(57)【要約】    【課題】  安全かつ簡易に水素ガスを製造することができる携帯型水素製造装置を提供することである。    【解決手段】  活性アルミニウム微粒子が収容される交換可能な密閉式カートリッジ（１２）と、カートリッジが装着される反応器本体（１８）と、カートリッジ内に所定量の水を供給するための圧送手段（３２）とを備え、圧送手段を用いてカートリッジ内に所定量の水を供給することにより、アルミニウム微粒子と水とを反応させて水素ガスを製造するように構成されていることを特徴とする携帯型水素製造装置（１０）が提供される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
携帯型水素製造装置であって、
活性アルミニウム微粒子が収容される交換可能な密閉式カートリッジと、
前記カートリッジが装着される反応器本体と、
前記カートリッジ内に所定量の水を供給するための圧送手段とを備え、
前記圧送手段を用いて前記カートリッジ内に所定量の水を供給することにより、前記アルミニウム微粒子と水とを反応させて水素ガスを製造するように構成されていることを特徴とする装置。
【請求項２】
前記カートリッジが、側壁および底壁をもつ円筒形の形状を有し、開放している頂部が、内部が密閉状態になるように薄膜シールで被覆されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記反応器本体が、前記カートリッジの側壁の外径よりも僅かに大きな内径をもつ側壁と頂壁とをもち、下方に開放した円筒形の形状を有しており、前記側壁に設けられた雌ねじに前記カートリッジの側壁に設けられた雄ねじをねじ込むことにより、前記カートリッジが装着されるように構成されていることを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記反応器本体の前記頂壁に、下方に突出し、先端が鋭利な円錐形状をもつ放熱手段が配置されており、前記反応器本体に前記カートリッジを装着すると、前記放熱手段により、前記薄膜シールが突き破られるように構成されていることを特徴とする請求項２又は３に記載の装置。
【請求項５】
前記放熱手段の少なくとも上部分が中空になっており、前記中空の部分が、複数の小孔を介して前記放熱手段の外部と連通しており、前記小孔が、斜め下方に向くように配向されており、前記小孔から前記アルミニウム微粒子に水が噴霧されるように構成されていることを特徴とする請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記圧送手段が、０．５ｍｌ〜５ｍｌの微量な水を前記カートリッジ内に断続的に供給することができるように構成された手動式圧縮ポンプ、又はピエゾ素子圧縮ポンプであることを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に、水素製造装置に関する。より詳細には、本発明は、携帯型情報通信機器への充電を可能にする小型燃料電池用の水素ガスを製造するための携帯型水素製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
水素吸蔵合金を使用した水素タンクや水素ガスを燃料とする小型燃料電池が実用化されようとしているが、小型燃料電池に用いられる水素ガスを如何にして安価かつ簡易に製造するかが重要な技術的課題となっている。従来、この目的に合致する方法として、メタノール、天然ガス等の有機分子を分解して水素を製造する方法があるが、反応器、温度、圧力等に関する技術的課題を解決することができないため、現在のところ実用化に至っていない。
【０００３】
本発明者は、金属アルミニウムその他の金属、半導体材料を使用し、その固有のエネルギーを使用して水分子を分解し、水素ガスを製造する方法を開発し、その成果について幾つかの特許出願を行っている（特許文献１〜３参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１２３５１７号公報（摩擦腐食反応を利用した水素ガス製造方法）
【特許文献２】特開２００６−０４５００４号公報（活性化処理されたアルミニウム微粒子を使用した水素ガス発生方法）
【特許文献３】特開２００６−０６３４０５号公報（活性化処理されたアルミニウム微粒子の乾燥及び保存方法）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、本発明者の開発した上記特許出願に基づく技術を基にして、安全かつ簡易に水素ガスを製造することができる携帯型水素製造装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
