JP2014034502A - 水素発生装置の反応セル構造 - Google Patents

Abstract

【課題】水素発生装置の反応剤の活性効果を増大する。
【解決手段】ステンレス製の反応容器１を円筒状の大径の外側ケース２と、この中に収納された中径の内側ケース３と、この内側ケース３の中心部に配設された小径のヒータパイプ４で構成し、前記ヒータパイプ４内には、内側加熱装置としての電気式ヒータ５が挿入され、前記外側ケース２の周面が外側加熱装置６で加熱され、外側ケース２と内側ケース３間の第１空間Ｓ_１と内側ケース３とヒータパイプ４間の第２空間Ｓ_２の長手方向中央部に反応剤受け７、８をそれぞれに配置し、この反応剤受け７、８を反応セル１の中央部分に位置させて加熱部分に対応させ、前記第１、第２空間Ｓ_１、Ｓ_２に水を供給する水管９、１０は、反応剤の洗浄時に温熱水蒸気の噴射管としての作用をし、反応剤の加熱を内側と外側から均一に行うとともに反応剤の洗浄を行って、反応剤の活性を増大する。
【選択図】図１

Description

本発明は、アルカリ水酸化物を反応剤として水を分解する水素発生装置における反応剤を収納する反応セル構造に関する。

反応剤としてのアルカリ金属水酸化物（ＮａＯＨ、ＫＯＨ）をステンレス製の反応セル内に収納し、これを５００℃以上に加熱してその溶融塩から微細粒子を発散させ、この微細粒子と水蒸気とをステンレス成分雰囲気内で反応せしめ、水を分解して水素を発生せしめる水素発生装置について、本件発明者は既に出願を行っている。

国際公開ＷＯ２０１０／０８４７９０

しかしながら、特許文献１における水素発生装置においては、反応セル内に収納される反応剤を如何に均一に加熱するかについて十分検討がなされていない。すなわち、種々の実験の結果、反応剤は均一に加熱し、十分に熱がその中に伝導させるかがその反応性に大きく影響があることが判明し、この知見に基づく改良が必要である。

そこで、本発明の水素発生装置は、ステンレス製の円筒形状を有する反応セル内に反応剤を収納し、反応セルを反応剤の溶融点以上に加熱し、反応セル内に水を供給して水から水素を発生せしめる水素発生装置において、前記反応セルは大径の外側ケースと、この内側に配設された中径の内側ケースと、この内側ケース内に配設されたヒータパイプと、このヒータパイプ内に挿通される内側加熱装置としての電気式棒ヒータと、前記外側ケースの外周面を加熱する外側加熱装置と、前記外側ケースと内側ケース間に反応剤を保持する外側反応剤受けと、内側ケースとヒータパイプ間に反応剤を保持する内側反応剤受けとからなる。

また、前記外側ケース及び内側ケースは、前記外側反応剤受け及び内側反応剤受けの軸方向前後に所定長伸びて各端板で閉塞され、前記各反応剤受けに対応する部分のみが加熱されることが好ましい。

更にまた、前記反応セルの片側端板には、水を反応セル内に送る水管が接続され、他側端板の上部には、水素を排出するための水素排出管が取り付けられ、前記他側端板の下部にはドレン管が設けられていることが好ましい。

更にまた、前記外側反応剤受けが設置される第１空間と前記内側反応剤受けが設置される第２空間は、それぞれ独立空間であり、これら独立空間に対応して水管及び水素排出管が取付けられていることが好ましい。

更にまた、前記外側ケースの外側端板近傍には、水ジャケットが形成され、この水ジャケットは、反応剤の洗浄時に作動されることが好ましい。

反応セルの中心部には、電気式の棒ヒータが存在し、外側ケースは外側から外側加熱装置により加熱され、反応剤は、外側と内側から加熱され、しかも反応セルを円筒状に形成すれば、同一肉厚の反応剤を内側と外側から加熱するので、反応剤が均一に加熱され、反応が活発となる。しかも、棒ヒータは電流を流すと磁力線が生じ、この磁力線が反応空間に飛散している反応剤の微細粒子を引きつけ、ステンレス表面との反応を活発にする。

更に、各ケースの反応剤受けに対応する部分のみ加熱すれば、溶接部分の多いケースの端板部分の温度を低下でき、装置の寿命を延ばすことができる。

また、外側と内側の２つの反応空間をそれぞれ独立とすれは、一方の反応空間に漏れが生じても他方の空間には影響を与えず、しかも洗浄時に各反応空間にそれぞれ独立に加熱蒸気を送るようにすれば、加熱蒸気が送られる空間が区画され、その圧力の低下が少なくなり、洗浄効果が大きくなる。洗浄時に洗浄後の加熱水蒸気を水ジャケットで冷却すれば、水ドレンとして不純物を効率よくドレン管から外部に排出できる。

