JP2008105926A - 水素製造装置、燃料電池システムおよび電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】 連続的な水素製造を安全に行うことのできる水素製造装置、該水素製造装置を水素供給源とする燃料電池システム、および該燃料電池システムを電源として備えた電子機器を提供する。
【解決手段】 水との反応により水素を発生する水素発生物質を収容した反応容器と、水を収容した水収容容器とが着脱可能であり、反応容器と水収容容器とが取り付けられた状態で反応容器内に水収容容器の水を供給する手段を備えた水素製造装置であって、反応容器からの水素発生量および反応容器の温度の少なくとも一方を測定する手段を備え、測定手段の測定値に応じて反応容器の取り外しを不能とする手段、または測定手段の測定値に応じて反応容器を取り外すべきでないことを警告する手段を備えたことを特徴とする水素製造装置、該水素製造装置を備えた燃料電池システム、および該燃料電池システムを備えた電子機器により、前記課題を解決する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、水素発生物質と水とを反応させて水素を製造するための水素製造装置、該水素製造装置を水素供給源とする燃料電池システムおよび該燃料電池システムを備えた電子機器に関するものである。

近年、パソコン、携帯電話などのコードレス機器の普及に伴い、その電源である電池には、ますます小型化、高容量化が要望されている。現在、リチウムイオン二次電池は、エネルギー密度が高く、小型軽量化を図り得る電池として実用化されており、ポータブル電源としての需要が増大している。しかし、このリチウムイオン二次電池は、一部のコードレス機器に対して、十分な連続使用時間を保証することができないという問題がある。

前記問題の解決に向けて、例えば固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）などの燃料電池の開発が進められている。燃料電池は、燃料および酸素の供給を行えば、連続的に使用することが可能である。電解質に固体高分子電解質、正極活物質に空気中の酸素、負極活物質に燃料を用いるＰＥＦＣは、リチウムイオン二次電池よりもエネルギー密度が高い電池として注目されている。

ＰＥＦＣに用いる燃料に関しては、水素、メタノールなどが提案され、種々開発が行われているが、高エネルギー密度化が可能な点で、水素を燃料とするＰＥＦＣが期待されている。

そして、ＰＥＦＣのような燃料電池に水素を供給する方法としては、例えば、水素源となる水素発生物質と水とを反応させて水素を生成させ得る水素製造装置によって製造された水素を供給する方法が検討されている。このような水素製造装置では、例えば、水を収容するタンクと、水素発生物質を収容する容器とが設けられており、この水を収容する容器から、水素発生物質を収容する容器（反応容器）に水を供給し、その反応容器内で水素発生物質と水とを反応させ、生成した水素を、前記容器に備え付けられた水素導出管を通じて燃料電池に供給する、といった機構が採用されている。

例えば、特許文献１には、前記のような機構を有する水素製造装置として、水を収納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を収納する反応容器から構成され、反応容器を着脱可能とした水素発生装置が記載されている。

特開２００４−１４９３９４号公報

特許文献１に記載の装置では、水素発生反応が進んで反応容器内部の金属が消費されると、水素発生量が低下するが、その際に、使用した反応容器を未反応の金属を収容した別の反応容器に取り換えることで、連続して水素を発生させることができる。

しかしながら、金属と水とによる水素発生反応によって反応容器は高温になっているため、容器の温度が低下するまで反応容器の交換を待った方が良い場合がある。また、水の供給を止めたとしても、水素の発生反応がすぐに停止するわけではないため、水素の発生量が減少するまで反応容器の交換を待った方が良い場合もある。

本発明は、このように、水素発生の状態や反応容器の状態に応じて、反応容器の交換を可能としたり禁止したりする機構を備えた水素製造装置の必要性に気付くことによりなされたものであり、その目的は、連続的な水素製造を安全に行うことのできる水素製造装置、該水素製造装置を水素供給源とする燃料電池システム、および該燃料電池システムを電源として備えた電子機器を提供することにある。

前記目的を達成し得た本発明の水素製造装置は、水との反応により水素を発生する水素発生物質を収容した反応容器と、水を収容した水収容容器とが着脱可能であり、前記反応容器と前記水収容容器とが取り付けられた状態で前記反応容器内に前記水収容容器の水を供給する手段を備えた水素製造装置であって、前記反応容器からの水素発生量および前記反応容器の温度の少なくとも一方を測定する手段を備え、前記測定手段の測定値に応じて前記反応容器の取り外しを不能とする手段、および前記測定手段の測定値に応じて前記反応容器を取り外すべきでないことを警告する手段の少なくとも一方を備えたことを特徴とするものである。

また、本発明の燃料電池システムは、前記水素製造装置と燃料電池とを備え、前記水素製造装置を燃料電池の水素供給源とするものである。更に、前記燃料電池システムを電源として備えることにより、本発明の電子機器が構成される。

