水素発生装置及び燃料電池発電システム
【課題】本発明は使用者または燃料電池からの要求に従い電極間の電流量を調節することにより発生される水素量を調節することができる燃料電池に供給される水素発生量の調節が可能な水素発生装置を提供する。
【解決手段】本発明の水素発生装置は、電解質水溶液が入っている電解槽と、前記電解槽内に位置し、前記電解質水溶液に浸され電子を発生する第１電極と、前記電解槽内に位置し、前記電解質水溶液に浸され前記電子を受けて水素を発生する第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に位置し、前記第１電極から前記第２電極へ流れる所定時間の間の電子量を制御する制御部とを備えることを特徴とする。
【解決手段】本発明の水素発生装置は、電解質水溶液が入っている電解槽と、前記電解槽内に位置し、前記電解質水溶液に浸され電子を発生する第１電極と、前記電解槽内に位置し、前記電解質水溶液に浸され前記電子を受けて水素を発生する第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に位置し、前記第１電極から前記第２電極へ流れる所定時間の間の電子量を制御する制御部とを備えることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素発生装置に関するもので、より詳細には、燃料電池に供給される水素発生量の調節が可能な水素発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池とは燃料、すなわち、水素、ＬＮＧ、ＬＰＧ、メタノールなどと空気の化学エネルギーを電気化学的反応を用いて電気及び熱に直接変換させる装置である。既存の発電技術が燃料の燃焼、蒸気発生、タービン駆動、発電機駆動の過程を用いることとは異なって、燃焼過程や駆動装置がないため効率が高い、かつ環境問題を誘発しない新たな概念の発電技術である。
【０００３】
図１は、燃料電池の作動原理を示す面である。
【０００４】
図１を参照すると、燃料電池１００の燃料極１１０はアノード（ａｎｏｄｅ）であり、空気極１３０はカソード（ｃａｔｈｏｄｅ）である。燃料極１１０は、水素（Ｈ２）の供給を受けて水素イオン（Ｈ＋）と電子（ｅ−）とに分解される。水素イオンは膜１２０を経て空気極１３０へ移動する。膜１２０は電解質層に該当する。電子は外部回路１４０を経て電流を発生する。そして、空気極１３０にて水素イオンと電子及び空気中の酸素が結合して水になる。前述した燃料電池１００における化学反応式は下記の化学式１で表される。
（化１）
燃料極１１０：Ｈ２→２Ｈ＋+２ｅ−
空気極１３０：１/２Ｏ２+２Ｈ＋+２ｅ−→Ｈ２Ｏ
全体反応：Ｈ２+１/２Ｏ ２→Ｈ２Ｏ
【０００５】
すなわち、燃料極１１０から分離された電子が外部回路を経て電流を発生することにより電池の機能を果たすことになる。このような燃料電池１００はＳＯｘやＮＯｘなどの大気汚染物質をほとんど排出しなく、二酸化炭素の発生も少ないため、無公害発電であり、低騷音、無振動などの長所がある。
【０００６】
燃料電池１００は燃料極１１０から電子を発生させるために、水素を含んでいる一般燃料を燃料電池１００が要求する、水素を多く含むガスに変化させる水素発生装置を必要とする。水素発生装置として一般的に知られている水素貯蔵タンクなどを用いると嵩が大きくなり、保管するのに危険もある。また、最近注目されている携帯用電子器機（携帯電話、ノートパソコンなど）が高用量の電源供給装置を要求するにつれ、燃料電池はこれらの要求に対応しなくてはならなく、嵩も小さいながら高い性能を有する必要がある。
【０００７】
ＩＣＡＯ（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｉｖｉｌ Ａｖｉａｔｉｏｎ Ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ）から飛行機搬入が承認されたメタノールやギ酸などを用いて燃料を改質して水素を発生させたり、または、直接メタノールやエタノール、ギ酸などを燃料電池にて直接燃料として使用する方式が用いられている。
【０００８】
しかし、前者は高い改質温度が要求され、システムが複雑になり、駆動電力が消耗されて純粋水素以外の不純物（ＣＯ２、ＣＯ）が含まれるという問題点がある。そして、後者は低い両極化学反応と炭化水素（ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎ）の膜によるクロスオーバ（ｃｒｏｓｓ−ｏｖｅｒ）により電力密度が非常に低くなるという問題点がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は前述した従来の問題点を解決するために案出されたもので、本発明の目的は電気化学的反応を用いて純粋水素を常温から生成できる水素発生装置を提供することである。
【００１０】
本発明の他の目的は簡単な構造のシステムであり、別途のＢＯＰ（Ｂａｌａｎｃｅ ｏｆ Ｐｌａｎｔ）がなくても水素の発生量制御が可能な水素発生装置を提供することである。
【００１１】
また、本発明のさらに他の目的は費用がチープであり、親環境的な水素発生装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の一実施形態によれば、水素発生量の調節が可能な水素発生装置が提供される。
【００１３】
本発明の一実施例によれば、水素発生装置は電解質水溶液が入っている電解槽と、前記電解槽内に位置し、電解質水溶液に浸され電子を発生する第１電極と、前記電解槽内に位置し、電解質水溶液に浸され前記電子を受けて水素を発生する第２電極と、第１電極と第２電極との間に位置し、前記第１電極から第２電極へ流れる所定時間の間の電子量を制御する制御部とを備える。
【００１４】
ここで、前記第１電極は前記第２電極より相対的にイオン化傾向が大きい金属からなることができる。
【００１５】
そして、前記第２電極からの水素発生量を測定する流量測定器をさらに含み、前記制御部は設定値の入力を受け、測定された前記水素発生量と前記設定値とを比較して前記電子量を制御することができる。前記制御部は入力装置を用いて使用者からまたは前記水素発生装置に結合されている燃料電池から必要とする水素量に対応する前記設定値の入力を受けることができる。
【００１６】
ここで、前記制御部は前記設定値と測定された前記水素発生量とを比較して、前記水素発生量が前記設定値より小さい場合には前記電子量を増加させ、前記水素発生量が前記設定値より大きい場合には前記電子量を増加させ、前記水素発生量が前記設定値と同一である場合には前記電子量を維持することができる。
【００１７】
また、前記設定値は上限設定値と下限設定値とを含み、前記制御部は前記設定値と測定された前記水素発生量とを比較して、前記水素発生量が前記下限設定値より小さい場合には前記電子量を増加させ、前記水素発生量が前記上限設定値より大きい場合には前記電子量を減少させ、前記水素発生量が前記下限設定値と前記上限設定値の間にあると前記電子量を維持することができる。
【００１８】
本発明の他の実施形態によれば、水素発生量の調節が可能な水素発生装置を備える燃料電池発電システムが提供される。
【００１９】
本発明の一実施例による燃料電池発電システムは、電極の間に流れる所定時間の間の電子量を調節することにより水素発生量を調節する水素発生装置と、前記水素発生装置から生成される水素の供給を受け、前記水素の化学エネルギーを電気エネルギーに変換する燃料装置と、前記電気エネルギーの供給を受け、予め設定された動作を行う負荷（ｌｏａｄ）とを備える。
【００２０】
ここで、前記水素発生装置は電解質溶液が入っている電解槽と、前記電解槽内に位置し、前記電解質水溶液に浸され電子を発生する第１電極と、前記電解槽内に位置し、前記電解槽水溶液に浸され前記電子を受けて水素を発生する第２電極と、前記負荷から要求電力の入力を受け、前記燃料電池の出力を測定し前記要求電力と前記出力とを比較して前記第１電極から前記第２電極へ流れる所定時間の間の電子量を制御する制御部とを備える。前記第１電極は前記第２電極より相対的にイオン化傾向が大きい金属からなることができる。
【００２１】
前記制御部は前記要求電力と前記出力とを比較して、前記出力が前記要求電力より大きい場合には前記電子量を減少させ、前記出力が前記要求電力より小さい場合には前記電子量を増加させ、前記出力が前記要求電力と同一である場合には前記電子量を維持することができる。
【００２２】
