JP6313011B2

JP6313011B2 - 水素発生装置

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Publication number: JP6313011B2
Application number: JP2013221136A
Authority: JP
Inventors: 一仁西村; 伊藤　栄基; 栄基伊藤; 谷　俊宏; 俊宏谷
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2013-10-24
Filing date: 2013-10-24
Publication date: 2018-04-18
Anticipated expiration: 2033-10-24
Also published as: JP2015081221A

Description

本発明は、水素発生装置に関する。本発明は、特には、燃料電池の水素発生源として使用することができる、応答性の良い水素発生装置に関する。

現在、燃料電池の水素源として水素化金属の反応を利用して水素を得る方法がある。現状では、容器に水素化金属を封入し、容器内に水を注入することで水素化金属と水の反応を生じさせ、水素を発生させている。

しかし、現状の方法では、以下の問題がある。水と水素化金属の反応は急激であり、注水初期に多量の水素が発生し、燃料電池が必要とする水素量よりも多く水素が発生する場合があった。また、水と水素化金属の反応によって副生成物である水酸化金属が発生するが、水酸化金属には空隙があり吸水するため、水素化金属が反応するために必要な注水量よりも多く注水しなければ、水素化金属を全て反応させることができない。そのため、注入する水の量を調節するのみでは、水素化金属と水とを一定量接触させ、安定して反応させることは難しい。さらに、一旦水を供給すると反応が止まらないという問題もあった。

反応液の供給を制御して反応を抑制する方法が知られている（特許文献１）。

特開2009-1456号公報

特許文献１による水素発生装置を使用した場合であっても、水が水酸化金属に吸収され、反応が不安定となる場合があった。燃料電池の水素発生源として使用することができる、安定性に優れ、かつ応答性の良い水素発生装置が求められている。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものである。すなわち、本発明は、一実施形態によれば、水素発生装置であって、水素発生容器本体と、該水素発生容器本体内に設けられた、水素化金属粉体供給部と、水噴霧器と、水素取出口とを備える水素発生容器と、水素化金属粉体を貯留する水素化金属容器であって、水素化金属粉体搬送部により、前記水素発生容器の前記水素化金属粉体供給部に接続されている水素化金属容器と、前記水素発生装置に搬送する水を貯留する水タンクであって、水搬送部により、前記水素発生容器の前記水噴霧器に接続されている水タンクとを備える。

前記水素発生装置において、前記水素発生容器本体の内側底部に、錐体部を備えることが好ましい。

前記水素発生装置において、前記錐体部の底面と、斜面とがなす角度が、前記水素化金属粉体の安息角よりも大きいことが好ましい。

前記水素発生装置において、前記錐体部が着脱可能に構成されていることが好ましい。

前記水素発生装置が、水素タンクと、前記水素タンクから、圧力調整弁を介して、前記水素化金属粉体搬送部に接続されている水素搬送部をさらに備えることが好ましい。

前記水素発生装置が、水素タンクと、前記水素タンクから、コンプレッサを介して、前記水素化金属粉体搬送部に接続されている第１水素搬送部と、前記水素取出口から、圧力調整弁を介して、前記水素タンクと接続されている、第２水素搬送部とを備えることが好ましい。

前記水素発生装置において、前記水素発生容器が、ふるいを備え、前記水素化金属粉体供給部が、前記ふるいに対して、鉛直方向上方に設けられ、前記水噴霧器が、前記ふるいに対して、鉛直方向下方に設けられることが好ましい。

前記水素発生装置において、前記ふるいが、前記水素化金属粉体の直径の４．５倍〜７．５倍の目開きもしくは直径の孔を有することが好ましい。

前記水素発生装置において、前記ふるいが、前記水素発生容器本体内部に、振動可能に支持されており、前記水素発生容器本体内部に、前記ふるいを振動させる加振装置をさらに備えることが好ましい。

前記水素発生装置において、前記ふるいが、前記水素発生容器本体内部に、固定されており、前記水素発生容器本体の内部もしくは外部に、前記水素発生容器本体を振動させる加振装置をさらに備えることが好ましい。

本発明に係る水素発生装置によれば、応答性及び安定に優れた水素の供給が可能になり、また、水素発生装置全体の容積を小さくし、装置の小型化が可能になる。また、水素を発生させる反応の制御が様々な態様で可能になり、需要に応じた水素の供給が可能になる。

図１は、本発明の第１実施形態に係る水素発生装置の概念図である。図２は、本発明の第２実施形態に係る水素発生装置の概念図である。図３は、本発明の第３実施形態に係る水素発生装置の概念図である。図４は、本発明の第４実施形態に係る水素発生装置の概念図である。図５は、本発明の第４実施形態に係る水素発生装置において、ふるいの設置態様を概念的に説明する図である。

