(57)【要約】【課題】加熱手段を用いなくても、簡易な装置構成で反応開始時に潜熱を供給して、反応の立ち上げを急速に行うことができる水素発生装置、及び水素発生方法を提供する。【解決手段】発熱反応により水素を発生させる反応部２と、その反応部２と熱交換を行う蓄熱部１とを備える水素発生装置であって、前記蓄熱部１には、反応開始時の温度にて過冷却液体である蓄熱材１ａと、その蓄熱材に物理的刺激を与えることができる起動手段１ｂとを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱反応により水素を発生させる反応部と、その反応部と熱交換を行う蓄熱部とを備える水素発生装置であって、
前記蓄熱部には、反応開始時の温度にて過冷却液体である蓄熱材と、その蓄熱材に物理的刺激を与えることができる起動手段とを備える水素発生装置。
【請求項２】
前記起動手段は、外力による変形によって、前記蓄熱材を過冷却液体から凝固可能な機械的刺激を発生させるものである請求項１記載の水素発生装置。
【請求項３】
蓄熱材と熱交換可能な状態で発熱反応により水素を発生させる水素発生方法であって、
反応開始時に、過冷却液体である蓄熱材に物理的刺激を与えて凝固させる段階を含む水素発生方法。
【請求項４】
外力による変形によって前記蓄熱材を過冷却液体から凝固させる請求項３記載の水素発生方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミニウム等と水等の反応のように、発熱反応により水素を発生させる反応部を備える水素発生装置、および水素発生方法に関し、特に燃料電池に水素を供給するための技術として有用である。
【背景技術】
【０００２】
従来、鉄等の金属と水とを反応させて水素を発生させる水素発生装置として、水を収納するためのタンクと、鉄等を収納する反応容器と、前記タンクから前記反応容器に水を供給する導入管とを備えた水素発生装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この水素発生装置では、抵抗ヒータにより反応容器を１００〜４００℃に加熱して反応を行っている。
【０００３】
しかしながら、この水素発生装置では、反応温度がかなり高く、また、発熱のための消費エネルギーも多くなるため、携帯機器用の燃料電池に供給するための水素発生装置として不適切であった。
【０００４】
また、室温付近で水素を発生させる水素発生装置として、アルミニウムを水中で切削加工等して新生表面を生成しつつ、水とアルミニウムとを反応させる装置が知られている（例えば、特許文献２参照）。しかし、この水素発生装置では、装置が大がかりで複雑であるため、小型の水素発生装置には不向きであった。
【０００５】
更に、常温で安定的に水素を生成させることができる水素発生剤として、アルミニウム粉末と酸化カルシウム粉末とを含んでなる水素発生剤が知られている（例えば、特許文献３参照）。この水素発生剤を用いると、酸化カルシウム粉末と水とが反応して発熱し、これにより系の温度が上昇して、加熱手段なしでも十分な反応速度が得られる。
【０００６】
しかしながら、このような水素発生剤を使用する場合でも、反応の初期には系の温度が低くなるため、反応の立ち上がりが遅くなるという問題があった。
【０００７】
一方、下記の特許文献４には、メタノールなどを改質して生成した水素ガスを燃料電池に供給する装置として、潜熱利用型の蓄熱材を用いて反応部位の温度を所定の温度帯に調整する熱交換装置を付加した装置が開示されている。
【０００８】
しかし、この装置は、反応温度が２００〜８００℃の場合を想定しており、加熱手段を併用すると共に、加熱手段による供給熱量が不足した場合に、系の温度が低下し、これによって蓄熱材が凝固する際に発生する潜熱によって、不足した熱量を補う機構になっている。このため、加熱手段が常に必要であり、また、改質反応等の開始時期に蓄熱材から潜熱を供給できるものではない。
【０００９】
【特許文献１】特開２００４−１４９３９４号公報
【特許文献２】特開２００１−３１４０１号公報
【特許文献３】特開２００４−２３１４６６号公報
【特許文献４】特開平９−３０６５３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
そこで、本発明の目的は、加熱手段を用いなくても、簡易な装置構成で反応開始時に潜熱を供給して、反応の立ち上げを急速に行うことができる水素発生装置、及び水素発生方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的は、下記の如き本発明により達成できる。      
即ち、本発明の水素発生装置は、発熱反応により水素を発生させる反応部と、その反応部と熱交換を行う蓄熱部とを備える水素発生装置であって、前記蓄熱部には、反応開始時の温度にて過冷却液体である蓄熱材と、その蓄熱材に物理的刺激を与えることができる起動手段とを備えることを特徴とする。
