JP5103166B2 - Hydrogen generator and hydrogen generation method - Google Patents
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Description
本発明は、水分等の反応液を水素発生剤に供給することで、水素ガスを発生させる水素発生装置及び水素発生方法に関し、特に燃料電池に水素を供給するための技術として有用である。 The present invention relates to a hydrogen generation apparatus and a hydrogen generation method for generating hydrogen gas by supplying a reaction liquid such as moisture to a hydrogen generating agent, and is particularly useful as a technique for supplying hydrogen to a fuel cell.
従来、水を供給して水素ガスを発生させる水素発生剤としては、鉄、アルミニウム等の金属を主成分とするものや、水素化マグネシウムや水素化カルシウム等の水素化金属を主成分とするものが知られている(例えば、特許文献1参照)。なかでも、水素化カルシウムを主成分とする水素発生剤を用いる場合、水分との反応速度が急峻であるため、水分を液体(水)で供給すると水素ガスが初期に爆発的に発生するという問題があった。 Conventionally, as a hydrogen generating agent for supplying hydrogen to generate hydrogen gas, a main component is a metal such as iron or aluminum, or a main component is a metal hydride such as magnesium hydride or calcium hydride. Is known (see, for example, Patent Document 1). In particular, when a hydrogen generator containing calcium hydride as a main component is used, the reaction rate with moisture is steep, and therefore, when moisture is supplied in liquid (water), hydrogen gas is explosively generated at an early stage. was there.
例えば1gの水素化カルシウムと水とを完全に反応させると、1.16L(理論量)の水素ガスが発生し、0.85g(理論量)の水が必要になり、1L/hの水発生速度の場合、1mL/h(0.28μL/秒)程度で水を供給する必要がある。しかし、シリンジポンプ等を用いて、このような微量の流量で水を供給しようとしても、供給量の制御が精密に行えないため流量が不均一になり、また、液滴の大きさの影響を受けるなど、特に水が最初に供給される際に供給量が多くなる。これが水素化カルシウムと急激に反応し、水素ガスが初期に爆発的に発生していた。 For example, when 1 g of calcium hydride and water are completely reacted, 1.16 L (theoretical amount) of hydrogen gas is generated, 0.85 g (theoretical amount) of water is required, and 1 L / h of water is generated. In the case of speed, it is necessary to supply water at about 1 mL / h (0.28 μL / second). However, even if it is attempted to supply water at such a small flow rate using a syringe pump, the flow rate becomes uneven because the supply amount cannot be precisely controlled, and the influence of the size of the droplets is also affected. The amount of supply increases, especially when water is first supplied. This reacted rapidly with calcium hydride, and hydrogen gas was generated explosively at an early stage.
そこで、特許文献2〜3には、水素化カルシウムと水分との反応速度を適度にコントロールする目的で、発生した水蒸気を疎水性の多孔体を介して水素化カルシウムに供給する水素発生方法が開示されている。その際、水蒸気の発生量や供給量は、疎水性多孔体の面積、空孔率などにより制御されているが、水蒸気の発生自体は、自然な蒸発により行っている。
Thus,
しかしながら、水蒸気を供給する方法では、水素化カルシウムとの反応をマイルドにできるものの、水蒸気の発生量を変化させたり、供給量を変化させ又は停止するのが困難であり、実用的な方法とは言えなかった。また、加熱等により水蒸気の発生量を変化させる場合でも、水素発生量の応答性が悪く、また必要なエネルギーも大きくなるという問題があった。 However, in the method of supplying water vapor, although the reaction with calcium hydride can be mild, it is difficult to change the amount of water vapor generated, or to change or stop the supply amount. I could not say it. Further, even when the amount of water vapor generated is changed by heating or the like, there is a problem that the response of the amount of hydrogen generated is poor and the required energy increases.
そこで、本発明の目的は、高反応性の水素発生剤を使用する場合でも、反応液との反応を反応開始時から精密に制御でき、反応液の供給量を容易に変化又は停止させることができる水素発生装置、及び水素発生方法を提供することにある。 Therefore, even when a highly reactive hydrogen generator is used, the object of the present invention is to precisely control the reaction with the reaction solution from the start of the reaction, and to easily change or stop the supply amount of the reaction solution. An object of the present invention is to provide a hydrogen generation apparatus and a hydrogen generation method.
本発明者らは、微量な水分供給の方法について鋭意研究したところ、少なくとも初期における1回分の反応液の吐出量が10μL以下となるように、反応液を反応容器内に間歇的に吐出することで、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。 As a result of intensive research on the method of supplying a small amount of water, the inventors of the present invention intermittently discharge the reaction solution into the reaction vessel so that the discharge amount of the reaction solution for one time at least in the initial stage is 10 μL or less. Thus, the inventors have found that the above object can be achieved and have completed the present invention.
