JP2009046321A - 水素発生装置及び燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】少ない消費電力量で燃料残量（水素の残量）を正確に把握することができる水素発生装置及び燃料電池システムを提供する。
【解決手段】反応溶液１３が収容される溶液容器１４と、反応溶液１３との反応により水素を生成する反応物固体１１が収容される反応容器１２と、溶液容器１４と反応容器１２とを連通する送液路１５とを有し、反応容器１４の内圧が所定圧力以下である場合に反応溶液１３が溶液容器１４から反応容器１２に送液される水素発生装置１０であって、溶液容器１４から反応容器１２への反応溶液１３の送液開始及び送液停止を検出する検出手段１７と、検出手段１７による検出をトリガとして反応溶液１３の送液期間の長さを測定する測定手段１８と、測定手段１８による測定値に基づいて反応物固体１１と反応溶液１３との反応により生成される水素残量を算出する残量算出手段１９とを具備するようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、金属水素化物を分解して水素を発生させる水素発生装置及び水素発生装置で発生した水素を燃料とする燃料電池システムに関する。

近年のエネルギー問題の高まりから、より高いエネルギー密度で、排出物がクリーンな電源が要求されている。燃料電池は、既存電池の数倍のエネルギー密度を有する発電機であり、エネルギー効率が高く、また、排出ガスに含まれる窒素酸化物や硫黄酸化物がない、もしくは、少ないといった特徴がある。従って、次世代の電源デバイスとしての要求に合った極めて有効なデバイスであるといえる。

水素と酸素の電気化学反応により起電力を得る燃料電池では、燃料として水素が必要となる。水素ガスを生成する装置の一例としては、例えば、金属水素化物（水素化ホウ素塩）等の反応物固体が収容された反応容器と、水等の反応溶液が収容された溶液容器とを有し、反応容器内の圧力が溶液容器内の圧力よりも低下した場合に溶液容器内の反応溶液を反応容器に送液し、金属水素化物と反応溶液との反応（水素発生反応）により水素を発生させる水素発生装置がある（例えば、特許文献１参照）。

このような燃料電池等に用いられる水素発生装置においては、燃料（水素）の残量を検出する必要がある。水素発生装置で発生する水素（燃料）の残量を目視によって確認することは難しいため、目視以外の方法が各種提案されている。例えば、水素吸蔵合金が充填されているタンク内の圧力を検出し、この圧力に基づいて燃料の残量を検出するようにしたものがある（例えば、特許文献２参照）。

特開２００６−１６０５４５号公報 特開２００７−８０６３２号公報

例えば、特許文献１の装置において反応容器内の圧力を常時検出すれば、その圧力から燃料（水素）の残量を求めることができるかもしれないが、反応容器内の圧力検出に使用される消費電力が大きいという問題がある。水素発生装置を用いた燃料電池では、水素発生装置の燃料残量検出を常時行うと、その検出に使用される消費電力が大きく、燃料電池に接続されている電子機器に使用される電力量が少なくなってしまうという問題がある。

燃料残量検出（圧力検出）に使用される消費電力を抑えるために、例えば、一定時間毎に圧力検出を行うことが考えられる。しかしながら、反応容器内の圧力は常に一定の変化をするわけではない。例えば、特許文献１の装置においては、反応容器内の圧力は減少と増加とを繰り返すがそのタイミングは一定ではない。このため、一定時間毎に圧力検出を行うと正確な燃料残量を求めるのは難しい。

さらに、上述した水素発生反応により水素を発生する装置の場合、水素発生反応時に生成される水素以外の生成物が反応物固体に付着し、この生成物の付着の度合によって水素の発生量、つまり反応容器内の圧力に変化が生じる場合がある。このため、反応容器内の圧力を検出するだけでは、燃料残量を正確に求めることができない虞がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、少ない消費電力量で燃料残量（水素の残量）を正確に把握することができる水素発生装置及び燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の第１の態様は、反応溶液が収容される溶液容器と、前記反応溶液との反応により水素を生成する反応物固体が収容される反応容器と、前記溶液容器と前記反応容器とを連通する送液路とを有し、前記反応容器の内圧が所定圧力以下である場合に前記反応溶液が前記溶液容器から前記反応容器に送液される水素発生装置であって、前記溶液容器から前記反応容器への前記反応溶液の送液開始及び送液停止を検出する検出手段と、該検出手段による検出をトリガとして前記反応溶液の送液期間の長さを測定する測定手段と、該測定手段による測定値に基づいて前記反応物固体と前記反応溶液との反応により生成される水素残量を算出する残量算出手段と、を具備することを特徴とする水素発生装置にある。

