(57)【要約】高圧水素を使わず高圧ボンベないしは高圧ステーションを要しない、地球環境にやさしい電解液を原エネルギ源とすることにより、高能率でしかも消耗が少なく保守が容易な燃料電池用水素発生装置を提供する。触媒を備えた第１槽と、陰イオン交換膜に仕切られて、正、負電極を備えた各々、第１、第２の区画を有する第２槽とからなり、第１槽、第１、第２区画には各々、ｐＨ１〜４の酸性電解液、純水、ｐＨ９〜１４アルカリ性電解液が注入され、燃料電池が発生する電力エネルギの一部が正負の電極に印加されると、第１槽、第１区画、第２区画から各々、水素ガスと純水、酸素ガスと酸性液、水素ガスが発生し、水素ガスが燃料電池に送られて電力エネルギと純水が発生し、第１区画から第１槽へ酸性電解液が送られるものであることを特徴とする。
2008044499.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
触媒を備えた第１槽と、第１の隔膜に仕切られた、第１の正電極を備えた第１の区画と第１の負電極を備えた第２の区画とを有する第２槽とからなり、
前記第１槽には酸性電解液が注入され、前記第２槽の第１区画には純水が供給され、前記第２槽の第２区画にはアルカリ性電解液が注入され、前記第１槽と前記第２槽の第１区画の間には第１配管を備え、
電力エネルギが前記第１の正、負の電極に印加されると、前記第１槽において水素ガスと純水が発生し、前記第２槽の第２区画において水素ガスが発生し、前記第２槽の第１区画において酸素ガスと酸性電解液が発生し、前記酸性電解液が前記第２槽の第１区画から前記第１配管を通じ前記第１槽に送られ、
前記酸性電解液と前記アルカリ性電解液が、各々ｐＨ１〜４とｐＨ９〜１４の電解液であることを特徴とする水素発生装置。
【請求項２】
触媒を備えた第１槽、及び、第１の負電極を備えた第１区画と、第１の正電極を備えた第３区画と、各々第２、第１の隔膜を介して前記第１、第３区画に接する第２区画とを有する第２槽とからなり、
前記第１槽にはアルカリ性電解液が注入され、前記第２槽の第１、第３区画には純水が供給され、前記第２槽の第２区画にはアルカリ性電解液が注入され、前記第１槽と前記第２槽の第１区画の間には第１配管を備え、
電力エネルギが前記第１の正、負電極に印加されると、前記第１槽において水素ガスと純水が発生し、前記第２槽の第３区画において酸素ガスが発生し、前記第２槽の第１区画において水素ガスとアルカリ性電解液が発生し、前記アルカリ性電解液が前記第２槽の第１区画から前記第１配管を通じ前記第１槽に送られ、
前記アルカリ性電解液が、ｐＨ９〜１４の電解液であることを特徴とする水素発生装置。
【請求項３】
触媒を備えた第１槽、及び、第１の正電極を備えた第１区画と、第１の負電極を備えた第３区画と、各々第１、第２の隔膜を介して前記第１、第３区画に接する第２区画を有する第２槽とからなり、
前記第１槽には酸性電解液が注入され、前記第２槽の第１、第３区画には純水が供給され、前記第２槽の第２区画には酸性電解液が注入され、前記第１槽と前記第２槽の第１区画の間には第１配管を備え、
電力エネルギが前記第１の正、負電極に印加されると、前記第１槽において水素ガスと純水が発生し、前記第２槽の第１区画において酸素ガスと酸性電解液が発生し、前記第２槽の第３区画において水素ガスが発生し、前記酸性電解液が前記第２槽の第１区画から前記第１配管を通じ前記第１槽に送られ、
前記酸性電解液が、ｐＨ１〜４の電解液であることを特徴とする水素発生装置。
【請求項４】
第１の隔膜に仕切られた、第１の正電極を備えた第１の区画と第１の負電極を備えた第２の区画とを有する第２槽からなり、
前記第１区画には純水が供給され、前記第２区画にはアルカリ性電解液が注入され、
電力エネルギが前記第１の正、負の電極に印加されると、前記第２区画において水素ガスが発生し、前記第１区画において酸素ガスと酸性電解液が発生し、
前記酸性電解液と前記アルカリ性電解液が、各々ｐＨ１〜４とｐＨ９〜１４の電解液であることを特徴とする燃料電池用水素発生装置。
【請求項５】
第１の負電極を備えた第１区画と、第１の正電極を備えた第３区画と、各々第２、第１の隔膜を介して前記第１、第３区画に接する第２区画とを有する第２槽からなり、
前記第１、第３区画には純水が供給され、前記第２区画にはアルカリ性電解液が注入され、
電力エネルギが前記第１の正、負電極に印加されると、前記第３区画において酸素ガスが発生し、前記第１区画において水素ガスとアルカリ性電解液が発生し、
前記アルカリ性電解液が、ｐＨ９〜１４の電解液であることを特徴とする水素発生装置。
【請求項６】
第１の正電極を備えた第１区画と、第１の負電極を備えた第３区画と、各々第１、第２の隔膜を介して前記第１、第３区画に接する第２区画を有する第２槽からなり、
前記第１、第３区画には純水が供給され、前記第２区画には酸性電解液が注入され、