即ち、本発明の水素発生装置は、反応液が収容される液体収容容器と、水素発生剤を収容する反応容器と、前記液体収容容器内の反応液を前記反応容器へ供給する反応液供給機構と、を備える水素発生装置において、前記反応液供給機構は、少なくとも初期における1回分の反応液の吐出量が10μL以下となるように、反応液を反応容器内に間歇的に吐出することを特徴とする。 That is, the hydrogen generator of the present invention includes a liquid container that contains a reaction liquid, a reaction container that contains a hydrogen generating agent, and a reaction liquid supply mechanism that supplies the reaction liquid in the liquid container to the reaction container. The reaction liquid supply mechanism intermittently discharges the reaction liquid into the reaction vessel so that the discharge amount of the reaction liquid for one batch at least in the initial stage is 10 μL or less. And
本発明の水素発生装置によると、1回分の反応液の吐出量が10μL以下という超微量の反応液を反応容器内に間歇的に吐出する反応液供給機構を備えるため、確実に超微量の反応液を吐出して供給でき、連続的に一定速度で供給する場合と比較して、最初に供給される反応液の量が過剰にならず、高反応性の水素発生剤を使用する場合でも、爆発的な水素発生が起りにくい。また、間歇的に吐出する間隔を変えることで、反応液の供給量を容易に変化させることができ、又それを停止させることができる。その結果、高反応性の水素発生剤を使用する場合でも、反応液との反応を反応開始時から精密に制御でき、反応液の供給量を容易に変化又は停止させることができるようになる。 According to the hydrogen generating apparatus of the present invention, since the reaction liquid supply mechanism that intermittently discharges the reaction liquid with a discharge amount of 10 μL or less at one time into the reaction vessel is provided, Compared with the case where the liquid can be discharged and supplied continuously at a constant speed, the amount of the reaction liquid supplied first does not become excessive, and even when a highly reactive hydrogen generator is used, Explosive hydrogen generation hardly occurs. Further, by changing the interval of intermittent discharge, the supply amount of the reaction liquid can be easily changed, and it can be stopped. As a result, even when a highly reactive hydrogen generator is used, the reaction with the reaction liquid can be precisely controlled from the start of the reaction, and the supply amount of the reaction liquid can be easily changed or stopped.
本発明は、特に高反応性の水素発生剤に対して有効であり、高反応性の水素発生剤とは、常温での水との反応性が、水素化マグネシウム以上であるものを指す。このような高反応性の水素発生剤を用いる場合、反応液を1回吐出するごとに反応が素早く行われるため、反応液の供給量の変化に対して、水素発生量の応答性が良好なものとなる。 The present invention is particularly effective for a highly reactive hydrogen generator, and the highly reactive hydrogen generator is one having a reactivity with water at room temperature that is higher than that of magnesium hydride. When such a highly reactive hydrogen generating agent is used, the reaction is quickly performed each time the reaction liquid is discharged, so that the responsiveness of the hydrogen generation amount is good with respect to the change in the supply amount of the reaction liquid. It will be a thing.
本発明において、前記反応液供給機構は、反応液を間歇的に吐出するためのバルブ機構と、前記バルブ機構の開閉を制御するバルブ制御部と、前記バルブ機構の一次側を加圧する加圧機構と、を備え、前記バルブ制御部は、少なくとも初期の開時間が60ミリ秒以内となるように、バルブ機構を間歇的に開閉制御するものであることが好ましい。 In the present invention, the reaction liquid supply mechanism includes a valve mechanism for intermittently discharging the reaction liquid, a valve control unit for controlling opening and closing of the valve mechanism, and a pressure mechanism for pressurizing a primary side of the valve mechanism. It is preferable that the valve control unit intermittently controls the opening and closing of the valve mechanism so that the initial opening time is 60 milliseconds or less.
この構成によると、バルブ制御部がバルブ機構を短時間の開時間にて間歇的に開閉制御することで、一次側を加圧する加圧機構により、微量の反応液を間歇的に吐出することができる。また、この構成によると、バルブ機構の開閉タイミングを変えることで、反応液の供給量を容易に変化又は停止させることができる。 According to this configuration, the valve control unit intermittently controls the opening and closing of the valve mechanism with a short opening time, so that a minute amount of reaction liquid can be intermittently discharged by the pressurizing mechanism that pressurizes the primary side. it can. Further, according to this configuration, the supply amount of the reaction liquid can be easily changed or stopped by changing the opening / closing timing of the valve mechanism.
また、前記液体収容容器は、変形可能な部材により形成されると共に、前記加圧機構は前記変形可能な部材を付勢する付勢手段を備えていることが好ましい。この構成によると、バルブ機構を開いたときに、付勢手段の弾性復元力により液体収容容器が変形して、その容器内の反応液を吐出でき、これにより、簡素な構成で反応液に対して吐出力を付与させることができる。 Moreover, it is preferable that the liquid container is formed of a deformable member, and the pressurizing mechanism includes a biasing unit that biases the deformable member. According to this configuration, when the valve mechanism is opened, the liquid storage container is deformed by the elastic restoring force of the biasing means, and the reaction liquid in the container can be discharged. Thus, a discharge force can be applied.
一方、本発明の水素発生方法は、水素発生剤に、少なくとも初期における1回分の反応液の吐出量が10μL以下となるように、間歇的に反応液を供給することを特徴とする。 On the other hand, the hydrogen generation method of the present invention is characterized in that the reaction solution is intermittently supplied to the hydrogen generating agent so that the discharge amount of the reaction solution at least once in the initial stage is 10 μL or less.
