JP5135627B2 - 水素発生装置及び燃料電池設備 - Google Patents

Description

本発明は、化学反応により発生した水素を、燃料電池、水素エンジンといった水素を必要とする装置や水素貯蔵容器に供給するための水素発生装置に関し、反応残留物の影響を抑制するようにしたものである。

また、本発明は、反応残留物の影響を抑制した状態で水素を供給することができる水素発生装置を備えた燃料電池設備に関する。

近年のエネルギー問題や環境問題の高まりから、化石燃料以外で、排出物がクリーンな燃料として、水素への期待が高まっている。しかし水素には製造、貯蔵、運搬、利用技術などあらゆる点で課題があり、取扱い技術の開発が急務である。

水素を利用した発電装置としては、燃料電池や内燃機関（以下、水素エンジン）が挙げられる。これらの発電装置は、地域分散電源、ビル、家庭、自動車、携帯機器などあらゆる業種を対象としている。いずれの場合も所定量の水素を速やかに供給する必要があり、また、特に自動車や携帯機器においては発電装置を設置するスペースの関係上、また電力を消費する装置に発電した電力を効率よく送るために、水素供給器及び水素発生材料を高水素貯蔵密度にし、低エネルギーで水素を発生させることが求められている。

従来、水素を低エネルギーで得る方法として、ケミカルハイドライドと呼ばれる錯体水素化物を加水分解する方法が知られている。例えば錯体水素化物の一種である水素化ホウ素リチウムや水素化ホウ素ナトリウム、水素化アルミニウムリチウム、水素化アルミニウムナトリウムをアルカリ水溶液に溶解し、その水溶液を貴金属触媒に供給して接触させ、水素発生反応を起こす方法、水やアルコールを錯体水素化物に供給して、水素発生反応を起こす方法などが知られている（例えば特許文献１参照）。

この場合、水素発生反応の反応物は、錯体水素化物と水であり、触媒は水素発生反応を促進する促進剤の効果がある。水素発生反応を起こして水素を得る場合、反応で生成される金属含有物や泡等の生成物が存在し、流路に流通抵抗が存在する等、水素発生装置に少なからず影響を与えてしまう。

このため、得られた水素を泡等の生成物と共に分離手段の部屋に投入し、分離手段の部屋で水素と生成物（反応残留物）を分離し、生成物が分離された水素を燃料電池等の消費部に供給する技術が知られている（例えば、特許文献２、特許文献３参照）。分離手段の部屋を備えることにより、反応残留物を分離することができるので、反応残留物の外部への流出をなくし、反応効率を低下させることなく生成物を分離して水素を消費部に供給することができる。

しかしながら、従来の技術では、反応残留物を分離することができ反応残留物の外部への流出の影響を抑制することができるが、分離手段の部屋を別途備える技術であるので、ある程度のスペースが必要であり小型化が阻害されてしまう。また、反応残留物として未反応の錯体水素化物（燃料）が含まれることもあり、未反応の燃料が反応残留物として残ると水素発生を停止した後にも反応残留物の体積の増加を引き起こすことが考えられ、分離手段の部屋の容積を十分に確保する必要があり、この点でも小型化が阻害されてしまう。更に、小型機器のように極僅かなスペースで使用するためには反応容器等の他の機器のスペースを犠牲にしなければならず、機能を低下させなければならないのが現状であった。

特開２００３−２０６１０１号公報 特開２００２−１５４８０３号公報 特開２００５−２２５７０９号公報

本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、少ないスペースで反応物と水溶液を接触させて得られた反応残留物の流出を確実に抑えた状態で水素を供給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、少ないスペースで反応物と水溶液を接触させて得られた反応残留物の流出を確実に抑えた状態で水素を供給することができる水素発生装置を備えた燃料電池設備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、反応物が収容されるとともに、前記反応物と水溶液とを反応させて水素を生成する反応容器と、前記水溶液を前記反応容器に供給する水溶液供給部と、前記水溶液供給部の前記水溶液の流通を制御する送液制御部と、前記反応容器内で発生した水素を排出する排出部と、前記反応容器の内部の反応残留物の量を検出する反応残留物量検出部と、前記反応残留物量検出部により検出された前記反応残留物の量が所定量を超えた際に、前記送液制御部の前記水溶液の流通を停止状態にする停止制御部とを備え、前記反応残留物量検出部は、前記反応残留物に浮かぶと共に前記反応残留物が前記所定量となった際に前記排出部を塞ぐ封止フロートを有することを特徴とする。

請求項１に係る本発明では、反応残留物が所定量を超えた際に水溶液の流通を停止して水素発生反応を停止させることができる。このため、少ないスペースで反応物と水溶液を接触させて得られた反応残留物の流出を確実に抑えた状態で水素を供給することが可能になる。
また、反応残留物が所定量となった際に封止フロートが排出部を塞いで水素の排出を停止するので、簡単な構造により反応残留物の増加を検出することができる。

また、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、前記停止制御部は、前記封止フロートにより前記排出部が塞がれた状態の前記反応容器の内圧に基づいて前記送液制御部の前記水溶液の流通を停止状態にすることを特徴とする。

請求項２に係る本発明では、封止フロートにより排出部が塞がれることによる反応容器の内圧の上昇に応じて、水溶液の流通が停止状態になる状態に送液制御部が動作し、反応残留物が増加した際の内圧の上昇に基づいて運転を停止させる。

