JP2014162664A - Hydrogen gas generator and submersible using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池に供給する水素を生成する水素ガス生成装置およびこれを利用する潜水機に関する。 The present invention relates to a hydrogen gas generation device that generates hydrogen to be supplied to a fuel cell, and a diving machine using the same.
燃料電池は、負極および正極に燃料および酸化剤をそれぞれ供給することにより発電している。前記燃料として水素ガスを用い、前記酸化剤として酸素ガスを用いたものがあり、水素ガスと酸素ガスとが電気化学的に反応することにより、水を生成すると共に、電力を得るようになっている。前記燃料電池は、前記水素ガスおよび前記酸素ガスを貯留するタンクを大きくすることによって発電時間を延ばすことができることから、長期運用に適した電源として知られている。前記燃料電池は、例えば、潜水機などの閉鎖空間内で使用される装置の電源として利用することが検討されている。 The fuel cell generates electric power by supplying fuel and an oxidant to the negative electrode and the positive electrode, respectively. There is one using hydrogen gas as the fuel and oxygen gas as the oxidant, and the hydrogen gas and oxygen gas react electrochemically to produce water and to obtain electric power. Yes. The fuel cell is known as a power source suitable for long-term operation because the power generation time can be extended by enlarging the tank for storing the hydrogen gas and the oxygen gas. The fuel cell is considered to be used as a power source for a device used in a closed space such as a submersible.
前記燃料電池を潜水機で利用する場合、前記水素ガスおよび前記酸素ガスを貯留する燃料タンクおよび酸化剤タンクを耐圧構造にする必要があり、これらタンクは通常の容器と比べて重量物であり大型であった。これらタンクを軽量化したものが発明されている。例えば、下記特許文献1は、液状金属水素化物を貯留する液状H2貯蔵体充填槽と、前記液状金属水素化物と水素発生促進剤との接触により発生した水素を分離後の排液を貯留する排液貯留槽とを備え、前記液状H2貯蔵体充填槽および前記排液貯留槽が、機外の水圧とほぼ均圧する均圧容器である水素発生装置を備えた潜水機を開示している。
When the fuel cell is used in a submersible, it is necessary to make the fuel tank and the oxidant tank for storing the hydrogen gas and the oxygen gas have a pressure-resistant structure, and these tanks are heavy and large-sized compared to ordinary containers. Met. A lighter version of these tanks has been invented. For example, the following
上述した潜水機は、水面近傍から水中の深深度に亘って航行する機体である。そのため、上記特許文献1に記載の水素発生装置を備えた潜水機においては、安全且つ取扱い容易に水素ガスを発生できるものの、航行深度の変化量が大きいと、すなわち、機外の水圧の変化量が大きいと、液状H2貯蔵体充填槽から触媒充填槽への液状金属水素化物の供給量、および触媒充填槽から排液貯留槽への排液の排出量を制御できず、触媒充填槽において水素ガスの生成量を適切に調整することができなくなってしまう可能性があった。
The above-mentioned submersible is a body that navigates from the vicinity of the water surface to the depth of the water. Therefore, in the submersible equipped with the hydrogen generator described in
このようなことから、本発明は、前述した課題を解決するために為されたものであって、均圧容器を備えるにもかかわらず、閉鎖空間外部の圧力の変化量が大きい場合であっても、水素ガスの生成量を適切に調整することができる水素ガス生成装置およびこれを利用する潜水機を提供することを目的としている。 For this reason, the present invention has been made to solve the above-described problems, and it is a case where the amount of change in pressure outside the enclosed space is large despite the provision of a pressure equalizing vessel. Another object of the present invention is to provide a hydrogen gas generating device capable of appropriately adjusting the amount of hydrogen gas generated and a diving machine using the hydrogen gas generating device.
上述した課題を解決する第1の発明に係る水素ガス生成装置は、閉鎖空間に設置され、燃料電池へ供給する水素ガスを生成する水素ガス生成装置であって、反応槽と、前記反応槽へ反応水を送給する反応水送給手段と、前記反応槽への前記反応水の送給量を調整する反応水送給量調整手段と、前記反応水送給手段が送給する前記反応水を貯留する反応水タンクと、水との混和性を有すると共に水素化金属に対し非反応性を有する溶媒と当該水素化金属とを混合した原料スラリを貯留するスラリタンクと、前記スラリタンク内の前記原料スラリを前記反応槽へ送給するスラリ送給手段と、前記反応槽への前記原料スラリの送給量を調整するスラリ送給量調整手段と、前記原料スラリと前記反応水とが反応して生じた廃液を前記反応槽内から排出する廃液排出手段と、前記廃液排出手段が排出した前記廃液を貯留する廃液タンクと、前記廃液タンクへの前記廃液の排出量を調整する廃液排出量調整手段と、前記反応槽内の圧力を計測する反応槽圧力計測手段と、前記反応槽内における前記反応水と前記原料スラリとの混合物の液面を検出する混合物液面検出手段と、前記閉鎖空間外部の圧力を計測する外部圧力計測手段と、前記反応槽圧力計測手段、前記混合物液面検出手段、および前記外部圧力計測手段が計測したデータに基づき、前記スラリ送給量調整手段、前記反応水送給量調整手段、前記廃液排出量調整手段を制御する制御手段とを備え、前記反応水タンク、前記スラリタンク、前記廃液タンクは、前記閉鎖空間外部の圧力と均圧する均圧容器であることを特徴とする。 A hydrogen gas generation device according to a first invention that solves the above-described problem is a hydrogen gas generation device that is installed in a closed space and generates hydrogen gas to be supplied to a fuel cell, and includes a reaction tank and the reaction tank Reaction water feeding means for feeding reaction water, Reaction water feeding amount adjusting means for regulating the feeding amount of the reaction water to the reaction tank, and the reaction water fed by the reaction water feeding means A slurry tank for storing a raw material slurry obtained by mixing a hydrogenated metal with a solvent that is miscible with water and non-reactive with a metal hydride, The slurry feed means for feeding the raw material slurry to the reaction tank, the slurry feed amount adjusting means for adjusting the feed amount of the raw material slurry to the reaction tank, the raw material slurry and the reaction water react. The waste liquid generated from the reaction is discharged from the reaction tank. The waste liquid discharging means, the waste liquid tank for storing the waste liquid discharged by the waste liquid discharging means, the waste liquid discharge amount adjusting means for adjusting the discharge amount of the waste liquid to the waste liquid tank, and the pressure in the reaction tank are measured. Reaction tank pressure measuring means, a mixture liquid level detecting means for detecting the liquid level of the mixture of the reaction water and the raw material slurry in the reaction tank, and an external pressure measuring means for measuring the pressure outside the enclosed space; , Based on the data measured by the reaction tank pressure measuring means, the mixture liquid level detecting means, and the external pressure measuring means, the slurry supply amount adjusting means, the reaction water supply amount adjusting means, and the waste liquid discharge amount adjustment. Control means for controlling the means, wherein the reaction water tank, the slurry tank, and the waste liquid tank are pressure equalizing vessels that equalize the pressure outside the closed space.
