JP4551171B2

JP4551171B2 - 脱塵フィルタおよび水素発生装置

Info

Publication number: JP4551171B2
Application number: JP2004281743A
Authority: JP
Inventors: 茂樹大武; 宏之居石
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2004-09-28
Filing date: 2004-09-28
Publication date: 2010-09-22
Anticipated expiration: 2024-09-28
Also published as: JP2006096581A

Description

本発明は、脱塵フィルタおよび水素発生装置に関する。

従来、水素と酸素とを反応させて高温の水蒸気を発生させ、この水蒸気によりタービンを駆動させる蒸気機関が知られている。また、燃料電池の燃料として水素が用いられていることも知られている。これら蒸気機関や燃料電池には、ボンベに充填された液体または気体の水素が用いられていた。

しかし、ボンベに気体水素を充填する方法では、ボンベ内に大量の気体水素を充填させることが難しい。そのため、蒸気機関や燃料電池等に必要な量の気体水素を充填させるためには、ボンベを大型化しなければならないという問題があった。
また、ボンベに液体水素を充填する方法では、温度をマイナス２５３℃以下の極低温に保つ必要があり、安全上、運搬や取り扱いが難しくなるというも問題があった。
そこで、上述の問題点を解決するため、水素を吸蔵させた金属から水素を得る技術や、２以上の異なる所定物質を化学反応させて水素を得る技術等が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００２−６９５５８号公報

上記の特許文献１においては、アルミニウムとリチウムからなる水素発生用材料と、水とを容器内で反応させることにより、水素を発生させる技術が開示されている。
しかしながら、特許文献１の技術では、以下の理由により、水素以外の反応生成物によって水素取り出し配管から水素の取り出しが困難になるという問題があった。
上記反応性生物は、粉体状、塊状の形状であり、水素発生用材料と水との反応の際に飛散していた。水素取り出し配管の入り口には、水素取り出し配管に異物等が侵入するのを防止するフィルタが配置されており、多量の上記反応生成物がフィルタに捕らえられ、目詰まりを起こしていた。そのため、発生した水素がフィルタを通過しにくくなり、水素の取出しが困難になっていた。
また、上記容器が小型であり、反応時における上記容器中の環境が高温（略１２００℃）かつ高圧（略３．０ＭＰａ）であるため、反応成生物の除去が困難であった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、水素などの気体を発生させたときの反応生成物を、目詰まりを起こすことなく捕集し、発生した気体を通過させ供給することができる脱塵フィルタおよび水素発生装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明の脱塵フィルタは、粉体状または塊状の固形物と気体とが混合して流れる流路を備え、該流路が、前記固形物と前記気体との混合流れの流れ方向を変化させる貫通孔と、前記固形物を捕集する捕集部と、入子状に複数配置した円筒と、前記複数の円筒の一方の端面に配置される天板と、前記複数の円筒の反対の端面に配置される底板と、を有し、前記捕集部が、前記貫通孔により流れ方向が変化しなかった前記固形物と前記気体との混合流れが流入する位置に配置され、前記複数の円筒は、前記天板から前記底板にわたって接続される第１円筒と、前記天板に接続されると共に、前記底板との間に隙間を有し、前記第１円筒よりも中心軸方向の長さが短い第２円筒と、を有し、前記流路は、前記第１円筒の中心軸方向における中央部と前記天板と間に設けられる前記貫通孔と、交合に配置した前記第１円筒と第２円筒との間と、前記隙間と、によって蛇行することを特徴とする。

本発明によれば、固形物は比重が気体と比較して大きいため、屈曲部により流れ方向が変化せず、捕集部に流入して捕集される。また、気体は比重が固形物よりも小さいため、屈曲部により流れ方向が容易に変化して、屈曲部を通過する。そのため、固形物を捕集して気体を通過させることができる。
また、捕集部は気体の流れとは外れた位置に配置されているため、捕集された固形物が気体の流れを阻害することがない。そのため、流路を詰まらせることなく、固形物を捕集して気体を通過させることができる。
さらに、捕集部は慣性の法則を用いて固形物を捕集している。そのため、温度や圧力などの環境条件に影響されることなく、固形物を捕集することができる。

