JP2004217433A

JP2004217433A - 水素発生装置及び燃料電池

Info

Publication number: JP2004217433A
Application number: JP2003003400A
Authority: JP
Inventors: Yasuharu Morinishi; 康晴森西
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2003-01-09
Filing date: 2003-01-09
Publication date: 2004-08-05

Abstract

【課題】装置を大型化させることなく任意の速度及び量で水素を発生させることができる装置を提供することを目的とする。
【解決手段】水素生成反応に関与する第１液状物質１を収容し、第１液状物質１を排出する排出口１０を備える第１室２と、水素生成反応に関与する第２液状物質６を密閉可能に収容し、第１液状物質１を導入する導入口１１と第１液状物質１と第２液状物質６との混合により発生する水素を取り出す取出口１２とを備える第２室４と、第１室２から第２室４へ第１液状物質１を輸送する輸送システムとして、液路９と液輸送ポンプ３とから構成される水素発生装置。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素発生装置及び燃料電池に関する。より詳しくは、本発明は、水素発生反応に関与する２つの液状物質を混合することにより水素を発生させる水素発生装置及び燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
これまでに、水素の発生源として、水の電気分解、金属と酸の反応、金属とアルカリの反応、メタノール又は天然ガスの水蒸気改質、水素吸蔵合金からの放出などが知られている。
しかし、これらの発生源は大量のエネルギー消費を伴ったり、使用原料に対する水素発生量が少なかったり、大規模の設備を必要とするなどの問題があり、特に自動車用及び携帯電子機器用燃料電池に搭載する水素源としては実用的ではなかった。
【０００３】
これに対して、金属水素錯化合物の塩基性水溶液を水素発生剤として利用する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。金属水素錯化合物は式（１）に示すように、水と接触すると爆発的に反応して大量の水素を発生するが、塩基性水溶液中では長期間に渡って安定である。この性質を利用し、金属水素錯化合物を塩基性水溶液中に保管し、水素を発生させる際に、触媒能を有する金属を塩基性水溶液中の金属水素錯化合物と接触させて水素を発生させる。この方法は、安全に水素を発生させることができ、かつ水素の発生を容易に調節することができるという点において、有効な方法である。
ＮａＢＨ_４＋２Ｈ_２Ｏ → ４Ｈ_２＋ＮａＢＯ_２（１）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、金属水素錯化合物の塩基性水溶液と触媒能を有する物質との接触による水素発生方法においては、水素生成速度に応じ、金属水素錯化合物の塩基性水溶液と物質との接触面積を増加させる必要がある。そのため、速く大量の水素を発生させるためには大型の装置が必要となる。
一方、小型化及び高出力化への要望の高い、例えば自動車用及び携帯電子機器用燃料電池に搭載する水素発生装置には、この水素発生方法を用いる装置は大型すぎて不向きである。
従って、この水素発生方法を用いる装置を大型化させることなく、任意の速度で水素を発生させることができる装置が要望されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−１９４０１号公報
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、水素生成反応に関与する第１液状物質を収容し、該第１液状物質を排出する排出口を備える第１室と、
水素生成反応に関与する第２液状物質を密閉可能に収容し、前記第１液状物質を導入する導入口と前記第１液状物質と第２液状物質との混合により発生する水素を取り出す取出口とを備える第２室と、
前記第１室から第２室へ第１液状物質を輸送する輸送システムとから構成される水素発生装置が提供される。
