(57)【要約】【課題】  本発明の目的は、有機ハイドライドシステムを有効に活用できる小型で効率の良い水素供給装置とそのシステム及びそれを用いた分散電源と自動車を提供することにある。【解決手段】  本発明は、有機ハイドライドと金属触媒との反応により水素を生成又は貯蔵する触媒部材と、前記触媒部材へ熱源からの熱を供給するための集熱板とを備え、前記触媒部材は、基板の少なくとも一方の面に形成された触媒担体に金属触媒が担持され、前記媒体が流通するための流路が形成された複数の触媒プレートを有し、該触媒プレートが積層された積層構造を有し、前記触媒担体よりも高い熱伝導率を有し、前記複数の触媒プレート及び集熱板と接するようにヒートパイプが配置された水素貯蔵・供給装置である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素の貯蔵と放出とを化学的に繰り返す有機化合物を媒体として、前記媒体と金属触媒との反応により水素を生成又は貯蔵する触媒部材と、前記触媒部材へ熱源からの熱を供給するための集熱板とを備え、
前記触媒部材は、基板の少なくとも一方の面に形成された触媒担体に金属触媒が担持され、前記媒体が流通するための流路が形成された複数の触媒プレートを有し、該触媒プレートが積層された積層構造を有し、
前記触媒担体よりも高い熱伝導率を有し、前記複数の触媒プレート及び集熱板と接するようにヒートパイプが配置されていることを特徴とする水素貯蔵・供給装置。
【請求項２】
請求項１において、前記触媒部材の流路の深さが０.１ 〜１００μｍであることを特徴とする水素貯蔵・供給装置。
【請求項３】
請求項１において、前記触媒部材の流路の幅が０.１ 〜１０００μｍであることを特徴とする水素貯蔵・供給装置。
【請求項４】
請求項１において、前記触媒部材の流路を流れる前記媒体の流れを変化させるための凹部もしくは凸部もしくは凹凸部が流路内部に形成されていることを特徴とする水素貯蔵・供給装置。
【請求項５】
請求項１において、積層された触媒プレート間を前記媒体を流通させるための貫通孔が触媒プレートの流路に形成されていることを特徴とする水素貯蔵・供給装置。
【請求項６】
請求項１において、前記ヒートパイプが前記触媒部材の各触媒プレートおよび前記集熱板に接合されていることを特徴とする水素貯蔵・供給装置。
【請求項７】
請求項６において、前記ヒートパイプと前記触媒部材の各プレートおよび前記集熱板とが、摩擦攪拌接合，レーザー接合，溶接、もしくはロウ付けのいずれか少なくとも１種類の手法を用いて接合されていることを特徴とする水素貯蔵・供給装置。
【請求項８】
請求項１において、前記ヒートパイプが、積層したプレートの一部を相互に接合した接合部であり、該接合部と集熱板とが接合されていることを特徴とする水素貯蔵・供給装置。
【請求項９】
請求項１において、前記触媒担体は塩基性触媒担体からなることを特徴とする水素貯蔵・供給装置。
【請求項１０】
請求項１において、前記触媒担体が多孔質膜であることを特徴とする水素貯蔵・供給装置。
【請求項１１】
請求項１において、前記金属触媒がニッケル，パラジウム，白金，ロジウム，イリジウム，ルテニウム，モリブデン，レニウム，タングステン，バナジウム，オスミウム，クロム，コバルト、及び鉄からなる群から選ばれる少なくとも１種の金属からなることを特徴とする水素貯蔵・供給装置。
【請求項１２】
請求項１において、前記水素を放出した前記媒体が芳香族化合物からなることを特徴とする水素貯蔵・供給装置。
【請求項１３】
請求項１２において、前記芳香族化合物媒体が、アセトン，ベンゼン，トルエン，キシレン，メシチレン，ナフタレン，メチルナフタレン，アントラセン，ビフェニル，フェナスレン及びそれらのアルキル置換体のいずれか又はそれらの複数混合したものであることを特徴とする水素貯蔵・供給装置。
【請求項１４】
請求項１において、前記触媒部材が前記筐体基板の両面に配置されていることを特徴とする水素貯蔵・供給装置。
【請求項１５】
請求項１において、前記触媒部材を内包する筐体を備え、前記筐体の熱伝導率が前記触媒担体の熱伝導率よりも高いことを特徴とする水素貯蔵・供給装置。
【請求項１６】
請求項１において、前記集熱板が前記触媒部材を収納する凹部を有し、前記凹部内に前記触媒部材が配置されていることを特徴とする水素貯蔵・供給装置。
【請求項１７】
請求項１に記載の水素貯蔵・供給システムと、燃料電池，タービン，エンジンから選ばれる発電機又は原動機とを有することを特徴とする分散電源。
【請求項１８】
請求項１７において、前記発電機又は原動機の廃熱が前記水素貯蔵・供給装置に供給されることを特徴とする分散電源。
