(57)【要約】      （修正有）【課題】電解槽の内部圧力の増加による電解槽の爆発などの安全事故を防止できる水素発生装置及びこれを備えた燃料電池発電システムを提供する。【解決手段】水素発生装置１００は、電解質水溶液１１５を分解して水素を発生させる装置であって、排出口１１２が形成され、電解質水溶液１１５を入れる電解槽１１０と、電解槽１１０に結合され、電子を発生させるアノード１２０と、電解槽１１０に結合され、アノードからの電子を受けて水素を発生させるカソード１３０と、排出口１１２をカバーし、水素に同伴される異物質を濾し取るフィルタ１４０と、電解槽内部に結合され、電解槽１１０の内部圧力を感知して圧力に対応する出力信号を生成する圧力センサ１５０と、アノード１２０及びカソード１３０に電気的に接続され、出力信号に応じてアノードとカソードとの間の通電を制御する制御部１６０と、を備えることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質水溶液を分解して水素を発生させる装置であって、
排出口が形成され、前記電解質水溶液を入れる電解槽と、
前記電解槽に結合され、電子を発生させるアノード（陽極）と、
前記電解槽に結合され、前記アノードからの前記電子を受けて前記水素を発生させるカソード（陰極）と、
前記排出口をカバーし、前記水素に同伴される異物質を濾し取るフィルタ(filter)と、
前記電解槽内部に結合され、前記電解槽内部の圧力を感知して前記圧力に対応する出力信号を生成する圧力センサと、
前記アノード及び前記カソードに電気的に接続され、前記出力信号に応じて前記アノードと前記カソードとの間の通電を制御する制御部と、
を備える水素発生装置。
【請求項２】
前記圧力センサをカバーし、前記電解質水溶液が浸透することを防止するシーリング(sealing)剤をさらに備える請求項１に記載の水素発生装置。
【請求項３】
前記シーリング剤が、フレキシブルな材質からなることを特徴とする請求項２に記載の水素発生装置。
【請求項４】
前記圧力センサは、前記電解槽の内部が所定圧力以上になると、前記出力信号として遮断信号を生成して前記遮断信号を前記制御部に伝達し、
前記制御部が、前記遮断信号に応じて前記アノードと前記カソードとの通電を遮断する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５】
前記圧力センサは、前記電解槽の内部が所定圧力以下になると、前記出力信号として作動信号を生成して前記作動信号を前記制御部に伝達し、
前記制御部が、前記作動信号に応じて前記アノードと前記カソードとを通電させることを特徴とする請求項４に記載の水素発生装置。
【請求項６】
電解質水溶液の分解により発生された水素を用いて電気エネルギーを生産するシステムであって、
排出口が形成され、前記電解質水溶液を入れる電解槽と、
前記電解槽に結合され、電子を発生させるアノードと、
前記電解槽に結合され、前記アノードからの前記電子を受けて前記水素を発生させるカソードと、
前記排出口をカバーし、前記水素に同伴される異物質を濾し取るフィルタと、
前記電解槽内部に結合され、前記電解槽の内部圧力を感知して前記圧力に対応する出力信号を生成する圧力センサと、
前記アノード及び前記カソードに電気的に接続され、前記出力信号に応じて前記アノードと前記カソードとの間の通電を制御する制御部と、
前記カソードから生成された前記水素の化学エネルギーを変換して前記電気エネルギーを生産する燃料電池と、
を備える燃料電池発電システム。
【請求項７】
前記圧力センサをカバーし、前記電解質水溶液が浸透することを防止するシーリング剤をさらに備える請求項６に記載の燃料電池発電システム。
【請求項８】
前記シーリング剤が、フレキシブルな材質からなることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池発電システム。
【請求項９】
前記圧力センサは、前記電解槽の内部が所定圧力以上になると、前記出力信号として遮断信号を生成して前記遮断信号を前記制御部に伝達し、
前記制御部が、前記遮断信号に応じて前記アノードと前記カソードとの通電を遮断することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１０】
前記圧力センサは、前記電解槽の内部が所定圧力以下になると、前記出力信号として作動信号を生成して前記作動信号を前記制御部に伝達し、
前記制御部が、前記作動信号に応じて前記アノードと前記カソードとを通電させることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は水素発生装置及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】
燃料電池とは燃料、すなわち、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を電気化学的反応により電気及び熱に直接変換させる装置である。既存の発電技術が燃料の燃焼、蒸気発生、タービン駆動、駆動過程を経ることとは異なり、燃焼過程や駆動装置がないため、効率が高く、さらに環境問題を生じさせ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への適用の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燃料電池(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell、以下、'ＰＥＭＦＣ'という)、及び、メタノール燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell、以下、'ＤＭＦＣ'という)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。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要するため、水素を供給するために水素貯蔵タンクなどを用いることになると嵩が大きくなり、保管にも危険性がある。
