JP2004002090A - 水素ガス生成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】デカリン等の炭化水素系燃料の脱水素反応を迅速、高効率に行なわせて水素使用装置に高純度の水素ガスを供給し、水素使用装置の効率を向上することができ、しかも軽量かつ小型である水素ガス生成装置を提供する。
【解決手段】デカリン１２をマイクロ波若しくは機械的外力を付与して微小滴にして反応タンク１５に供給し、脱水素反応させて生成された水素ガスを分離排出する水素ガス生成装置である。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素ガス生成装置に係り、特に、電気自動車等の車両に搭載可能でかつ車両に搭載された燃料電池に水素ガスを供給することができる水素ガス生成装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の電気自動車は、車両の駆動力を得るための電源としての燃料電池、およびこの燃料電池を用いて発電を行なうための燃料である水素または水素を生成するための原燃料を搭載している。水素を搭載する電気自動車では、水素ガスを圧縮して充填したボンベ、または水素を吸蔵する水素吸蔵合金や水素吸着材料により水素を搭載している。一方、原燃料を搭載する電気自動車では、原燃料としてのメタノールまたはガソリン等の炭化水素と、この原燃料を水蒸気改質して水素リッチガスを生成する水素生成装置とを搭載している。
【０００３】
しかしながら、水素吸蔵合金や水素吸着材料では、電気自動車に必要とされる水素貯蔵密度が不充分であり、また水素の吸蔵や吸着等を制御するのが非常に困難である。一方、原燃料を搭載する電気自動車は、水素を搭載する電気自動車に比較して、１回の燃料補給で走行可能な距離が長いという利点を有しており、炭化水素等の原燃料は水素ガスに比較して輸送等の取り扱いが容易で安全であるという利点も有している。
【０００４】
炭化水素系燃料の１つであるデカリン（デカヒドロナフタレン）は、常温では殆ど蒸気圧がゼロ（沸点が２００℃近傍）で取り扱いし易いことから、原燃料としての使用の可能性が期待されている。
【０００５】
デカリンの脱水素化方法としては、デカリンをコバルト、ロジウム、イリジウム、鉄、テルニウム、ニッケル、および白金の中から選ばれる少なくとも１種の遷移金属を含有する遷移金属錯体の存在下で光照射し、デカリンから水素を離脱させる方法が知られている（特公平３−９０９１号公報）。また、有機リン化合物のロジウム錯体の存在下、または有機リン化合物とロジウム化合物との存在下に、デカリンに光照射することによりデカリンから水素を製造する方法が知られている（特公平５−１８７６１号公報）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特に燃料電池に供給する水素ガスは、供給する水素ガス中の水素濃度が高いことが要求され、上記従来の脱水素化による水素生成方法を電気自動車の燃料電池等の水素使用装置に適用しようとすると、反応転化率が低く、脱水素化によって生じた脱水素生成物や未反応の炭化水素系燃料が混在するために、水素使用装置に供給しても水素分圧が低いことから水素使用装置の効率が悪いという問題があった。
【０００７】
また、車載する場合には、装置全体が大きすぎたり重量がありすぎると、現実には電気自動車等の車両などの狭い場所への搭載は困難となる。
【０００８】
以上のように、水素使用装置に高純度の水素ガスを良好に供給することができ、しかも車両等の限られた設置スペースへの設置が可能でかつ軽量な装置は、未だ提供されるに至っていないのが現状である。
【０００９】
本発明は、上記に鑑み成されたもので、炭化水素系燃料の脱水素反応を迅速、高効率に行なわせて水素使用装置に高純度の水素ガスを供給し、水素使用装置の効率を向上させることができ、しかも軽量で小型の水素ガス生成装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の水素ガス生成装置は、炭化水素系燃料を霧状にして噴射する噴霧手段と、噴射された霧状炭化水素系燃料を微細な液滴にする微細化手段と、触媒及び該触媒を加熱する加熱器を備え、かつ供給された微細な液滴燃料を加熱された前記触媒上で脱水素反応させる反応手段と、炭化水素系燃料の脱水素反応によって生じた水素ガスを分離する分離手段と、を含んで構成したものである。
【００１１】
本明細書中において、炭化水素系燃料は、脱水素反応により水素を発生し得る化合物を含む燃料であり、脂環式炭化水素、脂肪族炭化水素等を含む燃料が含まれる。脂環式炭化水素には、例えば、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン、ジメチルシクロヘキサン、１，３，５−トリメチルシクロヘキサン等の単環式化合物、デカリン、メチルデカリン、テトラリン（テトラヒドロナフタレン）等の二環式化合物、テトラデカヒドロアントラセン等の三環式化合物、等が含まれる。脂肪族炭化水素には、２−プロパノ−ル、メタノール、エタノール等が含まれる。特に、デカリン、メチルデカリン、テトラリンを含む燃料が好ましく、デカリンからなる燃料またはデカリンを主成分とする燃料がより好ましい。
【００１２】
炭化水素系燃料から生成される脱水素生成物は、炭化水素系燃料を脱水素反応して水素を放出した後の反応生成物であり、例えば、デカリン、またはシクロヘキサンの場合には、水素と共に主として生成される、ナフタレン（若しくはテトラリン）、またはベンゼンが各々相当する。
【００１３】
