JP2014001117A - 水素製造装置および発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、溶質を含む浮遊水滴が除去された水素ガスを製造できる水素製造装置を提供する。
【解決手段】本発明の水素製造装置は、水または水溶液から水素ガスを生成する水素生成部と、溶質を含む浮遊水滴と前記水素ガスとを含む排出ガスを前記水素生成部から排出する水素ガス排出路と、前記水素ガス排出路を流通した前記排出ガスが流入する溶質除去部とを備え、前記溶質除去部は、前記排出ガスから前記浮遊水滴を除去することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、水素製造装置および発電装置に関する。

化石燃料を燃焼させることにより生じる二酸化炭素ガスは地球温暖化の１つの原因になるため、二酸化炭素ガスを発生させない発電方法が求められている。
二酸化炭素ガスを発生させない発電方法として水素ガスを燃料ガスとした燃料電池があり、普及しつつある。また、水素ガス発生装置により電解液から生じさせた水素ガスを燃料電池に燃料ガスとして供給する発電システムが提案されている（例えば、特許文献１）。

特開２０１１−２２８１６２号公報

しかし、電解液から生じさせた水素ガスを燃料電池に燃料ガスとして供給する従来の発電システムでは、燃料電池に供給される水素ガスに浮遊水滴が混入している場合があり、この浮遊水滴に含まれる溶質が燃料電池中で析出し燃料電池を機能低下させるという問題がある。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、溶質を含む浮遊水滴が除去された水素ガスを製造できる水素製造装置を提供する。

本発明は、水または水溶液から水素ガスを生成する水素生成部と、溶質を含む浮遊水滴と前記水素ガスとを含む排出ガスを前記水素生成部から排出する水素ガス排出路と、前記水素ガス排出路を流通した前記排出ガスが流入する溶質除去部とを備え、前記溶質除去部は、前記排出ガスから前記浮遊水滴を除去することを特徴とする水素製造装置を提供する。

本発明によれば、水または水溶液から水素ガスを生成する水素生成部を備えるため、水または水溶液から水素ガスを製造することができる。
本発明によれば、溶質を含む浮遊水滴と前記水素ガスとを含む排出ガスを前記水素生成部から排出する水素ガス排出路と、前記水素ガス排出路を流通した前記排出ガスが流入する溶質除去部とを備え、前記溶質除去部は、前記排出ガスから前記浮遊水滴を除去するため、溶質除去部により前記水素生成部により製造した水素ガスから溶質を含む浮遊水滴を除去することができる。
本発明によれば、溶質を含む浮遊水滴が除去された水素ガスを、燃料電池などの前記溶質が悪影響を及ぼす装置に供給することができる。

本発明の一実施形態の水素製造装置の構成を示す概略断面図である。 本発明の一実施形態の水素製造装置の構成を示す概略断面図である。 本発明の一実施形態の水素製造装置に含まれる溶質除去部の概略断面図である。 本発明の一実施形態の水素製造装置に含まれる溶質除去部の概略断面図であ る。 本発明の一実施形態の水素製造装置に含まれる溶質除去部の概略断面図であ る。 本発明の一実施形態の水素製造装置に含まれる溶質除去部の概略断面図であ る。 本発明の一実施形態の水素製造装置に含まれる溶質除去部の概略断面図であ る。 本発明の一実施形態の水素製造装置に含まれる溶質除去部の概略断面図であ る。 本発明の一実施形態の水素製造装置に含まれる溶質除去部の概略断面図であ る。 本発明の一実施形態の水素製造装置に含まれる溶質除去部の概略断面図で ある。 本発明の一実施形態の発電装置の説明図である。 本発明の一実施形態の発電装置の説明図である。

本発明の水素製造装置は、水または水溶液から水素ガスを生成する水素生成部と、溶質を含む浮遊水滴と前記水素ガスとを含む排出ガスを前記水素生成部から排出する水素ガス排出路と、前記水素ガス排出路を流通した前記排出ガスが流入する溶質除去部とを備え、前記溶質除去部は、前記排出ガスから前記浮遊水滴を除去することを特徴とする。

本発明の水素製造装置において、前記水素生成部と前記溶質除去部とを連通する水溶液流路をさらに備え、前記水溶液流路は、前記浮遊水滴から生じる水溶液を前記溶質除去部から前記水素生成部へと重力により流入させるように設けられたことが好ましい。
このような構成によれば、溶質除去部に浮遊水滴から生じる水溶液が溜まるのを抑制することができ、水素生成部の水や水溶液が減少することを抑制することができる。
本発明の水素製造装置において、前記溶質除去部は、前記水素ガスと前記浮遊水滴とを分離する気液分離膜を備えることが好ましい。
このような構成によれば、溶質除去部により排出ガスに含まれる浮遊水滴を効率的に除去することができる。

