(57)【要約】  【課題】  【解決手段】水素生成システムの燃料カートリッジ（１０）が、実質的に無水の化学水酸化物の反応物を含む。複数の液体コンジット（２１）は、カートリッジのハウジング（１１）内に延在し、各液体コンジットは、長さと、この長さに沿って形成された複数の分配口（３２）を具える。液体分配口（３２）は、約１ｍｍ以下の直径を有する。化学水酸化物の反応物はベッドを形成し、液体コンジットは、少なくともベッドの半分の長さまで延在する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素生成システムであって、
ａ．少なくとも一つの液体入口ポートと、少なくとも一つガス出口ポートとを具え、実質的に無水の水酸化物の反応物を含む少なくとも一つのカートリッジと、
ｂ．前記カートリッジ内に延在する少なくとも一つの液体コンジットであって、これに形成される液体の分配口を少なくとも一つ有する液体コンジットと、
ｃ．前記カートリッジを脱着可能に取り付けるカートリッジレシーバであって、前記カートリッジの前記ガス出口ポートおよび前記液体入口ポートに対応する経路を具えるカートリッジレシーバと、
ｄ．前記カートリッジレシーバに機能的に連結される液体反応物の注入制御システムとを具え、当該システムが、少なくとも一つの反応パラメータを読み、少なくとも一つの反応パラメータに基づいて前記分配口から注入される液体反応物の量を調整することを特徴とする水素生成システム。
【請求項２】
請求項１に記載の水素生成システムがさらに、前記液体コンジットに沿って形成される複数の分配口を具え、当該液体分配口の直径が、約５０から約１０００ミクロンであることを特徴とする水素生成システム。
【請求項３】
請求項１に記載の水素生成システムにおいて、前記水酸化物の反応物がベッドを形成し、前記液体コンジットが、少なくとも前記ベッドの長さの半分に沿って延在することを特徴とする水素生成システム。
【請求項４】
請求項１に記載の水素生成システムにおいて、前記反応パラメータが、前記カートリッジ内の水素の圧力を含むことを特徴とする水素生成システム。
【請求項５】
請求項１に記載の水素生成システムにおいて、前記液体反応物が、水性の反応物であることを特徴とする水素生成システム。
【請求項６】
請求項５に記載の水素生成システムにおいて、前記液体コンジットそれぞれが、別々の制御バルブを有することを特徴とする水素生成システム。
【請求項７】
請求項１に記載の水素生成システムにおいて、前記反応パラメータが、前記カートリッジの温度を含み、前記制御システムが、前記温度に基づいて冷却システムを動作させることを特徴とする水素生成システム。
【請求項８】
請求項７に記載の水素生成システムにおいて、前記冷却システムが、前記カートリッジ内に空気を流す少なくとも一つのファンを具えることを特徴とする水素生成システム。
【請求項９】
請求項１に記載の水素生成システムにおいて、前記水酸化物が、厚みよりも実質的に大きい面積を有するファブリックポーチに密閉されることを特徴とする水素生成システム。
【請求項１０】
請求項９に記載の水素生成システムにおいて、前記ファブリックポーチが、前記カートリッジ内で巻かれ、前記液体反応物のコンジットが、前記ファブリックポーチの層の間に延在することを特徴とする水素生成システム。
【請求項１１】
請求項１に記載の水素生成システムにおいて、前記ファブリックポーチが、織布、ペロン３０、ナイロンシート、または多孔質紙から選択される少なくとも一つを具えることを特徴とする水素生成システム。
【請求項１２】
請求項１１に記載の水素生成システムにおいて、前記ファブリックが、温度が約−２０Ｃ°から約２００Ｃ°で、ｐＨが約４から１４の状態で構造的な完全性を維持し、少なくとも多少の吸上能力を示すことを特徴とする水素生成システム。
【請求項１３】
請求項１に記載の水素生成システムにおいて、前記水酸化物の反応物が、リチウムアルミニウム水酸化物であり、分配開口から出る液体反応物の量は、注入サイクルにつき約５０ｕＬを超えず、前記カートリッジの温度は、８０Ｃを超えないことを特徴とする水素生成システム。
