(57)【要約】  コスト高に繋がる検出手段の追加を行わずに、水素量の残量が推定できる水素発生装置、ならびにこの水素発生装置を備えた燃料電池システムを得ること。水（２）との反応により水素を発生する水素発生物質（４）を収容した水素発生部（３）と、前記水素発生部（３）に水（２）を供給する水供給手段（５）と、前記水供給手段（５）を制御して前記水素発生部（３）への水（２）の供給量を調節する水供給量制御手段（１１）と、前記水供給手段（５）または前記水供給量制御手段（１１）から得られる、前記水素発生部（３）へ供給された水（２）の水量情報から、前記水素発生部（３）が発生させることができる水素量の残量を推定する残量管理手段（１３）とを備える。
2010026945.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水との反応により水素を発生する水素発生物質を収容した水素発生部と、
前記水素発生部に水を供給する水供給手段と、
前記水供給手段を制御して前記水素発生部への水の供給量を調節する水供給量制御手段と、
前記水供給手段または前記水供給量制御手段から得られる、前記水素発生部へ供給された水の水量情報から、前記水素発生部が発生させることができる水素量の残量を推定する残量管理手段とを備えたことを特徴とする水素発生装置。
【請求項２】
前記残量管理手段が、前記水素発生部に供給された水の総量から前記水素発生部が発生させることができる水素量の残量を推定する請求項１に記載の水素発生装置。
【請求項３】
前記残量管理手段が、前記水供給手段の動作時間から前記水素発生部が発生させることができる水素量の残量を推定する請求項１に記載の水素発生装置。
【請求項４】
前記水供給手段が電気を動力とするものであって、前記残量管理手段が、前記水供給手段に印加された電圧の積算値から前記水素発生部が発生させることができる水素量の残量を推定する請求項１に記載の水素発生装置。
【請求項５】
前記水素発生部として、前記水素発生物質を収容した着脱可能な燃料カートリッジを備え、
前記燃料カートリッジは、供給された水量または発生させることができる水素量の残量を記憶するメモリ部を有する請求項１から４のいずれか１項に記載の水素発生装置。
【請求項６】
前記水供給量制御手段が、前記水素発生部へ供給された水の水量情報に基づいて、前記水供給手段による水の供給量を制御する請求項１から５のいずれか１項に記載の水素発生装置。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１項に記載の水素発生装置と、
前記水素発生装置で生成された水素を用いて発電を行う燃料電池とを備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素発生物質が収容された水素発生部と、水素発生部に水を供給して水素を発生させる水供給手段を備えた水素発生装置、およびそれを備えた燃料電池システムに関し、特に、水素発生装置で発生できる水素量の残量が推定できる水素発生装置およびこの水素発生装置を備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ノートパソコンや携帯電話などのモバイル機器の普及に伴い、その電源である電池は、ますます小型化、高容量化が要望されている。このような、エネルギー密度が高く、小型であり、かつ、出力容量が大きいという要望に応えうる電池として、固体高分子型燃料電池などの燃料電池の開発が進められている。【０００３】
燃料電池は、燃料およ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。例えば、高分子電解質膜型燃料電池（ＰＥＭＦＣ：Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）は、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（水素、メタノールなど）を用いるものであり、現在の主流であるリチウムイオン二次電池よりも高エネルギー密度化が期待できる電池として注目されている。このＰＥＭＦＣで使用する燃料として水素を用いる場合の、水素を製造する方法として、水と、イオン化傾向の高い金属であるリチウム、カリウム、カルシウム、ナトリウム、マグネシウム、アルミニウムなどの水素発生物質との反応により水素を発生させる方法が提案されている。【０００４】
このような、水素発生物質を収容した水素発生部に水を供給して、水と水素発生物質とを反応させて燃料電池の燃料とする水素を発生させる方法について、水素発生物質として用いる金属材料の粒径を規定して、低温で簡便に水素を発生させる技術や（特許文献１参照）、水の供給量を制御することにより、容器の内部温度を発熱反応が維持できる温度に保持して、水素発生反応を安定的に維持する技術（特許文献２参照）が開示されている。【０００５】
また、水素吸蔵合金に蓄えられた水素を、直接的に、または、水素を燃料とする燃料電池に用いて得られる電力を利用する水素燃料自動車において、水素圧送機によって圧送される水素量と水素貯蔵タンクの圧力を流量計や圧力計を用いて計測し、水素吸蔵合金から供給される水素の体積を計算して残存水素量を算出する方法が開示されている（特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−３０６７００号公報
【特許文献２】特開２００７−４５６４６号公報
【特許文献３】特開平１０−２５２５６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
燃料電池の用途であるノートパソコンや携帯電話などのモバイル機器では、機器の使用可能時間を示すこととなる電池の残量を知ることが必要である。そして、燃料に水素を用いる燃料電池では、電池の残量は電池に供給される水素の残量に大きく依存する。【０００８】
しかし、上記した水と水素発生物質との反応によって水素を発生させる方法では、水素吸蔵合金などに貯蔵された水素を用いる場合とは異なり、供給される水素の総量を直接把握することが困難である。また、供給される水素量を計測する従来の方法では、流量計や圧力計などの水素量を測定するための装置が必要となり、小型軽量化が求められるモバイル機器に使用される燃料電池には好ましくなく、コストも増大する。さらに、燃料電池が発電した電流量を計測する方法などでは、電流の検出手段が必要となり、また、燃料電池が発生した水素のすべてを発電に使うことができずに外部へ放出したときには、残量の誤差が発生するという問題が生じる。【０００９】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、コスト高に繋がる検出手段の追加を行わずに水素の残量が推定できる水素発生装置、ならびにこの水素発生装置を備えた燃料電池システムを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明の水素発生装置は、水との反応により水素を発生する水素発生物質を収容した水素発生部と、前記水素発生部に水を供給する水供給手段と、前記水供給手段を制御して前記水素発生部への水の供給量を調節する水供給量制御手段と、前記水供給手段または前記水供給量制御手段から得られる、前記水素発生部へ供給された水の水量情報から、前記水素発生部が発生させることができる水素量の残量を推定する残量管理手段とを備えたことを特徴とする。【００１１】
また、本発明の燃料電池システムは、本発明の水素発生装置と、前記水素発生装置で生成された水素を用いて発電を行う燃料電池とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の水素発生装置によれば、水と、水との反応により水素を発生する水素発生物質との反応によって水素を発生させる水素発生装置において、発生した水素量を検出する手段を別途設けることなく、水素発生部が発生させることができる水素量の残量を推定することができる。【００１３】
また、これにより、電池の残量が容易に把握できる燃料電池システムを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本発明の第１の実施形態にかかる水素製造装置と、これを備えた燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。
【図２】図２は、本発明の第１の実施形態にかかる水素発生装置の残量管理装置における、供給水量の積算を示す図である。図２（ａ）は単位時間の供給水量の変化を示し、図２（ｂ）は積算水量である総供給水量の変化を示す。
【図３】図３は、本発明の第２の実施形態にかかる水素発生装置と、これを備えた燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。
【図４】図４は、本発明の第２の実施形態にかかる水素発生装置での制御部の動作を示すフローチャートである。
【図５】図５は、本発明の第２の実施形態にかかる水素発生装置における供給水量と水素発生量との関係を示す図であり、水素発生物質と水との反応があまり進んでいない場合の関係を示すものである。
【図６】図６は、本発明の第２の実施形態にかかる水素発生装置における供給水量と水素発生量との関係を示す図であり、水素発生物質と水との反応がかなり進んでいる場合の関係を示すものである。図６(ａ)は水供給開始当初に供給水量を大きくした場合を示し、図６(ｂ)は一定の水量で水供給を行った場合を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
上記のように、本発明にかかる水素発生装置は、水との反応により水素を発生する水素発生物質を収容した水素発生部と、前記水素発生部に水を供給する水供給手段と、前記水供給手段を制御して前記水素発生部への水の供給量を調節する水供給量制御手段と、前記水供給手段または前記水供給量制御手段から得られる、前記水素発生部へ供給された水の水量情報から、前記水素発生部が発生させることができる水素量の残量を推定する残量管理手段とを備える。
【００１６】
このようにすることで、水素発生装置から発生した水素量を、水供給手段や水供給量制御手段から得られる水素発生部への供給水量情報によって把握することができる。この発生した水素量を、水素発生物質が発生することができる水素量の総量と比較することで、水素発生物質から発生した水素量を測定するための流量計などの手段を設けることなく、水素発生物質が発生することができる水素の残量を推定することができる。
【００１７】
また、前記残量管理手段が、前記水素発生部に供給された水の総量から前記水素発生部が発生させることができる水素量の残量を推定することが好ましい。このようにすることで、水素発生に使用された水量に基づいて発生した水素量を算出することができる。
【００１８】
また、前記残量管理手段が、前記水供給手段の動作時間から前記水素発生部が発生させることができる水素量の残量を推定することが好ましい。このようにすることで、供給される水の流量が一定である場合などでは、時間という一つの指標に基づいて、水素発生部に供給された水の量を算出することができる。
【００１９】