本発明の水素製造装置において、前記水素生成部は、金属または金属化合物と水または水溶液とから水素ガスを生成することが好ましい。
このような構成によれば、水素ガスを製造することができる。
本発明の水素製造装置において、前記水素生成部は、金属電極を負極とし電解質水溶液中の水素生成電極を正極とする金属−水電池であることが好ましい。
このような構成によれば、金属‐水電池による発電に伴い発生する水素ガスから溶質を含む浮遊水滴を除去することができる。

本発明の水素製造装置において、前記溶質除去部は、除去室を有し、かつ、前記除去室の内壁に前記浮遊水滴を付着させることにより、前記浮遊水滴を前記排出ガス中から除去するように設けられたことが好ましい。
このような構成によれば、浮遊水滴が除去された水素ガスを製造することができる。また、水素ガス排出路の圧力を高くすることなく浮遊水滴を除去することができるため、水素生成部１から水素ガスが排出されやすくなる。
本発明の水素製造装置において、前記除去室は、その内部に蛇行する排出ガス流路を備えることが好ましい。
このような構成によれば、浮遊水滴が排出ガス流路の内壁に付着しやすくなるため、溶質除去部により、排出ガスから溶質を含む浮遊水滴を効率的に除去することができる。

本発明の水素製造装置において、前記溶質除去部は、除去管を有し、前記除去管は、蛇行する排出ガス流路を形成することが好ましい。
このような構成によれば、排出ガスに含まれる浮遊水滴が除去管の内壁に付着しやすくなり、排出ガスから浮遊水滴を除去することができる。
本発明の水素製造装置において、前記溶質除去部は、前記浮遊水滴から生じる水溶液を重力により前記溶質除去部の下部に流下させる液流通管を有することが好ましい。
このような構成によれば、除去管の内壁に付着した浮遊水滴から生じる水溶液により除去管が塞がれるのを抑制することができる。

本発明の水素製造装置において、前記排出ガス流路は、前記排出ガスが流れるとき屈曲する部分においてガス圧が大きくなるように設けられたことが好ましい。
このような構成によれば、排出ガス流路の屈曲する部分において、浮遊水滴は気体状態の水の凝縮により成長しやすくなり、浮遊水滴を排出ガス流路の内壁に付着しやすくすることができる。
本発明の水素製造装置において、前記排出ガス流路は、その内壁に親水層を有することが好ましい。
このような構成によれば、排出ガス流路の内壁に付着した浮遊水滴は、親水層の表面に拡散することができ、大きな水滴になることを抑制することができる。このことにより、排出ガス流路の内壁に付着した水滴が排出ガス流路を塞ぐことを抑制することができる。また、排出ガス流路の内壁に付着した浮遊水滴は、親水層の表面を流れ、溶質除去部の下部に移動することができる。

本発明の水素製造装置において、前記排出ガス流路は、前記浮遊水滴から生じる水溶液が重力により前記溶質除去部の下部に流下するように傾斜した内壁を有することが好ましい。
このような構成によれば、浮遊水滴から生じる水溶液を溶質除去部の下部に流下させることができ、前記水溶液により排出ガス流路が塞がれるのを抑制することができる。また、前記水溶液を溶質除去部の下部から排出することができる。
本発明の水素製造装置において、前記溶質除去部を冷却する冷却部をさらに備えることが好ましい。
このような構成によれば、気体状態の水の凝縮により浮遊水滴を成長させることができ、成長した水滴を降着させることまたは溶質除去部の内壁に付着させることができる。

本発明の水素製造装置において、前記溶質除去部は、除去室を有し、かつ、前記除去室内に水を噴霧する噴霧部を有することが好ましい。
このような構成によれば、噴霧水滴により溶質を含む浮遊水滴を成長させることができ、成長した水滴を降着させることまたは溶質除去部の内壁に付着させることができる。
本発明の水素製造装置において、前記噴霧部は、噴霧量制御部を有することが好ましい。
このような構成によれば、除去室に流入する浮遊水滴の量に応じて噴霧水滴の量を変化させることができ、効率的に浮遊水滴を除去することができる。

本発明の水素製造装置において、前記溶質除去部は、除去室を有し、かつ、前記除去室に水を供給する水供給部を備え、前記除去室は、前記水供給部から供給される水を溜めるように設けられ、前記水素ガス排出路は、前記排出ガスを前記除去室に溜めた水中に気泡として流入させるように前記溶質除去部と連結したことが好ましい。
このような構成によれば、排出ガスに含まれる浮遊水滴を除去室に溜めた水と合一させることができ、排出ガスから溶質を含む浮遊水滴を除去することができる。
また、本発明は、本発明の水素製造装置と、燃料電池とを備え、前記水素製造装置と前記燃料電池は、前記溶質除去部により前記浮遊水滴が除去された水素ガスが前記燃料電池の燃料として供給されるように連通する発電装置も提供する。
本発明の発電装置によれば、水素製造装置により製造した水素ガスを直接燃料電池の燃料ガスに用いることができるため、水素ガスを貯蔵する必要がなく、発電装置を小型化することができる。また、燃料電池に浮遊水滴に含まれる溶質が流入し、燃料電池の発電性能が低下するのを抑制することができる。