【請求項１９】
請求項１６において、前記発電機で発生した電力により製造された水素を、前記媒体に貯蔵することを特徴とする分散電源。
【請求項２０】
請求項１に記載の水素貯蔵・供給システムと、燃料電池，ガスタービン及び内燃機関から選ばれる発電機又は原動機を備えた自動車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素を貯蔵し、自動車又は家庭用燃料電池などの分散電源等に水素を供給する水素貯蔵・供給装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
二酸化炭素などによる地球温暖化が深刻になる中で、化石燃料に代わって次世代を担うエネルギー源として水素が注目されている。また、エネルギーを有効活用してＣＯ2 排出を削減する省エネルギー化を推進するため、発電設備のコージェネ化が注目されている。水素を利用し発電を行う燃料電池発電システムは、近年、自動車，家庭用発電設備，自動販売機，携帯機器など多様な用途の電源として技術開発が急速に進んでいる。燃料電池は、水素と酸素を反応させ水になる際に電気を発生し、同時に発生する熱エネルギーを利用して給湯及び空調を行うことができるため、家庭用分散電源に適用されている。燃料電池の他、マイクロタービンやマイクロエンジンといった内燃機関の開発も進んでいる。
【０００３】
一方、水素を燃料として用いるために不可欠な水素の輸送，貯蔵，供給システムが大きな課題となっている。水素は常温で気体であるため、液体や固体に比べて、貯蔵や輸送が難しい。しかも、水素は可燃性物質であり、空気と所定の混合比になると、爆発の危険性がある。
【０００４】
このような問題を解決する技術として、炭化水素燃料に水蒸気を加えて水素を発生させ、この水素を水素吸蔵合金に貯蔵し、起動時に放出させて炭化水素燃料に添加して水添脱硫して燃料電池に供給する発電システムが知られている。
【０００５】
又、近年、安全性，運搬性及び貯蔵能力に優れた水素貯蔵方法として、シクロヘキサンやデカリンのような炭化水素を用いた有機ハイドライドシステムが注目されている。これらの炭化水素は、常温で液体であるため、運搬性に優れている。例えば、ベンゼンとシクロヘキサンは同じ炭素数を有する環状炭化水素であるが、ベンゼンは炭素同士の結合が二重結合である不飽和炭化水素であるのに対し、シクロヘキサンは二重結合を持たない飽和炭化水素である。ベンゼンの水素付加反応によりシクロヘキサンが得られ、シクロヘキサンの脱水素反応によりベンゼンが得られる。すなわち、これらの炭化水素の水素付加と脱水素反応を利用することにより、水素の貯蔵とその供給が可能となる。この反応を利用し、自動車あるいは家庭用燃料電池などの分散電源に水素を供給する水素供給装置が例えば特許文献１に開示されている。また、特許文献１には触媒反応に燃料電池，エンジン等の廃熱を利用することが開示されている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−２４８８１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ベンゼンとシクロヘキサンとの反応に代表される水素付加反応と脱水素反応とを利用した水素の貯蔵と供給では反応効率が低く、自動車あるいは家庭用燃料電池などの分散電源等に水素を供給するためにはシステム全体としての効率を高める必要がある。そのため、特許文献１に記載のように触媒反応に燃料電池，エンジン等の廃熱を利用することが有効であるが、実用化のためには必要量の水素を供給するため、限られた設置スペースの中で水素貯蔵・供給装置の反応効率をさらに高めていくことが必要となる。その手法として、触媒担体に触媒が担持された触媒プレートを複数枚積層しスタック構造とすることで反応面積を大きくすることが挙げられる。しかしながら、触媒プレートをスタック構造とした場合には、内部の触媒プレートには熱源から十分な熱量が供給されず、スタック構造で反応面積を大きくしても期待される水素生成量を得ることは困難である。またスタック枚数を単純に増加した場合、各プレート内に均一に燃料を供給することが難しく、反応効率の低下に繋がる。
【０００８】