さらに、前記水供給手段が電気を動力とするものであって、前記残量管理手段が、前記水供給手段に印加された電圧の積算値から前記水素発生部が発生させることができる水素量の残量を推定することが好ましい。このようにすることで、水供給手段が電動ポンプなどである場合に、情報として検出、伝達、計算処理が容易な電気情報によって、水素発生部に供給された水の量を算出することができる。
【００２０】
また、前記水素発生部として、前記水素発生物質を収容した着脱可能な燃料カートリッジを備え、前記燃料カートリッジは、供給された水量または発生させることができる水素量の残量を記憶するメモリ部を有することが好ましい。このようにすることで、燃料カートリッジの水素発生部に供給された積算の供給水量、または、積算供給水量から推定された発生させることができる水素量の残量がメモリ部に記憶され、カートリッジを交換した場合でも、容易に発生させることのできる水素量の残量を把握することができる。
【００２１】
また、前記水供給量制御手段が、前記水素発生部へ供給された水の水量情報に基づいて、前記水供給手段による水の供給量を制御することが好ましい。このようにすることで、積算の供給水量に応じた適切な量の水を、水素発生部に供給することができる。このため、水素発生部に収容された水素発生物質の、水との反応度合いに応じた水素生成を行うことができ、速やかに燃料電池の発電を開始することができる。
【００２２】
また、本発明の燃料電池システムは、上記した本発明の水素発生装置と、前記水素発生装置で生成された水素を用いて発電を行う燃料電池とを備える。
【００２３】
このようにすることで、本発明にかかる水素発生装置の特徴を活かして、水素量の検出手段を新たに設けることなく、水素発生物質が発生できる水素の残量を推定することができる。このため、電池残量を容易に把握することができる燃料電池システムを提供することができる。
【００２４】
以下、本発明にかかる水素発生装置とこれを備えた燃料電池システムの実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００２５】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。
【００２６】
図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム２００は、水素発生装置１００とこの水素発生装置１００で生成された水素を用いて発電を行う燃料電池１０とを備えている。
【００２７】
水素発生装置１００は、水との発熱反応により水素を発生する水素発生物質４を収納した水素発生部である容器３と、容器３内に収容された水素発生物質４との発熱反応によって水素を発生させる水２を収容する水貯蔵タンク１，水貯蔵タンク１から容器３への水２の供給を行う水供給手段である電動のポンプ５とを備えている。また、水供給手段であるポンプ５を動作させて、水貯蔵タンク１から水素発生部である容器３に供給される水２の供給量を制御する水供給量制御手段である制御部１１と、制御部１１から、または、水供給手段であるポンプ５から得られる、容器３に供給された水２の水量情報から、水素発生部が発生させることができる水素の残量を推定する残量管理手段である残量管理装置１３とを有している。なお、図１において、容器３と水貯蔵タンク１とは、その内部構造を示すために断面図としている。
【００２８】
容器３は、容器本体３ａと蓋３ｂとを有している。蓋３ｂを貫通して、容器本体３ａ内に水貯蔵タンク１に収容されている水２を供給するための水供給管６と、生成された水素を導出するための水素導出管８が設けられている。水貯蔵タンク１からポンプ５により送られてきた水２は、水供給管６の水供給口７から容器１内の水素発生物質４に供給され、水素発生物質４と水２との反応により生成された水素は、水素導出口９から水素導出管８を経て燃料電池１０に導かれる。
【００２９】
容器３内の水素発生物質４は、水と反応して水素を発生させる材料であれば特に限定されないが、イオン化傾向の高い金属であるリチウム、カリウム、カルシウム、ナトリウム、マグネシウム、アルミニウム、さらに、ケイ素、亜鉛、および、これらの元素を主体とする合金からなる群から選択される少なくとも１種の金属材料が好適に使用できる。なお、合金の場合には、主体となる元素以外の金属成分は特に限定されない。また、主体とは、合金全体に対して８０重量％以上、より好ましくは、９０重量％以上含有されている物質をいう。上記した金属材料は、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。なお、ここで「常温」とは、２０〜３０℃の範囲の温度である。
【００３０】
これらの金属材料の大きさは、その平均粒径が０．１μｍ以上１００μｍ以下とすることが好ましく、０．１μｍ以上５０μｍ以下がより好ましい。また、これらの金属材料の形状も特に限定されないが、例えば、略球状（真球状を含む）やラグビーボール状の他、鱗片状のものなどが好適に使用できる。
【００３１】
さらに、水素発生物質４である金属材料に、親水性酸化物、炭素および吸水性高分子からなる群から選ばれる少なくとも１つの物質を添加すれば、金属材料と水との反応を促進させることができるので好ましい。このような親水性酸化物としては、アルミナ、シリカ、チタニア、マグネシア、ジルコニア、ゼオライト、酸化亜鉛等が使用できる。また、水２と水素発生物質４との発熱反応を容易に開始させるために、水素発生物質４以外の材料であって水と反応して発熱する発熱材料を含むことが好ましい。このような発熱材料としては、水と反応して水酸化物や水和物となる材料、水と発熱して水素を生成する材料等を用いることができる。これらの物質は、単独で使用してもよく、２種以上を併用してもよい。
【００３２】
なお、図示しないが、水供給管６と水素導出管８には着脱機構が設けられていて、この着脱機構によって容器３を水素導出管８やその先に接続される燃料電池１０，また、水貯蔵タンク１から分離することができるようになっている。容器３内において、水素発生物質４と水２とを反応させて水素を発生させると、容器３に収容されている水素発生物質４は反応生成物に変化し、水素を生成する能力を失う。このため、水と反応して反応生成物となった水素発生物質４の割合が高くなっていくと、さらなる水素発生が困難となる。このような場合に、図示しない着脱機構によって容器３を内部の反応率の高くなった水素発生物質４ごと切り離し、新しい水素発生物質４が収容された容器３と交換することで、引き続き連続して水素の製造を行うことができるようになる。
【００３３】
なお、水貯蔵タンク１内の水２も、水素発生物質４と反応させることで減少するため、水貯蔵タンク１についても、同様の着脱機構を設けて、新しい水素発生物質４が収容された容器３を取り替えると同時に、水貯蔵タンク１も取り外して新しく必要量の水２が入った水貯蔵タンク１と取り替えるようにすることが好ましい。
【００３４】
容器３は、水２と発熱反応して水素を発生させる水素発生物質４を収納可能なものであれば、その材質や形状は特に限定されない。しかし、水供給口７や水素導出口９以外から水２や水素が漏れない材質や形状が好ましい。具体的な容器の材質としては、水およ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、ステンレス等の金属、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）等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、円柱状等が採用できる。
【００３５】
なお、水素発生物質４が水２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４よりも体積が大きい。そのため、容器３は、こうした反応生成物の生成に伴う内蔵物の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４と水２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は、容器３の材料として、前記例示の材質の中でもＰＥやＰＰ等の樹脂がより好ましい。
【００３６】
また、容器３の蓋３ｂに設けられた水素導出管８、または、水素導出口９には、容器３内の水２や水素発生物質４が外部に流出しないように、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、気体を通すが液体および固体を通しにくい特性を有するものが好ましく、例えば、多孔性のポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）製の気液分離膜、ポリプロピレン（ＰＰ）製の不織布等を用いることができる。
【００３７】
図１に示す本実施形態の水素発生装置１００では、水供給管６に備えられたポンプ５が、制御部１１からの制御信号によって、所定の供給時間の間、所定の供給速度で、水貯蔵タンク１内の水２を、容器３内に供給する。このポンプ５としては、一般の電動ポンプであって、例えば、チューブポンプ、ダイヤフラムポンプあるいはシリンジポンプなどのマイクロポンプを使用することができるが、これに限られるものではない。制御部１１からの制御信号に従って、容器３への水２の供給速度と時間をコントロールできる、いわば水供給量が調整可能な手段であれば、その具体的構成の制限はない。
【００３８】
なお、ポンプ５に、実際に水貯蔵タンク１から容器３に供給された水２の量を検出する機能を備えておき、この検出情報を制御部１１にフィードバックさせることもできる。
【００３９】
容器３内で水素発生物質４と水２との反応により生成された水素は、容器３に設けられた水素導出口９から水素導出管８により導出される。導出された水素は、本実施形態の水素発生装置１００で生成された水素を使用する機器、例えば図１の場合は燃料電池１０へと送られる。
【００４０】
容器３には、水素発生物質４と水２との反応の状態を検出するための図示しない検出手段を設けることができる。このような検出手段としては、温度センサが好ましく、熱電対やサーミスタなどの既知の温度検出手段を用いることができる。
【００４１】
制御部１１は、本実施形態の水素発生装置１００において、操作部１２から入力された水素発生のための制御信号に基づいてポンプ５を制御し、水素発生物質４への水２の供給量、すなわち、供給速度と供給時間を調整することで、所定量の水素が生成されるように制御を行う。
【００４２】
なお、このような機能を有するため、制御部１１は、マイコン等のプログラミング可能な制御装置や、マイクロプロセッサーなどによる構成が望ましいが、電子回路などにより構成することも可能である。
【００４３】
制御部１１に水素発生の指示を行う操作部１２は、燃料電池システム２００に発電開始の指示などを入力するユーザーインタフェース部である。操作部１２としては、スイッチやタッチパネルなどを用いることができる。操作部１２は、ユーザーが直接動作指示を入力するものでもよく、また、燃料電池１０で生成される電力を電源として使用する、各種機器のスイッチ信号がそのまま操作部１２に入力される構成とすることもできる。
【００４４】
