JP5567639B2 - 水素発生装置 - Google Patents

Description

本発明は、気体発生装置に関し、特に、水素発生装置に関する。

燃料電池（Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ； ＦＣ）が、化学エネルギーを利用して電気エネルギーに直接変換する発電装置である。プロトン交換膜燃料電池を例とすると、その操作原理は、水素が陽極触媒層において酸化反応を行って水素イオン（Ｈ＋）及び電子（ｅ−）を生成し、または、メチルアルコール及び水が陽極触媒層において酸化反応を行って水素イオン（Ｈ＋）、二酸化炭素（ＣＯ_２）、及び電子（ｅ−）を生成するとのことであり、そのうち、水素イオンは、プロトン交換膜を経由して陰極に伝達することができ、電子は、外部回路を経由して負荷に伝送した後に陰極に更に伝送することができ、この時は、陰極端に供給された酸素が陰極触媒層において水素イオン及び電子と還元反応を行って水を生成するとのことである。上述の陽極に必要な燃料としての水素は、固体水素化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＨ_４）による水素貯蔵技術により得られてもよく、即ち、水を固体水素化ホウ素ナトリウムに加えて水素を発生させる。

詳細には、固体水素化ホウ素ナトリウムを反応槽に置き、水を反応層に導入して固体水素化ホウ素ナトリウムと反応させ、水素を発生させることである。水と固体水素化ホウ素ナトリウムとの反応速度率を上げるために、流路の設計により複数箇所から水を入れる方式で、水を複数位置から反応槽に導入してもよいが、流路が複雑すぎると、構造全体の体積を増大させてしまい、且つ、比較的大きい静圧を有する汲水ポンプを配置して水を燃料タンクに入れる必要もある。また、水及び固体水素化ホウ素ナトリウムが反応槽において反応を行って水素を発生させる時に、水素は、反応槽の低圧箇所へ圧力を釈放することがあるため、水素の流動により水を駆動して固体水素化ホウ素ナトリウムの各部に到着させることができないので、一部の固体水素化ホウ素ナトリウムが水との反応を行えず、水素の発生効率を下げさせてしまう。

特許文献１には、水素を発生させる固体燃料及び触媒を含む燃料箱が開示されている。液体反応物が燃料箱の入口端から進入して固体燃料と反応を行って水素を発生させ、水素は、燃料箱の出口端から排出される。特許文献２には、貯蔵部及び反応部を含むボックスが開示されている。ボックスが接続器と接続される時に、貯蔵部内の第一反応剤が反応部に搬入され、反応部内の第二反応剤と反応を行う。特許文献３には、水素機が開示されている。水素機の反応室が充填口及び排出口を有し、使用者が充填口から反応用溶液及び金属物質を反応室に充填して反応を行わせることができ、反応室に発生した水素は、水素輸出管を介して輸出され、対応の装置の使用に供することができる。

米国特許公開第２００７／０２４３４３１号 台湾特許公開第２００６／４２１５６号 台湾特許公開第２００９／０４７４７号

本発明の目的は、比較的よい水素発生効率を有する水素発生装置を提供することにある。

本発明の他の目的及び利点については、本発明に開示されている技術的特徴から更なる理解を得ることができる。

上述の一又は部分又は全部の目的若しくは他の目的を達成するために、本発明の一実施例では、水素発生装置が提供される。この水素発生装置は、反応槽、第一蓋、第二蓋、及び第一導管を含む。反応槽は、収納空間を有する。収納空間は、固体反応物を収納するために用いられる。第一蓋は、収納空間を覆う。第一蓋は、複数の第一開孔を有する。第二蓋は、第一蓋の上に設置され且つ第二開孔を有する。第一蓋と第二蓋との間には、腔室（キャビティ室）が形成される。第一導管は、第一蓋及び第二蓋を通過して収納空間内に延伸する。複数の第一開孔は、第一導管を取り囲む。液体反応物が第一導管を介して収納空間内に到達し、固体反応物と反応を行って水素を発生させるために用いられる。水素は、複数の第一開孔を介して腔室に到達し、第二開孔を介して排出される。

