(57)【要約】【課題】金属水素化物を水と反応させて、水素を生成する反応器を備えた水素生成装置において、低コストで簡素な構成で反応器の温度を所定の目標温度に制御する。【解決手段】水素生成装置１００は、金属水素化物と水とを発熱反応させて水素を生成させる反応器５と、反応器５に金属水素化物を供給する原料供給器４と、反応器５に外部からの水を供給する第１の水供給器２と、反応に用いられずに反応器５から排出される残存水を戻り水として反応器５に戻すための戻り流路１８と、戻り流路１８に設置され反応器５に戻り水を供給する第２の水供給器１３と、反応器５の温度を検出する温度検出器１４と、温度検出器１４の検出温度が目標温度となるように、第１の水供給器２による比較的低温の水の供給量と第２の水供給器１３による比較的高温の戻り水の供給量との割合を変える制御器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発熱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、前記反応器に外部からの水を供給する第１の水供給器と、前記反応に用いられずに前記反応器から排出される残存水を戻り水として前記反応器に戻すための戻り流路と、前記戻り流路に設置され前記反応器に前記戻り水を供給する第２の水供給器と、前記反応器の温度を検出する温度検出器と、制御器と、を備え、
前記制御器は、前記温度検出器の検出温度が目標温度となるように、前記第１の水供給器による前記水の供給量と前記第２の水供給器による前記戻り水の供給量との割合を変える、ことを特徴とする水素生成装置。
【請求項２】
前記反応器から前記水素と共に排出される排出物から前記水素を分離する分離器を更に備える、請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項３】
金属水素化物と水とを発熱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、前記反応器に外部からの水を供給する第１の水供給器と、前記反応に用いられずに前記反応器から排出される残存水を戻り水として前記反応器に戻すための戻り流路と、前記戻り流路に設置され前記反応器に前記戻り水を供給する第２の水供給器と、前記反応器の温度を検出する温度検出器と、を備えた水素生成装置の運転方法であって、
前記温度検出器の検出温度が目標温度となるよう、前記第１の水供給器による前記水の供給量と前記第２の水供給器による前記戻り水の供給量との割合を変える、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、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、（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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金属水素化物を用いて水素を生成する従来の水素生成装置として、例えば、特許文献１が挙げられる。特許文献１に記載の水素生成装置（特許文献１では「燃料ガス生成システム」と記載）では、金属水素化物と水とを混合したものを、触媒が担持された反応器に供給し水素を生成している。
【０００６】
一般に、（化１）に示す加水分解反応は、反応温度が高いほど反応速度が速くなり、水素の生成量が増加することが知られている。そこで、水素の生成量を適切にするため、水素生成装置に接続された水素利用機器である燃料電池から排出されるカソードオフガスに含まれる高温の凝縮水を用いて反応器に熱を供給し、温度を適切に制御する構成となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−８０２０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、前記従来の構成では、水素生成装置の水素ガスを生成する反応器の温度を、水素生成装置に接続された燃料電池から排出されるカソードオフガスに含まれる高温の凝縮水を用いて反応器に熱を供給し、制御している。このため、水素利用機器が反応器に熱を供給できない水素タンクなどの場合に、反応器の温度を適切に制御できなくなるという課題を有していた。
【０００９】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、簡素な構成で反応器の温度を所定の目標
温度に制御でき、装置コストの上昇を抑制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】
【００１０】
