.
  • the provision of the noffer tank 51 makes it possible to control the amount of hydrogen supplied to the organic / idride synthesizer 3 to some extent.
  • At least one of the battery 50 and the buffer tank 51 can be arranged as necessary.
  • FIG. 5 is a graph showing the results of examining the catalyst temperature dependence of the conversion rate of toluene to methylcyclohexane when toluene is used as the unsaturated hydrocarbon.
  • the temperature of the catalyst in the organic hydride synthesizer 3 is preferably controlled in the range of 150 to 250 ° C. Further, the temperature of the catalyst in the hydrogen generator 13 is preferably controlled in the range of 280 to 400 ° C. Above 400 ° C, the catalyst is likely to coking, which is preferable.
  • FIG. 6 shows that when toluene is used as the unsaturated hydrocarbon, the toluene power is also methylated.
  • 3 is a graph showing the results of examining the relationship between the reaction rate constant of the hydrogen addition reaction to cyclohexane and the reaction pressure.
  • the catalyst used in this embodiment is a granular platinum catalyst, and its shape is a powder, cloth, atypical chip, cylinder, plate, honeycomb, amorphous solid film. Any one or a combination of shapes may be used.
  • the catalyst type may be any of nitrogen, ruthenium, iridium, rhenium, nickel, molybdenum, tungsten, -theme, vanadium, osmium, chromium, cobalt, iron, or any combination thereof. It may be a match.
  • the material supporting the catalyst may be any material such as activated carbon, alumina, or metal.
  • a power generator using other natural energy such as a solar power generator, a geothermal power generator, or a hydroelectric power generator may be employed as the power generator.
  • a heating means a burner may be adopted in place of the heaters 3a and 13a, and the amount of fuel from the fuel tank connected to the control devices 8 and 17 may be controlled. In the case where power is applied, the control devices 8 and 17 control the amount of fuel supplied to the burner, not the current flowing through the heaters 3a and 13a.
