(57)【要約】【課題】  燃料電池を内蔵することによって蓄電池への依存を著しく低減することを主眼に、その最適化を図った小規模水中走行体駆動システムを提供する。【解決手段】小規模水中走行体が、過酸化水素水溶液からの酸素を使用する燃料電池１００を内蔵すると共に、前記小規模水中走行体の近傍、地上又は水上に、前記過酸化水素を水素又は水素含有ガス及び酸素又は酸素含有ガスから製造する、前記走行体に内蔵の燃料電池１００専用の燃料電池型過酸化水素製造装置２００、さらに、水を水素及び酸素に分解する水電解装置３００、その水電解装置３００に必要な電力を発生する、炭素化合物を水素供与体、空気を酸素供与体とする燃料電池４００を備えている。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内蔵する駆動機構によって水中を自力で走行する小規模水中走行体の駆動に当たって、主としてそれに必要なエネルギに関する支援を行う、小規模水中走行体駆動エネルギ支援システムであって、前記小規模水中走行体が、過酸化水素水溶液からの酸素を使用する燃料電池を内蔵していることを特徴とする小規模水中走行体駆動エネルギ支援システム。
【請求項２】
前記小規模水中走行体の近傍、地上又は水上に、前記過酸化水素を水素又は水素含有ガス及び酸素又は酸素含有ガスから製造する、前記走行体に内蔵の燃料電池専用の燃料電池型過酸化水素製造装置を備えていることを特徴とする請求項１に記載の小規模水中走行体駆動エネルギ支援システム。
【請求項３】
前記小規模水中走行体の近傍、地上又は水上に、水を水素及び酸素に分解する水電解装置、その水電解装置に必要な電力を発生する、炭素化合物を水素供与体、空気を酸素供与体とする燃料電池を備えていることを特徴とする請求項２に記載の小規模水中走行体駆動エネルギ支援システム。
【請求項４】
前記小規模水中走行体の近傍、地上又は水上で、炭素化合物を水蒸気改質し、水素含有ガスを製造する水素含有ガス製造装置、及び吸着剤によって空気から窒素を分離し、酸素富化空気を製造する酸素富化装置を備えていることを特徴とする請求項２に記載の小規模水中走行体駆動エネルギ支援システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、人口魚等、水中を走行する小規模水中走行体の駆動支援システムに関するものであって、燃料電池を内蔵することによって蓄電池への依存を著しく低減することを主眼に、その最適化を図ったものに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、小規模水中走行体として、水槽内で、鰭を動かしなが遊泳する人工魚（もしくは魚ロボット）と称せられものが種々提案され、既にその幾つかは実用化されている。しかしながら、それらを駆動するエネルギは、一般に内蔵の蓄電池によって供給される電気であって、その蓄電池は現状では、大きさ・重量当たりの充電容量が極めて小さく、且つその人口魚の空間的制約から小容量のものしか搭載されておらず、従って極めて短時間に消耗し、頻繁に充電する必要があり、しかもその充電に多大の時間を要すると言う問題点がある。
【０００３】
発明者らは、上述の問題点を有する蓄電池の代わりに、資源・環境への影響が僅少であって、一次、二次の電池同様に小規模に構成可能であって、燃料の水素又は軽質の流体燃料さえ準備されれば、容易に且つ自在に発電可能な燃料電池に着目し、それについての調査・検討を開始した。
【０００４】
水中での燃料電池の使用に関する提案が幾つかなされていることが判明した。例えば、特許文献１，２では、必要な空気を、空気ボンベ又はダイビング用の浮力調整器からホースを介して供給することが記されている。しかしながら、小規模水中走行体は、そのホースが邪魔になって自由な走行が出来ないと言う問題点がある。
【０００５】
なお、水素は燃料のうち最も軽く、貯蔵に難があと言う問題点はあるが、水素吸蔵合金の開発が進められており、まだその吸蔵量、その条件その他に問題はあるものの、それによって小規模の水中走行体にも比較的少ないスペースで貯蔵可能である。
【０００６】