本発明によれば、連続的な水素製造を安全に行い得る水素製造装置を提供することができる。

すなわち、本発明の水素製造装置では、装置本体に対して、水との反応により水素を発生する水素発生物質を収容した反応容器と、水を収容した水収容容器とを着脱可能としている。このため、水素の製造に伴って、反応容器中の水素発生物質が消費された場合や、水収容容器中の水が消費された場合に、使用済みの容器を新たな反応容器や水収容容器に交換することが可能である。しかも、反応容器が高温である場合や、反応容器からの水素発生量が多い場合には、反応容器を装置本体から取り外すことができないか、取り外すべきでないことを警告するため、反応容器の交換時の安全性を高めることができることから、水素製造を連続的にしかも安全に行うことが可能となる。

また、本発明の燃料電池システムは、本発明の水素製造装置を水素供給源としていることから、連続的な発電が可能なものとなり、電子機器の電源として本発明の燃料電池システムを備えることにより、機器の連続使用が可能となる。

図１に、本発明の水素製造装置のうち、水素発生反応に関係する構成部分の一例を概略的に示す。図１中、１は反応容器、１ａは水素発生物質、１ｂは水素導出管、１ｃは水供給管、２は水収容容器、２ａは水、２ｂは水供給管、２ｃは水回収管、３は装置本体部と容器との着脱機構、４は断熱材、５はポンプ、６は気液分離部、６ａは水分離容器、６ｂは水素導入管、６ｃは水素排出管、６ｄは水回収管である。なお、図１では、反応容器１、水収容容器２、および断熱材４部分のみを断面で示しているが、装置の構造の理解を容易にするため断熱材４については、断面であることを示す斜線を付していない。

本発明の水素製造装置は、本体部に反応容器１および水収容容器２が取り付けられた状態で使用されるが、水素製造装置における本体部とは、反応容器１および水収容容器２以外の部分（断熱材４、ポンプ５、図１中着脱機構３より上の管部分を含む）を意味している。本発明の水素製造装置では、反応容器１に、水収容容器２から水を供給し、容器１内において水素発生物質と水とを反応させて水素を製造する。よって、反応容器１は、水素発生物質の収容容器としての役割も担っている。容器１で発生した水素は、水素導出管１ｂを経て、水素を必要とする機器（燃料電池など）などに供給される。

反応容器１および水収容容器２は、着脱機構３により、断熱材４およびポンプ５などを備えた本体部に連結される。前記の通り、反応容器１内において、水素発生物質と水とを反応させて水素を発生させると、反応容器１に収容されている水素発生物質は反応生成物に変化し、水収容容器２に収容されている水は消費されて減少していく。容器１内の水素発生物質が反応して、水素が生成しなくなるまで使用した後、着脱機構３から反応容器１および水収容容器２を取り外し、再び、水素発生物質を収容している新しい反応容器１と、水を収容している新しい水収容容器２とを、着脱機構３により本体部に取り付けることで、繰り返し水素を発生させることができる。このため、本発明の水素製造装置では、簡便に連続的な水素製造を行うことができる。

着脱機構３としては、特に制限はないが、例えば、装置本体部側に筒状に成形した部位（管など）を設け、そこへ反応容器１および水収容容器２の各々の管（水素導出管１ｂ、水供給管１ｃ、２ｂ、水回収管２ｃなど）を挿入するようにし、接続部分（管の挿入部分）をＯリングなどのパッキングによって密閉し、水素や水の漏れを防止するような構成を採用することができる。

また、反応容器および水収容容器を水素製造装置の着脱機構に取り付けていない状態では管が閉じられ、着脱機構に取り付けると管が開いた状態になるような弁構造を設けることが好ましい。装置本体部から取り外した状態で、容器から内容物が流出することを防ぐことができるためである。

なお、図１に示すように、反応容器１の外周の少なくとも一部には、断熱材４を配置することが好ましい。前記のように断熱材４を配置することにより、反応容器１内の熱が容器１の外部へ放出してしまうのを防止することができるので、容器内の反応温度を高く保つことができ、水素発生の安定化を図ることができるためである。

特に、反応容器１と水収容容器２とが隣接するように水素製造装置に取り付けられる場合には、少なくとも反応容器１と水収容容器２との間に断熱材４を配置することがより好ましい。すなわち、反応容器１と水収容容器２とが隣接し、互いに接触する場合には、反応容器１内の熱が水収容容器２側に移動しやすく、反応容器１内の反応温度の低下による前記の問題がより顕著に生じ得る。また、反応容器１から放出された熱により水収容容器２中の水温が上昇し、水の密度が低下して、ポンプ５によって供給される水の重量が減少し、水素発生速度の低下を引き起こすといった問題も生じ得る。しかしながら、反応容器１と水収容容器２とが断熱材４を介して隣接するようにすれば、これらの問題を回避できる。