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、前記送液制御部は、停止信号により前記水溶液の流通を停止させる送液制御部であり、前記停止制御部は、前記反応容器の内圧を検出する内圧検知部と、前記内圧検知部の信号に基づいて前記送液制御部に前記停止信号を出力する出力部とを備えたことを特徴とする。

請求項３に係る本発明では、内圧検知部の信号に基づいて送液制御部に停止信号が出力されて水溶液の流通が停止状態になり、反応残留物が増加した際の内圧の上昇に基づいて運転を確実に停止させる。

また、前記送液制御部は、停止信号により前記水溶液の流通を停止させる送液制御部であり、前記停止制御部は、前記反応残留物量検出部により検出された前記反応残留物の量が所定量を超えた際に前記停止信号を出力することができる。

これにより、反応残留物量検出部により反応残留物の量が所定量を超えた際に送液制御部に停止信号が出力されて水溶液の流通が停止状態になり、反応残留物の増加に基づいて運転を確実に停止させる。

また、請求項４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、前記送液制御部は、所定の圧力が作用することにより前記水溶液の流通が停止する送液制御部であり、前記停止制御部は、前記反応容器の内圧を前記送液制御部に作用させる作用部を備えたことを特徴とする。

請求項４に係る本発明では、封止フロートにより排出部が塞がれることによる反応容器の内圧の上昇に基づく圧力が送液制御部に作用し、水溶液の流通が停止状態になり、反応残留物が増加した際の内圧の上昇に連動して運転を停止させる。

また、請求項５に係る本発明の水素発生装置は、反応物が収容されるとともに、前記反応物と水溶液とを反応させて水素を生成する反応容器と、前記水溶液を前記反応容器に供給する水溶液供給部と、前記水溶液供給部の前記水溶液の流通を制御する送液制御部と、前記反応容器内で発生した水素を排出する排出部と、前記反応容器の内部の反応残留物の量を検出する反応残留物量検出部と、前記反応残留物量検出部により検出された前記反応残留物の量が所定量を超えた際に、前記送液制御部の前記水溶液の流通を停止状態にする停止制御部とを備え、前記停止制御部は、前記反応残留物量検出部の検出値に基づいて、前記反応残留物の量の増加速度を算出するとともに、前記増加速度が所定増加速度を超えた際に前記送液制御部の前記水溶液の流通を停止状態にすることを特徴とする。

請求項５に係る本発明では、反応残留物の増加速度が所定加速度を超えた際に水溶液の流通を停止して水素発生反応を停止させるので、反応残留物の増加速度に基づいて反応残留物の流出を確実になくすことができる。

また、請求項６に係る本発明の水素発生装置は、反応物が収容されるとともに、前記反応物と水溶液とを反応させて水素を生成する反応容器と、前記水溶液を前記反応容器に供給する水溶液供給部と、前記水溶液供給部の前記水溶液の流通を制御する送液制御部と、前記反応容器内で発生した水素を排出する排出部と、前記反応容器の内部の反応残留物の量を検出する反応残留物量検出部と、前記反応残留物量検出部により検出された前記反応残留物の量が所定量を超えた際に、前記送液制御部の前記水溶液の流通を停止状態にする停止制御部とを備え、前記停止制御部は、前記反応残留物量検出部の検出値に基づいて、前記反応残留物の量の増加速度を算出するとともに、前記増加速度に応じた前記所定量を設定することを特徴とする。

請求項６に係る本発明では、反応残留物の増加速度に応じた所定量を超えた際に水溶液の流通を停止して水素発生反応を停止させるので、反応残留物の増加量に基づいて反応残留物の流出を確実になくすことができる。

また、請求項７に係る本発明の水素発生装置は、請求項５もしくは請求項６に記載の水素発生装置において、前記反応残留物量検出部は、前記反応残留物の表面の高さを検出する非接触式のセンサであることを特徴とする。

請求項７に係る本発明では、非接触式のセンサにより反応残留物の表面の高さを検出し、反応残留物の増加速度が所定増加速度を超えた際に送液制御部の水溶液の流通を停止して運転を停止させる。

また、請求項８に係る本発明の水素発生装置は、請求項５もしくは請求項６に記載の水素発生装置において、前記反応残留物量検出部は、前記反応残留物に浮かぶフロートと、前記フロートの位置を検出する変位センサとからなることを特徴とする。

請求項８に係る本発明では、変位センサで検出されるフロートの変位に基づいて反応残留物の増加量を求め、反応残留物が所定量を超えたことが検出された際に、送液制御部の水溶液の流通が停止して運転を停止させる。

また、請求項９に係る本発明の水素発生装置は、請求項７もしくは請求項８に記載の水素発生装置において、前記送液制御部は、停止信号により前記水溶液の流通を停止させる送液制御部であり、前記停止制御部は、算出した前記増加速度が所定増加速度を超えた際に前記送液制御部に前記停止信号を出力することを特徴とする。

請求項９に係る本発明では、所定の増加速度を超えたことが検出された際に、送液制御部に停止信号が出力されて水溶液の流通が停止して運転を停止させる。

また、請求項１０に係る本発明の水素発生装置は、請求項７もしくは請求項８に記載の水素発生装置において、前記送液制御部は、所定の圧力が作用することにより前記水溶液の流通が停止する送液制御部であり、前記停止制御部は、算出した前記増加速度が前記所定増加速度を超えた際に前記水素の流通を停止させる開閉部と、前記開閉部により前記水素の流通が停止された後に前記反応容器の内圧を前記所定の内圧として前記送液制御部に作用させる作用部を備えたことを特徴とする。

