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JP4033101B2 - Hydride turbine - Google Patents

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JP4033101B2
JP4033101B2 JP2003339034A JP2003339034A JP4033101B2 JP 4033101 B2 JP4033101 B2 JP 4033101B2 JP 2003339034 A JP2003339034 A JP 2003339034A JP 2003339034 A JP2003339034 A JP 2003339034A JP 4033101 B2 JP4033101 B2 JP 4033101B2
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hydride
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Description

本発明は、自動車あるいは家庭用等の発電機,動力源に水素利用したクリーンエネルギーシステムに関わり、特に有機ハイドライドを燃料に用いた水素タービンシステムに関する。   The present invention relates to a clean energy system using hydrogen as a generator or power source for automobiles or homes, and more particularly to a hydrogen turbine system using organic hydride as fuel.

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、エネルギーの有効活用し排出CO2 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や水素を燃焼した水素タービンシステムは、熱エネルギーを効率よく回収できる。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。 As global warming due to carbon dioxide and the like becomes serious, hydrogen is attracting attention as an energy source for the next generation instead of fossil fuels. In addition, cogeneration of power generation facilities has attracted attention in order to promote energy saving by effectively using energy and reducing CO 2 emissions. Fuel cell power generation that generates power using hydrogen and a hydrogen turbine system that burns hydrogen can efficiently recover thermal energy. In recent years, technological development has rapidly progressed as a power source for various applications such as automobiles, household power generation equipment, vending machines, and portable devices.

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、貯蔵や運搬が難しい。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。   On the other hand, a hydrogen transportation, storage and supply system which is indispensable for using hydrogen as a fuel is a major issue. Since hydrogen is a gas at room temperature, it is difficult to store and transport compared to liquids and solids. In addition, hydrogen is a flammable substance, and there is a danger of explosion when it reaches a predetermined mixing ratio with air.

このような問題を解決する技術に、特開平7−192746号公報に開示されるように、安全性,運搬性,貯蔵能力,低コスト化にすぐ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。   As a technique for solving such problems, as disclosed in JP-A-7-192746, as a hydrogen storage method excellent in safety, transportability, storage capacity, and cost reduction, such as cyclohexane and decalin. Organic hydride systems using hydrocarbons are attracting attention. Since these hydrocarbons are liquid at room temperature, they are excellent in transportability.

ベンゼンと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・脱水素反応を利用することにより、水素の貯蔵および供給を可能としたものである。   Benzene and hexane are cyclic hydrocarbons having the same number of carbons, whereas benzene is an unsaturated hydrocarbon in which the bonds between carbons are double bonds, whereas cyclohexane is a saturated hydrocarbon having no double bonds. is there. Cyclohexane is obtained by the hydrogenation reaction of benzene, and benzene is obtained by the dehydrogenation reaction of cyclohexane. That is, hydrogen can be stored and supplied by utilizing the hydrogen addition / dehydrogenation reaction of these hydrocarbons.

芳香族炭化水素系を用いた水素貯蔵供給方法は低コストで、安全性,運搬性,貯蔵能力にも優れた水素貯蔵・供給システムとして有望である。この水素貯蔵・供給システムは、特願2000−388043号公報に記載されるようにシクロヘキサンやデカリン等の飽和炭化水素を、反応装置内の金属担持触媒(活性炭等の担体に白金等の金属を担持)に噴射ノズルを用いて霧状に供給して水素を発生させ、一方、水素が充填された反応装置内の金属担持触媒にベンゼンやナフタレン等を同様に噴射して水素を貯蔵するというものである。また、触媒反応をより効率的に行うように、水素貯蔵・供給システムにおいては、反応の安定性や連続性の観点から、触媒に原料が連続的に噴射され、水素の生成速度が大きくなるように噴霧量や噴霧間隔を最適化している。また、水素発生の際には、250〜
400℃に加熱された触媒が低温の液体原料により冷却されて触媒温度が低下すると共に、脱水素反応に伴なう吸熱により触媒温度が急激に低下するために、触媒を加熱するためにヒータの形状や加熱方法も検討されている。
Hydrogen storage and supply methods using aromatic hydrocarbons are promising as low-cost hydrogen storage and supply systems with excellent safety, transportability, and storage capacity. As described in Japanese Patent Application No. 2000-388043, this hydrogen storage / supply system uses a saturated hydrocarbon such as cyclohexane or decalin, a metal-supported catalyst in a reactor (supports a metal such as platinum on a support such as activated carbon). ) To generate hydrogen by using a spray nozzle to generate hydrogen, while storing hydrogen by similarly injecting benzene, naphthalene or the like onto a metal-supported catalyst in a reactor filled with hydrogen. is there. In order to perform the catalytic reaction more efficiently, in the hydrogen storage / supply system, the raw material is continuously injected to the catalyst from the viewpoint of the stability and continuity of the reaction so that the hydrogen generation rate is increased. The spray amount and spray interval are optimized. In addition, when hydrogen is generated, 250 to
Since the catalyst heated to 400 ° C. is cooled by the low temperature liquid raw material and the catalyst temperature is lowered, and the catalyst temperature is drastically lowered by the endotherm accompanying the dehydrogenation reaction, the heater is heated to heat the catalyst. Shapes and heating methods are also being studied.

一方、水素の利用方法としては、燃料電池のほかエンジン,タービンのような内燃機関についても検討されている。水素を内燃機関に用いた場合、燃焼温度が1700℃と高温になるため耐熱性材料を使用する必要があるが、小型の内燃機関では温度が1000℃程度であり取り扱いやすいという特徴がある。特開2003−303159号公報には超小型高効率マイクロマシンタービンが記載されている。   On the other hand, as a method of using hydrogen, in addition to fuel cells, internal combustion engines such as engines and turbines have been studied. When hydrogen is used in an internal combustion engine, the combustion temperature is as high as 1700 ° C., so it is necessary to use a heat-resistant material. However, a small internal combustion engine has a feature that the temperature is about 1000 ° C. and is easy to handle. Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2003-303159 describes a microminiature high-efficiency micromachine turbine.

