JP2008266037A - 水素発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】反応容器から水素ガスと共に排出される液体を無駄に捨てることなく再利用可能な水素発生装置を提供する。
【解決手段】水に圧力を作用させる圧縮空気を収容する気体収容容器１と、水が収容される液体収容容器２と、液体収容容器２から圧力を受けている水を排出する液体排出路１７と、液体排出路１７から排出される水と反応することで水素ガスを発生する水素発生剤Ａを収容する反応容器３と、反応容器３にて発生される水素ガスを排出させる水素排出路１９，２０と、水素排出路１９，２０の経路上に配置され、水素ガスと共に排出される水が貯留される貯留容器４と、貯留容器４内の水を液体収容容器２へと送り込む水補充路２４と、水補充路２４の経路上に設けられた逆止弁２５と、圧縮空気を容器外へ排出させる脱気部１５と、を備え、脱気部１５から圧縮空気を排出させることで、逆止弁２５を介して貯留容器４内の水を液体収容容器２内へ供給可能にした。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池用に好適に用いられ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（液体）を反応容器内に送り込む量を少量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、水素発生装置をノートパソコン、ＰＤＡ、携帯電話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液体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、かかる少量の水を送り込めるような構成が要求される。

また、反応容器では水と水素発生剤が反応することで水素ガスが発生し、これが水素排出路を介して排出されて燃料電池へと供給されるわけであるが、水素排出路を経由して排出されるのは水素ガスだけではなく、水蒸気（水）もある程度一緒に排出される。これは、水素発生剤との反応に寄与されなかった水が反応熱により水蒸気となり排出されるものである。このような水蒸気は、燃料電池の発電用には不要であり、そのまま排出させるのは発電性能に悪影響を及ぼす恐れがあるのと、反応に寄与すべき水を無駄に捨ててしまうことになる。

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、反応容器から水素ガスと共に排出される液体を無駄に捨てることなく再利用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、
液体に圧力を作用させるための圧縮気体を収容する気体収容容器と、
前記液体が収容される液体収容容器と、
液体収容容器から前記圧力を受けている液体を排出するための液体排出路と、
この液体排出路から排出される液体と反応することで水素ガスを発生する水素発生剤を収容する反応容器と、
この反応容器にて発生される水素ガスを排出させる水素排出路と、
この水素排出路の経路上に配置され、水素ガスと共に排出される液体が貯留される貯留容器と、
この貯留容器内の液体を液体収容容器側へと送り込むための液体補充路と、
この液体補充路の経路上に設けられた逆止弁と、
前記圧縮気体を容器外へ排出させるための脱気部と、を備え、
脱気部から圧縮気体を排出させることで、前記逆止弁を介して貯留容器内の液体を液体収容容器側へ供給可能に構成したことを特徴とするものである。

かかる構成を有する水素発生装置の作用・効果を説明する。この装置は液体が収容される液体収容容器と、圧縮気体が収容される気体収容容器を備えている。液体収容容器内の液体は、液体排出路から排出（送り出し）されるが、その排出作用を行わせるために、圧縮気体を液体に対して作用させる。圧縮気体を作用させることで、液体収容容器内の液面に均一に圧力を作用させるようにでき、少量であっても液体排出路から液体を精度よく排出させることができる。液体排出路から排出された液体は、反応容器に送り込まれ水素発生剤と反応することで水素ガスを発生する。水素ガスは水素排出路を介して容器外部に排出され、燃料電池等に送り込まれる。

水素排出路の経路上には貯留容器が配置され、水素ガスと共に排出された液体（蒸気の形態を含む。以下も同様）が容器内に貯留され、燃料電池には送り込まれないようにする。貯留容器と液体収容容器とは液体補充路により連結され、貯留容器に送り込まれた液体は、液体補充路を介して液体収容容器側に戻すことが可能である。従って、反応に寄与しなかった液体を回収して再利用することができる。貯留容器内の液体を液体収容容器側に戻すためには、液体補充路に経路上に設けられた逆止弁を介して戻すようにしている。圧縮空気を容器外へ排出するための脱気部を設けており、この脱気部から圧縮気体を排出させると負圧を発生させ、逆止弁を介して貯留容器内の液体を液体収容容器側に戻すことができる。脱気部から圧縮気体を排出させるタイミングは、適宜設定できるものである。また、逆止弁を設けているので、液体収容容器内の液体が直接貯留容器内へ送り込まれることがないようにしている。以上のように、反応容器から水素ガスと共に排出される液体を無駄に捨てることなく再利用可能な水素発生装置を提供することができる。

