JP3888880B2 - 水素吸蔵材を使用する水素精製装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、粉粒状の水素吸蔵材を冷却しながら、その水素吸蔵材に水素含有ガスを接触させて水素含有ガス中の水素ガスを吸蔵させ、その後、水素ガスを吸蔵した水素吸蔵材を加熱して水素吸蔵材から水素ガスを放出させ、これを繰り返すことにより、水素含有ガスから水素ガスを精製するのに使用される水素吸蔵材を使用する水素精製装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
このような水素吸蔵材を使用する水素精製装置では、従来、粉粒状の水素吸蔵材がひとつの容器内に収容されていて、そのひとつの容器内において、粉粒状の水素吸蔵材を冷却することによって、水素吸蔵材に水素ガスを吸蔵させ、水素吸蔵材を加熱することによって、水素ガスを吸蔵した水素吸蔵材から水素ガスを放出させるように構成されていた。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、従来の水素精製装置では、ひとつ容器内において粉粒状の水素吸蔵材を冷却して水素ガスを吸蔵させた後、再び同じ容器内において水素吸蔵材を加熱して水素ガスを放出させることになり、換言すると、いったん冷却した容器を加熱する必要があり、加熱効率が悪くなってランニングコストが高価になる欠点があった。
特に、粉粒状の水素吸蔵材における水素ガスの吸蔵と放出を連続的に繰り返す場合には、冷却した容器を加熱し、更に、その加熱した容器を冷却しなければならず、ランニングコストが一層高価になる欠点があった。
【0004】
本発明は、このような従来の問題点に着目するとともに、粉粒状の水素吸蔵材に対する水素ガスの吸蔵をも改善しようとするもので、その目的は、ランニングコストの削減を図るとともに、短時間のうちに効率よく水素ガスを吸蔵させて精製することのできる水素吸蔵材を使用する水素精製装置を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】
〔構成〕
請求項1の発明の特徴構成は、図1〜図3に例示するごとく、粉粒状の水素吸蔵材Mに水素含有ガスを接触させて水素ガスを吸蔵させる水素吸蔵容器1と、水素ガスを吸蔵した水素吸蔵材Mから水素ガスを放出させる水素放出容器2とが各別に設けられ、前記水素吸蔵容器1と水素放出容器2が、前記粉粒状の水素吸蔵材Mを搬送する搬送手段7により接続され、前記水素吸蔵容器1が、その水素吸蔵容器1に収容された前記粉粒状の水素吸蔵材Mを強制的に流動させる流動手段として多数の開口3aを有する分散板3を備えていて、その分散板3の上方に収容された前記粉粒状の水素吸蔵材Mを前記分散板3の下方から前記開口3aを通って吹き上げられる水素含有ガスにより流動させて、その流動される前記粉粒状の水素吸蔵材Mに対して水素含有ガスを接触させるように構成され、前記分散板3が、横方向の軸心L周りに回転可能に構成されて、その軸心L周りでの上下方向への回転により、その上方に前記粉粒状の水素吸蔵材Mを収容する作用姿勢Aと、前記粉粒状の水素吸蔵材Mを下方に落下させる非作用姿勢Bとに姿勢変更可能に構成されているところにある。
【0006】
請求項2の発明の特徴構成は、図2に例示するごとく、前記分散板3が、単一の分散板で構成されて、前記軸心L周りに回転可能に構成されているところにある。
【0007】
請求項3の発明の特徴構成は、図3に例示するごとく、前記分散板3が、左右一対の分散板で構成されて、その左右の分散板が、前記軸心L周りに各別に回転可能に構成されているところにある。
【0008】
なお、上述のように、図面との対象を便利にするために符号を記したが、該記入により本発明は添付図面の構成に限定されるものではない。