本発明の水素発生方法によると、1回分の反応液の吐出量が10μL以下という超微量の反応液を反応容器内に間歇的に供給するため、確実に超微量の反応液を吐出して供給でき、連続的に一定速度で供給する場合と比較して、最初に供給される反応液の量が過剰にならず、高反応性の水素発生剤を使用する場合でも、爆発的な水素発生が起りにくい。また、間歇的に吐出する間隔を変えることで、反応液の供給量を容易に変化させることができ、又それを停止させることができる。その結果、高反応性の水素発生剤を使用する場合でも、反応液との反応を反応開始時から精密に制御でき、反応液の供給量を容易に変化又は停止させることができるようになる。 According to the hydrogen generation method of the present invention, an extremely small amount of reaction liquid with a discharge amount of 10 μL or less is intermittently supplied into the reaction vessel, so that an extremely small amount of reaction liquid is reliably discharged and supplied. Compared with the case of continuous supply at a constant rate, the amount of the reaction solution supplied at the beginning does not become excessive, and even when a highly reactive hydrogen generator is used, explosive hydrogen generation occurs. Hard to get up. Further, by changing the interval of intermittent discharge, the supply amount of the reaction liquid can be easily changed, and it can be stopped. As a result, even when a highly reactive hydrogen generator is used, the reaction with the reaction liquid can be precisely controlled from the start of the reaction, and the supply amount of the reaction liquid can be easily changed or stopped.
上記において、少なくとも初期の開時間が60ミリ秒以内となるように、バルブ機構を間歇的に開閉制御することで、反応液を供給することが好ましい。この構成によると、バルブ機構の開閉タイミングを変えることで、反応液の供給量を容易に変化又は停止させることができる。 In the above, it is preferable to supply the reaction liquid by intermittently opening and closing the valve mechanism so that at least the initial opening time is within 60 milliseconds. According to this configuration, the supply amount of the reaction liquid can be easily changed or stopped by changing the opening / closing timing of the valve mechanism.
また、前記水素発生剤に吐出される反応液が、ミスト状で吐出されることが好ましい。ミスト状の反応液を水素発生剤に吐出することによって、反応液が局所的に過剰に供給されることなく、水素発生剤と反応液との接触がより確実に行われ、これにより、反応をマイルドに制御しながら、水素発生量の応答性をより向上させることができる。 Moreover, it is preferable that the reaction liquid discharged to the said hydrogen generating agent is discharged in mist form. By discharging the mist-like reaction liquid to the hydrogen generating agent, the reaction between the hydrogen generating agent and the reaction liquid can be performed more reliably without excessive supply of the reaction liquid locally. While controlling mildly, the responsiveness of the hydrogen generation amount can be further improved.
以下、本発明に係る水素発生装置及び水素発生方法の好適な実施形態を、図面を用いて説明する。図1は、水素発生装置とこれを含む燃料電池システムの構成を示す概念図である。 Hereinafter, preferred embodiments of a hydrogen generation apparatus and a hydrogen generation method according to the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a conceptual diagram showing a configuration of a hydrogen generator and a fuel cell system including the hydrogen generator.
<水素発生装置>
本発明の水素発生装置Aは、液体収容容器1、反応容器2、反応液供給機構を備えており、反応液供給機構は、好ましくは、反応液を間歇的に吐出するためのバルブ機構3と、バルブ機構3の開閉を制御するバルブ制御部8と、バルブ機構3の一次側を加圧する加圧機構とを備えている。
<Hydrogen generator>
The hydrogen generator A of the present invention includes a
加圧機構によって生じる液体収容容器1内の反応液の圧力は、反応液の吐出を好適に行う観点から、2〜100KPaが好ましく、10〜50KPaがより好ましい。
The pressure of the reaction liquid in the
液体収容容器1内には反応液としての水が収容される。この水は、水素発生剤と反応して水素ガスを発生させる機能を有する。水以外に、酸やアルカリなどの溶液を使用してもよい。液体収容容器1は、弾性を有する部材(シリコーンゴムなど)により製作されるものであり、縮む方向に弾性復元力を有し、いわゆる風船状に形成されている。このため、液体収容容器1を構成する材料が、バルブ機構3の一次側を加圧する加圧機構として作用する。液体収容容器1内に注入される水の量は、水素発生剤の量に応じて決定されるが、携帯機器に使用する場合、1〜10cc程度である。
Water as a reaction liquid is stored in the
反応容器2内には水素発生剤が収容されている。水素発生剤は、水等の反応液と反応して水素ガスを発生するものであり、本発明は、特に高反応性の水素発生剤に対して有効である。このような高反応性の水素発生剤としては、水素化カルシウム、水素化リチウム、水素化カリウム、水素化ホウ素ナトリウム、水素化ホウ素カリウム、水素化リチウムアルミニウム、水素化アルミニウムナトリウム、又は水素化マグネシウムを含有するものが挙げられる。これらの化合物等は、いずれも水と急激に又は爆発的に反応して水素ガスを発生することが知られており、いずれも水素化マグネシウム以上の水との反応性を示す。
A hydrogen generating agent is accommodated in the
水素発生剤には、上記化合物以外の水素発生剤、触媒、凝集防止剤、結着剤、充填材などのその他の成分を含有してもよい。水素発生剤は、粉末状であってもよく、造粒、またはタブレット化したものであってもよい。反応液は、水素発生剤に対して、直接吐出してもよいが、吸水性の材料を介して、水素発生剤に反応液を供給してもよい。 The hydrogen generating agent may contain other components such as a hydrogen generating agent other than the above compounds, a catalyst, an aggregation inhibitor, a binder, and a filler. The hydrogen generator may be in the form of a powder, granulated or tableted. The reaction solution may be directly discharged to the hydrogen generating agent, but the reaction solution may be supplied to the hydrogen generating agent through a water-absorbing material.
