CN102844467A

CN102844467A - 氢的产生方法、氢的利用方法以及发电系统

Info

Publication number: CN102844467A
Application number: CN2011800161154A
Authority: CN
Inventors: 小岛由继; 市川贵之; 铃木启史; 花田信子
Original assignee: NAT UNIVERSITY OF CORP HIROSHI; Sophia School Corp
Current assignee: NAT UNIVERSITY OF CORP HIROSHI; Sophia School Corp
Priority date: 2010-03-25
Filing date: 2011-03-25
Publication date: 2012-12-26
Also published as: US20130022887A1; EP2551379A4; JPWO2011118772A1; JP5717257B2; WO2011118772A1; EP2551379A1

Abstract

用小的电解能量来有效产生氢。通过对添加了电解质的液体氨进行电解来产生氢，通过所产生的氢与氧之间的反应来发电。由于液体氨的电解能量小，可以有效地产生大量的氢。来自由电解产生的氢所获得的电能比液体氨的电解所需要的电能大。因此，可以从小的电源转换为大的电力来利用。

Description

氢的产生方法、氢的利用方法以及发电系统

技术领域

本发明涉及氢的产生方法、氢的利用方法以及发电系统。

背景技术

氢在石油精制、化学工业、汽车工业等为首的产业领域中广泛使用。特别是近年来，作为未来能源的氢受到关注，正在进行燃料电池、氢引擎等的研究。

水是含有11质量％的氢的液体物质。作为产生氢的方法，周知有水的电解。但是，水的电解需要比由此而得到的能量更大的能量。因此，使用通过水的电解而得到的氢来运行燃料电池是不合算的。

此外，专利文献1中，公开了使用氨水溶液作为氢源来产生氢的用于产生氢的电解池。

现有技术文献

专利文献：

专利文献1：日本特开2010-53383号公报

发明内容

发明所要解决的问题

专利文献1中作为氢源使用氨水溶液。因此，在电解时，电力的一部分被消耗于水的电解。由于水的电解需要比由此得到的能量更大的能量，因而也有氢的产生效率低的问题。

此外，氨水溶液中，氨在0.077V的电压下分解。该电压虽然比水的情形下的电压要低，但氨的水溶液中的最大浓度为47质量％。因此，与同体积的纯粹的氨的情形相比，从氨水溶液中取出一半以下的来自氨的氢。因此，不能提高氢的产生效率。

本发明就是鉴于上述事项而进行的，目的在于提供以小的电解能量来有效产生氢的氢的产生方法、氢的利用方法以及发电系统。

解决问题的手段

本发明的第1方面所涉及的氢的产生方法，特征在于，通过对添加了电解质的液体氨进行电解来产生氢。

此外，上述电解质优选为金属酰胺。

此外，上述金属酰胺优选为钾酰胺。

此外，上述钾酰胺优选添加1M以上8M以下。

本发明的第2方面所涉及的氢的利用方法，特征在于，通过氧与由本发明的第1方面所涉及的氢的产生方法所产生的氢之间的电化学反应来进行发电。

本发明的第3方面所涉及的发电系统，特征在于，具有：氢产生部，所述氢产生部根据本发明的第1方面所涉及的氢的产生方法来产生氢；和发电部，所述发电部通过氧与所产生的所述氢之间的电化学反应进行发电。

发明效果

本发明所涉及的氢的产生方法中，通过对添加了电解质的液体氨进行电解来产生氢。由于液体氨的电解能量小，可以有效地产生大量的氢。来自由电解产生的氢所得到的电能，比电解液体氨所需要的电能大。因此，可以从小的电源转换为大的电力来利用。

附图说明

图1是将产生的氢作为燃料电池的燃料来利用时的模式图。

图2是氢引擎驱动系统的模式图。

图3是实施例中制造的KNH₂的XRD图谱。

图4是KNH₂的XRD图谱。

图5是显示实施例1中的电流以及池内压力随时间变化的曲线。

图6是实施例1的池内气体气相色谱曲线测定结果。

图7是实施例1、2及比较例1的CV测定图。

具体实施方式

对本发明的实施方式所涉及的氢的产生方法进行说明。在产生氢的方法中，通过对添加了电解质的液体氨进行电解来产生氢。

本实施方式中，作为液体氨使用无水液体氨。在无水液体氨中浸入负极和正极。在该两电极上连接电池等电源从而施加电压，由此可以从负极产生氢。

只要在保持无水氨为液状的条件下即可进行电解。氨的熔点是-77.7℃，沸点是-33.4℃。因此，在常压下进行电解时，只要把氨的温度维持在-77.7℃～-33.4℃来进行即可。此外，在常温下进行电解时，也可以提高压力来将无水氨维持为液状。例如，在20℃、8.5atm的条件下，可以维持无水氨为液状，能够进行电解。