以下、本発明の一実施形態を図面を用いて説明する。図面や以下の記述中で示す構成は、例示であって、本発明の範囲は、図面や以下の記述中で示すものに限定されない。

水素製造装置の構成
図１、２は本実施形態の水素製造装置の構成を示す概略断面図である。また、図３〜１０は、本実施形態の水素製造装置に含まれる溶質除去部の概略断面図である。
本実施形態の水素製造装置５０は、水または水溶液から水素ガスを生成する水素生成部１と、溶質を含む浮遊水滴６と前記水素ガスとを含む排出ガスを水素生成部１から排出する水素ガス排出路５と、水素ガス排出路５を流通した前記排出ガスが流入する溶質除去部３とを備え、溶質除去部３は、前記排出ガスから浮遊水滴６を除去することを特徴とする。
以下、本実施形態の水素製造装置５０について説明する。

１．水素生成部
水素生成部１は、水または水溶液から水素ガスを生成する部分であり、例えば、金属水電池、電解液を電気分解する水素製造装置、金属と水から水素ガスを発生させる装置、金属水素化物と水から水素ガスを発生させる装置、金属と酸性水溶液（又は塩基性水溶液）から水素ガスを発生させる装置などである。

水素生成部１となる金属水電池としては、例えば、リチウム−水電池、亜鉛−水電池などが挙げられるが、金属電極を負極とし、水または水溶液から水素を発生させる水素生成電極を正極とするものであれば特に限定されない。この金属電極としては、例えば、金属リチウム、金属亜鉛、金属アルミニウム、金属鉄、金属マグネシウムなどからなる。また、金属電極は、合金からなってもよい。水素生成電極は、例えば、白金、金、イリジウム等の貴金属、カーボン、チタン、ステンレス、ニッケルなどからなる。
特に、金属電極のうち、金属亜鉛、金属アルミニウム、金属鉄、金属マグネシウムは反応に関与する電子数が多く重量当たりに取り出せる電流量が大きいため好ましい。さらには、金属亜鉛、金属マグネシウムは水素過電圧が高く自己放電が小さいため発生する水素ガスが制御しやすいためより好ましい。

ここでは、水素生成部１がリチウム−水電池１３である場合について説明する。リチウム−水電池１３としては、例えば、図１に示した水素製造装置５０に含まれるリチウム−水電池１３のような構造を有することができる。負極となり、金属リチウムからなる金属リチウム電極２０は、第１電解液槽２６に溜められた有機電解液３０中に設けられる。また、正極となる水素生成電極２１は、第２電解液槽２７に溜められた電解質水溶液３１中に設けられる。また、第１電解液槽２６に溜められた有機電解液３０と第２電解液槽２７に溜められた電解質水溶液３１との間をイオンが相互に移動できるように固体電解質２３が設けられる。

金属リチウム電極２０では、金属リチウムが電子を放出し有機電解液３０中にリチウムイオンとして溶出する。有機電解液３０中のリチウムイオンは、固体電解質２３を伝導し第２電解液槽２７に溜められた電解質水溶液３１と反応し、水酸化リチウムとなる。この反応に電解質水溶液３１中の水酸化物イオンが消費される。なお、この水酸化リチウムは、電解質水溶液３１の溶質となる。
水素生成電極２１では、水が電気化学的に反応することにより、水素ガスと水酸化物イオンとが生じる。この生成された水酸化物イオンは、水酸化リチウムを生成する反応に寄与することとなり、発生した水素ガスは、電解質水溶液３１中の気泡となり浮上した後、水素ガス排出路５を導通することにより水素生成部１から排出される。水素生成部１から排出される水素ガス（排出ガス）には、電解質水溶液３１から生じる気体状態の水と電解質水溶液３１の浮遊水滴６が含まれる。この浮遊水滴６には、電解質水溶液３１のイオン伝導性を高めるために添加していた電解質や水酸化リチウムなどの溶質が含まれている。

水素生成部１となる電解液を電気分解する水素製造装置としては、例えば、電解質水溶液中に陽極と陰極を設けた水電解装置である。この場合、水が電気分解され、陽極から酸素ガスが発生し陰極から水素ガスが発生する。陰極から発生した水素ガスは、電解質水溶液中の気泡となり浮上した後、水素ガス排出路５を導通することにより水素生成部１から排出される。水素生成部１から排出される水素ガス（排出ガス）には、電解質水溶液から生じる気体状態の水と電解質水溶液の浮遊水滴６が含まれる。この浮遊水滴６には、電解質水溶液３１に添加していた電解質などの溶質が含まれている。
なお、本装置においては、第１電解液槽２６と第２電解液槽２７の電解液を混合させるため固体電解質２３は用いないことが好ましいが、その際に発生する酸素ガスと水素ガスの混合を避けるため、図１のように第１電解液槽２６と第２電解液槽２７が液絡している部位を電解液の水面より下部に設けることが好ましい。

