JP7178039B2

JP7178039B2 - 水素生成装置および水素生成方法

Info

Publication number: JP7178039B2
Application number: JP2018030090A
Authority: JP
Inventors: 浩之上杉; 堅一上杉; 通野際; 衡▲機▼ 韓; 昇勳韓
Original assignee: SAC. CO., LTD.; Bio Coke Lab Co Ltd
Current assignee: SAC. CO., LTD.; Bio Coke Lab Co Ltd
Priority date: 2018-02-22
Filing date: 2018-02-22
Publication date: 2022-11-25
Anticipated expiration: 2038-02-22
Also published as: JP2019142754A

Description

本発明は、水素生成装置および水素生成方法に関する。

水素を燃料にして発電する燃料電池が、広範な技術分野において使用されている。燃料電池に供給する水素を、水素化マグネシウム粒子の加水分解によって生成する水素生成装置が提案されている（特許文献１）。

特開２００９－９９５３４号公報

しかしながら、特許文献１に記載の水素生成装置は、長時間の連続運転には適さないという問題点がある。

一つの側面では、長時間の連続運転が可能な水素生成装置等を提供することを目的とする。

水素生成装置は、反応容器の内部に水を供給する第１管と、水素発生材の粉と水とを混合する混合器と、前記混合器で混合した混合物を前記反応容器の内部に供給する第２管と、前記反応容器の上部に接続され、前記第１管により供給されて前記反応容器内に貯留した水と前記第２管により供給された前記混合物に含まれる水素発生材との化学反応により生じた水素を流出させる第３管と、前記反応容器の下部に接続され、前記第３管から流出させる水素を生成する際の反応生成物を含む水を流出させる排水管とを備え、前記混合物は、水素発生材の粉と水とを混練したペーストである。

水素生成装置は、前記反応容器の内部の温度を所定の温度に維持する温度調整機構を備える。

水素生成装置は、前記反応容器の内部を暖めるヒータを備える。

水素生成装置は、前記混合物は、水素発生材の粉と水とを混練したペーストである。

水素生成装置は、前記ペーストを所定の速度で前記反応容器の内部に押し出すスクリューを備える。

水素生成装置は、前記混合物は、重量比で２０パーセント以上７０パーセント以下の水素発生材を含む。

水素生成装置は、前記混合物は、水素発生材の粉と水とを混合した懸濁液である。

水素生成装置は、前記混合物は、重量比で１３パーセント以上２２パーセント以下の水素発生材を含む。

水素生成装置は、前記水素発生材は、水素化マグネシウムである。

水素生成装置は、前記水素発生材は、平均粒径が１マイクロメートル以上２０マイクロメートル以下である。

水素生成装置は、前記水素発生材は、平均粒径が１マイクロメートル以上１５マイクロメートル以下である。

水素生成方法は、反応容器の内部に水を供給し、水素発生材の粉と水とを混合し、混合した混合物を前記反応容器の内部に供給し、前記反応容器の上部から前記反応容器内に貯留した水と前記混合物に含まれる水素発生材との反応により生じた水素を流出させ、前記反応容器の下部から反応生成物を含む水を流出させる。

一つの側面では、長時間の連続運転が可能な水素生成装置等を提供できる。

水素生成装置の構成を説明する説明図である。混合器の構成を説明する説明図である。水素生成装置の制御系のブロック図である。プログラムの処理の流れを示すフローチャートである。実験例１の反応容器内の温度および水素生成量の変化を示すグラフである。実験例２の反応容器内の温度および水素生成量の変化を示すグラフである。実施の形態２の混合器の構成を説明する説明図である。実施の形態３の混合器の構成を説明する説明図である。実施の形態４の水素生成装置の構成を説明する説明図である。

［実施の形態１］
図１は、水素生成装置１０の構成を説明する説明図である。水素生成装置１０は、反応容器２１、混合器８８、水素発生材容器３１、水タンク６１、分離槽６３、冷却槽６５、水素タンク７１およびリザーバタンク７４を備える。図１を使用して、本実施の形態の水素生成装置１０の概要を説明する。

反応容器２１は円形断面の中空容器である。反応容器２１の外側には、ヒータ５８および第１冷却装置５４１が取り付けられている。ヒータ５８は、反応容器２１を暖める装置である。第１冷却装置５４１は、反応容器２１を水冷または空冷等により冷却する装置である。ヒータ５８および第１冷却装置５４１は、反応容器２１の温度を所定の温度に維持する温度調整機構を構成する。

なお、ヒータ５８は、反応容器２１の内部に取り付けても良い。たとえば、ヒータ５８にコイルヒータを使用することにより、後述する様に反応容器２１の内部に貯留した液体を直接暖めることができる。

反応容器２１の天面の中央付近に設けられた接続部は、第３管６６３を介して冷却槽６５と接続されている。冷却槽６５は、送気管６８１を介して水素タンク７１と接続されている。さらに冷却槽６５は、送水管を介して水タンク６１と接続されている。水タンク６１は、途中に第１バルブ５６１を有する第１管６６１を介して反応容器２１に接続されている。

反応容器２１の底は、下に向けて径が小さくなるテーパ部を有する。テーパ部の最下部に、後述する化学反応により生成する反応生成物、たとえば水酸化マグネシウムおよび酸化マグネシウム等を含む水を排出する排水口２５が設けられている。排水口２５は、途中に排水バルブ５６６を備える排水管６６６を介して分離槽６３に接続されている。分離槽６３は上澄み液を流すオーバーフロー管６７を介して複数が直列に接続されている。最後の分離槽６３は、途中にポンプ５７を備える戻り管を介して水タンク６１に接続されている。

