(57)【要約】【課題】小型化および構造の簡素化を達成された発電装置を提供する。【解決手段】発電装置１は，複数の水素発電セル５〜９を有するセルスタック２と，そのセルスタック２に水素を供給すベく，被加熱下の水素吸蔵材ＭＨより水素を放出する第１水素貯蔵器３と，セルスタック２から排出された水素を貯蔵すべく，その水素を被冷却下の水素吸蔵材ＭＨに吸蔵させる第２水素貯蔵器４とを備えている。水素発電セル５〜９は，固体電解質１０と，負極１１と，正極１２とを有する。負極１１は，供給された水素より，固体電解質１０に向かう水素イオンと外部回路２０に向かう電子とを生成する。固体電解質１０は水素イオンを負極１１から正極１２に移動させる。正極１２は固体電解質１０からの水素イオンおよび外部回路２０からの電子を受容してそれら水素イオンおよび電子より水素を生成する。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの水素発電セル（５〜９）と，その水素発電セル（５〜９）に水素を供給すベく，被加熱下の水素吸蔵材（ＭＨ）より水素を放出する第１水素貯蔵器（３）と，前記水素発電セル（５〜９）から排出された水素を貯蔵すべく，その水素を被冷却下の水素吸蔵材（ＭＨ）に吸蔵させる第２水素貯蔵器（４）とを備え，前記水素発電セル（５〜９）は，固体電解質（１０）と，その固体電解質（１０）を挟む負極［１１，６９（７４）］および正極［１２，７４（６９）］とを有し，前記負極［１１，６９（７４）］は，供給された水素より，前記固体電解質（１０）に向かう水素イオンと外部回路（２０）に向かう電子とを生成する機能を有し，前記固体電解質（１０）は前記水素イオンを前記負極［１１，６９（７４）］から前記正極［１２，７４（６９）］に移動させる機能を有し，前記正極［１２，７４（６９）］は前記固体電解質（１０）からの前記水素イオンおよび前記外部回路（２０）からの前記電子を受容してそれら水素イオンおよび電子より水素を生成する機能を有することを特徴とする発電装置。
【請求項２】
前記第１および第２水素貯蔵器（３，４）は，一方が水素放出過程にあるとき，他方が水素貯蔵過程にあるように，両過程を交互に繰返すようになっている，請求項１記載の発電装置。
【請求項３】
前記固体電解質（１０）における水素移動方向が常に一定である，請求項２記載の発電装置。
【請求項４】
前記第１および第２水素貯蔵器（３，４）の水素放出過程および水素貯蔵過程の繰返しに応じて前記固体電解質（１０）における水素移動方向が反転する，請求項２記載の発電装置。
【請求項５】
固体電解質（１０）と，その固体電解質（１０）を挟む負極［１１，６９（７４）］および正極［１２，７４（６９）］とを有し，前記負極［１１，６９（７４）］は，供給された水素より，前記固体電解質（１０）に向かう水素イオンと外部回路（２０）に向かう電子とを生成する機能を有し，前記固体電解質（１０）は前記水素イオンを前記負極［１１，６９（７４）］から前記正極［１２，７４（６９）］に移動させる機能を有し，前記正極［１２，７４（６９）］は前記固体電解質（１０）からの前記水素イオンおよび前記外部回路（２０）からの前記電子を受容してそれら水素イオンおよび電子より水素を生成する機能を有することを特徴とする水素発電セル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は発電装置，特に，低温排熱を電気に変換することが可能な発電装置および水素発電セルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来，低温排熱を利用した発電装置としては，低温排熱による水素吸蔵材の水素放出圧と，別の水素吸蔵材の水素吸蔵圧との間に生じた圧力差を回転翼の回転といった機械エネルギに変換し，その回転翼によって発電機のロータを回転させるようにしたものが知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら従来の発電装置は，大型で，構造が複雑なだけでなく，騒音も大であり，その上，エネルギ回収率も低い，という問題があった。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は，小型化および構造の簡素化を達成されると共に静粛で，且つエネルギ回収率の高い前記発電装置を提供することを目的とする。