かかる第１の態様では、反応溶液の送液期間の長さから水素残量（燃料残量）を算出しているため、燃料残量を取得するのに必要な消費電力量が大幅に抑えられる。

本発明の第２の態様は、前記送液期間の長さと前記水素残量とを関連付けたテーブルが予め記憶された記憶部をさらに有し、前記残量算出手段は、前記測定手段による測定値と前記テーブルとから前記水素残量を算出することを特徴とする第１の態様の水素発生装置にある。

かかる第２の態様では、上記のようなテーブルを参照することで、燃料残量をより正確且つ容易に求めることができる。

本発明の第３の態様は、前記測定手段の測定値を記憶する記憶部をさらに有し、前記残量算出手段は、前記測定手段による最新の測定値と、前記記憶部に記憶されている前回の測定値との差に基づいて前記水素残量を算出することを特徴とする第１又は２の態様の水素発生装置にある。

かかる第３の態様では、反応溶液の送液期間の長さの変化量に基づいて燃料残量が算出される。これにより、燃料残量をさらに正確に算出することができる。

本発明の第４の態様は、前記送液路に設けられ、前記反応容器の内圧が所定圧力以下である場合に当該送液路を開放して前記反応容器から前記反応物溶液への前記反応溶液の送液を許容する開閉手段を有し、且つ該開閉手段が前記検出手段を兼ねており、当該開閉手段の開閉状態から前記反応溶液の送液開始及び送液停止を検出することを特徴とする第１〜３の何れか一つの態様の水素発生装置にある。

かかる第４の態様では、燃料残量を取得するのに必要な消費電力量をさらに削減することができる。

本発明の第５の態様は、前記開閉手段が、前記反応容器の内圧が前記溶液容器の内圧以下である場合に前記溶液容器から前記反応容器への前記反応溶液の送液を許容する逆止弁であると共に、該逆止弁が当該逆止弁を構成する弁体が閉状態である場合に接触する導電部と接点部とを有し、前記検出手段を兼ねる前記開閉手段は、前記導電部と前記接点部との導通状態から前記反応溶液の送液開始及び送液停止を検出することを特徴とする第４の態様の水素発生装置にある。

かかる第５の態様では、反応溶液の送液開始及び送液停止の検出には電力を必要としないため、燃料残量を取得するのに必要な消費電力量をさらに削減することができる。

本発明の第６の態様は、前記開閉手段が、前記反応容器の内圧により２点間を移動可能に設けられ当該反応容器の内圧が所定圧力以下である場合に前記送液路を開放する弁部材を有する圧力調整弁であると共に、当該圧力調整弁の前記弁部材に近接して設けられ前記弁部材が一方の位置にある場合に当該弁部材によって押圧されるスイッチ部材を有し、前記検出手段が前記圧力調整弁と前記スイッチ部材で構成され、前記弁体による前記スイッチ部材の押圧状態から前記反応溶液の送液開始及び送液停止を検出することを特徴とする第４の態様の水素発生装置にある。

かかる第６の態様では、反応溶液の送液開始及び送液停止の検出には電力を必要としないため、燃料残量を取得するのに必要な消費電力量をさらに削減することができる。

本発明の第７の態様は、前記反応溶液が一定流量で前記反応容器に送液されることを特徴とする第１〜６の何れか一つの態様の水素発生装置にある。

かかる第７の態様では、燃料残量の変化が安定するため、燃料残量をより正確に求めることができる。

本発明の第８の態様は、水素が供給されるアノード室を有すると共に、該アノード室への水素供給手段として第１〜７の何れか一つの態様の水素発生装置を具備することを特徴とする燃料電池システムにある。

かかる第８の態様では、発電量を向上することができる。また、燃料残量が正確に分かることで、燃料を最後まで使用することができるようになる。

本発明の水素発生装置は、水素発生により発生する水素残量（燃料残量）を比較的容易且つ正確に求めることができる。また燃料残量を求める際に使用する消費電力を極めて少なく抑えることができる。したがって、本発明の燃料電池システムでは、発電量を向上させることができる。また、燃料残量を正確に把握することで、燃料を最後まで使用することができるようになり、経済性が向上する。

