JPWO2006101214A1 - 水素発生方法及び水素発生装置及び燃料電池設備 - Google Patents

Abstract

水素発生材料が、加水分解して水素を発生する錯体水素化物と、水素発生反応を促進する促進剤を、加水分解させる水に溶解した水溶液であり、基準圧より反応器内圧が低いことを検出し、促進剤水溶液を反応器に供給する第一の工程Ｓ１、促進剤水溶液に錯体水素化物を溶解し、水素発生反応を起こす第二の工程Ｓ２、基準圧より反応器内圧が高いことを検出し、促進剤水溶液の供給を停止する第三の工程Ｓ３から成り、第一の工程Ｓ１から第三Ｓ３の工程までのフローを繰り返す。

Description

本発明は、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効率よく水素を供給するための水素発生方法及び水素発生装置に関する。
また、本発明は、水素を効率よく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。

特開２００３−２０６１０１号公報（第４−６頁、図１）

しかしながら、従来の通り、錯体水素化物をアルカリ水溶液に溶解して反応させた場合、錯体水素化物と貴金属触媒との接触確率が経時変化し、錯体水素化物のアルカリ水溶液の供給制御が複雑になること、水素発生反応の制御が困難となること、錯体水素化物の全重量に対する水素発生量（以下、反応効率とする）が少ないといった問題が発生する。これは、例えば水素化ホウ素ナトリウム水溶液の濃度が１２重量％を超えると、生成物のメタホウ酸ナトリウムが水和して析出するため、水素化ホウ素ナトリウムを触媒に均一に効率よく接触させる事が困難となるためである。

また、錯体水素化物に水やアルコールを供給する方法によると、反応速度が遅いため、発電装置で必要な速度で水素を得る事が困難である。この方法では、水やアルコールの供給量を多くすると反応速度を高める事が可能となるが、水やアルコールに対する錯体水素化物の量が極めて少なくなるため、全反応物の重量当たりの水素発生量（以下、水素貯蔵密度とする）が少なくなるといった問題が生じる。

本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、本発明は、錯体水素化物と触媒とを均一に効率よく接触させ、要求される速度で水素を発生させることが可能であり、且つ、高反応効率、及び、高水素貯蔵密度となる水素発生方法及び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、本発明は、錯体水素化物と触媒とを均一に効率よく接触させ、要求される速度で水素を発生させることが可能であり、且つ、高反応効率、及び、高水素貯蔵密度とな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本発明の請求の範囲１に記載の水素発生方法は、水素発生反応の促進剤の水溶液である促進剤水溶液を錯体水素化物に供給して水素を発生させるに際し、前記錯体水素化物の重量に対して前記錯体水素化物に供給される前記促進剤水溶液に含まれる水の全重量を０.２倍以上３倍以下にしたことを特徴とする。

本発明の請求の範囲２に記載の水素発生方法は、請求の範囲１に記載の水素発生方法において、前記水の全重量を１.０倍以上３倍以下にしたことを特徴とする。

これにより、錯体水素化物と水とが反応する水素発生反応において、促進剤水溶液により、反応を促進する促進剤を水と共に錯体水素化物に供給できるようになり、錯体水素化物と水とが反応する場合、常に促進剤が反応部に供給される。従って、少ない水量に拘らず、反応速度を速くすることが可能であり、且つ、錯体水素化物と促進剤との接触確率が変化せず、均一に接触させることが可能となる。そして、促進剤水溶液及び錯体水素化物の重量に対して９重量％が得られ、高い水素貯蔵密度が得られる。

上記目的を達成するための本発明の請求の範囲３に記載の水素発生方法は、水素発生反応の促進剤の水溶液である促進剤水溶液を錯体水素化物に供給して水素を発生させるに際し、前記促進剤として金属塩化物を適用し、前記金属塩化物の濃度を０.１重量％以上４０重量％以下にしたことを特徴とする。

上記目的を達成するための本発明の請求の範囲４に記載の水素発生方法は、水素発生反応の促進剤の水溶液である促進剤水溶液を錯体水素化物に供給して水素を発生させるに際し、前記促進剤として金属塩化物を適用し、前記金属塩化物の濃度を０.１重量％以上２５重量％以下にしたことを特徴とする。

そして、金属塩化物の濃度として、１重量％以上１５重量％以下にすることが好ましい。

これにより、錯体水素化物と水とが反応する水素発生反応において、促進剤水溶液により、反応を促進する促進剤を水と共に錯体水素化物に供給できるようになり、錯体水素化物と水とが反応する場合、常に促進剤が反応部に供給される。従って、少ない水量に拘らず、反応速度を速くすることが可能であり、且つ、錯体水素化物と促進剤との接触確率が変化せず、均一に接触させることが可能となる。そして、水溶性の促進剤は水溶液中で均一に分散することになり、錯体水素化物と促進剤との接触確率を一定にすることが可能になる。

上記目的を達成するための本発明の請求の範囲５に記載の水素発生方法は、水素発生反応の促進剤の水溶液である促進剤水溶液を錯体水素化物に供給して水素を発生させるに際し、前記促進剤として酸を適用し、前記促進剤水溶液のｐＨを１以上３以下にしたことを特徴とする。

そして、促進剤水溶液のｐＨを１.４以上２以下にすることが好ましい。

これにより、錯体水素化物と水とが反応する水素発生反応において、促進剤水溶液により、反応を促進する促進剤を水と共に錯体水素化物に供給できるようになり、錯体水素化物と水とが反応する場合、常に促進剤が反応部に供給される。従って、少ない水量に拘らず、反応速度を速くすることが可能であり、且つ、錯体水素化物と促進剤との接触確率が変化せず、均一に接触させることが可能となる。そして、酸性度の高い条件では、酸の水溶液の体積や重量が大きくなってしまうが、一方で反応効率が向上するため、結果として体積当たり、もしくは、重量当たりの水素貯蔵密度を高くすることが可能になる。

上記目的を達成するための本発明の請求の範囲６に記載の水素発生方法は、水素発生反応の促進剤の水溶液である促進剤水溶液を錯体水素化物に供給して水素を発生させるに際し、前記促進剤として金属塩化物及び酸を適用し、前記金属塩化物の濃度を０.１重量％以上２５重量％以下にすると共に、前記促進剤水溶液のｐＨを１以上３以下にしたことを特徴とする。

これにより、錯体水素化物と水とが反応する水素発生反応において、促進剤水溶液により、反応を促進する促進剤を水と共に錯体水素化物に供給できるようになり、錯体水素化物と水とが反応する場合、常に促進剤が反応部に供給される。従って、少ない水量に拘らず、反応速度を速くすることが可能であり、且つ、錯体水素化物と促進剤との接触確率が変化せず、均一に接触させることが可能となる。そして、水溶性の促進剤は水溶液中で均一に分散することになり、錯体水素化物と促進剤との接触確率を一定にすることが可能になると共に、酸性度の高い条件では、酸の水溶液の体積や重量が大きくなってしまうが、一方で反応効率が向上するため、結果として体積当たり、もしくは、重量当たりの水素貯蔵密度を高くすることが可能になる。

上記目的を達成するための本発明の請求の範囲７に記載の水素発生方法は、水素発生反応の促進剤の水溶液である促進剤水溶液を錯体水素化物に供給して水素を発生させるに際し、前記錯体水素化物の重量に対して前記錯体水素化物に供給される前記促進剤水溶液に含まれる水の全重量を０.２倍以上３倍以下にし、前記促進剤として金属塩化物を適用し、前記金属塩化物の濃度を０.１重量％以上２５重量％以下にしたことを特徴とする。

これにより、錯体水素化物と水とが反応する水素発生反応において、促進剤水溶液により、反応を促進する促進剤を水と共に錯体水素化物に供給できるようになり、錯体水素化物と水とが反応する場合、常に促進剤が反応部に供給される。従って、少ない水量に拘らず、反応速度を速くすることが可能であり、且つ、錯体水素化物と促進剤との接触確率が変化せず、均一に接触させることが可能となる。そして、促進剤水溶液及び錯体水素化物の重量に対して９重量％が得られ、高い水素貯蔵密度が得られると共に、水溶性の促進剤は水溶液中で均一に分散することになり、錯体水素化物と促進剤との接触確率を一定にすることが可能になる。

上記目的を達成するための本発明の請求の範囲８に記載の水素発生方法は、水素発生反応の促進剤の水溶液である促進剤水溶液を錯体水素化物に供給して水素を発生させるに際し、前記錯体水素化物の重量に対して前記錯体水素化物に供給される前記促進剤水溶液に含まれる水の全重量を０.２倍以上３倍以下にし、前記促進剤として酸を適用し、前記促進剤水溶液のｐＨを１以上３以下にしたことを特徴とする。

これにより、錯体水素化物と水とが反応する水素発生反応において、促進剤水溶液により、反応を促進する促進剤を水と共に錯体水素化物に供給できるようになり、錯体水素化物と水とが反応する場合、常に促進剤が反応部に供給される。従って、少ない水量に拘らず、反応速度を速くすることが可能であり、且つ、錯体水素化物と促進剤との接触確率が変化せず、均一に接触させることが可能となる。そして、促進剤水溶液及び錯体水素化物の重量に対して９重量％が得られ、高い水素貯蔵密度が得られると共に、酸性度の高い条件では、酸の水溶液の体積や重量が大きくなってしまうが、一方で反応効率が向上するため、結果として体積当たり、もしくは、重量当たりの水素貯蔵密度を高くすることが可能になる。

上記目的を達成するための本発明の請求の範囲９に記載の水素発生方法は、水素発生反応の促進剤の水溶液である促進剤水溶液を錯体水素化物に供給して水素を発生させるに際し、前記錯体水素化物の重量に対して前記錯体水素化物に供給される前記促進剤水溶液に含まれる水の全重量を０.２倍以上３倍以下にし、前記促進剤として金属塩化物及び酸を適用し、前記金属塩化物の濃度を０.１重量％以上２５重量％以下にすると共に、前記促進剤水溶液のｐＨを１以上３以下にしたことを特徴とする。

これにより、錯体水素化物と水とが反応する水素発生反応において、促進剤水溶液により、反応を促進する促進剤を水と共に錯体水素化物に供給できるようになり、錯体水素化物と水とが反応する場合、常に促進剤が反応部に供給される。従って、少ない水量に拘らず、反応速度を速くすることが可能であり、且つ、錯体水素化物と促進剤との接触確率が変化せず、均一に接触させることが可能となる。そして、促進剤水溶液及び錯体水素化物の重量に対して９重量％が得られ、高い水素貯蔵密度が得られると共に、酸性度の高い条件では、酸の水溶液の体積や重量が大きくなってしまうが、一方で反応効率が向上するため、結果として体積当たり、もしくは、重量当たりの水素貯蔵密度を高くすることが可能になる。

本発明の請求の範囲１０に記載の水素発生方法は、請求の範囲１〜９のいずれかに記載の水素発生方法において、前記錯体水素化物が水素化ホウ素塩であることを特徴とする。

本発明の請求の範囲１１に記載の水素発生方法は、請求の範囲５、６、８、９のいずれかに記載の水素発生方法において、前記酸が有機酸であることを特徴とする。

本発明の請求の範囲１２に記載の水素発生方法は、請求の範囲１１に記載の水素発生方法において、前記有機酸がカルボン酸であることを特徴とする。

カルボン酸は、好ましくは、クエン酸、リンゴ酸、コハク酸、酒石酸、マロン酸、シュウ酸、マレイン酸から成る群に含まれる少なくとも一種である。これらは揮発性がなく、安定した酸水溶液を調製することが可能となる。