電力エネルギが前記第１の正、負電極に印加されると、前記第１区画において酸素ガスと酸性電解液が発生し、前記第３区画において水素ガスが発生し、
前記酸性電解液が、ｐＨ１〜４の電解液であることを特徴とする水素発生装置。
【請求項７】
アルミニウムからなる触媒を備えた第１槽からなり、
前記第１槽にはアルカリ性電解液が注入され、
前記第１槽において水素ガスと水酸化アルミニウムが発生し、
前記アルカリ性電解液が、ｐＨ９〜１４の電解液であることを特徴とする水素発生装置。
【請求項８】
前記第１、及び第２の隔膜が各々、陰イオン交換膜、及び陽イオン交換膜であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の水素発生装置。
【請求項９】
さらに前記第２槽に純水を供給するために、電力エネルギが第２の正、負電極に印加されて作動するポンプを備えた第２配管を備え、前記第１槽において発生した純水が前記第２配管に合流していることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の水素発生装置。
【請求項１０】
前記第１槽において、前記触媒に、前記アルカリ性電解液に対する正電圧を与えることができる電極をさらに備え、前記第１槽における反応の進行を抑えることを特徴とする請求項２、又は７に記載の水素発生装置。
【請求項１１】
前記第１槽において、前記触媒に、前記酸性電解液に対する負電圧を与えることができる電極をさらに備え、前記第１槽における反応の進行を抑えることを特徴とする請求項１又は３に記載の水素発生装置。
【請求項１２】
さらに、前記第１槽及び前記第２槽において発生した水素ガスが供給され、これを燃焼して電力エネルギと純水を発生する燃料電池を備え、前記電力エネルギの一部が前記第１、第２の正、負電極に印加されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の水素発生装置。
【請求項１３】
さらに、前記第１槽及び前記第２槽において発生した水素ガスが供給され、これを燃焼して電力エネルギと純水を発生する燃料電池を備え、前記純水が前記第２槽に供給されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の水素発生装置。
【請求項１４】
さらに、前記第１槽及び前記第２槽において発生した水素ガスが供給され、これを燃焼して電力エネルギと純水を発生する燃料電池を備え、さらに前記第２槽において発生した酸素ガスが前記燃料電池に送られることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の水素発生装置。
【請求項１５】
さらに、前記第２槽において発生した水素ガスが供給され、これを燃焼して電力エネルギと純水を発生する燃料電池を備え、前記電力エネルギの一部が前記第１、第２の正、負電極に印加されることを特徴とする請求項４乃至６のいずれかに記載の水素発生装置。
【請求項１６】
さらに、前記第２槽において発生した水素ガスが供給され、これを燃焼して電力エネルギと純水を発生する燃料電池を備え、前記純水が前記第２槽に供給されることを特徴とする請求項４乃至６のいずれかに記載の水素発生装置。
【請求項１７】
さらに、前記第２槽において発生した水素ガスが供給され、これを燃焼して電力エネルギと純水を発生する燃料電池を備え、さらに前記第２槽において発生した酸素ガスが前記燃料電池に送られることを特徴とする請求項４乃至６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、水素発生装置に係り、特に、水素を燃焼して電力エネルギを得る燃料電池に水素を供給する水素発生装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、世界で最も多く消費されているエネルギ資源は石油、石炭、天然ガスなどの化石燃料である。しかし、化石燃料は今後のエネルギ消費量を考えると、２１世紀中にはなくなるとさえ言われている。また、それ以上に重要な問題は化石燃料の燃焼によって地球温暖化や酸性雨などの地球環境問題が深刻化していることである。そこで、燃やしても二酸化炭素や窒素酸化物などの有害物質の出ない、地球環境にやさしいクリーンなエネルギである水素エネルギの需要が今後大幅に伸びると期待されている。【０００３】
水素エネルギの生成は、水素を燃焼させて、即ち水の電気分解とは逆の過程により、水素と酸素を化学反応させて電気エネルギとして取り出す。すでに、この水素を生成する方法がいくつか提起されているが、その性能は用いる電解質、とくに固体電解質の内容に依存するところが大きく、安全で低コストな水素を生成する条件が必ずしも確立されていない。