以下、本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。

（実施形態１）
図１は本発明の実施形態１に係る水素発生装置の概略構成を示す図である。

図１に示すように、本実施形態に係る水素発生装置１０は、水素発生物質である反応物固体１１が格納される反応容器１２と、反応溶液１３が収容された溶液容器１４と、この溶液容器１４と反応容器１２とを連通する送液路である送液管１５とを有する。そして、溶液容器１４内の反応溶液１３が、送液管１５を介して反応容器１２内の反応物固体１１に送液され、この反応物固体１１と反応溶液１３とが反応（水素発生反応）することで燃料である水素が生成される。

ここで、反応容器１２内に保持された反応物固体（水素発生物質）１１としては、金属水素化合物、例えば、水酸化ホウ素ナトリウム、水酸化ホウ素カリウム、水酸化リチウムアルミニウム等が挙げられ、本実施形態では、水素化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＨ₄）を用いている。一方、反応物固体に供給される反応溶液としては、促進剤水溶液、例えば、リンゴ酸、クエン酸、コハク酸等の水溶液が好適に用いられるが、水を用いることもできる。本実施形態では、リンゴ酸水溶液を用いている。なおこれら反応物固体１１及び反応溶液１３は、特に限定されるものではなく、反応物固体１１は加水分解型の金属水素化物であれば全て適用可能であり、反応溶液１３としては、例えば、有機酸及び無機酸あるいはルテニウム等、水素発生触媒であれば全て適用可能である。また例えば、水素発生触媒であるリンゴ酸粉末を反応容器１２内に保持し、水素発生物質である水素化ホウ素ナトリウムの水溶液を反応容器１２に供給することで水素発生反応させるようにしてもよい。さらに、水素発生物質として卑金属を用いることもでき、この場合、反応溶液１３としては、塩基性あるいは酸性水溶液、あるいは水を用いればよい。

なお、反応容器１２には、このような反応物固体１１と反応溶液１３との反応（水素発生反応）により発生した水素を外部に排出するための排出管１６の一端側が接続され、この排出管１６の他端側は、図示しないが、例えば、燃料電池の発電部等に接続される。

また溶液容器１４内の反応溶液１３は、図示しない加圧手段によって常に所定の圧力が付与されている。そして、反応容器１２の内圧が溶液容器１４の内圧を下回ると、溶液容器１４から送液管１５を介して反応容器１２内に反応溶液１３が一定流量で送液されるようになっている。つまり、反応容器１２における水素の発生量が常に所定範囲となるように反応溶液１３の送液量が制御されている。なお送液管１５には、反応容器１２の内圧が溶液容器１４の内圧以下になった時に送液管１５の流路を開放する圧力調整弁等の開閉手段を設けるようにしてもよい。

ここで、例えば、一定量の水素が反応容器１２から排出管１６を介して外部に排出されている場合、水素発生反応は断続的に行われるため、反応溶液１３も水素発生反応に伴って断続的に反応容器１２に送液される。図２は、このような断続的な水素発生反応を生じさせた場合の反応容器内の圧力変化、及び燃料残量（発生する水素の残量）の変化を示すグラフである。

本実施形態では、一定流量で水素が排出されているため、反応容器１２の内圧は水素の排出に伴って一定の勾配で低下し、図２に示すように、反応容器１２の内圧が基準圧力、本実施形態では、溶液容器１４の内圧を下回ると上昇に転じる。つまり、反応容器１２に反応溶液１３が送液されて水素発生反応により水素が発生することで、反応容器１２の内圧が上昇に転じる。そして、反応容器１２の内圧が基準圧力を上回ると反応溶液１３の送液が停止する。送液が停止した後も、しばらくの間は水素発生反応が継続されるため反応容器１２の内圧は上昇し続ける。そして、水素発生反応が停止すると、反応容器１２の内圧は再び一定の勾配で減少する。このように反応溶液１３は、断続的、つまり図２中の期間Ｔ１〜Ｔ４において反応容器１２に送液され、反応容器１２の内圧はそれに伴って増減を繰り返すことになる。

反応溶液１３が反応容器１２に送液されて水素発生反応が生じると、この水素発生反応により生成される水素の残量（燃料残量）は徐々に減少する。つまり、水素発生反応が生じている間は、燃料残量は所定の勾配で減少する。また水素発生反応が進むにつれて、反応物固体１１の濃度は徐々に減少するため水素発生反応の反応速度が低下する。このため、反応容器１２内の圧力が基準圧力に達するまでの時間は徐々に長くなる。例えば、図２中の各期間Ｔ１〜Ｔ４の長さは、Ｔ１＜Ｔ２＜Ｔ３＜Ｔ４となり、反応溶液１３の送液時間は徐々に長くなる。

