JP4929515B2 - 水素発生装置及び燃料電池設備 - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池、水素エンジンといった水素を必要とする装置や水素貯蔵容器に効率よく水素を供給するための水素発生装置に関する。
また、本発明は、水素を効率よく供給することができる水素発生装置を備えた燃料電池設備に関する。
近年のエネルギー問題や環境問題の高まりから、化石燃料以外で、排出物がクリーンな燃料として、水素への期待が高まっている。しかし水素には製造、貯蔵、運搬、利用技術などあらゆる点で課題があり、取扱い技術の開発が急務である。
水素を利用した発電装置としては、燃料電池や内燃機関（以下、水素エンジン）が挙げられる。これらの発電装置は、地域分散電源、ビル、家庭、自動車、携帯機器などあらゆる業種を対象としている。いずれの場合も所定量の水素を速やかに供給する必要があり、また、特に自動車や携帯機器においては発電装置を設置するスペースの関係上、また電力を消費する装置に発電した電力を効率よく送るために、水素供給器及び水素発生材料を高水素貯蔵密度にし、低エネルギーで水素を発生させることが求められている。
従来、水素を低エネルギーで得る方法として、ケミカルハイドライドと呼ばれる錯体水素化物を加水分解する方法が知られている。例えば錯体水素化物の一種である水素化ホウ素リチウムや水素化ホウ素ナトリウム、水素化アルミニウムリチウム、水素化アルミニウムナトリウムをアルカリ水溶液に溶解し、その水溶液を貴金属触媒に供給して接触させ、水素発生反応を起こす方法、水やアルコールを錯体水素化物に供給して、水素発生反応を起こす方法などが知られている（例えば特許文献１参照）。
この場合、水素発生反応の反応物は、錯体水素化物と水であり、触媒は水素発生反応を促進する促進剤の効果がある。水素発生反応を起こして水素を得る場合、反応で生成される金属含有物や泡等の生成物が存在し、流路に流通抵抗が存在する等、水素発生装置に少なからず影響を与えてしまう。
このため、得られた水素を泡等の生成物と共に分離手段の部屋に投入し、分離手段の部屋で水素と生成物を分離し、生成物が分離された水素を燃料電池等の消費部に供給する技術が知られている（例えば特許文献２参照）。分離手段の部屋を備えることにより、生成物を分離することができるので、反応効率を低下させることなく生成物を分離して水素を消費部に供給することができる。
しかしながら、従来の技術では、生成物を分離することができ影響を抑制することができるが、分離手段の部屋を別途備える技術であるので、ある程度のスペースが必要であり小型化が阻害されてしまう。また、小型機器のように極僅かなスペースで使用するためには反応器等の他の機器のスペースを犠牲にしなければならず、機能を低下させなければならないのが現状であった。
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、少ないスペースで固体反応物と促進剤水溶液を接触させて得られた反応生成物から泡や金属含有物等の生成物を除去した状態の水素を供給することができる水素発生装置及び水素発生方法を提供することを目的とする。
また、本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、少ないスペースで固体反応物と促進剤水溶液を接触させて得られた反応生成物から泡や金属含有物等の生成物を除去した状態の水素を供給することができる水素発生装置を備えた燃料電池設備を提供することを目的とする。
上記目的を達成するための請求項１に係る本発明の水素発生装置は、固体反応物を収容し、内部で水素を発生させる反応器と、前記固体反応物との接触により水素を発生させる促進剤水溶液を収容する溶液貯蔵器と、前記反応器と前記溶液貯蔵器とを連絡し、前記反応器からの水素を前記溶液貯蔵器に送出する、前記溶液貯蔵器側の端部が前記促進剤水溶液に接触する循環路と、前記溶液貯蔵器と前記反応器とを連絡し、前記溶液貯蔵器からの前記促進剤水溶液を前記反応器に送出する水溶液流路と、前記溶液貯蔵器に設けられ、前記溶液貯蔵器に送出された水素を排出する排出路とを備え、前記固体反応物と前記促進剤水溶液のいずれかが錯体水素化物を含むことを特徴とする。
請求項１では、水溶液流路を通して促進剤水溶液を水素発生反応の固体反応物側に移動させ、促進剤水溶液を固体反応物に接触させて水素を発生させ、循環路を通して発生した水素を含む反応生成物を溶液貯蔵器に循環させて促進剤水溶液に接触させ、促進剤水溶液に接触させることにより生成物を除去し、生成物が除去された水素を排出路から排出する。これにより、生成物を除去するための部屋を備えることなく、少ないスペースで泡や金属含有物等の生成物を除去した状態の水素を排出して消費部に供給することができる。
