JPWO2011118772A1 - 水素の発生方法、水素の利用方法及び発電システム - Google Patents

Abstract

小さな電気分解エネルギーで効率的に水素を発生させる。電解質が添加された液体アンモニアを電気分解して水素を発生させ、発生させた水素と酸素とを反応させて発電させる。液体アンモニアの電気分解エネルギーは小さいので、効率的に多量の水素を発生させることができる。電気分解により発生した水素から得られる電気エネルギーは、液体アンモニアの電気分解に要する電気エネルギーに比べて大きい。このため、小さな電源から大きな電力を変換して利用することが可能である。

Description

本発明は、水素の発生方法、水素の利用方法及び発電システムに関する。

水素は石油精製、化学産業、自動車産業などをはじめとしてあらゆる産業分野において広く用いられている。特に近年、将来のエネルギー源として水素が注目されており、燃料電池や水素エンジン等の研究が進められている。

水は水素を１１質量％含む液体物質である。水素を発生させる方法として、水の電気分解が広く知られている。しかしながら、水の電気分解は、それによって得られるエネルギーよりも大きいエネルギーを必要とする。このため、水の電気分解によって得られた水素を用いて燃料電池を稼働させることには採算性がない。

また、特許文献１には、アンモニア水溶液を水素源として水素を発生させる水素発生用電気分解セルが開示されている。

特開２０１０−５３３８３号公報

特許文献１では、水素源としてアンモニア水溶液を用いている。このため、電気分解の際に、電力の一部は水の電気分解に消費されてしまう。水の電気分解は、それによって得られるエネルギーよりも大きいエネルギーを必要とすることから、水素の発生効率が低いという問題もある。

また、アンモニア水溶液中では、アンモニアは０．０７７Ｖの電圧で分解する。この電圧は水の場合よりも低いものの、アンモニアの水溶液中の最大濃度は４７質量％である。したがって、同体積の純粋なアンモニアの場合に比べて、半分以下のアンモニア由来の水素が、アンモニア水溶液から取り出される。このため、水素の発生効率を高めることができない。

本発明は、上記事項に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、小さな電気分解エネルギーで効率的に水素を発生させる水素の発生方法、水素の利用方法及び発電システムを提供することにある。

本発明の第１の観点に係る水素の発生方法は、
電解質が添加された液体アンモニアを電気分解して水素を発生させる、
ことを特徴とする。

また、前記電解質は金属アミドであることが好ましい。

また、前記金属アミドはカリウムアミドであることが好ましい。

また、前記カリウムアミドが１Ｍ以上８Ｍ以下添加されていることが好ましい。

本発明の第２の観点に係る水素の利用方法は、
酸素と本発明の第１の観点に係る水素の発生方法により発生させた水素との電気化学反応によって発電を行う、
ことを特徴とする。

本発明の第３の観点に係る発電システムは、
本発明の第１の観点に係る水素の発生方法により水素を発生させる水素発生部と、酸素と発生させた前記水素との電気化学反応によって発電を行う発電部と、を備える、
ことを特徴とする。

本発明に係る水素の発生方法では、電解質が添加された液体アンモニアを電気分解して水素を発生させる。液体アンモニアの電気分解エネルギーは小さいので、効率的に多量の水素を発生させることができる。電気分解により発生した水素から得られる電気エネルギーは、液体アンモニアの電気分解に要する電気エネルギーに比べて大きい。このため、小さな電源から大きな電力を変換して利用することが可能である。

発生させた水素を燃料電池の燃料として利用した場合の模式図である。 水素エンジン駆動システムの模式図である。 実施例において製造したＫＮＨ_２のＸＲＤスペクトルである。 ＫＮＨ_２のＸＲＤスペクトルである。 実施例１における電流及びセル内圧力の時間変化を示すグラフである。 実施例１におけるセル内ガスのガスクロマトグラフィー測定結果である。 実施例１、２、及び、比較例１のＣＶ測定図である。

