JP4752104B2 - 水素ガス生成システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属水素化物を加水分解または熱分解して、水素ガス、特に燃料電池用の水素リッチな燃料ガスを生成する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
水素と酸素の電気化学反応により起電力を得る燃料電池では、燃料として水素ガスが必要となる。水素ガスを生するシステム例として、金属水素化物、いわゆるケミカルハイドライドを用いた構成が知られている。
【０００３】
ケミカルハイドライドとは、アルカリ金属または錯金属と水素の化合物であり、加水分解または熱分解して水素を生成する性質を有する物質である。エネルギ密度が非常に高い物質として知られている。昨今の研究により、ケミカルハイドライドとして、ＮａＨ、ＮａＢＨ4、ＮａＡｌＨ4、ＬｉＡｌＨ4、ＬｉＢＨ4、ＬｉＨ、ＣａＨ2、ＡｌＨ3、ＭｇＨ2などの金属水素化物が知られている。
【０００４】
金属水素化物を加水分解する場合、反応による生成物が金属水素化物の表面を覆い、途中で反応が停止してしまう。反応率、即ち全金属水素化物中で反応した物質の割合は、通常、約５０％程度しか得られないことが確認されている。また、金属水素化物に水を供給し、反応が始まると、人為的に反応を停止させることはできない。これらの理由に基づき、金属水素化物を利用した水素ガス生成システムでは、間欠的に水素を生成する方式が採られていた。つまり、必要とされる水素ガスの量に関わらず、一定量の金属水素化物に十分な水または熱を加え、水素を生成させる。こうして生成された水素は、一旦、タンク等に貯蔵され、徐々に使用される。水素の貯蔵量が所定の基準を下回った時に、再び水素ガスの生成が行われる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述の間欠的な水素生成方法は、無駄が多かった。水素ガスをまとめて発生させるため、使用されずに残存または遺漏する水素が生じるからである。従って、金属水素化物を利用した水素ガス生成システムにおいては、必要量の水素ガスを供給しつつ、かかる無駄を抑制することが望まれていた。
【０００６】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上記課題を解決するため、本発明の水素ガス生成システムでは、第１の構成として、
金属水素化物を加水分解または熱分解して水素を生成させる反応部と、
該反応部に担持または充填された触媒と、
前記金属水素化物、および前記分解反応に供される水または熱、の少なくとも一方の量を、水素ガスの要求量に応じて制御する制御部とを備えるものとした。
金属水素化物は、ＮａＢＨ4またはＮａＡｌＨ4など、先に列挙した物質を含め加水分解または熱分解して水素を生成する種々の物質を用いることができる。
【０００７】
加水分解については、要求量に応じて水の量を制御しつつ金属水素化物に供給する態様、金属水素化物の量を制御しつつ水に供給する態様、および水および金属水素化物の双方の量を制御しつつ供給する態様が挙げられる。熱分解については、熱量を制御しつつ金属水素化物に供給する態様が挙げられる。
【０００８】
触媒の存在下では、加水分解、熱分解は比較的速やかに進み、金属水素化物のほぼ全量が反応可能である。かかる環境下では、反応に供される物質または熱の量を制御することにより、発生する水素量の制御が可能である。金属水素化物に対して過剰の水または熱の供給を回避することにより、必要以上の水素の生成を抑制することができ、無駄を抑制できる。
【０００９】
反応に利用可能な触媒は、金属水素化物の種類および加水分解、熱分解の別によって選択される。一般にルテニウム系、チタニア系、白金系などの触媒が知られている。
【００１０】
金属水素化物に加えられる水または熱と発生する水素量との関係は、金属水素化物の種類に応じて大きく異なる。また、その関係は非線形であることが多い。従って、上記制御においては、金属水素化物、および前記分解反応に供される水または熱、の少なくとも一方の量と、水素ガスの要求量との関係を予め記憶しておき、この関係に基づいて実行することが望ましい。この関係は、予め実験等によって特定することができる。また、この関係は、反応時における温度その他の環境条件によっても影響されるため、環境条件をパラメータとして多元的に記憶させるものとしてもよい。
【００１１】
本発明の水素ガス生成システムは、第２の構成として、
金属水素化物を加水分解して水素を生成させる反応部と、
該反応部のｐＨを制御するｐＨ制御部とを備えるものとした。
【００１２】
ｐＨ制御部は、反応部のｐＨを一定の目標値に制御する態様、水素ガスの要求量の増大に伴って前記ｐＨを低下させる態様、水素ガスの要求量の低減に伴って前記ｐＨを増大させる態様、またはこれらの組み合わせでの制御を行うことができる。
【００１３】
金属水素化物の加水分解の反応速度は、ｐＨに依存することが知られている。アルカリ性、即ちｐＨが高い程、反応速度は低下し、酸性、即ちｐＨが低い程、反応速度が増加する。従って、加水分解時にｐＨを制御すれば、単位時間に生成される水素量を制御することができ、生成された水素の無駄を抑制することができる。例えば、ｐＨを一定の目標値に制御すれば、金属水素化物および水の量による水素生成量の制御の安定化を図ることができる。要求量の増減に伴ってｐＨを変化させれば、反応速度を変化させることができ、要求量に応じた水素を生成させることができる。
【００１４】
第２の構成においては、水素ガスの要求量およびその変化量の少なくとも一方に基づき、前記反応部のｐＨ目標値を設定し、それを目標値としてｐＨの制御を実行してもよい。ｐＨ目標値は、要求量等に応じた反応速度が得られるｐＨとの関係を予め実験等によって設定、記憶しておき、これを参照して設定することができる。水素ガス要求量は、反応速度とともに原料の量によっても制御可能であるから、原料量およびｐＨとを組み合わせて制御してもよい。例えば、原料量およびｐＨと要求量との関係をマップで記憶しておき、現状の運転状態から最も迅速に移行可能な運転ポイントに移行する制御が可能である。かかる制御により、反応の応答性を向上させることができる。
【００１５】
第２の構成においては、反応部に前記金属水素化物と水の混合物を原料として供給する原料供給部を備え、ｐＨ制御部によって、反応部における混合物のｐＨを供給前よりも低下させるものとしてもよい。金属水素化物と水の混合物を原料とすることにより、反応部への定量供給が容易になるとともに、金属水素化物と水の拡散性を向上させることもでき、反応促進にも寄与する。但し、この場合は、金属水素化物と水を混合した時点で、反応が生じ、不要な水素生成が行われる可能性がある。上述の構成によれば、反応速度が十分に低いｐＨで混合物を供給し、反応部でｐＨを低下させることにより、十分な反応速度を得ることが可能となる。
【００１６】