前記課題を解決するために、本発明の水素生成装置は、金属水素化物と水とを発熱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、反応器に外部からの水を供給する第１の水供給器と、反応に用いられずに反応器から排出される残存水を戻り水として反応器に戻すための戻り流路と、戻り流路に設置され反応器に戻り水を供給する第２の水供給器と、反応器の温度を検出する温度検出器と、制御器と、を備え、制御器は、温度検出器の検出温度が目標温度となるように、第１の水供給器による水の供給量と第２の水供給器による戻り水の供給量との割合を変えるように構成されているのである。
【００１１】
上記構成において、戻り水は、反応器での発熱反応に用いられずに反応器から排出される残存水であるために、水素生成装置の外部から供給された第１の水供給器の水よりも発熱反応の影響で温度が高い（水素生成装置の外部から供給された第１の水供給器の水は、戻り水に比べて発熱反応の影響が少ないために、戻り水よりも温度が低い）ので、反応器の温度が目標温度よりも高い場合に、水素生成装置の外部から供給される比較的低温の水の反応器への供給量の割合を増やすことで、反応器の温度を下げることができる。
【００１２】
逆に、反応器の温度が目標温度よりも低い場合に、第１の水供給器の水よりも反応器での発熱反応の影響で比較的高温の戻り水の反応器への供給量の割合を増やすことで、反応器の温度を上げることができる。
【００１３】
したがって、温度検出器の検出温度に応じて、第１の水供給器による比較的低温の水の供給量と第２の水供給器による比較的高温の戻り水の供給量との割合を適切に調節することによって、反応器の温度を所定の目標温度に制御できるので、簡素な構成で反応器の温度を所定の目標温度に制御でき、装置コストの上昇を抑制できる水素生成装置を提供できることとなる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は、温度検出器の検出温度に応じて、第１の水供給器による比較的低温の水の供給量と第２の水供給器による比較的高温の戻り水の供給量との割合を適切に調節することによって、反応器の温度を所定の目標温度に制御することが可能となる。
【００１５】
したがって、水素利用機器が反応器に熱を供給できない水素タンクなどの場合にも、簡素でコストを抑制した構成で、所定の水素供給量を確保することができる。また、戻り水の熱を利用することで、温度調整に必要なエネルギーを削減し、水素生成の効率を向上させた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】
【００１６】
【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の水素生成装置における反応器の温度と水の供給量割合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】
【００１７】
第１の発明は、金属水素化物と水とを発熱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、反応器に外部からの水を供給する第１の水供給器と、反応に用いられずに反応器から排出される残存水を戻り水として反応器に戻すた
めの戻り流路と、戻り流路に設置され反応器に戻り水を供給する第２の水供給器と、反応器の温度を検出する温度検出器と、制御器と、を備え、制御器は、温度検出器の検出温度が目標温度となるように、第１の水供給器による水の供給量と第２の水供給器による戻り水の供給量との割合を変える、ことを特徴とする水素生成装置である。
【００１８】
上記構成において、戻り水は、反応器での発熱反応に用いられずに反応器から排出される残存水であるために、水素生成装置の外部から供給された第１の水供給器の水よりも発熱反応の影響で温度が高い（水素生成装置の外部から供給された第１の水供給器の水は、戻り水に比べて発熱反応の影響が少ないために、戻り水よりも温度が低い）ので、反応器の温度が目標温度よりも高い場合に、水素生成装置の外部から供給される比較的低温の水の反応器への供給量の割合を増やすことで、反応器の温度を下げることができる。
【００１９】
逆に、反応器の温度が目標温度よりも低い場合に、第１の水供給器の水よりも反応器での発熱反応の影響で比較的高温の戻り水の反応器への供給量の割合を増やすことで、反応器の温度を上げることができる。
【００２０】
したがって、温度検出器の検出温度に応じて、第１の水供給器による比較的低温の水の供給量と第２の水供給器による比較的高温の戻り水の供給量との割合を適切に調節することによって、反応器の温度を所定の目標温度に制御できるので、低コストで簡素な構成で反応器の温度を所定の目標温度に制御することが可能となる。
【００２１】
第２の発明は、特に、第１の発明の水素生成装置において、反応器から水素と共に排出される排出物から水素を分離する分離器を更に備えるものである。
