JP4261164B2 - 携帯型電源 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は水素貯蔵システムを使用した携帯型電源、さらに詳細には将来のクリーンエネルギー媒体である水素ガスを安全かつ高密度に貯蔵し、必要に応じて水素を取り出し、使用するための水素貯蔵システムを使用した携帯型電源に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
水素は熱、動力および電気等の様々な形態のエネルギーへ容易に変換可能であり、消費しても水以外の物質を生成しないため、次世代のクリーンなエネルギー媒体の一つとして有望視されている。
【０００３】
近年、水素エネルギーネットワークの実現を目指して、国内外の研究機関で、水素の発生、貯蔵および利用に関する研究開発が精力的に展開されている。水素が次世代エネルギー媒体として社会に広く普及するためには、特に水素の需要、供給バランスをコントロールするための貯蔵および輸送技術の開発が重要である。また、情報流通産業の進展にともない、最近ではマイクロ燃料電池とともに携帯端末等への応用も考えられている。
【０００４】
現在、水素貯蔵技術として、主に、液体タンク、高圧ガスタンクおよび水素吸蔵合金等が挙げられるが、安全でかつ高密度であることを考慮すると水素吸蔵合金が最も有力な候補であると考えられている。
【０００５】
しかしながら、水素吸蔵合金はニッケル水素電池用負極材料として実用化の実績があるものの、重く、その水素吸蔵量は１．４ｗｔ％程度と小さい。軽量かつ高密度な新規材料の探索が高水素吸蔵能を有するＭｇ、Ｔｉ及びＶ系合金を中心に鋭意進められてきたが、水素吸蔵量と水素吸蔵放出温度の間にはトレードオフの関係があり、実用化のためには技術的なブレークスルーを必要としている。
【０００６】
例えば、Ｍｇと他合金（ＬａＮｉ５等）あるいは触媒効果を有する遷移金属との複合化材料において、３００℃の高温領域で５〜６ｗｔ％の水素吸蔵放出が達成されているが、室温付近においては、作動しないかあるいは平衡水素圧が大気圧以下である（例えば特許文献１：特願２００２−２０１２７１、及び非特許文献１：Ｇ．Ｌｉａｎｇ，Ｊ．Ｈｕｏｔ，Ｓ．Ｂｏｉｌｙ，Ａ．Ｖａｎ Ｎｅｓｔｅ，Ｒ．Ｓｃｈｕｌｚ，Ｊ．Ａｌｌｏｙｓ Ｃｏｍｐ．２９２（１９９９）２４７．参照）。
【０００７】
一方、水素貯蔵容器に着目すると、従来技術においては容器内に熱交換器を導入し、そこへ冷媒（水素吸蔵時）及び熱媒（水素放出時）を流通させる方式を採用している（例えば特許文献２：特開平１１−１０６２０１号公報、特許文献３：特開平６−１２７９０１号公報及び特許文献４：特開平５−２５６３９９号公報参照）。
【０００８】
水素吸蔵反応は発熱反応であるので、水素吸蔵速度を確保するためには水素充填時に強制的な冷却が必要である。また、現在、実用に供している水素吸蔵合金の室温における平衡水素圧は数気圧であるため、容器には耐圧設計が要求される。従って、容器材料及び構造は制限され、特に燃料電池自動車及び携帯端末用途等で、小型、軽量化が要求される場合にはパッケージングの観点で大きな問題となる。さらに、水素充填時には水素を昇圧する必要があり、昇圧設備及び水素供給源の制限を余儀なくされる。
【０００９】
【特許文献１】
特願２００２−２０１２７１
【特許文献２】
特開平１１−１０６２０１号公報
【特許文献３】
特開平６−１２７９０１号公報
【特許文献４】
特開平５−２５６３９９号公報
【非特許文献１】
Ｇ．Ｌｉａｎｇ，Ｊ．Ｈｕｏｔ，Ｓ．Ｂｏｉｌｙ，Ａ．Ｖａｎ Ｎｅｓｔｅ，Ｒ．Ｓｃｈｕｌｚ，Ｊ．Ａｌｌｏｙｓ Ｃｏｍｐ．２９２（１９９９）２４７．
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記のような技術の現状のもとでなされたものであって、本発明の目的は室温付近における平衡水素圧が大気圧以下であって、従来、利用困難であったＭｇあるいはＴｉ系高容量水素吸蔵材料を用い、水素充填時に冷却が必要である点及び水素充填時の圧力が高いという点を解決した水素貯蔵システムを使用した携帯型電源を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明による携帯型電源は、大気圧、室温付近で不可逆水素吸蔵過程で水素を吸蔵可能な水素吸蔵材料を備えた水素貯蔵容器と、吸蔵した水素を放出させるため、前記水素貯蔵材料に熱を供給する発熱体とを備え、前記発熱体は金属粉末の酸化によって発生する熱で加熱され、前記水素貯蔵容器に貯蔵された水素を放出可能になっており、前記放出された水素は燃料電池に供給されるようになっており、前記水素貯蔵容器の一方の側に隣接して、金属が充填された金属粉末容器を、他方の側に断熱材を介して燃料電池を設け、水素貯蔵容器より放出された水素が断熱材を貫通する水素供給口より前記燃料電池に供給されるようになっていることを特徴とする。
【００１３】
本発明は大気圧、室温付近で、不可逆水素吸蔵過程により、水素の貯蔵を行い、水素貯蔵容器内に設けた発熱体により熱を供給し、水素の放出を行なうことを最も主要な特徴とする。
【００１４】
発熱体は伝熱効率を高めるために、水素貯蔵容器内に均一に配置し、フィン等を設けることにより、表面積を大きくするのがよい。
【００１５】
また、本発明は発熱体への熱供給源として、当該容器に併設あるいは隣接されている発電システムの廃熱を利用することを特徴とする。熱供給源は必ずしも隣接している必要はないが、熱損失を防ぐためにも当該容器に併設されている発電システムの廃熱を用いるのが好ましい。
【００１６】
さらに、当該容器内への熱供給源として、金属の酸化反応により熱を発生させて用いることも可能である。当該金属は酸化されやすい元素、例えばＴｉ、Ｆｅ、Ｍｇであって、酸化反応の進行を容易にするために、表面積が大きく、かつ表面の酸化膜及び窒化膜を取り除いたものが好ましく、例えばボールミリングによる機械的粉砕処理をＡｒガス雰囲気中で行なうことにより達成できる。
【００１７】
当該容器に充填する水素貯蔵材料は大気圧、室温付近で、不可逆水素吸蔵過程により水素と反応できれば特に規定はないが、吸蔵量の観点からＭｇ系材料あるいはＴｉ系材料が好ましい。例えば、ＭｇあるいはＴｉと遷移金属あるいは室温で水素吸蔵が可能な合金とを微細複合化した材料ならびにＭｇあるいはＴｉとグラファイトあるいは六方晶系窒化ホウ素とをボールミリングした材料等が挙げられる。
【００１８】
【作用】
現在、実用化に供する水素貯蔵材料においては水素吸蔵量が小さく、しかも室温付近での、水素吸蔵放出反応は可逆的であり、平衡点が存在するため、継続して大量の水素を吸蔵する場合には冷却して平衡点を移動させる必要がある。
