JP2008105878A - 水素発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】水等の反応液を液体収容部から水素発生部へと送り出す場合に、その量が少量であったとしても定量で送り出すことが可能な水素発生装置を提供する。
【解決手段】反応液が収容される反応液収容部Ｄと、この反応液収容部Ｄから反応液を排出する反応液排出路と、この排出された反応液と水素発生剤とを反応させて水素ガスを発生する水素発生部Ｅと、圧縮空気を収容する気体収容部Ａと、この気体収容部Ａ内の圧縮空気を反応液収容部Ｄ内へ供給する気体供給路と、を備え、反応液収容部Ｄ内の反応液に圧縮空気を作用させることで、反応液供給路から定量の反応液を排出可能に構成した水素発生装置であって、気体供給路における流路の大きさを調整するための調整機構Ｃを設けた。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池に供給する水素ガスを発生する機能を有する水素発生装置に関するものである。

燃料電池は、他の発電システムに比べると発電効率が高く、大気を汚染する物質を生成しないという点で注目されているエネルギー源である。水素供給型の燃料電池では、発電を行わせるために、カソードへ空気（酸素）を供給し、アノードへ水素を供給する。水素はアノードでの触媒反応によって水素イオン及び電子となり、水素イオンは電解質内を移動し、カソードの触媒反応により酸素と反応して水となる。一方、電子は外部回路を伝わってカソードに移動する。この電子の移動により電気エネルギーが発生することになる。

以上のように、燃料電池には水素等の燃料を供給する必要がある。そこで水素を発生するための装置が種々知られており、例えば、下記特許文献１，２に開示されている。これらはいずれも炭化水素を分解することで水素を発生させるものである。特許文献１，２における水素発生装置は、円筒形の熱供給器と同じく円筒形の反応器により構成されている。

また、下記特許文献３に開示されている水素ガス発生ユニットは、水（反応液に相当）を収容するためのタンクと、水との化学反応により水素を生成する金属（水素発生剤に相当）を収容する反応容器と、この反応容器に近接配置される加熱手段と、タンクに収容された水を反応容器に導入するための導入管と、反応容器で生成した水素及び未反応の水をタンク内に導入する戻り管と、タンク内の水素及び水を排出する排出管とを備えている。そしてタンクの水を反応容器に導入するためにポンプを使用しており、これにより、水を反応容器に供給する量を制御している。反応容器は、装置本体内に収容され、加熱手段により密着保持される。これにより、反応容器内に導入された水が加熱されて水蒸気になるとともに、反応容器内の水素ガスを発生させるための反応を促進させることができる。

特開２００４−６３１２７号公報 特開２００４−５９３４０号公報 特開２００４−１４９３９４号公報

上記のような水素発生装置において、水を反応容器内に送り込む量を一定に制御するのが望ましい場合がある。例えば、多量の水を送り込むと必要以上の水素ガスが発生してしまうという問題がある。水の送り量を制御（制限）するには、ポンプを用いることが好ましいが、ポンプを収容するスペースや駆動する機構が必要となり、コストアップや装置の大型化の原因となる。特に、水素発生装置を携帯電話、ＰＤＡ、ノートパソコンなどの携帯機器に組み込む場合等は、できるだけ小型化を実現できる構成が要求される。すなわち、ポンプを用いなくても水を供給できるような小型の反応液供給装置を備えた水素発生装置が望まれている。また、携帯機器用の水素発生装置の場合は、水を反応容器内に送り込む量もごく少量（例えば、１時間当たり２〜３ｃｃ）であり、かかる少量の水を定量で送り込めるような構成が要求される。更に、安定した状態で水素ガスを発生させるためには、水の送り込み量もある程度の精度が要求される。

