JP7301799B2 - 水素の製造方法および水素の製造装置 - Google Patents
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Description
例えば水100%を熱分解して水素を得る方法や、硫酸を熱分解し、ヨウ素水を用いて水素を取り出すIS法(Iodine-Sulfe)法等が知られている。IS法は、ブンゼン反応工程と、ヨウ化水素濃縮分解行程と、硫酸濃縮分解行程による3つの行程を経て、水から水素と酸素とを分解して取り出すもの(特許文献1)である。
その他に、金属亜鉛とマグネタイトと水とを反応させ、反応生成物として水素を発生させる水の分解方法が知られている(特許文献2)。
天然鉱石では次の≪天然石種類≫
黄鉄鉱、白鉄鉱、辰砂、方鉛鉱、斑銅鉱、ハロゲン化鉱物、蛍石、氷晶石、トルマリン、黒曜石、マグネシウム、方解石、ウレキサイト(テレビ石)、コールマン石、硼砂、ハウライト、石膏、重晶石、天青石、燐灰ウラン石、カルノー石、錦石、黒砂金石 麦飯石 石英 流紋岩
≪大きさ≫
1~5mm、5~10mm、10~20mm、20~40mm、30~50mm
その他の素材で、アルミニウム、ステンレス、銀からなる少なくとも1種類の金属を混合させたことをも特徴とするものである。
そして、水素化ホウ素ナトリウムの特徴は水との接触により、アルカリ値が低くなると水素が放出される。ナトリウムイオンおよび正四面体型の水素化ホウ素イオンBH4-よりなる白色の固体で、多くは粉末として市販されている。やや吸湿性があり水分により分解しやすいので、密栓して保存する。そして、水溶液は分解生成物のため強い塩基性を示す。酸性および中性条件で分解して水素を発生するため、アルカリ溶液中で保存するのである。また、水で分解し水素を発生する。
水素発生元として、水素ガスはクリーンな燃料として期待されているが、気体であるため貯蔵が難しいこと、また爆発などの危険がある。
他方、水素化ホウ素ナトリウムは酸性条件や、特定の触媒の存在下で分解して水素ガスを放出し、また比較的安定な固体で、発火などの危険もないこと、廃棄物も害の少ないホウ酸であることなどから、携帯可能な水素源の候補物質の一つとなっている。
そこで、本発明は、外部エネルギーなしに、一定的に大量製造水素を発生させることのできる技術であって水素発生機構の発明である。
(一般的な反応例)
BF3存在下で反応を行うと、カルボン酸をアルコールにまで還元することが可能である。[化1]
水、または改質した水、水素化ホウ素ナトリウム、クエン酸を用いて反復テストを行った。また、水素発生実証装置も製作した。
10L容積で圧力5気圧までの容器(以下10Lタンク)を用いてのテストを行った。すなわち、
10Lタンクに
1、200gから500gの水素化ホウ素ナトリウム
2、水3Lから9L
3、重量5g~50gの25%濃度クエン酸水溶液
上記を順番に10Lタンクに投入する。このレシピでは1.2Nm3の水素を発生させて別のタンク内に保存することができる。
必要時間は20分から90分である。
3の液体の投入重量で反応速度を調整することが可能である。その際は、水素発生スピードが3の重量が多いほど激しくなるのでタンク内圧力の上昇も激しく上がることになる。
タンクの大きさと1と2の投入量が大きい場合はその反応を緩やかにするために3の投入重量を少なくすることが必要になる。
概要は、
10Lタンク
100Lタンク
200Lタンク
500Lタンク
1000Lタンク
を用いて実証テストを行った。
それぞれの1と2と3の配分はそれぞれに比例して10Lタンクの時の投入レシピに比例する。
10Lタンクを数個並べたものから。自動化プログラムを用いた1000L水素発生製造装置を建設した。
構成は以下の通り
反応タンク1000Lを6機備える。以下に続く
発生水素の温度を冷やす
冷却タンク6機
発生した水素を一度水に潜らせる洗浄タンクを3機
一次水素を貯留する貯留タンク3機
水素を1Mpsに貯留するタンクへ昇圧し送り出す昇圧ポンプ6機
水素を1Mpsに貯留する1400m3のタンク6機から構成する製造装置である。
