(57)【要約】【課題】従来よりも低い反応温度において給水出力に依存せず高い反応率で水素を発生させることができる水素発生装置を提供する。【解決手段】金属燃料を収容する反応容器と、前記金属燃料の温度を制御する温度制御手段と、前記金属燃料に水を供給する水供給手段と、前記金属燃料と前記供給された水との反応によって発生する水素を回収する水素回収手段とを備える水素発生装置であって、前記金属燃料が、粉末状、顆粒状及びペレット状のいずれかの形状を有し、前記温度制御手段によって前記金属燃料が加熱される温度が、前記金属燃料と前記供給された水との反応によって生成する水酸化物の融点以上、且つ、前記金属燃料の融点未満の温度であることを特徴とする水素発生装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属燃料を収容する反応容器と、
前記金属燃料の温度を制御する温度制御手段と、
前記金属燃料に水を供給する水供給手段と、
前記金属燃料と前記供給された水との反応によって発生する水素を回収する水素回収手段とを備える水素発生装置であって、
前記金属燃料が、粉末状、顆粒状及びペレット状のいずれかの形状を有し、
前記温度制御手段によって前記金属燃料が加熱される温度が、前記金属燃料と前記供給された水との反応によって生成する水酸化物の融点以上、且つ、前記金属燃料の融点未満の温度であることを特徴とする水素発生装置。
【請求項２】
前記金属燃料の嵩密度が、０．２ｇ／ｃｍ３以上１．５ｇ／ｃｍ３以下であ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】
前記水酸化物を前記反応容器の下方に導く溝が設けられた請求項１または請求項２に記載の水素発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素を動力源とする燃料電池やエンジン等に使用される水素発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
水素発生装置は、反応容器内の塊状の金属燃料に水を供給し、金属燃料と水との反応で発生した水素を回収する。特許文献１に記載されるように、金属燃料は、リチウム水素化物、または、リチウム水素化物にリチウムやアルミニウムを混合したものからなり、金属燃料を溶融して液体状態として水と反応させる。
【特許文献１】特開昭６１−１４９５０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来の水素発生装置は、リチウム水素化物の融点以上（例えば８００℃以上）まで加熱し、塊状の金属燃料を溶融させる必要があった。このため、初期起動に時間がかかるとともに、反応中高温に維持するため反応容器が熱変形し、フランジ部のシール性が低下するという問題があった。また、従来の水素発生装置では、反応中に溶融した金属燃料と反応生成物（水酸化物）が混在するため、高圧力で給水や水蒸気を供給することにより、未反応の金属燃料と生成物とを攪拌し、水との接触面積を増大させ反応率を向上させる必要があった。しかし、給水量を下げるなどして低出力での運転を行う場合、攪拌が不十分となる。その結果、反応生成物が未反応の金属燃料を覆ってしまい、十分な反応率を達成することができなかった。
【０００４】
本発明は、従来よりも低い反応温度において給水出力に依存せず高い反応率で水素を発生させることができる水素発生装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために、本発明の水素発生装置は、金属燃料を収容する反応容器と、前記金属燃料を加熱する加熱手段と、前記金属燃料に水を供給する水供給手段と、前記金属燃料と前記供給された水との反応によって発生する水素を回収する水素回収手段とを備える水素発生装置であって、前記金属燃料が、粉末状、顆粒状及びペレット状のいずれかの形状を有し、前記金属燃料が加熱される温度が、前記金属燃料と前記供給された水との反応によって生成する水酸化物の融点以上、且つ、前記金属燃料の融点未満の温度であることを特徴とする。
【０００６】
