JP2009062217A - 水素発生器及び燃料スティック - Google Patents

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Abstract

【課題】小型の水素発生器を提供すること。
【解決手段】水素発生器100は、化学反応によって水素を発生させる水素発生化合物(アンモニア・ボレイン210等)を有する燃料スティック200と、複数の上記燃料スティックを格納する外部ケース102と、上記燃料スティック200からの水素発生を制御するコントローラ108と、を備える。
【選択図】図1

Description

本発明は、電気エネルギーを発生させるための燃料電池に供給することができる水素ガスを発生させる水素発生器及びそれに用いる燃料スティックに関する。
携帯電話やPDA、デジタルカメラ等の携帯用情報機器は、主に、リチウムイオン電池等の充電可能な二次電池が電源として用いられてきている。近年、これらの機器の高機能化・多機能化・高速化や長時間駆動の要求に伴い、小型燃料電池が新たな電源として期待されており、一部では試作・試用も始まっている。
燃料電池は、従来の二次電池とは異なり充電作業が不要で、燃料を補充または燃料カートリッジを交換するだけで瞬時に機器を長時間稼動させることが可能な状態にすることができる。これらの燃料電池のうち、水素を燃料とする水素燃料電池は、その特性上、パワー密度を高くすることが可能であるため、従来の二次電池に準じてある程度のピーク負荷にも対応できる燃料電池として、携帯機器等への応用が検討されている。特に、携帯機器の場合は、水素を如何にコンパクトにかつ軽量に貯蔵するかがキーである。
特許文献1では、水素貯蔵合金で構成されるタンクに水素を充填して使用することが提案されている。しかし、水素吸蔵合金は重量が重くかつサイズも大きくなってしまうので、携帯機器には向かない。また、水素吸蔵合金に吸収された水素を使用し終わった場合には、何らかの方法で水素を再度タンクに充填する必要があるが、そのためのインフラを整えねばならないという問題がある。
水素吸蔵合金に関わるこれらの問題を解決するために、特許文献2には、アンモニア・ボレインのような水素を多く含む物質を熱分解することによって水素を発生させる水素発生器が提案されている。この方法によれば、水素は固体燃料から発生するので、重く大きい水素吸蔵合金のタンクや、気体の水素を水素吸蔵合金に充填するためのインフラを新たに整える必要はない。
特開2005−321490号公報 国際公開第02/18267号パンフレット
しかしながら、上記特許文献2に記載された水素発生器の物理的な構造は、野外で利用できる運搬可能な発電機等の一般用途には適用できるが、非常に小さいサイズの水素発生器には適用できない。デジタルカメラやPDA等の携帯機器においては、水素発生器のサイズや形状は現状の1次電池または2次電池と同等のサイズや形状(例えば、18650サイズ(直径約18ミリ×高さ約65ミリ))が望まれるが、上記水素発生器の構造ではこのようなサイズ・形状にすることは不可能である。
本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、小型の水素発生器及びそれに用いる燃料スティックを提供することを目的とする。
本発明の水素発生器の一態様は、化学反応によって水素を発生させる水素発生化合物を有する燃料スティックと、複数の上記燃料スティックを格納する耐圧容器と、上記燃料スティックからの水素発生を制御するコントローラと、を具備することを特徴とする。
また、本発明の燃料スティックの一態様は、化学反応によって水素を発生させる水素発生化合物を有する燃料スティックであって、その中心に配置され、電流を流すことによって発熱する発熱抵抗体と、上記発熱抵抗体の外側に配置され、上記発熱抵抗体によって発熱して上記水素発生化合物を加熱する発熱化合物と、上記発熱化合物の外側に配置され、水素を発生する上記水素発生化合物と、上記水素発生化合物の外側に配置され、水素を透過可能な多孔質の断熱材と、を有し、その外形形状が円柱形または六角柱形であることを特徴とする。
本発明によれば、水素発生化合物をスティック状に加工した燃料スティックを提供でき、また、そのような燃料スティックを用いることにより、水素発生器内のスペースを効率的に使用することが可能となるので、結果として小型の水素発生器を提供することができる。
