JP4802360B2

JP4802360B2 - 水素ガス生成装置

Info

Publication number: JP4802360B2
Application number: JP2000330028A
Authority: JP
Inventors: 治通中西; 信一松本
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2000-10-30
Filing date: 2000-10-30
Publication date: 2011-10-26
Anticipated expiration: 2020-10-30
Also published as: JP2002137903A

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】
例えば、ＮａＢＨ₄は、加水分解では、理論的には、次式で表される反応によって、水素が生成される。
ＮａＢＨ₄＋２Ｈ₂Ｏ→ＮａＢＯ₂＋４Ｈ₂
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、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た。
【０００６】
また、加水分解時に生成される生成物は、吸水性を有することが知られており、加水分解には、上述の理論的な反応式よりも多量の水が必要とされていた。例えば、ＮａＢＨ₄の加水分解は、実際には、次式等で表される反応となることが確認された。
ＮａＢＨ₄＋６Ｈ₂Ｏ→ＮａＢＯ₂・４Ｈ₂Ｏ＋４Ｈ₂
【０００７】
これらの現象により、従来は、必要な水素を得るために、多量の金属水素化物および水が要求され、水素ガスの生成装置の大型化を招いていた。本発明は、これらの課題を解決するためになされたものであり、金属水素化物を利用した水素ガス生成装置における水素生成効率の向上、必要な水の量の低減を図ることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上記課題の少なくとも一部を解決するために、本発明では、第１の構成として、金属水素化物の加水分解反応によって水素を生成させる反応部に被覆抑制機構を備えるものとした。被覆抑制機構とは、未反応の前記金属水素化物の表面を被覆する反応の生成物の量を抑制する機構である。生成物とは、金属水素化物中の金属を含有する生成物を意味する。金属水素化物として、ＮａＢＨ₄を用いる場合には、ＮａＢＯ₂・４Ｈ₂Ｏが生成物に相当する。
【０００９】
金属水素化物の反応率が５０％程度に留まるのは、反応の生成物が金属水素化物の表面を覆い、金属水素化物と水の接触を阻害することが原因である。特に、生成物は、吸水性を有しているため、これに表面を大部分被覆されると、金属水素化物は、ほとんど水と接触できなくなってしまう。本発明では、被覆抑制機構によって、生成物による被覆を抑制するため、反応率を向上させることができる。
【００１０】
被覆抑制機構は、例えば、金属水素化物と水の相互作用によって、被覆を除去する機構とすることができる。相互作用とは、水が金属水素化物の表面に及ぼす圧力、摩擦力の作用を意味する。被覆の除去は、金属水素化物の表面をプレート等で擦ることによっても可能であるが、水の相互作用を利用すれば、比較的簡易な構成で被覆の除去を実現できる。しかも、被覆を除去しつつ、加水分解反応を生じさせることもでき、より効率的である。
【００１１】
水の圧力を利用する構成として、例えば、保持された金属水素化物の表面に、水を高圧で噴射する水噴射機構を適用することができる。噴射圧力、噴射位置、および噴射角度は、金属水素化物の種類に応じて、それぞれ被覆の粘性等を考慮して適宜設定可能である。加水分解が生じる部位が金属水素化物の一部に偏らないよう、噴射位置を可変とすることが望ましい。
【００１２】
水の摩擦力を利用する構成として、例えば、反応部が、加水分解用の水を貯蔵可能な構造を有している場合には、貯蔵された水に浸された金属水素化物を、水に対して相対的に移動させる機構とすることができる。相対的な移動は、金属水素化物を水に対し移動する態様、金属水素化物を流水に浸す態様、金属水素化物および水の双方を移動させる態様のいずれでも良い。金属水素化物を流水に浸す態様では、例えば、ペレット状の金属水素化物を、洗濯機で実現されるような撹拌流に浸す態様が挙げられる。