なお、断熱材４は、反応容器１の外周全面に配置されていることがより好ましい。

本発明の水素製造装置に、水との反応が発熱反応となる水素発生物質を用いる場合は、反応熱により反応容器内部および外表面が高温になる。また、反応容器への水の供給を停止しても、瞬時には水素発生が停止せず、反応容器内部に供給された水が無くなるまで水素発生が継続する場合がある。そのため、場合によっては、水素発生中および水素発生停止直後の反応容器の取り外しを禁止する必要が生じる。

そこで、図１では図示していないが、本発明の水素製造装置は、安全性を高めるために、反応容器からの水素発生量および前記反応容器の温度の少なくとも一方を測定する手段を備えており、前記測定手段の測定値に応じて前記反応容器の取り外しを不能とする手段、および前記測定手段の測定値に応じて前記反応容器の取り外すべきでないことを警告する手段の少なくとも一方を備えている。

反応容器からの水素発生量を測定する手段としては、例えば、コリオリ式流量計、カルマン式流量計、マスフローメーターなどの流量計を用いることができる。これらの測定手段は、例えば水素排出管６ｃに接続し、これを通過する水素の量を測れるようにすればよい。

また、反応容器の温度を測定する手段としては、例えば、熱電対、サーミスタなどが挙げられ、これらの測定手段を容器に接するように、あるいは反応容器に接しないが反応容器から熱が伝わりやすいように設置すればよい。

前記測定手段により測定される水素発生量や反応容器の温度は、液晶ディスプレーや文字盤など公知の表示手段により表示することが好ましく、これを反応容器を取り外すべきでないことを警告する手段とすることができる。また、反応容器を取り外すべきでないことを警告する手段として、水素発生量や反応容器の温度の具体的な表示ではなく、水素発生量が規定値を超えているかどうか、あるいは反応容器の温度が規定値を超えているかどうかを判断し、反応容器を取り外すべきでないこと、あるいは取り外し可能であることを表示するようにしてもよい。

本発明の水素製造装置は、前記の反応容器を取り外すべきでないことを警告する手段のみを有していてもよいが、より安全性を高める観点からは、反応容器の取り外しを不能とする手段を備えていることがより好ましい。反応容器の取り外しを不能とする手段としては、例えば、反応容器の取り外しを防ぐ機械的手段が挙げられる。

前記機械的手段としては、例えば、反応容器の取り外しを禁止すべき間において、反応容器に人体が直接接触するのを防ぐことのできる手段が挙げられる。図２および図３に、そのような機械的手段を備えた本発明の装置の要部の一例を示す。図２に示す水素発生装置では、反応容器１を覆うカバー１０が設置され、反応容器１からの水素発生量が規定値を超えているとき、または反応容器１の温度が規定値より高いときには、カバー１０のロックがかかり、反応容器１に触れることができないようになっている。一方、反応容器１からの水素発生量が規定値以下となるか、反応容器１の温度が規定値以下となった時点で、前記ロックが解除され、図３に示すようにカバー１０を開いて反応容器１を交換することができる。

また、図３に示すように、反応容器１の取り外しを不可能とするストッパー１１を設けるのであってもよい。反応容器１からの水素発生量が規定値を超えているとき、または反応容器１の温度が規定値より高いときには、ストッパー１１が作動して反応容器１が固定され、その取り外しが不可能となる。一方、反応容器１からの水素発生量が規定値以下となるか、反応容器１の温度が規定値以下となった時点で、ストッパー１１が解除され、反応容器１の交換が可能となる。なお、図３では、カバー１０とストッパー１１の両者を備えた例が示されているが、どちらか一方のみ備えたものであっても構わない。

また、反応容器からの水素発生量と反応容器の温度の両方を測定する手段を備えている場合には、水素発生量と反応容器の温度の両者が規定値以下となった時点で反応容器が交換可能となるように、反応容器の取り外しを不能とする手段や反応容器を取り外すべきでないことを警告する手段を作動させることが好ましい。

また、本発明の装置では、図３に示すように、装置本体部からの反応容器の取り外しを不能とする手段や反応容器を取り外すべきでないことを警告する手段を複数備えていてもよく、それぞれが異なる測定手段からの情報を基に作動するようにしてもよい。例えば、図３の例では、ストッパー１１が反応容器からの水素発生量に基づいて作動し、カバー１０が反応容器の温度に基づいて作動するようにしても構わない。更に、反応容器を取り外すべきでないことを警告する手段として、例えば前記表示手段を併用するとより好ましい。