上述した課題を解決する第2の発明に係る水素ガス生成装置は、前述した第1の発明に係る水素ガス生成装置であって、前記制御手段は、前記外部圧力計測手段が計測した圧力が所定の変化量ΔP以上変化している場合、前記反応槽内の圧力が前記閉鎖空間外部の圧力と同じになるように、前記スラリ送給量調整手段および前記反応水送給量調整手段ならびに前記廃液排出量調整手段を制御することを特徴とする。 A hydrogen gas generation apparatus according to a second invention for solving the above-described problem is the hydrogen gas generation apparatus according to the first invention described above, wherein the control means has a predetermined pressure measured by the external pressure measurement means. When the change amount ΔP is more than ΔP, the slurry supply amount adjusting means, the reaction water supply amount adjusting means, and the waste liquid are adjusted so that the pressure in the reaction tank becomes the same as the pressure outside the closed space. The discharge amount adjusting means is controlled.
上述した課題を解決する第3の発明に係る水素ガス生成装置は、前述した第2の発明に係る水素ガス生成装置であって、前記制御手段は、前記所定の変化量ΔPが正であるときに、前記反応槽内への前記原料スラリおよび前記反応水の送給量が増加するように前記スラリ送給量調整手段および前記反応水送給量調整手段を制御する、または、前記反応槽内からの前記廃液の排出量が減少するように前記廃液排出量調整手段を制御する、もしくは、前記反応槽内への前記原料スラリおよび前記反応水の送給量が増加するように前記スラリ送給量調整手段および前記反応水送給量調整手段を制御する一方、前記反応槽内からの前記廃液の排出量が減少するように前記廃液排出量調整手段を制御することを特徴とする。 A hydrogen gas generation device according to a third aspect of the present invention for solving the above-described problem is the hydrogen gas generation device according to the second aspect of the present invention, wherein the control means is configured such that the predetermined change amount ΔP is positive. And controlling the slurry feed amount adjusting means and the reaction water feed amount adjusting means so that the feed amount of the raw material slurry and the reaction water into the reaction vessel is increased, or in the reaction vessel The waste liquid discharge amount adjusting means is controlled so that the discharge amount of the waste liquid from the reactor is reduced, or the slurry feed is performed so that the feed amount of the raw material slurry and the reaction water into the reaction tank is increased. While controlling the amount adjusting means and the reaction water feed amount adjusting means, the waste liquid discharge amount adjusting means is controlled so that the amount of waste liquid discharged from the reaction tank is reduced.
上述した課題を解決する第4の発明に係る水素ガス生成装置は、前述した第2の発明に係る水素ガス生成装置であって、前記制御手段は、前記所定の変化量ΔPが負であるときに、前記反応槽内への前記原料スラリおよび前記反応水の送給量が減少するように前記スラリ送給量調整手段および前記反応水送給量調整手段を制御する、または、前記反応槽内からの前記廃液の排出量が増加するように前記廃液排出量調整手段を制御する、もしくは、前記反応槽内への前記原料スラリおよび前記反応水の送給量が減少するように前記スラリ送給量調整手段および前記反応水送給量調整手段を制御する一方、前記反応槽内からの前記廃液の排出量が増加するように前記廃液排出量調整手段を制御することを特徴とする。 A hydrogen gas generation device according to a fourth invention that solves the above-described problem is the hydrogen gas generation device according to the second invention described above, wherein the control means is configured such that the predetermined change amount ΔP is negative. And controlling the slurry feed amount adjusting means and the reaction water feed amount adjusting means so that the feed amount of the raw material slurry and the reaction water into the reaction vessel is reduced, or in the reaction vessel The waste liquid discharge amount adjusting means is controlled so as to increase the discharge amount of the waste liquid from the reactor, or the slurry supply so as to reduce the supply amount of the raw material slurry and the reaction water into the reaction tank. While controlling the amount adjusting means and the reaction water feed amount adjusting means, the waste liquid discharge amount adjusting means is controlled so as to increase the discharge amount of the waste liquid from the reaction tank.
上述した課題を解決する第5の発明に係る潜水機は、前述した第1乃至第4の発明の何れか一つに係る水素ガス生成装置を備えることを特徴とする。 A diving machine according to a fifth invention for solving the above-described problem is characterized by including the hydrogen gas generation device according to any one of the first to fourth inventions described above.
第1の発明に係る水素ガス生成装置によれば、反応水タンク、スラリタンク、廃液タンクが、閉鎖空間外部の圧力と均圧する均圧容器であるにもかかわらず、閉鎖空間外部の圧力の変化量が大きい場合であっても、反応槽への原料スラリおよび反応水の送給量を調整することができると共に、前記反応槽からの前記廃液の排出量を調整することができることから、前記反応槽での水素ガスの生成量を適切に調整することができる。 According to the hydrogen gas generator according to the first invention, the reaction water tank, the slurry tank, and the waste liquid tank are pressure equalization containers that equalize the pressure outside the enclosed space, but the change in pressure outside the enclosed space. Even when the amount is large, it is possible to adjust the feed amount of raw material slurry and reaction water to the reaction tank, and to adjust the discharge amount of the waste liquid from the reaction tank. The amount of hydrogen gas produced in the tank can be adjusted appropriately.
