(57)【要約】【課題】簡便でかつ効率よく水素を製造し得る水素製造装置とその水素製造装置を水素供給源とする燃料電池を提供する。【解決手段】本発明の水素製造装置は、水素発生物質を収容する水素発生物質収容容器と、水を収容する水収容容器と、前記水収容容器から前記水素発生物質収容容器へ水を供給するための水供給部と、前記水素発生物質収容容器から水素を導出するための水素導出部と、前記水素発生物質収容容器から排出された水素と水とを含む混合物から水を分離するための気液分離部と、前記気液分離部で分離された水を前記水収容容器に回収するための水回収部とを備え、前記水収容容器は、不撓性を有すると共に、前記水素発生物質収容容器へ水を供給すると前記水収容容器の内部が減圧されるように密閉されており、前記水回収部は、前記水収容容器が減圧されることにより、前記気液分離部から水を吸引して、前記水収容容器へ水を回収することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素発生物質を収容する水素発生物質収容容器と、
水を収容する水収容容器と、
前記水収容容器から前記水素発生物質収容容器へ水を供給するための水供給部と、
前記水素発生物質収容容器から水素を導出するための水素導出部と、
前記水素発生物質収容容器から排出された水素と水とを含む混合物から水を分離するための気液分離部と、
前記気液分離部で分離された水を前記水収容容器に回収するための水回収部とを含む水素製造装置であって、
前記水収容容器は、不撓性を有すると共に、前記水素発生物質収容容器へ水を供給すると前記水収容容器の内部が減圧されるように密閉されており、
前記水回収部は、前記水収容容器が減圧されることにより、前記気液分離部から水を吸引して、前記水収容容器へ水を回収することを特徴とする水素製造装置。
【請求項２】
前記水回収部は、第１水回収部と第２水回収部とを含み、
前記第１水回収部は、前記水収容容器が減圧されることにより、前記気液分離部から水を吸引して、前記水収容容器へ水を回収し、
前記第２水回収部は、前記水収容容器が非減圧状態において、前記気液分離部から水を吸引して、前記水収容容器へ水を回収する請求項１に記載の水素製造装置。
【請求項３】
前記第２水回収部は、ポンプと流路切替部とを含む請求項２に記載の水素製造装置。
【請求項４】
前記水収容容器は、前記水供給部及び前記水回収部がそれぞれ接続される開口部以外の開口部を備えない請求項１〜３のいずれかに記載の水素製造装置。
【請求項５】
前記水素発生物質収容容器から排出された水素と水とを含む混合物が前記気液分離部に入る前に、前記混合物を冷却するための冷却部をさらに含む請求項１〜４のいずれかに記載の水素製造装置。
【請求項６】
前記水回収部は、鉛直方向に対して、前記気液分離部より下部に配置されている請求項１〜５のいずれかに記載の水素製造装置。
【請求項７】
前記水素発生物質収容容器は、水素発生物質を収容し、
前記水素発生物質は、アルミニウム、ケイ素、亜鉛、マグネシウム及びこれらの１種以上の金属元素を主体とする合金よりなる群から選択される少なくとも１種の金属である請求項１〜６のいずれかに記載の水素製造装置。
【請求項８】
前記水素発生物質収容容器は、水と発熱反応する発熱物質をさらに収容している請求項７に記載の水素製造装置。
【請求項９】
前記発熱物質は、前記水供給部の開口部の近傍に、偏在して配置されている請求項８に記載の水素製造装置。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれかに記載の水素製造装置を水素供給源とすることを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素発生物質と水とを反応させて水素を製造する水素製造装置と、その水素製造装置を水素供給源とする燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、パソコン、携帯電話などのコードレス機器の普及に伴い、その電源である電池には、ますます小型化、高容量化が要望されている。現在、リチウムイオン二次電池は、エネルギー密度が高く、小型軽量化を図り得る電池として実用化されており、ポータブル電源としての需要が増大している。しかし、このリチウムイオン二次電池は、一部のコードレス機器に対して、十分な連続使用時間を保証することができないという問題がある。
【０００３】
上記問題の解決に向けて、例えば固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）などの燃料電池の開発が進められている。燃料電池は、燃料及び酸素の供給を行えば、連続的に使用することが可能である。電解質に固体高分子電解質、正極活物質に空気中の酸素、負極活物質に燃料を用いるＰＥＦＣは、リチウムイオン二次電池よりもエネルギー密度が高い電池として注目されている。
【０００４】
ＰＥＦＣに用いる燃料に関しては、水素、メタノールなどが提案され、種々開発が行われているが、高エネルギー密度化が可能な点で、水素を燃料とするＰＥＦＣが期待されている。
【０００５】
