KR20080056025A - 수소 제조장치 및 그것을 이용한 연료전지시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 수소 제조장치는, 수소 발생물질을 수용하기 위한 수소 발생물질 수용용기(1)와, 물을 수용하기 위한 물 수용용기(2)와, 물 수용용기(2)로부터 수소 발생물질 수용용기(1)에 물을 공급하기 위한 물 공급부와, 수소 발생물질 수용용기(1)로부터 수소를 도출하기 위한 수소 도출부와, 수소 발생물질 수용용기(1)로부터 배출된 수소와 물을 함유하는 혼합물로부터 물을 분리하기 위한 기액 분리부(7)와, 상기 기액 분리부(7)에서 분리된 물을 물 수용용기(2)에 회수하기 위한 물 회수부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

수소 제조장치 및 그것을 이용한 연료전지시스템{HYDROGEN PRODUCTION EQUIPMENT AND FUEL CELL SYSTEM WITH THE SAME}
본 발명은 수소 발생물질과 물을 반응시켜 수소를 제조하는 수소 제조장치와, 그 수소 제조장치와 연료전지를 구비한 연료전지시스템에 관한 것이다.
최근, 퍼스널컴퓨터, 휴대전화 등의 코드리스(cordless) 기기의 보급에 따라 그 전원인 전지에는, 점점 더 소형화, 고용량화가 요망되고 있다. 현재, 리튬이온 2차 전지는, 에너지밀도가 높고, 소형 경량화를 도모할 수 있는 전지로서 실용화되어 있으며, 포터블 전원으로서의 수요가 증대하고 있다. 그러나 이 리튬이온 2차 전지는, 일부의 코드리스 기기에 대하여, 충분한 연속 사용시간을 보증할 수 없다는 문제가 있다.
상기 문제의 해결용으로서, 예를 들면 고체 고분자형 연료전지(PEFC) 등의 연료전지의 개발이 진행되고 있다. 연료전지는, 연료 및 산소의 공급을 행할 수 있으면, 연속적으로 사용하는 것이 가능하다. 전해질에 고체 고분자 전해질, 양극 활물질에 공기 중의 산소, 음극 활물질에 각종 연료를 사용하는 PEFC는, 리튬이온 2차 전지보다 에너지밀도가 높은 전지로서 주목받고 있다.
PEFC에 사용하는 연료에 관해서는, 수소, 메탄올 등이 제안되어, 여러가지 개발이 행하여지고 있으나, 고에너지 밀도화가 가능한 점에서, 수소를 연료로 하는 PEFC가 기대되고 있다.
그리고 PEFC와 같은 연료전지에 수소를 공급하는 방법으로서는, 예를 들면 수소원이 되는 수소 발생물질과 물을 반응시켜 수소를 생성시킬 수 있는 수소 제조장치에 의하여 제조된 수소를 공급하는 방법이 검토되고 있다. 이와 같은 수소 제조장치에서는, 예를 들면 물을 수용하는 탱크와, 수소 발생물질을 수용하고, 또한 수소 발생물질과 물을 반응시키기 위한 용기가 설치되어 있으며, 이 물을 수용하는 탱크로부터, 수소 발생물질을 수용하는 용기(반응용기)에 물을 공급하여, 이 용기 중에서 수소 발생물질과 물을 반응시켜, 생성된 수소를 이 용기에 설치된 수소 도출관을 통하여 연료전지에 공급한다는 기구가 채용되어 있다.
그런데, 수소 발생물질과 물과의 반응시에는, 미반응의 물이 수소와 함께 분출되어, 반응용기의 외부로 배출된다. 그 때문에, 종래의 수소 제조장치에서는, 물 수용탱크 내에, 반응에 필요한 양을 상당히 상회하는 양의 물을 유지하여 둘 필요가 있었다. 또 이와 같은 다량의 물을 함유하는 수소가 공급됨으로써, 연료전지의 연료공급로에 막힘이 생기는 경우도 있었다.
상기와 같은 사정으로부터, 수소 발생물질과 물과의 반응에 의해 수소를 생성하는 기구를 가지는 수소 제조장치에서는, 생성된 수소와 함께 반응용기로부터 배출되는 미반응의 물의 처리가 요구된다. 종래, 이것에 대하여 예를 들면, 반응용기로부터 배출된 수소와 물(수증기)과의 혼합물을 물 수용탱크 내로 되돌려, 이 탱크 내의 물과 혼합하여 열교환을 행함으로써 혼합물 중의 수증기를 물로 하고, 한편, 혼합물 중의 수소에 대해서는 이 탱크의 상부에 설치한 배출관으로부터 인출하여, 연료전지 등에 공급하는 기구를 가지는 수소 발생장치가 제안되어 있다(특허문헌 1). 특허문헌 1에 기재된 장치에 의하면, 수소와 함께 반응용기로부터 수증기로서 배출된 미반응의 물을, 물 공급탱크 내에서 물로 되돌려 다시 반응용기에 공급할 수 있기 때문에, 물을 효율좋게 수소의 제조에 사용할 수 있다.
그런데, 특허문헌 1의 물 공급탱크에는, 물을 공급하는 관, 반응용기로부터 배출된 수소와 물과의 혼합물을 되돌리는 관, 및 수소를 배출하는 관을 구비할 필요가 있어, 물 공급탱크의 구조가 복잡해진다. 또, 고온의 수소와 물과의 혼합물이 직접 물 공급탱크로 되돌아가기 때문에, 수소를 제조함에 따라 물 공급탱크 내의 수온이 상승하여 간다. 그 때문에, 물 공급탱크는 내열성을 가지는 재료로 제작할 필요가 있다. 이 때문에, 간단한 구조를 가지고, 또한 저렴한 재료를 사용하여 물 공급탱크를 제조하는 것이 곤란하게 된다.
한편, 종래 120℃ 이하의 저온에서 화학반응에 의하여 수소를 발생시키고, 이것을 연료로서 사용하는 방법이 제안되어 있다. 이것들의 방법은, 예를 들면 알루미늄, 마그네슘, 규소, 아연 등, 물과 반응하여 수소를 발생하는 금속을 수소원으로 하는 것이다(특허문헌 2 내지 6).
그러나, 특허문헌 1 내지 6에 개시되어 있는 방법에 의하여 수소를 제조하는 경우, 상기한 금속과 물과의 반응에 의하여 산화물, 수산화물 등의 부생성물이 생성된다. 그리고, 생성된 수소에는, 수소 발생반응에 관여하지 않았던 미반응의 물이, 상기 부생성물이나 그것들의 이온을 함유한 상태에서 혼입된다.
상기 부생성물 및 그것들의 이온을 함유하는 수분이 수소와 함께 고체 고분자형 연료전지에 공급된 경우, 고체 고분자형 연료전지 내에 함유되는 프로톤 교환수지 및 프로톤 교환막 내의 프로톤의 치환, 촉매상으로의 흡착, 전극 내에서의 석출 등이 일어나고, 이들에 의하여 연료전지 내에서, 이온 전도성의 저하, 촉매능의 저하, 가스의 확산성능의 저하 등이 야기되며, 그 결과, 연료전지가 열화된다.
이와 같은 사정으로부터, 고체 고분자형 연료전지의 연료가 되는 수소를, 특허문헌 1 내지 6에 개시되어 있는 바와 같은 방법으로 얻는 경우에는, 연료전지의 특성열화를 방지하기 위하여, 수소에 혼입하는 부생성물 및 그것들의 이온을 함유하는 수분을 제거하는 것이 바람직하다.
상기 특허문헌 5에는, 응축액 분리장치를 사용하여, 발생한 수소 중에 함유되는 부생성물 및 그것들의 이온을, 응축수와 함께 분리하는 방법이 제안되어 있다. 이 방법에 의하면, 수소 중에 함유되는 부생성물 및 그것들의 이온의 대부분을 분리할 수 있다.
그러나, 상기한 방법에서는, 수소 중에 함유되는 수분 중, 응축된 부분만이 분리 가능하고, 수증기까지는 분리할 수 없기 때문에, 응축된 물방울 중에 함유되는 부생성물 및 그것들의 이온은 제거할 수 있어도, 수증기 중에 함유되는 일부의 부생성물 및 그것들의 이온에 대해서는, 수소와 함께 연료전지에 보내지는 문제가 있다.
또, 상기 특허문헌 6에는 팔라듐막 등의 수소 분리막, 금속 이온 선택 투과막, 분자체 등에 의하여, 수소 중에 함유되는 금속 이온을 제거하는 기구가 개시되 어 있다. 그러나, 팔라듐막 등의 수소 분리막의 경우, 수소 투과속도가 느리고, 비용이 높다는 문제가 있다. 또, 금속 이온 선택 투과막이나 분자체의 경우에는, 금속 이온을 제거할 수 있는 양에 한정이 있기 때문에, 조기에 열화가 시작된다는 문제가 있다.
[특허문헌 1]
일본국 특개2004-149394호 공보
[특허문헌 2]
미국 특허제6506360호 공보
[특허문헌 3]
일본국 특허제2566248호 공보
[특허문헌 4]
일본국 특개2004-231466호 공보
[특허문헌 5]
국제공개제04/18352호 팜플릿
[특허문헌 6]
일본국 특표2002-80202호 공보
본 발명의 수소 제조장치는, 수소 발생물질을 수용하기 위한 수소 발생물질 수용용기와, 물을 수용하기 위한 물 수용용기와, 상기 물 수용용기로부터 상기 수소 발생물질 수용용기에 물을 공급하기 위한 물 공급부와, 상기 수소 발생물질 수용용기로부터 수소를 도출하기 위한 수소 도출부와, 상기 수소 발생물질 수용용기로부터 배출된 수소와 물을 함유하는 혼합물로부터 물을 분리하기 위한 기액 분리부와, 상기 기액 분리부에서 분리된 물을 상기 물 수용용기에 회수하기 위한 물 회수부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명의 연료전지시스템은, 상기 본 발명의 수소 제조장치와, 연료전지를 구비한 것을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명의 수소 제조장치의 일례를 나타내는 일부 단면 개략도,
도 2는 수소 발생물질 수용용기와 물 수용용기가 일체화된 일체용기를 나타내는 일부 단면 개략도,
도 3은 본 발명의 수소 제조장치의 다른 일례를 나타내는 일부 단면 개략도,
도 4는 본 발명의 연료전지시스템의 일례를 나타내는 일부 단면 개략도,
도 5는 실시예 1의 수소 제조장치에서의 수소 발생속도와 경과시간과의 관계를 나타내는 도,
도 6은 실시예 3의 수소 제조장치에서의 수소 발생속도, 수소 발생물질 수용용기의 표면온도 및 내압과 경과시간과의 관계를 나타내는 도면이다.