なお本実施形態では、反応物固体１１として水素化ホウ素ナトリウムを用いているため、水素発生反応時に水素以外の反応生成物が生じる。この反応生成物は、反応物固体１１の表面に付着して水素発生反応を阻害する。このため、反応生成物の付着の度合にもよるが、水素発生反応の反応速度は徐々に低下してしまう。つまり、反応物固体１１の濃度低下だけでなく、他の要因によっても反応溶液１３の送液時間は徐々に長くなる場合がある。

本発明は、このような知見に基づき、反応溶液の送液期間の長さから燃料残量を算出するようにした点に特徴がある。具体的には、送液管１５に反応溶液１３の送液開始及び送液停止を検出する検出手段としての検出部１７が設けられており、この検出部１７による検出をトリガとして反応溶液の送液期間の長さを測定する測定手段１８と、測定手段１８による測定値に基づいて水素発生反応により生成される燃料残量（水素残量）を算出する残量算出手段１９とを有する。

検出部１７は、反応溶液１３の送液開始及び送液停止を検出できるものであれば、その構成は特に限定されるものではない。具体的には、例えば、送液管１５内にピトー管を配してその圧力差によって送液開始及び送液停止を検出するものが挙げられる。また、例えば、送液管１５を挟んで配される一対の電磁コイルで構成され、導電性を有する反応溶液１３が送液管１５を流れることにより発生する起電力から送液開始及び送液停止を検出するものであってもよい。さらに、送液管１５内の反応溶液１３に超音波を伝搬させ流れにより生じる時間差から送液開始及び送液停止を検出するものであってもよい。

測定手段１８は、検出部１７が送液開始を検出すると、その検出をトリガとして時間の計測を開始し、検出部１７が送液停止を検出すると、その検出をトリガとして時間の計測を停止する。これにより、反応溶液１３の送液期間の長さが測定されることになる。

上述したように、この反応溶液１３の送液期間の長さと燃料残量との間には図２に示したような関係を有しており、本実施形態では、この送液期間の長さと燃料残量（水素残量）とを関連付けたテーブルが予め記憶された記憶部２０をさらに有する。そして、残量算出手段１９は、測定手段１８による測定値と、この記憶部２０に記憶されているテーブルとから燃料残量を算出する。なお、この記憶部２０に記憶されているテーブルは、例えば、水素発生反応による反応生成物が反応物固体１１に付着することによる反応速度の低下等を適宜考慮して作成されている。また、水素発生反応の反応速度は、反応溶液１３の流量によっても変化するため、反応溶液の流量が一定でない場合には、この点も考慮する必要がある。

このように反応溶液１３の送液期間の長さから燃料残量を算出することで、燃料残量を比較的容易に且つ正確に取得することができる。また検出部１７の検出をトリガとして、測定手段１８が反応溶液１３の送液期間の長さを測定するようにしているため、この測定による消費電力量が極めて少なく抑えることができる。例えば、反応容器１２の内圧を常時測定することで燃料残量を求める場合などと比べて、消費電力量は大幅に抑えられる。

本実施形態では、残量算出手段１９が送液期間の長さから燃料残量を算出するようにしたが、算出方法は、これに限定されるものではない。例えば、測定手段１８によって測定された各送液期間の長さをそれぞれ記憶部２０に記憶しておき、残量算出手段１９が、測定手段１８による最新の測定値と、記憶部２０に記憶されている前回の測定値との差に基づいて燃料残量を算出するようにしてもよい。例えば、図２のグラフを例に挙げると、最新の測定値である送液期間Ｔ４の長さと、前回の測定値である送液期間Ｔ３の長さとの差に基づいて燃料残量を算出するようにしてもよい。このように燃料残量を算出するようにしても、比較的容易且つ正確に燃料残量を取得することができる。

（実施形態２）
図３は、実施形態２に係る水素発生装置の概略構成を示す断面図であり、図４は、水素発生装置の送液管部分を示す断面図である。なお、本実施形態は、検出手段を変更した例であり、それ以外の構成は実施形態１と同様である。このため、同一部材には同一符号を付し重複する説明は省略する。

