JP2002154802A

JP2002154802A - 水素ガス生成装置

Info

Publication number: JP2002154802A
Application number: JP2000347718A
Authority: JP
Inventors: Harumichi Nakanishi; 治通中西; Shinichi Matsumoto; 信一松本
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2000-11-15
Filing date: 2000-11-15
Publication date: 2002-05-28

Abstract

(57)【要約】【課題】ケミカルハイドライドと呼ばれる金属水素化
物を用いて水素ガスを効率的に生成する。【解決手段】金属水素化物を加水分解するための反応
器を複数並列に設ける。各反応器には金属水素化物を保
持しておく。加水分解用の水は、まとめて貯蔵し、各反
応器に分配供給する。小型の反応器を並列することによ
り、各反応器での反応率を向上させることができる。ま
た、水素ガスの要求量に応じて反応に使用する反応器数
を制御することにより、過剰の水素生成を回避すること
ができ、無駄を低減することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、金属水素化物を加
水分解または熱分解して、水素ガス、特に燃料電池用の
水素リッチな燃料ガスを生成する技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】水素と酸素の電気化学反応により起電力
を得る燃料電池では、燃料として水素ガスが必要とな
る。水素ガスを生成するシステム例として、金属水素化
物、いわゆるケミカルハイドライドを用いた構成が知ら
れている。

【０００３】ケミカルハイドライドとは、アルカリ金属
または錯金属と水素の化合物であり、加水分解または熱
分解して水素を生成する性質を有する物質である。エネ
ルギ密度が非常に高い物質として知られている。昨今の
研究により、ケミカルハイドライドとして、ＮａＨ、Ｎ
ａＢＨ₄、ＮａＡｌＨ₄、ＬｉＡｌＨ₄、ＬｉＢＨ₄、Ｌｉ
Ｈ、ＣａＨ₂、ＡｌＨ₃、ＭｇＨ₂などの金属水素化物が
知られている。

【０００４】金属水素化物を利用した水素ガスの生成に
は、次の特徴がある。第１に、金属水素化物を加水分解
する場合、反応による生成物が金属水素化物の表面を覆
い、途中で反応が停止してしまう。反応率、即ち全金属
水素化物中で反応した物質の割合は、通常、約５０％程
度しか得られないことが確認されている。従って、反応
を促進するための手段を講じる必要がある。

【０００５】第２に、金属水素化物は、反応が始まる
と、人為的に反応を停止させることはできない。かかる
点を考慮に基づき、金属水素化物を利用した水素ガス生
成システムでは、間欠的に水素を生成する方式が採られ
ていた。間欠的な生成では、必要とされる水素ガスの量
に関わらず、一定量の金属水素化物に十分な水または熱
を加え、水素を生成させる。こうして生成された水素
は、一旦、タンク等に貯蔵され、徐々に使用される。水
素の貯蔵量が所定の基準を下回った時に、再び水素ガス
の生成が行われる。

【０００６】第３に、金属水素化物の分解では、固体か
ら気体が発生するため、体積膨張率が非常に大きい。従
って、反応器内部は、高圧になる。特に、燃料電池の燃
料に適用する際には、一般に要求される水素ガスの量も
多いため、反応器内部は高圧になりやすい。高圧ガスの
取り扱いには、法的規制があるのが通常であり、反応器
は、かかる規制を満たす構成とすることが要求される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】金属水素化物を用いた
従来の水素ガス生成装置では、いかにして反応を生じさ
せるかという点に主眼が置かれており、上述の特徴が十
分に考慮されていなかった。従って、従来の水素ガス生
成装置では、実用性が十分とは言えなかった。特に、効
率面で改善の余地が大きかった。例えば、間欠的な生成
方法では、貯蔵された水素ガスの遺漏による無駄が生じ
やすかった。本発明は、金属水素化物を用いた水素ガス
生成の実用性、効率の向上を図ることを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段およびその作用・効果】上
述の課題の少なくとも一部を解決するために、本発明で
は、金属水素化物を加水分解または熱分解して水素ガス
を生成する水素ガス生成装置において、分解反応を行う
ための反応器を、複数用意し、これらを並列に設けるも
のとした。反応器で生成された水素ガスは、合流され排
出路から排出される。反応器は、複数用意されている
が、水素ガス生成装置からのガス排出系統は、一系統と
なる。