例えば、原料は、強アルカリ性に保っておくことにより、反応速度を十分に低下させることが可能である。原料のｐＨは、システムの構成によって設定可能である。金属水素化物と水とを分離貯蔵しておき、反応部への供給前に混合するシステム構成では、混合物としての放置期間が比較的短いため、ｐＨは強アルカリ性の範囲でも若干、低めに設定することができる。好ましくはｐＨ１０よりも大きい範囲で設定可能である。ｐＨを低く設定することにより、反応部での反応促進が容易になる利点がある。金属水素化物と水とを混合物の状態で貯蔵しておく場合には、原料のｐＨを実用的な時間内に有意な水素生成を伴わない程度に高く設定しておくことが望ましい。かかる場合には、好ましくは原料のｐＨを１３以上とすることが望ましい。
【００１７】
原料のｐＨは、金属水素化物および水に、アルカリ性の化合物を適宜加えることにより、調整できる。例えば、金属水素化物として、ＮａＢＨ4を用いる場合には、水酸化ナトリウム等を目標ｐＨに応じて加えればよい。
【００１８】
原料が強アルカリ性で保存されている場合には、原料に水を加えることによってｐＨを低下させることができる。実用的な反応速度を得るため、ｐＨが１０以下になるように制御することが好ましい。
【００１９】
本発明は、水素ガス生成システムとしての態様の他、水素ガスの生成方法として構成することが可能である。また、生成された水素ガスの供給を受けて発電する燃料電池と組み合わせて燃料電池システムとして構成してもよい。更に、その燃料電池システムを搭載した移動体など種々の態様で構成することが可能である。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例を以下の項目に分けて説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ１．システム構成：
Ａ２．ｐＨ制御：
Ａ３．ｐＨ制御の変形例：
Ａ４．変形例：
Ｂ．第２実施例：
Ｂ１．システム構成：
Ｂ２．水素ガス生成処理：
【００２１】
Ａ．第１実施例：
Ａ１．システム構成：
図１は第１実施例としての水素ガス生成システムの概略構成を示す説明図である。本実施例では、金属水素化物を加水分解して水素ガスを生成するシステム例を示す。生成された水素は、燃料電池１のアノード１ａに供給される。燃料電池１は、アノード１ａに供給された水素と、カソード１ｂに供給される空気中の酸素の電気化学反応によって発電する。燃料電池１の運転は、内部にＣＰＵ，ＲＡＭ，ＲＯＭを備えるマイクロコンピュータで構成された制御ユニット１０によって制御される。
【００２２】
本実施例では、金属水素化物として、ＮａＢＨ4を用いた。この物質は、次の反応式に従って加水分解し、水素を生成する。
ＮａＢＨ4＋２Ｈ2Ｏ → ４Ｈ2＋ＮａＢＯ2
ＮａＢＯ2は水を取り込む性質があるため、実際には、１モルのＮａＢＨ4に対し、２モル以上のＨ2Ｏ、通常６モル程度が必要となることが知られている。以下、ＮａＢＨ4を燃料と呼び、ＮａＢＯ2を生成物と呼ぶものとする。
【００２３】
本実施例では、反応に供される燃料および水は混合された状態で原料タンク１１に貯蔵される。燃料と水の混合物を以下、原料と呼ぶものとする。原料は、放置しておけば、上述の加水分解が進み、水素を生成する。但し、この反応は、ｐＨ依存性がある。本実施例では、反応速度が極端に遅いｐＨ条件で原料を貯蔵している。
【００２４】
図２は反応速度のｐＨ依存性を示す説明図である。金属水素化物のｐＨ依存性については、次式の関係が知られている。
ｌｏｇ（ｔ1/2）＝ｐＨ−（．３４Ｔ−１．９２）
ｔ1/2は、金属水素化物の半減時間である。Ｔは絶対温度（Ｋ）である。図２は、この関係を図示したものである。反応率とは、全金属水素化物中の反応済みの金属水素化物の割合を意味する。図示する通り、金属水素化物は、ｐＨが低い時、即ち酸性状態で反応速度が高く、ｐＨが高い時、即ちアルカリ性状態で反応速度が低いことが分かる。
【００２５】
本実施例では、かかる関係に基づき、原料を強いアルカリ性状態で貯蔵するものとした。貯蔵時のｐＨは次の手順で設定した。原料を貯蔵した後、使用されるまでの標準的な時間に基づき水素生成量の評価基準となる時間ｔｓ、その期間における水素生成量が原料タンクの容積等に基づいて定まる許容上限値を超えない反応率Ｈｓｔｒを設定し、これを超えない範囲で貯蔵時のｐＨを設定した。ｐＨを１３以上とすれば、実用上、反応が停止していると見なせる程度の反応速度になることが確認されており、本実施例では、約ｐＨ１３で原料を貯蔵するものとした。燃料、水にＮａＯＨを約５重量％加えることにより、このｐＨは実現される。添加するアルカリ性物質は、ＮａＯＨに限られるものではないが、本実施例では、燃料ＮａＢＨ4と共通の金属Ｎａを含む物質としてＮａＯＨを選択した。
【００２６】
図２に示したｐＨ依存性は、温度が約５０℃以下の環境下で確認されている。この温度を超えると、ｐＨ１３で貯蔵された原料であっても、反応が有意な速度で進行する。本実施例では、原料タンク１１は、温度が５０℃以下に保たれるよう断熱構造を備えている。
【００２７】
図１に戻り、本実施例のシステム構成について説明する。原料は、原料タンク１１から配管によって反応器２０に運搬される。途中には、原料の供給量を調整するためのバルブ１２が設けられている。反応器には、水タンク１３から水が供給される。水を供給する配管には、供給量を調整するためのバルブ１４が設けられている。バルブ１２，１４の開度は、それぞれ制御ユニット１０によって電子的に制御される。
【００２８】
この水は、加水分解に使用されるとともに、反応器２０内のｐＨを調整する役割を果たす。先に説明した通り、原料は反応速度が極めて低くなる強アルカリ状態で保存されている。原料に水を加えて希釈することにより、反応器２０内のｐＨを低下させ、反応速度が高いｐＨ状態に移行させることができる。水による希釈では、ｐＨ７が限界であるが、実用上、十分な反応速度が得られることが確認されている。供給される水の量は、原料の量および要求水素量によって制御される。この制御を実現するために、反応器２０には、ｐＨを検出するｐＨセンサ２１が備えられており、検出値が制御ユニット１０に入力される。制御方法については、後述する。
【００２９】
反応器２０では、先に示した加水分解反応が生じ、水素が生成される。短期間に大量の水素が生成され、高い流速で流出するため、流出する水素ガスには、水、生成物などの不純物が混在した状態となる。このガスは分離器３０に供給され、生成物、水、水素に分離される。分離器３０は、水素ガスの流速を抑制することで、不純物を分離する機構である。流速を抑制するための格子、フィン、じゃま板などを内部に設けることにより構成される。分離器３０で分離された水素は、燃料電池１のアノード１ａに供給される。水は、水タンク１３に循環され、再び反応に供される。
【００３０】
Ａ２．ｐＨ制御：
図３は水素ガス生成処理のフローチャートである。先に説明した通り、本実施例では、強アルカリ性で貯蔵されている原料のｐＨを調整して要求量に見合った水素を生成する。この制御は、制御ユニット１０が図３に示す処理を実行することにより実現される。
【００３１】
