(57)【要約】【課題】優れた起動性や応答性を有し、小型化を実現し得る水素生成装置を提供すること。【解決手段】水素生成装置は、加熱部と、水素透過膜と、該水素透過膜の一方の面側に設けられ、改質用触媒を有する水素生成部と、該水素透過膜の他方の面側に設けられた水素透過部と、該水素透過部に接続され、スイープガスを該水素透過部に供給するスイープガス供給手段と、該水素透過部に接続された水素供給部と、該水素透過部及び該水素供給部のうち少なくとも１つの位置で水素含有スイープガスの消炎距離以下の流路を構成する火炎伝播防止手段と、該水素透過部及び該水素供給部のうち少なくとも１つの位置で水素含有スイープガスを冷却する自己着火防止手段とを備える。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱部と、
水素透過膜と、
上記水素透過膜の一方の面側に設けられ、改質用触媒を有する水素生成部と、
上記水素透過膜の他方の面側に設けられた水素透過部と、
上記水素透過部に接続され、スイープガスを上記水素透過部に供給するスイープガス供給手段と、
上記水素透過部に接続された水素供給部と、
上記水素透過部及び上記水素供給部のうち少なくとも１つの位置で水素含有スイープガスの消炎距離以下の流路を構成する火炎伝播防止手段と、
上記水素透過部及び上記水素供給部のうち少なくとも１つの位置で水素含有スイープガスを冷却する自己着火防止手段と、
を備えることを特徴とする水素生成装置。
【請求項２】
上記スイープガス供給手段は、上記水素透過部に接続され、内燃機関の排気の一部をスイープガスとして上記水素透過部に供給可能なスイープガス供給手段であることを特徴とする請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項３】
上記加熱部は、燃焼触媒を有する加熱部であり、
上記スイープガス供給手段は、上記水素透過部に接続され、上記加熱部の排気の少なくとも一部をスイープガスとして上記水素透過部に供給可能なスイープガス供給手段であることを特徴とする請求項１又は２に記載の水素生成装置。
【請求項４】
上記火炎伝播防止手段の少なくとも一部が、上記水素透過膜の支持体の少なくとも一部を構成することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の水素生成装置。
【請求項５】
上記火炎伝播防止手段は、線状部材、板状部材、ブロック状部材、及びこれらの多孔体から成る群より選ばれた少なくとも１種を含む構造体であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つの項に記載の水素生成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素生成装置に関する。更に詳しくは、優れた起動性や過渡応答特性を有し、小型化を実現し得る水素生成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球環境問題に対する関心の高まりから、水素を内燃機関や排ガス浄化装置に供給することによって、燃費の向上や排ガス浄化率の向上を図ることが考えられている。
液体燃料から高純度の水素を得るための水素生成装置として、改質部、シフト反応部及び一酸化炭素除去部を備える改質システムが知られている。このような改質システムは、複雑であり小型化することに困難を伴う。
また、液体燃料から高純度の水素を得るための他の水素生成装置として、改質部及び水素透過膜を備える改質システムが知られている。このような改質システムは、シフト反応部や一酸化炭素除去部を必須の構成要素としないため、小型化することが比較的容易である。
そして、改質部及び水素透過膜を備える水素生成装置として、水蒸気発生手段や、この水蒸気発生手段で発生した水蒸気を水素透過側に供給する水蒸気供給経路を備える水素生成装置が提案されている（特許文献１参照。）。
なお、上記水素生成装置においては、水蒸気をスイープガスとして利用することにより、水素透過側の水素分圧を低下させることができる。そして、水素透過側と改質部との水素分圧差を大きくすることが可能であるため、水素の分離抽出が促進されるようになる。
【特許文献１】特許第３７７３４３７号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記特許文献１に記載の水素生成装置においては、スイープガスとして水蒸気を利用するので、水蒸気発生手段が必須であり、更に水蒸気の凝縮を防止する必要もあるため、システムが大型化してしまうという問題がある。
また、水蒸気発生手段を利用するので、システムの起動性や過渡応答特性が低いという問題もある。
【０００４】