実施の形態に係る水素の発生方法について説明する。水素を発生させる方法では、電解質が添加された液体アンモニアを電気分解して水素を発生させる。

本実施の形態では、液体アンモニアとして無水液体アンモニアを用いる。無水液体アンモニアに負極及び正極を浸す。この両電極にバッテリー等の電源を接続して電圧を印加することにより、負極から水素を発生させることができる。

電気分解は、無水アンモニアが液状に保たれる条件下で行えばよい。アンモニアの融点は−７７．７℃、沸点は−３３．４℃である。このため、常圧下で電気分解を行う場合には、アンモニアの温度を−７７．７℃〜−３３．４℃に維持して行えばよい。また、常温下で電気分解を行う場合には、圧力を高めて無水アンモニアを液状に維持しておけばよい。例えば、２０℃、８．５ａｔｍの条件下におくことで、無水アンモニアを液状に維持することでき、電気分解することができる。

添加する電解質は、アンモニアに対する溶解度の高い金属アミドであってもよい。金属アミドは、リチウムアミド（ＬｉＮＨ_２）、ナトリウムアミド（ＮａＮＨ_２）、カリウムアミド（ＫＮＨ_２）等のアルカリ金属アミドや、カルシウムアミド（（Ｃａ（ＮＨ_２）_２））等のアルカリ土類金属アミドであってもよい。電解質は少なくとも無水液体アンモニアの電気分解可能な量を添加する。また、電解質の添加量は無水液体アンモニアに最大限溶解可能な量を添加することが好ましい。例えば、カリウムアミドを用いる場合、１Ｍ以上８Ｍ以下の範囲で添加するとよい。

無水液体アンモニアの電気分解における正極及び負極で生じる反応を下式に示す。

また、アンモニアの理論分解電圧は、下式に示すように０．０７７Ｖである。

一方、水の電気分解における正極及び負極で生じる反応を下式に示す。

また、水の理論分解電圧は、下式に示すように１．２３Ｖである。

このように、アンモニアの電気分解に要する電気エネルギーは、理論上、水の電気分解に要する電気エネルギーに比べ、５％以下である。更に、本実施の形態では、水を含まない無水液体アンモニアを用いている。このため、電気分解に用いられる電気エネルギーは水の電気分解に使われることがなく、効率的にアンモニアの電気分解に使われる。このように、無水液体アンモニアを用いることで、少ない電気エネルギーで水素を大量に発生させることができる。

続いて、上記のように発生させた水素の利用方法並びに発電システムについて説明する。

発生させた水素と酸素との電気化学反応によって発電を行う水素の利用方法、及び、発電システムの一例として、図１に、発生させた水素を燃料電池の燃料として利用した場合の模式図を示している。まず、水素発生部１０では、電気分解槽１２内の無水液体アンモニア１６を電気分解し、水素を発生させる。電源１１を用い、正極１３と負極１４間に電圧を印可すると、負極１４で水素が発生する。

発生した水素は水素供給管１５を通じて、発電部３０の酸化還元反応槽３１に配置された負極３２に供給される。一方、酸素タンク２１から酸素が酸素供給管２２を通じて、酸化還元反応槽３１に配置された正極３３に供給される。ここで正極３３と負極３２はそれぞれ配線を介してモーターや照明、蓄電装置等の電気装置４０に接続されている。

負極３２では水素が電子を失う。水素から放出された電子は、配線及び電気装置４０を介して正極３３に流れ、正極３３では酸素がこの電子を受け取り還元される。このように、水素と酸素との酸化還元反応により、発電させて電気装置４０を駆動させることができる。なお、酸化された水素と還元された酸素は水３４になる。

電源１１を用いた電気分解によって無水液体アンモニア１６から水素が発生する。発生した水素を燃料とした燃料電池は、電源１１よりも多くの電力を供給することが可能である。