第2の発明に係る水素ガス生成装置によれば、閉鎖空間外部の圧力の変化量が大きい場合であっても、反応槽内で生成する水素ガスの生成量を適切に制御することができる。 According to the hydrogen gas generation device according to the second aspect of the invention, even if the amount of change in pressure outside the enclosed space is large, the amount of hydrogen gas generated in the reaction tank can be appropriately controlled.
第3の発明に係る水素ガス生成装置によれば、閉鎖空間外部の圧力が急激に大きくなる場合であっても、反応槽内で生成する水素ガスの生成量を適切に調整することができる。 According to the hydrogen gas generation device according to the third aspect of the present invention, the amount of hydrogen gas generated in the reaction vessel can be appropriately adjusted even when the pressure outside the closed space increases rapidly.
第4の発明に係る水素ガス生成装置によれば、閉鎖空間外部の圧力が急激に小さくなる場合であっても、反応槽内で生成する水素ガスの生成量を適切に調整することができる。 According to the hydrogen gas generation device according to the fourth aspect of the invention, the amount of hydrogen gas generated in the reaction vessel can be appropriately adjusted even when the pressure outside the closed space is rapidly reduced.
第5の発明に係る潜水機によれば、上述した第1乃至第4の発明に係る水素ガス生成装置を備えることにより、潜入動作や浮上動作により閉鎖空間外部の圧力が急激に変わる場合であっても、反応槽での水素ガスの生成量を適切に調整することができる。 According to the submarine according to the fifth aspect of the present invention, when the hydrogen gas generation device according to the first to fourth aspects of the present invention is provided, the pressure outside the closed space changes suddenly due to the infiltration operation or the levitation operation. However, the amount of hydrogen gas produced in the reaction vessel can be adjusted appropriately.
本発明に係る水素ガス生成装置およびこれを利用する潜水機を好適に実施するための形態を図面に基づいて説明するが、本発明は、図面に基づいて説明する以下の実施形態のみに限定されるものではない。 DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Preferred embodiments of a hydrogen gas generating device and a diving machine using the hydrogen gas generating device according to the invention will be described with reference to the drawings. It is not something.
本発明に係る水素ガス生成装置およびこれを利用する潜水機の一実施形態を図1および図2に基づいて説明する。 One embodiment of a hydrogen gas generator according to the present invention and a diving machine using the same will be described with reference to FIGS. 1 and 2.
図1に示すように、本実施形態に係る潜水機100は、燃料電池10を備えると共に、燃料電池10の負極(図示せず)へ供給する燃料である水素ガス4を生成する水素ガス生成装置20を備える。なお、燃料電池10は酸素ガス供給源(図示せず)を備えており、当該燃料電池10の正極(図示せず)には、前記酸素ガス供給源からの酸素ガスが供給されている。
As shown in FIG. 1, a
水素ガス生成装置20は、燃料電池10の燃料極へ水素ガス4を供給する水素ガス供給管21を備える。水素ガス供給管21には、流量調整バルブ21aが設けられる。
The
水素ガス供給管21の基端側は、反応槽22の天井部と接続している。反応槽22には、当該反応槽22内に原料スラリ1を送給するスラリ送給管23の先端側が接続している。スラリ送給管23の基端側には、原料スラリ1を貯留する均圧スラリタンク24が接続している。スラリ送給管23の途中には、スラリ送給ポンプ23aおよび開閉バルブ23bが設けられる。
The base end side of the hydrogen
前記原料スラリ1としては、水との反応で水素を生成するものであって、例えば、水素化金属(例えば、水素化マグネシウム(MgH2)、水素化アルミニウム(AlH3)、水素化カルシウム(CaH2)、水素化リチウム(LiH)、水素化カリウム(KH)、水素化ナトリウム(NaH)など)の粉体と、当該水素化金属に対し非反応性を有すると共に水との混和性を有する溶媒とを混合したものを用いることが可能である。前記溶媒として、例えば、アセトン、1−ブタノール、炭素数5以上のアルコール類(例えば、ペンタノール、ヘキサノール、シクロヘキサノールなど)、グリコール類(例えば、エチレングリコール、プロピレングリコール、グリセリン、ポリエチレングリコールなど)、有機塩基類(例えば、エチレンジアミン、ピリジンなど)、有機酸類(例えば、酢酸、プロピオン酸、メタンスルホン酸など)、カチオン性界面活性剤(例えば、モノアルキルアンモニウムクロライド(第4級アンモニウム塩)、ジアルキルアンモニウムクロライド、ポリアルキレンオキシ化アルキルメチルアンモニウムクロライドなど)、非イオン性界面活性剤(例えば、ポリオキシエチレンアルキルエーテル、ポリオキシアルキレンアルキルエーテル、脂肪酸メチルエステルエトキシレート、脂肪酸ジエステル、アルキルグルコシドなど)などを用いることが可能である。
また、前記原料スラリ1として、例えば、活性アルミニウム微粒子またはアルミニウム微粒子と、フロン液、酢酸液、またはグリコール液とを混合した活性アルミニウム微粒子スラリまたはアルミニウム微粒子スラリなどを用いることも可能である。
The
Further, as the raw material slurry 1, for example, an active aluminum fine particle slurry or an aluminum fine particle slurry in which active aluminum fine particles or aluminum fine particles and a Freon liquid, an acetic acid liquid, or a glycol liquid are mixed can be used.
