JP5909337B2 - 水素発生装置及び燃料電池 - Google Patents
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Description
本発明は水素発生装置及び燃料電池に関する。
燃料電池は、固体高分子電解質膜を挟んでアノードとカソードを有する発電部のアノード側に例えば水素ガスやメタノール等の燃料流体と、カソード側に酸化用流体例えば酸素や空気を供給し電気化学反応により電力を発生する。
水素ガスを燃料とする場合の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金属水素化物（例えば、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）を加水分解する方法が知られている。
金属水素化物を加水分解して水素を得る場合、常温に近い低温で反応が進むため効率よく水素を得ることができる。反面、水素発生量を制御することが難しいのが実情であった。
また、反応で生成される金属含有物や泡等の生成物が存在し、生成物が金属水素化物を覆い、金属水素化物と水の接触を阻害する。これにより、水素発生反応の反応速度が低下し、最終的には反応が停止してしまう。
このため、金属水素化物に供給する水を高圧で噴き付けることにより、生成物を除去する技術が知られている。（例えば、特許文献１参照）金属水素化物に供給する水を高圧で噴き付けることにより、生成物を除去するので反応速度の低下を抑制することができる。
このため、金属水素化物に供給する水を高圧で噴き付けることにより、生成物を除去する技術が知られている。（例えば、特許文献１参照）金属水素化物に供給する水を高圧で噴き付けることにより、生成物を除去するので反応速度の低下を抑制することができる。
しかし、水を高圧で吹き付ける為の装置など、構造が複雑になって大型化が避けられない技術であった。このため、小型化を必要とする機器に適用するには向かない技術であるといえる。
一方、小型の装置で水素発生量を制御するため、シート状またはバルク状の吸水性の不織布などの給水体に金属水素化物（水素化ホウ素金属化合物）およびアルカリ性物質を担持し、その吸水性の不織布に水や触媒の水などの反応液を浸透させ、金属水素化物と反応させることにより水素を発生させる技術が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
従来から提案されている技術を用いることで、反応液と金属水素化物との反応を徐々に進行させることができるので、反応を一定の速度に調整することができる。
しかしながら、従来技術によると、水素の発生量は水や反応液の給水体への浸透の速度に依存することになり、所望の水素量に合わせて、水素発生量を増減させることが困難であるという問題がある。
そこで、本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、水素の発生量を容易に制御することができる水素発生装置及び燃料電池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本発明の第１の特徴は、反応液と反応して水素を生成する水素発生物質が収容される水素発生体と、前記水素発生体が配置され、生成された前記水素を排出する排出路を備えた反応容器と、前記反応容器に備えられ、前記水素発生体に前記反応液を導入する溶液導入路とを備え、前記水素発生体は、筒形状であり、前記反応液が流れる送液流路と、前記送液流路の外周に配置される反応層とを備えることを要旨とする。
かかる特徴によれば、送液流路に導入された反応液が、送液流路の外周に配置された反応層に浸透することにより、水素を発生させることができ、送液流路に導入する反応液の量により水素発生量を決めることができるので、大掛かりな機構を要さずに水素の発生量を容易に制御することが可能になる。
かかる特徴によれば、送液流路に導入された反応液が、送液流路の外周に配置された反応層に浸透することにより、水素を発生させることができ、送液流路に導入する反応液の量により水素発生量を決めることができるので、大掛かりな機構を要さずに水素の発生量を容易に制御することが可能になる。
そして、本発明第２の特徴は、本発明の第１の特徴の水素発生装置において、前記送液流路は、中空構造であることを要旨とする。
かかる特徴によれば、中空構造の送液流路なので、反応液を確実に導入し反応層に浸透させることができる。
かかる特徴によれば、中空構造の送液流路なので、反応液を確実に導入し反応層に浸透させることができる。
また、本発明の第３の特徴は、本発明の第１の特徴の水素発生装置において、前記前記送液流路は、多孔質体であることを要旨とする。
かかる特徴によれば、送液流路が多孔質体で構成されているので、反応液の反応層への浸透を円滑に行い必要量の水素を確実に発生させることが可能になる。