【請求項１４】
請求項１に記載の水素生成システムがさらに、ｐＨが約１から約６である水性反応物を具えることを特徴とする水素生成システム。
【請求項１５】
請求項１に記載の水素生成システムにおいて、前記液体反応物が、酸性溶液であることを特徴とする水素生成システム。
【請求項１６】
請求項１に記載の水素生成システムがさらに、酸性物の容器と、水の容器とを具え、酸生物と水が、前記分配口から注入される前に混合されることを特徴とする水素生成システム。
【請求項１７】
請求項１に記載の水素生成システムにおいて、前記カートリッジレシーバが、前記カートリッジのポートに合致する水素および液体入口ポートを有するレシーバプレートであることを特徴とする水素生成システム。
【請求項１８】
請求項１６に記載の水素生成システムにおいて、密閉装置が、前記カートリッジのポートと前記レシーバプレートとの間に配置され、固定用のアセンブリが、前記カートリッジと前記レシーバプレートを十分な力により連結し、効果的に密閉することを特徴とする水素生成システム。
【請求項１９】
請求項１７に記載の水素生成システムにおいて、レシーバアセンブリが、少なくとも２つの支持ロッドにより、前記レシーバプレートに取り付けられる支持プレートを具えることを特徴とする水素生成システム。
【請求項２０】
請求項１７に記載の水素生成システムにおいて、前記レシーバプレートが、連結される制御バルブを有する少なくとも一つの経路を具え、前記経路が、前記液体入口ポートと繋がることを特徴とする水素生成システム。
【請求項２１】
水素生成システム用の燃料カートリッジにおいて、当該カートリッジが、
ａ．エンドキャップを具え、実質的に無水の水酸化物の反応物のベッドを含むカートリッジと、
ｂ．前記エンドキャップに固定され、前記ベッドに延在する少なくとも一つの液体コンジットであって、これに形成される少なくとも一つの液体分配口を有する液体コンジットとを具え、前記液体分配口が、約５０ミクロンから約１０００ミクロンの直径を有し、液体反応物が、液体の状態で前記水酸化反応物のベッドに送られ、
ｃ．前記エンドキャップが、前記液体コンジットに繋がる液体入口ポート、ガス出口ポートとを具え、前記液体入口ポートと前記ガス出口ポートの双方が、カートリッジレシーバにより密閉されるよう構成されていることを特徴とする燃料カートリッジ。
【請求項２２】
請求項２１に記載の燃料カートリッジにおいて、前記水酸化物の反応物が、ナトリウムホウ化水素と、無水の活性剤とを含むことを特徴とする燃料カートリッジ。
【請求項２３】
請求項２２に記載の燃料カートリッジにおいて、前記水酸化物の反応物が、約２０から約６０重量パーセントの活性剤を含むことを特徴とする燃料カートリッジ。
【請求項２４】
請求項２３に記載の燃料カートリッジにおいて、前記活性剤が、少なくともアルカリ土類金属、アルカリ金属、またはハロゲン化物の族の少なくとも一つの塩を含むことを特徴とする燃料カートリッジ。
【請求項２５】
請求項２４に記載の燃料カートリッジにおいて、前記活性剤が水溶性であることを特徴とする燃料カートリッジ。
【請求項２６】
請求項２２に記載の燃料カートリッジにおいて、前記活性剤が、ＢｅＦ２、ＢｅＣｌ２、ＢｅＢｒ２、ＢｅＩ２、ＭｇＦ２、ＭｇＢｒ２、ＭｇＣｌ２、Ｍｇ２Ｉ、ＣａＦ２、ＣａＣｌ２、ＣａＢｒ２、Ｃａｌ２、ＬｉＦ、ＬｉＣｌ、ＬｉＢｒ、Ｌｉｌ、ＮａＦ、ＮａＣｌ、ＮａＢｒ、ＮａＩ、ＫＦ、ＫＣｌ、ＫＢｒ、ＫＩ、Ｌｉ２Ｓ、またはＬｉ２Ｓｅから選択される少なくとも一つを含むことを特徴とする燃料カートリッジ。
【請求項２７】
請求項２４に記載の燃料カートリッジにおいて、前記活性剤は、ＭｇＣｌ２、ＢｅＣｌ２、ＣｕＣｌ２、ＬｉＣｌ、ＮａＣｌ、またはＫＣｌのうちの少なくとも一つから選択されることを特徴とする燃料カートリッジ。
【請求項２８】
請求項２２に記載の燃料カートリッジにおいて、前記活性剤は、Ｃｕ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｐｔ，Ｆｅ，Ｒｕ、Ｍｎ、またはＣｒのうちの少なくとも一つから選択されることを特徴とする燃料カートリッジ。
