(57)【要約】【課題】反応器に接続された生成物流路が析出した生成物で詰まることを抑制し、従来よりも運転が継続できる水素生成装置を提供すること。【解決手段】水素生成装置１００は、水素化ホウ素ナトリウムと水とを反応させて水素と生成物とを生成させる反応器５と、反応器５に原料容器１の水素化ホウ素ナトリウムを供給する原料供給器２と、反応器５に水容器３の水を供給する水供給器４と、反応器５で生成された生成物と残存水を生成物容器８に排出する生成物流路６と、生成物流路６に設けられ生成物流路６を流れる残存水を加熱する加熱器９と、生成物流路６を流れる残存水の温度を検知する温度検知器１０と、加熱器９よりも下流で生成物流路６から分岐して水素タンク２００に水素を供給する水素流路７と、温度検知器１０により検知する残存水の温度が第１温度Ｔ１になるように加熱器９を制御する制御器５０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】
金属水素化物と水とを反応させて水素と生成物と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、
少なくとも前記反応器で生成された前記生成物と前記水を排出する生成物流路と、
前記生成物流路に設けられ、前記生成物流路を流れる水を加熱する加熱器と、
制御器と、
を備え、
前記制御器は、前記生成物流路を流れる水が所定の温度範囲になるように前記加熱器を制御する、水素生成装置。
【請求項２】
金属水素化物と水とを反応させて水素と生成物と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、
少なくとも前記反応器で生成された前記生成物と前記水を排出する生成物流路と、
前記水供給器の上流側に接続された水容器と、
前記反応器の下流側に接続され、少なくとも前記生成物と前記水とを分離する分離器と、
前記分離器で分離された前記水を前記水容器に戻す戻り流路と、
前記戻り流路に設けられ、前記戻り流路を流れる水を加熱する加熱器と、
制御器と、
を備え、
前記制御器は、前記戻り流路を流れる水が所定の温度範囲になるように前記加熱器を制御する、水素生成装置。
【請求項３】
金属水素化物と水とを反応させて水素と生成物と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、
少なくとも前記反応器で生成された前記生成物と前記水を排出する生成物流路と、
前記生成物流路に設けられ、前記生成物流路を流れる水を加熱する加熱器と、
を備えた水素生成装置の運転方法であって、
前記生成物流路を流れる水が所定の温度範囲になるように前記加熱器が加熱動作を行う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、未だ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、輸送し、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）に示す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としては、例えば、特許文献１に開示されたものが挙げられる。
【０００６】
特許文献１に開示された水素生成装置では、金属水素化物と水との混合物を、触媒が担持された反応器に供給して、水素を生成している。
【０００７】
そして、生成された水素と、生成物と、反応に供されなかった水とは、混合物として反応器に接続された生成物流路を経て分離器に供給され、水素が分離器から排出される構成となっている。
【０００８】
また、特許文献１に開示された水素生成装置では、反応に供されなかった水を混合物から分離し、分離した水を反応器に供給し、水素を生成する反応に再利用する構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許第４７９２６３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、前記従来の構成では、反応器に接続された生成物流路の温度が低下することにより、水に溶けている生成物の溶解度が低下して、生成物が析出する場合がある。その場合は、析出した生成物によって、反応器から生成物を排出する生成物流路が詰まることがある。そして、生成物流路が詰まると、生成物を排出することができなくなって、
運転が継続できなくなるという課題が有った。
【００１１】