水素タンク７１に、水素放出管７５が接続されている。リザーバタンク７４は、途中にリザーババルブ５６８を有する補給管６６８を介して、水素放出管７５に接続されている。

水タンク６１は、途中に第４バルブ５６４を有する第４管６６４を介して、混合器８８に接続されている。水素発生材容器３１も、途中に供給バルブ５６７を有する供給管６６７を介して混合器８８に接続されている。混合器８８は、第２管６６２を介して反応容器２１の上面に接続されている。

図２は、混合器８８の構成を説明する説明図である。混合器８８は、第４管６６４および供給管６６７が上部に接続された懸濁容器８１を有する。懸濁容器８１の下部に、第２バルブ５６２を介して第２管６６２が接続されている。懸濁容器８１の外側に、第２冷却装置５４２が取り付けられている。

懸濁容器８１は、スターラ８２１の上に載せられている。懸濁容器８１の底に、スターラ８２１が発生する磁場により回転する回転子８２２が入っている。なお、スターラ８２１と回転子８２２とは、懸濁容器８１内の液体を攪拌する攪拌器８２の一例である。攪拌器８２は、懸濁容器８１と、懸濁容器８１内で回転するインペラとを備えても良い。

図１および図２を使用して説明を続ける。水素発生材容器３１には、水と反応して水素を発生する水素発生材の粉が収容されている。水素発生材は、たとえば水素化マグネシウムである。懸濁容器８１内で、水素発生材と水とが攪拌され、懸濁液になる。懸濁液は、第２冷却装置５４２により後述する化学反応が起こらない程度の低温に保たれる。具体的には、懸濁液の温度は摂氏１０度以下に保つことが望ましい。懸濁液の温度は摂氏５度以下に保つことがさらに望ましい。

反応容器２１には、第１管６６１から水が、第２管６６２から水素発生材の懸濁液がそれぞれ供給される。ヒータ５８および第１冷却装置５４１により、反応容器２１の内部は下記の（１）式から（６）式に示す化学反応が生じる温度に保たれる。

水素発生材に水素化マグネシウムを使用する場合には、反応容器２１内で以下の反応式により水素が発生する。

ＭｇＨ₂＋２Ｈ₂Ｏ → Ｍｇ（ＯＨ）₂＋２Ｈ₂ ‥‥‥（１）
ＭｇＨ₂＋Ｈ₂Ｏ → ＭｇＯ＋２Ｈ₂ ‥‥‥（２）

式（１）は水素化マグネシウムと温水とが反応する場合の反応式、式（２）は水素化マグネシウムと高温の水蒸気とが反応する場合の反応式である。いずれも、水素化マグネシウムの加水分解の反応である。

水素発生材は、マグネシウム粉、アルミニウム粉、鉄粉、またはカルシウム粉等でも良い。これらの水素発生材を使用する場合には、それぞれ以下の反応式により水素が発生する。

Ｍｇ＋２Ｈ₂Ｏ → Ｍｇ（ＯＨ）₂＋Ｈ₂ ‥‥‥（３）
２Ａｌ＋６Ｈ₂Ｏ → ２Ａｌ（ＯＨ）₃＋３Ｈ₂ ‥‥‥（４）
Ｆｅ＋２Ｈ₂Ｏ → Ｆｅ（ＯＨ）₂＋２Ｈ₂ ‥‥‥（５）
Ｃａ＋２Ｈ₂Ｏ → Ｃａ（ＯＨ）₂＋Ｈ₂ ‥‥‥（６）

式（１）から式（６）に示す反応式は、いずれも発熱反応である。以下の説明では、水素発生材に水素化マグネシウムを使用し、主に式（１）の反応により水素を発生させる場合を例にして説明する。なお、温度および圧力等の反応条件によっては、式（１）の反応と平行して式（２）の反応も生じる可能性がある。

水素化マグネシウムの平均粒径は１００マイクロメートル以下であることが望ましい。このようにすることにより、水素生成装置１０の管路内での水素化マグネシウムの詰まりを防止できる。

水素化マグネシウムの平均粒径は５０マイクロメートル以下であることが望ましく、２０マイクロメートル以下であることが、さらに望ましい。水素化マグネシウムの平均粒径は１５マイクロメートル以下であることがさらに望ましい。粒径が小さいことにより、水素化マグネシウムの比表面積、すなわち単位質量あたりの表面積が大きくなり、水との化学反応の速度が速くなるためである。

水素化マグネシウムの平均粒径は、１マイクロメートル以上であることが望ましい。平均粒径が１マイクロメートルを下回ると、水素発生材容器３１への供給時に飛散しやすくなるなど、取り扱いが難しいからである。

水素化マグネシウムの平均粒径は１５マイクロメートルであることが、取り扱いやすさ、製造しやすさ、および化学反応性のバランスの観点から望ましい。以下の説明では、水素化マグネシウムの平均粒径が１５マイクロメートルの場合を例にして説明する。

水素生成装置１０の動作の概要を説明する。反応容器２１の約半分から３分の２程度の高さまで水が貯留される。ヒータ５８により、反応容器２１の内部は、式（１）の反応が生じやすい温度、具体的には摂氏１００度以上２００度以下に加熱される。反応容器２１内部の温度および圧力の詳細については、後述する。

懸濁容器８１内に、第２管６６２の開口部よりも高い水位まで水と水素発生材とが供給される。懸濁容器８１内で回転子８２２を回転させることにより、水素発生材の粒子が水中に分散して懸濁液になる。水素発生材の粒径および懸濁液の濃度については、後述する。前述の通り、第２冷却装置５４２により懸濁容器８１の温度は低温に保たれて、水素の発生が防止される。