残量管理手段である残量管理装置１３は、制御部１１から出力される水供給手段であるポンプ５の動作を制御するための信号や、ポンプ５での実際の動作状況を示す信号が入力されて、水貯蔵タンク１から水素発生手段である容器３に供給された水２の量を検出する。そして、残量管理装置１３は、容器３内に収容された水素発生物質４と水２との反応によって生成される水素量を、供給される水２の水量に基づき算出する。さらに、残量管理装置１３は、容器３内に収容された水素発生物質４により生成することができる水素の総量と、現在までに生成された水素量とから、水素発生部である容器３から生成することができる水素の残量を推定する。このような機能を有するため、残量管理部１３も、制御部１１と同様にマイコン等のプログラミング可能な制御装置を用いることが好ましい。
【００４５】
残量管理装置１３で推定された、水素の残量は表示部１４に表示されてユーザーに伝えられる。なお、本実施形態の水素発生装置１００の表示部１４は、図１に示すような水素発生装置１００での水素の残量を表示する液晶表示装置などの専用の表示端末を有する場合に限られず、燃料電池１０の電力出力を表示する表示端末に残量の情報を表示してもよいし、また、燃料電池１０を電池として使用するポータブル機器の操作端末に残量を表示するようにしてもかまわない。
【００４６】
なお、水素発生物質４と水２との水素生成反応をより良好に行わせるために、容器３の本体３ａの外面を保温材で覆うことや、容器３の本体３ａに加熱のためのヒータを設ける場合もあるが、図１での図示や説明は省略する。また、上記したように、水素発生物質４に発熱材料を含有させることもできる。
【００４７】
また、図１では図示していないが、水素導出管８に、容器３から導出される水素と未反応の水とを分離するための気液分離部と、さらに、気液分離部で分離された水を水貯蔵タンク１に戻す手段とを備えていることがより好ましい。容器３内で、水素発生物質４と水２とが反応したときに、未反応の水２が水素との混合物として、水素導出管８から容器３の外部へ吹き出してしまう場合がある。このような場合に、気液分離部を備えることで、容器３から排出された水と水素の混合物を、水（液体）と水素（気体）とに分離し、さらには分離した水を水貯蔵タンク１に戻すことができる。このようにすることで、実質的な水の供給量を低減することができ、水貯蔵タンク１内に収容しておく水２の量を減らすことが可能となる。その結果、水素発生装置１００全体の体積および重量を低減して水素発生装置１００をコンパクトなものにすることができる。
【００４８】
燃料電池１０は、水素を燃料として酸素と反応させる、周知の固体高分子形燃料電池であり、例えば高分子電解質膜型燃料電池（ＰＥＭＦＣ：Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）を使用することができる。
【００４９】
具体的な構成例としては、燃料電池１０は、電解質とそれを挟む一対の電極（正極、負極）とで構成されたセルを複数個備えて、スタックを形成している。電解質には、固体高分子電解質が使われている。正極には、空気流入部１５を介して流入する空気中の酸素ガス（正極活物質）が供給され、負極には水素発生装置１００で生成された水素（負極活物質）が供給される。この構成において、負極活物質の水素イオンが電解質を通って正極側へ移動し、酸素分子と結合する時に、外部回路中を電子が移動し発電される。発電された電力は、燃料電池１０の出力端子１６からポータブル機器などに出力される。なお、燃料電池１０の構成は、一般的なものであるため、その構成の詳細と電力生成のメカニズムについての図示と説明は省略する。また、燃料電池１０において使用される電解質などの構成は、上記例示したものに限定されない。
【００５０】
次に、本実施形態の水素発生装置１００の動作について、図１に加えて図２を参照して説明する。図２は、本実施形態における水素発生装置１００の残量管理装置１３における、水素発生部である容器３に供給される水の水量を積算する動作を示している。
【００５１】
まず、操作部１２が、例えばユーザーからの発電開始命令を受け付けると、制御部１１がポンプ５に対して給電を行う。ポンプ５は、制御部１１からの給電によって動作を開始して、水貯蔵タンク１に貯蔵されている水２を水素発生部である容器３に供給する。
【００５２】
容器３では、ポンプ５により水供給管６を介して供給された水２と水素発生物質４とが反応して、水素が発生する。発生した水素は、水素導出管８を通って燃料電池１０に供給される。燃料電池１０は、水素発生装置１００から供給される水素と、空気流入部１５から取り込んだ空気（酸素）とにより発電動作を行う。
【００５３】
制御部１１はポンプ５に対して、燃料電池１０において、安定した発電が継続できる量の水素を連続して生成することができる供給量になるよう、容器３に供給される水２の供給量を制御する。特に、安定した水素生成が行える状態において、容器３に供給される水の供給量を一定であるとして問題がなければ、ポンプ５が供給する水の量が一定となるように制御部１１での制御が行われる。
【００５４】
残量管理装置１３は、制御部１１からポンプ５への指示信号を監視し、これと同時に、または適宜必要に応じて、ポンプ５の動作を監視する。そして、ポンプ５が容器３に供給した水の量に関する水量情報を把握し、これを積算する。供給した水量に関する情報の一例としては、例えば、単位時間に供給される水の量である供給水量と供給時間との積算で算出される、実際の水の総供給水量そのものが挙げられる。
【００５５】
図２は、実際の供給水量の変化と積算された総供給水量の関係を示す。図２（ａ）が単位時間の供給水量の変化、すなわち、供給速度の変化を示し、図２（ｂ）がこのときの積算水量である総供給水量の変化である。
【００５６】
図２（ａ）に示すように、時間Ｔ１から水の供給が始まり、Ｔ２までは、所定の供給速度Ｌ１での水の供給が行われている。このとき、図２（ｂ）に示す総供給水量は、Ｔ１からＴ２まで一定の割合で増加する。その後、図２（ａ）に示すように、Ｔ２からＴ３の間は水の供給が停止され、図２（ｂ）に示される総供給水量の変化はない。
【００５７】
続いて、図２（ａ）に示すように、Ｔ３からＴ４までは供給速度Ｌ２での供給が行われ、積算された総供給水量は、図２（ｂ）に示すように、再び一定の割合で増加する。さらに、図２（ａ）に示すように、Ｔ４からＴ５の間は、より大きな供給速度Ｌ３での水の供給が行われ、図２（ｂ）に示すように積算された水の総供給水量は、より大きな傾斜で増加する。
【００５８】
このように、残量管理装置１３は、所定の供給速度と所定の供給時間で行われた水の供給量の水量情報を、速度と時間の積算で求めることができ、これを繰り返すことで、残量管理装置１３は容器３に供給された水の総供給水量を積算、計算することができる。そして、水の供給量の積算値をＡ、水素発生物質４が全て反応して水素を発生する場合の必要な水量をＢとすれば、水素発生装置１００の水素発生部である容器３で生成できる水素の残量（％）は、（１−Ａ／Ｂ）×１００で求めることができ、この残量が例えば％表示として、表示部１４で表示される。
【００５９】
本実施形態のように、水素発生装置１００で生成される水素が燃料電池１０の燃料とされる場合には、残量管理装置１３で算出された、水素発生装置１００での水素発生量の残量は、そのまま燃料電池１０の電池残量となる。
【００６０】
なお、上記において、残量管理装置１３で行われる供給される水の水量情報の把握を、実際に容器３に供給された水量の積算値で行う場合について説明したが、本実施形態の残量管理装置１３での水量情報の把握は、この方法に限られるものではない。
【００６１】
例えば、ポンプ５での単位時間当たりの水供給速度が一定の場合や、水供給速度に大きな変動がない場合には、ポンプ５の動作時間のみを管理することで、容器３に供給された水の水量情報を把握することかできる。この場合には、残量管理装置１３で把握すべき指標が、「時間」１つのみでよく、「時間」と「供給速度」との二つの指標を管理する必要がある上記の場合よりも、より簡易に供給された水量を検出することができる。
【００６２】
また、別の場合として、ポンプ５が上記したように電動ポンプであり、特に、ポンプ５に印加される電圧の大きさと単位時間に供給される水の量との間に相関関係がある場合には、ポンプ５に印加された電圧の積算値、すなわち電圧の値とその電圧値が印加された時間との積算結果に基づいて、水量情報を把握することができる。この場合には、残量管理装置１３で管理すべき指標が、数値として把握して演算等の処理を容易に行うことができる電圧情報となるというメリットがある。
【００６３】
以上、説明したように、本実施形態の水素発生装置１００では、生成される水素の流量を検出する手段である流量計や、水素の圧力を測る圧力計など、生成された水素量を測定するための検出手段を追加することなく、水素発生装置での水素生成量を、供給される水の量から算出することができる。そして、この算出された水の供給量に基づいて、水素発生装置１００で発生させることができる水素の残量を容易に算出推定することができる。さらに、本実施形態の燃料電池システム２００では、水素発生装置１００で発生される水素の残量から、燃料電池１０の残量を測定することができる。
【００６４】
このため、小型で可搬性が高い水素発生装置、および、これを備えた燃料電池システムとして、ポータブル機器を中心とした各種の機器の電源システムとして好適に用いることができる。
【００６５】
（第２の実施形態）
次に、本発明の水素発生装置とこれを用いた燃料電池システムの第２の実施形態について、図３を用いて説明する。
【００６６】
この、第２の実施形態にかかる水素発生装置３００は、水と反応して水素を発生する水素発生物質が収容された水素発生部である容器３が、簡易に着脱可能な燃料カートリッジ１７の形式となっている点が、上記第１の実施形態における水素発生装置１００と異なっている。
【００６７】
図３は、本実施形態にかかる水素発生装置３００を備えた燃料電池システム４００の概略構成を示すブロック図である。
【００６８】
本実施形態の燃料電池システム４００は、水素発生物質が収容された水素発生部である容器３と、容器３での水素発生量を記録できる、データの読み取りと書き込みが可能なメモリ１８とが、燃料カートリッジ１７となっている点が上記第１の実施の形態と異なる。水素発生装置３００を構成するその他の部材、例えば、水貯蔵タンク１や水供給手段である電動のポンプ５や、操作部１２、表示部１１など図１に示した第１の実施形態の水素発生装置１００と同じ構成の各部材について、詳細な説明は省略する。また、水貯蔵タンク１と容器３の構成も上記図１に示した第１の実施形態の水素発生装置１００と同じ構成であるため、図３では断面図としては表していない。
【００６９】
本実施形態における水素発生装置３００の容器３は、燃料カートリッジ１７として容易に着脱可能となっている。上記、第１の実施形態の水素発生装置１００においても、水供給管６と水素導出管８に設けられた図示しない着脱機構により、容器３が分離可能であることを説明したが、本実施形態にいう燃料カートリッジ１７とは、ユーザーによって頻繁に、かつ簡易に取り替えることが可能なように構成されたユニットを示す概念である。
【００７０】
