JP2004115348A - 水素発生装置および水素発生装置を搭載した自動車及び水素発生用カートリッジ - Google Patents

Abstract

【課題】特別なインフラストラクチャを整備することなしに、簡単な構成で、高い効率で、特別な排気対策をする必要なしに、常時水素を発生可能な水素製造装置を提供する。
【解決手段】本発明の水素発生装置１は、貯水用の容器２と、シリコン粉末３０を封入したカートリッジ３と、前記カートリッジに水を通過させるための循環手段Ｐ_１、Ｃ_１〜Ｃ_２と、水を加熱するための熱源４と、前記カートリッジで発生した水素を収集する水収集手段５，６と、前記カートリッジで発生した酸化シリコンを除去するためのシリコン酸化物除去手段Ｆ_２とから構成される。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素発生装置およびこれを搭載した自動車に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、石油等の既存の資源の枯渇化や二酸化炭素の放出等の観点から、石油に代わる代替燃料として水素が注目されている。
そして、水素を燃料として発電する燃料電池システムが開発され、自動車、携帯端末等の種々の分野での利用が研究されている。
【０００３】
従来の燃料電池システムにおいて、燃料としての水素を供給する水素供給システムとして、タンク内に気体燃料を圧縮注入するかあるいは液体燃料を低温に保持したまま注入するのが一般的である。
気体状の水素を圧縮注入する気体燃料タンクの場合、通常３５０気圧程度の耐圧性を有する高圧タンクが必要となり、燃料タンクは高い強度が要求される。
一方、液体水素を注入する液体燃料タンクの場合、燃料の注入に断熱圧縮が不可欠となる。断熱圧縮を伴う液体燃料タンクにおいては、タンクの材料面と高い強度を両立するのが困難であるため、一定時間毎にタンク内の水素を放出してタンクの内圧を調整するのが一般的である。
【０００４】
一方、自動車等に燃料電池システムを搭載するためにガソリンやアルコール等の炭化水素から水素ガスを取出す改質器の開発も進んでいる。更に、太陽電池等の電力発生補機と水の電気分解装置を車に搭載して水素を供給しようとする動きもある。
【０００５】
更に別の水素の製造として、ナトリウムやマグネシウム等のアルカリ金属やアルカリ土類金属を水と反応させる方法や水蒸気を鉄と接触させて水素を得る方法がある（非特許文献１）。
また、特許文献１には、平均粒径２μｍ以下のケイ素微粉末と水を接触させることによって、水素を製造させる方法が記載されている。
【０００６】
【非特許文献１】
大塚潔著、“鉄と水で走る環境にやさしい自動車も近い”［ｏｎｌｉｎｅ］　平成１４年８月２２０日、東京工業大学、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｔｉｔｅｃｈ．ａｃ．ｊｐ／ｔｏｋｙｏ−ｔｅｃｈ−ｉｉｎ−ｔｈｅ−ｎｅｗｓ／ｊ／ａｒｃｈｉｖｅｓ／２００２／０８／１０２９９７４４００．ｈｔｍｌ＞
【特許文献１】
特開平４第５９６０１号公報（第１〜２頁）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、気体の水素を燃料タンクに保存する場合、充填効率が悪く、例えば自動車に搭載する場合には、走行距離が短くなる等の発電量に問題がある。一方、水素を液状で保存する液体燃料タンクの場合、水素が常圧でも気化するので注入後もタンクを冷却する必要があり、さらに燃料注入時のロスが大きいという問題がある。さらに、これらの水素燃料タンクのインフラストラクチャは整備されていない。
【０００８】
改質器を自動車等に搭載する場合、ガソリンやアルコール等の出発原料の単価が高いという問題点がある。更に、これらの出発原料から水素を抽出する場合、ガソリンの場合で６００℃程度、アルコール（メタノール）の場合でも３００℃程度の熱量が最低限必要と言われており、熱エネルギの観点から、課題が残る。また、改質率は１００％とならないので、未反応のガソリンやアルコール、反応途中のガソリンやアルコールの排出等の点でも課題が残る。