例えば、固体電解質として通常高温で用いられる高分子膜は、イオン交換膜や電極の劣化が速く、保守が困難である。【０００４】
また、大規模プラントにより低コストの水素を製造する方法は確立されているが、とくに車両用として水素ガスをユーザの近くに配送し、現行のガソリン燃料車、現行のガソリンスタンドなみの容易さで水素を使うには、６００気圧級の超高圧水素の貯蔵タンクが必要であるが、これを安全に使える技術は確立されていない。【０００５】
これらの技術に関連して、例えば特許文献１には、高圧水素ガスと純水の電気分解により生成した水素を併用し、固体高分子電解質膜部と酸化部をセル状に一体化した燃料電池において、高圧水素ガスの高圧を利用して循環水を精製し純水を生成する技術が開示されている。【０００６】
【特許文献１】特開２０００−１４９９７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記のような燃料電池の水素発生装置における諸問題を解決するためになされたものであり、高圧水素を使わず、高圧ボンベないしは高圧ステーションを要しない、水素発生装置を提供することを目的とする。【０００８】
本発明は、また、地球環境にやさしい電解液を原エネルギ源とすることにより、高能率でしかも部品の消耗が少なく保守が容易な電解システムを有する水素発生装置を提供することを目的とする。【０００９】
本発明は、また、各々、電解システム及び燃料電池で発生する副産物である酸素と純水を循環利用することにより、基本的に原エネルギ源である電解液だけを補給すればよいクローストシステムを形成するので、地球環境にやさしい、燃料電池と水素発生装置の統合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】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１による水素発生装置は、  触媒を備えた第１槽と、第１の隔膜に仕切られた、第１の正電極を備えた第１の区画と第１の負電極を備えた第２の区画とを有する第２槽とからなり、  前記第１槽には酸性電解液が注入され、前記第２槽の第１区画には純水が供給され、前記第２槽の第２区画にはアルカリ性電解液が注入され、前記第１槽と前記第２槽の第１区画の間には第１配管を備え、  電力エネルギが前記第１の正、負の電極に印加されると、前記第１槽において水素ガスと純水が発生し、前記第２槽の第２区画において水素ガスが発生し、前記第２槽の第１区画において酸素ガスと酸性電解液が発生し、前記酸性電解液が前記第２槽の第１区画から前記第１配管を通じ前記第１槽に送られ、  前記酸性電解液と前記アルカリ性電解液が、各々ｐＨ１〜４とｐＨ９〜１４の電解液であることを特徴とする。【００１１】
上記目的を達成するために、本発明の請求項２による水素発生装置は、  触媒を備えた第１槽、及び、第１の負電極を備えた第１区画と、第１の正電極を備えた第３区画と、各々第２、第１の隔膜を介して前記第１、第３区画に接する第２区画とを有する第２槽とからなり、  前記第１槽にはアルカリ性電解液が注入され、前記第２槽の第１、第３区画には純水が供給され、前記第２槽の第２区画にはアルカリ性電解液が注入され、前記第１槽と前記第２槽の第１区画の間には第１配管を備え、  電力エネルギが前記第１の正、負電極に印加されると、前記第１槽において水素ガスと純水が発生し、前記第２槽の第３区画において酸素ガスが発生し、前記第２槽の第１区画において水素ガスとアルカリ性電解液が発生し、前記アルカリ性電解液が前記第２槽の第１区画から前記第１配管を通じ前記第１槽に送られ、  前記アルカリ性電解液が、ｐＨ９〜１４の電解液であることを特徴とする。【００１２】
上記目的を達成するために、本発明の請求項３による水素発生装置は、  触媒を備えた第１槽、及び、第１の正電極を備えた第１区画と、第１の負電極を備えた第３区画と、各々第１、第２の隔膜を介して前記第１、第３区画に接する第２区画を有する第２槽とからなり、  前記第１槽には酸性電解液が注入され、前記第２槽の第１、第３区画には純水が供給され、前記第２槽の第２区画には酸性電解液が注入され、前記第１槽と前記第２槽の第１区画の間には第１配管を備え、  電力エネルギが前記第１の正、負電極に印加されると、前記第１槽において水素ガスと純水が発生し、前記第２槽の第１区画において酸素ガスと酸性電解液が発生し、前記第２槽の第３区画において水素ガスが発生し、前記酸性電解液が前記第２槽の第１区画から前記第１配管を通じ前記第１槽に送られ、  前記酸性電解液が、ｐＨ１〜４の電解液であることを特徴とする。【００１３】