反応容器の交換を許可するための基準となる水素発生量は、水素製造装置の設置状況や水素発生物質の種類などにより異なり、一概には規定できないが、例えば、３０ｍｌ／ｍｉｎ以下、より好ましくは１０ｍｌ／ｍｉｎ以下とすることができる。よって、反応容器からの水素発生量が３０ｍｌ／ｍｉｎを超えている場合（より好ましくは１０ｍｌ／ｍｉｎを超えている場合）に、反応容器の装置本体部からの取り外しを不能とする手段や、反応容器を取り外すべきでないことを警告する手段が作動するように装置を構成すればよい。

また、反応容器の交換を許可するための基準となる反応容器の温度としては、安全に容器に触れることのできる温度であればよく、例えば、反応容器の外表面が５０℃以下、より好ましくは４０℃以下であることが望ましい。よって、反応容器の外表面が５０℃を超えている場合（より好ましくは４０℃を超えている場合）に、反応容器の装置本体部からの取り外しを不能とする手段や、反応容器を取り外すべきでないことを警告する手段が作動するように装置を構成すればよい。

なお、水収容容器も、気液分離部での水回収を行う場合や、反応容器から熱が伝わる場合には、反応容器と同様に高温になる可能性がある。従って、水収容容器についても、反応容器と同様に測定手段によりその温度を測定し、規定値を超えた場合に装置本体部からの水収容容器の取り外しを不能とする手段、および水収容容器を取り外すべきでないことを警告する手段の少なくとも一方を設けることが好ましく、前記の両手段を併設することがより好ましい。

水収容容器の温度を測定する手段には、反応容器の温度を測定する手段と同じものが使用できる。また、前記と同様に、水収容容器を取り外すべきでないことを警告する手段として、水収容容器の温度を表示させたり、水収容容器の取り外しの可否を表示させたりすることもできる。

また、水収容容器の取り外しを不能とする手段も、反応容器の取り外しを不能とする手段と同じものを採用することができる。

なお、反応容器の交換時期を、水素発生量や反応容器の温度の測定値から判断することもできる。すなわち、水素の製造が進んで反応容器内の水素発生物質が消費されてしまうと、容器からの水素発生量は徐々に低下する。また、水との反応が発熱反応となる水素発生物質を用いる場合は、水素発生物質が消費されて反応が停止に向かうと、反応容器の温度が徐々に低下する。そのため、水素発生量や反応容器の温度の変化から、反応容器の交換時期を推定することができ、前記の測定値や反応容器の交換に関する情報を表示できるようにしておくことで、反応容器の交換をスムーズに行うことができる。

また、水収容容器に収容する水の量を、反応容器に収容する水素発生物質を全て反応させるのに必要な量とほぼ同じに調節している場合には、水素発生反応が停止に向かうことによる反応容器の温度低下と、水収容容器内の水が無くなるのとがほぼ同時となるため、このような場合には、反応容器の温度により水収容容器の交換時期を判断することもできる。

更に、図１に示すように、本発明の水素製造装置は、反応容器から排出される水素と未反応の水とを分離するための気液分離部と、該気液分離部で分離された水を水収容容器に戻す手段とを備えていることが好ましい。

本発明の水素製造装置では、反応容器１内において、水素発生物質と水とを反応させて水素を発生させると、未反応の水が水素と共に噴き出され、水素導出管１ｂから、水素との混合物として反応容器である反応容器１の外部へ排出される場合がある。しかし、図１に示す水素製造装置のように、気液分離部６を備えることで、反応容器１から排出された水と水素の混合物を、気液分離部６において水（液体）と水素（気体）とに分離し、分離した水を水収容容器２に戻すことができる。そのため、実質的な水の供給量を低減できることから、水収容容器２内に収容しておく水の量を減らすことが可能となり、水素製造装置の体積および重量を低減してコンパクトにすることができる。

気液分離部６では、水素導入管６ｂより流入した水素と水の混合物のうち、水は重力により水分離容器６ａの下方に落下して水素から分離される。分離された水は水回収管６ｄおよび２ｃを通って水収容容器２に回収され、分離された水素は水素排出管６ｃから装置外部に排出される。水回収管２ｃも、他の管と同様に着脱機構３によって水素製造装置に対して着脱可能になっている。気液分離部６の構成は図１に示されるものに限定される訳ではなく、例えば従来公知のポリテトラフルオロエチレン製微多孔膜、または、撥水処理を施したポリビニリデンフロリド、ポリエチレン、ポリプロピレンもしくはポリエーテルスルホンの微多孔膜などの気液分離膜を用いて気液分離部を構成することもできる。

なお、反応容器または水収容容器に気液分離機能を持たせることも可能であるが、その場合、反応容器や水収容容器の構造が複雑になり、コンパクトにすることが難しい。よって、本発明の水素製造装置では、気液分離部は、図１に示すように反応容器および水収容容器とは別体とすることが好ましく、この場合には、反応容器および水収容容器の構造をより簡素な構造にすることができ、それらをコンパクトにすることができる。