水素生成部１となる、金属と水から水素ガスを発生させる装置としては、例えば、図２に示したような水素生成部１である。このような水素生成部１は、水素生成室３７内のリチウム、ナトリウム、カリウム、マグネシウム、カルシウムなどの金属４０に水を滴下させることにより、水素ガスを発生させることができる。例えば、金属４０を金属リチウムとした場合、金属リチウムと水とが反応することにより、水酸化リチウムと水素ガスとが生成する。この発生した水素ガスは、水素ガス排出路５を導通することにより水素生成部１から排出される。水素生成部１から排出される水素ガス（排出ガス）には、滴下した水から生じる気体状態の水と浮遊水滴６が含まれる。この浮遊水滴６には、反応生成物である水酸化リチウムなどの溶質が含まれている。
特に、金属のうちマグネシウム、カルシウムは反応に関与する電子数が多く重量当たりに取り出せる電流量が大きいため好ましい。また、金属の形状は、反応性を高めて水素発生量の制御がしやすいため、粒子の集合体であることが好ましい。

水素生成部１となる、金属水素化物と水から水素ガスを発生させる装置としては、例えば、図２に示したような水素生成部１である。このような水素生成部１は、水素生成室３７内の水素化物（水素化カルシウム（CaH₂）、MgH₂、LiH）、アルミニウムハイドライド（LiAlH₄、NaAlH₄）、ボロハイドライド（LiBH₄、NaBH₄）、LiNH₂、NaNH₂などの金属水素化物４０に水を滴下させることにより、水素ガスを発生させることができる。例えば、金属水素化物４０を水素化カルシウムとした場合、水素化カルシウムと水とが反応することにより、水酸化カルシウムと水素ガスとが生成する。この発生した水素ガスは、水素ガス排出路５を導通することにより水素生成部１から排出される。水素生成部１から排出される水素ガス（排出ガス）には、滴下した水から生じる気体状態の水と浮遊水滴６が含まれる。この浮遊水滴６には、反応生成物である水酸化カルシウムなどの溶質が含まれている。
特に、金属水素化物のうち、水素化物は反応性が高く水素発生量の制御がしやすいため好ましい。

水素生成部１となる、金属と酸性水溶液（又は塩基性水溶液）から水素ガスを発生させる装置としては、例えば、図２に示したような水素生成部１である。このような水素生成部１は、水素生成室３７内のリチウム、ナトリウム、カリウム、マグネシウム、カルシウム、鉄、銅、亜鉛、アルミニウム、シリコンなどの金属４０に酸性水溶液（又は塩基性水溶液）を滴下させることにより、水素ガスを発生させることができる。例えば、金属４０を金属亜鉛とし酸性水溶液を硫酸水溶液とした場合、金属亜鉛と硫酸水溶液とが反応することにより、硫酸亜鉛と水素ガスとが生成する。この発生した水素ガスは、水素ガス排出路５を導通することにより水素生成部１から排出される。水素生成部１から排出される水素ガス（排出ガス）には、滴下した硫酸水溶液から生じる気体状態の水と浮遊水滴６が含まれる。この浮遊水滴６には、硫酸、硫酸亜鉛などの溶質が含まれている。
また、金属の形状は、反応性を高めて水素発生量の制御がしやすいため、粒子の集合体であることが好ましい。

２．水素ガス排出路、溶質除去部、水溶液流路
水素生成部１で発生させた水素ガスは、気体状態の水と浮遊水滴６と共に排出ガスとして水素ガス排出路５を流通し、溶質除去部３に流入する。溶質除去部３は、水素ガス排出路５から流入した排出ガスから溶質を含む浮遊水滴６を除去するように設けられる。
溶質除去部３は、例えば、除去室１２内で溶質を含む浮遊水滴６を除去するものであってもよく、除去管５５内で溶質を含む浮遊水滴６を除去するものであってもよい。
溶質除去部３は、複数の浮遊水滴６を凝集させること、または、気体状態の水により浮遊水滴６を成長させることにより、水滴を浮遊できない大きさの水溶液にすることにより浮遊水滴６を除去する部分であってもよい。また、溶質除去部は、溶質を含む水滴と、噴霧した水滴とを凝集させることにより浮遊水滴６を除去する部分であってもよく、排出ガスを水中に気泡として流入させることにより、浮遊水滴６を除去する部分であってもよい。

