(57)【要約】【課題】高エネルギー密度の燃料電池システムを提供する。【解決手段】  水素反応用物質を格納すると共にこの水素反応用物質と反応する水素発生用水溶液を反応させる反応部１０と、前記水素発生用水溶液を貯蔵する液体貯蔵部１１と、この液体貯蔵部１１に貯蔵された水素発生用水溶液１７を前記反応部１０に供給する供給路１５ａ，１５ｂと、前記反応部１０で発生した水素を排出する排出手段３とを具備し、前記反応部１０内の圧力が前記液体貯蔵部１１内の水素発生用水溶液１７を加圧するようにすると共に圧力状態により流路を開閉する開閉手段１４を前記供給管１５ａの途中に設ける。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素反応用物質を格納すると共にこの水素反応用物質と反応する水素発生用水溶液を反応させる反応部と、前記水素発生用水溶液を貯蔵する液体貯蔵部と、この液体貯蔵部に貯蔵された水素発生用水溶液を前記反応部に供給する供給路と、前記反応部で発生した水素を排出する排出手段とを具備し、前記反応部内の圧力が前記液体貯蔵部内の水素発生用水溶液を加圧するようにすると共に圧力状態により流路を開閉する開閉手段を前記供給路の途中に設けたことを特徴とする水素発生設備。
【請求項２】
前記開閉手段が、前記供給路の上流側の圧力が所定値より高い場合に開となる圧力調整弁と、この圧力調整弁の下流側に設けられて下流側から上流側への逆流を防止する逆止弁とを有することを特徴とする請求項１記載の水素発生設備。
【請求項３】
前記圧力調整弁の閉弁力として、当該水素発生設備外部の物質の圧力を駆動力として用いていることを特徴とする請求項２記載の水素発生設備。
【請求項４】
前記圧力調整弁が、
前記水素発生用水溶液を通す流路と、
前記流路の隔壁の一部を形成すると共に圧力を受けて撓みを生じる薄膜若しくは薄板である可撓膜からなるシール部材と、
前記シール部材と固定されて当該シール部材の撓みと連動して移動すると共に当該移動により前記流路を開閉して前記水素発生用水溶液を流通もしくは遮断する弁体と、
前記流路と前記供給路との接続部とを有し、
前記シール部材の外側に当該水素発生設備の外部に存在する物質が接する構造であることを特徴とする請求項３記載の水素発生設備。
【請求項５】
前記圧力調整弁が、
前記水素発生用水溶液を通す可撓性チューブと、
前記可撓性チューブの外部に移動自在に設けられると共に当該移動により前記可撓性チューブを潰して内部を閉塞するか又は流通状態とする押圧部と、
前記可撓性チューブと前記供給路との接続部とを有し、
前記押圧部もしくは当該押圧部が設けられた前記可撓性チューブの外側には当該水素発生設備の外部に存在する物質が接する構造であることを特徴とする請求項３記載の水素発生設備。
【請求項６】
前記圧力調整弁の閉弁力として、当該水素発生設備外部の物質の圧力に加え、弾性部材による付勢力を用いていることを特徴とする請求項３乃至５のいずれかに記載の水素発生設備。
【請求項７】
前記圧力調整弁と前記逆止弁との間に前記水素発生用水溶液を一時貯留する一時貯留部を設けたことを特徴とする請求項２乃至６のいずれかに記載の水素発生設備。
【請求項８】
前記開閉手段が、前記供給路の下流側の圧力が所定値より低い場合に開となる圧力調整弁を有することを特徴とする請求項１記載の水素発生設備。
【請求項９】
前記開閉手段が、さらに、下流側から上流側への逆流を防止する逆止弁を有することを特徴とする請求項８記載の水素発生設備。
【請求項１０】
前記圧力調整弁の閉弁力として、前記反応部の内部の物質の圧力を駆動力として用いていることを特徴とする請求項８又は９記載の水素発生設備。
【請求項１１】
前記圧力調整弁が、
前記水素発生用水溶液を通す流路と、
前記流路の隔壁の一部を形成すると共に圧力を受けて撓みを生じる薄膜若しくは薄板である可撓膜からなるシール部材と、
前記シール部材と固定されて当該シール部材の撓みと連動して移動すると共に当該移動により前記流路を開閉して前記水素発生用水溶液を流通もしくは遮断する弁体と、
前記流路と前記供給路との接続部とを有し、
前記シール部材の外側に前記反応部の内部に存在する物質が接する構造であることを特徴とする請求項１０記載の水素発生設備。
【請求項１２】
前記圧力調整弁が、
前記水素発生用水溶液を通す可撓性チューブと、
前記可撓性チューブの外部に移動自在に設けられると共に当該移動により前記可撓性チューブを潰して内部を閉塞するか又は流通状態とする押圧部と、
前記可撓性チューブと前記供給路との接続部とを有し、
前記押圧部もしくは当該押圧部が設けられた前記可撓性チューブの外側には前記反応部の内部に存在する物質が接する構造であることを特徴とする請求項１０記載の水素発生設備。
【請求項１３】
前記圧力調整弁と前記液体貯蔵部との間に前記水素発生用水溶液を一時貯留する一時貯留部を設けたことを特徴とする請求項８乃至１２のいずれかに記載の水素発生設備。
【請求項１４】
前記一時貯留部は、その内部に貯留される水素発生用水溶液が所定圧を受ける構造を有し、前記反応部の内圧が前記所定圧より小さくなった際に水素発生用水溶液を当該反応部へ供給するようになっていることを特徴とする請求項７又は１３記載の水素発生設備。
【請求項１５】
前記一時貯留部は、その壁の少なくとも一部が移動可能な可動壁であると共に当該可動壁が前記所定圧を受けており、前記水素発生用水溶液の移動により、前記可動壁が可動して当該一時貯留部の容積が変化することを特徴とする請求項７又は１３記載の水素発生設備。
【請求項１６】
前記一時貯留部の当該水素発生設備外部との境界の壁の一部もしくは全体が、前記一時貯留部の内外の圧力差により撓む事が可能な薄膜もしくは薄板からなる可撓膜であり、当該可撓膜が当該水素発生設備外部の圧力を受けていることを特徴とする請求項７又は１３記載の水素発生設備
【請求項１７】
前記供給路とは別に、前記一時貯留部と前記液体貯蔵部とを連結するバイパス管が設けられていることを特徴とする請求項７及び１３乃至１６のいずれかに記載の水素発生設備。
【請求項１８】
前記バイパス管に、前記一時貯留部から前記液体貯蔵部への前記水素発生用水溶液の逆流を防止する第二の逆止弁が介装されていることを特徴とする請求項１７記載の水素発生設備。
【請求項１９】
前記液体貯蔵部は、その内部の容積が一定の容器からなり、上部に物質移動が可能な貫通孔を有することを特徴とする請求項１乃至１８のいずれかに記載の水素発生設備。
【請求項２０】
前記液体貯蔵部は、その内部の容積が貯蔵される水素発生用水溶液の量に応じて可変である容器からなることを特徴とする請求項１乃至１８のいずれかに記載の水素発生設備。
【請求項２１】
前記容器は、外部と画成する壁の少なくとも一部に移動可能な可動壁を有し、この可動壁が内外の圧力差に応じて移動して当該容器の容積を可変させることを特徴とする請求項２０記載の水素発生設備。
【請求項２２】
前記容器は、外部と画成する壁の一部もしくは全体が、内外の圧力差により撓むことが可能な薄膜または薄板からなる可撓壁からなることを特徴とする請求項２０記載の水素発生設備。
【請求項２３】
前記水素反応用物質が、加水分解により水素を発生する金属水素化物を含むことを特徴とする請求項１乃至２２のいずれかに記載の水素発生設備。
【請求項２４】
前記水素反応用物質が、前記金属水素化物に、固体の有機酸もしくはその塩、金属塩化物、並びに、白金、金、銅、ニッケル、鉄、チタン、ジルコニウム、及びルテニウムからなる金属及びこれらの合金からなる群から選択される少なくとも一種を混合したものであることを特徴とする請求項２３記載の水素発生設備。
【請求項２５】
前記水素発生用水溶液が、水、又は、水に、有機酸もしくはその塩、無機酸もしくはその塩、及び金属塩化物からなる群から選択される少なくとも一種を混合したものであることを特徴とする請求項２３又は２４記載の水素発生設備。
【請求項２６】
前記水素発生用水溶液が酸もしくは塩基の水溶液であり、前記水素反応用物質が金属である事を特徴とする請求項１乃至２２のいずれかに記載の水素発生設備。
【請求項２７】
