專利名稱：氫生成設(shè)備及燃料電池系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及例如分解金屬氫化物而生成氫的氫生成設(shè)備以及將利 用氫生成設(shè)備生成的氫作為燃料的燃料電池系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
近年來因能源問題升溫而要求具有更高能量密度、排出物清潔的電源。燃料電池具有這樣的特點它是具有現(xiàn)有電池的數(shù)倍能量密度 的發(fā)電機，能量效率高，另外排出氣體中不包含氮氧化物或硫氧化物， 或包含很少的氮氧化物或硫氧化物。因此，可以說是符合作為下一代 電源設(shè)備要求的、極其有效的設(shè)備。在利用氫和氧的電化學(xué)反應(yīng)而得到電動勢的燃料電池中，作為燃 料，氫是必需的。作為生成氫氣的設(shè)備的一例，公開了這樣的氫生成 設(shè)備，其結(jié)構(gòu)為具有收納金屬氫化物(硼氫化鹽)的反應(yīng)容器和水槽， 通過泵將水槽內(nèi)的水向反應(yīng)容器中的金屬氫化物噴出(例如參照專利 文獻l)?，F(xiàn)有的氫生成設(shè)備因水槽中的水經(jīng)由泵供給到反應(yīng)器中，所以， 反應(yīng)器的容積至少為金屬氫化物(硼氫化鹽)和水的體積的量。另夕卜， 因通過氫生成反應(yīng)而生成巻入氫的氣泡，所以，反應(yīng)器的容積有必要 進一步具有氣泡的體積。因氣泡的體積是硼氫化鹽的兩倍以上，所以 導(dǎo)致氬生成設(shè)備的體積非常大。其結(jié)果，作為手機或數(shù)碼相機等的電 源設(shè)備使用是不現(xiàn)實的。另外，水槽在供給完水后變?yōu)樗揽臻g，作為氫生成設(shè)備的空間存在浪費情況是實情。專利文獻(日本)特開2002 - 137903號公報發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明是鑒于上述情況而作出的，其目的在于提供一種可以利用 小體積生成足夠量的氫的氫生成設(shè)備。另外，本發(fā)明是鑒于上述情況而作出的，其目的在于提供一種燃 料電池系統(tǒng)，該燃料電池系統(tǒng)具有可以利用小體積生成足夠量的氫的 氬生成i殳備。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明第一方面的氫生成設(shè)備，其特征在于，具有反應(yīng)物容器，其收納通過輸送反應(yīng)流體而促進氫的生成的氫生 成反應(yīng)物；流體室，其配置在反應(yīng)物容器內(nèi)、收納反應(yīng)流體且體積可 自由變更；以及可變機構(gòu)，其通過變更流體室的體積變更容積；隨著 流體室內(nèi)的流體向氫生成反應(yīng)物供給，利用可變機構(gòu)減小流體室的體 積并增加反應(yīng)物容器內(nèi)的容積。由此，隨著流體室內(nèi)的流體向氬生成反應(yīng)物供給，可減小流體室 的體積并增加反應(yīng)物容器內(nèi)的容積，可增加利用小空間生成氬的區(qū)域。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明第二方面的氫生成設(shè)備，其特征在于， 具有反應(yīng)物容器，其收納通過輸送反應(yīng)流體而促進氫的生成的氫生 成反應(yīng)物；流體室，其配置在反應(yīng)物容器內(nèi)、收納反應(yīng)流體且體積可 自由變更；加壓機構(gòu)，其加壓流體室；排出機構(gòu)，其以規(guī)定壓力將在 反應(yīng)物容器內(nèi)生成的氫排出；流體供給路徑，其連通流體室及反應(yīng)物 容器并允許反應(yīng)流體流通；以及開閉機構(gòu)，其設(shè)置在流體供給路徑上， 當反應(yīng)物容器的壓力變?yōu)橐?guī)定值以下時打開流體流路的流路；利用加 壓機構(gòu)加壓流體室以維持比打開開閉機構(gòu)的壓力高的壓力，并且，對流體室加壓以對應(yīng)因反應(yīng)流體的供給導(dǎo)致流體室容積的減小而減小流 體室的體積。由此，隨著流體室內(nèi)的流體向氫生成反應(yīng)物供給，利用加壓機構(gòu) 可減小流體室的體積并增加反應(yīng)物容器內(nèi)的容積，并且，利用加壓機 構(gòu)加壓流體室，當變成反應(yīng)物容器的內(nèi)壓為規(guī)定壓力以下的狀態(tài)時打 開開閉機構(gòu)，反應(yīng)流體被輸送到反應(yīng)物容器內(nèi)，反應(yīng)流體被供給到氫 生成反應(yīng)物中而生成氫，生成的氫以規(guī)定壓力從排出機構(gòu)排出。因此，可增加利用小空間生成氫的區(qū)域，可根據(jù)壓力狀態(tài)穩(wěn)定地供給反應(yīng)流 體而生成足夠數(shù)量的氫。并且，本發(fā)明第三方面的氫生成設(shè)備，在第二方面的氫生成設(shè)備 的基礎(chǔ)上，其特征在于，流體室由變形容許部件形成，加壓機構(gòu)是按 壓流體室使流體室的體積減小而增大流體室壓力的按壓機構(gòu)。由此，通過利用按壓機構(gòu)按壓由變形容許部件形成的流體室，可 減小流體室的體積。另外，本發(fā)明第四方面的氫生成設(shè)備，在第三方面的氫生成設(shè)備 的基礎(chǔ)上，其特征在于，流體室的變形容許部件是袋部件，在袋部件 的端部設(shè)置有板材，通過經(jīng)由板材按壓流體室，袋部件變形，流體室 的體積減小。由此，通過按壓板材使袋部件變形，可減小流體室的體積。