JP2009269811A - 水素発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】水素の発生を容易に調節することができ、安全に、かつ取り扱い容易に実施でき、しかも高価な金属触媒を使用せずに実施でき、さらに、発生した水素を貯蔵して、燃料電池の起動時には即座に水素を供給することができる水素発生装置を提供する。
【解決手段】水素排出口を有するハウジングと、ハウジング内部にあり、電極間に水素化物と触媒が添加された電解質が配置されてなる単位セルが複数層に積層されて構成されたセルモジュールと、単位セルの電極を並列に並べ、（＋）電極同士および（−）電極同士のそれぞれを連結する導線と、（＋）同士を連結する導線と（−）電極同士を連結する導線とを結ぶ回路を開閉するスイッチと、を有して構成されて、スイッチが閉められた時に各々の単位セル内で水素化物が加水分解反応して水素を発生して水素排出口より出る構成になっている。水素化物にＭｇＨ_２、触媒にＭｇＣｌ_２を用いるのが特に好ましい。
【選択図】図３

Description

本発明は、水素発生装置に関し、さらに詳しくは、燃料電池の燃料である水素の供給源となる水素化物を利用した水素発生装置に関する。

燃料電池は、燃料が持っている化学エネルギーを燃焼により熱に変えるのではなく、燃料電池スタック内で電気化学的に電気エネルギーに変換させる一種の発電装置であり、産業用、家庭用、車両駆動用に電力を供給するばかりでなく、小型の電気／電子製品や携帯用装置に電力を供給するためにも使用されている。

このような燃料電池の例として、車両を駆動する燃料電池があり、水素を燃料として使用し、酸化剤として酸素（空気）を使用する固体高分子型膜燃料電池（ＰＥＦＣ）が最も多く研究されている。しかし、水素を燃料として使用する燃料電池を車両の駆動に使用適用するには、水素を安全に貯蔵し、かつ安定的に供給することができる水素貯蔵システムを車両に装備しなければならず、水素貯蔵システムを如何に確保するかが焦点となっている。

水素貯蔵システムとしては、液化水素または高圧水素を水素タンクに貯蔵し、水素タンクから水素を供給する方式〔例えば、特許文献１参照〕、金属アミド化合物と金属水素化物を混合した材料を水素貯蔵材料とする方式〔例えば、特許文献２参照〕、反応器内に吸水性材料を保持させて金属水素化物と水とを接して水素を発生させる方式〔例えば、特許文献３参照〕、液化水素をナノチューブに貯蔵させる方式〔例えば、特許文献４参照〕など多くの提案がある。

この中、液化水素または高圧水素を利用する技術が多数開発されているが、この場合、水素の重量貯蔵密度が低いため、車両の走行目標距離を達成するために水素タンクが大きくなり車両に積載する上で制約があり、さらに高圧にすることで、安全と費用の面から問題をもっている。さらに、液化水素の場合には、水素を低温に維持しなければならいが、外部の熱によって液体水素が蒸発するボイルオフ（Ｂｏｉｌ Ｏｆｆ）が少なからず伴い、未だ問題が残っている。

金属水素化物を利用する水素貯蔵システムは、水素貯蔵合金の温度と圧力を調節して、水素を貯蔵及び放出することができるシステムであり、可逆反応のために温度を最低１５０℃まで上げてやると放出が容易となる。しかし、実際の放出量は理論水素貯蔵量より少なく、また水素放出速度も遅いことから、この面からの解決が必要である。

水素化物を加水分解して水素を発生させる水素貯蔵システムは、水素化物に含まれた水素に加え、水との反応で水の水素を利用しており、水素化物のもつ水素に対して２倍の水素となってきて効率良く、さらに、反応熱が高くなく、圧力もほぼ常圧であるため、安全に管理されるという長所がある。しかしながら、水素化物は反応調節が容易ではないという短所がある。

これまで多く検討されてきた水素化物は、ＮａＢＨ_４とＬｉＢＨ_４であり、これらは小規模の水素を発生する材料として適し、安全である。しかし、これらは、空気中の湿気に対して敏感であり、取扱いに制約がある。さらに、反応生成物が反応の進行を妨げて反応が次第に遅くなる傾向があり、水素の供給量が一定にならない。