本発明は、このような従来技術の有する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、優れた起動性や過渡応答特性を有し、小型化を実現し得る水素生成装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者らは、上記目的を達成するため鋭意検討を重ねたところ、水素透過部に接続されたスイープガス供給手段と、水素透過部に接続された水素供給部と、水素透過部及び水素供給部のうち少なくとも１つの位置で水素含有スイープガスの消炎距離以下の流路を構成する火炎伝播防止手段と、水素透過部及び水素供給部のうち少なくとも１つの位置で水素含有スイープガスを冷却する自己着火防止手段とを設けることなどにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００６】
即ち、本発明の水素生成装置は、加熱部と、水素透過膜と、該水素透過膜の一方の面側に設けられ、改質用触媒を有する水素生成部と、該水素透過膜の他方の面側に設けられた水素透過部と、該水素透過部に接続され、スイープガスを該水素透過部に供給するスイープガス供給手段と、該水素透過部に接続された水素供給部と、該水素透過部及び該水素供給部のうち少なくとも１つの位置で水素含有スイープガスの消炎距離以下の流路を構成する火炎伝播防止手段と、該水素透過部及び該水素供給部のうち少なくとも１つの位置で水素含有スイープガスを冷却する自己着火防止手段とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、水素透過部に接続されたスイープガス供給手段と、水素透過部に接続された水素供給部と、水素透過部及び水素供給部のうち少なくとも１つの位置で水素含有スイープガスの消炎距離以下の流路を構成する火炎伝播防止手段と、水素透過部及び水素供給部のうち少なくとも１つの位置で水素含有スイープガスを冷却する自己着火防止手段とを設けることなどとしたため、優れた起動性や過渡応答特性を有し、小型化を実現し得る水素生成装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の若干の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態の全図においては、同一又は対応する部分には同一の符号を付す。
【０００９】
図１は、本発明の第１の実施形態における水素生成装置の構成の一例を示す概略図である。なお、この水素生成装置は、生成した水素を内燃機関に供給するものである。
同図に示すように、この水素生成装置は、加熱部１０と、水素透過膜２０と、水素生成部３０と、水素透過部４０と、スイープガス供給手段５０と、水素供給部６０と、火炎伝播防止手段７０ａと、自己着火防止手段８０とを備える。
水素生成部３０は、水素透過膜２０の一方の面側に位置し、改質用触媒３２を有する。
水素透過部４０は、水素透過膜２０の他方の面側に位置する。
スイープガス供給手段５０は、水素透過部４０に接続されており、スイープガスを水素透過部４０に供給するものである。
水素供給部６０は、水素透過部４０に接続されており、更に内燃機関１００に接続されている。
火炎伝播防止手段７０ａは、水素供給部６０で水素含有スイープガスの消炎距離以下の流路を構成するものである。
自己着火防止手段８０は、水素供給部６０で水素含有スイープガスを冷却するものである。
【００１０】
加熱部１０は、水素生成部での反応に必要な熱を供給する部分である。従って、水素生成部に効率良く熱を伝えられる構造を有することが望ましい。
本例においては、加熱ガスを流通させることにより加熱するようにしているがこれに限定されるものではない。例えばヒータを設置して、このヒータにより加熱してもよい。また、加熱部に燃料及び空気を供給して、これらを燃焼させて加熱ガスを得、この加熱ガスにより加熱してもよい。なお、その際には、燃焼触媒を用いてもよい。
加熱ガスを得ることができる燃焼触媒としては、例えば白金、パラジウム等の貴金属や銅、コバルト、鉄等の遷移金属をアルミナ、セリア、シリカ、チタニア等の無機多孔体に担持したものを挙げることができる。
【００１１】
水素透過膜２０としては、Ｐｄ系合金、Ｖ、Ｎｂ、Ｚｒ系合金の膜やシリカ系、ゼオライト系の分子ふるい機能を利用した膜も使用できる。
水素透過膜は、膜厚が薄いほど、水素透過量が増すため、薄膜化に関する研究が盛んに行われている。薄膜化された水素透過膜を用いることで、水素生成装置をより小型化することができる。また、小型化することにより、Ｐｄ使用量を抑えることもできるため、薄膜化された水素透過膜を用いることが望ましい。
