(57)【要約】本発明はアンモニア(NH3)の形態で貯蔵された水素タンクから高い効率性と高い流量の水素を生成する分野に関するものである。特に、本発明は革新的でコンパクトなアンモニア分離システムと水素分子(H2)の生成に関するものであり、このシステムではすべてのサイクルで炭素を使用しない（ゆえに炭素排出もない）ものであり、窒素酸化物も二酸化窒素(NOx)も発生しないことを説明する。分解装置が実現できるという利点を持ち、アンモニア分配システムの形状を変えることにより水素分離膜の表面とNH3プラズマ領域の比率を増加させることができるもの。
2020524650.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
NH3から水素を生成する分離システム(1)であって、水素排出チャンバー(100)、水素分離膜(2)、アンモニア分離システム(3)を備え、水素分離膜(2)とアンモニア分離システム(3)の間にプラズマを生成するに適したシステムから構成され、その結果NH3分子がほぼ完全に解離して水素分離膜を通してHとH2が拡散するものであって、この分離システムはH2用の水素排出チャンバー(100)とNH3供給流(23)を供給するエンタルピーの回収を最適化する省エネルギーのグローバル熱交換器(27)を有するもので、この熱交換器(27)ではNH3供給流(23)とN2(24)とH2の流れ(25,F)はシステム(1)のエネルギー効率を最大化するため向流するものである。
【請求項２】
請求項1で主張するNH3から水素を生成する分離システム(1)であって、断熱システム(28)から構成され、NH3分解装置(26)と省エネルギーのグローバル熱交換器(27)の両方をカプセル化したもので、クライオスタットに似た真空断熱システムの形態が好ましく、周囲の環境への熱損失を最小限に抑えつつシステムのエネルギー効率を最適化するために使用されるもの。
【請求項３】
上記1と2のいずれか１に記載の請求項で主張するNH3から水素を生成する分離システム(1)であって、前述の水素排出チャンバー(100)が一つまたは複数のメンブレン(2)を収容することができるもので、より大きな表面で解離をサポートするもので、大量の水素の生産を支えうる水素生産装置の建設を容易にして乗用車や工業機器、消費者用の装置などへの採用を促進するもの。
【請求項４】
上記1から3のいずれか１に記載の請求項で主張するNH3から水素を生成する分離システム(1)であって、前述の水素排出チャンバー(100)が低圧でも動作することで水素分離膜(2)からチャンバー(100)に横断するHとH2の勾配を最適化するものであって、前述の水素分離膜が前述のメンブレンを通じてH2とHの勾配を最適化し、流れや圧力の調整バルブ(55)が水素排出チャンバー(100)のH2の下向きの圧力の調整をし、またその調整バルブ(55)が前述のチャンバー(100)と関連の燃料電池(33)の間に位置することで前述の勾配を維持してH2の流れ(25)の流量(F)を最適化するもの。
【請求項５】
上記1から4のいずれか１に記載の請求項で主張するNH3から水素を生成する分離システム(1)であって、システムがポンプ(50)を備えたもので、そのポンプが水素排出チャンバー(100)からのH2の流れ(25)の放出ポイント(11)とH2のタンク(30)の間に設置されることにより、水素排出チャンバー(100)の圧力を最小限にするとともに、H2の流れ(25)を受けるH2タンク(30)の圧力を増加することできるものであるもので、この時水素分離膜(2)のHとH2の勾配だけでなくH2の容量を最大化させ、それがH2の流れ(25)の流量(F)を最大化させるもの。
【請求項６】
上記1から5のいずれか１に記載の請求項で主張するNH3から水素を生成する分離システム(1)であって、Pdベースの水素分離膜(2)を有するシステムで、この時この水素分離膜が閉鎖端のあるシェル(2)からなり、内部にアンモニア分配システムを有するもので、この形態はチューブインシェル(3)が好適であり、ステンレス鋼などの素材で構成されている。
【請求項７】
上記1から6のいずれか１に記載の請求項で主張するNH3から水素を生成する分離システム(1)であって、前述のPdベースの水素分離膜もしくはシェル(2)によりアンモニア(23)の流れを水素分離膜またはシェル(2)とアンモニア分配システムまたはチューブ(3)の間の環状の部分に注入することができるもので、これにより水素分離膜またはシェル(2)の表面と、水素分離膜またはシェル(2)とアンモニア分配システムまたはチューブ(3)の間の体積の比率を最大化することができ、アンモニアプラズマを発生させて水素分離膜またはシェル(2)単位面積当たりの水素の生成率を最大化することになるもの。
【請求項８】