본 발명의 수소 제조장치는, 수소 발생물질을 수용하기 위한 수소 발생물질 수용용기와, 물을 수용하기 위한 물 수용용기와, 물 수용용기로부터 수소 발생물질 수용용기에 물을 공급하기 위한 물 공급부와, 수소 발생물질 수용용기로부터 수소 를 도출하기 위한 수소 도출부와, 수소 발생물질 수용용기로부터 배출된 수소와 물을 함유하는 혼합물로부터 물을 분리하기 위한 기액 분리부와, 기액 분리부에서 분리된 물을 물 수용용기에 회수하기 위한 물 회수부를 구비하고 있는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명의 연료전지시스템은, 상기 본 발명의 수소 제조장치와, 연료전지를 구비한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 수소 제조장치는, 상기 수소 발생물질 수용용기와, 상기 물 수용용기와, 상기 물 공급부와, 상기 수소 도출부를 구비함으로써, 상기 수소 발생물질 수용용기 내에, 상기 물 수용용기로부터 연속적 또는 단속적으로 물을 공급하고, 수소 발생물질과 물을 반응시켜 수소를 발생시키며, 그 수소를 외부로 인출할 수 있다.
또, 본 발명의 수소 제조장치는, 상기 기액 분리부와, 상기 물 회수부를 구비함으로써, 상기 수소 발생물질 수용용기로부터 배출된 수소와 물을 함유하는 혼합물을, 상기 기액 분리부에 의하여 수소와 물로 분리하고, 분리한 물을 상기 물 수용용기로 되돌릴 수 있기 때문에, 실질적인 물의 사용량을 저감하여, 간편하고 또한 효율좋게 수소를 제조할 수있다.
또, 본 발명의 수소 제조장치는, 상기와 같이 실질적인 물의 사용량을 저감할 수 있기 때문에, 물 수용용기 내에 수용하여 두는 물의 양을 줄이는 것이 가능해진다. 그 때문에, 수소 제조장치의 체적 및 중량을 저감하여 컴팩트화할 수 있다.
또, 본 발명의 수소 제조장치는, 상기 기액 분리부에 의하여, 수소 발생물질 수용용기로부터 배출되는 수소와 물(수소 발생반응에 관여하지 않았던 미반응의 물)을 함유하는 혼합물로부터, 기액 분리부에 의하여 물을 분리하여, 이 물 속에 함유되는 부생성물(수소 발생반응에 의한 부생성물로서, 부생성 이온도 함유한다)을 제거할 수 있다. 또, 기액 분리부에 의하여 분리할 수 없는 수증기 중에 함유되는 부생성물에 대해서는, 뒤에서 설명하는 포집부에 의하여 제거할 수 있다.
또한, 본 발명의 연료전지시스템은, 간편하고 또한 효율적으로 수소를 제조할 수 있는 상기 본 발명의 수소 제조장치를 수소 공급원으로 하고 있고, 효율적으로 발전할 수 있는 것이다. 또, 본 발명의 수소 제조장치에서 제조한 수소를 연료전지에 공급할 때, 수소 중에 함유되는 연료전지의 열화의 원인이 되는 부생성물을, 연료전지 내에 들어가기 전의 단계에서 효율좋게 제거하는 것이 가능하다. 따라서, 연료전지 내에서의 이온 전도성의 저하, 촉매능의 저하, 가스의 확산성능의 저하 등을 장기에 걸쳐 방지하고, 그 열화를 억제할 수 있는 연료전지시스템을 제공할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시형태를, 도면을 사용하여 설명한다.
(실시형태 1)
도 1은, 본 발명의 수소 제조장치의 일례를 나타내는 일부 단면 개략도이다. 도 1에서, 1은 수소 발생물질 수용용기, 1a는 수소 발생물질, 1b는 수소 도출관, 1c는 물 공급관, 2는 물 수용용기, 2a는 물, 2b는 물 공급관, 2c는 물 회수관, 3은 수소 제조장치 본체부와 수소 발생물질 수용용기(1) 또는 물 수용용기(2)를 연결하 기 위한 탈착부, 4는 보온재, 5는 펌프, 6은 냉각부, 7은 기액 분리부이다. 도 1에서는, 수소 발생물질 수용용기(1), 물 수용용기(2), 보온재(4) 및 기액 분리부(7)에 대해서만을 단면으로 나타내고 있다.
본 실시형태의 수소 제조장치에서는, 수소 발생물질 수용용기(1)에 물 수용용기(2)로부터 물을 공급하고, 수소 발생물질 수용용기(1) 내에서 수소 발생물질(1a)과 물(2a)을 반응시켜 수소를 제조한다. 따라서, 수소 발생물질 수용용기(1)는, 수소 발생물질(1a)과 물(2a)과의 반응용기로서의 역할도 담당하고 있다. 수소 발생물질 수용용기(1)에서 발생한 수소는, 수소 도출관(1b)을 거쳐, 수소를 필요로 하는 기기(예를 들면 연료전지 등)에 공급된다.
상기한 바와 같이 수소 발생물질 수용용기(1) 내에서, 수소 발생물질(1a)과 물(2a)를 반응시켜 수소를 발생시키면, 미반응의 물이 수소와 함께 분출되고, 수소 도출관(1b)으로부터, 물과 수소와의 혼합물로서 반응용기인 수소 발생물질 수용용기(1)의 외부로 배출된다. 그러나, 본 실시형태의 수소 제조장치는 기액 분리부(7)를 가지고 있고, 수소 발생물질 수용용기(1)로부터 배출된 물과 수소와의 혼합물을, 기액 분리부(7)에 의하여 물과 수소로 분리하고, 분리한 물을 물 수용용기(2)에 되돌릴 수 있다.
기액 분리부(7)는, 물과 수소를 분리하기 위한 물 분리 용기(7a), 물 분리 용기(7a)에 물과 수소와의 혼합물을 도입하기 위한 수소 도입관(7b), 물 분리 용기(7a) 내에서 분리된 수소를 배출하기 위한 수소 도출관(7c) 및 물 분리 용기(7a) 내에서 분리된 물을 물 수용용기(2)로 되돌리기 위한 물 회수관(7d)으로 구성되어 있다. 수소 도입관(7b)으로부터 유입된 물과 수소를 함유하는 혼합물 중, 물은 중력에 의하여 물 분리 용기(7a)의 아래쪽으로 낙하하여 수소로부터 분리된다. 분리된 물은 물 회수관(7d, 2c)을 통하여 물 수용용기(2)에 회수된다. 이와 같이 본 실시형태의 수소 제조장치에서는, 수소 발생물질 수용용기(1)로부터 배출된 물과 수소를 함유하는 혼합물로부터 분리된 물을 물 수용용기(2)로 되돌리기 위하여, 기액 분리부(7)와 물 수용용기(2)와의 사이를 접속하는 관[물 회수관(2c, 7d)]을 가지고 있다.
상기한 바와 같이 본 실시형태의 장치에서는, 생성된 수소와 함께 수소 발생물질 수용용기(1)로부터 배출된 미반응의 물을, 기액 분리부(7)의 작용에 의하여 물 수용용기(2)로 되돌려, 다시 수소 발생반응에 공급할 수 있기 때문에, 실질적인 물의 사용량을 저감할 수 있고, 물 수용용기(2)내에 수용하여 두는 물의 양을 줄이는 것이 가능해지기 때문에, 수소 제조장치의 체적 및 중량을 저감하여 컴팩트화할 수 있다.
또, 예를 들면 수소 제조장치가 연료전지의 연료원으로서 사용되고 있는 경우, 수소와 함께 생성되는 다량의 물이 연료전지 내에 공급되면, 연료 공급로에 막힘이 생기는 경우가 있다. 그러나, 본 실시형태의 수소 제조장치에 의하면, 기액 분리부(7)에서, 수소 발생물질 수용용기(1)로부터 배출된 물과 수소를 함유하는 혼합물로부터, 물을 제거한 후에 수소를 연료전지에 공급할 수 있기 때문에, 상기 막힘을 방지하는 것도 가능하다.
또한, 본 실시형태의 수소 제조장치에서는, 물 수용용기(2)와는 별도로 설치 된 기액 분리부(7)에서 물과 수소와의 분리를 행하기 때문에, 물 수용용기(2)에 필요한 관은 물 공급관(2b) 및 물 회수관(2c)의 2개가 되어, 종래의 물과 수소와의 분리를 물 수용용기 내에서 행하는 경우의 3개보다 구조가 간편해진다. 또, 도 1에 나타내는 바와 같이 기액 분리부(7)는, 물 수용용기(2)뿐만 아니라 수소 발생물질 수용용기(1)와도 별체로 되어 있는 것이 바람직하고, 이와 같이 함으로써 수소 발생물질 수용용기(1) 및 물 수용용기(2)를 더욱 간소한 구조로 할 수 있어, 그것들을 컴팩트하게 할 수 있다.
기액 분리부(7)는, 연직방향에 대하여, 물 수용용기(2)보다 높은 위치, 즉 물 수용용기(2)보다 상부에 배치되어 있는 것이 바람직하다. 기액 분리부(7)에서 분리된 물을 물 수용용기(2)로 되돌리는 수단으로서는 펌프 등을 사용할 수도 있으나, 기액 분리부(7)를 물 수용용기(2)보다 상부에 배치하고, 물의 자중(自重)에 의해 물 수용용기(2)로의 회수를 가능하게 함으로써, 펌프 등의 동력이 불필요하게 되어 효율적이다.
