JP5135527B2 - 水素発生装置及び燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、例えば、金属水素化物を分解して水素を発生させる水素発生装置及び水素発生装置で発生した水素を燃料とする燃料電池システムに関する。

近年のエネルギー問題の高まりから、より高いエネルギー密度で、排出物がクリーンな電源が要求されている。燃料電池は、既存電池の数倍のエネルギー密度を有する発電機であり、エネルギー効率が高く、また、排出ガスに含まれる窒素酸化物や硫黄酸化物がない、もしくは、少ないといった特徴がある。従って、次世代の電源デバイスとしての要求に合った極めて有効なデバイスであるといえる。

水素と酸素の電気化学反応により起電力を得る燃料電池では、燃料として水素が必要となる。水素ガスを生成する設備の例としては、金属水素化物（水素化ホウ素塩）を収容した反応容器と、水タンクとを有し、ポンプによって水タンク内の水を反応容器の金属水素化物に噴出する構造の水素発生装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

従来の水素発生装置は、金属水素化物に水を供給して水素を発生させた場合、金属水素化物上に生成物が滞留して金属水素化物を被覆し、反応速度の低下が生じることが考えられる。このため、金属水素化物を容器の上部に配置して、金属水素化物の底面に水を吹き付けることにより、反応に使われなかった水や生成物を容器の底部に落下させることが行なわれていた。反応に使われなかった水はポンプにより水タンクに回収されるが、一旦は容器の底部に滞留する。

これによると、金属水素化物を容器の上部に配置すること、容器の底部に水や生成物を落下させること、というように、水素発生装置は使用する姿勢が限定されていた。従来の水素発生装置で姿勢を変化させて使用した場合、金属水素化物が生成物に被覆されてしまう。また、反応に使われなかった水が容器の底部に落下しないため、水タンクに回収できない問題が生じる。更には、反応に使われなかった水が金属水素化物と再接触することになり、再接触した水により水素反応が生じることになる。

特に、一旦容器の底部に滞留した水が姿勢変化により金属水素化物と接触すると、予期せぬ水素発生を生じることになり、反応を制御することが不可能になるといった重大な問題が生じる。この結果、姿勢変化に対応した構造が必要な携帯電話やデジタルカメラ等の携帯機器の電源デバイスとして用いるのは非現実的であった。

特開２００２−１３７９０３号公報

本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、固体反応物に生成物が滞留することをなくすと共に、固体反応物以外の箇所に反応溶液が送られることをなくすことで、姿勢を変化させた場合であっても水素発生反応を的確に制御することができる水素発生装置を提供することを目的とする。

また、本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、固体反応物に生成物が滞留することをなくすと共に、固体反応物以外の箇所に反応溶液が送られることをなくすことで、姿勢を変化させた場合であっても水素発生反応を的確に制御することができる水素発生装置を備えた燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するための請求項１に係る本発明の水素発生装置は、反応溶液が収容される反応溶液容器と、反応溶液容器からの反応溶液が送られる複数の供給孔を有すると共に、前記反応溶液と反応して水素の発生が促進される固体反応物が収容され発生した水素を排出する排出口を有した反応物容器と、前記複数の供給孔に対応して配設された前記固体反応物を前記供給孔側に押し付ける押し付け手段と、前記複数の供給孔のそれぞれに備えられ、前記押し付け手段で押し付けられた前記固体反応物の端面が前記供給孔から所定距離内に位置している時に前記供給孔を開状態にして前記反応溶液の流通を許容し、前記固体反応物の端面が前記供給孔から所定距離内に位置しない時に前記供給孔を閉状態にして前記反応溶液の流通を阻止する送液制御手段とを備えたことを特徴とする。

請求項１に係る本発明では、供給孔に接触している（端面が所定距離内に位置している）固体反応物に反応溶液が送られて水素が発生し、排出口から排出される。固体反応物と反応容器の供給孔側の壁面との隙間を水素が通過することにより生成物が固体反応物上に留まることがない。また、押し付け手段により固体反応物が供給孔側に押し付けられているため、姿勢が変化した場合でも反応溶液を固体反応物に供給することができる。

更に、水素発生反応を制御することができる。即ち、固体反応物は供給孔の周囲での反応量が多くなるため、水素発生が進むにつれ、固体反応物には供給孔の周囲で空洞が生じる（端面が所定距離内に位置しない）。空洞が固体反応物の側部まで達すると反応溶液が固体反応物に接触せずに流出する。流出した反応溶液は反応容器の底面で滞留することになり、姿勢が変化した場合、固体反応物と滞留した反応溶液とが接触して水素発生反応が生じることになる。本願発明では、固体反応物が供給孔から離れることにより供給孔が閉状態にされて反応溶液が送られなくなるため、反応溶液の滞留は起こらずに水素発生反応が制御される。

供給孔が複数ある場合には、重力の影響により反応溶液の送液量が上部の供給孔の周囲より下部の供給孔の方が多くなり、下部の供給孔の周囲の固体反応物は反応量が多くなる傾向になる。そこで、まず、固体反応物は下部が片減りして供給孔が閉状態にされ、反応溶液が送られなくなる。このため、固体反応物の上部でのみ反応が生じ、上部の固体反応物が消費されて体積が減少する。その結果、再び下部の供給孔が固体反応物に近づいた状態になり、供給孔が開状態にされて反応溶液が送られて反応が開始される。以後、これが繰り返されて固体反応物の供給孔に対向する面の全体が均一に消費される。これにより、反応溶液が固体反応物だけに供給されて固体反応物以外の部位に流出することがない。