反応生成物である水酸化物の融点以上、且つ、金属燃料の融点未満の温度では、金属燃料は固体状態であり、水酸化物は液体状態となる。粉末状、顆粒状及びペレット状のいずれかの形状を有する金属燃料の嵩密度は、液体状態の水酸化物の密度よりも小さい。このため、金属燃料と水との反応中に、金属燃料と液体状態の水酸化物との密度差により、水酸化物は反応容器の下部に蓄積され、金属燃料は水酸化物の上層に浮かび上がる。この結果、水酸化物によって金属燃料と水との反応が阻害されず、高い反応率を安定して継続させることができる。本発明の水素発生装置は、従来のように金属燃料の融点以上に加熱しないため、熱による反応容器の変形を抑制でき、装置設計が容易となる利点がある。また、高出力で給水して液体状態の金属燃料と水酸化物とを混合させる必要が無く、低出力の給水においても水素発生量を制御可能である。
【０００７】
上記発明において、前記金属燃料の嵩密度が、０．２ｇ／ｃｍ３以上１．５ｇ／ｃｍ３以下であることが好ましい。
【０００８】
金属燃料が上記の嵩密度であれば、金属燃料と液体状態の水酸化物との密度差が大きくなり、金属燃料と水酸化物とが分離しやすくなる。
【０００９】
上記発明において、前記水酸化物を前記反応容器の下方に導く溝を備えることができる。
【００１０】
特に反応初期では、生成した水酸化物の量が少ないため、水酸化物が反応容器下部へ流動しにくい。水酸化物を反応容器下方に導く溝を設けることで、反応初期において未反応の金属燃料と水酸化物とを分離しやすくする。これにより、金属燃料と水との反応が促進され、反応初期での反応速度低下を防止できる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、粉末状、顆粒状、またはペレット状の金属燃料の嵩密度と液体状態の反応生成物との密度差を利用して、金属燃料と反応生成物とを常に分離することができる。このため、低出力の給水でも水素発生量を制御することができ、発生した水素を利用した燃料電池やエンジンの出力制御範囲を広くすることが可能となる。
また、従来の水素発生装置に比べて反応容器内の温度を下げることができるため、反応容器の変形を抑制でき、装置設計が容易となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下に、本発明の水素発生装置を参照して説明する。
図１は、第１実施形態に係る水素発生装置の概略図である。第１実施形態の水素発生装置１０は、密閉可能である反応容器１１を備える。反応容器１１の上部に、給水管１２が接続され、給水管１２の先端にノズル１３が接続される。また、反応容器１１の上部に、水素回収管１４が接続される。温度制御手段として、反応容器１１下部に反応容器内部の温度を測定可能となる温度計１７と、反応容器１１下部の外周部にヒータ１５及び冷却装置１６が設置される。
【００１３】
反応容器１１内に、金属燃料１８が充填される。金属燃料は、水素化リチウム（ＬｉＨ）、水素化アルミニウムリチウム（ＬｉＡｌＨ４）、水素化ホウ素リチウム（ＬｉＢＨ４）などのリチウム水素化物またはこれらの混合物を主成分とし、必要に応じて金属リチウムまたは金属アルミを添加したものである。金属燃料の形状は、粉末状、顆粒状、またはペレット状とされる。金属燃料の嵩密度は、０．２ｇ／ｃｍ３以上１．５ｇ／ｃｍ３以下であることが好ましい。
【００１４】
リチウム水素化物を主成分とする金属燃料と水との反応では、以下の化学式のように、水素と水酸化物が生成する。
【化１】
2009208972.tif 000003
ここで、ＭはＬｉ，Ａｌ，Ｂを表す。
【００１５】
水素化リチウムを金属燃料とした水素発生装置を用いて、水素を発生させる工程を以下で説明する。
粉末状、顆粒状またはペレット状の水素化リチウムを反応容器１１内に充填する。水素化リチウムの場合、嵩密度が０．２ｇ／ｃｍ３以上０．４ｇ／ｃｍ３以下であることが好ましい。
【００１６】
温度計１７が反応容器１１内の温度を計測しながら、水素化リチウム１８が上記反応により生成する水酸化リチウム（ＬｉＯＨ）の融点以上、水素化リチウムの融点未満の範囲内の温度となるように、ヒータ１５が反応容器１１を加熱する。水酸化リチウムの融点は約４５０〜４７０℃、水素化リチウムの融点は約６８０℃であるので、反応容器内の水素化リチウムを５００℃以上６５０℃未満の温度に加熱する。
【００１７】
水素化リチウム１８が上記範囲内の温度に到達した後、給水管１２を介してノズル１３から水または蒸気を、水素化リチウム１８の上側から噴霧する。噴霧された水または蒸気と接触した水素化リチウムとが反応し、水素と水酸化リチウムとが生成する。生成した水素を、水素回収管１４を通じて回収する。
【００１８】