【００１２】
本発明の水素発生装置によると、反応開始時において、蓄熱材が過冷却液体であり、起動手段により蓄熱材に物理的刺激を与えることで、蓄熱材が凝固し潜熱が生成し、これと熱交換して反応部の温度が上昇するため、反応の立ち上げを急速に行うことができる。また、発熱反応で生成した熱により、蓄熱材が融解して蓄熱が行われ、反応終了後には過冷却液体となるため、再びこの潜熱を反応再開時に利用することができる。その結果、加熱手段を用いなくても、簡易な装置構成で反応開始時に潜熱を供給して、反応の立ち上げを急速に行うことができる。
【００１３】
上記において、前記起動手段は、外力による変形によって、前記蓄熱材を過冷却液体から凝固可能な機械的刺激を発生させるものであることが好ましい。この構成によると、電力などを使用しなくても、人力等によって反応開始時に潜熱供給を開始することができるため、より装置構成が簡易になり、小型化や省エネルギー化に特に有利になる。
【００１４】
一方、本発明の水素発生方法は、蓄熱材と熱交換可能な状態で発熱反応により水素を発生させる水素発生方法であって、反応開始時に、過冷却液体である蓄熱材に物理的刺激を与えて凝固させる段階を含むことを特徴とする。
【００１５】
本発明の水素発生方法によると、反応開始時に、過冷却液体である蓄熱材に物理的刺激を与えて凝固させるため、蓄熱材から潜熱が生成し、これと熱交換して反応部の温度が上昇するため、反応の立ち上げを急速に行うことができる。また、発熱反応で生成した熱により、蓄熱材が融解して蓄熱が行われ、反応終了後には過冷却液体となるため、再びこの潜熱を反応再開時に利用することができる。その結果、加熱手段を用いなくても、簡易な装置構成で反応開始時に潜熱を供給して、反応の立ち上げを急速に行うことができる。
【００１６】
上記において、外力による変形によって前記蓄熱材を過冷却液体から凝固させることが好ましい。この場合、電力などを使用しなくても、人力等によって反応開始時に潜熱供給を開始することができるため、より装置構成が簡易になり、小型化や省エネルギー化に特に有利になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の水素発生装置の一例を蓄熱サイクルと共に示す説明図である。
【００１８】
本発明の水素発生装置は、図１に示すように、発熱反応により水素を発生させる反応部２と、その反応部２と熱交換を行う蓄熱部１とを備えるものである。本実施形態では、反応部２を構成する内側容器の外周に蓄熱部１が設けられている例を示す。
【００１９】
反応部２では、水素を発生させる発熱反応が行われるが、この反応は、例えば、水素発生剤と反応液との反応によって行うことができる。水素発生剤としては、水等と反応して水素を発生する金属、例えばＦｅ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｓｉなどから選ばれる１種以上の金属の粒子や、これらが部分的に酸化された金属の粒子が挙げられる。また、水素発生剤は触媒成分を含むものであってもよい。水素発生剤は、粉末状であってもよく、造粒、又はタブレット化したものであってもよい。
【００２０】
反応液としては、水素発生剤と反応して水素を発生させるものであれば何れでもよく、例えば水や、酸等を含む水溶液などが挙げられる。水素発生剤と反応液との混合比率は、反応の種類に応じて適宜決定することができる。
【００２１】
本発明では、室温（２５℃）の環境下において、自己発熱により例えば３０〜１００℃、好ましくは４０〜６０℃で反応が行えるような水素発生剤と反応液との組合せが好ましい。このような反応系であると、蓄熱部１への蓄熱と蓄熱部１からの潜熱供給とがより好適に行えるようになる。
【００２２】
反応部２と蓄熱部１との熱交換は、内側容器の壁面を介して行うことができるため、内側容器は、アルミニウムなどの金属で形成するのが好ましい。本実施形態では、６面の壁面で熱交換が可能であるが、４面で行ったり、１面で行うことも可能である。また伝熱面積を増加させるために、内側容器の外面に伝熱フィンなどを設けることも可能である。
【００２３】
反応部２で反応を行う際には、例えば反応液供給口２ａから水等が供給され、発生した水素は排出口２ｂから排出される。
【００２４】
前記蓄熱部１には、反応開始時の温度にて過冷却液体である蓄熱材１ａと、その蓄熱材に物理的刺激を与えることができる起動手段１ｂとを備える。本実施形態では、外力による変形によって、蓄熱材１ａを過冷却液体から凝固可能な機械的刺激を発生させる起動手段１ｂを用いる例を示す。
【００２５】
反応開始時の温度としては、使用状況に応じて決定されるが、室温（例えば２５℃）や加熱環境下（例えば３０〜５０℃）において、使用することができる。
【００２６】