かかる特徴によれば、送液流路が多孔質体で構成されているので、反応液の反応層への浸透を円滑に行い必要量の水素を確実に発生させることが可能になる。
また、本発明の第４の特徴は、本発明の第１から第３のいずれかの特徴の水素発生装置において、前記反応層は、前記送液流路の流路方向に垂直な方向に前記反応液が浸透する反応液浸透機構を有することを要旨とする。
かかる特徴によれば、送液流路の流路方向に垂直な方向に反応液が浸透するので、確実に反応層に反応液を浸透させ水素を発生させることができる。
かかる特徴によれば、送液流路の流路方向に垂直な方向に反応液が浸透するので、確実に反応層に反応液を浸透させ水素を発生させることができる。
また、本発明の第５の特徴は、本発明の第４の特徴の水素発生装置において、前記水素発生体は、厚み方向に反応液浸透機構を有する平面状の反応液浸透シートを巻きつけていることを要旨とする。
また、本発明の第６の特徴は、本発明の第４の特徴の水素発生装置において、前記水素発生体は、中心から外周方向に向かい前記反応液浸透機構を有する平面状の反応液浸透板を複数積層していることを要旨とする。
かかる特徴によれば、送液流路の流路方向に垂直な方向に反応液が反応層に浸透するので、確実に反応層に反応液を浸透させ水素を発生させることができる。
また、本発明の第６の特徴は、本発明の第４の特徴の水素発生装置において、前記水素発生体は、中心から外周方向に向かい前記反応液浸透機構を有する平面状の反応液浸透板を複数積層していることを要旨とする。
かかる特徴によれば、送液流路の流路方向に垂直な方向に反応液が反応層に浸透するので、確実に反応層に反応液を浸透させ水素を発生させることができる。
また、請求項７に係る本発明の水素発生装置は、請求項６に記載の水素発生装置において、前記水素発生体は、複数の前記反応液浸透板の間に、仕切り層を収容していることを要旨とする。
かかる特徴によれば、仕切り層で仕切られた反応層毎に確実に反応液を浸透させることができ、水素発生制御を確実に行うことができる。
かかる特徴によれば、仕切り層で仕切られた反応層毎に確実に反応液を浸透させることができ、水素発生制御を確実に行うことができる。
また、本発明の第８の特徴は、本発明の第１から第７のいずれかの特徴の水素発生装置において、前記反応層は、前記水素発生体で生成された前記水素を前記水素発生体の外部に排出するための水素排出機構を有することを要旨とする。
かかる特徴によれば、水素発生体で生成された水素を水素発生体の外部に速やかに排出することができる。
かかる特徴によれば、水素発生体で生成された水素を水素発生体の外部に速やかに排出することができる。
また、本発明の第９の特徴は、本発明の第３から第８のいずれかの特徴の水素発生装置において、前記水素発生体は、前記送液流路に反応促進剤を収容することを要旨とする。
また、本発明の第１０の特徴は、本発明の第９の特徴の水素発生装置において、前記水素発生体は、前記送液流路と前記反応層とに前記反応促進剤を収容することを要旨とする。
かかる特徴によれば、反応液の反応層への流通の過程で反応促進剤を反応液に溶解し、反応促進剤の濃度を都度高めて反応層に導入することができる。
また、本発明の第１０の特徴は、本発明の第９の特徴の水素発生装置において、前記水素発生体は、前記送液流路と前記反応層とに前記反応促進剤を収容することを要旨とする。
かかる特徴によれば、反応液の反応層への流通の過程で反応促進剤を反応液に溶解し、反応促進剤の濃度を都度高めて反応層に導入することができる。
また、本発明の第１１の特徴は、本発明の第１０の特徴の水素発生装置において、前記水素発生体は、前記反応層の少なくとも一部を覆うように前記水素発生物質を収容することを要旨とする。
かかる特徴によれば、反応液や反応促進剤の水素発生体から外部への流出を防ぎ、反応促進剤を確実に反応液に溶解させることがでる。
かかる特徴によれば、反応液や反応促進剤の水素発生体から外部への流出を防ぎ、反応促進剤を確実に反応液に溶解させることがでる。
また、本発明の第１２の特徴は、本発明の第１から第１１のいずれかの特徴の水素発生装置において、前記反応容器は、前記水素発生体を渦巻きまたは、螺旋状に収容していることを要旨とする。
かかる特徴によれば、簡易な構造で長時間水素を供給することが可能であり、また、反応容器の容積を有効に利用することができ水素発生装置を小型化することが出来る。
かかる特徴によれば、簡易な構造で長時間水素を供給することが可能であり、また、反応容器の容積を有効に利用することができ水素発生装置を小型化することが出来る。
また、本発明の第１３の特徴は、本発明の第１から第１２のいずれかの特徴の水素発生装置において、前記反応容器は、前記水素発生体を複数収容していることを要旨とする。