【０００９】
太陽電池と水の電気分解システムを組合せた場合、太陽電池が常時発電可能でない上に、電気分解自体に大量の電気エネルギを必要とするために、例えば車両に搭載する場合には、充分な走行距離を維持するのが困難である。
【００１０】
また、非特許文献１に記載の方法では、継続的に鉄から水素を得るために鉄に微量元素を添加しなければならず、また作用温度および作用圧力が高いという欠点がある。さらにこの方法では、水を水蒸気として鉄と反応させる必要がある。
【００１１】
更に、特許文献１に記載の方法は、水素の全体の発生量が少なく、また水素の発生量を制御できなく、実用面での問題がある。
従って、本発明の課題は、特別なインフラストラクチャを整備することなしに、簡単な構成で、高い効率で、特別な排気対策をする必要なしに、常時水素を発生可能な水素製造装置を提供することである。
本発明の別の課題は、このような水素発生装置を搭載した自動車を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決する本発明の請求項１に係る水素発生装置は、貯水用の容器と、シリコン粉末を封入したカートリッジと、前記カートリッジに水を通過させるための循環手段と、水を加熱するための熱源と、前記カートリッジで発生した水素を収集する水収集手段と、前記カートリッジで発生した酸化シリコンを除去するためのシリコン酸化物除去手段と、を含むことを特徴とするものである。
【００１３】
このように構成することによって、燃料タンクを必要とする従来技術と比較して、本発明の水素発生装置は、水を燃料とするので特別なインフラストラクチャが不要となる。また、燃料改質器を使用するものと比較して、装置が非常に簡単であり、エネルギ消費量が少なくてすむ。更に、本発明の水素発生装置は、例えば温水で駆動するので、反応効率が良い。更に、本発明の水素発生装置は、水を原料とするので、エミッションレスである。また、本発明の水素発生装置は、太陽電池と水の電気分解とを組合せた発電システムと比較して、夜間等でも常時水素を発生することが可能である。
【００１４】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の水素発生装置および内燃機関を搭載した自動車であって、前記水タンクに貯留している水を排ガスの熱またはエンジンの冷却水の熱を用いて４０〜９８℃に加熱することを特徴とするものである。このように構成することによって、内燃機関の熱を利用することによりエネルギロスを低減することが可能となり、水素添加エンジンに利用して燃費の向上を図ることが可能となり、更に排ガス中への水素添加によるエミッションを低減することが可能となる。
【００１５】
請求項３に記載の発明は、シリコン粉末を封入し、両端に水の出入口を有する水素発生用カートリッジである。
このように構成することによって、前記カートリッジの水の出入口を水の循環手段と接続するだけの簡単な構成で水素を発生させることが可能となる。
特に、請求項３に記載の水素発生用カートリッジは、請求項１に記載の水素発生装置における交換用カートリッジとして好適に用いることが可能となる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
（原理）
本発明は、シリコン（Ｓｉ）と水（Ｈ_２Ｏ）との酸化反応により水素を発生させることに基づいている。まず、本発明の水素発生の原理について説明する。
Ｓｉ　＋　２Ｈ_２Ｏ　→　ＳｉＯ_２　＋２Ｈ_２　（２）
【００１７】
この際に使用するシリコンは、平均粒径２μｍ超、より好ましくは平均粒径５〜１００μｍ、更に好ましくは平均粒径１０〜４０μｍを有する粒状のシリコンである。シリコンの平均粒径が２μｍ以下であるとシリコン粒子間の空隙が小さく水がその空隙内に浸透しにくくなるため、反応が進行しにくいので好ましくない。逆にシリコンの平均粒径が大きすぎると比表面積、すなわち水との接触面積が小さくなるので反応が進行しにくい傾向になる。
