JPH08176873A - 電気化学的高圧水素発生装置、アクチュエータ及びエネルギー取得装置 - Google Patents

電気化学的高圧水素発生装置、アクチュエータ及びエネルギー取得装置

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JPH08176873A
JPH08176873A JP6335697A JP33569794A JPH08176873A JP H08176873 A JPH08176873 A JP H08176873A JP 6335697 A JP6335697 A JP 6335697A JP 33569794 A JP33569794 A JP 33569794A JP H08176873 A JPH08176873 A JP H08176873A
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hydrogen
hydrogen storage
pressure
internal space
storage electrode
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JP6335697A
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Nobuaki Miki
修昭 三木
Koji Kato
宏治 加藤
Shuzo Moroto
脩三 諸戸
Hiroyuki Aida
宏之 相田
Hideo Ikegami
英雄 池上
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Aisin AW Co Ltd
IMRA Japan Co Ltd
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Aisin AW Co Ltd
IMRA Japan Co Ltd
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    • Y02E30/10—Nuclear fusion reactors

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  • Supply Devices, Intensifiers, Converters, And Telemotors (AREA)
  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 コンプレッサー等の動力源を必要とせず、高
圧水素を発生することができる電気化学的高圧水素発生
装置を提供し、またその水素ガス圧を利用した作動がソ
フトで、伝達速度が早いアクチュエータを提供し、また
その高圧水素発生装置と同様な機構とすることにより熱
の発生を容易にし、熱をより容易に取得することが可能
なエネルギー取得装置を提供する。 【構成】 電解液３中に、少なくとも水素吸蔵金属（そ
の合金を含む）を含んだ水素吸蔵電極１及びその対極２
が浸漬された電気分解装置を用い、水素吸蔵電極１に電
圧を印加して吸蔵した水素ガスを水素吸蔵電極１の内部
空間６に高圧水素ガスとして貯蔵する。この高圧水素ガ
スを動力源としてアクチュエータに利用する。例えば、
水素吸蔵電極１の内部空間６を構成する壁の一部又は全
部を弾性可能な材料としその弾性変形をアクチュエータ
として利用することもできる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、電気分解により水素吸
蔵金属又はその合金に水素又はその同位体を吸蔵させる
ことによって高圧水素ガスを製造することができる水素
発生装置、該水素発生装置により製造される高圧水素ガ
スのガス圧を動力源として利用することを特徴とするア
クチュエータ、及び重水の電解により発生する熱を利用