本発明に係る圧縮気体を液体収容容器内の液面に作用させるための隔壁部を柔軟性を有する材料により形成したことが好ましい。

圧縮気体による圧力を液体収容容器内の液体に作用させるために、隔壁部を介して圧力を作用させるようにしている。これにより、均一な圧力を液面全体にわたって作用させやすくなる。また、隔壁部が柔軟性を有しているので、気体収容容器内の圧縮気体を徐々に液体収容容器内に送り込んでいく場合に、隔壁部もそれに応じて徐々に変形していくことができ、常時適切な圧力を液体に対して作用させることができる。

本発明において、前記貯留容器内に、液体を染み込ませるための液体吸収部材を収容していることが好ましい。

かかる液体吸収部材（例えば、スポンジや脱脂綿など）を設けることで、液体を保持させておくことができ、貯留容器から燃料電池のほうへ液体が不用意に排出されることを確実に防止することができる。

本発明において、前記貯留容器は、容器外から液体を補充するための補充部を有することが好ましい。

かかる補充部を設けることで、液体収容容器内の液体を消費した場合、補充部から貯留容器内へ液体を補充した後、液体収容容器内へと液体を収容させることができる。液体を収容させるときは、脱気部の機能を利用して負圧を発生させるようにすれば、液体を液体収容容器側へ供給することができる。

＜構成＞
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、水素発生装置の構成を示す概略図である。

この水素発生装置は、気体収容容器１と、液体収容容器２と、反応容器３と、貯留容器４とを備えている。気体収容容器１には圧縮空気（圧縮気体に相当）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。気体収容容器１の上部には、注入バルブ１０が設けられており、この注入バルブ１０を介して気体収容容器１内に圧縮空気が注入される。注入される空気の量は、例えば、２〜３ｃｃ程度であり、空気圧力は０．３〜０．５ＭＰａ程度に圧縮された状態で収容される。注入バルブ１０としては、例えば、ガスライターにガスを注入するのに用いられているバルブと同じ構造のものを使用することができる。

液体収容容器２内には反応液としての水（液体に相当）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る。水以外に、酸やアルカリなどの溶液を使用してもよい。気体収容容器１と液体収容容器２とは、固定された隔壁部１１により分離されており、その中央部には気体供給路１２が設けられている。この気体供給路１１の途中にはバルブ１３が設けられており、このバルブ１３により、液体収容容器２へ送り込む圧縮空気の量を制御することができる。このバルブ１３を開閉することで、圧縮空気の送り込みを制御することができる。

液体収容容器２の内部には、柔軟性を有する隔壁部１４が設けられている。この隔壁部１４は、ウレタン樹脂等の熱可塑性樹脂、シリコーンゴム等の熱硬化性樹脂、天然ゴム等の弾性を有する材料を用いて製作することができる。従って、液体収容容器２内に導入された圧縮空気は、隔壁部１４を介して液体収容容器２内の水に圧力を作用させる。また、かかる隔壁部１４により、液体収容容器２内の液体の液面全体に対して均等に圧力を作用させることができる。

液体収容容器２の側壁部には、脱気部１５が設けられており、圧縮空気を容器外部に排出できるようにしている。脱気部１５には、バルブ１６が設けられており、このバルブ１６を開くことで圧縮空気を脱気させることができる。

反応容器３内には水素発生剤Ａが収容されている。水素発生剤Ａ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Ａ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Ａは、粉末状であってもよく、造粒、またはタブレット化したものであってもよい。

