(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質水溶液が供給される電解槽と、
前記電解槽内に設けられ、電子を発生させる陽極と、
前記電解槽内に設けられ、前記陽極からの前記電子を受けて水素を発生させる陰極と、
前記電解槽内に収容され、前記電解質水溶液をゲル化させ、前記電解質水溶液の流動性を低下させるゲル化剤と、を含み、
前記ゲル化剤が、ポリアクリル酸ナトリウム、ポリアクリルアミド共重合体、エチレン無水マレイン酸共重合体、架橋カルボキシメチルセルロース、ポリビニルアルコール共重合体、架橋ポリエチレン酸化物、およびポリアクリロニトリル‐澱粉グラフト共重合体からなる群より選ばれる少なくとも１種類を含み、
前記ゲル化剤が、前記電解槽、前記陽極、および前記陰極からなる群より選ばれる、少なくとも１つの表面にコーティングされ、
前記ゲル化剤が、前記電解槽内部に供給される前記電解質水溶液をゲル化させることを特徴とする水素発生のための装置。
【請求項２】
前記陽極および前記陰極のうちの少なくとも一方に、前記電解質水溶液の前記電解槽内部への均一な充填を可能にする貫通孔が設けられている、請求項１に記載の水素発生装置。
【請求項３】
電解質水溶液が供給される電解槽と、
前記電解槽内に設けられ、電子を発生させる陽極と、
前記電解槽内に設けられ、前記陽極から前記電子を受けて水素を発生させる陰極と、
前記電解槽内に収容され、前記電解質水溶液をゲル化させ、前記電解質水溶液の流動性を低下させるゲル化剤と、
前記陰極から発生した前記水素の化学エネルギーを変換して、電気エネルギーを生産する燃料電池と、を含み、
前記ゲル化剤が、ポリアクリル酸ナトリウム、ポリアクリルアミド共重合体、エチレン無水マレイン酸共重合体、架橋カルボキシメチルセルロース、ポリビニルアルコール共重合体、架橋ポリエチレン酸化物、およびポリアクリロニトリル‐澱粉グラフト共重合体からなる群より選ばれる少なくとも１種類を含み、
前記ゲル化剤が、前記電解槽、前記陽極、および前記陰極からなる群より選ばれる、少なくとも１つの表面にコーティングされ、
前記ゲル化剤が、前記電解槽内部に供給される前記電解質水溶液をゲル化させることを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項４】
前記陽極および前記陰極のうちの少なくとも一方に、前記電解質水溶液の前記電解槽内部への均一な充填を可能にする貫通孔が設けられている、請求項３に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は水素発生装置およびこれを備えた燃料電池発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池とは、水素、ＬＮＧ、ＬＰＧ、メタノールなどの燃料と、空気の化学エネルギーとが電気化学的反応により直接電気および熱に変換される装置である。既存発電技術が燃料の燃焼、蒸気発生、タービン駆動、発電機駆動過程を経ることとは異なって、燃料電池は燃焼過程や駆動装置がない。このため燃料電池は、効率が高く、かつ環境問題を誘発しない新たな概念の発電技術である。
【０００３】
燃料電池中、小型携帯用電子機器に適用するために研究中である燃料電池としては、水素を燃料として用いる高分子電解質膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ：Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）および直接メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ：Ｄｉｒｅｃｔ  Ｍｅｔｈａｎｏｌ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）のように、液体燃料を直接燃料として用いる直接液体燃料電池がある。この中で、水素を燃料として用いるＰＥＭＦＣは出力密度は高いが、水素を供給する別途の装置を必要とする。
【０００４】
高分子電解質燃料電池の燃料としての水素を発生させる方法は、アルミニウムの酸化反応、金属ホウ化水素系の加水分解、および金属電極反応に分けられ、この中では、金属電極反応が水素の発生を効率的に調節できる。マグネシウム電極がマグネシウムイオン（Ｍｇ２＋）にイオン化されることにより得られた電子が、再び導線を通して他の金属体に接続されて水の分解反応により水素を発生させるので、金属電極反応は、接続された導線の接続／取り外し、用いられる電極間の間隔および電極のサイズによって、水素の発生を調節することができる。