  • the hydrogen generator 13 obtains information on the required amount of hydrogen from the outside via communication, and even if the administrator inputs the information on the required amount of hydrogen by inputting it in the control device 17. good. Similarly, the organic / idride synthesizer 3 does not pass through the sensor 25. The administrator may acquire the hydrogen supply amount information by inputting the hydrogen supply amount information in the control device 8. Further, in the modified example shown in FIG. 4, the notch tank 51 may be provided between the insertion portion of the sensor 25 and the electrolyzer 2.
  • the present invention is applicable to industries that store or supply hydrogen using natural energy.

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Description

明 細 書
有機ハイドライド合成装置、有機ハイドライド合成システムおよび水素生成 装置
技術分野
[0001] 本発明は、不飽和炭化水素と水素との水素付加反応により有機ハイドライドを合成 する有機ハイドライド合成装置、自然ェネルギーを利用して電気を発生する発電装 置と水を電気分解して水素を製造する電気分解装置と水素付加反応により有機ハイ ドライドを合成する有機ハイドライド合成装置とを備えた有機ハイドライド合成システム 、および有機ハイドライドの脱水素反応により水素を生成する水素生成装置に関する
背景技術
[0002] 一般的に、自然エネルギーを利用した発電は天候に左右されがちである。例えば、 風力発電の場合には風の強弱によって発電量が左右され、太陽光発電の場合には 日照の強弱あるいは日照時間の長短によって発電量が左右される。このため、これら の自然エネルギーで得られた電力を安定的に利用するためには、ノ ッテリーなどの 電力貯蔵装置が必要になる (例えば、特許文献 1参照。 ) o
特許文献 1 :特開 2004— 176696号公報 (特許請求の範囲、要約書等)
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0003] し力し、上述の従来技術には、次のような問題がある。それは、大量のエネルギー を貯蔵したり、遠隔地にエネルギーを送る場合には、バッテリーを用いたエネルギー の貯蔵では限界があるということである。
[0004] 本発明は、上記問題にに鑑みてなされたものであり、大量のエネルギーの貯蔵、輸 送を可能とすると共に、自然エネルギーの変動に応じてエネルギーを保存あるいは 供給することを目的とする。
課題を解決するための手段
[0005] 上記目的を達成するために、本発明は、触媒存在下において不飽和炭化水素と水 素との水素付加反応により有機ハイドライドを合成する有機ハイドライド合成装置であ つて、触媒と、その触媒を加熱する加熱手段と、装置内部への水素の供給量を検出 する水素供給量検出手段と、その供給量に応じて、不飽和炭化水素の供給量、生成 物リサイクル量若しくは触媒の温度を制御する制御手段とを備える有機ハイドライド 合成装置としている。
[0006] また、別の本発明は、自然エネルギーを利用して電気を発生する発電装置と、当該 発電装置と接続されその発電装置でつくられた電気を利用して水を分解して水素を 製造する電気分解装置と、当該水素製造装置に接続され、触媒存在下において不 飽和炭化水素と水素との水素付加反応により有機ハイドライドを合成する有機ハイド ライド合成装置と、を備えた有機ハイドライド合成システムであって、触媒と、その触媒 を加熱する加熱手段と、有機ハイドライド合成装置の内部への水素の供給量を検出 する水素供給量検出手段と、その供給量に応じて、不飽和炭化水素の供給量、生成 物リサイクル量若しくは触媒の温度を制御する制御手段とを備える有機ハイドライド 合成システムとしている。
