JP2009041086A

JP2009041086A - 水素発生装置

Info

Publication number: JP2009041086A
Application number: JP2007209395A
Authority: JP
Inventors: Yukinobu Mori; 幸信森
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-08-10
Filing date: 2007-08-10
Publication date: 2009-02-26
Also published as: WO2009022612A1

Abstract

【課題】高圧水素を使わず、高圧ボンベないしは高圧ステーションを要しない水素発生装置であって、白金乃至は白金メッキしたチタンなどの高価な材質の電極を必要とせず、かつ高効率の水素発生装置を提供する
【解決手段】白金メッキチタン若しくはステンレススチールからなる正電極と隔膜と電解質とを備えた正電極パッケージと、マグネシウムを含む両性金属からなる負電極と電解質とを備えた負電極カートリッジを含み、前記負電極カートリッジが前記正電極パッケージに着脱可能に接触して装着されることを特徴とする。
【選択図】図５

Description

本発明は、水素発生装置に係り、特に、水素を燃焼して電力エネルギを得る燃料電池に水素を供給する場合に好適な水素発生装置に関するものである。

現在、世界で最も多く消費されているエネルギ資源は石油、石炭、天然ガスなどの化石燃料である。しかし、化石燃料は今後のエネルギ消費量を考えると、２１世紀中にはなくなるとさえ言われている。また、それ以上に重要な問題は化石燃料の燃焼によって地球温暖化や酸性雨などの地球環境問題が深刻化していることである。そこで、燃やしても二酸化炭素や窒素酸化物などの有害物質の出ない、地球環境にやさしいクリーンなエネルギである水素エネルギの需要が今後大幅に伸びると期待されている。

水素エネルギの生成は、水素を燃焼させて、即ち水の電気分解とは逆の過程により、水素と酸素を化学反応させて電気エネルギとして取り出す。すでに、この水素を生成する方法がいくつか提起されているが、その性能は用いる電解質、とくに固体電解質の内容に依存するところが大きく、安全で低コストな水素を生成する条件が必ずしも確立されていない。

大規模プラントにより低コストの水素を製造する方法は確立されているが、特に車両用として水素ガスをユーザの近くに配送し、現行のガソリン燃料車、現行のガソリンスタンドなみの容易さで水素を使うには、６００気圧級の超高圧水素の貯蔵タンクが必要であるが、これを安全に使える技術は確立されていない。

これらの技術に関連して、例えば特許文献１には、高圧水素ガスと純水の電気分解により生成した水素を併用し、固体高分子電解質膜部と酸化部をセル状に一体化した燃料電池において、高圧水素ガスの高圧を利用して循環水を精製し純水を生成する技術が開示されている。

このような問題を回避するためには、水の電気分解装置を車載する必要があるが、例えば、固体電解質として通常高温で用いられる高分子膜は、イオン交換膜や電極の劣化が速く、保守が困難である。
特に電極の劣化を回避するためには、白金乃至は白金メッキしたチタンなどの高価な材質の電極が必要になる。
特開２０００−１４９９７１号公報

本発明は、上記のような燃料電池の水素発生装置における諸問題を解決するためになされたものであり、高圧水素を使わず、高圧ボンベないしは高圧ステーションを要しない、水素発生装置を提供することを目的とする。
また、本発明は、白金乃至は白金メッキしたチタンなどの高価な材質の電極を必要とせず、かつ高効率の水素発生装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明による水素発生装置は請求項１に記載のとおり、白金メッキチタンからなる正電極と隔膜と電解質とを備えた正電極パッケージと、両性金属（マグネシウムを含む）からなる負電極と電解質とを備えた負電極カートリッジを含み、前記負電極カートリッジが前記正電極パッケージに着脱可能に接触して装着されることを特徴とする。

また、上記目的を達成するために、本発明による水素発生装置は請求項２に記載のとおり、ステンレススチールからなる正電極と隔膜と電解質とを備えた正電極パッケージと、両性金属（マグネシウムを含む）からなる負電極と電解質とを備えた負電極カートリッジを含み、前記負電極カートリッジが前記正電極パッケージに対して着脱可能に接触して装着されることを特徴とする。

また、請求項３に記載のとおり、前記正電極パッケージと前記負電極カートリッジの各々の互いに接触する面には側面膜が設けられていることを特徴とする。

また、請求項４に記載のとおり、前記正電極パッケージと前記負電極カートリッジの少なくとも一方が複数個あり、交互に接触して配置されていることを特徴とする。

また、請求項５に記載のとおり、前記負電極カートリッジには、前記両性金属（マグネシウムを含む）からなる負電極が複数個、互いに離隔して配置されていることを特徴とする。

本発明による水素発生装置は、高圧水素を使わないので、高圧ボンベないしは高圧ステーションを要しない。従って、安全で軽量であり、車両への搭載や燃料の補給が容易であり、高圧ステーションなどのインフラ整備が不要である。

