JP2006069875A - 水素ガス発生装置及び水素ガス発生システム - Google Patents

Abstract

【課題】特に携帯機器のような小型の機器に搭載する燃料電池に対して水素ガスを供給するのに好適であり、装置全体の小型化やメンテナンス性を考慮した水素ガス発生装置を提供する。
【解決手段】燃料電池に供給する水素ガスを発生させるための水素ガス発生装置２であって、長手方向に延びた形状を有し、純鉄タブレット１２が収容される第１収容ケース１０と、この第１収容ケース１０に対し水もしくは水蒸気を導入するための導入管４と、導入された水もしくは水蒸気と第１収容ケース１０の純鉄タブレット１２とを反応させることで発生した水素ガスを導出させるための導出管５と、第１収容ケース１０に隣接配置され、第１収容ケース１０と同じ長手方向に延びた形状を有すると共に、純鉄タブレット１３が収容される第２収容ケース１１と、この第２収容ケース１１内に収容された純鉄タブレット１３と反応させる空気を導入するための開口部１１ａとを備え、第２収容ケース１１における空気と純鉄の反応による発熱を第１収容ケース１０へ伝達可能に構成した。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池に供給する水素ガスを発生させるための水素ガス発生装置及び水素ガス発生システムに関するものである。

燃料電池は、他の発電システムに比べると発電効率が高く、大気を汚染する物質を生成しないという点で注目されているエネルギー源である。燃料電池で発電を行わせるために、カソードへ空気（酸素）を供給し、アノードへ水素を供給する。水素はアノードでの触媒反応によって水素イオン及び電子となり、水素イオンは電解質内を移動し、カソードの触媒反応により酸素と反応して水となる。一方、電子は外部回路を伝わってカソードに移動する。この電子の移動により電気エネルギーが発生することになる。

以上のように、燃料電池には燃料としての水素を供給する必要がある。そこで水素を発生するための装置が種々知られており、例えば、下記特許文献１に開示されている。この文献に開示される水素ガス発生装置は、水を収容するためのタンクと、水との化学反応により水素を生成する金属を収容する反応容器と、この反応容器に近接配置される加熱手段と、タンクに収容された水を反応容器に導入するための導入管と、反応容器で生成した水素及び未反応の水をタンク内に導入する戻り管と、タンク内の水素及び水を排出する排出管とを備えている。

この従来技術に係る水素ガス発生装置の場合、次のような課題を有する。すなわち、 反応容器における反応を効率良く行わせるためには、反応に適した温度に加熱する必要があるが、そのために従来技術においても加熱手段が設けられている。この加熱手段としては、抵抗加熱によるヒータや、正特性サーミスタ、化学反応の酸化熱を利用する加熱器、触媒燃焼による加熱器、誘導加熱による加熱器を用いることが開示されている。

しかしながら、抵抗加熱やサーミスタを用いる場合は、別途加熱させるための電気回路が必要となる。従って、水素ガス発生装置のサイズが大きくなるため、携帯機器に燃料電池を搭載しようとするときに、サイズの点がネックになる可能性がある。また、化学反応の酸化熱を利用する加熱器等については、具体的な開示がない。かかる場合にも携帯機器のような小型の機器に搭載する場合には、装置全体のサイズの小型化やメンテナンス等について使い勝手がよくなるような配慮を行う必要がある。
特開２００４−１４９３９４号公報（要約、図１，２、段落００２４等）

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、その課題は、特に携帯機器のような小型の機器に搭載する燃料電池に対して水素ガスを供給するのに好適であり、装置全体の小型化やメンテナンス性を考慮した水素ガス発生装置及び水素ガス発生システムを提供することである。

上記課題を解決するため本発明に係る水素ガス発生装置は、
燃料電池に供給する水素ガスを発生させるための水素ガス発生装置であって、
長手方向に延びた形状を有し、鉄が収容される第１収容空間部と、
この第１収容空間部に対し水もしくは水蒸気を導入するための第１導入部と、
導入された水もしくは水蒸気と第１収容空間部内の鉄とを反応させることで発生した水素ガスを導出させるための導出部と、
第１収容空間部に隣接配置され、第１収容空間部と同じ長手方向に延びた形状を有すると共に、鉄が収容される第２収容空間部と、
この第２収容空間部内に収容された鉄と反応させる空気を導入するための第２導入部とを備え、
第２収容空間部における空気と鉄の反応による発熱を第１収容空間部へ伝達可能に構成したことを特徴とするものである。