水分子を分解して水素ガスを製造するのは、理想的な技術である。しかし、水分子は安定な分子であるから、その分解に多量のエネルギーを注入するのは無意味である。本発明者は、産業廃棄物であるアルミニウム切削屑を原料とし、金属アルミニウムと水分子との強い反応性を利用して水分子を分解し、安価に水素ガスを製造することができる方法を開発した（特許文献２参照）。特許文献２において開示された、水との強い反応性を有するアルミニウム材（以下「活性アルミニウム微粒子」という）は、乾燥させて真空パック、水素ガス、窒素ガス等の中に封入されて保存し、運搬することが可能である。１グラムの活性アルミニウム微粒子と１グラムの水（好ましくは、純水）から、約１リットルの水素を製造することができる。
【０００７】
本発明では、活性アルミニウム微粒子を用いて、水素ガスの安全かつ簡易な製造を可能とする携帯型水素製造装置を提供するものである。
【０００８】
本願請求項１に記載の携帯型水素製造装置は、活性アルミニウム微粒子が収容される交換可能な密閉式カートリッジと、前記カートリッジが装着される反応器本体と、前記カートリッジ内に所定量の水を供給するための圧送手段とを備え、前記圧送手段を用いて前記カートリッジ内に所定量の水を供給することにより、前記アルミニウム微粒子と水とを反応させて水素ガスを製造するように構成されていることを特徴とするものである。
【０００９】
本願請求項２に記載の携帯型水素製造装置は、前記請求項１の装置において、前記カートリッジが、側壁および底壁をもつ円筒形の形状を有し、開放している頂部が、内部が密閉状態になるように薄膜シールで被覆されていることを特徴とするものである。
【００１０】
本願請求項３に記載の携帯型水素製造装置は、前記請求項２の装置において、前記反応器本体が、前記カートリッジの側壁の外径よりも僅かに大きな内径をもつ側壁と頂壁とをもち、下方に開放した円筒形の形状を有しており、前記側壁に設けられた雌ねじに前記カートリッジの側壁に設けられた雄ねじをねじ込むことにより、前記カートリッジが装着されるように構成されていることを特徴とするものである。
【００１１】
本願請求項４に記載の携帯型水素製造装置は、前記請求項２又は３の装置において、前記反応器本体の前記頂壁に、下方に突出し、先端が鋭利な円錐形状をもつ放熱手段が配置されており、前記反応器本体に前記カートリッジを装着すると、前記放熱手段により、前記薄膜シールが突き破られるように構成されていることを特徴とするものである。
【００１２】
本願請求項５に記載の携帯型水素製造装置は、前記請求項４の装置において、前記放熱手段の少なくとも上部分が中空になっており、前記中空の部分が、複数の小孔を介して前記放熱手段の外部と連通しており、前記小孔が、斜め下方に向くように配向されており、前記小孔から前記アルミニウム微粒子に水が噴霧されるように構成されていることを特徴とするものである。
【００１３】
本願請求項６に記載の携帯型水素製造装置は、前記請求項１から請求項５までのいずれか１項の装置において、前記圧送手段が、０．５ｍｌ〜５ｍｌの微量な水を前記カートリッジ内に断続的に供給することができるように構成された手動式圧縮ポンプ、又はピエゾ素子圧縮ポンプであることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の携帯型水素製造装置によれば、水素ガスを安全かつ簡易に製造することができる。本発明の装置では、カートリッジが交換可能であり、複数のカートリッジを容易に携帯したり保存したりすることができるので、利便性が極めて高い。また、本発明の装置は、構造が簡単であるため、製造コストが廉価であるとともに、故障しにくい。本発明の装置により、小型、軽量、安価なモバイル型水素製造器が完成するとともに、モバイル型燃料電池の早期実現が可能となる。また、水素吸蔵合金を使用した小型水素貯蔵タンクへの水素ガスの供給が可能になり、その結果、携帯電話、デジタルカメラ等の携帯型情報通信機器の性能が一段と向上し、情報社会の発展に寄与する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