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、水等の反応液を液体収容部から水素発生部へと送り出す場合に、その量が少量であったとしても定量で送り出すことが可能な水素発生装置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、
反応液が収容される反応液収容部と、
この反応液収容部から反応液を排出する反応液排出路と、
この排出された反応液と水素発生剤とを反応させて水素ガスを発生する水素発生部と、
圧縮気体を収容する気体収容部と、
この気体収容部内の圧縮気体を反応液収容部内へ供給する気体供給路と、を備え、反応液収容部内の反応液に圧縮気体を作用させることで、反応液供給路から定量の反応液を排出可能に構成した水素発生装置であって、
気体供給路における流路の大きさを調整するための調整機構を設け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。この装置は反応液が収容される反応液収容部と、圧縮気体が収容される気体収容部を備えており、これらは気体供給路により連結されている。反応液収容部内の反応液は、反応液排出路から水素発生部へと排出（送り出し）される。水素発生部には水素発生剤が収容されており、反応液と反応することで水素ガスが発生する。反応液収容部からの排出作用を行わせるために、圧縮気体を反応液に対して作用させる。圧縮気体を作用させることで、反応液収容容器内の反応液面に均一に圧力を作用させるようにでき、少量であっても反応液排出路から反応液を定量排出させることができる。また、気体供給路における流路の大きさ調整するための調整機構が設けられている。この大きさを調整することで、所望の圧力が反応液に作用するように調整することができ、反応液の排出量も精度よく調整することが可能になる。その結果、水等の反応液を液体収容部から水素発生部へと送り出す場合に、その量が少量であったとしても定量で送り出すことが可能な水素発生装置を提供することができる。

本発明に係る調整機構は、気体供給路の一部を構成する断面円形の孔部と、この孔部に対して挿入方向に移動可能な円錐部と、を備えており、孔部と円錐部の間に形成される隙間の大きさを調整するものであることが好ましい。

気体供給路における流路の大きさを調整する機構として、断面円形の孔部と、この孔部に対して挿入される円錐部により調整するものが好ましい。孔部に円錐部を挿入すると、これらの間にリング状のスリットが形成され、円錐部の挿入位置によりスリットの大きさを調整することができる。円錐部の挿入位置で流路の大きさを調整できるため、簡単な機構により実現することができる。

本発明に係る調整機構は、前記円錐部と、この円錐部と一体的に形成される中空円筒部と、円錐部の円錐斜面から中空円筒部の内部へ通ずる気体流路と、中空円筒部の外表面に形成される調整ネジ部と、を備えていることが好ましい。

より具体的な調整機構として、円錐部と中空円筒部が一体化した部材を備えており、円錐部の円錐斜面から中空円筒部の内部へと通ずる気体流路が形成されている。前述の孔部と円錐部の間に形成されるスリットを介して入ってくる圧縮気体は、上記気体流路へと入り込み、中空円筒部の内部へと送り込まれる。この中空円筒部を経由して、液体収容部内へと圧縮気体が供給される。中空円筒部の外表面には調整ネジ部が形成されている。この調整ネジ部と螺合するネジ部を設けることで、中空円筒部を回転させて円錐部を移動させることができる。これにより、円錐部の孔部に対する挿入位置を調整可能にする。以上の構成によれば、簡素な構成により調整機構を実現することができる。

本発明において、反応液供給路の経路を開閉するための開閉機構を備えたことが好ましい。

反応液供給路を開閉可能にすることで、必要な時にのみ流路を開いて圧縮気体を供給することができる。これにより、必要に応じて液体を送り出して水素ガスを発生させるようにすることができる。

本発明に係る開閉機構は、開状態と閉状態を夫々保持するための保持手段を備えていることが好ましい。

かかる保持手段を備えていることで、開閉機構の操作勝手を良好なものにすることができる。

次に、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、水素発生装置の内部構成を示す概略図である。この水素発生装置は、燃料電池用に使用されるものであり、燃料電池を構成するセルに対して水素ガスを供給するものである。

＜装置の構成＞
図１に示すように、水素発生装置は大きく分けて、圧縮空気（圧縮気体に相当）が収容される気体収容部Ａと、圧縮空気を反応液収容部Ｄへ供給するための気体供給路を形成する気体供給路形成部Ｂと、気体供給路を通過する圧縮空気の量を調整するための調整機構Ｃと、反応液である水が収容される反応液収容部Ｄと、水と反応して水素ガスを発生する水素発生剤が収容された水素発生部Ｅと、により構成される。説明の便宜上、図１の紙面の上側を装置の上側と定義し、紙面の下側を装置の下側と定義するが、実際の使用場面において必ずしも定義された通りの上下配置になるとは限らない。