第２管６６２を介して、反応容器２１内の水に懸濁液が投入される。水素発生材は、速やかに反応容器２１内に拡散する。主に式（１）の反応式により、反応容器２１内で水素および水酸化マグネシウムが発生する。温度等の条件によっては、式（２）の反応式により酸化マグネシウムも発生する。

発生した水素は、水が熱せられて生じた水蒸気と混ざる。水素と水蒸気とは、第３管６６３を通って冷却槽６５に入る。冷却槽６５内で水蒸気は凝結して水になる。その結果、水素と水蒸気とは、水素と水とに分離される。分離された水は、送水管を通って水タンク６１に入る。

分離された水素は、送気管６８１を通って水素タンク７１に入る。水素タンク７１から水素放出管７５を介して燃料電池８０（図９参照）等の水素供給先に、水素が供給される。なお、水素放出管７５を介して放出される水素の量は、図示しない圧力調整弁および流量調整弁により調整される。

反応容器２１の下部に設けた排水口２５から反応生成物である水酸化マグネシウムおよび酸化マグネシウムを含む水が流出し、排水管６６６を介して分離槽６３に流れ込む。分離槽６３内で、水酸化マグネシウムおよび酸化マグネシウムは沈殿する。分離槽６３からオーバーフロー管６７を介して、上澄みの水が隣の分離槽６３に流れ込む。

複数の分離槽６３を経由することにより精製された水が、ポンプ５７により加圧され、戻り管を介して水タンク６１に戻る。水タンク６１から第１管６６１を介して反応容器２１の内部に水が供給される。水タンク６１から第４管６６４を介して懸濁容器８１の内部に水が供給される。分離槽６３の底に溜まった沈殿物は、適宜取り出され、水素化マグネシウムの製造に利用される。

水素を発生させる際の化学反応により消費された水および、分離槽６３における生成処理のタイムラグ等により第１管６６１および第４管６６４に供給する水が不足する場合には、外部から適宜補給される。

水素発生材容器３１内の水素発生材が少なくなった場合には、水素発生材容器３１の上部に設けられた投入口等から、水素発生材を投入する。水素発生材容器３１が空になった後に、供給バルブ５６７を閉じて、水素発生材を充填済の水素発生材容器３１に交換しても良い。

水素発生材を補給する際に、水素発生材容器３１または供給管６６７に空気が入った場合であっても、供給管６６７と第２管６６２との間は懸濁液により隔てられているため、第２管６６２に空気が入ることを防止できる。

リザーバタンク７４について説明する。リザーバタンク７４の内部には、水素タンク７１の内部よりも高い圧力で水素が充填されている。リザーバタンク７４に充填されている水素の圧力は、たとえば１メガパスカル弱である。水素供給先が水素を必要としているが、反応容器２１内における水素生成量が不足する場合には、リザーババルブ５６８を開き、リザーバタンク７４から水素放出管７５に水素を供給する。リザーババルブ５６８は、リザーバタンク７４内の水素が減少して圧力が低くなった場合には、自動的に閉じることが望ましい。

なお、リザーババルブ５６８とリザーバタンク７４との間に圧縮機を設けても良い。反応容器２１で十分な量の水素を生成している場合に、補給管６６８を介して水素タンク７１から供給される水素を加圧して、リザーバタンク７４に水素を補給できる。

リザーバタンク７４は、内部を高圧にすることにより、できるだけ多くの水素を収容可能にする。これにより、水素供給先に安定的に水素を供給することが可能である。

反応容器２１、水素発生材容器３１、懸濁容器８１、冷却槽６５、水素タンク７１、リザーバタンク７４、第３管６６３、補給管６６８および各部の配管等の水素に曝露される部分は、ステンレス鋼製またはアルミニウム製であることが望ましい。

図３は、水素生成装置１０の制御系のブロック図である。制御装置４０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）４１、主記憶装置４２、補助記憶装置４３、入力部４４、出力部４５、通信部４６、入力Ｉ／Ｆ（Interface）４７、出力Ｉ／Ｆ４８およびバスを備える。本実施の形態の制御装置４０には、水素生成装置１０専用の装置を利用しても良いし、汎用のパーソナルコンピュータ等を利用しても良い。

ＣＰＵ４１は、本実施の形態に係るプログラムを実行する演算制御装置である。ＣＰＵ４１には、一または複数のＣＰＵまたはマルチコアＣＰＵ等が使用される。ＣＰＵ４１は、バスを介して制御装置４０を構成するハードウェア各部と接続されている。

主記憶装置４２は、ＳＲＡＭ（Static Random Access Memory）、ＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）、フラッシュメモリ等の記憶装置である。主記憶装置４２には、ＣＰＵ４１が行う処理の途中で必要な情報およびＣＰＵ４１で実行中のプログラムが一時的に保存される。

補助記憶装置４３は、ＳＲＡＭ、フラッシュメモリ、ハードディスクまたは磁気テープ等の記憶装置である。補助記憶装置４３には、ＣＰＵ４１に実行させるプログラムおよびプログラムの実行に必要な各種情報が保存される。

入力部４４は、たとえば、キーボード、タッチパネル、マウス等である。出力部４５は、たとえば液晶表示装置または有機ＥＬ表示装置等である。出力部４５は、警告灯またはスピーカー等をさらに備えても良い。通信部４６は、ネットワークとの通信を行うインターフェイスである。

入力Ｉ／Ｆ４７は、水素生成装置１０の各所に取り付けられた圧力計５１、温度計５２、流量計５３、および、水位計等の各種センサから、ＣＰＵ４１がデータを取得するインターフェイスである。

出力Ｉ／Ｆ４８は、水素生成装置１０の各所に取り付けられたバルブ５６、ポンプ５７、ヒータ５８、冷却装置５４、および混合器８８等に対する制御信号をＣＰＵ４１が送出するインターフェイスである。なお、出力Ｉ／Ｆ４８と、バルブ５６、ポンプ５７、ヒータ５８、冷却装置５４、および混合器８８との間には、図示しない駆動回路が設けられている。

