JP5210924B2

JP5210924B2 - 水素ガス発生装置

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Publication number: JP5210924B2
Application number: JP2009044972A
Authority: JP
Inventors: 慶一中川; 節男大本; 桂二谷崎; 康森; 俊宏谷
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2009-02-27
Filing date: 2009-02-27
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2029-02-27
Also published as: JP2010195658A

Description

本発明は、水素化金属と水とを反応させて水素ガスを発生させる水素ガス発生装置に関する。

燃料電池は、水素ガスと酸素ガスとを電気化学的に反応させて電力を得ることができるようになっている。このような燃料電池の水素ガス供給源としては、例えば、水素化金属と水とを反応させて水素ガスを発生させる水素ガス発生装置がある。

このような水素ガス発生装置としては、例えば、水に水素化金属を分散化したスラリを貯蔵槽から必要に応じて反応槽へ送給して加熱することにより、水素化金属と水とを反応させて水素ガスを発生させるようにしたものが考えられている（例えば、下記特許文献１等参照）。

特開２００３−１２６６７７号公報［０００６］

しかしながら、前述したような水素ガス発生装置では、上記スラリを常温で保管していても、水素化金属と水とが遅いながらも反応して、貯蔵槽内で水素ガスがわずかずつ発生してしまうため、発生させる水素量をコントロールすることが難しくなってしまう。

このようなことから、本発明は、発生させる水素量を容易にコントロールすることができる水素ガス発生装置を提供することを目的とする。

前述した課題を解決するための、第一番目の発明に係る水素ガス発生装置は、反応槽と、前記反応槽へ反応水を供給する反応水供給手段と、水との混和性を有すると共に水素化金属に対して非反応性を有する溶媒と当該水素化金属とを混合した原料スラリを貯留するスラリタンクと、前記スラリタンク内の前記原料スラリを前記反応槽へ供給する原料スラリ供給手段とを備え、前記水素化金属が、水素化マグネシウム、水素化アルミニウム、水素化カルシウム、水素化リチウム、水素化カリウム、水素化ナトリウムのうちの少なくとも一種からなり、前記溶媒が、水よりも高い沸点を有する、アルコール類、グリコール類、有機塩基類、有機酸類のうちの少なくとも一種からなることを特徴とする。

第二番目の発明に係る水素ガス発生装置は、第一番目の発明において、前記溶媒が、アルコール類、グリコール類、有機塩基類のうちの少なくとも一種からなると共に、前記反応槽内のｐＨを酸性にするように当該反応槽内へ酸性の補助剤を供給する補助剤供給手段を備えていることを特徴とする。

第三番目の発明に係る水素ガス発生装置は、第一番目又は第二番目の発明において、前記スラリタンクが、複数設けられると共に、前記反応槽内のスラリを回収するスラリ回収手段に兼用されていることを特徴とする。

第四番目の発明に係る水素ガス発生装置は、第一番目から第三番目の発明のいずれかにおいて、前記反応槽の上方に連結されて当該反応槽内で発生した水素ガスを貯蔵する水素ガス貯蔵タンクを備えていることを特徴とする。

第五番目の発明に係る水素ガス発生装置は、第一番目から第四番目の発明のいずれかにおいて、前記反応槽の内部の温調を行う反応槽内温調手段を備えていることを特徴とする。

第六番目の発明に係る水素ガス発生装置は、第一番目から第五番目の発明のいずれかにおいて、前記反応槽の内部を撹拌する反応槽内撹拌手段を備えていることを特徴とする。

そして、第七番目の発明は、水素ガス供給源からの水素ガスと酸素ガス供給源からの酸素ガスとを電気化学的に反応させて電力を得る燃料電池発電システムにおいて、前記水素ガス供給源が、第一番目から第六番目の発明のいずれかの水素ガス発生装置を備えてなることを特徴とする。

本発明に係る水素ガス発生装置によれば、スラリタンク内に比較的長期にわたって原料スラリを貯留していても、原料スラリから水素ガスがわずかずつでも発生してしまうことを防止することができると共に、反応槽内で原料スラリ中の水素化金属を反応水と確実に接触させて水素ガスを発生させることができるので、発生させる水素量を容易にコントロールすることができる。

