JP2007161520A - 水素発生装置及び燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】水素発生剤を収容する第１収容部と反応液を収容する第２収容部をあわせた容積の小型化を図ると共に、装置全体の小型化を実現可能な水素発生装置を提供する。
【解決手段】アルミニウム粉末と水とを反応させて水素を発生させる水素発生装置において、アルミニウム粉末を収容する第１収容部Ａと、第１収容部Ａと仕切り部１２を介して隣接配置される水を収容する第２収容部Ｂと、第２収容部Ｂの水を第１収容部Ａへ供給する連通孔１２ａと、第１収容部Ａにおいて発生した水素を第１収容部Ａの外部へ供給するためのガス供給パイプ１１とを備え、第１収容部Ａにおける反応の進行に伴い、仕切り部１２の位置を変更可能に構成した。好ましくは、仕切り部１２の位置変更にかかわらず、第１収容部Ａと第２収容部Ｂの全容積は同じである。
【選択図】図２

Description

本発明は、固体の水素発生剤と反応液とを反応させて水素を発生させる水素発生装置及び燃料電池システムに関するものである。

従来、鉄等の水素発生剤と水とを接触させて水素を発生させる水素発生装置としては、水を収納するためのタンクと、水素発生剤を収納する反応容器と、前記タンクから前記反応容器に水を供給する導入管とを備えた水素発生装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この水素発生装置では、反応容器内に収容された鉄粒子等に、ポンプ等を用いてタンクから水を供給している。また、水とアルミニウムとの反応で水素ガスを発生させる水素発生装置も知られている（例えば、特許文献２参照）。

かかる水素発生装置を構成するに際して、水素発生剤を収容するための第１収容部と、水素発生剤と反応させて水素を発生させる反応液を収容するための第２収容部と、第２収容部の反応液を第１収容部へ供給するための反応液供給路が必要である。ここで第１収容部の大きさは、所定量の水素ガスを発生させるために必要な水素発生剤の量に応じて決められる。また、第２収容部の大きさは、水素発生剤と反応させるべき反応液の量に応じて決められる。かかる水素発生剤と反応液の収容量に応じて第１・第２収容部の大きさ、すなわち、水素発生装置の大きさも決まることになる。

特開２００４−１４９３９４号公報 特開２００１−３１４０１号公報

しかしながら、水素発生剤として例えばアルミニウム粉末を使用し、反応液として水を使用すると、アルミニウム粉末と水の反応に伴い生成物の体積が３倍程度に膨潤するという性質がある。従って、かかる点も考慮して水素発生剤を収容するための第１収容部の大きさは、アルミニウム粉末自身の体積の３倍以上を確保しておく必要がある。その結果、第１収容部と第２収容部を合わせた大きさも大きくなり水素発生装置の大型化を招くという問題点がある。

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、水素発生剤を収容する第１収容部と反応液を収容する第２収容部をあわせた容積の小型化を図ると共に、装置全体の小型化を実現可能な水素発生装置及びこれを備えた燃料電池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発生装置は、
固体の水素発生剤と反応液とを反応させて水素を発生させる水素発生装置において、
水素発生剤を収容する第１収容部と、
第１収容部と仕切り部を介して隣接配置される反応液を収容する第２収容部と、
第２収容部の反応液を第１収容部へ供給する反応液供給路と、
第１収容部において発生した水素を第１収容部の外部へ供給するための水素供給路とを備え、
第１収容部における反応の進行に伴い、前記仕切り部の位置を変更可能に構成したことを特徴とするものである。