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。
[第1実施形態]
図1(A)は、本発明の第1実施形態に係る水素発生器100の外観を示す斜視図である。
この水素発生器100は、円柱形の外部ケース102を有している。そして、上記外部ケース102の長手方向の一端の中央部から、本水素発生器100から水素が発生する口である水素発生口104が突設されており、この水素発生口104の途中に、ストップ・バルブ106が設けられている。また、上記外部ケース102の他端側には、コントローラ108が配されており、その一部にコネクタ110が設けられている。
上記外部ケース102は、電気導電性の高い金属、例えば鉄やアルミで構成された耐圧容器である。上記水素発生口104の先には、図示しない水素燃料電池が接続され、本水素発生器100が発生する水素を使用して発電する。なお、この水素発生口104に水素燃料電池を接続する前には、上記ストップ・バルブ106が閉じられており、水素燃料電池が接続されると、ストップ・バルブ106が開かれる。
この水素発生器100の動作は、上記コントローラ108によって制御され、上記コネクタ110を介して本水素発生器100を使用する機器との通信が行われ、本水素発生器100の動作が決まる。
図1(B)は、上記水素発生器100を長手方向に切断した場合の断面図であり、図1(C)は、図1(B)のA−B線断面図である。
上記水素発生器100内には、その中央に外形が円柱形のカーボン・フィルタ112が本水素発生器100の軸方向に配置され、その周囲に同心円状に、外形が円柱形の燃料スティック200が複数、例えば数十本、配置される。ここで、カーボン・フィルタ112は多孔性のグラファイトで、上記複数の水素発生器100の中央に位置し、その長手方向の一端は、上記ストップ・バルブ106を経由して水素発生口104につながっており、各燃料スティック200から水素が発生する際に発生する水素以外の不純物を吸収し、水素発生口104には純粋の水素のみが流れて行くようになっている。各燃料スティック200は、その長手方向の一端側に、当該燃料スティック200に電圧を供給するための端子202を有しており、また、他端側には後端子204を有している。そして、この後端子204が上記外部ケース102に接触するように、上記外部ケース102内に配置されるようになっている。
各燃料スティック200の端子202にはリード線114が接続され、本水素発生器100の蓋として機能するプラグ116を貫通して、該プラグ116の外面上に配された上記コントローラ108に接続される。これらのリード線114は、上記プラグ116を樹脂で成形する際に一体的に成形するか、または上記プラグ116に穴を開けて通した後にシール材を充填することで、本水素発生器100内の気密性を保つ。そして、これらのリード線114は、図示しないコネクタを経由して上記コントローラ108に接続される。この構成を採用することにより、コントローラ108は、すべての燃料スティック200を使用した後に、本水素発生器100から取り外せば、再利用が可能となる。
また、上記プラグ116の内面側には圧力センサ118が配されており、該圧力センサ118の出力も同様に、上記プラグ116を貫通して上記コントローラ108に接続される。この圧力センサ118は、例えば、ダイヤフラム式のセンサであり、本水素発生器100内部の圧力を計測し、上記コントローラ108に伝える機能を備えている。
なお、上記プラグ116は、本水素発生器100の蓋をする形になるが、この場合、合成ゴム等で構成されるO−リング120が、上記プラグ116に対し円周状に装着されている。このO−リング120が本水素発生器100の外部ケース102と接触することにより、本水素発生器100内部の気密性が保たれる。
図2(A)は、上記燃料スティック200の外観を示す斜視図であり、図2(B)は、上記燃料スティック200を長手方向に切断した場合の断面図である。
上記燃料スティック200の中心には、発熱抵抗体206が設けられている。この発熱抵抗体206は、電流を流すとその電気エネルギーを熱エネルギーに変換するもので、電気ヒータ等と同等の材料で構成する。発熱抵抗体206の両端は、電気導電性の上記端子202及び後端子204となっている。
