(57)【要約】【課題】水素ガスを効率よく安全に取り出すことのできる水素発生装置および該装置を用いた水素発生方法を提供する。【解決手段】容器３内に活性アルミニウム微粒子等の水素発生剤を収容するカートリッジ２と、該カートリッジ２に反応液を供給する反応液供給部５および反応液供給手段とを備える水素発生装置１であって、上記反応液供給手段は、上記カートリッジ容器３の底部より上記活性アルミニウム微粒子等の水素発生剤と反応液とを反応させる手段である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
容器内に水素発生剤を収容するカートリッジと、該カートリッジに反応液を供給する反応液供給部および反応液供給手段とを備える水素発生装置であって、
前記反応液供給手段は、前記カートリッジ容器の底部より前記水素発生剤と反応液とを反応させる手段であることを特徴とする水素発生装置。
【請求項２】
前記反応液供給手段は、中空部材とこの中空部材の一端に中空内部と連通する空隙を有して嵌合されたピンとを有する棒状体であり、前記カートリッジ容器の底部付近まで前記ピンの先端部を挿入し、前記空隙より前記ピン外周面に沿って反応液を伝わらせて供給する手段であることを特徴とする請求項１記載の水素発生装置。
【請求項３】
前記カートリッジ容器は、該容器の周囲またはその一部を熱伝導性に優れた材質で形成することにより、水素発生時の過剰反応を防止することを特徴とする請求項１または請求項２記載の水素発生装置。
【請求項４】
燃料電池装置に用いることを特徴とする請求項１、請求項２または請求項３記載の水素発生装置。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか１項記載の水素発生装置を用いた水素発生方法であって、
水素発生装置内に水素発生剤が収容されている前記カートリッジを装着する工程と、
前記カートリッジ容器の底部付近まで前記棒状体を挿入する工程と、
前記反応液供給部により供給された反応液を該棒状体を介して供給する工程と、
前記カートリッジ底部より前記水素発生剤と反応液とを反応させて水素を発生させる工程とを備えることを特徴とする水素発生方法。
【請求項６】
前記反応液が水であることを特徴とする請求項５記載の水素発生方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素を発生させる水素発生装置および該装置を用いた水素発生方法に関し、特に燃料電池に供給する水素ガスを発生させるための装置および該装置を用いた方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
水素吸蔵合金を使用した水素タンクや水素ガスを燃料とする小型燃料電池が実用化されようとしている、小型燃料電池に用いられる水素ガスを如何に安価にかつ安全に製造するかが重要な技術的課題となっている。
【０００３】
従来、水中でアルミニウム合金を粉砕することにより得られたアルミニウム微粒子に活性化処理を施すことによって、低温反応性を増強させたアルミニウム微粒子を用いた水素ガス発生方法が開示されている（特許文献１参照）。
また、駆動機構によって反応液を反応容器に供給し、供給の開始操作や供給量の調節を行なうことができる水素発生装置が開示されている（特許文献２参照）。
【０００４】
しかしながら、水素発生の制御が困難で急激に反応が進行したり、あるいは従来の水素発生装置および方法では、水素発生の開始後にまもなく反応が停止してしまい、効率よく水素ガスを取り出すことが困難であるという問題があった。また、水素発生反応の終点を確認できないため、残留した未反応の水素発生剤が後になって再び反応をおこす場合などの問題があった。
【特許文献１】特開２００６−４５００４号公報
【特許文献２】特開２００７−１４５６６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、このような問題に対処するためになされたもので、水素ガスを効率よく安全に取り出すことのできる水素発生装置および該装置を用いた水素発生方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
水素発生反応について、反応液を一度に多量投入すると急激に反応が進行して水素発生の制御ができずに反応容器が破損する問題が発生することが確認されている。そのため、少量ずつを投入すると初期は水素発生が起こるが、水素発生剤が未反応にも拘らず、まもなく反応が停止してしまうことが確認された。そこで、水素発生の開始後にまもなく反応が停止してしまう問題について研究したところ、アルミニウム粉末などの水素発生剤の上方より水などの反応液を滴下して反応させ、水素ガスを発生させると、水素発生剤表面付近に副生成物である酸化アルミニウム層が形成されて、さらに反応液が未反応の水素発生剤へと滲み込むことができず、滴下開始後まもなく反応が停止してしまうことが分かった。また、充填した水素発生剤の表層から反応を進めさせるため、水素発生剤と反応液との反応の終了が確認できないことが分かった。
