JP2005200283A - 水素製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 より効率的且つ安全に水素を製造することができる水素製造装置を開発する。
【解決手段】 水素製造装置１は、水素と熱を生成する水素発生装置２と、ガスを生成するのに常温以上の温度を必要とするガス発生装置３とを備え、水素発生装置２にて生成される熱量をガス発生装置３に供給する。水素発生装置２は、周期律表３Ｂ族若しくは４Ｂ族の元素とアルカリ液との混合により水素を発生させる。ガス発生装置３では水素生成菌を用いて有機物若しくは有機排水を嫌気性発酵することにより水素を生成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、水素を生成する水素製造装置に関するものである。

近年の地球環境問題から家庭で使用される電気製品や自動車の動力エネルギー源として燃料電池の開発が加速されている。この燃料電池で発電に用いる燃料としては水素が理想的である。この場合の水素としては従来より水の電気分解や食塩電解の際の副生水素や、石油精製プロセスからの副生水素を工業用に精製したものが利用されていた。

しかしながら、係る従来の水素製造方法では、製造に大きなエネルギーを必要とし、コストも高騰する問題があった。そこで、近年では半導体製造工程などで生じるシリコン屑をアルカリ液に入れることにより水素を製造する技術が開発されて来ている（例えば、特許文献１参照）。

また、上記以外に有機物若しくは有機排水に含まれる有機物を水素生成菌で分解し、その際に発生する水素を利用する方法もある（例えば、特許文献２参照）。
特開２０００−１９１３０３号公報 特開２００１−１４９９８３号公報

ところで、係る生物を用いた方法では、有機物の発酵のために適した温度があり、この温度を維持するために従来では発酵部を加熱する操作が成されていた。一方、シリコンとアルカリ液による化学反応では熱が発生する。そして、その熱量は４２３．８ｋｊ／ｍｏｌにものぼることが分かっている。

本発明は、係る従来の状況を踏まえ、より効率的且つ安全に水素を製造することができる水素製造装置を開発したものである。

本発明の水素製造装置は、水素と熱を生成する水素発生装置と、ガスを生成するのに常温以上の温度を必要とするガス発生装置とを備え、水素発生装置にて生成される熱量をガス発生装置に供給することを特徴とする。

請求項２の発明の水素製造装置は、上記において水素発生装置は、周期律表３Ｂ族若しくは４Ｂ族の元素とアルカリ液との混合により水素を発生させることを特徴とする。

請求項３の発明の水素製造装置は、請求項１において水素発生装置は、両性金属とアルカリ液との混合により水素を発生させることを特徴とする。

請求項４の発明の水素製造装置は、請求項２において水素発生装置では、シリコン又はアルミニウムを使用することを特徴とする。

請求項５の発明の水素製造装置は、上記において水素発生装置では、シリコン屑又はアルミニウム屑を使用することを特徴とする。

請求項６の発明の水素製造装置は、請求項２乃至請求項５の発明においてガス発生装置にて生成されるアンモニアをアルカリ液として水素発生装置に供給することを特徴とする。

請求項７の発明の水素製造装置は、上記各発明においてガス発生装置は、生物を用いることを特徴とする。

請求項８の発明の水素製造装置は、上記においてガス発生装置では、水素生成菌を用いて有機物若しくは有機排水を嫌気性発酵することにより、水素を生成することを特徴とする。

請求項９の発明の水素製造装置は、請求項７又は請求項８の発明においてガス発生装置では、メタン生成菌を用いて有機物若しくは有機排水を嫌気性発酵することにより、メタンを生成することを特徴とする。

本発明の水素製造装置では、水素と熱を生成する水素発生装置と、ガスを生成するのに常温以上の温度を必要とするガス発生装置とを備えており、水素発生装置にて生成される熱量をガス発生装置に供給するようにしているので、水素発生装置において発生した熱を用いて、ガス発生装置におけるガス生成を進行させることができるようになる。

これにより、水素発生装置における水素生成とガス発生装置におけるガス生成を効率的に行わせ、水素発生及びガス発生に要するコストの削減を図ることができるようになる。

請求項２の発明の水素製造装置では、上記に加えて水素発生装置は、周期律表３Ｂ族若しくは４Ｂ族の元素とアルカリ液との混合により水素を発生させるものであるので、効率的に水素と熱を生成することができるようになるものである。

請求項３の発明の水素製造装置では、請求項１に加えて水素発生装置は、両性金属とアルカリ液との混合により水素を発生させるものであるので、効率的に水素と熱を生成することができるようになるものである。

請求項４の発明の水素製造装置では、請求項２に加えて水素発生装置では、シリコン又はアルミニウムを使用するので、一層効率的に水素と熱を生成することができるようになるものである。

そして、請求項５の発明の如く水素発生装置でシリコン屑又はアルミニウム屑を使用するようにすれば、半導体製造工程などで発生する廃物を利用して水素を生成することができるようになり、廃棄物処理コスト及び水素製造コストの双方を削減することができるようになるものである。