このような問題点を解決するために、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈなどの触媒を添加して反応を促進させる方策がある〔例えば、特許文献５参照〕が、触媒として使用される金属が高価な貴金属であるため、実用上の制約がある。

特開２００６−３３１８７０号公報 特開２００５−１１２６９８号公報 特開２００６−１６０５４５号公報 特開２００２−１２８５０１号公報 特開２００４−２０７２０８号公報

かかる状況を鑑みてなされた本発明の目的は、水素の発生を容易に調節することができ、かつ安全に取り扱いでき、しかも高価な金属触媒を使用せずに実施できる水素発生装置を提供することにある。さらに、発生した水素を貯蔵して、燃料電池の起動時には即座に水素を供給することができる水素発生装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の水素発生装置は、水素排出口を有するハウジングと、ハウジング内部にあり、電極間に水素化物と触媒が添加された電解質が配置されてなる単位セルが複数層に積層されて構成されたセルモジュールと、単位セルの電極を並列に並べ、（＋）電極同士および（−）電極同士のそれぞれを連結する導線と、（＋）同士を連結する導線と（−）電極同士を連結する導線とを結ぶ回路を開閉するスイッチと、を有して構成されて、スイッチが閉められた時に各々の単位セル内で水素化物が加水分解反応して水素を発生して水素排出口より出る構成になっている。このうち、水素化物にはＭｇＨ_２、触媒にはＭｇＣｌ_２を用いるのが特に好ましい。

本発明の水素発生装置は、ハウジングの内部に、さらにセルモジュールで発生した水素が集められる水素集積空間が設置され、発生した水素が水素集積空間を経由して水素排出口から出るようにするのが好ましい。

また、セルモジュールには、さらに単位セルの一端に位置する水素出口端に水素を選択的に透過する水素透過膜が設置されるのが好ましい。

本発明の水素供給装置は、また、電解質に水を供給する水供給手段をもって構成されるのが好ましい。ここで、水供給手段の好ましい形態は、ハウジング内部に水貯蔵空間を有し、水貯蔵空間の一側にはハウジング外部から水を受ける水供給管が連結され、他側には水透過膜を設置してセルモジュールに通じている。

水供給管は、特に、水貯蔵空間と外部の燃料電池スタックとの間を連結して、燃料電池スタックから排出された水が水貯蔵空間に流れるようにし、水供給管には、水が水貯蔵空間から燃料電池スタックに流れることを防止する逆止弁が設置される。

また、本発明の水素供給装置のハウジングは、本体ハウジングとキャップハウジングに分離可能にネジ締結構造で連結されて、開閉可能な構造であるのが好ましい。

さらに、本発明の水素供給装置は、水素排出口から出た水素を貯蔵するために、ハウジングの外部に、水素排出口に連結された水素貯蔵容器が設置され、さらに水素排出口と水素貯蔵容器の中間には、水素が水素貯蔵容器から水素排出口に流れることを防止する逆止弁が設置されのが好ましい。

本発明の水素発生装置によると、水素化物の加水分解システムに化学電池の概念を導入することで、電池回路を開放／閉鎖する方式により水素発生を制御することができる。

さらに、本発明の水素発生装置によると、高価な貴金属触媒を使用せず、代りに相対的に安価な材料を使用するため費用の面で優れ、また、環境汚染物質を発生しないので環境面でも優れて、燃料電池車両の燃料供給源として安全に使用できる。

本発明の水素発生装置は、カートリッジ形態に製作することができ、車両ではカートリッジを交換するだけでよく、一方、ガソリンスタンドでは、カートリッジ形態の水素発生装置を在庫することで、別途の水素充填所なしに、いつでもカートリッジを容易に車両に交換装着することができる。水素充填所が不必要となることで、水素充填所の設置のための建設費用も節減できる。

また、本発明の水素発生装置では、加水分解反応に必要な水を供給する水供給手段を設けることができ、これにより単位セルに継続的に水を供給して加水分解反応の効率を高め、水素発生を円滑に行うことができるようになる。

さらに、本発明の水素発生装置においては、ハウジングを開閉可能な構造にすることができ、使用後のカートリッジを再生使用するのが容易となる。

また、別途の水素貯蔵容器を装備すれば、水素を水素貯蔵容器に貯蔵することができハウジング内の圧力が上昇して水素を外部に排出しなければならないような事態が実質発生せず、しかも燃料電池の起動時に水素貯蔵容器の水素を即時スタックに供給することができる。

