氫的產生方法、氫的利用方法以及發電系統的製作方法

2023-05-21 08:45:21 1

專利名稱：氫的產生方法、氫的利用方法以及發電系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及氫的產生方法、氫的利用方法以及發電系統。
背景技術：
氫在石油精製、化學エ業、汽車エ業等為首的產業領域中廣泛使用。特別是近年來，作為未來能源的氫受到關注，正在進行燃料電池、氫引擎等的研究。水是含有11質量％的氫的液體物質。作為產生氫的方法，周知有水的電解。但是，水的電解需要比由此而得到的能量更大的能量。因此，使用通過水的電解而得到的氫來運行燃料電池是不合算的。此外,專利文獻I中，公開了使用氨水溶液作為氫源來產生氫的用於產生氫的電解池。 現有技術文獻專利文獻專利文獻I :日本特開2010-53383號公報

發明內容
發明所要解決的問題專利文獻I中作為氫源使用氨水溶液。因此,在電解時，電カ的一部分被消耗於水的電解。由於水的電解需要比由此得到的能量更大的能量，因而也有氫的產生效率低的問題。此外，氨水溶液中，氨在O. 077V的電壓下分解。該電壓雖然比水的情形下的電壓要低，但氨的水溶液中的最大濃度為47質量％。因此，與同體積的純粹的氨的情形相比，從氨水溶液中取出一半以下的來自氨的氫。因此，不能提高氫的產生效率。本發明就是鑑於上述事項而進行的，目的在於提供以小的電解能量來有效產生氫的氫的產生方法、氫的利用方法以及發電系統。解決問題的手段本發明的第I方面所涉及的氫的產生方法，特徵在於，通過對添加了電解質的液體氨進行電解來產生氫。此外，上述電解質優選為金屬醯胺。此外，上述金屬醯胺優選為鉀醯胺。此外，上述鉀醯胺優選添加IM以上8M以下。本發明的第2方面所涉及的氫的利用方法，特徵在於，通過氧與由本發明的第I方面所涉及的氫的產生方法所產生的氫之間的電化學反應來進行發電。本發明的第3方面所涉及的發電系統，特徵在於，具有氫產生部，所述氫產生部根據本發明的第I方面所涉及的氫的產生方法來產生氫；和發電部，所述發電部通過氧與所產生的所述氫之間的電化學反應進行發電。
發明效果本發明所涉及的氫的產生方法中，通過對添加了電解質的液體氨進行電解來產生氫。由於液體氨的電解能量小，可以有效地產生大量的氫。來自由電解產生的氫所得到的電能，比電解液體氨所需要的電能大。因此，可以從小的電源轉換為大的電カ來利用。


圖I是將產生的氫作為燃料電池的燃料來利用時的模式圖。圖2是氫引擎驅動系統的模式圖。圖3是實施例中製造的KNH2的XRD圖譜。圖4是KNH2的XRD圖譜。 圖5是顯示實施例I中的電流以及池內壓カ隨時間變化的曲線。圖6是實施例I的池內氣體氣相色譜曲線測定結果。圖7是實施例I、2及比較例I的CV測定圖。
具體實施例方式對本發明的實施方式所涉及的氫的產生方法進行說明。在產生氫的方法中，通過對添加了電解質的液體氨進行電解來產生氫。本實施方式中,作為液體氨使用無水液體氨。在無水液體氨中浸入負極和正極。在該兩電極上連接電池等電源從而施加電壓，由此可以從負極產生氫。只要在保持無水氨為液狀的條件下即可進行電解。氨的熔點是-77. 7°C，沸點是-33. 4°C。因此，在常壓下進行電解時，只要把氨的溫度維持在-77. 7°C -33. 4°C來進行即可。此外，在常溫下進行電解時，也可以提高壓カ來將無水氨維持為液狀。例如，在20°C、8. 5atm的條件下，可以維持無水氨為液狀，能夠進行電解。所添加的電解質只要是對於氨的溶解度高的金屬醯胺即可。金屬醯胺可以是鋰醯胺(LiNH2)、鈉醯胺(NaNH2)、鉀醯胺(KNH2)等的鹼金屬醯胺、鈣醯胺((Ca(NH2)2))等鹼土金屬醯胺。添加到至少可以進行無水液體氨的電解的量的電解質。此外，電解質的添加量優選添加無水液體氨中最大限能夠溶解的量。例如，在使用鉀醯胺時，可以在IM以上SM以下的範圍內添加。無水液體氨的電解中正極和負極上發生的反應示於下式。[化I]
