JP6446354B2 - 水素発生装置、水素発生システム及び燃料電池システム - Google Patents
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Description
この水素発生装置には、前記凝縮器で液化された溶媒を一時的に貯留する溶媒バッファタンクを設けることができる。
本発明の水素発生装置は、前記蒸発器で得た無水メタホウ酸ナトリウムを貯留する脱着可能な副生成物回収タンクを有していてもよい。
又は、本発明の水素発生装置は、水素化ホウ素ナトリウムを貯留する原料貯留部と、前記蒸発器で得た無水メタホウ酸ナトリウムを貯留する副生成物貯留部とを備え、脱着可能な原料タンクを有していてもよい。
この水素発生システムには、前記凝縮装置で液化された溶媒を一時的に貯留する溶媒バッファタンクを設けることができる。
本発明の水素発生システムは、前記蒸発装置で得た無水メタホウ酸ナトリウムを貯留する副生成物回収タンクを有していてもよい。
又は、本発明の水素発生システムは、水素化ホウ素ナトリウムを貯留する原料貯留部と、前記蒸発装置で得た無水メタホウ酸ナトリウムを貯留する副生成物貯留部とを備える原料タンクを有していてもよい。
この燃料電池システムは、前記燃料電池で生成した水を回収する生成水回収装置を有していてもよく、その場合、前記生成水回収装置で回収された水が前記水素発生装置の反応部又は前記水素発生システムの反応装置に供給される。
前記燃料電池には、例えば固体高分子形燃料電池を用いることができる。
先ず、本発明の第1の実施形態に係る水素発生装置について説明する。図1は本実施形態の水素発生装置の構成を示す概念図である。図1に示すように、本実施形態の水素発生装置10は、反応部1と、蒸発器2と、凝縮器3と、ヒートポンプ4とを備えており、更に、必要に応じて、原料タンク5、用役水タンク6、副生成物回収タンク7、溶媒バッファタンク8などが設けられる。
反応部1は、水素化ホウ素ナトリウムを加水分解して水素を発生させると共に、生成したメタホウ酸ナトリウムを溶媒と共に排出するものである。反応部1の構成は特に限定されるものではないが、例えば非特許文献1に記載されている小型遠心リアクターを用いることができる。この反応部1で発生した水素(H2)は、燃料として燃料電池に供給しても、別途設けられた回収容器に収容してもよい。一方、副生成物のメタホウ酸ナトリウムは、溶媒と共に反応部1外に排出される。
蒸発器2は、反応部1から排出された溶液から溶媒を蒸発させて無水メタホウ酸ナトリウムを得るものである。蒸発器2を用いて、溶媒を高温下で短時間に蒸発させると、溶媒が水の場合や溶媒に水が含まれている場合でも、結晶水は形成されず、無水のメタホウ酸ナトリウムが得られる。蒸発器2の構成は、特に限定されるものではなく、溶液を連続的に加熱して溶媒を蒸発させることが可能なものであればよい。なお、蒸発器2で生成した無水メタホウ酸ナトリウムの粉末は例えば副生成物回収タンク7に送られ、溶媒蒸気は凝集器3に送られる。
凝縮器3は、蒸発器2から排出された溶媒蒸気を液化するものである。凝縮器3の構成は、特に限定されるものではなく、公知の凝縮器を用いることができる。凝縮器3で液化して得た溶媒は、例えば後述する溶媒バッファタンク8に一時的に貯留された後、反応部1に供給されて再利用される。
ヒートポンプ4は、反応部1及び凝縮器3で発生した熱を吸熱して回収し、回収した熱を高温にして蒸発器2に供給するものである。図2は図1に示すヒートポンプ4の構成を模式的に示す図である。ヒートポンプ4の構成は、特に限定されるものではないが、例えば、吸熱極41となる蒸発器、排熱極42となる凝縮器、圧縮ポンプ43及び膨張弁44を備えるものを使用することができる。
原料タンク5は、反応部1に供給される水素化ホウ素ナトリウムを貯留するものであり、装置内に設けられていても、装置とは別に設けられていてもよい。また、装置内に設けられている場合は、装置に固定されていても、カートリッジのように脱着可能となっていてもよい。
用役水タンク6は、反応部1に供給される加水分解用の水を貯留するものであり、前述した原料タンク5と同様に、装置内に設けられていても、装置とは別に設けられていてもよい。また、装置内に設けられている場合は、装置に固定されていても、脱着可能となっていてもよい。この用役水タンク6には、反応部1に接続された排水口の他に、例えば内部に水を供給するための給水口などが設けられていてもよい。