燃料電池の発電部の負極室へ燃料を供給する燃料供給部として、請求項１乃至２６のいずれかに記載の水素発生設備を具備することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２８】
前記発電部が、水素と酸素とを電気化学反応して発電する高分子固体形燃料電池であり、
前記燃料供給部から前記負極室に至る部位の内部と外部とで物質の移動が無いことを特徴とする請求項２７記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エネルギー密度を向上させた水素発生設備及び燃料電池システムに関し、特に水素発生反応を起こす反応部への水素発生用水溶液の投入量を消費電力を使用せずに制御でき且つ発電部での発電量に応じて水素発生用水溶液の投入量を増加させるための技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年のエネルギー問題や環境問題の高まりから、より高エネルギー密度で、排出物がクリーンな電源が要求されている。燃料電池は、既存電池の数倍のエネルギー密度を有する発電機であり、エネルギー効率が高く、また、排出ガスに含まれる窒素酸化物や硫黄酸化物が無い、もしくは、少ないといった特徴がある。従って次世代の電源デバイスとしての要求に見合った極めて有効なデバイスであると言われている。
【０００３】
燃料電池における電極反応は、水素と酸素による水生成反応である。従って燃料電池に水素を導入する必要があり、水素発生や水素量制御の機構やこれらに必要なエネルギーを低減するための水素貯蔵材料や機構の開発が行われている。
【０００４】
従来、反応物中の水素量（以下、水素貯蔵密度とする）が高い水素貯蔵材料として、ケミカルハイドライドと呼ばれる金属水素化物（例えば水素化ホウ素ナトリウム）が知られている。水素発生反応は金属水素化物と水とを混合して加水分解する反応であり、常温で反応が速やかに進行するため水素発生のためのエネルギーが非常に低い。つまり、水素貯蔵密度、水素発生エネルギーの観点から、金属水素化物は他の水素貯蔵材料より有利であると言える。
【０００５】
このような金属水素化物から水素を効率良く発生させる従来の方法として、例えば、金属水素化物のアルカリ水溶液に触媒を接触させる方法や、金属水素化物の固体と水とを同一容器に保持する方法がある。いずれも低エネルギーで水素を発生させる事が可能であるが、反応量の制御性、長期保存の観点から問題がある。前者では水素発生量の制御は困難であり、また、金属水素化物と水とが常に接しているため、徐々に自然分解して水素を発生してしまう。また後者では容器内が常に湿潤しており、水蒸気や飛沫により金属水素化物が加水分解して水素を発生してしまう弱点がある。
【０００６】
この問題を解決するために、必要な量の水を必要な時に金属水素化物に適宜供給する構造が提案されている（例えば特許文献１参照。）。これは、金属水素化物を保持した反応部、水を貯蔵した水タンク、水を反応部に送るためのポンプからなる水素発生装置であり、水をポンプにより反応部の金属水素化物に供給して両者を接触し、水素発生反応を起こす装置である。反応部と水タンクを分離させたことにより、燃料電池停止時に金属水素化物と水とが接触せず、水素発生反応が生じない利点がある。
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−１３７９０３号公報（第４−６頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、高水素貯蔵密度材料であり、且つ、低水素発生エネルギーの金属水素化物を用いた場合でも、従来の方法では、水の送液をポンプによっていたため、送液のために電力を消費することとなっていた。そのため燃料電池システムの正味の出力を減じる事となる。従って、水の送液に電力を用いない構造を得る事が課題である。
【０００９】
更に、送液のポンプは体積が大きく、燃料電池システムの体積エネルギー密度を低下させる大きな要因になっていた。従って、小体積で送液できる構造を得る事が課題である。
【００１０】
更に、燃料電池システムの立場から見ると、金属水素化物の投入量が全体体積に比較して極めて小さく、そのため実用上エネルギー密度を高くする事が困難であるという重大な問題がある。
【００１１】
金属水素化物の投入量が少なくなる原因は、反応生成物の形態である。つまり、所望の反応速度で反応させると発泡し、泡が反応物及び反応生成物、残留物を巻き込み体積が膨張する。そのため、反応部内に充分な空間がない場合、反応物及び反応生成物、残留物が反応部外部に漏洩してしまう。体積の膨張率は反応量で決定されるため、必要な空間体積は反応物の質量から決定でき、逆に、投入できる金属水素化物の量は反応部の容積から決定できる。現状では、最大に見積もっても金属水素化物の体積は反応器容積の８．５％程度しか投入できない状態である。
【００１２】
更に反応制御性を向上させた従来の水素発生装置は、反応部と水タンクのような液体貯蔵部で構成される装置であり、液体貯蔵部は反応部と同等の体積が必要である。従って、金属水素化物の体積は水素発生装置全体の４％程度となる。
【００１３】
以上から、水素発生装置内の空間を有効に利用し、デッドスペースを減少させる必要がある。従来の構造では、液体貯蔵部から水が反応部に供給されると、水タンク内は空となる。空となった液体貯蔵部内の空間は利用できず、デッドスペースとなる。このような液体貯蔵部内に生じるデッドスペースを有効に利用して、エネルギー密度を向上する事が課題である。
【００１４】
上記の通り、本発明は、電力を用いずに水素発生用水溶液を移動し、水素発生反応を起こす事ができ、且つ、液体貯蔵部のデッドスペースを低減することにより、高エネルギー密度の水素発生設備及び燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決する本発明の第１の態様は、水素反応用物質を格納すると共にこの水素反応用物質と反応する水素発生用水溶液を反応させる反応部と、前記水素発生用水溶液を貯蔵する液体貯蔵部と、この液体貯蔵部に貯蔵された水素発生用水溶液を前記反応部に供給する供給路と、前記反応部で発生した水素を排出する排出手段とを具備し、前記反応部内の圧力が前記液体貯蔵部内の水素発生用水溶液を加圧するようにすると共に圧力状態により流路を開閉する開閉手段を前記供給路の途中に設けたことを特徴とする水素発生設備にある。
【００１６】
かかる第１の態様では、電力を消費することなく、反応部で発生した水素の圧力により水素発生用水溶液が反応部に供給されて水素が生成され、また、この水素の生成は排出手段に接続した燃料電池の発電部での水素の消費に応じて行われるので、高エネルギー密度の水素発生設備が提供できる。
【００１７】
本発明の第２の態様は、前記開閉手段が、前記供給路の上流側の圧力が所定値より高い場合に開となる圧力調整弁と、この圧力調整弁の下流側に設けられて下流側から上流側への逆流を防止する逆止弁とを有することを特徴とする第１の態様に記載の水素発生設備にある。
【００１８】
かかる第２の態様では、供給路の上流側、すなわち、反応部の圧力が所定より高い場合に圧力調整弁が開き、上流側の圧力が下流側より高い場合に水素発生用水溶液が圧力調整弁の下流側へ供給され、また、圧力調整弁の下流側の圧力が反応部内の圧力より高くなった際に水素発生用水溶液が反応部内へ供給される。
【００１９】
本発明の第３の態様は、前記圧力調整弁の閉弁力として、当該水素発生設備外部の物質の圧力を駆動力として用いていることを特徴とする第２の態様に記載の水素発生設備にある。
【００２０】
かかる第３の態様では、水素発生設備の外部の物質の圧力、例えば、大気圧を用いて圧力調整弁を駆動することができ、例えば、反応部の内部の圧力が大気圧より高い場合に圧力調整弁が開となる。
【００２１】
本発明の第４の態様は、前記圧力調整弁が、前記水素発生用水溶液を通す流路と、前記流路の隔壁の一部を形成すると共に圧力を受けて撓みを生じる薄膜若しくは薄板である可撓膜からなるシール部材と、前記シール部材と固定されて当該シール部材の撓みと連動して移動すると共に当該移動により前記流路を開閉して前記水素発生用水溶液を流通もしくは遮断する弁体と、前記流路と前記供給路との接続部とを有し、前記シール部材の外側に当該水素発生設備の外部に存在する物質が接する構造であることを特徴とする第３の態様に記載の水素発生設備にある。