姿勢が変化した場合でも、前述した作用は同じであるため、反応溶液が供給される供給孔の周囲の固体反応物が消費され、供給孔に対向する面の全体が均一に消費される。このため、姿勢変化があった場合においても、反応溶液が固体反応物だけに供給されて固体反応物以外の部位に流出することがない。

そして、請求項２に係る本発明の水素発生装置は、請求項１に記載の水素発生装置において、前記送液制御手段は、前記押し付け手段で押し付けられた前記固体反応物により押されて移動する移動体と、前記移動体の移動に伴って前記供給孔を開閉する開閉部材とからなることを特徴とする。

請求項２に係る本発明では、固体反応物に押されて移動体が移動している間は供給孔が開状態にされて反応溶液が供給され、反応により固体反応物の体積が減って移動体が固体反応物に押されなくなると、即ち、固体反応物から移動体が離れると、供給孔が閉状態にされて反応溶液の供給が停止する。

また、請求項３に係る本発明の水素発生装置は、請求項２に記載の水素発生装置において、前記移動体を前記固体反応物側に押圧付勢する付勢手段を備え、前記移動体は、前記供給孔に配設され、前記反応物容器の内部側の壁面から出没自在な柱部材であり、前記開閉部材は、前記移動体が前記付勢手段により付勢されて前記反応物容器の内部側の壁面から突出した時に前記供給孔を閉じるシール部材であることを特徴とする。

請求項３に係る本発明では、固体反応物が消費されると、付勢手段により柱部材が付勢されて移動し、シール部材が供給孔を閉じるまで固体反応物との接触を保ちながら移動体が移動する。

また、請求項４に係る本発明の水素発生装置は、請求項３に記載の水素発生装置において、前記柱部材は、前記供給孔に連通する中空部を有する管であり、前記シール部材は、前記移動体が前記付勢手段により付勢されて前記反応物容器の内部側の壁面から突出した時に前記管の中空部を閉塞する閉塞手段であることを特徴とする。

請求項４に係る本発明では、管の中空部から反応溶液が供給されて速やかに固体反応物に接触することになり、閉塞手段で中空部が閉じられるまで管が移動する。

また、請求項５に係る本発明の水素発生装置は、請求項３に記載の水素発生装置において、前記付勢手段は、前記供給孔に対応した前記反応物容器の内部側の壁面に貼り付けられた弾性体シートであり、前記柱部材は、前記供給孔の内部に配される弁体であり、前記開閉部材は、前記弁体に形成され、前記供給孔と前記反応物容器の内部側とを連通する連通路であり、前記連通路は、前記弁体が前記押し付け手段で押し付けられた前記固体反応物により押されている時に前記反応溶液の流通を許容するように開通し、前記弾性体シートの弾性力を受けている時に前記反応溶液の流通を阻止するように閉塞することを特徴とする。

請求項５に係る本発明では、弁体が固体反応物に押されている時に弾性体シートが弾性変形して連通路が開通して反応溶液が供給され、固体反応物が反応して弾性体シートの弾性力により弁体が移動し、固体反応物側からの押圧力がなくなった状態で、即ち、弁体が固体反応物から離れた状態で弾性体シートの弾性力により、連通路が閉じて反応溶液の流通が停止する。

また、請求項６に係る本発明の水素発生装置は、請求項５に記載の水素発生装置において、前記弁体は前記弾性体シートと一体に設けられた弾性材であることを特徴とする。

請求項６に係る本発明では、弁体を弾性体シートと一体に形成することができ、連通路の形状を任意に設定することにより閉鎖状況を調整することができる。

また、請求項７に係る本発明の水素発生装置は、請求項２に記載の水素発生装置において、前記移動体を前記固体反応物側に押圧付勢する付勢手段を備え、前記移動体は、前記供給孔に隣接して設けられ、前記反応物容器の内部側の壁面から出没自在なガイド柱部材であり、前記開閉部材は、ガイド柱部材に取り付けられ、前記ガイド柱部材が前記付勢手段により付勢されて前記反応物容器の内部側の壁面から突出した時に前記供給孔を塞ぐ閉塞部材であることを特徴とする。

請求項７に係る本発明では、固体反応物が消費されると、付勢手段によりガイド柱部材が付勢されて移動し、ガイド柱部材に取付けられた閉塞部材が供給孔を塞ぐまで固体反応物との接触を保ちながらガイド柱部材が移動する。

また、請求項８に係る本発明の水素発生装置は、請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載の水素発生装置において、前記押し付け手段には、前記固体反応物を前記供給孔側に押し付ける加重板が備えられていることを特徴とする。

請求項８に係る本発明では、供給孔及び供給孔が備えられた壁面に固体反応物を加圧板により均等に押し付けることができる。

また、請求項９に係る本発明の水素発生装置は、請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載の水素発生装置において、前記反応溶液容器から前記反応物容器に前記反応溶液を圧送するポンプを備えたことを特徴とする。

請求項９に係る本発明では、ポンプにより反応溶液を確実に送液することができる。

また、請求項１０に係る本発明の水素発生装置は、請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載の水素発生装置において、前記反応物容器の内圧が前記反応溶液容器の内圧に対して低くなった時の圧力差により前記反応溶液容器から前記反応物容器に前記反応溶液を供給する差圧供給手段を備えたことを特徴とする。