更に、水素生成装置の小型化を考慮すると、平板状の水素透過膜であることが望ましい。平板状の水素透過膜を得るに際し、支持体上に水素透過膜を形成してもよいが、薄膜の水素透過膜を形成した後に、支持体上に配置させて強度を確保してもよい。
支持体は、水素透過膜の強度を補強する機能と共に、透過した水素の流れを妨げないようにする機能を備える必要があり、多孔体のプレートであることが望ましい。
多孔体プレートは、セラミック製のものでも、金属製のものでも構わない。なお、金属製のものを用いる場合には、水素透過膜と合金を形成する可能性がある成分が含まれている場合がある。このような場合には、多孔体プレートの表面に水素透過膜との合金化を阻止するための保護層を設ける必要がある。具体的には、アルミナやジルコニアなどの保護膜を金属製の多孔体プレートの表面に形成すればよい。
【００１２】
水素生成部３０は、燃料等から水素を得る反応を行う部分である。
本例においては、改質用触媒３２としてロジウムをアルミナの無機多孔体に担持したものを配置しているがこれに限定されるものではない。一般的には、水蒸気改質反応により水素を得ることができるが、脱水素反応、部分酸化反応、オートサーマルリフォーミング反応、分解反応などを利用しても構わない。各反応に適した触媒を配置し、燃料及び反応に必要な水蒸気や空気などを供給する必要がある。燃料から水素を得ることができる触媒としては、例えば燃料改質用触媒、脱水素反応用触媒、水性ガスシフト反応用触媒などが挙げられる。
具体的には、白金、ロジウム、ルテニウム等の貴金属や銅、コバルト、鉄等の遷移金属をアルミナ、セリア、シリカ、チタニア等の無機多孔体に担持したものを挙げることができる。触媒は、ペレット状の触媒を充填したものであっても構わない。また、触媒成分粉末を含むスラリーを、スプレー法やウォッシュコート法などにより、フィン等に塗布すると好適である。
水素を得ることができる反応により、水素生成部に供給するガスなどは異なる。例えば水蒸気改質反応により水素含有ガスを得る場合には、燃料及び水蒸気の供給が必要である。また、例えば脱水素反応により水素含有ガスを得る場合には、燃料のみを供給すればよい。燃料としては、例えばガソリンなどの液体炭化水素や、エタノールなどのアルコール、アルデヒド類、天然ガスなど反応によって水素を生成可能な種々の炭化水素系燃料を用いることができる。
なお、燃料が硫黄分を含有する場合には、脱硫器を設けて、燃料の脱硫を行った後、用いることが望ましい。
水素含有ガスを得る反応や燃料により、水素生成部に配置する触媒の位置は、適宜選択することが望ましい。例えば、入口部では、水蒸気改質反応に活性の高い触媒を配置し、出口部分では、水性ガスシフト反応に活性の高い触媒を配置することが望ましい。
【００１３】
水素透過部４０は、水素生成部で得られた水素が水素透過膜を透過して得られる部分である。
【００１４】
スイープガス供給手段５０は、水素透過部にスイープガスを供給して水素透過部における水素分圧を低下させることができれば特に限定されるものではない。即ち、詳しくは後述する火炎伝播防止手段と自己着火防止手段を設けたため、スイープガスとして水蒸気を利用する必然性はなく、例えば酸素を含むガスをスイープガスとして利用することもできる。
酸素を含むガスをスイープガスとして利用することができると、従来のようにボイラーなどの水蒸気発生手段を設ける必要がなく、水素生成装置を小型化することができる。また、スイープガスとして熱容量が比較的高い水を用いる場合に比較して、起動性や過渡応答特性を格段に向上させることができる。更に、内燃機関に水素を供給する場合には、燃焼のために必要な空気を混合する必要があるが、酸素を含むガスをスイープガスとして利用すると、燃焼の際に混合する必要がない。
【００１５】
図２は、スイープガス流量と透過水素流量との関係を示すグラフである。同図に示すように、スイープガスを流さないと水素透過側の水素分圧を低下させることができず、より多くの水素を引き抜くことができない。一方、スイープガスを流すことにより、透過する水素量は増大し、約２倍の水素を得ることができる。即ち、水素生成装置のサイズを約半分のサイズにすることができる。
【００１６】
水素供給部６０は、水素含有スイープガスを内燃機関１００に供給する部分である。なお、図示しないが水素供給路には、水素の逆流を防止するための逆止弁を設けることが望ましい。水素が逆流すると、水素透過膜に逆圧がかかり、水素透過膜が損傷する可能性があるためである。
【００１７】