上記1から7のいずれか１に記載の請求項で主張するNH3から水素を生成する分離システム(1)であって、アンモニア分配システムまたはチューブ(3)が水素分離膜またはシェル(2)とアンモニア分配システムまたはチューブ(3)の間に尖ったスパークの先端(4)を有するもので、このスパークの先端(4)は比較的低い電圧でのプラズマの放電を緩和するものであり、これによりHVパルスのピーク電圧を下げてプラズマの発生と形成を維持するものであり、これによりNH3のプラズマ分離を促進するものである。
【請求項９】
上記1から8のいずれか１に記載の請求項で主張するNH3から水素を生成する分離システム(1)であって、分離システムがH2タンク(30)やバッテリーシステム(21)からなるエネルギー貯蔵システムを備えているもので、この時、このエネルギーが例えば動作開始時に動作温度に素早く変化させるためなど、加熱式コイル12を通じてNH3解離ユニットを素早く自律的に温めるためのエネルギーに利用できるものである。
【請求項１０】
上記1から9のいずれか１に記載の請求項で主張するNH3から水素を生成する分離システム(1)であって、Zr-Niベースの水素分離膜で構成され標準のPd-Ag水素分離膜に比べてコストを下げる利点を有するもの、またはセラミック支持体の薄い層もしくは１層のものを利用することでHとH2が通過する水素分離膜の厚さを薄くすることができるもので、これにより水素生成率を高めることでき、もしくはNH3と水素分離膜の接触を最大化することを目的にして異なる形状の水素分離膜を使用することで、異なるモジュール構造のNH3分解装置が実現できるという利点を持ち、アンモニア分配システムの形状を変えることにより水素分離膜の表面とNH3プラズマ領域の比率を増加させることができるもの。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無水アンモニア(NH3)（以下NH3をNH3と記載する）の形でタンクに保管している水素から水素を効率よくかつ高流量で精製および生成する分野に関する発明である。特に、本発明ではアンモニアと水素分子(H2)（以下H2をH2と記載する）を分離する革新的でコンパクトなシステムについて解説する。このサイクルでは一酸化炭素や二酸化炭素(NOx)の排出だけでなく炭素（ここでは炭素排出）も全く存在しない。この画期的なシステムは実質的にエンタルピーを完全に回収できるように設計されている。エンタルピーの回収を最適化するためには無水アンモニアの供給流を温めて分離プロセスに必要な温度にする必要があるほか、排気流に混ざる可能性のある微量の無水アンモニアと水素を取り除く必要がある。これにより排気流は実質的にアンモニアの分解から生じる窒素分子(N2)（以下N2をN2と記載する）と、関連する燃料電池で水素が酸化することで生じる水蒸気(H20)（以下H2OをH2Oと記載する）だけになる。
【背景技術】
【０００２】
NH3が効率的な水素キャリアでありエネルギーの保管媒体であることはこの分野の人間であれば周知の事実である。アンモニアには次のような多くの魅力的な面がある。非常に高い水素の質量分率(18%)、室温で中程度（8.5バール）の圧力下で液体の状態で保管できること、単位体積あたりのエネルギー値が高いこと、主成分が窒素と水素であり、大気と水から容易に抽出しうることから、考えうるあらゆるエネルギー源（石炭、天然ガス、原子力、水力、風力、太陽光、バイオマス、水熱、潮力）のどこからでもアンモニアを生成しうることが挙げられる。
【０００３】
事実、あらゆるエネルギー源から生成しうるというのは水素自体に共通していることであり、そのエネルギーの保管をする別の元素を考慮することになる。最もアンモニアの保管は水素に比べてはるかに柔軟で、効率的で、安全である。さらに、アンモニアは集約型農業に使用するための大規模な肥料生産のための最も基本的な成分である。その結果、アンモニアは常に世界で最も生産されている3つの化学製品のうちの一つであり、米国とロシアでは数千キロにおよぶ専用パイプラインを整備するなど無水アンモニアの大規模な流通のためにインフラが整備されている。アンモニアの安全な保管、輸送、取り扱い、利用に関する記録は非常に多く、また容易に入手できる。関連リスクはガソリンや液化石油ガスの関連リスクと同等のものとされる。最後に、これは重要なことだが、アンモニアは環境にも優しい。アンモニアには温室効果ガスが含まれず、環境的なリスクは燃焼中のNOxの発生だけである。アンモニアが車両の燃焼エンジンの燃料として使用されたのは1930年代に遡る。これは周知の事実であるとともに文書も残されている。アンモニアは火花点火内燃機関や圧縮着火内燃機関として使用され現在も使用されているが、一般的には従来の燃料と混ぜ合わせて使用されている。従って、混合燃料の成分としてアンモニアを内燃機関に使用すると炭素排出量が大幅に抑制できるが、排出量がゼロになるわけではない。さらに燃焼プロセス中のNOxの排出は非常に重要な問題として残る。