また、反応に供されなかった水を混合物から分離して、反応器に供給し再利用する場合に、析出した生成物で、分離した水を反応器に供給する経路が詰まる場合がある。分離した水を反応器に供給する経路が、析出した生成物によって詰まると、反応に必要な水を十分に供給することができなくなって、水素生成量が減少するという課題を有していた。
【００１２】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、反応器に接続された生成物流路が析出した生成物で詰まることを抑制して、従来よりも運転が継続できる水素生成装置を提供することを第１の目的とする。
【００１３】
また、反応に供されなかった水を混合物から分離して、反応器に供給し再利用する構成で、分離した水を反応器に供給する経路が析出した生成物で詰まることを抑制して、水素生成量の減少を抑制した水素生成装置を提供することを第２の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
第１の目的を達成するために、本発明の水素生成装置は、金属水素化物と水とを反応させて水素と生成物と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、少なくとも反応器で生成された生成物と水を排出する生成物流路と、生成物流路に設けられ、生成物流路を流れる水を加熱する加熱器と、制御器とを備えた水素生成装置であって、制御器は、生成物流路を流れる水が所定の温度範囲になるように加熱器を制御するものである。
【００１５】
これにより、生成物流路に加熱器を設け、生成物流路を流れる水を所定の温度範囲に調整することで、生成物流路での水に溶けている生成物の溶解度の低下を抑制することができ、生成物流路が析出した生成物で詰まることを抑制して、従来よりも運転が継続できることとなる。
【００１６】
また、第２の目的を達成するために、本発明の水素生成装置は、金属水素化物と水とを反応させて水素と生成物と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、少なくとも反応器で生成された生成物と水を排出する生成物流路と、水供給器の上流側に接続された水容器と、反応器に接続され、少なくとも生成物と水とを分離する分離器と、分離器で分離された水を水容器に戻す戻り流路と、戻り流路に設けられ、戻り流路を流れる水を加熱する加熱器と、制御器とを備えた水素生成装置であって、制御器は、戻り流路を流れる水が所定の温度範囲になるように加熱器を制御するものである。
【００１７】
これにより、戻り流路に加熱器を設け、戻り流路を流れる水を所定の温度範囲に調整することで、戻り流路での水に溶けている生成物の溶解度の低下を抑制することができ、戻り流路が析出した生成物で詰まることを抑制することができる。従って、戻り流路の詰まりによる水容器の水切れを抑制でき、水素の生成量が減少することを抑制できることとなる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の水素生成装置は、生成物流路に加熱器を設け、生成物流路を流れる水を所定の温度範囲に調整することで、生成物流路での水に溶けている生成物の溶解度の低下を抑制することができ、生成物流路が析出した生成物で詰まることを抑制して、従来よりも運転が継続できる。
【００１９】
また、戻り流路に加熱器を設け、戻り流路を流れる水を所定の温度範囲に調整すること
で、戻り流路での水に溶けている生成物の溶解度の低下を抑制することができ、戻り流路が析出した生成物で詰まることを抑制することができる。従って、戻り流路の詰まりによる水容器の水切れを抑制でき、水素の生成量が減少することを抑制できる。
【００２０】
また、生成物による詰まりを除去するメンテナンスが不要となり、運用コストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【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１におけるメタホウ酸ナトリウムの溶解度と温度の関係を示す特性図
【図３】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】
【００２２】
第１の発明の水素生成装置は、金属水素化物と水とを反応させて水素と生成物と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、少なくとも反応器で生成された生成物と水を排出する生成物流路と、生成物流路に設けられ、生成物流路を流れる水を加熱する加熱器と、制御器とを備えた水素生成装置であって、制御器は、生成物流路を流れる水が所定の温度範囲になるように加熱器を制御するものである。
