JP4191513B2

JP4191513B2 - 水素発生装置

Info

Publication number: JP4191513B2
Application number: JP2003063820A
Authority: JP
Inventors: 敏昭石野
Original assignee: Nitto Denko Corp
Current assignee: Nitto Denko Corp
Priority date: 2003-03-10
Filing date: 2003-03-10
Publication date: 2008-12-03
Anticipated expiration: 2023-03-10
Also published as: JP2004269323A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素発生装置、特に、固体高分子型燃料電池に水素燃料を供給する水素発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、燃料電池はそのエネルギー変換効率の高さ、排出物のクリーン性等から注目され多くの研究がなされている。なかでも、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）は動作温度が低く、エネルギー変換効率が高く、小型化も可能という特徴から、携帯用機器などの移動用電源としても期待されている(例えば、非特許文献１参照)。
【０００３】
【非特許文献１】
島健太郎（発行者）「燃料電池の開発と材料」シーエムシー出版、２００２年５月３１日、ｐ．１５
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、携帯用機器等に搭載されるＰＥＦＣでは、ＰＥＦＣの燃料の輸送、貯蔵が容易であることが望ましい。ＰＥＦＣの燃料として、例えば、高圧ガスボンベ等の貯蔵タンクに蓄えられた水素が使用されるが、このような場合、厳重な容器が必要とされる。メタノールを直接アノードに供給し発電する方式の直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）の開発も進められているが、メタノールが電解質膜を透過して正極側に達する一種の化学的な短絡現象が生じ、そのためエネルギー効率や正極の性能が低下するという問題がある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の水素発生装置は、内部空間に第１室と第２室とを有する容器と、前記第１室に収容された水蒸気発生源と、前記第２室に収容された水素化物とを含み、前記容器が、第１室と第２室とを仕切る隔壁と、前記隔壁に設けられ前記第１室と前記第２室とを連通する第１の開口と、前記第１の開口を覆うように配置された撥水性の第１の多孔体と、前記隔壁を除く前記第２室を囲う面に形成された第２の開口とを含むことを特徴とする。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の水素発生装置の一例を、図面を参照しながら説明する。図１に示すように、本実施の形態の水素発生装置は、内部空間に第１室２と第２室４とを有する容器１１と、第１室２に収容された水蒸気発生源１と、第２室４に収容された水素化物３とを含んでいる。容器１１は、第１室２と第２室４とを仕切る隔壁１０と、隔壁１０に設けられ第１室２と第２室４とを連通する第１の開口５と、第１の開口５を覆うように配置された撥水性の第１の多孔体８と、第１の開口５を開閉自在に覆う開閉部材６と、隔壁１０を除く第２室４を囲う面に形成された第２の開口７と、第２の開口７を覆うように配置された第２の多孔体９とを含んでいる。
【０００７】
第２室４内に収容された水素化物３は、空気中の水蒸気と反応して水素を発生する性質を有する。そのため、開閉部材６により第１室２と第２室４とが隔てられた状態では、第２室４内の雰囲気は第１室２内の雰囲気よりも乾燥している。