前記炭化水素系燃料を脱水素反応させると、水素ガスと共に、水素の放出により不飽和結合を持つ脱水素生成物が反応生成物として生成される。例えば、デカリンからなる燃料またはデカリンを主成分とする燃料を用いた場合には、デカリンの脱水素反応により、水素ガスと共に脱水素生成物としてナフタレンが生成される。そして、該脱水素生成物であるナフタレンを水素添加により水素化反応させたときには、ナフタレンの水素化物であるデカリンおよび／またはテトラリンが再生される。
【００１４】
本発明においては、炭化水素系燃料が霧状に噴射されて反応手段内に供給されると、霧状の炭化水素系燃料は更に微細な液滴（微細な液滴燃料）にされて加熱された触媒上に供給され、この触媒で脱水素して水素ガスと脱水素生成物を発生した後、分離手段で高純度の水素ガスとして分離される。分離された水素ガスは水素使用装置（燃料電池）に供給される。
【００１５】
炭化水素系燃料は、霧状に噴霧された後に更に微小な液滴に換えてから脱水素反応を行う触媒に供給されるため、触媒を構成する金属粒子に近い小径の燃料滴にて触媒表面が僅かに湿潤した状態、即ち液膜状態となるように反応タンクに供給することができる。これにより、触媒金属が担持された担持体上の触媒金属の粒子間など、触媒金属の非担持領域に存在し、加熱された触媒と接触せずに未反応で気化蒸発してしまう炭化水素系燃料の量を低減でき、系全体の触媒による反応性を向上させることができる。
【００１６】
霧状に噴射された霧状炭化水素系燃料を更に微細な液滴にするには、霧状炭化水素系燃料にマイクロ波や機械的外力を付与することが効果的である。マイクロ波の付与には、例えばマイクロ波発生器を使用でき、機械的外力を付与には、超音波などや、回転体を霧状炭化水素系燃料に接触させて液滴を小さくする手段を適用できる。例えば、超音波発生器等、プロペラなどの回転羽根、などを使用することができる。マイクロ波や超音波を付与する程度は特に制限はなく、燃料の粘度や触媒の構成等にもよるが、炭化水素系燃料の液径を触媒を構成する金属粒子径に近づけ得る程度に適宜選択すればよい。
【００１７】
水素ガスを分離する分離手段には、炭化水素系燃料を貯留し、かつ貯留された炭化水素系燃料中に、前記炭化水素系燃料の脱水素反応によって生じた水素ガス及び脱水素生成物が供給されると共に、前記水素ガスを排出する排出口を備えた貯留分離タンクを用いることができる。
【００１８】
この貯留分離タンクは、炭化水素系燃料と脱水素生成物とを共に貯留でき、かつ水素ガスをも分離排出できるので、従来のように、水素生成用の炭化水素系燃料を貯留するタンクと反応生成された脱水素生成物を貯留するタンクの両方を必要とせず、またこれらタンクと別に水素ガスを分離する分離手段を併設する必要もなく、単一のタンクに統括することができる。
【００１９】
即ち、貯留分離タンクには炭化水素系燃料が貯留され、そこから外部に供給され脱水素反応を経た後、再び該貯留分離タンクの炭化水素系燃料中に生成された水素ガス及び脱水素生成物が供給されると、脱水素生成物は炭化水素系燃料中への供給過程で冷却、溶解されながら貯留分離タンクの底部（下方）に沈降、貯留され、水素ガスは炭化水素系燃料に溶解されずに（場合により、水素ガス分離手段を介在させて）排出口から高純度に排出される。この水素ガスは、燃料電池等の水素利用装置に利用される。
【００２０】
この貯留分離タンクには、脱水素生成物の拡散を抑え、かつ水素ガスを透過する分離膜を内部に設けることができる。分離膜を設けることにより、脱水素生成物が炭化水素系燃料中に拡がるのを抑制し、水素生成のために供給される炭化水素系燃料中における含有率を低く抑えることができる。水素生成のために供給される炭化水素系燃料に脱水素生成物が含まれると、相対的に脱水素反応に寄与し水素を放出する化合物（例えばデカリン）の含有比が低下して水素生成効率が低下してしまうが、分離膜を設けることによって区画された一方の側（室）において脱水素生成物を供給することができ、単一のタンク内で炭化水素系燃料と分けつつ脱水素生成物を貯留することができる。分離膜による区画により、少なくとも脱水素生成物を高濃度に含む一方の側から他方の側への脱水素生成物の濃度分布の拡がりを抑え得る程度に仕切ることができる。
【００２１】
分離膜は、貯留分離タンクの内部に略水平に設けることができ、分離膜で区画された該分離膜の下方に脱水素生成物を貯留することができる。分離膜を略水平に設けることにより、タンク内部は上下に区画されるので、水素ガスと脱水素生成物の炭化水素系燃料に対する溶解性、比重の違いを利用して、水素ガスを高純度に排出できると同時に、タンク下方において脱水素生成物を貯留することができる。また、常に水平に存在する、燃料の液面や、脱水素生成物含量の少ない炭化水素系燃料の上層部から脱水素生成物含量が多くなる下層部への濃度分布とも対応する点でも有用である。
【００２２】
前記分離膜は移動可能に設けると効果的である。タンク内に分離膜を移動可能に設ければ、例えば、生成された脱水素生成物の量が少ない場合には、この脱水素生成物が貯留される一方の側のタンク内容積を小さくすることで、炭化水素系燃料を貯留する他方の側を大きくして多量の燃料を貯留することができ、徐々に水素ガスの生成に伴って炭化水素系燃料が減少し、逆に脱水素生成物の量が多くなると共に一方の側のタンク内容積を大きくし、多量の脱水素生成物を貯留できる等が可能となる。そのため、炭化水素系燃料と脱水素生成物の物理的な相対量に応じた分離膜の移動により、タンクの有効利用が図れ、狭い設置場所への設置や装置全体の軽量化を達成することができる。
【００２３】
また、分離手段には、水素ガス分離手段を備えると共に、炭化水素系燃料の脱水素反応によって生じた水素ガス及び脱水素生成物が供給され、前記水素ガス分離手段によって水素ガスを分離して排出する分離タンクを用いることもできる。