【請求項２９】
請求項２８に記載の燃料カートリッジにおいて、前記活性剤が、Ｃｕ，Ｒｕ，またはＮｉから選択される少なくとも一つであることを特徴とする燃料カートリッジ。
【請求項３０】
請求項２２に記載の燃料カートリッジにおいて、前記活性剤が、約１×１０−４から約１×１０−１１の酸性定数Ｋａを有する無水の酸であることを特徴とする燃料カートリッジ。
【請求項３１】
請求項３０に記載の燃料カートリッジにおいて、前記活性剤が、酒石酸または安息香酸のうちの少なくとも一つであることを特徴とする燃料カートリッジ。
【請求項３２】
請求項２１に記載の燃料カートリッジにおいて、複数の液体コンジットが、前記カートリッジ内に延在することを特徴とする燃料カートリッジ。
【請求項３３】
請求項２１に記載の燃料カートリッジにおいて、前記水酸化物が、厚さよりも実質的に大きい面積を有するファブリックポーチに密閉されることを特徴とする燃料カートリッジ。
【請求項３４】
請求項３３に記載の燃料カートリッジにおいて、前記ファブリックポーチが、前記カートリッジ内で巻かれ、水のコンジットが前記ファブリックの層の間に延在すること特徴とする燃料カートリッジ。
【請求項３５】
請求項３３に記載の燃料カートリッジにおいて、前記ファブリックポーチが、織られたナイロン素材を有することを特徴とする燃料カートリッジ。
【請求項３６】
請求項２１に記載の燃料カートリッジにおいて、前記水酸化物が、リチウムアルミニウム水酸化物を具え、前記液体コンジットが、ファブリックのスリーブにより覆われていることを特徴とする燃料カートリッジ。
【請求項３７】
請求項２１に記載の燃料カートリッジにおいて、前記複数の液体コンジットが、中心点から放射状に不規則な間隔で配置されていることを特徴とする燃料カートリッジ。
【請求項３８】
請求項３７に記載の燃料カートリッジにおいて、前記不規則な配置は、渦巻き状であることを特徴とする燃料カートリッジ。
【請求項３９】
請求項２１に記載の燃料カートリッジにおいて、酸性液容器が、前記カートリッジに取り付けられることを特徴とする燃料カートリッジ。
【請求項４０】
請求項２１に記載の燃料カートリッジがさらに、前記カートリッジからガスを放出し得る少なくとも一つのポートを具えることを特徴とする燃料カートリッジ。
【請求項４１】
請求項２１に記載の燃料カートリッジがさらに、複数の液体コンジットを具え、前記コンジットのうち少なくとも２つは、長さが異なることを特徴とする燃料カートリッジ。
【請求項４２】
請求項２１に記載の燃料カートリッジにおいて、前記液体コンジットがさらに、複数の液体分配口を具えることを特徴とする燃料カートリッジ。
【請求項４３】
請求項２１に記載の燃料カートリッジがさらに、複数の液体コンジットを具え、一の液体コンジットの前記液体分配口は、少なくとも他のコンジットの前記液体分配口と異なる位置にあることを特徴とする燃料カートリッジ。
【請求項４４】
請求項４３に記載の燃料カートリッジにおいて、前記分配口が、前記コンジットの開放端部の近くに形成されることを特徴とする燃料カートリッジ。
【請求項４５】
水素生成システム用の燃料カートリッジにおいて、当該カートリッジが、
ａ．エンドキャップを具え、実質的に無水の水酸化物の反応物を含む複数のカートリッジと、
ｂ．前記エンドキャップに固定され、前記カートリッジ内部で延在する複数の液体コンジットであって、それぞれが長さと少なくとも一つの液体分配口を有し、前記カートリッジ内の異なる位置に液体反応物を分配するように構成された複数の液体コンジットとを具え、
ｃ．前記水酸化物の反応物がベッドを形成し、前記液体コンジットが前記ベッド内に延在することを特徴とする燃料カートリッジ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、米国暫定出願である２００４年１１月１２日に出願された第６０／６２７，２５７、２００４年１２月２日に出願された第６０／６３２，４６０、２００５年２月２３日に出願された６０／６５５，３７３、２００５年５月２０日に出願された６０／６８３，０２４、２００５年６月８日に出願された第６０／６８８，４５６の米国法典３５§１１９（ｅ）の優先権を主張し、これらは、全体を参照することにより組み込まれている。