それに対して、空気又は酸素は水素に比較すれば容易に液化可能であるが、その液体空気（又は酸素）の保冷は、小規模水中走行体では容易でない。なお、海洋研究開発機構の深海巡航探査機「うらしま」には完全閉鎖式の燃料電池が搭載されおり、その燃料電池の水素は水素吸蔵合金、酸素は高圧ボンベにそれぞれ貯蔵されていると言われている。
【０００７】
他方、過酸化水素水溶液から得られた酸素を燃料電池に用いることが提案されている（例えば特許文献３，４。）。また、既に水素供給源として低分子の液体燃料（例えばメタノール）を用いる直接型燃料電池についての提案がなされている（例えば特許文献４，５等。）。これらの提案の利用によって、化石燃料を使用すると言う問題点は残るが、ホースや高圧の内蔵ボンベの制約から開放された小規模水中走行体も実現可能になって来た。
【０００８】
上述の過酸化水素は、軟水や苛性ソーダ水溶液を電解液として、また空気を原料として、既に電解によって製造可能であることは知られているが、消費電力が高いと言う問題点がある。それに対して、燃料電池型反応装置の両極間に電解質を導入し、両極間を電気的に短絡させ、水素等の水素供与体と酸素とをそれぞれの極に供給することによって比較的濃度の高い過酸化水素水溶液を製造すると言う提案もなされている（例えば特許文献６，７。）。
【０００９】
その原料である、酸素を得る手段として、空気の深冷分離又は吸着剤による酸素富化、水の電解があり、また、水素を得る手段としては、その水の電気分解、炭化水素・アルコール等の炭素化合物の水蒸気改質があるが、酸素富化、炭素化合物の水蒸気改質を除いていずれも電力消費が高いと言う問題点がある。従って、最初に挙げた蓄電池搭載の問題が、結局は安価な電力調達手段にまで遡ることになる。
【００１０】
【特許文献１】特開２００３−３１７７８２号公報（（特許請求の範囲）、図面）
【特許文献２】特開２００４−８７２２３号公報（（特許請求の範囲）、図面）
【特許文献３】特開２００２−３３９６９４号公報（（特許請求の範囲）、図面）
【特許文献４】特開２００４−１７２０７５号公報（（特許請求の範囲）、図面）
【特許文献５】特開２００２−３４３４０３号公報（（特許請求の範囲））
【特許文献６】特開２００１−２３６９６８号公報（（特許請求の範囲）、図面）
【特許文献７】特開２００３−２２９１６５号公報（（特許請求の範囲）、図面）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
以上のことから、本発明は、上記した従来技術の欠点を除くために、燃料電池を内蔵することによって蓄電池への依存を著しく低減することを主眼に、その最適化を図った小規模水中走行体駆動システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の目的を達するために、請求項１の発明は、内蔵する駆動機構によって水中を自力で走行する小規模水中走行体の駆動に当たって、主としてそれに必要なエネルギに関する支援を行う、小規模水中走行体駆動エネルギ支援システムであって、
前記小規模水中走行体が、過酸化水素水溶液からの酸素を使用する燃料電池を内蔵している。
【００１３】
請求項２の発明は、請求項１の発明の構成に加えて、前記小規模水中走行体の近傍、地上又は水上に、前記過酸化水素を水素又は水素含有ガス及び酸素又は酸素含有ガスから製造する、前記走行体に内蔵の燃料電池専用の燃料電池型過酸化水素製造装置を備えている。
【００１４】
請求項３の発明は、請求項２の発明の構成に加えて、前記小規模水中走行体の近傍、地上又は水上に、水を水素及び酸素に分解する水電解装置、その水電解装置に必要な電力を発生する、炭素化合物を水素供与体、空気を酸素供与体とする燃料電池を備えている。
【００１５】
請求項４の発明は、請求項２の発明の構成に加えて、前記小規模水中走行体の近傍、地上又は水上で、炭素化合物を水蒸気改質し、水素含有ガスを製造する水素含有ガス製造装置、及び吸着剤によって空気から窒素を分離し、酸素富化空気を製造する酸素富化装置を備えている。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１の発明によれば、従来の蓄電池の代わりに燃料電池を内蔵しており、それには過酸化水素水溶液からの酸素が使用され、さらに、例えば、水素供与体が水素吸蔵合金吸蔵水素又は液体燃料が使用されれば、いずれも気体である、酸素・水素がそれぞれ圧縮されたものに比較して、単位発電量当たりの容積が著しく小さいため、それぞれ貯蔵量を著しく増大可能である。従って、それらの補給の頻度を著しく低減可能であり、水中走行体は、例えば夜間の補給だけで、昼間は全く補給なしに走行可能になる等、走行可能時間を大幅に増大可能である。また、発電に使用された酸素又は水素の供与体は、大半が水となって、再利用可能に走行体内に容易に封じ込め可能であり、大量の気体を体外に放出することはない。なお、水素供与体として液体燃料が使用される場合、僅かな二酸化炭素が放出されるが特に問題にはならない。