本発明の請求の範囲１３に記載の水素発生方法は、請求の範囲１〜１２のいずれかに記載の水素発生方法において、水素発生反応の前記促進剤もしくは前記錯体水素化物の少なくとも一方に消泡剤が含有されていることを特徴とする。

これにより、錯体水素化物と促進剤水溶液の接触が、容易に行われるようになる。つまり、錯体水素化物に促進剤水溶液を供給した場合、特に、高い水素化ホウ素塩比率の場合、反応直後に水量が低下し、生成物の粘性が非常に高くなり、水素や錯体水素化物、生成物を巻き込んだ泡が大量に発生するが、消泡剤の効果により消泡し易くなる。この結果、促進剤水溶液と錯体水素化物の泡による接触阻害と、反応速度や反応効率の低下を抑制することが可能となる。また、消泡により泡の流出を抑止できるため、錯体水素化物を貯蔵する反応容器の体積を小さくして、水素貯蔵密度を向上することが可能となる。

本発明の請求の範囲１４に記載の水素発生方法は、請求の範囲１〜１３のいずれかに記載の水素発生方法において、前記錯体水素化物に供給された前記促進剤水溶液を水素発生反応の固体促進剤に接触させることを特徴とする。

本発明の請求の範囲１５に記載の水素発生方法は、請求の範囲１４に記載の水素発生方法において、前記固体促進剤は、前記促進剤水溶液の促進剤と同種の促進剤を含むことを特徴とする。

促進剤水溶液と錯体水素化物とが混合されても即座に全ての反応物が反応する訳ではないため、まず反応物と既に生成した生成物とが混合された混合水溶液が形成されることになる。この水溶液は錯体水素化物を含むため、水素発生反応を起こす。反応速度は、促進剤水溶液の供給直後と比べて遅くなっているため、固体で保持された固体促進剤と接触させることにより、反応速度を増加させることができるようになる。尚、促進剤水溶液中の促進剤と、固体促進剤の種類は、同種、異種を問わない。

本発明の請求の範囲１６に記載の水素発生方法は、請求の範囲１４に記載の水素発生方法において、前記固体促進剤は、貴金属もしくは水素吸蔵合金であることを特徴とする。

貴金属としては、イリジウム、オスミウム、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、白金、金などを用いることができる。貴金属や水素吸蔵合金は、錯体水素化物の加水分解反応に関する触媒作用を示す。そのため、混合水溶液に貴金属や水素吸蔵合金を接触させると反応速度を増加させることができるようになる。こういった金属もしくは合金系の触媒は混合溶液に溶解しないため、混合溶液の液性によらず一定の触媒効果を示し、安定して水素を発生する事ができるようになる。

上記目的を達成するための請求の範囲１７に記載の水素発生方法は、請求の範囲１〜９のいずれかに記載の促進剤水溶液を水溶液貯蔵部に貯蔵し、請求の範囲１〜９のいずれかに記載の錯体水素化物を貯蔵すると共に水素反応を起こす反応部からなる水素供給器から水素を発生させ、供給管やバルブを通して外部装置に水素を供給する水素発生方法において、錯体水素化物に促進剤水溶液を供給して水素を発生させることを特徴とする。

これにより、水素発生反応の開始と停止の制御を、促進剤水溶液の供給と停止により行うことができるようになり、反応制御が容易となる。

本発明の請求の範囲１８に記載の水素発生方法は、請求の範囲１７に記載の水素発生方法において、前記外部装置での設定水素圧に前記供給管や前記バルブで損失する圧力を加算した値を基準圧とし、前記外部装置の内圧が前記設定水素圧を下回り、前記基準圧を前記反応部内圧が下回った際に、前記促進剤水溶液を前記第二の水素発生材料に供給する第一の工程と、前記促進剤水溶液に第二の水素発生材料を溶解しつつ、水素を発生する第二の工程と、前記反応部から前記外部装置への水素供給圧が基準圧より高くなった際に、前記促進剤水溶液の供給を停止する第三の工程とを有し、前記第一の工程から前記第三の工程までが順に繰り返して行なわれることを特徴とする。

これにより、外部装置で水素を消費する際に、消費速度に連動して水素を発生させ供給することができるようになる。水素発生反応は促進剤水溶液を錯体水素化物に供給することにより発生するが、その時の水素発生量は促進剤水溶液中に含まれる水量により決定される。従って、反応部内圧と基準圧の差に応じて促進剤水溶液を供給、供給停止すると、外部装置で消費するのに必要な水素量を断続的に供給することとなり、容易に水素供給量を制御することができる。

本発明の請求の範囲１９に記載の水素発生方法は、請求の範囲１８に記載の水素発生方法において、前記促進剤水溶液が前記錯体水素化物に供給された後、少なくとも一回、水素発生速度が、前記外部装置での水素消費速度を上回ることを特徴とする。

これにより、反応部や外部装置の内圧を増加させる事が可能であり、第一の工程から第三の工程までの一連の流れを繰り返し起こすことができるようになる。促進剤水溶液の供給量は内圧の増加状況により決定されるため、水素発生反応が速やかに起きる場合は供給量を少量とするが、錯体水素化物を生成物が被覆して促進剤水溶液と錯体水素化物の接触が遅れたり、反応部の温度が低かったりした場合は水素発生反応の速度が低下するため、促進剤水溶液の供給量を多くして水素発生速度を速くすることとなる。

本発明の請求の範囲２０に記載の水素発生方法は、請求の範囲１９に記載の水素発生方法において、前記反応部の内圧が前記基準圧より、０．３ｋＰａ〜３００ｋＰａ高くなることを特徴とする。

これにより、反応部の内圧が過大にならないため、安全に運転を行うことができる。

本発明の請求の範囲２１に記載の水素発生方法は、請求の範囲１８に記載の水素発生方法において、前記促進剤水溶液に含まれる水と前記錯体水素化物とが反応して生成する化学量論的水素生成量を、前記水素供給器の容積で除して理論的水素圧を算出した際に、前記理論的水素圧が５ｋＰａ〜３００ｋＰａとなるように前記第一の工程を１度行う場合に供給する前記促進剤水溶液の供給量が設定されていることを特徴とする。

これにより、水素供給器内の圧力が上昇し過ぎることを抑えることができ、安全な運転を行うことができる。

本発明の請求の範囲２２に記載の水素発生方法は、請求の範囲１７〜２１のいずれかに記載の水素発生方法において、前記水素供給器で発生した水素は燃料電池の負極室に供給される水素として用いられることを特徴とする。

本発明の請求の範囲２３に記載の水素発生方法は、請求の範囲２２に記載の水素発生方法において、燃料電池の設定水素圧が、燃料電池の正極室の圧力以上で正極室の圧力より０．３ＭＰａ高い圧力以下であることを特徴とする。

これにより、正極室と負極室の間に存在する電解質に、正負両極室からかかる圧力差が最大でも０．３０５ＭＰａ〜０．６ＭＰａの範囲内となる。これから燃料電池で消費する水素量分を差し引くと、電解質にかかる応力は電解質の耐久性以下とすることができる。

本発明の請求の範囲２４に記載の水素発生方法は、請求の範囲２３に記載の水素発生方法において、前記促進剤水溶液に前記基準圧がかかっており、前記水溶液貯蔵部と前記反応部とを連結する導管に逆止弁を有し、前記反応部内圧が前記基準圧を下回ると、差圧により前記逆止弁が開弁し、前記促進剤水溶液が、前記錯体水素化物に供給され、前記反応部内圧が前記基準圧を上回ると、差圧により前記逆止弁が閉弁し、前記促進剤水溶液が停止することを特徴とする。

これにより、圧力センサーを用いて圧力を電気信号に変換し、促進剤水溶液を供給するといった電気的な検出、制御方法が不要となる。つまり、逆止弁によれば、反応部内圧と基準圧の差に伴う力の変化を、逆止弁の弁体が検知し自動的に開弁、閉弁をすることができ、促進剤水溶液にかかる基準圧と反応部内圧の差に伴い、促進剤水溶液を供給、停止することができる。

本発明の請求の範囲２５に記載の水素発生方法は、請求の範囲２３に記載の水素発生方法において、前記促進剤水溶液が加重されており、前記水溶液貯蔵部と前記反応部とを連結する導管にレギュレータを有し、前記反応部内圧が前記基準圧を下回ると、前記レギュレータが開弁し、前記促進剤水溶液が、前記錯体水素化物に供給され、前記反応部内圧が前記基準圧を上回ると、前記レギュレータが閉弁し、前記促進剤水溶液が停止することを特徴とする。

上記目的を達成するための本発明の請求の範囲２６に記載の水素発生装置は、水素発生反応の促進剤の水溶液である促進剤水溶液が貯留される水溶液貯留部を備え、錯体水素化物が貯蔵される水素供給器に供給管を介して水溶液貯留部を接続し、水素供給器で発生した水素が消費される外部装置を水素供給器に接続し、水素の消費に応じた水素供給器の圧力及び水溶液貯留部の圧力に応じて促進剤水溶液の流通を許容する弁部材を供給管に備え、前記水溶液貯留部には、第１〜１６のいずれかの態様に記載の水素発生方法における促進剤水溶液が貯留されていることを特徴とする。

上記目的を達成するための本発明の請求の範囲２７に記載の燃料電池設備は、請求の範囲２６に記載の水素発生装置の水素供給器を燃料電池の負極室に接続し、発生した水素が前記負極室に供給されることを特徴とする燃料電池設備にある。

本発明では、促進剤水溶液を錯体水素化物に供給することにより、水素発生反応の反応物である水と、反応速度を上げるための促進剤とを、同時に、錯体水素化物に供給することができ、促進剤と錯体水素化物とを、均一に、効率よく接触させることができるようになり、水素発生速度を増加させ、反応効率や水素貯蔵密度を高くすることができ、制御が容易な水素発生方法及び水素発生装置を提供することが可能になる。
また、水素発生速度を増加させ、反応効率や水素貯蔵密度を高くすることができ、制御が容易な水素発生装置を備えた燃料電池設備を提供することが可能になる。

本発明の一実施形態例に係る水素発生方法の工程フロー図である。 本発明の一実施形態例に係る水素発生装置を備えた燃料電池設備の概略構成図である。 本発明による水素発生方法を用いた水素供給器と燃料電池を運転した時の水素供給器内圧変化と燃料電池の出力電圧の経時変化を示すグラフである。 水素化ホウ素ナトリウムをリンゴ酸水溶液に溶解した時の反応効率のリンゴ酸濃度依存性を表すグラフである。 反応効率の水素化ホウ素ナトリウム濃度依存性を表すグラフである。 反応効率のリンゴ酸濃度のｐＨの依存性を表すグラフである。 促進剤水溶液及び促進剤及び固体促進剤の組み合わせを説明する表図である。 反応効率の塩化ニッケル濃度の依存性を表すグラフである。 固定触媒を格納していない場合の水素発生圧力の経時変化を表すグラフである。 固定触媒を格納した場合の水素発生圧力の経時変化を表すグラフである。 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。 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１実施形態例に係る燃料電池設備の概略構成図である。 本発明の第２実施形態例に係る燃料電池設備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。 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３実施形態例に係る燃料電池設備の概略構成図である。 本発明の第４実施形態例に係る燃料電池設備の概略構成図である。 本発明の第５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 反応部
２ 水溶液貯蔵部
３ 連結管
４ 逆止弁
５ 大気取入口
６ 燃料電池のアノード室
７ 水素供給管
Ｓ１ 第一の工程
Ｓ２ 第二の工程
Ｓ３ 第三の工程

