JP2006521277A

JP2006521277A - 水素ガス発生装置

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Publication number: JP2006521277A
Application number: JP2006507770A
Authority: JP
Inventors: スンシクチャ; ジョングンパク
Original assignee: テムコカンパニーリミテッド; スンシクチャ
Priority date: 2003-03-28
Filing date: 2004-03-25
Publication date: 2006-09-21
Also published as: WO2004085307A1; US20060185242A1; DE112004000485T5

Abstract

ここに開示したのは、水素燃料電池用の自動制御式水素ガス発生装置である。本自動制御式水素ガス発生装置には、指定容量を有する内部空間を規定すると共に内部空間に連通する水素出口を備える燃料タンク、水素貯蔵材料を含有し燃料タンクに貯蔵される燃料溶液、および水素ガスを発生するために燃料溶液と接触する触媒が含まれており、触媒と燃料溶液間の接触を中断するための閉鎖部、および燃料溶液に接触する開放部を備える触媒反応装置が触媒によって充填され、したがって、水素ガスの発生と中断を燃料タンク圧力の増減に基づいて能動的に制御することができる。

Description

本発明は、自動制御式水素ガス発生装置に関するものであって、より具体的には外力の有無に拘わらず燃料タンク内に発生した水素ガス量に基づく燃料タンク内の圧力変動に起因する水素ガス発生を能動的に制御するための水素ガス発生装置に関するものである。

最近になって、産業開発により生活の質が改善されているが、エネルギー需要の急速な増加のため環境汚染および化石燃料の枯渇という重大な問題が引き起こされている。

石油を始めとする化石燃料枯渇の可能性を防ぐため、世界のすべての国が代替エネルギー源の開発と熱心に取り組んでいる。特に、従来の化石燃料の使用法により、重大な環境 (空気) 汚染が引き起こされ、それによって地球温暖化と環境破壊が促進されている。大気汚染の主な要因が工場または車両から排出される一酸化窒素、炭化水素および二酸化炭素であることは周知されている。

これらの排ガスによりオゾン層が破壊され、それによって有害な太陽光線が地球表面に直接に伝達されており、気候変化の発生、生態系の破壊、および種々疾患のようなさまざまな自然災害が引き起こされている。

化石燃料使用に起因して発生した空気公害を低減するために、クリーン燃料の開発が急速に発達している。

特に、水素をエネルギー源として用いる代替クリーンエネルギーの開発が推奨されている。豊富な地球資源である水素は酸素と反応して大量のエネルギーを発生するが、その副生成物は水のみであるので、エネルギー資源の枯渇問題と環境汚染問題を同時に解決する唯一の手段であろう。

しかしながら、水素をエネルギー資源として使用するためには、水素発生および発生した水素の安全な貯蔵と運搬に起因する技術的問題を解決する必要がある。具体的には、水素が、車両に適用される水素エンジンまたは水素燃料電池のような移動機器用の燃料として用いられる場合、または小型 IT (情報技術) 電子装置に適用される水素燃料電池として用いられる場合は、機器内に収納できる燃料量が制限されるので、高エネルギー密度を維持するために燃料タンクの容積と重量を最小化する技術が本質的に必要とされる。

さらに具体的には、水素が車両用および IT 電子装置用の水素燃料電池の燃料として用いられる場合、車両および IT 電子装置の性能は燃料の貯蔵法および燃料タンク容量の影響を受ける。それ故に、水素の発生法と貯蔵法が先導技術として考慮されている。液体水素貯蔵法、気体水素貯蔵法および固体水素貯蔵法が現在推奨されている水素貯蔵法である。

液体水素貯蔵法は、水素を低温に維持することによって液体化するので、水素貯蔵密度を大いに増加できるという利点がある。但し、液体化水素の自然損失を低減する必要があり、また、極低温冷却に起因するエネルギー損失も考慮しなくてはならない。

気体水素貯蔵法では、水素に高圧をかけ、次いで圧縮水素を貯蔵する。移動機器用に好適なエネルギー密度を得るためには数百大気圧を水素にかける必要があるので、エネルギー消費が増加する上、超高圧水素の安全な貯蔵法も必要とされる。

固体水素貯蔵法は室温および低圧力で使用可能であるので安全面で優れており、エネルギー損失が低減できることに利点があるが、水素貯蔵材料の高密度に起因して単位重量当たりのエネルギー密度が低いことに欠点がある。たとえば、最近になって人々の注目を集めている水素燃料電池車両では、その燃料としてガソリンまたは軽油の代わりに水素が使用されている。

水素燃料電池車両の燃料として水素を使用をするには、大量の水素を貯蔵容器に貯蔵する必要がある。従来の固体水素貯蔵法を上記水素燃料電池車両に適用する場合、水素燃料電池車両の走行距離がガソリンを燃料源として用いる車両の半分しかないので、従来の固体水素貯蔵法を商業的に用いることを困難にしている。上記問題を解決するための固体水素貯蔵の一法によれば、触媒を水素貯蔵材料を溶解することによって得た燃料溶液と接触させて水素を発生させている。水素は大気圧下で液体状態にて貯蔵することが可能なので、この方法には高い安定性と高い水素貯蔵容量があり、したがって移動機器に適用できる性能がある。

上記方法では、燃料溶液と触媒間の反応を利用して水素を発生している。よって、本方法で水素発生を開始または停止するためには、ポンプを用いて燃料溶液を触媒に供給または供給の防止を行うことによる方法か、もしくはモーターを用いて触媒と燃料溶液を接触または分離させることによる方法を用いて、触媒を燃料溶液と接触させる工程および触媒を燃料溶液から分離する工程が必要とされる。

具体的には、上記方法を水素燃料電池を備えた移動機器に用いる場合、移動機器が必要とする水素量を超える量の水素が発生すると、水素は水素燃料電池に蓄積され、システム圧力が増加する。この場合、システム内圧力を指定値以下に維持するため、蓄積された水素を排出し、センサーを用いて圧力と供給水素量を測定し、外部の機械的エネルギーを用いて燃料溶液から触媒を分離することによって触媒反応量を制御するか、あるいは水素貯蔵材料を含む燃料溶液の供給量を可変的に制御するための装置がシステム内に追加的に設置する必要があるので、システム構造が複雑化し、システム容積が増加してしまう。それ故に、本システムの使用には制限がある。