以下に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。ただし、本発明は、以下に説明する実施の形態によって限定されるものではない。

［第１実施形態］
本発明は、第１実施形態によれば、水素発生装置である。図１に本実施形態に係る水素発生装置１の概念図を示す。図１に示す水素発生装置１は、主として、水素発生容器１０と、水素化金属容器１２と、水素化金属粉体搬送部１３と、水タンク１４と、水搬送部１５とを備える。

水素発生容器１０は、その内部で水素化金属粉体１００と水２００とを反応させて、水素４００を発生させるための容器であって、水素発生容器本体１１と、水素発生容器本体１１に取り付けられた、水素化金属粉体供給部１１５、水噴霧器１１４、水素取出口１１３とを備える。

水素発生容器本体１１は、少なくとも底面部と側面部と頂面部とを備える密封可能で、耐圧性の容器である。その形状は、中空の円柱状、角柱状などであってよいが、特定の形状には限定されない。容器の内部底面は、後に詳述する水噴霧器１１４が、水を散布することができる面積と略同一の面積を有することが好ましい。また、底面と側部、及び／または側部と頂部は必ずしも区別可能である必要はなく、連続的に形成されていても良い。図１においては、底部と側部と頂部を備える中空の円柱状の容器を例示して説明するが、本実施形態はかかる形状に限定されるものではない。水素発生容器本体１１は、例えば、ステンレス製のものとすることができるが、これには限定されない。

本実施形態において、水素発生容器本体１１の内側底部には、頂点が鉛直方向上側を向いた錐体形状の、錐体部１１１が着脱可能に設けられる。図１においては、頂点が容器本体の天井部に向いた円錐形状となっている。容器本体内部の形状が、中空の角柱状の場合には、錐体部１１１は、容器本体内部の形状に適合する、三角錐、四角錐、あるいは多角錐といった形状であってもよい。

錐体部１１１においては、錐体部１１１の底面と、斜面とがなす角度である、傾斜角度θが、水素発生容器１０に供給される水素化金属粉体１００の安息角以上であることが好ましく、６０°以下であることが好ましい。錐体部１１１の斜面に、水素化金属粉体１００が効率よく分散することが好ましいためである。粉体の安息角は、粉体の材質、粒径、形状等により変化するため、安息角の測定機器を用いて、使用する水素化金属粉体ごとに安息角を実測し、好適な傾斜角度θを備える錐体部１１１を用いることができる。

安息角の測定方法は、JIS R 9301-2-2に規定されている。JIS R 9301-2-2では、材質がアルミナに限定されているが、任意の水素化金属にも適用できることを本発明者らが確認している。安息角を測定するための粉体測定器は、例えば、株式会社セイシン企業の多機能型粉体物性測定器 MT−1001、筒井理化学機械株式会社の電磁振動式安息角測定器等が挙げられるが、特定の装置には限定されない。当業者であれば、装置の製造者の指示に従って、任意の水素化金属粉体の安息角を測定し、測定された安息角以上の傾斜角度θを有する錐体部１１１を構成することができる。また、錐体部１１１は、安息角の異なる多種の水素化金属粉体に対応できるように、異なる傾斜角度θを有する異なる複数の錐体部と、取り換えが可能であることが好ましい。すなわち、錐体部１１１は、水素発生容器本体１１の内側底部に、着脱可能に設けられることが好ましい。

図１に示す水素発生容器１０においては、水素発生容器本体１１の内側上部に、水素化金属粉体供給部１１５と、水噴霧器１１４と、水素取出口１１３とが設けられている。水素発生容器本体１１の内側上部とは、水素発生容器の内径もしくは内側の幅（以下、底面幅とも指称する）に対して、１．３倍以上の底部からの高さの位置をいう。水噴霧器は、底面幅を１としたとき、例えば、この１倍以上の高さに取り付ける。好ましくは底面幅の１．３倍以上の高さに取り付ける。水素化金属供給部と水素取出口は、水噴霧器と同じ高さもしくはそれ以上の内側上面に取り付けることが好ましい。図示する実施形態では、水素発生容器本体１１の内側天井部に、金属粉体供給部１１５と、水噴霧器１１４と、水素取出口１１３とが設けられている。