請求項１０に係る本発明では、反応残留物の増加速度が所定増加速度を超えた際に開閉部により水素の流通が停止し、水素の停止による反応容器の内圧の上昇に基づく圧力が送液制御部に作用し、水溶液の流通が停止状態になり、反応残留物が増加した際の内圧の上昇に連動して運転を停止させる。

また、前記送液制御部は、所定の圧力が作用することにより、前記水溶液の流通が停止する送液制御部であり、前記停止制御部は、前記反応残留物量検出部により検出された前記反応残留物の量が所定量を超えた際に前記水素の流通を停止させる開閉部と、前記開閉部により前記水素の流通が停止された後に前記反応容器の内圧を前記所定の内圧として前記送液制御部に作用させる作用部を備えることができる。

これにより、反応残留物の量が所定量を超えた際に開閉部により水素の流通が停止し、水素の停止による反応容器の内圧の上昇に基づく圧力が送液制御部に作用し、水溶液の流通が停止状態になり、反応残留物が増加した際の内圧の上昇に連動して運転を停止させることができる。

また、請求項１１に係る本発明の水素発生装置は、請求項７もしくは請求項８に記載の水素発生装置において、前記送液制御部は、停止信号により前記水溶液の流通を停止させる送液制御部であり、前記停止制御部は、算出した前記増加速度が前記所定増加速度を超えた際に前記水素の流通を停止させる開閉部と、前記開閉部により前記水素の流通が停止された後に、前記送液制御部に前記停止信号を出力する出力部とを備えたことを特徴とする。

請求項１１に係る本発明では、反応残留物の増加速度が所定増加速度を越えたことが検出された際に、開閉部により水素の流通が停止し、水素の流通が停止された後に、送液制御部に停止信号が出力されて水溶液の流通が停止し、運転を停止させる。

また、前記送液制御部は、停止信号により前記水溶液の流通を停止させる送液制御部であり、前記停止制御部は、前記反応残留物量検出部により検出された前記反応残留物の量が所定量を超えた際に前記水素の流通を停止させる開閉部と、前記開閉部により前記水素の流通が停止された後に、前記送液制御部に前記停止信号を出力する出力部とを備えることができる。

これにより、反応残留物の量が所定量を越えたことが検出された際に、開閉部により水素の流通が停止し、水素の流通が停止された後に、送液制御部に停止信号が出力されて水溶液の流通が停止し、運転を停止させることができる。

また、前記水溶液の流通を停止状態にする前記反応残留物の所定量は、前記反応残留物の許容最大量から、前記水溶液の流通が停止された後の前記反応残留物が増加すると予測される量を減じた値の量に設定することができる。

これにより、水溶液の流通が停止された際に反応残留物が増加すると予測される量を加味した状態で反応残留物の所定量を設定しているので、反応残留物の反応容器外への流出や水素発生反応の阻害を確実に無くすことができる。

また、上記目的を達成するための請求項１２に係る本発明の燃料電池設備は、請求項１〜請求項１１のいずれか一項に記載の水素発生装置の排出路が燃料電池の燃料極室に接続され、発生した水素が負極に供給されることを特徴とする。

請求項１２に係る本発明では、少ないスペースで反応物と水溶液を接触させて得られた反応残留物の流出を確実に抑えた状態で水素を供給することができる水素発生装置を備えた燃料電池設備とすることができる。

また、水素発生方法は、容器内の水素発生反応の反応物に水溶液を接触させて水素を発生させるに際し、反応残留物の増加に伴って生じる容器内の圧力変化に基づいて水溶液の供給を停止させることを特徴とする。

これにより、少ないスペースで反応物と水溶液を接触させて得られた反応残留物の流出を確実に抑えた状態で水素を供給することが可能になる。

本発明の水素発生装置は、少ないスペースで反応物と水溶液を接触させて得られた反応残留物の流出を確実に抑えた状態で水素を供給することが水素発生装置となる。

また、本発明の燃料電池設備は、少ないスペースで反応物と水溶液を接触させて得られた反応残留物の流出を確実に抑えた状態で水素を供給することができる水素発生装置を備えた燃料電池設備となる。

図１〜図３に基づいて第１実施形態例を説明する。

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には停止動作処理の流れ、図３には反応残留物の体積の経時変化を示してある。

水素発生装置１は、反応容器としての反応容器２を備え、反応容器２内には水素発生反応の反応物としてのワーク６（例えば、水素化ホウ素ナトリウム：ＳＢＨ）が反応ユニット５を介して収容されている。ワーク６としては、水素化アルミニウム塩、水素化ホウ素塩、水素化ホウ素リチウム、水素化アルミニウムリチウム等の金属水素化物を用いることができる。

反応容器２に隣接して図示しない溶液貯蔵用の容器が備えられ、容器には水素発生の促進剤の水溶液（例えば、リンゴ酸水溶液）が貯蔵されている。促進剤としては、クエン酸等の有機酸、塩酸や硫酸等の無機酸等を用いることが可能である。また、反応物を溶液とする場合、金属水素化物に水酸化物塩（水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等）を加えアルカリ水溶液とした溶液を用いることが可能である。その他、金属と塩基性あるいは酸性水溶液の組み合わせを適用することも可能である。

反応容器２には溶液導入路３（水溶液供給部）が接続され、溶液導入路３から水溶液が反応ユニット５に送られる。水溶液が溶液導入路３から反応ユニット５を介してワーク６に供給されることにより、水溶液がワーク６に接触して反応し水素が生成される。反応容器２で生成された水素は水素導出流路８（排出部）から水素消費部に供給される。

