JP4740563B2 - Hydrogen generator - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池等に水素を供給するための水素発生装置に関する。 The present invention relates to a hydrogen generator for supplying hydrogen to a fuel cell or the like.
燃料として水素を用いる燃料電池には、部分酸化法や水蒸気改質法によってメタノール等を水素に改質し、これを燃料電池に供給するための水素発生装置が一般に併設されている。しかし、このような方法では水素とともに一酸化炭素(CO)が副生し、これが燃料電池の電極を被毒する。したがって、COを10ppm以下までに除去する必要があるが、CO除去手段を設置すると、改質器が大型化及び高コスト化するという問題がある。また、水蒸気改質法は、約800℃の非常に高い温度まで加熱する必要がある。しかし、このような加熱をするために、抵抗加熱による電気ヒータを使用すると、多量のエネルギーが必要となり、燃料電池の発電電力を上回り、燃料電池発電システムとして成立しないという問題がある。 A fuel cell using hydrogen as a fuel is generally provided with a hydrogen generator for reforming methanol or the like into hydrogen by a partial oxidation method or a steam reforming method and supplying the reformed fuel to the fuel cell. However, in such a method, carbon monoxide (CO) is by-produced with hydrogen, which poisons the fuel cell electrode. Therefore, it is necessary to remove CO to 10 ppm or less. However, if a CO removing means is installed, there is a problem that the reformer becomes larger and more expensive. In addition, the steam reforming method needs to be heated to a very high temperature of about 800 ° C. However, if an electric heater by resistance heating is used to perform such heating, a large amount of energy is required, which exceeds the power generated by the fuel cell and cannot be established as a fuel cell power generation system.
一方、COやCO2を副生せずに水素を発生する方法としては、水と化学反応して水素を生成する鉄等の金属を用いる方法が提案されている(例えば、特開2004−149394号公報など)。この方法によれば、約600℃以下の温度で鉄等の金属を加熱すればよいので、水蒸気改質法よりも少量のエネルギーで済むが、さらに省エネルギー化が図れるシステムを構築することが望まれている。 On the other hand, as a method for generating hydrogen without generating CO or CO 2 as a by-product, a method using a metal such as iron that chemically reacts with water to generate hydrogen has been proposed (for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-149394). Issue gazette). According to this method, since a metal such as iron may be heated at a temperature of about 600 ° C. or less, it requires less energy than the steam reforming method, but it is desired to construct a system that can further save energy. ing.
そこで本発明は、上記の問題点を鑑み、一酸化炭素や二酸化炭素を副生せず、かつ多量の電気エネルギーを必要とせずに水素を安定的に生成することができる水素発生装置を提供することを目的とする。 In view of the above problems, the present invention provides a hydrogen generator that can stably generate hydrogen without generating carbon monoxide or carbon dioxide as a by-product and without requiring a large amount of electric energy. For the purpose.
上記の目的を達成するために、本発明に係る水素発生装置は、水との化学反応により水素を生成する金属を収納する金属収納部を備えた反応容器と、前記反応容器内に水を導入する水導入口と、前記水導入口と前記金属収納部との間に配置して、前記水導入口から導入された水を気化してから前記金属収納部へ供給する気化空間部と、前記気化空間部内に設置して、水の表面積を増大させて水の気化を促進する気化促進手段と、前記気化促進手段に連結して、前記気化促進手段に反応容器内の熱を伝熱する伝熱板とを含んでなり、前記気化促進手段が、金属繊維で編まれたウィックであり、前記伝熱板が銅、黄銅、アルミニウム、鉄またはステンレススチールからなり、前記金属繊維が銅、黄銅、アルミニウム、鉄またはステンレススチールからなり、前記ウィックが、前記気化空間部内において、前記伝熱板の表面を表面積が増加するように処理された部分に溶接されており、前記金属収納部が、酸素との化学反応により発熱する金属をも収納し、前記伝熱板が、前記気化促進手段から前記金属収納部の内部で波型の形状をして延びることを特徴とする。
In order to achieve the above object, a hydrogen generator according to the present invention includes a reaction vessel provided with a metal container that contains a metal that generates hydrogen by a chemical reaction with water, and water is introduced into the reaction vessel. A water introduction port, a vaporization space portion disposed between the water introduction port and the metal storage portion, evaporating water introduced from the water introduction port and then supplying the water to the metal storage portion, It is installed in the vaporization space, and is connected to the vaporization promotion means for increasing the surface area of water to promote the vaporization of water, and to transfer heat in the reaction vessel to the vaporization promotion means. comprises a heat plate, the vaporizing promoting means is a wick woven from metal fibers, the heat transfer plate is copper, brass, aluminum, Ri Do iron or stainless steel, said metal fibers of copper, brass , Aluminum, iron or stainless steel The wick is welded to a portion of the vaporization space where the surface of the heat transfer plate has been treated to increase the surface area, and the metal storage portion generates heat due to a chemical reaction with oxygen. Metal is also housed, and the heat transfer plate extends in a wave shape inside the metal housing portion from the vaporization promoting means .
このように、水と金属の化学反応(酸化)により水を分解して水素を発生させるので(例えば、金属として鉄を用いた場合の反応式は、3Fe+4H2O→Fe3O4+4H2と表せる)、燃料電池の電極を被毒する一酸化炭素(CO)は副生しない。よって、CO除去手段を設ける必要がなくなり、装置の小型化及び低コスト化を達成することができる。また、上記反応は、室温から約600℃の範囲、好ましくは約100℃〜約400℃の範囲で行われるので、約800℃の水蒸気改質反応に比べ、エネルギーの消費を低減することができる。 Thus, water is decomposed to generate hydrogen by chemical reaction (oxidation) of water and metal (for example, the reaction formula when iron is used as a metal is 3Fe + 4H 2 O → Fe 3 O 4 + 4H 2 Carbon monoxide (CO), which poisons fuel cell electrodes, is not a by-product. Therefore, it is not necessary to provide CO removing means, and the apparatus can be reduced in size and cost. In addition, since the reaction is performed in the range of room temperature to about 600 ° C., preferably in the range of about 100 ° C. to about 400 ° C., energy consumption can be reduced as compared with the steam reforming reaction at about 800 ° C. .