本発明の目的は、小型で反応効率の高い水素供給装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、水素の貯蔵と放出とを化学的に繰り返す有機化合物を媒体として、前記媒体と金属触媒との反応により水素を生成又は貯蔵する触媒部材と、前記触媒部材へ熱源からの熱を供給するための集熱板とを備え、前記触媒部材は、基板の少なくとも一方の面に形成された触媒担体に金属触媒が担持され、前記媒体が流通するための流路が形成された複数の触媒プレートを有し、該触媒プレートが積層された積層構造を有し、前記触媒担体よりも高い熱伝導率を有し、前記複数の触媒プレート及び集熱板と接するようにヒートパイプが配置された水素貯蔵・供給装置を特徴とする。
【００１０】
また、触媒部材の流路内には前記媒体の流れを変化させるための凹凸構造体を備えることを特徴とする。また、各触媒プレートへの均一な供給を図るため触媒プレートの流路内に貫通孔が形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明により、水素を貯蔵し、自動車あるいは家庭用燃料電池などの分散電源に水素を供給する小型で効率のよい水素供給装置及び水素供給システムならびにその製造方法を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の水素貯蔵・供給装置の基本構成は、基板の少なくとも一方の面に形成された触媒担体に金属触媒が担持され、前記媒体が流通するための流路が形成された複数の触媒プレートを有し、該触媒プレートが積層された積層構造を有する触媒部材と、熱源からの熱を回収し、触媒部材へ熱を供給するための集熱板で構成され、触媒担体よりも高い熱伝導率を有し、複数の触媒プレート及び集熱板と接するようにヒートパイプが配置されている。
【００１３】
本発明の水素貯蔵・供給装置では、水素を貯蔵した前記媒体が前記触媒部材表面に設けられた流路を通り、前記触媒部材表面での脱水素反応を起こす。脱水素反応により生じた水素と、水素を放出した前記媒体は再び設けられた流路を通り回収される。
【００１４】
脱水素反応は一般に吸熱反応であるため、複数枚の金属触媒を担持したプレートを積層する場合には、熱を供給する必要がある。本装置では前記集熱板により熱源からの熱を回収し、ヒートパイプにより、前記触媒部材に熱を供給することを特徴としている。ヒートパイプは熱源からの熱を効率よく伝えるため、前記集熱板および前記触媒部材と接合することが好ましい。ヒートパイプの材質・組成については、少なくとも触媒担体よりも高い熱伝導率を有するものであれば特に制限はなく、金属，合金もしくは炭素材料のいずれでもよい。触媒部材を内包する筐体部材の一部、もしくは前記触媒部材のプレートの一部を相互に接合し、さらに該接合部を集熱板と接合することにより、ヒートパイプとしてもよい。ヒートパイプの形状については、該媒体および水素の該触媒部材内での流通を妨げないように該媒体および水素の流れに水平に、かつ熱を該触媒部材に最大限供給するため該触媒部材の末端から末端まで位置する形状が好ましい。ヒートパイプの幅は細すぎれば十分熱を供給できなくなり、太すぎれば前記媒体および水素の流通を妨げることになるため、１〜５０mm程度が好ましく、５〜２０mm程度がさらに好ましい。ヒートパイプと前記集熱板および前記触媒部材との接合については、物理的な接触だけでは熱の拡散性が低下することから、化学的な結合を形成する接合手段が望ましい。例としては、ＦＳＷ，レーザー接合，通電加熱，溶接，ロウ付け，圧着が挙げられるが、高熱にすると触媒部材が損傷することから比較的低温で接合可能な摩擦攪拌接合（ＦＳＷ），通電加熱，圧着を用いることが望ましい。
【００１５】
前記水素を放出し貯蔵する媒体としては、芳香族化合物が好ましく、ベンゼン，トルエン，キシレン，メシチレン，ナフタレン，メチルナフタレン，アントラセン，ビフェニル，フェナスレン及びそれらのアルキル置換体のいずれか又は複数混合したものを利用することができる。今後、これら媒体全体のことを指して有機ハイドライドと呼ぶ。これら有機ハイドライドは、炭素同士の二重結合に水素が付加することにより、水素を貯蔵する。水素付加後の水素供給体は、水素を放出して元の水素貯蔵体に戻る。すなわち、上述の燃料は、水素のリサイクルに適したキャリアとなる。一方、上述の燃料の水素付加反応及び脱水素反応に際して利用される触媒は、既に研究開発されて熟知されているものも適用可能であり、実用的なものである。本発明は、より低温で水素貯蔵，供給が可能な触媒を用いることが好ましく、システム全体の効率を向上することができる。
【００１６】
以下、本発明の水素貯蔵・供給装置を構成する各部材及び作製手順について説明する。
【００１７】
