JP6059886B2

JP6059886B2 - 水素発生装置

Info

Publication number: JP6059886B2
Application number: JP2012118605A
Authority: JP
Inventors: 泰男石川
Original assignee: TI KK
Current assignee: TI KK
Priority date: 2012-05-24
Filing date: 2012-05-24
Publication date: 2017-01-11
Anticipated expiration: 2032-05-24
Also published as: JP2013245125A

Description

本発明は、水素を発生せしめる水素発生装置に関し、特に効率よく水素を発生させることができるとともに、装置寿命が長く且つ、効率良く水素を回収することができる水素発生装置に関する。

ステンレスの反応容器内にアルカリ金属溶融塩などの反応剤を収納せしめ、この反応容器を５００℃前後に加熱し、前記溶融塩の液面から微細粒子を飛散せしめ、この微細粒子群に水蒸気を接触せしめて水から水素を採集する技術に関して本件出願人はＰＣＴ出願を行っている。アルカリ金属溶融塩に投入される金属材料としては、酸化皮膜を有する金属が好適に用いられ、例えばステンレス（ＳＵＳ３０４）や鉄などが好適に用いられる。

国際公開第２０１２／０１１４９９号

しかしながら、前記出願に係る技術においては、反応容器をステンレスや鉄などの金属で形成したものを用いていた。また、反応容器は、反応容器の内部に金属材料や反応剤を収納するために中空円筒状に形成されており、該形状を成すために円柱パイプの両端に蓋部材を溶接して閉塞することで形成されている。このように形成された反応容器を上記方法によって５００℃前後に加熱すると、蓋部材の溶接部が加熱されることで早期に損傷してしまい、反応容器の製品寿命を延ばすことができないという問題があった。

本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、反応容器の製品寿命を延ばす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、内部が無酸素状態の反応容器内に酸化皮膜を有する金属と反応剤を収納し、該反応容器を加熱手段によって加熱して水素を発生させる水素発生装置であって、前記反応容器は、中空に形成されるとともに、該反応容器の端部を閉塞部材によって溶接する溶接部を備え、前記溶接部は、前記溶接部の加熱を防止するために前記加熱手段よりも長手方向に沿って離れて配置されることを特徴とする。

また、本発明に係る水素発生装置において、前記閉塞部材は、前記反応容器の端部側の内部に挿入される栓部を備えていることが好ましい。

また、本発明に係る水素発生装置において、前記栓部は、前記反応容器の内壁と間隙を介して挿入されると好適である。

また、本発明に係る水素発生装置において、前記加熱手段は、筐体の下方に配置され、前記反応容器のうち、前記加熱手段によって加熱される部位は前記筐体に収納されるとともに、前記溶接部は、前記筐体の外部に露出していることが好ましい。

また、本発明に係る水素発生装置において、前記筐体は、前記反応容器の長手方向を水平方向から傾斜せしめる傾斜手段を備えることが好ましい。

また、本発明に係る水素発生装置において、前記間隙は、前記栓部に形成された溝によって形成されることが好ましい。

また、本発明に係る水素発生装置において、前記反応容器は、複数配置されることが好ましい。

また、本発明に係る水素発生装置において、前記反応容器は、千鳥状に配列されることが好ましい。

本発明に係る水素発生装置は、反応容器が中空筒状に形成されるとともに、該反応容器の端部を閉塞部材によって溶接する溶接部を備え、溶接部が該溶接部の加熱を防止するために加熱手段よりも長手方向に沿って離れて配置されるので、加熱手段による加熱によって溶接部が破損することを防止することができ、反応容器の製品寿命を延ばすことができる。

本発明の実施形態に係る水素発生装置の概要を説明するための斜視図である。反応容器の構成を説明するための断面図である。本発明の実施形態に係る水素発生装置の概略図である。本発明の実施形態に係る水素発生装置の縦断面図である。閉塞部材の変形例を説明するための斜視図である。本実施形態に係る水素発生装置から取り出された気体の解析結果を示すグラフである。

図１は、本発明の実施形態に係る水素発生装置の概要を説明するための斜視図であり、図２は、反応容器の構成を説明するための断面図であり、図３は、本発明の実施形態に係る水素発生装置の概略図であり、図４は、本発明の実施形態に係る水素発生装置の縦断面図であり、図５は、閉塞部材の変形例を説明するための斜視図であり、図６は、本実施形態に係る水素発生装置から取り出された気体の解析結果を示すグラフである。

