(57)【要約】【課題】小型で性能の良い脱水素反応器を提供する。【解決手段】脱水素反応器４は触媒層４０と給排層５０を交互に積層して構成されており、触媒層４０は脱水素触媒を担持した触媒シート４４を備え、給排層５０は、触媒層４０にＩＰＡを供給するＩＰＡ供給通路５４、供給孔５６と、触媒層４０で生成された水素およびアセトンを排出する排出孔５７、水素・アセトン排出通路５５を備える。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機化合物を脱水素触媒および熱源からの熱の存在下で脱水素吸熱反応させて水素と脱水素物を生成する脱水素反応器であって、
前記脱水素触媒を有する触媒層と、
前記触媒層に有機化合物を供給する供給通路と前記触媒層で生成された水素および脱水素物を排出する排出通路を有する給排層と、
を備え、前記触媒層と前記給排層が積層して構成されていることを特徴とする脱水素反応器。
【請求項２】
前記給排層から前記触媒層の脱水素触媒に前記有機化合物が液膜状態に供給されることを特徴とする請求項１に記載の脱水素反応器。
【請求項３】
前記給排層の両側に前記触媒層がそれぞれ積層されていて、この給排層と両側の各触媒層との間でそれぞれ、有機化合物、水素、脱水素物の給排が行われることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の脱水素反応器。
【請求項４】
前記触媒層には温度調整手段を備えていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の脱水素反応器。
【請求項５】
前記温度調整手段の熱源は、生成された水素と脱水素物を電気化学反応させることで発電する燃料電池で発生した熱であることを特徴とする請求項４に記載の脱水素反応器。
【請求項６】
前記給排層は、複数の金属製の基板を積層して構成されており、前記触媒層に面して配置される基板に、前記有機化合物を触媒層に供給する供給孔と前記触媒層から前記水素および脱水素物を排出する排出孔が設けられていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の脱水素反応器。
【請求項７】
前記触媒層に面して配置される基板に、前記供給孔と前記排出孔が互いに隣接した状態で配置されていることを特徴とする請求項６に記載の脱水素反応器。
【請求項８】
前記触媒層と前記給排層との間に、金属製の基板にフッ素樹脂をコーティングしてなるシール層が設けられていることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の脱水素反応器。
【請求項９】
前記シール層のシール部にビードが設けられていることを特徴とする請求項８に記載の脱水素反応器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、有機化合物を脱水素吸熱反応させて水素と脱水素物を生成する脱水素反応器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ある種の有機化合物に熱を加え触媒の存在下で脱水素吸熱反応させて、水素と脱水素された物質（以下、脱水素物という）を生成する技術が知られている。
例えば、特許文献１には、２−プロパノール（有機化合物）に熱エネルギーを入力し、触媒上で脱水素吸熱反応させて水素とアセトン（脱水素物）を生成し、生成した水素とアセトンを電気化学的に反応（水素化反応）させて電気エネルギーとして回収する熱回収装置が開示されている。
また、特許文献２には、デカリン（有機化合物）に熱エネルギーを入力し、触媒上で脱水素吸熱反応させて水素とナフタレン（脱水素物）を生成し、生成された水素を燃料電池に燃料として供給する水素供給装置が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】
特公平１−２５９７２号公報
【特許文献２】
特開２００２−２５５５０３号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、現在のところ、脱水素吸熱反応を効率的に進行させるための具体的な構成については提案されていない。特に、自動車の廃熱を電気エネルギーに変換したり、燃料電池自動車などの水素供給装置として利用する場合には、車載性を考慮して小型化が必要とされ、装置化が難しかった。