かかる構成による水素発生装置の作用・効果を説明する。この構成によると、水素発生剤を収容する第１収容部と、反応液を収容する第２収容部が仕切り部を介して隣接配置される。第２収容部内の反応液は反応液供給路を介して第１収容部へ供給され、第１収容部内で水素発生剤と反応液が反応して水素ガスが発生する。発生した水素ガスは水素供給路を介して第１収容部の外部へと供給される。かかる構成において、第１収容部における反応の進行に伴い、仕切り部の位置を変更可能に構成している。従って、第１収容部における反応が進行して水素発生剤の生成物の体積が増えた場合は、仕切り部が移動し第１収容部の容積が増える方向になる。一方、第２収容部における反応液は反応が進行するに連れて減少していくため、第２収容部に必要とされる容積も減少して行く。従って、仕切り部が移動して第２収容部の容積が減少しても問題がない。このように、仕切り部を移動させることで、水素発生剤の生成物が膨潤したとしても、第１収容部の容積を必要以上に増やすことなく対応することができる。その結果、水素発生剤を収容する第１収容部と反応液を収容する第２収容部をあわせた容積の小型化を図ると共に、装置全体の小型化を実現可能な水素発生装置を提供することができる。

本発明において、前記仕切り部の位置変更にかかわらず、第１収容部と第２収容部を合わせた全容積は同じであることが好ましい。

全容積に変更がないため、仕切り部の位置変更が生じても、水素発生装置の外観に対して影響のないようにすることができる。

本発明において、前記水素発生剤がアルミニウム粉末を含むものであると共に、前記反応液として水を用いることが好ましい。

かかる材料を使用することで、材料の入手が容易であると共にコスト的にも安価に入手することができる。

本発明に係る水素発生装置の好適な実施形態を図面を用いて説明する。図１は水素発生装置を備えた燃料電池システムの構成を示す模式図である。

この燃料電池システムは、水素発生装置１０と燃料電池２０とを備え、水素発生装置１０により発生した水素ガスは、ガス供給パイプ１１（水素供給路に相当）により燃料電池２０に供給される。水素発生装置１０は、金属と水とを反応させて水素ガスを発生する機能を有し、発生した水素ガスは、ガス供給パイプ１１により燃料電池２０へと供給される。燃料電池２０は、多数の単位セルＳが回路基板２１に搭載されている。本発明としては、水素ガスが供給される燃料電池２０の構造は、特定の構造に限定されるものではない。

水素発生装置１０は、円筒形の外観形状を有しているが、直方体等の他の外観形状を有していてもよい。水素発生装置１０は、ガス供給パイプ１１と切り離すことができる。水素発生装置２０内の金属や水を消耗した場合は、新たに補充したり、交換したりする。

＜水素発生装置の内部構成＞
次に水素発生装置１０の内部構成を図２の概念図により説明する。本発明の水素発生装置は、固体の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。本発明では、水素発生剤と反応液との反応によって生成する生成物が、固体の水素発生剤の元の体積から反応によって膨張する反応原料が使用される。

固体の水素発生剤としては、水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。また、水素発生剤は触媒成分を含むものであってもよい。水素発生剤は、粉末状であってもよく、造粒、又はタブレット化したものであってもよい。

反応液としては、水素発生剤と反応して水素を発生させるものであれば何れでもよく、例えば水や、酸等を含む水溶液などが挙げられる。水素発生剤と反応液との混合比率は、反応の種類に応じて適宜決定することができる。なお、以下の説明では、水素発生剤としてアルミニウムの粉末を用い、反応液として水を用いた構成例を説明する。

水素発生装置１０は、アルミニウムの粉末が収容される第1収容部１２と、このアルミニウムと反応すべき水が収容される第２収容部Ｂとを備えている。第１収容部Ａと第２収容部Ｂは、仕切り部１２により区画されかつ隣接配置されている。仕切り部１２の中央には連通孔１２ａ（反応液供給路に相当）が設けられており、第２収容部Ｂ内の水は連通孔１２ａを介して第１収容部Ａへ供給される。

また、第１収容部Ａにおける仕切り部１２の上には給水紙１３が設けられている。給水紙１３は、毛細管現象を利用して、水を吸い上げることができ、第１収容部Ａ内に供給する。給水紙１３として、好適には濾紙を使用することができ、例えば、東洋濾紙株式会社製の標準用濾紙Ｎｏ．２を使用することができるが、これに限定されるものではなく、他の材質のものを用いてもよい。