触媒部材としては、基板上に形成された触媒担体と金属触媒とで構成され、媒体を流通させるための流路が形成されている。基板は、窒化アルミニウム，窒化珪素，アルミナ，ムライトなどのセラミックスやグラファイトシートなどのカーボン材，銅，ニッケル，アルミニウム，シリコン，チタンなどの金属やクラッド材，ポリイミドなどの耐熱性高分子薄膜及びこれらの混合物を用いることができる。熱伝導率が大きく、膜厚が薄いほど廃熱，燃焼熱を有効に利用して触媒層を加熱することができる。本発明は燃料電池など高温システムの廃熱，未反応ガスの燃焼熱を利用するものであり、それらの熱を触媒層により速く伝達することができる。特に、脱水素反応は吸熱反応であり、反応の進行に伴い、触媒の温度が低下して反応速度が低下するが、本発明の高熱伝導基板を用いることにより触媒温度の低下を防ぐことができる。
【００１８】
触媒担体の材料としては、活性炭，カーボンナノチューブやシリカ，アルミナ，ゼオライトなどのアルミナシリケートなどを用いることができる。２００℃以下での脱水素反応の場合は、アルミナ，酸化亜鉛，シリカ，酸化ジルコニウム，珪藻土などの塩基性酸化物を用いることもできる。また、それらを複合したものを用いることができる。触媒担体の形成は、ゾルゲル法，めっき，陽極酸化などの溶液プロセスや蒸着法，スパッタ法，CVD法などのドライプロセスなどを使用することができる。
【００１９】
触媒部材のプレートにアルミニウムあるいは金属表面にアルミニウム層を設けたクラッド材を用いた場合、アルミニウム表面に陽極酸化により作製した多孔質アルミナを直接作製することができ、筐体基板と触媒担体の密着性及び熱伝導性が良好であり、より好ましい。アルミニウム表面を陽極酸化し、次いで陽極酸化によって生成した細孔を拡大処理した後、ベーマイト処理，焼成した皮膜を担体として用いた場合、陽極酸化をしただけの場合に比べて担体表面積が増大し、触媒担持量を増大させることができるため、さらに好ましい形態である。
【００２０】
また、陽極酸化により生成した多孔質細孔内に塩基性酸化物や活性炭などの別の触媒担体を充填することもでき、担体表面の酸性度や燃料に対する吸着能を調整できる。
【００２１】
非アルミニウム金属表面にアルミニウム層を設けたクラッド材としては、例えばＭｇ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｖ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｚｎ，Ｂｉ，Ｓｎ，Ｐｂ及びＳｂなどからなる単一の金属又は合金の板、複数の金属板を重合させた金属合板又は海綿状金属板等の表面に非水メッキ，圧着，蒸着，どぶ付けなどの方法によりアルミニウム層を設けたものを使用することができる。
【００２２】
陽極酸化法としては、電解液として例えば燐酸，クロム酸，蓚酸，硫酸水溶液等を使用することができるが、触媒被毒を避けるためには、燐酸，クロム酸，蓚酸水溶液が好ましい。陽極酸化により形成される多孔層の孔径、膜厚は、印加電圧，処理温度，処理時間などの条件により、適宜設定することができる。孔径は１０ｎｍ〜３００ｎｍ、膜厚は５〜３００μｍであることが好ましい。陽極酸化の処理液温度は、０〜５０℃、特に３０〜
４０℃とすることが好ましい。また、この陽極酸化の処理時間は処理条件や形成したい膜厚によって異なるが、例えば４重量％の蓚酸水溶液を電解液とし、処理浴温度を３０℃、印加電圧４０Ｖとした場合には７時間処理することで１００μｍの陽極酸化層を形成できる。
【００２３】
さらに、燐酸あるいは蓚酸等を溶解した酸性水溶液を用いて陽極酸化皮膜表面を処理し、形成された細孔を拡大した後、ベーマイト処理する。上記酸性水溶液の濃度は、例えば燐酸の場合には５〜２０重量％であることが好ましく、１０℃〜３０℃で１０分〜３時間、細孔径が適度に拡大されるまで処理する。陽極酸化終了後、陽極酸化処理浴に、そのまま所定時間浸漬して孔拡大処理することもできる。ベーマイト処理は、ｐＨ６以上、好ましくは７以上の水中５０℃〜２００℃で処理し、乾燥した後焼成する。ベーマイト処理の処理時間はｐＨや処理温度によっても異なるが、５分以上とすることが好ましい。例えばｐＨ７の水中で処理する場合、約２時間処理する。また、焼成はγ―アルミナを形成させるものであり、通常は３００〜５５０℃で０.５ 〜５時間行う。
【００２４】
金属触媒としては、金属触媒と担体材料から構成され、金属触媒材料にはＮｉ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｒｈ，Ｉｒ，Ｒｅ，Ｒｕ，Ｍｏ，Ｗ，Ｖ，Ｏｓ，Ｃｒ，Ｃｏ，Ｆｅなどの金属及びこれらの合金触媒を用いることができる。金属触媒材料の作製法は、共沈法，熱分解法など特に限定はない。
【００２５】