更に、前記水素製造装置では、反応容器１から排出された水と水素の混合物を冷却するための冷却部（図示しない）を有していることが好ましい。本発明の装置では、反応容器の内部が水の沸点に近い温度になり得るため、水素との混合物として排出される水は、部分的に水蒸気となる。そこで、冷却器を設けることにより、前記混合物中の水蒸気を冷却して液体の水にして、気液分離部６での水の回収率を高めることができる。そのため、冷却部は反応容器１と気液分離部６との間に設置されることが好ましい。冷却部としては、例えば、金属製冷却フィンが管に接するように配置された構造の冷却手段を用いることができる。さらには空冷ファンを用いることもできる。

図１では、反応容器と水収容容器とが別体の例を示しているが、反応容器と水収容容器を一体化することもできる。これらが一体化されていると、容器の交換がより容易になる。

なお、前記の一体容器においても、反応容器と水収容容器との間に、断熱材を配置することが好ましく、この場合にも、反応容器と水収容容器とが隣接している場合に生じ得る前記の問題を回避することが可能となる。

本発明の水素製造装置で使用できる水素発生物質としては、水と反応して水素を発生させる物質であれば特に限定されないが、アルミニウム、ケイ素、亜鉛、マグネシウムといった金属や、アルミニウム、ケイ素、亜鉛、およびマグネシウムの中の１種以上の金属元素を主体とする合金が好適に使用できる。前記合金の場合には、主体となる前記の各金属元素以外の元素については特に限定されない。ここで、「主体」とは、合金全体に対して８０質量％以上、より好ましくは９０質量％以上含有されていることを意味する。前記例示の金属や合金の１種のみを水素発生物質として使用してもよく、２種以上を併用しても構わない。これらの水素発生物質は、常温では水と反応しにくいが、加熱することにより水との発熱反応が容易となる物質である。なお、本明細書において常温とは、２０〜３０℃の範囲の温度である。

ちなみに、例えば、アルミニウムと水との反応は、下記式（１）〜（３）のいずれかによって進行していると考えられる。下記式（１）による発熱量は、４１９ｋＪ／ｍｏｌである。

２Ａｌ＋６Ｈ_２Ｏ → Ａｌ_２Ｏ_３・３Ｈ_２Ｏ＋３Ｈ_２ （１）
２Ａｌ＋４Ｈ_２Ｏ → Ａｌ_２Ｏ_３・Ｈ_２Ｏ＋３Ｈ_２ （２）
２Ａｌ＋３Ｈ_２Ｏ → Ａｌ_２Ｏ_３＋３Ｈ_２ （３）

前記水素発生物質のサイズは特に限定されないが、例えば、その平均粒径が、０．１μｍ以上であって、１００μｍ以下、より好ましくは５０μｍ以下であることが望ましい。前記水素発生物質は、一般に、表面に安定な酸化皮膜が形成されている。そのため、板状、ブロック状および粒径が１ｍｍ以上のバルク状などの形態の場合、加熱しても水との反応が進行せず、実質的に水素を発生させない場合もある。しかし、前記水素発生物質の平均粒径を１００μｍ以下とすると、酸化皮膜による水との反応抑制作用が減少し、常温では水と反応しにくいものの、加熱すれば水との反応性が高まり、水素発生反応が持続するようになる。また、前記水素発生物質の平均粒径を５０μｍ以下とすると、４０℃程度の穏和な条件でも水と反応して水素を発生させることができる。一方、前記水素発生物質の平均粒径を０．１μｍ未満とすると、空気中での発火性が高くなって取り扱いが困難になったり、水素発生物質の充填密度が低下してエネルギー密度が低下しやすくなったりする。このため、前記水素発生物質の平均粒径は、前記範囲内とすることが望ましい。

なお、本明細書でいう平均粒径は、体積基準の積算分率５０％における粒子直径の値を意味する。平均粒径の測定方法としては、例えば、レーザー回折・散乱法などを用いることができる。具体的には、水などの液相に分散させた測定対象物質にレーザー光を照射することによって検出される散乱強度分布を利用した粒子径分布の測定方法である。レーザー回折・散乱法による粒子径分布測定装置としては、例えば、日機装株式会社製の「マイクロトラックＨＲＡ」などを用いることができる。

また、前記水素発生物質の形状も特に限定されないが、例えば、平均粒径が前記範囲内の粒子状またはフレーク状とすることができる。

水と水素発生物質との反応を容易に開始させるために、水素発生物質と水の少なくとも一方を加熱することが好ましいが、上述の通り、例えば、水収容容器内において水を加熱すると、水温の上昇に伴って水の密度が低下し、ポンプによって供給される水の重量が減少して、水素発生速度の低下を引き起こすこともあり得るため、水素発生物質のみを加熱するか、水を加熱する場合には、ポンプを通過した後の段階で加熱することがより好ましい。その加熱温度は、４０℃以上、より好ましくは６０℃以上であって、１００℃以下であることが望ましい。前記の水素発生物質と水との発熱反応を維持できる温度は、通常は４０℃以上であり、一旦発熱反応が開始して水素が発生すると、反応容器の内圧が上昇して水の沸点が上昇することもあり、容器内温度が１２０℃に達することもあるが、水素発生速度の制御の点から１００℃以下とすることが好ましい。

