WO2020095467A1 - 水素ガス製造装置 - Google Patents

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Abstract

水素ガス製造装置１は、液体アンモニアを加熱してアンモニアガスを生成する気化器５と、燃料ガスを燃焼させることによって気化器５で生成されたアンモニアガスを加熱して窒素ガスと水素ガスとに分解する主熱分解器６と、主熱分解器６で分解生成された窒素ガス及び水素ガスを含む分解生成ガスを冷却する冷却器７と、冷却された分解生成ガスから水素ガスを分離する分離器８と、を備える。

Description

水素ガス製造装置
　本発明は、水素ガス製造装置に関する。
　近年、地球温暖化防止などの環境保全の観点から、再生可能な燃料である水素を用いて発電する燃料電池が着目されている。特許文献１には、燃料電池の燃料となる水素ガスの製造方法として、液体アンモニアと金属水素化物とを反応させて水素ガスを生成する方法が開示されている。
特開２０１０－２６５１３８号公報
　しかし、上記従来の水素ガスの製造方法にあっては、高価な金属水素化物を用いる必要があるため、水素ガスを安価に製造することができないという問題がある。
　本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、水素ガスを安価に製造することができる水素ガス製造装置を提供することを目的とする。
　本発明の水素ガス製造装置は、液体アンモニアを加熱してアンモニアガスを生成する気化器と、燃料ガスを燃焼させることによって、前記気化器で生成されたアンモニアガスを加熱して窒素ガスと水素ガスとに分解する主熱分解器と、前記主熱分解器で分解生成された窒素ガス及び水素ガスを含む第１分解生成ガスを冷却する冷却器と、冷却された前記第１分解生成ガスから水素ガスを分離する分離器と、を備える。
　この水素ガス製造装置によれば、気化器により液体アンモニアを加熱してアンモニアガスを生成し、主熱分解器において燃料ガスを燃焼させることによってアンモニアガスを加熱して窒素ガスと水素ガスとに分解する。そして、分解生成された窒素ガス及び水素ガスを含む第１分解生成ガスを冷却器で冷却した後、分離器によって第１分解生成ガスから水素ガスを分離する。これにより、液体アンモニアから水素ガスを製造することができるので、従来の金属水素化物を用いる場合に比べて、水素ガスを安価に製造することができる。
　前記水素ガス製造装置は、前記気化器で生成されたアンモニアガスの一部を加熱して窒素ガスと水素ガスとに分解する副熱分解器と、前記副熱分解器で分解生成された窒素ガス及び水素ガスを含む第２分解生成ガスと、前記気化器で生成されたアンモニアガスの他の一部とを混合して前記燃料ガスを生成する混合器と、をさらに備え、前記主熱分解器は、前記燃焼ガスを空気と共に燃焼させることによって、前記気化器で生成されたアンモニアガスの残りを加熱するのが好ましい。
　この場合、水素ガスを製造するためのアンモニアガスの一部を、主熱分解器で燃焼させる燃料ガスとして利用することができるため、燃料ガスを別途用意する必要がない。
　前記冷却器は、前記液体アンモニアと前記第１分解生成ガスとの間で熱交換することによって、当該第１分解生成ガスを冷却するのが好ましい。
　この場合、水素ガスを製造するための液体アンモニアを、冷却器で第１分解生成ガスを冷却する冷却媒体として利用することができるため、冷却媒体を別途用意する必要がない。
　前記気化器は、前記冷却器で熱交換された前記液体アンモニアを加熱してアンモニアガスを生成するのが好ましい。
　この場合、冷却器において第１分解生成ガスの熱によって液体アンモニアを予備加熱することができるため、気化器において液体アンモニアからアンモニアガスを効率的に生成することができる。
　本発明の水素ガス製造装置によれば、水素ガスを安価に製造することができる。
本発明の一実施形態に係る水素ガス製造装置の構成を示す模式図である。
