JP2005047765A - 水素生成装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 本発明では、ボロハイドライド燃料から生成される高濃度の反応生成物が触媒に付着するのを防止し、安定性能を維持することができる水素生成装置を提供することを目的とする。
【解決手段】 水素生成装置1は、触媒Mが内蔵された反応器2内で触媒Mとボロハイドライド燃料とを反応させて水素を生成させるものであって、触媒Mが固定される回転板3と、回転板3を回転させるモータ4と、触媒Mに向けてボロハイドライド燃料を吹き付ける燃料噴出装置5と、を備えている。
【選択図】 図1

Description

本発明は、ボロハイドライド燃料を触媒で反応させることで水素を生成する水素生成装置に関するものである。
近年、燃料電池の燃料となる水素を貯蔵しておくための水素貯蔵材料として、NaBH4やKBH4などの金属錯化合物をアルカリ水溶液中に溶解させることによって生成されるボロハイドライド燃料が知られている。このボロハイドライド燃料は、極めて安定した水素貯蔵・供給材料となるとともに、適正な触媒の使用によって、常温・常圧下で水素を発生させることができるといった特性を有している。そして、このようなボロハイドライド燃料から水素を生成する技術としては、従来、例えば内部に触媒が設けられた反応器内にボロハイドライド燃料を流すことで、ボロハイドライド燃料から水素を取り出す水素生成装置が知られている(たとえば、特許文献1参照)。
ちなみに、ボロハイドライド燃料としてのNaBH4の反応式は以下のようになっている。
〈反応式〉
NaBH4+2H2O+M+(NaOH) → NaBO2+4H2+(NaOH)
なお、この反応式における「M」は、ニッケルやコバルト系の触媒である。このように、NaBH4の1分子と、水溶液を構成する水H2Oの2分子とが触媒反応することで水素ガスが生成されることとなる。また、この水素ガスの生成と同時に、反応生成物としてNaBO2も生成される。このNaBO2は、回収された後NaBH4に再生加工され、再び燃料として使用可能である。
特開2002−80202号公報(段落0089〜0094、図12,図13)
しかしながら、従来の水素生成装置では、例えばボロハイドライド燃料としてのNaBH4から水素を生成する際に同時に生成されるNaBO2が高濃度であるため、析出現象等によりこのNaBO2が反応器内の触媒に付着するという問題があった。このようにNaBO2が触媒に付着すると、その後の反応を鈍らせ、水素を安定に取り出すことができなくなるおそれがあった。
そこで、本発明では、ボロハイドライド燃料から生成される反応生成物が触媒に付着するのを防止することができる水素生成装置を提供することを目的とする。
前記課題を解決するための本発明は、触媒が内蔵された反応器内で前記触媒とボロハイドライド燃料とを反応させて水素を生成させる水素生成装置であって、前記触媒が固定される回転体と、前記回転体を回転させる回転駆動装置と、前記触媒に向けて前記ボロハイドライド燃料を吹き付ける燃料噴出装置と、を備えたことを特徴とする。この水素生成装置によれば、反応器内で水素とともに生成される反応生成物は、回転する回転体によって遠心分離する。
本発明によれば、水素とともに生成される反応生成物が、回転体により遠心分離されるので、反応生成物が触媒に付着するのを防止することができる。
〔第1の実施形態〕
次に、本発明に係る水素生成装置の第1の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。参照する図面において、図1は第1の実施形態に係る水素生成装置を示す斜視図、図2は回転板の半径方向の位置と、回転板上の燃料や反応生成物が受ける横加速度との関係を示すグラフである。
図1に示すように、水素生成装置1は、固形の触媒Mと、液状のボロハイドライド燃料(以下、単に「燃料」ともいう。)とを反応させることで水素を生成するものである。この水素生成装置1は、触媒Mを内蔵するための中空のケースである反応器2と、触媒Mが固定される回転板(回転体)3と、この回転板3を回転させるモータ(回転駆動装置)4と、触媒Mに向けて燃料を吹き付ける燃料噴出装置5とを主に備えている。
