(57)【要約】【課題】  安定性及び取扱性に優れた水素発生装置及び発電システムを提供することを目的とする。【解決手段】  水と反応して水素ガスを発生する化合物が配された水素発生器と、水素発生器に水を供給する水供給手段と、水素発生器に水を供給することで発生した水素を外部へ供給する水素供給手段と、中央制御装置とを備え、中央制御装置が、発生した水素ガスの圧力又は発生量に関する情報に基づいて、水供給手段により水素発生器に供給される水の量を制御するための制御情報を生成する制御情報生成手段を備え、水供給手段が、生成された制御情報をもとに、水素発生器に供給する水の量を制御する、水素発生装置より解決することができる。【選択図】    図１
2020169107.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水と反応して水素ガスを発生する化合物が配された水素発生器と、
水素発生器に水を供給する水供給手段と、
水素発生器に水を供給することで発生した水素を外部へ供給する水素供給手段と、
中央制御装置と
を備え、
中央制御装置が、発生した水素ガスの圧力又は発生量に関する情報に基づいて、水供給手段により水素発生器に供給される水の量を制御するための制御情報を生成する制御情報生成手段を備え、
水供給手段が、生成された制御情報をもとに、水素発生器に供給する水の量を制御する、水素発生装置。
【請求項２】
水素発生器にて発生した水素の圧力又は発生量を測定する水素量測定手段と、
水素量測定手段により測定された水素の圧力又は発生量に関する情報を、中央制御装置に送信する水素量送信手段と
を備え、
制御情報生成手段が、中央制御装置にて受信した水素の圧力又は発生量に関する情報に基づいて、水素発生器に供給される水の量を制御するための制御情報を生成する、請求項１に記載の水素発生装置。
【請求項３】
水素発生器にて発生した水素の圧力若しくは発生量、又は、水素供給手段により外部へ供給された水素の圧力若しくは供給量が第一の基準以上となった場合に、制御情報生成手段が、水供給手段により水素発生器に供給される水の量を減少させるための制御情報を生成する、請求項１又は２に記載の水素発生装置。
【請求項４】
複数の水素発生器を備えており、
水素発生器は交換が可能である、請求項１〜３のいずれかに記載の水素発生装置。
【請求項５】
水素発生器にて発生した水素の圧力若しくは発生量、又は、水素供給手段により外部へ供給された水素の圧力若しくは供給量が、第二の基準以下となった場合に、水素発生器の交換が必要であることを通知する通知手段とを備える、請求項４に記載の水素発生装置。
【請求項６】
水と反応して水素ガスを発生する化合物が、水素化ホウ素ナトリウムである、請求項１〜５のいずれかに記載の水素発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素化ホウ素ナトリウムを利用した水素発生装置及び発生した水素を利用する発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
水素は、多くの化学プロセスにおいて重要な材料であり、近年では、自動車用の燃料電池をはじめとしたクリーンエネルギー源としての利用が期待されている。
【０００３】
自動車用の燃料電池において、燃料極に用いられる水素ガスは、自動車に搭載された水素ガスボンベから供給される（特許文献１）。燃料電池の発電量は、このボンベの容積に依存する。それゆえ、積載する水素ガス量を多くしようとすると、ボンベの容積や重量が課題となってくる。
【０００４】
このような課題へのアプローチとして、水素ガスボンベの代わりに、水素ガスの発生源として水素化ホウ素ナトリウムを利用する方法が検討されている（特許文献２）。特許文献２は、安全性の面から、水素化ホウ素ナトリウムを水溶液とし、クエン酸水溶液との反応により水素を発生させるものであり、固形の水素化ホウ素ナトリウムを利用するものではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１４９５０９号公報
【特許文献２】特開２０１８−１８８３１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のように、水素化ホウ素ナトリウムを水素発生源として利用する場合、その安全性が課題となる。本発明は、専用カートリッジに水素化ホウ素ナトリウムを充填し、このカートリッジに供給する水又は水蒸気量を制御することにより、安定性及び取扱性に優れた水素発生装置及び発電システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、以下の［１］〜［６］のいずれかにより上記課題を解決するものである。
