JPWO2018117272A1 - 水素生成装置および水素生成方法 - Google Patents

Abstract

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。水素生成装置（１０）は、反応容器（２１）の内部に水を散布するシャワーヘッド（２３）と、水素をキャリアガスに用いて前記反応容器（２１）の内部に粉状の水素発生材を供給する第１管（６６１）と、前記反応容器（２１）の上部に接続され、前記シャワーヘッド（２３）により供給されて前記反応容器（２１）内に貯留した水と前記第１管（６６１）により供給された前記水素発生材との反応により生じた水素を流出させる第３管（６６３）とを備える。

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散布するシャワーヘッドと、水素をキャリアガスに用いて前記反応容器の内部に粉状の水素発生材を供給する第１管と、前記反応容器の上部に接続され、前記シャワーヘッド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１管により供給された前記水素発生材との反応により生じた水素を流出させる第３管とを備える。

水素生成装置は、前記反応容器と前記第３管との接続部と、前記シャワーヘッドとの間に配置された邪魔板を備える。

水素生成装置は、前記第１管は、前記第３管から流出した水素をキャリアガスに用いる。

水素生成装置は、前記第１管は、前記反応容器の内壁に沿って前記水素発生材を噴射する。

水素生成装置は、前記水素発生材を収容し、前記第１管と着脱可能に接続された接続口を有する水素発生材容器を備える。

水素発生材容器は、回転により前記水素発生材を前記第１管内に送り出すスクリューを有する。

水素生成装置は、前記反応容器の下部に設けられた排水口から排出した水と反応生成物とを分離する分離槽を備え、前記シャワーヘッドは、前記分離槽で分離した水を散布する。

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、前記第３管から流出させた水素を消費した燃料電池により生成された水が流入する第５管を備え、前記第５管から流入した水が前記シャワーヘッドに供給される。

水素生成方法は、反応容器の内部に水を散布し、前記反応容器に接続された第１管を介して、粉状の水素発生材と水素とを前記反応容器内に供給し、前記反応容器の上部に接続された第３管より、前記反応容器内に貯留した水と前記水素発生材との反応により生じた水素を流出させる。

水素生成装置は、水に水素発生材が懸濁した懸濁液を反応容器の内部に散布するシャワーヘッドと、前記反応容器の上部に接続され、前記シャワーヘッドにより供給されて前記反応容器内に貯留した前記水と前記水素発生材との反応により生じた水素を流出させる第３管とを備える。

水素生成装置は、水素をキャリアガスに用いて前記反応容器の内部に粉状の水素発生材を供給する第１管を備える。

水素生成装置は、水素をキャリアガスに用いて反応容器の内部に粉状の水素発生材を供給する第１管と、前記反応容器の内部に水を供給する第２管と、前記反応容器の上部に接続され、前記第２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１管により供給された前記水素発生材との反応により生じた水素を流出させる第３管とを備える。

水素生成方法は、粉状の水素発生材を水に懸濁させた懸濁液を反応容器の内部に散布し、前記反応容器の上部に接続された第３管より、散布されて前記反応容器内に貯留した前記水と前記水素発生材との反応により生じた水素を流出させる。

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を提供することができる。

水素生成装置の模式図である。 水素生成装置の制御系のブロック図である。 水素発生材容器の模式図である。 １個の水素発生材容器の模式断面図である。 図１におけるＶ−Ｖ線による反応容器の模式断面図である。 プログラムの処理の流れを示すフローチャートである。 実施の形態２の水素発生材容器の模式断面図である。 実施の形態３の水素発生材容器の模式断面図である。 実施の形態４の水素発生材容器の模式断面図である。 実施の形態５の水素発生材容器の模式断面図である。 実施の形態６の水素生成装置の模式図である。 実施の形態７の水素生成装置の模式図である。 実施の形態８の水素生成装置の模式図である。