【００２４】
この場合、炭化水素系燃料を貯留する貯留タンクを別途設け、この貯留タンクから反応手段に炭化水素系燃料が供給されると、生成した水素ガス及び脱水素生成物はこの分離タンクに供給され、水素ガスは高濃度に分離されて水素使用装置に供給されると共に、脱水素生成物は分離タンクの底部に貯えられる。
【００２５】
本発明では、上記の貯留分離タンクを用いないときには、内部を区画する移動可能な分離膜を備え、分離膜により区画された一方の室に炭化水素系燃料を貯留し、かつ他方の室に前記炭化水素系燃料の脱水素反応により生じかつ水素ガスが除去された脱水素生成物（炭化水素系燃料を含んでいてもよい）を貯留する複室貯留タンクを更に設けることができる。
【００２６】
この場合、上記の貯留分離タンクを用いた場合のように、炭化水素系燃料を貯留するタンクと脱水素生成物を貯留するタンクの両方を必要とせず、単一のタンクに統括することができる。これにより、車両などの限られた場所でも設置が可能となり、軽量化も図れる。また、水素ガスが除去された脱水素生成物が貯留されるので、水素ガスを排出する排出口を設ける必要がない。
【００２７】
本発明の水素ガス生成装置には、触媒及び触媒を加熱する加熱器を備えると共に、脱水素生成物及び水素ガスが供給され、脱水素生成物を加熱された触媒上で水素化反応させる再生タンクを更に設けることができる。再生タンク内で、脱水素生成物を水素添加によって水素化反応させて再生したときには、脱水素生成物の水素化物である炭化水素系燃料が再生される。
【００２８】
本発明における再生には、例えば、ナフタレンまたはベンゼンからそれぞれデカリンまたはシクロヘキサンを再生することのほか、二環式若しくは三環式の化合物の場合には、水素化が未完の化合物を再生することも含む。即ち、例えばナフタレンを再生する場合、デカリンを再生することのほか、テトラリンを再生すること、デカリンと共にテトラリンを再生することをも含む。
【００２９】
本発明の水素ガス生成装置によれば、炭化水素系燃料の脱水素反応を迅速、高効率に行なわせて水素密度の高い水素ガスを良好に水素使用装置（例えば燃料電池）に供給することが可能であり、装置全体の小型化、軽量化が図れると共に、脂環式炭化水素／環状不飽和物の循環系により、クリーンでエネルギー資源の利用効率の高いシステムを構築することができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の水素ガス生成装置の実施形態を説明する。尚、下記の実施形態において、炭化水素系燃料として、デカリンを主成分とする燃料（以下、単に「デカリン」という。）を用いた場合を中心に説明する。但し、本発明においてはこれら実施形態に制限されるものではない。
【００３１】
（第１実施形態）
本発明の水素ガス生成装置の第１実施形態を図１を参照して説明する。本実施形態は、水素ガスを燃料とする燃料電池が搭載された電気自動車に本発明の第１実施形態の水素ガス生成装置を搭載し、デカリンを高温触媒の存在下で反応させると、ナフタレンと水素ガスとが生成されるデカリン／ナフタレン反応を利用して、水素ガス分子を吸着貯蔵するのではなく、化学結合で原燃料中に貯蔵するものである。
【００３２】
本実施形態は、マイクロ波をあてて微小滴としたデカリンを反応タンクに供給するようにし、単一の貯留分離タンクを用いてデカリン及び生成ナフタレンを共に貯留すると共に、水素ガスを分離可能としたものである。
【００３３】
図１に示すように、本実施形態は、触媒及び該触媒を加熱する加熱器を備え、かつデカリンを加熱された触媒上で脱水素反応させる反応タンク１５と、デカリン１２を貯留し、かつ貯留されたデカリンにデカリンの脱水素反応により生じた水素ガス及びナフタレンが供給されると共に、排出口から前記水素ガスを排出する貯留分離タンク１１と、を備えている。
【００３４】
反応タンク１５は、触媒２０及び触媒２０を加熱するヒータ２１で構成され、かつ触媒２０の表面で発熱及び吸熱を同時に起こさせる触媒反応器を備えており、上部にはデカリン１２を霧状に噴射するための噴霧装置２２が設けられている。噴霧装置２２は、供給ポンプＰ１を備えた供給配管１６の一端と接続されており、貯留分離タンク１１と連通されている。噴霧装置は複数設けられてもよく、この場合は、貯留分離タンク１１と連通する供給配管１６の一端が複数に分岐され、各分岐端に供給装置を取り付けることができる。
【００３５】
また、反応タンク１５には、噴霧装置２２から霧状に噴射されるデカリンにマイクロ波を付与可能な位置にマイクロ波発生装置（微細化手段）１７が設けられており、霧状デカリンを更に微小滴にして触媒上に供給できるようになっている。
【００３６】
マイクロ波発生装置１７は、噴霧装置２２から噴霧して供給されたデカリンに図中の領域Ｃにおいてマイクロ波を当てることにより、液相デカリンを微小滴にして加熱触媒表面が僅かに湿潤した状態、即ち液膜状態となるように供給することができる。例えば、マイクロ波を発生するマイクロ波発生器などが挙げられる。マイクロ波は、噴霧装置２２と触媒との間において付与できればよい。また、超音波を発生する超音波発生器等を用いることもできる。
【００３７】