前記の加熱は、少なくとも前記発熱反応の開始時に行えばよい。一旦、水と水素発生物質との発熱反応が開始されると、その反応で生じる熱により、その後の反応を継続できるため、反応開始後は加熱を停止してもよい。なお、前記の加熱と、反応容器内への水の供給とを同時に行ってもよい。

前記加熱の方法は特に限定されないが、抵抗体に通電することによる発熱を利用して加熱することができる。例えば、この抵抗体を反応容器や水収容容器（好ましくは、反応容器のみ）の外部に取り付けて発熱させ、これらの容器を外部から加熱することにより、水素発生物質と水の少なくとも一方を加熱することができる。前記抵抗体の種類については特に限定されず、例えば、ニクロム線、白金線などの金属発熱体、炭化ケイ素、ＰＴＣサーミスタなどが使用できる。

また、前記加熱は、発熱物質の化学反応による発熱により行うこともできる。この発熱物質には、水と発熱反応して水酸化物や水和物となる物質、水と発熱反応して水素を生成する物質などを用いることができる。前記の、水と発熱反応して水酸化物や水和物となる物質としては、例えば、アルカリ金属の酸化物（酸化リチウムなど）、アルカリ土類金属の酸化物（酸化カルシウム、酸化マグネシウムなど）、アルカリ土類金属の塩化物（塩化カルシウム、塩化マグネシウムなど）、アルカリ土類金属の硫酸化合物（硫酸カルシウムなど）などを用いることができる。前記の、水と発熱反応して水素を生成する物質としては、例えば、アルカリ金属（リチウム、ナトリウムなど）、アルカリ金属水素化物（水素化ホウ素ナトリウム、水素化ホウ素カリウム、水素化リチウムなど）などを用いることができる。これらの物質は、１種単独で用いることもでき、２種以上を併用することもできる。また、水と発熱反応して水素を生成する物質は、水素発生物質として兼用することができる。

反応容器内に、水素発生物質と共に前記発熱物質を配置し、これらに水を加えることにより水と発熱物質とを発熱反応させて、該容器の内部で水素発生物質と水を直接加熱することができる。また、反応容器や水収容容器（好ましくは、反応容器のみ）の外部に、前記の発熱物質を配置して発熱させ、これらの容器を外部から加熱することにより、水素発生物質と水の少なくとも一方を加熱することが可能である。

なお、前記発熱物質としては、水以外の物質と発熱反応する物質、例えば、鉄粉のように酸素と発熱反応する物質も知られている。このような物質は、発熱反応のために酸素を導入する必要があることから、反応容器に入れるのではなく、容器の外部に配置して使用することが好ましい。

前記発熱物質を水素発生物質と共に反応容器に収容し、これに水を供給して加熱する場合には、発熱物質は水素発生物質と均一または不均一に分散・混合させた混合物として用いてもよいが、発熱物質を反応容器内で、発熱物質を偏在させて配置することがより好ましく、反応容器内部の水供給管（図１中、１ｃ）の管口部近傍に発熱物質を部分的に偏在させることが特に好ましい。反応容器内部において、発熱物質をこのように偏在させることにより、水を供給し始めてから水素発生物質が加温されるまでの時間をより短くして、迅速な水素製造を可能とすることができる。

反応容器は、水と発熱反応して水素を発生させる水素発生物質を収納可能であり、装置本体部に対して着脱可能であれば、その材質や形状は特に限定されないが、水素導出管および水供給管から水や水素が漏れない材質や形状を採用することが好ましい。具体的な容器の材質としては、水および水素を透過しにくく、かつ１００℃程度に加熱しても容器が破損しない材質が好ましく、例えば、アルミニウム、鉄などの金属、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）などの樹脂を用いることができる。また、容器の形状としては、角柱状、円柱状などが採用できる。

なお、水素発生物質が水と反応することで生じる反応生成物は、通常、水素発生物質よりも体積が大きいそのため、反応容器は、こうした反応生成物の生成に伴う体積膨張が生じた場合に破損してしまわないように、水素発生物質と水との反応に応じて変形可能であることが好ましい。このような観点から、反応容器の材質は、前記例示の材質の中でもＰＥやＰＰなどの樹脂がより好ましい。

