JP2009184886A - 組成物、水素発生器、及び、燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【課題】 無機水素化物を高濃度で水素発生反応させると、投入した無機水素化物の２０倍以上の体積となるフォーム状生成物が形成され、無機水素化物の周囲に滞留してしまうという問題に対し、無機水素化物と水とを均一に効率よく接触させて、要求される速度で水素を発生させることが可能であり、且つ、高水素貯蔵密度となる組成物を提供することを目的とする。
【解決手段】 無機水素化物、金属塩化物、水とから成る組成物であって、前記無機水素化物、前記金属塩化物、前記水は、互いに接触して水素を発生する反応物とした。
【選択図】 なし
【解決手段】 無機水素化物、金属塩化物、水とから成る組成物であって、前記無機水素化物、前記金属塩化物、前記水は、互いに接触して水素を発生する反応物とした。
【選択図】 なし
Description
本発明は、燃料電池のような水素を必要とする装置に供給するための水素を発生させる組成物、水素発生器、及び、この水素を用いて発電する燃料電池システムに関する。
近年のエネルギー問題や環境問題の高まりから、化石燃料以外で、排出物がクリーンな燃料として、水素への期待が高まっている。しかし水素には製造、貯蔵、運搬、利用技術などあらゆる点で課題があり、取扱い技術の開発が急務である。
水素を利用した発電装置としては、燃料電池や内燃機関が挙げられる。これらの発電装置は、地域分散電源、ビル、家庭、自動車、携帯機器などあらゆる業種を対象としている。いずれの場合も所定量の水素を速やかに供給する必要があり、また、特に自動車や携帯機器においては発電装置を設置するスペースの関係上、水素供給器及び水素発生材料を高水素貯蔵密度にすることが求められている。
従来、水素を高水素貯蔵密度に保持する方法として、ケミカルハイドライドと呼ばれる無機水素化物を加水分解する方法が知られている。例えば無機水素化物の一種である水素化ほう素リチウムや水素化ほう素ナトリウム、水素化アルミニウムリチウム、水素化アルミニウムナトリウムをアルカリ水溶液に溶解し、その水溶液を貴金属触媒に供給して接触させ、水素発生反応を起こす方法、水やアルコールを無機水素化物に供給して、水素発生反応を起こす方法などが知られている（例えば特許文献１参照）。
この技術によれば水素貯蔵密度を１０ｗｔ％とすることが可能である。その他の水素貯蔵方法、例えば水素吸蔵合金の水素貯蔵密度はせいぜい３ｗｔ％程度であり、無機水素化物の水素貯蔵密度の有効性は明らかである。
水素化ほう素ナトリウムを例に挙げて、加水分解型の無機水素化物の反応条件について説明する。水素化ほう素ナトリウムは以下の反応で水素を発生する。
NaBH4 + 2H2O => NaBO2 + 4H2
このように化学量論的には、水素化ほう素ナトリウムはほぼ同重量の水と反応が進むが、実際には大過剰の水を加えて反応効率を向上させている。無機水素化物の重量に対する水の重量の比率は、０．５〜２．２２となることが好ましいとの発明の開示がある（例えば特許文献２参照）。この比率は無機水素化物を水溶液化したときの水素放出特性の点からであるが、水素貯蔵密度も６〜１０ｗｔ％が得られ、この点でも有効性の高い組成となっている。
特開２００３−２０６１０１号公報（第４−６頁、図１）
特開２００２−２０１００１号公報
NaBH4 + 2H2O => NaBO2 + 4H2
このように化学量論的には、水素化ほう素ナトリウムはほぼ同重量の水と反応が進むが、実際には大過剰の水を加えて反応効率を向上させている。無機水素化物の重量に対する水の重量の比率は、０．５〜２．２２となることが好ましいとの発明の開示がある（例えば特許文献２参照）。この比率は無機水素化物を水溶液化したときの水素放出特性の点からであるが、水素貯蔵密度も６〜１０ｗｔ％が得られ、この点でも有効性の高い組成となっている。
しかしながら、従来の通り、無機水素化物を高濃度で水素発生反応させるとフォーム状生成物が形成される。このフォーム状生成物の体積は投入した無機水素化物の２０倍の体積となる場合がある。これは発生した水素を巻き込みながら生成物が生成され、またその気泡が破れることなく維持されるためにおきる現象である。理由として、生成物であるメタほう酸ナトリウムの水和性や分子間相互作用により発生する粘性が関与していると考えられる。従って、このフォーム状生成物は無機水素化物の周囲に滞留してしまい、反応が阻害され、所望の水素発生速度を得るのに複雑な制御が必要となるという問題が生じる。また、このフォーム状生成物を収めるための空間が水素発生器内に必要となり、体積当たりの水素貯蔵密度が小さくなるという問題が生じる。
一方、水重量の比率が１０以上になるとこの現象が見られなくなる。しかし水重量比率増大により水素貯蔵密度は２％以下となり、水素貯蔵密度が小さくなるという問題が生じる。
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、本発明は、無機水素化物と水とを混合した際にフォーム状生成物を生じさせることが無く、均一に効率よく無機水素化物と水とを接触させ、要求される速度で水素を発生させることが可能であり、且つ、高水素貯蔵密度となる組成物、水素発生器を提供することを目的とする。
