JP5148571B2 - 水素供給デバイス - Google Patents

Description

本件発明は、水素供給デバイスに関し、特に、燃料電池に用いる水素供給デバイスに関する。

携帯可能なエネルギー源は、例えばラップトップコンピュータ、携帯用音楽プレーヤー、カメラなどのデジタル機器に必要とされている。そして携帯可能なエネルギー源には、低価格、長時間駆動、小型化、軽量化や、いろいろな環境状態下で使用できることが要求される。携帯可能なエネルギー源の１つである従来の燃料電池は、経済的であり長時間のエネルギー供給が可能である。しかし、従来の燃料電池では、水素供給システムを、携帯可能なエネルギー源としての要求特性を満足するものにできないため、携帯用電子機器への適用が困難になっている。

化学的に水素を貯蔵する材料は、高濃度で水素を貯蔵できる材料であるため、水素供給源として用いることができる。固体水素材料も現在、一般的に使用されつつある。固体水素燃料（例えば、触媒と水素化ホウ素ナトリウム）を選択すれば、以下の化１に示すように、水素を発生するための反応には水が必要である。しかし、この水素の発生機構には、２つの大きな問題がある。第１には、安定した速度で水素を発生させることが困難である。その結果、水素を発生させるためには複雑な装置が必要となり、水素供給デバイスが大きくなると同時にコストが大幅に増加する。

しかし、本件出願の発明者らによる特許文献１に開示の技術によれば、より簡素化された方法で水素発生率を安定させることができる。

第２に、水素供給デバイスは、特定方向に向けて固定しなければならない。具体的には、水素供給デバイスを逆さにしたり、傾けたり、揺動させた場合、水素供給デバイス内の水が燃料電池側に流れてしまい、燃料電池が備える膜電極接合体（ＭＥＡ）の性能を劣化させる。このように、燃料電池には、その携帯性に問題があった。一方、当業者にとっては、疎水性の気液分離膜を用いれば、水素を透過して水を遮蔽することができることが周知である。しかし、高価な膜を使用すれば、燃料電池のコストは増大する。さらに、この気液分離膜は、液体である水を完全に保持することができない。従って、水素ガスの圧力によって少量の水が膜から漏出し、燃料電池の性能を劣化させる場合がある。すなわち、燃料電池で用いることができる、固形物の水素供給デバイスが必要とされていた。

台湾特許第９８１０８２０５号公報

燃料電池に用いる水素供給デバイスを提供する。

本件発明は、水、アルコール、又はこれらの混合物を含有した超吸水性材料と、当該超吸水性材料に直接接触して水素を発生する固体水素燃料とを備える水素供給デバイスを提供する。

本件発明に係る水素供給デバイス： 本件発明に係る水素供給デバイスは、水、アルコール、又はこれらの混合物を含有した超吸水性材料と、当該超吸水性材料に直接接触して水素を発生する固体水素燃料とを備え、当該固体水素燃料は、固体水素化物、固体触媒と、疎水性高分子エラストマーとを含むものであることを特徴としている。

本件発明に係る水素供給デバイスにおいては、前記超吸水性材料は、ポリアクリル酸塩、ポリエチレングリコール、エチレン酢酸ビニル、ポリウレタン、ポリエチレンオキシド、澱粉グラフト共重合物、又はゴム混合物を含む高分子材料であることも好ましい。

本件発明に係る水素供給デバイスにおいては、前記超吸水性材料は、高分子材料と木綿とを組み合わせたものであることも好ましい。

本件発明に係る水素供給デバイスにおいては、前記固体水素化物は、水素化ホウ素のアルカリ金属塩又はアルカリ性金属塩、水素化金属、窒素とホウ素を含む水素化物（ｂｏｒｏｎ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｈｙｄｒｉｄｅ）、又はこれらの組み合わせであることも好ましい。

本件発明に係る水素供給デバイスは、水、アルコール、又はこれらの混合物を含有した超吸水性材料と、当該超吸水性材料に直接接触して水素を発生する固体水素燃料とを備えており、固体水素燃料と反応する液体は、超吸水性材料に保持されているため、水素供給デバイスを逆さにしたり傾けたりしても、容器からは液体が流れ出ず、燃料電池を損傷することがない。

実施例１の固体水素供給デバイスを示す模式図である。 実施例２の固体水素燃料と超吸水性材料の組み合わせを示す模式図である。 実施例２の固体水素供給デバイスを示す模式図である。 実施例１における水素発生速度の経時変化を示すグラフである。 実施例２における水素発生速度の経時変化を示すグラフである。

