JP2007258057A

JP2007258057A - 燃料ガス生成供給装置

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Publication number: JP2007258057A
Application number: JP2006082505A
Authority: JP
Inventors: Koji Kobayashi; 康二小林
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-03-24
Filing date: 2006-03-24
Publication date: 2007-10-04
Also published as: US20080014480A1

Abstract

【課題】携帯用を含む小型燃料電池への燃料供給手段に、化学反応手段により一定量の燃料ガスを継続的、安定的に生成、供給する場合、携帯用途として可能な小型、軽量化を図った中で化学反応速度を一定化させることが可能なガス生成供給装置を提供する。
【解決手段】化学反応空間内での化学反応溶液濃度の経過時間に対する普遍化を図るために、化学反応溶液１０を一定速度で供給し、かつ、その反応速度に対応した最小化を図った第１の化学反応空間３０とそれと連通した第２の化学反応空間１５を設け、さらに、シンプル、小型化のために第２の化学反応空間１５を前記第１と第２の少なくても１つの溶液収納空間と連通した空間に収納することにより上記課題を解決した。
【選択図】図１

Description

本発明は、化学反応速度の一定化を図り、一定量の燃料ガスを継続的に供給する小型燃料電池発電用ガス生成供給装置に関するものである。

携帯用あるいは据置き用燃料電池への燃料供給手段として、これまでいろいろな貯蔵、供給方法が開発、提案されてきている。その試みの１つに、燃料貯蔵量が他の方法に比べて多くかつ軽量、安価な方法として、化学反応を利用した燃料供給手段が、その実用化に向けた提案が広がって来ている。しかし、携帯向け可能な小型、安価構造により、化学反応速度を一定化させ、一定量の燃料ガスを継続して安定的に供給する装置の実用化が急務である。
特開２００５−１９５１７号公報、特開２００−９３１０４号公報、特開２００４−３１８６８３号公報、特開２０００−１６１５０９号公報、特願２００５−３２１５０３号日経エレクトロニクス２００５年６−６ N0.９０１「ボロハイドライド燃料電池携帯機器向け名乗り」 P.３８−３９

燃料電池出力が、例えば、数ワット以下の用途から、数キロワット以上の用途への燃料供給を、小型、簡単、安価な構造で化学反応により安定的に行うためには、

第１の課題として、化学反応現場での溶液濃度が、反応経過時間とともに希釈されることなく一定濃度を持たせることにより、化学反応速度を一定化させる必要がある。

第２の課題としては、普及に向けた携帯用や据置き向けに可能とさせる、シンプル小型構造、安価で安全な供給装置を実現させることが課題である。

以上の課題を解決するために、第一発明は、第１の一定量溶液供給手段から供給された溶液と粒子状部材との混合による化学反応で、一定量の燃料ガスを継続的に生成させるため、第１の化学反応空間と該第１の化学反応空間と連通する第２の化学反応空間を備え、化学反応溶液の濃度が経過時間とともに希釈される速度を遅くさせるため、前記第１の化学反応空間は、前記溶液供給手段の容積より小さいことを特徴とするガス生成供給装置。

第二発明は、前記溶液供給手段の供給出口を、前記粒子状部材を挟んで前記連通口より第１の化学反応空間の中央部より離れた位置に設け、前記供給溶液が化学反応不十分のまま、直接的に前記連通口へ流動しないようにしたことを特徴とするガス生成供給装置。

第三発明は、前記粒子状部材が、少なくても一部の開口口を備えた部材と溶液透過特性を備えた部材の少なくても１つからなる部材内に収納され、前記供給溶液と接触することを制限して、前記粒子状部材の早期溶解を防止する構造を備えたことを特徴とするガス生成供給装置。

第四発明は、前記粒子状部材に換えて、燃料ガスを化学反応で生成する第２の溶液を用いた場合にも、一定速度での化学反応を可能にする第１の化学反応空間と、該空間と連通する第２の化学反応空間を備え、かつ、前記第１の化学反応空間は、前記溶液供給手段の容積より小さいことを特徴とするガス生成供給装置。

第五発明は、第１の化学反応空間内の化学反応溶液が、特に、携帯時の可動状態における拡散により化学反応が不十分のまま、前記連通口から第２の化学反応空間へ流動させないため、前記溶液を吸着させ溶液濃度の維持を図る部材を設けたことを特徴とするガス生成供給装置。

第六発明は、燃料ガス生成のための化学反応を、溶液と粒子状部材または異種の２つの溶液混合で生成する場合を問わず、第１の化学反応空間と第２の化学反応空間を備え、前記第１の化学反応空間は、化学反応速度に対応させた空間サイズを持ち、溶液供給手段から一定速度で供給された溶液の濃度の一定化を図ったことを特徴とするガス生成供給装置。