溶液導入路３には溶液送液手段４（送液制御部）が設けられ、溶液送液手段４により水溶液の反応ユニット５への供給が制御される。即ち、水素発生装置の運転が制御される。溶液送液手段４は水溶液の溶液導入路３の流通を制御するものであれば、構成は限定されない。例えば、ポンプ等の圧送機構を適用した送液手段を用いることができ、水素消費部の水素の消費量（燃料電池の場合は消費電力等）により送液量が制御されるものが適用される。また、反応容器２内の内圧を利用して開閉される弁を使用した送液手段を用いることができ、反応容器２の内圧が低くなった時に送液を行なって水素を発生させるものが適用される。

反応容器２には容器内空間１１の反応残留物１０の状況（量）を検出する測定部７（反応物残量検出部）が備えられ、測定部７の測定情報は制御ユニット９に送られる（停止制御部）。測定部７は非接触で光学的に物体の検出を行なう光学センサを用いることができ、例えば、レーザ、ＬＥＤ、超音波等を用いた非接触式側長センサが適用される。

測定部７により反応残留物１０の表面高さが検出されて検出情報が制御ユニット９に入力される。制御ユニット９では、反応残留物１０の表面高さの変化により増加速度が演算され、所定の増加速度を超えて反応残留物１０が所定量を超えた場合に溶液送液手段４の水溶液の流通を停止状態にする。即ち、反応残留物１０の体積が増加して増加速度が速くなると、反応残留物１０が水素導出流路８等に流出する虞が生じるため、水素発生装置１の運転を停止する。

水溶液の流通を停止状態にする反応残留物１０の所定量は、水溶液の停止を実行する時の量のしきい値（詳細は後述する）、反応残留物１０の反応容器２外への流出や水素発生反応の阻害（水素発生装置の機能の低下）を起こさない反応残留物１０の量、または、反応容器２の空スペースにおいて反応残留物１０が空スペースに対して、例えば、３分の２以上満たされる量等が挙げられる。

尚、反応残留物１０の増加速度が所定の増加速度を超えた際に反応残留物１０の量に拘わらず溶液送液手段４の水溶液の流通を停止状態にすることも可能である。

上述した水素発生装置１は、水溶液が反応容器２のワーク６に供給されることにより水素が生成され、反応容器２で生成された水素は水素導出流路８から燃料電池等の水素消費部に供給される。反応が継続すると反応残留物１０の体積が増加する。反応残留物１０の増加速度が速くなって反応残留物１０が所定量を超えると、反応残留物１０が水素導出流路８等に流出する虞が生じるため、反応残留物１０の量（表面高さ）が測定部７で測定されている。測定部７の検出情報が制御ユニット９に入力され、制御ユニット９で反応残留物１０が所定の増加速度を超えたことが判断された場合、溶液送液手段４の水溶液の流通を停止状態にする指令が出力される。

制御ユニット９での処理の具体的な流れの一例を説明する。

図２に示すように、ステップＰ１で反応容器２の内部の反応残留物１０の量Ｓが測定され、ステップＰ２で反応残留物１０の増加速度Δｔが算出される。増加速度Δｔが算出された後、ステップＰ３で反応残留物１０の増加速度Δｔにおける停止後の増加量ｖが算出される。

水素発生装置１の稼働時間（横軸）に対する反応残留物１０の体積（縦軸）の関係を表す図３に示すように、増加速度Δｔと停止後の増加量ｖ（未反応の反応物が増加すると予測される量）が予め把握され、増加速度Δｔの時の増加量ｖが算出される。例えば、増加速度Δｔ１、Δｔ２、Δｔ３に応じて停止後の増加量ｖ１、ｖ２、ｖ３がそれぞれ算出される。尚、図３には増加速度Δｔを３種類例示して説明してあるが、算出された増加速度Δｔに対して停止後の増加量ｖが逐次算出される。

停止後の増加量ｖは、反応残留物の許容最大量（最大量）Ｓｍａｘ｛反応残留物が反応容器２の外に流出したり水素発生反応の阻害（水素発生装置１の機能の低下）を生じさせる量｝に基づいて算出される。そして、図２のステップＰ４では、反応残留物の最大量Ｓｍａｘから増加速度Δｔ毎の増加量ｖを減じた値がしきい値Ｓｔとして算出される。
即ち、
しきい値Ｓｔ=最大量Ｓｍａｘ−増加量ｖ（＋α）
で算出される。

反応残留物の最大量Ｓｍａｘから増加速度Δｔ毎の増加量ｖを減じた値がしきい値Ｓｔとしているので、停止後に未反応の反応物が増加しても反応残留物の反応容器外への流出や水素発生反応の阻害を確実に無くすことができる。

尚、しきい値Ｓｔは余裕αを持たせて最大量Ｓｍａｘから増加速度Δｔ毎の増加量ｖ＋αを減じた値とすることが望ましい。

図３に示した増加速度Δｔ１、Δｔ２、Δｔ３の場合、反応残留物の最大量Ｓｍａｘから増加速度Δｔ１、Δｔ２及びΔｔ３毎の増加量ｖ１＋α、ｖ２＋α、ｖ３＋αを減じた値が増加速度Δｔ１、Δｔ２及びΔｔ３毎のしきい値Ｓｔ１、Ｓｔ２、Ｓｔ３とされる。即ち、
しきい値Ｓｔ１=最大量Ｓｍａｘ−増加量（ｖ１＋α）
しきい値Ｓｔ２=最大量Ｓｍａｘ−増加量（ｖ２＋α）
しきい値Ｓｔ３=最大量Ｓｍａｘ−増加量（ｖ３＋α）
とされる。

