(57)【要約】【課題】  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とする。【解決手段】  反応チャンバー２の内部に体積が変更自在な溶液容器４を設け、溶液容器４内に貯留されている反応溶液１１を反応チャンバー２のワーク３に供給するにしたがって溶液容器４の体積を減少させて反応チャンバー２の容積を増加させ、少ないスペースで水素の発生を行う領域を増加させる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応流体が送られることで水素の発生が促進される水素発生反応物が収容される反応物容器と、
反応物容器内に配置され反応流体が収容され体積が変更自在な流体室と、
流体室の体積を変更することで容積を変更する可変手段とを備え、
流体室内の流体が水素発生反応物に供給されるにしたがって可変手段により流体室の体積を減少させて反応物容器内の容積を増加させる
ことを特徴とする水素発生設備。
【請求項２】
反応流体が送られることで水素の発生が促進される水素発生反応物が収容される反応物容器と、
反応物容器内に配置され反応流体が収容される体積が変更自在な流体室と、
流体室を加圧する加圧手段と、
反応物容器内で発生した水素を排出する排出手段と、
流体室及び反応物容器を連通し反応流体の流通を許容する流体供給路と、
流体供給路に備えられ反応物容器の圧力が所定値以下になった時に流体流路の流路を開く開閉手段とを有し、
開閉手段を開く圧力よりも高い圧力に維持するように流体室を加圧手段により加圧すると共に、反応流体の供給による流体室の容積の減少に応じて流体室の体積を減少させるように流体室を加圧する
ことを特徴とする水素発生設備。
【請求項３】
請求項２に記載の水素発生設備において、
流体室は変形許容部材で形成され、加圧手段は、流体室を押圧して流体室の体積を減少させて流体室の圧力を加圧する押圧手段である
ことを特徴とする水素発生設備。
【請求項４】
請求項３に記載の水素発生設備において、
流体室の変形許容部材は袋部材であり、袋部材の端部に板材が設けられ、板材を介して流体室を押圧することで袋部材が変形して流体室の体積が減少する
ことを特徴とする水素発生設備。
【請求項５】
請求項３に記載の水素発生設備において、
流体室の変形許容部材はベローズ部材であり、ベローズ部材の端部に板材が設けられ、板材を介して流体室を押圧することでベローズ部材が縮んで流体室の体積が減少する
ことを特徴とする水素発生設備。
【請求項６】
請求項３に記載の水素発生設備において、
流体室の変形許容部材は、端部が開放されたシリンダ及びシリンダの開放端側に備えられたピストン板であり、ピストン板を押圧することでシリンダの容積が減少して開放体積が増加して流体室の体積が減少する
ことを特徴とする水素発生設備。
【請求項７】
請求項３〜請求項６のいずれか一項に記載の水素発生設備において、
押圧手段は、圧縮ばねである
ことを特徴とする水素発生設備。
【請求項８】
請求項２〜請求項７のいずれか一項に記載の水素発生設備において、
開閉手段は、流体室の内圧に比べて反応物容器の内圧が所定値低くなった定圧時に流体室側から反応物容器側への反応流体の流通を許容する状態に弁体が開く圧力調整弁である
ことを特徴とする水素発生設備。
【請求項９】
水素が供給されるアノード室を有する燃料電池のアノード室に、請求項１〜請求項８のいずれかに記載の水素発生設備の排出手段を接続したことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項９に記載の燃料電池システムにおいて、
アノード室と反応物容器とが閉空間を形成している
ことを特徴とす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、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に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年のエネルギー問題の高まりから、より高いエネルギー密度で、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ない、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合った極めて有効なデバイスであるといえる。
【０００３】
水素と酸素の電気化学反応により起電力を得る燃料電池では、燃料として水素が必要となる。水素ガスを生成する設備の例としては、金属水素化物（水素化ホウ素塩）を収容した反応容器と、水タンクとを有し、ポンプによって水タンク内の水を反応容器の金属水素化物に噴出する構造の水素発生設備が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
従来の水素発生設備は、水タンクの水がポンプを介して反応器に供給されるため、反応器の容積は少なくとも金属水素化物（水素化ホウ素塩）と水の体積の分となる。また、水素発生反応により水素を巻き込んだ泡が生じるため、反応器の容積は、更に、泡の体積が必要である。泡の体積は水素化ホウ素塩の２倍以上となるため、水素発生設備の体積は極めて大きくなってしまう。この結果、携帯電話やデジタルカメラ等の電源デバイスとして用いるのは非現実的であった。
【０００５】
また、水タンクは、水が供給された後はデッドスペースとなり、水素発生設備としてのスペースに無駄があるのが実情であった。