【００１８】
本発明において、特に好ましいシリコンは、例えばシフタ、シービング等により所定の粒度分布に整粒したシリコン粒子である。
一方、本発明においてシリコンと反応させる水は、水道水、工業用水、海水等の種々の水を使用することができ、純水に限定されるものではない。また、本発明において使用する水は、反応系において液体である必要がある。また、本発明において反応に供する水は、ｐＨ調整等を行う必要もない。
すなわち、常圧において０℃以上でありかつ１００℃以下の水を本発明の反応に使用する。
本発明の水素製造方法において使用する水の水温は、特に制限はないが、本発明者等の実験により高いほど反応が進行することが判った。すなわち、シリコンと反応させる水の温度は、好ましくは４０℃以上、より好ましくは５０℃以上、更に好ましくは８５℃以上である。
【００１９】
また、本発明者等の実験によると、水温が低下して水素の発生量が少なくなった場合、加温することによって、再び水素の発生量を増加させることができることを見出した。
従って、水温を調節することによって、本発明の反応による水素の発生量を制御できるものと考えられる。水温を変化させるのに加えて、あるいは水温を変化させるのに代えて、反応系の圧力を変化させても同様に、本発明の反応による水素の発生量を制御できるものと考えられる。
更に、所定時間が経過して反応が進行し、二酸化ケイ素が水中に析出した場合に水素の発生量は減少するが、この際に水を新しいものに交換すると水素の発生量を増加させることが可能であることも判った。
【００２０】
（水素発生装置）
本発明は、上記の水と所定形状のシリコンとの反応により水素を発生する装置である。以下、本発明の水素発生装置について、添付図面を参照にして詳細に説明する。
図１は、本発明の水素発生装置の一実施形態を示す概略図である。
図１に示す通り、本発明の水素発生装置１は、循環ポンプＰ_１と、水が循環する水通路Ｃ_１〜Ｃ_３と、貯水用の水タンク２と、シリコン粉末から構成されたシリコン反応部３０を含むカートリッジ３と、前記カートリッジ３の上流（Ｃ_１側）に設けた水温を調整するための熱源４（図示の例では熱交換器）と、前記カートリッジ３の下流の水通路Ｃ_１上に設けた前記シリコンの酸化反応により得られた水素を分離する気液分離装置５および水素透過膜６と、前記水通路中に設けた前記シリコンの酸化反応により得られたシリコン酸化物を除去するための除去手段Ｆ_２とから主として構成されている。
【００２１】
循環ポンプＰ_１は、水タンク２に貯水された水を水タンク１の下流側の水通路Ｃ_１を介してカートリッジ３に水を圧送するものであり、自動車用部品等の従来公知のものから適宜選択される。この際に、所望に応じて、水タンク２に貯水された水の水垢やダスト等の不純物を除去する目的で、水タンクフィルタ等の除去手段Ｆ_１を設けてもよい。また、水タンク２から循環ポンプＰ_１を介してカートリッジ３へ反応に供する水の送り方は連続式でもよく、例えば１０分おきに間欠的に水を送ってもよく、あるいは連続式と間欠式を組み合わせてもよい。
【００２２】
更に、カートリッジ３の下流側の配管Ｃ_２に水の流量を測定する流量計Ｑを設け、かつカートリッジ３の上流側の配管Ｃ_１に流量調整手段、例えばゲートバルブＧＶ（またはニードルバルブ）を設けて、水の流量を制御する構成としてもよい。
また、図示しないが、水素透過膜６の下流に水素の発生量を測定する測定手段を設け、前記測定手段で測定された水素の量に応じて水の供給量を制御する構成とすることもできる。
【００２３】
水タンク２は、本発明の水素発生装置１のカートリッジ３に内蔵されたシリコンと反応させるための水を貯めるためのプラスチック製またはステンレス製のタンクである。水タンク２から循環ポンプＰ_１を介してシリコンが充填された水は、水タンクからカートリッジ３の水導入口（図示せず）までのいずれかの位置に配置された熱源４により所定温度に加温される。
なお、反応によりロスした水を水タンク２へ供給するために、カートリッジ３の下流側の配管Ｃ_２の水タンク近傍の位置（すなわち、フィルタＦ_２の下流側）に三方バルブＶを設け、ポンプＰ２から水タンク２に水を補う構成とすることができる。