化学電池は、酸化／還元反応で得られる化学エネルギーを電気エネルギーに変化させる装置である。しかし、酸化／還元反応で生成した水素は、電池の起電力を低下させる分極作用を有するため、減極剤を使用して分極作用の問題を解決している。即ち、分極作用をする水素を、二酸化マンガンや酸化銅などの減極剤と反応させて水にすることで水素の問題をなくしている。本発明は、このような化学電池の水素発生原理を利用したものであり、水素化物を電池の電解質に添加して水素を発生させ、その水素発生を、電池回路の開放／閉鎖で調節している。

以下、添付図面を参照して、本発明に係る水素発生装置について説明する。
本発明の水素発生装置は、水素化物と触媒、そして加水分解に使用する水を含有する電解質を使用した化学電池方式の構造を採用したものであり、図１に単位セルの構成を断面図で示し、図２に単位セル内で水素を発生している時の状態を断面図で説明している。

単位セル１１０は、電池の（−）、（＋）電極に相当する２つの金属電極１１１、１１２に挟まれて、水素化物、触媒、さらに水を含有する電解質１１３が配置された構成である。

ここで、金属電極１１１、１１２は、通常１次電池に使用される電極材料であり、具体的にはＭｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｂ、Ａｌ、Ｌｉなどから、水素化物、触媒、電解質などの使用物質により適した材料を適宜選んで使用する。このとき、金属電極１１１、１１２は、互いに異なる材料を選ぶ。水素化物としては、好ましくはＭｇＨ_２、ＮａＢＨ_４、ＬｉＢＨ_４、ＮａＡｌＨ_４、ＣａＨ_２及びＬｉＨから任意に１種以上が選ばれ、触媒としては、好ましくはＭｇＣｌ_２、ＮａＣｌ、ＫＣｌ、ＬｉＣｌ及びＣａＣｌ_２から任意に１種以上が選ばれる。

水素化物は、反応による生成物（副産物）が環境汚染の危惧がないものであることが実用上重要であり、この面からＭｇＨ_２の使用が特に好ましい。また、触媒としては塩化マグネシウム六水和物（ＭｇＣｌ_２・６Ｈ_２Ｏ）を使用することが好ましい。ＭｇＣｌ_２は、価格的には安価であり、また、環境汚染の心配もなく使用できる。従って、最も好ましい構成の一例として、水素化物としてＭｇＨ_２、触媒としてＭｇＣｌ_２を使用し、（−）側の金属電極１１１としてマグネシウムを、（＋）側金属電極１１２として銅を採択する［Ｍｇ（ｓ）→Ｍｇ^２＋＋２ｅ⁻、Ｅ_０＝２．３７Ｖ／Ｃｕ^２＋＋２ｅ⁻＝Ｃｕ（ｓ）、Ｅ_０＝０．３４Ｖ］。

従来の水素化物の加水分解では、水素化物の表面に水素気泡が付着して水との接触が不良となって起電力が低下していくという問題があったが、本発明の加水分解システムでは、電極間を外部で導電性の導線で結線することにより、ＭｇＣｌ_２など触媒を含む電解質により電極間に電流が流れ、水素化物と水とが反応し、水素化物の表面に生じる水素気泡をよく落とすことができる。このように、ＭｇＣｌ_２などの触媒は、ＭｇＨ_２などの水素化物表面に生じる水素気泡による分極を防止し、さらに電解質の役割も行う。

電解質は、その中の水が水素発生装置の単位セルで加水分解に使用される水の供給源ともなり、通常の１次化学電池に使用されるものとして、水を含有する常用の電解質溶液が使用されるが、上記の触媒が水溶性で電解質成分となるので上記の触媒を純水に溶解して使用することが可能である。

本発明において、単位セルの構造は、２つの電極の間に水素化物を含有した電解質を配置した形態であり、形態上では、従来の１次電池で２つの電極の間に電解質を配置したセル構造と類似している。