第七発明は、前記第２の化学反応空間を、前記溶液供給手段と共有する収納体内に設け、シンプル、小型化を実現したことを特徴とするガス生成供給装置。

第一発明〜第六発明によれば、携帯時の可動使用状態においても化学反応速度の一定化を、溶液と粒子状部材または異種の溶液同士による化学反応を問わず可能とし、同じコンセプトで燃料電池への一定量燃料の継続的供給を実現した。さらに、水素吸蔵合金収納高圧ボンベによる燃料供給の場合に必要とした燃料供給圧調整バルブは、本発明では必須としなくなった。

第七発明によれば、前記第２の化学反応空間を前記溶液供給手段と共有する収納体内に設けたことにより、前記溶液供給の供給とともに減少する空間の利用を可能にして、新たな空間を設ける必要をなくし、コンパクト、軽量化を実現できた。

以下、本発明の実施例について、図面に基づいて説明する。

図１は本発明の第１実施例で、例えば携帯用小型燃料電池への燃料ガス供給のため、化学反応により水素ガスを生成、供給する水素ガス生成供給装置の構成図である。

本発明のガス生成供給装置は、溶液収納体１と第１の化学反応空間３０を収納した収納体３と第２の化学反応空間１５の３つから構成されている。前記溶液収納体１は、ボディ（例えば、０．１Ｐａ以下程度の低圧小容量水素ガス供給の場合には一部または全て透明ボディ）１１と、あらかじめ所定の濃度に調整された溶液（例えば、リンゴ酸水溶液、または、塩酸など）１０を収納した、例えば耐水素フッソ系ゴム製バルーン１４が供給口１０aを介して前記第１の反応空間３０と連通し、前記溶液１０を、一定速度で前記反応空間３０へ供給口１０ｂより連続供給を可能としている。前記第２の化学反応空間１５と前記バルーン１４は、ガス透過部材（例えばカーボンクロスやゴアテックスなどで液体の透過は防止する）１３内に共有して収納されており、コンパクト化が図られている。前記第２の化学反応空間１５の外周は、ガス出口３００に連通するガス流動空間１２を備えている。

前記収納体３は、前記溶液１０と接触すること化学反応を起こして燃料ガスを生成する粒子状部材（例えば、特殊処理したアルムニューム合金、ボロハイドライドなど）２０を収納している。前記溶液１０は、前記供給口１０ｂから一定速度で前記粒子状部材２０に連続的に供給され、一定速度の化学反応により燃料ガスが継続して生成される。前記第１の化学反応空間３０の収納体３の大きさは、化学反応時間経過とともに溶液濃度が希釈しないように、前記溶液収納体１の容積より小さく設定されており、化学反応液はさらに連通口１６を介して第２の化学反応空間１５へ流動し、そこでさらに継続してガスを生成し、ガス透過部材１３を透過して前記ガス流動空間１２および３００から燃料電池へ一定量で供給される。

図２は、本発明の第２実施例の水素ガス生成供給装置の構成図である。本第２実施例の第１の化学反応空間３０の収納体３は、前記第１実施例に示したガス流動空間１２を、前記第１の収納体３内に流動空間３０aとして転移させたものである。従って、その機能は同じであり、同じ部位には同じ符号を付け、重複する説明は省略する。

図３は、本発明の第３実施例の水素ガス生成供給装置の構成図である。本第３実施例は、前記図１と２に示した粒子状部材２０が、前記溶液１０と一部の面積で接するように制限した部材３８を介して接する構成をなしている。該部材３８は、前記溶液１０の浸透速度を制限する部材と１部に開口口を持つ収納部材の少なくても１つからなり、直接的に前記粒子状部材２０と全面で接することを防止し、前記溶液１０との接触速度を化学反応速度に合わせることを可能にしたものである。従って、第１の溶液収納体１の構成は、前記第１実施例の溶液収納体１と同じ構成であり、同じ部位には同じ符号を付け、重複する説明は省略する。

図４は、本発明の第４実施例の水素ガス生成供給装置の構成図である。本第４実施例は前記図１に示した粒子状部材２０に替えて、第２の所定の濃度を持った溶液２０が、第１の前記溶液１０と混合することにより化学反応を起こしガスを生成させる装置である。従って、前記第１の溶液１０の収納体１の構成は、前記第１実施例の溶液収納体１と同じ構成であり、同じ部位には同じ符号を付け、重複する説明は省略する。