液体収容容器1と反応容器2の間には、液体収容容器1内の反応液を間歇的に吐出するためのバルブ機構3が設けられている。このバルブ機構3は、流路を開閉制御するものであり、流路を開くことで、液体収容容器1内の水が反応容器2内へと吐出される。このとき、本発明のように、開時間が十分短く、バルブ機構3の一次側の圧力が十分高いと、反応液を間歇的に吐出することができる。つまり、一次側の圧力が十分高いと、バルブ機構3の開閉によって、パルス的に反応液に圧力が加わり、配管の先端に液体が溜まっている状態であっても、間歇的な吐出を行うことができる。
Between the
より確実に間歇的な吐出を行うためには、バルブ機構3から反応容器2へと連通する供給路や配管を細くしたり、短くするのが好ましい。具体的には、配管等の内径は0.5〜5.0mmが好ましい。また、配管等の長さは、10〜100mmが好ましい。なお、反応液をミスト状で吐出するためには、例えば配管等の内径を先端で縮小させるなど、先端をノズル状にすればよい。
In order to perform intermittent discharge more surely, it is preferable to narrow or shorten the supply path and piping communicating from the
バルブ機構3としては、微小な開時間による開動作が可能なものが好ましく、例えば小型の電磁バルブが使用できる。その際、水素発生装置の消費電力を抑える観点から、電圧印加時に開動作するものが好ましい。このような電磁バルブの構造としては、例えば、コイル内部に芯材が遊挿され、芯材が弁体として弁座に付勢されており、電圧印加時にコイルに生じる磁場により金属等の芯材が変位して、開弁する機構を有するものが挙げられる。
The
反応容器2において発生した水素ガスは、発電ユニットBに供給される。発電ユニットBは、複数の燃料電池セル4が直列接続されている。燃料電池セル4の具体的な構成としては、例えば、実用新案登録3114148号に開示されている燃料電池セルを用いることができる。この燃料電池セル4は、板状の固体高分子電解質と、その固体高分子電解質を挟むように両側に配置されたカソード側及びアノード側電極板(ガス拡散板)とを備え、これら電極板のさらに外側には、カソード側・アノード側金属板が設けられる。各燃料電池セル4の内部には、水素ガスを流すためのガス流路が形成されており、燃料電池セル4に水素ガスを供給することで電気出力を取り出すことが可能になる。
The hydrogen gas generated in the
昇圧回路5は、発電ユニットBによる出力電圧を所定の電圧になるように昇圧するものであり、DC−DCコンバータなどにより構成される。昇圧の程度については、この燃料電池が使用される機器の要求に応じて決められるものである。安定化回路6は、昇圧回路5により昇圧された電圧を安定した状態にし、電気出力部7を介して機器に給電される。電気出力部7としては、USB端子や携帯電話の充電用端子などに連結できるような端子部が設けられる。
The
バルブ制御部8は、前述のバルブ機構3の開閉制御を行う。開閉制御のタイミングは、設定手段9に基づいて制御される。設定手段9には、例えばバルブ機構3を開く時刻、開時間、次に開くまでの時間間隔などが設定されている。開閉タイミングの設定態様については、種々の態様が考えられ、例えば、次のようなものがあげられる。1つは、予め設定された間隔で開閉制御する方法である。予め設定する場合、バルブ機構を開き動作する間隔(周期)は一定でもよいし可変でもよい。この場合、予め開閉タイミングをプログラム(ソフトウェア)により設定しておくことも可能である。
The
他の方法は、開閉タイミングを動的に設定する方法である。例えば、水素ガスの発生量、水素ガスが供給された燃料電池の出力電圧あるいは出力電流等をモニターしながら、適切な量の水素ガスを発生できるように、リアルタイムに設定する方法である。このように、本発明における設定手段による設定には、種々の変形例が考えられる。 The other method is a method of dynamically setting the opening / closing timing. For example, it is a method of setting in real time so that an appropriate amount of hydrogen gas can be generated while monitoring the generation amount of hydrogen gas, the output voltage or output current of a fuel cell supplied with hydrogen gas, and the like. Thus, various modifications can be considered for the setting by the setting means in the present invention.
本発明では、反応液供給機構によって、少なくとも初期における1回分の反応液の吐出量が10μL以下となるように、反応液を反応容器内に間歇的に吐出する。本発明では、マイルドに反応を制御しつつ、水素発生量の応答性を高める観点から、1回分の反応液の吐出量が5μL以下が好ましく、2μL以下がより好ましい。 In the present invention, the reaction liquid is intermittently discharged into the reaction container by the reaction liquid supply mechanism so that at least the initial discharge amount of the reaction liquid is 10 μL or less. In the present invention, from the viewpoint of enhancing the responsiveness of the hydrogen generation amount while controlling the reaction mildly, the discharge amount of the reaction liquid for one batch is preferably 5 μL or less, and more preferably 2 μL or less.