気体収容部Ａは圧力容器１を備えており、圧縮空気が収容される。なお、空気に代えて窒素等の他の気体を使用してもよい。圧力容器１の上部には導入管２と逆止弁３が設けられており、この導入管２を介して気体収容部Ａ内に圧縮空気が導入される。導入される空気の量は、例えば３ｃｃ程度であり、３気圧程度に圧縮された状態で収容される。逆止弁３としては、任意のタイプのものを使用することができ、装置全体の小型化を図る上で、１次側が２次側の圧力よりも大のときに開口し、小の時に閉口するくちばし状の弾性部材を備える逆止弁が好ましい。この逆止弁３は、例えば、ダックビルと呼ばれており、各種のものが市販されている。他の場所に使用される逆止弁についても同様とすることができる。

気体供給路形成部Ｂは、気体収容部Ａ内の圧縮空気を反応液収容部Ｄへ供給するための気体供給路を形成するものである。また、気体供給路の大きさを調整するための調整機構Ｃが設けられている。流路形成本体部１０は、圧力容器１の下部に連結した形で設けられる。流路形成本体部１０の外観形状は、略円筒形を有している。流路形成本体部１０の中央上部には、孔部１０ａが形成され、圧縮空気が通過する流路の一部を構成している。孔部１０ａは、断面円形の孔を形成している。流路形成本体部１０の下部には雌ねじ１０ｂが形成されている。流路形成本体部１０は、真鍮、ＳＵＳ等の金属で製作され、圧力容器１と適宜の方法（ネジ、溶接等）で結合される。

調整機構Ｃとして、調整部材２０が設けられている。調整部材２０は、円錐部２１、中空円筒部２２、円錐部２１と中空円筒部２２を連結する連結部２３が一体形成されている。調整部材２０も流路形成本体部１０と同様の金属により製作される。円錐部２１の先端は、孔部１０ａに挿入され、図１では点Ｐにおいて接触しているが、円錐部２１が図示の位置よりも下へ下がることで、点Ｐの部分に隙間が生じ、圧縮空気の流路が形成される。円錐部２１及び連結部２３の内部には、空気を通過させる流路２４が形成されており、略Ｔ字状に形成されている。空気は、孔部１０ａ、流路形成本体部１０の内部空間１０ｃを経由して、流路２４へと導かれる。

連結部２３には、凹部２３ａが形成されＯリング２６が収容される。これにより、内部空間１０ｃが密封された状態になる。中空円筒部２２の内部にも空間部２２ａが設けられ、流路２４を通過してきた圧縮空気は、この空間部２２ａに導かれる。中空円筒部２２の外表面には雄ねじ２２ｂが形成され、流路形成本体部１０に形成された雌ねじ１０ｂに螺合する。また、空間部２２ａには、圧縮コイルスプリング２５が収容されている。

固定部材３０は、調整済みの調整部材２０の位置を固定するための部材である。固定部材３０は上部内面に雌ねじ３０ａが形成されており、調整部材２０の雄ねじ２２ｂと螺合する。

切り換え部材３１は、空気の流路を開閉するための開閉機構として機能するものであり、図１は流路が閉じた状態を示している。切り換え部材３１は、頭部３１ａと、軸部３１ｂと、流路部３１ｃとを有している。頭部３１ａの上には、圧縮コイルスプリング２５が作用しており、切り換え部材３１を下方に付勢しており、閉状態を維持している。頭部３１ａの下側と、固定部材３０の間にはＯリング３２が設けられており、密封状態を維持している。流路部３１ｃは、軸部３１ｂの周囲に例えば２箇所程度形成され、切り換え部材３１が上方に移動されると、流路部３１ｃが空間部２２ａと連通した状態になる。

切り換え部材３１と一体的に操作部３３が連結されており、その一部が固定部材３０の外部に露出している。操作つまみ３３ａを上下方向に操作することで、切り換え部材３１を上下方向に移動させることができる。これにより、流露の開閉切替を行なうことができる。係合爪３３ｂは、固定部材３０の外表面に形成された係合溝３０ｂに係合可能である。係合溝３３ｂを設けることで、切り換え部材３１が開状態もしくは閉状態に保持される。従って、係合溝３０ｂ及び係合爪３３ｂは保持手段として機能する。

