(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体水素源材料及び液体水素貯蔵キャリアを貯蔵するための貯蔵設備と、
液体水素源材料を脱水素するための反応釜と、
液体水素源材料が脱水素された後の生成物である水素ガスと液体水素貯蔵キャリアを分離するための気液分離器と、
水素ガスを貯蔵するためのバッファタンクと、
反応釜を加熱するための加熱装置と、を備え、
前記液体水素貯蔵キャリアは、少なくとも２種類の異なる水素貯蔵成分を含み、水素貯蔵成分は、ヘテロ原子が窒素原子（Ｎ）、硫黄原子（Ｓ）、酸素原子（Ｏ）及びリン原子（Ｐ）のうちの１つ又は複数である不飽和複素環化合物であり、少なくとも一種の水素貯蔵成分は低融点化合物であり、低融点化合物の融点は８０℃以下であり、
前記貯蔵設備には、液体水素源材料と液体水素貯蔵キャリアがそれぞれ収容される貯蔵空間が設けられており、
ポンプにより、液体水素源材料を送入管を介して前記反応釜に送入し、反応釜において液体水素源材料の脱水素反応を行い、生成された水素ガスをバッファタンクに輸送するとともに、脱水素された後に生成された液体水素貯蔵キャリアを貯蔵設備に戻す
ことを特徴とする液体水素源材料の脱水素反応システム。
【請求項２】
前記反応釜の加熱装置は、廃熱交換器、電気加熱装置、電磁加熱装置、化学反応熱供給装置又はマイクロ波加熱装置であり、前記送入管の外部には予熱装置が設けられており、
前記貯蔵設備における液体水素源材料は、予熱を経て、そのまま反応釜に入って脱水素反応を行うことを特徴とする請求項１に記載の液体水素源材料の脱水素反応システム。
【請求項３】
前記反応釜は、薄層プレート式反応釜又は薄層多管式反応釜であり、前記反応釜は、ラックに挿入されていることを特徴とする請求項１に記載の液体水素源材料の脱水素反応システム。
【請求項４】
前記ラックは多層構造であり、総給液管、総排液管、及び総排気管が設けられており、層ごとにはそれぞれ支給液管、支排液管、支排気管、加熱装置及び反応釜のマウントが設けられており、前記反応釜には、給液口、排液口、及び排気口が設けられており、反応釜がラックにおける反応釜マウントに挿入されると、反応釜の出入口、水素ガスの出口はそれぞれラックの総給液管、総排液管及び総排気管に連通されることを特徴とする請求項３
に記載の液体水素源材料の脱水素反応システム。
【請求項５】
前記支給液管、前記支排液管、前記支排気管のポートには、連通バルブが設けられており、反応釜の給液口、排液口、排気口は、それぞれ連通バルブを介して支給液管、支排液管、支排気管に接続されることを特徴とする請求項４に記載の液体水素源材料の脱水素反応システム。
【請求項６】
前記反応釜加熱装置は、廃熱交換器、電気加熱装置、マイクロ波加熱装置、電磁加熱装置又は化学反応熱供給装置であることを特徴とする請求項５に記載の液体水素源材料の脱水素反応システム。
【請求項７】
前記反応釜は、保温層と少なくとも一つの反応ユニットとを含み、前記保温層は、すべての反応ユニットの外部を囲み、前記反応ユニットは、反応域と加熱域とを含み、前記反応域の内部には触媒が充填されており、加熱域には加熱装置が設けられており、前記反応ユニットの間は順次に接続され、液体水素源材料が反応釜の入口から入って、それぞれの反応ユニットを順に通って、脱水素反応を行い、反応の生成物は、反応釜の出口から排出され、前記反応釜内には支持ホルダが設けられており、反応ユニットは支持ホルダに固定され、前記反応ユニットの間及び反応域と加熱域の間はスペース層により隔てられ、前記スペース層は、ネット、ダイアフラム又は分子ふるいであることを特徴とする請求項１に記載の液体水素源材料の脱水素反応システム。
【請求項８】
前記脱水素反応システムには、反応釜内の圧力を検出するための第１の圧力センサーと、
バッファタンクの圧力を検出するための第２の圧力センサーと、
気液分離器内の液面の位置を検出するための液面計と、
バッファタンクと水素利用装置の間に設けられた均圧弁及び第２のバルブと、
前記第１、第２の圧力センサー及び液面計の信号を採集し、予め定められた条件を満たす場合に、反応設備における原料と反応生成物の流量及び脱水素反応の始動停止を制御するための制御信号を送信するためのコントローラと、がさらに設けられていることを特徴とする請求項１に記載の液体水素源材料の脱水素反応システム。
【請求項９】
前記コントローラの、反応設備における原料及び反応生成物の流量及び脱水素反応の始動停止に対する制御は、貯蔵設備の出口に設けられた送入ポンプ、気液分離器のガス出口に設けられた水素ガス加圧ポンプ、気液分離器の液体出口に設けられた第１のバルブ、及び加熱装置の始動停止を制御することにより行われ、具体的には、通常に運転している場合に、第２の圧力センサーにより検出されたバッファタンクの圧力が第１の設定値より低いと、コントローラは、液体水素源材料の反応釜への輸送流量を高くするように送入ポンプを制御し、液体水素源材料が反応釜において脱水素反応を行い、水素ガスの生成速度を高めることによりバッファタンクの圧力を向上させ、また、第１の圧力センサーにより検出された反応釜の圧力が設定値より高いと、コントローラは、反応器の内部の圧力を設定された圧力より低くするように水素ガス加圧ポンプを起動するように制御し、第２の圧力センサーにより検出されたバッファタンク内の圧力が第２の設定値より高いと、コントローラは、送入ポンプと反応釜の外部の加熱装置をオフして、反応釜の稼動を停止させるように制御し、液面計により検出された気液分離器内の液面の位置が設定値より高いと、コントローラは、第１のバルブを開けて、気液分離器内の液体水素源材料を貯蔵設備に流入させるように制御することを特徴とする請求項８に記載の液体水素源材料の脱水素反応システム。
【請求項１０】
前記バッファタンクは、水素燃料電池に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の液体水素源材料の脱水素反応システム。
【請求項１１】
前記反応釜と加熱装置の間には熱伝導装置が設けられており、前記熱伝導装置は、配管により水素燃料電池の外部に設けられた配管伝熱設備に接続され、前記熱伝導設備及び配管伝熱設備を流れる熱伝導媒体は液体水素源材料であることを特徴とする請求項１０に記載の液体水素源材料の脱水素反応システム。
【請求項１２】
前記貯蔵設備は、配管伝熱設備に接続され、熱伝導装置は、送入管を介して反応釜に接続され、液体水素源材料は、先ず水素燃料電池の外部に設けられた配管伝熱設備に入り、水素燃料電池により生成された熱量を熱伝導装置を介して反応釜に伝導してから、反応釜に入って脱水素反応を行う、ことを特徴とする請求項１１に記載の液体水素源材料の脱水素反応システム。
【請求項１３】
前記反応釜を加熱するための加熱装置は電気ヒーター、電磁ヒーター又はマイクロ波ヒーターであることを特徴とする請求項１２に記載の液体水素源材料の脱水素反応システム。
【請求項１４】
前記脱水素反応システムは、水素燃料電池により生成された電気エネルギーを貯蔵するとともに、システムデバイスの消費に供給し、出力するためのバッテリを更に含む、ことを特徴とする請求項１０に記載の液体水素源材料の脱水素反応システム。
【請求項１５】
前記加熱装置は、水素燃料熱利用装置であり、水素燃料熱利用装置は、反応釜に接続され、反応釜で生成された一部の水素ガス及び水素燃料電池のスイープガスは水素燃料熱利用装置で熱エネルギーに変換され、反応釜に供給されることを特徴とする請求項１０に記載の液体水素源材料の脱水素反応システム。
【請求項１６】
前記水素燃料熱利用装置は、水素ガスの燃焼による熱エネルギーを、熱伝導媒体によって反応釜の外部又は内部に設けられた熱交換管を介して脱水素反応釜に伝達し、前記熱伝導媒体は、液体水素源材料、伝熱油又は金属の塩浴であり、或いは、前記反応釜と水素燃料熱利用装置は、一体の装置であり、前記水素燃料熱利用装置は、水素ガスの燃焼による熱エネルギーを脱水素反応釜に伝達することを特徴とする請求項１５に記載の液体水素源材料の脱水素反応システム。
【請求項１７】