本発明の他の実施例のよる燃料電池システムは、前記燃料電池と前記負荷との間に結合され、前記燃料電池から前記電気エネルギーの供給を受けて充電し、前記負荷が必要とする場合には充電された前記電気エネルギーを提供する充電池をさらに備える。
【００２３】
ここで、前記水素発生装置は電解質水溶液が入っている電解槽と、前記電解槽内に位置し、前記電解槽水溶液に浸され電子を発生する第１電極と、前記電解槽内に位置し、前記電解質水溶液に浸され前記電子を受けて水素を発生する第２電極と、前記充電池の現在電圧を測定し、前記充電池の完充電圧と比較して、前記第１電極から前記第２電極へ流れる所定時間の間の電子量を制御する制御部とを備える。前記第１電極は前記第２電極より相対的にイオン化傾向が大きい金属からなることができる。
【００２４】
ここで、前記制御部は前記現在電圧と前記完充電圧とを比較して、前記現在電圧が前記完充電圧より小さい場合には前記電子量を増加させ、前記現在電圧が前記完充電圧より大きいか、または同一である場合には前記電子量を最小にすることができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明による水素発生装置は、別途の消費電力を消耗しながらも、小型化が困難であるＢＯＰユニットの代りに親環境的な物質を用いて水素を発生させることができる。
【００２６】
また、電気化学的反応を用いて純粋水素を常温から生成することができ、簡単な構造のシステムであり、費用がチープである。
【００２７】
また、従来水素が一定量だけ発生されたこととは異なって、使用者または燃料電池からの要求に応じて電極の間の電流量を調節することにより、発生される水素量を調節することができる。これにより消費電力が随時変化する毛髪用機器などの製品にも燃料電池の使用を可能にさせる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
本発明は、多様に変更することができ、多くの実施例を有することができることは明らかであり、以下、特定実施例を図面に例示し詳しく説明する。しかし、これは本発明を特定の実施形態に限定するものではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれる全ての変更、均等物ないし代替物を含むものとして理解されるべきである。本発明の説明において、係る公知技術に対する具体的な説明が本発明の要旨をかえって不明にすると判断される場合、その詳細な説明を省略する。
【００２９】
第１、第２などの用語は多様な構成要素を説明するのに使用するが、前記構成要素が前記用語により限定されるものではない。前記用語は一つの構成要素を他の構成要素と区別する目的のみに利用する。例えば、本発明の権利範囲を脱しない限り第１構成要素が第２構成要素と命名されることもあり、同じく第２構成要素が第１構成要素と命名されることも可能である。及び/またはという用語は、関連記載の複数の項目の 組み合い、または 関連記載の複数の項目の中のいずれの項目を含む。
【００３０】
ある構成要素が異なる構成要素に"連結されている"とか"接続している"と記載された場合には、その異なる構成要素に直接的に連結されているかまたは接続されている場合でもあり、あるいは、その間に他の構成要素が存在していることも可能であることは理解されるべきである。それに反して、ある構成要素が異なる構成要素に"直接連結されている"とか"直接接続している"と記載された場合には、その間に他の構成要素が存在しないことと理解されるべきである。
【００３１】
本願から使用した用語は、単に特定の実施例を説明するために使用したものであって、本発明を限定するものではない。単数の表現は文脈上明白に異なる意味を表現しない限り複数の意味も含む。本願において"含む"または"有する"などの用語は明細書上に記載された特徴、数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらを組み合いしたものが存在することを指定することにすぎなく、一つまたはその以上の他の特徴や数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらを組み合いしたものなどの存在または付加可能性を予め排除するものではないと理解されるべきである。
【００３２】
別に定義しない限り、技術的あるいは科学的な用語を含んでここで使用する全ての用語は、本発明が属する技術分野の通常の知識を持った者により一般的に理解されることと同じ意味を有する。一般的に使用する、辞典に定義されている用語は、係る技術の文脈上の意味と一致する意味で解釈しなくてはならなく、本願で明白に定義しない限り、理想的にまたは過度に形式的な意味で解釈することはない。
【００３３】
以下、本発明の実施例を添付した図面を参照して詳しく説明する。
【００３４】
図２は本発明の一実施例による水素発生装置の概略的な断面図である。
【００３５】
水素発生装置２００は電解槽２１０、第１電極２２０、第２電極２３０及び制御部２４０を備える。以下では本発明の理解と説明の便宜のために第１電極２２０がマグネシウム（Ｍｇ）からなり、第２電極２３０がステンレススチール（Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ Ｓｔｅｅｌ）からなったものを中心に説明する。
【００３６】
電解槽２１０内には電解質（ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ）水溶液２１５が入っている。電解質水溶液２１５は水素イオンを含んでおり、水素発生装置２００は電解質水溶液２１５に含まれている水素イオンを用いて水素ガスを発生する。
【００３７】
電解質水溶液２１５において、ＬｉＣｌ、ＫＣｌ、ＮａＣｌ、ＫＮＯ３、ＮａＮＯ３、ＣａＣｌ２、ＭｇＣｌ２、Ｋ２ＳＯ４、Ｎａ２ＳＯ４、ＭｇＳＯ４、ＡｇＣｌなどが電解質として使用できる。
【００３８】
また、電解槽２１０の内部には第１電極２２０及び第２電極２３０がある。第１電極２２０及び第２電極２３０は、全体またはその一部が電解質水溶液内に浸されている。
【００３９】
第１電極２２０は活性電極である。第１電極２２０では、マグネシウム（Ｍｇ）電極と水（Ｈ２０）のイオン化エネルギーの差によりマグネシウム電極が水中に電子（ｅ−）を出してマグネシウムイオン（Ｍｇ２+）に酸化する。この際、生成される電子は第１電線２２５、制御部２４０及び第２電線２３５を経て第２電極２３０へ移動する。
【００４０】
第２電極２３０は非活性電極である。第２電極２３０では、水が第１電極２２０から移動してきた電子を受けて水素に分解される。
【００４１】
前述の化学反応式は、下記の化学式２で表される。
（化２）
第１電極２２０：Ｍｇ→Ｍｇ２++２ｅ−
第２電極２３０：２Ｈ２Ｏ+２ｅ−→Ｈ２+２（ＯＨ）-
全体反応：Ｍｇ+２Ｈ２Ｏ→Ｍｇ（ＯＨ）２+Ｈ２
【００４２】
前述した化学反応は、多くの要素により反応速度及び反応効率が決定される。反応速度を決定する要素には、第１電極２２０及び/または第２電極２３０の電極面積、電解質水溶液２１５の濃度、電解質水溶液２１５の種類、第１電極２２０及び/または第２電極２３０の個数、第１電極２２０と第２電極２３０との間の連結方法、第１電極２２０と第２電極２３０との間の電気的抵抗などがある。
【００４３】
前述した要素を変化させると、反応条件に応じて第１電極２２０と第２電極２３０との間に流れる電流量（すなわち、電子量）が変り、化学式２のような電気化学的反応の速度も変わることになる。電気化学的反応の速度が変わると、第２電極２３０から発生する水素量にも変化が生ずる。
【００４４】
よって、本発明の実施例では、第１電極２２０と第２電極２３０との間に流れる電流量を調節することにより生成される水素量を調節できるようになる。これは、下記の数学式１で表されるようにファラデー法則（Ｆａｄａｄａｙ'ｓｌａｗ）により原理的に説明できる。
【数１】
【００４５】
ここで、Ｎｈｙｄｒｏｇｅｎは１秒間に生成される水素量（ｍｏｌ）であり、Ｖhydrogenは１分間に生成される水素の体積（ｍｌ/ｍｉｎ）である。ｉは電流（Ｃ/ｓ）、ｎは反応電子の個数、Ｅは電子１モール当たりの電荷（Ｃ/ｍｏｌ）を示す。
【００４６】
前記の化学式２を参照すると、第２電極２２０にて水素電子二つが反応するのでｎは２であり、電子１モールの電荷は約−９６４８５クーロンである。
【００４７】
１分間に生成される水素の体積は、１秒間にに生成される水素量に時間（６０秒）と水素１モールの体積（２２４００ｍｌ）とを乗じて算出することができる。
【００４８】