また、上記発明においては、前記流路の断面積が、上流側から下流側に向けて狭くなるように形成され、前記屈曲部と前記捕集部とが前記流路の下流側に備えられていることが望ましい。
本発明によれば、流路の断面積が下流側に向けて狭くなっているため、流路中を流れる固形物と気体との混合流れの流速が、下流側になるにつれて速くなる。流速が速くなるほど、固形物の流れ方向は変化しにくくなり、捕集部により固形物を捕集しやすくなる。

上記発明においては、前記流路が、径の異なる複数の円筒が入子状に配置された前記各円筒の間の隙間、および、前記各円筒の壁面に形成された貫通孔から形成され、前記固形物と前記気体との混合流れが外側の前記円筒から内側の前記円筒に向けて流れるように形成されていることが望ましい。

本発明の参考例によれば、貫通孔が形成された円筒を配置して固定することにより、流路を形成することができるため、流路を容易に形成することができる。
また、外側の円筒が上流側、内側の円筒が下流側とされるため、流路の断面積を下流側に向けて狭くすることができるため、断面積が徐々に狭くなる流路を容易に形成することができる。

本発明の水素発生装置は、その内部で水素発生用材料に化学反応を起こさせて水素を発生させる容器と、発生した水素を前記容器から外部に導く回収部と、を有し、前記回収部に、上記本発明の脱塵フィルタが備えられていることを特徴とする。
本発明によれば、上記本発明の脱塵フィルタを備えているため、取出部を詰まらせることなく、化学反応により生成した反応性生物（固形物）を捕集し発生した水素を回収部より供給することができる。

本発明の脱塵フィルタおよび水素発生装置によれば、屈曲部により流れの方向が変化しない反応生成物などの固形物を捕集部により捕集することができる。そのため、水素などの気体を発生させたときの反応生成物を、目詰まりを起こすことなく捕集し、発生した気体を供給することができるという効果を奏する。

この発明の一実施形態に係る水素発生装置について、図１から図３を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係る水素発生装置１の全体を説明する図である。
水素発生装置１は、図１に示すように、金属製の有底円筒状の容器２と、容器２の開口部を塞ぐ蓋３と、容器２内に水を供給する水供給部４と、容器２内で発生した水素を外部に導く水素回収部５と、から概略構成されている。

容器２は、ＳＵＳ３１６やＳＵＳ３０４などのステンレス鋼から形成され、容器２の上部周縁にはフランジ６が形成されている。
蓋３はボルト７とナット８とによりフランジ６に固定され、容器２と蓋３とにより閉じられた容器が構成されている。
なお、容器２を冷却する冷却手段を容器２の周りに配置し、冷却手段により容器２を冷却しても良い。冷却手段としては、冷却水が内部を流れる配管を例示することができる。また、冷却手段は、容器２の周りに配置しても良いし、容器２の壁面内部に配置してもよい。また、容器の材料は上述のＳＵＳ３１６等に限定されることなく、水素発生用材料等に合わせて変更してもよい。

容器２の内部には水素発生用材料１０が収容されている。水素発生用材料１０は、アルミニウムとアルカリ金属であるリチウムとの合金であり、リチウムのアルミニウムに対する重量割合は略２０％となっている。
なお、アルミニウムにマグネシウムを添加してもよい。また、リチウムの重量割合は２．０％から３０．０％の間で任意に設定することができる。また、アルカリ金属としては、ナトリウム、カリウムを用いることができる。さらに、アルカリ金属の代わりにアルカリ土類金属であるカルシウムを用いることができる。

水供給部４は、内部に水が流れる水配管１１と、水配管１１の先端部に配置され水を噴射するノズル１２と、から概略構成されている。水配管１１は蓋３に配置され、ネジ１３により蓋３に固定されている。
水は水配管１１からノズル１２を介して水素発生用材料１０に向けて噴射（供給）される。

