JP2018177580A - 連続式水素生成装置および水素生成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】長時間の連続運転が可能な水素生成装置等を提供すること。【解決手段】水素生成装置１０は、反応容器２１の内部に水を供給する第１管６６１と、水素発生材の粉が水中に分散した懸濁液を前記反応容器２１の内部に供給する第２管６６２と、前記反応容器２１の上部に接続され、前記第１管６６１により供給されて前記反応容器２１内に貯留した水と前記第２管６６２により供給された前記懸濁液中の水素発生材との反応により生じた水素を流出させる第３管６６３と、前記反応容器２１の下部に接続され、前記第３管６６３から流出させる水素を生成する際の反応性生物を流出させる排水管６６６とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、連続式水素生成装置および水素生成方法に関する。

水素を燃料にして発電する燃料電池が、広範な技術分野において使用されている。燃料電池に供給する水素を、水素化マグネシウム粒子の加水分解によって生成する水素生成装置が提案されている（特許文献１）。

特開２００９−９９５３４号公報

しかしながら、特許文献１に記載の水素生成装置は、長時間の連続運転には適さないという問題点がある。

一つの側面では、長時間の連続運転が可能な水素生成装置等を提供することを目的とする。

水素生成装置は、反応容器の内部に水を供給する第１管と、水素発生材の粉が水中に分散した懸濁液を前記反応容器の内部に供給する第２管と、前記反応容器の上部に接続され、前記第１管により供給されて前記反応容器内に貯留した水と前記第２管により供給された前記懸濁液中の水素発生材との反応により生じた水素を流出させる第３管と、前記反応容器の下部に接続され、前記第３管から流出させる水素を生成する際の反応性生物を流出させる排水管とを備える。

水素生成装置は、前記水素発生材の粉と水とを攪拌して懸濁液にする懸濁容器を備え、前記第２管は、前記懸濁容器内の懸濁液を前記反応容器に供給する。

水素生成装置は、前記懸濁容器は、内部の懸濁液の温度を摂氏０度以上摂氏２０度以下の範囲に維持する。

水素生成装置は、前記第２管は、前記反応容器の上部から前記懸濁液を供給する。なお、前記第２管は、前記反応容器の中部または下部等、任意の場所から前記懸濁液を供給しても良い。

水素生成装置は、前記第２管は、前記第１管を介して前記懸濁液を供給する。

水素生成装置は、前記第１管は、前記反応容器の内部に水を噴射する。

水素生成装置は、前記第１管は、前記反応容器の内壁に沿って水を噴射する。

水素生成装置は、前記第１管は、前記反応容器の内部に設けられたシャワーヘッドを介して前記反応容器の内部に水を散布する。

水素生成装置は、前記反応容器と前記第３管との接続部と、前記反応容器内に貯留した水の水面との間に配置された邪魔板を備える。

水素生成装置は、前記邪魔板は網状、多数の貫通孔を備える板状、または、無孔の板状であり、前記反応容器の内面との間に気体が通過可能な隙間を有して配置される。

水素生成装置は、前記反応容器と前記第３管との接続部と前記シャワーヘッドとの間または、前記シャワーヘッドと前記反応容器内に貯留した水の水面との間に配置された邪魔板を備える。

水素生成装置は、前記反応容器の下部に設けられた排水口から排出した水と反応生成物とを分離する分離槽を備え、前記第１管は、前記分離槽で分離した水を供給する。

水素生成装置は、前記懸濁液に前記分離槽で分離した水を供給する第４管を備える。

水素生成装置は、前記水素発生材は、水素化マグネシウムである。

水素生成装置は、前記第３管から流出させた水素を消費した燃料電池により生成された水が流入する第５管を備え、前記第５管から流入した水が前記第２管に供給される。

水素生成装置は、前記反応容器内に貯留した水を加熱するヒータと、前記反応容器内に貯留した水を冷却する第１冷却装置とを備える。

水素生成装置は、前記ヒータは、前記反応容器内に貯留した水の温度を摂氏９５度以上摂氏２５０度以下の範囲に維持する。

水素生成装置は、前記第３管は、水素とともに前記反応容器内の水蒸気を流出させ、
前記第３管から流出した水素および水蒸気を冷却する冷却槽を備える。

水素生成装置は、前記水素タンクの内圧よりも高い圧力で水素を貯留するリザーバタンクを備える。

水素生成方法は、反応容器の内部に水を供給し、水素発生材の粉が水中に分散した懸濁液を前記反応容器の内部に供給し、前記反応容器内に貯留した水と前記懸濁液中の水素発生材との反応により生じた水素を流出させる。

水素生成方法は、前記反応容器内で化学反応により生成する反応性生物と水との混合液を前記反応容器の下部から排出し、排出した反応性生物と水とを分離し、分離した水を前記反応容器の内部に供給する。

水素生成方法は、前記反応容器内の水の温度を摂氏９５度以上摂氏２５０度以下の範囲に維持する。

水素生成方法は、前記水素とともに前記反応容器内の水蒸気を流出させ、前記水蒸気を凝結し、凝結により生成した水を前記反応容器の内部に供給する。

水素生成方法は、前記反応容器の内部に配置されたシャワーヘッドを介して前記反応容器の内部に水を供給する。

水素生成方法は、前記反応容器の内壁に沿って水を噴射して供給する。

一つの側面では、長時間の連続運転が可能な水素生成装置等を提供することができる。

水素生成装置の模式図である。 温度と反応率との関係を示すグラフである。 水素生成装置の制御系のブロック図である。 プログラムの処理の流れを示すフローチャートである。 実施の形態２の水素生成装置の模式図である。 実施の形態３の水素生成装置の模式図である。 図６におけるＶＩＩ−ＶＩＩ線による反応容器の模式断面図である。 実施の形態４の反応容器の模式断面図である。 実施の形態５の水素生成装置の模式図である。

