発電装置
【課題】発生させた水素を燃料電池に供給して、外部からの電力供給なし余剰電力を出力できる発電装置を提供する。
【解決手段】電圧の印加による電気分解反応及び電極１１の自己反応の両者で水素を発生させる水素発生手段１０と、発生した水素を供給して発電を行う燃料電池２０と、その燃料電池２０からの電力を利用して、直接的又は間接的に前記水素発生手段１０に電圧を印加する電圧印加回路３０と、前記燃料電池２０で発電した余剰の電力を出力する出力回路４０と、を備える。
【解決手段】電圧の印加による電気分解反応及び電極１１の自己反応の両者で水素を発生させる水素発生手段１０と、発生した水素を供給して発電を行う燃料電池２０と、その燃料電池２０からの電力を利用して、直接的又は間接的に前記水素発生手段１０に電圧を印加する電圧印加回路３０と、前記燃料電池２０で発電した余剰の電力を出力する出力回路４０と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気分解反応を利用して発生させた水素を、燃料電池に供給して発電を行う発電装置に関し、特に電極の自己反応を伴うことで余剰電力を電力供給なしに出力できる技術として極めて有用である。
【背景技術】
【０００２】
この種の発電装置としては、特許文献１の従来技術に記載されているように、水の電気分解反応で水素を発生させる水素発生手段と、発生した水素を貯蔵する貯蔵手段と、貯蔵手段から導入した水素で発電を行う燃料電池とを備えた発電装置が知られていた。
【０００３】
この発電装置で使用する水素発生手段は、常法による水の電気分解を行う装置であるため、電気分解の消費電力が、発生した水素を利用した燃料電池による発電電力を超えているので、外部から供給した電力を超える電力を出力することはできなかった。このため、この発電装置では、水素を貯蔵する貯蔵手段を設けて、一旦貯蔵した水素で発電を行う装置構成を採用しており、一旦貯蔵した貯蔵手段からの水素が、水素発生手段による水素発生量より十分多い場合に限り、燃料電池で発電を行いながら、電気分解と外部への出力を行うことができる。
【０００４】
このため、特許文献１の発明では、自然エネルギー発電装置から水素発生手段に電力を供給する方法を採用して、外部電力の消費を少なくしている。また、特許文献１の発明では、自然エネルギー発電装置からの電力を充電して、負荷に供給する二次電池を併用することが開示されているが、この二次電池は、発電の初期に前記水素発生手段に電力を供給するものではない。
【０００５】
また、特許文献２には、水の電気分解反応で水素を発生させる際に、電解層に通電する電力のデューティ比で水素発生量を制御する方法が開示されている。
【０００６】
一方、特許文献３には、アルミニウム等をアノード極とし、アルミニウムをカソード極として、両極を電解質水溶液に浸漬して電気分解を行うことで、水素を発生させる水素製造方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−２５７４４３号公報
【特許文献２】特開２００４−１９７２１１号公報
【特許文献３】特表２００８−５４４０８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献３の水素製造方法では、他の金属を電極に使用した場合に比べて、水素発生量が増加することが開示されているものの、発生した水素を燃料電池による発電に使用した場合、電気分解の消費電力と、燃料電池による発電電力との大小関係がどのようになるかは不明であった。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、発生させた水素を燃料電池に供給して、外部からの電力供給なし余剰電力を出力できる発電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者らは、水の電気分解反応を利用して水素を発生させる際に、アルミニウム等をカソード極に使用することで、電極の自己反応が生じて、電気分解の消費電力と水素供給による燃料電池の発電電力との電力収支がプラスになることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１１】
即ち、本発明の発電装置は、電圧の印加による電気分解反応及び電極の自己反応の両者で水素を発生させる水素発生手段と、発生した水素を供給して発電を行う燃料電池と、その燃料電池からの電力を利用して、直接的又は間接的に前記水素発生手段に電圧を印加する電圧印加回路と、前記燃料電池で発電した余剰の電力を出力する出力回路と、を備えることを特徴とする。
【００１２】
本発明の発電装置によると、電圧の印加による電気分解反応及び電極の自己反応の両者で水素を発生させる水素発生手段を用いることで、電気分解の消費電力と水素供給による燃料電池の発電電力との電力収支をプラスにすることができる。このため、発生した水素を供給して発電を行う燃料電池の電力を利用して、電圧印加回路により水素発生手段に電圧を印加する一方で、余剰の電力を出力回路を経て出力することができる。その結果、発生させた水素を燃料電池に供給して、外部からの電力供給なし余剰電力を出力できる発電装置を提供することができる。
【００１３】
上記において、前記水素発生手段に供給される初期の電力が、定常状態における電力と比較して大きくなるように構成されているのが好ましい。ここで、定常状態とは、水素発生手段による消費電力が、最小の状態から最小プラス５０％の状態までの状態を指す。
【００１４】
この構成によると、電力収支がプラスである定常状態における水素発生手段に供給される電力より、初期に供給される電力が大きくなるため、初期に電極が活性化され易くなり、電極の自己反応が早急に開始することで、トータルの電力収支を高めることができると共に、電力収支がプラスになる時点を早めることができる。
【００１５】
また、前記水素発生手段は、少なくともカソード極がアルミニウムを含有するものであることが好ましい。カソード極がアルミニウムを含有することによって、カソード極でも電極の自己反応を生じさせることができ、電力収支をよりプラスにして、より大きな余剰電力を出力できるようになる。
【００１６】
また、少なくとも発電の初期に前記水素発生手段に電力を供給する蓄電手段、及び／又は少なくとも発電の初期に前記燃料電池に水素を供給するための水素供給手段を備えることが好ましい。
【００１７】
一旦、燃料電池による発電が生じると、継続的に余剰電力を出力できるので、発電の初期に電力を供給する蓄電手段、及び／又は水素を供給するための水素供給手段を設けることで、初期の発電をスムーズに行うことができる。
【００１８】
その際、少なくとも発電の初期に前記水素発生手段に電力を供給し、前記燃料電池から供給された電力を蓄電する蓄電手段と、前記燃料電池から前記蓄電手段に供給する電力を制御する制御手段とを備えることが好ましい。蓄電手段を設ける場合には、燃料電池から供給された電力を蓄電して利用することが好ましいため、燃料電池から前記蓄電手段に供給する電力を制御する制御手段を設けることで、初期に使用する電力を蓄電手段に確保できる。
【００１９】
また、少なくとも発電の初期に前記燃料電池に水素を供給するための水素供給手段と、前記燃料電池から前記水素発生手段に供給する電力及び前記出力回路から出力される電力を制御する制御手段とを備えることが好ましい。このような水素供給手段を設けることで、初期に使用する蓄電手段を不要にすることができるが、その場合、制御手段を設けて、燃料電池から水素発生手段に供給する電力及び出力回路から出力される電力を制御することで、余剰電力を出力する際の電力配分の適正化が図り易くなる。
【００２０】
その際、前記制御手段がデューティ比の制御により電力を制御することが好ましい。デューティ比の制御を行うことで、電圧降下等による系全体の不安定化を回避しながら、電力を効率良く供給することができ、余剰電力を出力する際の電力配分の適正化が図り易くなる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の発電装置の一例を示すブロック図
【図２】本発明の発電装置の他の例を示すブロック図
【図３】本発明の発電装置の他の例を示すブロック図
【図４】本発明の発電装置の他の例を示すブロック図
【図５】実施例１における結果を示すグラフ
【図６】実施例１〜２及び比較例１における結果を示すグラフ
【図７】実施例３及び比較例２における結果を示すグラフ
【図８】実施例４及び比較例３における結果を示すグラフ
【図９】実施例５及び比較例４における結果を示すグラフ
【図１０】実施例３−１、４−１、及び５−１における結果を示すグラフ
【図１１】実施例で使用した燃料電池を示す図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のＩ−Ｉ矢視断面図、（ｃ）は（ａ）のＩＩ−ＩＩ矢視断面図、（ｄ）は底面図
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明の発電装置は、図１に示すように、電圧の印加による電気分解反応及び電極１１の自己反応の両者で水素を発生させる水素発生手段１０と、発生した水素を供給して発電を行う燃料電池２０と、その燃料電池２０からの電力を利用して、直接的又は間接的に前記水素発生手段１０に電圧を印加する電圧印加回路３０と、前記燃料電池２０で発電した余剰の電力を出力する出力回路４０と、を備える。
【００２３】
（水素発生手段）
水素発生手段１０は、少なくとも２つの電極１１を有し、電圧の印加による電気分解反応が可能となっている。本実施形態では、電極１１が一対のアノード極１１ａとカソード極１１ｂとで構成されている例を示すが、更に複数のアノード極１１ａとカソード極１１ｂが直列及び／又は並列に接続されていてもよい。
【００２４】
本発明では、水素発生手段１０により、電気分解反応及び電極１１の自己反応の両者で水素を発生させるが、電極１１の自己反応は、標準電極電位の低い金属（イオン化し易い金属）をアノード極１１ａ及び／又はカソード極１１ｂに用いることで生じさせることができる。標準電極電位の低い金属は、何れの極に使用してもよいが、両極に使用することが、電力収支を大きくする観点から好ましい。なお、従来の水の電気分解は不活性電極を使用するため、電極１１の自己反応が生じないことが知られている。
【００２５】
本発明では、アノード極１１ａとカソード極１１ｂが同じ金属でもよく、異なる金属でもよい。標準電極電位の低い金属としては、カリウム、カルシウム、ナトリウム、マグネシウム、アルミニウム、亜鉛、鉄、ニッケル、錫、鉛が挙げられるが、自己反応の生じ易さの観点から、カリウム、カルシウム、ナトリウム、マグネシウム、アルミニウムが好ましく、コストとハンドリング性の観点から、マグネシウム、アルミニウムがより好ましい。
【００２６】
これらの金属は、合金や混合金属としても使用することができる。その場合の純度は、９０〜１００重量％が好ましく、９９〜９９．９重量％がより好ましい。電極１１に含まれる他の元素としては、Ａｌ，Ｍｇ，Ｍｎ，Ｚｎ，Ｃｕ，Ｓｉ，Ｆｅ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｖ，Ｂｉ，Ｐｂ，Ｚｒ，Ｂなどが挙げられる。
【００２７】
本発明では、特に、マグネシウムを含むアノード極とマグネシウムを含むカソード極との組合せ、又はアルミニウムを含むアノード極とアルミニウムを含むカソード極との組合せが好ましいが、マグネシウムを含むアノード極とアルミニウムを含むカソード極との組合せでも、自己反応を活発に生じさせることができる。
【００２８】
本発明では、電極からの電子の授受を伴う電極反応（電気分解反応）と、電子の授受を伴わない電極の自己反応（自発反応）との両者が生じる。電子の授受を伴う電極反応は、印加する電力の消費を伴うため、両電極での水素発生反応を効率良く行うためには、自己反応の比率を高めることが重要になる。これらの反応は、例えば次の通りである。
【００２９】
例えば、両極がアルミニウムの場合、アノード極では、
Ａｌ＋３ＯＨ−→Ａｌ（ＯＨ）３＋３ｅ−（水の電気分解）と、
２Ａｌ＋６Ｈ２Ｏ→２Ａｌ（ＯＨ）３＋３Ｈ２↑（Ａｌ活性化による自己反応）
が生じると考えられる。
【００３０】
また、カソード極では
２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２↑（水の電気分解）と、
２Ａｌ＋６Ｈ２Ｏ→２Ａｌ（ＯＨ）３＋３Ｈ２↑（Ａｌ活性化による自己反応）
が生じると考えられる。
【００３１】
マグネシウムを使用する場合、アノード極では、
Ｍｇ＋２ＯＨ−→Ｍｇ（ＯＨ）２＋２ｅ−（水の電気分解）と、
Ｍｇ＋２Ｈ２Ｏ→Ｍｇ（ＯＨ）２＋Ｈ２↑（Ｍｇ活性化による自己反応）
が生じると考えられる。カソード極に使用する場合は、同様の自己反応と、アルミニウムの場合と同じ水の電気分解反応が生じると考えられる。
【００３２】
本実施形態では、説明を簡易にするため、電極１１が容器１２の電解液１３に浸漬されている例を示すが、アノード極１１ａとカソード極１１ｂとに、多孔質体を接触させて両極間に介在させ、その多孔質体に電解質水溶液を保持させた状態で、両極に電圧を印加することが好ましい。
【００３３】
このような水素発生手段１０では、電極に多孔質体を接触させて両極間に介在させているため、多孔質体が接触しない場合と比較して、アノード極での反応に伴う酸性度と、カソード極での反応に伴うアルカリ性度とが維持されやすくなり、酸性条件での電極の自己反応（水素発生反応）や、アルカリ性条件での電極の自己反応（水素発生反応）が促進されて、水素発生反応が効率良く生じると考えられる。また、反応で生成する成分（例えば金属水酸化物）が、電極表面に付着せずに多孔質体の空孔内部に取り込まれるため、副生成物による反応阻害を抑制することができ、長時間の水素発生が行えると考えられる。その結果、両電極での水素発生反応を、効率良く長時間生じさせることができる。
【００３４】