[0007] このような装置あるいはシステムを導入すると、自然エネルギーに由来する電力に 変動があっても、その変動に同期させて不飽和炭化水素の供給量、生成物リサイク ル量あるいは触媒の温度を制御することにより、効果的な触媒反応を行うことができ、 有機ハイドライドの合成効率を高めることができる。有機ハイドライドは水素を貯蔵す る輸送容易な物質であるため、有機ハイドライド合成装置と水素の供給先との距離が 離れていても、タンクローリ一等を利用して輸送可能である。したがって、長いパイプ ラインや電線を要せず、経済的にも有利である。ここで、生成物リサイクル量とは、水 素生成装置からリサイクルされる不飽和炭化水素、あるいは不飽和炭化水素の他に 有機ハイドライド等を含む生成物の量を ヽぅ。
[0008] また、別の本発明は、先の発明において、発電装置と電気分解装置との間にバッ テリを備える有機ハイドライド合成システムとしている。このため、自然エネルギーの 変動に対応して電気を貯蔵し、電気分解装置に供給する電気の安定供給を図ること ができる。したがって、有機ハイドライド合成装置に供給する水素の供給量もコント口 ールできる。 [0009] また、別の本発明は、先の発明において、電気分解装置と有機ハイドライド合成装 置との間に、水素を貯蔵可能なバッファタンクを備える有機ハイドライド合成システム としている。このため、電気分解装置で得られる水素の変動を軽減し、有機ハイドライ ド合成装置に供給する水素の供給量をコントロールできる。
[0010] また、別の本発明は、触媒存在下において有機ハイドライドの脱水素反応により水 素を生成する水素生成装置であって、触媒と、その触媒を加熱する加熱手段と、必 要な水素量の情報を取得する水素量情報取得手段と、必要な水素量の情報に基づ いて、装置内部への有機ハイドライドの供給量若しくは触媒の温度を制御する制御 手段とを備える水素生成装置として!/ヽる。
[0011] このため、必要とされる水素量に対応して、有機ハイドライドの供給量あるいは触媒 の温度を制御することにより、効果的な触媒反応を行うことができ、水素の生成効率 を高めることができる。有機ハイドライドは水素を貯蔵する輸送容易な物質であるため 、水素生成装置と有機ハイドライドの貯蔵元との距離が離れていても、タンクローリー 等を利用して輸送可能である。したがって、長いパイプラインや電線を要せず、経済 的にも有利である。
発明の効果
[0012] 本発明によれば、大量のエネルギーの貯蔵、輸送を可能とすると共に、自然エネル ギ一の変動に応じてエネルギーを保存あるいは供給することができる。
図面の簡単な説明
[0013] [図 1]図 1は、本発明の実施の形態に係る有機ハイドライド合成システムと水素生成装 置の構成を示す図である。
[図 2]図 2は、図 1に示す制御装置 (不飽和炭化水素の水素付加反応を制御するため の装置)の構成を示す図である。
[図 3]図 3は、図 1に示す制御装置 (有機ハイドライドの脱水素反応を制御するための 装置)の構成を示す図である。
[図 4]図 4は、図 1に示す有機ハイドライド合成システムの変形例を部分的に示す図で ある。
[図 5]図 5は、不飽和炭化水素にトルエンを用いた場合において、トルエンからメチル シクロへキサンへの転化率の触媒温度依存性を調べた結果を示すグラフである。
[図 6]図 6は、不飽和炭化水素としてトルエンを用いた場合において、トルエンカもメ チルシクロへキサンへの水素付加反応の反応速度定数と反応圧力の関係を調べた 結果を示すグラフである。
符号の説明
1 風力発電装置 (発電装置の一形態)
2 電気分解装置
3 有機ハイドライド合成装置
3aヒータ (加熱手段)
5 不飽和炭化水素用貯蔵タンク
7 バルブ
8 制御装置 (制御手段を含む)
9 有機ハイドライド用貯蔵タンク
13 水素生成装置
13aヒータ (加熱手段)
14 有機ハイドライド用貯蔵タンク
16 バルブ
17 制御装置 (制御手段を含む)
19 不飽和炭化水素用貯蔵タンク
25 センサ (水素供給量検出手段)
30 インターフェイス
31 中央演算処理装置 (制御手段の一部)
32 バルブ制御部(制御手段の一部)
33 ヒータ制御部(制御手段の一部)
34 メモリ
40 インターフェイス (水素量情報取得手段の一部)
41 中央演算処理装置 (制御手段の一部、水素量情報取得手段の一部)
42 バルブ制御部(制御手段の一部) 43 ヒータ制御部(制御手段の一部)
44 メモリ
50 バッテリ
51 ノ ッファタンク
発明を実施するための最良の形態
[0015] 以下、本発明に係る有機ハイドライド合成装置、有機ハイドライド合成システムおよ び水素生成装置の実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。なお、有機ハイ ドライド合成装置は、有機ハイドライド合成システムに含まれるため、有機ノ、イドライド 合成システムの実施の形態の説明にお 、て、有機ハイドライド合成装置の実施の形 態を説明する。