【０００５】
しかし、上記のような水素発生方法は、水素発生時における電解質水溶液の燃料電池スタックへの逆流を引き起こし、また電解槽が倒れることによる電解質水溶液の外部への漏出を引き起こす可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】日本公開特許２００７-００８０６５１
【特許文献２】日本公開特許２００４-０３１３９７７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、水素発生時の電解質水溶液の逆流を防止することができ、かつ電解槽移動時の電解質水溶液の外部漏出を防止することができる、水素発生装置および燃料電池発電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】
【０００８】
本発明の一実施形態によれば、電解質水溶液が供給される電解槽と、電解槽内に設けられ、電子を発生させる陽極（アノード）と、電解槽内に設けられ、陽極からの電子を受けて水素を発生させる陰極（カソード）と、および電解槽内に収容され、電解質水溶液をゲル化させ、電解質水溶液の流動性を低下させるゲル化剤と、を含む水素発生のための装置が提供される。
【０００９】
ゲル化剤は、高吸湿性樹脂を含むことができる。
【００１０】
ゲル化剤は、ポリアクリル酸ナトリウム、ポリアクリルアミド共重合体、エチレン無水マレイン酸共重合体、架橋カルボキシメチルセルロース、ポリビニルアルコール共重合体、架橋ポリエチレン酸化物、およびポリアクリロニトリル‐澱粉グラフト共重合体からなる群より選ばれる、少なくとも１種類を含むことができる。
【００１１】
ゲル化剤は、電解槽、陽極、および陰極からなる群より選ばれる、少なくとも１部材の表面にコーティングされることができる。
【００１２】
陽極および陰極のうちの少なくとも一方には、電解質水溶液が電解槽内に均一に充填されるように、貫通孔が形成されてもよい。
【００１３】
また、本発明の他の実施形態によれば、電解質水溶液が供給される電解槽と、電解槽内に設けられ、電子を発生させる陽極と、電解槽内に設けられ、陽極からの電子を受けて水素を発生させる陰極と、電解槽内に収容され、電解質水溶液をゲル化させ、電解質水溶液の流動性を低下させるゲル化剤と、および陰極から発生した水素の化学エネルギーを変換して、電気エネルギーを生産する燃料電池と、を含む燃料電池発電システムが提供される。
【００１４】
ゲル化剤は、高吸湿性樹脂を含むことができる。
【００１５】
ゲル化剤は、ポリアクリル酸ナトリウム、ポリアクリルアミド共重合体、エチレン無水マレイン酸共重合体、架橋カルボキシメチルセルロース、ポリビニルアルコール共重合体、架橋ポリエチレン酸化物、およびポリアクリロニトリル‐澱粉グラフト共重合体からなる群より選ばれる少なくとも１種類を含むことができる。
【００１６】
ゲル化剤は、電解槽、陽極、および陰極からなる群より選ばれる、少なくとも１部材の表面にコーティングされることができる。
【００１７】
陽極および陰極のうちの少なくとも一方には、電解質水溶液が電解槽の内部に均一に充填されるように、貫通孔が形成されてもよい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の実施例による水素発生装置および燃料電池発電システムによれば、水素発生時に電解質水溶液が水素に伴われて逆流する現象を防止することができ、また電解槽の移動時に電解槽が倒れて電解質水溶液が外部に漏出する現象を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態による水素発生装置の一実施例を示す概略図である。
【図２】本発明の他の実施形態による燃料電池発電システムの一実施例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明による水素発生装置およびこれを備えた燃料電池発電システムの実施例を、添付図面を参照して詳しく説明する。添付図面を参照して説明するに当たって、同一であるか対応する構成要素は同一の図面番号を付し、これに対する説明の重複は省略する。
【００２１】
図１は、本発明の一実施形態による水素発生装置の一実施例を示す概略図である。図１には、水素発生装置１００、陽極（アノード）１１０、陰極（カソード）１２０、貫通孔１１２、１２２、電解槽１３０、電解質水溶液１３５、制御部１４０、ゲル化剤１７０が示されている。
【００２２】