【０００２】
本発明は、水素を生成する装置および手段に関する。ここに記載されている実施例は、化学水素化合物（chemical hydride）から水素を分離する装置および手段に関する。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
図１Ａは、本発明の水素生成システムで利用される水素燃料カートリッジの一の実施例を示している。この燃料カートリッジ１０は、本実施例では、直径が１から３インチ、長さが４から８インチである管状の本体またはハウジング１１を具えることができる。当然ではあるが、ハウジング１１は、特定の断面形状や特定の大きさに限定されない。好適な一の実施例では、ハウジング１１は、十分な強度を有するアルミニウムなどの素材からなり、比較的軽量で、熱伝導性がよい。しかしながら、スチール、ステンレス鋼、銅、炭素繊維とエポキシの複合材、繊維ガラスとエポキシの複合材、ポリエーテルエーテルケトン
（ＰＥＥＫ）、ポリスルホン誘導体（polysulfone derivative）、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、またはその他の最適素材を含む多くの代替素材は、当業者にとって明らかである。また、図１Ａの実施例は、燃料カートリッジ１０を容易に配置して所定の位置に固定するハンドル１３を具えるリアエンドキャップ１２と、以下に説明する水素生成システム全体の他の構成要素を示している。
【０００４】
リアエンドキャップ１２と対向するハウジング１１のもう一方の端部は、図２および３により明確に示すフロントエンドキャップ１５を具える。本実施例のフロントエンドキャップ１５は、複数の液体反応物（例えば、水）の入口２１ａ−２１ｄと、水素ガスの出口２０と、整列用構造２４と、細い中央の穴２３とを具える。ここで説明される特定の実施例では、液体反応物は、水または他の水性の反応物（例えば、水をベースにした酸性溶液）とすることができる。簡単にするために、液体反応物の入口２１は、特定の実施例を説明するときは、取水口２１として説明する。図１−３の実施例では、整列用構造２４は、カートリッジレシーバ、または一の実施例では、図８に示すレシーバプレート４０（後述）を係合する円形の開口である。本実施例では、整列用構造２４は、中央の穴２３の周りに非対称的に配置され、エンドキャップ１５が、一つの向きのみでレシーバプレート４０に係合することを保証する。勿論、他の実施例は、異なる種類の整列用構造に沿って、異なる数の取水口２１および水素排出口２０を設けることができる。図示されている実施例では、フロントエンドキャップ１５は、ハウジング１１の前方端部を溝２５に押し付けることにより（または気密性シールを形成することにより）、エンドキャップ１５をハウジング１１に係合および固定し得る溝２５を具える。
【０００５】
図３Ｂに最も良く示すように、フロントエンドキャップ１５の背面は、（図１Ａに示す）液体反応物用の注入管３０をフロントエンドキャップに固定し注入管３０と入口２１との間の連続した経路を提供する管状の連結部２６を有する構造部品から形成される支持アセンブル１７を具える。一の実施例では、注入管３０は、管３０がエンドキャップ１５に対してカートリッジのハウジング１１の長さに平行な軸に沿って動くのを実質的に妨げる方法により、エンドキャップ１５に固定される。別の支持センブリ１７は、確認用バルブ空洞２２ａ（水素出口２０の背面）のためのスペースを提供し、気体が一方向、即ちカートリッジ１０の内側から外側に流れるのを可能にする確認用バルブ全体２２を固定する。好適な実施例ではエンドキャップは成形されたプラスチック樹脂、例えばＤｅｌｒｉｎ（登録商標）から作られているが、当業者であれば、エンドキャップ１５は、アルミニウム、スチール、ステンレス鋼、銅、その他のプラスチック樹脂、または合成素材を含む様々な素材から製造可能であることは理解できるであろう。図示されている実施例では、確認用バルブは、オハイオ州イエロースプリング所在のVernay Laboratories社が製造するシリコンダックビルタイプのバルブである。図１Ａに示すように、液体注入管３０は、固体反応物（以下により詳細に説明する）を保持するカートリッジのハウジングの内側に延在している。一の実施例では、注入管３０は、少なくともハウジング１１の長さの半分まで延在するが、他の実施例では、注入管３０は、ハウジングの長さの半分以内で延在する。