水素製造装置５０は、浮遊水滴６から生じさせた水溶液８を溶質除去部３から水素生成部１へと重力により流入させる水溶液流路１０を備えることができる。このことにより、溶質除去部３に溶質が溜まるのを容易に防止することができ、また、水素生成部１内の水、水溶液、溶質などが減少するのを抑制することができる。

まず、除去室１２を有する溶質除去部３について説明する。除去室１２は、水素ガス排出路５から水素ガスと浮遊水滴６とを含む排出ガスが流入するように設けられる。除去室１２は、例えば、図１のように設けることができる。除去室１２は、水素ガス排出路５から流入した排出ガスに乱流が生じるような広さを有することができる。排出ガスに乱流が生じることにより、排出ガスに含まれる浮遊水滴６が除去室１２の側壁に接触する確率を高くすることができ、浮遊水滴６の多くを除去室１２の内壁に付着させることができる。この除去室１２の内壁に付着した浮遊水滴６は、他の浮遊水滴６と凝集することにより又は排出ガスに含まれる気体状態の水が凝縮することにより、浮遊できない大きさの水滴７にまで成長する。この水滴７は、除去室１２の下部へと流れ、水溶液８として除去室１２の下部に設けられた開口から水溶液流路１０へと流入する。水溶液８は、重力により、水溶液流路１０を流れ、水素生成部１に流れ込む。このように除去室１２を設けることにより、排出ガスから浮遊水滴を除去することができ、除去した浮遊水滴を水素生成部１に還流させることができる。

一方、除去室１２は、上部の開口から水素ガスを含む排出ガスを排出し、この排出ガスを燃料電池などに燃料ガスとして供給することができる。このことにより、除去室１２により溶質を含む浮遊水滴６が除去された水素ガスを燃料電池などに供給することができ、溶質が燃料電池などに悪影響を与えることを抑制することができる。また、水素ガスを排出する開口を除去室１２の上部に設けることにより、水素ガスに比べ大きな質量を有する浮遊水滴が除去室１２から排出される水素ガス中に混入することを抑制することができる。

除去室１２は、例えば、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、塩化ビニル、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）等の樹脂で内壁がコーティングされたステンレスなどの金属からなる。金属はすぐれた熱伝導性、放熱性を有するため、浮遊水滴６が排出ガスに含まれる気体状態の水が凝縮することにより、成長しやすくすることができる。

水素製造装置５０は、例えば、図２のように除去室１２を冷却する冷却部３５を有することができる。このことにより、除去室１２の内壁の温度を低くすることができ、排出ガスに含まれる気体状態の水が凝縮することにより、除去室１２内の浮遊水滴６を成長しやすくすることができる。また、冷却部３５を設けることにより、除去室１２内の温度も低くすることができ、除去室１２内の浮遊水滴６を核として気体状態の水が凝縮することにより、浮遊水滴６を成長させることができる。このことにより成長した浮遊水滴６を、除去室１２の下部に降着させることまたは除去室１２の内壁に付着させることができる。
冷却部３５としては、例えば、除去室１２を空冷するファン、除去室１２を水冷または油冷する冷却管などである。

溶質除去部３は、水素ガスと浮遊水滴６とを分離する気液分離膜４５を有することができる。気液分離膜４５は、例えば多孔性フッ素樹脂フィルムなどを用いることができる。気液分離膜４５は、例えば、図３〜８のように溶質除去部３から水素ガスを排出する開口を塞ぐように設けることができる。このことにより、溶質除去部３内の水素ガスは、気液分離膜４５を透過し溶質除去部３から排出されるが、水素ガスが気液分離膜４５を通過する手前でガス圧が高まるため、浮遊水滴６は、気液分離膜４５を透過しにくいため、除去室１２内に留まることになる。この際、気液分離膜がフッ素系樹脂からなることにより、凝縮した水がはじかれることにより、排出ガスから浮遊水滴６を除去することができ、溶質を含まない水素ガスを燃料電池などの装置に供給することができる。

溶質除去部３は、例えば、図４〜６のように除去室１２の内部に蛇行する排出ガス流路４７を有することができる。排出ガス流路４７は、例えば、流路部材４８により形成することができる。このことにより、排出ガス流路４７の内壁に浮遊水滴６が付着する確率を高くすることができ、浮遊水滴６を排出ガスから効率的に除去することができる。流路部材４８は、例えばプラスチック製の板部材を交互に設けた形状やらせん状などとすることができる。
また、蛇行する排出ガス流路４７は、排出ガスが流れるとき屈曲する部分においてガス圧が局所的に大きくなるように設けることができる。ガス圧が高くなる部分において気体状態の水は凝縮しやすくなり、浮遊水滴６は、水の凝縮により成長しやすくなる。このことにより、成長した浮遊水滴６は、排出ガス流路４７の内壁に付着しやすくなり、浮遊水滴６を排出ガスから効率的に除去することができる。ガス圧が大きくなる部分は、例えば、流路が屈曲する部分において流路を狭くすることにより、または、流路を急激に屈曲させる（例えば、１８０度、方向を変える）ことにより、形成することができる。