【００１９】
しかし、従来、利用困難であった高容量水素貯蔵材料は室温〜約３００℃、大気圧付近では不可逆過程で水素吸蔵が進行する。つまり、水素吸蔵方向の反応が主反応であり、見かけ上、水素放出反応は見られない。水素吸蔵反応は発熱反応であるので水素の充填に伴い、当該水素貯蔵材料の温度は上昇する。
【００２０】
一般に、水素吸蔵反応は温度が高いほどより速やかに進行するので当該温度上昇により水素吸蔵速度は増大し、さらに当該水素貯蔵材料の温度が上昇する。このような相乗効果により、水素の吸蔵速度は著しく加速され、冷却を必要とせず大気圧付近の水素でさえ速やかに貯蔵容器内へ充填することができるのである。しかも、高容量水素貯蔵材料を用いているため、水素吸蔵量は従来のシステムに比べて大きくなる。
【００２１】
本発明の水素貯蔵システムは、水素圧が大気圧付近であっても充填可能であるため、多種多様な水素供給源に対応可能である。例えば、光合成微生物及び嫌気性細菌による環境調和型バイオ水素製造システム、ならびに太陽光発電を利用したクリーン水素製造システム等からの低圧水素を直接貯蔵できる。
【００２２】
水素放出過程においては約３００℃以上の熱を必要とするが、燃料電池、火力発電、及び地熱発電等の発電設備から出る廃熱を利用することにより達成できる。特に、水素を燃料として利用する燃料電池発電システムに併設することにより、貯蔵水素を緊急バックアップ用及び負荷追随用の燃料として利用することが可能である。燃料電池としてはより高い廃熱が得られる溶融炭酸塩型（ＭＣＦＣ）及び固体電解質型（ＳＯＦＣ）が好ましい。
【００２３】
一方で、上記のような熱源の確保が困難な場合には、金属の酸化反応により発生する熱を利用し自立型のシステムとすることもできる。表面積が大きく、かつ表面が清浄化された金属は空気や水蒸気と容易に反応し、３００℃以上の高温となり水素の放出に十分活用できる。
【００２４】
以上のように、不可逆水素吸蔵過程の活用、及び併設あるいは隣接発電設備からの廃熱または金属の酸化熱の利用により、本発明の水素貯蔵システムは大気圧、室温付近で多様な水素を大量に貯蔵し、利用することができるのである。
【００２５】
【実施例】
以下に本発明の実施例を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００２６】
【実施例１】
図１は水素生産微生物を利用したバイオ水素発生システムへの適用を示した例である。図１において、１及び２はそれぞれ水素生産の反応器である光合成リアクター及び嫌気性リアクターであり、水素生産の原料となる有機性廃液が、有機性廃液供給管３から供給される。有機性廃液に含まれる有機物は、当該リアクター内に生息する微生物の光合成反応及び嫌気性発酵により水素に変換され、水素取り出し管４から取り出される。また、処理後の溶液は有機性廃液排出管５からリアクター外に排出される。
【００２７】
水素取り出し管４からの水素は水分及び若干の不純物ガス（二酸化炭素等）を含んでいるので、脱水装置６により脱水され、さらに、ガス精製装置７に送られ、水素純度が高められる。この実施例において、光合成リアクター１、嫌気性リアクター２、有機性廃液供給管３、水素取り出し管４、有機廃液排出管５、脱水装置６およびガス精製装置７がバイオ水素発生システムを構成し、水素供給装置部である。
【００２８】
得られた水素は水素貯蔵容器８に導入され、その中に充填されている水素貯蔵材料９に貯蔵される。
【００２９】
水素貯蔵材料９は吸蔵量の観点からＭｇ−ＶあるいはＭｇ−ＴｉＦｅ複合化材料等のＭｇ系水素貯蔵材料を用いたが、大気圧、室温付近で不可逆的に水素吸蔵可能な材料であれば、その他の材料であってもよい。微生物が生産する水素の圧力は低く、水素貯蔵容器８への水素導入圧はほぼ大気圧であったが、水素の貯蔵が強制冷却なしに十分可能であった。また、水素貯蔵の進行に従い、容器内温度は室温から約９０℃まで上昇し、水素吸蔵速度は加速していった。
【００３０】
水素貯蔵容器８内には金属粉末１０が充填されたフィン付き管状容器（発熱体）１１が１個あるいは複数個挿入されており、空気または水蒸気供給管１２が連結されている。金属粉末１０は例えば、Ｔｉ、ＦｅあるいはＭｇ粉末のように酸化が容易なものが用いられる。空気または水蒸気供給管１２から供給される空気または水蒸気が金属粉末１０と反応することにより酸化熱が生じ、水素貯蔵材料９に熱が供給され、水素放出管１３から水素が放出される。
【００３１】
水素放出量及び放出圧力は水素貯蔵材料９の温度に依存するので、空気または水蒸気の供給量により調節することができる。
【００３２】
金属粉末１０は表面積が大きく、かつ、表面が清浄化されたものであり、ボールミル装置を用いた機械的粉砕により、Ａｒガス雰囲気中で調製される。金属粉末の代わりに、表面積が大きく、かつ表面が清浄化されたものであれば金属繊維等も用いることができる。フィン１１１が付いた管状容器（発熱体）１１は熱伝導性の良好な材料で作製し、熱伝導効率及び水素貯蔵材料充填率が最大となるように形状、大きさ、及び数を考慮するのがよい。
【００３３】
なお、水素放出後はフィン付き管状容器（発熱体）１１内の金属粉末１０を還元して再生するか、あるいは新しいものに交換することにより、繰り返し、水素を貯蔵、放出することができる。
【００３４】
本実施例の水素貯蔵システムはフィン付き管状容器１１内を予め真空に引いておけば、バルブ１４の開放により、空気または水蒸気を自発的に導入できるので、水素吸蔵放出過程において、外部からのエネルギー投入を必要としない自立型システムの構築が可能となり、緊急バックアップ用エネルギーとして利用価値が高い。
【００３５】
また、水素供給装置部と水素貯蔵容器の間に脱着用治具１５を設けることにより、水素生産地と水素消費地を分離することも可能である。すなわち、太陽光照射量及び有機性廃水量が豊富な地域で水素を生産し、他の水素需要地に輸送し、消費するという形態が可能である。本システムは水素エネルギー生産コロニーとしての役割も果たすのである。なお、水素貯蔵材料９としてＴｉ−Ｃ及びＴｉ−ｈ−ＢＮ等のＴｉ系水素貯蔵材料を用いた場合にも同様の効果が得られた。
【００３６】
以上のように、大気圧、室温付近で不可逆水素吸蔵過程により水素の貯蔵を行い、表面積が大きく、かつ表面が清浄化された金属の酸化反応により熱を発生させ、水素の放出に利用することにより、従来、利用困難であった高容量水素吸蔵材料を用いた簡便な水素貯蔵システムを構成することができ、さらには冷却を必要とせずに、水素発生圧力が小さいバイオ水素発生システムへの適用が可能となった。
【００３７】
【実施例２】