【００１７】
請求項２の発明によれば、請求項１の発明の効果に加えて、前記小規模水中走行体の近傍、地上又は水上に、燃料電池型過酸化水素製造装置が設けられているため、前記内蔵の燃料電池１００に対して、最適の性状の過酸化水素水溶液を、必要な量を必要なときに、僅少な電力で製造し、遠距離輸送の負担やその間の分解の不安なしに安全に補給可能である。
【００１８】
請求項３の発明によれば、請求項２の発明の効果に加えて、前記小規模水中走行体の近傍、地上又は水上に、水素及び酸素に分解する水電解装置、その水電解装置に必要な電力を発生するところの、それぞれ炭素化合物を水素供与体、空気を酸素供与体とする燃料電池が設けられているため、先ずその変換効率の高い燃料電池によって水分解に必要な量の電力が必要なときに安価に得られる。従って、その水分解によって得られた濃厚且つ安価な水素・酸素から質の高い過酸化水素水溶液が安価に得られる。なお、得られた安価な上記水素は、前記小規模水中走行体に内蔵の燃料電池の、例えばそれに付設の水素吸蔵合金にも吸蔵させ、使用可能である。
【００１９】
請求項４の発明によれば、請求項２の発明の効果に加えて、前記小規模水中走行体の近傍、地上又は水上で、炭素化合物を水蒸気改質し、水素含有ガスを製造する水素含有ガス製造装置、及び吸着剤によって空気から窒素を分離し、酸素富化空気を製造する酸素富化装置が設けられているため、それぞれ得られる水素含有ガス・酸素含有ガスは、水の電気分解によって得られる水素・酸素に比較してそれぞれ若干濃度は低いが、安価である。しかも、前記過酸化水素製造装置は、高純度の水素・酸素だけでなく、それを含む含有ガスであれば、どのレベルでも過酸化水素を製造可能であり、最適のレベルの選定によって、得られる過酸化水素はさらに安価となる。もちろん必要な量が必要なとき得られる。さらに、得られた安価な水素含有ガスは、前記小規模水中走行体に内蔵の燃料電池の、例えばそれに付設の水素吸蔵合金にも選択的に吸蔵させ、使用可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明を実施するため最良の形態に関わる、小規模水中走行体の駆動システムの第一の例について、図１乃至図３によって説明すると、１０は小規模水中走行体の一つである人工魚の外側部分であって、中空状のゴム様弾性体よりなり、しかも、形態・模様・色・触感に至るまでその外観が出来るだけ自然魚に似るよう造られていると共に、その挙動も自然魚に似るよう、それを作動させる作動部分（後述）を内蔵している。なお、２０はその外側部分１０の前部分であって、前端には後述するように上下方向に開閉可能に口Ｍが形成されている。３０は前記作動部分の大半を内蔵する胴中間部分、４０，５０それぞれ後述するように水平方向に揺動可能な胴後部分、尾鰭部分である。
【００２１】
上述の作動部分について説明すると、胴中間部分３０内には、その前上部に浮沈用水タンク６１、その後方にサーボモータ、制御部等（図示省略）等が水密に収納された揺動体駆動部制御部６２、その左右両側に前記浮沈用水タンク６１へ水を送入したり、それから水を排出したりするギヤポンプ（図示省略）、その下方に揺動体駆動制御部６２等に電力を供給する燃料電池１００をそれぞれ備えている。なお、前記浮沈用水タンク６１への水の送入、それからの水の排出が行なわれるよう、それぞれ水出入口６５を外側部分１０の下面に、また、それらと前記浮沈用水タンク６１とを前記ギヤポンプを介して結ぶ配管ライン（図示省略）を備えている。
【００２２】