特開平7−192746号公報JP 7-192746 A 特開2002−274801号公報JP 2002-274801 A 特開2002−184436号公報JP 2002-184436 A 特開2003−303159号公報JP 2003-303159 A

しかし、上記技術には課題も多い。シクロヘキサンの脱水素反応の反応温度が250〜400℃と高く、ヒータで加熱を行うために、燃料電池で発生した電力の一部を使用しなくてはならず効率が低下してしまう。有機ハイドライドからの脱水素反応を利用して水素の供給を実用化するには、さらに反応効率を高める必要がある。また、特開2002−
274801号公報,特開2002−184436号公報に開示されるように、噴霧器により高温の触媒層にシクロヘキサンを吹き付けて脱水素反応を行い、冷却器で生成物である水素とベンゼンを気体と液体に分離させるため、装置が大型となってしまう。
However, the above technique has many problems. Since the reaction temperature of cyclohexane dehydrogenation reaction is as high as 250 to 400 ° C., and heating with a heater, a part of the electric power generated in the fuel cell must be used, resulting in a reduction in efficiency. In order to put hydrogen supply into practical use by utilizing a dehydrogenation reaction from an organic hydride, it is necessary to further increase the reaction efficiency. Also, JP-A-2002-
As disclosed in Japanese Patent No. 274801 and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-184436, cyclohexane is sprayed on a high-temperature catalyst layer by a sprayer to perform a dehydrogenation reaction, and the product hydrogen and benzene are converted into gas and liquid by a cooler. Because of the separation, the apparatus becomes large.

水素を燃料としたマイクロタービンは、燃料の水素の供給方法に課題がある。都市ガスを改質しオンサイトで水素を製造しタービンを駆動させる場合、改質器を設置しなくてはならないため、システム全体で小型化が困難となる。また、メタンを使用するためCO2 が排出される。CO2 排出を削減するには純水素を燃料に使用することが好ましいが、水素パイプラインなどのインフラ整備が課題である。 A microturbine using hydrogen as a fuel has a problem in a method for supplying hydrogen as a fuel. When reforming city gas, producing hydrogen on-site, and driving a turbine, a reformer must be installed, which makes it difficult to reduce the size of the entire system. In addition, CO 2 is emitted because methane is used. In order to reduce CO 2 emissions, it is preferable to use pure hydrogen as fuel, but infrastructure development such as a hydrogen pipeline is a problem.

そこで、上記課題を解決するため本発明の目的は、有機ハイドライドシステムを有効に活用した小型で効率の良い水素貯蔵・供給装置を作製し、小型でCO2 排出のない発電システムを提供することにある。そこで、上記課題を解決するため、本発明の目的は、小型で効率の良い有機ハイドライドを燃料とし、有機ハイドライドを内部改質によって発生した水素を燃焼するハイドライドタービンを提供することにある。 Therefore, in order to solve the above problems, an object of the present invention is to provide a small-sized and efficient hydrogen storage / supply device that effectively utilizes an organic hydride system, and to provide a small-sized power generation system that does not emit CO 2. is there. Accordingly, in order to solve the above problems, an object of the present invention is to provide a hydride turbine that uses organic hydride as a fuel that is small and efficient, and burns hydrogen generated by internal reforming of the organic hydride.

従来の脱水素反応を行う水素供給装置は、噴霧器やシリンダー,冷却器など多くの付属機器が必要で、全体として装置が大きくなる。また、加熱ヒータを使用するため、発電装置を接続して作製した発電システムは、効率が低下してしまう。このような課題を解決するために本発明のハイドライドタービンは、ハイドライドを燃料に用いた発電装置において、少なくとも空気圧縮部,内部燃料改質部,タービン部,燃焼部,冷却部,発電部からなる水素燃焼タービン発電機であって、内部燃料改質部と少なくとも一つの燃焼部が同軸状に存在する。また、前記内部燃料改質部が、タービンブレード,燃料隔壁の各表面に触媒を塗布した水素燃焼タービン発電機であって、前記触媒が金属触媒と担体材料からなり、前記金属触媒がPt,Rh,Ru,Re,Pd,Ir,Os,Ni,Cr,Moから選ばれた金属またはこれらの合金であって、担体材料が活性炭,炭素材料,アルミナ,シリカ,ゼオライト,珪藻土,ZnO,ZrO2 から選ばれる担体またはこれらの混合物である。 A conventional hydrogen supply apparatus for performing a dehydrogenation reaction requires many accessory devices such as a sprayer, a cylinder, and a cooler, and the apparatus becomes large as a whole. Moreover, since a heater is used, the efficiency of a power generation system manufactured by connecting a power generation device is reduced. In order to solve such problems, a hydride turbine according to the present invention includes at least an air compression unit, an internal fuel reforming unit, a turbine unit, a combustion unit, a cooling unit, and a power generation unit in a power generation device using hydride as a fuel. In the hydrogen combustion turbine generator, the internal fuel reforming section and at least one combustion section exist coaxially. Further, the internal fuel reforming section is a hydrogen combustion turbine generator in which a catalyst is applied to each surface of a turbine blade and a fuel partition, wherein the catalyst is made of a metal catalyst and a support material, and the metal catalyst is made of Pt, Rh. , Ru, Re, Pd, Ir, Os, Ni, Cr, Mo, or an alloy thereof, and the support material is activated carbon, carbon material, alumina, silica, zeolite, diatomaceous earth, ZnO, ZrO 2. The selected carrier or a mixture thereof.

