JP2007186370A - 水素発生設備及び燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 低体積でワーク３に生成物が滞留することがなく、最小限の反応溶液６で水素を発生させることができる水素発生設備１を備えた燃料電池設備１０とする。
【解決手段】 圧縮コイルばね３２の付勢力により加重板１１を介してワーク３を供給口４に押し付けて接触させ、供給口４に接触しているワーク３に反応溶液６を送ることで水素を発生させ、生成物を水素と共に移動させて滞留をなくし、低体積でワーク３に生成物が滞留することがなく、最小限の反応溶液６で水素を発生させることができる水素発生設備１とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば、金属水素化物を分解して水素を発生させる水素発生設備及び水素発生設備で発生した水素を燃料とする燃料電池システムに関する。

近年のエネルギー問題の高まりから、より高いエネルギー密度で、排出物がクリーンな電源が要求されている。燃料電池は、既存電池の数倍のエネルギー密度を有する発電機であり、エネルギー効率が高く、また、排出ガスに含まれる窒素酸化物や硫黄酸化物がない、もしくは、少ないといった特徴がある。従って、次世代の電源デバイスとしての要求に合った極めて有効なデバイスであるといえる。

水素と酸素の電気化学反応により起電力を得る燃料電池では、燃料として水素が必要となる。水素ガスを生成する設備の例としては、金属水素化物（水素化ホウ素塩）を収容した反応容器と、水タンクとを有し、ポンプによって水タンク内の水を反応容器の金属水素化物に噴出する構造の水素発生設備が知られている（例えば、特許文献１参照）。

従来の水素発生設備は、金属水素化物に水を供給して水素を発生させた場合、金属水素化物上に生成物が滞留して金属水素化物を被覆し、反応速度の低下が生じることが考えられるため、金属水素化物を容器の上部に配置して水を下から吹き付けたり、反応した金属水素化物を定期的に削り落とすことが行われていた。

このため、送液のポンプが大型化し、また、削り落とすための構造が必要になり、反応容器の体積が大きくなっていた。この結果、体積あたりの水素密度が減少し燃料電池にとって体積エネルギー密度が低下してしまい、携帯電話やデジタルカメラ等の電源デバイスとして用いるのは非現実的であった。
特開２００２−１３７９０３号公報

本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、低体積で水素発生反応物に生成物が滞留することがなく、最小限の反応流体で水素を発生させることができる水素発生設備を提供することを目的とする。

また、本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、低体積で水素発生反応物に生成物が滞留することがなく、最小限の反応流体で水素を発生させることができる水素発生設を備えた燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明の第１の態様は、反応流体が収容される反応流体容器と、反応流体容器からの反応流体が送られる供給口を備えると共に反応流体と反応して水素の発生が促進される水素発生反応物が収容され発生した水素を排出する排出口を備えた反応物容器とを備え、水素発生反応物は供給口側に接触して配設され、水素発生反応物を供給口側に押し付ける押し付け手段を備えたことを特徴とする水素発生設備にある。

第１の態様では、供給口に接触している水素発生反応物に反応流体が送られて水素が発生し、隙間を水素が通過して排出口から排出される。生成物は水素と共に移動し、水素の生成速度が速いため生成物が水素発生反応物に滞留せず、水素発生と共に減少する体積に対しては押し付け手段により水素発生反応物を供給口側に接触させ続ける。この結果、低体積で水素発生反応物に生成物が滞留することがなく、最小限の反応流体で水素を発生させることができる水素発生設備となる。

本発明の第２の態様は、第１の態様に記載の水素発生設備において、押し付け手段は、加重板を介して水素発生反応物を押圧する圧縮コイルばねであることを特徴とする水素発生設備にある。

第２の態様では、圧縮コイルばねにより水素発生反応物を壁面に押し付けることができる。

本発明の第３の態様は、第１もしくは第２の態様のいずれかに記載の水素発生設備において、反応流体容器からの反応流体を反応物容器に圧送するポンプを備えたことを特徴とする水素発生設備にある。

第３の態様では、ポンプにより反応流体を確実に圧送することができる。

本発明の第４の態様は、第１もしくは第２の態様のいずれかに記載の水素発生設備において、反応物容器側の内圧が反応流体容器の内圧に対して低くなった時の圧力差により反応流体容器から反応流体を反応物容器に供給する差圧供給手段を備えたことを特徴とする水素発生設備にある。