燃料カートリッジ１７に含まれるメモリ１８は、水素発生物質が収容された容器３に供給された水量の積算値が記録されており、たとえばＥＥＰＲＯＭ（電気的に消去・読み書きが可能なメモリ）で構成される。メモリ１８としては、半導体メモリなどの他にも、磁気的に書き換え可能な磁気テープ媒体や、熱的に書き換え可能なバーコード、さらには、レーザーなどによって光学的に書き換え可能な記憶媒体など、制御部１１が適宜積算された供給水量を書き込むことができ、また、制御部１１が適宜書き込まれた積算された供給水量を読み込むことができる各種のものが使用できる。
【００７１】
本実施形態において、制御部１１は、操作部１２からの発電開始の指示を受けると、燃料カートリッジ１７のメモリ１８から、燃料カートリッジ１７の容器３に供給された水の積算水量を読み込む。そして、容器３に収容されている水素発生材料の量に関する情報と照らし合わせて、水素発生物質の中ですでに水との反応が行われたものの割合を算出する。さらに、この算出された、すでに水と反応した水素発生物質の量に応じて、水素の発生を速やかに行う上で適切な量の水を容器３に供給するよう、水供給手段であるポンプ５に、所定の水量での水の供給を行わせる駆動信号を与える。また、ポンプ５が供給した水量を、供給速度と供給時間から算出し、容器３に供給された水の積算水量を更新し、これを、メモリ１８に書き込む。
【００７２】
次に、図４を用いて、本実施形態の燃料電池システムの、容器３に供給される水量の制御動作について説明する。
【００７３】
図４は、本実施形態にかかる燃料電池システムの動作を示す、フローチャートである。
【００７４】
ここで、水供給量Ａは、水素発生物質が収容された水素発生部である容器に供給された水の積算水量が、０又は所定の閾値より小さい場合に適切な水の供給量を示す。また、水供給量Ｂは、水素発生物質が収容された水素発生部に供給された水の積算水量が大きい場合に適切な水の供給量を示す。一般に、水素発生物質と水との反応が進展すると、水素発生反応の開始が遅れるため、特に、反応を開始させる初期において、水素発生物質に供給される水の量を増やすことが好ましい。従って、本実施形態の場合も、水供給量Ａ＜水供給量Ｂとなる。
【００７５】
なお、これらの水供給量Ａ、水供給量Ｂは、水素発生物質の材質や水素発生部である容器３の収容量、容器３の形状や環境温度、燃料電池１０の性能や燃料電池１０の出力として必要とされる電力量などにより適宜決定される数値である。
【００７６】
図４に示すように、操作部１２からの操作によって発電開始命令が与えられ、水素発生装置の動作が開始される。
【００７７】
ステップＳ１０１において、発電開始命令を受け取った制御部１１は、燃料カートリッジ１７のメモリ１８から、容器３に供給された積算の供給水量を読み込む。
【００７８】
ステップＳ１０２において、制御部１１が、読み込まれた積算供給水量が、所定の規定値未満であるか否かを判断する。この所定の規定値は、その値を超えると、通常の水素発生反応を開始させる条件で水素製造を開始したときに、水素の発生が遅くなってしまう閾値として定められたものである。
【００７９】
メモリ１８から読み込まれた積算の供給水量が、所定の規定未満の場合（Ｙｅｓの場合）は、次のステップＳ１０３に進んで、制御部１１は、ポンプ５に対して水供給量Ａで水を供給すべきという、供給水量の情報を伝達する。供給水量の情報が伝達されたポンプ５は、水貯蔵タンク１から容器３へ水供給量Ａで水を供給する。
【００８０】
一方、ステップＳ１０２において、メモリ１８から読み込まれた積算の供給水量が、所定の規定値未満ではない場合（Ｎｏの場合）は、ステップＳ１０４に進んで、制御部１１は、ポンプ５に対して水供給量Ｂで水を供給すべきという、供給水量の情報を伝達する。供給水量の情報が伝達されたポンプ５は、水貯蔵タンク１から容器３へ水供給量Ｂで水を供給する。
【００８１】
続いて、ステップＳ１０５において、制御部１１は、ポンプ５に伝達した供給水量情報に基づいて、水の供給速度と供給時間とから、水供給量の積算を行う。
【００８２】
この動作は、操作部１２から発電停止の指示が与えられるまで続けられる（ステップＳ１０６）。
【００８３】
発電停止の指示があった場合には、制御部１１は、ポンプ５を停止して、水の供給を停止する（ステップＳ１０７）。容器３への水の供給が停止したことにより、容器３での水と水素発生物質との水素発生反応が停止し、水素が供給されなくなったことにより燃料電池１０での発電が終了する。
【００８４】
その後、制御部１１が、算出した最新の積算供給水量をメモリ１８に書き込んで（ステップＳ１０８）、一連の作業が終了する。
【００８５】
次に、図５および図６に、図４で説明した水供給量の制御を行った場合の、水の供給量と、水素発生量との関係を示す。図５、図６におけるそれぞれのグラフの横軸は、発電開始命令が出された時点（ｔ＝０）からの時間の経過を表している。
【００８６】
図５は、水素発生部である容器３に供給された積算の水供給量が、所定の規定値未満であった場合、すなわち、水素発生物質と水との反応があまり進んでいない状態での、供給水量と、水素発生量との関係を示す。
【００８７】
この場合には、時間「ｔ＝０」から、所定の水供給量Ａでの水の供給が開始される。その結果、時刻ｔ１において水素が発生し始める。このときの供給水量Ａは、水との反応があまり進んでいない場合の水素発生物質での水素発生に適した量であるため、水素は図５に示すように発生開始後速やかに定常的な水素発生量に立ち上がっている。
【００８８】
次に、図６は、容器３に供給された積算の水供給量が、所定の規定値未満ではなかった場合、即ち、水素発生物質と水との反応がある程度以上進んでいる状態での供給水量と、水素発生量との関係を示す。
【００８９】
図６（ａ）は、本実施形態の燃料電池システムの場合であり、水素発生物質の水との反応がかなり進んでいることに対応して、水素発生部への水の供給開始時に、時刻ｔ２までの間、供給水量Ａよりも大きな供給水量Ｂで水の供給を行っている。このようにすることで、特に水素発生の開始時点で水との反応の開始が遅くなる、水との反応が進んでいる水素発生物質の場合でも、時刻ｔ３には水素の生成が開始されている。また、図５に示した場合と同じように、生成された水素量が、定常的な量まで到達する時間である、いわゆる立ち上がり時間も早くなっている。
【００９０】
ところが、図６（ｂ）に示すように、水素発生部への供給水量に関係なく、図５で示した場合の、水との反応がまだ少ない水素発生物質に供給することが適した水供給量Ａでの水供給のみを行った場合には、水素発生の開始時刻ｔ４が遅れ、その後も発生する水素量はなかなか規定の値には達せず、いわゆる立ち上がり時間が大幅に遅れる。
【００９１】
このように、本実施形態の水素発生装置３００では、燃料カートリッジ１７化されて頻繁に着脱される容器内に収容された水素発生物質に供給された水供給量を把握することができ、水素の発生を容易に、かつ、速やかに行うことができる。
【００９２】
また、本発明のように、水素発生物質に水を供給して水素を発生させる方法では、水素発生物質がどのくらいの水と反応したかという履歴によって、同じ供給量で水の供給を行ったときの水の供給を開始してから水素が発生するまでの立ち上がり時間が異なるという問題や、水と反応した水素発生物質の量が一定の割合を超えると、まだ未反応の水素発生物質が残っていても安定して水素を発生させ続けることができなくなる場合があるという問題を有していた。しかし、上記図４で示したような本実施形態の水素発生装置３００における供給水量の制御を行うことで、この問題水素発生物質の既反応量に関係する問題を解決して、速やかにかつ安定して長時間水素を発生することができる水素発生装置を実現することができる。このため、燃料電池からの発電開始が早くなり、また、水素発生物質の状態に応じた好ましい水供給量によって、水素発生物質を効果的に使用して、長時間の発電が可能な燃料電池システムを提供することができる。
【００９３】
なお、上記実施形態では、水素発生物質への積算供給水量が所定の既定値より大きい場合に、水素発生の初期における供給水量を、水との反応が進んだ水素発生物質に適した供給水量Ｂとした例について示したが、本発明の燃料電池における水供給量の制御は、この場合には限定されない。水素発生物質に供給された積算供給水量に基づいて、水素発生物質への水の供給開始時の供給水量を適切にした後も、水と水素発生物質との反応の特性に応じて、安定した水素発生が行われるようになるまでの、水供給量を少し大きなものとすることができる。このように、本発明は、制御部１１によって、より最適な水素発生条件が得られるように、適宜水の供給量の制御を行うことを妨げるものではない。
【００９４】
以上、本実施形態の説明において、メモリ１８に、水素発生物質が収容された容器３に供給された水量の積算値が記録される例を示したが、本実施形態のメモリ１８に記録される情報は、水量の積算値に限らず、上記第１の実施形態で説明した残量管理装置１３において推測された、容器３に収容された水素発生物質が発生させることができる水素量の残量であってもよい。
【００９５】
また、本実施形態において説明した、制御部が水素発生部である容器内の水素発生物質における水素発生量に応じて、水供給手段を制御して最も適切な供給速度と供給量の水を供給するという機能については、水素発生部が燃料カートリッジ化されていない第１の実施形態の水素発生装置においても適用できるものであることは言うまでもない。
【００９６】
以上のように、本実施形態として示した燃料電池システムでは、燃料カートリッジに備えられたメモリから得られる水素発生物質への積算供給水量に基づいて、水素発生物質への水供給の条件を変更することで、積算供給水量が多い燃料カートリッジでは、水素発生開始にかかる時間を短縮することができる。また、積算供給水量が少ない燃料カートリッジでは、必要以上の水の供給を行って過剰な水素発生反応を引き起こしてしまうことを防止することができる。
【００９７】
以上、本発明の実施形態として、本発明の水素発生装置と、この水素発生装置で生成された水素を燃料として用いる燃料電池とを備えた燃料電池システムについて説明したが、本発明の水素発生装置は、燃料電池の燃料としての水素を製造するものに限定されるものではない。例えば、水素貯蔵合金に貯蔵する水素を生成するものなど、各種の機器に使用または利用される水素を生成する水素発生装置として、一般的に利用できるものである。
【産業上の利用可能性】
【００９８】
以上のように本発明の水素発生装置は、その生成できる水素の残量を算出できる水素発生装置として、産業上幅広く利用可能である。また、この水素発生装置と、水素を燃料とする燃料電池を備えた燃料電池システムは、小型携帯機器用の電源をはじめとした各種の電源に幅広く利用可能である。
【図１】
2010026945.tif 000003
【図２】
2010026945.tif 000004
【図３】
2010026945.tif 000005
【図４】
2010026945.tif 000006
【図５】
2010026945.tif 000007
【図６】