更に本発明のハイドライドタービンは、少なくとも一つの回転軸外周部に外部燃料改質器を有した水素燃焼タービン発電機で、前記外部燃料改質器の燃料供給がパルス噴霧器である水素燃焼タービン発電機である。   Furthermore, the hydride turbine of the present invention is a hydrogen combustion turbine generator having an external fuel reformer on the outer periphery of at least one rotating shaft, and the fuel supply of the external fuel reformer is a pulse sprayer. It is.

また、本発明のハイドライドタービンの前記冷却部は、給湯器として使用できる水素燃焼タービン発電機である。   Moreover, the said cooling part of the hydride turbine of this invention is a hydrogen combustion turbine generator which can be used as a water heater.

本発明のハイドライドタービンの前記触媒部の加熱は、タービンの廃熱を利用した水素燃焼タービン発電機であって、発電後の廃液またはガスが、水または水蒸気のほか、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,フェナンスレン、及びそのアルキル誘導体からなる群から選ばれる少なくとも1種の化合物、あるいは窒素である。   The heating of the catalyst part of the hydride turbine of the present invention is a hydrogen combustion turbine generator using the waste heat of the turbine, and the waste liquid or gas after power generation is water, water vapor, benzene, toluene, xylene, mesitylene , Naphthalene, methylnaphthalene, anthracene, biphenyl, phenanthrene, and at least one compound selected from the group consisting of alkyl derivatives thereof, or nitrogen.

本発明のハイドライドタービンの利用した分散電源は、ハイドライドを燃料に用いた発電装置において、少なくとも空気圧縮部,内部燃料改質部,タービン部,燃焼部,冷却部,発電部からなる水素燃焼タービン発電機と、燃料・廃液タンク,燃料供給ポンプ,圧縮水素タンクから構成される。   The distributed power source used by the hydride turbine of the present invention is a hydrogen combustion turbine power generation comprising at least an air compression unit, an internal fuel reforming unit, a turbine unit, a combustion unit, a cooling unit, and a power generation unit in a power generation device using hydride as fuel. Machine, fuel / waste liquid tank, fuel supply pump, and compressed hydrogen tank.

本発明のハイドライドタービンは、燃焼部で水素燃焼しタービンブレードや燃料隔壁に伝導した熱を利用し内部燃料改質部に熱を供給している。内部燃料改質部と少なくとも一つの燃焼部が同軸状に存在する。また、前記内部燃料改質部が、タービンブレード,燃料隔壁の各表面に触媒を塗布し効率よく触媒を加熱し脱水素反応を進行させることができるため、小型で高効率なハイドライドタービンを提供することができる。また、回転軸上に外部改質器を設置することでより多くの燃料を処理することができ、出力を大きくすることが可能である。   In the hydride turbine of the present invention, heat is supplied to the internal fuel reforming section using the heat burned in the combustion section and conducted to the turbine blade and the fuel partition. The internal fuel reforming section and at least one combustion section exist coaxially. In addition, since the internal fuel reforming section can apply a catalyst to each surface of the turbine blade and the fuel partition wall and efficiently heat the catalyst to advance the dehydrogenation reaction, a small and highly efficient hydride turbine is provided. be able to. Further, by installing an external reformer on the rotating shaft, more fuel can be processed and the output can be increased.

有機物を用いた水素供給体、すなわち、有機ハイドライドの脱水素反応は、高温で水素や生成した芳香族炭化水素分圧が低いほど脱水素側に平衡が移動する。逆に低温で水素や芳香族炭化水素分圧が高いほど水素化側に平衡が移動し水素を取り出すことが困難となる。従って水素の貯蔵については低温でも容易に進行するが、脱水素反応である水素供給は難しい。そこで、脱水素反応については、特に水素や芳香族炭化水素分圧の影響が大きいことから、発生した水素及び芳香族炭化水素を系外に排出した後に次の反応を進行させるように、原料の供給はパルスで行うことが有効で、通常加熱した触媒に液体の有機ハイドライドをパルス噴霧し吹き付けて行っている。   In hydrogen dehydrogenation using an organic substance, that is, organic hydride, the equilibrium moves to the dehydrogenation side as the partial pressure of hydrogen or the generated aromatic hydrocarbon decreases at a high temperature. Conversely, the higher the partial pressure of hydrogen or aromatic hydrocarbon at low temperature, the more the equilibrium moves to the hydrogenation side, making it difficult to extract hydrogen. Accordingly, hydrogen storage proceeds easily even at low temperatures, but it is difficult to supply hydrogen as a dehydrogenation reaction. Therefore, since the dehydrogenation reaction is particularly affected by the partial pressure of hydrogen and aromatic hydrocarbons, the raw material is prepared so that the next reaction proceeds after the generated hydrogen and aromatic hydrocarbons are discharged out of the system. It is effective to carry out the supply by a pulse. Usually, a liquid organic hydride is sprayed and sprayed on a heated catalyst.