することができるエネルギー取得装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】水素吸蔵金属（又は合金）を陰極として
電解液中に浸漬し、電圧を印加することにより水素を水
素吸蔵金属中に吸蔵させる現象は知られている。
【０００３】一方、高圧水素の発生方法として、水素吸
蔵合金に比較的低温、低圧で水素を吸蔵させて得られる
金属水素化物を閉鎖系で、より高温に加熱して高圧水素
が得られることが知られている。このような高圧水素発
生を利用し、加熱・冷却を行って水素圧を制御するアク
チュエータへの実用化の研究がなされている（例えば、
「水素吸蔵合金のおはなし」財団法人 日本規格協会
発行日’９３．９．５、「油空圧技術」 発行日’９
２．１２ pp３３−３６ 水素貯蔵合金アクチュエータ
日本製鋼所 脇坂祐一、「油空圧技術」発行日’９
２．１２ pp２７−２８ 新型アクチュエータの動向
東京工業大学 横田真一）。
【０００４】一方、水素吸蔵金属を陰極とした電解法の
応用例として、重水を電気分解して陰極で発生する重水
素原子を陰極に吸蔵し続けることによって、高い出力エ
ネルギーを得ることができる効果は、電気分解又は電解
により水素吸蔵金属又はその合金に水素又はその同位体
を吸蔵させることによって生ずる効果として数多く報告
されている。このような水素吸蔵金属又はその合金に水
素又はその同位体に吸蔵させることによって生ずる効果
を有する電気分解型装置においては、陽極では、酸素が
発生する反応が起こる（例えば、国際公開第９０／１０
９３５号パンフレット参照）。
【０００５】一方、上記水素吸蔵金属又はその合金に水
素又はその同位体に吸蔵させることによって生ずる効果
を得る装置として上記電気分解型装置とは異なる反応を
行う燃料電池型装置は既に、特開平５−３０２９８８号
公報により知られている。この燃料電池型装置によれ
ば、陽極で酸素ガスを発生させることなく、陰極に重水
素イオンを効率よく吸蔵させることができるとされてい
る。
【０００６】これらの水素吸蔵金属又はその合金に水素
又はその同位体に吸蔵させることによって生ずる効果を
有する装置により発生する熱をエネルギーとして取得す
るエネルギー取得装置は、特開平５−６０８８６号公報
により知られている。該公報によれば、陰極で発生する
熱を陰極に直接接する熱取出装置により電解槽の外部に
搬送して取得する方法が示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記従
来の水素吸蔵合金を用いた高圧水素の発生における、水
素圧を制御する方法が加熱・冷却であるため、その応答
性が遅くその制御が困難であった。
【０００８】従来の一般的なアクチュエータは、例え
ば、油圧ピストンや空気圧ポンプなどが主として挙げら
れる。特に、空気圧を利用したものには動力源としてコ
ンプレッサーを必要とするために、装置が大掛かりなも
のとなり、複雑化していた。また、このような空気圧を
利用したアクチュエータは電気的制御が難しく、その作
動がソフトでなく、伝達速度が遅い（応答性が悪い）と
いう問題があった。
【０００９】そこで本発明は、コンプレッサー等の動力
源を必要とせず、電気化学的に水素吸蔵金属又はその合
金に水素又はその同位体を吸蔵させることによって、高
圧水素又はその同位体を発生することができる電気化学
的高圧水素発生装置を提供すること、またその電気化学
的高圧水素発生装置の水素又はその同位体のガス圧を利
用した作動がソフトで、伝達速度が早いアクチュエータ
を提供すること、及びその電気化学的高圧水素発生装置
と同様な機構の装置で、水素吸蔵金属又はその合金に水
素又はその同位体を吸蔵させることによって生ずる効果
により、熱の発生を容易にし、且つ発生する熱をより容
易に取得することが可能なエネルギー取得装置を提供す
ることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】前記した問題点を解決す
るために、本発明の電気化学的高圧水素発生装置は、電