本発明では、単位セル１１０の（−）側の金属電極１１１と（＋）側の金属電極１１２それぞれに連結された導線を、スイッチ１２４を介して接続し、スイッチを閉鎖することで金属電極１１１と金属電極１１２が導線で結ばれ、電解質を含めた電池回路が出来上がるようにする。即ち、水素を必要としない時には、図１に表すようにスイッチ１２４を開放して電池回路に電気が流れないようにし、水素発生を必要とする時には、スイッチ１２４を閉鎖して電池回路に電流が流れるようにする。

すなわち、スイッチ１２４により電池回路を閉鎖すると、電解質中にある金属電極１１１と金属電極１１２それぞれの材料の違いから両電極間に電流が流れ、触媒が関与して水素化物と水による加水分解反応を進行させて水素が発生し、触媒が反応物の表面に生じる水素気泡を落とし、起電力を落ちることを防止することができるので水素発生量が減ることない。

図１を参照すると、単位セルの好ましい実施の形態として、（−）電極１１１としてマグネシウム電極を、（＋）電極１１２として銅電極を用い、水素化物であるＭｇＨ_２と触媒作用のためのＭｇＣｌ_２飽和水溶液を１次電池の電解質として混合して２つの電極との間に配置する。

単位セルで水素を発生する反応式は、下記に示しており、水素化物であるＭｇＨ_２と水が反応して水素を発生させ、非可逆的にＭｇ（ＯＨ）_２が生成してくる。

一方、本発明の水素発生装置は、複数の単位セルが積層されて構成されており、単位セルそれぞれにある（＋）電極と（−）電極が電気的に連結されることで単位セルそれぞれから同時に水素を発生させることができる。これにより、複数の単位セルから同時に水素を供給することができ、燃料電池スタックで必要とする水素を充分に満足できるようになる。

図３は本発明による水素発生装置の実施形態の例を示した構成図であり、ハウジング１０１内に複数の単位セル１１０が積層されたセルモジュールが収納され、それぞれの単位セル１１０は、電気的に並列に連結される回路が構成されている。

ここで、単位セル１１０の（−）電極と（＋）電極に連結された個別導線を極性別に共通導線１２２ａ、１２２ｂに並列に連結し、共通導線１２２ａ、１２２ｂをそれぞれハウジングの電極１２５、１２６に連結する。ハウジングの電極１２５、１２６は、外部導線１２３により連結するが、外部導線１２３に開閉可能なスイッチ１２４を設置しておく。これにより、スイッチ１２４の操作でハウジングの電極１２５とハウジングの電極１２６が連結、あるいは断絶され、単位セル１１０の電極間の回路が同時に開閉されるようになる。

スイッチ１２４は、単位セル１１０の水素発生を調節するための手段となり、スイッチ１２４を閉鎖した状態では単位セル１１０における（＋）、（−）電極間の回路が完成して電流が流れて各単位セルから水素が発生する。一方、スイッチ１２４が開放されると、単位セル１１０の（＋）、（−）電極間の回路は断続して単位セル１１０内に電流が流れず、水素化物の加水分解反応が実質的に進行せずに水素発生が止まる。

ハウジング１０１は、その一側には水素が排出される水素排出口１０２が形成され、水素排出口１０２に連結する水素管１０５には水素の流れを制御する水素調節弁１０３が設置される。

ハウジング１０１内部の水素排出口１０２側には、水素集積空間１０４が設けられ、各単位セル１１０の水素出口端からの水素を集積貯蔵する。このとき、単位セル１１０の水素出口端には、水素を選択的に透過させる水素透過膜１２１を設置するのがよい。

従って、各単位セル１１０で発生した水素は、水素透過膜１２１を通って水素集積空間１０４に流れ、さらに水素排出口１０２から水素管１０５を通って燃料電池（図示してない）に供給される。水素透過膜１２１は、その素材が合成ポリマーなどで、セル内部の水素化物スラリーや水を含む電解質が水素に同伴するのを防ぐ。

水素発生装置１００を燃料電池スタックの水素（燃料）供給源として利用するには、スイッチ１２４を制御して単位セル１１０それぞれの（＋）、（−）電極間の回路を選択的に開閉することで、水素発生を制御する。そのために、燃料電池システム制御装置によりスイッチ１２４の操作を制御できるようにするのがよい。すなわち、燃料電池が稼動していない時には燃料電池システムの制御装置の制御シグナルによりスイッチ１２４が開放して水素の発生を止め、燃料電池システムの始動とともにスイッチ１２４を閉鎖して水素発生を開始するように構成できる。

