JP5874969B2

JP5874969B2 - 水素発生装置

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Publication number: JP5874969B2
Application number: JP2011282482A
Authority: JP
Inventors: 浩之上杉; 喬杉山; 宏美新居; 実季望月; 博貴春日井
Original assignee: Bio Coke Lab Co Ltd
Current assignee: Bio Coke Lab Co Ltd
Priority date: 2011-12-23
Filing date: 2011-12-23
Publication date: 2016-03-02
Anticipated expiration: 2031-12-23
Also published as: JP2013133232A

Description

本発明は、水素化マグネシウムの加水分解反応が行われる反応容器を備え、該反応容器へ水又は酸性溶液を供給することによって、水素を発生させる水素発生装置に関する。

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発生装置が開示されている。特許文献１に係る水素発生装置は、水素化マグネシウム粉末と、酸性物粉末との混合粉末を収容した円筒状の貯蔵室を備える。貯蔵室には、貯水室から導かれた注水管が挿入され、貯水室から貯蔵室へ水が供給されるように構成されている。貯蔵室に水が供給されると、水素化マグネシウム粉末が加水分解し、水素を発生させる。発生した水素は、例えば、燃料電池に供給され、電力に変換される。

特開２００６−２９８６７０号公報

しかしながら、特許文献１に係る水素発生装置においては、貯蔵室の底に水素化マグネシウム粉末が単に満遍なく敷き詰められているような構成であるため、単位時間当たりの水素発生量が安定しないという問題があった。発生した水素を燃料電池に供給して発電するような場合、電力の出力が安定しなくなるという問題が発生する。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、単位時間当たりの水素発生量の変動を抑えて、水素を安定的に発生させることができる水素発生装置を提供することを目的とする。

本発明に係る水素発生装置は、水素化マグネシウムの加水分解反応が行われる反応容器を備え、該反応容器へ水又は酸性溶液を供給することによって、水素を発生させる水素発生装置において、前記反応容器の底部に、水素化マグネシウム装填用の高さが順々に低くなるように隣接した複数の筒部が立設してあり、更に、最も高い前記筒部の上方から、該筒部に装填された水素化マグネシウムに水又は酸性溶液を滴下する滴下部を備えることを特徴とする。

本発明にあっては、高さが高い筒部に水又は酸性溶液が滴下されるため、最も高い筒部に装填された水素化マグネシウムから加水分解反応が開始され、水素を発生する。水又は酸性溶液の滴下が続くと、最も高い筒部から水又は酸性溶液が溢れて、次に高さが高い筒部へ水又は酸性溶液が供給され、水素を発生する。このようにして、高さが高い筒部から低い筒部へと順に水又は酸性溶液が供給され、順々に水素化マグネシウムの加水分解反応が開始される。従って、単位時間当たりの水素発生量の変動を抑えて、水素を安定的に生成することが可能になる。

本発明に係る水素発生装置は、前記複数の筒部は同軸的に設けられており、中心部の筒部は、外側の筒部よりも高さが高いことを特徴とする。

本発明にあっては、複数の筒部の形状が筒状であり、かつ同軸的に配されているため、単位時間当たりの水素発生量の変動を抑え易く、安定的に水素を発生させることが可能である。

本発明に係る水素発生装置は、前記筒部は同心円状に設けられた円筒状であり、中心部の筒部は、外側の筒部よりも高さが高いことを特徴とする。

本発明にあっては、複数の筒部の形状が円筒状であり、かつ同心円状に配されているため、より効果的に単位時間当たりの水素発生量の変動を抑え、安定的に水素を発生させることが可能である。

本発明に係る水素発生装置は、前記筒部には、水素化マグネシウムと共にクエン酸粉末が装填されていることを特徴とする。

本発明にあっては、水素化マグネシウムと共にクエン酸粉末が装填されているため、効果的に水素化マグネシウムを加水分解し、水素を発生させることが可能である。

本発明に係る水素発生装置は、前記筒部には、水素化マグネシウムと共にクエン酸粉末が装填されており、水素化マグネシウムに対するクエン酸粉末の量は、外側の筒部に比べて、中心部の筒部の方が多いことを特徴とする。

本発明にあっては、水又は酸性溶液の滴下が開始される筒部に装填されたクエン酸粉末の量が多いため、水素の発生量を、速やかに所定の必要量に到達させることができる。

本発明に係る水素発生装置は、前記水素化マグネシウムは、粉末状及び／又は固形状であることを特徴とする。

本発明にあっては、筒部に、粉末状又は固形状の水素化マグネシウムが装填されている。また、筒部に粉末状及び固形状の水素化マグネシウムが装填されている。粉末状及び／又は固形状の水素化マグネシウムを組み合わせることによって、単位時間当たりの水素発生量の変動を抑えることが可能である。