そして、請求項２に係る本発明は、水素の発生による前記反応器内の加圧に応じた圧力変動により前記水溶液流路の促進剤水溶液の流通と前記排出路の水素の流通を制御すると共に、水素を前記循環路に流通させて反応生成物を促進剤水溶液に接触させる制御手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の水素発生装置にある。
請求項２では、水素の発生による反応器内の加圧に応じた圧力変動に応じて制御手段を制御し、水溶液流路を通して促進剤水溶液を水素発生反応の固体反応物側に移動させ、促進剤水溶液を固体反応物に接触させて水素を発生させ、循環路を通して発生した水素を含む反応生成物を溶液貯蔵器に循環させて促進剤水溶液に接触させ、促進剤水溶液に接触させることにより生成物を除去し、生成物が除去された水素を排出路から排出する。これにより、生成物を除去するための部屋を備えることなく、しかも、流体の移動のための駆動源を備えることなく、少ないスペースで泡や金属含有物等の生成物を除去した状態の水素を排出して消費部に供給することができる。
そして、請求項３に係る本発明は、前記制御手段は、前記水溶液流路の途中に設けられ、所定の圧力を下回った際に前記水溶液流路を開状態にする圧力制御弁であることを特徴とする請求項２に記載の水素発生装置にある。
請求項３では、圧力の低下の情報を得ることにより水溶液流路を開状態にして促進剤水溶液を固体反応物側に流通させることができる。
また、請求項４に係る本発明は、促進剤水溶液を一時貯留する貯留部を前記圧力制御弁の上流における前記水溶液流路に備えたことを特徴とする請求項３に記載の水素発生装置にある。
請求項４では、圧力の低下の情報を得ることにより貯留部に一時貯留されていた促進剤水溶液を固体反応物側に流通させることができる。このため、促進剤水溶液を応答性良く流通させることができる。
また、請求項５に係る本発明は、促進剤水溶液の前記貯留部側への流通だけを許容する逆止弁を前記貯留部の上流側における前記水溶液流路に設けたことを特徴とする請求項４に記載の水素発生装置にある。
請求項５では、貯留部に貯留された促進剤水溶液の溶液貯蔵器側への流通を阻止することができる。
また、請求項６に係る本発明は、前記圧力制御弁の設定圧力は、前記溶液貯蔵器の内圧を基準として開弁圧が設定されていることを特徴とする請求項３〜請求項５のいずれか一項に記載の水素発生装置にある。
請求項６では、溶液貯蔵器の内圧が低下した際に、即ち、水素の消費が進んだ際に、促進剤水溶液を固体反応物側に流通させて水素を発生させることができる。
また、請求項７に係る本発明は、前記循環路の前記溶液貯蔵器への開口端が促進剤水溶液の中に配されていることを特徴とする請求項２〜請求項６のいずれか一項に記載の水素発生装置にある。
請求項７では、循環路からの生成物を確実に促進剤水溶液に接触させることができる。
また、請求項８に係る本発明の水素発生装置は、前記溶液貯蔵器の内部に前記反応器が配され、前記反応器は体積可変部材からなることを特徴とする請求項２〜請求項７のいずれか一項に記載の水素発生装置にある。
請求項８では、水素の発生状況に応じて反応器の体積が変更され、溶液貯蔵器の容積を増加させることができる。
上記目的を達成するための請求項９に係る本発明の燃料電池設備は、燃料電池の燃料極に接続される請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載の水素発生装置の排出路を備え、水素が前記負極室に供給されることを特徴とする。
請求項９では、生成物を除去するための部屋を備えることなく、少ないスペースで泡や金属含有物等の生成物を除去した状態の水素を排出して消費部に供給することができる水素発生装置を備えた燃料電池設備とすることができる。
そして、水素発生反応の促進剤の水溶液である促進剤水溶液を水素発生反応の固体反応物に接触させることで水素を発生させるに際し、水素の発生により加圧力を発生させて発生加圧力とし、発生した加圧力により促進剤水溶液を移動させる一方、水素とともに発生した生成物を促進剤水溶液に接触させて生成物を除去する水素発生方法とすることができる。
これにより、生成物を除去するための部屋を備えることなく、少ないスペースで泡や金属含有物等の生成物を除去することができる。
また、発生した加圧力により水素を排出する水素発生方法とすることができる。
これにより、発生した加圧力により水素を排出して消費部に供給することができる。
本発明の水素発生装置は、少ないスペースで固体反応物と促進剤水溶液を接触させて得られた反応生成物から泡や金属含有物等の生成物を除去した状態の水素を供給することができる水素発生装置となる。
また、本発明の燃料電池設備は、少ないスペースで固体反応物と促進剤水溶液を接触させて得られた反応生成物から泡や金属含有物等の生成物を除去した状態の水素を供給することができる水素発生装置を備えた燃料電池設備となる。
