JP2010285296A - Hydrogen generator and fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、マグネシウムを含む材料を水素発生材料として備える水素発生装置及びこの水素発生装置を用いた燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a hydrogen generation apparatus including a material containing magnesium as a hydrogen generation material and a fuel cell system using the hydrogen generation apparatus.
地球環境に対する配慮から、クリーンなエネルギー源として水素を利用することが注目されている。水素を製造する方法として、金属の水分解反応を利用した方法が知られている。 In consideration of the global environment, the use of hydrogen as a clean energy source has attracted attention. As a method for producing hydrogen, a method using a metal water decomposition reaction is known.
そこで、金属水素化物の活性化をメカニカルアロイングによる機械的粉砕法を用いて達成した水素発生材料が提案されている(特許文献1参照)。また、アルミ系水分解材料の活性化を、メカニカルアロイング法により達成した水素発生材料が提案されている(特許文献2参照)。 Thus, a hydrogen generating material has been proposed in which activation of the metal hydride is achieved using a mechanical grinding method by mechanical alloying (see Patent Document 1). Moreover, the hydrogen generating material which achieved activation of the aluminum-type water-decomposition material by the mechanical alloying method is proposed (refer patent document 2).
しかしながら、メカニカルアロイングにより活性化された材料は不安定なため、真空中、不活性ガス雰囲気中等で保管しなければならない。 However, since the material activated by mechanical alloying is unstable, it must be stored in a vacuum, in an inert gas atmosphere, or the like.
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、本発明に係る水素発生装置はMgを含み、Mg(OH)2で表面が被覆された水素発生材料を貯蔵した第1の容器と、この第1の容器と配管によって接続され、第1の容器内に水を供給する第2の容器と、第1の容器及び/又は第2の容器を加熱する加熱装置と、を備えることを特徴とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and the hydrogen generator according to the present invention includes a first container that contains Mg and stores a hydrogen generating material whose surface is coated with Mg (OH) 2. And a second container connected to the first container by piping and supplying water into the first container, and a heating device for heating the first container and / or the second container. It is characterized by.
本発明に係る燃料電池システムは、本発明に係る水素発生装置を水素発生源として利用して電力を発生する燃料電池を備えることを特徴とする。 A fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell that generates electric power by using the hydrogen generator according to the present invention as a hydrogen generation source.
本発明によれば、水素発生材料の表面をMg(OH)2で被覆することにより、低温で水素発生を進行させると同時に、空気中でも安定に存在可能な材料を備えた水素発生装置及び燃料電池システムを実現することが可能となる。 According to the present invention, by covering the surface of the hydrogen generating material with Mg (OH) 2 , hydrogen generation proceeds at a low temperature, and at the same time, a hydrogen generating device and a fuel cell having a material that can stably exist in air A system can be realized.
以下、本発明の実施の形態に係る水素発生装置及び燃料電池システムを説明する。 Hereinafter, a hydrogen generator and a fuel cell system according to embodiments of the present invention will be described.
