(57)【要約】【課題】水素ガスを発生するための化学反応を効率良く行わせることができる水素ガス発生装置を提供すること。【解決手段】燃料電池に供給する水素ガスを発生させるための水素ガス発生装置１であって、化学反応により水素ガスを発生する水素発生部Ｂと、この水素発生部Ｂに隣接配置され、化学反応を促進させるためのフィルムヒーター１４と、水素発生部Ｂとフィルムヒーター１４とを真空断熱層Ｃを介して内部に封入するための筐体部Ａとを備えた。水素発生部Ｂには、純鉄を収容する鉄収容部と、この鉄収容部に水蒸気を供給する水供給管４と、純鉄と水との反応により発生した水素ガスを送り出す水素ガス供給管３とを備えている。【選択図】図２
2006107906.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に供給する水素ガスを発生させるための水素ガス発生装置であって、
化学反応により水素ガスを発生する水素発生部と、
この水素発生部に隣接配置され、前記化学反応を促進させるための発熱部と、
水素発生部と発熱部とを断熱層を介して内部に配置するための筐体部とを備えたことを特徴とする水素ガス発生装置。
【請求項２】
前記断熱層は、真空断熱層であることを特徴とする請求項１に記載の水素ガス発生装置。
【請求項３】
前記水素発生部に設けられた鉄を収容する鉄収容部と、
この鉄収容部に水を供給する水供給管と、
鉄と水との反応により発生した水素ガスを送り出す水素ガス供給管とを備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の水素ガス発生装置。
【請求項４】
前記鉄収容部に収容される鉄は、純鉄の粉末もしくは純鉄のタブレットであることを特徴とする請求項３に記載の水素ガス発生装置。
【請求項５】
前記水供給管と水素ガス供給管は、樹脂製であることを特徴とする請求項３又は４に記載の水素ガス発生装置。
【請求項６】
前記水素発生部は、筐体部の内壁部に設けられたピポット状部材により支持されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の水素ガス発生装置。
【請求項７】
前記発熱部は、フィルムヒーターであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の水素ガス発生装置。
【請求項８】
前記筐体部は、水素発生部を収容する収容凹部が形成された本体容器と、収容凹部に蓋をする容器蓋とを備え、水素発生部と容器蓋を一体化して収容凹部に対して着脱自在に構成したことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の水素ガス発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に供給する水素ガスを発生させるための水素ガス発生装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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。燃料電池で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。
【０００３】
以上のように、燃料電池には燃料としての水素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。
【０００４】
また、下記特許文献３に開示されている水素ガス発生装置は、水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。
【０００５】
これらの従来技術に係る水素ガス発生装置の場合、次のような課題を有する。すなわち、 反応容器における反応を効率良く行わせるためには、反応に適した温度に加熱する必要があるが、そのために従来技術においても加熱手段が設けられている。特許文献３においては、この加熱手段として、抵抗加熱によるヒータや、正特性サーミスタ、化学反応の酸化熱を利用する加熱器、触媒燃焼による加熱器、誘導加熱による加熱器を用いることが開示されている。
【０００６】
しかしながら、加熱手段による加熱を行う場合に、その熱が外部に容易に逃げていく構造では加熱効率が低下し、無駄なエネルギーを消費することになる。例えば、鉄と水を反応させて水素ガスを発生する場合の適切な温度は１００℃〜３００℃であるが、効率良く反応を行わせるためには、できるだけ３００℃に近い方が望ましい。そのためにも、熱が逃げないような構造が必要とされる。