僅かに湿潤した液膜状態では、過熱（デカリンの沸点を越える温度での加熱）・液膜状態での脱水素反応のとき水素ガス生成量は最大になる。これは、デカリンの蒸発速度が、基質液量（デカリンの液量）が少ない程小さくなり、蒸発速度が小さくかつ高温の状態で脱水素反応させることにより転化率が向上するからである。すなわち、蒸発速度は液量・伝熱面積・加熱源と沸点との温度差の各々に比例するので、液体デカリンの量が少なければ蒸発速度が小さくなる。液体デカリンは、加熱触媒上（例えば、２００〜３５０℃）でも液膜状態で存在するので、触媒活性サイトは液相からのデカリンの速やかな吸着により充分に高い被覆度で常時補填される。すなわち、触媒表面上で液膜状態で脱水素反応させることにより、触媒表面上で気体で反応させるよりも優れた反応性が得られる。
【００３８】
触媒反応器の触媒の脱水素反応を起こす脱水素化側は、多孔性炭素担体に触媒金属微粒子を担持して構成できる。前記触媒としては、Ｐｔ、Ｐｔ−Ｉｒ、Ｐｔ−Ｒｅ、Ｐｔ−Ｗ等の貴金属系の金属を用いた炭素担持Ｐｔ触媒、炭素担持Ｐｔ−Ｉｒ複合金属触媒、炭素担持Ｐｔ−Ｒｅ複合金属触媒、炭素担持Ｐｔ−Ｗ複合金属触媒、又はニッケル系金属を使用した触媒等が使用できる。
【００３９】
反応タンク１５の壁面には、ポンプＰ２及び逆止弁２５を備えた導入管１４の一端が接続されており、生成された水素ガス及び気相ナフタレンを貯留分離タンク１１に供給できるようになっている。ヒータ２１は、オンオフ制御される図示しないスイッチング素子を介して車載の燃料電池（ＦＣ）２４に接続されている。また、触媒２０の近傍には、触媒表面の温度を検出する第１の温度センサ２３が取り付けられている。
【００４０】
貯留分離タンク１１は、内部に密閉してデカリン１２を貯留可能に構成され、貯留分離タンク１１の上部壁面には、デカリン１２を供給するためのバルブＶ３を備えた燃料供給口１８と、水素ガスを排出するための排出口３０とが設けられている。デカリン１２は、貯留分離タンク１１の上方に空隙を有する範囲で、バルブＶ３を介して燃料供給口１８から供給できるようになっており、反応タンク１５で生成された水素ガスは分離されて排出口３０から燃料電池等の水素使用装置２４に供給できるようになっている。また、貯留分離タンク１１の底部には、貯留されたナフタレン１２’を排出するためのバルブＶ４を備えた排出管１９が設けられている。
【００４１】
貯留分離タンク１１の側壁面には、反応タンク１５と繋がる導入管１４がデカリン１２中にその他端が位置するように設けられ、反応タンク１５と連通されている。液中となる導入管１４の他端からは、反応タンク１５で生成された水素ガス２７及びナフタレン１２’の混合ガス（水素リッチガス；蒸発して残存する残存デカリンを含んでもよい）を液中において供給可能なようになっている。
【００４２】
分離膜１３は、貯留分離タンク１１の内部にデカリン１２の液面と略水平に備えられ、浮上する水素ガス２７を透過し、ナフタレン１２’をデカリン内での拡散を抑えて分離膜１３の下方に貯留することができる。貯留分離タンク１１の内部において、水平面と略平行に配置された分離膜１３は、ナフタレン含量の少ないデカリンの上層部からナフタレン含量の多い下層部に移る濃度分布とも略平行に位置し、分離膜１３の下方で供給される水素ガスは分離膜の膜面を一様に通過できる。特に、デカリン中の導入管１４の出口周辺でナフタレン量が不均一になると局部的に粘度上昇等を来すことがあるため、水素ガスの液中での移動速度を損なわないようにすることが望ましい。
【００４３】
分離膜１３は、その膜面の法線方向と略平行に移動可能に構成することができる。貯留分離タンク１１に対する分離膜１３の位置関係としては、ナフタレンの濃度分布の拡がりを抑えるため、貯留分離タンク内は、ナフタレンの供給量が少ない段階ではナフタレン供給側（分離膜１３の下方）の容積を小さくしておき、ナフタレン量に応じてナフタレン供給側の容積を拡大し得る位置に配置されていればよい。
【００４４】
分離膜の移動は、貯留分離タンク内部の区画された領域の容積を可逆的に変えることができることが望ましく、貯留分離タンクに対して平行移動させることができる。図１に示すように、略水平に備えた分離膜１３をその膜面の法線方向（上下方向）Ａに平行移動させてもよく、二つに区画された領域（室）の容積をナフタレンや水素の生成の程度に合わせて任意に変えることができる。
【００４５】
分離膜は、水素ガスを透過できると共に、デカリン中でのナフタレンの拡散を抑制し、かつデカリンに対して安定なものであれば、特に制限はなく公知のものの中から適宜選択することができる。例えば、ナフタレン透過性の低いもの、ナフタレンを除いては透過性のもの、及び水素ガスを除き物質非透過性のものなどのいずれであってもよい。また、強固な板状のものであってもよいし、伸縮可能な軟性、弾性を有するものであってもよい。また、一つの貯留分離タンク内に複数の分離膜を設けることもできる。
【００４６】
具体的な例として、メッシュ状のフィルタ膜や、ナフタレンを高濃度に含む側から水素ガスが透過するときに開弁され、かつ逆側から圧がかかった場合に閉弁される多数の逆止弁が格子状又はランダムに配列された逆止弁膜などが挙げられ、材質は樹脂材、シリコーン材、ゴム材、金属材など適宜選択することができる。
【００４７】
分離膜１３の膜面の上方には、ナフタレン含有比の低いデカリン１２を、デカリンの脱水素反応を担う反応タンク１５へ供給するための供給配管１６の一端が取り付けられている。この一端は、分離膜１３の膜面近傍から上方に位置することにより、ナフタレン含量比の低いデカリンを供給することができる。供給配管１６は供給ポンプＰ１を備え、供給配管１６を介して貯留分離タンク１１と反応タンク１５とは連通している。
【００４８】
貯留分離タンク１１は、水素使用装置（燃料電池）２４と連通する配管や反応タンク１５と連通する導入管１４や供給配管１６等にそれぞれ連結器（ジョイント）を備えて、連結器において着脱可能に構成することができる。例えば、簡易にはめ込み、取り外しができる交換タンク（カートリッジタンク）の形態に構成できる。