以下本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。

図１には本発明の一実施形態例に係る水素発生方法の工程フローを示してある。

図に示すように、第一の工程Ｓ１は、基準圧より反応器内圧が低いことを検出し、促進剤水溶液を反応器に供給する工程である。第二の工程Ｓ２は、促進剤水溶液に錯体水素化物を溶解し、水素発生反応を起こす工程である。第三の工程Ｓ３は、基準圧より反応器内圧が高いことを検出し、促進剤水溶液の供給を停止する工程である。第一の工程Ｓ１から第三の工程Ｓ３までのフローを繰り返す事により、水素を供給し続けることができる。本実施形態例では、促進剤水溶液の促進剤としてリンゴ酸を用い、錯体水素化物として水素化ホウ素ナトリウムを用いた。

図２には本発明の一実施形態例に係る水素発生装置を備えた燃料電池設備の概略構成を示してある。

図に示すように、水素供給器は、錯体水素化物としての水素化ホウ素ナトリウムを格納し水素発生反応を起こす反応部１と、促進剤水溶液としてのリンゴ酸水溶液を貯蔵する水溶液貯蔵部２とを備え、反応部１と水溶液貯蔵部２は連結管３で連結されている。連結管３にはバルブとしての逆止弁４が設けられ、水溶液貯蔵部２に大気を取り入れるための大気取入口５が設けられている。更に、反応部１は燃料電池の負極室であるアノード室６と水素供給管７により接続され、反応部１からアノード室６に水素が供給される。燃料電池は、固体高分子形燃料電池であり、アノード室６に供給された水素が外部に放出されない構造になっている。

リンゴ酸水溶液の反応部１への供給・停止制御は、図１に基づいて行なわれる。燃料電池を作動させるための設定水素圧として、アノード室６の内圧を大気圧と設定した。これは、アノードとカソードにて狭持する固体高分子膜には、カソード側から大気圧がかかり、アノード側からアノード室６内圧がかかっており、両者の圧力差を小さくして固体高分子膜の応力を低く抑えるためである。基準圧は、水素供給管７によって損失する圧力を設定水素圧に加算した値である。ただし、本実施形態例では、水素供給管７が充分太く短いため、圧力損失は起きず基準圧は設定水素圧と同等の大気圧となる。

水溶液貯蔵部２は、大気取入口５から流入する大気により常に大気圧となっている。また、逆止弁４の開弁圧は０Ｐａと略同一であり、連結管３をリンゴ酸水溶液が通過する際の圧力損失は起きない。従って、反応部１内圧と大気圧の差に応じて、リンゴ酸水溶液の供給と供給停止が決定される。リンゴ酸水溶液の供給・供給停止の制御は、図１に示した工程フロー図の通りであり、以下に詳細を説明する。

第一の工程Ｓ１は、燃料電池の発電に伴う水素消費により、アノード室６及び反応部１の内圧が低下し、反応部１の内圧が大気圧より低下すると、反応部１と水溶液貯蔵部２の差圧により、逆止弁４の弁体に送液方向の力がかかり、逆止弁４が開弁してリンゴ酸水溶液が反応部１に供給される工程である。

第二の工程Ｓ２は水素発生反応を生じる工程である。反応部１にリンゴ酸水溶液が供給されると、水素化ホウ素ナトリウムとリンゴ酸水溶液が接触し、リンゴ酸水溶液に水素化ホウ素ナトリウムが溶解する。水素化ホウ素ナトリウムはリンゴ酸水溶液中で、溶媒の水と会合し水素発生反応を生じる。その際、溶解しているリンゴ酸が均一系触媒として働き、水素化ホウ素ナトリウムと水との反応を促進する作用を示す。

第三の工程Ｓ３は、水素発生により反応部１の内圧が大気圧より上昇すると、反応部１と水溶液貯蔵部２と差圧により逆止弁４の弁体に送液方向と逆向きに力がかかり、逆止弁４が閉鎖してリンゴ酸水溶液の供給が停止される工程である。

上記工程を繰り返すことにより、アノード室６に水素を供給することができ、また、燃料電池の出力電流に応じた水素を供給できる。圧力により逆止弁４を開閉し、リンゴ酸水溶液を送液するため、送液制御に電力を必要としない。

尚、燃料電池の発電停止時は、水素消費がなくなり、反応部１が定圧で保たれるようになる。従って、リンゴ酸水溶液が反応部１に供給されず、新たな水素発生が生じることはなくなる。つまり、燃料電池運転停止と共に水素の供給を停止することが可能である。

図３には本発明による水素発生方法を用いた水素供給器と燃料電池を運転した時の水素供給器内圧変化と燃料電池の出力電圧の経時変化を示すグラフを示してある。尚、リンゴ酸水溶液の濃度を２５重量％とし、シリコーン系消泡剤を混合した。また水素化ホウ素ナトリウムに対するリンゴ酸水溶液中の水分の比率を１．３とした。

図３のグラフは、燃料電池の発電による反応部１の内圧の低下と水素発生反応による反応部１の内圧の上昇とが繰り返し起きていることを示しており、本発明の水素発生方法が確認された。また、この時の燃料電池の電圧は一定であり、水素供給器から必要量の水素が供給されていることが判る。

リンゴ酸水溶液の供給量については以下の通りに設定した。連結管３の反応部１側の端部は内径１００μｍ程度のノズルであり、リンゴ酸水溶液はノズル先端に液滴を形成した後、水素化ホウ素ナトリウムに滴下されるようにし、これによりリンゴ酸水溶液の一度の供給量は０．０２ｇとした。ここから化学量論的に計算される水素圧による水素供給器内の圧力上昇は３０ｋＰａである。また、燃料電池は、カソードを大気開放して自然対流による酸素拡散供給を行った。周囲温度は２５℃であり、セルの温度調節は行っていない。出力電力を１Ｗに固定して発電した。

この系による運転の結果、運転終了時までに水素に転換された水素化ホウ素ナトリウムは、全水素化ホウ素ナトリウムに対して８７％であり、この時の水素貯蔵密度は、４．８重量％となった。

図３に示したように、系内は、発電により系内圧が低下しつつリンゴ酸水溶液が供給されると圧力が上昇するため、一定の範囲の圧力内で運転されていることが判る。圧力変動幅は−５ｋＰａＧ〜＋１０ｋＰａＧであり、また、これによる出力電圧のブレは数ｍＶ程度と小さかった。ここで基準圧は０ｋＰａＧであるが、圧力は−５ｋＰａ程度まで低下した。これは、リンゴ酸水溶液が水素化ホウ素ナトリウム上に滴下される前にノズル先端で液滴が形成されるのに時間がかかり、その間に圧力が低下するためである。またリンゴ酸水溶液の一度の供給量から計算される圧力上昇は３０ｋＰａであるが、同様の理由により、圧力上限がほぼ１０ｋＰａとなった。

図４乃至図６に基づいて、図３における反応条件の設定方法と設定理由を説明する。

図４には水素化ホウ素ナトリウムをリンゴ酸水溶液に溶解した時の反応効率のリンゴ酸濃度依存性を表すグラフを示してある。

図４に示すように、水素化ホウ素ナトリウムに対するリンゴ酸水溶液中の水分の比率は３である。また、この測定は本発明の微量ずつリンゴ酸水溶液を水素化ホウ素ナトリウムに供給する方法ではなく、圧力容器内で全ての反応物を溶解して発生した水素量を、圧力容器内圧から算出する方法で行った。反応効率は、ｐＨ３となる０．１重量％程度でもリンゴ酸を混合すると反応効率は１０％を超え、更に、リンゴ酸濃度が２５重量％以上で８５％程度と飽和した。リンゴ酸０．１重量％でも水素貯蔵密度としては有効であるが、リンゴ酸濃度２５重量％の時水素貯蔵密度が最大となることが判ったため、リンゴ酸濃度２５重量％を条件として選択した。

また、図５には反応効率の水素化ホウ素ナトリウム濃度依存性を表すグラフを示してある。本測定でのリンゴ酸濃度は２５重量％である。またこの測定は図３でリンゴ酸濃度を設定した時と同様の方法で行った。

図５に示すように、これによると反応効率は、水素化ホウ素ナトリウム濃度が低い場合９５％と高効率であった。しかし、水素化ホウ素ナトリウム濃度が上昇するに従い効率が低下した。また、水素化ホウ素ナトリウム濃度３０重量％、つまり、水素化ホウ素ナトリウムに対するリンゴ酸水溶液中の水分の比率が１．３の時、水素放出量から計算した反応物全重量に対する水素貯蔵密度は４．４重量％と最大であり、この時の反応効率は８１％であった。従って、水素化ホウ素ナトリウムに対するリンゴ酸水溶液中の水分の比率が１．３、及び、リンゴ酸濃度２５重量％が本系では最大の水素貯蔵密度を有する条件であることが判ったため、本条件を選択した。

また、図６には反応効率のリンゴ酸濃度のｐＨの依存性を表すグラフを示してある。

図６に示すように、反応効率は、ｐＨが２を下回る時に８０％を超えて高効率であった。しかし、ｐＨが低すぎると反応が急速に生じすぎるため、及び、水素密度を保つために、ｐＨは１以上が最適であることが判る。また、好ましくは、ｐＨは１.４以上が最適であることが判る。

また、ｐＨが３を超えると、反応効率が３０％以下になると共に水素密度が低下する。特に、ｐＨが１.４を下回った場合、もしくｐＨが２を超えた場合に反応効率及び水素密度が低下傾向となる。これらのことから、リンゴ酸濃度のｐＨは１以上３以下にすることが最適であるといえる。そして、好ましくは、リンゴ酸濃度のｐＨは１.４以上２以下にすることが、更に、最適であるといえる。

以上、水素化ホウ素ナトリウムの水素発生反応を利用した系において、電力を用いずに燃料電池の電流に見合った水素の供給と水素発生反応の制御を行うことが可能であること及び水素貯蔵密度が高くなることを見出した。

図７には上記実験結果に加え、その他の促進剤水溶液を用いた場合や、反応部１に固体促進剤を格納した場合の組合せと反応効率を示す表である。

（１）：リンゴ酸を２５重量％溶解した水溶液、水素化ホウ素ナトリウム１０ｇの場合の促進剤水溶液の促進剤の量を７．８ｇとして燃料電池運転を行った。反応効率は８７％であった。リンゴ酸水溶液によれば高反応率で水素を得られ、生成物を含む水溶液のｐＨが９．５程度と低くなる。

（２）：１０重量％の塩化ニッケル水溶液、水素化ホウ素ナトリウム１０ｇの場合の促進剤水溶液の促進剤の量を２．６ｇとして燃料電池運転を行った。反応効率は９１％であった。塩化ニッケル水溶液によれば、触媒量を少なく、且つ、反応率を高くできる。