本発明に係る水素ガス発生装置の主な実施形態の概略構成図である。

本発明に係る水素ガス発生装置の実施形態を図面に基づいて以下に説明するが、本発明は図面に基づいて説明する以下の実施形態のみに限定されるものではない。

［主な実施形態］
本発明に係る水素ガス発生装置の主な実施形態を図１に基づいて説明する。

図１に示すように、反応槽１１１には、当該反応槽１１１の内部側に先端側を位置させる一方、当該反応槽１１１の外側に基端側を突出させた回転軸１１２が回転可能に支持されている。この回転軸１１２の先端側には、撹拌翼１１３が設けられている。回転軸１１２の基端は、反応槽１１１の外部に設けられた駆動モータ１１４に連結している。

前記反応槽１１１の壁面には、内部に温調水１０１を流通させる温調ジャケット１１５が設けられている。この温調ジャケット１１５の下部には、温調水１０１を送給する送給ポンプ１１６の送出口が連結されている。この送給ポンプ１１６の受入口には、温調水１０１を貯留すると共に所定の温度に調整する温調器１１７の温調水送出口が連結されている。この温調器１１７の温調水受入口には、前記温調ジャケット１１５の上部が連結されている。

前記反応槽１１１には、原料スラリ供給手段であるスクリュポンプ１１８の送出口が連結されている。このスクリュポンプ１１８の受入口には、複数（本実施形態では３つ）のスラリタンク１２０Ａ〜１２０Ｃの下部がそれぞれバルブ１２１Ａ〜１２１Ｃを介して連結されている。これらスラリタンク１２０Ａ〜１２０Ｃの内部には、水素化金属（例えば、水素化マグネシウム、水素化アルミニウム、水素化カルシウム、水素化リチウム、水素化カリウム、水素化ナトリウム等）の粉体と、当該水素化金属に対して非反応性を有すると共に水との混和性を有する溶媒とを混合した原料スラリ１がそれぞれ貯留されている。前記バルブ１２１Ａ〜１２１Ｃと前記スクリュポンプ１１８との間は、バルブ１２２を介して系外へ連絡している。

前記反応槽１１１の下部は、前記スラリタンク１２０Ａ〜１２０Ｃの上方にそれぞれバルブ１２３Ａ〜１２３Ｃを介して連結されている。これらバルブ１２３Ａ〜１２３Ｃと前記反応槽１１１との間には、冷却器１１９が介在している。この冷却器１１９と前記反応槽１１１との間には、バルブ１２３が設けられている。

また、前記反応槽１１１には、反応水２を貯留する貯水タンク１２４の下部がバルブ１２５を介して連結されると共に、酢酸等の有機酸や塩酸等の無機酸等のような酸性の補助剤３を貯留する補助剤タンク１２６の下部が定量ポンプ１２７を介して連結されている。

前記反応槽１１１の上部には、当該反応槽１１１で発生した水素ガス４を貯蔵する水素貯蔵タンク１２８の下部が連結されている。この水素貯蔵タンク１２８の上方は、図示しない燃料電池発電システムの燃料ガス供給口へバルブ１２９を介して連結している。

なお、本実施形態においては、前記回転軸１１２、前記撹拌翼１１３、前記駆動モータ１１４等により反応槽内撹拌手段を構成し、前記温調ジャケット１１５、前記送給ポンプ１１６、前記温調器１１７等により反応槽内温調手段を構成し、前記冷却器１１９、前記スラリタンク１２０Ａ〜１２０Ｃ、前記バルブ１２３，１２３Ａ〜１２３Ｃ等によりスラリ回収手段を構成し、前記貯水タンク１２４、前記バルブ１２５等により反応水供給手段を構成し、前記補助剤タンク１２６、前記定量ポンプ１２７等により補助剤供給手段を構成している。

このような本実施形態に係る水素ガス発生装置１００を使用した水素ガス発生方法を次に説明する。

まず、前記バルブ１２５を開放して、前記貯水タンク１２４の内部の反応水２を前記反応槽１１１内へ規定量で供給すると共に、前記バルブ１２１Ａを開放して、前記スクリュポンプ１１８を作動させることにより、前記スラリタンク１２０Ａ内の原料スラリ１を前記反応槽１１１内へ規定量で供給しながら、前記駆動モータ１１４を作動して、前記回転軸１１２を介して前記撹拌翼１１３を旋回させることにより、当該反応槽１１１内の反応水２と原料スラリ１とを撹拌混合すると、原料スラリ１は、溶媒が反応水２に混和することから、水素化金属が反応水２に直接的に接するように分散する。

そして、前記反応槽１１１内のｐＨを酸性にするように前記定量ポンプ１２９を作動して、前記補助剤タンク１２８内の補助剤３を当該反応槽１１１内へ規定量で供給すると共に、前記温調器１１７及び前記送給ポンプ１１６を作動して、前記温調ジャケット１１５内に温調水１０１を流通させることにより上記反応槽１１１内を規定温度に保持すると、前記水素化金属が反応水２と反応して水素ガス４を発生すると共に、水酸化金属を生じるようになる。

