(57)【要約】【課題】水素発生剤をできるだけ多く収容することができ、かつ、装置全体の小型化を実現可能な水素発生装置を提供する。【解決手段】複数の収容室１１が区画されて設けられ、各収容室１１に、反応液と反応して水素ガスを発生する水素発生剤が収容される第１カートリッジ１０と、これに対して着脱自在に取り付けられ、１つの収容室１１Ａに収容される水素発生剤と反応するのに必要な量の反応液が収容される第２カートリッジ２０とを備え、第２カートリッジ２０を第１カートリッジ１０に取り付けた際に、１つの収容室１１Ａに対し、第２カートリッジ２０内の反応液を供給可能に連結する手段と、発生した反応物を第２カートリッジ２０側に取り込む手段と、反応液を消費後、反応物と共に第２カートリッジ２０を取り外す手段と、この取り外し後に、残りの収容室１１Ｂ，１１Ｃのうちの１つに対して、新たに装着する第２カートリッジ２０内の反応液を供給可能に連結する手段とを備えた。【選択図】図２
2007230828.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の容積を有する複数の収容室が区画壁により区画された状態で設けられ、各収容室に、反応液と反応することで水素ガスを発生する水素発生剤が収容される第１カートリッジと、
この第１カートリッジに対して着脱自在に取り付けられ、前記１つの収容室に収容される水素発生剤と反応するのに必要な量の反応液が収容される第２カートリッジとを備えたことを特徴とする水素発生装置。
【請求項２】
第２カートリッジを第１カートリッジに取り付けた際に、前記複数の収容室のうちの１つに対して、第２カートリッジ内の反応液を供給可能に連結する手段と、
水素発生剤と反応液が反応することで発生した反応物を第２カートリッジ側に取り込む手段と、
反応液を消費したときに、反応済みの水素発生剤と共に第２カートリッジを取り外し可能にする手段と、
第２カートリッジを取り外した後に、残りの収容室のうちの１つに対して、新たに装着する第２カートリッジ内の反応液を供給可能に連結する手段と、を備えた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】
所定の容積を有する複数の収容室が区画壁により区画された状態で設けられ、各収容室には、反応液と反応することで水素ガスを発生する水素発生剤が収容される第１カートリッジと、
この第１カートリッジに対して着脱自在に取り付けられ、前記１つの収容室に収容される水素発生剤と反応するのに必要な量の反応液が収容される第２カートリッジとを用いて水素ガスを発生する方法であって、
第２カートリッジを第１カートリッジに取り付けた際に、前記複数の収容室のうちの１つに対して、第２カートリッジ内の反応液を供給するステップと、
反応液の供給により収容室内の水素発生剤と反応して水素ガスを発生するステップとを有することを特徴とする水素発生方法。
【請求項４】
水素発生剤と反応液が反応することで発生した反応物を第２カートリッジ側に取り込むステップと、
反応液を消費したときに、前記１つの収容室内の反応済み水素発生剤と共に第２カートリッジを取り外すステップと、
新たに第２カートリッジを第１カートリッジに取り付けた際に、残りの収容室のうちの１つに対して、第２カートリッジ内の反応液を供給可能に連結するステップと、を備えたことを特徴とする請求項３に記載の水素発生方法。
【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燃料ガスとしての水素ガスを発生するための水素発生装置及び水素発生方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、鉄等の水素発生剤と水とを接触させて水素を発生させる水素発生装置としては、水を収納するためのタンクと、水素発生剤を収納する反応容器と、前記タンクから前記反応容器に水を供給する導入管とを備えた水素発生装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この水素発生装置では、反応容器内に収容された鉄粒子等に、ポンプ等を用いてタンクから水を供給している。また、水とアルミニウムとの反応で水素ガスを発生させる水素発生装置も知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００３】
