JP2008266076A - 水素発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】反応液を反応容器内へ排出する場合に、少量の反応液を排出するように制御することが可能な水素発生装置を提供する。
【解決手段】水が収容される液体収容容器１と、この液体収容容器１から排出される水と反応することで水素ガスを発生する水素発生剤を収容する反応容器２と、液体収容容器１から水を反応容器２側へ排出するためのバルブ機構３と、反応容器２にて発生した水素ガスを排出させる水素排出路と、バルブ機構３の開閉を制御するバルブ制御部８と、バルブ機構３の開閉タイミングを設定する設定手段９と、を備え、バルブ制御部８は、設定手段９により設定された開閉タイミングに基づいて、バルブ機構３を間歇的に開閉制御することで、液体収容容器１内の水を反応容器２側に排出するように構成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池用に好適に用いられる水素発生装置に関するものである。

燃料電池は、他の発電システムに比べると発電効率が高く、大気を汚染する物質を生成しないという点で注目されているエネルギー源である。水素供給型の燃料電池では、発電を行わせるために、カソードへ空気（酸素）を供給し、アノードへ水素を供給する。水素はアノードでの触媒反応によって水素イオン及び電子となり、水素イオンは電解質内を移動し、カソードの触媒反応により酸素と反応して水となる。一方、電子は外部回路を伝わってカソードに移動する。この電子の移動により電気エネルギーが発生することになる。

以上のように、燃料電池には水素等の燃料を供給する必要がある。そこで水素を発生するための装置が種々知られており、例えば、下記特許文献１，２に開示されている。これらはいずれも炭化水素を分解することで水素を発生させるものである。特許文献１，２における水素発生装置は、円筒形の熱供給器と同じく円筒形の反応器により構成されている。

また、下記特許文献３に開示されている水素ガス発生ユニットは、水（反応液に相当）を収容するためのタンクと、水との化学反応により水素を生成する金属（水素発生剤に相当）を収容する反応容器と、この反応容器に近接配置される加熱手段と、タンクに収容された水を反応容器に導入するための導入管と、反応容器で生成した水素及び未反応の水をタンク内に導入する戻り管と、タンク内の水素及び水を排出する排出管とを備えている。そしてタンクの水を反応容器に導入するためにポンプを使用しており、これにより、水を反応容器に供給する量を制御している。反応容器は、装置本体内に収容され、加熱手段により密着保持される。これにより、反応容器内に導入された水が加熱されて水蒸気になるとともに、反応容器内の水素ガスを発生させるための反応を促進させることができる。

特開２００４−６３１２７号公報 特開２００４−５９３４０号公報 特開２００４−１４９３９４号公報

上記のような水素発生装置において、水（反応液）を反応容器内に送り込む量を少量に制御するのが望ましい場合がある。例えば、水素発生装置をノートパソコン、ＰＤＡ、携帯電話などの携帯機器に組み込む場合や、これらに使用される電源の充電用に用いる場合等は、水を反応容器内に送り込む量もごく少量（例えば、１時間当たり２〜３ｃｃ）であり、かかる少量の水を送り込めるような構成が要求される。必要以上に水を反応容器内へ供給すると、必要以上に水素ガスが発生することになり、結果としてエネルギーを無駄に消費することになるからである。

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、その課題は、反応液を反応容器内へ排出する場合に、少量の反応液を排出するように制御することが可能な水素発生装置を提供することである。

上記課題を解決するため本発明に係る水素発生装置は、
反応液が収容される液体収容容器と、
この液体収容容器から排出される反応液と反応することで水素ガスを発生する水素発生剤を収容する反応容器と、
液体収容容器から反応液を反応容器側へ排出するためのバルブ機構と、
前記反応容器にて発生した水素ガスを排出させる水素排出路と、
前記バルブ機構の開閉を制御するバルブ制御部と、
バルブ機構の開閉タイミングを設定する設定手段と、を備え、
前記バルブ制御部は、設定手段により設定された開閉タイミングに基づいて、バルブ機構を間歇的に開閉制御することで、液体収容容器内の反応液を反応容器側に排出するように構成したことを特徴とするものである。