前記バッファタンクは、水素内燃機関に接続され、水素ガスと酸素ガスが同時に水素内燃機関に輸送されることを特徴とする請求項１に記載の液体水素源材料の脱水素反応システム。
【請求項１８】
前記脱水素反応システムには、酸素ガスを貯蔵するための酸素タンクが更に設けられていることを特徴とする請求項１７に記載の液体水素源材料の脱水素反応システム。
【請求項１９】
前記水素内燃機関の外部には、配管を介して反応釜の外部の加熱装置に接続されたラジエーターが設けられており、ラジエーター及び加熱装置を流れる熱伝導媒体により熱量を伝達することを特徴とする請求項１８に記載の液体水素源材料の脱水素反応システム。
【請求項２０】
前記貯蔵設備は、ラジエーターに接続され、加熱装置は、送入管を介して反応釜に接続され、前記熱伝導媒体は液体水素源材料であることを特徴とする請求項１９に記載の液体水素源材料の脱水素反応システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機液体水素貯蔵の技術分野に関し、特に、常温常圧での液体水素源材料の脱水素システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
新エネルギーを開発することにより、再生不能な化石燃料を代替する又は部分的に代替することは、今世紀の人間が面している最大の挑戦の一つである。中華人民共和国国務院が２０１２年に公布した『第１２次５カ年国家戦略的新興産業の発展計画』において、水素エネルギー燃料電池を代表とする新エネルギー及び新エネルギー車が、重点的に発展すべき産業方向としてそれぞれ単独で挙げられているとともに、明確な発展目標と発展の路線が提出されている。水素エネルギーは、原料源が豊富であり、汚染がなく、エネルギー変換効率が高いので、将来のクリーンエネルギーの需要問題を解決する最適な新エネルギー技術である。
【０００３】
水素エネルギー技術は、水素の規模的製造、貯蔵及び輸送、効率的な使用、及び相応するインフラストラクチャの建造などの部分を含み、中でも、貯蔵及び輸送は、水素エネルギーを安全かつ有効に利用するのに最も重要な技術の一つである。現在、工業では、主に−２５３℃の液化水素又は３５０〜７００気圧での高圧水素などの貯蔵、輸送技術を採用しているが、高圧水素又は液化水素技術及びその応用が必要とするエネルギー消費は、水素製造コストの２０倍以上であり、かつ、漏洩や水素タンクの高すぎる圧力などの安全リスクがある。水素分子をあるキャリアに吸着させ、常温常圧での安全な貯蔵を実現し、使用する際に、水素を穏やかな条件下で制御可能に放出することができれば、水素エネルギーを有効かつ安全に使用することができる。したがって、全世界における主要な工業国のいずれも、常温常圧での液体有機水素貯蔵技術の研究開発に取り組んでいる。例えば、ドイツが開発した液体有機水素貯蔵技術は、比較的に穏やかな条件での水素の吸着／放出サイクルを実現できるが、水素貯蔵キャリアの融点が高く、常温下で固形であることは重要な欠点である。日本は、現在、トルエンなどの伝統的な有機材料による水素貯蔵技術の研究開発に取り組んでいるが、脱水素温度が高過ぎ（３００℃以上）、かつ、同様に副生物が燃料電池に悪影響を及ぼす問題がある。したがって、この２種類の水素貯蔵技術は、規模化応用に制限がある。
【０００４】
中国地質大学（武漢）における持続可能なエネルギー実験室の研究チームは、中国共産党中央組織部による第２回「千人計画」の一員である程寒松教授の指導の下で、米国での元の仕事を踏まえて、長期にわたる探索及び研究により、液体有機共役分子水素貯蔵材料を発見した。このような材料は、融点が低く（現在開発した技術により、既に−２０℃まで低い）、引火点が高く（１５０℃以上）、自製の高効率触媒の作用下で放出するガスの純度が高く（９９．９９％）、脱水素温度が低い（約１５０℃）などの特徴を有し、かつ、サイクル寿命が長く（２０００回以上）、可逆性が強く、一酸化炭素などのような燃料電池に悪影響を及ぼすガスを生じない。水素のキャリアとして、このような材料は使用中に常に液体として存在しており、石油のように常温常圧で貯蔵、輸送可能であるので、現有のガソリンの輸送方式及びガソリンスタンドの枠組みを完全に利用可能である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、常温常圧での液体水素源材料の脱水素システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述した目的を実現するために、本発明は、以下の技術手段を採用する。
【０００７】
液体水素源材料及び液体水素貯蔵キャリアを貯蔵するための貯蔵設備と、
液体水素源材料を脱水素するための反応釜と、
液体水素源材料が脱水素された後の生成物である水素ガスと液体水素貯蔵キャリアを分離するための気液分離器と、
水素ガスを貯蔵するためのバッファタンクと、
反応釜を加熱するための加熱装置と、を備え、
前記液体水素貯蔵キャリアは、少なくとも２種類の異なる水素貯蔵成分を含み、水素貯蔵成分は、不飽和アレーン又は不飽和複素環化合物であり、少なくとも一種の水素貯蔵成分は低融点化合物であり、低融点化合物の融点は８０℃以下であり、
前記貯蔵設備には、液体水素源材料と液体水素貯蔵キャリアがそれぞれ収容される貯蔵空間が設けられており、反応釜は、プレート式、多管式、差し込み式、タワー式又は他の形式のものであり、
ポンプにより、液体水素源材料を送入管を介して前記反応釜に送入し、反応釜において液体水素源材料の脱水素反応を行い、生成された水素ガスをバッファタンクに輸送するとともに、脱水素された後に生成された液体水素貯蔵キャリアを貯蔵設備に戻すことを特徴とする液体水素源材料の脱水素反応システム。
【０００８】
前記反応釜の加熱装置は、廃熱交換器、電気加熱装置、電磁加熱装置、化学反応熱供給装置又はマイクロ波加熱装置であり、前記送入管の外部には予熱装置が設けられており、前記貯蔵設備における液体水素源材料は、予熱を経て、そのまま反応釜に入って脱水素反応を行う。
【０００９】
前記反応釜は、薄層プレート式の反応釜又は薄層多管式の反応釜であり、前記反応釜は、ラックに挿入されている。
【００１０】
前記ラックは多層構造であり、総給液管、総排液管、及び総排気管が設けられており、層ごとにはそれぞれ支給液管、支排液管、支排気管、加熱装置及び反応釜のマウントが設けられており、前記反応釜には、給液口、排液口及び排気口が設けられており、反応釜がラックにおける反応釜マウントに挿入されると、反応釜の出入口、水素ガスの出口はそれぞれラックの総給液管、総排液管及び総排気管に連通される。
【００１１】
前記支給液管、支排液管、支排気管のポートには、連通バルブが設けられており、反応釜の給液口、排液口、排気口は、それぞれ連通バルブを介して支給液管、支排液管、支排気管に接続される。
【００１２】
前記反応釜加熱装置は、廃熱交換器、電気加熱装置、マイクロ波加熱装置、電磁加熱装置又は化学反応熱供給装置である。
【００１３】
前記反応釜は、保温層と少なくとも一つの反応ユニットとを有し、前記保温層は、すべての反応ユニットの外部を囲み、前記反応ユニットは、反応域と加熱域とを含み、前記反応域の内部には触媒が充填されており、加熱域には加熱装置が設けられており、前記反応ユニットの間が順次に接続され、反応原料は、反応釜の入口から入って、それぞれの反応ユニットを順次に通って、吸熱反応を行い、反応の生成物は反応釜の出口から排出され、前記反応釜には支持ホルダが設けられており、反応ユニットは、支持ホルダに固定され、前記反応ユニットの間及び反応域と加熱域の間はスペース層により隔てられ、前記スペース層は、ネット、ダイアフラム又は分子ふるいである。
【００１４】
前記脱水素反応システムには、反応釜の圧力を検出するための第１の圧力センサーと、
バッファタンクの圧力を検出するための第２の圧力センサーと、
気液分離器内の液面の位置を検出するための液面計と、
バッファタンクと水素利用装置の間に設けられた均圧弁と第２のバルブと、