（３）：リンゴ酸を１５重量％、塩化ニッケルを５重量％溶解した水溶液、水素化ホウ素ナトリウム１０ｇの場合の促進剤水溶液の促進剤の量を５．３ｇとして燃料電池運転を行った。反応効率は９４％であった。リンゴ酸及び塩化ニッケルの水溶液によれば、反応率を高く、触媒量を少なくでき、生成物を含む水溶液のｐＨが１０．０程度となる。

（４）：促進剤水溶液として１０重量％の塩化ニッケル水溶液を用い、反応部１に固体促進剤として固体の塩化ニッケルを０．３ｇ格納した。水素化ホウ素ナトリウム１０ｇの場合の促進剤水溶液の促進剤の量を２．６ｇとして燃料電池運転を行った。促進剤水溶液に水素化ホウ素ナトリウムが溶解して水素発生反応を起こした場合、初期は急速な反応速度を示すが、時間と共に反応は緩やかになる。反応が緩やかな時の反応部位は水溶液となっており、この水溶液が固体の塩化ニッケルに接触すると、固体の塩化ニッケルが溶解し、水素発生反応の速度が増加する現象が見られた。その結果、固体の塩化ニッケルを格納しない場合と比較して、反応部１の内圧が基準圧を下回るまでの時間が長くかかり、促進剤水溶液の水の反応量が多くなった。反応効率は９６％であった。

（５）：（４）の固体の塩化ニッケルに代えて固体の塩化コバルトを０．３ｇ格納した。反応効率は９６％であった。

（６）：（４）の固体の塩化ニッケルに代えて固体のリンゴ酸を０．５ｇ格納した。反応効率は９４％であった。

（４）〜（６）では、反応器内に触媒を固定した分、触媒量が増加するが、反応率を高くすることができる。

（７）：（６）の１０重量％の塩化ニッケル水溶液に代えて２０重量％のリンゴ酸水溶液を促進剤水溶液とし、水素化ホウ素ナトリウム１０ｇの場合の促進剤水溶液の促進剤の量を５．８ｇとして燃料電池運転を行った。反応効率は９１％であった。

（８）：（７）の固体のリンゴ酸に代えて固体の塩化コバルトを０．３ｇ格納した。反応効率は９２％であった。

（９）：（８）の固体の塩化コバルトに代えて貴金属としてパラジウムを０．３ｇ格納した。反応効率は８９％であった。

（７）〜（９）では、触媒量を少なく、反応率を高くできる。また内部圧力の変動速度を小さくでき(後述する図９参照)、高い安全性と制御性が得られる。

（１０）：（３）に加え、反応部１に固体促進剤として固体の塩化ニッケルを０．３ｇ格納した。反応効率は９７％であった。

（１０）では、反応器内に触媒を固定した分、触媒量が増加するが、反応率を高くすることができる。

従って、（１）〜（１０）の組み合わせを用いることにより、極めて高い反応効率を示し、高水素貯蔵密度が得られたことが判る。

尚、金属塩化物の塩としては、ナトリウム、カリウム、リチウムを使用することができ、金属としては、鉄を使用することができる。また、錯体水素化物としては、水素化アルミニウム塩を使用することができる。錯体水素化物として、酸化還元電位が水素より卑とされる金属が用いられた場合、促進剤水溶液の促進剤として酸が使用される。酸としては、塩酸、硫酸を使用することができる。また、錯体水素化物としては、両性金属を用いることができ、この場合、促進剤水溶液として塩基性水溶液が使用される。両性金属としては、アルミニウム、亜鉛、錫、鉛が使用され、塩基性水溶液として水酸化ナトリウムが使用される。

上述したように、促進剤水溶液の促進剤として、（２）（４）〜（６）では金属塩化物として塩化ニッケルの水溶液を適用している。ここで、塩化ニッケルは０．１重量％以上４０重量％以下、好ましくは、０．１重量％以上２５にされているが、図８を用いて反応率の塩化ニッケルの濃度の依存性を説明する。

図８には反応効率の塩化ニッケルの濃度依存性を表すグラフを示してある。反応効率、水素密度を評価するにあたり、塩化ニッケルの濃度の下限は、反応開始後５分経過後の反応初期の反応率を根拠とし、塩化ニッケルの濃度の上限は、反応終了時の反応効率の高さを根拠とした。図中の縦軸左端における反応効率及び水素密度の値は、塩化ニッケルが全く含まれない場合の値ではなく、塩化ニッケルが加わった重量％であり、例えば、０．１重量％以下の値である。

図８に示すように、反応開始から５分経過後に０．１重量％以上の濃度領域で１０％以上の反応効率となり、高い反応率で反応が進行していることが判る。２０重量％までの濃度範囲で高い反応効率及び高い水素密度となり、２５重量％までの濃度範囲で高い状態が維持される。そして、４０重量％を超えると、反応効率及び水素密度は略変化しない状態に維持される。このため、塩化ニッケルの濃度、即ち、金属塩化物の濃度として、０．１重量％以上４０重量％以下、更に、０．１重量％以上２５重量％以下を最適な値となる条件として選択した。更に好ましくは、図８に示すように、１．０重量％から１５重量％の間で反応効率及び水素密度のピークが生じることが判るため、金属塩化物の濃度として、１．０重量％以上１５重量％以下を選択することが好ましい。

図９、図１０に基づいて、反応器に固定触媒（貴金属もしくは水素吸蔵合金）を格納した場合の反応状況を説明する。図９には固定触媒を格納していない場合の水素発生圧力（水素発生速度）の経時変化、図１０には固定触媒を格納した場合の水素発生圧力（水素発生速度）の経時変化を示してある。具体的な条件としては、図９の場合、図７に示した（１）で、発電電流を６Ａとした。また、図１０の場合、図７に示した（７）で、発電電流を６Ａとした。

図９、図１０は、燃料電池システムにて水素化ホウ素ナトリウムに触媒水溶液を滴下した時の反応速度の違いである。ここで、グラフの傾きは、水素発生速度と発電電流と関連している。図９、図１０とも発電電流が同じため、プロファイルの違いは水素発生速度の違いに起因している。水素発生速度は、触媒量、供給する水の量と関連しており、供給量が多いほど速くなる。従って、促進剤水溶液量が供給されるとグラフが立ち上がることとなる。プロファイルの一周期は、供給された水の量、水素発生速度の変化、電流と関連している。供給水量が多いほど一周期が長くなる。また、促進剤水溶液を供給した後、水素発生速度が変化し電流発生による水素消費速度より水素発生速度が小さくなるまでの時間が短いほど、一周期が短くなる。

以下に両図を比較する。番号(a)〜(c)はそれぞれ対応している内容となっている。

図９
(a)水素化ホウ素ナトリウムと水溶液が出会うことにより反応が進行するため、反応速度の変化がスムーズである。従って、グラフのラインに細かい凹凸が少ない。
(b)立ち上がり、立下りが急峻である。これは水素発生速度の変化速度が大きいことを示している。
(c)一周期が短い。供給水量が少ない。

図１０
(a)水素化ホウ素ナトリウムと水溶液が出会うことに加えて、反応中の物質と反応器に固定した促進剤が接触して反応が進行する。反応中の物質は泡状になっており、泡表面に水素化ホウ素ナトリウムと水とを含んでいる。反応中の物質が泡形状のため、反応器に固定した促進剤と反応中の物質とが接触するタイミングはまちまちである。従ってグラフのラインに細かい凹凸が多くなっている。
(b)立ち上がり、立下りが緩やかである。これは水素発生速度の変化速度が小さいことを示している。従って高い安全性と制御性が得られる。図９より立ち上がり速度が遅くなった理由は、(i)促進剤が反応器内にあるため、促進剤水溶液が水素化ホウ素ナトリウムに供給された時点での水と水素化ホウ素ナトリウムの接触量が少なくなったこと、(ii)促進剤水溶液の濃度が低いことが挙げられる。
(c)一周期が長いが、圧力変化量が図９と同等である。供給水量が多い。立ち上がり速度が遅いためである。

図９、図１０では圧力が異なるが、これは弁の閉弁圧が異なるためである。圧力の絶対値は、水素発生速度や発電電流には拘わらない。

つまり、促進剤水溶液と水素化ホウ素ナトリウムとが混合されても即座に全ての反応物が反応する訳ではないため、まず反応物と既に生成した生成物とが混合された混合水溶液が形成されることになる。この水溶液は水素化ホウ素ナトリウムを含むため、水素発生反応を起こす。反応速度は、促進剤水溶液の供給直後と比べて遅くなっているため、固体で保持された固体促進剤と接触させることにより、反応速度を増加させることができるようになる。

従って、固体促進剤を格納した場合、内部圧力の変動速度を小さくでき、高い安全性と制御性が得られる。また、供給水量を多くしても圧力変化量が同等であるので、固体促進剤を格納しない場合でも、供給水量を少なくすると圧力変化量が小さくなると考えられる。このため、高い安全性と制御性が得られる。

図１１〜図２２に基づいて本発明の水素発生方法を実施する水素発生装置及び燃料電池設備の具体的な構成を説明する。図中の説明で、ワークが錯体水素化物であり、一例として水素化ホウ素ナトリウムとしてある。また、反応溶液が促進剤水溶液であり、一例としてリンゴ酸水溶液としてある。尚、ワークとしては水素化ホウ素ナトリウム以外の錯体水素化物を適用することが可能であり、反応溶液としては図７に例示した促進剤水溶液等を適用することが可能である。

図１１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１２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、図１３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。

図１１に基づいて第１実施形態例に係る水素発生装置を説明する。

水素発生装置１１は、水素供給器としての反応チャンバー１２（図１中の反応部１に相当）を備え、反応チャンバー１２内には水素発生反応物としてのワーク１３（例えば、水素化ホウ素ナトリウム）が貯蔵されている。反応チャンバー１２には供給管としての送液管１４を介して水溶液貯留部としての溶液タンク１５が接続され、送液管１４は溶液タンク１５の流体室である液室１６に接続されている。液室１６には促進剤水溶液である反応溶液１７（例えば、リンゴ酸水溶液）が貯蔵され、液室１６は可動壁１８により仕切られている。

可動壁１８は圧縮ばね１９により液室１６側に付勢され、液室１６は可動壁１８に押圧されて加圧されている。つまり、可動壁１８は圧縮ばね１９により常時押圧されているため、送液管１４を反応溶液１７が流れる条件になると、反応溶液１７を押し出すことができる。反応溶液１７が送液管１４から反応チャンバー１２に送られると、反応溶液１７とワーク１３が接触して水素生成反応が生じる。尚、図中の符号で２０は、可動壁１８の動きを妨げないための空気取入口である。

反応チャンバー１２には排出手段としての水素導管２１が接続され、水素導管２１にはレギュレータ２２が設けられている。レギュレータ２２により、反応チャンバー１２からの水素排出量が調整される。尚、レギュレータ２２により水素排出量をコントロールできるようにしたが、定圧弁を用いて一定の水素圧で水素を排出することも可能である。