図２は太陽光発電−水電解水素発生システムへの適用を示した例である。図２において、１６は太陽電池であり、１７は送電線であり、１８は電解槽である。太陽電池１６で発電された電気は送電線１７により電解槽１８に供給され、水の電気分解が起こり、水素が発生する。水素取り出し管４から取り出された水素は水分を含んでいるので、脱水装置６により脱水された後、水素貯蔵容器８に導入され、その中に充填されている水素貯蔵材料９に貯蔵される。この実施例において、太陽電池１６、送電線１７、電解槽１８、水素取り出し管４および脱水装置６が太陽光発電−水電解水素発生システムを構成し、水素供給装置部である。
【００３８】
水素貯蔵材料９は吸蔵量の観点からＭｇ−Ｖ及びＭｇ−ＴｉＦｅ複合化材料等のＭｇ系水素貯蔵材料を用いたが、大気圧、室温付近で不可逆的に水素吸蔵可能な材料であれば、その他の材料であってもよい。水電解により得られた水素の圧力は低く、水素貯蔵容器８への水素導入圧はほぼ大気圧であったが、水素の貯蔵が強制冷却なしに十分可能であった。また、水素貯蔵の進行に従い、容器内温度は室温から約８０℃まで上昇し、水素吸蔵速度は加速していった。
【００３９】
水素貯蔵容器８内には金属粉末１０が充填されたフィン１１１付きの管状容器１１が１個あるいは複数個挿入されており、空気または水蒸気供給管１２が連結されている。金属粉末１０は例えば、Ｔｉ、ＦｅあるいはＭｇ粉末のように酸化が容易なものが用いられる。空気または水蒸気供給管１２から供給される空気または水蒸気が金属粉末１０と反応することにより酸化熱が生じ、水素貯蔵材料９に熱が供給され、水素放出管１３から水素が放出される。
【００４０】
水素放出量及び放出圧力は水素貯蔵材料９の温度に依存するので、空気または水蒸気の供給量により調節することができる。金属粉末１０は表面積が大きく、かつ表面が清浄化されたものであり、ボールミル装置を用いた機械的粉砕により、Ａｒガス雰囲気中で調製した。金属粉末の代わりに、表面積が大きく、かつ表面が清浄化されたものであれば金属繊維等も用いることができる。また、フィン付き管状容器１１は熱伝導性の良好な材料で作製し、熱伝導効率及び水素貯蔵材料充填率が最大となるように形状、大きさ、及び数を考慮するのがよい。
【００４１】
なお、水素放出後はフィン付き管状容器１１内の金属粉末１０を還元して再生するか、あるいは新しいものに交換することにより、繰り返し、水素を貯蔵、放出することができる。本実施例の水素貯蔵システムはフィン付き管状容器１１内を予め真空に引いておけば、バルブ１４の開放により、空気または水蒸気を自発的に導入できるので、水素吸蔵放出過程において、外部からのエネルギー投入を必要としない自立型システムの構築が可能となり、緊急バックアップ用エネルギーとして利用価値が高い。
【００４２】
また、水素供給装置部と水素貯蔵容器の間に脱着用治具１５を設けることにより、水素生産地と水素消費地を分離することも可能である。すなわち、太陽光照射量の豊富な地域で水素を生産し、他の水素需要地に輸送し、消費するという形態が可能である。本システムは水素エネルギー生産コロニーとしての役割も果たすのである。なお、水素貯蔵材料９としてＴｉ−Ｃ及びＴｉ−ｈ−ＢＮ等のＴｉ系水素貯蔵材料を用いた場合にも同様の効果が得られた。
【００４３】
以上のように、大気圧、室温付近で不可逆水素吸蔵過程により水素の貯蔵を行い、表面積が大きく、かつ表面が清浄化された金属の酸化反応により熱を発生させ、水素の放出に利用することにより、従来、利用困難であった高容量水素吸蔵材料を用いた簡便な水素貯蔵システムを構成することができ、さらには冷却を必要とせずに、水素発生圧力が小さい太陽光発電−水電解水素発生システムへの適用が可能となった。
【００４４】
【実施例３】
図３は地熱発電−水電解水素発生システムへの適用を示した例である。図３において、１９は地熱であり、この熱の影響により地熱貯留層２０が形成されている。地熱貯留層２０内の水蒸気は水蒸気供給管２１を経てタービン２２へ供給される。水蒸気によりタービン２２が回転し、その回転は発電機２３により電気に変換される。電気は送電線１７により電解槽１８に供給され、水の電気分解が起こり、水素が発生する。この水素は水分を含んでいるので、脱水装置６により脱水された後、水素貯蔵容器８に導入され、その中に充填されている水素貯蔵材料に貯蔵される。この実施例において、水蒸気供給管２１，タービン２２，発電機２３，送電線１７，電解槽１８、脱水装置６が地熱発電−水電解水素発生システムを構成し、水素供給装置部である。
【００４５】
水素貯蔵材料は吸蔵量の観点からＭｇ−Ｖ及びＭｇ−ＴｉＦｅ複合化材料等のＭｇ系水素貯蔵材料を用いたが、大気圧、室温付近で不可逆的に水素吸蔵可能な材料であれば、その他の材料であってもよい。水電解により得られた水素の圧力は低く、水素貯蔵容器８への水素導入圧はほぼ大気圧であったが、水素の貯蔵が十分可能であった。また、水素貯蔵の進行に従い、容器内温度は約８０℃まで上昇し、水素吸蔵速度は加速していった。この際、強制冷却の必要はなかった。
【００４６】
水素貯蔵容器８内には熱供給体（発熱体）２４が１個あるいは複数個挿入されており、地熱１９を水素貯蔵容器８内の水素貯蔵材料に供給し、水素を放出できる仕組みになっている。水素放出管１３からの水素量及び圧力は供給熱量により調節することが可能である。なお、熱供給体２４は熱伝導性の良好な材料で作製し、熱交換効率及び水素貯蔵材料充填率が最大となるように形状、大きさ及び数を考慮するのがよい。本実施例により、絶え間なく発生する大量の地熱エネルギーを水素に変換して効率良く安定な形で貯蔵することが可能であり、エネルギーの需要、供給バランスの制御に役立つのである。
【００４７】
また、水素供給装置部と水素貯蔵容器の間に脱着用治具１５を設けることにより、水素生産地と水素消費地を分離することも可能である。すなわち、地熱の豊富な地域で水素を生産し、他の水素需要地に輸送し、消費するという形態が可能である。本システムは水素エネルギー生産コロニーとしての役割も果たすのである。なお、Ｔｉ−Ｃ及びＴｉ−ｈ−ＢＮ等のＴｉ系水素貯蔵材料を用いた場合にも同様の効果が得られた。
【００４８】
以上のように、大気圧、室温付近で不可逆水素吸蔵過程により水素の貯蔵を行い、地熱を水素の放出に利用することにより、従来、利用困難であった高容量水素吸蔵材料を用いた簡便な水素貯蔵システムを構成することができ、さらには水素発生圧力が小さい地熱発電−水電解水素発生システムへの適用が可能となった。
【００４９】
【実施例４】
図４は燃料電池発電システムへの適用を示した例である。図４において、水素供給管２５から水素が、また空気供給管２６から空気が燃料電池２７に供給され発電が行われる。過剰の供給水素はバイパス管２８により、水素貯蔵容器８に導入され、その中に充填されている水素貯蔵材料に貯蔵される。この実施例において、過剰水素を供給するためのバイパス管２８が水素供給装置部となる。
