JP4646226B2 - 水素発生装置及び水素発生方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属等の固体の水素発生剤と、水等の反応液とを反応させて水素を発生させる水素発生装置、および水素発生方法に関し、特に燃料電池に水素を供給するための技術として有用である。

従来、鉄等の水素発生剤と水とを接触させて水素を発生させる水素発生装置としては、水を収納するためのタンクと、水素発生剤を収納する反応容器と、前記タンクから前記反応容器に水を供給する導入管とを備えた水素発生装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この水素発生装置では、反応容器内に収容された鉄粒子等に、ポンプ等を用いてタンクから水を供給している。

しかしながら、この装置では、一旦、反応容器に水が供給されると、水が水素発生剤全体に広がってしまうため、水の供給を停止しても反応の停止まで時間がかかり、無駄な水素発生剤が余分に消費されてしまうという問題がある。また、水の供給量を制御しても水素の発生速度を一定に制御するのは困難であった。

また、水とアルミニウムとの反応で水素ガスを発生させる水素発生装置として、アルミニウムを水中で切削加工等して新生表面を生成しつつ、水とアルミニウムとを反応させる装置が知られている（例えば、特許文献２参照）。

この水素発生装置では、特許文献１の装置より反応速度を制御するのが容易であるものの、装置が大がかりかつ複雑であるため、小型の水素発生装置には不向きであった。また、水と水素発生剤との接触を完全に遮断できないため、反応速度を制御も十分行えるとは言い難かった。

特開２００４−１４９３９４号公報 特開２００１−３１４０１号公報

そこで、本発明の目的は、水素発生反応の停止や速度制御を良好に行うことができ、しかも水等の供給制御のための複雑な装置を必要としない水素発生装置、及び水素発生方法を提供することにある。

上記目的は、下記の如き本発明により達成できる。
即ち、本発明の水素発生装置は、固体の水素発生剤と反応液とを反応させて水素を発生させる水素発生装置において、複数に区分した収容空間を有する収容部と、反応がほぼ終了した時点で水素発生剤の膨張により反応液の進入が困難となる充填率にて各々の前記収容空間に収容された水素発生剤と、前記各々の収容空間に連通して何れかの収容空間への前記反応液の供給が困難になった際に別の収容空間への供給が可能となる反応液の供給経路とを備えることを特徴とする。

本発明の水素発生装置によると、反応がほぼ終了した時点で水素発生剤の膨張により反応液の進入が困難となる充填率にて、各々の前記収容空間に水素発生剤を収容しているため、ある収容空間で反応が終了に近づくと、水素発生剤の膨張により反応液の進入が困難となって、前記供給経路を経て反応液が隣の収容空間に供給されることになる。このため、反応液が供給される収容空間が順次変更されるため、複数に区分して収容した水素発生剤との反応を順次行うことができるので、水素発生反応の停止や速度制御を良好に行うことができる。しかも、流路の切替や供給位置の移動といった、供給制御のための複雑な装置を必要としない。

上記において、前記収容部の各々の収容空間を上下に配置すると共に、前記反応液の供給経路を上下方向に設けて各々の収容空間に高さの異なる位置で連通させてあることが好ましい。この構造によると、下方の収容空間から順次反応が終了して、次々に上方の収容空間に反応液が供給されるため、より確実に各々の収容空間に収容された水素発生剤を順次反応させることができる。

本発明では、前記水素発生剤がアルミニウム粉末を含むものであり、そのアルミニウム粉末の前記収容空間における充填率が３０〜４０体積％であると共に、前記反応液として水を用いることが好ましい。ここで、充填率は真密度（嵩密度ではない）から求めた体積％を指す。アルミニウム粉末と水との反応では、反応の終了により生成物の体積が約３倍に膨張するため、上記の体積％の範囲で充填することにより、反応がほぼ終了した時点で水素発生剤の膨張により反応液の進入が困難となる。