기액 분리부(7)의 구성은 도 1에 나타내는 것에 한정되는 것은 아니고, 뒤에서 설명하는 실시형태 2와 같이, 예를 들면 폴리테트라플루오로에틸렌제 미다공막, 또는 발수처리를 실시한 폴리비닐리덴플로리드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 또는 폴리에테르술폰의 미다공막 등의 기액 분리막을 사용하여 기액 분리부를 구성할 수도 있다.
또, 본 실시형태의 수소 제조장치에서는, 수소 발생물질 수용용기(1) 및 물 수용용기(2)가, 탈착부(3)를 거쳐 수소 제조장치의 본체부에 탈착 가능하게 연결되 어 있다. 이와 같이, 본 실시형태의 수소 제조장치에서는, 수소 발생물질 수용용기(1) 및/또는 물 수용용기(2)가, 수소 제조장치의 본체부에 탈착 가능하게 설치되어 있는 것이 바람직하다. 여기서, 상기 본체부란 수소 제조장치 중에서 수소 발생물질 수용용기(1) 및 물 수용용기(2) 이외의 부분[보온재(4), 펌프(5), 도 1에서의 탈착부(3)보다 위에 위치하는 관, 기액 분리부(7)를 함유한다]을 의미하고 있다.
수소 발생물질 수용용기(1) 내에서 수소 발생물질(1a)과 물(2a)을 반응시켜 수소를 발생시키면, 수소 발생물질 수용용기(1)에 수용되어 있는 수소 발생물질(1a)은 반응생성물로 변화되고, 물 수용용기(2)에 수용되어 있는 물(2a)은 소비되어 감소하여 간다. 상기한 바와 같이 탈착 가능한 수소 발생물질 수용용기(1) 및/또는 물 수용용기(2)를 가지고 있는 수소 제조장치이면, 수소 발생물질 수용용기(1) 내의 수소 발생물질(1a)이 반응하여, 수소가 생성되지 않게 될 때까지 사용한 후, 탈착부(3)로부터 수소 발생물질 수용용기(1) 및 물 수용용기(2)를 떼어내고, 수소 발생물질을 수용하고 있는 새로운 수소 발생물질 수용용기(1)와, 물(2a)을 수용하고 있는 새로운 물 수용용기(2)를, 탈착부(3)에 의하여 본체부에 설치함으로써, 반복하여 수소를 발생시킬 수 있다. 그 때문에, 예비로 수소 발생물질 수용용기나 물 수용용기를 준비하여 둠으로써, 수소 발생물질 또는 물의 입수가 곤란한 장소나, 수소 발생물질 또는 물을 장치에 공급하기 어려운 장소에서도, 연속적인 수소의 제조가 가능한 가반성(可搬性)이 높은 장치로 할 수 있다.
또, 수소 발생물질 수용용기(1)와 물 수용용기(2)를 일체화시킨 일체용기로 하고, 이것을 수소 제조장치의 본체부에 탈착 가능하게 하는 것도 바람직하고, 이것에 의하여 용기의 교환을 더욱 용이하게 할 수 있다.
탈착부(3)의 구성으로서는 특별히 제한되지 않으나, 예를 들면 수소 제조장치의 본체부측에 통형상으로 성형한 부위(관 등)를 설치하고, 그곳에 수소 발생물질 수용용기(1) 및 물 수용용기(2)의 각각의 관[수소 도출관(1b), 물 공급관(1c, 2b) 등]을 삽입하도록 하고, 접속부분(관의 삽입부분)을 고무제 링 등의 패킹에 의하여 밀폐하여, 수소나 물의 누설을 방지하는 구성을 채용할 수 있다.
또, 본 실시형태의 수소 제조장치에서는, 수소 발생물질 수용용기(1)로부터 배출된 물과 수소를 함유하는 혼합물을 냉각하기 위한 냉각부(6)를 구비하고 있는 것이 바람직하다. 상기 수소 제조장치에서는, 수소 발생물질 수용용기(1)의 내부가 물의 비점에 가까운 온도가 될 수 있기 때문에, 수소와의 혼합물로서 배출되는 물은, 부분적으로 수증기가 된다. 따라서 냉각부(6)를 설치함으로써, 상기 혼합물 중의 수증기를 냉각하여 액체의 물로 함으로써, 기액 분리부(7)에서의 물의 회수율을 높일 수 있다. 그 때문에 냉각부(6)는 수소 발생물질 수용용기(1)와 기액 분리부(7)와의 사이에 설치되는 것이 바람직하다. 냉각부(6)로서는 예를 들면, 금속제의 냉각핀이 관에 접하도록 배치된 구조의 냉각부를 사용할 수 있다. 나아가서는 공냉팬을 사용할 수도 있다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 수소 발생물질 수용용기(1)의 바깥 둘레의 적어도 일부에는, 보온재(4)를 배치하는 것이 바람직하다. 상기한 바와 같이 보온재(4)를 배치함으로써, 수소 발생물질 수용용기(1) 내의 열이 수소 발생물질 수용 용기(1)의 외부로 방출되는 것을 방지할 수 있기 때문에, 수소 발생의 안정화를 도모할 수 있다. 이것은 수소 제조장치에서는, 수소 발생물질이 가온되어 물과 반응함으로써 수소가 발생하나, 수소 발생물질을 가온하여도 그 열이 수소 발생물질 수용용기(1)의 외벽을 통하여 외부로 방출되면, 수소 발생물질의 온도가 상승하지 않고, 수소 발생 반응효율이 저하하거나, 수소 발생반응이 정지하여, 수소 발생에 도달하지 않는 경우도 생길 수 있다. 그러나 보온재(4)를 상기한 바와 같이 배치함으로써, 수소 발생물질 수용용기(1) 내의 열의 외부로의 방출을 억제할 수 있다.
특히 수소 제조장치에서, 수소 발생물질 수용용기(1)와 물 수용용기(2)가 인접하고 있는 경우에는, 적어도 수소 발생물질 수용용기(1)와 물 수용용기(2)가, 보온재(4)를 거쳐 인접하도록, 보온재(4)를 배치하는 것이 더욱 바람직하다.
수소 발생물질 수용용기(1)와 물 수용용기(2)가 인접하여, 서로 접촉하고 있는 경우에는, 수소 발생물질 수용용기(1) 내의 열이 물 수용용기(2)측으로 이동하기 쉽고, 수소 발생물질 수용용기(1) 내의 온도저하에 의한 상기 수소 발생반응의 효율저하나 반응정지의 문제가 더욱 현저하게 생길 수 있다. 또, 수소 발생물질 수용용기(1)와 물 수용용기(2)를 보온재(4)를 거치지 않고 인접시킨 경우에는, 수소 발생물질 수용용기(1)로부터 방출된 열에 의하여 물 수용용기(2) 중의 수온이 상승하여 물의 밀도가 저하하고, 펌프(5)에 의하여 공급되는 물의 중량이 감소하여, 수소 발생속도의 저하를 야기한다는 문제도 생길 수 있다. 그러나 수소 발생물질 수용용기(1)와 물 수용용기(2)가 보온재(4)를 거쳐 인접하도록, 보온재(4)를 배치하면, 이것들의 문제를 회피할 수 있다. 보온재(4)는, 수소 발생물질 수용용 기(1)의 바깥 둘레 전면에 배치되어 있는 것이 특히 바람직하다.
보온재(4)의 재질로서는, 예를 들면 발포 스티롤, 폴리우레탄폼 등의 다공성 단열재, 또는 진공 단열구조를 가지는 단열재 등이 바람직하다.
도 2는, 수소 발생물질 수용용기(8a)와 물 수용용기(8b)가 일체화된 일체용기(8)를 나타내는 일부 단면 개략도이다. 도 2에서 일체용기(8)를 제외하고, 도 1과 동일한 부분에는 동일한 부호를 붙이고 그 설명은 생략한다. 일체용기(8)는 수소 발생물질 수용용기(8a)와 물 수용용기(8b)가 일체화되어 있기 때문에, 용기의 교환이 더욱 용이해진다.
또, 상기 일체용기(8)에서도, 수소 발생물질 수용용기(8a)와 물 수용용기(8b)와의 사이에, 보온재(4)를 배치하는 것이 바람직하고, 이 경우에도, 수소 발생물질 수용용기(8a)와 물 수용용기(8b)가 인접하여 있는 경우에 생길 수 있는 상기한 문제를 회피하는 것이 가능하게 된다.
본 실시형태의 수소 제조장치에서 사용할 수 있는 수소 발생물질로서는, 물과 반응하여 수소를 발생시키는 물질이면 특별히 한정되지 않으나, 알루미늄, 규소, 아연, 마그네슘이라는 금속이나, 알루미늄, 규소, 아연 및 마그네슘 중의 1종 이상의 금속원소를 주체로 하는 합금을 적합하게 사용할 수 있다. 상기 합금의 경우에는, 주체가 되는 상기한 각 금속원소 이외의 원소에 대해서는 특별히 한정되지 않는다. 여기서 「주체」란, 합금 전체에 대하여 80 질량% 이상, 더욱 바람직하게는 90 질량% 이상 함유되어 있는 것을 의미한다. 상기 예시의 금속이나 합금의 1종만을 수소 발생물질로서 사용하여도 되고, 2종 이상을 병용하여도 상관없다. 이 들 수소 발생물질은, 상온에서는 물과 반응하기 어려우나, 가열함으로써 물과의 발열반응이 용이해지는 물질이다. 본 명세서에서 상온이란, 20∼30℃ 범위의 온도이다.
여기서, 수소 발생물질로서 예를 들면 알루미늄을 이용한 경우에는, 알루미늄과 물과의 반응은, 하기 반응식 (1) 내지 반응식 (3) 중 어느 하나에 의하여 진행되고 있다고 생각된다. 하기 반응식 (1)에 의한 발열량은, 419 kJ/mol이다.
