(57)【要約】【課題】簡易な機構で所定量の水素発生剤と水素発生促進剤を接触させて水素を発生させることができ、水素の発生量を制御可能な水素発生装置及びその運転方法を提供する。【解決手段】水素発生剤１６は、アルミニウム容器の内部にＮａＨ、ＬｉＨまたはＫＨを密封したものとされる。水素発生装置１１の起動時にアルミニウム容器を溶解可能な物質を反応容器１２に供給し、水素発生剤１６の下端部と接触させてアルミニウム容器を溶解させてＮａＨ、ＬｉＨまたはＫＨを露出させる。水素発生剤１６と反応溶液との接触が確保されながら、水素発生反応が継続される。反応容器１２内の圧力、反応溶液温度及び濃度を監視しながら反応容器１２での反応溶液の供給量や排出量を制御して反応溶液の液面高さを調整することによって、水素発生量が制御される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム製の容器の内部に、アルカリ金属水素化物とされる粉体が密封されている水素発生剤と、
内部に前記水素発生剤を収納し、底部に前記水素発生剤と反応を行う反応溶液を収納可能とする反応容器と、
前記反応容器の上部に設けられ、前記水素発生剤と前記反応溶液の反応により発生する水素を前記反応容器から排出可能とする水素排出部と、
内部に前記反応溶液の溶媒を収納するタンクと、
前記反応容器及び前記タンクに接続され、前記タンク内の前記水または前記反応溶液を前記反応容器に供給する反応溶液供給部と、前記反応容器に連結され、前記反応溶液を前記反応容器内に供給する起動部とを備え、
前記起動部が、アルミニウム製の容器を溶解可能であり、前記反応溶液の溶質とされる物質を収納する起動用容器と、前記反応溶液を採取して前記起動用容器から排出する採取部とを備え、
前記起動部が、起動時に前記採取部で採取され前記起動用容器から排出された前記反応溶液を前記反応容器に供給し、前記水素発生剤の下端部と前記反応溶液が接触し反応することで水素を発生させる水素発生装置。
【請求項２】
前記物質がアルカリ金属水酸化物の水溶液とされ、
前記起動用容器の内部に、所定量の前記アルカリ金属水酸化物が収納され、
前記起動用容器の底部に、前記タンク内の前記反応溶液の溶媒を供給する溶媒供給部を更に備え、
前記採取部が前記起動用容器の上部に設けられ、
前記溶媒供給部を介して前記タンクから供給された前記溶媒に前記溶質を溶解させて前記反応溶液を生成し、該反応溶液のうち前記起動用容器の上方に存在する前記反応溶液を前記採取部が採取して前記起動用容器から排出する請求項１に記載の水素発生装置。
【請求項３】
前記起動部が前記反応溶液供給部に設置され、
前記タンク内の前記反応溶液の溶媒が、前記溶媒供給部を通じて前記起動用容器に供給される請求項２に記載の水素発生装置。
【請求項４】
前記反応容器及び前記タンクに接続され、前記反応容器内の前記反応溶液を前記タンクに供給する反応溶液排出部を更に備え、
前記反応溶液供給部と前記反応溶液排出部とが、前記反応溶液を前記反応容器と前記タンクとの間で循環させる請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の水素発生装置。
【請求項５】
前記採取部の下流側に希釈部を更に備え、
前記希釈部が、希釈容器と、該希釈容器に接続される希釈液供給部と、前記希釈容器に接続される起動用反応溶液排出部とを備え、
前記採取部が前記希釈容器に前記反応溶液を供給し、前記希釈液供給部が前記希釈容器に希釈液を供給し、前記希釈容器内で前記反応溶液と前記希釈液とが混合して前記反応溶液が希釈され、
前記起動用反応溶液排出部が前記希釈された反応溶液を前記希釈容器から排出して前記反応容器に供給する請求項２乃至請求項４のいずれか１項に記載の水素発生装置。
【請求項６】
前記希釈液供給部が前記タンクに接続し、前記希釈液が前記タンク内の前記反応溶液の溶媒とされる請求項５に記載の水素発生装置。
【請求項７】
アルミニウム製の容器の内部に、アルカリ金属水素化物とされる粉体が密封されている水素発生剤と、
内部に前記水素発生剤を収納し、底部に前記水素発生剤と反応を行う反応溶液を収納可能とする反応容器と、
前記反応容器の上部に設けられ、前記水素発生剤と前記反応溶液の反応により発生する水素を前記反応容器から排出可能とする水素排出部と、
内部に前記反応溶液の溶媒を収納するタンクと、
前記反応容器及び前記タンクに接続され、前記タンク内の前記反応溶液を前記反応容器に供給する反応溶液供給部と、
前記反応容器内部の前記反応溶液を前記反応容器から排出し、前記排出された前記反応溶液を前記タンクに供給する反応溶液排出部と、
前記反応容器に設置され、前記反応容器内の水素の圧力を計測する圧力計測部と、前記反応容器に設置され、前記反応容器内における前記反応溶液の液面の高さを計測する液面計測部と、前記反応容器または前記反応溶液排出部に少なくとも１つ設置され、前記反応容器の前記反応溶液排出部との連結部分近傍における前記反応溶液の温度を計測する温度計測部と、前記反応容器内の前記反応溶液中の溶質の濃度を計測する濃度取得部と、前記反応溶液供給部、前記反応溶液排出部、前記圧力計測部、前記液面計測部、前記温度計測部及び前記濃度取得部と接続される制御部とを備え、
該制御部は、
前記圧力、前記温度及び前記濃度の少なくとも１つに基づいて、前記反応容器への前記反応溶液の供給量と、前記反応容器からの前記反応溶液の排出量とを調整して前記液面の高さを変動させて前記水素の発生量を制御する水素発生装置。
【請求項８】
前記反応溶液供給部及び前記反応溶液排出部の少なくとも一方に、前記反応溶液を希釈するための希釈容器を備える請求項７に記載の水素発生装置。
【請求項９】
前記希釈容器が前記タンクに接続し、前記希釈液が前記タンク内の前記反応溶液とされる請求項８に記載の水素発生装置。
【請求項１０】
アルミニウム製の容器の内部に、アルカリ金属水素化物とされる粉体が密封されている棒状の水素発生剤と、
内部に前記水素発生剤を収納し、底部に前記水素発生剤と反応を行う反応溶液を収納可能とする反応容器と、
前記反応容器の上部に設けられ、前記水素発生剤と前記反応溶液の反応により発生する水素を前記反応容器から排出可能とする水素排出部と、
前記反応容器内の上部に設置され、前記水素発生剤を吊下げて担持する吊下部と、
内部に前記反応溶液の溶媒を収納するタンクと、
前記反応容器の上部に接続され、前記反応容器と前記タンクとを連結し、前記反応容器に前記反応溶液を供給する反応溶液供給部と、
前記反応溶液供給部の経路中に設置され、内部に前記アルカリ金属水酸化物の粉体を収納する起動部と、
前記反応容器に設けられ、前記反応容器内の水素圧力を計測する圧力計測部と、
前記測定された水素圧力に基づいて、前記反応溶液供給部から前記反応容器への前記反応溶液の供給量を変更して前記水素の発生量を制御する制御部とを備える水素発生装置。
【請求項１１】
前記反応容器の上部に設置され、前記吊下部を上下に移動可能とする吊下部可動装置を更に備え、該吊下部可動装置が作動して前記水素発生剤が上下に移動可能とされる請求項１０に記載の水素発生装置。
【請求項１２】
アルミニウム製の容器の内部に、アルカリ金属水素化物とされる粉体が密封されている水素発生剤を、反応容器の内部に収納する収納工程と、
前記水素発生剤と反応を行うための反応溶液を、前記反応容器の底部に供給する起動用反応溶液供給工程と、
前記水素発生剤の下端部と前記反応溶液とを接触させ、接触した部分で前記アルミニウム製の容器を溶解させて、前記アルカリ金属水素化物の粉体を露出させる溶解工程と、
前記反応容器内の底部に供給された前記反応溶液を前記水素発生剤の前記アルミニウム製の容器及び前記粉体と接触させて、水素を発生させる反応工程とを含む水素発生装置の運転方法。
【請求項１３】
前記起動用反応溶液供給工程が、アルカリ金属水酸化物の粉体が収納される起動用容器の底部から、前記反応溶液の溶媒を供給する溶媒供給工程と、
前記アルミニウム製の容器を溶解可能であり、前記反応溶液の溶質とされる物質を前記溶媒に溶解させ、前記反応溶液を得る反応溶液生成工程と、
前記反応溶液のうち前記起動用容器の上方に存在する反応溶液を採取して、前記起動用容器から排出させる排出工程とを含む請求項１２に記載の水素発生装置の運転方法。
【請求項１４】
前記反応容器内の前記反応溶液を前記タンクに供給して、前記反応容器と前記タンクとの間で前記反応溶液を循環させる循環工程を更に備える請求項１２または請求項１３に記載の水素発生装置の運転方法。