【０００６】
好適な一の実施例では、水注入管の内径３０は約０．５から５．０ｍｍであり、より好適にはこの内径は約１ｍｍである。注入管は、アルミニウム、真鍮、あるいはその他の金属、ポリテトラフルオロエチレン、Ｎｙｌｏｎ（登録商標）、Ｄｅｒｌｉｎ（登録商標）、またはその他の高温ポリマーから製造することができる。図１Ａに示すように、一組の液体分配口３２が、水注入管３０の長さに沿って形成されている。一の実施例では、液体分配口３２は、水注入管３０の内径の約５分の１以内あるいはより好適には内径の約１０分の１以内（例えば、約５０から１０００ミクロン）の直径を有する。液体分配口３２は、液体の均等な分配を促進する様々な方法で、例えば、注入管３０の裏側に半インチ置きに設けてもよい。ある実施例では、液体分配口は、液体が注入管３０の長さに沿って流れる際の液体の水頭損失を補償するために、間がエンドキャップ１５から離れるのに伴って管３０の長さ方向に沿ってより近い間隔で設けられてもよい。代替的に、開口の大きさは、水頭損失を補償するために、開口がエンドキャップから離れるにつれて大きくしてもよい。
【０００７】
図１Ｂに示す他の実施例は、管の長さ方向に沿って複数の開口３２を無くして、単一の注入開口３２のみを管の開放端部に設けている（この単一の開口は、管の長さ方向に沿ったいずれの場所に設けてもよい）。別の管３０のエンドキャップ１５からの長さは、液体反応物をハウジング全体に分配するために変更できる。その他の明記していない代替的な実施例に加えて前述の代替例は、液体反応物をハウジング１１内の異なる場所に分配するのに利用することができる。
【０００８】
前述したように、燃料カートリッジの一の実施例は、無水の化学水酸化物などの固体反応物を含むことができる。ある実施例では、化学水酸化物は、水またはその他の酸化剤に反応して水素ガスを発生する金属および水素を含む還元剤としてもよい。化学水酸化物の様々な例が、参照してここに組み込まれた２００３年６月１１日に出願された米国出願番号１０／４５９，９９１に開示されている。化学水酸化物には、これに限らないが、ナトリウムホウ化水素、リチウムホウ化水素、リチウムアルミニウム水酸化物、リチウム水酸化物、ナトリウム水酸化物、およびカルシウム水酸化物が含まれる。図５に示す実施例では、化学水酸化物の反応物は、ファブリックポーチ３１内に閉じ込められている。ここで使用するように、“ファブリック”は、織物素材だけでなく、通常、濾過するために利用される紙製の多孔質素材も含む。このファブリックの一の例は、温度が約−２０Ｃ°から約２００Ｃ°、ｐＨが約４から１４の状態で構造的完全性を維持可能な多孔質素材であり、少なくとも多少の吸上能力を示す。好適なファブリックは、織られたナイロン、レイヨンとポリエステルの混合物（例えば、ジョージア州所在のPellon Consumer Products of Tucker社が製造するペロン３０）、またはユタ州、ソルトレイクシティ所在のNational Filter Media社が製造するＰａｐｅｒ６０２などの多孔質の濾過紙を含む。吸上能力は、単位時間に水を浸透する距離により測定される。実施例は、６０分で６インチのＰａｐｅｒ６０３、６０分で１．８インチのペロン３０、６０分で１２インチのナイロン、６０分で２．３インチのコーヒーの濾過紙を含む。ある実施例では、１分間に０．１から１０インチの吸上能力が利用可能であり、他の実施例では、１分間に０．５から３インチとすることができる。一の実施例では、ファブリックまたは紙の厚みは、約３ミルから１２ミルとすることができ、このファブリックまたは紙の孔の大きさは、最小で１ミクロンから約５０ミクロンとすることができる。当然ではあるが、本発明は、前述した吸上能力、ファブリックの厚み、孔の大きさと異なるものを含んでもよい。