【０００９】反応器は、統一的な容積および耐圧として
もよいし、異なる容積および耐圧のものを混在させても
よい。但し、各反応器は、高圧ガスに対する法的規制を
満足する範囲で用意されることが好ましい。かかる規制
として、日本国においては、高圧ガス保安法による規制
が挙げられる。

【００１０】複数の反応器を並列することにより、次に
列挙する種々の利点を得ることができる。第１に反応器
の数を増すことにより、高圧ガスの法的規制を満足しつ
つ、生成可能なガス量を増大することができる。第２に
水素ガス供給の安定性を向上することができる。つま
り、反応器の一部に支障が生じた場合でも、残余の反応
器を用いて一定量の水素ガスの供給を確保することがで
きる。

【００１１】金属水素化物の分解反応を促進するため
に、触媒を使用する際には、反応器の並列によって起動
時間を短縮することもできる。金属水素化物の分解反応
に使用される触媒としては、例えば、白金系、ルテニウ
ム系、チタニア系、白金−チタニア系などを用いること
ができる。これらの触媒を機能させるためには、所定の
活性化温度まで上昇させる必要がある。本発明では、複
数の反応器で水素ガスを生成するため、個々の反応器は
比較的小型になる。従って、反応器ごとに触媒の暖機を
速やかに行うことが可能となり、暖機に要する時間を短
縮することができる。

【００１２】金属水素化物、水など反応に供される物質
は、反応器ごとに個別に備える構成としてもよいし、ま
とめて貯蔵する構成としてもよい。前者の場合は、運転
過程においても反応器ごとに物質の補充を行いやすい利
点がある。後者の態様ではまとめて貯蔵された物質を各
反応器で柔軟に使用することができる利点がある。例え
ば、一部の反応器に支障が生じた場合でも、貯蔵された
物質は他の反応器で有効活用することができる。また、
まとめて貯蔵することにより、貯蔵部の容積効率を向上
しやすく、装置の小型化を図ることができる利点もあ
る。後者の態様においては、必ずしも反応に供される全
物質をまとめて貯蔵する必要はない。例えば、金属水素
化物のみをまとめて貯蔵し、水を各反応器ごとに貯蔵す
る構成、またはこれに準ずる構成を採っても良い。

【００１３】本発明の装置では、複数の反応器で一様に
反応を行わせる態様を採ることも可能ではあるが、複数
の反応器における反応を個別に制御することが更に望ま
しい。例えば、要求水素量に応じて各反応器で金属水素
化物、およびそれに供給する水または熱の量を制御する
ことにより、無駄なく水素ガスを生成することができ
る。従来の間欠的な生成方法と異なり、多量の水素ガス
の貯蔵に伴う遺漏などの無駄を抑制でき、水素ガスの生
成効率を向上することができる。

【００１４】また、高圧ガスの法的規制を満足するよう
に各反応器ごとに反応を制御してもよい。例えば、各反
応器に圧力センサを設け、その出力が法的規制を満足す
るように、金属水素化物、およびそれに供給する水また
は熱の量を制御する態様を採ることができる。こうすれ
ば、法的規制を満足しつつ、安定した運転を実現するこ
とができる。

【００１５】上述のように、各反応器での水素ガスの生
成量を制御する態様の他、水素ガスの要求量に応じて反
応を行わせる反応器の数を制御する態様を採ることもで
きる。要求水素量の増加とともに使用する反応器数を増
やし、減少とともに反応器数を減らす態様である。こう
すれば、各反応器内の反応に複雑な制御を施すまでな
く、水素の生成量を段階的に調整することができ、間欠
的な生成方法に伴う水素の遺漏等を抑制することができ
る。