副生成物回収タンク7は、蒸発器2で得た無水メタホウ酸ナトリウムを貯留するものであり、装置内に設けられていても、装置とは別に設けられていてもよい。また、装置内に設けられている場合は、装置に固定されていても、カートリッジのように脱着可能となっていてもよい。なお、副生成物回収タンク7が水素発生装置内に固定設置されている場合は、作用性の観点から、内部に貯留されている無水メタホウ酸ナトリウムを回収するための回収口を設けることが望ましい。
溶媒バッファタンク8は、凝縮器3で液化された溶媒を一時的に貯留し、貯留された溶媒を適宜反応部1に供給するものである。この溶媒バッファタンク8も、前述した各タンクと同様に、装置内に設けられていても、装置とは別に設けられていてもよい。溶媒バッファタンク8には、凝縮器3に接続された導入口及び反応部1に接続された排出口の他に、例えば内部に溶媒を追加するための給液口が設けられていてもよい。なお、溶媒に水を使用する場合は、別途溶媒バッファタンク8を設けず、凝縮器3で液化された溶媒(水)を用役水タンク6に貯留し、用役水タンク6から反応部1に供給するようにしてもよい。
次に、本実施形態の水素発生装置を用いて、水素を発生する方法について説明する。図1に示すように、反応部1には、原料タンク5から水素化ホウ素ナトリウムが、用役水タンク6から水が、溶媒バッファタンク8から溶媒がそれぞれ供給される。そして、反応部1において水素化ホウ素ナトリウムが加水分解され、水素が発生する。このとき発生する反応熱Q2aは、ヒートポンプ4により回収される。また、反応により生じた水素は、例えば燃料として燃料電池に供給したり、別途設けられた回収容器に収容したりすることができる。
次に、本発明の第1の実施形態の変形例に係る水素発生装置について説明する。図3は本変形例の水素発生装置の構成を示す概念図であり、図4はその原料タンク15の構成を模式的に示す図である。なお、図3においては図1に示す水素発生装置の構成要素と同じものには同じ符号を付し、以下詳細な説明は省略する。前述した第1の実施形態の水素発生装置10では、原料タンク5と副生成物回収タンク7とを別々に設けていたが、本発明はこれに限定されるものではなく、図3に示すように、原料タンク15が副生成物回収タンクを兼ねていてもよい。
図4に示すように、本変形例の水素発生装置20は、原料タンク15の内部に例えば上下方向又は左右方向に移動可能な隔離壁が設けられており、この隔離壁により原料タンク15の内部が原料貯留部15aと副生成物貯留部15bに区画されている。この場合、例えば反応前は、原料タンク15の大部分は原料貯留部15aとなり、原料である水素化ホウ素ナトリウムが充填されている。そして、反応が進行して水素化ホウ素ナトリウムが減少すると、原料貯留部15aが減少し、空いたスペースが副生成物貯留部15bとなり、無水メタホウ酸ナトリウムが貯留される。
次に、本発明の第2の実施形態に係る水素発生システムについて説明する。前述した第1の実施形態及びその変形例では、装置内に反応部、蒸発器、凝集器及びヒートポンプが設けられた形態を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、それぞれ独立した装置から構成される水素発生システムとすることもできる。
次に、本発明の第3の実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。図5は本実施形態の燃料電池システムの構成を示す概念図である。なお、図5においては図1に示す水素発生装置の構成要素と同じものには同じ符号を付し、以下詳細な説明は省略する。図5に示すように、本実施形態の燃料電池システム50は、図1に示す水素発生装置10に燃料電池9を組み込み、燃料電池9から排出される生成水を、用役水バッファタンク36などを介して、反応部1に供給されるようにしたものである。
燃料電池9は、水素発生システムから供給された水素(H2)と空気中の酸素(O2)とを反応させて、電気エネルギーを発生させるものであり、その反応は下記化学式4で表される。従来の燃料電池では、空気中の酸素以外の成分や反応により生じた生成水(4H2O)は、排気口から電池外に放出しているが、本実施形態の燃料電池システムでは、生成水を回収し、反応部1における加水分解反応に利用する。