図１〜図４に基づいて第１実施形態例を説明する。
図１には本発明の第１実施形態例に係る水素発生装置の概略構成、図２、図３には圧力制御弁の断面、図４には水素発生処理の流れを示してある。
水素発生装置１は、反応器２を備え、反応器２内には水素発生反応の固体反応物としてのワーク３が貯蔵されている。反応器２に隣接して溶液貯蔵器としての溶液容器４が備えられ、溶液容器４には水素発生の促進剤の水溶液である促進剤水溶液５が貯蔵されている。反応器２と溶液容器４は水溶液流路としての送液管６により接続され、送液管６には促進剤水溶液５を一時貯留する貯留部としての貯留室７が設けられている。溶液容器４の促進剤水溶液５が送液管６から反応器２のワーク３に供給されることにより、促進剤水溶液５がワーク３に接触して反応し水素が生成される。
本実施形態例では、ワーク３に水素化ホウ素ナトリウム（ＳＢＨ）を用い、促進剤水溶液５にはリンゴ酸水溶液を用いた。このワーク３と促進剤水溶液５については、後でさらに詳細に説明する。また、本実施形態例では、水溶液流路として送液管６を例に挙げて説明しているが、水溶液流路としては反応器２と溶液容器４を連絡するために内部空間を繋ぐ孔や溝及び蓋を用いることも可能である。
溶液容器４と貯留室７の間（貯留部の上流側）における送液管６には逆止弁８が設けられ、促進剤水溶液５は貯留室７側への流通だけが許容されている。反応器２と貯留室７の間における送液管６には圧力制御弁９が設けられ、圧力制御弁９は所定の圧力を下回った際に送液管６を開状態に制御する。詳細は後述するが、所定の圧力は、例えば、大気圧と水素圧（溶液容器４の内圧）との関係で設定されている。つまり、圧力制御弁９の設定圧力は溶液容器４の内圧を基準として開弁圧が設定されている。
尚、送液管６の促進剤水溶液５側の開口部に発泡ニッケル等の金属発泡体を設け、フィルタとすることも可能である。
反応器２と溶液容器４は循環路としての水素管１０により接続され、水素管１０の溶液容器４内の端部（開口端）は促進剤水溶液５の中に配されている。反応器２で生成された水素（水素、水素を巻き込んだ泡等）は、水素発生による加圧力により水素管１０から促進剤水溶液５の中に送られ、気体の水素が溶液容器４に貯留される。また、溶液容器４には排出路としての排出管１１の基端が接続され、排出管１１はレギュレータ１２を介して水素消費部に繋がっている。
上述した水素発生装置１は、促進剤水溶液５が反応器２のワーク３に供給されることにより水素が生成され、反応器２で生成された水素（水素、水素を巻き込んだ泡等）は促進剤水溶液５に接触した後に排出管１１から消費部に送られる。促進剤水溶液５の移動及び生成された水素の移動は、生成時の圧力により圧力制御弁９の開閉制御により行われる。このため、水素の生成及び水素の移動のための動力を必要とせず、促進剤水溶液５を供給するためのポンプ等が不要になる。
図１に図記号として示した圧力制御弁９の構造について、図２及び図３に基づいて詳細に説明する。
まず、図１に示した圧力制御弁９では、その上下方向に送液管６が接続されているが、図１は気体や液体の移送回路としての機器の配置関係を示すための図であるため、送液管６が上下方向であるか左右方向であるかは限定されない。すなわち、圧力制御弁９に対して上流側の送液管６と下流側の送液管６とが同方向である場合も有りうる。図２及び図３に示す圧力制御弁９は、上流側の送液管６と下流側の送液管６とが同方向である場合の例であり、図２は、圧力制御弁９の開状態を示す断面図、図３は、閉状態を示す断面図である。
圧力制御弁９は、外周部に基体２１を有する。この基体２１は、気体や液体の移送回路に用いられる他の機器や配管との接続を担うとともに、圧力制御弁９全体の大きさを決定する外枠となっている。尚、この基体２１は、移送回路に用いられる他の機器に一体に形成しても良い。基体２１には、これを厚さ方向（図中上下方向）に貫通する貫通部２２が設けられている。この貫通部２２の一方の開口部２２ａを塞ぐように第１圧力変形部２３が設けられ、他方の開口部２２ｂを塞ぐように第２圧力変形部２４が設けられている。
第１圧力変形部２３及び第２圧力変形部２４は、可撓性のシートからなり厚さ方向に変形可能となっている。貫通部２２における第１圧力変形部２３及び第２圧力変形部２４の間の空間には仕切部材２５が設けられ、仕切部材２５は基体２１の厚さ方向の中間に配されて第１圧力変形部２３及び第２圧力変形部２４の間の空間が区画されている。
仕切部材２５により区画されて第１圧力変形部２３側に第１流路２６が形成されると共に、第２圧力変形部２４側に第２流路２７が形成されている。第１流路２６及び第２流路２７はそれぞれ基体２１の平面方向に延設されている。