そこで、この発明は、小型ながら脱水素吸熱反応を効率よく進行させることができる脱水素反応器を提供するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、有機化合物（例えば、後述する実施の形態におけるイソプロピルアルコール）を脱水素触媒および熱源からの熱の存在下で脱水素吸熱反応させて水素と脱水素物（例えば、後述する実施の形態におけるアセトン）を生成する脱水素反応器（例えば、後述する実施の形態における脱水素反応器４）であって、前記脱水素触媒を有する触媒層（例えば、後述する実施の形態における触媒層４０）と、前記触媒層に有機化合物を供給する供給通路（例えば、後述する実施の形態におけるＩＰＡ供給通路５４）と前記触媒層で生成された水素および脱水素物を排出する排出通路（例えば、後述する実施の形態における水素・アセトン排出通路５５）を有する給排層（例えば、後述する実施の形態における給排層５０）と、を備え、前記触媒層と前記給排層が積層して構成されていることを特徴とする。
このように構成することにより、給排層の供給通路から触媒層の脱水素触媒に有機物を供給することができ、脱水素触媒上での脱水素吸熱反応により生成された水素と脱水素物を給排層５０の排出通路に排出することができる。そして、触媒層と給排層を積層するだけで脱水素反応器を構成することができ、また、積層数を増やすことにより小型ながら処理能力の大きい脱水素反応器を構成することできる。また、給排層に供給通路と排出通路を設けたことにより更なる小型化が可能になるとともに、供給通路から供給された有機化合物を確実に触媒層に供給することができ、水素生成量を増大させることができる。
【０００６】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記給排層から前記触媒層の脱水素触媒に前記有機化合物が液膜状態に供給されることを特徴とする。
このように構成することにより、触媒層で生成された脱水素物が水素化反応して元の有機化合物に戻るのを防止することができる。
【０００７】
請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に記載の発明において、前記給排層の両側に前記触媒層がそれぞれ積層されていて、この給排層と両側の各触媒層との間でそれぞれ、有機化合物、水素、脱水素物の給排が行われることを特徴とする。
このように構成することにより、処理能力の大きい脱水素反応器をより薄型に構成することができる。
【０００８】
請求項４に係る発明は、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の発明において、前記触媒層には温度調整手段（例えば、後述する実施の形態における冷却水通路４５）を備えていることを特徴とする。
このように構成することにより、触媒層の脱水素触媒を脱水素吸熱反応に好適な温度に保持することができる。
【０００９】
請求項５に係る発明は、請求項４に記載の発明において、前記温度調整手段の熱源は、生成された水素と脱水素物を電気化学反応させることで発電する燃料電池（例えば、後述する実施の形態における副燃料電池５）で発生した熱であることを特徴とする。
このように構成することにより、脱水素反応器と燃料電池は閉鎖回路の熱電変換システムを構成し、この熱電変換システムにおいて燃料電池の発熱は自己発熱となり、自己発熱の熱を脱水素反応器に供給しているので、この熱電変換システムにおける熱電変換効率を高くすることができる。
【００１０】
請求項６に係る発明は、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の発明において、前記給排層は、複数の金属製の基板（例えば、後述する実施の形態における基板５１，５２，５３）を積層して構成されており、前記触媒層に面して配置される基板（例えば、後述する実施の形態における５１，５３）に、前記有機化合物を触媒層に供給する供給孔（例えば、後述する実施の形態における供給孔５６）と前記触媒層から前記水素および脱水素物を排出する排出孔（例えば、後述する実施の形態における排出孔５７）が設けられていることを特徴とする。