この構成による水素ガス発生装置の作用・効果を説明する。この水素ガス発生装置は、長手方向に延びた形状を有する第１収容空間部と、同じ長手方向に伸びた形状を有する第２収容空間部とが隣接配置されている。第１収容空間部には、鉄が収容されており、第１導入部から導入された水もしくは水蒸気と反応すると、水素ガスを発生する。発生した水素ガスは、導出部から導出され燃料電池へと供給されることになる。また、第２収容空間部にも鉄が収容され、第２導入部から導入される空気と反応する。この鉄と空気の酸化反応により、熱が発生し、第１収容空間部を加熱させることができる。これにより、水素ガスを発生させるための鉄と水（水蒸気）との反応を促進させることができ、水素ガスを発生する時の効率を高めることができる。また、第１収容空間部と第２収容空間部とは、隣接配置されるので、発熱を有効に利用することができる。発熱させるために必要なのは、鉄と空気であり、電気回路などの余分な要素は必要ない。また、空気の導入はポンプなどの機構を用いなくても容易に供給できるので、加熱器としての構成を極めて簡素化することができる。これにより、装置全体の小型化に寄与することができる。

さらに、第１収容空間部と第２収容空間部には両方とも鉄が収容される。従って、反応が進んで鉄が消費された場合にでも、同じ種類の鉄を使用することも可能であるから、メンテナンスを容易に行うことができる。その結果、特に携帯機器のような小型の機器に搭載する燃料電池に対して水素ガスを供給するのに好適であり、装置全体の小型化やメンテナンス性を考慮した水素ガス発生装置を提供することができる。

本発明において、前記第１収容空間部及び第２収容空間部は、共に薄板平板状に形成されると共に、第１収容空間部の一側平面もしくは両側平面に第２収容空間部が隣接配置されることが好ましい。

第１・第２収容空間部を薄板平板状に形成することで、装置全体の薄型化を図ることができ、携帯機器などの小型の機器に搭載するのに好適となる。第２収容空間部は第１収容空間部に隣接して配置されるが、第１収容空間部を挟むように両側に隣接配置することが好ましい。これにより、装置全体の薄型化を維持しながらも、両側から加熱することで、効率良く熱の伝達を行うことができる。

本発明において、第１収容空間部に収容される鉄は、タブレットで構成されることが好ましい。特に、その内部に水又は水蒸気の流路が形成されていることが好ましい。

タブレットの形で鉄を供給することで、取り扱いも容易になり、より多くの鉄を第１収容空間部に収容することができる。また、タブレットの内部に流路を形成することで、水や水蒸気と鉄との反応を効率良く行わせることができる。

本発明において、第１収容空間部に収容される鉄は、薄型平板状のタブレットを複数積層して構成され、その層間に水又は水蒸気の流路が形成されることが好ましい。

薄型平板状のタブレットを複数積層し、これらタブレットの層間に流路を形成してもよい。この層間に水もしくは水蒸気が供給されることで、水や水蒸気と鉄との反応を効率良く行わせることができる。

本発明に係る第１収容空間部は、第１導入部に近い側に、導入された水を保持するための水保持体が収容され、第２収容空間部による発熱により、水保持体に保持された水を水蒸気に変化させて、第１収容空間部内の鉄に供給するように構成することが好ましい。

第１収容空間部に水を導入する場合は、第１導入部に水を保持するための水保持体（例えば、脱脂綿）を収容しておくことが好ましい。これにより、水は水保持体に保持された状態で、第２収容空間部による発熱で加熱され、水蒸気となる。これにより、水を導入した場合であっても、水蒸気で鉄に供給することができ、水素ガスを発生させるための化学反応を効率良く行うことができる。

本発明において、第１収容空間部内の水保持体と鉄とを仕切るためのネット状部材を配置することが好ましい。かかるネット状部材により、水保持体と鉄とを確実に分離させて配置することができる。これにより、確実に、水を水蒸気に変化させた後に、鉄に供給することができる。

上記課題を解決するため本発明に係る水素ガス発生システムは、
本発明に係る水素ガス発生装置と、
水を収容する水容器と、
水容器と第１導入部とを接続する配管部材と、
水容器内の水を加熱させて水蒸気を発生させるための加熱部とを備えていることを特徴とするものである。