【００２２】
かかる第４の態様では、水素発生設備の外部の物質により圧力調整弁が閉弁する方向に弁体やシール部材にかかる応力より反応部内圧が高い時に圧力調整弁は開弁し、反応部内圧が大気圧より低い時閉弁する。
【００２３】
本発明の第５の態様は、前記圧力調整弁が、前記水素発生用水溶液を通す可撓性チューブと、前記可撓性チューブの外部に移動自在に設けられると共に当該移動により前記可撓性チューブを潰して内部を閉塞するか又は流通状態とする押圧部と、前記可撓性チューブと前記供給路との接続部とを有し、前記押圧部もしくは当該押圧部が設けられた前記可撓性チューブの外側には当該水素発生設備の外部に存在する物質が接する構造であることを特徴とする第３の態様に記載の水素発生設備にある。
【００２４】
かかる第５の態様では、水素発生設備の外部の物質により圧力調整弁が閉弁する方向に押圧部にかかる応力より反応部内圧が高い時に圧力調整弁は開弁し、反応部内圧が大気圧より低い時閉弁する。
【００２５】
本発明の第６の態様は、前記圧力調整弁の閉弁力として、当該水素発生設備外部の物質の圧力に加え、弾性部材による付勢力を用いていることを特徴とする第３乃至５のいずれかの態様に記載の水素発生設備にある。
【００２６】
かかる第６の態様では、外部の物質の圧力、例えば、大気圧に加えて弾性部材の付勢力を用いることにより、大気圧以上の動作圧でシステムを動作させることができる。
【００２７】
本発明の第７の態様は、前記圧力調整弁と前記逆止弁との間に前記水素発生用水溶液を一時貯留する一時貯留部を設けたことを特徴とする第２乃至６のいずれかの態様に記載の水素発生設備にある。
【００２８】
かかる第７の態様では、圧力調整弁の供給路の上流側、すなわち、反応部の圧力が所定より高い場合に圧力調整弁が開き、上流側の圧力が下流側より高い場合に水素発生用水溶液が圧力調整弁を介して一時貯留部へ供給され、また、一時貯留部内の圧力が反応部内の圧力より高くなった際に水素発生用水溶液が反応部内へ供給される。
【００２９】
本発明の第８の態様は、前記開閉手段が、前記供給路の下流側の圧力が所定値より低い場合に開となる圧力調整弁を有することを特徴とする第１の態様に記載の水素発生設備にある。
【００３０】
かかる第８の態様では、供給路の下流側、すなわち、反応部の圧力が所定値より低い場合に圧力調整弁が開き、上流側の圧力が下流側より高い場合に水素発生用水溶液が圧力調整弁の下流側、すなわち、反応部内へ水素発生用水溶液が反応部内へ供給される。
【００３１】
本発明の第９の態様は、前記開閉手段が、さらに、下流側から上流側への逆流を防止する逆止弁を有することを特徴とする第８の態様に記載の水素発生設備にある。
【００３２】
かかる第９の態様では、水素や水素発生用水溶液の逆流が防止される。
【００３３】
本発明の第１０の態様は、前記圧力調整弁の閉弁力として、前記反応部の内部の物質の圧力を駆動力として用いていることを特徴とする第８又は９の態様に記載の水素発生設備にある。
【００３４】
かかる第１０の態様では、水素発生設備の内部の物質の圧力、すなわち、水素の圧力を用いて圧力調整弁を駆動することができ、例えば、反応部の内部の圧力が所定値より低い場合に圧力調整弁が開となる。
【００３５】
本発明の第１１の態様は、前記圧力調整弁が、前記水素発生用水溶液を通す流路と、前記流路の隔壁の一部を形成すると共に圧力を受けて撓みを生じる薄膜若しくは薄板である可撓膜からなるシール部材と、前記シール部材と固定されて当該シール部材の撓みと連動して移動すると共に当該移動により前記流路を開閉して前記水素発生用水溶液を流通もしくは遮断する弁体と、前記流路と前記供給路との接続部とを有し、前記シール部材の外側に前記反応部の内部に存在する物質が接する構造であることを特徴とする第１０の態様に記載の水素発生設備にある。
【００３６】
かかる第１１の態様では、反応部の内部に存在する物質により圧力調整弁が閉弁する方向に弁体やシール部材にかかる応力が低くなり、相対的に流路の上流側の圧力が高くなったときに圧力調整弁は開弁し、反応部内圧が所定値より高い時閉弁する。
【００３７】
本発明の第１２の態様は、前記圧力調整弁が、前記水素発生用水溶液を通す可撓性チューブと、前記可撓性チューブの外部に移動自在に設けられると共に当該移動により前記可撓性チューブを潰して内部を閉塞するか又は流通状態とする押圧部と、前記可撓性チューブと前記供給路との接続部とを有し、前記押圧部もしくは当該押圧部が設けられた前記可撓性チューブの外側には前記反応部の内部に存在する物質が接する構造であることを特徴とする第１０の態様に記載の水素発生設備にある。
【００３８】
かかる第１２の態様では、反応部の内部に存在する物質により圧力調整弁が閉弁する方向に弁体やシール部材にかかる応力が低くなり、相対的に流路の上流側の圧力が高くなったときに圧力調整弁は開弁し、反応部内圧が所定値より高い時閉弁する。
【００３９】
本発明の第１３の態様は、前記圧力調整弁と前記液体貯蔵部との間に前記水素発生用水溶液を一時貯留する一時貯留部を設けたことを特徴とする第８乃至１２のいずれかの態様に記載の水素発生設備にある。
【００４０】
かかる第１３の態様では、内部の物質の圧力、例えば、水素の圧力に加えて弾性部材の付勢力を用いることにより、最低限の動作圧を確保してシステムを動作させることができる。
【００４１】
本発明の第１４の態様は、前記一時貯留部は、その内部に貯留される水素発生用水溶液が所定圧を受ける構造を有し、前記反応部の内圧が前記所定圧より小さくなった際に水素発生用水溶液を当該反応部へ供給するようになっていることを特徴とする第７又は１３の態様に記載の水素発生設備にある。
【００４２】
かかる第１４の態様では、反応部への水素発生用水溶液の供給を、一時貯留部が受ける所定圧により設定可能である。
【００４３】
本発明の第１５の態様は、前記一時貯留部は、その壁の少なくとも一部が移動可能な可動壁であると共に当該可動壁が前記所定圧を受けており、前記水素発生用水溶液の移動により、前記可動壁が可動して当該一時貯留部の容積が変化することを特徴とする第７又は１３の態様に記載の水素発生設備にある。
【００４４】
かかる第１５の態様では、可撓壁が受ける所定圧により反応部へ供給される圧力を設定できる。
【００４５】
本発明の第１６の態様は、前記一時貯留部の当該水素発生設備外部との境界の壁の一部もしくは全体が、前記一時貯留部の内外の圧力差により撓む事が可能な薄膜もしくは薄板からなる可撓膜であり、当該可撓膜が当該水素発生設備外部の圧力を受けていることを特徴とする第７又は１３の態様に記載の水素発生設備にある。
【００４６】
かかる第１６の態様では、可撓膜が受ける所定圧により反応部へ供給される圧力を設定できる。
【００４７】
本発明の第１７の態様は、前記供給路とは別に、前記一時貯留部と前記液体貯蔵部とを連結するバイパス管が設けられていることを特徴とする第７及び１３乃至１６のいずれかの態様に記載の水素発生設備にある。
【００４８】
かかる第１７の態様では、圧力調整弁の閉弁圧より低い内圧においても一時貯留部へ水素発生用水溶液が供給される。
【００４９】
本発明の第１８の態様は、前記バイパス管に、前記一時貯留部から前記液体貯蔵部への前記水素発生用水溶液の逆流を防止する第二の逆止弁が介装されていることを特徴とする第１７の態様に記載の水素発生設備にある。
【００５０】
かかる第１８の態様では、第二の逆止弁によりバイパス管を介しての水素発生用水溶液の逆流が防止される。
【００５１】
本発明の第１９の態様は、前記液体貯蔵部は、その内部の容積が一定の容器からなり、上部に物質移動が可能な貫通孔を有することを特徴とする第１乃至１８のいずれかの態様に記載の水素発生設備にある。
【００５２】
かかる第１９の態様では、貫通孔を介して反応部の内圧が液体貯蔵部内にかかるようになる。
【００５３】