さらに、水導入口と金属収納部との間に配置された気化空間部に、水の表面積を増大させて水の気化を促進する気化促進手段を設置しているので、水導入口から気化空間部に導かれた水を、予め気化促進手段で効率良く気化することができる。水は、水素結合により水分子がクラスターとして存在しているので、このクラスターをできるだけ細分化し、水の表面積を大きくすることで気化効率を向上させることができる。さらにまた、反応容器内の熱を吸収する伝熱板を気化促進手段に結合させているので、熱が反応容器全体から気化促進手段に効率良く伝熱し、気化潜熱により気化促進手段の温度が低下することを防止でき、気化促進手段の優れた気化効率を維持することができる。このように、導入された水は予め気化促進手段で効率良く気化するので、金属収納部に水が直接導入されて水の気化により局部的に金属収納部の温度が低下するのを防ぐことができ、水素発生反応を均一に安定して行うことができる。 Furthermore, since a vaporization promoting means for increasing the surface area of the water and promoting the vaporization of the water is installed in the vaporization space disposed between the water introduction port and the metal storage portion, the vaporization space is formed from the water introduction port. The water led to the part can be efficiently vaporized in advance by the vaporization promoting means. In water, water molecules exist as clusters due to hydrogen bonding, so that the efficiency of vaporization can be improved by subdividing the clusters as much as possible and increasing the surface area of the water. Furthermore, since the heat transfer plate that absorbs the heat in the reaction vessel is coupled to the vaporization promotion means, heat is efficiently transferred from the entire reaction vessel to the vaporization promotion means, and the temperature of the vaporization promotion means decreases due to the latent heat of vaporization. Can be prevented, and the excellent vaporization efficiency of the vaporization promoting means can be maintained. In this way, since the introduced water is efficiently vaporized in advance by the vaporization promoting means, it is possible to prevent water from being directly introduced into the metal storage portion and locally reducing the temperature of the metal storage portion due to water vaporization. The hydrogen generation reaction can be performed uniformly and stably.
前記気化促進手段は、金属繊維で編まれたウィックである。ウィックに水が導入されると、毛細管現象及び拡散により水のクラスターが容易に細分化するので、効率良く気化することができる。さらに、前記気化促進手段は、前記伝熱板の表面を表面積が増加するように処理された部分に溶接される。表面積を増加する処理がされた伝熱板表面上に水が広がると、水の表面積が増大し、水のクラスターが細分化するので、効率良く気化することができる。このような処理としては、表面上にフィン形状を設けたり、ディンプル穴を設けたり、ブラスト加工による粗面処理をすることが好ましい。 The vaporization promoting means is a wick knitted with metal fibers. When water is introduced into the wick, the water cluster is easily fragmented by capillary action and diffusion, and can be efficiently vaporized. Further, the vaporization accelerating means is welded to a portion where the surface of the heat transfer plate has been treated to increase the surface area. When water spreads on the surface of the heat transfer plate that has been treated to increase the surface area, the surface area of the water increases and the water clusters are subdivided, so that the water can be efficiently vaporized. As such treatment, it is preferable to provide a fin shape on the surface, provide dimple holes, or perform rough surface treatment by blasting.
本発明に係る水素発生装置は、水を収納するためのタンクをさらに含むことができ、前記ウィックが前記伝熱板から前記水導入口を通って前記タンクまで延びるように構成することもできる。タンク内の水は、ウィックの毛細管現象により気化空間部内の伝熱板にまで導かれるので、ポンプなどの動力装置によって水を反応容器内に供給することなく、気化空間部に水を導入して気化することができる。 The hydrogen generator according to the present invention may further include a tank for storing water, and the wick may be configured to extend from the heat transfer plate to the tank through the water inlet. The water in the tank is guided to the heat transfer plate in the vaporization space due to wick capillarity, so water is introduced into the vaporization space without supplying water into the reaction vessel by a power device such as a pump. Can be vaporized.
前記金属収納部は、酸素との化学反応により発熱する金属をも収納することが好ましく、前記伝熱板は、前記気化促進手段から前記金属収納部の内部へと延びる構成とすることが好ましい。このように、酸素と金属の化学反応(酸化)により発熱反応が進行するので(例えば、金属として鉄を用いた場合の反応式は、Fe+3/4O2→1/2Fe2O3、ΔH=−412.1kJ/mol,298.15K,101.3kPa)、金属収納部の外部から電気ヒータなどにより加熱する必要なく、金属収納部の内部に酸素を導入するだけで金属収納部を所定の温度まで加熱することができる。また、金属収納部の内部には伝熱板が延びているので、金属収納部で生成した熱が伝熱板を介して気化促進手段を加熱することとなり、気化促進手段を加熱する電気ヒータ等も不要にすることができる。 It is preferable that the metal storage portion also stores a metal that generates heat due to a chemical reaction with oxygen, and the heat transfer plate preferably extends from the vaporization promoting means to the inside of the metal storage portion. Thus, an exothermic reaction proceeds due to a chemical reaction (oxidation) between oxygen and metal (for example, the reaction formula when iron is used as a metal is Fe + 3 / 4O 2 → 1 / 2Fe 2 O 3 , ΔH = − 412.1 kJ / mol, 298.15 K, 101.3 kPa), without the need to heat from the outside of the metal storage unit with an electric heater or the like, by simply introducing oxygen into the metal storage unit up to the predetermined temperature Can be heated. In addition, since the heat transfer plate extends inside the metal storage portion, the heat generated in the metal storage portion heats the vaporization promotion means via the heat transfer plate, and an electric heater etc. that heats the vaporization promotion means Can also be made unnecessary.