【特許文献１】特開２００４−６３１２７号公報
【特許文献２】特開２００４−５９３４０号公報
【特許文献３】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】
【０００７】
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、水素ガスを発生するための化学反応を効率良く行わせることができる水素ガス発生装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため本発明に係る水素ガス発生装置は、
燃料電池に供給する水素ガスを発生させるための水素ガス発生装置であって、
化学反応により水素ガスを発生する水素発生部と、
この水素発生部に隣接配置され、前記化学反応を促進させるための発熱部と、
水素発生部と発熱部とを断熱層を介して内部に配置するための筐体部とを備えたことを特徴とするものである。
【０００９】
この構成による水素ガス発生装置の作用・効果を説明する。化学反応により水素ガスを発生させる水素発生部と、これに隣接配置される発熱部とを備えている。発熱部を設けることで、水素発生部における水素ガス発生を促進することができる。これら水素発生部と発熱部は、筐体部の内部に封入されるが、その際に断熱層を介して封入される。従って、発熱部により熱が筐体部を介して外部に逃げ難い構造となる。その結果、水素ガスを発生するための化学反応を効率良く行わせることができる水素ガス発生装置を提供することができる。
【００１０】
本発明に係る断熱層は、真空断熱層であることが好ましい。筐体部の内部を真空引きすることにより、筐体部の内部に断熱層を形成することができる。これにより、発熱部による発熱が外部に伝わりにくくすることができる。
【００１１】
本発明において、前記水素発生部に設けられた鉄を収容する鉄収容部と、
この鉄収容部に水を供給する水供給管と、
鉄と水との反応により発生した水素ガスを送り出す水素ガス供給管とを備えていることが好ましい。
【００１２】
鉄と水を反応させることで、水素ガスを発生し、この水素ガスを水素ガス供給管を介して燃料電池に供給することができる。かかる化学反応では、二酸化炭素のような環境に対して悪影響を及ぼすガスを生成しないという利点がある。供給する水は水蒸気として供給してもよい。
【００１３】
本発明において、前記鉄収容部に収容される鉄は、純鉄の粉末もしくは純鉄のタブレットであることが好ましい。純鉄を用いることで、純水素ガスを発生し環境に対しても悪影響を与えない。また純鉄の粉末やタブレットとすることで、鉄収容部に収容するときやメンテナンス時における取り扱いが容易になる。
【００１４】
本発明において、前記水供給管と水素ガス供給管は、樹脂製であることが好ましい。これにより、供給管を介して熱が外部に伝わることを抑制することができる。
【００１５】
本発明に係る前記水素発生部は、筐体部の内壁部に設けられたピポット状部材により支持されることが好ましい。
【００１６】
水素発生部と筐体部との連結部は、発生した熱を逃がす原因となるので、できるだけ熱が伝わり難いような連結部を採用することが好ましい。そこで、水素発生部をピポット状部材により筐体部の内壁部に支持することで、熱が筐体部へと逃げることを抑制することができる。
【００１７】
本発明に係る前記発熱部は、フィルムヒーターであることが好ましい。フィルムヒーターとすることで、発熱部を薄型化することができ、水素ガス発生装置の全体の小型化に寄与することができる。
【００１８】
本発明において、前記筐体部は、水素発生部を収容する収容凹部が形成された本体容器と、収容凹部に蓋をする容器蓋とを備え、水素発生部と容器蓋を一体化して収容凹部に対して着脱自在に構成したことが好ましい。
【００１９】
水素発生部と容器蓋を一体化することで、水素発生部内の材料（例えば、純鉄の粉末やタブレット）を消費した場合に、メンテナンスを行い易くすることができる。水素発生部と容器蓋とを筐体部の収容凹部に収容することで、断熱層を介在した状態で水素発生部を筐体部内に封入することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
＜燃料電池システムの構成＞