水素化金属粉体供給部１１５は、水素化金属粉体搬送部１３に接続されており、水素化金属粉体１００が水素発生容器１０に供給される入口部分を構成する。水素化金属粉体供給部１１５は、水素発生容器本体１１の天井部であって、かつ、天井の中心部に位置することが好ましい。供給される水素化金属粉体１００が、錐体部１１１の頂点に落下し、錐体の斜面に均一に広がるように構成するためである。なお、水素化金属粉体供給部１１５の取り付け位置は、上記の好ましい態様が達成される位置であればよく、水素発生容器本体１１の天井部には限定されず、側面部に取り付けられていても良い。

水噴霧器１１４は、水搬送部１５に接続されており、水タンクから供給された水を水素発生容器１０内へ噴霧する。水噴霧器１１４は、水を適時噴霧することができるように構成されている。また、水噴霧器１１４が水を散布可能な面積が、水素発生容器本体１１の内部底面の面積と同等となるように構成されていることが好ましい。

水素化金属粉体供給部１１５と、水噴霧器１１４との設置の位置関係は、特には限定されないが、上記水素化金属粉体１００の供給、及び水２００の噴霧の好適な態様を実現するように設置される。

水素取出口１１３は、水素発生容器１０内で発生した水素を、水素発生容器本体１１内から、容器外へ取り出す。水素取出口１１３の設置位置は特には限定されないが、水素発生容器本体１１内の上方に設けることができる。

水素化金属容器１２は、水素化金属粉体１００を貯留する容器である。その形状等は特には限定されないが、粉体が容器内に残らない構造とすることが好ましい。水素化金属容器１２は、水素化金属粉体搬送部１３に接続されており、水素化金属粉体１００は、水素化金属粉体搬送部１３を通って水素発生容器１０に供給される。水素化金属粉体搬送部１３は、例えば、スクリューフィーダーであってよいが、これには限定されない。水素化金属粉体搬送部１３は、好ましくは、水素発生容器１０への水素化金属粉体１００の供給量及び供給の時点を調整する図示しない調整機構を備える。

水タンク１４は、水２００を貯留する容器である。その形状等は特には限定されないが、液体が容器内に残らない構造とすることが好ましい。水タンク１４は、水搬送部１５に接続されており、水２００は、水搬送部１５を通って水素発生容器１０に供給される。水搬送部１５としては、例えば、水タンクからステンレス製の配管を用いて接続し、端にスプレーノズルを接続することができるが、これには限定されない。水搬送部１５は、好ましくは、水素発生容器１０への水２００の供給量及び供給の時点を調整する調整機構を備える。

次に、本実施形態による水素発生装置１をその使用方法の観点から説明する。ここで、水素化金属容器に貯留する水素化金属としては、任意の水素化金属を使用することができる。一例として、ＣａＨ_２、ＭｇＨ_２、ＡｌＨ_３等が挙げられるがこれらには限定されない。また、水素化金属粉体としては、ふるい掛けによって選別した粒径が、５〜３０ｍｍのもの、例えば、１０ｍｍ程度のものを使用することができるが、特定の粒径の水素化金属粉体には限定されない。

水素化金属粉体搬送部１３は、水素化金属容器１２から、水素化金属粉体１００を水素発生容器１０へ供給する。水素化金属粉体１００は、水素反応容器１０内の圧力を調節しながら適宜供給することができる。水素化金属粉体１００は、噴霧されることなく自然落下する態様にて、水素発生容器１０に供給される。そして、水素化金属粉体１００は、水素発生容器本体１１内部の上部から、錐体部１１１の頂点へ落下して、錐体部１１１の斜面に均一に広がる。上記のように設定した傾斜角度θを有する錐体部１１１であれば、水素化金属粉体１００が斜面を転がり、適度に拡がって止まるためである。一方、水搬送部１５は、水タンク１４から、水２００を水素発生容器１０へ搬送する。そして、水噴霧器１１４が、水２００を水素発生容器本体１１内部に噴霧する。水２００は、水素化金属粉体１００に対して、反応当量の１．５倍程度噴霧することが好ましい。噴霧された水２００は、微細な水滴状になって、水素発生容器本体１１内部を落下しながら、錐体部１１１の斜面全域にいきわたる。そして、その間に、水素化金属粉体１００と、微細な水滴状になった水２００とは、落下しながら反応し、あるいは斜面上で反応し、水素４００を発生する。水素発生容器１０内で生成した水素４００は、水素取出口１１３から取り出され、図示しない水素供給管を介して、燃料電池等の必要な装置へ供給される。なお、水素化金属粉体として、粒径が、１０〜３０ｍｍの水素化カルシウムを用いる場合に、錐体部１１１の傾斜角度θは、例えば、２５〜３０°とすることができる。