水を最初にイオン交換樹脂に通過させ、その後にトルマリンと、流紋岩または花崗岩の少なくとも1つからなる二酸化珪素を65~76%含む岩石とのどちらか一方を先に他方を後に通過させることによって生成するものを特殊な水とし、前記特殊な水とアルカリ系水素含有薬品とを容器内に入れて前記容器内で接触させた状態で前記容器内の温度を5℃以上および前記特殊な水の150℃未満とする。さらに前記容器の内圧力は、0.01Mpsから0.7Mpsが好ましい範囲であることである。前記特殊な水と前記アルカリ系水素含有薬品とを反応させて水素を発生させることを特徴とするものである。
本発明は、前記容器内の温度を5℃以上および前記特殊な水の150℃の間に保つことを特徴とするものである。本発明は、前記アルカリ系水素含有薬品として、それは水素化ホウ素ナトリウム、水素化ホウ素カリウム、水素化ホウ素リチウム、水素化ナトリウム、水素化カルシウム、リチウムハイドライド、リチウムアルミハイドライド、マグネシウムハイドライドとする。前記容器内の温度を5℃以上前記特殊な水の沸点未満にして水素を発生させることで前記特殊な水をアルカリ性(アルカリ性の特殊な水)とし、前記容器内のアルカリ性の特殊な水に新たなアルカリ系水素含有薬品を供給することで、加熱手段による加熱無しに前記容器内の温度を5℃以上前記特殊な水の150℃未満の間に保持して水素を発生させることを特徴とするものである。
本発明は、前記容器内の温度が30℃以上で110℃未満の場合に、前記容器内の温度を加熱手段なしによって継続的に上昇させることを特徴とするものである。水素発生濃度が高く、水分が少なく、酸素濃度も極めて低い状態の反応温度である。
本発明は、前記イオン交換樹脂を強酸性カチオン交換樹脂(RzSO 3 Na)としたことを特徴とするものである。
本発明は、前記特殊な水を生成するためのトルマリンにアルミニウム、ステンレス、銀の少なくとも1種類の金属を混合させたことを特徴とするものである。
本発明は、前記流紋岩を黒曜石,真珠岩,松脂岩のうち少なくとも1つからなる岩石としたことを特徴とするものである。
本発明は、水又は前記特殊な水の100重量部に対して、前記水素含有薬品を5重量部以上とすることを特徴とするものである。
本発明は、前記アルカリ系水素含有薬品の重量を5重量部以上としたことを特徴とするものである。
本発明は、前記特殊な水に水酸化ナトリウムを加えた水酸化ナトリウム水溶液を前記容器内でアルカリ系水素含有薬品と接触させることを特徴とするものである。
本発明は、前記容器の外部からの熱を加える加熱手段を用いずに、前記水又は改質した水と前記アルカリ系水素含有薬品との反応熱によって前記容器内の温度を5℃以上にすることを特徴とするものである。
本発明は、前記水又は改質した水と前記アルカリ系水素含有薬品との反応熱によって前記容器内の温度を30℃以上にすることを特徴とするものである。
本発明は、第二の投入液として、酸性薬品を投入する工程を有するものである。
本発明は、前記、酸性薬品の水溶液例えば前記のクエン酸、塩酸、希塩酸、硫酸、りんご酸のいずれかを25%以上とする水溶液であることを特徴とするものである。
本発明は、前記容器に、初めにアルカリ系水素含有薬品を投入し、その後に前記水又は改質した水を投入する。その後に前記酸性薬品を投入する順番が好ましい。
2.4tをグラムに換算すると、2,4t-2,400kg=2,400,000g
水素は、立米当たり90g/m3なので
2,400,000g÷90g/m3=26,666m3となる。
つまり、Z,4tの水素を立米に換算すると、26,666m3となる。
6Lの水と、触媒1.2855kgと薬0.3kgで発生する水素量は、1.4472m3
(レシピは、700mlの水に対し、触媒100g、薬25gもしくは70g)
3回連続生成(2回目と3回目は、触媒のみ投入)
(実測値)
水6L-触媒1.2855kg-薬0.3kg-水素量1.4472m3
水1リッター当たりに換算すると、1.4472m3÷水6L=水素量0.2412m3/L
↓
2,412m3/10L
↓
24.12m3/100L
↓
241.2m3/1,000L(1t)
↓
2,412m3/10,000L(10t)
上記から、26,666m3の水素を1日あたり製造するには、
26,666m3÷2,412m3/10,000L(10t)=11.05h/日
1時間あたり、l0tの水から水素を2,412m3発生させ、連続11時間稼働で達成する計算となる。(フル稼働生産のため、実際は、17時間で達成予定)
図3(a)は前記所定の間隔でH鋼12に溶接止めされている配管サポート13の概略平面図であり、図3(b)は配管サポート13の概略側面図である。