［実施の形態１］
図１は、水素生成装置の模式図である。水素生成装置１０は、反応容器２１、懸濁容器８１、水素発生材容器３１、水タンク６１、分離槽６３、冷却槽６５、水素タンク７１およびリザーバタンク７４を備える。図１を使用して、本実施の形態の水素生成装置１０の概要を説明する。

反応容器２１は円形断面の中空容器である。なお、反応容器２１の断面形状は、円形以外の形状であっても良い。反応容器２１の外側には、ヒータ５８および第１冷却装置５４１が取り付けられている。ヒータ５８は、反応容器２１を暖める装置である。第１冷却装置５４１は、反応容器２１を水冷または空冷等により冷却する装置である。

なお、ヒータ５８は、反応容器２１の内部に取り付けても良い。たとえば、ヒータ５８にコイルヒータを使用することにより、後述する様に反応容器２１の内部に貯留した液体を直接暖めることができる。

反応容器２１の天面の中央付近に設けられた接続部は、第３管６６３を介して冷却槽６５と接続されている。冷却槽６５は、送気管を介して水素タンク７１と接続されている。さらに冷却槽６５は、送水管を介して水タンク６１と接続されている。水タンク６１は、途中に第１バルブ５６１を有する第１管６６１を介して反応容器２１に接続されている。

反応容器２１の底は、下に向けて径が小さくなるテーパ部を有する。テーパ部の最下部に、後述する化学反応により生成する反応生成物、たとえば水酸化マグネシウムおよび酸化マグネシウム等を含む水を排出する排水口２５が設けられている。排水口２５は、途中に排水バルブ５６６を備える排水管６６６を介して分離槽６３に接続されている。分離槽６３は上澄み液を流すオーバーフロー管６７を介して複数が直列に接続されている。最後の分離槽６３は、途中にポンプ５７を備える戻り管を介して水タンク６１に接続されている。

水素タンク７１に、水素放出管７５が接続されている。リザーバタンク７４は、途中にリザーババルブ５６８を有する補給管６６８を介して、水素放出管７５に接続されている。

水タンク６１は、途中に第４バルブ５６４を有する第４管６６４を介して、懸濁容器８１に接続されている。水素発生材容器３１も、途中に供給バルブ５６７を有する供給管６６７を介して懸濁容器８１に接続されている。

懸濁容器８１は、スターラ８２１の上に載せられている。懸濁容器８１の底に、スターラ８２１が発生する磁場により回転する回転子８２２が入っている。なお、スターラ８２１と回転子８２２とは、懸濁容器８１内の液体を攪拌する攪拌器８２の一例である。

懸濁容器８１は、途中に第２バルブ５６２を有する第２管６６２を介して、反応容器２１の上面に接続されている。

水素発生材容器３１には、水と反応して水素を発生する水素発生材の粉が収容されている。水素発生材は、たとえば水素化マグネシウムである。水素発生材に水素化マグネシウムを使用する場合には、以下の反応式により水素が発生する。

ＭｇＨ₂＋２Ｈ₂Ｏ → Ｍｇ（ＯＨ）₂＋２Ｈ₂ ‥‥‥（１）
ＭｇＨ₂＋Ｈ₂Ｏ → ＭｇＯ＋２Ｈ₂ ‥‥‥（２）

式（１）は水素化マグネシウムと温水とが反応する場合の反応式、式（２）は水素化マグネシウムと高温の水蒸気とが反応する場合の反応式である。いずれも、水素化マグネシウムの加水分解の反応である。

水素発生材は、マグネシウム粉、アルミニウム粉、鉄粉、またはカルシウム粉等でも良い。これらの水素発生材を使用する場合には、それぞれ以下の反応式により水素が発生する。

Ｍｇ＋２Ｈ₂Ｏ → Ｍｇ（ＯＨ）₂＋Ｈ₂ ‥‥‥（３）
２Ａｌ＋６Ｈ₂Ｏ → ２Ａｌ（ＯＨ）₃＋３Ｈ₂ ‥‥‥（４）
Ｆｅ＋６Ｈ₂Ｏ → ２Ａｌ（ＯＨ）₃＋３Ｈ₂ ‥‥‥（５）
Ｃａ＋２Ｈ₂Ｏ → Ｃa（ＯＨ）₂＋Ｈ₂ ‥‥‥（６）

以下の説明では、水素発生材に水素化マグネシウムを使用し、主に式（１）の反応により水素を発生させる場合を例にして説明する。なお、温度および圧力等の反応条件によっては、式（１）の反応と平行して式（２）の反応も生じる可能性がある。

図２は、温度と反応率との関係を示すグラフである。横軸は、反応容器２１内の温度であり、単位は摂氏である。縦軸は、水素化マグネシウムの反応率であり、単位はパーセントである。反応率は、反応容器２１に投入した水素化マグネシウムのうち、式（１）または式（２）の化学反応を起こす水素化マグネシウムの割合を質量比で示す値である。

図２に示す様に、反応容器２１内の温度が上昇した場合、反応率は摂氏６５度付近で急激に上昇し、摂氏９５度付近で上昇がゆるやかになり、摂氏１３０度付近で８５パーセント程度に達する。その後、反応容器内の温度の上昇に伴って反応率は漸増して、１００パーセントに近付く。

以上より、本実施の形態においては、反応容器２１内の温度を摂氏９５度以上にすることが望ましい。反応容器２１内の温度をおよそ１３０度以上にすることが、さらに望ましい。反応容器２１内の温度を１５０度程度にすることにより、９５パーセント程度の反応率を達成することができる。

図２に示す様に、反応容器２１内の温度を摂氏１３０度よりも高温にした場合の、反応率の上昇量は比較的少ない。したがって、ヒータ５８を用いて反応容器２１を暖める場合には、反応容器２１内の温度は摂氏１３０度程度であることが、エネルギー効率の観点から望ましい。