【請求項１５】
前記起動用反応溶液供給工程が、前記起動用容器から排出された反応溶液を、前記タンクから供給された希釈液で希釈する希釈工程を更に含む請求項１３または請求項１４に記載の水素発生装置の運転方法。
【請求項１６】
前記希釈工程の前記水または前記アルカリ金属水酸化物水溶液が前記タンクから供給される請求項１５に記載の水素発生装置の運転方法。
【請求項１７】
アルミニウム製の容器の内部に、アルカリ金属水素化物とされる粉体が密封されている水素発生剤を、反応容器の内部に収納する収納工程と、
前記水素発生剤と反応を行うための反応溶液を、前記反応容器内で所定の液面の高さになるまで前記反応容器の底部に供給する起動用反応溶液供給工程と、
前記水素発生剤の下端部と前記反応溶液とを接触し反応させて、前記アルミニウム製の容器を溶解し所定量の水素を発生するとともに、前記粉体と前記反応溶液とを反応させて所定量の水素を発生させる反応工程と、
前記反応容器で発生する水素量を制御する水素発生量制御工程とを含み、
前記水素発生量制御工程が、
前記反応容器内の水素圧力を計測する圧力計測工程と、
前記反応容器内の前記反応溶液の温度を計測する温度計測工程と、
前記反応容器内の前記反応溶液中の溶質の濃度を取得する濃度取得工程と、
前記液面の高さを計測する液面計測工程と、
計測された前記圧力、前記温度、及び前記濃度の値が設定値を満たす場合、前記反応容器への前記反応溶液の供給量及び前記反応容器からの前記反応溶液の排出量を維持して、前記液面の高さを一定にし、
計測された前記圧力、前記温度、及び前記濃度の値のうち少なくとも１つが設定値と異なる場合、前記供給量及び前記排出量を変更して、前記液面の高さを所定量だけ増加または低下させる液面調整工程とを含む水素発生装置の運転方法。
【請求項１８】
アルミニウム製の容器の内部に、ＮａＨ、ＬｉＨまたはＫＨとされる粉体が密封されている水素発生剤を、前記反応容器の上部に設けられる吊下部に固定し、該吊下部により前記水素発生剤を鉛直方向に吊下げて前記反応容器の内部に収納する収納工程と、
アルミニウム製の容器を溶解可能な物質を含む反応溶液を所定の供給量で反応容器の底部に供給する反応溶液供給工程と、
前記水素発生剤の下端部と前記反応溶液とを接触させ、接触した部分で前記アルミニウム製の容器を溶解させて、前記アルカリ金属水素化物の粉体を露出させる溶解工程と、
前記反応容器の底部に前記反応溶液供給して、前記水素発生剤の下端部と前記反応溶液とを接触させて、前記アルミニウム製の容器を溶解させるとともに前記アルミニウム製の容器から所定量の水素を発生させ、前記粉体と前記反応溶液とを反応させて所定量の水素を発生させる反応工程と、
前記反応容器内への前記反応溶液の供給量を調整して、水素発生量を制御する水素発生量制御工程とを含み、
前記水素発生量制御工程が、
前記反応容器内の水素圧力を計測する圧力計測工程と、
前記計測された圧力の値が設定圧力である場合に、前記反応容器への前記反応溶液の供給量を維持し、
前記計測された水素圧力の値が設定圧力よりも高い場合に、前記反応溶液の供給量を減少させる、または、前記反応溶液の供給量を停止し、
前記計測された水素圧力の値が設定圧力よりも低い場合に、前記反応溶液の供給量を増大させる反応溶液供給量調整工程とを含む水素発生装置の運転方法。
【請求項１９】
前記水素発生量制御工程が、
前記計測された水素圧力の値が設定圧力よりも高い場合に、前記吊下部を上昇させて前記水素発生剤を前記反応溶液から離間させ、
前記計測された水素圧力の値が設定圧力よりも低い場合に、前記吊下部を下降させて前記水素発生剤と前記反応溶液との接触面積を増大させる水素発生剤移動工程を更に含む請求項１８に記載の水素発生装置の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の水素供給源である水素発生装置及び水素発生装置の運転方法に関する。
【０００２】
水中で使用されるロボットや海中でデータを収集する観測装置などには、電源装置が搭載される。電源装置の１つの方式に燃料電池がある。燃料電池には、燃料電池本体以外に酸素供給源と、水素供給源とされる水素発生装置が必要とされる。
水素発生装置は、反応容器内で水素発生剤と水素発生促進剤とを接触させて水素を発生させる。水素発生剤は、ＮａＢＨ４，ＬｉＢＨ４，ＭｇＨ2，ＬｉＨ，ＮａＨ，ＡｌＨ３などの金属水素化物や、Ｎａ，Ｌｉ，Ｍｇ，Ｋ，Ａｌなどの金属等があり、単体もしくはそれらを組み合わせたもので構成される。水素発生促進剤は、水やアルコールなどとされる。
【０００３】
特許文献１は、ＮａＢＨ４，ＬｉＢＨ４などの金属水素化物の粉体を、容器内に収納される水素発生促進剤に投入し、水素を発生させる方法を開示している。特許文献１では、容器の上方に設けられるホッパに金属水素化物の粉体を収納し、ホッパの下方に設置されるフィーダで所定量の金属水素化物粉体を水素発生促進剤中に投入して、所定量の水素を発生させる。あるいは、特許文献１では、金属水素化物の粉体をアクリル樹脂などのカプセルまたはボールに充填し、これらをホッパに収納している。フィーダで所定量のカプセルまたはボールを供給し、フィーダ下方に設置されるカッターなどの機械的手段または熱的手段によりカプセルまたはボールを破壊してから水素発生促進剤中に投入している。
【０００４】
特許文献２は、アルミニウム製パイプの内部にナトリウムを溶融状態で充填し、ナトリウムを固化して作製された水素発生具を開示している。特許文献２では、パイプ先端部及びナトリウム先端部をカッター等によって水素発生に適した大きさに切断し、切断されたパイプ小片及びナトリウム片を水または乳化水に浸漬させて水素を発生させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−１８７５９５号公報（請求項７〜１０、段落［００３５］〜［００４１］）
【特許文献２】特開２００６−７６８４６号公報（請求項１，５、段落［００１８］〜［００１９］）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１及び特許文献２では、水素発生剤と水素発生促進剤とを接触させて水素を発生させるために、ホッパ、フィーダ、カッターなどの付帯機構が反応容器に設置される。更に、付帯設備を設置するのに伴い、気密機構が複雑化する。このため、システムの容積が増大するので、小型化が困難であった。また、これらの機構を水素雰囲気で駆動可能とする必要があった。
【０００７】
また、特許文献１のカプセル等は、水素発生促進剤に溶解する。このとき、反応状態によってはＣＯなどの有機ガスが発生する可能性がある。有機ガスは燃料電池の反応に寄与しない不純物ガスになるだけでなく、燃料電池内の電界膜に悪影響を与える恐れがある。
【０００８】
本発明は、簡易な機構で所定量の水素発生剤と水素発生促進剤を接触させて水素を発生させることができる水素発生装置及び水素発生装置の運転方法を提供することを目的とする。また、容易な工程にて水素の発生量を制御可能な水素発生装置及び水素発生装置の運転方法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】
本発明の第１の態様の水素発生装置は、アルミニウム製の容器の内部に、アルカリ金属水素化物とされる粉体が密封されている水素発生剤と、内部に前記水素発生剤を収納し、底部に前記水素発生剤と反応を行う反応溶液を収納可能とする反応容器と、前記反応容器の上部に設けられ、前記水素発生剤と前記反応溶液の反応により発生する水素を前記反応容器から排出可能とする水素排出部と、内部に前記反応溶液の溶媒を収納するタンクと、前記反応容器及び前記タンクに接続され、前記タンク内の前記水または前記反応溶液を前記反応容器に供給する反応溶液供給部と、前記反応容器に連結され、前記反応溶液を前記反応容器内に供給する起動部とを備え、前記起動部が、アルミニウム製の容器を溶解可能であり、前記反応溶液の溶質とされる物質を収納する起動用容器と、前記反応溶液を採取して前記起動用容器から排出する採取部とを備え、前記起動部が、起動時に前記採取部で採取され前記起動用容器から排出された前記反応溶液を前記反応容器に供給し、前記水素発生剤の下端部と前記反応溶液が接触し反応することで水素を発生させる水素発生装置とされる。