アルミニウムの自己反応による水素発生は、アルカリ性条件および酸性条件で生じるため、このように酸性度とアルカリ性度とを維持することが、水素発生反応の効率を向上させる。また、マグネシウムの自己反応による水素発生は酸性条件の方が有利であるため、酸性度を維持することが、水素発生反応の効率を向上させる。この観点から、マグネシウムはアノード極に使用するのが好ましい。
アノード極１１ａ及び／又はカソード極１１ｂの形状は、柱状、板状、塊状など何れでも良いが、電極面積を広くする上で、板状のものが好ましい。板状の場合、パンチングメタルのような有孔タイプ、櫛状電極のようなスリットを有するタイプ、メッシュタイプ、不織布状物などでもよい。板状の電極は、平板状の他、板状物を円筒状、四角筒状、スパイラル状、ジグザク状、プリーツ状などに加工したものなどでもよい。
【００３５】
アルミニウムを用いる場合の電極の厚みは、十分な水素発生量を確保しつつ金属の反応率を高める観点から、０．０３〜５ｍｍが好ましく、０．１〜１ｍｍがより好ましい。マグネシウムを用いる場合の電極の厚みは、同様の観点から、０．３〜１０ｍｍが好ましく、０．５〜５ｍｍがより好ましい。一方の電極に不活性な金属を用いる場合など、その他の金属を用いた電極の厚みは０．０１〜１０ｍｍが好ましく、０．０５〜５ｍｍがより好ましい。
【００３６】
アノード極１１ａとカソード極１１ｂとに、多孔質体を接触させて両極間に介在させる場合、多孔質体としては、連通孔を有するものであれば何れでもよく、スポンジ（フォーム）、不織布、織布、紙類、多孔質膜、焼結体、多孔板などが挙げられる。
【００３７】
多孔質体の空孔率は、副生成物を取り込む空間を確保しつつ、電極との接触状態を維持する観点から、空孔率が３０〜９９．９％であることが好ましく、８０〜９９．５％であることがより好ましい。なお、空孔率（％）は、（１−（多孔質体の密度／材質の密度））×１００で計算した値である。
【００３８】
多孔質体表面の平均孔径としては、空孔の目詰まりを抑制しつつ、電極との接触状態を確保する観点から、１〜３０００μｍが好ましく、５０〜１００μｍがより好ましい。平均孔径は、表面の顕微鏡観察により測定し、数平均により求めた値である。
【００３９】
多孔質体の材質としては、樹脂、セラミックスなどの絶縁物質や、これらに導電性物質を添加して導電性を向上させたもの、など何れでもよい。但し、電解質水溶液を保持する観点から、親水性の材料が好ましい。樹脂製の多孔質体の場合、弾性変形可能なもの、塑性変形可能なもの、殆ど変形しないものなどが挙げられるが、弾性変形可能なスポンジ状樹脂からなる多孔質体が特に好ましい。
【００４０】
多孔質体を構成する樹脂としては、メラミン樹脂、ウレタン樹脂、フェノール樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂、エポキシ樹脂、セルロース系樹脂、などが挙げられる。なかでも、適当な空孔率、孔径、弾性を有する多孔質体が得られ易い観点から、メラミン樹脂、ウレタン樹脂、ポリエステル樹脂、セルロース系樹脂が好ましい。
【００４１】
多孔質体の厚み（運転状態）又は電極間の距離は、電解質水溶液を保持しつつ副生成物を取り込む空間を確保する観点から、１〜１０ｍｍが好ましく、２〜５ｍｍがより好ましい。多孔質体は、単層であっても複数層であってもよく、複数層の場合、各層の孔径を変えるなど、異なる種類のものを積層してもよい。弾性変形可能な多孔質体を用いる場合、接触性を向上させる観点から、配置する電極間の距離に対して、１〜３倍が好ましく、１．２〜２倍がより好ましい。
【００４２】
多孔質体には、電解質水溶液を保持させている。電解質水溶液は、酸性又はアルカリ性でもよいが、両極で酸性度とアルカリ性度とを発現する観点から、中性、例えばｐＨ５〜９が好ましく、ｐＨ６〜８がより好ましい。
【００４３】
電解質水溶液に含有される電解質としては、アルカリ金属塩、アルカリ土類金属塩、その他の金属塩、アンモニウム塩、ホスホニウム塩など何れでも良いが、取扱い性の観点から、塩化ナトリウム、塩化カリウム、塩化リチウムが好ましい。電解質は２種以上混合することも可能であり、酸性塩や塩基性塩との併用も可能である。また、アルカリ性物質や酸性物質を併用することも可能である。
【００４４】
電解質の濃度としては、電気抵抗を適度に調整して、効率よく電極反応を生じさせる観点から、５〜３０重量％が好ましく、２０〜２６重量％がより好ましい。なお、水素発生反応の途中で、水を別途添加したり、電解質を別途添加してもよい。また、多孔質体に予め電解質等を添着（含浸・乾燥）しておき、反応の初期に水等を供給して、多孔質体に電解質水溶液を保持させてもよい。また、完全に溶解しない電解質が存在する状態（飽和状態）で反応を行ってもよい。
【００４５】
電解質水溶液は、少なくともその一部が多孔質体に保持されていればよく、残部は容器内に存在してもよい。また、電解質水溶液の全体が多孔質体に保持されるようにしてもよい。電解質水溶液を水素発生反応の途中で別途添加することも可能である。
【００４６】
電解質水溶液の量は、できるだけ過不足無く水素発生反応を行う観点から、電極の総重量１００重量部に対して、１５００〜１００００重量部が好ましく、２０００〜５０００重量部がより好ましい。
【００４７】
（燃料電池）
燃料電池２０としては、水素を供給して発電を行うものが何れも使用できる。本発明では、装置の小型化・軽量化の観点から、燃料電池２０として固体高分子電解質層２１とその両側に設けられた電極２２、２３とを備えるものが好ましい。なお、燃料電池２０は、複数の単位セルを備えるものでよく、その場合、単位セル同士は接続部により直列又は並列に電気的に接続される。
【００４８】
燃料電池２０のアノード側には、水素発生手段１０で発生した水素が供給される。その際の経路には、バッファタンクなどを設けてもよいが、直接供給することも可能である。燃料電池２０のカソード側には空気などの酸素含有ガスが供給される。
【００４９】
単位セルは、例えば、固体高分子電解質層２１と、この固体高分子電解質層２１の両側に設けられた第１電極層２２及び第２電極層２３と、これら電極層２２，２３の更に外側に各々配置された第１導電層及び第２導電層とを有する。本実施形態では、第１導電層及び第２導電層が、第１電極層２２及び第２電極層２３を部分的に露出させる露出部を有する第１金属層及び第２金属層とからなる例を示す。これらの各層は、インサート成形により樹脂で一体化されていることが好ましい。インサート成形により単位セルを製造する方法は、国際公開ＷＯ２００９／１４５０９０号公報に詳述されている。
【００５０】
固体高分子電解質層２１としては、従来の固体高分子膜型の燃料電池に用いられるものであれば何れでもよいが、化学的安定性及び導電性の点から、超強酸であるスルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体からなる陽イオン交換膜が好適に用いられる。このような陽イオン交換膜としては、ナフィオン（登録商標）が好適に用いられる。その他、例えば、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素樹脂からなる多孔質膜に上記ナフィオンや他のイオン伝導性物質を含浸させたものや、ポリエチレンやポリプロピレン等のポリオレフィン樹脂からなる多孔質膜や不織布に上記ナフィオンや他のイオン伝導性物質を担持させたものでもよい。
【００５１】
固体高分子電解質層２１の厚みは、薄くするほど全体の薄型化に有効であるが、イオン伝導機能、強度、ハンドリング性などを考慮すると、１０〜３００μｍが使用可能であるが、２５〜５０μｍが好ましい。
【００５２】
電極層２２，２３は、固体高分子電解質層２１の表面付近でアノード側およびカソード側の電極反応を生じさせるものであれば何れでもよい。なかでも、ガス拡散層としての機能を発揮して、燃料ガス、燃料液、酸化ガス及び水蒸気の供給・排出を行なうと同時に、集電の機能を発揮するものが好適に使用できる。電極層２２，２３としては、同一又は異なるものが使用でき、その基材には電極触媒作用を有する触媒を担持させることが好ましい。触媒は、固体高分子電解質層２１と接する内面側に少なくとも担持させるのが好ましい。
【００５３】
電極層２２，２３の電極基材としては、例えば、カーボンペーパー、カーボン繊維不織布などの繊維質カーボン、導電性高分子繊維の集合体などの電導性多孔質材が使用できる。また、固体高分子電解質層２１に触媒を直接付着させたり、カーボンブラックなどの導電性粒子に担持させて固体高分子電解質層２１に付着させた電極層２２，２３を用いることも可能である。
【００５４】
一般に、電極層２２，２３は、このような電導性多孔質材にフッ素樹脂等の撥水性物質を添加して作製されるものであって、触媒を担持させる場合、白金微粒子などの触媒とフッ素樹脂等の撥水性物質とを混合し、これに溶媒を混合して、ペースト状或いはインク状とした後、これを固体高分子電解質膜と対向すべき電極基材の片面に塗布して形成される。
【００５５】
一般に、電極層２２，２３や固体高分子電解質層２１は、燃料電池に供給される還元ガスと酸化ガスに応じた設計がなされる。本発明では、酸化ガスとして空気が用いられると共に、還元ガスとして水素ガスを用いる。
【００５６】
空気が自然供給される側のカソード側の第２電極層２３（本明細書では、アノード側を第１電極層、カソード側を第２電極層と仮定する）では、酸素と水素イオンの反応が生じて水が生成するため、かかる電極反応に応じた設計をするのが好ましい。
【００５７】
触媒としては、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、銀、ニッケル、鉄、銅、コバルト及びモリブデンから選ばれる少なくとも１種の金属か、又はその酸化物が使用でき、これらの触媒をカーボンブラック等に予め担持させたものも使用できる。
【００５８】
電極層２２，２３の厚みは、薄くするほど全体の薄型化に有効であるが、電極反応、強度、ハンドリング性などを考慮すると、１〜５００μｍが好ましく、１００〜３００μｍがより好ましい。電極層２２，２３と固体高分子電解質層２１とは、予め接着、融着、又は塗布形成等を行って積層一体化しておいてもよいが、単に積層配置されているだけでもよい。このような積層体は、膜／電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）として入手することもでき、これを使用してもよい。
【００５９】
アノード側電極層２２の表面にはアノード側の第１金属層が配置され、カソード側電極層２３の表面にはカソード側の第２金属層が配置される（本明細書では、アノード側を第１金属層、カソード側を第２金属層と仮定する）。第１金属層は、第１電極層２２を部分的に露出させる露出部を有するが、本実施形態では、アノード側金属層には燃料ガス等を供給するための開孔が設けられている例を示す。
【００６０】
第１金属層の露出部は、アノード側電極層２２が露出可能であれば、その個数、形状、大きさ、形成位置などは何れでもよい。アノード側金属層の開孔は、例えば、規則的又はランダムに複数の円孔やスリット等を設けたり、または金属メッシュによって開孔を設けてもよい。開孔部分の面積が締める割合（開孔率）は、電極との接触面積とガスの供給面積のバランスなどの観点から、１０〜５０％が好ましく、１５〜３０％がより好ましい。
【００６１】
また、カソード側の第２金属層は、第２電極層２３を部分的に露出させる露出部を有するが、本実施形態では、カソード側金属層には、空気中の酸素を供給（自然吸気）するための多数の開孔が設けられている例を示す。開孔の形状、大きさ、開孔率等は、アノード側の第１金属層と同様である。
【００６２】
金属層としては、電極反応に悪影響がないものであれば何れの金属も使用でき、例えばステンレス板、ニッケル、銅、銅合金などが挙げられる。但し、導電性、コスト、形状付与性、加圧のための強度などの観点から、銅、銅合金、ステンレス板などが好ましい。また、上記の金属に金メッキなどの金属メッキを施したものでもよい。
【００６３】
なお、金属層の厚みは、薄くするほど全体の薄型化に有効であるが、導電性、コスト、重量、形状付与性、加圧のための強度などを考慮すると、１０〜１０００μｍが好ましく、５０〜２００μｍがより好ましい。
【００６４】
第１金属層及び第２金属層は、少なくとも一部が樹脂から露出することにより、その部分を電極として電気を外部に取り出すことができる。このため、樹脂成形体に対して、第１金属層及び第２金属層を一部露出させた端子部を設けてもよい。金属層及び金属層の形成や開孔の形成は、プレス加工（プレス打ち抜き加工）を利用して行うことができる。
【００６５】
以上では、小型の燃料電池として、アノード側とカソード側の両側に、燃料、酸素等を供給するための開口を有する燃料電池の例を示したが、少なくとも一方の側に、燃料等を供給するための流路を設けた単位セルが独立して構成された構成燃料電池、又はセパレータを介在させたスタックタイプの燃料電池などを使用することも可能である。
【００６６】
（電圧印加回路）
電圧印加回路３０は、燃料電池２０からの電力を利用して、直接的又は間接的に水素発生手段１０に電圧を印加するものである。本実施形態では、電圧印加回路３０が蓄電手段３１を介して、間接的に水素発生手段１０に電圧を印加する例を示す。
【００６７】
アルミニウムを含むアノード極１１ａと、アルミニウムを含むカソード極１１ｂとに電圧を印加する場合、適度な自己反応率を実現する上で、一対の電極に対して０．１〜５Ｖで印加するのが好ましく、０．５〜１．５Ｖで印加するのがより好ましい。マグネシウムを含むアノード極と、マグネシウムを含むカソード極とに電圧を印加する場合、適度な自己反応率を実現する上で、一対の電極に対して０．３〜５Ｖで印加するのが好ましく、１〜３Ｖで印加するのがより好ましい。マグネシウムを含むアノード極と、アルミニウムを含むカソード極とに電圧を印加する場合、適度な自己反応率を実現する上で、一対の電極に対して０〜２Ｖで印加するのが好ましく、０〜０．５Ｖで印加するのがより好ましい。
【００６８】