上記目的を達成するために、本発明の請求項４による水素発生装置は、  第１の隔膜に仕切られた、第１の正電極を備えた第１の区画と第１の負電極を備えた第２の区画とを有する第２槽からなり、  前記第１区画には純水が供給され、前記第２区画にはアルカリ性電解液が注入され、  電力エネルギが前記第１の正、負の電極に印加されると、前記第２区画において水素ガスが発生し、前記第１区画において酸素ガスと酸性電解液が発生し、  前記酸性電解液と前記アルカリ性電解液が、各々ｐＨ１〜４とｐＨ９〜１４の電解液であることを特徴とする。【００１４】
上記目的を達成するために、本発明の請求項５による水素発生装置は、  第１の負電極を備えた第１区画と、第１の正電極を備えた第３区画と、各々第２、第１の隔膜を介して前記第１、第３区画に接する第２区画とを有する第２槽からなり、  前記第１、第３区画には純水が供給され、前記第２区画にはアルカリ性電解液が注入され、  電力エネルギが前記第１の正、負電極に印加されると、前記第３区画において酸素ガスが発生し、前記第１区画において水素ガスとアルカリ性電解液が発生し、  前記アルカリ性電解液が、ｐＨ９〜１４の電解液であることを特徴とする。【００１５】
上記目的を達成するために、本発明の請求項６による水素発生装置は、  第１の正電極を備えた第１区画と、第１の負電極を備えた第３区画と、各々第１、第２の隔膜を介して前記第１、第３区画に接する第２区画を有する第２槽からなり、  前記第１、第３区画には純水が供給され、前記第２区画には酸性電解液が注入され、  電力エネルギが前記第１の正、負電極に印加されると、前記第１区画において酸素ガスと酸性電解液が発生し、前記第３区画において水素ガスが発生し、  前記酸性電解液が、ｐＨ１〜４の電解液であることを特徴とする水素発生装置。【００１６】
上記目的を達成するために、本発明の請求項７による水素発生装置は、  アルミニウムからなる触媒を備えた第１槽からなり、  前記第１槽にはアルカリ性電解液が注入され、  前記第１槽において水素ガスと水酸化アルミニウムが発生し、  前記アルカリ性電解液が、ｐＨ９〜１４の電解液であることを特徴とする。【００１７】
また請求項８に記載の通り、  前記第１、及び第２の隔膜が各々、陰イオン交換膜、及び陽イオン交換膜であることを特徴とする。【００１８】
また請求項９に記載の通り、  さらに前記第２槽に純水を供給するために、電力エネルギが第２の正、負電極に印加されて作動するポンプを備えた第２配管を備え、前記第１槽において発生した純水が前記第２配管に合流していることを特徴とする。【００１９】
また請求項１０に記載の通り、  前記第１槽において、前記触媒に、前記アルカリ性電解液に対する正電圧を与えることができる電極をさらに備え、前記第１槽における反応の進行を抑えることを特徴とする。【００２０】
また請求項１１に記載の通り、  前記第１槽において、前記触媒に、前記酸性電解液に対する負電圧を与えることができる電極をさらに備え、前記第１槽における反応の進行を抑えることを特徴とする。【００２１】
また請求項１２、１５に記載の通り、  さらに、前記第１槽及び／又は前記第２槽において発生した水素ガスが供給され、これを燃焼して電力エネルギと純水を発生する燃料電池を備え、前記電力エネルギの一部が前記第１、第２の正、負電極に印加されることを特徴とする。【００２２】
また請求項１３、１６に記載の通り、  さらに、前記第１槽及び／又は前記第２槽において発生した水素ガスが供給され、これを燃焼して電力エネルギと純水を発生する燃料電池を備え、前記純水が前記第２槽に供給されることを特徴とする。【００２３】
また請求項１４、１７に記載の通り、  さらに、前記第１槽及び／又は前記第２槽において発生した水素ガスが供給され、これを燃焼して電力エネルギと純水を発生する燃料電池を備え、さらに前記第２槽において発生した酸素ガスが前記燃料電池に送られることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
本発明による燃料電池用水素発生装置は、高圧水素を使わないので、高圧ボンベないしは高圧ステーションを要しない。従って、安全で軽量であり、車両への搭載や燃料の補給が容易であり、高圧ステーションなどのインフラ整備が不要である。【００２５】
本発明による燃料電池用水素発生装置は、さらに、安価な、各々ｐＨ１〜４またはｐＨ９〜１４の電解液をエネルギ源とすることにより、高能率でしかも部品の消耗が少なく保守が容易である。即ち、経済的である。【００２６】
本発明による燃料電池用水素発生装置は、さらに、水素発生装置で発生する副産物である酸素と燃料電池で発生する副産物である純水とを循環利用することにより、基本的にエネルギ源である電解液だけを補給すればよいクローズドシステムを形成するので、地球環境にやさしい。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明第１の実施例に係る水素発生装置の、関連する燃料電池を含むシステムの構造、作用を示す模式図である。