本発明の改質器は生成した水素と芳香族炭化水素を分離する方法として、触媒の吸着特性を利用し発生した水素を効率よく触媒表面より分離し、次いで芳香族炭化水素が触媒表面より脱離し触媒表面の再生を行うものである。原料である水素化した有機ハイドライド及び脱水素化した芳香族炭化水素はいずれも活性炭などの触媒担体表面に吸着する。担体に吸着した水素化物は担体に吸着し金属触媒に触れると脱水素し芳香族炭化水素と水素を生成する。脱水素反応は吸熱反応であり、反応の進行とともに触媒表面温度が低下する。水素化物及び芳香族炭化水素は温度の低下により触媒表面から脱離できないが、水素は表面に吸着することなく排出される。この段階で水素と水素化物及び芳香族炭化水素の分離が行われ、反応の平衡は脱水素に有利となり水素生成速度が大きくなる。反応が終了し加熱された触媒表面が反応温度に戻ると芳香族炭化水素が触媒表面より脱離し触媒が再生される。この段階で燃料である水素化物をパルス噴霧供給する。このサイクルを繰り返すことで連続的に水素を供給することが可能となる。   The reformer of the present invention is a method for separating generated hydrogen and aromatic hydrocarbons by efficiently separating generated hydrogen from the catalyst surface by utilizing the adsorption characteristics of the catalyst, and then removing the aromatic hydrocarbon from the catalyst surface. The release catalyst surface is regenerated. Both the hydrogenated organic hydride and the dehydrogenated aromatic hydrocarbon as raw materials are adsorbed on the surface of a catalyst carrier such as activated carbon. When the hydride adsorbed on the support is adsorbed on the support and touches the metal catalyst, it is dehydrogenated to produce aromatic hydrocarbons and hydrogen. The dehydrogenation reaction is an endothermic reaction, and the catalyst surface temperature decreases with the progress of the reaction. Although hydrides and aromatic hydrocarbons cannot be desorbed from the catalyst surface due to a decrease in temperature, hydrogen is discharged without being adsorbed on the surface. At this stage, hydrogen, hydride and aromatic hydrocarbon are separated, and the equilibrium of the reaction is advantageous for dehydrogenation and the rate of hydrogen production is increased. When the reaction is completed and the heated catalyst surface returns to the reaction temperature, aromatic hydrocarbons are desorbed from the catalyst surface and the catalyst is regenerated. At this stage, the fuel hydride is supplied by pulse spraying. By repeating this cycle, hydrogen can be continuously supplied.

このようなハイドライドタービンは水素供給を行う燃料改質部と少なくとも一つのタービンを同軸上に配置し、一体化させ廃熱を利用しており、小型化で発電した電力をヒータなどにより消費されず、有機ハイドライドシステムの効率を向上できる。   In such a hydride turbine, a fuel reforming section that supplies hydrogen and at least one turbine are coaxially arranged and integrated to use waste heat, and the power generated by downsizing is not consumed by a heater or the like. The efficiency of the organic hydride system can be improved.

また、水素貯蔵・供給装置より得られる水素は家庭用分散電源以外の発電装置を採用しても良い。例えば、大量の水素を燃焼させて大型のタービンにより発電してもよい。従来の火力発電所の水素供給システムとして使用し、クリーンな系統電力を供給することもできる。   Further, as the hydrogen obtained from the hydrogen storage / supply device, a power generation device other than the home-use distributed power source may be adopted. For example, a large amount of hydrogen may be burned to generate power using a large turbine. It can also be used as a hydrogen supply system for conventional thermal power plants to supply clean grid power.

本発明により、安全で小型で効率の良い有機ハイドライドを用いた水素燃焼タービン発電機を提供し、CO2 排出のないクリーンな分散電源を供給する。 According to the present invention, a hydrogen combustion turbine generator using a safe, small, and efficient organic hydride is provided, and a clean distributed power source that does not emit CO 2 is supplied.

本発明のハイドライドタービンは少なくとも空気圧縮部,内部燃料改質部,タービン部,燃焼部,冷却部,発電部からなる水素燃焼タービン発電機であり、内部燃料改質部と少なくとも一つの燃焼部が同軸状に存在する。   The hydride turbine of the present invention is a hydrogen combustion turbine generator including at least an air compression unit, an internal fuel reforming unit, a turbine unit, a combustion unit, a cooling unit, and a power generation unit, and the internal fuel reforming unit and at least one combustion unit include It exists coaxially.

空気圧縮部はロータの回転により空気を圧縮し、圧縮した空気を用いて燃料を燃焼室で燃焼させ、発生した燃焼ガスでロータを回転駆動するようになっている。ロータに取り付けられたロータブレードとディフューダベーンにより半径流のコンプレッサが形成され、同様にロータに取り付けられたロータブレードとノズルベーンにより半径流のタービンが構成されている。   The air compressor compresses air by rotation of the rotor, burns fuel in the combustion chamber using the compressed air, and rotationally drives the rotor with the generated combustion gas. A radial flow compressor is formed by the rotor blades and the diffuser vanes attached to the rotor, and a radial flow turbine is similarly formed by the rotor blades and the nozzle vanes attached to the rotor.

タービン部は内部改質部と燃焼部から構成される。   The turbine part is composed of an internal reforming part and a combustion part.

燃焼部はコンプレッサ側に設けられ圧縮空気通路との間を仕切る空気用隔壁を備える。空気はコンプレッサの内側に回転軸の軸心側から供給され、回転するロータに取り付けられたロータブレードにより圧縮され、ディフューダベーンにより圧力を回復した後、空気用隔壁に沿って流れ、これを冷却した後、圧縮空気通路から空気用隔壁の端部に設けられた貫通孔を通して燃焼室内に供給される。さらに、タービン部側に燃料ガス通路との間を仕切る燃料用隔壁を備える。この燃料用隔壁には燃料ガスを燃焼室に直接噴射する直噴ノズルが設けられている。水素ガスは、燃料ガス通路内を燃料用隔壁に沿って流れ燃料用隔壁を背面から冷却した後、加熱された燃料が直噴ノズルから燃焼室に直接噴射される。直噴ノズルによる燃料の噴射速度及び向きは、外周壁に火炎が直接接触しないように調整されている。燃焼室で発生した燃焼ガスは、ノズルベーンを通して半径方向内方に噴射され、ロータに取り付けられたロータブレードを回転駆動し、排ガスノズルから排気される。   A combustion part is provided in the compressor side, and is provided with the partition for air which partitions off between compressed air passages. Air is supplied to the inside of the compressor from the axis side of the rotating shaft, compressed by rotor blades attached to the rotating rotor, recovered pressure by the diffuser vane, and then flows along the air partition. After cooling, the air is supplied from the compressed air passage into the combustion chamber through a through hole provided at the end of the air partition wall. Further, a fuel partition wall is provided on the turbine portion side to partition the fuel gas passage. The fuel partition is provided with a direct injection nozzle that directly injects fuel gas into the combustion chamber. The hydrogen gas flows in the fuel gas passage along the fuel partition, cools the fuel partition from the back, and then the heated fuel is directly injected from the direct injection nozzle into the combustion chamber. The fuel injection speed and direction by the direct injection nozzle are adjusted so that the flame does not directly contact the outer peripheral wall. Combustion gas generated in the combustion chamber is injected radially inward through the nozzle vanes, and the rotor blades attached to the rotor are driven to rotate and exhausted from the exhaust gas nozzle.