前記第１、第２の圧力センサー及び液面計の信号を採集し、予め定められた条件を満たす場合に、反応設備における原料と反応生成物の流量及び脱水素反応の始動停止を制御するための制御信号を送信するためのコントローラと、がさらに設けられている。
【００１５】
前記コントローラの、反応設備における原料及び反応生成物の流量及び脱水素反応の始動停止に対する制御は、貯蔵設備の出口に設けられた送入ポンプ、気液分離器のガス出口に設けられた水素ガス加圧ポンプ、気液分離器の液体出口に設けられた第１のバルブ、及び加熱装置の始動停止を制御することにより行われ、具体的には、通常に運転している場合に、第２の圧力センサーにより検出されたバッファタンクの圧力が第１の設定値より低いと、コントローラは、液体水素源材料の反応釜への輸送流量を高くするように送入ポンプを制御し、液体水素源材料が反応釜において脱水素反応を行い、水素ガスの生成速度を高めることにより、バッファタンクの圧力を向上させる。また、第１の圧力センサーにより検出された反応釜の圧力が設定値より高いと、コントローラは、反応器の内部の圧力を設定された圧力より低くするように水素ガス加圧ポンプを起動するように制御する。第２の圧力センサーにより検出されたバッファタンク内の圧力が第２の設定値より高いと、コントローラは、送入ポンプと反応釜の外部の加熱装置をオフして、反応釜の稼動を停止させるように制御する。液面計により検出された気液分離器内の液面の位置が設定値より高いと、コントローラは、第１のバルブを開けて、気液分離器内の液体水素源材料を貯蔵設備に流入させるように制御する。
【００１６】
前記バッファタンクは、水素燃料電池に接続されている。
【００１７】
前記反応釜と加熱装置の間には熱伝導装置が設けられており、前記熱伝導装置は、配管により水素燃料電池の外部に設けられた配管伝熱設備に接続され、前記熱伝導設備及び配管伝熱設備を流れる熱伝導媒体は液体水素貯蔵源材料である。
【００１８】
前記貯蔵設備は、配管伝熱設備に接続され、熱伝導装置は、送入管を介して反応釜に接続され、液体水素源材料は、先ず水素燃料電池の外部に設けられた配管伝熱設備に入り、水素燃料電池により生成された熱量を熱伝導装置を介して反応釜に伝導してから、反応釜に入って脱水素反応を行う。
【００１９】
前記反応釜を加熱するための加熱装置は電気ヒーター、電磁ヒーター又はマイクロ波ヒーターである。
【００２０】
前記脱水素反応システムは、水素燃料電池により生成された電気エネルギーを貯蔵するとともに、送入ポンプ、予熱装置、反応釜のようなシステムデバイスの消費に供給し、出力するためのバッテリを更に含む。
【００２１】
前記加熱装置は、水素燃料熱利用装置であり、水素燃料熱利用装置は、反応釜に接続され、反応釜で生成された一部の水素ガス及び水素燃料電池のスイープガスは水素燃料熱利用装置で熱エネルギーに変換され、反応釜に供給される。
【００２２】
前記水素燃料熱利用装置は、水素ガスの燃焼による熱エネルギーを、熱伝導媒体によって反応釜の外部又は内部に設けられた熱交換管を介して脱水素反応釜に伝達し、前記熱伝導媒体は伝熱油又は金属の塩浴であり、或いは、前記反応釜と水素燃料熱利用装置は一体の装置であり、前記水素燃料熱利用装置は、水素ガスの燃焼による熱エネルギーを脱水素反応釜に伝達する。
【００２３】
前記バッファタンクは、水素内燃機関に接続されている。
【００２４】
前記脱水素反応システムには、酸素ガスを貯蔵するための酸素タンクが更に設けられており、水素ガスと酸素ガスが同時に水素内燃機関に輸送される。
【００２５】
前記水素内燃機関の外部には、配管を介して反応釜の外部の加熱装置に接続されたラジエーターが設けられており、ラジエーター及び加熱装置を流れる熱伝導媒体により熱量を伝達する。
【００２６】
前記貯蔵設備は、ラジエーターに接続され、加熱装置は、送入管を介して反応釜に接続され、前記熱伝導媒体は液体水素源材料である。
【００２７】
本発明が提供する常温常圧での液体水素源材料の脱水素システムは、使用分野により、システム内の設備のサイズ及び形式を選択でき、例えば、液体水素源材料及び脱水素された後の液体水素貯蔵キャリア材料の貯蔵装置は、別体の単体装置モジュールであっても、可動仕切板で仕切られた同一の容器であっても、同様に本発明の目的を実現できる。ただし、自動車システムの場合、自動車の空間を節約する観点から、内部が移動可能な又は固定された仕切板で仕切られた同一のタンクの方が好ましい。反応釜について、必要に応じて、プレート式、多管式又はタワー式を採用可能であり、自動車に応用される場合、自動車の空間を節約する観点から、脱水素反応装置は差し込み式である方がより空間を節約する。自動車のパワーの要求により、差込片の数も必要に応じて調整可能である。水素内燃機関が稼動する時に４００℃にも達する温度を生じることが可能であり、水素燃料電池が稼動する時にも、５０〜１００℃の温度を生じることが可能であり、液体水素源材料が脱水素反応を行うには１２０〜２５０℃の温度が必要である。液体水素源材料は、３００℃の温度で安定した性能を保持する特徴を有するので、液体水素源材料を熱伝導媒体として水素内燃機関又は水素燃料電池を冷却するとともに、熱量を脱水素反応釜に伝達し、熱量が伝熱された後の液体水素源材料は引き続き反応釜に入って脱水素化学反応を行う。
【００２８】
本発明が提供する常温常圧での液体水素源材料の脱水素システムは、液体水素貯蔵材料の脱水素反応を行うためのものであり、生成された水素ガスは、燃料電池又は内燃機関に供給されることにより、電気エネルギー又は機械的エネルギーに変換され、自動車、電源、エネルギー貯蔵、化工、製薬、モバイルなどの種々の工業及び家庭用分野に応用される。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の実施例１に係る脱水素反応システムの構造模式図である。
【図２】本発明の実施例２に係る脱水素反応システムの構造模式図である。
【図３】本発明の実施例４に係る脱水素反応システムの構造模式図である。
【図４】本発明の実施例５に係る脱水素反応システムの構造模式図である。
【図５】本発明の実施例６に係る脱水素反応システムの構造模式図である。
【図６】本発明の実施例７に係る脱水素反応システムの構造模式図である。
【図７】本発明の実施例８に係る反応釜、ラック、及び加熱装置の構造模式図である。
【図８】本発明の実施例９に係る脱水素反応システムの構造模式図である。
【図９】本発明の実施例１０に係る脱水素反応システムの構造模式図である。
【図１０】本発明の実施例１１に係る脱水素反応システムの構造模式図である。
【図１１】本発明の実施例１１における反応釜と水素燃料熱利用装置が一体の装置である模式図である。
【図１２】実施例１２に係る脱水素反応システムの構造模式図である。
【図１３】実施例１３に係る脱水素熱利用装置の構造模式図である。
【図１４】実施例１４に係るタワー式の反応釜の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、具体的な図面及び実施例を参照しながら本発明を更に説明する。
【００３１】
液体水素貯蔵キャリアは、常温常圧で液状を呈する水素貯蔵システムであり、少なくとも２種類の異なる水素貯蔵成分を含み、水素貯蔵成分は、不飽和アレーン又は不飽和複素環化合物であり、少なくとも一種の水素貯蔵成分は低融点化合物であり、低融点化合物の融点は８０℃以下である。
【００３２】
さらに、水素貯蔵成分は、不飽和複素環化合物から選択されるものであり、不飽和複素環化合物におけるヘテロ原子は、Ｎ、Ｓ、Ｏ及びＰのうちの一つ又は複数である。
【００３３】
さらに、不飽和複素環化合物における複素環又は芳香族環の合計は１〜２０であり、ヘテロ原子の合計は１〜２０である。
【００３４】
さらに、液体水素貯蔵システムの総質量に対して、低融点化合物の質量％は５〜９５％である。
【００３５】
さらに、液体水素貯蔵システムは、極性溶媒及び／又は非極性溶媒である水素化剤を更に含む。
【００３６】
さらに、１ｇあたりの水素貯蔵成分に対して、水素化剤の添加量は０．１〜１０ｍＬである。
【００３７】