【０００９】
図５の実施例では、ファブリックポーチ３１は、比較的薄く、厚みよりも実質的に大きい範囲を有する。ポーチ３１は、従来の方法で形成することができる。例えば、図６に示すように、ファブリック素材３３ａ、３３ｂの２枚の方形のシートは、（例えばステッチ３４により）３辺を閉じ、（ステッチにより）１から２インチのセクション３６に分割し、開放端部３５を残してもよい。このように形成された一連のセクション３６は、（以下に説明する）化学水酸化物の微粒子で満たされ、開放端部３５を縫い合わせることにより第４の辺が閉じられる。このようなポーチ３１の厚み（すなわち、展開され化学水酸化物が満たされた状態のセクション３６の厚み）の例は、一の実施例では約４分の１インチであり、展開された大きさは、約５．７５インチ×２０インチである。次に、ポーチ３１は、（明瞭にするためにフロントエンドキャップ１５は外されている）図５に示す管状のハウジング１１に挿入するのに十分に小さい直径になるように巻かれる。次いで、水注入管３０は、巻かれたポーチ３１の重った層の間に注意深く挿入される。図１および３Ａは、一の実施例において、取水口２１（および注入管３０）が、渦巻き状など一様でない構成でどのように配置されるかを示している。例えば、図３Ａの取水口２１ａは、エンドキャップ１５の中心に最も近い。取水口２１ｂは、中心から半径方向にさらに離れており、取水口２１ｃはそれよりもさらに離れており、取水口２１ｄはそれよりもさらに離れている。このように、水注入管３０は、巻かれたポーチ３１の渦巻き形状に対応可能である。しかしながら、他の実施例は、ポーチ３１の異なる配置を利用することができ、図６に示す連続したポーチ３１とは反対に、一組のより小さいポーチ３１を利用することができ、注入管３０の様々な構成を利用できる。一の実施例では、カートリッジ１０内の構成要素は、少なくとも約−２０°Ｃから約２００°Ｃの温度安定性を有し、ｐＨが約４から１４である腐食安定性／耐性を有する。
【００１０】
カートリッジ１０の代替的な実施例が、図７に示されている。この実施例では、化学水酸化物素材３８は、ポーチ内に配置されず、（エンドキャップ１５が外された状態で示されている）カートリッジハウジング１１の内部に直接配置され、水注入管３０化学水酸化物素材３８のベッドに延在する。しかしながら、この実施例では、水注入管３０は、一の実施例ではシントン州マーサーアイランド所在のMid Mountain Materials社が製造し商標名Ｓｉｌｔｅｘ（登録商標）で販売する１０ミルの厚さのファブリックである織られた耐熱性素材などのファブリックの薄いスリーブ３７で覆われる。当然ながら、図１−３に示すエンドキャップ１５は、２つの液体を注入する入口２１を具えるように変更して、図７に示す２本の注入管３０に合わせることができる。図には明示してはいないが、化学水酸化物３８がカートリッジハウジング１１内に直接配置される場合、放出される水素ガスをフィルタにかけるために、水素排出口と水酸化物の間に０．１２５インチの厚さの多孔質の炭素繊維素材を設けてもよい。
【００１１】
さらに別のカートリッジ１０の実施例が図１４に示されている。この実施例では、エンドキャップ１５は、前述したものと同様である。しかしながら、一本の注入管３０が、ハウジング１１内で化学水酸化物のベッドの底に向かって延在している。この注入管３０は、管の端部に開口を有する。カートリッジ１０は垂直に置かれ、水酸化物のベッドに注入された水が初めにベッドの底にある水酸化物と反応する。追加の水が注入されたとき、水は上昇し、カートリッジ１０の長さに沿って水酸化物を活性化する。他の実施例では、カートリッジ１０は、垂直でない向きにしてもよい。化学水酸化物の“ベッド”の語は、カートリッジ１０内に直接置かれた多数のばらばらな水酸化物（例えば、図７）またはカートリッジ１０内か水酸化物をカートリッジ１０内に配置する他の手段（あるいは容器）に挿入されるポーチ（図５）内の水酸化物を意味する。