請求項１０に係る本発明では、差圧供給手段により水素の発生状況に応じて必要時に反応溶液を確実に供給することができる。具体的な差圧供給手段は、反応物容器の圧力が反応溶液容器側の圧力より低くなった時に、反応溶液を反応容器に送るために反応物容器と反応溶液容器を連結する導水路と、反応物容器の圧力が反応溶液容器側の圧力より高くなった時に、固体反応物もしくは反応溶液もしくは生成物が反応溶液容器に移動することを防止するために導水路に設けられる逆止弁と、反応溶液容器の内部に所定の圧力をかけるための圧力供給手段とから構成される。

圧力供給手段は各種の手段が挙げられる。第１に、反応溶液容器の中に備えられ反応溶液の液面を押して反応溶液を加圧するプランジャと、プランジャを押すための付勢手段（ばね）を用いる手段が挙げられる。第２に、反応溶液容器を弾性体で形成し、反応溶液容器自体を加圧して反応溶液を加圧する手段が挙げられる。第３に、反応溶液容器の内部に気体を導入する圧力導入手段が挙げられる。この場合、圧力導入口に逆止弁を設置することにより反応溶液を反応溶液容器の外に流出させないことが可能であり、また、圧力導入口にポンプを設置することにより反応溶液容器内に任意の圧力をかけることが可能である。

上記目的を達成するための請求項１１に係る本発明の燃料電池システムは、水素が供給されるアノード室を有する燃料電池のアノード室に、請求項１〜請求項１０のいずれか一項に記載の水素発生装置の前記排出口を接続したことを特徴とする。

請求項１１に係る本発明では、姿勢変化に拘わらず水素発生反応を制御できる水素発生装置を備えた燃料電池システムとすることができる。

そして、請求項１２に係る本発明の燃料電池システムは、請求項１１に記載の燃料電池システムにおいて、前記アノード室と前記反応物容器とが閉空間を形成していることを特徴とする。

請求項１２に係る本発明では、生成された水素が外部に流出しないため、生成された水素を全量用いる燃料電池システムとすることができる。

本発明の水素発生装置は、固体反応物に生成物が滞留することをなくすと共に、固体反応物以外の箇所に反応溶液が送られることをなくすことで、姿勢を変化させた場合であっても水素発生反応を的確に制御することができる水素発生装置とすることができる。

また、本発明の燃料電池システムは、固体反応物に生成物が滞留することをなくすと共に、固体反応物以外の箇所に反応溶液が送られることをなくすことで、姿勢を変化させた場合であっても水素発生反応を的確に制御することができる水素発生装置を備えた燃料電池システムとすることができる。

図１には本発明の第１実施形態例に係る水素発生装置の概略構成、図２には反応物容器の要部状況、図３には供給孔の配置状況を示してある。尚、図２（ａ）は全ての供給孔が開いている状態で、図２（ｂ）は一部の供給孔が閉じている状態である。

図１に示すように、水素発生装置１は、反応物容器２を有し、反応物容器２の内部には固体反応物としての円柱状のワーク３（例えば、水素化ホウ素ナトリウムのペレット：直径１５ｍｍ、長さ２０ｍｍの円柱）が保持されている。反応物容器２の側壁には供給口４が設けられ、供給口４の位置における反応物容器２の内側には隔離部材５が設けられている。隔離部材５は、供給口４につながる液体室６が備えられ、隔離部材５の壁面には複数個の供給孔７が設けられている。供給孔７は、図２、図３に示すように、壁面に縦横３個づつ、合計で９個設けられている。

ワーク３は、一方の端面３ａが供給孔７に押し付けられた状態で隔離部材５の壁面に接触して保持されている（供給孔７から所定距離内に位置する）。ワーク３の他方の端面３ｂは加重板８に押圧されている。加重板８は後述する押し付け手段によってワーク３を供給孔７側に押圧している。反応物容器２には発生した水素を排出する排出口９が設けられ、排出口９にはレギュレータバルブ１０が設けられている。

また、反応物容器２に隣接して反応溶液容器１１が備えられ、反応溶液容器１１には反応溶液１２（例えば、塩化ニッケル水溶液：塩化ニッケル濃度１２％）が貯蔵されている。反応溶液容器１１と反応物容器２の供給口４は導水路１３により接続され、導水路１３には圧力差により開閉して反応溶液１２を隔離部材５の液体室６に送るバルブ１４が備えられている。尚、バルブ１４に代えてポンプを設け、ポンプの動力により反応溶液１２を圧送することも可能である。

加重板８を介してワーク３を供給孔７側に押圧するための押し付け手段を説明する。

供給孔７が設けられた隔離部材５の壁面には支持軸１５が設けられ、支持軸１５には加重板８が摺動自在に保持されている。加重板８を貫通した部位の支持軸１５、即ち、ワーク３の押圧面と反対側の面側に突出する支持軸１５の部位には、圧縮コイルばね１６が保持され、圧縮コイルばね１６は固定板１７とワーク３の押圧面と反対側の加重板８の面にわたり配されている。つまり、圧縮コイルばね１６により加重板８が隔離部材５の供給孔７側に押圧され、ワーク３は加重板８により供給孔７に押し付けられた状態で保持されている。

尚、加重板８を押し付ける押し付け手段としては、ワーク３の押圧面と反対側の加重板８と反応物容器２の供給口４とは反対側の壁面との間に圧縮コイルばねを設けることも可能である。また、磁石や引張りばねを用いて加重板８を反応物容器２の供給口４側に付勢することも可能である。

反応溶液１２としては、塩化ニッケル水溶液の他に、塩化コバルト、塩化パラジウムなどの水溶液、もしくは、リンゴ酸水溶液（リンゴ酸濃度：２５％）、コハク酸、クエン酸等の水溶液を用いることができる。