反応器2は、略中空円柱状の回転板収容部21と、この回転板収容部21の上壁21aの中心部から外方へ突出して形成される略円筒状の突出部22とで主に構成されている。なお、この回転板収容部21と突出部22は互いに連通するように一体に形成されている。
回転板収容部21の下壁21bには、その外周部に下方へ膨出するように形成される溝部21cが形成されるとともに、その中心に後記するモータ4の回転軸41を回転自在に支持するための係合孔21dが形成されている。そして、溝部21cの底壁21eの適所には、触媒Mと燃料との反応により生成されるNaBO2などの反応生成物RCや反応の残りの水などを図示しない回収用タンクへ導く導出管21fが一体に形成されている。また、突出部22は、反応器2内で発生した水素ガスを図示しない燃料電池へ導く管となっている。
回転板3は、略円板状となっており、その中心に後記するモータ4の回転軸41が貫通して固定されている。また、回転板3の上面32には、略リング状に触媒Mが固定されている。
モータ4は、反応器2の下壁21b近傍から突出部22の先端近傍まで延出する回転軸41と、この回転軸41を回転させる本体部42とで主に構成されている。回転軸41は、反応器2の下壁21bに形成される係合孔21dと、突出部22の内面に固定される略円板状の軸受部23とにより回転自在に支持されている。また、この回転軸41には、その基端側に回転板3が固定されるとともに、その先端側に反応器2内で生成された水素ガスを燃料電池側へ送り出すファン43,43が軸方向に並ぶように固定されている。なお、軸受部23は、気体のみを通すことが可能なフィルタ状になっている。
燃料噴出装置5は、燃料タンク51、加圧ポンプ52、インジェクタ53、配管54,55、およびバルブ56を主に備えている。燃料タンク51は、ボロハイドライド燃料を貯蔵するタンクであり、加圧ポンプ52に配管54を介して接続されている。なお、配管54の適所には、バルブ56が取り付けられており、このバルブ56を開けることで燃料タンク51から燃料が排出され、閉めることで燃料タンク51から排出されている燃料の流れが遮断される。
加圧ポンプ52は、燃料タンク51から送り出される燃料を加圧してインジェクタ53に供給するものであり、二股に分岐された配管55を介して二つのインジェクタ53,53に接続されている。インジェクタ53は、加圧ポンプ52から排出される燃料を触媒Mに向けて吹き付けるものである。また、このインジェクタ53は、回転板3の中心から半径方向において所定距離だけ離れた場所に燃料を吹き付けるべく、回転板収容部21の上壁21aの適所に固定されている。
なお、前記所定距離は、回転板3の半径の約三分の一程度が望ましい。このようにした場合は、図2に示すように、G=Rω2(ω:角速度)に従い、燃料噴射点において9.8m/s2(1G)前後の横加速度が燃料に作用して、燃料が適度な速度で触媒Mと反応しつつ外方に流れていく。このとき、水素ガスとともに反応生成物RCや水なども生成されていくが、この反応生成物RCや水などは遠心力により外方へ押し出されていき、回転板3の周縁近傍まで到達したときには、29.4m/s2(3G)以上の高い横加速度が加わることにより、確実に触媒Mから分離されて外方に飛ばされることとなる。
次に、水素生成装置1を用いた水素ガス生成方法について図1を参照して説明する。
まず、モータ4を駆動させて回転板3を回転させた状態にした後、バルブ56を開けて燃料タンク51から燃料を排出させる。この燃料は、加圧ポンプ52で加圧されてインジェクタ53に供給され、インジェクタ53から触媒Mに向けて噴出される。
触媒Mに噴出された燃料は、回転板3の遠心力によって触媒Mに触れて流れ、矢印33のように外方に押し出されていく。この際に、燃料と触媒Mとの反応により燃料からほぼ100%の水素ガスが生成されるとともに、反応生成物RCなども生成される。このように生成された水素ガスは、ファン43,43側に吸い込まれていき、燃料電池へと送り出される。また、反応生成物RCなどは、回転板3の遠心力によって触媒Mから分離されて外方へ飛ばされる。そして、このように外方に飛ばされた反応生成物RCなどは、溝部21cに落下し、導出管21fから前記回収用タンクへ流れていく。
