JP2005139025A - 水素発生装置及び燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 水素を安全に発生させる。
【解決手段】 カルシウム１０が内部に収容された水素発生部６に、貯水部２から給水経路１４を介して水が供給され、この水がカルシウムと反応して水素を発生する。給水経路１４に圧力調整弁１８が介在する。圧力調整弁１８には、水素発生部６内の水素の圧力が導入され、水素発生部６内の水素圧力が予め定めた値になるように、貯水部２からの水の供給を制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、水素発生装置と、この水素発生装置が発生する水素を燃料として使用する燃料電池とに関する。

燃料電池は、原理的には水素と酸素とを反応させて、電気を発生させる。そのために、水素を発生する水素発生装置が必要である。水素の発生装置としては、種々のものが提案されている。例えば特許文献１には、水を含む注入容器と、水と反応して水素を発生する水素化物を含む水素発生容器とを、連結部によって連結し、水素発生容器に注入容器から水を注入して、水素ガスを発生させるものが開示されている。特許文献１では、水素化物として、ＬｉＢＨ₄、ＬｉＡｌＨ₄、ＮａＢＨ₄、およびＮａＡｌＨ₄が示されている。また、燃料電池が備える制御部が、注入容器に設けられた空気ディスペンサを制御して、注入容器１内の水の加圧を制御して、水の注入の制御が行われている。

特開２００３−２０６１０１号公報

しかし、上記の水素発生装置では、水の注入制御を注入容器に設けた空気ディスペンサによって行わなければならず、注入容器の構成が複雑になり、コストが高くなっていた。さらに、注入容器における水の注入制御が、注入容器とは別個の燃料電池の制御部によって行われているので、水素発生容器における水素の発生状態に基づかずに水素の発生状態が制御され、水素の発生が過多になることがある。

本発明は、水素を安全に発生させることができる水素発生装置及びこの水素発生装置を使用した燃料電池を提供することを目的とする。

本発明による水素発生装置は、液体貯留部、例えば貯水部を有している。この液体貯留部内部には、液体、例えば水が収容されている。この液体と反応して水素を発生する物体、例えばカルシウムが内部に収容された水素発生部も設けられている。この水素発生部は、例えば液体貯留部の下方に配置され、液体貯留部から液体経路、例えば給水経路を介して液体、例えば水が供給される。この液体が、上記物体と反応して水素を発生する。この水素の拡散を防止するため、水素発生部は密閉されている。液体経路に圧力調整弁が介在している。この圧力調整弁には、水素発生部内の水素の圧力が導入され、水素発生部内の水素圧力が予め定めた値になるように、液体貯留部からの液体の供給が制御されている。

この水素発生装置では、水素発生部に供給する水の制御は、水素発生部における水素の圧力に基づいて行われているので、水素の発生量が多くなることがなく、安全性が高い。なお、物体としてカルシウムを、液体として水を使用すると、コストを低減することができる。

液体貯留部は、密閉されたものとすることができる。液体貯留部は、水素発生部の上方に配置され、貯留部と水素ガス発生部との間には、両者の圧力を同圧力とする同圧保持管が設けられている。このように構成しているので、たとえ水素ガス発生部の圧力が高くなっても、その圧力と同じ圧力に液体貯留部の圧力がなり、両者の位置エネルギーの差によって液体貯留部から液体が水素発生部に供給される。

水素発生部を複数設けることもできる。この場合、複数の水素発生部は、給水経路に切換接続可能である。例えば水素発生部ごとに圧力調整弁を設けた場合、これら圧力調整弁の入力側に切換手段、例えば切換弁を設ければよい。また、各水素発生部で発生した水素の貯留手段を各水素発生部に共通に設ける場合には、１つの圧力調整弁を各水素発生部に共通に設け、圧力調整弁の出力側に切換弁を設け、各水素発生部のうち１つに水を供給するように構成する。また、各水素発生部は、基部に着脱自在に設けられている。

このように構成すると、一つの水素発生部によって水素の発生が終了した場合、他の水素発生部に水を供給して水素の発生を継続させることができる。その間に水素の発生が終了した水素発生部を基部から取り外して、カルシウムを再収容することによって常に継続して、水素を発生することができる。