解液中に、少なくとも水素吸蔵金属（その合金を含む）
を含んだ水素吸蔵電極及びその対極が浸漬され、該水素
吸蔵電極は電圧の印加により吸蔵した水素又はその同位
体を高圧ガスとして貯蔵する内部空間を有することを特
徴とする。
【００１１】また、本発明のアクチュエータは、電解液
中に、少なくとも水素吸蔵金属（その合金を含む）を含
んだ水素吸蔵電極及びその対極が浸漬され、該水素吸蔵
電極は電圧の印加により吸蔵した水素又はその同位体を
高圧ガスとして貯蔵する内部空間を有し、前記両電極に
電圧を印加することにより前記水素吸蔵電極の内部空間
に発生する水素又はその同位体のガス圧を利用すること
を特徴とする。
【００１２】また、本発明の別のアクチュエータは、電
解液中に、少なくとも水素吸蔵金属（その合金を含む）
を含んだ水素吸蔵電極及びその対極が浸漬され、該水素
吸蔵電極は電圧の印加により吸蔵した水素又はその同位
体を高圧ガスとして貯蔵する内部空間を有し、該水素吸
蔵電極の内部空間を構成する壁の一部は、弾性可能な材
料であり、前記両電極に電圧を印加することにより前記
水素吸蔵電極の内部空間に発生する水素又はその同位体
のガス圧による弾性変形を利用することを特徴とする。
【００１３】また、本発明のエネルギー取得装置は、重
水の電解液中に、少なくとも水素吸蔵金属（その合金を
含む）を含んだ水素吸蔵電極及びその対極が浸漬され、
該水素吸蔵電極は電圧の印加により吸蔵した重水素を高
圧重水素ガスとして貯蔵する内部空間を有し、前記両電
極に電圧を印加した場合に水素吸蔵電極内部を透過する
際の水素の濃度差を生じさせるエネルギー取得装置であ
って、その時発生する熱を導出することができる熱取出
装置を前記水素吸蔵電極の内部空間に挿入してなること
を特徴とする。
【００１４】
【作用】本発明の電気化学的高圧水素発生装置における
水素吸蔵電極は、吸蔵した水素又はその同位体を高圧ガ
スとして貯蔵する内部空間を有しているので、該水素吸
蔵電極を陰極として電圧を印加することにより、該電極
内で生じた水素又はその同位体は電極内を拡散し、該電
極を透過し、水素又はその同位体のガスは該電極の内部
空間を次第に満たし、該内部空間の圧力は水素又はその
同位体のガスにより次第に高まる。
【００１５】本発明のアクチュエータは、水素吸蔵電極
の内部空間に発生した高圧ガスのガス圧を利用すること
により、アクチュエータの作動部、例えばピストン、を
作動させることができる。
【００１６】本発明のアクチュエータは、水素吸蔵電極
の一部又はその全部が弾性材料で形成されている場合に
は、内部空間を形成する壁の一部が膨張してくる。この
水素吸蔵電極の内部空間を構成する壁自体の膨張力をア
クチュエータしてもよいし、またこの壁の膨張力を利用
して、アクチュエータを作動させることができる。
【００１７】本発明の電気化学的高圧水素発生装置、ア
クチュエータ等において、水素吸蔵金属としてＰｄを使
用し、軽水の電気分解を行う電気分解反応は次のように
なる。
【００１８】 電解質溶液が酸性の場合： Ｐｄ電極： ２Ｈ+ ＋２ｅ- → Ｈ2 式（１） 対極： ２Ｈ2 Ｏ → Ｏ2 ＋２Ｈ+ ＋２ｅ- 式（２） 電解質溶液がアルカリ性の場合： Ｐｄ電極： ４Ｈ2 ＯＨ+ ＋４ｅ- → ２Ｈ2 ＋４ＯＨ- 式（３） 対極： ４ＯＨ- → Ｏ2 ＋２Ｈ2 Ｏ ＋２ｅ- 式（４） 上記の電極反応によって、電極空間内に充填された水素
圧（等価水素圧）は水素通電圧に対応しているので、通
電圧を変化させることによって水素圧を容易に制御でき
る。この、通電において、電解の＋−を逆にすることに
よって、水素を排気して電極空間内に負圧を発生し、ア
クチュエータの作動において引力として逆方向の運動を
させることができる。
【００１９】本発明のエネルギー取得装置においては、
陰極と陽極との間に重水の電気分解が起こる電圧を印加
すると、陰極とした水素吸蔵電極中に重水素が吸蔵さ
れ、さらに水素吸蔵電極中において重水素の拡散が起こ
り、徐々に重水素ガスが水素吸蔵電極の内部空間に透過