上述により、本発明の上述の実施例では、第一導管が第一蓋の複数の第一開孔に取り囲まれるので、液体反応物と固体反応物との反応による水素は、第一導管の所在箇所から複数の第一開孔へ流動する時に、液体反応物を固体反応物の各部に導き、固体反応物との反応を完全に進行させることができ、これにより、水素の発生効率を向上させることができる。

本発明の一実施例による水素発生装置の斜視図である。 図１における水素発生装置の分解図である。 図１における水素発生装置が水素を発生させる様子を示す図である。 本発明の他の実施例による水素発生装置の斜視図である。 図４における反応槽が水槽に接続される様子を示す斜視図である。 図５における水槽の排気口箇所の局所断面図である。 図５における第二導管の局所斜視図である。 本発明の他の実施例における水槽の局所斜視図である。

次に、添付した図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。

なお、次の各実施例の説明は、添付した図面を参照して行われたものであり、本発明の実施可能な特定の実施例を例示するために用いられる。また、次の各実施例に言及した方向の用語、例えば、上、下、前、後、左、右などは、添付した図面の方向を参考するためのもののみである。よって、以下に使用された方向の用語は、説明のために用いられ、本発明を限定するためのものでない。

図１は、本発明の一実施例による水素発生装置の斜視図である。図２は、図１における水素発生装置の分解図である。図３は、図１における水素発生装置が水素を発生させる様子を示す図である。図１乃至図３を参照する。本実施例の水素発生装置１００は、反応槽１１０、第一蓋１２０、第二蓋１３０、及び第一導管１４０を含む。反応槽１１０は、収納空間１１０ａを有し、第一蓋１２０は、収納空間１１０ａを覆い、収納空間１１０ａは、固体反応物５０を収納するために用いられ、固体反応物５０は、例えば、固体水素化ホウ素ナトリウムである。第二蓋１３０は、ロック固定（図１では、第二蓋１３０の外周における小さい丸いものがロック固定点である。）、バックル、ホットプレス、接合、又は他の方式で、第一蓋１２０の上に設置され、第一蓋１２０と第二蓋１３０との間には、腔室（キャビティ室）１２５が形成される。

第一導管１４０は、第一蓋１２０及び第二蓋１３０を通過して収納空間１１０ａ内に延伸する。第一蓋１２０は、第一導管１４０を取り囲む複数の第一開孔１２２を有し、且つ第二蓋１３０は、第二開孔１３２を有する。第一導管１４０は、液体反応物６０を導いて収納空間１１０ａ内に到達させ、固体反応物５０との反応を行わせて水素７０を発生させるために用いられ、液体反応物６０は、例えば、液体水である。水素７０は、複数の第一開孔１２２を介して腔室１２５に到達し、第二開孔１３２を介して排出することができる。

上述の配置方式では、第一導管１４０が第一蓋１２０の複数の第一開孔１２２に取り囲まれるので、液体反応物６０と固定反応物５０との反応による水素７０は、導管１４０の所在箇所から複数の第一開孔１２２へ流動する時に、液体反応物６０を固体反応物５０の各部に導き、固体反応物５０との反応を完全に進行させることができ、これにより、水素の発生効率を向上させることができる。また、液体反応物６０と固体反応物５０との反応により水素を発生させる過程では、他の反応物（例えば、メタホウ酸ナトリウム四水和物（ＮａＢＯ_２・４Ｈ_２０））が生成されて、後続の液体反応物６０の流動を阻止することがあり、この時は、複数の第一開孔１２２へ流動する水素７０により、上述の他の反応物の阻止を突破し、液体反応物６０を固体反応物５０の各部に導かせることができる。