本発明に係る水素発生装置は、中心部の筒部には、粉末状及び固形状の水素化マグネシウムが装填され、外側の筒部には固形状の水素化マグネシウムが装填されていることを特徴とする。

本発明にあっては、水又は酸性溶液の滴下が開始される筒部に粉末状の水素化マグネシウムが含まれているため、水素の発生量を、速やかに所定の必要量に到達させることができる。また、水又は酸性溶液の滴下が開始される筒部には、粉末状のみならず、固形状の水素化マグネシウムも装填されているため、水素の発生量が急増することを抑えることが可能である。

本発明によれば、単位時間当たりの水素発生量の変動を抑えて、水素を安定的に生成することができる。

本実施の形態に係る水素発生装置の一構成例を示した側断面図である。本実施の形態に係る水素発生装置の平面図である。本実施の形態に係る水素発生装置のIII−III線断面図である。本実施の形態に係る水素発生装置の要部を示した斜視図である。液体物質の供給開始時における水素発生装置の側断面図である。水素発生装置の作用を示した説明図である。変形例１に係る水素発生装置の要部を示した側断面図である。変形例２に係る水素発生装置の要部を示した平面図である。変形例３に係る水素発生装置の一構成例を示した側断面図である。

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発生装置の一構成例を示した側断面図、図２は、本実施の形態に係る水素発生装置の平面図、図３は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図、図４は、本実施の形態に係る水素発生装置の要部を示した斜視図である。本発明の実施の形態に係る水素発生装置は、水素化マグネシウム１０ａ，１０ｂ及びクエン酸粉末１０ｃを収容すると共に、水素化マグネシウム１０ａ，１０ｂの加水分解反応が行われる反応容器１と、反応容器１の内側に配されており、クエン酸水溶液、水等の液体物質２０を収容する液体物質収容室２と、反応容器１の底部１１に配された水素化マグネシウム装填用の装填部３と、凝縮部材４と、蓋部５と、取付部６と、クランプ継手７と、断熱部材８と、水素化マグネシウム１０ａ，１０ｂ及び液体物質２０の接触によって発生した水素を外部へ送出する水素送出部９とを有する。

反応容器１は、円板状の底部１１と、底部１１の周縁部に設けられた周壁１２とを有し、有底円筒状をなしている。反応容器１は、押し出し成型されたステンレス製、又はアルミニウム製である。底部１１には、水素化マグネシウム１０ａ，１０ｂ及びクエン酸粉末１０ｃが装填される装填部３が設けられている。装填部３は、底部に立設された高さが異なる第１乃至第３筒部３１，３２，３３を備える。第１乃至第３筒部３１，３２，３３は同軸的に設けられている。中央部に設けられた第１筒部３１が最も高さが高く、第１筒部３１の外側に設けられた第２筒部３２は第１筒部３１よりも高さが低くなるように構成されている。同様にして、第２筒部３２の外側に設けられた第３筒部３３は、第２筒部３２よりも高さが低くなるように構成されている。
なお、ここでは、第１乃至第３筒部３１，３２，３３を円筒状として説明したが、円筒状に限定されるものでは無く、角柱状であっても良い。また、上述の説明では、同心円の第１乃至第３筒部３１，３２，３３を３段としているが、水素生成容量によって段数、筒の数を４段以上に増やしても良い。また、各々の筒部に装填するＭｇＨ₂の粒度、クエン酸の配合は水素生成量によって決定する。

第１乃至第３筒部３１，３２，３３には、水素化マグネシウム１０ａ及びクエン酸粉末１０ｃが装填される。液体物質収容室２から液体物質が最初に供給される第１筒部３１には、迅速に水素を発生させるべく、更に粉末状の水素化マグネシウム１０ｂを装填すると良い。もちろん、必要に応じて第２筒部３２又は第３筒部３３にも粉末状の水素化マグネシウムを装填しても良い。また、安定的に水素を発生させるべく、第１乃至第３筒部３１，３２，３３のいずれにも固形状の水素化マグネシウム１０ａを装填すると良い。
水素化マグネシウムに対するクエン酸粉末の量は、第２及び第３筒部３２，３３に比べて、中心部の第１筒部３１の方が多くなるようにすると良い。同様に、水素化マグネシウムに対するクエン酸粉末の量は、第３筒部３３に比べて、中心側の第２筒部３２の方が多くなるようにすると良い。
なお、第１乃至第３筒部３１，３２，３３に装填すべき水素化マグネシウム１０ａ，１０ｂ及びクエン酸粉末１０ｃの量、割合、水素化マグネシウム１０ａ，１０ｂの形状は、必要な水素発生量に応じて適宜決定される。