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−１３７９０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、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提供することを目的とする。
【０００８】
また、本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、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】
【０００９】
上記目的を達成するための本発明の第１の態様は、反応流体が送られることで水素の発生が促進される水素発生反応物が収容される反応物容器と、反応物容器内に配置され反応流体が収容され体積が変更自在な流体室と、流体室の体積を変更することで容積を変更する可変手段とを備え、流体室内の流体が水素発生反応物に供給されるにしたがって可変手段により流体室の体積を減少させて反応物容器内の容積を増加させることを特徴とする水素発生設備にある。
【００１０】
第１の態様では、流体室内の流体が水素発生反応物に供給されるにしたがって流体室の体積を減少させて反応物容器内の容積を増加させることができ、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る。
【００１１】
上記目的を達成するための本発明の第２の態様は、反応流体が送られることで水素の発生が促進される水素発生反応物が収容される反応物容器と、反応物容器内に配置され反応流体が収容される体積が変更自在な流体室と、流体室を加圧する加圧手段と、反応物容器内で発生した水素を所定圧力で排出する排出手段と、流体室及び反応物容器を連通し反応流体の流通を許容する流体供給路と、流体供給路に備えられ反応物容器の圧力が所定値以下になった時に流体流路の流路を開く開閉手段とを有し、開閉手段を開く圧力よりも高い圧力に維持するように流体室を加圧手段により加圧すると共に、反応流体の供給による流体室の容積の減少に応じて流体室の体積を減少させるように流体室を加圧することを特徴とする水素発生設備にある。
【００１２】
第２の態様では、流体室内の流体が水素発生反応物に供給されるにしたがって加圧手段により流体室の体積を減少させて反応物容器内の容積を増加させることができると共に、加圧手段により流体室が加圧され反応物容器の内圧が所定圧力以下の状態になった時に開閉手段が開いて反応流体が反応物容器に送られ、水素発生反応物に反応流体が供給されて水素が生成され、発生した水素は排出手段から所定圧力で排出される。このため、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、圧力状態により反応流体を安定して供給して十分な量の水素を生成することができる。
【００１３】
そして、本発明の第３の態様は、第２の態様に記載の水素発生設備において、流体室は変形許容部材で形成され、加圧手段は、流体室を押圧して流体室の体積を減少させて流体室の圧力を加圧する押圧手段であることを特徴とする水素発生設備にある。
【００１４】
第３の態様では、押圧手段により変形許容部材で形成された流体室を押圧することで流体室の体積を減少させることができる。
【００１５】
また、本発明の第４の態様は、第３の態様に記載の水素発生設備において、流体室の変形許容部材は袋部材であり、袋部材の端部に板材が設けられ、板材を介して流体室を押圧することで袋部材が変形して流体室の体積が減少することを特徴とする水素発生設備にある。
【００１６】
第４の態様では、板材を押圧して袋部材を変形させることで流体室の体積を減少させることができる。
【００１７】
また、本発明の第５の態様は、第３の態様に記載の水素発生設備において、流体室の変形許容部材はベローズ部材であり、ベローズ部材の端部に板材が設けられ、板材を介して流体室を押圧することでベローズ部材が縮んで流体室の体積が減少することを特徴とする水素発生設備にある。
【００１８】
第５の態様では、板材を介してベローズ部材を押圧することでベローズ部材を縮め流体室の体積を減少させることができる。
【００１９】
また、本発明の第６の態様は、第３の態様に記載の水素発生設備において、流体室の変形許容部材は、端部が開放されたシリンダ及びシリンダの開放端側に備えられたピストン板であり、ピストン板を押圧することでシリンダの容積が減少して開放体積が増加して流体室の体積が減少することを特徴とする水素発生設備にある。
【００２０】
第６の態様では、ピストン板を押圧することでシリンダの容積を減少させて開放体積を増加し、流体室の体積を減少させることができる。
【００２１】
また、本発明の第７の態様は、第３の態様〜第６の態様のいずれかの態様に記載の水素発生設備において、押圧手段は、圧縮ばねであることを特徴とする水素発生設備にある。
【００２２】
第７の態様では、圧縮ばねの付勢力により極めて簡単な構成で流体室を押圧することができる。
【００２３】
また、本発明の第８の態様は、第２の態様〜第７の態様のいずれかの態様に記載の水素発生設備において、開閉手段は、流体室の内圧に比べて反応物容器の内圧が所定値低くなった定圧時に流体室側から反応物容器側への反応流体の流通を許容する状態に弁体が開く圧力調整弁であることを特徴とする水素発生設備にある。
【００２４】
第８の態様では、所定の圧力差により弁体が開く圧力調整弁を用いて所定圧力で反応流体を反応容器に送ることができる。
【００２５】
上記目的を達成するための本発明の第９の態様は、水素が供給されるアノード室を有する燃料電池のアノード室に、第１の態様〜第８の態様のいずれかの態様に記載の水素発生設備の排出手段を接続したことを特徴とする燃料電池システムにある。
【００２６】