同様に図２に示す様に、反応容器２１内の温度を摂氏１５０度以上にした場合には、温度の変動量に対する反応率の変化量が少なくなる。したがって、反応容器２１内の温度は摂氏１５０度以上であることが、反応率を高い値で安定させる観点で望ましい。

一方、反応容器２１内の温度が高いことにより、反応容器２１および配管等の劣化が進みやすく、水素生成装置１０の寿命が短くなるおそれがある。したがって、反応容器２１内の温度は３５０度以下に維持することが望ましい。反応容器２１内の温度は摂氏２５０度以下がさらに望ましく、２００度以下であることがさらに望ましい。

水素化マグネシウムは、平均粒径が１ミリメートル以下、望ましくは平均粒径が１００マイクロメートル以下の粉体である。水素化マグネシウムの平均粒径は、たとえば６０マイクロメートル、１５マイクロメートル、５マイクロメートルまたは１マイクロメートル以下でも良い。水素化マグネシウムの平均粒径および粒度分布は、必要な反応速度、コストおよび水素発生材容器３１の構成等に応じて、適宜選択される。

図１に戻り、水素生成装置１０の動作の概要を説明する。反応容器２１の約半分から三分の２程度の高さまで水が貯留される。反応容器２１の内部は、温度が摂氏９５度以上摂氏３５０度以下、圧力が０．０１メガパスカル以上、１メガパスカル未満に調整され、維持される。

反応容器２１の内部は、温度が摂氏９５度以上摂氏２５０度以下、圧力が０．２メガパスカル以上、１メガパスカル未満に調整され、維持されることが望ましい。反応容器２１の内部は、温度が摂氏９５度以上から摂氏２００度以下、圧力が０．２メガパスカル以上、１メガパスカル未満に調整され、維持されることが、さらに望ましい。

懸濁容器８１内に、第２管６６２の開口部よりも高い水位まで水と水素発生材とが供給される。本実施の形態においては、水素発生材の粒径は６０マイクロメートル、水素発生材の量は、質量比で水の５パーセントから２０パーセント程度である。水素発生材の量は、質量比で水の１０パーセントから１５パーセント程度であることが、さらに望ましい。

懸濁容器８１内で回転子８２２を回転させることにより、水素発生材の粒子が水中に分散して懸濁液になる。懸濁容器８１の温度を摂氏１５度以下に維持することにより、懸濁容器８１内での水素の発生が防止される。

第２管６６２を介して、反応容器２１内の水に懸濁液が投入される。式（１）の反応式により、水素および水酸化マグネシウムが発生する。式（２）の反応式により、水素および酸化マグネシウムが発生する。

発生した水素は、水が熱せられて生じた水蒸気と混ざる。水素と水蒸気とは、第３管６６３を通って冷却槽６５に入る。冷却槽６５内で水蒸気は凝結して水になる。その結果、水素と水蒸気とは、水素と水とに分離される。分離された水は、送水管を通って水タンク６１に入る。

分離された水素は、送気管を通って水素タンク７１に入る。水素タンク７１から水素放出管７５を介して燃料電池等の供給先に、水素が供給される。なお、水素放出管７５を介して放出される水素の量は、図示しない圧力調整弁および流量調整弁により調整される。

反応容器２１の下部に設けた排水口２５から反応生成物である水酸化マグネシウムおよび酸化マグネシウムを含む水が流出し、排水管６６６を介して分離槽６３に流れ込む。分離槽６３内で、水酸化マグネシウムおよび酸化マグネシウムは沈殿する。分離槽６３からオーバーフロー管６７を介して、上澄みの水が隣の分離槽６３に流れ込む。

複数の分離槽６３を経由することにより精製された水が、ポンプ５７により加圧され、戻り管を介して水タンク６１に戻る。水タンク６１から第１管６６１を介して反応容器２１の内部に水が供給される。水タンク６１から第４管６６４を介して懸濁容器８１の内部に水が供給される。分離槽６３の底に溜まった沈殿物は、適宜取り出され、水素化マグネシウムの製造に利用される。

水素を発生させる際の化学反応により消費された水および、分離槽６３における生成処理のタイムラグ等により第１管６６１および第４管６６４に供給する水が不足する場合には、外部から適宜補給される。

水素発生材容器３１内の水素発生材が少なくなった場合には、水素発生材容器３１の上部に設けられた投入口等から、水素発生材を投入する。水素発生材容器３１が空になった後に、供給バルブ５６７を閉じて、水素発生材を充填済の水素発生容器３１に交換しても良い。

水素発生材容器３１の容量について、１ｋＷの燃料電池に水素を供給する場合を例にして説明する。１ｋＷの燃料電池は、１分間に標準状態で１０リットルの水素を消費する。式（１）に示す化学反応により水素を生成する場合、標準状態で１０リットルの水素を生成するには、５．８８グラムの水素化マグネシウムを使用する。

したがって、水素発生材容器３１に１ｋｇの水素化マグネシウムが充填されている場合には、水素生成装置１０を２．８時間連続して使用することができる。同様に、水素発生材容器３１に８．６ｋｇの水素化マグネシウムが充填されている場合には、２４時間連続して水素生成装置１０を使用することができる。

水素発生材を補給する際に、水素発生材容器３１または供給管６６７に空気が入った場合であっても、供給管６６７と第２管６６２との間は懸濁液により隔てられているため、第２管６６２に空気が入ることを防止できる。

リザーバタンク７４について説明する。リザーバタンク７４の内部には、水素タンク７１の内部よりも高い圧力で水素が充填されている。リザーバタンク７４に充填されている水素の圧力は、たとえば１メガパスカル弱である。燃料電池が水素を必要としているが、反応容器２１内における水素生成量が不足する場合には、リザーババルブ５６８を開き、リザーバタンク７４から燃料電池に水素を供給する。リザーババルブ５６８は、リザーバタンク７４内の水素が減少して圧力が低くなった場合には、自動的に閉じることが望ましい。