火炎伝播防止手段７０ａは、水素透過部や水素供給部における火炎伝播を防止するものである。本例においては、水素含有スイープガスの消炎距離以下の狭い流路を構成する多孔体型の板状部材を含む構造体である発泡金属が水素供給部に設けられているが、これに限定されるものではない。即ち、水素含有スイープガスの消炎距離以下の狭い流路を構成するものであれば、例えば線状部材を含む構造体である二重網や、板状部材を含む構造体である波板型、平行板型のフレームアレスタやハニカム、多孔体型の板状部材を含む構造体である多孔板型のフレームアレスタやハニカム、金属又はセラミック焼結体、多孔体型のブロック状部材を含む構造体である多孔体型の金属又はセラミック焼結体を適用することもできる。
なお、水素の消炎距離は、空気中、１ａｔｍ、常温で０．６ｍｍと知られている。
【００１８】
自己着火防止手段８０は、水素透過部や水素供給部における水素の自己着火を防止するものである。例えば、水素透過部の温度は、適用する水素透過膜の種類によっても異なるが、Ｐｄ系合金の水素透過膜を利用した場合には、３００〜６００℃程度になる。温度が高いと、自己着火の可能性が高まるが、温度を下げることにより自己着火を防止することができる。
本例においては、水素含有スイープガスを冷却する冷却装置が水素供給部に設けられているが、これに限定されるものではない。即ち、水素透過部や水素供給部における水素の自己着火を防止し得るものであれば特に限定されるものではない。例えば水素透過部で水素含有スイープガスを冷却する冷却装置であってもよく、水素透過部及び水素供給部で水素含有スイープガスを冷却する冷却装置であってもよい。
このような冷却装置は、例えば水素供給部における水素含有スイープガスの放熱を促進する流路により構成することができる。また、冷媒を利用して熱交換させる構成を有するものとしてもよい。
なお、自己着火防止手段は、火炎伝播防止手段と別体のものであっても一体のものであってもよい。
【００１９】
図３は、本発明の第２の実施形態における水素生成装置の構成の一例を示す概略図である。なお、この水素生成装置も、生成した水素を内燃機関に供給するものである。
同図に示すように、スイープガス供給手段５０として、スイープガスとして内燃機関の排気の一部を供給するスイープガス供給手段を適用したこと、火炎伝播防止手段として、水素透過膜の支持体としても機能する多孔体型の板状部材から成る火炎伝播防止手段７０ｂと、波形の板状部材から成る火炎伝播防止手段７０ｃを適用したこと以外は、上述した第１の実施形態における水素生成装置と同様である。
なお、図示しないが、かかるスイープガス供給手段は、内燃機関の排気系に接続された流路と、該流路に設けられたバルブ等を構成要素とする。また、図３において、破線で示したように、加熱部の排気系に接続された流路と組み合わせることもできる。
内燃機関の排気の一部をスイープガスとして利用する構成とすることにより、新たにスイープガス供給手段を設ける必要がない。従って、水素生成装置を小型化することができると共に、車載することが容易になる。
また、内燃機関の排気を利用する場合には、３００℃程度と比較的暖かいガスをスイープガスとして利用することができるため、水素透過部などが冷却され難く、更に吸気に比して酸素濃度が低いため、より自己着火や火炎伝播を防止することができる。
更に、水素透過膜の支持体を火炎伝播防止手段として機能させることにより、更なる小型化が可能となる。
【００２０】
図４は、本発明の第３の実施形態における水素生成装置の構成の一例を示す概略図である。なお、この水素生成装置も、生成した水素を内燃機関に供給するものである。
同図に示すように、スイープガス供給手段５０として、スイープガスとして加熱部の排気の少なくとも一部を供給するスイープガス供給手段を適用したこと、火炎伝播防止手段として、水素透過膜の支持体としても機能する多孔体型の板状部材から成る火炎伝播防止手段７０ｂと、フィン型の板状部材から成る火炎伝播防止手段７０ｃを適用したこと以外は、上述した第１の実施形態における水素生成装置と同様である。
なお、図示しないが、かかるスイープガス供給手段は、加熱部の排気系に接続された流路と、該流路に設けられたバルブ等を構成要素とする。また、図４において、破線で示したように、内燃機関の排気系に接続された流路と組み合わせることもできる。
加熱部においてリーン燃焼された排気の少なくとも一部をスイープガスとして利用する構成とすることにより、新たにスイープガス供給手段を設ける必要がない。従って、水素生成装置を小型化することができると共に、車載することが容易になる。
また、起動時は加熱部の排気をスイープガスとして利用し、運転時は内燃機関の排気をスイープガスとして利用することにより、優れた起動性を実現できる。
【実施例】
【００２１】
以下、本発明を実施例及び比較例により更に詳細に説明する。
【００２２】
（実施例１）
図１に示す水素生成装置を作製した。