第１流路２６が、例えば、送液管６の貯留室７側に接続され、第２流路２７が、例えば、送液管６の反応器２側に接続されている。仕切部材２５には貫通孔２８が設けられ、貫通孔２８により形成された連通路２９を介して第１流路２６及び第２流路２７が連通されている。
貫通部２２の第１圧力変形部２３及び第２圧力変形部２４の間の空間には弁部材３０が図中上下方向に移動自在に備えられ、弁部材３０には貫通孔２８を貫通する弁棒３１と第２流路２７側に配される弁体３２が一体に設けられている。弁部材３０が図中上側に移動した際には、連通路２９が第２流路２７側から弁体３２に塞がれた状態になる（図３参照）。弁棒３１の端部には第１圧力変形部２３が接続され、弁体３２の外側の面には第２圧力変形部２４が接続されている。つまり、弁部材３０は第１圧力変形部２３及び第２圧力変形部２４に支持されて連通路２９を開閉可能としている。
圧力制御弁９は、第１圧力変形部２３の外側に、大気圧等の所定の圧力を受け、第２圧力変形部２４の外側に溶液容器４（図１参照）の水素圧力を受けるように配置されている。即ち、図１に点線で示したように、第２圧力変形部２４の外側と溶液容器４が接続され、第２圧力変形部２４の外側に溶液容器４（図１参照）の水素圧力を受けるようにされている。第２圧力変形部２４の外側に溶液容器４（図１参照）の水素圧力を受けるようにしたので、圧力変動の少ない水素圧力を圧力制御弁９に作用させることができる。尚、第２圧力変形部２４の外側に反応器２の水素圧力を受けるようにすることも可能である。
このため、溶液容器４の水素圧力が大気圧より高い状態では、図３に示すように、第１圧力変形部２３及び第２圧力変形部２４は弁部材３０と共に図中上方に移動して連通路２９が弁体３２に塞がれた状態になり、第１流路２６と第２流路２７が遮断された状態になる。従って、溶液容器４（図１参照）の水素圧力が高いときには、第１流路２６と第２流路２７が遮断されて貯留室７の促進剤水溶液５（図１参照）の反応器２への供給が停止される。
水素の消費が進み溶液容器４の水素圧力が大気圧より低くなると、図２に示すように、第１圧力変形部２３及び第２圧力変形部２４は弁部材３０と共に図中下方に移動して弁体３２が貫通孔２８から離れて連通路２９が開かれた状態になり、第１流路２６と第２流路２７が連通した状態になる。従って、溶液容器４（図１参照）の水素圧力が低くなると、第１流路２６と第２流路２７が連通して貯留室７の促進剤水溶液５（図１参照）の反応器２への供給が行われる。
このように、圧力制御弁９は溶液容器４（図１参照）の水素の消費に応じて開閉制御され、必要な時に、動力を用いることなく促進剤水溶液５（図１参照）を反応器２に供給して水素を発生させることができる。
図１、図４に基づいて上述した水素発生装置１の作用を説明する。尚、以下の説明でしめしたステップ番号は、図４に記載したステップ番号である。
溶液容器４（貯留室７）から送液管６を通して反応器２に促進剤水溶液５が供給される。溶液容器４の水素圧力が低く圧力制御弁９が開いている状態で、促進剤水溶液５が反応器２に供給され、促進剤水溶液５がワーク３に接触して反応し（ステップＳ１）、水素が生成される（ステップＳ２）。反応器２の内圧の上昇により、発生した水素は水素管１０を通って溶液容器４に移動する。溶液容器４の圧力が高くなって大気圧を上回ると、圧力制御弁９が閉じて（ステップＳ３）促進剤水溶液５の供給が停止される。また、溶液容器４の内圧の上昇により促進剤水溶液５は逆止弁８を通って貯留室７に移動する（ステップＳ４：図１中矢印ｃ）。
反応器２内の水素、生成物、泡等が水素管１０を通って溶液容器４に移動する（ステップＳ５：図１中矢印ａ）。泡中のＳＢＨが反応して水素が発生し（ステップＳ６）、反応器２からの水素及び泡中で反応した水素及び生成物が促進剤水溶液５に接触し、泡及び生成物が除去された水素がレギュレータ１２を介して排出管１１から消費部に送られる（ステップＳ７：図１中矢印ｂ）。
反応器２で生成された水素は生成物及び泡と共に促進剤水溶液５に接触して水素と生成物（泡）とを分離することができる。このため、分離のための手段（例えば、分離室等）を備えることなく、生成物（泡）を分離して反応効率の低下をなくし、水素を消費部に供給することができる。そして、反応器２の内圧の上昇により促進剤水溶液５の移動及び水素、生成物、泡の移動を行うことができ、移動のための動力を必要とせず、消費電力なしで水素を発生させることができる。
水素の消費が進み溶液容器４の内圧が低下すると、水素圧が大気圧を下回り、圧力制御弁９が開いて（ステップＳ８）促進剤水溶液５が反応器２に移動する（ステップＳ９：図１中矢印ｄ）。促進剤水溶液５がワーク３に供給され、促進剤水溶液５がワーク３に接触して反応し、水素が生成される。