かかる構成による水素発生装置の作用・効果を説明する。この装置は反応液が収容される液体収容容器を備えている。この液体収容容器から排出された反応液は、反応容器に送り込まれ、水素発生剤と反応することで水素ガスを発生する。水素ガスは水素排出路を介して容器外部に排出され、燃料電池等に送り込まれる。液体収容容器から反応容器側へ反応液を排出する場合には、バルブ機構の開閉を制御することで行われる。バルブ機構の開閉を制御するための設定手段が設けられており、設定された開閉タイミングに基づいて、バルブ機構を間歇的に開閉制御することができる。従って、開閉タイミングを適切に設定することで、必要な量の反応液を排出するようにすることができ、少量であっても排出可能となる。その結果、反応液を反応容器内へ排出する場合に、少量の反応液を排出するように制御することが可能な水素発生装置を提供することができる。

なお、本発明における開閉タイミングの設定態様については、種々の態様が考えられ、例えば、次のようなものがあげられる。１つは、予め設定された間隔で開閉制御する方法である。予め設定する場合、バルブ機構を開き動作する間隔（周期）は一定でもよいし可変でもよい。この場合、予め開閉タイミングをプログラム（ソフトウェア）により設定しておくことも可能である。

他の方法は、開閉タイミングを動的に設定する方法である。例えば、水素ガスの発生量、水素ガスが供給された燃料電池の出力電圧あるいは出力電流等をモニターしながら、適切な量の水素ガスを発生できるように、リアルタイムに設定する方法である。このように、本発明における設定手段による設定には、種々の変形例が考えられる。

本発明において、前記液体収容容器は、弾性を有する部材により液体収容空間が形成され、この部材の弾性復元力により、反応液の排出力を付与するように構成したことが好ましい。

この構成によると、バルブ機構を開いたときは、部材の弾性復元力により、反応液を反応容器側に排出するようにすることができる。これにより、簡素な構成で反応液に対して排出力を付与させることができる。

本発明において、前記液体収容容器は、変形可能な部材により形成され、さらに、反応液の排出力を付与するために前記変形可能な部材を付勢する付勢手段を備えていることが好ましい。

この構成によると、バルブを開いたときは、付勢手段の付勢力により部材の内部の反応液を排出させることができる。また、付勢手段を別に設けることで、変形可能な部材の膨潤やクリープなどの経時変化の影響を受けることなく安定した排出力を付与することができる。

本発明に係る水素発生装置の好適な実施形態を図面を用いて説明する。図１は、水素発生装置とこれを含む燃料電池システムの構成を示す概念図である。

＜構成＞
水素発生装置Ａは、液体収容容器１、反応容器２、バルブ機構３を備えている。液体収容容器１内には反応液としての水が収容される。この水は、水素発生剤と反応して水素ガスを発生させる機能を有する。水以外に、酸やアルカリなどの溶液を使用してもよい。液体収容容器１は、弾性を有する部材（シリコーンゴムなど）により製作されるものであり、縮む方向に弾性復元力を有する。いわゆる風船状に形成されている。液体収容容器１内に注入される水の量は、２〜３ｃｃ程度である。

反応容器２内には水素発生剤が収容されている。水素発生剤としては、水等の反応液と反応して水素ガスを発生する金属、例えば、Ｆｅ，Ａｌ，Ｍｇ，Ｚｎ，Ｓｉなどから選ばれる一種以上の金属の粒子や、これらが部分的に酸化された金属の粒子があげられる。また、水素発生剤は、触媒成分やアルカリ土類金属酸化物、カーボンブラック等を含むものであってもよい。水素発生剤は、粉末状であってもよく、造粒、またはタブレット化したものであってもよい。

液体収容容器１内の水を反応容器２側へ排出するためのバルブ機構３が設けられている。このバルブ機構３は、流路を開閉制御するものであり、流路を開くことで、液体収容容器１内の水が反応容器２内へと排出される。バルブ機構３としては、ノーマリーオフ（駆動していないときはバルブが閉じている態様）のものが好ましい。また、バルブ機構３の具体的な構成については、特に限定されるものではなく、任意のものを用いることができる。

反応容器２において発生した水素ガスは、発電ユニットＢに供給される。発電ユニットＢは、複数の燃料電池セル４が直列接続されている。燃料電池セル４の具体的な構成としては、例えば、実用新案登録３１１４１４８号に開示されている燃料電池セルを用いることができる。この燃料電池セル４は、板状の固体高分子電解質と、その固体高分子電解質を挟むように両側に配置されたカソード側及びアノード側電極板（ガス拡散板）とを備え、これら電極板２，３のさらに外側には、カソード側・アノード側金属板が設けられる。各燃料電池セル４の内部には、水素ガスを流すためのガス流路が形成されており、燃料電池セル４に水素ガスを供給することで電気出力を取り出すことが可能になる。