この発熱抵抗体206の外側に、ヒート・ミックス208が薄く均一に塗布されている。このヒート・ミックス208の例としては、リチウム・アルミニウム水素化物(LiAlH)と塩化アンモニウム(NHCl)の混合物である。これは、外部からヒータ等で少量の熱が与えられると自ら発熱する熱源となる発熱化合物である。また、単に熱源としてだけではなく、下記のように若干の水素を発生するので、水素発生化合物としても機能する。
LiAlH + NHCl → LiCl + AlN + 4H
このヒート・ミックス208は、上記発熱抵抗体206の周囲にヒート・ミックスの材料を圧力をかける等の方法で塗布することができる。
上記ヒート・ミックス208の外側には、アンモニア・ボレイン210が同様に均一に塗布されている。このアンモニア・ボレイン210も、上記ヒート・ミックス208と同様の圧力をかける方法で、塗布することができる。但し、このアンモニア・ボレイン210は、上記ヒート・ミックス208より厚く塗布する。
上記アンモニア・ボレイン210の外側には、断熱材212が塗布されている。この断熱材212としては、エアロジェル等のガラス繊維や多孔性セラミックス等の通気性のある材料で構成する。即ち、水素を透過可能である。この断熱材212は、水素発生時に発生する熱によって隣接する燃料スティック200に熱が伝わることと、外部ケース102の外側に熱が伝わることの2つを防止する。
ここで、上記アンモニア・ボレイン210について説明する。アンモニア・ボレイン(NHBH)は、質量比で約20%の水素を含む物質で、熱分解によって水素を発生する水素発生化合物である。このアンモニア・ボレインは、扱い易く、固体で、爆発性が無く、安定な水素源となる。同じ体積であれば、液体水素の2倍の質量の水素を含んでいる。アンモニア・ボレインは通常は粉状であるが、必要に応じて圧力を加えることによって硬いペレット状、棒状、円錐状等にプレスすることができる物質である。アンモニア・ボレインは温度を上昇させることにより3段階に熱分解して水素を発生する。熱せられると約110℃で溶けて液体になり、1分子の水素を発生させる。その際の反応式は下記のとおりで、これが第1段階の水素発生反応である。
NHBH → NHBH + H
この反応は発熱反応であり、この反応熱によってアンモニア・ボレイン自身の温度が上昇して、第2段階の反応に進む。上記第1段階の反応で生成されるNHBHは、更に温度が上昇して約150℃で1分子の水素を発生する。その際の反応式は下記のとおりで、これが第2段階の水素発生反応である。
NHBH → NHBH + H
この反応も発熱反応で、理論的にはNHBHが第3段階の熱分解を行うことができる温度までNHBHの温度を上げるだけの熱を発生する。温度が約480℃を越えると、残ったNHBHは最後の1分子の水素を発生させる。その際の反応式は下記のとおりで、これが第3段階の水素発生反応である。
NHBH → BN + H
理論的には、この第3段階の反応も熱分解が完全に行われるための十分な熱を発生させる。
このように、上記アンモニア・ボレイン210は、加熱することにより、その1分子から3分子の水素を発生する。
次に、本実施形態の水素発生器100の水素発生の基本動作を説明する。
前述したように、上記水素発生口104の先には水素燃料電池が接続され、上記ストップ・バルブ106は開かれているものとする。
1個の燃料スティック200の端子202と上記外部ケース102との間に所定の電圧を一定時間印加することにより、上記外部ケース102と当該燃料スティック200の後端子204とが接触しているために電流が流れ、当該燃料スティック200の発熱抵抗体206が発熱してヒート・ミックス208が加熱され、その熱によってアンモニア・ボレイン210が加熱されて水素が発生する。この時、少量ではあるが、ヒート・ミックス208からも水素が発生する。発生した水素は、断熱材212を通過して、本水素発生器100の中心にあるカーボン・フィルタ112を通って上記水素発生口104から放出される。
このとき、プラグ116は外部ケース102に対してO−リング120を介して装着されており、O−リング120の能力で設定された内部圧力値までは気密性が保たれているので、上記水素発生により本水素発生器100内部の圧力が高まっても、プラグ116と外部ケース102との間の隙間から水素が漏れることはなく、発生した水素はすべてカーボン・フィルタ112を通って水素発生口104から外部に放出される。