触媒部材の形態については特に制限はなく、粉体，プレート状，棒状，球状のいずれでもよいが、取り扱いおよび熱伝達率の良好性からプレート状であることが好ましい。さらにリアクタ小型化のために、プレートの少なくとも片面には媒体に対して水素付加反応または脱水素反応を進行させる金属触媒を担持し、金属触媒を担持したプレートを積層して形成されている。
【００２６】
触媒部材には媒体を流通させるための流路を設置するが、その製造方法および形態については特に制限はない。流路設置としては基板へ流路を形成することが挙げられる。基板への流路の形成は、溝加工の場合、溶液による化学エッチングやドライエッチング，金型加工，機械切削などが利用できる。流路のみを形成する場合、スペーサーを用いることもできるが、上記手法によれば流路形成と同時に流路内部に様々な形状の凹凸構造物を作製できるため、作製効率および設計の自由度の点で有利である。流路のサイズに関しては、小さすぎると媒体の流通を阻害する要因となり、大きすぎると無駄な空間が生じるため装置サイズおよび反応効率の面から不利となる。そこで、流路のサイズは深さが１〜1000
μｍ、幅が１〜１０００μｍ程度であることが好ましい。特に深さは１０〜１００μｍであることが望ましい。
【００２７】
流路内に媒体が流通する場合、平坦な流路では層流が生じ、反応に寄与しない領域が出来るため、反応効率向上には媒体の流れを制御することが重要となる。媒体の流れを制御する手法に特に制限はないが、流路内部に凹凸構造体を形成し、媒体の流れを乱し、流路全体の媒体の分布を均一化する手法が簡便で好ましい。凹凸構造物のサイズ，形状は、媒体の特性や流路のサイズにより最適値が異なるため、装置により設計する必要がある。また、複数枚の触媒プレートを積層した積層構造では、媒体の触媒プレートへの均一供給が困難になり、反応効率が低下する要因となる。そこで、触媒プレートには貫通孔を設け、媒体の混合を促し全体の濃度を均一化することが好ましい。
【００２８】
本発明においては、前述した各部材を積層し一体化した複数の水素供給装置は、大面積スケールで一括形成し、その後、単一の水素供給装置に切り出して製作することが可能である。
【００２９】
水素供給装置の外周部分は封止する必要がある。封止する際には、各部材を金属板間に挟持し、周囲をボルト締めする方法及び封止材により封止する方法がある。封止材としては、水素や燃料の液体がもれないようにすることができれば金属，セラミックス，ガラス，樹脂材料など特に限定はない。封止はコーティングや溶融法などを用いて行うことができる。又はんだのような回路実装で用いられる材料を使用する際は、リフローなどの実装プロセスを用いることもできる。
【００３０】
本発明の水素供給装置はマイクロリアクタの構造を有しており、水素生成の吸熱反応による急激な触媒層温度の低減を抑制するために触媒部材の内部にヒートパイプを形成して熱伝導を向上させることで、高速水素生成を可能にしている。また、小さなスペースで反応を行うことによって水素を効率よく生成することができる。さらに、触媒部材表面ではミクロンあるいはナノオーダーまで小さくした塩基性担体の燃料流路上にナノオーダーの金属触媒微粒子が塗布され、触媒層の表面積／体積比を大きくし有機ハイドライドと触媒層の接触効率を大きくすることで、触媒を有効に利用することができ反応速度を向上することができる。
【００３１】
流路が大きい場合は、液体部の厚みが厚く複合界面の存在比が小さい。流路を小さくし液体の表面積を大きくすることで、液体部の厚みは薄くなり、複合界面の存在比を大きくすることができる。また、触媒層の触媒表面や触媒層に隣接して形成した多孔質膜には
ｎｍオーダの細孔が存在する。液体は自身の液滴サイズが小さくなるほど液体の蒸気圧が大きくなり、低温でも気化しやすくなる。液滴サイズの小さな流路とｎｍサイズの触媒表面の細孔の組み合わせにより、ミクロな複合界面を形成することができ、低温でも脱水素反応を効率よく進行させることができる。
【００３２】
マイクロ空間では液体が層流として流れやすくなるが、流路表面への凹凸構造物の形成や、プレートへの貫通孔設置により、触媒表面で反応が進行する層と液体が流れるだけのバルク層の混合を促し、反応効率を向上することができる。
【００３３】