上記の問題を解決するため、そして燃料溶液と触媒固定部に装着した触媒間の接触面積を増加するための実施形態が不適切なため、さまざまな実施形態が必要となる。さらに、燃料タンク内で発生した微細な湿気粒子を含有する水素ガスが気体-液体分離膜と衝突する際に、泡沫状態の水素ガスに含有される湿気が気体-液体分離膜の微細な空気孔を閉塞することを防止するための技術的解決法および手段も必要とされる。さらに、微細な湿気粒子を含有する燃料溶液から流出する水素ガスが気体-液体分離膜と衝突する場合、泡沫状態の水素ガスに含有される湿気が気体-液体分離膜の微細な空気孔を閉塞することを防止して装置の性能を改善するための技術的手段も必要となる。

以上の点から、本発明は上記問題を考慮して成されたものであり、本発明の目的は、外部エネルギー源なしに初期段階で能動的に自力作動型で、エネルギー源としての機能を果たす水素ガスを発生および供給し、それによって水素ガスがクリーンな代替エネルギーとしてとして用いられることを可能にし、環境汚染を防止し、水素ガスの有用性を増加する自動制御式水素ガス発生装置を提供することである。

本発明の別の目的は、簡単な構造および最小容積を有し、それによって水素を燃料として用いる装置、システムおよび移動機器に水素ガスを商業的に適用することができる自動制御式水素ガス発生装置を提供することである。

本発明のさらに別の目的は、触媒を装着し、水素ガスを発生するために燃料溶液に接触する触媒固定部材が大量の水素ガスを発生するための種々の形状を有し、固定燃料タンク、移動および携帯用機器の構造が燃料タンク内で発生した水素ガスを効率的に排出して気体-液体分離膜を通過させるために改善された性能を持つように構築されている自動制御式水素ガス発生装置を提供することである。

本発明によれば、上記および他の目的は、下記を具備する水素燃料電池用の自動制御式水素ガス発生装置を提供することによって達成することができる。内部空間に連通する水素出口を備え、指定容量を有する内部空間を規定する燃料タンク;燃料タンク内に貯蔵される、水素貯蔵材料を含む燃料溶液; および水素ガスを発生するために燃料溶液に接触する触媒。ここでは、ガスの発生と中断を燃料タンク圧力の増減に基づいて能動的に制御することができるように、触媒によって充填される触媒反応装置には、触媒と燃料溶液間の接触による水素ガス発生に起因して燃料タンクの圧力が増加する場合に水素ガス発生を停止するために触媒と燃料溶液間の接触を妨げるための閉鎖部、および燃料電池による発生水素ガスが使用されるために燃料タンク圧力が減少する場合に水素ガスを発生するために燃料溶液に接触する開放部を設けるものとする。

好ましくは、触媒反応装置には、水素ガス発生を制御するために水素ガス発生に起因する燃料タンク圧力の増減に基づいて閉鎖部または開放部に向かって触媒を移動するための指定の圧縮力および復元力を有する弾性手段を含むことができ、触媒を触媒反応装置内で移動可能な触媒固定部材と結合することもできる。

さらに好ましくは、燃料タンクには、発生水素ガスを液体状態の燃料溶液から分離し、分離した水素ガスを外部に排出するための気体-液体分離手段を含むことができる。

より好ましくは、出口の内部孔と燃料溶液間の指定の空間を規定して、出口を介して水素ガスを容易に排出できるように、気体-液体分離手段を燃料タンク内に固設した種々形状を有する気体-液体分離膜とすることができる。

好ましくは、気体-液体分離手段には、燃料タンクを指定レベルに充填する燃料溶液上に浮遊するコレクタ、コレクタから突出し、それを通して燃料タンク内で発生した水素ガスをコレクタに導入するための燃料溶液の上面と接触する回収孔、および回収孔と反対側のコレクタの他側面に連結するドレンホース、およびコレクタによって回収した水素ガスを排出するための出口を含むことができる。さらに好ましくは、燃料タンクには、燃料溶液と触媒の接触によって発生した微細な泡沫状態の水素ガスを大型水素ガス気泡に変換し、得られた大型ガス気泡が気体-液体分離手段を通過することを可能にするための水素ガス保持手段を含むことができる。また、好ましくは、湿気を含む燃料タンク内で発生した微細な泡沫状態の水素ガスが気体-液体分離膜に直接的に接触することを防止するための少なくとも1つの衝突部材を燃料溶液と気体-液体分離膜間に間置することができる。

本発明の上記および他の目的、特徴および他の利点は下記の添付図面と共に以下の詳細な説明からより明確に理解されるであろう。

ここで、好ましい本発明の実施形態を付属図面を参照して詳細に説明する。以下では、水素ガス発生装置の従来の周辺装置の説明は省略する。

本発明の水素ガス発生装置 (H) は、水素ガス発生および水素ガス中断が外部エネルギーを用いることなしに繰り返して実施されることを特徴とする。

より具体的には、本発明の水素ガス発生装置 (H) は、密閉空間を維持するための指定サイズを有する燃料タンク 10、燃料タンク 10 に含まれた水素貯蔵材料の燃料溶液 17、および水素ガスを発生するための水素貯蔵材料の燃料溶液 17 に接触する触媒 21 を具備する。指定形状を有する触媒リアクター 20 は触媒 21 により充填される。図１は、本発明の第 1 実施形態に従って燃料タンク 10 を部分的に分解斜視図で示した水素ガス発生装置の斜視図である。

図１に示したように、燃料タンク 10 は特定の容量を有する燃料溶液を収納するための指定サイズを有しており、燃料タンク 10 のサイズと形状は燃料タンク 10 の目的と種類によって異なる。燃料タンク 10 内で発生した水素を放出するための出口 12 を燃料タンク 10 の側面に形成し、クイックコネクタ 15 のようなバルブを出口 12 に設置し、水素燃料電池と結合する。

燃料タンク 10 を初期に製造する際に、特定の容量を有する燃料タンクを水素貯蔵材料の燃料溶液 17 で満たし、次いで燃料タンクの充填および排出を行うことができないように密閉する。別法として、燃料溶液 17 を使用後に孔 14 を介して燃料タンク 10 から排出し、新しい燃料溶液 17 を孔 14 を介して燃料タンク 10 に充填できるように、孔 14 を燃料タンク 10 の一面に形成し、水素が燃料タンク 10 内部から外部に排出できるように、安全対策としての機能を果たす通風孔 13 を燃料タンク 10 の一面に形成する。