スラリ送給管23には、当該スラリ送給管23内に反応水2を送給する反応水送給管25の先端側が連通している。反応水送給管25の基端側には、反応水2を貯留する均圧反応水タンク26が接続している。反応水送給管25の途中には、反応水送給ポンプ25aおよび開閉バルブ25bが設けられる。
The
反応槽22の底部には、反応槽22内で生じた廃液5を排出する廃液排出管27の基端側が接続している。廃液排出管27の先端側には、廃液5を貯留する均圧廃液タンク28が接続している。廃液排出管27の途中には、廃液排出ポンプ27aおよび開閉バルブ27bが設けられる。
A base end side of a waste
反応槽22には、内部の原料スラリ1と反応水2との混合物3を撹拌する撹拌装置29が設けられる。撹拌装置29は、モータ29aと、モータ29aの軸体29bの先端部近傍に設けられたパドル29cとを備える。なお、モータ29aは、反応槽22の天井部外側に設けられる。軸体29bは、反応槽22の高さ方向に延在して配置される。
The
前記均圧スラリタンク24、前記均圧反応水タンク26、前記均圧廃液タンク28は、機外(閉鎖空間外部)の水圧を受圧して当該機外の水圧とほぼ均圧する容器である。これらタンク24,26,28として、例えば、可撓性を有する材料からなるチューブ、ベローズ、受圧ピストン、ブラダなどを用いることが可能である。
The pressure equalizing
上述した水素ガス供給管21、反応槽22、均圧スラリタンク24、均圧反応水タンク26、および均圧廃液タンク28には、圧力計21b,22a,24a,26a,28aがそれぞれ設けられる。上述した反応槽22には、液面検出器(液面センサ)22bが設けられており、原料スラリ1と反応水2との混合物3の上面の高さを検出可能になっている。潜水機100は、機外(閉鎖空間外部)の水圧(圧力)を計測する圧力計(水圧センサ)31を備える。
The hydrogen
水素ガス生成装置20は、入力側が、圧力計21b,22a,24a,26a,28a,31の出力側と接続すると共に、液面検出器22bの出力側と接続する制御装置30を備える。なお、制御装置30の入力側は、燃料電池10の出力側とも接続している。制御装置30の出力側は、ポンプ23a,25a,27aの入力側と接続し、流量調整バルブ21aの入力側と接続し、開閉バルブ23b,25b,27bの入力側と接続し、撹拌装置29のモータ29aの入力側と接続している。すなわち、制御装置30は、各種計測器21b,22a,24a,26a,28a,31,22bなどで計測した各種データに基づき各機器21a,23a,23b,25a,25b,27a,27b,29aなどを制御可能になっている。
The hydrogen
なお、前記反応槽22、前記水素ガス供給管21、および前記流量調整バルブ21aなどは、例えば、潜水機100の最大潜航深度が6000mであれば、その深度圧力に相当する60MPa程度の圧力に耐えることが可能な耐圧構造をなしている。
The
このような本実施形態においては、前記水素ガス供給管21および前記流量調整バルブ21aなどが水素ガス供給手段を構成し、前記均圧スラリタンク24、前記スラリ送給管23、前記スラリ送給ポンプ23a、前記開閉バルブ23bなどがスラリ送給手段を構成し、前記スラリ送給ポンプ23aおよび前記開閉バルブ23bなどがスラリ送給量調整手段を構成し、前記均圧スラリタンク24などがスラリタンクを構成し、前記均圧反応水タンク26、前記反応水送給管25、前記反応水送給ポンプ25a、前記開閉バルブ25b、および前記スラリ送給管23などが前記反応水送給手段を構成し、前記反応水送給ポンプ25aおよび前記開閉バルブ25bなどが反応水送給量調整手段を構成し、前記均圧反応水タンク26などが反応水タンクを構成し、前記廃液排出管27、前記廃液排出ポンプ27a、前記開閉バルブ27b、および前記均圧廃液タンク28などが廃液排出手段を構成し、前記廃液排出ポンプ27a、および前記開閉バルブ27bなどが廃液排出量調整手段を構成し、前記均圧廃液タンク28などが廃液タンクを構成し、前記圧力計22aなどが反応槽圧力計測手段を構成し、前記圧力計24aなどがスラリタンク圧力計測手段を構成し、前記圧力計26aなどが反応水タンク圧力計測手段を構成し、前記圧力計28aなどが廃液タンク圧力計測手段を構成し、前記圧力計31などが外部圧力計測手段を構成し、前記液面検出器22bなどが混合物液面検出手段を構成し、前記水素ガス供給管21、前記流量調整バルブ21a、前記反応槽22、前記スラリ送給管23、前記スラリ送給ポンプ23a、前記開閉バルブ23b、前記均圧スラリタンク24、前記反応水送給管25、前記反応水送給ポンプ25a、前記開閉バルブ25b、前記均圧反応水タンク26、前記廃液排出管27、前記廃液排出ポンプ27a、前記開閉バルブ27b、前記均圧廃液タンク28、前記撹拌装置29、前記圧力計21b,22a,24a,26a,28a,31、前記液面検出器22b、および前記制御装置30などが前記水素ガス生成装置20を構成し、前記燃料電池10、前記水素ガス生成装置20、および前記制御装置30などが前記潜水機100を構成している。
In this embodiment, the hydrogen
次に、上述した水素ガス生成装置20及びこれを利用する潜水機100の作動を説明する。
Next, the operation of the above-described hydrogen
<基本動作>
制御装置30は、均圧スラリタンク24に貯留される原料スラリ1と均圧反応水タンク26に貯留される反応水2とを一定比率で反応槽22に送給するように、ポンプ23a,25aおよび開閉バルブ23b,25bを制御している。これにより、反応槽22内にて、原料スラリ1と反応水2とが混合した混合物3となっている。制御装置30は、必要に応じて、反応槽22内の混合物3を撹拌するように、撹拌装置39を制御している。これにより、水素ガス4を生成すると共に、混合物3が水素ガス4を生成した後の残滓である廃液5を生成することになる。続いて、制御装置30は、反応槽22内にある廃液5を均圧廃液タンク28に排出するようにポンプ27aおよび開閉バルブ27bを制御する一方、反応槽22内にある水素ガス4を燃料電池10へ供給するように流量調整バルブ21aを制御する。
<Basic operation>
The
反応槽22への原料スラリ1および反応水2の送給量は、燃料電池10の運転で必要となる水素ガス4の必要量に応じて制御される。つまり、制御装置30は、燃料電池10の出力、圧力計22aが計測した反応槽22内の圧力、液面検出器22bが検出した反応槽22内の混合物3の高さ(液面)、圧力計31が計測した周囲の水圧などの各種データの一部、もしくは組み合わせに基づき、反応槽22への原料スラリ1および反応水2の送給量を演算している。
なお、反応槽22内の気相及び液相、すなわち、混合物3の液面は、水素発生量、燃料電池10への水素供給圧力、深度変化量(海水圧変化量)、反応槽22の耐圧構造などによって所定の値に設定される。
The feed amounts of the
Note that the gas phase and liquid phase in the
例えば、燃料電池10の発電量が1kWである場合、必要な水素量は、燃料電池10の発電効率を50%とすると熱量ベースで2倍の2kW分程度の供給が必要となる(560Nl/hr)。燃料電池10への水素供給圧力を0.6MPaとし、深度変化を0〜6000mとすると、海水圧変化は0〜60MPaである。このとき、運用中の反応槽22内の圧力は、0.6MPa〜60MPaの間で変化することになる。
For example, when the power generation amount of the
<定常動作:海面近傍>
潜水機100が海面近傍を航行しているときの作動について、以下に説明する。
均圧スラリタンク24と均圧反応水タンク26は、ほぼ大気圧(0.1MPa)であり、燃料電池10での水素ガス4の作動圧力は0.3MPaであることから、制御装置30は、原料スラリ1と反応水2を0.6MPa以上に昇圧して反応槽22内へ所定の比率で送給するように、ポンプ23a,25aおよび開閉バルブ23b,25bを制御する。つまり、制御装置30は、燃料電池10の運転で必要となる水素ガス4の必要量が反応槽22内で生じるように、反応槽22内への原料スラリ1および反応水2の送給量を制御している。
<Normal operation: Near the sea surface>
The operation when the submersible 100 is navigating near the sea surface will be described below.
