(57)【要約】      （修正有）【課題】小型の燃料電池用水素発生カートリッジを提供することを課題とする。【解決手段】カートリッジ１が第１室３と第２室２からなり、第１室には第１の液体原料６、第２室には第１の液体原料と反応して水素を発生さす第２の液体原料５がそれぞれ収容され、第２室が陰圧状態にされたとき、第１の液体原料を第２室に移送できるようにする連結手段と、第２室が所定量以上の液体量になったとき、過剰の液体を第１室に戻す移送手段とを備え、さらに第２室には発生した水素の排出口１６を有し、第１室には前記連結手段と結合され、第１の液体原料を収容する伸縮自在な袋体４を有することを特徴とする燃料電池用水素発生カートリッジにより、上記の課題を解決する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
カートリッジが第１室と第２室からなり、第１室には第１の液体原料、第２室には第１の液体原料と反応して水素を発生さす第２の液体原料がそれぞれ収容され、第２室が陰圧状態にされたとき、第１の液体原料を第２室に移送できるようにする連結手段と、第２室が所定量以上の液体量になったとき、過剰の液体を第１室に戻す移送手段とを備え、さらに第２室には発生した水素の排出口を有し、第１室には前記連結手段と結合され、第１の液体原料を収容する伸縮自在な袋体を有することを特徴とする燃料電池用水素発生カートリッジ。
【請求項２】
移送手段が、第１室と第２室を連結する移送パイプであり、かつ移送パイプが、第２室内の第２の液体原料の液面より上部に突出して設けられた構造を有する請求項１に記載の燃料電池用水素発生カートリッジ。
【請求項３】
移送パイプが、逆止弁を有する請求項１または２に記載の燃料電池用水素発生カートリッジ。
【請求項４】
水素の排出口が、逆止弁を有する請求項１〜３のいずれか１つに記載の燃料電池用水素発生カートリッジ。
【請求項５】
伸縮自在な袋体が、耐薬品性の有機材料からなり、かつ蛇腹構造を有する請求項１〜４のいずれか１つに記載の燃料電池用水素発生カートリッジ。
【請求項６】
連結手段が、第１室と第２室を連結する連結パイプである請求項１〜５のいずれか１つに記載の燃料電池用水素発生カートリッジ。
【請求項７】
第１の液体原料が、金属水素錯体のアルカリ溶液であり、かつ第２の液体原料が、酸水溶液である請求項１〜６のいずれか１つに記載の燃料電池用水素発生カートリッジ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池に水素を供給するための燃料電池用水素発生カートリッジに関する。さらに詳しくは、本発明は、化学反応により水素を生成する燃料電池用水素発生カートリッジに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、環境負荷を低減する技術として、燃料電池で発電される電気を動力源とする発電システムの開発が進められている。燃料電池は、貯蔵タンクやガス発生手段から供給される水素と酸素を電気化学反応させて電気を発生させる装置である。
ガス発生手段としては、二液を混合し、化学反応によりガスを発生させる燃料電池用カートリッジが考えられる。例えば、図４（Ａ）は、第１室３の第１の液体原料６と第２室２の液体原料５とを化学反応させて水素を生成し、水素の排出口１６から燃料電池に水素を供給する燃料電池用水素発生カートリッジ１である。具体的には、連結パイプ１０を介して、第１の液体原料６を第２室２に供給し、第２の液体原料５と化学反応させて、水素を生成させる。この化学反応が進行すると図４（Ｂ）に示すように、第２室２には化学反応後の液７が貯蔵されるので、第２室２の液量は増加し、第１室３の液量は減少する。したがって、第２室２は液量の増加分の容積を確保する必要があり、燃料電池用水素発生カートリッジを小型化することができない。なお、図４において１５は空気抜き孔を示す。
【０００３】
また、水素ガス発生手段としては、微生物の生体反応を利用した装置も提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。これらの装置では、例えば、含酸素炭化水素化合物水溶液とそれを資源として水素を生成する微生物を含む水溶液とを二室に収容し、これらの生体反応により水素ガスを得ている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００３−１２３８２１号公報