液体収容容器１の底部から反応容器３内に水を供給するための液体排出路１７が設けられており、この液体排出路１７の経路上にバルブ１８が設けられている。液体排出路１７や前述の気体供給路１２は、金属チューブあるいは樹脂チューブなどの配管が用いられる。バルブ１８を用いることで、水の排出速度を制御あるいは設定することができる。なお、バルブ１８は、水に対して流動抵抗を与えるようなものであればなんでもよく、例えば、上記のバルブ１８の他、流路絞り部、多孔体などが使用できるが、流路抵抗を調整可能なバルブ類が好ましい。この点は、気体供給路１２において使用されるバルブ１３についても同様である。また、バルブ１８に代えて、ポンプを使用してもよい。ポンプの駆動を制御することで、排出する水の量を制御することができる。

反応容器３において発生した水素ガスは、第１水素排出路１９と第２水素排出路２０を経由して排出され、不図示の燃料電池へと供給される。また、水素排出路の経路上に、すなわち、第１水素排出路１９と第２水素排出路２０の間に貯留容器４が配置される。貯留容器４の内部には、反応液としての水が貯留される。第１水素排出路１９の経路途中には逆止弁２１が設けられており、貯留容器２０側から反応容器３への水の逆流を防止する。逆止弁２１としては、水（液体）に対して機能するものであれば、何れのものも使用可能である。ただし、装置全体の小型化を図る上で、一次側が二次側の圧力より大のときに開口し、小のときには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２１は、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。

貯留容器２０には、内部に水を補充するための補充部２２が設けられており、外部から水を補充できるようにしている。すなわち、液体収容容器２内における水を消費した場合には、この補充部２２を介して水を供給できるように構成している。補充部２２にも逆止弁２３が設けられており、貯留容器４内の水が容器外に漏れることを防止している。この逆止弁２３も、前述の逆止弁２１と同様に構成することができる。

貯留容器４内の水を液体収容容器２に供給するための水補充路２４（液体補充路に相当）が設けられており、貯留容器４の底部と液体排出路１７とを連結する形で形成されている。この液体排出路１７にも逆止弁２５が設けられており、液体収容容器２内の水が直接貯留容器４内へ向かうことを防止している。この逆止弁２５も、前述の逆止弁２１と同様に構成することができる。

＜作用＞
以上のように構成された水素発生装置の作用について説明する。水素発生装置を使用するときは、まず、バルブ１３を閉じた状態で圧縮気体を気体収容容器１の内部に収容させ、その後、バルブ１３を所定量開くことで、液体収容容器２内に圧縮空気を送り込むことができる。これにより、圧縮空気が徐々に液体収容容器２内に送り込まれていき、隔壁部１４が液面を少しずつ押圧していく。これにより、水が液体排出路１７を介して反応容器３内に排出され、反応容器３内の化学反応により水素ガスが発生する。

水素ガスは第１水素排出路１９を経由して、いったん貯留容器４内に入りバブリングされて、さらに第２水素排出路２０を通って不図示の燃料電池へと供給される。また、バブリングすることで、ある程度冷却された形で水素ガスが供給される。

液体収容容器２内の水がなくなってきた場合、貯留容器４内の水を液体収容容器２内に供給する必要がある。貯留容器４内の水は最初から用意しておき、液体収容容器２に補充する必要がある時は、脱気部１５におけるバルブ１６を開くようにする。これにより、圧縮空気が容器外部に排出される。従って、隔壁部１４がその復元力により図１の上方に持ち上げられようとするので、負圧が発生する。この負圧により、貯留容器４内の水が水補充路２４および液体排出路１７を経由して、液体収容容器２内に補充される。必要な量が補充された後は、バルブ１６を閉じればよい。その後、気体供給路１２のバルブ１３を閉じた状態にし、再び、注入バルブ１０から圧縮空気を注入すればよい。また、貯留容器４内には、補充した分の量の水を補充部２２を介して補充しておくようにする。これにより、水素発生装置を何度でも再利用可能にすることができる。

