JP4785891B2 - 水素発生装置及び燃料電池発電システム - Google Patents

Description

本発明は水素発生装置及び燃料電池発電システムに関する。

燃料電池とは、水素、ＬＮＧ、ＬＰＧ及びメタノールなどの燃料と、空気との化学エネルギーを、電気化学的反応により電気及び熱に直接変換させる装置である。既存の発電技術が燃料の燃焼、蒸気発生、タービン駆動及び発電機駆動の工程を採用するのとは異なり、燃料電池は燃焼工程や駆動装置を必要としないため、効率が高いだけでなく環境問題を誘発しない新概念の発電技術である。

図１は、燃料電池の作動原理を示す図面である。

図１において、燃料電池１００の燃料極１１０はカソードであり、空気極１３０はアノードである。燃料極１１０では水素イオン（Ｈ^＋）と電子（ｅ⁻）とに分解される水素（Ｈ_２）の供給を受ける。水素イオンは吸湿層１２０を経て空気極１３０に移動する。吸湿層１２０は電解質層に該当する。電子は外部回路１４０を経て電流を発生させる。そして、空気極１３０で水素イオン、電子及び空気中の酸素が結合して水になる。上述した燃料電池１００における化学反応式は、下記化学式１で表される。

［化１］
燃料極１１０：Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
空気極１３０：１/２Ｏ_２+２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ
全体反応 ：Ｈ_２＋１/２Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ

すなわち、燃料極１１０から分離された電子が外部回路を経て電流を発生させることにより電池としての機能をする。このような燃料電池１００は、ＳＯ_ＸやＮＯ_Ｘなどの大気汚染物質をほとんど排出せず、二酸化炭素の発生も少ないので、無公害発電であり、低騷音、無振動などの長所がある。

燃料極１１０から電子を発生させるために、燃料電池１００は水素を含有する一般燃料から、燃料電池１００が要求する高水素含量のガスに変化させる水素発生装置を必要とする。

燃料電池の中で、小型携帯用電子機器への適用を目的として研究中のものしては、水素を燃料に用いる高分子電解質燃料電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ、ＰＥＭＦＣ）や、直接メタノール燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ、ＤＭＦＣ）のように液体燃料を直接燃料に用いる直接液体燃料電池などがある。水素を燃料に用いるＰＥＭＦＣは、出力密度は高いが、水素を供給するための別の装置が必要となり、水素供給用の水素保存タンクなどを用いると、容積が大きくなり、保管も危険であるという問題点があった。

図２は、従来の水素発生装置の概略的な断面図であり、図３は従来の水素発生装置の電極連結方式を示す概略図である。図に示すように、アノード電極のマグネシウム２２０とカソード電極のステンレススチール２３０とが電解槽２１０の電解水溶液２１５に浸されている。

水素発生装置の原理は、ステンレススチール２３０に比べてイオン化傾向が大きいマグネシウム２２０から電子が放出され、放出された電子がステンレススチール２３０に移動する。移動した電子は電解水溶液２１５と結合して水素を生成することができる。

このとき、図３に示すように、マグネシウムとステンレススチールとを交互に位置させれば、水素発生量を増加させることができる。しかし、このような電極構造の水素発生装置は電極の個数を増やすほど電極の容積も大きくなるため、小型化及び薄膜化を追求する電子機器には使用できないという問題点がある。

従って、最近脚光を浴びている携帯電話、ノートパソコンなどの携帯用電子機器が高容量の電源供給装置を要求しているため、燃料電池はこの要求に合わせて、容積が小さいながらも高性能を有する必要がある。

ＩＣＡＯ（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｉｖｉｌ Ａｖｉａｔｉｏｎ Ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ）により飛行機搬入が承認された、メタノールやギ酸などを用いて燃料を改質して水素を発生させ、直接メタノールやエタノール、ギ酸などを燃料電池にて直接燃料に使用する方式が用いられている。

しかし、前者は高い改質温度を要求し、またシステムが複雑になり、駆動電力が消耗されて純粋水素以外に不純物（ＣＯ_２、ＣＯ）が含まれるという問題点がある。また、後者は低い両極化学反応と炭化水素の吸湿層を通したクロスオーバー（ｃｒｏｓｓ ｏｖｅｒ）により電力密度がかなり低くなるという問題点があった。