［実施の形態１］
図１は、水素生成装置１０の模式図である。水素生成装置１０は、反応容器２１、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、第１リザーバタンク７３および第２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。なお、反応容器２１の断面形状は、円形以外の形状であっても良い。反応容器２１の外側には、ヒータ５８および冷却装置５４が取り付けられている。冷却装置５４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。

反応容器２１の内側には、上部に邪魔板２２が固定されている。邪魔板２２は、反応容器２１の内径よりも若干小さい直径を有する無孔の円板である。邪魔板２２の縁と、反応容器２１の内面との間には、気体が通過可能な隙間２６が設けられている。なお、邪魔板２２は、網状または多数の孔を備えるパンチングボード状等でも良い。

邪魔板２２の下にシャワーヘッド２３が設けてある。シャワーヘッド２３は、途中に第１バルブ５６１および図示しない加圧ポンプを備える第２管６６２を介して水タンク６１に接続されている。水タンク６１は、第２管６６２を介してシャワーヘッド２３に水を供給する。シャワーヘッド２３は、反応容器２１内に水を散布する。散布する水の量は、第１バルブ５６１により制御される。

なお、本実施の形態においては、シャワーヘッド２３は２段に設けられており、上側のシャワーヘッド２３から散布された水の落下を妨げない様に、下側のシャワーヘッド２３が配置されている。シャワーヘッド２３は、１段でも良いし、３段以上でも良い。

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。

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、途中に第６バルブ５６６を備える第４管６６４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は、途中に圧縮機５９、第５バルブ５６５および第２バルブ５６２を備える連通管を介して第１リザーバタンク７３と接続されている。圧縮機５９は、水素タンク７１内の水素を、反応容器２１内部の圧力Ｐ３よりも高い圧力に圧縮して連通管に供給する。連通管は、第５バルブ５６５と第２バルブ５６２との間の２箇所で分岐している。

第５バルブ５６５に近い側から分岐する第１分岐管は、途中に第３バルブ５６３を備えており、水素発生材容器３１の上部に接続されている。第２バルブ５６２に近い側から分岐する第２分岐管は、途中に第４バルブ５６４を備えており、第１管６６１を介して反応容器２１の中央部に接続されている。第１管６６１に、後述する様に水素発生材容器３１が接続されている。

水素タンク７１には、水素放出管７５が接続されている。第２リザーバタンク７４は、途中に第８バルブ５６８を介する補給管を介して、水素放出管７５に接続されている。

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。水素発生材容器３１内の空間には、水素が充填されている。水素発生材は、たとえば水素化マグネシウムである。水素発生材に水素化マグネシウムを使用する場合には、以下の反応式により水素が発生する。

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。

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。

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は、平均粒径が１ミリメートル以下、望ましくは平均粒径が１００マイクロメートル以下の粉体である。水素化マグネシウムの平均粒径は、たとえば５０マイクロメートル、１５マイクロメートル、５マイクロメートルまたは１マイクロメートル以下でも良い。水素化マグネシウムの平均粒径および粒度分布は、必要な反応速度、コストおよび水素発生材容器３１の構成等に応じて、適宜選択される。水素発生材容器３１の詳細については、後述する。

反応容器２１には、第１管６６１との接続部の上まで水が貯留される。反応容器２１の内部は、温度が９５℃から２００℃、圧力が０．２メガパスカル以上、１メガパスカル未満に調整される。

第１管６６１を介して、反応容器２１内の水に水素化マグネシウムの粉が噴射される。この際、キャリアガスに水素を使用する。式（１）の反応式により、水素および水酸化マグネシウムが発生する。式（２）の反応式により、水素および酸化マグネシウムが発生する。これらの反応により泡が発生するが、シャワーヘッド２３から水面に向けてほぼ一様に散布される水により、泡の盛り上がりは抑制される。泡の発生量が多く、反応容器２１の上部まで泡が盛り上がった場合であっても、邪魔板２２の作用により泡は第３管６６３の内部に進入しない。