さらに、異なる水素貯蔵成分は、それぞれベンゼン、トルエン、エチルベンゼン、ｏ−キシレン、パラキシレン、スチレン、フェニルアセチレン、アントラセン、ナフタレン、ベンゾインデン、フェニルアミン、カルバゾール、Ｎ−メチルカルバゾール、Ｎ−エチルカルバゾール、Ｎ−ｎ−プロピルカルバゾール、Ｎ−イソプロピルカルバゾール、Ｎ−ｎ−ブチルカルバゾール、インドール、Ｎ−メチルインドール、Ｎ−エチルインドール、Ｎ−プロピルインドール、キノリン、イソキノリン、ピリジン、ピロール、フラン、ベンゾフラン、チオフェン、ピリミジン及びイミダゾールからなる群れ及びその誘導体から選ばれるものである。
【００３８】
さらに、極性溶媒は、エタノール、カルビノール、エチルエーテル、メチルエーテル、アセトニトリル、酢酸エチル、フォルムアミド、イソプロパノール、ｎ−ブタノール、ジオキサン、ｎ−ブチルエーテル、イソプロピルエーテル、ジクロロメタン、クロロフォルム及びジクロロエタンから選ばれる一種又は複数種である。
【００３９】
さらに、非極性溶媒は、ｎ−ヘキサン、ｎ−ペンタン、シクロヘキサン、メシチレン、二硫化炭素、石油エーテル及び四塩化炭素から選ばれる一種又は複数種である。
【００４０】
さらに、水素貯蔵システムは、脱水素剤を更に含み、脱水素剤は、デカヒドロナフタレン、メシチレン、石油エーテル及びフェニルエーテルから選ばれる一種又は複数種である。
【００４１】
さらに、１ｇあたりの水素貯蔵成分に対して、脱水素剤の添加量は０．１〜１０ｍＬである。
【００４２】
液体水素貯蔵キャリアは、水素化触媒の作用で水素化化学反応を行い、液体水素源材料を生成し、液体水素源材料は、脱水素触媒の作用で脱水素化学反応を行い、液体水素貯蔵キャリアに還元する。
【００４３】
液体水素源材料及び液体水素貯蔵キャリアを貯蔵するための貯蔵設備としては、貯留タンク又はその他の形式のものであってもよく、容量としては、微型又は車載式又は大型の貯留タンク体であってもよい。貯蔵設備には、液体水素源材料と液体水素貯蔵キャリアをそれぞれ収容する空間である第１の収容室と第２の収容室が設けられていてもよく、第１及び第２の収容室には、それぞれ送入口と送出口が設けられている。第１の収容室の送出口には、送入ポンプが設けられており、送入ポンプの運転により、液体水素源材料が反応釜に送り込まれる。貯蔵設備として、液体水素源材料と液体水素貯蔵キャリアをそれぞれ貯蔵する貯留タンクを採用してもよく、それぞれの貯留タンクには、それぞれ送入口と送出口が設けられている。
【００４４】
ポンプと反応釜を接続する送入管の外部には、予熱装置が設けられてもよく、予熱装置は、電気加熱又はその他の手段によって、反応釜に送られた液体水素源材料を１５０℃に予熱することができる。
【００４５】
反応釜として、プレート式、多管式、タワー式又はその他の形式のものを採用することができ、内部には、脱水素触媒が充填されている。反応釜には、反応釜を加熱するための加熱装置が設けられており、加熱装置は、廃熱交換器、マイクロ波加熱装置、電気加熱装置、熱利用装置又はその他の加熱装置を採用でき、熱利用装置とは、水素ガス、天然ガス、液化ガス、ガソリン又はディーゼル等の燃料が燃焼した後に生成された熱量を使用して加熱する設備である。これによって、液体水素源材料を１２０〜２５０℃の温度下で脱水素反応を行わせることができる。
【００４６】
脱水素過程は、ポンプにより、貯蔵設備に貯蔵された液体水素源材料を反応釜に送り、１２０〜２５０℃、０〜１ＭＰａの大気圧下で、脱水素触媒の作用下で、液体水素源材料が反応して水素ガスを放出するとともに、液体水素貯蔵キャリアを生成し、水素ガスはバッファタンクに送られ、液体水素貯蔵キャリアは貯蔵設備に戻される。
【００４７】
プレート式の反応釜又は多管式の反応釜の場合、反応釜として、薄層プレート式のもの又は薄層多管式のものを採用してもよく、反応釜は、ラックに挿入されている。ラックは多層構造であり、総給液管、総排液管、及び総排気管が設けられており、層毎にはそれぞれ支給液管、支排液管、支排気管、加熱装置及び反応釜マウントが設けられている。反応釜には、給液口、排液口及び排気口が設けられており、反応釜がラックの反応釜マウントに挿入されると、反応釜の出入口、水素ガスの出口は、それぞれラックの総給液管、総排液管、及び総排気管に連通する。支給液管、支排液管、支排気管のポートには、連通バルブが設けられており、反応釜の給液口、排液口、排気口は、それぞれ連通バルブを介して支給液管、支排液管、支排気管に接続されている。このとき、反応釜加熱装置として、廃熱交換器、電気加熱装置、マイクロ波加熱装置、電磁加熱装置又は化学反応熱供給装置等の様々な加熱設備を採用してもよい。プレート式の反応釜は、薄層構造であり、触媒反応の効率を保証するために、反応釜の厚さは、傾斜の存在よる反応の不安定性、効率の低下を回避するように、厚くしてはならない。反応釜は、必要に応じてラックに挿入されることができ、ラックは多層構造であり、単一又は複数の反応釜を挿入可能である。ラックの層毎における支給液管、支排液管及び支排気管の連通バルブは、反応釜の給液口、排液口及び排気口に接続された場合に連通状態にり、そうでないと、閉鎖する。加熱装置は、反応釜の先端に設けられ、又は、加熱装置の数が一つ以上である場合、加熱装置は間に均一な距離をおいて反応釜の外部に設けられ、反応釜を段階的に加熱する。
【００４８】
脱水素反応は、吸熱反応であり、液体水素源材料が脱水素反応を行えるように、反応釜は、１２０〜２５０℃の温度を保持する必要があるので、ラックには加熱装置が設けられており、加熱装置は反応釜の外部全体に設けられ、又は反応釜の先端に位置する。液体水素源材料の脱水素反応は、段階的な加熱条件下では最も効率が高いので、加熱装置の数は一つ以上であることが好ましく、加熱装置は、間に均一な距離をおいて反応釜の外部に設けられ、反応釜を段階的に加熱する。
【００４９】
タワー式の反応釜において、モジュール化設計を採用してもよく、反応釜は、保温層と、少なくとも一つの反応ユニットとを含み、保温層は、すべての反応ユニットの外部を囲んでいる。反応ユニットは、反応域と加熱域とを含み、反応域の内部には触媒が充填されており、加熱域内には加熱装置が設けられている。反応ユニットの間は順次に接続され、反応原料は、反応釜の入口から入り、それぞれの反応ユニットを順次に通って吸熱反応を行い、反応の生成物は、反応釜の出口から排出される。反応釜内には、支持ホルダが設けられており、反応ユニットは支持ホルダに固定され、反応ユニットの間及び反応域と加熱域の間はスペース層により隔てられる。スペース層は、ネット、ダイアフラム又は分子ふるいである。この場合、加熱装置は、電気ヒーター、赤外線ヒーター、電磁ヒーター、マイクロ波ヒーター又はチューブラーヒーターである。反応釜には、それぞれの加熱装置の温度を制御するための温度コントローラが設けられていてもよい。触媒は粒状であり、充填方式は、固定床、流動床などである。保温層は、保温層の内層、保温層の外層、及び内層と外層の間に充填される保温材料を含み、保温層の内層と保温層の外層の間は真空引きされ、保温層の内層には、熱放射反射コーティングが塗布されており、又は、熱放射反射材料が巻き付けられている。
【００５０】
反応物は、先ず加熱域により適当な温度に加熱され、次に、触媒の作用下で反応を行い、反応の実際の必要に応じて反応ユニットの数及び保温方式及び加熱方式を選択し、加熱設備をそれぞれに制御することができるとともに、必要に応じて加熱層毎の実際の補熱温度及び熱量をそれぞれに制御し、実際の状況に応じて熱交換器を加え、エネルギーの利用効率を大きく向上させるとともに、反応をより完全、制御可能にすることができ、加熱過程において、局部のオーバーヒートによる副反応を回避できる。反応終了後の熱量を持っているガス、液体と入口の原料とを熱交換させることにより、エネルギーの利用効率を効果的に向上させることができる。
【００５１】
液体水素源材料は、反応釜において水素ガスと液体水素貯蔵キャリアとに接触分解され、反応の生成物は、先ず気液分離装置に送られて分離され、生成された水素ガスは、バッファタンクに輸送され、液体水素貯蔵キャリアは、液体水素貯蔵キャリアを収容する空間に戻される。
【００５２】