また、本発明によれば、上記水素発生装置が水素供給手段として接続されてなる燃料電池が提供される。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の水素発生装置では、水素発生反応に関与する第１液状物質及び第２液状物質は、別々に、すなわち第１室及び第２室に分けて収容される。
第１室及び第２室は、液漏れのない容器を用いることが必要である。材質は限定されないが、液状物質により腐食等を起こさないものであることを要する。例えば、プラスチック（ポリカーボネート、アクリル、ジェラコン等）、金属（ステンレス、アルミニウム、銅、鉄等）、ガラス等が挙げられる。なかでも、重量及び加工性を考慮すると、プラスチックが好ましい。第１室及び第２室の大きさは、特に限定されるものではなく、用いる液状物質の種類、量、発生させる水素量等によって適宜調整することができる。また、その形状は、多角柱、円柱、球等が挙げられるが、安定性や安全性を考慮すると円柱が望ましい。これらの第１及び第２室はそれぞれ別個に離れて存在してもよいし、隣接するように一体的に構成されていてもよい。
【０００８】
第１室は、水素生成反応に関与する第１液状物質を収容しており、第１液状物質を第２室へ導入するための排出口を備えている。また、必要に応じて、第１室は、第１室内の圧力を調節するため、外気取り入れ口を設けてもよい。第１室も、後述する第２室と同様に、密閉可能に構成されていることが好ましい。
第２室は、第２室内で発生する水素を効率よく取り出すために密閉可能に構成されるが、さらに第１液状物質を導入するための導入口と、第２室で発生した水素を取り出すための取出口を備える。導入口及び取出口は、第２室に収容される第２液状物質が漏れ出ないように、第２液状物質の液面から離れた位置に形成することが好ましい。
【０００９】
輸送システムは、第１室から第２室へ第１液状物質を輸送するために用いられるものであり、例えば、排出口から導入口へ第１液状物質を非強制的に輸送する液路と、強制的に輸送させる輸送手段とから構成することができる。
液路は、第１室の排出口に接続されるとともに、第１液状物質を効率的に排出するために、液路の先端が第１液状物質の液中に配置していることが好ましい。また、液路は、第２室の導入口に接続されるとともに、導入口から導入される第１液状物質が第２液状物質と容易に混合し得るように、その液路の先端が第２液状物質の液中に配置していることが好ましい。液路は、液状物質により腐食等を起こさない材料で構成されるものが好ましく、その長さは、第１室から第２室へ輸送される第１液状物質の量や輸送速度を考慮して調整することができる。
【００１０】
輸送手段は、液体を輸送するために用いられる手段であればどのようなものでも用いることができる。つまり、強制的に液状物質の流れをつくりだすように、液体や気体を吸引及び／又は押し出す手段が挙げられる。具体的には、液輸送ポンプ、エアポンプ、コンプレッサー等が挙げられる。輸送手段は、第１液状物質の第２室への導入量を制御することができるように、吸引する又は排出する液体量を、あるいは第１室及び／又は第２室の圧力を、所定の値に調整することができるものであることが好ましい。輸送手段は、第１室から第２室におよぶ液路の途中に装備してもよいし、第２室の取出口に配置して、水素を取り出すとともに、第２室の気圧を低下させることにより、液路をとおして第１室から第１液状物質を第２室に輸送するように装備してもよいし、第１室の外気取り入れ口に配置して、外気を第１室に導入することにより第１室の気圧を増加させることにより、液路をとおして第１室から第１液状物質を第２室に輸送するように装備してもよい。
【００１１】
また、輸送システムとして、第１室及び第２室を上下に配置し、液路を介して、又は第１室の排出口と第２室の導入口とを直接接続させることにより液路を介さないように構成し、第２室の圧力を制御するようなポンプを第２室に接続させて、第１室から第１液状物質を第２室に輸送するように装備してもよい。
本発明においては、第１液状物質が金属水素錯化合物の塩基性溶液であり、第２液状物質が酸溶液であってもよいし、第１液状物質が酸溶液であり、第２液状物質が金属水素錯化合物の塩基性溶液であってもよい。
【００１２】