次に、本実施形態における水素発生の動作シーケンスを説明する。
図3は、上記コントローラ108のブロック構成図であり、該コントローラ108は、マイクロコントローラ108A、不揮発メモリ108B、電流ドライバ108C、2次電池108D、及び充電回路108Eを有している。ここで、マイクロコントローラ108Aは、本水素発生器100全体の動作を制御するもので、CPU、メモリ、入出力ポート等の機能を一体的に有するワンチップマイコンによって構成される。不揮発メモリ108Bは、各燃料スティック200の使用状態を記録するもので、EEPROMやフラッシュメモリのように電気的に書き換え可能なメモリによって構成される。電流ドライバ108Cは、各燃料スティック200の温度を上げるために当該燃料スティック200の中心の発熱抵抗体206に電流を流すためのものである。2次電池108Dは、本コントローラ108に電源を供給するもので、リチウムイオン電池やニッケル水素電池によって構成される。なお、同図において、一点鎖線で囲まれた部分が、該2次電池108Dによって電源を供給される電子回路である。そして、充電回路108Eは、本水素発生器100が接続される水素燃料電池から供給される電力によって上記2次電池108Dを充電するものである。
上記不揮発メモリ108Bは、マイクロコントローラ108Aが自由にリード・ライトすることができるように構成されており、それぞれの燃料スティック200の使用状態を1対1に対応するメモリアドレスに記録するように割り当てられている。従って、不揮発メモリ108Bの1つのアドレスを指定することにより、そのアドレスに対応する燃料スティック200の使用状態を設定すること、及び使用状態をチェックすることが可能となる。不揮発メモリ108Bの使用状態を示す例としては、メモリの値が16進数でFFHの場合は未使用、80Hの場合は使用済み、00Hの場合は燃料スティック200未装着、を示す等である。未使用の燃料スティック200を探す場合には、不揮発メモリ108Bの内容をスキャンし、FFHであるものを探せば良い。
このように、燃料スティック200の状態を記録するメモリとして不揮発メモリ108Bを使用したことにより、燃料スティック200をすべて使い切らない状態で本水素発生器100を取り外して他の水素燃料電池に接続した場合でも、どの燃料スティック200が未使用であるかを知ることができるので、効率的である。
図4は、上記マイクロコントローラ108A(のCPU)の動作シーケンスのフローチャートを示す図である。
まず、上記圧力センサ118の値を入力する(ステップS10)。この際、圧力センサ118の値を複数回入力し、その平均値を取ることにより、ノイズの影響を低減することも可能である。
次に、上記入力した圧力センサ118の値が既定値より大きいか否かを判断する(ステップS12)。この既定値は、本水素発生器100が接続されている水素燃料電池が継続して発電できる水素の量の限界値である。即ち、水素発生器100内部の水素圧力がこの既定値より小さくなると、水素を新たに発生させないと水素燃料電池は継続して発電できなくなり、規定値より大きければ十分な水素圧力によって本水素発生器100からの水素の供給が可能な状態が継続していることを意味する。従って、このステップS12で、圧力センサ118の値が既定値より大きいと判断した場合には(フローチャートの「YES」)、上記ステップS10の圧力センサ値の入力に戻る。
これに対して、上記ステップS12で圧力センサ118の値が既定値より大きくないと判断した場合には(フローチャートの「NO」)、不揮発メモリ108Bの内容をスキャンして未使用の燃料スティック200を探し出す(ステップS14)。そして、その結果として、未使用の燃料スティック200があるか否かを判断する(ステップS16)。ここで、未使用の燃料スティック200があると判断した場合には(フローチャートの「YES」)、上記選択した未使用の燃料スティック200に対応する電流ドライバ108Cを駆動して、その燃料スティック200の発熱抵抗体206に所定の電流を流し、該当する燃料スティック200から水素を発生させる動作の起動をかける(ステップS18)。次に、使用した当該燃料スティック200に対応する場所の不揮発メモリ108Bの値を未使用から使用済みに書き換える(ステップS20)。そして、上記ステップS18で燃料スティック200からの水素発生を起動させたが、実際の水素発生までには若干の時間がかかるので、ここで一定時間だけ待った後(ステップS22)、上記ステップS10に戻る。