反応容器には、水素を導出するための水素導出手段が設けられる。水素導出手段としては特に限定されず、例えば、図１に示すように水素導出管１ｂであってもよく、また、水素導出口などであっても構わない。さらに、水素導出管、水素導出口などには、容器内の水素発生物質が外部に出ないように、フィルターを設置することが好ましい。このフィルターとしては、気体を通すが液体および固体を通しにくい特性を有するものであれば特に限定されず、例えば、ＰＰ製の不織布を用いることができる。

水収容容器については、装置本体部に対して着脱可能であれば特に制限はなく、例えば、従来の水素製造装置と同様の水を収容するタンクなどが採用できる。なお、反応容器が、水素発生物質と水との反応による反応生成物の生成に伴う体積膨張によって変形可能である場合には、水収容容器も水素発生物質と水との反応に応じて変形可能であることが好ましく、特に、反応容器と水収容容器とが隣接している場合や、これらが一体化している場合には、反応容器の変形に伴って水収容容器も変形できるため、水収容容器の破損を防止できる。よって、この場合、水収容容器は、例えば、ＰＥやＰＰなどの樹脂のように、変形可能な材質で構成することが好ましい。

反応容器の外周に配置する断熱材の材質としては、例えば、発泡スチロール、ポリウレタンフォームなどの多孔性断熱材、または真空断熱構造を有する断熱材などが好ましい。

水素製造装置には、圧力逃がし弁を設けることが好ましい。例えば水素発生速度が増大して、装置の内圧が上昇した場合でも、圧力逃がし弁から水素を装置外に排出することにより、破裂などによる装置の破損を防止することができる。圧力逃がし弁の設置箇所は、反応容器内で発生した水素が排出できる箇所であれば特に限定されない。例えば、水素導出管１ｂから、気液分離部６までの間のいずれの箇所に圧力逃がし弁を設けても構わない。

なお、前記の通り、本発明の水素製造装置の構成を、図１〜図３を用いて説明したが、図１〜図３は本発明の水素製造装置の一例を示すものに過ぎず、本発明の水素製造装置は、図１〜図３に示される構成のものに限定される訳ではない。

以上に説明した本発明の水素製造装置によれば、条件により変化するものの、例えば、水素発生物質が全て反応したと仮定したときの理論水素発生量（アルミニウムの場合は、１ｇあたりの理論水素発生量は、２５℃換算で約１３６０ｍｌとなる）に対し、実際に得られる水素発生量は、およそ５０％以上、より好ましくは７０％以上となり、効率的に水素を発生させることが可能となる。

次に、本発明の燃料電池システムであるが、本発明の水素製造装置を燃料電池の水素供給源として備えていればよく、その他の構成については特に制限はなく、従来公知の燃料電池システムで採用されている各種構成が採用できる。

また、本発明の電子機器は、前記燃料電池システムを電源として備えたものであるが、前記燃料電池システムのみを電源とするものに限定されるものではなく、商用電源や二次電池など他の電源を併用するものであっても構わない。

以下、実施例に基づいて本発明を詳細に述べる。ただし、下記実施例は本発明を制限するものではなく、前・後記の趣旨を逸脱しない範囲で変更実施をすることは、全て本発明の技術的範囲に包含される。

実施例１
図１に示す構成の水素製造装置を用いて、以下の通り水素を製造した。反応容器１には、内容積６５ｃｍ^３でＰＰ製の角柱状容器を用いた。水素導出管１ｂおよび水供給管１ｃには、内径２ｍｍ、外径３ｍｍのアルミニウム製の管を用いた。水収容容器２も反応容器１と同じ構造および構成にし、水供給管２ｂおよび水回収管２ｃにも、水供給管１ｃなどと同じアルミニウム製の管を用いた。着脱機構３は、水素製造装置側の内径３．５ｍｍの筒状に成形された部位に反応容器１および水収容容器２の各々の管が挿入される構造とした。それぞれの筒状部位にはＯリングを配置して、着脱機構３から水素および水の漏れを抑制するようにした。断熱材には反応容器１の外周を包むように厚み５ｍｍの発泡スチロール断熱材４を設置した。

まず、反応容器１に、水素発生物質として平均粒径６μｍのアルミニウム粉末２１ｇと、発熱物質として酸化カルシウム３．５ｇを入れた後、容器１を水素導出管１ｂおよび水供給管１ｃの付いた蓋で密閉した。水収容容器２には水を５０ｇ注入して、図１に示すように反応容器１および水収容容器２を着脱機構３に接続した。

反応容器１の外周部に設置された断熱材４の更に外側には、図２および図３に示すような樹脂製のカバーを設置した。これは、反応容器１の温度が４０℃以下にならないと開かない構造になっており、反応容器１に触れることができないようになっている。更に、反応容器１の温度が規定温度（４０℃）を超えていることを表示するための表示手段としてＬＥＤランプを設置し、視認できるようにした。

