(57)【要約】【課題】粉または粒状の金属水素化物を反応器に供給する原料供給器の可動部分を削減して、メンテナンスコストを抑制できる水素生成装置を提供する。【解決手段】反応器５から水素タンク２００に水素を供給する水素供給路７と、水素供給路７に水素の圧力を上昇させる昇圧機１０と、水素タンク２００から原料供給器４に輸送用水素を送る輸送用水素供給路６と、輸送用水素に原料容器３から落下する粉状の水素化ホウ素ナトリウムを混合させて、輸送用水素の流れを利用して、反応器５に原料供給路１３を介して、水素化ホウ素ナトリウムを輸送用水素と共に供給するように構成された原料供給器４と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
粉または粒状の金属水素化物と水とを反応させて水素を生成させる反応器と、
前記反応器に前記金属水素化物を供給する原料供給器と、
前記反応器に前記水を供給する水供給器と、
水素利用機器に前記水素を送る水素供給路と、
前記水素利用機器または前記水素供給路上の分岐路から前記原料供給器に輸送用水素を送る輸送用水素供給路と、
前記水素供給路または前記輸送用水素供給路の少なくとも一方に備えられ、その備えられた箇所よりも下流側の流路の前記水素の圧力を、その備えられた箇所よりも上流側の流路の前記水素の圧力よりも上昇させる昇圧機と、
を備え、
前記原料供給器は、前記輸送用水素に前記金属水素化物を混合させて、前記輸送用水素の流れを利用して、前記反応器に原料供給路を介して、前記金属水素化物を前記輸送用水素と共に供給するように構成されていることを特徴とする、水素生成装置。
【請求項２】
前記反応器に前記金属水素化物を供給する起動用原料供給路と、前記起動用原料供給路に、前記反応器に前記金属水素化物を供給する機械式の起動用原料供給器とを備える、請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項３】
粉または粒状の金属水素化物と水とを反応させて水素を生成させる反応器と、
前記反応器に前記金属水素化物を供給する原料供給器と、
前記反応器に前記水を供給する水供給器と、
水素利用機器に前記水素を送る水素供給路と、
前記水素利用機器または前記水素供給路上の分岐路から前記原料供給器に輸送用水素を送る輸送用水素供給路と、
前記水素供給路または前記輸送用水素供給路の少なくとも一方に備えられ、その備えられた箇所よりも下流側の流路の前記水素の圧力を、その備えられた箇所よりも上流側の流路の前記水素の圧力よりも上昇させる昇圧機と、
を備え、前記原料供給器が、前記輸送用水素に前記金属水素化物を混合させて、前記輸送用水素の流れを利用して、前記反応器に原料供給路を介して、前記金属水素化物を前記輸送用水素と共に供給するように構成されている水素生成装置の運転方法であって、
前記原料供給器に流入する前記輸送用水素の流量を調整することにより、前記原料供給器から前記反応器に供給する前記金属水素化物の供給量を調整することを特徴とする、水素生成装置の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属水素化物を水と反応させて、水素を生成する水素生成装置およびその運転方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、二酸化炭素の排出による地球の温暖化等の環境問題や、石油資源の枯渇等のエネルギー問題から、クリーンな代替エネルギーとして水素エネルギーが注目されている。しかし、水素ガスは一般的なインフラガスとして整備されておらず、水素を安全に貯蔵、輸送、供給する技術の開発が重要となる。
【０００３】
水素の貯蔵方法には、いくつかの候補があるが、中でも可逆的に水素を貯蔵・放出することのできる水素化物として、金属水素化物を用い、水と反応させて水素を生成する水素生成装置が知られている。
【０００４】
