(57)【要約】【課題】水収容部から金属収容部へ水を供給する場合に供給量を制限することができる水素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発生装置であって、アルミニウムを収容するための金属収容部１２と、金属収容部１２内のアルミニウムと反応すべき水が収容される水収容部１３と、水収容部１３内の水を毛細管現象を利用して金属収容部１２内へ供給するための給水紙１４と、金属と水が反応することで発生した水素ガスを金属収容部１２外へ導くためのガス導出部１７ａとを備えた。【選択図】図２
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【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発生装置であって、
金属を収容するための金属収容部と、
金属収容部内の金属と反応すべき水が収容される水収容部と、
水収容部内の水を毛細管現象を利用して金属収容部内へ供給するための給水手段と、
金属と水が反応することで発生した水素ガスを金属収容部外へ導くためのガス導出部とを備えたことを特徴とする水素発生装置。
【請求項２】
前記給水手段は、給水紙であることを特徴とする請求項１に記載の水素発生装置。
【請求項３】
前記給水手段は、多孔性を有する材質により形成されることを特徴とする請求項１に記載の水素発生装置。
【請求項４】
金属収容部を構成する金属収容容器と、
この金属収容容器を取り囲むように配置され、前記水収容部を構成する水収容容器とを備え、
前記給水手段は、金属収容容器と水収容容器の両方にまたがるように配置されることを特徴とする請求項１又は２に記載の水素発生装置。
【請求項５】
金属収容部と水収容部を仕切る隔壁部に収容部同士を連通させる連通部を設け、この連通部内に前記給水手段を配置したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の水素発生装置。
【請求項６】
金属収容部を構成する内壁面に第２給水手段を設け、前記給水手段により供給される水を更に第２給水手段を介して金属へ供給可能に構成したことを特徴とする請求項５に記載の水素発生装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の水素発生装置と、この水素発生装置から水素ガスが供給されて発電を行う発電セルとから構成される燃料電池システム。
【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ユニットは、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。そしてタンクの水を反応容器に導入するためにポンプを使用しており、これにより、水を反応容器に供給する量を制御している。反応容器は、装置本体内に収容され、加熱手段により密着保持される。これにより、反応容器内に導入された水が加熱されて水蒸気になるとともに、反応容器内の水素ガスを発生させるための反応を促進させることができる。
【０００５】
【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】
【０００６】
かかる水素発生装置において、水を反応容器内に送り込む量を制御あるいは制限する必要がある。あまり、多量の水を送り込むと必要以上の水素ガスが発生してしまうという問題がある。水の送り量を制御（制限）するには、ポンプを用いることが好ましいが、ポンプを収容するスペースや駆動する機構が必要となり、コストアップや装置の大型化の原因となる。特に、水素発生セルをノートパソコンやＰＤＡなどの携帯機器に組み込む場合等は、できるだけ小型化を実現できる構成が要求される。すなわち、ポンプを用いなくても水を供給できるような水素発生セルが望まれている。
【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、水収容部から金属収容部へ水を供給する場合に供給量を制限することができる水素発生装置及びこの水素発生装置を備えた燃料電池システム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発生装置であって、
金属を収容するための金属収容部と、
金属収容部内の金属と反応すべき水が収容される水収容部と、
水収容部内の水を毛細管現象を利用して金属収容部内へ供給するための給水手段と、
金属と水が反応することで発生した水素ガスを金属収容部外へ導くためのガス導出部とを備えたことを特徴とするものである。
【０００９】
