JP5050248B2 - 多孔性電極板を有する水素発生装置 - Google Patents

Description

本発明は水素を発生させる装置に関するもので、より詳細には電解液と接触される電極板の構造を変更し電解液との接触面積を増大させ、水素の発生量を増加させることができる多孔性電極板を有する水素発生装置に関するものである。

最近、携帯電話、ＰＤＡ、デジタルカメラ、ノート型パソコン等携帯用小型電子機器の使用が増加しており、特に携帯電話用ＤＭＢ放送が始まってから携帯用小型端末機の電源性能の向上が要求されている実情である。

現在、一般的に使用されているリチウムイオン２次電池はその容量がＤＭＢ放送を２時間程度視聴できる水準で、性能向上が進んではいるが、より根本的な解決方案として、より小型化され、高容量の電源供給が可能なマイクロ燃料電池に対する期待が大きくなっている。

一般的にマイクロ燃料電池は、高い性能を具現するためには、水素が最も適切な燃料であるため、上記マイクロ燃料電池に供給される水素を発生させる装置に対する必要性が要求されている。

このような燃料電池を具現することができる方式としては、燃料極にメタノールのような炭化水素系燃料を直接供給する直接メタノール（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ）方式と、メタノールから水素を抽出し燃料極に注入するＲＨＦＣ（Ｒｅｆｏｒｍｅｄ Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）方式が知られている。

上記ＲＨＦＣ方式は、ＰＥＭ（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ）方式のように水素を燃料として使用するため、高出力化、単位体積当り具現可能な電力容量、そして水以外の反応物がない点にそのメリットがあるが、システムに別途の改質機（Ｒｅｆｏｒｍｅｒ）が追加されなければならないため、小型化に不利な短所を有している。

また、このような改質機は炭化水素系液体燃料を気体の状態に気化させる蒸発部と、２５０℃乃至３５０℃の温度で触媒反応を通じ、燃料であるメタノールを水素に転換させる改質部、そして改質反応時に付加的に発生する副産物であるＣＯガス（またはＣＯ_２ガス）を除去するＣＯ除去部（またはＣＯ_２除去部）をさらに含んで構成される。

しかし、上記改質部における改質反応は反応温度を２５０℃乃至３５０℃の間に維持させながら行われる吸熱反応で、上記ＣＯ除去部では１７０℃乃至２００℃程度の温度を一定に維持させる発熱反応により行われるため、良好な反応効率を得るためには構造が複雑な高温システムを要求するようになり、これにより全体的な燃料電池の装置構造が複雑になり、これを製造するのにかかる費用を節減することに限界があった。

また、改質反応時に発生する副産物であるＣＯガスまたはＣＯ_２ガスを除去するための別途の除去構造を必ず具備しなげけばならないため、装置の全体体積を減らし、製造費用を節減することには限界があった。

一方、電気分解により水素を発生させる方式としては、図１に図示したように、一定の大きさの電解槽１内に海水のような電解液を満たし、上記電解槽には水素よりイオン化傾向が大きいマグネシウム（Ｍｇ）を素材にするアノード電極２と鉄（Ｆｅ）を素材にするカソード電極３を浸漬し、上記電解槽１には上記アノード電極２とカソード電極３を固定し、水素排出口５を有する蓋４を具備する。

このような状態で、上記アノード電極２とカソード電極３に電流を印加して、下記反応式１、２及び３によりマグネシウムが水と反応するようになると、電解槽１では下記反応式４のように水酸化マグネシウムが生じ、水素が発生する。

（反応式１）
Ｍｇ→Ｍｇ^＋２＋２ｅ⁻

（反応式２）
２Ｈ_２Ｏ→２ＯＨ⁻＋２Ｈ^＋

（反応式３）
２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ →Ｈ_２

（反応式４）
Ｍｇ＋２Ｈ_２Ｏ→Ｍｇ（ＯＨ）_２＋Ｈ_２

そして、上記のような反応式により得られる水酸化マグネシウムは電解槽１内部にそのまま残留するようになる反面、上記水素は蓋４の水素排出口５を通じ外部に排出され燃料として使用できるようになる。