【００５０】
水素貯蔵材料としては吸蔵量の観点からＭｇ−Ｖ及びＭｇ−ＴｉＦｅ複合化材料等のＭｇ系水素貯蔵材料を用いたが、大気圧、室温付近で不可逆的に水素吸蔵可能な材料であれば、その他の材料であってもよい。水素導入圧がほぼ大気圧であっても水素の貯蔵が十分可能であった。また、水素貯蔵の進行に従い、容器内温度は上昇し、水素吸蔵速度は加速していった。
【００５１】
水素貯蔵容器８内には熱供給体（発熱体）２４が１個あるいは複数個挿入されており、併設されている燃料電池２７からの廃熱を水素貯蔵容器８内の水素貯蔵材料に供給し、燃料電池２７の水素供給量不足時に水素を放出できる仕組みになっている。放出水素量及び圧力は供給熱量により調節することが可能である。燃料電池は廃熱温度の高い、溶融炭酸塩型（ＭＣＦＣ）及び固体電解質型（ＳＯＦＣ）が好ましい。なお、熱供給体２４は熱伝導性の良好な材料で作製し、熱交換効率及び水素貯蔵材料充填率が最大となるように形状、大きさ及び数を考慮するのがよい。
【００５２】
放出水素は水素戻し管２９により燃料電池に再供給され、発電に使われる。このような水素リザーバーを設けることにより、急激な負荷変動に対して、燃料電池へ供給する水素量の需要、供給バランスを最適な状態に保つことができ、さらには緊急バックアップ用燃料としても活用でき、燃料電池の高効率かつ高信頼な運転が可能となる。なお、Ｔｉ−Ｃ及びＴｉ−ｈ−ＢＮ等のＴｉ系水素貯蔵材料を用いた場合にも同様の効果が得られた。更には、燃料電池２７が隣接している場合にも同様の効果が得られた。なお、３０は負荷である。
【００５３】
以上のように、大気圧、室温付近で不可逆水素吸蔵過程により水素の貯蔵を行い、燃料電池発電システムからの廃熱を水素の放出に利用することにより、従来、利用困難であった高容量水素吸蔵材料を用いた簡便な水素貯蔵システムを構成することができ、さらには燃料電池の高効率的かつ高信頼な運転が可能となった。
【００５４】
【実施例５】
図５は携帯型屋外電源への適用を示した例である。本電源は使用前に予め水素充填口３１から水素貯蔵容器８内に充填された水素貯蔵材料９へ水素を吸蔵させる。水素貯蔵材料としては吸蔵量の観点からＭｇ−Ｖ及びＭｇ−ＴｉＦｅ複合化材料等のＭｇ系水素貯蔵材料を用いたが、大気圧、室温付近で不可逆的に水素吸蔵可能な材料であれば、その他の材料であってもよい。大気圧水素でも、強制冷却なしに充填可能であり、充填に伴う発熱により水素貯蔵速度は加速される。
【００５５】
水素貯蔵容器８内の水素貯蔵材料９の中には１個あるいは複数個の発熱体３２が設けられており、金属粉末容器３８内に充填された金属粉末１０と空気取り入れ口３３から供給される空気の反応により生じる酸化熱により発熱体３２に熱が供給され、水素放出が達成される。金属粉末１０は例えば、Ｔｉ、ＦｅあるいはＭｇ粉末のように酸化が容易なものが用いられ、また、金属粉末１０は表面積が大きく、かつ表面が清浄化されたものであり、ボールミルを用いた機械的粉砕により、Ａｒガス雰囲気中で調製される。
【００５６】
表面積が大きく、かつ表面が清浄化されたものであれば金属粉末の代わりに金属繊維等も用いることができる。発熱体３２は熱伝導性の良好な材料で作製し、熱伝導効率及び水素貯蔵材料充填率が最大となるように形状、大きさ及び数を考慮するのがよい。なお、３９は電化製品等の負荷である。
【００５７】
水素貯蔵材料９と固体高分子電解質型燃料電池３４の間には断熱材３５が設けられており、放出水素は断熱材３５を貫通して設置されている水素供給口３６を通って固体高分子電解質型燃料電池３４に供給される。この水素と空気取り入れ口３７からの空気の反応により発電ができる。
【００５８】
本電源は水素放出後、金属粉末１０を還元して再生するか、あるいは新しいものに交換することにより、繰り返し、水素を貯蔵、放出することができる。水素吸蔵放出過程において、必要なものは空気だけであり、入力電源が不要であるので屋外自立型電源として利用価値が高い。さらに、熱供給は金属粉末１０の代わりに、コンロの火や焚き火等、他の手段で行なうことも可能であり、多種多様な使用状況に対応できる。なお、水素貯蔵材料９としてＴｉ−Ｃ及びＴｉ−ｈ−ＢＮ等のＴｉ系水素貯蔵材料を用いた場合にも同様の効果が得られた。
【００５９】
以上のように、大気圧、室温付近で不可逆水素吸蔵過程により水素の貯蔵を行い、表面積が大きく、かつ表面が清浄化された金属の酸化反応により熱を発生させ、水素の放出に利用することにより、従来、利用困難であった高容量水素吸蔵材料を用いた簡便な水素貯蔵システムを構成することができ、さらには燃料電池と組合せることにより携帯型屋外電源への適用が可能となる。
【００６０】
【発明の効果】
以上、述べたように、本発明によれば、大気圧、室温付近で、不可逆水素吸蔵過程により水素の貯蔵を行い、水素貯蔵容器内に設けた発熱体により熱を供給し、水素の放出を行なうことにより、室温付近における平衡水素圧が大気圧以下であって、従来、利用困難であった水素吸蔵材料を用い、冷却することなく、大気圧、室温付近で大量の水素を貯蔵し、利用できるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】バイオ水素発生システムへの適用例を示した概略図。
【図２】太陽光発電−水電解水素発生システムへの適用例を示した概略図。
【図３】地熱発電−水電解水素発生システムへの適用例を示した概略図。
【図４】燃料電池発電システムへの適用例を示した概略図。
【図５】携帯型屋外電源への適用例を示した概略図。
【符号の説明】
１ 光合成リアクター
２ 嫌気性リアクター
３ 有機性廃液供給管
４ 水素取り出し管
５ 有機性廃液排出管
６ 脱水装置
７ ガス精製装置
８ 水素貯蔵容器
９ 水素貯蔵材料
１０ 金属粉末
１１ フィン付き管状容器
１２ 空気または水蒸気供給管
１３ 水素放出管
１４ バルブ
１５ 脱着用治具
１６ 太陽電池
１７ 送電線
１８ 電解槽
１９ 地熱
２０ 地熱貯留層
２１ 水蒸気供給管
２２ タービン
２３ 発電機
２４ 熱供給体
２５ 水素供給管
２６ 空気供給管
２７ 燃料電池
２８ バイパス管
２９ 水素戻し管
３０ 負荷
３１ 水素充填口
３２ 発熱体
３３ 空気取り入れ口
３４ 固体高分子電解質型燃料電池
３５ 断熱材
３６ 水素供給口
３７ 空気取り入れ口
３８ 金属粉末容器
３９ 負荷
【発明の属する技術分野】
本発明は水素貯蔵システムを使用した携帯型電源、さらに詳細には将来のクリーンエネルギー媒体である水素ガスを安全かつ高密度に貯蔵し、必要に応じて水素を取り出し、使用するための水素貯蔵システムを使用した携帯型電源に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