また、水と金属により水素を生成する反応も発熱反応であるので(例えば、鉄の場合、Fe+4/3H2O→1/3Fe3O4+4/3H2、ΔH=−50.4kJ/mol,298.15K,101.3kPa)、水を導入して水素を発生させている間も金属収納部で発熱が行われる。そして、酸素との化学反応により発熱する金属と、水との化学反応により水素を生成する金属とが反応容器内の同一の金属収納部に収納され、これら金属が金属収納部内に固定された状態(いわゆる固定床流通式反応)であるので、酸素及び水との反応による発熱が金属収納部内に安定的に蓄熱される。よって、最初に酸素を導入して所定の温度に達した後は、水を導入するだけでも、金属収納部から伝熱板を介して気化促進手段の温度を維持することができるとともに、金属収納部内で水素を効率良く発生することができる。 In addition, since the reaction of generating hydrogen with water and metal is also an exothermic reaction (for example, in the case of iron, Fe + 4 / 3H 2 O → 1 / 3Fe 3 O 4 + 4 / 3H 2 , ΔH = −50.4 kJ / mol, 298.15 K, 101.3 kPa), and heat is generated in the metal storage portion even while water is introduced to generate hydrogen. A metal that generates heat by a chemical reaction with oxygen and a metal that generates hydrogen by a chemical reaction with water are stored in the same metal storage unit in the reaction vessel, and these metals are fixed in the metal storage unit. Since this is a so-called fixed bed flow reaction, heat generated by the reaction with oxygen and water is stably stored in the metal housing. Therefore, after the oxygen is first introduced and reaches a predetermined temperature, the temperature of the vaporization promoting means can be maintained from the metal storage portion via the heat transfer plate only by introducing water and the metal storage. Hydrogen can be generated efficiently in the section.
さらに、水を導入する間に酸素を導入して、水と金属により水素を生成する反応と、酸素と金属により発熱する反応とを同時に行うこともできる。なお、水との反応で酸化した金属も、酸素と反応してさらに酸化し発熱する。例えば、Fe3O4になった鉄も200℃以上の高温下ならFe2O3まで速やかに酸化反応を進行する(Fe3O4+1/4O2→3/2Fe2O3、ΔH=−118kJ/mol,298.15K,101.3kPa)。よって、必要により水とともに酸素を導入することで、反応容器内の温度を制御することができる。この時、純酸素の代わりに空気を導入することもできるが、この場合、空気中の酸素は酸化され消費されるが、窒素およびその他微少の二酸化炭素などのガスが水素とともに排出される。鉄により微少の二酸化炭素が一酸化炭素に還元させる可能性が有る場合には、空気が金属収納部に導入する前に、苛性ソーダや石灰水などに空気を通して二酸化炭素を吸収させておくことが好ましい。 Furthermore, oxygen can be introduced during the introduction of water, and the reaction of generating hydrogen with water and metal and the reaction of generating heat with oxygen and metal can be performed simultaneously. Note that the metal oxidized by the reaction with water also reacts with oxygen to be further oxidized and generate heat. For example, iron that has become Fe 3 O 4 also proceeds rapidly to Fe 2 O 3 at a high temperature of 200 ° C. or higher (Fe 3 O 4 + 1 / 4O 2 → 3/2 Fe 2 O 3 , ΔH = − 118 kJ / mol, 298.15 K, 101.3 kPa). Therefore, the temperature in the reaction vessel can be controlled by introducing oxygen together with water as necessary. At this time, air can be introduced instead of pure oxygen. In this case, oxygen in the air is oxidized and consumed, but nitrogen and other gases such as carbon dioxide are discharged together with hydrogen. When there is a possibility that a minute amount of carbon dioxide may be reduced to carbon monoxide by iron, it is preferable that carbon dioxide is absorbed through caustic soda or lime water before air is introduced into the metal storage part. .
なお、水素を生成した金属は上記の反応により酸化されてしまうが、この酸化された金属を還元することにより再び繰り返し水素を発生することができる。また、酸素により発熱した金属も上記の反応により酸化されてしまうが、同様に、還元することにより再び繰り返し酸素により発熱することができる。例えば、金属として鉄、還元ガスとして水素を用いた場合の反応式は、Fe2O3+3H2→2Fe+3H2OやFe3O4+4H2→3Fe+4H2Oと表せる。 In addition, although the metal which produced | generated hydrogen will be oxidized by said reaction, hydrogen can be repeatedly generated again by reduce | restoring this oxidized metal. In addition, the metal that generates heat due to oxygen is also oxidized by the above-mentioned reaction. Similarly, it can be repeatedly generated by oxygen again by reduction. For example, the reaction formula when using iron as the metal and hydrogen as the reducing gas can be expressed as Fe 2 O 3 + 3H 2 → 2Fe + 3H 2 O or Fe 3 O 4 + 4H 2 → 3Fe + 4H 2 O.
前記水との化学反応により水素を生成する金属としては、鉄(Fe)、インジウム(In)、スズ(Sn)、マグネシウム(Mg)、セリウム(Ce)のいずれかひとつ又はその酸化物であることが好ましい。これらの金属は、水と反応して水素を生成する他の金属に比べ、水素の発生効率が高いとともに、酸化還元の繰り返しに対する耐久性に優れている。また、これらの金属は、酸素との化学反応により発熱する金属として使用することができる。 The metal that generates hydrogen by a chemical reaction with water is any one of iron (Fe), indium (In), tin (Sn), magnesium (Mg), and cerium (Ce) or an oxide thereof. Is preferred. These metals have higher hydrogen generation efficiency and superior durability against repeated redox than other metals that react with water to produce hydrogen. Moreover, these metals can be used as a metal which generates heat by a chemical reaction with oxygen.
前記鉄としては、鋳鉄粉、還元鉄粉、電解鉄粉、アトマイズ鉄粉の少なくともいずれかひとつの純鉄粉が好ましい。このような純鉄粉を用いることで、酸素及び水との反応性を向上させることができ、反応容器内の温度を効率良く上昇させることができるとともに、水素発生速度も向上させることができる。 The iron is preferably pure iron powder of at least one of cast iron powder, reduced iron powder, electrolytic iron powder, and atomized iron powder. By using such pure iron powder, the reactivity with oxygen and water can be improved, the temperature in the reaction vessel can be increased efficiently, and the hydrogen generation rate can also be improved.
