JP4727909B2

JP4727909B2 - 燃料ガス生成装置及び燃料電池

Info

Publication number: JP4727909B2
Application number: JP2003119451A
Authority: JP
Inventors: 恒昭玉地; 文晴岩崎; 孝史皿田; 考応柳瀬; 一吉古田
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2003-04-24
Filing date: 2003-04-24
Publication date: 2011-07-20
Anticipated expiration: 2023-04-24
Also published as: JP2004327199A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池等の水素利用機器に供給するための水素を発生する装置に関する。特に、小型携帯機器に搭載するＮａＢＨ_４等のケミカルハライドを原料として、固体高分子型燃料電池向けに水素供給を行なう燃料ガス生成装置、及びこの水素を用いて発電する燃料電池に関する。
【０００２】
【従来技術】
水素利用機器とは燃料電池等を代表として挙げる事ができる。ここで、燃料電池は、電解質として用いる材質で区分されており、その材質の特徴から固体高分子電解型燃料電池（ＰＥＦＣ）、リン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）、アルカリ水溶液型燃料電池（ＡＦＣ）等の名称で呼ばれている。
【０００３】
ここ近年、ＰＥＦＣが一般家庭、自動車（ＦＣＶ）、ノート型パソコンや携帯電話に至るあらゆる分野のアプリケーション向けの電源として実用化できるレベルまで可能性が見えてきている。
【０００４】
ＰＥＦＣを例に水素利用機器の水素の利用法を説明する。アノードにおいて供給された水素は白金又は白金合金を担持した活性炭触媒上でプロトンとなり電子を放出し、生成したプロトンは固体高分子膜中を移動する。一方のカソードにおいて、酸化剤として機能する酸素は白金又は白金合金を担持した活性炭触媒上で電子を授受しながらアニオン種を生成し、固体高分子電解質膜（ＰＥＭ）を通過したプロトンと反応し、水を生成する。この時、反応に用いる水素を供給する方法は下記に列挙した方法が検討されてきた。
【０００５】
〔１〕触媒を介して水素を取り出す方法
（１）プロパン等の液化石油ガス、（２）メタン等の天然ガス、（３）ガソリンや軽油等の炭化水素、（４）メタノール等のアルコール類、（５）ジメチルエーテル等のエーテル類、（６）汚泥や家畜等を由来とするバイオガス以上の（１）〜（５）の物質類に触媒等を介して水素を取りだし供給する方法、
〔２〕水素を直接用いる方法
（１）水素を液化しタンクに充填し供給する方法、（２）水素を圧縮しタンクに充填し供給する方法、（３）水素吸蔵合金等に充填し供給する方法、
〔３〕電気分解により水素を取り出し供給する方法
電解工業の複生成した水素を用いる方法、（２）太陽電池等の電力を利用し水を電気分解して水素を得る方法、
上記の方法により水素が供給され、燃料電池等の機器に利用されている。
【０００６】
しかしながら、上述した水素供給装置を用いる場合、システムとして大型で煩雑となり易く、小型の携帯機器に用いる場合には小型化する必要があった。そのため、ＮａＢＨ_４等のケミカルハライドを原料とした水素発生システムが検討されている。ケミカルハライドを水素発生源とする技術は古くから検討されているが例えば、非特許文献１参照、近年にも、潜水機に応用した事例（例えば、特許文献１参照）や自動車に応用した構成（例えば、特許文献２参照）が提案されている。
【０００７】
【非特許文献１】
オスター（Oster, E, A）「Cation-exchange-membrane fuel cells」proceeding annual Power Sources conference (1960)ｐ．５９−６２
【０００８】
【特許文献１】
特開２００２−１８７５９５号公報
【０００９】
【特許文献２】
特開２００２−１３７９０３号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