若し、燃料電池が２Ｗシステムで用いられる場合、燃料電池を０．６Ｖ及び常温で駆動する際の利用率を約６０％と仮定すると水素要求量は４２ｍｌ/ｍｏｌ程度であり、６Ａの電流を必要とする。また、燃料電池が５Ｗシステムで用いられる場合、水素要求量は１０５ｍ/ｍｏｌ程度であり、１５Ａの電流を必要とする。
【００４９】
このように水素発生装置２００は、第１電極２２０に連結された第１電線２２５及び第２電極２３０に連結された第２電線２３５に流れる電流量を調節すれば後段に連結される燃料電池が必要とするだけの水素を発生させることが可能になる。
【００５０】
水素発生装置２００の第２電極２３０から水素を発生する反応速度を決定する前述した要素のうち、第１電極２２０と第２電極２３０との間の電気的抵抗を除いたその他の要素は水素発生装置２００を構成する際に決定される要素であって、以後にその要素を変化させることは容易ではない。
【００５１】
よって、本発明の実施例で水素発生装置２００は、第１電極２２０と第２電極２３０とを連結する第１電線２２５と第２電線２３５との間に制御部２４０を備えることにより第１電極２２０と第２電極２３０との間の電気的抵抗を調節する。
【００５２】
すなわち、前述した数学式１に基づいて、第１電極２２０と第２電極２３０との間の電気的抵抗を変化させ第１電極２２０と第２電極２３０との間に流れる電流量を調節することにより燃料電池が必要とするだけの水素を発生させることが可能になる。
【００５３】
本発明の実施例によれば、第１電極２２０はマグネシウム以外にアルミニウム（Ａｌ）、亜鉛（Ｚｎ）などのアルカリ金属系の元素や、鉄（Ｆｅ）などの相対的にイオン化傾向が大きい金属からなることができる。また、第２電極２３０は、ステンレススチール以外に白金（Ｐｔ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、鉄（Ｆｅ）などのように第１電極２２０を成す金属より相対的にイオン化傾向が小さい金属からなることができる。
【００５４】
制御部２４０は電気化学的反応により第１電極２２０から生成された電子を第２電極２３０に伝達する速度、すなわち、電流量を調節する。
【００５５】
制御部２４０は燃料電池と連結されている負荷（ｌｏａｄ）の必要とする電力の伝達を受けて、必要とする電力に従い第１電極２２０から第２電極２３０に流れる電子量をそのまま維持するか、あるいは、増加または減少させる。
【００５６】
例えば、図３に示されている携帯電話の電力消耗量を参照して説明する。図３は携帯電話の電力消耗量を示すグラフである。
【００５７】
携帯電話は、現在動作するキーやメニュー選択などにより使用用途が異なってくるし、それに応じて電力消耗量も異なってくる。
【００５８】
３０１は番号を押して電話を要請する場合であり、３０２は相手が電話に出るまで通話連結音を聞いている場合であり、３０３は通話が繋がって相手と通話する場合であり、３０４は通話が終了された場合であり、３０５は通話料金メッセージを転送する場合を示している。それぞれの場合ごとに、携帯電話の内部で動作する部品などに差があるので、図３に示したように電力消耗量が随時変化することになる。
【００５９】
よって、制御部２４０は図３に示された携帯電話のような負荷から、現在必要とする電力をフィードバックで受けて、それに応じて必要とするだけの水素を発生させることにより燃料電池と連結されている負荷に十分な電力を提供する。
【００６０】
また、水素発生装置は別途の入力装置を備えて使用者から直接的に必要とする電力または水素量の入力を受けることもできる。
【００６１】
制御部２４０は可変抵抗から構成されて可変抵抗値を変化させることにより第１電極２２０と第２電極２３０との間に流れる電流量を調節したり、オン／オフスィッチから構成されてオン／オフタイミングを調節することにより第１電極２２０と第２電極２３０との間に流れる電流量を調節することができる。
【００６２】
本発明において第１電極２２０及び／または第２電極２３０は一つまたは二つ以上であってもよい。第１電極２２０及び／または第２電極２３０の個数が増加すると、同一時間の間に発生する水素量は増加するのでより短い時間内に所望する水素を発生させることができる。
【００６３】
図４は本発明の一実施例による水素発生装置２００において、第１電極２２０と第２電極２３０との間に流れる電流量と発生される水素量との関係を示すグラフである。ここで、発生する水素量は１分単位で算出された流量（ｆｌｏｗｒａｔｅ）である。これは、燃料電池に使用される場合水素の総発生量ではなく水素の流量が重要な値であるからである。
【００６４】
実験条件は下記のとおりである。
第１電極２２０：マグネシウム（Ｍｇ）
第２電極２３０：ステンレススチール（Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ Ｓｔｅｅｌ）
電極間の距離：３ｍｍ
電解質の種類及び濃度：３０ｗｔ％ＫＣｌ
電極の使用個数：マグネシウム３ｅａ、ステンレススチール３ｅａ
電極の連結方式：直列連結
電解質水溶液の体積：６０ｍｌ（ｅｘｃｅｓｓｉｖｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ）
電極の大きさ：２４ｍｍ×８５ｍｍ×１ｍｍ
【００６５】
ただし、図４に示されているグラフを得るための実験では、一対の電極ではなく三対の電極を用いたため、各対の電極相互間の交互作用により水素の流量は一対の電極だけを用いた場合の理論値（前述の数学式１に基づいた値）よりさらに大きい値を有した。
【００６６】
しかし、図４を参照しても、第１電極２２０と第２電極２３０との間に流れる電流量に応じて発生される水素の流量（ｍｌ／ｍｉｎ）が決定されることを確認できる。グラフ上ではほとんど線形的な特性を有し、これは前述した数学式１と同じ結果である。
【００６７】
図５は本発明の一実施例による水素発生装置２００の制御部２４０の概略的な構成図である。
【００６８】
制御部２４０は流量測定器５１０に連結される。
【００６９】
流量測定器５１０は水素発生装置２００の第２電極２３０から生成された水素発生量を流量（ｆｌｏｗ ｒａｔｅ）単位で測定する。前述したように本発明の実施例による水素発生装置２００を燃料電池に結合して使用するためには水素の総発生量ではなく一定時間の間に所定の水素発生量が維持されることが重要であるので、水素発生量を流量単位、すなわち、ｍｌ／ｍｉｎ単位で測定する。勿論、その以外にも流量を測定することができれば他の測定単位を用いることもできる。
【００７０】
制御部２４０は水素発生量に関する設定値の入力を受ける。水素発生装置２００に別途の入力部（図示せず）が備えられ、使用者が直接入力することもできる。また、水素発生装置２００の結合された燃料電池が電力を提供する負荷から必要とする電力の入力を受けることもできる。後者の場合、負荷には、 必要とする電力を水素発生装置２００に伝達するための電力要求部が別途に備えられてもよい。
【００７１】
制御部２４０は、入力された設定値と流量測定器５１０から測定した水素発生量とを比較する。水素発生量が設定値より小さい場合には水素発生量が増加するように第１電極２２０から第２電極２３０へ流れる電子量を増加させ、水素発生量が設定値より多い場合には水素発生量が減少するように第１電極２２０から第２電極２３０に流れる電子量を減少させる。すなわち、制御部２４０は第１電極２２０から第２電極２３０へ流れる電子量を調節することにより水素発生量を調節する。
【００７２】
図６は本発明の他の実施例による水素発生装置２００の制御部２４０及びそれに結合されている燃料電池と負荷とを含む燃料電池発電システムの概略的な構成図である。
【００７３】
制御部２４０は燃料電池１００が電力を提供する負荷６１０に連結される。前述したように、負荷６１０は現在動作状態に応じて必要とする電力に差が生ずる（図３参照）。よって、制御部２４０は負荷６１０の現在動作状態に応じて必要とする電力の入力を受ける。
【００７４】
また、制御部２４０は燃料電池１００に連結され燃料電池１００の出力の入力を受ける。燃料電池１００の出力とは、例えば、水素発生装置２００から発生した水素の供給を受ける燃料電池１００が負荷６１０に提供する電力を意味する。前述したように、本発明の実施例による水素発生装置２００を燃料電池に結合して使用するためには水素の総発生量ではなく一定時間の間に所定の水素発生量が維持されることが重要であるので、水素発生量による燃料電池１００の電力をワット（Ｗ）単位で入力を受ける。また、制御部２４０は燃料電池１００に電圧（ｖｏｌｔａｇｅ）を測定し、抵抗を用いて電力に換算する。その他にも最終的に電力を測定することができれば他の測定単位を用いることも可能である。
【００７５】