第２の溶液収納体２の構成は、前記第１の溶液収納体１と対象をなしておりその機能は同じである。従って、相当する部位にそれぞれ対応した符号（１桁目の数字は同じ）を付与して、重複する説明は省略する。

前記第１と２の溶液１０と２０が、それぞれ供給入口１０aと２０aから第１の化学反応空間３０に一定速度で供給されると化学反応を起し、燃料ガスを継続して生成する。前記第１の化学反応空間３０の収納体３は、本図４に示すように、前記第１と第２の溶液収納体の溶液濃度を、一定状態で化学反応させるための浸透性の良い部材３３aを中央部に設けた例である。前記第１の化学反応空間３０の収納体３と、前記第２の化学反応空間１５および２５は、前記実施例１の場合と同じであるため、重複する説明は省略する。

図５は、本発明の第５実施例の水素ガス生成供給装置の構成図である。本第５実施例の第１の化学反応空間３０の収納体３は、前記図２の第１の化学反応空間３０の収納体３と同様に、前記図４のガス透過部材１３および２３を、当図５の空間内３０のガス流動空間１３として１つに集合させたものである。従って、その機能は同じであり相当する部位にそれぞれ対応した符号（１桁目の数字は同じ）を付与して、重複する説明は省略する。

図６は、本発明の第６実施例の水素ガス生成供給装置の断面図である。該断面図は、前記構成図３の構造例を示したものである。溶液収納体１は、所定の濃度を持った溶液１０がバルーン１４に収納され、リング１４aで１７ｃに固定され、逆止弁１７を介して第１の化学反応空間３０の収納体３に一定速度で、供給口１０ｂから溶液が供給される。

前記第１の化学反応空間３０の収納体３は、前記溶液収納体１とネジ３４の勘合により、シャフト１７eがボール１７aをシート１７ｄから押し上げて、溶液１０が一定速度で、流入口１０aから少なくても１つの凹部から成る絞り部１７ｂと管１７ｃを経由して、化学反応空間３０の中央部より奥に設けた流出口１０ｂより一定速度で供給される。この供給された前記溶液１０は、前記粒子状部材２０と化学反応を一定速度で起こしてガスを生成させながら、前記連通管１６側化学反応空間へ流動して、第２の化学反応空間１５へ流入（矢印１６a）する。さらに、本図６では、前記粒子状部材２０が、携帯用としていろいろの角度における使用状態においても、前記粒子状部材２０が直接全面で前記溶液１０と接することによる早期溶解防止と、その収納位置を安定化させ前記粒子状部材２０の飛散防止を図り、一定速度による化学反応を継続させるため、前記粒子状部材２０を前記溶液１０と接触を制限する部材３８と３８aで収納している。該部材３８は、前記溶液１０の浸透を防止し、前記部材３８aは前記溶液１０の浸透性を備え、前記溶液１０と前記粒子状部材２０の接触面積は当部のみで可能とさせ、化学反応速度に応じた前記粒子状部材２０の接触面積を調整している。前記第２の化学反応空間１５内に流入した化学反応溶液は、さらに該空間内１５でガスを生成し、ガス透過部材１３を透過してガス流動空間１２に流動し、通路１６ｃ、３３ｄおよび３２を介して出口３００から燃料電池へ一定量を供給する。前記溶液収納体１内の構造部材１３aは、前記ガス透過部材１３の成形を保つもので、外周にガス通路を備えた円管部材１３ｂを介して筐体１１で支持されている。

前記溶液収納体１と第１の化学反応空間３０の収納体３は、シール材３７ｂで外部とシールされており、前記第１と第２の化学反応空間３０と１５は、シール材１８によりネジ３４の勘合時にシールされ、貫通孔１６のみが化学反応溶液の流動を可能としている。前記溶液収納体１と第１の化学反応空間３０の収納体３は、それぞれ単独に存在させる場合は、収納した溶液や粒子部材が漏れないように、それぞれシール栓を備えたキャップによりネジ３４で固定され保管される。前記第１の化学反応空間３０の収納体３内には、前記溶液収納体１と同様の構造材３３aで成形されたガス透過部材３３を備え、ガス出口３６に通じているが、前記構造材３３aは必須とするものではない。

図７は、本発明の第７実施例の水素ガス生成供給装置の断面図である。本第７実施例は、前記構成図４の構造例を示したものである。その構造は前記図６および前構成図４と同様であり、相当する箇所には同じ符号を付け、重複する説明は省略する。