前記水との化学反応により水素を生成する金属としては、鉄又は鉄の酸化物に、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、バナジウム(V)、ニオブ(Nb)、クロム(Cr)、モリブデン(Mo)、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)、マグネシウム(Mg)、スカンジウム(Sc)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)及びネオジム(Nd)からなる第1群の金属を添加することが好ましい。これら第1群の金属を添加すると、酸化還元反応で鉄を繰り返し使用する場合に、シンタリングによる粒子成長が抑えられ、水素発生効率の低下が抑えられる。また、ロジウム(Rh)、イリジウム(Ir)、プラチナ(Pt)、ルテニウム(Ru)及びパラジウム(Pd)からなる第2群の金属を添加することが好ましい。これら第2群の金属を添加すると、鉄の自己発熱温度を高く上げなくても、200℃以下の低温で水素を発生することができる。つまり、鉄の酸素による酸化量を減少させ、鉄と水の反応が増加でき、結果として水素発生量を増加することができる。なお、第1群と第2群とを合わせてそこから選んだ少なくとも1種の金属又は各群からそれぞれ少なくともひとつずつ選んだ少なくとも計2種の金属を添加することができる。 Examples of the metal that generates hydrogen by a chemical reaction with water include iron or iron oxide, titanium (Ti), zirconium (Zr), vanadium (V), niobium (Nb), chromium (Cr), molybdenum ( It is preferable to add a first group of metals consisting of Mo), aluminum (Al), gallium (Ga), magnesium (Mg), scandium (Sc), nickel (Ni), copper (Cu) and neodymium (Nd). . When these first group metals are added, when iron is repeatedly used in the oxidation-reduction reaction, particle growth due to sintering is suppressed, and a decrease in hydrogen generation efficiency is suppressed. Further, it is preferable to add a second group of metals consisting of rhodium (Rh), iridium (Ir), platinum (Pt), ruthenium (Ru) and palladium (Pd). When these second group metals are added, hydrogen can be generated at a low temperature of 200 ° C. or lower without increasing the self-heating temperature of iron. That is, the oxidation amount of iron by oxygen can be reduced, the reaction of iron and water can be increased, and as a result, the amount of hydrogen generation can be increased. In addition, it is possible to add at least two kinds of metals selected from the first group and the second group in combination, or at least one kind selected from each group.
上述したように、本発明によれば、一酸化炭素や二酸化炭素を副生せず、かつ多量の電気エネルギーを必要とせずに水素を安定的に生成することができる水素発生装置を提供することができる。 As described above, according to the present invention, there is provided a hydrogen generator capable of stably generating hydrogen without generating carbon monoxide or carbon dioxide as a by-product and without requiring a large amount of electric energy. Can do.
以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
(第1の実施形態)
図1は、本発明に係る水素発生装置の一実施形態を簡略的に示す断面図である。図1に示すように、本発明に係る水素発生装置は、その内部で水と金属とを化学反応させて水素を発生させる反応容器10と、反応容器10内に水及び空気を供給するための導入管21と、反応容器10内で生成した水素及び未反応の水並びに空気又は窒素を排出するための排出管22とを備える。反応容器10は直方体の形状であり、その一面14に、反応容器10内と導入管21内とを連通するための導入口11と、反応容器10内と排出管21内とを連通するための排出口12とを配置する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
(First embodiment)
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing an embodiment of a hydrogen generator according to the present invention. As shown in FIG. 1, the hydrogen generator according to the present invention includes a
反応容器10内は、導入口11を備える層と、排出口12を備える層との2層になるように、導入口11及び排出口12が配置されている面14から、その対向面15へと直線状に延びる伝熱板30によって仕切る。伝熱板30には、両層内を連通するため、導入口11等の配置面14と対向面15との中間点よりも対向面15側の位置に、通気孔31を設ける。
In the
導入口11を備える層は、さらにフィルタ41によって、水と反応して水素を生成する金属を固定した状態で収納する金属収納部17aと、導入した水を気化するための気化空間部18とに仕切る。気化空間部18は、導入口11と金属収納部17aとの間となるようにする。フィルタ41は、導入する水や空気は通過させるが、収納されている金属は通過させないものである。一方、導入口11を備える層は、水と反応して水素を発生する金属を固定した状態で収納する金属収納部17bを構成する。金属収納部17bと排出口12との間には、反応容器10内から金属が飛散するのを防止するため、フィルタ42を設ける。フィルタ42は、生成した水素、未反応の水、空気及び窒素を通過させるが、収納されている金属を通過させないものである。
The layer including the
金属収納部17内に収納されている金属としては、水素の高い発生効率と酸化還元の繰り返しに対する優れた耐久性の観点から、鉄(Fe)、インジウム(In)、スズ(Sn)、マグネシウム(Mg)、セリウム(Ce)のいずれかひとつを用いることが好ましく、この中でもFeがより好ましい。また、これら金属は純金属の状態に限られず、例えば、FeO等の低原子価金属酸化物であってもよい。純金属又は低原子価金属酸化物は、1nm〜100μm、好ましくは1nm〜10μmの粉末でありそのままの粉末状でも水素発生媒体として使用できるが、ペレット状、円筒状、ハニカム構造、不織布形状などの反応に適した形状を選択して、金属収納部17内に収納することが好ましい。また、上記の純金属又は金属酸化物は、アルミナ、酸化亜鉛、マグネシア、シリカ、チタニアのいずれかの担体に担持させることもできる(国際公開第01/096233号パンフレットに記載の金属酸化物を、本発明に係る金属の酸化物として使用することができる)。なお、上記の金属は、酸素との化学反応により発熱する金属として使用することができる。
As the metal stored in the