水素化金属粉体搬送部１３および水噴霧器１１４は、それぞれ、水素化金属粉体１００及び水２００を、適時噴霧することができるように構成されている。したがって、水素化金属粉体１００及び／または水２００の供給が、それぞれ独立して制御されており、水素発生容器１０の内部の圧力等に応じて、必要な場合には、供給を停止し、再開することができる。

反応しなかった水素化金属粉体１００は、錐体部１１１上に保持され、その一部は副生成物であるペースト状の水酸化金属３００となって、錐体部１１１に留まる。容器内に堆積する粉体の一例としては、副生成物である水酸化金属３００の一例である水酸化マグネシウムが挙げられ、その安息角は粒径等にもよるが、４２〜５０°であり、左記の角度の錐体を設ければ、副生成物や未反応の水素化金属が錐体上に適度に拡がり、霧状の水と水素化金属が反応することが可能となり、水と水素化金属を効果的に反応させることができる。

第１実施形態による水素発生装置１によれば、水素化金属粉体１００及び水２００の供給を制御することができるため、需要に応じた水素の発生が可能である。また、水素化金属粉体と水とが、水素発生容器本体１１内を降下中に、あるいは水素発生容器本体１１の内部底面よりも表面積の広い錐体部１１１上で、直接接触するので、副生成物に水が吸収される量が少なくなり、水素発生に必要な水の量を減少させることができる。

［第２実施形態］
図２は、第２実施形態に係る水素発生装置を示す概念図である。図２に示す水素発生装置２は、主として、水素発生容器２０と、水素化金属容器２２と、水素化金属粉体搬送部粉体搬送部２３と、水タンク２４と、水搬送部２５と、水素タンク２６と、水素搬送部２７とを備える。

第２実施形態において、水素化金属容器２２、水タンク２４、及び水搬送部２５の構成は、第１実施形態の対応する構成要素と同じ構成とすることができるため、説明を省略する。

第２実施形態においては、水素タンク２６が、水素搬送部２７を介して、水素化金属粉体搬送部２３に接続され、水素搬送部２７には、圧力調整弁２８が設けられている点で第１実施形態と異なっている。水素タンク２６は、水素ガスを貯留する容器である。第２実施形態においては水素タンク２６に貯留されている水素ガス４００を、水素化金属粉体１００の搬送媒体として用いる。

水素タンク２６としては、粉体質量の１／３〜１／３０程度の質量を貯蔵できる容量のものを用いることができる。水素搬送部２７は、その下流に位置する水素化金属粉体搬送部２３とともに、低圧高速粉体輸送機を用いることができる。水素化金属粉体搬送部２３は、水素化金属粉体１００と水素４００の二相にして、粉体を水素発生容器２０まで送ることが好ましい。水素搬送部２７の途中に設けた圧力調整弁２８は、水素タンク２６からの水素ガスの圧力を調整し、水素化金属粉体供給部２１５からの水素発生容器２０への供給時の吹き出し圧力を調整するための機構として機能する。圧力調整弁２８により、供給時の吹き出し時の圧力を、約１〜８０ｋＰａとなるように調整することができるが、特定の圧力には限定されない。

第２実施形態による水素発生容器２０は、典型的には、水素発生容器本体２１の内側底部に、錐体部が設けられていない。水素発生容器２０のそれ以外の構成、すなわち、水素化金属粉体供給部２１５、水噴霧器２１４、水素取出口２１３の機能及び設置位置については、第１実施形態と同様とすることができる。

次に、本実施形態による水素発生装置２をその使用方法の観点から説明する。水素ガス４００は、水素タンク２６から、水素搬送部２７を流れ、水素化金属容器２２から搬送される水素化金属粉体１００と混合される。そして、水素ガス４００が水素化金属粉体１００を輸送しながら、水素化金属粉体搬送部２３を流れ、水素化金属粉体供給部２１５から、水素発生容器本体２１の内部へと噴霧される。水素ガス４００とともに噴霧された水素化金属粉体１００は、第１実施形態の場合と比較して、より広く拡散しながら、水素発生容器本体２１内を下降していく。水２００は、第１実施形態と同様に、水タンク２４から水搬送部２５を通って、水噴霧器２１４から水素発生容器本体２１の内部へと噴霧され、下降していく。そして、容器内に広く拡散した水素化金属粉体１００とより効率的に反応して、水素を発生する。反応しなかった水素化金属粉体１００及び副生成物である水酸化金属３００は、水素発生容器本体２１の内側底部に蓄積する。

第２実施形態の変形形態として、図示はしないが、第１実施形態と同様に、水素発生容器が、水素発生容器本体の内側底部に、錐体部を備えるものであっても良い。この場合も第１実施形態と同様の利点が得られる。