蓄熱材１ａとしては、融点が４０〜１００℃のものが好ましく、４５〜８０℃のものがより好ましい。融点が４０℃未満であると、凝固する際に潜熱が発生しても昇温幅が小さくなる傾向があり、融点が１００℃を超える場合、過冷却液体を維持できる温度が高くなり、使用温度が高い温度に制限される傾向がある。
【００２７】
上記のような融点を有する蓄熱材（ＰＣＭ）１ａとしては、例えば酢酸ナトリウム３水和塩（融点５８．０℃）、水酸化バリウム８水和塩（融点７８．０℃）などが挙げられる。その他、多くの蓄熱材１ａが市販されており、それを使用することができる。
【００２８】
起動手段１ｂとしては、人力、振動などの外力の他、電気信号などによって、蓄熱材１ａを過冷却液体から凝固可能なものでもよい。図１に示す例では、外力（押し付け力）によりバネ素材が変形して応力を蓄積し、一定以上に変形すると蓄積した応力が復元して、押し付け側に瞬時に変形し、その際に機械的刺激を発生する起動手段１ｂを使用している。
【００２９】
この起動手段１ｂは逆方向に外力を加えることによりリセットすることができ、再使用することができる。図１に示す例では、起動手段１ｂを設ける部分を柔軟な素材で形成しておき、起動手段１ｂの枠部を同じ方向に押し付けることによって、起動手段１ｂをリセットすることができる。
【００３０】
本発明の水素発生方法は、以上のような水素発生装置を用いて好適に行うことができる。即ち、本発明の水素発生方法は、蓄熱材と熱交換可能な状態で発熱反応により水素を発生させる水素発生方法であって、反応開始時に、過冷却液体である蓄熱材に物理的刺激を与えて凝固させる段階を含むものである。
【００３１】
図１に基づいて、本発明を更に具体的に説明すると、次のようになる。なおこの例では、融点５８℃の蓄熱材を使用することを想定している。
【００３２】
まず、反応開始のために、予め水等が反応部２に供給されるが、それだけでは系の昇温速度が低く、反応速度も小さい。このため、起動手段１ｂによって物理的刺激を与えて、過冷却液体である蓄熱材（ＰＣＭ）１ａを凝固させる。これにより凝固熱（潜熱）が発生し、約６０℃まで蓄熱材１ａの温度が上昇し、反応部２が熱交換により加熱され、水素ガスの発生のための発熱反応が促進される。これにより反応が進んで自己発熱が生じ、系を約９０℃まで昇温させることができる。
【００３３】
反応部２が昇温すると、そこからの熱交換により蓄熱材１ａが加熱され、これが固体から液化することで潜熱が蓄熱材１ａに蓄熱される。この潜熱は、上記と同じ方法で再び利用することができ、蓄熱サイクルが構成される。但し、反応部２の水素発生剤は、消費されるため、その交換又は追加が必要となる。
【００３４】
本発明の水素発生方法では、過冷却液体である蓄熱材に物理的刺激を与えて凝固させる方法であれば、いずれの方法でもよいが、上記のように、外力による変形によって蓄熱材を過冷却液体から凝固させる方法が特に好ましい。
【００３５】
本発明によると、加熱手段を用いなくても、簡易な装置構成で反応開始時に潜熱を供給して、反応の立ち上げを急速に行うことができるため、発生した水素ガスを燃料電池に供給する用途に好適に使用することができる。また、簡易な装置構成ゆえに、小型化や軽量化にも容易に対応することができるので、特に携帯機器類の電源となる燃料電池へ、水素ガスを供給するのに使用するのが好ましい。
【００３６】
［他の実施形態］
（１）前述の実施形態では、加熱手段を設けない例を示したが、本発明では、廃熱を利用して系を加熱したり、別途加熱手段を設けることも可能である。その場合にも、加熱下の温度において、反応開始時に過冷却液体である蓄熱材が使用される。
【００３７】
（２）前述の実施形態では、起動手段１ｂを図１に示すように設ける例を示したが、本発明では、図２に示すように蓄熱材を入れる外側容器とは別に、これと連通させた柔軟な袋部に起動手段１ｂを配置することも可能である。
【００３８】
これによっても、起動手段１ｂにより発生した機械的刺激で凝固作用が生じ、これが外側容器の内部の蓄熱材に伝達して、全体を凝固させることができる。柔軟な袋部は、例えば樹脂やゴム等で形成することができる。なお、起動手段１ｂとしては、蓄熱材に物理的刺激を与えることができるものであればいずれでもよく、外力の入力が可能な窓部などで構成されていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の水素発生装置の一例を蓄熱サイクルと共に示す説明図
【図２】本発明の水素発生装置の他の例を示す斜視図
【符号の説明】
【００４０】
１      蓄熱部
１ａ    蓄熱材
１ｂ    起動手段
２      反応部
【図１】
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【図２】
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