ここで、バルブ５６には、第１バルブ５６１、第２バルブ５６２、第４バルブ５６４、排水バルブ５６６、供給バルブ５６７、リザーババルブ５６８が含まれる。冷却装置５４には、第１冷却装置５４１および第２冷却装置５４２が含まれる。

以上に説明した、水素生成装置１０内の物質の流れについて、簡単にまとめる。水は、水タンク６１から、第１管６６１、反応容器２１、排水管６６６、分離槽６３および戻り管を経て水タンク６１に戻る経路と、水タンク６１から、第４管６６４、混合器８８、反応容器２１、第３管６６３、冷却槽６５および送水管を経て水タンク６１に戻る経路とを循環する。

水素を発生させる際の化学反応により消費された水および、分離槽６３における生成処理のタイムラグ等により反応容器２１に供給する水が不足する場合には、外部から適宜補給され、反応容器２１内の水位が所定の範囲に維持される。

水素生成装置１０を長時間連続運転する際には、分離槽６３の底に沈殿した反応生成物を適宜取り出すとともに、水を補充する。取り出された反応生成物である、水酸化マグネシウムおよび酸化マグネシウムは、水素化マグネシウムの製造に利用される。

反応容器２１内で発生した水素ガスは、第３管６６３、冷却槽６５、水素タンク７１を経て、水素放出管７５に接続された水素供給先に供給される。

水素発生材容器３１内の水素発生材は、式（１）または式（２）の化学反応により消費される。水素生成装置１０を長時間連続運転する場合には、水素発生材を適宜補充する。

以上に説明した通り、本実施の形態の水素生成装置１０は、水素発生材容器３１への水素発生材の供給、分離槽６３内に沈殿した反応生成物の除去および水の補充を行うことにより、長時間連続して水素を生成することが可能である。

定常運転中の反応容器２１内での、熱エネルギーの収支について説明する。前述の式（１）に示す反応においては、１モルの水素化マグネシウムの反応により、２７６キロジュールの反応熱が発生する。反応容器２１内の水の沸騰により、気化熱が奪われる。第１管６６１、第２管６６２、第３管６６３および排水管６６６からの物質の供給および排出に伴い、熱エネルギーが流入および流出する。

これらの熱エネルギーの収支の均衡が取れている場合には、反応容器２１内の温度は一定に保たれる。反応容器２１内の熱エネルギーが減少して温度が低下しすぎる場合には、ヒータ５８を動作させるか、または、排水バルブ５６６を絞り排水管６６６からの熱エネルギーの流出を少なくする。反応容器２１内の温度が上昇することにより、式（１）の発熱反応が促進される。

反応容器２１内の熱エネルギーが増加して、温度が上昇しすぎる場合には、第１バルブ５６１を開き第１管６６１からの水の投入量を増やして、反応容器２１内の温度を下げる。反応容器２１内の温度が低下することにより、式（１）の発熱反応が阻害される。反応容器２１が満杯に近付いて水の投入量を増やせない場合、および、急速に反応速度を低下させる必要がある場合には、第１冷却装置５４１を動作させることにより、反応容器２１を冷却する。

図４は、プログラムの処理の流れを示すフローチャートである。図４を使用して、水素生成装置１０の動作を説明する。なお、図４に示すプログラムの開始時点では、各バルブ５６は閉じている。また、水素生成装置１０の内部の空間には、水素が充満しているか、または、真空状態になっている。

ＣＰＵ４１は、第１バルブ５６１の駆動回路に対して開信号を送信する。第１バルブ５６１の駆動回路は、受信した開信号に基づいて第１バルブ５６１を開く。第１バルブ５６１が開くことにより、反応容器２１の内部に水が注入される（ステップＳ５０１）。

なお、以下の説明においては、第１バルブ５６１の駆動回路の動作の記載を省略して、「ＣＰＵ４１は第１バルブ５６１を開いて反応容器２１の内部に水を入れる。」の様に記載する。第１バルブ５６１以外の各バルブ５６の駆動回路についても、同様である。

ＣＰＵ４１は、反応容器２１に取り付けられた水位計などのセンサ、または、第２管６６２に取り付けられた流量計５３等のセンサの出力に基づいて、所定の水位まで水が貯留したことを判定する。

ＣＰＵ４１は、ヒータ５８の駆動回路に対して起動信号を発する。ヒータ５８の駆動回路は、受信した起動信号に基づいて、ヒータ５８を起動する。ヒータ５８が発生する熱により、反応容器２１内の水が加熱される（ステップＳ５０２）。

なお、以下の説明においては、ヒータ５８の駆動回路の動作の記載を省略して、「ＣＰＵ４１はヒータ５８を起動して、反応容器２１内の水を加熱する。」の様に記載する。

ＣＰＵ４１は、第４バルブ５６４を開いて懸濁容器８１に水を入れ、供給バルブ５６７を開いて懸濁容器８１に水素発生材を入れる（ステップＳ５０３）。ＣＰＵ４１は、所定の量の水が懸濁容器８１に入った後に、第４バルブ５６４を閉じる。ＣＰＵ４１は、所定の量の水素発生材が懸濁容器８１に入った後に、供給バルブ５６７を閉じる。

ＣＰＵ４１は、攪拌器８２を起動して懸濁容器８１内を攪拌する（ステップＳ５０４）。具体的には、ＣＰＵ４１はスターラ８２１を起動して、懸濁容器８１内の回転子８２２を回転させることにより、懸濁容器８１内を攪拌する。懸濁容器８１内の水に水素発生材が分散して、懸濁液になる。なお、ＣＰＵ４１は、懸濁容器８１に取り付けられた温度計５２などのセンサの出力に基づいて第２冷却装置５４２を制御して、懸濁容器８１の温度を所定の範囲に保つ。

