JP2014088280A

JP2014088280A - 水素発生装置

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Publication number: JP2014088280A
Application number: JP2012238901A
Authority: JP
Inventors: Katsusuke Watanuki; 勝介綿貫; Nobuaki Mizuki; 伸明水木; Yasuhiro Saegusa; 保弘三枝; Seiji Kawaguchi; 清司川口; Wataru Mizuno; 渡水野
Original assignee: TONAMI TRANSP CO Ltd; TONAMI TRANSPORTATION CO Ltd
Current assignee: TONAMI TRANSP CO Ltd; TONAMI TRANSPORTATION CO Ltd
Priority date: 2012-10-30
Filing date: 2012-10-30
Publication date: 2014-05-15
Anticipated expiration: 2032-10-30
Also published as: CN103787275A; JP6210671B2; CN107601429A

Abstract

【課題】簡単な構造でありながら、水素の発生量の制御が容易な水素発生装置の提供を目的とする。
【解決手段】アルミとアルカリ性水溶液とを反応させて水素を発生させる水素発生装置であって、前記水素発生装置はアルミを投入し水素を発生させるための反応容器部と、前記アルカリ性水溶液を貯留しておくための貯留容器部とを備え、前記反応容器部の底部側と貯留容器部の底部側とが連通部にて連通可能であり、反応容器内の水素圧が高くなると、反応液が貯留容器部側に戻るようになっていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明はアルミとアルカリ性水溶を反応させて水素を得るための装置に関する。

水素を発生させる方法としてアルミを水酸化ナトリウムの水溶液等のアルカリ水溶液に接触させる方法は、原理的に公知である。
本出願人らは、この原理を用いてアルミ系包装材を乾留処理して回収した箔状のアルミを用いた水素発生装置を提案している（特許文献１）。
本発明は上記発明をさらに改善し、安定して水素を得ることができる水素発生装置を提案するものである。

特開２００９−１０７８９５号公報

本発明は簡単な構造でありながら、水素の発生量の制御が容易な水素発生装置の提供を目的とする。

本発明に係る水素発生装置は、アルミとアルカリ性水溶液とを反応させて水素を発生させる水素発生装置であって、前記水素発生装置はアルミを投入し水素を発生させるための反応容器部と、前記アルカリ性水溶液を貯留しておくための貯留容器部とを備え、前記反応容器部の底部側と貯留容器部の底部側とが連通部にて連通可能であり、反応容器内の水素圧が高くなると、反応液が貯留容器部側に戻るようになっていることを特徴とする。
ここで反応容器部と貯留容器部とは、それぞれ単独の容器でもよく、一体的な容器を仕切って反応容器部と貯留容器部とを形成してもよい。
反応容器部の底部側と貯留容器部の底部側とを連通部にて連通可能にしたとは、反応開始時に連通部をバルブ等で遮断してあり、反応容器部よりも貯留容器部の方が液面が高く、バルブ等を開くと貯留容器部に貯留されていたアルカリ水溶液の水圧にて、このアルカリ水溶液が反応容器部側に流れ込み、アルミと反応し水素量が多くなり容器内の水素圧が高くなると、その水素圧にて反応容器部に溜まっていた反応中のアルカリ水溶液が貯留容器部側に押し戻されることで水素の発生量が抑えられるように連通したことをいう。
よって、連通部は容器の底部よりの側面で連通してもよく、必ずしも底面から連通する必要はない。

また、反応容器部と貯留容器部とを底部側で連通させる場合に反応容器部の上部側から水素を取り出し、貯留容器部の上側空間部は大気と連通させてもよい。
また、貯留容器部の上側空間部を大気とは密閉状態にしつつ、この貯留容器の上側空間部と反応容器部の上側空間部とを連通させると、反応容器部の上側空間部の水素圧と貯留容器部の上側空間部の空気圧との均衡を図りながら水素を発生させることができる。
この際に反応容器部又は／及び貯留容器部にリリーフバルブを有し、反応水素圧が所定以上に上昇しないように制御されているようにしてもよい。

本発明において、反応容器部と貯留容器部との連通部にフィルター装置を有するようにすると、反応容器部から貯留容器部側に反応液が逆戻りする際に反応中のアルミが貯留容器部側に混入するのを防止できる。
本発明に係る装置にあっては、反応容器部や貯留容器部に圧力計を設けるとともにバルブ類を電磁弁バルブにすると自動制御でき、減少した水を自動補給しながら連続運転することも可能である。
また、水素発生装置以外のガス発生装置にも応用できる。