充填されて、水素吸蔵電極の内部空間雰囲気と内部雰囲
気との重水素ガス濃度の勾配が生じる。重水素が水素吸
蔵電極内部から内部空間へ一方向に激しく移動する上
に、これにともない水素吸蔵電極内に生ずる重水素濃度
分布によって生じた歪みにより、電極内で重水素の急激
な振動ないし運動のような極端な非平衡のもとで、熱の
発生が起こりやすいと考えられる。
【００２０】エネルギー取得装置における重水の電気分
解型反応では軽水の電気分解の代わりに重水を電解する
ことによって、次のような反応が行なわれる。
【００２１】 電解質溶液が酸性の場合： Ｐｄ電極： ２Ｄ+ ＋２ｅ- → Ｄ2 式（５） 対極： ２Ｄ2 Ｏ → Ｏ2 ＋２Ｄ+ ＋２ｅ- 式（６） 電解質溶液がアルカリ性の場合： Ｐｄ電極： ４Ｄ2 Ｏ＋４ｅ- → ２Ｄ2 ＋４ＯＤ- 式（７） 対極： ４ＯＤ- → Ｏ2 ＋２Ｄ2 Ｏ ＋２ｅ- 式（８） エネルギー取得装置における重水を使用した燃料電池型
反応では、次のような反応が行われる。
【００２２】 電解質溶液が酸性の場合： Ｐｄ電極： ２Ｄ+ ＋２ｅ- → Ｄ2 式（９） 対極： Ｄ2 → ２Ｄ+ ＋２ｅ- 式（１０） 電解質溶液がアルカリ性の場合： Ｐｄ電極： ２Ｄ2 Ｏ＋２ｅ- → Ｄ2 ＋２ＯＤ- 式（１１） 対極： Ｄ2 → ２Ｄ+ ＋２ｅ- 式（１２）
【００２３】
【実施例】図１に、本発明の電気化学的高圧水素発生装
置の概念図を示す。１は、少なくともＰｄ等の水素吸蔵
金属（その合金を含む）を含んだ水素吸蔵電極であり、
その対極２としてのＰｔ等の電極と共に、電解槽４中の
電解液３中に浸漬されている。電解槽４は、例えば、ス
テンレス、ガラス、セラミックス等の材料が使用でき、
その構造は密閉又は解放されていてもよい。水素吸蔵反
応を行わせるには、前記水素吸蔵電極１が負極となるよ
うに電源７により電圧が印加される。この電解槽４にお
いて、軽水Ｈ2 Ｏが電気分解されて前記式（１）及び式
（２）の反応が起こり、水素吸蔵電極１と容壁５とによ
って形成された内部空間６には、水素ガスが蓄積して高
圧水素ガスとなる。
【００２４】図２に、本発明のアクチュエータの概念図
を示す。図２のアクチュエータは、図１の電気化学的高
圧水素発生装置において、水素吸蔵電極１に設けられた
内部空間６に通じた作動部８として水素ガス圧ピストン
を設けた例である。このようなピストンに、例えば、ラ
ック・ピニオン装置を設けたり、圧縮機構を設けたりす
ることができ、電気分解又は電解によって水素ガス圧を
変動させることによりピストンを往復動させてアクチュ
エータを作動させることができる。
【００２５】図３に、本発明の別のアクチュエータの概
念図を示す。図３のアクチュエータは、図１の電気化学
的高圧水素発生装置において、内部空間６を形成するた
めの水素吸蔵電極１及び／又は容壁５の材料として少な
くとも弾性材料を使用し、内部空間６内への水素ガス充
填及び排出に伴うこの材料の弾性変形を利用してアクチ
ュエータを作動させるものである。前記弾性材料には、
例えば、ゴム、チタン、モリブレン鋼等が挙げられる。
【００２６】図４は、内部空間６と作動部８との途中
に、水素圧を調整するためのガス抜きバルブ９を設けた
アクチュエータの作動部を特に示す。このように、アク
チュエータを作動させる高圧ガス通路内にガス抜きバル
ブ９を組み合わせることにより、負荷の動きを減圧方向
に迅速に制御することが可能となる。
【００２７】本発明のアクチュエータにおいては、各電
極に印加する電圧の＋−を逆にすることにより、内部空
間６内に充填していた水素ガスを排気することができ、
そのため負圧を発生することができ、逆方向の運動も可
能となる。図５は、印加する電圧を＋とした場合の水素
ガス充填段階のアクチュエータの作動の一例を示し、図
６はその−の場合の水素ガスの排出段階の作動の一例を
示す。本発明によれば往復動及びその制御を容易に達成
できるアクチュエータが実現できる。
【００２８】本発明のアクチュエータは、高い水素ガス