水素は熱、動力および電気等の様々な形態のエネルギーへ容易に変換可能であり、消費しても水以外の物質を生成しないため、次世代のクリーンなエネルギー媒体の一つとして有望視されている。
【０００３】
近年、水素エネルギーネットワークの実現を目指して、国内外の研究機関で、水素の発生、貯蔵および利用に関する研究開発が精力的に展開されている。水素が次世代エネルギー媒体として社会に広く普及するためには、特に水素の需要、供給バランスをコントロールするための貯蔵および輸送技術の開発が重要である。また、情報流通産業の進展にともない、最近ではマイクロ燃料電池とともに携帯端末等への応用も考えられている。
【０００４】
現在、水素貯蔵技術として、主に、液体タンク、高圧ガスタンクおよび水素吸蔵合金等が挙げられるが、安全でかつ高密度であることを考慮すると水素吸蔵合金が最も有力な候補であると考えられている。
【０００５】
しかしながら、水素吸蔵合金はニッケル水素電池用負極材料として実用化の実績があるものの、重く、その水素吸蔵量は１．４ｗｔ％程度と小さい。軽量かつ高密度な新規材料の探索が高水素吸蔵能を有するＭｇ、Ｔｉ及びＶ系合金を中心に鋭意進められてきたが、水素吸蔵量と水素吸蔵放出温度の間にはトレードオフの関係があり、実用化のためには技術的なブレークスルーを必要としている。
【０００６】
例えば、Ｍｇと他合金（ＬａＮｉ５等）あるいは触媒効果を有する遷移金属との複合化材料において、３００℃の高温領域で５〜６ｗｔ％の水素吸蔵放出が達成されているが、室温付近においては、作動しないかあるいは平衡水素圧が大気圧以下である（例えば特許文献１：特願２００２−２０１２７１、及び非特許文献１：Ｇ．Ｌｉａｎｇ，Ｊ．Ｈｕｏｔ，Ｓ．Ｂｏｉｌｙ，Ａ．Ｖａｎ Ｎｅｓｔｅ，Ｒ．Ｓｃｈｕｌｚ，Ｊ．Ａｌｌｏｙｓ Ｃｏｍｐ．２９２（１９９９）２４７．参照）。
【０００７】
一方、水素貯蔵容器に着目すると、従来技術においては容器内に熱交換器を導入し、そこへ冷媒（水素吸蔵時）及び熱媒（水素放出時）を流通させる方式を採用している（例えば特許文献２：特開平１１−１０６２０１号公報、特許文献３：特開平６−１２７９０１号公報及び特許文献４：特開平５−２５６３９９号公報参照）。
【０００８】
水素吸蔵反応は発熱反応であるので、水素吸蔵速度を確保するためには水素充填時に強制的な冷却が必要である。また、現在、実用に供している水素吸蔵合金の室温における平衡水素圧は数気圧であるため、容器には耐圧設計が要求される。従って、容器材料及び構造は制限され、特に燃料電池自動車及び携帯端末用途等で、小型、軽量化が要求される場合にはパッケージングの観点で大きな問題となる。さらに、水素充填時には水素を昇圧する必要があり、昇圧設備及び水素供給源の制限を余儀なくされる。
【０００９】
【特許文献１】
特願２００２−２０１２７１
【特許文献２】
特開平１１−１０６２０１号公報
【特許文献３】
特開平６−１２７９０１号公報
【特許文献４】
特開平５−２５６３９９号公報
【非特許文献１】
Ｇ．Ｌｉａｎｇ，Ｊ．Ｈｕｏｔ，Ｓ．Ｂｏｉｌｙ，Ａ．Ｖａｎ Ｎｅｓｔｅ，Ｒ．Ｓｃｈｕｌｚ，Ｊ．Ａｌｌｏｙｓ Ｃｏｍｐ．２９２（１９９９）２４７．
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記のような技術の現状のもとでなされたものであって、本発明の目的は室温付近における平衡水素圧が大気圧以下であって、従来、利用困難であったＭｇあるいはＴｉ系高容量水素吸蔵材料を用い、水素充填時に冷却が必要である点及び水素充填時の圧力が高いという点を解決した水素貯蔵システムを使用した携帯型電源を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明による携帯型電源は、大気圧、室温付近で不可逆水素吸蔵過程で水素を吸蔵可能な水素吸蔵材料を備えた水素貯蔵容器と、吸蔵した水素を放出させるため、前記水素貯蔵材料に熱を供給する発熱体とを備え、前記発熱体は金属粉末の酸化によって発生する熱で加熱され、前記水素貯蔵容器に貯蔵された水素を放出可能になっており、前記放出された水素は燃料電池に供給されるようになっており、前記水素貯蔵容器の一方の側に隣接して、金属が充填された金属粉末容器を、他方の側に断熱材を介して燃料電池を設け、水素貯蔵容器より放出された水素が断熱材を貫通する水素供給口より前記燃料電池に供給されるようになっていることを特徴とする。
【００１３】
本発明は大気圧、室温付近で、不可逆水素吸蔵過程により、水素の貯蔵を行い、水素貯蔵容器内に設けた発熱体により熱を供給し、水素の放出を行なうことを最も主要な特徴とする。
【００１４】
発熱体は伝熱効率を高めるために、水素貯蔵容器内に均一に配置し、フィン等を設けることにより、表面積を大きくするのがよい。
【００１５】
また、本発明は発熱体への熱供給源として、当該容器に併設あるいは隣接されている発電システムの廃熱を利用することを特徴とする。熱供給源は必ずしも隣接している必要はないが、熱損失を防ぐためにも当該容器に併設されている発電システムの廃熱を用いるのが好ましい。
【００１６】
さらに、当該容器内への熱供給源として、金属の酸化反応により熱を発生させて用いることも可能である。当該金属は酸化されやすい元素、例えばＴｉ、Ｆｅ、Ｍｇであって、酸化反応の進行を容易にするために、表面積が大きく、かつ表面の酸化膜及び窒化膜を取り除いたものが好ましく、例えばボールミリングによる機械的粉砕処理をＡｒガス雰囲気中で行なうことにより達成できる。
【００１７】
当該容器に充填する水素貯蔵材料は大気圧、室温付近で、不可逆水素吸蔵過程により水素と反応できれば特に規定はないが、吸蔵量の観点からＭｇ系材料あるいはＴｉ系材料が好ましい。例えば、ＭｇあるいはＴｉと遷移金属あるいは室温で水素吸蔵が可能な合金とを微細複合化した材料ならびにＭｇあるいはＴｉとグラファイトあるいは六方晶系窒化ホウ素とをボールミリングした材料等が挙げられる。
【００１８】
【作用】
現在、実用化に供する水素貯蔵材料においては水素吸蔵量が小さく、しかも室温付近での、水素吸蔵放出反応は可逆的であり、平衡点が存在するため、継続して大量の水素を吸蔵する場合には冷却して平衡点を移動させる必要がある。
【００１９】
しかし、従来、利用困難であった高容量水素貯蔵材料は室温〜約３００℃、大気圧付近では不可逆過程で水素吸蔵が進行する。つまり、水素吸蔵方向の反応が主反応であり、見かけ上、水素放出反応は見られない。水素吸蔵反応は発熱反応であるので水素の充填に伴い、当該水素貯蔵材料の温度は上昇する。
【００２０】
