JP4324420B2 - 燃料電池用水素発生カートリッジ - Google Patents
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Description
【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燃料電池用水素発生カートリッジに関する。さらに詳しくは、本発明は、化学反応により水素を生成する燃料電池用水素発生カートリッジに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来から、環境負荷を低減する技術として、燃料電池で発電される電気を動力源とする発電システムの開発が進められている。燃料電池は、貯蔵タンクやガス発生手段から供給される水素と酸素を電気化学反応させて電気を発生させる装置である。
ガス発生手段としては、二液を混合し、化学反応によりガスを発生させる燃料電池用カートリッジが考えられる。例えば、図4(A)は、第1室3の第1の液体原料6と第2室2の液体原料5とを化学反応させて水素を生成し、水素の排出口16から燃料電池に水素を供給する燃料電池用水素発生カートリッジ1である。具体的には、連結パイプ10を介して、第1の液体原料6を第2室2に供給し、第2の液体原料5と化学反応させて、水素を生成させる。この化学反応が進行すると図4(B)に示すように、第2室2には化学反応後の液7が貯蔵されるので、第2室2の液量は増加し、第1室3の液量は減少する。したがって、第2室2は液量の増加分の容積を確保する必要があり、燃料電池用水素発生カートリッジを小型化することができない。なお、図4において15は空気抜き孔を示す。
【0003】
また、水素ガス発生手段としては、微生物の生体反応を利用した装置も提案されている(例えば、特許文献1、2参照)。これらの装置では、例えば、含酸素炭化水素化合物水溶液とそれを資源として水素を生成する微生物を含む水溶液とを二室に収容し、これらの生体反応により水素ガスを得ている。
【0004】
【特許文献1】
特開2003−123821号公報
【特許文献2】
特開2002−272491号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、小型の燃料電池用水素発生カートリッジを提供することを課題とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
かくして、本発明によれば、カートリッジが第1室と第2室からなり、第1室には金属水素錯体のアルカリ溶液である第1の液体原料、第2室には第1の液体原料と反応して水素を発生さす酸水溶液である第2の液体原料がそれぞれ収容され、第2室が陰圧状態にされたとき、第1の液体原料を第2室に移送できるようにするための第1室と第2室を連結する連結パイプと、第2室が所定量以上の液体量になったとき、過剰の液体を第1室に戻すための第1室と第2室を連結する移送パイプとを備え、さらに第2室には発生した水素の排出口を有し、第1室には前記連結パイプと結合され、第1の液体原料を収容するための収縮構造を有する伸縮自在な袋体を有し、前記移送パイプは、その第1室との連結部から第2室の内部に向かい、その先端が第2室に所定量の液体を収容したときの液面の高さになるように突出して設けられ、かつ移送パイプと第1室との連結部または移送パイプの内部に逆止弁を有することを特徴とする燃料電池用水素発生カートリッジ(以下、「カートリッジ」と略称する)が提供される。
【0007】
【発明の実施の形態】
本発明のカートリッジは、連結手段を介して、第1室に設けた伸縮自在な袋体に収容した第1の液体原料を第2の液体原料を収容する第2室に移送し、両者の化学反応により水素を発生させ、移送手段を介して、化学反応後の液を含む過剰の液体を第2室から第1室に戻し入れるので、カートリッジの内容積を有効に利用でき、カートリッジを小型化できる。
【0008】
本発明のカートリッジを、図面を用いて具体的に説明するが、本発明はこれらにより限定されるものではない。