第４の態様では、差圧供給手段により水素の発生状況に応じて必要時に反応流体を確実に供給することができる。

本発明の第５の態様は、第１〜第４の態様のいずれかに記載の水素発生設備において、反応物容器の供給口側に接触する水素発生反応物の面に、渦巻き状の溝が形成されていることを特徴とする水素発生設備にある。

第５の態様では、発生した水素が渦巻状の溝に案内されて反応物容器に拡散される。

本発明の第６の態様は、第１〜第４の態様のいずれかに記載の水素発生設備において、反応物容器の供給口側に接触する水素発生反応物の面には凹凸が形成されていることを特徴とする水素発生設備にある。

第６の態様では、反応流体が表面張力により水素発生反応物の面に均一に拡散される。

本発明の第７の態様は、第１〜第６の態様のいずれかに記載の水素発生設備において、供給口と水素発生反応物との間に連通部を有するスペーサが設けられていることを特徴とする水素発生設備にある。

第７の態様では、供給口と水素発生反応物との間に水素が移動する隙間を最適に確保することができる。

本発明の第８の態様は、第７の態様に記載の水素発生設備において、スペーサの連通部には、液溜部が形成され、水素発生反応物との接触面に液溜部に連通する供給穴が複数設けられていることを特徴とする水素発生設備にある。

第８の態様では、スペーサの液溜部に反応流体が一端溜められ、複数の供給穴から水素発生反応物に対して均一に供給される。

本発明の第９の態様は、第７の態様に記載の水素発生設備において、スペーサは、弾性部材で形成され、水素発生反応物の周縁側が反応物容器の壁面に固着されていることを特徴とする水素発生設備にある。

第９の態様では、供給口の周囲のスペーサは反応流体の移動により弾性変形して壁面に対して固着せず、水素発生反応物の周縁側のスペーサは壁面に固着されているため水素発生反応物に固着することがなく、生成物の固化によりスペーサと水素発生反応物が固着することがない。

本発明の第１０の態様は、第７〜第９の態様のいずれかの態様に記載の水素発生設備において、スペーサには親水処理が施されていることを特徴とする水素発生設備にある。

第１０の態様では、スペーサに反応流体が濡れ広がり、水素発生反応物の接触面の全面に反応流体が均等に接触して水素発生反応物の片減りを防止することができる。

本発明の第１１の態様は、第７〜第９の態様のいずれかの態様に記載の水素発生設備において、スペーサには撥水処理が施されていることを特徴とする水素発生設備にある。

第１１の態様では、反応流体が供給口の連通部に集中し、水素発生反応物が供給口を中心に同心円状に反応し、水素発生反応物の片減りを防止することができる。

上記目的を達成するための本発明の第１２の態様は、水素が供給されるアノード室を有する燃料電池のアノード室に、第１〜第１１の態様のいずれかに記載の水素発生設備の排出口を接続したことを特徴とする燃料電池システムにある。

第１２の態様では、低体積で水素発生反応物に生成物が滞留することがなく、最小限の反応流体で水素を発生させることができる水素発生設備を備えた燃料電池システムとすることができる。

本発明の第１３の態様は、第１２の態様に記載の燃料電池システムにおいて、アノード室と反応物容器とが閉空間を形成していることを特徴とする燃料電池システムにある。

第１３の態様では、生成された水素が外部に流出しないため、生成された水素を全量用いることができる。

本発明の水素発生設備は、低体積で水素発生反応物に生成物が滞留することがなく、最小限の反応流体で水素を発生させることができる水素発生設備とすることができる。

また本発明の燃料電池システムは、低体積で水素発生反応物に生成物が滞留することがなく、最小限の反応流体で水素を発生させることができる水素発生設備を備えた燃料電池システムとすることができる。