正極 3NH2- l/2N2+2NH3+3e'
負極 3NH3+3e- — 3/2 H2 + 3NH2_NH3—1/2Ν2+3/2Η2此外，氨的理論分解電壓如下式所示為O. 077V。[數I]E0 = - Δ G°/3F+RT In (pN21/2pH23/2) /3F= O. 077VAG0 = -10. 984kJ/mol NH3, pN2 = pH2 = 0. 99MPa
另ー方面，水的電解中正極及負極上發生的反應示於下式中。[化2]
正極 20ΙΓ I/202+H2O+ 2e'
負極 2H20 + 2e' — H2 + 20H-
H2O ~> H2 +1/202此外，水的理論分解電壓為如下式所示的I. 23V。[數2]E0 = - Δ G°/2F= I. 23V
AG0 = -237. lkj/mol H2O這樣，氨的電解所需要的電能在理論上與水的電解所需要的電能相比是5%以下。而且，本實施方式中，使用不含有水的無水液體氨。因此，電解中所使用的電能不用於水的電解，有效地用於氨的電解。如此，通過使用無水液體氨可以以少量電能產生大量的氫。接著，對如上所產生的氫的利用方法以及發電系統進行說明。作為通過所產生的氫與氧之間的電化學反應來進行發電的氫的利用方法以及發電系統的一例，在圖I中示出了將產生的氫作為燃料電池的燃料來利用時的模式圖。首先，在氫產生部10，電解在電解槽12內的無水液體氨16而產生氫。使用電源11在正極13和負極14之間施加電壓，則在負極14上產生氫。將產生的氫經過氫供給管15供給到在發電部30的氧化還原反應槽31中配置的負極32。另ー方面，來自氧罐21的氧經過氧供給管22供給到在氧化還原反應槽31中配置的正極33。這裡，正極33與負極32分別經過配線與電機、照明、蓄電裝置等的電氣裝置40連接。在負極32上氫失去電子。從氫放出的電子經過配線以及用電裝置40流向正極33，在正極33上氧接受該電子而被還原。由此，通過氫和氧之間的氧化還原反應，可以發電以驅動用電裝置40。需要說明的是，被氧化的氫與被還原的氧生成水34。通過使用電源11進行電解從無水液體氨16產生氫。以產生的氫作為燃料的燃料電池可以供給比電源11更多的電力。電氣裝置40可以是能夠使汽車行走的電機，也可以用於電動汽車。通過採用本實施方式所涉及的氫的產生方法，使用電源11對無水液體氨進行電解來產生氫，用所產生的氫來進行發電，可以向電機或電動汽車供給電力。另ー方面，也可以從同容量的電源11自身向電機或電動汽車供給電カ。由所產生的氫帶來的電カ導致的電動汽車的走行距離比由電源11自身的電カ所導致的行走距離長。需要說明的是，在無水液體氨16的電解中，除了氫以外還產生氮。因此，優選將氫和氮進行分離，僅將氫供給至負極32。此外，可以將產生的氫應用於氫引擎的驅動。作為一例，圖2示出了利用所產生的氫作為燃料來驅動氫引擎的氫引擎驅動系統的模式圖。與上述同樣，產生的氫經過氫供給管15供給到氫引擎50的殼體(ハゥジング)54內。氫被壓縮並由點火裝置52來點火而燃燒，使轉子51旋轉。通過該轉子51的旋轉而使軸53旋轉，通過將軸53的旋轉傳導到車軸，可以使汽車行走。此外，可以將所產生的氫作為燃料來驅動發電機來發電。例如，在參照圖2所說明的氫引擎的軸53上連接作為發電裝置的電機的軸。電機是利用電磁感應的法則通過旋轉能夠從機械能得到電能的裝置。如上所述所產生的氫作為燃料來驅動氫引擎，則軸53旋轉。通過軸53的旋轉可以使電機的軸旋轉。通過將該電機的軸的旋轉能量轉化為電能能夠發電。需要說明的是，本實施方式中作為液體氨使用了無水液體氨，但液體氨並不限於無水液體氨。