　以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
　図１は、本発明の一実施形態に係る水素ガス製造装置の構成を示す模式図である。図１において、本実施形態の水素ガス製造装置１は、例えば、水素ガスと酸素ガスとを化学反応させて発電する車載の燃料電池システム（図示省略）に備えられており、燃料である前記水素ガスを製造するものである。
　水素ガス製造装置１は、複数のタンク２，３，４を備えている。タンク２及び３は、液体アンモニアを貯留しており、一端が切換弁２１に接続された第１流路Ｌ１及び第２流路Ｌ２の他端にそれぞれ接続されている。切換弁２１には、第３流路Ｌ３がさらに接続されており、第３流路Ｌ３を第１流路Ｌ１に接続する第１切換位置と、第３流路Ｌ３を第２流路Ｌ２に接続する第２切換位置との間で切り換わるようになっている。例えば、切換弁２１は、タンク２内の液体アンモニアが残り僅かとなったときに、第１切換位置から第２切換位置に切り換わり、タンク３内の液体アンモニアが残り僅かとなったときに、第２切換位置から第１切換位置に切り換わるようになっている。
　タンク４は、例えば近隣で火災等が生じた場合に、危険温度（例えば４０℃）まで上昇したタンク２，３内の液体アンモニアを冷却するための冷却液を貯留している。冷却液としては例えば希塩酸水が用いられる。
　タンク４には噴霧ノズル２２が接続されており、この噴霧ノズル２２は、後述する空気供給源１１から供給される加圧空気によって、冷却液をタンク２，３に向けて噴霧するようになっている。
　水素ガス製造装置１は、気化器５、副熱分解器９、及び混合器１０をさらに備えている。
　気化器５は、タンク２，３から供給された液体アンモニアを加熱してアンモニアガスを生成するものである。気化器５は、内管５１と、内管５１の外周に設けられたヒータ５２と、ヒータ５２の温度を検出する温度検出センサ５３とを備えている。
　内管５１の一端は、液体アンモニアを内部に導入する導入口５１ａとされ、内管５１の他端は、内管５１の内部において液体アンモニアから生成されたアンモニアガスを外部に排出する排出口５１ｂとされている。
　導入口５１ａには、第４流路Ｌ４の一端が接続されている。第４流路Ｌ４の他端は、後述する冷却器７を介して第３流路Ｌ３の端部に接続されている。これにより、タンク２，３内の液体アンモニアは、第３流路Ｌ３、冷却器７、及び第４流路Ｌ４を介して気化器５の内管５１に導入される。なお、第４流路Ｌ４の途中には、気化器５への液体アンモニアの導入量を調整する調整弁２４が設けられている。
　ヒータ５２は、通電により発熱するニクロム線等の電熱線からなり、内管５１の外周に沿って螺旋状に巻き付けられている。これにより、ヒータ５２は、内管５１内に導入された液体アンモニアを加熱する。なお、ヒータ５２は、電熱線以外に、熱光線、プラズマ熱、熱風、赤外線、電磁波等のその他の熱源を利用してもよい。
　温度検出センサ５３は、例えば熱電対素線からなり、ヒータ５２の一部に巻き付けて取り付けられている。この温度検出センサ５３によりヒータ５２の温度を測定することで、ヒータ５２への通電が制御されるようになっている。本実施形態では、ヒータ５２の温度が１００℃前後となるようにヒータ５２への通電が制御される。なお、ヒータ５２への通電は、燃料電池システムの稼働初期では図示しない車載バッテリを利用し、燃料電池システムの稼働初期以降では燃料電池システムの発電電力を利用する。
　気化器５の内管５１の排出口５１ｂには第５流路Ｌ５が接続されており、第５流路Ｌ５の途中から分岐する第６流路Ｌ６の端部には副熱分解器９が接続されている。これにより、気化器５から排出されたアンモニアガスの一部は、第５流路Ｌ５の途中から第６流路Ｌ６を介して副熱分解器９の内管９１に導入される。
　副熱分解器９は、気化器５で生成されたアンモニアガスの一部を加熱して、下記式（１）に示すように、窒素ガス（Ｎ２）と水素ガス（Ｈ２）とに吸熱分解反応するものである。
　２ＮＨ３→Ｎ２＋３Ｈ２　　・・・（１）