制御部２４０は、燃料電池１００の出力と負荷６１０が必要とする要求電力とを比較する。燃料電池１００の出力が要求電力より小さい場合には水素発生量が増加するように第１電極２２０から第２電極２３０へ流れる電子量を増加させ、燃料電池１００の出力が要求電力より多い場合には水素発生量が減少するように電子量を減少させる。燃料電池１００の出力が要求電力と比較して一定誤差範囲内にあると現在の水素発生量を維持することにする。
【００７６】
図７は本発明のさらに他の実施例による水素発生装置２００の制御部２４０及びそれに結合されている燃料電池と負荷とを含む燃料電池発電システムの概略的な構成図である。
【００７７】
図７に示す燃料電池発電システムは、図６の燃料電池発電システムに比して充電池７１０をさらに備える。 燃料電池１００は応答性が遅いため、負荷６１０からピーク電力（ｐｅａｋ ｐｏｗｅｒ）が要求される場合瞬間的に対処することができない。よって、充電池７１０に電力を予め充電しておくことによりピーク電力に対処できるようになる。
【００７８】
制御部２４０は充電池７１０の電圧を測定しながら充電池７１０が完全に充電されるまで水素を引続き生成し、燃料電池１００は電圧を引続き供給するようにする。そして、負荷６１０からの要求電力の応じて充電池７１０に充電されている電圧を提供し、これにより充電池の電圧が低くなると再び水素発生装置２００が水素を生成するようにする。
【００７９】
すなわち、制御部２４０は充電池７１０の現在電圧と完充電圧とを比較する。完充電圧とは充電池７１０が完全に充電された場合の電圧を意味する。現在電圧が完充電圧より小さい場合には水素発生量が増加するように第１電極２２０から第２電極２３０へ流れる電子量を増加させ、現在電圧が完充電圧より大きいか、または同一である場合には水素発生が停止するように第１電極２２０から第２電極２３０へ流れる電子量を最小にする。
【００８０】
ここで、充電池７１０はスーパーキャパシタ（ｓｕｐｅｒ ｃａｐａｃｉｔｏｒ）または充電用小型バッテリであることができる。スーパーキャパシタはキャパシタの性能中の電気容量の性能を強化したものであり、電力を充電しながらも必要により充電された電力を放出する。
【００８１】
前記では本発明の好ましい実施例を参照して説明したが、当該技術分野の通常の知識を持った者であれば、本発明の特許請求の範囲に記載された本発明の思想及び領域から脱しない範囲内で本発明を多様に修正及び変更することができることを理解できよう。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】燃料電池の作動原理を示す面である。
【図２】本発明の一実施例による水素発生装置の概略的な断面図である。
【図３】本発明の一実施例による水素発生装置における第１電極と第２電極との間に流れる電流量と発生される水素量との関係を示すグラフである。
【図４】本発明の一実施例による水素発生装置における第１電極と第２電極との間に流れる電流量と発生される水素量との関係を示すグラフである。
【図５】本発明の一実施例による水素発生装置の制御部に対する概略的な構成図である。
【図６】本発明の他の実施例による水素発生装置の制御部及びそれに結合されている燃料電池と負荷とを備える燃料電池の発電システムの概略的な構成図である。
【図７】本発明の他の実施例による水素発生装置の制御部及びそれに結合されている燃料電池と負荷とを備える燃料電池の発電システムの概略的な構成図である。
【符号の説明】
【００８３】
１００ 燃料電池
１１０ 燃料極
１２０ 膜
１３０ 空気極
２００ 水素発生装置
２１０ 電解槽
２１５ 電解質水溶液
２２０ 第１電極
２３０ 第２電極
２４０ 制御部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素発生装置に関するもので、より詳細には、燃料電池に供給される水素発生量の調節が可能な水素発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池とは燃料、すなわち、水素、ＬＮＧ、ＬＰＧ、メタノールなどと空気の化学エネルギーを電気化学的反応を用いて電気及び熱に直接変換させる装置である。既存の発電技術が燃料の燃焼、蒸気発生、タービン駆動、発電機駆動の過程を用いることとは異なって、燃焼過程や駆動装置がないため効率が高い、かつ環境問題を誘発しない新たな概念の発電技術である。
【０００３】
図１は、燃料電池の作動原理を示す面である。
【０００４】
図１を参照すると、燃料電池１００の燃料極１１０はアノード（ａｎｏｄｅ）であり、空気極１３０はカソード（ｃａｔｈｏｄｅ）である。燃料極１１０は、水素（Ｈ２）の供給を受けて水素イオン（Ｈ＋）と電子（ｅ−）とに分解される。水素イオンは膜１２０を経て空気極１３０へ移動する。膜１２０は電解質層に該当する。電子は外部回路１４０を経て電流を発生する。そして、空気極１３０にて水素イオンと電子及び空気中の酸素が結合して水になる。前述した燃料電池１００における化学反応式は下記の化学式１で表される。
（化１）
燃料極１１０：Ｈ２→２Ｈ＋+２ｅ−
空気極１３０：１/２Ｏ２+２Ｈ＋+２ｅ−→Ｈ２Ｏ
全体反応：Ｈ２+１/２Ｏ ２→Ｈ２Ｏ
【０００５】
すなわち、燃料極１１０から分離された電子が外部回路を経て電流を発生することにより電池の機能を果たすことになる。このような燃料電池１００はＳＯｘやＮＯｘなどの大気汚染物質をほとんど排出しなく、二酸化炭素の発生も少ないため、無公害発電であり、低騷音、無振動などの長所がある。
【０００６】
燃料電池１００は燃料極１１０から電子を発生させるために、水素を含んでいる一般燃料を燃料電池１００が要求する、水素を多く含むガスに変化させる水素発生装置を必要とする。水素発生装置として一般的に知られている水素貯蔵タンクなどを用いると嵩が大きくなり、保管するのに危険もある。また、最近注目されている携帯用電子器機（携帯電話、ノートパソコンなど）が高用量の電源供給装置を要求するにつれ、燃料電池はこれらの要求に対応しなくてはならなく、嵩も小さいながら高い性能を有する必要がある。
【０００７】
ＩＣＡＯ（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｉｖｉｌ Ａｖｉａｔｉｏｎ Ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ）から飛行機搬入が承認されたメタノールやギ酸などを用いて燃料を改質して水素を発生させたり、または、直接メタノールやエタノール、ギ酸などを燃料電池にて直接燃料として使用する方式が用いられている。
【０００８】
しかし、前者は高い改質温度が要求され、システムが複雑になり、駆動電力が消耗されて純粋水素以外の不純物（ＣＯ２、ＣＯ）が含まれるという問題点がある。そして、後者は低い両極化学反応と炭化水素（ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎ）の膜によるクロスオーバ（ｃｒｏｓｓ−ｏｖｅｒ）により電力密度が非常に低くなるという問題点がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は前述した従来の問題点を解決するために案出されたもので、本発明の目的は電気化学的反応を用いて純粋水素を常温から生成できる水素発生装置を提供することである。
【００１０】
本発明の他の目的は簡単な構造のシステムであり、別途のＢＯＰ（Ｂａｌａｎｃｅ ｏｆ Ｐｌａｎｔ）がなくても水素の発生量制御が可能な水素発生装置を提供することである。
【００１１】
また、本発明のさらに他の目的は費用がチープであり、親環境的な水素発生装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の一実施形態によれば、水素発生量の調節が可能な水素発生装置が提供される。
【００１３】
本発明の一実施例によれば、水素発生装置は電解質水溶液が入っている電解槽と、前記電解槽内に位置し、電解質水溶液に浸され電子を発生する第１電極と、前記電解槽内に位置し、電解質水溶液に浸され前記電子を受けて水素を発生する第２電極と、第１電極と第２電極との間に位置し、前記第１電極から第２電極へ流れる所定時間の間の電子量を制御する制御部とを備える。
【００１４】
ここで、前記第１電極は前記第２電極より相対的にイオン化傾向が大きい金属からなることができる。
【００１５】
そして、前記第２電極からの水素発生量を測定する流量測定器をさらに含み、前記制御部は設定値の入力を受け、測定された前記水素発生量と前記設定値とを比較して前記電子量を制御することができる。前記制御部は入力装置を用いて使用者からまたは前記水素発生装置に結合されている燃料電池から必要とする水素量に対応する前記設定値の入力を受けることができる。