【０００４】
無水アンモニアに蓄積されたエネルギーの抽出方法として周知の興味深いアプローチは学反応により窒素分子と水素分子を生む解離によるものである
【０００５】
2 NH3→ N2 + 3 H2.
【０００６】
このことから、周囲の環境への熱損失を最小限に抑えつつ、効果的かつ効率的にアンモニアを窒素と水素に解離させる革新的な装置や手法が必要だということは当分野の技術に携わるものであれば自明であろう。そのため、水素生成の自由エネルギーを保存すれば、これを標準の燃料電池を使用すればDC（直流）の電気エネルギーに転換することが可能であり、しかもサイクルのすべてにおいて炭素を実質的に含むことなく、酸化窒素や二酸化窒素が生成されることもないため、小規模から大規模の装置での利用に大変魅力的である。こうした装置や手法はエネルギーの貯蔵、再生成、消費のための大規模工業用装置にとって非常に魅力的であろう。さらに、この装置または手法は車載のアンモニアタンクからの水素分子生成に利用できることが考えられ、この場合水素が燃料電池を介して乗用車の推進力に利用され分子状の窒素と水蒸気(H20) のみが排出されるので環境汚染を引き起こすこともない。従って、工業用の用途や消費者の使用だけでなく、炭素やNOxのない乗用車の推進サイクルを実現することができる。リチウムベース（またはその他のタイプの）のバッテリーを使用したエネルギー貯蔵方法と比較すると、一般的な乗用車で使用する場合、車上で推進力を生成することが可能な上記のアンモニアのサイクルは航続距離と充電の手軽さや速度の点で好ましいものである。アンモニアのタンク100リットルでガソリンタンク40リットルと同程度の500kmの走行が可能である。電気自動車などで数時間バッテリーを充電する場合走行距離は200km程度であることと比べ、アンモニアのタンクを充填するにはガソリンのタンクを充填するのと類似の手続きと時間が必要になるだけである。
【０００７】
従来の技術では、無水アンモニアの分解装置としてはプラズマリアクターやプラズマメンブレンリアクターが議論され実現されてきた。従来の技術の中でよく知られている最先端の装置はプラズマメンブレンリアクターである。これは外側が石英シリンダーで構成され、内部は金属シリンダーであり、部分的に水素解離メンブレンで覆われているものである。石英の表面と金属シリンダーの間の空間にNH3を注入し、高電圧の放電によりプラズマの形成を促し、ほぼ完全にNH3分子の解離を実現するものである。解離すると水素ラジカル(H)は水素解離メンブレンに強く吸着し、密度勾配によりメンブレンを通過することになる。このプラズマメンブレンリアクターはNH3とN2の移動を強く阻害する水素解離膜により高純度の窒素の生成に有効であることが示されている。しかしながらこのリアクターはプラズマを発生させて維持させるために非常に高い電圧パルスが必要であり、この高電圧を供給して制御するという技術的な課題が残されている。NH3プラズマを格納する容器として外部の石英シリンダーを用いることから、水素解離膜のモジュラー型の使用には適しておらず、そのため乗用車や工業用機器に必要なH2の生産速度の維持に問題が生じることになる。最後に、NH3を供給するエンタルピー回収の最適化には役に立たない。このエネルギーの非効率性という欠点ゆえに、NH3からエネルギーを抽出する装置の魅力が減少し、乗用車や工業用機器への採用も足取りが重くなっている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は背景技術の欠点を克服することにある。さらに本発明の目的として高効率の解離システムを紹介することも挙げられる。この解離システムはNH3タンクから水素を生成するコンパクトな装置から構成され、NH3を解離するための装置を含むもので、その結果として超高純度のH2を生成することができ、それを直流電気の形でエネルギーを生成する燃料電池で使用することができ、乗用車の推進力など様々な形で利用することができる。その結果としてN2(アンモニアの解離段階から)とH20(燃料電池の水素の酸化段階から)だけが廃棄物として排出されるものである。従ってエネルギーの貯蔵と排出が完全に炭素を含まない上に、NOxの生成も抑制できることになる。
【０００９】
本発明の目的は、NH3のタンクからH2を生成するシステムを説明することにもある。このシステムではさまざなレベルのH2生産量に応じて簡単に拡張することが可能であり、車両の推進力から大規模な工業用の用途、そして消費者の用途といった小さな規模に至るまでさまざまなニーズを満たすことが可能である。
【００１０】
さらに、本発明の目的はNH3解離システムを紹介することもある。このシステムはNH3の乖離が発生するNH3のプラズマのコア領域で動作するものであり、可能な限り低い温度で動作させることが可能であることから機器や構成部品の寿命を延ばすとともに、装置をよりシンプルにすることができるものである。