図１において未説明の符号６は、上記電解槽１内に電解液を補充するポンプである。

しかし、上記電解槽１で発生する水素発生量は、上記電解槽１に浸漬された電極２、３と上記電解槽１内の電解液が相互接触する面積に比例するが、上記アノード電極２とカソード電極３は四角板により具備され、上記電解槽１に配置される電極の数は制限的であるため、上記電解槽１で発生する水素発生量を増大させることには限界があった。

従って、本発明は、上記のような従来の問題点を解消するためのもので、その目的は、制限された空間内で電解液と接触する電極の表面積を増大させ、水素発生量を増加させることができる多孔性電極板を有する水素発生装置を提供することにある。

上記のような目的を達成するために、本発明は一定量の電解液が満たされる電解槽と、上記電解槽の開放された上部を覆って密閉し、少なくとも１つの水素排出口を具備する蓋と、上記蓋に固定され上記電解槽に浸漬される胴体に上記電解槽の電解液が自由に通過する通孔を具備する電極部と、上記電極部に電流を印加する電源部と、を含む多孔性電極板を有する水素発生装置を提供する。

好ましくは、上記電極部は陽極電極板と陰極電極板を含み、上記陽極、陰極電極板は表面に電解液が自由に通過する多孔部を具備する第１、２ホルダーと上記第１、２ホルダーの間に配置され固定される多孔体を含む。

より好ましくは、上記多孔体は導電性金属繊維からなる。

より好ましくは、上記多孔体は異なる多孔率勾配を有する少なくとも２層以上の導電性金属繊維層から構成されることもできる。

より好ましくは、上記多孔体は上記電源部と電気的に連結される。

好ましくは、上記電解槽と蓋の間にはシーリング部材を具備する。

上述のような本発明によると、電解槽の電解液に浸漬される陽極電極板と陰極電極板を電解液が自由に通過する多孔性構造により具備することで、電極板と電解液との接触面積を増大させることができるため、電解槽の内部空間を増大させたり、電解槽の内部に配置される電極板の設置数を増やさなくても制限された電解槽の空間内で電解液と接触する電極の表面積を増大させ、水素発生量を増加させることができる効果が得られる。

また、装置の体積を減らし小型化を図り、取り扱い及び使用が便利で携帯端末機、電子手帳、ＰＤＡ、ＰＭＰ、ＭＰ３プレーヤー、ナビゲーション等の燃料電池に採用して使用できるものである。

以下、本発明について添付の図面に従い、より詳細に説明する。

図２は本発明による多孔性電極板を有する水素発生装置を図示した分解斜視図で、図３は本発明による多孔性電極板を有する水素発生装置に採用される電極部を図示したもので、（ａ）は分解斜視図で、（ｂ）は全体構成図で、図４は本発明による多孔性電極板を有する水素発生装置を図示した断面図である。

本発明の装置１００は、図２乃至４に図示したように、電解槽１１０、蓋１２０、電極部１３０及び電源部１４０を含む。

上記電解槽１１０は、一定量の電解液を収容することができるように一定の大きさの内部空間を有する直方体状のボックス構造物により具備される。

ここで、上記電解槽１１０の外部面には電解液を補充することができるようにポンプを有する電解液補充ライン（不図示）を具備することもできる。

上記蓋１２０は、上記電解液が満たされる電解槽１１０の開放された上部を覆って密閉するように上記電解槽１１０の上部に結合される板状の構造物である。

このような蓋１２０の外部面には、上記電極部１３０を構成する陽極電極板１３１と陰極電極板１３２を夫々固定することができるように複数の固定孔１２２を具備する。

また、上記蓋１２０の外部面には、上記電解槽１１０の内部で発生する水素を外部に排出できるように少なくとも１つの水素排出口１２４を具備する。

上記電解槽１１０の上部端と上記蓋１２０の間にはラバー材のようなシーリング部材１１５を備え、上記電解槽１１０内の電解液が外部に流出することを防ぐようにする。

上記電極部１３０は、上記蓋１２０に固定され上記電解槽１１０の電解液が浸漬される胴体に上記電解槽１１０の電解液が自由に通過しながら電解液との接触面積を増大させる通孔を具備する。

