(57)【要約】【課題】低温で水素発生を進行させると同時に、空気中でも安定に存在可能な材料を備えた水素発生装置及び燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システム１は、水素発生装置２と燃料電池３を備え、水素発生装置２は、Ｍｇを主成分として含み、Ｍｇ（ＯＨ）２で表面が被覆された水素発生材料２２を貯蔵した第１の容器（水素発生材料充填容器）２１と、第１の容器２１と配管２３によって接続され、第１の容器２１内に水を供給する第２の容器（水タンク）２４とを備える。第１の容器２１を加熱、又は第２の容器２４中の水を８０℃以上に図示しない加熱装置により加熱して水素発生材料２２と接触させることにより、第１の容器２１内において、水素発生材料２２と水とが反応して水素が発生する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｍｇを含み、Ｍｇ（ＯＨ）２で表面が被覆された水素発生材料を貯蔵した第１の容器と、
前記第１の容器と配管によって接続され、前記第１の容器内に水を供給する第２の容器と、
前記第１の容器及び／又は前記第２の容器を加熱する加熱装置と、を備えることを特徴とする水素発生装置。
【請求項２】
前記水素発生材料は、８０℃以上の温度で水と接触させる前処理が施されていることを特徴とする請求項１に記載の水素発生装置。
【請求項３】
前記第１の容器内において、Ｍｇを含む材料と前記水とを８０℃以上の温度で接触させることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の水素発生装置。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の水素発生装置を水素発生源として利用して電力を発生する燃料電池を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池から排出される熱を、水素発生反応に利用することを請求項４に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マグネシウムを含む材料を水素発生材料として備える水素発生装置及びこの水素発生装置を用いた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
地球環境に対する配慮から、クリーンなエネルギー源として水素を利用することが注目されている。水素を製造する方法として、金属の水分解反応を利用した方法が知られている。
【０００３】
そこで、金属水素化物の活性化をメカニカルアロイングによる機械的粉砕法を用いて達成した水素発生材料が提案されている（特許文献１参照）。また、アルミ系水分解材料の活性化を、メカニカルアロイング法により達成した水素発生材料が提案されている（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−３０６７２４号公報
【特許文献２】特開２００６−６３４０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、メカニカルアロイングにより活性化された材料は不安定なため、真空中、不活性ガス雰囲気中等で保管しなければならない。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、本発明に係る水素発生装置はＭｇを含み、Ｍｇ（ＯＨ）２で表面が被覆された水素発生材料を貯蔵した第１の容器と、この第１の容器と配管によって接続され、第１の容器内に水を供給する第２の容器と、第１の容器及び／又は第２の容器を加熱する加熱装置と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
本発明に係る燃料電池システムは、本発明に係る水素発生装置を水素発生源として利用して電力を発生する燃料電池を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、水素発生材料の表面をＭｇ（ＯＨ）２で被覆することにより、低温で水素発生を進行させると同時に、空気中でも安定に存在可能な材料を備えた水素発生装置及び燃料電池システムを実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムを示す模式的系統図である。