ＣＰＵ４１は、反応容器２１に取り付けられた温度計５２などのセンサの出力に基づいて、反応容器２１内に貯留した水の温度が所定の温度に達したことを判定する。ＣＰＵ４１は、第２バルブ５６２を開き、懸濁液を反応容器２１に注入する（ステップＳ５０５）。

ＣＰＵ４１は、反応容器２１内部の圧力センサ等から取得したデータに基づいて、所定の量の水素が生成されていることを確認する（ステップＳ５０６）。ＣＰＵ４１は、各センサから取得したデータに基づいて、水素生成装置１０を通常運転する（ステップＳ５０７）。通常運転時にＣＰＵ４１が実行する処理の例を説明する。

ＣＰＵ４１はヒータ５８の出力および第１バルブ５６１を制御して、反応容器２１を所定の温度に保つ。なお、水素発生材と水との化学反応は発熱反応である。発熱量が十分である場合には、ＣＰＵ４１はヒータ５８を停止する。さらに発熱量が多い場合には、ＣＰＵ４１は第１バルブ５６１を開いて、反応容器２１内の水の量を増やす。

化学反応が激しく、発熱量が非常に多い場合には、ＣＰＵ４１は冷却装置５４を動作させて、反応容器２１を所定の温度まで冷却する。水の供給および冷却装置５４の動作により、反応容器２１の温度が十分に低下した場合には、式（１）等を使用して説明した化学反応の速度が低下して、発熱量が少なくなる。

ＣＰＵ４１は、排水バルブ５６６を制御して、反応容器２１内部の水の量を所定の量に維持しながら、反応生成物を含む水を分離槽６３に取り出す。ＣＰＵ４１は、第４バルブ５６４および供給バルブ５６７を制御して、懸濁容器８１中の懸濁液を所定の量と濃度に保つ。

水素供給先から水素供給量の増加を要求された場合には、ＣＰＵ４１は第２バルブ５６２を制御して反応容器２１に注入する懸濁液の量を増やす。ＣＰＵ４１は、供給バルブ５６７を制御して懸濁容器８１に水素発生材を投入し、懸濁液の濃度を高くしても良い。

水素供給先から水素供給量の減少を要求された場合には、ＣＰＵ４１は第２バルブ５６２を制御して、反応容器２１に注入する懸濁液の量を減らす。ＣＰＵ４１は、第４バルブ５６４を制御して懸濁容器８１に水を投入し、懸濁液の濃度を薄くしても良い。

ＣＰＵ４１は各センサから取得したデータに基づいて水素生成装置１０に異常が生じているか否かを判定する（ステップＳ５１１）。なお、ステップＳ５１１の判定基準はあらかじめ主記憶装置４２または補助記憶装置４３に記憶されている。

異常が生じていると判定した場合（ステップＳ５１１でＹＥＳ）、ＣＰＵ４１は出力部４５にメンテナンス要求を出力する（ステップＳ５１２）。出力部４５が液晶表示装置または有機ＥＬ表示装置である場合には、水素生成装置１０に異常が生じていることを示す画面が表示される。出力部４５が、警告灯を備える場合には、水素生成装置１０の異常発生に対応する警告灯が点灯する。

ＣＰＵ４１は、通信部４６および図示しないネットワークを介して管理用のコンピュータ等に通知を送信しても良い。通知を受信した管理用のコンピュータ等は、水素生成装置１０のユーザが認識できる態様により、受信した通知の内容を出力する。

ＣＰＵ４１は、各センサから取得したデータに基づいて安全に運転を継続することが可能であるか否かを判定する（ステップＳ５１３）。継続可能であると判定した場合（ステップＳ５１３でＹＥＳ）、および、異常が生じていないと判定した場合（ステップＳ５１１でＮＯ）、ＣＰＵ４１はステップＳ５０７に戻る。

継続不可能であると判定した場合（ステップＳ５１３でＮＯ）、ＣＰＵ４１は水素生成装置１０の動作を停止する（ステップＳ５１４）。具体的には、ＣＰＵ４１は、たとえばヒータ５８の停止および第２バルブ５６２の閉鎖等により、反応容器２１内部の化学反応を停止できる。

化学反応が停止した後、ＣＰＵ４１は第１バルブ５６１および排水バルブ５６６を閉じて、水の循環を停止する。冷却装置５４が動作している場合には、ＣＰＵ４１は冷却装置５４も停止する。以上の処理により、水素生成装置１０は動作を停止する。その後、ＣＰＵ４１は処理を終了する。

なお、フローチャートでは説明を省略したが、ポンプ５７、冷却槽６５等、能動的に動作する水素生成装置１０の各構成要素も、それぞれの駆動回路を介して、ＣＰＵ４１により制御される。

［実験例１］
水素生成装置１０を所定の条件で安定して動作する様に運転した実験例を説明する。本実験例の運転条件を、表１に示す。懸濁液の濃度は、第２管６６２を介して反応容器２１に注入される懸濁液の濃度を示す。初期温度は、図４を使用して説明したフローチャートのステップＳ５０５で懸濁液の注入を開始する際の、反応容器２１内の温度を意味する。

図５は、実験例１の反応容器２１内の温度および水素生成量の変化を示すグラフである。ＣＰＵ４１は、図４を使用して説明したフローチャートのステップＳ５０７において、送気管６８１から水素タンク７１に流入する水素の量が目標水素生成量と一致する様に、水素生成装置１０の各部を制御する。この際にＣＰＵ４１は、懸濁液の濃度および反応容器２１の内圧を、表１に示す値を保つ様に制御した。