［１］水と反応して水素ガスを発生する化合物が配された水素発生器と、水素発生器に水を供給する水供給手段と、水素発生器に水を供給することで発生した水素を外部へ供給する水素供給手段と、中央制御装置とを備え、中央制御装置が、発生した水素ガスの圧力又は発生量に関する情報に基づいて、水供給手段により水素発生器に供給される水の量を制御するための制御情報を生成する制御情報生成手段を備え、水供給手段が、生成された制御情報をもとに、水素発生器に供給する水の量を制御する、水素発生装置。
［２］水素発生器にて発生した水素の圧力又は発生量を測定する水素量測定手段と、水素量測定手段により測定された水素の圧力又は発生量に関する情報を、中央制御装置に送信する水素量送信手段とを備え、制御情報生成手段が、中央制御装置にて受信した水素の圧力又は発生量に関する情報に基づいて、水素発生器に供給される水の量を制御するための制御情報を生成する、上記［１］に記載の水素発生装置。
［３］水素発生器にて発生した水素の圧力若しくは発生量、又は、水素供給手段により外部へ供給された水素の圧力若しくは供給量が第一の基準以上となった場合に、制御情報生成手段が、水供給手段により水素発生器に供給される水の量を減少させるための制御情報を生成する、上記［１］又は［２］に記載の水素発生装置。
［４］複数の水素発生器を備えており、水素発生器は交換が可能である、上記［１］〜［３］のいずれかに記載の水素発生装置。
［５］水素発生器にて発生した水素の圧力若しくは発生量、又は、水素供給手段により外部へ供給された水素の圧力若しくは供給量が、第二の基準以下となった場合に、水素発生器の交換が必要であることを通知する通知手段とを備える、上記［４］に記載の水素発生装置。
［６］水と反応して水素ガスを発生する化合物が、水素化ホウ素ナトリウムである、上記［１］〜［５］のいずれかに記載の水素発生装置。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、安定性及び取扱性に優れた水素発生装置及び発電システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施の形態の少なくとも１つに対応する、水素発生装置の構成を示す概略図である。
【図２】本発明の実施の形態の少なくとも１つに対応する、水素発生装置に用いられる専用カートリッジを説明するための概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。以下、効果に関する記載は、本発明の実施の形態の効果の一側面であり、ここに記載するものに限定されない。
【００１１】
［第一の実施の形態］
本発明の水素発生装置は、図１に示すように、水素発生器１と、加水制御装置２と、水素圧力調整装置３と、中央制御装置４と、タンク５と、純水生成装置６と、水素供給手段７とを備える。
【００１２】
（水素発生器）
水素発生器１は、水と反応して水素ガスを発生する化合物が配されており、例えば、カートリッジ状のもの（以下において、専用カートリッジということがある）が挙げられる。図２は、本発明の実施の形態の少なくとも１つに対応する、水素発生装置に用いられる専用カートリッジを説明するための概略図である。専用カートリッジは、図２に示すように、例えば円筒形であって、上部に蓋部１ａを備える。該蓋部１ａには、後述の水供給手段である加水制御装置２からカートリッジ内部に水を供給するための配管を接続するための水供給口８と、発生した水素ガスを水素供給手段７に供するための配管を接続するための水素供給口９とが設けられる。蓋部１ａは、パッチン錠１ｂを複数備え、水素発生器１を密閉できる構造であってもよい。
【００１３】
水又は水蒸気と反応して水素ガスを発生する化合物としては、例えば、水素化ホウ素ナトリウム、水素化ホウ素リチウム、水素化ホウ素カリウム、水素化ナトリウム、水素化リチウム、水素化カリウムなどが挙げられるが、原材料の価格や取り扱いやすさ等の観点から水素化ホウ素ナトリウム（固体）であることが好ましい。
【００１４】
一例として、専用カートリッジに配される水と反応して水素ガスを発生する化合物が水素化ホウ素ナトリウムの場合の制御について説明する。水素化ホウ素ナトリウムと水との反応は以下の式（１）により表される。
ＮａＢＨ４＋２Ｈ２Ｏ  →  ４Ｈ２＋ＮａＢＯ２    ・・・（１）
【００１５】
水素化ホウ素ナトリウムとの反応により水素ガスを理論最大値である１０．８質量％の割合で発生させるためには、１モルのＮａＢＨ４に対し２モルのＨ２Ｏを添加することが、最も効率よいことが上記式（１）より明らかである。本発明では、過剰量の水又は水蒸気を供給するのではなく、理論値に沿うように正確に加水を行うことにより、効率の良い水素発生を達成する。なお、上記式（１）は水蒸気の場合にも同様に表すことができるが、水蒸気を使用する場合は、別途水蒸気と水素化ホウ素ナトリウムとを攪拌する機構が必要になるため、効率化の観点から本発明においては、水と水素化ホウ素ナトリウムとを反応させる。
【００１６】
（水供給手段）