【特許文献２】
特開２００２−２７２４９１号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、小型の燃料電池用水素発生カートリッジを提供することを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
かくして、本発明によれば、カートリッジが第１室と第２室からなり、第１室には第１の液体原料、第２室には第１の液体原料と反応して水素を発生さす第２の液体原料がそれぞれ収容され、第２室が陰圧状態にされたとき、第１の液体原料を第２室に移送できるようにする連結手段と、第２室が所定量以上の液体量になったとき、過剰の液体を第１室に戻す移送手段とを備え、さらに第２室には発生した水素の排出口を有し、第１室には前記連結手段と結合され、第１の液体原料を収容する伸縮自在な袋体を有することを特徴とする燃料電池用水素発生カートリッジ（以下、「カートリッジ」と略称する）が提供される。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明のカートリッジは、連結手段を介して、第１室に設けた伸縮自在な袋体に収容した第１の液体原料を第２の液体原料を収容する第２室に移送し、両者の化学反応により水素を発生させ、移送手段を介して、化学反応後の液を含む過剰の液体を第２室から第１室に戻し入れるので、カートリッジの内容積を有効に利用でき、カートリッジを小型化できる。
【０００８】
本発明のカートリッジを、図面を用いて具体的に説明するが、本発明はこれらにより限定されるものではない。
図１は、本発明のカートリッジと燃料電池の接続形態を示す概略断面図であり、（Ａ）は化学反応の開始前の状態、（Ｂ）は化学反応の終了前の状態を示す。
このカートリッジ１は、第１室３と第２室２からなり、第１室３には、伸縮自在な袋体４が設けられ、その内部に第１の液体原料６が収容され、第２室２には、第２の液体原料５が収容されている。第１室３と第２室２との間には、第１の液体原料６を第１室３の伸縮自在な袋体４から第２室２に移送する連結手段（連結パイプ、原料送入路）１０と、化学反応後の液を含む過剰の液体を第２室から第１室に移送する移送手段（移送パイプ）１４が設けられている。第１の液体原料６と第２の液体原料５との化学反応により発生した水素は、水素の排出口１６から排出される。水素の排出口１６は、ポンプ１１を介して燃料電池１２に接続されている。図中、１３は、燃料電池１２の作動開始時に経路内の空気をパージするためのパージ栓を示す。なお、図１では、燃料電池１２の周辺機器を図示していない。
【０００９】
移送パイプ１４は、化学反応後の液７を含む過剰の液体を第２室から第１室に戻し入れる。
移送パイプ１４は、第１室３と第２室２を連結する移送パイプであり、かつ移送パイプは、第２室２内の第２の液体原料２の液面より上部に突出して設けられた構造を有するのが好ましい。このような構造により、化学反応後の液７を含む過剰の液体の液面が移送パイプを超えると、過剰分が第１室に戻し入れられる。
【００１０】
また、移送パイプは、逆止弁９を有する。この逆止弁９は、移送パイプ１４を介して、第１室３から第２室２に液体が流入するのを防止する。
【００１１】
水素の排出口１６は、逆止弁８を有するのが好ましい。この逆止弁８は、カートリッジ１の転倒などにより、第２室２から液体が流出するのを防止する。
【００１２】
上記のカートリッジ１を構成する部材、特に第１の液体原料６、第２の液体原料５および化学反応後の液７と直接接触する部材は、それらの液体に侵されず（耐薬品性を有し）、かつカートリッジとしての機械的強度を保持し得る材料で構成される。また、それらの部材は、液体と接触する部分のみ、その液体に侵されない耐薬品性の材料で表面処理された材料で構成されていてもよい。
このような材料としては、例えば、ポリプロピレン樹脂、フッ素系樹脂、ポリアセタール樹脂などが挙げられる。
【００１３】
伸縮自在な袋体４は、耐薬品性（特に、耐アルカリ性）の有機材料からなり、かつ蛇腹構造を有するのが好ましい。
耐薬品性の有機材料としては、例えば、フッソ系樹脂、ポリアセタール樹脂などが挙げられる。