そして、ＰＥＦＣのような燃料電池に水素を供給する方法としては、例えば、水素源となる水素発生物質と水とを反応させて水素を生成させ得る水素製造装置によって製造された水素を供給する方法が検討されている。このような水素製造装置では、例えば、水を収容するタンクと、水素発生物質を収容し、その水素発生物質と水とを反応させるための容器とが設けられており、この水を収容するタンクから、水素発生物質を収容する容器（反応容器）に水を供給して、その容器中で水素発生物質と水とを反応させ、生成した水素を、その容器に備え付けられた水素導出管を通じて燃料電池に供給する、といった機構が採用されている。
【０００６】
ところが、水素発生物質と水との反応の際には、未反応の水が水素と共に噴き出して、反応容器の外部に排出されてしまう。そのため、従来の水素製造装置では、水収容タンク内に、反応に必要な量をかなり上回る量の水を保持しておく必要がある。また、このような多量の水を含有する水素が燃料電池に供給されることで、燃料電池に詰まりが生じてしまう場合もある。
【０００７】
上記のような事情から、水素発生物質と水との反応により水素を生成する機構を有する水素製造装置においては、生成した水素と共に反応容器から排出される未反応の水の処理が求められる。例えば、特許文献１には、反応容器から排出された水素と水（水蒸気）との混合物を水収容タンク内に戻して、そのタンク内の水と混合して熱交換を行うことで混合物中の水蒸気を水とし、他方、混合物中の水素については上記タンクの上部に設けた排出管から取り出して、燃料電池などに供給する機構を有する水素発生装置が提案されている。特許文献１に記載の装置によれば、水素と共に反応容器から排出された水蒸気を、水収容タンク内で水に戻して再度反応容器に供給できるため、水を効率よく水素製造に用いることができる。
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−１４９３９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところが、特許文献１の水収容タンクには、水を供給する管、反応容器から排出された水素と水との混合物を戻す管、及び水素を排出する管を備える必要があり、水収容タンクの構造が複雑になる。また、高温の水素と水との混合物が直接水収容タンクに戻されるため、水素を製造するに従い水収容タンク内の水温が上昇していく。そのため、水収容タンクは耐熱性を有する材料で作製する必要がある。
【００１０】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡便でかつ効率よく水素を製造し得る水素製造装置とその水素製造装置を水素供給源とする燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の水素製造装置は、水素発生物質を収容する水素発生物質収容容器と、水を収容する水収容容器と、前記水収容容器から前記水素発生物質収容容器へ水を供給するための水供給部と、前記水素発生物質収容容器から水素を導出するための水素導出部と、前記水素発生物質収容容器から排出された水素と水とを含む混合物から水を分離するための気液分離部と、前記気液分離部で分離された水を前記水収容容器に回収するための水回収部とを含む水素製造装置であって、前記水収容容器は、不撓性を有すると共に、前記水素発生物質収容容器へ水を供給すると前記水収容容器の内部が減圧されるように密閉されており、前記水回収部は、前記水収容容器が減圧されることにより、前記気液分離部から水を吸引して、前記水収容容器へ水を回収することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の燃料電池は、上記本発明の水素製造装置を水素供給源とすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、簡便で効率的に水素を製造し得る水素製造装置が提供できる。すなわち、本発明の水素製造装置では、気液分離部で分離した水を水収容容器に回収するのに、水収容容器から水を水素発生物質収容容器へ供給する際に発生する負圧を利用している。そのため、水を水収容容器に回収するための補器が必要でなく、簡便な装置とすることができる。
【００１４】
また、水収容容器からの水供給を停止した場合は、水収容容器の内部に負圧が発生しないため、気液分離部に貯留する水を回収することができない。しかし、本発明では水供給を停止した場合にも機能する水回収部を別途設けることにより、水供給の停止時でも気液分離部から水収容容器に水を回収することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の水素製造装置は、水素発生物質を収容する水素発生物質収容容器と、水を収容する水収容容器と、前記水収容容器から前記水素発生物質収容容器へ水を供給するための水供給部と、前記水素発生物質収容容器から水素を導出するための水素導出部と、前記水素発生物質収容容器から排出された水素と水とを含む混合物から水を分離するための気液分離部と、前記気液分離部で分離された水を前記水収容容器に回収するための水回収部とを備えている。
【００１６】
前記水収容容器は、不撓性を有すると共に、前記水素発生物質収容容器へ水を供給すると前記水収容容器の内部が減圧されるように密閉されており、前記水回収部は、前記水収容容器が減圧されることにより、前記気液分離部から水を吸引して、前記水収容容器へ水を回収する。これにより、気液分離部で分離した水を水収容容器に回収するのに、水収容容器から水を水素発生物質収容容器へ供給する際に発生する負圧を利用できるため、水を水収容容器に回収するための補器が必要でなく、簡便で効率的に水素を製造し得る水素製造装置が提供できる。