一方、本発明の水素発生方法は、複数の収容空間に区分して収容した固体の水素発生剤と、反応液とを順次反応させて水素を発生させる水素発生方法であって、各々の収容空間の反応がほぼ終了した時点で前記水素発生剤の膨張により反応液の進入が困難となる充填率にて前記水素発生剤を各々収容しておき、前記反応液の進入が困難になることによって、前記反応液が供給される収容空間が順次変更されることを特徴とする。

本発明の水素発生方法によると、各々の収容空間の反応がほぼ終了した時点で前記水素発生剤の膨張により反応液の進入が困難となる充填率にて前記水素発生剤を各々収容しているため、ある収容空間で反応が終了に近づくと、水素発生剤の膨張により反応液の進入が困難となって、前記供給経路を経て反応液が隣の収容空間に供給されることになる。このため、反応液が供給される収容空間が順次変更されるため、複数に区分して収容した水素発生剤との反応を順次行うことができるので、水素発生反応の停止や速度制御を良好に行うことができる。しかも、流路の切替や供給位置の移動といった、供給制御のための複雑な装置を必要としないものとなる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の水素発生装置の一例を示す断面図である。

本発明の水素発生装置は、固体の水素発生剤と反応液とを反応させて水素を発生させるものである。本発明では、水素発生剤と反応液との反応によって生成する生成物が、固体の水素発生剤の元の体積から反応によって膨張する反応原料が使用される。

固体の水素発生剤としては、水と反応して水素を発生する金属、例えばＦｅ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｓｉなどから選ばれる１種以上の金属の粒子や、これらが部分的に酸化された金属の粒子が挙げられる。また、水素発生剤は触媒成分を含むものであってもよい。水素発生剤は、粉末状であってもよく、造粒、又はタブレット化したものであってもよい。

反応液としては、水素発生剤と反応して水素を発生させるものであれば何れでもよく、例えば水や、酸等を含む水溶液などが挙げられる。水素発生剤と反応液との混合比率は、反応の種類に応じて適宜決定することができる。

本発明の水素発生装置は、図１に示すように、複数に区分した収容空間１１を有する収容部１０と、収容空間１１に収容された水素発生剤１と、各々の収容空間１１に連通する反応液２の供給経路２０とを備える。本実施形態では、収容部１０の各々の収容空間１１を反応容器３０の上下に配置すると共に、反応液２の供給経路２０を上下方向に設けて各々の収容空間１１に高さの異なる位置で連通させている例を示す。

収容部１０では、略等間隔に設けられた複数の水平な区分壁１２によって、収容空間１１が上下方向に形成されている。区分壁１２は円形から弓形部が切り取られた形状をなしており、切り取られた弓形部によって、上下方向に供給経路２０を構成している。このため、供給経路２０は、各々の収容空間１１に高さの異なる位置で連通することになる。また、各々の収容空間１１の下面の区分壁１２に、水素発生剤１を載置して収容できる構造になっている。

水素発生剤１は、各収容空間１１における反応がほぼ終了した時点で、水素発生剤１の膨張により反応液２の進入が困難となる充填率にて、各々の収容空間１１に収容されている。このような充填率は、予め使用する水素発生剤１と反応液２とを反応させて、生成物の体積膨張を調べることによって、実験的に求めることができる。また、反応系の化学反応式に基づいて、生成物の生成量と密度などから、生成物と原料との体積を比較することによって、計算により求めることができる。

例えば、反応液２として水を用い、水素発生剤１としてアルミニウム粉末を含むものを使用する場合、そのアルミニウム粉末の収容空間１１における充填率が３０〜４０体積％であると、反応がほぼ終了した時点で水素発生剤１の膨張により反応液２の進入が困難（好ましくは停止する）となる。

本実施形態では、反応容器３０の底部には、反応液２の貯留部３１を備えており、貯留部３１には弁３３を有する供給部３２が連通している。弁３３を開けた状態で、供給部３２から反応液２を適宜、供給することができる。反応液２の供給は、ポンプを用いたり、反応液に生じる重力や給水紙等への浸透を利用して、行うことが可能である。重力を利用する場合、二重容器構造を備えることが好ましい。