【０００５】
前記目的を達成する本発明によれば，少なくとも１つの水素発電セルと，その水素発電セルに水素を供給すベく，被加熱下の水素吸蔵材より水素を放出する第１水素貯蔵器と，前記水素発電セルから排出された水素を貯蔵すべく，その水素を被冷却下の水素吸蔵材に吸蔵させる第２水素貯蔵器とを備え，前記水素発電セルは，固体電解質と，その固体電解質を挟む負極および正極とを有し，前記負極は，供給された水素より，前記固体電解質に向かう水素イオンと外部回路に向かう電子とを生成する機能を有し，前記固体電解質は前記水素イオンを前記負極から前記正極に移動させる機能を有し，前記正極は前記固体電解質からの前記水素イオンおよび前記外部回路からの前記電子を受容してそれら水素イオンおよび電子より水素を生成する機能を有する発電装置が提供される。
【０００６】
前記のように構成すると，第１水素貯蔵器から放出された高圧の水素を水素発電セルを通過させて低圧側の第２水素貯蔵器に貯蔵させる，といった水素の流れを形成することによって発電が行われる。したがって，この発電装置は小型化および構造の簡素化を容易に達成され，また静粛である。さらに第１水素貯蔵器の水素吸蔵材として低温排熱により水素の放出を行うものを選定することによって，その低温排熱を，その損失量を極力抑えつつ放出水素量として回収し，その放出水素量に応じた電気量を得ることが可能である。したがって，この発電装置は高いエネルギ回収率を有する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１，図２において，発電装置１は，少なくとも１つの水素発電セル，実施例では複数の水素発電セルを有するセルスタック２と，そのセルスタック２に水素を供給すべく，被加熱下の，水素吸蔵材としての水素吸蔵合金粉末ＭＨより水素を放出する第１水素貯蔵器３と，セルスタック２から排出された水素を貯蔵すべく，その水素を被冷却下の，水素吸蔵材としての水素吸蔵合金粉末ＭＨに吸蔵させる第２水素貯蔵器４とを備えている。
【０００８】
セルスタック２は，薄板状をなす水素発電セルを，例えば１００枚積層して構成されているが，実施例では，便宜上，第１〜第５水素発電セル５〜９が用いられ，且つそれらは，図面において非常に厚く描かれている。
【０００９】
第１〜第５水素発電セル５〜９は，固体電解質１０と，その固体電解質１０を挟む２枚の負極１１および正極１２と，両電極１１，１２の外側にそれぞれ配置されたセパレータ１３とを有する。実施例においては，両外側のセパレータ１３はそれぞれ第１，第５水素発電セル５，９の専用であるが，それらのセパレータ１３よりも内側に在る各セパレータ１３は相隣る両水素発電セル５，６；６，７；７，８；８，９において共用されている。外側の各専用セパレータ１３は電極側の一面にのみ複数の水素通路１４を有し，内側の各共用セパレータ１３は両面にそれぞれ複数の水素通路１４を有する。
【００１０】
負極１１と正極１２の配列は次の通りである。即ち，第１水素発電セル５においては外側に負極１１が配置され，また第５水素発電セル９においては外側に正極１２が配置され，さらに第１，第２水素発電セル５，６間および第３，第４水素発電セル７，８間においてはそれぞれ共用セパレータ１３の両側に正極１２が配置され，さらにまた第２，第３水素発電セル６，７および第４，第５水素発電セル８，９間においてはそれぞれ共用セパレータ１３の両側に負極１１が配置されている。
【００１１】
第１，第５水素発電セル５，９において，外側のセパレータ１３にそれぞれ端板１５が当てられ，また各端板１５外周部と第１，第５水素発電セル５，９の固体電解質１０外周部との間に，負極１１およびセパレータ１３ならびに正極１２およびセパレータ１３を囲むように環状ガスケット１６が配置され，さらに相隣る両水素発電セル５，６；６，７；７，８；８，９の両固体電解質１０外周部間に両電極１１，１１；１２，１２およびセパレータ１３を囲むように環状ガスケット１６が配置される。両端板１５外周部，全部のガスケット１６および全部の固体電解質１０外周部を複数のボルト１７が貫通しており，両端板１５から突出している各ボルト１７両端の雄ねじ部にそれぞれナット１８をねじ込むことによって，各水素発電セル５〜９が両端板１５間に挟着される。
