(57)【要約】【課題】燃料電池における発電開始時、二次電池の残容量が低下していたとしても、水素を発生させることができ、燃料電池における発電を開始させることができる水素発生装置およびそれを備えた燃料電池システムを提供する。【解決手段】二次電池９から供給される電力によって電動で給水動作を行う電動ポンプ２と、使用者による手動操作によって給水動作を行う手動ポンプ３とを備え、電動ポンプ制御部１０は、二次電池９から供給される電力が所定値以上の時は、電動ポンプ２を動作させ、二次電池９から供給される電力が所定値未満の時は、使用者に対して手動ポンプを操作するよう指示する。【選択図】図１
2009001460.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水との反応により水素を発生する水素発生物質を収容した水素発生部と、
前記水素発生部に水を供給可能な水供給手段と、
前記水供給手段に電力を供給可能な電力供給手段と、
前記水供給手段の動作を制御する制御手段とを備えた水素発生装置であって、
前記水供給手段は、
前記電力供給手段から供給される電力によって電動で給水動作を行う第１のモードと、使用者による手動操作によって給水が可能な第２のモードとを備え、
前記制御手段は、
前記電力供給手段から供給される電力が所定値以上の時は、前記水供給手段を前記第１のモードに移行させ、前記電力供給手段から供給される電力が所定値未満の時は、前記水供給手段を前記第２のモードに移行させる、水素発生装置。
【請求項２】
水との反応により水素を発生する水素発生物質を収容した水素発生部と、
前記水素発生部に水を供給する水供給手段と、
前記水供給手段に電力を供給する電力供給手段と、
前記水供給手段の動作を制御する制御手段とを備えた水素発生装置であって、
前記水供給手段は、
前記電力供給手段から供給される電力によって電動で給水動作を行う第１の水供給手段と、使用者による手動操作によって給水が可能な第２の水供給手段とを備え、
前記制御手段は、
前記電力供給手段から供給される電力が所定値以上の時は、前記第１の水供給手段を動作させ、前記電力供給手段から供給される電力が所定値未満の時は、前記第２の水供給手段を手動給水可能な状態に移行させる、水素発生装置。
【請求項３】
前記電力供給手段から供給される電力が所定値未満の時に、使用者に対して手動操作による給水が可能であることを報知する報知手段をさらに備えた、請求項１または２に記載の水素発生装置。
【請求項４】
請求項１または２に記載の水素発生装置を備え、
前記水素発生装置から供給される水素と、酸素とにより発電を行う燃料電池を備えた、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、燃料電池において発電を行うために必要な水素を発生する水素発生装置に関する。特に、小型で可搬性が高い燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池に、燃料としての水素ガス（Ｈ2）と、酸化剤としての酸素ガス（Ｏ2）を供給すると電力が発生する。このうち、酸素ガスは空気を供給することにより空気中から得ることができる。
【０００３】
水素ガスを発生する方法として、水と反応して水素を発生する水素発生剤を使うことができる。このような水素発生剤の一例として、イオン化傾向の高い金属が挙げられる。イオン化傾向の高い金属には、リチウム、カリウム、カルシウム、ナトリウム、マグネシウム、アルミニウムなどがあり、これらの金属は水と反応して水素ガスを発生する。上記のような水素発生剤と水とを反応させて水素ガスを発生させ、その水素ガスを燃料電池に供給することにより、燃料電池において電力を発生させることができる。
【０００４】
燃料電池から安定した電力を持続的に発生させるためには、燃料電池が発生する電力に対して燃料電池に供給する水素ガスの量を適切に制御する必要がある。燃料電池に供給する水素ガスの量を制御するためには、水素発生剤に供給する水の量を適切に制御する必要がある。水素発生剤に供給する水の量を制御する方法としては、電動の水供給手段により水の投入量を制御する方法がある。電動ポンプを動作させる電源としては、一次電池、二次電池、または燃料電池の出力電力、あるいはそれぞれの組み合わせなどが考えられる。
【０００５】
燃料電池における発電開始時に電動ポンプへ供給する電力について、発電開始前には燃料電池は電力を供給していないため、燃料電池の出力電力を使うことはできないが、一次電池または二次電池の電力を使うことは可能である。
【０００６】
特許文献１には、電動ポンプによって水素発生材料に水を供給し、水素を発生させる装置が開示されている。この電動ポンプを動作させるためには、燃料電池から供給される電力に基づき二次電池を充電し、二次電池から供給される電力を電動ポンプに供給することで動作させることができる。