具体的には、水素透過膜として、パラジウム膜（厚み２０μｍ）を適用し、水素生成部に改質用触媒としてＲｈ／Ａｌ２Ｏ３を配置し、スイープガス供給手段として、スイープガスとして内燃機関の吸気を２Ｌ／ｍｉｎで供給するスイープガス供給手段を適用し、水素供給部で水素含有スイープガスの消炎距離よりも狭い流路を構成する火炎伝播防止手段として、０．６ｍｍ以下の細孔径を有する発泡金属を配置し、自己着火防止手段として、水素供給部で水素含有スイープガスを冷却する冷却装置を配置した。
【００２３】
上記水素生成装置による水素生成量を測定した。
具体的には、水素生成部には、エタノール及び水蒸気をＳ／Ｃ＝２になるように供給し、４００〜５００℃で改質反応を行わせた。なお、加熱部には、水素生成部の温度が４００〜５００℃になるように加熱ガスを供給した。また、水素透過部への供給水素分圧が０．２ＭＰａになるように調整した。
その結果、所定量の水素透過量を得ることができた。
【００２４】
（実施例２）
図３に示す水素生成装置を作製した。
具体的には、水素透過膜として、パラジウム膜（厚み２０μｍ）を適用し、水素生成部に改質用触媒としてＲｈ／Ａｌ２Ｏ３を配置し、スイープガス供給手段として、スイープガスとして内燃機関の排気を２Ｌ／ｍｉｎで供給するスイープガス供給手段を適用し、水素透過部で水素含有スイープガスの消炎距離よりも狭い流路を構成する火炎伝播防止手段として、水素透過膜の支持体しても機能する０．６ｍｍ以下の細孔を有する金属の板状部材（多孔質型）と板状部材（波形）とを配置し、自己着火防止手段として、水素供給部で水素含有スイープガスを冷却する冷却装置を配置した。
【００２５】
上記水素生成装置による水素生成量を測定した。
具体的には、水素生成部には、エタノール及び水蒸気をＳ／Ｃ＝２になるように供給し、４００〜５００℃で改質反応を行わせた。なお、加熱部には、水素生成部の温度が４００〜５００℃になるように加熱ガスを供給した。また、水素透過部への供給水素分圧が０．２ＭＰａになるように調整した。
その結果、所定量の水素透過量を得ることができた。
【００２６】
（実施例３）
図４に示す水素生成装置を作製した。
具体的には、水素透過膜として、パラジウム膜（厚み２０μｍ）を適用し、水素生成部に改質用触媒としてＲｈ／Ａｌ２Ｏ３を配置し、スイープガス供給手段として、スイープガスとして加熱部の排気を２Ｌ／ｍｉｎで供給するスイープガス供給手段を適用し、水素透過部で水素含有スイープガスの消炎距離よりも狭い流路を構成する火炎伝播防止手段として、水素透過膜の支持体しても機能する０．６ｍｍ以下の細孔を有する金属の板状部材（多孔質型）と板状部材（フィン型）を配置し、自己着火防止手段として、水素供給部で水素含有スイープガスを冷却する冷却装置を配置した。
【００２７】
上記水素生成装置による水素生成量を測定した。
具体的には、水素生成部には、エタノール及び水蒸気をＳ／Ｃ＝２になるように供給し、４００〜５００℃で改質反応を行わせた。なお、加熱部には、水素生成部の温度が４００〜５００℃になるように加熱ガスを供給した。また、水素透過部への供給水素分圧が０．２ＭＰａになるように調整した。
その結果、所定量の水素透過量を得ることができた。
【００２８】
（比較例１）
スイープガス供給手段を適用しなかったこと以外は、実施例１と同様の操作を繰り返して、水素生成量を測定した。
その結果、所定量の５０％の水素透過量しか得ることができなかった。
【００２９】
以上、本発明を若干の実施形態及び実施例によって説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形が可能である。
【００３０】
例えば、上述の実施形態においては、水素を内燃機関に供給する場合について説明したが、水素を排ガス浄化装置に供給する場合についても、本発明を適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の第１の実施形態における水素生成装置の構成の一例を示す概略図である。
【図２】スイープガス流量と透過水素流量との関係を示すグラフである。
【図３】本発明の第２の実施形態における水素生成装置の構成の一例を示す概略図である。
【図４】本発明の第３の実施形態における水素生成装置の構成の一例を示す概略図である。
【符号の説明】
【００３２】
１０  加熱部
２０  水素透過膜
３０  水素生成部
３２  改質用触媒
４０  水素透過部
５０  スイープガス供給手段
６０  水素供給部
７０ａ，７０ｂ，７０ｃ  火炎伝播防止手段
８０  自己着火防止手段
１００  内燃機関
【図１】
2009286641.tif 000002
【図２】
2009286641.tif 000003
【図３】
2009286641.tif 000004
【図４】
2009286641.tif 000005