【図２】Ｍｇの水分解反応により得られた各種材料の水素発生速度及び発生熱量を比較した図である。
【図３】各種材料のＸ線光電子分光スペクトルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態に係る水素発生装置及び燃料電池システムを説明する。
【００１１】
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１の模式的系統図である。本発明の実施形態に係る燃料電池システム１は、本発明の実施形態に係る水素発生装置２と、水素発生装置２を水素発生源として利用して電力を発生する燃料電池３とを備える。水素発生装置２は、Ｍｇ（マグネシウム）を主成分として含み、Ｍｇ（ＯＨ）２（水酸化マグネシウム）で表面が被覆された水素発生材料２２を貯蔵した水素発生材料充填容器（第１の容器）２１と、水素発生材料充填容器２１と配管２３によって接続され、水素発生材料充填容器２１内に水を供給する水タンク（第２の容器）２４とを備える。水素発生材料充填容器２１を加熱、又は水タンク２４中の水を８０℃以上に図示しない加熱装置により加熱して水素発生材料２２と接触させることにより、水素発生材料充填容器２１内において、水素発生材料２２と水とが反応して水素が発生する。
【００１２】
燃料電池３は、そこで発生した生成水をトラップするための生成水トラップ１３と管路１４ａによって、また水素発生材料充填容器２１と水素流路１４ｂによって接続されている。燃料電池反応に用いる水素は、水素発生材料充填容器２１で発生した水素が用いられ、水素の供給は水素流路１４ｂによって行われる。燃料電池３の冷却には水タンク２４に貯留された水２４ａが用いられ、燃料電池冷却水路１５によって冷却される。燃料電池反応で発生した水は、管路１４ａを通過して生成水トラップ１３でトラップされるか、又は燃料電池冷却水流路１６を通過して水タンク２４に貯留される。また、生成水トラップ１３はバルブ付きの管路１７によって水タンク２４に接続され、水タンク２４に水が貯留される。
【００１３】
本発明の実施形態に係る燃料電池システム１では、本発明の実施形態に係る水素発生装置２と燃料電池３とを組み合わせることにより、燃料電池３から排出される熱を水素発生材料２２と水との水素発生反応に利用することができる。このように、廃熱を利用することで、新たな熱源を搭載する必要がなく、システムを小型化することが可能となる。
【００１４】
本発明の実施形態に係る燃料電池システム１では、燃料電池３から発生した水を回収して水タンク２４に貯留し、水素発生材料２２と水との反応により水素を発生させる際に必要な水として再利用する。このように、排水を利用することにより、システムに予め搭載する水の水量を少なくすることができる。
【００１５】
水素発生材料充填容器２１内に貯蔵された水素発生材料２２は、Ｍｇを主成分として含み、表面がＭｇ（ＯＨ）２で被覆されており、水と反応して水素を発生する。一般的に、Ｍｇを主成分として含む材料は、表面がＭｇＯ（酸化マグネシウム）で覆われている。このＭｇＯではなく、表面をＭｇ（ＯＨ）２で被覆することにより、水と反応させた場合の水素発生反応が低温で進行する。表面がＭｇ（ＯＨ）２で構成することにより、材料内部への水の浸透速度が向上し、Ｍｇと水との反応が進行すると推定される。材料表面がＭｇ（ＯＨ）２で被覆されている材料は安価に合成が可能であり、かつ空気中でも安定に存在するため保管・輸送コストが安価である。このように、本発明の実施の形態に係る水素発生装置によれば、水素発生材料の表面をＭｇ（ＯＨ）２で被覆することにより、低温で水素発生を進行させると同時に、空気中でも安定に存在可能な材料を備えた水素発生装置及び燃料電池システムを実現することが可能となる。
【００１６】