従って、泡等を分離するための手段を備えることなく、少ないスペースでワーク３と促進剤水溶液５を接触させて、得られた反応生成物から泡や金属含有物等の生成物を除去した状態の水素を消費部に供給することができる水素発生装置となる。そして、動力を用いずに反応器２の内圧の上昇により促進剤水溶液５の移動及び水素を含む反応生成物の移動を安定して行うことができる。
ここで、ワーク３と促進剤水溶液５の具体例を説明する。
ワーク３には水素化ホウ素ナトリウム（ＳＢＨ）を用い、促進剤水溶液５にはリンゴ酸水溶液を用いている。ＳＢＨは固体であり、形態は粉体でも錠剤でも良い。リンゴ酸水溶液の濃度は５％以上６０％以下、好ましくは、１０％以上４０％以下のものを用いる。通常は２５％の濃度のリンゴ酸水溶液を用いる。水素発生反応はＳＢＨとリンゴ酸水溶液の水とによる以下の反応である。リンゴ酸は反応促進剤として作用する。
ワーク３及び促進剤水溶液５としての組み合わせの例を説明する。
ワーク３として、水素化ホウ素塩、水素化アルミニウム塩、固体もしくは塩基性溶液が用いられた場合、促進剤水溶液５として、有機酸が５％〜６０％（１０％〜４０％）、通常は２５％の濃度で使用される。ワーク３の塩として、ナトリウム、カリウム、リチウムが使用され、促進剤水溶液５の有機酸として、クエン酸、リンゴ酸、コハク酸が使用される。
また、ワーク３として、水素化ホウ素塩、水素化アルミニウム塩、固体もしくは塩基性溶液が用いられた場合、促進剤水溶液５として、金属塩化物が１％〜２０％の濃度で使用される。ワーク３の塩として、ナトリウム、カリウム、リチウムが使用され、促進剤水溶液５の促進剤金属として、ニッケル、鉄、コバルトが通常１２％の濃度で使用される。
また、ワーク３として、金属塩化物が用いられた場合、促進剤水溶液５として、水素化ホウ素塩、水素化アルミニウム塩の塩基性溶液が１％〜２０％、通常は１２％の濃度で使用される。ワーク３の金属として、ニッケル、鉄、コバルトが使用され、促進剤水溶液５の塩として、ナトリウム、カリウム、リチウムが使用される。
また、ワーク３として、酸化還元電位が水素より卑とされる金属が用いられた場合、促進剤水溶液５として酸が使用される。ワーク３の金属として、マグネシウム、アルミニウム、鉄が使用され、促進剤水溶液５の酸として、塩酸、硫酸が使用される。
また、ワーク３として、両性金属が用いられた場合、促進剤水溶液５として塩基性水溶液が使用される。ワーク３の両性金属として、アルミニウム、亜鉛、錫、鉛が使用され、促進剤水溶液５の塩基性水溶液として水酸化ナトリウムが使用される。
図５に基づいて本発明の第２実施形態例を説明する。
図５には本発明の第２実施形態例に係る水素発生装置の概略構成を示してある。尚、図１に示した部材と同一部材には同一符号を付してある。
水素発生装置４１は、チャンバー４２を備え、チャンバー４２の内部は仕切壁４３により反応器としての反応室４４と溶液貯蔵器としての溶液室４５に仕切られている。反応室４４内には水素発生反応の固体物としてのワーク３（例えば、水素化ホウ素ナトリウム：ＳＢＨ）が貯蔵され、溶液室４５には水素発生の促進剤の水溶液である促進剤水溶液５（例えば、リンゴ酸水溶液）が貯蔵されている。溶液室４５と反応室４４は水溶液流路としての送液管６により接続され、送液管６には促進剤水溶液５を一時貯留する貯留部としての貯留室７が設けられている。溶液室４５の促進剤水溶液５が送液管６から反応室４４のワーク３に供給されることにより、促進剤水溶液５がワーク３に接触して反応し水素が生成される。
溶液室４５と貯留室７の間（貯留部の上流側）における送液管６には逆止弁８が設けられ、促進剤水溶液５は貯留室７側への流通だけが許容されている。反応室４４と貯留室７の間における送液管６には圧力制御弁９が設けられ、圧力制御弁９は所定の圧力を下回った際に送液管６を開状態に制御する。所定の圧力は、例えば、大気圧と水素圧（溶液室４５の内圧）との関係で設定されている。つまり、圧力制御弁９の設定圧力は溶液室４５の内圧を基準として開弁圧が設定されている。
反応室４４と溶液室４５を仕切る仕切壁４３には循環路としての水素管４６が設けられ、水素管４６には反応室４４から溶液室４５への水素の流通だけを許容する逆止弁４７が設けられている。反応室４４で生成された水素（水素、水素を巻き込んだ泡等）は、水素発生による加圧力により水素管４６から溶液室４５の促進剤水溶液５の上方に送られ、気体の水素が溶液室４５に貯留される。水素を巻き込んだ泡等の生成物は落下して促進剤水溶液５に接触する。また、溶液室４５には排出路としての排出管１１の基端が接続され、排出管１１はレギュレータ１２を介して水素消費部に繋がっている。
尚、水素管４６の溶液室４５側の開口端を促進剤水溶液５の中に臨ませて配置することも可能である。また、循環路として水素管４６を例に挙げて説明しているが、循環路としては反応室４４と溶液室４５とを連絡するために内部空間を繋ぐ孔や溝及び蓋を用いることも可能である。
