JP7470914B1 - 水素貯蔵燃料及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】取り扱いの安全性を向上し、しかも、貯蔵、運搬に適した形態とした水素貯蔵燃料を提供する。【解決手段】不可避不純物として、アンモニア水和物（ＮＨ３（Ｈ２Ｏ））及びアンモニアボラン（ＮＨ３ＢＨ３）が混入され、常温常圧下で固体とされたアンモニア（ＮＨ３）を主体として構成された水素貯蔵燃料である。この水素貯蔵燃料を構成するアンモニア（ＮＨ３(cr)）は、アンモニア（ＮＨ３）を溶解した水溶液にホウ酸（Ｂ３Ｏ２）を混合した混合水溶液を凍結して凍結固化体を作製し、この凍結固化体を凍結乾燥することにより、不可避不純物として、アンモニア水和物（ＮＨ３（Ｈ２Ｏ））及びアンモニアボラン（ＮＨ３ＢＨ３）を混入して結晶固体として製造される。【選択図】 図１
Description
本発明は、水素含有化合物であるアンモニアを用いた水素貯蔵燃料及びこの水素貯蔵燃料を製造する方法に関する。
従来、環境破壊を抑制するエネルギー源として水素が注目され、体積あたり、質量あたりの含有密度が高く、燃焼時に二酸化炭素（ＣＯ２）を排出しない水素含有化合物であるアンモニア（ＮＨ３）が、内燃機関や発電システムの燃料として注目されている。
水素含有化合物としてのアンモニアは、ハーバーボッシュ法により工業レベルで大量に製造されている。このハーバーボッシュ法は、４００―６００℃、２００－１０００気圧の条件下で、鉄を触媒に用いて、水素と窒素を直接反応させることで、アンモニアを生産している。
ハーバーボッシュ法は、電気エネルギーを大量に使用する等の問題点を有するため、ハーバーボッシュ法に代わるアンモニアの合成方法が提案されている（特許文献１）。
そして、アンモニアを燃料とするアンモニアエンジンシステムとして、特許文献２に開示されたものがある。
ところで、アンモニアは、常温常圧で気体である。気体であるアンモニアは、生体内に容易に吸入され、呼吸器官の粘膜を刺激し、そのショックで呼吸停止を誘発するおそれがある。また、生体内に吸引されることにより、生体の血中アンモニア濃度を高め、意識障害を生じさせるおそれがある。
このように、気体のアンモニアは、生体に対し極めて有害な物質であり、保管管理や搬送に困難を伴うため、広く一般に汎用して利用な可能なエネルギーキャリアとして用いることが困難である。
また、アンモニアは、２０℃、８．４６気圧で液化することから、加圧ボンベに加圧した状態で充填することで、液体として保管することができる。しかし、液体のアンモニアは、生体の目に入ると失明に至るおそれもある。さらに、液体のアンモニアは、加圧状態で加圧ボンベに充填して保管する必要があり、保管や搬送に困難が伴う。
なお、アンモニアは、常圧の雰囲気下において、－７８℃以下に冷却することにより、安定な形態である固体とすることができる。
しかし、アンモニアを常圧の雰囲気下で安定した固体の状態を維持するためには、－７８℃以下に冷却した状態を保持する必要があり、保管、搬送が困難である。そのため、アンモニアは、移動手段として用いられる自動車などに搭載されるアンモニアエンジンシステムの燃料として用いることを困難としている。
そこで、本発明の技術課題は、生体にとって危険な劇物であり、貯蔵保管が困難であり、さらに搬送が困難なアンモニアが有する問題点を解決し得る新規な水素貯蔵燃料を提供することを目的とする。
さらに、本発明の技術課題は、安全に利用することを可能となし、しかも、貯蔵、運搬に適した形態とした水素貯蔵燃料を提供することにある。