【００１２】
固体電解質１０としては，固体高分子電解質膜，例えば，デュポン社製，Ｎａｆｉｏｎが用いられ，また両電極１１，１２はそれぞれ白金微粒子（触媒）を担持したカーボン繊維およびバインダよりなり，さらにセパレータ１３は炭素材料よりなる。またガスケット１６はフッ素ゴム系材料よりなる。
【００１３】
第１水素発電セル５の負極１１はリード線１９を介して外部回路である電気機器２０の負極端子に接続される。一方，第５水素発電セル９の正極１２はリード線２１を介して電気機器２０の正極端子に接続される。
【００１４】
第１〜第５水素発電セル５〜９において，負極１１および正極１２はそれぞれリード線２２〜２６を介して接続される。また第１水素発電セル５の正極１２は第２水素発電セル６の負極１１とリード線２７を介して接続され，第２水素発電セル６の正極１２は第３水素発電セル７の負極１１とリード線２８を介して接続され，第３水素発電セル７の正極１２は第４水素発電セル８の負極１１とリード線２９を介して接続され，第４水素発電セル８の正極１２は，第５水素発電セル９の負極１１とリード線３０を介して接続される。
【００１５】
第１，第２水素貯蔵器３，４は同一の構造を有するもので，水素吸蔵合金粉末ＭＨを充填した耐圧性内筒体３１と，その内筒体３１を囲む外筒体３２とを有する。各内筒体３１内において，水素吸蔵合金粉末ＭＨ内には加熱媒体を流す熱交換管３３が埋込まれており，また内，外筒体３１，３２間の空間は冷却媒体用通路３４として機能する。
【００１６】
排熱源３５の出口に熱供給管３６が接続され，その管３６は２本に分岐していて，第１開閉弁３７を有する一方の分岐管３８が第１水素貯蔵器３の熱交換管３３の一端に，また第２開閉弁３９を有する他方の分岐管４０が第２水素貯蔵器４の熱交換管３３の一端にそれぞれ接続される。第１水素貯蔵器３の熱交換管３３の他端に第３開閉弁４１を有する排出管４２の一端が接続され，その他端は大気に開放されている。同様に，第２水素貯蔵器４の熱交換管３３の他端に第４開閉弁４３を有する排出管４４の一端が接続され，その他端は大気に開放されている。
【００１７】
冷却媒体としては空気が用いられるもので，空気ポンプ４５の吐出口に空気供給管４６が接続され，その管４６は２本に分岐していて，第５開閉弁４７を有する一方の分岐管４８が第１水素貯蔵器３の冷却媒体用通路３４の入口４９に，また第６開閉弁５０を有する他方の分岐管５１が第２水素貯蔵器４の冷却媒体用通路３４の入口４９にそれぞれ接続される。両冷却媒体用通路３４の出口５２はそれぞれ大気に開放されている。
【００１８】
第１水素貯蔵器３において，その内筒体３１の水素出入口に第１基管５３の一端が接続され，その第１基管５３の他端側には３本の第１，第２，第３枝管５４，５５，５６の一端が，それらの間に所定の間隔をとって接続されている。第１枝管５４の他端は第１水素発電セル５における外側のセパレータ１３に，また第２枝管５５の他端は第２，第３水素発電セル６，７の共用セパレータ１３に，さらに第３枝管５６の他端は第４，第５水素発電セル８，９の共用セパレータ１３にそれぞれ接続され，各枝管５４〜５６は，各セパレータ１３の各水素通路１４が集合する部分に連通する。
【００１９】
第２水素貯蔵器４において，その内筒体３１の水素出入口に第２基管５７の一端が接続され，その第２基管５７の他端側には３本の第４，第５，第６枝管５８，５９，６０の一端が，それらの間に所定の間隔をとって接続されている。第４枝管５８の他端は第１，第２水素発電セル５，６の共用セパレータ１３に，また第５枝管５９の他端は第３，第４水素発電セル７，８の共用セパレータ１３に，さらに第６枝管６０の他端は第５水素発電セル９における外側のセパレータ１３にそれぞれ接続され，各枝管５８〜６０は，各セパレータ１３の各水素通路１４が集合する部分に連通する。
【００２０】
第１基管５３において，第１水素貯蔵器３と第１枝管５４の接続部との間に第１三方弁６１が，その第１，第２ポートａ，ｂを用いて装置される。第１三方弁６１の第３ポートｃに第１連通管６２の一端が接続され，その他端は，第２基管５７において，第２水素貯蔵器４と第４枝管５８接続部との間に接続される。第２基管５７において，第２水素貯蔵器４と第１連通管６２の接続部との間に第２三方弁６３が，その第１，第３ポートａ，ｃを用いて装置される。第２三方弁６３の第２ポートｂに第２連通管６４の一端が接続され，その他端は，第１基管５３において，第１三方弁６１と第１枝管５４接続部との間に接続される。