本発明の実施形態に適用される水素貯蔵材料の燃料溶液 17 には、NaBH4 20%、KOH 8% および H20 72% が含まれる。触媒 21 は燃料溶液 17 との接触によって効率的に水素を発生する材料でできている。本発明では、触媒 21 はラネーニッケルでできている。

図２および図３は、本発明の第 1 実施形態に係る水素ガス発生装置 (H) に適用される触媒反応装置 20 の運転を図解する部分分解斜視図である。図４は、図２および図３の触媒反応装置 20 の分解斜視図である。

本発明の水素ガス発生装置 (H) の触媒反応装置 20 は、燃料タンク 10 の触媒 21 と燃料溶液 17 間の接触または分離が燃料タンク内 10 で発生した水素の圧力によって自動的に制御されるような構造になっている。本発明の実施形態では、触媒反応装置 20 を、水素が、触媒反応装置 20 を燃料溶液 10 に浸漬した条件下で燃料溶液 17 と触媒 21 間の接触に起因して発生するように、燃料タンク 10 内部に位置決めする。

他の本発明の実施形態では、触媒反応装置 20 を燃料タンク 1 の外部に位置決めするが、詳細は下記に説明する。

すなわち、図２、図３および図４に示したように、触媒反応装置 20 が、その一端に位置決めした開放部 28 を備え、外部およびその他端に位置決めした閉鎖部 27 と連通する本体 29 を含む管であることが好ましい。

開放部 28 は、本体 29 の一端を開くか、または本体 29 の一端の側面に遮断部を形成することによって得るものであって、触媒 21 は開放部 28 を介して外部に露出し、燃料溶液 17 に接触するような構造になっている。

さらに、優れた復元力を有する弾性手段 24 は、本体 29 の端部に形成した閉鎖部 27 の内部に位置決めし、触媒 21 を、閉鎖部 27 で往復運動する触媒固定部材 22 に装着する。燃料タンク 10 内の圧力が増加する場合、触媒固定部材 22 は、触媒 21 が燃料溶液 17 に接触するのを防止するように閉鎖部 27 に向かって移動し、燃料タンク 10 内圧力が減少する場合、閉鎖部 27 に向かって移動した触媒固定部材 22 は、触媒 21 が開放部 28 を介して燃料溶液 17 接触して水素を発生するように、弾性手段 24 によって開放部 28 に向かって初期の位置に戻る。

触媒 21 は、粉末タイプか、または塊タイプである。触媒 21 が粉末タイプの場合、粉末状触媒 21 は、燃料溶液 17 と水素ガスは通過させるが粉末は通過させない種々の材料でできている網に導入するか、または接着剤を用いて網または基質に取り付けてから触媒固定部材 22 に取り付ける。あるいは、この場合、粉末状触媒 21 を触媒固定部材 22 の構造に好適な指定形状を持つように処理し、焼結し、次いで触媒固定部材 22 に取り付けてもよい。

より具体的には、本発明の実施形態の触媒 21 として用いたラネーニッケルは、大きな表面積を持つので蒸留水中に貯蔵すべきであり、ラネーニッケルが空気と接触すると自然発生的に燃焼することを特徴とする。よって、ラネーニッケルを触媒 21 として使用するためには、ラネーニッケルを安定して大気圧で使用できるようにラネーニッケル表面のみを酸化する。この方法によると、触媒 21 の水素発生能力が低下する。それ故に、本発明の実施形態では触媒 21 を 2 つの方法によって製造するが、これらの方法ではラネーニッケル表面を酸化しない。第1 方法では、ラネーニッケルは磁石に取り付けてから使用する。すなわち、磁石を触媒固定部材 22 (図１２を参照) に取り付け、次いでラネーニッケルを触媒固定部材 22 に取り付けた磁石に装着する。

第 2 方法では、ラネーニッケルを蒸留水のような水溶液中で、種々材料でできている網または基質に取り付ける。

蒸留水に貯蔵されているラネーニッケルを用いて触媒 21 を製造すると、ラネーニッケルは蒸留水中に貯蔵されているので表面酸化に起因する触媒 21 の水素発生能力の低下を防止することが可能である。本発明の実施形態では、触媒 21 は、ウレタンフォームを用いてラネーニッケルをニッケルメッシュに固定することによって製造する。

温度が高ければ高いほど、ラネーニッケルを始めとする触媒 21 の水素発生能力は増大する。少量の触媒 21 を用いて大量の水素を発生させる場合、触媒 21 または燃料を単独でまたは外部電源によって加熱するために、熱線のような加熱媒体を燃料タンク 10、触媒反応装置 20 および触媒固定部材 22 の少なくとも 1 つに取り付ける。加熱媒体を用いた上記方法により、水素貯蔵材料およびその副生成物の溶解度が増加するので、水素貯蔵材料および副生成物が大量の水素を貯蔵できるようになる。

触媒固定部材 22 は、触媒 21 を該固定部材に容易に取り付けることができ、触媒 21 が本体 29 内部を出入りする際に、燃料溶液 17 が該固定部材に導入されることを効果的に防止することを可能にするための構造または形状になっている。本発明の実施形態の触媒固定部材 22 には、羽根 23 および羽根 23' の両方、および触媒 21 を受け入れるための種々形状を有し、羽根 23 および羽根 23' 間に間置する触媒固定部分 23c が含まれる。

触媒固定部材 22 が本体 29 の閉鎖部 27 の内側および外部に向かって移動するとき、液体状態の燃料溶液 17 が触媒固定部材 22 の外面に沿って閉鎖部に導入されることを防止するために、燃料溶液妨害部材 23a および 23b を触媒固定部材 22 の両末端と本体 29 の内面間、または触媒固定部材 22 と弾性手段 24 間にそれぞれ同時に形成する。設置溝 25a を本体 29 の内周に形成し、環状を有する補助妨害部材 25 を設置溝 25a に挿入すると、触媒 21 を装着した触媒固定部材 22 が移動する際、燃料溶液は触媒固定部材 22 の外周に沿って本体 29 に導入されることを防止できる。図４では上記の触媒反応装置 20 の構成部材を図解する。