液体物質収容室２は、円板状の底部２１と、底部２１の周縁部に設けられた周壁２２とを有し、有底円筒状をなしている。液体物質収容室２は、反応容器１よりも小寸法であり、反応容器１、液体物質収容室２の各底部１１，２１及び周壁１２，２２が互いに離隔するように配されている。底部２１の略中央部には、液体物質２０を反応容器１へ滴下するための滴下部２３が設けられている。滴下部２３は、一定流量の液体物質２０を滴下できるように構成されている。滴下部２３の下方には第１筒部３１が位置している。
また、液体物質収容室２は、反応容器１に液体物質収容室２及び蓋部５を取り付けるための図示しない雄ねじ部分を上端部の外周の一部に有している。

凝縮部材４は、反応容器１の周壁１２と、液体物質収容室２の周壁２２との間に配されており、水素と共に水素送出部９側へ上昇する液体物質２０の蒸気を凝縮させる。凝縮部材４は、金属メッシュ、セラミック等で構成されている。

蓋部５は、全体として円板状をなしており、円板部５１と、円板部５１の外周側に配された円環部５２とを有し、円板部５１は円環部５２にボルト５３，５３…にて締結されている。円板部５１の略中央部には、液体物質供給路開閉機構５４が設けられている。液体物質供給路開閉機構５４は、円板状のハンドル５４ａと、ハンドル５４ａに設けられた軸部５４ｃと、軸部５４ｃのハンドル５４ａ側に形成された送りねじ５４ｂと、軸部５４ｃの先端側に設けられた弁体５４ｄと、軸部５４ｃのハンドル５４ａ側の適宜箇所に設けられたストッパ部５４ｅとを有する。また、蓋部５には、液体物質２０を液体物質収容室２へ供給するための給水口５５と、水素発生反応を開始させる際、反応容器１及び液体物質収容室２を連通させる連通手段５６と、液体物質収容室２内のガスを抜く安全弁５７、５７と、図２に示すように、液体物質収容室２内部の圧力を監視するための圧力計５８と、水素を送出する水素送出部９が設けられている。水素送出部９には開閉弁９１が設けられている。また、連通手段５６は、蓋部５の外周側、つまり反応容器１に連通する開閉弁付きの外側連通口５６ａと、蓋部５の内周側、つまり液体物質収容室２に連通する内側連通口５６ｃと、外側連通口５６ａ及び内側連通口５６ｃを連結する連通路５６ｂとを有する。なお、液体物質収容室２は、蓋部５に固定されている。

取付部６は、反応容器１の上端部に形成されており、液体物質収容室２及び蓋部５を反応容器１に着脱可能に取り付けるための図示しない雌ねじ、つまり、液体物質収容室２の雄ねじにねじ止め可能な雌ねじを一部に有する。また、取付部６と、蓋部５との間をシールするリング状のシール部材６１が取付部６に設けられている。
断熱部材８は、筒状をなし、反応容器１を構成する周壁１２の外周面を覆っている。
また、水素発生装置は、蓋部５を反応容器１に固定するためのクランプ継手７を有する。

なお、上述の説明では、蓋部５及び取付部６、蓋部５及び周壁１２、円板部５１及び円環部５２を別体で構成した例を説明したが、各部を一体成形しても良い。水素発生装置を分解不能に一体成形した場合においては、所定量の水素を発生させた後の水素発生装置はリサイクル処理される。

以下、このように構成された水素発生装置の動作について説明する。
図５は、液体物質２０の供給開始時における水素発生装置の側断面図、図６は、水素発生装置の作用を示した説明図である。図１に示した状態で連通手段５６を連通させるため、液体物質供給路開閉機構５４のハンドル５４ａを回すことによって、滴下部２３を開放させると、図６Ａに示すように、液体物質収容室２に収容された液体物質２０が第１筒部３１に滴下される。そして、開閉弁９１を開状態にする。