かかる水素発生装置を構成するに際して、水素発生剤を収容するための第１収容部と、水素発生剤と反応させて水素を発生させる反応液を収容するための第２収容部と、第２収容部の反応液を第１収容部へ供給するための反応液供給路が必要である。ここで第１収容部の大きさは、所定量の水素ガスを発生させるために必要な水素発生剤の量に応じて決められる。また、第２収容部の大きさは、水素発生剤と反応させるべき反応液の量に応じて決められる。かかる水素発生剤と反応液の収容量に応じて第１・第２収容部の大きさ、すなわち、水素発生装置の大きさも決まることになる。また、水素発生装置を携帯電話などの小型の機器に取り付ける場合は、機器の大きさから自ずと水素発生装置の大きさも制限を受けることになる。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１４９３９４号公報
【特許文献２】特開２００１−３１４０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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、装置全体の小型化を実現可能な水素発生装置及び水素発生方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため本発明に係る水素発生装置は、
所定の容積を有する複数の収容室が区画壁により区画された状態で設けられ、各収容室に、反応液と反応することで水素ガスを発生する水素発生剤が収容される第１カートリッジと、
この第１カートリッジに対して着脱自在に取り付けられ、前記１つの収容室に収容される水素発生剤と反応するのに必要な量の反応液が収容される第２カートリッジとを備えたことを特徴とするものである。
【０００７】
この構成による水素発生装置の作用・効果を説明する。この水素発生装置は、第１カートリッジと第２カートリッジを備えており、第２カートリッジが第１カートリッジに対して着脱自在に構成されている。第１カートリッジは、水素発生剤を収容するものであり、複数の収容室が区画壁により区画されている。各収容室に水素発生剤が収容されている。また、第２カートリッジには水素発生剤と反応可能な反応液が収容されるが、１つの収容室に収容される水素発生剤と反応するのに必要な反応液の量が収容される。
【０００８】
仮に、３つの収容室Ａ，Ｂ，Ｃが設けられているとして説明する。第２カートリッジを装着すると収容室Ａ内の水素発生剤と反応液が反応する。各収容室Ａ，Ｂ，Ｃの容積は同じでよい。第２カートリッジには、３つの収容室に収容される全部の水素発生剤と反応可能な反応液を収容する必要はなく、１つの収容室の水素発生剤と反応可能な反応液を収容しておけばよい。反応液を消費した場合は、第２カートリッジに新たな反応液を収容するか、別の第２カートリッジを装着させる。これにより、次の収容室Ｂの水素発生剤により水素ガスを発生させることができる。従って、第２カートリッジの大きさを抑制することができ、装置全体の小型化を実現可能な水素発生装置を提供することができる。
【０００９】
本発明において、第２カートリッジを第１カートリッジに取り付けた際に、前記複数の収容室のうちの１つに対して、第２カートリッジ内の反応液を供給可能に連結する手段と、
水素発生剤と反応液が反応することで発生した反応物を第２カートリッジ側に取り込む手段と、
反応液を消費したときに、反応済みの水素発生剤と共に第２カートリッジを取り外し可能にする手段と、
第２カートリッジを取り外した後に、残りの収容室のうちの１つに対して、新たに装着する第２カートリッジ内の反応液を供給可能に連結する手段と、を備えたことが好ましい。
【００１０】
水素発生剤として例えばアルミニウム粉末を使用し、反応液として水を使用すると、アルミニウム粉末と水の反応に伴い生成物の体積が３倍程度に膨潤するという性質がある。従って、かかる点も考慮して水素発生剤を収容するための収容部の大きさは、アルミニウム粉末自身の体積の３倍以上を確保しておく必要がある。従って、水素発生装置の大きさが制限を受けるような場合には、収容するべき水素発生剤の量を減らさざるを得なくなり、発生する水素ガスの量も減り、反応液や水素発生剤を交換する回数も増えることになる。
【００１１】
そこで、上記のように水素発生装置を構成することで、反応が進み反応物が生成されると、これを第２カートリッジ側に取り込むように構成する。仮に、反応物の生成により水素発生剤が膨潤すると、第２カートリッジ側に取り込まれるので、膨潤のために必要な容積は第２カートリッジのスペースとして用意しておけばよく、またその容積も第１カートリッジ内の全ての水素発生剤が膨潤するのに要する容積ではなく、区画された１つの収容室に収容される水素発生剤が膨潤するのに要する容積で足りる。従って、水素発生装置の大きさを抑制することができ、第１カートリッジ内に収容できる水素発生剤の量も増やすことができる。その結果、水素発生剤をできるだけ多く収容することができ、かつ、装置全体の小型化を実現可能にできる。