第２実施形態に係る水素発生装置２によれば、水素発生容器２０内へ水素化金属粉体１００をより均一に散布することができ、水素化金属粉体１００と水２００との反応を促進することができる。

［第３実施形態］
図３は、第３実施形態に係る水素発生装置を示す概念図である。図３に示す水素発生装置３は、主として、水素発生容器３０と、水素化金属容器３２と、水素化金属粉体搬送部３３と、水タンク３４と、水搬送部３５と、水素タンク３６、第１水素搬送部３７ａと第２水素搬送部３７ｂとを備える。

第３実施形態において、水素化金属容器３２、水タンク３４、及び水搬送部３５の構成は、第１実施形態の対応する構成要素と同じ構成とすることができるため、説明を省略する。また、水素発生容器３０及び水素化金属粉体搬送部３３は、第２実施形態もしくはその変形形態の対応する構成要素と同じ構成とすることができるため、説明を省略する。

第３実施形態においては、水素発生容器３０の水素取出口３１３に接続され、図示しない燃料電池装置等へ水素を搬送する水素供給管３９に、第１水素搬送部３７ａが接続されている。そして、第１水素搬送部３７ａは、水素タンク３６に接続されている。さらに、水素タンク３６からは第２水素搬送部３７ｂが、水素化金属粉体搬送部３３に接続している。これらの点で、第２実施形態とは異なっている。

第２水素搬送部３７ｂは、第２実施形態と同様の構成であってよい。第２水素搬送部３７ｂの途中には、コンプレッサ３８ｂが設けられる。コンプレッサ３８ｂは、第２実施形態における圧力調整弁２８と同様に、水素タンク３６からの水素ガスの圧力を調整し、水素化金属粉体供給部３１５からの水素発生容器３０への供給時の吹き出し圧力を調整するための機構として機能する。第１水素搬送部３７ａに設けられた弁３８ａは、水素供給管３９から水素タンク３６への水素４００の流入を調整する。また、水素供給管３９に設けられた弁３８ｃは、図示しない燃料電池装置等への水素４００の供給を調整する。

次に、本実施形態による水素発生装置３をその使用方法の観点から説明する。水素ガス４００は、水素タンク３６から、第２水素搬送部３７ｂを流れ、コンプレッサ３８ｂで所望の程度に昇圧されて、水素化金属容器３２から搬送される水素化金属粉体１００と混合される。そして、水素ガス４００が水素化金属粉体１００を輸送しながら、水素化金属粉体搬送部３３を流れ、水素化金属粉体供給部３１５から、水素発生容器本体３１の内部へと噴霧される。水素ガス４００とともに噴霧された水素化金属粉体１００は、広く拡散しながら、水素発生容器本体３１内を下降していく。水２００は、第１実施形態と同様に、水タンク３４から水搬送部３５を通って、水噴霧器３１４から水素発生容器本体３１の内部へと噴霧され、下降していく。そして、容器内に広く拡散した水素化金属粉体１００と、より効率的に反応して、水素４００を発生する。反応しなかった水素化金属粉体１００及び副生成物である水酸化金属３００は、水素発生容器本体３１の内側底部に蓄積する。生成した水素４００は、水素取出口３１３から、水素発生容器３０の外に出され、水素供給管３９を通って、弁３８ｃが開いている通常の場合は、図示しない燃料電池装置等へ送られる。このとき、第１水素搬送部３７ａに設けられた弁３８ａは、閉じている。水素タンク３６の水素が不足すると、弁３８ｃが閉じて、弁３８ａが開き、水素発生容器３０で発生する水素４００が、水素タンク３６に供給される。これらの弁３８ａ、ｃは、水素タンク３６の貯蔵量を監視する図示しない制御装置により、自動的に制御することができる。

第３実施形態による水素発生装置３によれば、第２実施形態による水素発生装置の利点を全て備え、かつ、水素化金属粉体１００を供給するための水素４００として、水素発生容器３０で生成した水素４００を利用することで、水素タンク３６の水素４００が不足することを防ぎながら、効率的に水素化金属粉体１００を水素発生容器３０に供給することができる。

［第４実施形態］
図４は、第４実施形態に係る水素発生装置を示す概念図である。図４に示す水素発生装置４は、主として、水素発生容器４０と、水素化金属容器４２と、水素化金属粉体搬送部４３と、水タンク４４と、水搬送部４５とを備える。

第４実施形態において、水素化金属容器４２、水素化金属粉体搬送部４３、水タンク４４、及び水搬送部４５の構成は、第１実施形態の対応する構成要素と同じ構成とすることができるため、説明を省略する。