【００４９】
貯留分離タンク１１を着脱可能に構成することにより、デカリンから水素ガスを所定量生成した後、貯留分離タンク自体を交換あるいは一旦取外してナフタレンを再生することにより、貯留された生成ナフタレンを回収あるいは除去でき、例えば車載するなど特定場所に定置しない場合でも簡易かつ継続的な水素の供給が可能となる。
【００５０】
また、貯留分離タンク１１を着脱可能に構成せず、あるいは着脱可能に構成すると共に、貯留分離タンク１１のナフタレンが高濃度に貯留された分離膜１３の下方の部分のみを着脱可能に構成してもよい。この場合、ナフタレンが貯留された部分は、貯留分離タンクに収納可能なカートリッジ式に構成することもでき、また、この部分が貯留分離タンクの一部を構成するように設けることもできる。即ち、分離膜１３の下部をはめ込み、取り外しが可能な態様、例えば交換タンク（カートリッジタンク）として構成することができる。この場合、ナフタレンを高濃度に含む部分（交換タンク）を、デカリンで満たされたもの（交換タンク）に取り替えることにより燃料電池等への水素ガスの供給を継続することが可能となる。
【００５１】
本実施形態では、更に、ナフタレンを水素化してデカリン及び／又はテトラリンを再生する再生タンク３１が設けられている。即ち、この再生タンク３１は、ナフタレンと水素ガスとを加熱触媒を用いて水素化反応させてデカリンまたはテトラリンを生成させるものであり、貯留分離タンク１１と接続して電気自動車等の車両内に搭載することができる。
【００５２】
再生タンク３１は、バルブＶ２及びポンプＰ３を備えた供給配管２６を介して貯留分離タンク１１の底面側で、またバルブＶ１及びポンプＰ４を備えた供給配管３６を介して貯留分離タンク１１の上面側で、それぞれ連通されている。これにより、貯留分離タンク１１内のナフタレンは供給配管２６を挿通して再生タンクに供給できるようになっており、再生されたデカリン及びテトラリンは、バルブＶ１及び供給ポンプＰ４を備えた供給配管３６を介して貯留分離タンク１１に供給される。
【００５３】
再生タンク３１の底面側には、触媒３４及び触媒３４を加熱する第２のヒータ３５で構成され、かつ発熱及び吸熱を起こさせる触媒反応器が設けられている。触媒３４の水素化反応を行なう側は、多孔性炭素担体に触媒金属微粒子を担持して構成されている。触媒としては、上記で説明した炭素担持Ｐｔ触媒、炭素担持Ｐｔ−Ｉｒ複合金属触媒、炭素担持Ｐｔ−Ｒｅ複合金属触媒、炭素担持Ｐｔ−Ｗ複合金属触媒、又はニッケル系金属を使用した触媒等を使用することができる。
【００５４】
第２のヒータ３５は、オンオフ制御される図示しないスイッチング素子を介して車載の燃料電池（ＦＣ）２４に接続されており、触媒３４の近傍には、触媒表面の温度を検出する第２の温度センサ３３が取り付けられている。
【００５５】
また、再生タンク３１には、ガソリンスタンド等の車両外部に設けられた水素ボンベや水の電気分解装置等の設備から水素ガスを供給するための水素ガス供給管３２が取り付けられている。水の電気分解により生成した水素ガスなどを供給するようにすれば、クリーンなシステムを構築することができる。
【００５６】
貯留分離タンク１１に供給配管１８を介してデカリン１２が供給されると、デカリン１２は、供給配管１６を挿通して反応タンク１５の噴霧装置２２に送られ、噴霧装置２２から噴出された後にマイクロ波発生装置１７によってマイクロ波を当てて更に微小滴とされ、ヒータ２１により加熱された触媒２０の表面に液膜状態となるように供給される。乾燥した触媒上にデカリンが徐々に供給され、触媒表面が徐々に湿潤して行き、デカリンが液膜状態で供給されると、水素圧、即ち水素発生量が最大値に近づく。
【００５７】
このとき、触媒２０の表面の所定温度としては、２００〜５００℃、好ましくは２００〜３５０℃、更に好ましくは２８０℃に制御される。この理由は、所定温度を２００℃未満にすると、目的とする脱水素反応が高い反応速度、換言すれば十分な燃料電池出力を得られず、５００℃を越えると実用的でなく、また３５０℃を越えるとカーボンデポジットが生じる可能性を持つからである。
【００５８】
このようにして生成されたナフタレンを含む水素リッチガスは、ポンプＰ２により逆止弁２５を介して導入管１４を挿通して貯留分離タンク１１のデカリン１２中に供給される。貯留分離タンク１１では、水素ガス２７はデカリン１２中を浮上する一方、気相で存在していたナフタレン及び残存デカリンはデカリン１２中へ供給される過程で冷却され、残存デカリンは凝縮して液化し、ナフタレンは凝析して沈降する。これにより、水素ガスは分離膜１３によりナフタレン及び残存デカリンと分離され、更にタンク上部の空隙において、水素ガス２７は高純度に分離される。分離された水素ガスは水素使用装置（燃料電池）２４に供給される。燃料電池で発生した電力は、電気自動車に搭載されているモータに供給されてモータが駆動されると共に、車載バッテリに供給されて蓄電され、また車載電装品等の負荷に供給される。
【００５９】
尚、貯留分離タンク１１内の水素ガスを加圧または高圧状態にしたり、水素使用装置（燃料電池）２４方向への圧力を低圧（例えば負圧）にすることで水素排出効率を向上させることができる。本実施形態は、反応タンク１５における触媒の加熱をヒータにより行うものであるが、水素使用装置（燃料電池）２４から発生する排熱を利用して触媒を加熱する態様であってもよく、この場合、余剰水素ガスやメチルシクロヘキサン、貯留分離タンク１１内で発生した低沸点炭化水素不純物蒸気等を燃焼させて触媒を加熱してもよい。
【００６０】