このように構成することにより、同一基板を通して、有機化合物の供給と、水素および脱水素物の排出を行うことができる。
【００１１】
請求項７に係る発明は、請求項６に記載の発明において、前記触媒層に面して配置される基板に、前記供給孔と前記排出孔が互いに隣接した状態で配置されていることを特徴とする。
このように構成することにより、有機化合物を脱水素触媒に均一に液膜状態に供給することができ、また、脱水素反応により生成された水素および脱水素物を移動距離を短くして排出孔に導くことができ、素早く排出することができる。
【００１２】
請求項８に係る発明は、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の発明において、前記触媒層と前記給排層との間に、金属製の基板にフッ素樹脂をコーティングしてなるシール層（例えば、後述する実施の形態におけるシール層６０）が設けられていることを特徴とする。
このように構成することにより、厚さの薄いシール層で有機化合物、水素、脱水素物を確実にシールすることができる。
【００１３】
請求項９に係る発明は、請求項８に記載の発明において、前記シール層のシール部にビード（例えば、後述する実施の形態におけるビード６４）が設けられていることを特徴とする。
このように構成することにより、シール層と触媒層あるいは給排層との間に所定の大きさの面圧を確保することができ、確実にシールすることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係る脱水素反応器の実施の形態を図１から図６の図面を参照して説明する。なお、以下の実施の形態はいずれも、燃料電池自動車に搭載される態様である。
〔第１の実施の形態〕
図１は、脱水素反応器を備えた車両用燃料電池システムの第１の実施の形態における概略構成図である。
走行用モータ１に電力を供給するための主燃料電池２は水素と酸素を反応ガスとする燃料電池であり、固体高分子電解質膜２ａをアノード電極２ｂとカソード電極２ｃとで両側から挟み込んでなる膜構造体を備えたセルを複数積層して構成されており（図１では単位セルのみ示す）、アノード側に水素を供給し、カソード側に空気を供給することで発電が行われる。この主燃料電池２は、主燃料電池２を冷却するための冷却水を循環させる冷却水循環回路３を備えており、冷却水循環回路３には冷却水ポンプ３ａと空冷式のラジエータ３ｂが設けられている。
【００１５】
また、冷却水循環回路３の一部は本発明の特徴部をなす脱水素反応器４に組み込まれており、冷却水は主燃料電池２、脱水素反応器４、ラジエータ３ｂの順に流通するようになっていて、主燃料電池２で加熱された冷却水（熱源）は、初めに脱水素反応器４で熱交換して冷却され、その後でラジエータ３ｂで熱交換して冷却され、主燃料電池２に戻る。
【００１６】
脱水素反応器４は、脱水素反応を促す脱水素触媒を備えた触媒反応器であり、脱水素すべき有機化合物としてのＩＰＡ（イソプロピルアルコール）を、脱水素触媒の存在下で脱水素吸熱反応させて水素とアセトン（脱水素物）を生成する。この脱水素吸熱反応を効率的に行わしめるために、脱水素反応器４には、主燃料電池２の熱に加えて、冷却水循環回路１５を介して後述する副燃料電池５の熱が供給される。なお、冷却水循環回路１５には冷却水ポンプ１６が設けられている。脱水素反応器４の構成については後で詳述する。
【００１７】
ＩＰＡタンク８に貯蔵されているＩＰＡは、ＩＰＡポンプ９によって脱水素反応器４に供給される。
脱水素反応器４において脱水素反応により生成された水素とアセトンは混合ガスとなって脱水素反応器４から排出され、分離器６に供給される。分離器６は水素とアセトンに分離するものであり、例えば水素分離膜を備えて構成されている。分離器６で分離された水素は副燃料電池５のアノード側に供給され、アセトンは副燃料電池５のカソード側に供給される。
【００１８】
副燃料電池５は、固体高分子電解質膜５ａをアノード電極５ｂとカソード電極５ｃとで両側から挟み込んでなる膜構造体を備えたセルを複数積層して構成されており（図１では単位セルのみ示す）、アノード側に水素を供給し、カソード側にアセトンを供給すると、アノード電極５ｂの触媒上で水素が電離し、電子が外部回路１３を流れて電力を発生する。一方、水素イオンは、固体高分子電解質膜５ａを通過してカソード電極５ｃまで移動し、カソード電極５ｃでアセトンがプロトンおよび電子と結合し、アセトン水素化反応が発熱的に進行してＩＰＡを生成する。すなわち、この副燃料電池５は、脱水素反応器４によって生成された水素とアセトンをアノードとカソードに供給して電気化学反応させることで発電をする。なお、副燃料電池５で発生した電力は車載の電気機器で利用される。
