JP5640231B2 - 水素生成装置 - Google Patents

Description

本発明は、水素化マグネシウムの加水分解によって水素を生成させる水素生成装置に関する。

水素の貯蔵方法の一つに吸蔵合金方式がある。吸蔵合金方式は、超高圧、極低温といった特殊状態で水素を貯蔵する必要がないため、取り扱いが容易で安全性が高く、しかも単位体積当たりの水素貯蔵量が高いという優れた特徴を有している。特許文献１には、吸蔵合金方式を採用した水素生成装置が開示されている。特許文献１に係る水素生成装置は、一定量の水が収納される反応室と、反応室に前記水と反応して水素を生成する水素生成材料を収納する収納室と、生成した水素を燃料電池に供給する供給部とを備え、水素生成材料を、粉体状又は粒状に形成すると共に、収納室と反応室の間に、水素生成材料を所定の割合で供給する水素生成量調整手段を更に備えている。

他方、特許文献２には、平均粒径４５μｍ未満の水素化マグネシウム粒子を安全に製造することが可能な製造方法が開示されている。特許文献２に係る製造方法は、マグネシウムを含み、平均粒径が４５μｍ以上の原料粒子及び水素を反応させることによって、水素化マグネシウム粗粒子を生成する工程と、生成した水素化マグネシウム粗粒子を、粒子間衝突方式のジェット粉砕機を用いて機械的に粉砕する工程とを有する。粒径が小さい水素化マグネシウム粒子は、触媒を用いなくても、比較的低温で加水分解反応が進行するため、水素吸蔵合金として好適である。

特開２００６−２９８６７０号公報 特開２００９−９９５３４号公報

しかしながら、水素化マグネシウム粒子と、水とを単純に混合させた場合、水素化マグネシウム粒子の加水分解によって生成された泥状の水酸化マグネシウム及び水素の気泡が水素化マグネシウムを取り囲み、加水分解反応が阻害され、効率的に水素を生成させることができないという問題があった。
特許文献２には、水素化マグネシウム粒子の加水分解反応容器に超音波を与え、水素化マグネシウム粒子から水素の気泡を脱離させる方法が開示されているが、水素化マグネシウム粒子から泥状の水酸化マグネシウムを効率的に取り除くことができないという問題がある。また、超音波発生装置を駆動するための電力が必要であるという問題がある。更に、超音波によって水素生成装置から振動音が発生するおそれがあった。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、水素化マグネシウム粒子の加水分解反応を効率的に進行させ、変動する水素需要ないし発電需要の必要量に応じて水素を生成させることができる水素生成装置を提供することにある。

本発明に係る水素生成装置は、水素化マグネシウム粒子の加水分解によって水素を生成する水素生成装置において、水素化マグネシウム粒子の加水分解を内部で行う管部を有する反応容器と、該反応容器内の周面に沿って、水を噴射する第１ノズルと、前記反応容器内の周面に沿って、水素化マグネシウム粒子を噴射する第２ノズルと、前記反応容器に設けられており、加水分解によって生成した水素を前記反応容器の外部へ送出する水素送出部と、水素化マグネシウム粒子の加水分解によって生成された水酸化マグネシウム及び水を前記反応容器の外部へ排出する排出口とを備え、前記反応容器の管部は、弧状をなし、前記第１及び第２ノズルは、前記反応容器内の外周面に沿って、水及び水素化マグネシウム粒子をそれぞれ噴射するようにしてあることを特徴とする。

本発明にあっては、管部を有する反応容器内の周面に沿って、水と、水素化マグネシウム粒子とが噴射される。水素化マグネシウム粒子が混じった水が、管部内の全面乃至周面を沿って移動する過程で、水素化マグネシウム粒子は攪拌され、該水素化マグネシウム粒子に付着した水素の気泡及び水酸化マグネシウムは脱離する。従って、水素化マグネシウム粒子の加水分解反応は効果的に進行する。