また、本発明の第１４の特徴は、本発明の第１から第１３のいずれかの特徴の水素発生装置において、前記送液流路は、主流路と、前記主流路から分岐した支流路とを有することを要旨とする。
かかる特徴によれば、反応液の供給量の制御の自由度が高く、供給水素の量の制御の自由度が高い水素発生装置とすることができる。
また、本発明の第１４の特徴は、本発明の第１から第１３のいずれかの特徴の水素発生装置において、前記送液流路は、主流路と、前記主流路から分岐した支流路とを有することを要旨とする。
かかる特徴によれば、反応液の供給量の制御の自由度が高く、供給水素の量の制御の自由度が高い水素発生装置とすることができる。
また、本発明の第１５の特徴は、本発明の第１から第１４のいずれかの特徴の水素発生装置の水素が排出される前記排出路に燃料電池の燃料極を有する室が接続され、発生した前記水素が前記燃料極に供給されることを要旨とする。
かかる特徴によれば、大掛かりな機構を要さずに水素の発生量を容易に制御することができる水素発生装置を備えた燃料電池とすることが可能になる。
かかる特徴によれば、大掛かりな機構を要さずに水素の発生量を容易に制御することができる水素発生装置を備えた燃料電池とすることが可能になる。
本発明の水素発生装置及び水素発生方法は、大掛かりな機構を要さずに必要量の水素を的確に発生させることが可能になる。
また、本発明の燃料電池システムは、大掛かりな機構を要さずに必要量の水素を的確に発生させることができる水素発生装置を備えた燃料電池システムとすることが可能になる。
また、本発明の燃料電池システムは、大掛かりな機構を要さずに必要量の水素を的確に発生させることができる水素発生装置を備えた燃料電池システムとすることが可能になる。
（実施の形態１）
図１から図２に基づいて水素発生装置の一実施例を説明する。
図１には本発明の一実施例に係る水素発生装置の全体の概略構成、図２には水素発生体の構成を示してある。
図１に基づいて水素発生装置１の概略を説明する。
図１から図２に基づいて水素発生装置の一実施例を説明する。
図１には本発明の一実施例に係る水素発生装置の全体の概略構成、図２には水素発生体の構成を示してある。
図１に基づいて水素発生装置１の概略を説明する。
図１に示すように、水素発生装置１はケース１１の内部に水素発生体５が格納される反応容器３と、反応液６を貯蔵する反応液室2を有する。反応液室２には、反応液６が格納される。反応容器３には、水素発生体５が格納される。反応液室２と反応容器３に格納される水素発生体５とは、送液管７によって接続される。反応液室２内の反応液６が、送液管７を介して反応容器３内の水素発生体５に送られる。また、反応容器３は、水素発生体３で生成された水素を反応容器３から排出する排出路１２を備える。
図１に示す水素発生装置1における反応液６の反応容器３への送液方式は、プランジャ9を介して加圧バネ１０で反応液6を加圧し反応液６を反応体５に供給する。さらに、送液管７に逆止弁８を配置することにより、反応容器３の内部の圧力が加圧バネ１０の圧力よりも低い場合に水素発生体５に反応液６が送られ、また、反応容器３の内部の圧力が加圧バネ１０の圧力よりも低い場合に停止する動作が得られる。すなわち、ポンプなどの送液機器を使用しない機構によって反応容器３の内部の圧力を維持することができる。また、反応液６の圧力により、反応容器３の内部の圧力が設定されるので、加圧バネ１０のバネ力を変更することにより、任意に反応容器内の圧力調整すなわち、水素発生装置１から出力する水素圧力の設定が可能である。本実施例では、ポンプなどの送液機器を用いない方式を示したが、反応液６の送液方法を限定するものではなく、ポンプなどの送液機器を用い、必要な水素の圧力や流量により、反応液６の送液量を制御することも可能である。また、ケース１１の内部に反応容器３と反応液室２を配置する構成ではなく、送液管７を着脱可能な構造とし、反応容器３と反応液室２を別体の構造とする構成も可能である。また、反応室４に反応液室２を配置することも可能であり、さらに、反応液室２を反応液２の消費共に縮小する可撓性の材質で形成することにより、反応室４の容積を有効に活用することができ、水素発生装置１の体積を縮小することができる。
水素発生体５は、詳細は後述するが、反応液６を流通する送液流路１５と水素発生物質が配置される反応層１６で構成される。反応液６は、送液流路１５を通り、反応層１６に導入され、反応層１６に配置された水素発生物質と混合され反応することにより水素を発生する。発生した水素は、水素発生体５から反応室４に放出され、排出路１２を通じて水素発生装置１から排出される。水素発生装置１の排出路１２と水素を消費する機器（燃料電池）１４は、接続部１３を介して接続され、水素発生装置１で生成した水素が機器（燃料電池）１４に供給される。接続部１３を着脱可能な構造とすることで、水素発生装置１を交換可能なカートリッジとして構成とすることができる。