【００１１】
さらに本発明の目的は、可能な限り低い電圧スパークプラズマを利用するためのNH3解離システムについても説明することにもある。本システムも機器や構成部品の寿命を延ばすとともに、装置をよりシンプルにすることができるものである。
【００１２】
さらに本発明の目的として、エンタルピーの回収で最高の効率性を持つ革新的なシステムを説明することが挙げられる。このシステムでは効率的で効果的なグローバル熱交換器を使用することでNH3プラズマ領域の温度を上昇させるものである。このときNH3の流れはN2とH2の流れと逆に流れることになる。
【００１３】
さらに本発明の目的として、排気流と残りのNH3とH2を分離させ、排気物を事実上N2をH20だけに制限することができるシステムについて説明することも挙げられる。
【００１４】
さらに本発明の目的として、H2生成の革新的なシステムについて説明することが挙げられる。このシステムでは、装置から生成したH2の流れの流量Fを様々な範囲で調整できモジュール化した水素分離膜の大規模な展開に役立てることができる。
【００１５】
最後に本発明の別の目的として、H2タンクやバッテリーシステムからなるエネルギー貯蔵システムと組み合わせたH2生成の革新的なシステムについて説明することが挙げられる。このシステムでは手早くかつ自律的に温めることができるNH3分解装置に使用することができ、例えば動作開始時に即座に動作温度に変えることが可能となる。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明のこうした目的はNH3から水素を生成するための革新的なシステムにより実現されるものである。このシステムは解離システムであり、一つ以上の水素排気チャンバー、一つ以上の水素分離膜とアンモニア分配システムからなるもので、さらに水素分離膜とアンモニア分配システムの間にプラズマを生成するために適したシステムを備えたものである。その結果としてNH3分子がほぼ完全に解離されて、水素分離膜を通過することでHとH2が拡散するものである。この解離システムはH2用の一つ以上の水素排気チャンバーと、NH3の流れを供給するためのエネルギーを効率化したエンタルピー回収の最適化に特化したグローバル熱交換器からなるものである。このときエネルギーを節約した熱交換器内NH3の供給流とN2とH2の流れ（後者の流量はF)が逆向きに流れて、システムのエネルギー効率を最大化させるものである。
【００１７】
さらに、前述のシステムは革新的な水素分離膜から構成され、前述のチャンバーは水素分離膜からチャンバーに渡るHとH2の勾配を最大化するために低圧で動作するものであり、その勾配は圧力や流量を調整するバルブによりH2の圧力や、水素排出チャンバーの下向きの流れや、燃料電池全体により調整されて最適化されるものである。この圧力や流量を調整するバルブは前述のチャンバーと前述の燃料電池の間に設置され、この勾配とH2の流れの流量Fを最適化するものである。
【００１８】
H2の燃料電池システムへの流れは専用の流量調整バルブにより調整され、NH3も分離システムに注入され、こちらもまた専用のインレットバルブにより調整される。 従って本発明の核心部分はリアクター構造の改変にある。石英シリンダーではない。チャンバーは金属製が理想だが、これが分離されたH2の排気として機能する。前述の通りチャンバーは低圧で動作するように構築されるものである。実際、調整バルブの存在と動き（分離システムのNH3の注入が専用のインレットバルブにより調整されるように、燃料電池システムへのH2の流れは専用のアウトレットバルブにより調整される）により、水素排出チャンバーのH2の下向きの圧力を燃料電池の排気をわずかに上回る程度に調整し、大気圧に設定することが可能である。水素排出チャンバーのH2の下向きの圧力用のバルブは2バールの範囲が典型である。これにより水素分離膜全体でH2の勾配を最適化することができ、H2の生成速度(F)を最適化することができる。
【００１９】
また本発明の実施形態として、適したポンプを使用することによりチャンバーが部分的にもしくはほぼ完全に大気圧以下で排気できるものもある。事実、このポンプ利用という選択肢により水素排出チャンバーの圧力を最小限にすることができ、同時に流量FでH2の流れを受けるH2タンクの圧力を増加させることができる。これによりローカルエネルギーのバッファとして使用されるH2のタンクを最適化することができる。その結果水素分離膜内のHとH2の勾配を最大化することが可能になり、ひいてはH2の流量Fを最大化することになり、同時に水素分離膜から周囲のチャンバーへのの熱伝導を最小化することができる。
【００２０】
好都合なことに、この水素排出チャンバーは一つまたは複数のメンブレンを収容することができ、それによりより大きな表面の分離をサポートすることになり、さらにそれが大量の水素の生産を支えうる水素生産装置の建設を容易にして乗用車や工業機器、消費者用の装置などへの採用を促進することになる。