なお、邪魔板２２およびシャワーヘッド２３の形状および配置は、泡の盛り上がりを効果的に抑制する様に、適宜選択される。たとえば、邪魔板２２は、上側のシャワーヘッド２３と下側のシャワーヘッド２３との間に配置されていても良い。邪魔板２２は、下側のシャワーヘッド２３の下側に配置されていても良い。これらの場合、邪魔板２２はシャワーヘッド２３の放水を妨げない形状および位置に配置される。

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、隙間２６および第３管６６３を通って冷却槽６５に入り、水と水素とに分離される。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を介して図示しない燃料電池等の供給先に、水素が供給される。

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、第４管６６４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２管６６２を介してシャワーヘッド２３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シャワーヘッド２３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。

第１リザーバタンク７３について説明する。第１リザーバタンク７３の内部には、高い圧力Ｐ０で水素が充填されている。圧力Ｐ０は、たとえば１メガパスカル程度である。反応容器２１内における水素生成量が不足する場合には、第５バルブ５６５を閉じ、第２バルブ５６２を開き、第１リザーバタンク７３からキャリアガスを供給する。

なお、第２バルブ５６２と第１リザーバタンク７３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、連結管を介して水素タンク７１から供給される水素を加圧して、第１リザーバタンク７３に水素を補給することができる。

第２リザーバタンク７４について説明する。第２リザーバタンク７４の内部には、圧力Ｐ４で水素が充填されている。圧力Ｐ４は、たとえば１メガパスカル弱である。燃料電池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、第８バルブ５６８を開き、第２リザーバタンク７４から燃料電池に水素を供給する。

なお、第８バルブ５６８と第２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、補給管を介して水素タンク７１から供給される水素を加圧して、第２リザーバタンク７４に水素を補給することができる。

第２リザーバタンク７４の内部は、１メガパスカル未満の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、燃料電池等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、邪魔板２２、シャワーヘッド２３、水素発生材容器３１、冷却槽６５、水素タンク７１、第１リザーバタンク７３、第２リザーバタンク７４、第１管６６１、第３管６６３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２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、および、冷却装置５４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。

図３は、水素発生材容器３１の模式図である。本実施の形態においては、円筒形の水素発生材容器３１が４個並列に接続されている。本実施の形態においては、水素発生材容器３１は１個ずつ順番に使用し、使用中の水素発生材容器３１が空になった場合に、次の水素発生材容器３１の使用を開始する。

水素生成装置１０のユーザは、定期的に、またはたとえば最後の１個の水素発生材容器３１の使用を開始した場合に、空になった水素発生材容器３１を新しい水素発生材容器３１と交換する。なお、水素発生材容器３１は、水素発生材を再充填することにより、再使用可能である。

水素発生材容器３１の容量について、１ｋＷの燃料電池に水素を供給する場合を例にして説明する。１ｋＷの燃料電池は、１分間に標準状態で１０リットルの水素を消費する。式（１）に示す化学反応により水素を生成する場合、標準状態で１０リットルの水素を生成するには、５．８８グラムの水素化マグネシウムを使用する。

したがって、水素発生材容器３１に１ｋｇの水素化マグネシウムが充填されている場合には、２．７時間連続して使用することができる。図３に示す様に４個の水素発生材容器３１を並列して接続する場合には、水素生成装置１０を１０時間以上連続して使用することができる。空になった水素発生材容器３１を適宜交換することにより、さらに長い時間水素生成装置１０を連続使用することが可能である。

図４は、１個の水素発生材容器３１の模式断面図である。図３および図４を使用して、水素発生材容器３１の構成を説明する。

水素発生材容器３１は円形断面の中空容器である。なお、水素発生材容器３１の断面形状は、円形以外の形状であっても良い。水素発生材容器３１は、上側に平板状である天板を備える。水素発生材容器３１は、下に向けて径が小さくなるテーパ部の端部に接続口３８を備える。接続口３８は、第１管６６１に接続されている。

水素発生材容器３１の内側の下部に、テーパ部と同軸にスクリュー３２が配置されている。スクリュー３２は、一様な直径の螺旋状である。スクリュー３２の外径は、接続口３８の内径と略同一である。