本発明の第２０の態様は、前記液体貯蔵部は、その内部の容積が貯蔵される水素発生用水溶液の量に応じて可変である容器からなることを特徴とする第１乃至１８のいずれかの態様に記載の水素発生設備にある。
【００５４】
かかる第２０の態様では、容積が可変とである液体貯蔵部を反応部内に設けることにより、水素発生用水溶液が減少した際の反応部内の空間を広げることができる。
【００５５】
本発明の第２１の態様は、前記容器は、外部と画成する壁の少なくとも一部に移動可能な可動壁を有し、この可動壁が内外の圧力差に応じて移動して当該容器の容積を可変させることを特徴とする第２０の態様に記載の水素発生設備にある。
【００５６】
かかる第２１の態様では、圧力差に応じて移動する可動壁により、液体貯蔵部の容積が変化する。
【００５７】
本発明の第２２の態様は、前記容器は、外部と画成する壁の一部もしくは全体が、内外の圧力差により撓むことが可能な薄膜または薄板からなる可撓壁からなることを特徴とする第２０の態様に記載の水素発生設備にある。
【００５８】
かかる第２２の態様では、可撓壁の撓みにより液体貯蔵部の容積が変化する。
【００５９】
本発明の第２３の態様は、前記水素反応用物質が、加水分解により水素を発生する金属水素化物を含むことを特徴とする第１乃至２２のいずれかの態様に記載の水素発生設備にある。
【００６０】
かかる第２３の態様では、水素発生用水溶液と金属水素化物との反応により水素が生成する。
【００６１】
本発明の第２４の態様は、前記水素反応用物質が、前記金属水素化物に、固体の有機酸もしくはその塩、金属塩化物、並びに、白金、金、銅、ニッケル、鉄、チタン、ジルコニウム、及びルテニウムからなる金属及びこれらの合金からなる群から選択される少なくとも一種を混合したものであることを特徴とする第２３の態様に記載の水素発生設備にある。
【００６２】
かかる第２４の態様では、金属水素化物に添加物が添加され、水素の生成が促進される。
【００６３】
本発明の第２５の態様は、前記水素発生用水溶液が、水、又は、水に、有機酸もしくはその塩、無機酸もしくはその塩、及び金属塩化物からなる群から選択される少なくとも一種を混合したものであることを特徴とする第２３又は２４の態様に記載の水素発生設備にある。
【００６４】
かかる第２５の態様では、水素発生用水溶液として、水、又は添加物を混合した水を用いることにより、効率的に水素を生成させることができる。
【００６５】
本発明の第２６の態様は、前記水素発生用水溶液が酸もしくは塩基の水溶液であり、前記水素反応用物質が金属である事を特徴とする請求項１乃至２２のいずれかの態様に記載の水素発生設備にある。
【００６６】
かかる第２６の態様では、酸もしくは塩基の水溶液と金属との反応により、水素が生成される。
【００６７】
本発明の第２７の態様は、燃料電池の発電部の負極室へ燃料を供給する燃料供給部として、第１乃至２６のいずれかの態様に記載の前記水素発生設備を具備することを特徴とする燃料電池システムにある。
【００６８】
かかる第２７の態様では、水素発生用水溶液の送液を、水素発生反応による反応部の圧力変化と燃料電池での水素消費による圧力低下により行う事ができるようになるため、電力を用いずに送液する事が可能となり、高エネルギー密度の燃料電池システムが提供できる。
【００６９】
本発明の第２８の態様は、前記発電部が、水素と酸素とを電気化学反応して発電する高分子固体形燃料電池であり、前記燃料供給部から前記負極室に至る部位の内部と外部とで物質の移動が無いことを特徴とする第２７の態様に記載の燃料電池システムにある。
【００７０】
かかる第２８の態様では、内外で物質の移動がない高分子固体型燃料電池が提供される。
【００７１】
本発明の水素発生設備は、水素発生用水溶液と水素反応用物質とを反応させて必要な水素を生成して供給するものである。
【００７２】
ここで、水素発生用水溶液と水素反応用物質との組み合わせとしては、水素発生用水溶液として水又は水に添加物を添加した水溶液を用い、水素反応用物質として加水分解により水素を発生する金属水素化物又はこの金属水素化物に添加物を混合したものを用いるものが挙げられる。
【００７３】
かかる金属水素化物としては、アルカリ金属、アルカリ土類金属、錯金属と水素の化合物であり、水素化ナトリウム、水素化ホウ素ナトリウム、水素化アルミニウムナトリウム、水素化アルミニウムリチウム、水素化ホウ素リチウム、水素化リチウム、水素化カルシウム、水素化アルミニウム、水素化マグネシウムなどが挙げられる。
【００７４】
また、金属水素化物に混合する添加物としては、固体の有機酸もしくはその塩、金属塩化物、又は、白金、金、銅、ニッケル、鉄、チタン、ジルコニウム、及びルテニウムからなる金属及びこれらの合金などを挙げることができ、これらから選択される少なくとも一種を用いればよい。これにより、金属水素化物中に水素発生反応の促進剤や触媒が混合されるため、反応速度が極めて速くなり、水が金属水素化物に供給されると反応部内圧を即座に上昇させる事ができるようになる。
【００７５】
一方、水素発生用水溶液としては、水そのものの他、水に、有機酸もしくはその塩、無機酸もしくはその塩、金属塩化物を混合した水溶液を用いるのが好ましい。これにより、水素発生反応を促進させる促進剤水溶液を得る事ができるため、反応速度が極めて速くなり、水素発生反応が起きると反応部内圧を即座に上昇させる事ができるようになる。
【００７６】
このような水に添加される物質としては特に限定されないが、有機酸もしくはその塩、無機酸もしくはその塩、金属塩化物などを挙げることができ、例えば、酸としては硫酸、リンゴ酸、クエン酸、コハク酸、金属塩化物としては塩化コバルト、塩化鉄、塩化ニッケル、白金族の塩化物などを挙げることができる。
【００７７】
さらに、水素発生用水溶液と水素反応用物質との組み合わせとしては、水素発生用水溶液が酸もしくは塩基水溶液を用い、水素反応用物質が金属である場合を挙げることができる。
【００７８】
ここで、好ましくは、酸として塩酸、硫酸などを用い、これらの酸に適用する金属は卑金属を用いる。一方、塩基水溶液としては、水酸化ナトリウム水溶液、水酸化カリウム水溶液を挙げることができ、このような塩基水溶液に適用する金属は両性金属である。これらを混合する事により、速い速度で水素を得る事ができるようになる。
【発明の効果】
【００７９】
以上説明したように、本発明によれば、電力を用いることなく、もしくは、低電力で、水素発生用水溶液を送液する事ができるようになるため、必要に応じて燃料電池に供給する水素を得る事ができるようになり、高エネルギー密度の水素供給設備及び燃料電池システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００８０】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００８１】
（実施形態１）
図１は、本発明の燃料電池システムの構成図である。概略の構成は、水溶液を貯蔵し、送液する液体関連ユニットと、水素発生反応を生じ、発生した水素を発電のために消費する水素関連ユニットとの二部構成である。燃料電池システムは、原則的に内部と外部との物質交換がない構造となっている。
【００８２】
まず液体関連ユニットは、液体貯蔵部１１、一時貯留部１２、液体貯蔵部１１と一時貯留部１２を連結する供給管１５ａ、一時貯留部１２に接続され一端が開口している供給管１５ｂ、更に供給管１５ａには圧力調整弁１４、供給管１５ｂには逆止弁１３が具備された構成となっている。
【００８３】
液体貯蔵部１１内には水素発生用水溶液１７が貯蔵されており、水素発生用水溶液１７は、液体貯蔵部１１から供給管１５ａを通り、圧力調整弁１４を通過した後一時貯留部１２に到り、一時貯留部１２から供給管１５ｂを通り、逆止弁１３を通過した後、供給管１５ｂの開口端より流出する。逆止弁１３は、通常のチューブチェックバルブであり、供給管１５ｂの開口端から一時貯留部１２への逆流を防止している。
【００８４】
次に水素関連ユニットは、反応部１０、負極室２、高分子固体形燃料電池の発電部１、および反応部１０と負極室２とを接続する水素導管３から構成されている。なお、反応部１０は、負極室２に連通して設けられて負極室２で消費される気体である水素を蓄える気体室として機能する。