図２を参照する。本実施例の第一蓋１２０は、腔室１２５内に延伸する複数の阻止壁１２４を有し、これらの阻止壁１２４は、第二開孔１３２を取り囲む複数の同心円構造であり、且つ複数の第一開孔１２２は、これらの阻止壁１２４を取り囲む。液体反応物６０が収納空間１１０ａ内に到達し固体反応物５０と反応を行う時に、発生した水素７０が複数の第一開孔１２２を介して腔室１２５に到達する以外に、収納空間１１０ａ内の水気が複数の第一開孔１２２を介して腔室１２５に到達することもできる。阻止壁１２４は、水気がその上に凝結するために用いられ、一部の水気を水滴に変えさせ、減圧する効果を達成させることができるにより、腔室１２５内の圧力が大きすぎないようにさせることができる。また、各阻止壁１２４は、複数の窪み１２４ａを有し、水素７０は、これらの窪み１２４ａを介して各阻止壁１２４を越えて第二開孔１３２に到達することをできる。また、図３に示すように、水素発生装置１００は、ろ過部１５０を更に含み、ろ過部１５０は、腔室１２５内に配置され、水素７０は、ろ過部１５０を通過して第二開孔１３２（図１及び図２に示されている）に到達し、これにより、不純物がろ過される。

本実施例では、水素発生装置１００は、中空管１６０を更に含む。中空管１６０は、反応槽１１０に固定され収納空間１１０ａ内に位置し、中空管１６０の管壁には複数の孔穴１６２があり、これらの孔穴１６２は、それぞれ、収納空間１１０ａの異なる領域に向かう。第一導管１４０は、中空管１６０内に進入し、液体反応物６０は、これらの孔穴１６２を介して収納空間１１０ａの各領域に均一に到達することができる。

図１及び図２に示すように、本実施例の第一導管１４０は、第二開孔１３２を介して第二蓋１３０を通過するが、本発明は、第一導管１４０が第二蓋１３０を通過する方式を限定しない。以下、図面を参照しながら例を挙げて説明を行う。

図４は、本発明の他の実施例による水素発生装置の斜視図である。図４を参照する。本実施例の水素発生装置２００は、反応槽２１０、第一蓋２２０、第二蓋２３０、及び第一導管２４０を含み、反応槽２１０、第一蓋２２０、及び第二蓋２３０の組み立て方式、及び、固定反応物と液体反応物との反応により水素を発生させる方式は、前述の水素発生装置１００と同様であるため、ここでは、その説明を略す。前述の水素発生装置１００の第一導管１４０が水素排出用の第二開孔１３２を介して第二蓋１３０を通過するのに比べ、本実施例の第一導管２４０は、水素排出用の第二開孔２３２を介して第二蓋２３０を通過するのでなく、第二蓋２３０に増設された第三開孔２３４を介して第二蓋２３０を通過し、それから、第一蓋２２０を通過して反応槽２１０内に到達するのである。第一導管２４０が第二開孔２３２の面積を占めないので、第二開孔２３２が提供する有効口径は、比較的大きい。また、第一導管２４０及び第二開孔２３２は、他の装置（例えば、次に記載の水槽）にそれぞれ接続することができるので、互いに影響を与えることが無い。

図５は、図４における反応槽が水槽に接続される様子を示す斜視図である。図５を参照する。本実施例の水素発生装置２００は、水槽２７０及び第二導管２８０を更に含む。水槽２７０は、排気口２７２を有し、且つ、例えば水である液体反応物８０を収納するために用いられる。第一導管２４０は、水槽２７０に連通し、第二導管２８０は、第二開孔２３２に連通し且つ水槽２７０内に延伸する。液体反応物８０は、第一導管２４０を介して水槽２７０から反応槽２１０に導かれ、反応槽２１０内の固定反応物との反応を行って水素９０を発生させる。反応槽２１０に発生した水素９０は、第二導管２８０を介して水槽２７０に導かれ、水槽２７０内の水素９０は、排気口２７２を介して燃料電池スタックに導かれ、燃料電池スタック用に供することができる。水素９０が発生すると同時に熱を生成することもあるので、水槽２７０内の液体反応物８０により、水素９０の温度を下げ、水素９０の高温による前述の燃料電池スタックへの損害を避けることができる。また、液体反応物８０は、水素９０に運ばれている少量の不純物（例えば、反応により水素が発生する時に生成されたアンモニア）を吸収することができる。さらに、反応槽２１０内の水気は、第二導管２８０を介して水槽２７０内に導かれて液体反応物８０に溶け、循環利用され得る。