図1は、本発明の実施形態に係る燃料電池システム1の模式的系統図である。本発明の実施形態に係る燃料電池システム1は、本発明の実施形態に係る水素発生装置2と、水素発生装置2を水素発生源として利用して電力を発生する燃料電池3とを備える。水素発生装置2は、Mg(マグネシウム)を主成分として含み、Mg(OH)2(水酸化マグネシウム)で表面が被覆された水素発生材料22を貯蔵した水素発生材料充填容器(第1の容器)21と、水素発生材料充填容器21と配管23によって接続され、水素発生材料充填容器21内に水を供給する水タンク(第2の容器)24とを備える。水素発生材料充填容器21を加熱、又は水タンク24中の水を80℃以上に図示しない加熱装置により加熱して水素発生材料22と接触させることにより、水素発生材料充填容器21内において、水素発生材料22と水とが反応して水素が発生する。
FIG. 1 is a schematic system diagram of a
燃料電池3は、そこで発生した生成水をトラップするための生成水トラップ13と管路14aによって、また水素発生材料充填容器21と水素流路14bによって接続されている。燃料電池反応に用いる水素は、水素発生材料充填容器21で発生した水素が用いられ、水素の供給は水素流路14bによって行われる。燃料電池3の冷却には水タンク24に貯留された水24aが用いられ、燃料電池冷却水路15によって冷却される。燃料電池反応で発生した水は、管路14aを通過して生成水トラップ13でトラップされるか、又は燃料電池冷却水流路16を通過して水タンク24に貯留される。また、生成水トラップ13はバルブ付きの管路17によって水タンク24に接続され、水タンク24に水が貯留される。
The
本発明の実施形態に係る燃料電池システム1では、本発明の実施形態に係る水素発生装置2と燃料電池3とを組み合わせることにより、燃料電池3から排出される熱を水素発生材料22と水との水素発生反応に利用することができる。このように、廃熱を利用することで、新たな熱源を搭載する必要がなく、システムを小型化することが可能となる。
In the
本発明の実施形態に係る燃料電池システム1では、燃料電池3から発生した水を回収して水タンク24に貯留し、水素発生材料22と水との反応により水素を発生させる際に必要な水として再利用する。このように、排水を利用することにより、システムに予め搭載する水の水量を少なくすることができる。
In the
水素発生材料充填容器21内に貯蔵された水素発生材料22は、Mgを主成分として含み、表面がMg(OH)2で被覆されており、水と反応して水素を発生する。一般的に、Mgを主成分として含む材料は、表面がMgO(酸化マグネシウム)で覆われている。このMgOではなく、表面をMg(OH)2で被覆することにより、水と反応させた場合の水素発生反応が低温で進行する。表面がMg(OH)2で構成することにより、材料内部への水の浸透速度が向上し、Mgと水との反応が進行すると推定される。材料表面がMg(OH)2で被覆されている材料は安価に合成が可能であり、かつ空気中でも安定に存在するため保管・輸送コストが安価である。このように、本発明の実施の形態に係る水素発生装置によれば、水素発生材料の表面をMg(OH)2で被覆することにより、低温で水素発生を進行させると同時に、空気中でも安定に存在可能な材料を備えた水素発生装置及び燃料電池システムを実現することが可能となる。
The
図2に、Mgの水分解反応における、各種処理条件により得られた各種材料の水素発生速度、及び発生熱量の違いを示す。水処理は、アルゴン中で、Mg0.9mgと水1.4mgを直径5mm、深さ5mmの円筒状のSUS製パンに封入して行っている。水の量は、化学量論比に対して水2倍過剰の条件である。水処理を行った材料に対し、室温より10K/分の条件で昇温し、発生熱から水素発生量を求めている。図2において、2Aは、水処理なしを示し、水素発生温度は170℃である。図2において、2Bは30℃の温度で60分水処理を行った場合を示し、水素発生温度は167℃である。2Cは、80℃の温度で45分水処理を行った場合を示し、水素発生温度は151℃である。2Dは、80℃の温度で60分水処理を行った場合を示し、水素発生温度は138℃である。水処理の有無にかかわらず、いずれの材料も総水素発生量は7wt%で一定している。特に、80℃の水で加熱処理を行うことにより、水素放出反応が低温で進行する。このように、水素発生材料22の表面のMgO層をMg(OH)2へ変換することにより、水と反応させた場合の水素発生反応が低温で進行する。また、表面をMg(OH)2で構成することにより、水素発生材料22内部への水の浸透速度が向上し、Mgと水との反応が進行するものと推定される。
FIG. 2 shows the difference in the hydrogen generation rate and the amount of generated heat of various materials obtained under various processing conditions in the water decomposition reaction of Mg. The water treatment is performed by enclosing 0.9 mg of Mg and 1.4 mg of water in a cylindrical SUS pan having a diameter of 5 mm and a depth of 5 mm in argon. The amount of water is a condition in which water is twice as much as the stoichiometric ratio. The water-treated material is heated from room temperature under conditions of 10 K / min, and the amount of hydrogen generated is obtained from the generated heat. In FIG. 2, 2A indicates no water treatment, and the hydrogen generation temperature is 170 ° C. In FIG. 2, 2B shows the case where the water treatment is performed at a temperature of 30 ° C. for 60 minutes, and the hydrogen generation temperature is 167 ° C. 2C shows the case where the water treatment is performed at a temperature of 80 ° C. for 45 minutes, and the hydrogen generation temperature is 151 ° C. 2D shows the case where the water treatment is performed at a temperature of 80 ° C. for 60 minutes, and the hydrogen generation temperature is 138 ° C. Regardless of the presence or absence of water treatment, the total hydrogen generation amount of each material is constant at 7 wt%. In particular, by performing heat treatment with water at 80 ° C., the hydrogen releasing reaction proceeds at a low temperature. Thus, by converting the MgO layer on the surface of the