【００１７】
また、前記水回収部は、第１水回収部と第２水回収部とを備え、前記第１水回収部は、前記水収容容器が減圧されることにより、前記気液分離部から水を吸引して、前記水収容容器へ水を回収し、前記第２水回収部は、前記水収容容器が非減圧状態において、前記気液分離部から水を吸引して、前記水収容容器へ水を回収することが好ましい。第２水回収部を備えることにより、水収容容器からの水供給を停止して水収容容器の内部に負圧が発生しない場合でも、気液分離部から水を水収容容器に回収することができる。
【００１８】
また、前記第２水回収部は、ポンプと流路切替部とを備えていることが好ましい。これにより、第２水回収部を簡単な構造とすることができる。
【００１９】
また、前記水収容容器は、前記水供給部及び前記水回収部がそれぞれ接続される開口部以外の開口部を備えていないことが好ましい。これにより、水収容容器内の密閉性を向上できる。
【００２０】
また、本発明の水素製造装置は、前記水素発生物質収容容器から排出された水素と水とを含む混合物が前記気液分離部に入る前に、前記混合物を冷却するための冷却部をさらに備えることが好ましい。これにより、気液分離部における水と水素との分離がより容易に行える。
【００２１】
また、前記水回収部は、鉛直方向に対して、前記気液分離部より下部に配置されていることが好ましい。これにより、負圧に加えて重力をも利用して、気液分離部で分離した水を水収容容器に回収することができる。
【００２２】
また、前記水素発生物質収容容器は、水素発生物質を収容し、前記水素発生物質は、アルミニウム、ケイ素、亜鉛、マグネシウム及びこれらの１種以上の金属元素を主体とする合金よりなる群から選択される少なくとも１種の金属であることが好ましい。これらの物質は、水と容易に反応して水素を効率的に発生できるからである。
【００２３】
また、前記水素発生物質収容容器は、水と発熱反応する発熱物質をさらに収容していることが好ましい。これにより、水と水素発生物質との反応を容易に開始できる。
【００２４】
また、前記発熱物質は、前記水供給部の開口部の近傍に、偏在して配置されていることが好ましい。これにより、水と水素発生物質とが反応して水素が発生するまでの時間を短縮することができる。
【００２５】
また、本発明の燃料電池は、上記本発明の水素製造装置を水素供給源とすることを特徴とする。
【００２６】
以下、本発明の水素製造装置の実施形態を図面を用いて説明する。
【００２７】
（実施形態１）
図１は、本発明の水素製造装置の一例を示す一部断面概略図である。図１は、本発明の水素製造装置の一例を示すものであり、本発明の水素製造装置は図１に示される構成のものに限定されるものではない。図１において、１は水素発生物質収容容器、１０は水素発生物質、１ａは水素導出管、１ｂは水供給管、２は水収容容器、２０は水、２ａは水供給管、２ｂは水回収管、３は水素製造装置本体部と水素発生物質収容容器１又は水収容容器２とを連結するための脱着部、４は保温材、５はポンプ、６は冷却部、７は気液分離部である。また、水供給管１ｂ、２ａ及びポンプ５により本実施形態の水供給部を構成している。さらに、水素導出管１ａにより本実施形態の水素導出部を構成している。
【００２８】
図１では、水素発生物質収容容器１、水収容容器２、保温材４及び気液分離部７のみを断面で示している。
【００２９】
本発明の水素製造装置では、水素発生物質収容容器１に水収容容器２から水を供給し、水素発生物質収容容器１内において水素発生物質と水とを反応させて水素を製造する。よって、水素発生物質収容容器１は、水素発生物質と水との反応容器としての役割も担っている。水素発生物質収容容器１で発生した水素は、水素導出管１ａを経て、水素を必要とする機器（燃料電池など）などに供給される。
【００３０】
上記の通り、水素発生物質収容容器１内において、水素発生物質と水とを反応させて水素を発生させると、未反応の水が水素と共に噴き出され、水素導出管１ａから、水素との混合物として反応容器である水素発生物質収容容器１の外部へ排出されてしまう。しかし、本発明の水素製造装置は気液分離部７を有しており、水素発生物質収容容器１から排出された水と水素との混合物を、気液分離部７によって水と水素に分離し、分離した水を水収容容器２に回収することができる。
【００３１】
図１の装置における気液分離部７は、水と水素とを分離するための水分離容器７ａ、水分離容器７ａに水と水素との混合物を導入するための水素導入管７ｂ、水分離容器７ａ内で分離された水素を排出するための水素排出管７ｃ、及び水分離容器７ａ内で分離された水を水収容容器２へ戻すための水回収管７ｄから構成されている。水素導入管７ｂから流入した水と水素との混合物のうち、水は重力により水分離容器７ａの下方に落下して水素から分離される。分離された水は水回収管７ｄ、２ｂを通って水収容容器２に回収される。このように、本実施形態では、水素発生物質収容容器１より排出された水と水素との混合物から分離した水を水収容容器２に戻す水回収部を、気液分離部７と水収容容器２との間を接続する水回収管２ｂ、７ｄで構成している。
【００３２】
上記のように本発明の装置では、生成した水素と共に水素発生物質収容容器１から排出された未反応の水を、気液分離部７の作用により、水収容容器２に回収して再度水素発生反応に供し得ることから、実質的な水の使用量を低減でき、水収容容器２内に収容しておく水の量を減らすことが可能となるため、水素製造装置の体積及び重量を低減してコンパクト化することができる。