最下部の収容空間１１に流入可能な量の反応液２が、供給部３２から供給されると、供給経路２０と最下部の収容空間１１とが連通しているため、自然に反応液２が収容空間１１に流入する。その結果、最下部の収容空間１１の水素発生剤１と反応液２とが反応して水素発生反応が進行し、収容空間１１の水素発生剤１が消費されると、反応が終了する。その際、上記の如き充填率であるため、反応液２の進入がもはや困難となる。

次いで、再び反応液２を供給部３２から供給して、下方から２番目の収容空間１１に流入可能な量の反応液２が供給されると、再び水素発生反応が２番目の収容空間１１で進行し、このような操作を繰り返すことで、全ての収容空間１１において、順次水素発生反応を行うことができる。本発明では、このように、各々の収容空間１１に連通して何れかの収容空間１１への前記反応液２の供給が困難になった際に、別の収容空間１１への供給が可能となる反応液の供給経路２０が形成されている。

従って、各々の収容空間１１に対する反応液２の供給量は、収容空間１１の水素発生剤１と完全に反応する量の反応液２とするのが好ましい。

各々の水素発生反応で発生した水素ガスは、反応容器３０の上部に設けた排出部３５から外部に取り出される。

本発明では、図４に示すグラフのように、各区分（収容空間）ごとの反応はピークを持った水素発生速度となるが、各区分ごとの反応を順次行うことで、トータルとしてほぼ一定の水素発生速度とすることができる。また、各区分ごとの反応の間隔を長くしたり、短くすることで容易に水素発生速度を制御することができる。さらに、各区分ごとの反応を停止することで、材料の無駄なく反応を停止することができ、再び反応を開始するのも容易となる。

本発明の水素発生方法は、以上のような水素発生装置を用いて好適に行うことができる。即ち、本発明の水素発生方法は、複数の収容空間に区分して収容した固体の水素発生剤と、反応液とを順次反応させて水素を発生させる水素発生方法であって、各々の収容空間の反応がほぼ終了した時点で前記水素発生剤の膨張により反応液の進入が困難となる充填率にて前記水素発生剤を各々収容しておき、前記反応液の進入が困難になることによって、前記反応液が供給される収容空間が順次変更されることを特徴とする。

本発明によると、簡易な装置構成で水素発生反応の停止や速度制御を良好に行うことができるため、発生した水素ガスを燃料電池に供給する用途に好適に使用することができる。また、簡易な装置構成ゆえに、小型化や軽量化にも容易に対応することができるため、特に携帯機器類の電源となる燃料電池へ、水素ガスを供給するのに使用するのが好ましい。

［他の実施形態］
以下、本発明の他の実施形態について説明する。

（１）前述の実施形態では、反応容器の側壁に沿って断面弓形の空間となる反応液の供給路を設ける例を示したが、本発明では、図２に示すように、供給経路２０の内部に、収容空間１１より低い充填率で水素発生剤１を収容することも可能である。これによって、反応容器内の空間を有効利用して、水素発生総量を向上させることができる。

即ち、反応液の供給経路２０には、反応液２との反応がほぼ終了した時点でも反応液２の進入が可能な充填率にて、水素発生剤１が充填されており、供給経路２０の水素発生剤１の水素発生反応が終了しても、空隙を有するため、これを通過して反応液２を供給することができる。その際、供給経路２０内の水素発生剤１を保持するために、収容空間１１との境界に多孔性を仕切り材２１を設けることが好ましい。なお、供給経路２０内に水素発生剤１を設ける代わりに、反応液の吸収が可能な綿類やその他の吸収体を、供給経路２０内に設けることも可能である。

（２）また、本発明では、図３に示すように、上方から反応液２を供給できるように構成してもよい。これによって、供給部３２の弁を省略することができる。その際、反応液２の供給経路２０を反応容器３０の中央、即ち収容空間１１の中央に設けることが好ましい。これによって、反応の途中での収容空間１１の閉塞を効果的に防止することができる。