このように、水素発生材料22の水処理による活性化は、Mgを含む水素発生材料を80℃以上の温度で水と接触させる前処理によって行われる。Mgを含む水素発生材料を80℃以上の温度で水と接触させると、表面のMgO層に、Mg(OH)2が形成されるにつれて、Mg(OH)2層が金属Mgに到達し水素が発生する。この反応には、大量の水供給が必要であり、また、水蒸気を使用するためMg(OH)2の生成速度が遅い。また、材料の活性点が少ないため金属Mgの全量が反応しないという問題がある。そこで、Mgを含む水素発生材料に80℃以上の温度で水と接触させる前処理を行い、金属Mg層近傍までMg(OH)2を形成させて、活性化してから水素発生装置2で水素発生反応に使用する。金属Mg層近傍までMg(OH)2を形成された材料は、Mg(OH)2格子中の水分子移動により、金属Mgと反応する水が供給され水素発生する。また、粒界中を水素が拡散することにより、水素が外部へ出る。更に、材料が複数の活性点を有するため、金属Mgが完全に反応し、効率が良くなる。
As described above, activation of the
このように、活性化処理は、大掛かりな水中ミリング装置を使用することなく、80℃以上の高温の水と接触させるだけで行うことができる。活性化処理によって、材料表面に水酸化物を形成することが可能になり、低温で水素を発生可能な材料を合成できる。また、水は安価な材料であるため、活性化処理に用いるのに好適である。この際、水はイオン交換水であることがより好ましい。活性化処理に用いる水の量は、金属Mg量に対してモル比で2倍以上であることが好ましい。表面を活性化するためにはある程度の水量が必要であるが、水を大量に含有した場合には重量増となるので、活性化処理後は水と材料を分離する必要がある。 In this way, the activation treatment can be performed only by contacting with high-temperature water of 80 ° C. or higher without using a large-scale underwater milling device. By the activation treatment, a hydroxide can be formed on the material surface, and a material capable of generating hydrogen at a low temperature can be synthesized. Moreover, since water is an inexpensive material, it is suitable for use in the activation treatment. At this time, the water is more preferably ion-exchanged water. The amount of water used for the activation treatment is preferably twice or more in molar ratio with respect to the amount of metal Mg. In order to activate the surface, a certain amount of water is required. However, when a large amount of water is contained, the weight increases, so that it is necessary to separate water and materials after the activation treatment.
活性化処理は、80℃以上の温度で行う必要があるが、温度を高くした場合に材料内部の金属Mgと水との反応が進行してしまい、水素が発生する可能性があること、また、100℃以上の温度では水は気体となるため、水素発生材料との接触が難しくなり、活性化処理に時間がかかる場合がある。この点より、活性化処理は、100℃以下の温度で実施する必要がある。活性化処理が80℃以上100℃以下の場合には、Mg(OH)2形成のための反応速度が促進されるため、活性化時間が短くて済む。なお、活性化処理は、水の他にアルコール類を用いることも可能である。 The activation treatment needs to be performed at a temperature of 80 ° C. or higher. However, when the temperature is increased, the reaction between the metal Mg inside the material and water proceeds, and hydrogen may be generated. Since water becomes a gas at a temperature of 100 ° C. or higher, it may be difficult to contact the hydrogen generating material, and the activation process may take time. From this point, the activation process needs to be performed at a temperature of 100 ° C. or less. When the activation treatment is performed at 80 ° C. or higher and 100 ° C. or lower, the reaction rate for forming Mg (OH) 2 is promoted, so that the activation time is short. In addition, alcohol can also be used for an activation process other than water.