排出ガス流路４７は、例えば、図５のようにその内壁に親水層５２を有することができる。このことにより、排出ガス流路４７の内壁に付着した浮遊水滴６は、親水層５２の表面に拡散することができ、大きな水滴になることを抑制することができる。このことにより、排出ガス流路４７の内壁に付着した水滴が排出ガス流路４７を塞ぐことを抑制することができる。また、排出ガス流路４７の内壁に付着した浮遊水滴６は、親水層５２の表面を流れ、除去室１２の下部に移動することができる。
親水層５２は、親水性のろ紙などからなってもよく、表面処理することにより水酸基や酸性の官能基を表面に形成することで親水性とした流路部材の表面であってもよい。

排出ガス流路４７は、例えば、図６のように浮遊水滴６から生じる水溶液が重力により除去室１２の下部に流下するように傾斜した内壁を有することができる。このことにより、排出ガス流路４７の内壁に付着した水滴は、傾斜した内壁上を重力により流下することができ、除去室１２の下部に移動することができる。除去室１２の下部に流れた水溶液（水滴）は、水溶液流路１０を流通し、水素生成部１へ流入することができる。

溶質除去部３は、例えば、図７のように除去室１２内に水を噴霧する噴霧部６０を有することができる。噴霧部６０により除去室１２内に噴霧水滴６５を供給することができ、この噴霧液滴６５は溶質を含む浮遊水滴６と凝集することができ、この凝集した水滴は、大きくなり浮遊できなくなるため、除去室１２の下部に降着するかまたは除去室１２の内壁に付着する。このように、溶質除去部３が噴霧部６０を備えることにより排出ガス中から溶質を含む浮遊水滴６を除去することができ、溶質が除去された水素ガスを溶質除去部３から排出することができる。
凝集した水滴は、水溶液流路１０を流通し、水素生成部１に流入させてもよく、水素製造装置５０から排出させてもよい。

また、噴霧部６０は、噴霧部６０が噴霧する噴霧水滴６５の量を制御する噴霧量制御部６１を備えてもよい。このことにより、除去室１２に流入する浮遊水滴６の量に応じて噴霧水滴６５の量を変化させることができ、効率的に浮遊水滴６を除去することができる。噴霧量制御部６１は、例えば、水素生成部１が金属水電池の場合、金属水電池で発生する電流に基づいて噴霧部６０の噴霧量を制御することができ、また、水素ガス排出路５を流れる気体流量を測定することにより、噴霧部６０の噴霧量を制御することもできる。

溶質除去部３は、例えば、図８のように除去室１２に水を供給する水供給部６８を備え、除去室１２は、水供給部６８から供給される水を溜めるように設けられ、水素ガス排出路５は、排出ガスを除去室１２に溜めた水中に気泡として流入させるように溶質除去部３と連結してもよい。このことにより、排出ガスに含まれる浮遊水滴６を除去室１２に溜めた水と合一させることができ、排出ガスから溶質を含む浮遊水滴６を除去することができる。
浮遊水滴６に含まれていた溶質は除去室１２に溜めた水の溶質となるため、除去室１２に溜めた水中に排出ガスの気泡を供給し続けると、除去室１２に溜めた水の溶質濃度は徐々に上昇していく。溶質濃度が高くなった水は、水素製造装置５０から排出してもよく、水素生成部１に供給してもよい。
また、除去室１２は、その内部に溜めた水の水面を検知する液面センサ７１を備えてもよい。このことにより、除去室１２に溜めた水の液面が高くなりすぎることを抑制することができ、除去室１２の水素ガスの排出口が除去室１２に溜めた水で塞がれることを防止することができる。

次に、除去管５５を有する溶質除去部３について説明する。除去管５５は、水素ガス排出路５から水素ガスと浮遊水滴６とを含む排出ガスが流入するように設けられる。除去管５５は、例えば、図９、１０のように蛇行する排出ガス流路４７を形成するように設けることができる。このことにより、排出ガス流路４７の内壁に浮遊水滴が付着する確率を高くすることができ、浮遊水滴６を排出ガスから効率的に除去することができる。
排出ガス流路４７の内壁に付着した浮遊水滴６から生じる水溶液は、排出ガス流路４７の内壁上などを流れ、除去管５５の下部から水溶液流路１０を流れ、水素生成部１に流入することができる。