【００２３】
これにより、生成物流路に加熱器を設け、生成物流路を流れる水を所定の温度範囲に調整することで、生成物流路での水に溶けている生成物の溶解度の低下を抑制することができるので、生成物流路が析出した生成物で詰まることを抑制して、従来よりも運転が継続できる。
【００２４】
第２の発明の水素生成装置は、金属水素化物と水とを反応させて水素と生成物と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、少なくとも反応器で生成された生成物と水を排出する生成物流路と、水供給器の上流側に接続された水容器と、反応器に接続され、少なくとも生成物と水とを分離する分離器と、分離器で分離された水を水容器に戻す戻り流路と、戻り流路に設けられ、戻り流路を流れる水を加熱する加熱器と、制御器とを備えた水素生成装置であって、制御器は、戻り流路を流れる水が所定の温度範囲になるように加熱器を制御するものである。
【００２５】
これにより、戻り流路に加熱器を設け、戻り流路を流れる水を所定の温度範囲に調整することで、戻り流路での水に溶けている生成物の溶解度の低下を抑制することができるので、戻り流路が析出した生成物で詰まることを抑制することができる。従って、戻り流路の詰まりによる水容器の水切れを抑制でき、水素の生成量が減少することを抑制できる。
【００２６】
第３の発明の水素生成装置の運転方法は、金属水素化物と水とを反応させて水素と生成物と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、少なくとも反応器で生成された生成物と水を排出する生成物流路と、生成物流路に設けられ、生成物流路を流れる水を加熱する加熱器と、を備えた水素生成装置の運転方法であって、生成物流路を流れる水が所定の温度範囲になるように加熱器の動作をおこなう水素生成装置の運転方法であって、生成物流路を流れる水が所定の温度範囲になるように加熱器の動作を行うものである。
【００２７】
これにより、生成物流路に加熱器を設け、生成物流路を流れる水を所定の温度範囲に調整することで、生成物流路での水に溶けている生成物の溶解度の低下を抑制することができ、生成物流路が析出した生成物で詰まることを抑制し、従来よりも運転が継続できる。
【００２８】
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。
【００２９】
（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構成を示すブロック図である。
【００３０】
図１に示すように、実施の形態１の水素生成装置１００には、金属水素化物からなる原料と水とを反応させて水素と生成物とを生成させる反応器５と、原料の水素化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＨ４）が充填された原料容器１と、原料容器１の水素化ホウ素ナトリウムを反応器５に供給する原料供給器２と、水が充填された水容器３と、水容器３に水を供給する給水流路１１と、水容器３の水を反応器５に供給する水供給器４と、制御器５０が設けられている。
【００３１】
反応器５には、反応器５で生成された生成物のメタホウ酸ナトリウム（ＮａＢＯ２）と水素を排出する生成物流路６が接続され、水素は途中で分岐された水素流路７を流通して外部の水素タンク２００に供給される。生成物流路６には、生成物流路６を流れる水を加熱する加熱器９と、生成物流路６を流れる水の温度を検知する温度検知器１０が設けられている。
【００３２】
制御器５０は、ＭＰＵおよびメモリから構成され、演算機能および記憶機能を有し、制御プログラムを記憶し、実行することにより、水素生成装置１００の各種の動作を制御する。
【００３３】
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、以下その動作と作用を説明する。
【００３４】
原料容器１に充填された水素化ホウ素ナトリウムは、原料供給器２から反応器５に供給される。水容器３に充填された水は、水供給器４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（化２）に示す加水分解反応により水素とメタホウ酸ナトリウムが生成される。
【００３５】
【化２】