また、デカリンとテトラリンとの混合燃料を用いることにより、デカリンの脱水素反応の前にテトラリンが脱水素反応するので、速やかに水素ガスを発生させることができる。更に、貯留分離タンク内あるいは貯留分離タンクとは別のタンク内に、デカリンと分離してテトラリンを貯留し、このテトラリンを加熱された触媒上でデカリンの脱水素反応前に脱水素反応させることにより、燃料の脱水素反応前に燃料の脱水素反応より速やかに多量の水素ガスを発生させることができる。このため、燃料電池を搭載した車両に本発明の水素ガス発生装置を搭載し、始動時にテトラリンを脱水素反応させることにより始動性を高めることができると共に、加速時にテトラリンを脱水素反応させることで加速応答性をも高めることができる。
【００６１】
尚、生成ナフタレンからのデカリンの再生は航空燃料として公知の安定した技術を使用することができる。これにより、安全で環境に優しく、高純度の水素ガスを発生することができる。
【００６２】
一方、車両を停止させて水素使用装置での発電を停止した場合には、供給ポンプＰ１を停止して噴霧装置２２からのデカリン供給を停止すると共に、第１のヒータ２１をオフすることにより、水素ガスの生成を停止させる。尚、デカリン供給を停止した後も少量の水素ガスが発生するので、発生した水素ガスを予備水素貯蔵タンクを設けて貯蔵するようにすることができる。
【００６３】
また、第２のヒータ３５のオン／オフにより、触媒３４の温度が所定温度になるように制御される。この所定温度は、１５０〜２００℃の間の温度、好ましくは１５０℃近傍の温度を採用することができる。バルブＶ２を開いてポンプＰ３を駆動し、供給配管２６を介してナフタレンと未反応デカリンとの混合液を再生タンク３１に供給する。また、これと同時に、ガソリンスタンド等に設けられている水素ボンベまたは水の電気分解装置から得られる水素ガスを再生タンクに供給し、所定温度に制御された触媒３４上でナフタレン水素化反応を行ってデカリンを再生し、バルブＶ１を開いてポンプＰ４を駆動し、供給配管３６を挿通して再生デカリンを貯留分離タンク１１に回収する。このとき、再生タンク３１内の水素ガスは、加圧または高圧にするのが好ましい。
【００６４】
また、水素ガス生成量を所定値通りに制御する点で、脱水素反応により生じた水素ガス量を検出する水素ガス量検出器と、水素ガス量検出器で検出された水素ガス量が所定値以上となるように触媒上の炭化水素系燃料の量を制御する制御手段とを設けることもできる。
【００６５】
尚、簡易かつ速やかにナフタレンの水素化を行う場合には、水素ガスを加圧せずに、触媒温度を上記より低温にしてテトラリンを生成させ、それを貯留分離タンクに供給するようにしてもよい。
【００６６】
上記では、再生タンク３１を車両に搭載する例について説明したが、再生タンクをガソリンスタンド等に設置し、ガソリンスタンド等で水を電気分解して得られる水素を供給してデカリンを再生するようにしてもよい。
【００６７】
（第２実施形態）
本発明の水素ガス生成装置の第２実施形態を図２を参照して説明する。本実施形態は、回転する回転羽根との衝突によって微小滴としたデカリンを反応タンクに供給するようにし、水素ガスの分離後に単一の複室貯留タンクを用いてデカリン及び生成ナフタレンを共に貯留するようにしたものである。尚、燃料は第１実施形態で使用した燃料を用いることができ、第１実施形態と同様の構成要素には同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略する。
【００６８】
図２に示すように、反応タンク４０は、デカリン１２を霧状に噴射するための噴霧装置２２を上部に備え、同心円に回転し、噴霧装置２２から霧状に噴射されるデカリンに物理的衝突により衝撃力（機械的外力）を加える回転羽根４１が設けられている。噴霧装置２２は、供給配管１６の一端と接続されている。
【００６９】
回転羽根４１は、回転中心で同心円上を回転し、その回転羽根（プロペラ）の羽根の表面をデカリンに直接衝突させることにより、その衝撃力を受けてデカリンの液径を微小径にすることができる。回転羽根の形状には、特に制限はなく所望の液径やデカリンの供給量等に応じて適宜選択すればよい。回転羽根は複数設けてもよく、複数の羽根を互いに異なる回転速度で同方向に回転させてもよいし、互いに逆回転させてもよい。
【００７０】
反応タンク４０の底面側には、触媒２０及び触媒２０を加熱するための燃焼室（加熱器）４３で構成され、かつ触媒２０の表面で発熱及び吸熱を同時に起こさせる触媒反応器が設けられている。燃焼室４３は、複室貯留タンク５１からデカリン５２を供給するための供給装置４４と、空気供給用の供給装置４５と、燃焼後に生じた燃焼廃棄物（ガス）を排出する排出口４６と点火装置（図示せず）とが備えられ、燃焼室４３に供給されたデカリンの燃焼熱で触媒を加熱できるようになっている。
【００７１】
この場合、触媒反応器を構成する触媒２０は、高伝熱性基板（不図示）の一方の側に水素生成のための脱水素反応を行う脱水素用触媒を、他方の側に燃料を酸化して燃焼反応を行う遷移金属酸化物触媒を担持して構成され、反応タンク４０の噴霧装置２２からデカリンが供給される側に前記脱水素用触媒が、該側と逆側の燃焼室４３側に前記遷移金属酸化物触媒が位置するように配置されている。供給装置４４からデカリンを供給し、デカリンを遷移金属酸化物触媒により完全酸化させることにより、脱水素用触媒の加熱に必要な脱水素吸熱反応熱を供給することができる。この燃焼室に代えてヒータ等を用いることも可能であるが、ヒータ等を用いた場合に比して、更に省電力に構成することが可能となる。
【００７２】