另外，本發(fā)明第五方面的氫生成設(shè)備，在第三方面的氫生成設(shè)備 的基礎(chǔ)上，其特征在于，流體室的變形容許部件是波紋管部件，在波 紋管部件的端部設(shè)置有板材，通過經(jīng)由板材按壓流體室，波紋管部件 收縮，流體室的體積減小。由此，通過經(jīng)由板材按壓波紋管部件，可使波紋管部件收縮而減 小流體室的體積。另外，本發(fā)明第六方面的氫生成設(shè)備，在第三方面的氫生成設(shè)備 的基礎(chǔ)上，其特征在于，流體室的變形容許部件是端部敞開的缸及裝 備在缸的敞開端側(cè)的活塞板，通過按壓活塞板，缸的容積減小，敞開 體積增加，流體室的體積減小。由此，通過按壓活塞板，減小缸的容積而增加敞開體積，從而可減小流體室的體積o另外，本發(fā)明第七方面的氫生成設(shè)備，在第三方面至第六方面的 任一記栽的氫生成設(shè)備的基礎(chǔ)上，其特征在于，按壓機構(gòu)是壓縮彈簧。由此，可通過利用壓縮彈簧的彈性力以極其簡單的結(jié)構(gòu)來按壓流 體室。另外，本發(fā)明第八方面的氫生成設(shè)備，在第二方面至第七方面的任一記栽的氫生成設(shè)備的基礎(chǔ)上，其特征在于，開閉機構(gòu)是壓力調(diào)整 閥，在反應(yīng)物容器的內(nèi)壓比流體室的內(nèi)壓低規(guī)定值的定壓時，打開閥 體成為容許反應(yīng)流體從流體室側(cè)向反應(yīng)物容器側(cè)流通的狀態(tài)。由此，通過使用根據(jù)規(guī)定的壓力差打開閥體的壓力調(diào)整閥，可按 規(guī)定壓力將反應(yīng)流體輸送到反應(yīng)容器中。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明第九方面的燃料電池系統(tǒng)，其特征在 于，將第一方面至第八方面的任一記載的氫生成設(shè)備的排出機構(gòu)與具 有被供給氫的陽極室的燃料電池的陽極室連接。由此，可構(gòu)成具有氫生成設(shè)備的燃料電池系統(tǒng)，該氫生成設(shè)備隨 著流體室內(nèi)的流體向氫生成反應(yīng)物供給，可減小流體室的體積并增加 反應(yīng)物容器內(nèi)的容積，可增加利用小空間生成氫的區(qū)域。并且，本發(fā)明第十方面記載的燃料電池系統(tǒng)，在第九方面記載的 的燃料電池系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，其特征在于，陽極室和反應(yīng)物容器形成密 閉空間。由此，因生成的氬不向外部漏出，所以可使用生成的所有氬。 本發(fā)明的氫生成設(shè)備可構(gòu)成利用小體積生成足夠量的氫的氫生成 設(shè)備。而且，本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)可構(gòu)成具有氫生成設(shè)備的燃料電池 系統(tǒng)，該氫生成設(shè)備可利用小體積生成足夠量的氫。


圖l是本發(fā)明第一實施例的氫生成設(shè)備的概略結(jié)構(gòu)圖； 圖2是本發(fā)明第二實施例的氫生成設(shè)備的概略結(jié)構(gòu)圖； 圖3是本發(fā)明第三實施例的氫生成設(shè)備的概略結(jié)構(gòu)圖； 圖4是本發(fā)明一個實施例的燃料電池系統(tǒng)的概略結(jié)構(gòu)圖； 圖5是本發(fā)明另一實施例的燃料電池系統(tǒng)的概略結(jié)構(gòu)圖； 圖6是本發(fā)明再一實施例的燃料電池系統(tǒng)的概略結(jié)構(gòu)圖。 附圖標記說明1、 15、 21、 42、 62 氬生成設(shè)備2、45 反應(yīng)腔3、46 工作物質(zhì)4、16、 22、 47 溶液容器5送液管6、17 加重板7壓縮彈簧10、44氫導(dǎo)管11、,48 反應(yīng)溶液12調(diào)節(jié)器13、55、 64 壓力調(diào)整閥23缸24活塞板25缸室30、41、 61 燃料電池系統(tǒng)31、43 燃料電池32、58 陽極腔33、59 燃料電池單元49臨時j^留部50供給管51排出管52、63 止回閥56大氣取入口具體實施方式
圖l表示本發(fā)明第一實施例的氬生成設(shè)備的概略結(jié)構(gòu)，圖2表示 本發(fā)明第二實施例的氫生成設(shè)備的概略結(jié)構(gòu)，圖3表示本發(fā)明第三實 施例的氫生成設(shè)備的概略結(jié)構(gòu)?；趫Dl說明第一實施例。氫生成設(shè)備1具有作為反應(yīng)物容器的反應(yīng)腔2，反應(yīng)腔2內(nèi)貯藏 有作為氫生成反應(yīng)物的工作物質(zhì)3 (例如，硼氫化鈉)。另外，反應(yīng)腔 2內(nèi)部具有作為流體室的溶液容器4，溶液容器4中貯藏有反應(yīng)流體即 反應(yīng)溶液11 (例如，蘋果酸水溶液)。反應(yīng)腔2和溶液容器4通過作 為流體供給路徑的送液管5連接，送液管5經(jīng)由反應(yīng)腔2的外部連接 反應(yīng)腔2和溶液容器4。溶液容器4例如由聚丙烯制(可撓性材料樹脂或橡膠的膜、片 狀材料)的袋部件構(gòu)成，在底部設(shè)置有作為板材的加重板6。在加重 板6和反應(yīng)腔2的底壁之間設(shè)置有作為按壓機構(gòu)的壓縮彈簧7，利用 壓縮彈簧7對加重板6施加作用力。另外，作為溶液容器4，除聚丙 烯之外，也可適用PET、硅酮、硅酮橡膠、丁基橡膠、異戊二烯橡膠 等可撓性材料。因溶液容器4經(jīng)由壓縮彈簧7和加重板6—直被按壓，所以，一 旦變?yōu)榉磻?yīng)溶液11在送液管5中流動的條件，則可將反應(yīng)溶液11從 溶液容器4中擠出。