図示した例では、このような吐出量になるように、バルブ機構3を間歇的に開閉制御する。バルブ機構3の開時間における1回の反応液の吐出量は、バルブ機構3の一次側の圧力やバルブ機構3と反応容器2との間の供給路の性状等により影響を受けるが、バルブ制御部8の開時間により制御することが可能である。その際、マイルドに反応を制御しつつ、水素発生量の応答性を高める観点から、バルブ制御部8は、少なくとも初期の開時間が60ミリ秒以内となるように、バルブ機構3を間歇的に開閉制御することが好ましく、30ミリ秒以内がより好ましく、10ミリ秒以内が更に好ましい。一方、1回の吐出で適度な反応を行う観点から、1ミリ秒以上が好ましく、2ミリ秒以上がより好ましい。
In the illustrated example, the
また、バルブの開閉制御は、間歇的に行なわれるものであり、例えば、0.1〜10秒の間隔で行うのが好ましく、0.5〜5秒の間隔で行うのがより好ましい。また、バルブ機構3を開く間隔は一定で行なってもよいが、例えば、最初は長く、次第に短くなるような可変設定にすることもできる。このようなプログラム制御によって、反応液の排出過程でバルブ機構3の一次側の圧力が徐々に低下する場合でも、単位時間当たりの吐出量をより一定に近づけることが可能になる。バルブ機構3の開時間は可変でもよいが、制御を簡素化するためには、開時間は一定に設定しておくことが好ましい。
The valve opening / closing control is performed intermittently, for example, preferably at intervals of 0.1 to 10 seconds, and more preferably at intervals of 0.5 to 5 seconds. In addition, the
高反応性の水素発生剤に対して、単位時間当たりの吐出量をより一定にして反応液を吐出する場合、一般的に反応の後半において単位時間当たりの水素発生流量が低下する傾向がある。このため、例えば、単位時間当たりの水素発生流量を一定に維持する場合、反応の後半において、バルブ機構3の開時間を短くするか、もしくは開動作するタイミング(周期)を短くするか、又は両者の組合せにより、単位時間当たりの反応液の供給量を増加させることが好ましい。これによって、単位時間当たりの水素発生流量をより一定に維持することができる。
When a reaction liquid is discharged with a more constant discharge rate per unit time for a highly reactive hydrogen generator, the hydrogen generation flow rate per unit time generally tends to decrease in the latter half of the reaction. For this reason, for example, when the hydrogen generation flow rate per unit time is kept constant, in the latter half of the reaction, the opening time of the
なお、設定手段9による開閉タイミングの設定などは、ソフトウェアによる設定でもよいし、ハードウェアによる設定でもよい。 The setting of the opening / closing timing by the setting means 9 may be a setting by software or a setting by hardware.
外部電源10は、複数のボタン電池により構成され、燃料電池の起動時にバルブ機構3を動作させるために用いられる。いったん、発電ユニットBによる発電が開始されると、外部電源10は不要であり、発電ユニットB自身による電気出力を利用して、バルブ機構3の駆動制御を行うことができる。そのために切換部11が設けられており、外部電源10と発電ユニットBによる発電の切換制御をバルブ制御部8により行わせるようにしている。
The
また、バルブ制御部8は、発電ユニットBによる出力電圧値をモニターしており、適切な電圧値になるように、バルブ機構3の制御を行うこともできる。これにより、吐出する水の量を調整して、水素ガスの発生量を制御可能になる。
Further, the
<作用>
以上のように構成された燃料電池の作用について説明する。まず、最初に液体収容容器1内に例えば水を収容する必要がある。水を収容する前は、液体収容容器1は、自身の弾性復元力によりしぼんだ状態である。そこで、注射器12を利用して、水を液体収容容器1の内部に注入する。液体収容容器1は、弾性復元力を有する材料で製作されているが、特に注射器12の針を出し入れしても内部の水が漏れないような材料を部分的に設けておくことで、水漏れを防止することができる。水を入れることで、弾性復元力に抗して液体収容容器1が風船状に膨らむことができる。
<Action>
The operation of the fuel cell configured as described above will be described. First, for example, it is necessary to store, for example, water in the
なお、例えば3ccの水を使用するのであれば、初回の注入時はそれよりも若干多めの3.5ccの水を注入するようにし、2回目以降は3ccの水を注入するようにする。これは、最初は多めに注入することで、材料を降伏点側にシフトさせて材料を伸ばすことで、安定した弾性復元力が得られるからである。すなわち、水を吐出させるときは、使い始めと使い終わりとで、弾性復元力に大きな差が生じないようにすることが好ましい。これにより、安定した状態で水を吐出させることができる。 For example, if 3 cc of water is used, a little more 3.5 cc of water is injected during the first injection, and 3 cc of water is injected after the second injection. This is because a stable elastic restoring force can be obtained by initially injecting a large amount and shifting the material to the yield point side and extending the material. That is, when water is discharged, it is preferable not to cause a large difference in elastic restoring force between the start of use and the end of use. Thereby, water can be discharged in a stable state.
水を液体収容容器1内に注入する方法としては、上記に限定されるものではなく、例えば、バルブ機構3を開状態に設定し、バルブ機構3側から水を液体収容容器1内部に注入するようにしてもよい。
The method for injecting water into the
以上のように水の注入が終わると、燃料電池の使用開始時には、バルブ機構3を開いて水を供給する必要がある。最初は、バルブ機構3を駆動するための電源が必要であるから、外部電源10を利用して、バルブ機構3を駆動し、所定量の水を反応容器3側へ吐出させる。これにより、反応容器3内の化学反応により水素ガスが発生し、発電ユニットBの各燃料電池セル4へと水素ガスが供給される。これにより、電気出力が取り出され、いったん、電気出力が取り出された後は、これを利用してバルブ機構3を駆動できるので、外部電源10は不要になる。以後は、設定手段9による設定にしたがって、バルブ機構3の開閉制御が行なわれ、電気出力が取り出される。
When the injection of water is completed as described above, it is necessary to open the
<水素発生方法>
本発明の水素発生方法は、水素発生剤に、少なくとも初期における1回分の反応液の吐出量が10μL以下となるように、間歇的に反応液を供給する工程を含むことを特徴とする。本発明は、水素発生剤が水素化カルシウム、水素化リチウム、水素化カリウム、水素化ホウ素ナトリウム、水素化ホウ素カリウム、水素化リチウムアルミニウム、水素化アルミニウムナトリウム、又は水素化マグネシウムを含有する場合に特に有効である。本発明の水素発生方法は、前述した本発明の水素発生装置を用いて好適に実施することができる。また、水素発生の条件等についても前述した通りである。
<Hydrogen generation method>
The hydrogen generation method of the present invention is characterized in that it includes a step of intermittently supplying the reaction solution to the hydrogen generating agent so that the discharge amount of the reaction solution at least once in the initial stage is 10 μL or less. The present invention is particularly suitable when the hydrogen generator contains calcium hydride, lithium hydride, potassium hydride, sodium borohydride, potassium borohydride, lithium aluminum hydride, sodium aluminum hydride, or magnesium hydride. It is valid. The hydrogen generation method of the present invention can be preferably carried out using the above-described hydrogen generation apparatus of the present invention. The conditions for hydrogen generation and the like are as described above.