【００１３】
金属水素化物を移動させる態様としては、金属水素化物の固まりを保持し、水中で振動させる振動機構を用いることができる。超音波の印加によって振動させることがより望ましい。
【００１４】
本発明は、第２の構成として、加水分解を行う反応部に金属水素化物を微粉化して供給する微粉化機構と、反応部に水を供給する給水機構とを備えるものとした。微粉化とは、いわゆる粉塵爆発を生じる程度の粒径にすることを意味しており、好ましくは平均径が５０μｍ以下、より好ましくは２０μｍとなることが望ましい。
【００１５】
このように微細化した金属水素化物に水を供給すると、反応器では非常に激しい連鎖的な反応が生じ、粉塵爆発が起きる。かかる反応では、微細化されたそれぞれの粒子を生成物が被覆するまでなく、全金属水素化物が反応する。また、生成物が水を吸収する前に反応が進行するため、その反応は、先に示した理論的な反応式に近くなる。従って、反応率を大きく向上することができるとともに、反応に要する水の量も抑制することができる。
【００１６】
なお、第２の構成において、給水機構は、水蒸気の噴霧機構とすることが望ましい。水滴で供給する場合に比較して、水蒸気は反応器中に拡散しやすいため、擬似的な気相反応を生じさせることができる。
【００１７】
本発明は、先に列挙した種々の金属水素化物に適用可能であるが、特に、ＮａＢＨ₄に有効活用できる。
【００１８】
本発明は、水素ガス生成装置の他、種々の態様で構成可能である。例えば、生成された水素の供給を受けて発電する燃料電池と組み合わせた燃料電池システムとして構成してもよい。この燃料電池システムを搭載した移動体として構成してもよい。移動体には、車両、船舶、航空機等が含まれる。また、水素ガス生成方法、燃料電池の運転方法、移動体の駆動方法などの態様で構成することもできる。
【００１９】
なお、本発明は、触媒なしでも加水分解の反応率を十分に向上させることが可能であるが、触媒を利用すれば、更に効果的である。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。触媒は、金属水素化物または水の少なくとも一方に予め混入させてもよいし、反応器内部に担持してもよい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
Ａ．第１実施例：
図１は第１実施例としての水素ガス生成装置を搭載した車両の概略構成を示す説明図である。この車両は、水素ガス生成装置１０で生成された水素と空気中の酸素とを用いて発電する燃料電池２を電源として、エネルギ源として走行する。燃料電池２は、本実施例では、固体高分子型を用いた。燐酸型など種々のタイプを適用可能である。なお、燃料電池２には、水素ガスの供給量、圧力を制御するためのバルブ等が設けられているが、本実施例では、これらの制御機構を含めて一つのユニットとして示した。
【００２１】
駆動回路３は、トランジスタインバータであり、燃料電池２から供給される電力を三相交流に変換してモータ４に供給する。モータ４は、この三相交流を受けて回転する同期モータである。モータ４の動力は、ディファレンシャルギヤ５を介して車輪６Ｒ，６Ｌに伝達され、車両の駆動力となる。なお、駆動回路３は、サイリスタ型など種々のインバータを適用でき、モータ４は誘導モータなど種々のモータを適用できる。直流モータを用いても良い。
【００２２】
水素ガス生成装置１０、燃料電池２、駆動回路３の運転状態は、それぞれ制御ユニット１によって制御される。制御ユニット１とは、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭを備えるマイクロコンピュータであり、予め用意されたソフトウェアに従って、燃料電池２の発電状態、駆動回路３のスイッチング、水素ガス生成装置１０の水素生成量などを制御する。制御を行うため、制御ユニット１には、種々のセンサ、外部信号が入力されるが、本実施例では、図示を省略した。
【００２３】