本発明はこのような知見に基づきなされたもので、本発明の水素発生装置は、容器内に水素発生剤を収容するカートリッジと、該カートリッジに反応液を供給する反応液供給部および反応液供給手段とを備える水素発生装置であって、上記反応液供給手段は、上記カートリッジ容器の底部より上記水素発生剤と反応液とを反応させる手段であることを特徴とする。
【０００７】
上記反応液供給手段は、カートリッジ底部から水素発生剤と反応液とを反応させることができれば何れの方法でもよく、底部から直接反応液を送液して供給する、中空部材とこの中空部材の一端に中空内部と連通する空隙を有して嵌合されたピンとを有する棒状体であり、上記カートリッジ容器の底部付近まで上記ピンの先端部を挿入し、上記空隙よりピン外周面に沿って反応液を伝わらせて供給する手段を好例としてあげることができる。
また、上記カートリッジ容器は、該容器の周囲またはその一部を熱伝導性に優れた材質で形成することにより、水素発生時の過剰反応を防止することを特徴とする。
本発明の水素発生装置は、燃料電池装置に用いることを特徴とする。
【０００８】
本発明の水素発生方法は、上記水素発生装置を用いた水素発生方法であって、
水素発生装置内に水素発生剤が収容されているカートリッジを装着する工程と、カートリッジ容器の底部付近まで棒状体を挿入する工程と、反応液供給部により供給された反応液を該棒状体を介して供給する工程と、カートリッジ底部より水素発生剤と反応液とを反応させて水素を発生させる工程とを備えることを特徴とする。
また、上記反応液が水であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の水素発生装置は、カートリッジ容器の底部より水素発生剤と反応液とを反応させて水素を発生させるものである。容器底部より水素発生剤が反応液に浸漬され、水素発生剤と反応液との反応が進むので、未反応の水素発生剤を残すことなく反応液の供給に応じて定量的な水素を発生させることができ、水素ガスを効率よく取り出すことができる。
また、容器底部より水素発生剤が反応液に浸漬され、収納されている水素発生剤の表面まで反応液に浸漬され、反応の終了を確認することができる。このため、未反応の水素発生剤が残留せず、安全性の高い水素発生装置を得ることができる。
また、水素発生剤をカートリッジ容器に収容し、この容器内で反応液と反応させるので、反応中に使用者が誤って反応部に触れるおそれがない。
【００１０】
また、本発明の水素発生方法は、上記水素発生装置を用いるため、水素ガスを効率よく安全に取り出すことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の水素発生装置を図に基づいて説明する。図１は本発明の水素発生装置の実施形態の一例を示す斜視図であり、図２は図１におけるＡ−Ａ線断面図である。
【００１２】
図１および図２に示すように、本発明の水素発生装置１は、容器３内に水素発生剤４を収容するカートリッジ２と、このカートリッジ２に反応液を供給する反応液供給部５および反応液供給手段とを備えるものである。反応液供給部５は、反応液を収納する収納部６と、シリンジポンプやスポイトなどの供給機構７と、反応液供給経路８とからなる。カートリッジ２および反応液供給部５は、カートリッジ２を覆う蓋カバー９などに固定された固定板１５に反応液収納部６が固定ねじ１６などで固定されるなどして、反応液供給経路８により連結される。収納部６に収納された反応液は供給機構７により供給経路８を通り、さらに反応液供給手段によりカートリッジ容器３内部に供給される。
【００１３】
図２に示すように、カートリッジ２は、樹脂製で円筒状に成形され密閉された容器３内部に、反応液と反応して水素を発生する水素発生剤４を収容するものであり、本発明の水素発生装置１において、１回の使用毎に樹脂製容器３ごと交換して使用されるものである。またカートリッジ２は、容器３内部で水素発生剤と反応液との発熱反応がおこるため、該容器３の周囲またはその一部を熱伝導性に優れた材質で形成することにより、水素発生時の過剰反応を防止することが好ましい。熱伝導性に優れた材質としては、金属製などのカバー１２で覆ったり、上部を真鍮板１４や熱伝導性に優れた樹脂製などの蓋カバー９で覆うなどすることが好ましい。
【００１４】
本発明に用いることができる水素発生剤４としては、水等の反応液と反応して水素を発生する金属、例えばＦｅ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｓｉなどから選ばれる１種以上の金属の粒子や、これらが部分的に酸化された金属の粒子が挙げられる。水素発生剤は、粉末状であってもよく、粒状またはタブレット化したものであってもよい。
好ましい水素発生剤４は、活性アルミニウム微粒子である。
【００１５】
上記反応液供給手段は、水素発生剤４が収納されたカートリッジの容器３底部より、この水素発生剤と反応液とを反応させる手段である。