【００１６】異なる容積の反応器が混在している場合に
は、水素ガスの要求量に応じて、反応に使用する反応器
を切り換えても良い。例えば、容積が大小２種類の反応
器が１つずつ備えられている場合を考える。水素ガスの
生成量は、ほぼ容積に比例する。従って、水素ガスの要
求量が比較的低い場合には、容積が小さい反応器を使用
すればよい。要求量が中程度の場合には、容積が大きい
反応器を使用すればよい。要求量が更に増した場合に
は、双方の反応器を使用すればよい。このように容積の
異なる反応器が混在している場合には、使用する反応器
の切り換えにより、水素ガスの生成量をより柔軟に制御
することができる。

【００１７】本発明は、水素ガス生成装置としての構成
の他、該水素ガス生成装置と燃料電池とからなる燃料電
池システム、該燃料電池システムによる電力をエネルギ
源として利用する移動体など種々の態様で構成すること
ができる。また、水素ガス生成方法として構成してもよ
い。

【００１８】

【発明の実施の形態】本発明の実施例を以下の項目に分
けて説明する。Ａ．システム構成：Ｂ．水素ガス生成制御：Ｃ．制御の変形例：Ｄ．システムの変形例：

【００１９】Ａ．システム構成：図１は実施例としての
水素ガス生成装置を用いた燃料電池システムの概略構成
を示す説明図である。本実施例では、金属水素化物を加
水分解して水素ガスを生成するシステム例を示す。生成
された水素ガスは、燃料電池５のアノード５ａに供給さ
れる。燃料電池５は、アノード５ａに供給された水素
と、カソード５ｃに供給された空気中の酸素との電気化
学反応によって発電する。燃料電池５は、本実施例で
は、固体高分子型を用いた。燐酸型など種々のタイプを
適用可能である。なお、燃料電池５には、水素ガスの供
給量、圧力を制御するためのバルブ等が設けられている
が、本実施例では、これらの制御機構を含めて一つのユ
ニットとして示した。燃料電池５の運転は、内部にＣＰ
Ｕ，ＲＡＭ，ＲＯＭを備えるマイクロコンピュータで構
成された制御ユニット８によって制御される。

【００２０】図１において、燃料電池を除いた部分が水
素ガス生成装置に相当する。水素ガス生成装置には、５
つの反応器１０Ａ〜１０Ｅが備えられている。それぞれ
を反応器Ａ〜反応器Ｅと称するものとする。これらの反
応器の内部には、金属水素化物の固まりが保持されてい
る。反応を促進するため、反応器内に触媒を担持するも
のとしてもよい。触媒としては、白金系、チタニア系、
ルテニウム系、白金−ルテニウム系を用いることができ
る。

【００２１】本実施例では、金属水素化物として、Ｎａ
ＢＨ₄を用いた。この物質は、次の反応式に従って加水
分解し、水素を生成する。ＮａＢＨ₄＋２Ｈ₂Ｏ → ４Ｈ₂＋ＮａＢＯ₂ ＮａＢＯ₂は水を取り込む性質があるため、実際には、
１モルのＮａＢＨ₄に対し、２モル以上のＨ₂Ｏ、通常６
モル程度が必要となることが知られている。以下、Ｎａ
ＢＨ₄を燃料と呼び、ＮａＢＯ₂を生成物と呼ぶものとす
る。

【００２２】加水分解反応に必要な水は水タンク１に貯
蔵されている。この水は、制御ユニット８の制御の下、
ポンプ２によって蒸発器３に送られ、水蒸気となって反
応器１０Ａ〜１０Ｅに供給される。反応器１０Ａ〜１０
Ｅに連通する配管には、それぞれ水蒸気の供給をオン・
オフする電磁弁１１Ａ〜１１Ｅが設けられている。電磁
弁１１Ａ〜１１Ｅの動作も制御ユニット８によって制御
される。本実施例では、拡散性および反応の促進を考慮
して水蒸気を用いているが、反応器内部に水を噴霧する
構成を採ることも可能である。

