JP2004231449A - 水素ガス分離タンク - Google Patents

Abstract

【課題】水素ガスと炭化水素とを含んだ混合ガスに対する水素分離能が高く、高純度の水素ガスを供給することができる水素ガス分離タンクを提供する。
【解決手段】水素ガスとナフタレンとを含む混合ガスが供給されるガス供給口２０と、分離タンク１０室内に配置され、ガス供給口２０から供給された前記混合ガスを冷却してナフタレンを凝結し水素ガスと分離する冷却障壁１６ａ〜１６ｅと、分離された水素ガスを排出するガス排出口２２と、を備えた水素ガス分離タンクである。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素ガスと炭化水素とを含む混合ガスから水素ガスを分離する水素ガス分離タンクに係り、特に、電気自動車や水素エンジン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や水素エンジン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好適に用いることのできる水素ガス分離タンクに関する。
【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、及びこの燃料電池を用いて発電をおこなうための燃料である水素又は水素を生成するための原燃料を搭載している。また、水素エンジンを搭載した水素エンジン車も同様に燃料源として水素、又は水素を生成するための原燃料を搭載している。
【０００３】
水素を搭載する電気自動車や水素エンジン車では、水素ガスを圧縮して高圧に若しくは液状にして充填したボンベ、又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又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。
【０００４】
しかしながら、車両に水素を搭載する場合、高圧タンクに圧縮した状態で搭載すると、高圧タンクは大きいわりに壁厚が厚く内容積を大きくできないために水素充填量が少ない。また、液体水素として搭載する場合は、気化ロスがあるほか、液化に多大なエネルギーを要するため総合的なエネルギー効率の点で望ましくない。更に、水素吸蔵合金や水素吸着材料では、電気自動車や水素エンジン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。加えて、水素を高圧化、液化したり、吸蔵するのに設備を別途整備する必要もある。
【０００５】
一方、原燃料を搭載する電気自動車や水素エンジン車は、水素を搭載する水素エンジン車に比較して、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、炭化水素系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あるという利点も有している。また、水素は燃焼しても空中の酸素と結合して水となるだけで公害の心配がない。更に、水素を燃焼させた場合、単位量あたりガソリンの数倍の熱を放出するため、その熱量を利用することが可能である。
【０００６】
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。
【０００７】
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、ルテニウム、ニッケル、及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生成する方法、又は加熱した触媒上にデカリンを吹き付けて水素を離脱する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００８】
燃料電池等に高純度の水素ガスを供給するためには、デカリン等の炭化水素系燃料の脱水素化反応によって発生した脱水素生成物（例えば、ナフタレン等）を水素ガスから分離する必要がある。また、このような脱水素生成物が混在したまま水素ガスが燃料電池に供給されると、燃料電池の電極で凝折し、発電効率を低下させる原因となり、燃料電池の性能を劣化させてしまうおそれがある。
【０００９】
このため、水素ガスと炭化水素系燃料の脱水素生成物とを分離して高純度の水素ガスを供給するために、デカリンやナフタレン等の炭化水素を吸着除去し、水素ガス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や水素透過精製薄膜からなる水素分離膜等の分離手段を設けた水素ガス生成装置が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
【００１０】
【特許文献１】
特開平６−１２１９３０号公報
【特許文献２】
特開２００２−２５５５０３
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような分離手段を設けた水素生成装置であっても、水素分離能が充分でないことから、さらなる改良が求められている。特に、原燃料としてデカリンを主成分とする燃料を用いた場合には、冷えると固体になりやすいナフタレンが脱水素生成物として生成されるため、さらなる水素分離能の向上が要求される。
【００１２】