【００１６】
ここで、前記制御部は前記設定値と測定された前記水素発生量とを比較して、前記水素発生量が前記設定値より小さい場合には前記電子量を増加させ、前記水素発生量が前記設定値より大きい場合には前記電子量を増加させ、前記水素発生量が前記設定値と同一である場合には前記電子量を維持することができる。
【００１７】
また、前記設定値は上限設定値と下限設定値とを含み、前記制御部は前記設定値と測定された前記水素発生量とを比較して、前記水素発生量が前記下限設定値より小さい場合には前記電子量を増加させ、前記水素発生量が前記上限設定値より大きい場合には前記電子量を減少させ、前記水素発生量が前記下限設定値と前記上限設定値の間にあると前記電子量を維持することができる。
【００１８】
本発明の他の実施形態によれば、水素発生量の調節が可能な水素発生装置を備える燃料電池発電システムが提供される。
【００１９】
本発明の一実施例による燃料電池発電システムは、電極の間に流れる所定時間の間の電子量を調節することにより水素発生量を調節する水素発生装置と、前記水素発生装置から生成される水素の供給を受け、前記水素の化学エネルギーを電気エネルギーに変換する燃料装置と、前記電気エネルギーの供給を受け、予め設定された動作を行う負荷（ｌｏａｄ）とを備える。
【００２０】
ここで、前記水素発生装置は電解質溶液が入っている電解槽と、前記電解槽内に位置し、前記電解質水溶液に浸され電子を発生する第１電極と、前記電解槽内に位置し、前記電解槽水溶液に浸され前記電子を受けて水素を発生する第２電極と、前記負荷から要求電力の入力を受け、前記燃料電池の出力を測定し前記要求電力と前記出力とを比較して前記第１電極から前記第２電極へ流れる所定時間の間の電子量を制御する制御部とを備える。前記第１電極は前記第２電極より相対的にイオン化傾向が大きい金属からなることができる。
【００２１】
前記制御部は前記要求電力と前記出力とを比較して、前記出力が前記要求電力より大きい場合には前記電子量を減少させ、前記出力が前記要求電力より小さい場合には前記電子量を増加させ、前記出力が前記要求電力と同一である場合には前記電子量を維持することができる。
【００２２】
本発明の他の実施例のよる燃料電池システムは、前記燃料電池と前記負荷との間に結合され、前記燃料電池から前記電気エネルギーの供給を受けて充電し、前記負荷が必要とする場合には充電された前記電気エネルギーを提供する充電池をさらに備える。
【００２３】
ここで、前記水素発生装置は電解質水溶液が入っている電解槽と、前記電解槽内に位置し、前記電解槽水溶液に浸され電子を発生する第１電極と、前記電解槽内に位置し、前記電解質水溶液に浸され前記電子を受けて水素を発生する第２電極と、前記充電池の現在電圧を測定し、前記充電池の完充電圧と比較して、前記第１電極から前記第２電極へ流れる所定時間の間の電子量を制御する制御部とを備える。前記第１電極は前記第２電極より相対的にイオン化傾向が大きい金属からなることができる。
【００２４】
ここで、前記制御部は前記現在電圧と前記完充電圧とを比較して、前記現在電圧が前記完充電圧より小さい場合には前記電子量を増加させ、前記現在電圧が前記完充電圧より大きいか、または同一である場合には前記電子量を最小にすることができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明による水素発生装置は、別途の消費電力を消耗しながらも、小型化が困難であるＢＯＰユニットの代りに親環境的な物質を用いて水素を発生させることができる。
【００２６】
また、電気化学的反応を用いて純粋水素を常温から生成することができ、簡単な構造のシステムであり、費用がチープである。
【００２７】
また、従来水素が一定量だけ発生されたこととは異なって、使用者または燃料電池からの要求に応じて電極の間の電流量を調節することにより、発生される水素量を調節することができる。これにより消費電力が随時変化する毛髪用機器などの製品にも燃料電池の使用を可能にさせる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
本発明は、多様に変更することができ、多くの実施例を有することができることは明らかであり、以下、特定実施例を図面に例示し詳しく説明する。しかし、これは本発明を特定の実施形態に限定するものではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれる全ての変更、均等物ないし代替物を含むものとして理解されるべきである。本発明の説明において、係る公知技術に対する具体的な説明が本発明の要旨をかえって不明にすると判断される場合、その詳細な説明を省略する。
【００２９】
第１、第２などの用語は多様な構成要素を説明するのに使用するが、前記構成要素が前記用語により限定されるものではない。前記用語は一つの構成要素を他の構成要素と区別する目的のみに利用する。例えば、本発明の権利範囲を脱しない限り第１構成要素が第２構成要素と命名されることもあり、同じく第２構成要素が第１構成要素と命名されることも可能である。及び/またはという用語は、関連記載の複数の項目の 組み合い、または 関連記載の複数の項目の中のいずれの項目を含む。
【００３０】
ある構成要素が異なる構成要素に"連結されている"とか"接続している"と記載された場合には、その異なる構成要素に直接的に連結されているかまたは接続されている場合でもあり、あるいは、その間に他の構成要素が存在していることも可能であることは理解されるべきである。それに反して、ある構成要素が異なる構成要素に"直接連結されている"とか"直接接続している"と記載された場合には、その間に他の構成要素が存在しないことと理解されるべきである。
【００３１】
本願から使用した用語は、単に特定の実施例を説明するために使用したものであって、本発明を限定するものではない。単数の表現は文脈上明白に異なる意味を表現しない限り複数の意味も含む。本願において"含む"または"有する"などの用語は明細書上に記載された特徴、数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらを組み合いしたものが存在することを指定することにすぎなく、一つまたはその以上の他の特徴や数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらを組み合いしたものなどの存在または付加可能性を予め排除するものではないと理解されるべきである。
【００３２】
別に定義しない限り、技術的あるいは科学的な用語を含んでここで使用する全ての用語は、本発明が属する技術分野の通常の知識を持った者により一般的に理解されることと同じ意味を有する。一般的に使用する、辞典に定義されている用語は、係る技術の文脈上の意味と一致する意味で解釈しなくてはならなく、本願で明白に定義しない限り、理想的にまたは過度に形式的な意味で解釈することはない。
【００３３】
以下、本発明の実施例を添付した図面を参照して詳しく説明する。
【００３４】
図２は本発明の一実施例による水素発生装置の概略的な断面図である。
【００３５】
水素発生装置２００は電解槽２１０、第１電極２２０、第２電極２３０及び制御部２４０を備える。以下では本発明の理解と説明の便宜のために第１電極２２０がマグネシウム（Ｍｇ）からなり、第２電極２３０がステンレススチール（Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ Ｓｔｅｅｌ）からなったものを中心に説明する。
【００３６】
電解槽２１０内には電解質（ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ）水溶液２１５が入っている。電解質水溶液２１５は水素イオンを含んでおり、水素発生装置２００は電解質水溶液２１５に含まれている水素イオンを用いて水素ガスを発生する。
【００３７】
電解質水溶液２１５において、ＬｉＣｌ、ＫＣｌ、ＮａＣｌ、ＫＮＯ３、ＮａＮＯ３、ＣａＣｌ２、ＭｇＣｌ２、Ｋ２ＳＯ４、Ｎａ２ＳＯ４、ＭｇＳＯ４、ＡｇＣｌなどが電解質として使用できる。
【００３８】
また、電解槽２１０の内部には第１電極２２０及び第２電極２３０がある。第１電極２２０及び第２電極２３０は、全体またはその一部が電解質水溶液内に浸されている。
【００３９】
第１電極２２０は活性電極である。第１電極２２０では、マグネシウム（Ｍｇ）電極と水（Ｈ２０）のイオン化エネルギーの差によりマグネシウム電極が水中に電子（ｅ−）を出してマグネシウムイオン（Ｍｇ２+）に酸化する。この際、生成される電子は第１電線２２５、制御部２４０及び第２電線２３５を経て第２電極２３０へ移動する。