[0016] まず、本発明で採用している水素付加反応と脱水素反応について簡単に説明する
[0017] 次に示す 3種類の反応式は、不飽和炭化水素の水素付加反応を示す式である。こ れらの反応式に示すように、不飽和炭化水素への水素付カ卩によって、飽和炭化水素 が生成される。
[0018] C H + 5H→C H (ナフタレンの水素付加反応)
10 8 2 10 18
C H + 3H →C H (ベンゼンの水素付加反応)
6 6 2 6 12
C H + 3H→C H (トルエンの水素付加反応)
7 8 2 7 14
[0019] また、次に示す 3種類の反応式は、飽和炭化水素の脱水素反応を示す式である。
これらの反応式に示すように、飽和炭化水素の脱水素によって、不飽和炭化水素が 生成される。
[0020] C H →C H + 5H (デカリンの脱水素反応)
10 18 10 8 2
C H →C H + 3H (シクロへキサンの脱水素反応)
6 12 6 6 2
C H →C H + 3H (メチルシクロへキサンの脱水素反応)
7 14 7 8 2
[0021] このように、不飽和炭化水素のように、炭素同士の結合に二重結合あるいは三重結 合を含む炭化水素系の原料の水素付加反応を利用することによって、外部からの水 素を貯蔵することができる。一方、飽和炭化水素のように炭素同士が単結合した炭化 水素系の原料の脱水素反応を利用することによって、外部に水素を供給することが できる。以後、デカリン、シクロへキサンあるいはメチルシクロへキサンのように、それ 自体に存在する水素を外部に放出できる炭化水素系の原料を総称して飽和炭化水 素あるいは有機ハイドライドと称し、ナフタレン、ベンゼンあるいはトルエンのように、 外部からの水素と結合して水素を貯蔵できる炭化水素系の原料を総称して不飽和炭 化水素と称する。
[0022] 図 1は、本発明の実施の形態に係る有機ハイドライド合成システムと水素生成装置 の構成を示す図である。図 1における楕円形の点線で囲まれた領域には、内部に存 在する化合物あるいは内部で起きている主な反応が描かれている。図 1では、多くの 反応を代表して、ナフタレンとデカリンとの間の反応を例に描かれている。
[0023] 本発明の有機ハイドライド合成システムは、自然エネルギーの一例である風の力を 利用して発電を行う風力発電装置 (発電装置の一形態) 1と、当該風力発電装置 1か らの電気を利用して水の電気分解を行い水素を生成する電気分解装置 2と、水素と 不飽和炭化水素との水素付加反応を利用して有機ハイドライドを合成する有機ハイ ドライド合成装置 3とから、主に構成されている。風力発電装置 1と電気分解装置 2と は電線でつながつている。電気分解装置 2と有機ハイドライド合成装置 3とは、水素を 流す水素用配管 4で接続されている。
[0024] また、有機ハイドライド合成装置 3は、不飽和炭化水素を貯蔵して 、る不飽和炭化 水素用貯蔵タンク 5を備えており、不飽和炭化水素用貯蔵タンク 5とは配管 6によって 接続されている。配管 6の途中には不飽和炭化水素の供給量を調整するためのバル ブ 7が備えられている。また、配管 6は複数に分岐して有機ハイドライド合成装置 3の 外壁から内部へと挿入されて 、る。
[0025] さらに、水素用配管 4の途中には、有機ハイドライド合成装置 3内の反応を制御する 制御装置 8が接続されている。具体的には、制御装置 8は、当該制御装置 8から伸び る配線 8aの先に接続されるセンサ 25 (後述)を水素用配管 4の中に挿入する形式で 水素用配管 4と接続されている。また、制御装置 8から伸びる電気配線 8bおよび電気 配線 8cは、それぞれ、バルブ 7および有機ハイドライド合成装置 3内に配置される触 媒加熱用のヒータ 3a (図 2参照)に電気的に接続されている。バルブ 7は、制御装置 8 力 の電気信号を受信して不飽和炭化水素の供給量を制御できるものであれば電 磁バルブであっても、圧縮空気を供給する装置を附帯するエアーバルブであっても 良い。
[0026] 有機ハイドライド合成装置 3は、不飽和炭化水素と水素との水素付加反応によって 合成された有機ノ、イドライドを入れる有機ハイドライド用貯蔵タンク 9を備えており、有 機ハイドライド用貯蔵タンク 9とは配管 10によって接続されている。配管 10の途中に はバルブ 11が備えられている。有機ノ、イドライド用貯蔵タンク 9に貯蔵された有機ハ イドライドは、例えば遠隔地に配置されたタンク 12に蓄えられる。有機ハイドライド用 貯蔵タンク 9からタンク 12への有機ハイドライドの輸送は(図中の太実線の経路)、例 えば、タンクローリ一車等により可能である。