【００１０】
本発明の第１の態様の水素発生装置の運転方法は、アルミニウム製の容器の内部に、アルカリ金属水素化物とされる粉体が密封されている水素発生剤を、反応容器の内部に収納する収納工程と、前記水素発生剤と反応を行うための反応溶液を、前記反応容器の底部に供給する起動用反応溶液供給工程と、前記水素発生剤の下端部と前記反応溶液とを接触させ、接触した部分で前記アルミニウム製の容器を溶解させて、前記アルカリ金属水素化物の粉体を露出させる溶解工程と、前記反応容器内の底部に供給された前記反応溶液を前記水素発生剤の前記アルミニウム製の容器及び前記粉体と接触させて、水素を発生させる反応工程とを含む。
【００１１】
本発明の水素発生剤は、水素発生源の主剤と副剤から構成される。主剤にはアルカリ金属水素化物を、副剤としてアルミニウムを用いている。アルカリ金属水素化物の粉体は強い吸湿性を有しているため、室温程度の低温でもアルカリ水酸化物を生成するが、それは潮解性を有しているため、水溶液化し分離する。その結果、水素発生剤の表面に生成膜が発生し反応が阻害されることがなく、継続して水と反応し水素を発生させることができる。一方で、取扱性を高めるために容器内に収納する必要がある。本発明ではアルミニウム容器によりアルカリ金属水素化物を密封した水素発生剤を使用する。
第１の態様では、水素発生装置の起動に際し、反応容器に反応溶液を供給し、アルミニウム容器を溶解させてアルカリ金属水素化物を露出される。これにより、アルカリ金属水素化物を反応容器内の反応溶液と接触して反応し、水素が発生する。すなわち、第１の態様では、簡易な工程により水素発生装置を起動することができる。
アルカリ金属水素化物と水との反応生成物としてＮａＯＨ、ＬｉＯＨやＫＯＨといったアルカリ金属水酸化物が生成する。これらは、水もしくは反応溶液に溶解する。アルミニウム容器は、アルカリ金属水酸化物等のアルミニウムを溶解可能な物質を含む反応溶液に溶解して消失する。本発明では水素発生剤の下端部からアルミニウム容器を溶解させているので、アルミニウム容器の溶解に伴い水素発生剤は下方に移動する。すなわち、本発明では容易な機構にて、水素発生剤と反応溶液との接触が確保される。
また、アルミニウム容器と反応溶液との反応により水素が発生するので、１つの水素発生剤からのを発生させる水素発生量を増大させることができるという効果も奏する。
【００１２】
第１の態様の水素発生装置において、前記物質がアルカリ金属水酸化物の水溶液とされ、前記起動用容器の内部に、所定量の前記アルカリ金属水酸化物が収納され、前記起動用容器の底部に、前記タンク内の前記反応溶液の溶媒を供給する溶媒供給部を更に備え、前記採取部が前記起動用容器の上部に設けられ、前記溶媒供給部を介して前記タンクから供給された前記溶媒に前記溶質を溶解させて前記反応溶液を生成し、該反応溶液のうち前記起動用容器の上方に存在する前記反応溶液を前記採取部が採取して前記起動用容器から排出することが好ましい。
【００１３】
この場合、前記起動部が前記反応溶液供給部に設置され、前記タンク内の前記反応溶液の溶媒が、前記溶媒供給部を通じて前記起動用容器に供給されることが好ましい。
【００１４】
第１の態様の水素発生装置の運転方法において、前記起動用反応溶液供給工程が、アルカリ金属水酸化物の粉体が収納される起動用容器の底部から、前記反応溶液の溶媒を供給する溶媒供給工程と、前記アルミニウム製の容器を溶解可能であり、前記反応溶液の溶質とされる物質を前記溶媒に溶解させ、前記反応溶液を得る反応溶液生成工程と、前記反応溶液のうち前記起動用容器の上方に存在する反応溶液を採取して、前記起動用容器から排出させる排出工程とを含むことが好ましい。
【００１５】
起動時に用いる物質としてアルミニウム製の容器を溶解可能なもの、特にアルカリ金属水酸化物の粉体としておけば、起動用容器の容積を小さくすることができ、水素発生装置の小型化に繋がる。
また、起動部を反応溶液供給部に設置し、起動時に粉体を溶解させる溶媒としてタンク内の水または反応溶液を用いれば、装置構成を簡略化することができる。
【００１６】
第１の態様の水素発生装置において、前記反応容器及び前記タンクに接続され、前記反応容器内の前記反応溶液を前記タンクに供給する反応溶液排出部を更に備え、前記反応溶液供給部と前記反応溶液排出部とが、前記反応溶液を前記反応容器と前記タンクとの間で循環させることが好ましい。
【００１７】
第１の態様の水素発生装置の運転方法において、前記反応容器内の前記反応溶液を前記タンクに供給して、前記反応容器と前記タンクとの間で前記反応溶液を循環させる循環工程を更に備えることが好ましい。
【００１８】
こうすることで、水素発生装置系内で効率的に反応を実施することができる。また、反応容器内の反応溶液の水位を一定に保持することができる。このため、水素発生剤と反応溶液との接触面積を一定として、水素発生量を安定化させることができる。
【００１９】
第１の態様の水素発生装置において、前記採取部の下流側に希釈部を更に備え、前記希釈部が、希釈容器と、該希釈容器に接続される希釈液供給部と、前記希釈容器に接続される起動用反応溶液排出部とを備え、前記採取部が前記希釈容器に前記反応溶液を供給し、前記希釈液供給部が前記希釈容器に希釈液を供給し、前記希釈容器内で前記反応溶液と前記希釈液とが混合して前記反応溶液が希釈され、前記起動用反応溶液排出部が前記希釈された反応溶液を前記希釈容器から排出して前記反応容器に供給することが好ましい。
【００２０】
この場合、前記希釈液供給部が前記タンクに接続し、前記希釈液が前記タンク内の前記反応溶液の溶媒とされることが好ましい。
【００２１】
第１の態様の水素発生装置の運転方法において、前記起動用反応溶液供給工程が、前記起動用容器から排出された反応溶液を、前記タンクから供給された希釈液で希釈する希釈工程を更に含むことが好ましい。
【００２２】
上記構成を採用すれば、起動用容器で生成する反応溶液が高濃度であっても良い。従って、起動用容器を更に小さくすることができる。また、希釈部は、水素発生反応を継続させている際に反応溶液の温度や濃度を調整する用途にも転用することが可能である。
【００２３】
本発明の第２の態様の水素発生装置は、アルミニウム製の容器の内部に、アルカリ金属水素化物とされる粉体が密封されている水素発生剤と、内部に前記水素発生剤を収納し、底部に前記水素発生剤と反応を行う反応溶液を収納可能とする反応容器と、前記反応容器の上部に設けられ、前記水素発生剤と前記反応溶液の反応により発生する水素を前記反応容器から排出可能とする水素排出部と、内部に前記反応溶液の溶媒を収納するタンクと、前記反応容器及び前記タンクに接続され、前記タンク内の前記反応溶液を前記反応容器に供給する反応溶液供給部と、前記反応容器内部の前記反応溶液を前記反応容器から排出し、前記排出された前記反応溶液を前記タンクに供給する反応溶液排出部と、前記反応容器に設置され、前記反応容器内の水素の圧力を計測する圧力計測部と、前記反応容器に設置され、前記反応容器内における前記反応溶液の液面の高さを計測する液面計測部と、前記反応容器または前記反応溶液排出部に少なくとも１つ設置され、前記反応容器の前記反応溶液排出部との連結部分近傍における前記反応溶液の温度を計測する温度計測部と、前記反応容器内の前記反応溶液中の溶質の濃度を計測する濃度取得部と、前記反応溶液供給部、前記反応溶液排出部、前記圧力計測部、前記液面計測部、前記温度計測部及び前記濃度取得部と接続される制御部とを備え、該制御部は、前記圧力、前記温度及び前記濃度の少なくとも１つに基づいて、前記反応容器への前記反応溶液の供給量と、前記反応容器からの前記反応溶液の排出量とを調整して前記液面の高さを変動させて前記水素の発生量を制御する水素発生装置とされる。
【００２４】
第２の態様の水素発生装置において、前記反応溶液供給部及び前記反応溶液排出部の少なくとも一方に、前記反応溶液を希釈するための希釈容器を備えることが好ましい。この場合、前記希釈容器が前記タンクに接続し、前記希釈液が前記タンク内の前記反応溶液とされることが好ましい。
【００２５】