【0009】
〔作用および効果〕
請求項1の発明の特徴構成によれば、粉粒状の水素吸蔵材に水素含有ガスを接触させて水素ガスを吸蔵させる水素吸蔵容器と、水素ガスを吸蔵した水素吸蔵材から水素ガスを放出させる水素放出容器とが各別に設けられているため、水素吸蔵容器においては、水素吸蔵材の冷却のみを行えばよく、水素放出容器においては、水素吸蔵材の加熱のみを行えばよいので、上述した従来の装置に較べて冷却と加熱に要するエネルギを削減することができ、ランニングコストの低廉化を図ることができるとともに、水素吸蔵容器と水素放出容器とは、粉粒状の水素吸蔵材を搬送する搬送手段により接続されているので、水素吸蔵容器から水素放出容器への水素吸蔵材の搬送は支障なく行われる。
それに加えて、水素吸蔵容器が、その水素吸蔵容器に収容された粉粒状の水素吸蔵材を強制的に流動させる流動手段を備えていて、その流動手段により流動される粉粒状の水素吸蔵材に対して水素含有ガスを接触させるように構成されているので、粉粒状の水素吸蔵材に対する水素含有ガスの接触が促進され、水素吸蔵材に対して水素含有ガス中の水素ガスを短時間のうちに効率よく吸蔵させて水素を精製することができる。
【0010】
そして、請求項1の発明の特徴構成によれば、粉粒状の水素吸蔵材を強制的に流動させる流動手段として多数の開口を有する分散板を備えていて、その分散板の上方に収容された粉粒状の水素吸蔵材を分散板の下方から前記開口を通って吹き上げられる水素含有ガスにより流動させて、その流動される粉粒状の水素吸蔵に対して水素含有ガスを接触させるように構成されているので、流動手段そのものを簡単な分散板で構成することにより、装置の簡素化とコストダウンを図り得るのに加えて、水素吸蔵容器内に供給される水素含有ガスの有するエネルギを有効に利用して、粉粒状の水素吸蔵材を確実に流動させることができる。
すなわち、流動手段としては、粉粒状の水素吸蔵材を撹拌して流動させる撹拌具などを使用することもできるが、その場合には、構造的に複雑になって装置のコストアップを招くとともに、撹拌具を駆動するための駆動源が必要となってランニングコストのコストアップをも招く可能性があるが、上述のように装置のコストダウンに加えて、水素含有ガスのエネルギを有効に利用することにより、ランニングコストのコストアップを招くことなく、水素吸蔵材の流動化を図ることができる。
【0011】
さらに、請求項1の発明の特徴構成によれば、流動手段を構成する分散板が、横方向の軸心周りに回転可能に構成されて、その軸心周りでの上下方向への回転により、その上方に粉粒状の水素吸蔵材を収容する作用姿勢と、粉粒状の水素吸蔵材を下方に落下させる非作用姿勢とに姿勢変更可能に構成されているので、分散板を作用姿勢にすることで水素吸蔵材の流動化を確実に図ることができ、かつ、非作用姿勢にすることで水素吸蔵材を下方に落下させることができ、前記搬送手段による水素吸蔵材の水素放出容器への搬送を合理的に行うことができる。
そして、請求項2の発明の特徴構成によれば、流動手段を構成する分散板が、単一の分散板で構成されて、前記軸心周りに回転可能に構成され、請求項3の発明の特徴構成によれば、流動手段を構成する分散板が、左右一対の分散板で構成されて、その左右の分散板が、前記軸心周りに各別に回転可能に構成されている。
【0012】
【発明の実施の形態】
本発明による水素吸蔵材を使用する水素精製装置につき、その実施の形態を図面に基づいて説明する。
水素吸蔵材を使用する水素精製装置は、図1に示すように、粉末そして/または粒状である粉粒状の水素吸蔵材としての水素吸蔵合金Mに対して水素含有ガスを接触させて水素ガスを吸蔵させるとともに、その水素ガスを吸蔵した水素吸蔵合金Mを収容する水素吸蔵容器1と、水素ガスを放出した粉粒状の水素吸蔵合金Mを収容する水素放出容器2とが各別に設けられ、これら両容器1,2は、上部が円筒状で、下部が円錐状に構成されている。