【００８５】
以上の設備で発電部１、負極室２及び水素導管３を除いた設備が本発明の水素発生設備であり、水素発生設備の水素排出手段を水素導管３に接続した状態を図示したものである。よって、以下、水素発生設備を含む燃料電池システム全体の説明を行いながら、水素発生設備自体の説明を行うことにする。
【００８６】
水素発生設備の反応部１０は水素反応用物質１６を格納し、水素を発生させる部位である。また負極室２は、反応部１０で発生した水素を滞留させ、高分子固体形燃料電池の発電部１の負極に水素を送る空間である。高分子固体形燃料電池の発電部１は、負極室２の水素及び空気中の酸素を電気化学的に反応させて電力を発生する部位である。
【００８７】
本実施形態では、上述した両ユニットを、次のように配置した。すなわち、液体貯蔵部１１を反応部１０内部に配置し、一時貯留部１２を反応部１０の外部に設置し、一時貯留部１２に貯留される水素発生用水溶液１７が外部の圧力を受けるようにした。但し、必ずしも一時貯留部１２全体を反応部１０の外部に設ける必要はなく、少なくとも一時貯留部１２の壁の一部が反応部１０の外部と接するように配置しても良い。更に、供給管１５ｂの開口端は、反応部１０の内部の水素反応用物質１６の上方に開口するように配置した。尚、液体貯蔵部１１、圧力調整弁１４、一時貯留部１２については、詳しく後述するが、圧力調整弁１４は、反応部１０の内部に設置し、圧力調整弁１４の開閉動作のために大気を取り入れるため、図５に示すように、大気取込部３８を設けて、圧力調整弁１４の一部が大気と接するようにした。以上の通りに各部位を配置することにより、水素発生用水溶液１７は、一時貯留部１２から供給管１５ｂを通過し、供給管１５ｂの開口端から反応部１０内に供給されるようにした。
【００８８】
このような構成とすることにより、反応部１０内部の圧力が燃料電池システム外部の圧力より高くなった時、液体貯蔵部１１に貯蔵された水素発生用水溶液１７が一時貯留部１２に移動し、反応部１０内部の圧力が燃料電池システム外部の圧力より低くなった時、圧力調整弁１４が閉弁するまで一時貯留部１２内の水素発生用水溶液１７が液体貯蔵部１１に移動することとなる。従って、水素発生用水溶液１７の送液を、水素発生反応による反応部の圧力上昇と燃料電池での水素消費による圧力低下により行う事ができるようになるため、電力を用いずに送液する事が可能となる。
【００８９】
以上の構造によると、燃料電池システムは液体貯蔵部１１から負極室２が外部に対して閉じられた系であるため、内部に水素発生用水溶液１７、及び、発生した水素がとどまる。そこで水素の発生により内部圧力が上昇し、燃料電池反応により水素消費により内部圧力が低下する。そこでまず、反応部内で水素発生反応が起きると、反応部１０及び負極室２の内圧が上昇する。これにより液体貯蔵部１１、及び、水素発生用水溶液１７に圧力がかかるため、反応部１０の圧力が燃料電池システム外部の圧力、例えば、大気圧より高くなると、水素発生用水溶液１７が圧力調整弁１４を通して一時貯留部１２に移動する。その際、逆止弁１３には反応部１０側から圧力がかかるが、逆止弁１３が閉鎖するため、一時貯留部１２には水素が流入しない。従って一時貯留部１２の内圧は圧力調整弁１４の出力圧となる。
【００９０】
次に、燃料電池における発電により水素が消費されると、反応部１０及び負極室２の内圧が低下する。液体貯蔵部１１の内圧は反応部１０の内圧と同等であるため、反応部１０の内圧が低下すると、一時貯留部１２と液体貯蔵部１１とに圧力差が生じるため、一時貯留部１２から液体貯蔵部１１に水素発生用水溶液１７が移動する。
【００９１】
しかし、反応部１０内圧が圧力調整弁１４の閉弁圧を下回ると、圧力調整弁１４が閉鎖し、水素発生用水溶液１７の液体貯蔵部１１への移動は停止する。この時の一時貯留部１２の内圧は圧力調整弁１４の閉弁圧となる。更に、燃料電池により水素が消費され、反応部１０及び負極室２の内圧が低下すると、反応部１０内圧は一時貯留部１２の内圧より低くなるため、逆止弁１３を通して一時貯留部１２から水素発生用水溶液１７が反応部１０に移動する事となる。その結果、反応部１０内に格納された水素反応用物質１６と水素発生用水溶液１７とが接して、水素発生反応が起きる事となり、再度反応部１０及び負極室２の内圧が上昇する。燃料電池の運転時水素が消費するため、この現象が繰り返し発生し、水素発生用水溶液１７が反応部１０に移動して、液体貯蔵部１１中の水素発生用水溶液１７の体積が低下する。それと共に反応部１０内の空間、つまり、反応生成物や残留物を保持するための空間が増大することとなる。その結果反応部１０内の空間の増大分を考慮に入れて、より多くの水素反応用物質１６を反応部１０に格納することができるようになる。
【００９２】
更に、一時貯留部１２が、燃料電池システム外部に存在する物質の圧力を受けており、水素発生用水溶液１７の移動により、一時貯留部１２の体積が変化するようにするのが好ましい。これにより、圧力調整弁１４の閉弁圧を燃料電池システム外部に存在する物質の圧力、例えば、大気圧相当とした場合でも、反応部１０の内圧が大気圧より低下すると、大気圧を受けて一時貯留部１２の体積が縮小しながら水素発生用水溶液１７を一時貯留部１２から反応部に送液できるようになる。従って、大気圧相当で燃料電池システムを運転する事が可能となり、その結果燃料電池の電解質膜に与える応力を小さくし、安全に燃料電池システムを運転する事が可能となる。
【００９３】
また、圧力調整弁１４の閉弁力として、燃料電池システム外部の物質圧力を駆動力として用いるため、反応部１０の内圧によらず一定の圧力で圧力調整弁１４を閉弁する事が可能となる。
【００９４】
ここで、液体貯蔵部１１について説明する。液体貯蔵部１１と、それに接続された供給管１５ａの一部の具体例を図２〜図４にそれぞれ示した。図に示した部位は前記した通り、反応部１０内に設けられている。
【００９５】
まず図２は、一例に係る液体貯蔵部１１Ａを示す構成図である。液体貯蔵部１１Ａは上部に開口部２０を有する容器であり、この容器内に挿入されるように供給管１５ａが接続されており、供給管１５ａの端部は液体貯蔵部１１の底部近くまで延設されるように設置されている。このような構成により、反応部１０内で発生した水素が開口部２０より液体貯蔵部１１内に流入し、水素発生用水溶液１７の液面を加圧することができるようになっている。この結果、後述する作用により供給管１５ｂの開口端より水素発生用水溶液１７が流出し、反応部１０に供給される。また、このとき、水素圧により水素発生用水溶液１７の液面が低下し、液体貯蔵部１１内の空間が増加し、反応部１０で発生した副生成物を保持するための空間が増大する。
【００９６】
また図３は、図２と異なる構造の液体貯蔵部１１Ｂの斜視図である。液体貯蔵部１１Ｂは可撓性フィルムにて構成される袋状の容器であり、この袋状の容器の内部と連通するように供給管１５ａが取り付けられている。このような構成により、供給管１５ｂの開口端より水素発生用水溶液１７が流出して、反応部１０に供給されると水素が発生し、発生した水素が液体貯蔵部１１Ｂの外面を加圧し、液体貯蔵部１１Ｂの内部の体積が低下するように可撓性フィルムが変形し、内部の水素発生用水溶液１７が供給管１５ａから供給される。また、この結果、液体貯蔵部１１Ｂの全体の体積が低下するので、逆に反応部１０内の空間を増大することとなる。
【００９７】
また図４は、図２、図３と異なる液体貯蔵部１１Ｃの側面断面図である。液体貯蔵部１１Ｃを固定形状の容器とし、その一面の壁を可動壁２１としたものである。本図では液体貯蔵部１１Ｃはシリンジのような円筒形容器であり、容器末端の底壁に供給管１５ａを取り付けたものである。可動壁２１はプランジャであり、供給管１５ａが取り付けられた底壁と対向する位置に配置され、可動壁２１と液体貯蔵部１１に挟まれた空間に水素発生用水溶液１７が貯蔵されるようになっている。水素発生用水溶液１７が供給管１５ｂの開口端より流出し、反応部１０に供給されると、水素が発生し、水素圧により液体貯蔵部１１Ｃの容積を低下させる方向に可動壁２１が移動し、また、これに伴い、反応部１０の空間体積が増大する。