かかる構成を有する水素発生セルの作用・効果を説明する。この水素発生装置は、金属収容部と水収容部とを備えている。金属収容部には、水収容部内の水と反応して水素ガスを発生する金属が収容されている。金属としては、鉄やアルミニウムなどが例としてあげられる。水収容部内の水は、毛細管現象を利用して給水部材により吸い取られる形で水収容部から金属収容部へ導かれる。金属収容部に供給された水は、金属収容部内の金属と化学反応を起こす。これにより、水素ガスが発生し、この水素ガスは、ガス導出部により燃料電池へと供給されることになる。
【００１０】
従って、水収容部から供給される水の量は、毛細管現象を利用した給水手段により制限されることになり、過剰に水が供給されることを防止することができる。給水手段による水の制限量は、給水手段の材質や給水手段の大きさ等に基づいて、設定することができる。その結果、水収容部から金属収容部へ水を供給する場合に供給量を制限する水素発生装置を提供することができる。
【００１１】
本発明に係る前記給水手段は、給水紙であることが好ましい。給水紙であれば、容易に入手することができ、コストも低く抑えることができる。また、水収容部への組み込みも容易に行うことができる。
【００１２】
本発明に係る前記給水手段は、多孔性を有する材質により形成されることが好ましい。係る材質を使用することで、適切な量の水を金属収容部へ供給することができる。
【００１３】
本発明において、金属収容部を構成する金属収容容器と、
この金属収容容器を取り囲むように配置され、前記水収容部を構成する水収容容器とを備え、
前記給水手段は、金属収容容器と水収容容器の両方にまたがるように配置されることが好ましい。
【００１４】
金属収容部と水収容部とは、夫々収容容器の形で構成することができ、これにより、組立性に優れた構造とすることができる。また、給水手段は、金属収容部と水収容部の両方にまたがるように配置することで、水収容部の水を金属収容部内にスムーズに供給することができる。
【００１５】
本発明において、金属収容部と水収容部の境界部に配置され、開閉制御されるシャッターを備え、
前記給水手段は、金属収容部側の前記シャッターの近傍に配置されることが好ましい。
【００１６】
係るシャッターを配置することで、水の供給量を更に精度よく制御することができる。また、金属収容部内のシャッターの近傍に給水手段を配置することで、シャッターの開口部から進入した水は、いったん給水手段により吸い取られることになる。これにより、シャッターから入ってきた水の供給量を制限することができる。
【００１７】
本発明において、給水手段に隣接して水を保持する水保持体を備えていることが好ましい。水保持体としては、例えば、脱脂綿を用いることができ、供給された水を脱脂綿に染み込ませた形で保持することができる。かかる水保持体により、直ちに金属に対して水を供給するのではなく、水保持体にバッファ的な機能を持たせることができる。
【００１８】
本発明において、金属収容部で発生した水素ガスの量もしくは圧力を検出するガス検出手段と、
このガス検出手段による検出結果に基づいて、シャッターの開閉を制御するシャッター制御部とを備えたことが好ましい。
【００１９】
シャッターの開閉制御を行うのは、適量の水が金属収容部へ供給されるようにすることである。水素ガスの発生量が多すぎる場合は、水の供給量を抑制する必要があり、逆に少なすぎる場合は、水の供給量を増やす必要がある。そこで、発生した水素ガスの量や圧力を検出することで、シャッターの開閉を制御することで、適量の水が供給されるように制御することができる。
【００２０】
本発明において、水収容部内の水に圧力を作用させる加圧手段を備えていることが好ましい。
【００２１】
水に圧力を作用させることで、水が確実に金属収容部内の方向に向かうように作用させることができる。例えば、先ほどのシャッターを設ける構成の場合、シャッターの開口部を介して確実に水が供給されるように作用させることができる。
【００２２】
本発明において、金属収容部と水収容部を仕切る隔壁部に収容部同士を連通させる連通部を設け、この連通部内に前記給水手段を配置することが好ましい。
【００２３】
かかる構成によれば、隔壁部に形成された連通部内に給水手段が配置されるため、金属収容部内への水の供給を安定して行なうことができる。また、連通部の大きさを適切にすることで、より安定した水の供給が可能になる。
【００２４】
本発明において、金属収容部を構成する内壁面に第２給水手段を設け、前記給水手段により供給される水を更に第２給水手段を介して金属へ供給可能に構成したことが好ましい。
【００２５】
金属収容部内の金属に水を供給する場合、収容部内の場所に関係なく満遍なく水を供給できることが好ましい。そこで、内壁面に第２給水手段を設けることで、連通部を介して供給される水を受け取ると共に、収容されている金属の全体に対して満遍なく水を供給することができる。
【００２６】