以上によれば、第1の実施形態において、次のような効果を得ることができる。
遠心力により燃料が円板状の触媒面に広がり、触媒と燃料との接触面積が大きくなり、反応を促進する。水素ガスとともに生成される反応生成物RCが、回転板3により遠心分離されるので、反応生成物RCが触媒Mに付着するのを確実に防止することができる。
以上、本発明は、第1の実施形態に限定されることなく、様々な形態で実施される。
本実施形態では、二つのインジェクタ53やファン43を設ける構造としたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、水素供給量に応じ、インジェクタ53の数を増加減できる。また、例えば、図3に示すように、短めの回転軸41の先端に接合した回転板3に、その上面全体を覆うような円板状に触媒Mを固定し、さらに、その上方にインジェクタ53を一つだけ設ける構造としてもよい。この構造によれば、燃料との接触面積が本実施形態の略リング状となる触媒Mと同じになるように円板状の触媒Mを形成するとき、その外径を略リング状の触媒Mに比べて小さくできるので、水素生成装置1全体を小型化することができる。
本実施形態では、モータ4の回転軸41が上を向くように水素生成装置1を配設したが、本発明はこれに限定されず、例えば回転軸41が横を向くように水素生成装置1を配設してもよい。具体的に、このような構造としては、図4に示すように、図3に示した構造を横向きにするとともに、水素ガスの排出口をインジェクタ53側ではなくモータ4側に配設した構造などが考えられる。また、この構造では、モータ4の回転軸41にファン43,43が設けられるとともに、これらのファン43,43の周りが回転板収容部21と一体に形成されるカバー部24で囲まれている。さらに、回転板収容部21およびカバー部24は、反応生成物RCなどを回収するための回収用タンクTに配管を介して接続されている。
〔第2の実施形態〕
以下に、本発明に係る水素生成装置の第2の実施形態について説明する。この実施形態は第1の実施形態の水素生成装置1を変更したものなので、第1の実施形態と同様の構成要素については同一符号を付し、その説明を省略する。参照する図面において、図5は、第2の実施形態に係る水素生成装置を示す断面図である。
図5に示すように、水素生成装置1’は、第1の実施形態とは異なる構造の反応器2’、円錐体(回転体)6、および触媒M’を備えている。反応器2’は、その回転板収容部21と突出部22との間に一体に形成された円錐筒部25を有している。円錐筒部25は、下方に向かうにつれて拡径する円筒状に形成されている。そして、この円錐筒部25の上端部には、二つのインジェクタ53,53が内部に臨むように配設されている。
円錐体6は、下方に向かうにつれて拡径する円柱状(直円錐の頂上部を切り取った形状)に形成されている。そして、この円錐体6は、モータ4の回転軸41に接合され、その下面が回転板3に接合されている。また、触媒M’は、円錐体6の外周面を覆うように円錐体6に固定されている。
次に、この水素生成装置1’による水素ガス生成方法について説明する。
まず、モータ4を駆動させて回転板3と円錐体6を回転させた状態にした後、バルブ56を開けて燃料タンク51から燃料を排出させる。この燃料は、加圧ポンプ52で加圧されてインジェクタ53に供給され、インジェクタ53から触媒M’に向けて噴出される。
触媒M’に噴出された燃料は、円錐体6の傾斜した外周面に沿って下方へ流れ落ちていく。ここで、燃料は、円錐体6の小径となる上部に吹き付けられた状態では、モータ4の回転による遠心力の影響は小さいため、外方に飛ばされることなく触媒M’内を通って下方に流れ落ちていくことになる。