図２に基づいて水素発生体５を説明する。
図２（ａ）は水素発生体の斜視図、図２（ｂ−１）は水素発生体の流路方向に垂直方向の断面図、図２（ｂ−２）は水素発生体の流路方向の断面図を示す。
図２（ａ）、（ｂ−１）に示すように、水素発生体５は、筒形状であり、筒の中心部に反応液６を流通する送液流路１５を備え、筒形状の外周部に水素発生物質を収容する反応層１６を備える。
反応層１６は、反応液を浸透する不織布や樹脂や金属の多孔質体であり、水素発生物質は、多孔質体の空孔に配置される。
図２（ａ）は水素発生体の斜視図、図２（ｂ−１）は水素発生体の流路方向に垂直方向の断面図、図２（ｂ−２）は水素発生体の流路方向の断面図を示す。
図２（ａ）、（ｂ−１）に示すように、水素発生体５は、筒形状であり、筒の中心部に反応液６を流通する送液流路１５を備え、筒形状の外周部に水素発生物質を収容する反応層１６を備える。
反応層１６は、反応液を浸透する不織布や樹脂や金属の多孔質体であり、水素発生物質は、多孔質体の空孔に配置される。
反応槽１６の多孔質体としては、スポンジなどの発砲体、金属の発泡体や、樹脂粒子焼結体、金属粒子焼結体などの多孔質体であることが好ましい。さらに詳細に説明すると、天然の繊維や、ポリアミド系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、ポリアセタール系樹脂、アクリル系樹脂、ポリエステル系樹脂などの単体もしくは、組み合わせからなる繊維が束ねられた繊維束などの空孔を有し、また毛細管力を有するものが挙げられる。
水素発生物質としては、例えば、水素化ホウ素塩、水酸化アルミニウム塩、水酸化ホウ素ナトリウム、水酸化ホウ素リチウム、水酸化アルミニウムリチウム等が挙げられ、特に、水酸化ホウ素ナトリウムが好ましい。反応液としては、例えば、硫酸、リンゴ酸、クエン酸水等の酸触媒が挙げられ、特に、リンゴ酸が好ましい。これら水素発生物質及び反応液は、特に限定されるものではなく、水素発生物質は加水分解型の金属水素化物であれば全て適用可能であり、反応液としては、例えば、有機酸および無機酸あるいはルテニウム等、水素発生触媒であれば全て適用可能である。さらに、反応液が水素化ホウ素ナトリウム水溶液で水素発生材料がリンゴ酸粉末というように、水素発生物質と反応液の組み合わせは、混合することによって水素を発生する物質であれば全て適用可能である。また、水素発生物質は、マグネシウムやアルミニウムなどの金属やそれらを含む合金も適用可能であり、塩基性あるいは酸性水溶液を反応液として水素を得るものであってもよい。
図２（ｂ−２）に、実線矢印で反応液の流れを示し、破線矢印で水素の流れを示す。図２（ｂ−２）に示すとおり、送液流路１５に導入された反応液６は、外周部に配置された多孔質体の反応層１６に浸透する。反応層１６に浸透した反応液６は、反応層１６に配置された水素発生物質と混合され反応し水素を発生する。
反応層１６に浸透する反応液６の量は、多孔質体の空孔に浸透する反応液６の量であり、多孔質体の空孔容積に対する多孔質体の空孔に配置する水素発生物質の体積の比率により、反応液６と水素発生物質の混合比率を規定する。反応液６と水素発生物質の混合比率は、水素発生物質の反応に充分な比率を設定する。
水素発生物質に水素化ホウ素ナトリウムを用いる場合、加水分解は次の理論式で表すことができる。
ＮａＢＨ４＋６Ｈ２Ｏ→ＮａＢＯ２・４Ｈ２Ｏ＋４Ｈ２
この場合、反応液６と水素発生物質の混合比率は、水素発生物質１モルに対して、６モルの水（Ｈ２Ｏ）と設定される。また、水の比率を小さくして反応後の水和物の生成を抑制し、反応液６の水（Ｈ２Ｏ）の量を縮小することもでき、１モルの水素化ホウ素ナトリウム(ＮａＢＨ４)に対して５モルの水（Ｈ２Ｏ）とすることが望ましい。
ＮａＢＨ４＋６Ｈ２Ｏ→ＮａＢＯ２・４Ｈ２Ｏ＋４Ｈ２
この場合、反応液６と水素発生物質の混合比率は、水素発生物質１モルに対して、６モルの水（Ｈ２Ｏ）と設定される。また、水の比率を小さくして反応後の水和物の生成を抑制し、反応液６の水（Ｈ２Ｏ）の量を縮小することもでき、１モルの水素化ホウ素ナトリウム(ＮａＢＨ４)に対して５モルの水（Ｈ２Ｏ）とすることが望ましい。
（実施の形態１の第１変更例）
また、送液流路１５を反応層１６と同様に多孔質体とすることもできる。この場合、送液流路１５の気孔率を反応層１６の気孔率よりも大きくするか、又は、送液流路１５の毛細管力を反応層１６の毛細管力より小さくすることで、反応層１６より送液流路１５の方が、反応液６の流通が容易になり、反応液６の流路とすることができる。
また、送液流路１５を反応層１６と同様に多孔質体とすることもできる。この場合、送液流路１５の気孔率を反応層１６の気孔率よりも大きくするか、又は、送液流路１５の毛細管力を反応層１６の毛細管力より小さくすることで、反応層１６より送液流路１５の方が、反応液６の流通が容易になり、反応液６の流路とすることができる。