加重板８によりワーク３の端面３ａが隔離部材５の供給孔７側に押圧されて保持されている。反応物容器２の圧力が反応溶液容器１１の圧力より低い場合に、バルブ１４が開いて反応溶液１２が供給口４から隔離部材５の液体室６に送られる。

反応物容器２の圧力が反応溶液容器１１の圧力より低い状態になるように、反応溶液容器１１の内部に所定の圧力をかけるための圧力供給手段が備えられている。圧力供給手段としては、反応溶液容器１１の内部に気体を導入する圧力導入口１８が採用されている。この場合、圧力導入口１８に逆止弁を設置することにより反応溶液１２を反応溶液容器１１の外に流出させないことが可能であり、また、圧力導入口１８にポンプを設置することにより反応溶液容器１１内に任意の圧力をかけることが可能である。

圧力供給手段としては、反応溶液容器１１の中に備えられ反応溶液１２の液面を押して反応溶液１２を加圧するプランジャと、プランジャを押すための付勢手段（ばね）を用いることも可能である。また、反応溶液容器を弾性体で形成し、反応溶液容器自体を加圧して反応溶液を加圧する手段を用いることも可能である。

反応溶液１２が隔離部材５の液体室６に送られると、供給孔７で反応溶液１２がワーク３の端面３ａに接触して反応して水素が発生する。ワーク３の端面３ａは供給孔７の壁面に押し付けられているため、発生した水素は壁面とワーク３の端面３ａとの隙間を移動し、水素と共に生成物も移動する。発生した水素は排出口９からレギュレータバルブ１０を介して消費部に送られる。

上述した水素発生装置１には、姿勢の変化に拘わらず反応溶液１２をワーク３に供給するための送液制御手段２１が備えられている。送液制御手段２１は、ワーク３が供給孔７に近接している時に供給孔７を開状態にして液体室６からの反応溶液１２の流通を許容し、ワーク３が供給孔７から離れている時に（端面が所定距離内に位置しない時に）供給孔７を閉状態にして液体室６からの反応溶液１２の流通を阻止するようになっている。

図２に基づいて送液制御手段２１（第１実施形態例）を説明する。

図に示すように、隔離部材５の供給孔７には柱部材（移動体）である支柱２２が移動自在に保持され、支柱２２と供給孔７との間には反応溶液１２が流通可能な隙間が形成されている。支柱２２の先端側（図中右端側）は隔離部材５の壁面（反応物容器２の内壁面）から出没自在とされ、液体室６内に位置する支柱２２の基端側（図中左端側）には弁体２３が取り付けられている。弁体２３の内側（支柱２２側）にはシール部材２４が設けられ、支柱２２の先端側が隔離部材５の壁面から突出した時にシール部材２４によって供給孔７が閉じられるようになっている（図２（ｂ）下の状態）。弁体２３が設けられた支柱２２は付勢手段としての圧縮ばね２５により隔離部材５の壁面から突出する側、即ち、ワーク３側に押圧付勢されて、ワーク３の端面３ａに押し付けられて接触する。

加重板８（図１参照）によりワーク３が隔離部材５の供給孔７側に押圧されて供給孔７に押し付けられた状態で保持されている場合、図２（ａ）に示すように、支柱２２がワーク３により押されて支柱２２は圧縮ばね２５の付勢力に抗して没動した状態になる。この状態で液体室６に反応溶液１２が送られると、支柱２２と供給孔７の隙間から反応溶液１２がワーク３の端面３ａに供給される。供給孔７の部位で反応溶液１２がワーク３の端面３ａに接触し、ワーク３と反応溶液１２が反応して水素が発生する。

水素発生装置１（図１参照）の姿勢により複数の供給孔７が上下に並んだ場合、重力により下部の供給孔７には上部の供給孔７よりも多くの反応溶液１２が供給されることになる。このため、図２（ｂ）に示すように、ワーク３の端面３ａの下部ほど多く侵食される。圧縮ばね２５の付勢力により支柱２２の先端がワーク３の端面３ａに接触し続けるため、侵食の深さが深くなるに伴い、支柱２２は圧縮ばね２５の付勢力により突出方向に移動する。ワーク３の侵食が進み支柱２２の先端がワーク３の端面３ａから離れると（即ち、移動量が所定量に達すると）、シール部材２４によって供給孔７が閉じられて（図２（ｂ）最下部の支柱２２）反応溶液１２の供給が停止される。

ワーク３の端面３ａが供給孔７に接触する（ワーク３の端面３ａが供給孔７から所定距離内に位置する）所定距離は、支柱２２の先端側が隔離部材５の壁面から突出する最大の長さであることが好ましい。これにより、支柱２２の先端側が隔離部材５の壁面から突出する最大の長さとなった時（最大突出時）、即ち、ワーク３の端面３ａが供給孔７から所定距離内に位置しない時にシール部材２４によって供給孔７が閉じられるようになる。

このため、ワーク３の端面３ａの上部でのみ反応が生じ、上部のワーク３が消費されて体積が減少する。その結果、再び下部の供給孔７がワーク３の端面３ａの端面に近づいた状態になり、支柱２２がワーク３に押されて供給孔７が開状態にされ、反応溶液１２が送られて反応が開始される。以後、これが繰り返されてワーク３の供給孔７に対向する面の全体が均一に消費される。これにより、反応溶液１２がワーク３だけに供給されてワーク３以外の部位に流出することがない。