反応液収容部Ｄは、収容容器４０を備えており、水が収容される。この水は、水素発生剤と反応して水素ガスを発生させる反応液として機能するものであり、水以外に酸やアルカリの溶液を使用してもよい。収容容器４０内に収容される水の量も３ｃｃ程度である。容器壁面には、導入管４１と逆止弁４２が設けられ、この導入管４１を介して収容容器４０内に水を導入することができる。

水素発生部Ｅは、反応容器５０を備えており、内部に水素発生剤５４が収容されている。水素発生剤５４としては、水等の反応液と反応して水素ガスを発生する金属、例えば、Ｆｅ，Ａｌ，Ｍｇ，Ｚｎ，Ｓｉなどから選ばれる一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あげられる。また、水素発生剤５４は、触媒成分やアルカリ土類金属酸化物、カーボンブラック等を含むものであってもよい。水素発生剤５４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。

反応容器５０と収容容器４０とは、水導出管５１と逆止弁５２により連結されている。従って、圧縮空気による押圧される水は、この水導出管５１を介して反応容器５０内に送り込まれる。逆止弁５２を設けることで、導入された水が逆流したり、反応容器５０で発生した水素ガスが収容容器４０側に侵入しないように構成している。ガス供給管５３からは、反応容器５０内で発生した水素ガスが排出され、不図示の燃料電池セルに供給されることになる。

圧力容器１、収容容器４０、反応容器５０などについては、強度や耐食性などを考慮して、適宜の金属材料、樹脂材料、ガラス等により形成することができる。また、各容器を１部品で構成するか、複数部品で構成するかについても任意である。また、各容器の形状・大きさについては、使用目的・仕様等に基づいて、適宜定めることができる。さらに、各容器の配置についても、装置全体の大きさ・デザイン等を考慮して適宜合理的な配置構成を採用することができる。また、水や空気を通過させる各管についても、適宜の金属材料や樹脂材料で形成することができ、必要に応じて柔軟性を有する材料を選択してもよい。

本発明に係る水素発生装置によれば、切り換え部材３１を閉状態にして圧力容器１内に圧縮空気を収容させ、その後、切り換え部材３１を開状態にすることで、収容容器４０内に圧縮空気を送り込むことができる。これにより、収容容器４０内の水の水面Ｗが圧縮空気により押圧され、この押圧作用により、水導出管５１から水が反応容器５０内へ排出される。圧縮空気により水面Ｗを押圧しているので、水面全体にわたって均一で安定した圧力を付与することができるため、常時一定量の水を水導出管５１から送り出すことができる。また、圧縮空気による押圧力を作用させることで、１時間当たり２〜３ｃｃの少量であったとしても、定量を安定して送り出すことができる。水が徐々に排出されていくに従い、水面Ｗも低下し、その分、圧力容器１側から圧縮空気が収容容器４０内に送り込まれることになる。

＜調整機構＞
次に、調整機構Ｃについて更に詳細に図２により説明する。圧縮空気を作用させる場合に、圧力容器１から収容容器４０に供給される空気流量を適切に行う必要がある。そこで、気体供給路の流路の大きさを調整するための機構が設けられている。具体的には、流路形成本体部１０の孔部１０ａと調整部材２０の円錐部２１の間（点Ｐで示されている空間）の隙間を調整することで流路の大きさを調整する。隙間は、略リング状のスリットとして形成される。調整は、不図示の調整治具により行うことができる。調整するときは、所定の圧力で圧縮空気を圧力容器１に収容させ、孔部１０ａから排出される気体の流量を計測し、所望の流量になるように調整するものである。

調整部材２０を治具で回転させることで、調整部材２０、すなわち、円錐部２１が上下方向に移動するため、前記隙間の大きさも変動する。所望の流量が計測された時点で調整部材２０が固定される。調整部材２０の固定は、固定部材３０により行なわれる。つまり、固定部材３０には雌ねじ３０ａが形成されており、これを流路形成本体部１０の外周部に形成された雄ねじ２２ｂに螺合していくことで、調整部材２０を固定することができる。

なお、流路の調製方法は上記に限定されるものではない。例えば、次のような方法も考えられる。まず、調整部材２０を一番奥までねじ込み、円錐部２１を孔部１０ａの端部に当接させる。このとき、流路は塞がった状態に設定されている。この状態から調整部材２０を緩める方向に引き戻す。この引き戻し量に基づいて、流路の大きさを調整することができる。ねじのピッチと隙間量との間には、１対１の関係が存在するため、調整部材２０を緩める時の調整部材２０の回転量に基づいて、流路の大きさを調整可能となる。