【図２】本発明第２の実施例に係る水素発生装置の構造、作用を示す模式図である。
【図３】本発明第３の実施例に係る水素発生装置の、関連する燃料電池を含むシステムの構造、作用を示す模式図である。
【図４】本発明第４の実施例に係る水素発生装置の構造、作用を示す模式図である。
【図５】本発明第５の実施例に係る水素発生装置の構造、作用を示す模式図である。
【図６】本発明第５の実施例に係る水素発生装置の構造を、比較例と対比して示す略図である。
【図７】本発明第６の実施例に係る水素発生装置の構造、作用を示す模式図である。
【符号の説明】
【００２８】
１、４    第１槽
２、３    第２槽
１０、１９    酸性電解液
１１、２０    アルカリ性電解液
１４    触媒
１５    正電極（プラチナ電極）
１６    フィルタ
１８    ポンプ
２１    第２槽の第１区画
２２    第２槽の第２区画
２３    第２槽の第３区画
２４    （第１の）負電極
２５    陰イオン交換膜
２６    （第１の）正電極
２７    酸性電解液
２８    アルカリ性電解液
２９    陽イオン交換膜
３１、３３、３４  水素配管
３２    酸素配管
３５、３７、３９    純水配管
３６    第１配管
３８    第２配管
５０    燃料電池
５６    充電器
５７    バッテリ
５９    ＤＣ−ＡＣインバータ
６０    モータ
６２    オルタネータ
６４    バッファ
７０、７２、７３、７４、７６、７７、７８    電力配線
１０２、１０３    電解槽（比較例）
１１４    アルミニウム板
２１４    水酸化アルミニウム
Ｈ２    水素ガス
Ｈ２Ｏ  純水
Ｏ２    酸素ガス
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明に係る実施の形態を、図面を参照して具体的に説明する。
【実施例１】
【００３０】
図１を参照すると、本発明第１の実施例に係る水素発生装置の、関連する燃料電池を含むシステムの構造、作用を示す模式図である。【００３１】
図１において、本実施例に係る水素発生装置は、化学反応槽である第１槽１と、電気分解槽である第２槽２からなる。
化学反応槽は触媒１４を備え、電気分解槽は、陰イオン交換膜２５により仕切られた第１区画２１、第２区画２２を有し、各々、第１の正電極２６、第１の負電極２４を有する。【００３２】
触媒１４としては具体的には、マグネシウム、アルミニウム、亜鉛、鉛などの両性金属を用い、また触媒１４の形状は、図示したような水平に積層した板状の他に、垂直方向に積層した板状、２次元又は３次元の網状、多孔質状、又は粒状としてもよく、さらにこれらの触媒の表面に微小な凹凸を持たせて触媒としての有効反応面積をさらに増やしてもよい。
第２の区画２２の容積は第１の区画２１のよりも大きい。【００３３】
最初に、第１槽１には酸性電解液１０が注入され、第２槽２の第１区画２１には純水が注入され、第２槽２の第２区画２２にはアルカリ性電解液２０が注入される。
第１槽１と、第２槽２の第１区画２１の間には第１配管３６と、ポンプ１８を有する第２配管３８とを備える。【００３４】
そこで、燃料電池５０は後述のように電力エネルギを発生するが、その一部が電力配線７８、７６を通じて、第１の正電極２６、第１の負電極２４と、第２の正、負電極（符番無し）を有するポンプ１８に印加されると、第１槽１から水素ガスＨ２と純水Ｈ２Ｏが発生し、第２槽２の第２区画２２から水素ガスＨ２が発生し、水素ガスＨ２は各々、水素配管３３、３１を通じ、合体された水素配管３４を通じて燃料電池５０に供給される。
第２槽２の第１区画２１からは酸素ガスＯ２と酸性電解液２７が発生し、酸素ガスＯ２は酸素配管３２を通じて燃料電池５０に送られる。【００３５】
その際、酸性電解液２７は、第１配管３６を通じて第１槽１へ送られる。
また、その際、第１槽１には水が発生し、フィルタ１６を介して純水Ｈ２Ｏとなり第２配管３８を流れ、後述のように燃料電池で発生した純水Ｈ２Ｏと合流して、ポンプ１８により循環されて純水Ｈ２Ｏとして第２槽２の第１区画２１に補給される。
第２槽２の第１区画２１への純水の補給は外部からの供給によってもよいが、このようにクローズドシステムにすれば、経済的でかつ外部に負担をかけない。【００３６】
燃料電池５０では、前記水素配管３４の水素ガスＨ２と前記酸素配管３２の酸素ガスＯ２を使って電力エネルギと純水Ｈ２Ｏを発生する。
酸素ガスではなく大気（中の酸素）を使ってもよいが、酸素ガスの方が効率が４０％程度高くできる。【００３７】
そのうち、電力エネルギは、電力配線７０を介して充電器５６に送られ、電力配線７２を介してバッテリ５７に送られ、バッテリ５７の出力は電力配線７３を介してＤＣ−ＡＣインバータ５９に送られ、ＤＣ−ＡＣインバータ５９の出力は電力配線７４を介して、例えば車両のモータ６０を駆動する。【００３８】