【００１９】
そして、副燃料電池５のアノード側から排出される未反応の水素は、水素循環通路１１を介して副燃料電池５のアノード側に戻され、循環利用される。一方、副燃料電池５のカソード側からはアセトン水素化反応により生成されたＩＰＡと未反応のアセトンが排出されるので、気液分離器１４に導入され、ここで液相のＩＰＡと気相のアセトンに分離され、ＩＰＡはＩＰＡタンク８に戻され、アセトンはアセトン循環通路１２を介して副燃料電池５のカソード側に戻され、循環利用される。
【００２０】
なお、副燃料電池５のアノード電極５ｂの触媒がアセトンに不活性の場合（例えばパラジウム（Ｐｄ））には分離器６は不要であり、その場合には、脱水素反応器４から排出される水素とアセトンの混合ガスを、副燃料電池５のアノード側とカソード側の両方に供給すればよい。このようにしても、副燃料電池５で発電を行うことができる。
また、この燃料電池システムにおいて気液分離器１４は必ずしも必要ではなく、副燃料電池５のカソードから排出されるＩＰＡとアセトンを混合状態のままＩＰＡタンク８に戻し、脱水素反応器４に循環させるようにしてもよい。
【００２１】
ところで、この実施の形態では、前述したように、副燃料電池５が発電する際に発生する熱を冷却水循環回路１５を介して脱水素反応器４に供給している。
ここで、脱水素反応器４と副燃料電池５は、ＩＰＡ・アセトン・水素系の閉鎖回路に組み込まれており、この閉鎖回路からなる熱電変換システムでは副燃料電池５の発熱は自己発熱であり、この自己発熱の熱を脱水素反応器４に供給することとなる。
自己発熱を利用した場合の熱電変換効率ηは、自己発熱を利用しない場合の熱電変換効率をηＧ、副燃料電池５で生じた熱を脱水素反応に利用する場合の熱利用率をηＨとすると次式で表される。
η＝ηＧ・ηＨ／｛１−ηＨ（１−ηＧ）｝
【００２２】
したがって、自己発熱による熱を脱水素反応に利用すると熱電変換効率を高くすることができる。例えば、脱水素反応器４における操作温度を１００°Ｃとした場合には、自己発熱を利用しない場合の熱電変換効率ηＧが２１．６％であるのに対して、熱利用率９０％で自己発熱を利用した場合の熱電変換効率ηは６６％となり、約３倍に向上し、カルノー効率（２９．８％）を大幅に上回る。
【００２３】
次に、図２および図３を参照して脱水素反応器４の構成を詳述する。図２は脱水素反応器４の断面を模式的に示した模式断面図であり、図３は脱水素反応器４の分解斜視図である。なお、図２は模式的に示したもので一部構成を省略しており、図３とは完全に一致しない。
脱水素反応器４は、触媒層４０と給排層５０をシール層６０を挟んで交互に積層して構成されている。
触媒層４０は長方形の平板状をなし、アルミニウムやステンレスなどの金属製の三枚の基板４１，４２，４３を接合して構成されており、触媒層４０の四隅には冷却水供給孔３１，冷却水排出孔３２、ＩＰＡ供給孔３３、水素・アセトン排出孔３４が積層方向に貫通して設けられている。冷却水供給孔３１と冷却水排出孔３２は触媒層４０の一方の対角線上に配置されており、ＩＰＡ供給孔３３と水素・アセトン排出孔３４は触媒層４０の他方の対角線上に配置されている。
【００２４】
両側に配置された基板４１，４３の外面（すなわち、中央の基板４２との非接合面）には、その中央部分の所定領域に、脱水素触媒を担持した触媒シート４４が接合されている。触媒シート４４は、活性炭に脱水素触媒としてのルテニウム（Ｒｕ）を担持し、これを四弗化エチレン樹脂（以下、ＰＴＦＥと略す）をバインダーとしてシート状に形成したものであり、接着剤で基板４１，４３に接合されている。
中央に配置された基板４２には、基板４２の表面から裏面に貫通する冷却水通路４５が蛇行して設けられており、冷却水通路４５によって基板４２の冷却水供給孔３１と冷却水排出孔３２が接続されている。この冷却水通路４５は、触媒シート４４に対応する領域に設けられている。
【００２５】