図１に記載されているように、本実施形態に係る水素発生装置１は、円筒状に形成された複数の反応容器１０…が筐体２を貫通するように配列されている。また、筐体２の下方には、加熱手段３０が配置されており、筐体２は、さらに筐体２を支持する４本の脚部２´…を備えている。なお、脚部２´の先端には筐体２の高さを調整する傾斜手段４０が取り付けられている。

図２に示すように、密閉された反応容器１０の内部には、反応剤２０が酸化皮膜を有する金属からなるトレイ部材２１に載置されて収納されている。トレイ部材２１は、反応容器１０の長手方向の中央部１０ａに配置されている。

トレイ部材２１は、例えば、鉄（Ｆｅ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ)、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）等の板状構造体となり得る単体金属、あるいは、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４、４３０、３１６等）、ニッケル合金（インコネル）、チタン合金（航空機用）、アルミニウム合金（ジェラルミン）、銅合金（黄銅、青銅、白銅）等の合金、更には、鉄に亜鉛（Ｚｎ）、スズ（Ｓｎ）をメッキしたトタン、ブリキ等が用いられる。

これらは、その表面に酸化鉄（Ｆｅ₂Ｏ₃、Ｆｅ₃Ｏ₄）、酸化銅（ＣｕＯ）、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）、酸化クロム（Ｃｒ₂Ｏ₃）、酸化チタン（ＴｉＯ₂）、酸化ニッケル（ＮｉＯ）の酸化皮膜をそれぞれ形成する。

また、合金としてのステンレス鋼は酸化クロムの不動態膜、ニッケル合金は酸化ニッケル（ＮｉＯ）チタン合金は酸化チタン（ＴｉＯ₂）、アルミニウム合金は酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）、銅合金又は酸化銅、トタンは酸化亜鉛（ＺｎＯ）、ブリキは酸化スズ（ＳｎＯ₂）の膜をそれぞれ形成する。

反応剤２０は、３００℃以上で溶融塩を作る水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）、水酸化カリウム（ＫＯＨ）が最も好ましい。固体反応剤としては、チタン酸カリウム（Ｋ₂ＴｉＯ₃）、チタン酸ナトリウム（Ｎａ₂ＴｉＯ₃）が好ましい。これらの反応剤は大きな親水性を示す。すなわち、反応剤はアルカリ金属と酸素を含むものである。

また、反応剤２０は、反応空間を確保するために、反応容器１０を略水平に配置した状態で、反応容器１０の径方向の高さが半分を超えない分量を収納することが望ましい。

反応容器１０は、上記トレイ部材２１と同様に酸化皮膜を有する金属によって中空円筒状に形成されており、その開口端を閉塞部材１１によって閉塞することで密閉されている。閉塞部材１１は、上記開口端において溶接されて、溶接部１２を形成している。反応容器１０は、長手方向に延びて形成されており、溶接部１２は、後述する加熱手段３０によって加熱される部位よりも長手方向に沿って十分に離れて配置されている。

閉塞部材１１は、開口端からトレイ部材２１までの空間を閉塞するように反応容器１０の端部側の内部に挿入される栓部１３が形成されている。栓部１３は、後述する導入口１５および取出口１６を閉塞しないように反応容器の内壁と間隙ｇを介して挿入されている。

また、反応容器１０は、反応容器１０内で生じた水素を外部に排出する取出口１６と、反応容器１０の外部に設置された水タンク５０からポンプなどの揚水手段によって反応容器１０の内部に水を間欠供給するための導入口１５が形成されている。なお、図３に示すように、反応容器１０内部は、取出口１６に取り付けられた図示しない真空ポンプによって真空引きされて無酸素状態とされている。さらに、反応容器１０内で生じた水素は、水素タンク７０に収容される。

本実施形態に係る水素発生装置１は、反応容器１０が複数配置されているので、水タンク５０から揚水された水は、分配手段６０によって所定の分量に分配されて各反応容器１０…に分配供給されている。なお、各反応容器１０は、導入口１５から供給された水が円滑に反応容器１０の内部に供給されるように、水平方向から２〜３度程度傾斜して配置されている。この傾斜は、筐体２の脚部２´に取り付けられた傾斜手段４０によって導入口１５側の高さが取出口１６側の高さよりも高くなるように調整することで規定される。なお、傾斜手段４０は周知のねじ式の高さ調整機構を用いても構わないし、厚みの異なる板材を脚部２´の端部に取り付けても構わない。