ステップＰ４でしきい値Ｓｔを算出した後、反応残留物１０の量Ｓがしきい値Ｓｔを超えているか否かがステップＰ５で判断される。ステップＰ５で反応残留物１０の量Ｓがしきい値Ｓｔを超えていないと判断された場合、ステップＰ１に移行して反応残留物１０の量の測定を続行する。ステップＰ５で反応残留物１０の量Ｓがしきい値Ｓｔを超えていると判断された場合、ステップＰ６で水溶液の送液を停止して水素発生反応を停止する。

従って、反応残留物１０の量が増加速度Δｔに応じたしきい値Ｓｔを超えた際に水溶液を停止して水素発生反応を停止させることができる。このため、少ないスペースでワーク６と水溶液を接触させて得られた反応残留物１０の流出を確実に抑えた状態で水素を供給することが可能になる。また、反応容器２が反応残留物１０で満たされるまでを反応容器２の使用限界とすると、反応容器２の使用限界（寿命）を的確に把握することができる。

図４、図５に基づいて制御ユニット９での処理の具体的な流れの他の例を説明する。図４には他の具体的な例における停止動作処理の流れ、図５には他の具体的な例における反応残留物の体積の経時変化を示してある。本例は、図３に示した反応残留物の増加速度Δｔ２の領域を境にして増加速度が遅いΔｔ-Ｌ領域と、増加速度が速いΔｔ-Ｈ領域に増加速度の領域を分けた例である。

図４に示すように、ステップＰ１１で反応容器２の内部の反応残留物１０の量Ｓが測定され、ステップＰ１２で反応残留物１０の増加速度Δｔが算出される。増加速度Δｔが算出された後、ステップＰ１３で増加速度がΔｔ-Ｌ領域かΔｔ-Ｈ領域かが判断される。増加速度がΔｔ-Ｌ領域である場合、図５に示したしきい値Ｓｔ２（反応残留物の増加速度Δｔ２の領域のしきい値）が適用され、増加速度がΔｔ-Ｈ領域である場合、図５に示したしきい値Ｓｔ３が適用される。

ステップＰ１３で増加速度がΔｔ-Ｌ領域であると判断された場合、ステップＰ１４で反応残留物１０の量Ｓがしきい値Ｓｔ２を超えているか否かが判断される。ステップＰ１４で反応残留物１０の量Ｓがしきい値Ｓｔ２を超えていないと判断された場合、ステップＰ１１に移行して反応残留物１０の量の測定を続行する。ステップＰ１４で反応残留物１０の量Ｓがしきい値Ｓｔ２を超えていると判断された場合、ステップＰ１５で水溶液の送液を停止して水素発生反応を停止する。

ステップＰ１３で増加速度がΔｔ-Ｈ領域であると判断された場合、ステップＰ１６で反応残留物１０の量Ｓがしきい値Ｓｔ３を超えているか否かが判断される。ステップＰ１６で反応残留物１０の量Ｓがしきい値Ｓｔ３を超えていないと判断された場合、ステップＰ１１に移行して反応残留物１０の量の測定を続行する。ステップＰ１６で反応残留物１０の量Ｓがしきい値Ｓｔ３を超えていると判断された場合、ステップＰ１５で水溶液の送液を停止して水素発生反応を停止する。

従って、増加速度に応じた領域で反応残留物１０の量がしきい値を超えた際に水溶液を的確に停止して水素発生反応を停止させることができる。このため、少ないスペースでワーク６と水溶液を接触させて得られた反応残留物１０の流出を確実に抑えた状態で水素を的確に供給することが可能になる。

尚、図１に示した構成において、溶液送液手段４として反応容器２の内圧が低くなった時に送液を行う構成のものを使用した場合、反応容器２の内圧を直接作用させる圧力伝達経路を設けることも可能である。

図６、図７に基づいて第２実施形態例、第３実施形態例を説明する。

図６には本発明の第２実施形態例に係る水素発生装置の概略構成を示してある。また、図７には本発明の第３実施形態例に係る水素発生装置の概略構成を示してある。尚、図１に示した第１実施形態例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。

第２実施形態例を説明する。

図６に示した水素発生装置３１は、水素導出流路８には開閉弁１２（開閉部）が備えられ、制御ユニット９からの指令により開閉弁１２が閉じられるようになっている。つまり、測定部７の検出情報により制御ユニット９で反応残留物１０の増加速度が速くなって反応残留物１０が所定量を超えたことが判断された場合、開閉弁１２を閉じる指令が出力される。

溶液送液手段４は反応容器２内の内圧を利用して開閉される弁を使用した送液手段が用いられている。反応残留物１０が所定量を超えて開閉弁１２が閉じられると、反応容器２内の圧力が増加し、圧力伝達経路１３（作用部）により反応容器２内の圧力が溶液送液手段４に作用する。高い圧力が溶液送液手段４に作用すると、圧力の低下により水溶液の流通される溶液送液手段４が送液を停止する状態にされる。これにより、水溶液の送液が停止して水素発生装置３１が停止される。