こうした従来技術の問題点を解決するために、本発明は、電気化学的反応を用いて純粋水素を室温で生成することができ、簡単なシステム構造を有しながらも、別途のＢＯＰ（Ｂａｌａｎｃｅ ｏｆ Ｐｌａｎｔ）がなくても水素の発生量制御が可能であり、薄膜の電極を有する水素発生装置を提供することを目的とする。

本発明以外の目的は下記の説明で容易に理解することができる。

本発明の一実施形態では、電解質水溶液が入っている電解槽と、電解槽内部の一面に積層されて電子を発生させる第１電極と、第１電極上に積層されて電解質水溶液を吸湿する吸湿層と、吸湿層上に積層され、電子及び電解質水溶液を用いて水素を発生させる第２電極とを含む水素発生装置が提供される。

第１電極、吸湿層及び第２電極は、インクジェット被膜法、吹き付け被膜法、及び薄膜蒸着法のうち少なくとも何れか一つの方法で形成されることができる。

第１電極と吸湿層の厚さは好ましくは１０〜１００μｍであり、第２電極の厚さは好ましくは１０〜５０μｍであり、第１電極、吸湿層、及び第２電極は薄膜層であってもよい。

また、水素発生装置は第１電極から第２電極に流れる電子量を制御する制御部と、第１電極の片側に形成され、第１電極と制御部とを電気的に接続させる第１導電性電極と、および第２電極の片側に形成され、第２電極と制御部とを電気的に接続させる第２導電性電極をさらに含むことができる。

また、第１電極、吸湿層及び第２電極で構成される積層構造物は、その間に吸湿層を配置して多層構造に積層されることができる。

電解槽は水素を放出させる水素放出口をさらに含むことができ、電解槽と水素放出口との間に配置され、水素放出口を通した水素の放出は許容し、電解質水溶液の放出は遮断する気液分離膜をさらに含むことができる。

本発明の他の実施形態では、電解質水溶液が入っている電解槽と、電解槽内部の一面に積層されて電子を発生させる第１電極と、第１電極上に積層されて電解質水溶液を吸湿する吸湿層および吸湿層上に積層される、電子及び電解質水溶液を用いて水素を発生させる第２電極とを含む水素発生装置と、水素発生装置で生成された水素の供給を受けて水素の化学エネルギーを電気エネルギーに変換して直流電流を生産する燃料電池とを有する燃料電池発電システムが提供される。

第１電極、吸湿層及び第２電極は、インクジェット被覆法、吹き付け被覆法、及び薄膜蒸着法のうち少なくとも何れか一つの方法で形成されることができる。

第１電極と吸湿層の厚さは好ましくは１０〜１００μｍであり、第２電極の厚さは好ましくは１０〜５０μｍであり、第１電極、吸湿層及び第２電極は薄膜層であってもよい。

また、制御部は第１電極から第２電極に流れる電子量を制御する制御部をさらに含むことができる。さらに燃料電池出力発生システムは、第１電極の片側に形成され、第１電極と制御部とを電気的に接続させる第１導電性電極、および第２電極の片側に形成され、第２電極と制御部とを電気的に接続させる第２導電性電極をさらに含むことができる。

また、第１電極、吸湿層及び第２電極で構成される積層構造物は、その間に吸湿層を配置して多層構造に積層することができる。

電解槽は水素を放出させる水素放出口をさらに含むことができ、電解槽と水素放出口との間に配置され、水素放出口を通した水素の放出は許容し、電解質水溶液の放出は遮断する気液分離膜をさらに含むことができる。

本発明による水素発生装置は、電極を薄膜の形態で形成することにより、電極間の間隔を減らして電極の個数を増加させることにより電極の効率性を高めることができ、容積を小型化することができる。