カートリッジの容器３底部に反応液を供給する反応液供給手段の好ましい例として、反応液収納部６から供給経路８を通って供給された反応液を、挿入した棒状体１０を伝わらせて、容器３内部に収容された水素発生剤４に供給する方法が挙げられる。
【００１６】
具体例としては、図２に示すように、密閉されたカートリッジ容器３上部より棒状体１０を挿入してこの棒状体に沿って反応液を供給する。
棒状体１０の一例としては、図２に示すように、中空部材１０ａとこの中空部材１０ａの一端に中空内部と連通する空隙１０ｃを有して嵌合されたピン１０ｂとを有する構造のものが挙げられる。このピン１０ｂは、その先端部がカートリッジ容器３底部付近に到達する長さのものであることが好ましい。この構造の棒状体１０の場合、供給経路８より供給された反応液は、中空部材１０ａに連結する連結部材８ａを経て、この中空部材１０ａ内部を通り、空隙１０ｃよりピン１０ｂの外側に滲み出し、ピン１０ｂの外周面に沿って反応液が伝って供給される。
また、棒状体１０を挿入することで穴３ａが形成され、発生した水素ガスがこの穴３ａより水素供給経路１１を介して放出される。
【００１７】
上記構造の棒状体１０の場合、ピン１０ｂの外周面に沿って反応液が伝わると、ピン１０ｂに接する水素発生剤４としての活性アルミニウム微粒子と反応液とが反応して活性アルミニウム微粒子が多孔質の酸化アルミニウムに変化する。その結果、反応液の流通経路が形成され、反応液はピン１０ｂの周囲に拡散することなく、重力によりカートリッジ容器３の底部に到達する。カートリッジ容器３底部に到達した反応液は、容器３の底部よりアルミニウム微粒子を浸漬していく。
【００１８】
他の棒状体１０の例としては、上記中空部材１０ａおよびピン１０ｂが一体型で、かつ全体が中空で、底部に反応液吐出孔を有する部材などでもよい。この場合、反応液は棒状体１０の中空内部を通って容器３底部より供給される。
また、水素発生剤４が収納されたカートリッジの容器３底部より、この水素発生剤と反応液とを反応させる機構であればよく、反応液供給経路８がカートリッジの容器３底部に連結し、容器３底部から反応液を送液する構造などであってもよい。
【００１９】
カートリッジ容器３内部で発生した水素は、棒状体１０が挿入した際に形成されるカートリッジの穴３ａを経て水素供給経路１１から放出され、タンク等に貯蔵されたり、燃料電池装置に直接供給される。
【００２０】
さらに、本発明の水素発生装置１には安全弁１３が取り付けられ、カートリッジ２内部で水素発生により圧力が異常に上昇した場合には、安全弁１３が動作して、カートリッジ２内部の圧力を低下させる
【００２１】
本発明で使用できる活性アルミニウム微粒子は、アルミニウム微粒子の表面および内部にミクロの亀裂を有し、この亀裂内に水素化アルミニウムを含有する５０μｍ以下のアルミニウムまたはアルミニウム合金である。このような活性アルミニウム微粒子として、具体的には、特開２００８−２４５９０号公報に開示されているようなアルミニウムまたはアルミニウム合金が挙げられる。これは、アルミニウムまたはアルミニウム合金材料の水中での摩擦、粉砕加工により、その表面からある程度の深さまで結晶格子の歪みやミクロな亀裂を形成し、さらに温度または超音波の衝撃を加えることにより、ナノクラックを生成させ、これにより水素ガスの精生成量を増大させたものであり、生成された水素に起因する体積膨張により材料内部の亀裂および破壊を継続させることで、亀裂を自己増殖させて水素の生成を自律的に継続させることができる。
【００２２】
本発明で使用できる反応液は、水素発生剤と反応して水素を発生させるものであればよく、酸性水溶液、アルカリ性水溶液、水などが挙げられる。この中で好ましい反応液は、上記活性アルミニウム微粒子と反応して水素を発生させるとともに、取り扱いの容易さから水である。
【００２３】
反応液を供給する供給機構７としては、シリンジポンプやスポイトを使用するなどして反応液を定量的にカートリッジ２に供給できる手段であれば用いることができるが、定量的に連続供給できることから、シリンジポンプを用いることが好ましい。
【００２４】
カートリッジの容器３を構成する樹脂材料同士の接着方法としては、特に制限はないが、接着剤を使用しない方法により接着できる方法であればより好ましい。このような接着方法として例えば、超音波溶着、レーザー溶着、熱溶着、拡散溶着、インパルス溶着、高周波溶着等の樹脂接着手段を用いることができる。接着剤等を使用せず、溶着により樹脂材料同士を接着すると、カートリッジ内部への接着剤の混入を防止できる。
上記樹脂材料接着手段の中で、樹脂材料同士の接合強度、気密性等に優れるとともに、寸法精度および外観形状にも優れ、多種の樹脂材料において溶着が可能であり樹脂材料が相互に強固に溶着されることから、超音波溶着または熱溶着を用いることが好ましい。
【００２５】