上記印加を行う際の電流は、上記電圧値と系の抵抗とによって決まるが、系の抵抗は、電極面積、電解質濃度、電極間距離、電極の数、多孔質体の空孔率などにより変化する。電圧の印加の際には、定電圧による印加の他、一定電流への電圧制御、一定水素発生量への電圧制御、あるいはこれらに対応する電流制御などを行っても良い。本発明では、水素発生の効率が高く、発生した水素を燃料電池に供給する場合の発電電力が、電気分解の消費電力を超えること、即ち電力収支をプラスにすることが可能となる。このため、発生した水素を供給した燃料電池により、電圧の印加を行うことができる。
【００６９】
水素発生手段１０に電圧を印加する回路には、電圧を昇圧又は降圧させるために、必要に応じてＤＣ／ＤＣコンバータ３２を設けてもよい。蓄電手段３１の出力電圧と、水素発生手段１０で要求される電位が、同程度であれば、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２は必要ないが、両者に電圧差がある場合には、これに応じた電圧変化がなされる。例えば、リチウムイオン二次電池を蓄電手段３１として使用する場合、出力電圧は４Ｖ前後であるため、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２などを用いて降圧を行うのが好ましい。
【００７０】
蓄電手段３１から水素発生手段１０に印加する電圧は、制御手段Ｃにより制御するのが好ましいが、制御の方法としては、スイッチング素子３３を用いて、デューティー比で電力供給量を制御する方法やオンオフ制御を行う方法の他、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２に対して制御信号を送ることで、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２からの出力電圧を制御する方法でもよい。
【００７１】
本実施形態では、燃料電池２０から蓄電手段３１に電力を供給する回路にも、ＤＣ／ＤＣコンバータ３４を設けられているが、これは燃料電池２０からの出力電圧を、蓄電手段３１を充電するための電圧に調整するために設けている。本実施形態では、燃料電池２０から出力回路４０を経て出力される電力が、ＤＣ／ＤＣコンバータ３４を介して出力されるため、蓄電手段３１の充電電圧とほぼ同じ電位になる。
【００７２】
燃料電池２０から蓄電手段３１に電力を供給する回路には、制御手段Ｃにより制御されるスイッチング素子３５などが設けられ、蓄電手段３１に供給する電力と、出力回路４０を経て出力する電力とを、制御手段Ｃにより配分することができる。制御手段Ｃによる配分は、デューティー比で制御する方法の他、配分される電流を検出して両者の電流の比で、電力の配分を行うようにしてもよい。この制御手段Ｃによりスイッチング素子３５などを制御して、燃料電池２０から蓄電手段３１に供給する電力を制御することができる。
【００７３】
デューティー比でスイッチング素子３５を制御する場合、スイッチング素子３３と同期させることで、スイッチング素子３５により蓄電手段３１を充電するタイミングを避けて、スイッチング素子３３で水素発生手段１０に電圧を印加するタイミングを制御してもよい。
【００７４】
なお、デューティー比で制御する場合、スイッチング素子３５と蓄電手段３１との間、又はスイッチング素子３５の出力回路４０側には、直流化のための整流回路や平滑化回路を設けてもよい。
【００７５】
本実施形態では、少なくとも発電の初期に水素発生手段１０に電力を供給する蓄電手段３１を備える例を示すが、少なくとも発電の初期に前記燃料電池に水素を供給するための水素供給手段を備えていてもよい（図３参照）。
【００７６】
蓄電手段３１は、発電の初期に水素発生手段１０に電力を供給するためにも使用することができる。図示した例では、発電の初期には、蓄電手段３１以外に電力の供給源が特に存在しない。このため、発電の初期に、スイッチング素子３３がオンになる状態で、蓄電手段３１から水素発生手段１０に電力を供給することが好ましい。
【００７７】
本発明では、水素発生手段１０に供給される初期の電力が、定常状態における電力と比較して大きくなるように構成されているのが好ましい。ここで、定常状態とは、水素発生手段による消費電力が、最小の状態から最小プラス５０％の状態までの状態を指すが、初期に供給する最大電力が、定常状態における最小電力の１．１〜５０倍が好ましく、２〜２０倍がより好ましく、４〜１０倍が好ましい。
【００７８】
初期の電力又は電力量を大きくする方法としては、蓄電手段３１からの電圧を変換するＤＣ／ＤＣコンバータ３２の設定電圧を高くする制御、スイッチング素子３３のデューティー比を高くする制御などが挙げられる。また、タイマ制御により設定電圧を変える制御、プログラムにより設定電圧を変える制御、電流等を検出してフィードバック制御で設定値に調節する際に設定値を変える制御などにより、上記制御を行うことが可能である。
【００７９】
制御手段Ｃは、蓄電手段３１から電源を取っているが、燃料電池２０からこれを行うことも可能である。燃料電池２０から電源を取る場合、燃料電池２０とＤＣ／ＤＣコンバータ３４との間に電気的に接続することが好ましい。
【００８０】
制御手段Ｃとしては、汎用のマイクロプロセッサ又は専用のマイクロコントローラを用いることができる。一般にマイクロコントローラは、メモリと用途に応じたI/Oを内蔵しているが、汎用マイクロプロセッサの場合、それらの機能を有する周辺チップを追加して用いることができる。
【００８１】
マイクロコントローラは、一般にクロックジェネレータ付きのCPU、プログラムを格納するためのメモリ、ウォッチドッグタイマー等のタイマー、外部周辺機器などと通信するための入出力部を有しており、これらが一つの集積回路に組み込まれているものもある（ワンチップマイコン）。
【００８２】
マイクロコントローラを動作できるようにするには、ソフトウェアをROMに格納して、クロック制御による演算を行えばよい。マイクロコントローラは様々な入出力デバイスを内蔵しており、アナログ-デジタル変換回路、汎用非同期シリアル通信などである。
【００８３】
マイクロコントローラを用いて、デューティー比の制御を行う場合、例えばカウンタを利用したPWM（Pulse Width Modulation)モードのプログラムを用いればよい。また、電流値又は電圧値などをフィードバック制御する場合、例えば、検出値と設定値とを比較して、制御信号をオンオフしたり、偏差に基づいて制御信号を演算するプログラムを用いればよい。
【００８４】
ここで、ＰＷＭ方式は、周期を一定としてパルス幅の割合を可変することにより、通電する時間の平均のエネルギーを可変制御する方式であるが、電圧そのものを変えてエネルギーを可変するＰＡＭ方式（Pulse Amplitude Modulation) を採用したり、両者を併用することも可能である。このようなPWM/PAM複合制御を行う場合、例えば、電力が低い領域では、電圧変換効率の問題により、一定以下に電圧が下げられないため、パルスモードを使用し、電力が必要な領域では、降圧型コンバータを制御し、デューティ１００％で電圧値そのものを可変させて、電力を制御することができる。
【００８５】
（出力回路）
出力回路４０は、燃料電池２０で発電した余剰の電力を出力するものである。本実施形態では、燃料電池２０から蓄電手段３１に電力を供給する回路のＤＣ／ＤＣコンバータ３４が、出力回路４０のＤＣ／ＤＣコンバータと兼用されているが、別のＤＣ／ＤＣコンバータを設けても良い。その場合、スイッチング素子３５の両側にＤＣ／ＤＣコンバータを設けてもよい。これにより、充電側の電圧と出力側の電圧とを変えることが出来る。
【００８６】
本発明において「余剰の電力を出力する」とは、トータルとしての余剰分を出力すると言う意味であり、常時、余剰分を出力すると言う意味ではない。例えば、ある期間は、燃料電池２０からの出力を全て出力回路４０を経て必要な負荷に出力し、負荷のない時に、出力を止めて全ての電力を蓄電手段３１に充電しながら、蓄電手段３１から水素発生手段１０に電力を供給してもよい。
【００８７】
出力回路４０には、蓄電手段３１とは別の蓄電手段を設けてもよく、この蓄電手段の充放電を行いながら系外に出力することができる。また、別の蓄電手段を設けずに、蓄電手段３１を充電しながら、蓄電手段３１から系外に電力を出力できるように構成してもよい。
【００８８】
また、図２に示す他の実施形態のように、出力回路４０に対し、蓄電手段３１からの出力をスイッチング素子４１などを介して電気的に接続してもよい。その場合、例えば燃料電池２０からの出力回路４０に、電流センサ４２などを設けて、電流の変化勾配に基づいて、スイッチング素子４１を制御することができる。スイッチング素子４１としては、オンオフだけでなく、電流制御を行えるものでもよい。
【００８９】
（他の実施形態１）
本発明の発電装置は、図３に示すように、少なくとも発電の初期に燃料電池２０に水素を供給するための水素供給手段５０を備えていてもよい。水素供給手段５０としては、水素貯蔵合金などを用いた水素タンク、水素化金属などの水素発生剤を用いたもの、電極反応を利用したものなど、何れでもよい。図示した実施形態では、電極反応を利用した水素供給手段５０の例を示す。
【００９０】
この水素供給手段５０は、電極５１間をスイッチング素子５５などで導通させるだけで、電極反応により水素を発生させることができる。その際、導通回路５４に抵抗を設けたり、スイッチング素子５５などで電流を調整するなどにより、水素発生量を制御することができ。
【００９１】
水素供給手段５０に用いる電極５１としては、アノード極５１ａが水素より標準電極電位の低い金属であり、カソード極１１ｂがそれより標準電極電位の高い金属であれば、いずれも使用することができる。但し、水素発生の純度と量、コスト、及びハンドリング性の観点より、マグネシウムとアルミニウム、マグネシウムとニッケル、マグネシウムと亜鉛、マグネシウムと鉄、マグネシウムとスズ、マグネシウムとSUS、マグネシウムと銅、マグネシウムとカーボンの組合せが好ましい。その他の構成、即ち、電解液５３、容器５２、多孔質体などは、前述した水素発生手段１０と同様のものが使用可能である。
【００９２】
水素供給手段５０は、発電の開始時点で、手動によりスイッチオンするのが好ましい。これにより発生した水素は、燃料電池２０のアノード側に供給され、発電が開始する。この実施形態では、蓄電手段３１を有しないため、電圧印加回路３０により、燃料電池２０からの電力を利用して、直接的に水素発生手段１０に電圧を印加する。電圧の印加により、水素発生手段１０は水素を発生し、これが燃料電池２０に供給され、二系統からの水素供給により発電が行われる。
【００９３】
電圧印加回路３０には、先の実施形態と同様に、燃料電池２０からの電力を配分するスイッチング素子３５と、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２とが設けられている。電圧印加回路３０を経て、水素発生手段１０に供給できる電力が十分（例えば電力収支がプラス）になると、スイッチング素子５５をオフすることで、水素供給手段５０からの水素供給を停止することができる。また、水素供給手段５０を使い切りにして、スイッチング素子５５をオフする制御を省略することも可能である。
【００９４】
出力回路４０は、スイッチング素子３５の負荷側にＤＣ／ＤＣコンバータ３４が設けられている他は、先の実施形態と同様である。制御手段Ｃは、燃料電池２０から電源を取っており、燃料電池２０とスイッチング素子３５との間に電気的に接続することが好ましい。
【００９５】
（他の実施形態２）
図４に示す実施形態は、他の実施形態１において、水素供給手段５０で発生する水素を利用するだけでなく、水素供給手段５０で発生する電力を利用して、発電の初期に水素発生手段１０に電圧を印加するものである。つまり、この実施形態では、少なくとも発電の初期に水素発生手段１０に電力を供給する蓄電手段を、少なくとも発電の初期に前記燃料電池に水素を供給するための水素供給手段５０が兼用している。
【００９６】
この実施形態では、電圧印加回路３０を経て、水素発生手段１０に供給できる電力が十分（例えば電力収支がプラス）になると、スイッチング素子５５をオフすることが好ましい。また、逆電流を防止するために、導通回路５４に整流素子を用いるのが好ましい。
【００９７】
（他の実施形態３）
他の実施形態１では、燃料電池２０から水素発生手段１０に電力を供給する際に、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２を設ける例を示したが、これを設けずに電力を供給することも可能である。その場合、燃料電池２０の出力電圧と、水素発生手段１０の印加電圧とを近づけることが好ましい。例えば、単位セルの直列接続の数を少なくすることで燃料電池２０の出力電圧を下げることができ、その場合、電極面積を増加させたり、又は並列接続の数を増加させることで、電力を維持することができる。また、水素発生手段１０の両電極１１ａ，１１ｂを直列に接続して、両端の電極間に印加することで、印加電圧水素発生手段１０の印加電圧を低下させることができる。
【実施例】
【００９８】
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。
【００９９】
燃料電池の製造例１
厚み０．２ｍｍのニッケル板を金メッキしたものを、図１１に示す形状（矩形状部の長径３３ｍｍ、短径１２ｍｍ、）にプレスして打ち抜き、金属層４（開口率１４％）と金属層５（開口率３１％）となるニッケル板を２枚作製した。金属層４，５の突出部４ｂ，５ｂは、電極端子となる。また、金属層４，５の開口部は、樹脂成形後に、電極層２，３の表面を部分的に露出させる露出部４ａ（開口率７％）と露出部５ａ（開口率２２％）となる。
【０１００】
固体高分子電解質層１（陽イオン交換膜）としてナフィオンフィルム（デュポン社製ナフィオン１１２、３３ｍｍ×１２ｍｍ、厚み１５μｍ）を用いた。この固体高分子電解質層１の両面の周縁部に、図１１に示すように補強層８としてＰＥＮ樹脂（ポリエチレンナフタレート）を幅５００μｍ、厚み４０μｍで設けた。