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상기 수소 발생물질의 크기는 특별히 한정되지 않으나, 예를 들면 그 평균 입자지름이, 0.1㎛ 이상이고, 100㎛ 이하, 더욱 바람직하게는 50㎛ 이하인 것이 바람직하다. 상기 수소 발생물질은, 일반적으로 표면에 안정된 산화피막이 형성되어 있다. 그 때문에 판형상, 블럭형상 및 입자지름이 1 mm 이상인 벌크형상 등의 형태의 경우, 가열하여도 물과의 반응이 진행되지 않아, 실질적으로 수소를 발생시키지 않는 경우도 있다. 그러나, 상기 수소 발생물질의 평균 입자지름을 100 ㎛ 이하라 하면, 산화피막에 의한 물과의 반응억제작용이 감소하여, 상온에서는 물과 반 응하기 어려우나, 가열하면 물과의 반응성이 높아져 수소 발생반응이 지속되게 된다. 또, 상기 수소 발생물질의 평균 입자지름을 50㎛ 이하라 하면, 40℃ 정도의 온화한 조건이어도 물과 반응하여 수소를 발생시킬 수 있다. 한편, 상기 수소 발생물질의 평균 입자지름을 0.1㎛ 미만으로 하면, 발화성이 높아져 취급이 곤란하게 되거나, 수소 발생물질의 충전밀도가 저하하여 에너지밀도가 저하하기 쉬워지기도 한다. 이 때문에, 상기 수소 발생물질의 평균 입자지름은, 상기 범위 내로 하는 것이 바람직하다.
본 명세서에서 설명하는 평균 입자지름은, 체적기준의 적산분률 50% 에서의 입자지름의 값을 의미한다. 평균 입자지름의 측정방법으로서는, 예를 들면 레이저 회절·산란법 등을 사용할 수 있다. 구체적으로는 물 등의 액상으로 분산시킨 측정대상물질에 레이저광을 조사함으로써 검출되는 산란 강도 분포를 이용한 입자지름 분포의 측정방법이다. 레이저 회절·산란법에 의한 입자지름 분포 측정장치로서는, 예를 들면 니키소가부시키가이샤 제품의 "마이크로트랙HRA" 등을 사용할 수 있다.
또, 상기 수소 발생물질의 형상도 특별히 한정되지 않으나, 예를 들면 평균 입자지름을 상기 범위 내의 입자형상 또는 플레이크형상으로 할 수 있다.
물과 수소 발생물질과의 반응을 용이하게 개시시키기 위하여, 수소 발생물질과 물의 적어도 한쪽을 가열하는 것이 바람직하나, 상기한 바와 같이 예를 들면 물 수용용기(2) 내에서 물을 가열하면, 수온의 상승에 따라 물의 밀도가 저하하고, 펌프(5)에 의하여 공급되는 물의 중량이 감소하여, 수소 발생속도의 저하를 야기하는 경우도 있을 수 있기 때문에, 수소 발생물질만을 가열하거나, 물을 가열하는 경우에는, 펌프(5)를 통과한 후의 단계에서 가열하는 것이 더욱 바람직하다. 그 가열온도는, 40℃ 이상, 더욱 바람직하게는 60℃ 이상으로서, 100℃ 이하인 것이 바람직하다. 상기 수소 발생물질과 물과의 발열반응을 유지할 수 있는 온도는, 통상은 40℃ 이상 이고, 일단 발열반응이 개시하여 수소가 발생하면, 수소 발생물질 수용용기의 내압이 상승하여 물의 비점이 상승하는 경우도 있고, 용기 내 온도가 120℃에 도달하는 경우도 있으나, 수소 발생속도의 제어의 점에서 100℃ 이하로 하는 것이 바람직하다.
상기 가열은, 상기 발열반응의 개시 시에만 행하면 된다. 일단, 물과 수소 발생물질과의 발열반응이 개시되면, 그 발열반응의 열에 의하여 그 후의 반응을 계속할 수 있기 때문이다. 상기 가열과, 수소 발생물질 수용용기 내로의 물의 공급을 동시에 행하여도 된다.
상기 가열의 방법은 특별히 한정되지 않으나, 저항체에 통전함에 의한 발열을 이용하여 가열할 수 있다. 예를 들면 이 저항체를 수소 발생물질 수용용기의 외부에 설치하여 발열시키고, 이들 용기를 외부에서 가열함으로써, 수소 발생물질과 물의 적어도 한쪽을 가열할 수 있다. 상기 저항체의 종류에 대해서는 특별히 한정되지 않고, 예를 들면 니크롬선, 백금선 등의 금속 발열체, 탄화규소, PTC 서미스터 등을 사용할 수 있다.
또, 상기 가열은, 발열물질의 화학반응에 의한 발열에 의하여 행할 수도 있다. 이 발열물질에는, 물과 발열 반응하여 수산화물이나 수화물이 되는 물질, 물 과 발열 반응하여 수소를 생성하는 물질 등을 사용할 수 있다. 상기한, 물과 발열 반응하여 수산화물이나 수화물이 되는 물질로서는, 예를 들면 알칼리금속의 산화물(산화 리듐 등), 알칼리토류 금속의 산화물(산화칼슘, 산화마그네슘 등), 알칼리토류 금속의 염화물(염화칼슘, 염화마그네슘 등), 알칼리토류 금속의 황산화합물(황산칼슘 등) 등을 사용할 수 있다. 상기한, 물과 발열 반응하여 수소를 생성하는 물질로서는, 예를 들면, 알칼리금속(리튬, 나트륨 등), 금속수소화물(수소화 붕소 나트륨, 수소화 붕소 칼륨, 수소화 리튬 등) 등을 사용할 수 있다. 이들 물질은, 1종 단독으로 사용할 수도 있고, 2종 이상을 병용할 수도 있다.
수소 발생물질 수용용기 내에, 수소 발생물질과 함께 상기 발열물질을 배치하고, 이들에 물을 가함으로써 물과 발열물질을 발열 반응시켜, 이 용기의 내부에서 수소 발생물질과 물을 직접 가열할 수 있다. 또 수소 발생물질 수용용기의 외부에, 상기 발열물질을 배치하여 발열시키고, 이들 용기를 외부에서 가열함으로써, 수소 발생물질과 물의 적어도 한쪽을 가열하는 것이 가능하다.
상기 발열물질로서는, 물 이외의 물질과 발열 반응하는 물질, 예를 들면 철분과 같이 산소와 발열 반응하는 물질도 알려져 있다. 이와 같은 물질은, 발열반응을 위하여 산소를 도입할 필요가 있기 때문에, 수소 발생물질 수용용기에 넣는 것은 아니고, 이 용기의 외부에 배치하여 사용하는 것이 바람직하다.
상기 발열물질을 수소 발생물질과 함께 수소 발생물질 수용용기에 수용하고, 이것에 물을 공급하여 가열하는 경우에는, 발열물질은 수소 발생물질과 균일 또는 불균일하게 분산·혼합시킨 혼합물로서 사용하여도 된다. 또한 발열물질은, 수소 발생물질 수용용기 내에 편재하여 배치되어 있는 것이 더욱 바람직하고, 수소 발생물질 수용용기 내부의 물 공급부의 근방[예를 들면, 도 1에서는 물 공급관(1c)의 관 입구부의 근방(A)]에 발열물질을 부분적으로 편재시키는 것이 특히 바람직하다. 수소 발생물질 수용용기 내부에서, 발열물질을 이와 같이 편재시킴으로써, 물을 공급하기 시작하고 나서 수소 발생물질이 가온되기까지의 시간을 더욱 짧게 하여, 신속한 수소 제조를 가능하게 할 수 있다.
수소 발생물질 수용용기는, 물과 발열 반응하여 수소를 발생시키는 수소 발생물질을 수납 가능하면, 그 재질이나 형상은 특별히 한정되지 않으나, 수소 도출관 및 물 공급관으로부터 물이나 수소가 누설되지 않는 재질이나 형상을 채용하는 것이 바람직하다. 구체적인 용기의 재질로서는, 물 및 수소를 투과하기 어렵고, 또한 100℃정도로 가열하여도 용기가 파손되지 않는 재질이 바람직하고, 예를 들면 알루미늄, 철 등의 금속, 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP) 등의 수지를 사용할 수 있다. 또 용기의 형상으로서는, 각주(角柱)형상, 원주형상 등을 채용할 수 있다.
수소 발생물질이 물과 반응함으로써 생기는 반응생성물은, 통상 수소 발생물질보다 체적이 크다. 그 때문에 수소 발생물질 수용용기는, 이와 같은 반응생성물의 생성에 따르는 체적 팽창이 생긴 경우에 파손되지 않도록, 수소 발생물질과 물과의 반응에 따라 변형 가능한 것이 바람직하다. 이와 같은 관점에서 수소 발생물질 수용용기의 재질은, 상기 예시한 재질 중에서도 PE나 PP 등의 수지가 더욱 바람직하다.
수소 발생물질 수용용기에는, 수소를 도출하기 위한 수소 도출부가 설치된다. 수소 도출부의 구성은 특별히 한정되지 않고, 예를 들면 도 1에 나타내는 바와 같이 수소 도출관(1b)이어도 되고, 또 수소 도출구 등이어도 상관없다. 또한 수소 도출관, 수소 도출구 등에는, 용기 내의 수소 발생물질이 외부로 누출되지 않도록, 필터를 설치하는 것이 바람직하다. 이 필터로서는, 기체를 통과시키나 액체 및 고체를 통과시키기 어려운 특성을 가지는 것이면 특별히 한정되지 않고, 예를 들면 PP제의 부직포를 사용할 수 있다.
물 수용용기에 대해서도 특별히 제한은 없고, 예를 들면 종래의 수소 제조장치에 사용하는 것과 동일한 물을 수용하는 탱크 등을 채용할 수 있다. 수소 발생물질 수용용기가, 수소 발생물질과 물과의 반응에 의한 반응생성물의 생성에 따르는 체적 팽창에 의하여 변형 가능한 경우에는, 물 수용용기도 수소 발생물질과 물과의 반응에 따라 변형 가능한 것이 바람직하다. 이에 의하여 특별히, 수소 발생물질 수용용기와 물 수용용기가 인접되어 있는 경우나, 이들이 일체화되어 있는 경우에는, 수소 발생물질 수용용기의 변형에 따라 물 수용용기도 변형할 수 있기 때문에, 물 수용용기의 파손을 방지할 수 있다. 따라서 이 경우, 물 수용용기는, 예를 들면 PE나 PP 등의 수지와 같이, 변형 가능한 재질로 구성하는 것이 바람직하다.