本発明にあっては、反応容器の管部は、弧状をなし、管部の外周面に沿って、水と、水素化マグネシウム粒子とが噴射される。このため、水素化マグネシウム粒子が混じった水には遠心力が働き、軽量の水素化マグネシウム粒子と、重い泥状の水酸化マグネシウムとは分離する。従って、より効果的に水素化マグネシウム粒子の加水分解反応は進行する。

本発明に係る水素生成装置は、前記第１ノズル、前記第２ノズル、及び前記排出口は、前記第１ノズルから水が噴射される方向に沿って、前記反応容器にこの順で設けられていることを特徴とする。

本発明にあっては、弧状曲管部内の外周面に沿って第１ノズルから水が噴射され、外周面を流れる水に向けて水素化マグネシウム粒子が噴射される。水素化マグネシウム粒子の加水分解は前記外周面を流れながら進行する。そして、加水分解反応を終え、水酸化マグネシウムが混合した水は、排水口から排出される。

本発明に係る水素生成装置は、前記反応容器は、中空の略楕円環状をなし、前記第１ノズルが設けられた部分に比べて、前記水素送出部が設けられた部分の方が、内部空間が広いことを特徴とする。

本発明にあっては、反応容器は中空の略楕円環状であり、水素が生成する内部空間が広く形成されている。

本発明に係る水素生成装置は、水素化マグネシウム粒子を収容する水素化マグネシウム収容部と、貯水容器と、前記排出口から排出された水酸化マグネシウムを含む水から、該水酸化マグネシウムを分離し、分離された水を前記貯水容器に環流させる分離槽とを備え、前記第１ノズルは、前記貯水容器に貯えられた水を噴射するようにしてあることを特徴とする。

本発明にあっては、排水口から排出された水酸化マグネシウムを含む水は、分離槽で水と、水酸化マグネシウムとに分離され、分離された水は貯水容器に環流する。貯水容器に貯えられた水は、再び第１ノズルによって、反応容器内に噴射される。従って、水素化マグネシウム粒子の加水分解に必要な水の量を削減することができる。

本発明に係る水素生成装置は、前記分離槽は、水酸化マグネシウムを沈殿させ、沈殿によって分離した上層の水を前記貯水容器へ送出するように構成してあることを特徴とする。

本発明にあっては、排出口から排出された水酸化マグネシウムを含む水から、水酸化マグネシウムを沈殿させ、分離した上層の水を貯水容器へ送出している。電力が不要な簡単な構成で、水酸化マグネシウムを分離することが可能である。

本発明に係る水素生成装置は、前記水素送出部は、加水分解によって生成した水素を前記反応容器の外部へ透過し、かつ水を遮断する脱気膜を備えることを特徴とする。

本発明にあっては、脱気膜によって、反応容器から水素を外部へ送出する。

本発明に係る水素生成装置は、前記水素送出部を通じて前記反応容器の外部へ送出された水素を貯える水素収容部と、該水素収容部に収容された水素を前記第２ノズルへ送出する水素送出ポンプとを備え、前記第２ノズルは、前記水素送出ポンプから送出された水素を用いて水素化マグネシウム粒子を前記反応容器内に噴射する気送ノズルであることを特徴とする。

本発明にあっては、第２ノズルは、水素化マグネシウム粒子の加水分解反応で生成した水素を用いて、水素化マグネシウム粒子を反応容器内へ噴射する。

本発明によれば、水素化マグネシウム粒子の加水分解反応を効率的に進行させ、水素を生成させることができる水素生成装置を提供することができる。

本実施の形態に係る水素生成装置の一構成例を示したブロック図である。 反応容器の平面図、側面図及び側断面図である。 水素生成装置の動作説明図である。

以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて詳述する。
図１は、本実施の形態に係る水素生成装置の一構成例を示したブロック図である。本発明の実施の形態に係る水素生成装置は、水を貯える貯水容器２と、水素化マグネシウム粒子を収容する水素化マグネシウム収容部８と、水素化マグネシウム粒子の加水分解を内部で行う中空楕円環状アルミニウム、ステンレス、樹脂、鋳鉄、鋳鋼、耐水素性の特殊鋳鉄、特殊鋳鋼製等の反応容器１と、水素化マグネシウム粒子の加水分解反応によって生成した水素を除湿して収容する水素収容部１１とを備える。