【００２１】
前述の燃料電池システムは直流電気の形態で酸化H2からエネルギーを放出する傾向があり、これは様々な用途でそのまま使用できる。前述の水素分離膜は一方が開放端でもう一方が閉鎖端の細い管状のものが理想であり、小さな隙間の空間によりアンモニアの分配システムからしっかりと分離されているものであり、理想は金属製（ステンレス鋼がよい）である。管は両端が開放端になっており、水素分離膜とアンモニア分離システムの間にあるスパークの先端とともに水素分離膜の内部を走るものである。この先端は、理想は鋭く尖ったものでアンモニア分配システムにつながっているものが良い。
【００２２】
さらに、この核心的な分離システムは断熱システムから構成され、NH3分解装置と省エネルギーのグローバル熱交換器の両方をカプセル化したものである。この形態はクライオスタットに似た真空断熱システムの形態が好ましい。
試作の段階ではチャンバーは数十マイクロメートルの厚さのPd-Agチューブの形のメンブレムを収容することができる。この水素分離膜としての特性は数十年に渡り周知であり、文献にも詳細に記されている。さらにH2精製機も広く一般に使用されており、多岐に渡る基礎科学や工業機器用で高純度のH2が利用されている。
【００２３】
標準のPd-Agチューブのシェルのような形状によりその内部にスムーズにアンモニア分配システムを挿入すること可能である。このチューブインシェル形態の金属（またはステンレス鋼）のチューブで両端が開放端であり、水素分離膜とアンモニア分配システムの間に隙間を設けることでここにNH3を注入して、N2の流れを水素分離膜近くの閉鎖端に設置されている開放端に移し、最終的にチューブ状のアンモニア分配システムのもう一方の開放端より排出するものである。このトポロジーは水素精製において産業用および研究用に広く利用されている方法であるが、アンモニア分離から水素を生成する装置としては初めてここで言及されるものである。
【００２４】
非常に優れた点として、この構成により水素分離膜（理想はPd-Agメンブレンやシェル）とアンモニア分配システム（理想はチューブインシェルのステンレス鋼チューブ）の間の環状領域にアンモニアを注入することができる点である。これにより水素分離膜やシェルの表面とその領域の体積の比率を最大化することができる。水素分離膜やシェルとアンモニア分配システムやチューブで構成され、ここでアンモニアプラズマを発生させ、結果として活性水素分離膜の領域単位あたりの水素生成率を増加させることができる。その結果生じる窒素の排出流はステンレス鋼チューブの中でPd-Agチューブの閉鎖端に運ばれる。そこから別の開放端もしくはステンレス鋼チューブを通じてシステムの外側に運ばれる。
この非常に画期的な方法により、特定の構成を採用することで、アンモニアプラズマと水素分離膜の接触領域を最大化できるだけでなく、水素生成率を増加することにもつながる。さらにステンレス鋼チューブ内にスパークの先端を設置することでHVパルスのピーク電圧を緩和してプラズマの形成と維持を実現することができる。HVパルスのピーク電圧を緩和することによりHVの運搬やシステムの制御のための設計を簡素化することが可能である。
【００２５】
さらに別の新規性として省エネルギーのグローバル熱交換器を導入することにより、NH3の供給流を供給してガスをNH3の解離に必要な動作温度にするためのエンタルピーをほぼ完全に回収することを可能にした点が挙げられる。 熱の形のエネルギーはアンモニアに伝わり、そこから水素分離膜へ伝わり、さらに水素排気チャンバーに伝わることから、これは特に重要な点である。
【００２６】
エネルギーやエンタルピーの回収システムを欠く場合、エネルギーが熱の形で周囲に逃げてしまうことから、システム全体の性能が発揮しにくい結果になる。本発明は統合省エネルギーグローバル熱交換器を使用することによりNH3の供給流に供給されるすべての熱をほぼ全て回収することにより効率性を保つシステムにについて説明するものである。ここでNH3供給流はN2とH2の流れとは逆に動くため、水素分離システムの最高の効率性を実現することができる。
【００２７】
さらに別の新規性として断熱システムを導入することがある。これは真空断熱システムが理想であり、多層絶縁ホイルを備えた真空で構成されるものであり、クライオスタットに似たもので、NH3分解装置と省エネルギーグローバル熱交換器の両方をカプセル化することにより周囲の環境への熱損失を完全に最小限化することができ、装置全体で最高のエネルギー効率を達成するものである。
【００２８】