【００９８】
以上の通り、液体貯蔵部１１Ａ〜１１Ｃは、反応部１０内の圧力の上昇により内部に内蔵された水素発生用水溶液１７が供給管１５ａに導入され、供給管１５ｂの開口端よりが流出するようになっており、電力を消費することなく、水素発生用水溶液１７の供給が可能なものである。
【００９９】
また、このように水素発生用水溶液１７が反応部１０に供給されると、反応部１０の空間体積が増大し、水素発生反応で発生した泡や残留物をより多く貯留できるという効果も奏するものである。すなわち、液体貯蔵部１１から水素発生用水溶液１７が反応部１０に移動しても、デッドスペースが生じず、水素発生用水溶液１７が反応部に移動した時の液体貯蔵部１１内に存在する水素発生用水溶液１７の体積減少分を、残留物や反応生成物を保持するための空間として利用する事ができるようになり、より多くの水素反応用物質１６を反応部１０に格納可能となる。
【０１００】
次に圧力調整弁について説明する。圧力調整弁１４と、圧力調整弁１４と液体貯蔵部１１を接続する供給管１５ａの一部と、一時貯留部１２に接続する供給管１５ｂの一部とを図５、図６に示した。尚、反応部筐体の壁３５ａ、３５ｂは一体の壁であるが、図５、図６は共に断面図であるため、当該部位が開口しているために分離して描かれている。同様に、流路板３９ａ、３９ｂ、３９ｃは一体の部材であるが、断面の部位に流路３４ａ、３４ｂ、開口部３３が形成されているため、図では分離して描かれている。従って特に拘らない限り、反応部筐体の壁３５、流路板３９と記述する。
【０１０１】
まず、図５は一例に係る圧力調整弁１４Ａの断面図である。圧力調整弁１４Ａは、流路３４ａ、３４ｂが形成された流路板３９と弁体３０で構成されている。流路３４ａは液体貯蔵部１１と接続された供給管１５ｃと、流路３４ｂは一時貯留部１２と接続された供給管１５ｄとそれぞれ接続している。また、流路３４ａと流路３４ｂとは開口部３３を介して連通しており、液体貯蔵部１１から送液された水素発生用水溶液１７は、流路３４ａ、開口部３３、流路３４ｂを通り、一時貯留部１２に供給される。流路板３９は反応部筐体の壁３５と固定されている。尚、図５では反応部筐体の壁３５の上方が燃料電池システム外部、下方が反応部１０内部となっている。また、流路３４ａを画成する隔壁の一部が外部に開口した部位を設けており、開口部分の隔壁の一部には可撓性部材からなるシール部材３１が取り付けられて、外部と流路３４ａとが仕切られている。流路３４ａ内には、シール部材３１と一体的に固定された弁体３０が設置され、弁体３０が動くことにより開口部３３が開閉されるようになっている。更に、弁体３０及びシール部材３１を開口部３３方向に付勢する加重を付加するために、ばね３２を設置した。
【０１０２】
ここで弁体３０並びにシール部材３１に大気圧がかかるようにするため、反応部筐体の壁３５ａと３５ｂの間に大気取込部３８を設けた。従って、シール部材３１には、燃料電池システム外部の大気圧、及び、ばね３２の付勢力が上面より加重されており、一方、流路３４の内部側から水素発生用水溶液１７の圧力がかかっている。なお、シール部材３１はポリエチレンやポリプロピレン、シリコーンゴムのような樹脂やゴム、ニッケルやシリコン、セラミックのような固体薄板や薄膜により形成されており、シール部材３１上下の圧力差に応じて撓み、弁体３０を移動させる事が可能なものである。開口部３３の閉鎖時のシール部材３１上部からの加重は大気圧及びばね３２による付勢力であるため、一定であり、従って、水素発生用水溶液１７が所定の圧力を上回った時のみ開弁する事が可能となっている。
【０１０３】
図５の圧力調整弁１４Ａの場合、閉弁する方向に弁体３０やシール部材３１に応力がかかっていない場合、反応部１０の内圧が大気圧より高い時圧力調整弁１４Ａは開弁し、反応部内圧が大気圧より低い時閉弁する事となる。
【０１０４】
詳しくは、反応部１０の内圧が大気圧より高い場合、反応部１０の内圧を受けて液体貯蔵部１１から移動する水素発生用水溶液１７により圧力調整弁１４Ａが開弁し、一時貯留部１２に水素発生用水溶液１７が送液される。一方、反応部１０の内圧が低下した場合、反応部１０の内圧が大気圧より高い時点では反応部１０の内圧を受けて水素発生用水溶液１７が圧力調整弁１４Ａを開弁し続ける。しかし反応部１０の内圧が大気圧より低下すると、大気圧による弁体３０への加重が水素発生用水溶液１７による加重より大きくなるため、圧力調整弁１４Ａが閉鎖することとなる。
【０１０５】
また、図６は図５と異なる圧力調整弁１４Ｂの断面図である。圧力調整弁１４Ｂ内には可撓性部材からなる樹脂チューブ３７が設置されており、反応部筐体の壁３５の下方に流路板３９を設置した。尚、図６では反応部筐体の壁３５の上方が燃料電池システム外部、下方が反応部１０内部となっている。樹脂チューブ３７は液体貯蔵部１１と接続された供給管１５ｃと、一時貯留部１２と接続された供給管１５ｄと接続されており、水素発生用水溶液１７が供給されるようになっている。また反応部筐体の壁３５の一部に大気取込部３８を設け、樹脂チューブ３７の一部が燃料電池システム外部と接するようにし、樹脂チューブ３７の可撓性の隔壁の一部が大気圧を受けている。更に加えて、樹脂チューブ３７の断面径方向に圧縮する押圧部３６をばね３２で圧縮方向に付勢した状態で設置している。従って、樹脂チューブ３７内部の水素発生用水溶液１７の圧力が所定値を下回った場合、押圧部３６が下方に移動して樹脂チューブ３７を押し潰し、水素発生用水溶液１７の流通を遮断するようになっている。
【０１０６】
図６の圧力調整弁１４Ｂも図５の圧力調整弁１４Ａと同様に動作し、閉弁する方向に押圧部３６にかかる大気圧より、反応部１０の内圧が高い時、圧力調整弁１４Ｂは開弁し、反応部１０の内圧が大気圧より低い時閉弁する事となる。
【０１０７】
次に一時貯留部１２の構造を説明する。図７は一時貯留部１２の断面図である。一時貯留部１２に水素発生用水溶液１７を流入もしくは流出させるために、一時貯留部１２には供給管１５が接続されている。この供給管１５は反応部筐体の壁３５の内方に設置した。尚、図７では反応部筐体の壁３５の上方が燃料電池システム外部、下方が反応部１０内部となっている。
【０１０８】
一時貯留部１２は、その隔壁の一面の壁を可撓性部材からなる自由壁４０とし、これを反応部筐体の壁３５に設けた開口部４１に配置して燃料電池システム外部と接するようにし、自由壁４０に上方（外部）より大気圧が、下方（内部）より水素発生用水溶液１７の圧力がかかるようになっている。自由壁４０は、ポリエチレンやポリプロピレン、シリコーンゴムのような樹脂やゴム、ニッケルやシリコン、セラミックのような固体薄板、薄膜により形成されており、自由壁４０上下の圧力差に応じて撓み、これにより一時貯留部１２の容積が可変となっている。
【０１０９】
（実施例）
さて、以上説明した構造体を用いて図１の燃料電池システムを作製し、運転した。部品としては、液体貯蔵部１１に図３の構造を、圧力調整弁１４に図６の構造を用いた。使用した材質は、反応部筐体と供給管１５にステンレスを、液体貯蔵部１１にポリプロピレンを、圧力調整弁１４の樹脂チューブ３７にシリコーンゴムを、また、一時貯留部１２の自由壁４０にシリコーンシートを用いた。また、反応部１０は内容積が９０ｃｃの矩形容器であり、液体貯蔵部１１の内容積は４０ｃｃ、供給管１５は内径４ｍｍ、樹脂チューブの内径は２ｍｍ、自由壁４０の厚みを０．５ｍｍ、一時貯留部の容積を２ｃｃとした。
【０１１０】
また、圧力調整弁１４Ｂのばね３２を調節して、大気圧及びばね３２力による押圧部３６上部からの加重を１０ｋＰａとし、反応部１０内圧が１０ｋＰａ（ゲージ圧）の時に閉鎖される設定にした。
【０１１１】
更に、液体貯蔵部１１内には水素発生用水溶液１７としてリンゴ酸水溶液を貯蔵し、反応部１０には水素反応用物質１６として水素化ホウ素ナトリウムの粉末を保持した。
【０１１２】
次に、作製した燃料電池システムの作用を図１に基づいて説明する。
【０１１３】