内部改質部は燃料であるハイドライドから水素を発生させる部位で、燃料ガス通路内の燃料用隔壁とロータブレード表面に塗布した触媒により水素を発生し燃料流路から冷却部を通過するとき水素と脱水素化物を分離し水素のみを直噴ノズルに供給する。   The internal reforming part is a part that generates hydrogen from hydride as a fuel. Hydrogen is generated by a fuel partition in the fuel gas passage and a catalyst applied to the surface of the rotor blade. The dehydrogenated product is separated and only hydrogen is supplied to the direct injection nozzle.

冷却部は外部より配管された冷却管と廃液取り出し口からなり、冷却管に水を流し脱水素化物と水素の気液分離を行う。   The cooling unit is composed of a cooling pipe and a waste liquid outlet that are piped from the outside, and water is allowed to flow through the cooling pipe to perform gas-liquid separation of the dehydrogenated product and hydrogen.

触媒の材料は金属触媒と担体材料からなり、金属触媒がPt,Rh,Ru,Re,Pd,Ir,Os,Ni,Cr,Moから選ばれた金属またはこれらの合金であって、担体材料がアクティブカーボン,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,珪藻土,ZnO,ZrO2 から選ばれる担体またはこれらの混合物などを用いることができる。触媒材料の製造法は、共沈法、熱分解法など特に限定はないが、触媒は薄膜状に形成するほうが好ましく、ゾルゲル法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。金属触媒の添加量は特に限定はないがコストの点から、2〜10wt%が望ましい。また脱水素化物が担体材料に吸着し触媒材料の被毒が問題になる場合がある。300℃以上の温度で反応を行える場合は特に限定はないが、300℃以下での反応特に250以下では活性炭より酸化物を使用するほうが脱水素化物の脱離が速やかに進行するため好ましい。 The catalyst material is composed of a metal catalyst and a support material, and the metal catalyst is a metal selected from Pt, Rh, Ru, Re, Pd, Ir, Os, Ni, Cr, and Mo or an alloy thereof, and the support material is A support selected from active carbon, alumina silicate such as carbon nanotube, silica, alumina, zeolite, diatomaceous earth, ZnO, ZrO 2 , or a mixture thereof can be used. The method for producing the catalyst material is not particularly limited, such as a coprecipitation method or a thermal decomposition method, but the catalyst is preferably formed into a thin film, and a solution process such as a sol-gel method or a dry process such as a vapor deposition method, a sputtering method, or a CVD method is preferred. Etc. can be used. The addition amount of the metal catalyst is not particularly limited, but is preferably 2 to 10 wt% from the viewpoint of cost. Further, the dehydrogenated product is adsorbed on the support material, and poisoning of the catalyst material may be a problem. When the reaction can be performed at a temperature of 300 ° C. or higher, there is no particular limitation. However, when the reaction is performed at a temperature of 300 ° C. or lower, particularly 250 or lower, it is preferable to use an oxide rather than activated carbon because dehydrogenation proceeds more rapidly.

発電部は、モータ/ジェネレータを備える。このモータ/ジェネレータは、ロータブレードの端面に取り付けられたロータフィルムと、ロータフィルムに対向して本体側に取り付けられたステータとからなり、モータ(電動機)とジェネレータ(発電機)の両方の機能を有し、始動時にはロータを回転駆動してコンプレッサにより空気を圧縮して燃焼室での燃焼を始動させ、ロータの安定回転後に電気を発電するようになっている。   The power generation unit includes a motor / generator. This motor / generator is composed of a rotor film attached to the end face of the rotor blade and a stator attached to the main body side so as to face the rotor film, and functions as both a motor (electric motor) and a generator (generator). In starting, the rotor is rotationally driven, air is compressed by a compressor to start combustion in the combustion chamber, and electricity is generated after stable rotation of the rotor.

上述した本発明の構成によれば、燃焼部と内部改質部が隣接しており、触媒材料が燃焼ガスの廃熱を効率よく利用することができると同時に吸熱反応である脱水素反応が進行し外周壁の温度上昇を更に抑えることができる。   According to the configuration of the present invention described above, the combustion section and the internal reforming section are adjacent to each other, and the catalyst material can efficiently use the waste heat of the combustion gas, and at the same time, the dehydrogenation reaction that is an endothermic reaction proceeds. The temperature rise of the outer peripheral wall can be further suppressed.

以下、本発明のタービン内部改質器及び外部改質器について説明する。   Hereinafter, the turbine internal reformer and the external reformer of the present invention will be described.

なお、本発明は上述した実施例及び実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。   In addition, this invention is not limited to the Example and embodiment mentioned above, Of course, it can change variously in the range which does not deviate from the summary of this invention.

以上のような部材や作成手順によりハイドライドタービンを作成した例を以下実施例に記載する。   The example which created the hydride turbine by the above members and preparation procedures is described in an Example below.

〔比較例1〕
図1は、本発明のマイクロマシンガスタービンの半断面図である。本発明のマイクロマシンガスタービンは、ロータ101の回転により空気を圧縮し、圧縮した空気を用いて燃料を燃焼室102で燃焼させ、発生した燃焼ガスでロータ101を回転駆動するようになっている。ロータ101に取り付けられたロータブレード103とディフューダベーン
104により半径流のコンプレッサ105が形成され、同様にロータ101に取り付けられたロータブレード106とノズルベーン107により半径流のタービン108が構成されている。
[Comparative Example 1]
FIG. 1 is a half sectional view of a micromachine gas turbine of the present invention. In the micromachine gas turbine of the present invention, air is compressed by the rotation of the rotor 101, fuel is combusted in the combustion chamber 102 using the compressed air, and the rotor 101 is rotationally driven by the generated combustion gas. The rotor blade 103 and the diffuser vane 104 attached to the rotor 101 form a radial flow compressor 105, and the rotor blade 106 and the nozzle vane 107 attached to the rotor 101 similarly form a radial flow turbine 108. .