　副熱分解器９は、内管９１と、内管９１の外周に設けられたヒータ９２と、ヒータ９２の温度を検出する温度検出センサ９３とを備えている。内管９１の一端は、アンモニアガスを内部に導入する導入口９１ａとされ、内管９１の他端は、アンモニアガスから分解生成された窒素ガス及び水素ガスを含む分解生成ガス（第２分解生成ガス）を外部に排出する排出口９１ｂとされている。
　ヒータ９２は、気化器５のヒータ５２と同様に、通電により発熱するニクロム線等の電熱線からなり、内管９１の外周に沿って螺旋状に巻き付けられている。これにより、ヒータ９２は、内管９１内に導入されたアンモニアガスを加熱する。なお、ヒータ９２は、電熱線以外に、熱光線、プラズマ熱、熱風、赤外線、電磁波等のその他の熱源を利用してもよい。
　温度検出センサ９３は、気化器５の温度検出センサ５３と同様に、例えば熱電対素線からなり、ヒータ９２の一部に巻き付けて取り付けられている。この温度検出センサ９３によりヒータ９２の温度を測定することで、ヒータ９２への通電が制御されるようになっている。本実施形態では、ヒータ９２の温度が５００℃～７００℃となるようにヒータ５２への通電が制御される。なお、ヒータ９２への通電は、燃料電池システムの稼働初期では車載バッテリを利用し、燃料電池システムの稼働初期以降では燃料電池システムの発電電力を利用する。
　副熱分解器９の排出口９１ｂには第７流路Ｌ７が接続されており、第７流路Ｌ７の端部には混合器１０が接続されている。これにより、副熱分解器９から排出された分解生成ガスは、第７流路Ｌ７を介して混合器１０に導入される。
　また、気化器５から延びる第５流路Ｌ５の端部も混合器１０が接続されている。これにより、気化器５の排出口５１ｂから排出されたアンモニアガスの他の一部も、第５流路Ｌ５を介して混合器１０に導入される。
　混合器１０は、副熱分解器９で分解生成された分解生成ガスと、気化器５で生成されたアンモニアガスの他の一部とを混合して燃料ガスを生成するものである。
　混合器１０は、副熱分解器９で分解生成された分解生成ガスを導入する第１導入口１０ａと、気化器５で生成されたアンモニアガスを導入するための第２導入口１０ｂと、内部で混合して生成された混合ガスを排出する排出口１０ｃとを有している。
　第１導入口１０ａには第７流路Ｌ７の端部が接続され、第２導入口１０ｂには第５流路Ｌ５の端部が接続されている。これにより、第１導入口１０ａから導入された分解生成ガスは、第２導入口１０ｂから導入されたアンモニアガスと混合される。
　水素ガス製造装置１は、主熱分解器６、及び空気供給源１１をさらに備えている。
　主熱分解器６は、燃料ガスを燃焼させることによって、気化器５で生成されたアンモニアガスの残り（副熱分解器９及び混合器１０に導入されずに残ったアンモニアガス）を加熱して、上記式（１）に示すように、窒素ガスと水素ガスとに吸熱分解反応するものである。
　主熱分解器６は、内部に燃焼室６１ａが形成された筒状のケース６１と、ケース６１内に設けられた螺旋状の内管６２と、燃焼室６１ａ内に供給された燃料ガスを点火させる点火プラグ６３と、燃焼室６１ａの温度を検出する温度検出センサ６４とを備えている。
　ケース６１の長手方向の一端部には、燃料ガスを導入する第１導入口６１ｂが形成されている。第１導入口６１ｂには、混合器１０の排出口１０ｃから延びる第８流路Ｌ８の端部が接続されている。これにより、混合器１０から排出された燃焼ガスは、第８流路Ｌ８を介してケース６１の燃焼室６１ａに導入される。
　また、ケース６１の長手方向の一端部には、空気を導入する第２導入口６１ｃが形成されている。第２導入口６１ｃには、空気供給源１１から延びる第９流路Ｌ９の端部が接続されている。空気供給源１１は、例えばエアコンプレッサからなり、第９流路Ｌ９を介してケース６１の燃焼室６１ａに加圧空気（例えば０．２ＭＰａ～０．３ＭＰａに加圧された空気）を供給するようになっている。この加圧空気により、燃焼室６１ａにおいて燃焼ガスが燃焼し易くなる。ケース６１の長手方向の他端は、燃焼ガスの燃焼後の排気ガスが排出される排出口６１ｄとされている。
