JP6326397B2 - 水素生成装置および給湯システム - Google Patents
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Description
図1は、第1の実施形態の水素生成装置1の構成の一例を示すブロック図である。
本実施形態の水素生成装置1は、水を電気分解して、水素および酸素を生成する。水素生成装置1は、給湯装置の水・湯供給用の配管ルートに水素を供給可能である。このために、水素生成装置1は、図1に示すように、電極部2と、蒸留水タンク11と、気液分離器12と、乾燥フィルタ13と、電源部3と、制御部4と、表示部5とを備える。
第2の実施形態の水素生成装置1として、電極部2の構成例を示す。ここで、図2には、図1の水素生成装置1に用いられる電極部2の構造の一例(電極部2A)を示し、図3には、同じく電極部2の他の構造の一例(電極部2B)を示す。
次に、水電気分解用電極材料(水素極22及び酸素極23)について説明する。図5に、水素極22及び酸素極23の構造の一例を示す。
本実施形態の水電気分解用電極材料(水素極22及び酸素極23)の実施例では、例えば、以下の異なる複数の遷移金属を含有する成形体が用いられる。
(酸素極) H2O→1/2・O2+2H++2e− ・・・(式1)
(水素極) 2H++2e−→H2 ・・・(式2)
例えば、以下に説明するような製造条件によりいくつかの異なる成形体を製造した例を示す。前述した図5は、試作した成形体の外観を示すものである。また、図6は、試作した成形体(水電気分解用電極材料(水素極22及び酸素極23))の概要を示す一覧表である。
試作No11、No12の金属材料は、48Fe−48Ni−4Cuである。すなわち、その金属材料は、Fe(鉄)、Ni(ニッケル)、Cu(銅)の金属を、質量比で略48:48:4の組成比として含むものである。また、試作No13、No14の金属材料は、Fe−48Ni−4Cuである。すなわち、その金属材料は、Fe(鉄)、Ni(ニッケル)、Cu(銅)の金属を、質量比で略1:48:4の組成比として含むものである。
好ましくは、成形体製造のために混合される粉体は、球状または針状、もしくは、少なくとも一の種類の金属材料が球状および他の種類の金属材料が針状に加工されている。
さらに、好ましくは、成形体に含まれる金属のうちで、少なくとも最も融点の低い金属が球状であり、最も高い融点である他の金属が針状の粉体である。
各遷移金属または金属の粉体を混合機などで均一に分散するように混合し、混合した粉体を成形するための型に入れて、所定の圧力で加圧する。加圧時の圧力は、5〜8(t/cm2)程度、換言すれば、およそ500〜800(Mpa)程度である。
次に、混合された粉体を型枠に入れて加圧成形後に、成形体を焼結する。例えば、Fe(鉄)、Ni(ニッケル)、Cu(銅)の組成比が質量比で略1:48:4である金属を含む成形体(Fe−48Ni−4Cu)および、質量比で略48:48:4である金属を含む成形体(48Fe−48Ni−4Cu)を焼結する際の焼結条件は、以下のとおりである。
目安として、焼結温度が1100℃を下回ると、成形体に含まれるCuの融点1084℃を、特に、成形体の内部側ではほぼ下回る。この場合には、高い電気伝導率のCuが融解しないため、他の遷移金属の粉体に密に接合し難い。一方、焼結温度が1400℃を超えると、特に、成形体に多く含まれるNiの融点1455℃を超えた場合に、加圧成形された状態である程度の空隙が設けられているため、この温度加熱によってNiの融解が始まるため、形成された空隙が極端に変形し、また、気孔を塞ぐなどの問題が生じる。また、所望の空隙率を調整し難くなる。
設定された焼結温度にて、十分な加熱時間を設けて、圧力常圧(大気圧)程度で、成形体を焼結する。なお、焼結時間4〜6時間は、経験的なものに基づくデータである。また、焼結時には、金属が酸化しないように、雰囲気中には不活性ガスを用いている。
以下、本実施形態の水電気分解用電極材料の製造方法の一例について説明する。
基本の工程として、白金族元素以外の複数の異なる遷移金属またはそれらと他の金属の粉体を全体的に均一になるように混合し、当該混合した粉体を加圧および焼結して、成形体(水電気分解用電極材料)を製造する工程を含む製造方法である。例えば、水電気分解用電極材料の製造方法は、以下のような工程を含んでいる。
はじめに、第一の工程は、遷移金属またはそれらと他の金属ごとに、粉体として200μm以下に粉砕して加工する粉砕工程である。