電力エネルギの一部は、例えばオルタネータ６２を介して電力配線７６上に送られ、さらにバッファ６４を介して電力配線７８上に送られる。
本実施例では電力配線７８は直流５ボルトでよく、バッファ６４には直流５ボルトの低電圧源が使える。【００３９】
また、燃料電池５０の発生した純水Ｈ２Ｏは純水配管３５を通じて、第２配管３８の純水Ｈ２Ｏに合流する。【００４０】
このように、本発明による水素発生装置が作動すると、第２槽２の第２区画２２に注入されたアルカリ性電解液２０は、本システムのエネルギ源として消耗するので、作動状況に応じて補充しなければならない。【００４１】
これに対して、第１槽１に注入された酸性電解液１０は、起動の際の酸性電解液としてのみ必要であり、システムが作動すると、第２槽２の第１区画２１からの酸性電解液２７によって代替されるので、補充を要しない。
ただし、蒸発、微小漏洩などに対しては、定期的保守作業として酸性電解液１０を補充する必要がある。
また、触媒１４も反応残渣付着などにより触媒能力が低下するので、同様に定期的保守作業として洗浄または取替えを要する。【００４２】
なお、酸性電解液２７の流れる第１配管３６と、純水Ｈ２Ｏの流れる純水配管３５、３７、３９、及び第２配管３８には各々、図示しない逆支弁を備えて、それらの逆流を防ぐことができる。【００４３】
以上の実施例では、第２槽２やポンプ１８への電力印加を止めても、第１槽１に酸性電解液１０（以下、その代替である、第１槽内に送られた酸性電解液２７を含む）がある限り水素ガスＨ２の発生が進み、酸性電解液１０を消耗してしまう。
しかしながら、触媒１４に図示しない銅（Ｃｕ）電極をつなぎ、酸性電解液内に図示しないプラチナ（Ｐｔ）電極を入れ、両者間に銅電極側を正電位とする適当な電圧を与えると、反応の進行を抑え、酸性電解液１０の消耗を防ぐことができる。【００４４】
酸性電解液１０とアルカリ性電解液２０は各々ｐＨ１〜４とｐＨ９〜１４の電解液である。
【実施例２】
【００４５】
図２を参照すると、本発明第２の実施例に係る水素発生装置の構造、作用を示す模式図である。【００４６】
図２において、本実施例に係る水素発生装置は、化学反応槽である第１槽１と、電気分解槽である第２槽２からなる。
化学反応槽は触媒１４を備え、電気分解槽は陽イオン交換膜２９、陰イオン交換膜２５により仕切られた第１、第２、第３の区画２１、２２、２３を有し、第１、第３区画は各々、電力配線７８に接続された、第１の負電極２４、第１の正電極２６を有する。【００４７】
触媒１４としては具体的には、マグネシウム、アルミニウム、亜鉛、鉛などの両性金属を用い、また触媒１４の形状は、図示したような水平に積層した板状の他に、垂直方向に積層した板状、２次元又は３次元の網状、多孔質状、又は粒状としてもよく、さらにこれらの触媒の表面に微小な凹凸を持たせて触媒としての有効反応面積をさらに増やしてもよい。
第２区画２２の容積は第１、第３区画２１、２３のよりも大きい。【００４８】
最初に、第１槽１にはアルカリ性電解液１１が注入され、第２槽２の第１区画２１及び第３区画２３には各々純水が注入され、第２槽２の第２区画２２にはアルカリ性電解液２０が注入される。
第１槽１と第２槽２の第１区画２１の間には第１配管３６と、ポンプ１８を有する第２配管３８とを備える。【００４９】
また、純水供給源（図示せず）に繋がる純水配管３５は第１槽からの純水配管３７と合流して第２配管３８となり、電力配線７６が接続されたポンプ１８を介して、第２槽２の第１区画２１に接続されると共に、分岐して第３区画２３に接続される純水配管３９となる。【００５０】
電力エネルギが電力配線７８、７６を通じて、第１の正電極２６、第１の負電極２４と、第２の正、負電極（符番無し）を有するポンプ１８に印加されると、第１槽１では、アルカリ性電解液が触媒１４に接して分解されて、水素ガスＨ２と純水Ｈ２Ｏが発生し、第２槽２では、第２区画のアルカリ性電解液が一部分解されて、第１区画２１から水素ガスＨ２とアルカリ性電解液２８が発生する。【００５１】
第１槽と第２槽で発生した水素ガスＨ２は各々、水素配管３３、３１を通じ、合体された水素配管３４を通じて出力され、アルカリ性電解液２８は第１配管３６を通じて第１槽１に供給される。
第２槽２の第３区画２３からは酸素ガスＯ２が発生し、酸素ガスＯ２は酸素配管３２を通じて出力される。
一方、第１槽１で発生した純水は、フィルタ１６を介して純水配管３７を流れ、上述のように第２配管３８に合流する。【００５２】
このように、本発明による水素発生装置が作動すると、第２槽２の第２区画２２に注入されたアルカリ性電解液２０は、本システムのエネルギ源として消耗するので、作動状況に応じて補充しなければならない。【００５３】
