JP2013163624A - Device and method for producing hydrogen - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、水素生成装置及び水素生成方法に関するものであり、より詳細には、多孔質体を用いて液体メタノール等の炭化水素系液体原料から迅速且つ効率的に水素を生成する水素生成装置及び水素生成方法に関するものである。 The present invention relates to a hydrogen generation apparatus and a hydrogen generation method, and more particularly, a hydrogen generation apparatus that quickly and efficiently generates hydrogen from a hydrocarbon-based liquid raw material such as liquid methanol using a porous body, and The present invention relates to a hydrogen generation method.
メタノール蒸気、或いは、メタノール蒸気及び水蒸気の混合気を200〜300℃程度の温度に加熱して白金等の触媒に接触させると、分解反応又は水蒸気改質反応により水素が生成する。この反応は、燃料電池用の燃料水素製造、エネルギーの輸送・貯蔵等のための化学ヒートパイプ、或いは、エクセルギー損失の低減を図る化学再生ガスタービン発電システム等の省エネルギー機器又はエネルギー有効利用システムに応用可能な技術として近年殊に注目されている。 When methanol vapor or a mixture of methanol vapor and steam is heated to a temperature of about 200 to 300 ° C. and brought into contact with a catalyst such as platinum, hydrogen is generated by a decomposition reaction or a steam reforming reaction. This reaction can be applied to energy-saving equipment or effective energy use systems such as fuel hydrogen production for fuel cells, chemical heat pipes for energy transportation and storage, or chemical regeneration gas turbine power generation systems that reduce exergy loss. In recent years, it has attracted particular attention as an applicable technology.
燃料電池用の燃料水素を製造する装置として、メタノール等の炭化水素を改質触媒によって水蒸気改質し、比較的多量の水素を含有する水素リッチガスを生成する水素生成装置が知られている。この種の水素生成装置は、炭化水素及び水を含む液体原料を加熱して液体原料を蒸発させる蒸発部と、メタノール等の液体原料を蒸発部に供給する給液ポンプと、水蒸気改質触媒の粒子又はペレット等を充填した反応域又は反応器からなる改質部とから構成されており、炭化水素の水蒸気改質反応が改質触媒の存在下に改質部において進行する。水素ガス生成装置は又、液体原料の蒸発や、水蒸気改質反応に要する熱を確保すべく、触媒燃焼部等の熱源を有し、熱源の熱は、燃焼ガス等の熱媒体を介して蒸発部及び改質部に夫々供給される。このような構成の水素生成装置は、例えば、特開2000−154001号公報、特表2003−501342号公報に記載されている。 As an apparatus for producing fuel hydrogen for a fuel cell, a hydrogen generating apparatus is known which generates a hydrogen rich gas containing a relatively large amount of hydrogen by steam reforming a hydrocarbon such as methanol with a reforming catalyst. This type of hydrogen generator includes an evaporation unit that heats a liquid material containing hydrocarbons and water to evaporate the liquid material, a feed pump that supplies a liquid material such as methanol to the evaporation unit, and a steam reforming catalyst. The reforming section is composed of a reaction zone or a reactor filled with particles or pellets, and a hydrocarbon steam reforming reaction proceeds in the reforming section in the presence of a reforming catalyst. The hydrogen gas generator also has a heat source such as a catalytic combustion section to ensure the heat required for the evaporation of the liquid raw material and the steam reforming reaction, and the heat of the heat source is evaporated via a heat medium such as a combustion gas. And the reforming section, respectively. Such a hydrogen generator is described in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-154001 and Japanese Translation of PCT International Publication No. 2003-501342.
また、携帯電話又は携帯PC等の小型電子機器の電源として使用可能な燃料電池の研究・開発が近年、実施されており、このような燃料電池に連結可能又は装着可能な燃料容器が、例えば、特開2004−281341号公報に記載されている。この種の燃料容器は、燃料電池の気化部に接続される流出口と、炭化水素系液体原料を収容可能な容器本体とを有する。 In recent years, research and development of a fuel cell that can be used as a power source of a small electronic device such as a mobile phone or a portable PC has been carried out. A fuel container that can be connected to or attached to such a fuel cell is, for example, It describes in Unexamined-Japanese-Patent No. 2004-281341. This type of fuel container has an outlet connected to the vaporization part of the fuel cell, and a container body that can contain a hydrocarbon-based liquid material.
更には、連続気泡発泡体の毛管作用によって炭化水素系液体原料を燃料電池の改質器又は燃料極に輸送することが、特開2005−105129号公報に記載されている。 Further, JP 2005-105129 A discloses that a hydrocarbon-based liquid material is transported to a reformer or a fuel electrode of a fuel cell by the capillary action of an open-cell foam.
しかしながら、メタノールから水素を得るには、メタノール蒸気(或いは、メタノール蒸気及び水蒸気の混合気)を生成する工程と、触媒粒子等を充填した反応器(又は改質器)にメタノール蒸気を導入してメタノールの分解反応(又は水蒸気改質反応)を進行させる工程、即ち、蒸発工程と反応工程との二段階の工程が必要である。このため、従来の水素生成装置は、液体メタノール等の液体原料を給送する給液ポンプと、メタノール蒸気(或いは、メタノール蒸気及び水蒸気の混合気)を生成する蒸発器と、触媒の存在下にメタノールを分解し又は水蒸気改質する反応器とを備えており、この結果、装置サイズが大型化し、或いは、装置構造が複雑化していた。 However, in order to obtain hydrogen from methanol, methanol vapor (or a mixture of methanol vapor and water vapor) is generated and methanol vapor is introduced into a reactor (or reformer) filled with catalyst particles. A process for advancing the decomposition reaction (or steam reforming reaction) of methanol, that is, a two-stage process including an evaporation process and a reaction process is required. For this reason, the conventional hydrogen generator is provided in the presence of a feed pump for feeding a liquid raw material such as liquid methanol, an evaporator for producing methanol vapor (or a mixture of methanol vapor and water vapor), and a catalyst. The reactor is equipped with a reactor for decomposing or steam reforming methanol. As a result, the apparatus size is increased or the apparatus structure is complicated.
また、従来の水素生成装置においては、蒸発器及び反応器に供給する熱を個別に制御し、或いは、蒸発器と反応器との間の熱移動を制御しなければならないことから、複雑な加熱制御手段を設ける必要が生じるのみならず、制御性や熱効率等を改善すべき必要が生じていた。 In addition, in the conventional hydrogen generator, the heat supplied to the evaporator and the reactor must be individually controlled, or the heat transfer between the evaporator and the reactor must be controlled. In addition to the necessity of providing a control means, there is a need to improve controllability and thermal efficiency.
更に、従来の水素生成装置は、比較的大きな容量の蒸発部及び分解・改質部を備えることから、起動時の立ち上がり時間が比較的長く、負荷変動に対する追従性も劣り、このため、初期加熱時間を短縮し、負荷変動に対する応答性を改善することが望まれる。 Furthermore, since the conventional hydrogen generator is provided with a relatively large capacity of the evaporation section and the decomposition / reformation section, the startup time at startup is relatively long and the followability to load fluctuations is inferior. It is desirable to shorten the time and improve the response to load fluctuations.