このように燃料が触媒M’内を通っていくと、燃料と触媒M’とが反応して燃料から水素ガスが生成されるとともに、反応生成物RCなども生成される。このように生成された水素ガスは、燃料を含んだ混合ガスとしてファン43,43側に吸い込まれていき、このファン43,43によって燃料電池へと送り出される。また、反応生成物RCなどは、円錐体6の大径となる下部に向かって流れ落ちていくにつれて、モータ4の回転による遠心力の影響を大きく受けることとなり、この円錐体6の下部において触媒M’から分離されて外方へ飛ばされることとなる。そして、このように外方に飛ばされた反応生成物RCなどは、溝部21cに落下し、導出管21fから前記回収用タンクへ流れていき、再利用される。
以上によれば、第2の実施形態において、次のような効果を得ることができる。
略円錐状の円錐体6の外周面全体に触媒M’を取り付けるので、触媒M’の表面積を飛躍的に大きくすることができるとともに、水素生成装置1’を横方向(平面方向)において小型化することができる。
以上、本発明は、前記第1および第2の実施形態に限定されることなく、様々な形態で実施される。
第1および第2の実施形態において、燃料の量を制御する手段として、例えば、図1に示すインジェクタ53からの燃料が所定の時間間隔をおいて断続的に触媒Mに供給されるようにインジェクタ53内の電磁弁の開閉を制御する制御装置を設ける。このような制御方法としては、図6に示すように、インジェクタ53内の電磁弁の開閉を制御することで、0.01秒(10msec)毎に一回ずつインジェクタ53を開放させるようにする。このとき、インジェクタ53を開放しておく時間は、約0.005秒(5msec)程度に設定しておく(50%デューティ)。
これによれば、このインジェクタ53の断続的な開放により、インジェクタ53から噴出される燃料も触媒Mに断続的に供給されることとなる。また、これに伴って、燃料と触媒Mとの反応による水素ガスの気化も断続的に行われ、その水素ガスの合計気化量は、最初緩やかに増えていき、その後安定するようになる。このように燃料を断続的に触媒Mに供給するようにすれば、燃料から生成される反応生成物RCは、次の燃料が排出されるときにはその吹き付けられる場所から遠心力により遠ざけられているので、次の燃料と触媒Mとの反応を良好に行うことができ、燃料を効率良く使用することができる。なお、インジェクタ53からの燃料の噴出量を、1秒間に1ccだけ噴出するものとすると、前記した例においてはインジェクタ53の1回の開放で噴出される量が0.01ccである。また、このインジェクタ53による噴射制御は、いわゆるPMW制御(Palse Width Modulation Control)と呼ばれるものであり、5msec(50%デューティ)となっているパルス幅は、0〜10msec(0〜100%デューティ)の間で自由にコントロールし、単位時間当たりの噴射量を正確に応答性よく制御する。この他、燃料の制御方法は、インジェクタの弁の開時間を一定とし、パルス間隔を制御する方式(いわゆるPPM方式)や、インジェクタの弁の開口量を可変制御する方式でも実現できる。
〔第3の実施形態〕
以下に、本発明に係る水素生成装置の第3の実施形態について説明する。この実施形態は第1の実施形態の水素生成装置1を変更したものなので、第1の実施形態と同様の構成要素については同一符号を付し、その説明を省略する。参照する図面において、図7は第3の実施形態に係る水素生成装置を示す斜視図、図8は図7の各バルブの作動状態を示すタイムチャートである。
図7に示すように、水素生成装置1”は、第1の実施形態と同様の構成要素の他に、触媒Mに向けて洗浄液を吹き付けて洗浄するための洗浄液噴出装置7と、燃料や洗浄液の供給の切り替えを主に制御する制御装置8と、モータ4の回転数を制御する回転制御装置9とを備えている。洗浄液噴出装置7は、洗浄液を貯蔵しておく洗浄液タンク71と、この洗浄液タンク71と加圧ポンプ52とを繋ぐ配管72と、この配管72に設けられるバルブ73とを有しており、洗浄液タンク71内の洗浄液が加圧ポンプ52とインジェクタ53,53とにより触媒Mに噴出されるようになっている。言い換えると、この洗浄液噴出装置7と燃料噴出装置5は、加圧ポンプ52とインジェクタ53,53とを共有することで一体に構成されている。なお、洗浄液としては、例えば水などを利用することができる。
