JP4128425B2

JP4128425B2 - 水素発生装置

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Publication number: JP4128425B2
Application number: JP2002319547A
Authority: JP
Inventors: 和幸飯塚
Original assignee: Uchiya Thermostat Co Ltd
Current assignee: Uchiya Thermostat Co Ltd
Priority date: 2002-11-01
Filing date: 2002-11-01
Publication date: 2008-07-30
Anticipated expiration: 2022-11-01
Also published as: JP2004149394A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池に水素を供給するための水素発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料として水素を用いる燃料電池には、部分酸化法や水蒸気改質法によってメタノール等を水素に改質し、これを燃料電池に供給するための水素発生装置が一般に併設されている。しかし、このような方法では水素とともに一酸化炭素（ＣＯ）が副生し、これが燃料電池の電極を被毒する。したがって、ＣＯを１０ｐｐｍ以下にまで除去する必要があるが、ＣＯ除去手段を設置すると、改質器が大型化及び高コスト化するという問題がある。また、水蒸気改質法は、非常に高い温度まで加熱する必要があり、エネルギーの消費が大きいという問題がある。一方、ＣＯやＣＯ₂を発生しない方法として、太陽熱を利用したＵＴ−３サイクルや、特開平０７−２６７６０１号公報の方法が提案されている。しかし、これらの方法は太陽熱を利用するため、大規模なシステムが必要でコストが非常に高いという問題がある。
【０００３】
さらに、固体高分子型燃料電池のプロトン伝導膜として、末端をスルホン酸基で置換したフッ素系樹脂が使用されている。このようなプロトン伝導膜は水で加水する必要があるので、供給する水素をできるだけ高い湿度で供給することが望ましい。しかし、水蒸気を発生させるための加湿器を別途設けると、装置の大型化やエネルギー消費量が増加する問題がある。
一方、水素を安全に貯蔵、運搬する手段として、高圧ボンベの代わりに、水素吸蔵合金を用いる技術が多く提案されている。しかし、水素吸蔵合金に水素を吸蔵させるためには高い水素圧が必要であることや、空気及び水蒸気雰囲気では使用できないこと、非常に高価であることといった問題がある。
【０００４】
【特許文献１】
特開平０７−２６７６０１号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明は、上記の問題点を鑑み、一酸化炭素や二酸化炭素を副生せずに水素を生成することができ、かつ水素とともに燃料電池が必要とする水を供給することができる水素発生装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明に係る水素発生装置は、水を収納するためのタンクと、水との化学反応により水素を生成する金属を収納する反応容器と、この反応容器を収納するための収納部と、この収納部に接して設けられ、前記反応容器を加熱するための加熱手段と、前記タンクから前記収納部に収納された反応容器に水を供給する導入管と、前記反応容器内で生成した水素及び未反応の水を前記タンク内に導入するための戻り管と、このタンク内の水素及び水を排出するための前記タンクから延びる排出管とを含んでなり、前記反応容器が前記収納部に対して着脱可能であることを特徴とする。
【０００７】
このように、水と金属の化学反応（酸化）により水を分解して水素を発生させるので（例えば、金属として鉄を用いた場合の反応式は、３Ｆｅ＋４Ｈ₂Ｏ→Ｆｅ₃Ｏ₄＋４Ｈ₂と表わせる）、燃料電池の電極を被毒する一酸化炭素（ＣＯ）は副生しない。よって、ＣＯ除去手段を設ける必要がなくなり、装置の小型化及び低コスト化を達成することができる。また、前記反応は室温から約６００℃、好ましくは約１００℃〜約４００℃で行われるので、約８００℃の水蒸気改質反応に比べ、エネルギーの消費を低減することができる。さらに、反応容器からタンクへの戻り管を設けることにより、反応容器から排出される未反応の水及び発生した水素とタンク内の水とで熱交換が行われる。よって、反応容器に導入する水の加熱エネルギーを低減することができる。また、反応容器で生成した水素は、戻り管によりタンク内を通ってから排出されるので、水素とともに飽和水蒸気量の水が燃料電池に供給される。よって、加湿器などを別途設ける必要がなくなり、装置の小型化及び省エネルギー化を図ることができる。