従来、この種の水素生成装置に用いる金属水素化物として、ＮａＨ、ＮａＢＨ４、ＮａＡｌＨ４、ＬｉＡｌＨ４、ＬｉＢＨ４、ＬｉＨ、ＣａＨ２、ＡｌＨ３、ＭｇＨ２、などが知られている。例えば、ＮａＢＨ４は、水と反応して（化１）の加水分解反応により水素および生成物であるＮａＢＯ２を生成することが知られている。
【０００５】
【化１】
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従来の金属水素化物を用いて水素を生成する水素生成装置は、超音波モータを用いたポンプなどの機械式の供給装置を用いて、粉体の金属水素化物を、触媒が担持された反応器に供給していた（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−１５４８０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来の水素生成装置では、粉体で供給される金属水素化物を供給する供給装置の可動部分に粉体が詰まり、クリーニングなどのメンテナンスにコストが掛かるという課題を有していた。
【０００８】
本発明は、従来の課題を解決するもので、金属水素化物を反応器に供給する構成のメンテナンスコストを削減できる水素生成装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
従来の課題を解決するために、本発明の水素生成装置は、粉または粒状の金属水素化物と水とを反応させて水素を生成させる反応器と、反応器に金属水素化物を供給する原料供給器と、反応器に水を供給する水供給器と、水素利用機器に水素を送る水素供給路と、水素利用機器または水素供給路上の分岐路から原料供給器に輸送用水素を送る輸送用水素供給路と、水素供給路または輸送用水素供給路の少なくとも一方に備えられ、その備えられた箇所よりも下流側の流路の水素の圧力を、その備えられた箇所よりも上流側の流路の水
素の圧力よりも上昇させる昇圧機と、を備え、原料供給器は、輸送用水素に金属水素化物を混合させて、輸送用水素の流れを利用して、反応器に原料供給路を介して、金属水素化物を輸送用水素と共に供給するように構成されているのである。
【００１０】
これにより、水素をキャリアガスとして、二相流で粉または粒状の金属水素化物を輸送することができ、原料供給器の金属水素化物流路の可動部分を削減できる。この結果、金属水素化物が原料供給器の可動部に詰まることに対するクリーニングなどのメンテナンスコストを抑制できる水素生成装置を提供することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の水素生成装置は、輸送用水素と金属水素化物とを混合させて反応器に供給することにより、原料供給器の可動部分を削減し、メンテナンスコストを抑制することができる。また、原料供給器の可動部分が削減されることにより、耐久性の高い水素生成装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態１における水素生成装置のブロック図
【図２】本発明の実施の形態２における水素生成装置のブロック図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
第１の発明の水素生成装置は、粉または粒状の金属水素化物と水とを反応させて水素を生成させる反応器と、反応器に金属水素化物を供給する原料供給器と、反応器に水を供給する水供給器と、水素利用機器に水素を送る水素供給路と、水素利用機器または水素供給路上の分岐路から原料供給器に輸送用水素を送る輸送用水素供給路と、水素供給路または輸送用水素供給路の少なくとも一方に備えられ、その備えられた箇所よりも下流側の流路の水素の圧力を、その備えられた箇所よりも上流側の流路の水素の圧力よりも上昇させる昇圧機と、を備え、原料供給器は、輸送用水素に金属水素化物を混合させて、輸送用水素の流れを利用して、反応器に原料供給路を介して、金属水素化物を輸送用水素と共に供給するように構成されていることを特徴とするものである。
【００１４】