図５の横軸は、反応容器２１への懸濁液の注入を開始した後の経過時間を示す。横軸の単位は分である。左側の縦軸は、反応容器２１内の温度を摂氏で示す。温度は、三角形で示す。右側の縦軸は、水素生成量、すなわち送気管６８１から一分間に放出される水素の、標準状態での体積を示す。標準状態は、摂氏２５度、圧力０．１メガパスカルである。水素生成量は、黒丸で示す。

懸濁液の注入を開始した時点の反応容器２１内の温度は、摂氏１３０度である。その後、式（１）の発熱反応で生成する熱と、水の蒸発に伴う気化熱と、反応容器２１への物質の出入りに伴い移動する熱エネルギー量と、ヒータ５８および第１冷却装置５４１の動作による熱エネルギー量の変化とが平衡し、反応容器２１内部の温度は摂氏１２３度で安定する。

懸濁液の注入開始から５分後以降、水素生成量は毎分ほぼ１０リットルである。なお、水素タンク７１が、水素生成量の変動の影響を除去するバッファタンクの機能を果たすため、水素生成装置１０は所定の量の水素を安定して水素放出管７５から放出できる。

［実験例２］
水素生成装置１０を、可能な限り多量の水素を生成する様に運転した実験例を示す。本実験例の運転条件を、表２に示す。懸濁液の濃度は、第２管６６２を介して反応容器２１に注入される懸濁液の濃度を示す。初期温度は、図４を使用して説明したフローチャートのステップＳ５０５で懸濁液の注入を開始する際の、反応容器２１内の温度を意味する。

図６は、実験例２の反応容器２１内の温度および水素生成量の変化を示すグラフである。ＣＰＵ４１は、図４を使用して説明したフローチャートのステップＳ５０７において、送気管６８１から水素タンク７１に流入する水素の量ができるだけ多くなる様に、水素生成装置１０の各部を制御する。この際にＣＰＵ４１は、懸濁液の濃度および反応容器２１の内圧を、表２に示す値を保つ様に制御した。

図６の横軸は、反応容器２１への懸濁液の注入を開始した後の経過時間を示す。横軸の単位は分である。左側の縦軸は、反応容器２１内の温度を摂氏で示す。懸濁液の濃度が１５パーセントである場合の温度を黒三角と破線で、懸濁液の濃度が１８パーセントである場合の濃度を白三角と実線でそれぞれ示す。

右側の縦軸は、水素生成量、すなわち送気管６８１から一分間に放出される水素の、標準状態での体積を示す。懸濁液の濃度が１５パーセントである場合の温度を黒丸と破線で、懸濁液の濃度が１８パーセントである場合の濃度を白丸と実線でそれぞれ示す。

懸濁液の注入を開始した時点の反応容器２１内の温度は、摂氏１４３度である。その後、式（１）の発熱反応で生成する熱と、水の蒸発に伴う気化熱と、反応容器２１への物質の出入りに伴い移動する熱エネルギー量とが平衡し、懸濁液の濃度が１５パーセントである場合も、１８パーセントである場合も、反応容器２１内部の温度は摂氏１３５度付近で安定する。

懸濁液の注入開始から時間の経過に伴い水素生成量が徐々に増加する。３０分経過後の水素生成量は、懸濁液の濃度が１５パーセントである場合に毎分約３８リットル、懸濁液の濃度が１８パーセントである場合に毎分約４３リットルである。

［実験例３］
濃度の異なる懸濁液を用いて、水素生成装置１０を所定の条件で安定して動作する様に運転した実験例を説明する。本実験例の共通の運転条件を、表３に示す。

種々の濃度の懸濁液を用いた実験結果を表４に示す。水素生成量は、水素生成装置１０の動作が安定した後の値を示す。なお、ＣＰＵ４１は、反応容器２１の内圧、懸濁液の濃度、および、水素生成量を、表３および表４に示す値を保つ様に制御した。

表４のＮｏ．１からＮｏ．４においては、水素生成量は、制御装置４０に設定された目標値と一致した。Ｎｏ．１からＮｏ．４においては、反応容器２１に投入された水素化マグネシウムの９９パーセント以上が、投入から５分以内に式（１）または式（２）の反応により水酸化マグネシウムまたは酸化マグネシウムに変化した。反応量に応じた水素化マグネシウムを連続して投入することにより、水素生成装置１０を安定して動作させ、安定した量の水素を生成することができた。

Ｎｏ．５の懸濁液は粘性が高く、懸濁液とペーストとの中間の状態である。Ｎｏ．５においては、水素化マグネシウムは５分経過後も反応容器２１内に残存した。そのため、水素化マグネシウムが反応容器２１内に蓄積し、水素生成装置１０を安定して長時間動作させることができなかった。しかしながら、数分間程度の比較的短い時間であれば、Ｎｏ．４よりも多量の水素を生成できた。

Ｎｏ．６においては、各所に設けられたポンプおよび配管部等で水素化マグネシウムの詰まりが発生し、水素生成装置１０を安定して動作させることができなかった。

本実施の形態によると、容積が２リットルである反応容器２１を使用して、毎分１０リットルから５０リットルの水素を安定して生成することができた。たとえば、毎分１０リットルの水素を、水素放出管７５を介して燃料電池８０に供給することにより、１ｋＷの電力を得ることができる。

本実施の形態によると、水素発生材を懸濁液にした後に反応容器２１に投入するため、水素発生材の粉がダマにならずに反応容器２１内に拡散する。そのため、安定した運転が可能な水素生成装置１０を提供できる。