次に、図4(a)は連絡配管11下部の配管固定台14を示す概略正面図であり、図4(b)はその概略側面図、図4(c)は配管固定台14を取り付けるためのアンカーボルト15の概略側面図である。
また図5(a)は図4(a),(b)に示す配管固定台14の固定台上板16の概略平面図であり、図5(b)は図4(a),(b)に示す配管固定台14の固定台下板17を示す概略平面図であり、図5(c)は前記固定台上板16の概略側面図である。
また上記各種タンクに薬液を送り込む薬液タンク27が冷却タンク24側に接続されている。なお、28,29は発生した水素ガスを貯留する貯留タンクである。
次に、図8は薬液投入器31を備えた冷却タンク24を示す概略正面図であり、図9は薬液投入器31を備えた冷却タンク24を示す概略側面図である。
図10は前記薬液投入器31の概略拡大平面図であり、図11(a)は前記薬液投入器31の概略拡大側面図である。図11(b)に示すように、薬液投入器31は上部から圧力調整電磁弁32、チャッキ弁33が付設されており、また上面には耐圧防爆液面計34を敷設するとともに、側面には液面計カバー36の内部に液面計35が配設されている。37はバッフル板、38は薬液投入器31の下部に取り付けたチャッキ弁である。
図13はそのA部(ホッパ44)の詳細を示す概略拡大側面図である。
また図14は触媒缶取付架台45の概略拡大側面図である。
さらに図15は上部触媒缶46の概略拡大側面図である。
図16は下部触媒缶47の概略拡大側面図である。
そして、図17は外輪触媒缶48の概略拡大側面図である。
図18はフランジ49を有する触媒缶取付架台45の概略平面図である。
図19は触媒缶下取付架台50の概略拡大側面図である。
12 H鋼
13 配管サポート
14 配管固定台
15 アンカーボルト
16 固定台上板
17 固定台下板
21 反応タンク
22 ドレンタンク
23 水タンク
24 冷却タンク
25 支持脚
26 ポンプ
27 薬液タンク
28,29 水素ガスの貯留タンク
31 薬液投入器
32 圧力調整電磁弁
33 チャッキ弁
34 耐圧防爆液面計
35 液面計
36 液面計カバー
37 バッフル板
38 チャッキ弁
41 触媒投入缶
42 ハンドル
43 渦巻パッキング
44 ホッパ
45 触媒缶取付架台
46 上部触媒缶
47 下部触媒缶
48 外輪触媒缶
49 フランジ
50 触媒缶下取付架台
Claims (1)
- 改質した水と、
水素化ホウ素ナトリウムと、
酸性薬品と、
を反応させて水素を発生させる水素の製造方法であって、
前記改質した水は、日本国内基準の工業用及び飲料用水道水、または、浄水器を通過した硬水及び軟水、一般的な井戸水、海水を原水とした一定の浄水後の水、ないし天然鉱石と人工鉱石に前記の水を通過させることによって生成され、さらにRO膜処理からなる純水処理が行われる工程と、ミネラル成分を添加する工程があり、
前記水素化ホウ素ナトリウムは、前記改質した水の100重量部に対して、前記水素化ホウ素ナトリウムを5~15重量部とするものであり、
前記酸性薬品は、希塩酸、硫酸、塩酸、酢酸、りんご酸、クエン酸の内一種類からなるとともに、前記酸性薬品の濃度を1%から30%に希釈した水溶液であり、
前記水素化ホウ素ナトリウムを前記容器の底に投入または予め備え、その水素化ホウ素ナトリウムの最上位よりも前記改質した水の液面を上位として前記水素化ホウ素ナトリウムと前記改質した水とを接触させた状態で、
前記容器内の温度を、前記改質した水と前記水素化ホウ素ナトリウムの水和反応による反応熱のみによって5℃以上、かつ前記改質した水の沸点未満で保持し、
その後に前記酸性薬品を加えて反応させて水素を発生させることを特徴とする水素の製造方法。
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WO2006101214A1 (ja) | 2005-03-25 | 2006-09-28 | Seiko Instruments Inc. | 水素発生方法及び水素発生装置及び燃料電池設備 |
WO2009008330A1 (ja) | 2007-07-06 | 2009-01-15 | Mitsubishi Pencil Company, Limited | ガス発生装置 |
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