昇圧回路５は、発電ユニットＢによる出力電圧を所定の電圧になるように昇圧するものであり、ＤＣ−ＤＣコンバータなどにより構成される。昇圧の程度については、この燃料電池が使用される機器の要求に応じて決められるものである。安定化回路６は、昇圧回路５により昇圧された電圧を安定した状態にし、電気出力部７を介して機器に給電される。電気出力部７としては、ＵＳＢ端子や携帯電話の充電用端子などに連結できるような端子部が設けられる。

バルブ制御部８は、前述のバルブ機構３の開閉制御を行う。開閉制御のタイミングは、設定手段９に基づいて制御される。設定手段９には、バルブ機構３を開く時刻、開時間、次に開くまでの時間間隔などが設定されている。例えば、携帯電話の充電用として用いるのであれば、開時間は０．３秒であり、このときに排出される水の量は０．０３ｃｃ程度である。また、バルブの開閉制御は、間歇的に行なわれるものであり、例えば、３０秒間隔あるいは６０秒間隔で行なわれる。このように制御することで、少量の水を液体収容容器１から反応容器２側へと排出させることができる。また、バルブ機構３を開く間隔は一定で行なってもよいが、例えば、最初は長く、次第に短くなるような可変設定にすることもできる。バルブ機構３の開時間は可変でもよいが、制御を簡素化するためには、開時間は一定に設定しておくことが好ましい。

設定手段９による開閉タイミングの設定などは、ソフトウェアによる設定でもよいし、ハードウェアによる設定でもよい。

外部電源１０は、複数のボタン電池により構成され、燃料電池の起動時にバルブ機構３を動作させるために用いられる。いったん、発電ユニットＢによる発電が開始されると、外部電源１０は不要であり、発電ユニットＢ自身による電気出力を利用して、バルブ機構３の駆動制御を行うことができる。そのために切換部１１が設けられており、外部電源１０と発電ユニットＢによる発電の切換制御をバルブ制御部８により行わせるようにしている。

また、バルブ制御部８は、発電ユニットＢによる出力電圧値をモニターしており、適切な電圧値になるように、バルブ機構３の制御を行うこともできる。これにより、排出する水の量を調整して、水素ガスの発生量を制御可能になる。

＜作用＞
以上のように構成された燃料電池の作用について説明する。まず、最初に液体収容容器１内に水を収容する必要がある。水を収容する前は、液体収容容器１は、自身の弾性復元力によりしぼんだ状態である。そこで、注射器１２を利用して、水を液体収容容器１の内部に注入する。液体収容容器１は、弾性復元力を有する材料で製作されるため、注射器１２の針を出し入れしたとしても、内部の水が漏れないように材料が復元するため問題はない。水を入れることで、弾性復元力に抗して液体収容容器１が風船状に膨らむことができる。

なお、例えば３ｃｃの水を使用するのであれば、初回の注入時はそれよりも若干多めの３．５ｃｃの水を注入するようにし、２回目以降は３ｃｃの水を注入するようにする。これは、最初は多めに注入することで、材料を降伏点側にシフトさせて材料を伸ばすことで、安定した弾性復元力が得られるからである。すなわち、水を排出させるときは、使い始めと使い終わりとで、弾性復元力に大きな差が生じないようにすることが好ましい。これにより、安定した状態で水を排出させることができる。

水を液体収容容器１内に注入する方法としては、上記に限定されるものではなく、例えば、バルブ機構３を開状態に設定し、バルブ機構３側から水を液体収容容器１内部に注入するようにしてもよい。

以上のように水の注入が終わると、燃料電池の使用開始時には、バルブ機構３を開いて水を供給する必要がある。最初は、バルブ機構３を駆動するための電源が必要であるから、外部電源１０を利用して、バルブ機構３を駆動し、所定量の水を反応容器３側へ排出させる。これにより、反応容器３内の化学反応により水素ガスが発生し、発電ユニットＢの各燃料電池セル４へと水素ガスが供給される。これにより、電気出力が取り出され、いったん、電気出力が取り出された後は、これを利用してバルブ機構３を駆動できるので、外部電源１０は不要になる。以後は、設定手段９による設定にしたがって、バルブ機構３の開閉制御が行なわれ、電気出力が取り出される。