脱水素過程において液体水素源材料を制御することにより、安定した水素ガスの量を得ることができる。脱水素システムには、反応釜の圧力を検出するための第１の圧力センサーと、バッファタンクの圧力を検出するための第２の圧力センサーと、気液分離器内の液面の位置を検出するための液面計と、前記第１、第２の圧力センサー及び液面計の信号を採集し、予め定められた条件を満たす場合に、反応設備における原料と反応生成物の流量及び脱水素反応の始動停止を制御するための制御信号を送信するためのコントローラと、が設けられてもよい。貯蔵箱と反応釜の間には、液体水素源材料を予熱する予熱器が設けられている。バッファタンクと水素利用装置の間に設けられた均圧弁と第２のバルブを更に備える。コントローラは、ＰＬＣ、シングルチップコンピューター又はＤＣＳである。
【００５３】
貯蔵設備は、送入ポンプを介して予熱器に接続され、予熱器は反応釜に接続され、反応釜は気液分離器に接続され、気液分離器の排気口はバッファタンクに接続され、排液口は貯蔵タンクに接続され、バッファタンクは水素燃料電池に接続されている。反応釜には、加熱装置が設けられており、システム全体はＰＬＣにより制御される。
【００５４】
反応釜には、反応釜の圧力を検出するための第１の圧力センサーが設けられている。バッファタンクには、バッファタンクの圧力を検出するための第２の圧力センサーが設けられている。気液分離器には、気液分離器内の液面の位置を検出するための液面計が設けられている。第１、第２の圧力センサー及び液面計の信号がＰＬＣに送信され、ＰＬＣは、予め定められた条件を満たす場合に、制御信号を送信して、貯蔵箱及び予熱器の配管に設けられた送入ポンプ、気液分離器のガス出口に設けられた水素ガス加圧ポンプ、気液分離器の液体出口に設けられた第１のバルブ、及び加熱装置の始動停止を制御する。バッファタンクと水素利用装置の間に設けられた均圧弁と第２のバルブを更に備える。
【００５５】
通常に運転している場合に、第２の圧力センサーにより検出されたバッファタンクの圧力が第１の設定値より低いと、ＰＬＣは、液体水素源材料が予熱器に送られる流量を高くするによう送入ポンプを制御し、液体水素源材料は、予熱された後に、脱水素触媒が充填された反応釜に送られ、液体水素源材料は反応釜で脱水素反応を行い、水素ガスの生成速度を高めることによりバッファタンクの圧力を向上させる。水素ガスは、均圧弁と第２のバルブを通して水素燃料電池に送られる。
【００５６】
また、第１の圧力センサーにより検出された反応釜の圧力が設定値より高いと、ＰＬＣは、反応器の内部の圧力を設定された圧力より低くするように水素ガス加圧ポンプを起動するように制御する。
【００５７】
第２の圧力センサーにより検出されたバッファタンク内の圧力が第２の設定値より高いと、ＰＬＣは、送入ポンプと反応釜の外部の加熱装置をオフして、反応釜の稼動を停止させるように制御する。
【００５８】
液面計により検出された気液分離器内の液面の位置が設定値より高いと、ＰＬＣは、第１のバルブを開けて、気液分離器内の液体水素貯蔵キャリアを貯蔵箱に流入させるように制御する。
【００５９】
液体水素源材料及び液体水素貯蔵キャリアは、貯蔵タンクに貯蔵され、貯蔵タンクには、液体水素源材料と液体水素貯蔵キャリアがそれぞれ収容される空間である第１の収容室と第２の収容室が設けられており、二つの収容室の間は可動仕切板により仕切られている。
【００６０】
第２のバルブを開けて、バッファタンクに貯蔵された水素ガスは水素燃料電池に送られてそれを起動させ、通常に運転している場合に、バッファタンクの第２の圧力センサーにより検出されたタンク内の圧力が第１の設定値より低いと、ＰＬＣにより送入ポンプによる液体水素源材料の送入流量を増加させ、液体水素源材料は輸送ポンプにより、予熱器に送られ、１００〜２５０℃に予熱された後、反応釜に入り、１２０〜２５０℃で、脱水素触媒の作用下で、脱水素化学反応を行い、反応の生成物は、気液分離器に入る。
【００６１】
反応釜の第１の圧力センサーにより検出された反応釜内の圧力が設定値より高いと、ＰＬＣの制御により水素ガス加圧ポンプを起動し、気液分離器における水素ガスは、水素ガス加圧ポンプによりバッファタンクに貯蔵され、バッファタンク内の圧力は０．０３〜１ＭＰａであり、反応釜における圧力は常圧又は微負圧に保持される。水素ガスは、均圧弁により０．０３〜０．０６ＭＰａの圧力で水素燃料電池に輸送される。
【００６２】
気液分離器における液体水素貯蔵キャリアは、設定された液位に達すると、ＰＬＣにより第１のバルブの開度を制御することにより、貯蔵箱の第２の収容室に戻される。
【００６３】
バッファタンクにおける第２の圧力センサーにより検出されたタンク内の圧力が第１の設定値より低いと、ＰＬＣの制御により、送入ポンプの流量を増加させ、脱水素反応を行う液体水素源材料の流量を増加させる。
【００６４】
バッファタンクにおける第２の圧力センサーにより検出されたタンク内の圧力が第２の設定値より高いと、ＰＬＣの制御により送入ポンプと反応釜の外部の加熱装置をオフして、脱水素反応を停止させる。
【００６５】
バルブを閉めて、水素利用装置が稼動停止した後、脱水素反応は遅くなって、最終的には停止し、この間に生成された水素ガスは、次回の起動に用いられるように、水素ガス加圧ポンプによりバッファタンクに送られる。
【００６６】
水素ガスは、バッファタンクから水素燃料電池に送られて、電気エネルギーに変換されることが可能である。この場合、反応釜の加熱装置は、廃熱交換器、電気加熱装置、マイクロ波加熱装置、電磁加熱装置又は化学反応熱供給装置である。水素源材料タンクと反応釜の間には予熱装置が設けられてもよい。前記タンク内の液体水素源材料は、予熱された後に、そのまま反応釜に入って脱水素反応を行う。
【００６７】
あるいは、反応釜と加熱装置の間には熱伝導装置が設けられており、熱伝導装置は、配管を介して水素燃料電池の外部に設けられた配管伝熱設備に接続され、熱伝導設備と配管伝熱設備の間を流れる熱伝導媒体は液体水素貯蔵源材料である。
【００６８】
液体水素源材料は、まず、水素燃料電池の外部に設けられた配管伝熱設備に入り、水素燃料電池により生成される熱量を熱伝導装置を介して反応釜に伝導してから、反応釜に入って脱水素反応を行う。
【００６９】
水素燃料電池は、稼動する時に、５０〜１００℃の温度を生じることができ、液体水素源材料は脱水素反応を行うには１２０〜２５０℃が必要である。水素燃料電池により生成された熱エネルギーを十分に利用できる。
【００７０】
水素エネルギーを電気エネルギーに変換する場合に、水素燃料電池により生成された電気エネルギーを貯蔵するとともに、ポンプ、加熱装置などのシステムデバイスの消費に供給し、出力するためのバッテリが設けられてもよい。貯蔵設備に貯蔵された液体水素源材料は、送入ポンプにより予熱装置に送られて加熱され、そして、反応釜に入って、所定の温度、触媒の条件下で水素ガスと液体水素貯蔵キャリアを生成し、生成物が気液分離器において分離された後に、液体水素貯蔵キャリアが貯蔵設備に戻され、水素ガスがバッファタンクに入り、脱水素反応は、一定の圧力を生じることがあり、バッファタンクが脱水素反応釜に連通するので、同様に一定の圧力を有し、水素ガスは水素燃料電池に入って電気エネルギーに変換され、生成された電気エネルギーは、一部がポンプ、加熱装置などのシステムデバイスの消費に供給され、残りが出力される。使用過程において、一部の電気エネルギーがバッテリに貯蔵され、次回の起動用に用いられ得る。
【００７１】
水素燃料電池のスイープガスの主成分は水素ガスであり、脱水素システムにおける脱水素反応釜が稼動するときに熱量を必要とするので、水素供給システムにより生成された水素ガスを燃料電池により発電し、電気を熱量に変換する装置により脱水素システムに供給すると、正味電気出力が同じである場合に、使用される燃料電池の定格出力が大きくなるとともに、水素ガス燃焼による熱の利用効率が高い。したがって、反応釜を加熱するための加熱装置は、水素燃料熱利用装置であってもよく、水素燃料熱利用装置は、反応釜に接続され、反応釜により生成された一部の水素ガス及び水素燃料電池のスイープガスは、水素燃料熱利用装置において熱エネルギーに変換されて反応釜に供給される。水素燃料熱利用装置は、水素ガス燃焼による熱エネルギーを熱伝導媒体によって反応釜の外部又は内部に設けられた熱交換管を介して脱水素反応釜に伝達し、熱伝導媒体は、伝熱油又は金属の塩浴である。或いは、脱水素熱利用装置における脱水素反応釜と水素燃料熱利用装置は一体の装置であり、水素燃料熱利用装置は、水素ガスが燃焼した後に生成された熱エネルギーを脱水素反応釜に伝達することにより、エネルギーの利用効率を向上させることができる。