反應(yīng)溶液11 一旦被擠出，則因為經(jīng)由加重板6 按壓溶液容器4，所以，袋部件變形，溶液容器4的體積減小，反應(yīng) 腔2的容積相應(yīng)地增加。反應(yīng)溶液11從送液管5向反應(yīng)腔2輸送，則 反應(yīng)溶液11和工作物質(zhì)3接觸，在容積增加的反應(yīng)腔2內(nèi)進行氫生成 反應(yīng)。作為排出機構(gòu)的氫導(dǎo)管10與反應(yīng)腔2連接，氫導(dǎo)管10上設(shè)置有 調(diào)節(jié)器12 (壓力調(diào)整閥)。利用調(diào)節(jié)器12調(diào)整來自反應(yīng)腔2的氫排出 量。另外，雖然可利用調(diào)節(jié)器12控制氫排出量，但也可使用定壓閥以 一定的氫壓力排出氫。另一方面，在反應(yīng)腔2外部部位的送液管5上設(shè)置有壓力調(diào)整用 的壓力調(diào)整閥13,壓力調(diào)整閥13是調(diào)整反應(yīng)溶液11變?yōu)榱魍ㄈ菰S狀 態(tài)時的壓力的閥。反應(yīng)溶液11變?yōu)榱魍ㄈ菰S狀態(tài)時的輸出壓力是壓力 調(diào)整閥13打開時的壓力(開閥壓力)。反應(yīng)腔2內(nèi)的壓力超過開閥壓 力時關(guān)閉壓力調(diào)整閥13,反應(yīng)腔2內(nèi)的壓力低于開閥壓力時(規(guī)定值 以下)打開壓力調(diào)整閥13。也就是說，壓力調(diào)整閥13是在反應(yīng)腔2的壓力變?yōu)橐?guī)定值以下時 打開送液管5的流路的開閉機構(gòu)。即，構(gòu)成為，溶液容器4的內(nèi)壓被 加壓并維持比打開壓力調(diào)整閥13時的壓力更大的壓力(超過用于打開 壓力調(diào)整閥13的、反應(yīng)腔2的規(guī)定壓力值的壓力)，在反應(yīng)腔2的內(nèi) 壓變?yōu)橐?guī)定值以下的定壓時，壓力調(diào)整閥13在允許反應(yīng)溶液11從溶 液容器4側(cè)向反應(yīng)腔2側(cè)流通的狀態(tài)下打開閥體。壓力調(diào)整閥13例如是定壓閥，包括溶液容器4側(cè)的流路即一次 流路；反應(yīng)腔2側(cè)的流路即二次流路； 一次流路和二次流路之間具有 的閥體；將外部壓力向閥傳送的外壓傳送路徑；將反應(yīng)腔2的內(nèi)壓向 閥體傳送的內(nèi)壓傳送路徑。另外，雖然經(jīng)由反應(yīng)腔2的外部利用送液管5連接反應(yīng)腔2和溶 液容器4,但也可將送液管5配置在反應(yīng)腔2的內(nèi)部。另外，也可在向反應(yīng)腔2內(nèi)部開口的送液管5的噴嘴部設(shè)置止回閥。通過設(shè)置止回 閥，可防止在反應(yīng)腔2生成的氫或巻入氫的氣泡的回流，可減小氫生 成設(shè)備l的使用姿勢的限制。說明上述氫生成設(shè)備l的作用。反應(yīng)溶液11通過送液管5從溶液容器4向反應(yīng)腔2輸送。溶液容 器4被加壓，與此同時，在未生成氫的狀態(tài)下反應(yīng)腔2的內(nèi)壓是打開 壓力調(diào)整閥13狀態(tài)下的低壓，通過送液管5輸送反應(yīng)溶液11。反應(yīng)溶液11 一旦輸送到反應(yīng)腔2中，則反應(yīng)溶液11與工作物質(zhì) 3接觸并進行反應(yīng)，生成氫。 一旦生成氫，則反應(yīng)腔2的內(nèi)壓上升， 超過壓力調(diào)整閥13的開閥壓力(壓力調(diào)整閥13變?yōu)殛P(guān)閉狀態(tài))。因反 應(yīng)腔2的內(nèi)壓上升，壓力調(diào)整閥13變?yōu)殚y關(guān)閉狀態(tài)，來自送液管5 的反應(yīng)溶液11的供給被停止。一旦不供給反應(yīng)溶液ll，則反應(yīng)腔2中的氫生成反應(yīng)的反應(yīng)速度 降低，生成的氫從反應(yīng)腔2的氫導(dǎo)管IO排出。因反應(yīng)腔2的內(nèi)壓降低， 變?yōu)榇蜷_壓力調(diào)整閥13狀態(tài)下的低壓。反應(yīng)溶液11重新從溶液容器 4向反應(yīng)腔2輸送，反應(yīng)溶液11與工作物質(zhì)3接觸而生成氬。在此，為了從溶液容器4輸送反應(yīng)溶液11而使用加壓機構(gòu)。即， 利用壓縮彈簧7對加重板6施加作用力，在溶液容器4的體積減小的 狀態(tài)下，袋部件變形，反應(yīng)溶液ll被加壓，利用加壓力輸送反應(yīng)溶液 11。對反應(yīng)溶液ll經(jīng)常施加這樣的力，即利用溶液容器4的變形(體 積減小)被加壓而從溶液容器4排出，該變形是利用壓縮彈簧7經(jīng)由 加重板6而產(chǎn)生的。其中，壓力對應(yīng)于壓縮彈簧7的位移量而變化。通過具有這樣的壓力調(diào)整閥13，即相對于反應(yīng)溶液11排出速度 的變化，根據(jù)反應(yīng)溶液11的內(nèi)壓降低而打開閥且開閥壓力一定，從而 與溶液容器4的壓力無關(guān)，反應(yīng)溶液ll的排出速度變?yōu)橐欢āＡ硗猓?因壓力調(diào)整閥13根據(jù)反應(yīng)腔2的內(nèi)壓和外壓之間的關(guān)系來進行閥的開 閉，且因外壓(具體地說是大氣壓) 一定，所以，反應(yīng)腔2的內(nèi)壓大 致保持為一定。因此，可不使用動力而利用壓力狀態(tài)將反應(yīng)溶液11穩(wěn)定地供給到反應(yīng)腔2中，并生成氫。另外，通過對加重板6施加作用力，從而可 改變?nèi)芤喝萜?