【００２３】反応器１０Ａ〜１０Ｅでは、水蒸気によっ
て金属水素化物が加水分解され、水素が生成される。生
成された水素は、合流して排出管４から燃料電池５に供
給される。

【００２４】反応器１０Ａ〜１０Ｅの内部は、生成され
る水素によって高圧状態となる。各反応器は、この圧力
に耐え得る耐圧構造をなしている。また、各反応器は、
高圧ガスに関する法的規制を満足する仕様となってい
る。本実施例では、日本における現行の法的規制、即ち
高圧ガス保安法の規制に基づいて各反応器を構成した。
この規制に基づけば、各反応器の容積は０．８〜４リッ
トル（Ｌ）の範囲、圧力は０．１〜０．５メガパスカル
（ＭＰａ）の範囲、容積×圧力が０．４ＭＰａＬを超え
ない範囲で反応器は構成される。反応器の仕様は、本実
施例の装置を用いる国の規制内容に応じて柔軟に設定可
能である。

【００２５】Ｂ．水素ガス生成制御：図２は水素ガス生
成制御のフローチャートである。制御ユニット８は、こ
のフローチャートに従って、水素ガスの生成を制御す
る。以下に示す通り、使用する反応器の数を変更するこ
とにより、比較的単純な制御で要求水素量に見合った水
素ガスを生成する。

【００２６】処理が開始されると、制御ユニット８は、
まず要求水素量を入力する（ステップＳ１０）。要求水
素量は外部から指示されるものとしてもよいし、燃料電
池５の要求電力、各反応器内部の水素ガスの圧力等から
制御ユニット８が設定するものとしてもよい。

【００２７】次に、要求水素量に基づき、反応器の使用
数を設定する（ステップＳ１２）。図示する通り、要求
水素量が比較的小さい区間ｄ１においては、１つの反応
器を用いる。区間ｄ２，ｄ３，ｄ４，ｄ５と順次要求水
素量が増えるにつれ、反応器数は２〜５に増大する。区
間ｄ１〜ｄ５の幅は、各反応器での水素ガス生成量を考
慮して任意に設定可能である。反応器が同等の容積、圧
力である場合でも、区間ｄ１〜ｄ５を均等にする必要性
はない。

【００２８】次に、使用数に基づいて、反応を行わせる
反応器を決定する（ステップＳ１４）。５つの反応器に
設定された優先順位が高い順に使用数に応じた反応器が
選択される。優先順位は、予め設定された一定の状態と
してもよいし、種々の条件に応じて変動させてもよい。
前者の態様としては、例えば、反応器Ａ〜反応器Ｅの順
に優先順位を固定的に設定する態様が相当する。反応器
の選択が簡易になるものの、優先順位が最も高い反応器
Ａの使用頻度が非常に高くなる。

【００２９】後者の態様としては、例えば、反応器内部
の金属水素化物の残量が高い順に優先順位を変動させる
態様が挙げられる。金属水素化物の残量は、反応器の重
量、各反応器での水素の生成履歴などに基づいて推測す
ることが可能である。金属水素化物の残量が高い反応器
を優先的に使用することにより、金属水素化物を均等に
使用することが可能となる。

【００３０】反応器の決定に際しては、既に反応が行わ
れている反応器を優先的に使用するものとしてもよい。
こうすることにより、使用される反応器の頻繁な切換を
抑制することができる。

【００３１】こうして決定された反応器に、水蒸気が供
給されるよう、制御ユニット８は、ポンプ２および電磁
弁１１Ａ〜１１Ｅの制御を行う（ステップＳ１６）。各
反応器に供給される水蒸気の量は、要求水素量に関わら
ず一定とした。この結果、使用する反応器の量に応じて
生成される水素ガスの量は、段階的に変更される。余剰
の水素ガスは、排出管４および反応器内部に一時的に貯
蔵される。

【００３２】以上で説明した実施例の水素ガス生成装置
によれば、複数の反応器を並列することにより、高圧ガ
スに対する規制を満足しつつ、装置全体として生成可能
な水素ガスの量を増大することができる。また、使用す
る反応器の数を変更することにより、生成される水素ガ
スの量を段階的に変更することができる。従って、多量
の水素ガス貯蔵に伴う遺漏を抑制し、水素ガスの生成効
率を向上することができる。