水素ガス生成装置１０は、金属水素化物を加水分解して水素ガスを生成するユニットである。本実施例では、金属水素化物として、ＮａＢＨ₄を用いた。水素ガス生成装置１０は、反応器１１と水を供給する機構から構成される。反応器１１は、発生した水素ガスの圧力に耐える強度を有する圧力容器であり、上部に金属水素化物１２の固まりを保持する保持機構を備える。保持方法は、問わない。
【００２４】
保持された金属水素化物１２には、水タンク１５に蓄えられていた水が、ポンプ１３で加圧され、ノズル１４から噴射される。金属水素化物１２は、この水で加水分解され、水素と生成物、本実施例の場合はＮａＢＯ₂を生じる。ポンプ１３の圧力は、金属水素化物１２の表面に生成された生成物を水勢で除去可能な程度の高圧に調整されている。この除去を効率的に行うため、水は金属水素化物１２に対して斜め方向から噴射される。水の噴射角度、圧力は、反応器１１および金属水素化物１２のサイズ、生成物の物性などに応じて適宜調整すればよい。
【００２５】
水素は、気体であるため、反応器１１の比較的上部に設けられた配管を通って、燃料電池２に供給される。生成物は、噴射された水の圧力によって、金属水素化物１２の表面から剥離され、反応器１１の下部に沈殿する。反応器１１の底部では、水と生成物が相分離するから、上澄み部分は、水タンク１５に戻され、再び加水分解に使用される。
【００２６】
制御ユニット１は、ポンプ１３の圧力を制御し、水素ガスの生成量を制御する。制御は、種々の態様で実現可能である。第１に要求動力に応じて定まる必要水素量に基づいて、水の噴射量を制御することができる。第１の態様では、制御が若干複雑になるものの、無駄な反応を起こさせることなく、必要な水素量を供給できる利点がある。第２に必要水素量に関わらず間欠的に一定量の金属水素化物１２を反応させ、反応器１１を水素タンクとして水素を貯蔵する態様をとることもできる。水素の消費により、反応器１１の水素圧力が所定値よりも低くなった時点で、再び反応を行わせるのである。第２の態様によれば、生成された水素の遺漏などによって無駄が生じる可能性があるものの、簡単な制御で水素を安定して供給することができる利点がある。制御方法はいずれを選択してもよい。
【００２７】
以上で説明した第１実施例の水素ガス生成装置１０によれば、水勢を利用して金属水素化物１２の表面から生成物を除去することができるため、生成物の被覆による反応の阻害を回避できる。従って、金属水素化物１２の反応率を向上させることができ、効率的に水素ガスを生成することができる。
【００２８】
また、第１実施例では、水を再利用することができるため、水タンク１５の容量を抑制することができる利点もある。
【００２９】
第１実施例では、ノズル１４は固定としたが、反応部位が金属水素化物１２の一部に偏らないよう、水の噴射位置を可変にする機構を設けても良い。かかる機構は、ノズル１４を前後に移動させたり、ノズル１４の噴射角度を移動させたりするアクチュエータを備えることにより実現可能である。
【００３０】
Ｂ．第２実施例：
図２は第２実施例としての水素ガス生成装置を搭載した車両の概略構成を示す説明図である。第２実施例は、水素ガス生成装置の構成が第１実施例と相違する。その他の構成は、第１実施例と共通であるため、説明を省略する。
【００３１】
水素ガス生成装置２０は、金属水素化物の加水分解によって水素を生成するシステムである。反応器２１には水が蓄えられている。反応器２１の上方には、金属水素化物２２を保持する機構が設けられている。この機構は、金属水素化物２２を水に上下動させるアクチュエータ２４および金属水素化物２２に超音波を印加する超音波アクチュエータ２３を備えている。超音波アクチュエータ２３は、種々の電歪素子を用いて構成することができる。アクチュエータ２４および超音波アクチュエータ２３の動作は、制御ユニット１によって制御される。
【００３２】
アクチュエータ２４は、通常、水が接触しない上方位置に金属水素化物２２を保持する。制御ユニット１からの指示により、アクチュエータ２４が金属水素化物２２を下方位置に移動させると、金属水素化物２２は水に浸させ、加水分解が生じる。超音波アクチュエータ２３は、アクチュエータ２４と連動して作動し、金属水素化物２２に超音波を印加する。