本発明の第２の態様の水素発生装置の運転方法は、アルミニウム製の容器の内部に、アルカリ金属水素化物とされる粉体が密封されている水素発生剤を、反応容器の内部に収納する収納工程と、前記水素発生剤と反応を行うための反応溶液を、前記反応容器内で所定の液面の高さになるまで前記反応容器の底部に供給する起動用反応溶液供給工程と、前記水素発生剤の下端部と前記反応溶液とを接触し反応させて、前記アルミニウム製の容器を溶解し所定量の水素を発生するとともに、前記粉体と前記反応溶液とを反応させて所定量の水素を発生させる反応工程と、前記反応容器で発生する水素量を制御する水素発生量制御工程とを含み、前記水素発生量制御工程が、前記反応容器内の水素圧力を計測する圧力計測工程と、前記反応容器内の前記反応溶液の温度を計測する温度計測工程と、前記反応容器内の前記反応溶液中の溶質の濃度を取得する濃度取得工程と、前記液面の高さを計測する液面計測工程と、計測された前記圧力、前記温度、及び前記濃度の値が設定値を満たす場合、前記反応容器への前記反応溶液の供給量及び前記反応容器からの前記反応溶液の排出量を維持して、前記液面の高さを一定にし、計測された前記圧力、前記温度、及び前記濃度の値のうち少なくとも１つが設定値と異なる場合、前記供給量及び前記排出量を変更して、前記液面の高さを所定量だけ増加または低下させる液面調整工程とを含む。
【００２６】
第１の態様と同様に、第２の態様における水素発生剤は取扱性が向上しているうえ、アルミニウム容器は反応工程で消失するとともに水素発生源として作用する。また、水素発生剤の下端部からアルミニウム容器を溶解させているので、容易な機構にて水素発生剤と反応溶液との接触が確保される。
水素の発生量は、水素発生剤と反応溶液との接触面積に依存する。水素発生速度は反応溶液の温度に依存する。水素発生量は水素発生剤の溶解量に依存する。水素発生剤の溶解度合いにより、反応溶液中の溶質の濃度が変わる。従って、反応溶液の液面高さ、温度、濃度を調整することにより、水素の発生量を制御することができる。液面高さ、温度及び濃度は、反応容器への反応溶液の供給量と反応容器からの反応溶液の排出量とのバランスを調整することによって変動させることができる。第２の態様では、簡易な工程により水素の発生量を制御することができるという効果を奏する。
【００２７】
本発明の第３の態様の水素発生装置は、アルミニウム製の容器の内部に、アルカリ金属水素化物とされる粉体が密封されている棒状の水素発生剤と、内部に前記水素発生剤を収納し、底部に前記水素発生剤と反応を行う反応溶液を収納可能とする反応容器と、前記反応容器の上部に設けられ、前記水素発生剤と前記反応溶液の反応により発生する水素を前記反応容器から排出可能とする水素排出部と、前記反応容器内の上部に設置され、前記水素発生剤を吊下げて担持する吊下部と、内部に前記反応溶液の溶媒を収納するタンクと、前記反応容器の上部に接続され、前記反応容器と前記タンクとを連結し、前記反応容器に前記反応溶液を供給する反応溶液供給部と、前記反応溶液供給部の経路中に設置され、内部に前記アルカリ金属水酸化物の粉体を収納する起動部と、前記反応容器に設けられ、前記反応容器内の水素圧力を計測する圧力計測部と、前記測定された水素圧力に基づいて、前記反応溶液供給部から前記反応容器への前記反応溶液の供給量を変更して前記水素の発生量を制御する制御部とを備える水素発生装置とされる。
【００２８】
本発明の第３の態様の水素発生装置の運転方法は、アルミニウム製の容器の内部に、ＮａＨ、ＬｉＨまたはＫＨとされる粉体が密封されている水素発生剤を、前記反応容器の上部に設けられる吊下部に固定し、該吊下部により前記水素発生剤を鉛直方向に吊下げて前記反応容器の内部に収納する収納工程と、アルミニウム製の容器を溶解可能な物質を含む反応溶液を所定の供給量で反応容器の底部に供給する反応溶液供給工程と、前記水素発生剤の下端部と前記反応溶液とを接触させ、接触した部分で前記アルミニウム製の容器を溶解させて、前記アルカリ金属水素化物の粉体を露出させる溶解工程と、前記反応容器の底部に前記反応溶液供給して、前記水素発生剤の下端部と前記反応溶液とを接触させて、前記アルミニウム製の容器を溶解させるとともに前記アルミニウム製の容器から所定量の水素を発生させ、前記粉体と前記反応溶液とを反応させて所定量の水素を発生させる反応工程と、前記反応容器内への前記反応溶液の供給量を調整して、水素発生量を制御する水素発生量制御工程とを含み、前記水素発生量制御工程が、前記反応容器内の水素圧力を計測する圧力計測工程と、前記計測された圧力の値が設定圧力である場合に、前記反応容器への前記反応溶液の供給量を維持し、前記計測された水素圧力の値が設定圧力よりも高い場合に、前記反応溶液の供給量を減少させる、または、前記反応溶液の供給量を停止し、前記計測された水素圧力の値が設定圧力よりも低い場合に、前記反応溶液の供給量を増大させる反応溶液供給量調整工程とを含む。
【００２９】
第３の態様の水素発生装置では、反応容器から反応溶液を排出する機構はなく、反応に伴い水素発生剤の下端部の位置は上方に移動する。このため、固形状の反応副生成物が生成しても配管が閉塞されるなどして反応が阻害されることがない。また、反応溶液を排出させたり循環させる必要はなく、反応に寄与する反応溶液の供給の調整により、水素発生量を制御できる。このため、装置の制御がより簡略化するという利点を有する。
【００３０】
第３の態様の水素発生装置において、前記反応容器の上部に設置され、前記吊下部を上下に移動可能とする吊下部可動装置を更に備え、該吊下部可動装置が作動して前記水素発生剤が上下に移動可能とされることが好ましい。
【００３１】
第３の態様の水素発生装置の運転方法において、前記水素発生量制御工程が、前記計測された水素圧力の値が設定圧力よりも高い場合に、前記吊下部を上昇させて前記水素発生剤を前記反応溶液から離間させ、前記計測された水素圧力の値が設定圧力よりも低い場合に、前記吊下部を下降させて前記水素発生剤と前記反応溶液との接触面積を増大させる水素発生剤移動工程を更に含むことが好ましい。
【００３２】
このように、水素発生量の調整において水素発生剤を変位させると、より迅速に水素発生量を増減させることができ、制御速度が向上する。
【発明の効果】
【００３３】
本発明によれば、より簡易な工程により水素発生剤中のアルカリ金属水素化物と反応溶液と反応させて水素発生装置を起動することができる。また、簡易な工程により水素発生剤と反応溶液との接触を確保して、水素発生反応を継続させることができる。また、反応容器における反応溶液の供給量や排出量を調整することによって水素発生量を制御することができる。この結果、装置構成が簡略化するとともに、制御がより簡略化する。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】第１実施形態の水素発生装置を備える燃料電池システムの概略図である。
【図２】第１実施形態に係る水素発生装置の起動部の概略図である。
【図３】第２実施形態に係る水素発生装置の起動部の概略図である。
【図４】第３実施形態の水素発生装置を備える燃料電池システムの概略図である。
【図５】第４実施形態に係る水素発生装置の概略図である。
【図６】第５実施形態の水素発生装置を備える燃料電池システムの概略図である。
【図７】第５実施形態の水素発生装置を運転する工程を説明する概略図である。
【図８】第６実施形態の水素発生装置を運転する工程を説明する概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
本発明の水素発生装置は、例えば水中ロボットや水中観測装置に搭載される燃料電池システに適用される。
＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態の水素発生装置を備える燃料電池システムの概略図である。燃料電池システム１は、燃料電池２、酸素発生装置３、及び水素発生装置１１を備える。燃料電池２は、リチウム２次電池４に接続され、リチウム２次電池４は負荷５に接続される。
【００３６】
燃料電池２は酸素供給部６を介して酸素発生装置３と接続される。酸素発生装置３は、内部に液体酸素を収納する容器を備える。液体酸素を収納する容器は、高圧酸素ガスを貯蔵する酸素ボンベであってもよい。燃料電池２は水素供給部７を介して水素発生装置１１と接続される。水素供給部７にバルブ８が設けられ、バルブ８により水素発生装置で発生した水素が燃料電池２に供給される流量が調節可能となっている。酸素供給部６及び水素供給部７には、酸素及び水素が燃料電池２に流入する直前において、熱交換器９が設置される。
【００３７】