上記課題を解決するため本発明に係る燃料電池システムは、本発明に係る水素発生装置と、この水素発生装置から水素ガスが供給されて発電を行う発電セルとから構成されるものである。発電セルについては、特定の構造に限定されるものではなく、任意の構造の発電セルと、本発明に係る水素発生装置とを組み合わせることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
本発明に係る水素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は水素発生装置を備えた燃料電池システムの構成を示す模式図である。
【００２８】
この燃料電池システムは、水素発生装置１０と燃料電池２０とを備え、水素発生装置１０により発生した水素ガスは、ガス供給パイプ１１により燃料電池２０に供給される。水素発生装置１０は、金属と水とを反応させて水素ガス（燃料ガス）を発生する機能を有し、発生した水素ガスは、ガス供給パイプ１１により燃料電池２０へと供給される。燃料電池２０は、多数の単位セルＳが回路基板２１に搭載されている。本発明としては、水素ガスが供給される燃料電池２０の構造は、特定の構造に限定されるものではない。
【００２９】
水素発生装置２０は、円筒形の外観形状を有しているが、直方体等の他の外観形状を有していてもよい。水素発生装置２０は、水供給パイプ１１と切り離すことができる。水素発生装置２０内の金属や水を消耗した場合は、新たに補充したり、交換したりする。
【００３０】
＜水素発生装置の内部構成＞
次に水素発生装置１０の内部構成を図２の概念図により説明する。図２（ａ）に示すように、アルミニウムの粉末が収容される金属収容部１２と、このアルミニウムと反応すべき水が収容される水収容部１３と、金属収容部１２と水収容部１３とにまたがって配置される給水紙１４（給水手段に相当）とを備えている。図２（ｂ）は、給水紙１４の形状を斜視図として示している。
【００３１】
金属収容部１２は、円筒形の金属収容容器１５により構成され、水収容部１３は、金属収容容器１５を取り囲むように配置される円筒形の水収容容器１６により構成される。水収容容器１６の開口部は、蓋部材１７により閉鎖されており、この蓋部材１７に設けられたガス導出部１７ａに、ガス供給パイプ１１が接続される。水収容容器１６は、金属収容容器１５よりも大径であり、両者は同心状に配置され、両者の間に形成される空間が水収容部１３となる。金属収容容器１５は、適宜の方法により水収容容器１６に対して固定することができる。
【００３２】
給水紙１４は、毛細管現象を利用して、水収容部１３内の水を吸い上げて、金属収容部１２内に供給する。給水紙１４は、金属収容部１２内に挿入される基部１４ｂと、基部１４ｂから枝分かれした複数の分岐部１４ａとが一体に形成されている。基部１４ｂは、金属収容容器１５の底部まで挿入され、分岐部１４ａの末端も水収容容器１６の底部まで挿入される。金属収容容器１５の開口の縁部で分岐部１４ａの根元部分が折れ曲がり、金属収容容器１５内の基部１４ｂと繋がる。
【００３３】
給水紙１４として、好適には濾紙を使用することができ、例えば、東洋濾紙株式会社製の標準用濾紙Ｎｏ．２を使用することができるが、これに限定されるものではなく、他の材質のものを用いてもよい。
【００３４】
金属収容部１２に収容されるアルミニウム粉末としては、例えば、平均粒子径が１〜２００μｍのものを使用することができる。アルミニウム粉末としては、アトマイズ法で製造したものが好ましい。また、表面の酸化被膜を除去処理したものが好ましい。
【００３５】
アルミニウム粉末と水を反応させると、次のような反応が生じて水素ガスが発生するものと推測される。
【００３６】
２Ａｌ＋３Ｈ2Ｏ→Ａｌ2Ｏ3＋３Ｈ2    または  
Ａｌ＋３Ｈ2Ｏ→Ａｌ（ＯＨ）3＋３／２Ｈ2
なお、反応を促進するための加熱手段を適宜設けてもよい。
【００３７】
＜第２実施形態の水素発生装置＞
次に、第２実施形態に係る水素発生装置の構成の概念図を図３により説明する。図２と同じ機能をする部分については、同じ図番を付与している。金属収容容器１５の底部には、水を取り入れるための開口孔１５ａが形成されており、この開口孔１５ａの開閉を制御するために開口孔１５ａのすぐ下部にシャッター３０が設けられている。このシャッター３０を駆動することで、開口孔１５ａを開閉することができる。シャッター３０の具体的な構造については、特に限定されるものではなく、例えば、金属収容容器１５ａの底部をプレートがスライドすることで、開口孔１５ａの開閉を行うことができる。
【００３８】
金属収容容器１５ａの底部には、給水紙１４が載置されており、更にその上に水保持体として機能する脱脂綿３１が配置される。アルミニウム１２の粉末は、その脱脂綿３１の上部に収容されることになる。
