JP2008027583A - 燃料ガス生成供給装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】可動型や携帯型の燃料電池等への燃料供給手段として、化学反応手段により調圧弁等を用いず継続的、安定的にかつ利便性良く安価に一定量の燃料ガスを生成、供給することが可能な燃料ガス生成装置の提供。
【解決手段】液体浸透手段を介した化学反応を基に、反応速度の一定化設定のパラメータとして、前記液体に溶融した酸化触媒部材溶融濃度と前記固形酸化触媒部材性能の少なくても1つと前記液体供給速度および前記透過部材が前記液体と接触する面積の大きさを基本として、第1の化学反応空間3と第2の化学反応空間4を用いることにより、酸化触媒の形態を液体、固体を問わず、また、燃料生成ガス生成量の幅広い用途への適応を可能とするシステム化にした。
【選択図】図2
【解決手段】液体浸透手段を介した化学反応を基に、反応速度の一定化設定のパラメータとして、前記液体に溶融した酸化触媒部材溶融濃度と前記固形酸化触媒部材性能の少なくても1つと前記液体供給速度および前記透過部材が前記液体と接触する面積の大きさを基本として、第1の化学反応空間3と第2の化学反応空間4を用いることにより、酸化触媒の形態を液体、固体を問わず、また、燃料生成ガス生成量の幅広い用途への適応を可能とするシステム化にした。
【選択図】図2
Description
本発明は、化学反応により一定量の燃料ガスを継続的に供給する燃料電池発電用ガス生成供給装置に関するものである。
可動型および携帯型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、小型、安価で利便性が良く、化学反応速度の一定化により一定量の燃料ガスを継続して安定供給可能な実用的装置の提供が急務である。
特開2000−161509号公報、特開2004−318683号公報、特開2005−19517号公報、特開2005−93104号公報、特願2005−321503号、特願2006−082505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、利便性良くかつ小型軽量、安価な構造で化学反応により安定的に少なくても数時間以上の連続供給を可能にさせるためには、
第1の課題として、燃料ガスを生成させる化学反応現場では、これまでは化学反応速度が反応継続時間と共に低下し、生成ガスの生成量が時間と共に減少する。その要因の大きなものの1つに、たとえば酸化触媒により燃料ガスを生成させた場合に、その溶液濃度が反応現場では反応済み溶液との混合により、反応経過時間とともに希釈される、あるいは、酸化触媒の性能そのものが材料により低下すると考えられる。たとえばりんご酸、塩酸、ゼオライトやナフィオン等の酸化触媒性能効果は、ビーカー等での一定容量内での化学反応速度は経過時間とともに低下するのが現実である。このため、化学反応経過時間に関係なく一定濃度を持続させ、化学反応速度を一定化させ一定量の生成ガスを安定的に長時間にわたり生成させるシステムの構築が必要である。
第2の課題としては、普及に向けた携帯型や可動型を可能にさせる、シンプル小型構造、安価、安全で利便性の良い供給装置を多用途向けに適応可能な装置の提供が要求される。そのためは用いる化学反応させる部材の形態を、液体や固体に限定せずに、広範囲に適応可能な燃料ガス生成量の供給に対しても、普遍的にベーシックなシステム提供の確立が急務である。
以上の課題を解決するために、第一発明は、一定量の液体供給手段から供給された液体が、少なくても1つの供給出口から液体浸透部材へ直接供給され、該液体浸透部材を浸透した液体と燃料ガスを生成する固形部材と化学反応を起こして、一定量の燃料ガスを継続的に生成させることを特徴とするガス生成供給装置。
第二発明は、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、化学反応経過時間に対して化学反応現場での化学反応速度の一定化を図るために、前記第1の化学反応空間の容積は、反応速度に対応した空間に設定し、前記第2の化学反応空間の容積より小さいことを特徴とするガス生成供給装置。