【００１２】
前述したように、図８はレシーバプレート４０の例を示している。レシーバプレート４０は、表面あるいは内部に形成された様々な構造を有しカートリッジ１０のエンドキャップ１５と連結されるレシーバ本体４１を具える。レシーバ本体４１内部には、整列構造またはガイドピン４５が設けられ、エンドキャップ１５の整列構造２４に連結する。さらに、レシーバプレート４０は、複数のポート用連結部４４を具え、これらがエンドキャップ１５上の水素と水のポート２０および２１と連結される。ポート用連結部４４の周りの凹部４９は、Ｏリングまたはガスケットなどの密閉装置に適応する。ポート連結部４４は、レシーバ本体４１内部に形成される水素経路４２および水経路４３と繋がっている。（図１０に概略的に示す）外部の水および水素ラインは、水素経路４２および水経路４３に（実施例に応じて直接的あるいは間接的に）連結され、これによりレシーバプレート４０を介してカートリッジ１０の水素用ポート４２および水用ポート２１と繋がる。図８は、レシーバプレート４０の一の実施例が、どのように内部の水の経路４６と、経路４６用の様々な入口および出口５４とを具えているのかを示している。図９は、水の経路４６内の開口が、どのように電子制御バルブ７７とホース取り付け部５３と繋がるのかを示している。図示されている実施例では、ホース取り付け部５３は、オハイオ州シンシナティ所在のClippard Instruments Laboratory社が販売する、９０度で８分の１インチＩ．Ｄ．ホースバーブ取り付け具であり、制御バルブ７７は、オハイオ州クリーブランド所在のPrker Hannifan社で利用可能なＸバルブである。
【００１３】
一の実施例では、複数のホース（図示せず）が、（ホース取り付け部５３を介して）レシーバプレート４０の複数の水の経路４６を水の経路４３に繋げ、同様にホース取り付け部により取り付けられる。他の実施例では、経路４６はレシーバプレート４６の内部を通って直接経路４３に接続されるが、レシーバプレート４０内に長い内部経路を形成と、事実上製造時の困難性が増す。図８および９のレシーバブロック内の液体経路および制御バルブの配置は、図１２に概略的に示されている。液体ポンプ７８は、ホース５０を介して一組の制御バルブ７７ａ、７７ｂ、および７７ｃに対して液体を送る。制御バルブ５７は、非動作あるいはノーマルオープン（ＮＯ）位置と動作あるいはノーマルクローズ位置（ＮＣ）の２系統を具える。制御バルブ７７ａ、７７ｂ、および７７ｃが、（図８および９のレシーバプレート４０に組み込まれた場合に一組のホースと経路になる）液体経路５８により連続して接続されているのが示されている。制御バルブ７７ａおよび７７ｂは、ＮＯ位置で液体を経路５８に直接送り、組み込まれる制御回路によりＮＣ位置に切り替えられたときに各液体管３０に送る。ＮＯ位置では液体が注入管３０ｄに送られ、ＮＣ位置では液体が注入管３０ｃに送られるため、制御バルブ７７ｃは、幾分異なるように接続される。選択的に液体を異なる注入管に送る制御バルブ７７ａ乃至７７ｃの動作は、容易に明らかであろう。液体を注入管３０ｄに直接送るには、バルブ７７ａ乃至７７ｃの総てをＮＯ位置にし、注入管３０ｃに送るには、バルブ７７ｃをＮＣ位置に切り替え、注入管３０ｂに送るには、バルブ７７ａをＮＯ位置に、バルブ７７ｂをＮＣ位置にし、注入管３０ａに送るには、バルブ７７ａをＮＣ位置にする。このうように、液体が流れる経路は、制御バルブ７７を通り、これらのバルブにより、注入管３０に分配される液体を制御する。
【００１４】