本実施の形態によると、反応容器２１の容積が２リットルと小型であるため、運搬が容易な水素生成装置１０を提供できる。高圧ガス保安法等に定められた基準である１ＭＰａに比べて低い圧力で反応容器２１を使用するため、特定高圧ガス設備に必要な届出等の手続が不要である。そのため、必要が生じた場所に容易に設置して、使用できる水素生成装置１０を提供できる。

［実施の形態２］
本実施の形態は、水素発生材の粉と水とを混合してペースト状にする混合器８８を備える水素生成装置１０に関する。実施の形態１と共通する部分については、説明を省略する。

図７は、実施の形態２の混合器８８の構成を説明する説明図である。本実施の形態の混合器８８は、第４管６６４および供給管６６７が上部に接続された混練容器８３１を有する。混練容器８３１は円形断面の中空容器であり、下に向けて径が小さくなるテーパ部を有する。テーパ部の先端に、第２管６６２が接続されている。混練容器８３１の外側に、第２冷却装置５４２が取り付けられている。

混練容器８３１の内側の下部に、テーパ部と同軸に混練スクリュー８３３が配置されている。混練スクリュー８３３は、一様な直径の螺旋状である。混練スクリュー８３３の外径は、テーパ部の下部の内径と略同一である。

混練容器８３１の上に、混練モータ８３２が固定されている。混練モータ８３２の回転軸は、混練容器８３１の天板を貫通する混練軸８３４を介して混練スクリュー８３３に連結されている。混練モータ８３２が回転することにより、混練軸８３４と混練スクリュー８３３とが一体になって回転する。

水タンク６１から第４管６６４を介して混練容器８３１内に水が供給される。水素発生材容器３１から供給管６６７を介して、混練容器８３１内に水素化マグネシウムの粉が供給される。供給バルブ５６７により、水素化マグネシウムの量は重量比で２０パーセントから７０パーセントの範囲の所定の値に調整される。

混練スクリュー８３３が回転することにより、混練容器８３１の内部で水素化マグネシウムの粉と水とが練りあわされて、ペースト状になる。なお、混練容器８３１は上部に混練用の羽根を有しても良い。

混練スクリュー８３３の螺旋状の溝と混練容器８３１間の、ペースト状の水素発生材が、第２管６６２に押し出される。混練モータ８３２の回転を制御することにより、水素発生材の押出量を制御できる。第１管６６１に押し出された水素発生材は、反応容器２１の内部に落下して、反応容器２１内の水と反応する。

［実験例４］
水素生成装置１０を所定の条件で安定して動作する様に運転した実験例を説明する。本実験例の運転条件を、表５に示す。ペーストの濃度は、第２管６６２を介して反応容器２１に注入されるペースト中の水素発生材の濃度を示す。初期温度は、図４を使用して説明したフローチャートのステップＳ５０５で懸濁液の注入を開始する際の、反応容器２１内の温度を意味する。

反応容器２１の内圧、および、温度を種々に変更して実験したところ、毎分１００リットルから４５０リットルの範囲の任意の量の水素を安定して得ることができた。

本実施の形態によると、ペースト状の水素発生材を使用することにより、反応容器２１内への水素発生材の投入速度を早くできる。ペースト状の水素発生材は反応容器２１内で速やかに拡散するため、配管部への水素発生材の詰まりの発生等を防止できる。

本実施の形態によると、２０Ｌの反応容器２１を使用することにより、毎分１００リットル以上の水素を生成する水素生成装置１０を提供できる。

［実施の形態３］
本実施の形態は、水素発生材と水とを混練してペースト状にする混練容器８３１と、ペーストを反応容器２１に押し出す押出容器８４１とを備える水素生成装置１０に関する。実施の形態２と共通する部分については、説明を省略する。

図８は、実施の形態３の混合器８８の構成を説明する説明図である。前述の通り、混合器８８は、混練容器８３１と、押出容器８４１とを有する。混練容器８３１の上部に、第４管６６４および供給管６６７が接続されている。混練容器８３１は、内部に１組の混練スクリュー８３３を有する。混練容器８３１の外側に、第２冷却装置５４２が取り付けられている。

押出容器８４１は、一端が第２管６６２に連続する有底筒状である。押出容器８４１は、混練容器８３１の下部に接続されている。押し出し容器の内部に、押出スクリュー８４３が配置されている。押出スクリュー８４３の外径は、押出容器８４１の内径と略同一である。押出スクリュー８４３の軸は、押出容器８４１の底部の外側に取り付けられた押出モータ８４２に接続されている。

水タンク６１から第４管６６４を介して混練容器８３１内に水が供給される。水素発生材容器３１から供給管６６７を介して、混練容器８３１内に水素化マグネシウムの粉が供給される。

混練スクリュー８３３の回転により、水と水素発生材とが練りあわされて、ペーストになる。ペーストは、押出容器８４１に入る。押出モータ８４２が回転することにより、押出スクリュー８４３が回転し、第２管６６２を介して反応容器２１にペーストを押し出す。押出モータ８４２の回転速度を制御することにより、反応容器２１へのペーストの投入速度を制御できる。

水の代わりに、氷を細かく削ったカキ氷を使用して、ペーストを作成しても良い。押出スクリュー８４３の動作を一時停止した場合等の、ペーストの分離を防止できる。また、混合器８８内を低温に保ち、水素発生材と水との化学反応を抑制できる。

本実施の形態によると、混練容器８３１で水と水素発生材とを混練するため、たとえば重量比７０パーセント等の水素発生材含有率の高いペーストをムラなく作成できる。したがって、多量の水素発生材を高速で反応容器２１に投入し、多量の水素を生成する水素生成装置１０を提供できる。