【０００８】
さらに、反応容器内の金属は、前記の反応により酸化されてしまうが、この酸化された金属を還元することで（例えば、金属として鉄、還元ガスとして水素を用いた場合の反応式は、Ｆｅ₃Ｏ₄＋４Ｈ₂→３Ｆｅ＋４Ｈ₂Ｏと表わせる）、再び水素の生成に利用することができる。なお、この還元反応は常圧で行うことができるので、水素吸蔵合金のような高い水素圧は不要である。したがって、このように反応容器を収納部に対して着脱可能に構成することで、酸化された金属を反応容器内に保持したまま簡易な設備で還元することができる。すなわち、酸化された金属を安全にかつ低コストで水素発生装置に再使用することができる。また、反応容器を適時に交換することで、水素発生装置で水素を長時間にわたり連続的に生成することができる。金属は反応容器内に保持されるので、反応容器のみを携帯しても安全である。さらに、収納部に接して設けられた加熱手段は、収納部に反応容器が収納されることにより、反応容器と密着する。そして、加熱手段により反応容器を加熱して反応容器内の温度を高く設定することで、水と金属の酸化反応をより速やかに行うことができる。
【０００９】
前記金属としては、鉄（Ｆｅ）、インジウム（Ｉｎ）、スズ（Ｓｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）、セリウム（Ｃｅ）のいずれか１つを用いることが好ましい。これらの金属は、水と反応して水素を発生する他の金属に比べ、水素の発生効率が高いとともに、酸化還元の繰り返しに対する耐久性に優れている。また、前記金属は純金属の状態に限られず、酸化物であってもよい。さらに、水素の発生効率を高めるために、他の金属を添加することもできる。
【００１０】
本発明に係る水素発生装置は、一つの態様として、前記収納部に蓋部を設けることができ、この蓋部は、前記収納部とヒンジ部を介して回転可能に結合していることが好ましい。
【００１１】
反応容器を収納部に対して着脱可能な構成にした場合、反応容器と加熱手段との間に隙間が生じ、反応容器の加熱効率が低くなるという問題があった。そこで、このようにヒンジ部を介して回転可能な蓋部を収納部に設けることで、収納部に収納された反応容器を、蓋部により加熱手段と密着させることができる。よって、収納した反応容器を加熱手段で効率良く加熱することができる。なお、蓋部を閉じて収納部内の反応容器を加熱手段に密着させるには、収納部の蓋部に対して反対側の面に接するように、加熱手段を設けることが好ましい。
【００１２】
また、蓋部の内側にも加熱手段を設けることができる。このような構成によれば、収納部に収納された反応容器は、蓋部を閉じることで蓋部の内側の加熱手段とも密着する。したがって、収納部に収納された反応容器を加熱手段で効率良く加熱することができる。
【００１３】
また、本発明に係る水素発生装置は、他の態様として、前記収納部に反応容器を出し入れするための開口部を設けることができ、収納部の断面積はこの開口部側からその反対側にかけて狭くなっていることが好ましい。収納部の形状は、少なくとも１面が傾斜状である六面体の形状や、円錐台の形状にすることが好ましい。
【００１４】
このように、収納部に反応容器を出し入れするための開口部を設け、かつ収納部の断面積をこの開口部側からその反対側にかけて次第に狭くすることで、同様な傾斜を有する形状の反応容器を挿入して、反応容器と加熱手段とを密着させることができる。なお、加熱手段は、この収納部の傾斜面に接するように設けることが好ましい。
【００１５】
さらに、本発明に係る水素発生装置は、他の態様として、前記収納部に反応容器を出し入れするための開口部を設けることができ、前記加熱手段は、収納部に収納された反応容器との接触又は非接触を選択できるように可動することが好ましい。
【００１６】
このように、収納部に反応容器を出し入れするための開口部を設け、かつ加熱手段を、収納部に収納された反応容器と接触又は非接触を選択できるように可動に設けることで、加熱手段を収納部に収納した反応容器に密着させることができる。加熱手段を水素発生装置本体に対して可動に結合させるための部材としては、コイル状、板状、線状などのバネや、ゴムなどの弾性体を使用することができる。
【００１７】
前記収納部は、複数の反応容器を収納するように設けることができ、この複数の反応容器は、直列または並列に接続することができる。このように、反応容器を複数使用することで、水素の生成量を増加させたり、単位時間当たりの水素生成量、すなわち水素生成速度を増加させることができる。これは、水素発生装置の用途に応じて、反応容器の接続方式を選択することができる。