給水紙１３を設けることで、大量の水がいきなり供給されることがないようにし、水の供給量を抑制（あるいは制御）することができる。給水紙１３は、更に、第２収容部Ｂ側や、連通孔１２ａの内部に設けてもよい。

第１収容部Ａに収容されるアルミニウム粉末としては、例えば、平均粒子径が１〜２００μｍのものを使用することができる。アルミニウム粉末としては、アトマイズ法で製造したものが好ましい。また、表面の酸化被膜を除去処理したものが好ましい。

アルミニウム粉末と水を反応させると、次のような反応が生じて水素ガスが発生するものと推測される。

２Ａｌ＋３Ｈ₂Ｏ→Ａｌ₂Ｏ₃＋３Ｈ₂ または
Ａｌ＋３Ｈ₂Ｏ→Ａｌ（ＯＨ）₃＋３／２Ｈ₂
このように、アルミニウムと水を反応させると、Ａｌ₂Ｏ₃やＡｌ（ＯＨ）₃などの生成物が生じ、元のアルミニウム粉末の体積よりも膨潤していき、最終的には３倍程度にまで膨潤する。従って、本来であれば、アルミニウム粉末が３倍に膨潤したときの体積を収容できるように、第1収容部Ａの容積を決める必要があるが、本発明の場合は、仕切り部１２を移動可能に構成しており、初期状態では膨潤前のアルミニウム粉末を収容するに足りる容積であればよい。

すなわち、図２に示す状態が、アルミニウム粉末と水の反応開始前の状態であるとすれば、第１収容部Ａに要求される当初の容積は、アルミニウム粉末を収容できるだけの容積であればよい。また、第２収容部Ｂには、アルミニウム粉末と反応させるのに必要な量の水が収容される。アルミニウム粉末と水が反応すると、アルミニウム粉末は徐々に膨潤して体積が増加していくが、これに連動して仕切り部１２が矢印方向（図２の下方向）に移動して行く。すなわち、反応が進むに連れて第１収容部Ａの容積は増加していき、第２収容部Ｂの容積が減少して行く。反応が進むと第２収容部Ｂ内の水も徐々に消費されていくため、第２収容部Ｂの容積を徐々に減少させていっても問題はない。

図３は、全てのアルミニウム粉末と水が反応した状態を示しており、アルミニウム粉末は３倍に膨潤しているが、膨潤後の体積を収容できるように第１収容部Ａの容積が増加していると共に、第２収容部Ｂ内の水がすべて反応のために消費されるため、第２収容部Ｂの容積は０に近いレベルまで減少する。第１収容部Ａと第２収容部Ｂをあわせた容積は、反応の開始時と完了時とで変わらず一定である。このように、仕切り部１２を移動可能に構成しているため、第１収容部Ａと第２収容部Ｂをあわせた容積を従来よりも小さくすることができ、水素発生装置全体の大きさも小型化することができる。

水素発生装置１０内部へのアルミニウム粉末や水の収容は適宜の方法で行なうことができる。例えば、適宜の場所に開口部を設けて、この開口部を介してアルミニウム粉末や水を収容することができる。また、反応後の生成物についても同じく開口部から取り出すことができ、新たなアルミニウム粉末や水の収容を行なうことができる。

＜仕切り部の移動機構＞
仕切り部１２を移動させるための機構について説明する。図４は、第１実施形態に係る移動機構を示す図である。水素発生装置１０の中央部には、仕切り部１２を上下駆動するためのモータ１４が設けられ、モータ１４の軸には雄ねじ機構１５が取り付けられる。一方、仕切り部１２の中央には、雌ねじ機構１６が設けられる。仕切り部１２の外周端部にはＯリング１７が嵌合され、収容部Ａ，Ｂの内壁面１０ａと接触している。また、仕切り部１２は、不図示のガイド機構により回転しないように上下方向の移動をガイドされる。従って、モータ１４を駆動することで、ねじ機構により仕切り部１２を上下方向に移動させることができる。従って、反応の進行度合いに合わせて仕切り部１２を移動させることができる。