本実施形態の燃料電池システム50では、用役水タンクの代わりに、用役水バッファタンク36が設けられている。用役水バッファタンク36は、燃料電池9から排出された生成水(4H2O)を一時的に貯留し、適宜反応部1に供給するものである。用役水バッファタンク36は、他のタンクと同様に、装置内に設けられていても、装置とは別に設けられていてもよい。また、用役水バッファタンク36には、燃料電池9に接続された導入口及び反応部1に接続された排出口の他に、生成水とは別に水を追加するための給水口が設けられていてもよい。
次に、本発明の第3の実施形態の変形例に係る燃料電池システムについて説明する。図6は本変形例の燃料電池システムの構成を示す概念図である。なお、図6においては図3に示す水素発生装置の構成要素と同じものには同じ符号を付し、以下詳細な説明は省略する。
2 蒸発器
3 凝縮器
4 ヒートポンプ
5、15、101 原料タンク
6、102 用役水タンク
7 副生成物回収タンク
8 溶媒バッファタンク
9、200 燃料電池
10、20、100 水素発生装置
15a 原料貯留部
15b 副生成物貯留部
16 袋体
41 吸熱極(蒸発器)
42 排熱極(凝縮器)
43 圧縮ポンプ
44 膨張弁
45 冷媒
50、60 燃料電池システム
36 用役水バッファタンク
104 廃液タンク
Claims (11)
- 水素化ホウ素ナトリウム、水及び溶媒が供給され、前記水素化ホウ素ナトリウムを加水分解して水素を発生させると共に、生成したメタホウ酸ナトリウムを前記溶媒と共に排出する反応部と、
前記反応部から排出された溶液から溶媒を蒸発させて無水メタホウ酸ナトリウムを得る蒸発器と、
前記蒸発器から排出された溶媒蒸気を液化する凝縮器と、
前記反応部及び前記凝縮器で発生した熱を回収し、前記蒸発器に前記熱を供給するヒートポンプと、
を有し、
前記凝縮器で液化された溶媒が前記反応部に供給される水素発生装置。 - 前記凝縮器で液化された溶媒を一時的に貯留する溶媒バッファタンクを有する請求項1に記載の水素発生装置。
- 前記蒸発器で得た無水メタホウ酸ナトリウムを貯留する脱着可能な副生成物回収タンクを有する請求項1又は2に記載の水素発生装置。
- 水素化ホウ素ナトリウムを貯留する原料貯留部と、前記蒸発器で得た無水メタホウ酸ナトリウムを貯留する副生成物貯留部とを備え、脱着可能な原料タンクを有する請求項1又は2に記載の水素発生装置。
- 水素化ホウ素ナトリウム、水及び溶媒が供給され、前記水素化ホウ素ナトリウムを加水分解して水素を発生させると共に、生成したメタホウ酸ナトリウムを前記溶媒と共に排出する反応装置と、
前記反応装置から排出された溶液から溶媒を蒸発させて無水メタホウ酸ナトリウムを得る蒸発装置と、
前記蒸発装置から排出された溶媒蒸気を液化する凝縮装置と、
前記反応装置及び前記凝縮装置で発生した熱を回収し、前記蒸発装置に前記熱を供給するヒートポンプと、
を有し、
前記凝縮装置で液化された溶媒が前記反応装置に供給される水素発生システム。 - 前記凝縮装置で液化された溶媒を一時的に貯留する溶媒バッファタンクを有する請求項5に記載の水素発生システム。
- 前記蒸発装置で得た無水メタホウ酸ナトリウムを貯留する副生成物回収タンクを有する請求項5又は6に記載の水素発生システム。
- 水素化ホウ素ナトリウムを貯留する原料貯留部と、前記蒸発装置で得た無水メタホウ酸ナトリウムを貯留する副生成物貯留部とを備える原料タンクを有する請求項5又は6に記載の水素発生システム。
- 燃料電池と、
請求項1〜4のいずれか1項に記載の水素発生装置又は請求項5〜8のいずれか1項に記載の水素発生システムと、
を有する燃料電池システム。 - 前記燃料電池で生成した水を回収する生成水回収装置を有し、
前記生成水回収装置で回収された水が前記水素発生装置の反応部又は前記水素発生システムの反応装置に供給される請求項9に記載の燃料電池システム。 - 前記燃料電池は、固体高分子形燃料電池である請求項9又は10に記載の燃料電池システム。
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