本件発明の目的、特徴、長所が一層明確に理解されるよう、以下に実施形態を例示し、図面を参照しながら、詳細に説明する。

本件発明に係る水素供給デバイスは、水、アルコール、又はこれらの混合物を含有した超吸水性材料と、当該超吸水性材料に直接接触して水素を発生する固体水素燃料とを備えることを特徴としている。超吸水性材料には、ポリアクリル酸塩、ポリエチレングリコール、エチレン酢酸ビニル、ポリウレタン、ポリエチレンオキシド、澱粉グラフト共重合物、又はゴム混合物等から選択される高分子材料を用いる。これらの超吸水性材料は、少量であっても大量の水を吸収することができる。例えば１ｇのポリアクリル酸ナトリウムは、少なくとも２５ｇの水を吸収することができる。

本件発明に係る固体水素燃料は、固体水素化物、固体触媒と、疎水性高分子エラストマーとを含むものである。固体水素化物は、記固体水素化物は、水素化ホウ素のアルカリ金属塩又はアルカリ性金属塩、水素化金属、窒素とホウ素を含む水素化物（ｂｏｒｏｎ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｈｙｄｒｉｄｅ）、又はこれらの組み合わせである。金属水酸化物は、ＬｉＨ、ＮａＨ及びＣａＨ_２から選択されるいずれかである。窒素とホウ素を含む水素化物は、アンモニアボラン、ジボラン、ジアミノジボラン、Ｈ_２Ｂ（ＮＨ_３）_２ＢＨ_４、ポリアミノボラン、ボラジン、モルホリンボランコンプレックス及びボラン−テトラヒドロフランコンプレックスから選択されるいずれかである。前記固体触媒は、Ｒｕ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ及びＦｅから選択された１種又は２種以上である。疎水性高分子エラストマーは、シリコーン、ゴム、又はシリコーンゴムから選択されるいずれかである。上述した固体触媒と固体水素化物を高速ボールミルで磨砕し、疎水性高分子エラストマーを加れば、可撓性を備える固体水素燃料が得られる。詳細な内容と製造方法については特許文献１の記載を参照できる。

図１に示すように、超吸水性材料を水素供給デバイス１０の容器１１に入れ、適量の水、又はメタノール或いはエタノールなどのアルコールを加えてハイドロジェル固形物（ｈｙｄｒｏｇｅｌ ｓｏｌｉd）１３を形成する。ハイドロジェル固形物１３が保持する液体は、逆さにしたり傾けたり揺動しても、容器１１からは流れ出ることがない。上述した固体水素燃料１５をハイドロジェル固形物１３に接触させると、超吸水性材料１３が保持する液体（水又はアルコール）を固体水素燃料１５が吸収して反応し、水素を発生する。この時、水素供給デバイス１０を、逆さにしたり傾けたりしても、水素供給デバイス１０内の固体水素燃料１５と反応しない液体は超吸水性材料に保持されているため、容器１１から流れ出ない。よって、水素供給デバイス１０は、そのまま燃料電池に接続しておくことができる。このように、本件発明に係る燃料電池は、従来の水素供給デバイスの様に、液体が燃料電池側に流れることがない。

上述した超吸水性材料は、自身の重量の１００倍の液体を吸収することができ、保持された液体は、ポリマーから流れ出ない状態で含有される。しかし超吸水性材料は、吸水速度が遅いため、長時間かけてハイドロジェル固形物を形成する。そこで、超吸水性材料を吸水性木綿に含浸させて吸水速度の遅さを補うこともできる。吸水性木綿は、吸水速度は速いが水を保持することができず、その吸水量は少ない。例えば大きな吸水量を備え、液体を保持し、且つ吸水速度を速くするためには、適量の超吸水性材料を吸水性木綿に含浸させた、図２に示すような吸水材シート２３とすることができる。

続いて、固体水素燃料をシート形状に切断する。固体水素燃料が疎水性高分子エラストマーを含むため、固体水素燃料２５のシートは、可撓性を備える。固体水素燃料２５のシートと吸水材シート２３は、図２に示すように、重ね巻きし、ロッド形状物２７とする。ロッド形状物２７は、防水袋に保存しておくことができるが、その保存期間は、袋の防水性能によって決まる。

図３に示すように、ロッド形状物２７は水素供給デバイス２０の容器２１に収納し、適量の液体、水又はアルコール（メタノール或いはエタノール）を加えると、超吸水性材料２３が液体を保持し、固体水素燃料２５が液体を吸収すると反応し、水素が発生する。固体水素燃料２５と反応しない液体は、超吸水性材料２３に保持されており、水素供給デバイス２０を逆さにしたり傾けたりしても、容器２１からは流れ出ない。このように、水素供給デバイス２０は、そのまま燃料電池に接続しておける。すなわち、本件発明に係る燃料電池では、従来の水素供給デバイスのように、液体が燃料電池側に流れるという問題が起きない。