本発明では特に、少なくとも初期の開時間が60ミリ秒以内となるように、バルブ機構を間歇的に開閉制御することで、反応液を供給することが好ましい。また、水素発生剤に吐出される反応液が、ミスト状で吐出されることが好ましい。 In the present invention, it is particularly preferable to supply the reaction liquid by intermittently opening and closing the valve mechanism so that at least the initial opening time is within 60 milliseconds. Moreover, it is preferable that the reaction liquid discharged to a hydrogen generating agent is discharged in mist form.
<別実施形態>
本発明に係る燃料電池が使用される機器については、携帯機器に特に好適ではあるが、これに限定されるものではなく、種々の機器に対して使用することができる。また、燃料電池の使用目的も、機器の主電源として使用しても良いし、機器に使用される二次電池を充電する目的で使用してもよい。また、燃料電池を機器に着脱する場合、直接機器(機器の外部に露出した端子)に装着するのではなく、接続コードを介して機器に接続する構成でもよい。
<Another embodiment>
The device in which the fuel cell according to the present invention is used is particularly suitable for portable devices, but is not limited to this, and can be used for various devices. Further, the use purpose of the fuel cell may be used as a main power source of the device, or may be used for the purpose of charging a secondary battery used in the device. Further, when the fuel cell is attached to or detached from the device, the fuel cell may be connected to the device via a connection cord instead of being directly attached to the device (terminal exposed outside the device).
液体収容容器としては、弾性を有する部材以外のもので構成してもよい。例えば、樹脂製もしくは金属製の容器を用い、内部に収容される水に対してバネやその他の手段により外力を作用させる構造を用いてもよい。図2はその構成例を示す図であり、押圧板13を介してコイルスプリング14により水に押圧力を付与している。
As a liquid container, you may comprise by things other than the member which has elasticity. For example, a resin or metal container may be used, and a structure in which an external force is applied to water contained therein by a spring or other means may be used. FIG. 2 is a diagram showing an example of the configuration, and a pressing force is applied to water by a
図3は、水を反応容器2へ吐出する場合の別実施形態を示す図である。この構成例では、中間容器15を備えており、ピストン16を作用することで、中間容器15内の水を反応容器2側へ吐出するようにしている。すなわち、まず、中間容器15に決まった量の水を収容させ、その後、ピストン16を押すことで、定量を反応容器2へ吐出するようにしている。これにより、精度よく定量の水を吐出させることができる。
FIG. 3 is a diagram showing another embodiment when water is discharged into the
図4は、水を反応容器2へ吐出する場合のさらに別の実施形態を示す図である。液体収容容器1は、変形可能な部材(例えば、天然ゴム、シリコンゴム等のゴム素材)により形成されている。液体収容容器1は、押圧プレート19と支持プレート20とスプリング18(付勢手段に相当)により、水に対する吐出力が付与されている。スプリング18は、押圧プレート19を図の下方向に付勢している。図4(a)は初期状態を示し(b)は水を半分程度排出した後の状態を示している。水を吐出していくたびに、押圧プレート19は徐々に下方向に下がっていく。
FIG. 4 is a view showing still another embodiment when water is discharged into the
図5は、図4に示す構成において、時間の経過と水の排出量の関係を示す。なお、バルブ機構3の開時間は一定であると仮定する。このような関係から、バルブ機構3をON(開にする)間隔は、時間の経過と共に短くすることが好ましい。
FIG. 5 shows the relationship between the passage of time and the amount of water discharged in the configuration shown in FIG. It is assumed that the opening time of the
図6は、水を反応容器2へ吐出する場合のさらに別の実施形態を示す図である。液体収容容器1は、側壁がジャバラ状に形成されており、可とう性材料を使用しているため、ジャバラの伸縮により容器体積を容易に変えることが可能である。可とう性材料としては、ポリオレフィン、ポリウレタン等の樹脂、天然ゴム、シリコンゴム等のゴム素材などを使用することができる。また、ジャバラを設けずに袋状の可とう性材料を使用してもよく、その場合、ジャバラ部分を有しないため、より体積効率を高めることができる。
FIG. 6 is a view showing still another embodiment when water is discharged into the
液体収容容器1の出口1aには、ゴム栓22が設けられ、針状のパイプ23を挿入することにより、液体収容容器1からバルブ機構3に水を供給することが可能になる。ゴム栓22を構成する材料としては、天然ゴム、シリコンゴム等のゴム素材などを使用することができる。
A
液体収容容器1は、押圧プレート19と外容器21の上面21aとスプリング18(付勢手段に相当)により、水に対する吐出力が付与されている。スプリング18は、押圧プレート19を図の下方向に付勢している。押圧プレート19は、その側壁が外容器21の側壁21bに対して摺動可能(低摩擦)であり、両者に遊びがあるため上下に抵抗無く移動することが可能である。図6は初期状態を示している。水を吐出していくたびに、押圧プレート19は徐々に下方向に下がっていく。
The
本実施形態において、設定手段9による開閉タイミングの設定は予め設定された内容に従って行なわれているが、本発明はこれに限定されるものではない。出力電圧値(電流値でもよい)を常時モニターし、適切な出力が得られるように、バルブ機構3を動的に(リアルタイムに)制御してもよい。この場合は、バルブ機構3を開く周期が長くなったり短くなったりすることがありうる。
In the present embodiment, the setting of the opening / closing timing by the setting means 9 is performed according to preset contents, but the present invention is not limited to this. The
以下、本発明の構成と効果を具体的に示す実施例等について説明する。なお、実施例等における評価項目は下記のようにして測定を行った。 Examples and the like specifically showing the configuration and effects of the present invention will be described below. In addition, the evaluation item in an Example etc. measured as follows.