【００２４】
本発明の水素発生装置１において、水を加温するのは、上記の通り水温を４０℃以上に増加すると水素発生量が増加するからである。また、図１には、熱源４をカートリッジ３の上流側の配管Ｃ_１に設ける構成としたが、熱源４の配置は、ここに限定されるものではない。例えば、熱源４をカートリッジ３に直結した構成とすることも可能であり、また水タンク２に熱源４として加熱手段を設ける構成とすることも可能である。更に、本発明の水素発生装置１を自動車搭載用とした場合には、排ガスや冷却水を用いて加温された水を使用することができる。この場合、排ガスやエンジン冷却水と熱交換するエンジンも本発明の熱源４を意味すると解釈すべきである。
【００２５】
また、本発明の水素発生装置１において、熱源４を設ける個数も特に限定されるものではなく２個以上の熱源を設けることも可能である。
これらの熱源４の配置および配置個数は、使用する用途に応じて適宜選択することができる。すなわち、図１に示す通り、熱源をカートリッジ３の上流側の配管Ｃ_１に設けると、反応に供する水を、反応サイトであるシリコン反応部３０に近い位置で加温するので、熱ロスが少なくなる点で有利であり、一方、大量の水を貯水する水タンク２に熱源を設けると（あるいは排ガスやエンジン冷却水等を使用する場合も含む）、安定した水温を得られる点で有利である。
【００２６】
このようにして、水タンク２からカートリッジ３に所定温度の水がカートリッジ３に所定の流速で通流すると、カートリッジ３におけるシリコン反応部３０に充填されたシリコン粒子と水とが反応して水素が発生する。発生した水素は、気液分離装置、例えば冷却管等により水と水素とに分離され、そして更に水素分離膜６、一般にはパラジウム、ルテニウムまたはこれらの合金製の水素分離膜６により分離されて図示しない水素供給系または水素貯蔵系へと導かれる。この実施の形態においては、気液分離装置５および水素分離膜６が水素分離手段に相当する。
【００２７】
この際にカートリッジ３に内蔵されるシリコン反応部３０は、前記の所定平均粒径を有するシリコン粒子が充填された充填層である。この際のシリコン粒子の充填の仕方は、固定床形式、流動床形式または移動床形式等の当該技術分野に周知の方法から、水の通流速度（すなわち、通流圧力）および反応効率等を考慮して適宜選択される。
更に、図１に示す本発明の水素発生装置におけるシリコン反応部３０は、一層であるが、複数層設けても良いことは言うまでもない。
【００２８】
一方、シリコン反応部３０で反応した後の水は、下流側の配管Ｃ_２を介して水タンク２に戻される。この際に、シリコン反応部３０で反応した後の水には、反応により生成したシリコン酸化物が含まれているので、下流側の配管Ｃ_１を通じて水タンク２へ流入するまでのいずれかの箇所にシリコン酸化物を除去する除去手段を設ける必要がある。かかる除去手段として、例えばフィルタによる濾過および遠心分離による分離等の手段が挙げられるが、図１に示す例においては構成が簡単なフィルタＦ_１を除去手段とした。
【００２９】
このようにして、本発明の水素発生装置１は、水を循環させながら、カートリッジ３に内蔵されたシリコン反応部３０により水素を効率的に発生させる装置である。
なお、本発明の水素発生装置１が作動していないとき、すなわち停止状態にある時には、カートリッジ３内には水が存在しないことが望ましい。カートリッジ３内の水を抜き取る方法として、例えば、カートリッジ３のシリコン反応部３０の上流側の低部に水の抜き取り用のＣ_Ｄ配管を設けて、水抜き用のドレインバルブＤＶの開閉により水タンク２から不要な水を落とす構成とすることができる。カートリッジ３のシリコン反応部３０の上流側の低部にこのような抜き取り用のＣ_Ｄ配管を設けると比較的クリーンな水を水タンク２に供給することとなる。
【００３０】