例えば、送液流路１５の気孔率が５０〜９０％、毛管力１００〜３００ｍｍとし、反応層１６の気孔率が３０〜５０％、毛管力２００〜４００ｍｍとすることで、反応層１６より送液流路１５の方が、反応液６を容易に流れるようにすることができる。
反応層１６で発生した水素は、多孔質体の反応層１６を通じ水素発生体５の外部（図１の反応容器３の内部）に排出される。さらに、反応容器３に排出された水素は、排出路１２を通じて水素発生装置１から排出される。
このような構成において、上述した水素発生装置１では、大掛かりな機構を要さずに必要量の水素を確実に発生させることが可能になる。
このような構成において、上述した水素発生装置１では、大掛かりな機構を要さずに必要量の水素を確実に発生させることが可能になる。
また、筒形状の水素発生体５を吸水性材料で覆い、水素発生体５から発生した水素と共に排出される液体の水素発生体５からの流出を抑制する構成とすることができる。また、その一部または全部を撥水性膜（気液分離膜）とすることにより、発生した水素のみを水素発生体５から排出し、液体の流出を抑制する構成としてもよい。
（実施の形態１の第２変更例）
図３は、図１の水素発生体の変更例を示す。
図３（ａ）は、水素発生体の形成前のシート状の反応液浸透シート１８である。この反応液浸透シート１８は、多孔質体であり、シートの面に垂直方向に配向した空孔が形成されている。反応液浸透シート１８に不織布を用いる場合、空孔の配向は、不織布の面に垂直方向に微小な径の機械的変形を加え、微小な径を形成するニードルパンチ処理や、ウォータージェットパンチ処理により、不織布の面に対して垂直方向に繊維の一部(細繊維)を配向させる。不織布の面に対して垂直方向に配向した極細繊維により、シートの面に垂直方向に液体の浸透が促進される。
図３は、図１の水素発生体の変更例を示す。
図３（ａ）は、水素発生体の形成前のシート状の反応液浸透シート１８である。この反応液浸透シート１８は、多孔質体であり、シートの面に垂直方向に配向した空孔が形成されている。反応液浸透シート１８に不織布を用いる場合、空孔の配向は、不織布の面に垂直方向に微小な径の機械的変形を加え、微小な径を形成するニードルパンチ処理や、ウォータージェットパンチ処理により、不織布の面に対して垂直方向に繊維の一部(細繊維)を配向させる。不織布の面に対して垂直方向に配向した極細繊維により、シートの面に垂直方向に液体の浸透が促進される。
このようにして作製された反応液浸透シート１８を、図３（ｂ）に示す様に、ロール状に巻くことにより、反応層１６を形成する。このとき、ロール状に巻いた中心の空間が、送液流路１５となる。このようにして作成された水素発生体５の反応層１６は、送液流路１５に対して円筒形状の外周方向に配向されることとなり、送液流路１５に導入された反応液６を反応層１６に円滑に導き、反応層１６の水素発生物質と混合し反応させることができる。また、反応層１６は多孔質体は、筒形状の外周方向に配向されているので、反応層１６で発生した水素を水素発生体５の筒形状の外周方向への排出が速やかに行われる。
また、中心軸１７を用いて反応液浸透シート１８を巻きつけ反応層１６を作成した後、中心軸１７を抜き、中心軸１７を抜いた後の空間を送液流路１５とする筒形状の水素発生体５を容易に得ることができる。また、中心軸１７に多孔質体の軸を用いることにより中心軸１７を抜くことなく、送液流路１５として用いることも可能である。
また、中心軸１７を用いて反応液浸透シート１８を巻きつけ反応層１６を作成した後、中心軸１７を抜き、中心軸１７を抜いた後の空間を送液流路１５とする筒形状の水素発生体５を容易に得ることができる。また、中心軸１７に多孔質体の軸を用いることにより中心軸１７を抜くことなく、送液流路１５として用いることも可能である。
（実施の形態１の第３変更例）
図４は、図１の水素発生体の変更例を示す。
図４（ａ）は、平面状の反応液浸透板１９である。この反応液浸透板１９は多孔質体であり、反応液浸透板１９の面の中心から外周方向に向かい、孔を配向している。反応液浸透板１９中央には中心孔が配置されている。この反応液浸透板１９を図４（ｂ）に示すように、積層し反応層１６を形成する。積層することにより、中心孔は送液流路１５を形成する。図４（ｃ）では、実線矢印で反応液の流れを示し、破線矢印で水素の流れを示す。
図４は、図１の水素発生体の変更例を示す。
図４（ａ）は、平面状の反応液浸透板１９である。この反応液浸透板１９は多孔質体であり、反応液浸透板１９の面の中心から外周方向に向かい、孔を配向している。反応液浸透板１９中央には中心孔が配置されている。この反応液浸透板１９を図４（ｂ）に示すように、積層し反応層１６を形成する。積層することにより、中心孔は送液流路１５を形成する。図４（ｃ）では、実線矢印で反応液の流れを示し、破線矢印で水素の流れを示す。