特開２００１−１９４０１号公報に示されるように、金属水素錯化合物は水と反応して水素を発生する物質であるが、塩基性水溶液中では長期間に渡って安定である。したがって、本発明は金属水素錯化合物の塩基性溶液を用い、この溶液を酸溶液と反応させることで塩基を中和し、金属水素錯化合物の水との反応を開始させて、水素生成反応を引き起こさせるという原理を用いる。
金属水素錯化合物は、一般式（Ｉ）：
Ｍ^ａＭ^ｂＨ_４−ｎＲ_ｎ（Ｉ）
［式中、Ｍ^ａはアルカリ金属であり、Ｍ^ｂは元素周期表のＩＩＩ族の金属であり、Ｒはアルキル、アルコキシ、アリール、アリールオキシ又はアルカノイルオキシ基であり、ｎは０〜４の整数である］
で表すことができる。
アルカリ金属とは、例えばリチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム等を意味する。元素周期表のＩＩＩ族の金属とは、例えばホウ素、アルミニウム、ガリウム等を意味する。
【００１３】
アルキル基とは、炭素数１〜２０を有する直鎖状又は分岐状アルキル基、例えば、メチル、エチル、ｎ−プロピル、イソプロピル、ブチル、イソブチル、ｓｅｃ−ブチル、ｔｅｒｔ−ブチル、ペンチル、ヘキシル、ヘプチル、オクチル、ノニル、デシル、ウンデシル、ドデシル、トリデシル、テトラデシル、ペンタデシル、ヘキサデシル、ヘプタデシル、オクタデシル、ノナデシル、イコシル等を意味する。中でも、炭素数１〜１２を有するもの、例えば、メチル、エチル、ｎ−プロピル、イソプロピル、ブチル、イソブチル、ｓｅｃ−ブチル、ｔｅｒｔ−ブチル、ペンチル、ヘキシル、ヘプチル、オクチル、ノニル、デシル、ウンデシル、ドデシル、トリデシル、テトラデシル、ペンタデシル及びヘキサデシルが好ましい。
【００１４】
アルコキシ基とは炭素数１〜２０を有する直鎖状又は分岐状アルコキシ基、例えば、メトキシ、エトキシ、ｎ−プロポキシ、イソプロポキシ、イソブチル、ｓｅｃ−ブトキシ、ｔｅｒｔ−ブトキシ、ペンチルオキシ、ヘキシルオキシ、ヘプチルオキシ、オクチルオキシ、ノニルオキシ、デシルオキシ、ウンデシルオキシ、ドデシルオキシ、トリデシルオキシ、テトラデシルオキシ、ペンタデシルオキシ、ヘキサデシルオキシ、ヘプタデシルオキシ、オクタデシルオキシ、ノナデシルオキシ、イコシルオキシ等を意味する。中でも炭素数１〜６を有するもの、例えばメトキシ、エトキシ、ｎ−プロポキシ、イソプロポキシ、ｓｅｃ−ブトキシ、ｔｅｒｔ−ブトキシ、ペンチルオキシ及びヘキシルオキシが好ましい。
【００１５】
アリール基とは、炭素数６〜１８を有し、例えばフェニル、ナフチル、アントラセニル、ピレニル等を意味する。中でも炭素数６〜１２を有するもの、例えばフェニル及びナフチルが好ましい。
アリールオキシ基とは、炭素数６〜１８を有するアリールオキシ基、例えばフェノキシ、ナフチルオキシ、アントラセニルオキシ、ピレニルオキシ等を意味する。中でも炭素数６〜１２を有するもの、例えばフェノキシ及びナフチルオキシが好ましい。
アルカノイルオキシ基とは、炭素数１〜２０を有する直鎖状又は分岐状アルキルカルボニル基、例えばホルミル、アセチル、プロピオニル、ブチリル、バレリル、ヘキサノイル、ヘプタノイル、ステアロイル、イソブチリル、イソバレリル、ピバロイル等を意味する。
【００１６】
一般式（Ｉ）で表される金属水素錯化合物の具体例として、例えば、水素化ホウ素リチウム、水素化トリエチルホウ素リチウム、水素化トリ（ｓ−ブチル）ホウ素リチウム、水素化トリブチルホウ素リチウム、水素化ホウ素ナトリウム、トリメトキシ水素化ホウ素ナトリウム、トリアセトキシ水素化ホウ素ナトリウム、トリフェノキシ水素化ホウ素ナトリウム、水素化ホウ素カリウム、水素化トリ（ｓ−ブチル）ホウ素カリウム、水素化トリフェニルホウ素カリウム、水素化アルミニウムリチウム、水素化アルミニウムリチウム、モノエトキシ水素化アルミニウムリチウム、トリ（ｔ−ブトキシ）水素化アルミニウムリチウム、トリメトキシ水素化アルミニウムリチウム、水素化ビス（２−メトキシエトキシ）アルミニウムナトリウム等が挙げられる。なかでも水素化ホウ素リチウム、水素化ホウ素ナトリウム及び水素化ホウ素カリウムが好ましい。
【００１７】