本発明者は、このような課題を解決すべく、メタノール液等の炭化水素系液体原料の蒸発と、炭化水素の分解又は水蒸気改質反応とを単一工程且つ単一機構で実行可能な水素生成装置及び水素生成方法を特願2008−208075号(特開2009−62269号公報)において提案している。 In order to solve such problems, the present inventor has proposed a hydrogen which can perform evaporation of a hydrocarbon-based liquid raw material such as methanol liquid and hydrocarbon decomposition or steam reforming reaction in a single process and a single mechanism. Japanese Patent Application No. 2008-208075 (Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2009-62269) proposes a generation apparatus and a hydrogen generation method.
本発明者が特開2009−62269号公報(特許文献5)において提案した水素生成装置は、炭化水素の分解反応又は水蒸気改質反応を促す触媒を担持した多孔質体に円形断面の中空部を形成し、この中空部内に発熱体を内装した構造のものである。炭化水素を含む液体原料は、多孔質体の毛管力によって中空部内壁面に向かって流動しながら、多孔質体の細孔内で気化し、炭化水素の分解反応又は水蒸気改質反応が触媒の存在下に細孔内おいて生起する。 The hydrogen generator proposed by the present inventor in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2009-62269 (Patent Document 5) has a hollow section with a circular cross section in a porous body supporting a catalyst that promotes a hydrocarbon decomposition reaction or a steam reforming reaction. It is formed and has a structure in which a heating element is housed in the hollow portion. Liquid raw materials containing hydrocarbons vaporize in the pores of the porous body while flowing toward the inner wall surface of the hollow portion by the capillary force of the porous body, and the hydrocarbon decomposition reaction or steam reforming reaction is present in the presence of the catalyst. It occurs in the pores below.
この構成の水素生成装置は、メタノール液等の炭化水素系液体原料の蒸発と、炭化水素の分解又は水蒸気改質反応とを単一工程且つ単一機構で実行することができ、しかも、装置構成の小型化又は簡素化、制御性及び熱効率の改善、初期加熱時間の短縮、負荷変動に対する応答性の改善という点では、所期の目的を達成し得た。 The hydrogen generating apparatus having this configuration can perform evaporation of hydrocarbon liquid raw material such as methanol liquid and hydrocarbon decomposition or steam reforming reaction in a single process and a single mechanism. The objectives could be achieved in terms of miniaturization or simplification, improvement in controllability and thermal efficiency, reduction in initial heating time, and improvement in response to load fluctuations.
しかしながら、この構成の装置では、水素発生量を十分に増大させることができず、水素発生量を所望の如く増大し難いことが本発明者の実験により判明した。これは、多孔質体の毛管作用により過分に多量の液体原料が多孔質体の中空部内壁面に供給されるため、中空部内壁面の湿潤状態が予想以上に維持され、この結果、炭化水素の分解反応又は水蒸気改質反応のための反応域を多孔質体の細孔内に十分に確保し難いことに起因すると考えられる。 However, it has been found by experiments of the present inventor that the amount of hydrogen generation cannot be increased sufficiently in the apparatus having this configuration, and it is difficult to increase the amount of hydrogen generation as desired. This is because an excessive amount of liquid raw material is supplied to the hollow inner wall surface of the porous body due to the capillary action of the porous body, so that the wet state of the inner wall surface of the hollow part is maintained more than expected, resulting in hydrocarbon decomposition. It is considered that this is because it is difficult to sufficiently secure a reaction zone for the reaction or the steam reforming reaction in the pores of the porous body.
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、炭化水素の分解反応又は水蒸気改質反応を促す触媒を担持した多孔質体を使用して、メタノール液等の炭化水素系液体原料の吸液、給液及び蒸発と、炭化水素の分解又は水蒸気改質反応とを多孔質体内で進行させるとともに、炭化水素の分解又は水蒸気改質反応による水素の発生量を増大することができる水素生成装置及び水素生成方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of such problems, and the object of the present invention is to use a porous material carrying a catalyst that promotes a hydrocarbon decomposition reaction or a steam reforming reaction, and a methanol solution. The amount of hydrogen generated by the hydrocarbon decomposition or steam reforming reaction as well as the liquid absorption, supply and evaporation of hydrocarbon liquid raw materials, etc., and the hydrocarbon decomposition or steam reforming reaction proceed in the porous body. An object of the present invention is to provide a hydrogen generation apparatus and a hydrogen generation method that can increase the amount of hydrogen.
本発明は、上記目的を達成すべく、発熱体を内装した中空部を備え且つ触媒を担持した多孔質体を用い、炭化水素を含む液体原料を細孔の毛管力によって吸液するとともに、前記発熱体の発熱によって前記液体原料を気化し且つ過熱し、触媒の存在下に進行する炭化水素の分解反応又は水蒸気改質反応によって水素を生成する水素生成装置において、
前記発熱体を内装した前記中空部を備え且つ前記触媒を担持した第1多孔質体と、前記第1多孔質体の外面から離間した蒸発面を備え且つ前記液体原料を細孔の毛管力によって前記蒸発面に給液する第2多孔質体とから前記多孔質体を構成し、
第1及び第2多孔質体の間に蒸気流動域を形成したことを特徴とする水素生成装置を提供する。
In order to achieve the above object, the present invention uses a porous body having a hollow portion with a heating element and supporting a catalyst, and absorbs liquid raw material containing hydrocarbons by capillary force of pores, In the hydrogen generation apparatus that vaporizes and superheats the liquid raw material by heat generation of the heating element and generates hydrogen by the hydrocarbon decomposition reaction or steam reforming reaction that proceeds in the presence of the catalyst,
A first porous body having the hollow portion in which the heating element is internally provided and supporting the catalyst; an evaporation surface spaced from an outer surface of the first porous body; and the liquid raw material by capillary force of the pores The porous body is configured from the second porous body that supplies liquid to the evaporation surface,
Provided is a hydrogen generation apparatus characterized in that a vapor flow region is formed between a first porous body and a second porous body.
本発明は又、発熱体を内装した中空部を備え且つ触媒を担持した多孔質体を用い、炭化水素を含む液体原料を細孔の毛管力によって吸液するとともに、前記発熱体の発熱によって前記液体原料を気化し且つ過熱し、触媒の存在下に進行する炭化水素の分解反応又は水蒸気改質反応によって水素を生成する水素生成方法において、
前記発熱体を内装した前記中空部を備え且つ前記触媒を担持した第1多孔質体と、前記第1多孔質体の外面から離間した蒸発面を備え且つ前記液体原料を細孔の毛管力によって前記蒸発面に給液する第2多孔質体とから前記多孔質体を構成するとともに、第1及び第2多孔質体の間に蒸気流動域を画成し、
前記発熱体の発熱によって前記液体原料を前記蒸発面から蒸発させるとともに、前記蒸気流動域から前記第1多孔質体の細孔に流入した前記液体原料の蒸気を前記中空部内に流入させ、該液体原料中の炭化水素の分解反応又は水蒸気改質反応を前記触媒の存在下に進行させて前記中空部内に水素を生成することを特徴とする水素生成方法を提供する。
The present invention also uses a porous body having a hollow portion in which a heating element is housed and supports a catalyst, absorbs a liquid raw material containing hydrocarbons by capillary force of pores, and generates heat by the heating element. In a hydrogen generation method in which liquid raw material is vaporized and heated to generate hydrogen by a hydrocarbon decomposition reaction or steam reforming reaction that proceeds in the presence of a catalyst,
A first porous body having the hollow portion in which the heating element is internally provided and supporting the catalyst; an evaporation surface spaced from an outer surface of the first porous body; and the liquid raw material by capillary force of the pores Constituting the porous body from the second porous body fed to the evaporation surface, and defining a vapor flow region between the first and second porous bodies,
The liquid raw material is evaporated from the evaporation surface by the heat generation of the heating element, and the vapor of the liquid raw material that has flowed into the pores of the first porous body from the vapor flow region is caused to flow into the hollow portion. There is provided a hydrogen generation method characterized in that a hydrocarbon decomposition reaction or a steam reforming reaction in a raw material proceeds in the presence of the catalyst to generate hydrogen in the hollow portion.