このような電極部１３０は、上記電源部１４０の陽極端子と電気的に連結される陽極電極板１３１と、上記電源部１４０の陰極端子と電気的に連結される陰極電極板１３２により構成される。

上記陽極、陰極電極板１３１、１３２は、上記電解槽１１０の電解液に浸漬される胴体の表面に電解液が自由に通過できるように多孔部１３６を具備する第１、２ホルダー１３０ａ、１３０ｂを備え、上記第１、２ホルダー１３０ａ、１３０ｂの間には上記多孔部１３６を通過した電解液が自由に通過しながら電解液との接触面積を増大させる多孔体１３０ｃを含む。

上記多孔体１３０ｃは、上記第１、２ホルダー１３０ａ、１３０ｃの多孔部１３６を除く第１、２ホルダー１３０ａ、１３０ｃのフレーム部１３５間の圧着により固定されるか、上記フレーム部１３５に付着され固定されることもできる。

上記フレーム部１３５には、上記電源部１４０と電気的に接続されることができる端子部を具備する。

ここで、上記第１、２ ホルダー１３０ａ、１３０ｃの間に具備される多孔体１３０ｂは導電性金属繊維からなることが好ましい。

上記金属繊維はステンレス、銅、ニッケル及びフェクラロイ（ｆｅｃｒａｌｌｏｙ）からなる群から選ばれた少なくとも１つの金属により形成され、これにより選ばれた金属は当該分野において公知の高真空溶融及び超急冷ディスク（Ｄｉｓｋ）工法により１〜１００μｍの太さを有する金属繊維に製造され、このような金属繊維は均一な多孔が形成されるように分散されウェブ形態に製造されることが好ましい。

また、上記多孔体１３０ｃは異なる多孔率勾配を有するウェブ形態の導電性金属繊維層を少なくとも２層以上積層して構成することもできる。

上記電源部１４０は、上記電極部１３０を構成する陽極電極板１３１と陰極電極板１３２と電気的に連結され上記陽極、陰極電極板１３１、１３２に電流を印加する。

上記電源部１４０は、上記陽極、陰極電極板１３１、１３２を構成する第１、２ホルダー１３０ａ、１３０ｃに電気的に連結されることもできるが、これに限定されるものではなく、上記第１、２ホルダー１３０ａ、１３０ｃの間に具備される多孔体１３０ｂに電気的に連結されることもできる。

上記の構成を有する水素発生装置１００の電解槽１１０に海水のような電解液を満たすと、上記電解槽１１０に設置された電極部１３０は胴体の大部分が電解液に浸漬される。

上記電解槽１１０の開放された上部は蓋１２０により密閉され、上記電解槽１１０内の電解液は上記電解槽１１０の上部端と上記蓋１２０の間に具備されるシーリング部材１１５により外部に流出されることが防がれる。

このような状態で、上記電極部１３０と電気的に連結された電源部１４０のスイッチ（不図示）を"オン（ｏｎ）"にすると、上記電極部１３０の陽極電極板１３１と陰極電極板１３２には一定の強さの電流が供給されながら上記電解槽１１０内の電解液を電気分解させ水素を発生させる。

このとき、上記電解槽１１０の電解液に浸漬される陽極電極板１３１と陰極電極板１３２は多孔部１３６を有する第１、２ホルダー１３０ａ、１３０ｃとこれらの間に配置される多孔体１３０ｂからなっているため、上記電解液は上記多孔部１３６を通じ金属繊維からなる多孔体１３０ｂを自由に通過しながらこれらとの接触面積を板状からなる電極板に比べ増大させることができ、これにより電解液と電極板間の接触面積が増大するほど電解液の電気分解時に発生する水素発生量を増加させることができる。