本発明のマイクロマシンガスタービンは、燃焼室102のコンプレッサ側に設けられ圧縮空気通路109との間を仕切る空気用隔壁110を備える。空気はコンプレッサ105の内側に回転軸100の軸心側から供給され、回転するロータ101に取り付けられたロータブレード106により圧縮され、ディフューダベーン104により圧力を回復した後、空気用隔壁110に沿って流れ、これを冷却した後、圧縮空気通路109から空気用隔壁110の端部に設けられた貫通孔111を通して燃焼室102内に供給される。   The micromachine gas turbine of the present invention includes an air partition wall 110 provided on the compressor side of the combustion chamber 102 and partitioning the compressed air passage 109. The air is supplied from the axial center side of the rotating shaft 100 to the inside of the compressor 105, compressed by the rotor blade 106 attached to the rotating rotor 101, recovered by the diffuser vane 104, and then into the air partition 110. Then, the air is cooled and supplied to the combustion chamber 102 from the compressed air passage 109 through the through hole 111 provided at the end of the air partition wall 110.

本発明のマイクロマシンガスタービンは、更にタービン側に設けられ燃料ガス通路112との間を仕切る燃料用隔壁113を備える。この燃料用隔壁113には燃料ガスを燃焼室102に直接噴射する直噴ノズル114が設けられている。燃料ガス(例えば水素ガス)は、燃料ガス通路112内を燃料用隔壁113に沿って流れ燃料用隔壁113を背面から冷却した後、加熱された燃料が直噴ノズル114から燃焼室102に直接噴射される。直噴ノズル114による燃料の噴射速度及び向きは、外周壁に火炎が直接接触しないように調整されている。燃焼室102で発生した燃焼ガスは、ノズルベーン107を通して半径方向内方に噴射され、ロータ101に取り付けられたロータブレード106を回転駆動し、排ガスノズルから排気される。   The micromachine gas turbine of the present invention further includes a fuel partition wall 113 provided on the turbine side and partitioning the fuel gas passage 112. The fuel partition wall 113 is provided with a direct injection nozzle 114 that directly injects fuel gas into the combustion chamber 102. The fuel gas (for example, hydrogen gas) flows in the fuel gas passage 112 along the fuel partition wall 113 and cools the fuel partition wall 113 from the back surface, and then the heated fuel is directly injected into the combustion chamber 102 from the direct injection nozzle 114. Is done. The fuel injection speed and direction by the direct injection nozzle 114 are adjusted so that the flame does not directly contact the outer peripheral wall. Combustion gas generated in the combustion chamber 102 is injected radially inward through the nozzle vane 107, rotates the rotor blade 106 attached to the rotor 101, and is exhausted from the exhaust gas nozzle.

更に、本発明のマイクロマシンガスタービンは、モータ/ジェネレータ115を備える。このモータ/ジェネレータ115は、ロータブレード106の端面に取り付けられたロータフィルム116と、ロータフィルム116に対向して本体側に取り付けられたステータ117とからなり、モータ(電動機)とジェネレータ(発電機)の両方の機能を有し、始動時にはロータを回転駆動してコンプレッサにより空気を圧縮して燃焼室での燃焼を始動させ、ロータの安定回転後に電気を発電するようになっている。   Furthermore, the micromachine gas turbine of the present invention includes a motor / generator 115. The motor / generator 115 includes a rotor film 116 attached to the end face of the rotor blade 106, and a stator 117 attached to the main body side so as to face the rotor film 116, and includes a motor (electric motor) and a generator (generator). Both of these functions are provided, and at the time of start-up, the rotor is rotationally driven, air is compressed by a compressor to start combustion in the combustion chamber, and electricity is generated after stable rotation of the rotor.

上述した本発明の構成によれば、燃焼室102のコンプレッサ側には圧縮空気通路109があり、タービン側には燃料ガス通路112があり、それぞれ圧縮空気と燃料ガスにより冷却されているので、両方の隔壁110,113を下げることができる。また、この両方の隔壁110,113の外側に本体の外壁118,119があるので、その中間の空気層と燃料ガス層により外壁118,119への伝熱を低減し、外壁からの熱損失を低減することができる。   According to the configuration of the present invention described above, there is a compressed air passage 109 on the compressor side of the combustion chamber 102 and a fuel gas passage 112 on the turbine side, which is cooled by compressed air and fuel gas, respectively. The partition walls 110 and 113 can be lowered. Further, since the outer walls 118 and 119 of the main body are outside the both partition walls 110 and 113, heat transfer to the outer walls 118 and 119 is reduced by the air layer and the fuel gas layer in the middle, and heat loss from the outer walls is reduced. Can be reduced.

燃料ガスは空気と予混合されずに、直噴ノズル114から燃焼室に直接噴射されるので、この噴射速度と向きを調整することにより、外周壁に燃焼ガスが接触しないように火炎を形成することができ、外周壁の温度上昇を更に抑えることができる。   The fuel gas is directly injected into the combustion chamber from the direct injection nozzle 114 without being premixed with air, so that by adjusting the injection speed and direction, a flame is formed so that the combustion gas does not contact the outer peripheral wall. The temperature rise of the outer peripheral wall can be further suppressed.