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水供給器４から供給された水のうち反応に用いられなかった余剰の水（以下、残存水と記載）も混在しており、残存水にはメタホウ酸ナトリウムが溶解している。
【００３６】
反応器５で生成された水素は、水素流路７を流通し、水素タンク２００に供給される。反応器５で生成されたメタホウ酸ナトリウムとメタホウ酸ナトリウムが溶解した残存水とは、生成物流路６を流通し、生成物容器８に貯えられる。また、残存水中のメタホウ酸ナトリウムの濃度が２２重量％となるように、水素化ホウ素ナトリウムに対して９倍の重量の水を、原料供給器２と水供給器４から供給している。
【００３７】
生成物流路６を流通する残存水の温度は、温度検知器１０で検知されて、温度検知器１０の検知する温度が第１温度Ｔ１となるように、加熱器９により生成物流路６を流通する残存水が加熱される。ここで、第１温度Ｔ１は、生成物流路６を流れる残存水に含まれるメタホウ酸ナトリウムが溶解する下限温度より高い温度に設定している。
【００３８】
図２は、本発明の実施の形態１におけるメタホウ酸ナトリウムの溶解度と温度の関係を示す特性図である。
【００３９】
図２に示すように、メタホウ酸ナトリウムは、温度が高いほど溶解度が高く、温度が低いほど析出が生じ易くなる。例えば、２２重量％のメタホウ酸ナトリウムを含む残存水は２５℃以下になると、メタホウ酸ナトリウムが析出してしまう。
【００４０】
本実施の形態では、残存水中のメタホウ酸ナトリウムの濃度が２２重量％となるように水素化ホウ素ナトリウムと水を供給し、第１温度Ｔ１は２２重量％のメタホウ酸ナトリウムを残存水に十分溶かすことができる５０℃とした。
【００４１】
以上のように、本実施の形態の水素生成装置１００は、水素化ホウ素ナトリウムと水とを反応させて水素と生成物とを生成させる反応器５と、反応器５に原料容器１の水素化ホウ素ナトリウムを供給する原料供給器２と、反応器５に水容器３の水を供給する水供給器４と、反応器５で生成された生成物と残存水を生成物容器８に排出する生成物流路６と、生成物流路６に設けられ生成物流路６を流れる残存水を加熱する加熱器９と、生成物流路６を流れる残存水の温度を検知する温度検知器１０と、加熱器９よりも下流で生成物流路６から分岐して水素タンク２００に反応器５で生成された水素を供給する水素流路７と、温度検知器１０により検知する残存水の温度が第１温度（５０℃）になるように加熱器９を制御する制御器５０と、を備える。
【００４２】
上記構成において、反応器５で生成された生成物のメタホウ酸ナトリウム（ＮａＢＯ２）と水素を排出する生成物流路６に、生成物流路６を流れる水を加熱する加熱器９と、生成物流路６を流れる水の温度を検知する温度検知器１０を設置し、温度検知器１０の検知する水の温度が第１温度（５０℃）となるように、加熱器９により生成物流路６を流れる水を加熱することにより、生成物流路６での残存水に溶けているメタホウ酸ナトリウムの溶解度の低下を抑制することができ、メタホウ酸ナトリウムの析出による詰まりを抑制することができ、従来よりも運転を継続できる。また、生成物による詰まりを除去するメンテナンスが不要となり、運用コストを低減することができる。
【００４３】
なお、本実施の形態では、第１温度Ｔ１は５０℃としたが、残存水中のメタホウ酸ナトリウムの濃度と溶解度の関係を基に、メタホウ酸ナトリウムが析出しない温度となるように第１温度Ｔ１を設定すればよく、低い温度に設定するほど無駄な加熱は抑制できる。
【００４４】
（実施の形態２）
図３は本発明の実施の形態２における水素生成装置の構成を示すブロック図である。
【００４５】
図３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と同じ構成要素には、同一符号を付して、重複する説明は省略する。
【００４６】
図３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と異なる点は、分離器１２と、戻り流路１３と、戻り水供給器１４を設け、加熱器９と温度検知器１０を戻り流路１３に設置し、さらに水素タンク２００の代わりに燃料電池２０１を設置した点である。
【００４７】
図３において、生成物流路６の下流側には、水素と生成物であるメタホウ酸ナトリウムと水とを分離する分離器１２が接続されている。分離器１２には、分離した水素が流通する水素流路７と、残存水から分離した水が流通する戻り流路１３と、分離器１２の下部に残存水から分離したメタホウ酸ナトリウムを貯める生成物容器８が接続されている。戻り流路１３には戻り水供給器１４が設けられている。