塩基性溶液としては、液状塩基性物質又は非液状塩基性物質を溶液に溶解させたものを用いることができる。液状塩基性物質としては、トリエチルアミン、ジイソプロピルエチルアミン等が挙げられる。非液状塩基性物質としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等のアルカリ金属水酸化物、炭酸水素ナトリウム、炭酸水素カリウム等のアルカリ金属の炭酸水素塩、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム等のアルカリ金属の炭酸塩等が挙げられる。なかでも、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等のアルカリ金属水酸化物が好ましい。溶液としては、水及び水混和性の有機溶媒、例えばアルコール（例えば、メタノール、エタノール、エチレングリコール、ジエチレングリコール等）、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド等が挙げられる。これらは単独で用いても、２種類以上を混合して用いてもよい。また、液状塩基性物質を上述した溶液と混合して用いてもよい。
【００１８】
塩基性溶液における金属水素錯化合物の濃度は、発生させる水素の量及び発生速度に応じて、適宜調整することができる。用いる塩基性溶液は、金属水素錯化合物を溶解させることができ、かつ安定に保つことができるものが好ましい。この塩基性溶液中に金属水素錯化合物を完全に溶解させるのが好ましいが、安定であれば、金属水素錯化合物は完全に溶解しなくともよい。使用する金属水素錯化合物及び塩基性溶液の比は、金属水素錯化合物：塩基性溶液が約５〜２０モル：約１０〜２５モル、さらに約１０〜１５モル：約１５〜２０モルが適当である。
【００１９】
酸としては、無機酸、例えば塩酸、又は有機酸、例えばクエン酸、リン酸、酢酸、ギ酸、プロピオン酸が挙げられる。なかでも有機酸が好ましい。酸溶液の媒体としては、上述した溶液を用いることができる。中でも、水が好ましい。酸溶液としては、酸を単独又は２種類以上で、媒体に懸濁又は溶解させたものを用いることができる。酸溶液の酸の濃度としては、約２０〜６０重量％、さらに約３０〜５０重量％が挙げられる。例えば、約４０重量％を用いることができる。
【００２０】
本発明の水素発生装置は、水素供給手段として燃料電池に接続して用いることができる。燃料電池は、通常、電極及び高分子電解質膜を備えているものを用いることができる。本発明の水素発生装置で発生させた水素は、第２室に設けられた取出口から燃料電池に供給され、酸素（空気）との化学反応により発電が行われる。
【００２１】
以下に本発明の水素発生装置及び燃料電池の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
（実施の形態１）
本発明の水素発生装置は、図１に示したように、第１室２と、第２室４と、これらを接続する液路９と、その途中に液輸送ポンプ３が設けられて構成される。第１室２には第１液状物質１が収容されており、第２室４には第２液状物質６が収容されている。
第１室２には、第１液状物質１を排出する排出口１０が形成されており、第２室４には、第１液状物質１を導入する導入口１１と水素を取り出す取出口１２が形成されている。なお、排出口１０に接続される液路９は、その先端が第１液状物質１内に配置しており、導入口１１に接続される液路９は、その先端５が第２液状物質６内に配置しており、取出口１２に接続されるチューブは、その先端７が第２液状物質６が漏れ出さない位置に配置している。
【００２２】
水素生成反応に関与する第１液体物質として、表１に示すように、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）水溶液に水素化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＨ_４）を溶解させた溶液、水素生成反応に関与する第２液体物質としてはクエン酸水溶液を用いた。
まず、第１液体物質１を第１室２に入れ、液輸送ポンプ３で第２室４へ送り、液路９により第２室４に予め入れておいた第２液体物質６中に注入した。次いで、第２室４で発生した水素を取出口１２を通して取出した。
第２室４と燃料電池（図示せず）との間に流量計８を設け、この水素発生装置で発生する水素の発生速度を測定した。その結果を表１に示す。
【００２３】
【表１】