また、水素は、電力を消費し、小型化が困難であるＢＯＰユニットの代りに、環境に配慮した物質を用いて発生させることができる。

さらに、純粋水素は電気化学的反応により室温で生成させることができ、簡単なシステム構造でありながらも、コストの削減が可能である。

さらにまた、従来の装置が一定量の水素の発生のみであったこととは対照的に、本発明での特定の態様では、使用者または燃料電池からの要求に応じて電極の間の電流量を調節することにより、発生される水素量を調節することができる。これにより、消費電力が随時変化する携帯電話用機器（ｍｏｂｉｌｅ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ）などの製品にも燃料電池の使用が可能になる。

本発明は多様な変更を加えることができ、様々な実施例を有することができるため、本明細書中では特定実施例を図面に例示し、詳細に説明する。しかし、この特定の実施例は本発明を特定の実施形態に限定するものではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれるあらゆる変換、均等物及び代替物を含むものとして理解されるべきである。本発明の明細書中で、従来の技術に対する具体的な説明が本発明の要旨をかえって不明にすると判断される場合、その詳細な説明を省略する。

「第１」、「第２」などの用語は、多様な構成要素を説明するが、前記構成要素が前記用語により限定されるものではない。前記用語は一つの構成要素を他の構成要素と区別する目的にのみ用いられる。例えば、本発明の権利範囲を逸脱しない限り、第１構成要素は第２構成要素と命名されることもあり、同様に第２構成要素が第１構成要素と命名されることもある。「及び／または」という用語は、複数の関連のある記載項目の組み合わせ、または複数の関連する記載項目のうち何れか一つの項目の両方を含む。

ある構成要素が他の構成要素に「連結」あるいは「接続」されていると記載されたときには、その他の構成要素に直接的に連結されているか、あるいは接続されていることも含み、また中間に他の構成要素が存在することも含むものであると理解しなければならない。反面、ある構成要素が他の構成要素に「直接連結」あるいは「直接接続」されていると記載されたときには、中間に他の構成要素が存在しないと理解しうる。

本願で用いた用語は、単に特定の実施例を説明するために用いたものであって、本発明を限定するものではない。単数の表現は、文の中で明らかに表現しない限り、複数の表現を含む。本願において、「含む」または「有する」などの用語は明細書上に記載された特徴、数字、段階、動作、構成要素、部品、またはこれらを組み合わせたものの存在を指定するものであって、一つまたはそれ以上の他の特徴や数字、段階、動作、構成要素、部品、またはこれらを組み合わせたものの存在または付加可能性を予め排除するものではないと理解しうる。

その他、定義しない限り、技術的または科学的な用語を含む、ここで用いられる全ての用語は、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者であれば一般的に理解される用語と同じ意味を有する。一般的に用いられる辞書などに定義されているような用語は、関連技術の文脈上の意味と一致する意味を有すると解釈すべきであって、本出願で明らかに定義しない限り、理想的または過度に形式的な意味に解釈しない。

以下、本発明の実施例を添付した図面に基づいて詳細に説明する。

図４は本発明の一実施例に係る水素発生装置の概略的な断面図である。

水素発生装置４００は電解槽４１０、電解質水溶液４１２、第１積層構造物４２０、 第２積層構造物４４０、第１電極４２２、４４２、吸湿層４２４、４３０、４４４、第２電極４２６、４４６、制御部４５０、導電性電極４６０、４６２、電線４７０、４７２、水素放出口４８０及び気液分離膜４９０を含む。以下、本発明の理解と説明の便宜のために、第１電極４２２はマグネシウム（Ｍｇ）であり、第２電極４２６はステンレススチールであるものを中心に説明する。

電解槽４１０の内部には電解質水溶液４１２が入っている。電解質水溶液４１２は水素イオンを含み、水素発生装置４００は電解質水溶液４１２に含まれている水素イオンを用いて水素ガスを発生させることができる。

電解質水溶液４１２には、塩化リチウム（ＬｉＣｌ）、塩化カリウム（ＫＣｌ）、塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）、硝酸カリウム（ＫＮＯ_３）、硝酸ナトリウム（ＮａＮＯ_３）、塩化カルシウム（ＣａＣｌ_２）、塩化マグネシウム（ＭｇＣｌ_２）、硫酸カリウム（Ｋ_２ＳＯ_４）、硫酸ナトリウム（Ｎａ_２ＳＯ_４）、硫酸マグネシウム（ＭｇＳＯ_４）、及び塩化銀（ＡｇＣｌ）などを電解質として用いることができる。また、電解質水溶液４１２は電解槽４１０の内部に形成される、後述する積層構造物４２０、４４０の容積よりほぼ二倍の容積を有する。これは水素発生の化学反応の際に水を余裕に提供するためである。