[0027] 次に、水素生成装置 13について説明する。
[0028] 水素生成装置 13は、有機ハイドライドを貯蔵している有機ハイドライド用貯蔵タンク 14を備えており、有機ノ、イドライド用貯蔵タンク 14とは配管 15によって接続されてい る。配管 15の途中には有機ハイドライドの供給量を調整するためのノ レブ 16が備え られている。また、配管 15は複数に分岐して水素生成装置 13の外壁から内部へと挿 入されている。タンク 12から水素生成装置 13までの経路(図中の太実線で示す経路 )が長い場合には、例えば、有機ハイドライドをタンクローリ一車等に入れて輸送する ことができる。
[0029] さらに、水素生成装置 13には、水素生成装置 13内の反応を制御する制御装置 17 が接続されている。具体的には、制御装置 17は、当該制御装置 17から伸びる通信 線 17aによって外部の情報発信装置 (不図示)と接続されている。また、制御装置 17 から伸びる電気配線 17bおよび電気配線 17cは、それぞれ、バルブ 16および水素生 成装置 13内に配置される触媒加熱用のヒータ 13a (図 3参照)に電気的に接続され ている。バルブ 16は、制御装置 17からの電気信号を受信して有機ハイドライドの供 給量を制御できるものであれば電磁バルブであっても、圧縮空気を供給する装置を 附帯するエアーバノレブであっても良い。
[0030] また、水素生成装置 13は、有機ハイドライドの脱水素反応によって生成した水素を 外部に供給するための水素供給用配管 18を備えている。さらに、水素生成装置 13 は、有機ハイドライドの脱水素反応によって生成された不飽和炭化水素を入れる不 飽和炭化水素用貯蔵タンク 19を備えており、不飽和炭化水素用貯蔵タンク 19とは配 管 20によって接続されている。配管 20の途中にはバルブ 21が備えられている。不飽 和炭化水素用貯蔵タンク 19に貯蔵された不飽和炭化水素は、例えば遠隔地にある 不飽和炭化水素用貯蔵タンク 5に蓄えたり、タンク 12に戻すこともできる。不飽和炭 化水素用貯蔵タンク 19から不飽和炭化水素用貯蔵タンク 5あるいはタンク 12への不 飽和炭化水素の輸送は(図中の太実線の経路)、例えば、タンクローリ一車等により 可能である。
[0031] 図 2は、制御装置 8の構成を示す図である。
[0032] 制御装置 8は、電気分解装置 2からの水素の供給量を検知するセンサ (水素供給 量検知手段の一形態) 25を備えている。また、制御装置 8は、その内部に、水素供給 量の情報を受信するインターフェイス (IZF) 30と、 IZF30とバスによって接続される 中央演算処理装置(Central Processing Unit: CPU) 31と、 CPU31からコマ ンドを受け取ってバルブ 7を制御する信号を送るバルブ制御部 32と、同じく CPU31 力もコマンドを受け取って有機ハイドライド合成装置 3内の触媒加熱用のヒータ 3aの 温度を制御する信号を送るヒータ制御部 33と、 CPU31の制御用プログラムを格納し たメモリ 34とを備えている。 CPU31、バルブ制御部 32およびヒータ制御部 33は、水 素の供給量に応じて、不飽和炭化水素の供給量、生成物リサイクル量若しくは触媒 の温度を制御する制御手段を構成している。生成物リサイクル量とは、水素生成装置 13からリサイクルされる不飽和炭化水素、あるいは不飽和炭化水素の他に有機ハイ ドライド等を含む生成物の量をいう。また、制御装置 8は、例えば風力発電装置 1から の発電機出力若しくは発電機回転数の情報力 電気分解装置 2の発生水素量を変 化させる構成を有するものでも良い。
[0033] センサ 25は、水素の供給量を検知可能な手段であれば、その検知方式は特に限 定されない。センサ 25によって水素の供給量が検知されると、その情報は IZF30を 介して CPU31に送られる。 CPU31は、メモリ 34に格納されている制御用プログラム に基づいて、水素の供給量に応じた適切な転ィ匕率の水素付加反応となるように、ノ ルブ 7の開閉度を調節して不飽和炭化水素の供給量を制御する。例えば、水素の供 給量が多い場合には、ノ レブ 7の開度を大きくして、多くの不飽和炭化水素を有機 ノ、イドライド合成装置 3内に供給する。
[0034] また、 CPU31は、メモリ 34に格納されている制御用プログラムに基づいて、水素の 供給量に応じた適切な転ィ匕率の水素付加反応となるように、触媒加熱用のヒータ 3a に流す電流等を調整することもできる。ヒータ 3aに流す電流の調整とバルブ 7の開閉 度の調節は、ユーザの選択によって切り替えることができる。また、ユーザの選択の 有無にかかわらず、ヒータ 3aに流す電流の調整とバルブ 7の開閉度の調節の両方を 行 、、水素付加反応の転化率を制御するようにしても良 、。