このような水素供給装置は燃料電池等と接続した発電システムを作製することができる。本発明の水素供給装置で行われる有機ハイドライドの脱水素反応は２５０℃以下でも進行する。本水素供給装置と燃料電池を一体化させることにより、小型化が可能で、燃料電池の廃熱、あるいは未反応の水素ガスを燃焼して得られる燃焼熱を利用すれば、水素供給装置を加熱するヒータの負荷を低減できるため、システム効率を向上できる。燐酸型燃料電池の廃熱温度は１５０〜２２０℃、固体高分子型燃料電池の廃熱温度は８０〜１５０℃であり、それらの廃熱あるいは未反応ガスを燃焼させて得られる燃焼熱を利用して、水素供給装置を効率よく稼動できる。また、溶融炭酸塩型燃料電池の廃熱温度は６００〜700℃、固体酸化物型燃料電池の廃熱温度は１０００℃であり、水素供給装置を適切な箇所に配置したり、熱交換器を配置することで、ヒータを使用することなく、水素供給が可能となる。
【００３４】
本発明の水素供給装置は、全体を封止材で封止することにより小型で薄型設計される。燃料の供給にはマスフローメータなどで供給量を制御しながらポンプなどを用いて間欠送液する。
【００３５】
上記本発明の水素供給装置を燃料電池等と組み合わせる場合、廃熱を有効に利用できる箇所に適宜設置する。その際、燃料電池の廃熱が発生する部分に水素供給装置のヒートパイプを密着させて設置することで、触媒を効率的に加熱することができる。具体的には、例えば固体高分子型燃料電池と組み合わせる場合、廃熱が発生する部分として、スタックから発生する廃熱を熱交換する熱交換機筐体面が挙げられる。家庭用燃料電池では温水製造のため熱交換機へ水を流通させるが、併せて燃料である有機ハイドライドを流通させることで、燃料電池スタックを冷却して電解質膜を熱によるダメージから保護すると同時に有機ハイドライドを予備加熱することができる。尚、燃料電池へ供給する空気の加湿には、熱交換により得られた温水利用あるいは発電で生じた水蒸気を利用する。自動車用燃料電池では、燃料電池へ供給する空気の加湿には発電で生じた水蒸気で十分まかなえるため、熱交換機には燃料を流通させて、燃料の予備加熱を行う。
【００３６】
また、廃熱が発生する部分として、自動車用燃料電池の場合、カソード極へ空気を供給するために用いる圧縮機が挙げられる。
【００３７】
以下、本発明を実施するための最良の形態を具体的な実施例によって詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００３８】
図１は、本発明に係る系統電力及び再生可能エネルギー利用発電である家庭用分散電源及び水素自動車を例とした水素貯蔵・供給システムを示す模式図である。本実施例の水素貯蔵・供給装置は、このシステムの一部として機能する。家屋１００には、屋根等に設置した太陽電池１０１，系統電力１００２，水電解装置１０３，水素貯蔵・供給装置１０４，燃料電池システム１０５を備えている。太陽電池１００１のような再生可能エネルギー発電により造られた電気は、インバータ１０６を経由して交流に変換される。変換された電気は、家庭用の電気機器１０７に使用されるか、電気機器１０７に使用せず、余剰電力が発生したときには、変換された電気を水電解装置１０３に供給する。また、自動車108には車載水素貯蔵・供給装置１０９，車載燃料電池システム１１０が搭載されている。
【００３９】
水電解装置１０３では、水の電気分解により水素と酸素が発生する。発生した水素は、水素貯蔵・供給装置１０４に送られ、水素付加反応を利用して水素貯蔵・供給装置１０４により脱水素化した芳香族化合物を水素化し燃料に再生することができる。
【００４０】
電力は昼間の負荷変動に対応したピーク電力と昼夜一定の基本電力を供給するベース電力に分けられる。図１に示した発電システムは昼間の負荷変動に対応したピーク電力を供給する発電システムであって、ベース電力は電力会社などの系統電力１０２を利用する。系統電力１０２もＣＯ2 削減のためには再生可能エネルギーを利用することが好ましい。太陽光発電に限らず、風力，地熱，海洋温度差，潮力，バイオマスなど多くの再生可能エネルギーを利用できる。太陽光は昼間のみ発電可能であるが、他の再生可能エネルギーは夜間も発電できる。夜間は昼間に比べ電力使用量が激減するため火力発電所などの場合は、消費燃料を削減するために発電を一時停止する。これに対し再生可能エネルギーは燃料費がかからないので夜間でも発電可能であれば電力供給を行っても問題はない。ただし、利用の少ない夜間では余剰電力になる可能性が大きいので、これら発生した余剰電力を水の電気分解に用い水素を製造し、本発明の水素貯蔵・供給装置１０４，１０９を用いて有機ハイドライドとして水素を貯蔵する。有機ハイドライドとして貯蔵した水素は図１に示した燃料電池等の燃料として提供する。昼間の再生可能エネルギーによる発電は積極的に系統のピーク電力として供給する。
【００４１】