本発明に係る水素ガス発生装置を設けることにより、既に述べてきたように、特に携帯機器のような小型の機器に搭載する燃料電池に対して水素ガスを供給するのに好適であり、装置全体の小型化やメンテナンス性を考慮した水素ガス発生システムを提供することができる。また、水容器と水容器内の水を加熱するための加熱部を設けることで、水を水蒸気に変化させた後に、水素ガス発生装置に供給することができる。

本発明において、加熱部には、鉄が収容され、この鉄と空気を反応させることで発熱をさせるようにすることが好ましい。鉄を用いることで、水素ガス発生装置と同じ材料を使用することになり、メンテナンス性を考慮したシステムとすることができる。

本発明に係る水素ガス発生システムの好適な実施形態を図面を用いて説明する。図１は、水素ガス発生システム１の構成を示す概念図である。水素ガス発生システム１は、大きく分けて水素発生装置２と水蒸気発生装置３から構成されている。

水素発生装置２は、燃料電池へ供給すべき燃料ガスとしての水素ガスを発生させる機能を有しており、第１収容ケース１０と第２収容ケース１１とから構成されている。水素発生装置を底面側から見た斜視図は図２に示され、内部構造を示す断面図は図３に示される。

第１収容ケース１０は、薄板平板状の略直方体に成形されている。第１収容ケース１０は、一側面に導入管４（第１導入部に相当）が接続されており、この導入管４を介して水蒸気が供給される。この一側面と対向する面である他側面には導出管５（導出部に相当）が接続されており、第１収容ケース１０内で発生された水素ガスが導出される。この導出管５は、燃料電池（不図示）へと接続されており、発生した水素ガスは燃料電池へ供給されることになる。

第２収容ケース１１も、薄板平板状の直方体に成形されている。この第２収容ケース１１内には、水素ガスを発生する化学反応を促進させるための加熱手段としての機能が搭載されている。

水蒸気発生装置３は、水収容容器３０と加熱部３１とを有している。水収容容器３１には、水が収容されており、これが加熱部３２により加熱されると水蒸気となり、導入管４を介して第１収容ケース１０へと供給される。水蒸気は、その蒸気圧により自然供給できるので、ポンプのような供給手段は必要なく、装置を小型化することができる。

＜水素発生装置の構成＞
次に、図２，３を利用して水素発生装置の詳細を説明する。第１収容ケース１０の内部は、第１収容空間部として機能し、純鉄（鉄の１例）のタブレット１２が収容される。このタブレット１２は、純鉄の粉末を金型内で圧縮成形することで製造することができる。導入管４から水蒸気が供給されると、次のような化学反応により水素ガスが発生する。

［化１］
４Ｈ₂Ｏ＋３Ｆｅ → Ｆｅ₃Ｏ₄＋４Ｈ₂
すなわち、純鉄Ｆｅの粒子に水蒸気を供給すると、これらが反応し、酸化鉄と水素ガスを生成する。この化学反応では、二酸化炭素や一酸化炭素のような環境に対して悪影響を与えるガスを発生しない。すなわち、クリーンなエネルギーであるということができる。水素ガスのみ（純水素）が、燃料電池セルに対して供給されることになる。

この化学反応は、２００℃〜４００℃程度で行われる。また、従って、第１収容ケース１０内が上記温度範囲となるようにするために、第２収容ケース１１内に加熱手段を設けており、以下これを説明する。

図３にも示すように、第２収容ケース１１内にも純鉄（鉄の１例）のタブレット１３が収容される。従って、第２収容ケース１１の内部は、第２収容空間部として機能する。タブレット１３は、第１収容ケース１０内に用いるものと同じものを使用してもよい。第２収容ケース１１の底面には、図２に示すように多数の開口部１１ａ（第２導入部に相当）が一体形成されている。この開口部１１ａは空気を取り入れるために設けられている。この空気と純鉄タブレット１３とが化学反応することで発熱する。この熱を利用して、第１収容ケース１０内の化学反応を促進させる。

熱を伝えやすくするために、第１・第２収容ケース１０，１１は、共に金属材料で成形される。例えば、金属材料を絞り加工あるいは押し出し加工することで、ケースの形に成形することができる。金属材料としては、展性に優れたアルミニウムが最も好ましく、その他、Ｈｖが２００以下であれば、ステンレス、銅、しんちゅう等を使用することができる。