図２Ａは、反応容器１の平面図、図２Ｂは反応容器１の側面図、図２Ｃは反応容器１の側断面図である。図２Ａ，Ｂ，Ｃに示すように、反応容器１は、管部１ｄを有しており、反応容器１の一部は、他の部分に比べて内部空間が広い。より具体的には、反応容器１の長径方向の一方（右側）の部分は、他方（左側）の部分に比べて内部空間が広い。なお、反応容器１の断面形状は、特に限定されるものでは無く、角状、円状、楕円状、曲面状、その他の形状でも良い。また、平面視における反応容器１の形状も、楕円形状である必要は無く、円環状、Ｃ字状、直管状、その他の形状であっても良い。

また、水素生成装置は、反応容器１内の外周面１ｃに沿って、水を噴射する第１ノズル７と、反応容器１内の外周面１ｃに沿って、水素化マグネシウム粒子を噴射する第２ノズル９と、反応容器１に設けられており、加水分解によって生成した水素を反応容器１の外部へ送出する水素送出部１ａと、水素化マグネシウム粒子の加水分解によって生成された水酸化マグネシウム及び水を反応容器１の外部へ排出する排出口１ｂとを備える。排出口１ｂから排出される水酸化マグネシウム及び水の排出量は、ほぼ投入する水及び水素化マグネシウムの量から排出する水素量を差し引いた量になる。第１ノズル７、第２ノズル９、水素送出部１ａ及び排出口１ｂは、反応容器１内の外周面側であって、第１ノズル７から水が噴射される方向に沿って、反応容器１にこの順で設けられており、第１ノズル７は、内部空間が狭い部分に、水素送出部１ａは、内部空間が広い箇所に設けられている。

第１ノズル７は、配管５を通じて水送出ポンプ４の出口に接続され、水送出ポンプ４の入口には貯水容器２が配管３を通じて接続されている。水送出ポンプ４が動作すると、貯水容器２に貯えられた水が第１ノズル７へ送出され、第１ノズル７は水を反応容器１内に噴射する。また、配管５の適宜箇所には、第１ノズル７への水の供給を調整するための給水弁６が設けられている。給水弁６の動作は、例えば、制御部２４によって制御される。

第２ノズル９は、水素収容部１１に収容された水素を用いて水素化マグネシウム粒子を反応容器１内に噴射する気送ノズルである。第２ノズル９は、配管１３を通じて第２ノズル９へ送出する水素送出ポンプ１２の出口に接続されると共に、水素化マグネシウム収容部８から水素化マグネシウム粒子が供給されるように構成されている。水素送出ポンプ１２の入口には水素収容部１１が配管を通じて接続されている。水素送出ポンプ１２が動作すると、水素収容部１１に収容されている水素が第２ノズル９へ送出され、第２ノズル９は、水素をキャリアとして水素化マグネシウム粒子を反応容器１内に噴射する。また、配管１３の適宜箇所には、第２ノズル９への水素の供給を調整するための水素供給弁１４が設けられている。水素供給弁１４の動作は、例えば、制御部２４によって制御される。

水素送出部１ａは、加水分解によって生成した水素を反応容器１の外部へ透過し、かつ水を遮断する脱気膜を備える。

排出口１ｂは、反応容器１の外周面１ｃに設けられた開口であり、配管２１を通じて分離槽２２に接続されている。排出口１ｂから排出された水酸化マグネシウム及び水は、配管２１を通じて分離槽２２へ送出される。

分離槽２２は、排出口１ｂから排出された水酸化マグネシウムを含む水を一時的に貯留し、水酸化マグネシウムを沈殿させる。分離槽２２は、貯水槽と上部が連通しており、沈殿によって分離した上層の水は、貯水容器２へ送出される。また、分離槽２２は、反応後の水を冷却するための放熱部２２ａ、例えば、放熱フィンを外周面に備える。更に、必要ならば、水冷構造としても良い。