本発明は、上述の問題に鑑み成されたもので、水素ガスと炭化水素とを含んだ混合ガスに対する水素分離能が高く、高純度の水素ガスを供給することができる水素ガス分離タンクを提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明の水素ガス分離タンクは、水素ガスと炭化水素とを含む混合ガスが供給される供給口と、タンク室内に配置され、前記供給口から供給された前記混合ガスを冷却して前記炭化水素を凝結し前記水素ガスを分離する冷却障壁と、分離された水素ガスを排出する排出口と、を備えて構成される。
【００１４】
上記水素ガス分離タンクによれば、タンク室内に設置された冷却障壁によって水素ガスと炭化水素とを含んでなる混合ガスを冷却するため、単にタンクの壁面を冷却した場合に比して冷却面積を広く確保することが可能である。このように、広く確保した冷却面積で混合ガスを冷却し、炭化水素を凝結して水素ガスを分離することができるため、吸着精製用高表面積活性炭素装置や水素透過精製薄膜からなる水素分離膜を設けた場合に比して水素分離能が高い。
【００１５】
本発明の水素ガス分離タンクは、常温で固体になる炭化水素と水素ガスとを含む混合ガスに対して好適に用いることができ、特に気相ナフタレンと水素ガスとの混合ガスに有用である。
【００１６】
本発明の水素ガス分離タンクは、混合ガスを冷却し、炭化水素を凝結させて水素ガスを分離する方法を利用して水素分離能を高めている。ここで、「凝結」とは、物が凝り固まることを意味し、具体的には、気体が液化すること、又は液体が固体になることを意味する。
【００１７】
タンク内の冷却面積を更に広く確保するためには、前記冷却障壁を複数設けるのが好ましい。また、本発明の水素ガス分離タンクのタンク壁そのものをも冷却するように構成してもよい。
【００１８】
また、本発明の水素ガス分離タンクは、前記炭化水素を溶解する溶解成分を前記冷却障壁に噴射する噴射装置を備えて構成することができる。
【００１９】
本発明の水素ガス分離タンクは、前記噴射装置から溶解成分を噴射することで、凝結して冷却障壁等に付着した炭化水素を溶解して除去することができる。これにより、凝結した炭化水素が冷却障壁に付着することによって冷却効率が低下するのを防止することができる。
【００２０】
また、溶解成分が冷却障壁に噴射されると同時に混合ガス自体にも溶解成分が噴射される。このように、混合ガスに溶解成分が噴射されると、混合ガス中に含まれる炭化水素が溶解成分中に溶解するため、炭化水素を混合ガスから分離させることができる。これにより、本発明の効果である水素分離能をより向上させることができる。更に、炭化水素を溶解して除去することによって、凝結して固体状になった炭化水素等を液化して貯留・回収することが可能となる。
【００２１】
前記噴射装置によって噴射される溶解成分は加熱されていることが好ましい。加熱した前記溶解成分を用いることで炭化水素の溶解効率を向上させることができる。
【００２２】
上記冷却障壁を冷却する為に、本発明の水素ガス分離タンクは冷媒によって前記冷却障壁を冷却する冷却装置を備えることができる。前記冷媒としては、冷却水、アルコール、不凍液等を用いることができる。前記冷却障壁を冷媒によって冷却するには、例えば、冷却障壁の内部に冷媒を循環させるように構成すればよい。冷却障壁の内部に冷媒を循環させることによって、冷却障壁の冷却効率を向上させることができる。
【００２３】
また、前記冷却障壁は板状であってもよく、網目構造を有するものであってもよい。前記冷却障壁が板状である場合には、混合ガスの流通路を確保するために、例えば、水素ガス分離タンクの上壁と底壁とに流通方向に向かって交互に設置したり、両側壁に交互に設置すればよい。この場合、混合ガスが冷却障壁と接触する時間を多くするために、混合ガスがジクザグに流通するように冷却障壁を設置するのがよい。
【００２４】
また、網目構造を有する冷却障壁を設置する場合、網目構造の網目を混合ガスの流通経路とすることができる。この際、凝結した炭化水素が網目に付着すると混合ガスの流通を阻害するおそれがあるため、ある程度目の粗いものを用いるのがよい。
【００２５】
本発明の水素ガス分離装置は、炭化水素系燃料から脱水素反応によって水素を生成し、水素使用装置（例えば燃料電池、水素エンジン）に供給する水素生成装置に好適に用いることができる。また、本発明の水素分離タンクを組み込んだ水素生成装置を用いることで、炭化水素系燃料から水素を生成する反応を迅速かつ高効率におこない、水素密度の高い水素ガスを良好に水素使用装置に供給し、更に装置全体の小型化、軽量化を図ることができると共に、炭化水素系燃料／脱水素生成物の循環系により、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。
【００２６】
本明細書において、「炭化水素系燃料」とは、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。脂肪族炭化水素等には、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、メチル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又はデカリンを主成分とする燃料がより好ましい。
【００２７】
前記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、又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）、又はベンゼンが各々相当する。