なお、リザーババルブ５６８とリザーバタンク７４との間に圧縮機を設けても良い。反応容器２１で十分な量の水素を生成している場合に、補給管６６８を介して水素タンク７１から供給される水素を加圧して、リザーバタンク７４に水素を補給することができる。

リザーバタンク７４は、内部を高圧にすることにより、できるだけ多くの水素を収容可能にする。これにより、燃料電池等に安定的に水素を供給することが可能である。

反応容器２１、水素発生材容器３１、懸濁容器８１、冷却槽６５、水素タンク７１、リザーバタンク７４、第３管６６３、補給管６６８および各部の配管等の水素に曝露される部分は、ステンレス鋼製またはアルミニウム製であることが望ましい。

図３は、水素生成装置１０の制御系のブロック図である。制御装置４０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）４１、主記憶装置４２、補助記憶装置４３、入力部４４、出力部４５、通信部４６、入力Ｉ／Ｆ（Interface）４７、出力Ｉ／Ｆ４８およびバスを備える。本実施の形態の制御装置４０には、水素生成装置１０専用の装置を利用しても良いし、汎用のパーソナルコンピュータ等を利用しても良い。

ＣＰＵ４１は、本実施の形態に係るプログラムを実行する演算制御装置である。ＣＰＵ４１には、一または複数のＣＰＵまたはマルチコアＣＰＵ等が使用される。ＣＰＵ４１は、バスを介して制御装置４０を構成するハードウェア各部と接続されている。

主記憶装置４２は、ＳＲＡＭ（Static Random Access Memory）、ＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）、フラッシュメモリ等の記憶装置である。主記憶装置４２には、ＣＰＵ４１が行う処理の途中で必要な情報およびＣＰＵ４１で実行中のプログラムが一時的に保存される。

補助記憶装置４３は、ＳＲＡＭ、フラッシュメモリ、ハードディスクまたは磁気テープ等の記憶装置である。補助記憶装置４３には、ＣＰＵ４１に実行させるプログラムおよびプログラムの実行に必要な各種情報が保存される。

入力部４４は、たとえば、キーボード、タッチパネル、マウス等である。出力部４５は、たとえば液晶表示装置または有機ＥＬ表示装置等である。出力部４５は、警告灯またはスピーカー等をさらに備えても良い。通信部４６は、ネットワークとの通信を行うインターフェイスである。

入力Ｉ／Ｆ４７は、水素生成装置１０の各所に取り付けられた圧力計５１、温度計５２、流量計５３、および、水位計等の各種センサから、ＣＰＵ４１がデータを取得するインターフェイスである。

出力Ｉ／Ｆ４８は、水素生成装置１０の各所に取り付けられたバルブ５６、ポンプ５７、ヒータ５８、および、冷却装置５４等に対する制御信号をＣＰＵ４１が送出するインターフェイスである。なお、出力Ｉ／Ｆ４８と、バルブ５６、ポンプ５７、ヒータ５８、および、冷却装置５４との間には、図示しない駆動回路が設けられている。

ここで、バルブ５６には、第１バルブ５６１、第２バルブ５６２、第４バルブ５６４、排水バルブ５６６、供給バルブ５６７、リザーババルブ５６８が含まれる。冷却装置５４には、第１冷却装置５４１が含まれる。

以上に説明した、水素生成装置１０内の物質の流れについて、簡単にまとめる。水は、水タンク６１から、第１管６６１、反応容器２１、排水管６６６、分離槽６３および戻り管を経て水タンク６１に戻る経路と、水タンク６１から、第４管６６４、懸濁容器８１、反応容器２１、第３管６６３、冷却槽６５および送水管を経て水タンク６１に戻る経路とを循環する。

水素を発生させる際の化学反応により消費された水および、分離槽６３における生成処理のタイムラグ等によりシャワーヘッド２３に供給する水が不足する場合には、外部から適宜補給され、反応容器２１内の水位が所定の範囲に維持される。

水素生成装置１０を長時間連続運転する際には、分離槽６３の底に沈殿した反応生成物を適宜取り出すとともに、水を補充する。取り出された反応生成物である、水酸化マグネシウムおよび酸化マグネシウムは、水素化マグネシウムの製造に利用される。

反応容器２１内で発生した水素ガスは、第３管６６３、冷却槽６５、水素タンク７１を経て、水素放出管７５に接続された燃料電池等に供給される。

水素発生材容器３１内の水素発生材は、式（１）または式（２）の化学反応により消費される。水素生成装置１０を長時間連続運転する場合には、水素発生材を適宜補充する。

以上に説明したとおり、本実施の形態の水素生成装置１０は、水素発生材容器３１への水素発生材の供給、分離槽６３内に沈殿した反応生成物の除去および水の補充を行うことにより、長時間連続して水素を生成することが可能である。

図４は、プログラムの処理の流れを示すフローチャートである。図４を使用して、水素生成装置１０の動作を説明する。なお、図４に示すプログラムの開始時点では、各バルブ５６は閉じている。また、水素生成装置１０の内部の空間には、水素が充満しているか、または、真空状態になっている。

ＣＰＵ４１は、第１バルブ５６１の駆動回路に対して開信号を送信する。第１バルブ５６１の駆動回路は、受信した開信号に従って第１バルブ５６１を開く。第１バルブ５６１が開くことにより、反応容器２１の内部に水が注入される（ステップＳ５０１）。

なお、以下の説明においては、第１バルブ５６１の駆動回路の動作の記載を省略して、「ＣＰＵ４１は第１バルブ５６１を開いて反応容器２１の内部に水を入れる。」の様に記載する。第１バルブ５６１以外の各バルブの駆動回路についても、同様である。