【0013】
水素吸蔵容器1内における円筒状部分の下方には、図2に詳しく示すように、多数の開口3aを有する単一の分散板3が位置されて、取り付け軸4により横方向の軸心L周りに上下方向へ90度回転可能な状態で水素吸蔵容器1に取り付けられている。
この分散板3は、分散板3の下方から多数の開口3aを通って吹き上げられる水素含有ガスによって、分散板3の上方に収容された粉粒状の水素吸蔵合金Mを強制的に流動させる流動手段として機能するもので、図2の(イ)に示すように、ほぼ水平姿勢に保持されて上方に水素吸蔵合金Mを収容する作用姿勢Aと、図2の(ロ)に示すように、ほぼ垂直姿勢に保持されて水素吸蔵合金Mを下方に落下させる非作用姿勢Bとに姿勢変更可能に構成されている。
【0014】
分散板3の姿勢変更に関しては、図2に示した回転以外にも、例えば、図3に示すように、取り付け軸4を中心として左右の分散板3を各別に構成して、その左右一対の分散板3を軸心L周りに各別に折れ曲がるように構成することもできる。
この図3に示す実施形態では、(イ)に示すように、左右の分散板3がほぼ水平姿勢に保持されて上方に水素吸蔵合金Mを収容する作用姿勢Aと、(ロ)に示すように、左右の分散板3がほぼ垂直姿勢に折れ曲がって水素吸蔵合金Mを下方に落下させる非作用姿勢Bとに姿勢変更可能に構成されている。
【0015】
このような分散板3を備えた水素吸蔵容器1内には、分散板3の上方に収容された粉粒状の水素吸蔵合金Mを冷却するための吸蔵用熱交換器5が配設され、他方、水素放出容器2内には、水素吸蔵合金Mを加熱するための放出用熱交換器6が配設されている。
水素吸蔵合金Mは、一般に、LaNi5 で代表されるAB5 型、TiMn2 で代表されるAB2 型、TiFeで代表されるAB型、Mg2 Niで代表されるA2 B型、V系合金で代表されるBCC固溶体型と呼ばれる水素吸蔵合金などであり、図示はしないが、両容器1,2には、水素吸蔵合金Mの温度を計測する温度センサと容器内圧力を計測する圧力センサとがそれぞれ設けられている。
【0016】
水素吸蔵容器1の下部と水素放出容器2の上部は、水素吸蔵容器1内の水素吸蔵合金Mを水素放出容器2へ搬送する搬送手段としての第1ダクト7によって互いに連通接続され、その第1ダクト7には、第1ダクト7内を通流する水素吸蔵合金Mを加熱するための第1熱交換器8が備えられ、かつ、第1仕切弁9が設けられている。
同様に、水素放出容器2の下部と水素吸蔵容器1の上部も、水素放出容器2内の水素吸蔵合金Mを水素吸蔵容器1へ搬送する搬送手段としての第2ダクト10によって互いに連通接続され、その第2ダクト10には、第2ダクト10内を通流する水素吸蔵合金Mを冷却するための第2熱交換器11が備えられ、かつ、第2仕切弁12が設けられている。
【0017】
この第1と第2のダクト7,10による両容器1,2間での水素吸蔵合金Mの搬送は、水素濃度の低い水素含有ガスを搬送ガスCGとするガス輸送によって行われ、そのため、第1ダクト7と第2ダクト10に搬送ガスCGを供給するファンあるいはコンプレッサ13がひとつだけ設けられている。
そして、そのファンあるいはコンプレッサ13の吐出口には、第1搬送ダクト14と第2搬送ダクト15が接続されて、第1搬送ダクト14は第1ダクト7に、第2搬送ダクト15は第2ダクト10にそれぞれ連通接続され、かつ、第1搬送ダクト14には第3仕切弁16が、第2搬送ダクト15には第4仕切弁17がそれぞれ設けられている。
【0018】
水素吸蔵容器1の上部には、第5仕切弁19を有する第1回収ダクト18が連通接続され、水素放出容器2の上部には、第6仕切弁21を有する第2回収ダクト20が連通接続されて、両回収ダクト18,20が、水素ガス回収部22に接続されている。