図１には本発明の第１実施形態例に係る水素発生設備を備えた燃料電池システムの概略構成、図２にはワークの支持状況を表す斜視を示してある。

図１に示すように、燃料電池設備１０に備えられる水素発生設備１は、反応物容器としての反応チャンバー２を有し、反応チャンバー２内には水素発生反応物としての円柱状のワーク３（例えば、水素化ホウ素ナトリウムのペレット：直径１５ｍｍ、長さ２０ｍｍの円柱）が保持されている。反応チャンバー２の側壁には供給口４が設けられ、円柱状のワーク３は、一方の端面３ａが供給口４に押し付けられた状態で壁面に接触して保持されている。ワーク３の他方の端面３ｂは加重板１１に押圧されている。加重板１１は後述する加圧手段によってワーク３を供給口４側に押圧している。反応チャンバー２には発生した水素を排出する排出口８が設けられている。

また、反応チャンバー２に隣接して反応流体容器としての溶液容器５が備えられ、溶液容器５には反応流体である反応溶液６（例えば、塩化ニッケル水溶液：塩化ニッケル濃度１２％）が貯蔵されている。溶液容器５と反応チャンバー２の供給口４は送液管１２により接続され、送液管１２にはポンプ７が備えられている。ポンプ７の駆動により反応溶液６が送液管１２から反応チャンバー２の供給口４に送られる。

反応チャンバー２の排出口８側に隣接して燃料電池２１が備えられ、燃料電池２１にはアノードチャンバー２２が備えられ、アノードチャンバー２２は燃料電池セル２３のアノード室に接する空間を構成している。アノード室は、アノードで消費する水素を一時的に保持する空間である。反応チャンバー２の排出口８とアノードチャンバー２２とは水素導管２４により接続され、反応チャンバー２で発生した水素が水素導管２４からアノードチャンバー２２のアノード室に供給される。アノード室に供給された水素は、アノードでの燃料電池反応で消費される。アノードでの水素の消費量は、燃料電池の出力電流に応じて決定される。

図１、図２に基づいてワーク３を供給口４側に押圧するための加圧手段を説明する。

図に示すように、供給口４が設けられた壁面には２本の支持軸３１が設けられ、支持軸３１には加重板１１が摺動自在に保持されている。加重板１１を貫通した部位の支持軸３１、即ち、ワーク３の押圧面と反対側の面側に突出する支持軸３１の部位には、圧縮コイルばね３２が保持され、圧縮コイルばね３２は支持軸３１の端部の大径部３３とワーク３の押圧面と反対側の加重板１１の面にわたり配されている。つまり、圧縮コイルばね３２により加重板１１が反応チャンバー２の供給口４側に押圧され、ワーク３は加重板１１により供給口４に押し付けられた状態で保持されている。

尚、押し付け手段としては、ワーク３の押圧面と反対側の加重板１１と反応チャンバー２の供給口４とは反対側の壁面との間に圧縮コイルばねを設けることも可能である。また、磁石や引張りばねを用いて加重板１１を反応チャンバー２の供給口４側に付勢することも可能である。

ここで、反応チャンバー２の供給口４の径は、５μｍから１０ｍｍの範囲（例えば、２ｍｍ）に設定され、加重板１１により供給口４に押し付けられた状態のワーク３の端面３ａと壁面との間の隙間が、例えば、供給口４の径の３分の２以下に設定されている。また、反応溶液６としては、塩化ニッケル水溶液の他に、塩化コバルト、塩化パラジウムなどの水溶液、もしくは、リンゴ酸水溶液（リンゴ酸濃度：２５％）、コハク酸、クエン酸等の水溶液を用いることができる。また、一つの反応チャンバー２に複数のワーク３を備えることも可能である。更に、ワーク３を押し付ける向き（供給口４を設ける部位）は、反応チャンバー２の側壁に限定されず、天井面や底面に供給口４を設けてワーク３を供給口４に押し付けるようにすることも可能である。

上述した水素発生設備１を備えた燃料電池設備１０の作用を説明する。

ワーク３の端面３ａの中心が供給口４に重なる状態で加重板１１と反応チャンバー２の供給口４の壁面との間にワーク３を保持する。圧縮コイルばね３２により反応チャンバー２の供給口４側に押圧されている加重板１１により、ワーク３の端面３ａが供給口４に押し付けられて接触している。ポンプ７の駆動により、溶液容器５から送液管１２を通して反応チャンバー２の供給口４に反応溶液６が送液される。供給口４で反応溶液６がワーク３の端面３ａに接触して反応して水素が発生する。ワーク３の端面３ａは供給口４の壁面に押し付けられているため、発生した水素は壁面とワーク３の端面３ａとの隙間を移動し、水素と共に生成物も移動する。発生した水素は水素導管２４を通って燃料電池２１のアノードチャンバー２２に送られ、アノードでの燃料電池反応で消費される。