本発明による水素発生装置は、高価な白金乃至は白金メッキチタン電極を部分的又は全面的に、安価な両性金属電極又はステンレススチール電極で置き換えることができて、しかも高効率の水素発生が得られるので、経済的である。

以下、本発明に係る実施の形態を、図面を参照して具体的に説明する。

比較例

図１は、従来技術による水素発生実験装置の模式図であって、反応槽１０は、隔膜１１で仕切られた第１区画１２と第２区画１３からなり、各々正電極２１及び負電極３１が配置され、両電極の材質は共に白金メッキしたチタンである。
両区画には、入力配管１４を通じて電解液が供給され、両電極間に電圧を印加すると、電気分解の結果として第２区画の出力配管１６からは水素ガス１９が得られ、他方第１区画の出力配管１５からは副産物として酸素ガス１８が得られる。

図２は、本発明第１の実施例に係る水素発生実験装置の模式図である。
上記図１と比較すると、本実施例では、負電極３５の材質は両性金属（本実験の場合、マグネシウム）からなり、その他の条件は同一である。
本実験ではさらに具体的には図１、２において共通して、１２０ｍｍ×６５ｍｍの正・負電極を１５ｍｍだけ離隔して対置し、電解液として２％−ＮａＯＨ液２００ｍｌをさらに水道水１０００ｍｌで希釈したものを用いた。
印加電力はＩ＝０．１Ａ固定の定電流駆動を用い、ちなみにその際観測された電圧Ｖは３．０Ｖ〜４．０Ｖであった。

図４は、水素発生量の実験結果を比較するグラフであって、ａは上記図１（従来技術）の場合、ｂは図２（本実施例１）の場合、各々の累積発生水素体積ＶＨを、時間Ｔの経過に対してプロットしたものである。
このように、負電極としてマグネシウムを使うと、白金メッキチタンの場合に比べて５０倍も高効率が得られる。
ちなみに本実施例の場合、ファラデーの法則によれば、印加した（定）電流Ｉによる電荷のうち、約５０％が水素ガス発生に有効に使われた計算になる。

図３は、本発明第２の実施例に係る水素発生実験装置の模式図である。
上記図１と比較すると、本実施例では、負電極３５の材質は上記実施例１と同じく両性金属（本実験の場合、マグネシウム）からなり、さらに正電極２５の材質はステンレススチールからなり、その他の条件は上記図１、図２の場合と同一である。

再び図４を参照すると、ｃは図３（本実施例２）の場合の累積発生水素体積ＶＨを、時間Ｔの経過に対してプロットしたものである。
即ち、水素発生量は上記実施例１の場合より若干劣るが、白金メッキチタン電極を一切使わない、低コスト・高効率の水素発生方法が得られた。

しかしながら上記実施例１、２の場合、長時間にわたり稼動させると、マグネシウム電極３５が磨耗・変質してしまい、そのままでは水素発生効率が低下する。

図５は、本発明第３の実施例に係る水素発生装置の模式図である。
本実施例の水素発生装置は、負電極カートリッジ５１と正電極パッケージ５２からなり、負電極カートリッジ５１は正電極パッケージ５２に対して着脱可能で、負電極カートリッジ５１の側面膜５５が電極パッケージ５２の側面膜５６に接触するように装着される（図５はこの装着状態を示す）。
負電極カートリッジ５１は、両性金属材質の負電極３５と電解液４９と出力配管１６と側面膜５５とを備える。
正電極パッケージ５２は、白金メッキチタン材質の正電極２１と隔膜１１と電解液４７、４７と出力配管１５と側面膜５６とを備える。
側面膜は通常、（水の分子を分ける）セパレータと呼ばれ、溶質（正負のイオン）を通すが溶媒（水）を通さない。

図５の状態では、負電極カートリッジ５１と正電極パッケージ５２とは側面膜５５、５６を介して接触しているので、正負のイオンが自由に移動することができる。
従って上記実施例１の場合と同様に、正負電極２１、３５に電力を印加すると、電解液の水の電気分解が行われ、高効率で水素ガス１９が出力配管１６から発生する。
ある一定の時間だけ稼動し、負電極３５が磨耗・変質し、水素発生効率が低下し始めると、負電極カートリッジ５１を正電極パッケージ５２から外して新品の負電極カートリッジ５１と交換することにより、高効率を維持できる。

本実施例では、白金メッキチタン材質の正電極２１を用いているが、変形例として、これをステンレススチール材質の正電極２５で置き換えることができる。
その場合は、上記実施例２と同様に、本実施例の場合よりも効率が少し劣るが依然高効率の水素発生装置が安価に得られる。