【００２１】
水素発電セル５（〜９）による発電原理を示す図３において，負極１１側に在るセパレータ１３の各水素通路１４に水素吸蔵合金粉末ＭＨから放出された高圧の水素Ｈ２　を供給すると，負極１１において，供給された水素Ｈ２　より，固体電解質１０に向かう水素イオンＨ＋　と電気機器２０に向かう電子ｅ−　とが生成される（Ｈ２　→２Ｈ＋　＋２ｅ−　）。また固体電解質１０においては水素イオンＨ＋　の，負極１１から正極１２への移動が行われる。さらに正極１２においては，固体電解質１０からの水素イオンＨ＋　および電気機器２０からの電子ｅ−　の受容が行われてそれら水素イオンＨ＋　および電子ｅ−　より水素Ｈ２　が生成される（２Ｈ＋　＋２ｅ−　→Ｈ２　）。この水素Ｈ２　は正極１２側，つまり水素放出側よりも低圧の水素吸蔵側に在るセパレータ１３の各水素通路１４を流通する。このように高圧側から低圧側への水素の流れを形成することによって発電が行われる。
【００２２】
図１の発電装置１において，水素吸蔵合金粉末ＭＨとして，水素放出温度が８０℃であり，且つ水素吸蔵温度が３０℃であるＴｉＣｏ０．５　Ｍｎ０．５　合金粉末を第１，第２水素貯蔵器３，４の内筒体３１に充填した。また排熱源３５から排出される８０℃の温排水を水素吸蔵合金粉末ＭＨの加熱に，さらに２０℃の大気を水素吸蔵合金粉末ＭＨの冷却にそれぞれ用いることとした。さらにまたセルスタック２において，固体電解質１０であるＮａｆｉｏｎの有効膜面積を１００ｃｍ２　（１０ｃｍ×１０ｃｍ）に，また水素発電セルの枚数を１００枚にそれぞれ設定した。
【００２３】
さらに第１，第３，第６開閉弁３７，４１，５０を「開」にし，一方，第２，第４，第５開閉弁３９，４３，４７を「閉」にした。また第１三方弁６１の第１，第２ポートａ，ｂ間を連通させ，一方，第２三方弁６３の第１，第３ポートａ，ｃ間を連通させた。
【００２４】
この状態において，排熱源３５から８０℃の温排水を第１水素貯蔵器３に供給して，その水素吸蔵合金粉末ＭＨより水素を，放出圧力約１ＭＰａにて放出させた。放出された水素は，第１基管５３から第１〜第３枝管５４〜５６を経てセルスタック２における各負極１１側のセパレータ１３に在る各水素通路１４を流通し，次いで前記のように発電に寄与すると共に電気機器２０の作動を可能にし，その後，各正極１２側のセパレータ１３に在る各水素通路１４，第４〜第６枝管５８〜６０および第２基管５７を経て第２水素貯蔵器４に至る。第２水素貯蔵器４においては，空気ポンプ４５の駆動により２０℃の大気を冷却媒体として通路３４に流通させ，この冷却作用下で水素吸蔵合金粉末ＭＨに水素が吸蔵され，この水素吸蔵圧は約０．１ＭＰａであった。
【００２５】
第１水素貯蔵器３の水素放出終了時には，第１，第３，第６開閉弁３７，４１，５０を「閉」にし，一方，第２，第４，第５開閉弁３９，４３，４７を「開」にした。また第１三方弁６１の第１，第３ポートａ，ｃ間を連通させ，一方，第２三方弁６３の第１，第２ポートａ，ｂ間を連通させた。
【００２６】
この状態において，排熱源３５から８０℃の温排水を第２水素貯蔵器４に供給して，その水素吸蔵合金粉末ＭＨより水素を放出圧力約１ＭＰａにて放出させた。放出された水素は，第２基管５７の一部，第２三方弁６３，第２連通管６４および第１〜第３枝管５４，５６を経てセルスタック２における各負極１１のセパレータ１３に在る各水素通路１４を流通し，次いで前記のように発電に寄与すると共に電気機器２０の作動を可能にし，その後，各正極１２側のセパレータ１３に在る各水素通路１４，第４〜第６枝管５８〜６０および第２基管５７の一部，第１連通管６２，第１三方弁６１および第１基管５３の一部を経て第１水素貯蔵器３に至る。第１水素貯蔵器３においては，空気ポンプ４５の駆動により２０℃の大気を冷却媒体として通路３４に流通させ，この冷却作用下で，その水素吸蔵合金粉末ＭＨに水素が吸蔵され，この水素吸蔵圧は約０．１ＭＰａであった。
【００２７】