水素の発生に応じてワーク３は体積が減少するが、圧縮コイルばね３２により反応チャンバー２の供給口４側に押圧されている加重板１１により、ワーク３の端面３ａが供給口４に押し付けられ続けるため、ワーク３の端面３ａは供給口４の壁面への接触が維持される。

反応溶液６はワーク３の端面３ａの隙間に供給されるので使用量が少なく大きなポンプが不要で、また、水素の生成速度が遅いため、水素と共に移動する生成物がワーク３に滞留することがなく、生成物の滞留を抑制する機構を必要としない。このため、低体積でワーク３に生成物が滞留することがなく、最小限の反応溶液６で水素を発生させることができる水素発生設備１を備えた燃料電池設備１０となる。

図３に基づいて本発明の第２実施形態例を説明する。図３には本発明の第２実施形態例に係る水素発生設備を備えた燃料電池システムの概略構成を示してある。図１に示した部材と同一部材には同一符号を付して重複する説明は省略してある。

第２実施形態例の水素発生設備１５は、図１に示した水素発生設備１のポンプ７に代えて、差圧供給手段１６を備えた構成となっている。差圧供給手段１６は、反応チャンバー２側の内圧が溶液容器５の内圧に対して低くなった時の圧力差により溶液容器５から反応溶液６を反応チャンバー２に供給する手段である。即ち、送液管１２には溶液容器５から反応チャンバー２側へのみ反応溶液６を流通可能にする逆止弁１７が設けられ、溶液容器５には大気圧手段１８が接続されている。

反応チャンバー２で発生した水素が燃料電池２１のアノードチャンバー２２に送られ、アノードでの燃料電池反応で消費されると、反応チャンバー２の内圧が低下し、大気圧よりも低くなると、溶液容器５との圧力差により逆止弁１７が開いて送液管１２から反応溶液６が反応チャンバー２に供給される。反応チャンバー２で水素が発生して燃料電池反応での消費を上回ると、反応チャンバー２の内圧が高くなって逆止弁１７が閉じ、反応溶液６の供給が停止する。

このため、燃料電池２１の負荷に応じて動力を用いることなく必要量の反応溶液６を確実に反応チャンバー２に供給することができる。

図４、図５に基づいてワーク３の形状の例を説明する。図４、図５にはワーク３の端面形状を示してある。

図４に示したワーク３の端面３ａには、渦巻状の溝２６が形成されている。溝２６の深さは、例えば、２ｍｍとされている。このため、発生した水素が螺旋状に移動し、渦巻状の溝２６に案内されて反応チャンバー２にワーク３の端面３ａの周方向に拡散して反応チャンバー２に供給される。尚、渦巻状の凹凸を反応チャンバー２（図１、図３参照）の壁面側に形成することも可能である。

図５に示したワーク３の端面３ａには、ダイシングにより溝加工が施されて複数の凸部２７が形成されている。溝の深さは、例えば、２ｍｍとされている。反応チャンバー２（図１、図３参照）の壁面に押し付ける場合、中心の凹部２８を供給口４（図１、図３参照）に合致させて押し付ける。このため、供給された反応溶液６（図１、図３参照）が表面張力でワーク３の端面３ａに拡散し、均一な反応が可能になる。尚、ダイシングによる溝加工を反応チャンバー２（図１、図３参照）の壁面側に形成することも可能である。

図６乃至図１１に基づいてスペーサを介してワーク３を接触させた例を説明する。

図６にはリング状スペーサを介在させた状態の側面、図７には図６中のＶＩＩ−ＶＩＩ線矢視、図８には親水性シートのスペーサを介在させた状態の側面、図９には液溜部を有するスペーサの断面、図１０には図９中のＸ−Ｘ線矢視、図１１には弾性部材のスペーサを介在させた状態の側面を示してある。