本発明に係る水素ガス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、本発明に係る水素ガス発生装置を用いた燃料電池システムの構成を示す図である。
【００２１】
水素ガス発生装置１の構成は後で詳しく説明するが、燃料電池セルＳへ供給する燃料としての水素ガスを発生する機能を有する。燃料電池セルＳとしては、例えば、固体高分子電解質形燃料電池が使用されるが、これに限定されるものではない。水素ガス発生装置１により発生した水素ガスは、水素ガス供給管３により燃料電池セルＳへ供給される。また、水蒸気発生装置２が設けられており、水供給管４により水素ガス発生装置１へ水蒸気が供給される。水蒸気発生装置２には、水を収容する水収容部とヒーターが設けられており、水を加熱することで水蒸気を発生させ水素ガス発生装置１へ供給する。また、水素ガス発生装置１の内部には、フィルムヒーター１４が設けられ、それに通電するための加熱回路５とリード線６も設けられる。
【００２２】
＜水素ガス発生装置の構成（第１実施形態）＞
次に、図２により水素ガス発生装置１の構成を説明する。筐体部Ａとして、外部セル容器１０と容器蓋１１を備えている。外部セル容器１０は、平板状の直方体の容器形状を有している。外部セル容器１０は、例えば、ＳＵＳのような強度を有する金属材料により形成することができる。外部セル容器１０を平板状とすることで、薄型化を図ることができる。筐体部Ａの大きさとしては、例えば、１３０×１３０×２０ｍｍとすることができ、厚みｔ＝１ｍｍのプレートを機械加工することで容器の形状とすることができる。
【００２３】
筐体部Ａの内部には、水素発生部Ｂが設けられ、内部セル容器１２と容器蓋１３とを備えている。水素発生部Ｂも筐体部Ａと同様に平板状に構成することができ、これにより、薄型化を実現できる。内部セル容器１２には、純鉄を収容する収容部１２ａが設けられ、容器蓋１３により封止される。純鉄は、ナノ粒子の純鉄粉末や純鉄のタブレットの形で収容される。どのような形態で収容するかについては、特定の形態に限定されるものではない。粉末とすれば、表面積が広がり水蒸気との反応も促進される。また、タブレットの形にすれば取り扱いが容易になり好ましい。タブレットは、純鉄の粉末を金型で圧縮成形することで製造可能である。収容部１２ａに収容すべきタブレットの大きさは、適宜の大きさに設定することができる。水素発生部Ｂの大きさは、例えば、１００×１００×１０ｍｍとすることができ、厚みｔ＝１ｍｍのプレートを機械加工することで容器の形状とすることができる。
【００２４】
内部セル容器１２には、もう１つの収容部１２ｂが設けられ、フィルムヒーター１４（発熱部に相当する）が収容される。フィルムヒーター１４は、内部セル容器１２の壁面を介して純鉄が収容される収容部１２ａと隣接配置され、水素ガスが発生する化学反応を促進させる機能を有する。フィルムヒーター１４を設けることで、薄型化を維持しながら発熱部を構成することができる。内部セル容器１２と容器蓋１３は、アルミニウムのような金属材料で形成することができる。
【００２５】
水素発生部Ｂにおいて、水素を発生するときの化学反応は、次の式に示すとおりである。
［化１］
４Ｈ2Ｏ＋３Ｆｅ  →  Ｆｅ3Ｏ4＋４Ｈ2
すなわち、 純鉄に水（水蒸気）を供給すると、これらが反応し、酸化鉄と水素ガスを生成する。この化学反応では、二酸化炭素や一酸化炭素のような環境に対して悪影響を与えるガスを発生しない。すなわち、 クリーンなエネルギーであるということができる。水素ガスのみ（純水素）が、燃料電池セルＳに対して供給されることになる。
【００２６】
水素発生部Ｂにおける化学反応は、１００℃〜４００℃程度で行われる。既述したように、水素発生部Ｂを上記温度範囲となるようにするためのフィルムヒーター１４が設けられる。ここで、フィルムヒーター１４による熱がセル容器１０，１２を介して外部に逃げることを抑制することが好ましい。上記化学反応を効率良く行わせるためには、前述の温度範囲に設定する必要があり、できるだけ高い温度に設定することが特に好ましい。そこで、外部への熱の伝達を抑制するため真空断熱層Ｃを筐体部Ａと水素発生部Ｂの間に形成している。
【００２７】