【００７２】
水素ガスは、バッファタンクから水素内燃機関に送られて、機械的エネルギーに変換されることができる。単位体積あたりの液体水素源材料は高圧水素貯蔵技術及び固形水素貯蔵技術よりも、提供できる水素ガスの量が高いので、液体水素源材料を貯蔵する空間を大幅に小さくすることができ、これにより、自動車、汽車、船などの分野に応用される場合に、酸素ガスタンクを取り付けるための十分な空間を確保することができる。従来技術の水素内燃機関を使用する水素燃料車には、酸素ガスタンクを取り付ける十分な空間がないので、水素内燃機関の内部の水素ガスが直接に大気中の酸素ガスと反応し、大気中の窒素ガスが高温下で酸素ガスと反応して酸窒化物を生成し、酸窒化物は、発癌物質である。特に、高原地域では、大気中の酸素含有量が低いので、酸窒化物を生成しやすい。それに対し、本発明は酸素ガスが直接に水素内燃機関に入って反応を行う手法を採用し、酸窒化物を生成しないので、排ガス処理装置を取り付ける必要がなく、コストを大幅に節約し、より省エネルギーで環境にやさしい。
【００７３】
また、内燃機関が稼動している過程において、大量のエネルギーが熱量として放出され、稼動温度は４００℃以上にも達し、現在のガソリン、ディーゼル、及びガス内燃機関は、いずれも冷却システムにより熱量を取り、無駄に放熱する。それに対し、脱水素反応は吸熱過程であるので、反応温度は、１２０〜２５０℃であり、内燃機関により放出された熱量は、熱交換システムにより、特に、水素源材料自身を冷却剤として利用でき、一連の過程は、冷却及びエネルギーの利用効率を向上させる効果を果たす。水素内燃機関の外部にはラジエーターが設けられており、配管を介して反応釜の外部の加熱装置に接続されている。水素源材料自身を冷却剤として利用する場合に、貯蔵設備は、ラジエーターに接続され、加熱装置は、送入管を介して反応釜に接続され、熱伝導媒体は液体水素源材料である。
【実施例１】
【００７４】
図１に示すように、貯蔵設備は、貯留タンクであり、液体水素源材料と液体水素貯蔵キャリアは、それぞれ異なる貯留タンク１０１に収容され、それぞれの貯留タンクには、それぞれ送入口と送出口が設けられており、液体水素源材料を収容する貯留タンクの送出口にはポンプ１０２が設けられており、ポンプと反応釜を接続する送入管の外部には予熱装置１０３が設けられており、予熱装置は電気加熱装置である。ポンプの運転により、液体水素源材料は、反応釜１０４に送入される。反応釜はタワー式のものであり、内部には脱水素触媒が充填されている。液体水素源材料は反応釜において水素ガスと液体水素貯蔵キャリアに分解され、水素貯蔵キャリアは水素貯蔵キャリアを収容する空間に戻される。水素ガスはバッファタンク１０５に送られ、そして、バッファタンクから水素燃料電池１０６に送られる。反応釜の外部には電気加熱装置１０７が設けられており、反応釜の温度を１２０〜２５０℃に保持する。
【実施例２】
【００７５】
図２に示すように、貯蔵設備は車載貯留タンクであり、貯留タンクには、液体水素源材料と水素貯蔵キャリアをそれぞれ収容する空間である第１の収容室１０８と第２の収容室１０９とが設けられており、第１と第２の収容室には、それぞれ送入口と送出口が設けられている。第１の収容室の送出口にはポンプ１０２が設けられており、ポンプと反応釜を接続する送入管の外部には予熱装置１０３が設けられており、予熱装置は、電瓶により給電される電気加熱装置である。ポンプの運転により、液体水素源材料は、反応釜１０４に送入される。反応釜はプレート式のものであり、内部には脱水素触媒が充填されている。液体水素源材料は反応釜において水素ガスと液体水素貯蔵キャリアに分解され、液体水素貯蔵キャリアは液体水素貯蔵キャリアを収容する第２の収容室に戻される。水素ガスはバッファタンク１０５に送られ、そして、バッファタンクから水素内燃機関１１０に送られる。反応釜の外部にはマイクロ波加熱装置１１１が設けられており、反応釜の温度を１２０〜２５０℃に保持する。
【実施例３】
【００７６】
貯蔵設備は、微型貯留タンクであり、貯留タンクには、液体水素源材料と水素貯蔵キャリアをそれぞれ収容する空間である第１の収容室と第２の収容室が設けられており、第１及び第２の収容室にはそれぞれ送入口と送出口が設けられている。第１の収容室の送出口にはポンプが設けられている。
【００７７】
ポンプにより液体水素源材料を水素内燃機関の外部に設けられた配管伝熱設備に送入し、水素内燃機関により生成された熱量を加熱装置を介して反応釜に伝導した後に、反応釜に入って脱水素反応を行い、反応釜は多管式反応釜であり、内部には脱水素触媒が充填されている。液体水素源材料は、反応釜において水素ガスと水素貯蔵キャリアに分解され、水素貯蔵キャリアは水素貯蔵キャリアを収容する空間に戻される。水素ガスは、バッファタンクに送られ、そして、バッファタンクから水素内燃機関に送られる。反応釜の外部には電気加熱装置が設けられており、反応釜の温度を１２０〜２５０℃に保持する。
【実施例４】
【００７８】
図３から分るように、脱水素反応システムは、液体水素源材料及び液体水素貯蔵キャリアを貯蔵するためのタンクと、液体水素源材料を脱水素するための反応釜１０４と、水素ガスを貯蔵するためのバッファタンク１０５と、反応釜を加熱するための電気加熱装置１０７と、水素燃料電池１０６とを含む。
【００７９】
液体水素源材料と液体水素貯蔵キャリアを貯蔵するためのタンクには、液体水素源材料と液体水素貯蔵キャリアをそれぞれ収容する空間である第１の収容室１０８と第２の収容室１０９が設けられており、二つの収容室の間は可動仕切板１１２で仕切られている。第１及び第２の収容室にはそれぞれ送入口と送出口が設けられており、第１の収容室の送出口にはポンプ１０２が設けられており、ポンプの運転により、液体水素源材料は送入管を介して反応釜に送入される。反応釜は、プレート式反応釜であってもよく、内部には脱水素触媒が充填されている。プレート式の反応釜は、差し込み式のものであってもよく、自動車の排気量の必要に応じて、差込片の数を相応的に増やすことができる。
【００８０】
ポンプと反応釜を接続する送入管の外部には、実際の応用過程における脱水素反応の効率と速度を向上させるための予熱装置１０３が設けられている。予熱装置は、電気加熱又はその他の手段によって、反応釜に送入された液体水素源材料を１５０℃に予熱することができる。
【００８１】
液体水素源材料は、反応釜において水素ガスと液体水素貯蔵キャリアに分解され、液体水素貯蔵キャリアは、水素タンクの液体水素貯蔵キャリアを収容する第２の収容室に戻される。二つの収容室の間は可動仕切板で仕切られているので、液体水素源材料が送出された後に、第１の収容室の空間が小さくなり、第２の収容室の空間が大きくなり、戻されてきた液体水素貯蔵キャリアを収容するために使用でき、空間を節約することに役立つ。液体水素源材料が脱水素され液体水素貯蔵キャリアを生成した後に、第２の収容室の送出口により液体水素貯蔵キャリアを抽出するとともに、第１の収容室の送入口に液体水素源材料を注入することができる。
【００８２】
反応釜で生成された水素ガスはバッファタンクに送られ、そして、水素燃料電池に入る。反応釜は、液体水素源材料が脱水素反応を行えるように維持するために、１２０〜２５０℃の温度が必要であるので、反応釜の外部には加熱装置が設けられており、加熱装置は電気ヒーターである。
【００８３】
