(57)【要約】【課題】燃料電池自動車にも好適に適用することのできる水素生成の方法および装置を提供すること。【解決手段】金属水素化物を熱分解して任意量の水素を得た後、分解せずに残った金属水素化物を水と反応させて水素を生成し、さらに金属水素化物の熱分解によって副生した金属をアルカリ水溶液と反応させて水素を生成するように構成したこと。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属水素化物から水素を生成する方法であって、前記水素化物を熱分解して任意量の水素を生成する工程と、前記工程で未分解の水素化物を加水分解して水素を生成する工程と、アルカリ水溶液を加え、前記水素化物の熱分解によって副生した金属と反応させて水素を生成する工程とを含んで構成されることを特徴とする水素生成方法。
【請求項２】
金属水素化物がアラン、CaH2およびMg(AlH4)2から選ばれた少くとも１種または２種以上の混合物であることを特徴とする請求項１に記載した水素生成方法。
【請求項３】
アルカリ水溶液が水酸化リチウム、水酸化ナトリウムおよび水酸化カリウムから選ばれた少なくとも１種の水溶液であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載した水素生成方法。
【請求項４】
金属水素化物を収容した容器と、該水素化物を加熱するための手段と、該容器に水を供給するための手段と、該容器にアルカリ水溶液を供給する手段とを含んで構成され、これによって水素化物の熱分解反応、熱分解されずに残った水素化物の加水分解反応、そして熱分解によって副生した金属のアルカリ水溶液反応の各反応を実施して水素を生成することを特徴とする水素生成装置。
【請求項５】
前記容器に供給する各液体の流量とタイミングを制御するための制御手段が、前記した水供給手段とアルカリ水溶液供給手段に設けられたことを特徴とする請求項４に記載した水素生成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は水素生成の方法と装置に関するものであり、特に金属水素化物を原料として、燃料電池用の燃料である水素を好適に生成することのできる方法と装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
化石燃料の有限性あるいは化石燃料から排出される炭酸ガスによる地球温暖化などの環境破壊の問題が、現代社会にとって解決されるべき最も重要な課題の一つとされている。このような中、水素は理論的には無尽蔵かつ究極のクリーンなエネルギー源として脚光を浴び、特に水素をエネルギー源とした燃料電池が２１世紀の技術として注目され、内外の多くの研究機関や企業がその開発に取り組んでいる。
【０００３】
しかしながら、水素をエネルギー源として、燃料電池を始めとする様々な産業分野において利用するためには、水素の貯蔵あるいは吸蔵技術面においてまだ多くの課題が山積している。水素の貯蔵吸蔵技術には、これまで種々の方法が提案されている。極低温状態で液化水素として貯蔵する方法、カーボンナノチューブあるいはフラ−レンに吸蔵する方法、水素吸蔵合金に吸蔵する方法、あるいは水素化物として貯蔵する方法などが代表的な方法とされている。
【０００４】
これらの方法は安全性、利便性、輸送効率、貯蔵吸蔵効率あるいは貯蔵吸蔵とその後の水素放出のため必要とされる化石燃料とのエネルギーバランスなどにおいてそれぞれ一長一短がある。例えば、液化水素による貯蔵は、水素を液化するのに膨大な冷却のためのエネルギーを必要とし、また貯蔵容器の安全性の視点からその利用場所、方法が自ずと制限される。水素吸蔵合金を利用した方法はこれらの物質が重金属から作られているためそれ自体の重量が重く、単位重量当り水素吸蔵効率が劣る。またカーボンナノチューブを利用した方法は技術的には未だ水素吸蔵能力が満足できるレベルに達していないほか、コストが高くまた水素の吸蔵放出の繰返しによって水素の吸蔵量の経時的劣化現象が起こるため長期間の使用に問題があり、実用性の面で制約される。
【０００５】
本発明者は金属水素化物から水素を生成する方法を研究してきた。金属水素化物から水素を生成する方法として、水素化物を加熱して熱分解する方法（例えば、特許文献１参照）あるいは反応容器内で水素化物を水やアルコールなどの液体と反応させて水素を生成する方法（例えば、特許文献２および特許文献３参照）などが提案されている。
【０００６】
しかしながら、金属水素化物の熱分解法は、熱分解反応が進行し金属水素化物の残存量が少なくなると反応速度が低下し、分解のためにはより高い温度を必要とする。この理由は明らかではないが、反応の進行に伴う結晶構造の変化あるいは結晶内での水素の拡散性に起因して分解反応を進行するには特別の活性化エネルギー必要ためと推察される。したがって、あまり高温に加熱することができないような条件下で金属水素化物の熱分解によって水素を生成しなければならない場合、一部が分解されずに金属水素化物のまま残るという問題があり、水素の生成効率において不利である。例えば、燃料電池自動車の水素燃料の製造に適用する場合、金属水素化物の熱分解法では自動車の始動時あるいは駆動時における熱源の制約上、加熱できる上限温度は通常１２０℃ほどであり、分解しない水素化物が残留し、それだけ水素の生成量が少なくなってしまう。技術的にはより高温を得ることが可能であるが、このためには補機損失が大きくなりまた水素化物反応容器の材質も耐熱性のものとすることが必要である。さらに生成する水素も高温となるため冷却手段を装備しなければならない。この結果、水素生成装置全体の寸法が大型化しかつそれだけ重量も重くなり、軽量かつコンパクトな水素生成装置とはならず、実用に供する上で種々の問題がある。