電気を発生する発電素子は近年の性能向上により携帯機器を稼動するに十分な性能に達しているが、水素を供給する部分のエネルギー密度が十分ではない。特に、携帯電話やノート型パソコン等の小型携帯機器に燃料電池を用いる場合、エネルギー密度の高い燃料から簡便に水素を取り出し、発電部に供給する必要がある。そのため、携帯機器分野において、水素供給部はコンパクトでかつ燃料の交換が簡便に行なえる水素燃料システムを提供することが必要である。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明の燃料ガス生成装置は、第１の水素発生予備物質と水素発生を促進する物質が同一容器内で隔壁により隔てられている構成とした。これにより、水素発生物質と第２の水素発生予備物質を同一容器内に封じ込め、使用直前まで隔壁によって分轄した状態で保管できる。燃料ガスを必要とするときに隔壁を破り、水素発生物質と第２の水素発生予備物質を接触させ、両物質が混和することによって水素が生成する。生成した水素のガス圧によって水素を連続して供給し続けることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の燃料ガス生成装置を図に基づいて説明する。
【００１３】
（燃料ガス生成装置の概要）
図１に燃料ガス生成装置のシステムの概念図を示す。水素発生部で得られた水素は一時貯蔵部を介して、バルブにより堰き止められる。バルブは発電制御部の信号に基づいて開閉する。バルブが開閉されることで水素ガスが発電部に流れ、発電を行なう。発電によって生じた反応生成物は一時貯蔵部に蓄えられる。この時、発電によって生じた電力は発電制御部から出力される。
【００１４】
（水素発生部）
図２に水素発生部を表す。外装容器１００は水素発生部の本体である。外装容器１００の形状は矩形又は筒状であり、その一部が湾曲していてもかまわない。
材質は引っ張り破断強度特性で１４０ｋｇ／ｃｍ^２以上を有る材質を用いる。
特に、熱可塑性の高分子材料が好ましく、伸縮性に優れている必要があり、破断伸び特性は５％以上、特に２００％以上を有することが望ましい。これを満たす材料には、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン等があるが、これに限定されるものではない。気液分離フィルター２００は、内容物に含まれる液体及び固体と反応によって生じた水素を分離する機能を有しており、微孔性の多孔質の材料、不織布又は繊維の積層物を用いることができる。気液を分離するためには通気度として２０００〜３００００ガーレの物性を有することが好ましい。また、この気液分離フィルターは内容物に対して化学的安定性を有している必要がある。表面を撥水処理してもよい。本特性を有する材料として、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリフェニレンスルフィド、ポリテトラフルオ
ロエチレン等の高分子材料、紙に代表されるセルロール、ガラスやチタン酸カルシウムの無機繊維質、金属や炭素の繊維等を単体又は組み合わせて用いることができる。気液分離フィルターを押さえるパッキン３００は、その材質や形状に限定されるものではない。第１の水素発生予備物質と第２の水素発生予備物質は隔壁５００によって隔てられる。以降は、隔壁５００の内側に第１の水素発生予備物質６００を配し、隔壁５００の外側に第２の水素発生予備物質４００を配した構成を例に説明するが、第１の水素発生予備物質と第２の水素発生予備物質をこれとは逆の配置にして、隔壁５００の内側に第２の水素発生予備物質を、外側に第１の水素発生予備物質を配置してもかまわない。本発明で用いられる第１の水素発生予備物質と発生を促進する物質の組み合わせの例を次に列挙すると、（水酸化ナトリウム、金属アルミニウム）、（水素化ホウ素ナトリウム、水）、（水素化ホウ素ナトリウム、硫酸）、（水素化ホウ素ナトリウム、リンゴ酸）、（水素化ホウ素ナトリウム、クエン酸）、（水素化ホウ素ナトリウム、シュウ酸）、（水素化ホウ素ナトリウム、こはく酸）、（水素化ホウ素ナトリウム、塩化コバルト）、（水素化ホウ素ナトリウム、塩化ニッケル）、（水素化ホウ素ナトリウム、金属コバルト粉末）、（水素化ホウ素ナトリウム、ニッケル粉末）、（水素化ホウ素ナトリウム、ホウ酸）、（水素化リチウム、水）、（水素化ナトリウム、水）、（水素化マグネシウム，水）、（水素化カルシウム、水）、（水素化アルミリチウム、水）が挙げられる。この様に水素発生物質として水素化ホウ素ナトリウムを用いる場合、水以外に、各種無機酸、有機酸、遷移金属の塩化物等を用いることができる。水素発生部の外装容器の端部７００は、この水素発生容器を上述した水素の一時貯蔵部に接続または脱着する際に、容器をつまめるように形成されている。