これにより、水素をキャリアガスとして、二相流で粉または粒状の金属水素化物を輸送することができ、原料供給器の金属水素化物流路の可動部分を削減できる。この結果、金属水素化物が原料供給器の可動部に詰まることに対するクリーニングなどのメンテナンスコストを抑制できる水素生成装置を提供することができる。
【００１５】
第２の発明の水素生成装置は、特に、第１の発明の水素生成装置の構成に加えて、反応器に金属水素化物を供給する起動用原料供給路と、起動用原料供給路に、反応器に金属水素化物を供給する機械式の起動用原料供給器とを備えるものである。
【００１６】
これにより、水素生成装置の起動時で、反応器が未だ水素を生成していないために、原料供給器に輸送用水素を供給できない場合においても、起動用原料供給器を用いて反応器に金属水素化物を供給することができ、水素生成装置を起動することができる。
【００１７】
第３の発明の水素生成装置の運転方法は、粉または粒状の金属水素化物と水とを反応させて水素を生成させる反応器と、反応器に金属水素化物を供給する原料供給器と、反応器に水を供給する水供給器と、水素利用機器に水素を送る水素供給路と、水素利用機器または水素供給路上の分岐路から原料供給器に輸送用水素を送る輸送用水素供給路と、水素供給路または輸送用水素供給路の少なくとも一方に備えられ、その備えられた箇所よりも下流側の流路の水素の圧力を、その備えられた箇所よりも上流側の流路の水素の圧力よりも上昇させる昇圧機と、を備え、原料供給器が、輸送用水素に金属水素化物を混合させて、
輸送用水素の流れを利用して、反応器に原料供給路を介して、金属水素化物を輸送用水素と共に供給するように構成されている水素生成装置の運転方法であって、原料供給器に流入する輸送用水素の流量を調整することにより、原料供給器から反応器に供給する金属水素化物の供給量を調整することを特徴とするものである。
【００１８】
これにより、水素をキャリアガスとして、二相流で粉または粒状の金属水素化物を輸送することができ、原料供給器の金属水素化物流路の可動部分を削減できる。この結果、金属水素化物が原料供給器の可動部に詰まることに対するクリーニングなどのメンテナンスコストを抑制できるすることができる。
【００１９】
また、原料供給器に流入する輸送用水素の流量を調整することにより、原料供給器から反応器に供給する金属水素化物の供給量を調整することができる。
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００２１】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における水素生成装置のブロック図である。
【００２２】
図１に示すように、本実施の形態の水素生成装置１００は、原料の金属水素化物である粉状の水素化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＨ４）を貯蔵した原料容器３と、反応器５と、原料供給路１３と、原料容器３の水素化ホウ素ナトリウムを、原料供給路１３を介して反応器５に供給する原料供給器４と、水を貯えた水容器１と、水容器１の水を反応器５に供給する水供給器２とが設けられている。
【００２３】
反応器５の下流側には、生成された水素を水素利用機器である水素タンク２００に供給する水素供給路７と、生成物流路１１とが接続されており、水素供給路７には昇圧機１０が設けられている。水素タンク２００には、原料供給器４に水素を供給する輸送用水素供給路６が接続され、輸送用水素供給路６は、原料供給器４に接続される。輸送用水素供給路６には、調整弁１２が設置され、輸送用水素供給路６を流れる水素の量を調整する。
【００２４】
原料容器３は原料供給器４の上方に設置され、漏斗状のホッパで原料供給器４と接続されている。水素化ホウ素ナトリウムは自重で原料容器３から原料供給器４に供給される。
【００２５】
原料供給器４は、上方（原料容器３）から供給される水素化ホウ素ナトリウムを、輸送用水素供給路６から供給される輸送用水素に混合させて、輸送用水素の流れを利用して、反応器５に原料供給路１３を介して、水素化ホウ素ナトリウムを輸送用水素と共に供給するように構成されており、可動部分を持たない構造で構成される。