一方、送液管１４には圧力調整用の圧力調整弁２３が設置され、圧力調整弁２３は反応溶液１７が流通許容状態になる時の圧力を調整する弁である。反応溶液１７が流通許容状態になる時の出力圧が圧力調整弁２３の開弁時の圧力（開弁圧）となっている。反応チャンバー１２内の圧力が開弁圧を上回った時に圧力調整弁２３が閉鎖し、反応チャンバー１２内の圧力が開弁圧を下回った時（所定値以下）に圧力調整弁２３が開弁する。

つまり、液室１６の内圧は加圧されて圧力調整弁２３が開く圧力よりも高く（圧力調整弁２３が開くための、反応チャンバー１２の所定圧力値を超える圧力）維持され、圧力調整弁２３は、反応チャンバー１２の内圧が所定値以下となった定圧時に液室１６側から反応チャンバー１２側への反応溶液１７の流通を許容する状態に弁体が開く構成とされている。

圧力調整弁２３は、例えば、定圧バルブであり、溶液タンク１５の液室１６側の流路である一次流路と、反応チャンバー１２側の流路である二次流路と、一次流路と二次流路の間に備えられた弁体と、外部の圧力を弁に伝える外圧伝達路と、反応チャンバー１２の内圧を弁体に伝える内圧伝達路から構成される。

尚、溶液タンク１５の液室１６と反応チャンバー１２を壁部材で仕切ることで溶液タンク１５と反応チャンバー１２を一つの容器部材で構成し、液室１６と反応チャンバー１２を仕切る壁部材に連通孔を形成し、連通孔に圧力調整弁２３を設ける構成とすることも可能である。これにより、送液管１４が不要となり、部品点数を削減することができる。

上述した水素発生装置１１の作用を説明する。

溶液タンク１５の液室１６から送液管１４を通して反応チャンバー１２に反応溶液１７が送液される。液室１６が加圧されていることと相俟って、水素が生成されていない状態での反応チャンバー１２の内圧は、圧力調整弁２３を開く状態の低い圧力とされ、送液管１４を通して反応溶液１７が送液される。

反応チャンバー１２に反応溶液１７が送られると、反応溶液１７とワーク１３とが接触して反応し、水素が生成される。水素が生成されると、反応チャンバー１２の内圧が上昇し、圧力調整弁２３の開弁圧を上回る（圧力調整弁２３が閉じる状態になる）。反応チャンバー１２の内圧が上昇することにより圧力調整弁２３が閉弁状態となり、送液管１４からの反応溶液１７の供給が停止される。

反応溶液１７が供給されなくなると、反応チャンバー１２での水素発生反応の反応速度が低下し、発生した水素が反応チャンバー１２の水素導管２１から排出される。反応チャンバー１２の内圧が低下することにより、圧力調整弁２３を開く状態の低い圧力となる。再び、溶液タンク１５の液室１６から反応チャンバー１２に反応溶液１７が送液され、反応溶液１７とワーク１３とが接触して水素が生成される。

ここで、溶液タンク１５の液室１６から反応溶液１７を送液するために、加圧手段が用いられている。即ち、圧縮ばね１９により可動壁１８が液室１６側に付勢され、液室１６が可動壁１８に押圧される加圧力により反応溶液１７が送液される。反応溶液１７には、圧縮ばね１９による可動壁１８を介しての加圧により、溶液タンク１５から排出される力が常に加わっている。但し、圧縮ばね１９の変位量により圧力は変化する。

反応溶液１７の排出速度の変化に対しては、反応溶液１７の内圧低下により開弁し、開弁圧が一定の圧力調整弁２３を備えたことにより、溶液タンク１５の液室１６の圧力によらず反応溶液１７の排出速度は一定となる。また、圧力調整弁２３は反応チャンバー１２の内圧と外圧との関係により弁の開閉が行われるため、外圧（具体的には大気圧）が一定のため、反応チャンバー１２の内圧は略一定に保たれる。

このため、動力を用いずに圧力状態により反応溶液１７を安定して反応チャンバー１２に供給し、水素を生成することができる。また、可動壁１８により液室１６の容積を変更することで液室１６を加圧して圧力調整弁２３が開く圧力状態を保持することができる。また、可動壁１８を圧縮ばね１９の付勢力により押圧するようにしたので、極めて簡単な構成で可動壁１８を押圧することができる。

図１２に基づいて第２実施形態例に係る水素発生装置を説明する。尚、図１１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。

第２実施形態例に係る水素発生装置２４は、図１１に示した水素発生装置１１の圧縮ばね１９に代えて、一対の磁石２５を備えた構成となっている。即ち、磁石２５の反発力により可動壁１８が液室１６側に付勢され、液室１６が可動壁１８に押圧されて加圧されている。可動壁１８は磁石２５の反発力により常時押圧されているため、送液管１４を反応溶液１７が流れる条件になると、反応溶液１７を押し出すことができる。

従って、水素発生装置２４では、磁石２５の磁力により極めて簡単な構成で可動壁１８を押圧することができる。

図３に基づいて第３実施形態例に係る水素発生装置を説明する。尚、図１、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。

水素発生装置２８は、反応チャンバー１２を備え、反応チャンバー１２内にはワーク１３が貯蔵されている。反応チャンバー１２には送液管１４を介して溶液タンク１５が接続され、送液管１４は溶液タンク１５の液室１６に接続されている。液室１６には反応溶液１７が貯蔵されている。反応チャンバー１２には水素導管２１が接続され、水素導管２１にはレギュレータ２２が設けられている。レギュレータ２２により、反応チャンバー１２からの水素排出量が調整される。

一方、送液管１４には圧力調整用の圧力調整弁２３が設置され、圧力調整弁２３は反応溶液１７が流通許容状態になる時の圧力を調整する弁である。反応溶液１７が流通許容状態になる時の出力圧が圧力調整弁２３の開弁時の圧力（開弁圧）となっている。反応チャンバー１２内の圧力が開弁圧を上回った時に圧力調整弁２３が閉鎖し、反応チャンバー１２内の圧力が開弁圧を下回った時（所定値以下）に圧力調整弁２３が開弁する。

そして、送液管１４とは別に、圧力伝達管２６により反応チャンバー１２と溶液タンク１５の液室１６が連結され、反応チャンバー１２で発生した水素は圧力伝達管２６を通して溶液タンク１５の液室１６に送られる。圧力伝達管２６には逆止弁２７が設けられ、逆止弁２７により反応チャンバー１２から液室１６へのみの水素の流通が許容されている。即ち、水素は液室１６から反応チャンバー１２には流れないようになっている。

反応溶液１７を反応チャンバー１２に供給する原理は、溶液タンク１５の内圧上昇と反応チャンバー１２での減圧により発生した両者の圧力差によるものである。反応チャンバー１２で水素が発生して圧力が上昇することにより、反応チャンバー１２から溶液タンク１５に水素が流入して溶液タンク１５の内圧が上昇する。一方、反応チャンバー１２では水素がレギュレータ２２を介して水素導管２１から外部に排出されるため、反応チャンバー１２の圧力が減少する。従って、溶液タンク１５と反応チャンバー１２に圧力差が生じ、反応溶液１７が反応チャンバー１２側に移動する。

上述した水素発生装置２８の作用を説明する。

溶液タンク１５の液室１６から送液管１４を通して反応チャンバー１２に反応溶液１７が送液される。液室１６が加圧されていることと相俟って、水素が生成されていない状態での反応チャンバー１２の内圧は、圧力調整弁２３を開く状態の低い圧力とされ、送液管１４を通して反応溶液１７が送液される。

反応チャンバー１２に反応溶液１７が送られると、反応溶液１７とワーク１３とが接触して反応し、水素が生成される。水素が生成されると、反応チャンバー１２の内圧が上昇し、圧力調整弁２３の開弁圧を上回る（圧力調整弁２３が閉じる状態になる）。反応チャンバー１２の内圧が上昇することにより圧力調整弁２３が閉弁状態となり、送液管１４からの反応溶液１７の供給が停止される。

反応溶液１７が供給されなくなると、反応チャンバー１２での水素発生反応の反応速度が低下し、発生した水素が反応チャンバー１２の水素導管２１から排出される。反応チャンバー１２の内圧が低下することにより、圧力調整弁２３を開く状態の低い圧力となる。再び、溶液タンク１５の液室１６から反応チャンバー１２に反応溶液１７が送液され、反応溶液１７とワーク１３とが接触して水素が生成される。

ここで、溶液タンク１５の液室１６から反応溶液１７を送液するために、加圧手段が用いられている。即ち、反応チャンバー１２内で水素が発生して圧力が上昇すると、圧力伝達管２６から溶液タンク１５に水素が送られ、反応チャンバー１２から溶液タンク１５に圧力が伝えられる。同時に、水素導管２１から反応チャンバー１２の水素が排出されると、反応チャンバー１２の内圧が低下し、逆止弁２７により溶液タンク１５の内圧が反応チャンバー１２の内圧より高い状態が維持される、溶液タンク１５が加圧状態とされて反応溶液１７が送液される。

このため、動力を用いずに圧力状態により反応溶液１７を安定して反応チャンバー１２に供給し、水素を生成することができる。また、圧力伝達管２６の逆止弁２７を介して流入する水素により溶液タンク１５を加圧して圧力調整弁２３が開く圧力状態を保持することができる。

図１４、図１５に基づいて燃料電池設備を説明する。

図１４には本発明の第１実施形態例に係る燃料電池設備の概略構成、図１５には本発明の第２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１４に示した燃料電池システム３１は、図１１に示した水素発生装置１１を燃料電池３２に接続したシステムである。即ち、燃料電池３２には負極室としてのアノードチャンバー３３が備えられ、アノードチャンバー３３は燃料電池セル３４のアノード室に接する空間を構成している。アノード室は、アノードで消費する水素を一時的に保持する空間である。アノードチャンバー３３と反応チャンバー１２は水素導管２１により接続され、反応チャンバー１２で発生した水素がアノードチャンバー３３のアノード室に供給される。アノード室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３２の出力電流に応じて決定される。

尚、図１１で示した水素導管２１に備えられたレギュレータ２２は設置する必要がないため取り付けられていない。

上述した燃料電池システム３１は、複雑な機構や動力を用いることなく反応溶液１７を安定して供給して水素を生成することができる水素発生装置１１を備えた燃料電池システム３１とすることができる。

図１５に示した燃料電池設備３５は、図１３に示した水素発生装置２８を燃料電池３２に接続したシステムである。即ち、燃料電池３２にはアノードチャンバー３３が備えられ、アノードチャンバー３３は燃料電池セル３４のアノード室に接する空間を構成している。アノード室は、アノードで消費する水素を一時的に保持する空間である。アノードチャンバー３３と反応チャンバー１２は水素導管２１により接続され、反応チャンバー１２で発生した水素がアノードチャンバー３３のアノード室に供給される。アノード室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３２の出力電流に応じて決定される。

尚、図１３で示した水素導管２１に備えられたレギュレータ２２は設置する必要がないため取り付けられていない。

上述した燃料電池設備３５は、複雑な機構や動力を用いることなく反応溶液１７を安定して供給して水素を生成することができる水素発生装置２４を備えた燃料電池設備３５とすることができる。

図１６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、図１７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、図１８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。