【特許文献１】特開２００６−３０６７００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、燃料電池の発電開始時、二次電池の残容量が自己放電などにより大幅に低下していた場合、電動ポンプを動作させることができず、水素発生材料に対して給水を行うことができない。よって、水素ガスを発生させることができないため、燃料電池における発電を開始させることができないという問題がある。
【０００８】
本発明の目的は、燃料電池における発電開始時、二次電池の残容量が低下していたとしても、水素を発生させることができ、燃料電池における発電を開始させることができる水素発生装置およびそれを備えた燃料電池システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の水素発生装置の第１の構成は、水との反応により水素を発生する水素発生物質を収容した水素発生部と、前記水素発生部に水を供給可能な水供給手段と、前記水供給手段に電力を供給可能な電力供給手段と、前記水供給手段の動作を制御する制御手段とを備えた水素発生装置であって、前記水供給手段は、前記電力供給手段から供給される電力によって電動で給水動作を行う第１のモードと、使用者による手動操作によって給水が可能な第２のモードとを備え、前記制御手段は、前記電力供給手段から供給される電力が所定値以上の時は、前記水供給手段を前記第１のモードに移行させ、前記電力供給手段から供給される電力が所定値未満の時は、前記水供給手段を前記第２のモードに移行させるものである。
【００１０】
本発明の水素発生装置の第２の構成は、水との反応により水素を発生する水素発生物質を収容した水素発生部と、前記水素発生部に水を供給する水供給手段と、前記水供給手段に電力を供給する電力供給手段と、前記水供給手段の動作を制御する制御手段とを備えた水素発生装置であって、前記水供給手段は、前記電力供給手段から供給される電力によって電動で給水動作を行う第１の水供給手段と、使用者による手動操作によって給水が可能な第２の水供給手段とを備え、前記制御手段は、前記電力供給手段から供給される電力が所定値以上の時は、前記第１の水供給手段を動作させ、前記電力供給手段から供給される電力が所定値未満の時は、前記第２の水供給手段を手動給水可能な状態に移行させるものである。
【００１１】
本発明の燃料電池システムは、第１または第２の構成の水素発生装置を備え、前記水素発生装置から供給される水素と、酸素とにより発電を行う燃料電池を備えたものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明により、燃料電池における発電開始時、二次電池の残容量が低下していたとしても、水素を発生させることができ、燃料電池における発電を開始させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の水素発生装置は、上記構成を基本として、以下のような態様をとることができる。
【００１４】
すなわち、前記電力供給手段から供給される電力が所定値未満の時に、使用者に対して手動操作による給水が可能であることを報知する報知手段をさらに備えた構成とすることができる。この構成により、手動操作による給水が可能であることを使用者に確実に指示することができる。
【００１５】
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１における水素発生装置を備えた燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【００１６】
水貯蔵タンク１は、水素を発生させるために必要な水を貯蔵している。
【００１７】
電動ポンプ２（第１の水供給手段）は、二次電池９から供給される電力によって動作し、水貯蔵タンク１に貯蔵されている水を汲み上げ、水素発生部４に供給することができる。
【００１８】
手動ポンプ３（第２の水供給手段）は、使用者が手動操作することにより、水貯蔵タンク１に貯蔵されている水を水素発生部４に供給することができる。また、手動ポンプ３は、操作することで水貯蔵タンク１に貯蔵されている水を圧力で吸い上げて水素発生部４に圧送させる、一般的な手動ポンプで構成されている。
【００１９】
水素発生部４は、電動ポンプ２または手動ポンプ３から供給される水と水素発生材料とを反応させて水素ガスを発生させる。水素発生部４は、例えば水素発生材料を収容した容器に、水を供給可能な注入口と、容器内で発生した水素ガスを取り出し可能な排出口とを備えている。水素発生材料は、例えばアルミニウム粉末が用いられる。
【００２０】