図６は、図５における水槽の排気口箇所の局所断面図である。図６を参照する。本実施例の水槽２７０の排気口２７２の箇所には、気体透過液体不透過性膜（即ち、気体が透過できるが液体が透過できない膜である。）２７４があり、これにより、液体反応物８０を阻止し水槽２７０内に留まらせ、水素９０を通過させることができる。図７は、図５における第二導管の局所斜視図である。図７を参照する。本実施例の第二導管２８０の出口２８２には、網状部品２８４があり、水素９０（図５に示されいる）は、網状部品２８４を通過して水槽２７０内に到達する。水素９０は、網状部品２８４により比較的多くの小さい気泡に分解され、これにより、液体反応物８０との接触面積を増加させ、液体反応物８０に、水素９０の温度を有効に下げさせ、水素９０に運ばれている少量の不純物を有効に吸収させることができる。

図８は、本発明の他の実施例における水槽の局所斜視図である。図８を参照する。本実施例では、水槽３７０内に複数の仕切り板３７６を更に設置してもよく、これらの仕切り板３７６は、湾曲流路を形成し、水槽３７０に導かれる水素９０′は、湾曲流路を介して排気口３７２に到達し、これにより、水素９０′と水槽３７０内の液体反応物との接触時間を増加させ、液体反応物に、水素９０′の温度を有効に下げさせ、水素９０′に運ばれている少量の不純物を有効に吸収させることができる。

以上述べたところを総合すれば、本発明の上述の実施例では、第一導管が第一蓋の複数の第一開孔に取り囲まれるので、液体反応物と固体反応物との反応による水素は、導管の所在箇所から複数の第一開孔へ流動する時に、液体反応物を固体反応物の各部に導き、固体反応物との反応を完全に進行させ、これにより、水素の発生効率を向上させることができる。

本発明は、前述した好適な実施例に基づいて以上のように開示されたが、前述した好適な実施例は、本発明を限定するためのものでなく、当業者は、本発明の精神と範囲を離脱しない限り、本発明に対して些細な変更と潤色を行うことができるので、本発明の保護範囲は、添付した特許請求の範囲に定まったものを基準とする。また、本発明の何れの実施例又は特許請求の範囲は、本発明に開示された全ての目的又は利点又は特徴を達成する必要がない。また、要約の部分と発明の名称は、文献の検索を助けるためのみのものであり、本発明の権利範囲を限定するものでない。また、本明細書又は特許請求の範囲に言及している「第一」、「第二」等の用語は、素子（ｅｌｅｍｅｎｔ）に名前を付け、または、異なる実施例又は範囲を区別するためのもののみであり、要素の数量上の上限又は下限を限定するためのものでない。

５０ 固体反応物
６０、８０ 液体反応物
７０、９０、９０′ 水素
１００、２００ 水素発生装置
１１０、２１０ 反応槽
１１０ａ 収納空間
１２０、２２０ 第一蓋
１２２ 第一開孔
１２４ 阻止壁
１２４ａ 窪み
１２５ 腔室
１３０、２３０ 第二蓋
１３２、２３２ 第二開孔
１４０、２４０ 第一導管
１５０ ろ過部
１６０ 中空管
１６２ 孔穴
２３４ 第三開孔
２７０、３７０ 水槽
２７２、３７２ 排気口
２７４ 気体透過液体不透過性膜
２８０ 第二導管
２８２ 出口
２８４ 網状部品
３７６ 仕切り板