このようにして構成された本発明の水素発生装置は、水を燃料とするので特別なインフラストラクチャが不要となる。また、燃料改質器を使用するものと比較して、本発明の水素発生装置は、構成が非常に簡単であり、エネルギ消費量が少なくてすむ。更に、本発明の水素発生装置は、温水で駆動するので、反応効率が良い。更に、本発明の水素発生装置は、水を原料とするので、エミッションレスである。また、本発明の水素発生装置は、太陽電池と水の電気分解とを組合せた発電システムと比較して、夜間等でも常時水素を発生することが可能である。従って、このような本発明の水素発生装置は、内燃機関とともに自動車に搭載すると、前記自動車のエネルギ源として有効に活用することができる。
【００３１】
この場合、本発明の水素発生装置の熱源として、自動車の有する排ガスやエンジンの冷却水を熱源とすると、エネルギ的にも有利である。
なお、本発明の水素発生装置は、例えば燃料電池搭載自動車やハイブリッド燃料自動車や電気自動車の補助エネルギとしても使用することが可能である。その場合には、例えば本発明の水素発生装置により発生した水素は、例えば従来技術で記載した燃料タンクへと導くことが可能である。
【００３２】
さらに、本発明の最も簡単な構成として、図１に示す水素発生用のカートリッジ３を単独で使用することが可能である。すなわち、図１で説明した、水素発生用のカートリッジ３は、本発明の交換用のカートリッジとして好適に用いることが可能であるとともに、水を循環させることなしにカートリッジ３の入口からシリコン反応部３０を介してカートリッジの出口に向かって水を流すことにより、水素を発生させることができる。
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明は次ぎの優れた効果を奏する。
請求項１に係る発明は、燃料タンクを必要とする従来技術と比較して、本発明の水素発生装置は、水を燃料とするので特別なインフラストラクチャが不要となる。また、燃料改質器を使用するものと比較して、装置が非常に簡単であり、エネルギ消費量が少なくてすむ。更に、本発明の水素発生装置は、例えば温水で駆動するので、反応効率が良い。更に、本発明の水素発生装置は、水を原料とするので、エミッションレスである。また、本発明の水素発生装置は、太陽電池と水の電気分解とを組合せた発電システムと比較して、夜間等でも常時水素を発生することが可能である。
【００３３】
請求項２に係る発明は、内燃機関の熱を利用することによりエネルギロスを低減することが可能となり、水素添加エンジンに利用して燃費の向上を図ることが可能となり、更に排ガス中への水素添加によるエミッションを低減することが可能となる。
請求項３に係る発明は、前記カートリッジの水の出入口を水の循環手段と接続するだけの簡単な構成で水素を発生させることが可能となる。
特に、請求項３に記載の水素発生用カートリッジは、請求項１に記載の水素発生装置における交換用カートリッジとして好適に用いることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の水素発生装置の一実施形態を示す概略図である。
【符号の説明】
１　　　　　水素発生装置
２　　　　　水タンク
３　　　　　カートリッジ
３０　　　　シリコン反応部
４　　　　　熱源
５　　　　　気液分離装置
６　　　　　水素透過膜

Claims (3)

1. 貯水用の容器と、
   シリコン粉末を封入したカートリッジと、
   前記カートリッジに水を通過させるための循環手段と、
   水を加熱するための熱源と、
   前記カートリッジで発生した水素を収集する水収集手段と、
   前記カートリッジで発生した酸化シリコンを除去するためのシリコン酸化物除去手段と、
   を含むことを特徴とする水素発生装置。
2. 請求項１に記載の水素発生装置および内燃機関を搭載した自動車であって、
   前記水タンクに貯留している水を排ガスの熱またはエンジンの冷却水の熱を用いて４０〜９８℃に加熱することを特徴とする水素発生装置を搭載した自動車。
3. シリコン粉末を封入し、両端に水の出入口を有する水素発生用カートリッジ。

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