【００１８】
前記反応容器内には、金属を仕切るためのセパレータを設けることが好ましい。このようなセパレータを反応容器内に設けることで、反応容器内に導入される水の流路が延長され、水と金属の反応効率を向上することができる。
【００１９】
また、前記反応容器内には、水及び水素は通過するが、収納されている金属は通過しないフィルタを設けることが好ましい。このようなフィルタを反応容器内に設けることで、反応容器内の金属の飛散を防止することができる。なお、フィルタは、導入管や戻り管の管口の直前に設けることが好ましい。
【００２０】
さらに、前記反応容器内には、導入される水を気化するための気化部を設けることができる。このような気化部を設けることで、反応容器内に導入された水を即時に水蒸気化して、金属に効率良く分散させることができる。なお、気化部は、反応容器内の他、水素発生装置本体内の導入管の途中に設けることもできる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下に、添付図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明に係る水素発生装置の概要を示す模式図である。図１に示すように、水素発生装置は、水を収納するためのタンク１０と、水と反応して水素を生成する金属を収納する反応容器２０と、反応容器２０に接して設けられ、反応容器２０を加熱するための加熱手段３０及び３２と、タンク１０内の水１８を反応容器２０に導入するための導入管１２と、反応容器２０内で生成した水素と未反応の水（水蒸気）をタンク１０に導入するための戻り管１４と、タンク１０内の水素を飽和水蒸気量の水とともに燃料電池（図示省略）に供給するための排出管１６とによって主に構成されている。また、導入管１２には、ポンプ１１とバルブ１３が設けられており、戻り管１４にはバルブ１５が設けられている。なお、反応容器２０は、加熱手段３０、３２、導入管１２及び戻り管１４から着脱可能に構成されている。すなわち、反応容器２０以外の上記構成は、水素発生装置本体に設けられているものである。
【００２２】
反応容器２０には、水と反応して水素を発生することができる金属が収納されている。このような金属として、水素の高い発生効率と酸化還元の繰り返しに対する優れた耐久性の観点から、鉄（Ｆｅ）、インジウム（Ｉｎ）、スズ（Ｓｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）、セリウム（Ｃｅ）のいずれか１つを用いることが好ましく、この中でもＦｅがより好ましい。また、これら金属は純金属の状態に限られず、例えば、ＦｅＯ等の低原子価金属酸化物であってもよい。金属又は低原子価金属酸化物は、粉末状、ペレット状、円筒状、ハニカム構造、不織布形状などの反応に適した形状を選択して、反応容器２０内に収納することが好ましい。また、上記純金属又は金属酸化物は、アルミナ、酸化亜鉛、マグネシア、シリカ、チタニアのいずれかの担体に担持させることもできる（ここに引用することで本明細書の一部をなすものとする特願２０００−１８１２６１号に記載の金属酸化物を、本発明に係る金属の酸化物として使用することができる）。
【００２３】
Ｆｅ又はＦｅの低原子価金属酸化物を用いる場合、水素の発生効率を高めるために、Ｆｅ以外の金属を添加することが好ましい。添加する金属としては、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、マグネシウム（Ｍｇ）、スカンジウム（Ｓｃ）、ニッケル（Ｎｉ）及び銅（Ｃｕ）からなる第１群から選んだいずれか１種の金属、又はロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、プラチナ（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、パラジウム（Ｐｄ）及びオスミウム（Ｏｓ）からなる第２群から選んだいずれか１種の金属を添加することが好ましい。この中でも第１群としてはＭｏ、Ａｌが、第２群としてはＲｈ、Ｉｒ、Ｒｕがより好ましい。また、２種類以上を選んでもよい。特に、第１群と第２群からそれぞれ少なくとも１つずつ選んだ計少なくとも２種の金属を添加することが好ましい。添加する金属の配合割合は、全金属を１００ｍｏｌ％とした場合、０．１〜３０ｍｏｌ％が好ましく、０．５〜１５ｍｏｌ％がより好ましい。０．１ｍｏｌ％未満の配合割合では、水素の発生効率を向上する効果が認められない。一方、３０ｍｏｌ％を超えると、Ｆｅの酸化還元反応の効率が低下するので好ましくない。Ｆｅと添加する金属との調製方法は、物理混合法、含浸法、共沈法等により行い、特に共沈法が好ましい（ここに引用することで本明細書の一部をなすものとする特願２００１−１０２８４５号及び特願２００２−１８５５６３号に記載の金属を、本発明に係る鉄又は鉄の酸化物に添加することができる）。