本発明の水素生成装置及び水素生成方法よれば、多孔質体は、液体燃料を細孔の毛管力によって蒸発面に給液し且つ蒸発面で気化させる第2多孔質体と、触媒を担持し且つ発熱体を内装した第1多孔質体とから構成され、第1及び第2多孔質体の間には、蒸気流動域が形成される。発熱体の発熱は、第1多孔質体及び蒸気流動域を介して第2多孔質体の蒸発面に作用する。第2多孔質体の毛管力によって第2多孔質体の蒸発面に供給された液体原料は、蒸発面の細孔から蒸発し、蒸気流動域に充満する。蒸気流動域及び中空部の圧力差(全圧差)が発生し、蒸気流動域の蒸気は、この圧力差によって、第2多孔質体の細孔内を流動して中空部内に流入する。第1多孔質体の細孔内では、蒸気に含まれる炭化水素の分解反応又は水蒸気改質反応が触媒の存在下に進行する。この結果、比較的多量の水素を含む合成ガスが第1多孔質体の中空部に発生する。 According to the hydrogen generation apparatus and the hydrogen generation method of the present invention, the porous body carries the catalyst with the second porous body that supplies liquid fuel to the evaporation surface by the capillary force of the pores and vaporizes at the evaporation surface. In addition, the first porous body is provided with a heating element, and a steam flow region is formed between the first and second porous bodies. The heat generated by the heating element acts on the evaporation surface of the second porous body via the first porous body and the steam flow region. The liquid raw material supplied to the evaporation surface of the second porous body by the capillary force of the second porous body evaporates from the pores of the evaporation surface and fills the vapor flow region. A pressure difference (total pressure difference) is generated between the steam flow region and the hollow portion, and the steam in the steam flow region flows through the pores of the second porous body and flows into the hollow portion due to the pressure difference. In the pores of the first porous body, the decomposition reaction or the steam reforming reaction of hydrocarbons contained in the steam proceeds in the presence of the catalyst. As a result, synthesis gas containing a relatively large amount of hydrogen is generated in the hollow portion of the first porous body.
このような構成の水素生成装置及び水素生成方法においては、吸液・給液手段且つ気化手段としての多孔質体と、分解反応又は水蒸気反応のための多孔質体とが別体に分離し、第1多孔質体と第2多孔質体との間に蒸気流動域が形成される。このような構成によれば、第2多孔質体の吸液・給液作用及び気化作用を抑制せず、或いは、これらの作用を促進又は高効率化した状態を保持するにもかかわらず、第1多孔質体の乾燥状態を維持し、炭化水素の分解反応又は水蒸気改質反応を第1多孔質体の細孔内で確実に進行させることができる。このため、本発明の水素生成装置及び水素生成方法によれば、多量の水素を含む合成ガスを中空部内に持続的且つ多量に発生させることができる。 In the hydrogen generation apparatus and the hydrogen generation method having such a configuration, the porous body as the liquid absorption / liquid supply means and the vaporization means and the porous body for the decomposition reaction or the water vapor reaction are separated into separate bodies, A steam flow region is formed between the first porous body and the second porous body. According to such a configuration, the second porous body does not suppress the liquid absorption / liquid supply action and the vaporization action, or the second porous body does not suppress the action or promotes the high efficiency, while maintaining the state of the second porous body. The dry state of the porous body can be maintained, and the hydrocarbon decomposition reaction or the steam reforming reaction can surely proceed in the pores of the first porous body. For this reason, according to the hydrogen generating apparatus and the hydrogen generating method of the present invention, the synthesis gas containing a large amount of hydrogen can be generated continuously and in a large amount in the hollow portion.
また、発熱体の熱は、第1多孔質体及び第2伝熱体に段階的に伝熱する。即ち、発熱体の熱は、第1多孔質体において炭化水素の分解反応又は水蒸気改質反応の反応熱として初期的に消費されるとともに、蒸気の過熱のために消費され、残余の熱は、第2多孔質体において液体原料の気化のための顕熱として消費される。従って、本発明によれば、単一の熱源の熱をカスケード状(段階的又は多段的)に有効利用することができるので、装置全体の熱効率を向上することができる。 The heat of the heating element is transferred stepwise to the first porous body and the second heat transfer body. That is, the heat of the heating element is initially consumed as the reaction heat of the hydrocarbon decomposition reaction or steam reforming reaction in the first porous body, and is also consumed due to steam overheating, and the remaining heat is It is consumed as sensible heat for vaporizing the liquid raw material in the second porous body. Therefore, according to the present invention, the heat of a single heat source can be effectively used in cascade (stepwise or multistage), so that the thermal efficiency of the entire apparatus can be improved.
更に、本発明によれば、給液ポンプ等の設置を省略することができるので、装置構成を小型化し且つ簡素化することができる。また、本発明によれば、発熱体の制御のみによって水素の発生を制御し得るので、極めて制御性が良い。加えて、上記構成の水素発生装置では、発熱体の発熱後、極めて迅速に水素が発生し、発熱体の発熱停止後、極めて迅速に水素の発生が停止する。従って、本発明によれば、初期加熱時間を短縮するとともに、負荷変動に対する応答性を改善することができる。 Furthermore, according to the present invention, installation of a liquid supply pump or the like can be omitted, so that the apparatus configuration can be reduced in size and simplified. In addition, according to the present invention, the generation of hydrogen can be controlled only by controlling the heating element, so the controllability is very good. In addition, in the hydrogen generator configured as described above, hydrogen is generated very quickly after the heating element is heated, and generation of hydrogen is stopped very quickly after the heating element is stopped. Therefore, according to the present invention, the initial heating time can be shortened and the responsiveness to load fluctuation can be improved.
本発明の水素生成装置及び水素生成方法によれば、炭化水素の分解反応又は水蒸気改質反応を促す触媒を担持した多孔質体を使用して、メタノール液等の炭化水素系液体原料の吸液、給液及び蒸発と、炭化水素の分解又は水蒸気改質反応とを多孔質体内で進行させるとともに、炭化水素の分解又は水蒸気改質反応による水素の発生量を増大することができる。 According to the hydrogen generating apparatus and the hydrogen generating method of the present invention, a liquid-absorbing liquid hydrocarbon material such as a methanol liquid is used by using a porous body supporting a catalyst that promotes a hydrocarbon decomposition reaction or a steam reforming reaction. In addition, the liquid supply and evaporation and the hydrocarbon decomposition or steam reforming reaction can proceed in the porous body, and the amount of hydrogen generated by the hydrocarbon decomposition or steam reforming reaction can be increased.
また、本発明の上記構成によれば、蒸発及び反応のための工程及び機構の単一化により、装置構成の小型化又は簡素化、加熱制御手段の簡素化又は部分的省略、制御性及び熱効率の改善、初期加熱時間の短縮、負荷変動に対する応答性の改善等を可能にする水素生成装置及び水素生成方法を提供することができる。 In addition, according to the above-described configuration of the present invention, by simplifying the process and mechanism for evaporation and reaction, the apparatus configuration can be downsized or simplified, the heating control means can be simplified or partially omitted, controllability, and thermal efficiency. It is possible to provide a hydrogen generation apparatus and a hydrogen generation method that can improve the process, shorten the initial heating time, improve the response to load fluctuations, and the like.