本実施形態の水素発生装置１１は、反応容器１２、タンク１３、及び、起動部１４を備える。反応容器１２の上部に水素排出部１５が設置され、水素排出部１５は水素供給部７に接続される。タンク１３は配管を介して燃料電池２と接続される。配管には冷却器１０が設置される。
【００３８】
反応容器１２は、水素発生剤１６を収納する。本実施形態の水素発生剤１６は、アルミニウム製の容器（アルミニウム容器）の内部に、アルカリ金属水素化物の粉体が密封されて収納したものとされる。この場合、粉体がアルミニウム容器に入れてから圧縮されていても良く、ペレット状に圧縮された粉体がアルミニウム容器に充填されていても良い。
本実施形態の水素発生剤に適用されるアルカリ金属水素化物は、強い吸湿性を有し、アルカリ金属水酸化物となる。アルカリ金属水酸化物は潮解性を有し、水溶液化する。具体的に、アルカリ金属水素化物は、ＮａＨ、ＬｉＨ、ＫＨのいずれかとされる。特に、ＮａＨを用いるのが好ましい。
【００３９】
本実施形態の水素発生剤１６は柱状とされることが好ましい。水素発生剤１６の底面の形状は特に制限されない。底面の形状の例として、円形、楕円形、三角形、四角形、角丸四角形などが挙げられる。
また、図１に示される水素発生剤１６は、柱状のアルミニウム容器を複数個鉛直方向に積層させたものとされる。積層させた水素発生剤に代えて、反応容器の鉛直方向に長い１本の水素発生剤を収納しても良い。
【００４０】
水素発生剤１６は、反応容器１２の底部に接触するか、反応容器１２の底部から離間して設置される。水素発生剤１６が枠体（不図示）の内部に収納され、枠体が反応容器１２内部に設置されていても良い。枠体に水素発生剤１６を収納することにより、水素発生剤１６を反応容器１２の底部から離間させることができる。また、水素発生剤１６が倒れることなく反応容器１２内に整列させることができる。
【００４１】
反応容器１２は、水素発生反応時に水素発生剤と反応可能な反応溶液を収納可能である。具体的に、反応溶液は上記アルカリ金属水素化物と同じ金属元素の水酸化物を含むのが好ましい。具体的に、ＮａＯＨ、ＬｉＯＨ、ＫＯＨのいずれかとされる。
反応容器１２は、耐圧容器であるとともに、上記アルカリ金属水酸化物の水溶液に対する耐腐食性がある材質のものが選定される。
【００４２】
反応容器１２の周囲にはヒータと断熱材（不図示）が設けられ、反応容器１２内部の温度が調整されるようになっている。
【００４３】
タンク１３は、内部に水や、アルカリ金属水酸化物水溶液、または反応容器１２からタンク１３へと排出された反応溶液を収納可能である。タンク中の水溶液は反応容器内温度より低い。
【００４４】
反応容器１２とタンク１３とは、反応溶液供給部１７及び反応溶液排出部１８により連結される。
図１において、反応溶液供給部１７は反応容器１２の側面の下方部に接続されているが、反応容器１２の底部に接続されていても良い。反応溶液供給部１７は経路中にポンプ１９を備える。
【００４５】
反応溶液排出部１８は、反応容器１２の底部に接続される。反応溶液排出部１８はバルブ２０を備える。タンク１３内の水または反応溶液は、反応溶液供給部１７を介して反応容器１２の底部に供給される。また、反応容器１２内の反応溶液は、反応溶液排出部１８を介して反応容器１２からタンク１３へと排出される。図１の水素発生装置では、反応溶液は反応容器１２とタンク１３との間で循環する。
【００４６】
第１実施形態の起動部１４は、起動用容器と採取部とを備える。
起動用容器は、水素発生剤のアルミニウム容器を溶解可能な物質を収納する。アルミニウム容器を溶解可能な物質として水素発生剤１６に用いられるアルカリ金属水素化物と同じ金属元素を有するアルカリ金属水酸化物の水溶液、具体的にＮａＯＨ、ＬｉＯＨまたはＫＯＨの水溶液を用いることが好ましい。上記アルカリ金属水酸化物の水溶液が薄い場合には、アルミニウム容器の溶解に長時間を要し、アルミニウム容器内部のＮａＨ、ＬｉＨまたはＫＨが露出できない場合もある。また、アルミニウム容器を溶解しＮａＨ、ＬｉＨまたはＫＨを露出させるのに必要な溶液量が増加し、起動用容器の容積が増大するので好ましくない。
【００４７】
採取部は、起動用容器内部のアルカリ金属水酸化物の水溶液を採取し、起動用容器から排出する。
【００４８】
図２は、アルミニウム容器を溶解可能な物質としてＮａＯＨ、ＬｉＯＨまたはＫＯＨを用いる場合に適用できる起動部の概略図である。図２に示すように、起動用容器２１の内部には例えばＮａＯＨ、ＬｉＯＨまたはＫＯＨの粉体２６が収納される。起動部１４には、ＮａＯＨ、ＬｉＯＨまたはＫＯＨの粉体を溶解させ、反応容器１２内へ供給される反応溶液の溶媒（水）を起動用容器２１に供給する溶媒供給部２３が設置される。溶媒供給部２３は、配管２４と、起動部１４の外部から溶媒を起動用容器２１に搬送するためのポンプ２５とを備える。配管２４の一方の端部は、起動用容器２１に接続される。配管２４の他方の端部は、溶媒を収容したタンク１３に接続される。なお、タンク１３に代えて供給源が別途設置されていても良い。
【００４９】
本実施形態において起動用容器２１に供給される溶媒は水とされるが、ＮａＯＨ、ＬｉＯＨまたはＫＯＨ等のアルカリ金属水酸化物の水溶液や、反応溶液排出部１８を介して反応容器１２からタンク１３へと排出された反応溶液であっても良い。
【００５０】
溶媒供給部２３から溶媒が起動用容器２１に供給されると、ＮａＯＨ、ＬｉＯＨまたはＫＯＨ粉体２６が溶媒に溶解し、反応溶液が生成する。本実施形態の起動用容器２１には撹拌機構は設置されていない。採取部２２は、起動用容器２１上部の反応溶液を採取し、起動用容器２１から排出する。
【００５１】
アルミニウム容器を溶解可能な物質としてＮａＯＨ水溶液、ＬｉＯＨ水溶液またはＫＯＨ水溶液を用いる場合、高濃度の溶液を用いると、起動部１４から反応容器１２への流通過程で冷やされて配管中にＮａＯＨ、ＬｉＯＨまたはＫＯＨが析出する場合がある。このため、配管温度における飽和水溶液よりも低い濃度の反応溶液を反応容器１２に供給する。具体的に、飽和水溶液の１／３以下とすることが好ましい。一方で、上述のように低濃度の場合はアルミニウム容器の溶解に長時間を要する上、起動用容器２１が大容積となる。このため、使用するＮａＯＨ水溶液、ＬｉＯＨ水溶液またはＫＯＨ水溶液は、例えば飽和水溶液の１／１０程度以上の濃度とする。
【００５２】
図１において、起動部１４は反応溶液供給部１７の経路中に設置されている。この場合、図２におけるポンプ２５は、図１のポンプ１９と同一となる。
【００５３】
なお、起動部１４は、反応溶液供給部１７と別系統で反応容器１２に接続していても良い。起動部を別系統とする場合は、起動用容器内部に水溶液を収納し、起動部と反応容器との間にポンプが設置される。
【００５４】
図１及び図２に示される水素発生装置の運転方法の一実施形態を以下で説明する。
（収納工程）
水素発生剤１６が反応容器１２内部に収納される。収納される水素発生剤１６の量は、水素発生装置に要求される水素供給量、反応容器の大きさなどにより適宜設定される。
本実施形態においてタンク１３は水を収容している。なお、水に変えて低濃度のアルカリ水酸化物水溶液を収容していても良い。
【００５５】
（起動用反応溶液供給工程）
起動部１４の起動を行うにあたり、ポンプ２５（１９）は、配管２４（反応溶液供給部１８と同一）を通じてタンク１３内部の水を起動用容器２１に供給する。起動用容器２１内に流入した溶媒（水や反応溶液）にＮａＯＨ粉体、ＬｉＯＨ粉体またはＫＯＨ粉体が溶解し、起動用の反応溶液が生成する。
採取部２２が起動用容器２１上部の起動用の反応溶液を採取し、起動用容器２１から排出する。排出された起動用の反応溶液は、反応溶液供給部１７を通じて反応容器１２に搬送される。
【００５６】
（溶解工程）
反応容器１２内部に流入した起動用の反応溶液は、反応容器１２の底部に貯留される。起動用の反応溶液は、水素発生剤１６の下端部と接触する。水素発生剤１６の下端部が起動用の反応溶液と接触した部分で、アルミニウム容器が起動用の反応溶液と反応し反応溶液中に溶解する。アルミニウム容器を溶解させる物質としてＮａＯＨを用いた場合、例えば式（１）の反応によりアルミニウム容器が溶解する。
Ａｌ＋ＮａＯＨ＋３Ｈ２Ｏ→ＮａＡｌ（ＯＨ）４＋１．５Ｈ２  ・・・（１）
溶解が進行すると、水素発生剤１６の下端部で反応溶液に接触した部分において、アルミニウム容器に穴が開く。これにより、アルミニウム容器内のＮａＨ、ＬｉＨまたはＫＨが露出する。