圧力調整部としては、可撓体を含むものとすることもできる。この可撓体は、前記液体貯留部内に設けられ、前記液体貯留部内に外気圧が導入された第１の部屋と、前記液体が導入されている第２の部屋とに区画し、第１及び第２の部屋の圧力差に応じて第１の部屋側または第２の部屋側に撓む。第２の部屋において前記液体経路に連通する弁座も設けられている。この弁座の開口度を調整可能に第２の部屋において前記可撓体に弁体が結合されている。なお、水素発生部と液体貯留部との間には同圧保持管が設けられている。

このように構成すると、液体経路及び同圧保持管を介して液体貯留部に導入された水素発生部の圧力が外気圧よりも低くなると、可撓体が第２の部屋側に凸に撓み、弁体が弁座を開く方向に移動し、液体が液体経路を介して水素発生部に供給され、水素が発生する。液体貯留部に導入された水素発生部の圧力が外気圧よりも高くなると、可撓体が第１の部屋側に撓み、弁体が弁座を閉じる方向に移動し、液体の供給量を減少させる。このように弁体が移動するので、水素発生部の圧力は、外気圧にほぼ等しい圧力に維持される。

上述したいずれかの水素発生装置で発生した水素は、燃料電池の燃料極に供給することができ、これによって燃料電池において発電することができる。

以上のように、本発明によれば、安全に水素を発生することができる。

本発明の第１の実施形態の水素発生装置は、例えば燃料電池に水素を供給するためのもので、図１に示すように、液体貯留部、例えば貯水部、具体的には貯水タンク２を有している。この貯水タンク２は、その上部に給水口２ａを有し、下部に排水口２ｂを有している。この貯水タンク２の内部には、液体として、例えば通常の水３が収容されている。符号４で示すのは、蓋である。この蓋４は、給水口２ａに気密に取り付けられている。

この貯水タンク２の下方に水素発生部６が配置されている。水素発生部６は、物体収容槽、例えばカルシウム収容タンク８を有している。このカルシウム収容タンク８の内部には、液体と反応して水素を発生する物体、例えばカルシウム１０が収容されている。カルシウム１０は、水と反応すると、水酸化カルシウムと水素を発生する。このカルシウム収容タンク８の上部開口８ａには、着脱自在に、基部、例えば上部開口８ａを被蓋する蓋１２が着脱自在に取り付けられている。この蓋１２は、上部開口８ａに気密に取り付けられている。

水素を発生させるために、給水タンク２から水３をカルシウム収容タンク８の内部に供給する必要がある。そのため、給水タンク２の排水口２ｂから蓋１２を貫通して、カルシウム収容タンク８の内部奥まで給水経路１４が形成されている。

給水経路１４における排水口２ｂと蓋１２との間には、開閉弁１６が設けられている。さらに、この開閉弁１６と蓋１２との間の給水経路１４中に圧力調整部、例えば圧力調整弁１８が設けられている。この圧力調整弁１８には、カルシウム収容タンク８内の圧力が導入されており、この圧力が予め定めた基準圧力になるように、水の供給量が圧力調整弁１８によって制御されている。従って、カルシウム収容タンク８の圧力が基準圧力を超えて過大になることはない。

また、例えば圧力調整弁１８の故障等によってカルシウム収容タンク８内の水素ガスの圧力が、予め定めた危険圧力（この圧力は基準圧力よりも大きい）以上になったとき、カルシウム収容タンク８から水素ガスを放出するために安全弁２０が設けられている。この安全弁２０への水素ガスの導入は、圧力調整弁１８への水素ガスの導入と同じ導入路を使用している。

さらに、このカルシウム収容タンク８において発生した水素を、燃料電池２２に供給するために、水素供給経路２４が、蓋１２を貫通してカルシウム収容タンク８から燃料電池２２まで伸延している。この水素供給経路２４中には、開閉弁２６が設けられている。燃料電池２２としては、例えば高分子電解質形のものを使用しているが、他の形式の燃料電池を使用することもできる。

カルシウム収容タンク８の内部と貯水タンク２の内部とは、同圧保持管２８を介して連通され、両者の圧力が等しくなるように構成されている。この同圧保持管２８の中途には、逆止弁３０が設けられている。この逆止弁３０は、貯水タンク２から水３がカルシウム収容タンク８に侵入することを防止するように設けられている。従って、何らかの原因で、貯水タンク２が傾いても、同圧保持管２８を介して水３がカルシウム収容タンク８に流入することを防止できる。