【００２８】
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又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。逆に、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及び／又はテトラリンを再生することができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の水素ガス分離タンクについて説明する。尚、下記の実施形態においては、混合ガスに水素ガスとともに含まれる炭化水素としてナフタレンを用い、水素ガス生成装置に用いる原燃料として、脱水素反応によって水素ガスとナフタレンとを生成する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、本発明はこれらの実施形態に制限されるものではない。
【００３０】
（第１の実施の形態）
本実施の形態において水素ガス分離タンク（以下、単に「分離タンク」という場合がある。）は燃料電池（ＦＣ）に水素ガスを供給する水素生成装置に備えられており、反応タンクから供給された混合ガス（水素ガスと気相ナフタレンとかなる混合ガス。以下同様とする。）から水素ガスと気相ナフタレンとを分離し、水素ガスを燃料電池に供給する。
【００３１】
図１を用いて水素ガス生成装置について説明する。図１は、第１の実施の形態に係る水素ガス分離タンクを備えた水素ガス生成装置を示す概略図である。図１において水素ガス生成装置は、分離タンク１０と、反応タンク１２と、貯留タンク１４とから構成される。
【００３２】
分離タンク１０について説明する。分離タンク１０は、反応タンク１２から供給された混合ガスをタンク内で水素ガスとナフタレンとに分離し、分離した水素ガスを燃料電池（ＦＣ）に供給する。図１において分離タンク１０には、複数の冷却障壁１６ａ〜１６ｉ（総じて「冷却障壁１６」という場合がある。）と、インジェクタ１８ａ〜１８ｅ（総じて「インジェクタ１８」という場合がある。）と、が備えられており、更に、ガス供給口２０とガス排出口２２とナフタレン排出口２４とが設けられている。
【００３３】
冷却障壁１６は、内部を循環する冷却水によって冷却されており、その表面に接触した混合ガスを冷却する。冷却障壁１６によって混合ガスが冷却されると、気相ナフタレンが凝結して液相又は固相のナフタレンとなり、水素ガスと分離し混合ガスの水素ガス濃度を高めることができる。
【００３４】
冷却障壁１６は、分離タンク１０内に設置される。図１において冷却障壁１６ａ〜１６ｅは分離タンク１０の上壁に設置されており、冷却障壁１６ｆ〜１６ｉは分離タンクの底面側に設置されている。本実施の形態においては、混合ガスの流通経路を確保して冷却障壁１６との接触時間を多くするために、上壁側の冷却障壁と底面側の冷却障壁とが混合ガスの流通方向に向かって交互に設置されている。このように冷却障壁１６を上壁側と底面側とで交互に設置することによって、混合ガスをジグザグに流通させ冷却時間を増加することでき、分離タンク１０の水素分離能を高めることができる。また、図１に示すように分離タンク１０には複数の冷却障壁１６を設置するのが好ましい。尚、冷却障壁１６の個数、大きさ等は分離タンク１０のサイズに併せて適宜選定することができる。
【００３５】
ここで、分離タンク１０の底面にはインジェクタ１８から噴射された溶解成分（デカリン）に溶解したナフタレンとデカリンとの混合液が貯留される。このため、分離タンク１０の底面側に設置される冷却障壁１６ｆ〜１６ｉは前記混合液の流通路をも考慮にいれて設置箇所を決定するのがよい。混合液の流通路は、例えば、１６ｆ〜１６ｉに切り欠け部を設けて構成してもよいし、図１に示すように、分離タンク１０の底面とある程度の間隔を有するように冷却障壁１６ｆ〜１６ｉを設置して構成してもよい。
【００３６】
冷却障壁１６は、分離タンク１０の近傍に設置されたラジエター２７と配管２８，３０を介して連結されており、ラジエター２７から送液される冷却水によって冷却されている。図２を用いて冷却障壁１６の冷却構造について説明する。
図２は、冷却障壁の冷却構造を説明するための概略図である。
【００３７】
図２に示すように冷却障壁１６の内部にはラジエター２７と連結する配管２８又は３０の一部が備えられている。冷却障壁１６の内部に備えられた配管２８又は３０の一部は屈曲配管のように蛇行した形状をしており、配管内に冷却水を循環させることによって冷却障壁１６の表面が冷却されるように構成されている。
【００３８】
次に、インジェクタ１８ａ〜１８ｅは、それぞれに対応する冷却障壁１６に溶解成分を噴射して冷却障壁１６に付着したナフタレンを除去するために設置される。本実施の形態においては前記溶解成分としてデカリン若しくはデカリンとナフタレンとの混合液を用いる。上記デカリン若しくはデカリンとナフタレンとの混合液（以下、「デカリン等」という場合がある。）は貯留タンク１４に貯留されているものを用い、供給管３２を介して貯留タンク１４から各インジェクタ１８に供給される。ここで、供給管３２は、一端が貯留タンク１４の底面側（ナフタレン／デカリン混合液貯留側）に接続されており、他端は分岐して各インジェクタ１８に連結されている。また、溶解成分として用いられるデカリン等は、供給管３２を介して供給される際にヒータ３４によって加熱された後、インジェクタ１８から噴射される。インジェクタ１８から噴射されるデカリン等が加熱されていると、ナフタレンの溶解性を高めることができるため、水素分離能及びナフタレン除去効果を更に高めることができる。