本発明の水素発生装置に使用される反応セルの縦断面図である。 図１の反応セルの横断面図である。 図１、２に示す反応セルの破断斜視図である。 反応時の酸化膜形成状態説明図である。 洗浄時に使用する反応剤容器の状態図である。 収納箱内における反応剤の収納状態説明図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。

図１、２、３において、本発明の水素発生装置Ｍに用いられるステンレス製の反応セル１は円筒形の大径の外側ケース２と、この中に収納される中径の内側ケース３と、この内外ケース２、３の中心に配設された小径のヒータパイプ４と、このヒータパイプ４内に挿通される内側加熱装置としての電気式棒ヒータ５と、前記外側ケース２に巻回される外側加熱としての例えば面状ヒータ６と、前記内側、外側ケース３、２間のリング状の第１空間Ｓ_１の反応セル１の軸方向中央部分に位置する樋形の外側反応剤受け７と、前記内側ケース３とヒータパイプ４間のリング状の第２空間Ｓ_２の反応セル１の軸方向中央部分に位置する樋形の内側反応剤受け８とを有している。

前記外側反応剤受け７は、外側ケース２の内壁に接触し、前記内側反応剤受け８は内側ケース２の内壁に接触し、これら両反応剤受け７、８に対応したヒータパイプ４及び外側ケース２の部分のみが加熱されるようになっており、棒ヒータ５も反応剤受け８に対応する部分５ａのみ発熱する構造となっている。

なお、反応剤受け７、８の軸方向両端は、端板によって閉塞され（受け８の端板８ａが図３に図示されている）、これら受け７、８内に反応剤としてのＮａＯＨ又はＫＯＨが収納され、これら反応剤はその融点以上（３００℃以上）に加熱されると溶融塩となり、その液面から微細粒子が各空間Ｓ_１、Ｓ_２に飛散し、ここに水蒸気が供給されると、ステンレス雰囲気（ＳＵＳ３０４の場合、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ）内で反応した水を分解する。反応剤受け７、８に保持される反応剤Ｒ_１、Ｒ_２は、図６に示すように半リング状になり、肉厚ｔが均一となるので、熱の伝導の偏りがなく、均一に加熱され、反応性のよい反応剤となる。

前記反応セル１の両端は端板１ａ、１ｂによって閉塞され、前記第１空間Ｓ_１及び第２空間Ｓ_２は互いに独立に区画され、反応は別個に行われ、一つの空間が漏れても他の空間には影響しないようになっている。

前記反応剤受け７、８の軸方向、前方、後方には、非加熱部Ｎ_１、Ｎ_２が形成され、この非加熱部Ｎ_１、Ｎ_２により端板１ａ、１ｂ近傍の温度が加熱部分より低いので溶接部分が保護され反応セル１の寿命が延びる。

前記前側の端板１ａの第１空間Ｓ_１に対応する位置には３つの水管９が設けられるとともに、第２空間Ｓ_２に対応した位置には、更に３つの水管１０が設けられ、このように、水管９、１０をそれぞれ複数個設けたのは、これら水管９、１０が洗浄時には、過熱水蒸気の噴射管に使用されるからである（後述）。

前記水管9、１０は水供給系ｗ_１に連なり、この水供給系ｗ_１は水タンク２０内の水を前記第１、第２空間Ｓ_１、Ｓ_２にバルブ２１を介して供給する。一方、水管９、１０は前記第１、第２空間Ｓ_１、Ｓ_２の洗浄を行うための洗浄系ｗ_２にも連なり、この洗浄計ｗ_２は、ボイラ２２からの飽和水蒸気を高周波誘導加熱装置２３を介して前記両空間Ｓ_１、Ｓ_２に送給するためのものであり、バルブ２４をも備えている。

前記反応セル１の後側の端板１ｂの上側には、発生した水素を排出するための水素排出管３０、３１が第１空間Ｓ_１及び第２空間Ｓ_２に対応して設けられ、端板１ｂの下側には、洗浄時のドレンを排出するためのドレン管３２、３３が前記第１、第２空間Ｓ_１、Ｓ_２に対応して設けられ、これらドレン管３２，３３には開閉弁３４、３５が設けられている。また、前記外側ケース２の非加熱部Ｎ_２の突出端部には、水ジャケット４０が設けられ、この水ジャケット４０は、洗浄時に動作させて洗浄時に送られる過熱水蒸気を反応剤の位置する部分を洗浄した後に冷却してドレンとしてドレン管３２、３３からスムースに排出させるためのものである。