図２は、図１の水素回収部５を説明する拡大断面図である。図３は、図２の脱塵フィルタを説明するＡ−Ａ´断面図である。
水素回収部５は、図２および図３に示すように、水素発生用材料１０（図１参照）から発生した水素（気体）と反応生成物（固形物）とを分離する脱塵フィルタ２０と、脱塵フィルタ２０を通過した水素を容器２外に導く回収配管（回収部）４０と、から概略構成されている。
脱塵フィルタ２０はボルト４１により蓋３の容器２側の面に固定されている。また、脱塵フィルタ２０は、容器２から水素および反応生成物が流入するラビリンス部２１と、ラビリンス部２１を通過した水素を回収配管４０に導く接続部３５とから概略構成されている。

ラビリンス部２１は、外円筒（第１円筒）２２と、内円筒（第１円筒）２３と、外円筒２２および内円筒２３の間の端面を覆う天板２５、底板２６と、外円筒２２および内円筒２３の間に配置された径の異なる３つの中円筒２４ａ、２４ｂ、２４ｃと、から概略構成されている。
外円筒２２には２つの流入口２７が形成され、流入口２７を覆うようにメッシュ２８が配置されている。

中円筒２４ａ、２４ｂ、２４ｃの内、半径方向外方および内方に配置された中円筒（第２円筒）２４ａ、２４ｃは、中心軸線方向（図２中の上下方向）の長さが、外円筒２２および内円筒２３よりも短く形成されている。また、中円筒２４ａ、２４ｃは、天板２５に当接するように配置され、底板２６との間には隙間２９が形成されている。
中円筒（第１円筒）２４ｂには、円筒面の略同一円周上に複数の貫通孔（貫通孔、屈曲部）３０が形成されている。貫通孔３０は、略中央より天板２５に寄った位置に形成されているとともに、天板２５からは所定距離だけ離れた位置に形成されている。そのため、中円筒２４ｂ、２４ｃおよび天板２５によりラビリンス捕集部（捕集部）３１が形成されている。
なお、ラビリンス捕集部３１は、図１および図２に示すように、上記混合流れが下方（図中下方）から流入するように構成されていてもよいし、逆に、上記混合流れが上方から流入するように構成されていてもよい。

外円筒２２、内円筒２３、中円筒２４ａ、２４ｂ、２４ｃには、内円筒２３まで流入した水素を接続部３５に導く導出配管３２が配置されている。導出配管３２は、外円筒２２、内円筒２３、中円筒２４ａ、２４ｂ、２４ｃの円筒面を貫通して配置されている。
このようにして、ラビリンス部２１内には、各円筒２２、２３、２４ａ、２４ｂ、２４ｃの間、隙間２９および貫通孔３０からなる流路３３が形成されている。

接続部３５は、側壁３６と天板３７と底板３８とから形成されている。側板３６には導出配管３２が配置され、接続部３５内部に水素が導入される。天板３７には接続配管３９が配置され、接続部３５内の水素を回収配管４０に導いている。
接続部３５の内部には、側壁３６、底板３８から構成された接続捕集部（捕集部）４２が形成されている。

次に、上記の構成からなる水素発生装置１における水素の発生および供給方法について説明する。
まず、容器２の内部に粉末状または合金状の水素発生用材料１０が収容される。その後、水素発生用材料１０を加熱手段（図示せず）により、例えば６００℃から７００℃まで加熱する等の方法により、水素発生用材料１０を液体状に変換する。図１に示されている水素発生用材料１０は、液体状に変換された水素発生用材料１０の状態を示す一例である。

なお、アルミニウムとリチウムとを別々に容器２内に収容し、容器２内で合金にしたり、粉末状や液体状にしたりしてもよい。また、水素発生用材料１０が液体の状態で容器２内に収容された場合には、ノズル１２をチタン合金等の耐熱合金で形成することにより、ノズル１２を水素発生用材料１０の内部に配置してもよい。