伸縮自在な袋体４は蛇腹構造を有しているので、収容された第１の液体原料６が第２室２に移送されて、その液量が減少すると伸縮自在な袋体４が収縮し、第１室３に空間が形成される。そして、形成された空間に、化学反応後の液７を含む過剰の液体が第２室から戻し入れられる。本発明では、このようにして第１室３の内容積を有効に利用する。
【００１４】
次に、本発明のカートリッジの動作について具体的に説明する。
（実施形態１）
図１において、（Ａ）は化学反応の開始前の状態、（Ｂ）は化学反応の終了前の状態を示す。
ポンプ１１を作動させると、カートリッジ１の第２室２が陰圧（減圧）状態になり、連結パイプ１０を介して通じている第１室３の伸縮自在な袋体４が相対的に陽圧（加圧）状態になり、伸縮自在な袋体４内の第２の液体原料６が連結パイプ１０を介して第２室２に移送される。第２室２では、移送された第２の液体原料６が第１の液体原料５と化学反応して水素が生成する。生成した水素は水素の排出口１６から燃料電池１２に供給される。
第１の液体原料５と第２の液体原料６との化学反応の液７は、第２室２に滞留するが、化学反応後の液７を含む過剰の液体の液面が移送パイプを超えると、過剰分が第１室に戻し入れられる。
このカートリッジでは、ポンプ１１の吸引圧力を適宜調整することにより、第１の液体原料５の移送量、ひいては水素発生量を調整してもよい。
【００１５】
第１の液体原料５と第２の液体原料６との化学反応がｐＨに依存する場合には、カートリッジ１にはｐＨ調整手段を付設してもよい。
【００１６】
（実施形態２）
図２は、本発明の別のカートリッジと燃料電池の接続形態を示す概略断面図である。このカートリッジは、逆止弁９を移送パイプの内部に設けたこと以外は実施形態１と同様であり、その図番は図１と同様である。
【００１７】
（実施形態３）
図３は、本発明の更に別のカートリッジと燃料電池の接続形態を示す概略断面図であり、（Ａ）は化学反応の開始前の状態、（Ｂ）は化学反応の終了前の状態を示す。このカートリッジは、伸縮自在な袋体４が、第１の液体原料が充填されたときに第１室３の全体に広がり、使用終了後は、第１室３の中央部に収縮するような伸縮自在な袋体（例えば風船）を設けたこと以外は実施形態１と同様であり、その図番は図１と同様である。
【００１８】
第１の液体原料は、金属水素錯体のアルカリ溶液であり、かつ第２の液体原料は、酸水溶液であるのが好ましい。
これらの組み合わせによる水素発生の原理と利点を説明する。
金属水素錯体は水と接触すると激しく反応し水素を発生（下式（Ｉ）参照：金属水素錯体が水素化ホウ素ナトリウムの場合の反応式）するが、アルカリ性水溶液中では長期間に渡って安定性を維持する性質をもっている。しかし、酸溶液中に注入され中和されることにより安定が破られると、水との反応を開始する。したがって、液体原料をアルカリに保持することで水素を貯蔵、液体原料を酸水溶液に注入を開始することで水素を発生させることができる。また、液体原料の酸水溶液への注入速度により水素の生成速度が決定できるため、必要な時に必要な量の水素を供給できるという利点を有している。
ＮａＢＨ４  ＋  ２Ｈ２Ｏ    →  ４Ｈ２  ＋  ＮａＢＯ２  ・・・・・・・・（Ｉ）
【００１９】
本発明において第１の液体原料として好適に用いられる金属水素錯体のアルカリ溶液の金属水素錯化合物としては、例えば、一般式（ＩＩ）：
ＭａＭｂＨ４−ｎＲｎ      （ＩＩ）
（式中、Ｍａはアルカリ金属であり、Ｍｂは元素周期表の３Ａ族の金属であり、Ｒは炭素数１〜２０のアルキル基もしくはアルコキシ基、炭素数６〜１８のアリール基もしくはアリールオキシ基または炭素数１〜２０のアルカノイルオキシ基であり、ｎは０〜４の整数である）
で表される化合物が挙げられる。
一般式（Ｉ）において、アルカリ金属とは、例えばリチウム、ナトリウム、カリウムなどを意味し、元素周期表の３Ａ族の金属とは、例えばホウ素、アルミニウム、ガリウムなどを意味する。
【００２０】