活性化処理して得られた、表面にMg(OH)2が形成された水素発生材料の表面構造は、X線光電子分光測定(XPS)におけるMg2p軌道の結合エネルギーのピークトップXが、49.4≦X<49.8eVとなる。図3に、Mgの水分解反応により得られた各種材料のX線光電子分光スペクトルを示す。水処理の条件は図2に示すものと同様である。ここで、帯電補正はC(1s)ピークトップの結合エネルギー値を284.6eVとして行っている。図3において、3Aは水処理なしを示し、Mg2p軌道の結合エネルギーのピークトップは49.8eVである。3Bは30℃の温度で60分水処理を行った場合を示し、Mg2p軌道の結合エネルギーのピークトップは49.8eVである。3Cは、80℃の温度で45分水処理を行った場合を示し、Mg2p軌道の結合エネルギーのピークトップは49.7eVである。3Dは、80℃の温度で60分水処理を行った場合を示し、Mg2p軌道の結合エネルギーのピークトップは49.5eVである。Mg(OH)2のMg2p軌道の結合エネルギーのピークトップは49.5eVであり、MgOのMg2p軌道の結合エネルギーのピークトップは50.8eVである。このことから、80℃以上で水処理した場合には、材料表面がMg(OH)2となっていることがわかる。また、Mg2p軌道の結合エネルギーのピークトップが49.8eVの試料では活性化が達成されず、49.7eVでは活性化が達成できている。Mg2p軌道の結合エネルギーのピークトップXが、49.4≦X<49.8eVにあるということは、表面組成がMg(OH)2であることを示している。 The surface structure of the hydrogen generating material having Mg (OH) 2 formed on the surface obtained by the activation treatment has a peak top X of the binding energy of Mg2p orbital in X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) of 49. 4 ≦ X <49.8 eV. FIG. 3 shows X-ray photoelectron spectroscopy spectra of various materials obtained by water decomposition reaction of Mg. The water treatment conditions are the same as those shown in FIG. Here, the charge correction is performed by setting the C (1s) peak top binding energy value to 284.6 eV. In FIG. 3, 3A indicates no water treatment, and the peak top of the binding energy of the Mg2p orbital is 49.8 eV. 3B shows the case where the water treatment is performed at a temperature of 30 ° C. for 60 minutes, and the peak top of the binding energy of the Mg 2p orbit is 49.8 eV. 3C shows the case where the water treatment is performed at a temperature of 80 ° C. for 45 minutes, and the peak top of the binding energy of the Mg2p orbit is 49.7 eV. 3D shows the case where the water treatment is performed at a temperature of 80 ° C. for 60 minutes, and the peak top of the binding energy of the Mg2p orbit is 49.5 eV. The peak top of the binding energy of the Mg2p orbital of Mg (OH) 2 is 49.5 eV, and the peak top of the binding energy of the Mg2p orbital of MgO is 50.8 eV. From this, it is understood that when the water treatment is performed at 80 ° C. or higher, the material surface is Mg (OH) 2 . In addition, activation is not achieved in the sample with the peak top of the binding energy of Mg2p orbital being 49.8 eV, and activation is achieved at 49.7 eV. The fact that the peak top X of the binding energy of the Mg2p orbital is 49.4 ≦ X <49.8 eV indicates that the surface composition is Mg (OH) 2 .
Mgと金属化合物を構成する元素は、銅、ニッケル等多く知られているが、これらの金属自体は水分解活性が低いため、重量あたりの水素発生量が低く添加するメリットは存在しないと考えられる。水素発生材料は、材料の70mass%以上が金属Mg及び/又はMgH2で構成されることが好ましい。Mg、MgH2の水分解反応は下記式(1)、式(2)の通り進行し、高密度で水素を発生する。 Many elements that constitute Mg and metal compounds are known, such as copper and nickel. However, these metals themselves have low water splitting activity, so it is considered that there is no merit of adding low hydrogen generation amount per weight. . It is preferable that 70 mass% or more of the hydrogen generating material is composed of metal Mg and / or MgH 2 . The water splitting reaction of Mg and MgH 2 proceeds according to the following formulas (1) and (2), and generates hydrogen at a high density.