図４（ａ）、（ｂ）の構造により、図４（ｃ）に示すように、送液流路１５に導入された反応液６を反応層１６に円滑に導き、反応層１６の水素発生物質と混合し反応させることができる。また、孔が筒形状の外周方向に配向されているので、反応層１６で発生した水素を水素発生体５の筒形状の外周方向へ速やかに排出することができる。また、積層する反応液浸透板１９の間に、シート毎または、複数のシート毎に隔てる図示しない仕切り層を設けることができる。仕切り層は、板状または膜状の樹脂や金属などの反応液６が浸透しない材料を用いる。これにより、反応液浸透板１９毎に確実に反応液６を浸透させることができる。また、仕切り層の間隔を調整し、仕切り層間の隙間の毛管力を変化させることにより反応液６の反応層１６への浸透速度を調整することができる。
また、反応層１６に水素発生物質を配置する際には、水素発生物質を溶媒に溶解し、多孔質体に含浸させた後、溶媒を排除する方法が用いられる。しかし、図３および図４に示した、前述の水素発生体５の反応層１６は、シート状の反応液浸透板をロールまたは積層して形成されるので、ロールや積層した面に水素発生物質を配置することができるため、水素発生物質を溶媒に溶解することなく、粒状や粉末の水素発生物質を配置することが可能であり、簡便な方法で水素発生体５を得ることができる。
（実施の形態１の第４変更例）
図５は、図１の水素発生体５の変形例を示す。
図５に示す水素発生体５は、反応層１６に水素排出孔２０を有する。水素排出孔２０は、反応層１６の筒形状の外周面から筒形状の中心方向に配置され、一部は筒形状外周面に接し、送液流路１５に貫通しない深さである。送液流路１５に導入された反応液は反応層１６に浸透し導入され、水素は性物質と混合され水素を発生する。発生した水素は、反応層１６の多孔質体の空孔を通し水素発生体５の外部に排出されると同時に、水素排出孔２０を通し排出される。
これにより、反応層１６で発生した水素を速やかに水素発生体５の外部に排出できる。
図５は、図１の水素発生体５の変形例を示す。
図５に示す水素発生体５は、反応層１６に水素排出孔２０を有する。水素排出孔２０は、反応層１６の筒形状の外周面から筒形状の中心方向に配置され、一部は筒形状外周面に接し、送液流路１５に貫通しない深さである。送液流路１５に導入された反応液は反応層１６に浸透し導入され、水素は性物質と混合され水素を発生する。発生した水素は、反応層１６の多孔質体の空孔を通し水素発生体５の外部に排出されると同時に、水素排出孔２０を通し排出される。
これにより、反応層１６で発生した水素を速やかに水素発生体５の外部に排出できる。
また、図４に示した多孔質体円形シート１９を積層して水素発生体５を形成する構成の場合は、溝加工した多孔質体円形シート１９を積層することにより、水素排出孔２０を形成することができる。図５（ｂ−２）では、実線矢印で反応液の流れを示し、破線矢印で水素の流れを示す。
（実施の形態１の第５変更例）
図６は、図１の水素発生体の変形例を示す。
図６は、水素発生体５の送液流路１５を多孔質体とし、さらに、送液流路１５の多孔質体の空孔に反応液６と反応層１６に配置された水素発生物質の混合による水素発生反応を促進する反応促進剤を配置する。反応促進剤は、送液流路１５に導入された反応液６に溶解し、反応層１６に導入される。これにより、反応層１６に配置された水素発生物質と混合される反応液６の反応促進剤の濃度を高めることができるので、水素発生物質と反応液６を確実に反応させることができる。また、送液流路１５に導入される反応液６に含まれる反応促進剤の濃度を低減することができるため、反応液６の粘度を抑制し、反応液の送液に必要な圧力を小さくすることができる。その結果、反応液６の送液に用いる送液機構（ポンプなど）の能力や大きさを縮小することができる。図６では、実線矢印で反応液の流れを示し、破線矢印で水素の流れを示す。
図６は、図１の水素発生体の変形例を示す。
図６は、水素発生体５の送液流路１５を多孔質体とし、さらに、送液流路１５の多孔質体の空孔に反応液６と反応層１６に配置された水素発生物質の混合による水素発生反応を促進する反応促進剤を配置する。反応促進剤は、送液流路１５に導入された反応液６に溶解し、反応層１６に導入される。これにより、反応層１６に配置された水素発生物質と混合される反応液６の反応促進剤の濃度を高めることができるので、水素発生物質と反応液６を確実に反応させることができる。また、送液流路１５に導入される反応液６に含まれる反応促進剤の濃度を低減することができるため、反応液６の粘度を抑制し、反応液の送液に必要な圧力を小さくすることができる。その結果、反応液６の送液に用いる送液機構（ポンプなど）の能力や大きさを縮小することができる。図６では、実線矢印で反応液の流れを示し、破線矢印で水素の流れを示す。
（実施の形態１の第６変更例）