【００３３】
加水分解によって生成された水素は、反応器２１の上方に設けられた配管から燃料電池２に供給される。金属水素化物２２は、超音波によって振動させられているため、加水分解によって生じた生成物は、金属水素化物２２の表面には付着せず反応器２１の底部に沈殿する。
【００３４】
アクチュエータ２４の制御は、種々の態様を採りうる。水素ガスの必要量に応じて、金属水素化物２２を水に浸す量を制御することができる。また、一定量ずつ水に浸し間欠的に水素を生成させてもよい。一定量ずつ生成させる場合には、アクチュエータ２４を省略し、金属水素化物２２を保持する位置が段階的に下がる機構、反応時に注水することで金属水素化物２２を水に浸す構成などを採ることもできる。
【００３５】
第２実施例の水素ガス生成装置２０によれば、金属水素化物２２の表面を被覆する生成物を超音波によって除去することができる。従って、金属水素化物２２の反応率を向上させることができる。
【００３６】
第２実施例では、超音波を用いて金属水素化物２２を振動させる場合を例示した。超音波に依らず、アクチュエータ２４を利用して加振させてもよい。この場合は、超音波アクチュエータ２３を省略することができる。
【００３７】
第２実施例では、加振によって金属水素化物２２と水との間の摩擦力を利用して生成物を除去する場合を例示した。両者間に摩擦力を生じさせる方法としては、金属水素化物２２を加振する他、水を金属水素化物２２に対して移動させる方法を採ることもできる。例えば、洗濯機のように水を撹拌する機構を反応器２１に設けてもよい。この場合、金属水素化物２２の保持には、アクチュエータ２４，超音波アクチュエータ２３が不要となる。また、金属水素化物２２は必ずしも固まりである必要はなく、ペレット状のものを水中に浸しても反応率の向上を図ることができる。
【００３８】
Ｃ．第３実施例：
図３は第３実施例としての水素ガス生成装置を搭載した車両の概略構成を示す説明図である。第３実施例は、水素ガス生成装置の構成が第１実施例と相違する。その他の構成は、第１実施例と共通であるため、説明を省略する。
【００３９】
水素ガス生成装置３０は、金属水素化物の加水分解反応によって水素を生成する装置である。第３実施例では、金属水素化物２２を粉塵爆発させる構成を例示する。
【００４０】
水素ガス生成装置３０は、反応器３１、金属水素化物３２を微粉化する機構、反応器３１に水を供給する機構から構成される。反応器３１は、粉塵爆発の圧力に耐えられる圧力容器であり、上部に金属水素化物３２を保持する機構を備える。保持方法は問わない。
【００４１】
微粉化する機構は、表面が粗面となった回転やすり３４と、それを回転させるモータ３３で構成される。モータ３３が回転すると、回転やすり３４によって、金属水素化物３２の表面が微粉化される。この微粉は、反応器３１内に拡散する。図中では、微粉を黒のドットで示した。微粉の径は、粉塵爆発を生じさせる程度に小さく、好ましくは約５０μｍ以下、更に好ましくは約２０μｍ以下である。
【００４２】
加水分解に用いられる水は、水タンク３５からポンプ３６で抽出され、蒸発器３７で加熱蒸発されて反応器３１内に供給される。反応器３１に水を噴霧する構成としてもよいが、拡散性の観点から水蒸気の方が好ましい。
【００４３】
反応器３１では、微粉化された金属水素化物と水蒸気が反応し、水素を生成する。この反応は、粉塵爆発となり、非常に激しく連鎖的に反応が生じる。生成物が微粉化された金属水素化物の表面を被覆する間もなく、反応が終了する。従って、生成物は、反応器３１の底部に堆積する。生成された水素は、燃料電池２に供給される。
【００４４】
第３実施例によれば、金属水素化物を微粉化することにより、反応率を向上させることができる。なお、第３実施例では、微粉化機構を設けたが、予め微粉化された金属水素化物を噴射する態様を採ることも可能である。第３実施例では、粉塵爆発を生じさせる態様を例示したが、反応率を向上する観点からは、金属水素化物の微粉化は、生成物が表面を被覆しない程度の径であれば足りる。
【００４５】