　内管６２の一端は、気化器５で生成されたアンモニアガスを内部に導入する導入口６２ａとされており、この導入口６２ａは、ケース６１の排出口６１ｄ側の外周において開口している。そして、導入口６２ａには、第５流路Ｌ５の途中部から分岐する第１０流路Ｌ１０の端部が接続されている。これにより、気化器５で生成されたアンモニアガスの前記残りは、第１０流路Ｌ１０を介して主熱分解器６の内管６２に導入される。
　内管９１の他端は、アンモニアガスから分解生成された窒素ガス及び水素ガスを含む分解生成ガス（第１分解生成ガス）をケース６１の外部に排出する排出口６２ｂとされている。この排出口６２ｂは、ケース６１の長手方向の中間部の外周において開口している。
　点火プラグ６３は、ケース６１の外周において、内管９１の排出口６２ｂと、空気を導入する第２導入口６１ｃとの間に設けられている。点火プラグ６３は、燃焼室６１ａで火花を発生させることにより、燃焼室６１ａで燃焼ガスを燃焼させることができる。
　温度検出センサ６４は、気化器５の温度検出センサ５３と同様に、例えば熱電対素線からなり、内管６２の一部に巻き付けて取り付けられている。この温度検出センサ６４により燃焼室６１ａの温度を測定することで、燃焼室６１ａの温度が５００℃～９００℃となるように、燃焼ガスや加圧空気の導入量などが制御されるようになっている。
　第５流路Ｌ５の途中、及び第１０流路Ｌ１０の途中には、混合器１０及び主熱分解器６へのアンモニアガスの導入量を調整する調整弁２５，２６がそれぞれ設けられている。また、第６流路Ｌ６の途中には、副熱分解器９へのアンモニアガスの導入量を調整する調整弁２７が設けられている。本実施形態では、混合器１０及び副熱分解器９それぞれには少量のアンモニアガスが導入されるとともに、主熱分解器６には多量のアンモニアガスが導入されるように、調整弁２５～２７がそれぞれ制御される。
　以上より、主熱分解器６では、混合器１０から燃焼室６１ａに導入された燃料ガスが、空気供給源１１から燃焼室６１ａに導入された空気と共に燃焼することで、内管９１の導入口６２ａからその内部に導入された多量のアンモニアガスが効率的に加熱され、多量の窒素ガスと水素ガスとに吸熱分解する。そして、このように分解生成された多量の窒素ガス及び水素ガスを含む分解生成ガスは、内管６２の排出口６２ｂから外部に排出される。
　水素ガス製造装置１は、冷却器７、及び分離器８をさらに備えている。
　冷却器７は、主熱分解器６の内管９１の排出口６２ｂから延びる第１１流路Ｌ１１の端部に接続されており、主熱分解器６で分解生成された分解生成ガスを冷却するものである。本実施形態の冷却器７は、気化器５に導入される前の液体アンモニアと、主熱分解器６で分解生成された分解生成ガスとの間で熱交換することによって、当該分解生成ガスを冷却するようになっている。
　冷却器７は、筒状のケース７１と、ケース７１内に設けられた螺旋状の内管７２とを備えている。
　内管７２の一端は、気化器５に導入される前の液体アンモニアを内部に導入する導入口７２ａとされており、この導入口７２ａは、ケース７１の長手方向の一端側の外周において開口している。そして、導入口７２ａには、切換弁２１から延びる第３流路Ｌ３の端部が接続されている。これにより、冷却器７の内管７２には、タンク２，３から切換弁２１及び第３流路Ｌ３を介して、低温（例えば－５０℃）の液体アンモニアが導入される。なお、第３流路Ｌ３の途中部には、内管７２へのアンモニアガスの導入量を調整する調整弁２３が設けられている。
　内管７２の他端は、その内部で熱交換された液体アンモニアを外部に排出する排出口７２ｂとされており、この排出口７２ｂは、ケース７１の長手方向の他端側の外周において開口している。そして、排出口７２ｂには、気化器５から延びる第４流路Ｌ４の端部が接続されている。これにより、冷却器７の内管７２において熱交換された液体アンモニアは、排出口７２ｂから第４流路Ｌ４を介して気化器５の内管５１に導入される。従って、本実施形態の気化器５は、冷却器７で熱交換された液体アンモニアを加熱してアンモニアガスを生成する。