このようにして、未使用の燃料スティック200が存在する限り、次々と燃料スティックを切り替えながら水素を発生していく。そして、すべての燃料スティック200を使い切ると、上記ステップS16において、すべての燃料スティック200が使用されており未使用の燃料スティック200がないと判断することとなる(フローチャートの「NO」)。この場合には、燃料切れエラーを本水素発生器100を使用している上位機器に報告する(ステップS24)。
なお、このように未使用の燃料スティック200がない場合に燃料切れエラーを報告するようにしているが、未使用の燃料スティック200の数が少なくなった場合に、燃料残り少量警告を報告するようにしても良いことは勿論である。
以上のように、本第1実施形態に係る水素発生器100によれば、アンモニア・ボレイン210等の水素発生化合物をスティック状に加工した燃料スティック200を用いることにより、水素発生器100内のスペースを効率的に使用することが可能となり、結果として水素発生器100を小型にすることが可能となる。
また、それぞれのスティック状の水素発生化合物は、断熱材212によって他のスティック状の水素発生化合物から分離されているので、水素発生時に発生する熱の他への影響をなくすことが可能となる。
また、圧力センサ118で水素発生器100内部の圧力を測定することにより、水素発生要求にオンデマンドで応えることが可能となる。
[第2実施形態]
次に、本発明の第2実施形態に係る水素発生器を説明する。
本実施形態に係る水素発生器の外観は、図1(A)に示した上記第1実施形態に係る水素発生器100と同じである。
図5は、本第2実施形態に係る水素発生器300の断面図である。なお、上記第1実施形態に係る水素発生器100と同じ機能のものは同じ符号を付しており、よって、その説明は省略する。
本実施形態に係る水素発生器300おいては、外部ケース102内に金属製の内部ケース302が配され、上記第1実施形態に係る水素発生器100における円柱形のカーボン・フィルタ112の代わりに、その内部ケース302と上記外部ケース102との間に詰められたカーボン・フィルタ304を有している。上記内部ケース302には、円周状に複数の通気穴306が設けられ、また、該内部ケース302と上記コネクタ110とはGND線308によって接続されている。
水素発生口104は、外部ケース102に取り付けられた円柱状のパイプであり、上記カーボン・フィルタ304に当接している。そして、上記第1実施形態に係る水素発生器100と同様に、図示しない水素燃料電池との接続部分にはストップ・バルブ106が設けられている。外形が円柱形の燃料スティック200は、内部ケース302内に円周状に並べて格納され、各燃料スティック200の後端子204が、上記内部ケース302に接触して、上記内部ケース302とは電気的に導通状態になっている。各燃料スティック200の端子202に、上記コントローラ108の制御によって所定の電流を流すことが可能となっていることは上記第1実施形態で説明した通りである。
次に、本第2実施形態に係る水素発生器300での水素発生の原理を説明する。
燃料スティック200の端子202に所定の電流が流れると、当該燃料スティック200の発熱抵抗体206が発熱し、ヒート・ミックス208が加熱され、アンモニア・ボレイン210が加熱されて水素が発生する。発生した水素は、燃料スティック200の断熱材212を通過した後に、内部ケース302の通気穴306を通ってカーボン・フィルタ304を通過した後に、水素発生口104に到達し、その先に接続された水素燃料電池に供給される。ここで、上記通気穴306を水素発生口104から遠い位置に配置しているので、発生した水素の温度はカーボン・フィルタ304を通過する間に十分下がり、そのまま水素燃料電池に供給しても問題のない温度とすることができる。
本実施形態においても、上記第1実施形態と同様の構成・シーケンスによって内部の圧力をセンスすることで、個々の燃料スティック200からの水素発生を制御するものであり、従って、その動作説明は省略する。
本第2実施形態に係る水素発生器300によれば、上記第1実施形態に係る水素発生器100と同様の効果を奏することができる。