本発明の別の進歩的な側面は水素分離膜を収容するH2排気チャンバーを予熱するための熱コイルの導入と、バッテリーシステムおよびH2貯蔵タンクの導入にある。加熱コイルに必要なエネルギーを提供するH2やバッテリーとこれらの装置を組み合わせることにより、アンモニア分解装置を加熱してアンモニアの分解を始めるために必要な温度に変化させることができる。このすべてをH2タンクやバッテリーに貯蔵してあるエネルギーを使用して行うものである。
【００２９】
最後になるが、革新的で優れた点としてはスリーベッドPSAシステムを導入することによりNH3とH2をN2の廃棄物からトレースして回収できる点にある。アンモニアの分離段階（さらに、もちろん燃料電池中の参加H2からH20も）からN2のみ（または高純度レベルで主にN2のみ）であり、水素分離膜から大気中に排出される排気の流れがN2のみであることからこれは特に優れた点である。
【００３０】
実現可能なその他の実施形態は以下が考えられるが、これに限定するものではない。
1. 標準のPd-Ag水素分離膜に比べてコストを下げる利点を有するZr-Niベースの水素分離膜の利用。
2. セラミック支持体の薄い層もしくはモノレイヤーの利用。これはHとH2が通過する水素分離膜の厚さを薄くして水素生成率を増加させることができるという利点がある。
3.NH3と水素分離膜の接触を最大化を目的とした異なる形状の水素分離膜の使用。これは異なるモジュール構造のNH3分解装置が実現できるという利点を持ち、アンモニア分配システムの形状を変えることにより水素分離膜の表面とNH3プラズマ領域の比率を増加させることができるという利点がある。
4. 様々な形状のスパークの先端の利用。これは比較的低い電圧でのプラズマの放電を緩和し、HVの輸送と制御がさらに実用的なものになるという利点がある。
5. H2排出チャンバーの圧力を下げるための真空ポンプを利用メンブレンを通じて圧力差を増加させ、これによりメンブレンでのH2とHの勾配が最大化されH2生成率も向上する。またH2水素チャンバーを低い圧力で動作させることの直接の利点として排気チャンバー自体への熱伝導を最小化することができ、断熱システムによる熱断熱で潜在的なロスを防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
本明細書で述べる革新的な装置によるNH3の分離とH2の生成の利点については以下の図で参考例を示すが、これに限定する意図はない。以下の図面は本発明の様々な態様や実施形態を示したものであり、構造、構成要素、材料、類似の要素などは別々の図で同じ参照番号を割り振ってある。
【００３２】
【図１】図1は本発明に基づくNH3分離装置とH2生成装置の好ましい実施形態を示したものである。
【図２】図2はこの革新的な装置における実施プロセスのフローチャートを好ましい実施形態で示したものである。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
本発明は様々な修正や代替構成が可能であり、いくつかの実施形態は図で示した上で詳細で説明を加えている。
【００３４】
もっとも本発明を図で示す特定の実施形態に限定する意図はなく、その反対に本発明は特許請求の範囲に含まれるすべての修正形、代替構造、同等とみなされるものを含むものである。
【００３５】
「例えば」や「など」や「または」は明示のない限り非排他的な代替手段を表すものである。「含む」とは特に明示のない限り「含むがこれに限るものではない」という意味である。
【００３６】
図1は水素生成のためのこの革新的な分離システムの好ましい実施形態の図である。
【００３７】
分離システム1の主たる格納容器や水素排出チャンバー100はステンレス鋼または耐熱金属（ジルコニウム）で構成されることが望ましい。分離システムはPdをベースにした一つ以上のH2分離膜から構成される。Pd (77%)-Ag (23%)のシェルで閉鎖端を有するとともに、金属（ステンレス鋼、ジルコニウム）の内部にアンモニア分解システムとして機能するチューブインシェル3があり、尖ったスパークの先端4を備えたものが望ましい。チューブ3はガスの流れを妨げないように中空の部分を持つ断熱アライナー5を使用して、メンブレンやシェル2の中央に合わせて設置される。インレット調整バルブ51(図2参照)とメンブレンやシェル2とチューブ3の間を流れるフローがある実施形態では、NH3はインレットポート9を通ってリアクターに入る。温度は加熱コイル12により500-800 Kに維持される。
【００３８】
アンモニア分配システム（チューブ3)と水素分離膜（シェル2）の間で比較的低い電圧（数百ボルト）とチューブ3のスパークの先端4でプラズマが放電することによりNH3のプラズマ解離が起こりやすくなる。チューブ3の両端を絶縁スリーブ6と7で覆うことによりチューブ3の一定の場所にプラズマ放電が集中させるとともにシェル2を両端から取り外せるようにする。
【００３９】