【００５７】
反応容器１２中の反応溶液の液面が所定の高さに到達すると、反応溶液排出部１８のバルブ２０が開放される。これにより、反応容器１２内の余剰の反応溶液がタンク１３に搬送され、液面が一定の高さに保持される。
タンク１３に流入した反応溶液は、タンク１３内の水と混合する。従って、タンク１３内にアルカリ金属水酸化物水溶液が収容されるようになり、アルカリ金属水酸化物水溶液が起動用容器２１に供給される。
【００５８】
（反応工程）
露出したＮａＨ、ＬｉＯＨまたはＫＨは、反応溶液と接触して反応する。これにより、水素が発生する。例えばＮａＨを用いた場合の反応式は式（２）の通りである。
ＮａＨ＋Ｈ２Ｏ→ＮａＯＨ＋Ｈ２  ・・・（２）
発生した水素は、水素排出部１５を通じて反応容器１２から排出される。水素は水素供給部７を通じて燃料電池２に流入する。生成したＮａＯＨ、ＬｉＯＨまたはＫＯＨは、反応溶液中に溶解する。
【００５９】
式（２）の反応のように、ＮａＨ、ＬｉＨまたはＫＨと水との反応によりＮａＯＨ、ＬｉＯＨまたはＫＯＨが生成し、水素発生剤１６と反応溶液とが接触した部分で、アルミニウム容器の溶解及びアルミニウム容器からの水素発生が継続される。アルミニウム容器が溶解した分だけ、水素発生剤１６は下方に移動する。これにより、水素発生剤１６と反応溶液との接触が確保され、水素発生反応が継続される。
【００６０】
反応工程では、反応溶液中のアルカリ金属水酸化物水溶液の濃度を７ｍｏｌ／Ｌ以上１４ｍｏｌ／Ｌ以下、または、飽和水溶液中のアルカリ金属水酸化物の濃度の１／２以上１／４以下、反応容器内の水素発生剤のアルミニウムに対するアルカリ金属のモル比を４以上１０以下、反応溶液の温度を５０℃以上に設定すると、式（１）の反応により水に可溶である反応副生成物（ＮａＡｌ（ＯＨ）４）が継続して発生する。こうすることで、反応容器１２内に反応副生成物の堆積物が蓄積されるのを防止することができる。上記反応条件とするには、水素発生剤のアルミニウム量、ＮａＨ、ＬｉＨまたはＫＨ量、反応溶液濃度を適切に設定すると良い。
【００６１】
反応容器１２内のアルカリ金属水酸化物を含む反応溶液は、反応溶液排出部１８を介してタンク１３に供給されるとともに、ポンプ１９によって反応溶液として反応容器１２に循環される。従って、起動用容器２１内の粉体２６がなくなった後でも、タンクから反応溶液の供給が継続されるので、水素発生が継続される。
【００６２】
図１の変形例として反応溶液供給部と起動部とを別系統で設ける場合、反応工程において反応溶液供給部を起動させ、タンク内部の反応溶液を反応容器に供給する工程が追加される。
【００６３】
＜第２実施形態＞
図３は第２実施形態に係る水素発生装置における起動部の概略図である。図３において、図２と同じ構成要素には同じ符号が付されている。
第２実施形態に係る水素発生装置は、起動部１４の採取部２２の下流側に希釈部３０が設置される。希釈部３０は、希釈容器３１、希釈容器３１に接続される希釈液供給部３２及び反応溶液排出部３３を備える。希釈容器３１は採取部２２に接続されている。反応溶液排出部３３は反応容器１２に接続される。
【００６４】
希釈液供給部３２は、配管３４とポンプ３５とを備える。配管３４の一方の端部は希釈容器３１に接続され、他方の端部は希釈液を収容するタンク１３に接続される。タンク１３に代えて供給源が別途設置されていても良い。
【００６５】
図３の起動部を有する水素発生装置の運転方法の一実施形態を以下で説明する。
収納工程、溶解工程、及び、反応工程は、第１実施形態と同様である。
（起動用反応溶液供給工程）
第１実施形態と同様の工程で、起動部１４が起動されて起動用の反応溶液が生成する。採取部２２が起動用容器２１上部の起動用の反応溶液を採取し、反応溶液を希釈容器３１に搬送する。
【００６６】
（希釈工程）
ポンプ３５は、配管３４を通じてタンク１３内部の反応溶液を希釈容器３１に供給する。希釈容器３１内で高濃度の反応溶液は希釈液により希釈される。希釈された反応溶液は、起動用反応溶液排出部３３により希釈容器３１から排出され、反応容器１２に搬送される。
なお本実施形態において希釈液は水とされるが、ＮａＯＨ、ＬｉＯＨまたはＫＯＨ等のアルカリ金属水素化物を含んだ水溶液や、反応溶液排出部１８を介して反応容器１２からタンク１３へと排出され希釈された反応溶液を含むものであっても良い。
【００６７】
第２実施形態の場合、起動用容器２１で生成される反応溶液の濃度は、第１実施形態で説明した反応容器への供給に適した以上に飽和に近い高濃度とすることができる。起動用容器２１内で生成される起動用の反応溶液の濃度は、収納される粉体の量と起動用容器に供給する溶媒の量および供給速度によって決定される。本実施形態によれば、希釈工程を設けたことによって反応溶液濃度をコントロールしやすく、起動用容器内のＮａＯＨ、ＬｉＯＨまたはＫＯＨ等の粉体２６の収納効率を大きくできるので起動用容器２１を小さくすることも可能となり、反応容器の小型化につながる。
【００６８】
＜第３実施形態＞
図４は、第３実施形態の水素発生装置を備える燃料電池システムの概略図である。図４において、図１と同じ構成要素には同じ符号が付されている。
【００６９】
第３実施形態の水素発生装置４０には、反応容器１２に圧力計測部（圧力計）４１が設置されている。圧力計測部４１は、反応容器１２内部の水素圧力を計測する。
【００７０】
反応容器１２の側面に、反応容器１２内部の反応溶液の液面の高さを計測する液面計測部４２が設置される。
【００７１】
反応容器１２の底部に、反応容器１２内部の反応溶液の温度を計測する温度計測部４３が設置される。反応容器１２内に比べて反応溶液排出部１８の温度が低いため、反応溶液排出部１８への流路過程で冷やされて配管中にＮａＯＨ，ＬｉＯＨまたはＫＯＨが析出する場合がある。このため、温度計測部４３は反応容器１２と反応溶液排出部１８との接続部近傍に設置されることが好ましい。また、温度計測部４３は、反応容器１２と反応溶液排出部１８とにそれぞれ設置されても良い。
【００７２】
圧力計測部４１、液面計測部４２、及び、温度計測部４３は、制御部４４に接続される。制御部４４は例えばコンピュータとされる。
制御部４４は、反応溶液供給部１７のポンプ１９に接続される。また、制御部４４は、反応溶液排出部１８のバルブ２０に接続される。
【００７３】
本実施形態において、濃度取得部は制御部４４に格納されている。この場合、濃度取得部は、ポンプ１９の反応溶液供給量と水素発生剤１６の溶解量とに基づいて、反応容器１２内の反応溶液中のアルカリ金属水酸化物の濃度を取得する。水素発生剤１６の溶解量は、燃料電池２の放電容量に比例する。従って、放電容量と水素発生剤の溶解量との相関関係を予め取得しておき、その情報を濃度取得部に格納しておく。燃料電池２と制御部４４とを接続し、燃料電池システムの運転時の燃料電池２の放電容量を計測し、制御部４４に送信すれば、濃度取得部は上記相関関係に基づいて反応溶液の濃度を取得できる。
なお、反応容器１２における反応溶液中のアルカリ金属水酸化物水溶液の濃度を直接測定可能な濃度計を濃度取得部として設置し、制御部と接続しても良い。
【００７４】
図４の水素発生装置４０は、反応溶液供給部１７に起動部１４を設けた例である。起動部１４は第１実施形態または第２実施形態で説明したものが採用可能である。なお、本実施形態では、タンク１３に予めアルカリ金属水酸化物水溶液を収納しておけば、これによりアルミニウム容器を溶解できるので、起動部を設置しなくても構わない。
【００７５】
第３実施形態の水素発生装置４０の運転方法を以下で説明する。
（収納工程）
第１実施形態と同様の工程で、水素発生剤１６が反応容器１２内部の所定位置に収納される。
【００７６】
（起動用反応溶液供給工程）
制御部４４はポンプ１９を起動する。これにより、タンク１３内部の起動用の反応溶液が反応溶液供給部１７を通じて所定量が反応容器１２に搬送される。なお、第１実施形態または第２実施形態と同様の起動部１４を設ける場合は、第１実施形態または第２実施形態の工程にて起動を行う。
【００７７】
（反応工程）
反応容器１２内部に流入した起動用の反応溶液は、反応容器１２の底部に貯留される。反応溶液が水素発生剤１６と接触すると、式（１）のように接触部分でアルミニウム容器が溶解するとともに、水素が発生する。アルミニウム容器に穴が開き、内部のＮａＨ、ＬｉＨまたはＫＨが露出すると、ＮａＨ、ＬｉＨまたはＫＨが反応溶液と接触して、式（２）の反応により水素が発生する。