(1)水素発生流量
発生した水素ガスをシリカゲル乾燥器を経由させて乾燥させた後、水素ガスの瞬時流量と水素発生総量をマスフローメータ(KOT−LOC製)で測定した。
(1) Hydrogen generation flow rate After the generated hydrogen gas was dried through a silica gel dryer, the instantaneous flow rate of hydrogen gas and the total amount of hydrogen generation were measured with a mass flow meter (manufactured by KOT-LOC).
(2)吐出量
実施例に使用した装置及び条件で、水の吐出試験を行い、吐出された水を受器で受けてその質量を10分毎に計量して、吐出総量と1回の吐出量を算出した。
(2) Discharge amount The water discharge test is performed with the equipment and conditions used in the examples, the discharged water is received by a receiver, the mass is measured every 10 minutes, and the total discharge amount and one discharge The amount was calculated.
実施例1
反応液の供給には、図6に示す装置を使用した。液体収容容器1の空状態での体積は、2.5ccであり、この中に2.0ccの水をセットした。また、液体収容容器1内の初期の水の圧力が30KPaとなるように、スプリング18の付勢力を設定した。一方、容器底部に水素ガスの排出口を有する反応容器2(内寸21mm×21mm×8mm)の内部に、綿状のシート(厚み0.5mm)を配置し、その上部に水素化カルシウム(和光純薬社製、粒径2mm以下)1.2gを入れ、更にその上部に前記と同じ綿状のシートを配置して、バルブ機構3からのパイプが水素化カルシウムの上面に向くように接続した。
Example 1
The apparatus shown in FIG. 6 was used for supplying the reaction solution. The volume of the
この装置を使用して、開閉タイミングを2秒毎間隔で開時間6ミリ秒に固定して設定し、バルブ機構3の開閉制御を行い、バルブ開閉数と水の吐出総量との関係を、予め調べた。その結果を図7に示す。その図が示すように、吐出総量の増加に伴ってスプリング18の付勢力が低下するため、吐出総量の増加速度(即ち、1回の吐出量)が小さくなっている。なお、この吐出試験における1回の吐出量は初期で6μLであった。
Using this device, the opening / closing timing is set to be fixed at an opening time of 6 milliseconds at intervals of 2 seconds, the opening / closing control of the
次に、このような1回の吐出量の変化が生じても、単位時間当たりの吐出量が一定(1.0cc/時間)になるように、バルブ機構3の開閉タイミングの間隔を徐々に短くするプログラム制御を行うことで、図8に示すような、時間と水の吐出総量の関係(比例関係)が得られるように、バルブ機構3の開閉タイミングを設定した。この設定のプログラム制御における1時間後の開閉タイミングは、2秒毎の間隔であった。
Next, even if such a single change in the discharge amount occurs, the opening / closing timing interval of the
この設定で、水を反応容器内の水素化カルシウムに供給して、室温下で水素ガスを発生させた。水素発生剤に吐出される反応液は、ミスト状になっていた。その際の水素ガスの瞬時流量と水素発生総量との経時変化を図9に示す。図9から明らかなように、反応開始から40分までは、水素ガスの瞬時流量が一定であったが、それ以降徐々に低下することが分かった。 With this setting, water was supplied to calcium hydride in the reaction vessel to generate hydrogen gas at room temperature. The reaction liquid discharged to the hydrogen generating agent was mist. FIG. 9 shows changes with time in the instantaneous flow rate of hydrogen gas and the total amount of hydrogen generation at that time. As is clear from FIG. 9, it was found that the instantaneous flow rate of hydrogen gas was constant from the start of the reaction to 40 minutes, but gradually decreased thereafter.
実施例2
実施例1における反応開始から40分以後の水素発生速度の低下を少なくする目的で、反応の前半と比べて、反応の後半では単位時間当たりの水の吐出量が多くなるように、開閉タイミングのプログラムを変更した。具体的には、図10に示すように、反応開始から30分までは吐出量を1.0cc/時間とし、30分以降は吐出量を1.1cc/時間となるように、開閉タイミング(開時間6ミリ秒に固定)をプログラムした。この設定のプログラム制御における1時間後の開閉タイミングは、1.5秒毎の間隔であった。
Example 2
In order to reduce the decrease in the hydrogen generation rate after 40 minutes from the start of the reaction in Example 1, the opening / closing timing is set so that the amount of water discharged per unit time is larger in the second half of the reaction than in the first half of the reaction. The program was changed. Specifically, as shown in FIG. 10, the opening / closing timing (opening) is such that the discharge rate is 1.0 cc / hour for 30 minutes from the start of the reaction and the discharge rate is 1.1 cc / hour after 30 minutes. Time fixed at 6 milliseconds). The opening / closing timing after 1 hour in the program control of this setting was an interval of 1.5 seconds.