この水素発生装置では、開閉弁１６を開くと、水３がカルシウム収容タンク８に供給される。これによって、カルシウム収容タンク８内において水３とカルシウム１０とが反応して、水素と水酸化カルシウムとが発生する。ここで、カルシウム収容タンク８内の圧力が圧力調整弁１８に導入され、カルシウム収容タンク８の圧力が予め定めた基準圧力になるように、水３の供給量が調整される。例えばカルシウム収容タンク８の圧力が基準圧力よりも低い場合には、圧力調整弁１８により多くの水３がカルシウム収容タンク８に供給されるが、カルシウム収容タンク８の圧力が基準圧力よりも高いと、圧力調整弁１８による水３の供給量が減少させられる。カルシウム収容タンク８への水の供給の制御は、カルシウム収容タンク８の圧力に基づいてカルシウム収容タンク８に設けた圧力調整弁１８によって行われている。従って、カルシウム収容タンク８の圧力を基準圧力に維持することができ、安全性を確保することができる。

発生された水素は、開閉弁２６を開くことによって燃料電池２２の燃料極に供給され、空気極に供給された空気と反応して発電する。この水素の燃料電池への供給によってカルシウム収容タンク８の圧力が低下し、圧力調整弁１８の作用によって水３がカルシウム収容タンク８に供給され、カルシウム収容タンク８の圧力がほぼ基準圧力となる。

一方、同圧保持管２８によって、カルシウム収容タンク８の圧力と貯水タンク２の圧力とは等しくされている。従って、カルシウムタンク８の圧力が貯水タンク２の圧力よりも高すぎて、圧力調整弁１８が開いていても、カルシウム収容タンク８の高い圧力のために水３がカルシウム収容タンク８に落下しないということがなく、水３の供給を確実に行える。

本発明の第２の実施形態の水素発生装置は、図２に示すように、カルシウム収容タンク８が、複数、例えば２台のタンク８０、８２から構成されている。これらタンク８０、８２は、着脱自在に蓋１２に取り付けられている。給水経路１４は、圧力調整弁１８の下流側に方向切換弁３２が設けられている。この方向切換弁３２の切換によって、タンク８０、８２の一方に水３が供給される。

タンク８０、８２で発生した水素は、水素貯留タンク３４に貯留され、これから水素供給経路２４を介して燃料電池２２に水素が供給されている。また、この水素貯留タンク３４から、水素が圧力調整弁１８及び安全弁２０に供給され、この水素貯留タンク３４から同圧保持管２８が貯水タンク２に接続されている。

また、貯水タンク２には、ポンプ３６を備えた給水手段、例えば給水器３８が設けられ、さらに水位計４０も貯水タンク２に設けられている。水位計４０に表示された水位が予め定めた水位よりも低下すると、ポンプ３６を手動によって作動させることによって給水器３８から貯水タンク２に水を供給する。

この水素発生装置によれば、タンク８０、８２の一方のタンクに水３を供給して水素を発生し、このタンク内のカルシウム１０と水３とでは水素の発生が終了した場合、方向切換弁３２を他方のタンクに切り換え、他方のタンクに水３を供給して水素の発生を継続させる。この間に、水素の発生が終了したタンクを蓋１２から取り外し、新たなカルシウム１０をその内部に収容する。そして、他方のタンクにおいて水素の発生が終了すると、再び方向切換弁３２を切り換え、一方のタンクに溝を供給する。このように構成することによって、継続して水素を発生させることができる。

第３の実施の形態の水素発生装置は、図３に示すように、圧力調整弁１８ａが貯水タンク２内に設けられている以外、第１の実施の形態と同様に構成されている。同等部分には、同一符号を付して、その説明を省略する。

圧力調整弁１８ａは、貯水タンク２内に容器１００を有している。この容器１００内には、その内部を例えば上下２つの部屋、即ち第１の部屋１００ａと第２の部屋１００ｂとに区画する可撓体１０２が設けられている。可撓体１０２は、ほぼ水平に配置され、第１及び第２の部屋１００ａ、１００ｂを気密に区画している。可撓体１０２としては、例えば薄いステンレス板を使用することができる。

第１の部屋１００ａには、外気圧導入管１０４を介して外気圧が導入されている。また、第２の部屋１００ｂには、貯水タンク２内に連通する連通孔１０６が形成されている。

第２の部屋１００ｂの下部には、給水経路２４に連通して、例えば開口である弁座１０８が形成されている。この弁座１０８の開口度を調整可能に弁体１１０が弁座１０８に設けられている。即ち、弁体１１０は、例えば第２の部屋１００ｂ側から第１の部屋１００ａ側に向かうに従って幅が縮小している円錐台状に形成され、上方に弁体１１０が移動したとき弁座１０８の開口度を小さくし、下方に弁体１１０が移動したとき弁座１０８の開口度を大きくする。