そして、これら三枚の基板４１，４２，４３を全面接触させた状態で拡散接合やろう付け等の適宜の接合手段で接合することにより一体化し、触媒層４０を形成する。この接合により、基板４２に設けられた冷却水通路４５は基板４２の表裏両面の開口を基板４１，４３によって塞がれる。
このように、触媒層４０は三枚の基板４１，４２，４３の積層構造であるので薄型にでき、脱水素触媒が担持されている部分の面積を大きく取ることができる。
【００２６】
給排層５０も長方形の平板状をなし、アルミニウムやステンレスなどの金属製の三枚の基板５１，５２，５３を接合して構成されており、給排層５０にもその四隅に、冷却水供給孔３１，冷却水排出孔３２、ＩＰＡ供給孔３３、水素・アセトン排出孔３４が積層方向に貫通して設けられている。
中央の基板５２には、基板５２の表面から裏面に貫通するＩＰＡ供給通路５４が、ＩＰＡ供給孔３３を始端として櫛歯状に設けられており、触媒層４０の触媒シート４４に対応する領域のほぼ全体に亘って設けられている。また、供給通路５４はデッドエンドとなっており、供給通路５４に供給されたＩＰＡは確実に触媒層４０に供給される。さらに、この基板５２には、基板５２の表面から裏面に貫通する水素・アセトン排出通路５５が、水素・アセトン排出孔３４を始端として櫛歯状に設けられており、触媒層４０の触媒シート４４に対応する領域のほぼ全体に亘って設けられている。ＩＰＡ供給通路５４と水素・アセトン排出通路５５はその櫛歯部分を互いに噛み合わせるような形態に配置されている。
【００２７】
給排層５０の両側に配置された基板５１，５３には、基板５２のＩＰＡ供給通路５４に沿って所定間隔おきに供給孔５６が多数設けられるとともに、基板５２の水素・アセトン排出通路５５に沿って所定間隔おきに排出孔５７が多数設けられている。このように配置された供給孔５６と排出孔５７は、互いに隣接した状態で広く分散して配置されることとなる。
そして、これら三枚の基板５１，５２，５３を全面接触させた状態で拡散接合やろう付け等の適宜の接合手段で接合することにより一体化し、給排層５０を形成する。この接合により、基板５２に設けられたＩＰＡ供給通路５４と水素・アセトン排出通路５５は基板５２の表裏両面の開口を基板５１，５３によって塞がれ、供給孔５６および排出孔５７だけを開口させることとなる。
このように、給排層５０は三枚の基板５１，５２，５３の積層構造であるので薄型にでき、供給孔５６、排出孔５７を多数設けることができて供給孔５６、排出孔５７の総開口面積を大きく取ることができる。また、供給通路５４をデッドエンドにすることによって、供給通路５４に供給されたＩＰＡが確実に触媒層４０に供給されることになり、脱水素反応が促進され、水素および脱水素物の生成量が増大する。
【００２８】
触媒層４０と給排層５０の間に挟み込まれるシール層６０も長方形の略平板状をなし、図４に示すように、ステンレスなどの金属製の基板６１の表裏両面にＰＴＦＥをコーティングして構成されている。ＰＴＦＥコート６２は、例えば、基板６１のコート面をサンドブラスト処理等により粗面化した後、ＰＴＦＥからなるコート液をスプレーし、焼成して形成することができる。
シール層６０にもその四隅に、冷却水供給孔３１，冷却水排出孔３２、ＩＰＡ供給孔３３、水素アセトン排出孔３４が厚さ方向に貫通して設けられている。また、シール層６０には、触媒層４０の触媒シート４４に対応する領域に開口する貫通孔６３が形成されている。シール層６０において、冷却水供給孔３１，冷却水排出孔３２、ＩＰＡ供給孔３３、水素・アセトン排出孔３４、貫通孔６３の周囲はシール部となっていて、このシール部には図４に示すようにビード６４が形成されている。
【００２９】
このように構成された触媒層４０と給排層５０を、間にシール層６０を挟んで多数積層し、図示しないバンドあるいはボルトで締め付けて連結すると、シール層６０の各ビード６４が弾性変形することで、シール層６０と触媒層４０あるいは給排層５０とのシール部における面圧を所定の大きさに確保することができる。また、ビード６４のＰＴＦＥコート６２が触媒層４０あるいは給排層５０のシール面に圧着した際に、ＰＴＦＥコート６２が前記シール面の微細な凹凸になじむので、極めて高いシール性を実現することができるとともに、アセトンに対する耐食性が向上する。