第三発明は、第1の化学反応空間の設置位置を、第2の化学反応空間位置より高く設置させることにより、化学反応済み溶液との混合を防ぎ、化学反応経過時間と共に前記溶液濃度が希釈されることなく、化学反応速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。
第四発明は、前記第1の化学反応空間内に前記固形酸化触媒部材と前記親水性部材の少なくても1つを備え、化学反応に用いる触媒試薬の形態(液体や固体等)に限定せずに、化学反応速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。
第五発明は、化学反応速度の一定化を、前記液体に溶融した酸化触媒部材溶融濃度と前記固形酸化触媒部材性能の少なくても1つと前記液体供給速度および前記液体透過部材が前記液体と接触する面積の大きさで設定を可能にしたシステムを特徴とするガス生成供給装置。
第六発明は、前記液体供給速度を位置のエネルギーを利用(数時間以上安定供給の場合は数十〜百センチメートル程度の高さが目安)と、簡便、安価に一層の小型化を図るために圧力供給手段(たとえばバルーン、あるいはシール部材を備え所定の重さを持つウエイト、あるいは弾性変形部材等)で、外部より内圧をかけて前記液体の一定量供給をすることを特徴とするガス生成供給装置。
第七発明は、前記液体供給手段の装着操作時に、装置側に備えた前記液体の供給を可能にさせかつ化学反応による内部圧力が所定圧力以上では逆流しないように閉じる機能の少なくても1つを備えた第1の液体開閉手段と、外部操作により化学反応開始のための供給を可能にする第2の液体開閉手段の少なくても1つを備え、化学反応の断続の任意操作と所定圧以上の反応圧上昇防止を図ったことを特徴とするガス生成供給装置。
第八発明は、前記固形部材が前記液体と接して化学反応を連続的に長時間(数時間以上)起こさせる場合、前記固形部材が液体により収納壁に固着して前記浸透部材に接するまで移動しなくなり該浸透部材間と隙間が生じ、前記化学反応の低下または停止の防止を図るために、ウエイトまたは弾性変形部材(耐蝕性ばねやゴムなど)等を備え、前記固形部材が前記浸透部材と常に接触させるように作用させることを特徴とするガス生成供給装置。
第九発明は、化学反応溶液の収納体勘合外部周辺に、水等の貯水空間を備え、燃料ガスの漏れを気泡等で目視確認可能にさせた簡単、安価な安全機能を備えたことを特徴とするガス生成供給装置。
第一発明〜第五発明によれば、燃料ガスの一定量を安定的に生成し供給させるために、化学反応速度の一定化設定のパラメータを、前記液体に溶融した酸化触媒部材溶融濃度と前記固形酸化触媒部材性能の少なくても1つと前記液体供給速度および前記透過部材が前記液体と接触する面積の大きさで設定させ、実用的でシンプル小型構造、安価、安全で利便性が良い可動型装置を樹脂成型材等による装置提供を可能にさせた。本コンセプトによれば触媒溶液と燃料ガスを生成する固形部材による化学反応に限定するものでなく、触媒溶液に換えて固形触媒を用いて、この場合はたとえば、水道水供給により燃料ガスを生成する固形部材による一定速度での化学反応も可能にした。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。
第六発明によれば、前記液体供給速度を得るために、位置のエネルギーを利用し、たとえば数十ワット程度以下の燃料電池への燃料供給を数時間以上安定供給の場合は、70〜80センチメートル程度の高さで可能とさせている。さらに、コンパクト化が必要な場合には、位置のエネルギーを利用に換えてバルーンあるいはシール部材を介して所定のウエイトあるいは弾性変形部材等を用いて、外部より内圧をかけて前記液体の一定量供給を簡便、安価に可能とさせた。
第七発明によれば、前記液体収納容器の装置への装填操作時に、容器側に備えた開閉パイプ等により自動的に回路を開き、一方、化学反応圧力が所定圧力以上時には、逆流しないように回路が閉じる2ウエイ機能を備えた第1の開閉手段と、外部操作で任意に化学反応の断続を可能する第2の開閉手段を備えることにより、前記装置内の化学反応による圧力の異常上昇防止と、手動により化学反応の断続を可能にした。