一般式（Ｉ）で表される金属水素錯化合物としては、例えば、水素化ホウ素リチウム、水素化ホウ素ナトリウム、水素化ホウ素カリウム、水素化アルミニウムリチウム、トリメトキシ水素化ホウ素ナトリウム、トリアセトキシ水素化ホウ素ナトリウム、トリフェノキシ水素化ホウ素ナトリウム、水素化トリエチルホウ素リチウム、水素化トリ−ｓ−ブチルホウ素リチウム、水素化トリブチルホウ素リチウム、水素化トリフェニルホウ素カリウム、水素化トリ−ｓｅｃ−ブチルホウ素カリウム、トリメトキシ水素化アルミニウムリチウム、モノエトキシ水素化アルミニウムリチウム、トリ−ｔｅｒｔ−ブトキシ水素化アルミニウムリチウムおよび水素化ビス（２−メトキシエトキシ）アルミニウムナトリウムなどが挙げられる。
【００２１】
アルカリ溶液は、金属水素錯化合物を溶解させることができるものであればよく、金属水素錯化合物を完全に溶解させることができるものが好ましいが、金属水素錯化合物を安定に保つことができるものであれば、金属水素錯化合物を完全に溶解しないものであってもよい。アルカリ溶液としては、液状塩基性物質または非液状塩基性物質を溶液に溶解させたものが挙げられる。
【００２２】
液状塩基性物質としては、トリエチルアミン、ジイソプロピルエチルアミンなどが挙げられる。非液状塩基性物質としては、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどのアルカリ金属水酸化物、炭酸水素ナトリウム、炭酸水素カリウムなどのアルカリ金属の炭酸水素塩、炭酸ナトリウム、炭酸カリウムなどのアルカリ金属の炭酸塩など、テトラメチルアンモニウムヒドロキシドおよびテトラエチルアンモニウムヒドロキシドなどの第四アルキルアンモニウム化合物などが挙げられる。
【００２３】
溶液としては、水または水混和性の有機溶媒、例えば、メタノール、エタノール、エチレングリコールおよびジエチレングリコールなどアルコール、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、エチレングリコール、ジエチレングリコールならびにこれらの混合物が挙げられる。
【００２４】
アルカリ溶液の濃度は、水素貯蔵時の安定性を考慮すると、３〜９モル／リットル程度である。
金属水素錯化合物のアルカリ溶液中での濃度は、生成する水素の量および発生速度に応じて、適宜調整すればよく、例えば、使用する金属水素錯化合物とアルカリ性溶液との比は、約９〜２２モル：約６〜１８モル、さらに約１２〜１９モル：約８〜１５モルが適当である。
【００２５】
本発明において第２の液体原料として好適に用いられる酸水溶液の酸としては、硫酸、塩酸などの無機酸、およびクエン酸、リン酸、酢酸、ギ酸、プロピオン酸などの有機酸が挙げられる。
【００２６】
【発明の効果】
本発明のカートリッジは、連結手段を介して、第１室に設けた伸縮自在な袋体に収容した第１の液体原料を第２の液体原料を収容する第２室に移送し、両者の化学反応により水素を発生させ、移送手段を介して、化学反応後の液を含む過剰の液体を第２室から第１室に戻し入れるので、カートリッジの内容積を有効に利用でき、カートリッジを小型化できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池用水素発生カートリッジと燃料電池の接続形態を示す概略断面図であり、（Ａ）は化学反応の開始前の状態、（Ｂ）は化学反応の終了前の状態を示す（実施形態１）。
【図２】本発明の別の燃料電池用水素発生カートリッジと燃料電池の接続形態を示す概略断面図である（実施形態２）。
【図３】本発明の更に別の燃料電池用水素発生カートリッジと燃料電池の接続形態を示す概略断面図であり、（Ａ）は化学反応の開始前の状態、（Ｂ）は化学反応の終了前の状態を示す（実施形態３）。
【図４】想定される燃料電池用水素発生カートリッジの概略断面図であり、（Ａ）は化学反応の開始前の状態、（Ｂ）は化学反応の終了前の状態を示す。
【符号の説明】
１  燃料電池用水素発生カートリッジ
２  第２室
３  第１室
４  伸縮自在な袋体
５  第２の液体原料（酸水溶液）
６  第１の液体原料（金属水素錯体のアルカリ水溶液）
７  化学反応後の液
８、９  逆止弁
１０  連結パイプ
１１  ポンプ
１２  燃料電池
１３  パージ栓
１４  移送パイプ
１５  空気抜き孔
１６  水素の排出口
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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