JP2023009768A

JP2023009768A - 水素製造装置

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Publication number: JP2023009768A
Application number: JP2021113326A
Authority: JP
Inventors: 誠梅谷; Makoto Umetani
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2021-07-08
Filing date: 2021-07-08
Publication date: 2023-01-20

Abstract

【課題】二酸化炭素を排出することなく水素を製造することができる水素製造装置を提供する。【解決手段】水素製造装置１０は、水素を貯蔵するための水素貯蔵部１１と、水素貯蔵部から供給される水素を導入して熱を発生させる発熱部１２と、発熱部から供給される熱を回転運動に変換する回転部１３と、回転部から供給される回転運動によりモーター発電機を回転させ発電する発電部１４と、発電部から供給される直流電流を用いて電気分解を行い、新たな水素を生成し、新たな水素を水素貯蔵部に貯蔵する電気分解部１５、を備える水素製造装置である。発熱部１２が、多孔質体、あるいは積層構造体を有する耐熱材料からなる支持体と水素吸蔵材料を主成分とする水素触媒材料とを備え、水素触媒の間隔が水素の吸着サイトを形成できる大きさであることで水素発生量をより増大させることができる。【選択図】図１

Description

本発明は、水素製造装置、特に家庭用小型水素製造装置に関する。

近年、地球温暖化防止のために、世界中で温暖化ガスである二酸化炭素（ＣＯ_２）を削減する様々な取り組みがなされている。例えば、欧米をはじめとした先進各国において、二酸化炭素の排出を抑えるために、火力発電に置き換えて再生可能エネルギーによる発電方法が採用されるようになってきている。

また、陸海空の運輸技術においては、ガソリン車を完全に廃止して電気自動車に置き換えるなど各運輸方法を電動化する計画がなされている。石油をはじめとした化石燃料を利用したエネルギーを、まったくＣＯ_２の発生しないエネルギーに変換する、いわば産業革命以来のエネルギー革命が進んでいる。そんなエネルギー変換の最も有力な技術の一つに水素を原料とした水素エネルギー技術がある。

代表的な水素エネルギー技術には、燃料電池を用いた燃料電池自動車やエネファームなどの家庭用発電機の導入が急速に進んできている。また、水素を原料とし、１億℃を超える高温状態で核融合反応を起こさせて発電する方法の研究が、欧米諸国や日本などがフランスにおいて共同研究されている（参照；国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構のＩＴＥＲプロジェクト）。

一方、本発明に関連する技術として、例えば、特許文献１には、電気分解セルと、真空容器及び排気系と、真空容器内に設けた核生成物検出器と、電気分解セルと真空容器との間を仕切る陰極電極とを有し、電解溶液側の電気分解セルと真空側の真空容器と陰極電極との間を気密的に閉じて、電気分解を行いながら核生成物の検出を同時に行うことを特徴とした固体内核反応装置が開示されているように、水素を原料とした莫大なエネルギーを取り出す装置の研究もなされている。

特開平８－１６６４７７号公報

しかしながら、このような水素エネルギー技術に必要な水素をＣＯ_２フリーで安価に製造する方法はほとんどない。水素エネルギー技術の成功のカギは水素の製造技術の確立にかかっているといっても過言ではない。

現在、実用化されている水素製造方法は、１．水を電気分解する方法、２．天然ガスなど、化石燃料から作り出す方法、３．森林資源や廃材などのバイオマスから作り出す方法、４．製鉄所、食塩電解などの工場で発生するガスから副産物として生じる水素を分離する方法があるが、いずれも、外部からの非常に大きなエネルギーの供給が必要であり、完全なＣＯ_２フリーには至っていない。しかも、これらの製造方法では大規模製造装置が必要で、コストが非常に大きくなる。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、二酸化炭素を排出することなく低コストで水素を製造することができる水素製造装置を提供することを目的としたものである。