第９の態様では、流体室内の流体が水素発生反応物に供給されるにしたがって流体室の体積を減少させて反応物容器内の容積を増加させることができ、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。
【００２７】
そして、本発明の第１０の態様は、第９の態様に記載の燃料電池システムにおいて、アノード室と反応物容器とが閉空間を形成していることを特徴とする燃料電池システムにある。
【００２８】
第１０の態様では、生成された水素が外部に流出しないため、生成された水素を全量用いることができる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明の水素発生設備は、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とすることができる。
【００３０】
また本発明の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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
図１には本発明の第１実施形態例に係る水素発生設備の概略構成、図２には本発明の第２実施形態例に係る水素発生設備の概略構成、図３には本発明の第３実施形態例に係る水素発生設備の概略構成を示してある。
【００３２】
図１に基づいて第１実施形態例を説明する。
水素発生設備１は、反応物容器としての反応チャンバー２を備え、反応チャンバー２内には水素発生反応物としてのワーク３（例えば、水素化ホウ素ナトリウム）が貯蔵されている。また、反応チャンバー２の内部には流体室としての溶液容器４が備えられ、溶液容器４には反応流体である反応溶液１１（例えば、リンゴ酸水溶液）が貯蔵されている。反応チャンバー２と溶液容器４は流体供給路としての送液管５により接続され、送液管５は反応チャンバー２の外部を経由して反応チャンバー２と溶液容器４を接続している。
【００３３】
溶液容器４は、例えば、ポリプロピレン製（可撓性材料：樹脂やゴムのフィルム、シート状材料）の袋部材からなり、底部には板材としての加重板６が設けられている。加重板６と反応チャンバー２の底壁との間には押圧手段としての圧縮ばね７が設けられ、圧縮ばね７により加重板６が付勢されている。尚、溶液容器４としては、ポリプロピレンの他に、ＰＥＴ、シリコーン、シリコーンゴム、ブチルゴム、イソプレンゴム等の可撓性材料を適用することができる。
【００３４】
溶液容器４は圧縮ばね７及び加重板６を介して常時押圧されているため、送液管５を反応溶液１１が流れる条件になると、反応溶液１１を溶液容器４から押し出すことができる。反応溶液１１が押し出されると、加重板６を介して溶液容器４が押圧されているため、袋部材が変形して溶液容器４の体積が減少し、反応チャンバー２の容積がその分増加する。反応溶液１１が送液管５から反応チャンバー２に送られると、反応溶液１１とワーク３が接触して容積が増加した反応チャンバー２で水素生成反応が生じる。
【００３５】
反応チャンバー２には排出手段としての水素導管１０が接続され、水素導管１０にはレギュレータ１２（圧力調整弁）が設けられている。レギュレータ１２により、反応チャンバー２からの水素排出量が調整される。尚、レギュレータ１２により水素排出量をコントロールできるようにしたが、定圧弁を用いて一定の水素圧で水素を排出することも可能である。
【００３６】
一方、反応チャンバー２の外部部位の送液管５には圧力調整用の圧力調整弁１３が設置され、圧力調整弁１３は反応溶液１１が流通許容状態になる時の圧力を調整する弁である。反応溶液１１が流通許容状態になる時の出力圧が圧力調整弁１３の開弁時の圧力（開弁圧）となっている。反応チャンバー２内の圧力が開弁圧を上回った時に圧力調整弁１３が閉鎖し、反応チャンバー２内の圧力が開弁圧を下回った時（所定値以下）に圧力調整弁１３が開弁する。
【００３７】
つまり、圧力調整弁１３は、反応チャンバー２の圧力が所定値以下になった時に送液管５の流路を開く開閉手段となっている。即ち、溶液容器４の内圧は加圧されて圧力調整弁１３が開く圧力よりも高く（圧力調整弁１３が開くための反応チャンバー２の所定圧力値を超える圧力）維持され、圧力調整弁１３は、反応チャンバー２の内圧が所定値以下となった定圧時に溶液容器４側から反応チャンバー２側への反応溶液１１の流通を許容する状態に弁体が開く構成とされている。
【００３８】
圧力調整弁１３は、例えば、定圧バルブであり、溶液容器４側の流路である一次流路と、反応チャンバー２側の流路である二次流路と、一次流路と二次流路の間に備えられた弁体と、外部の圧力を弁に伝える外圧伝達路と、反応チャンバー２の内圧を弁体に伝える内圧伝達路から構成される。
【００３９】
尚、反応チャンバー２の外部を経由して送液管５により反応チャンバー２と溶液容器４を接続したが、送液管５を反応チャンバー２の内部に配置することも可能である。また、反応チャンバー２の内部に開口する送液管５のノズル部に逆止弁を設けることも可能である。逆止弁を設けることにより、反応チャンバー２で発生した水素や水素を巻き込んだ泡の逆流を防止することができ、水素発生設備１を使用する姿勢の制約が減少する。
【００４０】
上述した水素発生設備１の作用を説明する。
溶液容器４から送液管５を通して反応チャンバー２に反応溶液１１が送液される。溶液容器４が加圧されていることと相俟って、水素が生成されていない状態での反応チャンバー２の内圧は、圧力調整弁１３を開く状態の低い圧力とされ、送液管５を通して反応溶液１１が送液される。
【００４１】