【００１５】
図３は図２で示した水素発生部のＡ−Ｂ面における断面を模式的に表したものである。断面の形状は、矩形、円形のいずれも可能であるが、後述する理由により特に円形であることが望ましい。図から明らかなように、第１の水素発生予備物質６００と第２の水素発生予備物質４００が隔壁５００によって隔てられている。図４は図２で示した水素発生部のＣ−Ｄ面における断面を模式的に表したものである。
容器の底面に対して垂直方向に矩形の取手状の突起１００を有し、その突起１００は容器の出し入れや回転等によりホルダー固定する際に用いることができる。
【００１６】
（水素発生機構）
図５に水素発生部の水素発生機構について挿絵を示す。本発明の水素発生部は上述した様に、第１の水素発生予備物質と第２の水素発生予備物質は隔壁によって隔てられており、保管時は両者が混合することはない。しかし、図５に示す様に発生部の両端部を押さえ、図２で示すＡ−Ｂ面に屈曲することによって、引張強度の弱い内包する容器または隔壁が破れ、第１の水素発生予備物質と第２の水素発生予備物質が混和する。図５に示す様に容器の端部に加えた応力を戻し、水素貯蔵機能を有する装置本体に接続して用いる。
【００１７】
（水素発生部と機器の接続）
本発明の水素一時貯蔵部、発電制御部、発電部、および反応生成物一時貯蔵部は電源を使用する機器に内蔵していることが望ましい。図６に携帯電話を例に水素発生部と水素貯蔵部の接続例を示す。水素発生部は発生処理を施した後、携帯電話の側面に差し込む、筒の軸方向に回転させることで機器本体に予め設けられた爪に引っ掛けることで固定する。
【００１８】
（発電部）
発電部は固体高分子型燃料電池を用いる。以下に、本発明で用いた固体高分子型燃料電池について記述するが、それに限定されるものではない。固体高分子膜（ＰＥＭ）を挟持するカソードおよびアノードは白金を担持した活性炭を含む触媒層にガス拡散が可能な炭素材料を接触させることで構成され、電気的接触を保つように適度に加圧しながら集電体を固定する。カソードには本発明で生成した水素を供給し、カソードには大気を自己拡散により供給した。発電によって得られた電力は集電体により得られた電力を発電制御部に供給する。
【００１９】
（発電制御）
図１の発電制御部は水素一時貯蔵部の温度、圧力のいずれかの信号をフィードバックしてバルブの開閉を調節することにより発電を制御することができる。また、水素貯蔵部に水素吸蔵合金を用いることで水素を一時的に貯蔵することができ、発電部において化学量論的に水素が不足した場合に供給することも可能である。
【００２０】
【実施例】
以下、本発明の実施例を詳細に説明する。
【００２１】
（実施例１）
本実施例では、図２で示した外装容器１００は外径８ｍｍ、肉厚１ｍｍ、長さ２０ｍｍである。材質はポリエチレン製で、破断伸び３１０％、引張強度４００ｋｇ／ｃｍ^２である。隔壁５００は外径４ｍｍ、肉厚約０．５ｍｍ、長さ１０ｍｍである。隔壁５００の材質はガラス製である。ガラスは破断伸び４％未満で、引張強度５００ｋｇ／ｃｍ^２である。ガラスには径方向に筋を入れる加工を施し、折れやすくした。ガラスは市販の筒状のガラスを用い、その片方を封止し、内容物を詰めた後、他方を融解し封止した。ガラスの外側表面にフッ素系の撥水剤を塗布した。第２の水素発生予備物質４００として、具体的には水酸化ナトリウムの２０ｗｔ％溶液を２ｍｌ用いた。図１の第１の水素発生予備物質６００として金属アルミニウムの顆粒〜粉末を２ｇ用いた。アルミニウムの粉末は３００μｍ〜約３μｍの粒径をもつ混合状態であった。図１の気液分離膜２００には市販のＰＴＦＥ製のメンブレンフィルターを用いた。孔径は０．２マイクロメートル、厚さ８０ミクロン空隙度８０％、これを４枚重ねた。図１のパッキン３００は市販のシリコンゴムを用い、厚さ２ｍｍをドーナツ上に加工してパッキンとした。図１のタブ７００は上述の内容物を容器１００に詰めた後、熱融着して封止した際に成形した。
【００２２】
ここで、第１の水素発生予備物質と発生を促進する物質との組み合わせに関する実施例を以下の表１に、水素発生チューブに関する実施例を以下の表２に一覧する。
【００２３】
【表１】