Since the pressure equalizing
反応槽22内では、原料スラリ1と反応水2が反応し、反応槽22内の圧力と等しい水素ガス4が発生することになる。前記水素ガス4は、水素ガス供給管21を介し、流量調整バルブ21aにより流量が調整されて、燃料電池10に供給される。
In the
また、反応槽22内では、水素ガス4を生じた後の残滓である廃液5も生成する。廃液5は、廃液排出管27により反応槽22内から排出されて均圧廃液タンク28に貯留されることになる。このとき、反応槽22内の圧力が0.6MPaで、均圧廃液タンク28内の圧力がほぼ大気圧(0.1MPa)であることから、廃液排出ポンプ27aによる移送力はほとんど必要がないことになる。廃液5の排出量は、反応槽22内に送給されてくる原料スラリ1と反応水2とが反応して生じた生成物である水素ガス4および廃液5と釣り合うように制御される。制御装置30は、例えば、液面検出器22bが検出した反応槽22内の混合物3の液面を一定に保持するように各機器を制御している。
Moreover, in the
<定常動作:深深度>
潜水機100が海中の深深度を航行しているときの作動について、以下に説明する。
潜水機100の潜航深度が、例えば1000mであった場合、均圧スラリタンク24と均圧反応水タンク26は、10MPaであることから、制御装置30は、原料スラリ1と反応水2を昇圧せずに反応槽22内へ所定の比率で送給するように、ポンプ23a,25aおよび開閉バルブ23b,25bを制御している。つまり、制御装置30は、燃料電池10の運転で必要となる水素ガス4の必要量が反応槽22内で生じるように、反応槽22内への原料スラリ1および反応水2の送給量を制御している。
<Normal operation: depth>
The operation when the submersible 100 is navigating deep in the sea will be described below.
When the diving depth of the
反応槽22内では、原料スラリ1と反応水2が反応し、反応槽22内の圧力と等しい水素ガス4が発生することになる。前記水素ガス4は、水素ガス供給管21を介し、流量調整バルブ21aにより流量が調整されて、燃料電池10に供給される。
In the
反応槽22内で生成した廃液5は、廃液排出管27により反応槽22内から排出されて均圧廃液タンク28に貯留されることになる。このとき、反応槽22内の圧力と均圧廃液タンク28内の圧力とは、ともに10MPaであることから、反応槽22内の廃液5は、ポンプ27aによって排出される。廃液5の排出量は、反応槽22内に送給されてくる原料スラリ1と反応水2が反応して生じた生成物である水素ガス4および廃液5と釣り合うように制御される。制御装置30は、例えば、液面検出器22bが検出した反応槽22内の混合物3の液面を一定に保持するように各機器を制御している。
The
<潜入動作:深度増加>
潜水機100が潜入動作し、潜水機100の深度が増加するときの作動について、以下に説明する。
潜水機100が潜入動作をしているとき、制御装置30は、潜水機100の深度の増加に対応して、反応槽22内の圧力が増加するように各種機器を制御している。
<Infiltration operation: Depth increase>
The operation when the
When the
制御装置30は、反応槽22内で生成する水素ガス4の生成量を燃料電池10の運転で必要となる水素ガス4の必要量よりも増やすように、ポンプ23a,25aおよび開閉バルブ23b,25bを制御する。これにより、反応槽22内にて、混合物3(液相)が占める空間体積が増加する一方、気相が占める空間体積が減少(圧縮)し、前記気相の圧力が上昇することになる。
The
または、制御装置30は、反応槽22内から廃液5の排出が停止するように、廃液排出ポンプ27aおよび開閉バルブ27bを制御する。これにより、反応槽22内にて、混合物3(液相)が占める空間体積が増加する一方、気相が占める空間体積が減少(圧縮)し、前記気相の圧力が上昇することになる。
Alternatively, the
もしくは、制御装置30は、反応槽22内で生成する水素ガス4の生成量を燃料電池10の運転で必要となる水素ガス4の必要量よりも増やすように、ポンプ23a,25aおよび開閉バルブ23b,25bを制御する一方、反応槽22内から廃液5の排出が停止するように、廃液排出ポンプ27aおよび開閉バルブ27bを制御する。これにより、反応槽22内にて、混合物3(液相)が占める空間体積が増加する一方、気相が占める空間体積が減少(圧縮)し、前記気相の圧力が上昇することになる。
Alternatively, the
そして、上述の各種機器の制御は、反応槽22内の圧力が、潜航によって上昇する海水圧と同じになるまで実施される。
And control of the above-mentioned various apparatuses is implemented until the pressure in the
<潜入動作から巡航動作へ>
潜水機100が潜入動作から巡航動作へ変わるときの作動について、以下に説明する。
潜水機100が潜航深度を変える動作である上述の潜入動作が完了し、巡航状態になると、海水圧の変化が無くなる。制御装置30は、反応槽22内の圧力が海水圧とほぼ同等になったときには、反応槽22内の廃液5を排出するように廃液排出ポンプ27aおよび開閉バルブ27bを制御すると共に、反応槽22内で生成する水素ガス4の生成量を燃料電池10の運転で必要となる水素ガス4の必要量と同じになるように、ポンプ23a,25aおよび開閉バルブ23b,25bを制御する。廃液5の排出量は、反応槽22内に送給されてくる原料スラリ1と反応水2とが反応して生じた生成物である水素ガス4および廃液5と釣り合うように制御される。これにより、反応槽22内にて、混合物3(液相)が占める空間体積と、気相が占める空間体積とは、釣り合うことになる。
<From infiltration operation to cruise operation>
The operation when the
When the above-described infiltration operation, which is an operation in which the submersible 100 changes the submersion depth, is completed and enters a cruising state, the seawater pressure does not change. The
<浮上動作:深度減少>
潜水機100が浮上動作し、潜水機100の深度が減少するときの作動について、以下に説明する。例えば、潜水機100が浮上する前に、深度1000mを巡航していた場合には、均圧スラリタンク24、均圧反応水タンク26、均圧廃液タンク28は、10MPaであり、反応槽22内の圧力も10MPaである。潜水機100が浮上することによって、均圧スラリタンク24内の圧力、均圧反応水タンク26内の圧力、均圧廃液タンク28の圧力が下降することになる。