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、実施例では、生成された水素を燃料電池に供給する態様、さらに車両に搭載する態様を例示した。本発明の水素ガス生成装置で生成された水素ガスは、燃料電池に限らず、また車両その他の移動体への搭載用に限らず種々の用途に使用可能である。
【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装置を搭載した車両の概略構成を示す説明図である。
【図２】第２実施例としての水素ガス生成装置を搭載した車両の概略構成を示す説明図である。
【図３】第３実施例としての水素ガス生成装置を搭載した車両の概略構成を示す説明図である。
【符号の説明】
１…制御ユニット
２…燃料電池
３…駆動回路
４…モータ
５…ディファレンシャルギヤ
６Ｒ，６Ｌ…車輪
１０…水素ガス生成装置
１１…反応器
１２…金属水素化物
１３…ポンプ
１４…ノズル
１５…水タンク
２０…水素ガス生成装置
２１…反応器
２２…金属水素化物
２３…超音波アクチュエータ
２４…アクチュエータ
３０…水素ガス生成装置
３１…反応器
３２…金属水素化物
３３…モータ
３４…回転やすり
３５…水タンク
３６…ポンプ
３７…蒸発器

Claims

金属水素化物の加水分解反応によって水素を生成させる反応部と、
該反応部において、未反応の前記金属水素化物の表面を被覆する前記反応の生成物の量を抑制することにより前記生成物の前記金属水素化物の表面での吸水量を抑制する被覆抑制機構と、
前記反応部に前記反応に必要な量の水を供給する給水機構と、を備え、
前記給水機構は、水を高圧で噴射する水噴射機構と水蒸気の噴霧機構との少なくとも一方である、水素ガス生成装置。
請求項１記載の水素ガス生成装置であって、
前記被覆抑制機構は、前記金属水素化物と水の相互作用によって、前記被覆を除去する機構である水素ガス生成装置。
請求項２記載の水素ガス生成装置であって、
前記被覆抑制機構は、
前記金属水素化物を保持する保持機構と、
前記保持機構に保持された前記金属水素化物の表面に、前記給水機構としての前記水噴射機構とを有する水素ガス生成装置。
請求項２記載の水素ガス生成装置であって、
前記反応部は、加水分解用の水を貯蔵可能な構造を有しており、
前記被覆抑制機構は、該貯蔵された水に浸された前記金属水素化物を、該水に対して相対的に移動させる水洗機構である水素ガス生成装置。
請求項４記載の水素ガス生成装置であって、
前記水洗機構は、前記金属水素化物の固まりを保持するとともに前記水中で振動させる振動機構である水素ガス生成装置。
請求項５記載の水素ガス生成装置であって、
前記振動機構は、超音波の印加によって前記保持された金属水素化物を振動させる水素ガス生成装置。
請求項１記載の水素ガス生成装置であって、
前記被覆抑制機構は、
前記反応部に前記金属水素化物を微粉化して供給する微粉化機構を備える水素ガス生成装置。
請求項７記載の水素ガス生成装置であって、
前記微粉化された金属水素化物の平均径が５０μｍ以下である水素ガス生成装置。
請求項７記載の水素ガス生成装置であって、
前記給水機構は、前記噴霧機構である水素ガス生成装置。
請求項１〜請求項９いずれか記載の水素ガス生成装置であって、
前記金属水素化物は、ＮａＢＨ _４である水素ガス生成装置。
請求項１〜請求項１０いずれか記載の水素ガス生成装置と、
生成された水素の供給を受けて発電する燃料電池とを備える燃料電池システム。
請求項１〜請求項１０いずれか記載の水素ガス生成装置と、
生成された水素の供給を受けて発電する燃料電池と、
発電された電力によって駆動する電動機とを備える移動体。
水素ガス生成方法であって、
金属水素化物の加水分解反応によって水素を生成させる工程と、
金属水素化物の加水分解時に、未反応の前記金属水素化物の表面を被覆する生成物の量を抑制することにより前記生成物の前記金属水素化物の表面での吸水量を抑制する工程と、
水を高圧で噴射する水噴射機構と水蒸気の噴霧機構との少なくとも一方により、前記反応に必要な量の水を供給する工程と、を備える水素ガス生成方法。
請求項１３記載の水素ガス生成方法であって、さらに、
前記金属水素化物を微粉化し、該微粉化された金属水素化物を供給する工程を備える水素ガス生成方法。