水素発生材容器３１の上に、モータ３３が固定されている。モータ３３の回転軸は、水素発生材容器３１の天板を貫通する軸３４を介してスクリュー３２に連結されている。モータ３３が回転することにより、軸３４とスクリュー３２とが一体になって回転する。

それぞれの水素発生材容器３１の上側に接続された第３バルブ５６３の開度により、水素発生材容器３１内部の圧力Ｐ１が制御される。第１管６６１に接続された第４バルブ５６４の開度により、第１管６６１内部の圧力Ｐ２が、水素発生材容器３１内部の圧力Ｐ１よりも低く、反応容器２１内部の圧力Ｐ３よりも高い圧力に制御される。

以上により、使用する水素発生材容器３１の上側から下側に向けて水素による圧力が加えられ、水素発生材容器３１中の水素発生材の、第３バルブ５６３側への逆流が防止される。

スクリュー３２が回転することにより、スクリュー３２の螺旋状の溝と水素発生材容器３１の内面との間の水素発生材が、第１管６６１に押し出される。モータ３３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することができる。

第１管６６１に押し出された水素発生材は、水素の流れに乗って反応容器２１の内部に噴射される。キャリアガスが水素であるので、反応容器２１の上部の気体は、水素と、水蒸気により構成される。

図５は、図１におけるＶ−Ｖ線による反応容器２１の模式断面図である。反応容器２１の内壁の接線方向に沿って設けられた噴射口２４に、第１管６６１が接続されている。図１および図５に矢印で示す様に、噴射口２４から反応容器２１の内壁に沿って斜め下向きに、キャリアガスと共に水素発生材が噴射される。

水素発生材は、反応容器２１の内壁に沿って斜め下向きに流れながら、水と反応する。キャリアガスの流れが反応容器２１内の水を攪拌することにより、水素発生材が水中にむら無く拡散する。なお、反応容器２１は、噴射口２４を複数備えても良い。

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２管６６２、シャワーヘッド２３、反応容器２１、第４管６６４、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２管６６２、シャワーヘッド２３、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シャワーヘッド２３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内に水素化マグネシウムを搬送するキャリアガスは、反応容器２１内の化学反応により発生して、第２管６６２、冷却槽６５、送気管、水素タンク７１、挿通管、第２分岐管および第１管６６１を経て反応容器２１に戻る。したがって、定常運転中は第１リザーバタンク７３からキャリアガスを供給し続ける必要が無く、第１リザーバタンク７３の容量を小さくすることが可能である。

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、内部の水素発生材が空になった水素発生材容器３１を適宜交換する等により、水素発生材を補充する。

以上に説明したとおり、本実施の形態の水素生成装置１０は、水素発生材を充填した水素発生材容器３１の交換、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。

水素生成装置１０の各部の圧力は、制御装置４０により式（7）に示す関係を有する様に制御される。
Ｐ０＞Ｐ１＞Ｐ２＞Ｐ３ …… （７）
Ｐ０は、第１リザーバタンク７３内部の圧力。
Ｐ１は、水素発生材容器３１内部の圧力。
Ｐ２は、第１管６６１内部の圧力。
Ｐ３は、反応容器２１内部の圧力。

図６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６を使用して、水素生成装置１０の動作を説明する。なお、図６に示すプログラムの開始時点では、第１バルブ５６１から第６バルブ５６６までは閉じている。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、受信した開信号に従って第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の内部に水を注入する。」の様に記載する。第１バルブ５６１以外の各バルブ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、噴射口２４よりも高い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従って、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、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と第３バルブ５６３とを開き、第１リザーバタンク７３内の水素の圧力を用いて、水素発生材容器３１の内部を圧力Ｐ１に加圧する（ステップＳ５０３）。

ＣＰＵ４１は、第４バルブ５６４を開いて、第１管６６１にキャリアガスを流す。ＣＰＵ４１は、モータ３３の駆動回路に対して駆動信号を発する。モータ３３の駆動回路は、受信した駆動信号に従って、モータ３３を回転させる。なお、以下の説明においては、モータ３３の駆動回路の動作の記載を省略して、「ＣＰＵ４１はモータ３３を回転する」の様に記載する。