圧で仕事をするアクチュエータに利用される。その具体
的応用としては、住宅やグリーンハウス用天窓の自動開
閉、自動車のフロントグリルの自動開閉、乾燥機のダン
パー、自動車のジャッキなどが挙げられ、特に、ソフト
な作動が必要とするものに好適に使用できる。
【００２９】図７は、本発明のエネルギー取得装置の概
念図を示す。重水を含んだ電解液１３の満たされている
電解槽１４は、例えば、ガラス、セラミックス等の材料
が使用でき、その構造は密閉又は解放されていてもよ
い。電解液１３中には、少なくともＰｄ等の水素吸蔵金
属（その合金を含む）を含んだ水素吸蔵電極１１と、Ｐ
ｔ等の対極１２が浸漬されている。重水素吸蔵反応を行
わせるには、前記水素吸蔵電極１１が負極となるように
電源１７により電圧が印加される。この電解槽１４にお
いて、重水Ｄ2 Ｏが電気分解されて前記式（５）及び式
（６）の反応、又は前記式（９）及び式（１０）の反応
が起こり、水素吸蔵電極１１内に形成された内部空間１
６には、重水素ガスが蓄積して高圧重水素ガスとなる。
このように、水素吸蔵電極１１の内部空間１６と電解槽
１４内部では重水素濃度の勾配が生じ、水素吸蔵電極１
１内部から内部空間１６への重水素の一方向への移動が
激しくなり、これに伴い水素吸蔵電極１１内に生ずる重
水素濃度分布による水素吸蔵電極１１内部の歪により、
重水素の急激な振動ないし運動のような極端な非平衡の
もとで熱発生の確率が高まる。
【００３０】１８は、水素吸蔵電極１１の内部空間１６
に挿入された熱取出装置であり、水素吸蔵電極１１内部
で発生する熱を外部へ輸送して取り出す機能を有する。
熱取出装置１８の形状は、棒状、平板状等のものを用い
ることができるが、水素吸蔵電極１１へ供給される電流
の分布が均一になるような形状とすることが望ましく、
その材料には、例えば、銀、銅等の熱伝導性のよいもの
が好適である。また、熱取出装置１８内にフロンなど熱
媒体を輸送させることによって熱を取り出してもよい。
【００３１】この熱取出装置１８は水素吸蔵電極１１の
内部空間に挿入することが必要である。その理由は、水
素吸蔵電極１１内のみに直接接触させて埋め込むだけで
は、水素吸蔵電極１１における重水素濃度の勾配が小さ
くなるからであり、本発明では水素吸蔵電極１１の内部
空間に挿入することにより、上記のように熱発生の確率
が高まる。また、水素吸蔵電極１１のみに直接接触させ
て埋め込むことは、水素吸蔵電極１１自体の厚みが厚く
なり物理的に困難である。
【００３２】また、熱取出装置１８を水素吸蔵電極１１
内のみに直接接触させた場合には、水素がその電極接触
部に集中し、その接触部を脆化させ（水素による接触界
面の脆性）、ひびわれ、剥がれ等を発生させるので好ま
しくない。また、内部空間１６に多孔質で熱伝導にすぐ
れたセラミックスを配置することによって、熱の取出は
有利となる。
【００３３】
【発明の効果】本発明の電気化学的高圧水素発生装置
は、わずかな水素過電圧で高い水素ガス圧力が得られ
る。
【００３４】本発明の電気化学的高圧水素発生装置は、
コンプレッサー等の動力源を必要とせず高圧水素ガスを
発生することができる。そのため、高圧水素ガス製造設
備の規模が小さくなる。
【００３５】本発明の電気化学的高圧水素発生装置によ
る水素ガス圧を利用したアクチュエータは、水素吸蔵電
極に印加する電圧を制御することにより容易に水素ガス
圧を制御することができる。
【００３６】本発明のアクチュエータは、電気化学的高
圧水素発生装置による水素ガス圧を利用しているので、
作動がソフトで、伝達速度が早い。
【００３７】本発明のエネルギー取得装置は、熱の発生
を容易にし、且つ発生する熱をより容易に取得すること
が可能である。
【００３８】本発明の電気化学的高圧水素発生装置によ
り製造される水素ガスは、安価な原料であり且つ無限の
資源ともいえる水より、純度の高い水素を得ることがで
きる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電気化学的高圧水素発生装置の概念図