反応チャンバー２に反応溶液１１が送られると、反応溶液１１とワーク３とが接触して反応し、水素が生成される。水素が生成されると、反応チャンバー２の内圧が上昇し、圧力調整弁１３の開弁圧を上回る（圧力調整弁１３が閉じる状態になる）。反応チャンバー２の内圧が上昇することにより圧力調整弁１３が閉弁状態となり、送液管５からの反応溶液１１の供給が停止される。
【００４２】
反応溶液１１が供給されなくなると、反応チャンバー２での水素発生反応の反応速度が低下し、発生した水素が反応チャンバー２の水素導管１０から排出される。反応チャンバー２の内圧が低下することにより、圧力調整弁１３を開く状態の低い圧力となる。再び、溶液容器４から反応チャンバー２に反応溶液１１が送液され、反応溶液１１とワーク３とが接触して水素が生成される。
【００４３】
ここで、溶液容器４から反応溶液１１を送液するために、加圧手段が用いられている。即ち、圧縮ばね７により加重板６が付勢され、溶液容器４の体積が減少する状態に袋部材が変形して反応溶液１１が加圧され、加圧力により反応溶液１１が送液される。反応溶液１１には、圧縮ばね７による加重板６介しての溶液容器４の変形（体積減少）により、加圧されて溶液容器４から排出される力が常に加わっている。但し、圧縮ばね７の変位量により圧力は変化する。
【００４４】
反応溶液１１の排出速度の変化に対しては、反応溶液１１の内圧低下により開弁し、開弁圧が一定の圧力調整弁１３を備えたことにより、溶液容器４の圧力によらず反応溶液１１の排出速度は一定となる。また、圧力調整弁１３は反応チャンバー２の内圧と外圧との関係により弁の開閉が行われるため、外圧（具体的には大気圧）が一定のため、反応チャンバー２の内圧は略一定に保たれる。
【００４５】
このため、動力を用いずに圧力状態により反応溶液１１を安定して反応チャンバー２に供給し、水素を生成することができる。また、加重板６を付勢して溶液容器４の体積を変更することで溶液容器４を加圧して圧力調整弁１３が開く圧力状態を保持することができる。また、加重板６を圧縮ばね７の付勢力により押圧するようにしたので、極めて簡単な構成で加重板６を押圧することができる。
【００４６】
そして、溶液容器４の反応溶液１１が反応チャンバー２のワーク３に供給されるにしたがって加重板６が圧縮ばね７の付勢力により押圧され、溶液容器４の体積が減少するため、体積が減少した分反応チャンバー２の容積を増加させることができる。このため、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。
【００４７】
従って、上述した水素発生設備１では、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。
【００４８】
ここで、ワーク３と反応溶液１１の具体例を説明する。
ワーク３には水素化ホウ素ナトリウムを用い、反応溶液１１にはリンゴ酸水溶液を用いている。水素化ホウ素ナトリウムは固体であり、形態は粉体でも錠剤でも良い。リンゴ酸水溶液の濃度は５％以上６０％以下、好ましくは、１０％以上４０％以下のものが用いられる。通常は２５％の濃度のリンゴ酸水溶液が用いられる。水素発生反応は水素化ホウ素ナトリウムとリンゴ酸水溶液の水とによる以下の反応である。リンゴ酸は反応促進剤として作用する。
【００４９】
ＮａＢＨ４＋２Ｈ２Ｏ→ＮａＢＯ２＋４Ｈ２
【００５０】
この反応促進剤を伴う反応は極めて速く、１０ｓｅｃ程度で９０％近い収率が得られる。必要な水素量を発生させつつ、可能な限りゆっくりと反応させるには、水素化ホウ素ナトリウムに供給する水量をコントロールすればよい。
【００５１】
本実施形態例では、反応溶液１１の送液は、反応チャンバー２内の圧力が圧力調整弁１３の開弁圧を下回った時に生じる。実際は、反応チャンバー２内の圧力変動を小さく抑える設計がされている。反応チャンバー２内の圧力は、反応チャンバー２からの水素排出速度、反応溶液１１の供給速度、ワーク３と反応溶液１１の反応速度、反応チャンバー２の容積によって決まる。このうち、反応速度は一定であり、水素排出速度はレギュレータ１２の設定により決まるものである。反応溶液１１は送液管５からワーク３に滴下して供給されるため、供給速度は送液管５の開口端での液滴形成速度に依存される。つまり、送液管５の開口端の内径を規定することにより、反応チャンバー２内の圧力変動を小さく抑えることができる。例えば、以下の通りの設計値と仕様が適用される。
【００５２】
水素排出速度            １５ｃｃ／ｍｉｎ
反応チャンバー２の容積  ７０ｃｃ
反応溶液１１の供給速度  ０．００６ｃｃ／ｍｉｎ
送液管５の開口端の内径  ０.２ｍｍ
送液管の内径            ２.０ｍｍ
圧力調整弁１３の開弁圧  １００ｋＰａ（ゲージ圧）
【００５３】
つまり、本実施形態例の溶液容器４の内圧は圧縮ばね９で加圧されて１００ｋＰａよりも高く維持され、圧力調整弁１３は、反応チャンバー２内の圧力が１００ｋＰａになった時に開くように開弁圧が設定されている。このため、大気圧よりも高い圧力下においても加圧手段を精度良く制御する必要がない。
【００５４】
尚、圧力調整弁１３の開弁圧は、溶液容器４の内圧に対して反応チャンバー２の内圧が低くなる所定値に設定されるものであれば、１００ｋＰａに限定されるものではなく、例えば、ゲージ圧で０ｋＰａ（大気圧）を所定値とする等、任意の値に設定することが可能である。
【００５５】
また、圧力調整弁１３が開いて反応チャンバー２に反応溶液１１が送られた場合、水素発生の反応速度や機器の状況により圧力が変動するが、圧力調整弁１３の開弁圧の設計値である１００ｋＰａは、当然のことながら、この変動の分を吸収する値を加味した設計値となっている。従って、反応チャンバー２の圧力をできる限り一定に維持して運転することができる。