【０１０１】
また、固体高分子電解質層１の両面の中央部には、図１１に示すように、触媒層９を補強層８とほぼ同じ厚みで設けた。白金触媒は、米国エレクトロケム社製２０％白金担持カーボン触媒（ＥＣ−２０−ＰＴＣ）を用いた。この白金触媒と、カーボンブラック（アクゾ社ケッチェンブラックＥＣ）、ポリフッ化ビニリデン（カイナー）を、それぞれ７５重量％、１５重量％、１０重量％の割合で混合し、ジメチルホルムアミドを、２．５重量％のポリフッ化ビニリデン溶液となるような割合で、上記白金触媒、カーボンブラック、ポリフッ化ビニリデンの混合物中に加え、乳鉢中で溶解・混合して、触媒ペーストを作製し、固体高分子電解質層１の表面に塗布した。電極層２，３としては、カーボンペーパー（東レ製ＴＧＰ−Ｈ−９０、厚み３７０μｍ）を３３ｍｍ×１２ｍｍに切断して用いた。
【０１０２】
固体高分子電解質層１、触媒層９、補強層８、電極層２，３の積層物を、上記のニッケル板２枚の中央で挟み込み、樹脂の開口形状に対応する凸部を内表面に有する金型を用いて、２枚のニッケル板の両側から圧力（１トン）がかかる状態で、金型内に配置した。その状態で、樹脂（（株）プライムポリマー製、ポリプロピレン樹脂、Ｊ−７００ＧＰ）を１９５℃で型内に注入して（射出圧力４００ｋｇｆ／ｃｍ２）、冷却した後に金型から取り出すことで、樹脂成形体の外寸３５ｍｍ×１４ｍｍ×２．２ｍｍ厚の単位セルを作成した。この単位セルでは、アノード側の電極層２と樹脂成形体６の樹脂が接触する接触部６ａが、カソード側に比べて多くなっている。
【０１０３】
この単位セルの４つを用いて、アノード側を内側にして四角柱の四つの側面を形成し、これらの突出部４ｂ，５ｂを電気的に直列に接続して、内側に水素供給空間を有し、外側から空気供給が可能な四角柱の燃料電池を得た。
【０１０４】
実施例１
電極となるアルミニウム板（純度９９．５％、縦３５×横５０×厚み０．３ｍｍ、１．４４ｇ）を２枚用意し、２枚の間に多孔質体（ＢＡＳＦ社製、メラミンフォーム、縦３５×横５０×厚み５ｍｍ、密度０．００９３ｇ／ｃｍ３、空孔率９９．４％、平均孔径７０μｍ）を挟み、電極間の距離が５ｍｍになるような平型ケース（約８ｍＬ）に入れて、２０重量％ＮａＣｌ水溶液を約８ｍＬ注入した。ケースの上部空間を閉空間とし、発生した水素ガスを排出する流路に、膜式流量計（堀場製作所社製）を接続して、常時、水素発生流量をモニターした。各々の電極を安定化電源に正極および負極として接続し、水素発生流量が約１０ｍＬ／ｍｉｎになるように、手動で電源の電流値を変化させながら１時間運転を行った。その際の水素発生量を図５（ａ）に、電圧と電流の関係を図５（ｂ）、これらから計算される発生電力と消費電力を図５（ｃ）に示す。
【０１０５】
発生電力については、製造例１の燃料電池を用いて、水素流量１０ｍＬ／ｍｉｎで発電を行った場合、燃料電池の出力電圧が約３Ｖ（４セル分）、電流が約０．３３Ａであり、これをＤＣ／ＤＣコンバーター（電力効率８５％）で、約５Ｖまで昇圧すると、発生電力が約０．８３Ｗであったため、これを基準に発生電力を計算した。
【０１０６】
図５（ｃ）に示す結果から、電極の自己反応により、消費電力以上の発電が可能（１．１４〜５．２倍）なことが分かった。電圧印加により、電極のアルミが活性化され、電気分解以外の自己反応により水素発生が生じていると考えられる。なお、消費電力０．５Ｗ以下の持続時間は約９０ｍｉｎであった。
【０１０７】
実施例２
実施例１において、使用した多孔質体を下記の多孔質体に代える以外は、実施例１と全く同じ条件で水素発生流量が約１０ｍＬ／ｍｉｎになるように、手動で電源の電流値を変化させながら１時間運転を行った。その際の電圧と電流から計算される消費電力を、実施例１の結果と併せて図６に示す。
（実施例２−１）ソフラス（ポリウレタン、０．２２ｇ／ｃｍ３、空孔率８２％、平均孔径１μｍ）５ｍｍ厚み
（実施例２−２）ポリウレタン（食器洗いスポンジ０．０２８ｇ／ｃｍ３、空孔率９８％、平均孔径２０００μｍ）５ｍｍ厚み
（実施例２−３）蒸発紙（ポリエステル樹脂、０．２６ｇ／ｃｍ３、空孔率７８％、平均孔径５０μｍ）１ｍｍ厚み×５枚
（実施例２−４）ベルイーター（ポリビニルアルコールスポンジ、０．０８９ｇ／ｃｍ３、空孔率９５％、平均孔径７０μｍ）１．８ｍｍ厚み×２枚。
【０１０８】
比較例１
実施例１において、多孔質体を使用せずに、同量のＮａＣｌ水溶液のみが電極間に存在するようにした以外は、実施例１と全く同じ条件で水素発生流量が約１０ｍＬ／ｍｉｎになるように、手動で電源の電流値を変化させながら１時間運転を行った。その際の電圧と電流から計算される消費電力を、図６に併せて示す。その結果、多孔質体を用いない場合には、初期に消費電力が非常に大きくなり、電力収支がマイナスになる部分（消費電力０．８Ｗ以上）が生じた。
【０１０９】
実施例３−１
電極となるアルミニウム板（純度９９．５％、縦３５×横２０×厚み０．３ｍｍ、０．５７ｇ）を２枚用意し、２枚の間と両外側とに多孔質体（ＢＡＳＦ社製、メラミンフォーム、縦３５×横５０×厚み５ｍｍ、密度０．００９３ｇ／ｃｍ３、空孔率９９．４％）を１枚ずつ配置し、これを容器（深さ３５×横５０×幅１５ｍｍ、容積約２７ｍＬ）に入れて、２０重量％ＮａＣｌ水溶液を約１５ｍＬ注入した。容器の上部空間を閉空間とし、発生した水素ガスを排出する流路に、膜式流量計（堀場製作所社製）を接続して測定した。各々の電極を安定化電源に正極および負極として接続し、電源の電流値を０．５Ａに制御して２時間運転を行った。その際の消費電力を図７（ａ）に、消費電力量を図７（ｂ）、利用可能電力を図７（ｃ）に、利用可能電力量を図７（ｄ）に示す。
【０１１０】
実施例３−２
実施例３−１において、使用した多孔質体の厚みを１０ｍｍに代える以外は、実施例３−１と全く同じ条件で２時間運転を行った。その際の消費電力を図７（ａ）に、消費電力量を図７（ｂ）、利用可能電力を図７（ｃ）に、利用可能電力量を図７（ｄ）に併せて示す。
【０１１１】
比較例２
実施例３−１において、使用した3枚の多孔質体の厚みを３ｍｍに代え、多孔質体と電極との間に厚さ1ｍｍのシリコーンゴムよりなる枠状スペーサ（電極とは上端と下端とでのみ幅２ｍｍで接する）を介在させて、電極と多孔質体との距離を１ｍｍにしたこと以外は、実施例３−１と全く同じ条件で２時間運転を行った。その際の消費電力を図７（ａ）に、消費電力量を図７（ｂ）、利用可能電力を図７（ｃ）に、利用可能電力量を図７（ｄ）に併せて示す。
【０１１２】
実施例３−１、３−２と比較例２の結果を対比すると、アルミ電極とスポンジの接触が良いほど、反応効率は向上し、特に非接触の場合は反応が鈍化し、消費電力が跳ね上がっていることが分かった。
【０１１３】
実施例４−１
電極となるマグネシウム板（ＡＺ３１，純度９６％、縦３５×横２０×厚み０．３ｍｍ、０．３６ｇ）を２枚用意し、２枚の間と両外側とに多孔質体（ＢＡＳＦ社製、メラミンフォーム、縦３５×横５０×厚み５ｍｍ、密度０．００９３ｇ／ｃｍ３、空孔率９９．４％）を１枚ずつ配置し、これを容器（深さ３５×横５０×幅１５ｍｍ、容積約２７ｍＬ）に入れて、２０重量％ＮａＣｌ水溶液を約１５ｍＬ注入した。容器の上部空間を閉空間とし、発生した水素ガスを排出する流路に、膜式流量計（堀場製作所社製）を接続して測定した。各々の電極を安定化電源に正極および負極として接続し、電源の電流値を０．５Ａに制御して１時間運転を行った。その際の消費電力を図８（ａ）に、消費電力量を図８（ｂ）、利用可能電力を図８（ｃ）に、利用可能電力量を図８（ｄ）に示す。
【０１１４】
実施例４−２
実施例４−１において、使用した多孔質体の厚みを１０ｍｍに代える以外は、実施例４−１と全く同じ条件で１時間運転を行った。その際の消費電力を図８（ａ）に、消費電力量を図８（ｂ）、利用可能電力を図８（ｃ）に、利用可能電力量を図８（ｄ）に併せて示す。
【０１１５】
比較例３
実施例４−１において、使用した3枚の多孔質体の厚みを３ｍｍに代え、多孔質体と電極との間に厚さ1ｍｍのシリコーンゴムよりなる枠状スペーサ（電極とは上端と下端とでのみ幅２ｍｍで接する）を介在させて、電極と多孔質体との距離を１ｍｍにしたこと以外は、実施例４−１と全く同じ条件で１時間運転を行った。その際の消費電力を図８（ａ）に、消費電力量を図８（ｂ）、利用可能電力を図８（ｃ）に、利用可能電力量を図８（ｄ）に併せて示す。
【０１１６】
実施例４−１、４−２と比較例３の結果を対比すると、非接触の場合は反応が鈍化し、消費電力が大きくなることが分かった。マグネシウム電極とスポンジの接触が弱いほど、反応効率は向上しており、これは接触が強いほど、マグネシウムの副生成物（酸化物、水酸化物）による堆積を許容しにくくなるためであると考えられる。
【０１１７】
実施例５−１
アノード極となるマグネシウム板（純度９６％、縦３５×横２０×厚み０．３ｍｍ、０．３６ｇ）と、カソード極となるアルミニウム板（純度９９．５％、縦３５×横２０×厚み０．３ｍｍ、０．５７ｇ）とを用意し、２枚の間と両外側とに多孔質体（ＢＡＳＦ社製、メラミンフォーム、縦３５×横５０×厚み５ｍｍ、密度０．００９３ｇ／ｃｍ３、空孔率９９．４％）を１枚ずつ配置し、これを容器（深さ３５×横５０×幅１５ｍｍ、容積約２７ｍＬ）に入れて、２０重量％ＮａＣｌ水溶液を約１５ｍＬ注入した。容器の上部空間を閉空間とし、発生した水素ガスを排出する流路に、膜式流量計（堀場製作所社製）を接続して測定した。各々の電極を銅板（幅１０ｍｍ、厚み０．５ｍｍ、抵抗５〜８ｍΩ）で導通させ、水素発生流量が約６ｍＬ／ｍｉｎ以下になるまで運転を行った。その際の利用可能電力を図９（ａ）に、利用可能電力量を図９（ｂ）に示す。
【０１１８】
この系を利用することで、初期に水素を供給する水素供給手段、及び／又は初期に電力を供給する蓄電手段として、利用することができる。
【０１１９】
実施例５−２
実施例５−１において、使用した多孔質体の厚みを１０ｍｍに代える以外は、実施例５−１と全く同じ条件で１時間運転を行った。その際の利用可能電力を図９（ａ）に、利用可能電力量を図９（ｂ）に併せて示す。
【０１２０】
比較例４
実施例５−１において、使用した3枚の多孔質体の厚みを３ｍｍに代え、多孔質体と電極との間に厚さ1ｍｍのシリコーンゴムよりなる枠状スペーサ（電極とは上端と下端とでのみ幅２ｍｍで接する）を介在させて、電極と多孔質体との距離を１ｍｍにしたこと以外は、実施例５−１と全く同じ条件で１時間運転を行った。その際の利用可能電力を図９（ａ）に、利用可能電力量を図９（ｂ）に併せて示す。
【０１２１】
実施例５−１、５−２と比較例４の結果を対比すると、水素発生反応の効率はほとんど変わらないものの、非接触の場合は副生成物による反応阻害が早く生じるため、利用可能電力量はより小さくなった。
【０１２２】
（自己反応率の対比）
実施例３−１、４−１、及び５−１の結果から、次のようにして自己反応率を計算した。即ち、電流から求めた、「移動した電子量」から電気分解反応で発生した水素量を算出し、これを実際の水素発生量から差し引き、各々の電極で自己反応と、電気分解反応の比率を求めた。
【数１】
その結果を図１０（ａ）に示す。また、計算に使用した電流値と電圧値のデータを、それぞれ図１０（ｂ）と図１０（ｃ）とに示す。図１０の結果から、Ａｌ−Ｍｇ、Ａｌ−Ａｌ、Ｍｇ−Ｍｇの順序で、自己反応の比率が高いことが分かった。
【０１２３】
実施例６
実施例１で用いた水素発生手段等の装置を用いて、安定化電源から電力供給を開始し、製造例１の燃料電池に水素供給して発電（出力電圧約３Ｖ）を行った。開始から１０分後（水素発生量約１０ｍＬ／ｍｉｎ）に電力供給を停止し、燃料電池の出力電圧を０．７ＶまでＤＣ／ＤＣコンバーター（電力効率８５％）で降圧して水素発生手段の正極および負極に印加しつつ、ＤＣ／ＤＣコンバーター（電力効率８５％、出力電圧５Ｖ）を介して、一定電流（０．１２Ａ）に設定した外部負荷（菊水電子工業株式会社製、ＰＬＺ７０ＵＡ）による電力利用を試みた。その結果、水素流量をほぼ一定に保ちながら、外部負荷に対して電力を９０分間にわたり出力（電力量０．９Ｗｈ、平均電力約０．６Ｗ）することができた。
【符号の説明】
【０１２４】
１０ 水素発生手段
１１ 電極
２０ 燃料電池
３０ 電圧印加回路
３１ 蓄電手段
４０ 出力回路
５０ 水素供給手段
Ｃ 制御手段
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気分解反応を利用して発生させた水素を、燃料電池に供給して発電を行う発電装置に関し、特に電極の自己反応を伴うことで余剰電力を電力供給なしに出力できる技術として極めて有用である。
【背景技術】
【０００２】
この種の発電装置としては、特許文献１の従来技術に記載されているように、水の電気分解反応で水素を発生させる水素発生手段と、発生した水素を貯蔵する貯蔵手段と、貯蔵手段から導入した水素で発電を行う燃料電池とを備えた発電装置が知られていた。
【０００３】
この発電装置で使用する水素発生手段は、常法による水の電気分解を行う装置であるため、電気分解の消費電力が、発生した水素を利用した燃料電池による発電電力を超えているので、外部から供給した電力を超える電力を出力することはできなかった。このため、この発電装置では、水素を貯蔵する貯蔵手段を設けて、一旦貯蔵した水素で発電を行う装置構成を採用しており、一旦貯蔵した貯蔵手段からの水素が、水素発生手段による水素発生量より十分多い場合に限り、燃料電池で発電を行いながら、電気分解と外部への出力を行うことができる。
【０００４】
このため、特許文献１の発明では、自然エネルギー発電装置から水素発生手段に電力を供給する方法を採用して、外部電力の消費を少なくしている。また、特許文献１の発明では、自然エネルギー発電装置からの電力を充電して、負荷に供給する二次電池を併用することが開示されているが、この二次電池は、発電の初期に前記水素発生手段に電力を供給するものではない。
【０００５】