ＣＰＵ４１は、反応容器２１に取り付けられた水位計などのセンサ、または、第２管６６２に取り付けられた流量計５３等のセンサの出力に基づいて、所定の水位まで水が貯留したことを判定する。

ＣＰＵ４１は、ヒータ５８の駆動回路に対して起動信号を発する。ヒータ５８の駆動回路は、受信した起動信号に従って、ヒータ５８を起動する。ヒータ５８が発生する熱により、反応容器２１内の水が加熱される（ステップＳ５０２）。

なお、以下の説明においては、ヒータ５８の駆動回路の動作の記載を省略して、「ＣＰＵ４１はヒータ５８を起動して、反応容器２１内の水を加熱する。」の様に記載する。

ＣＰＵ４１は、第４バルブ５６４を開いて懸濁容器８１に水を入れ、供給バルブ５６７を開いて懸濁容器８１に水素発生材を入れる（ステップＳ５０３）。ＣＰＵ４１は、所定の量の水が懸濁容器８１に入った後に、第４バルブ５６４を閉じる。ＣＰＵ４１は、所定の量の水素発生材が懸濁容器８１に入った後に、供給バルブ５６７を閉じる。

ＣＰＵ４１は、攪拌器８２を起動して懸濁容器８１内を攪拌する（ステップＳ５０４）。具体的には、ＣＰＵ４１はスターラ８２１を起動して、懸濁容器８１内の回転子８２２を回転させることにより、懸濁容器８１内を攪拌する。懸濁容器８１内の水に水素発生材が分散して、懸濁液になる。

ＣＰＵ４１は、反応容器２１に取り付けられた温度計５２などのセンサの出力に基づいて、反応容器２１内に貯留した水の温度が所定の温度に達したことを判定する。ＣＰＵ４１は、第２バルブ５６２を開き、懸濁液を反応容器２１に注入する（ステップＳ５０５）。

ＣＰＵ４１は、反応容器２１内部の圧力センサ等から取得したデータに基づいて、所定の量の水素が生成されていることを確認する（ステップＳ５０６）。ＣＰＵ４１は、各センサから取得したデータに基づいて、水素生成装置１０を通常運転する（ステップＳ５０７）。通常運転時にＣＰＵ４１が実行する処理の例を説明する。

ＣＰＵ４１はヒータ５８の出力および第１バルブ５６１を制御して、反応容器２１を所定の温度に保つ。なお、水素発生材と水との化学反応は発熱反応である。発熱量が十分である場合には、ＣＰＵ４１はヒータ５８を停止する。さらに発熱量が多い場合には、ＣＰＵ４１は第１バルブ５６１を開いて、反応容器２１内の水の量を増やす。

化学反応が激しく、発熱量が非常に多い場合には、ＣＰＵ４１は冷却装置５４を動作させて、反応容器２１を所定の温度まで冷却する。水の供給および冷却装置５４の動作により、反応容器２１の温度が十分に低下した場合には、式（１）等を使用して説明した化学反応の速度が低下して、発熱量が少なくなる。

ＣＰＵ４１は、排水バルブ５６６を制御して、反応容器２１内部の水の量を所定の量に維持しながら、反応生成物を含む水を分離槽６３に取り出す。ＣＰＵ４１は、第４バルブ５６４および供給バルブ５６７を制御して、懸濁容器８１中の懸濁液を所定の量と濃度に保つ。

燃料電池等から水素供給量の増加を要求された場合には、ＣＰＵ４１は第２バルブ５６２を制御して反応容器２１に注入する懸濁液の量を増やす。ＣＰＵ４１は、供給バルブ５６７を制御して懸濁容器８１に水素発生材を投入し、懸濁液の濃度を高くしても良い。

燃料電池等から水素供給量の減少を要求された場合には、ＣＰＵ４１は第２バルブ５６２を制御して、反応容器２１に注入する懸濁液の量を減らす。ＣＰＵ４１は、第４バルブ５６４を制御して懸濁容器８１に水を投入し、懸濁液の濃度を薄くしても良い。

ＣＰＵ４１は各センサから取得したデータに基づいて水素生成装置１０に異常が生じているか否かを判定する（ステップＳ５１１）。なお、ステップＳ５１１の判定基準はあらかじめ主記憶装置４２または補助記憶装置４３に記憶されている。

異常が生じていると判定した場合（ステップＳ５１１でＹＥＳ）、ＣＰＵ４１は出力部４５にメンテナンス要求を出力する（ステップＳ５１２）。出力部４５が液晶表示装置または有機ＥＬ表示装置である場合には、水素生成装置１０に異常が生じていることを示す画面が表示される。出力部４５が、警告灯を備える場合には、水素生成装置１０の異常発生に対応する警告灯が点灯する。

ＣＰＵ４１は、通信部４６および図示しないネットワークを介して管理用のコンピュータ等に通知を送信しても良い。通知を受信した管理用のコンピュータ等は、水素生成装置１０のユーザが認識できる態様により、受信した通知の内容を出力する。

ＣＰＵ４１は、各センサから取得したデータに基づいて安全に運転を継続することが可能であるか否かを判定する（ステップＳ５１３）。継続可能であると判定した場合（ステップＳ５１３でＹＥＳ）、および、異常が生じていないと判定した場合（ステップＳ５１１でＮＯ）、ＣＰＵ４１はステップＳ５０７に戻る。

継続不可能であると判定した場合（ステップＳ５１３でＮＯ）、ＣＰＵ４１は水素生成装置１０の動作を停止する（ステップＳ５１４）。具体的には、ＣＰＵ４１は、たとえばヒータ５８の停止および第２バルブ５６２の閉鎖等により、反応容器２１内部の化学反応を停止することができる。