第４実施形態において、水素発生容器４０は、水素発生容器本体４１内部に、ふるい４１６を備えることを特徴とする。ふるい４１６は、底面が網目状のものや、パンチングメタル状のものが好ましいが、これらには限定されない。ふるい４１６の材質としては、水素化金属を支持可能な鋼やステンレス等が好ましい。ふるい４１６は、その目開きもしくは孔の直径が、水素化金属容器４２に貯留される水素化金属粉体１００の直径の５〜７倍であり、好ましくは、５倍より大きく、７倍未満であり、さらに好ましくは、６倍程度である。ここで、水素化金属粉体１００の直径とは、ふるい掛けで測定した粒径（もしくは平均粒径）をいうものとする。この範囲の目開きもしくは孔の直径とすることで、例えば、振動数が６０Ｈｚの条件でふるいを振動させたときには、水素化金属粉体１００がふるい４１６の目を通過して落下し、振動を停止させたときには、水素化金属粉体１００がふるい４１６の目の上に留まることができる。

ふるい４１６は、振動可能に水素発生容器本体４１内部に取り付けられていてもよく、振動できないように水素発生容器本体４１内部に固定されていてもよい。ふるい４１６の取り付け位置は、ふるい４１６の底面からの高さが、底面幅の１．３倍以上となるようにすることが好ましい。水噴霧器の水の噴霧角度を４０度とした時、水噴霧器の設置位置が装置底面から底面幅の１．３倍以上となるため、水噴霧器よりも高い位置にふるいを取り付ける必要があるためである。また、ふるい４１６の取り付け位置は、ふるいの上面から、水素発生容器の天井部までが、底面幅以上であることが好ましい。たとえば、水素化金属粉体の安息角が最大６０°としたとき、粉体がふるいの上面で、全面に広がり、山型に堆積した場合に、水素発生内側の上面、すなわち天井部に接触しない程度の高さを要するため、ふるいと水素発生容器の天井部には底面幅程度の高さが必要となるためである。

第４実施形態の一実施態様によれば、ふるい４１６は、水素発生容器本体４１内部に、振動可能に支持されている。この場合、ふるい４１６の直径は、水素発生容器本体の内径より小さく構成され、ふるい４１６は固定されずに、水素発生容器本体４１の内壁に支持される。図５に、このような実施形態における、ふるい４１６と水素発生容器本体４１との設置態様を概念的に説明する図を示す。図５においては、水素発生容器本体４１の内壁に、容器の径方向、内側に向かって伸びる複数のツメ４１８が設けられている。そして、ツメ４１８の上面である、底面と実質的に平行な面でふるい４１６を支持する。水素発生容器内径とふるいの隙間には、水素化金属を支持でき、かつ、ふるいの振動を妨げないシール材４１７を設ける。シール材４１７は金属製のように、高温雰囲気で使用できるものが望ましい。そして、ふるい４１６を固定しない態様においては、水素発生容器本体４１内に、図示しない加振装置を設ける。振動の機構は、モータや、図示しない水素タンク内の水素の圧力を用いたバイブレータ等を利用することができるが、これらには限定されない。かかる態様による加振装置は、水素発生容器本体４１を振動させることなく、ふるい４１６のみを振動させる。

第４実施形態の別の実施態様によれば、ふるい４１６は、水素発生容器本体４１内部に固定されている。この場合、ふるい４１６の直径は、水素発生容器本体の内径と略同一であってよい。ふるい４１６の固定の態様は任意であってよい。この場合、図示しない加振装置は、水素発生容器本体４１全体を振動させるように構成される。このような加振装置は、水素発生容器本体４１の内部に設置しても、外部に設置してもよい。水素発生容器本体４１全体を振動させる加振装置の振動の機構は、前述の実施態様と同様とすることができる。

再び図４を参照すると、水素化金属粉体供給部４１５及び水素取出口４１３は、水素発生容器本体４１内部の天井部に設けられる。第１実施形態と同様に、これらの構成要素は、天井部に設けられる必要はなく、水素発生容器本体４１の上部であれば、側面部に設けられても良いが、ふるい４１６よりも上方に設けられる。一方、水噴霧器４１４は、ふるい４１６よりも下方に設けられる。また、第４実施形態による水素発生容器４０は、典型的には、水素発生容器本体４１の内側底部に、錐体部が設けられていないが、第４形態の変形形態として、水素発生容器本体４１の内側底部に、錐体部が設けられていても良い。