【００１２】
上記課題を解決するため本発明に係る水素発生方法は、
所定の容積を有する複数の収容室が区画壁により区画された状態で設けられ、各収容室には、反応液と反応することで水素ガスを発生する水素発生剤が収容される第１カートリッジと、
この第１カートリッジに対して着脱自在に取り付けられ、前記１つの収容室に収容される水素発生剤と反応するのに必要な量の反応液が収容される第２カートリッジとを用いて水素ガスを発生する方法であって、
第２カートリッジを第１カートリッジに取り付けた際に、前記複数の収容室のうちの１つに対して、第２カートリッジ内の反応液を供給するステップと、
反応液の供給により収容室内の水素発生剤と反応して水素ガスを発生するステップとを有することを特徴とするものである。
【００１３】
さらに、水素発生剤と反応液が反応することで発生した反応物を第２カートリッジ側に取り込むステップと、
反応液を消費したときに、前記１つの収容室内の反応済み水素発生剤と共に第２カートリッジを取り外すステップと、
新たに第２カートリッジを第１カートリッジに取り付けた際に、残りの収容室のうちの１つに対して、第２カートリッジ内の反応液を供給可能に連結するステップとを有することが好ましい。
【００１４】
かかる構成による水素発生方法の作用・効果は、既に述べた通りであり、水素発生剤をできるだけ多く収容することができ、かつ、装置全体の小型化を実現可能にできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
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は水素発生装置が使用される携帯電話を示す図である。
【００１６】
携帯電話ＣＰを駆動するための電源として燃料電池が用いられており、発電用の燃料電池セルＦＣが携帯電話ＣＰの内部に収容されている。また、燃料電池セルＦＣに燃料ガスとしての水素ガスを供給するために、水素発生装置１が着脱自在に携帯電話ＣＰに対して取り付けられる。水素発生装置１が発生した水素ガスは、適宜のガス供給路を介して燃料電池セルＦＣに供給される。
【００１７】
水素発生装置１は、第１カートリッジ１０と第２カートリッジ２０により構成されており、第１カートリッジ１０には水素発生剤が収容され、第２カートリッジ２０には、この水素発生剤と反応する反応液が収容される。第２カートリッジ２０は第１カートリッジ１０に対して着脱自在に取り付けられ、更に、第２カートリッジ２０が取り付けられた第１カートリッジ１０が携帯電話ＣＰに対して着脱自在に取り付けられるように構成される。
【００１８】
＜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、図３の概念図により説明する。図２は、第１カートリッジから第２カートリッジを取り外した状態を示す断面図、図３は、第２カートリッジを装着した状態を示す断面図である。本発明の水素発生装置は、固体の水素発生剤と反応液とを反応させて水素を発生させるものである。本発明では、水素発生剤と反応液との反応によって生成する生成物が、固体の水素発生剤の元の体積から反応によって膨張する反応原料が使用される。
【００１９】
固体の水素発生剤としては、水と反応して水素を発生する金属、例えばＦｅ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｓｉなどから選ばれる１種以上の金属の粒子や、これらが部分的に酸化された金属の粒子が挙げられる。また、水素発生剤は触媒成分を含むものであってもよい。水素発生剤は、粉末状であってもよく、造粒、又はタブレット化したものであってもよい。
【００２０】
反応液としては、水素発生剤と反応して水素を発生させるものであれば何れでもよく、例えば、水や、酸等を含む水溶液などが挙げられる。水素発生剤と反応液との混合比率は、反応の種類に応じて適宜決定することができる。なお、以下の説明では、水素発生剤としてアルミニウムの粉末を用い、反応液として水を用いた構成例を説明する。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。
【００２１】