一般に、水素吸蔵反応は温度が高いほどより速やかに進行するので当該温度上昇により水素吸蔵速度は増大し、さらに当該水素貯蔵材料の温度が上昇する。このような相乗効果により、水素の吸蔵速度は著しく加速され、冷却を必要とせず大気圧付近の水素でさえ速やかに貯蔵容器内へ充填することができるのである。しかも、高容量水素貯蔵材料を用いているため、水素吸蔵量は従来のシステムに比べて大きくなる。
【００２１】
本発明の水素貯蔵システムは、水素圧が大気圧付近であっても充填可能であるため、多種多様な水素供給源に対応可能である。例えば、光合成微生物及び嫌気性細菌による環境調和型バイオ水素製造システム、ならびに太陽光発電を利用したクリーン水素製造システム等からの低圧水素を直接貯蔵できる。
【００２２】
水素放出過程においては約３００℃以上の熱を必要とするが、燃料電池、火力発電、及び地熱発電等の発電設備から出る廃熱を利用することにより達成できる。特に、水素を燃料として利用する燃料電池発電システムに併設することにより、貯蔵水素を緊急バックアップ用及び負荷追随用の燃料として利用することが可能である。燃料電池としてはより高い廃熱が得られる溶融炭酸塩型（ＭＣＦＣ）及び固体電解質型（ＳＯＦＣ）が好ましい。
【００２３】
一方で、上記のような熱源の確保が困難な場合には、金属の酸化反応により発生する熱を利用し自立型のシステムとすることもできる。表面積が大きく、かつ表面が清浄化された金属は空気や水蒸気と容易に反応し、３００℃以上の高温となり水素の放出に十分活用できる。
【００２４】
以上のように、不可逆水素吸蔵過程の活用、及び併設あるいは隣接発電設備からの廃熱または金属の酸化熱の利用により、本発明の水素貯蔵システムは大気圧、室温付近で多様な水素を大量に貯蔵し、利用することができるのである。
【００２５】
【実施例】
以下に本発明の実施例を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００２６】
【実施例１】
図１は水素生産微生物を利用したバイオ水素発生システムへの適用を示した例である。図１において、１及び２はそれぞれ水素生産の反応器である光合成リアクター及び嫌気性リアクターであり、水素生産の原料となる有機性廃液が、有機性廃液供給管３から供給される。有機性廃液に含まれる有機物は、当該リアクター内に生息する微生物の光合成反応及び嫌気性発酵により水素に変換され、水素取り出し管４から取り出される。また、処理後の溶液は有機性廃液排出管５からリアクター外に排出される。
【００２７】
水素取り出し管４からの水素は水分及び若干の不純物ガス（二酸化炭素等）を含んでいるので、脱水装置６により脱水され、さらに、ガス精製装置７に送られ、水素純度が高められる。この実施例において、光合成リアクター１、嫌気性リアクター２、有機性廃液供給管３、水素取り出し管４、有機廃液排出管５、脱水装置６およびガス精製装置７がバイオ水素発生システムを構成し、水素供給装置部である。
【００２８】
得られた水素は水素貯蔵容器８に導入され、その中に充填されている水素貯蔵材料９に貯蔵される。
【００２９】
水素貯蔵材料９は吸蔵量の観点からＭｇ−ＶあるいはＭｇ−ＴｉＦｅ複合化材料等のＭｇ系水素貯蔵材料を用いたが、大気圧、室温付近で不可逆的に水素吸蔵可能な材料であれば、その他の材料であってもよい。微生物が生産する水素の圧力は低く、水素貯蔵容器８への水素導入圧はほぼ大気圧であったが、水素の貯蔵が強制冷却なしに十分可能であった。また、水素貯蔵の進行に従い、容器内温度は室温から約９０℃まで上昇し、水素吸蔵速度は加速していった。
【００３０】
水素貯蔵容器８内には金属粉末１０が充填されたフィン付き管状容器（発熱体）１１が１個あるいは複数個挿入されており、空気または水蒸気供給管１２が連結されている。金属粉末１０は例えば、Ｔｉ、ＦｅあるいはＭｇ粉末のように酸化が容易なものが用いられる。空気または水蒸気供給管１２から供給される空気または水蒸気が金属粉末１０と反応することにより酸化熱が生じ、水素貯蔵材料９に熱が供給され、水素放出管１３から水素が放出される。
【００３１】
水素放出量及び放出圧力は水素貯蔵材料９の温度に依存するので、空気または水蒸気の供給量により調節することができる。
【００３２】
金属粉末１０は表面積が大きく、かつ、表面が清浄化されたものであり、ボールミル装置を用いた機械的粉砕により、Ａｒガス雰囲気中で調製される。金属粉末の代わりに、表面積が大きく、かつ表面が清浄化されたものであれば金属繊維等も用いることができる。フィン１１１が付いた管状容器（発熱体）１１は熱伝導性の良好な材料で作製し、熱伝導効率及び水素貯蔵材料充填率が最大となるように形状、大きさ、及び数を考慮するのがよい。
【００３３】
なお、水素放出後はフィン付き管状容器（発熱体）１１内の金属粉末１０を還元して再生するか、あるいは新しいものに交換することにより、繰り返し、水素を貯蔵、放出することができる。
【００３４】
本実施例の水素貯蔵システムはフィン付き管状容器１１内を予め真空に引いておけば、バルブ１４の開放により、空気または水蒸気を自発的に導入できるので、水素吸蔵放出過程において、外部からのエネルギー投入を必要としない自立型システムの構築が可能となり、緊急バックアップ用エネルギーとして利用価値が高い。
【００３５】
また、水素供給装置部と水素貯蔵容器の間に脱着用治具１５を設けることにより、水素生産地と水素消費地を分離することも可能である。すなわち、太陽光照射量及び有機性廃水量が豊富な地域で水素を生産し、他の水素需要地に輸送し、消費するという形態が可能である。本システムは水素エネルギー生産コロニーとしての役割も果たすのである。なお、水素貯蔵材料９としてＴｉ−Ｃ及びＴｉ−ｈ−ＢＮ等のＴｉ系水素貯蔵材料を用いた場合にも同様の効果が得られた。
【００３６】
以上のように、大気圧、室温付近で不可逆水素吸蔵過程により水素の貯蔵を行い、表面積が大きく、かつ表面が清浄化された金属の酸化反応により熱を発生させ、水素の放出に利用することにより、従来、利用困難であった高容量水素吸蔵材料を用いた簡便な水素貯蔵システムを構成することができ、さらには冷却を必要とせずに、水素発生圧力が小さいバイオ水素発生システムへの適用が可能となった。
【００３７】
【実施例２】
図２は太陽光発電−水電解水素発生システムへの適用を示した例である。図２において、１６は太陽電池であり、１７は送電線であり、１８は電解槽である。太陽電池１６で発電された電気は送電線１７により電解槽１８に供給され、水の電気分解が起こり、水素が発生する。水素取り出し管４から取り出された水素は水分を含んでいるので、脱水装置６により脱水された後、水素貯蔵容器８に導入され、その中に充填されている水素貯蔵材料９に貯蔵される。この実施例において、太陽電池１６、送電線１７、電解槽１８、水素取り出し管４および脱水装置６が太陽光発電−水電解水素発生システムを構成し、水素供給装置部である。
