(57)【要約】【課題】  脱水素反応および水素付加反応の反応効率を向上させる。【解決手段】  水素を放出して芳香族化合物に変化する水素供給体と、水素と反応してその水素を貯蔵する芳香族化合物から成る水素貯蔵体との間における脱水素反応または水素付加反応を利用して水素の供給または貯蔵を行う水素供給・貯蔵装置であって、水素供給体の脱水素反応または水素貯蔵体の水素付加反応に必要な触媒が金属ブロック面にあり、その金属ブロック内の熱媒流体の流路が途中で分岐することなく、１本の流路で構成されているもの。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を放出して芳香族化合物に変化する水素供給体と、上記水素と反応してその水素を貯蔵する上記芳香族化合物から成る水素貯蔵体との間における脱水素反応または水素付加反応を利用して水素の供給または貯蔵を行う水素供給・貯蔵装置であって、上記脱水素反応または上記水素付加反応に必要な触媒が金属ブロックの金属面に取り付けられており、上記金属ブロックの内部には加熱された熱媒流体の流路があり、熱媒流体から上記金属面を介して上記触媒を加熱する構造の金属ブロックであって、上記熱媒流体の流路が途中で複数に分岐することなく、１本の流路で構成されることを特徴とする金属ブロックを有する水素供給・貯蔵装置。
【請求項２】
前記水素供給・貯蔵装置において、熱媒流体から金属面を介して触媒を加熱し、触媒面に反応に必要な原料を供給する原料供給部にて構成されており、熱媒流体が金属ブロックの内部に入る入口側の方がより多くの原料を供給し、熱媒流体が金属ブロックの外部に出る出口側になるにつれ、原料供給を少なくする原料供給部を持つことを特徴とする請求項１記載の水素供給・貯蔵装置。
【請求項３】
前記熱媒流体の流路は、熱媒流体入口側が細く、出口側に向かうにつれて太くなることを特徴とする請求項１記載の水素供給・貯蔵装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素を供給または貯蔵可能な水素供給・貯蔵装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、主として、火力発電および原子力発電が電気エネルギーの供給方法であるが、かかる方法は、地球環境への影響、安全面および残留量など、種々の問題を抱えている。また、自動車は、主として、ガソリン、軽油、プロパンガス等の炭化水素系の燃料を用いているが、かかる燃料は、地球環境に悪影響を与えるという問題を抱えている。
【０００３】
上記問題に鑑みて、発電用の燃料や自動車用の燃料として水素が注目されてきている。水素は、水の電気分解により生成できるため、ほぼ無尽蔵に存在すると共に、燃焼後に二酸化炭素を発生させないクリーンなエネルギー源でもある。
【０００４】
一方、同じ炭素数を有する環状炭化水素として、ベンゼンとシクロヘキサンが知られている。前者のベンゼンは、炭素同士の結合が部分的に二重結合となっている不飽和炭化水素であるのに対し、後者のシクロヘキサンは、炭素同士の結合に二重結合を持たない飽和炭化水素である。このため、ベンゼンに水素を付加させると、シクロヘキサンが得られ、シクロヘキサンから水素の一部を除くと、ベンゼンが得られる。同様に、ナフタレンの水素付加反応によりデカリンが得られ、デカリンの脱水素反応によりナフタレンが得られる。このように、これらの炭化水素の水素付加反応と脱水素反応とを利用することにより、水素の貯蔵および供給が可能となる。かかる水素の貯蔵あるいは供給の技術は、自動車用途をはじめ、さまざまな方面で期待されている。(たとえば特許文献１)
【０００５】
【特許文献１】特開２００２-１８７７０２号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、飽和炭化水素と不飽和炭化水素との間における脱水素反応および水素付加反応を利用した水素の供給および貯蔵を実用化するには、触媒の均等な加熱により、さらに反応効率を向上させ、効率よく水素を供給および貯蔵することが望まれている。
【０００７】
本発明はかかる問題に鑑みてなされたものであり、触媒の均等な加熱により脱水素反応および水素付加反応の反応効率をより向上させることが可能な水素供給・貯蔵装置を提供することを目的とする。かかる問題を解決するために、われわれは、触媒を加熱するために、金属ブロックの内部に流路を設け、熱媒流体を櫛型に流して加熱する触媒ユニットを考えて特許出願した。(特許文献２)  また本件の類似特許として、触媒を皿状として電気ヒーターで加熱する方式が出願されている（特許文献３）
【０００８】
【特許文献２】特願２００３-１０７０２１号