従って、ワーク３に生成物が滞留することがなくなると共に、ワーク３以外の箇所に反応溶液１２が送られることがなくなり、姿勢を変化させた場合であっても水素発生反応を的確に制御することができる水素発生装置１となる。

図４に基づいて送液手段の第２実施形態例を説明する。図４には第２実施形態例に係る送液手段を備えた反応物容器の要部状況を示してある。尚、図２に示した部材と同一部材には同一符号を付してある。

供給口４の位置における反応物容器２の内側には隔離部材３１が設けられている。隔離部材３１は、供給口４につながる液体室３２が備えられ、隔離部材３１の壁面には複数個の供給孔３３が設けられている。供給孔３３は、例えば、第１実施形態例と同様に、壁面に縦横３個づつ、合計で９個設けられている。

隔離部材３１の供給孔３３は筒状の供給路３３ａと小径部を有する弁座路３３ｂとで形成され、供給孔３３には柱部材（移動体）である支柱３４が移動自在に支持され、支柱３４と供給孔３３との間には反応溶液１２が流通可能な隙間が形成されている。弁座路３３ｂに位置する支柱３４にはシール部材としてのＯリング３５が装着され、支柱３４の先端側が隔離部材３１の壁面から突出した時にＯリング３５によって供給孔３３の弁座路３３ｂの端部（供給路３３ａとの連通部）が閉じられるようになっている（図４の下の状態）。つまり、ワーク３の端面３ａが供給孔３３から所定距離内に位置する時に反応溶液１２の流通が許容され、ワーク３の端面が供給孔３３から所定距離内に位置しない時に反応溶液１２の流通が阻止される。供給路３３ａに位置する支柱３４の外周には付勢手段としての圧縮ばね３６が配され、支柱３４は圧縮ばね３６により隔離部材３１の壁面から突出する側、即ち、ワーク３側に押圧付勢されて、ワーク３の端面３ａに押し付けられて接触する。尚、第２実施形態例の所定距離も、第１実施形態例と同様に、支柱３４の最大の突出長さにより設定されることが好ましい。

加重板８（図１参照）によりワーク３が隔離部材３１の供給孔３３側に押圧されて供給孔３３に押し付けられた状態で保持されている場合、支柱３４がワーク３により押されて支柱３４は圧縮ばね３６の付勢力に抗して没動した状態になり、Ｏリング３５が弁座路３３ｂの端部から離れた状態になる。この状態で液体室３２に反応溶液１２が送られると、支柱３４と供給孔３３の隙間から反応溶液１２がワーク３の端面３ａに供給される。供給孔３３の部位で反応溶液１２がワーク３の端面３ａに接触し、ワーク３と反応溶液１２が反応して水素が発生する。

姿勢により複数の供給孔３３が上下に並んだ場合、重力により下部の供給孔３３には上部の供給孔３３よりも多くの反応溶液１２が供給されることになる。このため、ワーク３の端面３ａの下部ほど多く侵食される。圧縮ばね３６の付勢力により支柱３４の先端がワーク３の端面３ａに接触し続けるため、侵食の深さが深くなるに伴い、支柱３４は圧縮ばね３６の付勢力により突出方向に移動する。ワーク３の侵食が進み支柱３４の先端がワーク３の端面３ａから離れると（即ち、移動量が所定量に達すると）、Ｏリング３５によって弁座路３３ｂの端部が閉じられて（図４中最下部の支柱３４）、反応溶液１２の供給が停止される。

このため、ワーク３の端面３ａの上部でのみ反応が生じ、上部のワーク３が消費されて体積が減少する。その結果、再び下部の供給孔３３がワーク３の端面３ａの端面に近づいた状態になり、支柱３４がワーク３に押されて供給孔３３が開状態にされ、反応溶液１２が送られて反応が開始される。以後、これが繰り返されてワーク３の供給孔３３に対向する面の全体が均一に消費される。これにより、反応溶液１２がワーク３だけに供給されてワーク３以外の部位に流出することがない。

従って、第１実施形態例と同様に、ワーク３に生成物が滞留することがなくなると共に、ワーク３以外の箇所に反応溶液１２が送られることがなくなり、姿勢を変化させた場合であっても水素発生反応を的確に制御することができる水素発生装置１となる。

図５に基づいて送液手段の第３実施形態例を説明する。図５には第３実施形態例に係る送液手段を備えた反応物容器の要部状況を示してある。尚、図２に示した部材と同一部材には同一符号を付して重複する説明は省略してある。

図５に示した送液手段は、図２に示した送液手段に対して、柱部材（移動体）としての支柱４１に中空部となる流路４２が形成された管の構成となっている。支柱４１がワーク３に押された状態（侵食が進んでいない状態：ワークの端面が供給孔である流路４２の端面から所定距離内に位置する時）では、支柱４１の流路４２から反応溶液１２が供給されて速やかにワーク３に接触することになる。ワーク３の侵食が進んで支柱４１が突出すると（ワークの端面が供給孔である流路４２の端面から所定距離内に位置しない時）、シール部材２４により供給孔７が閉じられて流路４２が閉塞された状態になる。尚、第３実施形態例の所定距離も、支柱４１の最大の突出長さにより設定されることが好ましい。

従って、第１、第２実施形態例と同様に、ワーク３に生成物が滞留することがなくなると共に、ワーク３以外の箇所に反応溶液１２が送られることがなくなり、姿勢を変化させた場合であっても水素発生反応を的確に制御することができる水素発生装置１となる。