図５は、第２実施形態に係る移動機構を示す図である。第２収容部Ｂの内部には仕切り部１２を上方に押し上げるためのスプリング１８が設けられている。第１収容部Ａの内壁面の一部には突起１０ｂが設けられており、仕切り部１２はスプリング１８により付勢されており、この突起１０の位置で止まっている。反応が進んでアルミニウム粉末が膨潤して体積が増えていくと、徐々に仕切り部１２をスプリング１８の付勢力に抗して下方に押して行く。これにより、仕切り部１２が移動していくことができる。

図６は、第３実施形態に係る移動機構を示す図である。仕切り部１２の外周端部には永久磁石１９が埋め込まれている。これに対応して収容部Ａ，Ｂの外部には、電磁石２０が上下方向に沿って多数並べて配置されている。ここで、多数の電磁石２０を上から順番に励起させていくことで、永久磁石１９を電磁石２０に対して引き付ける方向に作用させ、仕切り部１２を徐々に移動させることができる。

図７は、第４実施形態に係る移動機構を示す図である。仕切り部１２が柔軟性を有する材料で形成されており、第１収容部Ａ内のアルミニウム粉末が膨潤して体積が増加すると、仕切り部１２が下方に変形し、第１収容部Ａの容積が増加し、第２収容部Ｂの容積が減少する。変形後の仕切り部１２の状態を１２’で示している。

＜別実施形態＞
本実施形態では反応液供給路として連通孔１２ａを例としてあげたが、これに限定されるものではなく、パイプなどを用いて供給路を構成してもよい。また、連通孔１２ａによる場合は、その大きさや個数、配置場所などについては、適宜設定変更が可能である。また、供給路については、仕切り部１２に形成する必要はなく、仕切り部１２以外の場所に設けても良く、場所については特に限定されるものではない。

本実施形態では給水紙１３を用いる構成を説明したが、連通孔１２ａの大きさを微細にし、毛細管現象により水を吸い上げるようにしてもよい。

本発明に係る水素発生装置１０は、燃料電池２０（発電セル）と共に使用され、水素発生装置１０と燃料電池２０を一体化した機器として構成してもよいし、水素発生装置１０と燃料電池２０を容易に分離可能なシステムとしてもよい。燃料電池２０が使用される機器については、特定の種類のものに限定されるものではなく、携帯電話、ＰＤＡ、ノートパソコン、ゲーム機など広範囲の分野にわたって用いることができる。

水素発生装置を備えた燃料電池システムの構成を示す模式図 水素発生装置の内部構成を示す概念図（仕切り部移動前） 水素発生装置の内部構成を示す概念図（仕切り部移動後） 仕切り部の移動機構の第１実施形態を示す図 仕切り部の移動機構の第２実施形態を示す図 仕切り部の移動機構の第３実施形態を示す図 仕切り部の移動機構の第４実施形態を示す図

符号の説明

１０ 水素発生装置
１１ ガス供給パイプ
１２ 仕切り部
１２ａ 連通孔
１３ 給水紙
１４ モータ
１５ 雄ねじ機構
１６ 雌ねじ機構

Claims (4)

1. 固体の水素発生剤と反応液とを反応させて水素を発生させる水素発生装置において、
   水素発生剤を収容する第１収容部と、
   第１収容部と仕切り部を介して隣接配置される反応液を収容する第２収容部と、
   第２収容部の反応液を第１収容部へ供給する反応液供給路と、
   第１収容部において発生した水素を第１収容部の外部へ供給するための水素供給路とを備え、
   第１収容部における反応の進行に伴い、前記仕切り部の位置を変更可能に構成したことを特徴とする水素発生装置。
2. 前記仕切り部の位置変更にかかわらず、第１収容部と第２収容部を合わせた全容積は同じであることを特徴とする請求項１に記載の水素発生装置。
3. 前記水素発生剤がアルミニウム粉末を含むものであると共に、前記反応液として水を用いることを特徴とする請求項１又は２記載の水素発生装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の水素発生装置と、この水素発生装置から水素ガスが供給されて発電を行う発電セルとから構成される燃料電池システム。

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