図５および図６は上記触媒反応装置 20 の形状とは異なる形状を有する別の触媒反応装置 20 の部分分解斜視図である。ここで、開放部 28 を本体 29 の一端に形成し、触媒 21 と燃料溶液間の接触面積を拡大するために触媒 21 が触媒固定部分 23c の全外周を包囲し、それによって発生水素量を増加するように触媒 21 を触媒固定部分 23c に取り付ける。触媒反応装置 20 の他のエレメントは、上記の触媒反応装置のエレメントと同じである。

好ましくは、本発明の実施形態に適用される弾性手段 24 は、触媒固定部材 22 上に位置決めした露出状態の触媒 21 を大気圧に保ち、燃料タンク 10 内圧力を大気圧より高く増加し、増加した圧力を触媒反応装置 20 の開放部 28 と接触する触媒固定部材 22 の側面に適用する場合に燃料タンク 10 内の圧力を減少できるように、触媒固定部材 22 が強制的に閉鎖部 27 の内部に導入され、水素で充填した燃料タンク１０を水素燃料電池を用いて出口 12 を介して排出する際、圧縮ガスおよび触媒固定部材 22 を初期の位置に復元するためのエラストマーでできているものとする。本発明の実施形態では、弾性手段 24 は圧縮コイルバネでできている。

図７〜図１３は触媒固定部材 22 の種々実施形態を図解する。触媒固定部材 22 の種々実施形態は、触媒 21 と燃料溶液 17 間の接触面積を最大限に増加するように触媒 21 を取り付けた触媒固定部分 23c の構造を改善するための働きをする。

すなわち、本発明の実施形態に適用される触媒固定部材 22 には、本体 29 の内面上を摺動する羽根 23 および羽根 23'、触媒 21 を受けるための種々形状を有し、羽根 23 および羽根 23' 間に間置する触媒固定部分 23c が含まれる。特に、大量の触媒 21 を触媒固定部分 23c の表面に取り付けることができるように、触媒固定部分 23c は複数の積層板を具備する多層構造、または扇形構造、円錐状構造、環状構造などのようなさまざまな構造を有する。磁石 23d は、金属触媒 21 を別工程なしに触媒固定部分 23c に取り付けることができるように触媒固定部分 23c の片側面または両側面に取り付けることができる (図１２を参照)。

以下、本発明の水素ガス発生装置 (H) によって水素を発生するための工程を詳細に説明する。10mA 量の燃料溶液 17 を燃料タンク 10 に導入し、ラネーニッケルでできている 0.1g 量の触媒17 を燃料タンク 10 に導入する。次いで、燃料タンク 10 により、12SCCM (立方センチメートル毎秒) に対応する割合で、室温または 1W の燃料電池にて水素ガスをおよそ10 時間発生させる。燃料タンク 10 内で発生した水素ガスを燃料タンク 10 の出口 12 を介して水素を燃料として用いる水素エンジンまたは水素燃料電池のような外部システムに供給する。外部システムによって必要とされる水素ガス量が 12SCCM 未満の場合、または電源を切ることによって水素ガスを排出しない場合、発生した水素ガスは燃料タンク 10 内に蓄積され、燃料タンク 10 内圧力は1.5 大気圧 (P1) に増加する。

燃料タンク 10 と触媒反応装置 20 の本体 29 間に発生した圧力差、および増加した燃料タンク 10 内圧力により、触媒反応装置 20 の本体 29 の開放部 28 の一端が圧迫される。触媒固定部材 22 が触媒反応装置 20 の本体 29 の閉鎖部 27 に向かって移動すると、水素貯蔵材料でできている燃料溶液 17 と接触する触媒 21 は徐々に本体 29 に入り、したがって触媒 21 と燃料溶液 17 間の接触面積が減少し、それによって水素ガス発生量が減少され、次いで、水素ガス発生が停止する。

外部システムにより発生水素ガスが再び使用されると、燃料タンク 10 は水素ガスを排出する。次いで、燃料タンク 10 内圧力は低下し、燃料タンク 10 と触媒反応装置 20 の本体 29 間の圧力差は減少し、触媒固定部材 22 が開放部 28 および触媒 21 に向かって移動し、再び燃料溶液 17 に接触することができるように、本体 29 に位置決めした弾性手段 24 が初期の位置に戻る。それによって、本発明の水素ガス発生装置 (H) は断続的に水素ガスを発生する。

図１４〜図１８では燃料タンク 10 内に設けた気体-液体分離手段 40 の種々実施形態を図解する。

気体-液体分離手段 40 は、水溶性燃料溶液 17 を満たした燃料タンク 10 内で発生したガス状態の水素が液体状態の燃料溶液の排出と共に排出されることを防止する役割を果たすので、固定燃料電池よりもむしろ移動燃料電池または携帯燃料電池により適している。

すなわち、図１４〜図１６に示した各気体-液体分離手段 40 には、気体-液体分離膜 42 が含まれる。気体-液体分離膜 42 は、水、テフロン（登録商標）のような多孔質の非金属、または水素に対して選択透過性を有する金属と比較して、水素ガスに対してより高い透過性を持つ疎水性シリコンゴムでできている。図１４では、燃料タンク 10 内に設置した気体-液体分離膜 42 を指定の間隔で内部孔 12 の出口から分離する。燃料タンク 10 内圧力が水素ガスの発生または燃料タンク 10 の移動に起因して増加する際、気体-液体分離膜 42 の移動を防止し、水素を効率的に排出するための空気孔または水素経路を備えた嵌め込み部材 43 は、出口 12 を配置する燃料タンク 10 の内面と気体-液体分離膜42 間に間置する。気体-液体分離膜 42 は、気体-液体分離膜 42 を燃料タンク 10 の内面に固定し、発生した水素ガスを効率的に排出できるように、嵌め込み部材 43 を含まない他の構造としてもよい。

図１５では、燃料タンク 10 内に位置決めする密閉型気体-液体分離膜 42 は、燃料タンク 10 と同じ形状であって、燃料タンク 10 よりもわずかに小さいサイズを有し、燃料タンク 10 の内壁から分離する。また、増加した圧力または燃料タンク 10 の移動に起因する燃料タンク 10 の内壁と気体-液体分離膜 42 との接触を防止し、水素ガスのスムーズな移動を可能にするための嵌め込み部材 43 を燃料タンク 10 の内壁と気体-液体分離膜 42 間に間置する。図１６では、気体-液体分離膜 42 をU 字型とし、気体-液体分離膜 42 の中央領域が出口 12 の内部孔下に配置されるように燃料タンク 10 内に位置決めする。