本図７の前記第１の化学反応空間３０の収納体３は、液体およびガスを透過する１つまたは２つ以上の孔３３ｂからなるＨ型をした構造材３３aを備え、その外周には、ガス透過部材３３およびガス透過口３３ｄと、ガス流動空間３２を介してガス出口３６を備えた筺体３１で構成されている。前記第１と第２の化学反応溶液収納体１と２および前記第１の化学反応空間３０の収納体３は、外部とシール部材３７a、と３７ｂでシールされている。前記バルーン１４および２４からそれぞれ溶液１０および２０が、一定速度で前記第１の化学反応空間３０内に供給され混合し、化学反応が起きることによりガスが生成される。本図７の例では、前記第１の化学反応空間３０の大きさは、例えば、燃料電池出力が２０ワットの場合に必要な水素燃料は、毎分１４０〜１５０ｃｃの量が必要であり、そのために必要な例えば６重量％濃度のボロハイドライド溶液量は毎分０．６〜０．９ｃｃであり、この時、濃度が時間とともに希釈させず化学反応速度を一定化（室温、常圧）させるために、２〜４分間経過後に前記第２の化学反応空間に流出させる設定（燃料電池システム系から要求される燃料供給量変動幅以内で決められるファクター）として、この時、前記第１の化学反応空間３０の大きさは１〜４ｃｃに相当する。しかし、本図６構造の場合の実際のその化学反応現場は泡立ち状態で行われるために、前記１〜４ｃｃの５〜１０倍、つまり、５〜４０ｃｃとなるが、下限側の７ｃｃとした例を示している。このように該容積の最適化は、適応する燃料電池システム全体の系を基にして、必要とする化学反応速度の試算から容積を仮定し、実際の構造と化学反応の泡立ち状態を基に修正、最小化を図ることが、濃度を一定かさせるために、本発明では最も重要な要素となる。

図８は、従来の携帯用燃料電池向けガス生成供給装置の１例を示している。当装置は、溶液収納体液１と化学反応空間収納体２が勘合部２００で勘合した時、触媒溶液１１aが管２２から流入して、粒子状部材２１aと混合することにより化学反応をおこしてガスを生成し、供給口３００から燃料電池へ燃料を供給給するものである。しかし、当手段による化学反応現象はその反応時間が進むにつれて、化学反応空間内２１aの反応済溶液との混合により、化学反応空間内触媒溶液１１aの濃度が時間とともに希釈されて、ガス生成速度が低下して行く。従って、連続して一定量ガスを継続して生成・供給する用途に対しては、別に貯蔵室や供給圧を調整するレギュレータなどを必要とするものである。

図９は、本発明による水素ガス生成量の試験結果の１例を示すものである。横軸は水素ガス生成溶液の化学反応開始からの経過時間（分）を示し、縦軸は前記経過時間に対する水素ガス生成量の累積（ｃｃ）である。当図中の曲線Ａは、０．１モルの酸をほぼ０．５ｃｃ/分の速度で、ボロハイドライド物質を収納下１つの空間内で化学反応させ水素ガスを生成させた例である。化学反応経過時間とともに水素ガス生成量速度の低下が見られるのは、反応時間とともに触媒濃度が希釈される事が大きな要因の１つと考えられる。一方、曲線Ｂは、１モルの酸と３０重量％のボロハイドライド溶液をほぼ０．１ｃｃ/分の速度で、まずは第１の化学反応空間（容積約５ｃｃ）で反応させ、余剰反応液はそれより大きい容積（３０ｃｃ）を持った第２の化学反応空間へ流動収納して、その空間内で化学反応を継続させた例である。

前記曲線ＡとＢの試験条件は異なるものの、化学反応速度という視点で本曲線ＡとＢを見た場合、所定の溶液濃度、混合速度の基で、時間経過とともにその化学反応現場での溶液濃度を保つ本発明の効果を裏づけたものである。
「実施形態の効果」

この実施形態によれば、新しい形態として、例えば、数ワット以下から数キロワットＷを超える出力を持つ機器への燃料電池への燃料供給に対して、携帯用または据置き用を問わず、シームレスに多用途に適応が可能な道を拓くことが出来る。かつ、ここに示した実施例が全てでなく、ここに示した要のバリエーション例を基に、容易に多種多用途に展開が拡大出来るようにしたものである。また、一定量のガス生成により供給ガス圧を調整するレギュレータバルブは、本装置では必ずしも必要としない利点もある。
「他の実施形態」

図１から図７までの実施形態では、使用する溶液および燃料ガスを生成させる部材の性質に応じた応用展開が容易である。特に、据置き用途向けには定置状態での運転であるため、例えば、前記バルーン機能を重力に置き換えた一定速度による溶液混合が可能である。その混合を化学反応速度に合わせた反応空間内に、例えば、２０ワット室力の燃料電池のケースでは、直径または一辺が１０〜２０ｍｍサイズの親水性材質製塊の少なくても１つ以上を、上下に連ねた釣鐘状の第１の化学反応空間を重力で滴り落ちる間に化学反応させ、当空間を通過後は更にその下の第２の化学反応空間へ収納させ、ガスの生成を継続させる構造も図示はしてないが、同じコンセプトである。