図６は、本発明第４の実施例に係る水素発生装置の模式図である。
本実施例の水素発生装置は、負電極カートリッジ６１と正電極パッケージ６２からなり、負電極カートリッジ６１は正電極パッケージ６２に対して着脱可能で、負電極カートリッジ６１の側面膜６５が電極パッケージ６２の側面膜６６に接触するように装着される（図６はこの装着状態を示す）。
負電極カートリッジ６１は、両性金属材質の負電極３５と固体電解質６９と出力配管１６と側面膜６５とを備える。
正電極パッケージ６２は、白金メッキチタン材質、又はステンレススチール材質の正電極２１と固体電解質６７と隔膜１１と固体電解質６８と側面膜６６とがこの順に重畳されてなる。
ここで固体電解質は含水性である。

側面膜６５、６６は、例えばセパレータからなり、正負のイオンを通すが、固体電解質及びこれに含まれる水を通さない。
このように負電極カートリッジ６１と正電極パッケージ６２を構成する（含水性の）電解質が固体化されている場合、側面膜６５、６６は省いてもよい。
逆に側面膜６５を備える場合は、隔膜１１と固体電解質６８を省いてもよい。

このように、本実施例に係る水素発生装置は、上記実施例３の電解質を固体化したものであり、上記実施例３の場合に匹敵する高効率の水素発生が得られ、しかも全体が固体化されているので、負電極カートリッジ６１の交換が簡便になる。

図７は、本発明第５の実施例に係る水素発生装置の模式図である。
上記実施例３（図５）と比較すると分かるように、本実施例では、３個の正電極パッケージ５２、５４、５２の間に２個の負電極カートリッジ５３、５３が装着されている。
両端の正電極パッケージ５２、５２を除き、正電極パッケージ５４と負電極カートリッジ５３、５３は、各々の電極の両側面がアクセス可能になっており、稼動効率を上げることができる。
この他にも複数個の正電極パッケージ５２、５４と複数個の負電極カートリッジ５１、５３によって各種の組み合わせが可能である。

図８は、本発明第６の実施例に係る水素発生装置の模式図である。
上記実施例４（図６）と比較すると分かるように、本実施例では、３個の正電極パッケージ６２、６４、６２の間に２個の負電極カートリッジ６３、６３が装着されている。
換言すれば、本実施例は上記実施例５の電解液を固体化したものである。
両端の正電極パッケージ６２、６２を除き、正電極パッケージ６４と負電極カートリッジ６３、６３は、各々の電極の両側面がアクセス可能になっており、稼動効率を上げることができる。
この他にも複数個の正電極パッケージ６２、６４と複数個の負電極カートリッジ６１、６３によって各種の組み合わせが可能である。

なお、以上の実施例において、特に負電極については、１個の負電極カートリッジ内に複数枚の負電極板を互いに離隔して、好ましくは互いに平行に配置することができる。
このようにして、負電極の稼動表面積を増加すると、これに応じて、負電極カートリッジの寿命、即ち、負電極が磨耗・変質し、水素発生効率が低下し始めるまでの時間を延長することができる。

従来技術による水素発生実験装置の模式図である。第１の実施例に係る水素発生実験装置の模式図である。第２の実施例に係る水素発生実験装置の模式図である。水素発生量の実験結果を比較するグラフである。第３の実施例に係る水素発生装置の模式図である。第４の実施例に係る水素発生装置の模式図である。第５の実施例に係る水素発生装置の模式図である。第６の実施例に係る水素発生装置の模式図である。

符号の説明

１０反応槽
１１隔膜
１２第１区画
１３第２区画
１４入力配管
１５、１６出力配管
１７電解液（ＮａＯＨ＋ＮａＣｌ）
１８酸素ガス
１９水素ガス
２１白金メッキチタン正電極
２５ステンレススチール正電極
３１白金メッキチタン負電極
３５両性金属（マグネシウム）負電極
４７、４９電解液
５１、５３、６１、６３負電極カートリッジ
５２、５４、６２、６４正電極パッケージ
５５、５６、６５、６６側面膜
６７、６８、６９固体電解質

Claims

白金メッキチタンからなる正電極と隔膜と電解質とを備えた正電極パッケージと、両性金属（マグネシウムを含む）からなる負電極と電解質とを備えた負電極カートリッジを含み、前記負電極カートリッジが前記正電極パッケージに着脱可能に接触して装着されることを特徴とする水素発生装置。
ステンレススチールからなる正電極と隔膜と電解質とを備えた正電極パッケージと、両性金属（マグネシウムを含む）からなる負電極と電解質とを備えた負電極カートリッジを含み、前記負電極カートリッジが前記正電極パッケージに対して着脱可能に接触して装着されることを特徴とする水素発生装置。
前記正電極パッケージと前記負電極カートリッジの各々の互いに接触する面には側面膜が設けられ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。
前記正電極パッケージと前記負電極カートリッジの少なくとも一方が複数個あり、交互に接触して配置され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。
前記負電極カートリッジには、前記両性金属（マグネシウムを含む）からなる負電極が複数個、互いに離隔して配置され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。