以後，連続して発電を行う場合は，第１および第２水素貯蔵器３，４は，一方が水素放出過程にあるとき，他方が水素貯蔵過程にあるように，両過程を交互に繰返すものである。またこの実施例では固体電解質１０における水素移動方向は常に一定である。
【００２８】
前記発電装置１において，水素流量約５０ＮＬ／ｍｉｎのときの発電量は約１５Ｗであった。これに対し，従来の発電装置の，前記と同一水素流量での発電量は約９Ｗであって，実施例よりも発電量が大幅に低い，ということが判明した。
【００２９】
図４に示す発電装置１は，図１の水素流量系統において，第１，第２三方弁６１，６３および第１，第２連通管６２，６４を省いたものである。その結果，第１および第２水素貯蔵器３，４の水素放出過程および水素貯蔵過程の繰返しに応じて固体電解質１０における水素移動方向が反転する，つまり，第１水素貯蔵器３が水素放出過程に在るとき負極として機能したものが，その水素吸蔵過程では正極として機能する。
【００３０】
そこで，電気機器２０における極性を一定にすべく，次のような切換スイッチ回路が採用されている。即ち，第１切換スイッチ６５の第１負極側固定接点ｄがリード線６６を介して電気機器２０の負極端子に接続され，また第１正極側固定接点ｅがリード６７を介して電気機器２９の正極端子に接続され，さらに可動接点ｆがリード線６８を介し第１水素発電セル５において外側に位置する電極６９に接続される。一方，第２切換スイッチ７０の第２負極側固定接点ｇがリード線７１を介して電気機器２９の負極端子に接続されたリード線６６に接続され，また第２正極側固定接点ｈが，リード線７２を介して電気機器２０の正極端子に接続されたリード線６７に接続され，さらに可動接点ｊがリード線７３を介し第５水素発電セル９において外側に位置する電極７４に接続される。第１水素発電セル５の他方の電極，第２〜第４水素発電セル６〜８の両電極および第５水素発電セル９の他方の電極について，図３の負極１１に対応する電極には符号６９が付され，また正極１２に対応する電極には符号７４が付されており，したがって，符号６９が付された電極は同一極性であり，これは符号７４を付された電極について同じである。図４において，図３と同一の符号を付された構成要素は図３のそれらと同じものである。
【００３１】
前記構成において，第１水素貯蔵器３が水素放出過程にあり，また第２水素貯蔵器４が水素貯蔵過程にあるときは，第１切換スイッチ６５において可動接点ｆを第１負極側固定接点ｄに接続し，一方，第２切換スイッチ７０において，可動接点７３を第２正極側固定接点ｈに接続する。
【００３２】
一方，第２水素貯蔵器４が水素放出過程にあり，また第１水素貯蔵器３が水素吸蔵過程にあるときは，第２切換スイッチ７０において可動接点ｊを第２負極側固定接点ｇに接続し，一方，第１切換スイッチ６５において，可動接点ｆを第１正極側固定接点ｅに接続する。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば，前記のように構成することによって，小型化および構造の簡素化を達成されると共に静粛で，且つエネルギ回収率の高い発電装置を提供することができる。
【００３４】
また本発明によれば，前記発電装置の実現を可能にする水素発電セルを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】発電装置の第１例を示す説明図である。
【図２】セルスタックの概要を示す縦断面図である。
【図３】発電原理を示す説明図である。
【図４】発電装置の第２例を示す説明図である。
【符号の説明】
１……………発電装置
３……………第１水素貯蔵器
４……………第２水素貯蔵器
５……………第１水素発電セル
６……………第２水素発電セル
７……………第３水素発電セル
８……………第４水素発電セル
９……………第５水素発電セル
１０…………固体電解質
１１…………負極
１２…………正極
２０…………電気機器（外部回路）
６９…………電極
７４…………電極
ＭＨ…………水素吸蔵合金粉末（水素吸蔵材）
【図１】
2004071330.tif 000003
【図２】
2004071330.tif 000004
【図３】
2004071330.tif 000005
【図４】
2004071330.tif 000006