【００５６】
但し、厳密には反応溶液１１の供給により溶液容器４の体積が減少して反応チャンバー２の容積が増加するため、反応チャンバー２内の圧力変動をより小さく抑えるためには、水素排出速度を微調整する等、圧力変動を抑制する手段を講じることが好ましい。
【００５７】
ワーク３及び反応溶液１１としての組み合わせの例を説明する。
ワーク３として、水素化ホウ素塩、水素化アルミニウム塩、固体もしくは塩基性溶液が用いられた場合、反応溶液１１として、有機酸が５％〜６０％（１０％〜４０％）、通常は２５％の濃度で使用される。ワーク３の塩として、ナトリウム、カリウム、リチウムが使用され、反応溶液１１の有機酸として、クエン酸、リンゴ酸、コハク酸が使用される。
【００５８】
また、ワーク３として、水素化ホウ素塩、水素化アルミニウム塩、固体もしくは塩基性溶液が用いられた場合、反応溶液１１として、金属塩化物が１％〜２０％の濃度で使用される。ワーク３の塩として、ナトリウム、カリウム、リチウムが使用され、反応溶液１１の金属として、ニッケル、鉄、コバルトが通常１２％の濃度で使用される。
【００５９】
また、ワーク３として、金属塩化物（固体もしくは水溶液）が用いられた場合、反応溶液１１として、水素化ホウ素塩、水素化アルミニウム塩の塩基性溶液が１％〜２０％、通常は１２％の濃度で使用される。ワーク３の金属として、ニッケル、鉄、コバルトが使用され、反応溶液１１の塩として、ナトリウム、カリウム、リチウムが使用される。
【００６０】
また、ワーク３として、酸化還元電位が水素より卑とされる金属が用いられた場合、反応溶液１１として酸が使用される。ワーク３の金属として、マグネシウム、アルミニウム、鉄が使用され、反応溶液１１の酸として、塩酸、硫酸が使用される。
【００６１】
また、ワーク３として、両性金属が用いられた場合、反応溶液１１として塩基性水溶液が使用される。ワーク３の両性金属として、アルミニウム、亜鉛、錫、鉛が使用され、反応溶液１１の塩基性水溶液として水酸化ナトリウムが使用される。
【００６２】
図２に基づいて本発明の第２実施形態例を説明する。尚、図１に示した部材と同一部材には同一符号を付して重複する説明は省略してある。
【００６３】
第２実施形態例に係る水素発生設備１５は、図１に示した溶液容器４に代えて反応チャンバー２の内部に流体室としての溶液容器１６を備えたものである。溶液容器１６には反応溶液１１（例えば、リンゴ酸水溶液）が貯蔵されている。反応チャンバー２と溶液容器１６は流体供給路としての送液管５により接続され、送液管５は反応チャンバー２の外部を経由して反応チャンバー２と溶液容器１６を接続している。
【００６４】
溶液容器１６は、変形許容部材としてベローズ部材からなるベローズで構成され、例えば、ＳＵＳ、リン青銅、ベリリウムからなっている。溶液容器１６の底部（ベローズ部材の端部）には板材としての加重板１７が設けられ、加重板１７と反応チャンバー２の底壁との間には圧縮ばね７が設けられ、圧縮ばね７により加重板１７が付勢されている。加重板１７を介して溶液容器１６を押圧することで、ベローズが縮んで溶液容器１６の体積が減少する。
【００６５】
溶液容器１６は圧縮ばね７及び加重板１７を介して常時押圧されているため、送液管５を反応溶液１１が流れる条件になると、反応溶液１１を溶液容器１６から押し出すことができる。反応溶液１１が押し出されると、加重板１７を介して溶液容器１６が押圧されているため、ベローズが縮んで溶液容器１６の体積が減少し、反応チャンバー２の容積がその分増加する。反応溶液１１が送液管５から反応チャンバー２に送られると、反応溶液１１とワーク３が接触し、容積が増加した反応チャンバー２で水素生成反応が生じる。
【００６６】
その他の構成・動作や、反応条件、設計値等は図１に示した第１実施形態例と同一である。
【００６７】
このため、動力を用いずに圧力状態により反応溶液１１を安定して反応チャンバー２に供給し、水素を生成することができる。また、加重板１７を付勢してベローズを縮めることで溶液容器１６の体積を変更し、溶液容器１６を加圧して圧力調整弁１３が開く圧力状態を保持することができる。そして、溶液容器１６の反応溶液１１が反応チャンバー２のワーク３に供給されるにしたがって加重板１７が圧縮ばね７の付勢力により押圧され、ベローズが縮むことで溶液容器１６の体積が減少するため、体積が減少した分反応チャンバー２の容積を増加させることができる。このため、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。
【００６８】
従って、上述した水素発生設備１５では、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。
【００６９】
図３に基づいて本発明の第３実施形態例を説明する。尚、図１、図２に示した部材と同一部材には同一符号を付して重複する説明は省略してある。
【００７０】
第３実施形態例に係る水素発生設備２１は、図１に示した溶液容器４に代えて反応チャンバー２の内部に流体室としての溶液容器２２を備えたものである。溶液容器２２には反応溶液１１（例えば、リンゴ酸水溶液）が貯蔵されている。反応チャンバー２と溶液容器２２は流体供給路としての送液管５により接続され、送液管５は反応チャンバー２の外部を経由して反応チャンバー２と溶液容器２２を接続している。
【００７１】
溶液容器２２は、端部（下端部）が開放されたシリンダ２３と、シリンダ２３の開放端側に移動自在に備えられたピストン板２４とで構成されている（所謂、シリンジ構造）。ピストン板２４の移動によりシリンダ室２５の容量が可変とされ、シリンダ室２５に反応溶液１１が貯蔵されている。ピストン板２４と反応チャンバー２の底壁との間には圧縮ばね７が設けられ、圧縮ばね７によりピストン板２４が付勢されている。ピストン板２４を押圧することでシリンダ２３のシリンダ室２５の容積が減少して溶液容器２２の開放体積が増加し、溶液容器２２の体積が減少した状態になる。