図７は、図１の水素発生体の変形例を示す。
図７は、水素発生体と同様の形状である筒形状部材２１に反応促進剤を配置した例である。反応促進剤を配置した筒形状部材２１は、反応層１６と同様に多孔質体であるが、反応液の流通方向に孔を配向した多孔質体である。これにより、送液流路１５を流通する反応液は、筒形状部材２１に配置された反応促進剤を溶解し次の水素発生体５の送液流路１５（反応層１６）に導入される。これにより、反応液が各筒形状部材２１を通過する度に、反応促進剤の濃度を都度高めて反応層１６に導入することで、水素発生物質と反応液とを確実に反応させることができる。
図７は、図１の水素発生体の変形例を示す。
図７は、水素発生体と同様の形状である筒形状部材２１に反応促進剤を配置した例である。反応促進剤を配置した筒形状部材２１は、反応層１６と同様に多孔質体であるが、反応液の流通方向に孔を配向した多孔質体である。これにより、送液流路１５を流通する反応液は、筒形状部材２１に配置された反応促進剤を溶解し次の水素発生体５の送液流路１５（反応層１６）に導入される。これにより、反応液が各筒形状部材２１を通過する度に、反応促進剤の濃度を都度高めて反応層１６に導入することで、水素発生物質と反応液とを確実に反応させることができる。
また、反応促進剤を配置した筒形状部材２１の外周部を気体及び液体を透過しない部材で覆い、筒形状部材２１からの反応液６や反応促進剤の水素発生体５から外部への流出を防ぎ、反応促進剤を確実に反応液６に溶解させる構成としても良い。このとき、反応層１６の外周部は、前述の吸水性材料(シート)や、撥水性膜（気液分離膜）で覆う構造とすることができ、反応層１６で発生した水素は、水素発生体５から排出することが可能である。図５（ｂ−２）では、実線矢印で反応液の流れを示し、破線矢印で水素の流れを示す。
（実施の形態１の第７変更例）
図８は、図１の水素発生体の変形例を示す。
図８に示す水素発生体５の形態は、水素発生体５を連続した長尺形状とし、反応容器３の管形状に合わせ、渦巻状や螺旋状に配置する。これにより、簡易な構造で長時間水素供給が可能な水素発生装置を提供することができる。また、図８（ａ）は、水素発生体５を平面に渦巻状に配置しており、反応容器３を薄く、また図８（ｂ）は、螺旋状に水素発生体を配置している。このように、水素発生装置１の形状に合わせた配置が可能である。
図８は、図１の水素発生体の変形例を示す。
図８に示す水素発生体５の形態は、水素発生体５を連続した長尺形状とし、反応容器３の管形状に合わせ、渦巻状や螺旋状に配置する。これにより、簡易な構造で長時間水素供給が可能な水素発生装置を提供することができる。また、図８（ａ）は、水素発生体５を平面に渦巻状に配置しており、反応容器３を薄く、また図８（ｂ）は、螺旋状に水素発生体を配置している。このように、水素発生装置１の形状に合わせた配置が可能である。
（実施の形態１の第８変更例）
図９は、図１の水素発生体の変形例を示す。
図９は、複数の水素発生体５を反応容器３の長手方向に並列に配置した例である。複数の水素発生体５には、例えば図２（ａ）に示したように、送液流路１５と反応層１６をそれぞれ配する。各層液流路１５に、同時または順次に水素発生体５に反応液６を導入する。これにより、反応液６の供給量の制御の自由度が高く、供給水素の量の制御の自由度が高い水素発生装置１とすることができる。また、それぞれの水素発生体５と反応液室２及び送液流路１５を一対とした構造を複数配置することや、図９（ａ）（ｂ）に示したようにひとつの反応液室２から複数の水素発生体５に対して、枝分かれした送液間７を用いて反応液６を供給する構成とすることもできる。
図９は、図１の水素発生体の変形例を示す。
図９は、複数の水素発生体５を反応容器３の長手方向に並列に配置した例である。複数の水素発生体５には、例えば図２（ａ）に示したように、送液流路１５と反応層１６をそれぞれ配する。各層液流路１５に、同時または順次に水素発生体５に反応液６を導入する。これにより、反応液６の供給量の制御の自由度が高く、供給水素の量の制御の自由度が高い水素発生装置１とすることができる。また、それぞれの水素発生体５と反応液室２及び送液流路１５を一対とした構造を複数配置することや、図９（ａ）（ｂ）に示したようにひとつの反応液室２から複数の水素発生体５に対して、枝分かれした送液間７を用いて反応液６を供給する構成とすることもできる。
（実施の形態２）
図１０に基づいて本発明の燃料電池を説明する。図１０には本発明の一実施例に係る燃料電池システムの全体の状況を示してある。
図示の燃料電池システムは、図１に示した水素発生装置１を燃料電池３０に接続したシステムである。即ち、燃料電池３０には燃料極室３２が備えられ、燃料極室３２は燃料電池セル３１の燃料極３５に接する空間を構成している。燃料極室３２には水素発生装置１の排出路１２が接続されている。水素発生装置１で発生した水素は排出路１２から燃料極室３２に送られ、燃料極３５での燃料電池反応で消費される。