である。
【図２】本発明のアクチュエータの概念図である。
【図３】本発明の別のアクチュエータの概念図である。
【図４】内部空間と作動部との途中に、水素圧を調整す
るためのガス抜きバルブを設けた本発明のアクチュエー
タの作動部部分を示す。
【図５】印加する電圧を＋とした場合の水素ガス充填段
階の本発明のアクチュエータの作動の一例を示す。
【図６】印加する電圧を−とした場合の水素ガスの放出
段階の本発明のアクチュエータの作動の一例を示す。
【図７】本発明のエネルギー取得装置の概念図である。
【符号の説明】
１，１１ 水素吸蔵電極 ２，１２ 対極 ３，１３ 電解液 ４，１４ 電解槽 ５ 容壁 ６，１６ 内部空間 ７，１７ 電源 ８ 作動部 ９ ガス抜きバルブ １８ 熱取出装置
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 加藤 宏治 北海道札幌市厚別区下野幌 テクノパーク ２丁目３番６号 イムラ・ジャパン株式会 社内 (72)発明者 諸戸 脩三 北海道札幌市厚別区下野幌 テクノパーク ２丁目３番６号 イムラ・ジャパン株式会 社内 (72)発明者 相田 宏之 愛知県安城市藤井町高根10番地 アイシ ン・エィ・ダブリュ株式会社内 (72)発明者 池上 英雄 名古屋市東区矢田町２丁目66番256号

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 電解液中に、少なくとも水素吸蔵金属
    （その合金を含む）を含んだ水素吸蔵電極及びその対極
    が浸漬され、両電極に電圧を印加することにより吸蔵し
    た水素又はその同位体を高圧ガスとして貯蔵する内部空
    間を有することを特徴とする電気化学的高圧水素発生装
    置。
  2. 【請求項２】 （１）電解液中に、少なくとも水素吸蔵
    金属（その合金を含む）を含んだ水素吸蔵電極及びその
    対極が浸漬され、該水素吸蔵電極は電圧の印加により吸
    蔵した水素又はその同位体を高圧ガスとして貯蔵する内
    部空間を有し、 （２）前記両電極に電圧を印加することにより前記水素
    吸蔵電極の内部空間に発生する水素又はその同位体のガ
    ス圧を動力源として利用することを特徴とするアクチュ
    エータ。
  3. 【請求項３】 （１）電解液中に、少なくとも水素吸蔵
    金属（その合金を含む）を含んだ水素吸蔵電極及びその
    対極が浸漬され、該水素吸蔵電極は電圧の印加により吸
    蔵した水素又はその同位体を高圧ガスとして貯蔵する内
    部空間を有し、 （２）該水素吸蔵電極の内部空間を構成する壁の一部
    は、弾性可能な材料であり、前記両電極に電圧を印加す
    ることにより前記水素吸蔵電極の内部空間に発生する水
    素又はその同位体のガス圧による弾性変形を利用するこ
    とを特徴とするアクチュエータ。
  4. 【請求項４】 （１）重水の電解液中に、少なくとも水
    素吸蔵金属（その合金を含む）を含んだ水素吸蔵電極及
    びその対極が浸漬され、該水素吸蔵電極は電圧の印加に
    より吸蔵した重水素を高圧ガスとして貯蔵する内部空間
    を有し、 （２）前記両電極に電圧を印加した場合に水素吸蔵電極
    内部を透過する水素の濃度差を生じさせるエネルギー取
    得装置であって、その時発生する熱を導出することがで
    きる熱取出装置を前記水素吸蔵電極の内部空間に挿入し
    てなることを特徴とするエネルギー取得装置。
JP6335697A 1994-12-21 1994-12-21 電気化学的高圧水素発生装置、アクチュエータ及びエネルギー取得装置 Pending JPH08176873A (ja)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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