的體積，可對溶液容器4加壓并保持打開壓力調(diào)整閥 13的壓力狀態(tài)。另外，因利用壓縮彈簧7的作用力按壓加重板6，所 以可通過極其簡單的結(jié)構(gòu)來按壓加重板6。并且，隨著溶液容器4的反應(yīng)溶液11向反應(yīng)腔2的工作物質(zhì)3 供給，利用壓縮彈簧7的作用力，加重板6被按壓，溶液容器4的體 積減小，所以，可使反應(yīng)腔2的容積增加該體積減小的量。因此，死 空間消失，可增加利用小空間生成氫的區(qū)域，不會減小氫生成量且可 節(jié)省空間。而且，也可不增加空間而增加氫生成量。因此，在上述氫生成設(shè)備l中，可利用小體積生成足夠量的氫。 在此，說明工作物質(zhì)3和反應(yīng)溶液11的具體例。 工作物質(zhì)3使用硼氫化鈉，反應(yīng)溶液ll使用蘋果酸水溶液。硼氫 化鈉是固體，形態(tài)可為粉末體也可為丸片劑。蘋果酸水溶液的濃度為 5%以上且60%以下，優(yōu)選使用10%以上且40%以下的濃度。通常使 用濃度為25%的蘋果酸水溶液。氫生成反應(yīng)是由硼氫化鈉和蘋果酸水 溶液的水之間進行的以下反應(yīng)。蘋果酸作為反應(yīng)促進劑起作用。 NaBH4+2H20 — NaB02+4H2伴隨著該反應(yīng)促進劑的反應(yīng)極其迅速，在10sec左右可獲得接近 90%的收率。為了生成必需的氫量且盡可能緩慢地反應(yīng)，控制供給到 硼氫化鈉的水量即可。在本實施例中，反應(yīng)溶液11的輸送在反應(yīng)腔2內(nèi)的壓力小于壓力 調(diào)整閥13的開閥壓力時進行。實際上，設(shè)計為抑制反應(yīng)腔2內(nèi)的壓力 變動，使壓力變動小。反應(yīng)腔2內(nèi)的壓力由從反應(yīng)腔2的氫排出速度、 反應(yīng)溶液ll的供給速度、工作物質(zhì)3和反應(yīng)溶液11的反應(yīng)速度、反 應(yīng)腔2的容積來確定。其中，反應(yīng)速度一定，氫排出速度由調(diào)節(jié)器12 的設(shè)定來確定。因反應(yīng)溶液11從送液管5向工作物質(zhì)3滴下而供給， 所以，供給速度依賴于送液管5開口端的液滴形成速度。即，通過規(guī) 定送液管5開氫湘一出速度 15cc/min反應(yīng)腔2的容積 70cc反應(yīng)溶液11的供給速度 0.006cc/min送液管5開口端的內(nèi)徑 0.2mm送'液管的內(nèi)徑 2.0mm壓力調(diào)整閥13的開閥壓力 100kPa (表壓)即，本實施例的溶液容器4的內(nèi)壓利用壓縮彈簧9被加壓，維持 為比100kPa更高，壓力調(diào)整閥13以在反應(yīng)腔2內(nèi)的壓力變?yōu)閘OOkPa 時打開的方式設(shè)定開閥壓力。因此，即便在比大氣壓高的壓力下也沒 有必要高精度地控制加壓機構(gòu)。另外，壓力調(diào)整閥13的開閥壓力只要設(shè)定為反應(yīng)腔2的內(nèi)壓相對 溶液容器4的內(nèi)壓變低的規(guī)定值即可，并不限定于100kPa，例如，可 以設(shè)定為在表壓下將0kPa (大氣壓)作為規(guī)定值等任意值。另外，在打開壓力調(diào)整閥13向反應(yīng)腔2輸送反應(yīng)溶液11時，根 據(jù)生成氬的反應(yīng)速度或機器的狀況壓力產(chǎn)生變動，壓力調(diào)整閥13的開 閥壓力的設(shè)定值即100kPa也理所當然變?yōu)閷⑽赵撟儎拥闹悼紤]進 去的設(shè)計值。因此，可盡可能地將反應(yīng)腔2的壓力維持一定而運轉(zhuǎn)。但是，嚴格地說，為了根據(jù)反應(yīng)溶液ll的供給而減小溶液容器4 的體積并增加反應(yīng)腔2的容積，且為了將反應(yīng)腔2內(nèi)的壓力變動抑制 得更小，優(yōu)選采用微調(diào)整氫排出速度等抑制壓力變動的方法。說明作為工作物質(zhì)3和反應(yīng)溶液11組合的例子。作為工作物質(zhì)3，使用硼氫化鹽、氫化鋁鹽、固體或堿性溶液時， 作為反應(yīng)溶液11，使用濃度為5% ~ 60% (10% ~ 40% )、通常為25% 的有機酸。作為工作物質(zhì)3的鹽，使用鈉、鉀、鋰，作為反應(yīng)溶液ll 的有機酸，使用檸檬酸、蘋果酸、琥珀酸。另外，作為工作物質(zhì)3，使用硼氫化鹽、氫化鋁鹽、固體或堿性 溶液時，作為反應(yīng)溶液ll,使用濃度為1%~20%的金屬氯化物。作 為工作物質(zhì)3的鹽，使用鈉、鉀、鋰，作為反應(yīng)溶液ll的金屬，通常 使用濃度為12%的鎳、鐵、鈷。另外，作為工作物質(zhì)3,使用金屬氯化物(固體或水溶液)時， 作為反應(yīng)溶液ll,使用濃度為1%~20%、通常為12%的硼氫化鹽、 氫化鋁鹽的堿性溶液。作為工作物質(zhì)3的金屬，使用鎳、鐵、鈷，作 為反應(yīng)溶液ll的鹽，使用鈉、鉀、鋰。另外，作為工作物質(zhì)3，使用氧化還原電位比氫低的金屬時，作 為反應(yīng)溶液ll使用酸。作為工作物質(zhì)3的金屬，使用鎂、鋁、鐵，作 為反應(yīng)溶液ll的酸，使用鹽酸、硫酸。另外，作為工作物質(zhì)3，使用兩性金屬時，作為反應(yīng)溶液ll，使 用堿性水溶液。作為工作物質(zhì)3的兩性金屬，使用鋁、鋅、錫、鉛， 作為反應(yīng)溶液ll的堿性水溶液，使用氫氧化鈉?；趫D2說明本發(fā)明的第二實施例。另外，與圖l所示部件相同 的部件標注相同的附圖標記，省略重復(fù)說明。第二實施例的氫生成設(shè)備15在反應(yīng)腔2的內(nèi)部具有替換圖l所示 的溶液容器4、作為流體室的溶液容器16。