【００４０】
第２電極２３０は非活性電極である。第２電極２３０では、水が第１電極２２０から移動してきた電子を受けて水素に分解される。
【００４１】
前述の化学反応式は、下記の化学式２で表される。
（化２）
第１電極２２０：Ｍｇ→Ｍｇ２++２ｅ−
第２電極２３０：２Ｈ２Ｏ+２ｅ−→Ｈ２+２（ＯＨ）-
全体反応：Ｍｇ+２Ｈ２Ｏ→Ｍｇ（ＯＨ）２+Ｈ２
【００４２】
前述した化学反応は、多くの要素により反応速度及び反応効率が決定される。反応速度を決定する要素には、第１電極２２０及び/または第２電極２３０の電極面積、電解質水溶液２１５の濃度、電解質水溶液２１５の種類、第１電極２２０及び/または第２電極２３０の個数、第１電極２２０と第２電極２３０との間の連結方法、第１電極２２０と第２電極２３０との間の電気的抵抗などがある。
【００４３】
前述した要素を変化させると、反応条件に応じて第１電極２２０と第２電極２３０との間に流れる電流量（すなわち、電子量）が変り、化学式２のような電気化学的反応の速度も変わることになる。電気化学的反応の速度が変わると、第２電極２３０から発生する水素量にも変化が生ずる。
【００４４】
よって、本発明の実施例では、第１電極２２０と第２電極２３０との間に流れる電流量を調節することにより生成される水素量を調節できるようになる。これは、下記の数学式１で表されるようにファラデー法則（Ｆａｄａｄａｙ'ｓｌａｗ）により原理的に説明できる。
【数１】
【００４５】
ここで、Ｎｈｙｄｒｏｇｅｎは１秒間に生成される水素量（ｍｏｌ）であり、Ｖhydrogenは１分間に生成される水素の体積（ｍｌ/ｍｉｎ）である。ｉは電流（Ｃ/ｓ）、ｎは反応電子の個数、Ｅは電子１モール当たりの電荷（Ｃ/ｍｏｌ）を示す。
【００４６】
前記の化学式２を参照すると、第２電極２２０にて水素電子二つが反応するのでｎは２であり、電子１モールの電荷は約−９６４８５クーロンである。
【００４７】
１分間に生成される水素の体積は、１秒間にに生成される水素量に時間（６０秒）と水素１モールの体積（２２４００ｍｌ）とを乗じて算出することができる。
【００４８】
若し、燃料電池が２Ｗシステムで用いられる場合、燃料電池を０．６Ｖ及び常温で駆動する際の利用率を約６０％と仮定すると水素要求量は４２ｍｌ/ｍｏｌ程度であり、６Ａの電流を必要とする。また、燃料電池が５Ｗシステムで用いられる場合、水素要求量は１０５ｍ/ｍｏｌ程度であり、１５Ａの電流を必要とする。
【００４９】
このように水素発生装置２００は、第１電極２２０に連結された第１電線２２５及び第２電極２３０に連結された第２電線２３５に流れる電流量を調節すれば後段に連結される燃料電池が必要とするだけの水素を発生させることが可能になる。
【００５０】
水素発生装置２００の第２電極２３０から水素を発生する反応速度を決定する前述した要素のうち、第１電極２２０と第２電極２３０との間の電気的抵抗を除いたその他の要素は水素発生装置２００を構成する際に決定される要素であって、以後にその要素を変化させることは容易ではない。
【００５１】
よって、本発明の実施例で水素発生装置２００は、第１電極２２０と第２電極２３０とを連結する第１電線２２５と第２電線２３５との間に制御部２４０を備えることにより第１電極２２０と第２電極２３０との間の電気的抵抗を調節する。
【００５２】
すなわち、前述した数学式１に基づいて、第１電極２２０と第２電極２３０との間の電気的抵抗を変化させ第１電極２２０と第２電極２３０との間に流れる電流量を調節することにより燃料電池が必要とするだけの水素を発生させることが可能になる。
【００５３】
本発明の実施例によれば、第１電極２２０はマグネシウム以外にアルミニウム（Ａｌ）、亜鉛（Ｚｎ）などのアルカリ金属系の元素や、鉄（Ｆｅ）などの相対的にイオン化傾向が大きい金属からなることができる。また、第２電極２３０は、ステンレススチール以外に白金（Ｐｔ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、鉄（Ｆｅ）などのように第１電極２２０を成す金属より相対的にイオン化傾向が小さい金属からなることができる。
【００５４】
制御部２４０は電気化学的反応により第１電極２２０から生成された電子を第２電極２３０に伝達する速度、すなわち、電流量を調節する。
【００５５】
制御部２４０は燃料電池と連結されている負荷（ｌｏａｄ）の必要とする電力の伝達を受けて、必要とする電力に従い第１電極２２０から第２電極２３０に流れる電子量をそのまま維持するか、あるいは、増加または減少させる。
【００５６】
例えば、図３に示されている携帯電話の電力消耗量を参照して説明する。図３は携帯電話の電力消耗量を示すグラフである。
【００５７】
携帯電話は、現在動作するキーやメニュー選択などにより使用用途が異なってくるし、それに応じて電力消耗量も異なってくる。
【００５８】
３０１は番号を押して電話を要請する場合であり、３０２は相手が電話に出るまで通話連結音を聞いている場合であり、３０３は通話が繋がって相手と通話する場合であり、３０４は通話が終了された場合であり、３０５は通話料金メッセージを転送する場合を示している。それぞれの場合ごとに、携帯電話の内部で動作する部品などに差があるので、図３に示したように電力消耗量が随時変化することになる。
【００５９】
よって、制御部２４０は図３に示された携帯電話のような負荷から、現在必要とする電力をフィードバックで受けて、それに応じて必要とするだけの水素を発生させることにより燃料電池と連結されている負荷に十分な電力を提供する。
【００６０】
また、水素発生装置は別途の入力装置を備えて使用者から直接的に必要とする電力または水素量の入力を受けることもできる。
【００６１】
制御部２４０は可変抵抗から構成されて可変抵抗値を変化させることにより第１電極２２０と第２電極２３０との間に流れる電流量を調節したり、オン／オフスィッチから構成されてオン／オフタイミングを調節することにより第１電極２２０と第２電極２３０との間に流れる電流量を調節することができる。
【００６２】
本発明において第１電極２２０及び／または第２電極２３０は一つまたは二つ以上であってもよい。第１電極２２０及び／または第２電極２３０の個数が増加すると、同一時間の間に発生する水素量は増加するのでより短い時間内に所望する水素を発生させることができる。
【００６３】
図４は本発明の一実施例による水素発生装置２００において、第１電極２２０と第２電極２３０との間に流れる電流量と発生される水素量との関係を示すグラフである。ここで、発生する水素量は１分単位で算出された流量（ｆｌｏｗｒａｔｅ）である。これは、燃料電池に使用される場合水素の総発生量ではなく水素の流量が重要な値であるからである。
【００６４】
実験条件は下記のとおりである。
第１電極２２０：マグネシウム（Ｍｇ）
第２電極２３０：ステンレススチール（Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ Ｓｔｅｅｌ）
電極間の距離：３ｍｍ
電解質の種類及び濃度：３０ｗｔ％ＫＣｌ
電極の使用個数：マグネシウム３ｅａ、ステンレススチール３ｅａ
電極の連結方式：直列連結
電解質水溶液の体積：６０ｍｌ（ｅｘｃｅｓｓｉｖｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ）
電極の大きさ：２４ｍｍ×８５ｍｍ×１ｍｍ
【００６５】
ただし、図４に示されているグラフを得るための実験では、一対の電極ではなく三対の電極を用いたため、各対の電極相互間の交互作用により水素の流量は一対の電極だけを用いた場合の理論値（前述の数学式１に基づいた値）よりさらに大きい値を有した。
【００６６】
しかし、図４を参照しても、第１電極２２０と第２電極２３０との間に流れる電流量に応じて発生される水素の流量（ｍｌ／ｍｉｎ）が決定されることを確認できる。グラフ上ではほとんど線形的な特性を有し、これは前述した数学式１と同じ結果である。
【００６７】
図５は本発明の一実施例による水素発生装置２００の制御部２４０の概略的な構成図である。
【００６８】
制御部２４０は流量測定器５１０に連結される。
【００６９】
流量測定器５１０は水素発生装置２００の第２電極２３０から生成された水素発生量を流量（ｆｌｏｗ ｒａｔｅ）単位で測定する。前述したように本発明の実施例による水素発生装置２００を燃料電池に結合して使用するためには水素の総発生量ではなく一定時間の間に所定の水素発生量が維持されることが重要であるので、水素発生量を流量単位、すなわち、ｍｌ／ｍｉｎ単位で測定する。勿論、その以外にも流量を測定することができれば他の測定単位を用いることもできる。