2010026945.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成22年3月31日(2010.3.31)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水との反応により水素を発生する水素発生物質を収容した水素発生部と、
前記水素発生部に水を供給する水供給手段と、
前記水供給手段を制御して前記水素発生部への水の供給量を調節する水供給量制御手段と、
前記水供給手段または前記水供給量制御手段から得られる、前記水素発生部へ供給された水の水量情報から、前記水素発生部が発生させることができる水素量の残量を推定する残量管理手段とを備えたことを特徴とする水素発生装置。
【請求項２】
前記残量管理手段が、前記水素発生部に供給された水の総量から前記水素発生部が発生させることができる水素量の残量を推定する請求項１に記載の水素発生装置。
【請求項３】
前記残量管理手段が、前記水供給手段の動作時間から前記水素発生部が発生させることができる水素量の残量を推定する請求項１に記載の水素発生装置。
【請求項４】
前記水供給手段が電気を動力とするものであって、前記残量管理手段が、前記水供給手段に印加された電圧の積算値から前記水素発生部が発生させることができる水素量の残量を推定する請求項１に記載の水素発生装置。
【請求項５】
前記水素発生部として、前記水素発生物質を収容した着脱可能な燃料カートリッジを備え、
前記燃料カートリッジは、供給された水量または発生させることができる水素量の残量を記憶するメモリ部を有する請求項１から４のいずれか１項に記載の水素発生装置。
【請求項６】
前記水供給量制御手段が、前記水素発生部へ供給された水の水量情報に基づいて、前記水供給手段による水の供給量を制御する請求項１から５のいずれか１項に記載の水素発生装置。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１項に記載の水素発生装置と、
前記水素発生装置で生成された水素を用いて発電を行う燃料電池とを備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素発生物質が収容された水素発生部と、水素発生部に水を供給して水素を発生させる水供給手段を備えた水素発生装置、およびそれを備えた燃料電池システムに関し、特に、水素発生装置で発生できる水素量の残量が推定できる水素発生装置およびこの水素発生装置を備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ノートパソコンや携帯電話などのモバイル機器の普及に伴い、その電源である電池は、ますます小型化、高容量化が要望されている。このような、エネルギー密度が高く、小型であり、かつ、出力容量が大きいという要望に応えうる電池として、固体高分子型燃料電池などの燃料電池の開発が進められている。
【０００３】
燃料電池は、燃料およ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。例えば、高分子電解質膜型燃料電池（ＰＥＭＦＣ：Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）は、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（水素、メタノールなど）を用いるものであり、現在の主流であるリチウムイオン二次電池よりも高エネルギー密度化が期待できる電池として注目されている。このＰＥＭＦＣで使用する燃料として水素を用いる場合の、水素を製造する方法として、水と、イオン化傾向の高い金属であるリチウム、カリウム、カルシウム、ナトリウム、マグネシウム、アルミニウムなどの水素発生物質との反応により水素を発生させる方法が提案されている。
【０００４】
このような、水素発生物質を収容した水素発生部に水を供給して、水と水素発生物質とを反応させて燃料電池の燃料とする水素を発生させる方法について、水素発生物質として用いる金属材料の粒径を規定して、低温で簡便に水素を発生させる技術や（特許文献１参照）、水の供給量を制御することにより、容器の内部温度を発熱反応が維持できる温度に保持して、水素発生反応を安定的に維持する技術（特許文献２参照）が開示されている。
【０００５】
また、水素吸蔵合金に蓄えられた水素を、直接的に、または、水素を燃料とする燃料電池に用いて得られる電力を利用する水素燃料自動車において、水素圧送機によって圧送される水素量と水素貯蔵タンクの圧力を流量計や圧力計を用いて計測し、水素吸蔵合金から供給される水素の体積を計算して残存水素量を算出する方法が開示されている（特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−３０６７００号公報
【特許文献２】特開２００７−４５６４６号公報
【特許文献３】特開平１０−２５２５６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
燃料電池の用途であるノートパソコンや携帯電話などのモバイル機器では、機器の使用可能時間を示すこととなる電池の残量を知ることが必要である。そして、燃料に水素を用いる燃料電池では、電池の残量は電池に供給される水素の残量に大きく依存する。
【０００８】
しかし、上記した水と水素発生物質との反応によって水素を発生させる方法では、水素吸蔵合金などに貯蔵された水素を用いる場合とは異なり、供給される水素の総量を直接把握することが困難である。また、供給される水素量を計測する従来の方法では、流量計や圧力計などの水素量を測定するための装置が必要となり、小型軽量化が求められるモバイル機器に使用される燃料電池には好ましくなく、コストも増大する。さらに、燃料電池が発電した電流量を計測する方法などでは、電流の検出手段が必要となり、また、燃料電池が発生した水素のすべてを発電に使うことができずに外部へ放出したときには、残量の誤差が発生するという問題が生じる。
【０００９】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、コスト高に繋がる検出手段の追加を行わずに水素の残量が推定できる水素発生装置、ならびにこの水素発生装置を備えた燃料電池システムを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明の水素発生装置は、水との反応により水素を発生する水素発生物質を収容した水素発生部と、前記水素発生部に水を供給する水供給手段と、前記水供給手段を制御して前記水素発生部への水の供給量を調節する水供給量制御手段と、前記水供給手段または前記水供給量制御手段から得られる、前記水素発生部へ供給された水の水量情報から、前記水素発生部が発生させることができる水素量の残量を推定する残量管理手段とを備えたことを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の燃料電池システムは、本発明の水素発生装置と、前記水素発生装置で生成された水素を用いて発電を行う燃料電池とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の水素発生装置によれば、水と、水との反応により水素を発生する水素発生物質との反応によって水素を発生させる水素発生装置において、発生した水素量を検出する手段を別途設けることなく、水素発生部が発生させることができる水素量の残量を推定することができる。
【００１３】
また、これにより、電池の残量が容易に把握できる燃料電池システムを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本発明の第１の実施形態にかかる水素製造装置と、これを備えた燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。
【図２】図２は、本発明の第１の実施形態にかかる水素発生装置の残量管理装置における、供給水量の積算を示す図である。図２（ａ）は単位時間の供給水量の変化を示し、図２（ｂ）は積算水量である総供給水量の変化を示す。
【図３】図３は、本発明の第２の実施形態にかかる水素発生装置と、これを備えた燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。
【図４】図４は、本発明の第２の実施形態にかかる水素発生装置での制御部の動作を示すフローチャートである。
【図５】図５は、本発明の第２の実施形態にかかる水素発生装置における供給水量と水素発生量との関係を示す図であり、水素発生物質と水との反応があまり進んでいない場合の関係を示すものである。
【図６】図６は、本発明の第２の実施形態にかかる水素発生装置における供給水量と水素発生量との関係を示す図であり、水素発生物質と水との反応がかなり進んでいる場合の関係を示すものである。図６(ａ)は水供給開始当初に供給水量を大きくした場合を示し、図６(ｂ)は一定の水量で水供給を行った場合を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
上記のように、本発明にかかる水素発生装置は、水との反応により水素を発生する水素発生物質を収容した水素発生部と、前記水素発生部に水を供給する水供給手段と、前記水供給手段を制御して前記水素発生部への水の供給量を調節する水供給量制御手段と、前記水供給手段または前記水供給量制御手段から得られる、前記水素発生部へ供給された水の水量情報から、前記水素発生部が発生させることができる水素量の残量を推定する残量管理手段とを備える。
【００１６】
このようにすることで、水素発生装置から発生した水素量を、水供給手段や水供給量制御手段から得られる水素発生部への供給水量情報によって把握することができる。この発生した水素量を、水素発生物質が発生することができる水素量の総量と比較することで、水素発生物質から発生した水素量を測定するための流量計などの手段を設けることなく、水素発生物質が発生することができる水素の残量を推定することができる。
【００１７】
また、前記残量管理手段が、前記水素発生部に供給された水の総量から前記水素発生部が発生させることができる水素量の残量を推定することが好ましい。このようにすることで、水素発生に使用された水量に基づいて発生した水素量を算出することができる。
【００１８】
また、前記残量管理手段が、前記水供給手段の動作時間から前記水素発生部が発生させることができる水素量の残量を推定することが好ましい。このようにすることで、供給される水の流量が一定である場合などでは、時間という一つの指標に基づいて、水素発生部に供給された水の量を算出することができる。
【００１９】
さらに、前記水供給手段が電気を動力とするものであって、前記残量管理手段が、前記水供給手段に印加された電圧の積算値から前記水素発生部が発生させることができる水素量の残量を推定することが好ましい。このようにすることで、水供給手段が電動ポンプなどである場合に、情報として検出、伝達、計算処理が容易な電気情報によって、水素発生部に供給された水の量を算出することができる。
【００２０】