【００７２】
溶液容器２２のピストン板２４は圧縮ばね７を介して常時押圧されているため、送液管５を反応溶液１１が流れる条件になると、反応溶液１１を溶液容器２２のシリンダ室２５から押し出すことができる。反応溶液１１が押し出されると、ピストン板２４によりシリンダ室２５が押圧されているため、シリンダ室２５の容積が減少して溶液容器２２の体積が減少し、反応チャンバー２の容積がその分増加する。反応溶液１１が送液管５から反応チャンバー２に送られると、反応溶液１１とワーク３が接触し、容積が増加した反応チャンバー２で水素生成反応が生じる。
【００７３】
その他の構成・動作や、反応条件、設計値等は図１に示した第１実施形態例と同一である。
【００７４】
このため、動力を用いずに圧力状態により反応溶液１１を安定して反応チャンバー２に供給し、水素を生成することができる。また、ピストン板２４を付勢してシリンダ室２５の容積を減少させて溶液容器２２の体積を変更し、溶液容器２２を加圧して圧力調整弁１３が開く圧力状態を保持することができる。
【００７５】
そして、溶液容器２２の反応溶液１１が反応チャンバー２のワーク３に供給されるにしたがってピストン板２４が圧縮ばね７の付勢力により押圧され、シリンダ室２５の容積が減少することで溶液容器２２の体積が減少するため、体積が減少した分反応チャンバー２の容積を増加させることができる。このため、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。
【００７６】
従って、上述した水素発生設備２１では、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。
【００７７】
図４に基づいて本発明の燃料電池システムを説明する。
図４には本発明の一実施形態例に係る燃料電池システムの概略構成を示してある。
【００７８】
図４に示した燃料電池システム３０は、図１に示した水素発生設備１を燃料電池３１に接続したシステムである。即ち、燃料電池３１にはアノードチャンバー３２が備えられ、アノードチャンバー３２は燃料電池セル３３のアノード室に接する空間を構成している。アノード室は、アノードで消費する水素を一時的に保持する空間である。
【００７９】
アノードチャンバー３２と反応チャンバー２は水素導管１０により接続され、反応チャンバー２で発生した水素がアノードチャンバー３２のアノード室に供給される。アノード室に供給された水素は、アノードでの燃料電池反応で消費される。アノードでの水素の消費量は、燃料電池３１の出力電流に応じて決定される。
【００８０】
尚、図１で示した水素導管１０に備えられたレギュレータ１２は設置する必要がないため取り付けられていない。また、水素発生設備１に代えて、図２に示した水素発生設備１５や図３に示した水素発生設備２１を適用することも可能である。
【００８１】
上述した燃料電池システム３０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１を備えた燃料電池システム３０とすることができる。
【００８２】
図５に基づいて本発明の燃料電池システムの他の実施形態例を説明する。
図５には本発明の他の実施形態例に係る燃料電池システムの概略構成を示してある。
【００８３】
図に示すように、燃料電池システム４１は、水素発生設備４２と燃料電池４３とで構成され、水素発生設備４２と燃料電池４３は水素導管４４により接続されている。
【００８４】
水素発生設備４２を説明する。
水素発生設備４２は、反応物容器としての反応チャンバー４５を備え、反応チャンバー４５内には水素発生反応物としてのワーク４６（例えば、水素化ホウ素ナトリウム）が貯蔵されている。また、反応チャンバー４５の内部には流体室としての溶液容器４７が備えられ、溶液容器４７には反応流体である反応溶液４８（例えば、リンゴ酸水溶液）が貯蔵されている。
【００８５】
反応チャンバー４５の外部には一時貯留部４９が設けられ、溶液容器４７と一時貯留部４９は供給管５０を介して接続されている。供給管５０には圧力調整弁５５が設けられ、供給管５０側からの圧力が所定圧力以上になった時に圧力調整弁５５が開弁して反応溶液４８が一時貯留部４９に送られる。尚、図中の符号で５６は、圧力調整弁５５の開閉動作のための大気を取り込む大気取込み口である。
【００８６】
また、一時貯留部４９には反応チャンバー４５内に開口する排出管５１が接続され、排出管５１には逆止弁５２が設けられている。逆止弁５２により一時貯留部４９側からの反応溶液４８が排出管５１を流通可能とされ、反応チャンバー４５側からの反応溶液４８の逆流が防止されている。反応溶液４８が排出管５１から反応チャンバー４５に送られると、反応溶液４８とワーク４６が接触して反応チャンバー４５で水素生成反応が生じる。
【００８７】
溶液容器４７は可撓性フィルム（例えば、ポリプロピレン）の袋状部材の容器とされ、反応溶液４８が一時貯留部４９に送られると共に、反応チャンバー４５で発生した水素により加圧されることにより（可変手段）、溶液容器４７の体積が減少するようにされている。即ち、溶液容器４７から反応チャンバー４５に反応溶液４８が供給されるにしたがって溶液容器４７の体積が減少し、その分反応チャンバー４５の容積が増加する。
【００８８】
燃料電池４３を説明する。