【００３３】
また、例えば水素製造装置が燃料電池の燃料源として用いられている場合、水素と共に多量の水が燃料電池内に供給されると、燃料電池内で水の詰まりが生じてしまうことがある。しかし、本発明の水素製造装置によれば、気液分離部７において、水素発生物質収容容器１から排出された水と水素との混合物から、水を除いた上で燃料電池に供給できるため、上記詰まりを防止することも可能である。
【００３４】
さらに、本発明の水素製造装置では、水収容容器２とは別体の気液分離部７において水と水素との分離を行うため、水収容容器２に接続される管は水供給管２ａ及び水回収管２ｂの２つでよく、水と水素との分離を水収容容器２内で行う場合に必要な水素導出管を省略できるため、水収容容器２の構造が簡便になる。また、図１に示すように、気液分離部７は、水収容容器２のみならず水素発生物質収容容器１とも別体としていることが好ましく、このようにすることで、水素発生物質収容容器１及び水収容容器２をより簡素な構造にすることができ、それらをコンパクトにすることができる。
【００３５】
本発明の水収容容器２は、不撓性の容器で構成されている。不撓性の容器とすることで、水収容容器２から水素発生物質収容容器１へ水を供給すると、水収容容器２の内部の圧力が低下する。この圧力低下により、水回収管７ｄ、２ｂを通じて気液分離部から水を吸引することができる。従って、特に気液分離部７から水を回収するための装置を必要とすることなく、簡便な水素製造装置とすることができる。
【００３６】
また、水収容容器２は、水供給管２ａ及び水回収管２ｂがそれぞれ接続される開口部以外の開口部を有していない。これにより、水収容容器２内の密閉性をより高めることができる。
【００３７】
気液分離部７から水収容容器２へ水を戻す手段として、水の自重によって戻すことも可能であるが、その場合、気液分離部７は、鉛直方向に対して、水収容容器２より上部に設置する必要がある。しかし、本発明の水素製造装置では、水収容容器２の内部の圧力低下によって水を引き込むため、気液分離部７と水収容容器２の設置位置に制限がない。ただし、水回収管７ｄは、鉛直方向に対して、気液分離部７より下部に設置されることが好ましい。これにより、気液分離部７の下部に貯留した水を水回収管７ｄにより水収容容器２に戻すことができる。
【００３８】
また、図１の装置では、水素発生物質収容容器１及び水収容容器２が、脱着部３を介して装置本体部に脱着可能に連結されている。このように、本発明の水素製造装置では、水素発生物質収容容器１及び／又は水収容容器２が、本体部に脱着可能に取り付けられていることが好ましい。ここでいう本体部（装置本体部）とは、水素発生物質収容容器１及び水収容容器２以外の部分（保温材４、ポンプ５、図１中の脱着部３より上の管部分、気液分離部７を含む）を意味している。
【００３９】
水素発生物質収容容器１内において、水素発生物質と水とを反応させて水素を発生させると、水素発生物質収容容器１に収容されている水素発生物質１０は反応生成物に変化し、水収容容器２に収容されている水２０は消費されて減少していく。上記のように脱着可能な水素発生物質収容容器１及び／又は水収容容器２を有している装置であれば、水素発生物質収容容器１内の水素発生物質１０が反応して、水素が生成しなくなった後、脱着部３から水素発生物質収容容器１及び水収容容器２を取り外し、水素発生物質を収容している新しい水素発生物質収容容器と、水を収容している新しい水収容容器とを、脱着部３により本体部に取り付けることで、繰り返し水素を発生させることができる。そのため、予備の水素発生物質収容容器や水収容容器を用意しておくことで、水素発生物質又は水の入手が困難な場所や、水素発生物質又は水を装置に供給し難い場所においても、連続的な水素の製造が可能な可搬性の高い装置とすることができる。
【００４０】
また、水素発生物質収容容器１と水収容容器２とを一体化させて一体容器とし、これを装置本体部に脱着可能とすることも好ましく、これにより容器の交換をより容易とすることができる。
【００４１】
脱着部３としては、特に制限はないが、例えば、装置本体部側に筒状に成形した部位（管など）を設け、そこへ水素発生物質収容容器１及び水収容容器２の各々の管（水素導出管１ａ、水供給管１ｂ、２ａなど）を挿入するようにし、接続部分（管の挿入部分）を樹脂製の円形リングなどのパッキングによって密閉し、水素や水の漏れを防止するような構成を採用することができる。
【００４２】
また、上記水素製造装置では、水素発生物質収容容器１から排出された水と水素との混合物を冷却するための冷却部６を有していることが好ましい。本発明の装置では、水素発生物質収容容器１の内部が水の沸点に近い温度になり得るため、水素との混合物として排出される水は、部分的に水蒸気となる。そこで、冷却部６を設けることにより、上記混合物中の水蒸気を冷却して液体の水にして、気液分離部７での水の回収率を高めることができる。そのため、冷却部６は水素発生物質収容容器１と気液分離部７との間に設置されることが好ましい。冷却部６としては、例えば、金属製の冷却フィンが管に接するように配置された構造の冷却器を用いることができる。さらには冷却部６として空冷ファンを用いることもできる。
【００４３】