制御装置8は、燃料タンク51側のバルブ56や、洗浄液タンク71側のバルブ73を制御することで燃料と洗浄液を触媒Mに交互に吹き付けるものである。具体的に、この制御装置8は、図示しない燃料電池の運転中において、バルブ56を開けた状態でインジェクタ53内の電磁弁を前記したように断続的に開閉することで所定時間燃料を触媒Mに吹き付け、その後短時間燃料電池の運転を停止した際に、バルブ56を閉じてバルブ73を開放させることで所定時間洗浄液を触媒Mに吹き付けるように、各バルブ56,73や前記電磁弁を制御している。
回転制御装置9は、触媒Mに燃料を吹き付けている際の回転板3の回転数よりも、触媒Mに洗浄液を吹き付けている際の回転板3の回転数が高くなるように、モータ4を制御している。すなわち、触媒Mに洗浄液を吹き付けている間、円板上の横加速度Gは、回転数の2乗に比例するため、回転板3の回転数を上げることで横加速度Gを上げて洗浄効果を向上するように、モータ4の回転数を制御している。
次に、この洗浄液噴出装置7を用いた触媒Mの洗浄方法について図7および図8を参照して説明する。
まず、燃料電池を含んだ燃料電池システム全体が稼動していない状態においては、図7に示す各バルブ56,73は閉じた状態となっている。燃料電池の運転を開始すると、制御装置8によりバルブ56のみが開放されるとともにインジェクタ53内の電磁弁が断続的に開放され、回転制御装置9によりモータ4が所定の回転数V1(図8参照)で回転する。これにより、燃料タンク51内の燃料が加圧ポンプ52およびインジェクタ53,53により触媒Mに吹き付けられ、この触媒Mと燃料とが反応し、水素が燃料電池に供給されることとなる。なお、この燃料電池の運転開始時や運転中における制御装置8や加圧ポンプ52などへの電力供給は、燃料電池とは別に設けた2次電池(図示せず)や、運転中の燃料電池などにより行われる。
そして、図8に示すように、燃料電池を所定時間T1(例えば10分)経過後に停止させると、制御装置8によりバルブ56が閉じられるとともにバルブ73が所定時間T2(例えば1〜5秒)だけ開放され、この所定時間T2の間、回転制御装置9によりモータ4が回転数V1よりも高い回転数V2で回転する。これにより、洗浄液タンク71内の洗浄液が加圧ポンプ52およびインジェクタ53,53により触媒Mに吹き付けられ、触媒Mに到達した洗浄液が高速で回転する回転板3によって強い遠心力を受けて残留する反応生成物RCを確実に洗い流すように作用する。なお、この燃料電池の停止時における制御装置8や加圧ポンプ52などへの電力供給は、前記2次電池などの燃料電池以外の電池により行われる。
所定時間T2の経過後は、再び燃料電池の運転が所定時間T1だけ行われる。すなわち、この燃料電池システムが稼動している際は、前記したような洗浄が所定時間T1ごとに1回ずつ行われることとなる。ちなみに、10分おきに1回洗浄し、1回の洗浄における洗浄液の供給量を10ccとすると、1時間の間に60ccの洗浄液が触媒Mに供給されることとなるので、良好に触媒Mを洗浄することができる。そして、燃料電池システムが停止する際には、停止する前に制御装置8により各バルブ56,73が閉じられ、その後燃料電池システムが停止することとなる。
以上によれば、第3の実施形態において、次のような効果を得ることができる。
所定時間T1おきに触媒Mが洗浄されるので、仮に触媒Mに反応生成物RCが残留していてもこの反応生成物RCを確実に洗い流すことができる。また、燃料供給時に所定の回転数V1で回転板3を回転させることで触媒Mと燃料との反応を良好に行わせることができるとともに、洗浄時に回転数V1よりも高い回転数V2で回転板3を回転させることで、残留した反応生成物RCを洗浄液とともに確実に外方へ飛ばすことができる。このようにして、触媒表面の清浄状態を維持し、安定な水素気化を実現した。
以上、本発明は、第3の実施形態に限定されることなく、様々な形態で実施される。