【００３９】
インジェクタ１８は、噴射口を下方に向けて分離タンク１０の上壁に設置される。インジェクタ１８から冷却障壁１６に向けてデカリン等が噴射されると、冷却障壁１６に付着したナフタレンがデカリン等によって溶解し、分離タンク１０の底面方向に流下する。これにより、冷却障壁１６の表面に付着したナフタレンを効率よく除去することができる。
【００４０】
また、冷却障壁１６にデカリン等を噴射する際には、同時に混合ガスにも溶解成分であるデカリン等が噴射される。このため、混合ガスにデカリン等が噴射されると、混合ガス中のナフタレンがデカリン等に溶解し、混合ガスの水素ガス濃度を更に高めることができる。
【００４１】
各インジェクタ１８の基数、噴射口の口径及び形状、並びに、デカリン等の噴射形状等は、各インジェクタ１８に対応した冷却障壁１６に万遍なくデカリン等を噴射できるよう適宜決定される。
【００４２】
上述のように冷却障壁１６の表面等に付着したナフタレン等は、インジェクタ１８から噴射されたデカリン等によって溶解され、分離タンク１０の底面にまで流下し貯留される。分離タンク１０の側壁の底面側には、一端が貯留タンク１４の底面側（ナフタレン／デカリン混合液貯留側）に接続された排出管２６が接続されており、貯留されたナフタレとデカリンとの混合液を貯留タンク１４に供給できようになっている。この際、排出管２６と各インジェクタ１８とを連結し、分離タンク１０に貯留されているナフタレンとデカリンとの混合液をインジェクタ１８に供給できるように構成してもよい。また、図１に示すように分離タンク１０の底面にはナフタレン排出口２４が設けられており、一定量以上の上記混合液が貯留した場合に排出できるようになっている。
【００４３】
ガス供給口２０は、タンク内に混合ガスを供給するために設けられる。ガス供給口２０には、一端が反応タンク１２に接続された供給管３６が接続されており、反応タンク１２で生成した水素ガスとナフタレンとの混合ガスを分離タンク１０に供給されるようになっている。
【００４４】
ガス排出口２２からは、タンク内でナフタレンが除去された高純度の水素ガスが排出される。ガス排出口２２から排出された水素ガスは、燃料電池に供給される。ガス排出口２２には、更に水素ガスの純度を高めるために、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や、パラジウム若しくは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等を設けてもよい。
【００４５】
次に、反応タンク１２について説明する。図１に示すように反応タンク１２には、供給されたデカリンを加熱された脱水素触媒において脱水素反応させるｎ個の脱水素反応器３８ａ^１〜３８ａ^ｎ（総じて「脱水素反応器３８ａ」という場合がある。）がタンク内に備えられており、更に、空気供給装置４０と、加熱燃料供給装置４２と、ガス排出口４４とが設けられている。
【００４６】
反応タンク１２は、供給されたデカリンを脱水素反応によって水素ガスとナフタレンとの混合ガスを生成し、生成した混合ガスを分離タンク１０に供給すると共に、脱水素反応に必要な熱をタンク内の酸化反応によって生じさせる。ｎ個の脱水素反応器３８ａは、図３に示すように、反応タンク１２の内壁に沿って互いに略平行となるように並べられて束状に配置されている。各脱水素反応器３８ａの上部端面には、脱水素反応後の水素ガスとナフタレンとの混合ガス（蒸発して残存する残存デカリンを含んでもよい）を排出するためのバルブ（Ｖａ^１〜Ｖａ^ｎ）を備えた排出管４６の一端が接続され、分離タンク１０に混合ガスを挿通する供給管３６とそれぞれ連通されている。また、下部端面には、未反応デカリンを排出するためのバルブ（Ｖｂ^１〜Ｖｂ^ｎ）を備えた排出管４８の一端が接続され、それぞれ戻し配管５０と連通されている。なお、戻し配管５０は、反応タンク１２内において複数の排出管４８が繋がるように管幅（内容積）が拡くなっている。
【００４７】
脱水素反応器３８ａは、内壁に脱水素触媒が設けられた円筒体であり、内部に複数の供給孔を有するインジェクタ（供給装置）が備えられている。図４〜５を用いて脱水素反応器３８ａについて更に詳しく説明する。
【００４８】
図４は、脱水素反応器の構造を説明するための斜視図である。図４に示すように、脱水素反応器３８ａ（３８ａ^１〜３８ａ^ｎ）は、内壁の曲面に脱水素触媒５２が担持された円筒体５４と、管状のインジェクタ（供給装置）５６とを備えている。円筒体５４は、両端が開口する断面円形の金属中空体であり、開口端の両方には閉塞部材５８、６０が取付けられている。閉塞部材５８、６０には、それぞれ混合ガスを排出するための排出管４６と、貯留された未反応デカリンを排出するための排出管４８とが設けられている。また、脱水素反応器３８ａの外壁には酸化触媒６２が備えられている。
【００４９】
脱水素触媒５２は、図４に示すように、円筒体５４の内壁の曲面全面に備えられている。脱水素触媒５２は、反応タンク１２内における酸化反応によって生じた熱により加熱される。脱水素触媒５２としては、触媒金属として、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、又は炭素担持Ｐｔ−Ｗ複合金属触媒、又はニッケル系金属を使用することができる。