【００３８】
水素貯蔵材料９は吸蔵量の観点からＭｇ−Ｖ及びＭｇ−ＴｉＦｅ複合化材料等のＭｇ系水素貯蔵材料を用いたが、大気圧、室温付近で不可逆的に水素吸蔵可能な材料であれば、その他の材料であってもよい。水電解により得られた水素の圧力は低く、水素貯蔵容器８への水素導入圧はほぼ大気圧であったが、水素の貯蔵が強制冷却なしに十分可能であった。また、水素貯蔵の進行に従い、容器内温度は室温から約８０℃まで上昇し、水素吸蔵速度は加速していった。
【００３９】
水素貯蔵容器８内には金属粉末１０が充填されたフィン１１１付きの管状容器１１が１個あるいは複数個挿入されており、空気または水蒸気供給管１２が連結されている。金属粉末１０は例えば、Ｔｉ、ＦｅあるいはＭｇ粉末のように酸化が容易なものが用いられる。空気または水蒸気供給管１２から供給される空気または水蒸気が金属粉末１０と反応することにより酸化熱が生じ、水素貯蔵材料９に熱が供給され、水素放出管１３から水素が放出される。
【００４０】
水素放出量及び放出圧力は水素貯蔵材料９の温度に依存するので、空気または水蒸気の供給量により調節することができる。金属粉末１０は表面積が大きく、かつ表面が清浄化されたものであり、ボールミル装置を用いた機械的粉砕により、Ａｒガス雰囲気中で調製した。金属粉末の代わりに、表面積が大きく、かつ表面が清浄化されたものであれば金属繊維等も用いることができる。また、フィン付き管状容器１１は熱伝導性の良好な材料で作製し、熱伝導効率及び水素貯蔵材料充填率が最大となるように形状、大きさ、及び数を考慮するのがよい。
【００４１】
なお、水素放出後はフィン付き管状容器１１内の金属粉末１０を還元して再生するか、あるいは新しいものに交換することにより、繰り返し、水素を貯蔵、放出することができる。本実施例の水素貯蔵システムはフィン付き管状容器１１内を予め真空に引いておけば、バルブ１４の開放により、空気または水蒸気を自発的に導入できるので、水素吸蔵放出過程において、外部からのエネルギー投入を必要としない自立型システムの構築が可能となり、緊急バックアップ用エネルギーとして利用価値が高い。
【００４２】
また、水素供給装置部と水素貯蔵容器の間に脱着用治具１５を設けることにより、水素生産地と水素消費地を分離することも可能である。すなわち、太陽光照射量の豊富な地域で水素を生産し、他の水素需要地に輸送し、消費するという形態が可能である。本システムは水素エネルギー生産コロニーとしての役割も果たすのである。なお、水素貯蔵材料９としてＴｉ−Ｃ及びＴｉ−ｈ−ＢＮ等のＴｉ系水素貯蔵材料を用いた場合にも同様の効果が得られた。
【００４３】
以上のように、大気圧、室温付近で不可逆水素吸蔵過程により水素の貯蔵を行い、表面積が大きく、かつ表面が清浄化された金属の酸化反応により熱を発生させ、水素の放出に利用することにより、従来、利用困難であった高容量水素吸蔵材料を用いた簡便な水素貯蔵システムを構成することができ、さらには冷却を必要とせずに、水素発生圧力が小さい太陽光発電−水電解水素発生システムへの適用が可能となった。
【００４４】
【実施例３】
図３は地熱発電−水電解水素発生システムへの適用を示した例である。図３において、１９は地熱であり、この熱の影響により地熱貯留層２０が形成されている。地熱貯留層２０内の水蒸気は水蒸気供給管２１を経てタービン２２へ供給される。水蒸気によりタービン２２が回転し、その回転は発電機２３により電気に変換される。電気は送電線１７により電解槽１８に供給され、水の電気分解が起こり、水素が発生する。この水素は水分を含んでいるので、脱水装置６により脱水された後、水素貯蔵容器８に導入され、その中に充填されている水素貯蔵材料に貯蔵される。この実施例において、水蒸気供給管２１，タービン２２，発電機２３，送電線１７，電解槽１８、脱水装置６が地熱発電−水電解水素発生システムを構成し、水素供給装置部である。
【００４５】
水素貯蔵材料は吸蔵量の観点からＭｇ−Ｖ及びＭｇ−ＴｉＦｅ複合化材料等のＭｇ系水素貯蔵材料を用いたが、大気圧、室温付近で不可逆的に水素吸蔵可能な材料であれば、その他の材料であってもよい。水電解により得られた水素の圧力は低く、水素貯蔵容器８への水素導入圧はほぼ大気圧であったが、水素の貯蔵が十分可能であった。また、水素貯蔵の進行に従い、容器内温度は約８０℃まで上昇し、水素吸蔵速度は加速していった。この際、強制冷却の必要はなかった。
【００４６】
水素貯蔵容器８内には熱供給体（発熱体）２４が１個あるいは複数個挿入されており、地熱１９を水素貯蔵容器８内の水素貯蔵材料に供給し、水素を放出できる仕組みになっている。水素放出管１３からの水素量及び圧力は供給熱量により調節することが可能である。なお、熱供給体２４は熱伝導性の良好な材料で作製し、熱交換効率及び水素貯蔵材料充填率が最大となるように形状、大きさ及び数を考慮するのがよい。本実施例により、絶え間なく発生する大量の地熱エネルギーを水素に変換して効率良く安定な形で貯蔵することが可能であり、エネルギーの需要、供給バランスの制御に役立つのである。
【００４７】
また、水素供給装置部と水素貯蔵容器の間に脱着用治具１５を設けることにより、水素生産地と水素消費地を分離することも可能である。すなわち、地熱の豊富な地域で水素を生産し、他の水素需要地に輸送し、消費するという形態が可能である。本システムは水素エネルギー生産コロニーとしての役割も果たすのである。なお、Ｔｉ−Ｃ及びＴｉ−ｈ−ＢＮ等のＴｉ系水素貯蔵材料を用いた場合にも同様の効果が得られた。
【００４８】
以上のように、大気圧、室温付近で不可逆水素吸蔵過程により水素の貯蔵を行い、地熱を水素の放出に利用することにより、従来、利用困難であった高容量水素吸蔵材料を用いた簡便な水素貯蔵システムを構成することができ、さらには水素発生圧力が小さい地熱発電−水電解水素発生システムへの適用が可能となった。
【００４９】
【実施例４】
図４は燃料電池発電システムへの適用を示した例である。図４において、水素供給管２５から水素が、また空気供給管２６から空気が燃料電池２７に供給され発電が行われる。過剰の供給水素はバイパス管２８により、水素貯蔵容器８に導入され、その中に充填されている水素貯蔵材料に貯蔵される。この実施例において、過剰水素を供給するためのバイパス管２８が水素供給装置部となる。
【００５０】
水素貯蔵材料としては吸蔵量の観点からＭｇ−Ｖ及びＭｇ−ＴｉＦｅ複合化材料等のＭｇ系水素貯蔵材料を用いたが、大気圧、室温付近で不可逆的に水素吸蔵可能な材料であれば、その他の材料であってもよい。水素導入圧がほぼ大気圧であっても水素の貯蔵が十分可能であった。また、水素貯蔵の進行に従い、容器内温度は上昇し、水素吸蔵速度は加速していった。
【００５１】