上述した水素発生装置４１の作用を説明する。
溶液室４５（貯留室７）から送液管６を通して反応室４４に促進剤水溶液５が供給される。溶液室４５の水素圧力が低く圧力制御弁９が開いている状態で、促進剤水溶液５が反応室４４に供給され、促進剤水溶液５がワーク３に接触して反応し、水素が生成される。反応室４４の内圧の上昇により、発生した水素は水素管４６を通って溶液室４５に移動する。溶液室４５の圧力が高くなって大気圧を上回ると、圧力制御弁９が閉じて促進剤水溶液５の供給が停止される。また、溶液室４５の内圧の上昇により促進剤水溶液５は逆止弁８を通って貯留室７に移動する（図５中矢印ｃ）。
反応室４４内の水素、生成物、泡等が水素管４６及び逆止弁４７を通って溶液室４５に移動し（図５中矢印ａ）、生成物及び泡が落下して促進剤水溶液５に接触する。泡及び生成物が除去された水素がレギュレータ１２を介して排出管１１から消費部に送られる（図５中矢印ｂ）。
反応室４４で生成された水素は生成物及び泡と共に溶液室４５に送られ、生成物及び泡の落下により水素と生成物（泡）とを分離することができる。このため、分離のための手段（例えば、分離室等）を備えることなく、生成物（泡）を分離して反応効率の低下をなくし、水素を消費部に供給することができる。そして、反応室４４の内圧の上昇により促進剤水溶液５の移動及び水素、生成物、泡の移動を行うことができ、移動のための動力を必要とせず、消費電力なしで水素を発生させることができる。
水素の消費が進み溶液室４５の内圧が低下すると、水素圧が大気圧を下回り、圧力制御弁９が開いて促進剤水溶液５が溶液室４５に移動する（図５中矢印ｄ）。促進剤水溶液５がワーク３に供給され、促進剤水溶液５がワーク３に接触して反応し、水素が生成される。
従って、泡等を分離するための手段を備えることなく、少ないスペースでワーク３と促進剤水溶液５を接触させて、得られた反応生成物から泡や金属含有物等の生成物を除去した状態の水素を消費部に供給することができる水素発生装置４１となる。そして、動力を用いずに反応室４４の内圧の上昇により促進剤水溶液５の移動及び水素を含む反応生成物の移動を安定して行うことができる。更に、一つのチャンバー４２で一体化したことにより、運搬が容易となり、逆止弁４７により促進剤水溶液５の反応室４４側への移動が阻止されているので、姿勢に拘わらず促進剤水溶液５の反応室４４側への流通がなく携帯機器等への適用が容易となる。
図６、図７に基づいて本発明の第３実施形態例を説明する。
図６には本発明の第３実施形態例に係る水素発生装置の概略構成、図７には反応器の外観を示してある。尚、図１に示した部材と同一部材には同一符号を付してある。
水素発生装置５１は、溶液貯蔵器５２を備え、溶液貯蔵器５２には水素発生の促進剤の水溶液である促進剤水溶液５（例えば、リンゴ酸水溶液）が貯蔵されている。溶液貯蔵器５２の内部には反応器としての反応器５３が備えられている。反応器５３は、図７に示すように、側壁が蛇腹状の筒形状に構成され、伸び縮みすることで体積が変化するようになっている。尚、反応器５３の底面と溶液貯蔵器５２の底面とにわたり圧縮ばねを設け、反応器５３を縮み側に付勢することも可能である。
反応器５３の内部には水素発生反応の固体物としてのワーク３（例えば、水素化ホウ素ナトリウム：ＳＢＨ）が収容されている。溶液貯蔵器５２と反応器５３の内部は水溶液流路としての送液管６により接続され、送液管６には促進剤水溶液５を一時貯留する貯留部としての貯留室７が設けられている。溶液貯蔵器５２の促進剤水溶液５が送液管６から反応器５３のワーク３に供給されることにより、促進剤水溶液５がワーク３に接触して反応し水素が生成される。
溶液貯蔵器５２と貯留室７の間（貯留部の上流側）における送液管６には逆止弁８が設けられ、促進剤水溶液５は貯留室７側への流通だけが許容されている。反応器５３と貯留室７の間における送液管６には圧力制御弁９が設けられ、圧力制御弁９は所定の圧力を下回った際に送液管６を開状態に制御する。所定の圧力は、例えば、大気圧と水素圧（溶液貯蔵器５２の内圧）との関係で設定されている。つまり、圧力制御弁９の設定圧力は溶液貯蔵器５２の内圧を基準として開弁圧が設定されている。
反応器５３の側壁には循環路としての水素管５４が設けられ、水素管５４には反応器５３から溶液貯蔵器５２への水素の流通だけを許容する逆止弁５５が設けられている。反応器５３で生成された水素（水素、水素を巻き込んだ泡等）は、水素発生による加圧力により水素管５４から溶液貯蔵器５２の上方に送られ、気体の水素が溶液貯蔵器５２に貯留される。水素を巻き込んだ泡等の生成物は落下して促進剤水溶液５に接触する。また、溶液貯蔵器５２には排出路としての排出管１１の基端が接続され、排出管１１はレギュレータ１２を介して水素消費部に繋がっている。