電解槽４１０の内部には第１電極４２２、吸湿層４２４及び第２電極４２６から構成された第１積層構造物４２０が含まれており、また、電解槽４１０には第１積層構造物４２０に吸湿層４３０を介して第２積層構造物４４０をさらに積層することができ、さらに積層された第２積層構造物４４０は第１電極４４２、吸湿層４４４及び第２電極４４６から構成される。

積層構造物４２０、４４０は多層構造に積層できるため、水素の発生量を増加させることができ、電極４２２、４２６、４４２、４４６と吸湿層４２４、４３０、４４４とは薄膜形態に積層されるため、電極間隔が狭く、厚さが薄い超小型水素発生装置が実施可能である。

第１電極４２２は活性電極である。第１電極４２２では、マグネシウム電極と水（Ｈ_２Ｏ）とのイオン化エネルギーの差のため、マグネシウム電極が水中に電子（ｅ^-）を出してマグネシウムイオン（Ｍｇ^２+）に酸化する。このとき、生成された電子は電線４７０を通じて制御部４５０に移動し、制御部４５０に連結されている電線４７２を通じて第２電極４２６に移動することができる。したがって、第１電極４２２は電子を生成することにより消耗されるので、一定時間経過後に、交換する必要がある。また、第１電極４２２は、後述する第２電極４２６より相対的にイオン化傾向が大きい金属であることができる。

第１電極４２２、４４２、第２電極４２６、４４６、及び吸湿層４２４、４３０、４４４はインクジェット被覆法、吹き付け被覆方法、及び薄膜蒸着法のうち少なくとも何れか一つの方法で形成されることができる。本実施例ではインクジェット被覆法による積層を例に挙げて説明する。

セラミック基板やポリマー基板にマグネシウムインクで印刷して薄膜を形成することにより、第１電極４２２を形成することができる。第１電極４２２、４４２薄膜の厚さは１０〜１００μｍであることが好ましい。第１電極４２２、４４２の薄膜の厚さが１０μｍ未満であると、電極としての機能をすることができないこともあり、１００μｍを超過すると、薄膜電極を形成することができないという問題点がある。

吸湿層４２４は第１電極４２２の上に位置してもよく、第１電極構造層４２０と第２電極構造層４４０との間に位置してもよいし、膜形状または多孔性ポリマー製の構造体であってもよい。ここで、吸湿層４２４、４３０、４４４の構造が膜形状または多孔性材質の構造体で形成されることにより、水のような電解質水溶液４１２を吸湿することができ、マグネシウムイオンを円滑に移動させることができる。

また、吸湿層４２４、４３０、４４４は、第１電極４２２と同じくインクジェット被覆法で印刷されて薄膜の吸湿層４２４、４３０、４４４を形成することができ、１０〜１００μｍの厚さで印刷することができる。吸湿層４２４、４３０、４４４の厚さが１０μｍ未満であると、電解質水溶液４１２を容易に吸湿できなくなり、マグネシウムイオンを円滑に移動させることができないという問題点が発生し得るし、１００μｍを超過すると、薄膜の吸湿層４２４、４３０、４４４を形成することができないという問題点がある。

第２電極４２６は非活性電極である。第２電極４２６は吸湿層４２４にインクジェット被覆法で薄膜の形態に印刷することができ、第１電極４２２のマグネシウムから発生した電子を受けて、電解質水溶液４１２とともに反応して水素を発生することができる。

第２電極４２６の厚さは１０〜５０μｍであることが好ましく、厚さが１０μｍ未満であると、電子を容易に収容することができなくなり、５０μｍを超過すると、薄膜の電極を形成することができないという問題点がある。また、第２電極４２６は非活性電極であって第１電極４２２とは異なって、消耗されないので、第１電極４２２の厚さより薄く形成することができる。