水素貯蔵設備は、ポンプにより液体水素源材料を送入管を介して反応釜に送入し、反応釜で液体水素源材料を脱水素した後に生成された水素ガスをバッファタンクに送るとともに、脱水素した後に生成された液体水素貯蔵キャリアを水素タンクに戻し、バッファタンク内の水素ガスは、水素燃料電池に送られ、化学エネルギーが電気エネルギーに変換され、電気エネルギーが運動エネルギーに変換され、エンジンを運転させる。
【実施例５】
【００８４】
図４から分るように、脱水素反応システムは、液体水素源材料及び液体水素貯蔵キャリアを貯蔵するためのタンクと、液体水素源材料を脱水素するための反応釜１０４と、水素ガスを貯蔵するためのバッファタンク１０５と、気液分離装置１１３と、マイクロ波加熱装置１１１と、熱伝導装置１１４と、水素燃料電池１０６とを含む。
【００８５】
液体水素源材料及び液体水素貯蔵キャリアを貯蔵するためのタンクには、液体水素源材料と液体水素貯蔵キャリアをそれぞれ収容する空間である第１の収容室１０８と第２の収容室１０９が設けられており、二つの収容室の間は可動仕切板１１２で仕切られている。第１と第２の収容室には、それぞれ送入口と送出口が設けられており、第１の収容室の送出口にはポンプ１０２が設けられており、ポンプの運転により、液体水素源材料は送入管を介して送出される。反応釜と加熱装置の間には熱伝導装置が設けられており、熱伝導装置は、配管を介して水素燃料電池の外部に設けられた配管伝熱設備１１５に接続され、加熱設備と配管伝熱設備を流れる熱伝導媒体は液体水素貯蔵源材料である。
【００８６】
ポンプにより、液体水素源材料を水素燃料電池の外部に設けられた配管伝熱設備に送入し、水素燃料電池により生成された熱量が加熱装置を介して反応釜に伝導されてから、反応釜に入って脱水素反応を行い、反応釜は多管式反応釜であり、内部には脱水素触媒が充填されている。液体水素源材料は反応釜において接触分解され、生成物が気液分離装置に送られて水素ガスと液体水素貯蔵キャリアに分離され、液体水素貯蔵キャリアは、水素貯蔵キャリアを収容する空間に戻される。水素ガスはバッファタンクに送られ、そして、バッファタンクから水素燃料電池に送られる。水素燃料電池の放熱時の温度は５０〜１００℃であり、反応釜の反応を維持するのに足りないので、反応釜の外部にはマイクロ波加熱装置が設けられており、反応釜の温度を１２０〜２５０℃に保持する。
【実施例６】
【００８７】
図５から分るように、液体水素源材料及び液体水素貯蔵キャリアを貯蔵するための水素タンクには、液体水素源材料と液体水素貯蔵キャリアをそれぞれ収容する空間である第１の収容室１０８と第２の収容室１０９が設けられており、二つの収容室の間は可動仕切板１１２で仕切られている。第１及び第２の収容室にはそれぞれ送入口と送出口が設けられており、第１の収容室の送出口にはポンプ１０２が設けられており、ポンプの運転により、液体水素源材料は、送入管を介して反応釜１０４に送入される。反応釜として、プレート式反応釜を採用し、内部には脱水素触媒が充填されている。
【００８８】
ポンプと反応釜を接続する送入管の外部には予熱装置１０３が設けられており、予熱装置として、電気ヒーターを採用し、反応釜に送入された液体水素源材料を１５０℃に予熱する。
【００８９】
液体水素源材料は、反応釜において接触分解され、液体水素貯蔵キャリアが水素タンクの液体水素貯蔵キャリアを収容する第２の収容室に戻される。二つの収容室の間は可動仕切板で仕切られているので、液体水素源材料が送出された後に、第１の収容室の空間が小さくなり、第２の収容室の空間が大きくなり、戻されてきた液体水素貯蔵キャリアを収容するために使用でき、空間を節約することに役立つ。液体水素源材料が脱水素され液体水素貯蔵キャリアが生成された後に、第２の収容室の送出口を介して液体水素貯蔵キャリアを抽出するとともに、第１の収容室の送入口に液体水素源材料を注入できる。
【００９０】
反応釜で生成された水素ガスは、バッファタンク１０５に送られ、そして、水素内燃機関１１０に入り、同時に、ポンプにより、１：８の質量比で水素内燃機関に水素ガスと酸素タンク１１６内の酸素ガスを送入し、水素ガスと酸素ガスは水素内燃機関において化学エネルギーから機械的エネルギーへの変換を行い、自動車又は汽車又は船などの交通機関を運転させる。水素内燃機関は、４００℃程度の高温を生じ、反応釜は、液体水素源材料が脱水素反応を行えるように維持するには１２０〜２５０℃の温度が必要であるので、水素内燃機関と反応釜の外部には熱交換装置、即ち、水素内燃機関の外部に設けられたラジエーター１１７と反応釜の外部に設けられたヒーター１１８が設けられている。ラジエーターとヒーターの間は管路により接続され、熱伝導媒体は、水素内燃機関を冷却するとともに、反応釜を加熱する。熱交換により、水素内燃機関により生成された熱エネルギーを十分に利用できる。管路には、熱伝導媒体のラジエーターとヒーターの間での流動を保証するように、ポンプが設けられている。
【実施例７】
【００９１】
図６から分るように、液体水素源材料及び液体水素貯蔵キャリアを貯蔵するための水素タンクには、液体水素源材料と液体水素貯蔵キャリアをそれぞれ収容する空間である第１の収容室１０８と第２の収容室１０９が設けられており、二つの収容室の間は可動仕切板１１２で仕切られている。第１及び第２の収容室にはそれぞれ送入口と送出口が設けられており、第１の収容室の送出口にはポンプ１０２が設けられており、ポンプの運転により、液体水素源材料は水素内燃機関の外部に設けられたラジエーター１１７の配管に送入され、反応釜の外部に設けられたヒーター１１８とラジエーターの間は管路により接続され、液体水素源材料は、熱交換により水素内燃機関を冷却するとともに、反応釜を加熱し、最後に、送入管を介して反応釜１０４に入る。
【００９２】
反応釜として、多管式反応釜を採用し、内部には脱水素触媒が充填されている。液体水素源材料は、反応釜において接触分解され、生成物が気液分離装置１１３に送られて水素ガスと液体水素貯蔵キャリアに分離され、液体水素貯蔵キャリアが水素タンクの液体水素貯蔵キャリアを収容する第２の収容室に戻される。気液分離装置により、水素ガスがバッファタンク１０５に送られ、そして、水素内燃機関１１０に入り、同時に、ポンプにより、１：８の質量比で水素内燃機関に水素ガスと酸素タンク１１６内の酸素ガスを送入し、水素ガスと酸素ガスは、水素内燃機関内において化学エネルギーから機械的エネルギーへの変換を行い、自動車又は汽車又は船などの交通機関を運転させる。
【００９３】
脱水素システムを小型車に応用する場合に、水素タンクの容量が６０〜１００Ｌであれば、４．５〜５．８ｋｇの水素ガスを提供でき、小型車は５００ｋｍ走行できる。
【００９４】
脱水素システムをトラックに応用する場合に、水素タンクの容量が１５０〜２５０Ｌであれば、１１．３〜１４．５ｋｇの水素ガスを提供でき、トラックは５００ｋｍ走行できる。
【実施例８】
【００９５】
図７は、反応釜、ラック、及び加熱装置の構造模式図を示す。ラックは多層構造であり、総給液管２０１と、総排液管２０２と、総排気管２０３とが設けられており、層ごとにはそれぞれ支給液管２０４と、支排液管２０５と、支排気管２０６と、反応釜マウント２０７とが設けられている。支給液管、支排液管、支排気管のポートには連通バルブ２０８が設けられている。
【００９６】
反応釜１０４は薄層多管式反応釜であり、数は５つであり、必要に応じて増やしたり減らしたりすることができる。内部には脱水素触媒と不活性材料が充填されている。反応釜には給液口２１０と、排液口２１１と、排気口２１２とが設けられており、反応釜は、ラックにおける加熱装置に挿入され、給液口、排液口、及び排気口を介して、それぞれ支給液管、支排液管及び支排気管と接続することができる。
【００９７】
加熱装置は電気加熱装置１０７であり、層ごとの加熱装置の数は４つであり、加熱装置は、間に均一な距離をおいて反応釜の外部に設けられ、反応釜を段階的に加熱する。
【００９８】
液体水素源材料は、総給液管を介して支給液管に入ってから、反応釜に入り、反応釜は、１２０〜２５０℃の温度下で、脱水素触媒の作用下で、液体水素源材料を水素ガスと液体水素貯蔵キャリアに分解し、水素ガスは、支排気管を介して総排気管に入って、ガスタンクに送られ、液体水素貯蔵キャリアは支排液管を介して総排液管に入って、液タンクに注入される。