モータ３３の回転に伴い、スクリュー３２が回転して、水素発生材容器３１内の水素発生材が、第１管６６１内に押し出され、キャリアガスにより搬送されて、反応容器２１内に噴射される。すなわち、ＣＰＵ４１は、モータ３３および各バルブ５６を制御して、反応容器２１内に水素発生材を噴射する（ステップＳ５０４）。

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Ｓ５０５）。ＣＰＵ４１は、第２バルブ５６２を閉じ、第５バルブ５６５を開くことにより、キャリアガスの管路を切り替える（ステップＳ５０６）。以後、反応容器２１で生成した水素の一部が水素発生材のキャリアガスに使用される。

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内に散布する水の量を増やす。

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。シャワーヘッド２３による水の散布および冷却装置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。

化学反応により発生した泡が多い場合には、ＣＰＵ４１は第１バルブ５６１を制御してシャワーヘッド２３から散布する水の量を増やして泡を抑制する。

ＣＰＵ４１は、第６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。燃料電池等から水素供給量の増加を要求された場合には、ＣＰＵ４１はモータ３３を制御して反応容器２１に噴射する水素発生材の量を増やす。燃料電池等から水素供給量の減少を要求された場合には、ＣＰＵ４１はモータ３３を制御して反応容器２１に噴射する水素発生材の量を減らす。

ＣＰＵ４１は、上述の通常運転中に周期的に、水素発生材容器３１が空になったか否かを判定する（ステップＳ５０８）。空になったと判定した場合（ステップＳ５０８でＹＥＳ）、ＣＰＵ４１は空になった水素発生材容器３１に接続されている第３バルブ５６３を閉じ、新しい水素発生材容器３１に接続されている第３バルブ５６３を開く。以上のＣＰＵ４１による処理により、水素発生材容器３１が切り替えられる（ステップＳ５０９）。

ＣＰＵ４１は、出力部４５に水素発生材容器３１を切り替えたことに関する通知を出力する（ステップＳ５１０）。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、水素発生材容器３１が交換された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、空になった水素発生材容器３１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、未使用の水素発生材容器３１が所定の数量を下回った場合に通知を出力しても良い。

空になっていないと判定した場合（ステップＳ５０８でＮＯ）またはステップＳ５１０の終了後、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、たとえばモータ３３の停止、ヒータ５８の停止、第２バルブ５６２、第３バルブ５６３、第４バルブ５６４および第５バルブ５６５を閉じることによるキャリアガスの停止等により、反応容器２１内部の化学反応を停止することができる。

化学反応が停止した後、ＣＰＵ４１は第１バルブ５６１および第６バルブ５６６を閉じて、水の循環も停止する。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、圧縮機５９、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。

本実施の形態によると、長時間の連続運転が可能な水素生成装置１０を提供することが可能である。本実施の形態によると、キャリアガスに水素を使用するので、純度の高い水素を生成する水素生成装置１０を提供することが可能である。

本実施の形態によると、水およびキャリアガスを循環させて使用するので、外部の水道管等に接続せずに、スタンドアロンで運転可能な水素生成装置１０を提供することが可能である。本実施の形態によると、自動運転が可能な水素生成装置１０を提供することが可能である。

本実施の形態によると、水素発生材容器３１を交換することにより、長時間運転可能な水素生成装置１０を提供することが可能である。本実施の形態によると、反応生成物の再処理および水素発生材容器３１の再使用が可能であるので、環境負荷の少ない水素生成装置１０を提供することが可能である。

［実施の形態２］
本実施の形態は、テーパ状のスクリュー３２を使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７は、実施の形態２の水素発生材容器３１の模式断面図である。スクリュー３２は、水素発生材容器３１下部の内面に沿った先細りのテーパ形状の螺旋である。