従って、その真空断熱層Ｃに水素発生部Ｂを支持させることになるが、支持部を介して熱が逃げていくことを抑制するために、ピポット状部材１５，１６により支持している。すなわち、外部セル容器１０の内壁面に三角突起形状のピポット状部材１５を設け、容器蓋１１の内壁面にも同じように三角突起形状のピポット状部材１５を設ける。これにより、ピポット状部材１５と水素発生部Ｂの接触面積を小さくすることができるので、熱伝達を抑制することができる。ピポット状部材１５は、内壁面に溶接・圧入などの適宜の方法で取り付けることができる。あるいは、外部セル容器１０に打ち出し加工を行ってピポット状部材１５を一体形成するようにしてもよい。
【００２８】
内部を真空にするために、筐体部Ａの内部に水素発生部Ｂを挿入し容器蓋１１により封入する。外部セル容器１０と容器蓋１１とは適宜の方法、例えば、溶接などの手法で封止する。真空装置あるいは真空ポンプを用いて、筐体部Ａの温度を２００℃に設定し、真空度は１Ｐａ〜１×１０4Ｐａが好ましい。１Ｐａ〜１０Ｐａが特に好ましい。外部セル容器１０は、ＳＵＳで形成することで、内部を真空にした場合でも強度を確保することができる。真空引きする時の加熱は、フィルムヒーター１４を用いて行うことができる。
【００２９】
外部セル容器１０には孔１０ａ，１０ｂが形成されると共に、内部セル容器１２の容器蓋１３にも同じように孔１３ａ，１３ｂが形成される。水素ガス供給管３と水供給管４は、これらの孔を介して水素発生部Ｂに導入される。これら供給管３，４は、共に樹脂製のチューブが用いられる。樹脂製とすることで、供給管３，４を介して熱が外部に逃げることを抑制することができる。これら供給管３，４と、外部セル容器１０の孔１０ａ，１０ｂとの間は、適宜の方法（例えば、接着剤を塗布）で封止することで、内部の真空を維持する。
【００３０】
フィルムヒーター１４と加熱回路５を接続するためのリード線６（図１参照）は、外部セル容器１０に孔を形成することで通すことができるが、内部の真空を維持するために、その孔の部分は接着剤塗布等の適宜の方法により封止される。
【００３１】
＜水素ガス発生装置の構成（第２実施形態）＞
次に第２実施形態に係る水素ガス発生装置１の構成を図３により説明する。筐体部Ａは、外部セル容器２０と容器蓋２１により構成されるが、水素発生部Ｂが容器蓋２１と一体化している点（カートリッジタイプ）が特徴である。水素発生部Ｂは、内部セル容器２２と容器蓋２３により構成され、その内部に純鉄が収容される点は第１実施形態と同じである。容器蓋２１と容器蓋２３とは、供給管３，４により一体化されており、水素発生部Ｂを外部に脱出させることができる。
【００３２】
外部セル容器２０は、全体形状は平板状の直方体であるが、その内部に水素発生部Ｂを収容するための収容部２２ａが形成される。外部セル容器２０は、その内部空間２２ｂにフィルムヒーター１４が配置されており、収容部２２ａに収容される水素発生部Ｂと隣接配置される位置関係にある。これにより、効率良く水素発生部Ｂを加熱させることができる。また、内部空間２２ｂは真空断熱層Ｃとして機能し、容易に熱が逃げないようにしている。また、容器蓋２１の内部２１ａも真空断熱層Ｃとして機能する。従って、真空引きは、外部セル容器２０と容器蓋２１の内部の両方に対して行われる。このように、第２実施形態では真空断熱２重構造を採用している。
【００３３】
以上のように、水素発生部Ｂを挿脱可能なカートリッジタイプにしているので、水素発生部Ｂ内の純鉄をすべて消費した場合には、これを取り出して新しい純鉄を詰め替えるなどのメンテナンスを行い易くなる。
【００３４】
＜別実施形態＞
水素ガス発生装置の外形形状は、本実施形態のような平板状に限定されるものではなく、他の形状であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】水素ガス発生装置を用いた燃料電池システムの構成を示す図
【図２】水素ガス発生装置の構成を示す図（第１実施形態）
【図３】水素ガス発生装置の構成を示す図（第２実施形態）
【符号の説明】
【００３６】
１        水素ガス発生装置
２        水蒸気発生装置
３        水素ガス供給管
４        水供給管
１０，２０      外部セル容器
１１，２１      容器蓋
１２，２２      内部セル容器
１３，２３      容器蓋
１４      フィルムヒーター
１５      ピポット状部材
Ａ        筐体部
Ｂ        水素発生部
Ｃ        真空断熱層
Ｓ        燃料電池セル
【図１】
2006107906.tif 000003
【図２】
2006107906.tif 000004
【図３】
2006107906.tif 000005