図示するように、溶液容器１４と反応容器１２とを繋ぐ送液管１５に、開閉手段としての逆止弁２１が設けられている。これにより、溶液容器１４から反応容器１２への反応溶液１３の流れのみが許容され、反応容器１２から溶液容器１４への逆流が防止されている。そして、本実施形態では、この逆止弁２１が検出手段を兼ねるようにした例であり、逆止弁２１の開閉状態から反応溶液１３の反応容器１２への送液開始及び送液停止を検出している。具体的には、図４に示すように、本実施形態に係る逆止弁２１は、弾性部材、例えば、ブチルゴム、ニトリルゴム等のゴム材料、ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）、シリコーンなど、からなる筒状の弁体２２で構成されている。この弁体２２は、その一端側にから流路の厚さが徐々に減少するテーパ状に形成されており、他端側開口２２ａがスリット状に形成されている。そして、スリット状の端部側開口２２ａが反応容器１２側となるように、弁体２２の一端部側が送液管１５内に固定されて逆止弁２１が構成されている。

この逆止弁２１は、反応溶液１３が送液されていない状態では、図４（ａ）に示すように、弁体２２の他端側開口２２ａが閉じられており、溶液容器１４から反応容器１２に反応溶液が送液されると、図４（ｂ）に示すように、その流れによって弁体２２が弾性変形して他端側開口２２ａが開いた状態となる。なお、反応容器１２から溶液容器１４に向かう流れでは弁体２２の開口２２ａが開くことはない。

この弁体２２の開口２２ａの縁部には、例えば、金属材料等の導電性を有する材料からなる一対の導電部２３及び接点部２４が設けられている。そして、これら導電部２３と接点部２４とは、弁体２２開口２２ａが閉じられた状態で接触し、開口２２ａが開いた状態では離間するように設けられている。また、導電部２３及び接点部２４は、送液管１５に設けられた一対の端子部２５，２６と配線２７によってそれぞれ接続されている。

そして、例えば、これら端子部２５，２６間の抵抗値から導電部２３と接点部２４との導通状態によって反応溶液１３の送液開始及び送液停止が検出される。つまり、これら導電部２３と接点部２４とが接触した状態から離間することで送液開始が検出され、その後、導電部２３と接点部２４とが接触することで送液停止が検出される。そして、測定手段１８は、この送液開始及び送液停止の検出をトリガとして反応溶液１３の送液期間の長さを測定し、残量算出手段１９がこの測定結果と記憶部２０のテーブルとに基づいて燃料残量を算出する。

このような本実施形態の構成では、送液開始及び送液停止の検出が明確になるため、送液期間の長さをさらに正確に測定することができる。したがって、その測定結果に基づいて燃料残量を算出することで、極めて正確な燃料残量を取得することができる。また、検出手段の構成が簡略化されるため、燃料残量の取得に必要な消費電力量をさらに少なく抑えることができる。さらに送液管１５内に逆止弁２１が設けられていることで、反応容器１２から溶液容器１４への反応溶液１３の逆流を防止して、反応溶液１３の送液安定性を向上することもできる。

なお、図４に逆止弁の一例を示したが、この逆止弁の構成は、特に限定されるものではない。例えば、図５に示すように、逆止弁２１Ａは、送液管１５内に弁体２２Ａの一端側が弁軸２８によって回動可能に支持されてなるものであってもよい。この例では、送液管１５が、小径部１５ａと小径部１５ａよりも内径の大きい大径部１５ｂとを有し、この小径部１５ａと大径部１５ｂとの境界部分に弁体２２Ａが配されている。そして、この逆止弁２１Ａは、反応溶液１３が送液されていない状態では、図５（ａ）に示すように、小径部１５ａと大径部１５ｂとの境界部分の段差である干渉部１５ｃに弁体２２Ａが当接した状態で流路が塞がれており、溶液容器１４から反応容器１２に反応溶液１３が送液されると、図５（ｂ）に示すように、その流れによって弁体２２Ａが弁軸２８を中心として回動して流路が開かれた状態となる。

このような逆止弁２１Ａを用いる場合、弁体２２Ａ自体が導電性を有する材料で形成されて導電部２３Ａとなっている。そして、弁体２２Ａの弁軸２８側の端部が送液管１５に設けられる一方の端子部２５Ａに接続されており、他方の端子部２６Ａは、導電部２３Ａである弁体２２Ａが干渉部１５ｃに当接した状態で電気的に接続される接点部２４Ａを兼ねている。そして、このような構成においても、上述したように導電部２３Ａと接点部２４Ａとの接触状態から反応溶液１３の送液開始及び送液停止が検出される。

（実施形態３）
図６は、実施形態３に係る水素発生装置の概略構成を示す断面図であり、図７は、送液管部分を示す断面図である。なお、本実施形態は、検出手段を変更した例であり、それ以外の構成は実施形態１と同様である。このため、同一部材には同一符号を付し重複する説明は省略する。