Fe又はFeの低原子価金属酸化物を用いる場合、水素の発生効率を高めるために、Fe以外の金属を添加することが好ましい。添加する金属としては、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、バナジウム(V)、ニオブ(Nb)、クロム(Cr)、モリブデン(Mo)、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)、マグネシウム(Mg)、スカンジウム(Sc)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、ネオジム(Nd)からなる第1群から選んだ少なくともいずれか1種の金属、またはロジウム(Rh)、イリジウム(Ir)、プラチナ(Pt)、ルテニウム(Ru)、パラジウム(Pd)からなる第2群から選んだ少なくともいずれか1種の金属を添加することが好ましい。この中でも第1群としてはMo、Alが、第2群としてはRh、Irがより好ましい。また、第1群と第2群からそれぞれ少なくともひとつずつ選んだ少なくとも計2種の金属を添加することもできる。添加する金属の配合割合は、全金属を100mol%とした場合、0.1〜30mol%が好ましく、0.5〜15mol%がより好ましい。0.1mol%未満の配合割合では、水素の発生効率を向上する効果が認められない。一方、30mol%を越えると、Feの酸化還元反応の効率が低下するので好ましくない。Feと添加する金属との調製方法は、物理混合法、含浸法、共沈法等により行い、特に共沈法が好ましい。 In the case of using Fe or a low-valent metal oxide of Fe, it is preferable to add a metal other than Fe in order to increase the generation efficiency of hydrogen. As the metal to be added, titanium (Ti), zirconium (Zr), vanadium (V), niobium (Nb), chromium (Cr), molybdenum (Mo), aluminum (Al), gallium (Ga), magnesium (Mg) , Scandium (Sc), nickel (Ni), copper (Cu), neodymium (Nd), at least one metal selected from the first group, or rhodium (Rh), iridium (Ir), platinum (Pt It is preferable to add at least one metal selected from the second group consisting of ruthenium (Ru) and palladium (Pd). Among these, Mo and Al are more preferable as the first group, and Rh and Ir are more preferable as the second group. Further, at least two kinds of metals selected at least one from each of the first group and the second group can be added. As for the compounding ratio of the metal to add, 0.1-30 mol% is preferable and 0.5-15 mol% is more preferable when all the metals are 100 mol%. When the blending ratio is less than 0.1 mol%, the effect of improving the hydrogen generation efficiency is not recognized. On the other hand, if it exceeds 30 mol%, the efficiency of Fe redox reaction is lowered, which is not preferable. The preparation method of Fe and the metal to be added is performed by a physical mixing method, an impregnation method, a coprecipitation method, or the like, and the coprecipitation method is particularly preferable.
伝熱板30としては、金属収納部17内に収納されている金属よりも熱伝導率に優れる金属からなるものが好ましく、具体的には、銅、黄銅、アルミニウムなどを使用することができる。なお、金属収納部17内に収納する金属の種類やその形状等によっては、鉄、ステンレススチールなども用いることができる。伝熱板30は、導入口11等の配置面14及びその対向面15の両表面上にわたって延びているが、伝熱板30が導入口11及び排出口12を塞がないように、伝熱板30に孔を設ける。
The
また、配置面14上の伝熱板30の表面には、繊維で編まれたウィック50を溶接する。繊維としては、金属繊維が好ましく、特に耐熱性があり熱伝導率に優れる点で、銅(Cu)、黄銅(Cu−Zn)、アルミニウム(Al)などの繊維がより好ましい。なお、鉄、ステンレススチールなどの金属繊維も使用できる他、セラミックファイバー、耐熱性樹脂ファイバーなども使用できる。
Further, a
反応容器10は、ステンレススチールやアルミニウム等の金属、アルミナやジルコニア等のセラミックス、又はフェノール樹脂やポリフェニレンサルファイド等の耐熱性プラスチック等で作られており、熱や内外圧力に耐え得る構造をとっている。図1では直方体の形状を示したが、他の六面体でも、円柱状や円錐台状でもよい。反応容器10が高温となる場合は、反応容器10を断熱材で覆うことが好ましい。断熱材としては、ガラス繊維、シリカ繊維、シリカ粉末成形体などを使用することができる。
The
以上の構成によれば、先ず初めに、空気を導入口11から反応容器10内に導入する。導入された空気は、気化空間部18を通って金属収納部17a全体に拡散し、さらに通気孔31を通って隣りの金属収納部17b全体に拡散する。金属収納部17内の金属は空気中の酸素によって酸化し、金属自身が自己加熱する。これにより常温からの起動で、水素を発生させるのに充分な温度帯まで、自ら昇温する。また、この熱は伝熱板30が吸収・伝熱し、気化空間部18内のウィック50を加熱する。金属と反応して含有する酸素が全部又は一部消費された空気は、排出口12から排出する。
According to the above configuration, first, air is introduced into the
次に、反応容器10内が水素を発生可能な温度(例えば100℃以上)になったら、今度は水を導入管21から反応容器10内に導入する。導入された水は、気化空間部18内の加熱されたウィック50に浸透すると毛細管現象を起こして表面積が増大するので、速やかに気化して水蒸気となる。この水蒸気は、気化空間部18から金属収納部17aに拡散するとともに、通気孔31を介して金属収納部17bに拡散する。金属収納部17内の金属は水蒸気によって酸化し、水素が発生する。発生した水素及び未反応の水蒸気は、排出口12から排出する。この水素を含有するガスは、燃料電池などの水素を必要とする系へ導入する。
Next, when the temperature in the
このように、繊維で構成されたウィック50は表面積が非常に大きいので、ウィック50に水が浸透することで、水の表面積が大きくなり、水分子のクラスターが細分化され、気化効率を格段に向上させることができる。なお、気化によって気化空間部18内のウィック50は温度が著しく低下するが、ウィック50を伝熱板30上に設け、伝熱板30を2層の金属収納部17a、17b間に設けたので、反応容器10内の発熱した金属全体から伝熱板30を介して熱がウィック50に効率良く伝わり、ウィック50の気化による温度低下を防止することができる。反応容器10内の金属と水蒸気との反応は発熱反応であるので、反応容器10内に水を供給し続けても、ウィック50の温度は維持される。よって、気化空間部18において効率良い水の気化を安定して行うことができる。
Thus, since the