図１に示すように、水素発生物質収容容器１の外周の少なくとも一部には、保温材４を配置することが好ましい。上記のように保温材４を配置することにより、水素発生物質収容容器１内の熱が水素発生物質収容容器１の外部へ放出してしまうことを防止できるため、水素発生の安定化を図ることができる。これは、水素製造装置では、水素発生物質が加温されて水と反応することにより水素を発生するが、水素発生物質を加温しても、その熱が水素発生物質収容容器１の外壁を通じて外部に放出されてしまうと、水素発生物質の温度が上昇せずに、水素発生の反応効率が低下したり、水素発生反応が停止して、水素発生に至らない場合も生じ得るが、保温材４を上記のように配置することで、水素発生物質収容容器１内の熱の外部への放出が抑制できるからである。
【００４４】
特に、水素製造装置において水素発生物質収容容器１と水収容容器２とが隣接している場合には、少なくとも、水素発生物質収容容器１と水収容容器２とが、保温材４を介して隣接するように、保温材４を配置することがより好ましい。すなわち、水素発生物質収容容器１と水収容容器２とが隣接し、互いに接触している場合には、水素発生物質収容容器１内の熱が水収容容器２側に移動しやすく、水素発生物質収容容器１内の温度低下による上記の問題がより顕著に生じ得る。しかしながら、水素発生物質収容容器１と水収容容器２とが保温材４を介して隣接するように、保温材４を配置すれば、これらの問題を回避できる。保温材４は、水素発生物質収容容器１の外周全面に配置されていることが特に好ましい。
【００４５】
水素発生物質収容容器１の外周に配置する保温材４の材質としては、例えば、発泡スチロール、ポリウレタンフォームなどの多孔性断熱材、又は真空断熱構造を有する断熱材などが好ましい。
【００４６】
本発明の水素製造装置で使用できる水素発生物質としては、水と反応して水素を発生させる物質であれば特に限定されないが、アルミニウム、ケイ素、亜鉛、マグネシウムといった金属や、アルミニウム、ケイ素、亜鉛及びマグネシウムの中の１種以上の金属元素を主体とする合金が好適に使用できる。上記合金の場合には、主体となる上記各金属元素以外の元素については特に限定されない。ここで、「主体」とは、合金全体に対して８０質量％以上、より好ましくは９０質量％以上含有されていることを意味する。上記例示の金属や合金の１種のみを水素発生物質として使用してもよく、２種以上を併用しても構わない。これらの水素発生物質は、常温では水と反応しにくいが、加熱することにより水との発熱反応が容易となる物質である。本明細書において常温とは、２０〜３０℃の範囲の温度である。
【００４７】
ここで、例えば、アルミニウムと水との反応は、下記式（１）〜（３）のいずれかによって進行していると考えられる。下記式（１）による発熱量は、４１９ｋＪ／ｍｏｌである。
【００４８】
２Ａｌ＋６Ｈ2Ｏ  →  Ａｌ2Ｏ3・３Ｈ2Ｏ＋３Ｈ2    （１）
２Ａｌ＋４Ｈ2Ｏ  →  Ａｌ2Ｏ3・Ｈ2Ｏ＋３Ｈ2      （２）
２Ａｌ＋３Ｈ2Ｏ  →  Ａｌ2Ｏ3＋３Ｈ2              （３）
【００４９】
上記水素発生物質のサイズは特に限定されないが、例えば、その平均粒径が、０．１μｍ以上であって、１００μｍ以下、より好ましくは５０μｍ以下であることが望ましい。上記水素発生物質は、一般に、表面に安定な酸化皮膜が形成されている。そのため、板状、ブロック状及び粒径が１ｍｍ以上のバルク状などの形態の場合、加熱しても水との反応が進行せず、実質的に水素を発生させない場合もある。しかし、上記水素発生物質の平均粒径を１００μｍ以下とすると、酸化皮膜による水との反応抑制作用が減少し、常温では水と反応しにくいものの、加熱すれば水との反応性が高まり、水素発生反応が持続するようになる。また、上記水素発生物質の平均粒径を５０μｍ以下とすると、４０℃程度の穏和な条件でも水と反応して水素を発生させることができる。一方、上記水素発生物質の平均粒径を０．１μｍ未満とすると、発火性が高くなって取り扱いが困難になったり、水素発生物質の充填密度が低下してエネルギー密度が低下しやすくなったりする。このため、上記水素発生物質の平均粒径は、上記範囲内とすることが望ましい。
【００５０】
本明細書でいう平均粒径は、体積基準の積算分率５０％における粒子直径の値を意味する。平均粒径の測定方法としては、例えば、レーザー回折・散乱法などを用いることができる。具体的には、水などの液相に分散させた測定対象物質にレーザー光を照射することによって検出される散乱強度分布を利用した粒子径分布の測定方法である。レーザー回折・散乱法による粒子径分布測定装置としては、例えば、日機装株式会社製の“マイクロトラックＨＲＡ”（商品名）などを用いることができる。
【００５１】
また、上記水素発生物質の形状も特に限定されないが、例えば、平均粒径が上記範囲内の粒子状又はフレーク状とすることができる。
【００５２】
水と水素発生物質との反応を容易に開始させるために、水素発生物質と水の少なくとも一方を加熱することが好ましいが、例えば、水収容容器２内において水を加熱すると、水温の上昇に伴って水の密度が低下し、ポンプ５によって供給される水の重量が減少して、水素発生速度の低下を引き起こすこともあり得るため、水素発生物質のみを加熱するか、水を加熱する場合には、ポンプ５を通過した後の段階で加熱することがより好ましい。その加熱温度は、４０℃以上、より好ましくは６０℃以上であって、１００℃以下であることが望ましい。上記の水素発生物質と水との発熱反応を維持できる温度は、通常は４０℃以上であり、一旦発熱反応が開始して水素が発生すると、水素発生物質収容容器１の内圧が上昇して水の沸点が上昇することもあり、容器内温度が１２０℃に達することもあるが、水素発生速度の制御の点から加熱温度は１００℃以下とすることが好ましい。