図１７および図１８では、気体-液体分離手段 40 には、発生したガスを回収し、次いで外部にガスを排出するための、液体状態の燃料溶液 17 上に浮遊する材料でできているコレクタ 44 が含まれる。燃料タンク 10 から水素ガスを導入するための回収孔 46 はコレクタ 40 の一面から突出させ、コレクタ 44 によって回収した水素ガスを出口 12 に排出するためのドレンホース 48 を回収孔 46 および出口 12 と反対側にあるコレクタ 40 の他の一面に連結する。

気体-液体分離手段 40 の上記種々構造は、水素燃料を用いる機器の特徴に基づいて正しく選択することが可能であって、コレクタ 44 は水よりも低い比重を有する限り任意の材料で作ることができる。

図１９および図２０では、燃料タンク 10 内で燃料溶液 17 を満たした触媒反応装置 20 内で発生した水素ガスを一時的に回収し、微細な泡沫状態の小型水素気泡を大型水素気泡に変換するための水素ガス保持手段 50 を図解する。水素ガス保持手段 50 は、微細な泡沫状態の水素気泡を一時的に凝集してから外部に排出することができるように、触媒反応装置 20 の外周を間接的に遮断するためのさまざまな構造を有する。

燃料タンク 10 を充填する燃料溶液 17 が触媒反応装置 20 の触媒 21 に接触して微細な水素泡沫を排出すると、水素ガス保持手段 50 は微細な水素泡沫を回収し、泡沫を大型水素気泡に変換し、次いで大型水素気泡を気体-液体分離膜 42 に通過させる働きをする。微細な泡沫状態の小型水素気泡が気体-液体分離膜 42 に直接的に到達する場合、微細な泡沫状態の小型水素気泡により、気体-液体の微細な空気孔が閉塞され、効率的に水素ガスを排出することが困難となる。よって、水素ガス保持手段 50 は上記問題を防止するものである。

特に、本発明の水素ガス発生装置 (H) は水素燃料電池を用いる固定商品、移動商品または携帯商品に適用することができる。たとえ燃料タンク 10 が商品内でいかなる位置に配置されても、燃料タンク 10 内で発生した水素ガスは効率的に排出されなくてはならない。それ故に、気体-液体分離膜 42 は、燃料タンク 10 内部のいかなる部分、すなわち左右上下のいずれの部分にでも設置することが可能である。図１９および図２０に示した本発明の実施形態では、気体-液体分離手段 42 をそれぞれ燃料タンク 10 内部の上部および下部に設置し、連結管 54 により気体-液体分離手段 42 の上部および下部によって占められた両空間を連結する。燃料タンク 10 は任意の姿勢で位置することができるが、気体-液体分離膜 42 によって燃料溶液から遮断された空間は連結管 54 を介して互いに連結するので、燃料タンク 10 内で発生した水素ガス気泡は空間の間を連通し、それによって効率的に水素ガス気泡を出口 12 を介して外部に排出することができる。水素ガス保持手段 50 は燃料タンク 10 と一体的に形成するか、または触媒反応装置 20 を水素ガス保持手段 50 と一体的に形成する。

図２１および図２２では、それぞれ衝突部材 52 を燃料タンク 10 の燃料溶液 17 と気体-液体分離膜 42 間に間置した実施形態を図解する。すなわち、衝突部材 52 は、燃料タンク 10 内で発生した湿気を含む微細な水素泡沫が気体-液体分離膜 42 と直接的に接触することを防止する働きをする。水素ガスが上昇して衝突部材 52 と衝突すると、燃料溶液 17 に起因して水素ガスに含有される湿気は水素ガスから分離する。その結果得られた純粋な水素ガのみが気体-液体分離膜 42 を通過する。上記の水素ガス保持手段 50 と同じように、衝突部材 52 は、燃料タンク 10 または適用商品の設置タイプに基づいたさまざまな構造を有つことができる。

図２３〜図２８はそれぞれ本発明の第 2、第 3 および第 4 実施形態に係る水素ガス発生装置の略図である。これらの本発明の実施形態では、水素ガス発生装置は、触媒反応装置 20 を着脱可能に燃料タンク 10 の外面に装着した、燃料タンクの外部設置タイプである。

すなわち、弾性手段 24 を備えた触媒反応装置 20 およびその中に位置決めした触媒固定部材 22 を、燃料タンク 10 外面の 1 つに形成した設置溝 60 に挿入する。

より具体的には、図２３および図２４に示した第 2 実施形態では、ストッパー 60a は触媒反応装置 20 の一端から突出させ、ストッパー 60a を固定するためのストッパー取り付け具 60b を設置溝 60 内部の前端部に形成する。燃料タンク 10 内部と連通する貫通孔 62 を設置溝 60 内周の指定の位置に形成し、弾性手段 24 を貫通孔 62 内部の設置溝 60 底部に位置決めし、貫通孔 62 を密封するための貫通孔密封部材 26 を弾性手段 24 と結合し、燃料タンク 10 の液体を導入するための燃料タンク 10 内部と連通する水素発生制御孔 64 を設置溝 60 底部を介して形成し、および気体-液体分離膜 42 を燃料タンク 10 内の水素発生制御孔 64 の前に取り付ける。

図２３に示したように、触媒反応装置 20 を燃料タンク 10 の設置溝 60 に挿入する前に、設置溝 60 に位置決めした貫通孔密封部材 26 は貫通孔 62 を密閉する。次いで、図２４に示したように、触媒反応装置 20 を燃料タンク 10 の設置溝 60 に挿入すると、貫通孔密封部材 26 は弾性手段 24 を圧迫し、したがって貫通孔 62 は、触媒反応装置 20 外周と接触し、また、触媒反応装置 20 を燃料タンク 10 の設置溝 60 に完全に挿入すると、貫通孔 62 は触媒反応装置 20 に設けた触媒 21 と接触し、それによって水素ガス発生が可能となる。