電気装置４０は、自動車を走行させ得るモーターであってもよく、電気自動車に利用することもできる。本実施の形態に係る水素の発生方法を用いて、電源１１を用いて無水液体アンモニアを電気分解して水素を発生させ、発生した水素を用いて発電を行い、モーターあるいは電気自動車に電力を供給することができる。一方、同容量である電源１１そのものからモーターあるいは電気自動車に電力を供給することも可能である。発生した水素由来の電力による電気自動車の走行距離は、電源１１そのものの電力によるものよりも長くなる。

なお、無水液体アンモニア１６の電気分解では、水素の他、窒素も生成する。このため、水素と窒素を分離し、水素のみを負極３２に供給するようにするとよい。

また、発生させた水素を水素エンジンの駆動に利用することもできる。一例として、図２に発生させた水素を燃料として利用し、水素エンジンを駆動させる水素エンジン駆動システムの模式図を示す。上記と同様に、発生した水素が水素供給管１５を介して水素エンジン５０のハウジング５４内に供給される。水素は圧縮され点火装置５２による点火により燃焼し、ローター５１を回転させる。このローター５１の回転により軸５３が回転し、軸５３の回転を車軸に伝達することで自動車を走行させることができる。

また、発生させた水素を燃料として用い、発電機を駆動させて発電させてもよい。例えば、図２を参照して説明した水素エンジンの軸５３に、発電装置としてのモーターの軸を接続する。モーターは電磁誘導の法則を利用し、回転による機械的エネルギーから電気エネルギーを得られる装置である。上述のように発生させた水素を燃料として水素エンジンを駆動させると軸５３が回転する。軸５３の回転によってモーターの軸を回転させることができる。このモーターの軸の回転エネルギーを電気エネルギーに変換することで発電させることができる。

なお、本実施の形態では液体アンモニアとして無水液体アンモニアを用いたが、液体アンモニアは無水液体アンモニアに限定されない。液体アンモニアは、例えば水のような少量の他の成分を含んでいてもよい。

無水液体アンモニアの電気分解による水素発生量と、水の電気分解による水素発生量について比較検証した。

まず、電解質として用いるＫＮＨ_２を生成した。水素化カリウム（ＫＨ）に液体アンモニアを添加し、室温で一晩放置して生成物を得た。

図３に、得られた生成物のＸＲＤスペクトルを示す。また、参考データとして、図４にＫＮＨ_２のＸＲＤピークを示している。生成物のＸＲＤスペクトルに観測されるピークは、ＫＮＨ_２のＸＲＤピークと一致していることから、得られた生成物がＫＮＨ_２であることを確認した。生成したＫＮＨ_２を電解質として以下の実施例に用いた。

（実施例１）
無水液体アンモニアの電気分解を行い、電気化学特性を定電圧測定及びサイクリックボルタンメトリー（ＣＶ）測定により評価した。また、定電圧測定では電気分解セル内の圧力を継続的に測定した。さらに、測定後のセル内のガスをガスクロマトグラフィー測定することにより、ガス特性評価を行った。

無水液体アンモニア、及び、電解質としてＫＮＨ_２を電気分解セル（以下、単にセルとも記す）に入れた。電気分解セルはステンレス製高圧用セル（２電極）を用いた。電極は白金板（２０ｍｍ×２０ｍｍ×０．２ｍｍ）である。添加した無水液体アンモニアの量は１２ｍｌ、ＫＮＨ_２は１Ｍである。アンモニアの液温は２５℃とした。なお、液面下の電極は１０ｍｍ×１０ｍｍ×０．２ｍｍであった。

（定電圧測定）
電極に２Ｖの電圧を１０時間印加して、無水液体アンモニアを電気分解し、定電圧測定を行った。なお、室温（約２５℃）で行った。

図５に電流及びセル内圧力の時間変化を示す。１０時間継続して電流が流れていることがわかる。また、セル内圧力は直線状に高くなっており、継続して気体が発生していることがわかる。