そして、第1回収ダクト18は、第7仕切弁24を有する第1補助ダクト23を介して第1ダクト7に、第2回収ダクト20は、第8仕切弁26を有する第2補助ダクト25を介して第2ダクト10にそれぞれ接続され、さらに、第9仕切弁28を有し、かつ、水素吸蔵容器1の上部に接続された第3補助ダクト27が、ファンあるいはコンプレッサ13の吐出口に接続されている。
【0019】
このようにして水素吸蔵材を使用する水素精製装置は、粉粒状の水素吸蔵合金Mを収容する2つの水素吸蔵容器1と水素放出容器2、搬送ガスCGを供給するファンあるいはコンプレッサ13、ならびに、それらを接続する多数のダクト7,10,14,15,18,20,23,25,27などで構成され、少なくとも、水素吸蔵合金Mを搬送するための第1ダクト7と第2ダクト10においては、そのダクトの内径Dと曲率半径Rとの比R/Dが6以上、好ましくは、6〜10の範囲になるように設定されている。
なお、第1と第2ダクト7,10以外のダクト14,15,18,20,23,25,27についても、そのダクトの内径Dと曲率半径Rとの比R/Dを6〜10の範囲に設定するのが好ましい。
【0020】
この水素精製装置は、全て図外の制御装置による制御の基で作動されるのであり、つぎに、その主要な作動について具体的な一例を説明する。
粉粒状の水素吸蔵合金Mとして、例えば、平均粒径が35μm程度の活性化したLaNi5 を10kg使用し、内容積が8Lの水素吸蔵容器1内に、つまり、分散板3を作用姿勢Aにして、その上方に充填して容器1を密閉する。
第1搬送ダクト14の第3仕切弁16を開けて、ファンあるいはコンプレッサ13を駆動し、水素吸蔵容器1の下方に水素が75%含まれた水素含有ガスを供給すると同時に、第3補助ダクト27の第9仕切弁28を開けて、その水素含有ガスを循環させる。
【0021】
循環する水素含有ガスは、分散板3に設けられた多数の開口3a、具体的には、直径が20μm程度の多数の開口3aを通って上方へ吹き上げられ、その吹き上げに伴って分散板3の上方に収容された粉粒状の水素吸蔵合金Mが流動状態となり、その流動状態にある水素吸蔵合金Mに対して水素含有ガスが接触することになる。
したがって、水素吸蔵合金Mは、効率よく水素含有ガス中の水素ガスを吸蔵することになり、水素ガスの吸蔵に伴って発生する反応熱は、吸蔵用熱交換器5による冷却により除去され、不純物リッチとなった水素含有ガスは、そのまま循環させることもできるが、系外に排出するのが好ましい。
水素吸蔵合金Mが十分に水素ガスを吸蔵し、水素吸蔵容器1内の圧力がゲージ圧力で2〜6kg/cm2 になった時点で、第9仕切弁28を閉めて水素含有ガスの供給を停止するとともに、分散板3を非作用姿勢Bに姿勢変更して、水素吸蔵合金Mを下方の円錐部分に落下させる。
【0022】
そして、第1ダクト7と水素放出容器2をパージして水素ガス以外の不純物を除去した後、必要に応じて第3仕切弁16も開けて搬送ガスCGを送り込み、0.15〜5L/minの搬送ガスCGが第1ダクト7を通流するように設定して第1仕切弁9を開ける。
第1ダクト7は第1熱交換器8により80℃程度に温度調整されており、水素吸蔵合金Mは、第1ダクト7を通流する間に加熱されて水素ガスを放出しながら、水素放出容器2内へ高密度で、かつ、0.5〜2.5kg/min程度の速さで搬送される。
水素ガスを放出した水素吸蔵合金Mは、水素放出容器2内において放出用熱交換器6により加熱されて未放出の水素ガスも放出され、放出された水素ガスは、第6仕切弁21を開けることにより、水素放出容器2から第2回収ダクト20を介して水素ガス回収部22に送られ、純度が99.99%程度の高純度の水素ガスが回収される。
【0023】