本発明に係る水素製造装置は、水素を貯蔵するための水素貯蔵部と、前記水素貯蔵部から供給される前記水素を導入して熱を発生させる発熱部と、前記発熱部から供給される前記熱を回転運動に変換する回転部と、前記回転部から供給される前記回転運動によりモーター発電機を回転させ発電する発電部と、前記発電部から供給される直流電流を用いて電気分解を行い、新たな水素を生成し、前記新たな水素を前記水素貯蔵部に貯蔵する電気分解部と、を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る水素製造装置において、前記発熱部が、多孔質体、あるいは積層構造体を有する耐熱材料からなる支持体と水素吸蔵材料を主成分とする水素触媒材料とを備え、前記水素触媒材料の間隔が水素の吸着サイトを形成できる大きさであることが好ましい。

また、本発明に係る水素製造装置において、前記回転部は、低温度差スターリングエンジンであることが好ましい。

本発明によれば、二酸化炭素を排出することなく低コストで水素を製造することができる水素製造装置を提供することが出来る。

本発明に係る実施形態の水素製造装置の工程図である。本発明に係る実施形態における水素製造装置の発熱部の各構成要素を示す概略図である。本発明に係る実施形態における水素製造装置の回転部の各構成要素を示す概略図である。a）は正面図、ｂ）は側面図である。本発明に係る実施形態における水素製造装置の発電部の各構成要素を示す概略図である。本発明に係る実施形態における水素製造装置の電気分解部の各構成要素を示す概略図である。発熱体として利用できる材料の水素導入時の発熱温度のプロファイルである。

以下に、本発明に係る実施の形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、本文中の説明においては、必要に応じそれ以前に述べた符号を用いるものとする。

図１は、本発明に係る実施形態の水素製造装置１０を示す工程図である。図２は、水素製造装置１０の発熱部１２の各構成要素を示す概略図である。図３は、水素製造装置１０の回転部１３の各構成要素を示す概略図である。図４は、水素製造装置１０の発電部１４の各構成要素を示す概略図である。図５は、水素製造装置１０の電気分解部１５の各構成要素を示す概略図である。

図６は、発熱体として利用できる材料の水素導入時の発熱温度のプロファイルである。

図１に示したように、水素製造装置１０は、水素貯蔵部１１と、発熱部１２と、回転部１３と、発電部１４と、電気分解部１５の各工程より構成されており、外部からエネルギーを供給しなくても、水素を原料として、二酸化炭素を排出することなく、水素を製造することができる機能を有する。

水素貯蔵部１１は、水素を貯蔵するためのバッファタンク（図示せず）を備える。水素貯蔵部１１は、水素系ガスを貯留する。水素系ガスは、水素の同位体を含むガスである。水素系ガスとしては、重水素ガスと軽水素ガスの少なくともいずれか一方を含むガスが用いられる。水素爆発抑制のため、窒素などの不活性ガスと混合されたグリーンガスを用いてもよい。

そして、最終的に電気分解部１５で発生した水素を回収、貯蔵する機能を有する。また、水素系ガスの流量の変動は、水素貯蔵部１１により吸収され、常時適切な圧力範囲になるように微調整される。

図２に示した発熱部１２は、水素貯蔵部１１から水素導入口１１１より供給される水素１２１を導入することで、発熱体１２２により、水素の吸着と凝集を起こし、反応熱を放出する。

条件によっては水素の生成エネルギー以上の過剰熱を発生する。吸着反応は平衡反応であるので、外部に放出された水素１２１は、再び水素回収口１１２を通って、水素貯蔵部１１に回収される。

発熱体１２２は、回転部１３の高温部に熱を伝えるための熱伝導率の高い材料からなる熱伝導体（図示せず）の上に形成され、支持体（図示せず）と水素触媒材料（図示せず）とを備えている。支持体は、多孔質体、あるいは積層構造体を有する耐熱材料からなる。