尚、水素管５４の溶液貯蔵器５２側の開口端を促進剤水溶液５の中に臨ませて配置することも可能である。また、前述同様に、循環路としては反応器５３と溶液貯蔵器５２とを連絡するために内部空間を繋ぐ孔や溝及び蓋を用いることも可能である。
上述した水素発生装置５１の作用を説明する。
溶液貯蔵器５２（貯留室７）から送液管６を通して反応器５３に促進剤水溶液５が供給される。溶液貯蔵器５２の水素圧力が低く圧力制御弁９が開いている状態で、促進剤水溶液５が反応器５３に供給され、促進剤水溶液５がワーク３に接触して反応し、水素が生成される。反応器５３の内圧の上昇により、発生した水素は水素管５４を通って溶液貯蔵器５２に移動する。溶液貯蔵器５２の圧力が高くなると反応器５３が縮められて体積が小さくされる（溶液貯蔵器５２の容積が大きくされる）。溶液貯蔵器５２の圧力が高くなって大気圧を上回ると、圧力制御弁９が閉じて促進剤水溶液５の供給が停止される。また、溶液貯蔵器５２の内圧の上昇により促進剤水溶液５は逆止弁８を通って貯留室７に移動する（図６中矢印ｃ）。
反応器５３内の水素、生成物、泡等が水素管５４及び逆止弁５５を通って溶液貯蔵器５２に移動し（図６中矢印ａ）、生成物及び泡が落下して促進剤水溶液５に接触する。泡及び生成物が除去された水素がレギュレータ１２を介して排出管１１から消費部に送られる（図６中矢印ｂ）。
反応器５３で生成された水素は生成物及び泡と共に溶液貯蔵器５２に送られ、生成物及び泡の落下により水素と生成物（泡）とを分離することができる。このため、分離のための手段（例えば、分離室等）を備えることなく、生成物（泡）を分離して反応効率の低下をなくし、水素を消費部に供給することができる。そして、反応器５３の内圧の上昇に応じて促進剤水溶液５の移動及び水素、生成物、泡の移動を行うことができ、移動のための動力を必要とせず、消費電力なしで水素を発生させることができる。
また、溶液貯蔵器５２の内圧の上昇により反応器５３が縮められて反応器５３の内部の空間を最小限に抑えることができ、溶液貯蔵器５２の容積を十分に確保することができる。このため、溶液貯蔵器５２を大きくすることなく十分な量の水素を発生させることができる。
水素の消費が進み反応器５３の内圧が低下すると、水素圧が大気圧を下回り、圧力制御弁９が開いて促進剤水溶液５が反応器５３に移動する（図６中矢印ｄ）。促進剤水溶液５がワーク３に供給され、促進剤水溶液５がワーク３に接触して反応し、水素が生成される。
従って、泡等を分離するための手段を備えることなく、少ないスペースでワーク３と促進剤水溶液５を接触させて、得られた反応生成物から泡や金属含有物等の生成物を除去した状態の水素を消費部に供給することができる水素発生装置５１となる。そして、動力を用いずに反応器５３の内圧の上昇により促進剤水溶液５の移動及び水素を含む反応生成物の移動を安定して行うことができる。
更に、伸び縮みする反応器５３を溶液貯蔵器５２の内部に配したので、水素の発生状況に応じて反応器５３の体積を変化させ、溶液貯蔵器５２の容積を増やすことができる。このため、小さな溶液貯蔵器５２で十分な量の水素を発生させることができる。
また、逆止弁５５により促進剤水溶液５の反応器５３側への移動が阻止されているので、姿勢に拘わらず促進剤水溶液５の反応器５３への流通がなく、溶液貯蔵器５２の小型化と相俟って携帯機器等への適用が更に容易となる。
尚、反応器として、円筒状容器をプランジャーにより移動自在にした構成を用いることも可能であり、可撓性部材により袋を形成して容器とする構成を用いることも可能である。
図８に基づいて燃料電池設備を説明する。
図８には本発明の一実施形態例に係る燃料電池設備の概略構成を示してある。図示の実施形態例は、図１に示した水素発生装置を適用したものであるので、図１に示した部材と同一部材には同一符号を付して重複する説明は省略してある。
図に示した燃料電池設備６１は、図１に示した水素発生装置１を燃料電池６２に接続した設備である。即ち、燃料電池６２にはアノードチャンバー６３が備えられ、アノードチャンバー６３は燃料電池セル６４のアノード室に接する空間を構成している。アノード室は、アノードで消費する水素を一時的に保持する空間である。
溶液容器４には、図１に示した排出管１１及びレギュレータ１２に代えて、水素導管６０が接続され、アノードチャンバー６３と溶液容器４は水素導管６０で接続されている。溶液容器４の水素は水素導管６０を通してアノードチャンバー６３のアノード室に供給される。アノード室に供給された水素は、アノードでの燃料電池反応で消費される。アノードでの水素の消費量は燃料電池６２の出力に応じて決定される。
尚、水素発生装置として、図５、図６に示したものを適用することも可能である。これらの場合、図８に示した燃料電池装置と同様に、水素発生装置の排出管１１及びレギュレータ１２に代えて、水素導管６０が接続される。