このように、水素発生装置１００では、回路を開閉する方式で水素発生を容易に調節することができ、水素発生中に電流が流れることによって加水分解時の発熱による温度上昇をある程度抑えることができるようになる。

燃料電池スタックに水素を供給する水素供給管（図示せず）を水素管１０５に連結するが、水素管１０５（あるいは上記水素供給管）には、水素の圧力を燃料電池スタックで要求する圧力に調節する圧力レギュレータ（図示せず）を設置するのがよい。

水素発生装置１００は、１次電池のような化学電池構造を持っているため、従来の水素化物の装置には必要であったポンプと反応生成物（副産物）を貯蔵するタンクが必要ない。さらに、本発明の水素発生装置１００は、電解質に含まれた水素化物の加水分解を利用しており、水素化物がなく単純に電解質を通して水素を発生するシステムとは明確な差がある。すなわち、電解質を使用した１次電池では、（水素化物と触媒を使用しないで）電極に電圧を印加して電気分解することで水素を発生するシステムであり、電気分解のために外部の電気エネルギーを供給しなければならないが、本発明の水素発生装置１００は、水素化物と触媒を電解質に添加して水素化物を加水分解して水素を発生させており、別途の電源供給なしで、電極間の回路の開閉のみで水素の発生を制御することができる。

本発明の水素発生装置１００は、ハウジング１０１内部にセルモジュールを収納した構成であり、カートリッジの形態にすることで利便性を高めることができる。すなわち、燃料電池車両で交換可能なカートリッジとし、反応した後で消耗したとき、新しいカートリッジに交換することができるようにする。

従来の高圧水素タンクの場合、水素の重量貯蔵密度が約３ｗｔ％で非常に低いが、ＭｇＨ_２は重量貯蔵密度が１５．３ｗｔ％と高く、実際の発生量も理論値に近くなる。燃料電池車両の１回の充填で走行距離５００ｋｍを基準とした時、水素５ｋｇが必要とされており、水素５ｋｇ（２５００モル）を満たすには、ＭｇＨ_２３２．５ｋｇ（１２５０モル）、水４５ｋｇ（２５００モル）が必要となる（反応式１参照）。このために、ＭｇＨ_２を５００ｇを使用した単位セルを６５個を並列に連結して構成したセルモジュールで足りる計算となる。このように、ＭｇＨ_２を３２．５ｋｇを含むセルモジュールをカートリッジ形態にした水素発生装置を車両に搭載すると、水素発生量が約５ｋｇとなり、走行距離５００ｋｍを十分に充足させることができる。各単位セル内に貯蔵される水は、多いほど反応を容易にし、発熱温度を下げる効果があるが、車両搭載のためには重量と体積を最小化する必要があるため、必要な最適量を計算して使用する。

カートリッジ形態にすることで、従来のように水素タンクに高圧水素を充填するための複雑な充填システムが必要でなくなる。特に、既存のガソリンスタンドにカートリッジ形態の水素発生装置を在庫することで、別途の水素充填所なしに、いつでもカートリッジを容易に車両に交換装着することができる。水素充填所が不必要となることで、水素充填所の設置のための建設費用も節減できる。

水素化物の加水分解は、水を消耗しながらの非可逆反応であるため、水素化物が使用され尽くしたカートリッジは、回収され新たに水素化物を充填して再使用される。水素化物としてＭｇＨ_２を使用するとき、反応生成物はＭｇ（ＯＨ）_２であり、Ｍｇ（ＯＨ）_２は、取り扱い上安全であり、また環境汚染の問題がなく容易に処理される利点がある。

一方、本発明の水素発生装置は、加水分解反応に必要な水を供給することができる水供給手段を装備することができる。水供給手段は、各単位セルへの継続的な水供給が行われるようにすることで、加水分解の効率を高めて水素発生効率を上げることができる。

図４は水供給手段を装備した水素発生装置の実施形態の例を示した構成図である。この例では、ハウジング１０１内部にはセルモジュールの単位セルに供給される水が貯蔵される水貯蔵空間１３１が準備され、水貯蔵空間１３１には外部からの水供給管１３２が連結される。水貯蔵空間１３１は、セルモジュールにおいて単位セル１１０の水供給端の位置する側に設置され、これは水素集積空間１０４とは反対側になる。