【００７０】
制御部２４０は水素発生量に関する設定値の入力を受ける。水素発生装置２００に別途の入力部（図示せず）が備えられ、使用者が直接入力することもできる。また、水素発生装置２００の結合された燃料電池が電力を提供する負荷から必要とする電力の入力を受けることもできる。後者の場合、負荷には、 必要とする電力を水素発生装置２００に伝達するための電力要求部が別途に備えられてもよい。
【００７１】
制御部２４０は、入力された設定値と流量測定器５１０から測定した水素発生量とを比較する。水素発生量が設定値より小さい場合には水素発生量が増加するように第１電極２２０から第２電極２３０へ流れる電子量を増加させ、水素発生量が設定値より多い場合には水素発生量が減少するように第１電極２２０から第２電極２３０に流れる電子量を減少させる。すなわち、制御部２４０は第１電極２２０から第２電極２３０へ流れる電子量を調節することにより水素発生量を調節する。
【００７２】
図６は本発明の他の実施例による水素発生装置２００の制御部２４０及びそれに結合されている燃料電池と負荷とを含む燃料電池発電システムの概略的な構成図である。
【００７３】
制御部２４０は燃料電池１００が電力を提供する負荷６１０に連結される。前述したように、負荷６１０は現在動作状態に応じて必要とする電力に差が生ずる（図３参照）。よって、制御部２４０は負荷６１０の現在動作状態に応じて必要とする電力の入力を受ける。
【００７４】
また、制御部２４０は燃料電池１００に連結され燃料電池１００の出力の入力を受ける。燃料電池１００の出力とは、例えば、水素発生装置２００から発生した水素の供給を受ける燃料電池１００が負荷６１０に提供する電力を意味する。前述したように、本発明の実施例による水素発生装置２００を燃料電池に結合して使用するためには水素の総発生量ではなく一定時間の間に所定の水素発生量が維持されることが重要であるので、水素発生量による燃料電池１００の電力をワット（Ｗ）単位で入力を受ける。また、制御部２４０は燃料電池１００に電圧（ｖｏｌｔａｇｅ）を測定し、抵抗を用いて電力に換算する。その他にも最終的に電力を測定することができれば他の測定単位を用いることも可能である。
【００７５】
制御部２４０は、燃料電池１００の出力と負荷６１０が必要とする要求電力とを比較する。燃料電池１００の出力が要求電力より小さい場合には水素発生量が増加するように第１電極２２０から第２電極２３０へ流れる電子量を増加させ、燃料電池１００の出力が要求電力より多い場合には水素発生量が減少するように電子量を減少させる。燃料電池１００の出力が要求電力と比較して一定誤差範囲内にあると現在の水素発生量を維持することにする。
【００７６】
図７は本発明のさらに他の実施例による水素発生装置２００の制御部２４０及びそれに結合されている燃料電池と負荷とを含む燃料電池発電システムの概略的な構成図である。
【００７７】
図７に示す燃料電池発電システムは、図６の燃料電池発電システムに比して充電池７１０をさらに備える。 燃料電池１００は応答性が遅いため、負荷６１０からピーク電力（ｐｅａｋ ｐｏｗｅｒ）が要求される場合瞬間的に対処することができない。よって、充電池７１０に電力を予め充電しておくことによりピーク電力に対処できるようになる。
【００７８】
制御部２４０は充電池７１０の電圧を測定しながら充電池７１０が完全に充電されるまで水素を引続き生成し、燃料電池１００は電圧を引続き供給するようにする。そして、負荷６１０からの要求電力の応じて充電池７１０に充電されている電圧を提供し、これにより充電池の電圧が低くなると再び水素発生装置２００が水素を生成するようにする。
【００７９】
すなわち、制御部２４０は充電池７１０の現在電圧と完充電圧とを比較する。完充電圧とは充電池７１０が完全に充電された場合の電圧を意味する。現在電圧が完充電圧より小さい場合には水素発生量が増加するように第１電極２２０から第２電極２３０へ流れる電子量を増加させ、現在電圧が完充電圧より大きいか、または同一である場合には水素発生が停止するように第１電極２２０から第２電極２３０へ流れる電子量を最小にする。
【００８０】
ここで、充電池７１０はスーパーキャパシタ（ｓｕｐｅｒ ｃａｐａｃｉｔｏｒ）または充電用小型バッテリであることができる。スーパーキャパシタはキャパシタの性能中の電気容量の性能を強化したものであり、電力を充電しながらも必要により充電された電力を放出する。
【００８１】
前記では本発明の好ましい実施例を参照して説明したが、当該技術分野の通常の知識を持った者であれば、本発明の特許請求の範囲に記載された本発明の思想及び領域から脱しない範囲内で本発明を多様に修正及び変更することができることを理解できよう。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】燃料電池の作動原理を示す面である。
【図２】本発明の一実施例による水素発生装置の概略的な断面図である。
【図３】本発明の一実施例による水素発生装置における第１電極と第２電極との間に流れる電流量と発生される水素量との関係を示すグラフである。
【図４】本発明の一実施例による水素発生装置における第１電極と第２電極との間に流れる電流量と発生される水素量との関係を示すグラフである。
【図５】本発明の一実施例による水素発生装置の制御部に対する概略的な構成図である。
【図６】本発明の他の実施例による水素発生装置の制御部及びそれに結合されている燃料電池と負荷とを備える燃料電池の発電システムの概略的な構成図である。
【図７】本発明の他の実施例による水素発生装置の制御部及びそれに結合されている燃料電池と負荷とを備える燃料電池の発電システムの概略的な構成図である。
【符号の説明】
【００８３】
１００ 燃料電池
１１０ 燃料極
１２０ 膜
１３０ 空気極
２００ 水素発生装置
２１０ 電解槽
２１５ 電解質水溶液
２２０ 第１電極
２３０ 第２電極
２４０ 制御部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質水溶液が入っている電解槽と、
前記電解槽内に位置し、前記電解質水溶液に浸され電子を発生する第１電極と、
前記電解槽内に位置し、前記電解質水溶液に浸され前記電子を受けて水素を発生する第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極との間に位置し、前記第１電極から前記第２電極へ流れる所定時間の間に電子量を制御する制御部と
を備える水素発生装置。
【請求項２】
前記第１電極が、第２電極より相対的にイオン化傾向が大きい金属からなることを特徴とする請求項１に記載の水素発生装置。
【請求項３】
前記第２電極からの水素発生量を測定する流量測定器をさらに備え、
前記制御部が、設定値の入力を受け、測定された前記水素発生量と前記設定とを比較して前記電子量を制御することを特徴とする請求項１に記載の水素発生装置。
【請求項４】
前記制御部が、入力装置を用いて使用者からまたは前記水素発生装置に結合されている燃料電池から必要とする水素量に対応する前記設定値の入力を受けることを特徴とする請求項３に記載の水素発生装置。
【請求項５】
前記制御部が、前記設定値と測定された前記水素発生量とを比較して、前記水素発生量が前記設定値より小さい場合には前記電子量を増加させ、前記水素発生量が前記設定値より大きい場合には前記電子量を減少させ、前記水素発生量が前記設定値と同一である場合には前記電子量を維持することを特徴とする請求項３に記載の水素発生装置。
【請求項６】
前記設定値が、上限設定値と下限設定値とを含み、
前記制御部が、前記設定値と測定された前記水素発生量とを比較して、前記水素発生量が前記下限設定値より小さい場合には前記電子量を増加させ、前記水素発生量が前記上限設定値より大きい場合には前記電子量を減少させ、前記水素発生量が前記上限設定値と下限設定値の間にある場合は前記電子量を維持することを特徴とする請求項３に記載の水素発生装置。
【請求項７】
電極の間に流れる所定時間の間の電子量を調節して水素発生量を調節する水素発生装置と、
前記水素発生装置から生成された水素の供給を受け、前記水素の化学エネルギーを電気エネルギーに変換する燃料電池と、
前記電気エネルギーの供給を受け、予め設定された動作を行う負荷（ｌｏａｄ）と
を備える燃料電池発電システム。
【請求項８】
前記水素発生装置が、
電解質水溶液が入っている電解槽と、
前記電解槽内に位置し、前記電解質水溶液に浸され電子を発生する第１電極と、