さらに、揺動体駆動部制御部６２によって駆動される、前記胴後部分４０及び尾鰭部分５０には揺動機構７０、前部分１０、口Ｍの後方にはそれを上下方向に開閉する口開閉機構８０や目９１，９１を作動させる目作動部９０がそれぞれ設けられているが、それらの詳細については、例えば出願人によって提案されものがあり、詳細説明は省略する。以上のように構成されることによって、この人口魚は水槽内を単に遊泳走行するだけでなく、口Ｍを開閉し、各目９１（正確には眼球が）が自然魚の如く動いて見え、より自然魚に近い挙動をし、見る人を一層楽しませる。
【００２３】
以下本発明の本題である小規模水中走行体の駆動支援システムについて図２により説明する。先ず小規模水中走行体への内蔵部分について説明すると、１００は前述の燃料電池であって、燃料電池本体１０１、水素を吸蔵する水素吸蔵合金１０２、過酸化水素水溶液を詰めた内蔵タンク１０３を備えている。なお、１０４はそのタンク１０３内の過酸化水素水溶液を引き出すポンプ、１０５はその引き出された過酸化水素水溶液を分解する触媒層、１０６は前記過酸化水素水溶液の分解で残った水を受け入れる水受け入れタンクである。その他、前記小規模水中走行体の起動、非常用電力を貯蔵する蓄電池６４も併設されている。
【００２４】
次に前記小規模水中走行体の近傍、地上又は水上に設けられた部分について説明すると、２００は燃料電池型過酸化水素製造装置であって、前記水中走行体に内蔵の燃料電池１００専用の過酸化水素水溶液を、後述の水素を水素又は水素含有ガス及び酸素又は酸素含有ガスから僅少の電力で製造することが出来る。その他、図示は省略するが、得られた過酸化水素水溶液を貯蔵するタンク、その過酸化水素水溶液を前記内蔵タンク１０３に充填、補給する充填器が併設されている。
【００２５】
前記過酸化水素製造装置２００の詳細について説明すると、図３に示すように、燃料電池型反応装置であって、２０１はアノード、２０２はカソード、２０３は隔膜、２０５，２０６，２０７は、前記三者によって区画された、それぞれアノード室、カソード室、中間室であって、前記二者には水素、酸素が供給されることによって、中間室２０７に導入された電解質溶液から過酸化水素が生成するよう構成されている。なお、前記アノード２０１とカソード２０２との間に電圧が印加されることによって反応が促進される。その他詳細は特許文献６，７に記されており、省略する。
【００２６】
３番目に、３００は水を高圧下で水素及び酸素に分解する水電解装置、４００はその水電解装置３００に必要な安価な電力を発生する燃料電池であって、安価なメタノール等の炭素化合物を水素供与体、空気を酸素供与体とするものである。いずれも既に実用されているものであって、その詳細説明は省略する。その他、図示は省略するが、得られた水素、酸素をそれぞれ一時的に貯蔵するタンク、そのうち水素を小規模水中走行体に内蔵の水素吸蔵合金１０２に供給、吸蔵させる充填器が併設されている。
【００２７】
先ず小規模水中走行体の内蔵部分の作用について説明すると、前記内蔵タンク１０３内の過酸化水素水溶液の分解によって生じた酸素と水素吸蔵合金１０２から放出された水素が、内蔵の燃料電池１００の本体１０１で反応し、その化学エネルギが高い変換効率で電気エネルギに変換され、それによって、小規模水中走行体が駆動制御され、走行する。
【００２８】
しかも、前記内蔵タンク１０３に充填された過酸化水素水溶液、水素吸蔵合金１０２の吸蔵水素は、いずれも気体である、酸素、水素がそれぞれ圧縮されたものに比較して、単位発電量当たりの容積が著しく小さいため、それぞれ貯蔵量を著しく増大可能である。それらの補給の頻度を著しく低減可能であり、水中走行体は、例えば夜間の補給だけで、昼間は全く補給なしに走行可能になる等、前記走行可能時間を大幅に増大する。また、発電に使用された酸素又は水素は水となって、再利用可能に走行体内に容易に封じ込め可能であり、大量の気体を体外に放出することはない。
【００２９】
そのうえ、前記小規模水中走行体の近傍、地上又は水上に、前記小規模水中走行体の近傍、地上又は水上に、燃料電池型過酸化水素製造装置２００が設けられているため、前記燃料電池１００に対して、最適の性状の過酸化水素水溶液を、必要な量を必要なときに、僅少な電力で製造し、遠距離輸送の負担やその間の分解の不安もなく、安全に補給可能である。  
【００３０】