このため、反応残留物１０が所定量を超えた際に、開閉弁１２により水素の流通が停止し、水素の停止による反応容器２の内圧の上昇に基づく圧力が溶液送液手段４に作用し、水溶液の流通が停止状態になり、反応残留物１０が増加した際の内圧の上昇に連動して運転を停止させることができる。

尚、反応残留物１０の増加速度が速くなった状態で反応残留物１０の量に拘わらず開閉弁１２を閉じて反応容器２内の圧力を高めるようにすることも可能である。

第３実施形態例を説明する。

図７に示した水素発生装置３２は、図６の水素発生装置３１に対して反応容器２の内部の圧力（内圧）を検出する圧力検知部１７（内圧検知部）が備えられている。反応残留物１０が所定量を超えて開閉弁１２が閉じられると、反応容器２内の圧力が増加し、圧力検知部１７により圧力の上昇が検知される。圧力検知部１７の圧力信号が溶液送液手段４に送られ（出力部）、溶液送液手段４が水溶液の流通を停止させる状態にされる。これにより、水溶液の送液が停止して水素発生装置３２が停止される。

このため、反応残留物１０が所定量を超えた際に、開閉弁１２により水素の流通が停止し、水素の停止による反応容器２の内圧の上昇が圧力検知部１７により検知され、溶液送液手段４に停止信号が出力されて水溶液の流通が停止し、運転を停止させることができる。

図８、図９に基づいて第４実施形態例、第５実施形態例を説明する。

図８には本発明の第４実施形態例に係る水素発生装置の概略構成を示してある。また、図９には本発明の第５実施形態例に係る水素発生装置の概略構成を示してある。尚、図１に示した第１実施形態例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。

第４実施形態例を説明する。

図８に示した水素発生装置３３は、反応残留物１０に浮かぶフロート１４が備えられ、測定部７（変位センサ）によりフロート１４の位置が検出される。フロート１４はガイドにより測定部７の直下で案内される。フロート１４の位置の検出情報が制御ユニット９に送られ、反応残留物１０の増加速度が速くなって反応残留物１０が所定量を超えているか否かが判断される。制御ユニット９で反応残留物１０が所定量を超えたことが判断された場合、溶液送液手段４に停止信号が出力されて水溶液の流通が停止し、水素発生装置３３が停止される。

このため、フロート１４の位置が検出されることで、反応残留物１０の表面の測定を正確に実施することができ、水溶液の流通を確実に停止し、運転を停止させることができる。

第５実施形態例を説明する。

図９に示した水素発生装置３４は、反応残留物１０に浮かぶフロート５１が備えられ、フロート５１には可変抵抗部５２が接続されている。フロート５１の位置が変位すると、可変抵抗部５２の抵抗値がそれに応じて変化し、変化する抵抗値の情報が制御ユニット９に送られる。制御ユニット９では、抵抗値の変化により（フロート５１の変位により）反応残留物１０の増加速度が速くなって反応残留物１０が所定量を超えているか否かが判断される。制御ユニット９で反応残留物１０が所定量を超えたことが判断された場合、溶液送液手段４に停止信号が出力されて水溶液の流通が停止し、水素発生装置３３が停止される。

このため、フロート５１の変位に応じた抵抗値の変化が検出されることで、反応残留物１０の表面の測定を正確に実施することができ、水溶液の流通を確実に停止し、運転を停止させることができる。

上述した実施形態例では、増加速度Δｔと停止後の増加量ｖに基づいてしきい値Ｓｔを設定した例を挙げて説明したが、反応残留物１０の表面位置（反応残留物１０の量）を検出し、反応容器２の空間の容積を求めて容積のしきい値により運転を停止（水溶液を停止）することも可能である。

即ち、図１０に示すように、ステップＰ２１で反応容器２内の反応残留物１０の量を測定し、ステップＰ２２で反応容器２の空間容積を演算する。ステップＰ２３で空間容積が充分であるか否かが判断され、充分であると判断された場合、運転（反応）を継続してステップＰ２１に移行し、充分ではない（例えば、全体の容積に対して反応残留物１０が３分の２以上になったとき等）と判断された場合、ステップＰ２４で水素の発生反応を停止（水溶液の供給停止）する。

これにより、簡単な制御で水素発生装置の運転を停止させ、反応残留物１０の流出を確実に抑えた状態で水素を供給することが可能になる。

図１１、図１２に基づいて第６実施形態例、第７実施形態例を説明する。

図１１には本発明の第６実施形態例に係る水素発生装置の概略構成を示してある。また、図１２には本発明の第７実施形態例に係る水素発生装置の概略構成を示してある。尚、図１、図６、図７に示した実施形態例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。

第６実施形態例を説明する。

図１１に示した水素発生装置３５は、反応残留物１０に浮かぶ封止フロート６１が備えられ、反応残留物１０が増加して封止フロート６１の位置が上昇すると、即ち、反応残留物１０が所定量を超えると、水素導出流路８の水素導出口１６が封止フロート６１で塞がれ水素の流通が停止されるようになっている。封止フロート６１はガイドにより水素導出口１６の直下で案内される。また、反応容器２の内部の圧力（内圧）を検出する圧力検知部１７（内圧検知部）が備えられている。

反応残留物１０が所定の量を超えて、水素導出流路８の水素導出口１６が封止フロート６１で塞がれると、反応容器２内の圧力が増加し、圧力検知部１７により圧力の上昇が検知される。圧力検知部１７の圧力信号が溶液送液手段４に送られ（出力部）、溶液送液手段４が水溶液の流通を停止させる状態にされる。これにより、水溶液の送液が停止して水素発生装置３５が停止される。