【００２６】
つまり、原料供給器４は、輸送用水素供給路６から原料供給器４に流入した輸送用水素が流れる流路内に、水素化ホウ素ナトリウムを落下させる孔が開いた、輸送用水素供給路６と原料供給路１３とを接続する流路である。
【００２７】
水素供給路７の途中に設けられた昇圧機１０は、昇圧機１０よりも下流の水素の圧力を上昇させるポンプであり、大気圧で供給される水素を１．０ＭＰａまで昇圧し、昇圧機１０よりも下流の水素供給路７を介して水素タンク２００に供給する。
【００２８】
以上のように構成された本実施の形態の水素生成装置１００において、以下その動作・作用を説明する。
【００２９】
原料容器３に貯蔵された水素化ホウ素ナトリウムは、原料供給器４から反応器５に供給される。水容器１に貯えられた水は、水供給器２から反応器５に供給される。反応器５では水素化ホウ素ナトリウムと水とが混合され、（化１）に示す加水分解により水素と生成物であるメタホウ酸ナトリウム（ＮａＢＯ２）とが生成される。
【００３０】
反応器５において加水分解によって生成した水素は、反応器５に接続された水素供給路７と昇圧機１０とを流通し、水素タンク２００に送られる。加水分解によって水素と同時に生成されたメタホウ酸ナトリウムは、水供給器２から供給された水のうち反応に用いられなかった残存水に溶解した状態で、反応器５に接続された生成物流路１１より反応器５の外部に排出される。
【００３１】
水素タンク２００に送られた水素は、１．０ＭＰａの圧力で水素タンク２００内に蓄えられ、外部に供給されると同時に、輸送用水素供給路６および、調整弁１２を介し、原料供給器４に供給される。
【００３２】
原料供給器４に供給された水素は、原料供給器４に供給された粉状の水素化ホウ素ナトリウムと混合され、粉状の水素化ホウ素ナトリウムを輸送するキャリアガスとして、水素化ホウ素ナトリウムと水素とが混じった二相混合流体の状態で、原料供給路１３を流通して、反応器５に供給される。
【００３３】
この時、反応器５に供給される水素化ホウ素ナトリウムの量は、輸送用水素供給路６より供給されるキャリアガスである水素の流量によって増減する。このため、反応器５に供給される水素化ホウ素ナトリウムの量は、調整弁１２の絞り量を調整し、キャリアガスである水素の供給量を制御することによって調整でき、これによって反応器５における加水分解に必要な量の水素化ホウ素ナトリウムを供給することができる。
【００３４】
以上のように、本実施の形態においては、水素タンク２００から分岐した輸送用水素供給路６を設け、水素を原料供給器４に供給することにより、水素をキャリアガスとして、二相流で粉状の水素化ホウ素ナトリウムを輸送することができ、原料供給器４の可動部分を削減できる。
【００３５】
この結果、粉状の水素化ホウ素ナトリウムが原料供給器４の可動部に詰まることに対するクリーニングなどのメンテナンスコストを抑制できる水素生成装置１００を提供することができる。
【００３６】
なお、本実施の形態においては、水素利用機器として水素タンク２００を用いたが、水素を用いて発電する燃料電池などであってもよい。
【００３７】
また、本実施の形態では、水素供給路７に昇圧機１０を設置し、輸送用水素供給路６に調整弁１２を設置する構成としたが、原料供給器４に適切な量の水素を供給できる構成であれば良く、輸送用水素供給路６に、原料供給器４への水素供給量を調整可能なブロアを設置する構成であってもよい。
【００３８】
（実施の形態２）
図２は本発明の実施の形態２における水素生成装置のブロック図である。図２に示す実施の形態２の水素生成装置１０１において、図１に示す実施の形態１の水素生成装置１００と同一構成については、同一符号を付している。
【００３９】
図２に示すように、本実施の形態の水素生成装置１０１は、原料の金属水素化物である粉状の水素化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＨ４）を貯蔵した原料容器３と、反応器５と、原