より詳細には、第２電極４２６における化学反応は、水が第１電極４２２から移動してきた電子を受けて水素に分解される。

［化２］
第１電極：Ｍｇ→Ｍｇ^２＋＋２ｅ⁻
第２電極：２Ｈ_２０+２ｅ⁻→Ｈ_２＋２（ＯＨ）⁻
全体反応：Ｍｇ＋２Ｈ_２０→Ｍｇ（ＯＨ）_２＋Ｈ_２

一方、電気化学反応は、電極と電極との間の間隙が小さいほど、または、電極の個数が多いほど水素生成率が増加するため、このような原理を用いて電極と吸湿層とを薄膜の形態で形成することを上述した。

したがって、薄膜電極の個数を増加させるため、第２電極４２６に積層されて電解質水溶液４１２を吸湿する吸湿層４３０を形成する。第２電極４２６に積層される吸湿層４３０は第１電極４２２に印刷される吸湿層４２４と同種であり、その効果も同じである。したがって吸湿層４３０の構造が膜形状または多孔性材質の構造体で形成されることにより、液様の電解質水溶液４１２を吸湿でき、マグネシウムイオンを円滑に移動させることができる。

薄膜電極の個数を増加させるために、吸湿層４３０に薄膜の第１電極４４２をインクジェット被覆法で積層する。第１電極４４２はマグネシウム電極であり、第１積層構造物４２０の第１電極４２２と同種のもので、同じ効果を示す。

したがって、吸湿層４３０を通じて第２積層構造物４４０の第１電極４４２と第１積層構造物４２０の第２電極４２６との間の化学反応を形成することができ、より詳細には、第１電極４４２のマグネシウムから発生した電子が電線を通じて制御部４５０に移動し、電線を通じて第２電極４２６に移動することができる。

第２電極４２６では、第１積層構造物４２０の第１電極４２２と第２積層構造物４４０の第１電極４４２とから移動されてきた電子を、電解質水溶液４１２と反応させて水素を生成することができる。

上述したように、吸湿層４３０を隔てて電極を連続形成することにより、水素量の発生をさらに増加できる。また、水素量をさらに増加させるために、第１電極４４２に吸湿層４４４を積層し、繰り返して第２電極４４６を積層することができる。

マグネシウム電極４２２、４４２と吸湿層４２４、４３０、４４４とステンレススチール電極４２６、４４６とを交互に繰り返して積層することにより、水素の生成率を高めることができ、インクジェット被覆法で薄膜形態の電極を形成することにより、電極の個数を増やすことができ、電極と電極とのギャップを減らすことができるので、水素発生装置４００の小型化が可能となる。

電極数は２０〜３０層であることが好ましく、必要によって１００層以上に積層することも可能である。複数積層された電極構造はホットプレスや焼結方式を用いて一体型に形成することができる。したがって、総厚２〜３ｍｍ程度の薄いマイクロ水素発生装置４００を形成することができる。

上述した化学反応は多くの要素により反応速度及び反応効率が決まる。反応速度を決める要素には、第１電極４２２及び/または第２電極４２６の電極面積、電解質水溶液４１２の濃度、電解質水溶液４１２の種類、第１電極４２２及び/または第２電極４２６の個数、第１電極４２２と第２電極４２６との間の連結方法、第１電極４２２と第２電極４２６との間の電気的抵抗などがある。

上述した要素を変化させれば、反応条件に応じて第１電極４２２と第２電極４２６との間に流れる電流の量（すなわち、電子の量）が変化し、化学式２の電気化学的反応速度が変化ことになる。電気化学的反応速度が変わると第２電極４２６から発生する水素の量にも変化が生じる。

したがって、本発明の実施例では、第１電極４２２と第２電極４２６との間に流れる電流の量を調節することにより、生成される水素の量を調節することが可能となる。これは下記の数学式１のファラデー法則（Ｆａｒａｄａｙ’ｓ ｌａｗ）により原理的に説明できる。