【００３９】
水収容部１３に収容される水の水面には、水面押圧プレート３２が設けられ、バネ３３により、水面を常時下方向に押圧するようにしている。すなわち、これら水面押圧プレート３２とバネ３３は、水に圧力を作用させる加圧手段として機能する。かかる加圧手段を設けることで、水は開口孔１５ａを通じて金属収容部１２内に入る方向に付勢されることになる。
【００４０】
金属収容部１２内には、圧力センサー３４（ガス検出手段に相当）が設けられており、金属収容部１２で発生した水素ガスの量をモニターする。圧力検出部３５は、圧力センサー３４からの信号に基づいて、水素ガスの圧力値を検出する。シャッター制御部３６は、検出された圧力値に基づいて、シャッター駆動部３７に指令を与え、シャッター３０の開閉制御を行う。すなわち、圧力が大きすぎる場合は、シャッター３０を閉じた状態とし、水を金属収容部１２内に供給しないようにして、水素ガスの発生を抑制するようにする。また、圧力が小さすぎる場合は、シャッター３０を開いて水を供給できるようにし、水素ガスの発生を増大させるようにする。
【００４１】
前述した水面押圧プレート３２を設けているので、シャッター３０を開いた場合、その圧力で水を金属収容部１２内に確実に供給することができるが、大量の水がいきなり供給されることがないように、シャッター３０の近傍に給水紙１４を配置すると共に、脱脂綿３１を配置する。給水紙１４を設けることで、水の供給量を抑制することができる。給水紙１４の材質や大きさなどを変えることで、水の供給量を所定の範囲となるように制限することができる。また、脱脂綿３１を設けることで、適量の水を保持した状態とすることができ、適切な量の水素ガスが発生するようにすることができる。
【００４２】
＜第３実施形態の水素発生装置＞
次に、第３実施形態に係る水素発生装置１０を図４の概念図により説明する。図３と異なる点を中心に説明し、同じ機能をする部分については同じ図番を付与している。
【００４３】
金属収容容器１５の上部側面に、複数個所に開口孔１５ｂが形成されている。従って、金属収容部１２内で発生した水素ガスは、この開口孔１５ｂを通じて外部に移動し、水面押圧プレート３２を下方に押圧することができる。すなわち、先ほどのバネに代えて、水素ガスの圧力を利用して水面を押圧することができる。
【００４４】
また、ガス導出部１７ａには、水素ガスの流量を検出するための流量センサー２９（ガス検出手段に相当）が設けられている。流量検出部３８は、流量センサー２９から出力される信号に基づいて、水素ガスの発生量を検出することができる。シャッター制御部３６は、検出された流量値に基づいて、シャッター駆動部３７に指令を与え、シャッター３０の開閉制御を行う。すなわち、流量が大きすぎる場合は、シャッター３０を閉じた状態とし、水を金属収容部１２内に供給しないようにし、流量が少なすぎる場合は、シャッター３０を開いて水を供給し、水素ガスの発生を増大させるようにする。
【００４５】
＜第４実施形態の水素発生装置＞
次に、第４実施形態の水素発生装置１０について図５の分解斜視図により説明する。金属収容容器１５は、細長い円筒形状を有し、上部には中央に開口孔が形成された蓋部材１５ｃが取り付けられる。金属収容容器１５の底部には、シャッター３０として機能する回転容器が取り付けられる。回転容器３０ａの内径が、金属収容容器１５の外径に嵌合するように設定されている。回転容器３０ａは、軸芯周りに回転可能に構成される。
【００４６】
水収容容器１６は、細長い角柱形状に形成され、金属収容容器１５が内部に挿入される。水収容容器１６の上部にある開口を閉鎖するための蓋部材１７が設けられる。
【００４７】
金属収容容器１５の底部には、開口孔１５ｄが形成され、回転容器３０ａにも同じような開口孔３０ｂが形成される。これら開口孔１５ｄ，３０ｂの位置が合致していないときは、図５（ｂ）に示すように、シャッター３０は閉じた状態となる。また、回転容器３０ａを回転させると、開口孔１５ｄ，３０ｂの位置が合致し、水が供給される状態となる。回転容器３０ａの回転は、軸心にモーターを連結するか、手動で外部から回転操作するようにすることができる。
【００４８】
＜実施例＞
次に、実際に給水紙を用いて水素ガスを発生させる実験を行ったのでこれを説明する。実験で使用したアルミニウム粉末は１ｇであり、これにＣａＯ（１．２ｗｔ％）と炭素（１８ｗｔ％）を混ぜたものを使用した。ＣａＯは、水素ガスを発生するための反応を促進するために使用し、炭素は反応が進行してアルミニウム粉末が凝集するのを抑制する。
【００４９】
実験は、図６に示すように、帯状の給水紙１４を８枚使用したもの（図６（ａ））と、４枚使用したもの（図６（ｂ））とで実験を行った。１枚の給水紙１４の大きさは、幅５ｍｍ×長さ５０ｍｍであり、ＡＤＡＮＴＥＣ製の型番Ｎｏ．２（Φ７０ｍｍ）を使用した。給水紙１４は、長さ２０ｍｍ分をアルミニウム粉末に接触させた状態とし、他の部分を水に浸した状態とした。また、水は４５℃に加熱したものを使用した。