また、  前記水素発生部として、前記水素発生物質を収容した着脱可能な燃料カートリッジを備え、前記燃料カートリッジは、供給された水量または発生させることができる水素量の残量を記憶するメモリ部を有することが好ましい。このようにすることで、燃料カートリッジの水素発生部に供給された積算の供給水量、または、積算供給水量から推定された発生させることができる水素量の残量がメモリ部に記憶され、カートリッジを交換した場合でも、容易に発生させることのできる水素量の残量を把握することができる。
【００２１】
また、前記水供給量制御手段が、前記水素発生部へ供給された水の水量情報に基づいて、前記水供給手段による水の供給量を制御することが好ましい。このようにすることで、積算の供給水量に応じた適切な量の水を、水素発生部に供給することができる。このため、水素発生部に収容された水素発生物質の、水との反応度合いに応じた水素生成を行うことができ、速やかに燃料電池の発電を開始することができる。
【００２２】
また、本発明の燃料電池システムは、上記した本発明の水素発生装置と、前記水素発生装置で生成された水素を用いて発電を行う燃料電池とを備える。
【００２３】
このようにすることで、本発明にかかる水素発生装置の特徴を活かして、水素量の検出手段を新たに設けることなく、水素発生物質が発生できる水素の残量を推定することができる。このため、電池残量を容易に把握することができる燃料電池システムを提供することができる。
【００２４】
以下、本発明にかかる水素発生装置とこれを備えた燃料電池システムの実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００２５】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。
【００２６】
図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム２００は、水素発生装置１００とこの水素発生装置１００で生成された水素を用いて発電を行う燃料電池１０とを備えている。
【００２７】
水素発生装置１００は、水との発熱反応により水素を発生する水素発生物質４を収納した水素発生部である容器３と、容器３内に収容された水素発生物質４との発熱反応によって水素を発生させる水２を収容する水貯蔵タンク１，水貯蔵タンク１から容器３への水２の供給を行う水供給手段である電動のポンプ５とを備えている。また、水供給手段であるポンプ５を動作させて、水貯蔵タンク１から水素発生部である容器３に供給される水２の供給量を制御する水供給量制御手段である制御部１１と、制御部１１から、または、水供給手段であるポンプ５から得られる、容器３に供給された水２の水量情報から、水素発生部が発生させることができる水素の残量を推定する残量管理手段である残量管理装置１３とを有している。なお、図１において、容器３と水貯蔵タンク１とは、その内部構造を示すために断面図としている。
【００２８】
容器３は、容器本体３ａと蓋３ｂとを有している。蓋３ｂを貫通して、容器本体３ａ内に水貯蔵タンク１に収容されている水２を供給するための水供給管６と、生成された水素を導出するための水素導出管８が設けられている。水貯蔵タンク１からポンプ５により送られてきた水２は、水供給管６の水供給口７から容器１内の水素発生物質４に供給され、水素発生物質４と水２との反応により生成された水素は、水素導出口９から水素導出管８を経て燃料電池１０に導かれる。
【００２９】
容器３内の水素発生物質４は、水と反応して水素を発生させる材料であれば特に限定されないが、イオン化傾向の高い金属であるリチウム、カリウム、カルシウム、ナトリウム、マグネシウム、アルミニウム、さらに、ケイ素、亜鉛、および、これらの元素を主体とする合金からなる群から選択される少なくとも１種の金属材料が好適に使用できる。なお、合金の場合には、主体となる元素以外の金属成分は特に限定されない。また、主体とは、合金全体に対して８０重量％以上、より好ましくは、９０重量％以上含有されている物質をいう。上記した金属材料は、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。なお、ここで「常温」とは、２０〜３０℃の範囲の温度である。
【００３０】
これらの金属材料の大きさは、その平均粒径が０．１μｍ以上１００μｍ以下とすることが好ましく、０．１μｍ以上５０μｍ以下がより好ましい。また、これらの金属材料の形状も特に限定されないが、例えば、略球状（真球状を含む）やラグビーボール状の他、鱗片状のものなどが好適に使用できる。
【００３１】
さらに、水素発生物質４である金属材料に、親水性酸化物、炭素および吸水性高分子からなる群から選ばれる少なくとも１つの物質を添加すれば、金属材料と水との反応を促進させることができるので好ましい。このような親水性酸化物としては、アルミナ、シリカ、チタニア、マグネシア、ジルコニア、ゼオライト、酸化亜鉛等が使用できる。また、水２と水素発生物質４との発熱反応を容易に開始させるために、水素発生物質４以外の材料であって水と反応して発熱する発熱材料を含むことが好ましい。このような発熱材料としては、水と反応して水酸化物や水和物となる材料、水と発熱して水素を生成する材料等を用いることができる。これらの物質は、単独で使用してもよく、２種以上を併用してもよい。
【００３２】
なお、図示しないが、水供給管６と水素導出管８には着脱機構が設けられていて、この着脱機構によって容器３を水素導出管８やその先に接続される燃料電池１０，また、水貯蔵タンク１から分離することができるようになっている。容器３内において、水素発生物質４と水２とを反応させて水素を発生させると、容器３に収容されている水素発生物質４は反応生成物に変化し、水素を生成する能力を失う。このため、水と反応して反応生成物となった水素発生物質４の割合が高くなっていくと、さらなる水素発生が困難となる。このような場合に、図示しない着脱機構によって容器３を内部の反応率の高くなった水素発生物質４ごと切り離し、新しい水素発生物質４が収容された容器３と交換することで、引き続き連続して水素の製造を行うことができるようになる。
【００３３】
なお、水貯蔵タンク１内の水２も、水素発生物質４と反応させることで減少するため、水貯蔵タンク１についても、同様の着脱機構を設けて、新しい水素発生物質４が収容された容器３を取り替えると同時に、水貯蔵タンク１も取り外して新しく必要量の水２が入った水貯蔵タンク１と取り替えるようにすることが好ましい。
【００３４】
容器３は、水２と発熱反応して水素を発生させる水素発生物質４を収納可能なものであれば、その材質や形状は特に限定されない。しかし、水供給口７や水素導出口９以外から水２や水素が漏れない材質や形状が好ましい。具体的な容器の材質としては、水およ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、ステンレス等の金属、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）等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、円柱状等が採用できる。
【００３５】
なお、水素発生物質４が水２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４よりも体積が大きい。そのため、容器３は、こうした反応生成物の生成に伴う内蔵物の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４と水２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は、容器３の材料として、前記例示の材質の中でもＰＥやＰＰ等の樹脂がより好ましい。
【００３６】
また、容器３の蓋３ｂに設けられた水素導出管８、または、水素導出口９には、容器３内の水２や水素発生物質４が外部に流出しないように、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、気体を通すが液体および固体を通しにくい特性を有するものが好ましく、例えば、多孔性のポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）製の気液分離膜、ポリプロピレン（ＰＰ）製の不織布等を用いることができる。
【００３７】
図１に示す本実施形態の水素発生装置１００では、水供給管６に備えられたポンプ５が、制御部１１からの制御信号によって、所定の供給時間の間、所定の供給速度で、水貯蔵タンク１内の水２を、容器３内に供給する。このポンプ５としては、一般の電動ポンプであって、例えば、チューブポンプ、ダイヤフラムポンプあるいはシリンジポンプなどのマイクロポンプを使用することができるが、これに限られるものではない。制御部１１からの制御信号に従って、容器３への水２の供給速度と時間をコントロールできる、いわば水供給量が調整可能な手段であれば、その具体的構成の制限はない。
【００３８】
なお、ポンプ５に、実際に水貯蔵タンク１から容器３に供給された水２の量を検出する機能を備えておき、この検出情報を制御部１１にフィードバックさせることもできる。
【００３９】
容器３内で水素発生物質４と水２との反応により生成された水素は、容器３に設けられた水素導出口９から水素導出管８により導出される。導出された水素は、本実施形態の水素発生装置１００で生成された水素を使用する機器、例えば図１の場合は燃料電池１０へと送られる。
【００４０】
容器３には、水素発生物質４と水２との反応の状態を検出するための図示しない検出手段を設けることができる。このような検出手段としては、温度センサが好ましく、熱電対やサーミスタなどの既知の温度検出手段を用いることができる。
【００４１】
制御部１１は、本実施形態の水素発生装置１００において、操作部１２から入力された水素発生のための制御信号に基づいてポンプ５を制御し、水素発生物質４への水２の供給量、すなわち、供給速度と供給時間を調整することで、所定量の水素が生成されるように制御を行う。
【００４２】
なお、このような機能を有するため、制御部１１は、マイコン等のプログラミング可能な制御装置や、マイクロプロセッサーなどによる構成が望ましいが、電子回路などにより構成することも可能である。
【００４３】
制御部１１に水素発生の指示を行う操作部１２は、燃料電池システム２００に発電開始の指示などを入力するユーザーインタフェース部である。操作部１２としては、スイッチやタッチパネルなどを用いることができる。操作部１２は、ユーザーが直接動作指示を入力するものでもよく、また、燃料電池１０で生成される電力を電源として使用する、各種機器のスイッチ信号がそのまま操作部１２に入力される構成とすることもできる。
【００４４】
残量管理手段である残量管理装置１３は、制御部１１から出力される水供給手段であるポンプ５の動作を制御するための信号や、ポンプ５での実際の動作状況を示す信号が入力されて、水貯蔵タンク１から水素発生手段である容器３に供給された水２の量を検出する。そして、残量管理装置１３は、容器３内に収容された水素発生物質４と水２との反応によって生成される水素量を、供給される水２の水量に基づき算出する。さらに、残量管理装置１３は、容器３内に収容された水素発生物質４により生成することができる水素の総量と、現在までに生成された水素量とから、水素発生部である容器３から生成することができる水素の残量を推定する。このような機能を有するため、残量管理部１３も、制御部１１と同様にマイコン等のプログラミング可能な制御装置を用いることが好ましい。