所添加的电解质只要是对于氨的溶解度高的金属酰胺即可。金属酰胺可以是锂酰胺(LiNH₂)、钠酰胺(NaNH₂)、钾酰胺(KNH₂)等的碱金属酰胺、钙酰胺((Ca(NH₂)₂))等碱土金属酰胺。添加到至少可以进行无水液体氨的电解的量的电解质。此外，电解质的添加量优选添加无水液体氨中最大限能够溶解的量。例如，在使用钾酰胺时，可以在1M以上8M以下的范围内添加。

无水液体氨的电解中正极和负极上发生的反应示于下式。

[化1]

此外，氨的理论分解电压如下式所示为0.077V。

[数1]

E⁰＝-ΔG⁰/3F+RT ln(p_N2 ^1/2p_H2 ^3/2)/3F

＝0.077V

ΔG⁰＝-10.984kJ/mol NH₃，p_N2＝p_H2＝0.99MPa

另一方面，水的电解中正极及负极上发生的反应示于下式中。

[化2]

此外，水的理论分解电压为如下式所示的1.23V。

[数2]

E⁰＝-ΔG⁰/2F

＝1.23V

ΔG⁰＝-237.1kJ/mol H₂O

这样，氨的电解所需要的电能在理论上与水的电解所需要的电能相比是5％以下。而且，本实施方式中，使用不含有水的无水液体氨。因此，电解中所使用的电能不用于水的电解，有效地用于氨的电解。如此，通过使用无水液体氨可以以少量电能产生大量的氢。

接着，对如上所产生的氢的利用方法以及发电系统进行说明。

作为通过所产生的氢与氧之间的电化学反应来进行发电的氢的利用方法以及发电系统的一例，在图1中示出了将产生的氢作为燃料电池的燃料来利用时的模式图。首先，在氢产生部10，电解在电解槽12内的无水液体氨16而产生氢。使用电源11在正极13和负极14之间施加电压，则在负极14上产生氢。

将产生的氢经过氢供给管15供给到在发电部30的氧化还原反应槽31中配置的负极32。另一方面，来自氧罐21的氧经过氧供给管22供给到在氧化还原反应槽31中配置的正极33。这里，正极33与负极32分别经过配线与电机、照明、蓄电装置等的电气装置40连接。

在负极32上氢失去电子。从氢放出的电子经过配线以及用电装置40流向正极33，在正极33上氧接受该电子而被还原。由此，通过氢和氧之间的氧化还原反应，可以发电以驱动用电装置40。需要说明的是，被氧化的氢与被还原的氧生成水34。

通过使用电源11进行电解从无水液体氨16产生氢。以产生的氢作为燃料的燃料电池可以供给比电源11更多的电力。

电气装置40可以是能够使汽车行走的电机，也可以用于电动汽车。通过采用本实施方式所涉及的氢的产生方法，使用电源11对无水液体氨进行电解来产生氢，用所产生的氢来进行发电，可以向电机或电动汽车供给电力。另一方面，也可以从同容量的电源11自身向电机或电动汽车供给电力。由所产生的氢带来的电力导致的电动汽车的走行距离比由电源11自身的电力所导致的行走距离长。

需要说明的是，在无水液体氨16的电解中，除了氢以外还产生氮。因此，优选将氢和氮进行分离，仅将氢供给至负极32。

此外，可以将产生的氢应用于氢引擎的驱动。作为一例，图2示出了利用所产生的氢作为燃料来驱动氢引擎的氢引擎驱动系统的模式图。与上述同样，产生的氢经过氢供给管15供给到氢引擎50的壳体(ハウジング)54内。氢被压缩并由点火装置52来点火而燃烧，使转子51旋转。通过该转子51的旋转而使轴53旋转，通过将轴53的旋转传导到车轴，可以使汽车行走。

此外，可以将所产生的氢作为燃料来驱动发电机来发电。例如，在参照图2所说明的氢引擎的轴53上连接作为发电装置的电机的轴。电机是利用电磁感应的法则通过旋转能够从机械能得到电能的装置。如上所述所产生的氢作为燃料来驱动氢引擎，则轴53旋转。通过轴53的旋转可以使电机的轴旋转。通过将该电机的轴的旋转能量转化为电能能够发电。