好ましくは、粉砕工程には、粉体を球状または針状、もしくは、少なくとも一の種類の金属材料が球状および他の種類の金属材料が針状に加工する形状加工工程をさらに含む。
次に、第二の工程は、粉砕工程後に、異なる遷移金属を含む粉体を均一に分散するように混合する混合工程である。
次に、第三の工程は、混合工程後に、均一に分散された粉体を型枠に入れて、略500〜800Mpaの圧力で加圧して成形体を形成させる加圧工程である。
(焼結工程)
次に、第四の工程は、加圧工程後に、高温で成形体を焼結する焼結工程である。好ましくは、焼結工程の設定した焼結温度において、焼結時間4〜6時間程度である。
試作No11、No12の金属材料は、48Fe−48Ni−4Cuであり、試作No13、No14の金属材料は、Fe−48Ni−4Cuである。ここで、48Fe−48Ni−4Cuの表記は、金属材料として含まれる、Fe(鉄)、Ni(ニッケル)、Cu(銅)の組成比が質量比で48:48:4であり、Fe−48Ni−4Cuの表記は、金属材料として含まれる、Fe(鉄)、Ni(ニッケル)、Cu(銅)の組成比が質量比で1:48:4であることを示すものである。本材料は、各金属が入手容易であり、材料コスト的にも低コストである。
焼結後、図6に示すように、試作No11〜No14の各々について、成形体の平均外形、平均厚さを測定した。また、平均外形および平均厚さから成形体の体積を計算し、さらに試作Noごとの質量を測定して、測定した質量を計算した体積で割り算し、各々の密度を算出した。
図6に示す成形体の相対密度は、以下のように算出したものである。
公知の技術では、粒子の最密充填の粒子径を組み合わせれば(粒子間の隙間にさらに小さい粒子を埋めていき粒子を配合調整)、理論的な空隙率を4%程度までに充填できることが知られている。そこで、このような最密充填(粒子を96%充填)とされる金属プレートを100%相対密度として、成形体の相対密度を算出する。
Feの密度:7.874(g/cm3)、20℃
Niの密度:8.902(g/cm3)、25℃
Cuの密度:8.96(g/cm3)、20℃
ここで、Fe、Ni、Cuの組成比が質量比で1:48:4であると、例えばこれらの比率で金属の質量及び体積を単純加算した場合、53(g)当たりの体積は5.9654(cm3)となるため、53(g)/5.9654(cm3)=8.885(g/cm3)である。
・48Fe−48Ni−4Cuの密度ρ1では、
ρ1=8.379(g/cm3)×0.96=8.04(g/cm3)
・Fe−48Ni−4Cuの密度ρ2では、
ρ2=8.885(g/cm3)×0.96=8.53(g/cm3)
として算出する。以上の密度ρ1=8.04(g/cm3)、ρ2=8.53(g/cm3)を相対密度100%とする比較基準として用い、図6の相対密度を算出した。
前述した最密充填とされる金属プレートを100%相対密度とし、さらに、このときの相対的な空隙率を0%とする基準として用い、成形体の空隙率を(式3)のように定義する。
空隙率=100−相対密度(%) ・・・(式3)
(試作No11)相対密度69%、空隙率31%
(試作No12)相対密度79%、空隙率21%
(試作No13)相対密度75%、空隙率25%
(試作No14)相対密度82%、空隙率18%
以上のような結果となる。なお、この他にも、空隙率の算出に関して、水または油(接触角の小さな液体)を成形体への含浸量を測定して算出する等の方法であってもよい。
・焼結温度 温度Hi=1100〜1300℃(中心温度1200℃程度)
温度Lo=1000〜1200℃(中心温度1100℃程度)
他例1)Ni,Fe,Cr,Mg: Mgを1〜3質量%を含む
他例2)Ni,Fe,Cr,Zn: Znを2〜3質量%を含む
他例3)Ni,Fe,Cr,Al: Alを5〜6質量%を含む
3d遷移金属と、以上のような金属の組み合せなども、水電気分解用電極材料として有望であることがわかった。
第3の実施形態の水素生成装置1として、電極部2のさらに他の構成例を示す。ここで、図7には、図1の水素生成装置1に用いられる電極部2のさらに他の構造の一例(電極部2C)を示す。
水素生成装置1(図1に相当)の電源スイッチ(図示せず)を押して電源をONにすると、水素極ユニット22c及び酸素極ユニット23cに電源部3から電圧が印加されるとともに、図7に示す紫外線照射手段28に対して照射用電源30から照射用電力が供給される。これにより、紫外線照射手段28は、第2の水素極触媒層220及び第2の酸素極触媒層230に紫外線を照射する。