第１・第２収容ケース１０，１１は、共に薄板平板状の直方体（あるいは、略直方体）である。これらは、共に長手方向に沿って延びた形状を有している。図１，２，３において、長手方向とは、水蒸気が導入される方向であり、発生した水素ガスが導出される方向である。第１・第２収容ケース１０，１１の長手方向の長さは同じに設定されており、第２収容ケース１１内で発生した熱を、第１収容ケース１０内に均等に（全域に）伝導できるようにしている。また、第１・第２収容ケース１０，１１の幅方向（長手方向と直交する方向）の長さもほぼ同じように設定される。この幅寸法は、発生させるべき熱容量や水素ガスの量を考慮して、適宜決めることができる。

第１収容ケース１０と第２収容ケース１１とは、密着した状態で隣接配置される。これにより、熱を伝導しやすくできる。密着して固定する方法としては、例えば、接着剤や両面テープなどを用いることができる。あるいは、機械的な挟持手段で両者を結合するようにしてもよい。

第１収容ケース１０の具体的なサイズ（内容積）としては、３３ｍｍ×４６ｍｍ×８ｍｍ程度、第２収容ケース１１の具体的なサイズ（内容積）としては、３３ｍｍ×４６ｍｍ×５ｍｍ程度、材料の厚みとしては１〜２ｍｍ程度にすることができる。

＜タブレットの構成＞
次に第１収容ケース１０内に収容されるタブレット１２の好ましい形態を図４により説明する。図４（ａ）に示すように、タブレット１２内部に流路１２ａを形成することが好ましい。流路１２ａが形成されていないタブレット１２の場合は、水蒸気と反応するのはタブレット１２の表面のみであるが、流路１２ａを形成することで、水蒸気がタブレット１２内部も通過できるので、水素ガスを効率良く発生することができる。

図４（ｂ）は別実施形態であり、ごく薄型平板状のタブレット１２ｂを複数積層してユニット化したものである。積層する際に支持部材１２ｃを介在させた状態で積層させる。これにより、タブレット１２ｂ間に隙間が形成され、この隙間を水蒸気が通過することができる。これにより、反応を促進させて水素ガスを効率良く発生することができる。

なお、第２収容ケース１１におけるタブレット１３も同様の構成とし、空気と純鉄との反応を促進させるようにしてもよい。

図１において、水蒸気発生装置３の加熱部３１を説明したが、この加熱部３１の構成を、第２収容ケース１１と同じようにすることができる。

＜水素発生装置の第２実施形態＞
次に、水素発生装置の第２実施形態を図５により説明する。第１実施形態は、水蒸気を導入する構成であったが、第２実施形態では水を導入し、水素発生装置内で水を水蒸気に変化させる。

そのために、第１収容ケース１０内の第１収容空間部を仕切っており、導入管４に近いほうに脱脂綿１４（水保持体に相当）を収容し、残りの空間をタブレット１２が収容される空間とする。空間を仕切るためにネット状部材１５が配置されており、ネットを介して発生した水蒸気がタブレット１２の方向に導かれる。脱脂綿１４を設けることで、水のままでタブレット１２に供給されることを抑制することができる。

第１・第２収容ケース１０，１１の長手方向の長さ設定は、第１実施形態と同じでよい。つまり、第２収容ケース１１内の発熱により、脱脂綿１４に保持されている水を加熱して水蒸気を発生させると共に、純鉄タブレット１２と発生した水蒸気との化学反応をも促進させる。なお、導入管４を介して水を供給するためにポンプ１６が設けられている。

＜水素発生装置の第３実施形態＞
次に、水素発生装置の第３実施形態を図６により説明する。第１実施形態と第２実施形態では、第２収容ケース１１は第１収容ケース１０に隣接して１箇所のみ配置されていたが、図６に示すように、第１収容ケース１０の両側に隣接配置させてもよい。これにより、両側から熱を伝導できるので、更に効率良く水素ガスの発生を行うことができる。図５に示す構成に付いても、同じように両側に第２収容ケース１１を配置させることができる。

＜効果＞
以上のように、本発明に係る水素発生装置２は、長手方向に延びた収容ケース１０，１１により水素発生装置２を構成しており、特に、薄型平板状に形成することで、装置全体を薄型化し、かつ小型化することができる。これにより、携帯機器（ＰＤＡ、携帯電話、ノートパソコンなど）に搭載するのに適した水素ガス発生システムとすることができる。

また、水素ガスの発生や加熱手段を構成するのに、純鉄（タブレット）を使用しており、その取り扱いが容易になる。水蒸気発生装置３の加熱部３１についても純鉄タブレットを使用することで、更に取り扱いが容易になる。また、タブレットを消費した場合など、メンテナンスも容易になる。