本実施形態は、図示するように、送液管１５に圧力調整弁２９が設けられていると共に、圧力調整弁２９に近接してスイッチ部材３０が配されており、検出手段がこれら圧力調整弁２９とスイッチ部材３０とで構成された例である。そして、圧力調整弁２９によるスイッチ部材３０の押圧状態から、反応溶液１３の送液開始及び送液停止を検出するようにした例である。

圧力調整弁２９は、基体３１に設けられた貫通部３２の基体３１の厚さ方向両側を塞ぐように、可撓性のシートからなり厚さ方向に変形可能な第１の圧力変形部３３及び第２の圧力変形部３４が設けられている。この第１の圧力変形部３３の外側は反応容器１２に連通される連通路３５が設けられており、第１の圧力変形部３３は、その外側から反応容器１２の内圧を受けている。一方、第２の圧力変形部３４の外側は外部に開放されており、第２の圧力変形部３４はその外側から大気圧を受けている。

また、貫通部３２の第１及び第２の圧力変形部３３，３４の間の空間は、基体３１の厚さ方向の中間に設けられた仕切部材３６により区画され、第１の圧力変形部３３側が第１の流路３７、第２の圧力変形部３４側が第２の流路３８となり、それぞれ基体３１の平面方向に延設されており、これら第１の流路３７と第２の流路３８とは、仕切部材３６に設けられた貫通孔３９によって連通されている。これら第１の流路３７及び第２の流路３８は、送液管１５の一部を構成しており、第１の流路３７が反応容器１２に連通し、第２の流路３８が溶液容器１４に連通している。

また、貫通部３２の第１及び第２の圧力変形部３３，３４の間の空間には、第１及び第２の圧力変形部３３，３４に連結された状態でこれら第１及び第２の圧力変形部３３，３４と共に図中上下方向に２点間で移動する弁部材４０が設けられている。弁部材４０は、第１及び第２の圧力変形部３３，３４を連結すると共に貫通孔３９を貫通して配置された連結部４１と連結部４１の第１の圧力変形部３３側に設けられて貫通孔３９を開閉可能な弁部４２とを具備する。

また本実施形態では、このような圧力調整弁２９の貫通部３２に対向する位置に、圧力調整弁２９に近接してスイッチ部材３０が配されている。以下に説明するように、圧力調整弁２９の弁部材４０が所定位置にある場合にこのスイッチ部材３０を押圧するようになっている。そして、弁部材４０がスイッチ部材３０を押圧しているか否かを電気的に検出することで、反応溶液１３の送液開始及び送液停止が検出されるようになっている。

具体的には、まず第１の圧力変形部３３が受ける反応容器１２の内圧が第２の圧力変形部３４が受ける大気圧より高い状態においては、図７（ａ）に示すように、第１及び第２の圧力変形部３３，３４は弁部材４０と共に図中上方に移動して弁部４２が仕切部材３６に当接して貫通孔３９が閉じられた状態、すなわち、第１の流路３７と第２の流路３８との連通が遮断された状態となる。また弁部材４０の連結部４１によってスイッチ部材３０が押圧された状態となる。

一方、第１の圧力変形部３３が受ける反応容器１２の内圧が、第２の圧力変形部３４が受ける大気圧より低い状態となると、図７（ｂ）に示すように、第１及び第２の圧力変形部３３，３４は弁部材４０と共に図中下方に移動して弁部４２が仕切部材３６から離間して貫通孔３９が開かれた状態、すなわち、第１の流路３７と第２の流路３８とが連通された状態となる。また弁部材４０の連結部４１がスイッチ部材３０から離れた状態となる。この状態では、反応溶液１３が溶液容器１４から送液管１５の一部である第２の流路３８及び第１の流路３７を介して反応容器１２に送液される。そして、反応溶液１３の送液により水素発生反応が生じ反応容器１２の内圧が大気圧より高くなると、上述したように再び閉状態となる。なお、本実施形態では、第２の圧力変形部３４が大気圧を受けるようにしたが、例えば、この第２の圧力変形部３４をバネ部材等によって付勢するようにし、反応溶液１３が送液される圧力を調整してもよい。

このように本実施形態では、弁部材４０がスイッチ部材３０から離れた場合に反応溶液１３の送液開始が検出され、弁部材４０がスイッチ部材３０を押圧した場合に送液停止が検出される。そして、測定手段１８は、この送液開始及び送液停止の検出をトリガとして反応溶液１３の送液期間の長さを測定し、残量算出手段１９がその測定結果に基づいて燃料残量を算出する。