水素放出容器2内の水素吸蔵合金Mを水素吸蔵容器1へ搬送するには、第4仕切弁17を開けて水素ガスが75%含まれた水素含有ガスを搬送ガスCGとして、その0.15〜5L/minの水素含有ガスが第2ダクト10を通流するように設定した上で、水素放出容器2内を水素ガスによりゲージ圧力で2〜6kg/cm2 にまで加圧して第2仕切弁12を開ける。
第2ダクト10は第2熱交換器11により30℃程度に温度調整されており、水素吸蔵合金Mは、水素含有ガスによって第2ダクト10を通流してガス輸送される間に冷却されて、搬送ガスCGとしての水素含有ガス中の水素ガスを吸蔵しながら、水素吸蔵容器1内へ高密度で、かつ、0.5〜2.5kg/min程度の速さで搬送されて、水素ガスを吸蔵した水素吸蔵合金Mが水素吸蔵容器1内に収容されるのであり、このような作動を繰り返して水素吸蔵合金Mを循環させることにより、水素の吸蔵と放出を連続的に繰り返しながら、水素ガス回収部22により回収した高純度の水素ガスを燃料電池などに使用したり、水素の吸蔵に伴う発熱や水素の放出に伴う吸熱を各種の装置に利用するのである。
【0024】
〔別実施形態〕
(1)先の実施形態では、水素吸蔵容器1内の水素吸蔵合金Mを水素放出容器2へ搬送する搬送手段として、また、水素放出容器2内の水素吸蔵合金Mを水素吸蔵容器1へ搬送する搬送手段として搬送ガスCGによるガス輸送を示したが、これらの搬送手段をスクリューコンベヤやベルトコンベヤのような機械式の搬送装置で構成することもできる。
【0025】
(2)先の実施形態では、水素吸蔵材の一例として水素吸蔵合金Mを示したが、水素吸蔵合金Mに代えて、カーボンナノチューブ、カーボンナノコイル、カーボンナノファイバと呼ばれる水素を吸蔵・放出する特性を有する炭素化合物の粉粒体を使用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図1】水素吸蔵材を使用する水素精製装置を示す概略構成図
【図2】水素吸蔵容器の流動手段の作用を示す断面図
【図3】別の実施形態による水素吸蔵容器の流動手段の作用を示す断面図
【符号の説明】
1 水素吸蔵容器
2 水素放出容器
3 流動手段としての分散板
3a 分散板の開口
7 搬送手段
A 分散板の作用姿勢
B 分散板の非作用姿勢
L 軸心
M 粉粒状の水素吸蔵材
Claims (3)
- 粉粒状の水素吸蔵材に水素含有ガスを接触させて水素ガスを吸蔵させる水素吸蔵容器と、水素ガスを吸蔵した前記水素吸蔵材から水素ガスを放出させる水素放出容器とが各別に設けられ、
前記水素吸蔵容器と水素放出容器が、前記粉粒状の水素吸蔵材を搬送する搬送手段により接続され、
前記水素吸蔵容器が、その水素吸蔵容器に収容された前記粉粒状の水素吸蔵材を強制的に流動させる流動手段として多数の開口を有する分散板を備えていて、その分散板の上方に収容された前記粉粒状の水素吸蔵材を前記分散板の下方から前記開口を通って吹き上げられる水素含有ガスにより流動させて、その流動される前記粉粒状の水素吸蔵材に対して水素含有ガスを接触させるように構成され、
前記分散板が、横方向の軸心周りに回転可能に構成されて、その軸心周りでの上下方向への回転により、その上方に前記粉粒状の水素吸蔵材を収容する作用姿勢と、前記粉粒状の水素吸蔵材を下方に落下させる非作用姿勢とに姿勢変更可能に構成されている水素吸蔵材を使用する水素精製装置。 - 前記分散板が、単一の分散板で構成されて、前記軸心周りに回転可能に構成されている請求項1に記載の水素吸蔵材を使用する水素精製装置。
- 前記分散板が、左右一対の分散板で構成されて、その左右の分散板が、前記軸心周りに各別に回転可能に構成されている請求項1に記載の水素吸蔵材を使用する水素精製装置。
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