また、ここで発生した水素を燃料として用いることにより、高エネルギー密度となる燃料電池システムを提供することを目的とする。
上記目的を達成するための本発明の請求の範囲１に記載の組成物は、無機水素化物、金属塩化物、水とから成る第一の組成物であって、前記無機水素化物、前記金属塩化物、前記水とは互いに接触して水素を発生する反応物であることを特徴としている。
これにより、水素発生反応時にフォーム状生成物を全く生じないか、もしくは、生じても速やかに破泡する。従って、組成物周囲にフォーム生成物の体積が大きくならず、組成物の相互接触をスムーズに進められるため、均一な反応速度を得やすくなる。
前記無機水素化物は、金属水素化物もしくは無機水素化物である。特に、無機水素化物は水素化ほう素塩が好ましい。塩の金属、及び、金属水素化物の金属は、アルカリ金属もしくはアルカリ土類金属であることが好ましい。例えば、水素化ほう素ナトリウム、水素化ほう素カリウム、水素化アルミニウムリチウム、水素化リチウム、水素化ナトリウム、水素化マグネシウム、水素化カルシウムなどが挙げられる。
また金属塩化物は、第四周期遷移金属であることが特に好ましい。適用可能な物質として、塩化鉄、塩化コバルト、塩化ニッケルが挙げられる。
前記金属塩化物を前記水に対して、０．００１以上０．０７以下のモル比で混合することを特徴としている。
これにより、金属塩化物によるフォーム状生成物の破泡効果を、特に得ることが出来るようになる。
前記第一の組成物と酸とから成る第二の組成物であって、前記第一の組成物と前記酸とは互いに接触して水素を発生する反応物であることを特徴としている。
これにより、水素発生速度を速めることが可能となる。これまでは水を多量に使用することにより可能であった水素発生速度の向上を、水を多く使用することなく実施することが可能となる。
前記酸を前記水に対して、０．００５以上０．２以下のモル比で混合することを特徴としている。
この組成比によると水素発生速度の向上が著しいため、利用し易い形態とすることが出来る。
酸は、不揮発性酸であることが好ましい。それは発生した水素に酸の揮発成分が混入すること、酸性度が低下することなどを避けるためである。酸としては、クエン酸、コハク酸、リンゴ酸、フマル酸、マレイン酸、マロン酸などの有機酸や硫酸をあげることができる。
前記金属塩化物を前記水に対して、０．００４以上０．０４以下のモル比で混合することを特徴としている。
これによれば、酸を加えた場合の破泡効果が特に高く得られる。
前記金属塩化物を前記水に対して、０．００７以上０．５以下の重量比で混合することを特徴としている。
これにより、金属塩化物によるフォーム状生成物の破泡効果を、特に得ることが出来るようになる。
前記第一の組成物と酸とから成る第二の組成物であって、前記第一の組成物と前記酸とは互いに接触して水素を発生する反応物であることを特徴としている。
これにより、水素発生速度を速めることが可能となる。これまでは水を多量に使用することにより可能であった水素発生速度の向上を、水を多く使用することなく実施することが可能となる。
前記酸を前記水に対して、０．０５以上１．３以下の重量比で混合することを特徴としている。
この組成比によると水素発生速度の向上が著しいため、利用し易い形態とすることが出来る。
前記金属塩化物を前記水に対して、０．０３以上０．３以下の重量比で混合することを特徴としている。
これによれば、酸を加えた場合の破泡効果が特に高く得られる。
前記組成物を容器内に収容し、前記組成物を互いに接触させて水素発生反応を生じさせる反応部と、水素排出口から成ることを特徴としている。
これにより、水素発生器内にフォーム状生成物が生成しにくいため、これを収めるための空間が不必要となり、水素発生器を小さくすることが出来るようになる。高水素貯蔵密度の水素発生器とすることが出来るようになる。
前記水素発生器と、水素を通す流路、流路を通って移動した水素が電気化学反応によって反応する発電部から成り、前記水素発生器の前記水素排出口と前記流路とを接続し、前記水素発生器で発生する水素を用いて発電することを特徴としている。
これにより、水素発生器の体積が小さい燃料電池システムを形成することが出来るようになるため、高エネルギー密度とすることが出来るようになる。
以上説明したように、本発明において、無機水素化物、金属塩化物、水とから成る第一の組成物であって、前記無機水素化物、前記金属塩化物、前記水とは互いに接触して水素を発生する反応物とした。また水に対する金属塩化物のモル比を０．００１以上０．０７以下と規定し、更に、これに酸を加えて第二の組成物とした。これにより、組成物を形成する際に生成する生成物の体積を小さく抑えることができるようになり、また、組成物の周囲に生成物のフォームが形成されづらくなったことから、高水素密度の材料とし、制御性の良い反応を生じることが可能となった。
またこの組成物を用いて水素発生器、燃料電池システムを形成したため、高エネルギー密度の装置を提供することができるようになった。