本実施の形態によると、スクリュー３２と水素発生材容器３１の内面とが接する部分が長いので、両者の隙間から水素発生材が漏れることが少ない。したがって、ＣＰＵ４１が水素発生材の供給量を正確に制御することができる。

［実施の形態３］
本実施の形態は、段つき形状の水素発生材容器３１を使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８は、実施の形態３の水素発生材容器３１の模式断面図である。スクリュー３２は、図４を使用して説明した実施の形態１のスクリュー３２と同様に、一様な直径の螺旋状である。水素発生材容器３１は、段付きの略円筒形状であり、下部の内径はスクリュー３２の外形と略同一である。

本実施の形態によると、スクリュー３２と水素発生材容器３１の内面とが接する部分が長いので、両者の隙間から水素発生材が漏れることが少ない。したがって、ＣＰＵ４１が水素発生材の供給量を正確に制御することができる。さらに、スクリュー３２の直径が一様であるので、製造が容易である。

［実施の形態４］
本実施の形態は、ジェットポンプ３６を用いて水素発生材容器３１から水素発生材を取り出す水素生成装置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の水素発生材容器３１の模式断面図である。水素発生材容器３１の底に、有底円筒状または溝状の接続口３８が設けられている。第１管６６１から分岐する第１枝管６８１にジェットポンプ３６が接続されている。ジェットポンプ３６から接続口３８に第２枝管６８２が接続されている。接続口３８の反対側から、第１管６６１の下流側に第３枝管６８３が接続されている。

第２枝管６８２および第３枝管６８３は、図示しないジョイント部材により、接続口３８と着脱可能である。したがって、接続口３８は、第１枝管６８１、ジェットポンプ３６、第２枝管６８２および第３枝管６８３を介して、第１管６６１に着脱可能である。

接続口３８と第２枝管６８２との境界は、水素発生材が通過しない大きさの開口を有する網で覆われている。接続口３８と第３枝管６８３との境界は、強い圧力が加わった場合に水素発生材が通過する網、すなわち水素発生材の粒径と同程度の開口を有する網で覆われている。

ジェットポンプ３６は、第１枝管６８１を介して水素を取り込み、間歇的に高圧の水素を第２枝管６８２に送り出す。圧力により網を通過した水素発生材が、第３枝管６８３を介して第１管６６１に入り、キャリアガスにより搬送されて反応容器２１内に噴射される。

本実施の形態によると、水素発生材容器３１の構造が単純であるので、軽量化することが可能である。

［実施の形態５］
本実施の形態は、重力および圧力差により水素発生材容器３１から水素発生材を取り出す水素生成装置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１０は、実施の形態５の水素発生材容器３１の模式断面図である。水素発生材容器３１の底と、第１管６６１とは、円筒状の接続口３８により接続されている。接続口３８は、第７バルブ５６７を有する。第７バルブ５６７は、ＣＰＵ４１により制御される。

ＣＰＵ４１が第７バルブ５６７を開くことにより、重力および第３バルブ５６３を介して供給される水素の圧力により、水素発生材が第１管６６１に送り込まれ、キャリアガスにより搬送されて反応容器２１内に噴射される。

本実施の形態によると、水素発生材容器３１の構造が単純であるので、軽量化することが可能である。さらに本実施の形態によると、ジェットポンプ３６が不要であるので、構造が簡単でメンテナンスが容易な水素生成装置１０を提供することが可能である。

［実施の形態６］
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１１は、実施の形態６の水素生成装置１０の模式図である。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。

正極で生成された水は、第５管６６５を介して水タンク６１に流入し、第２管６６２を介してシャワーヘッド２３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を提供することができる。

［実施の形態７］
本実施の形態は、シャワーヘッド２３からも水素発生材を供給する水素生成装置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１２は、実施の形態７の水素生成装置１０の模式図である。シャワーヘッド２３は、途中に第１バルブ５６１および図示しない加圧ポンプを備える第２管６６２を介して、懸濁容器８１に接続されている。