【００５３】
上記加熱は、上記発熱反応の開始時にのみ行えばよい。一旦、水と水素発生物質との発熱反応が開始されると、その発熱反応の熱によりその後の反応を継続できるからである。上記加熱と、水素発生物質収容容器１内への水の供給とを同時に行ってもよい。
【００５４】
上記加熱の方法は特に限定されないが、抵抗体に通電することによる発熱を利用して加熱することができる。例えば、この抵抗体を水素発生物質収容容器１や水収容容器２（好ましくは、水素発生物質収容容器１のみ）の外部に取り付けて発熱させ、これらの容器を外部から加熱することにより、水素発生物質と水の少なくとも一方を加熱することができる。上記抵抗体の種類については特に限定されず、例えば、ニクロム線、白金線などの金属発熱体、炭化ケイ素、ＰＴＣサーミスタなどが使用できる。
【００５５】
また、上記加熱は、発熱物質の化学反応による発熱により行うこともできる。この発熱物質には、水と発熱反応して水酸化物や水和物となる物質、水と発熱反応して水素を生成する物質などを用いることができる。上記水と発熱反応して水酸化物や水和物となる物質としては、例えば、アルカリ金属の酸化物（酸化リチウムなど）、アルカリ土類金属の酸化物（酸化カルシウム、酸化マグネシウムなど）、アルカリ土類金属の塩化物（塩化カルシウム、塩化マグネシウムなど）、アルカリ土類金属の硫酸化合物（硫酸カルシウムなど）などを用いることができる。上記水と発熱反応して水素を生成する物質としては、例えば、アルカリ金属（リチウム、ナトリウムなど）、アルカリ金属水素化物（水素化ホウ素ナトリウム、水素化ホウ素カリウム、水素化リチウムなど）などを用いることができる。これらの物質は、１種単独で用いることもでき、２種以上を併用することもできる。
【００５６】
水素発生物質収容容器１内に、水素発生物質と共に上記発熱物質を配置し、これらに水を加えることにより水と発熱物質とを発熱反応させて、水素発生物質収容容器１の内部で水素発生物質と水とを直接加熱することができる。また、水素発生物質収容容器１や水収容容器２（好ましくは、水素発生物質収容容器１のみ）の外部に、上記発熱物質を配置して発熱させ、これらの容器を外部から加熱することにより、水素発生物質と水の少なくとも一方を加熱することが可能である。
【００５７】
上記発熱物質としては、水以外の物質と発熱反応する物質、例えば、鉄粉のように酸素と発熱反応する物質も知られている。このような物質は、発熱反応のために酸素を導入する必要があることから、水素発生物質収容容器１に入れるのではなく、容器の外部に配置して使用することが好ましい。
【００５８】
上記発熱物質を水素発生物質と共に水素発生物質収容容器１に収容し、これに水を供給して加熱する場合には、発熱物質は水素発生物質と均一又は不均一に分散・混合させた混合物として用いてもよいが、水素発生物質収容容器１内で発熱物質を偏在させて配置することがより好ましく、水素発生物質収容容器１の内部の水供給管１ｂの管口部の近傍Ａに発熱物質を部分的に偏在させることが特に好ましい。水素発生物質収容容器１の内部において、発熱物質をこのように偏在させることにより、水を供給し始めてから水素発生物質が加温されるまでの時間をより短くして、迅速な水素製造を可能とすることができる。
【００５９】
水素発生物質収容容器１は、水と発熱反応して水素を発生させる水素発生物質を収納可能であれば、その材質や形状は特に限定されないが、水素導出管１ａ及び水供給管１ｂから水や水素が漏れない材質や形状を採用することが好ましい。具体的な容器の材質としては、水及び水素を透過しにくく、かつ１００℃程度に加熱しても容器が破損しない材質が好ましく、例えば、アルミニウム、鉄などの金属、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）などの樹脂を用いることができる。また、容器の形状としては、角柱状、円柱状などが採用できる。
【００６０】
水素発生物質が水と反応することで生じる反応生成物は、通常、水素発生物質よりも体積が大きい。そのため、水素発生物質収容容器１は、こうした反応生成物の生成に伴う体積膨張が生じた場合に破損してしまわないように、水素発生物質と水との反応に応じて変形可能であることが好ましい。このような観点から、水素発生物質収容容器１の材質は、上記例示の材質の中でもＰＥやＰＰなどの樹脂がより好ましい。
【００６１】
水素発生物質収容容器１には、水素を導出するための水素導出部が設けられる。水素導出部としては特に限定されず、例えば、図１に示すように水素導出管１ａであってもよく、また、水素導出口などであっても構わない。さらに、水素導出管、水素導出口などには、容器内の水素発生物質が外部に出ないように、フィルターを設置することが好ましい。このフィルターとしては、気体を通すが液体及び固体を通しにくい特性を有するものであれば特に限定されず、例えば、ＰＰ製の不織布を用いることができる。
【００６２】