溶液容器16中貯藏有反應(yīng) 溶液ll(例如，蘋果酸水溶液)。反應(yīng)腔2和溶液容器16通過作為流 體供給路徑的送液管5連接，送液管5經(jīng)由反應(yīng)腔2的外部連接反應(yīng) 腔2和溶液容器16。溶液容器16由作為變形容許部件的波紋管部件形成的波紋管構(gòu) 成，例如由SUS、磷青銅、鈹構(gòu)成。在溶液容器16的底部(波紋管 部件的端部)設(shè)置有作為板材的加重板17，在加重板17和反應(yīng)腔2 的底壁之間設(shè)置有壓縮彈簧7，利用壓縮彈簧7對加重板17施加作用 力。通過經(jīng)由加重板17按壓溶液容器16，波紋管收縮，溶液容器16 的體積減小。因溶液容器16經(jīng)由壓縮彈簧7和加重板17—直被按壓，所以， 一旦變?yōu)榉磻?yīng)溶液11在送液管5中流動的條件，則可將反應(yīng)溶液11 從溶液容器16中擠出。反應(yīng)溶液ll一旦被擠出，則因為經(jīng)由加重板 17溶液容器16被按壓，所以，波紋管收縮，溶液容器16的體積減小， 反應(yīng)腔2的容積相應(yīng)地增加。反應(yīng)溶液11從送液管5向反應(yīng)腔2輸送， 則反應(yīng)溶液11和工作物質(zhì)3接觸，在容積增加的反應(yīng)腔2內(nèi)進行氫生成反應(yīng)。其它結(jié)構(gòu)/動作或反應(yīng)條件、設(shè)計值等與圖l所示的第一實施例相同。因此，可不使用動力而利用壓力狀態(tài)將反應(yīng)溶液11穩(wěn)定地供給到反應(yīng)腔2中，并生成氫。另夕卜，通過對加重板17施加作用力，波紋管 收縮，從而可改變?nèi)芤喝萜?6的體積，可對溶液容器16加壓并保持 打開壓力調(diào)整閥13的壓力狀態(tài)。并且，隨著溶液容器16的反應(yīng)溶液 11向反應(yīng)腔2的工作物質(zhì)3供給，利用壓縮彈簧7的作用力，加重板 17被按壓，波紋管收縮，溶液容器16的體積減小，所以，可使反應(yīng) 腔2的容積增加該體積減小的量。因此，死空間消失，可增加利用小 空間生成氫的區(qū)域，不會減小氫生成量且可節(jié)省空間。另外，也可不 增加空間而增加氫生成量。因此，在上述氫生成^L備15中，可利用小體積生成足夠量的氫。基于圖3說明本發(fā)明的第三實施例。另外，與圖l、圖2所示部 件相同的部件標注相同的附圖標記，省略重復(fù)說明。第三實施例的氫生成設(shè)備21在反應(yīng)腔2的內(nèi)部具有替換圖l所示 的溶液容器4、作為流體室的溶液容器22。溶液容器22中貯藏有反應(yīng) 溶液ll(例如，蘋果酸水溶液)。反應(yīng)腔2和溶液容器22通過作為流 體供給路徑的送液管5連接，送液管5經(jīng)由反應(yīng)腔2的外部連接反應(yīng) 腔2和溶液容器22。溶液容器22包括端部(下端部)敞開的缸23、在缸23的敞開 端側(cè)滑動自如地構(gòu)成的活塞板24 (所謂注射器結(jié)構(gòu))。利用活塞板24 的移動可改變缸室25的容量，在缸室25中貯藏有反應(yīng)溶液ll。在活 塞板24和反應(yīng)腔2的底壁之間設(shè)置有壓縮彈簧7，利用壓縮彈簧7對 活塞板24施加作用力。通過按壓活塞板24變?yōu)檫@樣的狀態(tài)，即，缸 23的缸室25的容積減小，溶液容器22的敞開體積增加，溶液容器22 的體積減小。因溶液容器22的活塞板24經(jīng)由壓縮彈簧7—直被按壓，所以， 一旦變?yōu)榉磻?yīng)溶液11在送液管5中流動的條件，則可將反應(yīng)溶液11從溶液容器22的缸室25中擠出。反應(yīng)溶液11 一旦被擠出，則因為利 用活塞板24缸室25被按壓，所以，缸室25的容積減小，溶液容器 22的體積減小，反應(yīng)腔2的容積相應(yīng)地增加。反應(yīng)溶液11從送液管5 向反應(yīng)腔2輸送，則反應(yīng)溶液11和工作物質(zhì)3接觸，在容積增加的反 應(yīng)腔2內(nèi)進行氫生成反應(yīng)。其它結(jié)構(gòu)/動作或反應(yīng)條件、設(shè)計值等與圖l所示的第一實施例相同。因此，可不使用動力而利用壓力狀態(tài)將反應(yīng)溶液11穩(wěn)定地供給到 反應(yīng)腔2中，并生成氫。另外，對活塞板24施加作用力，可減小缸室 25的容積，從而可改變?nèi)芤喝萜?2的體積，可對溶液容器22加壓并 保持打開壓力調(diào)整閥13的壓力狀態(tài)。并且，隨著溶液容器22的反應(yīng)溶液11向反應(yīng)腔2的工作物質(zhì)3 供給，利用壓縮彈簧7的,作用力，活塞板24被按壓，缸室25的容積 減小而減小溶液容器22的體積，所以，可使反應(yīng)腔2的容積增加該體 積減小的量。因此，死空間消失，可增加利用小空間生成氫的區(qū)域， 不會減小氫生成量且可節(jié)省空間。另外，也可不增加空間而增加氫生 成量。因此，在上述氫生成設(shè)備21中，可利用小體積生成足夠量的氫?；趫D4說明本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)。圖4表示本發(fā)明一個實施例的燃料電池系統(tǒng)的概略結(jié)構(gòu)。圖4所示的燃料電池系統(tǒng)30是將圖l所示的氫生成設(shè)備l與燃料 電池31連接的系統(tǒng)。即，燃料電池31具有陽極腔32,陽極腔32構(gòu) 成與燃料電池單元33的陽極室相接的空間。陽極室是臨時保存在陽極 消耗的氫的空間。陽極腔32和反應(yīng)腔2由氫導(dǎo)管IO連接，在反應(yīng)腔2生成的氫被 供給到陽極腔32的陽極室中。供給到陽極室的氫在陽極的燃料電池反 應(yīng)中被消耗。陽極的氫消耗量對應(yīng)于燃料電池31的輸出電流來確定。另外，因沒有必要設(shè)置圖1所示的、氫導(dǎo)管10上具有的調(diào)節(jié)器 12,所以沒有安裝。另外，也可替換氫生成設(shè)備l而適用圖2所示的氫生成設(shè)備15或圖3所示的氬生成設(shè)備21。