Mg+2H2O→Mg(OH)2+H2・・・式(1)
MgH2+2H2O→Mg(OH)2+2H2・・・式(2)
水素発生材料の活性化処理は、水素発生装置2上で行うことも可能である。水素製造の前工程として、水素発生材料充填容器21に充填したMgを主成分とする材料に、水タンク24から水を供給する。この際、水を80℃以上の温度とすることで、Mgを主成分とする材料の活性化処理を行うことができ、本発明の実施の形態に係る水素発生装置2に用いる水素発生材料22を、前処理を行い活性化された材料を使用しなくても、水素発生装置2上で得ることが可能となる。処理に用いる水は、水素発生時に供給する水と同じものでよく、水の他にアルコール類を用いることも可能である。また、活性化処理を80℃以上の温度で行うため、水素を燃料として発電する燃料電池3の廃熱を利用することが可能である。
Mg + 2H 2 O → Mg (OH) 2 + H 2 Formula (1)
MgH 2 + 2H 2 O → Mg (OH) 2 + 2H 2 Formula (2)
The activation process of the hydrogen generating material can be performed on the
前述したように、本発明の実施形態に係る水素発生装置2を水素発生源として利用することにより本発明の実施形態に係る燃料電池システム1とすることができ、この燃料電池システム1は、燃料電池自動車、定置用燃料電池、携帯用燃料電池等の燃料電池システムとして利用することができる。例えば、燃料電池自動車に適用した場合には、水素を供給する燃料電池としては、固体高分子型燃料電池から固体酸化物型燃料電池に至るまで、水素を燃料とする発電装置全てに適用が可能であり、電気自動車の航続距離延長のために搭載する燃料電池においても同様に利用することができる。この場合、高圧水素タンク等、その他の水素貯蔵システムに対して、軽量コンパクトな水素発生システムを構築することが可能である。また、燃料電池3の廃熱を利用することで、燃料電池自動車、内燃機関自動車等のラジエータの小型化もしくは廃止を実現することができる。また、別途加熱装置を保有しなくても、廃熱だけで水素発生反応を進行することができる。定置用燃料電池に適用した場合には、水素を燃料とする燃料電池一般に当てはまる。携帯用燃料電池に適用した場合には、電気機器として、ノートPC、携帯電話、の携帯用電気機器や、電動カート、電動車いす等にも使用可能である。
As described above, by using the
以上説明したように、本発明によれば、水素発生材料22の表面をMg(OH)2で被覆することにより、低温で水素発生を進行させると同時に、空気中でも安定に存在可能な材料を備えた水素発生装置2及び燃料電池システム1を実現することが可能となる。
As described above, according to the present invention, by covering the surface of the
以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、この実施形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、本実施形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれる。 As mentioned above, although embodiment which applied the invention made by the present inventors was described, this invention is not limited by description and drawing which make a part of indication of this invention by this embodiment. That is, other embodiments, examples, operational techniques, and the like made by those skilled in the art based on the present embodiment are all included in the scope of the present invention.
1…燃料電池システム
2…水素発生装置
3…燃料電池
13…生成水トラップ
14a…管路
14b…水素流路
15…燃料電池冷却水路
16…燃料電池冷却水流路
17…管路
21…水素発生材料充填容器(第1の容器)
22…水素発生材料
23…配管
24…水タンク(第2の容器)
24a…水
DESCRIPTION OF
22 ...
24a ... water
Claims (5)
前記第1の容器と配管によって接続され、前記第1の容器内に水を供給する第2の容器と、
前記第1の容器及び/又は前記第2の容器を加熱する加熱装置と、を備えることを特徴とする水素発生装置。 A first container storing a hydrogen generating material containing Mg and having a surface coated with Mg (OH) 2 ;
A second container connected to the first container by piping and supplying water into the first container;
And a heating device for heating the first container and / or the second container.
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