即ち、上記陽極電極板１３１が水素よりイオン化傾向が大きいマグネシウム（Ｍｇ）を素材にし構成され、上記陰極電極板１３２が鉄（Ｆｅ）を素材にし構成される場合、陽極電極板１３１と陰極電極板１３２に電流を印加して上記反応式１、２及び３により陽極電極板１３１のマグネシウムが電解液の水と反応するようになると、電解槽１１０では上記反応式４のような水酸化マグネシウムが生じ、水素が発生する。

このとき、上記電解槽１１０内部で発生する水素は上記蓋１２０に具備された水素排出口１２４を通じ外部に排出され、水酸化マグネシウムは電解槽１１０内に残留し、外部に排出される水素は燃料電池の発電部側から供給され電気を発生させることができる。

即ち、水素は上記発電部に具備された陽極分離板を通じ陽極に供給され、酸素を含む空気は上記発電部に具備された陰極分離板を通じ陰極に供給されるようにする。

上記のように発電部内に供給される水素と空気は高分子電解質膜を介して流れ、陽極では下記反応式５のように水素の電気化学的酸化が進み、陰極では下記反応式６のように酸素の電気化学的還元が起こる。

このとき生成される電子の移動により電気が発生し、発生した電気は陽極、陰極用集電板で集電しエネルギー源として使用するようになる。

（反応式５）
陽（Ａｎｏｄｅ）電極反応：Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻

（反応式６）
陰（Ｃａｔｈｏｄｅ）電極反応：（１／２）Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ

本発明は、特定の実施例と係わり図示し説明したが、以下の特許請求範囲により設けられる本発明の精神や分野から外れない範囲内で本発明が多様に改造及び変化されることができるということは当業界において通常の知識を有する者は容易に知ることが出来る。

従来技術による水素発生装置を図示した断面図である。 本発明による多孔性電極板を有する水素発生装置を図示した分解斜視図である。 本発明による多孔性電極板を有する水素発生装置に採用される電極部を図示したもので、（ａ）は分解斜視図で、（ｂ）は全体構成図である。 本発明による多孔性電極板を有する水素発生装置を図示した断面図である。

符号の説明

１１０ 電解槽
１１５ シーリング部材
１２０ 蓋
１２２ 固定孔
１２４ 水素排出口
１３０ 電極部
１３０ａ、１３０ｃ 第１、２ホルダー
１３０ｂ 多孔体
１３１ 陽極電極板
１３２ 陰極電極板
１３６ 多孔部
１４０ 電源部

Claims (5)

1. 一定量の電解液が満たされる電解槽と、
   前記電解槽の開放された上部を覆って密閉し、少なくとも１つの水素排出口を具備する蓋と、
   前記蓋に固定され前記電解槽に浸漬される胴体に前記電解槽の電解液が自由に通過する通孔を具備する電極部と、
   前記電極部に電流を印加する電源部と、を備え、
   前記電極部は、陽極電極板と陰極電極板を含み、
   前記陽極電極板、及び、前記陰極電極板のそれぞれは表面に電解液が自由に通過する多孔部を具備する第１、２ホルダーと、前記第１、２ホルダーの間に配置され前記第１、２ホルダーの結合によって固定される多孔体を含み、
   前記多孔体は、導電性金属繊維からなることを特徴とする多孔性電極板を有する水素発生装置。
2. 前記多孔体は、異なる多孔率勾配を有する少なくとも２層以上の導電性金属繊維層から構成されることを特徴とする請求項１に記載の多孔性電極板を有する水素発生装置。
3. 前記第１、２ホルダーの表面は、前記電解液に露出している
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の多孔性電極板を有する水素発生装置。
4. 前記多孔体は、前記電源部と電気的に連結されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の多孔性電極板を有する水素発生装置。
5. 前記電解槽と蓋の間には、シーリング部材を具備することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の多孔性電極板を有する水素発生装置。

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