水供給管１３２は、任意の場所に取付け可能であるが、この例では、ハウジング１０１上部の水素排出口１０２と隣り合った場所から、ハウジング１０１の側面内部に長く挿入されてハウジング１０１下部に位置する水貯蔵空間１３１に連結されている。他方、水供給管１３２は、燃料電池スタックに接続されて、燃料電池スタックで排出される水（燃料電池スタックのカソードで燃料電池反応により発生した生成水）が水供給管１３２を通して水貯蔵空間１３１に供給されるようにすることができる。このとき、燃料電池スタックへの水の逆流を防止するために、水供給管１３２には逆止弁１３３を設置して、水貯蔵空間１３１の圧力が十分に低い時のみ水が供給されるようにするのがよい。

さらに、水貯蔵空間１３１とセルモジュールとの間には水を透過できるフィルター形態の水透過膜１３４を設置して、水が水貯蔵空間１３１からセルモジュールの単位セル１１０に供給されるようにする。すなわち、各単位セル１１０の水供給端は、水の供給を受けることができるように開放された構造であり、水透過膜１３４は、電解質が満たされたセル内部を密閉するように単位セル１１０の水供給端に密着させてハウジング１０１内に固定設置する。

以上の構成により、燃料電池の運転中に燃料電池スタックから排出された水は、水供給管１３２を通ってハウジング１０１の水貯蔵空間１３１に流れ、水貯蔵空間１３１から水透過膜１３４を経て電解質が充填されたセル内部の水に補充される。

本発明の水素発生装置１００において、水素化物は、加水分解反応を受けて水素を発生するが、一方で継続的に水を消耗して単位セルの水は次第に減り、さらに加水分解反応の反応熱により温度が上昇して水が蒸発するので、水を補充しないと水素発生効率が低下してくる。本発明の実施形態では、水供給手段を備えて各単位セルに継続的に水を供給して、加水分解反応を安定的に持続することができる効果、水の補充による冷却効果を実現できる。特に、水を充分に供給することにより、理論値に近い水素発生量を得ることができることは大きな利点である。

図５は、水供給手段に関して別の実施形態を示した構成図である。図５の例では、水供給管１３２がハウジング内部を通過せず、ハウジング１０１側面から水貯蔵空間１３１に直接連結するように設置されている。水供給管１３２には、逆止弁１３３が設置される。

本発明の水素発生装置１００では、燃料電池スタックで生成した水が単位セルに供給される構成であることを説明したが、ハウジング１０１の外に別途の水タンク（図示してない）を用意し、水供給管１３２を水タンクに連結し、水タンクに貯蔵された水を水供給管１３２を通して水貯蔵空間１３１に流れる方式にすることも可能である。

また、本発明の水素発生装置１００は、単位セル中に残る反応生成物（副産物）を除去する作業を行い易くするように、ハウジング１０１を開閉可能な構造とし、さらに発生した水素を貯蔵するために別途の水素貯蔵容器を装備することができる。

図６は、このような意図から、ハウジング１０１を開閉可能な構造とした例を示している。ハウジング１０１は、セルモジュール、水貯蔵空間１３１および水素透過膜１２１を内蔵した本体ハウジング１０１ａと、水素集積空間１０４を形成するキャップハウジング１０１ｂに分離構成され、本体ハウジング１０１ａとキャップハウジング１０１ｂは締結手段により相互に組み立てられて一体化される。

本体ハウジング１０１ａとキャップハウジング１０１ｂを結合させる締結手段は、代表的にはネジ締結構造である。例えば、本体ハウジング１０１ａの上端部の外周面と、キャップハウジング１０１ｂの下端部の内周面にそれぞれネジ１０１ａ−１，１０１ｂ−１を形成させ、両者を取り外し可能に締結することができるようにする。このように、本体ハウジング１０１ａとその対応部であるキャップハウジング１０１ｂを取り外し可能に結合することにより、ハウジング１０１ａとキャップハウジング１０１ｂを分離して加水分解反応生成物を除去するとともに、新たな水素化物を充填して水素発生装置１００を再生使用するに容易となる。