次に、本実施形態による水素発生装置４をその使用方法の観点から説明する。水素化金属粉体搬送部４３は、水素化金属容器４２から供給された水素化金属粉体１００を搬送する。水素化金属粉体１００は、噴霧されることなく自然落下する態様にて、水素発生容器４０に供給される。そして、水素化金属粉体１００は、いったんふるい４１６に受け止められる。水素取出口４１３から接続される、図示しない後続の装置に水素を供給する必要がある場合は、加振装置を作動させ、ふるい４１６を振動させて、水素化金属粉体１００を落下させる。一方、水搬送部４５は、水タンク４４から、水２００を水素発生容器４０へ搬送する。そして、水噴霧器４１４が、水２００をふるい４１６の下方で、水素発生容器本体４１内部に噴霧する。水２００は、微細な水滴状になって、水素発生容器本体４１内部を落下しながら、ふるい４１６から落下する水素化金属粉体１００と反応し、水素４００を発生する。水素発生容器４０内で生成した水素４００は、水素取り出口４１３から取り出され、図示しない水素供給部を介して、燃料電池等の必要な装置へ供給される。

一方で、水素４００の生成量が過剰である場合や、水素取出口４１３から接続される、図示しない後続の装置に水素の供給が不要な場合は、加振装置を停止させる。すると、水水素化金属粉体１００が、ふるい４１６の上に留まり、水素の生成反応を停止することができる。同時に、水搬送部４５の調節機構により、水の水素反応容器４０への供給をも停止することができる。

第４実施形態に係る水素発生装置４によれば、水素発生容器４０内にふるい４１６を設ける構成とすることで、水素化金属粉体１００の均一な散布を実現することができ、また、ふるい４１６の目開きを特定の大きさとすることで、ふるい４１６の振動が止まった場合に水素化金属粉体１００の供給も停止することができ、水素４００の供給を調節することができる。さらに、ふるい４１６は、水素発生容器４０内での水素発生反応で生じる泡止めとしても機能することができる。

水素発生量に対する水分量と水素発生装置サイズについて検討した。
［１．容器内の反応と容器］
第１実施形態による水素発生装置を用いる場合に、水素化金属として、ＣａＨ２を用いた場合、容器内の反応は以下の式で表される。
ＣａＨ_２＋２Ｈ_２Ｏ＝Ｃａ（ＯＨ）_２＋２Ｈ_２
上式より、ＣａＨ_２とＨ_２Ｏが完全に反応する量は、ＣａＨ_２：Ｈ_２Ｏ＝１ｍｏｌ：２ｍｏｌとなる。また、ＣａＨ_２が反応を完了し、Ｃａ（ＯＨ）_２となった場合、空隙も含めて体積が最大５倍になる。そのため、水素発生容器の容積は、水素化金属の体積の５倍必要となる。

［２．水素発生装置のサイズ比較］
［従来例］
公知文献と同様の形式である水素発生容器に水素化金属を封入し、容器上部から水を滴下して水素を得る実験では、反応後の水酸化金属に水分が吸収されるため、水素化金属１ｍｏｌあたりに投入する水の量は８ｍｏｌ必要であることを確認している。水素化金属１Ｌを反応させる場合、水素発生容器と水タンクを合わせた装置サイズは９Ｌで、このうち水素タンクが約４割を占める。

［実施例］
本発明の第１実施形態による水素発生装置では、水酸化金属にほとんど水が吸収されないと想定され、水素化金属１ｍｏｌあたりに投入する水の量が２ｍｏｌとなると仮定できる。水酸化金属１Ｌを反応させる場合、水素化金属容器１Ｌ、水タンク２Ｌ、水素発生容器５Ｌが必要で、全体では８Ｌとなり、従来例よりも装置全体としては小さくなる。また、水タンクと水素化金属容器を合わせた体積は３Ｌで全体の３割となり、水素発生容器以外の装置体積も小さくなる。

従来例の総体積を１とした場合の、実施例の総体積、並びに実施例及び従来例の各容器の体積を表１として以下に示す。

［参考例］
本発明の第４実施形態に係る水素発生装置において、水素化金属容器の底部に設ける孔の目開きの大きさと、水素化金属粉体の直径との関係を調べた。具体的には、水素化金属粉体として、ふるい掛けで測定した粒径（もしくは平均粒径）が１０ｍｍの水素化カルシウム（化合物名）を用いた。目開きがこの粒径の４倍、５倍、６倍、７倍、８倍のふるいを用意し、約４００００ｍｍ^２の面に対して、４００ｇの水素化金属粉体を静置した。そして、静止時の粉体の滞留について調べた。次いで、上記と同様にふるいに水素化金属粉体を静置し、ふるいを、６０Ｈｚで振動させ、振動時の粉の落下量を調べた。