図２に、Ｍｇの水分解反応における、各種処理条件により得られた各種材料の水素発生速度、及び発生熱量の違いを示す。水処理は、アルゴン中で、Ｍｇ０．９ｍｇと水１．４ｍｇを直径５ｍｍ、深さ５ｍｍの円筒状のＳＵＳ製パンに封入して行っている。水の量は、化学量論比に対して水２倍過剰の条件である。水処理を行った材料に対し、室温より１０Ｋ／分の条件で昇温し、発生熱から水素発生量を求めている。図２において、２Ａは、水処理なしを示し、水素発生温度は１７０℃である。図２において、２Ｂは３０℃の温度で６０分水処理を行った場合を示し、水素発生温度は１６７℃である。２Ｃは、８０℃の温度で４５分水処理を行った場合を示し、水素発生温度は１５１℃である。２Ｄは、８０℃の温度で６０分水処理を行った場合を示し、水素発生温度は１３８℃である。水処理の有無にかかわらず、いずれの材料も総水素発生量は７ｗｔ％で一定している。特に、８０℃の水で加熱処理を行うことにより、水素放出反応が低温で進行する。このように、水素発生材料２２の表面のＭｇＯ層をＭｇ（ＯＨ）２へ変換することにより、水と反応させた場合の水素発生反応が低温で進行する。また、表面をＭｇ（ＯＨ）２で構成することにより、水素発生材料２２内部への水の浸透速度が向上し、Ｍｇと水との反応が進行するものと推定される。
【００１７】
このように、水素発生材料２２の水処理による活性化は、Ｍｇを含む水素発生材料を８０℃以上の温度で水と接触させる前処理によって行われる。Ｍｇを含む水素発生材料を８０℃以上の温度で水と接触させると、表面のＭｇＯ層に、Ｍｇ（ＯＨ）２が形成されるにつれて、Ｍｇ（ＯＨ）２層が金属Ｍｇに到達し水素が発生する。この反応には、大量の水供給が必要であり、また、水蒸気を使用するためＭｇ（ＯＨ）２の生成速度が遅い。また、材料の活性点が少ないため金属Ｍｇの全量が反応しないという問題がある。そこで、Ｍｇを含む水素発生材料に８０℃以上の温度で水と接触させる前処理を行い、金属Ｍｇ層近傍までＭｇ（ＯＨ）２を形成させて、活性化してから水素発生装置２で水素発生反応に使用する。金属Ｍｇ層近傍までＭｇ（ＯＨ）２を形成された材料は、Ｍｇ（ＯＨ）２格子中の水分子移動により、金属Ｍｇと反応する水が供給され水素発生する。また、粒界中を水素が拡散することにより、水素が外部へ出る。更に、材料が複数の活性点を有するため、金属Ｍｇが完全に反応し、効率が良くなる。
【００１８】
このように、活性化処理は、大掛かりな水中ミリング装置を使用することなく、８０℃以上の高温の水と接触させるだけで行うことができる。活性化処理によって、材料表面に水酸化物を形成することが可能になり、低温で水素を発生可能な材料を合成できる。また、水は安価な材料であるため、活性化処理に用いるのに好適である。この際、水はイオン交換水であることがより好ましい。活性化処理に用いる水の量は、金属Ｍｇ量に対してモル比で２倍以上であることが好ましい。表面を活性化するためにはある程度の水量が必要であるが、水を大量に含有した場合には重量増となるので、活性化処理後は水と材料を分離する必要がある。
【００１９】
活性化処理は、８０℃以上の温度で行う必要があるが、温度を高くした場合に材料内部の金属Ｍｇと水との反応が進行してしまい、水素が発生する可能性があること、また、１００℃以上の温度では水は気体となるため、水素発生材料との接触が難しくなり、活性化処理に時間がかかる場合がある。この点より、活性化処理は、１００℃以下の温度で実施する必要がある。活性化処理が８０℃以上１００℃以下の場合には、Ｍｇ（ＯＨ）２形成のための反応速度が促進されるため、活性化時間が短くて済む。なお、活性化処理は、水の他にアルコール類を用いることも可能である。
【００２０】
活性化処理して得られた、表面にＭｇ（ＯＨ）２が形成された水素発生材料の表面構造は、Ｘ線光電子分光測定（ＸＰＳ）におけるＭｇ２ｐ軌道の結合エネルギーのピークトップＸが、４９．４≦Ｘ＜４９．８ｅＶとなる。図３に、Ｍｇの水分解反応により得られた各種材料のＸ線光電子分光スペクトルを示す。水処理の条件は図２に示すものと同様である。ここで、帯電補正はＣ（１ｓ）ピークトップの結合エネルギー値を２８４．６ｅＶとして行っている。図３において、３Ａは水処理なしを示し、Ｍｇ２ｐ軌道の結合エネルギーのピークトップは４９．８ｅＶである。３Ｂは３０℃の温度で６０分水処理を行った場合を示し、Ｍｇ２ｐ軌道の結合エネルギーのピークトップは４９．８ｅＶである。３Ｃは、８０℃の温度で４５分水処理を行った場合を示し、Ｍｇ２ｐ軌道の結合エネルギーのピークトップは４９．７ｅＶである。３Ｄは、８０℃の温度で６０分水処理を行った場合を示し、Ｍｇ２ｐ軌道の結合エネルギーのピークトップは４９．５ｅＶである。Ｍｇ（ＯＨ）２のＭｇ２ｐ軌道の結合エネルギーのピークトップは４９．５ｅＶであり、ＭｇＯのＭｇ２ｐ軌道の結合エネルギーのピークトップは５０．８ｅＶである。このことから、８０℃以上で水処理した場合には、材料表面がＭｇ（ＯＨ）２となっていることがわかる。また、Ｍｇ２ｐ軌道の結合エネルギーのピークトップが４９．８ｅＶの試料では活性化が達成されず、４９．７ｅＶでは活性化が達成できている。Ｍｇ２ｐ軌道の結合エネルギーのピークトップＸが、４９．４≦Ｘ＜４９．８ｅＶにあるということは、表面組成がＭｇ（ＯＨ）２であることを示している。