【０００４】
従来の高分子型電解質燃料電池の水素発生に用いられる方法は、アルミニウムの酸化反応、金属ボロハイドライド系の加水分解、及び、金属電極体反応に分けることができ、その中、水素発生を効率的に調節可能な方法として金属電極体を用いる方法がある。これは主として、マグネシウムの電極がＭｇ２＋イオンにイオン化されることにより得られた電子を、再び導線を用いて他の金属体に連結して水の分解反応により水素を発生させる方法であって、連結された導線の短落、使用される電極体間の間隔及び大きさに応じて水素の発生を調節することができる
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、従来技術による水素発生方法の場合、反応器内で水素流量が制御されないと内部圧力の増加により爆発などの安全事故が発生するおそれがあり、問題となった。したがって、水素発生時の安全事故を防止できる安全装置を備えた水素発生装置及び燃料電池発電システムが要求されている。
【０００６】
こうした従来技術の問題点を解決するために、本発明は、電解槽の内部圧力の増加による電解槽の爆発などの安全事故を防止することができる水素発生装置及びこれを備えた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】
【０００７】
本発明の一実施形態によれば、電解質水溶液を分解して水素を発生させる装置であって、排出口が形成され、電解質水溶液を入れる電解槽と、電解槽に結合され、電子を発生させるアノード（陽極）と、電解槽に結合され、アノードからの電子を受けて水素を発生させるカソード（陰極)と、排出口をカバーし、水素に含まれている異物質を濾し取るフィルタと、電解槽内部に結合され、電解槽の内部圧力を感知して圧力に対応する出力信号を生成する圧力センサと、アノード及びカソードに電気的に接続され、出力信号に応じてアノードとカソードとの間の通電を制御する制御部と、を備える水素発生装置が提供される。
【０００８】
圧力センサをカバーし、電解質水溶液が浸透することを防止するシーリング(sealing)剤をさらに備えることができる。
【０００９】
シーリング剤はフレキシブルな材質からなることができる。
【００１０】
圧力センサは、電解槽の内部が所定圧力以上になると、出力信号として遮断信号を生成して遮断信号を制御部に伝達し、制御部は遮断信号に応じてアノードとカソードとの通電を遮断することができる。
【００１１】
圧力センサは、電解槽の内部が所定圧力以下になると、前記出力信号として作動信号を生成して作動信号を制御部に伝達し、制御部は作動信号に応じてアノードとカソードとを通電させることができる。
【００１２】
また、本発明の他の実施形態によれば、電解質水溶液の分解により発生された水素を用いて電気エネルギーを生産するシステムであって、排出口が形成され、電解質水溶液を入れる電解槽と、電解槽に結合され、電子を発生させるアノードと、電解槽に結合され、アノードから電子を受けて水素を発生させるカソードと、排出口をカバーし、水素に含まれている異物質を濾し取るフィルタと、電解槽内部に結合され、電解槽の内部圧力を感知して圧力に対応する出力信号を生成する圧力センサと、アノード及びカソードに電気的に接続され、出力信号に応じてアノードとカソードとの間の通電を制御する制御部と、カソードから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燃料電池と、を備える燃料電池発電システムが提供される。
【００１３】
圧力センサをカバーし、電解質水溶液が浸透することを防止するシーリング剤をさらに備えることができる。
【００１４】
シーリング剤はフレキシブルな材質からなることができる。
【００１５】
圧力センサは、電解槽の内部が所定圧力以上になると、出力信号として遮断信号を生成して遮断信号を制御部に伝達し、制御部は遮断信号に応じてアノードとカソードとの通電を遮断することができる。
【００１６】
圧力センサは、電解槽の内部が所定圧力以下になると、前記出力信号として作動信号を生成して作動信号を制御部に伝達し、制御部は作動信号に応じてアノードとカソードとを通電させることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の実施例によれば、電解槽の内部圧力の増加による電解槽の爆発などの安全事故を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明による水素発生装置及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が、添付図面を参照して説明することにおいて、同一かつ対応する構成要素は同一の図面番号を付し、これに対する重複される説明は省略する。
【００１９】
また、結合という用語は、各構成要素間が、物理的に直接接触される場合のみならず、他の構成が各構成要素の間に介在され、その他の構成に構成要素がそれぞれ接触されている場合も含む概念として使用する。