また、伝熱板30を導入口11と排出口12との間に設け、伝熱板30の導入口11及び排出口12から離れた位置に通気孔31を開孔したので、導入口11から導入された水(水蒸気)及び空気が反応容器10内の金属と十分に反応しないまま排出口12から排気されるのを防止することができる。すなわち、伝熱板30は、導入ガスの整流板としても機能し、よって、反応容器10内での酸素及び水蒸気による金属の酸化反応を、効率良く行うことができる。
Further, since the
なお、上記の説明では、空気を導入して初期加熱した後に水のみを導入したが、初期加熱した後に水と共に空気を導入することもできる。これにより反応容器10内で、水蒸気と金属の反応による水素発生と同時に、空気中の酸素と金属の反応による発熱を行うことができる。水と共に空気を導入した場合は、水のみを導入した場合に比べ、金属収納部17内の温度がより上昇するので、空気の導入により温度制御を図ることができる。空気中の酸素は金属の酸化により全て消費され、排出口12から酸素が排出されないように、反応容器の構造や、水と空気の導入量、充填する金属の量等の条件を設定することが好ましい。また、空気中の二酸化炭素が一酸化炭素に還元して水素とともに排出される可能性がある場合、導入する空気を苛性ソーダなどで二酸化炭素を予め除去することが好ましい。予め二酸化炭素を除去しなくとも、水と空気の導入量の設定で一酸化炭素の濃度を燃料電池の電極を大きく被毒しない10ppm以下に抑えることができる。空気の代わりに純酸素を導入してもよい。
In the above description, only water is introduced after air is introduced and initially heated. However, air can be introduced together with water after the initial heating. As a result, in the
また、上記の説明では、金属収納部17内の金属の初期加熱を行うために反応容器10内に空気を導入したが、空気を導入する代わりに、電気ヒータなどの加熱手段により反応容器10の外部から金属収納部17内の金属を加熱することもできる。この場合であっても、伝熱板30が金属収納部17内の金属全体から熱を吸収・伝熱して、気化空間部18内のウィック50を加熱することができる。加熱手段としては、抵抗加熱によるヒータや、正特性サーミスタ(PTCヒータ)、化学反応の酸化熱を利用する加熱器、触媒燃焼による加熱器、誘導加熱による加熱器などを用いることができる。
Further, in the above description, air is introduced into the
(第2の実施形態)
図2は、参考となる水素発生装置の形態を簡略的に示す断面図である。なお、図1と同様の構成については、同一の符号を付し、その説明を省略する。図2に示すように、本参考形態では、導入口11が配置された面14と対向する面15に、排出口12を配置する。反応容器10内は、フィルタ41を介して、導入口11側の気化空間部18と、排出口12側の金属収納部17とに構成する。
(Second Embodiment)
FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a form of a hydrogen generator to be used as a reference . In addition, about the structure similar to FIG. 1, the same code | symbol is attached | subjected and the description is abbreviate | omitted. As shown in FIG. 2, in this preferred embodiment, the
気化空間部18内には、導入口11と対向する位置に、円盤状の蒸発板32を設置する。蒸発板32の表面は、ブラスト加工処理により表面積が非常に大きくなっている。また、蒸発板32の裏面中央には、伝熱板30の一端を取り付ける。蒸発板32は、伝熱板30と同じ素材のものが好ましく、伝熱板30に溶接して取り付けてもよいし、一体成形してもよい。伝熱板30は、フィルタ40を通過して金属収納部17内へと続き、導入口11から排出口12に向かって蛇行した形状(波型の形状)で延びている。伝熱板30の反対側の端は、排出口12と金属収納部17との間のフィルタ42に接続している。
In the
以上の構成によれば、先ず初めに、空気を導入口11から反応容器10内に導入する。導入された空気は、気化空間部18を通って金属収納部17全体に拡散する。金属収納部17内の金属は空気中の酸素によって酸化し、金属自身が自己加熱する。これにより常温からの起動で、水素を発生させるのに充分な温度帯まで、自ら昇温する。また、この熱は伝熱板30が吸収・伝熱し、気化空間部18内の蒸発板30を加熱する。金属と反応して含有する酸素が全部又は一部消費された空気は、排出口12から排出する。
According to the above configuration, first, air is introduced into the
次に、反応容器10内が水素を発生可能な温度(例えば100℃以上)になったら、今度は水を導入管21から反応容器10内に導入する。導入された水は、気化空間部18内の加熱された蒸発板32のブラスト加工処理された表面に接触すると表面積が増大するので、速やかに気化して水蒸気となる。この水蒸気は、気化空間部18から金属収納部17に拡散する。金属収納部17内の金属は水蒸気によって酸化し、水素が発生する。発生した水素及び未反応の水蒸気は、排出口12から排出する。この水素を含有するガスは、燃料電池などの水素を必要とする系へ導入する。
Next, when the temperature in the
このように、ブラスト加工処理された蒸発板32の表面は表面積が非常に大きいので、ここに水が接触することで水の表面積が大きくなり、水分子のクラスターが細分化され、気化効率を格段に向上させることができる。なお、気化によって蒸発板32は温度が著しく低下するが、蒸発板32に伝熱板30を取り付け、伝熱板30は金属収納部17内を蛇行するように設けたので、金属収納部17内の発熱した金属全体から伝熱板30を介して熱が蒸発板32に効率良く伝わり、気化による蒸発板32の温度低下を防止することができる。反応容器10内の金属と水蒸気との反応は発熱反応であるので、反応容器10内に水を供給し続けても、蒸発板32の温度は維持される。よって、気化空間部18において効率良い水の気化を安定して行うことができる。
Thus, since the surface of the blasted
なお、第2の実施形態は、図3に示すように、図2の参考形態において、蒸発板32のブラスト加工処理された表面上に、さらにウィック50を溶接したものである。これにより、気化空間部18での気化効率をさらに向上させることができる。また、本実施形態においても、第1の実施形態と同様に、水を導入する際に空気(酸素)を同時に導入してもよく、また、空気を導入して金属を自己発熱させる代わりに電気ヒータ等の加熱手段により外部から加熱してもよい。
In the second embodiment, as shown in FIG. 3, the
(第3の実施形態)
図4は、本発明に係る水素発生装置のまた別の実施形態を簡略的に示す断面図である。なお、図1〜図3と同様の構成については、同一の符号を付し、その説明を省略する。図4に示すように、本実施形態は、図3に示した第2の実施形態において、水が満たされたタンク60を反応容器10に併設し、導入管21aの他方の端をタンク60に接続したものである。このため、導入管21a及び導入口11aは水供給専用となるので、導入口11aが配置された面14に、空気を供給するための導入口11b及び導入管21bを別途設置する。
(Third embodiment)
FIG. 4 is a sectional view schematically showing still another embodiment of the hydrogen generator according to the present invention. In addition, about the structure similar to FIGS. 1-3, the same code | symbol is attached | subjected and the description is abbreviate | omitted. As shown in FIG. 4, this embodiment is the same as the second embodiment shown in FIG. 3 , in which a