上述燃料電池系統(tǒng)30可構(gòu)成具有氫生成設(shè)備1的燃料電池系統(tǒng)
30，該氫生成設(shè)備1可利用小體積生成足夠量的氫。
基于圖5說明本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的其它實施例。
圖5表示本發(fā)明其它實施例的燃料電池系統(tǒng)的概略結(jié)構(gòu)。
如圖所示，燃料電池系統(tǒng)41包括氫生成設(shè)備42和燃料電池43，
氫生成設(shè)備42和燃料電池43由氫導(dǎo)管44連接。 說明氫生成i殳備42。
氬生成設(shè)備42具有作為反應(yīng)物容器的反應(yīng)腔45，反應(yīng)腔45內(nèi)貯 藏有作為氫生成反應(yīng)物的工作物質(zhì)46(例如，硼氫化鈉)。另外，反 應(yīng)腔45內(nèi)部具有作為流體室的溶液容器47，溶液容器47中貯藏有反 應(yīng)流體即反應(yīng)溶液48 (例如，蘋果酸水溶液)。
反應(yīng)腔45的外部設(shè)置有臨時Ji&留部49，溶液容器47和臨時貯留 部49經(jīng)由供給管50連接。供給管50上設(shè)置有壓力調(diào)整閥55，當來 自供給管50側(cè)的壓力達到規(guī)定壓力以上時，壓力調(diào)整閥55打開，反 應(yīng)溶液48向臨時貯留部49輸送。另外，圖中的附圖標記56為取入用 于壓力調(diào)整閥55開閉動作的大氣的大氣取入口。
另外，臨時貯留部49上連接有向反應(yīng)腔45內(nèi)開口的排出管51, 排出管51上設(shè)置有止回閥52。利用止回閥52，來自臨時貯留部49 側(cè)的反應(yīng)溶液48可在排出管51內(nèi)流通，而防止來自反應(yīng)腔45側(cè)的反 應(yīng)溶液48的回流。反應(yīng)溶液48 —旦從排出管51輸送到反應(yīng)腔45中， 則反應(yīng)溶液48與工作物質(zhì)46接觸，從而在反應(yīng)腔45內(nèi)進行氫生成反 應(yīng)。
溶液容器47為可撓性膜(例如聚丙烯)的袋狀部件的容器，反應(yīng) 溶液48被輸送到臨時J^留部49中，并且，利用在反應(yīng)腔45內(nèi)生成的 氫，溶液容器47被加壓(可變機構(gòu))，溶液容器47的體積減小。即， 隨著反應(yīng)溶液48從溶液麥器47向反應(yīng)腔45供給，溶液容器47的體 積減小，反應(yīng)腔45的容積相應(yīng)地增加。
說明燃料電池43。燃料電池43具有陽極腔58，陽極腔58構(gòu)成與燃料電池單元59 的陽極室相接的空間。陽極室是臨時保存在陽極消耗的氫的空間。陽 極腔58和反應(yīng)腔45由氫導(dǎo)管44連接，在反應(yīng)腔45生成的氫被供給 到陽極腔58的陽極室中。供給到陽極室的氬在陽極的燃料電池反應(yīng)中 被消耗。陽極的氫消耗量對應(yīng)于燃料電池43的輸出電流來確定。
說明上述燃料電池系統(tǒng)41的作用。
燃料電池單元59與負荷連接，則燃料電池系統(tǒng)41內(nèi)部的氫和空 氣中的氧進行燃料電池反應(yīng)而產(chǎn)生電力。因邊消耗氫邊進行發(fā)電，所 以，陽極腔58、氫導(dǎo)管44、反應(yīng)腔45的內(nèi)壓降低。在此，因臨時貯 留部49受到大氣壓，所以， 一旦內(nèi)壓降到比大氣壓低，則在臨時貯留 部49和反應(yīng)腔45之間產(chǎn)生壓力差，貯留在臨時j3i留部49中的反應(yīng)溶 液48 (蘋果酸水溶液)通過排出管51向反應(yīng)腔45流動。
反應(yīng)溶液48—旦流到反應(yīng)腔45中，則與工作物質(zhì)46(硼氫化鈉) 接觸而進行氫生成反應(yīng)。生成的氫通過氫導(dǎo)管44供給到陽極腔58中。 通過進行氫的生成，反應(yīng)腔45、氫導(dǎo)管44、陽極腔58的內(nèi)壓上升到 比大氣壓高，反應(yīng)腔45的內(nèi)壓變得比臨時貯留部49的內(nèi)壓高。因此， 雖然氫想要在排出管51中回流，但回流通過止回閥52凈皮防止。
另一方面，溶液容器47受反應(yīng)腔45的內(nèi)壓作用而被壓縮，溶液 容器47內(nèi)部貯藏的反應(yīng)溶液48從供給管50流到壓力調(diào)整閥55。壓 力調(diào)整閥55在閥關(guān)閉方向，例如受到10kPa (表壓)的反應(yīng)溶液48 的壓力，反應(yīng)腔45的內(nèi)壓一旦超過10kPa (表壓)，則相比反應(yīng)溶液 48的壓力，閥打開方向的力大，壓力調(diào)整閥55打開，反應(yīng)溶液48向 臨時貯留部49供給。