図１６に基づいて第４実施形態例に係る水素発生装置を説明する。

水素発生装置４１は、反応チャンバー４２を備え、反応チャンバー４２内にはワーク４３が貯蔵されている。また、反応チャンバー４２の内部には溶液容器４４が備えられ、溶液容器４４には反応流体である反応溶液５１が貯蔵されている。反応チャンバー４２と溶液容器４４は流体供給路としての送液管４５により接続され、送液管４５は反応チャンバー４２の外部を経由して反応チャンバー４２と溶液容器４４を接続している。

溶液容器４４は、例えば、ポリプロピレン製（可撓性材料：樹脂やゴムのフィルム、シート状材料）の袋部材からなり、底部には板材としての加重板４６が設けられている。加重板４６と反応チャンバー４２の底壁との間には圧縮ばね４７が設けられ、圧縮ばね４７により加重板４６が付勢されている。尚、溶液容器４４としては、ポリプロピレンの他に、ＰＥＴ、シリコーン、シリコーンゴム、ブチルゴム、イソプレンゴム等の可撓性材料を適用することができる。

溶液容器４４は圧縮ばね４７及び加重板４６を介して常時押圧されているため、送液管４５を反応溶液５１が流れる条件になると、反応溶液５１を溶液容器４４から押し出すことができる。反応溶液５１が押し出されると、加重板４６を介して溶液容器４４が押圧されているため、袋部材が変形して溶液容器４４の体積が減少し、反応チャンバー４２の容積がその分増加する。反応溶液５１が送液管４５から反応チャンバー４２に送られると、反応溶液５１とワーク４３が接触して容積が増加した反応チャンバー４２で水素生成反応が生じる。

反応チャンバー４２には水素導管５０が接続され、水素導管５０にはレギュレータ５２が設けられている。レギュレータ５２により、反応チャンバー４２からの水素排出量が調整される。尚、レギュレータ５２により水素排出量をコントロールできるようにしたが、定圧弁を用いて一定の水素圧で水素を排出することも可能である。

一方、反応チャンバー４２の外部部位の送液管４５には圧力調整用の圧力調整弁５３が設置され、圧力調整弁５３は反応溶液５１が流通許容状態になる時の圧力を調整する弁である。反応溶液５１が流通許容状態になる時の出力圧が圧力調整弁５３の開弁時の圧力（開弁圧）となっている。反応チャンバー４２内の圧力が開弁圧を上回った時に圧力調整弁５３が閉鎖し、反応チャンバー４２内の圧力が開弁圧を下回った時（所定値以下）に圧力調整弁１３が開弁する。

つまり、溶液容器４４の内圧は加圧されて圧力調整弁５３が開く圧力よりも高く（圧力調整弁５３が開くための反応チャンバー４２の所定圧力値を超える圧力）維持され、圧力調整弁５３は、反応チャンバー４２の内圧が所定値以下となった定圧時に溶液容器４４側から反応チャンバー４２側への反応溶液５１の流通を許容する状態に弁体が開く構成とされている。

圧力調整弁５３は、例えば、定圧バルブであり、溶液容器４４側の流路である一次流路と、反応チャンバー４２側の流路である二次流路と、一次流路と二次流路の間に備えられた弁体と、外部の圧力を弁に伝える外圧伝達路と、反応チャンバー４２の内圧を弁体に伝える内圧伝達路から構成される。

尚、反応チャンバー４２の外部を経由して送液管４５により反応チャンバー４２と溶液容器４４を接続したが、送液管４５を反応チャンバー４２の内部に配置することも可能である。また、反応チャンバー４２の内部に開口する送液管４５のノズル部に逆止弁を設けることも可能である。逆止弁を設けることにより、反応チャンバー４２で発生した水素や水素を巻き込んだ泡の逆流を防止することができ、水素発生装置４１を使用する姿勢の制約が減少する。

上述した水素発生装置４１の作用を説明する。

溶液容器４４から送液管４５を通して反応チャンバー４２に反応溶液５１が送液される。溶液容器４４が加圧されていることと相俟って、水素が生成されていない状態での反応チャンバー４２の内圧は、圧力調整弁５３を開く状態の低い圧力とされ、送液管４５を通して反応溶液５１が送液される。

反応チャンバー４２に反応溶液５１が送られると、反応溶液５１とワーク４３とが接触して反応し、水素が生成される。水素が生成されると、反応チャンバー４２の内圧が上昇し、圧力調整弁５３の開弁圧を上回る（圧力調整弁５３が閉じる状態になる）。反応チャンバー４２の内圧が上昇することにより圧力調整弁５３が閉弁状態となり、送液管４５からの反応溶液５１の供給が停止される。

反応溶液５１が供給されなくなると、反応チャンバー４２での水素発生反応の反応速度が低下し、発生した水素が反応チャンバー４２の水素導管５０から排出される。反応チャンバー４２の内圧が低下することにより、圧力調整弁５３を開く状態の低い圧力となる。再び、溶液容器４４から反応チャンバー４２に反応溶液５１が送液され、反応溶液５１とワーク４３とが接触して水素が生成される。

ここで、溶液容器４４から反応溶液５１を送液するために、加圧手段が用いられている。即ち、圧縮ばね４７により加重板４６が付勢され、溶液容器４４の体積が減少する状態に袋部材が変形して反応溶液５１が加圧され、加圧力により反応溶液５１が送液される。反応溶液５１には、圧縮ばね４７による加重板４６介しての溶液容器４４の変形（体積減少）により、加圧されて溶液容器４４から排出される力が常に加わっている。但し、圧縮ばね４７の変位量により圧力は変化する。

反応溶液５１の排出速度の変化に対しては、反応溶液５１の内圧低下により開弁し、開弁圧が一定の圧力調整弁５３を備えたことにより、溶液容器４４の圧力によらず反応溶液５１の排出速度は一定となる。また、圧力調整弁５３は反応チャンバー４２の内圧と外圧との関係により弁の開閉が行われるため、外圧（具体的には大気圧）が一定のため、反応チャンバー４２の内圧は略一定に保たれる。

このため、動力を用いずに圧力状態により反応溶液５１を安定して反応チャンバー４２に供給し、水素を生成することができる。また、加重板４６を付勢して溶液容器４４の体積を変更することで溶液容器４４を加圧して圧力調整弁５３が開く圧力状態を保持することができる。また、加重板４６を圧縮ばね４７の付勢力により押圧するようにしたので、極めて簡単な構成で加重板４６を押圧することができる。

そして、溶液容器４４の反応溶液５１が反応チャンバー４２のワーク４３に供給されるにしたがって加重板４６が圧縮ばね４７の付勢力により押圧され、溶液容器４４の体積が減少するため、体積が減少した分反応チャンバー４２の容積を増加させることができる。このため、デッドスペースがなくなり、少ないスペースで水素の発生を行う領域を増加させることができ、水素発生量を減らすことなく省スペース化が可能になる。また、スペースを増加させることなく水素発生量を増加させることが可能になる。

従って、上述した水素発生装置４１では、少ない体積で十分な量の水素を発生させることができる。

図１７に基づいて第５実施形態例に係る水素発生装置を説明する。尚、図１６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。

第５実施形態例に係る水素発生装置５５は、図１６に示した溶液容器４４に代えて反応チャンバー４２の内部に流体室としての溶液容器５６を備えたものである。溶液容器５６には反応溶液５１（例えば、リンゴ酸水溶液）が貯蔵されている。反応チャンバー４２と溶液容器５６は流体供給路としての送液管４５により接続され、送液管４５は反応チャンバー４２の外部を経由して反応チャンバー４２と溶液容器５６を接続している。

溶液容器５６は、変形許容部材としてベローズ部材からなるベローズで構成され、例えば、ＳＵＳ、リン青銅、ベリリウムからなっている。溶液容器５６の底部（ベローズ部材の端部）には板材としての加重板５７が設けられ、加重板５７と反応チャンバー４２の底壁との間には圧縮ばね４７が設けられ、圧縮ばね４７により加重板５７が付勢されている。加重板５７を介して溶液容器５６を押圧することで、ベローズが縮んで溶液容器５６の体積が減少する。

溶液容器５６は圧縮ばね４７及び加重板５７を介して常時押圧されているため、送液管４５を反応溶液５１が流れる条件になると、反応溶液５１を溶液容器５６から押し出すことができる。反応溶液５１が押し出されると、加重板５７を介して溶液容器５６が押圧されているため、ベローズが縮んで溶液容器５６の体積が減少し、反応チャンバー４２の容積がその分増加する。反応溶液５１が送液管４５から反応チャンバー４２に送られると、反応溶液５１とワーク４３が接触し、容積が増加した反応チャンバー４２で水素生成反応が生じる。

このため、動力を用いずに圧力状態により反応溶液５１を安定して反応チャンバー４２に供給し、水素を生成することができる。また、加重板５７を付勢してベローズを縮めることで溶液容器５６の体積を変更し、溶液容器５６を加圧して圧力調整弁５３が開く圧力状態を保持することができる。そして、溶液容器５６の反応溶液５１が反応チャンバー４２のワーク４３に供給されるにしたがって加重板５７が圧縮ばね４７の付勢力により押圧され、ベローズが縮むことで溶液容器５６の体積が減少するため、体積が減少した分反応チャンバー４２の容積を増加させることができる。このため、デッドスペースがなくなり、少ないスペースで水素の発生を行う領域を増加させることができ、水素発生量を減らすことなく省スペース化が可能になる。また、スペースを増加させることなく水素発生量を増加させることが可能になる。

従って、上述した水素発生装置５５では、少ない体積で十分な量の水素を発生させることができる。

図１８に基づいて本発明の第６実施形態例に係る水素発生装置を説明する。尚、図１６、図１７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。

第６実施形態例に係る水素発生装置６１は、図１６に示した溶液容器４４に代えて反応チャンバー４２の内部に流体室としての溶液容器６２を備えたものである。溶液容器６２には反応溶液５１（例えば、リンゴ酸水溶液）が貯蔵されている。反応チャンバー４２と溶液容器６２は流体供給路としての送液管４５により接続され、送液管４５は反応チャンバー４２の外部を経由して反応チャンバー４２と溶液容器６２を接続している。

溶液容器６２は、端部（下端部）が開放されたシリンダ６３と、シリンダ６３の開放端側に移動自在に備えられたピストン板６４とで構成されている（所謂、シリンジ構造）。ピストン板６４の移動によりシリンダ室６５の容量が可変とされ、シリンダ室６５に反応溶液５１が貯蔵されている。ピストン板６４と反応チャンバー４２の底壁との間には圧縮ばね４７が設けられ、圧縮ばね４７によりピストン板６４が付勢されている。ピストン板６４を押圧することでシリンダ６３のシリンダ室６５の容積が減少して溶液容器６２の開放体積が増加し、溶液容器６２の体積が減少した状態になる。

溶液容器６２のピストン板６４は圧縮ばね４７を介して常時押圧されているため、送液管４５を反応溶液５１が流れる条件になると、反応溶液５１を溶液容器６２のシリンダ室６５から押し出すことができる。反応溶液５１が押し出されると、ピストン板６４によりシリンダ室６５が押圧されているため、シリンダ室６５の容積が減少して溶液容器６２の体積が減少し、反応チャンバー４２の容積がその分増加する。反応溶液５１が送液管４５から反応チャンバー４２に送られると、反応溶液５１とワーク４３が接触し、容積が増加した反応チャンバー４２で水素生成反応が生じる。