懸濁容器８１は、途中に第９バルブ５６９を備える第６管６６６を介して、水タンク６１に接続されている。さらに懸濁容器８１は、途中に供給バルブ８３を有する供給管８４を介して第２水素発生材容器８５に接続されている。

懸濁容器８１の上部に、モータ８２３が固定されている。モータ８２３に固定された回転軸８２４は、懸濁容器８１の内部に突出し、先端にインペラ８２５が固定されている。モータ８２３が回転することにより、インペラ８２５が回転し、懸濁容器８１の内部を攪拌する。モータ８２３、回転軸８２４およびインペラ８２５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。

懸濁容器８１の外側には、第２冷却装置５４２が取り付けられている。第２冷却装置５４２は、懸濁容器８１を水冷または空冷等により冷却する装置である。懸濁容器８１の温度が所定の温度よりも高い場合には、第２冷却装置５４２が動作して懸濁容器８１を冷却する。

所定の温度は、たとえば懸濁容器８１内の懸濁液の温度が、０℃以上２０℃以下になる範囲の温度である。懸濁液の温度が、０℃以上１５℃以下の範囲になることが、さらに望ましい。懸濁液の温度が、摂氏５℃以上１０℃以下の範囲になることが、さらに望ましい。懸濁容器８１を低温に保つことにより、懸濁容器８１の内部で水素発生材と水とが反応して、水素が発生することを防止することができる。

たとえば、水素タンク７１、第１リザーバタンク７３または第２リザーバタンク７４の圧力が低下した場合、供給バルブ８３が開き、懸濁容器８１内に水素発生材を供給する。攪拌器８２が懸濁容器８１内を攪拌することにより、水素発生材が水中に分散して懸濁液になる。シャワーヘッド２３は、反応容器２１内に懸濁液を散布する。

懸濁容器８１内の懸濁液の濃度は、供給バルブ８３および第９バルブ５６９により制御される。供給バルブ８３が閉じた状態が一定期間継続した後には、懸濁容器８１内の液体は水になる。反応容器２１に散布される懸濁液または水の量は、第１バルブ５６１により制御される。

なお、水素生成装置１０は、水タンク６１から懸濁容器８１を介さずに反応容器２１に水を供給する、いわゆるバイパス管路を有しても良い。

本実施の形態によると、第１管６６１からの噴射に加えてシャワーヘッド２３からも反応容器２１内へ水素発生材を供給可能であるので、必要に応じて水素の発生量を大幅に増やすことができる水素生成装置１０を提供できる。

なお、本実施の形態の水素生成装置１０は、第１リザーバタンク７３を備えなくても良い。水素生成装置１０の起動時には、シャワーヘッド２３から反応容器２１に供給される懸濁液中の水素発生材により発生した水素を水素タンク７１に貯留する。水素タンク７１の圧力が十分に高まった後に、第１管６６１を介して水素発生材を反応容器２１内に噴射することができる。

［実施の形態８］
本実施の形態は、反応容器２１の上部に第２管６７２を直接接続する水素生成装置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１３は、実施の形態８の水素生成装置１０の模式図である。反応容器２１は、途中に第１バルブ５６１を備える第２管６６２を介して、水タンク６１に接続されている。邪魔板２２は、第２管６６２の開口部の真下にあたる位置に孔を有する。

第２管６６２を介して、反応容器２１内に水が供給される。反応容器２１内に貯留された水は、第２管６６２の開口部から落下する水の勢いにより攪拌される。なお、第１バルブ５６１が、開状態と閉状態とを繰り返すことにより、反応容器２１の内部が効率良く攪拌される。

第２管６６２は複数の管に分岐して反応容器２１に接続されていても良い。複数の開口部から反応容器２１内に水が落下することにより、反応容器２１内の水および水素発生材の濃度のむらを防ぐことができる。