【００２４】
加熱手段３０及び３２としては、抵抗加熱によるヒータや、正特性サーミスタ（ＰＴＣヒータ）、化学反応の酸化熱を利用する加熱器、触媒燃焼による加熱器、誘導加熱による加熱器などを用いることができる。また、加熱手段３０及び３２は、反応容器２０との密着性を高めるために、反応容器２０に接する面を伝熱性の高い弾性体で覆うこともできる。このような弾性体としては、シリコンラバーなどが好ましい。加熱手段３０及び３２自体をシリコンラバーヒータにすることもできる。
【００２５】
さらに、反応容器２０と加熱手段３０及び３２との間には、熱を均一に伝えるために、伝熱板または放熱板を設けることもできる。このような伝熱板または放熱板としては、銅や、アルミニウム、ステンレスなどの素材のものを使用することができる。反応容器２０及び加熱手段３０、３２が高温となる場合は、水素発生装置本体を断熱材で覆うことが好ましい。断熱材としては、ガラス繊維、シリカ繊維、シリカ粉末成形体などを使用することができる。
【００２６】
タンク１０及び反応容器２０は、ステンレススチールやアルミニウム等の金属、アルミナやジルコニア等のセラミックス、又はフェノール樹脂やポリフェニレンサルファイド等の耐熱性プラスチック等で作られており、熱や内外圧力に耐え得る構造をとっている。
【００２７】
このような構成によれば、先ず、水素発生装置の運転を開始するため、反応容器２０を加熱手段３０及び３２の間に装着する。次に、加熱手段３０及び３２を起動し、反応容器２０を約１００℃〜約４００℃に加熱する。そして、バルブ１３を開き、ポンプ１１を起動することで、タンク１０内の水１８が導入管１２を通って反応容器２０内に供給される。反応容器２０内では水１８が加熱されて水蒸気となり、水蒸気と金属の化学反応により水蒸気が分解されて水素が発生する。金属として、Ｆｅを用いた場合の反応式を以下に示す。
３Ｆｅ＋４Ｈ₂Ｏ→Ｆｅ₃Ｏ₄＋４Ｈ₂
【００２８】
また、金属から金属酸化物への酸化反応に限られず、低原子価金属酸化物から高原子価金属酸化物への酸化反応によっても水素を生成することができる。金属として、低原子価金属酸化物であるＦｅＯを用いた場合の反応式を以下に示す。
３ＦｅＯ＋Ｈ₂Ｏ→Ｆｅ₃Ｏ₄＋Ｈ₂
【００２９】
反応容器２０内で生成した水素は、未反応の水蒸気とともに戻り管１４を通って、タンク１０内に戻される。この水素と水蒸気は、加熱手段３０及び３２により高温状態となっているため、タンク１０内の水１８と混合することによって、熱交換が行われる。すなわち、タンク１０内の水１８の温度は上昇する。昇温した水１８は導入管１２を通って再び反応容器２０に供給されるので、加熱手段３０及び３２で水を蒸発させるエネルギーを低減することができる。なお、水と金属の化学反応が発熱反応（例えば、上記のＦｅ又はＦｅＯの酸化反応の場合など）である場合、この反応熱もタンク１０内に戻される水素と水蒸気を介してタンク１０内の水１８を加熱するので、更なる省エネルギー化を図ることができる。
【００３０】
タンク１０内の水素は、排出管１６を介して燃料電池（図示省略）に供給される。このとき水素は、飽和水蒸気量の水を含有しているので、燃料電池が必要とする水を水素と同時に供給することができる。したがって、加湿器等を別途設ける必要がなくなり、装置の小型化及びエネルギー消費の低減を図ることができる。
【００３１】
反応容器２０内の金属が酸化され、水素の発生効率が低下した場合、先ず、ポンプ１１と加熱手段３０及び３２を停止するとともにバルブ１３及び１５を閉じて、水素発生装置の運転を止める。次に、反応容器２０を加熱手段３０及び３２の間から取り出す。そして、新たな金属が充填された反応容器２０を加熱手段３０及び３２の間に装着して、再び水素発生装置の運転を開始する。このように、反応容器２０を交換することで、水素発生装置で水素の生成を続けることができる。
【００３２】
使用済みの反応容器２０は、還元ガスを反応容器２０内に供給して、容器内の酸化した金属を還元する。還元ガスとしては、酸化された金属を還元できるものであれば特に限定されないが、例えば、水素などを使用することができる。なお、還元反応は、約２００℃〜約６００℃で行うことが還元効率の観点から好ましい。金属にＦｅを用い、還元ガスに水素を用いた場合の反応式を以下に示す。
Ｆｅ₃Ｏ₄＋４Ｈ₂→３Ｆｅ＋４Ｈ₂Ｏ
【００３３】