【００７８】
水素の発生量は、水素発生剤１６と反応溶液との接触面積に依存する。液面計測部４２は、反応容器１２内の反応溶液の液面高さを計測する。計測された値は、制御部４４に送信される。
【００７９】
制御部４４は、反応溶液排出部１８のバルブ２０を開放する。これにより、反応溶液を反応容器１２とタンク１３との間で循環させる。
【００８０】
（水素発生量制御工程）
燃料電池２の放電容量は、水素発生装置４０から供給される水素量に依存する。また、水素供給部７のバルブ８により調整されているので、反応容器１２内の圧力を安定化させる必要がある。このため、制御部４４は、必要に応じて水素発生量の調整を実施する。
【００８１】
（圧力計測工程）
圧力計測部４１が反応容器１２内部の水素圧力を計測する。計測された圧力値は、制御部４４に送信される。
【００８２】
（温度計測工程）
温度計測部４３が反応容器１２内の反応溶液の温度を計測する。ここでは、反応容器１２と反応溶液排出部１８との接続部近傍の温度を計測することが好ましい。計測された値は、制御部４４に送信される。
【００８３】
（濃度取得工程）
濃度取得部が燃料電池２の放電容量の値を取得する。濃度取得部は、放電容量と水素発生剤の溶解量との相関関係に基づき、水素発生剤の溶解量を算出する。濃度取得部は、ポンプ１９における反応溶液供給量を取得する。濃度取得部は、反応溶液供給量と水素発生剤溶解量から、反応容器１２内の反応溶液中のアルカリ金属水酸化物濃度を算出する。算出された濃度の値は、制御部４４に送信される。
あるいは、濃度取得部が濃度計とされて反応容器中の反応溶液の濃度を測定し、測定値を制御部４４に送信しても良い。
【００８４】
（液面計測工程）
液面計測部４２が反応容器１２内の反応溶液の液面の高さを計測する。計測された値は、制御部４４に送信される。
【００８５】
（液面調整工程）
制御部４４は、計測された圧力値を設定圧力と比較する。設定圧力の値は、燃料電池に要求される放電容量や反応容器の設計時の許容圧力などにより適宜設定される。
制御部４４は、計測された温度の値を設定温度と比較する。本実施形態において、設定温度は５０℃以上１５０℃以下の間で所定範囲内の値とされる。反応式（１）及び（２）は発熱反応であるため、反応が継続すると反応溶液の温度が上昇する。
制御部４４は、取得した濃度の値と設定濃度とを比較する。本実施形態における反応溶液中のアルカリ金属水酸化物の設定濃度は、第１実施形態と同様に、７ｍｏｌ／Ｌ以上１４ｍｏｌ／Ｌ以下、または、飽和水溶液中のアルカリ金属水酸化物の濃度の１／２以上１／４以下の間で所定範囲内の値とされる。
【００８６】
計測された圧力、温度及び濃度がそれぞれ設定圧力、設定温度及び設定濃度を満たす場合、制御部４４は、反応容器１２への反応溶液の供給量及び反応容器１２からの反応溶液の排出量を維持する。これにより、液面の高さが維持される。
【００８７】
計測された圧力、温度及び濃度のうち少なくとも１つが、設定圧力、設定温度及び設定濃度と異なる場合、制御部４４は、液面計測部４２で計測される液面高さを監視しながら、反応容器１２への反応溶液の供給量及び反応容器１２からの反応溶液の排出量を変動させる。制御部４４は、圧力、温度及び濃度が設定値を満たすまで、液面の高さの調整を実施する。
【００８８】
具体的に、計測値が設定圧力よりも高い場合、制御部４４はポンプ１９における反応溶液流量を低減させるとともに、バルブ２０の開度を増大させる。制御部４４は、接触面積が所定の値になるように、反応容器１２内の反応溶液の液面高さを低下させる。
計測値が設定圧力よりも低い場合、制御部４４はポンプ１９における反応溶液流量を増大させるとともに、バルブ２０の開度を低減させる。制御部４４は、接触面積が所定の値になるように、水素圧力が設定圧力になるまで液面高さを増加させる。
【００８９】
なお、水素発生剤が残存する状態で水素発生を停止する場合、制御部４４は、所要の水素圧となるまで反応溶液の液面を低下させる。水素発生を再開する場合は、制御部４４は所定の水素圧になるまで、反応溶液の液面を上昇させる。
【００９０】
計測された温度が設定温度を超える場合、制御部４４は、ポンプ１９における反応溶液流量を増大させるとともに、バルブ２０の開度を増大させる。すなわち、反応溶液の循環量を増大させる。ここで、液面計測部４２で計測される液面高さの値が一定になるように、制御部４４は流量及びバルブの開度を調整する。
タンク１３に収容されている反応溶液の温度は、反応容器１２内の反応溶液の温度よりも低い。そのため、上記工程により循環量を増大させると、反応容器内の反応溶液の温度が低下する。また、液面高さを下げることにより、発熱反応そのものを抑えることで温度を下げることができる。
【００９１】
取得した濃度の値が設定濃度より高い場合（例えば副生成物の析出を防ぐための濃度限界を超える場合）、制御部４４はポンプ１９における反応溶液流量を増大させるとともに、バルブ２０の開度を増大させる。すなわち、反応溶液の循環量を増大させる。ここで、液面計測部４２で計測される液面高さの値が一定になるように、制御部４４は流量及びバルブの開度を調整する。
式（２）の反応により、反応容器１２内のアルカリ水溶液濃度はタンク１３内の濃度より高い。このため、反応溶液の循環量を増大させることにより、反応容器内のアルカリ水溶液濃度が低下する。
【００９２】
＜第４実施形態＞
図５は、第４実施形態に係る水素発生装置の概略図であり、図４の水素発生装置の変形例である。本実施形態の水素発生装置５０は、第２実施形態の起動部１４が反応溶液供給部１７の経路中に設けられている。また、反応溶液排出部１８の経路中に、別の希釈容器３６が設置されている。希釈容器３１，３６に接続されるポンプ３５は、制御部４４に接続される。
【００９３】
希釈容器３６は、反応溶液排出部１８において、反応容器１２内にて水素発生剤により生成したアルカリ金属水酸化物を含む高濃度の反応溶液に、より低濃度であるタンク１３内の反応溶液を供給する。希釈容器３１，３６からタンク１３内の反応溶液を供給することにより、効果的に反応溶液を希釈することができ、反応容器１２中の反応溶液の温度や濃度を調整することができる。制御部４４は、温度計測部４３や濃度取得部から取得する温度及び濃度に基づいて、ポンプ３５を制御して希釈容器３１，３６への供給量を制御する。
【００９４】
＜第５実施形態＞
図６は、第５実施形態の水素発生装置を備える燃料電池システムの概略図である。図６において、図１及び図４と同じ構成要素には同じ符号が付されている。
【００９５】
第１実施形態及び第３実施形態と異なり、第５実施形態の水素発生装置６０は、水溶液排出部を備えていない。従って、反応容器１２中に供給された反応溶液は、反応容器１２内に蓄積される。
本実施形態では、反応容器１２に圧力計測部４１が設置される。
【００９６】
第５実施形態の水素発生装置６０は、反応容器１２内の上部に吊下部５１を備える。吊下部５１は、水素発生剤１６を鉛直方向に吊下げて担持する。
【００９７】
本実施形態では、反応溶液供給部１７に起動部１４が設置される。起動部１４は、第１実施形態または第２実施形態と同じ物とされる。起動部１４の起動用容器内には、ＮａＯＨ粉体、ＬｉＯＨ粉体またはＫＯＨ粉体が収納されている。タンク１３には、水が収納されている。
【００９８】
図６は１つの反応容器１２に複数の水素発生剤１６を収納する場合を図示しているが、１本の水素発生剤を収納する反応容器を複数連結したものとすることができる。この場合、各反応容器は独立に運転できるようにしておくと良い。
【００９９】
第５実施形態の水素発生装置６０の運転方法を、図６及び図７を用いて説明する。図７は、反応容器に１本の水素発生剤を収納した例である。
（収納工程：図７（ａ））
水素発生剤１６が吊下部５１に取り付けられて、反応容器１２内部に収納される。
【０１００】
（反応溶液供給工程：図７（ｂ））
制御部４４はポンプ１９を起動する。制御部４４は、ポンプ１９により、タンク１３内の水を所定の供給量で配管を通じて起動用容器に搬送する。起動用容器内に流入した水にＮａＯＨ粉体、ＬｉＯＨ粉体またはＫＯＨ粉体が溶解する。これにより、反応溶液が生成される。
起動部１４の採取部は、起動用容器上部の反応溶液を採取し、起動用容器から排出する。排出された反応溶液は、反応溶液供給部１７を通じて反応容器１２に搬送される。