【００２４】
この時の水素発生速度と液輸送ポンプ吐出量との関係を図２に示す。
図２より、液輸送ポンプの吐出量を変化させることにより水素発生速度を変化させることができ、その変化は、水素発生速度が液輸送ポンプの吐出量に比例するものであることが示された。従って、装置の大きさを変化させることなく、液輸送ポンプの吐出量を変化させるだけで水素発生速度を制御することができる。
また、水素生成装置をニューウエーブ社製燃料電池（ＰＦＣ１２１２．Ｃ）に接続し、その燃料電池に電子負荷装置で５００ｍＡの定電流負荷を１時間かけた。このときの水素生成装置は実験条件２の条件下で作動させた。その結果、動作の間中、１２〜１４Ｖの出力を維持することができた。
【００２５】
（実施の形態２）
この実施の形態の水素発生装置は、図３に示したように、取出口１２と燃焼電池（図示せず）との間にエアポンプ１６を装備した以外は実質的に実施の形態１における水素発生装置と同様に構成した。
また、実施の形態１と同様に、水素の発生速度を測定した。その結果を表２に示す。
【００２６】
【表２】

【００２７】
表２に示す通り、エアポンプの吐出量は水素発生速度に比例することから、水素発生速度は、エアポンプの吐出量によって直接的に変化させることができた。従って、装置サイズを変化させることなく、エアポンプの吐出量を変化させるだけで水素発生速度を制御することができる。
また、本水素生成装置をニューウエーブ社製燃料電池（ＰＦＣ１２１２．Ｃ）２個に接続し、それぞれの燃料電池に電子負荷装置で６００ｍＡの定電流負荷を１時間かけた。このときの水素生成装置は実験条件５の条件下で作動させた。その結果、各燃料電池とも動作の間中、１２〜１４Ｖの出力を維持することができた。
【００２８】
【発明の効果】
本発明によれば、水素発生反応に必要な２種類の物質を、液状物質に調製して反応させることにより、簡便な混合によって、容易、安全かつ効率的に水素を発生させることができる。また、第１液状物質の第２室への導入速度を調整することにより、水素の発生速度を調節することができ、そのため、第１液状物質と第２液状物質との反応を促進することによって、水素発生装置を大型化することなく、大量の水素を容易に発生させることができる。
また、水素発生反応に必要な第１液状物質と第２液状物質を第１室及び第２室とそれぞれ別々の容器に備えるが、これらの物質を混合するために新たに別の容器を必要とすることなく、第２室内でこれらの物質を混合して、水素の発生を実現することが可能であり、装置の小型化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の水素発生装置の実施の形態を示す概略図である。
【図２】図１の水素発生装置における水素発生速度と液輸送ポンプ吐出量との関係を示したグラフである。
【図３】本発明の水素発生装置の別の実施の形態を示す概略図である。
【符号の説明】
１第１液体物質
２第１室
３液輸送ポンプ
４第２室
５、７先端
６第２液体物質
８流量計
９液路
１０排出口
１１導入口
１２取出口
１６エアポンプ

Claims

水素生成反応に関与する第１液状物質を収容し、該第１液状物質を排出する排出口を備える第１室と、
水素生成反応に関与する第２液状物質を密閉可能に収容し、前記第１液状物質を導入する導入口と前記第１液状物質と第２液状物質との混合により発生する水素を取り出す取出口とを備える第２室と、
前記第１室から第２室へ第１液状物質を輸送する輸送システムとから構成される水素発生装置。
輸送システムが、排出口から導入口へ第１液状物質を非強制的に輸送する液路と、強制的に輸送させる輸送手段とから構成される請求項１に記載の水素発生装置。
第１液状物質及び第２液状物質の組み合わせが、金属水素錯化合物の塩基性溶液及び酸溶液の組み合わせである請求項１又は２に記載の水素発生装置。
金属水素錯化合物が、一般式（Ｉ）：
Ｍ^ａＭ^ｂＨ_４−ｎＲ_ｎ（Ｉ）
［式中、Ｍ^ａはアルカリ金属であり、Ｍ^ｂは元素周期表の３Ａ族の金属であり、Ｒはアルキル、アルコキシ、アリール、アリールオキシ又はアルカノイルオキシ基であり、ｎは０〜４の整数である］
で表される化合物である請求項３に記載の水素発生装置。
請求項１〜４のいずれか１つに記載の水素発生装置が水素供給手段として接続されてなる燃料電池。