よって、潜水機100が浮上動作をしているときに、制御装置30は、潜水機100の深度の減少に対応して、反応槽22内の圧力が減少するように各種機器を制御している。
<Floating motion: depth reduction>
The operation when the
Therefore, when the
制御装置30は、反応槽22内で生成する水素ガス4の生成量を燃料電池10の運転で必要となる水素ガス4の必要量よりも減らすように、または反応槽内22への原料スラリ1および反応水2の送給を停止するように、ポンプ23a,25aおよび開閉バルブ23b,25bを制御する。これにより、反応槽22内にて、混合物3(液相)が占める空間体積が減少する一方、気相が占める空間体積が増加し、前記気相の圧力が減少することになる。
The
または、制御装置30は、反応槽22内から排出される廃液5の排出量を反応槽22内で生成する廃液5の生成量よりも増やすように、廃液排出ポンプ27aおよび開閉バルブ27bを制御する。これにより、反応槽22内にて、混合物3(液相)が占める空間体積が減少する一方、気相が占める空間体積が増加し、前記気相の圧力が減少することになる。
Alternatively, the
もしくは、制御装置30は、反応槽22内で生成する水素ガス4の生成量を燃料電池10の運転で必要となる水素ガス4の必要量よりも減らすように、または反応槽内22への原料スラリ1および反応水2の送給を停止するように、ポンプ23a,25aおよび開閉バルブ23b,25bを制御する一方、反応槽22内から排出される廃液5の排出量を反応槽22内で生成する廃液5の生成量よりも増やすように、廃液排出ポンプ27aおよび開閉バルブ27bを制御する。これにより、反応槽22内にて、混合物3(液相)が占める空間体積が減少する一方、気相が占める空間体積が増加し、前記気相の圧力が減少することになる。
Alternatively, the
そして、上述の各種機器の制御は、反応槽22内の圧力が、浮上によって下降する海水圧と同じになるまで実施される。
And control of the above-mentioned various apparatuses is implemented until the pressure in the
<浮上動作から巡航動作へ>
潜水機100が浮上動作から巡航動作へ変わるときの作動について、以下に説明する。
潜水機100が潜航深度を変える動作である上述の浮上動作が完了し、巡航状態になると、海水圧の変化が無くなる。制御装置30は、反応槽22内の圧力が海水圧とほぼ同等なったときには、反応槽22内から排出される廃液5の排出量が、反応槽22内に送給されてくる原料スラリ1と反応水2とが反応して生じた生成物である水素ガス4および廃液5と釣り合うように廃液排出ポンプ27aおよび開閉バルブ27bを制御すると共に、反応槽22内で生成する水素ガス4の生成量を燃料電池10の運転で必要となる水素ガス4の必要量と同じになるように、ポンプ23a,25aおよび開閉バルブ23b,25bを制御する。これにより、反応槽22内にて、混合物3(液相)が占める空間体積と、気相が占める空間体積とは、釣り合うことになる。
<From ascent operation to cruise operation>
The operation when the
When the above-described ascending operation, which is an operation of changing the submersible depth, is completed and the cruising state is entered, the seawater pressure does not change. When the pressure in the
すなわち、上述した水素ガス生成装置20およびこれを利用する潜水機100においては、上述の制御装置30は、潜入動作もしくは浮上動作を行う場合、図2に示す制御フローに基づき各種機器を制御することになる。
That is, in the hydrogen
まず、制御装置30は、圧力計31が計測した圧力が所定の変化量ΔP(例えば、0.1MPa)以上変化したかを判定する(ステップS1)。
First, the
前記圧力が前記所定の変化量ΔP以上変化した場合には、ステップS2に進み、潜入動作もしくは浮上動作に応じた制御を行うことになる。なお、前記圧力が前記所定の変化量ΔPまで変化しない場合には、潜入動作もしくは浮上動作に応じた制御を行う必要が無いと判断し、図2に示すフローによる制御を終了することになる。 When the pressure changes by the predetermined change amount ΔP or more, the process proceeds to step S2, and control according to the infiltration operation or the floating operation is performed. When the pressure does not change up to the predetermined change amount ΔP, it is determined that it is not necessary to perform control according to the infiltration operation or the floating operation, and the control by the flow shown in FIG. 2 is ended.
ステップS2にて、前記所定の変化量ΔPが正の値であるかを判定する。前記所定の変化量ΔPが正の値であるときには、ステップS3に進み、潜入動作に応じた制御を行うことになる。他方、前記所定の変化量ΔPが正の値ではないとき、すなわち、前記所定の変化量ΔPが負の値であるときには、ステップS5に進み、浮上動作に応じた制御を行うことになる。 In step S2, it is determined whether or not the predetermined change amount ΔP is a positive value. When the predetermined change amount ΔP is a positive value, the process proceeds to step S3, and control according to the infiltration operation is performed. On the other hand, when the predetermined change amount ΔP is not a positive value, that is, when the predetermined change amount ΔP is a negative value, the process proceeds to step S5, and control according to the flying operation is performed.