【０００７】
これに対して金属水素化物を水などの液体と反応させる方法は、通常、未反応の水素化物は残留しないので、熱分解法のような問題は生じない。しかしこの反応は急速かつ一時に進行するため、熱分解法に比べて水素の生成速度を制御することが難しく、燃料電池自動車に搭載する水素燃料生成装置として適用するには難点がある。
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−１３７９０１号公報
【特許文献２】特開２００３−１２６６７７号公報
【特許文献３】特開２００３−２０６１０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、上記した金属水素化物の熱分解法の欠点を解消した改善された水素生成方法と装置を提供することにあり、これによって金属水素化物から効率的に水素を生成しようとするものである。また、本発明の別の目的は、水素を制御して生成することによって、燃料電池自動車に好適に適用することができる水素の生成方法および生成装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は上記した課題を解決するため、請求項１に記載した水素生成方法は、金属水素化物から水素を生成する方法であって、金属水素化物を熱分解して任意量の水素を生成する工程と、前記工程で未分解の水素化物を加水分解して水素を生成する工程と、アルカリ水溶液を加え、前記水素化物の熱分解によって副生した金属と反応させて水素を生成する工程とを含んで構成されることを特徴とする。
【００１１】
請求項２に記載した水素生成方法は、請求項１に記載した方法において、金属水素化物がアラン、CaH2およびMg(AlH4)2から選ばれた少くとも１種または２種以上の混合物であることを特徴とする。
【００１２】
請求項３に記載した水素生成方法は、請求項１または請求項２に記載した方法においてアルカリ水溶液が水酸化リチウム、水酸化ナトリウムおよび水酸化カリウムから選ばれた少なくとも１種の水溶液であることを特徴とする。
【００１３】
請求項４に記載した水素生成装置は、金属水素化物を収容した容器と、該水素化物を加熱するための手段と、該容器に水を供給するための手段と、該容器にアルカリ水溶液を供給する手段とを含んで構成され、これによって水素化物の熱分解反応、熱分解されずに残った水素化物の加水分解反応、そして熱分解によって副生した金属のアルカリ水溶液反応の各反応を実施して水素を生成することを特徴とする。
【００１４】
請求項５に記載した水素生成装置は、請求項４に記載した装置において、前記容器に供給する各液体の流量とタイミングを制御するための制御手段が、前記した水供給手段とアルカリ水溶液供給手段に設けられたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、反応後、残留する金属水素化物は存在しないので、単位量当りの金属水素化物から生成される水素の量は、熱分解反応によって生成される場合の量よりも多く、それだけ効率的に水素を得ることができる。また、水素化物の熱分解によって副生した金属もアルカリ水溶液と反応させて水素の生成に利用するので、さらに一層多くの水素を得ることができる。
【００１６】
さらに、本発明によれば水素の生成は３段階のプロセス、すなわち金属水素化物の熱分解反応、未分解の金属水素化物の加水分解反応、そして副生した金属のアルカリ反応によって行われるので、反応が一段階のプロセスで行われる従前の金属水素化物の加水分解法と比べて、制御された状態で水素を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明に係る水素生成の方法と装置の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
【００１８】
図１は本発明に係る水素生成の方法を実施するための装置の一例を示す説明図である。この図において、１は金属水素化物の収容容器であり、内部に金属水素化物２が充填されている。容器１にはまた加熱手段３が配置されている。加熱手段３の熱源として、例えば燃料電池自動車の場合には、装置の通常運転時には燃料電池からの廃熱が利用されるが、始動時のように燃料電池からの廃熱がまだ利用できない状態にある場合には、一時的かつ補助的に、電気抵抗加熱あるいは化石燃料などの燃焼によって得られる熱が利用される。このため、加熱手段３は廃熱導入管４と補助加熱手段５を備え、水素化物への加熱効率の向上のためフィン６が配置されている。フィン６は廃熱導入管４および補助加熱手段５と連結している。
【００１９】
加熱手段３は水素化物を熱分解できればよいので、その構成は上記したものに限定する必要はない。また、加熱手段を容器の外に配置し、外部から金属水素化物を加熱してもよい。
【００２０】