また、発生した水素ガスは、そのまま燃料電池へ供給させるように構成すれば、更に構成を簡素化することができる。先にあげた特許文献１のように水素ガスを水タンクに戻す構成の場合は、構成が複雑化し、小型化という面で支障が生じる。

＜別実施形態＞
本実施形態では、純鉄のタブレット１２，１３を収容する構成を説明したが、純鉄の微粉末を収容する構成を採用してもよい。また、タブレットにする場合でも、その形状は任意に設定することができる。また、収容するタブレットの個数は、１個に限定されるものではなくサイズの小さいものを複数個収容してもよい。これにより、水蒸気や空気の流路を確保することができる。

本実施形態では、第１・第２収容ケース１０，１１は、略直方体であるが、これに限定されるものではない。長手方向に延びた円形断面・楕円断面・長円断面などに形成してもよい。直方体の幅・長さ・厚みは適宜設定することができる。第１・第２収容ケース１０，１１をお互いに密着させる面は長方形であるが、正方形としてもよい。形状に付いては、特に限定されるものではない。

導入管４や導出管５を取り付ける位置に付いては、適宜変更可能である。また、導入管４や導出管５の設置個数についても適宜変更可能である。導入管４や導出管５の材質に付いては、金属製や樹脂製（ゴム性）のものなど、適宜の材質のものを採用することができる。

水素ガス発生システムの構成を示す概念図 水素発生装置の構成を示す斜視図 水素発生装置の内部構造を示す断面図 純鉄タブレットの構成を示す図 第２実施形態に係る水素発生装置の内部構造を示す断面図 第３実施形態に係る水素発生装置の内部構造を示す断面図

符号の説明

１ 水素ガス発生システム
２ 水素発生装置
３ 水蒸気発生装置
４ 第１導入管
５ 導出管
１０ 第１収容ケース
１１ 第２収容ケース
１２ 純鉄タブレット
１２ａ 流路
１２ｂ 薄型平板状タブレット
１２ｃ 支持部材
１３ 純鉄タブレット
１４ 脱脂綿（水保持体）
１５ ネット状部材

Claims (9)

1. 燃料電池に供給する水素ガスを発生させるための水素ガス発生装置であって、
   長手方向に延びた形状を有し、鉄が収容される第１収容空間部と、
   この第１収容空間部に対し水もしくは水蒸気を導入するための第１導入部と、
   導入された水もしくは水蒸気と第１収容空間部内の鉄とを反応させることで発生した水素ガスを導出させるための導出部と、
   第１収容空間部に隣接配置され、第１収容空間部と同じ長手方向に延びた形状を有すると共に、鉄が収容される第２収容空間部と、
   この第２収容空間部内に収容された鉄と反応させる空気を導入するための第２導入部とを備え、
   第２収容空間部における空気と鉄の反応による発熱を第１収容空間部へ伝達可能に構成したことを特徴とする水素ガス発生装置。
2. 前記第１収容空間部及び第２収容空間部は、共に薄板平板状に形成されると共に、第１収容空間部の一側平面もしくは両側平面に第２収容空間部が隣接配置されることを特徴とする請求項１に記載の水素ガス発生装置。
3. 第１収容空間部に収容される鉄は、タブレットで構成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の水素ガス発生装置。
4. 前記タブレットは、その内部に水又は水蒸気の流路が形成されていることを特徴とする請求項３に記載の水素ガス発生装置。
5. 第１収容空間部に収容される鉄は、薄型平板状のタブレットを複数積層して構成され、その層間に水又は水蒸気の流路が形成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の水素ガス発生装置。
6. 前記第１収容空間部は、第１導入部に近い側に、導入された水を保持するための水保持体が収容され、第２収容空間部による発熱により、水保持体に保持された水を水蒸気に変化させて、第１収容空間部内の鉄に供給するように構成したことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の水素ガス発生装置。
7. 第１収容空間部内の水保持体と鉄とを仕切るためのネット状部材を配置したことを特徴とする請求項６に記載の水素ガス発生装置。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の水素ガス発生装置と、
   水を収容する水容器と、
   水容器と第１導入部とを接続する配管部材と、
   水容器内の水を加熱させて水蒸気を発生させるための加熱部とを備えていることを特徴とする水素ガス発生システム。
9. 前記加熱部には、鉄が収容され、この鉄と空気を反応させることで発熱をさせるようにしたことを特徴とする請求項８に記載の水素ガス発生システム。

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