【００２２】
これによって、分離器により、生成物であるメタホウ酸ナトリウムと戻り水を容易に分離し、純度の高い戻り水を利用することができる。また、戻り水の熱を利用することで、温度調整に必要なエネルギーを削減し、水素生成の効率を向上させることができる。
【００２３】
第３の発明は、金属水素化物と水とを発熱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、反応器に外部からの水を供給する第１の水供給器と、反応に用いられずに反応器から排出される残存水を戻り水として反応器に戻すための戻り流路と、戻り流路に設置され反応器に戻り水を供給する第２の水供給器と、反応器の温度を検出する温度検出器と、を備えた水素生成装置の運転方法であって、温度検出器の検出温度が目標温度となるよう、第１の水供給器による水の供給量と第２の水供給器による戻り水の供給量との割合を変える、ことを特徴とする水素生成装置の運転方法である。
【００２４】
これによって、第１の発明と同様に、低コストで簡素な構成で反応器の温度を所定の目標温度に制御することが可能となる。
【００２５】
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。
【００２６】
（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。
【００２７】
図１に示すように、本実施の形態の水素生成装置１００には、原料である金属水素化物の水素化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＨ４）と水とを発熱反応させて水素を生成させる反応器５と、水素化ホウ素ナトリウムが充填された原料容器３と、原料容器３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４と、水素生成装置１００の外部からの水を
貯める第１の水容器１と、外部からの水を第１の水容器１に供給するための給水流路１１と、第１の水容器１の水を反応器５に供給する第１の水供給器２と、反応器５の発熱反応に用いられずに反応器５から排出される残存水を戻り水として反応器５に戻すための戻り流路８と、戻り流路８に設置され反応器５から排出された戻り水を貯める第２の水容器１２と、戻り流路８における反応器５よりも下流側で第２の水容器１２よりも上流側の流路に設置され反応器５から排出される戻り水を第２の水容器１２に供給する戻り水供給器９と、戻り流路８における第２の水容器１２よりも下流側の流路に設置され第２の水容器１２に貯めた戻り水を反応器５に供給する第２の水供給器１３と、反応器５の温度を検出する温度検出器１４と、温度検出器１４の検出温度が目標温度となるように第１の水供給器２による反応器５への水の供給量と第２の水供給器１３による反応器５への戻り水の供給量との割合を変えるように構成された制御器５０が設けられている。
【００２８】
反応器５には、反応器５で水素と共に生成された生成物のメタホウ酸ナトリウム（ＮａＢＯ２）を反応器５から排出するための生成物流路１０が接続されている。反応器５で生成された水素は、反応器５から水素流路７を流通して、外部の水素タンク２００に供給される。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
原料容器３に充填された水素化ホウ素ナトリウムは、原料供給器４によって反応器５に供給される。第１の水容器１に貯えられた水素生成装置１００の外部からの水は、第１の水供給器２によって反応器５に供給され、反応器５の発熱反応に用いられずに反応器５から戻り流路８に排出され、戻り水供給器９によって第２の水容器１２に貯えられた戻り水は、第２の水供給器１３によって反応器５に供給される。
【００３２】
反応器５では、水素化ホウ素ナトリウムと水とが（化１）に示す加水分解反応により、水素と、水素以外の生成物であるメタホウ酸ナトリウムが生成される。反応器５に供給された水のうち反応に用いられなかった残存水の大部分は、反応器５の底部に連通する戻り流路８に排出され、戻り水として、戻り水供給器９によって戻り流路８を通じて第２の水容器１２に貯えられる。反応器５で生成された水素は、水素流路７を通って水素タンク２００に供給される。
【００３３】
図２は、本発明の実施の形態１の水素生成装置１００における反応器５の温度と水の供給量割合の関係を示す特性図である。
【００３４】
制御器５０は、温度検出器１４にて検出した反応器５の温度であるＴ１（℃）に基づいて、第１の水供給器２から反応器５に供給される水の供給量（以下、第１の水供給量と記載）と第２の水供給器１３から反応器５に供給される戻り水の供給量（以下、第２の水供給量と記載）の合計に対する第２の水供給量の割合（以下、水の供給量割合）λ１について、（数１）に示すように、制御する。