水収容容器２は、不撓性を有すると共に、水素発生物質収容容器１へ水を供給すると内部が減圧されるように密閉されている。すなわち、水収容容器２から水素発生物質収容容器１へ水を供給した場合に、変形することなく、かつ気液分離部７以外から減少した圧力を保証するための気体又は液体が流入しない構造であれば、特に制限されない。水収容容器２の材質としては、樹脂、金属、ガラスなどを用いることができる。その中でも樹脂を用いることが好ましい。これらの材質を用いることにより、確実に水収容容器２に不撓性を付与できる。
【００６３】
図１に示したタンク状容器を水収容容器２に採用した場合、水収容容器２から水素発生物質収容容器１への水の供給に、ポンプ５などを用いる必要がある。
【００６４】
さらに、水素製造装置には、圧力逃がし弁を設けることが好ましい。これにより、例えば、水素発生速度が増大して、装置の内圧が上昇した場合でも、圧力逃がし弁から水素を装置外に排出することにより、破裂などによる装置の破損を防止することができる。圧力逃がし弁の設置箇所は特に限定されるものではなく、水素発生物質収容容器１内で発生した水素が排出できる箇所であればよい。例えば、図１に示す構成の装置であれば、水素導出管１ａから気液分離部７までの間のいずれの箇所に圧力逃がし弁を設けても構わない。
【００６５】
（実施形態２）
図２及び図３は、本発明の水素製造装置の他の一例を示す一部断面概略図である。図２及び図３では、図１に示した水素製造装置と同一部分には同一の符号を付けてその説明は省略する。また、図２及び図３では、図１と同様に水素発生物質収容容器１、水収容容器２、保温材４及び気液分離部７のみを断面で示している。
【００６６】
本発明の水素製造装置では、水素発生中に水の供給を停止しても、水素発生物質収容容器１の内部の水が反応又は排出されるまで水素が発生し続ける。従って、水の供給を停止した後、水素発生物質収容容器１からは水素と水との混合物が排出され、気液分離部７で水素と水とに分離される。しかし、水の供給を停止しているため、水収容容器２の内部は圧力が減少せず、気液分離部７から水が回収されず、気液分離部７に水が貯留する。そこで、本実施形態の水素製造装置では、気液分離部７の下部に新たな水回収管７ｅ及び流路切り替えバルブ８を設けた。水素発生時は図２の状態で、水収容容器２から水素発生物質収容容器１へポンプ５を用いて水を供給する。その後、水の供給を停止して水素発生を停止するときには、流路切り替えバルブ８を図３の状態にして、水回収管７ｅと水供給管２ａとを連結する。そしてポンプ５を逆流させて、気液分離部７に貯留する水を水回収管７ｅ及び水供給管２ａを通して水収容容器２へ回収する。本発明により、水回収管７ｅ及び流路切り替えバルブ８を付加するのみで、水の供給停止後に気液分離部７に貯留する水を回収できる。これにより、水供給停止後に気液分離部７に水が貯留することを防ぎ、水素排出管７ｃより水が溢れることを防ぐことができる。
【００６７】
本実施形態では、第１水回収部を水回収管２ｂ、７ｄで構成し、第２水回収部を水回収管７ｅ、ポンプ５、水供給管２ａで構成している。
【００６８】
上記実施形態１及び実施形態２で説明した本発明の水素製造装置によれば、条件により変化するものの、例えば、水素発生物質が全て反応したと仮定したときの理論水素発生量（アルミニウムの場合は、１ｇあたりの理論水素発生量は、２５℃換算で約１３６０ｍｌとなる）に対し、実際に得られる水素発生量は、およそ５０％以上、より好ましくは７０％以上となり、効率的に水素を発生させることが可能となる。
【００６９】
次に、本発明の燃料電池について説明する。本発明の燃料電池は、本発明の水素製造装置を水素供給源として備えていればよく、その他の構成については特に制限はなく、従来の燃料電池で採用されている各種構成が採用でき、可搬型燃料電池とすることができる。
【００７０】
上記燃料電池として固体高分子型燃料電池を用い、また、水素製造装置が冷却部６（図１）を有する場合、冷却部６で水と水素との混合物を冷却する温度は、燃料電池が定常状態で運転するときの燃料電池の温度以上にすることが好ましい。固体高分子型燃料電池では、電解質の固体高分子は乾燥すると伝導度が低下する。そのため、一般的に燃料である水素及び空気を加湿して供給する。従って、水素製造装置において、水素発生物質収容容器１（図１）から排出された水と水素との混合物を、冷却部６で低い温度まで冷却すると供給水素中の湿度が低下することから、冷却部６で上記混合物を冷却する温度は燃料電池の作動温度付近にすることが好ましい。
【実施例】
【００７１】
以下、実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。ただし、下記実施例は本発明を制限するものではなく、前・後記の趣旨を逸脱しない範囲で変更実施をすることは、全て本発明の技術的範囲に包含される。
【００７２】
（実施例１）
図１に示した水素製造装置を用いて以下の通り水素を製造した。水素発生物質収容容器１には、内容積６５ｃｍ3でＰＰ製の角柱状容器を用いた。水供給管１ｂ及び水素導出管１ａには、内径２ｍｍ、外径３ｍｍのアルミニウム製の管を用いた。水収容容器２も水素発生物質収容容器１と同じ構造及び構成にし、水供給管２ａ及び水回収管２ｂにも、水供給管１ｂなどと同じアルミニウム製の管を用いた。脱着部３は、水素製造装置側の内径３．５ｍｍの筒状に成形された部位に水素発生物質収容容器１及び水収容容器２の各々の管が挿入される構造とした。それぞれの筒状部位には樹脂製の円形リングを配置して、脱着部３から水素及び水の漏れを抑制するようにした。水素製造装置には水素発生物質収容容器１の外周を包むように厚み５ｍｍの発泡ネオプレンゴム製の保温材４を設置した。