【００２１】
Ｍｇと金属化合物を構成する元素は、銅、ニッケル等多く知られているが、これらの金属自体は水分解活性が低いため、重量あたりの水素発生量が低く添加するメリットは存在しないと考えられる。水素発生材料は、材料の７０ｍａｓｓ％以上が金属Ｍｇ及び／又はＭｇＨ２で構成されることが好ましい。Ｍｇ、ＭｇＨ２の水分解反応は下記式（１）、式（２）の通り進行し、高密度で水素を発生する。
【００２２】
Ｍｇ＋２Ｈ２Ｏ→Ｍｇ（ＯＨ）２＋Ｈ２・・・式（１）
ＭｇＨ２＋２Ｈ２Ｏ→Ｍｇ（ＯＨ）２＋２Ｈ２・・・式（２）
水素発生材料の活性化処理は、水素発生装置２上で行うことも可能である。水素製造の前工程として、水素発生材料充填容器２１に充填したＭｇを主成分とする材料に、水タンク２４から水を供給する。この際、水を８０℃以上の温度とすることで、Ｍｇを主成分とする材料の活性化処理を行うことができ、本発明の実施の形態に係る水素発生装置２に用いる水素発生材料２２を、前処理を行い活性化された材料を使用しなくても、水素発生装置２上で得ることが可能となる。処理に用いる水は、水素発生時に供給する水と同じものでよく、水の他にアルコール類を用いることも可能である。また、活性化処理を８０℃以上の温度で行うため、水素を燃料として発電する燃料電池３の廃熱を利用することが可能である。
【００２３】
前述したように、本発明の実施形態に係る水素発生装置２を水素発生源として利用することにより本発明の実施形態に係る燃料電池システム１とすることができ、この燃料電池システム１は、燃料電池自動車、定置用燃料電池、携帯用燃料電池等の燃料電池システムとして利用することができる。例えば、燃料電池自動車に適用した場合には、水素を供給する燃料電池としては、固体高分子型燃料電池から固体酸化物型燃料電池に至るまで、水素を燃料とする発電装置全てに適用が可能であり、電気自動車の航続距離延長のために搭載する燃料電池においても同様に利用することができる。この場合、高圧水素タンク等、その他の水素貯蔵システムに対して、軽量コンパクトな水素発生システムを構築することが可能である。また、燃料電池３の廃熱を利用することで、燃料電池自動車、内燃機関自動車等のラジエータの小型化もしくは廃止を実現することができる。また、別途加熱装置を保有しなくても、廃熱だけで水素発生反応を進行することができる。定置用燃料電池に適用した場合には、水素を燃料とする燃料電池一般に当てはまる。携帯用燃料電池に適用した場合には、電気機器として、ノートＰＣ、携帯電話、の携帯用電気機器や、電動カート、電動車いす等にも使用可能である。
【００２４】
以上説明したように、本発明によれば、水素発生材料２２の表面をＭｇ（ＯＨ）２で被覆することにより、低温で水素発生を進行させると同時に、空気中でも安定に存在可能な材料を備えた水素発生装置２及び燃料電池システム１を実現することが可能となる。
【００２５】
以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、この実施形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、本実施形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれる。
【符号の説明】
【００２６】
１…燃料電池システム
２…水素発生装置
３…燃料電池
１３…生成水トラップ
１４ａ…管路
１４ｂ…水素流路
１５…燃料電池冷却水路
１６…燃料電池冷却水流路
１７…管路
２１…水素発生材料充填容器（第１の容器）
２２…水素発生材料
２３…配管
２４…水タンク（第２の容器）
２４ａ…水
【図１】
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【図２】
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【図３】
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