JP3888880B2 - 水素吸蔵材を使用する水素精製装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【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)

1. 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。
2. 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。
3. 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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