以下本発明の実施の形態を図１の表に基づき詳細に説明する。本実施形態例の組成物は、無機水素化物として水素化ほう素ナトリウム、水、及び、表に示す各種金属塩化物、酸で構成されている。表にはＮｏ．１からＮｏ．１０までの１０通りの実施形態例と、比較例１から比較例３までの３通りの比較例とを示し、金属塩化物と酸に関して、組成物に含まれる水に対する重量比を記した。また表の最右欄には、組成物に対する生成物の体積の比率を記し、本実施形態例の有効性を示した。
表の組成物に対する生成物の体積比は、次の二方法にて評価した。第一の方法としては、金属塩化物、酸、水を表の重量比で混合して水溶液を作り、この水溶液を固体の水素化ほう素ナトリウムに対して少量ずつ供給して組成物を形成していった。水溶液を供給する時に水素発生反応が生じ、水素及び生成物が得られた。この生成物の体積を初期の組成物の合計体積で除して、組成物に対する生成物の体積比を算出した。
第二の方法としては、水素化ほう素ナトリウムと水とを混合して水素化物水溶液を作り、これを表の重量比で用意された金属塩化物と酸とに少量ずつ供給して組成物を形成していった。第一の方法と同様に水溶液を供給する時に水素発生反応が生じ、水素及び生成物が得られた。この生成物の体積を初期の組成物の合計体積で除して、組成物に対する生成物の体積比を算出した。
比較例では、いずれの生成物とも初期の組成物に対して２０倍以上の体積に膨張した。生成物は非常に粘度が高いため破泡しづらく、水素を気泡として含んでいたため体積が膨大になっていた。
それに対し、本実施形態例の組成物では、組成物に対する生成物の体積比は１３倍以下となり、生成物の体積低下効果が大きくなった。特に、塩化ニッケル０．６、リンゴ酸０．３３、もしくは塩化ニッケル０．１０、クエン酸０．３３の重量比の組み合わせでは、体積比は１．２倍と殆ど膨張しなかった。
尚、第一の方法と第二の方法による評価の結果、同条件の組成物では、生成物の体積はどちらもほぼ等しくなった。
Claims (11)
- 無機水素化物、金属塩化物、水とから成る第一の組成物であって、
前記無機水素化物、前記金属塩化物、前記水は、互いに接触して水素を発生する反応物であることを特徴とする組成物。 - 前記金属塩化物を前記水に対して、０．００１以上０．０７以下のモル比で混合することを特徴とする請求項１記載の組成物。
- 前記第一の組成物と酸とから成る第二の組成物であって、
前記第一の組成物と前記酸は、互いに接触して水素を発生する反応物であることを特徴とする請求項２記載の組成物。 - 前記酸を前記水に対して、０．００５以上０．２以下のモル比で混合することを特徴とする請求項３記載の組成物。
- 前記金属塩化物を前記水に対して、０．００４以上０．０４以下のモル比で混合することを特徴とする請求項４記載の組成物。
- 前記金属塩化物を前記水に対して、０．００７以上０．５以下の重量比で混合することを特徴とする請求項１記載の組成物。
- 前記第一の組成物と酸とから成る第二の組成物であって、
前記第一の組成物と前記酸は、互いに接触して水素を発生する反応物であることを特徴とする請求項６記載の組成物。 - 前記酸を前記水に対して、０．０５以上１．３以下の重量比で混合することを特徴とする請求項７記載の組成物。
- 前記金属塩化物を前記水に対して、０．０３以上０．３以下の重量比で混合することを特徴とする請求項８記載の組成物。
- 請求項１から９のいずれかに記載の組成物を収容し、前記組成物を互いに接触させて水素発生反応を生じさせる反応部と、水素排出口から成ることを特徴とする水素発生器。
- 請求項１０に記載の水素発生器と、水素を通す流路と、前記流路を通って移動した水素が電気化学反応によって反応する発電部から成り、前記水素発生器の前記水素排出口と前記流路とを接続し、前記水素発生器で発生する水素を用いて発電することを特徴とする燃料電池システム。
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| JP2008027437A JP2009184886A (ja) | 2008-02-07 | 2008-02-07 | 組成物、水素発生器、及び、燃料電池システム |
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| JP2008027437A Withdrawn JP2009184886A (ja) | 2008-02-07 | 2008-02-07 | 組成物、水素発生器、及び、燃料電池システム |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2015026292A1 (en) * | 2013-08-22 | 2015-02-26 | Horizon Fuel Cell Technologies Pte. Ltd. | Process and apparatus for generating hydrogen |
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-
2008
- 2008-02-07 JP JP2008027437A patent/JP2009184886A/ja not_active Withdrawn
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