상기와 같은 탱크를 물 수용용기에 채용한 경우, 물 수용용기로부터 수소 발생물질 수용용기에 대한 물의 공급에, 펌프[예를 들면, 도 1에서의 펌프(5)] 등을 사용할 필요가 있다.
본 실시형태의 수소 제조장치는, 뒤에서 설명하는 실시형태 2에서 사용하는 기액 분리막(7e), 유량 조정부(9) 및 압력 릴리프 밸브(11)(도 3)를 구비하고 있어도 되고, 또 뒤에서 설명하는 실시형태 3에서 사용하는 포집부(12)(도 4)를 구비하고 있어도 된다.
이상으로 설명한 본 실시형태의 수소 제조장치에 의하면, 조건에 따라 변화되나, 예를 들면 수소 발생물질이 모두 반응하였다고 가정하였을 때의 이론수소 발생량(알루미늄의 경우는, 1 g 당의 이론수소 발생량은, 25℃ 환산으로 약 1360㎖가 된다)에 대하여, 실제로 얻어지는 수소 발생량은, 약 50% 이상, 더욱 바람직하게는 70% 이상이 되어, 효율적으로 수소를 발생시키는 것이 가능해진다.
(실시형태 2)
도 3은 본 발명의 수소 제조장치의 다른 일례를 나타내는 일부 단면 개략도이다. 도 3에서 실시형태 1의 도 1과 동일한 부분에는 동일한 부호를 붙이고 그 상세한 설명은 생략한다. 도 3에서, 1은 수소 발생물질 수용용기, 1c는 물 공급관, 1b는 수소 도출관, 2는 물 수용용기, 6은 냉각부, 7은 기액 분리부, 9는 물의 공급량을 조정하기 위한 유량 조정부, 10은 역류방지 밸브, 11은 압력 릴리프 밸브이다. 기액 분리부(7)에는 기액 분리막(7e)이 배치되어 있고, 또한 기액 분리막(7e)을 통과한 수소를 배출하기 위한 수소 도출구(7c)가 설치되어 있다. 도 3에서는, 기액 분리부(7)에 대해서만을 단면으로 나타내고 있다.
기액 분리부(7)에서는, 물과 수소와의 분리를 기액 분리막(7c)으로 행하기 때문에, 장치 내에서의 물의 이동량이나 수소 발생반응의 정도 등에 대하여, 물과 수소와 분리의 관점에서의 세밀한 제어는 불필요하여, 미반응의 물을, 물 수용용기(2)로 되돌리는 회수조작을 간편하고 또한 효율좋게 행할 수 있다.
기액 분리부(7)에 설치되는 기액 분리막(7e)으로서는, 물과 수소를 함유하는 혼합물로부터, 물 또는 수소 중 어느 한쪽만을 통과할 수 있고, 다른쪽은 통과하지 않는 막이면 특별히 제한은 없다. 예를 들면 폴리테트라 플루오로 에틸렌제 미다공막, 또는 발수처리를 실시한 폴리비닐리덴플로리드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 또는 폴리에테르술폰의 미다공막 등을 사용할 수 있다.
물 수용용기(2)로부터 수소 발생물질 수용용기(1)에 대한 물의 공급을, 탄성물의 탄력에 의하여 물 수용용기(2)를 수축시킴으로써 행할 수 있다. 탄성물의 탄력을 사용함으로써, 펌프 등의 동력을 필요로 하는 공급장치가 불필요하게 되기 때문에, 수소를 발생시키기 위하여 필요로 하는 에너지를 억제할 수 있으므로, 에너지효율을 더욱 높인 수소 제조장치로 할 수 있다.
물의 공급에 사용하는 탄성물로서는, 특별히 제한은 없고, 예를 들면 고무, 스프링, 태엽 등의 탄력을 가지는 재료를 사용할 수 있다.
또, 탄성물의 탄력에 의하여 물을 공급하는 기구의 형태는 특별히 제한은 없고, 사용하는 탄성물에 따라 여러가지 형태를 채용할 수 있다. 예를 들면, 도 3에 나타내는 바와 같이, 물 수납용기(2)에 고무제의 풍선형상 용기(소위 고무풍선)를 사용하고, 내부에 물을 수용하여 이것을 팽창시키고, 이 풍선형상 용기를 구성하는 고무의 탄력에 의하여 이 용기가 오므라지는 힘을, 물의 공급압력으로서 사용할 수 있다. 또, 물 수용용기를 용이하게 변형시킬 수 있는 재질로 구성하고, 그 용기의 바깥쪽에 탄성물로서 수축한 스프링을 설치하고, 이 스프링의 탄력(복원력)에 의해 용기를 변형시켜 물을 공급하는 형태를 채용하여도 된다. 또한 전동식 모터 대신에 태엽을 동력원으로 한 튜브펌프 등의 형태를 채용하는 것도 가능하다.
역류방지 밸브(10)는, 기액 분리부(7)와 물 수용용기(2)와의 사이를 접속하는 관에 설치하는 것이 바람직하다. 역류방지 밸브(10)를 설치함으로써, 수소 발생물질 수용용기(1)로, 상기의 관을 통하여 물이 역류하는 것을 방지할 수 있다. 또 역류방지 밸브(10)를 설치함으로써, 기액 분리부(7)에서 분리된 물을, 물 수용용기(2)에 회수함에 있어서, 별도로 펌프 등을 설치할 필요가 없어, 무동력으로의 회수가 가능하게 된다.
또한, 본 실시형태의 수소 제조장치에는, 압력 릴리프 밸브(11)를 설치하는 것이 바람직하다. 이에 의하여 수소 발생속도가 증대하여, 수소 제조장치의 내압이 상승한 경우에도, 압력 릴리프 밸브(11)로부터 수소를 장치밖으로 배출함으로써, 파열 등에 의한 장치의 파손을 방지할 수 있다. 도 3에서는 압력 릴리프 밸브(11)를 냉각부(6)와 기액 분리부(7)와의 사이를 접속하는 관에 설치하였으나, 설치부분은 이 위치에 한정되는 것은 아니고, 수소 발생물질 수용용기(1) 내에서 발생한 수소를 배출할 수 있는 부분이면 된다. 예를 들면 도 3에서는, 수소 도출관(1b)에서 기액 분리부(7)까지의 사이의 어느 쪽의 부분에 압력 릴리프 밸브(11)를 설치하여도 상관없다.
물 수용용기(2)로부터 수소 발생물질 수용용기(1)에 물을 공급하기 위한 물 공급관(1c)에는, 물의 공급량을 조정하기 위한 유량 조정부(9)를 설치하여 두는 것 이 바람직하다. 물 수용용기(2)로부터 수소 발생물질 수용용기(1)에 물이 공급되고, 수소 발생물질과 물의 반응이 개시하여도, 예를 들면 물의 공급량이 과다해지면 반응효율이 저하하는 경우가 있다. 그러나, 유량 조정부(9)를 설치하여 둠으로써, 수소 발생물질 수용용기(1)에 대한 물의 공급량을 제어할 수 있기 때문에, 상기와 같은 반응효율의 저하를 억제할 수 있다. 또, 유량 조정부(9)를 설치함으로써, 물 수용용기(2)로부터 수소 발생물질 수용용기(1)에 대한 물의 공급을, 연속적뿐만 아니라 단속적으로 행하는 것도 가능하게 되기 때문에, 예를 들면 물 수용용기(2) 내에 물이 수용되어 있는 상태에서도, 수소 발생물질 수용용기(1)에 대한 물의 공급을 정지하여, 수소의 발생을 정지할 수 있게 된다.
유량 조정부(9)의 구성은 특별히 한정되지 않으나, 예를 들면 밸브, 관 지름을 가늘게 한 스로틀 등을 사용할 수 있다.
본 실시형태의 수소 제조장치는, 뒤에서 설명하는 실시형태 3에서 사용하는 포집부(12)(도 4)를 구비하여도 된다.
(실시형태 3)
도 4는 본 발명의 연료전지시스템의 일례를 나타내는 일부 단면 개략도이다. 도 4에서 본 실시형태의 연료전지시스템은, 연료전지(100)와 수소 제조장치(200)를 구비하고 있다. 수소 제조장치(200)는, 실시형태 1 또는 실시형태 2의 수소제조장치를 사용할 수 있다. 도 4에서 실시형태 1의 도 1과 동일한 부분에는 동일한 부호를 붙이고 그 상세한 설명은 생략한다. 또, 도 4에서는 수소 발생물질 수용용기(1), 물 수용용기(2), 기액 분리부(7) 및 연료전지(100)에 대해서만을 단면으로 나타내고 있다.
도 4에서 1은 수소 발생물질 수용용기, 1c, 2b는 물 공급관, 1b는 수소 도출관, 2는 물 수용용기, 2a는 물, 2c는 물 회수관, 5는 펌프, 7은 기액 분리부, 12는 포집부이다. 연료전지(100)와 수소 제조장치(200)는, 수소 도출관(7c)에 의하여 연결되어 있다.
연료전지(100)는, 산소를 환원하는 양극(110)과, 수소를 산화하는 음극(120)과, 양극(110)과 음극(120)과의 사이에 배치된 고체 전해질막(130)을 함유하는 막 전극 접합체(MEA)(101)를 구비하고 있다. 또, MEA(101)의 양측에는, 양극 집전판(140)과 음극 집전판(150)이 배치되어 있다. 양극 집전판(140)의 끝부에는 양극 리드선(160)이 접속되고, 음극 집전판(150)의 끝부에는, 음극 리드선(170)이 접속되어 있다. 또한 연료전지(100)의 측면은, 시일재(180)에 의하여 밀봉되어 있다. 또, 양극 집전판(140)에는 공기구멍(140a)이 형성되어 있고, 공기구멍(140a)으로부터 대기 중의 산소가 양극(110)에 공급된다. 한편, 음극 집전판(150)에는 수소 도입구멍(150a)이 형성되어 있고, 수소 도입구멍(150a)을 통하여 수소 도출관(7c)으로부터 도입된 수소가 음극(120)에 공급된다. 연료전지(100)에 사용하는 각 부재는, 일반적으로 연료전지에 사용할 수 있는 것이면 특별히 한정되지 않는다.