また、特許文献２には、水の電気分解反応で水素を発生させる際に、電解層に通電する電力のデューティ比で水素発生量を制御する方法が開示されている。
【０００６】
一方、特許文献３には、アルミニウム等をアノード極とし、アルミニウムをカソード極として、両極を電解質水溶液に浸漬して電気分解を行うことで、水素を発生させる水素製造方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−２５７４４３号公報
【特許文献２】特開２００４−１９７２１１号公報
【特許文献３】特表２００８−５４４０８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献３の水素製造方法では、他の金属を電極に使用した場合に比べて、水素発生量が増加することが開示されているものの、発生した水素を燃料電池による発電に使用した場合、電気分解の消費電力と、燃料電池による発電電力との大小関係がどのようになるかは不明であった。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、発生させた水素を燃料電池に供給して、外部からの電力供給なし余剰電力を出力できる発電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者らは、水の電気分解反応を利用して水素を発生させる際に、アルミニウム等をカソード極に使用することで、電極の自己反応が生じて、電気分解の消費電力と水素供給による燃料電池の発電電力との電力収支がプラスになることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１１】
即ち、本発明の発電装置は、電圧の印加による電気分解反応及び電極の自己反応の両者で水素を発生させる水素発生手段と、発生した水素を供給して発電を行う燃料電池と、その燃料電池からの電力を利用して、直接的又は間接的に前記水素発生手段に電圧を印加する電圧印加回路と、前記燃料電池で発電した余剰の電力を出力する出力回路と、を備えることを特徴とする。
【００１２】
本発明の発電装置によると、電圧の印加による電気分解反応及び電極の自己反応の両者で水素を発生させる水素発生手段を用いることで、電気分解の消費電力と水素供給による燃料電池の発電電力との電力収支をプラスにすることができる。このため、発生した水素を供給して発電を行う燃料電池の電力を利用して、電圧印加回路により水素発生手段に電圧を印加する一方で、余剰の電力を出力回路を経て出力することができる。その結果、発生させた水素を燃料電池に供給して、外部からの電力供給なし余剰電力を出力できる発電装置を提供することができる。
【００１３】
上記において、前記水素発生手段に供給される初期の電力が、定常状態における電力と比較して大きくなるように構成されているのが好ましい。ここで、定常状態とは、水素発生手段による消費電力が、最小の状態から最小プラス５０％の状態までの状態を指す。
【００１４】
この構成によると、電力収支がプラスである定常状態における水素発生手段に供給される電力より、初期に供給される電力が大きくなるため、初期に電極が活性化され易くなり、電極の自己反応が早急に開始することで、トータルの電力収支を高めることができると共に、電力収支がプラスになる時点を早めることができる。
【００１５】
また、前記水素発生手段は、少なくともカソード極がアルミニウムを含有するものであることが好ましい。カソード極がアルミニウムを含有することによって、カソード極でも電極の自己反応を生じさせることができ、電力収支をよりプラスにして、より大きな余剰電力を出力できるようになる。
【００１６】
また、少なくとも発電の初期に前記水素発生手段に電力を供給する蓄電手段、及び／又は少なくとも発電の初期に前記燃料電池に水素を供給するための水素供給手段を備えることが好ましい。
【００１７】
一旦、燃料電池による発電が生じると、継続的に余剰電力を出力できるので、発電の初期に電力を供給する蓄電手段、及び／又は水素を供給するための水素供給手段を設けることで、初期の発電をスムーズに行うことができる。
【００１８】
その際、少なくとも発電の初期に前記水素発生手段に電力を供給し、前記燃料電池から供給された電力を蓄電する蓄電手段と、前記燃料電池から前記蓄電手段に供給する電力を制御する制御手段とを備えることが好ましい。蓄電手段を設ける場合には、燃料電池から供給された電力を蓄電して利用することが好ましいため、燃料電池から前記蓄電手段に供給する電力を制御する制御手段を設けることで、初期に使用する電力を蓄電手段に確保できる。
【００１９】
また、少なくとも発電の初期に前記燃料電池に水素を供給するための水素供給手段と、前記燃料電池から前記水素発生手段に供給する電力及び前記出力回路から出力される電力を制御する制御手段とを備えることが好ましい。このような水素供給手段を設けることで、初期に使用する蓄電手段を不要にすることができるが、その場合、制御手段を設けて、燃料電池から水素発生手段に供給する電力及び出力回路から出力される電力を制御することで、余剰電力を出力する際の電力配分の適正化が図り易くなる。
【００２０】
その際、前記制御手段がデューティ比の制御により電力を制御することが好ましい。デューティ比の制御を行うことで、電圧降下等による系全体の不安定化を回避しながら、電力を効率良く供給することができ、余剰電力を出力する際の電力配分の適正化が図り易くなる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の発電装置の一例を示すブロック図
【図２】本発明の発電装置の他の例を示すブロック図
【図３】本発明の発電装置の他の例を示すブロック図
【図４】本発明の発電装置の他の例を示すブロック図
【図５】実施例１における結果を示すグラフ
【図６】実施例１〜２及び比較例１における結果を示すグラフ
【図７】実施例３及び比較例２における結果を示すグラフ
【図８】実施例４及び比較例３における結果を示すグラフ
【図９】実施例５及び比較例４における結果を示すグラフ
【図１０】実施例３−１、４−１、及び５−１における結果を示すグラフ
【図１１】実施例で使用した燃料電池を示す図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のＩ−Ｉ矢視断面図、（ｃ）は（ａ）のＩＩ−ＩＩ矢視断面図、（ｄ）は底面図
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明の発電装置は、図１に示すように、電圧の印加による電気分解反応及び電極１１の自己反応の両者で水素を発生させる水素発生手段１０と、発生した水素を供給して発電を行う燃料電池２０と、その燃料電池２０からの電力を利用して、直接的又は間接的に前記水素発生手段１０に電圧を印加する電圧印加回路３０と、前記燃料電池２０で発電した余剰の電力を出力する出力回路４０と、を備える。
【００２３】
（水素発生手段）
水素発生手段１０は、少なくとも２つの電極１１を有し、電圧の印加による電気分解反応が可能となっている。本実施形態では、電極１１が一対のアノード極１１ａとカソード極１１ｂとで構成されている例を示すが、更に複数のアノード極１１ａとカソード極１１ｂが直列及び／又は並列に接続されていてもよい。
【００２４】
本発明では、水素発生手段１０により、電気分解反応及び電極１１の自己反応の両者で水素を発生させるが、電極１１の自己反応は、標準電極電位の低い金属（イオン化し易い金属）をアノード極１１ａ及び／又はカソード極１１ｂに用いることで生じさせることができる。標準電極電位の低い金属は、何れの極に使用してもよいが、両極に使用することが、電力収支を大きくする観点から好ましい。なお、従来の水の電気分解は不活性電極を使用するため、電極１１の自己反応が生じないことが知られている。
【００２５】
本発明では、アノード極１１ａとカソード極１１ｂが同じ金属でもよく、異なる金属でもよい。標準電極電位の低い金属としては、カリウム、カルシウム、ナトリウム、マグネシウム、アルミニウム、亜鉛、鉄、ニッケル、錫、鉛が挙げられるが、自己反応の生じ易さの観点から、カリウム、カルシウム、ナトリウム、マグネシウム、アルミニウムが好ましく、コストとハンドリング性の観点から、マグネシウム、アルミニウムがより好ましい。
【００２６】
これらの金属は、合金や混合金属としても使用することができる。その場合の純度は、９０〜１００重量％が好ましく、９９〜９９．９重量％がより好ましい。電極１１に含まれる他の元素としては、Ａｌ，Ｍｇ，Ｍｎ，Ｚｎ，Ｃｕ，Ｓｉ，Ｆｅ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｖ，Ｂｉ，Ｐｂ，Ｚｒ，Ｂなどが挙げられる。
【００２７】
本発明では、特に、マグネシウムを含むアノード極とマグネシウムを含むカソード極との組合せ、又はアルミニウムを含むアノード極とアルミニウムを含むカソード極との組合せが好ましいが、マグネシウムを含むアノード極とアルミニウムを含むカソード極との組合せでも、自己反応を活発に生じさせることができる。
【００２８】
本発明では、電極からの電子の授受を伴う電極反応（電気分解反応）と、電子の授受を伴わない電極の自己反応（自発反応）との両者が生じる。電子の授受を伴う電極反応は、印加する電力の消費を伴うため、両電極での水素発生反応を効率良く行うためには、自己反応の比率を高めることが重要になる。これらの反応は、例えば次の通りである。
【００２９】
例えば、両極がアルミニウムの場合、アノード極では、
Ａｌ＋３ＯＨ−→Ａｌ（ＯＨ）３＋３ｅ−（水の電気分解）と、
２Ａｌ＋６Ｈ２Ｏ→２Ａｌ（ＯＨ）３＋３Ｈ２↑（Ａｌ活性化による自己反応）
が生じると考えられる。
【００３０】
また、カソード極では
２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２↑（水の電気分解）と、
２Ａｌ＋６Ｈ２Ｏ→２Ａｌ（ＯＨ）３＋３Ｈ２↑（Ａｌ活性化による自己反応）
が生じると考えられる。
【００３１】
マグネシウムを使用する場合、アノード極では、
Ｍｇ＋２ＯＨ−→Ｍｇ（ＯＨ）２＋２ｅ−（水の電気分解）と、
Ｍｇ＋２Ｈ２Ｏ→Ｍｇ（ＯＨ）２＋Ｈ２↑（Ｍｇ活性化による自己反応）
が生じると考えられる。カソード極に使用する場合は、同様の自己反応と、アルミニウムの場合と同じ水の電気分解反応が生じると考えられる。
【００３２】
本実施形態では、説明を簡易にするため、電極１１が容器１２の電解液１３に浸漬されている例を示すが、アノード極１１ａとカソード極１１ｂとに、多孔質体を接触させて両極間に介在させ、その多孔質体に電解質水溶液を保持させた状態で、両極に電圧を印加することが好ましい。
【００３３】
このような水素発生手段１０では、電極に多孔質体を接触させて両極間に介在させているため、多孔質体が接触しない場合と比較して、アノード極での反応に伴う酸性度と、カソード極での反応に伴うアルカリ性度とが維持されやすくなり、酸性条件での電極の自己反応（水素発生反応）や、アルカリ性条件での電極の自己反応（水素発生反応）が促進されて、水素発生反応が効率良く生じると考えられる。また、反応で生成する成分（例えば金属水酸化物）が、電極表面に付着せずに多孔質体の空孔内部に取り込まれるため、副生成物による反応阻害を抑制することができ、長時間の水素発生が行えると考えられる。その結果、両電極での水素発生反応を、効率良く長時間生じさせることができる。
【００３４】
アルミニウムの自己反応による水素発生は、アルカリ性条件および酸性条件で生じるため、このように酸性度とアルカリ性度とを維持することが、水素発生反応の効率を向上させる。また、マグネシウムの自己反応による水素発生は酸性条件の方が有利であるため、酸性度を維持することが、水素発生反応の効率を向上させる。この観点から、マグネシウムはアノード極に使用するのが好ましい。
アノード極１１ａ及び／又はカソード極１１ｂの形状は、柱状、板状、塊状など何れでも良いが、電極面積を広くする上で、板状のものが好ましい。板状の場合、パンチングメタルのような有孔タイプ、櫛状電極のようなスリットを有するタイプ、メッシュタイプ、不織布状物などでもよい。板状の電極は、平板状の他、板状物を円筒状、四角筒状、スパイラル状、ジグザク状、プリーツ状などに加工したものなどでもよい。
【００３５】
アルミニウムを用いる場合の電極の厚みは、十分な水素発生量を確保しつつ金属の反応率を高める観点から、０．０３〜５ｍｍが好ましく、０．１〜１ｍｍがより好ましい。マグネシウムを用いる場合の電極の厚みは、同様の観点から、０．３〜１０ｍｍが好ましく、０．５〜５ｍｍがより好ましい。一方の電極に不活性な金属を用いる場合など、その他の金属を用いた電極の厚みは０．０１〜１０ｍｍが好ましく、０．０５〜５ｍｍがより好ましい。
【００３６】
アノード極１１ａとカソード極１１ｂとに、多孔質体を接触させて両極間に介在させる場合、多孔質体としては、連通孔を有するものであれば何れでもよく、スポンジ（フォーム）、不織布、織布、紙類、多孔質膜、焼結体、多孔板などが挙げられる。
【００３７】
多孔質体の空孔率は、副生成物を取り込む空間を確保しつつ、電極との接触状態を維持する観点から、空孔率が３０〜９９．９％であることが好ましく、８０〜９９．５％であることがより好ましい。なお、空孔率（％）は、（１−（多孔質体の密度／材質の密度））×１００で計算した値である。
【００３８】
多孔質体表面の平均孔径としては、空孔の目詰まりを抑制しつつ、電極との接触状態を確保する観点から、１〜３０００μｍが好ましく、５０〜１００μｍがより好ましい。平均孔径は、表面の顕微鏡観察により測定し、数平均により求めた値である。
【００３９】
多孔質体の材質としては、樹脂、セラミックスなどの絶縁物質や、これらに導電性物質を添加して導電性を向上させたもの、など何れでもよい。但し、電解質水溶液を保持する観点から、親水性の材料が好ましい。樹脂製の多孔質体の場合、弾性変形可能なもの、塑性変形可能なもの、殆ど変形しないものなどが挙げられるが、弾性変形可能なスポンジ状樹脂からなる多孔質体が特に好ましい。
【００４０】