触媒２０の脱水素用触媒は、高伝熱性基板に触媒金属微粒子を担持して構成されている。触媒としては、Ｐｔ、Ｐｔ−Ｉｒ、Ｐｔ−Ｒｅ、Ｐｔ−Ｗ等の貴金属系の金属を用いた炭素担持Ｐｔ触媒、炭素担持Ｐｔ−Ｉｒ複合金属触媒、炭素担持Ｐｔ−Ｒｅ複合金属触媒、または炭素担持Ｐｔ−Ｗ複合金属触媒を使用することができる。また、触媒金属としてニッケル系の金属を使用してもよい。また更に、多孔性炭素担体に上記同様に触媒金属微粒子を担持して構成したものも使用できる。
【００７３】
複室貯留タンク５１は、図２に示すように、膜面の法線方向が複室貯留タンク５１の上部若しくは下部の壁面と略平行となるように、ナフタレン非透過性の移動可能な分離膜５３を備えて構成され、分離膜５３により内部が二つに区画されている。区画された一方の貯留室（図面の分離膜５３の左室）には、デカリン５２を供給するためのバルブＶ３を備えた燃料供給口１８が設けられ、密閉してデカリンを貯留可能に構成されている。分離膜５３は、その膜面の法線方向と略平行（図面の左右方向Ｂ）に移動可能に構成されている。
【００７４】
分離膜５３は、一方の室から他方の室へのナフタレンの移動を抑え、かつデカリンに対して安定なものであれば、特に制限はなく公知のものの中から適宜選択することができる。例えば、物質非透過性のもの、ナフタレン透過性の低いもの、ナフタレンを除いては透過性のもの等を用いることができる。また、強固な板状のものであってもよいし、伸縮可能な軟性、弾性を有するものであってもよい。また、一つの複室貯留タンク内に複数の分離膜を設けることもできる。
【００７５】
具体的な例として、仕切り板や、ナフタレン濃度が低い側から圧がかかったときに開弁し、ナフタレンを高濃度に含む側から圧がかかったときに閉弁される多数の逆止弁が格子状又はランダムに配列された逆止弁膜などが挙げられ、材質は既述の通りである。
【００７６】
また、複室貯留タンク５１の左室の壁面には、水素生成（脱水素反応）に用いるデカリン（ＤＥ^１）を反応タンク４０へ供給するための供給配管１６と、触媒加熱（燃焼）用のデカリン（ＤＥ^２）を燃焼室４３に供給するための供給配管４８と、反応タンク４０で生成したナフタレン等の有機物を分離するためのデカリン（ＤＥ^３）を分離タンク５５に供給するための供給配管５０とが設けられている。
【００７７】
分離タンク５５は、外部から空冷、水冷等により冷却可能に構成されると共に、複室貯留タンク５１の左室に連通するヒータ５６を備える供給配管５０の他端で接続された供給装置５４を備え、反応タンク４０から配管４７を介して供給される水素リッチガスに（必要に応じて加熱された）デカリンを噴霧等して供給できるようになっている。このとき、供給配管１６、供給配管４８及び供給配管５０に供給される量の割合（％；ＤＥ^１量／ＤＥ^２量／ＤＥ^３量）は、例えば８０／１０／１０とすればよい。
【００７８】
分離タンク５５は、その底部において配管５３で複室貯留タンク５１の一方の貯留室（図面の分離膜５３の右室）と連通しており、右室にはナフタレン・デカリン混合液５２’が貯留される。一方、燃料電池等の水素使用装置２４に連通して配管５７が設けられ、水素ガスを供給できるようになっている。更に、複室貯留タンク５１の右室には、貯留されたナフタレン・デカリン混合液５２’を排出するためのバルブＶ４を備えた排出管１９が設けられている。
【００７９】
複室貯留タンク５１からデカリン５２が供給配管１６を挿通して反応タンク４０に供給されると、反応タンク４０で発生した水素リッチガス（蒸発した残存デカリンを含んでもよい。）は生成ナフタレンと共に分離タンク５５に供給される。このとき、反応タンク４０を構成する触媒反応器の触媒２０は、供給配管４８からのデカリンの燃焼（酸化）熱により加熱されている。
【００８０】
分離タンク５５に供給された水素リッチガスは、供給装置５４から噴出されるデカリンと接触し、冷却されると共にガス中のナフタレン及び残存デカリンは供給されたデカリンに溶解されて水素ガスと分離される。分離された高純度の水素ガスは、配管５７を通じて燃料電池等の水素使用装置２４に供給される。溶解されたナフタレンはナフタレン・デカリン混合液として複室貯留タンク５１の右室で貯留される。
【００８１】
分離膜５３は、ナフタレン・デカリン混合液の量が増えるにしたがって右室の容積が拡大する方向（図中の左方）に移動する。そして、所定の量に達すると、バルブＶ４を開閉して排出口１９からナフタレン・デカリン混合液が排出、回収され、これに伴い分離膜５３は左室の容積が拡大する方向（図中の右方）に移動し、燃料供給口１８からデカリンが供給される。このサイクルを繰り返すことにより、高純度の水素ガスを継続的に水素使用装置に供給することができる。
【００８２】
また、分離タンクから排出された余剰水素ガスを貯蔵する水素ガス貯蔵タンクを設けることもできる。この水素ガス貯蔵タンクに貯蔵された水素ガスは、燃料電池等の水素使用装置に供給したり、既述の再生タンク（再生装置）においてナフタレンの水素化反応に利用することができる。
【００８３】
（第３実施形態）
本発明の水素ガス生成装置の第３実施形態を図３を参照して説明する。本実施形態は、第１実施形態の貯留分離タンクに代えて、デカリンを貯留する貯留タンクと水素ガスを分離排出する分離タンクとを設けたものである。尚、炭化水素系燃料は第１実施形態で使用した燃料を用いることができ、第１実施形態と同様の構成要素には同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略する。
【００８４】
図３に示すように、本実施形態は、デカリンを貯留する貯留タンク６１と、触媒及び該触媒を加熱する加熱器を備え、かつデカリンを加熱された触媒上で脱水素反応させる反応タンク１５と、脱水素反応によって生じた水素ガス及びナフタレンが供給され、水素ガス分離手段７２によって水素ガスを分離して排出する分離タンク７０と、を備えている。