上述した燃料電池設備６１は、泡等を分離するための手段を備えることなく、少ないスペースでワーク３と促進剤水溶液５を接触させて、得られた反応生成物から泡や金属含有物等の生成物を除去した状態の水素をアノード室に供給することができ、動力を用いずに促進剤水溶液５の移動及び水素を含む反応生成物の移動を安定して行うことができる燃料電池設備６１となる。
本発明は、水素を必要とする装置や水素貯蔵容器に効率よく水素を供給するための水素発生装置の産業分野で利用することができる。
また、本発明は、水素を効率よく供給することができる水素発生装置を備えた燃料電池設備の産業分野で利用することができる。
１、４１、５１ 水素発生装置
２ 反応器
３ ワーク
４ 溶液容器
５ 促進剤水溶液
６ 送液管
７ 貯留室
８、４７、５５ 逆止弁
９ 圧力制御弁
１０、４６、５４ 水素管
１１ 排出管
１２ レギュレータ
２１ 基体
２２ 貫通部
２３ 第１圧力変形部
２４ 第２圧力変形部
２５ 仕切部材
２６ 第１流路
２７ 第２流路
２８ 貫通孔
２９ 連通路
３０ 弁部材
３１ 弁棒
３２ 弁体
４２ チャンバー
４３ 仕切壁
４４ 反応室
４５ 溶液室
５２ 溶液貯蔵器
５３ 反応器
６０ 水素導管
６１ 燃料電池設備
６２ 燃料電池
６３ アノードチャンバー
６４ 燃料電池セル
２ 反応器
３ ワーク
４ 溶液容器
５ 促進剤水溶液
６ 送液管
７ 貯留室
８、４７、５５ 逆止弁
９ 圧力制御弁
１０、４６、５４ 水素管
１１ 排出管
１２ レギュレータ
２１ 基体
２２ 貫通部
２３ 第１圧力変形部
２４ 第２圧力変形部
２５ 仕切部材
２６ 第１流路
２７ 第２流路
２８ 貫通孔
２９ 連通路
３０ 弁部材
３１ 弁棒
３２ 弁体
４２ チャンバー
４３ 仕切壁
４４ 反応室
４５ 溶液室
５２ 溶液貯蔵器
５３ 反応器
６０ 水素導管
６１ 燃料電池設備
６２ 燃料電池
６３ アノードチャンバー
６４ 燃料電池セル
Claims (9)
- 固体反応物を収容し、内部で水素を発生させる反応器と、
前記固体反応物との接触により水素を発生させる促進剤水溶液を収容する溶液貯蔵器と、
前記反応器と前記溶液貯蔵器とを連絡し、前記反応器からの水素を前記溶液貯蔵器に送出する、前記溶液貯蔵器側の端部が前記促進剤水溶液に接触する循環路と、
前記溶液貯蔵器と前記反応器とを連絡し、前記溶液貯蔵器からの前記促進剤水溶液を前記反応器に送出する水溶液流路と、
前記溶液貯蔵器に設けられ、前記溶液貯蔵器に送出された水素を排出する排出路とを備え、
前記固体反応物と前記促進剤水溶液のいずれかが錯体水素化物を含むことを特徴とする水素発生装置。 - 水素の発生による前記反応器内の加圧に応じた圧力変動により前記水溶液流路の促進剤水溶液の流通と前記排出路の水素の流通を制御すると共に、水素を前記循環路に流通させて反応生成物を促進剤水溶液に接触させる制御手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の水素発生装置。
- 前記制御手段は、前記水溶液流路の途中に設けられ、所定の圧力を下回った際に前記水溶液流路を開状態にする圧力制御弁であることを特徴とする請求項２に記載の水素発生装置。
- 促進剤水溶液を一時貯留する貯留部を前記圧力制御弁の上流における前記水溶液流路に備えたことを特徴とする請求項３に記載の水素発生装置。
- 促進剤水溶液の前記貯留部側への流通だけを許容する逆止弁を前記貯留部の上流側における前記水溶液流路に設けたことを特徴とする請求項４に記載の水素発生装置。
- 前記圧力制御弁の設定圧力は、前記溶液貯蔵器の内圧を基準として開弁圧が設定されていることを特徴とする請求項３〜請求項５のいずれか一項に記載の水素発生装置。
- 前記循環路の前記溶液貯蔵器への開口端が促進剤水溶液の中に配されていることを特徴とする請求項２〜請求項６のいずれか一項に記載の水素発生装置。
- 前記溶液貯蔵器の内部に前記反応器が配され、前記反応器は体積可変部材からなることを特徴とする請求項２〜請求項７のいずれか一項に記載の水素発生装置。
- 燃料電池の燃料極に接続される請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載の水素発生装置の排出路を備え、水素が前記負極室に供給されることを特徴とする燃料電池設備。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2006213912A JP4929515B2 (ja) | 2006-08-04 | 2006-08-04 | 水素発生装置及び燃料電池設備 |
Applications Claiming Priority (1)
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