前記反応槽１１１内で発生した水素ガス４は、前記水素ガス貯蔵タンク１３０内に回収されて貯蔵され、前記バルブ１３１の開閉を調整することにより、必要に応じた量で送出される。

このようにして前記スラリタンク１２０Ａ内の原料スラリ１を前記反応槽１１１内へすべて供給して、当該反応槽１１１内の当該原料スラリ１中の水素化金属の大部分が水酸化金属となったら、前記バルブ１２１Ａを閉鎖すると共に前記バルブ１２３，１２３Ａを開放すると、当該反応槽１１１内の反応済みスラリ５は、当該反応槽１１１内から抜き出され、前記冷却器１１９で冷却されながら上記スラリタンク１２０Ａ内へ回収される。

これと併せて、前記バルブ１２１Ｂを開放して、前記スラリタンク１２０Ｂ内の原料スラリ１を前記スクリュポンプ１１８で前記反応槽１１１内へ規定量供給することにより、上述と同様にして原料スラリ１と反応水２とを混和して当該原料スラリ１中の水素化金属と反応水２とを反応させて、水素ガス４をさらに発生させることができる。

そして、先に説明した前記スラリタンク１２０Ａ内に貯留していた原料スラリ１の場合と同様に、前記スラリタンク１２０Ｂ内に貯留していた前記反応槽１１１内の反応済みスラリ５を当該スラリタンク１２０Ｂ内に回収し、以下、前記スラリタンクＣ内に貯留している原料スラリ１に対しても上述と同様な操作を繰り返し行うことにより、水素ガス１の発生を継続して行うことができる。

このようにして前記スラリタンク１２０Ａ〜１２０Ｃ内の原料スラリ１をすべて使用して当該スラリタンク１２０Ａ〜１２０Ｃ内に反応済みスラリ５を回収したら、前記バルブ１２２を開放すると共に、前記バルブ１２１Ａ〜１２１Ｃを順次解放して、当該スラリタンク１２０Ａ〜１２０Ｃ内の反応済みスラリ５を系外へ順次排出した後、新たな原料スラリ１を前記バルブ１２２，１２１Ａ〜１２１Ｃを介して当該スラリタンク１２０Ａ〜１２０Ｃ内に再び貯留させることにより、水素ガス４を改めて発生させることができるようになる。

つまり、本実施形態に係る水素ガス発生装置１００においては、水素化金属の粉体と、当該水素化金属に対して非反応性を有すると共に水との混和性を有する溶媒とを混合した原料スラリ１をスラリタンク１２０Ａ〜１２０Ｃ内で貯留しておき、必要に応じて、スラリタンク１２０Ａ〜１２０Ｃ内から原料スラリ１を反応槽１１１内に供給すると共に、反応水２を反応槽１１１内に供給して、当該原料スラリ１と当該反応水２とを混合することにより、当該原料スラリ１中の水素化金属と反応水２とを反応させて水素ガス４を発生させるようにしたのである。

このため、本実施形態に係る水素ガス発生装置１００では、スラリタンク１２０Ａ〜１２０Ｃ内に比較的長期にわたって原料スラリ１を貯留していても、当該原料スラリ１から水素ガス４がわずかずつでも発生してしまうことを防止することができると共に、反応槽１１１内で原料スラリ１中の水素化金属を反応水２と確実に接触させて水素ガス４を発生させることができる。

したがって、本実施形態に係る水素ガス発生装置１００によれば、発生させる水素量を容易にコントロールすることができる。

よって、本実施形態に係る水素ガス発生装置１００を、例えば、水素ガスと酸素ガスとを電気化学的に反応させて電力を得る燃料電池の発電システムの水素ガス供給源として利用すれば、水素ガス４の供給を安定して行うことができ、発電システムの運転信頼性を高めることができる。

また、複数設けた前記スラリタンク１２０Ａ〜１２０Ｃ内の原料スラリ１を反応槽１１１内へ順次供給すると共に、空となった当該スラリタンク１２０Ａ〜１２０Ｃ内に反応済みスラリ５を順次回収するようにしたので、省スペース化を図ることができる。

また、反応槽１１１で発生した水素ガス４を水素ガス貯蔵タンク１２８に一旦貯蔵してから送出するようにしているので、水素ガス４の送給量をコントロールすることが容易にできる。