【００３３】反応器の小型化に伴い、各反応器での反応
率を向上することができる利点もある。小型化された反
応器では、生成物が金属水素化物の表面を覆う前に、比
較的容易に全量の反応を完了させることができるからで
ある。

【００３４】更に、反応器が並列に設けられているた
め、一部の反応器に支障が生じた場合でも、他の反応器
によって安定的に水素ガスを供給することができる利点
がある。触媒を用いる場合には、反応器単体の小型化に
伴い、触媒の暖機に要する時間の短縮化が図られる利点
もある。各反応器での加水分解に必要な水をまとめて貯
蔵し、水蒸気化して供給することにより、水の供給系統
の容積効率を向上し、装置の小型化を図ることができ
る。

【００３５】Ｃ．制御の変形例：実施例では、使用する
反応器の数を変更することにより、水素ガスの生成量を
制御した。これに対し、各反応器に供給される水蒸気の
量を制御する態様を採ることも可能である。

【００３６】図３は変形例としての水素ガス生成制御の
フローチャートである。制御ユニット８は、要求水素量
を入力すると（ステップＳ２０）、この値に基づいて各
反応器への水蒸気の供給量を設定する（ステップＳ２
２）。変形例では、図示する通り、要求水素量と水蒸気
量との関係を予め記憶したマップに従って供給量を設定
するものとした。両者の関係を関数で記憶してもよい。
こうして設定された水蒸気量が供給されるように、制御
ユニット８は、ポンプ２および電磁弁の制御を行う（ス
テップＳ２４）。

【００３７】変形例の制御によれば、水蒸気量を変える
ことによって、各反応器での水素ガス生成量をほぼ連続
的に制御可能であるため、水素ガス生成時の無駄を更に
抑制することができる。変形例では、全反応器を使用す
ることを前提として示したが、併せて実施例のように反
応器数を制御するものとしてもよい。こうすることで、
より効率的に水素ガスを生成することが可能となる。

【００３８】Ｄ．システムの変形例：実施例（図１）で
は、反応器内に金属水素化物を保持し、水を供給する構
成を例示した。これに対し、反応器内に水を貯蔵し、金
属水素化物の粉末を供給する構成を採ってもよい。ま
た、水と金属水素化物をそれぞれまとめて貯蔵し、両者
を各反応器に分配供給する構成を採ることも可能であ
る。さらに、金属水素化物と水の溶液をまとめて貯蔵
し、触媒が担持された反応器に分配供給する態様を採っ
ても良い。この場合、貯蔵中の加水分解により多量の水
素が生成されることを回避する手段を講じることが望ま
しい。例えば、長時間の貯蔵を回避するため、比較的少
量の貯蔵に留めても良いし、温度やｐＨなど反応速度に
影響を与えるパラメータを調整して反応速度を抑制して
もよい。

【００３９】反応器は次の構成を採ることもできる。図
４は変形例としての燃料電池システムの構成を示す説明
図である。実施例と同じ符号を付した部分については、
同じ構成であるため、説明を省略する。変形例では、反
応器２０の構成が実施例と相違する。

【００４０】図示する通り、変形例では、単一の反応器
２０の内部を仕切ることによって、複数の反応器を構成
する。ここでは、円筒状の反応器２０を４つに仕切り、
小型反応器２０Ａ〜２０Ｄが構成される例を示した。各
反応器には、実施例と同様、水蒸気を分配供給する配管
が連接される。図示の都合上、小型反応器２０Ａ、２０
Ｂに連接される配管のみを示した。図示を省略したが、
これらの配管には、実施例と同様、制御ユニット８の制
御によって、それぞれ水蒸気の供給をオン・オフする電
磁弁が設けられている。