化学反応が停止した後、ＣＰＵ４１は第１バルブ５６１および排水バルブ５６６を閉じて、水の循環を停止する。冷却装置５４が動作している場合には、ＣＰＵ４１は冷却装置５４も停止する。以上の処理により、水素生成装置１０は動作を停止する。その後、ＣＰＵ４１は処理を終了する。

なお、フローチャートでは説明を省略したが、ポンプ５７、冷却槽６５等、能動的に動作する水素生成装置１０の各構成要素も、それぞれの駆動回路を介して、ＣＰＵ４１により制御される。

本実施の形態によると、長時間の連続運転が可能な水素生成装置１０を提供することが可能である。本実施の形態によると、水素発生材を反応容器２１に投入する際に空気が混入しないので、純度の高い水素を生成する水素生成装置１０を提供することが可能である。また、水素と空気とが混ざることによる水素爆発の発生を防止する、水素生成装置１０を提供するこことも可能である。

本実施の形態によると、水およびキャリアガスを循環させて使用するので、外部の水道管等に接続せずに、スタンドアロンで運転可能な水素生成装置１０を提供することが可能である。本実施の形態によると、自動運転が可能な水素生成装置１０を提供することが可能である。

本実施の形態によると、水素発生材容器３１に適宜水素発生材を補給することにより、長時間運転可能な水素生成装置１０を提供することが可能である。本実施の形態によると、反応生成物の再処理および水素発生材容器３１の再使用が可能であるので、環境負荷の少ない水素生成装置１０を提供することが可能である。

本実施の形態によると、水素発生材は懸濁液の状態で反応容器２１に投入されるため、反応容器２１内に速やかに拡散して、水素を発生する。したがって、各バルブ等への制御信号の入力から水素発生量の変化までの時間が短く、要求された量の水素を安定して発生する水素生成装置１０を提供することが可能である。

［実施の形態２］
本実施の形態は、水素供給先で生成した水を再利用する水素生成装置１０に関する。実施の形態１と共通する部分については、説明を省略する。

図５は、実施の形態２の水素生成装置１０の模式図である。水素タンク７１は、水素放出管７５を介して燃料電池８０に接続されている。燃料電池８０は、第５管６６５および図示しないポンプを介して水タンク６１に接続されている。

燃料電池８０の内部では、下式の化学反応により水素を燃料として発電が行なわれ、正極で水が生成される。

負極側： ２Ｈ₂ → ４Ｈ⁺＋４ｅ^- ‥‥‥（８）
正極側： Ｏ₂＋４Ｈ⁺＋４ｅ^- → ２Ｈ₂Ｏ ‥‥‥（９）
ｅ^-は、電子を示す。

正極で生成された水は、第５管６６５を介して水タンク６１に流入する。

本実施の形態によると、燃料電池８０で生成した水を回収して、式（１）等を使用して説明した水素発生材の加水分解に使用する水素生成装置１０を提供することが可能である。したがって、外部から補給する水の量を節約することができ、環境負荷の低い水素生成装置１０を提供することができる。

［実施の形態３］
本実施の形態は、反応容器２１の内壁に沿って懸濁液を噴射する水素生成装置１０に関する。実施の形態１と共通する部分については、説明を省略する。

図６は、実施の形態３の水素生成装置１０の模式図である。懸濁容器８１は、途中に供給バルブ５６７を有する供給管６６７を介して水素発生材容器３１に接続されている。懸濁容器８１は、途中に第４バルブ５６４を有する第４管６６４を介して、水タンク６１に接続されている。

懸濁容器８１は、スターラ８２１の上に載せられている。懸濁容器８１の底に、スターラ８２１が発生する磁場により回転する回転子８２２が入っている。なお、スターラ８２１と回転子８２２とは、懸濁容器８１内の液体を攪拌する攪拌器８２の一例である。

懸濁容器８１の上部に、モータ８２３が固定されている。モータ８２３に固定された回転軸８２４は、懸濁容器８１の内部に突出し、先端にインペラ８２５が固定されている。モータ８２３が回転することにより、インペラ８２５が回転し、懸濁容器８１の内部を攪拌する。モータ８２３、回転軸８２４およびインペラ８２５は、懸濁容器８１内の液体を攪拌する攪拌器８２の一例である。

水タンク６１は、途中にジェットポンプ３６を備える第１管６６１を介して反応容器２１に接続されている。懸濁容器８１は、途中に第２バルブ５６２を有する第２管６６２を介して、ジェットポンプ３６と反応容器２１との間の第１管６６１に接続されている。

ジェットポンプ３６は、第１管６６１を介して高圧の水を間歇的に反応容器２１に送り出す。第２バルブ５６２が開いている場合には、ジェットポンプ３６から出た高圧の水と共に懸濁液が反応容器２１に送り込まれる。

図７は、図６におけるＶＩＩ−ＶＩＩ線による反応容器２１の模式断面図である。反応容器２１の内壁の接線方向に沿って設けられた噴射口２４に、第１管６６１が接続されている。図６および図７に矢印で示す様に、噴射口２４から反応容器２１の内壁に沿って斜め下向きに、高圧の水と共に懸濁液が噴射される。

懸濁液は、反応容器２１の内壁に沿って斜め下向きに流れながら、水と反応する。高圧の水および懸濁液の流れが反応容器２１内の水を攪拌することにより、水素発生材が水中にむら無く拡散する。なお、反応容器２１は、噴射口２４を複数備えても良い。

本実施の形態によると、反応容器２１内の反応むらを防止する水素生成装置１０を提供できる。第１管６６１を流れる水流により、第２管６６２が陰圧になるので、第２管６６２内での懸濁液の詰まりを防止する水素生成装置１０を提供できる。

なお、図１を使用して説明した実施の形態１と同様に、第２管６６２を直接反応容器２１に接続し、噴射口２４からは懸濁液を含まない水を噴射しても良い。懸濁液による第１管６６１の内壁の磨耗を防止する水素生成装置１０を提供できる。