수소 제조장치(200)는, 실시형태 1 및 실시형태 2에서 사용한 냉각부(6)(도 1, 도 3)를 설치할 수도 있다. 또, 연료전지(100)로서 고체 고분자형 연료전지를 사용하고, 또한 냉각부를 구비하고 있는 경우는, 냉각부에서 물과 수소를 함유하는 혼합물을 냉각하는 온도는, 연료전지(100)가 정상상태에서 운전할 때의 온도 이상 으로 하는 것이 바람직하다. 고체 고분자형 연료전지에서는, 전해질의 고체 고분자는 건조하면 전도도가 저하된다. 그 때문에 일반적으로 연료인 수소 및 공기를 가습하여 공급한다. 따라서 수소 제조장치(200)에서, 수소 발생물질 수용용기(1)로부터 배출된 물과 수소와의 혼합물을, 냉각부에서 낮은 온도까지 냉각하면 수소의 습도가 저하하기 때문에, 냉각부에서 상기 혼합물을 냉각하는 온도는 연료전지의 작동 온도 부근으로 하는 것이 바람직하다.
상기 냉각부에서 응축되지 않고, 기액 분리부(7)에서 분리되지 않은 혼합물 중의 수분(부생성물을 함유한 수증기 등)은, 수소와 함께 수소 도출관(7c)으로 배출된다. 수소 도출관(7c) 내에는 부생성물을 포집하는 포집부(12)가 배치되어 있다.
포집부(12)에는 예를 들면, 통형상 등의 본체용기에, 부생성물을 포집할 수 있는 포집재를 충전한 형태의 것을 사용할 수 있다. 상기 포집재로서는, 예를 들면 이온 교환 수지를 들 수 있다. 이온 교환 수지를 가지는 포집부(12) 내에, 부생성물을 함유하는 수소와 물과의 혼합물이 도입되면, 그 중의 부생성물이 이온 교환 수지 내의 H+나 OH-로 치환되고, 부생성물이 물리적으로 이온교환 수지에 포집된다. 그 결과, 연료전지의 열화의 원인이 되는 부생성물이 제거된 수소가, 연료전지에 공급된다. 그 때문에 이들 부생성물에 의한 연료전지 내에 함유되는 프로톤 교환수지 및 프로톤 교환막 내의 프로톤의 치환, 촉매상으로의 흡착, 전극 내에서의 석출 등을 방지할 수 있고, 연료전지의 열화를 억제할 수 있다.
상기 이온 교환 수지의 구체예로서는, 예를 들면 미국 롬 & 하스사 제품의 "언바라이드(상품명), 듀폰사 제품의 "나피온"(등록상표) 등을 들 수 있다.
또, 부생성물을 포집할 수 있는 재료로서, 킬레이트수지를 예시할 수도 있다. 킬레이트수지는 포착 가능한 이온에 선택성이 있기 때문에, 생성이 예측되는 이온의 포집에 적합한 킬레이트수지나 킬레이트막을 선택하면 된다. 부생성물은, 이온 교환 수지를 사용한 경우와 마찬가지로, 물리적으로 킬레이트수지에 포집된다. 이와 같은 킬레이트수지를 가지는 포집부의 사용에 의해서도, 연료전지의 열화를 억제할 수 있다.
예를 들면 수소 발생물질이 알루미늄(Al)인 경우, 수소생성반응으로 Al(OH)3가 주로 부생(副生)한다고 생각되기 때문에, Al이온을 포착할 수 있는 킬레이트수지로서 이미노 2 아세트산 킬레이트수지 등이 유효하나, 이것에 한정되는 것은 아니다.
또한 부생성물을 포집할 수 있는 재료로서, 몰레큘러시브, 실리카겔, 활성탄, 알루미나 및 흡수성 고분자 중 적어도 1종의 재료(흡착재)를 사용할 수도 있다. 이들 재료 중에는, 이온의 흡착성이 없는 것도 포함되나, 어느 것이나 수증기 흡착 성능을 가지고 있기 때문에, 수증기와 함꼐 부생성물을 포집하는 것이 가능하다. 이와 같은 포집재의 사용에 의해서도, 연료전지의 열화를 억제할 수 있다.
포집기(12)는 탈착식으로 할 수도 있다. 이에 의하여 포집기능이 저하하여 온 시점에서 포집부(12)를 떼어 내고, 새로운 포집부(12)를 설치함으로써, 다시 부 생성물의 포집을 가능하게 할 수 있다.
기액 분리부(7)와 포집부(12)는, 기액 분리부(7)의 쪽을, 수소 발생물질 수용용기(1)에 더욱 가까워지도록 배치하는 것이 바람직하다. 수소 발생물질 수용용기(1)로부터 배출된 수소 등을 함유하는 혼합물이, 포집부(12)에 들어가기 전에 기액 분리부(7)에 도입되도록 시스템을 구성하면, 상기 혼합물 중의 부생성물의 대부분을 기액 분리부(7)에서 제거할 수 있기 때문에, 포집부(12) 내에 들어가는 부생성물의 양을 가급적 저감할 수 있어, 포집부(12) 내의 포집재의 수명을 더욱 장기화할 수 있기 때문이다.
본 실시형태의 수소 제조장치(200)는, 상기한 실시형태 2에서 사용한 기액 분리막(7e), 유량 조정부(9) 및 압력 릴리프 밸브(11)(도 3)를 구비하고 있어도 된다.
본 실시형태의 연료전지시스템은, 간편하게 수소를 발생하는 수소 발생물질을 사용한 수소 제조장치와 연료전지를 구비하고 있고, 또한 기액 분리부 및 부생성물을 포집하는 포집기를 구비함으로써, 연료전지에서의 이온 전도성의 저하, 촉매능의 저하, 가스의 확산성능의 저하 등을 방지하여, 연료전지의 열화를 억제할 수 있기 때문에 매우 유용하다. 본 실시형태의 연료전지시스템은, 이와 같은 특성을 살려, 종래의 연료전지가 적용되어 있는 각종 용도에 바람직하게 사용할 수 있다.
이하, 실시예에 의거하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 제한하는 것은 아니다.
(실시예 1)
도 1에 나타낸 수소제조장치를 사용하여 이하와 같이 수소를 제조하였다. 수소 발생물질 수용용기(1)에는, 내용적 65 ㎤이고 PP 제의 각주(角柱)형상 용기를 사용하였다. 물 공급관(1c) 및 수소 도출관(1b)에는 내경 2 ㎜, 외경 3 mm의 알루미늄제의 관을 사용하였다. 물 수용용기(2)는 수소 발생물질 수용용기(1)와 동일한 구성으로 하고, 물 공급관(2b) 및 물 회수관(2c)에도, 물 공급관(1c) 등과 동일한 알루미늄제의 관을 사용하였다. 탈착부(3)는, 수소 제조장치측의 내경 3.5 mm의 통형상으로 성형된 부위에 수소 발생물질 수용용기(1) 및 물 수용용기(2)의 각각의 관이 삽입되는 구조로 하였다. 각각의 통형상 부위에는 고무제 링을 배치하여, 탈착부(3)로부터 수소 및 물의 누설을 억제하도록 하였다. 수소 발생물질 수용용기(1)에는, 그 바깥 둘레를 둘러 싸도록 두께 5 mm의 발포스티롤제의 보온재(4)를 설치하였다.
냉각부(6)는, 40 × 50 × 12 mm의 알루미늄제의 냉각 핀과, 외경 3 mm, 내경 2 mm, 길이 200 mm의 스테인리스강제의 관을, 서로 접하도록 배치하여 구성하였다. 냉각 핀의 한쪽 면에는 두께 1 mm의 핀 8개가 설치되어 있고, 그 다른쪽 면에는 상기 관이 구불구불한 상태로 접하고 있다. 수소 도출관(1b)이 접속되어 있는 탈착부(3)로부터 기액 분리부(7)까지의 관 길이는 350 mm로 하였다.
먼저, 수소 발생물질 수용용기(1)에, 수소 발생물질로서 평균 입자지름 6 ㎛의 알루미늄 분말(21g)과, 발열물질로서 산화칼슘 3.5 g을 넣은 후, 용기(1)를 수소 도출관(1b) 및 물 공급관(1c)이 부착된 덮개로 밀폐하였다. 물 수용용기(2)에 는 물을 50 g 주입하고, 도 1에 나타내는 바와 같이 수소 발생물질 수용용기(1) 및 물 수용용기(2)를 탈착부(3)에 접속하였다.
다음에 펌프(5)를 사용하여 1.1 g/min의 수량으로 물 수용용기(2)로부터 수소 발생물질 수용용기(1)에 물을 계속하여 공급하였다.
도 5는 실시예 1의 수소 제조장치에 대하여, 상기 조작에 의하여 수소를 발생시켰을 때의, 수소 발생속도와 경과시간과의 관계를 나타낸다. 도 5에서 다음의 것을 알 수 있다. 물을 공급한 직후부터 수소가 발생하여, 급격하게 수소 발생속도 및 용기(1)의 표면 온도가 상승하였다. 약 10분후에는, 수소 발생속도 및 용기(1)의 표면 온도는 일정해지고, 약 150 ml/min의 일정한 수소 발생속도로 수소가 발생하였다. 본 실시예의 수소 제조장치에서는, 150분까지에서 수소가 20000 ml 발생하고, 수소 발생물질인 알루미늄 미립자의 반응율은 70% 이었다. 여기서, 알루미늄 미립자의 반응율이란, 사용한 알루미늄 미립자의 이론 수소 발생량에 대한 실제로 발생한 수소의 양의 비율을 말한다. 또, 150분 동안 소비한 물의 양은 40 g이고, 물의 반응율은 72% 이었다. 여기서 물의 반응율이란, 실제로 사용한 물의 양에 대한 이론적으로 필요한 물의 양의 비율을 말한다. 냉각부(6)에서의 입구의 수소와 물을 함유하는 혼합물의 온도는 약 90℃이었으나, 냉각부(6)의 출구 부근에서는 70℃까지 저하되어 있었다.