ステップS3にて、制御装置30は、各種機器を制御することにより、反応槽22内にて液相の占める空間体積を増加させる。つまり、制御装置30は、反応槽22内で生成する水素ガス4の生成量を燃料電池10の運転で必要となる水素ガス4の必要量よりも増やすように、ポンプ23a,25aおよびバルブ23b,25bを制御する。または、制御装置30は、反応槽22内から廃液5の排出が停止するように、廃液排出ポンプ27aおよび開閉バルブ27bを制御する。もしくは、制御装置30は、反応槽22内で生成する水素ガス4の生成量を燃料電池10の運転で必要となる水素ガス4の必要量よりも増やすように、ポンプ23a,25aおよび開閉バルブ23b,25bを制御する一方、反応槽22内から廃液5の排出が停止するように、廃液排出ポンプ27aおよび開閉バルブ27bを制御する。これにより、反応槽22内にて、混合物3(液相)が占める空間体積が増加する一方、気相が占める空間体積が減少(圧縮)し、前記気相の圧力が上昇することになる。
In step S <b> 3, the
続いて、ステップS4に進み、このステップS4にて、制御装置30は、反応槽22内の圧力が機外の圧力と同じであるかを判定する。反応槽22内の圧力が機外の圧力と同じでない場合には、ステップS3に戻り、反応槽22内の圧力が機外の圧力と同じである場合には、図2に示すフローによる制御を終了することになる。
Then, it progresses to step S4 and in this step S4, the
ステップS5にて、制御装置30は、各種機器を制御することにより、反応槽22内にて液相の占める空間体積を減少させる。つまり、制御装置30は、反応槽22内で生成する水素ガス4の生成量を燃料電池10の運転で必要となる水素ガス4の必要量よりも減らすように、または反応槽内22への原料スラリ1および反応水2の送給を停止するように、ポンプ23a,25aおよび開閉バルブ23b,25bを制御する。または、制御装置30は、反応槽22内から排出される廃液5の排出量を反応槽22内で生成する廃液5の生成量よりも増やすように、廃液排出ポンプ27aおよび開閉バルブ27bを制御する。もしくは、制御装置30は、反応槽22内で生成する水素ガス4の生成量を燃料電池10の運転で必要となる水素ガス4の必要量よりも減らすように、または反応槽内22への原料スラリ1および反応水2の送給を停止するように、ポンプ23a,25aおよび開閉バルブ23b,25bを制御する一方、反応槽22内から排出される廃液5の排出量を反応槽22内で生成する廃液5の生成量よりも増やすように、廃液排出ポンプ27aおよび開閉バルブ27bを制御する。これにより、反応槽22内にて、混合物3(液相)が占める空間体積が減少する一方、気相が占める空間体積が増加し、前記気相の圧力が減少することになる。
In step S <b> 5, the
続いて、ステップS6に進み、このステップS6にて、制御装置30は、反応槽22内の圧力が機外の圧力と同じであるかを判定する。反応槽22内の圧力が機外の圧力と同じでない場合には、ステップS5に戻り、反応槽22内の圧力が機外の圧力と同じである場合には、図2に示すフローによる制御を終了することになる。
Then, it progresses to step S6 and in this step S6, the
したがって、本実施形態によれば、潜航動作や浮上動作により機外の水圧が急激に変化し、均圧スラリタンク24、均圧反応水タンク26、均圧廃液タンク28に作用して、これらタンク24,26,28が前記機外の水圧と均圧になったとしても、圧力計31が計測した機外の圧力が所定の変化量ΔP以上変化したときに、制御装置30が、各種計測器21b,22a,24a,26a,28a,22bで計測した各種データに基づき各種機器21a,23a,23b,25a,25b,27a,27b,29を制御し、反応槽22への原料スラリ1および反応水2の送給量を制御すると共に、反応槽22からの廃液5の排出量を制御することができることから、反応槽22内で生成する水素ガス4の生成量を適切に制御することができ、これにより、燃料電池10へ供給する水素ガス4の供給量を適切に制御することができる。
Therefore, according to the present embodiment, the water pressure outside the aircraft changes suddenly due to the diving operation and the ascending operation, and acts on the pressure equalizing
本発明に係る水素ガス生成装置及びこれを利用した潜水機は、均圧容器を備えるにもかかわらず、閉鎖空間外部の圧力の変化量が大きい場合であっても、水素ガスの生成量を適切に調整することができるので、産業上、極めて有益に利用することができる。 The hydrogen gas generation device according to the present invention and a diving machine using the hydrogen gas generation device appropriately provide a hydrogen gas generation amount even when the pressure variation outside the enclosed space is large even though the pressure equalization vessel is provided. Therefore, it can be used extremely beneficially in the industry.