図1は、本発明のカートリッジと燃料電池の接続形態を示す概略断面図であり、(A)は化学反応の開始前の状態、(B)は化学反応の終了前の状態を示す。このカートリッジ1は、第1室3と第2室2からなり、第1室3には、伸縮自在な袋体4が設けられ、その内部に第1の液体原料6が収容され、第2室2には、第2の液体原料5が収容されている。第1室3と第2室2との間には、第1の液体原料6を第1室3の伸縮自在な袋体4から第2室2に移送する連結手段(連結パイプ、原料送入路)10と、化学反応後の液を含む過剰の液体を第2室から第1室に移送する移送手段(移送パイプ)14が設けられている。第1の液体原料6と第2の液体原料5との化学反応により発生した水素は、水素の排出口16から排出される。水素の排出口16は、ポンプ11を介して燃料電池12に接続されている。図中、13は、燃料電池12の作動開始時に経路内の空気をパージするためのパージ栓を示す。なお、図1では、燃料電池12の周辺機器を図示していない。
【0009】
移送パイプ14は、化学反応後の液7を含む過剰の液体を第2室から第1室に戻し入れる。
移送パイプ14は、第1室3と第2室2を連結する移送パイプであり、かつ移送パイプは、第2室2内の第2の液体原料2の液面より上部に突出して設けられた構造を有するのが好ましい。このような構造により、化学反応後の液7を含む過剰の液体の液面が移送パイプを超えると、過剰分が第1室に戻し入れられる。
【0010】
また、移送パイプは、逆止弁9を有する。この逆止弁9は、移送パイプ14を介して、第1室3から第2室2に液体が流入するのを防止する。
【0012】
上記のカートリッジ1を構成する部材、特に第1の液体原料6、第2の液体原料5および化学反応後の液7と直接接触する部材は、それらの液体に侵されず(耐薬品性を有し)、かつカートリッジとしての機械的強度を保持し得る材料で構成される。また、それらの部材は、液体と接触する部分のみ、その液体に侵されない耐薬品性の材料で表面処理された材料で構成されていてもよい。
このような材料としては、例えば、ポリプロピレン樹脂、フッ素系樹脂、ポリアセタール樹脂などが挙げられる。
【0013】
伸縮自在な袋体4は、耐薬品性(特に、耐アルカリ性)の有機材料からなり、かつ蛇腹構造を有するのが好ましい。
耐薬品性の有機材料としては、例えば、フッソ系樹脂、ポリアセタール樹脂などが挙げられる。
伸縮自在な袋体4は蛇腹構造を有しているので、収容された第1の液体原料6が第2室2に移送されて、その液量が減少すると伸縮自在な袋体4が収縮し、第1室3に空間が形成される。そして、形成された空間に、化学反応後の液7を含む過剰の液体が第2室から戻し入れられる。本発明では、このようにして第1室3の内容積を有効に利用する。
【0014】
次に、本発明のカートリッジの動作について具体的に説明する。
(実施形態1)
図1において、(A)は化学反応の開始前の状態、(B)は化学反応の終了前の状態を示す。
ポンプ11を作動させると、カートリッジ1の第2室2が陰圧(減圧)状態になり、連結パイプ10を介して通じている第1室3の伸縮自在な袋体4が相対的に陽圧(加圧)状態になり、伸縮自在な袋体4内の第2の液体原料6が連結パイプ10を介して第2室2に移送される。第2室2では、移送された第2の液体原料6が第1の液体原料5と化学反応して水素が生成する。生成した水素は水素の排出口16から燃料電池12に供給される。
第1の液体原料5と第2の液体原料6との化学反応の液7は、第2室2に滞留するが、化学反応後の液7を含む過剰の液体の液面が移送パイプを超えると、過剰分が第1室に戻し入れられる。
このカートリッジでは、ポンプ11の吸引圧力を適宜調整することにより、第1の液体原料5の移送量、ひいては水素発生量を調整してもよい。
【0015】
第1の液体原料5と第2の液体原料6との化学反応がpHに依存する場合には、カートリッジ1にはpH調整手段を付設してもよい。
【0016】
(実施形態2)