このような本実施形態の構成では、弁部材４０の開閉制御に電力を必要としない。そしてこの弁部材４０によってスイッチ部材３０を機械的に押圧されているか否かによって反応溶液１３の送液開始及び送液停止を検出しているため、その検出にも電力を必要としない。したがって、燃料残量の取得に必要な消費電力量をさらに少なく抑えることができる。また、スイッチ部材３０が送液管１５の外側に配されているため、スイッチ部材３０から電気信号を送る配線等の腐食を防止することができるという効果もある。

（実施形態４）
図８は、本発明の実施形態４に係る水素発生装置の概略構成を示す断面図である。なお、本実施形態は、溶液容器を反応容器内に配置した例であり、同一部材には同一符号を付し重複する説明は省略する。

本実施形態では、図８に示すように、反応容器１２Ａの内部に溶液容器１４Ａが備えられており、反応容器１２Ａと溶液容器１４Ａは、反応容器１２Ａ内に配された送液管１５Ａにより接続されている。この送液管１５Ａは、その先端部が反応容器１２Ａ内に保持されている反応物固体１１に向かうように配されており、送液管１５Ａを介して送液された反応溶液１３は反応物固体１１に直接噴射されるようになっている。

本実施形態に係る溶液容器１４Ａは、例えば、樹脂材料やゴム等の可撓性材料の袋部材からなり、その底部が反応容器１２Ａ内に固定されている。なお、溶液容器１４Ａの材料としては、具体的には、例えば、ポリプロピレン、ＰＥＴ、シリコーン、シリコーンゴム、ブチルゴム、イソプレンゴム等が挙げられる。溶液容器１４Ａの上面側と反応容器１２Ａの上部壁面との間には、例えば、ばね部材からなる付勢部材４３が設けられており、この付勢部材４３によって溶液容器１４Ａが付勢されている。なお、付勢部材４３を構成するばね部材としては、例えば、定荷重ばね、圧縮コイルばね等が好適に用いられる。勿論、付勢部材４３は、溶液容器１４Ａを付勢できるものであれば、ばね部材に限定されるものではない。

そして、上述したように送液管１５Ａには検出部１７が設けられており、測定手段１８がこの検出部１７の検出をトリガとして反応溶液１３の送液期間の長さを測定し、残量算出手段１９が、その測定結果と記憶部２０のテーブルとに基づいて燃料残量を算出する。

このような本実施形態の構成においても、上述の実施形態と同様に、燃料残量を比較的容易且つ正確に取得することができる。また、本実施形態の構成では、溶液容器１４Ａ内の反応溶液１３が反応容器１２Ａの反応物固体１１に供給されるにしたがって、付勢部材４３の付勢力により溶液容器１４Ａが付勢されてその体積が減少する。このため、反応容器１２Ａの容積は溶液容器１４Ａの体積減少分だけ増加することになる。したがって、デッドスペースがなくなり、少ないスペースで水素の発生を行う領域を増加させることができ、水素発生量を減らすことなく省スペース化が可能になる。また、スペースを増加させることなく水素発生量を増加させることが可能になる。

（実施形態５）
図９は、本発明の実施形態５に係る燃料電池システムの一例を示す概略構成図である。なお、同一部材には同一部号を付し、重複する説明は省略する。

図９に示す本実施形態に係る燃料電池システムは、図１に示した水素発生装置１０を燃料電池に接続したシステムである。すなわち、燃料電池５０にはアノードチャンバ５１が備えられ、アノードチャンバ５１は燃料電池セル５２のアノード室に接する空間を構成している。アノード室は、アノードで消費する水素を一時的に保持する空間である。アノードチャンバ５１と反応容器１２とは、排出管１６により接続されており、反応容器１２で発生した水素がアノードチャンバ５１のアノード室に供給される。アノード室に供給された水素は、アノードでの燃料電池反応で消費される。アノードでの水素の消費量は、燃料電池５０の出力電流に応じて決定される。

このような構成の燃料電池システムでは、燃料カートリッジ等である水素発生装置１０の燃料残量を正確に把握することができ、また燃料残量の検出のための消費電力量が抑えられているため、発電量を向上することができる。また、燃料を最後まで使い切ることができるようになり、経済性が向上する。

以上、本発明の各実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるまでもない。また上述の各実施形態の構成を組み合わせてもよいことは言うまでもない。