NH3は完全に分解されHラジカルはPd-Agベースのメンブレンに強く吸着し、強い圧力差により膜全体に拡散する。通常Pd-Agのメンブレン内部の圧力はNH3タンクの室温の絶対圧の8から10バールであり、メンブレン外部の圧力は周囲の調整を受けて数バールになる。通常は2バール程度だがこれに限定されるものではない。つまりNH3の圧力よりもはるかに低い圧力で動作する。この2バール程度の低い圧力は、一つ以上の水素分離膜からチャンバー100にまたがるHとH2の勾配を最大化する。この勾配は水素排気チャンバー100のH2の下向きの圧力により調整され、H2の流量(F)を最大化させることになる。
【００４０】
H2はH2排出ポート11から抽出され、その純度は水素分離チャンバー100の動作特性により 99.999%以上であることが保証されている。抽出ポートはアウトレットバルブ52(ここでは示していない。図2参照）を備えており、H2の流れ25の流量Fを調整している。この装置にはN2用のアウトレットポート10も備えられている。また前述のように、断熱材6と7により放電を防ぐことにより水素分離膜2とアンモニア分解システム3の両端にNH3プラズマが集中させることができる。フランジ8は水素排出チャンバー100を密閉する一方で、NH3の供給流のインレットとN2の排気流とH2の流れのアウトレットを収容する。N2のアウトレットは専用のアウトレットバルブ53(図2参照)で調整される。
【００４１】
図2は分離システムを示したものである。これは画期的なエンタルピー回収システムを備えたアンモニア分解装置であり、向流の省エネルギーグローバル熱交換器27と非常に効率性の高い断熱材28を備えている。断熱材は真空断熱クライオスタットが望ましい。また圧力スイング吸着(PSA)装置からなる水素エコノマイザー29を備えている。これは3床吸着システムが望ましい。また装置を稼働させるためのエネルギーを貯蔵するH2貯蔵タンク30とオンボードのバッテリー21を備えている。
【００４２】
NH3のタンク22はNH3の供給流23をアンモニア分解装置26に送る。すなわち図1のチャンバー100であり、ここでN2の流れ24とH2の流れ25の二つの排気流に分離される。アンモニア分解装置は供給流23と25と26の二つの排気流を処理する省エネルギーグローバル熱交換器27に設置される。ここでは具体的には2つの高温の排気流からエンタルピーを回収して低温の供給流に変える。高い効率の省エネルギーグローバル熱交換器27は95%以上の効率性を達成する必要があり、アンモニア分離装置とともに断熱システム28により完全に覆われる。
【００４３】
ポート10を通じてアンモニア分解装置26から排出されたN2の排気流には少量のNH3とH2の不純物が含まれている可能性がある。省エネルギーのグローバル熱交換器27で冷却後、N2の排気流は圧力スイング吸着（PSA）装置29に送られる。これは3床吸着システムが望ましい。送られた排気流はトレース32でNH3とH2を除去して供給流23に送り返される。
【００４４】
冷却すると、H2分離膜2により99.999%以上の純度が保証されているH2の流れ25は最終生成物として圧力調整弁55による圧力差により駆動力をえてH2貯蔵タンク30に送られる。そこから燃料電池33に送られ、ここで空気20から送られるO2（以下O2をO2と記す）と酸化することにより水34と電気エネルギー35に転換される。
【００４５】
従って、前述の水素排出チャンバーは低い圧力で動作させることができ、水素分離膜2からチャンバー100に渡るHとH2の勾配を最適化することができる。前述の水素分離膜はこの膜を通過するH2とH2の勾配を最適化するように設置される。前述の流量や圧力調整バルブは水素排出チャンバー100からのH2の下向きの圧力を調整する。またこの調整バルブ55は前述のチャンバー(100)と関連の燃料電池33の間に位置することで前述の勾配を維持してH2の流れ25の流量Fを最適化する。
【００４６】
水蒸気34は空気20に戻る。電気エネルギー35は設置されているバッテリー21に貯蔵されるか、乗用車やトラックやバスを動かすのに必要なエネルギー36に転換される。
【００４７】
上記で述べたようにポンプ50を任意で設置することにより水素排出チャンバー100からのH2の流れの圧力を減少させることができる（図2の装置26参照）。その場合メンブレン2を通じて圧力差を増加させることになり、メンブレンのHとH2の勾配を最大化させてH2生成率を高めることになる。さらに、H2水素チャンバーを低い圧力で動作させることの直接の利点として排気チャンバー自体への熱伝導を最小化することができ、断熱システムによる熱断熱で潜在的なロスを防ぐことができる点が挙げられる。さらにポンプが水素排出チャンバー100からのH2の流れ25の放出または排出ポイント11とH2のタンク(30)の間に設置する実施形態もある。
【００４８】
アンモニア分解装置または分離システムが冷たい状態のため、動作を開始するために温度を上げる場合、設置されているバッテリー21の電気エネルギーやH2タンク30のH2から生成した電気エネルギー35を使用することでこれを実現することができる。