また、溶質除去部３は、図９のように、浮遊水滴６から生じる水溶液８を重力により溶質除去部３の下部に流下させる液流通管５６を有することができる。このことにより、浮遊水滴６から生じる水溶液８により排出ガス流路４７が塞がれるのを抑制することができる。液流通管５６の内径は、排出ガス流路４７の内径よりも小さくすることで、液流通管５６は、浮遊水滴６から生じる水溶液８の表面張力により毛細管現象が生じるような内径を有することができる。このことにより、液流通管５６に排出ガスを流通させずに、水溶液８を流すことができる。
また、発電量が小さい運転時においては、ガス流量が小さく水素ガス中に巻き込まれる浮遊水滴がほとんど存在しない場合がある。この際に、液流通管５６は閉塞されずに除去管５５の役割を果たすため、管内に生じる圧力損出を小さくすることができる。

また、蛇行する排出ガス流路４７は、排出ガスが流れるとき屈曲する部分においてガス圧が大きくなるように設けることができる。ガス圧が高くなる部分において気体状態の水は凝縮しやすくなり、浮遊水滴６は、水の凝縮により成長しやすくなる。このことにより、成長した浮遊水滴６は、排出ガス流路４７の内壁に付着しやすくなり、浮遊水滴６を排出ガスから効率的に除去することができる。ガス圧が大きくなる部分は、例えば、流路が屈曲する部分において流路を狭くすることにより、または、流路を急激に屈曲させる（例えば、１８０度、方向を変える）ことにより、形成することができる。

排出ガス流路４７は、例えば、図１０のようにその内壁に親水層５２を有することができる。このことにより、排出ガス流路４７の内壁に付着した浮遊水滴６は、親水層５２の表面に拡散することができ、大きな水滴になることを抑制することができる。このことにより、排出ガス流路４７の内壁に付着した水滴が排出ガス流路４７を塞ぐことを抑制することができる。また、排出ガス流路４７の内壁に付着した浮遊水滴は、親水層５２の表面を流れ、除去管５５の下部に移動することができる。
親水層５２は、親水性のろ紙などからなってもよく、表面処理することにより水酸基や酸性の官能基を表面に形成することで親水性とした除去管５５の内面であってもよい。

排出ガス流路４７は、浮遊水滴６から生じる水溶液が重力により除去室１２の下部に流下するように傾斜した内壁を有することができる。このことにより、排出ガス流路４７の内壁に付着した水滴は、傾斜した内壁上を重力により流下することができ、除去管５５の下部に移動することができる。除去管５５の下部に流れた水溶液（水滴）は、水溶液流路１０を流通し、水素生成部１へ流入させることができる。

また、除去管５５を有する溶質除去部３は、除去室１２を有する溶質除去部３と同様に冷却部３５により冷却されてもよく、気液分離膜４５を有してもよい。これらについては、上述の冷却部３５、気液分離膜４５についての説明が、除去管５５を有する溶質除去部３についても矛盾がない限り当てはまる。

発電装置
図１１、１２は、本実施形態の発電装置の説明図である。なお、図１１、１２に示した発電装置では、水素製造装置５０を金属水電池としている。
本実施形態の発電装置は、水素製造装置５０と、燃料電池とを備え、水素製造装置５０と前記燃料電池は、溶質除去部３により浮遊水滴６が除去された水素ガスが前記燃料電池の燃料として供給されるように連通する。
このことにより、燃料電池に浮遊水滴６に含まれる溶質が流入し、燃料電池の発電性能が低下するのを抑制することができる。例えば、燃料電池の燃料極に溶質を含む浮遊水滴６が流入すると、この溶質は、燃料極に含まれるガス拡散層の細孔内に析出し、水素ガスの供給を阻害するため燃料電池の発電に必要な十分な水素ガスが燃料極に到達できなくなる。また、溶質が燃料電池に含まれるイオン交換膜に溶け込み、イオン交換膜の導電率を低下させることで発電性能が低下する。
イオン交換膜がカチオン交換膜からなる場合、溶質に含まれるカチオン（陽イオン）は、カチオン交換膜を伝導する。この溶質に含まれるカチオンは、一般的にプロトンよりも低い導電性を有するため、カチオン交換膜の導電率は低下する。また、カチオン交換膜が溶質により中和され導電率が低下する場合がある。
イオン交換膜がアニオン交換膜からなる場合、溶質に含まれるアニオン（陰イオン）は、アニオン交換膜を伝導する。この溶質に含まれるアニオンは、一般的にＯＨ^-よりも低い導電性を有するため、アニオン交換膜の導電率は低下する。また、アニオン交換膜が溶質により中和され導電率が低下する場合がある。
本発電装置は、金属水電池の発電によって発生する水素ガスの発生量によって、燃料電池の発電量が決定される特徴を有する。このため、金属水電池の電解液には塩基性水溶液を用い、燃料電池にはカチオン交換膜を用いることが好ましい。このような構成にすることで、金属水電池の金属表面の被膜形成を抑制し反応速度が高まることにより、金属水電池の発電量が高まるとともに、燃料電池での発電量も高くなり、発電装置全体で高い発電量を得ることができる。