水素ガス発生に起因して燃料タンク 10 内部圧力が上昇し、指定レベルを超えると (水素ガスが用いられていない場合)、燃料タンク 10 内に蓄積された水素ガスの一部が設置溝 60 底部を介して形成した水素発生制御孔 64 を介して設置溝 60 に導入され、設置溝 60 の内部圧力が上昇する。次いで、貫通孔密封部材 26 により触媒反応装置 20 の触媒固定部材 22 が押され、その力が弾性手段 24 から解除される。弾性手段 24 は伸張され、触媒 21 と燃料溶液 17 間の接触面積は徐々に減少し、貫通孔 62 は貫通孔密封部材 26 によって完全に密閉され、それによって水素ガス発生は停止する。外部システムにより発生水素ガスが使用されると、燃料タンク 10 内の水素圧力は減少し、設置溝 60 中の液体は燃料タンク 10 に向けられる。次いで、触媒反応装置 20 に位置決めした弾性手段 24 は収縮し、触媒固定部材 22 により貫通孔密封部材 26 が押され、したがって触媒 21 は燃料溶液 17 に接触する。上記の運転を繰り返して水素ガスの発生と水素ガスの中断を自動的に行うことにより、本発明の水素ガス発生装置 (H) は、水素燃料電池などが必要とする水素ガスを発生および供給する。水素発生制御孔 64 は、増加した燃料タンク 10 内部圧力のために貫通孔密封部材 26 または触媒反応装置 20 の触媒固定部材 22 が押されるので、燃料タンク 10 の液体が設置溝に導入されることを可能にする任意の位置に配置することができる。

図２５および図２６に示した第 3 実施形態では、密閉空間を有する触媒露出制御部 66 を、上記の触媒反応装置 20 の端部、すなわち触媒固定部材 22 の外面から延長させる。燃料タンク 10 内部圧力の増減に基づいて触媒固定部材 22 を移動することによって、触媒反応装置 20 を設置溝 60 に挿入して水素ガス発生を制御する際、水素発生制御孔 64 と一致する水素発生制御孔 64' を触媒露出制御部 66 の指定位置を介して形成する。

第 3 実施形態の水素ガス発生装置 (H) は、水素ガス発生および水素ガス中断が燃料タンク 10 内部圧力の増減によって達成されると言う点で第 2 実施形態の水素ガス発生装置 (H) と同じである。しかしながら、第 3 実施形態では、燃料タンク 10 内部圧力が増加すると、高圧状態の液体が触媒反応装置 20 の内部の前端部に形成した触媒露出制御部 66 に導入され、触媒反応装置 20 の触媒固定部材 22 が押される。その反面、燃料タンク 10 内部圧力が減少すると、触媒露出制御部 66 に導入された液体は排出され、触媒反応装置 20 内に位置決めした弾性手段 24 によって触媒固定部材 22 が押され、したがって触媒 21 は燃料溶液 17 に接触し、それによって水素ガス発生が可能となる。

図２７および図２８に示した第 4 実施形態では、弾性手段が設置溝 60 と結合する触媒反応装置 20 内に設けずに、触媒固定部材 22 を触媒固定部材 22 の本体 29 前端部のみに設ける。固定手段としての機能を果たすストッパー 61a を、本体 29 の中央領域に形成した設置孔 65 に位置決めした弾性バネ 67 によって本体 29 の外面に着脱可能に嵌着し、触媒反応装置 20 が設置溝 60 から分離することを防止するためにストッパー 61a を固定するためのストッパー取り付け具 61b を触媒反応装置 20 の後に設置溝 60 に挿入する。

図２８に示したように、触媒反応装置 20 を設置溝 60 に圧入すると、触媒反応装置 20 外周に形成したストッパー 61a はストッパー取り付け具 61b に嵌まり込み、したがって触媒反応装置 20 は設置溝 60 に固定できる。

上記のように、燃料タンク 10 と結合する触媒反応装置 20 の触媒 21 は燃料タンク 10 を充填する燃料溶液 17 に接触し、よって水素ガスを発生する。燃料タンク 10 内部圧力が指定値以上に増加すると、液体は燃料タンク 10 の圧力上昇で、設置溝 60 底部を介して形成した水素発生制御孔 64 を介して設置溝 60 に導入され、貫通孔密封部材 26 を押す。次いで、貫通孔密封部材 26 は貫通孔密封部材 26 に接触する触媒反応装置 20 に圧力をかけ、触媒反応装置 20 外周に形成したストッパー 61a は、設置孔 65 に設けた圧着弾性バネ 67 によって設置孔 65 に嵌め込まれ、次いで、ストッパー取り付け具 61b から分離する。それによって、この本発明の実施形態に係る水素ガス発生装置 (H) は、触媒反応装置 20 を設置溝 60 に圧入することによって水素ガスを発生する。

図２９に示したように、本発明の水素ガス発生装置 (H) は携帯電話 (P) の水素燃料電池に使用することが可能である。

上記のように、本発明の水素ガス発生装置 (H) は、外力なしに発生水素ガスの圧力に基づいて水素ガスの発生と中断を能動的に自動制御するので、構造が簡単であり、製造コストが低減される。さらに、本発明の水素ガス発生装置 (H) では容積と重量が減少されているので、種々機器のエネルギー源としての機能を果たす燃料電池の容積および重量当たりのエネルギー密度が大幅に高くなっている。

従来の燃料電池と同じように、すべての水素ガスが燃料溶液 17 から排出されると、本発明の水素ガス発生装置 (H) では、燃料タンク 10 を介して形成した孔 14 を介して廃燃料溶液 17 を排出し、次いで新しい燃料溶液 17 を再充填する。水素ガス発生装置 (H) を燃料タンクの出口 12 に位置決めしたクイックコネクタ 15 を介して燃料電池と結合する場合は、クイックコネクタ 15 を開いて水素ガスを燃料電池に供給し、また、水素ガス発生装置 (H) を燃料電池から分離する場合には、クイックコネクタ 15 を閉じて水素ガスが外部に排出することを防止し、したがって燃料タンク 10 の圧力がわずか増加し、触媒 21 と燃料溶液 17 間の反応が防止され、それによって指定圧力以下で水素ガスを安定して貯蔵することができる。