水素収容部１１は、配管を通じて燃料電池１６に接続されており、該配管には水素の供給量を調整する水素供給弁１５が設けられている。水素供給弁１５が開状態になった場合、水素収容部１１に収容された水素が燃料電池１６へ送出される。

燃料電池１６は、例えば低温で動作可能な固体高分子燃料電池（ＰＥＦＣ：polymer electrolyte fuel cell）、高温作動の固体酸化燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）である。燃料電池１６は、水素収容部１１から供給された水素と、空気中の酸素とに基づいて電気エネルギーを取り出す複数の単セルを備えている。単セルの積層方向両端には、各単セルで発電した電力を集電する矩形平板状の正極集電部及び負極集電部が設けられている。

燃料電池１６の正極集電部及び負極集電部にはニッケル水素電池、リチウムイオン電池のような二次電池１８の正極及び負極が夫々接続されており、燃料電池１６及び二次電池１８の電力を出力する出力部１７が設けられている。このため、二次電池１８及び燃料電池１６夫々の電力を出力することができ、燃料電池１６の電力出力を補助することができる。また、燃料電池１６の電力で二次電池１８を充電することができる。

また、貯水容器２には、貯えられた水を加熱するヒータ２０が設けられており、ヒータ２０にはスイッチ１９を介して燃料電池１６及び二次電池１８が接続されている。スイッチ１９の開閉は、制御部２４によって制御される。

図３は、水素生成装置の動作説明図である。動作開始指示が与えられた場合、制御部２４は、スイッチ１９を開状態にしてヒータ２０を動作させ、貯水容器２に貯えられた水の加熱を開始する。次いで、制御部２４は、給水弁６及び水素供給弁１４を開状態にし、水送出ポンプ４及び水素送出ポンプ１２を動作させる。水送出ポンプ４によって、貯水容器２に貯えられた水は、第１ノズル７に供給され、第１ノズル７は、反応容器１内の外周面１ｃに沿って流れるように、水を噴射する。また、水素送出ポンプ１２によって、水素収容部１１に収容された水素は、第２ノズル９に供給され、第２ノズル９は、反応容器１内の外周面１ｃに沿って流れる水中へ、水素化マグネシウム粒子を噴射する。反応条件としては、例えば、反応容器１内の温度が６０〜９５℃、圧力が０．２〜０．９ＭＰａが好ましく、より好ましくは０．５〜０．７ＭＰａが望ましく、この反応条件は、ヒータ２０の動作及び各弁の動作を制御することによって、調整される。
このようにして、水素化マグネシウム粒子が混じった水が、反応容器１内の外周面１ｃに沿って流れ、水素化マグネシウム粒子は攪拌されながら加水分解し、水素を生成する。水素化マグネシウム粒子は、反応容器１の外周面１ｃを流れる過程で攪拌されるため、水素化マグネシウム粒子に付着した水素の気泡及び水酸化マグネシウムは脱離する。従って、水素化マグネシウム粒子の加水分解反応は効果的に進行する。また、水素化マグネシウム粒子の加水分解によって水酸化マグネシウムが生成されるが、水素化マグネシウム粒子及び水酸化マグネシウムが混じった水には遠心力が働き、軽量の水素化マグネシウム粒子と、重い泥状の水酸化マグネシウムとは分離する。従って、より効果的に水素化マグネシウム粒子の加水分解反応は進行し、水素を生成する。

反応容器１内で生成した水素は、水素送出部１ａの脱気膜を透過して、水素収容部１１に貯えられ、必要に応じて燃料電池１６へ送出される。また、水素収容部１１に貯えられた水素の一部は、上述のように、第２ノズル９へ送出される。

他方、水素送出部１ａを通過し、加水分解反応を終え、水酸化マグネシウムが混合した水は、排水口から排出される。排出口１ｂから排出された水及び水酸化マグネシウムは、分離槽２２で水と、水酸化マグネシウムとに分離され、分離された水は再び貯水容器２に送出され、以後、環流を続ける。