　ケース７１の前記他端側の端面には、主熱分解器６で分解生成された高温（５００℃～９００℃）の分解生成ガスをケース７１内に導入する導入口７１ａが形成されている。ケース７１の前記一端側の端面には、ケース７１内において熱交換された分解生成ガスを外部に排出する排出口７１ｂが形成されている。
　以上の構成により、冷却器７のケース７１内において、導入口７１ａから排出口７１ｂに向かって高温の分解生成ガスが通過するときに、その高温の分解生成ガスと内管５１に導入された低温の液体アンモニアとの間で熱交換が行われる。すなわち、高温の分解生成ガスは、低温の液体アンモニアによって冷却され、低温のアンモニアガスは、高温の分解生成ガスによって所定温度まで予備加熱される。本実施形態では、高温の分解生成ガスは、低温の液体アンモニアによって約５０℃まで冷却される。
　分離器８は、冷却器７で冷却された分解生成ガスから水素ガスを分離するものである。本実施形態の分離器８は、その内部に設けられた中空糸ガス分離膜（図示省略）によって、窒素ガス及び水素ガスを含む分解生成ガスから、水素ガスのみを分離する。
　分離器８は、冷却器７で冷却された分解生成ガスを導入する導入口８ａと、分解生成ガスから分離した水素ガスを排出する第１排出口８ｂと、水素ガス以外の分解生成ガス（窒素ガス）を排出する第２排出口８ｃとを有している。
　以上、本実施形態の水素ガス製造装置１によれば、気化器５により液体アンモニアを加熱してアンモニアガスを生成し、主熱分解器６において燃料ガスを燃焼させることによってアンモニアガスを加熱して窒素ガスと水素ガスとに分解する。そして、分解生成された窒素ガス及び水素ガスを含む分解生成ガスを冷却器７で冷却した後、分離器８によって分解生成ガスから水素ガスを分離する。これにより、液体アンモニアから水素ガスを製造することができるので、従来の金属水素化物を用いる場合に比べて、水素ガスを安価に製造することができる。
　また、気化器５で生成されたアンモニアガスの一部を副熱分解器９で加熱して窒素ガスと水素ガスとに分解し、その窒素ガス及び水素ガスを含む分解生成ガスと、気化器５で生成されたアンモニアガスの他の一部とを混合器１０で混合して燃焼ガスを生成する。これにより、水素ガスを製造するためのアンモニアガスの一部を、主熱分解器６で燃焼させる燃料ガスとして利用することができるため、燃料ガスを別途用意する必要がない。
　また、冷却器７は、気化器５に導入する前の低温の液体アンモニアと、主熱分解器６で分解生成された高温の分解生成ガスとの間で熱交換することによって、当該解生成ガスを冷却する。これにより、水素ガスを製造するための液体アンモニアを、冷却器７で分解生成ガスを冷却する冷却媒体として利用することができるため、冷却媒体を別途用意する必要がない。
　また、気化器５は、冷却器７で熱交換された液体アンモニアを加熱してアンモニアガスを生成するので、冷却器７において高温の分解生成ガスの熱によって液体アンモニアを予備加熱することができるため、気化器５において液体アンモニアからアンモニアガスを効率的に生成することができる。
　上記実施形態では、水素ガスを製造するためのアンモニアガスの一部を、主熱分解器６で燃焼させる燃料ガスとして利用しているが、別途、アンモニアガス等の燃焼ガスを用意してもよい。また、上記実施形態の気化器５は、冷却器７で熱交換された液体アンモニアを加熱してアンモニアガスを生成しているが、タンク２，３から気化器５に直接、液体アンモニアを導入・加熱してアンモニアガスを生成してもよい。また、上記実施形態では、水素ガスを製造するための液体アンモニアを、冷却器７で分解生成ガスを冷却する冷却媒体として利用しているが、冷却器７の冷却媒体を別途用意してもよい。
　本発明の水素ガス製造装置は、燃料電池システムの燃料となる水素ガスの製造以外に、水素エンジンの燃料となる水素ガスの製造など、他の用途に用いられる水素ガスの製造にも適用することができる。