また、本発明の他の技術課題は、以下に、図面を参照した説明により一層明らかにされる。
本発明は、本発明者等が、上述した技術課題を解決するため、鋭意研究を重ねた結果 完成されたものであって、アンモニア（ＮＨ３）に、不可避不純物として、アンモニア水和物（ＮＨ３（Ｈ２Ｏ））及びアンモニアボラン（ＮＨ３ＢＨ３）が混入されることにより、常温常圧下で固体とされることを見出し完成したものである。
したがって、本発明は、固体の水素貯蔵燃料であって、不可避不純物として、アンモニア水和物（ＮＨ３（Ｈ２Ｏ））及びアンモニアボラン（ＮＨ３ＢＨ３）が混入され、常温常圧下で固体とされたアンモニア（ＮＨ３）を主体として構成された水素貯蔵燃料である。
この水素貯蔵燃料は、次の工程を経て製造される。
まず、アンモニア（ＮＨ３）を溶解した水溶液にホウ酸（Ｂ
２
Ｏ
３
）を混合して混合水溶液を作製する。次いで、混合水溶液を凍結して凍結固化体を作製する。その後、凍結固化体を凍結乾燥し、この凍結固化体中に気体として含有された水蒸気（Ｈ２Ｏ(g)）と、気体として含有されたホウ素化合物（ＢＨ(g)、Ｂ２Ｈ６(g)、Ｂ２Ｏ３(g)）を排出し、凍結固化体中のアンモニア（ＮＨ３（cr））を濃縮した固化体を得る。濃縮固化されたアンモニア（ＮＨ３（cr））は、不可避不純物として、アンモニア水和物（ＮＨ３（Ｈ２Ｏ））及びアンモニアボラン（ＮＨ３ＢＨ３）が混入されて固化され、固体の水素貯蔵燃料とされる。
本発明方法において、前記凍結固化体中のアンモニア（ＮＨ３）は、不可避不純物として、アンモニア水和物（ＮＨ３（Ｈ２Ｏ））及びアンモニアボラン（ＮＨ３ＢＨ３）が混入された状態で固化されて固体の水素貯蔵燃料となる。
そして、アンモニア（ＮＨ３）を溶解した水溶液にホウ酸（Ｂ３Ｏ２）を混合した混合水溶液は、液体窒素により冷却されて凍結固化体とされる。
さらに、前記凍結固化体は、液体窒素により冷却され状態で、減圧処理されて凍結乾燥されることにより、不可避不純物として、アンモニア水和物（ＮＨ３（Ｈ２Ｏ））及びアンモニアボラン（ＮＨ３ＢＨ３）を混入した固体のアンモニア（ＮＨ３）が製造され、この固体が水素貯蔵燃料とされる。
本発明に係る水素貯蔵燃料は、固体のアンモニアにより構成されてなるので、安全に貯蔵保管することが可能となり、さらに搬送も容易とすることができる。
固体とされた水素貯蔵燃料は、広く一般に汎用して利用な可能な水素エネルギーキャリアとして利用することができ、アンモニアエンジンシステム、アンモニア発電システム、その他アンモニア燃料機器の燃料として提供することを可能とする。
以下、本発明に係る水素貯蔵燃料及びその製造方法の実施の形態を、図面を参照して説明する。
本発明は、水素貯蔵媒体としてアンモニア（ＮＨ３）を用いた水素貯蔵燃料である。この水素貯蔵燃料は、不可避不純物として、アンモニア水和物（ＮＨ３（Ｈ２Ｏ））及びアンモニアボラン（ＮＨ３ＢＨ３）が混入され、常温常圧下で固体とされたアンモニア（ＮＨ３）を主体として構成されている。不可避不純物として、アンモニア水和物及びアンモニアボランが混入されて凍結乾燥されたアンモニアは、常温常圧下で固化されて固体とされた状態を維持する。
本発明に係る水素貯蔵体を構成する常温常圧下で固体とされたアンモニアは、図1に示す製造装置を用いて製造される。
この製造装置は、固体アンモニアの原料となるアンモニアの混合水溶液が注水される反応容器１と、この反応容器１が収納されて真空排気される真空排気槽２と、液体窒素が充填される第１の液体窒素冷却槽３を備える。真空排気槽２は、第１の液体窒素冷却槽３内に設置され、反応容器１とともに、第１の液体窒素冷却槽３に充填される液体窒素により冷却される。