さらに、図５においては、溶液収納体１と第１の化学反応空間の収納体３がネジ３４で勘合状態にあっても、燃料ガスを必要とする時に、ボール１７aの押上を手動でシール部材を介した筐体３１外部からシャフト１７eを可動させることは容易なことである。また、本発明の用途は、水素以外のガス生成への適応にも勿論可能である。

本発明の第１実施例の粒子状部材の化学反応速度の一定化による水素ガス生成供給装置の構成図図１のガス流動空間を第１の化学反応空間内に転移させた構成図（実施例２）図１の粒子状部材の化学反応面積を制限するための溶液浸透部材を設けた構成図（実施例３）図１の粒子部材の代わりに溶液とした場合の一定化学反応速度による水素ガス生成供給装置の構成図（実施例４）図３のガス流動空間を第１の化学反応空間内に転移させた構成図（実施例５）図１の構造例を示す断面図（実施例１の構造図）図４の構造例を示す断面図（実施例４の構造図）本発明による試験結果の１例を示す水素一定量生成グラフ従来の携帯用燃料電池向け水素ガス生成供給装置を示す断面図

符号の説明

図中、１，２は化学反応溶液収納体、３は化学反応空間収納体、１０、２０は化学反応溶液、１４、２４はバルーン、１３、２３、３３，３３eはガス透過部材、１３a、２３a、３３aはガス透過膜を成形させる構造部材、１０a、２０aは溶液供給口、１６、２６は化学反応溶液流出口、１７ｄ、１８，２７ｄ、２８、３７a、３７ｂはシール部材、１７ｂ、２７ｂは絞り部、１７、２７は逆止弁、１７a、２７aはボール、１７e、２７eはシャフト、１５、２５、３０は化学反応空間、１２、１６ｃ、２２、２６ｃ、３０ｂ、３２、３３ｄ、はガス流動空間、１１、２１、３１、は筺体、１６ｂ、２６ｂ、３０ｂはガス透過部位、３３ｃはシャフト支持部、１４a、２４a、はバルーン止めリング、１３ｂ、２３ｂは外周溝付きリング、３４，３５は収納体勘合ネジ部、３８，３８aは溶液透過制限部材

Claims

第１の一定速度で連続的に供給可能な溶液供給手段を収納した溶液収納体と、前記溶液が介在することにより化学反応を起こして燃料ガスを生成する粒子状部材と、該部材を収納し前記供給手段より小さい容積からなる第１の化学反応空間の収納体と、該第１の化学反応空間のと連通した第２の化学反応空間と、前記溶液の透過は防止し前記生成ガスの透過を可能とするガス透過手段と、該透過ガスを燃料供給口へ流動させるガス流動空間を備えたことを特徴とするガス生成供給装置。
請求項１において、前記供給手段の供給出口を、前記連通箇所と前記第１の化学反応空間の中央部より遠い位置に設置したことを特徴とするガス生成供給装置。
請求項１〜２において、前記粒子状部材が、一部の開口口と溶液透過速度を制限する部材の少なくても１つの部材内に収納され、前記溶液と接触する速度を制限したことを特徴とするガス生成供給装置。
前記第１の一定速度で連続供給可能な溶液供給手段を収納した溶液収納体と、第２の一定速度で連続供給可能とした溶液供給手段を収納した溶液収納体と、前記第１と第２の溶液の混合により化学反応を起こして燃料ガスを生成し、前記第１と第２の溶液供給手段の少なくても１つの容積より小さい第１の化学反応空間と、該第１の化学反応空間と連通した第２の化学反応空間と、前記溶液の透過は防止し生成ガスの透過を可能とするガス透過手段と、該ガス透過手段を透過して前記燃料ガスを燃料供給口へ流動させるガス流動空間を備えたことを特徴とするガス生成供給装置。
請求項４において、前記第１の化学反応空間内に、溶液を吸着する特性を持つ部材を具備したことを特徴とするガス生成供給装置。
請求項１〜５において、第１の化学反応空間収納体内の大きさが、前記化学反応の速度に対応した空間に設定したことを特徴とするガス生成供給装置。
請求項１〜６において、前記第２の化学反応空間が、前記第１と第２の溶液収納体の少なくても１つに収納したことを特徴とするガス生成供給装置。