【０００８】
図２に示すように、開閉部材６をスライドして第１室２と第２室４とを連通させると、第１室２と第２室４との間に湿度の勾配が生じる。この勾配を打ち消すように、第１室２内の水蒸気発生源１から発生した水蒸気は、第１室２から第２室４に向う方向へと拡散する。第１の開口５を通過する水蒸気は、第１の多孔体８を透過して第２室４へ流入し、水素化物３と反応する。水素化物３が、例えば、水素化ナトリウムである場合には、水素化ナトリウムと水蒸気とが式（１）に示すように加水分解反応して水素を発生する。
【０００９】
ＮａＨ＋Ｈ₂Ｏ → ＮａＯＨ＋Ｈ₂↑ （１）
このようにして発生した水素は、第２の多孔体９を透過して、第２の開口７から本実施の形態の水素発生装置の外へ放出される。
【００１０】
水素化物３は、特に限定されないが、上記水素化ナトリウム、水素化カリウム、および水素化カルシウムからなる群から選ばれる少なくとも１種の化合物であることが好ましい。これらの水素化物３は、水蒸気と反応して水素を発生し易やすいからである。水素化物３は、平均粒子径が０．０５〜３ｍｍの粉末状であることが好ましい。水素化物３が、表面積が大きい粉末状であれば、水蒸気と水素化物３とが反応し易くなり、発生した水素の滞留も抑制されるからである。
【００１１】
水蒸気発生源１は、特に限定されず、水、種々の物質が水に溶け込んだ水溶液、種々の物質が水に分散した分散液等が挙げられる。特に、取り扱いが容易な水が好ましい。
【００１２】
第１の多孔体８は、第２室４内へ流入する水蒸気の量を制御している。第１の多孔体８の透湿度（水蒸気透過性）は、第１の開口５の大きさ（水蒸気の移動方向と直交する面の面積）等を考慮して適宜決定されるが、上記面積が１〜１００ｍｍ²である場合に、１００〜１００００ｇ／ｍ²／ｄａｙであることが望ましい。１００００ｇ／ｍ²／ｄａｙよりも高いと、水蒸気と水素化物との反応が速すぎ、１００ｇ／ｍ²／ｄａｙよりも低いと、水蒸気と水素化物との反応が遅すぎるからである。透湿度が１００〜１００００ｇ／ｍ²／ｄａｙである第１の多孔体８には、例えば、気孔率が２０〜９５％、厚みが１０〜３００μｍである膜が好適である。尚、上記透湿度は、ＪＩＳＺ０２０８に準拠して測定した値である。
【００１３】
第１の多孔体８は、撥水性を有する材料を含んでいる。多量の水蒸気発生源１と水素化物３との反応は激しく危険を伴うからである。第１の多孔体８の材料は、耐熱性を有する材料を含んでいることが好ましい。水蒸気と水素化物３とが反応すると第２室４内が局所的に高熱となるからである。水素以外の反応生成物がアルカリ性の物質である場合、第１の多孔体８は耐アルカリ性に優れた材料を含んでいることが好ましい。撥水性、耐熱性、および耐アルカリ性に優れた材料として、例えば、フッ素樹脂多孔体が好ましいが、特に、高気孔率で精度の良い多孔化が容易にできるポリテトラフルオロエチレン（以下「ＰＴＦＥ」という）多孔体を含むことが好ましい。
【００１４】
第１の多孔体８は、ＰＴＦＥ多孔体単体であってもよいが、図１および図２に示すように、ＰＴＦＥ多孔体８ａに積層された第１の通気性支持材８ｂをさらに含んでいてもよい。第１の通気性支持材８ｂは、材質、構造、形態について特に限定されないが、ＰＴＦＥ多孔体８ａより透湿度が高い材料、例えば、不織布、織布、メッシュ（網目状シート）、その他の多孔質材料を用いることが好ましい。特に、強度、柔軟性、作業性の点からは不織布が好ましい。第１の通気性支持材８ｂの材料について特に制限はなく、ポリオレフィン（ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）など）、ポリアミド、ポリエステル（ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）など）、芳香族ポリアミド、あるいはこれらの複合材などを用いることができる。
【００１５】