【００４５】
残量管理装置１３で推定された、水素の残量は表示部１４に表示されてユーザーに伝えられる。なお、本実施形態の水素発生装置１００の表示部１４は、図１に示すような水素発生装置１００での水素の残量を表示する液晶表示装置などの専用の表示端末を有する場合に限られず、燃料電池１０の電力出力を表示する表示端末に残量の情報を表示してもよいし、また、燃料電池１０を電池として使用するポータブル機器の操作端末に残量を表示するようにしてもかまわない。
【００４６】
なお、水素発生物質４と水２との水素生成反応をより良好に行わせるために、容器３本体３ａの外面を保温材で覆うことや、容器３の本体３ａに加熱のためのヒータを設ける場合もあるが、図１での図示や説明は省略する。また、上記したように、水素発生物質４に発熱材料を含有させることもできる。
【００４７】
また、図１では図示していないが、水素導出管８に、容器３から導出される水素と未反応の水とを分離するための気液分離部と、さらに、気液分離部で分離された水を水貯蔵タンク１に戻す手段とを備えていることがより好ましい。容器３内で、水素発生物質４と水２とが反応したときに、未反応の水２が水素との混合物として、水素導出管８から容器３の外部へ吹き出してしまう場合がある。このような場合に、気液分離部を備えることで、容器３から排出された水と水素の混合物を、水（液体）と水素（気体）とに分離し、さらには分離した水を水貯蔵タンク１に戻すことができる。このようにすることで、実質的な水の供給量を低減することができ、水貯蔵タンク１内に収容しておく水２の量を減らすことが可能となる。その結果、水素発生装置１００全体の体積および重量を低減して水素発生装置１００をコンパクトなものにすることができる。
【００４８】
燃料電池１０は、水素を燃料として酸素と反応させる、周知の固体高分子形燃料電池であり、例えば高分子電解質膜型燃料電池（ＰＥＭＦＣ：Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）を使用することができる。
【００４９】
具体的な構成例としては、燃料電池１０は、電解質とそれを挟む一対の電極（正極、負極）とで構成されたセルを複数個備えて、スタックを形成している。電解質には、固体高分子電解質が使われている。正極には、空気流入部１５を介して流入する空気中の酸素ガス（正極活物質）が供給され、負極には水素発生装置１００で生成された水素（負極活物質）が供給される。この構成において、負極活物質の水素イオンが電解質を通って正極側へ移動し、酸素分子と結合する時に、外部回路中を電子が移動し発電される。発電された電力は、燃料電池１０の出力端子１６からポータブル機器などに出力される。なお、燃料電池１０の構成は、一般的なものであるため、その構成の詳細と電力生成のメカニズムについての図示と説明は省略する。また、燃料電池１０において使用される電解質などの構成は、上記例示したものに限定されない。
【００５０】
次に、本実施形態の水素発生装置１００の動作について、図１に加えて図２を参照して説明する。図２は、本実施形態における水素発生装置１００の残量管理装置１３における、水素発生部である容器３に供給される水の水量を積算する動作を示している。
【００５１】
まず、操作部１２が、例えばユーザーからの発電開始命令を受け付けると、制御部１１がポンプ５に対して給電を行う。ポンプ５は、制御部１１からの給電によって動作を開始して、水貯蔵タンク１に貯蔵されている水２を水素発生部である容器３に供給する。
【００５２】
容器３では、ポンプ５により水供給管６を介して供給された水２と水素発生物質４とが反応して、水素が発生する。発生した水素は、水素導出管８を通って燃料電池１０に供給される。燃料電池１０は、水素発生装置１００から供給される水素と、空気流入部１５から取り込んだ空気（酸素）とにより発電動作を行う。
【００５３】
制御部１１はポンプ５に対して、燃料電池１０において、安定した発電が継続できる量の水素を連続して生成することができる供給量になるよう、容器３に供給される水２の供給量を制御する。特に、安定した水素生成が行える状態において、容器３に供給される水の供給量を一定であるとして問題がなければ、ポンプ５が供給する水の量が一定となるように制御部１１での制御が行われる。
【００５４】
残量管理装置１３は、制御部１１からポンプ５への指示信号を監視し、これと同時に、または適宜必要に応じて、ポンプ５の動作を監視する。そして、ポンプ５が容器３に供給した水の量に関する水量情報を把握し、これを積算する。供給した水量に関する情報の一例としては、例えば、単位時間に供給される水の量である供給水量と供給時間との積算で算出される、実際の水の総供給水量そのものが挙げられる。
【００５５】
図２は、実際の供給水量の変化と積算された総供給水量の関係を示す。図２（ａ）が単位時間の供給水量の変化、すなわち、供給速度の変化を示し、図２（ｂ）がこのときの積算水量である総供給水量の変化である。
【００５６】
図２（ａ）に示すように、時間Ｔ１から水の供給が始まり、Ｔ２までは、所定の供給速度Ｌ１での水の供給が行われている。このとき、図２（ｂ）に示す総供給水量は、Ｔ１からＴ２まで一定の割合で増加する。その後、図２（ａ）に示すように、Ｔ２からＴ３の間は水の供給が停止され、図２（ｂ）に示される総供給水量の変化はない。
【００５７】
続いて、図２（ａ）に示すように、Ｔ３からＴ４までは供給速度Ｌ２での供給が行われ、積算された総供給水量は、図２（ｂ）に示すように、再び一定の割合で増加する。さらに、図２（ａ）に示すように、Ｔ４からＴ５の間は、より大きな供給速度Ｌ３での水の供給が行われ、図２（ｂ）に示すように積算された水の総供給水量は、より大きな傾斜で増加する。
【００５８】
このように、残量管理装置１３は、所定の供給速度と所定の供給時間で行われた水の供給量の水量情報を、速度と時間の積算で求めることができ、これを繰り返すことで、残量管理装置１３は容器３に供給された水の総供給水量を積算、計算することができる。そして、水の供給量の積算値をＡ、水素発生物質４が全て反応して水素を発生する場合の必要な水量をＢとすれば、水素発生装置１００の水素発生部である容器３で生成できる水素の残量（％）は、（１−Ａ／Ｂ）×１００で求めることができ、この残量が例えば％表示として、表示部１４で表示される。
【００５９】
本実施形態のように、水素発生装置１００で生成される水素が燃料電池１０の燃料とされる場合には、残量管理装置１３で算出された、水素発生装置１００での水素発生量の残量は、そのまま燃料電池１０の電池残量となる。
【００６０】
なお、上記において、残量管理装置１３で行われる供給される水の水量情報の把握を、実際に容器３に供給された水量の積算値で行う場合について説明したが、本実施形態の残量管理装置１３での水量情報の把握は、この方法に限られるものではない。
【００６１】
例えば、ポンプ５での単位時間当たりの水供給速度が一定の場合や、水供給速度に大きな変動がない場合には、ポンプ５の動作時間のみを管理することで、容器３に供給された水の水量情報を把握することかできる。この場合には、残量管理装置１３で把握すべき指標が、「時間」１つのみでよく、「時間」と「供給速度」との二つの指標を管理する必要がある上記の場合よりも、より簡易に供給された水量を検出することができる。
【００６２】
また、別の場合として、ポンプ５が上記したように電動ポンプであり、特に、ポンプ５に印加される電圧の大きさと単位時間に供給される水の量との間に相関関係がある場合には、ポンプ５に印加された電圧の積算値、すなわち電圧の値とその電圧値が印加された時間との積算結果に基づいて、水量情報を把握することができる。この場合には、残量管理装置１３で管理すべき指標が、数値として把握して演算等の処理を容易に行うことができる電圧情報となるというメリットがある。
【００６３】
以上、説明したように、本実施形態の水素発生装置１００では、生成される水素の流量を検出する手段である流量計や、水素の圧力を測る圧力計など、生成された水素量を測定するための検出手段を追加することなく、水素発生装置での水素生成量を、供給される水の量から算出することができる。そして、この算出された水の供給量に基づいて、水素発生装置１００で発生させることができる水素の残量を容易に算出推定することができる。さらに、本実施形態の燃料電池システム２００では、水素発生装置１００で発生される水素の残量から、燃料電池１０の残量を測定することができる。
【００６４】
このため、小型で可搬性が高い水素発生装置、および、これを備えた燃料電池システムとして、ポータブル機器を中心とした各種の機器の電源システムとして好適に用いることができる。
【００６５】
（第２の実施形態）
次に、本発明の水素発生装置とこれを用いた燃料電池システムの第２の実施形態について、図３を用いて説明する。
【００６６】
この、第２の実施形態にかかる水素発生装置３００は、水と反応して水素を発生する水素発生物質が収容された水素発生部である容器３が、簡易に着脱可能な燃料カートリッジ１７の形式となっている点が、上記第１の実施形態における水素発生装置１００と異なっている。
【００６７】
図３は、本実施形態にかかる水素発生装置３００を備えた燃料電池システム４００の概略構成を示すブロック図である。
【００６８】
本実施形態の燃料電池システム４００は、水素発生物質が収容された水素発生部である容器３と、容器３での水素発生量を記録できる、データの読み取りと書き込みが可能なメモリ１８とが、燃料カートリッジ１７となっている点が上記第１の実施の形態と異なる。水素発生装置３００を構成するその他の部材、例えば、水貯蔵タンク１や水供給手段である電動のポンプ５や、操作部１２、表示部１１など図１に示した第１の実施形態の水素発生装置１００と同じ構成の各部材について、詳細な説明は省略する。また、水貯蔵タンク１と容器３の構成も上記図１に示した第１の実施形態の水素発生装置１００と同じ構成であるため、図３では断面図としては表していない。
【００６９】
本実施形態における水素発生装置３００の容器３は、燃料カートリッジ１７として容易に着脱可能となっている。上記、第１の実施形態の水素発生装置１００においても、水供給管６と水素導出管８に設けられた図示しない着脱機構により、容器３が分離可能であることを説明したが、本実施形態にいう燃料カートリッジ１７とは、ユーザーによって頻繁に、かつ簡易に取り替えることが可能なように構成されたユニットを示す概念である。
【００７０】
燃料カートリッジ１７に含まれるメモリ１８は、水素発生物質が収容された容器３に供給された水量の積算値が記録されており、たとえばＥＥＰＲＯＭ（電気的に消去・読み書きが可能なメモリ）で構成される。メモリ１８としては、半導体メモリなどの他にも、磁気的に書き換え可能な磁気テープ媒体や、熱的に書き換え可能なバーコード、さらには、レーザーなどによって光学的に書き換え可能な記憶媒体など、制御部１１が適宜積算された供給水量を書き込むことができ、また、制御部１１が適宜書き込まれた精算された供給水量を読み込むことができる各種のものが使用できる。
【００７１】