容器１には水の供給手段７とアルカリ水溶液の供給手段８が設けられている。これらの液体の供給手段７，８として、通常、パイプが使用される。容器１に供給される水やアルカリ水溶液の液量およびそのタイミングは、これら手段に設けられた制御手段によって制御される。このような制御手段は、水やアルカリ水溶液の各供給手段７，８の液体流路に設けられた例えば電磁弁９，１０とこれら電磁弁を作動させる電気回路とによって構成することができる。
【００２１】
アルカリ水溶液供給手段８にはアルカリ水溶液供給のためのアルカリタンク１１が接続されている。アルカリタンク１１には、電磁弁１４を備えた水供給手段１３が設けられ、また内部にアルカリ物質収容容器１２が収容されている。そして本装置１の稼動の適宜のタイミングで水が導入されてアルカリ水溶液が調製される。勿論、当初からアルカリ水溶液をタンクに入れておいてもよい。
【００２２】
水供給手段７，１３に供給される水は、例えば燃料電池の稼動によって生成される水を用いることができる。
【００２３】
本発明において使用される金属水素化物としては、常温で固体であって、水と反応して水素を放出すること、そして脱水素後に副生する金属がアルカリ水溶液と反応して水素を放出するものである。このような水素化物としては、例えば、アラン(水素化アルミニウム  AlH3  )、CaH2、Mg(AlH4)2などがある。これらの水素化物は通常単独で使用されるが、２種以上混合して使用してもよい。
【００２４】
また、本発明で使用されるアルカリ水溶液は、金属水素化物の脱水素によって副生する金属と反応して水素を生成するものであればよい。このようなアルカリ水溶液としては、例えば水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等、アルカリ水酸化物の水溶液がある。通常、これらの水溶液は単独で用いられるが、勿論、混合して用いてもよい。
【００２５】
次に本発明の水素生成のプロセスを、金属水素化物としてアランを使用し、アルカリ水溶液として水酸化ナトリウム水溶液を用いた場合を例にとって説明する。
【００２６】
アランを加熱手段で加熱すると、熱分解して下記の式１の反応によって水素を放出する。この反応を円滑に進行するには１００〜１４０℃の温度を必要とする。燃料電池自動車の場合、燃料電池から出る廃熱は通常８０〜１２０℃であるので、この熱分解反応は比較的緩やかに行われる。容器内の温度を調整することによって、生成する水素の量と生成速度を調整することができる。しかしながら、反応の進行につれて残余のアラン量が少なくなると、上記加熱温度では分解速度は極めて遅くなり、さらに高温に加熱しない限り一部のアランは分解されないまま残ってしまう。加熱温度が１２０℃以下の場合、通常、２０％ほどのアランが分解せずに残る。
【００２７】
AlH3  →   Al ＋ 3/2H2  ……………  式１
仮に２０％のアランが熱分解せずに残るとすると、この反応によってアラン１モルから生成する水素の量は、
1モル×（１モル−0.2モル）×3/2モル  ＝  1.2モル
として計算される。
【００２８】
次いで、容器に水を供給すると、残余のアラン（0.2モル相当）が加水分解反応を起こして、下記式２によって水素を放出する。
【００２９】
AlH3  ＋  3H2O  →  Al(OH)3 ＋ 3H2  ……………  式２
この反応によって、生成する水素は、
0.2モル×3モル  ＝  0.6モル
として計算される。
【００３０】
最後に、容器に水酸化ナトリウム水溶液を供給する。上記した式１で表されるアランの熱分解によって副生した金属アルミニウム（0.8モル相当）が水酸化ナトリウム水溶液と反応し、下記式３によって水素を放出する。
【００３１】
Al ＋ NaOH ＋ H2O → NaAlO2 ＋3/2H2  ……………  式３
この反応によって、生成する水素は、
0.8モル（Al）×3/2モル（H2）  ＝  1.2モル
となる。
【００３２】
従来の金属水素化物の加水分解法では、アランが水と反応すると、アラン1モルから水素３モルが上記の式２によって一時に生成する。これに対して本発明によれば、上記したように式1の金属水素化物の熱分解反応によって1.2モル（熱分解率80%の場合）、次に式２の加水分解反応によって0.6モル、そして最後の式３のアルカリ水溶液反応によって1.2モルの水素と、３段階に分けて取り出すことができる。したがって本発明によれば、これら各段階の反応を行うタイミングを制御することによって、生成する水素の量を制御できるので、生成した水素ガスを貯蔵するタンクの大きさや重量を小さくできる。このため本発明の水素生成方法および装置は、燃料電池自動車のように装置の設置空間が狭くかつ重量が制限される場所で、特に都合よく適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明に係る水素生成の方法を実施するための装置の一例を示す説明図である。
【符号の説明】
【００３４】
１    金属水素化物の収容容器
２    金属水素化物
３    加熱手段
７    水供給手段
８    アルカリ水溶液供給手段
９，１０    電磁弁
【図１】
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