なお、前記原料スラリ１の前記溶媒としては、前記水素化金属に対して非反応性を有すると共に水との混和性を有するものであれば適用可能であり、例えば、アセトン、アルコール類、グリコール類、有機塩基類、有機酸類等を挙げることができる。

特に、燃料電池発電システムの水素ガス供給源として利用する場合には、水素ガス４中に原料スラリ１の上記溶媒が含まれて燃料電池へ供給されてしまうことにより、当該燃料電池に不具合を生じてしまうことを抑制するため、さらに、水よりも高い沸点を有する溶媒であると好ましく、例えば、１−ブタノールやペンタノールやヘキサノールやシクロヘキサノール等の炭素数５以上のアルコール類や、エチレングリコールやプロピレングリコールやグリセリンやポリエチレングリコール等のグリコール類や、エチレンジアミンやピリジン等の有機塩基類や、酢酸やプロピオン酸や酪酸やアクリル酸やメタンスルホン酸等の有機酸類等を挙げることができる。

ここで、前記原料スラリ１の前記溶媒が有機酸類の場合には、前記補助剤３を前記反応槽１１１内に加える必要がなくなるので、前記補助剤タンク１２６や前記バルブ１２７等の補助剤供給手段を省くことができる。

また、原料スラリ１及び反応水２は、前記反応槽１１１内へ同時に供給して反応させるようにすることや、前記反応槽１１１内へ一方を規定量供給した後に、他方を徐々に供給して反応させるようにすることが可能である。

本発明に係る水素ガス発生装置は、発生させる水素量を容易にコントロールすることができることから、例えば、燃料電池の発電システムの水素ガス供給源として利用すれば、水素ガスの供給を安定して行うことができ、発電システムの運転信頼性を高めることができるので、産業上、極めて有益に利用することができる。

１原料スラリ
２反応水
３補助剤
４水素ガス
５反応済みスラリ
１００水素ガス発生装置
１０１温調水
１１１反応槽
１１２回転軸
１１３撹拌翼
１１４駆動モータ
１１５温調ジャケット
１１６送給ポンプ
１１７温調器
１１８スクリュポンプ
１１９冷却器
１２０Ａ〜１２０Ｃスラリタンク
１２１Ａ〜１２１Ｃバルブ
１２２バルブ
１２３，１２３Ａ〜１２３Ｃバルブ
１２４貯水タンク
１２５バルブ
１２６補助剤タンク
１２７定量ポンプ
１２８水素ガス貯蔵タンク
１２９バルブ

Claims

反応槽と、
前記反応槽へ反応水を供給する反応水供給手段と、
水との混和性を有すると共に水素化金属に対して非反応性を有する溶媒と当該水素化金属とを混合した原料スラリを貯留するスラリタンクと、
前記スラリタンク内の前記原料スラリを前記反応槽へ供給する原料スラリ供給手段と
を備え、
前記水素化金属が、水素化マグネシウム、水素化アルミニウム、水素化カルシウム、水素化リチウム、水素化カリウム、水素化ナトリウムのうちの少なくとも一種からなり、
前記溶媒が、水よりも高い沸点を有する、アルコール類、グリコール類、有機塩基類、有機酸類のうちの少なくとも一種からなる
ことを特徴とする水素ガス発生装置。
請求項１に記載の水素ガス発生装置において、
前記溶媒が、アルコール類、グリコール類、有機塩基類のうちの少なくとも一種からなると共に、
前記反応槽内のｐＨを酸性にするように当該反応槽内へ酸性の補助剤を供給する補助剤供給手段を備えている
ことを特徴とする水素ガス発生装置。
請求項１又は請求項２に記載の水素ガス発生装置において、
前記スラリタンクが、複数設けられると共に、前記反応槽内のスラリを回収するスラリ回収手段に兼用されている
ことを特徴とする水素ガス発生装置。
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の水素ガス発生装置において、
前記反応槽の上方に連結されて当該反応槽内で発生した水素ガスを貯蔵する水素ガス貯蔵タンクを備えている
ことを特徴とする水素ガス発生装置。
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の水素ガス発生装置において、
前記反応槽の内部の温調を行う反応槽内温調手段を備えている
ことを特徴とする水素ガス発生装置。
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の水素ガス発生装置において、
前記反応槽の内部を撹拌する反応槽内撹拌手段を備えている
ことを特徴とする水素ガス発生装置。
水素ガス供給源からの水素ガスと酸素ガス供給源からの酸素ガスとを電気化学的に反応させて電力を得る燃料電池発電システムにおいて、
前記水素ガス供給源が、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の水素ガス発生装置を備えてなる
ことを特徴とする燃料電池発電システム。