燃料電池６は、例えば固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）で構成されている。具体的には、燃料電池６は、電解質とそれを挟む一対の電極（正極、負極）とで構成されたセルを、複数個備えてスタックを形成している。電解質には、固体高分子電解質が使われている。正極には空気流入部５を介して流入する空気中の酸素ガス（正極活物質）が供給され、負極には水素発生部４で発生した水素ガス（負極活物質）が供給される。この構成において、負極活物質の水素イオンが電解質を通って正極側へ移動し、酸素分子と結合する時に、外部回路中を電子が移動し発電される。なお、燃料電池６において使用される電解質、正極活物質、負極活物質の構成は、上記に限定されるものではない。
【００２１】
充電回路８は、燃料電池６から供給される電力に基づき、昇圧充電制御を行って二次電池９の充電を行う回路である。
【００２２】
二次電池９（電力供給手段）は、リチウムイオン電池やニッケル水素電池などで構成されている。
【００２３】
電動ポンプ制御部１０（制御手段）は、操作部１１において使用者による発電命令の操作を受け付けると、二次電池９における残容量を推定する。また、電動ポンプ制御部１０は、二次電池９における残容量が所定値以上であれば、電動ポンプ２を動作させ、二次電池９における残容量が所定値未満であれば、表示部１２に対して所定のメッセージを表示する制御する。なお、所定値とは、燃料電池６の発電開始時に電動ポンプ２の動作を開始させ、燃料電池６における発電動作が安定するまで電動ポンプ２を動作させ続けることが可能な、二次電池９の残容量値である。
【００２４】
表示部１２は、例えば液晶ディスプレイで構成されている。なお、表示部１２は、報知手段の一例である。また、表示部１２は、本実施の形態における水素発生装置を搭載した電子機器に備える表示部で兼用してもよい。例えば、本システムを携帯電話端末に搭載した場合、携帯電話端末に搭載されている液晶ディスプレイに、本実施の形態における表示部１２で表示させる情報を表示させる構成としてもよい。
【００２５】
次に、本実施の形態の水素発生装置の動作について、図１及び図２を参照して説明する。図２は、本実施の形態における水素発生装置の動作の流れを示す。
【００２６】
まず、操作部１１が、使用者による発電開始命令を受け付けると、電動ポンプ制御部１０は、二次電池９における残容量を推定する。二次電池９の残容量は、二次電池９の開放電圧（ＯＣＶ）を測定することで推定することができる（Ｓ１）。
【００２７】
電動ポンプ制御部１０は、二次電池９における残容量が所定値以上であれば、電動ポンプ２に対して給電を行い、動作開始命令を出力する。電動ポンプ２は、電動ポンプ制御部１０からの命令及び給電により動作を開始し、水貯蔵タンク１に貯蔵されている水を汲み出し、水素発生部４に供給する（Ｓ２）。
【００２８】
電動ポンプ２で給水を行っている時は、手動ポンプ３を操作できないように構成されている。このように構成することにより、電動ポンプ２と手動ポンプ３の両方から水素発生部４へ水が供給されることを防止することができ、水の過剰供給を防止することができる。
【００２９】
水素発生部４は、電動ポンプ２から供給される水と水素発生材料とを反応させて、水素ガスを発生させる。発生させた水素ガスは、燃料電池６に供給される。燃料電池６は、水素発生部４から供給される水素ガスと、空気流入部５を介して流入される空気（酸素）とにより発電動作を行う（Ｓ３）。
【００３０】
燃料電池６で発生した電力は、出力端子７を介して外部に出力される。また、燃料電池６で発生した電力は、充電回路８に供給することもできる。充電回路６は、燃料電池６から供給される電力に基づき、二次電池９の充電を制御する。
【００３１】
燃料電池６による発電が開始した後は、電動ポンプ制御部１０は電動ポンプ２に対して、燃料電池６において発電を継続可能な水供給量を制御する。水供給量の制御方法としては、燃料電池６が発生する電力に見合った水素ガスを供給できるように、水素発生部４に供給する水量を制御することが望ましい。燃料電池６の発電開始後、二次電池９の残容量が低下したとき、充電回路８が燃料電池６の出力電力に基づいて二次電池９を充電することで、二次電池９の残容量を増加させることができる。
【００３２】
一方、操作部１１が、使用者による発電開始命令を受け付けた時に、二次電池９の残容量が所定値未満（Ｓ１におけるＮｏ判断）、すなわち電動ポンプ２が燃料電池６において発電を開始させるために必要な水量を水素発生部４に供給できないと判断した場合、電動ポンプ制御部１０は表示部１２に対して、「手動給水を行ってください」などのように使用者に対して手動給水を指示するメッセージを表示させる（Ｓ４）。
【００３３】
次に、使用者によって手動ポンプ３が操作されて、水貯蔵タンク１に貯蔵されている水が水素発生部４に供給されると、水素発生部４は供給される水と水素発生材料とにより水素ガスを発生させる。発生した水素ガスは、燃料電池６に供給される。燃料電池６は、水素発生部４から供給される水素ガスと、空気流入部５を介して流入される空気（酸素）とにより発電動作を行う（Ｓ６）。
【００３４】