【特許文献３】特開２００２-２７４８０４号
【０００９】
上記特許文献２では触媒を取り付けた金属ブロック（触媒ユニット）の内部に有する熱媒流体の流路は、入口から入ったあと、金属ブロック（触媒ユニット）内で幾本にも分かれて熱交換し、出口で合流するといった構造をとっている。これは、流路の構成が比較的単純であり、熱媒流体が流路を流れる時に圧損が少ないという利点があるが、加工精度が要求され、加工誤差によっては、熱媒流体は抵抗が少なく通りやすい流路に多く通り、端部の抵抗の大きい流路には流れにくい状況がおこる場合がある。このため熱媒流体の流れにくい部分では境膜伝熱係数が低くなり、熱媒流体から金属ブロック表面の触媒への伝熱が悪くなり、結果的に触媒の加熱にムラができることになり、反応効率の低下が起こる。
【００１０】
本発明は、かかる問題に鑑みてなされたものであり、脱水素反応または水素付加反応に必要な触媒を備え、触媒を均等に加熱し、もって効率よい水素供給・貯蔵装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、上記問題点に鑑み、水素を放出して芳香族化合物に変化する水素供給体と、上記水素と反応してその水素を貯蔵する上記芳香族化合物から成る水素貯蔵体との間における脱水素反応または水素付加反応を利用して水素の供給または貯蔵を行う水素供給・貯蔵装置であって、上記脱水素反応または上記水素付加反応に必要な触媒が金属ブロック（触媒ユニット）の金属面に取り付けられており、上記金属ブロック（触媒ユニット）の内部には加熱された熱媒流体の流路があり、熱媒流体から上記金属面を介して上記触媒を加熱する構造の金属ブロック（触媒ユニット）であって、上記熱媒流体の流路が途中で複数に分岐することなく、１本の流路で構成されることを特徴とする金属ブロック（触媒ユニット）を有する水素供給・貯蔵装置である。これにより、加工精度の善し悪しに関わらず、熱媒流路に部分的に高温の部分と低温の部分が発生する大きな加熱ムラが起こらないような流路配置としたことを特徴とする金属ブロック（触媒ユニット）である。
【００１２】
上述の発明によれば、金属ブロック（触媒ユニット）中に設けられた熱媒流体流路が1本であり、さらに均等に加熱されるようなレイアウトとなっているため、熱媒流体の流量はどの流路のどの部分においても一定であり、従って、境膜伝熱係数もほぼ一定となり、熱媒流体から触媒への伝熱も一定となるため、熱媒流路ごとの流量の差に起因する触媒加熱温度のムラが少なく、効率よく反応することができる。
【００１３】
さらに別の発明では、触媒面に反応に必要な原料を供給する原料供給部について、熱媒流体が金属ブロック（触媒ユニット）の内部に入る入口側の方がより多くの原料を供給し、熱媒流体が金属ブロック（触媒ユニット）の外部に出る出口側になるにつれ、原料供給を少なくするように構成している。
【００１４】
このため、熱媒流体が金属ブロックの内部に入る入口側の方の温度がやや高く、反応熱などが奪われ出口側の温度がやや低くなった場合においても、その熱量に見合った原料を供給することにより、反応温度を一定にし、結果的に反応効率を向上させることが可能となる。
【００１５】
さらに別の発明では、熱媒流体の流路を熱媒流体入口側が細く、出口側に向かうにつれて太くなるように構成している。これにより、入口側の伝熱面積と出口側の伝熱面積に差があるため、熱媒流体の温度が金属ブロックの出口側に進むにつれ低下したとしても、金属ブロック（触媒ユニット）の表面へ伝達させる熱量をほぼ同じにすることができ、触媒加熱温度のムラがなく、効率よく反応することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明に係る水素供給・貯蔵装置の基本形態と、金属ブロック（触媒ユニット）の内部に施工する熱媒流体流路の形態について、図1から図６に基づいて詳細に説明する。
【００１７】
図１は、以下に説明する各実施の形態に共通する作用を説明するための図である。具体的には、芳香族化合物の水素付加反応を利用した水素の貯蔵と、その水素付加反応により生成した化合物（以後、有機ハイドライドという）の脱水素反応を利用した水素の供給の原理を示す図である。
【００１８】
ベンゼン等の芳香族化合物１は、水の電気分解等により生成した水素２と水素付加反応をして、シクロヘキサン等の有機ハイドライド３となる。具体的には、芳香族化合物１の炭素間の二重結合に水素２が付加する。すなわち、水素２は、有機ハイドライド３の形で貯蔵されることになる。
【００１９】