【００５０】
脱水素反応器３８ａの内壁に脱水素触媒５２を設けるには、例えば、脱水素反応器３８ａの内壁に触媒金属微粒子（触媒）を直接担持させ、脱水素反応器３８ａを担持体として機能させたり、又は、触媒金属微粒子が多孔性炭素担体等の担体に予め担持されてなる触媒を脱水素反応器３８ａの内壁に沿って設けるようにしてもよい。但し、触媒と担体との密着性は高いほど熱伝導性が良く好ましい。脱水素反応器３８ａをモノリス担体とする場合には、一体成形構造の担体の表面に触媒機能を持つ活性成分（触媒金属微粒子）を分散して付着、担持させたモノリス触媒として構成することもできる。
【００５１】
インジェクタ５６は、図４に示すように断面円形の管状に構成され、脱水素触媒５２にデカリンを放射状に噴射できるように複数の供給孔が設けられている。インジェクタ５６は、円筒体５４の脱水素触媒５２で取り囲まれた内側に配置されており、その上端で一端が貯留タンク１４に接続された供給管６４と連結されている。インジェクタ５６は、供給管６４を介して貯留タンク１４から供給された純デカリンを複数の供給孔から放射状に噴射して、脱水素触媒５２の全体に均一に供給可能なように構成される。
【００５２】
インジェクタ５６からデカリンを噴射する際、加熱された脱水素触媒５２の表面が僅かに湿潤した状態、すなわち液膜状態が形成されることが好ましい。尚、液膜状態とするためにはインジェクタ５６からデカリンを間欠的に噴射するのがよい。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。
【００５３】
インジェクタ５６からデカリンが噴射されると、脱水素反応器３８ａ内に設けられた脱水素触媒５２上でデカリンが脱水素反応し、水素ガスとナフタレンとの混合ガスを生成する。未反応の気相デカリンをも含んだ混合ガスは、上部端面に接続された排出管４６から排出され、供給管３６を連通して分離タンク１０に供給される。
【００５４】
また、未反応の液相デカリンは反応により生じた液相のナフタレンとともに排出管４８から排出され、戻し配管５０を介して貯留タンク１４の底面側（ナフタレン／デカリン混合液貯留側）に送液される。
【００５５】
デカリンの脱水素反応には熱が必要であるため、脱水素触媒５２は２００〜３５０℃程度に加熱されている必要がある。本実施の形態においては係る脱水素反応に必要な熱を反応タンク１２内の酸化反応によって発生する熱でまかなうことができる。上記酸化反応は脱水素反応器３８ａの外壁に備えられた酸化触媒６２上でおこなわれ、酸化反応によって生じた熱が円筒体５４を介して脱水素触媒５２に伝わり、脱水素触媒５２を加熱することができる。酸化触媒６２としては、公知の遷移金属酸化物触媒を用いることができる。
【００５６】
また、複数の脱水素反応器３８ａは、図３に示すように、所定の間隙を有して配置されている。また、反応タンク内に配置する脱水素反応器の数やその間隙は、所望の脱水素反応がおこない得る範囲で水素ガスの必要生成量などに応じて適宜選択することができる。
【００５７】
次に、反応タンク１２内における酸化反応によって脱水素触媒５２を加熱する機構について説明する。図１に示すように、反応タンク１２には、酸化反応に必要な空気を供給する空気供給装置４０と、酸化反応に必要な加熱燃料を供給する加熱燃料供給装置４２とが備えられており、加熱燃料と空気とが共に反応タンク１２に供給されるようになっている。また、反応タンク１２には、加熱燃料の酸化反応によって生じた二酸化炭素及び水を排出するガス排出口４４が設けられている。更にガス排出口４４には、二酸化炭素を吸着する吸着材を備えた固定器７０が接続されている。
【００５８】
空気供給装置４０は、コンプレッサー６６によって反応タンク１２内に空気を供給できるようになっている。また、本実施の形態では脱水素反応器３８ａの加熱燃料として貯留タンク１４内に貯留されたデカリン等（デカリン若しくはナフタレン／デカリン混合液）を用いる。加熱燃料供給装置４２には、一端が貯留タンク１４の底面側（ナフタレン／デカリン混合液貯留側）に接続された供給管６８が連結されており、加熱燃料としてデカリン等を供給できるようになっている。
【００５９】
まず、貯留タンク１４から供給管６８及び加熱燃料供給装置４２を介して反応タンク１２内にデカリン等が供給されると、これと同時に空気供給装置４０から空気が供給される。
【００６０】
酸化触媒６２上における酸化反応にも熱が必要とされるが、加熱燃料の供給初期段階においては、酸化触媒６２は加熱されていない。このため、酸化触媒６２と円筒体５４の外壁との間には、図５に示すように、酸化触媒６２を加熱するための燃焼開始ヒータ７２が備えられている。燃焼開始ヒータ７２は、ニクロム線等で形成され、加熱前の酸化触媒６２を酸化反応開始温度にまで加熱する。酸化反応開始後は、酸化反応によって生じた熱によって酸化反応が進むため、燃焼開始ヒータ７２はオフされる。
【００６１】
空気と共に供給されたデカリン等は加熱された酸化触媒６２上で酸化反応を起こし遠赤外線を発生する。酸化反応によって生じた熱は、円筒体５４を介して脱水素触媒５２に伝わり、脱水素触媒５２を加熱することができる。これにより、脱水素触媒５２は、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。
【００６２】
酸化反応によって発生した二酸化炭素と水とはガス排出口４４から排出され、途中固定器７０によって二酸化炭素が除去されて水のみが装置外に排出される。