発電部１が負荷と接続されると、燃料電池システム内部の水素と空気中の酸素が燃料電池反応を起こし、電力を発生する。発電は水素を消費しながら進行するため、負極室２、水素導管３、反応部１０の内圧が低下する。ここで一時貯留部１２は大気圧を受けているため、内圧が大気圧より低下すると一時貯留部１２と反応部１０とに差圧が生じ、一時貯留部１２に貯留されているリンゴ酸水溶液が反応部１０に移動する。反応部１０に格納している水素化ホウ素ナトリウムは、リンゴ酸水溶液と接触することにより水素発生反応を生じる。発生した水素は、水素導管３を通り、負極室２に供給されることとなる。
【０１１４】
水素の発生により反応部１０、水素導管３、負極室２の内圧が大気圧より上昇すると、まず一時貯留部１２より反応部１０内圧の方が高くなるため、水素が供給管１５ｂを逆流しようとする。しかし逆止弁１３が供給管１５ｂ上に設置されているため、逆流を防止できる。
【０１１５】
一方、液体貯蔵部１１は反応部１０内圧を受けて圧縮され、内部に貯蔵しているリンゴ酸水溶液が供給管１５ａを通り、圧力調整弁１４まで移動する。圧力調整弁１４は、開弁方向にリンゴ酸水溶液の圧力を、閉弁方向に１０ｋＰａ（ゲージ圧）を受けている。反応部１０内圧が１０ｋＰａ（ゲージ圧）を超えると、リンゴ酸水溶液の圧力により開弁方向の力が上回り、圧力調整弁１４が開弁し、リンゴ酸水溶液が一時貯留部１２に供給される。
【０１１６】
その後、水素発生速度が低下し発電部１での水素消費速度が上回ると、負極室２、水素導管３、反応部１０の内圧が低下し始める。内圧が１０ｋＰａ（ゲージ圧）より高い間は圧力調整弁１４が開弁しているため、一時貯留部１２から液体貯蔵部１１にリンゴ酸水溶液が逆流する。しかし、内圧が１０ｋＰａ（ゲージ圧）を下回ると圧力調整弁１４は閉弁する。この時の一時貯留部１２内圧は１０ｋＰａ（ゲージ圧）である。更に反応部１０内圧が低下すると、一時貯留部１２と反応部１０とに圧力差が発生し、逆止弁１３が開弁して、リンゴ酸水溶液が水素化ホウ素ナトリウムに供給され、再度内圧が上昇することとなる。
【０１１７】
本構造における実験結果を図８に示す。図８は、本発明による燃料電池システムの運転時の状況を示すグラフである。上段から順に、（ａ）圧力調整弁の開閉状態、（ｂ）水素発生用水溶液の反応部への送液有無、（ｃ）内圧の経時変化を示している。グラフの横軸は経過時間、縦軸は（ａ）圧力調整弁の開閉、（ｂ）送液もしくは送液停止、（ｃ）反応部１０内のゲージ圧を示す。
【０１１８】
反応部１０内圧は全般的には、（ｃ）によると、水素発生による圧力の急激な上昇と、発電による水素消費に伴う圧力低下が繰り返し起きた。初期は大気圧付近での運転であったが、開始後２０分以上経過すると、圧力上限が２５ｋＰａ（ゲージ圧）、圧力下限が５ｋＰａ（ゲージ圧）となり、ほぼ安定したプロファイルが得られるようになった。つまり電力を一切用いることなく、系内の圧力変動を利用して水素を発生し、燃料電池を運転する事が可能となった。
【０１１９】
この現象を、（ａ）、（ｂ）と関連付けて説明する。初期は大気圧であり、圧力調整弁１４の開弁圧である１０ｋＰａ（ゲージ圧）より低いため、（ａ）の通り圧力調整弁１４は閉弁している。従って一時貯留部１２の内圧と反応部１０内圧との圧力差から、（ｂ）の通りリンゴ酸水溶液が反応部１０に送液される。反応部１０内圧が上昇し始めると、反応部１０内圧が一時貯留部１２より圧力が高くなるため、逆止弁１３が動作し、リンゴ酸水溶液の送液が停止する。更に、１０ｋＰａ（ゲージ圧）を超えると、圧力調整弁１４が開弁し、液体貯蔵部１１から一時貯留部１２にリンゴ酸水溶液が移動する。水素が常に消費されているため、これが繰り返される。
【０１２０】
尚、長時間運転後でも連続運転を持続できたが、反応速度が低下し、安定した圧力上昇が見られない現象が生じた。高圧時でも１０ｋＰａ（ゲージ圧）を超えなくなり、圧力調整弁１４が開弁せず、液体貯蔵部１１から一時貯留部１２にリンゴ酸水溶液が送られなくなる事があった。
【０１２１】
（他の実施例）
上述した実施例の現象を回避するための他の実施例としての燃料電池システムの一例を図９に示す。
【０１２２】
図９は、図１の燃料電池システムにバイパス管１９を付加した燃料電池システムの構成図である。バイパス管１９は液体貯蔵部１１と一時貯留部１２を供給管１５とは別に連結する管であり、間に逆止弁１８を設置した。逆止弁１８は一時貯留部１２から液体貯蔵部１１への水素発生用水溶液１７の逆流を防止するものである。
【０１２３】
このようにバイパス管１９を設けることにより、反応部１０内圧がゲージ圧を超えない場合でも大気圧より高い場合、圧力差により液体貯蔵部１１から一時貯留部１２に水素発生用水溶液１７を移動することができるようになった。
【０１２４】
さて、燃料電池システムにおける水素供給や水素貯蔵に関する要求は、水素を発電電流に見合った速度で供給すること、水素の発生を低電力で、好ましくは、電力を消費せずに行うこと、水素反応用物質１６や水素発生用水溶液１７を全体体積に対して高い比率で貯蔵すること、水素発生反応による反応生成物を発電部１側に流出させないことである。特に水素反応用物質１６や水素発生用水溶液１７を全体体積に対して高い比率で貯蔵することができれば、水素貯蔵量が増加し、エネルギー密度を向上する事ができるようになる。
【０１２５】
しかしながら、従来、水素反応用物質１６や水素発生用水溶液１７を、全体体積に対して高い比率で貯蔵することができなかった。その理由は、水素発生反応による反応生成物が泡状に形成され、体積膨張し、発電部１側に流出してしまうためであった。
【０１２６】
本実施例の燃料電池システムでは、反応部１０の容積が９０ｃｃであり、その中に容積４０ｃｃの液体貯蔵部１１が具備されている。運転の結果、反応の進行に伴い液体貯蔵部１１の体積が低下し、反応部１０内の空間が増加した。そのため、水素化ホウ素ナトリウムを８ｇ程度投入しても、反応生成物が反応部１０から流出する事がなかった。
【０１２７】
（比較例）
従来の燃料電池システムの構成は、反応部１０と液体貯蔵部１１が分離した別々の容器であり、反応部１０を小さくせざるを得ないため、反応生成物を反応部１０内に収める空間が小さく、反応生成物の流出を早い段階で起こしてしまっていた。
【０１２８】
全体体積を実施例１の燃料電池システムにあわせて比較例の燃料電池システムを作製すると、反応部１０の容積が４６ｃｃであり、これと分離して容積４０ｃｃの液体貯蔵部１１が具備される。
【０１２９】
運転の結果、反応部１０に格納する水素化ホウ素ナトリウムの重量が、たかだか４ｇ程度で、反応部１０から反応生成物があふれ出てしまっていた。
【０１３０】
（他の実施形態）
さらに、図１０には、本発明の燃料電池システムの他の実施形態例を示す。尚、図１に示した部材と同一部材には同一符号を付してある。
【０１３１】
なお、上述した実施形態は、供給路に設けた開閉手段として、供給路の上流側の圧力が所定値より高い場合に開となる圧力調整弁を採用した例であったが、本実施形態では、開閉手段として、供給路の下流側の圧力が所定値より低い場合に開となる圧力調整弁を採用している。
【０１３２】
図１０の燃料電池システムの液体関連ユニットは、液体貯蔵部１１、一時貯留部１２、液体貯蔵部１１と一時貯留部１２を連結する供給管１５ａ、一時貯留部１２に接続され一端が開口している供給管１５ｂ、更に供給管１５ａには逆止弁２３、供給管１５ｂには圧力調整弁２４が具備された構成となっている。
【０１３３】
液体貯蔵部１１内には水素発生用水溶液１７が貯蔵されており、水素発生用水溶液１７は、液体貯蔵部１１から供給管１５ａを通り、逆止弁２３を通過した後一時貯留部１２に到り、一時貯留部１２から供給管１５ｂを通り、圧力調整弁２４を通過した後、供給管１５ｂの開口端より流出する。逆止弁２３は、通常のチューブチェックバルブであり、一時貯留部１２から液体貯蔵部１１への逆流を防止している。
【０１３４】
次に水素関連ユニットは、反応部１０、負極室２、高分子固体形燃料電池の発電部１、および反応部１０と負極室２とを接続する水素導管３から構成されている。なお、反応部１０は、負極室２に連通して設けられて負極室２で消費される気体である水素を蓄える気体室として機能する。
【０１３５】