図６に基づいて送液手段の第４実施形態例を説明する。図６には第４実施形態例に係る送液手段を備えた反応物容器の要部状況を示してある。尚、図２に示した部材と同一部材には同一符号を付して重複する説明は省略してある。

図６に示した送液手段は、中空部４５を有する管４６が供給孔７に移動自在に支持され、管４６の先端側（図中右側）がワーク３（図２参照）側に臨み、管４６の基端（図中左側の液体室側）は開閉部材４７によりワーク３（図２参照）側に付勢されている。即ち、開閉部材４７は付勢手段としてのねじりばね４８により回動方向に付勢されて設けられ、開閉部材４７が回動付勢されることにより管４６の基端が押されると共に中空部４５が閉塞される（閉塞手段：図６（ｂ）参照））。

ワーク３側から管４６の先端側が押された状態（侵食が進んでいない状態：ワークの端面が供給孔である中空部４５の端面から所定距離内に位置する時）では、開閉部材４７がねじりばね４８の付勢力に抗して回動して中空部４５が開通し、中空部４５から反応溶液１２（図２参照）が供給されて速やかにワーク３に接触することになる（図６（ａ）参照）。ワーク３の侵食が進んで管４６が突出すると（ワークの端面が供給孔である中空部４５の端面から所定距離内に位置しない時）、開閉部材４７の回動付勢により中空部４５が閉塞される。尚、図中４９は管４６と供給孔７との隙間から反応溶液１２（図２参照）が漏れるのを防止するＯリングである。尚、第４実施形態例の所定距離も、管４６の最大の突出長さにより設定されることが好ましい。

従って、第１〜第３実施形態例と同様に、ワーク３に生成物が滞留することがなくなると共に、ワーク３以外の箇所に反応溶液１２が送られることがなくなり、姿勢を変化させた場合であっても水素発生反応を的確に制御することができる水素発生装置１となる。

図７に基づいて送液手段の第５実施形態例を説明する。図７には第５実施形態例に係る送液手段を備えた反応物容器の要部状況を示してある。尚、図２に示した部材と同一部材には同一符号を付して重複する説明は省略してある。

図７に示した送液手段は、供給孔７に対応した隔離部材５の壁面に付勢手段としての弾性体シート５１が貼り付けられ、供給孔７の内部に柱部材（移動体）としての弁体５２が配されている。弁体５２は弾性体シート５１と一体に設けられた弾性材で形成されている。弁体５２には供給孔７とワーク３側（反応物容器の内部側）とを連通する連通路５３が設けられている。連通路５３は、弁体５２がワーク３により押されている時に反応溶液１２（図２参照）の流通を許容するように開通し、弾性体シート５１の弾性力を受けている時に反応溶液１２（図２参照）の流通を阻止するように閉塞される。即ち、ワーク３に接触する側の連通路５３が大径部５３ａとなり、液体室６側の連通路５３がスリット部５３ｂとなっている。

ワーク３側から弁体５２の先端側（連通路５３の大径部５３ａ側）が押された状態（侵食が進んでいない状態：ワーク３の端面が供給孔である連通路５３の端面から所定距離内に位置する時）では、弁体５２が弾性変形してスリット部５３ｂが開き、反応溶液１２の連通路５３の流通が許容される。この状態で連通路５３から反応溶液１２（図２参照）が供給されて速やかにワーク３に接触することになる（図７（ａ）参照）。ワーク３の侵食が進んで弾性力により弁体５２が突出し、ワーク３からの押圧力がなくなると（ワーク３の端面が供給孔である連通路５３の端面から所定距離内に位置しない時）、弾性力によりスリット部５３ｂが閉じて反応溶液１２の流通が阻止されるように連通路５３が閉塞される。尚、第５実施形態例の所定距離も、弁体５２の最大の突出長さにより設定されることが好ましい。

従って、第１〜第４実施形態例と同様に、ワーク３に生成物が滞留することがなくなると共に、ワーク３以外の箇所に反応溶液１２（図２参照）が送られることがなくなり、姿勢を変化させた場合であっても水素発生反応を的確に制御することができる水素発生装置１となる。また、弾性体シート５１及び一体の弾性材である弁体５２の厚さ等の形状を任意に設定することにより、連通路５３の閉鎖状況を調整することができる。

図８に基づいて送液手段の第６実施形態例を説明する。図８には第６実施形態例に係る送液手段を備えた反応物容器の要部状況を示してある。尚、図２に示した部材と同一部材には同一符号を付して重複する説明は省略してある。

図８に示した送液手段は、供給孔７に対応した隔離部材５の壁面に付勢手段としての弾性体シート５５が貼り付けられ、供給孔７の内部に柱部材（移動体）としての弾性ピン５６が取り付けられている。弾性ピン５６が取り付けられている弾性体シート５５の周囲には吐出口５７が形成され、供給孔７には弾性ピン５６の頭部５６ａが接触する座部７ａが形成されている。弾性体シート５５の弾性力により弾性ピン５６の頭部５６ａが座部７ａに当接することで供給孔７が閉じた状態になる。弾性ピン５６の先端にワーク３からの押圧力が加わると、弾性体シート５５が弾性変形して弾性ピン５６の頭部５６ａが座部７ａから離れ、供給孔７が開いた状態になる。