ここで、Ｎ_{ｈｙｄｒｏｇｅｎ}は１秒間に生成される水素の量（ｍｏｌ）であり、Ｖ_{ｈｙｄｒｏｇｅｎ}は１分間に生成される水素の容積（ｍｌ/ｍｉｎ）である。ｉは電流（Ｃ/ｓ）、ｎは反応電子の個数、Ｅは電子１モル当たり電荷（Ｃ/ｍｏｌ）を示す。

前記の化学式２を参照すると、第２電極４２６にて２個の電子が反応するので、ｎは２であり、電子１モルの電荷は約 -９６４８５クーロンである。

１分間に生成される水素の容積は１秒間に生成される水素の量に、時間（６０秒）と水素１モルの容積（２２４００ｍｌ）とを掛けて算出できる。

若し、燃料電池が２Ｗシステムで用いられる場合、水素要求量は４２ｍｌ/ｍｏｌ程度であり、６Ａの電流が必要になる。そして、燃料電池が５Ｗシステムで用いられる場合に、水素要求量は１０５ｍｌ/ｍｏｌ程度であり、１５Ａの電流が必要になる。

このように、水素発生装置４００は、第１電極４２２に連結されている電線４７０及び第２電極４２６に連結されている電線４７２を通して流れる電流の量を調節すれば、後段に連結される燃料電池より必要とされるだけの水素を発生することができる。

水素発生装置４００の第２電極４２６から水素を発生する反応速度を決める上述した要素のうち、第１電極４２２と第２電極４２６との間の電気的抵抗を除いたその他の要素は、水素発生装置４００を構成するときに決定される要素であって、以後にその要素を変化させることは容易ではない。

したがって、本発明の実施例に係る水素発生装置４００は、第１電極４２２と第２電極４２６との間に制御部４５０を置いて、第１積層構造物４２０の第１電極４２２と第２積層構造物４４０の第１電極４４２から第２電極４２６へ流れる電子量を制御することができ、電気的抵抗を調節することができる。

すなわち、上述した数学式１に基づいて、第１電極４２２と第２電極４２６との間の電気的抵抗を変化させることにより、第１電極４２２と第２電極４２６との間に流れる電流の大きさを調節して燃料電池から必要とされるたけの水素を発生させることが可能となる。

本発明の実施例によれば、第１金属電極４２２はマグネシウム以外にアルミニウム（Ａｌ）、亜鉛（Ｚｎ）、および鉄（Ｆｅ）などの相対的にイオン化傾向が大きい金属からなることができる。そして、第２金属電極４２６は、ステンレススチール以外に白金（Ｐｔ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、鉄（Ｆｅ）などのように、第１金属電極４２２を形成する金属より相対的にイオン化傾向が小さい金属からなることができる。

制御部４５０は、電気化学的反応により第１電極４２２から生成された電子を第２電極４２６に伝達する速度、すなわち電流量を調節する。

制御部４５０は燃料電池から要求される電力量または水素量の伝達を受け、その要求値が大きいと、第１電極４２２から第２電極４２６に流れる電子の量を増加させ、その要求値が小さいと、第１電極４２２から第２電極４２６に流れる電子の量を減少させる。

例えば、制御部４５０は可変抵抗で構成されて、可変抵抗値を変化させることにより、第１電極４２２と第２電極４２６との間に流れる電流量の調節や、オン/オフスイッチで構成されて、オン/オフタイミングを調節することにより第１電極４２２と第２電極４２６との間に流れる電流量の調節をすることができる。

ここで、第１電極４２２の片側で、第１電極４２２と制御部４５０とを電気的に接続させる導電性電極４６０を形成することができる。また、第２電極４２６の片側で、第２電極４２６と制御部４５０とを電気的に接続させる導電性電極４６２を形成することができる。

導電性電極４６０は電線４７０により制御部４５０と結合し、第２電極４２６の片側に形成された導電性電極４６２は電線４７２により制御部４５０と結合することができる。このとき、電線４７０、４７２はワイヤボンディングで形成されてもよい。

導電性電極４６０、４６２は電気が通じる金属性の物質であって、好ましくは金である。導電性電極４６０、４６２も電極４２２、４２６、４４２、４４６及び吸湿層４２４、４３０、４４４と同じく、インクジェット被覆法で薄膜の形態に印刷することができ、第１電極４２２および第２電極４２６の片側に印刷されて電線に連結することができる。