第八発明によれば、前記固形部材をウエイトまたは弾性変形部材等で前記浸透部材と常に接触させるように作用させることにより、前記固形部材が溶解して収納容器壁に固着して、前記浸透部材に接するまで移動しなくなり該浸透部材間と隙間発生防止を図った。
第九発明によれば、前記収納体勘合外部周辺に、たとえば透明樹脂の一体成型等で貯水空間を備えることにより、簡単、安価に燃料ガスの漏れを気泡等で目視確認を可能にさせた。
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、化学反応により一定量の燃料ガスを生成、供給する可動型小型軽量水素ガス生成供給装置の断面図である。
本発明のガス生成供給装置は、液体収納体1、固形部材収納体2、第1の化学反応空間3そして第2の化学反応空間4の4つから構成されている。前記収納体1は、容器(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)10と、あらかじめ所定の濃度に調整された触媒溶液(例えば、リンゴ酸水溶液、または、塩酸など)11を収納し、シール部材13を備えたウエイト12と、前記溶液の供給口14を備えている。前記収納体2は、前記触媒溶液との接触により化学反応を起こして燃料ガスを生成する固形部材21が容器20内に収納され、該部材21の上部にはウエイト22の重力により下部の前記溶液11を透過させる透過部材24に接しており、上部にはシール部材23で外部と遮断されている。
前記溶液11は、バルブ34の先端に備えたシール部材34aで外部より開閉可能で、該バルブ34が開かれると前記溶液11は供給手段36により前記収納体2の下部に、少なくても1つの出口36aから供給され、前記透過部材24を透過し前記部材21と化学反応を起こし燃料ガスを生成する。前記化学反応は前記透過部材24との界面近傍で行われ、前記収納体2はシール部材23で閉空間であるため、前記生成ガスと共に前記収納体2の外部つまり前記第1の反応空間3内へ流出し、さらに該空間3内の反応溶液は、流通口25を通って前記第2の反応空間4へ流出し、ここでもさらに化学反応を継続する。前記反応空間3の容積は、所定の化学反応速度を継続的に行わせるために、前記溶液11の濃度が反応経過時間と共に希釈を防止する大きさを備えている。すなわち、たとえば、前記部材21がボロハイドライド(NaBH4)の場合、燃料ガスを毎分146cc(燃料電池出力20W相当クラス)連続数時間にわたり生成させるために必要な前記溶液11量は、化学式では毎分0.06g程度であるが、当実験結果では、その5〜7倍の溶液が実際必要であり、さらには当化学反応の現場では気泡状態で行われているため、その量を連続して行わせるためには1〜4cc程度必要となる。そして、連続数時間運転に必要な前記溶液11の総量は、化学式ではほぼ22g程度であるが、当実験結果ではその5〜7倍程度、つまり120cc程度となる。さらに、前記第1の反応空間3の設置位置は、前記第2の反応空間4の位置より高く、両溶液が混合しない。したがって、前記第1の化学反応空間3内の現場での前記溶液11の濃度は希釈されること無く初期濃度を維持して反応速度を一定に保つことができる。また、本図では前記第1の反応空間3内に親水性部材37を備え、前記溶液11が浸透部材24に均一に接触させ、かつ、無駄に前記第2の反応空間4内に滴下してしまうのを防止している。
前記第1および第2の反応空間3および4内で生成された燃料ガスは、出口300へ放出される。また、前記第2の反応空間4は透明容器32とシール部材33を備えた勘合部37で構成され、さらに、前記ガス生成装置接合部の位置以上高い位置での水面に貯水可能な空間35を備え、各接合部31、33a、33b、33cからのガス漏れを気泡の有無の目視確認により容易にチェック可能にし、かつ、該装置の安定性を良くさせている。
図2は、本発明の第2実施例の水素ガス生成供給装置の断面図である。本第2実施例は、前記図1に示した収納体1に収納されている前記ウエイト12による一定速度での前記溶液11の供給機能をバルーン16に置き換えたことと、前記第2の反応空間内の親水性部材37を固形酸化部材38に置き換えたものである。従って、相当する部位には同じ符号を付け、重複する説明は省略する。