前記電解槽内に位置し、前記電解質水溶液に浸され前記電子を受けて水素を発生する第２電極と、
前記負荷から要求電力の入力を受け、前記燃料電池の出力を測定し、前記要求電力と前記出力とを比較して前記第１電極から前記第２電極へ流れる所定時間の間の電子量を制御する制御部と
を備える請求項７に記載の燃料電池発電システム。
【請求項９】
前記第１電極が、第２電極より相対的にイオン化傾向が大きい金属からなることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１０】
前記制御部が、前記要求電力と前記出力とを比較して、前記出力が前記要求電力より大きい場合には前記電子量を減少させ、前記出力が前記要求電力より小さい場合には前記電子量を増加させ、前記出力が前記要求電力と同一である場合には前記電子量を維持することを特徴とする請求項８に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１１】
前記燃料電池と前記負荷との間に結合され、前記燃料電池から前記電気エネルギーの供給を受けて充電し、前記負荷が必要とする場合には充電された前記エネルギーを提供する充電池をさらに備える請求項７に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１２】
前記水素発生装置が、
電解質水溶液が入っている電解槽と、
前記電解槽内に位置し、前記電解質水溶液に浸され電子を発生する第１電極と、
前記電解槽内に位置し、前記電解質水溶液に浸され前記電子を受けて水素を発生する第２電極と、
前記充電池の現在電圧を測定し、前記充電池の完充電圧と比較して前記第１電極から前記第２電極へ流れる所定時間の間の電子量を制御する制御部と
を備える請求項１１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１３】
前記第１電極が、第２電極より相対的にイオン化傾向が大きい金属からなることを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１４】
前記制御部が、前記現在電圧と前記完充電圧とを比較して、前記現在電圧が前記完充電圧より小さい場合には前記電子量を増加させ、前記現在電圧が前記完充電圧より大きいか、または同一である場合には前記電子量を最小にすることを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１】
電解質水溶液が入っている電解槽と、
前記電解槽内に位置し、前記電解質水溶液に浸され電子を発生する第１電極と、
前記電解槽内に位置し、前記電解質水溶液に浸され前記電子を受けて水素を発生する第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極との間に位置し、前記第１電極から前記第２電極へ流れる所定時間の間に電子量を制御する制御部と
を備える水素発生装置。
【請求項２】
前記第１電極が、第２電極より相対的にイオン化傾向が大きい金属からなることを特徴とする請求項１に記載の水素発生装置。
【請求項３】
前記第２電極からの水素発生量を測定する流量測定器をさらに備え、
前記制御部が、設定値の入力を受け、測定された前記水素発生量と前記設定とを比較して前記電子量を制御することを特徴とする請求項１に記載の水素発生装置。
【請求項４】
前記制御部が、入力装置を用いて使用者からまたは前記水素発生装置に結合されている燃料電池から必要とする水素量に対応する前記設定値の入力を受けることを特徴とする請求項３に記載の水素発生装置。
【請求項５】
前記制御部が、前記設定値と測定された前記水素発生量とを比較して、前記水素発生量が前記設定値より小さい場合には前記電子量を増加させ、前記水素発生量が前記設定値より大きい場合には前記電子量を減少させ、前記水素発生量が前記設定値と同一である場合には前記電子量を維持することを特徴とする請求項３に記載の水素発生装置。
【請求項６】
前記設定値が、上限設定値と下限設定値とを含み、
前記制御部が、前記設定値と測定された前記水素発生量とを比較して、前記水素発生量が前記下限設定値より小さい場合には前記電子量を増加させ、前記水素発生量が前記上限設定値より大きい場合には前記電子量を減少させ、前記水素発生量が前記上限設定値と下限設定値の間にある場合は前記電子量を維持することを特徴とする請求項３に記載の水素発生装置。
【請求項７】
電極の間に流れる所定時間の間の電子量を調節して水素発生量を調節する水素発生装置と、
前記水素発生装置から生成された水素の供給を受け、前記水素の化学エネルギーを電気エネルギーに変換する燃料電池と、
前記電気エネルギーの供給を受け、予め設定された動作を行う負荷（ｌｏａｄ）と
を備える燃料電池発電システム。
【請求項８】
前記水素発生装置が、
電解質水溶液が入っている電解槽と、
前記電解槽内に位置し、前記電解質水溶液に浸され電子を発生する第１電極と、
前記電解槽内に位置し、前記電解質水溶液に浸され前記電子を受けて水素を発生する第２電極と、
前記負荷から要求電力の入力を受け、前記燃料電池の出力を測定し、前記要求電力と前記出力とを比較して前記第１電極から前記第２電極へ流れる所定時間の間の電子量を制御する制御部と
を備える請求項７に記載の燃料電池発電システム。
【請求項９】
前記第１電極が、第２電極より相対的にイオン化傾向が大きい金属からなることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１０】
前記制御部が、前記要求電力と前記出力とを比較して、前記出力が前記要求電力より大きい場合には前記電子量を減少させ、前記出力が前記要求電力より小さい場合には前記電子量を増加させ、前記出力が前記要求電力と同一である場合には前記電子量を維持することを特徴とする請求項８に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１１】
前記燃料電池と前記負荷との間に結合され、前記燃料電池から前記電気エネルギーの供給を受けて充電し、前記負荷が必要とする場合には充電された前記エネルギーを提供する充電池をさらに備える請求項７に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１２】
前記水素発生装置が、
電解質水溶液が入っている電解槽と、
前記電解槽内に位置し、前記電解質水溶液に浸され電子を発生する第１電極と、
前記電解槽内に位置し、前記電解質水溶液に浸され前記電子を受けて水素を発生する第２電極と、
前記充電池の現在電圧を測定し、前記充電池の完充電圧と比較して前記第１電極から前記第２電極へ流れる所定時間の間の電子量を制御する制御部と
を備える請求項１１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１３】
前記第１電極が、第２電極より相対的にイオン化傾向が大きい金属からなることを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１４】
前記制御部が、前記現在電圧と前記完充電圧とを比較して、前記現在電圧が前記完充電圧より小さい場合には前記電子量を増加させ、前記現在電圧が前記完充電圧より大きいか、または同一である場合には前記電子量を最小にすることを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池発電システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００８−１９５５９８（Ｐ２００８−１９５５９８Ａ）
【公開日】平成２０年８月２８日（２００８．８．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３１２７８９（Ｐ２００７−３１２７８９）
【出願日】平成１９年１２月３日（２００７．１２．３）
【出願人】（５９４０２３７２２）サムソン エレクトロ−メカニックス カンパニーリミテッド． (1,585)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年８月２８日（２００８．８．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１２月３日（２００７．１２．３）
【出願人】（５９４０２３７２２）サムソン エレクトロ−メカニックス カンパニーリミテッド． (1,585)
【Ｆターム（参考）】
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