【００２４】
【表２】

（実施例２）
実施例１の第１の水素発生予備物質に水素化ホウ素ナトリウムの粉末２ｇを用い、水素発生を促進する物質として２０ｗｔ％の希硫酸２ｍｌを用いた以外は全て同様に作製した。
【００２５】
（実施例３）
実施例２の第１の水素発生予備物質に水素化ホウ素ナトリウムの粉末２ｇを用い、水素発生を促進する物質として２０ｗｔ％のリンゴ酸水溶液２ｍｌを用いた以外は全て同様に作製した。
【００２６】
（実施例４）
実施例２の第１の水素発生予備物質に水素化ホウ素ナトリウムの粉末２ｇを用い、水素発生を促進する物質として２０ｗｔ％のクエン酸水溶液２ｍｌを用いた以外は全て同様に作製した。
【００２７】
（実施例５）
実施例２の第１の水素発生予備物質に水素化ホウ素ナトリウムの粉末２ｇを用い、水素発生を促進する物質として２０ｗｔ％のこはく酸水溶液２ｍｌを用いた以外は全て同様に作製した。
【００２８】
（実施例６）
実施例２の第１の水素発生予備物質に水素化ホウ素ナトリウムの粉末１０ｗｔ％を溶解した塩基性水溶液を２ｍｌ用い、第２の水素発生予備物質として試薬の塩化コバルト０．５ｇを用いた以外は全て同様に作製した。
【００２９】
（実施例７）
実施例６の第１の水素発生予備物質に水素化ホウ素ナトリウムの粉末１０ｗｔ％を溶解した塩基性水溶液を２ｍｌ用い、第２の水素発生予備物質として試薬の塩化ニッケル０．５ｇを用いた以外は全て同様に作製した。
【００３０】
（実施例８）
実施例６の第１の水素発生予備物質に水素化ホウ素ナトリウムの粉末１０ｗｔ％を溶解した塩基性水溶液を２ｍｌ用い、第２の水素発生予備物質として試薬の金属コバルト粉末０．５ｇを用いた以外は全て同様に作製した。
【００３１】
（実施例９）
実施例６の第１の水素発生予備物質に水素化ホウ素ナトリウムの粉末１０ｗｔ％を溶解した塩基性水溶液を２ｍｌ用い、第２の水素発生予備物質として試薬の金属ニッケル粉末０．５ｇを用いた以外は全て同様に作製した。
【００３２】
（実施例１０）
実施例６の第１の水素発生予備物質に水素化ホウ素ナトリウムの粉末１０ｗｔ％を溶解した塩基性水溶液を２ｍｌ用い、第２の水素発生予備物質として試薬のホウ素粉末０．５ｇを用いた以外は全て同様に作製した。
【００３３】
（実施例１１）
実施例６の第１の水素発生予備物質に水素化リチウムの粉末２ｇを用い、水素発生を促進する物質として水２ｍｌを用いた以外は全て同様に作製した。
【００３４】
（実施例１２）
実施例６の第１の水素発生予備物質に水素化ナトリウムの粉末２ｇを用い、水素発生を促進する物質として水２ｍｌを用いた以外は全て同様に作製した。
【００３５】
（実施例１３）
実施例６の第１の水素発生予備物質に水素化マグネシウムの粉末２ｇを用い、水素発生を促進する物質として水２ｍｌを用いた以外は全て同様に作製した。
【００３６】
（実施例１４）
実施例６の第１の水素発生予備物質に水素化カルシウムの粉末２ｇを用い、水素発生を促進する物質として水２ｍｌを用いた以外は全て同様に作製した。
【００３７】
（実施例１５）
実施例６の第１の水素発生予備物質に水素化アルミリチウムの粉末２ｇを用い、水素発生を促進する物質として水２ｍｌを用いた以外は全て同様に作製した。
【００３８】
（実施例１６）
実施例１の外装容器の材質として破断伸びが２２０％を超える市販のプロピレンを加工し用いた以外は、実施例１と同様に作製した。
【００３９】
（実施例１７）
実施例１の外装容器の材質として破断伸びが１４０％を超える市販のフッ素系樹脂（ＰＴＦＥ）を加工し用いた以外同様に作製した。
【００４０】
（実施例１８）
実施例１の外装容器の材質として破断伸びが３３０％を超える市販の低分子ポリエチレンを加工し用いた以外同様に作製した。
【００４１】
（実施例１９）
実施例１の隔壁の材質として破断伸びが４．２％程度の液晶高分子（ＬＣＰ）を加工して用いた以外同様に作製した。
【００４２】
（実施例２０）
実施例１の隔壁の材質として破断伸びが５％未満のメタクリル酸メチルを加工し用いた以外同様に作製した。
【００４３】
（実施例２１）
実施例１の隔壁の材質として破断伸びが４％程度のポリブチレンテレフタレートを加工し用いた以外同様に作製した。
【００４４】
（実施例２２）
実施例１の隔壁の材質として破断伸びが５０％程度のポリアセタールを加工し用いた以外同様に作製した。
【００４５】
（実施例２３）
実施例１の隔壁の材質として破断伸びが９０％程度のポリカーボネートを加工し用いた以外同様に作製した。
【００４６】
（実施例２４）
実施例１の隔壁の材質として破断伸びが２．５％程度のポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳＳ）を加工し用いた以外同様に作製した。
【００４７】
（実施例２５）
実施例１の隔壁の材質として破断伸びが４％程度のポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）を加工し用いた以外同様に作製した。
【００４８】
（比較例１）
実施例１の外装容器の材質として破断伸びが４％未満のガラスを用い、隔壁として破断伸び３１０％を有するポリエチレンを加工して用いた以外は同様に作製した。
【００４９】
（比較例２）
実施例１の外装容器の材質として破断伸びが４％未満のガラスを用い、隔壁として破断伸びが５％未満のメタクリル酸メチルを加工し用いた以外同様に作製した。
【００５０】
（比較例３）
実施例１の外装容器と隔壁のどちらの材質にもとして破断伸び３１０％を有するポリエチレンを加工し用いた以外同様に作製した。
【００５１】
（発明の評価）
上述するように成形した容器は手で折り曲げ、内包する隔壁が折れ、曲がりに気体の発生を本発明においては、水素発生部の性能は発電部を屈曲した後、水素発生の有無をガラス管フロート式型流量計により確認した。各実施例について水素の発生に関して評価した結果を表３、表４に記載する。
【００５２】
【表３】