図６の例では、ハウジング１０１を分離可能としているので、水供給管１３２は、ハウジング１０１の内部を通らずハウジング１０１外部側面に設置して水貯蔵空間１３１に連結し、同時に水供給管１３２に水の逆流を防止する逆止弁１３３を設置している。

図７は、ハウジング１０１の外に別途の水素貯蔵容器を装備した構成図である。水素貯蔵容器１４１は、水素管１０５に連結する入口１４２と、燃料電池スタックに連結される出口１４３を有する高圧容器である。入口１４２と水素管１０５には、水素貯蔵容器の水素が水素発生装置のハウジング内部に逆流することを防止するための逆止弁１０３ａが設置される。

従って、水素発生装置の単位セル１１０で発生した水素は、ハウジング１０１内部で水素透過膜１２１を経て水素集積空間１０４に集められ、一定圧力以上になる水素貯蔵容器１４１に移動して貯蔵するようにできる。

この構成で、水素貯蔵容器１４１には水素が高圧で充填、貯蔵され、逆止弁１０３ａは高圧で充填された水素が水素貯蔵容器で水素発生装置のハウジング１０１に逆流されないようにしている。水素貯蔵容器１４１から燃料電池スタックへの水素供給管（図示せず）には、燃料電池スタックで要求される圧力に調節するための圧力レギュレータ（図示せず）が設置される。

燃料電池スタックは、水素貯蔵容器１４１からの水素を受けるが、水素貯蔵容器１４１の圧力が低くなると、水素貯蔵容器１４１は水素集積空間１０４から水素の供給を受けて充填されていく。

水素貯蔵容器１４１は、ハウジング１０１とは互に分離が可能となるように配管及び連結部品を使用して連結する。これにより、カートリッジ形態の水素発生装置１００を交換するときに、水素貯蔵容器１４１を残して取り外しできるので、水素発生装置１００の交換が容易となる。

また、水素発生装置１００と離れて水素貯蔵容器１４１を設けることで、単位セル１１０で発生した水素が、燃料電池スタックで必要とする量より多くなったとき、水素集積空間１０４より高い圧力で、しかも貯蔵容積も大きな水素貯蔵容器１４１に貯蔵することで、水素を外部に放出して捨てることがなくなり、水素発生の量的融通性が増してくる。

本発明の水素発生装置１００は、単位セルの電極１１１、１１２に連結された電気回路の開閉作動により水素発生が調節されるが、水素を発生する加水分解反応は化学反応であって電気回路の開閉作動速度より応答が鈍い。例えば、車両に始動をかけるために電気回路を連結（スイッチ１２４閉鎖）した時、水素化物の加水分解反応により十分な水素量を迅速に燃料電池スタックに提供することができるが、車両を止めるために電気回路を断絶（スイッチ開放）した時には、加水分解反応による水素をすぐに止めることができずに徐々に反応が止って水素発生量を下げていく。車両を止めた後に発生した水素は、水素集積空間１０４に貯蔵されるが、水素集積空間１０４の容量が大きくないため、圧力が上昇し、過度に上昇したときには水素を外部に放出しなければならなくなる。このとき、別途の水素貯蔵容器１４１があると、自動で水素貯蔵容器１４１に流れて貯蔵することが可能になる。従って、燃料電池の運転が止った後で発生した水素は、水素集積空間１０４に加え水素貯蔵容器１４１に貯蔵することができ、水素貯蔵容器１４１に貯蔵した水素は、車両起動時に燃料電池スタックにすぐに供給することができる。このように、水素集積空間１０４の圧力が過度に上昇した場合の放出水素を実質なくすことができるようになり、水素活用効率を高めることができる。

本発明の水素発生装置により、燃料電池に効率的に、かつ安定的に水素を供給することができ、燃料電池を搭載した自動車に対して大きく寄与する。

本発明の単位セルの構成を説明する断面図である。 単位セル内で水素を発生している時の状態を説明する断面図である。 本発明による水素発生装置の実施形態の例を示した構成図である。 水供給手段を装備した水素発生装置の実施形態の例を示した構成図である。 水供給手段を有する本発明の別の実施形態を示した構成図である。 ハウジングを開閉可能な構造とした水素発生装置の実施形態を示す構成図である。 別途の水素貯蔵容器を装備した水素発生装置の実施形態を示す構成図である。