水素製造装置５０が金属水電池の場合、本実施形態の発電装置は、金属水電池と燃料電池の両方により発電することができるため、発電量を大きくすることができる。
また、本実施形態の発電装置は、図１２のように水回収部を備えることができる。水回収部は、燃料電池の空気極から排出される排ガスに含まれる水を回収し、回収した水を溶質除去部３の水供給部６８または噴霧部６０に供給することができる。

１： 水素生成部 ３：溶質除去部 ５：水素ガス排出路 ６：浮遊水滴 ７：水滴 ８：水溶液 １０：水溶液流路 １２：除去室 １３：リチウム−水電池 １５：バルブ ２０：金属リチウム電極 ２１：水素生成電極 ２３：固体電解質 ２６：第１電解液槽 ２７：第２電解液槽 ２８：連絡部 ３０：有機電解液 ３１：電解質水溶液 ３５：冷却部 ３７：水素生成室 ４０：金属又は金属水素化物 ４１：タンク ４２：水、酸水溶液または塩基水溶液 ４３：液滴 ４５：気液分離膜 ４７：排出ガス流路 ４８：流路部材 ５０：水素製造装置 ５２：親水層 ５５：除去管 ５６：液流通管 ６０：噴霧部 ６１：噴霧量制御部 ６２：水供給路 ６５：噴霧水滴 ６７：水 ６８：水供給部 ６９：気泡 ７１：液面センサ

Claims (17)

1. 水または水溶液から水素ガスを生成する水素生成部と、溶質を含む浮遊水滴と前記水素ガスとを含む排出ガスを前記水素生成部から排出する水素ガス排出路と、前記水素ガス排出路を流通した前記排出ガスが流入する溶質除去部とを備え、
   前記溶質除去部は、前記排出ガスから前記浮遊水滴を除去することを特徴とする水素製造装置。
2. 前記水素生成部と前記溶質除去部とを連通する水溶液流路をさらに備え、
   前記水溶液流路は、前記浮遊水滴から生じる水溶液を前記溶質除去部から前記水素生成部へと重力により流入させるように設けられた請求項１に記載の水素製造装置。
3. 前記溶質除去部は、前記水素ガスと前記浮遊水滴とを分離する気液分離膜を備える請求項１または２に記載の水素製造装置。
4. 前記水素生成部は、金属または金属化合物と水または水溶液とから水素ガスを生成する請求項１〜３のいずれか１つに記載の水素製造装置。
5. 前記水素生成部は、金属電極を負極とし電解質水溶液中の水素生成電極を正極とする金属−水電池である請求項４に記載の水素製造装置。
6. 前記溶質除去部は、除去室を有し、かつ、前記除去室の内壁に前記浮遊水滴を付着させることにより、前記浮遊水滴を前記排出ガス中から除去するように設けられた請求項１〜５のいずれか１つに記載の水素製造装置。
7. 前記除去室は、その内部に蛇行する排出ガス流路を備える請求項６に記載の水素製造装置。
8. 前記溶質除去部は、除去管を有し、
   前記除去管は、蛇行する排出ガス流路を形成する請求項１〜５のいずれか１つに記載の水素製造装置。
9. 前記溶質除去部は、前記浮遊水滴から生じる水溶液を重力により前記溶質除去部の下部に流下させる液流通管を有する請求項８に記載の水素製造装置。
10. 前記排出ガス流路は、前記排出ガスが流れるとき屈曲する部分においてガス圧が大きくなるように設けられた請求項７〜９のいずれか１つに記載の水素製造装置。
11. 前記排出ガス流路は、その内壁に親水層を有する請求項７〜１０のいずれか１つに記載の水素製造装置。
12. 前記排出ガス流路は、前記浮遊水滴から生じる水溶液が重力により前記溶質除去部の下部に流下するように傾斜した内壁を有する請求項７〜１１のいずれか１つに記載の水素製造装置。
13. 前記溶質除去部を冷却する冷却部をさらに備える請求項１〜１２のいずれか１つに記載の水素製造装置。
14. 前記溶質除去部は、除去室を有し、かつ、前記除去室内に水を噴霧する噴霧部を有する請求項１〜５のいずれか１つに記載の水素製造装置。
15. 前記噴霧部は、噴霧量制御部を有する請求項１４に記載の水素製造装置。
16. 前記溶質除去部は、除去室を有し、かつ、前記除去室に水を供給する水供給部を備え、
    前記除去室は、前記水供給部から供給される水を溜めるように設けられ、
    前記水素ガス排出路は、前記排出ガスを前記除去室に溜めた水中に気泡として流入させるように前記溶質除去部と連結した請求項１〜５のいずれか１つに記載の水素製造装置。
17. 請求項１〜１６のいずれか１つに記載の水素製造装置と、燃料電池とを備え、
    前記水素製造装置と前記燃料電池は、前記溶質除去部により前記浮遊水滴が除去された水素ガスが前記燃料電池の燃料として供給されるように連通する発電装置。