なお、この実施の形態では、シール層６０の基板６１の表裏全面にＰＴＦＥコート６２を形成したが、図５に示すように、ビード６４およびその近傍における触媒層４０あるいは給排層５０とのシール面だけにＰＴＦＥコート６２を形成しても、上記同様の作用・効果を得ることができる。
【００３０】
このように積層することによって、触媒層４０と給排層５０とシール層６０のＩＰＡ供給孔３３が総て接続されて一本の連通孔となり、触媒層４０と給排層５０とシール層６０の水素・アセトン排出孔３４が総て接続されて一本の連通孔となり、触媒層４０と給排層５０とシール層６０の冷却水供給孔３１が総て接続されて一本の連通孔となり、触媒層４０と給排層５０とシール層６０の冷却水排出孔３２が総て接続されて一本の連通孔となる。なお、これら連通孔の各一端は閉塞しておく。
また、このように積層することで、図２および図４に示すように、触媒層４０と給排層５０の間に、触媒シート４４を備えシール層６０によって密閉された反応室７０が形成される。
【００３１】
このように構成された脱水素反応器４の冷却水供給孔３１には、冷却水循環回路３，１５を介して、主燃料電池２および副燃料電池５で加熱された冷却水が供給される。冷却水供給孔３１に供給された冷却水は、各触媒層４０の冷却水通路４５を通って冷却水排出孔３２に排出され、さらに冷却水循環回路３，１５を介して主燃料電池２および副燃料電池５に戻る。そして、冷却水が各触媒層４０の冷却水通路４５を流通する間に、冷却水の熱が基板４１，４３を伝わって各基板４１，４３の触媒シート４４を加熱し、脱水素反応に必要な熱を脱水素触媒に供給する。
第１の実施の形態において、触媒層４０の冷却水通路４５およびこれを流通する冷却水は温度調整手段を構成し、温度調整手段の熱源は主燃料電池２および副燃料電池５で発生した熱である。
【００３２】
また、脱水素反応器４のＩＰＡ供給孔３３には、ＩＰＡポンプ９を介してＩＰＡが供給される。ＩＰＡ供給孔３３に供給されたＩＰＡは、各給排層５０における基板５２のＩＰＡ供給通路５４に流入し、基板５１，５３の供給孔５６からそれぞれ対応する反応室７０に噴射される。これにより、触媒層４０の基板４１の触媒シート４４あるいは基板４３の触媒シート４４にＩＰＡが液膜状態に供給される。特に、この実施の形態では、触媒シート４４に対応する領域のほぼ全域に亘って多数の供給孔５６が配置されているので、触媒シート４４のほぼ全面に且つ均一にＩＰＡの液膜を形成することができる。
【００３３】
触媒シート４４に液膜状態に供給されたＩＰＡは、触媒層４０を介して冷却水の熱を与えられて、触媒シート４４の脱水素触媒上で脱水素吸熱反応を起こし、水素とアセトンを生成する。水素とアセトンは気相であり、液膜状態のＩＰＡの外に放出される。アセトンは水素化反応してＩＰＡに戻る場合もあるが、この実施の形態ではＩＰＡが触媒シート４４に液膜状態に存在しているので、前記水素化反応を抑制することができ、平衡転化率を越える高い転化率を得ることができる。ここで、転化率とは、ＩＰＡ供給量に対する水素生成量のモル比をいい、平衡転化率とは、ある閉じた系である温度と圧力で熱力学的に決まる転化率の平衡値である。
【００３４】
反応室７０で脱水素吸熱反応により生成された水素とアセトンは、給排層５０の基板５１，５３に設けられた排出孔５７を通って基板５２の水素・アセトン排出通路５５に排出され、さらに、水素・アセトン排出通路５５から水素・アセトン排出孔３４に排出される。特に、この実施の形態では、触媒シート４４に対応する領域のほぼ全体に亘って多数の排出孔５７が配置されており、また供給孔５６と隣接して設けられているので、生成された水素とアセトンが排出孔５７に流入するまでの移動距離を短くすることができ、アセトンが水素化反応を起こす前に水素とアセトンを素早く反応室７０から排出することができる。
この後、水素・アセトン排出孔３４に集合した水素とアセトンは分離器６に送られる。
この脱水素反応器４では、給排層５０における同一の基板５２に供給孔５６と排出孔５７が設けられていて、同一の基板５２を通してＩＰＡの供給と、水素・アセトンの排出が行われるので、給排層５０の構成が簡単になるとともに、給排層５０の厚さを薄くできる。
【００３５】
このように、この脱水素反応器４によれば、薄型で脱水素触媒が担持された部分の面積が大きい触媒層４０と、薄型でＩＰＡの供給孔５６および水素・アセトンの排出孔５７の総開口面積の大きい給排層５０を積層して構成しているので、小型ながら処理能力を大きくすることができる。しかも、触媒層４０と給排層５０の積層数を増減するだけで簡単に処理能力を変更することができる。