【００３５】
【数１】
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本実施の形態では、水の供給量割合λ１を０．２５とすることでＴ１を８５℃に保ち、所定の水素流量を確保できた。
【００３６】
以上のように、本実施の形態の水素生成装置１００においては、第２の水供給器１３によって反応器５に供給される第２の水容器１２に貯えられた戻り水は、反応器５での発熱反応に用いられずに反応器５から戻り流路８に排出される残存水であるために、水素生成装置１００の外部から供給されて第１の水容器１に貯えられ第１の水供給器２によって反応器５に供給される水よりも発熱反応の影響で温度が高い（水素生成装置１００の外部から供給されて第１の水容器１に貯えられ第１の水供給器２によって反応器５に供給される水は、第２の水供給器１３によって反応器５に供給される戻り水に比べて発熱反応の影響が少ないために、戻り水よりも温度が低い）ので、反応器５の温度が目標温度よりも高い場合に、水素生成装置１００の外部から供給される比較的低温の水の反応器５への供給量の割合を増やすことで、反応器５の温度を下げることができる。
【００３７】
逆に、反応器５の温度が目標温度よりも低い場合に、第１の水供給器２の水よりも反応器５での発熱反応の影響で高温の戻り水の反応器５への供給量の割合を増やすことで、反応器５の温度を上げることができる。
【００３８】
したがって、温度検出器１４の検出温度に応じて、第１の水供給器２による比較的低温の水の供給量と第２の水供給器１３による比較的高温の戻り水の供給量との割合を適切に調節することによって、反応器５の温度を所定の目標温度に制御できるので、低コストで簡素な構成で反応器５の温度を所定の目標温度に制御することが可能となる。
【００３９】
したがって、水素利用機器が、反応器５に熱を供給できない水素タンク２００であっても、簡素でコストを抑制した構成で、所定の水素供給量を確保することができる。また、戻り水の熱を利用することで、温度調整に必要なエネルギーを削減し、水素生成の効率を向上させた水素生成装置１００を提供することができる。
【００４０】
なお、反応器５の温度を検出するため、温度検出器１４を設けたが、第１の水容器１と第２の水容器１２の少なくとも一方に温度検出器を設け、反応器５の温度と第１の水容器１、第２の水容器１２との関係より水の供給量割合を定め、制御してもよい。
【００４１】
また、（数１）に示す関係式のように、反応器５の温度に応じて水の供給量割合を制御したが、他の式を用いてもよい。
【００４２】
（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ブロック図である。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と同一構成要素には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００４３】
図１に示す実施の形態１の水素生成装置１００では、反応器５に、反応器５で生成された水素を水素利用機器である水素タンク２００に供給する水素流路７と、反応器５の発熱反応に用いられなかった残存水を戻り水として再利用するための戻り流路８と、反応器５で水素以外に生成されるメタホウ酸ナトリウムを反応器５から排出するための生成物流路１０とが、排出側の流路として接続されていた。
【００４４】
しかし、図３に示す実施の形態２の水素生成装置１０１では、反応器５の下流に分離器６を設けて、反応器５で生成された水素と、水素以外の生成物であるメタホウ酸ナトリウムと、反応器５の発熱反応に用いられなかった残存水（戻り水）とを、反応器５から分離器６に供給可能に、反応器５と分離器６とを生成物流路１６で接続している。
【００４５】
そして、反応器５の下流側に設けた分離器６で、水素と、メタホウ酸ナトリウムと、残存水（戻り水）を分離する。
【００４６】
分離器６で分離された水素は、一端が分離器６に接続された水素流路１５によって、水素タンク２００の代わりに、水素利用機器として、水素を用いて発電して外部に電力を供給する燃料電池２０１に供給され、分離器６で分離された残存水は、戻り水として、一端が分離器６に接続された戻り流路１８と戻り流路１８に設けられた戻り水供給器９によって第２の水容器１２に供給された後、第２の水供給器１３によって第２の水容器１２から反応器５に供給される。
【００４７】
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。
【００４８】
原料容器３に充填された水素化ホウ素ナトリウムは、原料供給器４によって反応器５に供給される。第１の水容器１に貯えられた水素生成装置１０１の外部からの水は、第１の水供給器２によって反応器５に供給され、反応器５の発熱反応に用いられずに反応器５から戻り流路１８に排出され、戻り水供給器９によって第２の水容器１２に貯えられた戻り水は、第２の水供給器１３によって反応器５に供給される。