【００２０】
図１は本発明の一実施形態による一実施例を示す概略図である。図１を参照すると、水素発生装置１００、電解槽１１０、排出口１１２、電解質水溶液１１５、アノード１２０、カソード１３０、フィルタ１４０、圧力センサ１５０、制御部１６０、シーリング剤１７０が示されている。
【００２１】
本実施例によれば、電解槽１１０の内部に圧力センサ１５０を設置することにより、電解槽１１０の排出口１１２に結合されたフィルタ１４０により濾し取られた異物質のため、電解槽１１０の内部圧力が限界圧力以上に増加することを防止することができ、結果的に、電解槽１１０が爆発する安全事故を防止することができる水素発生装置１００が提示される。
【００２２】
電解槽１１０は、分解反応により水素を放出する電解質水溶液１１５を入れることができる。電解槽１１０の一側には排出口１１２が形成され、フィルタ１４０がこの排出口１１２をカバーすることができる。
【００２３】
また、電解槽１１０の内部には、アノード１２０及びカソード１３０が結合され、電解質内部に入っている電解質水溶液１１５により水素発生反応が起きることができる。
【００２４】
電解質水溶液１１５としては、ＬｉＣｌ、ＫＣｌ、ＮａＣｌ、ＫＮＯ３、ＮａＮＯ３、ＣａＣｌ２、ＭｇＣｌ２、Ｋ２ＳＯ４、Ｎａ２ＳＯ４、ＭｇＳＯ４、ＡｇＣｌなどを使用することができ、電解質水溶液１１５は水素イオンを含んでいる。
【００２５】
アノード１２０は、活性電極であり、電解槽１１０の内部に結合され、電子を発生させることができる。アノード１２０は、例えば、マグネシウム（Ｍｇ）からなることができ、このアノード１２０と水素とのイオン化傾向の差によりアノード１２０が水中に電子を出してマグネシウムイオン（Ｍｇ２＋）に酸化される。
【００２６】
この際、生成される電子はアノード１２０に電気的に接続されている制御部１６０に移動し、制御部１６０に電気的に接続されているカソード１３０へ移動することができる。従って、アノード１２０は電子を生成することにつれ消耗されることになり、一定時間が経過すると交換することにする。また、アノード１２０は後述するカソード１３０に比して相対的にイオン化傾向が大きい金属からなることができる。
【００２７】
カソード１３０は、非活性電極であり、アノード１２０とは異なって消耗されないのでアノード１２０の厚みより薄く具現することができる。カソード１３０は、電解槽１１０内部に結合され、アノード１２０から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。カソード１３０は、例えば、ステンレススチール(Stainless Steel)からなることができ、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、カソード１３０での化学反応は、水がアノード１２０から移動してきた電子を受けて水素に分解される。
【００２８】
前述した化学反応式は下記の化学式１で表される。
（化学式１）
アノード１２０：Ｍｇ→Ｍｇ２＋＋２ｅ−
カソード１３０：２Ｈ２Ｏ＋２ｅ−→Ｈ２＋２（ＯＨ）−
全体反応：Ｍｇ＋２Ｈ２Ｏ→Ｍｇ（ＯＨ）２＋Ｈ２
【００２９】
制御部１６０は、アノード１２０及びカソード１３０に電気的に接続され、アノード１２０とカソード１３０との間の通電を制御することができ、本実施例による圧力センサ１５０の出力信号に応じる制御部１６０の作動に対しては後述する。
【００３０】
制御部１６０は燃料電池が必要としている水素量の伝達を受けて、その要求値が大きいと、アノード１２０からカソード１３０へ流れる電子量を増加させ、その要求値が小さいと、アノード１２０からカソード１３０へ流れる電子量を減少させることができる。
【００３１】
例えば、制御部１６０は可変抵抗で構成されて、可変抵抗値を変化させることによりアノード１２０とカソード１３０との間に流れる電流量を調節したり、オン/オフスィッチで構成されて、オン/オフタイミングを調節することによりアノード１２０とカソード１３０との間に流れる電流量を調節することができる。
【００３２】
フィルタ１４０は排出口１１２をカバーし水素に含まれている異物質を濾し取ることができる。カソード１３０から発生される水素は、例えば、スラリ(slurry)のような粒子の異物質を同伴して排出口１１２から排出され得るし、これは水素発生装置１００を用いた燃料電池発電システムの性能を低下させる要因となる。
【００３３】
したがって、フィルタ１４０を、排出口１１２をカバーするように電解槽１１０に結合することにより、スラリのような異物質が放出されることを防止することができ、結果的に、純粋な水素を効率的に発生させることができる。
【００３４】
一方、水素発生装置１００を長期間使用する場合、フィルタ１４０で濾し取られた異物質のため、フィルタ１４０が詰って電解槽１１０の内部圧力が増加し、これにより、電解槽１１０の爆発などの安全事故が発生するおそれがある。
【００３５】
これのため、電解槽１１０の内部に圧力センサ１５０を結合することにより、電解槽１１０の爆発を防止できる。
【００３６】
圧力センサ１５０は、電解槽１１０の内部に結合され、電解槽１１０の内部圧力を感知して圧力に対応する出力信号を生成することができ、この生成信号を制御部１６０に伝達することができる。また、圧力センサ１５０は電解質水溶液１１５の浸透を防止するためにシーリング剤１７０でカバーすることができ、これに対しては後述する。
【００３７】