(실시예 2)
냉각부(6)를 배치하지 않고, 또한 수소 도출관(1b)이 접속되어 있는 탈착부(3)로부터, 기액 분리부(7)까지를, 실리콘 튜브로 접속한 이외는, 도 1과 동일한 구성의 수소 제조장치를 사용하고, 실시예 1과 동일하게 하여 수소를 제조하였다.
실시예 2의 수소 제조장치에서도, 실시예 1의 장치와 마찬가지로 수소가 발생하였다. 그러나 실시예 2의 장치에서는 냉각부를 설치하고 있지 않기 때문에, 수소와 물과의 혼합물의 온도가 높은 채로, 이 혼합물이 기액 분리부(7)에 유입하였다. 그 때문에 기액 분리부(7)에서의 물의 회수량이 저하하였다. 실시예 2의 수소 제조장치에서는, 150분까지에서 수소가 20000 ml 발생하였으나, 물의 소비량은 50 g 이고, 물의 반응율은 60% 이었다.
(비교예 1)
기액 분리부(7)를 배치하지 않은 이외는, 도 1과 동일한 구성의 수소 제조장치를 사용하고, 실시예 1과 동일하게 하여 수소를 제조하였다.
비교예 1의 수소 제조장치에서도, 실시예 1이나 실시예 2와 마찬가지로 수소가 발생하였다. 그러나 비교예 1의 장치에서는 기액 분리부를 설치하고 있지 않기 때문에, 미반응의 물이 대량으로 수소 도출관(1b)으로부터 배출되었다. 그 때문에 수소가 10200 ml 발생한 시점에서, 물 수용용기(2) 중의 물이 없어졌다. 비교예 1에서는 물의 반응율이 30%로 저하하였다.
(실시예 3)
도 3에 나타낸 수소 제조장치를 사용하여 이하와 같이 수소를 제조하였다. 수소 발생물질 수용용기(1)에는, 내용적 9 ㎤이고 알루미늄제의 각주형상 용기를 사용하였다. 물 공급관(1c) 및 수소 도출관(1b)은, 내경 2 mm, 외경 3 mm의 알루미늄 제의 관을 사용하였다. 기액 분리부(7)는 도 3에 나타내는 바와 같이 구성하 고, 수소 발생물질 수용용기(1)로부터 배출되는 혼합물 중의 수소가, 기액 분리막(7e)을 통하여, 수소 도출관(7c)으로부터 배출되고, 한편, 기액 분리막(7e)으로 분리된 물은 역류방지 밸브(10)를 통하여 물 수용용기(2)에 회수되도록 하였다. 압력 릴리프 밸브(11)에는 개방압 0.1 MPa의 밸브를 사용하였다. 냉각부(6)에는, 내경 1 mm이고 길이 20 cm의 스테인리스강제의 관을, 알루미늄제의 냉각 핀의 한쪽 면에 구불구불한 상태로 접하도록 배치한 것을 사용하였다. 또, 기액 분리막(7e)에는, 면적이 5 ㎠의 폴리테트라플루오로에틸렌의 미다공막(고어텍스사 제품)을 사용하였다.
먼저, 수소 발생물질 수용용기(1)에, 수소 발생물질로서 평균 입자지름 3 ㎛의 알루미늄 분말 4.4 g과, 발열물질로서 산화칼슘 0.7 g을 넣은 후, 용기(1)를 물 공급관(1c) 및 수소 도출관(1b)이 부착된 덮개로 밀폐하였다. 물 수용용기(2)에는 고무제의 풍선을 사용하고, 그 속에 물을 5 g 주입하여 도 3에 나타내는 바와 같이 유량 조정부(9)에 접속하였다. 유량 조정부(9)에는, 내경 0.1 mm의 튜브를, 물의 공급량이 0.16 g/분이 되도록 길이를 조절하여 사용하였다. 또, 물의 토출 압력은 0.05 MPa 이었다.
다음에 물 1 ml를 수소 발생물질 수용용기(1)에 주입한 후, 즉시 물 공급관(1c) 및 수소 도출관(1b)을, 도 3에 나타내는 바와 같이 유량 조정부(9) 및 냉각부(6)에 접속하였다. 그 후, 물 수용용기(2)로부터 수소 발생물질을 수용하는 수소 발생물질 수용용기(1)에, 물을 계속하여 공급하였다.
상기한 조작에 의하여, 수소 발생물질 수용용기(1) 내의 온도가 상승하여 수 소가 발생하였다. 그리고 물 수용용기(2)로부터, 이 용기의 탄력에 의하여 일정량의 물을 계속하여 공급함으로써, 펌프 등의 동력을 사용하는 일 없이 안정되게 수소를 발생시킬 수 있었다.
또, 실시예 3의 수소 제조장치에서는, 기액 분리부(7), 역류방지 밸브(10) 및 냉각부(6)를 설치하여, 수소 발생물질 수용용기(1)로부터 배출된 미반응의 물을 회수하였다. 실시예 3의 수소 제조장치에서의 상기 조작에 의하여 발생한 수소량은 2436 ml이고, 이 때 공급한 물의 총량은 4.4 g 이며, 물의 반응율은 81% 이었다.
또, 도 6은 실시예 3의 수소 제조장치에 대하여, 상기 조작에 의하여 수소를 발생시켰을 때의, 수소 발생속도(도 6에서의 발생속도), 수소 발생물질 수용용기(1)의 표면 온도(도 6에서의 용기 표면 온도) 및 수소 발생물질 수용용기(1)의 내압(도 6에서의 내압)과 경과시간과의 관계를 나타낸다. 도 6으로부터 다음의 것을 알 수 있다. 실시예 3의 수소 제조장치에서는, 물을 공급한 직후부터 수소가 발생하여, 급격하게 수소 발생속도 및 용기(1)의 표면 온도가 상승하였다. 약 5분 후에는, 수소 발생속도 및 용기(1)의 표면 온도는 일정해지고, 그 후 100분 이상 안정되게, 펌프 등의 동력을 필요로 하는 일 없이, 수소가 계속하여 발생되었다. 또, 기액 분리부(7)에 물이 유입하면, 일시적으로 용기(1)의 내압이 상승하였다. 이것은 기액 분리막(7e)에 물이 접함으로써 가스 투과면적이 저하하기 때문에, 용기(1)의 내압이 상승하였다고 생각된다. 물이 수소와 분리되어 기액 분리부(7)로부터 물 수용용기(2)에 회수되어, 기액 분리부(7)에 물이 없어지면 다시 용기(1)의 내압은 저하하였다. 이상의 결과로부터 실시예 3의 수소 제조장치에 의하여, 펌프 등의 동력을 필요로 하지 않고 미반응의 물을 회수할 수 있어, 효율좋게 수소를 발생할 수 있는 것을 알 수 있다.
(비교예 2)
냉각부(6), 기액 분리부(7) 등으로 이루어지는 물 회수부를 배치하지 않고, 물 수용용기(2)에 주입하는 물의 양을 25 g로 한 이외는, 실시예 3과 동일하게 하여 수소를 제조하였다.
상기한 조작에 의하여, 수소 발생물질 수용용기(1) 내의 온도가 상승하여 수소가 발생하였다. 그리고 물 수용용기(2)로부터, 이 용기의 탄력에 의하여 일정량의 물을 계속하여 공급함으로써, 펌프 등의 동력을 사용하는 일 없이 안정되게 수소를 발생시킬 수 있었다. 단, 상기한 조작에 의한 수소 발생량이 3481 ml이고, 이 때 공급한 물의 총량은 20 g 이며, 물의 반응율은 26% 이었다.
비교예 2의 수소 제조장치에서도, 실시예 3과 마찬가지로 수소가 발생하였다. 그러나 비교예 2의 장치에서는 물 회수부를 설치하고 있지 않기 때문, 물의 반응율이 26%로 저하하였다.
(실시예 4)
도 4에 나타내는 구성의 연료전지시스템으로 발전을 행하였다. MEA(101)를, 가스 누출 억제를 위한 시일재(180)와, 양극 집전판(140) 및 음극 집전판(150)으로 끼워 넣어 연료전지(100)를 형성하였다.
MEA(101)의 양극(110) 및 음극(120)에는, 카본 크로스 위에 Pt 담지 카본을 도포한 전극[E-TEK사 제품 "LT140E-W"(상품명), Pt량 : 0.5 mg/㎠]을 사용하였다. 또, 고체 전해질막(130)에는 듀폰사 제품의 "나피온112"(상품명)를 사용하였다. 전극 면적은 10 ㎠로 하였다. 시일재(180)에는 실리콘 고무를 사용하였다. 양극 집전판(140), 음극 집전판(150), 양극 리드선(160) 및 음극 리드선(170)에는 스테인리스강(SUS304)에 금 도금을 실시한 것을 사용하였다.
수소 발생물질 수용용기(1)에는, 내용적 5 ㎤의 폴리프로필렌제의 각주형상의 용기를 사용하였다. 물 공급관(1c), 수소 도출관(1b, 7c)은, 내경 2 mm, 외경 3 mm의 폴리프로필렌제의 파이프를 사용하였다. 수소 발생물질 수용용기(1)에, 수소 발생물질로서 평균 입자지름 3 ㎛의 알루미늄 분말 2.2 g과, 발열물질로서 산화칼슘 0.3 g을 넣었다. 물 수용용기(2)로서 내용적 10 ㎤의 폴리프로필렌제의 각주형상의 용기를 사용하고, 그 속에 물을 7 g 넣었다.
기액 분리부(7)에는 내용적 5 ㎤의 폴리프로필렌제의 각주형상의 용기를 사용하였다. 또, 부생성물의 포집부(12)의 내부에는, 부생성물의 포집재로서 수소 이온형의 이온 교환 수지[롬 & 하스사 제품"언바라이트1006FH"(상품명)]를 0.1 g 넣었다.