ワーク３側から弾性ピン５６の先端側が押された状態（侵食が進んでいない状態：ワークの端面が供給孔７から所定距離内に位置する時）では、弾性体シート５５が弾性変形して弾性ピン５６の頭部５６ａが座部７ａから離れ、反応溶液１２（図２参照）の供給孔７の流通が許容される。この状態で供給孔７から吐出口５７を介して反応溶液１２（図２参照）が供給されて速やかにワーク３に接触することになる（図８（ａ）参照）。ワーク３の侵食が進んで弾性体シート５５の弾性力により弾性ピン５６が突出し、ワーク３からの押圧力がなくなると（ワークの端面が供給孔７の端面から所定距離内に位置しない時）、弾性ピン５６の頭部５６ａが座部７ａに当接して供給孔７が閉じた状態になる（図８（ｂ）参照）。尚、第６実施形態例の所定距離も、弾性ピン５６の最大の突出長さにより設定されることが好ましい。

従って、第１〜第５実施形態例と同様に、ワーク３に生成物が滞留することがなくなると共に、ワーク３以外の箇所に反応溶液１２（図２参照）が送られることがなくなり、姿勢を変化させた場合であっても水素発生反応を的確に制御することができる水素発生装置１となる。また、弾性体シート５５及び弾性ピン５６の形状を任意に設定することにより、供給孔７の閉鎖状況を調整することができる。

図９に基づいて送液手段の第７実施形態例を説明する。図９には第７実施形態例に係る送液手段を備えた反応物容器の要部状況を示してある。尚、図２に示した部材と同一部材には同一符号を付して重複する説明は省略してある。

隔離部材５の供給孔７に隣接してガイド孔６１が形成され、ガイド孔６１にはガイド柱部材６２（移動体）が移動自在に支持されている。ガイド柱部材６２の先端側（図中右端側）は隔離部材５の壁面（反応物容器２の内壁面）から出没自在とされ、ガイド柱部材６２はばね受け６７を介して付勢手段としての圧縮ばね６５により隔離部材５の壁面から突出する側、即ち、ワーク３側に押圧付勢されている。ガイド柱部材６２には閉塞部材としての弁体６３が連結材６８を介して取り付けられ、弁体６３には供給孔７に密着するシール材６４が取り付けられている。尚、図中の符号で６６はガイド孔６１からの反応溶液１２の漏れを阻止するためのシール板である。

ガイド柱部材６２がワーク３に押されている状態（侵食が進んでいない状態：ワークの端面が供給孔７から所定距離内に位置する時）では、ガイド柱部材６２は圧縮ばね６５の付勢力に抗して没動した状態になり、弁体６３が供給孔７から離れて供給孔７の流通が許容される。この状態で供給孔７から反応溶液１２が供給されてワーク３に接触することになる（図示の状態）。ワーク３の侵食が進んで圧縮ばね６５の付勢力によりガイド柱部材６２が突出しワーク３からの押圧力がなくなると（ワークの端面が供給孔７の端面から所定距離内に位置しない時）、弁体６３のシール材６４が供給孔７に密着して供給孔７が閉じた状態になる。尚、第７実施形態例の所定距離も、ガイド柱部材６２の最大の突出長さにより設定されることが好ましい。

従って、第１〜第６実施形態例と同様に、ワーク３に生成物が滞留することがなくなると共に、ワーク３以外の箇所に反応溶液１２が送られることがなくなり、姿勢を変化させた場合であっても水素発生反応を的確に制御することができる水素発生装置１となる。

図１０、図１１に基づいて本発明の燃料電池システムを説明する。図１０には本発明の第１実施形態例に係る燃料電池システムの概略構成、図１１には本発明の第２実施形態例に係る燃料電池システムの概略構成を示してある。

図１０に示した燃料電池システム７１は、図１〜図３に示した水素発生装置１の反応物容器２の排出口９に燃料電池７２が接続されている。燃料電池７２にはアノードチャンバー７３が備えられ、アノードチャンバー７３は燃料電池セル７４のアノード室７５を構成している。アノード室７５には処理室７６が接続され、適宜開放された状態になっている。アノード室７５に供給された水素は、アノードでの燃料電池反応で消費される。アノードでの水素の消費量は、燃料電池７２の出力電流に応じて決定される。

尚、燃料電池７２が接続される水素発生装置の送液手段は、図４〜図９に示した構成のものを適用することも可能である。

図１１に示すように、アノード室７５と反応物容器２とが閉空間を構成するようにしてもよい。閉空間を構成することにより、水素が外部に流出しないため水素発生装置１で生成された水素を全量用いる燃料電池システムとすることができる。

尚、燃料電池７２が接続される水素発生装置の送液手段は、図４〜図９に示した構成のものを適用することも可能である。

従って、上述した燃料電池システムは、ワーク３に生成物が滞留することをなくすと共に、ワーク３以外の箇所に反応溶液１２が送られることをなくすことで、姿勢を変化させた場合であっても水素発生反応を的確に制御することができる水素発生装置１を備えた燃料電池システムとすることができる。

本発明は、例えば、金属水素化物を分解して水素を発生させる水素発生装置及び水素発生装置で発生した水素を燃料とする燃料電池システムの産業分野で利用することができる。

第１実施形態例に係る水素発生装置の概略構成図である。 反応物容器の要部構成図である。 供給孔の配置状況の説明図である。 第２実施形態例に係る送液手段を備えた反応物容器の要部構成図である。 第３実施形態例に係る送液手段を備えた反応物容器の要部構成図である。 第４実施形態例に係る送液手段を備えた反応物容器の要部構成図である。 第５実施形態例に係る送液手段を備えた反応物容器の要部構成図である。 第６実施形態例に係る送液手段を備えた反応物容器の要部構成図である。 第７実施形態例に係る送液手段を備えた反応物容器の要部構成図である。 第１実施形態例に係る燃料電池システムの概略構成図である。 第２実施形態例に係る燃料電池システムの概略構成図である。