【００８５】
貯留タンク６１には、外部のガソリンスタンドや精油所等からデカリンを初期供給するためのバルブＶ５を備えた供給配管６２が取り付けられている。貯留タンク６１の底面側の壁面には、供給ポンプＰ１を備えた供給配管１６の一端が取り付けられている。貯留タンク６１は、供給配管１６によって反応タンク１５と噴霧装置２２を介して連通されている。
【００８６】
反応タンク１５は、配管７６を介して分離タンク７０に連通されている。分離タンク７０の側壁には、加熱再生機能を備えると共に、デカリン、ナフタレン等の有機化合物を吸着除去し、水素を精製して透過させる吸着精製用高表面積活性炭素装置、パラジウムやパラジウム合金で構成された水素透過精製薄膜からなる水素分離膜７２が設けられている。この水素分離膜７２で分離された水素ガスは、水素利用装置である車載の燃料電池に供給される。
【００８７】
分離タンク７０の外部には、風冷または水冷によって分離タンク７０の外壁を冷却することにより内部の気体ナフタレンを凝析させる冷却装置７３が配置されている。冷却装置７３で分離タンクを冷却することにより、ナフタレンが凝析し、同時に未反応デカリンを凝縮して液化し、ナフタレン及び未反応デカリンは水素ガスから分離される。
【００８８】
一方、濃縮された水素ガスを精製し、ナフタレンとデカリンとを完全に除去するために、水素分離膜７２を用いる。水素ガスを分離精製するにはナフタレン、デカリン等の有機化合物を吸着する能力の高い高表面積活性炭素を冷却し水素ガスだけを透過する膜、若しくはパラジウム合金製水素分離膜を用いることにより効率良く水素ガスを分離することができる。尚、分離タンク７０には、水素ガスの圧力から生成された水素ガス量を検出する第２の水素圧センサ２９が取り付けられている。尚、活性炭素に冷却吸着分離させたナフタレンとデカリンは、加熱により適宜離脱再生する。
【００８９】
また、分離タンク７０には、分離タンク内に貯留されたナフタレンを排出するためのバルブＶ６を備えた排出管７４が設けられている。分離タンク７０には、過剰に発生した余剰水素ガスを貯蔵するための図示しない予備水素貯留タンクが接続されてもよい。
【００９０】
上述した実施形態では、水素生成用の燃料としてデカリンを用いた例を中心に説明したが、既述のデカリン以外の炭化水素系燃料を用いた場合においても同様である。また、水素利用装置についても、特に車載燃料電池を例に説明したが、本発明は車載燃料電池以外の水素利用装置に適用することもできる。
【００９１】
【発明の効果】
本発明によれば、炭化水素系燃料の脱水素反応を迅速、高効率に行なわせて水素使用装置に高純度の水素ガスを供給し、水素使用装置の効率を向上させることができ、しかも軽量で小型の水素ガス生成装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態を示す概略構成図である。
【図２】本発明の第２実施形態を示す概略構成図である。
【図３】本発明の第３実施形態を示す概略構成図である。
【符号の説明】
１１・・・貯留分離タンク
５１・・・複室貯留タンク
１２，５２・・・炭化水素系燃料（デカリン）
１２’，５２’・・・脱水素生成物（ナフタレン）
１３，５３・・・分離膜
１５，４０・・・反応タンク
３０・・・排出口
３１・・・再生タンク
５５・・・分離タンク
６１・・・貯留タンク

Claims (9)

1. 炭化水素系燃料を霧状にして噴射する噴霧手段と、
   噴射された霧状炭化水素系燃料を微細な液滴にする微細化手段と、
   触媒及び該触媒を加熱する加熱器を備え、かつ供給された微細な液滴燃料を加熱された前記触媒上で脱水素反応させる反応手段と、
   炭化水素系燃料の脱水素反応によって生じた水素ガスを分離する分離手段と、
   を含む水素ガス生成装置。
2. 前記霧状炭化水素系燃料にマイクロ波及び機械的外力の少なくとも一方を付与して微細な液滴にする請求項１に記載の水素ガス生成装置。
3. 前記分離手段が、炭化水素系燃料を貯留し、かつ貯留された炭化水素系燃料中に、前記炭化水素系燃料の脱水素反応によって生じた水素ガス及び脱水素生成物が供給されると共に、前記水素ガスを排出する排出口を備えた貯留分離タンクである請求項１又は２に記載の水素ガス生成装置。
4. 前記貯留分離タンクが、脱水素生成物の拡散を抑え、かつ水素ガスを透過する分離膜を内部に備えた請求項３に記載の水素ガス生成装置。
5. 前記分離膜が内部に略水平に設けられ、前記分離膜で区画された該分離膜の下方に脱水素生成物を貯留するようにした請求項４に記載の水素ガス生成装置。
6. 前記分離膜が移動可能に設けられている請求項４又は５に記載の水素ガス生成装置。
7. 内部を区画する移動可能な分離膜を備え、該分離膜により区画された一方の室に炭化水素系燃料を貯留し、かつ他方の室に前記炭化水素系燃料の脱水素反応により生じかつ水素ガスが除去された脱水素生成物を貯留する複室貯留タンクを更に含む請求項１又は２に記載の水素ガス生成装置。
8. 前記分離手段が、水素ガス分離手段を備えると共に、炭化水素系燃料の脱水素反応によって生じた水素ガス及び脱水素生成物が供給され、前記水素ガス分離手段によって水素ガスを分離して排出する分離タンクである請求項１、２又は７に記載の水素ガス生成装置。
9. 触媒及び触媒を加熱する加熱器を備えると共に、脱水素生成物及び水素ガスが供給され、脱水素生成物を加熱された触媒上で水素化反応させる再生タンクを更に含む請求項１〜８のいずれか１項に記載の水素ガス生成装置。

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