本実施形態において、制御部１１は、操作部１２からの発電開始の指示を受けると、燃料カートリッジ１７のメモリ１８から、燃料カートリッジ１７の容器３に供給された水の積算水量を読み込む。そして、容器３に収容されている水素発生材料の量に関する情報と照らし合わせて、水素発生物質の中ですでに水との反応が行われたものの割合を算出する。さらに、この算出された、すでに水と反応した水素発生物質の量に応じて、水素の発生を速やかに行う上で適切な量の水を容器３に供給するよう、水供給手段であるポンプ５に、所定の水量での水の供給を行わせる駆動信号を与える。また、ポンプ５が供給した水量を、供給速度と供給時間から算出し、容器３に供給された水の積算水量を更新し、これを、メモリ１８に書き込む。
【００７２】
次に、図４を用いて、本実施形態の燃料電池システムの、容器３に供給される水量の制御動作について説明する。
【００７３】
図４は、本実施形態にかかる燃料電池システムの動作を示す、フローチャートである。
【００７４】
ここで、水供給量Ａは、水素発生物質が収容された水素発生部である容器に供給された水の積算水量が、０又は所定の閾値より小さい場合に適切な水の供給量を示す。また、水供給量Ｂは、水素発生物質が収容された水素発生部に供給された水の積算水量が大きい場合に適切な水の供給量を示す。一般に、水素発生物質と水との反応が進展すると、水素発生反応の開始が遅れるため、特に、反応を開始させる初期において、水素発生物質に供給される水の量を増やすことが好ましい。従って、本実施形態の場合も、水供給量Ａ＜水供給量Ｂとなる。
【００７５】
なお、これらの水供給量Ａ、水供給量Ｂは、水素発生物質の材質や水素発生部である容器３の収容量、容器３の形状や環境温度、燃料電池１０の性能や燃料電池１０の出力として必要とされる電力量などにより適宜決定される数値である。
【００７６】
図４に示すように、操作部１２からの操作によって発電開始命令が与えられ、水素発生装置の動作が開始される。
【００７７】
ステップＳ１０１において、発電開始命令を受け取った制御部１１は、燃料カートリッジ１７のメモリ１８から、容器３に供給された積算の供給水量を読み込む。
【００７８】
ステップＳ１０２において、制御部１１が、読み込まれた積算供給水量が、所定の規定値未満であるか否かを判断する。この所定の規定値は、その値を超えると、通常の水素発生反応を開始させる条件で水素製造を開始したときに、水素の発生が遅くなってしまう閾値として定められたものである。
【００７９】
メモリ１８から読み込まれた積算の供給水量が、所定の規定未満の場合（Ｙｅｓの場合）は、次のステップＳ１０３に進んで、制御部１１は、ポンプ５に対して水供給量Ａで水を供給すべきという、供給水量の情報を伝達する。供給水量の情報が伝達されたポンプ５は、水貯蔵タンク１から容器３へ水供給量Ａで水を供給する。
【００８０】
一方、ステップＳ１０２において、メモリ１８から読み込まれた積算の供給水量が、所定の規定値未満ではない場合（Ｎｏの場合）は、ステップＳ１０４に進んで、制御部１１は、ポンプ５に対して水供給量Ｂで水を供給すべきという、供給水量の情報を伝達する。供給水量の情報が伝達されたポンプ５は、水貯蔵タンク１から容器３へ水供給量Ｂで水を供給する。
【００８１】
続いて、ステップＳ１０５において、制御部１１は、ポンプ５に伝達した供給水量情報に基づいて、水の供給速度と供給時間とから、水供給量の積算を行う。
【００８２】
この動作は、操作部１２から発電停止の指示が与えられるまで続けられる（ステップＳ１０６）。
【００８３】
発電停止の指示があった場合には、制御部１１は、ポンプ５を停止して、水の供給を停止する（ステップＳ１０７）。容器３への水の供給が停止したことにより、容器３での水と水素発生物質との水素発生反応が停止し、水素が供給されなくなったことにより燃料電池１０での発電が終了する。
【００８４】
その後、制御部１１が、算出した最新の積算供給水量をメモリ１８に書き込んで（ステップＳ１０８）、一連の作業が終了する。
【００８５】
次に、図５および図６に、図４で説明した水供給量の制御を行った場合の、水の供給量と、水素発生量との関係を示す。図５、図６におけるそれぞれのグラフの横軸は、発電開始命令が出された時点（ｔ＝０）からの時間の経過を表している。
【００８６】
図５は、水素発生部である容器３に供給された積算の水供給量が、所定の規定値未満であった場合、すなわち、水素発生物質と水との反応があまり進んでいない状態での、供給水量と、水素発生量との関係を示す。
【００８７】
この場合には、時間「ｔ＝０」から、所定の水供給量Ａでの水の供給が開始される。その結果、時刻ｔ１において水素が発生し始める。このときの供給水量Ａは、水との反応があまり進んでいない場合の水素発生物質での水素発生に適した量であるため、水素は図５に示すように発生開始後速やかに定常的な水素発生量に立ち上がっている。
【００８８】
次に、図６は、容器３に供給された積算の水供給量が、所定の規定値未満ではなかった場合、即ち、水素発生物質と水との反応がある程度以上進んでいる状態での供給水量と、水素発生量との関係を示す。
【００８９】
図６（ａ）は、本実施形態の燃料電池システムの場合であり、水素発生物質の水との反応がかなり進んでいることに対応して、水素発生部への水の供給開始時に、時刻ｔ２までの間、供給水量Ａよりも大きな供給水量Ｂで水の供給を行っている。このようにすることで、特に水素発生の開始時点で水との反応の開始が遅くなる、水との反応が進んでいる水素発生物質の場合でも、時刻ｔ３には水素の生成が開始されている。また、図５に示した場合と同じように、生成された水素量が、定常的な量まで到達する時間である、いわゆる立ち上がり時間も早くなっている。
【００９０】
ところが、図６（ｂ）に示すように、水素発生部への供給水量に関係なく、図５で示した場合の、水との反応がまだ少ない水素発生物質に供給することが適した水供給量Ａでの水供給のみを行った場合には、水素発生の開始時刻ｔ４が遅れ、その後も発生する水素量はなかなか規定の値には達せず、いわゆる立ち上がり時間が大幅に遅れる。
【００９１】
このように、本実施形態の水素発生装置３００では、燃料カートリッジ１７化されて頻繁に着脱される容器内に収容された水素発生物質に供給された水供給量を把握することができ、水素の発生を容易に、かつ、速やかに行うことができる。
【００９２】
また、本発明のように、水素発生物質に水を供給して水素を発生させる方法では、水素発生物質がどのくらいの水と反応したかという履歴によって、同じ供給量で水の供給を行ったときの水の供給を開始してから水素が発生するまでの立ち上がり時間が異なるという問題や、水と反応した水素発生物質の量が一定の割合を超えると、まだ未反応の水素発生物質が残っていても安定して水素を発生させ続けることができなくなる場合があるという問題を有していた。しかし、上記図４で示したような本実施形態の水素発生装置３００における供給水量の制御を行うことで、この問題水素発生物質の既反応量に関係する問題を解決して、速やかにかつ安定して長時間水素を発生することができる水素発生装置を実現することができる。このため、燃料電池からの発電開始が早くなり、また、水素発生物質の状態に応じた好ましい水供給量によって、水素発生物質を効果的に使用して、長時間の発電が可能な燃料電池システムを提供することができる。
【００９３】
なお、上記実施形態では、水素発生物質への積算供給水量が所定の既定値より大きい場合に、水素発生の初期における供給水量を、水との反応が進んだ水素発生物質に適した供給水量Ｂとした例について示したが、本発明の燃料電池における水供給量の制御は、この場合には限定されない。水素発生物質に供給された積算供給水量に基づいて、水素発生物質への水の供給開始時の供給水量を適切にした後も、水と水素発生物質との反応の特性に応じて、安定した水素発生が行われるようになるまでの、水供給量を少し大きなものとすることができる。このように、本発明は、制御部１１によって、より最適な水素発生条件が得られるように、適宜水の供給量の制御を行うことを妨げるものではない。
【００９４】
以上、本実施形態の説明において、メモリ１８に、水素発生物質が収容された容器３に供給された水量の積算値が記録される例を示したが、本実施形態のメモリ１８に記録される情報は、水量の積算値に限らず、上記第１の実施形態で説明した残量管理装置１３において推測された、容器３に収容された水素発生物質が発生させることができる水素量の残量であってもよい。
【００９５】
また、本実施形態において説明した、制御部が水素発生部である容器内の水素発生物質における水素発生量に応じて、水供給手段を制御して最も適切な供給速度と供給量の水を供給するという機能については、水素発生部が燃料カートリッジ化されていない第１の実施形態の水素発生装置においても適用できるものであることは言うまでもない。
【００９６】
以上のように、本実施形態として示した燃料電池システムでは、燃料カートリッジに備えられたメモリから得られる水素発生物質への積算供給水量に基づいて、水素発生物質への水供給の条件を変更することで、積算供給水量が多い燃料カートリッジでは、水素発生開始にかかる時間を短縮することができる。また、積算供給水量が少ない燃料カートリッジでは、必要以上の水の供給を行って過剰な水素発生反応を引き起こしてしまうことを防止することができる。
【００９７】
以上、本発明の実施形態として、本発明の水素発生装置と、この水素発生装置で生成された水素を燃料として用いる燃料電池とを備えた燃料電池システムについて説明したが、本発明の水素発生装置は、燃料電池の燃料としての水素を製造するものに限定されるものではない。例えば、水素貯蔵合金に貯蔵する水素を生成するものなど、各種の機器に使用または利用される水素を生成する水素発生装置として、一般的に利用できるものである。
【産業上の利用可能性】
【００９８】
以上のように本発明の水素発生装置は、その生成できる水素の残量を算出できる水素発生装置として、産業上幅広く利用可能である。また、この水素発生装置と、水素を燃料とする燃料電池を備えた燃料電池システムは、小型携帯機器用の電源をはじめとした各種の電源に幅広く利用可能である。
【符号の説明】
【００９９】
１      水貯蔵タンク
２      水
３      容器（水素発生部）
４      水素発生物質
５      ポンプ（水供給手段）
６      水供給管
８      水素導出管
１０    燃料電池
１１    制御部（水供給量制御手段）
１３    残量管理装置（残量管理手段）
１００  水素発生装置
２００  燃料電池システム
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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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【国際調査報告】
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2010026945.tif 000016
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