【００５３】
【表４】

これより、表３に記載する第１の水素発生予備物質と第２の水素発生予備物質のいずれにおいても水素を効率よく取り出すことが可能であった。また、表４に記載する外装容器と隔壁の組み合わせおいて水素を効率よく取り出すことが可能であった。
システムは発電部の電圧を北斗電工製ＨＪ２０１Ｂ充放電装置とその記録計にて計測することで検証した。その結果本発明の発電部において開路電圧で約０．９７Ｖの電圧を得た。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料ガス生成システムの概念図
【図２】水素発生部
【図３】水素発生部のＡ−Ｂ面における断面
【図４】水素発生部のＣ−Ｄ面における断面
【図５】水素発生部の水素発生機構の説明図
【図６】携帯電話を例にした水素発生部と水素貯蔵部の接続
【符号の説明】
１００外装容器
２００気液分離フィルター
３００気液分離フィルターを押さえるパッキン
４００第２の水素発生予備物質
５００隔壁
６００第１の水素発生予備物質

Claims

第１の水素発生予備物質と第２の水素発生予備物質が混和することにより、水素を発生する燃料ガス生成装置であって、
前記第１の水素発生予備物質と、前記第２の水素発生予備物質と、前記第１の水素発生予備物質と前記第２の水素発生予備物質とを内包する容器と、を具備し、
前記容器は外装容器とこれに収まる内装容器とを備える二重構造を有するとともに、前記外装容器には前記第１の水素発生予備物質と前記第２の水素発生予備物質のいずれか一方が内包され、前記内装容器には他方が内包され、
前記外装容器の一部に気液分離膜を備え、
前記容器を一定変形させた際に前記内装容器を破断させ、前記第１の水素発生予備物質と前記第２の水素発生予備物質を混和させることを特徴とする燃料ガス生成装置。
前記内装容器は、前記外装容器に比べ、前記一定変形させた際の伸びが小さいことを特徴とする請求項１に記載の燃料ガス生成装置。
前記外装容器は伸びが５％以上の材料で構成され、前記内装容器は破断伸びが５％未満の材料で構成されることを特徴とする請求項２に記載の燃料ガス生成装置。
前記気液分離膜は、２０００〜３００００ガーレ値を有することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の燃料ガス生成装置。
前記第１の水素発生予備物質が硼素の化合物であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の燃料ガス生成装置。
前記第２の水素発生予備物質が周期律表の１Ａ族、２Ａ族、３Ｂ族のいずれかに属する金属であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の燃料ガス生成装置。
前記第２の水素発生予備物質が周期律表の８Ａ族の金属塩化物であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の燃料ガス生成装置。
請求項１から請求項７のいずれかに記載の燃料ガス生成装置を備えることを特徴とする燃料電池。