上記比較例のタービンは、燃料ガスが水素であるが、燃料の水素は水素ボンベや水素のパイプラインなどにより供給される。電気分解などでオンサイトで製造した水素を利用することも可能であるが、水素製造を外部で行うために水素製造に必要なエネルギーを消費してしまうために、オンサイト水素製造の場合はシステムの効率が低下するという問題がある。   In the turbine of the comparative example, the fuel gas is hydrogen, but the hydrogen of the fuel is supplied by a hydrogen cylinder or a hydrogen pipeline. Although it is possible to use hydrogen produced on-site by electrolysis, etc., it consumes the energy necessary for hydrogen production to carry out hydrogen production externally, so in the case of on-site hydrogen production, There is a problem that the efficiency of the system decreases.

図2は、本発明のハイドライドタービンの半断面図である。比較例とは空気圧縮器がハイドライドを改質するための内部改質部になっている点、空気圧縮機が燃焼部と別に配置されている点が異なる。ハイドライドタービンはタービンの燃焼熱を触媒反応に利用できるようにするため、燃焼器と改質部を隣接する必要があり、空気圧縮機を別途配置させている。   FIG. 2 is a half sectional view of the hydride turbine of the present invention. It differs from the comparative example in that the air compressor is an internal reforming section for reforming hydride and the air compressor is arranged separately from the combustion section. The hydride turbine needs to be adjacent to the combustor and the reforming unit so that the combustion heat of the turbine can be used for the catalytic reaction, and an air compressor is separately arranged.

本実施例のハイドライドタービンは、圧縮機,燃焼器207,発電機などの基本的な構成は比較例1と同様であるが、圧縮機206は燃焼器の回転軸に別途設置されている。本実施例のハイドライドタービンは内部改質部201,冷却部202が設けられており、燃料のハイドライドからタービンの燃焼排熱を利用して水素と脱水素化物を製造する。製造した水素と脱水素化物は冷却部で分離され、脱水素化物は冷却後液化し、タンクに貯蔵される。冷却部には冷却水配管203が設けられており、外部から供給された水と熱交換し給湯などを行うことが可能でコージェネシステム化することができる。   The basic configuration of the hydride turbine of the present embodiment, such as a compressor, a combustor 207, and a generator, is the same as that of the first comparative example, but the compressor 206 is separately installed on the rotating shaft of the combustor. The hydride turbine of this embodiment is provided with an internal reforming unit 201 and a cooling unit 202, and produces hydrogen and a dehydrogenated product from fuel hydride using combustion exhaust heat of the turbine. The produced hydrogen and dehydrogenated product are separated in a cooling section, and the dehydrogenated product is liquefied after cooling and stored in a tank. A cooling water pipe 203 is provided in the cooling unit, and heat can be exchanged with water supplied from the outside to perform hot water supply, so that a cogeneration system can be realized.

一方、燃料タンクは図示していないが燃料である水素化した有機ハイドライドと廃液である脱水素化した芳香族化合物の両者を貯蔵しなくてはならない。二つのタンクを使用するのが最も簡単であるが、容積が2倍となる。そこで本発明は一つのタンクで燃料と廃液を両方貯蔵できるタンクを作成した。   On the other hand, although not shown, the fuel tank must store both hydrogenated organic hydride as fuel and dehydrogenated aromatic compound as waste liquid. It is easiest to use two tanks, but the volume is doubled. Therefore, the present invention has created a tank that can store both fuel and waste liquid in a single tank.

タンク内部は可動式の仕切り板が設置されており、燃料と廃液をタンク内に上下に区分して貯蔵できるようになっている。下部が燃料貯蔵で上部が廃液タンクである。はじめに空のタンクに燃料を貯蔵するため上部の注入口より燃料がタンク内に注入され、仕切り板が上昇し、タンク内は燃料で満たされる。次に水素供給し発電を行う際には燃料タンク内の燃料チューブよりポンプにより吸引されタンクから水素供給装置に燃料が供給される。水素供給し生成した廃液は配管を通りタンク上部の廃液タンクに貯蔵される。燃料が供給されれば仕切り板は下降するため、上部には空間が生じ、廃液のタンク内への侵入が容易になる。さらに、有機ハイドライドの特徴である燃料の密度と廃液である脱水素化物の密度差がほとんどないので、容積の置換えに問題が生じない。   A movable partition plate is installed inside the tank, so that fuel and waste liquid can be stored separately in the tank. The lower part is the fuel storage and the upper part is the waste liquid tank. First, in order to store the fuel in an empty tank, the fuel is injected into the tank from the upper injection port, the partition plate rises, and the tank is filled with fuel. Next, when generating electricity by supplying hydrogen, the fuel is sucked from the fuel tube in the fuel tank by the pump, and the fuel is supplied from the tank to the hydrogen supply device. Waste liquid generated by supplying hydrogen is stored in the waste liquid tank at the top of the tank through the pipe. When the fuel is supplied, the partition plate descends, so that a space is created in the upper part, and the waste liquid can easily enter the tank. Furthermore, since there is almost no difference in density between the fuel density, which is a characteristic of organic hydride, and the dehydrogenated product, which is a waste liquid, there is no problem in volume replacement.

水素供給を行い燃料がなくなりタンクが廃液で満たされると、例えばタンクローリによる回収と燃料の供給を行う。タンクローリは燃料供給口と廃液取り出し口に配管を接続し、回収と燃料供給を行う。回収と燃料供給の操作は、燃料供給をポンプで行えば、仕切り板が上昇するので、廃液が自然とタンクローリの廃液タンクに注入されるようになっている。タンクローリのタンクもまた内部に可動式の仕切り板を有しており、燃料と廃液を区分して貯蔵している。燃料供給時に自然に廃液をスムーズに回収できるよう、家庭内のタンク同様に上部が廃液層で下部が燃料層になっている。   When hydrogen is supplied and the fuel runs out and the tank is filled with waste liquid, for example, recovery by a tank truck and supply of fuel are performed. The tank truck is connected to a fuel supply port and a waste liquid outlet to perform recovery and fuel supply. In the operation of recovery and fuel supply, if the fuel supply is performed by a pump, the partition plate rises, so that the waste liquid is naturally injected into the waste liquid tank of the tank truck. The tank truck also has a movable partition inside, and stores fuel and waste liquid separately. The upper part is a waste liquid layer and the lower part is a fuel layer so that the waste liquid can be collected smoothly and smoothly when fuel is supplied.