上記の調整については、水素発生装置の組立工程において行なうことができ、一度、調整部材２０により調整が完了した後は、その状態が永続的に保持されることになる。

＜開閉機構＞
次に、開閉機構に関して更に詳細に図３により説明する。加熱機構として機能する切り換え部材３１は、図１では閉状態に保持されている。つまり、係合爪３３ｂは、下側の係合溝３３ｂに係合しており、流路も閉鎖されている。実際に水素発生装置を使用する場合には、水を連続的に水素発生部Ｅへと送り続ける必要があるため、収容容器４０内に空気を供給する必要がある。そこで、水素発生装置を使用するユーザーは、操作部３３を操作して、切り換え部材３１を上方向に移動させ、図３に示す状態に移行させる。

すなわち、圧縮コイルスプリング２５の付勢力に抗して操作部３３を持ち上げ、係合爪３３ｂを上側の係合溝３０ｂに係合させる。これにより、切り換え部材３１が開状態に保持される。切り換え部材３１を図３の状態に保持すると、切り換え部材３１に形成された流路部３１ｃを介して、調整部材２０内部の空間部２２ａと、収容容器４０の内部空間が連通する。従って、圧縮空気が収容容器４０の内部に供給され、液面Ｗを押圧するため、水が水素発生部Ｅ側に排出されることになる。

水素発生装置を使用しないときは、操作部３３を操作して再び図１の状態に戻せば、閉状態が保持される。

＜別実施形態＞
本発明に係る水素発生装置は、燃料電池セルにより構成される発電ユニット水素ガスを供給するために用いられるが、発電ユニットと本発明に係る水素発生装置を一体化した燃料電池ユニットとして構成してもよいし、発電ユニットと水素発生装置とを切り離した別ユニットとして構成してもよい。燃料電池ユニットは、例えば、携帯電話内に保持される二次電池の充電用として用いられるが、本発明はかかる目的に限定されるものではない。

水素発生装置の内部構成を示す概略図 調整機構の動作を説明する図 開閉機構の動作を説明する図

符号の説明

Ａ 気体収容部
Ｂ 気体供給路形成部
Ｃ 調整機構
Ｄ 反応液収容部
Ｅ 水素発生部
Ｗ 液面
１ 圧力容器
１０ 流路形成本体部
１０ａ 孔部
２０ 調整部材
２１ 円錐部
２２ 円筒部
２２ａ 空間部
２２ｂ 雄ねじ
２５ 圧縮コイルスプリング
３０ 固定部材
３０ａ 雌ねじ
３０ｂ 係合溝
３１ 切り換え部材
３１ｃ 流路部
３３ 操作部
３３ｂ 係合爪
４０ 収容容器
５０ 反応容器
５１ 水素発生剤

Claims (5)

1. 反応液が収容される反応液収容部と、
   この反応液収容部から反応液を排出する反応液排出路と、
   この排出された反応液と水素発生剤とを反応させて水素ガスを発生する水素発生部と、
   圧縮気体を収容する気体収容部と、
   この気体収容部内の圧縮気体を反応液収容部内へ供給する気体供給路と、を備え、反応液収容部内の反応液に圧縮気体を作用させることで、反応液供給路から定量の反応液を排出可能に構成した水素発生装置であって、
   気体供給路における流路の大きさを調整するための調整機構を設けたことを特徴とする水素発生装置。
2. 前記調整機構は、気体供給路の一部を構成する断面円形の孔部と、この孔部に対して挿入方向に移動可能な円錐部と、を備えており、孔部と円錐部の間に形成される隙間の大きさを調整するもの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. 前記調整機構は、前記円錐部と、この円錐部と一体的に形成される中空円筒部と、円錐部の円錐斜面から中空円筒部の内部へ通ずる気体流路と、中空円筒部の外表面に形成される調整ネジ部と、を備えていることを特徴とする請求項２に記載の水素発生装置。
4. 反応液供給路の経路を開閉するための開閉機構を備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の水素発生装置。
5. 前記開閉機構は、開状態と閉状態を夫々保持するための保持手段を備えていることを特徴とする請求項４に記載の水素発生装置。

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