【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、以下その動作と作用を説明する。
【００４９】
反応器５で生成された水素とメタホウ酸ナトリウムとメタホウ酸ナトリウムが溶解した残存水とは、生成物流路６を流通し分離器１２に供給される。分離器１２では、メタホウ酸ナトリウムが溶解した残存水が、室温の２５℃まで冷やされるように構成され、残存水からメタホウ酸ナトリウムが析出して比重の差異により水素と水とメタホウ酸ナトリウムとに分離される。
【００５０】
分離器１２で分離された水は、戻り流路１３から水容器３に戻される。分離器１２で分離されたメタホウ酸ナトリウムは、生成物容器８に貯えられる。
【００５１】
また、水素化ホウ素ナトリウムに対して９倍の重量の水を原料供給器２と水供給器４から供給している。
【００５２】
戻り流路１３を流通する水の温度は、温度検知器１０で検知され、温度検知器１０の検知する温度が第２温度Ｔ２となるように、加熱器９により戻り流路１３を流通する水が加熱される。
【００５３】
ここで、第２温度Ｔ２は、戻り流路１３を流れる水に含まれるメタホウ酸ナトリウムが溶解する下限温度より高い温度に設定している。
【００５４】
分離器１２で分離された水には、メタホウ酸ナトリウムが溶解しており、分離器１２から排出された時点の温度より低い温度になると、メタホウ酸ナトリウムが析出する。
【００５５】
本実施の形態では、分離器１２中の水の温度は２５℃となるように、構成されているため、分離器１２から排出され戻り流路１３に流入する水の温度は、２５℃であり、メタホウ酸ナトリウムは２５℃における溶解度に相当する２２重量％が溶けている。
【００５６】
メタホウ酸ナトリウムは、３０℃では２４重量％の比率で水に溶解するため、本実施の形態では第２温度Ｔ２を、２２重量％のメタホウ酸ナトリウムを水に溶かすことができる温度である３０℃とした。
【００５７】
以上のように、本実施の形態の水素生成装置１０１は、水素化ホウ素ナトリウムと水とを反応させて水素と生成物とを生成させる反応器５と、反応器５に原料容器１の水素化ホウ素ナトリウムを供給する原料供給器２と、反応器５に水容器３の水を供給する水供給器４と、反応器５で生成された生成物と残存水を排出する生成物流路６と、生成物流路６の下流側に接続されて、水素と生成物であるメタホウ酸ナトリウムと水とを分離する分離器１２と、分離器１２で分離された水を水容器３に戻す戻り流路１３と、戻り流路１３に設けられ戻り流路１３を流れる水を加熱する加熱器９と、戻り流路１３を流れる水の温度を検知する温度検知器１０と、戻り流路１３に設けられ分離器１２で分離された水を水容器３に戻す戻り水供給器１４と、分離器１２で分離された水素を燃料電池２０１に供給する水素流路７と、分離器１２の下部に接続されメタホウ酸ナトリウムを貯める生成物容器８と、温度検知器１０により検知する戻り流路１３を流れる水の温度が第２温度（３０℃）となるように加熱器９を制御する制御器５０と、を備える。
【００５８】
上記構成において、加熱器９と温度検知器１０を戻り流路１３に設置し、温度検知器１０の検知する戻り流路１３を流通する水の温度が３０℃となるように、加熱器９により戻り流路１３を流通する水を加熱することにより、戻り流路１３での水に溶けているメタホ
ウ酸ナトリウムの溶解度の低下を抑制することができ、戻り流路１３が析出したメタホウ酸ナトリウムで詰まることを抑制することができる。
【００５９】
従って、戻り流路１３の詰まりによる水容器３の水切れを抑制でき、水素の生成量が減少することを抑制できる。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
以上のように、本発明にかかる水素生成装置およびその運転方法は、反応器に接続された生成物流路の詰まりを抑制することで水素生成装置の安定運転を可能とするため、金属水素化物を水と反応器で反応させて、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適用できる。
【符号の説明】
【００６１】
１  原料容器
２  原料供給器
３  水容器
４  水供給器
５  反応器
６  生成物流路
７  水素流路
８  生成物容器
９  加熱器
１０  温度検知器
１１  給水流路
１２  分離器
１３  戻り流路
１４  戻り水供給器
５０  制御器
１００，１０１  水素生成装置
２００  水素タンク
２０１  燃料電池
【図１】
2019151514.tif 000005
【図２】
2019151514.tif 000006
【図３】
2019151514.tif 000007