第１カートリッジ１０は、第１収容室１１Ａ，第２収容室１１Ｂ、第３収容室１１Ｃの３つの収容室を備えており、いずれも同じ容積・同じケースで構成される。各収容室１１には、同じ量のアルミニウム粉末が収容されている。各収容室１１は、ケース部材１２により構成され、ケース部材１２には、係合部１２ａが設けられ、表面は薄膜１２ｂ（区画壁に相当）によりカバーされている。薄膜１２ｂは、フィルム状の部材で形成することができ、例えば、ポリエステル、ポリプロピレン、ポリエチレン、ナイロン等の樹脂フィルムを使用することができる。各収容室１１は、１つの大きなケース部材１３に収容されており、かつ、ケース部材１３に対して外れないように結合されている。例えば、各収容室１１をスナップ嵌合によりケース部材１３に対して取り付けたり、両面テープや接着剤によりケース部材１３の内壁面に取り付けることができる。このように取り付けた各収容室１１は、ケース部材１３から切り離すことも容易に行なうことができる。
【００２２】
第２カートリッジ１０は、アルミニウムと反応して水素ガスを発生させる反応液としての水が収容される水収容部２１が設けられる。水収容部２１には、１つの収容室１１に収容されるアルミニウム粉末と反応するのに必要な水が収容される。水収容部２１内への水の注入は、水注入部２１ａを介して行なわれる。水注入部２１ａには、逆止弁２２が設けられており、注入した水が外部に漏れないように構成される。水収容部２２の底部側には移動隔壁２４が設けられており、常時スプリング２５により押圧されている。これにより、水は常時注入口２６から流出する方向に付勢される。注入口２６には、逆止弁２７が設けられており、水の逆流を防止する。また、注入口２６の経路内に給水部材（例えば、給水紙）を設けることが好ましい。給水部材は、毛細管現象を利用して、水を吸い上げることができ、各収容室１１内に水を供給する。給水部材として、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。給水部材を用いることで、大量の水が注入されることを抑制（あるいは制御）し、適切に反応を行なわせることができる。
【００２３】
第２カートリッジ２０は、その全体がケース部材２３により囲まれており、各収容室１１の係合部１１ａと係合可能な被係合部２３ａが設けられている。ケース部材２３の内部に、水収容部２１と隣接して空間部Ｓが配置される。この空間部Ｓは、後述するように、膨潤したアルミニウム反応物を収容するための空間である。空間部Ｓを構成する壁面に水素供給口２８が設けられており、発生した水素ガスは、これを介して燃料電池へ供給される。水素供給口２８には、水素ガスの逆流を防止するための逆止弁２９が設けられる。
【００２４】
また、空間部Ｓを構成する内壁面に、破断部材３０が取り付けられており、第２カートリッジ２０を第１カートリッジ１０に装着したときに、薄膜１２ｂを破断させる機能を有する。
【００２５】
図３は、第２カートリッジ２０を第１カートリッジ１０に装着した状態を示している。第２カートリッジ２０の被係合部２３ａが第１カートリッジ１０の係合部１２ａに係合し、両者が結合される。この係合は、例えば、圧入などにより行なわれる。この装着により、注入口２６が薄膜１２ｂを破断し、第１収容室１１Ａ内に挿入される。また、破断部材３０も薄膜１２ｂを破断させる。図３に示すように水素発生装置をセットし、燃料電池側に接続する。燃料電池側の供給パイプに、第１カートリッジ１０のガス供給口２８を接続することで、水素ガスを供給可能な状態になる。水素発生装置１を携帯電話ＣＰに装着したときに、ガス供給口２８を携帯電話ＣＰの内部のガス供給路に接続させる。接続は自動的に行なわれるものでもよいし、手動操作により接続を行なうようにしてもよい。
【００２６】
＜水素発生装置の動作＞
次に、水素発生装置の動作について、図４〜図６により説明する。最初に水素ガスの発生原理を説明すると、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。
【００２７】
２Ａｌ＋３Ｈ2Ｏ→Ａｌ2Ｏ3＋３Ｈ2    または
Ａｌ＋３Ｈ2Ｏ→Ａｌ（ＯＨ）3＋３／２Ｈ2
このように、アルミニウムと水を反応させると、Ａｌ2Ｏ3やＡｌ（ＯＨ）3などの生成物が生じ、元のアルミニウム粉末の体積よりも膨潤していき、最終的には３倍程度にまで膨潤する。従って、本来であれば、アルミニウム粉末が３倍に膨潤したときの体積を収容できるように、各収容室１１の容積を決める必要があるが、本発明の場合は、各収容室１１には、膨潤を考慮することなく、収容室１１内の容積にアルミニウム粉末をほぼ１００％収容することができる。
【００２８】