本発明のこの実施態様では、電解質水溶液１３５は、電解槽１３０内に収容されているゲル化剤１７０を受けることによりゲル化し、これにより電解質水溶液１３５の流動性を低下させる。このため、水素発生時に電解質水溶液１３５が水素に伴われて逆流する現象を防止することができ、また電解槽１３０の移動時に電解槽１３０が倒れたり、傾いたりしても電解質水溶液１３５が外部に漏出する現象を防止することができる、水素発生装置１００が提供される。
【００２３】
電解槽１３０には、分解反応により水素を放出する、電解質水溶液１３５を含むことができる。また、電解槽１３０内には陽極１１０および陰極１２０が設けられ、電解槽１３０内に充填される電解質水溶液１３５により水素発生反応が起こるようになる。
【００２４】
電解質水溶液１３５としては、塩化リチウム（ＬｉＣｌ）、塩化カリウム（ＫＣｌ）、塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）、硝酸カリウム（ＫＮＯ３）、硝酸ナトリウム（ＮａＮＯ３）、塩化カルシウム（ＣａＣｌ２）、塩化マグネシウム（ＭｇＣｌ２）、硫酸カリウム（Ｋ２ＳＯ４）、硫酸ナトリウム（Ｎａ２ＳＯ４）、硫酸マグネシウム（ＭｇＳＯ４）、塩化銀（ＡｇＣｌ）などが使用できる。電解質水溶液１３５には、水素イオンを含むことができる。また、電解質水溶液１３５はゲル化剤１７０でゲル化することができる。この点については、ゲル化剤１７０を説明する部分で後述する。
【００２５】
陽極１１０は活性電極であって、電解槽１３０内に設けられ、電子を発生させることができる。陽極１１０は、例えばマグネシウムで作られていてもよい。この陽極１１０と水素とのイオン化傾向の差から、陽極１１０が電解質水溶液１３５中で電子を放出してマグネシウムイオン（Ｍｇ２+）に酸化される。
【００２６】
この時、生成された電子は陰極１２０に移動することができる。したがって、陽極１１０は電子の生成により消耗されるので、一定時間が経過したら入れ替えることにする。また、陽極１１０は後述する陰極１２０に比べて相対的にイオン化傾向が大きい金属から形成されることができる。
【００２７】
陰極１２０は非活性電極である。陰極は、陽極１１０と異なり消耗されないので、陽極１１０の厚さより薄く形成することができる。陰極１２０は、電解槽１３０内に設けられ、陽極１１０より発生された電子を受けて水素を発生させることができる。
【００２８】
陰極１２０は、例えば、ステンレススチールで作られていてもよく、電子と反応して水素を発生させることができる。すなわち、陰極１２０における化学反応は、電解質水溶液１３５が陽極１１０から移動してきた電子を陰極１２０で受けて、水素に分解される。陽極１１０、陰極１２０、および全体の反応は、それぞれ次式１のようになる。
［式１］
陽極１１０：Ｍｇ→Ｍｇ２＋＋２ｅ−
陰極１２０：２Ｈ２Ｏ＋２ｅ−  →  Ｈ２＋２（ＯＨ）−
全体反応：Ｍｇ＋２Ｈ２Ｏ→Ｍｇ（ＯＨ）２＋Ｈ２
【００２９】
一方、陽極１１０および陰極１２０のどちらか一方または両方に、電解槽１３５に供給される電解質水溶液１３５が電解槽１３０内に均一に充填されるように、電解質溶液が流通可能な貫通孔１１２、１２２が形成されてもよい。
【００３０】
すなわち、電解槽１３０内に電解質水溶液１３５を供給する際に、電解質水溶液１３５が貫通孔１１２、１２２を通して陽極１１０と陰極１２０との間の空間を容易に移動できるようになることにより、陽極１１０と陰極１２０との間の空間に電解質水溶液１３５が直接供給されない場合や、陽極１１０と陰極１２０との間の空間が狭い場合でも、効果的に電解質水溶液１３５を電解槽１３０内に均一に充填することができる。
【００３１】
一方、上記のように充填された電解質水溶液１３５は電解槽内に供給されると同時に、下記のゲル化剤１７０によりゲル化されてその流動性が低下するので、水素発生時に水素に伴われて電解質水溶液１３５が損失されることを防止することができ、かつ水素発生装置の移動時において、電解槽１３０が倒れて水素が漏出することを防止することができる。
【００３２】
制御部１４０は、陽極１１０および陰極１２０と電気的に接続され、陽極１１０と陰極１２０との間の通電を制御することができる。制御部１４０は燃料電池などの外部装置から要求される水素量の伝達を受ける。その要求値が大きいと、陽極１１０から陰極１２０に流れる電子量を増加させることができる。その要求値が小さいと、陽極１１０から陰極１２０に流れる電子量を低減させることができる。
【００３３】
例えば、制御部１４０は可変抵抗で構成され、可変抵抗値を変化させることにより陽極１１０と陰極１２０との間に流れる電子量を調節することができる。さらに、オン/オフスイッチで構成される電気的スイッチ１４２は、オン/オフタイミングを調節することにより陽極１１０と陰極１２０との間に流れる電子量を調節することができる。