第１の多孔体８は、第１の開口５の第２室４側に配置されていることが好ましい。水蒸気発生源１との接触を少なくして、水蒸気発生源１による浮きや剥がれを抑制できるからである。また、第１の多孔体８の一方の面が、耐熱性、および耐アルカリ性に優れたＰＴＦＥ多孔体の一方の面から形成されており、そのＰＴＦＥ多孔体８ａ（一方の面）を第２室４側に向けて第１の多孔体８を配置することが好ましい。
【００１６】
第１の多孔体８の水蒸気発生源１と接する面には、撥水性を高めるために、撥水処理を施してもよい。撥水処理は、表面張力の小さな物質を表面に塗布し、乾燥後、キュアすることにより行うことができる。撥水剤としては、第１の多孔体８よりも低い表面張力の被膜を形成できれば特に限定されないが、パーフルオロアルキル基を有する高分子が好適である。このような高分子としては、例えば、「フロラード」（住友スリーエム製）、「スコッチガード」（住友スリーエム製）、「テックスガード」（ダイキン工業製）、「ユニダイン」（ダイキン工業製）、「アサヒガード」（旭硝子製）など（すべて商品名）を利用してもよい。撥液剤の塗布は、含浸、スプレーなどにより行えばよい。
【００１７】
第２の多孔体９は、水素化物３と水素以外の反応生成物とを第２室４内に保持するとともに、水素発生装置の外へ排出する水素の量を制御している。第２の多孔体９の通気度は、第２の開口７の大きさ（水素の移動方向と直交する面の面積）等を考慮して適宜決定されるが、例えば、上記面積が１０〜１００ｍｍ²である場合に、ＪＩＳＬ１０９６に準拠して測定された値（フラジール通気度）が１〜１００ｃｍ³／ｃｍ²・ｓｅｃであることが好ましい。
【００１８】
第２の多孔体９の材料は、第１の多孔体８の場合と同様の理由から、耐熱性、および耐アルカリ性に優れた材料を含んでいることが望ましく、フッ素樹脂多孔体、特には、ＰＴＦＥ多孔体を含んでいることが好ましい。第１の多孔体８と同様、第２の多孔体９は、ＰＴＦＥ多孔体単体であっても良いし、図１および図２に示すように、ＰＴＦＥ多孔体９ａに積層された第２の通気性支持材９ｂをさらに含んでいてもよい。第２の多孔体９の一方の面は、耐熱性、および耐アルカリ性に優れたＰＴＦＥ多孔体９ａの一方の面から形成されており、そのＰＴＦＥ多孔体９ａ（一方の面）を第２室４側に向けて第２の多孔体９を配置することが好ましい。
【００１９】
第１室２および第２室４を構成する容器の材質は、特に限定されないが、軽量で携帯性に優れた樹脂が好ましい。例えば、水素以外の反応生成物がアルカリ性物質である場合、アルカリ性物質に侵されにくいポリプロピレン等が好ましい。
【００２０】
開閉部材６は、水蒸気発生源１と水素化物３とを隔てるものであるため、透湿度が極めて低い材料から形成される必要がある。例えば、金属、ポリエステル、ポリオレフィン、フッ素樹脂等から形成されていることが好ましい。樹脂成形物の表面が金属箔によって覆われたものや、金属箔と樹脂成形物とを積層した積層体であってもよい。
【００２１】
第１室２および第２室４の容積についても特に制限はない。収容される水蒸気発生源１および水素化物３の量は、目的とする総水素発生量から決定される。
【００２２】
第１室２および第２室４を構成する容器１１の形状についても特に制限はなく、立方体、直方体、円筒体、その他異型であってもよい。
【００２３】
開閉部材６は、図１および図２に示した例では、スライドすることにより第１室２と第２室４とを連通させることができるシャッターであるが、これに制限されるものではなく、第１の開口５を開閉自在に覆うことができるものであれば、どのような形態をしていてもよい。
【００２４】
【実施例】
以下、本発明の水素発生装置の一例をさらに詳細に説明する。
【００２５】