図４に示すように、本実施形態に係る水素発生装置１は、筐体２の縦断面が略六角形に形成されており、天面２ａ側には反応容器１０が鉛直方向に複数段配置されており、隣り合う段において反応容器１０が鉛直方向に重複しないように千鳥状に配列されている。本実施形態においては、反応容器１０は５段配列され、合計で１５本配列されている。

また、筐体２の底面２ｂには、加熱手段３０が複数配置されており、筐体２の内部において反応容器１０の中央部１０ａを加熱している。反応容器１０は加熱手段３０によって、中央部１０ａの内部，トレイ部材２１及び反応剤２０が３５０℃以上に加熱され、特に５００℃程度の温度に加熱されるのが好ましい。加熱手段３０は、面状ヒータやバーナなど種々の構成を採用することが可能である。また、後述する反応容器１０内で発生した水素を燃料とした水素バーナを採用すればランニングコストの抑制に寄与するため好適である。

上述したように加熱手段３０は、反応容器１０の外部から加熱するように構成されているので、反応容器１０の内部まで十分に加熱するために、反応容器１０の直径は、８０〜１００ｍｍに形成されることが好ましく、さらに、反応容器１０の肉厚は３〜５ｍｍに形成されることが好ましい。このような寸法で反応容器１０を形成することで、加熱手段３０によって反応容器１０の内部まで十分に加熱することが可能となり、効率よく水素を発生させることができる。

反応容器１０の加熱される位置となる中央部１０ａ及び、加熱手段３０は、筐体２に収納されており、反応容器１０の加熱効率を高めるほか、加熱手段３０による高熱によって周囲の環境を悪化させることなく、また火傷などの事故を防止することができる。また、反応容器１０の開口端側は、筐体２から外部に露出して構成されている。このような構成とすることで、溶接部１２が反応容器１０の長手方向に沿って加熱手段３０よりも離れて配置されることで、加熱手段３０による加熱によって溶接部１２を損傷することを防止している。

また、反応容器１０…は、鉛直方向に複数段配置されており、隣り合う段において反応容器１０が鉛直方向に重複しないように千鳥状に配列されているので、底面２ｂに配置された加熱手段３０によって上段の反応容器１０まで十分に加熱することが可能となる。なお、天面２ａには、排気口３が形成されており、余分な熱を外部に放出することができるように形成されている。排気口３から放出された熱は、他の水素発生装置に熱源として供給しても構わないし、他の熱利用に用いても構わない。

また、溶接部１２は筐体２の外部に露出しているので、加熱手段３０によって反応容器１０の中央部１０ａが加熱されても、溶接部１２への熱の伝搬を抑制している。なお、反応容器１０の外部に露出した部位に断熱材などを巻回して熱の伝搬をより抑制するように構成することも可能である。さらに、開口端を閉塞する閉塞部材１１は、反応容器１０内を閉塞する栓部１３を備えているので、開口端側の内部空間が反応空間として作用することがなくなり、溶接部１２への熱の伝搬をさらに抑制している。

また、上記実施例においては、脚部２´に取り付けた傾斜手段４０によって、反応容器１０を水平方向から傾斜して配置し、導入口１５から供給された水を反応容器１０内に円滑に導入する構造について説明を行ったが、図５に示すように、閉塞部材１１´の栓部１３に長手方向に沿った溝１４を形成し、該溝１４が水平方向から傾斜した傾斜面１４ａを有するように形成して間隙を構成しても構わない。

このように構成された本実施形態に係る水素発生装置１は、取出口１６に取り付けられた図示しない真空ポンプを駆動することで、反応容器１０内からは操作開始前に完全に空気、特に空気中の酸素が除去される。

このように反応容器１０内が無酸素状態で加熱手段３０によって反応容器１０を３５０℃以上、特に５００℃前後に加熱されると、トレイ部材２１および反応容器１０の内壁の表面から水素が発生してくる。このとき、反応容器１０内に空気中の酸素が存在すると、この酸素がトレイ部材２１および反応容器１０の表面に当初から存在した酸化膜とは別の新たな酸化膜を生じ、反応を短時間で停止させてしまう。したがって、上述したように本実施形態に係る水素発生装置１を操作する前に、反応容器１０内の空気を十分に除去する必要がある。

さらに、所定の間隔で導入口１５から水を反応容器１０内に供給すると、水は直ちに１２０℃程度の水蒸気となり、反応容器１０内の水蒸気は、トレイ部材２１および反応容器１０の内壁に接触し電離して水素を放出する。