特に、この脱水素反応器４では、給排層５０の表裏両側に触媒層４０を配置し、給排層５０の表裏両側においてＩＰＡの供給と水素・アセトンの排出を行うようにしているので、小型・薄型化および処理能力増大の効果が大きい。
【００３６】
また、シール層６０には、金属製の基板６１にＰＴＦＥをコーテイングした構造で、シール部にビード６４が設けられたものを採用しているので、シール層６０を面圧を確保しつつ薄型にでき、これも脱水素反応器４の小型化に寄与する。また、ＰＴＦＥはアセトンやＩＰＡ等に対する耐食性に優れ、且つ、耐熱性にも優れていて、脱水素反応が行われる８０〜１５０°Ｃの温度条件下においても変質することがなく、へたることもない。
例えば、アセトンに対して耐性のあるエチレン・プロピレン・ディエンモノマー（ＥＰＤＭ）などを前記環境下で使用すると、ＥＰＤＭから溶剤が染み出して脱水素触媒を被毒したり、生成された水素内に混入するなどするが、ＰＴＦＥではそのようなことは起こらない。
【００３７】
また、触媒層４０の冷却水通路４５に主燃料電池２および副燃料電池５を循環する冷却水を流通させているので、主燃料電池２および副燃料電池５の廃熱を脱水素反応に有効利用することができる。しかも、前述したように、脱水素反応器４と副燃料電池５を含む閉鎖回路からなる熱電変換システムにおいて副燃料電池５の自己発熱による熱を脱水素反応器４に供給して脱水素反応に利用しているので、熱電変換効率が高い。
また、脱水素反応に必要な熱を主燃料電池２および副燃料電池５の廃熱で賄っているので、脱水素反応のための熱源を新たに用意する必要がなく、システム構成を簡単にすることができるとともに、省エネルギーにより車両の燃費が向上する。
【００３８】
〔第２の実施の形態〕
図６は、脱水素反応器を備えた車両用燃料電池システムの第２の実施の形態における概略構成図である。
第２の実施の形態における車両用燃料電池システムが第１の実施の形態のものと相違する点は、副燃料電池５と気液分離器１４がなく、それらに付随する水素循環通路１１、アセトン循環通路１２、冷却水循環回路１５等もない。脱水素反応器４の構成は第１の実施の形態のものと全く同じである。
分離器６で分離された水素は水素供給通路１７を介して主燃料電池２のアノード側に供給され、燃料として利用される。一方、分離器６で分離されたアセトンはアセトンタンク１８に貯蔵される。
【００３９】
また、第２の実施の形態においては、脱水素反応器４の冷却水供給孔３１と冷却水排出孔３２には主燃料電池２の冷却水循環回路３が接続されていて、触媒層４０の冷却水通路４５には主燃料電池２を循環する冷却水のみが流通し、主燃料電池２の廃熱で脱水素反応に必要な熱を賄っている。
その他の構成については第１の実施の形態のものと同じであるので、同一態様部分に同一符号を付して説明を省略する。
【００４０】
〔他の実施の形態〕
なお、この発明は前述した実施の形態に限られるものではない。
例えば、前述した実施の形態では、一つの給排層５０からその表裏両側に配置された二つの触媒層４０にＩＰＡを供給し、この二つの触媒層４０で生成された水素・アセトンを前記一つの給排層５０に排出するようにしているが、一つの給排層５０とその表裏一方の側に配置された一つの触媒層４０との間でＩＰＡの供給と、水素・アセトンの排出を行うようにしてもよい。
【００４１】
その場合には、触媒層４０の基板４１，４３のいずれか一方の基板を単なる閉塞板として用い該基板には触媒シート４４を設けずに基板三枚積層構造とするか、あるいは、基板４２の冷却水通路４５を基板４２の表裏両面に貫通させずに有底溝状に形成し、基板４２において冷却水通路４５が開口する面に触媒シート４４を有する基板を一枚接合して基板二枚積層構造とすればよい。
【００４２】
給排層５０についても、同様であり、基板５１，５３のいずれか一方の基板を単なる閉塞板として用い該基板には供給孔５６および排出孔５７を設けない基板三枚積層構造とするか、あるいは、基板５２のＩＰＡ供給通路５４および水素・アセトン排出通路５５を基板５２の表裏両面に貫通させずに有底溝状に形成し、基板５２においてＩＰＡ供給通路５４および水素・アセトン排出通路５５が開口する面に供給孔５６および排出孔５７を有する基板を一枚接合して基板二枚積層構造とすればよい。