本発明において、水素発生の原料に用いるアルミの形態に制限はなく、反応容器部に投入できる大きさの塊状、粒状、片状等が例として挙げられる。
水素発生の原材料に用いるアルミにアルミ箔等の薄いアルミを用いた場合に水素ガスとともにアルミ箔が浮上し、反応性が低下する恐れもある。
そこで、そのようなアルミ原材料の場合には多孔板等のアルミ浮上防止手段を反応容器部内に設けてもよい。

本発明に用いるアルカリ液はｐＨ１３以上のアルカリ液であれば水酸化ナトリウム，水酸化カリウム等、化学物質に限定はない。
なお、水酸化ナトリウム，水酸化カリウム等のアルカリ金属単独の水溶液では、アルミとの反応開始速度が遅かったり、反応時間の経過とともに水素の発生量が少なくなる場合もあった。
そこで、水素発生触媒として、Ｆｅ_２（ＳＯ_４）_３，ＦｅＣｌ_３，Ｆｅ（ＮＨ_４）（ＳＯ_４）_２，（ＮＨ_４）_２Ｆ_２（ＳＯ_４）_２，ＭｇＣｌ_２，Ａｇ_３ＳＯ_４，Ｃｏ（ＮＯ_３）_２，Ｋ_２ＣＯ_３，ＣｕＳＯ_４，ＺｎＳＯ_４，ＮａＦ，Ｎａ_２ＳＯ_４，Ｎａ_３ＰＯ_４，ＮａＣｌＯ_４のうちから単独又は組み合せて用いると、水素発生の応答性が高く、アルミが反応液に接触するとすぐに水素が発生し始め、またアルミとの反応率が高い。

本発明に係る水素発生装置は、水素の発生圧により反応液の液面が上下動するので、それによりアルミとの反応液量が変化するので、発生する水素圧が安定する。
また、反応を停止させる場合にも水素圧を利用して反応液を貯留容器部側に戻すことで容易に停止できる。

本発明に係る水素発生装置の構成例を示す。水素発生における液面変化の説明図を示す。容器内の空間の空気圧を利用した水素発生制御例を示す。反応容器の外周側に貯留容器部を配置した例を示す。アルミ箔に浮上防止手段を設けた例を示す。反応液の自己撹拌手段を設けた例を示す。連通部のフィルター構造例を示す。

本発明に係る水素発生装置の構成例を図に基づいて説明するが、本発明はこれに限定されない。
水素発生装置１０は、図１に示すように密閉容器からなる反応容器部１１とアルカリ液を貯留しておくための貯留容器部１２とがそれぞれの底部又は底部付近で配管接続した連通部１３にて接続されている。
図１に示した例は、連通部１３の途中に設けたバルブＶ_１を開くと貯留容器部１２内のアルカリ水溶液が自重圧で反応容器部１１内に流れ込みやすいように貯留容器部１２の高さを反応容器部１１よりも高い位置に設定してある。
また、連通配管の途中に連通フィルター１５を設けてある。
反応容器部１１の上方にはアルミを投入するホッパーを第１ホッパー１９ａと第２ホッパー１９ｂの二段に分けて設けるとともに、バルブＶ_５，Ｖ_６をそれぞれ設けることで、バルブＶ_５，Ｖ_６を交互に開閉し、反応中でもアルミを投入できるようにしてある。
反応容器部１１の下部にはフィルター１４を介して沈殿部１７とヒーター１６を設けてある。
沈殿部１７はアルミが反応して生成した水酸化アルミ等が沈殿回収されるところであり、下部に回収用バルブＶ_７が設けられている。
また、ヒーター１６は反応初期に反応液の温度が低い場合に用いる。
反応容器部１１ではアルカリ水溶液（反応液）２０とアルミＭが反応し、水素が発生するので、流量計１８及びバルブＶ_８を介して水素の取り出し口が設けられている。
また、水素の発生により、水が減少するので水を補給するための水タンク５０がバルブＶ_９を介して設けられている。
反応容器部１１の上部と貯留容器部１２の上部とはバルブＶ_３を介して連通配管してある。
貯留容器部１２の上部には大気開放のためのバルブＶ_２を設けてある。
また、反応容器部１１と貯留容器部１２の上部には、必要に応じて圧力計Ｐ_１，Ｐ_２及びリリーフバルブＲ_１，Ｒ_２がそれぞれ設けられている。