好ましくは、ゼオライトやカーボンナノチューブ、活性炭などの微細な空孔を有する多孔性材料、あるいは、酸化物材料などの耐熱性の優れた積層構造を有する多層膜を用いると、水素系ガスの通過を可能とするナノメートルレベルの各触媒あるいは触媒層との間に水素の吸着サイトを形成できる大きさの隙間を有しており、水素の吸着量の劇的な増加があり、より水素反応を加速させ、発熱量を増大させる。

水素触媒材料は、支持体に設けられ、水素吸蔵金属または水素吸蔵合金からなる。多孔性材料では空孔の内部に形成され、多層膜では層間に形成され、ナノメートルレベルの厚みで形成される。

図３の回転部１３は、発熱部１２で発生した熱を高温部１３８に伝え、大シリンダー１３１の内部の密閉ガスを加熱する。ガスが加熱により膨張し、ディスプレーサピストン１３３を押し下げる。ディスプレーサピストン１３３は、回転部１３に支柱１３７に固定されたフライホイル１３６のクランク１３５に接続されているので、フライホイル１３６は回転を始める。

大シリンダー１３１の最大体積に達したのち、ディスプレーサピストン１３３の隙間から加熱された密閉ガスが低温部１３９に移動を始める。移動した高温状態のガスは冷却され、体積収縮のためディスプレーサピストン１３３が引き下げられ、再び高温部１３８に移動する。

この時、クランク１３５には回転方向に向けて９０度だけ先に進んだ位置にパワーピストン１３４が接続されており、低温部１３９に形成されている小シリンダー１３２内で低温部に移動した内部ガスは冷却されると同時に体積が圧縮されて、さらに内圧が上昇し、高温部への移動を加速する。

このようにして、ディスプレーサピストン１３３を押し下げるとともに冷却されたガスが高温部１３８へ移動する。そして高温部１３８で発熱部１２の熱により再び加熱される。このようにして、熱エネルギーを回転運動に変換する。使用するスターリングエンジンは１００℃以下で稼働する低温度差スターリングエンジンが好ましい。低温度差スターリングエンジンは手のひら上でも稼働可能であり、低温部との温度差が１０℃以上あれば稼働する。

参考までに、発熱体として利用できる材料の水素導入時の発熱温度のプロファイルを図６に示す。図６は、特開２０１８－７６１８８号公報に記載の多孔質材料であるモレキュラーシーブ４Ａに塩化パラジウム溶液に浸漬して得られる発熱体のガス吸着脱離量測定装置（ＢＥＬＣＡＴ；マイクロトラック・ベル株式会社）に四重極質量分析装置（ＢＥＬＭａｓｓ；マイクロトラック・ベル株式会社）を接続したシステムを用いて測定された水素吸蔵／放出プロファイルの測定結果である。

前処理により発熱体材料に含まれるガス成分を除去したのち、１．５時間水素を導入した時の温度変化６１を示している。水素を導入する直前には常温の２５℃程度であった温度が、水素を導入した直後に３５℃程度に上昇し、その後、水素を流し続けると、徐々に温度は上昇しつづけ、１．５時間後には、およそ５０℃程度にまで上昇している。

水素を流して吸着量が飽和してもさらに温度が上昇するのは、温度が上がるほど、過剰熱が発生している微小部分が増加していくためであると考えられる。前述のように、スターリングエンジンは１００℃以下で、高温部と低温部の温度差が１０℃以上であれば稼働し続けるので、このような材料を発熱部に用いることで、水素を原料とし、外部からのエネルギーを供給することなく、スターリングエンジンを稼働し続けることが可能となる。

他にも、ＷＯ２０１８／２３０４４７号公報に開示されているような水素吸蔵金属、水素吸蔵合金、またはセラミックスからなり、かつ各層の厚さが１０００ｎｍ未満の多層膜なども使用可能である。

これらの材料は、さらに高温状態などの条件を与えると、より大きな過剰熱を発することができる。その場合は、大規模発電所に利用すると、より効果を発揮できる。

以上のようにして、本発明の水素製造装置１０では水素貯蔵部１１の水素を原料として、外部からのエネルギー供給なしで、二酸化炭素の発生を伴わないで、回転部１３を回転させることができるので、図４に示した発電部１４の動力となる。図４に示したようにＮ極磁石１４２とＳ極磁石１４３の固定された回転軸１４１を回転させる。