アルミニウムと水の反応により水素ガスが発生するが、破断部材３０により薄膜１２ｂを最初に破断させているため、最初は、この破断箇所から水素ガスを通過させ、水素供給口２８から水素ガスを供給させることができる。反応が進行してくると、反応物が生成し次第に膨潤していく。この状態を図４に示す。アルミニウムの膨潤により、薄膜１２ｂが大きく破断されるため、第２カートリッジ２０に設けられた空間部Ｓへと進入することができる。すなわち、膨潤した反応物を第２カートリッジ２０が取り込み可能になっている。最終的にアルミニウムは３倍に膨潤するため、各収容室１１の容積と空間部Ｓの容積をあわせた容積で、膨潤した反応物を収容するように各容積が設定される。また、反応が進行するにつれて水収容部２１の水は減少していくが、スプリング２５の作用により、水は常時第１収容室１１Ａの方向に付勢されており、反応の進行にかかわりなく、適切な水供給を行なうことができる。
【００２９】
図５は全ての水が供給され反応が終了した状態を示す図である。アルミニウムは膨潤し、第１収容室１１Ａと空間部Ｓ内に充填した状態となっている。そこで、図６に示すように、第２カートリッジ２０を第１カートリッジ１０から引き離す。このとき、係合部１２ａと被係合部２３ａが係合された状態であるため、第２カートリッジ２０を取り外すと、一緒に第１収容室１１Ａの部分のみを一緒に取り外すことができる。このとき、第１カートリッジ１０の方は、第２収容室１１Ｂの表面が露出する状態になる。
【００３０】
図７は、第１収容室１１Ａを取り外した後、新たに第２カートリッジ２０を装着した状態を示す図である。この第２カートリッジ２０は、新たに別の第２カートリッジ２０を装着することができる。この場合、使用済みの第２カートリッジ２０は、メーカーに回収されて再利用されることになる。また、図６のように取り外した第２カートリッジ２０から第１収容室１１Ａの部分を除去（廃棄）し、水収容部２１内に新たに水を注入した後、同じ第２カートリッジ２０を再び装着するように構成してもよい。
【００３１】
本発明の構成によれば、各収容室１１はアルミニウム粉末を収容するのに必要な容積が備えられており、アルミニウムが３倍に膨潤した場合の容積を各収容室１１において確保する必要がない。膨潤に必要な容積は第２カートリッジ２０内の空間部Ｓを利用することができ、水素発生装置全体の小型化に寄与することができる。
【００３２】
本実施形態の注入口２６及び薄膜１２ｂは、第２カートリッジ内の反応液を供給可能に連結する手段として機能する。第２カートリッジ２０の空間部Ｓ、破断部材３０、薄膜１２ｂは、発生した反応物を第２カートリッジ側に取り込む手段として機能する。係合部１２ａ及び被係合部２３ａは、反応済み水素発生剤と共に第２カートリッジ２０を取り外し可能にする手段として機能する。注入口２６、係合部１２ａ及び被係合部２３ａは、新たに装着する第２カートリッジ内の反応液を供給可能に連結する手段として機能する。
【００３３】
＜別実施形態＞
本実施形態では、収容室が３つ設けられる構成を示したが、これに限定されるものではなく、２つもしくは４つ以上の収容室で構成してもよい。複数の収容室の配置態様については、本実施形態のように上下方向に積層するのではなく、左右方向に並べて配置してもよい。
【００３４】
第２カートリッジと各収容室の連結については、本実施形態に様な係合部と被係合部によるものではなく、ロック機構を設けてロックするように構成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】携帯電話に装着される水素発生装置を示す図
【図２】第１カートリッジから第２カートリッジを取り外した状態を示す水素発生装置の断面図
【図３】第２カートリッジを装着した状態を示す水素発生装置の断面図
【図４】水素発生装置の動作を示す図（反応途中）
【図５】水素発生装置の動作を示す図（反応終了）
【図６】水素発生装置の動作を示す図（第２カートリッジ取り外し）
【図７】水素発生装置の動作を示す図（第２カートリッジ装着）
【符号の説明】
【００３６】
１０      第１カートリッジ
１１      収容室
１２，１３      ケース部材
１２ａ    係合部
１２ｂ    薄膜
２０      第２カートリッジ
２１      水収容部
２１ａ    水注入部
２３      ケース部材
２３ａ    被係合部
２６      注入口
２８      水素供給口
３０      破断部材
Ｓ        空間部
【図１】
2007230828.tif 000003
【図２】
2007230828.tif 000004
【図３】
2007230828.tif 000005
【図４】
2007230828.tif 000006
【図５】
2007230828.tif 000007
【図６】
2007230828.tif 000008
【図７】
2007230828.tif 000009