料供給路１３と、原料容器３の水素化ホウ素ナトリウムを、原料供給路１３を介して反応器５に供給する原料供給器４と、水を貯えた水容器１と、水容器１の水を反応器５に供給する水供給器２とが設けられている。
【００４０】
反応器５の下流側には生成された水素を水素利用機器である燃料電池２０１に供給する水素供給路７と、生成物流路１１とが接続されており、水素供給路７には昇圧機１０が設けられている。
【００４１】
昇圧機１０よりも下流側で水素供給路７から分岐した輸送用水素供給路９が、原料供給器４に接続される。輸送用水素供給路９には、調整弁１２が設置され、輸送用水素供給路９を流れる水素の量を調整する。
【００４２】
原料容器３は原料供給器４の上方に設置され、漏斗状のホッパで原料供給器４と接続されている。水素化ホウ素ナトリウムは自重で原料容器３から原料供給器４に供給される。
【００４３】
原料供給器４は、上方（原料容器３）から供給される水素化ホウ素ナトリウムを、輸送用水素供給路９から供給される輸送用水素に混合させて、輸送用水素の流れを利用して、反応器５に原料供給路１３を介して、水素化ホウ素ナトリウムを輸送用水素と共に供給するように構成されており、可動部分を持たない構造で構成される。
【００４４】
つまり、原料供給器４は、輸送用水素供給路９から原料供給器４に流入した輸送用水素が流れる流路内に、水素化ホウ素ナトリウムを落下させる孔が開いた、輸送用水素供給路９と原料供給路１３とを接続する流路である。
【００４５】
さらに、反応器５の上方で、かつ、原料容器３の下方には、原料容器３に貯蔵された水素化ホウ素ナトリウムを反応器５に供給する起動用原料供給路が配置されている、この起動用原料供給路における上流側部分は、漏斗状のホッパを介して原料容器３と連通しており、起動用原料供給路における下流側部分は、反応器５と連通している。
【００４６】
そして、起動用原料供給路には、起動用原料供給路と平行な回転軸を有し、原料容器３から漏斗状のホッパを介して起動用原料供給路に落下した水素化ホウ素ナトリウムを、回転軸を中心に一方向に回転する螺旋状のスクリューによって反応器５の上方に搬送する機械式の起動用原料供給器としてのスクリューコンベア８が配置されている。
【００４７】
水素供給路７の途中に設けられた昇圧機１０は、昇圧機１０よりも下流の水素の圧力を上昇させるポンプであり、大気圧で供給される水素を昇圧し、昇圧機１０よりも下流の水素供給路７を介して燃料電池２０１および原料供給器４に供給する。
【００４８】
以上のように構成された本実施の形態の水素生成装置１０１において、以下その動作・作用を説明する。
【００４９】
まず、水素生成の通常動作ついて説明する。
【００５０】
原料容器３に貯蔵された水素化ホウ素ナトリウムは、原料供給器４から反応器５に供給される。水容器１に貯えられた水は、水供給器２から反応器５に供給される。このとき、スクリューコンベア８は動作を停止している。反応器５では水素化ホウ素ナトリウムと水とが混合され、（化１）に示す加水分解により水素と生成物であるメタホウ酸ナトリウム（ＮａＢＯ２）とが生成される。
【００５１】
加水分解によって生成した水素は、反応器５に接続された水素供給路７と昇圧機１０と
を流通し、燃料電池２０１に送られる。加水分解によって水素と同時に生成されたメタホウ酸ナトリウムは、水供給器２から供給された水のうち反応に用いられなかった残存水に溶解した状態で、反応器５に接続された生成物流路１１により反応器５の外部に排出される。
【００５２】
昇圧機１０から送られた水素は、燃料電池２０１に供給されると同時に、輸送用水素供給路９および、調整弁１２を介し、原料供給器４に供給される。原料供給器４に供給された水素は、原料供給器４に供給された粉状の水素化ホウ素ナトリウムと混合され、粉状の水素化ホウ素ナトリウムを輸送するキャリアガスとして、水素化ホウ素ナトリウムと水素とが混じった二相混合流体の状態で、原料供給路１３を流通し、反応器５に供給される。
【００５３】