燃料電池４３にはアノードチャンバー５８が備えられ、アノードチャンバー５８は燃料電池セル５９のアノード室に接する空間を構成している。アノード室は、アノードで消費する水素を一時的に保持する空間である。アノードチャンバー５８と反応チャンバー４５は水素導管４４により接続され、反応チャンバー４５で発生した水素がアノードチャンバー５８のアノード室に供給される。アノード室に供給された水素は、アノードでの燃料電池反応で消費される。アノードでの水素の消費量は、燃料電池４３の出力電流に応じて決定される。
【００８９】
上述した燃料電池システム４１の作用を説明する。
燃料電池セル５９が負荷に接続されると、燃料電池システム４１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、アノードチャンバー５８、水素導管４４、反応チャンバー４５の内圧が低下する。ここで、一時貯留部４９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４９と反応チャンバー４５とに差圧が生じ、一時貯留部４９に貯留されている反応溶液４８（リンゴ酸水溶液）が排出管５１を通って反応チャンバー４５に移動する。
【００９０】
反応溶液４８が反応チャンバー４５に移動すると、ワーク４６（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４４を通り、アノードチャンバー５８に供給される。水素の発生により反応チャンバー４５、水素導管４４、アノードチャンバー５８の内圧が大気圧より上昇し、反応チャンバー４５の内圧が一時貯留部４９より高くなる。このため、水素が排出管５１を逆流しようとするが、逆止弁５２により逆流が防止される。
【００９１】
一方、溶液容器４７が反応チャンバー４５の内圧を受けて圧縮され、溶液容器４７の内部に貯蔵されている反応溶液４８が供給管５０から圧力調整弁５５まで移動する。圧力調整弁５５は閉弁方向に、例えば、１０ｋＰａ（ゲージ圧）の反応溶液４８の圧力を受けており、反応チャンバー４５の内圧が１０ｋＰａ（ゲージ圧）を超えると、反応溶液４８の圧力により開弁方向の力が上回り、圧力調整弁５５が開弁して、反応溶液４８が一時貯留部４９に供給される。
【００９２】
その後、水素発生速度が低下し燃料電池４３での水素消費速度が上回ると、アノードチャンバー５８、水素導管４４、反応チャンバー４５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５５が開弁しているため、一時貯留部４９から溶液容器４７に反応溶液４８が流入する。内圧が１０ｋＰａ（ゲージ圧）を下回ると圧力調整弁１４は閉弁し、この時の一時貯留部４９の内圧は１０ｋＰａ（ゲージ圧）とされる。更に、反応チャンバー４５の内圧が低下すると、一時貯留部４９と反応チャンバー４５とに圧力差が発生し、逆止弁５２が開弁して反応溶液４８が排出管５１を通って反応チャンバー４５に移動する。これにより、ワーク４６に反応溶液４８が接触して水素発生反応が生じ、反応チャンバー４５の内圧が再度上昇することとなる。
【００９３】
以上の繰り返しにより水素が生成され、燃料電池４３のアノードチャンバー５８に燃料である水素が供給される。
【００９４】
そして、溶液容器４７から反応チャンバー２に反応溶液４８が供給されるにしたがって溶液容器４７の体積が減少し、その分反応チャンバー４５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。
【００９５】
上述した燃料電池システム４１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４２を備えた燃料電池システム４１とすることができる。
【００９６】
図６に基づいて本発明の燃料電池システムの更に他の実施形態例を説明する。
図６には本発明の他の実施形態例に係る燃料電池システムの概略構成を示してある。尚、図５に示した部材と同一部材には同一符号を付してある。
【００９７】
図に示すように、燃料電池システム６１は、水素発生設備６２と燃料電池４３とで構成され、水素発生設備６２と燃料電池４３は水素導管４４により接続されている。
【００９８】
水素発生設備６２を説明する。
水素発生設備６２は、反応物容器としての反応チャンバー４５を備え、反応チャンバー４５内には水素発生反応物としてのワーク４６（例えば、水素化ホウ素ナトリウム）が貯蔵されている。また、反応チャンバー４５の内部には流体室としての溶液容器４７が備えられ、溶液容器４７には反応流体である反応溶液４８（例えば、リンゴ酸水溶液）が貯蔵されている。
【００９９】
反応チャンバー４５の外部には一時貯留部４９が設けられ、溶液容器４７と一時貯留部４９は供給管５０を介して接続されている。供給管５０には逆止弁６３が設けられている。逆止弁６３により溶液容器４７側からの反応溶液４８が供給管５０を流通可能とされ、一時貯留部４９側からの反応溶液４８の逆流が防止されている。反応チャンバー４５で発生した水素により溶液容器４７が加圧され、供給管５０側からの圧力が一時貯留部４９圧力以上になった時に反応溶液４８が一時貯留部４９に送られる。
【０１００】
また、一時貯留部４９には反応チャンバー４５内に開口する排出管５１が接続され、排出管５１には圧力調整弁６４が設けられている。反応チャンバー４５内圧が所定圧力以下になった時、圧力調整弁６４が開弁して一時貯留部４９側からの反応溶液４８が排出管５１を流通可能となる。一時貯留部４９の内圧は送られた反応溶液４８により加圧されて圧力調整弁が開く圧力よりも高い状態（圧力調整弁６４が開くための反応チャンバー４５の所定圧力値を超える圧力）を生じており、一時貯留部４９と反応チャンバー４５の内圧差により反応溶液４８が排出管５１から反応チャンバー４５に送られる。その結果、反応溶液４８とワーク４６が接触して反応チャンバー４５で水素生成反応が生じる。