図６、図７に示すように、反応チャンバー２の供給口４の部位にリング状のスペーサ３５を配置し、スペーサ３５を介在させてワーク３の端面３ａを反応チャンバー２の壁面に接触させる。スペーサ３５は、例えば、ＳＵＳ製で、外径５ｍｍ、内径１ｍｍで供給口４と同心状態に配置される（図に示した供給口４は、例えば、０.５ｍｍ程度の径を想定している）。

スペーサ３５を介在させたことにより、水素が移動する隙間を最適に確保して流通をスムーズに行い、生成物のワーク３への固着を防止することができる。

図８に示すように、反応チャンバー２の供給口４の部位に親水性シート２９（スペーサ）が配置され、親水性シート２９の中央部には反応チャンバー２の供給口４に連通する開口部２９ａが形成されている。親水性シート２９を介在させてワーク３の端面３ａを反応チャンバー２の壁面に接触させる。

親水性シート２９を介在させたことで、親水性シート２９に反応溶液６（図１、図３参照）が濡れ広がり、ワーク３の端面３ａ（接触面）の全面に反応溶液６（図１、図３参照）が均等に接触してワーク３の片減りを防止することができる。

尚、親水性シート２９に代えて撥水性シートを適用することも可能である。親水性シート２９を用いることで、反応溶液６（図１、図３参照）が供給口４（図８参照）以外の部位に濡れ広がらなくなり、ワーク３の端面３ａが供給口４（図８参照）を中心に同心円状に反応し、ワーク３の片減りを防止することができる。

図９、図１０に示したスペーサ３７は、反応チャンバー２の供給口４に連通する液溜室３８が形成され、液溜室３８の反応チャンバー２の内側の壁面には複数（図１０には４個示してある）の供給穴３９が設けられている。ワーク３（図１、図３参照）の端面３ａ（図１、図３参照）は４個の供給穴３９の部位に押し付けられる。供給口４から供給された反応溶液６（図１、図３参照）は液溜室３８に一端溜められ、４個の供給穴３９からワーク３（図１、図３参照）の端面３ａ（図１、図３参照）に対して均一に供給される。このため、ワーク３（図１、図３参照）が接触面の全体で反応しワーク３（図１、図３参照）の片減りを防止することができる。

図１１に示すように、反応チャンバー２の供給口４の部位にリング状の弾性部材としてのシリコーンシート（スペーサ）４２を配置し、シリコーンシート４２を介在させてワーク３の端面３ａを反応チャンバー２の壁面に接触させる。シリコーンシート４２の中央部には供給口４につながる開口が設けられている。ワーク３の端面３ａに対応するシリコーンシート４２の周縁４１ａは反応チャンバー２の壁面に固着されている。尚、弾性部材の材質としては、シリコーンゴム、エチレンプロピレンゴム、ニトリルゴム等のゴム類を用いるのが好ましい。

図１１（ａ）の状態で反応チャンバー２の供給口４から反応溶液６（図１、図３参照）が供給されて移動すると、図１１（ｂ）に示すように、供給口４の壁面に囲まれる部位が膨らむようにシリコーンシート４２が撓む（シリコーンシート４２の内周縁４１ｂが壁面から離れる状態に膨らむ）。更に反応溶液６（図１、図３参照）が移動すると、図１１（ｃ）に示すように、シリコーンシート４２の内周縁４１ｂがワーク３の端面３ａから剥がれ、隙間が生じて反応溶液６（図１、図３参照）がワーク３の端面３ａに送られる。

このため、供給口４の周囲のシリコーンシート４２（内周縁４１ｂ）は反応溶液６（図１、図３参照）の移動により弾性変形して反応チャンバー２の壁面に対して固着せず、ワーク３の周縁側のシリコーンシート４２は反応チャンバー２の壁面に固着されているためワーク３に固着することがなく、生成物の固化によりシリコーンシート４２とワーク３が固着することがない。

尚、図示例では、シリコーンシート４２をワーク３の端面３ａと略同径にしたが、ワーク３の端面３ａの外周側まで延びる大きさ（端面３ａの径よりも大径）にすることも可能である。