［実施の形態４］
本実施の形態は、水素供給先で生成した水を再利用する水素生成装置１０に関する。実施の形態１と共通する部分については、説明を省略する。

図９は、実施の形態４の水素生成装置１０の構成を説明する説明図である。水素タンク７１は、水素放出管７５を介して燃料電池８０に接続されている。燃料電池８０は、第５管６６５および図示しないポンプを介して水タンク６１に接続されている。

燃料電池８０の内部では、下式の化学反応により水素を燃料として発電が行なわれ、正極で水が生成される。

負極側：２Ｈ₂→４Ｈ⁺＋４ｅ^- ‥‥‥（７）
正極側：Ｏ₂＋４Ｈ⁺＋４ｅ^-→２Ｈ₂Ｏ ‥‥‥（８）
ｅ^-は、電子を示す。

正極で生成された水は、第５管６６５を介して水タンク６１に流入する。水タンク６１に流入した水は、混合器８８を介して、または直接に、反応容器２１に供給される。

本実施の形態によると、燃料電池８０で生成した水を回収して、式（１）等を使用して説明した水素発生材の加水分解に使用する水素生成装置１０を提供することが可能である。したがって、外部から補給する水の量を節約することができ、環境負荷の低い水素生成装置１０を提供できる。

実験例１に示した様に毎分１０リットルの水素を生成して、燃料電池８０に供給する場合、１ｋＷの電力を得ることができる。実験例２に示した様に毎分５０リットルの水素を生成して、燃料電池８０に供給する場合、５ｋＷの電力を得ることができる。

各実施例で記載されている技術的特徴（構成要件）はお互いに組合せ可能であり、組み合わせすることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。
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およ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。

１０水素生成装置
２１反応容器
２５排水口
３１水素発生材容器
４０制御装置
４１ＣＰＵ
４２主記憶装置
４３補助記憶装置
４４入力部
４５出力部
４６通信部
４７入力Ｉ／Ｆ
４８出力Ｉ／Ｆ
５１圧力計
５２温度計
５３流量計
５４冷却装置
５４１第１冷却装置
５４２第２冷却装置
５６バルブ
５６１第１バルブ
５６２第２バルブ
５６４第４バルブ
５６６排水バルブ
５６７供給バルブ
５６８リザーババルブ
５７ポンプ
５８ヒータ
６１水タンク
６３分離槽
６５冷却槽
６６１第１管
６６２第２管
６６３第３管
６６４第４管
６６５第５管
６６６排水管
６６７供給管
６６８補給管
６７オーバーフロー管
６８１送気管
７１水素タンク
７４リザーバタンク
７５水素放出管
８０燃料電池
８１懸濁容器
８２攪拌器
８２１スターラ
８２２回転子
８３１混練容器
８３２混練モータ
８３３混練スクリュー
８３４混練軸
８４１押出容器
８４２押出モータ
８４３押出スクリュー
８８混合器

Claims

反応容器の内部に水を供給する第１管と、
水素発生材の粉と水とを混合する混合器と、
前記混合器で混合した混合物を前記反応容器の内部に供給する第２管と、
前記反応容器の上部に接続され、前記第１管により供給されて前記反応容器内に貯留した水と前記第２管により供給された前記混合物に含まれる水素発生材との化学反応により生じた水素を流出させる第３管と、
前記反応容器の下部に接続され、前記第３管から流出させる水素を生成する際の反応生成物を含む水を流出させる排水管とを備え、
前記混合物は、水素発生材の粉と水とを混練したペーストである
水素生成装置。
前記ペーストを所定の速度で前記反応容器の内部に押し出すスクリューを備える
請求項１に記載の水素生成装置。
前記混合物は、重量比で２０パーセント以上７０パーセント以下の水素発生材を含む
請求項１または２に記載の水素生成装置。
反応容器の内部に水を供給する第１管と、
水素発生材の粉と水とを混合する混合器と、
前記混合器で混合した混合物を前記反応容器の内部に供給する第２管と、
前記反応容器の上部に接続され、前記第１管により供給されて前記反応容器内に貯留した水と前記第２管により供給された前記混合物に含まれる水素発生材との化学反応により生じた水素を流出させる第３管と、
前記反応容器の下部に接続され、前記第３管から流出させる水素を生成する際の反応生成物を含む水を流出させる排水管とを備え、
前記混合物は、水素発生材の粉と水とを混合した懸濁液であり、
前記混合物は、重量比で１３パーセント以上２２パーセント以下の水素発生材を含む
水素生成装置。
前記水素発生材は、平均粒径が１マイクロメートル以上２０マイクロメートル以下である
請求項１から請求項４のいずれか一つに記載の水素生成装置。
反応容器の内部に水を供給する第１管と、
平均粒径が１マイクロメートル以上２０マイクロメートル以下である水素発生材の粉と水とを混合する混合器と、
前記混合器で混合した混合物を前記反応容器の内部に供給する第２管と、
前記反応容器の上部に接続され、前記第１管により供給されて前記反応容器内に貯留した水と前記第２管により供給された前記混合物に含まれる水素発生材との化学反応により生じた水素を流出させる第３管と、
前記反応容器の下部に接続され、前記第３管から流出させる水素を生成する際の反応生成物を含む水を流出させる排水管と
を備える水素生成装置。
前記水素発生材は、平均粒径が１マイクロメートル以上１５マイクロメートル以下である
請求項１から請求項６のいずれか一つに記載の水素生成装置。
前記反応容器の内部の温度を所定の温度に維持する温度調整機構を備える
請求項１から請求項７のいずれか一つに記載の水素生成装置。
前記反応容器の内部を暖めるヒータを備える
請求項１から請求項８のいずれか一つに記載の水素生成装置。
前記水素発生材は、水素化マグネシウムである
請求項１から請求項９のいずれか一つに記載の水素生成装置。