水素貯蔵容器８内には熱供給体（発熱体）２４が１個あるいは複数個挿入されており、併設されている燃料電池２７からの廃熱を水素貯蔵容器８内の水素貯蔵材料に供給し、燃料電池２７の水素供給量不足時に水素を放出できる仕組みになっている。放出水素量及び圧力は供給熱量により調節することが可能である。燃料電池は廃熱温度の高い、溶融炭酸塩型（ＭＣＦＣ）及び固体電解質型（ＳＯＦＣ）が好ましい。なお、熱供給体２４は熱伝導性の良好な材料で作製し、熱交換効率及び水素貯蔵材料充填率が最大となるように形状、大きさ及び数を考慮するのがよい。
【００５２】
放出水素は水素戻し管２９により燃料電池に再供給され、発電に使われる。このような水素リザーバーを設けることにより、急激な負荷変動に対して、燃料電池へ供給する水素量の需要、供給バランスを最適な状態に保つことができ、さらには緊急バックアップ用燃料としても活用でき、燃料電池の高効率かつ高信頼な運転が可能となる。なお、Ｔｉ−Ｃ及びＴｉ−ｈ−ＢＮ等のＴｉ系水素貯蔵材料を用いた場合にも同様の効果が得られた。更には、燃料電池２７が隣接している場合にも同様の効果が得られた。なお、３０は負荷である。
【００５３】
以上のように、大気圧、室温付近で不可逆水素吸蔵過程により水素の貯蔵を行い、燃料電池発電システムからの廃熱を水素の放出に利用することにより、従来、利用困難であった高容量水素吸蔵材料を用いた簡便な水素貯蔵システムを構成することができ、さらには燃料電池の高効率的かつ高信頼な運転が可能となった。
【００５４】
【実施例５】
図５は携帯型屋外電源への適用を示した例である。本電源は使用前に予め水素充填口３１から水素貯蔵容器８内に充填された水素貯蔵材料９へ水素を吸蔵させる。水素貯蔵材料としては吸蔵量の観点からＭｇ−Ｖ及びＭｇ−ＴｉＦｅ複合化材料等のＭｇ系水素貯蔵材料を用いたが、大気圧、室温付近で不可逆的に水素吸蔵可能な材料であれば、その他の材料であってもよい。大気圧水素でも、強制冷却なしに充填可能であり、充填に伴う発熱により水素貯蔵速度は加速される。
【００５５】
水素貯蔵容器８内の水素貯蔵材料９の中には１個あるいは複数個の発熱体３２が設けられており、金属粉末容器３８内に充填された金属粉末１０と空気取り入れ口３３から供給される空気の反応により生じる酸化熱により発熱体３２に熱が供給され、水素放出が達成される。金属粉末１０は例えば、Ｔｉ、ＦｅあるいはＭｇ粉末のように酸化が容易なものが用いられ、また、金属粉末１０は表面積が大きく、かつ表面が清浄化されたものであり、ボールミルを用いた機械的粉砕により、Ａｒガス雰囲気中で調製される。
【００５６】
表面積が大きく、かつ表面が清浄化されたものであれば金属粉末の代わりに金属繊維等も用いることができる。発熱体３２は熱伝導性の良好な材料で作製し、熱伝導効率及び水素貯蔵材料充填率が最大となるように形状、大きさ及び数を考慮するのがよい。なお、３９は電化製品等の負荷である。
【００５７】
水素貯蔵材料９と固体高分子電解質型燃料電池３４の間には断熱材３５が設けられており、放出水素は断熱材３５を貫通して設置されている水素供給口３６を通って固体高分子電解質型燃料電池３４に供給される。この水素と空気取り入れ口３７からの空気の反応により発電ができる。
【００５８】
本電源は水素放出後、金属粉末１０を還元して再生するか、あるいは新しいものに交換することにより、繰り返し、水素を貯蔵、放出することができる。水素吸蔵放出過程において、必要なものは空気だけであり、入力電源が不要であるので屋外自立型電源として利用価値が高い。さらに、熱供給は金属粉末１０の代わりに、コンロの火や焚き火等、他の手段で行なうことも可能であり、多種多様な使用状況に対応できる。なお、水素貯蔵材料９としてＴｉ−Ｃ及びＴｉ−ｈ−ＢＮ等のＴｉ系水素貯蔵材料を用いた場合にも同様の効果が得られた。
【００５９】
以上のように、大気圧、室温付近で不可逆水素吸蔵過程により水素の貯蔵を行い、表面積が大きく、かつ表面が清浄化された金属の酸化反応により熱を発生させ、水素の放出に利用することにより、従来、利用困難であった高容量水素吸蔵材料を用いた簡便な水素貯蔵システムを構成することができ、さらには燃料電池と組合せることにより携帯型屋外電源への適用が可能となる。
【００６０】
【発明の効果】
以上、述べたように、本発明によれば、大気圧、室温付近で、不可逆水素吸蔵過程により水素の貯蔵を行い、水素貯蔵容器内に設けた発熱体により熱を供給し、水素の放出を行なうことにより、室温付近における平衡水素圧が大気圧以下であって、従来、利用困難であった水素吸蔵材料を用い、冷却することなく、大気圧、室温付近で大量の水素を貯蔵し、利用できるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】バイオ水素発生システムへの適用例を示した概略図。
【図２】太陽光発電−水電解水素発生システムへの適用例を示した概略図。
【図３】地熱発電−水電解水素発生システムへの適用例を示した概略図。
【図４】燃料電池発電システムへの適用例を示した概略図。
【図５】携帯型屋外電源への適用例を示した概略図。
【符号の説明】
１ 光合成リアクター
２ 嫌気性リアクター
３ 有機性廃液供給管
４ 水素取り出し管
５ 有機性廃液排出管
６ 脱水装置
７ ガス精製装置
８ 水素貯蔵容器
９ 水素貯蔵材料
１０ 金属粉末
１１ フィン付き管状容器
１２ 空気または水蒸気供給管
１３ 水素放出管
１４ バルブ
１５ 脱着用治具
１６ 太陽電池
１７ 送電線
１８ 電解槽
１９ 地熱
２０ 地熱貯留層
２１ 水蒸気供給管
２２ タービン
２３ 発電機
２４ 熱供給体
２５ 水素供給管
２６ 空気供給管
２７ 燃料電池
２８ バイパス管
２９ 水素戻し管
３０ 負荷
３１ 水素充填口
３２ 発熱体
３３ 空気取り入れ口
３４ 固体高分子電解質型燃料電池
３５ 断熱材
３６ 水素供給口
３７ 空気取り入れ口
３８ 金属粉末容器
３９ 負荷
Claims (1)
- 大気圧、室温付近で不可逆水素吸蔵過程で水素を吸蔵可能な水素吸蔵材料を備えた水素貯蔵容器と、吸蔵した水素を放出させるため、前記水素貯蔵材料に熱を供給する発熱体とを備え、前記発熱体は金属粉末の酸化によって発生する熱で加熱され、前記水素貯蔵容器に貯蔵された水素を放出可能になっており、前記放出された水素は燃料電池に供給されるようになっており、前記水素貯蔵容器の一方の側に隣接して、金属が充填された金属粉末容器を、他方の側に断熱材を介して燃料電池を設け、水素貯蔵容器より放出された水素が断熱材を貫通する水素供給口より前記燃料電池に供給されるようになっていることを特徴とする携帯型電源。
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