水素ガス発生装置 (H) では、触媒固定部材 22 の種々実施形態を利用することによって触媒 21 と燃料溶液 17 間の接触面積を最大限に増加し、それによって大量の水素ガスを発生し、水素燃料電池の使用可能範囲を拡大することができる。さらに、水素ガス発生装置 (H) は、燃料タンク 10 内で発生した水素ガスが効率的に外部に供給され、それによって水素燃料電池の性能を改善できるように、さまざまな構造を有する水素ガス保持手段 50、および燃料溶液 17 と気体-液体分離膜 42 間に間置したさまざまな構造を有する衝突部材 52 を具備する。気体-液体分離膜42 を燃料タンク 10 内に追加的に設置すると、水素ガスは連結管 54 を介してスムーズに循環する。

それ故に、適用製品に基づいて燃料タンク 10 のさまざまな構造を水素燃料電池に適用することができ、水素燃料電池の使用可能範囲は拡張し、それによってエネルギーを効率的に利用することができる。

上記説明から明白なように、本発明は、小型化され、その製造コスト、容積および重量を低減し、したがって単位容積および重量当たりのエネルギー密度を改善し、水素を燃料として用いる移動機器または携帯機器、さらには水素を燃料として用いる大型水素燃料電池装置にも適用できる自動制御式水素ガス発生装置を提供する。よって、本自動制御式水素ガス発生装置は、クリーンな代替エネルギーとしての水素ガスの使用を促進し、水素ガスを徐々に枯渇する化石燃料の代替品として使用することを喚起し、それによって空気公害を防止して清潔な環境を提供する。

本発明の好適な実施形態は例示的な目的で開示したものであって、当業者であれば、種々の変更形態、付加および代替を添付の特許請求の範囲で開示した本発明の範囲および趣旨から逸脱することなく行い得ることを理解されるであろう。

本発明の第 1 実施形態に係る水素ガス発生装置の部分分解斜視図である。本発明の第 1 実施形態に係る水素ガス発生装置に適用される触媒反応装置の運転を図解する部分分解斜視図である。本発明の第 1 実施形態に係る水素ガス発生装置に適用される触媒反応装置の運転を図解する部分分解斜視図である。図２および図３の触媒反応装置の分解斜視図である。図２および図３の触媒反応装置とは異なる形状を有する別の触媒反応装置の部分分解斜視図である。図２および図３の触媒反応装置とは異なる形状を有する別の触媒反応装置の部分分解斜視図である。触媒が連結される触媒固定部材の種々実施形態を図解する図である。触媒が連結される触媒固定部材の種々実施形態を図解する図である。触媒が連結される触媒固定部材の種々実施形態を図解する図である。触媒が連結される触媒固定部材の種々実施形態を図解する図である。触媒が連結される触媒固定部材の種々実施形態を図解する図である。触媒が連結される触媒固定部材の種々実施形態を図解する図である。触媒が連結される触媒固定部材の種々実施形態を図解する図である。燃料タンク内に設けた気体-液体分離手段の種々実施形態を図解する図である。燃料タンク内に設けた気体-液体分離手段の種々実施形態を図解する図である。燃料タンク内に設けた気体-液体分離手段の種々実施形態を図解する図である。燃料タンク内に設けた気体-液体分離手段の種々実施形態を図解する図である。燃料タンク内に設けた気体-液体分離手段の種々実施形態を図解する図である。燃料溶液で充填した触媒反応装置の外部表面上に形成した水素ガス保持手段を図解する図である。燃料溶液で充填した触媒反応装置の外部表面上に形成した水素ガス保持手段を図解する図である。燃料タンクの燃料溶液と気体-液体分離膜間に間置する衝突部材を図解する図である。燃料タンクの燃料溶液と気体-液体分離膜間に間置する衝突部材を図解する図である。発明の第 2、第 3 および第 4 実施形態に係る水素ガス発生装置の各略図である。発明の第 2、第 3 および第 4 実施形態に係る水素ガス発生装置の各略図である。発明の第 2、第 3 および第 4 実施形態に係る水素ガス発生装置の各略図である。発明の第 2、第 3 および第 4 実施形態に係る水素ガス発生装置の各略図である。発明の第 2、第 3 および第 4 実施形態に係る水素ガス発生装置の各略図である。発明の第 2、第 3 および第 4 実施形態に係る水素ガス発生装置の各略図である。携帯電話の燃料供給システムとして用いた本発明の水素ガス発生装置の略図である。