本発明の好適な実施形態において、原料炭化水素は、メタノール、ジメチルエーテル、2−プロパノール又はシクロヘキサンであり、触媒は、白金(Pt)、コバルト、亜鉛、銅、鉄、ニッケル、クロム、パラジウム、ロジウム等の金属又はその酸化物である。好ましくは、第1多孔質体は、全体的に円筒形の外形を有し、発熱体を収容する円形断面の中空部を備えており、第2多孔質体は、第1多孔質体を収容可能な円形断面の内孔を有する。更に好ましくは、発熱体は、中空部の内周面に接し又は近接し且つ軸芯を中空部の軸線方向に配向したコイル状電熱体からなる。コイル状電熱体は、加熱時に径方向に熱膨張し、中空部の内周面との接触状態又は近接状態を維持する。所望により、複数の中空部を多孔質体に形成し、各中空部に発熱体を内装しても良い。コイル状電熱体として、通電時に発熱する円形断面のコイル状ニクロム線又はカンタル線を好適に使用し得る。中空部内周面と発熱体との接触部分の熱流束は、例えば、1MW/m2以上に設定される。 In a preferred embodiment of the present invention, the raw material hydrocarbon is methanol, dimethyl ether, 2-propanol, or cyclohexane, and the catalyst is platinum (Pt), cobalt, zinc, copper, iron, nickel, chromium, palladium, rhodium, or the like. Or an oxide thereof. Preferably, the first porous body has a cylindrical outer shape as a whole, and has a hollow section having a circular cross section for accommodating the heating element, and the second porous body accommodates the first porous body. It has an inner hole with a possible circular cross section. More preferably, the heating element is made of a coil-shaped electric heating element which is in contact with or close to the inner peripheral surface of the hollow portion and whose axis is oriented in the axial direction of the hollow portion. The coiled electric heating element thermally expands in the radial direction during heating, and maintains a contact state or proximity state with the inner peripheral surface of the hollow portion. If desired, a plurality of hollow portions may be formed in a porous body, and a heating element may be provided in each hollow portion. As the coiled electric heating body, a coiled nichrome wire or Kanthal wire having a circular cross section that generates heat when energized can be suitably used. The heat flux at the contact portion between the inner circumferential surface of the hollow portion and the heating element is set to 1 MW / m 2 or more, for example.
本発明の更に好適な実施形態によれば、第1多孔質体は、軸線方向に熱収縮・熱膨張可能に第2多孔質体によって支承され、水素を含む合成ガスを中空部から送出する合成ガス送出管が第1多孔質体に連結される。所望により、分解反応又は水蒸気改質反応用の触媒を中空部内に更に配置しても良い。中空部は、発熱体の発熱によって高温雰囲気を維持するので、中空部を流動する合成ガスに含まれる未反応の炭化水素は、触媒の存在下に中空部内で更に分解反応し又は水蒸気改質反応し、更に多量の水素を含む合成ガスが中空部に生成する。中空部の触媒は、例えば、発熱体を構成する電熱コイルのコイル表面に付着又は添着される。 According to a further preferred embodiment of the present invention, the first porous body is supported by the second porous body so as to be capable of thermal contraction and expansion in the axial direction, and the synthesis gas containing hydrogen is delivered from the hollow portion. A gas delivery tube is connected to the first porous body. If desired, a catalyst for decomposition reaction or steam reforming reaction may be further disposed in the hollow portion. Since the hollow portion maintains a high temperature atmosphere due to the heat generated by the heating element, unreacted hydrocarbons contained in the synthesis gas flowing through the hollow portion are further decomposed or steam reformed in the hollow portion in the presence of the catalyst. Further, synthesis gas containing a large amount of hydrogen is generated in the hollow portion. For example, the catalyst in the hollow portion is attached or attached to the coil surface of the electric heating coil constituting the heating element.
本発明の他の好適な実施形態によれば、発熱体を中空部に内装した多孔質体は、液体を封入可能な密封構造の可搬式又は携帯式ケーシング内に収容され、ケーシングは、中空部に連通する送出管の部分を燃料電池の燃料供給部に連結することにより、燃料電池に連結される。所望により、合成ガスは、一酸化炭素(CO)を除去するCO除去手段を介して燃料電池の燃料供給部に供給される。 According to another preferred embodiment of the present invention, the porous body in which the heating element is housed in the hollow portion is accommodated in a portable or portable casing having a sealed structure capable of enclosing a liquid, and the casing includes the hollow portion. The portion of the delivery pipe that communicates with the fuel cell is connected to the fuel supply portion of the fuel cell, thereby being connected to the fuel cell. If desired, the synthesis gas is supplied to the fuel supply section of the fuel cell via a CO removal means for removing carbon monoxide (CO).
液体原料を充填した複数の可搬式又は携帯式ケーシングを予め用意することにより、ケーシング単位で液体原料を適切な時期に供給することができる。これは、燃料電池に対する水素の連続供給を実質的に可能にする。また、このようなケーシングを規格・標準化することにより、携帯電話又は携帯PC等の小型電子機器用燃料電池に水素を供給し得る携帯式の水素供給カセット又は水素供給ユニット等を設計することが可能となる。 By preparing in advance a plurality of portable or portable casings filled with a liquid material, the liquid material can be supplied at an appropriate time in units of casings. This substantially enables a continuous supply of hydrogen to the fuel cell. In addition, by standardizing and standardizing such casings, it is possible to design portable hydrogen supply cassettes or hydrogen supply units that can supply hydrogen to fuel cells for small electronic devices such as mobile phones or portable PCs. It becomes.
本発明の或る実施形態においては、水素生成装置は、発熱体を通電発熱させる電力供給装置を含む。好適には、電力供給装置は、発熱体に通電すべき電力の電圧値又は電流値を制御して発熱体の発熱量を制御する発熱体制御手段を有する。 In one embodiment of the present invention, the hydrogen generator includes a power supply device that energizes and heats the heating element. Preferably, the power supply device includes a heating element control unit that controls a voltage value or a current value of electric power to be supplied to the heating element to control a heat generation amount of the heating element.
図1は、本発明を適用した水素生成装置の第1実施例を示す斜視図であり、図2及び図3は、図1に示す水素生成装置の縦断面図及び横断面図である。 FIG. 1 is a perspective view showing a first embodiment of a hydrogen generator to which the present invention is applied, and FIGS. 2 and 3 are a longitudinal sectional view and a transverse sectional view of the hydrogen generator shown in FIG.