また、反応容器１の底面側には、図３に示すような、ストッパーとして可動式の樹脂の突起が設置されている。この突起は、反応容器１からの水素発生量が２０ｍｌ／ｍｉｎを超えているときには、容器１を外せないように突出し、それ以下では格納されて容器を外すことができる。更に、反応容器１からの水素発生量が規定値（２０ｍｌ／ｍｉｎ）を超えていることを表示するための表示手段として、ＬＥＤランプを設置し、視認できるようにした。

次に、ポンプ５を用いて１．１ｇ／ｍｉｎの水量で水収容容器２から反応容器１へ水を供給し続けた。

実施例１の水素製造装置では、水を供給した直後から水素が発生して、急激に水素発生速度および容器１の表面温度が上昇した。約１０分後には、水素発生速度および容器１の表面温度は一定となり、約１５０ｍｌ／ｍｉｎの水素発生速度で一定に発生した。１００分経過後、徐々に水素生成速度が低下して、１２０分後には１００ｍｌ／ｍｉｎ以下なったので、反応容器１への水の供給を停止した。

反応容器１への水の供給を停止してから２５分後には、反応容器１の表面温度が４０℃以下になり、反応容器１を覆っていたカバーが開閉できるようになった。さらに５分後には、水素発生量が２０ｍｌ／ｍｉｎ以下になり、反応容器１のストッパーが収納されて容器１が装置本体部から取り外し可能な状態になった。反応容器１を取り外し、新たな反応容器を取り付けた。また、水収容容器２も、新しい水が充填された容器に取り替えた。その結果、容器の交換後も水素を発生させることができた。

前記の手順を繰り返すことにより、安全かつ連続的に水素を発生させることができることを確認した。

実施例２
実施例１と同様の水素製造装置を用い、発生した水素を燃料電池に供給して発電を行った。実験には、電極面積２２ｃｍ^２の単位セルを６セル直列に接続して構成された固体高分子形燃料電池を用いた。負荷を接続して、３．９Ｖの定電圧で放電を行った結果、約１４Ｗという高い出力が得られ、本発明の水素製造装置が、小型、可搬型燃料電池の燃料源として有効であることが分かった。

また、実施例１の結果から明らかなように、本発明の水素製造装置は、長時間にわたり燃料電池に水素を供給し続けることができるので、本発明の水素製造装置を組み込んだ燃料電池システムを電子機器の電源とすることにより、機器を長時間安定して作動させることが可能となる。

本発明の水素製造装置の一例であって、その構成の一部を示す断面概略図である。 反応容器に人体が触れるのを防ぐカバーを備えた本発明の水素製造装置の一例を示す要部概略図である。 図２に示される水素製造装置のカバーのロックが解除された様子を示す要部概略図である。

符号の説明

１ 反応容器
１ｂ 水素導出管
１ｃ 水供給管
２ 水収容容器
２ｂ 水供給管
３ 着脱機構
４ 断熱材
５ ポンプ
１０ カバー
１１ ストッパー

Claims (8)

1. 水との反応により水素を発生する水素発生物質を収容した反応容器と、水を収容した水収容容器とが着脱可能であり、前記反応容器と前記水収容容器とが取り付けられた状態で前記反応容器内に前記水収容容器の水を供給する手段を備えた水素製造装置であって、
   前記反応容器からの水素発生量および前記反応容器の温度の少なくとも一方を測定する手段を備え、
   前記測定手段の測定値に応じて前記反応容器の取り外しを不能とする手段、および前記測定手段の測定値に応じて前記反応容器を取り外すべきでないことを警告する手段の少なくとも一方を備えたことを特徴とする水素製造装置。
2. 反応容器の取り外しを不能とする手段として、反応容器に人体が触れるのを防ぐカバーを備えた請求項１に記載の水素製造装置。
3. 反応容器の取り外しを不能とする手段として、反応容器を固定するストッパーを備えた請求項１または２に記載の水素製造装置。
4. 反応容器を取り外すべきでないことを警告する手段として、水素発生量および／または反応容器の温度が規定値を超えていることを表示する手段を備えた請求項１〜３のいずれかに記載の水素製造装置。
5. 水収容容器の温度を測定する手段を備え、前記水収容容器の温度が規定値を超えた場合に前記水収容容器の取り外しを不能とする手段、および前記水収容容器の温度が規定値を超えた場合に前記水収容容器を取り外すべきでないことを警告する手段の少なくとも一方を備えた請求項１〜４のいずれかに記載の水素製造装置。
6. 水素とともに反応容器から排出される水を水素と分離するための気液分離部と、前記気液分離部で分離された水を水収容容器に戻す手段とを備えた請求項１〜５のいずれかに記載の水素製造装置。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の水素製造装置と燃料電池とを備えたことを特徴とする燃料電池システム。
8. 請求項７に記載の燃料電池システムを備えたことを特徴とする電子機器。

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