【００３４】
電解質水溶液１３５の流動性を低下させるために、ゲル化剤１７０を電解槽１３０内に収容し、電解質水溶液１３５をゲル化させることができる。すなわち、電解質水溶液１３５はゲル化剤１７０を用いてゲル化される。よって、電解槽１３０内に供給された液体状態の電解質水溶液１３５の流動性が低下してゲル状態になり、一定した形態を維持することができる。
【００３５】
ゲル化剤１７０で電解質水溶液１３５をゲル化させることにより、水素発生時に電解質水溶液１３５が水素に伴われて放出されることを防止できるので、水素の湿度を低減させることができる。同時に、放出されなかった電解質水溶液１３５から水素をさらに発生させることができるようになる。その結果として、発生した水素の全体量を増加させることができる。
【００３６】
また、水素発生装置の移動時に電解槽１３０が倒れたり、傾いたりするなど電解槽１３０の方向が変更されても、電解質水溶液１３５がゲル化されて流動性が小さいため、電解質水溶液１３５が外部に漏出されることなく保存することができる。
【００３７】
一方、ゲル化剤１７０は高吸湿性樹脂を含む材料で作ることがことができる。結果として、高吸湿性樹脂であるゲル化剤１７０が多量の電解質水溶液１３５を活発に吸収して、電解質水溶液１３５およびゲル化剤１７０は、全体的に流動性が小さいゲル状態になることができる。
【００３８】
ここで、ゲル化剤１７０としては、例えば、ポリアクリル酸ナトリウム、ポリアクリルアミド共重合体、エチレン無水マレイン酸共重合体、架橋カルボキシメチルセルロース、ポリビニルアルコール共重合体、架橋ポリエチレン酸化物、およびポリアクリロニトリル澱粉グラフト共重合体の１種類または２種類以上を組み合わせて用いることができる。これにより、上記のようにゲル化剤１７０は多量の電解質水溶液１３５を吸収し、電解質水溶液１３５とゲル化剤１７０とが全体的にゲル状態になることができる。
【００３９】
また、ゲル化剤１７０は、電解槽１３０、陽極１１０、および陰極１２０の１部材または２部材以上の表面にコーティングされてもよい。これにより、電解質水溶液１３５と反応できる表面積が増加して、より効果的に電解質水溶液１３５をゲル化させることができる。
【００４０】
次に、本発明の他の実施形態による、燃料電池発電システムの一実施例について説明する。
【００４１】
図２は、本発明の他の実施形態による燃料電池発電システムの一実施例を示す概略図である。図２は、燃料電池発電システム２００、水素発生装置２６０、陽極２１０、陰極２２０、貫通孔２１２および２２２、電解槽２３０、電解質水溶液２３５、制御部２４０、ゲル化剤２７０ならびに燃料電池２５０を示す。
【００４２】
本発明のこの実施態様によれば、ゲル化剤２７０は電解槽２３０内に収容され、このゲル化剤２７０により電解質水溶液２３５がゲル化されて電解質水溶液２３５の流動性が低下するので、水素発生時に電解質水溶液２３５が水素に伴われて逆流する現象を防止することができ、ならびに電解槽２３０の移動時において、電解槽２３０が倒れたり、傾いたりすることによる電解質水溶液２３５の外部への漏出を防止することができる。その結果として、より効果的に電気エネルギーを生産できる燃料電池発電システム２００が提供される。
【００４３】
この実施態様において、水素発生装置２６０、陽極２１０、陰極２２０、貫通孔２１２および２２２、電解槽２３０、電解質水溶液２３５、制御部２４０、ならびにゲル化剤２７０の構成および作用は、上記の態様と同一または対応するので、これらに対する説明は省略する。以下、上記の態様との差異である燃料電池２５０について説明する。
【００４４】
燃料電池２５０は、陰極２２０より生成された水素の化学エネルギーを変換して電気エネルギーを生産することができる。水素発生装置２６０より発生した低湿度の水素は、燃料電池２５０の燃料極に移動することができる。これにより、上記の水素発生装置２６０より生成された水素の化学エネルギーを電気エネルギーに変換して、直流電流を生産することができる。
【００４５】
上記の態様以外の多くの実施例が、本発明の特許請求の範囲内に存在する。
【符号の説明】
【００４６】
１００  水素発生装置
１１０  陽極
１２０  陰極
１１２、１２２  貫通孔
１３０  電解槽
１３５  電解質水溶液
１４０  制御部
１７０  ゲル化剤
【図１】
0005007317.tif 000002
【図２】
0005007317.tif 000003