水素生成装置1は、液浴Wを収容する液槽5と、液槽5内の液浴Wに下部を浸漬した複式構成(二部品構成)の多孔質体6と、多孔質体6の中空部7に内装したコイル状発熱体8とから構成される。中空部7の下流端が合成ガス送出口7aとして多孔質体6の端面に位置決めされる。中空部7の上流側部分は、多孔質体6内の閉塞端7bにおいて終端する。合成ガス送出管3の上流端が合成ガス送出口7aに接続される。合成ガス送出管3は、CO除去手段等(図示せず)を介して、比較的多量の水素を含む合成ガスSを燃料電池の燃料供給部等(図示せず)に供給する。水素生成装置1は、大気又は外界雰囲気から完全に遮蔽された装置内に収容され、或いは、空気又は酸素の供給を完全に遮断された装置内領域に配置される。所望により、水素生成装置1は、液槽5、多孔質体6及びその周囲領域を外界雰囲気から遮断する上部カバー50(二点鎖線で示す)を備え、大気開放空間に配置可能な構造を有する。
The
全長に亘って均一な直径を有する真円形断面の流体通路が、中空部7によって多孔質体6内に形成される。発熱体8が中空部7内に内装される。発熱体8は、概ね全周に亘って中空部7の内周壁面に接し又は密着した円形断面のコイル状ニクロム線又はカンタル線からなり、通電時に発熱する。発熱体8には、リード線15が接続される。各リード線15の端子16には、電流供給装置20の通電配線17が接続される。電流供給装置20は、給電線18を介して交流電源(AC100V)19に接続される。電流供給装置20は、電圧調整器22、電流計23及び電圧計24を含む電源回路を有し、電圧調整した電力を発熱体8に供給して、発熱体8を発熱させる。
A perfectly circular fluid passage having a uniform diameter over the entire length is formed in the
メタノール液供給装置25が、液槽5と関連して水素生成装置1に設けられる。メタノール液供給装置25は、供給管28を介してメタノール液Lを液槽5内に供給し、メタノール液Lの液浴Wが液槽5内に貯留される。所望により、メタノール液供給装置25は、液槽5内のメタノール液Lの液量を検出する液面レベル検出手段(図示せず)を有し、メタノール液Lの液面レベル低下と関連してメタノール液Lを液槽5に適宜補給するように構成される。
A methanol
図3に示すように、多孔質体6は、触媒を担持した第1多孔質体61と、第1多孔質体61の外側に配置された第2多孔質体62とから構成される。第1多孔質体61は、均一な真円形断面の内周壁面63及び外周壁面64を備えた円筒形輪郭を有する。第2多孔質体62は、全体的に直方体の外形を有し、第2多孔質体62を貫通する内孔を中心部に備えており、内孔は、均一な真円形断面の内周壁面65を形成する。内周壁面63、外周壁面64及び内周壁面65は、第1多孔質体61の中心軸線Cに対して同心状に配置される。第1及び第2多孔質体61、62は離間しており、蒸気流動域66が外周壁面64と内周壁面65との間に形成される。
As shown in FIG. 3, the
図2に示すように、第2多孔質体61の上流側端部は、閉塞栓67によって気密に閉塞される。耐熱性複合板71、72が、耐熱性無機接着剤73によって第2多孔質体62の各端面に接着される。耐熱性複合板71、72は、多孔質板71a、72a、シリコンラバーシート71b、72b及び多孔質板71c、72cを積層した構成を有する。なお、耐熱性無機接着剤73として、例えば、東亞合成株式会社製品「アロンセラミック」(登録商標)を好適に使用し得る。
As shown in FIG. 2, the upstream end portion of the second
合成ガス送出管3の上流側端部が、耐熱性複合板71の円形開口部を貫通し、第1多孔質体61の下流側端部(合成ガス送出口7a)に気密に接続される。第1多孔質体61の下流側端部の外周部は、耐熱性無機接着剤69によって耐熱性複合板71に接合される。第1多孔質体61の上流側端部は、外周壁面64から径方向外方に一体的に膨出したスペーサ68を有する。第1及び第2多孔質体61、62の相互離間距離がスペーサ68によって確保される。第1多孔質体61は、スペーサ68によって軸線方向に熱収縮・熱膨張可能に内周壁面65に支承される。スペーサ68は、上記耐熱性無機接着剤の固化物、或いは、セラミック製又は金属製の成形品からなる。
The upstream end of the synthesis
一般に、含水多孔質体に高温物体を接近させると、多孔質体の表面において液体が急激に気化する。多孔質体の表面の液が蒸発によって減少すると、多孔質体の毛管力によって自動的に多孔質体表面に液体が供給されるので、多孔質体表面の液枯れは生じ難い。水素生成装置1は、このような原理を応用したものであり、優れた制御性及び応答性を有し、急峻な装置起動性、メタノール液蒸発の俊敏性、水素生成の迅速性等の諸性能を発揮する。
In general, when a high-temperature object is brought close to the hydrous porous body, the liquid rapidly vaporizes on the surface of the porous body. When the liquid on the surface of the porous body is reduced by evaporation, the liquid is automatically supplied to the surface of the porous body by the capillary force of the porous body. The
図4は、多孔質体6及び発熱体8の構造を示す水素生成装置の部分拡大断面図である。図4において、第2多孔質体62は、部分的に示されている。図5は、第1多孔質体61の内周壁面63と発熱体8との接触部を示す水素生成装置の部分拡大断面図である。
FIG. 4 is a partially enlarged sectional view of the hydrogen generator showing the structure of the
多数の連通空隙を有し、耐熱性及び電気絶縁性を備えたセラミックス成形体を第1及び第2多孔質体61、62として好ましく使用し得る。第1及び第2多孔質体61、62の多数の連通空隙は、毛管力による吸液作用及び給液作用を発揮する多数の細孔30、32を構成する。図4及び図5には、第1及び第2多孔質体61、62の細孔30、32が模式的に示されている。
A ceramic molded body having a large number of communicating voids and having heat resistance and electrical insulation can be preferably used as the first and second
例えば、第1及び第2多孔質体61、62は、市販の耐熱断熱レンガ(形式C1、イソライト工業株式会社製品、主成分:SiO2 55%、Al2O3 41%、有効熱伝導率:0.44 [W/(m・K)])の加工成形品からなり、平均細孔径=7μm、モード径=18μm、空隙率=56%の物性を有する。第2多孔質体62は、幅50mm×高さ50mm×長さ120mmの外形寸法を有する直方体に加工成形される。第1多孔質体61は、直径(D1)=8mmの中空部7を有する肉厚2mmの円筒体に加工成形される。直径(J1)=0.35mmのカンタル線が発熱体8として螺旋状に中空部7に配設される。カンタル線は、図4に示す如く、内周壁面63に密接又は密着するように配置される。カンタル線は、1.1mの全長を有し、カンタル線のピッチ間隔(J2)は、約2.5mmに設定され、カンタル線の巻数は、約40巻に設定される。発熱体8の線径(J1)と、発熱体8のピッチ間隔(J2)との比は、例えば、1/3〜1/10の範囲に設定される。
For example, the first and second
第2多孔質体62は、直径(D2)=20mmの内孔を有し、内孔は、内周壁面65を形成する。多孔質体6は、図3に示す如く、少なくとも部分的に液浴Wのメタノール液Lに浸漬され、メタノール液Lは、図3に矢印で示す如く、第2多孔質体62の毛管作用によって吸い上げられ、内周壁面65に向かって第2多孔質体62の細孔30(図4)内を流動する。発熱体8の熱H(図5)は、発熱体8と接触した第1多孔質体61に伝熱し、第1多孔質体61の外周壁面64を加熱する。外周壁面64の熱は、蒸気流動域66に生じる対流伝熱及び輻射伝熱の作用により、第1多孔質体62の内周壁面65に伝熱し、内周壁面65の温度を上昇させる。
The second