符号の説明

１００；水素発生装置
１０１；ハウジング
１０１ａ；本体ハウジング
１０１ｂ；キャップハウジング
１０１ａ−１、１０１ｂ−１；ネジ（締結手段）
１０２；水素排出口
１０３；水素調節弁
１０３ａ；（水素管の）逆止弁
１０４；水素集積空間
１０５；水素管
１１０；単位セル
１１１；（−）金属電極
１１２；（＋）金属電極
１２１；水素透過膜
１２２ａ、１２２ｂ；共通導線
１２３；外部導線
１２４；スイッチ
１２５、１２６；ハウジングの電極
１３１；水貯蔵空間
１３２；水供給管
１３３；逆止弁
１３４；水透過膜
１４１；水素貯蔵容器

Claims (14)

1. 水素排出口を有するハウジングと、
   前記ハウジング内部にあり、電極間に水素化物と触媒が添加された電解質が配置されてなる単位セルが複数層に積層されて構成されたセルモジュールと、
   前記単位セルの電極を並列に並べ、（＋）電極同士および（−）電極同士のそれぞれを連結する導線と、
   前記（＋）同士を連結する導線と前記（−）電極同士を連結する導線とを結ぶ回路を開閉するスイッチと、を有して構成されて、前記スイッチが閉められた時に前記単位セル中で前記水素化物が加水分解反応して発生した水素が、前記水素排出口から出ることを特徴とする水素発生装置。
2. 前記水素化物が、ＭｇＨ_２、ＮａＢＨ_４、ＬｉＢＨ_４、ＮａＡｌＨ_４、ＣａＨ_２及びＬｉＨから選ばれる１種以上であることを特徴とする請求項１記載の水素発生装置。
3. 前記触媒が、ＭｇＣｌ_２、ＮａＣｌ、ＫＣｌ、ＬｉＣｌ及びＣａＣｌ_２から選ばれる１種以上であることを特徴とする水素発生装置。
4. 前記水素化物がＭｇＨ_２であり、前記触媒がＭｇＣｌ_２であることを特徴とする請求項１記載の水素発生装置。
5. 前記ハウジングは、さらに前記セルモジュールで発生した水素が集められる水素集積空間が設置され、発生した水素が、前記水素集積空間を経由して水素排出口から出ることを特徴とする請求項１記載の水素発生装置。
6. 前記セルモジュールは、さらに前記単位セルの一端に位置する水素出口端に水素を選択的に透過する水素透過膜が設置されることを特徴とする請求項１記載の水素発生装置。
7. 前記ハウジングは、さらに前記電解質に水を供給する水供給手段が設置されていることを特徴とする請求項１記載の水素発生装置。
8. 前記水供給手段は、水貯蔵空間を有し、前記水貯蔵空間の一側にはハウジング外部から水を受ける水供給管が連結され、他側には水透過膜を設置して前記セルモジュールに通じていることを特徴とする請求項７記載の水素発生装置。
9. 前記水供給管は、前記水貯蔵空間と外部の燃料電池スタックとの間を連結して、前記燃料電池スタックから排出された水が前記水貯蔵空間に流れることを特徴とする請求項８記載の水素発生装置。
10. 前記水供給管は、水が前記水貯蔵空間から前記燃料電池スタックに流れることを防止する逆止弁が設置されていることを特徴とする請求項８記載の水素発生装置。
11. 前記ハウジングは、本体ハウジングとキャップハウジングに分離可能に構成されて、開閉可能な構造であることを特徴とする請求項１記載の水素発生装置。
12. 前記本体ハウジングと前記キャップハウジングは、ネジ締結構造で連結されることを特徴とする請求項１１記載の水素発生装置。
13. 前記ハウジングは、さらに、その外部に、前記水素排出口と連結されて前記水素排出口から出た水素を貯蔵することができる水素貯蔵容器が設置されていることを特徴とする請求項１記載の水素発生装置。
14. 前記水素排出口と前記水素貯蔵容器の中間には、水素が前記水素貯蔵容器から前記水素排出口に流れることを防止する逆止弁が設置されていることを特徴とする請求項１３記載の水素発生装置。

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