【００４３】
また、前述した実施の形態では、触媒層４０に設けられた冷却水通路４５に加熱された冷却水を流通させることで温度調整手段を構成したが、温度調整手段は電気ヒータなどで構成することも可能である。
また、有機化合物を液膜状態になるように触媒層４０に供給しているが、液膜状態に限られるものではない。
また、脱水素反応器用の熱源としては、主燃料電池２の熱を伝えるように構成したが、燃料電池の廃熱に限らず、余剰に従来排気していた熱、例えば内燃機関の冷却水の廃熱なども好適に利用することができる。
【００４４】
さらに、脱水素されるべき有機化合物はＩＰＡに限るものではなく、デカリン、２−プロパノール、シクロヘキサノール、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類等を用いることができる。
また、脱水素物はアセトンに限るものではなく、前記有機化合物に何を採用するかによって決まるものであり、アセトンのほか、ナフタレン、シクロヘキサノン、ベンゼン、トルエン、キシレン類が脱水素物になり得る。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明するように、請求項１に係る発明によれば、触媒層と給排層を積層するだけで脱水素反応器を構成することができ、また、積層数を増やすことにより小型ながら処理能力の大きい脱水素反応器を構成することできる。
請求項２に係る発明によれば、触媒層で生成された脱水素物が水素化反応して元の有機化合物に戻るのを防止することができるので、転化率を高めることができ、水素を効率よく生成することができる。
【００４６】
請求項３に係る発明によれば、処理能力の大きい脱水素反応器をより薄型に構成することができる。
請求項４に係る発明によれば、触媒層の脱水素触媒を脱水素吸熱反応に好適な温度に保持することができるので、転化率を高めることができ、水素を効率よく生成することができる。
請求項５に係る発明によれば、脱水素反応器と燃料電池を閉鎖回路にして構成される熱電変換システムの熱電変換効率を高くすることができる。また、新たな熱源が不要になり、省エネルギーを図ることができる。
【００４７】
請求項６に係る発明によれば、同一基板を通して、有機化合物の供給と、水素および脱水素物の排出を行うことができるので、給排層の構成を簡単にすることができ、給排層の厚さを薄くすることができる。
請求項７に係る発明によれば、有機化合物を脱水素触媒に均一に液膜状態に供給することができ、また、脱水素反応により生成された水素および脱水素物を素早く排出することができるので、転化率を高めることができ、水素を効率よく生成することができる。
【００４８】
請求項８に係る発明によれば、厚さの薄いシール層で有機化合物、水素、脱水素物を確実にシールすることができるので、脱水素反応器を小型・薄型化することができる。
請求項９に係る発明によれば、シール層と触媒層あるいは給排層との間に所定の大きさの面圧を確保することができ、確実にシールすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る脱水素反応器を備えた車両用燃料電池システムの第１の実施の形態における概略構成図である。
【図２】この発明に係る脱水素反応器の一実施の形態における模式断面図である。
【図３】前記脱水素反応器の分解斜視図である。
【図４】前記脱水素反応器に用いられるシール層の一例を示す断面図である。
【図５】前記脱水素反応器に用いられるシール層の他の例を示す断面図である。
【図６】この発明に係る脱水素反応器を備えた車両用燃料電池システムの第２の実施の形態における概略構成図である。
【符号の説明】
２  主燃料電池
５  副燃料電池（燃料電池）
４  脱水素反応器
４０  触媒層
４５  冷却水通路（温度調整手段）
５０  給排層
５１，５２，５３  基板
５４  ＩＰＡ供給通路（供給通路）
５５  水素・アセトン排出通路（排出通路）
５６  供給孔
５７  排出孔
６０  シール層
６４  ビード
【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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