第６実施形態例では、封止フロート６１が反応残留物１０の量を検出する反応残留物量検出部とされる。また、封止フロート６１が水素の流通を停止させることで、圧力の増加により水溶液の流通が停止する状態にされることにより、封止フロート６１が反応を停止させる停止制御部とされている。

このため、反応残留物１０の量が所定量を超えた際に、封止フロート６１により水素の流通が停止し、水素の停止による反応容器２の内圧の上昇が圧力検知部１７により検知され、溶液送液手段４に停止信号が出力されて水溶液の流通が停止し、運転を停止させることができる。この結果、高価なセンサ等の検出手段を用いることなく、反応残留物１０が増加した際に水素発生装置３５を確実に停止させることができる。

第７実施形態例を説明する。

図１２に示した水素発生装置３６は、反応残留物１０に浮かぶ封止フロート６１が備えられ、反応残留物１０が増加して封止フロート６１の位置が上昇すると、即ち、反応残留物１０が所定量を超えると、水素導出流路８の水素導出口１６が封止フロート６１で塞がれ水素の流通が停止されるようになっている。封止フロート６１はガイドにより水素導出口１６の直下で案内される。

溶液送液手段４は反応容器２内の内圧を利用して開閉される弁を使用した送液手段が用いられている。反応残留物１０が所定の量を超えて水素導出口１６が封止フロート６１で塞がれると、反応容器２内の圧力が増加し、圧力伝達経路１３（作用部）により反応容器２内の圧力が溶液送液手段４に作用する。高い圧力が溶液送液手段４に作用すると、水溶液の流通する溶液送液手段４が送液を停止する状態にされる。これにより、水溶液の送液が停止して水素発生装置３６が停止される。

このため、反応残留物１０の量が所定量を超えた際に、封止フロート６１により水素の流通が停止し、水素の停止による反応容器２の内圧の上昇に基づく圧力が溶液送液手段４に作用し、水溶液の流通が停止状態になり、反応残留物１０が増加した際の内圧の上昇に連動して水素発生装置３６の運転を確実に停止させることができる。

第７実施形態例では、封止フロート６１が反応残留物１０の量を検出する反応残留物量検出部とされる。また、封止フロート６１が水素の流通を停止させることで、圧力の増加により水溶液の流通が停止する状態にされることにより、封止フロート６１が反応を停止させる停止制御部とされている。

尚、反応残留物１０にフロートを浮かべ、反応残留物１０の量が所定量を超えた時にフロートにより押されるスイッチ等を設け、スイッチの信号により水溶液の流通を停止させる構成にすることも可能である。

図１３に基づいて燃料電池設備を説明する。

図１３には本発明の一実施形態例に係る燃料電池設備の概略構成を示してある。図示の実施形態例は、図１に示した水素発生装置１を適用したものであるので、図１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１３に示した燃料電池設備は、図１に示した水素発生装置１を燃料電池１８に接続した設備である。即ち、燃料電池１８には燃料極室２４が備えられ、燃料極室２４は燃料電池セル２１の負極に接する空間を構成している。燃料極室２４には水素発生装置１の水素導出流路８が接続されている。

また、水素発生装置１の溶液導入路３は溶液容器２５に接続され、溶液容器２５内の水溶液２６が溶液送液手段４によって反応ユニット５に送られる。

水素発生装置１で発生した水素は水素導出流路８から燃料極室２４に供給され、負極での燃料電池反応で消費される。燃料極室２４の負極での水素の消費量は燃料電池１８の出力に応じて決定される。

尚、水素発生装置として、図６、図７、図８、図９、図１１、図１２に示したものを適用することも可能である。

上述した燃料電池設備は、少ないスペースで反応物と水溶液を接触させて得られた反応残留物の流出を確実に抑えた状態で水素を供給することができる水素発生装置を備えた燃料電池設備となる。

本発明は、化学反応により発生した水素を、燃料電池、水素エンジンといった水素を必要とする装置や水素貯蔵容器に供給するための水素発生装置の産業分野で利用することができる。

また、本発明は、反応残留物の影響を抑制した状態で水素を供給することができる水素発生装置を備えた燃料電池設備の産業分野で利用することができる。

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である。 停止動作処理の一例を表すフローチャートである。 反応残留物の体積の経時変化の一例を表すグラフである。 停止動作処理の他の例表すフローチャートである。 反応残留物の体積の経時変化の他の例を表すグラフである。 本発明の第２実施形態例に係る水素発生装置の概略構成図である。 本発明の第３実施形態例に係る水素発生装置の概略構成図である。 本発明の第４実施形態例に係る水素発生装置の概略構成図である。 本発明の第５実施形態例に係る水素発生装置の概略構成図である。 停止動作処理のフローチャートである。 本発明の第６実施形態例に係る水素発生装置の概略構成図である。 本発明の第７実施形態例に係る水素発生装置の概略構成図である。 本発明の一実施形態例に係る燃料電池設備の概略構成図である。

符号の説明

１、３１、３２、３３、３４、３５、３６ 水素発生装置
２ 反応容器
３ 溶液導入路
４ 溶液送液手段
５ 反応ユニット
６ ワーク
７ 測定部
８ 水素導出流路
９ 制御ユニット
１０ 反応残留物
１１ 空間
１２ 開閉弁
１３ 圧力伝達経路
１４、５１ フロート
１６ 水素導出口
１８ 燃料電池
２１ 燃料電池セル
２４ 燃料極
２５ 溶液容器
２６ 水溶液
５２ 可変抵抗部
６１ 封止フロート