まず、ＰＰ（日本ポリケム社製、「ノバテックＰＰ」、融点１６３℃）を用いて、図１に示す構造の容器を作製した。開閉部材６には、ポリエステル／アルミニウム／ポリエチレンからなる３層の積層物を用いた。第１室２の容積は１０ｃｍ³、第２室４の容積は８ｃｍ³、第１の開口５内の直径は５ｍｍ（面積：１９．６ｍｍ²）、第２の開口７内の直径は５ｍｍ（面積：１９．６ｍｍ²）とした。第１の開口５を覆うように第１の多孔体８を、第２の開口７を覆うように第２の多孔体９を配置した。第１の多孔体８には、透湿度が７０００ｇ／ｍ²／ｄａｙであるＰＴＦＥ多孔体（厚さ５０μｍ、気孔率８０％）を、第２の多孔体９には、通気度（フラジール通気度）が１０ｃｍ³／ｃｍ²・ｓｅｃであるＰＴＦＥ多孔体（厚さ１５μｍ、平均孔径３μｍ）を用いた。第１室２には水３０ｍＬを、第２室４には水素化カルシウム粉末（平均粒子径１ｍｍ）５０ｇを封入した。
【００２６】
開閉部材６をスライドして第１室２と第２室４とを連通させると、水から発生した水蒸気が第１の多孔体８を透過して第２室４へ流入し、水素化カルシウム粉末と反応して水素を発生した。総水素発生量は２８Ｌであった。
【００２７】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明では、小型で携帯可能であり、携帯用機器等に搭載される燃料電池の水素供給源として適した水素発生装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の水素発生装置の一例を示す断面図
【図２】図１に示した水素発生装置において、第１室と第２室とが連通した状態を説明する図
【符号の説明】
１水蒸気発生源
２第１室
３水素化物
４第２室
５第１の開口
６開閉部材
７第２の開口
８第１の多孔体
９第２の多孔体
８ａ，９ａＰＴＦＥ多孔体
８ｂ第１の通気性支持材
９ｂ第２の通気性支持材
１０隔壁
１１容器

Claims

内部空間に第１室と第２室とを有する容器と、前記第１室に収容された水蒸気発生源と、前記第２室に収容された水素化物とを含み、前記容器が、第１室と第２室とを仕切る隔壁と、前記隔壁に設けられ前記第１室と前記第２室とを連通する第１の開口と、前記第１の開口を覆うように配置された撥水性の第１の多孔体と、前記隔壁を除く前記第２室を囲う面に形成された第２の開口とを含むことを特徴とする水素発生装置。
前記容器が、前記第１の開口を開閉自在に覆う開閉部材をさらに含む請求項１に記載の水素発生装置。
前記第１の多孔体の透湿度が、１００〜１００００ｇ／ｍ²／ｄａｙである請求項１または２に記載の水素発生装置。
前記第１の多孔体が、フッ素樹脂多孔体を含む請求項１〜３のいずれかの項に記載の水素発生装置。
前記第１の多孔体が、前記フッ素樹脂多孔体に積層された第１の通気性支持材をさらに含む請求項４に記載の水素発生装置。
前記フッ素樹脂多孔体が、ポリテトラフルオロエチレン多孔体である請求項４または５に記載の水素発生装置。
前記第１の多孔体は、一方の面が前記ポリテトラフルオロエチレン多孔体であり、前記一方の面が前記第２室に向けて配置されている請求項６に記載の水素発生装置。
前記容器が、前記第２の開口を覆うように配置された第２の多孔体をさらに含む請求項１から７のいずれかの項に記載の水素発生装置。
前記第２の多孔体の、ＪＩＳＬ１０９６に準拠して測定された通気度が１〜１００ｃｍ³／ｃｍ²・ｓｅｃである請求項８に記載の水素発生装置。
前記第２の多孔体は、フッ素樹脂多孔体を含む請求項８または９に記載の水素発生装置。
前記第２の多孔体が、前記フッ素樹脂多孔体に積層された第２の通気性支持材をさらに含む請求項１０に記載の水素発生装置。
前記フッ素樹脂多孔体が、ポリテトラフルオロエチレン多孔体である請求項１０または１１に記載の水素発生装置。
前記第２の多孔体は、一方の面が前記ポリテトラフルオロエチレン多孔体であり、前記一方の面が前記第２室に向けて配置されている請求項１２に記載の水素発生装置。
前記水素化物が、水素化ナトリウム、水素化カリウムおよび水素化カルシウムからなる群から選ばれる少なくとも１種の化合物である請求項１〜１３のいずれかの項に記載の水素発生装置。
前記水素化物は、平均粒子径が０．０５〜３ｍｍの粉末状である請求項１〜１４のいずれかの項に記載の水素発生装置。