処理が開始されると、制御ユニット１０は、まず水素要求量を入力する（ステップＳ１０）。水素要求量は、外部からの指示によって入力されるものとしてもよいし、燃料電池１の運転状態から制御ユニット１０が設定するものとしてもよい。水素要求量に関連のある他のパラメータ、例えば燃料電池１の要求電力などで間接的に設定することも可能である。
【００３２】
次に、水素要求量に基づき、制御ユニット１０は、反応器２０に供給する原料量、およびｐＨの目標値を設定する（ステップＳ１２）。本実施例では、図中に示すマップに基づいて設定するものとした。加水分解の反応速度は、反応器２０のｐＨに依存する。水素生成量は、ｐＨと反応に供される原料量とをパラメータとして定まる。反応速度が遅い場合でも、原料量を増やすことにより単位時間当たりの水素生成量を増大させられる。原料量が少ない場合でも、反応速度を高めることにより、単位時間当たりの水素生成量を増大させられる。本実施例では、かかる観点から、原料量とｐＨをパラメータとして所定の水素要求量を満足する運転ポイントをマップとして用意した。曲線ｃ１〜ｃ４はそれぞれ単位時間当たりに生成される水素量が一定となる運転ポイントを示している。曲線ｃ４、ｃ３、ｃ２、ｃ１の順に生成量が増大する。図中に示す折れ線ＬＩＭは、原料量およびｐＨの限界値を意味する。この範囲でマップは作成されている。
【００３３】
制御ユニット１０は、現状の運転ポイント、即ち、反応器２０に供給されている原料量とｐＨと、水素要求量に基づいて目標ポイントを設定する。例えば、現状の運転ポイントが図中のポイントＰ１であり、曲線ｃ２に相当する量の水素が要求された場合を考える。目標運転ポイントは、曲線ｃ２上のいずれのポイントに設定しても構わない。本実施例では、現状の運転ポイントＰ１から最も移行しやすいポイントを目標ポイントＰ２として設定するものとした。ポイントＰ１からＰ２への移行に伴う原料量の変化量ΔＲ、ｐＨの変化量Δｐに基づき、それぞれの変化を生じさせるための所要時間を評価し、所要時間が極小となる運転ポイントを目標ポイントとして選択するのである。こうすることにより、応答性の向上を図ることができる。制御ユニット１０は、設定された運転ポイントに相当する状態に、バルブ１２，１４を制御して処理を終了する。
【００３４】
ｐＨ制御には、大きく２つの利点がある。一つは、ｐＨを大きくすることにより、実質的に反応を停止させることができる点である。本実施例では、かかる利点を活用することにより、金属水素化物と水を混合して流体の状態で貯蔵した。流体の形で保存することにより、原料の定量供給が容易になり、反応を安定化させることができる。２つ目として、ｐＨ制御で反応速度を制御することにより、要求水素量に応じた水素を安定供給することが可能となる利点がある。更に原料供給量の制御も組み合わせれば、応答性を向上させることも可能である。これらの利点に加えて、本実施例のシステムでは、ｐＨ制御に利用される水は循環可能であり、装置の小型化を図ることができる利点もある。
【００３５】
Ａ３．ｐＨ制御の変形例：
実施例では、マップに基づいて運転ポイントを設定する場合を例示した。水素の生成量に基づいて、原料およびｐＨをフィードバック制御するものとしてもよい。かかる制御を変形例として例示する。
【００３６】
図４は変形例としての水素ガス生成処理のフローチャートである。処理が開始されると、制御ユニット１０は、水素要求量Ｈｒｅｑを入力する（ステップＳ２０）。また、現在の水素発生量Ｈｏｕｔを入力する（ステップＳ２１）。水素発生量Ｈｏｕｔは、反応器２０または分離器３０内の圧力、燃料電池１の電力など水素発生量に関与する物理量をパラメータとして検出することができる。こうして入力された２つの値Ｈｒｅｑ，Ｈｏｕｔの比較によって（ステップＳ２２）、制御ユニット１０は、ｐＨおよび原料量の制御を行う。
【００３７】
「Ｈｒｅｑ＜Ｈｏｕｔ」の場合、つまり水素要求量よりも過剰の水素が発生している場合は、水素の生成を抑制する処理を実行する。反応率を低下させるため、ｐＨを増大させる（ステップＳ２３）。ｐＨの増大量は、一定の刻みで行うものとしてもよいし、Ｈｒｅｑ、Ｈｏｕｔの差分から設定してもよい。本実施例では、水タンク１３から供給される水量を抑制することにより、ｐＨの増大を図る。ｐＨが所定の上限閾値ｐＨＵを超えた場合には（ステップＳ２４）、ｐＨのみの制御では、十分に水素発生量を抑制できないと判断し、原料量を低減させる（ステップＳ２５）。原料量の低減も、一定の刻みで行ってもよいし、Ｈｒｅｑ、Ｈｏｕｔの差分から設定してもよい。上限閾値ｐＨＵは、理論的に実現可能な上限値に設定する必要はなく、ｐＨのみの調整によっては、実用的な応答性で水素生成量を抑制することが困難と判断される値を任意に設定可能である。
【００３８】
「Ｈｒｅｑ＞Ｈｏｕｔ」の場合、つまり水素要求量よりも水素の発生量が不足している場合は、水素の生成を促進する処理を実行する。反応率を増大させるため、ｐＨを低下させる（ステップＳ２６）。ｐＨの低下量は、一定の刻みで行うものとしてもよいし、Ｈｒｅｑ、Ｈｏｕｔの差分から設定してもよい。本実施例では、水タンク１３から供給される水量を増大することにより、ｐＨの低下を図る。ｐＨが所定の下限値ｐＨＬを下回った場合には（ステップＳ２７）、ｐＨのみの制御では、十分な水素を発生させられないと判断し、原料量を増加させる（ステップＳ２８）。原料量の増加も、一定の刻みで行ってもよいし、Ｈｒｅｑ、Ｈｏｕｔの差分から設定してもよい。下限閾値ｐＨＬは、理論的に実現可能な下限値に設定する必要はなく、ｐＨのみの調整によっては、実用的な応答性で水素生成量を増加させることが困難と判断される値を任意に設定可能である。
【００３９】
「Ｈｒｅｑ＝Ｈｏｕｔ」の場合は、現状の運転ポイントをそのまま維持する。Ｈｒｅｑ、Ｈｏｕｔの大小関係に応じて、それぞれ運転ポイントが設定されると、制御ユニット１０は、各運転ポイントを実現するよう、バルブ１２，１４を制御する（ステップＳ２９）。
【００４０】
なお、Ｈｒｅｑ、Ｈｏｕｔの比較に応じた制御は、一定のヒステリシスを持たせることが望ましい。また、「Ｈｒｅｑ＝Ｈｏｕｔ」の判断は、両者の差違が、実用上、十分に小さいとみなせるか否かで行えばよい。
【００４１】
図４の制御例では、ｐＨ制御を原料量の制御よりも優先する場合を例示した。つまり、ｐＨ制御の結果、ｐＨが所定の閾値ｐＨＵ，ｐＨＬを超えた場合に原料制御を行うものとした。逆に、原料量の制御を優先して行うものとしてもよい。
【００４２】
Ａ４．変形例：
実施例（図３）および変形例（図４）では、要求水素量を実現するようにｐＨ制御を行う場合を例示した。反応器２０のｐＨは、一定の目標値となるよう制御してもよい。例えば、ｐＨ１０を目標値とするものとすれば、原料と一定の比率で水を供給すれば良い。要求水素量に応じた水素を発生する際には、原料量を水素要求量に応じて制御する。この制御は、例えば、ｐＨ１０における反応率に基づき、原料量と水素発生量のマップを予め用意することで実現可能である。
【００４３】