本発明の実施形態１に係る水素発生装置の概略構成を示す断面図である。 時間経過と燃料残量及び反応容器の内圧との関係を示すグラフである。 本発明の実施形態２に係る水素発生装置の概略構成を示す断面図である。 本発明の実施形態２に係る送液管部分を示す断面図である。 本発明の実施形態２に係る送液管部分の変形例を示す断面図である。 本発明の実施形態３に係る水素発生装置の概略構成を示す断面図である。 本発明の実施形態３に係る送液管部分を示す断面図である。 本発明の実施形態４に係る水素発生装置の概略構成を示す断面図である。 本発明の実施形態５に係る燃料電池システムの一例を示す概略構成図である。

符号の説明

１０ 水素発生装置
１１ 反応物固体
１２ 反応容器
１３ 反応溶液
１４ 溶液容器
１５ 送液管
１６ 排出管
１７ 検出部
１８ 測定手段
１９ 残量算出手段
２０ 記憶部
２１ 逆止弁
２２ 弁体
２３ 導電部
２４ 接点部
２５，２６ 端子部
２７ 配線
２８ 弁軸
２９ 圧力調整弁
３０ スイッチ部材
３１ 基体
３２ 貫通部
３３ 第１の圧力変形部
３４ 第２の圧力変形部
３５ 連通路
３６ 仕切部材
３７ 第１の流路
３８ 第２の流路
３９ 貫通孔
４０ 弁部材
４１ 連結部
４２ 弁部
４３ 付勢部材
５０ 燃料電池

Claims (8)

1. 反応溶液が収容される溶液容器と、前記反応溶液との反応により水素を生成する反応物固体が収容される反応容器と、前記溶液容器と前記反応容器とを連通する送液路とを有し、前記反応容器の内圧が所定圧力以下である場合に前記反応溶液が前記溶液容器から前記反応容器に送液される水素発生装置であって、
   前記溶液容器から前記反応容器への前記反応溶液の送液開始及び送液停止を検出する検出手段と、該検出手段による検出をトリガとして前記反応溶液の送液期間の長さを測定する測定手段と、該測定手段による測定値に基づいて前記反応物固体と前記反応溶液との反応により生成される水素残量を算出する残量算出手段と、を具備することを特徴とする水素発生装置。
2. 前記送液期間の長さと前記水素残量とを関連付けたテーブルが予め記憶された記憶部をさらに有し、
   前記残量算出手段は、前記測定手段による測定値と前記テーブルとから前記水素残量を算出することを特徴とする請求項１に記載の水素発生装置。
3. 前記測定手段の測定値を記憶する記憶部をさらに有し、
   前記残量算出手段は、前記測定手段による最新の測定値と、前記記憶部に記憶されている前回の測定値との差に基づいて前記水素残量を算出す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. 前記送液路に設けられ、前記反応容器の内圧が所定圧力以下である場合に当該送液路を開放して前記反応容器から前記反応物溶液への前記反応溶液の送液を許容する開閉手段を有し、
   且つ該開閉手段が前記検出手段を兼ねており、当該開閉手段の開閉状態から前記反応溶液の送液開始及び送液停止を検出することを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の水素発生装置。
5. 前記開閉手段が、前記反応容器の内圧が前記溶液容器の内圧以下である場合に前記溶液容器から前記反応容器への前記反応溶液の送液を許容する逆止弁であると共に、該逆止弁が当該逆止弁を構成する弁体が閉状態である場合に接触する導電部と接点部とを有し、
   前記検出手段を兼ねる前記開閉手段は、前記導電部と前記接点部との導通状態から前記反応溶液の送液開始及び送液停止を検出することを特徴とする請求項４に記載の水素発生装置。
6. 前記開閉手段が、前記反応容器の内圧により２点間を移動可能に設けられ当該反応容器の内圧が所定圧力以下である場合に前記送液路を開放する弁部材を有する圧力調整弁であると共に、当該圧力調整弁の前記弁部材に近接して設けられ前記弁部材が一方の位置にある場合に当該弁部材によって押圧されるスイッチ部材を有し、
   前記検出手段が前記圧力調整弁と前記スイッチ部材で構成され、前記弁体による前記スイッチ部材の押圧状態から前記反応溶液の送液開始及び送液停止を検出することを特徴とする請求項４に記載の水素発生装置。
7. 前記反応溶液が一定流量で前記反応容器に送液されることを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載の水素発生装置。
8. 水素が供給されるアノード室を有すると共に、該アノード室への水素供給手段として請求項１〜７の何れか一項に記載の水素発生装置を具備することを特徴とする燃料電池システム。

Images