【００４９】
反応器５では、水素化ホウ素ナトリウムと水とが（化１）に示す加水分解反応により、水素と、水素以外の生成物であるメタホウ酸ナトリウムが生成される。反応器５に供給された水のうち反応に用いられなかった残存水の大部分は、生成物流路１６によって分離器６に排出され、分離器６において水素及びメタホウ酸ナトリウムから分離され、分離器６に連通する戻り流路１８に排出され、戻り水として、戻り水供給器９によって戻り流路１８を通じて第２の水容器１２に貯えられる。反応器５で生成された水素は、生成物流路１６によって分離器６に排出され、分離器６において戻り水及びメタホウ酸ナトリウムから分離され、水素流路１５を通って燃料電池２０１に供給される。
【００５０】
制御器５０は、温度検出器１４にて検出した反応器５の温度であるＴ２（℃）に基づいて、フィードバック制御の一種であるＰＩＤ制御を行ない、Ｔ２が目標温度である９０℃となるように、第１の水供給器２から反応器５に供給される第１の水供給量と第２の水供給器１３から反応器５に供給される戻り水の第２の水供給量の合計に対する第２の水供給量の割合である水の供給量割合λ２を制御する。
【００５１】
以上のように、本実施の形態の水素生成装置１０１においては、第２の水供給器１３によって反応器５に供給される第２の水容器１２に貯えられた戻り水は、反応器５での発熱反応に用いられずに反応器５から分離器６を経由して戻り流路１８に排出される残存水であるために、水素生成装置１０１の外部から給水流路１１を通って供給されて第１の水容器１に貯えられ第１の水供給器２によって反応器５に供給される水よりも発熱反応の影響で温度が高い（水素生成装置１０１の外部から供給されて第１の水容器１に貯えられ第１の水供給器２によって反応器５に供給される水は、第２の水供給器１３によって反応器５に供給される戻り水に比べて発熱反応の影響が少ないために、戻り水よりも温度が低い）ので、反応器５の温度が目標温度よりも高い場合に、水素生成装置１０１の外部から供給される比較的低温の水の反応器５への供給量の割合を増やすことで、反応器５の温度を下げることができる。
【００５２】
逆に、反応器５の温度が目標温度よりも低い場合に、第１の水供給器２の水よりも反応器５での発熱反応の影響で高温の戻り水の反応器５への供給量の割合を増やすことで、反応器５の温度を上げることができる。
【００５３】
したがって、温度検出器１４の検出温度に応じて、第１の水供給器２による比較的低温の水の供給量と第２の水供給器１３による比較的高温の戻り水の供給量との割合を適切に調節することによって、反応器５の温度を所定の目標温度に制御できるので、低コストで簡素な構成で反応器５の温度を所定の目標温度に制御することが可能となる。
【００５４】
したがって、水素利用機器が、反応器５に熱を供給しない構成であっても、簡素でコストを抑制した構成で、所定の水素供給量を確保することができる。また、分離器６があるため、生成物であるメタホウ酸ナトリウムと戻り水を容易に分離し、純度の高い戻り水を利用することができる。戻り水の熱を利用することで、温度調整に必要なエネルギーを削減し、水素生成の効率を向上させた水素生成装置１０１を提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
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、低コストで簡素な構成で反応器の温度を所定の目標温度に制御して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させて、水素を生成する反応器を備えた水素生成装置及びそれを用いた燃料電池システムで、安定運転が要求される用途に最適である。
【符号の説明】
【００５６】
１  第１の水容器
２  第１の水供給器
３  原料容器
４  原料供給器
５  反応器
６  分離器
７  水素流路
８  戻り流路
９  戻り水供給器
１０  生成物流路
１１  給水流路
１２  第２の水容器
１３  第２の水供給器
１４  温度検出器
１５  水素流路
１６  生成物流路
１８  戻り流路
５０  制御器
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】
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【図２】
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【図３】
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