図６Ａに示すように、液体物質収容室２に収容された液体物質２０が、第１筒部３１に供給された場合、水素化マグネシウム１０ａ，１０ｂ及び液体物質２０の接触によって、反応容器１で水素が発生する。水素化マグネシウム１０ａ，１０ｂと液体物質２０との反応は、下記化学式（１）で表される。
ＭｇＨ₂＋２Ｈ₂Ｏ→Ｍｇ（ＯＨ）₂＋２Ｈ₂…（１）
発生した水素は、反応容器１の周壁１２と、液体物質収容室２の周壁２２との間を上昇し、水素送出部９を通じて外部へ送出される。また、水素発生反応の発熱反応によって、水素と共に液体物質２０の蒸気が発生するが、反応容器１で発生した蒸気は、水素と同様に反応容器１の周壁１２と、液体物質収容室２の周壁２２との間を上昇する。そして、各周壁１２，２２の間には凝縮部材４が備えられているため、前記蒸気は外部へ送出されることなく凝縮し、凝縮した水は反応容器１へ回収される。この凝縮した液体物質を回収することによって、水素発生反応で得られた熱も回収される。また、液体物質２０の蒸気が除去された水素が水素送出部９から送出される。

更に、液体物質２０の滴下が続くと、図６Ｂに示すように第１筒部３１から液体物質２０が溢れ出し、該液体物質２０が第１筒部３１の外側に配された第２筒部３２に供給され、第２筒部３２においても水素の発生が開始される。つまり、第１筒部３１における水素の発生量が低下し始める直前に、第２筒部３２への液体物質２０の供給が始まるように構成する。そうすると、第１筒部３１における水素供給を引き継ぐようにして、第２筒部３２から水素が発生し、単位時間当たりの水素発生量の変動を抑えながら長時間にわたって安定的に水素を発生させることができる。

同様にして、更に液体物質２０の滴下が続くと、図６Ｃに示すように、第２筒部３２から液体物質２０があふれ出し、該液体物質２０が第２筒部３２の外側に配された第３筒部３３に供給され、第３筒部３３においても水素の発生が開始される。ここでも、第２筒部３２における水素の発生量が低下し始める直前に、第３筒部３３への液体物質２０の供給が始まるように構成する。そうすると、更に長時間にわたって安定的に水素を発生させることができる。

このように構成された水素発生装置においては、長時間にわたって、単位時間当たりの水素発生量の変動を抑えて、水素を安定的に生成することができる。

特に、実施の形態においては、第１乃至第３筒部３１，３２，３３の形状が円筒状であり、かつ同心円状に配されているため、単位時間当たりの水素発生量の変動を抑え易く、安定的に水素を発生させることができる。

（変形例１）
実施の形態では、複数の筒部を同心円状に配した例を説明したが、複数の筒部の配置方法はこれに限定されるものでは無い。変形例１に係る水素発生装置は複数の筒部の構成のみが実施の形態と異なるため、以下では主に上記相異点について説明する。

図７は、変形例１に係る水素発生装置の要部を示した側断面図である。変形例１に係る水素発生装置に係る装填部１０３は、反応容器の立設された高さが異なる複数の第１乃至第４筒部１３１，１３２，１３３，１３４を備える。第１乃至第４筒部１３１，１３２，１３３，１３４は、高さが順々に低くなるように隣接し、第１乃至第４筒部１３１，１３２，１３３，１３４には、各筒部に供給された液体物質２０を隣の筒部へ流すための流路１３１ａ，１３２ａ，１３３ａが設けられている。第１乃至第４筒部１３１，１３２，１３３，１３４は、直線状に配列させても良いし、螺旋状に配列させても良い。

このように構成された水素発生装置の作用を説明する。まず、実施の形態１と同様、最も高い第１筒部１３１に液体物質２０が滴下され、水素の発生が開始される。一定量の液体物質２０が供給されると、第１筒部１３１から次に高さが低い第２筒部１３２へ、流路１３１ａを通じて、液体物質２０が供給される。そして、第１筒部１３１に引き続き、第２筒部１３２で水素が発生する。以下同様にして、第３筒部１３３、第４筒部１３４で、順々に水素の発生が開始される。

変形例１にあっても、実施の形態と同様にして、長時間にわたって、単位時間当たりの水素発生量の変動を抑えて、水素を安定的に生成することができる。

（変形例２）
図８は、変形例２に係る水素発生装置の要部を示した平面図である。変形例２に係る水素発生装置に係る装填部２０３は、反応容器の立設された高さが異なる複数の第１乃至第４筒部２３１，２３２，２３３，２３４を備える。第１筒部２３１を中心にして、２つの第２筒部２３２，２３２が略対称的に配されており、第２筒部２３２，２３２から時計回りに第３筒部及び第４筒部２３３，２２３，２３４，２３４が略対称的に、時計回りに並び配されている。第１乃至第４筒部２３１，２３２，２３３，２３４は、高さが順々に低くなるように隣接し、第１乃至第４筒部２３１，２３２，２３３，２３４には、各筒部に供給された液体物質２０を隣の筒部へ流すための流路が設けられている。