また、反応剤２０は、加熱手段３０で加熱されることで、反応剤２０の表面からは、ナノオーダーの目には見えない無数の微細粒子が飛散し、この微細粒子がトレイ部材２１および反応容器１０の表面と反応して水素が発生する。

反応剤２０は、加熱手段３０で加熱されることにより３００℃以上で溶融塩となり、その液面から無数のナノオーダーの微細粒子がトレイ部材２１および反応容器１０の近傍に充満している。図６に示すように、本実施形態に係る水素発生装置１の取出口１６から取り出された気体を解析すると、水素が大量に発生している。これは、反応剤２０の溶融塩がトレイ部材２１および反応容器１０の酸化皮膜と反応を起こすことで水素が発生するものであると考えられる。

なお、反応容器１０内で発生した気体を質量分析器で分析したところ、図６に示すような結果となり、水素が９５％以上であり、酸素は殆んど生じていないという結果が得られた。このように、本実施形態に係る水素発生装置１は、簡単な構成で大量の水素を得られることがわかる。なお、図６に示す結果は、トレイ部材２１および反応容器１０をＳＵＳ３０４で形成し、反応剤２０として水酸化ナトリウムを用いた。

上述した本実施形態に係る水素発生装置１は、反応剤として水酸化ナトリウムを用い、トレイ部材２１および反応容器１０をＳＵＳ３０４で形成した場合について説明を行ったが、反応剤やトレイ部材および反応容器の材質はこれらに限られず、上述した種々の金属および反応剤を用いても構わない。

また、本実施形態に係る水素発生装置１は、反応容器１０を５段配列して合計１５本用いた場合について説明を行ったが、反応容器１０の数はこれに限られず、段数を適宜増減して反応容器１０の数を変更することが可能である。また、配列の方法も図４に示すように上方に向かって配列数が減少する三角形状に配置する場合に限られず、任意の配置に変更することが可能である。

さらに、トレイ部材２１は皿状に形成し、その上面に反応剤２０を載置した場合について説明を行ったが、トレイ部材２１を中空円柱状に形成し、上部に長手方向に沿った溝を形成して反応容器１０の内部と連通するように形成しても構わない。

さらにまた、反応容器１０は中空円筒状に限られず、例えば内部を中空に形成した平らな矩形筒状とすることも可能である。また、加熱手段３０は筐体２の下方に設置した場合について説明を行ったが、加熱手段３０に面状ヒータを適用し、該面状ヒータを各反応容器１０に巻回して配置しても構わない。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれうることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

１水素発生装置，
２筐体，
１０反応容器，
１０ａ中央部，
１１閉塞部材，
１２溶接部，
１３栓部，
１４溝，
１５導入口，
１６取出口，
２０反応剤
２１トレイ部材，
３０加熱手段，
５０水タンク，
６０分配手段，
７０水素タンク。

Claims

筐体と、この筐体を略水平方向に貫通する円筒状の反応容器と、この反応容器を加熱する加熱手段とを有し、
前記反応容器はその内部が無酸素状態で、その両端部分が筐体から外部に張出し、前記反応容器の長手方向中央部にトレイ部材が載置され、このトレイ部材は酸化皮膜を有する金属からなり、このトレイ部材内にアルカリ金属と酸素を含む反応剤が収納され、前記反応容器の両端部が閉塞部材を溶接することにより閉塞され、前記反応容器のうち、前記加熱手段によって加熱される部位は、前記筐体内に収納され、
前記反応容器の一端部には、水を供給する導入口を備え、その他端部には発生した水素を外部に排出する取出口を備え、
前記閉塞部材は、反応容器の端部側の内部に挿入される栓部を備えていることを特徴とする水素発生装置。
請求項１に記載の水素発生装置において、
前記栓部は、前記導入口および取出口を閉塞しないように前記反応容器の内壁と間隙を介して挿入されることを特徴とする水素発生装置。
請求項１又は２のいずれか１項に記載の水素発生装置において、
前記加熱手段は、筐体の下方に配置されることを特徴とする水素発生装置。
請求項３に記載の水素発生装置において、
前記筐体は、前記反応容器の長手方向を水平方向から傾斜せしめる傾斜手段を備えることを特徴とする水素発生装置。
請求項２に記載の水素発生装置において、
前記間隙は、前記栓部に形成された溝によって形成されることを特徴とする水素発生装置。
請求項１に記載の水素発生装置において、
前記反応容器は、筐体に複数配置されることを特徴とする水素発生装置。
請求項６に記載の水素発生装置において、
前記反応容器は、千鳥状に配列されることを特徴とする水素発生装置。