これに対して、第１槽１に注入されたアルカリ性電解液１１は、起動の際のアルカリ性電解液としてのみ必要であり、システムが作動すると、第２槽２の第１区画２１からのアルカリ性電解液２８によって代替されるので、補充を要しない。
ただし、蒸発、微小漏洩などに対しては、定期的保守作業としてアルカリ性電解液１１を補充する必要がある。
また、触媒１４も反応残渣付着などにより触媒能力が低下するので、同様に定期的保守作業として洗浄または取替えを要する。【００５４】
なお、アルカリ性電解液２８の流れる第１配管３６と、純水Ｈ２Ｏの流れる純水配管３５、３７、３９、及び第２配管３８には各々、図示しない逆支弁を備えて、それらの逆流を防ぐことができる。【００５５】
以上の実施例では、第２槽２やポンプ１８への電力エネルギ印加を止めても、第１槽１にアルカリ性電解液１１（以下、その代替である、第１槽内に送られたアルカリ性電解液２８を含む）がある限り水素ガスＨ２の発生が進み、アルカリ性電解液１１を消耗してしまう。
しかしながら、触媒１４を正電極とし、アルカリ性電解液１１にプラチナ電極１５を入れて負電極とし、その電力配線７７に適当な電圧を与えると、反応の進行を抑えアルカリ性電解液１１の消耗を防ぐことができる。【００５６】
アルカリ性電解液２０はｐＨ９〜１４の電解液である。【００５７】
本実施例のうち、第２槽単独の場合、即ち図５に示す第２槽２についての具体的な実験結果を以下に示す。
実験では、アルカリ性電解液２０として、２％−ＮａＯＨ水溶液４００ｍｌと３％−ＮａＣｌ水溶液２００ｍｌの混合液を用いた。
印加電力はＩ＝０．１Ａ固定の定電流駆動を用い、ちなみにその際に電力配線７８で観測された第１の正電極２６と第１の負電極２５の間の電圧Ｖは６．０Ｖ〜７．０Ｖであった。【００５８】
経過電解時間に対する酸素と水素の累積発生量は次の通りであった。
電解時間        酸素量          水素量
１０分      約１２ｍｌ      約２１ｍｌ
２０分      約１５ｍｌ      約３１ｍｌ
３０分      約１８ｍｌ      約３７ｍｌ
【実施例３】
【００５９】
図３を参照すると、本発明第３の実施例に係る水素発生装置の、関連する燃料電池を含むシステムの構造、作用を示す模式図である。
図３において、一点鎖線より上部は燃料電池系、下部は水素発生装置系であり、下部の水素発生装置の構造・作用は上記実施例２と同一である。【００６０】
燃料電池５０では、前記水素配管３４の水素ガスＨ２と前記酸素配管３２の酸素ガスＯ２を使って電力エネルギと純水Ｈ２Ｏを発生する。
酸素ガスではなく大気（中の酸素）を使ってもよいが、酸素ガスの方が、効率が４０％程度高くできる。【００６１】
そのうち、電力エネルギは、電力配線７０を介して充電器５６に送られ、電力配線７２を介してバッテリ５７に送られ、バッテリ５７の出力は電力配線７３を介してＤＣ−ＡＣインバータ５９に送られ、ＤＣ−ＡＣインバータ５９の出力は電力配線７４を介して、例えば車両のモータ６０を駆動する。【００６２】
電力エネルギの一部は、例えばオルタネータ６２を介して電力配線７６上に送られ、さらにバッファ６４を介して電力配線７８上に送られる。
本実施例では電力配線７８は直流５ボルトでよく、バッファ６４には直流５ボルトの低電圧源が使える。
バッファ６４の直流出力は、図示していないが、電力配線７７にも接続されてもよい。【００６３】
また、燃料電池５０で発生した純水Ｈ２Ｏは純水供給源の一つとして純水配管３５に供給される。【００６４】
第２槽２の第１、第３区画２１、２３への純水の補給は外部からの供給によってもよいが、このようにクローズドシステムにすれば、経済的でかつ外部に負担をかけない。
【実施例４】
【００６５】
図４を参照すると、本発明第４の実施例に係る水素発生装置の構造、作用を示す模式図である。
本実施例では、上記実施例２と異なり、第１槽には酸性電解液１０が注入され、第２槽の第２区画に酸性電解液２７が注入され、第２槽の第１区画では酸性電解液１９が発生し、第１配管３６を介して第１槽に送られる。
酸性電解液はｐＨ１〜４の電解液である。
また、第１槽における反応の進行を抑えるために触媒１４に印加する電圧の極性が、酸性電解液１０に対して負になる。【００６６】
以上の点を除いて、本実施例の構造、作用は上記実施例１の場合と同一である。
従って、上記実施例２の場合と同様に、燃料電池と組み合わせることができる。
【実施例５】
【００６７】
図５を参照すると、本発明第５の実施例に係る水素発生装置の構造、作用を示す模式図である。
本実施例では、上記実施例２と異なり、第１槽が無く、電気分解槽である第２槽２のみが運転される。
上記実施例２と同様に、第２槽２は、陽イオン交換膜２９、陰イオン交換膜２５により仕切られた第１、第２、第３の区画２１、２２、２３を有し、第１、第３区画は各々、電力配線７８に接続された、負電極２４、正電極２６を有する。