この際、Ｆｅ₃Ｏ₄は必ずしもＦｅまで還元しなくてもよく、以下に示すように、低原子価金属酸化物であるＦｅＯで還元反応を停止することもできる。なお、金属として、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｍｇ、Ｃｅを用いた場合も、同様に低原子価金属酸化物まで還元することができる。
Ｆｅ₃Ｏ₄＋Ｈ₂→３ＦｅＯ＋Ｈ₂Ｏ
【００３４】
金属の還元を終えた反応容器２０は、加熱手段３０及び３２の間に装着し、水素発生装置の運転を開始することで、再び水素を生成することができる。このようにして、反応容器２０をリサイクルすることが可能である。また、金属は反応容器２０内に保持されるため、取り扱いも安全である。さらに、上記の還元反応は常圧で行うことができるので、水素吸蔵合金のような高い水素圧は不要である。よって、低コストで反応容器２０を再利用することができる。なお、タンク１０内の水１８は水素の生成によって減少するので、水１８が不足してきた場合は、タンク１０に設けられた給水口（図示省略）から水１８を供給する。
【００３５】
（反応容器を着脱するための構造）
本発明に係る水素発生装置の反応容器を着脱するための構造について、より詳細に説明する。図２は本発明に係る水素発生装置の一実施の形態を示す模式図であって、（ａ）はその斜視図、（ｂ）は（ａ）の蓋部が開いた状態を示す斜視図、（ｃ）は（ａ）のＡ−Ａ線での断面図である。図２に示すように、水素発生装置は、水素発生装置本体１００と反応容器２００によって構成されている。水素発生装置本体１００は、本体１００とヒンジ部（図示省略）を介して回転可能に結合している蓋部３００が設けられている。ヒンジ部は、蓋の開閉を可能にする器具であれば、特に限定されるものではなく、例えば、平蝶番やスライド蝶番などの蝶番類を使用することができる。また、蓋部３００を閉めた状態に保持するために、キャッチクリップ、パチン錠など、蓋の固定を可能にする器具を使用することができる。
【００３６】
蓋部３００の内側には加熱手段３０１が設けられている。また、蓋部３００に対応する底部３２０の内側にも加熱手段３２１が設けられており、この２つの加熱手段３０１及び３２１の間が、反応容器２００を収納する収納部となっている。すなわち、蓋部３００を閉じた場合、加熱手段３０１及び３２１の表面がそれぞれ反応容器２００に接触するように、収納部が構成されている。
【００３７】
反応容器２００は直方体の形状を有しており、加熱手段に接触する面が一番広い面積を有している。また、反応容器２００の一面には、水素発生装置本体１００内の導入管１２２と戻り管１４２とにそれぞれ接続する導入プラグ１２０と戻りプラグ１４０とを有している。これらの管とプラグは、接続すると水や水素などを通水し、離脱すると水や水素が漏洩するのを防止するように構成されており、例えば、カプラー式接続などを採用することができる。なお、導入管１２２は、水素発生装置本体１００内のタンク（図示省略）と、ポンプ（図示省略）を介して接続されており、また、戻り管１４２も同一のタンクに接続されている。また、このタンクは水素と水を燃料電池（図示省略）に供給するための排出管（図示省略）を備えている。
【００３８】
このような構成によれば、先ず、蓋部３００を開き、反応容器２００の導入プラグ１２０と戻りプラグ１４０を、発生装置本体１００の導入管１２２と戻り管１４２にそれぞれ装着して、反応容器２００を発生装置本体１００内の収納部に収納する。次に、蓋部３００を閉じると、収納部に収納された反応容器２００は蓋部３００の加熱手段３０１に押されて、蓋部３００の加熱手段３０１と底部３２１の加熱手段３２１との間で、これらに密着して保持される。したがって、反応容器２００を加熱手段３０１及び３２１によって効率良く加熱することができる。一方、反応容器２００を水素発生装置本体１００から取り出す場合、蓋部３００を開いて、反応容器２００を収納部から容易に外すことができる。
【００３９】
図３は、本発明に係る水素発生装置の他の実施の形態を示す模式図であって、（ａ）はその斜視図、（ｂ）は（ａ）の反応容器と加熱手段の断面図である。なお、図２と同様な構成については、同一の符号を付し、その説明を省略する。図３に示すように、水素発生装置は、水素発生装置本体３４０と反応容器２０２によって構成されている。水素発生装置本体３４０は、本体内に反応容器２０２を出し入れするための開口部３４２を有している。水素発生装置本体３４０内には、２つの加熱手段３０２及び３２２が設けられている。この２つの加熱手段３０２及び３２２の間が、反応容器２０２を収納するための収納部となっている。一方の加熱手段３０２の表面は、開口部３４２側から奥側に向かって、収納部の断面積が次第に狭くなるように傾斜している。他方の加熱手段３２２の表面は、水平状である。反応容器２０２は、直方体の一面が加熱手段３０２と同様の傾斜で切り取られたテーパー状となっている六面体の形状を有している。