また、請求項６の発明の如くガス発生装置にて生成されるアンモニアをアルカリ液として水素発生装置に供給するようにすれば、格別なアルカリ液を準備する必要が無くなり、更なるコストの削減を図ることが可能となるものである。

更に、請求項７の発明の水素製造装置では、ガス発生装置が生物を用いるものであるので、請求項８の発明の如くガス発生装置において水素生成菌を用いて有機物若しくは有機排水を嫌気性発酵することにより水素を生成すれば、効率的に水素を生成することができるようになる。特に、その場合は異なる方法によって水素を生成することになるので、故障や原料の枯渇などにより一方における水素生成が不能に陥った場合でも、他方の装置にて水素生成を継続することができるようになり、安全且つ安定的な水素製造を実現できるものである。

また、請求項９の発明の如くガス発生装置でメタン生成菌を用い、有機物若しくは有機排水を嫌気性発酵することにより、メタンを生成するようにすれば、有機物若しくは有機排水を有効に利用してメタンの生成も行えるようになるものである。

次に図面に基づき本発明の実施形態を詳述する。図１は本発明の水素製造装置１のシステム構成を示している。実施例の水素製造装置１は、周期律表３Ｂ族若しくは４Ｂ族の元素の一例としてのシリコンとアルカリ液から水素を生成する水素発生装置２と、微生物によって水素若しくはメタンを生成するガス発生装置３と、熱搬送手段１８を備えて構築されている。

この熱搬送手段１８内にはブラインなどの流動性熱媒体が封入されており、水素発生装置２の反応槽６に一端の吸熱側が交熱的に配設されると共に、他端の放熱側は分岐し、それぞれがガス発生装置３の水素発酵部１６及びメタン発酵部１７と交熱的に配設されている。

水素発生装置２では、例えば半導体製造工場のウエハ加工工程からのシリコン屑をシリコン供給路４を介して反応槽６内へ導入する。このとき、シリコン屑の粒径が大きく粉砕が必要な場合には、シリコン供給路４の途中に粉砕装置７を設けてシリコン屑を所定粒径まで粉砕する。

また、アルカリ液はアルカリ液供給路８を介して反応槽６内へ導入されるが、槽内への導入以前にアルカリ液調整部９でｐＨが調整される。このアルカリ液調整部９にはアルカリ塩添加機構１１が設けられており、このアルカリ塩添加機構１１により炭酸ナトリウムなどのアルカリ塩が添加され、ｐＨが補強される。また、アルカリ液としては後述する如くガス発生装置３で生じるアンモニアを用いることもできる。

反応槽６は、反応生成後の水素ガスを所定の圧力に調整して槽外へ回収する回収部１２に連通されており、また、下部には反応終了後の廃液を回収して、アルカリとの反応物、例えば、珪酸ソーダ等を析出させる槽に連通されている。

この水素発生装置２におけるシリコンを用いた水素生成反応は、式（１）で示される。
Ｓｉ＋２ＮａＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→Ｎａ₂ＳｉＯ₃＋２Ｈ₂↑ ・・・（１）
そして、このときに発生する熱ΔＨはシリコン１ｍｏｌ当たり、４２３．８ｋｊ（４２３．８ｋｊ／ｍｏｌ）となる。

このときに発生する熱量は熱搬送手段１８の吸熱側においてブラインを加熱する。このブラインは放熱側に自然循環若しくは強制循環によって循環され、ガス発生装置３の水素発酵部１６若しくはメタン発酵部１７にて放熱し、これらを加熱する。

このガス発生装置３は、前述した水素発酵部１６とメタン発酵部１７とから構成されており、水素発酵部１６では、例えば水素生成菌（Enterobactor aerogenes）の１種の菌である通性嫌気性細菌を用いて有機物若しくは有機排水に含有される有機物を分解し、水素とメタン原料有機物となる有機酸やアルコールを生成する。この場合の分解対象となる有機物をグルコース（Ｃ₆Ｈ₁₂Ｏ₆）とすると、グルコースは水素生成菌の作用により、式（２）にで示す化学反応に基づいて主として酢酸（ＣＨ₃ＣＯＯＨ）と二酸化炭素（ＣＯ₂）と水素（Ｈ₂）に分解される。
Ｃ₆Ｈ₁₂Ｏ₆＋２Ｈ₂Ｏ→２ＣＨ₃ＣＯＯＨ＋２ＣＯ₂＋４Ｈ₂↑ ・・・（２）

そして、これら水素発生装置２の反応槽６の回収部１２から回収された水素ガス及びガス発生装置３の水素発酵部１６にて発生した水素ガスは共に所定のボンベ、水素吸蔵合金などに収容される。そして、ここで生成された水素ガスは例えば燃料電池の燃料として用いられることになる。