結果を下記の表２に示す。静止時の粉体の滞留が、○とは、ふるいが静止状態のとき、粉体がふるいに完全に滞留する状態を、△とは、ふるいが静止状態のとき、粉体がふるいに完全に滞留するまで時間を要する状態を、×とは、ふるいが静止状態の時、粉体がふるいに滞留しない状態をいうものとする。また、振動時の粉の落下量が、○とは、粉体を供給した量に対して十分落下する状態を、△とは、粉体が供給した量に対して落下するが、ふるいに滞留する状態を、×とは、粉体のふるいへの滞留が多い状態をいうものとする。

上記の実験より、ふるいの目開きを、４．５倍〜７．５倍未満とすることで、特には６倍程度とすることで、ふるいの静止時に水素化金属粉体の供給を停止し、ふるいの振動時に、水素化金属粉体を選択的に供給することができることがわかった。

本発明に係る水素発生装置は、燃料電池の水素発生源として使用することができる。特には、無人潜水艇向の燃料電池システムにおいて、水素発生源として用いられる。

１、２、３、４水素発生装置
１０、２０、３０、４０水素発生容器
１２、２２、３２、４２水素化金属容器
１３、２３、３３、４３水素化金属粉体搬送部
１４、２４、３４、４４水タンク
１５、２５、３５、４５水搬送部
１１１錐体部
１１３、１２３、１３３、１４３水素取出口
１１４、１２４、１３４、１４４水噴霧器
１１５、１２５、１３５、１４５水素化金属粉体供給部
２６、３６水素タンク
４１６ふるい
４１７シール材
４１８ツメ
１００水素化金属粉体
２００水
３００水酸化金属
４００水素

Claims

水素発生容器本体と、該水素発生容器本体内に設けられた、水素化金属粉体供給部と、水噴霧器と、水素取出口とを備える水素発生容器と、
水素化金属粉体を貯留する水素化金属容器であって、水素化金属粉体搬送部により、前記水素発生容器の前記水素化金属粉体供給部に接続されている水素化金属容器と、
前記水素発生装置に搬送する水を貯留する水タンクであって、水搬送部により、前記水素発生容器の前記水噴霧器に接続されている水タンクとを備える、水素発生装置であって、
前記水素発生容器本体の内側底部に、錐体部を備える、水素発生装置。
水素ガスを貯留する水素タンクと、
前記水素タンクから、圧力調整弁を介して、前記水素化金属粉体搬送部に接続されている水素搬送部と
をさらに備える、請求項１に記載の水素発生装置。
水素ガスを貯留する水素タンクと、
前記水素タンクから、コンプレッサを介して、前記水素化金属粉体搬送部に接続されている第１水素搬送部と、
前記水素取出口から、弁を介して、前記水素タンクと接続されている、第２水素搬送部と
をさらに備える、請求項１に記載の水素発生装置。
水素発生容器本体と、該水素発生容器本体内に設けられた、水素化金属粉体供給部と、水噴霧器と、水素取出口とを備える水素発生容器と、
水素化金属粉体を貯留する水素化金属容器であって、水素化金属粉体搬送部により、前記水素発生容器の前記水素化金属粉体供給部に接続されている水素化金属容器と、
前記水素発生装置に搬送する水を貯留する水タンクであって、水搬送部により、前記水素発生容器の前記水噴霧器に接続されている水タンクとを備える、水素発生装置であって、
前記水素発生容器が、ふるいを備え、前記水素化金属粉体供給部が、前記ふるいに対して、鉛直方向上方に設けられ、前記水噴霧器が、前記ふるいに対して、鉛直方向下方に設けられる、水素発生装置。
前記ふるいが、前記水素化金属粉体の直径の４．５倍〜７．５倍の目開きもしくは直径の孔を有する、請求項４に記載の水素発生装置。
前記ふるいが、前記水素発生容器本体内部に、振動可能に支持されており、
前記水素発生容器本体内部に、前記ふるいを振動させる加振装置をさらに備える、請求項４または５に記載の水素発生装置。
前記ふるいが、前記水素発生容器本体内部に、固定されており、
前記水素発生容器本体の内部もしくは外部に、前記水素発生容器本体を振動させる加振装置をさらに備える、請求項４または５に記載の水素発生装置。
前記水素発生容器本体の内側底部に、錐体部を備える、請求項４〜７のいずれか１項に記載の水素発生装置。
前記錐体部の底面と、斜面とがなす角度が、前記水素化金属粉体の安息角よりも大きい、請求項１〜３または８のいずれか１項に記載の水素発生装置。
前記錐体部が着脱可能に構成されている、請求項１〜３、８、または９のいずれか１項に記載の水素発生装置。