液體氨例如也可以含有水這樣的少量其它成分。實施例對於由無水液體氨的電解所產生的氫量和由水的電解所產生的氫量進行比較驗證。 首先，生成作為電解質而使用的KNH2。在氫化鉀(KH)中添加液體氨，在室溫下放置一晩，得到生成物。圖3示出了所得生成物的XRD圖譜。此外，作為參考數據，圖4示出了 KNH2的XRD峰。生成物的XRD圖譜中所觀察到的峰與KNH2的XRD峰相一致，由此確認了所得生成物是KNH2。將所生成的KNH2作為電解質用於以下實施例。(實施例I)進行無水液體氨的電解，通過恆壓測定以及循環伏安(CV)測定來評價電化學特性。此外，定電壓測定中，連續測定電解池內的壓力。而且，通過對測定後的池內的氣體進行氣相色譜曲線測定來進行氣體特性評價。將無水液體氨以及作為電解質的KNH2投入到電解池(以下也僅記為「池」)中。電解池使用不鏽鋼製高壓池(2電極)。電解是白金板(20mmX20mmX0· 2mm)。添加的無水液體氨的量是12ml，KNH2是1M。氨的液溫為25°C。需要說明的是，在液面下的電極是IOmmX IOmmXO. 2mm。(恆壓測定)對電極施加2V的電壓10小時來電解無水液體氨，進行定電壓測定。需要說明的是，在室溫(約25°C)下進行。圖5顯示電流以及池內壓カ的隨時間的變化。可知持續10小時流過電流。此外，池內壓カ直線狀升高,可知持續產生氣體。此外，圖6顯示池內氣體的氣相色譜曲線測定結果。觀察圖6，則觀察到氫(H2)的峰，確認在池內產生氫。(CV 測定)與上述同樣地在池內加入無水液體氨等，進行CV測定。CV測定中的掃描速度為lmV/s，掃描範圍為O 2. 0V，進行3個循環。對電極(CE)以及參比電極(RE)是白金板。(實施例2)除了 KNH2的添加量為5M以外，在全部與實施例I相同的條件下進行CV測定。(比較例I)代替氨和KNH2，在池內添加水和作為電解質的KOH 1M，除此之外是與實施例I同樣的條件，進行CV測定。
(比較例2)代替氨和KNH2，在池內添加水和作為電解質的KOH 5M，除此之外是與實施例I同樣的條件，進行CV測定。。實施例1、2及比較例I的CV測定圖示於圖7。此外，由實施例1、2及比較例1、2的CV測定結果算出各自所產生的氫量。實施例I以及比較例I所產生的氫量示於表1，實施例2以及比較例2中所產生的氫量示於表2。需要說明的是，氫量的計算是以流過的電流全部用於氨以及水的分解來算出的。[表I]
權利要求
1.ー種氫的產生方法，其特徵在於，通過對添加了電解質的液體氨進行電解來產生氫。
2.如權利要求I所述的氫的產生方法，其特徵在於，所述電解質是金屬醯胺。
3.如權利要求2所述的氫的產生方法，其特徵在於，所述金屬醯胺是鉀醯胺。
4.如權利要求3所述的氫的產生方法，其特徵在於，所述鉀醯胺添加IM以上SM以下。
5.一種氫的利用方法，其特徵在於，通過氧和根據權利要求I 4任一項所述的氫的產生方法所產生的氫之間的電化學反應來進行發電。
6.ー種發電系統，其特徵在於，具有 氫產生部，所述氫產生部根據權利要求I 4任一項所述的氫的產生方法來產生氫；和 發電部，所述發電部通過氧與所產生的所述氫之間的電化學反應來進行發電。
全文摘要
用小的電解能量來有效產生氫。通過對添加了電解質的液體氨進行電解來產生氫，通過所產生的氫與氧之間的反應來發電。由於液體氨的電解能量小，可以有效地產生大量的氫。來自由電解產生的氫所獲得的電能比液體氨的電解所需要的電能大。因此，可以從小的電源轉換為大的電力來利用。
文檔編號C25B1/02GK102844467SQ20118001611
公開日2012年12月26日 申請日期2011年3月25日 優先權日2010年3月25日
發明者小島由繼, 市川貴之, 鈴木啟史, 花田信子 申請人:國立大學法人廣島大學, 學校法人上智學院