水供給手段は水素発生器１に水を供給するものである。水素発生器１に水を供給する場合は、純水生成装置６で生成された純水をタンク５に貯留し、電磁バルブなどの弁機能である加水制御装置２を介して専用カートリッジの水供給口８と接続された配管を通して、専用カートリッジ内部に水を供給する。
【００１７】
加水制御装置２は、後述の中央制御装置４にて生成された制御情報をもとに、水素発生器１に供給する水を供給する。水素発生器１における水素の発生量が多くなれば、加水制御装置２による水の供給量を減少させることができる。一方、水素発生器１における水素の発生量が少なくなれば、加水制御装置２による水の供給量を増加させることができる。
【００１８】
（中央制御装置）
中央制御装置４は、制御部、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）、ストレージ部、通信インタフェースからなり、それぞれ内部バスにより接続されている。制御部は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）やＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）から構成される。制御部は、ストレージ部に格納されたプログラムを実行し、中央制御装置４の制御を行う。ＲＡＭは、制御部のワークエリアである。ストレージ部は、プログラムやデータを保存するための記憶領域である。制御部は、プログラム及びデータをＲＡＭ及びストレージ部から読み出して処理を行う。
【００１９】
通信インタフェースは、加水制御装置２及び水素圧力調整装置３と、無線又は有線により通信を行う。中央制御装置４は、水素圧力調整装置３にて検知された水素の圧力又は発生量を、通信インタフェースを介して受信する。中央制御装置４は、発生した水素ガスの圧力又は発生量に関する情報に基づいて、加水制御装置２により水素発生器１に供給される水の量を制御するための制御情報を生成する機能を有する。また、生成された制御情報は、通信インタフェースを介して、加水制御装置２に送信される。加水制御装置２は、送信された制御情報を受信し、該制御情報をもとに、水素発生器１に供給する水の量を調整する。
【００２０】
（水素圧力調整装置）
加水制御装置２における水の供給量の制御は、発生した水素ガスの圧力又は発生量に関する情報に基づいて行う。水素ガスの圧力又は発生量に関する情報は、水素圧力調整装置３に備えられた水素量測定手段である水素の圧力と発生量の少なくともいずれかを測定するセンサによる測定により取得される。水素圧力調整装置３は、測定された水素の圧力又は発生量に関する情報を、有線又は無線の通信により、中央制御装置４に送信する水素量送信手段を備える。
【００２１】
（水素供給手段）
水素供給手段７は、上記専用カートリッジ内の化合物と水との反応により発生した水素を外部へ供給する手段であり、例えば、専用カートリッジに設けられた配管である。専用カートリッジの蓋部１ａに設けられた水素供給口９と配管により接続された外部へ、電磁バルブなどの弁機能である加水制御装置２を介して水素を供給する。外部とは、例えば水素を燃料とする燃料電池などである。
【００２２】
本発明の水素発生装置により発生した水素ガスを燃料電池の燃料極に供給する発電システムとし、燃料電池自動車に搭載し使用する場合、自動車の走行状況によって燃料電池で要される水素ガス量は経時変化する。そのため、上記のような理論的に効率が最大となるような水素ガスの発生は、この変化応じるように調整する必要がある。
【００２３】
例えば、専用カートリッジにて発生した水素の圧力若しくは発生量が第一の基準以上となった場合に、制御情報生成手段が、加水制御装置２により水素発生器１に供給される水の量を減少させるための制御情報を生成する。水素圧力調整装置３における圧力センサで測定する圧力が所定以上となった場合には、水素ガスの発生が外部に要される量よりも多いと判断し、専用カートリッジへの水の供給量を減じる。水素発生量については、例えば、圧力計により検知することができ、外部である燃料電池への水素供給が過多とならないよう、水素発生量が第一の基準以上となった場合には、専用カートリッジへの水の供給量を減じる。
【００２４】
上記制御情報は、水素供給手段７により燃料電池へ供給された水素の圧力若しくは供給量が第一の基準値以上となった場合に、水供給手段により水素発生器１に供給される水の量を減少させるための制御情報とすることもできる。燃料電池での発電量を計測し、該発電量から燃料電池へ供給された水素の圧力若しくは供給量を理論式により求め、水素ガス供給量を調整する。なお、燃料電池とは、例えば固体高分子形燃料電池であって、負極燃料として水素を適用し、正極における空気中の酸素の反応による電池をいう。
【００２５】
上記のように中央制御装置４の制御情報により、水素化ホウ素ナトリウムに理論値に沿うように正確に水供給手段により専用カートリッジに加水を行うことにより、効率の良い水素発生を達成することができる。