第１電極４２２および第２電極４２６の片側に導電性物質をさらに印刷することにより、第１電極４２２から発生される電子を、電線４７０を通して制御部４５０に円滑に移動させ、他の電線４７２を通して第２電極４２６に電子を容易に移動させることができる。

本実施例の制御部４５０は印刷回路基板の回路で形成されることができ、導電性電極４６０、４６２とマグネシウム電極４２２とが直接接触して回路と電極との間の抵抗を減らすことにより、マグネシウム電極４２２から生成される電子をステンレススチール電極４２６に容易に移動させることができる。

燃料電池から必要とされる電力量または水素量は、水素発生装置４００が燃料電池と結合されて燃料電池から入力を受け、または別途の入力装置を具備して使用者から直接 必要とされる電力量または水素量の入力を受けることができ、燃料電池から必要とされる水素量または電力量に応じて前記電子量を制御することができる。

本発明において、第１電極４２２及び/または第２電極４２６は一つまたは二つ以上であることができる。第１電極４２２及び/または第２電極４２６の個数が増加すると、同一時間の間に発生する水素量は増加し、より短い時間内に所望する水素量を得ることができる。

上述したように、薄膜構造の複数の電極を通じて生成される水素は、電解槽４１０と水素が放出される流路の水素放出口４８０との間に配置され、水素の放出は許容し、電解質水溶液４１２の放出は遮断する気液分離膜４９０を通過することができる。したがって、気液分離膜４９０を通過した水素は水素放出口４８０を通して燃料電池の燃料極に移動されることができる。このとき、気液分離膜４９０も吸湿層４２４、４３０、４４４と同種の多孔性材質であってもよい。

上述した水素発生装置から生成された水素の供給を受け、水素の化学エネルギーを電気エネルギーに変換して直流電流を生産する燃料電池を含む燃料電池発電システムを提供することもできる。

したがって、本実施例により提供される水素発生装置を燃料電池に適用することにより微量規模の水素を生成する装置を提供することになるので、燃料電池の小型化が可能となり、電極間の間隔を減らして電極の個数を増加させることにより電極の効率性を高めることができる。

以上、本発明の好ましい実施例を参照して説明したが、当該技術分野で通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された本発明の思想及び領域から脱しない範囲内で本発明を多様に修正及び変更させることができることを理解しうる。

燃料電池の作動原理を示す図面である。 従来技術に係る水素発生装置を概略的に示す断面図である。 従来技術に係る水素発生装置の電極連結方式を示す概略図である。 本発明の一実施例に係る水素発生装置を概略的に示す断面図である。

符号の説明

４００ 水素発生装置
４１０ 電解槽
４１２ 電解質水溶液
４２０ 第１積層構造物
４４０ 第２積層構造物
４２２、４４２ 第１電極
４２４、４３０、４４４ 吸湿層
４２６、４４６ 第２電極
４５０ 制御部
４６０、４６２ 導電性電極
４７０、４７２ 電線
４８０ 水素放出口
４９０ 気液分離膜

Claims (24)