自動車１０８は、燃料である有機ハイドライドから車載水素貯蔵・供給装置１０９により発生した水素を車載燃料電池システム１１０に供給し、発電してモータにより走行する。自動車１０８も家庭用分散電源と同様に水電解装置１０３を備え、車載水素供給・貯蔵装置１０９を夜間電力により起動させ、有機ハイドライドとして水素を貯蔵することができる。
【００４２】
図２は、本発明の水素供給装置の構成図、および概観図の一例である。本実施例の水素供給装置２０１は、５ｗｔ％Ｐｔ／アルミナ触媒プレート２０２を積層してなる触媒部材２０３，ＳＵＳから成る燃料分配板２０４およびスペーサー２０５，Ａｌから成る集熱板２０６，燃料分配板２０４に形成された燃料流路２０７および水素流路２０８，燃料分配板２０４に接合された燃料供給口２０９および水素回収口２０１０で構成される。積層して成る触媒部材２０２には互いに接合され熱を拡散する役割を果たすヒートパイプ部2011が３箇所設けられている。ここで触媒プレート２０２の５ｗｔ％Ｐｔを担持したアルミナを有する箇所には深さ１００μｍの流路を形成した。また燃料の流れを制御するため、
３００μｍごとに流路を区切るように幅５０μｍの凸状の壁を設けた。さらに流路中央部には燃料濃度の均一化のため直径５mmの貫通孔を複数箇所設けた。
【００４３】
本装置では、まずＡｌ板に５ｗｔ％Ｐｔ／アルミナ触媒を表面に設置した触媒プレート２０２を所定枚数積層し、接合することで触媒部材２０３を作製する。このときの接合部が本装置ではヒートパイプ部２０１１の役割を果たす。触媒部材２０３を集熱板２０６に載せ、ヒートパイプ部２０１１と集熱板の一部を接合する。燃料分配板２０４とスペーサー２０５を接合し作製した筐体部材２０１２に、触媒部材２０３を接合した集熱板２０６を組み込み、全体を接合，封止して水素供給装置２０１とする。
【００４４】
有機ハイドライド燃料は、燃料分配板２０４に形成された燃料流路２０７を通り、５
ｗｔ％Ｐｔ／アルミナ触媒プレートを積層してなる触媒部材２０２の流路を通りながら、アルミナ表面に担持したＰｔ表面で脱水素反応が進行し水素が生成する。生成した水素は水素流路２０８を通り、水素回収口２０１０を通って外部の燃料電池等へ供給される。
【００４５】
触媒部材２０３の製造方法について図３に詳細を説明する。６０mm×３００mm、１mm厚のＡｌ基板３０１表面にエッチングにより流路３０２と流路を区切る壁としての凸状構造物３０３を形成した。その上にＰｔ粒子混合アルミナゾル３０４を塗布し、４５０℃で１時間焼成することで触媒プレート２０２を形成した。触媒層の厚みは０.５μｍ で、流路の形状を反映した凹凸のある形状になっている。次に触媒プレート２０２を３層積み重ね、３箇所を溶接により接合することで触媒部材２０３とした。なお貫通孔はＡｌ基板301にあらかじめ旋盤加工により複数箇所設けた。
【００４６】
スペーサー２０５は４mm厚さのＳＵＳ３０４板を用いた。燃料分配板２０４は８mm厚さのＳＵＳ３０４板に流路を形成し、スペーサー２０５，燃料供給口２０９および水素回収口２０１０として１／８インチのパイプをそれぞれ溶接により取り付けて筐体部材2012とした。触媒部材２０３を１mm厚さのＡｌ板からなる集熱板２０６に溶接した後、筐体部材２０１２に取り付けて、その外周をガラスの封止材により封止した。
【００４７】
本実施例の水素供給装置は８０mm×３２０mm，厚み１０mmの大きさである。この装置を外部熱源として用意したセラミックスヒータ上に集熱板２０６が接するように設置し、
２５０℃に加熱した。燃料には、１−メチルデカヒドロナフタレンを用いて、本装置内に供給し、脱水素反応を行った。その結果、燃料供給のパルス間隔が２５秒のときに水素発生速度が最大となり、Ｐｔ１ｇ当たり１８Ｌ／min であった。このように本実施例の水素貯蔵・供給装置は、外部熱源から触媒層までを高熱伝導性基板で構成することにより、効率的に触媒が加熱されて反応が進行した。また、流路内に凸状構造体を設け、さらに流路内に隣接する触媒プレートへ流通可能な貫通孔を設けたことで、触媒プレート面内における触媒への媒体の均一供給，各触媒プレートへの媒体供給濃度を制御でき、脱水素反応の効率が向上された。
【００４８】
〔比較例〕
図４は、本比較例の水素供給装置の外観図である。図５は、その内部構造を示す断面図である。直径１５mmφ，長さ５０mm、板厚が２mmのステンレス製水素供給装置４０１を作製した。その装置筐体内部は、図５に示すように１０mmφ，長さ５０mm，厚さ８０μｍのパラジウム管４０２が内蔵されており、パラジウム管内部に５ｗｔ％Ｐｔ／活性炭触媒