前記バルーン16内には前記触媒溶液11に換えて水道水11aを収納し、上部は、前記溶液の注入を外部より注射針等で可能にする弾性シール部材15、留め部材18が開口17を持つ蓋19、下部には、前記溶液11供給口14に連通して、前記収納体1がシール部材33bまで充分に挿入されたとき、上部に 切欠き部43を備えた管45により、ボール40がシール部材44から離れ前記溶液11の流動を可能とし、一方、シール部材41に接することにより前記水道水11aの逆流を防止し、弾性部材39とともにバルーン16が透明容器10と勘合している。したがって、バルーン16の弾力係数の選択により前記水道水11aの供給速度の任意設定を可能にして、さらに、消費状況が目視確認できる。前記供給口14から供給された水道水11aは少なくても1つの供給口36aから前記液体浸透部材24に供給され、該部材24に接する前記固形部材21を溶解し、該溶解液が前記固形酸化触媒部材38により化学反応を促進され、ガスを生成するメカニズムは図1と同じである。
図3は、本発明の第3実施例の水素ガス生成供給装置の断面図である。本第3実施例は、携帯向け用途に前記実施例2および3と同様、前記液体収納体1と、固形部材収納体2、第1の化学反応空間3そして第2の化学反応空間4の4つを備え、構造は違うもののシステムは同じである。従って、相当する部位には同じ符号を付け、重複する説明は省略する。
前記供給手段36により前記液体透過手段24の面に少なくても1つの出口36aから供給され、前記固形部材21と化学反応を起こした溶液は流動口25より容器25gよりなる第1の反応空間3内へ流動し、さらに連通孔25aおよび25cから第2の反応空間4を構成する空間25bと25d内でさらに化学反応を継続する。前記空間25b内では、水道水11aも消費と共に前記バルーン16は収縮し、その空間は拡大する利点もある。前記化学反応で生成された燃料ガスは、液体の透過を防止し気体を透過させる気体透過部材16aと20bを透過して、接合部25hと25jを持って連通溝20eで繋がっている空間20cと20dへ流出し供給口300へ通じている。前記容器25eと25gは、勘合部25fと25kで容器20と10にそれぞれ勘合している。前記固形部材21は、弾性変形部材(耐蝕性スプリング、またはゴムなど)22によりシール手段を備えたピストン22a を介して、前記液体透過部材24面に接するように作用している。したがって、本実施例も、本発明のコンセプトを基にしていることがわかる。また、前記水道水11aの前記バルーン16内への充填は、前記収納体1の単体時に、供給口36部へ外部から前記水道水11aを圧送すると、ボール40はシート41の座に接するが切り欠き部14aより、前記水道水11aを前記バルーン16内へ注入される。
図4は、本発明の基本とする一定化学反応速度の検証を確認した試験結果の1例である。本例では、前記液体浸透部材24の面積3.6平方cm、前記触媒溶液11の濃度と供給速度は0.8molと0.5cc/分で、連続的に化学反応をさせた場合のグラフAに示すように、リニアであることが実証されている。また、前記触媒溶液11の供給を1時的に「閉」/「開」したグラフがCである。当グラフCが示すように、前記触媒溶液11の供給を完全に停止しても、停止直後から即時に化学反応は停止せず、また、停止間でも化学反応が微小継続して完全に「ゼロ」にはならないことがわかる。しかし、「開」後は、「閉」時に比べ化学反応の応答性は良い。これらの結果は、当システムが化学反応の応答性を充分備えたものであることがわかる。
図5は、本発明の実用性をさらに確認するために、本発明のポイントである化学反応速度の設定パラメータ、前記液体に溶融した酸化触媒部材溶融濃度と前記固形酸化触媒部材性能の少なくても1つと前記液体供給速度および前記透過部材が前記液体と接触する面積の大きさのレベルを変化させて、それらの特性の影響度合いを示した試験結果の1例である。本試験例で用いた試薬は、前記触媒溶液11としてりんご酸、前記固体部材21としてボロハイドライド、そして、燃料電池出力100W程度以下を想定したケースである。