第2多孔質体62の細孔30は、図4(B)及び図4(C)に模式的に示す如く、内周壁面65において開口する。メタノール液Lは、メタノール液Lの液面4が表面張力により湾曲し、メニスカスMを開口部31の縁に形成する。メニスカスMは、薄い液膜として開口部31の全周に形成される。上記の如く、内周壁面65は、第1多孔質体61の熱輻射及び蒸気流動域66の対流伝熱により発熱体8の熱を受熱する。内周壁面65の熱は、メタノール液Lに伝熱してメニスカスMのメタノール液Lを加熱する。メニスカスMのメタノール液Lは又、第1多孔質体61の輻射熱を受熱して加熱される。メニスカスMは、細孔30の出口の縁部に位置する微小質量の液又は薄い液膜であることから、その熱容量は極めて小さく、従って、メニスカスMの液又は液膜は、内周壁面65の近傍の第2多孔質体62の部分との伝熱接触及び第1多孔質体61の輻射熱によって瞬時且つ急激に気化する。メタノール液Lの気化によって生成したメタノール蒸気Vが、図4(A)及び図4(B)に破線の矢印で示す如く、開口部31から蒸気流動域66に流出する。第2多孔質体62は、図3に示す如く、メタノール液Lの気化に相応して液浴Wのメタノール液Lを吸い上げ、メニスカスMに給液するので、メタノール液Lの気化が持続し、メタノール蒸気Vは、持続的に蒸気流動域66に流出する。
The
液面4からのメタノール液Lの蒸発により蒸気流動域66の全圧が上昇し、蒸気流動域66と中空部7との差圧が増大する。蒸気流動域66のメタノール蒸気Vは、第1多孔質体61の細孔32(図5)を流通して中空部7に流入する。
Evaporation of the methanol liquid L from the
図5には、第1多孔質体61と発熱体8との接触部分の構成が拡大して示されている。図5に模式的に示すように、多孔質体6は、多数の触媒2を有する。触媒2は、メタノール分解反応用の粒子状触媒、或いは、アルミナ等の触媒担体に担持した担持型触媒からなる。白金(Pt)、コバルト、亜鉛、銅、鉄、ニッケル、クロム、パラジウム、ロジウム等の金属又はその酸化物を触媒2として好適に使用し得る。
FIG. 5 shows an enlarged configuration of the contact portion between the first
例えば、200kW/m2以上の大きな平均表面熱流束が得られるように発熱体8を通電発熱させると、発熱体8の表面温度は、500℃以上、例えば、700℃に達する。発熱体8の熱Hは、固体熱伝導により第1多孔質体61に伝熱するとともに、熱輻射により細孔32内の雰囲気を加熱する。このため、細孔32内には、250〜300℃程度の高温雰囲気の反応域9が形成される。
For example, when the
触媒2は、開口部33に向かって反応域9内を流動するメタノール蒸気Vに接触する適当な密度に分布しており、メタノール蒸気Vは、メタノール分解反応用触媒の存在下に分解反応し(CH3OH→CO+2H2)、水素及び一酸化炭素を含む合成ガスSが反応域9に生成する。合成ガスSは、開口部31から中空部7に流出し、合成ガス送出管3を介して燃料電池の燃料供給部等(図示せず)に供給される。なお、一酸化炭素(CO)は燃料電池電極の被毒原因になるので、合成ガスSは、望ましくは、CO除去手段を介して燃料電池の燃料供給部に供給される。
The catalyst 2 is distributed at an appropriate density in contact with the methanol vapor V flowing in the
発熱体8は、第1多孔質体61及び反応域9を加熱するのみならず、中空部7内の雰囲気をも加熱する。所望により、触媒2と同様のメタノール分解反応用触媒が、発熱体8の電熱コイル表面に付着又は添着される。中空部7内の高温雰囲気を流動する合成ガスS中の未反応メタノールは、発熱体8の近傍を流動する際に触媒の存在下に分解し(CH3OH→CO+2H2)、更に多量の水素及び一酸化炭素を含む合成ガスSが、合成ガス送出管3を介して燃料電池の燃料供給部等(図示せず)に供給される。
The
図6は、上記構成の水素生成装置1を用いた水素生成実験の実験結果を示す線図、斜視図及び正面図である。
FIG. 6 is a diagram, a perspective view, and a front view showing an experimental result of a hydrogen generation experiment using the
本発明者は、ヘキサクロロ白金(IV)酸6水和物(塩化白金酸6水和物)(H2PtCL6・6H2O)を蒸留水に溶かし、前述の耐熱断熱レンガ(形式C1、イソライト工業株式会社製品)を円筒形に加工成形した多孔質体(外径(d5)=12mm、肉厚2mm)をこの水溶液に浸漬した後、乾燥させ、しかる後、ヘキサクロロ白金(IV)酸6水和物を水素ガスによって還元させ、これにより、第1多孔質体61を製作した。本発明者は又、図6(B)に示す如く、直径(d4)=20mmの内孔を穿設した幅(d1)=50mm、高さ(d2) =50mm、奥行(d3)=50mmの多孔質ブロック(前述の耐熱断熱レンガ(形式C1、イソライト工業株式会社製品)の加工成形品)を第2多孔質体62として用意し、カンタル線からなるコイル状発熱体8を内装した第1多孔質体61を第2多孔質体62の内孔に挿入した。本発明者は更に、図2に示すように、合成ガス送出管3、閉塞栓67、スペーサ68、耐熱性無機接着剤69、73及び耐熱性複合板71、72を第1及び第2多孔質体61、62及び発熱体8に組み付け、上部カバー50を有する液槽5内のメタノール液の液浴Wに第2多孔質体62を浸漬するとともに、図2に示すように発熱体8を電流供給装置20に接続し、発熱体8に電圧を印加し、発熱体8を発熱させた。液浴Wのメタノール液は、図3に矢印で示す如く、毛細管現象によって第2多孔質体62に吸い上げられ、急峻なメタノール液の蒸発現象が、内周壁面65に発生するとともに、水素を含む合成ガスSが中空部7内に発生した。
The present inventor dissolved hexachloroplatinic (IV) acid hexahydrate (chloroplatinic acid hexahydrate) (H 2 PtCL 6 · 6H 2 O) in distilled water, and the above heat-resistant insulating brick (form C1, Isolite) A porous body (outer diameter (d5) = 12 mm, wall thickness 2 mm) processed and molded into a cylindrical shape is dipped in this aqueous solution, dried, and then hexachloroplatinic (IV)
本発明者は、第1多孔質体61の外面温度を測定すべく、熱電対からなる温度検出器91を図2に示す如く第1多孔質体61の外周壁面64に配設するとともに、第2多孔質体62の温度を測定すべく、熱電対からなる温度検出器92、93を図6(C)に示す如く内周壁面65から距離(d6,d7)=2mmを隔てた位置に配設した。また、本発明者は、合成ガス送出管3の下流側端部を凝縮器(図示せず)に接続し、合成ガスSに含まれるメタノール蒸気Vを凝縮させて除去した後、非凝縮気体(主に水素及び一酸化炭素)の発生量(発生速度)を測定した。
In order to measure the outer surface temperature of the first
図6(A)には、加熱量100Wの条件で行った水素生成実験における温度T1,T2,T3及び非凝縮気体生成速度(発生速度)の時間変化が示されている。図6(A)に示すように、温度T2,T3は、メタノールの気化温度未満の温度に維持される。これは、内周壁面65に対するメタノール液の給液が長時間持続することを意味する。他方、温度T1(第1多孔質体61の外周壁面64の温度)は、加熱開始後約1分経過後に約450℃を超え、非凝縮気体(H260%, CO30%)の発生量は、約1200mL/minに達し、反応が迅速に生じることが認められた。このような水素生成実験の実験結果によれば、水素及び一酸化炭素へのメタノールの転化率は、加熱量の調整や、第1及び第2多孔質体61、62の材料、寸法、構造等の最適化により、90%以上に増加させることが可能であると考えられる。
FIG. 6A shows changes over time in the temperatures T 1 , T 2 , T 3 and the non-condensable gas generation rate (generation rate) in a hydrogen generation experiment performed under the condition of a heating amount of 100 W. As shown in FIG. 6A, the temperatures T 2 and T 3 are maintained at a temperature lower than the vaporization temperature of methanol. This means that the supply of the methanol liquid to the inner
上記実施例の水素生成装置1は、メタノールの分解反応によって反応域9及び中空部7に水素を生成するように構成されているが、水蒸気改質触媒を用いたメタノールの水蒸気改質反応(CH3OH+H2O→CO2+3H2)によって水素を生成するように水素生成装置1を構成しても良い。
The