【００７３】
冷却部６は、４０×５０×１２ｍｍのアルミニウム製の冷却フィンに、外径３ｍｍ、内径２ｍｍのステンレス製の管が接するように配置して構成した。冷却フィンは厚み１ｍｍのフィン８本を有しており、ステンレス製の管２００ｍｍが冷却フィンに接している。水素導出管１ａが接続されている脱着部３から気液分離部７までの管長は３５０ｍｍとした。
【００７４】
先ず、水素発生物質収容容器１に、水素発生物質として平均粒径６μｍのアルミニウム粉末２１ｇと、発熱物質として酸化カルシウム３．５ｇを入れた後、水素発生物質収容容器１を水素導出管１ａ及び水供給管１ｂの付いた蓋で密閉した。水収容容器２には水を５０ｇ注入して、図１に示すように水素発生物質収容容器１及び水収容容器２を脱着部３に接続した。
【００７５】
気液分離部７は、２０×２０×５ｍｍのアルミニウム製の水分離容器７ａに、水素導入管７ｂ、水素排出管７ｃ及び水回収管７ｄとして、内径２ｍｍ、外径３ｍｍのアルミニウム管を取り付けて構成した。気液分離部７と水収容容器２とは、鉛直方向に対して同じ高さ（水平位置）に設置した。
【００７６】
次に、ポンプ５を用いて１．１ｇ／ｍｉｎの水量で水収容容器２から水素発生物質収容容器１へ水を供給し続けた。
【００７７】
水を供給した直後から水素が発生して、急激に水素発生速度及び水素発生物質収容容器１の表面温度が上昇した。約１０分後には、水素発生速度及び水素発生物質収容容器１の表面温度は一定となり、約１５０ｍｌ／ｍｉｎの一定の水素発生速度で水素が発生した。
【００７８】
水素発生物質収容容器１からは水素と水との混合物が排出された。気液分離部７では水素と水とが分離され、水素は水素排出管７ｃより排出され、水は水分離容器７ａの下部に貯留した。しかし、水収容容器２は水供給管２ａから水が供給された体積分減圧になり、その負圧で水分離容器７ａに貯留していた水を吸い込み、水収容容器２へ回収することができた。気液分離部７を水収容容器２と水平な位置に配置したが、水は気液分離部７に貯留することなく、定常的に水収容容器２へ回収された。
【００７９】
（実施例２）
図２及び図３に示した水素製造装置を用いて、実施例１と同様な手順で水素を製造した。本実施例の水素製造装置では、実施例１の水素製造装置において、気液分離部７に新たな水回収管７ｅを取り付け、さらにポンプ５と水素発生物質収容容器１の水供給管１ｂとの間に流路切り替えバルブ８を取り付けた。流路切り替えバルブ８は、ポンプ５と水供給管１ｂとが通じた状態（図２）、又はポンプ５と水回収管７ｅとが通じた状態（図３）を切り替えることができる。上記以外は、図１に示した水素製造装置と同じ構成の装置を用いた。
【００８０】
図２の状態で１時間水を供給し続けて、水素を発生させた後、図３の状態に流路切り替えバルブ８を切り替え、かつポンプ５を逆流させた。図３の状態にして水の供給を停止した後も、水素と水との混合物が気液分離部７へ流入した。水素は水素排出管７ｃから排出され、水は水分離容器７ａの下部に貯留した。貯留した水は水回収管７ｅから流路切り替えバルブ８、ポンプ５、水供給管２ａを通して、水収容容器２へ回収できた。５分後、水素と水との混合物の排出が見られなくなったので、ポンプ５を停止した。
【００８１】
（比較例１）
水収容容器２の上部に大気と通じた穴を設けた以外は、図１と同じ構成の装置を用い、実施例１と同様にして水素を製造した。その結果、実施例１と同様に水素が発生した。しかし、比較例１の装置では水収容容器２の内部が減圧にならず、水分離容器７ａに貯留した水は水収容容器２へ戻ることはなかった。そのまま水素発生を続けていくと、水分離容器７ａに貯留した水が水素排出管７ｃより溢れ出した。
【００８２】
（参考例）
実施例１の水素製造装置を用いて、実施例１と同様にして水素を１時間発生させた。その後、ポンプ５を停止した。ポンプ５を停止させた後も、水素と水との混合物が気液分離部７へ流入した。水の供給を停止しているため、水収容容器２の内部の圧力が減少せず、水分離容器７ａに貯留した水は水収容容器２へ戻らなかった。３分後、水分離容器７ａに貯留した水が水素排出管７ｃより溢れ出した。
【産業上の利用可能性】
【００８３】
以上のように本発明によれば、簡便でかつ効率よく水素を製造し得る水素製造装置とその水素製造装置を水素供給源とする燃料電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】本発明の水素製造装置の一例を示す一部断面概略図である。
【図２】本発明の水素製造装置の他の一例を示す一部断面概略図である。
【図３】本発明の水素製造装置の他の一例を示す一部断面概略図である。
【符号の説明】
【００８５】
１    水素発生物質収容容器
１０  水素発生物質
１ａ  水素導出管
１ｂ  水供給管
２    水収容容器
２０  水
２ａ  水供給管
２ｂ  水回収管
３    脱着部
４    保温材
５    ポンプ
６    冷却部
７    気液分離部
７ａ  水分離容器
７ｂ  水素導入管
７ｃ  水素排出管
７ｄ、７ｅ  水回収管
８    流路切り替えバルブ
【図１】
2010001188.tif 000003
【図２】
2010001188.tif 000004
【図３】
2010001188.tif 000005