以上の例では、要求水素量を実現するための制御を説明した。本実施例は、水素を間欠的に生成させ、反応器２０および分離器３０に一旦蓄え、必要に応じて使うシステムとして構成することもできる。かかる場合には、要求水素量に関わらず、原料に所定の水を供給して反応させればよい。高いｐＨで原料を貯蔵しておき、反応器２０内でｐＨを下げて反応を促進させるのである。水は、反応器２０が一定の目標ｐＨになるように、原料に対し一定の比率で供給すればよい。かかる構成においても、金属水素化物と水を混合した流体の状態で原料を貯蔵できる利点は得られる。
【００４４】
第１実施例では、金属水素化物と水とを混合した原料を貯蔵する場合を例示した。金属水素化物と水とを分離貯蔵しておき、反応器２０への運搬直前に混合するシステム構成としてもよい。つまり、反応器２０よりも上流側に、金属水素化物と水とをアルカリ性環境下で混合する混合器を設け、ここで混合された流体を反応器２０に供給する構成を採ることも可能である。かかる構成では、流体で原料を供給することによる定量供給の容易化を図ることができる。また、実施例と異なり、混合状態で貯蔵する訳ではないため、反応率に対する許容値（図２中のＨｓｔｒ）は、比較的高く設定できる。従って、原料のｐＨは実施例に比べて若干低くすることができる。この結果、反応器２０でそれほど希釈しなくても十分な反応速度を得ることが可能となる利点がある。
【００４５】
Ｂ．第２実施例：
Ｂ１．システム構成：
図５は第２実施例としての水素ガス生成システムの概略構成を示す説明図である。第２実施例では、ｐＨ制御は行わない。金属水素化物の燃料は、タンク１１Ａに粉末状で貯蔵されている。燃料としては、第１実施例と同様、ＮａＢＨ4を用いる。燃料は、粉末を運搬可能なポンプ１２Ａによって反応器２０Ａに運搬される。かかるポンプ１２Ａとしては、超音波モータを利用した装置が知られている。制御ユニット１０がポンプ１２Ａの駆動を制御することにより、燃料の供給量を制御することができる。燃料のタンク１１Ａから粉末が重力の作用で反応器２０Ａに供給される機構を適用してもよい。かかる場合には、供給路の開度をバルブ等で調整することにより、燃料の供給量を制御することができる。
【００４６】
反応器２０Ａには、水タンク１３から、燃料を加水分解するための水が供給される。供給量は、制御ユニット１０が、配管途中に設けられたバルブ１４の開度を制御することによって制御される。
【００４７】
反応器２０Ａ内には、加水分解反応を促進する触媒が担持されている。本実施例では、ハニカムの担体に触媒を担持させ、反応器２０Ａ内に取り付けた。触媒を反応器２０Ａ内に充填してもよい。利用可能な触媒としては、白金系、チタニア系、ルテニウム系、白金−チタニア系などが知られている。
【００４８】
反応器２０Ａに水とともに供給された燃料は触媒の作用によって、直ちに加水分解される。生成物が燃料の表面を覆い、分解が停止するという現象は、触媒の存在下ではほぼ生じない。生成された水素には、第１実施例と同様、水、生成物が含まれているため、分離器３０で分離され、燃料電池１に供給される。分離器３０で分離された水は、水タンク１３に循環され、再び反応に供される。
【００４９】
Ｂ２．水素ガス生成処理：
図６は第２実施例における水素ガス生成処理のフローチャートである。制御ユニット１０が実行する処理である。第２実施例では、反応器２０Ａに供給された燃料がほぼ全量反応可能な構成を採っているため、燃料の供給量と水素生成量とは一定の相関がある。本実施例では、かかる相関を利用して、水素要求量に応じた水素を生成する。
【００５０】
処理が開始されると、制御ユニット１０は、水素要求量を入力し（ステップＳ３０）、これに基づいて燃料、即ち金属水素化物の量と水の量を設定する（ステップＳ３２）。燃料量、水量、生成される水素量は、複雑な相関関係になることが確認されているため、本実施例では、水素要求量に応じて燃料量、水量を与えるマップを予め用意し、これに基づいてそれぞれの供給量を設定するものとした。供給量は、反応器２０Ａの温度などの環境条件によっても変動するため、環境条件ごとにマップを備えた。図中では、温度別にマップを用意した例を示したが、その他の条件を加味して多元的にマップを備えてもよい。
【００５１】
こうして設定された燃料および水の供給量を実現するように、制御ユニット１０は、ポンプ１２Ａ、バルブ１４を制御する（ステップＳ３４）。
【００５２】
第２実施例によれば、原料および水の供給量を制御することにより、要求に応じた水素を生成することができる。従って、生成された水素が使用前に遺漏したに、消費されずに残存するなどの無駄を回避できる。
【００５３】
第２実施例では、燃料と水の双方の量を制御する場合を例示した。反応器２０Ａに十分な量の水を蓄えておき、水素要求量に応じて燃料の供給量を制御するものとしてもよい。反応器２０Ａに十分な量の燃料を貯蔵しておき、水素要求量に応じて水の供給量を制御するものとしてもよい。
【００５４】
金属水素化物は、加水分解の他、熱分解によって水素を生成することが知られている。第２実施例の構成において、水を供給する代わりに、反応器２０Ａを加熱して水素を生成する構成を採ることも可能である。この場合には、水素要求量に応じて加熱量を制御することにより、第２実施例と同様の利点を得ることができる。
【００５５】
第１実施例、第２実施例では、金属水素化物としてＮａＢＨ4を用いた場合を例示したが、その他種々の金属水素化物を利用可能である。生成された水素の用途は、燃料電池１への供給に限られない。
【００５６】
以上、本発明の種々の実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の構成を採ることができることはいうまでもない。例えば、以上の制御処理はソフトウェアで実現する他、ハードウェア的に実現するものとしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施例としての水素ガス生成システムの概略構成を示す説明図である。
【図２】反応速度のｐＨ依存性を示す説明図である。
【図３】水素ガス生成処理のフローチャートである。
【図４】変形例としての水素ガス生成処理のフローチャートである。
【図５】第２実施例としての水素ガス生成システムの概略構成を示す説明図である。
【図６】第２実施例における水素ガス生成処理のフローチャートである。
【符号の説明】
１０…制御ユニット
１１…原料タンク
１１Ａ…タンク
１２，１４…バルブ
１２Ａ…ポンプ
１３…水タンク
１４…バルブ
２０…反応器
２０Ａ…反応器
３０…分離器
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属水素化物を加水分解または熱分解して、水素ガス、特に燃料電池用の水素リッチな燃料ガスを生成する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
水素と酸素の電気化学反応により起電力を得る燃料電池では、燃料として水素ガスが必要となる。水素ガスを生するシステム例として、金属水素化物、いわゆるケミカルハイドライドを用いた構成が知られている。
【０００３】
ケミカルハイドライドとは、アルカリ金属または錯金属と水素の化合物であり、加水分解または熱分解して水素を生成する性質を有する物質である。エネルギ密度が非常に高い物質として知られている。昨今の研究により、ケミカルハイドライドとして、ＮａＨ、ＮａＢＨ4、ＮａＡｌＨ4、ＬｉＡｌＨ4、ＬｉＢＨ4、ＬｉＨ、ＣａＨ2、ＡｌＨ3、ＭｇＨ2などの金属水素化物が知られている。