多孔質体を構成する樹脂としては、メラミン樹脂、ウレタン樹脂、フェノール樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂、エポキシ樹脂、セルロース系樹脂、などが挙げられる。なかでも、適当な空孔率、孔径、弾性を有する多孔質体が得られ易い観点から、メラミン樹脂、ウレタン樹脂、ポリエステル樹脂、セルロース系樹脂が好ましい。
【００４１】
多孔質体の厚み（運転状態）又は電極間の距離は、電解質水溶液を保持しつつ副生成物を取り込む空間を確保する観点から、１〜１０ｍｍが好ましく、２〜５ｍｍがより好ましい。多孔質体は、単層であっても複数層であってもよく、複数層の場合、各層の孔径を変えるなど、異なる種類のものを積層してもよい。弾性変形可能な多孔質体を用いる場合、接触性を向上させる観点から、配置する電極間の距離に対して、１〜３倍が好ましく、１．２〜２倍がより好ましい。
【００４２】
多孔質体には、電解質水溶液を保持させている。電解質水溶液は、酸性又はアルカリ性でもよいが、両極で酸性度とアルカリ性度とを発現する観点から、中性、例えばｐＨ５〜９が好ましく、ｐＨ６〜８がより好ましい。
【００４３】
電解質水溶液に含有される電解質としては、アルカリ金属塩、アルカリ土類金属塩、その他の金属塩、アンモニウム塩、ホスホニウム塩など何れでも良いが、取扱い性の観点から、塩化ナトリウム、塩化カリウム、塩化リチウムが好ましい。電解質は２種以上混合することも可能であり、酸性塩や塩基性塩との併用も可能である。また、アルカリ性物質や酸性物質を併用することも可能である。
【００４４】
電解質の濃度としては、電気抵抗を適度に調整して、効率よく電極反応を生じさせる観点から、５〜３０重量％が好ましく、２０〜２６重量％がより好ましい。なお、水素発生反応の途中で、水を別途添加したり、電解質を別途添加してもよい。また、多孔質体に予め電解質等を添着（含浸・乾燥）しておき、反応の初期に水等を供給して、多孔質体に電解質水溶液を保持させてもよい。また、完全に溶解しない電解質が存在する状態（飽和状態）で反応を行ってもよい。
【００４５】
電解質水溶液は、少なくともその一部が多孔質体に保持されていればよく、残部は容器内に存在してもよい。また、電解質水溶液の全体が多孔質体に保持されるようにしてもよい。電解質水溶液を水素発生反応の途中で別途添加することも可能である。
【００４６】
電解質水溶液の量は、できるだけ過不足無く水素発生反応を行う観点から、電極の総重量１００重量部に対して、１５００〜１００００重量部が好ましく、２０００〜５０００重量部がより好ましい。
【００４７】
（燃料電池）
燃料電池２０としては、水素を供給して発電を行うものが何れも使用できる。本発明では、装置の小型化・軽量化の観点から、燃料電池２０として固体高分子電解質層２１とその両側に設けられた電極２２、２３とを備えるものが好ましい。なお、燃料電池２０は、複数の単位セルを備えるものでよく、その場合、単位セル同士は接続部により直列又は並列に電気的に接続される。
【００４８】
燃料電池２０のアノード側には、水素発生手段１０で発生した水素が供給される。その際の経路には、バッファタンクなどを設けてもよいが、直接供給することも可能である。燃料電池２０のカソード側には空気などの酸素含有ガスが供給される。
【００４９】
単位セルは、例えば、固体高分子電解質層２１と、この固体高分子電解質層２１の両側に設けられた第１電極層２２及び第２電極層２３と、これら電極層２２，２３の更に外側に各々配置された第１導電層及び第２導電層とを有する。本実施形態では、第１導電層及び第２導電層が、第１電極層２２及び第２電極層２３を部分的に露出させる露出部を有する第１金属層及び第２金属層とからなる例を示す。これらの各層は、インサート成形により樹脂で一体化されていることが好ましい。インサート成形により単位セルを製造する方法は、国際公開ＷＯ２００９／１４５０９０号公報に詳述されている。
【００５０】
固体高分子電解質層２１としては、従来の固体高分子膜型の燃料電池に用いられるものであれば何れでもよいが、化学的安定性及び導電性の点から、超強酸であるスルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体からなる陽イオン交換膜が好適に用いられる。このような陽イオン交換膜としては、ナフィオン（登録商標）が好適に用いられる。その他、例えば、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素樹脂からなる多孔質膜に上記ナフィオンや他のイオン伝導性物質を含浸させたものや、ポリエチレンやポリプロピレン等のポリオレフィン樹脂からなる多孔質膜や不織布に上記ナフィオンや他のイオン伝導性物質を担持させたものでもよい。
【００５１】
固体高分子電解質層２１の厚みは、薄くするほど全体の薄型化に有効であるが、イオン伝導機能、強度、ハンドリング性などを考慮すると、１０〜３００μｍが使用可能であるが、２５〜５０μｍが好ましい。
【００５２】
電極層２２，２３は、固体高分子電解質層２１の表面付近でアノード側およびカソード側の電極反応を生じさせるものであれば何れでもよい。なかでも、ガス拡散層としての機能を発揮して、燃料ガス、燃料液、酸化ガス及び水蒸気の供給・排出を行なうと同時に、集電の機能を発揮するものが好適に使用できる。電極層２２，２３としては、同一又は異なるものが使用でき、その基材には電極触媒作用を有する触媒を担持させることが好ましい。触媒は、固体高分子電解質層２１と接する内面側に少なくとも担持させるのが好ましい。
【００５３】
電極層２２，２３の電極基材としては、例えば、カーボンペーパー、カーボン繊維不織布などの繊維質カーボン、導電性高分子繊維の集合体などの電導性多孔質材が使用できる。また、固体高分子電解質層２１に触媒を直接付着させたり、カーボンブラックなどの導電性粒子に担持させて固体高分子電解質層２１に付着させた電極層２２，２３を用いることも可能である。
【００５４】
一般に、電極層２２，２３は、このような電導性多孔質材にフッ素樹脂等の撥水性物質を添加して作製されるものであって、触媒を担持させる場合、白金微粒子などの触媒とフッ素樹脂等の撥水性物質とを混合し、これに溶媒を混合して、ペースト状或いはインク状とした後、これを固体高分子電解質膜と対向すべき電極基材の片面に塗布して形成される。
【００５５】
一般に、電極層２２，２３や固体高分子電解質層２１は、燃料電池に供給される還元ガスと酸化ガスに応じた設計がなされる。本発明では、酸化ガスとして空気が用いられると共に、還元ガスとして水素ガスを用いる。
【００５６】
空気が自然供給される側のカソード側の第２電極層２３（本明細書では、アノード側を第１電極層、カソード側を第２電極層と仮定する）では、酸素と水素イオンの反応が生じて水が生成するため、かかる電極反応に応じた設計をするのが好ましい。
【００５７】
触媒としては、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、銀、ニッケル、鉄、銅、コバルト及びモリブデンから選ばれる少なくとも１種の金属か、又はその酸化物が使用でき、これらの触媒をカーボンブラック等に予め担持させたものも使用できる。
【００５８】
電極層２２，２３の厚みは、薄くするほど全体の薄型化に有効であるが、電極反応、強度、ハンドリング性などを考慮すると、１〜５００μｍが好ましく、１００〜３００μｍがより好ましい。電極層２２，２３と固体高分子電解質層２１とは、予め接着、融着、又は塗布形成等を行って積層一体化しておいてもよいが、単に積層配置されているだけでもよい。このような積層体は、膜／電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）として入手することもでき、これを使用してもよい。
【００５９】
アノード側電極層２２の表面にはアノード側の第１金属層が配置され、カソード側電極層２３の表面にはカソード側の第２金属層が配置される（本明細書では、アノード側を第１金属層、カソード側を第２金属層と仮定する）。第１金属層は、第１電極層２２を部分的に露出させる露出部を有するが、本実施形態では、アノード側金属層には燃料ガス等を供給するための開孔が設けられている例を示す。
【００６０】
第１金属層の露出部は、アノード側電極層２２が露出可能であれば、その個数、形状、大きさ、形成位置などは何れでもよい。アノード側金属層の開孔は、例えば、規則的又はランダムに複数の円孔やスリット等を設けたり、または金属メッシュによって開孔を設けてもよい。開孔部分の面積が締める割合（開孔率）は、電極との接触面積とガスの供給面積のバランスなどの観点から、１０〜５０％が好ましく、１５〜３０％がより好ましい。
【００６１】
また、カソード側の第２金属層は、第２電極層２３を部分的に露出させる露出部を有するが、本実施形態では、カソード側金属層には、空気中の酸素を供給（自然吸気）するための多数の開孔が設けられている例を示す。開孔の形状、大きさ、開孔率等は、アノード側の第１金属層と同様である。
【００６２】
金属層としては、電極反応に悪影響がないものであれば何れの金属も使用でき、例えばステンレス板、ニッケル、銅、銅合金などが挙げられる。但し、導電性、コスト、形状付与性、加圧のための強度などの観点から、銅、銅合金、ステンレス板などが好ましい。また、上記の金属に金メッキなどの金属メッキを施したものでもよい。
【００６３】
なお、金属層の厚みは、薄くするほど全体の薄型化に有効であるが、導電性、コスト、重量、形状付与性、加圧のための強度などを考慮すると、１０〜１０００μｍが好ましく、５０〜２００μｍがより好ましい。
【００６４】
第１金属層及び第２金属層は、少なくとも一部が樹脂から露出することにより、その部分を電極として電気を外部に取り出すことができる。このため、樹脂成形体に対して、第１金属層及び第２金属層を一部露出させた端子部を設けてもよい。金属層及び金属層の形成や開孔の形成は、プレス加工（プレス打ち抜き加工）を利用して行うことができる。
【００６５】
以上では、小型の燃料電池として、アノード側とカソード側の両側に、燃料、酸素等を供給するための開口を有する燃料電池の例を示したが、少なくとも一方の側に、燃料等を供給するための流路を設けた単位セルが独立して構成された構成燃料電池、又はセパレータを介在させたスタックタイプの燃料電池などを使用することも可能である。
【００６６】
（電圧印加回路）
電圧印加回路３０は、燃料電池２０からの電力を利用して、直接的又は間接的に水素発生手段１０に電圧を印加するものである。本実施形態では、電圧印加回路３０が蓄電手段３１を介して、間接的に水素発生手段１０に電圧を印加する例を示す。
【００６７】
アルミニウムを含むアノード極１１ａと、アルミニウムを含むカソード極１１ｂとに電圧を印加する場合、適度な自己反応率を実現する上で、一対の電極に対して０．１〜５Ｖで印加するのが好ましく、０．５〜１．５Ｖで印加するのがより好ましい。マグネシウムを含むアノード極と、マグネシウムを含むカソード極とに電圧を印加する場合、適度な自己反応率を実現する上で、一対の電極に対して０．３〜５Ｖで印加するのが好ましく、１〜３Ｖで印加するのがより好ましい。マグネシウムを含むアノード極と、アルミニウムを含むカソード極とに電圧を印加する場合、適度な自己反応率を実現する上で、一対の電極に対して０〜２Ｖで印加するのが好ましく、０〜０．５Ｖで印加するのがより好ましい。
【００６８】
上記印加を行う際の電流は、上記電圧値と系の抵抗とによって決まるが、系の抵抗は、電極面積、電解質濃度、電極間距離、電極の数、多孔質体の空孔率などにより変化する。電圧の印加の際には、定電圧による印加の他、一定電流への電圧制御、一定水素発生量への電圧制御、あるいはこれらに対応する電流制御などを行っても良い。本発明では、水素発生の効率が高く、発生した水素を燃料電池に供給する場合の発電電力が、電気分解の消費電力を超えること、即ち電力収支をプラスにすることが可能となる。このため、発生した水素を供給した燃料電池により、電圧の印加を行うことができる。
【００６９】
水素発生手段１０に電圧を印加する回路には、電圧を昇圧又は降圧させるために、必要に応じてＤＣ／ＤＣコンバータ３２を設けてもよい。蓄電手段３１の出力電圧と、水素発生手段１０で要求される電位が、同程度であれば、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２は必要ないが、両者に電圧差がある場合には、これに応じた電圧変化がなされる。例えば、リチウムイオン二次電池を蓄電手段３１として使用する場合、出力電圧は４Ｖ前後であるため、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２などを用いて降圧を行うのが好ましい。
【００７０】
蓄電手段３１から水素発生手段１０に印加する電圧は、制御手段Ｃにより制御するのが好ましいが、制御の方法としては、スイッチング素子３３を用いて、デューティー比で電力供給量を制御する方法やオンオフ制御を行う方法の他、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２に対して制御信号を送ることで、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２からの出力電圧を制御する方法でもよい。
【００７１】
本実施形態では、燃料電池２０から蓄電手段３１に電力を供給する回路にも、ＤＣ／ＤＣコンバータ３４を設けられているが、これは燃料電池２０からの出力電圧を、蓄電手段３１を充電するための電圧に調整するために設けている。本実施形態では、燃料電池２０から出力回路４０を経て出力される電力が、ＤＣ／ＤＣコンバータ３４を介して出力されるため、蓄電手段３１の充電電圧とほぼ同じ電位になる。
【００７２】