以上の設備で発電部１、負極室２及び水素導管３を除いた設備が本発明の水素発生設備であり、水素発生設備の水素排出手段を水素導管３に接続した状態を図示したものである。
【０１３６】
水素発生設備の反応部１０は水素反応用物質１６を格納し、水素を発生させる部位である。また負極室２は、反応部１０で発生した水素を滞留させ、高分子固体形燃料電池の発電部１の負極に水素を送る空間である。高分子固体形燃料電池の発電部１は、負極室２の水素及び空気中の酸素を電気化学的に反応させて電力を発生する部位である。
【０１３７】
ここで、液体貯蔵部１１としては、図２乃至図４で説明した構成のものが採用でき、一時貯留部１２としては、図７のものが採用できる。
【０１３８】
また、圧力調整弁２４は、反応部１０の内圧が所定圧力以下になった時、開弁して一時貯留部１２側からの水素発生用水溶液１７が供給管１５ｂを流通可能となるように動作する。一時貯留部１２の内圧は送られた水素発生用水溶液１７により加圧されて圧力調整弁２４が開く圧力よりも高い状態（圧力調整弁２４が開くための反応部１０の所定圧力値を超える圧力）を生じており、一時貯留部１２と反応部１０の内圧差により水素発生用水溶液１７が供給管１５ｂから反応部１０に送られる。その結果、水素発生用水溶液１７と反応部１０内に格納された水素反応用物質１６が接触して反応部１０内で水素生成反応が生じる。
【０１３９】
このような圧力調整弁２４を有する燃料電池システムにおいて、発電部１が負荷に接続されると、負極室２の内部の水素と空気中の酸素が燃料電池反応を起こして電力を発生する。発電は水素を消費しながら進行するため、負極室２、水素導管３、反応部１０の内圧が低下する。ここで、一時貯留部１２は大気圧を受けているため、内圧が大気圧より低下すると一時貯留部１２と反応部１０とに差圧が生じ、一時貯留部１２に貯留されている水素発生用水溶液１７（例えば、リンゴ酸水溶液）が供給管１５ｂを通って反応部１０に移動する。
【０１４０】
水素発生用水溶液１７が反応部１０に移動すると、水素反応用物質１６（例えば、水素化ホウ素ナトリウム）と接触して水素発生反応を生じる。発生した水素は、水素導管３を通り、負極室２に供給される。水素の発生により反応部１０、水素導管３、負極室２の内圧が大気圧より上昇し、反応部１０の内圧が一時貯留部１２より高くなる。このため、水素が供給管１５ｂを逆流しようとするが、圧力調整弁２４により逆流が防止される。
【０１４１】
一方、液体貯蔵部１１内の水素発生用水溶液１７が反応部１０の内圧を受けて加圧され、液体貯蔵部１１の内部に貯蔵されている水素発生用水溶液１７が供給管１５ａから逆止弁２３を通って一時貯留部１２に供給される。
【０１４２】
その後、水素発生速度が低下し、発電部１での水素消費速度が上回ると、負極室２、水素導管３、反応部１０の内圧が低下し始める。内圧が低下して一時貯留部１２と反応部１０とに圧力差が発生すると、圧力調整弁２４が開弁して一時貯留部１２から反応部１０に水素発生用水溶液１７が流入する。これにより、水素反応用物質１６に水素発生用水溶液１７が接触して水素発生反応が生じ、反応部１０の内圧が再度上昇することとなる。
【０１４３】
以上の繰り返しにより水素が生成され、燃料電池の負極室２に燃料である水素が供給される。
【０１４４】
そして、液体貯蔵部１１から反応部１０に水素発生用水溶液１７が供給されるにしたがって液体貯蔵部１１の体積が減少する場合には、その分反応部１０の容積が増加するので、デッドスペースがなくなり、少ないスペースで水素の発生を行う領域を増加させることができ、水素発生量を減らすことなく省スペース化が可能になる。また、スペースを増加させることなく水素発生量を増加させることが可能になる。
【０１４５】
上述した燃料電池システムは、少ない体積で十分な量の水素を発生させることができる水素発生設備を備えた燃料電池システムとすることができる。
【０１４６】
なお、この実施形態で用いた圧力調整弁２４の具体的な構造は、図５や図６で説明した構造を採用することができる。
【０１４７】
図５に示す圧力調整弁１４Ａを圧力調整弁２４として用いる場合には、反応部筐体の壁３５の上方が反応部１０の内部、下方が燃料電池システム外部とし、大気取込部３８とした場所に反応部１０の内部の圧力がかかるようにすればよい。これにより、シール部材３１には、反応部１０内部の圧力、及び、ばね３２の付勢力が上面より加重されており、一方、流路３４の内部側から水素発生用水溶液１７の圧力がかかっている。従って、反応部１０の内圧が下がり、相対的に水素発生用水溶液１７が上回った時のみ開弁する事が可能となっている。なお、ばね３２を設けることにより、反応部１０内の内圧が著しく低くても、水素発生用水溶液１７の圧力がばね３２の付勢力より大きくならないと開弁しないようになっているが、ばね３２は必ずしも設ける必要はない。
【０１４８】
また、図６の圧力調整弁１４Ｂを圧力調整弁２４として用いる場合も同様であり、図６において反応部筐体の壁３５の上方が反応部１０内部、下方が燃料電池システム外部とし、樹脂チューブ３７の可撓性の隔壁の一部が反応部１０の内圧を受けるようにすればよい。これにより、反応部１０の内圧が高くなって、相対的に樹脂チューブ３７内部の水素発生用水溶液１７の圧力が下回った場合、押圧部３６が下方に移動して樹脂チューブ３７を押し潰し、水素発生用水溶液１７の流通を遮断するようになり、逆に、反応部１０の内圧が高くなると、開弁するようになっている。
【０１４９】
なお、図１０の実施形態においては、逆止弁２３を一時貯留部１２の上流側に設けたが、下流側に設けてもよく、また、逆止弁２３を省略してもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１５０】
本発明は、例えば、金属水素化物を分解して水素を発生させる水素発生設備及び水素発生設備で発生した水素を燃料とする燃料電池システムの産業分野で利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１５１】
【図１】本発明による燃料電池システムの構成図である。
【図２】液体貯蔵部の一例を示す構成図である。
【図３】液体貯蔵部の一例を示す斜視図である。
【図４】液体貯蔵部の一例を示す側面断面図である。
【図５】圧力調整弁の一例を示す断面図である。
【図６】圧力調整弁の一例を示す断面図である。
【図７】一時貯留部の一例を示す断面図である。
【図８】本発明による燃料電池システムの運転時における以下の状況を示すグラフである。（ａ）圧力調整弁の開閉状態  （ｂ）水素発生用水溶液の反応部への送液有無  （ｃ）燃料電池システム内圧の経時変化
【図９】図１にバイパス管を付加した燃料電池システムの構成図である。
【図１０】他の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【符号の説明】
【０１５２】
１    発電部
２    負極室
３    水素導管
１０  反応部
１１、１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ  液体貯蔵部
１２  一時貯留部
１３  逆止弁
１４、１４Ａ、１４Ｂ  圧力調整弁
１５、１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ  供給管
１６  水素反応用物質
１７  水素発生用水溶液
１８  逆止弁
１９  バイパス管
２０  開口部
２１  可動壁
３０  弁体
３１  シール部材
３２  ばね
３３  開口部
３４、３４ａ、３４ｂ  流路
３５、３５ａ、３５ｂ  反応部筐体の壁
３６  押圧部
３７  樹脂チューブ
３８  大気取込部
３９、３９ａ、３９ｂ、３９ｃ  流路板
４０  自由壁
矢印  逆止弁の送液方向を示す
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2007063113.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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