前記ケースでの試験結果のその1として、前記溶液浸透部材の面積を0.9平方cmとした場合について、前記溶液11の濃度を3水準、0.2molのA1,0.6molのA2と1.0のmolのA3に示す3つのグラフである。この3つのグラフから、濃度に応じた燃料生成ガスの量に対する影響度合いが読める。同様に、その2として、2.6平方cmとした場合について、0.2molのB1,0.6molのB2と1.0molのB3、また、その3として、3.6平方cmとした場合について、0.2molのC1,0.6molのC2と1.0molのC3のグラフに示す結果となった。これらの結果は、本発明によるパラメータ設定が有効であり、かつ、 パラメータの影響度合いも適正に把握可能であることが裏付けられた。本試験結果の例では、前記触媒溶液11の濃度や供給速度にリニアに変化してないが、これらは本試験に用いた実機システム固有に起因したものと考えられるが、それぞれの特性のレベルに応じて再現性のある結果が得られているために、充分に実用化検討可能なレベルと判断できる。
さらに、当試験結果より、所定の水素ガス生成量を得る時に、触媒溶液消費量の最小化も可能である。すなわち、たとえば燃料電池出力20Wクラスで必要な毎分の水素ガス量を146ccとした場合の毎分の触媒溶液消費量は、最小値は前記溶液浸透部材の面積が3.6平方cmと大きいC3とほぼ同等を示すB3でありその両はほぼ0.5ccである。一方、最大値は前記溶液浸透部材の面積が0.9平方cmと小さいA1で、その結果は毎分ほぼ2ccとなり、装置設計に有効なデータ取得を可能であることがわかる。なお、本発明のコンセプトは、本実験範囲内の結果にとどまらず、たとえば、前記浸透部材24の材質特性、あるいは温度特性等によっても結果は異なるものであるが、必要にこうした特性の考慮へも本手法の適応は充分に可能である。
図6は、従来の燃料ガス生成供給装置を示す断面図である。本図は、液体供給手段1と固形部材に直接液体10が供給され化学反応を起こす空間3を備えたものである。したがって、本発明がポイントとする液体透過部材を介し、かつ、燃料ガスを生成する固形部材を所定面積で化学反応を前提とした化学反応システムと異なる。すなわち、本発明は直接的に前記液体が固形部材へ供給しないため、数時間以上の長時間にわたり安定的に一定の化学反応速度を継続させ長時間に渡りリニアな燃料ガス生成を可能にしたシステムである。
「実施形態の効果」
「実施形態の効果」
この実施形態によれば、燃料ガスの必要量を継続して安定的に供給するパラメータ設計の最も基本的なものとして、3つの要素、すなわち、前記液体に溶融した酸化触媒部材溶融濃度と前記固形酸化触媒部材性能の少なくても1つと前記液体供給速度および前記透過部材が前記液体と接触する面積の大きさを基本に用いて、マクロな把握を効果的に効率よく構築させることを可能にした。さらに、目的に応じて同じコンセプトで、付加パラメータ(温度特性、材料特性等)も追加により、バラツキ範囲の推定や、あるいは、燃料ガス供給量のシリーズ化を図った装置設計等への応用展開を可能にした。そしてさらに、一般的樹脂材料をベースに装置を安価に容易に構築でき、かつ、入手性の良い一般的透明部材の使用も可能であり、材料の消費状況や目で見えないガス漏れにも容易に目視確認が可能である。新しい形態として、例えば、出力数ワット以下から数キロワットを超える用途を図った燃料電池への燃料供給に対して、可動型および携帯型として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。また、本発明では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」
「他の実施形態」