此后，氫生成速度降低、燃料電池43中的氫消耗速度上升，則陽 極腔58、氫導(dǎo)管44、反應(yīng)腔45的內(nèi)壓開始降低。因在內(nèi)壓比10kPa (表壓)大的期間內(nèi)壓力調(diào)整閥55打開，所以反應(yīng)溶液48從臨時貯 留部49流入到溶液容器47。內(nèi)壓一旦比10kPa (表壓)小，則壓力 調(diào)整閥14關(guān)閉，此時臨時貯留部49的內(nèi)壓為10kPa (表壓)。并且， 一旦反應(yīng)腔45的內(nèi)壓降低，則臨時貯留部49和反應(yīng)腔45之間產(chǎn)生壓力差，止回閥52打開，反應(yīng)溶液48通過排出管51流到反應(yīng)腔45。 由此，反應(yīng)溶液48與工作物質(zhì)46接觸而進行氫生成反應(yīng)，反應(yīng)腔45 的內(nèi)壓重新上升。通過以上的反復(fù)操作來生成氫，向燃料電池43的陽極腔58供給 燃料即氫。并且，隨著反應(yīng)溶液48從溶液容器47向反應(yīng)腔45供給，溶液容 器47的體積減小，反應(yīng)腔45的容積相應(yīng)地增加，因此，死空間消失， 可增加利用小空間生成氫的區(qū)域，不會減小氫生成量且可節(jié)省空間。 另外，也可不增加空間而增加氫生成量。上述燃料電池系統(tǒng)41可構(gòu)成具有氫生成設(shè)備42的燃料電池系統(tǒng) 41，該氫生成設(shè)備42可利用小體積生成足夠量的氫?；趫D6說明本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的其它實施例。圖6表示本發(fā)明其它實施例的燃料電池系統(tǒng)的概略結(jié)構(gòu)。另外， 與圖5所示部件相同的部件標注相同的附圖標記。如圖所示，燃料電池系統(tǒng)61包括氬生成設(shè)備62和燃料電池43， 氫生成設(shè)備62和燃料電池43由氫導(dǎo)管44連接。說明氫生成設(shè)備62。氫生成設(shè)備62具有作為反應(yīng)物容器的反應(yīng)腔45，反應(yīng)腔45內(nèi)貯 藏有作為氫生成反應(yīng)物的工作物質(zhì)46(例如，硼氫化鈉)。另外，反 應(yīng)腔45的內(nèi)部具有作為流體室的溶液容器47，溶液容器47中貯藏有 反應(yīng)流體即反應(yīng)溶液48 (例如，蘋果酸水溶液)。反應(yīng)腔45的外部設(shè)置有臨時貯留部49，溶液容器47和臨時貯留 部49經(jīng)由供給管50連接。供給管50上設(shè)置有止回閥63。利用止回 閥63，來自溶液容器47側(cè)的反應(yīng)溶液48可在供給管50內(nèi)流通，而 防止來自臨時P留部49側(cè)的反應(yīng)溶液48的回流。利用在反應(yīng)腔45 生成的氫，溶液容器47被加壓，當來自供給管50側(cè)的壓力變得比臨 時j^留部49的壓力大時，反應(yīng)溶液48向臨時貯留部49輸送。另外，臨時貯留部49上連接有向反應(yīng)腔45內(nèi)開口的排出管51， 排出管51上設(shè)置有壓力調(diào)整閥64。反應(yīng)腔45的內(nèi)壓變?yōu)橐?guī)定壓力以下時，壓力調(diào)整閥64打開，來自臨時貯留部49側(cè)的反應(yīng)溶液48可在 排出管51內(nèi)流通。臨時貯留部49的內(nèi)壓通過輸送來的反應(yīng)溶液48 被加壓而變?yōu)楸却蜷_壓力調(diào)整閥的壓力更高的狀態(tài)(超過用于打開壓 力調(diào)整閥64的、反應(yīng)腔45的規(guī)定壓力值的壓力)，利用臨時貯留部 49和反應(yīng)腔45之間的內(nèi)壓差，反應(yīng)溶液48從排出管51輸送到反應(yīng) 腔45。其結(jié)果，反應(yīng)溶液48與工作物質(zhì)46接觸，從而在反應(yīng)腔45 內(nèi)進行氫生成反應(yīng)。溶液容器47為可撓性膜(例如聚丙烯)的袋狀部件的容器，反應(yīng) 溶液48被輸送到臨時貯留部49中，并且，利用在反應(yīng)腔45內(nèi)生成的 氬，溶液容器47被加壓(可變機構(gòu))，溶液容器47的體積減小。即， 隨著反應(yīng)溶液48從溶液容器47向反應(yīng)腔45供給，溶液容器47的體 積減小，反應(yīng)腔45的容積相應(yīng)地增加。說明燃料電池43。燃料電池43具有陽極腔58,陽極腔58構(gòu)成與燃料電池單元59 的陽極室相接的空間。陽極室是臨時保存在陽極消耗的氫的空間。陽 極腔58和反應(yīng)腔45由氫導(dǎo)管44連接，在反應(yīng)腔45生成的氫被供給 到陽極腔58的陽極室中。供給到陽極室的氫在陽極的燃料電池反應(yīng)中 被消耗。陽極的氫消耗量對應(yīng)于燃料電池43的輸出電流來確定。說明上述燃料電池泉統(tǒng)61的作用。燃料電池單元59與負荷連接，則燃料電池系統(tǒng)41內(nèi)部的氫和空 氣中的氧進行燃料電池反應(yīng)而產(chǎn)生電力。因邊消耗氫邊進行發(fā)電，所 以，陽極腔58、氫導(dǎo)管44、反應(yīng)腔45的內(nèi)壓降低。在此，因臨時貯 留部49受到大氣壓，所以， 一旦內(nèi)壓降到比大氣壓低，則在臨時貯留 部49和反應(yīng)腔45之間產(chǎn)生壓力差，貯留在臨時貯留部49中的反應(yīng)溶 液48 (蘋果酸水溶液)通過排出管51向反應(yīng)腔45流動。反應(yīng)溶液48 —旦流到反應(yīng)腔45中，則與工作物質(zhì)46(硼氫化鈉) 接觸而進行氫生成反應(yīng)。生成的氫通過氫導(dǎo)管44供給到陽極腔58中。 通過進行氫的生成，反應(yīng)腔45、氫導(dǎo)管44、陽極腔58的內(nèi)壓上升到 比大氣壓高，反應(yīng)腔45的內(nèi)壓變得比臨時貯留部49的內(nèi)壓高。因此，雖然氫想要在排出管51中回流，但回流通過壓力調(diào)整閥64被防止。另一方面，溶液容器47受反應(yīng)腔45的內(nèi)壓作用而被壓縮，溶液 容器47內(nèi)部貯藏的反應(yīng)溶液48從供給管50通過止回閥63供給到臨 時貯留部49中。