一方、前記水素発酵部１６で生成された酢酸を含むメタン原料有機物（有機酸）はメタン発酵部１７に導入される。このメタン発酵部１７に導入された有機酸はメタン生成菌を用いて分解され、メタンと二酸化炭素が生成される。上記メタン原料有機物を式（２）で生成した２ｍｏｌの酢酸とすると、酢酸はメタン生成菌の作用により、以下に示す式（３）に基づいてメタン（ＣＨ₄）と二酸化炭素（ＣＯ₂）に分解される。
２ＣＨ₃ＣＯＯＨ→２ＣＨ₄＋２ＣＯ₂ ・・・（３）
尚、この場合のメタン発酵の至適温度は＋３５℃（中温）若しくは＋５５℃（高温）である。

このようにして水素発酵部１６で水素を発生させると共に、メタン原料有機物を生成し、メタン発酵部１７でメタン原料有機物を分解してメタンを発生させると共にＢＯＤを低減させる。

このようなガス発生装置３における発酵反応は常温以上である前述した＋３５℃乃至＋５５℃の温度に維持することで円滑に進行するが、本発明では熱搬送手段１８を用いて水素発生装置２で発生した熱量をガス発生装置３に搬送しているので、この搬送された熱量を用いて水素発酵部１６やメタン発酵部１７における反応を良好に行わせることができるようになる。

これにより、水素発生装置２とガス発生装置３において水素生成を効率的に行わせ、水素発生に要するコストの削減を図ることができるようになる。特に、異なる方法によって水素を生成する水素発生装置２とガス発生装置３を備えているので、故障やシリコン、有機物若しくは有機排水（原料）の枯渇などにより、一方における水素生成が不能に陥った場合でも、他方の装置にて水素生成を継続することができるようになり、安全且つ安定的な水素製造を実現できる。

尚、熱搬送手段１８のみで各発酵部の温度を維持できない場合には、電気ヒータ１９を設けておいて熱量を補完、又は、回収された水素やメタンをガスバーナ２１で燃焼させた反応熱などで補完するとよい。また、ガス発生装置３では発酵反応の際にアンモニアが生成されるが、このアンモニアを前述の如く水素発生装置２に搬送してアルカリ液として用いてもよい。更に、実施例では水素発生装置２において半導体製造工場から生じるシリコン屑を材料として用いたが、それに限らず、アルミニウム屑を用いてもよい。

特に、シリコン屑としては、半導体の後工程（バックグラインド、ダイシング等）プラント、インゴットからウェハにするウェハ加工のプラントで生成されるものを使用することもできる。そして、係るプラントに本発明の水素製造装置を設置することにより、水素製造装置で生成された水素を、燃料電池を介して電気エネルギーとし、再度プラントで活用するシステムを構築することもできる。更に、半導体工場からは、酸、アルカリの高純度の廃液が排出されるので、これも水素製造装置における材料として活用することができる。

また、水素発生装置２で用いる金属も実施例のシリコンや上記アルミニウムに限らず、周期律表３Ｂ族に含まれるホウ素、上記アルミニウム、ガリウム、インジウム、タリウムや、４Ｂ族に含まれる炭素、上記シリコン（ケイ素）、ゲルマニウム、スズ、鉛等の元素、若しくは、上記アルミニウム、亜鉛、鉛、スズ、クロム、マンガン等の両性金属から選ばれる元素が使用することができる。更に、ガス発生装置３において水素生成菌やメタン生成菌によって有機物若しくは有機排水を嫌気性発酵することにより水素やメタンを生成したが、生物を用いた水素生成技術はこれに限定されるものではない。

本発明の水素製造装置のシステム構成図である。

符号の説明

１ 水素製造装置
２ 水素発生装置
３ ガス発生装置
６ 反応槽
１６ 水素発酵部
１７ メタン発酵部
１８ 熱搬送手段

Claims (9)

1. 水素と熱を生成する水素発生装置と、
   ガスを生成するのに常温以上の温度を必要とするガス発生装置とを備え、
   前記水素発生装置にて生成される熱量を前記ガス発生装置に供給することを特徴とする水素製造装置。
2. 前記水素発生装置は、周期律表３Ｂ族若しくは４Ｂ族の元素とアルカリ液との混合により水素を発生させることを特徴とする請求項１の水素製造装置。
3. 前記水素発生装置は、両性金属とアルカリ液との混合により水素を発生させることを特徴とする請求項１の水素製造装置。
4. 前記水素発生装置では、シリコン又はアルミニウムを使用することを特徴とする請求項２の水素製造装置。
5. 前記水素発生装置では、シリコン屑又はアルミニウム屑を使用することを特徴とする請求項２の水素製造装置。
6. 前記ガス発生装置にて生成されるアンモニアを前記アルカリ液として前記水素発生装置に供給することを特徴とする請求項２、請求項３、請求項４又は請求項５の水素製造装置。
7. 前記ガス発生装置は、生物を用いることを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５又は請求項６の水素製造装置。
8. 前記ガス発生装置では、水素生成菌を用いて有機物若しくは有機排水を嫌気性発酵することにより、水素を生成することを特徴とする請求項７の水素製造装置。
9. 前記ガス発生装置では、メタン生成菌を用いて有機物若しくは有機排水を嫌気性発酵することにより、メタンを生成することを特徴とする請求項７又は請求項８の水素製造装置。

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