【００４９】
従ってこの画期的な分離システム1の構成要素に関する説明から、水素分離膜2からチャンバー100までに渡る勾配を最適化することにより、H2の流れをH2のタンク30と燃料電池へ送る継続的な流れを生成し、水素排気チャンバーの下向きの圧力が圧力や流量の調整バルブ55や圧力や流量の調整バルブ51と52により最適化されることによりH2の生成が最適化されるというこれまでの説明を全て実現できることは明らかである。この時、H2の分離を最適化するために分離膜表面を利用する。また水素分離膜（メンブレンやシェル2）とアンモニア分配システム(チューブ3)の間のスパークの先端を使用する。この時このスパークの先端がアンモニア分配システム(チューブ3)につながっており、HVパルスのピーク電圧を緩和することによりプラズマの形成と維持に役立つことが望ましい。HVのピーク電圧の緩和によりHVの供給と制御システム設計を簡素化することが可能になる。省エネルギーのグローバル熱交換器27と断熱システム28を導入することによりNH3供給流を提供するエンタルピーをほぼ完全に回収することが可能であり、ガスをNH3の分解に必要な温度に変化させるために使用することができる。このNH3供給流に供給する熱を省エネルギーのグローバル熱交換器を使用することによってほぼ全て回収することで熱効率の損失を防ぐこのシステムでは、NH3供給流がN2やH2の流れとは反対方向に流れるため、水素分離システムのための最高のエネルギー効率を実現することが可能になる。
【００５０】
こうした本発明の目的は、本明細書を構成する添付の特許請求の範囲で述べる機能を含めた水素生成のための革新的な分離システムにより達成されるものである。
【００５１】
さらに別の実施形態においては、分離システム1は前述の圧力や流量の調整バルブ 51、52、 53、 55をすべて含むことも、いくつかのバルブのみを採用することも、このバルブを使用せずに別のバルブを使用することもありうることに留意をいただきたい。
【００５２】
この革新的なシステムの機能を段階的説明することも可能であるが、システム自体の機能の説明でシステムの使用方法について触れていることから、これは冗長であろう。ここで述べた実施形態についての詳細はこのシステムと革新的な効果の説明として十分であり、手法についての説明はシステムの操作方法の説明でモデル化されうるものであり、新しい課題や本発明の分野を拡大することなく、システムの機能により推論できることは明らかである。
【００５３】
チャンバーの寸法、水素分離膜の数やタイプ、チャンバーのタイプや構造、エンタルピー回収システムのタイプや構造、スパークの先端、チューブ、チャンバー、バルブ、その他のシステムの素材や形状、断熱素材、バルブやポンプの数やタイプなどは本発明の実施形態における重要ではない修正形とみなすべきものであり、本明細書と添付の特許請求がカバーする範囲に含まれるとするべきである。
【符号の説明】
【００５４】
１：分離システム
10：N2用のアウトレットポート
10：ポート
100：チャンバー
100：水素排出チャンバー
100：水素分離チャンバー
11：H2排出ポート
11：放出または排出ポイント
12：加熱コイル
2：H2分離膜
2：シェル
2：メンブレン
2：水素分離膜
2：水素分離膜（メンブレンやシェル）
20：空気
21：オンボードのバッテリー
21：バッテリー
22：タンク23：NH3の供給流
23：供給流
24：N2の流れ
25：H2の流れ
25：排気流
25：流れ
26：アンモニア分解装置
26：排気流
27：グローバル熱交換器
27：向流の省エネルギーグローバル熱交換器
27：省エネルギーグローバル熱交換器
28：断熱システム
28：断熱材
29：圧力スイング吸着（PSA）装置
29：水素エコノマイザー
3：アンモニア分解システム
3：アンモニア分配システム(チューブ)
3：チューブ
3：チューブインシェル
30：H2のタンク
30：H2貯蔵タンク
32：トレース
33：燃料電池
34：水
34：水蒸気
35：H2から生成した電気エネルギー
35：電気エネルギー
36：エネルギー
4：先端
5：断熱アライナー
50：ポンプ
51：インレット調整バルブ
51：圧力や流量の調整バルブ
52：アウトレットバルブ
52：圧力や流量の調整バルブ
53：アウトレットバルブ
53：圧力や流量の調整バルブ
55：圧力や流量の調整バルブ
55：圧力調整弁
55：調整バルブ
6：絶縁スリーブ
6：断熱材
7：絶縁スリーブ
7：断熱材
8：フランジ
9：インレットポート
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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