前記水素排出管３０、３１には、バルブ４１を介して真空ポンプ４２が接続され、この真空ポンプ４２によって、前記第１、第２空間Ｓ_１、Ｓ_２を減圧して一気圧以下とし、減圧下で水蒸気と反応剤とを反応させるようにしている。

次に洗浄について説明する。

反応剤としてＮａＯＨを使用した場合、先ず低次の酸化物（ＮａＦｅＯ_２）が
２Ｆｅ + ２ＮａＯＨ + ２Ｈ_２Ｏ → ２ＮａＦｅＯ_２ + ３Ｈ_２
の反応により生じ、更に、このＮａＦｅＯ_２が水と鉄に反応して、以下の反応式に従って
３ＮａＦｅＯ_２ ＋ ２Ｆｅ ＋ ３Ｈ_２Ｏ → Ｎａ_３Ｆｅ_５Ｏ_９ ＋ ３Ｈ_２
高次の鉄酸化膜（Ｎａ_３Ｆｅ_５Ｏ_９）が生じる。この高次鉄酸化膜は触媒的作用を果たし、水を分解する。この過程において水素が発生するが、ステンレス中の鉄（Ｆｅ）成分がＦｅＯ、Ｆｅ_２Ｏ_３、Ｆｅ_３Ｏ_４等の酸化物を同時に生成するので、これらの不純物としての酸化物を洗浄する必要があり、例えば、一日の運転が終了したときに、洗浄作業が行われる。なお、高次の特殊機能酸化膜（Ｎａ_３Ｆｅ_５Ｏ_９）ｌは、図４に示す如くステンレスの外側ケース２の内壁、内側ケース３の内外壁、更には、各反応剤受け（ステンレス製）７、８の内壁に付着するが、反応に寄与しない不純酸化物Ｏ、Ｏ…Ｏが各酸化膜ｌ上に付着する。この不純酸化物を水供給を停止して（バルブ２１閉）、バルブ２４を開き、過熱水蒸気（２００℃以上）を高圧で第１、第２空間Ｓ_１、Ｓ_２に送って、不純酸化物Ｏを洗い流し、この汚れた過熱水蒸気を水ジャケット４０の位置で液体とし、ドレン管３２、３３を経て外部に排出する。このようにして一定時間、反応させた後に、高次の特殊機能酸化物表面を洗浄すれば、その劣化を有効に防止することができる。

なお、洗浄時に、図５に示すように、反応剤Ｒを収納した収納箱５０内に過熱水蒸気を通した後に、第１、第２空間Ｓ_１、Ｓ_２内に送れば、反応剤の微粒子を過熱水蒸気とともに前記空間内に送って洗浄と同時に反応剤の補給をすることができ反応剤の効果を長く維持することができる。

１…反応セル
２…外側ケース
３…内側ケース
４…ヒータパイプ
５…電気式棒ヒータ
７…外側反応剤受け
８…内側反応剤受け
９…水管
１０…水管
２０…水タンク
２３…高周波誘導加熱装置

Claims (5)

1. ステンレス製の円筒形状を有する反応セル内に反応剤を収納し、反応セルを反応剤の溶融点以上に加熱し、反応セル内に水を供給して水から水素を発生せしめる水素発生装置において、前記反応セルは大径の外側ケースと、この内側に配設された中径の内側ケースと、この内側ケース内に配設されたヒータパイプと、このヒータパイプ内に挿通される内側加熱装置としての電気式棒ヒータと、前記外側ケースの外周面を加熱する外側加熱装置と、前記外側ケースと内側ケース間に反応剤を保持する外側反応剤受けと、内側ケースとヒータパイプ間に反応剤を保持する内側反応剤受けとからなる水素発生装置の反応セル構造。
2. 前記外側ケース及び内側ケースは、前記外側反応剤受け及び内側反応剤受けの軸方向前後に所定長伸びて各端板で閉塞され、前記各反応剤受けに対応する部分のみが加熱されるようになっている請求項１記載の水素発生装置の反応セル構造。
3. 前記反応セルの片側端板には、水を反応セル内に送る水管が接続され、他側端板の上部には、水素を排出するための水素排出管が取り付けられ、前記他側端板の下部にはドレン管が設けられている請求項１又は２記載の水素発生装置の反応セル構造。
4. 前記外側反応剤受けが設置される第１空間と前記内側反応剤受けが設置される第２空間は、それぞれ独立空間であり、これら独立空間に対応して水管及び水素排出管が取付けられている請求項３記載の水素発生装置の反応セル構造。
5. 前記外側ケースの外側端板近傍には、水ジャケットが形成され、この水ジャケットは、反応剤の洗浄時に作動される請求項３記載の水素発生装置の反応セル構造。
   

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