また、蒸発板32の表面上には繊維で編んだウィック50を溶接するが、このウィック50は、溶接された蒸発板32から水供給専用の導入口11a及び導入管21a内を通ってタンク60内まで延長して設置する。そして、ウィック50の先端は、タンク60内の水に浸すように構成する。
Further, a
以上の構成によれば、先ず、空気を導入管21bから導入すると、導入された空気は、気化空間部18を通って金属収納部17全体に拡散する。金属収納部17内の金属は、空気中の酸素によって酸化して金属自身が自己加熱する。この熱は伝熱板30が吸収・伝熱し、気化空間部18内の蒸発板30を加熱する。一方、タンク60内の水は、ウィック50の毛細管現象によって、気化空間部18内の蒸発板32まで移動し、蒸発板32の熱により気化される。そして、反応容器10内が水素を発生可能な温度(例えば100℃以上)になると、蒸発板32及びウィック50での気化が活発化し、発生した水蒸気が気化空間部18から金属収納部17に拡散する。金属収納部17内の金属は水蒸気によって酸化し、水素が発生する。
According to the above configuration, first, when air is introduced from the
このように、反応容器10の気化空間部18と水のタンク60とを繊維で編んだウィック50でつなぐことで、ウィック50の毛細管現象により気化空間部18内での水の気化を促進できるとともに、ポンプなどの動力装置を用いることなく、気化空間部18内に水を供給することができる。よって、蒸発板32の温度を制御することで、タンク60内の水を自動的に気化空間部18で気化して水蒸気とし、金属収納部17に供給して水素を発生させることができる。
In this way, by connecting the
なお、本実施形態においても、第1の実施形態と同様に、水を導入する際に空気(酸素)を同時に導入してもよく、また、空気を導入して金属を自己発熱させる代わりに電気ヒータ等の加熱手段により外部から加熱してもよい。 In this embodiment as well, as in the first embodiment, air (oxygen) may be introduced simultaneously when water is introduced, and instead of introducing air and causing the metal to self-heat, electricity You may heat from the exterior by heating means, such as a heater.
(第4の実施形態)
図5は、本発明に係る水素発生装置のさらに別の実施形態を簡略的に示す断面図である。なお、図1〜図4と同様の構成については、同一の符号を付し、その説明を省略する。図5に示すように、本実施形態では、導入管21を、反応容器10内に水を供給する導入管21aと、反応容器10内に空気を供給する導入管21bと別々に設置する。また、排出管22を、生成した水素及び未反応の水を排出する排出管22aと、反応容器10内から空気又は窒素を排出する排出管22bと別々に設置する。そして、水を供給する導入管21aと、水素等を排出する排出管22aとは、反応容器10の一面14に配置し、その対向面15に、空気を供給する導入管21bと、空気等を排出する排出管22bとを配置する。
(Fourth embodiment)
FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing still another embodiment of the hydrogen generator according to the present invention. In addition, about the structure similar to FIGS. 1-4, the same code | symbol is attached | subjected and the description is abbreviate | omitted. As shown in FIG. 5, in this embodiment, the
反応容器10内は、水の導入管21aが配置された面14に接する層と、その対向面15に接する層との2層になるように、その中央の位置で波型の形状に延びる伝熱板30によって仕切られている。伝熱板30には、水の導入管21aの配置面14側の表面に、ウィック50が溶接されている。
The
水の導入管21aの配置面14に接する層は、さらにフィルタ41によって、金属収納部17aと気化空間部18とに仕切る。気化空間部18は、中央の位置に設けた伝熱板30とフィルタ41との間に構成する。そして、水導入管21aを、その配置面14から金属収納部17aまで延長し、水導入管21a内と反応容器10内とを連通する導入口21aをフィルタ41に設置する。なお、水素等の排出管22a内と反応容器10内とを連通する排出口12bは、その配置面14に設置し、空気の導入管21b内と反応容器10内とを連通する導入口21bと、空気等の排出管21b内と反応容器10内とを連通する排出口12bとは、その対向面15に設置する。一方、対向面15に接する層は、金属収納部17bを構成する。
The layer in contact with the
以上の構成によれば、先ず初めに、空気を導入口11bから反応容器10内に導入する。導入された空気は、金属収納部17b全体に拡散する。金属収納部17b内の金属は空気中の酸素によって酸化し、金属自身が自己加熱する。この熱は伝熱板30が吸収・伝熱し、気化空間部18内のウィック50を加熱するとともに、金属収納部17aを加熱する。金属と反応して含有する酸素が全部又は一部消費された空気は、排出口12bから排出する。
According to the above configuration, first, air is introduced into the
次に、反応容器10内が水素を発生可能な温度(例えば100℃以上)になったら、今度は水を導入口11aから反応容器10内に導入する。導入された水は、気化空間部18内の加熱されたウィック50に浸透すると毛細管現象を起こして表面積が増大するので、速やかに気化して水蒸気となる。この水蒸気は、気化空間部18から金属収納部17aに拡散する。金属収納部17a内の金属は水蒸気によって酸化し、水素が発生する。発生した水素及び未反応の水蒸気は、排出口12aから排出する。
Next, when the temperature in the
このように、反応容器10内の金属収納部17を2層とし、一方の金属収納部17bには空気を供給して発熱させて、反応容器10内及びウィック50を加熱する加熱手段として機能させるとともに、他方の金属収納部17aには水を供給して水素を発生させることができる。よって、水を供給する際に同時に酸素を供給しても、金属収納部17a、17bは別々に構成されているので、発生した水素に空気中の二酸化炭素が混入することなく、反応容器10内の温度を制御することができる。
In this way, the
(気化効率の測定)
ウィックの効果を検証するために、銅製のウィックが表面に溶接された蒸発板と、ウィックを溶接していない蒸発板とを約130℃に加熱した後、蒸発板上に常温の水をそれぞれ0.1ml滴下し、水が完全に蒸発するまでの時間を測定した。その結果を表1に示す。表1に示すように、ウィックの有る方が蒸発時間が約1/3に短縮され、ウィックにより気化効率が著しく向上したことが確認された。
(Measurement of vaporization efficiency)
In order to verify the effect of the wick, after heating the evaporation plate with the copper wick welded to the surface and the evaporation plate not welded with the wick to about 130 ° C., each room temperature water was set to 0 ° C. on the evaporation plate. .1 ml was dropped and the time until water was completely evaporated was measured. The results are shown in Table 1. As shown in Table 1, it was confirmed that the evaporation time was shortened to about 1/3 when the wick was present, and the vaporization efficiency was significantly improved by the wick.