燃料電池２０から蓄電手段３１に電力を供給する回路には、制御手段Ｃにより制御されるスイッチング素子３５などが設けられ、蓄電手段３１に供給する電力と、出力回路４０を経て出力する電力とを、制御手段Ｃにより配分することができる。制御手段Ｃによる配分は、デューティー比で制御する方法の他、配分される電流を検出して両者の電流の比で、電力の配分を行うようにしてもよい。この制御手段Ｃによりスイッチング素子３５などを制御して、燃料電池２０から蓄電手段３１に供給する電力を制御することができる。
【００７３】
デューティー比でスイッチング素子３５を制御する場合、スイッチング素子３３と同期させることで、スイッチング素子３５により蓄電手段３１を充電するタイミングを避けて、スイッチング素子３３で水素発生手段１０に電圧を印加するタイミングを制御してもよい。
【００７４】
なお、デューティー比で制御する場合、スイッチング素子３５と蓄電手段３１との間、又はスイッチング素子３５の出力回路４０側には、直流化のための整流回路や平滑化回路を設けてもよい。
【００７５】
本実施形態では、少なくとも発電の初期に水素発生手段１０に電力を供給する蓄電手段３１を備える例を示すが、少なくとも発電の初期に前記燃料電池に水素を供給するための水素供給手段を備えていてもよい（図３参照）。
【００７６】
蓄電手段３１は、発電の初期に水素発生手段１０に電力を供給するためにも使用することができる。図示した例では、発電の初期には、蓄電手段３１以外に電力の供給源が特に存在しない。このため、発電の初期に、スイッチング素子３３がオンになる状態で、蓄電手段３１から水素発生手段１０に電力を供給することが好ましい。
【００７７】
本発明では、水素発生手段１０に供給される初期の電力が、定常状態における電力と比較して大きくなるように構成されているのが好ましい。ここで、定常状態とは、水素発生手段による消費電力が、最小の状態から最小プラス５０％の状態までの状態を指すが、初期に供給する最大電力が、定常状態における最小電力の１．１〜５０倍が好ましく、２〜２０倍がより好ましく、４〜１０倍が好ましい。
【００７８】
初期の電力又は電力量を大きくする方法としては、蓄電手段３１からの電圧を変換するＤＣ／ＤＣコンバータ３２の設定電圧を高くする制御、スイッチング素子３３のデューティー比を高くする制御などが挙げられる。また、タイマ制御により設定電圧を変える制御、プログラムにより設定電圧を変える制御、電流等を検出してフィードバック制御で設定値に調節する際に設定値を変える制御などにより、上記制御を行うことが可能である。
【００７９】
制御手段Ｃは、蓄電手段３１から電源を取っているが、燃料電池２０からこれを行うことも可能である。燃料電池２０から電源を取る場合、燃料電池２０とＤＣ／ＤＣコンバータ３４との間に電気的に接続することが好ましい。
【００８０】
制御手段Ｃとしては、汎用のマイクロプロセッサ又は専用のマイクロコントローラを用いることができる。一般にマイクロコントローラは、メモリと用途に応じたI/Oを内蔵しているが、汎用マイクロプロセッサの場合、それらの機能を有する周辺チップを追加して用いることができる。
【００８１】
マイクロコントローラは、一般にクロックジェネレータ付きのCPU、プログラムを格納するためのメモリ、ウォッチドッグタイマー等のタイマー、外部周辺機器などと通信するための入出力部を有しており、これらが一つの集積回路に組み込まれているものもある（ワンチップマイコン）。
【００８２】
マイクロコントローラを動作できるようにするには、ソフトウェアをROMに格納して、クロック制御による演算を行えばよい。マイクロコントローラは様々な入出力デバイスを内蔵しており、アナログ-デジタル変換回路、汎用非同期シリアル通信などである。
【００８３】
マイクロコントローラを用いて、デューティー比の制御を行う場合、例えばカウンタを利用したPWM（Pulse Width Modulation)モードのプログラムを用いればよい。また、電流値又は電圧値などをフィードバック制御する場合、例えば、検出値と設定値とを比較して、制御信号をオンオフしたり、偏差に基づいて制御信号を演算するプログラムを用いればよい。
【００８４】
ここで、ＰＷＭ方式は、周期を一定としてパルス幅の割合を可変することにより、通電する時間の平均のエネルギーを可変制御する方式であるが、電圧そのものを変えてエネルギーを可変するＰＡＭ方式（Pulse Amplitude Modulation) を採用したり、両者を併用することも可能である。このようなPWM/PAM複合制御を行う場合、例えば、電力が低い領域では、電圧変換効率の問題により、一定以下に電圧が下げられないため、パルスモードを使用し、電力が必要な領域では、降圧型コンバータを制御し、デューティ１００％で電圧値そのものを可変させて、電力を制御することができる。
【００８５】
（出力回路）
出力回路４０は、燃料電池２０で発電した余剰の電力を出力するものである。本実施形態では、燃料電池２０から蓄電手段３１に電力を供給する回路のＤＣ／ＤＣコンバータ３４が、出力回路４０のＤＣ／ＤＣコンバータと兼用されているが、別のＤＣ／ＤＣコンバータを設けても良い。その場合、スイッチング素子３５の両側にＤＣ／ＤＣコンバータを設けてもよい。これにより、充電側の電圧と出力側の電圧とを変えることが出来る。
【００８６】
本発明において「余剰の電力を出力する」とは、トータルとしての余剰分を出力すると言う意味であり、常時、余剰分を出力すると言う意味ではない。例えば、ある期間は、燃料電池２０からの出力を全て出力回路４０を経て必要な負荷に出力し、負荷のない時に、出力を止めて全ての電力を蓄電手段３１に充電しながら、蓄電手段３１から水素発生手段１０に電力を供給してもよい。
【００８７】
出力回路４０には、蓄電手段３１とは別の蓄電手段を設けてもよく、この蓄電手段の充放電を行いながら系外に出力することができる。また、別の蓄電手段を設けずに、蓄電手段３１を充電しながら、蓄電手段３１から系外に電力を出力できるように構成してもよい。
【００８８】
また、図２に示す他の実施形態のように、出力回路４０に対し、蓄電手段３１からの出力をスイッチング素子４１などを介して電気的に接続してもよい。その場合、例えば燃料電池２０からの出力回路４０に、電流センサ４２などを設けて、電流の変化勾配に基づいて、スイッチング素子４１を制御することができる。スイッチング素子４１としては、オンオフだけでなく、電流制御を行えるものでもよい。
【００８９】
（他の実施形態１）
本発明の発電装置は、図３に示すように、少なくとも発電の初期に燃料電池２０に水素を供給するための水素供給手段５０を備えていてもよい。水素供給手段５０としては、水素貯蔵合金などを用いた水素タンク、水素化金属などの水素発生剤を用いたもの、電極反応を利用したものなど、何れでもよい。図示した実施形態では、電極反応を利用した水素供給手段５０の例を示す。
【００９０】
この水素供給手段５０は、電極５１間をスイッチング素子５５などで導通させるだけで、電極反応により水素を発生させることができる。その際、導通回路５４に抵抗を設けたり、スイッチング素子５５などで電流を調整するなどにより、水素発生量を制御することができ。
【００９１】
水素供給手段５０に用いる電極５１としては、アノード極５１ａが水素より標準電極電位の低い金属であり、カソード極１１ｂがそれより標準電極電位の高い金属であれば、いずれも使用することができる。但し、水素発生の純度と量、コスト、及びハンドリング性の観点より、マグネシウムとアルミニウム、マグネシウムとニッケル、マグネシウムと亜鉛、マグネシウムと鉄、マグネシウムとスズ、マグネシウムとSUS、マグネシウムと銅、マグネシウムとカーボンの組合せが好ましい。その他の構成、即ち、電解液５３、容器５２、多孔質体などは、前述した水素発生手段１０と同様のものが使用可能である。
【００９２】
水素供給手段５０は、発電の開始時点で、手動によりスイッチオンするのが好ましい。これにより発生した水素は、燃料電池２０のアノード側に供給され、発電が開始する。この実施形態では、蓄電手段３１を有しないため、電圧印加回路３０により、燃料電池２０からの電力を利用して、直接的に水素発生手段１０に電圧を印加する。電圧の印加により、水素発生手段１０は水素を発生し、これが燃料電池２０に供給され、二系統からの水素供給により発電が行われる。
【００９３】
電圧印加回路３０には、先の実施形態と同様に、燃料電池２０からの電力を配分するスイッチング素子３５と、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２とが設けられている。電圧印加回路３０を経て、水素発生手段１０に供給できる電力が十分（例えば電力収支がプラス）になると、スイッチング素子５５をオフすることで、水素供給手段５０からの水素供給を停止することができる。また、水素供給手段５０を使い切りにして、スイッチング素子５５をオフする制御を省略することも可能である。
【００９４】
出力回路４０は、スイッチング素子３５の負荷側にＤＣ／ＤＣコンバータ３４が設けられている他は、先の実施形態と同様である。制御手段Ｃは、燃料電池２０から電源を取っており、燃料電池２０とスイッチング素子３５との間に電気的に接続することが好ましい。
【００９５】
（他の実施形態２）
図４に示す実施形態は、他の実施形態１において、水素供給手段５０で発生する水素を利用するだけでなく、水素供給手段５０で発生する電力を利用して、発電の初期に水素発生手段１０に電圧を印加するものである。つまり、この実施形態では、少なくとも発電の初期に水素発生手段１０に電力を供給する蓄電手段を、少なくとも発電の初期に前記燃料電池に水素を供給するための水素供給手段５０が兼用している。
【００９６】
この実施形態では、電圧印加回路３０を経て、水素発生手段１０に供給できる電力が十分（例えば電力収支がプラス）になると、スイッチング素子５５をオフすることが好ましい。また、逆電流を防止するために、導通回路５４に整流素子を用いるのが好ましい。
【００９７】
（他の実施形態３）
他の実施形態１では、燃料電池２０から水素発生手段１０に電力を供給する際に、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２を設ける例を示したが、これを設けずに電力を供給することも可能である。その場合、燃料電池２０の出力電圧と、水素発生手段１０の印加電圧とを近づけることが好ましい。例えば、単位セルの直列接続の数を少なくすることで燃料電池２０の出力電圧を下げることができ、その場合、電極面積を増加させたり、又は並列接続の数を増加させることで、電力を維持することができる。また、水素発生手段１０の両電極１１ａ，１１ｂを直列に接続して、両端の電極間に印加することで、印加電圧水素発生手段１０の印加電圧を低下させることができる。
【実施例】
【００９８】
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。
【００９９】
燃料電池の製造例１
厚み０．２ｍｍのニッケル板を金メッキしたものを、図１１に示す形状（矩形状部の長径３３ｍｍ、短径１２ｍｍ、）にプレスして打ち抜き、金属層４（開口率１４％）と金属層５（開口率３１％）となるニッケル板を２枚作製した。金属層４，５の突出部４ｂ，５ｂは、電極端子となる。また、金属層４，５の開口部は、樹脂成形後に、電極層２，３の表面を部分的に露出させる露出部４ａ（開口率７％）と露出部５ａ（開口率２２％）となる。
【０１００】
固体高分子電解質層１（陽イオン交換膜）としてナフィオンフィルム（デュポン社製ナフィオン１１２、３３ｍｍ×１２ｍｍ、厚み１５μｍ）を用いた。この固体高分子電解質層１の両面の周縁部に、図１１に示すように補強層８としてＰＥＮ樹脂（ポリエチレンナフタレート）を幅５００μｍ、厚み４０μｍで設けた。
【０１０１】
また、固体高分子電解質層１の両面の中央部には、図１１に示すように、触媒層９を補強層８とほぼ同じ厚みで設けた。白金触媒は、米国エレクトロケム社製２０％白金担持カーボン触媒（ＥＣ−２０−ＰＴＣ）を用いた。この白金触媒と、カーボンブラック（アクゾ社ケッチェンブラックＥＣ）、ポリフッ化ビニリデン（カイナー）を、それぞれ７５重量％、１５重量％、１０重量％の割合で混合し、ジメチルホルムアミドを、２．５重量％のポリフッ化ビニリデン溶液となるような割合で、上記白金触媒、カーボンブラック、ポリフッ化ビニリデンの混合物中に加え、乳鉢中で溶解・混合して、触媒ペーストを作製し、固体高分子電解質層１の表面に塗布した。電極層２，３としては、カーボンペーパー（東レ製ＴＧＰ−Ｈ−９０、厚み３７０μｍ）を３３ｍｍ×１２ｍｍに切断して用いた。
【０１０２】
固体高分子電解質層１、触媒層９、補強層８、電極層２，３の積層物を、上記のニッケル板２枚の中央で挟み込み、樹脂の開口形状に対応する凸部を内表面に有する金型を用いて、２枚のニッケル板の両側から圧力（１トン）がかかる状態で、金型内に配置した。その状態で、樹脂（（株）プライムポリマー製、ポリプロピレン樹脂、Ｊ−７００ＧＰ）を１９５℃で型内に注入して（射出圧力４００ｋｇｆ／ｃｍ２）、冷却した後に金型から取り出すことで、樹脂成形体の外寸３５ｍｍ×１４ｍｍ×２．２ｍｍ厚の単位セルを作成した。この単位セルでは、アノード側の電極層２と樹脂成形体６の樹脂が接触する接触部６ａが、カソード側に比べて多くなっている。
【０１０３】
この単位セルの４つを用いて、アノード側を内側にして四角柱の四つの側面を形成し、これらの突出部４ｂ，５ｂを電気的に直列に接続して、内側に水素供給空間を有し、外側から空気供給が可能な四角柱の燃料電池を得た。
【０１０４】
実施例１
電極となるアルミニウム板（純度９９．５％、縦３５×横５０×厚み０．３ｍｍ、１．４４ｇ）を２枚用意し、２枚の間に多孔質体（ＢＡＳＦ社製、メラミンフォーム、縦３５×横５０×厚み５ｍｍ、密度０．００９３ｇ／ｃｍ３、空孔率９９．４％、平均孔径７０μｍ）を挟み、電極間の距離が５ｍｍになるような平型ケース（約８ｍＬ）に入れて、２０重量％ＮａＣｌ水溶液を約８ｍＬ注入した。ケースの上部空間を閉空間とし、発生した水素ガスを排出する流路に、膜式流量計（堀場製作所社製）を接続して、常時、水素発生流量をモニターした。各々の電極を安定化電源に正極および負極として接続し、水素発生流量が約１０ｍＬ／ｍｉｎになるように、手動で電源の電流値を変化させながら１時間運転を行った。その際の水素発生量を図５（ａ）に、電圧と電流の関係を図５（ｂ）、これらから計算される発生電力と消費電力を図５（ｃ）に示す。