このように構成された水素生成装置にあっては、水素化マグネシウム粒子の加水分解反応を連続的、効率的に進行させ、水素を生成させることができる水素生成装置を提供することにある。

また、水酸化マグネシウムを分離しながら水を環流させ、水素化マグネシウム粒子の加水分解を進行させる構成であるため、水素の生成に必要な水の量を減少させることができる。

なお、本実施の形態では、水と、水素化マグネシウムとを反応させる例を説明したが、水に代えて触媒を溶解させた溶液を用いても良い。たとえば、クエン酸溶液を用いても良い。
また、第１ノズル、第２ノズル、水素送出部及び排出口を、反応容器内の外周面側に設ける例を説明したが、反応容器のその他の部位に設けても良い。特に水素送出部は、水素生成反応が活発な部位に設けることが好ましいが、反応容器内の内周面側の任意の部位に設けることもできる。また、排出口は、水素生成反応を終えた水の通流経路上に設ければ十分であり、その部位は特に限定されない。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものでは無いと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味では無く、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 反応容器
１ａ 水素送出部
１ｂ 排出口
１ｃ 外周面
２ 貯水容器
４ 水送出ポンプ
６ 給水弁
７ 第１ノズル
８ 水素化マグネシウム収容部
９ 第２ノズル
１１ 水素収容部
１２ 水素送出ポンプ
１６ 燃料電池
１７ 出力部
１８ 二次電池
２２ 分離槽

Claims (7)

1. 水素化マグネシウム粒子の加水分解によって水素を生成する水素生成装置において、
   水素化マグネシウム粒子の加水分解を内部で行う管部を有する反応容器と、
   該反応容器内の周面に沿って、水を噴射する第１ノズルと、
   前記反応容器内の周面に沿って、水素化マグネシウム粒子を噴射する第２ノズルと、
   前記反応容器に設けられており、加水分解によって生成した水素を前記反応容器の外部へ送出する水素送出部と、
   水素化マグネシウム粒子の加水分解によって生成された水酸化マグネシウム及び水を前記反応容器の外部へ排出する排出口と
   を備え、
   前記反応容器の管部は、弧状をなし、
   前記第１及び第２ノズルは、前記反応容器内の外周面に沿って、水及び水素化マグネシウム粒子をそれぞれ噴射するようにしてある
   ことを特徴とする水素生成装置。
2. 前記第１ノズル、前記第２ノズル、及び前記排出口は、前記第１ノズルから水が噴射される方向に沿って、前記反応容器にこの順で設けられている
   ことを特徴とする請求項１に記載の水素生成装置。
3. 前記反応容器は、
   中空の略楕円環状をなし、前記第１ノズルが設けられた部分に比べて、前記水素送出部が設けられた部分の方が、内部空間が広い
   ことを特徴とする請求項２に記載の水素生成装置。
4. 水素化マグネシウム粒子を収容する水素化マグネシウム収容部と、
   貯水容器と、
   前記排出口から排出された水酸化マグネシウムを含む水から、該水酸化マグネシウムを分離し、分離された水を前記貯水容器に環流させる分離槽と
   を備え、
   前記第１ノズルは、
   前記貯水容器に貯えられた水を噴射するようにしてある
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の水素生成装置。
5. 前記分離槽は、
   水酸化マグネシウムを沈殿させ、沈殿によって分離した上層の水を前記貯水容器へ送出するように構成してある
   ことを特徴とする請求項４に記載の水素生成装置。
6. 前記水素送出部は、
   加水分解によって生成した水素を前記反応容器の外部へ透過し、かつ水を遮断する脱気膜を備える
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の水素生成装置。
7. 前記水素送出部を通じて前記反応容器の外部へ送出された水素を貯える水素収容部と、
   該水素収容部に収容された水素を前記第２ノズルへ送出する水素送出ポンプと
   を備え、
   前記第２ノズルは、
   前記水素送出ポンプから送出された水素を用いて水素化マグネシウム粒子を前記反応容器内に噴射する気送ノズルである
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の水素生成装置。

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