【０００４】
金属水素化物を加水分解する場合、反応による生成物が金属水素化物の表面を覆い、途中で反応が停止してしまう。反応率、即ち全金属水素化物中で反応した物質の割合は、通常、約５０％程度しか得られないことが確認されている。また、金属水素化物に水を供給し、反応が始まると、人為的に反応を停止させることはできない。これらの理由に基づき、金属水素化物を利用した水素ガス生成システムでは、間欠的に水素を生成する方式が採られていた。つまり、必要とされる水素ガスの量に関わらず、一定量の金属水素化物に十分な水または熱を加え、水素を生成させる。こうして生成された水素は、一旦、タンク等に貯蔵され、徐々に使用される。水素の貯蔵量が所定の基準を下回った時に、再び水素ガスの生成が行われる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述の間欠的な水素生成方法は、無駄が多かった。水素ガスをまとめて発生させるため、使用されずに残存または遺漏する水素が生じるからである。従って、金属水素化物を利用した水素ガス生成システムにおいては、必要量の水素ガスを供給しつつ、かかる無駄を抑制することが望まれていた。
【０００６】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上記課題を解決するため、本発明の水素ガス生成システムでは、第１の構成として、
金属水素化物を加水分解または熱分解して水素を生成させる反応部と、
該反応部に担持または充填された触媒と、
前記金属水素化物、および前記分解反応に供される水または熱、の少なくとも一方の量を、水素ガスの要求量に応じて制御する制御部とを備えるものとした。
金属水素化物は、ＮａＢＨ4またはＮａＡｌＨ4など、先に列挙した物質を含め加水分解または熱分解して水素を生成する種々の物質を用いることができる。
【０００７】
加水分解については、要求量に応じて水の量を制御しつつ金属水素化物に供給する態様、金属水素化物の量を制御しつつ水に供給する態様、および水および金属水素化物の双方の量を制御しつつ供給する態様が挙げられる。熱分解については、熱量を制御しつつ金属水素化物に供給する態様が挙げられる。
【０００８】
触媒の存在下では、加水分解、熱分解は比較的速やかに進み、金属水素化物のほぼ全量が反応可能である。かかる環境下では、反応に供される物質または熱の量を制御することにより、発生する水素量の制御が可能である。金属水素化物に対して過剰の水または熱の供給を回避することにより、必要以上の水素の生成を抑制することができ、無駄を抑制できる。
【０００９】
反応に利用可能な触媒は、金属水素化物の種類および加水分解、熱分解の別によって選択される。一般にルテニウム系、チタニア系、白金系などの触媒が知られている。
【００１０】
金属水素化物に加えられる水または熱と発生する水素量との関係は、金属水素化物の種類に応じて大きく異なる。また、その関係は非線形であることが多い。従って、上記制御においては、金属水素化物、および前記分解反応に供される水または熱、の少なくとも一方の量と、水素ガスの要求量との関係を予め記憶しておき、この関係に基づいて実行することが望ましい。この関係は、予め実験等によって特定することができる。また、この関係は、反応時における温度その他の環境条件によっても影響されるため、環境条件をパラメータとして多元的に記憶させるものとしてもよい。
【００１１】
本発明の水素ガス生成システムは、第２の構成として、
金属水素化物を加水分解して水素を生成させる反応部と、
該反応部のｐＨを制御するｐＨ制御部とを備えるものとした。
【００１２】
ｐＨ制御部は、反応部のｐＨを一定の目標値に制御する態様、水素ガスの要求量の増大に伴って前記ｐＨを低下させる態様、水素ガスの要求量の低減に伴って前記ｐＨを増大させる態様、またはこれらの組み合わせでの制御を行うことができる。
【００１３】
金属水素化物の加水分解の反応速度は、ｐＨに依存することが知られている。アルカリ性、即ちｐＨが高い程、反応速度は低下し、酸性、即ちｐＨが低い程、反応速度が増加する。従って、加水分解時にｐＨを制御すれば、単位時間に生成される水素量を制御することができ、生成された水素の無駄を抑制することができる。例えば、ｐＨを一定の目標値に制御すれば、金属水素化物および水の量による水素生成量の制御の安定化を図ることができる。要求量の増減に伴ってｐＨを変化させれば、反応速度を変化させることができ、要求量に応じた水素を生成させることができる。
【００１４】
第２の構成においては、水素ガスの要求量およびその変化量の少なくとも一方に基づき、前記反応部のｐＨ目標値を設定し、それを目標値としてｐＨの制御を実行してもよい。ｐＨ目標値は、要求量等に応じた反応速度が得られるｐＨとの関係を予め実験等によって設定、記憶しておき、これを参照して設定することができる。水素ガス要求量は、反応速度とともに原料の量によっても制御可能であるから、原料量およびｐＨとを組み合わせて制御してもよい。例えば、原料量およびｐＨと要求量との関係をマップで記憶しておき、現状の運転状態から最も迅速に移行可能な運転ポイントに移行する制御が可能である。かかる制御により、反応の応答性を向上させることができる。
【００１５】
第２の構成においては、反応部に前記金属水素化物と水の混合物を原料として供給する原料供給部を備え、ｐＨ制御部によって、反応部における混合物のｐＨを供給前よりも低下させるものとしてもよい。金属水素化物と水の混合物を原料とすることにより、反応部への定量供給が容易になるとともに、金属水素化物と水の拡散性を向上させることもでき、反応促進にも寄与する。但し、この場合は、金属水素化物と水を混合した時点で、反応が生じ、不要な水素生成が行われる可能性がある。上述の構成によれば、反応速度が十分に低いｐＨで混合物を供給し、反応部でｐＨを低下させることにより、十分な反応速度を得ることが可能となる。
【００１６】
例えば、原料は、強アルカリ性に保っておくことにより、反応速度を十分に低下させることが可能である。原料のｐＨは、システムの構成によって設定可能である。金属水素化物と水とを分離貯蔵しておき、反応部への供給前に混合するシステム構成では、混合物としての放置期間が比較的短いため、ｐＨは強アルカリ性の範囲でも若干、低めに設定することができる。好ましくはｐＨ１０よりも大きい範囲で設定可能である。ｐＨを低く設定することにより、反応部での反応促進が容易になる利点がある。金属水素化物と水とを混合物の状態で貯蔵しておく場合には、原料のｐＨを実用的な時間内に有意な水素生成を伴わない程度に高く設定しておくことが望ましい。かかる場合には、好ましくは原料のｐＨを１３以上とすることが望ましい。
【００１７】
原料のｐＨは、金属水素化物および水に、アルカリ性の化合物を適宜加えることにより、調整できる。例えば、金属水素化物として、ＮａＢＨ4を用いる場合には、水酸化ナトリウム等を目標ｐＨに応じて加えればよい。
【００１８】