【００６３】
次に貯留タンク１４について説明する。貯留タンク１４には原燃料であるデカリンが貯留されており、側壁の上面側に接続された供給管６４を介して反応タンク１２にデカリンを供給できるようになっている。また、本実施の形態においては、分離タンク１０で生じるナフタレンとデカリンとの混合液や反応タンク１２において生じる未反応デカリンを回収し、貯留タンク１４に貯留できるようになっている。
【００６４】
貯留タンク１４は側壁の底面側に接続された排出管２６を介して分離タンク１０と連通しており、分離タンク１０の底面側に貯留されたデカリンとナフタレンとの混合液が貯留タンク１４に供給されるようになっている。また、貯留タンク１４は側壁の底面側に接続された戻し配管５０を介して反応タンク１２（脱水素反応器３８ａ）と連通しており、未反応のデカリンが貯留タンク１４に供給されるようになっている。
【００６５】
このようにナフタレン混合物を貯留タンク１４に貯留すると、比重の差によってナフタレンは貯留タンク１４の底面側に移動する。このため、脱水素反応の燃料として用いる場合には貯留タンクの上面側の純度の高いデカリンを用い、加熱燃料や分離タンク１０における溶解成分として用いる場合にはナフタレン濃度の高い底面側のデカリンを用いる。これにより、単一のタンクを有効に利用でき、装置の更なる小型化、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。
【００６６】
また、貯留タンク１４の上部端面にはデカリン供給口７４が設けられており、デカリンを供給できるようになっている。デカリン供給口７４から純デカリンが供給され、ナフタレン混合物がなくデカリンが満タンであるときには、最大量のデカリンが貯留タンクに貯留されている。水素生成装置が始動すると、水素ガスの生成に伴って徐々に貯留タンク１４中のナフタレン混合物の占める割合が増えていき、純デカリンの割合が減り一定量にまで貯留されると、あらたに純デカリンを供給するために、ナフタレン混合物は貯留タンク１４の底面に設けられたナフタレン排出口７６から排出される。
【００６７】
また、貯留タンク１４に移動可能なナフタレン非透過性の隔壁を設けて、隔壁によってタンク内を二つの室に区画し、区画された一方にデカリンを、他方にはナフタレン混合物を貯留するようにしてもよい。この際、ナフタレン混合物がなくデカリンが満タンであるときには、隔壁が最上部に位置して最大量のデカリンがデカリン貯留部に貯留され、水素ガスの生成、すなわちナフタレン混合物の生成量の増大にしたがって隔壁が徐々に下方に自動的に移動し、デカリン貯留部の容積が縮小され混合物貯留部の容積が拡大するように構成することができる。
【００６８】
上記隔壁としては、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、変形し難い板状のものでも伸縮可能な軟性、弾性を有するものでもよい。さらに、一つの複室貯留タンク内に複数の隔壁を設けることもできる。
【００６９】
貯留タンク１４は、分離タンク１０や反応タンク１２との連結管にそれぞれ図示を省略する連結器（ジョイント）を設け、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。
【００７０】
貯留タンク１４を着脱可能に構成することにより、デカリンから所定量の水素ガスを生成後、複室貯留タンク自体を交換あるいは一旦取外してナフタレン混合物を再生することにより、貯留されたナフタレン混合物を回収、除去でき、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。
【００７１】
本実施の形態によれば、複数の冷却障壁１６とインジェクタ１８とを備えた分離タンクを用いることで、高い水素分離能を十分に発揮することができる。
【００７２】
（第２の実施の形態）
本発明の水素ガス分離タンクの第２の実施の形態について図６を参照して説明する。本実施の形態における水素ガス分離タンクは第１の実施の形態における水素ガス分離タンクと転用可能であり、第２の実施の形態における水素ガス分離タンク以外の装置等については説明を省略する。
【００７３】
図６は、第２の実施の形態に係る水素ガス分離タンクを示す概略図である。図６において分離タンク７８は、反応タンク１２から供給された混合ガスをタンク内で水素ガスとナフタレンとに分離し、分離した水素ガスを燃料電池（ＦＣ）に供給する。図６において分離タンク７８には、複数の冷却障壁８０ａ〜８０ｉ（総じて「冷却障壁８０」という場合がある。）と、インジェクタ８２ａ〜８２ｉ（総じて「インジェクタ８２」という場合がある。）と、が備えられており、更に、ガス供給口８４とガス排出口８６とナフタレン排出口８８とが設けられている。
【００７４】
冷却障壁８０は、内部を循環する冷却水によって冷却されており、その表面に接触した混合ガスを冷却する。冷却障壁８０によって混合ガスが冷却されると、気相ナフタレンが凝結して液相又は固相のナフタレンとなり、水素ガスと分離し混合ガスの水素ガス濃度を高めることができる。
【００７５】