圧力センサ１５０は、電解槽１１０の内部が所定圧力、すなわち、限界圧力以上になると、出力信号として遮断信号を生成し、この遮断信号を制御部１６０に伝達することができる。制御部１６０はこの遮断信号を受け、遮断信号に応じてアノード１２０とカソード１３０との間の通電、すなわち、電気的接続を遮断することができる。
【００３８】
ここで、限界圧力とは、水素発生装置１００が爆発しないで作動できる電解槽１１０の内部圧力を意味し、電解槽１１０の材質の物理的特性により左右される値である。
【００３９】
また、圧力センサ１５０は、電解槽１１０の内部が所定圧力、すなわち、限界圧力以下になると、出力信号として作動信号を生成し、この作動信号を制御部１６０に伝達することができる。また、制御部１６０はこの作動信号を受け、作動信号に応じてアノード１２０とカソード１３０とが電気的に接続するように通電させることができる。
【００４０】
すなわち、圧力センサ１５０が電解槽１１０の内部圧力を感知して、電解槽１１０の内部圧力が限界圧力以上になると、出力信号として遮断信号を生成して制御部１６０に伝達することができ、電解槽１１０の内部圧力が限界圧力以下になると、出力信号として作動信号を生成して制御部１６０に伝達することができ、制御部１６０は、この出力信号に応じてアノード１２０とカソード１３０との通電を遮断させたり、通電させることにより電解槽１１０が爆発しないように水素発生量を調節することができるものである。
【００４１】
圧力センサ１５０を電解槽１１０の内部に結合させることにより、電解槽１１０の排出口１１２に結合されたフィルタ１４０に異物質が濾し取られて電解槽１１０の内部圧力が増加しても、これを感知してアノード１２０とカソード１３０との通電を制御する出力信号を発生させるので、より安全な水素発生装置１００を具現することができる。
【００４２】
シーリング剤１７０は圧力センサ１５０をカバーして電解質水溶液１１５が浸透することを防止できる。圧力センサ１５０が電解槽１１０の内部に結合されるため電解質水溶液１１５に露出される恐れがあるので、シーリング剤１７０は圧力センサ１５０の正しい動作のために圧力センサ１５０をカバーし、電解質水溶液１１５から圧力センサ１５０を保護することができる。
【００４３】
この場合、シーリング剤１７０はフレキシブル材質からなることができ、これにより、圧力センサ１５０が圧力を感知する際に発生し得る誤差を減らすことができるので、より効果的に水素発生量を調節することができる。
【００４４】
本実施例によれば、異物質を除去するフィルタ１４０を備えた水素発生装置１００において、電解槽１１０の内部圧力を感知するために圧力センサ１５０を用いることにより、燃料電池が必要としている純粋な水素を、爆発のおそれがなく、より安定的で効率的に供給することができる。
【００４５】
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に対して説明する。
【００４６】
図２は本発明の他の実施形態による一実施例を示す概略図である。図２を参照すると、燃料電池発電システム２００、水素発生装置２８０、燃料電池２９０が示されている。
【００４７】
本実施例によれば、電解槽の内部に圧力センサを設置することにより、電解槽の排出口に結合されたフィルタで濾し取られた異物質のために電解槽の内部圧力が限界圧力以上に増加することを防止することができ、結果的に電解槽が爆発するような安全事故を防止することができるので安定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が提示される。
【００４８】
本実施例の場合、水素発生装置２８０に対する構成は本発明の一実施形態による水素発生装置１００の一実施例と同一、または対応するので、これに対する説明は省略し、以下では、水素発生装置１００の一実施例との相違点である燃料電池２９０に対して説明する。
【００４９】
燃料電池２９０は、カソードから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。すなわち、内部圧力の増加による爆発のおそれなく、異物質を除去するフィルタを備えた水素発生装置２８０から発生された純粋な水素は、燃料電池２９０の燃料極に移動することができ、これにより、前述した水素発生装置２８０から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。
【００５０】
本実施例によれば、電解槽の内部圧力を感知する圧力センサを用いることにより、電解槽の爆発のおそれなく、フィルタで異物質を濾し取ることができる水素発生装置２８０から発生された水素を、燃料電池２９０に供給して電気エネルギーを生産するので、より効率的で安定的な燃料電池発電システム２００を具現することができる。
【００５１】
前述した実施例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。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の一実施形態による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一実施例を示す概略図である。
【符号の説明】
【００５３】
１００  水素発生装置
１１０  電解槽
１１２  排出口
１１５  電解質水溶液
１２０  アノード
１３０  カソード
１４０  フィルタ
１５０  圧力センサ
１６０  制御部
１７０  シーリング剤
【図１】
2009091650.tif 000003
【図２】
2009091650.tif 000004