発生した水素は燃料流路を通り、直噴ノズルより燃焼室内に供給される。改質部201では燃料隔壁、タービンブレード表面にPt/アルミナ触媒205が塗布されている。改質部のタービンブレードの構造は空気圧縮機と同様な構造をしており、発生した水素は圧縮され、一旦外部に設けられた水素の予備タンク204に貯蔵され、必要な量タンクから燃料流路を通り燃焼室に供給され、タービンブレード,ロータを回転し発電する。   The generated hydrogen passes through the fuel flow path and is supplied into the combustion chamber from the direct injection nozzle. In the reforming unit 201, a Pt / alumina catalyst 205 is applied to the fuel partition wall and the turbine blade surface. The turbine blade structure in the reforming section has the same structure as an air compressor, and the generated hydrogen is compressed and temporarily stored in a hydrogen reserve tank 204 provided outside. It is supplied to the combustion chamber through the road and rotates the turbine blade and rotor to generate electricity.

このようにハイドライドタービンは内部改質によりハイドライドから安全に効率よく水素を製造し、水素を燃焼するCO2 排出のないクリーンな発電装置を作製することができた。 In this way, the hydride turbine can produce hydrogen safely and efficiently from the hydride by internal reforming, and can produce a clean power generator that does not emit CO 2 and burns hydrogen.

なお、本発明は上述した実施例及び実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。   In addition, this invention is not limited to the Example and embodiment mentioned above, Of course, it can change variously in the range which does not deviate from the summary of this invention.

水素エネルギーを利用した発電装置であって、家庭用などの分散電源およびハイブリット自動車などに利用できる。   It is a power generation device using hydrogen energy, and can be used for a distributed power source for home use, a hybrid vehicle, and the like.

従来のマイクロガスタービンの半断面図である。It is a half sectional view of a conventional micro gas turbine. 本発明のハイドライドタービンの半断面図である。It is a half sectional view of the hydride turbine of the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

100…回転軸、101…ロータ、102…燃焼室、103…ロータブレード、104…ディフューダベーン、105…コンプレッサ、106…ロータブレード、107…ノズルベーン、108…タービン、109…圧縮空気通路、110…空気用隔壁、111…貫通孔、112…燃料ガス通路、113…燃料用隔壁、114…直噴ノズル、115…モータ/ジェネレータ、116…ロータフィルム、117…ステータ、118,119…外壁
、201…改質部、202…冷却部、203…冷却水配管、204…予備タンク、205…触媒、206…圧縮機。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Rotating shaft 101 ... Rotor 102 ... Combustion chamber 103 ... Rotor blade 104 104 Diffuser vane 105 ... Compressor 106 ... Rotor blade 107 107 Nozzle vane 108 ... Turbine 109 109 Compressed air passage 110 DESCRIPTION OF SYMBOLS ... Air partition, 111 ... Through-hole, 112 ... Fuel gas passage, 113 ... Fuel partition, 114 ... Direct injection nozzle, 115 ... Motor / generator, 116 ... Rotor film, 117 ... Stator, 118, 119 ... Outer wall, 201 ... reforming section, 202 ... cooling section, 203 ... cooling water piping, 204 ... spare tank, 205 ... catalyst, 206 ... compressor.

Claims (5)

ハイドライドを燃料に用いた水素燃焼タービン発電機において、少なくとも空気圧縮部,内部燃料改質部,タービン部,燃焼部,冷却部,発電部からなり、前記内部燃料改質部と少なくとも一つの燃焼部が同軸状に存在することを特徴とする水素燃焼タービン発電機。 In the hydrogen combustion turbine generator using a hydride fuel, at least the air compressor unit, the fuel reforming portion, the turbine section, a combustion section, cooling section, Ri Do from the power generation unit, at least one combustion and the internal fuel reforming portion A hydrogen combustion turbine generator characterized in that the parts are coaxial . 前記内部燃料改質部が、タービンブレード,燃料隔壁の各表面に触媒を塗布したことを特徴とする請求項1記載の水素燃焼タービン発電機。 The hydrogen combustion turbine generator according to claim 1, wherein the internal fuel reforming portion is coated with a catalyst on each surface of a turbine blade and a fuel partition wall. 前記触媒が金属触媒と担体材料からなり、前記金属触媒がPt,Rh,Ru,Re,Pd,Ir,Os,Ni,Cr,Moから選ばれた金属またはこれらの合金であって、担体材料が活性炭,炭素材料,アルミナ,シリカ,ゼオライト,珪藻土,ZnO,ZrOから選ばれる担体またはこれらの混合物であることを特徴とする請求項2記載の水素燃焼タービン発電機。 The catalyst comprises a metal catalyst and a support material, and the metal catalyst is a metal selected from Pt, Rh, Ru, Re, Pd, Ir, Os, Ni, Cr, and Mo, or an alloy thereof, wherein the support material is The hydrogen combustion turbine generator according to claim 2 , which is a carrier selected from activated carbon, carbon material, alumina, silica, zeolite, diatomaceous earth, ZnO, ZrO 2 or a mixture thereof. 前記冷却部が、給湯器であることを特徴とする請求項3のいずれかに記載の水素燃焼タービン発電機。 Wherein the cooling unit is a hydrogen combustion turbine generator according to any one of claims 1 to 3, characterized in that it is a water heater. 前記触媒の加熱をタービンの廃熱を利用することを特徴とする請求項4のいずれかに記載の水素燃焼タービン発電機。 Hydrogen combustion turbine generator according to any one of claims 2 to 4, characterized in that the heating of the catalysts utilizing turbine waste heat.
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