このため、動力を用いずに圧力状態により反応溶液５１を安定して反応チャンバー４２に供給し、水素を生成することができる。また、ピストン板６４を付勢してシリンダ室６５の容積を減少させて溶液容器６２の体積を変更し、溶液容器６２を加圧して圧力調整弁５３が開く圧力状態を保持することができる。

そして、溶液容器６２の反応溶液５１が反応チャンバー４２のワーク４３に供給されるにしたがってピストン板６４が圧縮ばね４７の付勢力により押圧され、シリンダ室６５の容積が減少することで溶液容器６２の体積が減少するため、体積が減少した分反応チャンバー４２の容積を増加させることができる。このため、デッドスペースがなくなり、少ないスペースで水素の発生を行う領域を増加させることができ、水素発生量を減らすことなく省スペース化が可能になる。また、スペースを増加させることなく水素発生量を増加させることが可能になる。

従って、上述した水素発生装置６１では、少ない体積で十分な量の水素を発生させることができる。

図１９〜図２１に基づいて燃料電池設備を説明する。

図１９には本発明の第３実施形態例に係る燃料電池設備の概略構成、図２０には本発明の第４実施形態例に係る燃料電池設備の概略構成、図２１には本発明の第５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。尚、図１９〜図２０で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３実施形態例に係る燃料電池設備７０を説明する。

図１９に示した燃料電池設備７０は、図１６に示した水素発生装置４１を燃料電池７１に接続したシステムである。即ち、燃料電池７１にはアノードチャンバー７２が備えられ、アノードチャンバー７２は燃料電池セル７３のアノード室に接する空間を構成している。アノード室は、アノードで消費する水素を一時的に保持する空間である。

アノードチャンバー７２と反応チャンバー４２は水素導管５０により接続され、反応チャンバー４２で発生した水素がアノードチャンバー７２のアノード室に供給される。アノード室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７１の出力電流に応じて決定される。

尚、図１６で示した水素導管５０に備えられたレギュレータ５２は設置する必要がないため取り付けられていない。また、水素発生装置４１に代えて、図１７に示した水素発生装置５５や図１８に示した水素発生装置６１を適用することも可能である。

上述した燃料電池設備７０は、少ない体積で十分な量の水素を発生させることができる水素発生装置４１を備えた燃料電池設備７０とすることができる。

第４実施形態例に係る燃料電池設備８１を説明する。

図２０に示した燃料電池設備８１は、水素発生装置８２と燃料電池８３とで構成され、水素発生装置８２と燃料電池８３は水素導管８４により接続されている。

水素発生装置８２を説明する。

水素発生装置８２は、反応物容器としての反応チャンバー８５を備え、反応チャンバー８５内には水素発生反応物としてのワーク８６（例えば、水素化ホウ素ナトリウム）が貯蔵されている。また、反応チャンバー８５の内部には流体室としての溶液容器８７が備えられ、溶液容器８７には反応流体である反応溶液８８（例えば、リンゴ酸水溶液）が貯蔵されている。

反応チャンバー８５の外部には一時貯留部８９が設けられ、溶液容器８７と一時貯留部８９は供給管９０を介して接続されている。供給管９０には圧力調整弁９５が設けられ、供給管９０側からの圧力が所定圧力以上になった時に圧力調整弁９５が開弁して反応溶液８８が一時貯留部８９に送られる。尚、図中の符号で８６は、圧力調整弁９５の開閉動作のための大気を取り込む大気取込み口である。

また、一時貯留部８９には反応チャンバー８５内に開口する排出管９１が接続され、排出管９１には逆止弁９２が設けられている。逆止弁９２により一時貯留部８９側からの反応溶液８８が排出管９１を流通可能とされ、反応チャンバー８５側からの反応溶液８８の逆流が防止されている。反応溶液８８が排出管９１から反応チャンバー８５に送られると、反応溶液８８とワーク８６が接触して反応チャンバー８５で水素生成反応が生じる。

溶液容器８７は可撓性フィルム（例えば、ポリプロピレン）の袋状部材の容器とされ、反応溶液８８が一時貯留部８９に送られると共に、反応チャンバー８５で発生した水素により加圧されることにより、溶液容器８７の体積が減少するようにされている。即ち、溶液容器８７から反応チャンバー８５に反応溶液８８が供給されるにしたがって溶液容器８７の体積が減少し、その分反応チャンバー８５の容積が増加する。

燃料電池８３を説明する。

燃料電池８３にはアノードチャンバー９８が備えられ、アノードチャンバー９８は燃料電池セル９９のアノード室に接する空間を構成している。アノード室は、アノードで消費する水素を一時的に保持する空間である。アノードチャンバー９８と反応チャンバー８５は水素導管８４により接続され、反応チャンバー８５で発生した水素がアノードチャンバー９８のアノード室に供給される。アノード室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８３の出力電流に応じて決定される。

上述した燃料電池設備８１の作用を説明する。

燃料電池セル９９が負荷に接続されると、燃料電池設備８１の内部の水素と空気中の酸素が燃料電池反応を起こして電力を発生する。発電は水素を消費しながら進行するため、アノードチャンバー９８、水素導管８４、反応チャンバー８５の内圧が低下する。ここで、一時貯留部８９は大気圧を受けているため、内圧が大気圧より低下すると一時貯留部８９と反応チャンバー８５とに差圧が生じ、一時貯留部８９に貯留されている反応溶液８８（リンゴ酸水溶液）が排出管９１を通って反応チャンバー８５に移動する。

反応溶液８８が反応チャンバー８５に移動すると、ワーク８６（水素化ホウ素ナトリウム）と接触して水素発生反応を生じる。発生した水素は、水素導管８４を通り、アノードチャンバー９８に供給される。水素の発生により反応チャンバー８５、水素導管８４、アノードチャンバー９８の内圧が大気圧より上昇し、反応チャンバー８５の内圧が一時貯留部８９より高くなる。このため、水素が排出管９１を逆流しようとするが、逆止弁９２により逆流が防止される。

一方、溶液容器８７が反応チャンバー８５の内圧を受けて圧縮され、溶液容器８７の内部に貯蔵されている反応溶液８８が供給管９０から圧力調整弁９５まで移動する。圧力調整弁９５は閉弁方向に、例えば、１０ｋＰａ（ゲージ圧）の反応溶液８８の圧力を受けており、反応チャンバー８５の内圧が１０ｋＰａ（ゲージ圧）を超えると、反応溶液８８の圧力により開弁方向の力が上回り、圧力調整弁９５が開弁して、反応溶液８８が一時貯留部８９に供給される。

その後、水素発生速度が低下し燃料電池８３での水素消費速度が上回ると、アノードチャンバー９８、水素導管８４、反応チャンバー８５の内圧が低下し始める。内圧が１０ｋＰａ（ゲージ圧）より高い間は圧力調整弁９５が開弁しているため、一時貯留部８９から溶液容器８７に反応溶液８８が流入する。内圧が１０ｋＰａ（ゲージ圧）を下回ると圧力調整弁９５は閉弁し、この時の一時貯留部８９の内圧は１０ｋＰａ（ゲージ圧）とされる。更に、反応チャンバー８５の内圧が低下すると、一時貯留部８９と反応チャンバー８５とに圧力差が発生し、逆止弁９２が開弁して反応溶液８８が排出管９１を通って反応チャンバー８５に移動する。これにより、ワーク８６に反応溶液８８が接触して水素発生反応が生じ、反応チャンバー８５の内圧が再度上昇することとなる。

以上の繰り返しにより水素が生成され、燃料電池８３のアノードチャンバー９８に燃料である水素が供給される。

そして、溶液容器８７から反応チャンバー８５に反応溶液８８が供給されるにしたがって溶液容器８７の体積が減少し、その分反応チャンバー８５の容積が増加するので、デッドスペースがなくなり、少ないスペースで水素の発生を行う領域を増加させることができ、水素発生量を減らすことなく省スペース化が可能になる。また、スペースを増加させることなく水素発生量を増加させることが可能になる。

上述した燃料電池設備８１は、少ない体積で十分な量の水素を発生させることができる水素発生装置８２を備えた燃料電池設備８１とすることができる。

第５実施形態例に係る燃料電池設備１０１を説明する。

図２１に示した燃料電池設備１０１は、水素発生装置１０２と燃料電池８３とで構成され、水素発生装置１０２と燃料電池８３は水素導管８４により接続されている。

水素発生装置１０２を説明する。

水素発生装置１０２は、反応物容器としての反応チャンバー８５を備え、反応チャンバー８５内には水素発生反応物としてのワーク８６（例えば、水素化ホウ素ナトリウム）が貯蔵されている。また、反応チャンバー８５の内部には流体室としての溶液容器８７が備えられ、溶液容器８７には反応流体である反応溶液８８（例えば、リンゴ酸水溶液）が貯蔵されている。

反応チャンバー８５の外部には一時貯留部８９が設けられ、溶液容器８７と一時貯留部８９は供給管９０を介して接続されている。供給管９０には逆止弁１０３が設けられている。逆止弁１０３により溶液容器８７側からの反応溶液８８が供給管９０を流通可能とされ、一時貯留部８９側からの反応溶液８８の逆流が防止されている。反応チャンバー８５で発生した水素により溶液容器８７が加圧され、供給管９０側からの圧力が一時貯留部８９圧力以上になった時に反応溶液８８が一時貯留部８９に送られる。

また、一時貯留部８９には反応チャンバー８５内に開口する排出管９１が接続され、排出管９１には圧力調整弁１０４が設けられている。反応チャンバー８５内圧が所定圧力以下になった時、圧力調整弁１０４が開弁して一時貯留部８９側からの反応溶液８８が排出管９１を流通可能となる。一時貯留部８９の内圧は送られた反応溶液８８により加圧されて圧力調整弁が開く圧力よりも高い状態（圧力調整弁１０４が開くための反応チャンバー８５の所定圧力値を超える圧力）を生じており、一時貯留部８９と反応チャンバー８５の内圧差により反応溶液８８が排出管９１から反応チャンバー８５に送られる。その結果、反応溶液８８とワーク８６が接触して反応チャンバー８５で水素生成反応が生じる。

溶液容器８７は可撓性フィルム（例えば、ポリプロピレン）の袋状部材の容器とされ、反応溶液８８が一時貯留部８９に送られると共に、反応チャンバー８５で発生した水素により加圧されることにより、溶液容器８７の体積が減少するようにされている。即ち、溶液容器８７から反応チャンバー８５に反応溶液８８が供給されるにしたがって溶液容器８７の体積が減少し、その分反応チャンバー８５の容積が増加する。

上述した燃料電池設備１０１の作用を説明する。

燃料電池セル９９が負荷に接続されると、燃料電池８３の内部の水素と空気中の酸素が燃料電池反応を起こして電力を発生する。発電は水素を消費しながら進行するため、アノードチャンバー９８、水素導管８４、反応チャンバー８５の内圧が低下する。ここで、一時貯留部８９は大気圧を受けているため、内圧が大気圧より低下すると一時貯留部８９と反応チャンバー８５とに差圧が生じ、一時貯留部８９に貯留されている反応溶液８８（リンゴ酸水溶液）が排出管９１を通って反応チャンバー８５に移動する。