この設定でプログラム制御を行って、水を反応容器内の水素化カルシウムに供給して、室温下で水素ガスを発生させた。水素発生剤に吐出される反応液は、ミスト状になっていた。その際の水素ガスの瞬時流量と水素発生総量との経時変化を図11に示す。図11から明らかなように、反応開始から40分以降も、水素ガスの瞬時流量が一定でとなった。 Program control was performed with this setting, and water was supplied to calcium hydride in the reaction vessel to generate hydrogen gas at room temperature. The reaction liquid discharged to the hydrogen generating agent was mist. FIG. 11 shows changes with time in the instantaneous flow rate of hydrogen gas and the total amount of hydrogen generation at that time. As is apparent from FIG. 11, the instantaneous flow rate of hydrogen gas was constant after 40 minutes from the start of the reaction.
実施例3
実施例1において、水素化カルシウムの代わりに、水素化リチウム(和光純薬社製、粒径2mm以下)を0.6g用いたこと以外は、実施例1と同様にして、水素ガスを発生させた。その結果、実施例1と同様に、反応開始から60分までは、水素ガスの瞬時流量がほぼ一定(平均値に対し5%以内)であった。
Example 3
In Example 1, hydrogen gas was generated in the same manner as in Example 1 except that 0.6 g of lithium hydride (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., particle size of 2 mm or less) was used instead of calcium hydride. It was. As a result, as in Example 1, the instantaneous flow rate of hydrogen gas was substantially constant (within 5% of the average value) from the start of the reaction to 60 minutes.
比較例1
実施例1において、バルブ機構3の開時間を0.02秒とし(1回の吐出量は初期で20μL)、開閉タイミングの間隔を長くすることで、単位時間当たりの吐出量を同じ(1.0cc/時間で一定)に設定したこと以外は、実施例1と同様にして、水素ガスを発生させた。その結果、水素ガスの瞬時流量が初期に大きく変化(平均値に対し500%以上)し、実用に耐えないレベルであった。
Comparative Example 1
In the first embodiment, the opening time of the
参考例1
水素発生剤として、水素化ナトリウム(和光純薬社製、TSN0145)、水素化リチウム(和光純薬社製、CEJ7561)、水素化カルシウム(Chemetall社製、46960)を各々0.5g用い、実施例1と同様の反応容器内に入れ、これにシリンジポンプで1.5mL/h(水素化カルシウムに対しては1.3mL/h)の供給速度で水を供給しすることで、水素ガスを発生させた。その際の総水素発生量と水素発生流量の経時変化を図12に示す。
Reference example 1
Examples As the hydrogen generating agent, sodium hydride (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., TSN0145), lithium hydride (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., CEJ7561), and calcium hydride (manufactured by Chemetall Inc., 46960) were each used in an amount of 0.5 g. Hydrogen gas is generated by placing in the same reaction vessel as 1 and supplying water with a syringe pump at a supply rate of 1.5 mL / h (1.3 mL / h for calcium hydride). I let you. FIG. 12 shows changes with time in the total hydrogen generation amount and hydrogen generation flow rate at that time.
この結果から、総水素発生量のグラフから水素化ナトリウムと水素化カルシウムとが高い反応性を示し、また、水素発生流量のグラフから、シリンジポンプによる供給では、反応開始直後に急激に水素ガスが発生することが分かった。 From this result, sodium hydride and calcium hydride show high reactivity from the graph of total hydrogen generation amount, and from the graph of hydrogen generation flow rate, hydrogen gas suddenly appears immediately after the start of the reaction when supplied by a syringe pump. It was found to occur.
A 水素発生装置
B 発電ユニット
1 液体収容容器
2 反応容器
3 バルブ機構
4 燃料電池セル
8 制御部
9 設定手段
10 外部電源
12 注射器
A Hydrogen generator B
Claims (4)
前記水素発生剤は水素化カルシウム、水素化リチウム、又は水素化ナトリウムを含有し、
前記反応液供給機構は、反応液を間歇的に吐出するためのバルブ機構と、前記バルブ機構の開閉を制御するバルブ制御部と、前記バルブ機構の一次側を加圧する加圧機構と、を備え、少なくとも初期における1回分の反応液の吐出量が10μL以下かつ開時間が60ミリ秒以内となるように、バルブ機構を間歇的に開閉制御して反応液を反応容器内に間歇的に吐出することを特徴とする水素発生装置。 In a hydrogen generator comprising: a liquid container that contains a reaction liquid; a reaction container that contains a hydrogen generating agent; and a reaction liquid supply mechanism that supplies the reaction liquid in the liquid container to the reaction container.
The hydrogen generator contains calcium hydride, lithium hydride, or sodium hydride,
The reaction liquid supply mechanism includes a valve mechanism for intermittently discharging the reaction liquid, a valve control unit that controls opening and closing of the valve mechanism, and a pressure mechanism that pressurizes the primary side of the valve mechanism. , the discharge amount of one time of the reaction solution at least initially is as 10μL follows and opening time is within 60 milliseconds, for intermittently discharging the reaction liquid was intermittently controls the opening and closing of the valve mechanism to the reaction vessel A hydrogen generator characterized by that.
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