燃料電池６で発生した電力は、出力端子７を介して外部に出力されるとともに、充電回路８に供給される。充電回路８は、燃料電池６から供給される電力に基づき、二次電池９の充電を制御する。
【００３５】
次に、電動ポンプ制御部１０は、二次電池９における残容量を推定し（Ｓ１）、残容量が所定値未満であれば手動給水を指示するメッセージを表示部１２に表示させ続けるが（Ｓ４）、二次電池９における残容量が所定値以上になると、表示部１２に表示されているメッセージを消去し、電動ポンプ２の動作を開始させる。すなわち、二次電池９における残容量が、電動ポンプ２を動作させるのに必要な残容量まで増加すると、電動ポンプ制御部１０は電動ポンプ２の動作を開始させる。
【００３６】
次に、電動ポンプ２は、電動ポンプ制御部１０からの命令により動作を開始し、水貯蔵タンク１に貯蔵されている水を水素発生部４に供給する（Ｓ２）。以降の動作は前述したので省略する。
【００３７】
燃料電池６による発電が開始した後は、電動ポンプ制御部１０は電動ポンプ２に対して、燃料電池６において発電を継続可能な水供給量を制御する。水供給量の制御方法としては、燃料電池６が発生する電力に見合った水素ガスを供給できるように水素発生部４に供給する水量を制御することが望ましい。燃料電池６の発電開始後、二次電池９の残容量が低下したとき、充電回路８が燃料電池６の出力電力に基づいて二次電池９を充電することで、二次電池９の残容量を増加させることができる。
【００３８】
以上のように本実施の形態によれば、燃料電池６の発電開始時、二次電池９に電動ポンプ２を動作させるための残容量が無い場合、使用者に対して手動で給水を行うよう指示する構成を備えたことにより、二次電池９の残容量が低下していたとしても燃料電池６の発電を開始させることができる。
【００３９】
なお、本実施の形態では、二次電池９における残容量が所定値以上になった時、それまで表示部１２に表示されていた手動給水を指示するメッセージを消去する構成としたが、表示部１２に「手動給水を中止してください」や「電動給水を開始します」などのメッセージを表示させ、使用者に対して手動給水の中止を指示する構成としてもよい。このように構成することにより、水素発生部４に必要以上の水が供給されることを防止することができるとともに、使用者における無駄な手動給水操作を省くことができる。
【００４０】
また、本実施の形態では、二次電池９の残容量が少なく、電動ポンプ２を動作させることができず、燃料電池６における発電を開始できないときは、表示部１２に手動ポンプ３を動作させるように指示するメッセージを表示させる構成としたが、他の方法で使用者に対して手動ポンプ３の動作指示を行っても同様の効果が得られる。例えば、使用者が操作部１１を操作して発電開始命令を行った際に、電動ポンプ２が動作を開始しないことにより、暗示的に手動ポンプ３の動作指示することができる。
【００４１】
また、本実施の形態では、電動ポンプ２と手動ポンプ３の２つのポンプを備えたが、電動動作が可能な第１の動作モードと手動動作が可能な第２の動作モードとに切り換えて動作可能なポンプであれば、１つのポンプで実現することも可能であり、同様の効果が得られる。
【００４２】
また、本実施の形態では、電動ポンプ２を動作させている時は表示部１２にメッセージを表示させない構成としたが、表示部１２に「電動給水中です」などの表示を行ってもよい。このような表示を行うことで、使用者が現在のシステムの動作状態を容易に把握することができる。
【００４３】
また、本実施の形態では、表示部１２にメッセージを表示させて、使用者に対して手動給水等を指示する構成としたが、手動給水等の指示方法はこれに限らない。例えば、発光ダイオードを発光させることにより指示する構成や、音声により指示する構成が考えられる。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明は、水と水素発生用組成物とを反応させて水素を発生させる水素発生装置に有用である。特に、発生させた水素を発電のための燃料に使う固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）に適用して有効である。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】実施の形態１にかかる燃料電池システムの構成を示すブロック図
【図２】実施の形態１にかかる燃料電池システムの動作の流れを示すフローチャート
【符号の説明】
【００４６】
１  水貯蔵タンク
２  電動ポンプ
３  手動ポンプ
４  水素発生部
５  空気流入部
６  燃料電池
７  出力端子
８  充電回路
９  二次電池
１０  電動ポンプ制御部
１１  操作部
１２  表示部
【図１】
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【図２】
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