図2は、本発明の別のカートリッジと燃料電池の接続形態を示す概略断面図である。このカートリッジは、逆止弁9を移送パイプの内部に設けたこと以外は実施形態1と同様であり、その図番は図1と同様である。
【0017】
(実施形態3)
図3は、本発明の更に別のカートリッジと燃料電池の接続形態を示す概略断面図であり、(A)は化学反応の開始前の状態、(B)は化学反応の終了前の状態を示す。このカートリッジは、伸縮自在な袋体4が、第1の液体原料が充填されたときに第1室3の全体に広がり、使用終了後は、第1室3の中央部に収縮するような伸縮自在な袋体(例えば風船)を設けたこと以外は実施形態1と同様であり、その図番は図1と同様である。
【0018】
第1の液体原料は、金属水素錯体のアルカリ溶液であり、かつ第2の液体原料は、酸水溶液であるのが好ましい。
これらの組み合わせによる水素発生の原理と利点を説明する。
金属水素錯体は水と接触すると激しく反応し水素を発生(下式(I)参照:金属水素錯体が水素化ホウ素ナトリウムの場合の反応式)するが、アルカリ性水溶液中では長期間に渡って安定性を維持する性質をもっている。しかし、酸溶液中に注入され中和されることにより安定が破られると、水との反応を開始する。したがって、液体原料をアルカリに保持することで水素を貯蔵、液体原料を酸水溶液に注入を開始することで水素を発生させることができる。また、液体原料の酸水溶液への注入速度により水素の生成速度が決定できるため、必要な時に必要な量の水素を供給できるという利点を有している。
NaBH4 + 2H2O → 4H2 + NaBO2 ・・・・・・・・(I)
【0019】
本発明において第1の液体原料として好適に用いられる金属水素錯体のアルカリ溶液の金属水素錯化合物としては、例えば、一般式(II):
MaMbH4-nRn (II)
(式中、Maはアルカリ金属であり、Mbは元素周期表の3A族の金属であり、Rは炭素数1〜20のアルキル基もしくはアルコキシ基、炭素数6〜18のアリール基もしくはアリールオキシ基または炭素数1〜20のアルカノイルオキシ基であり、nは0〜4の整数である)
で表される化合物が挙げられる。
一般式(I)において、アルカリ金属とは、例えばリチウム、ナトリウム、カリウムなどを意味し、元素周期表の3A族の金属とは、例えばホウ素、アルミニウム、ガリウムなどを意味する。
【0020】
一般式(I)で表される金属水素錯化合物としては、例えば、水素化ホウ素リチウム、水素化ホウ素ナトリウム、水素化ホウ素カリウム、水素化アルミニウムリチウム、トリメトキシ水素化ホウ素ナトリウム、トリアセトキシ水素化ホウ素ナトリウム、トリフェノキシ水素化ホウ素ナトリウム、水素化トリエチルホウ素リチウム、水素化トリ-s-ブチルホウ素リチウム、水素化トリブチルホウ素リチウム、水素化トリフェニルホウ素カリウム、水素化トリ-sec-ブチルホウ素カリウム、トリメトキシ水素化アルミニウムリチウム、モノエトキシ水素化アルミニウムリチウム、トリ-tert-ブトキシ水素化アルミニウムリチウムおよび水素化ビス(2-メトキシエトキシ)アルミニウムナトリウムなどが挙げられる。
【0021】
アルカリ溶液は、金属水素錯化合物を溶解させることができるものであればよく、金属水素錯化合物を完全に溶解させることができるものが好ましいが、金属水素錯化合物を安定に保つことができるものであれば、金属水素錯化合物を完全に溶解しないものであってもよい。アルカリ溶液としては、液状塩基性物質または非液状塩基性物質を溶液に溶解させたものが挙げられる。
【0022】
液状塩基性物質としては、トリエチルアミン、ジイソプロピルエチルアミンなどが挙げられる。非液状塩基性物質としては、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどのアルカリ金属水酸化物、炭酸水素ナトリウム、炭酸水素カリウムなどのアルカリ金属の炭酸水素塩、炭酸ナトリウム、炭酸カリウムなどのアルカリ金属の炭酸塩など、テトラメチルアンモニウムヒドロキシドおよびテトラエチルアンモニウムヒドロキシドなどの第四アルキルアンモニウム化合物などが挙げられる。