反応容器1を収納した真空排気槽２は、排気バルブ４を介して液体窒素冷却槽３の外部に接続されている。排気バルブ４は、第１の液体窒素冷却槽３を密封して取り付けられる。排気バルブ４は、内部に設けた開閉弁が操作されることにより、真空排気槽２を開閉する。
そして、真空排気槽２には、真空ポンプ５が連結されている。真空ポンプ５と真空排気槽２との間は、ガストラップ機構６が設けられている。このガストラップ機構６は、第２の液体窒素冷却槽７内に設置され、第２の液体窒素冷却槽７に充填される液体窒素により冷却される。
真空排気槽２とガストラップ機構６との間は、連結管８を介して連結されている。この連結管８は、一端側が排気バルブ４を介して真空排気槽２に連結され、他端側が第２の液体窒素冷却槽７を貫通してガストラップ機構６に挿入されることにより、真空排気槽２とガストラップ機構６との間を連結している。
また、真空ポンプ５は、真空ポンプ連結管９を介してガストラップ機構６に連結されている。真空ポンプ連結管９は、一端側を真空ポンプ５に連結し、他端側を第２の液体窒素冷却槽７を貫通してガストラップ機構６に挿入して、真空ポンプ５と排気ガストラップ機構６との間を連結している。
したがって、真空排気槽２の内部は、ガストラップ機構６を介して真空ポンプ５により吸引減圧される。そして、真空ポンプ５が駆動して真空排気槽２から吸引されたガスは、排気バルブ４を介して真空排気槽２の外部に排出され、連結管８を介してガストラップ機構６に導入され、第２の液体窒素冷却槽７に充填される液体窒素により冷却される。
上述したような構成を備えた製造装置を用いて固体アンモニアを製造する工程を説明する。
まず、固体のアンモニアを製造するため、アンモニア水とホウ酸（Ｂ２０３）の粉末を用意し、アンモニア水中にホウ酸の粉末を混合した混合水溶液を作製する。
この混合水溶液は、重量比でアンモニアを２９wt％含有したアンモニア水１Lに対して、ホウ酸粉末５３２ｇの量比で混合することが望ましい。
なお、混合水溶液は、後述の固体アンモニアの製造工程を用いて濃縮されて固体アンモニアにされるものであれば、アンモニアを適宜の割合で含有するアンモニア水を用い、さらに、このアンモニア水に対するホウ酸粉末の混合割合も適宜選択することが可能である。
次に、アンモニア水にホウ酸粉末を混合した混合水溶液を、前述した製造装置の真空排気槽２に収納された反応容器１に注水する。次いで、第1の液体窒素冷却槽３内に液体窒素を充填し、真空排気槽２、反応容器２を介して、反応容器２内の混合水溶液を冷却する。このとき、反応容器２内の混合水溶液は、少なくともアンモニアが固化する－７８℃以下に冷却され凍結固化体とされる。
反応容器１内の混合水溶液を凍結固化した状態で、排気バルブ４を解放するとともに、真空ポンプ５を駆動して真空排気槽２内を真空排気し減圧する。この真空排気は、混合水溶液を、反応容器１内で凍結固化させた状態で２－１０時間に亘って行う。真空排気槽２内が、所定時間、真空排気され減圧されると、反応容器１内で凍結固化された凍結固化体内に水蒸気成分として残存する水分（Ｈ２Ｏ(g)）と、気体成分として残存するホウ素化合物であるＢＨ(g)、Ｂ２Ｈ６（cr）及びＢ２Ｏ３(g)を凍結固化体の外部に排出する凍結乾燥が行われる。
凍結固化体に対し凍結乾燥の処理が施されると、凍結固化体中から水分とホウ酸化合物が排出されてアンモニア成分が濃縮され、不可避的にアンモニア水和物（ＮＨ３（Ｈ２Ｏ））及びアンモニアボラン（ＮＨ３ＢＨ３）が混入された固体のアンモニア（ＮＨ３（cr））が生成される。