［実施の形態４］
本実施の形態は、反応容器２１の内部に懸濁液を噴射する水素生成装置１０に関する。実施の形態３と共通する部分については、説明を省略する。

図８は、実施の形態４の反応容器２１の模式断面図である。反応容器２１の側壁に設けられた噴射口２４に、第１管６６１が接続されている。図８に矢印で示す様に、噴射口２４から反応容器２１の内部に向けて、高圧の水と共に懸濁液が噴射される。

懸濁液は、反応容器２１の中央部に向けて流れながら、水と反応する。高圧の水および懸濁液の流れが反応容器２１内の水を攪拌することにより、水素発生材が水中にむら無く拡散する。懸濁液の噴射方向は、反応容器２１の中心軸を向いていても、中心軸と側壁との間を向いていても良い。懸濁液の噴射方向は、斜め下方または斜め上方でも良い。反応容器２１は、噴射口２４を複数備えても良い。

本実施の形態によると、反応容器２１内の反応むらを防止する水素生成装置１０を提供できる。また、本実施の形態によると、懸濁液による反応容器２１の内壁の磨耗を防止する水素生成装置１０を提供できる。

［実施の形態５］
本実施の形態は、シャワーにより懸濁液を反応容器２１内に散布する水素生成装置１０に関する。実施の形態１と共通する部分については、説明を省略する。

図９は、実施の形態５の水素生成装置１０の模式図である。反応容器２１の内側には、上部に邪魔板２２が固定されている。すなわち、邪魔板２２は反応容器２１と第３管６６３との接続部と、反応容器２１内の水面との間に配置されている。

邪魔板２２は、反応容器２１の内径よりも若干小さい直径を有する無孔の円板である。邪魔板２２の縁と、反応容器２１の内面との間には、気体が通過可能な隙間２６が設けられている。なお、邪魔板２２は、網状または多数の孔を備えるパンチングボード状等でも良い。邪魔板２２は、１個または複数個の孔を備える板でも良い。

邪魔板２２の下にシャワーヘッド２３が設けてある。シャワーヘッド２３は、２段以上でも良い。シャワーヘッド２３は、途中に第１バルブ５６１および図示しない加圧ポンプを備える第１管６６１を介して水タンク６１に接続されている。懸濁容器８１は、途中に第２バルブ５６２を有する第２管６６２を介して、ジェットポンプ３６と反応容器２１との間の第１管６６１に接続されている。

水により希釈された懸濁液が、第１管６６１を介してシャワーヘッド２３に供給される。シャワーヘッド２３から、反応容器２１内の水面にむけて、ほぼ一様に希釈された懸濁液または水が散布される。

式（１）または式（２）の反応式により、泡が発生する場合であっても、シャワーヘッド２３から散布される懸濁液または水により、泡の盛り上がりは抑制される。泡の発生量が多く、反応容器２１の上部まで泡が盛り上がった場合であっても、邪魔板２２の作用により泡は第３管６６３の内部に進入しない。

なお、邪魔板２２およびシャワーヘッド２３の形状および配置は、泡の盛り上がりを効果的に抑制する様に、適宜選択される。たとえば、邪魔板２２は、上側のシャワーヘッド２３と下側のシャワーヘッド２３との間に配置されていても良い。邪魔板２２は、下側のシャワーヘッド２３の下側、すなわちシャワーヘッド２３と反応容器２１内の水面との間に配置されていても良い。これらの場合、邪魔板２２はシャワーヘッド２３の放水を妨げない形状および位置に配置される。

なお、第１バルブ５６１および第２バルブ５６２を開閉することにより、シャワー２３から水と懸濁液とを交互に散布しても良い。

懸濁容器８１の外側には、第２冷却装置５４２が取り付けられている。第２冷却装置５４２は、懸濁容器８１を水冷または空冷等により冷却する装置である。懸濁容器８１の温度が所定の温度よりも高い場合には、第２冷却装置５４２が動作して懸濁容器８１を冷却する。

所定の温度は、たとえば懸濁容器８１内の懸濁液の温度が、摂氏０度以上摂氏２０度以下になる範囲の温度である。懸濁液の温度が、摂氏０度以上摂氏１５度以下の範囲になることが、さらに望ましい。

なお、水素生成装置１０を低温の場所に設置する場合には、懸濁容器８１を反応容器２１の近くに配置すること等により、懸濁容器８１内の懸濁液の温度が０度以下になり、凍結することを防止できる。

懸濁容器８１の温度を所定の範囲に維持することにより、懸濁液中の水が凍結することを防止しながら、懸濁容器８１の内部での（１）式または（２）式の化学反応を抑制することができる。

本実施の形態によると、反応容器２１内の化学反応で泡が発生する場合であっても、泡による第３管６６３の詰まりを防止できる水素生成装置１０を提供できる。

本実施の形態によると、懸濁容器８１内での水素の発生を防止できる水素生成装置１０を提供できる。

各実施例で記載されている技術的特徴（構成要件）はお互いに組合せ可能であり、組み合わせすることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものでは無いと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味では無く、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１０ 水素生成装置
２１ 反応容器
２２ 邪魔板
２３ シャワーヘッド
２４ 噴射口
２５ 排水口
２６ 隙間
３１ 水素発生材容器
３６ ジェットポンプ
４０ 制御装置
４１ ＣＰＵ
４２ 主記憶装置
４３ 補助記憶装置
４４ 入力部
４５ 出力部
４６ 通信部
４７ 入力Ｉ／Ｆ
４８ 出力Ｉ／Ｆ
５１ 圧力計
５２ 温度計
５３ 流量計
５４ 冷却装置
５６ バルブ
５６１ 第１バルブ
５６２ 第２バルブ
５６４ 第４バルブ
５６６ 排水バルブ
５６７ 供給バルブ
５６８ リザーババルブ
５７ ポンプ
５８ ヒータ
６１ 水タンク
６３ 分離槽
６５ 冷却槽
６６１ 第１管
６６２ 第２管
６６３ 第３管
６６４ 第４管
６６５ 第５管
６６６ 排水管
６６７ 供給管
６６８ 補給管
６７ オーバーフロー管
７１ 水素タンク
７４ リザーバタンク
７５ 水素放出管
８０ 燃料電池
８１ 懸濁容器
８２ 攪拌器
８２１ スターラ
８２２ 回転子
８２３ モータ
８２４ 回転軸
８２５ インペラ