次に図面を参照して、本発明の好ましい実施の形態に係る携帯型水素製造装置について詳細に説明する。図１は、本発明の好ましい実施の形態に係る携帯型水素製造装置の縦断面図である。図１において全体として参照符号１０で示される本発明の好ましい実施の形態に係る携帯型水素製造装置は、活性アルミニウム微粒子が収容されるカートリッジ１２を備えている。
【００１６】
カートリッジ１２は、側壁１２ａおよび底壁１２ｂをもつ円筒形の形状を有している。カートリッジ１２の開放している頂部は、内部が密閉状態になるように、薄膜シール１４で被覆されている。カートリッジ１２の側壁１２ａと底壁１２ｂは、適当な合成樹脂材料で形成されている。薄膜シール１４は、側壁１２ａおよび底壁１２ｂと同様な合成樹脂材料で形成してもよく、他の適当な材料で形成してもよい。
【００１７】
カートリッジ１２の内部には、活性アルミニウム微粒子が収容されている。カートリッジ１２の側壁１２ａの上部には、雄ねじ１２ａ１が設けられており、底壁１２ｂのほぼ中央には、溝１２ｂ１が設けられている。
【００１８】
携帯型水素製造装置１０は又、カートリッジ１２の下方に配置される台座１６を備えている。台座１６は、六角形状のベース１６ａと、ベース１６ａの上面に設けられ、カートリッジ１２の側壁１２ａの外径よりも僅かに大きな内径をもつ円筒壁１６ｂとを有している。これにより、台座１６の円筒壁１６ｂ内に、カートリッジ１２を嵌め込むことができるようになっている。なお、台座１６のベース１６ａの上面のほぼ中央には、カートリッジ１２を嵌め込んだときに溝１２ｂ１に合致するように、突起１６ａ１が設けられているため、台座１６を把持して回転させると、カートリッジ１２が台座１６とともに回転するようになっている。
【００１９】
台座１６は、携帯型水素製造装置１０の使用時に装置を自立させるのに役立つとともに、後述するように、カートリッジ１２の装着／交換作業時の持ち手としても役立つ。台座１６は、カートリッジ１２と同様な合成樹脂材料で形成してもよく、他の適当な材料で形成してもよい。なお、図示されている形態では、台座１６のベース１６ａが六角形に形作られているが、他の適当な形状（例えば、正ｎ角形（ｎ≧３）又は円形）にしてもよい。或いは、カートリッジ１２と台座１６を一体に形成してもよい。
【００２０】
携帯型水素製造装置１０は又、カートリッジ１２の上方に配置される反応器本体１８を備えている。反応器本体１８は、頂壁１８ａおよび側壁１８ｂをもち、下方に開放した円筒形の形状を有している。反応器本体１８の側壁１８ｂは、カートリッジ１２を内部に装着することができるように、カートリッジ１２の側壁１２ａの外径よりも僅かに大きな内径を有するように形作られている。反応器本体１８の側壁１８ｂの上部には、雌ねじ１８ｂ１が設けられており、カートリッジ１２の装着時にカートリッジ１２の側壁１２ａの雄ねじ１２ａ１と雌ねじ１８ｂ１が噛み合うようになっている。また、反応器本体１８の側壁１８ｂの上部には、ガスケット２０が取り付けられており、カートリッジ１２の装着時にカートリッジ１２の側壁１２ａの上縁がガスケット２０に当接して、カートリッジ１２の薄膜シール１４と反応器本体１８の頂壁１８ａとの間に、密閉空間２２が形成されるようになっている。
【００２１】
反応器本体１８の頂壁１８ａには、下方に突出した放熱手段２４が配置されている。放熱手段２４は、カートリッジ１２内における活性アルミニウム微粒子と水との反応によって生ずる熱を拡散させるために、アルミニウム又はステンレス鋼で形成されている。放熱手段２４は、先端２４ａが鋭利に形作られた円錐形状を有しており、これによりカートリッジ１２の装着時にカートリッジ１２の薄膜シール１４を突き破ることができるようになっている。
【００２２】
放熱手段２４の少なくとも上部分２４ｂは中空になっており、中空の部分２４ｂは、複数の小孔２４ｃを介して外部と連通している。好ましくは、中空部分２４ｂ内に、合成樹脂材料製の内装管２４ｄが嵌め込まれており、内装管２４ｄには、小孔２４ｃに対応する箇所に孔２４ｄ１が設けられている。これは、アルミニウム又はステンレス鋼製の放熱手段２４に所要の小孔を形成するのが容易ではないため、加工の容易な合成樹脂材料製の内装管２４ｄを嵌め込んだものである。小孔２４ｃは、図２に示されるように、放熱手段２４の中心軸線に対して角度αをなして斜め下方に向くように配向されている。小孔２４ｃは、後述するように、カートリッジ１２内に給水する際のノズルの役目を果たす。なお、本発明者の行った実験によれば、角度αは、約４０°〜約６０°であるのが好ましく、約４５°であるのが最も好ましい。
【００２３】