実施例１では、１ｇの超吸水性材料（ポリアクリル酸ナトリウム）を容器に入れ、２５ｇの水を加えて１０分間静置し、流動性のないハイドロジェル固形物を得た。

特許文献１に記載があるように、固体水素化物（ＮａＢＨ_４）と固体触媒（Ｃｏ^２＋／ＩＲ−１２０）とを高速ボールミルで磨砕し、続いてシリコーンゴムを加えて可撓性を備える固体水素燃料を作成した。その後、この固体水素燃料を、ペレットに加工した。このようにして作成した各ペレットは、１ｇの固体水素化物、１ｇの固体触媒と、１ｇのシリコーンゴムを含んでいる。

上述したペレット２個を上述したハイドロジェル固形物に添加し、固体水素燃料に水を吸収させて反応させ、水素発生速度の経時変化を測定した。この結果を図４に示す。

実施例２では、０．５ｇの超吸水性材料（ポリアクリル酸ナトリウム）を、５ｃｍ×１３ｃｍサイズで厚さ０．０５ｃｍの化粧用コットン（ＫＫ−ＩＩ：Ｙａｎｉ ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ、 Ｔａｉｗａｎ製）に均一に含浸し、吸水材シートを形成した。

特許文献１に記載があるように、固体水素化物（ＮａＢＨ_４）と固体触媒（Ｃｏ^２＋／ＩＲ−１２０）とを高速ボールミルで磨砕し、続いてシリコーンゴムを加えて可撓性を備える固体水素燃料を得た。この固体水素燃料をプレスして切断し、固体水素燃料（４ｃｍ×１１ｃｍサイズで厚さ０．１ｃｍ）のシートを形成した。

この固体水素燃料のシートと吸水材シートを重ね巻きし、ロッド形状物を作成した。このロッド形状物を容器に入れ、２０ｇの水を加えると、吸水材シートは水を急速に吸収した。そして５分後、余分な水を容器から排出し、水素発生速度の経時変化を測定した。この結果を図５に示す。

上述した実施例１と実施例２では、水素発生速度の測定中、逆さにしたり傾けたりしても、容器から水が流れ出なかった。また、容器が逆さであったり傾いていたりしても水素発生率には影響がなかった。よって、液体が水素供給デバイスから燃料電池側に流れる等の問題がなく、先行技術に開示されている気液分離膜を用いる必要がない。

以上、本件発明の好適な実施例を例示したが、これは本件発明を限定するものではなく、本件発明の精神及び範囲を逸脱しない限りにおいては、当業者であれば行い得る多少の変更や修正が可能である。従って、本件発明が請求する保護範囲は、特許請求の範囲を基準とする。

本件発明に係る水素供給デバイスは、逆さにしたり傾けたりしても、容器からは液体が流れ出ず、燃料電池を損傷することがないため、携帯機器用のエネルギー供給手段としてはもとより、大きな振動を受ける機会の多い、車載用の燃料電池にも有効に用いることができる。

１０、２０ 水素供給デバイス
１１、２１ 容器
１３ ハイドロジェル固形物
１５ 固体水素燃料
２３ シート状超吸水性材料
２５ シート状固体水素燃料
２７ ロッド形状物

Claims (4)

1. 水素供給デバイスであって、
   水、アルコール、又はこれらの混合物を含有した超吸水性材料と、当該超吸水性材料に直接接触して水素を発生する固体水素燃料とを備え、当該固体水素燃料は、固体水素化物、固体触媒と、疎水性高分子エラストマーとを含むものであることを特徴とする水素供給デバイス。
2. 前記超吸水性材料は、ポリアクリル酸塩、ポリエチレングリコール、エチレン酢酸ビニル、ポリウレタン、ポリエチレンオキシド、澱粉グラフト共重合物、又はゴム混合物を含む高分子材料である請求項１に記載の水素供給デバイス。
3. 前記超吸水性材料は、高分子材料と木綿とを組み合わせたものである請求項１又は請求項２に記載の水素供給デバイス。
4. 前記固体水素化物は、水素化ホウ素のアルカリ金属塩又はアルカリ性金属塩、水素化金属、窒素とホウ素を含む水素化物（ｂｏｒｏｎ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｈｙｄｒｉｄｅ）、又はこれらの組み合わせである請求項１〜請求項３のいずれかに記載の水素供給デバイス。

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