需要说明的是，本实施方式中作为液体氨使用了无水液体氨，但液体氨并不限于无水液体氨。液体氨例如也可以含有水这样的少量其它成分。

实施例

对于由无水液体氨的电解所产生的氢量和由水的电解所产生的氢量进行比较验证。

首先，生成作为电解质而使用的KNH₂。在氢化钾(KH)中添加液体氨，在室温下放置一晚，得到生成物。

图3示出了所得生成物的XRD图谱。此外，作为参考数据，图4示出了KNH₂的XRD峰。生成物的XRD图谱中所观察到的峰与KNH₂的XRD峰相一致，由此确认了所得生成物是KNH₂。将所生成的KNH₂作为电解质用于以下实施例。

(实施例1)

进行无水液体氨的电解，通过恒压测定以及循环伏安(CV)测定来评价电化学特性。此外，定电压测定中，连续测定电解池内的压力。而且，通过对测定后的池内的气体进行气相色谱曲线测定来进行气体特性评价。

将无水液体氨以及作为电解质的KNH₂投入到电解池(以下也仅记为“池”)中。电解池使用不锈钢制高压池(2电极)。电解是白金板(20mm×20mm×0.2mm)。添加的无水液体氨的量是12ml，KNH₂是1M。氨的液温为25℃。需要说明的是，在液面下的电极是10mm×10mm×0.2mm。

(恒压测定)

对电极施加2V的电压10小时来电解无水液体氨，进行定电压测定。需要说明的是，在室温(约25℃)下进行。

图5显示电流以及池内压力的随时间的变化。可知持续10小时流过电流。此外，池内压力直线状升高，可知持续产生气体。

此外，图6显示池内气体的气相色谱曲线测定结果。观察图6，则观察到氢(H₂)的峰，确认在池内产生氢。

(CV测定)

与上述同样地在池内加入无水液体氨等，进行CV测定。CV测定中的扫描速度为1mV/s，扫描范围为0～2.0V，进行3个循环。对电极(CE)以及参比电极(RE)是白金板。

(实施例2)

除了KNH₂的添加量为5M以外，在全部与实施例1相同的条件下进行CV测定。

(比较例1)

代替氨和KNH₂，在池内添加水和作为电解质的KOH 1M，除此之外是与实施例1同样的条件，进行CV测定。

(比较例2)

代替氨和KNH₂，在池内添加水和作为电解质的KOH 5M，除此之外是与实施例1同样的条件，进行CV测定。。

实施例1、2及比较例1的CV测定图示于图7。此外，由实施例1、2及比较例1、2的CV测定结果算出各自所产生的氢量。实施例1以及比较例1所产生的氢量示于表1，实施例2以及比较例2中所产生的氢量示于表2。需要说明的是，氢量的计算是以流过的电流全部用于氨以及水的分解来算出的。

[表1]

[表2]

如此，可知在通过无水液体氨的电解来产生氢的情况下，与水的电解相比氢生成效率明显更好。特别是在无水液体氨中添加KNH₂ 5M时，即使施加0.1V这样的低电压，也能进行电解而产生氢。

需要说明的是，在不脱离本发明的广义精神和范围的条件下本发明可以进行各种实施形态以及变形。此外，上述的实施方式只是用于说明本发明，不限定本发明的范围。

本申请基于2010年3月25日提出的日本国专利申请2010-070275号。本明说明书中，将日本国专利申请2010-070275号的说明书、权利要求书、附图全体作为参考而引入。

产业的利用可能性

如以上说明，可以将无水液体氨作为氢源来产生氢，并将该氢作为燃料电池、氢引擎等的燃料来使用。因此，可以在燃料电池汽车、氢引擎汽车、发电装置等各种产业领域中利用。

附图标记说明

Claims

1.一种氢的产生方法，其特征在于，通过对添加了电解质的液体氨进行电解来产生氢。

2.如权利要求1所述的氢的产生方法，其特征在于，所述电解质是金属酰胺。

3.如权利要求2所述的氢的产生方法，其特征在于，所述金属酰胺是钾酰胺。

4.如权利要求3所述的氢的产生方法，其特征在于，所述钾酰胺添加1M以上8M以下。

5.一种氢的利用方法，其特征在于，通过氧和根据权利要求1～4任一项所述的氢的产生方法所产生的氢之间的电化学反应来进行发电。

6.一种发电系统，其特征在于，具有：

氢产生部，所述氢产生部根据权利要求1～4任一项所述的氢的产生方法来产生氢；和

发电部，所述发电部通过氧与所产生的所述氢之间的电化学反应来进行发电。