【００２６】
（通知手段）
専用カートリッジに充填した水素化ホウ素ナトリウムの全量が反応し、水素ガスの発生が得られなくなった場合、または、水素ガスの発生量が燃料電池に要する量に達しなくなった場合、燃料電池を含めた発電システムの稼働を継続させるためには、新たな水素供給源が必要となる。
【００２７】
このような場合、すなわち、水素発生器１にて発生した水素の圧力若しくは発生量、又は、水素供給手段７により外部へ供給された水素の圧力若しくは供給量が、第二の基準以下となった場合に、水素発生器１の交換が必要であることを通知する通知手段を備えることで、水素発生器１を交換し、発電システムの継続的稼働が可能となる。
【００２８】
具体的には、水素発生器１にて発生した水素の圧力若しくは発生量、又は、水素供給手段７により外部へ供給された水素の圧力若しくは供給量が中央制御装置４に送信され、中央制御装置４において、送信された上記発生量または供給量が第二の基準値と比較して基準以下と判断されると、中央制御装置４において通知手段が実行される。通知手段としては、音による警報（例えば、水素発生装置の中央制御装置４がスピーカーを有し、該スピーカーから警報音が発せられる）、ランプなどの光による警報（水素発生装置の中央制御装置４がランプを有し、第二の基準以下となった場合にランプが点灯したり、点滅したりする）、指定されたアドレスへ、通信インタフェースを介してメールにて通知するなどが挙げられる。
【００２９】
［第二の実施の形態］
第二の実施の形態は、上記水素発生装置において水素発生器１が複数備えられ、また、備えられた水素発生器１が交換可能な場合について説明する。その他、加水制御装置２、水素圧力調整装置３、中央制御装置４、タンク５、純水生成装置６、水素供給手段７は、第一の実施の形態と同様の構成とすることができる。
【００３０】
（水素発生器交換手段）
上述のように通知手段により専用カートリッジの交換が必要となった場合に、そのたびごとにカートリッジ交換作業を行うこととなると、例えば、本発明の水素発生装置を燃料電池自動車に適用した場合に、走行距離が短くなり、また専用カートリッジの交換ステーションを多数設ける必要があるなどの課題が生じる。水素発生器交換手段は、上記課題を解決するための一つの手段として、本発明の水素発生装置に水素発生器１を複数備え、これらの交換を自動で可能とするものである。以下、交換手段のフローについて説明する。
【００３１】
複数の専用カートリッジのうち、第一の専用カートリッジに充填した水素化ホウ素ナトリウムの全量が反応し、水素ガスの発生が得られなくなった場合、または、水素ガスの発生量が燃料電池に要する量に達しなくなった場合に、上記通知手段により専用カートリッジの交換が必要であることが通知される。
【００３２】
水素発生器１（専用カートリッジ）上部の蓋部１ａの水供給口８と水素供給口９とは、配管によりそれぞれ、加水制御装置２と外部に接続されている。第一の専用カートリッジに接続された配管の弁が閉じられ、これらの配管が、第二の専用カートリッジの蓋部１ａの水供給口８と水素供給口９とに接続され、開弁により交換が完了する。交換後、第二の専用カートリッジへの水の供給により、第一の専用カートリッジの場合と同様に水素ガスの発生が中央制御装置４の制御により行なわれる。
【００３３】
なお、交換前後の専用カートリッジの蓋部１ａは、それぞれ、図２に示す蓋部１ａと同形状であって水供給口８と水素供給口９とを有さない、密閉可能な蓋に置換しておくことが好ましい。
【００３４】
また、複数の専用カートリッジのそれぞれに加水制御装置２と水素供給手段７が弁を備えた配管により接続された形態とし、通知手段により第一の専用カートリッジの交換が必要となった場合に、弁の切り替えにより第二の専用カートリッジへ交換するようにしてもよい。また、専用カートリッジは２つに限られず、３以上の複数を用意するようにしてもよい。
【００３５】
水素発生装置に備えた専用カートリッジの一部または全てから水素ガスの発生が不可となった場合は、上記のように弁を閉じ、水素発生装置から取り出し、新たに水素化ホウ素ナトリウムを充填した専用カートリッジと交換することで、従来の電池交換と同様に、水素発生装置を稼働させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明の水素発生装置によれば、安定性及び取扱性に優れた水素発生装置及び発電システムに有用である。
【符号の説明】
【００３７】
１    水素発生器
１ａ  蓋部
１ｂ  パッチン錠
２    加水制御装置
３    水素圧力調整装置
４    中央制御装置
５    タンク
６    純水生成装置
７    水素供給手段
８    水供給口
９    水素供給口
【図１】
2020169107.tif 000003
【図２】
2020169107.tif 000004