各磁石１４２，１４３に向かい合った位置に設置された鉄芯に巻かれたコイル１４４に電磁誘導による直流起電力を発生する。

そして、図５に示した電気分解部１５の電解液１５３に浸漬された陽極１５２に＋を、陰極１５１に－を接続することで水の電気分解による水素の製造ができる。発生した水素１５５は、水上置換の気体捕捉容器１５４で収集され、水素配管１５６を通じて、水素貯蔵部１１に収集される。

発熱用に使用された水素１２１は一部消費されるがほとんどが再度、水素貯蔵部１１に回収されるので、電気分解部１５で発生した水素１５５は新たに貯蔵されていく。また、電解液１５３に重水を用いれば、重水素の製造が可能である。

このように、本発明の水素製造装置１０によれば、水素を原料とし、完全にＣＯ２フリーな状態で安価な水素を製造することができる。

また、本発明の水素製造装置１０によれば、水素のみを原料としており、しかも、外部からのエネルギー供給がなくてわずかの発熱反応を利用することが可能となるので、まったく二酸化炭素を排出することなく、家庭にも設置できる小型の水素製造装置を提供することが出来る。すなわち、ＣＯ_２フリーで安価に水素製造ができる。

低温度差スターリングエンジンを用いれば、高温部が１００℃以下でも稼働し、低温部との温度差が１０℃以上あれば、常に稼働できるので、再生可能エネルギーのように周りの環境で出力が大きく変化することはなく、たいていの地球環境においては安定して長時間水素の製造が可能になる。

本発明の水素製造装置１０を用いれば、いつでもどこでも長時間水素製造できるので、各家庭で水素を製造すると、水素の大量運搬、輸送の必要もなくなり、多くの水素ステーションの建設も必要なくなるという効果も発揮する。

各家庭に設置すれば、家庭で所有する燃料電池車やエネファームへの水素を供給できる。水素技術の普及のための大規模な水素ステーションなどのインフラ整備は必要ない。従来の電力のように送電の必要もなくなり、送電ロスなどの問題も生じないという顕著な効果を生じる。

１０水素製造装置、１１水素貯蔵部、１１１水素導入口、１１２水素回収口、１２発熱部、１２１水素、１２２発熱体、１３回転部、１３１大シリンダー、１３２小シリンダー、１３３ディスプレーサピストン、１３４パワーピストン、１３５クランク、１３６フライホイル、１３７支柱、１３８高温部、１３９低温部、１４発電部、１４１回転軸、１４２Ｎ極磁石、１４３Ｓ極磁石、１４４コイル、１５電気分解部、１５１陰極、１５２陽極、１５３電解液、１５４気体捕捉容器、１５５発生した水素、１５６水素配管、６１温度変化。

Claims

水素を貯蔵するための水素貯蔵部と、
前記水素貯蔵部から供給される前記水素を導入して熱を発生させる発熱部と、
前記発熱部から供給される前記熱を回転運動に変換する回転部と、
前記回転部から供給される前記回転運動によりモーター発電機を回転させ発電する発電部と、
前記発電部から供給される直流電流を用いて電気分解を行い、新たな水素を生成し、前記新たな水素を前記水素貯蔵部に貯蔵する電気分解部と、
を備えることを特徴とする水素製造装置。
請求項１に記載の水素製造装置において、
前記発熱部が、多孔質体、あるいは積層構造体を有する耐熱材料からなる支持体と水素吸蔵材料を主成分とする水素触媒材料とを備え、
前記水素触媒材料の間隔が水素の吸着サイトを形成できる大きさであることを特徴とする水素製造装置。
請求項１に記載の水素製造装置において、
前記回転部は、低温度差スターリングエンジンであることを特徴とする水素製造装置。