原料が強アルカリ性で保存されている場合には、原料に水を加えることによってｐＨを低下させることができる。実用的な反応速度を得るため、ｐＨが１０以下になるように制御することが好ましい。
【００１９】
本発明は、水素ガス生成システムとしての態様の他、水素ガスの生成方法として構成することが可能である。また、生成された水素ガスの供給を受けて発電する燃料電池と組み合わせて燃料電池システムとして構成してもよい。更に、その燃料電池システムを搭載した移動体など種々の態様で構成することが可能である。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例を以下の項目に分けて説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ１．システム構成：
Ａ２．ｐＨ制御：
Ａ３．ｐＨ制御の変形例：
Ａ４．変形例：
Ｂ．第２実施例：
Ｂ１．システム構成：
Ｂ２．水素ガス生成処理：
【００２１】
Ａ．第１実施例：
Ａ１．システム構成：
図１は第１実施例としての水素ガス生成システムの概略構成を示す説明図である。本実施例では、金属水素化物を加水分解して水素ガスを生成するシステム例を示す。生成された水素は、燃料電池１のアノード１ａに供給される。燃料電池１は、アノード１ａに供給された水素と、カソード１ｂに供給される空気中の酸素の電気化学反応によって発電する。燃料電池１の運転は、内部にＣＰＵ，ＲＡＭ，ＲＯＭを備えるマイクロコンピュータで構成された制御ユニット１０によって制御される。
【００２２】
本実施例では、金属水素化物として、ＮａＢＨ4を用いた。この物質は、次の反応式に従って加水分解し、水素を生成する。
ＮａＢＨ4＋２Ｈ2Ｏ → ４Ｈ2＋ＮａＢＯ2
ＮａＢＯ2は水を取り込む性質があるため、実際には、１モルのＮａＢＨ4に対し、２モル以上のＨ2Ｏ、通常６モル程度が必要となることが知られている。以下、ＮａＢＨ4を燃料と呼び、ＮａＢＯ2を生成物と呼ぶものとする。
【００２３】
本実施例では、反応に供される燃料および水は混合された状態で原料タンク１１に貯蔵される。燃料と水の混合物を以下、原料と呼ぶものとする。原料は、放置しておけば、上述の加水分解が進み、水素を生成する。但し、この反応は、ｐＨ依存性がある。本実施例では、反応速度が極端に遅いｐＨ条件で原料を貯蔵している。
【００２４】
図２は反応速度のｐＨ依存性を示す説明図である。金属水素化物のｐＨ依存性については、次式の関係が知られている。
ｌｏｇ（ｔ1/2）＝ｐＨ−（．３４Ｔ−１．９２）
ｔ1/2は、金属水素化物の半減時間である。Ｔは絶対温度（Ｋ）である。図２は、この関係を図示したものである。反応率とは、全金属水素化物中の反応済みの金属水素化物の割合を意味する。図示する通り、金属水素化物は、ｐＨが低い時、即ち酸性状態で反応速度が高く、ｐＨが高い時、即ちアルカリ性状態で反応速度が低いことが分かる。
【００２５】
本実施例では、かかる関係に基づき、原料を強いアルカリ性状態で貯蔵するものとした。貯蔵時のｐＨは次の手順で設定した。原料を貯蔵した後、使用されるまでの標準的な時間に基づき水素生成量の評価基準となる時間ｔｓ、その期間における水素生成量が原料タンクの容積等に基づいて定まる許容上限値を超えない反応率Ｈｓｔｒを設定し、これを超えない範囲で貯蔵時のｐＨを設定した。ｐＨを１３以上とすれば、実用上、反応が停止していると見なせる程度の反応速度になることが確認されており、本実施例では、約ｐＨ１３で原料を貯蔵するものとした。燃料、水にＮａＯＨを約５重量％加えることにより、このｐＨは実現される。添加するアルカリ性物質は、ＮａＯＨに限られるものではないが、本実施例では、燃料ＮａＢＨ4と共通の金属Ｎａを含む物質としてＮａＯＨを選択した。
【００２６】
図２に示したｐＨ依存性は、温度が約５０℃以下の環境下で確認されている。この温度を超えると、ｐＨ１３で貯蔵された原料であっても、反応が有意な速度で進行する。本実施例では、原料タンク１１は、温度が５０℃以下に保たれるよう断熱構造を備えている。
【００２７】
図１に戻り、本実施例のシステム構成について説明する。原料は、原料タンク１１から配管によって反応器２０に運搬される。途中には、原料の供給量を調整するためのバルブ１２が設けられている。反応器には、水タンク１３から水が供給される。水を供給する配管には、供給量を調整するためのバルブ１４が設けられている。バルブ１２，１４の開度は、それぞれ制御ユニット１０によって電子的に制御される。
【００２８】
この水は、加水分解に使用されるとともに、反応器２０内のｐＨを調整する役割を果たす。先に説明した通り、原料は反応速度が極めて低くなる強アルカリ状態で保存されている。原料に水を加えて希釈することにより、反応器２０内のｐＨを低下させ、反応速度が高いｐＨ状態に移行させることができる。水による希釈では、ｐＨ７が限界であるが、実用上、十分な反応速度が得られることが確認されている。供給される水の量は、原料の量および要求水素量によって制御される。この制御を実現するために、反応器２０には、ｐＨを検出するｐＨセンサ２１が備えられており、検出値が制御ユニット１０に入力される。制御方法については、後述する。
【００２９】
反応器２０では、先に示した加水分解反応が生じ、水素が生成される。短期間に大量の水素が生成され、高い流速で流出するため、流出する水素ガスには、水、生成物などの不純物が混在した状態となる。このガスは分離器３０に供給され、生成物、水、水素に分離される。分離器３０は、水素ガスの流速を抑制することで、不純物を分離する機構である。流速を抑制するための格子、フィン、じゃま板などを内部に設けることにより構成される。分離器３０で分離された水素は、燃料電池１のアノード１ａに供給される。水は、水タンク１３に循環され、再び反応に供される。
【００３０】
Ａ２．ｐＨ制御：
図３は水素ガス生成処理のフローチャートである。先に説明した通り、本実施例では、強アルカリ性で貯蔵されている原料のｐＨを調整して要求量に見合った水素を生成する。この制御は、制御ユニット１０が図３に示す処理を実行することにより実現される。
【００３１】
処理が開始されると、制御ユニット１０は、まず水素要求量を入力する（ステップＳ１０）。水素要求量は、外部からの指示によって入力されるものとしてもよいし、燃料電池１の運転状態から制御ユニット１０が設定するものとしてもよい。水素要求量に関連のある他のパラメータ、例えば燃料電池１の要求電力などで間接的に設定することも可能である。
【００３２】
次に、水素要求量に基づき、制御ユニット１０は、反応器２０に供給する原料量、およびｐＨの目標値を設定する（ステップＳ１２）。本実施例では、図中に示すマップに基づいて設定するものとした。加水分解の反応速度は、反応器２０のｐＨに依存する。水素生成量は、ｐＨと反応に供される原料量とをパラメータとして定まる。反応速度が遅い場合でも、原料量を増やすことにより単位時間当たりの水素生成量を増大させられる。原料量が少ない場合でも、反応速度を高めることにより、単位時間当たりの水素生成量を増大させられる。本実施例では、かかる観点から、原料量とｐＨをパラメータとして所定の水素要求量を満足する運転ポイントをマップとして用意した。曲線ｃ１〜ｃ４はそれぞれ単位時間当たりに生成される水素量が一定となる運転ポイントを示している。曲線ｃ４、ｃ３、ｃ２、ｃ１の順に生成量が増大する。図中に示す折れ線ＬＩＭは、原料量およびｐＨの限界値を意味する。この範囲でマップは作成されている。