不可避的な成分であるアンモニア水和物及びアンモニアボランが混入されて固体とされたアンモニアは、常温常圧下において、安定である。すなわち、ここで生成されたアンモニアは、常温常圧下において、固体の状態を保持する。
これは、固体のアンモニア成分中に、後述する実施例で示すように、不可避的な成分としてアンモニア水和物及びアンモニアボランが混入されことによるものと認められる。
なお、反応容器１内で凍結固化された凍結固化体内から外部に排出された水分とホウ素化合物は、真空ポンプ５により吸引され、排気バルブ４を介して真空排気槽２の外部に排気される。真空排気槽２の外部に排気された水蒸気成分としての水分と気体成分としてのホウ素化合物は、連結管８を介してガストラップ機構６に導入される。ガストラップ槽６に、導入された水分とホウ酸化合物は、第２の液体窒素冷却槽７に充填される液体窒素により冷却されて凍結され、凍結ホウ酸水として回収される。
すなわち、ガストラップ機構６が液体窒素により冷却されることにより、水蒸気成分としての水分と気体成分としてのホウ素化合物は凝縮されて凍結され固体とされる。凍結固化体から排出された水分とホウ素化合物は、固体とされることにより、装置外部への取り出しが容易となる。
ここで製造された固体とされたアンモニアは、水素を貯蔵した水素貯蔵燃料として構成され、アンモニアエンジンシステム、アンモニア発電システム、その他アンモニア燃料機器の燃料として用いられる。
以下、本発明に係る水素貯蔵燃料を構成する固体アンモニアの一実施例を示す。
ここに示す実施例は、重量比でアンモニアを２９wt％含有したアンモニア水０．３mLに対して、ホウ酸粉末を１６０ｍｇの量比で混合した混合水溶液を用意する。
次に、前記混合水溶液を、図１に示すような構成を備えた製造装置の真空排気槽２に収納された反応容器１に注水する。次いで、第１の液体窒素冷却槽３内に液体窒素を充填し、真空排気槽２、反応容器１を介して、反応容器２内の混合水溶液を冷却する。このとき、反応容器２内の混合水溶液は、少なくともアンモニアが固化する－７８℃以下に冷却され凍結固化体とされる。
反応容器１内の混合水溶液を凍結固化した状態で、排気バルブ４を解放するとともに、真空ポンプ５を駆動して真空排気槽２内を真空排気し減圧する。この真空排気は、混合水溶液を、反応容器１内で凍結固化させた状態で８時間行う。真空排気槽２内が、所定の時間、真空排気され減圧されると、反応容器１内で凍結固化された凍結固化体内に水蒸気成分として残存する水分（Ｈ２Ｏ(g)）と、気体成分として残存するホウ素化合物であるＢＨ(g)、Ｂ２Ｈ６（cr）及びＢ２Ｏ３(g)が凍結固化体の外部に排出される凍結乾燥が行われる。
そして、凍結固化体に対し凍結乾燥の処理を施すことにより、凍結固化体中から水分とホウ酸化合物が排出され、凍結固体中のアンモニア成分が濃縮され、不可避的にアンモニア水和物（ＮＨ３（Ｈ２Ｏ））及びアンモニアボラン（ＮＨ３ＢＨ３）が混入された固体とされたアンモニア（ＮＨ３（cr））が生成される。
なお、反応容器１内で凍結固化された凍結固化体内から外部に排出された水分とホウ素化合物は、真空ポンプ５により吸引され、排気バルブ４を介して真空排気槽２の外部に排気される。真空排気槽２の外部に排気された水蒸気成分としての水分と気体成分としてのホウ素化合物は、連結管８を介してガストラップ槽６に導入される。ガストラップ槽６に導入された水分とホウ酸化合物は、第２の液体窒素冷却槽７に充填される液体窒素により冷却されて凍結され、凍結ホウ酸水として回収される。
ここで製造されたアンモニアは、その外観を観察した図２の写真に示すように、常温常圧の環境下で、白色の結晶体として析出された固体であることが認められた。このアンモニアは、粉末状であった。