反応中、ヒータ１５および冷却装置１６が、水酸化リチウムの融点以上水素化リチウムの融点未満の範囲内の温度（５００℃以上６５０℃未満）となるように、反応容器１１内の温度を制御する。上記の温度範囲では、水素化リチウムは固体状態であり、水酸化リチウムは液体状態となる。液体状態の水酸化リチウムの密度は約１．７ｇ／ｃｍ３であり、反応容器１１内に充填した水素化リチウムの嵩密度（０．２ｇ／ｃｍ３以上０．４ｇ／ｃｍ３以下）と比べて非常に大きい。このため、図２（ａ）に示すように、水酸化リチウムが、液体の水酸化リチウムと固体の水素化リチウムの混合層２０を形成しながら反応容器１１の下方に沈降する。固体状態である未反応の水素化リチウム１８は、混合層２０の上部に浮上する。反応を継続すると、図２（ｂ）に示すように、反応容器１１の底部に水酸化リチウム層２１が形成され、水酸化リチウム層２１上に混合層２０及び水素化リチウム層１８が順に形成された状態となる。すなわち、密度差によって金属原料の水素化リチウムと反応生成物の水酸化リチウムとが分離される。水または蒸気と接触する最上部には常に未反応の水素化リチウムが存在し、反応によって生成する水酸化リチウムは反応容器底部に蓄積されるので、水酸化リチウムによって反応が阻害されることが無い。このため、安定した反応を継続することができ、ほぼ１００％の反応率を達成することができる。
【００１９】
水素発生量は、給水量または蒸気量を調節することによって制御する。本実施形態では、給水出力を高くして水素化リチウムと水酸化リチウムとを攪拌する必要が無い。低出力の給水でも反応効率が向上するので、水素発生量を高精度で制御可能である。この結果、本実施形態の水素発生装置で発生した水素を利用した燃料電池やエンジンの出力制御範囲を広げることができる。
【００２０】
図３は、第２実施形態に係る水素発生装置の概略図である。第２実施形態の水素発生装置３０において、反応容器３１内に充填した金属燃料３８内に溝３９が形成される。溝３９は、例えば中空管を金属燃料に埋め込むことで形成される。
【００２１】
温度計３７が反応容器３１内の温度を計測しながら、ヒータ３５が反応容器３１を加熱する。これにより、金属燃料３８の温度が、金属燃料の融点以上、且つ、反応生成物の融点未満の範囲内の温度となる。
【００２２】
金属燃料３８が上記範囲内の温度に到達した後、給水管３２を介してノズル３３から水または蒸気を、金属燃料３８の上側から噴霧する。噴霧された水または蒸気と接触した金属燃料が反応する。ヒータ３５及び冷却装置３６が、反応中の金属燃料の温度を制御する。反応によって生成した水酸化物は、溝３９を通って反応容器３１の下方に移動する。生成した水素は、水素回収管３４を通じて回収される。
【００２３】
反応初期において、水酸化物の生成量は少なく、反応容器２１の下方に沈降しにくい。このため、最上部は金属燃料と水酸化物が混在する状態となり、水酸化物が金属燃料を覆い反応が阻害されて反応速度が低下する。第２実施形態の水素発生装置３０のように、金属燃料３８内に溝３９を形成しておくと、反応初期に生成した水酸化物が溝３９を伝って反応容器３１下方に移動しやすくなる。この結果、最上部に存在する金属燃料の比率が増加し、水酸化物による反応阻害が抑制される。
【００２４】
本実施形態では、金属燃料内に溝を形成したが、これに限定されない。例えば、反応容器内周に沿って溝を形成しても良い。また、ペレット状の金属燃料を用いた場合は、ペレット同士の間隙を大きくするなどして溝を形成することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】第１実施形態の水素発生装置の概略図である。
【図２】第１実施形態の水素発生装置を用いた水素発生反応過程における金属燃料及び反応生成物の状態を表した概略図であり、（ａ）反応初期、（ｂ）反応安定期の状態を表した図である。
【図３】第２実施形態の水素発生装置の概略図である。
【符号の説明】
【００２６】
１０  水素発生装置
１１  反応容器
１２  給水管
１３  ノズル
１４  水素回収管
１５  ヒータ
１６  冷却装置
１７  金属燃料
１８  温度計
【図１】
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【図２】
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【図３】
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