（３）前述の実施形態では、各々の収容空間において、各々の反応を順次確実に行うことができる理由から、断続的に供給部から反応液を供給する例を示したが、本発明では、連続的に供給部から反応液を供給してもよい。その場合でも、反応液の供給速度を適当に制御することによって、各々の収容空間において各々の反応を順次行うことができる。但し、連続的に供給する場合、同時に複数の収容空間で反応が生じるのを回避する観点から、各々の収容空間における反応が終了する時間に合わせて、反応液の供給速度を制御することが好ましい。

（４）前述の実施形態では、複数に区分した収容空間を有する収容部と反応液の供給路との境界に、仕切り壁を有さない構造を示したが、膨張した生成物が収容空間からはみ出すのを防止するために、開孔を有する仕切り壁や多孔性の仕切り壁を設けることも可能である。なお、図１〜図３に示す構造の反応容器では、収容空間１１に水素発生剤１を収容するのが構造的に難しいため、収容空間１１を有する収容部１０だけを独立した部材で構成し、これを反応容器３０から取り出して水素発生剤１を収容した後に、当該部材を反応容器３０に挿入する構造としてもよい。

以下、本発明の構成と効果を具体的に示す参考試験例等について説明する。

図５に示すように、中央に孔の開いた３枚の区分壁１２によって、収容空間１１（体積０．３ｃｍ^３）が上下に２つ形成された筒状の容器を用いた。各々の収容空間１１に、水素発生剤１としてアルミニウム粉末（高純度化学研究所製：平均粒径３μｍ、嵩密度１．５ｇ／ｃｍ^３、真密度２．７ｇ／ｃｍ^３）を０．２５ｇづつ収容した。このときのアルミニウム粉末の収容空間における充填率は３１体積％であった。

上部より水を０．２ｃｃ入れて反応させ、水素の発生が停止するまで反応を継続し、１２０分後に、再度、上部より加圧（１０ＫＰａ）して水を０．２ｃｃ注入した。しかし、生成物の膨張によって進入が困難となり、水は下段の収容空間には到達しなかった。これに対して、収容空間を０．４ｃｍ^３と０．５ｃｍ^３にした場合、水の進入が可能となり、下段の収容空間に水が到達した。

本発明の水素発生装置の一例を示す断面図 本発明の水素発生装置の他の例を示す断面図 本発明の水素発生装置の他の例を示す断面図 本発明における水素発生反応の停止や速度制御を説明するためのグラフ 参考試験例に使用した水素発生装置を示す断面図

符号の説明

１ 水素発生剤
２ 反応液
１０ 収容部
１１ 収容空間
２０ 反応液の供給経路

Claims (5)

1. 固体の水素発生剤と反応液とを反応させて水素を発生させる水素発生装置において、
   複数に区分した収容空間を有する収容部と、反応がほぼ終了した時点で水素発生剤の膨張により反応液の進入が困難となる充填率にて各々の前記収容空間に収容された水素発生剤と、前記各々の収容空間に連通して何れかの収容空間への前記反応液の供給が困難になった際に別の収容空間への供給が可能となる反応液の供給経路とを備えることを特徴とする水素発生装置。
2. 前記収容部の各々の収容空間を上下に配置すると共に、前記反応液の供給経路を上下方向に設けて各々の収容空間に高さの異なる位置で連通させてある請求項１記載の水素発生装置。
3. 前記水素発生剤がアルミニウム粉末を含むものであり、そのアルミニウム粉末の前記収容空間における充填率が３０〜４０体積％であると共に、前記反応液として水を用いる請求項１又は２記載の水素発生装置。
4. 複数の収容空間に区分して収容した固体の水素発生剤と、反応液とを順次反応させて水素を発生させる水素発生方法であって、
   各々の収容空間の反応がほぼ終了した時点で前記水素発生剤の膨張により反応液の進入が困難となる充填率にて前記水素発生剤を各々収容しておき、前記反応液の進入が困難になることによって、前記反応液が供給される収容空間が順次変更されることを特徴とする水素発生方法。
5. 前記水素発生剤がアルミニウム粉末を含むものであり、そのアルミニウム粉末の前記収容空間における充填率が３０〜４０体積％であると共に、前記反応液として水を用いる請求項４記載の水素発生方法。

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