Claims (25)

1. 反応容器の内部に水を供給する第１管と、
   水素発生材の粉が水中に分散した懸濁液を前記反応容器の内部に供給する第２管と、
   前記反応容器の上部に接続され、前記第１管により供給されて前記反応容器内に貯留した水と前記第２管により供給された前記懸濁液中の水素発生材との反応により生じた水素を流出させる第３管と
   前記反応容器の下部に接続され、前記第３管から流出させる水素を生成する際の反応性生物を流出させる排水管と
   を備える水素生成装置。
2. 前記水素発生材の粉と水とを攪拌して懸濁液にする懸濁容器を備え、
   前記第２管は、前記懸濁容器内の懸濁液を前記反応容器に供給する
   請求項１に記載の水素生成装置。
3. 前記懸濁容器は、内部の懸濁液の温度を摂氏０度以上摂氏２０度以下の範囲に維持する
   請求項２に記載の水素生成装置。
4. 前記第２管は、前記反応容器の上部から前記懸濁液を供給する
   請求項１から請求項３のいずれか一つに記載の水素生成装置。
5. 前記第２管は、前記第１管を介して前記懸濁液を供給する
   請求項１から請求項３のいずれか一つに記載の水素生成装置。
6. 前記第１管は、前記反応容器の内部に水を噴射する
   請求項１から請求項５のいずれか一つに記載の水素生成装置。
7. 前記第１管は、前記反応容器の内壁に沿って水を噴射する
   請求項６に記載の水素生成装置。
8. 前記第１管は、前記反応容器の内部に設けられたシャワーヘッドを介して前記反応容器の内部に水を散布する
   請求項１から請求項５のいずれか一つに記載の水素生成装置。
9. 前記反応容器と前記第３管との接続部と、前記反応容器内に貯留した水の水面との間に配置された邪魔板を備える
   請求項１から請求項８のいずれか一つに記載の水素生成装置。
10. 前記邪魔板は網状、多数の貫通孔を備える板状、または、無孔の板状であり、前記反応容器の内面との間に気体が通過可能な隙間を有して配置される
    請求項９に記載の水素生成装置。
11. 前記反応容器と前記第３管との接続部と前記シャワーヘッドとの間または、前記シャワーヘッドと前記反応容器内に貯留した水の水面との間に配置された邪魔板を備える
    請求項８に記載の水素生成装置。
12. 前記反応容器の下部に設けられた排水口から排出した水と反応生成物とを分離する分離槽を備え、
    前記第１管は、前記分離槽で分離した水を供給する
    請求項１から請求項１１のいずれか一つに記載の水素生成装置。
13. 前記懸濁液に前記分離槽で分離した水を供給する第４管を備える
    請求項１２に記載の水素生成装置。
14. 前記水素発生材は、水素化マグネシウムである
    請求項１から請求項１３のいずれか一つに記載の水素生成装置。
15. 前記第３管から流出させた水素を消費した燃料電池により生成された水が流入する第５管を備え、
    前記第５管から流入した水が前記第２管に供給される
    請求項１から請求項１４のいずれか一つに記載の水素生成装置。
16. 前記反応容器内に貯留した水を加熱するヒータと、
    前記反応容器内に貯留した水を冷却する第１冷却装置と
    を備える請求項１から請求項１５のいずれか一つに記載の水素生成装置。
17. 前記ヒータは、前記反応容器内に貯留した水の温度を摂氏９５度以上摂氏２５０度以下の範囲に維持する
    請求項１６に記載の水素生成装置。
18. 前記第３管は、水素とともに前記反応容器内の水蒸気を流出させ、
    前記第３管から流出した水素および水蒸気を冷却する冷却槽を備える
    請求項１から請求項１７のいずれか一つに記載の水素生成装置。
19. 前記水素タンクの内圧よりも高い圧力で水素を貯留するリザーバタンクを備える
    請求項１から請求項１８のいずれか一つに記載の水素生成装置。
20. 反応容器の内部に水を供給し、
    水素発生材の粉が水中に分散した懸濁液を前記反応容器の内部に供給し、
    前記反応容器内に貯留した水と前記懸濁液中の水素発生材との反応により生じた水素を流出させる
    水素生成方法。
21. 前記反応容器内で化学反応により生成する反応性生物と水との混合液を前記反応容器の下部から排出し、
    排出した反応性生物と水とを分離し、
    分離した水を前記反応容器の内部に供給する
    請求項２１に記載の水素生成方法。
22. 前記反応容器内の水の温度を摂氏９５度以上摂氏２５０度以下の範囲に維持する
    請求項２０または請求項２１に記載の水素生成方法。
23. 前記水素とともに前記反応容器内の水蒸気を流出させ、
    前記水蒸気を凝結し、
    凝結により生成した水を前記反応容器の内部に供給する
    請求項２０から請求項２２のいずれか一つに記載の水素生成方法。
24. 前記反応容器の内部に配置されたシャワーヘッドを介して前記反応容器の内部に水を供給する
    請求項２０から請求項２３のいずれか一つに記載の水素生成方法。
25. 前記反応容器の内壁に沿って水を噴射して供給する
    請求項２０から請求項２３のいずれか一つに記載の水素生成方法。

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