【００３３】
制御ユニット１０は、現状の運転ポイント、即ち、反応器２０に供給されている原料量とｐＨと、水素要求量に基づいて目標ポイントを設定する。例えば、現状の運転ポイントが図中のポイントＰ１であり、曲線ｃ２に相当する量の水素が要求された場合を考える。目標運転ポイントは、曲線ｃ２上のいずれのポイントに設定しても構わない。本実施例では、現状の運転ポイントＰ１から最も移行しやすいポイントを目標ポイントＰ２として設定するものとした。ポイントＰ１からＰ２への移行に伴う原料量の変化量ΔＲ、ｐＨの変化量Δｐに基づき、それぞれの変化を生じさせるための所要時間を評価し、所要時間が極小となる運転ポイントを目標ポイントとして選択するのである。こうすることにより、応答性の向上を図ることができる。制御ユニット１０は、設定された運転ポイントに相当する状態に、バルブ１２，１４を制御して処理を終了する。
【００３４】
ｐＨ制御には、大きく２つの利点がある。一つは、ｐＨを大きくすることにより、実質的に反応を停止させることができる点である。本実施例では、かかる利点を活用することにより、金属水素化物と水を混合して流体の状態で貯蔵した。流体の形で保存することにより、原料の定量供給が容易になり、反応を安定化させることができる。２つ目として、ｐＨ制御で反応速度を制御することにより、要求水素量に応じた水素を安定供給することが可能となる利点がある。更に原料供給量の制御も組み合わせれば、応答性を向上させることも可能である。これらの利点に加えて、本実施例のシステムでは、ｐＨ制御に利用される水は循環可能であり、装置の小型化を図ることができる利点もある。
【００３５】
Ａ３．ｐＨ制御の変形例：
実施例では、マップに基づいて運転ポイントを設定する場合を例示した。水素の生成量に基づいて、原料およびｐＨをフィードバック制御するものとしてもよい。かかる制御を変形例として例示する。
【００３６】
図４は変形例としての水素ガス生成処理のフローチャートである。処理が開始されると、制御ユニット１０は、水素要求量Ｈｒｅｑを入力する（ステップＳ２０）。また、現在の水素発生量Ｈｏｕｔを入力する（ステップＳ２１）。水素発生量Ｈｏｕｔは、反応器２０または分離器３０内の圧力、燃料電池１の電力など水素発生量に関与する物理量をパラメータとして検出することができる。こうして入力された２つの値Ｈｒｅｑ，Ｈｏｕｔの比較によって（ステップＳ２２）、制御ユニット１０は、ｐＨおよび原料量の制御を行う。
【００３７】
「Ｈｒｅｑ＜Ｈｏｕｔ」の場合、つまり水素要求量よりも過剰の水素が発生している場合は、水素の生成を抑制する処理を実行する。反応率を低下させるため、ｐＨを増大させる（ステップＳ２３）。ｐＨの増大量は、一定の刻みで行うものとしてもよいし、Ｈｒｅｑ、Ｈｏｕｔの差分から設定してもよい。本実施例では、水タンク１３から供給される水量を抑制することにより、ｐＨの増大を図る。ｐＨが所定の上限閾値ｐＨＵを超えた場合には（ステップＳ２４）、ｐＨのみの制御では、十分に水素発生量を抑制できないと判断し、原料量を低減させる（ステップＳ２５）。原料量の低減も、一定の刻みで行ってもよいし、Ｈｒｅｑ、Ｈｏｕｔの差分から設定してもよい。上限閾値ｐＨＵは、理論的に実現可能な上限値に設定する必要はなく、ｐＨのみの調整によっては、実用的な応答性で水素生成量を抑制することが困難と判断される値を任意に設定可能である。
【００３８】
「Ｈｒｅｑ＞Ｈｏｕｔ」の場合、つまり水素要求量よりも水素の発生量が不足している場合は、水素の生成を促進する処理を実行する。反応率を増大させるため、ｐＨを低下させる（ステップＳ２６）。ｐＨの低下量は、一定の刻みで行うものとしてもよいし、Ｈｒｅｑ、Ｈｏｕｔの差分から設定してもよい。本実施例では、水タンク１３から供給される水量を増大することにより、ｐＨの低下を図る。ｐＨが所定の下限値ｐＨＬを下回った場合には（ステップＳ２７）、ｐＨのみの制御では、十分な水素を発生させられないと判断し、原料量を増加させる（ステップＳ２８）。原料量の増加も、一定の刻みで行ってもよいし、Ｈｒｅｑ、Ｈｏｕｔの差分から設定してもよい。下限閾値ｐＨＬは、理論的に実現可能な下限値に設定する必要はなく、ｐＨのみの調整によっては、実用的な応答性で水素生成量を増加させることが困難と判断される値を任意に設定可能である。
【００３９】
「Ｈｒｅｑ＝Ｈｏｕｔ」の場合は、現状の運転ポイントをそのまま維持する。Ｈｒｅｑ、Ｈｏｕｔの大小関係に応じて、それぞれ運転ポイントが設定されると、制御ユニット１０は、各運転ポイントを実現するよう、バルブ１２，１４を制御する（ステップＳ２９）。
【００４０】
なお、Ｈｒｅｑ、Ｈｏｕｔの比較に応じた制御は、一定のヒステリシスを持たせることが望ましい。また、「Ｈｒｅｑ＝Ｈｏｕｔ」の判断は、両者の差違が、実用上、十分に小さいとみなせるか否かで行えばよい。
【００４１】
図４の制御例では、ｐＨ制御を原料量の制御よりも優先する場合を例示した。つまり、ｐＨ制御の結果、ｐＨが所定の閾値ｐＨＵ，ｐＨＬを超えた場合に原料制御を行うものとした。逆に、原料量の制御を優先して行うものとしてもよい。
【００４２】
Ａ４．変形例：
実施例（図３）および変形例（図４）では、要求水素量を実現するようにｐＨ制御を行う場合を例示した。反応器２０のｐＨは、一定の目標値となるよう制御してもよい。例えば、ｐＨ１０を目標値とするものとすれば、原料と一定の比率で水を供給すれば良い。要求水素量に応じた水素を発生する際には、原料量を水素要求量に応じて制御する。この制御は、例えば、ｐＨ１０における反応率に基づき、原料量と水素発生量のマップを予め用意することで実現可能である。
【００４３】
以上の例では、要求水素量を実現するための制御を説明した。本実施例は、水素を間欠的に生成させ、反応器２０および分離器３０に一旦蓄え、必要に応じて使うシステムとして構成することもできる。かかる場合には、要求水素量に関わらず、原料に所定の水を供給して反応させればよい。高いｐＨで原料を貯蔵しておき、反応器２０内でｐＨを下げて反応を促進させるのである。水は、反応器２０が一定の目標ｐＨになるように、原料に対し一定の比率で供給すればよい。かかる構成においても、金属水素化物と水を混合した流体の状態で原料を貯蔵できる利点は得られる。
【００４４】
第１実施例では、金属水素化物と水とを混合した原料を貯蔵する場合を例示した。金属水素化物と水とを分離貯蔵しておき、反応器２０への運搬直前に混合するシステム構成としてもよい。つまり、反応器２０よりも上流側に、金属水素化物と水とをアルカリ性環境下で混合する混合器を設け、ここで混合された流体を反応器２０に供給する構成を採ることも可能である。かかる構成では、流体で原料を供給することによる定量供給の容易化を図ることができる。また、実施例と異なり、混合状態で貯蔵する訳ではないため、反応率に対する許容値（図２中のＨｓｔｒ）は、比較的高く設定できる。従って、原料のｐＨは実施例に比べて若干低くすることができる。この結果、反応器２０でそれほど希釈しなくても十分な反応速度を得ることが可能となる利点がある。