ここで白色の結晶体として得られた固体のアンモニアを、Ｘ線回折装置を用いて観察した。その結果を図３に示す。本実施例で作製された白色の結晶体は、図３に示すように、シャープな固体のアンモニアのピークが観察された。この結晶体は、固体のアンモニア（ＮＨ３(cr)）のピークが観察されるとともに、不可避的な混入物であるアンモニア水和物（ＮＨ３Ｈ２Ｏ(cr)）とアンモニアボラン（ＮＨ３ＢＨ３(cr)）のピークも認められた。
このように、白色の結晶体として得られた固体のアンモニアは、不可避的な成分であるアンモニア水和物及びアンモニアボランが混入されたことにより、常温常圧下において、固体の状態を安定して保持するものと認められる。
本発明に係る固体のアンモニアを水素貯蔵媒体として構成した水素貯蔵燃料、並びに本発明方法により製造された固体のアンモニアを水素貯蔵媒体に用いた水素彫像燃料は、アンモニアエンジンシステム、アンモニア発電システム、その他アンモニア燃料機器の燃料として用いられる。
1 反応容器
2 真空排気槽
3 第１の液体窒素冷却槽
4 排気バルブ
5 真空ポンプ
6 ガストラップ機構
7 第２の液体窒素冷却槽
2 真空排気槽
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5 真空ポンプ
6 ガストラップ機構
7 第２の液体窒素冷却槽
Claims (5)
- 固体の水素貯蔵燃料であって、
不可避不純物として、アンモニア水和物（ＮＨ３（Ｈ２Ｏ））及びアンモニアボラン（ＮＨ３ＢＨ３）が混入され、常温常圧下で固体とされたアンモニア（ＮＨ３）からなる
ことを特徴とする水素貯蔵燃料。 - アンモニア（ＮＨ３）を溶解した水溶液にホウ酸（Ｂ ２ Ｏ ３ ）を混合して混合水溶液を作製し、
次いで、前記混合水溶液を凍結して凍結固化体を作製し、
その後、前記凍結固化体を凍結乾燥し、前記凍結固化体中に気体として含有された水蒸気（Ｈ２Ｏ(g)）と、気体として含有されたホウ素化合物（ＢＨ、Ｂ２Ｈ６、Ｂ２Ｏ３）を排出し、前記凍結固化体中のアンモニア（ＮＨ３）を濃縮して固体とした
ことを特徴とする水素貯蔵燃料を製造する方法。 - 前記凍結固化体中のアンモニア（ＮＨ３）は、不可避不純物として、アンモニア水和物（ＮＨ３（Ｈ２Ｏ））及びアンモニアボラン（ＮＨ３ＢＨ３）が混入されて固化された
ことを特徴とする請求項２記載の水素貯蔵燃料を製造する方法。 - 前記混合水溶液は、液体窒素により冷却されて凍結固化体とされたことを特徴とする請求項２又は請求項３記載の水素貯蔵燃料を製造する方法。
- 前記凍結固化体は、液体窒素により冷却され状態で、減圧処理されて凍結乾燥されることを特徴とする請求項４に記載の水素貯蔵燃料を製造する方法。
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| JP2019098328A (ja) | 2017-12-01 | 2019-06-24 | 公立大学法人兵庫県立大学 | 水素製造用触媒及びその製造方法、並びに水素製造方法 |
| JP2023061564A (ja) | 2021-10-20 | 2023-05-02 | 兵庫県公立大学法人 | 水素製造用触媒 |
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2023
- 2023-06-09 JP JP2023095648A patent/JP7470914B1/ja active Active
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