符号の説明

１ 水素発生装置
２ 反応物容器
３ ワーク
４ 供給口
５、３１ 隔離部材
６、３２ 液体室
７、３３ 供給孔
８ 加重板
９ 排出口
１０ レギュレータバルブ
１１ 反応溶液容器
１２ 反応溶液
１３ 導水路
１４ バルブ
１５ 支持軸
１６ 圧縮コイルばね
１７ 固定板
１８ 圧力導入口
２１ 送液手段
２２ 支柱
２３、５２、６３ 弁体
２４ シール部材
２５、３６、６５ 圧縮ばね
３５、４８ Ｏリング
４１ 支柱
４２ 流路
４５ 中空部
４６ 管
４７ 開閉部材
５１、５５ 弾性体シート
５３ 連通路
５６ 弾性ピン
５７ 吐出口
６１ ガイド孔
６２ ガイド柱部材
６４ シール材
６６ シール板
６７ ばね受け
６８ 連結材
７１ 燃料電池システム
７２ 燃料電池
７３ アノードチャンバー
７４ 燃料電池セル
７５ アノード室

Claims (12)

1. 反応溶液が収容される反応溶液容器と、
   反応溶液容器からの反応溶液が送られる複数の供給孔を有すると共に、前記反応溶液と反応して水素の発生が促進される固体反応物が収容され発生した水素を排出する排出口を有した反応物容器と、
   前記複数の供給孔に対応して配設された前記固体反応物を前記供給孔側に押し付ける押し付け手段と、
   前記複数の供給孔のそれぞれに備えられ、前記押し付け手段で押し付けられた前記固体反応物の端面が前記供給孔から所定距離内に位置している時に前記供給孔を開状態にして前記反応溶液の流通を許容し、前記固体反応物の端面が前記供給孔から所定距離内に位置しない時に前記供給孔を閉状態にして前記反応溶液の流通を阻止する送液制御手段とを備えた
   ことを特徴とする水素発生装置。
2. 請求項１に記載の水素発生装置において、
   前記送液制御手段は、
   前記押し付け手段で押し付けられた前記固体反応物により押されて移動する移動体と、
   前記移動体の移動に伴って前記供給孔を開閉する開閉部材とからなる
   ことを特徴とする水素発生装置。
3. 請求項２に記載の水素発生装置において、
   前記移動体を前記固体反応物側に押圧付勢する付勢手段を備え、
   前記移動体は、前記供給孔に配設され、前記反応物容器の内部側の壁面から出没自在な柱部材であり、
   前記開閉部材は、前記移動体が前記付勢手段により付勢されて前記反応物容器の内部側の壁面から突出した時に前記供給孔を閉じるシール部材である
   ことを特徴とする水素発生装置。
4. 請求項３に記載の水素発生装置において、
   前記柱部材は、前記供給孔に連通する中空部を有する管であり、
   前記シール部材は、前記移動体が前記付勢手段により付勢されて前記反応物容器の内部側の壁面から突出した時に前記管の中空部を閉塞する閉塞手段である
   ことを特徴とする水素発生装置。
5. 請求項３に記載の水素発生装置において、
   前記付勢手段は、前記供給孔に対応した前記反応物容器の内部側の壁面に貼り付けられた弾性体シートであり、
   前記柱部材は、前記供給孔の内部に配される弁体であり、
   前記開閉部材は、前記弁体に形成され、前記供給孔と前記反応物容器の内部側とを連通する連通路であり、
   前記連通路は、前記弁体が前記押し付け手段で押し付けられた前記固体反応物により押されている時に前記反応溶液の流通を許容するように開通し、前記弾性体シートの弾性力を受けている時に前記反応溶液の流通を阻止するように閉塞する
   ことを特徴とする水素発生装置。
6. 請求項５に記載の水素発生装置において、
   前記弁体は前記弾性体シートと一体に設けられた弾性材である
   ことを特徴とする水素発生装置。
7. 請求項２に記載の水素発生装置において、
   前記移動体を前記固体反応物側に押圧付勢する付勢手段を備え、
   前記移動体は、前記供給孔に隣接して設けられ、前記反応物容器の内部側の壁面から出没自在なガイド柱部材であり、
   前記開閉部材は、ガイド柱部材に取り付けられ、前記ガイド柱部材が前記付勢手段により付勢されて前記反応物容器の内部側の壁面から突出した時に前記供給孔を塞ぐ閉塞部材である
   ことを特徴とする水素発生装置。
8. 請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載の水素発生装置において、
   前記押し付け手段には、前記固体反応物を前記供給孔側に押し付ける加重板が備えられている
   ことを特徴とする水素発生装置。
9. 請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載の水素発生装置において、
   前記反応溶液容器から前記反応物容器に前記反応溶液を圧送するポンプを備えた
   ことを特徴とする水素発生装置。
10. 請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載の水素発生装置において、
    前記反応物容器の内圧が前記反応溶液容器の内圧に対して低くなった時の圧力差により前記反応溶液容器から前記反応物容器に前記反応溶液を供給する差圧供給手段を備えた
    ことを特徴とする水素発生装置。
11. 水素が供給されるアノード室を有する燃料電池のアノード室に、請求項１〜請求項１０のいずれか一項に記載の水素発生装置の前記排出口を接続したことを特徴とする燃料電池システム。
12. 請求項１１に記載の燃料電池システムにおいて、
    前記アノード室と前記反応物容器とが閉空間を形成している
    ことを特徴とする燃料電池システム。

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