【００４５】
Ｂ．第２実施例：
Ｂ１．システム構成：
図５は第２実施例としての水素ガス生成システムの概略構成を示す説明図である。第２実施例では、ｐＨ制御は行わない。金属水素化物の燃料は、タンク１１Ａに粉末状で貯蔵されている。燃料としては、第１実施例と同様、ＮａＢＨ4を用いる。燃料は、粉末を運搬可能なポンプ１２Ａによって反応器２０Ａに運搬される。かかるポンプ１２Ａとしては、超音波モータを利用した装置が知られている。制御ユニット１０がポンプ１２Ａの駆動を制御することにより、燃料の供給量を制御することができる。燃料のタンク１１Ａから粉末が重力の作用で反応器２０Ａに供給される機構を適用してもよい。かかる場合には、供給路の開度をバルブ等で調整することにより、燃料の供給量を制御することができる。
【００４６】
反応器２０Ａには、水タンク１３から、燃料を加水分解するための水が供給される。供給量は、制御ユニット１０が、配管途中に設けられたバルブ１４の開度を制御することによって制御される。
【００４７】
反応器２０Ａ内には、加水分解反応を促進する触媒が担持されている。本実施例では、ハニカムの担体に触媒を担持させ、反応器２０Ａ内に取り付けた。触媒を反応器２０Ａ内に充填してもよい。利用可能な触媒としては、白金系、チタニア系、ルテニウム系、白金−チタニア系などが知られている。
【００４８】
反応器２０Ａに水とともに供給された燃料は触媒の作用によって、直ちに加水分解される。生成物が燃料の表面を覆い、分解が停止するという現象は、触媒の存在下ではほぼ生じない。生成された水素には、第１実施例と同様、水、生成物が含まれているため、分離器３０で分離され、燃料電池１に供給される。分離器３０で分離された水は、水タンク１３に循環され、再び反応に供される。
【００４９】
Ｂ２．水素ガス生成処理：
図６は第２実施例における水素ガス生成処理のフローチャートである。制御ユニット１０が実行する処理である。第２実施例では、反応器２０Ａに供給された燃料がほぼ全量反応可能な構成を採っているため、燃料の供給量と水素生成量とは一定の相関がある。本実施例では、かかる相関を利用して、水素要求量に応じた水素を生成する。
【００５０】
処理が開始されると、制御ユニット１０は、水素要求量を入力し（ステップＳ３０）、これに基づいて燃料、即ち金属水素化物の量と水の量を設定する（ステップＳ３２）。燃料量、水量、生成される水素量は、複雑な相関関係になることが確認されているため、本実施例では、水素要求量に応じて燃料量、水量を与えるマップを予め用意し、これに基づいてそれぞれの供給量を設定するものとした。供給量は、反応器２０Ａの温度などの環境条件によっても変動するため、環境条件ごとにマップを備えた。図中では、温度別にマップを用意した例を示したが、その他の条件を加味して多元的にマップを備えてもよい。
【００５１】
こうして設定された燃料および水の供給量を実現するように、制御ユニット１０は、ポンプ１２Ａ、バルブ１４を制御する（ステップＳ３４）。
【００５２】
第２実施例によれば、原料および水の供給量を制御することにより、要求に応じた水素を生成することができる。従って、生成された水素が使用前に遺漏したに、消費されずに残存するなどの無駄を回避できる。
【００５３】
第２実施例では、燃料と水の双方の量を制御する場合を例示した。反応器２０Ａに十分な量の水を蓄えておき、水素要求量に応じて燃料の供給量を制御するものとしてもよい。反応器２０Ａに十分な量の燃料を貯蔵しておき、水素要求量に応じて水の供給量を制御するものとしてもよい。
【００５４】
金属水素化物は、加水分解の他、熱分解によって水素を生成することが知られている。第２実施例の構成において、水を供給する代わりに、反応器２０Ａを加熱して水素を生成する構成を採ることも可能である。この場合には、水素要求量に応じて加熱量を制御することにより、第２実施例と同様の利点を得ることができる。
【００５５】
第１実施例、第２実施例では、金属水素化物としてＮａＢＨ4を用いた場合を例示したが、その他種々の金属水素化物を利用可能である。生成された水素の用途は、燃料電池１への供給に限られない。
【００５６】
以上、本発明の種々の実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の構成を採ることができることはいうまでもない。例えば、以上の制御処理はソフトウェアで実現する他、ハードウェア的に実現するものとしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施例としての水素ガス生成システムの概略構成を示す説明図である。
【図２】反応速度のｐＨ依存性を示す説明図である。
【図３】水素ガス生成処理のフローチャートである。
【図４】変形例としての水素ガス生成処理のフローチャートである。
【図５】第２実施例としての水素ガス生成システムの概略構成を示す説明図である。
【図６】第２実施例における水素ガス生成処理のフローチャートである。
【符号の説明】
１０…制御ユニット
１１…原料タンク
１１Ａ…タンク
１２，１４…バルブ
１２Ａ…ポンプ
１３…水タンク
１４…バルブ
２０…反応器
２０Ａ…反応器
３０…分離器
Claims (7)
- 水素ガス生成システムであって、
金属水素化物を加水分解して水素を生成させる反応部と、
前記反応部に前記金属水素化物と水との強アルカリ性混合物を供給する供給部と、
前記反応部のｐＨを制御するｐＨ制御部とを備える水素ガス生成システム。 - 請求項１記載の水素ガス生成システムであって、
前記ｐＨ制御部は、水素ガスの要求量の増大に伴って前記ｐＨを低下させる水素ガス生成システム。 - 請求項１記載の水素ガス生成システムであって、
前記ｐＨ制御部は、水素ガスの要求量の低減に伴って前記ｐＨを増大させる水素ガス生成システム。 - 請求項１記載の水素ガス生成システムであって、
水素ガスの要求量およびその変化量の少なくとも一方に基づき、前記反応部のｐＨ目標値を設定するｐＨ目標値設定部を備え、
前記ｐＨ制御部は、該ｐＨ目標値となるよう前記制御を実行する水素ガス生成システム。 - 請求項１記載の水素ガス生成システムであって、
前記ｐＨ制御部は、前記混合物のｐＨを、前記反応部への供給前よりも低下させる水素ガス生成システム。 - 請求項１ないし５のいずれか一項に記載の水素ガス生成システムであって、
前記ｐＨ制御部は、前記混合物に水を加えることによって前記制御を行う水素ガス生成システム。 - 金属水素化物の加水分解による水素ガスの生成方法であって、
金属水素化物を加水分解して水素を生成させる反応部に、前記金属水素化物と水との強アルカリ性混合物を供給する工程と、
該加水分解時のｐＨを制御する工程とを備える水素ガスの生成方法。
Priority Applications (1)
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