本実施の形態における分離タンク７８は、タンクの底面側から混合ガスを供給し、上面側から水素ガスを排出するように構成されている。図６において冷却障壁８０ａ〜８０ｉは長手方向が略水平になるようにタンク内の側壁に設置される。本実施の形態においても同様に、混合ガスの流通経路を確保して冷却障壁８０との接触時間を多くするために、冷却障壁は、混合ガスの流通方向に向かって（図面下方から上方に向かって）交互になるように左右の側壁に設置されている。このように冷却障壁１６を交互に設置して混合ガスがジグザグに流通するようにすることで、分離タンク７８の水素分離能を高めることができる。また、各冷却障壁８０は、ナフタレン及びデカリンがタンク底面に流れやすいよう、各々が流下方向側に傾斜するように設置してもよい。尚、冷却障壁８０の個数、大きさ等は分離タンク７８のサイズに併せて適宜選定することができる。
【００７６】
冷却障壁８０は、分離タンク７８の近傍に設置されたラジエター２７と配管２８，３０を介して連結されており、ラジエター２７から送液される冷却水によって冷却されている。冷却障壁８０の内部には、第１の実施の形態と同様にラジエター２７と連結する配管２８，３０の一部が屈曲配管のように蛇行して設置されており、配管内に冷却水を循環させることによって冷却障壁８０の表面が冷却されるように構成されている。
【００７７】
インジェクタ８２ａ〜８２ｉは、それぞれに対応する冷却障壁８０に溶解成分を噴射して冷却障壁８０に付着したナフタレンを除去するために設置される。各インジェクタ８２は、供給管３２を介して貯留タンク１４の底面側（ナフタレン／デカリン混合液貯留側）と連通しており、貯留タンク１４からデカリンが供給されるようになっている。また、貯留タンク１４から供給されるデカリン等はヒータ３４によって加熱された後、インジェクタ８２から噴射される。
【００７８】
インジェクタ８２は、噴射口が対応する冷却障壁８０に均一にデカリン等を供給できるように分離タンク７８の側壁に設置される。インジェクタ８２から冷却障壁８０に向けてデカリン等が噴射されると、冷却障壁８０に付着したナフタレンがデカリン等によって溶解し、分離タンク７８の底面方向に流下する。これにより、冷却障壁８０の表面に付着したナフタレンを効率よく除去することができる。
【００７９】
各インジェクタ８２の基数、噴射口の口径及び形状、並びに、デカリン等の噴射形状等は、各インジェクタ８２に対応した冷却障壁８０に万遍なくデカリン等を噴射できるよう適宜決定される。
【００８０】
上述のように冷却障壁８０の表面等に付着したナフタレン等は、インジェクタ８２から噴射されたデカリン等によって溶解され、分離タンク７８の底面にまで流下し貯留される。分離タンク７８の側壁の底面側には、一端が貯留タンク１４の底面側（ナフタレン／デカリン混合液貯留側）に接続された排出管２６が接続されており、貯留されたナフタレとデカリンとの混合液を貯留タンク１４に供給できようになっている。この際、排出管２６と各インジェクタ８２とを連結し、分離タンク７８に貯留されているナフタレンとデカリンとの混合液をインジェクタ８２に供給できるように構成してもよい。また、図６に示すように分離タンク７８の底面にはナフタレン排出口８８が設けられており、一定量以上の上記混合液が貯留した場合に排出できるようになっている。
【００８１】
ガス供給口８４は、タンク内に混合ガスを供給するために分離タンク７８の底面側に設けられる。ガス供給口８４には、一端が反応タンク１２に接続された供給管３６が接続されており、反応タンク１２で生成した水素ガスとナフタレンとの混合ガスを分離タンク７８に供給されるようになっている。
【００８２】
ガス排出口８６からは、タンク内でナフタレンが除去された高純度の水素ガスが排出される。ガス排出口８６から排出された水素ガスは、燃料電池に供給される。ガス排出口８６には、吸着精製用高表面積活性炭素装置や、パラジウム若しくは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等を設けてもよい。
【００８３】
本実施の形態における水素分離タンクは、水素分離タンクの底面側から混合ガスが供給され、上方から水素ガスを排出する構成を有する。このため、比重の軽い水素ガスがタンクの上方に移動しやすく、更に高純度の水素ガスを排出することができる。
【００８４】
（第３の実施の形態）
本発明の水素ガス分離タンクの第３の実施の形態について図７を参照して説明する。本実施の形態における水素ガス分離タンクは第１の実施の形態における水素ガス分離タンクと転用可能であり、第３の実施の形態における水素ガス分離タンク以外の装置等については説明を省略する。
【００８５】
図７は、第３の実施の形態に係る水素ガス分離タンクを示す概略図である。図７において分離タンク９０は、反応タンク１２から供給された混合ガスをタンク内で水素ガスとナフタレンとに分離し、分離した水素ガスを燃料電池（ＦＣ）に供給する。本実施の形態は冷却障壁として網目状のフィルターを用いる。図７において分離タンク９０には、複数の冷却障壁９２ａ〜９２ｅ（総じて「冷却障壁９２」という場合がある。）と、インジェクタ９４ａ〜９４ｅ（総じて「インジェクタ９４」という場合がある。）と、が備えられており、更に、ガス供給口９６とガス排出口９８とナフタレン排出口１０２とが設けられている。
【００８６】
冷却障壁９２は網目状のフィルターであり、その表面に備えられた配管内を循環する冷却水によって冷却される。ガス供給口９６から供給された混合ガスは、冷却障壁９２の網目を通過する際に冷却され、ナフタレンと水素ガスとに分離される。冷却障壁９２の網目の大きさは特に限定はないが、あまりに小さいとナフタレンが凝結して付着した際に網目がふさがれてしまう為、ある程度粗い方が好ましい。
【００８７】