以上実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形や応用が可能なことは勿論である。
例えば、上記燃料スティック200の形状は円柱状としたが、図6に示すように、断面を正六角形とする六角柱とすることにより、円柱と円柱の間のスペースを有効利用できるので、同じ体積であっても、より多くのアンモニア・ボレイン210を格納することができ、発生させる水素量をより多くすることが可能である。なお、この場合であっても、外部ケース102の形状は耐圧容器とする必要があるので、円柱形が望ましい。
また、水素発生口104は、プラグ116とは逆側に配置させているが、プラグ116側のスペースを整理すれば、プラグ116と同じ側に配置することも可能である。
図1(A)は、本発明の第1実施形態に係る水素発生器の外観を示す斜視図であり、図1(B)は、水素発生器を長手方向に切断した場合の断面図であり、図1(C)は、図1(B)のA−B線断面図である。 図2(A)は、燃料スティックの外観を示す斜視図であり、図2(B)は、燃料スティックを長手方向に切断した場合の断面図である。 図3は、水素発生器のコントローラのブロック構成図である。 図4は、コントローラにおけるマイクロコントローラの動作シーケンスのフローチャートを示す図である。 図5は、本発明の第2実施形態に係る水素発生器の断面図である。 図6は、燃料スティックの別形態を説明するための水素発生器の断面図である。
符号の説明
100,300…水素発生器、 102…外部ケース、 104…水素発生口、 106…ストップ・バルブ、 108…コントローラ、 108A…マイクロコントローラ、 108B…不揮発メモリ、 108C…電流ドライバ、 108D…2次電池、 108E…充電回路、 110…コネクタ、 112,304…カーボン・フィルタ、 114…リード線、 116…プラグ、 118…圧力センサ、 120…O−リング、 200…燃料スティック、 202…端子、 204…後端子、 206…発熱抵抗体、 208…ヒート・ミックス、 210…アンモニア・ボレイン、 212…断熱材、 302…内部ケース、 306…通気穴、 308…GND線。

Claims (5)

  1. 化学反応によって水素を発生させる水素発生化合物を有する燃料スティックと、
    複数の前記燃料スティックを格納する耐圧容器と、
    前記燃料スティックからの水素発生を制御するコントローラと、
    を具備することを特徴とする水素発生器。
  2. 前記燃料スティックは、
    その中心に配置され、電流を流すことによって発熱する発熱抵抗体と、
    前記発熱抵抗体の外側に配置され、前記発熱抵抗体によって発熱して前記水素発生化合物を加熱する発熱化合物と、
    前記発熱化合物の外側に配置され、水素を発生する前記水素発生化合物と、
    前記水素発生化合物の外側に配置され、水素を透過可能な多孔質の断熱材と、
    を有し、
    その外形形状が円柱形または六角柱形であることを特徴とする請求項1に記載の水素発生器。
  3. 前記耐圧容器は円柱形であることを特徴とする請求項1又は2に記載の水素発生器。
  4. 前記耐圧容器内の圧力を測定する圧力センサを更に具備し、
    前記コントローラは、
    前記圧力センサで測定した圧力値が所定の値以下に低下した場合に、新たな燃料スティックからの水素発生を起動するように制御する手段と、
    それぞれの燃料スティックの使用状態を記録する不揮発性メモリと、
    を有することを特徴とする請求項1乃至3の何れかに記載の水素発生器。
  5. 化学反応によって水素を発生させる水素発生化合物を有する燃料スティックであって、
    その中心に配置され、電流を流すことによって発熱する発熱抵抗体と、
    前記発熱抵抗体の外側に配置され、前記発熱抵抗体によって発熱して前記水素発生化合物を加熱する発熱化合物と、
    前記発熱化合物の外側に配置され、水素を発生する前記水素発生化合物と、
    前記水素発生化合物の外側に配置され、水素を透過可能な多孔質の断熱材と、
    を有し、
    その外形形状が円柱形または六角柱形であることを特徴とする燃料スティック。
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