本発明は、例えば、金属水素化物を分解して水素を発生させる水素発生設備及び水素発生設備で発生した水素を燃料とする燃料電池システムの産業分野で利用することができる。

本発明の第１実施形態例に係る水素発生設備を備えた燃料電池システムの概略構成図である。 ワークの支持状況を表す斜視図である。 本発明の第２実施形態例に係る水素発生設備を備えた燃料電池システムの概略構成図である。 ワーク３の端面形状の説明図である。 ワーク３の端面形状の説明図である。 リング状スペーサを介在させた状態の側面図である。 図６中のＶＩＩ−ＶＩＩ線矢視図である。 親水性シートのスペーサを介在させた状態の側面図である。 液溜部を有するスペーサの断面図である。 図９中のＸ−Ｘ線矢視図である。 弾性部材のスペーサを介在させた状態の側面図である。

符号の説明

１、１５ 水素発生設備
２ 反応チャンバー
３ ワーク
４ 供給口
５ 溶液容器
６ 反応溶液
７ ポンプ
８ 排出口
１０ 燃料電池設備
１１ 加重板
１２ 送液管
１６ 差圧供給手段
１７ 逆止弁
１８ 大気圧手段
２１ 燃料電池
２２ アノードチャンバー
２３ 燃料電池セル
２４ 水素導管
２６ 溝
２７ 凸部
２８ 凹部
２９ 親水性シート
３１ 支持軸
３２ 圧縮コイルばね
３３ 大径部
３５、３７ スペーサ
３８ 液溜室
３９ 供給穴

Claims (13)

1. 反応流体が収容される反応流体容器と、
   反応流体容器からの反応流体が送られる供給口を備えると共に反応流体と反応して水素の発生が促進される水素発生反応物が収容され発生した水素を排出する排出口を備えた反応物容器とを備え、
   水素発生反応物は供給口側に接触して配設され、水素発生反応物を供給口側に押し付ける押し付け手段を備えた
   ことを特徴とする水素発生設備。
2. 請求項１に記載の水素発生設備において、
   押し付け手段は、加重板を介して水素発生反応物を押圧する圧縮コイルばねである
   ことを特徴とする水素発生設備。
3. 請求項１もしくは請求項２のいずれかに記載の水素発生設備において、
   反応流体容器からの反応流体を反応物容器に圧送するポンプを備えた
   ことを特徴とする水素発生設備。
4. 請求項１もしくは請求項２のいずれかに記載の水素発生設備において、
   反応物容器側の内圧が反応流体容器の内圧に対して低くなった時の圧力差により反応流体容器から反応流体を反応物容器に供給する差圧供給手段を備えた
   ことを特徴とする水素発生設備。
5. 請求項１〜請求項４のいずれかに記載の水素発生設備において、
   反応物容器の供給口側に接触する水素発生反応物の面に、渦巻き状の溝が形成されている
   ことを特徴とする水素発生設備。
6. 請求項１〜請求項４のいずれかに記載の水素発生設備において、
   反応物容器の供給口側に接触する水素発生反応物の面には凹凸が形成されている
   ことを特徴とする水素発生設備。
7. 請求項１〜請求項６のいずれかに記載の水素発生設備において、
   供給口と水素発生反応物との間に連通部を有するスペーサが設けられている
   ことを特徴とする水素発生設備。
8. 請求項７に記載の水素発生設備において、
   スペーサの連通部には、液溜部が形成され、水素発生反応物との接触面に液溜部に連通する供給穴が複数設けられている
   ことを特徴とする水素発生設備。
9. 請求項７に記載の水素発生設備において、
   スペーサは、弾性部材で形成され、水素発生反応物の周縁側が反応物容器の壁面に固着されている
   ことを特徴とする水素発生設備。
10. 請求項７〜請求項９のいずれか一項に記載の水素発生設備において、
    スペーサには親水処理が施されている
    ことを特徴とする水素発生設備。
11. 請求項７〜請求項９のいずれか一項に記載の水素発生設備において、
    スペーサには撥水処理が施されている
    ことを特徴とする水素発生設備。
12. 水素が供給されるアノード室を有する燃料電池のアノード室に、請求項１〜請求項１１のいずれかに記載の水素発生設備の排出口を接続したことを特徴とする燃料電池システム。
13. 請求項１２に記載の燃料電池システムにおいて、
    アノード室と反応物容器とが閉空間を形成している
    ことを特徴とする燃料電池システム。

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