Claims (12)

1. 反応物が収容されるとともに、前記反応物と水溶液とを反応させて水素を生成する反応容器と、
   前記水溶液を前記反応容器に供給する水溶液供給部と、
   前記水溶液供給部の前記水溶液の流通を制御する送液制御部と、
   前記反応容器内で発生した水素を排出する排出部と、
   前記反応容器の内部の反応残留物の量を検出する反応残留物量検出部と、
   前記反応残留物量検出部により検出された前記反応残留物の量が所定量を超えた際に、前記送液制御部の前記水溶液の流通を停止状態にする停止制御部とを備え、
   前記反応残留物量検出部は、前記反応残留物に浮かぶと共に前記反応残留物が前記所定量となった際に前記排出部を塞ぐ封止フロートを有する
   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、
   前記停止制御部は、前記封止フロートにより前記排出部が塞がれた状態の前記反応容器の内圧に基づいて前記送液制御部の前記水溶液の流通を停止状態にする
   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、
   前記送液制御部は、停止信号により前記水溶液の流通を停止させる送液制御部であり、
   前記停止制御部は、
   前記反応容器の内圧を検出する内圧検知部と、
   前記内圧検知部の信号に基づいて前記送液制御部に前記停止信号を出力する出力部と
   を備えたことを特徴とする水素発生装置。
4. 請求項２に記載の水素発生装置において、
   前記送液制御部は、所定の圧力が作用することにより前記水溶液の流通が停止する送液制御部であり、
   前記停止制御部は、前記反応容器の内圧を前記送液制御部に作用させる作用部を備えた
   ことを特徴とする水素発生装置。
5. 反応物が収容されるとともに、前記反応物と水溶液とを反応させて水素を生成する反応容器と、
   前記水溶液を前記反応容器に供給する水溶液供給部と、
   前記水溶液供給部の前記水溶液の流通を制御する送液制御部と、
   前記反応容器内で発生した水素を排出する排出部と、
   前記反応容器の内部の反応残留物の量を検出する反応残留物量検出部と、
   前記反応残留物量検出部により検出された前記反応残留物の量が所定量を超えた際に、前記送液制御部の前記水溶液の流通を停止状態にする停止制御部とを備え、
   前記停止制御部は、前記反応残留物量検出部の検出値に基づいて、前記反応残留物の量の増加速度を算出するとともに、前記増加速度が所定増加速度を超えた際に前記送液制御部の前記水溶液の流通を停止状態にする
   ことを特徴とする水素発生装置。
6. 反応物が収容されるとともに、前記反応物と水溶液とを反応させて水素を生成する反応容器と、
   前記水溶液を前記反応容器に供給する水溶液供給部と、
   前記水溶液供給部の前記水溶液の流通を制御する送液制御部と、
   前記反応容器内で発生した水素を排出する排出部と、
   前記反応容器の内部の反応残留物の量を検出する反応残留物量検出部と、
   前記反応残留物量検出部により検出された前記反応残留物の量が所定量を超えた際に、前記送液制御部の前記水溶液の流通を停止状態にする停止制御部とを備え、
   前記停止制御部は、前記反応残留物量検出部の検出値に基づいて、前記反応残留物の量の増加速度を算出するとともに、前記増加速度に応じた前記所定量を設定する
   ことを特徴とする水素発生装置。
7. 請求項５もしくは請求項６に記載の水素発生装置において、
   前記反応残留物量検出部は、前記反応残留物の表面の高さを検出する非接触式のセンサである
   ことを特徴とする水素発生装置。
8. 請求項５もしくは請求項６に記載の水素発生装置において、
   前記反応残留物量検出部は、前記反応残留物に浮かぶフロートと、前記フロートの位置を検出する変位センサとからなる
   ことを特徴とする水素発生装置。
9. 請求項７もしくは請求項８に記載の水素発生装置において、
   前記送液制御部は、停止信号により前記水溶液の流通を停止させる送液制御部であり、
   前記停止制御部は、算出した前記増加速度が所定増加速度を超えた際に前記送液制御部に前記停止信号を出力する
   ことを特徴とする水素発生装置。
10. 請求項７もしくは請求項８に記載の水素発生装置において、
    前記送液制御部は、所定の圧力が作用することにより前記水溶液の流通が停止する送液制御部であり、
    前記停止制御部は、
    算出した前記増加速度が前記所定増加速度を超えた際に前記水素の流通を停止させる開閉部と、
    前記開閉部により前記水素の流通が停止された後に前記反応容器の内圧を前記所定の内圧として前記送液制御部に作用させる作用部を備えた
    ことを特徴とする水素発生装置。
11. 請求項７もしくは請求項８に記載の水素発生装置において、
    前記送液制御部は、停止信号により前記水溶液の流通を停止させる送液制御部であり、
    前記停止制御部は、
    算出した前記増加速度が前記所定増加速度を超えた際に前記水素の流通を停止させる開閉部と、
    前記開閉部により前記水素の流通が停止された後に、前記送液制御部に前記停止信号を出力する出力部と
    を備えたことを特徴とする水素発生装置。
12. 請求項１〜請求項１１のいずれか一項に記載の水素発生装置の排出路が燃料電池の燃料極室に接続され、発生した水素が負極に供給されることを特徴とする燃料電池設備。

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