また、反応器本体１８の頂壁１８ａには、水素ガスを装置１０の外部に放出させるための第１弁２６と、反応器本体１８の内部が高圧になるのを回避するための第２弁（図示せず）が配置されている。第１弁２６ａおよび第２弁は、通常の型式のものを使用してよい。
【００２４】
携帯型水素製造装置１０は更に、反応器本体１８に隣接して配置される水供給部２８を備えている。水供給部２８は、水タンク３０と、カートリッジ１２内に所定量の水を供給するための圧送手段３２とを有している。
【００２５】
圧送手段３２は、水平方向に延びたシリンダ３２ａと、シリンダ３２ａ内に挿入されるピストン３２ｂと、シリンダ３２ａと連通している管路３２ｃとを有している。管路３２ｃの一端は、カップリング３４を介して、放熱手段２４の中空の部分２４ｂと連通しており、管路３２ｃの他端は、水タンク３０と連通している。圧送手段３２は、０．５ｍｌ〜５ｍｌの微量な水をカートリッジ１２内の活性アルミニウム微粒子に断続的に供給することができるように構成されている。これは、１度に多量の水を供給すると水素生成反応が爆発的に進行して危険であるからである。なお、参照符号３６は、水タンク３０と管路３２ｃとを隔離するための第１逆止弁ボール、参照符号３８は、反応器本体１８と管路３２ｃとを隔離するための第２逆止弁ボールを示している。
【００２６】
以上のように構成された携帯型水素製造装置１０の使用について説明する。まず最初に、台座１６に嵌め込んだ新しいカートリッジ１２を反応器本体１８内に挿入し、台座１６を把持して回転させる。すると、カートリッジ１２の雄ねじ１２ａ１と反応器本体１８の雌ねじ１８ｂ１とが噛み合って、カートリッジ１２が反応器本体１８に装着される。それとともに、放熱手段２４の先端２４ａにより、カートリッジ１２の薄膜シール１４が突き破られる。なお、カートリッジ１２の装着時に側壁１２ａの先端がガスケット２０に当接するため、反応器本体１８の上部に密閉空間２２が形成される。
【００２７】
このような状態でピストン３２ｂを図１の矢印の方向へ押すと、管路３２ｃ内の水がカップリング３４の通路を介して放熱手段２４の中空の部分２４ｂに送られ、小孔２４ｃからカートリッジ１２内の活性アルミニウム微粒子に水が噴霧される。すると、活性アルミニウム微粒子と水が反応して、水素が製造される。製造された水素は、第１弁２６を介して利用に供される。また、第２弁が設けられているので、水素の製造時に、反応器本体１８の内部が高圧になるのを防ぐことができる。
【００２８】
なお、ピストン３２ｂを押すと、第１逆止弁ボール３６が水タンク３０との通路３０ａを閉鎖するので、管路３２ｃと水タンク３０が隔離され、ピストン３２ｂを引くと、第１逆止弁ボール３６が通路３０ａから離れるので、管路３２ｃに水が流入するようになっている。
【００２９】
本発明は、以上の発明の実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で、種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。
【００３０】
たとえば、前記実施の形態において示されているシリンダ３２ａ、ピストン３２ｂ、管路３２ｃ等の形態はひとつの実施例にすぎず、カートリッジ１２内に適切に水を供給することができるのであれば、他の形態（例えば、図４に示されるように、ピストンが垂直方向に配置されるような形態）を採用してもよい。
【００３１】
また、圧送手段として手動圧縮ポンプが使用されているが、圧送手段としてピエゾ素子圧縮ポンプを使用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の好ましい実施の形態に係る携帯型水素製造装置の縦断面図である。
【図２】図１の部分２の拡大図である。
【図３】図１の装置の分解縦断面図である。
【図４】ピストンが垂直方向に配置される変形形態を示した縦断面図である。
【符号の説明】
【００３３】
１０  携帯型水素製造装置
１２  カートリッジ
１４  薄膜シール
１６  台座
１８  反応器本体
２０  ガスケット
２２  空間
２４  放熱手段
２６  第１弁
２８  水供給部
３０  水タンク
３２  圧送手段
３２ａ  シリンダ
３２ｂ  ピストン
３２ｃ  管路
３４  カップリング
３６、３８  逆止弁ボール
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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