容器２内の水素発生用材料１０が所定の状態にされると、蓋３が容器２に被せられ、ボルト７およびナット８により固定される。
この状態で、水が水配管１１からノズル１２を介して、水素発生用材料１０に向けて噴射される。ノズル１２から噴射された水は、水素発生用材料１０と下記の化学反応を起こし水素および反応生成物であるアルミン酸リチウムを発生する。
Ｌｉ＋Ａｌ＋２Ｈ_２Ｏ→ＬｉＡｌＯ_２＋２Ｈ_２
この時、例えば、毎秒０．４グラムの流量の水を供給して、毎分３０リットルの水素が発生したことが確認されている。
なお、水と水素発生用材料１０との反応生成物は、上述のアルミン酸リチウムのほかに、酸化リチウム、水酸化リチウム等も生成されている。

反応時には、水素発生用材料１０に重量比で２０．０％含まれるリチウムにより酸化皮膜が強く形成されることが防止される。例えば、７００℃から８００℃で反応を継続させることができ、効率よく水素を発生させることができる。
水素発生用材料１０のリチウムの重量比が２.０％よりも少ない場合、酸化皮膜が強く形成され、反応を継続させることができない。そのため、水の供給量に比べて水素の発生効率が著しく低下する。例えば、リチウムの重量比が２０．０％の場合と比較すると、略１／５に低下する。
また、水素発生用材料１０のリチウムの重量比が３０．０％よりも多くなると、反応が過剰になり、水の供給量による水素発生量の制御が困難になる。

そのため、水素発生用材料１０のリチウムの重量比は、２．０％から３０．０％の範囲が好ましい。さらには、リチウムの重量比を２０．０％とすることにより、モル比が１対１となり、より好ましい。

上述の化学反応で発生した水素は、ラビリンス部２１の流入口２７に流入する。また、上述の化学反応では、粉体状および塊状の反応生成物が飛散し、反応生成物も流入口２７に流入する。
なお、流入口２７にはメッシュ２８が配置されているため、メッシュ２８の網目よりも大きな反応生成物は、メッシュ２８に捕集される。

流入口２７から流路３３に流入した水素と反応生成物との混合流れは、外円筒２２と中円筒２４ａとの間を下向きに流れ、隙間２９を経て中円筒２４ａと中円筒２４ｂとの間を上向きに流れる。外円筒２２と中円筒２４ａとの間の流路面積は、中円筒２４ａと中円筒２４ｂとの間の流路面積よりも狭いため、上記混合流れの流速は速くなる。
その後、上記混合流れは、急激に流れの向きを変えて貫通孔３０を通過し、中円筒２４ｂと中円筒２４ｃとの間を下向きに流れる。この時、上記混合流れ中の反応生成物は、慣性により略直進して流れてラビリンス捕集部３１に流入し、捕集される。
一部の反応生成物が補修された上記混合流れは、隙間２９を経て中円筒２４ｃと内円筒２３との間を上向きに流れ、導出配管３２に流入し接続部３５に導かれる。

接続部３５に流入した上記混合流れ中の水素は、接続部３５内で略直角に流れの方向を変え、接続配管３９に流入する。この時、上記混合流れ中の反応生成物は、慣性により略直進し、側壁３６に衝突し、接続捕集部４２に捕集される。
接続配管３９に流入した水素は、回収配管４０に流入し、容器２から回収される。回収された水素は、例えば、水中航走体の駆動装置に燃料として供給される。

水素の発生が終了した後、ボルト７、ナット８を取り外し、蓋３を開けることにより、脱塵フィルタ５が容器２から取り出される。そして、脱塵フィルタ５が、ボルト４１を取り外すことにより、蓋３から取り外される。さらに、ラビリンス部２１の底板２６および接続部３５の底板３８、または、ラビリンス部２１の天板２５および接続部３５の天板３７が取り外される。そして、脱塵フィルタ５の内部に捕集された反応生成物が刷毛などにより取り除かれる。

また、反応が終了した水素発生用材料１０は、蓋３が取り除かれた容器２内に収容された状態で回収される。そのため、容器２を交換することにより、新しい水素発生用材料１０を供給することができるとともに、蓋２、水供給部４、水素回収部５を繰り返し使用することができる。