本実施形態では、燃料電池システムの稼動中において所定時間T1ごとに1回ずつ洗浄するように構成したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、燃料電池システムを停止する際に1回洗浄するように構成してもよい。この場合は、燃料電池システムに対する外部からの停止信号に基づいて制御装置8、回転制御装置9、および加圧ポンプ52などを本実施形態のように作動させればよい。また、燃料電池システムが長期にわたって停止している場合に、定期的に自動洗浄するように構成してもよい。この場合は、燃料電池システムの停止と同時に作動するカウンタなどを設けておき、このカウンタが所定時間をカウントしたときに制御装置8などを本実施形態のように作動させればよい。
本実施形態では、洗浄液タンク71内にある洗浄液のみで洗浄を行うこととしたが、本発明はこれに限定されず、例えば洗浄液が水である場合には燃料電池の陽極側で発生する水を洗浄用に再利用してもよい。この場合、燃料電池の水を排出するための排水口と、洗浄液タンク71の給水口とを配管で接続させればよい。なお、このような構造において、逆流防止のための逆止弁や、洗浄液タンク71側に水を送り込むためのポンプなどを設けることは適宜設定可能であることはいうまでもない。
第1の実施形態に係る水素生成装置を示す斜視図である。 回転板の半径方向の位置と、回転板上の燃料や反応生成物が受ける横加速度との関係を示すグラフである。 図1の水素生成装置の他の実施形態を示す断面図である。 図3の水素生成装置を横向きにしたときの実施形態を示す断面図である。 第2の実施形態に係る水素生成装置を示す断面図である。 触媒に燃料を断続的に供給する制御の一例を示すタイムチャートである。 第3の実施形態に係る水素生成装置を示す斜視図である。 図7の各バルブの作動状態を示すタイムチャートである。
符号の説明
1,1’,1” 水素生成装置
M,M’ 触媒
2,2’ 反応器
3 回転板(回転体)
4 モータ(回転駆動装置)
5 燃料噴出装置
51 燃料タンク
52 加圧ポンプ
53 インジェクタ
6 円錐体(回転体)
7 洗浄液噴出装置
8 制御装置
9 回転制御装置
71 洗浄液タンク

Claims (5)

  1. 触媒が内蔵された反応器内で前記触媒とボロハイドライド燃料とを反応させて水素を生成させる水素生成装置であって、
    前記触媒が固定される回転体と、
    前記回転体を回転させる回転駆動装置と、
    前記触媒に向けて前記ボロハイドライド燃料を吹き付ける燃料噴出装置と、を備えたことを特徴とする水素生成装置。
  2. 請求項1に記載の水素生成装置であって、
    前記ボロハイドライド燃料が前記触媒に所定の時間間隔をおいて断続的に供給されるように、前記燃料噴出装置を制御する制御装置を備えたことを特徴とする水素生成装置。
  3. 請求項1または請求項2に記載の水素生成装置であって、
    前記触媒に向けて洗浄液を吹き付ける洗浄液噴出装置を備えたことを特徴とする水素生成装置。
  4. 前記燃料噴出装置が、前記ボロハイドライド燃料を貯蔵する燃料タンクを備えるとともに、前記洗浄液噴出装置が、前記洗浄液を貯蔵する洗浄液タンクを備える請求項3に記載の水素生成装置であって、
    前記燃料噴出装置と前記洗浄液噴出装置は、
    前記触媒に向けて前記ボロハイドライド燃料または前記洗浄液を吹き付けるインジェクタと、
    前記インジェクタに、前記燃料タンクから送り出される前記ボロハイドライド燃料または前記洗浄液タンクから送り出される前記洗浄液を加圧して供給する加圧ポンプと、を共有することで一体に構成されていることを特徴とする水素生成装置。
  5. 請求項3または請求項4に記載の水素生成装置であって、
    前記触媒に前記洗浄液を吹き付ける際に前記回転体の回転数を上げるように、前記回転駆動装置を制御する回転制御装置を備えたことを特徴とする水素生成装置。
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