【００４１】小型反応器２０Ａ〜２０Ｄには、それぞれ
金属水素化物が保持されており、実施例における反応器
１０Ａ〜１０Ｅと同様、加水分解によって水素ガスが生
成される。反応器２０の上部は、小型反応器２０Ａ〜２
０Ｄで生成された水素ガスを集約して一時的に貯蔵可能
な貯気室２０Ｅとなっている。生成された水素ガスは、
ここに集約されたのち、排出管４Ａによって燃料電池５
に供給される。かかる構成の反応器２０でも実施例と同
様の利点を得ることができる。

【００４２】図５は第２変形例としての燃料電池システ
ムの構成を示す説明図である。実施例では、単一の水タ
ンク１から水を分配供給する構成を示した。第２変形例
では、各反応器３０Ａ〜３０Ｅごとに、水タンク３２Ａ
〜３２Ｅが備えられている点で実施例と相違する。反応
器３０Ａ〜３０Ｅの内部には、金属水素化物が保持され
ている。電磁弁３１Ａ〜３１Ｅが開くと、水タンク３２
Ａ〜３２Ｅの水は、重力によって反応器内に流れ込み、
金属水素化物を加水分解反応する。ポンプで水を供給す
る構成としてもよい。水蒸気化して供給する構成として
もよい。各反応器で生成された水素は、集約されて燃料
電池５に供給される。このように各反応器ごとに水タン
クを備える構成では、容積効率が低下するものの、運転
中でも各反応器ごとに個別に水タンクの入れ替え等を行
うことができる利点がある。

【００４３】実施例および変形例では、金属水素化物の
加水分解を行う構成を例示したが、熱分解を行う装置と
して構成することも可能である。各構成において、水に
代えてヒータ等で熱を供給するものとすればよい。

【００４４】実施例および変形例では、各反応器の容積
は同等としたが、異なる容積の反応器を組み合わせて用
いる構成としてもよい。

【００４５】以上、本発明の種々の実施例について説明
したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その趣
旨を逸脱しない範囲で種々の構成を採ることができるこ
とはいうまでもない。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例としての水素ガス生成装置を用いた燃料
電池システムの概略構成を示す説明図である。

【図２】水素ガス生成制御のフローチャートである。

【図３】変形例としての水素ガス生成制御のフローチャ
ートである。

【図４】変形例としての燃料電池システムの構成を示す
説明図である。

【図５】第２変形例としての燃料電池システムの構成を
示す説明図である。

【符号の説明】

１…水タンク２…ポンプ３…蒸発器４、４Ａ…排出管５…燃料電池５ａ…アノード５ｃ…カソード８…制御ユニット１０Ａ〜１０Ｅ…反応器１１Ａ〜１１Ｅ…電磁弁２０…反応器２０Ａ〜２０Ｄ…小型反応器２０Ｅ…貯気室３０Ａ〜３０Ｅ…反応器３１Ａ〜３１Ｅ…電磁弁３２Ａ〜３２Ｅ…水タンク

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】金属水素化物を加水分解または熱分解し
て水素ガスを生成する水素ガス生成装置であって、前記分解反応を行うために並列に設けられた複数の反応
器と、該反応器で生成された水素ガスを合流して排出する排出
路とを備える水素ガス生成装置。
【請求項２】請求項１記載の水素ガス生成装置であっ
て、前記反応に供される少なくとも一部の物質を貯蔵する貯
蔵部と、該貯蔵部から前記各反応器に該物質を供給する分配供給
手段とを備える水素ガス生成装置。
【請求項３】請求項１記載の水素ガス生成装置であっ
て、前記複数の反応器における反応を個別に制御可能な制御
手段を備える水素ガス生成装置。
【請求項４】請求項３記載の水素ガス生成装置であっ
て、前記制御手段は、水素ガスの要求量に応じて反応を行わ
せる反応器の数を制御する水素ガス生成装置。
【請求項５】金属水素化物を加水分解または熱分解し
て水素ガスを生成する水素ガス生成方法であって、（ａ）並列に設けられた複数の反応器で前記分解反応
を並行して行う工程と、（ｂ）各反応器で生成された水素ガスを合流して排出
する工程とを備える水素ガス生成方法。