冷却障壁９２は、図７に示すように分離タンク９０の上壁と底面とに挟持されるように設置されている。本実施の形態においては、混合ガスやナフタレンとデカリン等の混合液が冷却障壁９２の網目を通して流通するため、第１及び第２の実施の形態のように敢えて流通経路を確保する必要はない。尚、冷却障壁９２の個数、大きさ等も分離タンク９０のサイズに併せて適宜選定することができる。
【００８８】
冷却障壁９２の表面には、ラジエター２７と連結した配管１００が屈曲配管のように蛇行して備えられている。このように冷却障壁９２の表面は、ラジエター２７から配管１００を介して循環される冷却水によって冷却されるように構成されている。
【００８９】
インジェクタ９４ａ〜ｅは、それぞれに対応する冷却障壁９２に溶解成分を噴射して冷却障壁９２に付着したナフタレンを除去するために設置される。各インジェクタ９４は、供給管３２を介して貯留タンク１４の底面側（ナフタレン／デカリン混合液貯留側）と連通しており、貯留タンク１４からデカリンが供給されるようになっている。また、貯留タンク１４から供給されるデカリン等はヒータ３４によって加熱された後、インジェクタ９４から噴射される。
【００９０】
インジェクタ９４は、噴射口が対応する冷却障壁９２に均一にデカリン等を供給できるように分離タンク９０の側壁に設置される。インジェクタ９４から冷却障壁９２に向けてデカリン等が噴射されると、冷却障壁９２に付着したナフタレンがデカリン等によって溶解し、分離タンク９０の底面方向に流下する。これにより、冷却障壁９２の表面に付着したナフタレンを効率よく除去することができる。各インジェクタ９４の基数、噴射口の口径及び形状、並びに、デカリン等の噴射形状等は、各インジェクタ９４に対応した冷却障壁９２に万遍なくデカリン等を噴射できるよう適宜決定される。
【００９１】
上述のように冷却障壁９２の表面等に付着したナフタレン等は、インジェクタ９４から噴射されたデカリン等によって溶解され、分離タンク９０の底面にまで流下し貯留される。分離タンク９０の側壁の底面側には、一端が貯留タンク１４の底面側（ナフタレン／デカリン混合液貯留側）に接続された排出管２６が接続されており、貯留されたナフタレとデカリンとの混合液を貯留タンク１４に供給できようになっている。この際、排出管２６と各インジェクタ９４とを連結し、分離タンク９０に貯留されているナフタレンとデカリンとの混合液をインジェクタ９４に供給できるように構成してもよい。また、図７に示すように分離タンク９０の底面にはナフタレン排出口１０２が設けられており、一定量以上の上記混合液が貯留した場合に排出できるようになっている。
【００９２】
ガス供給口９６には、一端が反応タンク１２に接続された供給管３６が接続されており、反応タンク１２で生成した水素ガスとナフタレンとの混合ガスを分離タンク９０に供給されるようになっている。
【００９３】
また、ガス排出口９８からは、タンク内でナフタレンが除去された高純度の水素ガスが排出される。ガス排出口９８から排出された水素ガスは、燃料電池に供給される。ガス排出口９８には、吸着精製用高表面積活性炭素装置や、パラジウム若しくは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等を設けてもよい。
【００９４】
【発明の効果】
本発明によれば、水素ガスと炭化水素とを含んだ混合ガスに対する水素分離能が高く、高純度の水素ガスを供給することができる水素ガス分離タンクを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態に係る水素ガス分離タンクを備えた水素ガス生成装置を示す概略図である。
【図２】冷却障壁の冷却構造を説明するための概略図である。
【図３】反応タンクの概略構成例を示す斜視図である。
【図４】脱水素反応器の構造を説明するための斜視図である。
【図５】図４のＡ−Ａ’線断面図である。
【図６】本発明の第２の実施形態の水素ガス分離タンクを示す概略図である。
【図７】本発明の第３の実施形態の水素ガス分離タンクを示す概略図である。
【符号の説明】
１０，７８，９０…分離タンク
１２…反応タンク
１４…貯留タンク
１６ａ〜１６ｉ，８０ａ〜８０ｉ，９２ａ〜９２ｅ…冷却障壁
１８ａ〜１８ｅ，８２ａ〜８２ｉ，９４ａ〜９４ｅ…インジェクタ
２０，８４，９６…ガス供給口
２２，８６，９８…ガス排出口
２７…ラジエター
３８ａ（３８ａ^１、３８ａ^２…３８ａ^ｎ）…脱水素反応器
５２…脱水素触媒
６２…酸化触媒

Claims (7)

1. 水素ガスと炭化水素とを含む混合ガスが供給される供給口と、
   タンク室内に配置され、前記供給口から供給された前記混合ガスを冷却して前記炭化水素を凝結し前記水素ガスを分離する冷却障壁と、
   分離された前記水素ガスを排出する排出口と、
   を備えた水素ガス分離タンク。
2. 前記冷却障壁を複数配置した請求項１に記載の水素ガス分離タンク。
3. 前記炭化水素を溶解する溶解成分を前記冷却障壁に噴射する噴射装置を備えた請求項１又は２に記載の水素ガス分離タンク。
4. 前記溶解成分が加熱されている請求項３に記載の水素ガス分離タンク。
5. 前記冷却障壁を冷媒によって冷却する冷却装置を備えた請求項１〜４のいずれかに記載の水素ガス分離タンク。
6. 前記冷却障壁の内部に前記冷媒を循環させた請求項５に記載の水素ガス分離タンク。
7. 前記冷却障壁が網目構造である請求項１〜５のいずれかに記載の水素ガス分離タンク。

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