図1〜3までの実施形態では、本発明のコンセプトを基に、前記固形部材21を常に前記液体浸透部材24に接触させるために、用いる容器20の材質等も考慮して、前記固形部材21の形状、大きさを、たとえば、所定量の燃料ガスを生成する量や保管用に利便性良い密封収納を考慮した棒状サイズ化、または、10〜15mm程度のペレット状あるいは2〜3mm程度の粒子状などの設定がおのずと可能となる。さらに、たとえば、りんご酸等をデンプン等で固形化した固形触媒への応用も発展可能である。また、前記液体供給手段36は、液体供給速度を調整に対して液体流動面積や長さによる調整以外に、前記供給手段内の少なくても1部に糸状部材(たとえば、綿糸等利用の浸透圧、釣り糸挿入など)利用へも発展する。
さらに、図1〜3においては、液体収納体1、固形部材収納体2、第1の化学反応空間3と第2の化学反応空間4等の勘合構造は、それらのシール方法を含め多様に存在するが、本発明の本質的は、所定量の溶液を供給する機能を持つ収納体1、所定の化学反応面積を備えた液体浸透部材24を介し化学反応機能を持つ固形部材収納体2、第1の化学反応空間3、そして、第2の化学反応空間4を備えたシステムは全て含むものである。
図中、1は液体収納体、2は化学反応により燃料ガスを生成する固形部材収納体、3は第1の化学反応空間、4は第2の化学反応空間、10、20、20a、25e、25g、30、32は容器、11,11aは液体、12,22はウエイト、13、15、23、33、33a、33b、33c、34a、39はシール材、14は液体供給口、14a、43は切り欠き部、17は空気口、16a、20bはガス透過部材、18、41、42,44、45は円管、19は蓋、20a、20b、20eは生成ガス流動空間、21は燃料ガスを化学反応により生成する固形部材、24は液体透過膜、25、25a、25cは反応液流出口、25b、25dは化学反応液収納空間、25f、25kは勘合部、25h、25j、は部材接合部、31は勘合部、34はネジ、35は水貯水空間、36は液体供給管、36aは供給液体出口、37は浸水部材、38は固形酸化触媒、40はボール、300は生成燃料ガス出口
Claims (9)
- 液体を一定速度で連続的に供給する液体供給手段と、前記液体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固形部材と、該固形部材と接して前記液体を透過する液体透過部材と、該透過部材へ前記液体供給手段の少なくても1つの供給口から前記液体を直接供給させる手段を具備したことを特徴とする燃料ガス生成装置。
- 請求項1において、前記透過部材を介して化学反応をする第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、前記第1の空間の容積が前記第2の空間容積より小さいことを特徴とするガス生成供給装置。
- 請求項2において、前記第1の化学反応空間は、前記第2の化学反応空間より高い位置にあることを特徴とするガス生成供給装置。
- 請求項2〜3において、前記第1の化学反応空間内に親水性部材と固形酸化触媒部材の少なくても1つを備えたことを特徴とするガス生成供給装置。
- 請求項1〜4において、前記液体に溶融した酸化触媒部材溶融濃度と前記固形酸化触媒部材性能の少なくても1つと前記液体供給速度および前記透過部材が前記液体と接触する面積の大きさを基に、化学反応速度を設定させることを特徴とするガス生成供給装置。
- 前記第1〜5において、前記液体供手段が位置のエネルギーの利用と液体シール部材を具備した圧力供給部材の少なくても1つを備え、該部材の重力作用により所定の液体供給量を設定し、化学反応速度を一定化することを特徴とするガス生成供給装置。
- 請求項6において、前記液体供給手段の前記ガス生成供給装置への装填操作時に、前記液体供給回路を開き、さらに、該液体収納手段内への逆流を防止する少なくても1つの機能を持つ第1の開閉手段と、外部操作手段により前記回路の開閉を可能にする第2の開閉手段の少なくても1つの開閉手段を備えたことを特徴とするガス生成供給装置。
- 請求項1〜7において、前記固形部材が圧力供給部材により、該固形部材が前記透過部材接するように作用させたことを特徴とするガス生成供給装置。
- 請求項1〜8において、前記装置勘合部外周に貯水空間を備えたことを特徴とするガス生成供給装置。
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