本実施の形態によると、構成が簡素でメンテナンスが容易な水素生成装置１０を提供できる。

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、請求の範囲によって示され、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
２２ 邪魔板
２３ シャワーヘッド
２４ 噴射口
２５ 排水口
２６ 隙間
３１ 水素発生材容器
３２ スクリュー
３３ モータ
３４ 軸
３６ ジェットポンプ
３８ 接続口
４０ 制御装置
４１ ＣＰＵ
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
５６ バルブ
５６１ 第１バルブ
５６２ 第２バルブ
５６３ 第３バルブ
５６４ 第４バルブ
５６５ 第５バルブ
５６６ 第６バルブ
５６７ 第７バルブ
５６８ 第８バルブ
５６９ 第９バルブ
５７ ポンプ
５８ ヒータ
５９ 圧縮機
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 第６管
６７ オーバーフロー管
６８１ 第１枝管
６８２ 第２枝管
６８３ 第３枝管
７１ 水素タンク
７３ 第１リザーバタンク
７４ 第２リザーバタンク
７５ 水素放出管
８０ 燃料電池
８１ 懸濁容器
８３ 供給バルブ
８４ 供給管
８５ 第２水素発生材容器

Claims (14)

1. 反応容器の内部に水を散布するシャワーヘッドと、
   水素をキャリアガスに用いて前記反応容器の内部に粉状の水素発生材を供給する第１管と、
   前記反応容器の上部に接続され、前記シャワーヘッド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１管により供給された前記水素発生材との反応により生じた水素を流出させる第３管と
   を備える水素生成装置。
2. 前記反応容器と前記第３管との接続部と、前記シャワーヘッドとの間に配置された邪魔板を備える請求項１に記載の水素生成装置。
3. 前記第１管は、前記第３管から流出した水素をキャリアガスに用いる請求項１または請求項２に記載の水素生成装置。
4. 前記第１管は、前記反応容器の内壁に沿って前記水素発生材を噴射する請求項１から請求項３のいずれか一つに記載の水素生成装置。
5. 前記水素発生材を収容し、前記第１管と着脱可能に接続された接続口を有する水素発生材容器を備える請求項１から請求項４のいずれか一つに記載の水素生成装置。
6. 前記水素発生材容器は、回転により前記水素発生材を前記第１管内に送り出すスクリューを有する請求項５に記載の水素生成装置。
7. 前記反応容器の下部に設けられた排水口から排出した水と反応生成物とを分離する分離槽を備え、
   前記シャワーヘッドは、前記分離槽で分離した水を散布する
   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。
8. 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７のいずれか一つに記載の水素生成装置。
9. 前記第３管から流出させた水素を消費した燃料電池により生成された水が流入する第５管を備え、
   前記第５管から流入した水が前記シャワーヘッドに供給される
   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。
10. 反応容器の内部に水を散布し、
    前記反応容器に接続された第１管を介して、粉状の水素発生材と水素とを前記反応容器内に供給し、
    前記反応容器の上部に接続された第３管より、前記反応容器内に貯留した水と前記水素発生材との反応により生じた水素を流出させる
    水素生成方法。
11. 水に水素発生材が懸濁した懸濁液を反応容器の内部に散布するシャワーヘッドと、
    前記反応容器の上部に接続され、前記シャワーヘッドにより供給されて前記反応容器内に貯留した前記水と前記水素発生材との反応により生じた水素を流出させる第３管と
    を備える水素生成装置。
12. 水素をキャリアガスに用いて前記反応容器の内部に粉状の水素発生材を供給する第１管を備える、
    請求項１１に記載の水素生成装置。
13. 水素をキャリアガスに用いて反応容器の内部に粉状の水素発生材を供給する第１管と、
    前記反応容器の内部に水を供給する第２管と、
    前記反応容器の上部に接続され、前記第２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１管により供給された前記水素発生材との反応により生じた水素を流出させる第３管と
    を備える水素生成装置。
14. 粉状の水素発生材を水に懸濁させた懸濁液を反応容器の内部に散布し、
    前記反応容器の上部に接続された第３管より、散布されて前記反応容器内に貯留した前記水と前記水素発生材との反応により生じた水素を流出させる
    水素生成方法。
    

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