図1〜図3を参照して、このような水素生成装置1’の構成を本発明の第2実施例として説明する。水素生成装置1’は、水及びメタノール液の混合液Lを供給管28によって液槽5に供給する混合液供給装置25’を備える。液槽5には、水及びメタノールの混合液Lの液浴Wが貯留される。水素生成装置1’は、混合液供給装置25’に換えて、水及びメタノール液を別々に液槽5に供給する給水装置及びメタノール液供給装置を備えた構成のものであっても良い。
The configuration of such a hydrogen generator 1 'will be described as a second embodiment of the present invention with reference to FIGS. The
水素生成装置1’においては、第1多孔質体61が担持する触媒2は、メタノールの水蒸気改質反応用の粒子状又は担持型触媒からなる。水素生成装置1’の他の構成は、図1〜図5に示す水素生成装置1の構成と実質的に同一であるので、以下、図1〜図5を参照して、水素生成装置1’の構造及び作動態様について説明する。
In the
水素生成装置1と同様、第2多孔質体62によって吸い上げられた混合液Lは、細孔30のメニスカスM(図4)において発熱体8の熱を受熱し、瞬時に気化する。混合液Lは、比較的多量の水を含むので、蒸気流動域66に充満したメタノール蒸気Vは、多量の水蒸気を含有する。多量の水蒸気を含むメタノール蒸気Vは、第1多孔質体61の細孔32を流通して中空部7内に流入する。第1多孔質体61が担持する触媒2は、メタノールの水蒸気改質反応用の粒子状又は担持型触媒であり、第1実施例と同様、銅、亜鉛、クロム等の金属又はその酸化物を触媒2として好適に使用し得る。
Similar to the
水蒸気を含むメタノール蒸気Vは、触媒2に接触しながら、細孔32内の反応域9の高温雰囲気を流動する。メタノールの水蒸気改質反応(CH3OH+H2O→CO2+3H2) が水蒸気改質触媒の存在下に反応域9において進行し、比較的多量の水素を含む合成ガスSが生成する。合成ガスSは、開口部31から中空部7に流出し、合成ガス送出管3を介して燃料電池の燃料供給部等(図示せず)に供給される。なお、メタノールの水蒸気改質反応においては、1モルのメタノール (CH3OH)に対して3モルの水素(H2)が生成するので、メタノールの分解反応(第1実施例)に比べ、水素発生量を増大し、従って、水素収率を向上することができる。
The methanol vapor V containing water vapor flows in the high temperature atmosphere of the
所望により、触媒2と同様の水蒸気改質触媒が、発熱体8の電熱コイル表面に付着又は添着され、中空部7内を流動する合成ガスSに含まれる未反応メタノールの水蒸気改質反応(CH3OH+H2O→CO2+3H2)が、中空部7において触媒の存在下に進行し、更に多量の水素を含む合成ガスSが中空部7に生成する。
If desired, a steam reforming catalyst similar to the catalyst 2 is attached or attached to the surface of the electric heating coil of the
所望により、炭酸カリウム(K2CO3)が中空部7の出口部分等に充填される。炭酸カリウム(K2CO3)は合成ガスS中の二酸化炭素(CO2)及び水蒸気(H2O)と反応して炭酸水素カリウム(KHCO3)を生成するので、合成ガスS中の二酸化炭素(CO2)が除去される。
If desired, potassium carbonate (K 2 CO 3 ) is filled in the outlet portion of the
図7には、液体を封入可能な密封構造のケーシング51を有する水素生成装置1、1’の実施例が示されている。ケーシング51内には、コイル状発熱体8を中空部7に内装した第1多孔質体61と、第1多孔質体61の外側に配置された第2多孔質体62とが収容される。メタノール液供給装置25又は混合液供給装置25’がケーシング51に接続され、メタノール液又は水・メタノール混合液Lが、多孔質体6の外側の領域に液浴Wとして封入される。供給装置25、25’とケーシング51との接続を解放し又は切り離し、ケーシング51を移動することができる。
FIG. 7 shows an embodiment of a
多孔質体6(第1及び第2多孔質体61、62)、中空部7、発熱体8及び液浴Wをケーシング51内に収納することにより、メタノール液又は水・メタノール混合液Lを液浴Wに充填した状態で携帯、搬送又は交換可能な携帯式又は可搬式の水素生成装置1、1’を提供することが可能となる。例えば、多孔質体6、中空部7、発熱体8及び液浴Wをケーシング51内に収納したカセット、ユニット又はパッケージ式の水素生成装置1、1’は、合成ガス送出管3の部分を燃料電池の燃料供給部に連結し且つ発熱体8を電源に接続することにより、多量の水素を含む合成ガスSを燃料電池に供給する。ケーシング51内のメタノール液又は水・メタノール混合液Lが消費された場合、使用済の水素生成装置1、1’は、メタノール液又は水・メタノール混合液Lを充填した他の水素生成装置1、1’にケーシング単位で交換される。
By storing the porous body 6 (first and second
図8には、図7に示す水素生成装置1、1’の変形例が示されている。前述の第1〜第3実施例においては、方形又は矩形断面を有する水素生成装置1、1’が例示されているが、水素生成装置1、1’の断面は、多角形、円形、楕円形等の任意の断面に設計し得る。図8に示す水素生成装置1、1’は、円筒形の第1及び第2多孔質体61、62と、軸状の発熱体8’と、円筒状の液浴Wとを円筒形のケーシング52内に同心状に収納した構成を有する。
FIG. 8 shows a modification of the
また、前述の第1〜第3実施例においては、水素生成装置1、1’は、コイル状電熱体からなる発熱体8を中空部7に内装した構造を有するが、本実施例の水素生成装置1、1’は、円形又は螺旋リブ状の発熱部、或いは、三角フィン状の発熱部を軸部外周面に備えた構造の発熱体8’を有する。リブ状又はフィン状発熱部の先端は、前述のニクロム線又はカンタル線と同様、第1多孔質体61の内周壁面63に接触し又は近接し、内周壁面63を加熱する。
In the first to third embodiments described above, the
図9は、図8に示す水素生成装置1、1’の他の変形例を示す断面図である。前述の第1〜第4実施例においては、電熱式の発熱体8、8’が中空部7に内装されているが、本実施例においては、両端が閉塞した銅管等の金属管80が発熱体8”として第1多孔質体61の中空部7に挿入される。金属管80の外周面には、三角形断面の発熱部81が円形リブ状、螺旋リブ状又は伝熱フィン状に形成されており、発熱部81の先端は、第1多孔質体61の内周壁面63に接触し又は近接する。
FIG. 9 is a cross-sectional view showing another modification of the
熱ガス供給管85及び排ガス管86が金属管80に接続される。両端部は封止した金属管80の管内領域には、高温燃焼ガス等の熱ガスが熱ガス供給管85から供給される。熱ガスは、金属管80内を流通して排ガス管86から系外に排気される。高温の熱ガスが保有する熱は、リブ状又はフィン状の発熱部81を介して内周壁面63に伝熱する。前述のコイル状電熱体と同等の熱流束が発熱部81及び内周壁面63に発生する。図4及び図5に示すように、メタノール液又は水・メタノール混合液Lは、第2多孔質体62の細孔30内で気化するとともに、第1多孔質体61の細孔32内で分解反応又は水蒸気改質反応する。
A hot
燃料電池の電池電極における未反応水素を燃焼させて得られる燃焼ガスを熱ガスとして金属管80内に供給することが可能である。燃料電池の電池電極における未反応水素や、可燃分を比較的多量に含む可燃ガスを熱ガス供給管85から金属管80内に供給するとともに、酸素等の酸化剤を金属管80内に供給し、水素又は可燃ガスと酸化剤の酸化発熱反応を金属管80内に生じさせるように水素生成装置を設計しても良い。所望により、触媒燃焼等を金属管80内に生じさせるように水素生成装置を設計することも可能である。
It is possible to supply the combustion gas obtained by burning unreacted hydrogen in the battery electrode of the fuel cell into the
以上、本発明の好適な実施例について詳細に説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内で種々の変形又は変更が可能である。 The preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, but the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications or changes can be made within the scope of the present invention described in the claims. Is possible.