Claims (15)

1. 固体反応物を収納するための収納空間を有する反応槽と、
   前記収納空間を覆い、複数の第一開孔を有する第一蓋と、
   前記第一蓋の上に設けられ、第二開孔を有し、前記第一蓋との間に腔室を形成する第二蓋と、
   前記第一蓋及び前記第二蓋を通過して前記収納空間内に延伸する第一導管と、を含み、
   前記複数の第一開孔は、前記第一導管を取り囲み、液体反応物が、前記第一導管を介して前記収納空間内に到達し前記固体反応物と反応を行って水素を発生させ、前記水素は、前記複数の第一開孔を介して前記腔室に到達し前記第二開孔を介して排出され、
   中空管を更に含み、
   前記中空管は、前記反応槽に固定され前記収納空間内に位置し、前記第一導管は、前記中空管に進入し、前記中空管の管壁には、複数の孔穴があり、前記複数の孔穴は、前記収納空間の異なる領域にそれぞれ向かい、前記液体反応物は、前記複数の孔穴を介して前記収納空間内に到達する、ことを特徴とする水素発生装置。
2. 前記第一蓋は、前記腔室内に延伸する複数の阻止壁を有することを特徴とする請求項１に記載の水素発生装置。
3. 前記複数の第一開孔は、前記複数の阻止壁を取り囲むことを特徴とする請求項２に記載の水素発生装置。
4. 前記複数の阻止壁は、複数の同心円構造であり且つ前記第二開孔を取り囲むことを特徴とする請求項２に記載の水素発生装置。
5. 前記複数の阻止壁の各々は、複数の窪みを有し、前記水素は、前記複数の窪みを介して前記複数の阻止壁の各々を超えることを特徴とする請求項２に記載の水素発生装置。
6. ろ過部を更に含み、
   前記ろ過部は、前記腔室内に配置され、前記水素は、前記ろ過部を通過して前記第二開孔に到達することを特徴とする請求項１に記載の水素発生装置。
7. 前記第一導管は、前記第二開孔を介して前記第二蓋を通過することを特徴とする請求項１に記載の水素発生装置。
8. 前記第二蓋は、第三開孔を更に有し、前記第一導管は、前記第三開孔を介して前記第二蓋を通過することを特徴とする請求項１に記載の水素発生装置。
9. 水槽を更に含み、
   前記水槽は、前記液体反応物を収納するために用いられ、前記第一導管は、前記水槽に連通し、前記液体反応物は、前記第一導管を介して前記水槽から前記反応槽に導かれることを特徴とする請求項１に記載の水素発生装置。
10. 第二導管を更に含み、
    前記第二導管は、前記第二開孔に連通して前記水槽内に延伸し、前記水素は、前記第二導管を介して前記反応槽から前記水槽内に到達し、前記水槽内の前記液体反応物は、前記水素の温度を下げることを特徴とする請求項９に記載の水素発生装置。
11. 前記第二導管の出口には、網状部品があり、前記水素は、前記網状部品を通過して前記水槽内に到達することを特徴とする請求項１０に記載の水素発生装置。
12. 水気が、前記第二導管を介して前記腔室から前記水槽内に到達して前記液体反応物に溶けることを特徴とする請求項１０に記載の水素発生装置。
13. 前記水槽は、排気口を有し、前記水槽内の前記水素は、前記排気口を介して燃料電池スタックに導かれることを特徴とする請求項１０に記載の水素発生装置。
14. 前記水槽内には、湾曲流路を形成する複数の仕切り板があり、前記水素は、前記湾曲流路を通過して前記排気口に到達することを特徴とする請求項１３に記載の水素発生装置。
15. 前記水槽の前記排気口には、気体透過液体不透過性膜があることを特徴とする請求項１３に記載の水素発生装置。

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