一方、反応容器３で発生した水素ガスは、第１水素排出路１９を介して貯留容器４にいったん送り込まれるが、このときに、水素ガスだけでなく、水蒸気も一緒に送り込まれる。これは、反応容器３内に供給された水のうち、水素ガスの発生に寄与しなかった分が、水素ガスの反応熱により水蒸気に変化し、そのまま水素ガスと一緒に排出されるものである。このような水蒸気をそのまま排出させるのは、水を無駄に消費することになるので、かかる水蒸気も貯留容器４に貯留させるようにしている。すなわち、補充部２２から補充される水と一緒に、反応容器３から排出された水蒸気（水）も貯留される。これにより、脱気部１５を操作することで、かかる水も液体収容容器２に戻すことができ、水を有効活用することができる。

＜別実施形態＞
図２は、別実施形態に係る水素発生装置の構成を示す。異なる点を中心に説明する。貯留容器４から液体収容容器２へ水を補充するための水補充路２４は、図１と異なり液体収容容器２の容器側面に連結されている。

図３は、隔壁部１４の別実施形態を示す図である。この隔壁部１４は、風船状の袋部材として製作されている。材質としては、図１の隔壁部１４と同じものを使用することができる。図３（ａ）は初期状態を示し、（ｂ）は隔壁部１４の内部に圧縮空気が送り込まれている状態を示している。袋部材１４が膨らんでいくことにより、周囲の水を押しのけて、水を反応容器３側へ排出させることができる。なお、脱気部１５は、気体収容容器１の側に設けられている。

また、この実施形態において、バルブ１８として弾性を有するアンブレラを使用している。このバルブ１８は、係合部１８ａと傘部１８ｂにより構成され、係合部１８ａに隣接して、小径の液体排出路１７が設けられている。袋部材１４により水圧により、傘部１８ｂを変形させることで、水が反応容器３内へ排出されるように構成されている。

貯留容器４内にスポンジや脱脂綿などの液体吸収部材を配置して、これに水を保持させるようにしてもよい。

本実施形態では、貯留容器４内に水を補充する補充部２２を設けているが、補充部２２は必ずしも必要ない。この場合は、液体収容容器２内の水を全部消費した場合、水素発生装置を廃棄（あるいはリサイクル回収）する構成となる。この場合も、反応容器３から貯留容器４へと送り込まれてきた水蒸気（水）を液体収容容器２に戻すために、水補充路２４は設けられる。なお、液体収容容器２内への水の補充は、液体収容容器２の容器側面部から直接注入するように構成してもよい。

水素発生装置の構成を示す概略図 別実施形態に係る水素発生装置の構成を示す図 別実施形態に係る水素発生装置の構成を示す図

符号の説明

１ 気体収容容器
２ 液体収容容器
３ 反応容器
４ 貯留容器
１２ 気体供給路
１３ バルブ
１４ 隔壁部
１５ 脱気部
１７ 液体排出路
１８ バルブ
１９ 第１水素排出路
２０ 第２水素排出路
２１ 逆止弁
２２ 補充部
２３ 逆止弁
２４ 水補充路
２５ 逆止弁

Claims (4)

1. 液体に圧力を作用させるための圧縮気体を収容する気体収容容器と、
   前記液体が収容される液体収容容器と、
   液体収容容器から前記圧力を受けている液体を排出するための液体排出路と、
   この液体排出路から排出される液体と反応することで水素ガスを発生する水素発生剤を収容する反応容器と、
   この反応容器にて発生される水素ガスを排出させる水素排出路と、
   この水素排出路の経路上に配置され、水素ガスと共に排出される液体が貯留される貯留容器と、
   この貯留容器内の液体を液体収容容器側へと送り込むための液体補充路と、
   この液体補充路の経路上に設けられた逆止弁と、
   前記圧縮気体を容器外へ排出させるための脱気部と、を備え、
   脱気部から圧縮気体を排出させることで、前記逆止弁を介して貯留容器内の液体を液体収容容器側へ供給可能に構成したことを特徴とする水素発生装置。
2. 前記圧縮気体を液体収容容器内の液面に作用させるための隔壁部を柔軟性を有する材料により形成したことを特徴とする請求項１に記載の水素発生装置。
3. 前記貯留容器内に、液体を染み込ませるための液体吸収部材を収容していることを特徴とする請求項１又は２に記載の水素発生装置。
4. 前記貯留容器は、容器外から液体を補充するための補充部を有する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。

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