＜別実施形態＞
本発明に係る燃料電池が使用される機器については、携帯機器に特に好適ではあるが、これに限定されるものではなく、種々の機器に対して使用することができる。また、燃料電池の使用目的も、機器の主電源として使用しても良いし、機器に使用される二次電池を充電する目的で使用してもよい。また、燃料電池を機器に着脱する場合、直接機器（機器の外部に露出した端子）に装着するのではなく、接続コードを介して機器に接続する構成でもよい。

液体収容容器としては、弾性を有する部材以外のもので構成してもよい。例えば、樹脂製もしくは金属製の容器を用い、内部に収容される水に対してバネやその他の手段により外力を作用させる構造を用いてもよい。図２はその構成例を示す図であり、押圧板１３を介してコイルスプリング１４により水に押圧力を付与している。

図３は、水を反応容器２へ排出する場合の別実施形態を示す図である。この構成例では、中間容器１５を備えており、ピストン１６を作用することで、中間容器１５内の水を反応容器２側へ排出するようにしている。すなわち、まず、中間容器１５に決まった量の水を収容させ、その後、ピストン１６を押すことで、定量を反応容器２へ排出するようにしている。これにより、精度よく定量の水を排出させることができる。

図４は、水を反応容器２へ排出する場合のさらに別の実施形態を示す図である。液体収容容器１は、変形可能な部材（例えば、天然ゴム、シリコンゴム等のゴム素材）により形成されている。液体収容容器１は、押圧プレート１９と支持プレート２０とスプリング１８（付勢手段に相当）により、水に対する排出力が付与されている。スプリング１８は、押圧プレート１９を図の下方向に付勢している。図４（ａ）は初期状態を示し（ｂ）は水を半分程度排出した後の状態を示している。水を排出していくたびに、押圧プレート１９は徐々に下方向に下がっていく。

図５は、図４に示す構成において、時間の経過と水の排出量の関係を示す。なお、バルブ機構３の開時間は一定であると仮定する。このような関係から、バルブ機構３をＯＮ（開にする）間隔は、時間の経過と共に短くすることが好ましい。

本実施形態において、設定手段９による開閉タイミングの設定は予め設定された内容に従って行なわれているが、本発明はこれに限定されるものではない。出力電圧値（電流値でもよい）を常時モニターし、適切な出力が得られるように、バルブ機構３を動的に（リアルタイムに）制御してもよい。この場合は、バルブ機構３を開く周期が長くなったり短くなったりすることがありうる。

水素発生装置とこれを含む燃料電池システムの構成を示す概念図 液体収容容器の別実施形態を示す図 水を反応容器へ排出する場合の別実施形態を示す図 液体収容容器の更に別の実施形態を示す図 時間の経過と水の排出量の関係を示す図

符号の説明

Ａ 水素発生装置
Ｂ 発電ユニット
１ 液体収容容器
２ 反応容器
３ バルブ機構
４ 燃料電池セル
８ 制御部
９ 設定手段
１０ 外部電源
１２ 注射器

Claims (3)

1. 反応液が収容される液体収容容器と、
   この液体収容容器から排出される反応液と反応することで水素ガスを発生する水素発生剤を収容する反応容器と、
   液体収容容器から反応液を反応容器側へ排出するためのバルブ機構と、
   前記反応容器にて発生した水素ガスを排出させる水素排出路と、
   前記バルブ機構の開閉を制御するバルブ制御部と、
   バルブ機構の開閉タイミングを設定する設定手段と、を備え、
   前記バルブ制御部は、設定手段により設定された開閉タイミングに基づいて、バルブ機構を間歇的に開閉制御することで、液体収容容器内の反応液を反応容器側に排出するように構成したことを特徴とする水素発生装置。
2. 前記液体収容容器は、弾性を有する部材により液体収容空間が形成され、この部材の弾性復元力により、反応液の排出力を付与するように構成したことを特徴とする請求項１に記載の水素発生装置。
3. 前記液体収容容器は、変形可能な部材により形成され、さらに、反応液の排出力を付与するために前記変形可能な部材を付勢する付勢手段を備えていることを特徴とする請求項１に記載の水素発生装置。

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