超音波溶着は、樹脂材料、カートリッジの大きさ等によって異なるが、超音波振動ホーンの振幅は、上下方向に 25〜50μm、周波数は、15〜40 kHz で行なうのが溶着強度および気密度を高めるので好ましい。特に振幅が上下方向に 50μm、周波数が 40 kHz の超音波溶着条件が好ましい。また、熱溶着の場合は、樹脂材料、カートリッジの大きさによって異なるが、温度幅 80〜150 ℃、溶着時間 5 秒以内で行うのが好ましい。
【００２６】
本発明の水素発生方法は、上述の水素発生装置１を用いて水素を発生させるものである。まず、水素発生装置１内に活性アルミニウム微粒子などの水素発生剤４が収容されているカートリッジ２を装着する。具体例としては、樹脂製や金属製のカバー１２内にカートリッジ２を設置し、安全弁１３や水素供給経路１１が取り付けられた真鍮板１４および蓋カバー９で覆う。次いで、蓋カバー９およびカートリッジ容器３に設けられた穴３ａよりカートリッジ容器３の底部付近まで棒状体１０を挿入する。棒状体１０の中空部材１０ａは反応液供給経路８の連結部材８ａとつながり、さらに反応供給部５と連結する。
この装置１により、水などの反応液は反応液供給部５の供給手段７により収納部６より供給され、供給経路８を経て、上述のように棒状体１０を伝わらせてカートリッジ容器３底部に供給され、カートリッジ底部より水素発生剤と反応液とを反応させて水素を発生させる。
【実施例】
【００２７】
実施例１
図１に示す水素発生装置１において、反応液供給機構７としてシリンジポンプを用いたものを用意した。カートリッジ容器３内に活性アルミニウム微粒子 ＨＤ−１４（株式会社ハイドロデバイス社製） 10 ｇを収納したものを装置に取り付け、水素供給経路１１より排気管を通して水槽に用意したメスシリンダーで発生した水素量を定量できるよう準備した。棒状体１０をカートリッジ容器３内に挿入した。反応液として水をシリンジポンプで 1.0 ｍｌ送液後、水素発生量が 9.0 ｍｌ／分以下になったとき、シリンジポンプで 0.1 ｍｌ／分で 300 分間送液し、水供給に応じた 1 分ごとの水素発生量を測定した。結果を図３に示す。なお、反応終了後、カートリッジ容器３内の活性アルミニウム微粒子は、完全に水に浸漬していた。
【００２８】
実施例２
図１に示す水素発生装置１において、反応液供給機構７としてスポイトを用いたものを用意した。カートリッジ容器３内に活性アルミニウム微粒子 ＨＤ−１４（株式会社ハイドロデバイス社製） 10 ｇを収納したものを装置に取り付け、水素供給経路１１より排気管を通して水槽に用意したメスシリンダーで発生した水素量を定量できるよう準備した。反応液として水をスポイトで 1.0 ｍｌ送液後、水素発生量が 9.0 ｍｌ／分以下になったとき、スポイトで 1.0 ｍｌ送液を繰返し、水供給に応じた 1 分ごとの水素発生量を測定した。結果を図４に示す。なお、反応終了後、カートリッジ容器３内の活性アルミニウム微粒子は、完全に水に浸漬していた。
【００２９】
図３および図４に示すように、反応液供給機構７としてシリンジポンプまたはスポイトのどちらを用いても、発生する水素の総量はほぼ同じであることが確認されたが、実施例１の結果より、特にシリンジポンプを使用して反応液である水を定量的に連続して送液することで、ほぼ定量的な水素発生を安定して供給できることが確認された。
【００３０】
比較例１
実施例１で用いた水素発生装置において、棒状体１０をカートリッジ容器３内に挿入することなく、カートリッジ容器３の上部に穴を設け、この穴より水を送液した。送液直後に水素発生量が見られたが、約 150 分後に水素発生が停止した。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明の水素発生装置は、活性アルミニウム微粒子等の水素発生剤と反応液とをすべて反応させて水素を発生させることができるので、この水素発生装置を用いた燃料電池装置は、家電製品、パソコン、携帯電子機器等に用いられる燃料電池装置として好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の水素発生装置の実施形態の一例を示す斜視図である。
【図２】図１におけるＡ−Ａ線断面図である。
【図３】反応液供給にシリンジポンプを用いた場合の水素発生量の経時変化を示す図である。
【図４】反応液供給にスポイト方式を用いた場合の水素発生量の経時変化を示す図である。
【符号の説明】
【００３３】
１    水素発生装置
２    カートリッジ
３    容器
４    水素発生剤
５    反応液供給部
６    反応液収納部
７    反応液供給機構
８    反応液供給経路
９    蓋カバー
１０    棒状体
１１    水素供給経路
１２    カバー
１３    安全弁
１４    真鍮板
１５    固定板
１６    固定ねじ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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