【実施例９】
【００９９】
図８に示すように、脱水素反応システムは、貯蔵設備１０１と、予熱器１０３と、ポンプ１０２と、反応釜１０４と、気液分離器１１３と、水素燃料電池１０６とを含む。貯蔵設備は、液体水素源材料及び液体水素貯蔵キャリアを貯蔵するためのものであり、液体水素源材料と液体水素貯蔵キャリアをそれぞれ収容する空間が設けられており、二つの空間の間は可動仕切板１１２で接続されている。貯蔵設備の液体水素源材料を貯蔵する一端の送液口は配管を介して予熱器に接続され、配管にはポンプが設けられており、予熱器は、反応釜に接続され、反応釜は、気液分離器に接続され、気液分離器の排気口は水素燃料電池に接続され、排液口は貯蔵設備の液体水素貯蔵キャリアを貯蔵する給液口に接続される。
【０１００】
貯蔵設備に貯蔵された液体水素源材料は、ポンプにより予熱器に送られ、１５０℃に加熱されてから、反応釜に入り、１７０℃、空間速度１、触媒の条件下で水素ガスと液体水素貯蔵キャリアを生成し、生成物が気液分離器で分離された後に、液体水素貯蔵キャリアが貯蔵設備に戻され、水素ガスがバッファタンク１０５に入り、圧力は約１〜６ｂａｒであり、そして、水素ガスを０．３〜０．７ｂａｒに減圧し、水素燃料電池に導入し、電気エネルギーに変換し、生成された電気エネルギーの２５％がポンプ、予熱器、反応釜などのシステムデバイスの消費に供給され、残りが出力される。システムをオフするときに、反応釜は、依然として一定の温度を持つので、引き続き一定の時間反応し、その間に生成された水素ガスはバッファタンクに貯蔵されて、次回の起動に用いられる。
【実施例１０】
【０１０１】
図９に示すように、脱水素反応システムは、貯蔵設備１０１と、予熱器１０３と、ポンプ１０２と、反応釜１０４と、気液分離器１１３と、水素燃料電池１０６と、バッテリ１１９とを備える。貯蔵設備は、液体水素源材料及び液体水素貯蔵キャリアを貯蔵するためのものであり、液体水素源材料と液体水素貯蔵キャリアをそれぞれ収容する空間が設けられており、２つの空間の間は可動仕切板で接続されている。貯蔵設備の液体水素貯蔵源材料を貯蔵する一端の送液口は配管を介して予熱器に接続され、配管には、ポンプが設けられており、予熱器は反応釜に接続され、反応釜は気液分離器に接続され、気液分離器の排気口は水素燃料電池に接続され、排液口は貯蔵設備の液体水素貯蔵キャリアを貯蔵する給液口に接続されている。水素燃料電池はバッテリに接続されている。
【０１０２】
貯蔵設備に貯蔵された液体水素源材料は、ポンプにより予熱器に送られ、１６０℃に加熱されてから、反応釜に入り、１９０℃、空間速度２、触媒の条件下で水素ガスと液体水素貯蔵キャリアとを生成し、生成物は気液分離器において分離された後に、液体水素貯蔵キャリアは貯蔵設備に戻され、水素ガスは、バッファタンク１０５に入り、圧力は約１〜６ｂａｒであり、そして、水素ガスを０．３〜０．７ｂａｒに減圧し、水素燃料電池に導入し、電気エネルギーに変換し、生成された電気エネルギーの一部がバッテリに貯蔵され、バッテリにおける電気エネルギーの２０％は、ポンプ、予熱器、反応釜などのシステムデバイスの消費に供給され、残りが出力される。システムをオフするときに、反応釜は依然として一定の温度を持つので、引き続き一定の時間反応し、その間に生成された水素ガスは水素燃料電池により電気エネルギーを生成し、電気エネルギーはバッテリに貯蔵されて次回の起動に用いられる。
【実施例１１】
【０１０３】
図１０は、脱水素反応システムの構造模式図を示す。図１１は、水素燃料熱利用装置と反応釜とを直接に組み合わせて一体として設計した設備の構造模式図であり、内層から外層へ順に燃焼反応領域、脱水素反応領域、廃熱利用領域であり、燃焼反応領域は、つまり、水素燃料熱利用装置であり、脱水素反応領域は、つまり脱水素反応釜である。
【０１０４】
水素ガスと空気は燃焼反応領域で燃焼して、脱水素反応領域の内側に熱供給し、生成された排気ガスは、廃熱利用領域を経て脱水素反応領域の外側に熱供給し、脱水素反応領域内において、水素源材料は、一定の温度及び触媒の作用下で反応して液体水素貯蔵キャリアと水素ガスを生成し、生成された水素ガスの一部が管路を介して水素燃料電池に送られ電気エネルギーに変換され、他の一部の水素ガス及び水素燃料電池のスイープガスが水素燃料熱利用装置に送られて燃焼して熱量を発生させ、熱量が脱水素反応釜に伝達される。燃焼熱利用効率は６５％より高く、燃料電池スタックの使用を１０％以上減少させた。
【実施例１２】
【０１０５】
図１２は脱水素反応システムの構造模式図を示し、水素燃料熱利用装置１２０により生成された熱エネルギーは、熱伝導装置（伝熱油による熱伝導）により、熱量を反応釜１０４に供給し、液体水素源材料は、脱水素反応釜において、触媒、一定の温度下で反応して液体水素貯蔵キャリアと水素ガスを生成し、生成された水素ガスにおける一部が管路を介して水素燃料電池１０６に送られ、電気エネルギーに変換され、他の一部の水素ガスと水素燃料電池のスイープガスは、水素燃料熱利用装置に送入されて燃焼して熱量を発生させ、熱量が熱伝導装置（媒体は伝熱油である）を介して脱水素反応釜に熱供給する。燃焼熱利用効率は６０％より高く、燃料電池スタックの使用を１０％以上減少させた。
【実施例１３】
【０１０６】
図１３は、脱水素熱利用装置の構造模式図であり、水素燃料熱利用装置と脱水素反応釜の間には仕切板が仕切られており、水素燃料熱利用装置により生成された熱エネルギーは、ヒートパイプによる熱伝導により、熱量を脱水素反応釜に供給する。液体水素源材料は、脱水素反応釜において、触媒、一定の温度下で反応して液体水素貯蔵キャリアと水素ガスとを生成し、生成された水素ガスにおける一部が管路を介して水素燃料電池に送られて電気エネルギーに変換され、他の一部の水素ガス及び水素燃料電池のスイープガスが水素燃料熱利用装置に送入されて燃焼して熱量を発生させ、熱量が熱伝導装置（ヒートパイプによる熱伝導）を介して脱水素反応釜に熱供給する。燃焼熱利用効率は５５％より高く、燃料電池スタックの使用を１０％以上減少させた。
【実施例１４】
【０１０７】
図１４は、タワー式の反応釜の模式図であり、この反応釜は、モジュール化の設計を採用しており、反応釜は、保温層と三つの反応ユニットとを有し、保温層は、すべての反応ユニットの外部を囲み、下部には入口が設けられており、上部には出口が設けられている。保温層は、保温層の内層と、保温層の外層とを含み、保温層の内層の外面には、２層の保温材料と２層の光反射錫箔が交互に順に巻き付けられ、保温層の内層と保温層の外層の間は真空引きされて真空層が形成され、岩綿が充填されている。反応釜の内部には支持ホルダが設けられており、反応ユニットは支持ホルダに固定されている。反応ユニットは、反応域と加熱域を含み、反応層の内部には触媒が充填されており、加熱層には電気ヒーターが設けられている。生成されたガスは大量の熱量を持っているので、進入液と熱交換できる。
【０１０８】
反応ユニットの間は順に接続され、ネットにより仕切られている。
【０１０９】
反応釜には、加熱装置それぞれの温度を制御するための温度コントローラが設けられている。
【０１１０】
液体水素源材料の脱水素温度が低すぎると、脱水素率が低下し、温度が高すぎると、副反応を生じやすい。三つの反応ユニットの温度を１８０℃、１９０℃、２００℃に制御し、液体水素源材料はドデカヒドロカルバゾールであり、脱水素生成物はカルバゾールであり、脱水素率が９５％以上にも達し、副反応を生じていない。
【０１１１】
本発明は、既に好ましい実施例により以上のように公開されたが、実施例及び図面は本発明を限定するためのものではなく、業者であれば、本発明の精神及び範囲を逸脱しない限りに、各種の変更又は修飾を施すことができ、それも同様に本発明の保護範囲に含まれる。したがって、本発明の保護範囲は、本願の特許請求の範囲の保護範囲により限定されたものを基準とするべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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