【0023】
溶液としては、水または水混和性の有機溶媒、例えば、メタノール、エタノール、エチレングリコールおよびジエチレングリコールなどアルコール、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、エチレングリコール、ジエチレングリコールならびにこれらの混合物が挙げられる。
【0024】
アルカリ溶液の濃度は、水素貯蔵時の安定性を考慮すると、3〜9モル/リットル程度である。
金属水素錯化合物のアルカリ溶液中での濃度は、生成する水素の量および発生速度に応じて、適宜調整すればよく、例えば、使用する金属水素錯化合物とアルカリ性溶液との比は、約9〜22モル:約6〜18モル、さらに約12〜19モル:約8〜15モルが適当である。
【0025】
本発明において第2の液体原料として好適に用いられる酸水溶液の酸としては、硫酸、塩酸などの無機酸、およびクエン酸、リン酸、酢酸、ギ酸、プロピオン酸などの有機酸が挙げられる。
【0026】
【発明の効果】
本発明のカートリッジは、連結手段を介して、第1室に設けた伸縮自在な袋体に収容した第1の液体原料を第2の液体原料を収容する第2室に移送し、両者の化学反応により水素を発生させ、移送手段を介して、化学反応後の液を含む過剰の液体を第2室から第1室に戻し入れるので、カートリッジの内容積を有効に利用でき、カートリッジを小型化できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の燃料電池用水素発生カートリッジと燃料電池の接続形態を示す概略断面図であり、(A)は化学反応の開始前の状態、(B)は化学反応の終了前の状態を示す(実施形態1)。
【図2】本発明の別の燃料電池用水素発生カートリッジと燃料電池の接続形態を示す概略断面図である(実施形態2)。
【図3】本発明の更に別の燃料電池用水素発生カートリッジと燃料電池の接続形態を示す概略断面図であり、(A)は化学反応の開始前の状態、(B)は化学反応の終了前の状態を示す(実施形態3)。
【図4】想定される燃料電池用水素発生カートリッジの概略断面図であり、(A)は化学反応の開始前の状態、(B)は化学反応の終了前の状態を示す。
【符号の説明】
1 燃料電池用水素発生カートリッジ
2 第2室
3 第1室
4 伸縮自在な袋体
5 第2の液体原料(酸水溶液)
6 第1の液体原料(金属水素錯体のアルカリ水溶液)
7 化学反応後の液
8、9 逆止弁
10 連結パイプ
11 ポンプ
12 燃料電池
13 パージ栓
14 移送パイプ
15 空気抜き孔
16 水素の排出口
Claims (2)
- カートリッジが第1室と第2室からなり、
第1室には金属水素錯体のアルカリ溶液である第1の液体原料、第2室には第1の液体原料と反応して水素を発生さす酸水溶液である第2の液体原料がそれぞれ収容され、
第2室が陰圧状態にされたとき、第1の液体原料を第2室に移送できるようにするための第1室と第2室を連結する連結パイプと、第2室が所定量以上の液体量になったとき、過剰の液体を第1室に戻すための第1室と第2室を連結する移送パイプとを備え、
さらに第2室には発生した水素の排出口を有し、
第1室には前記連結パイプと結合され、第1の液体原料を収容するための収縮構造を有する伸縮自在な袋体を有し、
前記移送パイプは、その第1室との連結部から第2室の内部に向かい、その先端が第2室に所定量の液体を収容したときの液面の高さになるように突出して設けられ、かつ移送パイプと第1室との連結部または移送パイプの内部に逆止弁を有する
ことを特徴とする燃料電池用水素発生カートリッジ。 - 前記伸縮自在な袋体が、第1の液体、第2の液体およびそれらの反応後の液体と接触する部分のみ、それらの液体に侵されない耐薬品性の材料で表面処理された材料で構成されるか、もしくは耐薬品性の有機材料からなる請求項1に記載の燃料電池用水素発生カートリッジ。
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