[0035] 図 3は、制御装置 17の構成を示す図である。
[0036] 制御装置 17は、その内部に、必要な水素量の情報を受信するインターフェイス (I ZF) 40と、 IZF40とバスによって接続される中央演算処理装置(Central Proces sing Unit: CPU) 41と、 CPU41からコマンドを受け取ってバルブ 16を制御する 信号を送るバルブ制御部 42と、同じく CPU41からコマンドを受け取って水素生成装 置 13内の触媒加熱用のヒータ 13aの温度を制御する信号を送るヒータ制御部 43と、 CPU41の制御用プログラムを格納したメモリ 44とを備えている。 IZF40および CPU 41は、必要な水素量の情報を取得する水素量情報取得手段を構成している。また、 CPU41、ノ レブ制御部 42およびヒータ制御部 43は、必要な水素量の情報に基づ いて、装置内部への有機ハイドライドの供給量若しくは触媒の温度を制御する制御 手段を構成している。
[0037] 外部力も必要とされる水素量の情報は、 IZF40を介して CPU41に送られる。 CP U41は、メモリ 44に格納されている制御用プログラムに基づいて、水素の供給量に 応じた適切な転ィ匕率の脱水素反応となるように、バルブ 16の開閉度を調節して有機 ノ、イドライドの供給量を制御する。例えば、必要な水素量が多い場合には、ノ レブ 1 6の開度を大きくして、多くの有機ハイドライドを水素生成装置 13内に供給する。
[0038] また、 CPU41は、メモリ 44に格納されている制御用プログラムに基づいて、必要な 水素量に応じた適切な転ィ匕率の脱水素反応となるように、触媒加熱用のヒータ 13a に流す電流等を調整することもできる。ヒータ 13aに流す電流の調整とバルブ 16の開 閉度の調節は、ユーザの選択によって切り替えることができる。また、ユーザの選択 の有無にかかわらず、ヒータ 13aに流す電流の調整とバルブ 16の開閉度の調節の 両方を行 ヽ、脱水素反応の転化率を制御するようにしても良 ヽ。
[0039] 図 4は、前述の実施の形態に係る有機ハイドライド合成システムの変形例を部分的 に示す図である。
[0040] 図 4に示す有機ハイドライド合成システムは、風力発電装置 1と電気分解装置 2との 間および電気分解装置 2と有機ハイドライド合成装置 3との間に、それぞれバッテリ 5 0およびバッファタンク 51を備えている。ノ ッテリ 50を備えることにより、電気分解装置 2に供給する電気量をある程度コントロールすることができる。また、ノ ッファタンク 51 を備えることにより、有機ノ、イドライド合成装置 3への水素供給量をある程度コントロー ルできる。これらバッテリ 50およびバッファタンク 51は、必要に応じて少なくともいず れか一方を配置することができる。
[0041] 図 5は、不飽和炭化水素としてトルエンを用いた場合にぉ 、て、トルエン力もメチル シクロへキサンへの転化率の触媒温度依存性を調べた結果を示すグラフである。
[0042] 図 5から明らかなように、触媒の温度が変化すると、トルエンからメチルシクロへキサ ンへの転化率が変動する。このことは、触媒の温度を制御することにより水素付加反 応を利用した水素の貯蔵量を制御できることを示す。図 5の結果から、触媒の温度が 約 250°Cになるまでは、転ィ匕率のゆるやかな上昇が見られる力 約 250°Cを超えると 転ィ匕率が下降することがわかる。触媒の温度を上げ過ぎると、メチルシクロへキサン 力 トルエンに変化する脱水素反応が優勢になってくると考えられる。
[0043] 不飽和炭化水素にトルエンを用いた場合には、有機ハイドライド合成装置 3内の触 媒の温度を 150〜250°Cの範囲で制御するのが好ましい。また、水素生成装置 13 内の触媒の温度については、 280〜400°Cの範囲で制御するのが好ましい。 400°C 以上になると、触媒のコ一キングが起きやすくなるので好ましくな 、。
[0044] なお、触媒の温度を一定にしてトルエンの供給量を変化させても、トルエンからメチ ルシクロへキサンへの転ィ匕率が変動する。このことは、トルエンの供給量を制御する ことにより水素付加反応を利用して水素の貯蔵量を制御できることを示す。また、脱 水素反応についても同様であり、触媒の温度あるいはメチルシクロへキサンの供給量 を変化させることにより、水素の生成量を制御することができる。
[0045] 図 6は、不飽和炭化水素としてトルエンを用いた場合にぉ 、て、トルエン力もメチル シクロへキサンへの水素付加反応の反応速度定数と反応圧力の関係を調べた結果 を示すグラフである。