以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。また、例えば、この実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。例えば、白金を用いる電極触媒を使用する際に、その白金使用量を少量とするために、本発明に係る水電気分解用電極材料を用いるなどである。この実施形態やその変形には、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
3…電源部 4…制御部
5…表示部 7…給湯装置
8…浴槽設備 10…給湯設備
11…蒸留水タンク 12…気液分離器
13…乾燥フィルタ 15…水素排出用開閉弁
16…排出ポンプ 22…水素極
22b、22c…水素極ユニット 23…酸素極
23b、23c…酸素極ユニット 24…PEM膜
25…水素収容部 26…水収容部
28…紫外線照射手段 30…照射用電源
31…水素排出接続部 32…水排出部
33…酸素排出接続部 34…水供給接続部
35…電極接続端子 71…給湯ポンプ
72…混合部 81…循環ポンプ
111…液面センサ 112…電極電流検知センサ
113…水素圧力センサ 114…水素量計
220…第2の水素極触媒層 222、232…密閉板
223、233…微細孔 230…第2の酸素極触媒層
Claims (7)
- 水を電気分解して水素を供給可能な水素生成装置であって、
水素を排出可能な密閉容器で形成され、当該密閉容器のなかで水素極と酸素極とが電解質膜の両側を挟むように設けられた、水を電気分解する電極部と、
前記電極部における前記水素極と前記酸素極との間に直流電圧を印加する電源部とを備え、
前記水素極における水素極触媒層または前記酸素極における酸素極触媒層として用いられる水電気分解用電極材料において、
Ru、Rh、Pd、Os、IrおよびPtの白金族元素を含有しない水電気分解用電極材料であって、
前記水電気分解用電極材料は、FeまたはNiを主成分とする成形体であって、3d遷移金属に属する複数の異なる遷移金属であるNiおよびFe、NiおよびCu、または、FeおよびCuを少なくとも含有する成形体からなり、
前記成形体は、前記金属材料の各々の粉体を含む混合物からなり、かつ、前記水および前記水が電気分解されて発生する水素ガスまたは酸素ガスが前記成形体を透過可能なように前記成形体に分散した空隙を有する
ことを特徴とする水素生成装置。 - 前記複数の異なる遷移金属は、3d遷移元素に属するFe、Ni、Mn、CrまたはTiのいずれかを少なくとも含み、
さらに、前記成形体には、当該含まれる遷移金属以外の前記金属材料として、当該含まれる遷移金属よりも高い電気伝導率であるCu、Zn、AlまたはMgのいずれかを含む
ことを特徴とする請求項1に記載の水素生成装置。 - 前記成形体における前記金属材料の組成比は、前記成形体の質量を100質量%とした場合に、Mgを1〜3質量%またはZnを2〜3質量%またはAlを5〜6質量%を少なくとも含み、100質量%から当該含まれる金属の質量%を差し引いた質量%を総計とするNi、FeおよびCrを含む
ことを特徴とする請求項2に記載の水素生成装置。 - 前記成形体の空隙率は、前記成形体の容積に対し、20%ないし40%の範囲である
ことを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか一項に記載の水素生成装置。 - 前記水電気分解電極材料において、前記水素極触媒層または前記酸素極触媒層には、さらに、酸化チタン材料を含む
ことを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか一項に記載の水素生成装置。 - 前記電極部は、前記水素極または前記酸素極に紫外線を照射する紫外線照射手段をさらに有する
ことを特徴とする請求項5に記載の水素生成装置。 - 請求項1ないし請求項6のいずれか一項に記載の前記水素生成装置と、
水または湯を給湯配管に供給可能な給湯装置と、
前記水素生成装置から水素ガスを排出するための排出ポンプとを備え、
前記排出ポンプにより、前記給湯装置から供給される水または湯に前記水素生成装置から排出される水素ガスを混合して前記給湯配管に戻す
ことを特徴とする給湯システム。
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