反応溶液８８が反応チャンバー８５に移動すると、ワーク８６（水素化ホウ素ナトリウム）と接触して水素発生反応を生じる。発生した水素は、水素導管８４を通り、アノードチャンバー９８に供給される。水素の発生により反応チャンバー８５、水素導管８４、アノードチャンバー９８の内圧が大気圧より上昇し、反応チャンバー８５の内圧が一時貯留部８９より高くなる。このため、水素が排出管９１を逆流しようとするが、圧力調整弁１０４により逆流が防止される。

一方、溶液容器８７が反応チャンバー８５の内圧を受けて圧縮され、溶液容器８７の内部に貯蔵されている反応溶液８８が供給管９０から逆止弁１０３を通って一時貯留部８９に供給される。

その後、水素発生速度が低下し燃料電池８３での水素消費速度が上回ると、アノードチャンバー９８、水素導管８４、反応チャンバー８５の内圧が低下し始める。内圧が低下して一時貯留部８９と反応チャンバー８５とに圧力差が発生すると、圧力調整弁１０４が開弁して一時貯留部８９から溶液容器８７に反応溶液８８が流入する。これにより、ワーク８６に反応溶液８８が接触して水素発生反応が生じ、反応チャンバー８５の内圧が再度上昇することとなる。

以上の繰り返しにより水素が生成され、燃料電池８３のアノードチャンバー９８に燃料である水素が供給される。

そして、溶液容器８７から反応チャンバー８５に反応溶液８８が供給されるにしたがって溶液容器８７の体積が減少し、その分反応チャンバー８５の容積が増加するので、デッドスペースがなくなり、少ないスペースで水素の発生を行う領域を増加させることができ、水素発生量を減らすことなく省スペース化が可能になる。また、スペースを増加させることなく水素発生量を増加させることが可能になる。

上述した燃料電池設備１０１は、少ない体積で十分な量の水素を発生させることができる水素発生装置１０２を備えた燃料電池設備１０１とすることができる。

上述したように、本実施形態例によれば、錯体水素化物と触媒とを均一に効率よく接触させ、要求される速度で水素を発生させることが可能であり、且つ、高反応効率、及び、高水素貯蔵密度となる水素発生方法及び水素発生装置とすることができる。

また、本実施形態例によれば、錯体水素化物と触媒とを均一に効率よく接触させ、要求される速度で水素を発生させることが可能であり、且つ、高反応効率、及び、高水素貯蔵密度となる水素発生装置を備えた燃料電池設備となる。

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設備の産業分野で利用することができる。

Claims (27)

1. 水素発生反応の促進剤の水溶液である促進剤水溶液を錯体水素化物に供給して水素を発生させるに際し、前記錯体水素化物の重量に対して前記錯体水素化物に供給される前記促進剤水溶液に含まれる水の全重量を０.２倍以上３倍以下にしたことを特徴とする水素発生方法。
2. 請求の範囲１に記載の水素発生方法において、
   前記水の全重量を１.０倍以上３倍以下にしたことを特徴とする水素発生方法。
3. 水素発生反応の促進剤の水溶液である促進剤水溶液を錯体水素化物に供給して水素を発生させるに際し、前記促進剤として金属塩化物を適用し、前記金属塩化物の濃度を０.１重量％以上４０重量％以下にしたことを特徴とする水素発生方法。
4. 水素発生反応の促進剤の水溶液である促進剤水溶液を錯体水素化物に供給して水素を発生させるに際し、前記促進剤として金属塩化物を適用し、前記金属塩化物の濃度を０.１重量％以上２５重量％以下にしたことを特徴とする水素発生方法。
5. 水素発生反応の促進剤の水溶液である促進剤水溶液を錯体水素化物に供給して水素を発生させるに際し、前記促進剤として酸を適用し、前記促進剤水溶液のｐＨを１以上３以下にしたことを特徴とする水素発生方法。
6. 水素発生反応の促進剤の水溶液である促進剤水溶液を錯体水素化物に供給して水素を発生させるに際し、前記促進剤として金属塩化物及び酸を適用し、前記金属塩化物の濃度を０.１重量％以上２５重量％以下にすると共に、前記促進剤水溶液のｐＨを１以上３以下にしたことを特徴とする水素発生方法。
7. 水素発生反応の促進剤の水溶液である促進剤水溶液を錯体水素化物に供給して水素を発生させるに際し、前記錯体水素化物の重量に対して前記錯体水素化物に供給される前記促進剤水溶液に含まれる水の全重量を０.２倍以上３倍以下にし、前記促進剤として金属塩化物を適用し、前記金属塩化物の濃度を０.１重量％以上２５重量％以下にしたことを特徴とする水素発生方法。
8. 水素発生反応の促進剤の水溶液である促進剤水溶液を錯体水素化物に供給して水素を発生させるに際し、前記錯体水素化物の重量に対して前記錯体水素化物に供給される前記促進剤水溶液に含まれる水の全重量を０.２倍以上３倍以下にし、前記促進剤として酸を適用し、前記促進剤水溶液のｐＨを１以上３以下にしたことを特徴とする水素発生方法。
9. 水素発生反応の促進剤の水溶液である促進剤水溶液を錯体水素化物に供給して水素を発生させるに際し、前記錯体水素化物の重量に対して前記錯体水素化物に供給される前記促進剤水溶液に含まれる水の全重量を０.２倍以上３倍以下にし、前記促進剤として金属塩化物及び酸を適用し、前記金属塩化物の濃度を０.１重量％以上２５重量％以下にすると共に、前記促進剤水溶液のｐＨを１以上３以下にしたことを特徴とする水素発生方法。
10. 請求の範囲１〜請求の範囲９のいずれかに記載の水素発生方法において、
    前記錯体水素化物が水素化ホウ素塩であることを特徴とする水素発生方法。
11. 請求の範囲５、請求の範囲６、請求の範囲８及び請求の範囲９のいずれかに記載の水素発生方法において、
    前記酸が有機酸であることを特徴とする水素発生方法。
12. 請求の範囲１１に記載の水素発生方法において、
    前記有機酸がカルボン酸であることを特徴とする水素発生方法。
13. 請求の範囲１〜請求の範囲１２のいずれかに記載の水素発生方法において、
    水素発生反応の前記促進剤もしくは前記錯体水素化物の少なくとも一方に消泡剤が含有されていることを特徴とする水素発生方法。
14. 請求の範囲１〜請求の範囲１３のいずれかに記載の水素発生方法において、
    前記錯体水素化物に供給された前記促進剤水溶液を水素発生反応の固体促進剤に接触させることを特徴とする水素発生方法。
15. 請求の範囲１４に記載の水素発生方法において、
    前記固体促進剤は、前記促進剤水溶液の促進剤と同種の促進剤を含むことを特徴とする水素発生方法。
16. 請求の範囲１４に記載の水素発生方法において、
    前記固体促進剤は、貴金属もしくは水素吸蔵合金であることを特徴とする水素発生方法。
17. 請求の範囲１〜請求の範囲９のいずれかに記載の促進剤水溶液を水溶液貯蔵部に貯蔵し、請求の範囲１〜請求の範囲９のいずれかに記載の錯体水素化物を貯蔵すると共に水素反応を起こす反応部からなる水素供給器から水素を発生させ、供給管やバルブを通して外部装置に水素を供給する水素発生方法において、錯体水素化物に促進剤水溶液を供給して水素を発生させることを特徴とする水素発生方法。
18. 請求の範囲１７に記載の水素発生方法において、
    前記外部装置での設定水素圧に前記供給管や前記バルブで損失する圧力を加算した値を基準圧とし、前記外部装置の内圧が前記設定水素圧を下回り、前記基準圧を前記反応部内圧が下回った際に、前記促進剤水溶液を第二の水素発生材料に供給する第一の工程と、
    前記促進剤水溶液に前記第二の水素発生材料を溶解しつつ、水素を発生する第二の工程と、
    前記反応部から前記外部装置への水素供給圧が基準圧より高くなった際に、前記促進剤水溶液の供給を停止する第三の工程と
    を有し、
    前記第一の工程から前記第三の工程までが順に繰り返して行なわれる
    ことを特徴とする水素発生方法。
19. 請求の範囲１８に記載の水素発生方法において、
    前記促進剤水溶液が前記錯体水素化物に供給された後、少なくとも一回、水素発生速度が、前記外部装置での水素消費速度を上回ることを特徴とする水素発生方法。
20. 請求の範囲１９に記載の水素発生方法において、
    前記反応部の内圧が前記基準圧より、０．３ｋＰａ〜３００ｋＰａ高くなることを特徴とする水素発生方法。
21. 請求の範囲１８に記載の水素発生方法において、
    前記促進剤水溶液に含まれる水と前記錯体水素化物とが反応して生成する化学量論的水素生成量を、前記水素供給器の容積で除して理論的水素圧を算出した際に、前記理論的水素圧が５ｋＰａ〜３００ｋＰａとなるように前記第一の工程を１度行う場合に供給する前記促進剤水溶液の供給量が設定されていることを特徴とする水素発生方法。
22. 請求の範囲１７〜請求の範囲２１のいずれかに記載の水素発生方法において、
    前記水素供給器で発生した水素は燃料電池の負極室に供給される水素として用いられることを特徴とする水素発生方法。
23. 請求の範囲２２に記載の水素発生方法において、
    燃料電池の設定水素圧が、燃料電池の正極室の圧力以上で正極室の圧力より０．３ＭＰａ高い圧力以下であることを特徴とする水素発生方法。
24. 請求の範囲２３に記載の水素発生方法において、
    前記促進剤水溶液に前記基準圧がかかっており、
    前記水溶液貯蔵部と前記反応部とを連結する導管に逆止弁を有し、
    前記反応部内圧が前記基準圧を下回ると、差圧により前記逆止弁が開弁し、前記促進剤水溶液が、前記錯体水素化物に供給され、
    前記反応部内圧が前記基準圧を上回ると、差圧により前記逆止弁が閉弁し、前記促進剤水溶液が停止する
    ことを特徴とする水素発生方法。
25. 請求の範囲２３に記載の水素発生方法において、
    前記促進剤水溶液が加重されており、
    前記水溶液貯蔵部と前記反応部とを連結する導管にレギュレータを有し、
    前記反応部内圧が前記基準圧を下回ると、前記レギュレータが開弁し、前記促進剤水溶液が、前記錯体水素化物に供給され、
    前記反応部内圧が前記基準圧を上回ると、前記レギュレータが閉弁し、前記促進剤水溶液が停止する
    ことを特徴とする水素発生方法。
26. 水素発生反応の促進剤の水溶液である促進剤水溶液が貯留される水溶液貯留部を備え、錯体水素化物が貯蔵される水素供給器に供給管を介して水溶液貯留部を接続し、水素供給器で発生した水素が消費される外部装置を水素供給器に接続し、水素の消費に応じた水素供給器の圧力及び水溶液貯留部の圧力に応じて促進剤水溶液の流通を許容する弁部材を供給管に備え、
    前記水溶液貯留部には、請求の範囲１〜請求の範囲１６のいずれかに記載の水素発生方法における促進剤水溶液が貯留されている
    ことを特徴とする水素発生装置。
27. 請求の範囲２６に記載の水素発生装置の水素供給器を燃料電池の負極室に接続し、発生した水素が前記負極室に供給されることを特徴とする燃料電池設備。
    
    
    

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