例えば、上記実施例では、原料炭化水素としてメタノールを使用した水素生成装置の分解反応又は水蒸気改質反応に関し説明したが、ジメチルエーテル、2−プロパノール、シクロヘキサン等を原料炭化水素として使用しても良い。 For example, in the above-described embodiment, the decomposition reaction or the steam reforming reaction of the hydrogen generator using methanol as the raw material hydrocarbon has been described, but dimethyl ether, 2-propanol, cyclohexane or the like may be used as the raw material hydrocarbon.
また、上記多孔質体の材質、細孔径、細孔密度、細孔分布、断面形状、寸法、中空部の断面形状、寸法、位置、箇所数、発熱体の種類、寸法、性能等は、適宜設計変更し得るものである。 In addition, the material, pore diameter, pore density, pore distribution, cross-sectional shape, dimensions, hollow cross-sectional shape, dimensions, position, number of places, type of heating element, dimensions, performance, etc. of the porous body are appropriately set. The design can be changed.
更に、前述の各実施例においては、単一の内孔が第2多孔質体62の中心部に形成され、単一の第1多孔質体61が第2多孔質体62の内孔内に配置されているが、複数の内孔を第2多孔質体62に形成し、或いは、複数の第1多孔質体61を第2多孔質体62の内孔内に配置しても良い。
Further, in each of the above-described embodiments, a single inner hole is formed at the center of the second
本発明は、燃料としての水素を車両用燃料電池、携帯電話用燃料電池、携帯PC用燃料電池等に供給するための水素生成装置及び水素生成方法に好ましく適用し得る。例えば、本発明に従って、燃料電池自動車のオンボード(on-board)リフォーミング式水素生成装置を提供することが可能となる。本発明によれば、負荷変動等に迅速に応答し又は追従する高い応答性、追従性又は制御性を有し、しかも、装置構造を簡素化し且つ小型化した経済的且つ高エネルギー変換効率の水素生成装置を実用化することができるので、その有用性又は実利性は、顕著である。 The present invention can be preferably applied to a hydrogen generation apparatus and a hydrogen generation method for supplying hydrogen as a fuel to a vehicle fuel cell, a mobile phone fuel cell, a mobile PC fuel cell, and the like. For example, according to the present invention, it is possible to provide an on-board reforming hydrogen generator for a fuel cell vehicle. According to the present invention, hydrogen that has high responsiveness, followability or controllability to quickly respond to or follow load fluctuations, etc., and which has a simplified and miniaturized device structure and is economical and has high energy conversion efficiency. Since the generator can be put into practical use, its usefulness or practicality is remarkable.
1、1’ 水素生成装置
2 触媒
3 合成ガス送出管
5 液槽
6 多孔質体
7 中空部
7a 合成ガス送出口
8、8’、8" 発熱体
9 反応域
20 電流供給装置
25 メタノール液供給装置
25’ 混合液供給装置
30、32 細孔
31、33 開口部
61 第1多孔質体
62 第2多孔質体
63 内周壁面
64 外周壁面
65 内周壁面
66 蒸気流動域
W 液浴
L メタノール液、水及びメタノール液の混合液
M メニスカス
S 合成ガス
V 蒸気
DESCRIPTION OF
Claims (12)
前記発熱体を内装した前記中空部を備え且つ前記触媒を担持した第1多孔質体と、前記第1多孔質体の外面から離間した蒸発面を備え且つ前記液体原料を細孔の毛管力によって前記蒸発面に給液する第2多孔質体とから前記多孔質体を構成し、
第1及び第2多孔質体の間に蒸気流動域を形成したことを特徴とする水素生成装置。 Using a porous body having a hollow portion with a heating element and carrying a catalyst, the liquid material containing hydrocarbons is absorbed by the capillary force of the pores, and the liquid material is vaporized by the heat generated by the heating element. And a hydrogen generator that generates hydrogen by a hydrocarbon cracking reaction or steam reforming reaction that proceeds with heating in the presence of a catalyst,
A first porous body having the hollow portion in which the heating element is internally provided and supporting the catalyst; an evaporation surface spaced from an outer surface of the first porous body; and the liquid raw material by capillary force of the pores The porous body is configured from the second porous body that supplies liquid to the evaporation surface,
A hydrogen generating apparatus, wherein a vapor flow region is formed between the first and second porous bodies.
前記発熱体を内装した前記中空部を備え且つ前記触媒を担持した第1多孔質体と、前記第1多孔質体の外面から離間した蒸発面を備え且つ前記液体原料を細孔の毛管力によって前記蒸発面に給液する第2多孔質体とから前記多孔質体を構成するとともに、第1及び第2多孔質体の間に蒸気流動域を画成し、
前記発熱体の発熱によって前記液体原料を前記蒸発面から蒸発させるとともに、前記蒸気流動域から前記第1多孔質体の細孔に流入した前記液体原料の蒸気を前記中空部内に流入させ、該液体原料中の炭化水素の分解反応又は水蒸気改質反応を前記触媒の存在下に進行させて前記中空部内に水素を生成することを特徴とする水素生成方法。 Using a porous body having a hollow portion with a heating element and carrying a catalyst, the liquid material containing hydrocarbons is absorbed by the capillary force of the pores, and the liquid material is vaporized by the heat generated by the heating element. And in a hydrogen production method in which hydrogen is produced by a hydrocarbon cracking reaction or steam reforming reaction that proceeds with heating in the presence of a catalyst,
A first porous body having the hollow portion in which the heating element is internally provided and supporting the catalyst; an evaporation surface spaced from an outer surface of the first porous body; and the liquid raw material by capillary force of the pores Constituting the porous body from the second porous body fed to the evaporation surface, and defining a vapor flow region between the first and second porous bodies,
The liquid raw material is evaporated from the evaporation surface by the heat generation of the heating element, and the vapor of the liquid raw material that has flowed into the pores of the first porous body from the vapor flow region is caused to flow into the hollow portion. A method for producing hydrogen, characterized in that a cracking reaction or a steam reforming reaction of a hydrocarbon in a raw material proceeds in the presence of the catalyst to produce hydrogen in the hollow portion.
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