同圧保持管２８を介して貯水タンク２の圧力は、カルシウム収容タンクと同じ圧力とされているので、第２の部屋１００ｂの圧力もカルシウム収容タンクの圧力と同じ圧力である。可撓体１０２は、第１の部屋１００ａの圧力（外気圧）が第２の部屋１００ｂの圧力よりも高いと、第２の部屋１００ｂ側に凸に撓む。これに伴って弁体１１０が下方に移動し、弁座１０８の開口度が大きくなる。また第１の部屋１００ａの圧力が第２の部屋１００ｂの圧力よりも低いと、第１の部屋１００ａ側に凸に撓む。これに伴って弁体１１０が上方に移動し、弁座１１０の開口度が小さくなる。このように弁体１１０が移動するので、貯水タンク２内の圧力は、ほぼ大気圧に維持される。

上記の各実施の形態では、貯水タンク２からの給水は、給水タンク２をカルシウム収容タンクよりも上方に位置させたことによる位置エネルギーの相違を用いて行ったが、例えばポンプ等を用いて給水することもできる。その場合、給水タンク２とカルシウム収容タンクとを同一高さに並べて配置することもできる。また、第２の実施の形態におけると同様に、第１及び第３の実施の形態においても、ポンプ３６を備えた給水器３８と、水位計４０を設けることも可能である。第３の実施の形態では、容器１００を設けて、その内部を第１及び第２の部屋１００ａ、１００ｂを形成したが、容器１００を設けずに、適切な大きさの筒状体を貯水タンク２の内部に設け、その下面に可撓体１０２を設け、可撓体１０２よりも上部の筒状体内に外気圧導入管１０４を設けることも可能である。また、上記の各実施の形態では、水とカルシウムとを使用して水素を発生させたが、両者が反応して水素を発生させることが可能な液体と物体とではあれば種々のものを使用することができる。例えば、液体として酸性の水溶液を、物体として少なくとも一部が水素よりもイオン化傾向の大きい金属をそれぞれ使用することもできるし、液体として水またはアルコールの液体を、物体として水またはアルコールと反応して水素を発生する水素化物を使用することができる。

本発明の第１の実施形態の水素発生装置を備えた燃料電池システムの構成図である。 本発明の第２の実施形態の水素発生装置を備えた燃料電池システムの構成図である。 本発明の第３の実施形態の水素発生装置の要部の構成図である。

符号の説明

２ 貯水タンク（液体収容部）
６ 水素発生部
８ ８０ ８２ カルシウム収容タンク
１４ 給水経路
１８ １８ａ 圧力調整弁
２４ 給水経路（液体経路）

Claims (5)

1. 液体が貯留されている液体貯留部と、
   前記液体と反応して水素を発生する物体が内部に収容され、前記液体貯留部から液体経路を介して前記液体が供給される密閉された水素発生部と、
   前記液体経路に介在し、前記水素発生部内の水素の圧力を導入し、前記水素発生部内の水素圧力が予め定めた値になるように、前記貯水部からの水の供給を制御する圧力調整部とを、
   具備する水素発生装置。
2. 請求項１記載の水素発生装置において、前記液体貯留部は、密閉され、前記液体貯留部及び水素発生部間に同圧保持管が設けられている水素発生装置。
3. 請求項１記載の水素発生装置において、前記水素発生部が複数設けられ、これら複数の水素発生部は、前記給水経路に切換接続可能であって、前記各複数の水素発生部は、基部に着脱自在に設けられている水素発生装置。
4. 請求項２記載の水素発生装置において、前記圧力調整部は、前記液体貯留部内に設けられ前記液体貯留部内に外気圧が導入された第１の部屋と前記液体が導入されている第２の部屋とに区画し第１及び第２の部屋の圧力差に応じて第１の部屋側または第２の部屋側に撓む可撓体と、第２の部屋において前記液体経路に連通する弁座と、この弁座の開口度を調整可能に第２の部屋において前記可撓体に結合された弁体とを、有する水素発生装置。
5. 請求項１、２または３記載の水素発生装置によって発生した水素を導入する燃料電池を備えた燃料電池システム。

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