펌프(5)에 의하여, 물 수용용기(2) 내의 물을 수소 발생물질 수용용기(1)에 공급하여 수소를 발생시키고, 연료전지(100)의 발전시험을 0.6 V의 정전압으로 2시간 행하였다. 이 발전시험 후, 새롭게 수소 발생물질 및 물을 각 용기에 상기와 동량분만큼 재충전하고, 다시 발전시험을 동일한 조건으로 행하였다. 이 발전시험을 50회 반복하였다.
(실시예 5)
이온 교환 수지"언바라이트1006FH" 대신, 포집재로서 킬레이트수지[롬&하스사 제품 "언바라이트IRC748"(상품명)]를 0.1 g 사용한 이외는, 실시예 4와 동일하게 하여 발전시험을 행하였다.
(실시예 6)
이온 교환 수지"언바라이트1006FH" 대신, 포집재로서 몰레큘러시브 5A(나카라이테스크사 제품)를 0.1 g 사용한 이외는, 실시예 4와 동일하게 하여 발전시험을 행하였다.
(실시예 7)
알루미늄 분말 대신에, 수소 발생물질로서 NaBH4 분말 2.5 g을 사용하고, 물 수용용기(2)에는 물 대신, 1 mol의 염산 7 g을 수용한 이외는, 실시예 4와 동일하게 하여 발전시험을 행하였다.
(실시예 8)
알루미늄 분말 대신, 수소 발생물질로서 NaBH4 분말 2.5 g을 사용하고, 물 수용용기(2)에는 물 대신, 1 mol의 염산 7 g을 수용한 이외는, 실시예 5와 동일하게 하여 발전시험을 행하였다.
(실시예 9)
알루미늄 분말 대신, 수소 발생물질로서 NaBH4 분말 2.5 g을 사용하고, 물 수용용기(2)에는 물 대신, 1 mol의 염산 7 g을 수용한 이외는, 실시예 6과 동일하 게 하여 발전시험을 행하였다.
(참고예 1)
포집부(12)의 내부에 포집재를 넣지 않은 것 이외는, 실시예 4와 동일하게 하여 발전시험을 행하였다.
(참고예 2)
포집부(12)의 내부에 포집재를 넣지 않은 것 이외는, 실시예 7과 동일하게 하여 발전시험을 행하였다.
(비교예 3)
수소 제조장치(200)에 기액 분리부(7)를 설치하지 않은 것 이외는, 실시예 4와 동일하게 하여 발전시험을 행하였다.
(비교예 4)
수소 제조장치(200)에 기액 분리부(7)를 설치하지 않은 것 이외는, 실시예 7과 동일하게 하여 발전시험을 행하였다.
상기한 실시예 4 내지 실시예 9, 참고예 1, 2 및 비교예 3, 4에 대하여, 10회째의 발전시험 및 50회째의 발전시험의 결과 얻어진 연료전지의 출력을, 1회째의 발전시험시의 출력으로 나누어 백분률로 표시한 것을, 10회 발전후의 연료전지 출력 유지율 및 50회 발전 후의 연료전지 출력 유지율로서 평가하였다. 그 결과를 표 1에 나타낸다.
연료전지 출력 유지율(%)
10회 발전 후 50회 발전후
실시예 4 99 98
실시예 5 98 98
실시예 6 98 97
실시예 7 99 97
실시예 8 98 97
실시예 9 98 98
참고예 1 82 60
참고예 2 80 62
비교예 3 98 45
비교예 4 97 48
실시예 4 내지 실시예 9에서는, 50회 발전 후의 연료전지 출력 유지율이 어느 것이나 97% 이상이고, 기액 분리부(7) 및 포집부(12)를 설치함으로써 연료전지의 열화를 장기에 걸쳐 억제할 수 있었다. 한편, 참고예 1 및 참고예 2의 시스템에서는, 10회 발전 후에서의 연료전지 출력 유지율이 82% 및 80%, 50회 발전 후에서의 연료전지 출력 유지율이 60% 및 62%로, 연속적으로 저하되어 있었다. 참고예 1 및 참고예 2에서는, 수소 발생 반응에 따라 생성하는 부생성물 중, 응축된 물방울 중에 함유되는 것만이 기액 분리부(7)에서 분리되어 있고, 수증기 내에 함유되는 부생성물은, 수소와 함께 연료전지에 보내졌기 때문에, 연료전지 내에 함유되는 프로톤 교환수지 및 프로톤 교환막 내의 프로톤의 치환, 촉매상으로의 흡착, 전극 내에서의 석출 등이 일어나, 이온 전도성의 저하, 촉매능의 저하, 가스의 확산 성능의 저하 등이 야기되었기 때문이라고 생각된다.
또, 비교예 3 및 비교예 4에서는, 10회 발전 후에서의 연료전지 출력 유지율은, 98% 및 97%로 높게 유지되어 있었다. 그러나, 50회 발전 후에서의 연료전지 출력 유지율은 45% 및 48%로 크게 저하되어 있었다. 비교예 3 및 비교예 4에서는, 기액 분리부(7)를 구비하고 있지 않기 때문에, 포집부(12)에서 대량의 부생성물을 포집하지 않으면 안되고, 10회 발전까지는 부생성물의 포집·제거가 충분히 달성되어 있었으나, 발전회수를 거듭함에 따라 제거할 수 없게 되어, 연료전지 내에 침입한 부생성물이, 연료전지의 열화를 야기하였기 때문이라고 생각된다.
본 발명은 그 취지를 일탈하지 않는 범위에서, 상기 이외의 형태로도 실시가 가능하다. 본 출원에 개시된 실시형태는 일례로서, 이들에 한정은 되지 않는다. 본 발명의 범위는, 상기한 명세서의 기재보다도, 첨부되어 있는 청구범위의 기재를 우선하여 해석되고, 청구의 범위와 균등한 범위 내에서의 모든 변경은, 청구의 범위에 함유되는 것이다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 수소 제조장치는, 간편하고 또한 효율좋게 수소를 제조할 수 있고, 연료전지용 연료원으로서, 특히 소형 휴대 기기용 연료전지 등에 폭넓게 이용 가능하다.

Claims (20)

  1. 수소 발생물질을 수용하기 위한 수소 발생물질 수용용기와,
    물을 수용하기 위한 물 수용용기와,
    상기 물 수용용기로부터 상기 수소 발생물질 수용용기에 물을 공급하기 위한 물 공급부와,
    상기 수소 발생물질 수용용기로부터 수소를 도출하기 위한 수소 도출부와,
    상기 수소 발생물질 수용용기로부터 배출된 수소와 물을 함유하는 혼합물로부터 물을 분리하기 위한 기액 분리부와,
    상기 기액 분리부에서 분리된 물을 상기 물 수용용기에 회수하기 위한 물 회수부를 함유하는 것을 특징으로 하는 수소 제조장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 수소 발생물질 수용용기로부터 배출된 수소와 물을 함유하는 혼합물이 상기 기액 분리부에 들어 가기 전에, 상기 혼합물을 냉각하기 위한 냉각부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 제조장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 기액 분리부는, 연직방향에 대하여, 상기 물 수용용기보다 높은 위치에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 수소 제조장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 수소 발생물질 수용용기 및 상기 물 수용용기로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 한쪽은, 상기 수소 제조장치에 탈착 가능하게 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 수소 제조장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 수소 발생물질 수용용기의 바깥 둘레의 적어도 일부에, 보온재가 더 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 수소 제조장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 수소 발생물질 수용용기와 상기 물 수용용기는, 보온재를 거쳐 인접하고 있는 것을 특징으로 하는 수소 제조장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 수소 발생물질 수용용기와 상기 물 수용용기는, 일체화되어 있는 것을 특징으로 하는 수소 제조장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 수소 발생물질 수용용기 및 상기 물 수용용기는, 수소 발생물질과 물과 의 반응에 따라 변형 가능한 것을 특징으로 하는 수소 제조장치.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 수소 발생물질 수용용기는, 수소 발생물질을 수용하고,
    상기 수소 발생물질은, 알루미늄, 규소, 아연, 마그네슘, 및 이들 1종 이상의 금속원소를 주체로 하는 합금으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종의 금속인 것을 특징으로 하는 수소 제조장치.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 수소 발생물질 수용용기는, 수소 발생물질과, 상온에서 물과 발열반응하는 발열물질을 수용하고,
    상기 수소 발생물질은, 알루미늄, 규소, 아연, 마그네슘 및 이들 1종 이상의 금속원소를 주체로 하는 합금으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종의 금속인 것을 특징으로 하는 수소 제조장치.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 발열물질은, 상기 수소 발생물질 수용용기 내에서, 편재하여 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 수소 제조장치.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 수소 발생물질 수용용기는, 수소 발생물질과, 상온에서 물과 발열 반응하는 발열물질을 수용하고,
    상기 수소 발생물질은, 알루미늄, 규소, 아연, 마그네숨 및 이들 1종 이상의 금속원소를 주체로 하는 합금으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종의 금속이고,
    상기 발열물질은, 상기 물 공급부의 근방에, 편재하여 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 수소 제조장치.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 수소 발생물질 수용용기는, 수소 발생물질을 수용하고,
    상기 수소 발생물질은, 금속 수소화물인 것을 특징으로 하는 수소 제조장치.
  14. 제 1항에 있어서,
    상기 수소 발생물질과 상기 물과의 반응에 의하여 생성되는 부생성물을 포집하기 위한 포집부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 제조장치.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 포집부는, 이온 교환 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 제조장치.
  16. 제 14항에 있어서,
    상기 포집부는, 킬레이트수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 제조장치.
  17. 제 14항에 있어서,
    상기 포집부는, 몰레큘러시브, 제올라이트, 실리카겔, 활성탄, 알루미나 및 흡수성 고분자로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종의 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 제조장치.
  18. 제 1항에 기재된 수소 제조장치와, 연료전지를 구비한 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  19. 제 14항에 기재된 수소 제조장치와, 연료전지를 구비한 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  20. 제 19항에 있어서,
    상기 연료전지는, 고체 고분자형 연료전지인 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
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