さらに、前記小規模水中走行体の近傍、地上又は水上に、水素及び酸素に分解する水電解装置３００、その水電解装置３００に必要な電力を発生する、それぞれ炭素化合物を水素供与体、空気を酸素供与体とする燃料電池４００が設けられているため、先ずその変換効率の高い燃料電池４００によって水分解に必要な量の電力が必要なときに安価に得られる。従って、その水分解によって得られた濃厚且つ安価な水素・酸素から質の高い過酸化水素も安価に得られる。
【００３１】
その他、その得られた安価な水素は、前記小規模水中走行体に内蔵の燃料電池１００に付設の水素吸蔵合金１０２にも吸蔵させ、使用可能である。そのうえ、図示は省略するが、燃料電池４００に代えて、太陽電池を設けてもよく、それによって化石燃料である炭素化合物の使用に伴う環境汚染・資源枯渇の問題点が緩和、解消される。
【００３２】
次に本発明の第二の例について図うにより説明すると、前述の第一の例の、地上又は水上部分のうち、過酸化水素製造装置２００を除く残りの部分は、以下のものに置き換えられている。すなわち、３５０は水素含有ガス製造装置であって、炭素化合物を水蒸気改質し、水素含有ガスを製造するよう構成されている。４５０は吸着剤を利用して空気から酸素富化空気を製造する酸素富化装置であって、吸着剤層に空気を加圧封入し、窒素を吸着、放散させ、分離し、以下、吸着剤層に吸着されず、残った、酸素濃度の高い気体に対して前記と同様の操作を繰り返すことによって、酸素濃度を次第に高めるよう構成されたものである。いずれも既に実用されているものであって、その詳細説明は省略する。
【００３３】
前記小規模水中走行体の近傍、地上又は水上には、炭素化合物を水蒸気改質し、水素含有ガスを製造する水素含有ガス製造装置３５０、及び吸着剤によって空気から窒素を分離し、酸素富化空気を製造する酸素富化装置４５０が設けられているため、それぞれ得られる水素含有ガス・酸素含有ガスは、水の電気分解によって得られる水素・酸素に比較してそれぞれ濃度は低いが、安価である。しかも、前記過酸化水素製造装置２００は、高純度の水素、酸素だけでなく、それを含む含有ガスであれば、どのレベルでも過酸化水素を製造可能であり、最適のレベルの選定如何によって、得られる過酸化水素は全体としてさらに安価となる。もちろんそれは必要な量が必要なとき得られる。さらに、得られた安価な水素含有ガスは、前記小規模水中走行体に内蔵の燃料電池１００に付設の水素吸蔵合金１０２にも選択的に吸蔵させ、使用可能である。  
【００３４】
以上の二つの例では、小規模水中走行体の内蔵の燃料電池１００には、水素吸蔵合金１０２が付設されているが、それに替えて、水素供与体として、例えばメタノール等の液体燃料が使用可能である。それによって、未だ開発途上と言える水素吸蔵合金１０２が持つ、低い吸蔵率、吸蔵に要する高い圧力、時間、放出のための加熱等大半の問題が解消されるが、使用に伴って僅少量の二酸化炭素を体外に放出し、水分の一部が失われるか、又はそれの封じ込めのための吸収又は加圧手段が別に必要である。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明が対象とする小規模水中走行体の断面図である。
【図２】本発明を実施するための最良の形態の一例を示す機器構成図である。
【図３】図２の過酸化水素製造装置の別の例を示す機器構成図である。
【図４】本発明を実施するための最良の形態の一例を示す機器構成図である。
【符号の説明】
【００３６】
１０    外側部分
２０    前部分
３０    中間部分
４０    胴後部分
５０    尾鰭部分
６１  浮沈用水タンク
６２  揺動体駆動部制御部
６４  蓄電池
６５  水出入口
７０  遥動機構
８０  口開閉機構
９０  目作動部
９１  目
１００  燃料電池
１０１  燃料電池本体
１０２  水素吸蔵合金
１０３  内蔵タンク
１０４  ポンプ
１０５  触媒層
１０６  水受け入れタンク
２００  過酸化水素製造装置
２０１  アノード
２０２  カソード
２０３  隔膜
２０５  アノード室
２０６  カソード室
２０７  中間室
３００  水電解装置
３５０  水素含有ガス製造装置
４００  燃料電池
４５０  酸素富化装置
Ｍ    口
【図１】
2006034848.tif 000003
【図２】
2006034848.tif 000004
【図３】
2006034848.tif 000005
【図４】
2006034848.tif 000006