また、図６にセル内ガスのガスクロマトグラフィー測定結果を示す。図６をみると、水素（Ｈ_２）のピークが観測され、セル内に水素が発生したことを確認した。

（ＣＶ測定）
上記と同様、セルに無水液体アンモニア等を入れ、ＣＶ測定を行った。ＣＶ測定における走査速度は１ｍＶ／ｓ、走査範囲は０〜２．０Ｖで、３サイクル行った。対極電極（ＣＥ）及び参照電極（ＲＥ）は白金板である。

（実施例２）
ＫＮＨ_２の添加量を５Ｍとした以外、全て実施例１と同様の条件の下、ＣＶ測定を行った。

（比較例１）
アンモニアとＫＮＨ_２の代わりに、セルに水と電解質としてＫＯＨを１Ｍ添加した以外は実施例１と同様の条件にして、ＣＶ測定を行った。

（比較例２）
アンモニアとＫＮＨ_２の代わりに、セルに水と電解質としてＫＯＨを５Ｍ添加した以外は実施例１と同様の条件にして、ＣＶ測定を行った。

実施例１、２、及び、比較例１のＣＶ測定図を図７に示す。また、実施例１、２、及び、比較例１、２のＣＶ測定結果から、それぞれ発生した水素量を算出した。実施例１及び比較例１における発生水素量を表１に、実施例２及び比較例２における発生水素量を表２に示す。なお、水素量の算出は、流れた電流は全てアンモニア及び水の分解に用いられたものとして算出している。

このように、無水液体アンモニアの電気分解による水素生成の場合、水素生成効率は、水の電気分解に比べると明らかによいことがわかる。特に、無水液体アンモニアにＫＮＨ_２を５Ｍ添加した場合、０．１Ｖと低い印加電圧でも電気分解でき、水素を発生させることができる。

なお、本発明は、本発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施形態は、本発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。

本出願は、２０１０年３月２５日に出願された日本国特許出願２０１０−０７０２７５号に基づく。本明細書中に、日本国特許出願２０１０−０７０２７５号の明細書、特許請求の範囲、図面全体を参照として取り込むものとする。

以上、説明したように、無水液体アンモニアを水素源として水素を発生させ、この水素を燃料電池や水素エンジン等の燃料として用いることができる。したがって、燃料電池自動車や水素エンジン自動車、発電装置等、種々の産業分野にて利用可能である。

１０ 水素発生部
１１ 電源
１２ 電気分解槽
１３ 正極
１４ 負極
１５ 水素供給管
１６ 無水液体アンモニア
２１ 酸素タンク
２２ 酸素供給管
３０ 発電部
３１ 酸化還元反応槽
３２ 負極
３３ 正極
３４ 水
４０ 電気装置
５０ 水素エンジン
５１ ローター
５２ 点火装置
５３ 軸
５４ ハウジング

Claims (6)

1. 電解質が添加された液体アンモニアを電気分解して水素を発生させる、
   ことを特徴とする水素の発生方法。
2. 前記電解質は金属アミドである、
   ことを特徴とする請求項１に記載の水素の発生方法。
3. 前記金属アミドはカリウムアミドである、
   ことを特徴とする請求項２に記載の水素の発生方法。
4. 前記カリウムアミドが１Ｍ以上８Ｍ以下添加されている、
   ことを特徴とする請求項３に記載の水素の発生方法。
5. 酸素と請求項１乃至４のいずれか一項に記載の水素の発生方法により発生させた水素との電気化学反応によって発電を行う、
   ことを特徴とする水素の利用方法。
6. 請求項１乃至４のいずれか一項に記載の水素の発生方法により水素を発生させる水素発生部と、酸素と発生させた前記水素との電気化学反応によって発電を行う発電部と、を備える、
   ことを特徴とする発電システム。

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