【００４０】
このような構成によれば、反応容器２００を、開口部３４２から水素発生装置本体３４０内の収納部に挿入させる。加熱手段３０２及び反応容器２０２は、対応する傾斜を有しているので、相互が密着するまで挿入させて、反応容器２０２を水素発生装置本体３４０に装着させることができる。これにより、図２と同様に、反応容器２０２と加熱手段３０２及び３２２とを密着させることができる。なお、反応容器２０２を加熱手段３０２及び３２２に確実に保持するため、開口部３４２に蓋（図示省略）を設けてもよいし、ピンなどのロック機構（図示省略）を設けてもよい。
【００４１】
また、図４に示すように、２つの加熱手段３０３及び３２３の両方の面を、開口部３４２側から奥側に向かって、収納部の断面積が次第に狭くなるように傾斜させることもできる。そして、これらの加熱手段３０３及び３２３に接触する両面を同様の傾斜で切り取ったテーパー状の六面体形状の反応容器２０３を挿入することで、加熱手段３０３及び３２３と反応容器２０３とを密着させることができる。さらに、図５に示すように、円錐台をくり抜いた形状の加熱手段３０４を採用することもできる。そして、この傾斜に対応する円錐台の形状の反応容器２０４を挿入することで、加熱手段３０４と反応容器２０４とを密着させることができる。
【００４２】
また、図６に示すように、一方の加熱手段３０５を水素発生装置本体３４０とバネ３４４を介して結合させることができる。加熱手段３０５にはテーパー面を有する突起部３４８が設けられている。また、この突起部３４８のテーパー面と同様の傾斜を有するテーパー面を有し、このテーパー面が突起部３４８のテーパー面上を摺動する可動スイッチ部３４６が、水素発生装置本体３４０に設けられている。水素発生装置本体３４０内の２つの加熱手段３０５及び３２５の表面は、平行に設けられている。また、反応容器２０５は直方体の形状を有している。
【００４３】
このような構成によれば、先ず、反応容器２０５を開口部３４２から加熱手段３０５及び３２５の間の収納部に挿入する。そして、可動スイッチ部３４６を、テーパー面によって突起部３４８を押し下げる方向（図６では左側）に移動させて、加熱手段３０５を反応容器２０５に密着させて保持する。このようにして、反応容器２０５を加熱手段３０５及び３２５に密着させることができる。また、反応容器２０５を取り出す場合は、可動スイッチ部３４６を上記と反対方向（図６では右側）に移動させる。これにより、加熱手段３０５はバネ３４４により引き上げられ、反応容器２０５から離れる。したがって、反応容器２０５を水素発生装置本体３４０から抜き出すことができる。
【００４４】
（反応容器の構造）
本発明に係る水素発生装置の反応容器について、より詳細に説明する。図７は本発明に係る反応容器の一実施の形態を示す斜視図である。反応容器は、図７（ａ）に示すように直方体２１１であっても、図７（ｂ）に示すように円筒形状２１２であってもよい。また、導入プラグ１２０と戻りプラグ１４０は、同一面上に設けずに、図７（ｃ）に示すように反対側の面や、図７（ｄ）に示すように側面に設けることもできる。さらに、これらプラグは一本ずつに限られず、図７（ｅ）に示すように導入プラグ１２０と戻りプラグ１４０を２本ずつ設けることもできる。
【００４５】
また、水素発生装置本体内に収納する反応容器は、１つに限られず、複数の反応容器を収納させることもできる。例えば、図８（ａ）に示すように、２つの反応容器２１３を分岐した導入プラグ１２０ｃ及び戻りプラグ１４０ｃで並列に接続させてもよい。これにより、複数の反応容器２１３にそれぞれ水を導入して、水素を生成することができる。また、図８（ｂ）に示すように、２つの反応容器２１３を結合プラグ１３０で直列に接続させてもよい。これにより、最初の反応容器２１３ａで金属と反応しきれなかった水が、後段の反応容器２１３ｂで金属と反応して水素を生成することができる。このように、複数の反応容器を並列又は直列に接続することで、水素の生成量を増加させたり、単位時間当たりの水素生成量、すなわち水素生成速度を増加させることができる。これらの反応容器の接続方式は、水素発生装置の用途に応じて選択することができる。
【００４６】
図９〜図１１は、本発明に係る反応容器の内部構造の一実施の形態を簡略的に示す断面図である。図９（ａ）に示すように、反応容器２２１の一面に導入プラグ１２０と戻りプラグ１４０とが設けられている。反応容器２２１内は、導入プラグ１２０の設置されている層と、戻りプラグ１４０の設置されている層との２層になるように、セパレータ２３２によって仕切られている。各層には金属が充填されている。セパレータ２３２には、プラグの設置位置から離れた位置に、水が通過可能なガス通過孔２３４が設けられている。