(水素発生効率の測定)
図1に示す水素発生装置を用いて、実際に水素を発生する実験を行った。なお、反応容器に収納される鉄は、含浸法にて調製して3.6mol%のAlを添加した(BET比表面積52.1m2/g、平均粒子径0.11μm)。試料はペレット状に成形し11.9gを還元炉に入れて水素を導入し、500℃で2時間、還元反応を行った。還元後、試料を取り出し、不活性ガスである窒素中で重量を測定したところ、8.5gであった。また、ウィックは銅製のものを用い、伝熱板はアルミニウム製のものを用いた。反応容器はアルミニウム製でその外表面をシリカファイバーからなる断熱材で覆って保温した。
(Measurement of hydrogen generation efficiency)
An experiment for actually generating hydrogen was performed using the hydrogen generator shown in FIG. The iron stored in the reaction vessel was prepared by an impregnation method and 3.6 mol% Al was added (BET specific surface area 52.1 m 2 / g, average particle diameter 0.11 μm). The sample was formed into a pellet, 11.9 g was placed in a reduction furnace, hydrogen was introduced, and a reduction reaction was performed at 500 ° C. for 2 hours. After reduction, the sample was taken out and weighed in nitrogen as an inert gas, and it was 8.5 g. The wick was made of copper, and the heat transfer plate was made of aluminum. The reaction vessel was made of aluminum, and its outer surface was covered with a heat insulating material made of silica fiber and kept warm.
上記の試料を反応容器内の金属収納部に詰め、先ず初めに、苛性ソーダにて二酸化炭素を除去した空気を、150mL/minの流量で常温の反応容器内に導入し、還元した鉄と空気中の酸素との酸化反応を行った。そして、空気導入から6分後に、空気とともに、常温の水を0.1mL/minの流量で反応容器内に導入した。そして、空気導入から60分後に実験を終了した。この間、水素発生速度と反応容器の外表面の温度とを測定した。その結果を図7に示す。 The above sample is packed in a metal container in the reaction vessel. First, air from which carbon dioxide has been removed with caustic soda is introduced into the reaction vessel at room temperature at a flow rate of 150 mL / min. The oxidation reaction with oxygen was carried out. Then, 6 minutes after the introduction of air, normal temperature water was introduced into the reaction vessel together with air at a flow rate of 0.1 mL / min. The experiment was completed 60 minutes after the introduction of air. During this time, the hydrogen generation rate and the temperature of the outer surface of the reaction vessel were measured. The result is shown in FIG.
図7に示すように、水を入れた瞬間にすぐに水素を発生し、約90mL/minの水素発生速度を約15分間にわたり安定的に維持した。その後、時間の経過とともに水素発生速度は低下し、60分後には水素が発生しなくなった。この間、水素の発生総量は2.5Lであった。なお、反応中は、水素以外に空気中の窒素が約120mL/min含まれていたが、酸素、二酸化炭素、一酸化炭素はガスクロマトグラフにて検出されなかった。 As shown in FIG. 7, hydrogen was generated immediately at the moment when water was added, and the hydrogen generation rate of about 90 mL / min was stably maintained for about 15 minutes. Thereafter, the hydrogen generation rate decreased with the passage of time, and no hydrogen was generated after 60 minutes. During this time, the total amount of hydrogen generated was 2.5L. During the reaction, nitrogen in the air was contained at about 120 mL / min in addition to hydrogen, but oxygen, carbon dioxide, and carbon monoxide were not detected by a gas chromatograph.
比較例として、ウィックを一切設けず、伝熱板をアルミニウム製の整流板とした図6に示す水素発生装置を用いた以外は、上記と同じ条件で実験を行った。その結果を図8に示す。図8に示すように、水素発生速度は最高でも約60mL/minと低く、また、水素発生総量も0.8Lと非常に少なかった。これは、水が気化空間部で効率良く気化されなかったため、金属収納部内の鉄が均一に反応しなかったと推測される。 As a comparative example, an experiment was performed under the same conditions as above except that no hydrogen wick was provided and the hydrogen generator shown in FIG. 6 was used in which the heat transfer plate was an aluminum rectifying plate. The result is shown in FIG. As shown in FIG. 8, the hydrogen generation rate was as low as about 60 mL / min at the maximum, and the total hydrogen generation amount was as very low as 0.8 L. This is presumed that iron in the metal storage portion did not react uniformly because water was not efficiently vaporized in the vaporization space.
10 反応容器
11 導入口
12 排出口
17 金属収納部
18 気化空間部
21 導入管
22 排出管
30 伝熱板
31 通気孔
32 蒸発板
41、42 フィルタ
50 ウィック
60 タンク
DESCRIPTION OF
Claims (5)
The metal that generates hydrogen by a chemical reaction with water is iron or an oxide of iron, titanium, zirconium, vanadium, niobium, chromium, molybdenum, aluminum, gallium, magnesium, scandium, nickel, copper, and neodymium. At least one metal selected from the group 1 and the second group of the second group consisting of rhodium, iridium, platinum, ruthenium, and palladium, or at least one from each group. The hydrogen generator according to claim 1 or 2 , wherein a total of at least two selected metals are added.
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