此后，氫生成速度降低、燃料電池43中的氫消耗速度上升，則陽 極腔58、氫導(dǎo)管44、反應(yīng)腔45的內(nèi)壓開始降低。內(nèi)壓降低、臨時貯 留部49和反應(yīng)腔45之間產(chǎn)生壓力差，則壓力調(diào)整閥64打開，反應(yīng)溶 液48從臨時]^留部49流入到溶液容器47中 由此，反應(yīng)溶液48與 工作物質(zhì)46接觸而進行氫生成反應(yīng)，反應(yīng)腔45的內(nèi)壓重新上升。通過以上的反復(fù)操作來生成氫，向燃料電池43的陽極腔58供給 燃料即氫。并且，隨著反應(yīng)溶液48從溶液容器47向反應(yīng)腔45供給，溶液容 器47的體積減小，反應(yīng)腔45的容積相應(yīng)地增加，因此，死空間消失， 可增加利用小空間生成氫的區(qū)域，不會減小氫生成量且可節(jié)省空間。 而且，也可不增加空間而增加氫生成量。上述燃料電池系統(tǒng)61可構(gòu)成具有氫生成設(shè)備62的燃料電池系統(tǒng) 61，該氬生成設(shè)備62可利用小體積生成足夠量的氫。工業(yè)實用性本發(fā)明可用于例如分解金屬氫化物而生成氫的氫生成設(shè)備以及將 利用氬生成設(shè)備生成的氫作為燃料的燃料電池系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。
權(quán)利要求
1.一種氫生成設(shè)備，其特征在于，具有反應(yīng)物容器，其收納通過輸送反應(yīng)流體而促進氫的生成的氫生成反應(yīng)物；流體室，其配置在反應(yīng)物容器內(nèi)，收納反應(yīng)流體且體積可自由變更；以及可變機構(gòu)，其通過變更流體室的體積來變更容積；隨著流體室內(nèi)的流體向氫生成反應(yīng)物供給，利用可變機構(gòu)減小流體室的體積并增加反應(yīng)物容器內(nèi)的容積。
2. —種氫生成設(shè)備，其特征在于，具有反應(yīng)物容器，其收納通過輸送反應(yīng)流體而促進氫的生成的氫生成 反應(yīng)物；流體室，其配置在反應(yīng)物容器內(nèi)，收納反應(yīng)流體且體積可自由變更；加壓4幾構(gòu)，其對流體室加壓； 排出機構(gòu)，其將在反應(yīng)物容器內(nèi)生成的氫排出； 流體供給路徑，其連通流體室及反應(yīng)物容器，并允許反應(yīng)流體流 通；以及開閉機構(gòu)，其設(shè)置在流體供給路徑上，當反應(yīng)物容器的壓力變?yōu)?規(guī)定值以下時打開流體流路的流路；利用加壓機構(gòu)對流體室加壓，以便維持比打開開閉機構(gòu)的壓力高 的壓力，并且，對流體室加壓，以便對應(yīng)于因供給反應(yīng)流體導(dǎo)致的流 體室容積的減小來減小流體室的體積。
3. 如權(quán)利要求2所述的氫生成設(shè)備，其特征在于，流體室由變形 容許部件形成，加壓機構(gòu)是按壓流體室使流體室的體積減小而增大流 體室壓力的按壓機構(gòu)。
4. 如權(quán)利要求3所述的氫生成設(shè)備，其特征在于，流體室的變形 容許部件是袋部件，在袋部件的端部設(shè)置有板材，通過經(jīng)由板材按壓流體室，袋部件變形，流體室的體積減小。
5. 如權(quán)利要求3所述的氫生成設(shè)備，其特征在于，流體室的變形 容許部件是波紋管部件，在波紋管部件的端部設(shè)置有板材，通過經(jīng)由 板材按壓流體室，波紋管部件收縮，流體室的體積減小。
6. 如權(quán)利要求3所述的氫生成設(shè)備，其特征在于，流體室的變形 容許部件是端部敞開的缸以及裝備在缸的敞開端側(cè)的活塞板，通過按 壓活塞板，缸的容積減小，敞開體積增加，流體室的體積減小。
7. 如權(quán)利要求3至6中任一項所述的氫生成設(shè)備，其特征在于， 按壓機構(gòu)是壓縮彈簧。
8. 如權(quán)利要求2至7中任一項所述的氫生成設(shè)備，其特征在于， 開閉機構(gòu)是壓力調(diào)整閥，在反應(yīng)物容器的內(nèi)壓比流體室的內(nèi)壓低規(guī)定 值的定壓時，該壓力調(diào)整閥打開閥體成為容許反應(yīng)流體從流體室側(cè)向 反應(yīng)物容器側(cè)流通的狀態(tài)。
9. 一種燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，將權(quán)利要求1至8中任一項 所述的氫生成設(shè)備的排出機構(gòu)與具有被供給氫的陽極室的燃料電池的 陽極室連接。
10. 如權(quán)利要求9所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，陽極室和 反應(yīng)物容器形成密閉空間。
全文摘要
在反應(yīng)腔(2)的內(nèi)部設(shè)置有體積可自由變更的溶液容器(4)，隨著將貯留在溶液容器(4)內(nèi)的反應(yīng)溶液(11)向反應(yīng)腔(2)的工作物質(zhì)(3)供給，溶液容器(4)的體積減小，反應(yīng)腔(2)的容積增加，從而增加利用小空間生成氫的區(qū)域。
文檔編號C01B3/06GK101233074SQ20068002826
公開日2008年7月30日 申請日期2006年8月2日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月3日
發(fā)明者尾崎徹, 巖崎文晴, 柳瀨考應(yīng), 玉地恒昭, 皿田孝史, 讓原一貴 申請人:精工電子有限公司