[0046] 図 6から明らかなように、反応圧力が大きくなると、トルエンカもメチルシクロへキサン への水素付加反応の反応速度定数が大きくなる。このことは、反応圧力を制御するこ とにより水素付加反応を利用した水素の貯蔵量を制御できることを示す。水素量が過 剰になると、反応圧力が増加し、それによつて反応速度定数も上昇し、多くの水素を 付加してメチルシクロへキサンの生成量が増加する。一方、水素量が少ない場合に は、反応圧力が減少し、それによつて反応速度定数が小さくなり、メチルシクロへキサ ンの生成量が減少する。このように、本発明のシステムは、自然エネルギー由来で発 生する水素量が変動しても、その変動を十分に吸収できるシステムである。
[0047] この実施の形態で用いられる触媒は、粒状の白金触媒であるが、その形状を粉状、 布状、非定形のチップ状、筒状、板状、ハニカム状、非定形の固体膜状のいずれか 1 つあるいは複数の組み合わせとしても良い。また、触媒の種類は、ノ ラジウム、ルテ ユウム、イリジウム、レニウム、ニッケル、モリブデン、タングステン、 -テ-ゥム、バナジ ゥム、オスミウム、クロム、コバルトまたは鉄のいずれかあるいはこれらの任意の組み合 わせであっても良い。また、触媒を担持する材料は、活性炭、アルミナ、金属等のい ずれの材料でも良い。
[0048] 以上、本発明の実施の形態について説明した力 本発明は、上述の実施の形態に 限定されることなぐ種々変形実施可能である。
[0049] 例えば、発電装置として風力発電装置 1以外に、太陽光発電装置、地熱発電装置 、水力発電装置等の他の自然エネルギーを利用した発電装置を採用しても良い。ま た、加熱手段として、ヒータ 3a, 13aに替えてバーナーを採用して、制御装置 8, 17 に接続される燃料タンクからの燃料の量を制御するようにしても良い。力かる場合に は、制御装置 8, 17は、ヒータ 3a, 13aに流す電流ではなぐバーナーへの燃料の供 給量を制御することになる。
[0050] 水素生成装置 13は、必要な水素量の情報を外部から通信を介して取得する他、管 理者が制御装置 17において入力することによって、必要な水素量の情報を取得して も良い。また、同様に、有機ノ、イドライド合成装置 3は、センサ 25を通じてではなぐ 管理者が水素供給量の情報を制御装置 8において入力することによって水素供給量 の情報を取得しても良い。また、図 4に示す変形例において、ノ ッファタンク 51は、セ ンサ 25の挿入部分と電気分解装置 2との間に備えても良い。
産業上の利用可能性
本発明は、自然エネルギーを利用して水素を貯蔵あるいは供給する産業に利用可 能である。

Claims

請求の範囲
[1] 触媒存在下において不飽和炭化水素と水素との水素付加反応により有機ハイドラ イドを合成する有機ハイドライド合成装置であって、
触媒と、
その触媒を加熱する加熱手段と、
装置内部への水素の供給量を検出する水素供給量検出手段と、
その供給量に応じて、不飽和炭化水素の供給量、生成物リサイクル量若しくは触媒 の温度を制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする有機ハイドライド合成装置。
[2] 自然ェネルギーを利用して電気を発生する発電装置と、当該発電装置と接続され その発電装置でつくられた電気を利用して水を分解して水素を製造する電気分解装 置と、当該電気分解装置に接続され、触媒存在下において不飽和炭化水素と水素と の水素付加反応により有機ノ、イドライドを合成する有機ノ、イドライド合成装置と、を備 えた有機ハイドライド合成システムであって、
触媒と、
その触媒を加熱する加熱手段と、
上記有機ハイドライド合成装置の内部への水素の供給量を検出する水素供給量検 出手段と、
その供給量に応じて、不飽和炭化水素の供給量、生成物リサイクル量若しくは触媒 の温度を制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする有機ハイドライド合成システム。
[3] 前記発電装置と前記電気分解装置との間にバッテリを備えることを特徴とする請求 項 2に記載の有機ハイドライド合成システム。
[4] 前記電気分解装置と前記有機ハイドライド合成装置との間に、水素を貯蔵可能な ノ ッファタンクを備えることを特徴とする請求項 2または 3に記載の有機ハイドライド合 成システム。
[5] 触媒存在下において有機ハイドライドの脱水素反応により水素を生成する水素生 成装置であって、 触媒と、
その触媒を加熱する加熱手段と、
必要な水素量の情報を取得する水素量情報取得手段と、
必要な水素量の情報に基づレ、て、装置内部への有機ハイドライドの供給量若しく は触媒の温度を制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする水素生成装置。
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