上記実施例２と同様に、第２区画２２にｐＨ９〜１４のアルカリ性電解液２０が注入され、第１区画２１及び第３区画２３には各々純水が注入され、電力配線７８に電力が印加されると、第１区画２１では水素ガスＨ２が発生し、第３区画では酸素ガスＯ２が発生する。【００６８】
図６を参照すると、本発明第５の実施例に係る水素発生装置の構造を、比較例と対比して示す略図である。
即ち、図６（Ａ）において左側の図は、上記図５に示した第２槽２の略図であって、陽イオン交換膜２９、陰イオン交換膜２５により仕切られた第１、第２、第３の区画２１、２２、２３を有し、第１、第３区画には各々、第１の負電極２４、第１の正電極２６があり、第２区画はアルカリ性電解液２０で満たされる。
これに対して、図６（Ａ）において右側の図は、比較例として示す、固体高分子電解質を用いた電解槽１０２の略図であって、アルカリ性固体高分子電解質層１２０を挟んで、負極活物質層１２１と正極活物質層１２３があり、各々に負電極２４、正電極２６が接している。【００６９】
両者の比較実測結果は次の通りであった。
本実施例            比較例
電極のサイズ（ｍｍ２）  １５０×１２０      １５０×１２０
負電極の個数                  １                １
正電極の個数                  １                １
電力量（Ｗｈ）            ４８０          １１００
水素発生率（ｍｌ／分）    ７．９            １．０【００７０】
以上により、本実施例では、比較例である固体高分子電解質電解槽の場合と比較して、４４％の消費電力で７．９倍の水素発生率が得られ、高効率である。
比較例では固体電解質の内部抵抗が大きく、消費電力を増大させているのに対して、本実施例では電解液の内部抵抗が一般に低い上に、電解液の濃度により内部抵抗を調節できる。
また、本実施例ではイオン交換膜を含め安価に製造できるのに対して、比較例では、固体電解質層、（固体）活物質層を含めて高価である。【００７１】
一方、図６（Ｂ）は、上記（Ａ）の変形例として正極の両側に負極を配したものであり、左側に本実施例に係る第２槽３を、右側に比較例として示す電解槽１０３を示す。上記（Ａ）の場合よりも、容積あたりの水素発生率の向上が期待できる。
両者の比較実測結果は次の通りであった。
本実施例            比較例
電極のサイズ（ｍｍ２）  １５０×１２０      １５０×１２０
負電極の個数                  ２                ２
正電極の個数                  １                １
電力量（Ｗｈ）            ７２０          １８４０
水素発生率（ｍｌ／分）    ８．６            １．６５
【実施例６】
【００７２】
図７を参照すると、本発明第６の実施例に係る水素発生装置の構造、作用を示す模式図である。
本実施例では、上記実施例１、２と異なり、第２槽が無く、化学反応槽である第１槽４のみが運転される。
第１槽４は、第２の負電極１５と、複数のアルミニウム板１１４からなる第２の正電極を備え、槽内はアルカリ性電解液１１で満たされる。
反応が始まると、水素ガスが発生すると共に、水酸化アルミニウム２１４が沈殿する。
本方式によれば、燃料電池用の水素ガスが得られると同時に、水酸化アルミニウムが副産物として安価に得られることになる。【００７３】
３％−ＮａＯＨ液を用いた、本実施例の水素発生実験結果は次の通りであった。
反応時間（分）        水素量（ｍｌ）
１                    １８６
２                    ５３５
３                    ８２２
４                    ８３３
５                    ８３５
６                    ８９８
７                    ９１６
８                    ９３８
アルミニウム板の表面に生成された水酸化アルミニウムはそのままでは難溶性であるが、ある程度以上の強アルカリ性電解液内であれば、一旦水溶性のアルミン酸に変形されて剥離、沈殿するので、水Ｈ２Ｏを第１配管３６から補給するだけで反応が継続する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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2008044499.tif 000011
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