【００５０】
図７に実験結果を示す。図中Ａは図６（ａ）での結果を示し、Ｂは（ｂ）での結果を示す。給水紙１４を８枚使用したほうが、水素ガスの発生量は若干多いが大きな差ではなかった。また、給水紙を用いることで、１０ｍｌ／ｍｉｎの割合で４０分間、水素ガスを発生した。すなわち、給水紙１４を用いた水供給が十分に実用性のあることが証明できた。
【００５１】
＜第５実施形態の水素発生装置＞
次に、第５実施形態に係る水素発生装置の構成の概念図を図８により説明する。他の実施形態と同じ機能をする部分については、同じ図番を付与しており詳細な説明は省略する。
【００５２】
この実施形態では、金属収容部１２の底面１５ｅ（隔壁部に相当）に設けられた開口孔１５ａに給水紙１４ｃ（給水手段に相当）が充填されている。また、金属収容部１２の底面全体にわたって第２給水紙１４ｄ（第２給水手段に相当）が設けられている。従って、水収容部１３内の水は、これら給水紙１４ｃ，１４ｄを介して金属収容部１２内へ供給される。開口孔１５ａの大きさはφ１〜２ｍｍ程度である。開口孔１５ａに設けた給水紙１４ｃを介することで、過剰な水供給がされることを抑制し、安定した状態で水を供給できる。また、底面１５ｅの全面に配置される第２給水紙１４ｄにより、アルミニウム１２の全体に対して満遍なく水が供給されるようにすることができる。この第５実施形態においても、図３や図４で説明した制御機構を設けてもよい。本実施形態において、開口孔１５ａの位置や個数については、任意に設定することができる。
【００５３】
＜別実施形態＞
本実施形態では、金属の例としてアルミニウムをあげたが、これに限定されるものではなく、その他の金属（例えば、鉄）を使用してもよい。給水紙の形状は、特定の形状に限定されるものではなく、種々の変形例が考えられる。
【００５４】
本実施形態で給水手段（給水部材）の例として給水紙をあげたが、これに限定されるものではなく、多孔性を有する材質で毛細管現象により水を供給できる機能を有しておれば、金属、セラミック、樹脂など何でも使用できる。
【００５５】
また、給水部材を使用しないで給水手段を構成することも可能である。例えば、金属収容容器１５の底部に極細の孔（給水手段に相当）を形成し、この孔を介して毛細管現象により水を吸い上げるようにしてもよい。この場合も、底部にシャッターを配置したり、金属収容部１５の内部に脱脂綿を配置することが好ましい。
【００５６】
図３で示す実施形態では、水面押圧プレート３２が上方に設けられているが、図９に示すように、下方に水面押圧プレート３２を設け、バネ３３により、水面を常時上方向に押圧するようにしてもよい。かかる構成においても、水は開口孔１５ａを通じて金属収容部１２内に入る方向に付勢されることになる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】水素発生装置を備えた燃料電池システムの構成を示す図
【図２】水素発生装置の内部構成を示す概念図
【図３】第２実施形態に係る水素発生装置の構成の概念図
【図４】第３実施形態に係る水素発生装置の構成の概念図
【図５】第４実施形態に係る水素発生装置を示す分解斜視図
【図６】実験に使用した給水紙の状態を示す図
【図７】実験結果を示すグラフ
【図８】第５実施形態に係る水素発生装置の構成の概念図
【図９】第２実施形態に係る水素発生装置の変形例の概念図
【符号の説明】
【００５８】
１０      水素発生装置
１２      金属収容部
１３      水収容部
１４      給水紙
１４ａ    分岐部
１４ｂ    基部
１４ｃ    給水紙
１４ｄ    第２給水手段
１５      金属収容容器
１５ａ    開口孔
１５ｅ    底面
１６      水収容容器
１７      蓋部
１７ａ    ガス導出部
２０      燃料電池
３０      シャッター
３１      脱脂綿
３２      水面押圧プレート
３３      バネ
３４      圧力センサー
３５      圧力検出部
３６      シャッター制御部
３７      シャッター駆動部
【図１】
2007005275.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2007005275.tif 000007
【図６】
2007005275.tif 000008
【図７】
2007005275.tif 000009
【図８】
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【図９】
2007005275.tif 000011