Claims

下記を具備する水素燃料電池用の自動制御式水素ガス発生装置。
内部空間に連通する水素出口を備え、指定容量を有する内部空間を規定する燃料タンク;燃料タンク内に貯蔵される、水素貯蔵材料を含む燃料溶液; および水素ガスを発生するために燃料溶液に接触する触媒。ここでは、水素ガスの発生と中断を燃料タンク圧力の増減に基づいて能動的に制御することができるように、触媒によって充填される触媒反応装置には、触媒と燃料溶液間の接触による水素ガス発生に起因して燃料タンクの圧力が増加する場合に水素ガス発生を停止するために触媒と燃料溶液間の接触を妨げるための閉鎖部、および燃料電池による発生水素ガスの使用に起因して燃料タンク圧力が減少する場合に水素ガスを発生するために燃料溶液に接触する開放部を設けるものとする。
水素ガス発生を制御するため、触媒反応装置に水素ガス発生に起因する燃料タンク圧力の増減に基づいた閉鎖部または開放部に向かって触媒を移動するための指定の圧縮力および復元力を有する弾性手段が含まれる請求項 1 に規定した自動制御式水素ガス発生装置。
触媒固定部材に連結し、触媒反応装置内で移動可能な触媒を装着した触媒固定部材が弾性手段の一端に連結された請求項 2 に規定した自動制御式水素ガス発生装置。
燃料タンク圧力の増加に起因して触媒固定部材が閉鎖部に向かって移動する際に燃料溶液が開放部を介して触媒反応装置に導入されることを防止するための燃料溶液妨害部材が触媒固定部材および触媒反応装置のどちらかの内周に位置決めされた請求項 3 に規定した自動制御式水素ガス発生装置。
燃料タンク圧力の増加に起因して触媒固定部材が閉鎖部に向かって移動する際に燃料溶液が開放部を介して触媒反応装置に導入されることを防止するための燃料溶液妨害部材が触媒固定部材と触媒反応装置の間に位置決めされた請求項 3 に規定した自動制御式水素ガス発生装置。
燃料タンクに、発生水素ガスを液体状態の燃料溶液から分離し、分離した水素ガスを外部に排出するための気体-液体分離手段が含まれる請求項 3 に規定した自動制御式水素ガス発生装置。
請求項 6 に規定した自動制御式水素ガス発生装置であって、ここでは:
触媒反応装置が外部から着脱可能に挿入されている設置溝が燃料タンクの指定位置に形成されており; そして設置溝には、触媒反応装置の触媒が燃料タンクの燃料溶液に接触することを可能にして水素ガスを発生するための貫通孔; 設置溝の底部に位置決めした弾性手段;貫通孔を密封し、触媒反応装置が設置溝から分離する際に貫通孔に対する燃料タンク圧力の増加に起因して連設した触媒反応装置の触媒固定部材を押すための弾性手段と結合する貫通孔密封部材; 燃料タンク内で発生した水素ガスが設置溝に出入りすることを可能にするための貫通孔密封部材によって閉空間を規定する設置溝の底部を介して形成した水素発生制御孔が含まれるものとする。
気体-液体分離膜が水素発生制御孔を備えた燃料タンク内に取り付けられおり、触媒反応装置を燃料タンクに固定するための固定手段が触媒反応装置の端部および設置溝の入口に位置決めされている請求項 7 に規定した自動制御式水素ガス発生装置。
密閉空間を規定するための触媒露出制御部が触媒固定部材の外面で触媒反応装置の端部から延長し、触媒反応装置が設置溝に挿入され、燃料タンク圧力の増減に基づいて触媒固定部材を移動することによって水素ガス発生を制御する際、水素発生制御孔と一致する別の水素発生制御孔が触媒露出制御部の指定位置を介して形成される請求項 8 に規定した自動制御式水素ガス発生装置。
出口の内部孔と燃料溶液間の指定の空間を規定して出口を介して水素ガスを容易に排出できるように、気体-液体分離手段が、燃料タンク内に固設された種々形状を有する気体-液体分離膜である請求項 6 〜 9 の任意の 1 項に規定した自動制御式水素ガス発生装置。
燃料タンク内圧力が水素ガスの発生または燃料タンクの移動に起因して増加する際に気体-液体分離膜の移動を防止し、水素を効率的に排出するための空気孔を備えた嵌め込み部材が、出口を配置する燃料タンクの内面と気体-液体分離膜42 間に間置される請求項 10 に規定した自動制御式水素ガス発生装置。
気体-液体分離膜が触媒反応装置および燃料溶液を含み、指定の間隔で燃料タンク内壁からその外面を分離する完全密閉型である請求項 11 に規定した自動制御式水素ガス発生装置。
気体-液体分離手段に、燃料タンクを指定レベルに充填する燃料溶液上に浮遊するコレクタ、コレクタから突出し、それを通して燃料タンク内で発生した水素ガスをコレクタに導入するための燃料溶液の上面と接触する回収孔、および回収孔と反対側のコレクタの他側面に連結するドレンホース、およびコレクタによって回収した水素ガスを排出するための出口が含まれる請求項 6 〜 9 の任意の 1 項に規定した自動制御式水素ガス発生装置。
触媒固定部材に、
その両末端に形成され、管内面を摺動する両羽根; および羽根間に間置した触媒を固定するための触媒固定部分が含まれる請求項 3、6 および 7 の任意の 1 項に規定した自動制御式水素ガス発生装置。
永久磁石が触媒固定部分に取り付けられており、したがって金属でできている触媒が別工程なしに永久磁石を用いて触媒固定部分に取り付けられている請求項 14 に規定した自動制御式水素ガス発生装置。
触媒固定部分が触媒と燃料溶液間の接触面積を増加し大量の水素ガスを発生するために複数個に分かれている請求項 14 に規定した自動制御式水素ガス発生装置。
燃料タンクに、燃料溶液と触媒の接触によって発生した微細な泡沫状態の水素ガスを大型水素ガス気泡に変換し、得られた大型ガス気泡が気体-液体分離手段を通過することを可能にするための水素ガス保持手段が含まれる請求項 10 に規定した自動制御式水素ガス発生装置。
触媒反応装置が、燃料溶液と触媒の接触によって発生した微細な泡沫状態の水素ガスを大型水素ガス気泡に変換し、得られた大型ガス気泡が気体-液体分離手段を通過することを可能にするための複数孔を備えた水素ガス保持手段内部に設けられている請求項 10 に規定した自動制御式水素ガス発生装置。
湿気を含む燃料タンク内で発生した微細な泡沫状態の水素ガスが気体-液体分離膜に直接的に接触することを防止するための少なくとも 1 つの衝突部材が燃料溶液と気体-液体分離膜間に間置されている請求項 10 に規定した自動制御式水素ガス発生装置。
燃料タンクに、廃燃料溶液またはその副生成物孔を燃料タンクから排出し、新しい燃料溶液を燃料タンクに充填するための孔が設けられている請求項 10 に規定した自動制御式水素ガス発生装置。
燃料タンクに燃料タンク内の過剰圧力を防止するための通風孔が設けられている請求項 10 に規定した自動制御式水素ガス発生装置。
ラネーニッケルでできている触媒が、別乾燥工程または表面酸化工程なしに水中で固化する接着剤を用いて蒸留水または通常水中で網または基質に取り付けられ、次いで触媒固定部分と結合されている請求項 14 に規定した自動制御式水素ガス発生装置。
弾性手段に圧縮コイルバネが含まれる請求項 2、3、6 および 7 の任意の 1 項に規定した自動制御式水素ガス発生装置。
弾性手段に圧縮性気体が含まれる請求項 2、3、6 および 7 の任意の 1 項に規定した自動制御式水素ガス発生装置。
燃料タンク内で、燃料溶液で充填されていない複数空間が複数の気体-液体分離膜を燃料溶液を満たした燃料タンク内部の左右上下にそれぞれ取り付けることによって区分的に得られる場合、連結管が燃料溶液の満たされていない分割空間を連結する請求項 10 に規定した自動制御式水素ガス発生装置。
熱を発生するための加熱媒体が、燃料タンク、触媒反応装置および触媒固定部材のうちの少なくとも 1 つに設置されている請求項 1 または 3 に規定した自動制御式水素ガス発生装置。