【０１０１】
溶液容器４７は可撓性フィルム（例えば、ポリプロピレン）の袋状部材の容器とされ、反応溶液４８が一時貯留部４９に送られると共に、反応チャンバー４５で発生した水素により加圧されることにより（可変手段）、溶液容器４７の体積が減少するようにされている。即ち、溶液容器４７から反応チャンバー４５に反応溶液４８が供給されるにしたがって溶液容器４７の体積が減少し、その分反応チャンバー４５の容積が増加する。
【０１０２】
燃料電池４３を説明する。
燃料電池４３にはアノードチャンバー５８が備えられ、アノードチャンバー５８は燃料電池セル５９のアノード室に接する空間を構成している。アノード室は、アノードで消費する水素を一時的に保持する空間である。アノードチャンバー５８と反応チャンバー４５は水素導管４４により接続され、反応チャンバー４５で発生した水素がアノードチャンバー５８のアノード室に供給される。アノード室に供給された水素は、アノードでの燃料電池反応で消費される。アノードでの水素の消費量は、燃料電池４３の出力電流に応じて決定される。
【０１０３】
上述した燃料電池システム６１の作用を説明する。
燃料電池セル５９が負荷に接続されると、燃料電池システム４１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、アノードチャンバー５８、水素導管４４、反応チャンバー４５の内圧が低下する。ここで、一時貯留部４９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４９と反応チャンバー４５とに差圧が生じ、一時貯留部４９に貯留されている反応溶液４８（リンゴ酸水溶液）が排出管５１を通って反応チャンバー４５に移動する。
【０１０４】
反応溶液４８が反応チャンバー４５に移動すると、ワーク４６（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４４を通り、アノードチャンバー５８に供給される。水素の発生により反応チャンバー４５、水素導管４４、アノードチャンバー５８の内圧が大気圧より上昇し、反応チャンバー４５の内圧が一時貯留部４９より高くなる。このため、水素が排出管５１を逆流しようとするが、圧力調整弁６４により逆流が防止される。
【０１０５】
一方、溶液容器４７が反応チャンバー４５の内圧を受けて圧縮され、溶液容器４７の内部に貯蔵されている反応溶液４８が供給管５０から逆止弁６３を通って一時貯留部４９に供給される。
【０１０６】
その後、水素発生速度が低下し燃料電池４３での水素消費速度が上回ると、アノードチャンバー５８、水素導管４４、反応チャンバー４５の内圧が低下し始める。内圧が低下して一時貯留部４９と反応チャンバー４５とに圧力差が発生すると、圧力調整弁６４が開弁して一時貯留部４９から溶液容器４７に反応溶液４８が流入する。これにより、ワーク４６に反応溶液４８が接触して水素発生反応が生じ、反応チャンバー４５の内圧が再度上昇することとなる。
【０１０７】
以上の繰り返しにより水素が生成され、燃料電池４３のアノードチャンバー５８に燃料である水素が供給される。
【０１０８】
そして、溶液容器４７から反応チャンバー４５に反応溶液４８が供給されるにしたがって溶液容器４７の体積が減少し、その分反応チャンバー４５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。
【０１０９】
上述した燃料電池システム６１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６２を備えた燃料電池システム６１とすることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１１０】
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】
【０１１１】
【図１】本発明の第１実施形態例に係る水素発生設備の概略構成図である。
【図２】本発明の第２実施形態例に係る水素発生設備の概略構成図である。
【図３】本発明の第３実施形態例に係る水素発生設備の概略構成図である。
【図４】本発明の一実施形態例に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【図５】本発明の他の実施形態例に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【図６】本発明の更に他の実施形態例に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【符号の説明】
【０１１２】
１、１５、２１、４２、６２  水素発生設備
２、４５  反応チャンバー
３、４６  ワーク
４、１６，２２、４７  溶液容器
５  送液管
６、１７  加重板
７  圧縮ばね
１０、４４  水素導管
１１、４８  反応溶液
１２  レギュレータ
１３、５５、６４  圧力調整弁
２３  シリンダ
２４  ピストン板
２５  シリンダ室
３０、４１、６１  燃料電池システム
３１、４３  燃料電池
３２、５８  アノードチャンバー
３３、５９  燃料電池セル
４９  一時貯留部
５０  供給管
５１  排出管
５２、６３  逆止弁
５６  大気取込み口
【図１】
2007063111.tif 000003
【図２】
2007063111.tif 000004
【図３】
2007063111.tif 000005
【図４】
2007063111.tif 000006
【図５】
2007063111.tif 000007
【図６】
2007063111.tif 000008