上記の構成によれば、脱塵フィルタ２０において、反応生成物は比重が水素よりも大きいため、貫通孔３０を通過することなく略直進してラビリンス捕集部３１に捕集される。同様に、反応生成物は接続部３５を通過することなく接続捕集部４２に捕集される。逆に水素は比重が反応生成物よりも小さいため、貫通孔３０および接続部３５を通過することができる。そのため、水素発生装置１の脱塵フィルタ２０は、反応生成物を捕集し、水素を供給することができる。

また、ラビリンス捕集部３１および接続捕集部４２は、上記混合流れおよび水素の流れの主流から離れた位置に配置されている。そのため、捕集された反応生成物が上記混合流れおよび水素の流れを阻害することがない。そのため、流路３３を詰まらせることなく、反応生成物を捕集して、水素を通過させ、供給することができる。
ラビリンス部２１内の流路３３の断面積が下流側に向かって狭くなっているため、上記混合流れの流速は、下流に向かって速くなっている。流速が速くなると、反応生成物は慣性により直進しやすくなり、ラビリンス捕集部３１に捕集されやすくなる。

ラビリンス部２１は、各円筒２２、２３、２４ａ、２４ｂ、２４ｃを入子状に配置して固定することにより形成されているので、容易に形成することができる。また、流路３３の上流を外円筒２２側、下流を内円筒２３側としているので、断面積が徐々に狭くなる流路３３を容易に形成することができる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記の実施の形態においては、本発明の脱塵フィルタを水素発生装置のフィルタに用いる例に適用して説明したが、水素発生装置のフィルタに用いる構成に限られることなく、酸素発生装置など、その他各種の装置に適用することができるものである。
また、上記の実施の形態においては、本発明の水素発生装置を水中航走体の駆動装置に適用して説明したが、水中航走体に限られることなく、水素を燃料とする駆動装置を用いる他の装置に適用することができるものである。

本実施形態に係る水素発生装置の全体を示す図である。図１の水素回収部を示す拡大断面図である。図２の脱塵フィルタを説明するＡ−Ａ´断面図である。

１水素発生装置
２容器
１０水素発生用材料
２０脱塵フィルタ
２２外円筒（第１円筒）
２３内円筒（第１円筒）
２４ａ、２４ｃ中円筒（第２円筒）
２４ｂ中円筒（第１円筒）
２９隙間
３０貫通孔（貫通孔、屈曲部）
３１ラビリンス捕集部（捕集部）
３３流路
４０回収配管（回収部）
４２接続捕集部（捕集部）

Claims

粉体状または塊状の固形物と気体とが混合して流れる流路を備え、
該流路が、前記固形物と前記気体との混合流れの流れ方向を変化させる貫通孔と、前記固形物を捕集する捕集部と、入子状に複数配置した円筒と、前記複数の円筒の一方の端面に配置される天板と、前記複数の円筒の反対の端面に配置される底板と、を有し、
前記捕集部が、前記貫通孔により流れ方向が変化しなかった前記固形物と前記気体との混合流れが流入する位置に配置され、
前記複数の円筒は、前記天板から前記底板にわたって接続される第１円筒と、前記天板に接続されると共に、前記底板との間に隙間を有し、前記第１円筒よりも中心軸方向の長さが短い第２円筒と、を有し、
前記流路は、前記第１円筒の中心軸方向における中央部と前記天板と間に設けられる前記貫通孔と、交合に配置した前記第１円筒と第２円筒との間と、前記隙間と、によって蛇行するように形成されていることを特徴とする脱塵フィルタ。
前記流路の断面積が、上流側から下流側に向けて狭くなるように形成され、
前記屈曲部と前記捕集部とが前記流路の下流側に備えられていることを特徴とする請求項１記載の脱塵フィルタ。
その内部で水素発生用材料に化学反応を起こさせて水素を発生させる容器と、発生した水素を前記容器から外部に導く回収部と、を有し、
前記回収部に、請求項１または請求項２に記載の脱塵フィルタが備えられていることを特徴とする水素発生装置。