次に図２に基づいて水素発生の制御方法について説明する。
図２（ａ）は、アルカリ水溶液２１を貯留容器部１２に貯めてあり、大気開放用のバルブＶ_２と連通用のバルブＶ_１を閉じた状態になっていて、反応容器部１１にアルミＭを投入した状態である。
この状態からバルブＶ_１，Ｖ_２を開くと、液圧にてアルカリ水溶液２１が反応容器部１１に流れ込み、反応液２０となる。
図２（ｂ）に示すように、反応液の液面２０ａは、アルミよりも上側になる。
これにより、アルミとの反応により水素が発生する。
水素の取り出しよりも発生量が大きくなると、図２（ｃ）に示すように水素圧が上昇し、その圧により液面２０ａが下降する。
これにより、水素の発生量が自動的に抑えられる。
また、水素の取り出し口のバルブＶ_８を閉じると、水素圧を利用して図２（ａ）の状態に戻すことができる。

本発明は、反応に用いられるアルカリ水溶液の量を変化させることができるものであれば、図３に示すように反応容器部１１の底面高さと、貯留容器部底面高さに差がなくてもよい。
図３（ａ）の状態から、バルブＶ_１，Ｖ_２を開くと水圧差により図３（ｂ）の状態になり、水素が発生する。
この状態で大気開放用バルブＶ_２を閉じ、上部側の連通バルブＶ_３を開く。
このようにすると、図３（ｃ）に示すように貯留容器部１２の空間部の空気圧Ｐａと水素圧Ｐａとが均衡を保ちながら水素を発生させることができる。

図４は反応容器部１１の外周側に一体的に貯留容器部１２を設けた例であり、配置の内外はこの逆であってもよい。
また、貯留容器の外周部に冷却フィン１２ａを形成した例になっている。

図５はアルミ箔のように薄い場合に、水素ガスとともに浮上するのを防止した多孔板３０を設けた例であり、図５（ａ）は１枚の多孔板３０の例であり、図５（ｂ）は２枚の多孔板３０ａ，３０ｂを二段に設け、その下側に二段に分けてアルミＭを投入した例である。
このように二段にすると、下段にて発生した水素により上段のアルミが撹拌される。

図６は反応容器部の内側に上部の羽根車４２と下部の撹拌棒４１を連結し、軸保持させた例である。
発生水素が上昇し羽根車４２に当たり、その力で撹拌棒４１が回転するのでアルミが撹拌される。

図７は連通フィルター１５の内部構造例を示し、フィルターのメッシュの大きい順に３つのフィルター１５ａ，１５ｂ，１５ｃを三段に設けた例となっている。
これにより、反応液２０が貯留容器部１２側に戻される際にアルミが混入するのを防止するとともに、メッシュの大きさの異なる三段構造になっているので、フィルターが目詰まりするのを防止できる。

図１に示した水素発生装置１０を用いて水素発生実験を行った。
濃度２．５％の水酸化ナトリウム水溶液８リットル中に触媒として、Ｆｅ_２（ＳＯ_４）_３：０．０１モル，Ｎａ_３ＰＯ_４：０．０１モル添加した反応液にアルミ系包装材から乾留により回収したアルミ２５ｇを投入したところ、投入とほぼ同時に水素が発生しはじめ、約２８．７リットルの水素が得られた。
これは理論値２９リットルに近い値である。
一方、比較のために反応液として２．５％の水酸化ナトリウムを単独に用いたところ、アルミ投入から水素発生が始まるまでに数分間要し、水素発生量は約２０リットルであった。

１０水素発生装置
１１反応容器部
１２貯留容器部
１３連通部
１４フィルター
１５連通フィルター
１６ヒーター
１７沈殿部
１８流量計
１９ａ第１ホッパー
１９ｂ第２ホッパー
２０反応液
２０ａ反応液の液面
３０多孔板
４１撹拌棒
４２羽根車
５０水タンク
Ｍアルミ

Claims

アルミとアルカリ性水溶液とを反応させて水素を発生させる水素発生装置であって、
前記水素発生装置はアルミを投入し水素を発生させるための反応容器部と、
前記アルカリ性水溶液を貯留しておくための貯留容器部とを備え、前記反応容器部の底部側と貯留容器部の底部側とが連通部にて連通可能であり、反応容器内の水素圧が高くなると、反応液が貯留容器部側に戻るようになっていることを特徴とする水素発生装置。
前記反応容器部又は／及び貯留容器部にリリーフバルブを有し、反応水素圧が所定以上に上昇しないように制御されていることを特徴とする水素発生装置。
前記反応容器部と貯留容器部との連通部にフィルター装置を有することを特徴とする請求項１又は２記載の水素発生装置。
前記アルミは箔状のアルミであり、反応容器部にアルミ箔の浮上防止手段を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の水素発生装置。