このように構成された水素発生装置の作用を説明する。まず、実施の形態１と同様、最も高い第１筒部２３１に液体物質２０が滴下され、水素の発生が開始される。一定量の液体物質２０が供給されると、第１筒部２３１から次に高さが低い第２筒部２３２，２３２へ、流路を通じて、液体物質２０が供給される。そして、第１筒部２３１に引き続き、第２筒部２３２，２３２で水素が発生する。以下同様にして、第３筒部２３３，２３３、第４筒部２３４，２３４で、順々に水素の発生が開始される。

変形例２にあっても、実施の形態と同様にして、長時間にわたって、単位時間当たりの水素発生量の変動を抑えて、水素を安定的に生成することができる。

（変形例３）
変形例３に係る水素発生装置は、基本的には実施の形態と同様の構成であり、蓋部、取付部、クランプ継手及び液体物質収容室の構成のみが異なるため、以下では主に上記相異点について説明する。

図９は、変形例３に係る水素発生装置の一構成例を示した側断面図である。変形例３に係る蓋部３０５は、実施の形態における蓋部３０５、取付部及びクランプ継手を一体とした円板状部材であり、反応容器１の開口部に固定され、該開口部を封止している。また、蓋部３０５には、給水口及び連通手段が設けられておらず、液体物質収容室３０２には予め液体物質２０が封入されている。液体物質収容室３０２の上部には、気体が通流する連通孔３０２ａが形成されている。連通孔３０２ａは、例えば、液体物質収容室３０２の周面に等間隔に複数設けられている。液体物質供給路開閉機構５４のハンドル５４ａが操作され、弁体５４ｄが上方へ移動すると、液体物質２０が滴下する。反応容器１内の気体は、連通孔３０２ａを通じて液体物質収容室３０２へ通流するため、液体物質２０の滴下によって液体物質収容室３０２が負圧になることは無く、液体物質２０の滴下は継続される。連通孔３０２ａの大きさは、水素発生装置を倒置しても、液体物質２０の表面張力で連通孔３０２ａを通過しないが、気体が通流できるような大きさが好ましい。なお、図示しない封止部材によって、連通孔３０２ａを塞いでおき、使用時に、封止部材を除去するように構成しても良い。例えば、封止部材は、液体物質供給路開閉機構５４によって移動するように構成すると良い。具体的には、封止部材は軸部５４ｃに接続され、連通孔３０２ａを封止する円環状の部材である。封止部材は、軸部５４ｃの上下動に伴って上下し、弁体５４ｄが滴下部２３に当接した場合、封止部材によって連通孔３０２ａが封止され、弁体５４ｄが滴下部２３から離隔した場合、連通孔３０２ａが開放されるように構成すると良い。

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
２３滴下部
３１第１筒部
３２第２筒部
３３第３筒部

Claims

水素化マグネシウムの加水分解反応が行われる反応容器を備え、該反応容器へ水又は酸性溶液を供給することによって、水素を発生させる水素発生装置において、
前記反応容器の底部に、水素化マグネシウム装填用の高さが順々に低くなるように隣接した複数の筒部が立設してあり、
更に、最も高い前記筒部の上方から、該筒部に装填された水素化マグネシウムに水又は酸性溶液を滴下する滴下部を備える
ことを特徴とする水素発生装置。
前記複数の筒部は同軸的に設けられており、
中心部の筒部は、外側の筒部よりも高さが高い
ことを特徴とする請求項１に記載の水素発生装置。
前記筒部は同心円状に設けられた円筒状であり、
中心部の筒部は、外側の筒部よりも高さが高い
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の水素発生装置。
前記筒部には、
水素化マグネシウムと共にクエン酸粉末が装填されている
ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一つに記載の水素発生装置。
前記筒部には、
水素化マグネシウムと共にクエン酸粉末が装填されており、
水素化マグネシウムに対するクエン酸粉末の量は、外側の筒部に比べて、中心部の筒部の方が多い
ことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の水素発生装置。
前記水素化マグネシウムは、
粉末状及び／又は固形状である
ことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一つに記載の水素発生装置。
中心部の筒部には、粉末状及び固形状の水素化マグネシウムが装填され、外側の筒部には固形状の水素化マグネシウムが装填されている
ことを特徴とする請求項２、請求項３、請求項５又は請求項６に記載の水素発生装置。