【０１０５】
発生電力については、製造例１の燃料電池を用いて、水素流量１０ｍＬ／ｍｉｎで発電を行った場合、燃料電池の出力電圧が約３Ｖ（４セル分）、電流が約０．３３Ａであり、これをＤＣ／ＤＣコンバーター（電力効率８５％）で、約５Ｖまで昇圧すると、発生電力が約０．８３Ｗであったため、これを基準に発生電力を計算した。
【０１０６】
図５（ｃ）に示す結果から、電極の自己反応により、消費電力以上の発電が可能（１．１４〜５．２倍）なことが分かった。電圧印加により、電極のアルミが活性化され、電気分解以外の自己反応により水素発生が生じていると考えられる。なお、消費電力０．５Ｗ以下の持続時間は約９０ｍｉｎであった。
【０１０７】
実施例２
実施例１において、使用した多孔質体を下記の多孔質体に代える以外は、実施例１と全く同じ条件で水素発生流量が約１０ｍＬ／ｍｉｎになるように、手動で電源の電流値を変化させながら１時間運転を行った。その際の電圧と電流から計算される消費電力を、実施例１の結果と併せて図６に示す。
（実施例２−１）ソフラス（ポリウレタン、０．２２ｇ／ｃｍ３、空孔率８２％、平均孔径１μｍ）５ｍｍ厚み
（実施例２−２）ポリウレタン（食器洗いスポンジ０．０２８ｇ／ｃｍ３、空孔率９８％、平均孔径２０００μｍ）５ｍｍ厚み
（実施例２−３）蒸発紙（ポリエステル樹脂、０．２６ｇ／ｃｍ３、空孔率７８％、平均孔径５０μｍ）１ｍｍ厚み×５枚
（実施例２−４）ベルイーター（ポリビニルアルコールスポンジ、０．０８９ｇ／ｃｍ３、空孔率９５％、平均孔径７０μｍ）１．８ｍｍ厚み×２枚。
【０１０８】
比較例１
実施例１において、多孔質体を使用せずに、同量のＮａＣｌ水溶液のみが電極間に存在するようにした以外は、実施例１と全く同じ条件で水素発生流量が約１０ｍＬ／ｍｉｎになるように、手動で電源の電流値を変化させながら１時間運転を行った。その際の電圧と電流から計算される消費電力を、図６に併せて示す。その結果、多孔質体を用いない場合には、初期に消費電力が非常に大きくなり、電力収支がマイナスになる部分（消費電力０．８Ｗ以上）が生じた。
【０１０９】
実施例３−１
電極となるアルミニウム板（純度９９．５％、縦３５×横２０×厚み０．３ｍｍ、０．５７ｇ）を２枚用意し、２枚の間と両外側とに多孔質体（ＢＡＳＦ社製、メラミンフォーム、縦３５×横５０×厚み５ｍｍ、密度０．００９３ｇ／ｃｍ３、空孔率９９．４％）を１枚ずつ配置し、これを容器（深さ３５×横５０×幅１５ｍｍ、容積約２７ｍＬ）に入れて、２０重量％ＮａＣｌ水溶液を約１５ｍＬ注入した。容器の上部空間を閉空間とし、発生した水素ガスを排出する流路に、膜式流量計（堀場製作所社製）を接続して測定した。各々の電極を安定化電源に正極および負極として接続し、電源の電流値を０．５Ａに制御して２時間運転を行った。その際の消費電力を図７（ａ）に、消費電力量を図７（ｂ）、利用可能電力を図７（ｃ）に、利用可能電力量を図７（ｄ）に示す。
【０１１０】
実施例３−２
実施例３−１において、使用した多孔質体の厚みを１０ｍｍに代える以外は、実施例３−１と全く同じ条件で２時間運転を行った。その際の消費電力を図７（ａ）に、消費電力量を図７（ｂ）、利用可能電力を図７（ｃ）に、利用可能電力量を図７（ｄ）に併せて示す。
【０１１１】
比較例２
実施例３−１において、使用した3枚の多孔質体の厚みを３ｍｍに代え、多孔質体と電極との間に厚さ1ｍｍのシリコーンゴムよりなる枠状スペーサ（電極とは上端と下端とでのみ幅２ｍｍで接する）を介在させて、電極と多孔質体との距離を１ｍｍにしたこと以外は、実施例３−１と全く同じ条件で２時間運転を行った。その際の消費電力を図７（ａ）に、消費電力量を図７（ｂ）、利用可能電力を図７（ｃ）に、利用可能電力量を図７（ｄ）に併せて示す。
【０１１２】
実施例３−１、３−２と比較例２の結果を対比すると、アルミ電極とスポンジの接触が良いほど、反応効率は向上し、特に非接触の場合は反応が鈍化し、消費電力が跳ね上がっていることが分かった。
【０１１３】
実施例４−１
電極となるマグネシウム板（ＡＺ３１，純度９６％、縦３５×横２０×厚み０．３ｍｍ、０．３６ｇ）を２枚用意し、２枚の間と両外側とに多孔質体（ＢＡＳＦ社製、メラミンフォーム、縦３５×横５０×厚み５ｍｍ、密度０．００９３ｇ／ｃｍ３、空孔率９９．４％）を１枚ずつ配置し、これを容器（深さ３５×横５０×幅１５ｍｍ、容積約２７ｍＬ）に入れて、２０重量％ＮａＣｌ水溶液を約１５ｍＬ注入した。容器の上部空間を閉空間とし、発生した水素ガスを排出する流路に、膜式流量計（堀場製作所社製）を接続して測定した。各々の電極を安定化電源に正極および負極として接続し、電源の電流値を０．５Ａに制御して１時間運転を行った。その際の消費電力を図８（ａ）に、消費電力量を図８（ｂ）、利用可能電力を図８（ｃ）に、利用可能電力量を図８（ｄ）に示す。
【０１１４】
実施例４−２
実施例４−１において、使用した多孔質体の厚みを１０ｍｍに代える以外は、実施例４−１と全く同じ条件で１時間運転を行った。その際の消費電力を図８（ａ）に、消費電力量を図８（ｂ）、利用可能電力を図８（ｃ）に、利用可能電力量を図８（ｄ）に併せて示す。
【０１１５】
比較例３
実施例４−１において、使用した3枚の多孔質体の厚みを３ｍｍに代え、多孔質体と電極との間に厚さ1ｍｍのシリコーンゴムよりなる枠状スペーサ（電極とは上端と下端とでのみ幅２ｍｍで接する）を介在させて、電極と多孔質体との距離を１ｍｍにしたこと以外は、実施例４−１と全く同じ条件で１時間運転を行った。その際の消費電力を図８（ａ）に、消費電力量を図８（ｂ）、利用可能電力を図８（ｃ）に、利用可能電力量を図８（ｄ）に併せて示す。
【０１１６】
実施例４−１、４−２と比較例３の結果を対比すると、非接触の場合は反応が鈍化し、消費電力が大きくなることが分かった。マグネシウム電極とスポンジの接触が弱いほど、反応効率は向上しており、これは接触が強いほど、マグネシウムの副生成物（酸化物、水酸化物）による堆積を許容しにくくなるためであると考えられる。
【０１１７】
実施例５−１
アノード極となるマグネシウム板（純度９６％、縦３５×横２０×厚み０．３ｍｍ、０．３６ｇ）と、カソード極となるアルミニウム板（純度９９．５％、縦３５×横２０×厚み０．３ｍｍ、０．５７ｇ）とを用意し、２枚の間と両外側とに多孔質体（ＢＡＳＦ社製、メラミンフォーム、縦３５×横５０×厚み５ｍｍ、密度０．００９３ｇ／ｃｍ３、空孔率９９．４％）を１枚ずつ配置し、これを容器（深さ３５×横５０×幅１５ｍｍ、容積約２７ｍＬ）に入れて、２０重量％ＮａＣｌ水溶液を約１５ｍＬ注入した。容器の上部空間を閉空間とし、発生した水素ガスを排出する流路に、膜式流量計（堀場製作所社製）を接続して測定した。各々の電極を銅板（幅１０ｍｍ、厚み０．５ｍｍ、抵抗５〜８ｍΩ）で導通させ、水素発生流量が約６ｍＬ／ｍｉｎ以下になるまで運転を行った。その際の利用可能電力を図９（ａ）に、利用可能電力量を図９（ｂ）に示す。
【０１１８】
この系を利用することで、初期に水素を供給する水素供給手段、及び／又は初期に電力を供給する蓄電手段として、利用することができる。
【０１１９】
実施例５−２
実施例５−１において、使用した多孔質体の厚みを１０ｍｍに代える以外は、実施例５−１と全く同じ条件で１時間運転を行った。その際の利用可能電力を図９（ａ）に、利用可能電力量を図９（ｂ）に併せて示す。
【０１２０】
比較例４
実施例５−１において、使用した3枚の多孔質体の厚みを３ｍｍに代え、多孔質体と電極との間に厚さ1ｍｍのシリコーンゴムよりなる枠状スペーサ（電極とは上端と下端とでのみ幅２ｍｍで接する）を介在させて、電極と多孔質体との距離を１ｍｍにしたこと以外は、実施例５−１と全く同じ条件で１時間運転を行った。その際の利用可能電力を図９（ａ）に、利用可能電力量を図９（ｂ）に併せて示す。
【０１２１】
実施例５−１、５−２と比較例４の結果を対比すると、水素発生反応の効率はほとんど変わらないものの、非接触の場合は副生成物による反応阻害が早く生じるため、利用可能電力量はより小さくなった。
【０１２２】
（自己反応率の対比）
実施例３−１、４−１、及び５−１の結果から、次のようにして自己反応率を計算した。即ち、電流から求めた、「移動した電子量」から電気分解反応で発生した水素量を算出し、これを実際の水素発生量から差し引き、各々の電極で自己反応と、電気分解反応の比率を求めた。
【数１】
その結果を図１０（ａ）に示す。また、計算に使用した電流値と電圧値のデータを、それぞれ図１０（ｂ）と図１０（ｃ）とに示す。図１０の結果から、Ａｌ−Ｍｇ、Ａｌ−Ａｌ、Ｍｇ−Ｍｇの順序で、自己反応の比率が高いことが分かった。
【０１２３】
実施例６
実施例１で用いた水素発生手段等の装置を用いて、安定化電源から電力供給を開始し、製造例１の燃料電池に水素供給して発電（出力電圧約３Ｖ）を行った。開始から１０分後（水素発生量約１０ｍＬ／ｍｉｎ）に電力供給を停止し、燃料電池の出力電圧を０．７ＶまでＤＣ／ＤＣコンバーター（電力効率８５％）で降圧して水素発生手段の正極および負極に印加しつつ、ＤＣ／ＤＣコンバーター（電力効率８５％、出力電圧５Ｖ）を介して、一定電流（０．１２Ａ）に設定した外部負荷（菊水電子工業株式会社製、ＰＬＺ７０ＵＡ）による電力利用を試みた。その結果、水素流量をほぼ一定に保ちながら、外部負荷に対して電力を９０分間にわたり出力（電力量０．９Ｗｈ、平均電力約０．６Ｗ）することができた。
【符号の説明】
【０１２４】
１０ 水素発生手段
１１ 電極
２０ 燃料電池
３０ 電圧印加回路
３１ 蓄電手段
４０ 出力回路
５０ 水素供給手段
Ｃ 制御手段
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧の印加による電気分解反応及び電極の自己反応の両者で水素を発生させる水素発生手段と、
発生した水素を供給して発電を行う燃料電池と、
その燃料電池からの電力を利用して、直接的又は間接的に前記水素発生手段に電圧を印加する電圧印加回路と、
前記燃料電池で発電した余剰の電力を出力する出力回路と、を備える発電装置。
【請求項２】
前記水素発生手段に供給される初期の電力が、定常状態における電力と比較して大きくなるように構成されている請求項１に記載の発電装置。
【請求項３】
前記水素発生手段は、少なくともカソード極がアルミニウムを含有するものである請求項１又は２に記載の発電装置。
【請求項４】
少なくとも発電の初期に前記水素発生手段に電力を供給する蓄電手段、及び／又は少なくとも発電の初期に前記燃料電池に水素を供給するための水素供給手段を備える請求項１〜３いずれかに記載の発電装置。
【請求項５】
少なくとも発電の初期に前記水素発生手段に電力を供給し、前記燃料電池から供給された電力を蓄電する蓄電手段と、
前記燃料電池から前記蓄電手段に供給する電力を制御する制御手段とを備える請求項１〜４いずれかに記載の発電装置。
【請求項６】
少なくとも発電の初期に前記燃料電池に水素を供給するための水素供給手段と、
前記燃料電池から前記水素発生手段に供給する電力及び前記出力回路から出力される電力を制御する制御手段とを備える請求項１〜４いずれかに記載の発電装置。
【請求項７】
前記制御手段がデューティ比の制御により電力を制御する請求項６に記載の発電装置。
【請求項１】
電圧の印加による電気分解反応及び電極の自己反応の両者で水素を発生させる水素発生手段と、
発生した水素を供給して発電を行う燃料電池と、
その燃料電池からの電力を利用して、直接的又は間接的に前記水素発生手段に電圧を印加する電圧印加回路と、
前記燃料電池で発電した余剰の電力を出力する出力回路と、を備える発電装置。
【請求項２】
前記水素発生手段に供給される初期の電力が、定常状態における電力と比較して大きくなるように構成されている請求項１に記載の発電装置。
【請求項３】
前記水素発生手段は、少なくともカソード極がアルミニウムを含有するものである請求項１又は２に記載の発電装置。
【請求項４】
少なくとも発電の初期に前記水素発生手段に電力を供給する蓄電手段、及び／又は少なくとも発電の初期に前記燃料電池に水素を供給するための水素供給手段を備える請求項１〜３いずれかに記載の発電装置。
【請求項５】
少なくとも発電の初期に前記水素発生手段に電力を供給し、前記燃料電池から供給された電力を蓄電する蓄電手段と、
前記燃料電池から前記蓄電手段に供給する電力を制御する制御手段とを備える請求項１〜４いずれかに記載の発電装置。
【請求項６】
少なくとも発電の初期に前記燃料電池に水素を供給するための水素供給手段と、
前記燃料電池から前記水素発生手段に供給する電力及び前記出力回路から出力される電力を制御する制御手段とを備える請求項１〜４いずれかに記載の発電装置。
【請求項７】
前記制御手段がデューティ比の制御により電力を制御する請求項６に記載の発電装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１１−２４９１６１（Ｐ２０１１−２４９１６１Ａ）
【公開日】平成２３年１２月８日（２０１１．１２．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１２１７３３（Ｐ２０１０−１２１７３３）
【出願日】平成２２年５月２７日（２０１０．５．２７）
【出願人】（５０６２３９７８４）アクアフェアリー株式会社 (40)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１２月８日（２０１１．１２．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年５月２７日（２０１０．５．２７）
【出願人】（５０６２３９７８４）アクアフェアリー株式会社 (40)
【Ｆターム（参考）】
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