1 原料スラリ
2 反応水(水)
3 混合物
4 水素ガス(燃料)
5 廃液
10 燃料電池
20 水素ガス生成装置
21 水素ガス供給管
21a 流量調整バルブ
21b 圧力計
22 反応槽
22a 圧力計
22b 液面検出器(液面センサ)
23 スラリ送給管
23a スラリ送給ポンプ
23b 開閉バルブ
24 均圧スラリタンク
24a 圧力計
25 反応水送給管
25a 反応水送給ポンプ
25b 開閉バルブ
26 均圧反応水タンク
26a 圧力計
27 廃液排出管
27a 廃液排出ポンプ
27b 開閉バルブ
28 均圧廃液タンク
28a 圧力計
29 撹拌装置
29a モータ
29b 軸体
29c パドル
30 制御装置
31 圧力計
100 潜水機
1
3
5
23
Claims (5)
反応槽と、
前記反応槽へ反応水を送給する反応水送給手段と、
前記反応槽への前記反応水の送給量を調整する反応水送給量調整手段と、
前記反応水送給手段が送給する前記反応水を貯留する反応水タンクと、
水との混和性を有すると共に水素化金属に対し非反応性を有する溶媒と当該水素化金属とを混合した原料スラリを貯留するスラリタンクと、
前記スラリタンク内の前記原料スラリを前記反応槽へ送給するスラリ送給手段と、
前記反応槽への前記原料スラリの送給量を調整するスラリ送給量調整手段と、
前記原料スラリと前記反応水とが反応して生じた廃液を前記反応槽内から排出する廃液排出手段と、
前記廃液排出手段が排出した前記廃液を貯留する廃液タンクと、
前記廃液タンクへの前記廃液の排出量を調整する廃液排出量調整手段と、
前記反応槽内の圧力を計測する反応槽圧力計測手段と、
前記反応槽内における前記反応水と前記原料スラリとの混合物の液面を検出する混合物液面検出手段と、
前記閉鎖空間外部の圧力を計測する外部圧力計測手段と、
前記反応槽圧力計測手段、前記混合物液面検出手段、および前記外部圧力計測手段が計測したデータに基づき、前記スラリ送給量調整手段、前記反応水送給量調整手段、前記廃液排出量調整手段を制御する制御手段と
を備え、
前記反応水タンク、前記スラリタンク、前記廃液タンクは、前記閉鎖空間外部の圧力と均圧する均圧容器である
ことを特徴とする水素ガス生成装置。 A hydrogen gas generation device that is installed in a closed space and generates hydrogen gas to be supplied to a fuel cell,
A reaction vessel;
Reaction water feeding means for feeding reaction water to the reaction vessel;
A reaction water feed amount adjusting means for adjusting a feed amount of the reaction water to the reaction tank;
A reaction water tank for storing the reaction water fed by the reaction water feeding means;
A slurry tank for storing a raw material slurry obtained by mixing the metal hydride with a solvent that is miscible with water and non-reactive with the metal hydride;
Slurry feeding means for feeding the raw material slurry in the slurry tank to the reaction tank;
Slurry feed amount adjusting means for adjusting the feed amount of the raw material slurry to the reaction vessel;
Waste liquid discharging means for discharging the waste liquid generated by the reaction of the raw material slurry and the reaction water from the reaction tank;
A waste liquid tank for storing the waste liquid discharged by the waste liquid discharging means;
Waste liquid discharge amount adjusting means for adjusting the discharge amount of the waste liquid to the waste liquid tank;
Reaction vessel pressure measuring means for measuring the pressure in the reaction vessel;
A mixture liquid level detecting means for detecting a liquid level of the mixture of the reaction water and the raw material slurry in the reaction tank;
External pressure measuring means for measuring pressure outside the enclosed space;
Based on the data measured by the reaction tank pressure measuring means, the mixture liquid level detecting means, and the external pressure measuring means, the slurry supply amount adjusting means, the reaction water supply amount adjusting means, and the waste liquid discharge amount adjusting means. Control means for controlling
2. The hydrogen gas generation apparatus according to claim 1, wherein the reaction water tank, the slurry tank, and the waste liquid tank are pressure equalization vessels that equalize pressure outside the closed space.
前記制御手段は、前記外部圧力計測手段が計測した圧力が所定の変化量ΔP以上変化している場合、前記反応槽内の圧力が前記閉鎖空間外部の圧力と同じになるように、前記スラリ送給量調整手段および前記反応水送給量調整手段ならびに前記廃液排出量調整手段を制御する
ことを特徴とする水素ガス生成装置。 The hydrogen gas generator according to claim 1,
When the pressure measured by the external pressure measuring means changes by a predetermined change amount ΔP or more, the control means sends the slurry so that the pressure in the reaction tank becomes the same as the pressure outside the closed space. A hydrogen gas generation apparatus, characterized by controlling a supply amount adjusting means, the reaction water supply amount adjusting means, and the waste liquid discharge amount adjusting means.
前記制御手段は、前記所定の変化量ΔPが正であるときに、
前記反応槽内への前記原料スラリおよび前記反応水の送給量が増加するように前記スラリ送給量調整手段および前記反応水送給量調整手段を制御する、
または、
前記反応槽内からの前記廃液の排出量が減少するように前記廃液排出量調整手段を制御する、
もしくは、
前記反応槽内への前記原料スラリおよび前記反応水の送給量が増加するように前記スラリ送給量調整手段および前記反応水送給量調整手段を制御する一方、前記反応槽内からの前記廃液の排出量が減少するように前記廃液排出量調整手段を制御する
ことを特徴とする水素ガス生成装置。 The hydrogen gas generation device according to claim 2,
The control means, when the predetermined change amount ΔP is positive,
Controlling the slurry feed amount adjusting means and the reaction water feed amount adjusting means so that the feed amount of the raw material slurry and the reaction water into the reaction tank is increased;
Or
Controlling the waste liquid discharge amount adjusting means so as to reduce the discharge amount of the waste liquid from the reaction tank;
Or
While controlling the slurry feed amount adjusting means and the reaction water feed amount adjusting means so that the feed amount of the raw material slurry and the reaction water into the reaction vessel is increased, the inside of the reaction vessel The hydrogen gas generation apparatus, wherein the waste liquid discharge amount adjusting means is controlled so that the discharge amount of the waste liquid is reduced.
前記制御手段は、前記所定の変化量ΔPが負であるときに、
前記反応槽内への前記原料スラリおよび前記反応水の送給量が減少するように前記スラリ送給量調整手段および前記反応水送給量調整手段を制御する、
または、
前記反応槽内からの前記廃液の排出量が増加するように前記廃液排出量調整手段を制御する、
もしくは、
前記反応槽内への前記原料スラリおよび前記反応水の送給量が減少するように前記スラリ送給量調整手段および前記反応水送給量調整手段を制御する一方、前記反応槽内からの前記廃液の排出量が増加するように前記廃液排出量調整手段を制御する
ことを特徴とする水素ガス生成装置。 The hydrogen gas generation device according to claim 2,
The control means, when the predetermined change amount ΔP is negative,
Controlling the slurry feed amount adjusting means and the reaction water feed amount adjusting means so as to reduce the feed amount of the raw material slurry and the reaction water into the reaction tank;
Or
Controlling the waste liquid discharge amount adjusting means so as to increase the discharge amount of the waste liquid from the reaction tank;
Or
While controlling the slurry feed amount adjusting means and the reaction water feed amount adjusting means so that the feed amount of the raw material slurry and the reaction water into the reaction tank is reduced, the inside of the reaction tank A hydrogen gas generating apparatus, wherein the waste liquid discharge amount adjusting means is controlled so as to increase a waste liquid discharge amount.
ことを特徴とする潜水機。 A diving machine comprising the hydrogen gas generation device according to any one of claims 1 to 4.
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