図１０に基づいて本発明の燃料電池を説明する。図１０には本発明の一実施例に係る燃料電池システムの全体の状況を示してある。
図示の燃料電池システムは、図１に示した水素発生装置１を燃料電池３０に接続したシステムである。即ち、燃料電池３０には燃料極室３２が備えられ、燃料極室３２は燃料電池セル３１の燃料極３５に接する空間を構成している。燃料極室３２には水素発生装置１の排出路１２が接続されている。水素発生装置１で発生した水素は排出路１２から燃料極室３２に送られ、燃料極３５での燃料電池反応で消費される。
上述した燃料電池システムは、大掛かりな機構を要さずに水素発生装置１を備えた燃料電池システムとなる。
本発明は、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、水素発生装置を備えた燃料電池の産業分野で利用することができる。
また、本発明は、水素発生装置を備えた燃料電池の産業分野で利用することができる。
１ 水素発生装置
２ 溶液室
３ 反応容器
４ 反応室
５ 水素発生体５
６ 反応液
７ 送液管
８ 逆止弁（送液機構）
９ プランジャ
１０ 加圧バネ
１１ ケース
１２ 排出流路
１３ 接続部
１４ 水素消費機器（燃料電池）
１５ 送液流路１５
１６ 反応層１６
１７ 中心軸
１８ 反応液浸透シート
１９ 反応液浸透板
２０ 水素排出孔
２１ 筒形状部材
３０ 燃料電池
３１ 電池セル
３２ 燃料極室
３３ 酸化剤極
３４ 固体高分子電解質膜
３５ 燃料極
２ 溶液室
３ 反応容器
４ 反応室
５ 水素発生体５
６ 反応液
７ 送液管
８ 逆止弁（送液機構）
９ プランジャ
１０ 加圧バネ
１１ ケース
１２ 排出流路
１３ 接続部
１４ 水素消費機器（燃料電池）
１５ 送液流路１５
１６ 反応層１６
１７ 中心軸
１８ 反応液浸透シート
１９ 反応液浸透板
２０ 水素排出孔
２１ 筒形状部材
３０ 燃料電池
３１ 電池セル
３２ 燃料極室
３３ 酸化剤極
３４ 固体高分子電解質膜
３５ 燃料極
Claims (11)
- 反応液と反応して水素を生成する水素発生物質が収容される水素発生体と、
前記水素発生体が配置され、生成された前記水素を排出する排出路を備えた反応容器と、
前記反応容器に備えられ、前記水素発生体に前記反応液を導入する溶液導入路と、を備え、
前記水素発生体は、筒形状であり、前記反応液が流れる多孔質体の送液流路と、前記送液流路の外周に配置される多孔質体の反応層とを備えており、前記送液流路の気孔率が、前記反応層の気孔率よりも大きいことを特徴とする水素発生装置。 - 前記反応層は、前記送液流路の流路方向に垂直な方向に前記反応液が浸透する反応液浸透機構を有することを特徴とする請求項１に記載の水素発生装置。
- 前記水素発生体は、厚み方向に前記反応液浸透機構を有する平面状の反応液浸透シートを巻きつけていることを特徴とする請求項２に記載の水素発生装置。
- 前記水素発生体は、中心から外周方向に向かい前記反応液浸透機構を有する平面状の反応液浸透板を複数積層していることを特徴とする請求項２に記載の水素発生装置。
- 前記水素発生体は、複数の前記反応液浸透板の間に、仕切り層を収容していることを特徴とする請求項４に記載の水素発生装置。
- 前記送液流路の毛細管力が、前記反応層の毛細管力よりも小さいことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の水素発生装置。
- 前記送液流路の気孔率が５０〜９０％であり、前記反応層の気孔率が３０〜５０％であることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の水素発生装置。
- 前記水素発生体が吸水性材料で覆われていることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の水素発生装置。
- 前記反応容器は、前記水素発生体を渦巻き状もしくは螺旋状に収容していることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の水素発生装置。
- 前記反応容器は、前記水素発生体を複数収容していることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の水素発生装置。
- 請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載の水素発生装置の前記水素が排出される前記排出路に燃料電池の燃料極を有する室が接続され、発生した前記水素が前記燃料極に供給されることを特徴とする燃料電池。
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