1. 電解質水溶液を収納する電解槽と、
   前記電解槽内部の一面に積層されて電子を発生させる第１電極と、
   前記第１電極上に積層されて前記電解質水溶液を吸湿する吸湿層と、
   前記吸湿層上に積層されて前記電子及び前記電解質水溶液を用いて水素を発生させる第２電極
   とを含み、
   前記第１電極は前記第２電極に比べて相対的にイオン化傾向が大きい金属であり、
   前記第１電極は前記電解質水溶液中で酸化されて前記電子を発生し、
   前記第２電極は前記第１電極で発生した前記電子を受けて、前記電解質水溶液から前記水素を発生させることを特徴とする、水素発生装置。
2. 前記第１電極、前記吸湿層及び前記第２電極が、インクジェット被膜法、吹き付け被膜法及び薄膜蒸着法のうち、少なくとも何れか一つの方法で形成されることを特徴とする、請求項１に記載の水素発生装置。
3. 前記第１電極と前記吸湿層の厚さが１０〜１００μｍであることを特徴とする、請求項１または２に記載の水素発生装置。
4. 前記第２電極の厚さが１０〜５０μｍであることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の水素発生装置。
5. 前記第１電極、前記吸湿層、及び前記第２電極が薄膜層である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の水素発生装置。
6. 前記第１電極から前記第２電極に流れる電子量を制御する制御部をさらに含むことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の水素発生装置。
7. 前記第１電極の片側に形成され、前記第１電極と前記制御部とを電気的に接続させる第１導電性電極をさらに含むことを特徴とする、請求項６に記載の水素発生装置。
8. 前記第２電極の片側に形成され、前記第２電極と前記制御部とを電気的に接続させる第２導電性電極をさらに含むことを特徴とする、請求項６または７に記載の水素発生装置。
9. 前記第１電極、前記吸湿層及び前記第２電極を含む積層構造物が、多層構造に積層されることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の水素発生装置。
10. 前記積層構造物の間に、前記吸湿層が配置されて積層されることを特徴とする、請求項９に記載の水素発生装置。
11. 前記電解槽が、前記水素を放出させる水素放出口をさらに含むことを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の水素発生装置。
12. 前記電解槽と前記水素放出口との間に配置され、前記水素放出口を通した前記水素の放出を許容し、前記電解質水溶液の放出を遮断する気液分離膜をさらに含むことを特徴とする、請求項１１に記載の水素発生装置。
13. 電解質水溶液が入っている電解槽と、
    前記電解槽内部の一面に積層されて電子を発生させる第１電極と、
    前記第１電極上に積層されて前記電解質水溶液を吸湿する吸湿層と、
    前記吸湿層上に積層され、前記電子及び前記電解質水溶液を用いて水素を発生させる第２電極
    とを含む水素発生装置と、
    前記水素発生装置から生成された水素の供給を受けて、前記水素の化学エネルギーを電気エネルギーに変換して直流電流を生産する燃料電池
    とを含み、
    前記第１電極は前記第２電極に比べて相対的にイオン化傾向が大きい金属であり、
    前記第１電極は前記電解質水溶液中で酸化されて前記電子を発生し、
    前記第２電極は前記第１電極で発生した前記電子を受けて、前記電解質水溶液から前記水素を発生させることを特徴とする、燃料電池発電システム。
14. 前記第１電極、前記吸湿層及び前記第２電極が、インクジェット被覆法、吹き付け被覆法及び薄膜蒸着法のうち少なくとも何れか一つの方法で形成されることを特徴とする、請求項１３に記載の燃料電池発電システム。
15. 前記第１電極と前記吸湿層の厚さが１０〜１００μｍであることを特徴とする、請求項１３または１４に記載の燃料電池発電システム。
16. 前記第２電極の厚さが１０〜５０μｍであることを特徴とする、請求項１３〜１５のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
17. 前記第１電極、前記吸湿層、及び前記第２電極が、薄膜層であることを特徴とする、請求項１３〜１６のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
18. 前記第１電極から前記第２電極に流れる電子量を制御する制御部をさらに含むことを特徴とする、請求項１３〜１７のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
19. 前記第１電極の片側に形成され、前記第１電極と前記制御部とを電気的に接続させる第１導電性電極をさらに含むことを特徴とする、請求項１８に記載の燃料電池発電システム。
20. 前記第２電極の片側に形成され、前記第２電極と前記制御部とを電気的に接続させる第２導電性電極をさらに含むことを特徴とする、請求項１８または１９に記載の燃料電池発電システム。
21. 前記第１電極、前記吸湿層及び前記第２電極を含む積層構造物が、多層構造に積層されることを特徴とする、請求項１３〜２０のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
22. 前記積層構造物の間に、前記吸湿層が配置されて積層されることを特徴とする、請求項２１に記載の燃料電池発電システム。
23. 前記電解槽が、前記水素を放出させる水素放出口をさらに含むことを特徴とする、請求項１３〜２２のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
24. 前記電解槽と前記水素放出口との間に配置され、前記水素放出口を通した前記水素の放出を許容し、前記電解質水溶液の放出を遮断する気液分離膜をさらに含むことを特徴とする、請求項２３に記載の燃料電池発電システム。

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