【００４７】
このような構成によれば、導入プラグ１２０から導入された水は、セパレータ２３２の左側の層で水蒸気となり、金属と反応して水素を生成する。そして、水素と未反応の水蒸気は、通過孔２３４を通ってセパレータ２３２の右側の層へ移動する。そして、未反応の水蒸気は、さらに金属と反応して水素を生成する。生成された水素と未反応の水蒸気は、戻りプラグ１４０から排出される。このように、導入プラグ１２０と戻りプラグ１４０との間にセパレータ２３２を設け、セパレータ２３２のプラグから離れた位置に通過孔２３４を設けることで、反応容器２２１内に導入された水蒸気を、反応容器２２１内の金属と十分に反応させることができ、反応効率を向上させることが可能となる。
【００４８】
また、図９（ｂ）に示すように、導入プラグ１２２が設置された面の反対側の面付近まで、導入プラグ１２２を延長させることもできる。このような構成によっても、導入プラグ１２２により導入された水を、反応容器２２２内の金属と十分に反応させることができる。なお、図９（ｃ）に示すように戻りプラグ１４２を延長させる構成にすることでも、同様の効果を得ることができる。また、反応容器２２４から金属が飛散するのを防止するため、図９（ｄ）に示すように、導入プラグ１２０及び戻りプラグ１４０の管口付近に、水及び水素を通過させるが、金属を通過させないフィルタ２３６をそれぞれ設けることもできる。
【００４９】
一方、図１０（ｅ）に示すように、導入プラグ１２０と戻りプラグ１４０とを相対する面に設けることでも、導入された水と反応容器内の金属とを十分に反応させることができる。さらに、図１０（ｆ）及び図１０（ｇ）に示すように、一端が容器内の内壁に接したセパレータ２３２を交互に複数設けることもできる。このような構成によれば、水の流路が更に延長されるので、より反応効率を向上されることができる。また、反応容器２２８から金属が飛散するのを防止するため、図１０（ｈ）に示すように、戻りプラグ１４０の管口付近にフィルタ２３６を設けることができる。反応容器２２８は、水を導入する圧力がかかるため、戻りプラグ１４０側のみにフィルタ２３６を設けることで、実質的に金属の飛散を防止することが可能である。
【００５０】
さらに、図１１（ｉ）に示すように、反応容器２２９内の導入プラグ１２０の管口付近に、気化部２３８を設けることができる。気化部２３８は、フィルタ２３６により、金属の充填されている層と区分されている。気化部２３８には、導入された水を効率良く気化及び分散するため、セラミックボールや、ガラスウール、シリカウールなどが充填されている。このような気化部２３８を設けることで、反応容器２２９内に導入された水のほぼ全量をすぐに水蒸気化することができる。一旦、水蒸気化させた後に金属と反応させることで、反応効率をさらに向上させることができる。
【００５１】
（その他の実施の形態）
本発明に係る水素発生装置を、図１に示す実施の形態を用いて説明したが、本発明はこの実施の形態に限られるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内における修飾・変更・付加は全て本発明に含まれる。例えば、水素発生装置本体は、上記構成の他、必要により、タンク１０を加熱するための温度調整手段、水１８を反応容器２０に供給する前に水蒸気化するための気化手段、反応容器に還元ガスを導入するための還元ガス供給管、還元ガス供給管と戻り管との間で熱交換を行うための熱交換器、還元ガス供給管とタンクと間で熱交換を行うための熱交換器などを設けることができる（ここに引用することで本明細書の一部をなすものとする特願２００２−２２７０３３号に記載の水素発生装置の構成は、本発明に係る水素発生装置本体に用いることができる）。
【００５２】
【発明の効果】
上記したところから明らかなように、本発明によれば、一酸化炭素や二酸化炭素を副生せずに水素を生成することができ、かつ水素とともに燃料電池が必要とする水を同時に供給することができる水素発生装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る水素発生装置の概要を示す模式図である。
【図２】本発明に係る水素発生装置の一実施の形態を示す模式図であって、（ａ）は蓋部が閉じた状態を示す斜視図、（ｂ）は（ａ）の蓋部が開いた状態を示す斜視図、（ｃ）は（ａ）のＡ−Ａ線での断面図である。
【図３】本発明に係る水素発生装置の他の実施の形態を示す模式図であって、（ａ）はその斜視図、（ｂ）は反応容器と加熱手段の断面図である。