この時、反応器５に供給される水素化ホウ素ナトリウムの量は、輸送用水素供給路９より供給されるキャリアガスである水素の流量によって増減する。このため、反応器５に供給される水素化ホウ素ナトリウムの量は、調整弁１２の絞り量を調整し、キャリアガスである水素の供給量を制御することによって調整でき、これによって反応器５における加水分解に必要な量の水素化ホウ素ナトリウムを供給することができる。
【００５４】
次に、起動時の動作について説明する。
【００５５】
起動時は、反応器５において水素が生成されておらず、輸送用水素供給路９より、キャリアガスとして水素を供給することができない。昇圧機１０は停止しており、調整弁１２は閉の状態で、原料供給器４に、キャリアガスとしていかなるガスも供給されていない。
【００５６】
ここで、スクリューコンベア８を動作させ、原料容器３からホッパを介して自重でスクリューコンベア８に供給される水素化ホウ素ナトリウムを、反応器５に供給する。
【００５７】
同時に、通常動作と同様に、水供給器２から反応器５に水を供給し、反応器５で水と水素化ホウ素ナトリウムとを混合させる。これにより、（化１）に示す加水分解により水素とメタホウ酸ナトリウムとの生成が開始される。
【００５８】
スクリューコンベア８を起動してから５分経過した後、昇圧機１０を起動し、水素供給路７を介して燃料電池２０１に水素を供給する。このとき、水素の濃度は十分高くなっておらず、燃料電池２０１で発電は開始しない。
【００５９】
反応器５で生成される水素の濃度が十分に上昇する時間として、本実施の形態ではスクリューコンベア８の起動から１５分が経過した時点で、調整弁１２を動作させ、輸送用水素供給路９を介して、原料供給器４に水素の供給を開始すると同時に、スクリューコンベア８の動作を停止させる。
【００６０】
原料供給器４に供給された水素は、原料供給器４に供給された粉状の水素化ホウ素ナトリウムと混合され、粉状の水素化ホウ素ナトリウムを輸送するキャリアガスとして、水素化ホウ素ナトリウムと水素とが混じった二相混合流体の状態で、原料供給路１３を流通して、スクリューコンベア８の停止後も継続して水素化ホウ素ナトリウムが反応器５に供給される。
【００６１】
スクリューコンベア８の停止から３分経過し、原料供給器４からの水素化ホウ素ナトリウム供給および、反応器５における加水分解による水素生成が安定したところで、燃料電池２０１の発電を開始する。
【００６２】
以上のように、本実施の形態においては、水素供給路７から分岐した輸送用水素供給路
９を設け、水素を原料供給器４に供給することにより、水素をキャリアガスとして、二相流で粉状の水素化ホウ素ナトリウムを輸送することができ、原料供給器４の可動部分を削減できる。
【００６３】
この結果、粉状の水素化ホウ素ナトリウムが原料供給器４の可動部に詰まることに対するクリーニングなどのメンテナンスコストを抑制できる。
【００６４】
また、反応器５にスクリューコンベア８を設置し、原料容器３と接続することにより、起動時に水素タンクなどからキャリアガスとして水素を原料供給器４に供給できない場合においても、スクリューコンベア８を用いて水素化ホウ素ナトリウムを反応器５に供給することができ、水素生成装置１０１を起動することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
以上のように、本発明にかかる水素生成装置は、原料供給器の金属水素化物流路の可動部を削減することで、クリーニングなどのメンテナンスコスト抑制を可能とするため、金属水素化物を水と反応させて、水素を生成する水素生成装置及びそれを用いた燃料電池システムに応用できる。
【符号の説明】
【００６６】
１  水容器
２  水供給器
３  原料容器
４  原料供給器
５  反応器
６  輸送用水素供給路
７  水素供給路
８  スクリューコンベア
９  輸送用水素供給路
１０  昇圧機
１１  生成物流路
１２  調整弁
１３  原料供給路
１００  水素生成装置
１０１  水素生成装置
２００  水素タンク
２０１  燃料電池
【図１】
2020001957.tif 000004
【図２】
2020001957.tif 000005