【０１０１】
（溶解工程：図７（ｂ））
反応容器１２上部から流入した反応溶液は、反応容器１２の底部に貯留される。反応溶液と水素発生剤１６の下端部が接触すると、接触した部分でアルミニウム容器が反応溶液中に溶解する（図７（ｂ））。溶解が進行すると、接触した部分でアルミニウム容器に穴が開き、ＮａＨ、ＬｉＨまたはＫＨが露出する。
【０１０２】
（反応工程：図７（ｂ），（ｄ））
ＮａＨ、ＬｉＨまたはＫＨが露出すると、反応溶液はＮａＨ、ＬｉＨまたはＫＨと接触して反応し、水素が発生する。発生した水素は、水素排出部１５を通じて反応容器１２から排出され、燃料電池２に供給される。
【０１０３】
起動用容器内のＮａＯＨ粉体、ＬｉＯＨ粉体またはＫＯＨ粉体が無くなると、タンク１３から反応溶液供給部１７を通じて水が反応容器１２に供給される。
反応式（２）に示すように、ＮａＨ、ＬｉＨやＫＨの反応によりＮａＯＨ、ＬｉＯＨやＫＯＨが生成する。このため本実施形態では、起動用容器内のＮａＯＨ粉体、ＬｉＯＨ粉体またはＫＯＨ粉体が反応終了前に消失しても、タンク１３から水が反応容器１２に供給されれば、アルミニウム容器の溶解及びＮａＨ、ＬｉＨまたはＫＨの反応が継続される。
【０１０４】
反応溶液は反応容器１２に蓄積される。水素発生反応が継続されると、水素発生剤１６が短くなり、水素発生剤１６の下端部は上方に移動する。こうなると水素発生剤１６の下端部と反応溶液との接触が確保できないため、反応溶液供給部１７から反応溶液が供給され反応溶液の液面が上昇する。このため、水素発生剤１６と反応容器との接触が確保される。反応終了時（図７（ｄ））では、水素発生剤は消失し、液面は吊下部５１に到達する。
【０１０５】
（水素発生量制御工程：図７（ｃ））
本実施形態において、水素発生量は反応溶液の液面を調整することにより制御される。
圧力計測部４１は、反応容器１２内部の水素圧力を計測する。計測された圧力値は、制御部４４に送信される。
【０１０６】
制御部４４は、計測された圧力値を設定圧力と比較する。設定圧力の値は、燃料電池に要求される放電容量や反応容器の設計時の許容圧力などにより適宜設定される。
【０１０７】
計測された圧力値が設定圧力である場合、制御部４４は、反応容器１２への反応溶液の供給量を維持する。
【０１０８】
計測された圧力値が設定圧力から外れる場合、制御部４４は、反応溶液供給部１７のポンプ１９による水または反応溶液の供給量を変動させる。水または反応溶液の供給量が変動すると、反応溶液の液面の上昇率が変更され、水素発生剤１６と反応溶液との接触面積が変更される。これにより水素発生量が調整される。
【０１０９】
具体的に、計測される圧力値が設定圧力より高い場合、制御部４４は水または反応溶液の供給量を低下させる。これにより、反応溶液の液面の上昇率が低下し、接触面積が低減して、水素発生量が低下する。
【０１１０】
計測される圧力値が設定圧力より低い場合、制御部４４は水または反応溶液の供給量を上昇させる。これにより、反応溶液の液面の上昇率が増大し、接触面積が増大して、水素発生量が増大する。
【０１１１】
水素発生剤が残存する状態で水素の発生を停止する場合、制御部４４は水または反応溶液の供給を停止する。停止後、暫くの間は反応溶液と接触している部分では水素発生剤からの水素発生は継続されるが、水素発生剤が溶解し反応溶液と接触しなくなると、水素の発生が停止される。
【０１１２】
第５実施形態では、アルミニウム容器がアルカリ金属水酸化物水溶液と反応して固形状の反応副生成物（Ａｌ（ＯＨ）３、ＡｌＯ（ＯＨ）、Ｎａ２Ｏ・Ａｌ２Ｏ３・２．５Ｈ２Ｏ）が析出する場合、反応容器からの反応溶液の排出経路がないため、反応副生成物は反応容器の底部に蓄積される。本実施形態では反応溶液供給部は反応容器の上部に設けられるので、供給口周辺が閉塞されることはない。また、水素発生剤の下端部は、反応が進むにつれて上方に移動する。このため、水素発生反応が阻害されることなく、反応を継続させることができる。
【０１１３】
＜第６実施形態＞
図８は、第６実施形態の水素発生装置６０における反応容器を示す概略図である。図８において、図７と同じ構成要素には同じ符号が付されている。
【０１１４】
第６実施形態の水素発生装置では、反応容器１２の外側上部に、吊下部可動装置５２が設置される。吊下部可動装置５２は吊下部５１に接続される。吊下部可動装置５２は、吊下部５１を上下に移動可能とする。吊下部５１の移動に伴い、水素発生剤１６も上下に移動する。吊下部可動装置５２は、制御部に接続される。
【０１１５】
第６実施形態の水素発生装置の運転方法を、図８を用いて説明する。第６実施形態では、収納工程から反応工程までは第５実施形態と同様とされる。
（水素発生量制御工程）
第５実施形態と同様に、圧力計測部４１は、反応容器１２内部の水素圧力を計測する。計測された圧力値は、制御部に送信される。
【０１１６】
制御部は、計測された圧力値を設定圧力と比較する。計測された圧力値が設定圧力である場合、制御部は反応容器１２への反応溶液の供給量を維持する（図８（ａ））。
【０１１７】
計測された圧力値が設定圧力から外れる場合、制御部は、ポンプによる水または反応溶液の供給量を変動させる。水または反応溶液の供給量が変動すると、反応溶液の液面の上昇率が変更される。また、制御部は、吊下部可動装置５２を作動させて、吊下部５１を変位させる。これにより、水素発生剤１６も変位する。この結果、水素発生剤１６と反応溶液との接触面積が変更され、水素発生量が調整される。
【０１１８】
具体的に、計測される圧力値が設定圧力より高い場合、制御部は水または反応溶液の供給量を低下させ、反応溶液の液面の上昇率が低下させる。制御部は、吊下部可動装置５２により吊下部を上昇させて、水素発生剤１６を上昇させる。これにより、接触面積が低減して、水素発生量が低下する。
【０１１９】
計測される圧力値が設定圧力より低い場合、制御部は水または反応溶液の供給量を上昇させ、反応溶液の液面の上昇率を増大させる。制御部は、吊下部可動装置５２により吊下部５１を下降させて、水素発生剤１６を下降させる。これにより、接触面積が低減して、水素発生量が低下する。
【０１２０】
水素発生剤が残存する状態で水素の発生を停止する場合、制御部４４は反応溶液の供給を停止する。制御部は、吊下部可動装置５２により吊下部を上昇させて、水素発生剤１６を反応溶液の液面よりも高くする。これにより、水素発生剤１６と反応溶液とが離間されるので、水素の発生が迅速に停止される。
【０１２１】
第６実施形態においても、アルミニウム容器がアルカリ金属水酸化物水溶液と反応して固形状の反応副生成物（Ａｌ（ＯＨ）３、ＡｌＯ（ＯＨ）、Ｎａ２Ｏ・Ａｌ２Ｏ３・２．５Ｈ２Ｏ）が析出する場合、反応容器からの反応溶液の排出経路がないため、反応副生成物は反応容器の底部に蓄積される。本実施形態では反応溶液供給部は反応容器の上部に設けられるので、供給口周辺が閉塞されることはない。また、水素発生剤の下端部は、反応が進むにつれて上方に移動する。このため、水素発生反応が阻害されることなく、反応を継続させることができる。
【符号の説明】
【０１２２】
１  燃料電池システム
２  燃料電池
３  酸素発生装置
４  リチウム２次電池
５  負荷
６  酸素供給部
７  水素供給部
８，２０  バルブ
９  熱交換器
１０  冷却器
１１，４０，５０，６０  水素発生装置
１２  反応容器
１３  タンク
１４  起動部
１５  水素排出部
１６  水素発生剤
１７  反応溶液供給部
１８  反応溶液排出部
１９，２５，３５  ポンプ
２１  起動用容器
２２  採取部
２３  溶媒供給部
２４，３４  配管
３０  希釈部
３１，３６  希釈容器
３２  希釈液供給部
３３  起動用反応溶液排出部
４１  圧力計測部
４２  液面計測部
４３  温度計測部
４４  制御部
５１  吊下部
５２  吊下部可動装置
【図１】
2013180911.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2013180911.tif 000007
【図６】
2013180911.tif 000008
【図７】
2013180911.tif 000009
【図８】
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