【図４】本発明に係る水素発生装置の他の実施の形態を示す模式図であって、（ａ）は反応容器の斜視図、（ｂ）はその反応容器と加熱手段の断面図である。
【図５】本発明に係る水素発生装置の他の実施の形態を示す模式図であって、（ａ）は反応容器の斜視図、（ｂ）はその反応容器と加熱手段の断面図である。
【図６】本発明に係る水素発生装置の他の実施の形態を示す模式図であって、反応容器と可動式の加熱手段を示す断面図である。
【図７】本発明に係る反応容器の一実施の形態を示す概略的な斜視図である。
【図８】本発明に係る反応容器の接続方式の一実施の形態を示す概略的な斜視図である。
【図９】本発明に係る反応容器の内部構造の一実施の形態を示す概略的な断面図である。
【図１０】本発明に係る反応容器の内部構造の一実施の形態を示す概略的な断面図である。
【図１１】本発明に係る反応容器の内部構造の一実施の形態を示す概略的な断面図である。
【符号の説明】
１０タンク
１１ポンプ
１２導入管
１４戻り管
１３、１５バルブ
１６排出管
１８水
２０反応容器
３０、３２加熱手段
１００水素発生装置本体
１２０導入プラグ
１２２導入管
１３０結合プラグ
１４０戻りプラグ
１４２戻り管
２００〜２２９反応容器
２３２セパレータ
２３４ガス通過孔
２３６フィルタ
２３８気化部
３００蓋部
３０１〜３０５加熱手段
３２０底部
３２１〜３２５加熱手段
３４０水素発生装置本体
３４２開口部
３４４バネ
３４６可動スイッチ部
３４８突起部
３５２収納部

Claims

水を収納するためのタンクと、水との化学反応により水素を生成する金属を収納する反応容器と、該反応容器を収納するための収納部と、該収納部に接して設けられ、前記反応容器を加熱するための加熱手段と、前記タンクから前記収納部に収納された反応容器に水を供給する導入管と、前記反応容器内で生成した水素及び未反応の水を前記タンク内に導入するための戻り管と、該タンク内の水素及び水を排出するための前記タンクから延びる排出管とを含んでなり、前記反応容器が前記収納部に対して着脱可能であることを特徴とする水素発生装置。
前記金属が鉄、インジウム、スズ、マグネシウム、セリウムのいずれか１つ又はその酸化物であることを特徴とする請求項１に記載の水素発生装置。
前記金属が、鉄又鉄の酸化物に、チタン、ジルコニウム、バナジウム、ニオブ、クロム、モリブデン、アルミニウム、ガリウム、マグネシウム、スカンジウム、ニッケル及び銅からなる第１群と、ロジウム、イリジウム、プラチナ、ルテニウム、パラジウム及びオスミウムからなる第２群のうち、第１群と第２群とを合わせてそこからから選んだ１種の金属又は各群からそれぞれ少なくとも一つずつ選んだ計少なくとも２種の金属を添加したものであることを特徴とする請求項１に記載の水素発生装置。
前記収納部には蓋部があって、該蓋部が前記収納部とヒンジ部を介して回転可能に結合していることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の水素発生装置。
前記蓋部の内側にも前記加熱手段が設けられていることを特徴とする請求項４に記載の水素発生装置。
前記収納部には前記反応容器を出し入れするための開口部があって、前記収納部の断面積が該開口部側からその反対側にかけて狭くなっていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の水素発生装置。
前記収納部には前記反応容器を出し入れするための開口部があって、前記加熱手段が、前記収納部に収納された反応容器に接触又は非接触を選択できるように可動することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の水素発生装置。
前記収納部が複数の反応容器を収納するように設けられており、該複数の反応容器は直列または並列に接続することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の水素発生装置。
前記反応容器内には、金属を仕切るためのセパレータが設けられていることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の水素発生装置。
前記反応容器内には、水及び水素は通過するが、収納されている金属は通過しないフィルタが設けられていることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の水素発生装置。
前記反応容器内には、導入される水を気化するための気化部が設けられていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の水素発生装置。