１０ｇを塗布し、触媒層４０３を形成したものである。水素供給装置４０１に燃料供給口４０４及び燃料排出口４０５，水素取り出し口４０６を接続した。燃料供給口４０４，燃料排出口４０５にはそれぞれ燃料タンク４０７，廃液タンク４０８を接続した。燃料はポンプ４０９により送液した。水素供給装置４０１を外部熱源として用意したヒータ（図示せず）をその周囲に設置し２５０℃に加熱した。燃料にはメチルシクロヘキサンを用い供給し、メチルシクロヘキサンの脱水素反応を行った。その結果、水素発生量はＰｔ１ｇ当り２Ｌ／min であった。水素供給装置４０１は、燃料流路幅が大きく、燃料のガス化が不十分で触媒層表面に気液固体複合界面がうまく形成されず、また、水素分離膜が触媒層に隣接せず外周部に設けられており、水素を即座に分離して水素分圧を低減することができないため、脱水素反応の転化率が低い結果となった。
【実施例２】
【００４９】
本実施例は、実施例１の触媒部材の作製方法においてヒートパイプとして触媒プレートとは異なる部材を導入して作製した水素供給装置である。図６に、その内部構造を示す断面図を示す。触媒部材２０３としては実施例１と同様の構成とした。ヒートパイプ５０１は熱拡散性の高いＡｌＮを使用した。幅１０mm，長さ５０mmのＡｌＮプレートを、触媒プレートの一部に穴を開けて組み込み、ＦＳＷにて接合した。１mm厚さのＡｌ板を使った集熱板２０６に触媒部材を積層し、ＦＳＷを使用してＡｌ板とＡｌＮ部を接合した。その後、筐体部材２０１２に取り付けて、その外周をガラスの封止材により封止した。
【００５０】
実施例１と同様の脱水素試験を行った結果、燃料供給のパルス間隔が２５秒のときに水素発生速度が最大となり、Ｐｔ１ｇ当たり１９.２Ｌ／minであった。このように本実施例の水素貯蔵・供給装置は、外部熱源から触媒層までを高熱伝導性基板で構成することにより、効率的に触媒が加熱されて反応が進行した。
【実施例３】
【００５１】
本実施例は、実施例１の触媒部材の作製方法においてヒートパイプとして集熱板の一部を利用した水素供給装置である。図７に、その内部構造を示す断面図を示す。触媒部材
２０３としては実施例１と同様の構成とした。集熱板として厚さ４mmのＡｌ板６０１を使用し、エッチングにより触媒部材２０３を組み込む箇所（凹部）を作製し、壁面６０２をヒートパイプとして使用する。実施例１と同様の方法で作製した触媒部材２０３を、集熱板の壁面と通電加熱により接合した。その後、集熱板２０６と筐体基板２０１２の外周をガラスの封止材により封止した。
【００５２】
実施例１と同様の脱水素試験を行った結果、燃料供給のパルス間隔が２５秒のときに水素発生速度が最大となり、Ｐｔ１ｇ当たり１６.９Ｌ／minであった。このように本実施例の水素貯蔵・供給装置は、外部熱源から触媒層までを高熱伝導性基板で構成することにより、効率的に触媒が加熱されて反応が進行した。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】再生可能エネルギー利用家庭用自家発電を例とした水素貯蔵，供給システムを模式的に示す図。
【図２】実施例１の水素供給装置の製造方法図。
【図３】実施例１の水素供給装置の内部構造模式図。
【図４】比較例の水素供給システムの外観図。
【図５】比較例の水素供給システムの構造模式図。
【図６】実施例２の水素供給装置の内部構造模式図。
【図７】実施例３の水素供給装置の内部構造模式図。
【符号の説明】
【００５４】
１００  家屋
１０１  太陽電池
１０２  系統電力
１０３  水電解装置
１０４  水素貯蔵・供給装置
１０５  燃料電池
１０６  インバータ
１０７  電気機器
１０８  自動車
１０９  車載水素貯蔵・供給装置
１１０  車載燃料電池システム
２０１  水素供給装置
２０２  触媒プレート
２０３  触媒部材
２０４  流路板
２０５  スペーサー
２０６  集熱板
２０７  燃料流路
２０８  水素流路
２０９  燃料供給口
３０１  Ａｌ基板
３０２  流路
３０３  凸状構造物
３０４  Ｐｔ粒子混合アルミナゾル
３０５  溶接箇所
４０１  ステンレス製水素供給装置
４０２  パラジウム管
４０３  触媒層
４０４  燃料供給口
４０５  燃料排出口
４０６  水素取り出し口
４０７  燃料タンク
４０８  廃液タンク
４０９  ポンプ
４１０  水素タンク
５０１  ＡｌＮヒートパイプ
６０１  Ａｌ基板
６０２  壁面ヒートパイプ
２０１０  水素回収口
２０１１  ヒートパイプ部
２０１２  筐体部材
【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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