　なお、本発明の水素ガス製造装置で製造した水素ガスを、純水素ガス（市販の水素ガス及び水素リッチガスを含む）と共に、レシプロエンジン（デイーゼルエンジンを含む）からなる水素エンジンの燃料として使用する際には、ごく希にバックファイアが発生することがある。このため、水素エンジン（レシプロエンジン）を点火する場合には、始動時や終了時においてエンジンの回転数が０～４００ｒｐｍの間は、燃料を供給せずにセルモータにて始動及び終了作動すればバックファイアを防ぐことができる。
　また、燃料供給を停止させずにバックファイアを防ぐには、エンジンの危険回転数において、点火位置を上死点よりも５～２０度程度低くなるように調整することで、バックファイアを防ぐことができる。
　さらに、回転数を０～４００ｒｐｍ以上の高速稼働（通常稼働）に移行して、燃費向上を図るときには、点火位置を上死点よりもやや高めに５～１０度程度高くすれば良い。但し、エンジン停止に向かう時には燃料バルブを閉止し、エンジンが危険回転数になったときに再度、点火位置を低くすれば良い。
　上述の実施形態はすべて例示であって制限的なものではない。本発明の権利範囲は請求の範囲によって規定され、そこに記載された構成と均等の範囲内のすべての変更は本発明の技術的範囲に含まれる。
　　１　水素ガス製造装置
　　２～４　タンク
　　５　気化器
　　６　主熱分解器
　　７　冷却器
　　８　分離器
　　８ａ　導入口
　　８ｂ　第１排出口
　　８ｃ　第２排出口
　　９　副熱分解器
　　１０　混合器
　　１０ａ　第１導入口
　　１０ｂ　第２導入口
　　１０ｃ　排出口
　　１１　空気供給源
　　２１　切換弁
　　２２　噴霧ノズル
　　２３～２７　調整弁
　　５１　内管
　　５１ａ　導入口
　　５１ｂ　排出口
　　５２　ヒータ
　　５３　温度検出センサ
　　６１　ケース
　　６１ａ　燃焼室
　　６１ｂ　第１導入口
　　６１ｃ　第２導入口
　　６１ｄ　排出口
　　６２　内管
　　６２ａ　導入口
　　６２ｂ　排出口
　　６３　点火プラグ
　　６４　温度検出センサ
　　７１　ケース
　　７１ａ　導入口　
　　７１ｂ　排出口
　　７２　内管
　　７２ａ　導入口
　　７２ｂ　排出口
　　９１　内管
　　９１ａ　導入口
　　９１ｂ　排出口
　　９２　ヒータ
　　９３　温度検出センサ
　　Ｌ１　　第１流路
　　Ｌ２　　第２流路
　　Ｌ３　　第３流路
　　Ｌ４　　第４流路
　　Ｌ５　　第５流路
　　Ｌ６　　第６流路
　　Ｌ７　　第７流路
　　Ｌ８　　第８流路
　　Ｌ９　　第９流路
　　Ｌ１０　第１０流路
　　Ｌ１１　第１１流路

Claims (4)

  1. 　液体アンモニアを加熱してアンモニアガスを生成する気化器と、
    　燃料ガスを燃焼させることによって、前記気化器で生成されたアンモニアガスを加熱して窒素ガスと水素ガスとに分解する主熱分解器と、
    　前記主熱分解器で分解生成された窒素ガス及び水素ガスを含む第１分解生成ガスを冷却する冷却器と、
    　冷却された前記第１分解生成ガスから水素ガスを分離する分離器と、を備える水素ガス製造装置。
  2. 　前記気化器で生成されたアンモニアガスの一部を加熱して窒素ガスと水素ガスとに分解する副熱分解器と、
    　前記副熱分解器で分解生成された窒素ガス及び水素ガスを含む第２分解生成ガスと、前記気化器で生成されたアンモニアガスの他の一部とを混合して前記燃料ガスを生成する混合器と、をさらに備え、
    　前記主熱分解器は、前記燃焼ガスを空気と共に燃焼させることによって、前記気化器で生成されたアンモニアガスの残りを加熱する、請求項１に記載の水素ガス製造装置。
  3. 　前記冷却器は、前記液体アンモニアと前記第１分解生成ガスとの間で熱交換することによって、当該第１分解生成ガスを冷却する、請求項１又は２に記載の水素ガス製造装置。
  4. 　前記気化器は、前記冷却器で熱交換された前記液体アンモニアを加熱してアンモニアガスを生成する、請求項３に記載の水素ガス製造装置。
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