また、有機ハイドライド３は、脱水素反応により、芳香族化合物１と水素２とに分解する。なお、このように供給した水素２は、たとえば酸素４と共に燃料電池５に供給される。この燃料電池５は、水の電気分解と逆の原理で、電気を供給する。
【００２０】
このように、芳香族化合物１は水素２を貯蔵できる水素貯蔵体として機能し、有機ハイドライド３は水素２を供給させる水素供給体として機能する。このため、芳香族化合物１と有機ハイドライド３とのサイクルを利用した水素供給・貯蔵システムが形成できる。
【００２１】
図２は、芳香族化合物の水素付加反応により生成した化合物（以後、有機ハイドライドという）の脱水素反応を利用した水素の供給により発電するシステムの原理を示す図である。
【００２２】
有機ハイドライドタンク６に貯蔵された有機ハイドライド（たとえばデカリン）はリアクター７に送られて水素を発生し、発生した水素は分離装置８を通って燃料電池９で発電に使われる。リアクター７には有機ハイドライド供給段１０から供給された有機ハイドライドが金属ブロックである触媒ユニット１１に接触し水素を発生する。金属ブロックである触媒ユニット１１の内部には熱媒流体が流れており、熱媒流体入口１２から流入し、熱媒流体出口１３に至る。これにより表面にコーティングされた触媒が加熱される。熱媒流路がよくわかるように金属ブロックである触媒ユニット１１を水平に切断した断面を１４に示す。
【００２３】
図３はステンレスで作られた金属ブロックである触媒ユニット１１の断面図で、熱媒流体の流路１５が熱媒流体入口１２から数本に分岐し、出口１３で合流する形態である。ここで熱媒流体から触媒に熱が伝えられる。この方法は特願２００３−１０７０２１に採用されている。
【００２４】
図４はステンレスで作られた金属ブロックである触媒ユニット１１の断面図で、熱媒流体の流路が入口１２から出口１３まで、折り返しながら１本で通過する形態のものである。ここで熱媒流体から触媒に熱が伝えられる。尚、図４では、一例として熱媒流路が折り返しながら１本で通過する形態のものを記載しているが、熱媒流路は、１本のひと筆書きであればよく、螺旋状や渦巻き状など色々な形状が考えられる。そのうち、渦巻き状については、熱媒流路の配置を工夫することにより、熱媒の温度の高い部分と低い部分を隣り合わせにし、金属ブロック（触媒ユニット）表面の温度ムラを低くできる構成にすることも可能である。
【００２５】
図５は金属ブロックである触媒ユニット１１と原料の有機ハイドライドを供給する部分との関係を示した図である。触媒ユニット１１に熱媒が入る入口側の方がより多くの有機ハイドライドを供給し、出口側の方がより少ない有機ハイドライドを供給する構成としている。これにより、熱媒の入口出口間で温度差が発生した場合においても、熱媒の入口側の温度の高い部分に多くの有機ハイドライドを反応させ、出口側の温度の低い部分に少ない有機ハイドライドを反応させることにより、総合的な反応効率が向上する。
【００２６】
図６は金属ブロックである触媒ユニット１１の断面図で、熱媒流体の流路が入口１２の方が細く、出口１３に行くにつれて太くなっているものである。この構成により、より均一に熱媒流体から触媒に熱が伝えられる。
【００２７】
以上説明したように、本発明の水素供給・貯蔵装置によれば、触媒の均等な加熱が可能であり、また流速が上がることにより境膜伝熱係数が良くなり、触媒を効率よく加熱することにより脱水素反応および水素付加反応の反応効率をより向上させることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の水素供給・貯蔵装置を利用する水素貯蔵・供給システムの根幹をなす原  理を示す図で、芳香族化合物の水素付加反応と、その芳香族化合物の水素付加反応  により生成した化合物（有機ハイドライド）の脱水素反応とを利用して水素を貯蔵  あるいは供給させる流れを示す図である。
【図２】有機ハイドライドの脱水素反応を利用した水素の供給により発電するシステムの  原理を示す図である。
【図３】従来例の方法であり、入口で分岐し出口で合流する、くし型に流路が分岐する方式における、金属ブロック（触媒ユニット）の断面図である。
【図４】本発明の方法の一例であり、途中分岐のない流路を持つ方式における、金属ブロック（触媒ユニット）の断面図である。
【図５】本発明の金属ブロック（触媒ユニット）と原料供給の関係を示した図である。
【図６】本発明の方法の別な一例であり、熱媒流路の太さを熱媒の入口側、出口側で変化させた場合の金属ブロック（触媒ユニット）の断面図である。
【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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