図８に示すレシーバプレート４０は、アセンブリを固定することにより、（図３Ａに示す）エンドキャップ１５に連結され、このアセンブリは、例えば、レシーバプレート４０の開口４８を通され、エンドキャップ１５の中央の穴２３の細い内側面に係合するボルトまたはその他の細い部材であり、レシーバプレート４０に対してエンドキャップ１５をしっかりと引っ張り、水素／水のポート２０／２１とポート連結部４４をしっかり密閉する。図９は、支持プレート５６と、レシーバプレート４０のロッド開口５０に係合する連結ロッド５１とを具えるアセンブリ２８全体を示している。図示されている実施例では、一のロッド開口５０は伸長され、他のロッド開口は、レシーバ４０に挿入するロッド５１の向きを補助するために丸くなっている。カートリッジ１０は、支持プレート５６の開口を通って、連結ロッド５１の間をスライドし、前述したように開口４８に延在するノブの細い端部により、レシーバプレート４０に固定される。取り付けアーム５７は、支持プレート５６から延在し、カートリッジ１０を静止させる。ここで説明されるカートリッジ温度センサが、取り付けアーム５７に取り付けられる。図９の実施例では、電子バルブ７７は、レシーバプレート４０に連結されているように示されている。図８に示すレシーバプレート４０のスロット４７は、図９に示すカートリッジ検知スイッチ８２をしっかりと固定する。一の実施例では、カートリッジ検知スイッチ８２は、ニュージャージ州モーリスタウン所在のHoneywell International社が製造するレバー付のＺＭシリーズであり、カートリッジが検知スイッチ８２に直接または近くに接触したことを検知する。
【００１５】
本発明の一の実施例では、燃料カートリッジ内で利用される化学水酸化物は、乾燥し、活性剤が混入された粒子状のナトリウムホウ化水素（ＮａＢＨ４）である。ＮａＢＨ４は、図５に示すポーチで利用するのに適しており、一の実施例では、ＮａＢＨ４は、粒子の大きさが、約１０メッシュから約１０００メッシュである。固体は互いが、非常にゆっくり反応するので、ＮａＢＨ４が混入された活性剤は粒子状の固体であることが好適である。しかしながら、代替的な実施例では、活性剤はまた、有機／油溶剤に混ぜることもできる。さらに、特定の実施例の活性剤は、可溶性を高め水とＮａＢＨ４が反応するのを活発にする能力を高めるために、効率を上げるために水に溶けることが好適である。
【００１６】
一つの効果的案活性素材は、塩化マグネシウム（ＭｇＣｌ２）であり、これは比較的軽量で、コストの低く、活性力が強い。可能性のある他の活性剤は、ＢｅＦ２、ＢｅＣｌ２、ＢｅＢｒ２、ＢｅＩ２、ＭｇＦ２、ＭｇＢｒ２、Ｍｇ２Ｉ、ＣａＦ２、ＣａＣｌ２、ＣａＢｒ２、Ｃａｌ２などのＩＩＡ族（アルカリ土類金属）またはＩＩＢ族（ハロゲン化物）の他の塩である。フッ素および塩化物は、分子量が小さいため好適である。しかしながら、これらの塩は、水に溶ける程度によっては、あるいは有毒である場合（例えば、ベリリウム混合物）には好適ではない。
【００１７】
また、活性剤は、ＬｉＦ、ＬｉＣｌ、ＬｉＢｒ、ＬｉＩ、ＮａＦ、ＮａＣｌ、ＮａＢｒ、Ｎａｌ、ＫＦ、ＫＣｌ、ＫＢｒ、およびＫＩを含むＩＡ族（アルカリ金属）の塩などの水溶性の塩を含んでもよい。ＩＡ族およびＩＩＡ族は、水の中で塩基性溶液を生成して反応率を減少させてしまうため好適ではない。ＩＡ族およびＩＩＡ族の酸化物もまた、より安定的で反応しないため好適でない。しかしながら、Ｌｉ２Ｓ、Ｌｉ２ＳｅなどのＩＡ族およびＩＩＡ族の硫化物およびセレン化物は、十分な水溶性を有するならば、よりよい活性剤である。一の実施例では、活性剤は、ＭｇＣｌ２、ＢｅＣｌ２、ＣｕＣｌ２、ＬｉＣｌ、ＮａＣｌ、またはＫＣｌの族である。しかしながら、上記のいずれの活性剤（あるいは記載していない他の活性剤）は、所定の適切な設計および利用状態で、使用することができる。特定の実施例では、活性剤は、粒子の大きさが約１０メッシュから約１０００メッシュである。
【００１８】
好適な実施例では、化学水酸化物が混入された活性剤の量は、約２５から約６５重量パーセントであり、より好適には、約５０から約６０の重量パーセントである。一の実施例では、活性剤の量は５５重量パーセントである。固体反応物が重量パーセント５５のＭｇＣｌ２である実施例では、単位グラムの固体反応物と完全に反応するのに約０．８グラムの水が必要である。活性剤の量を最適化することは、所望の水素の生成率を提供しＮａＢＨ４と完全に反応／利用する物質の最小限の量を決定することである。重量パーセントが５５であるＭｇＣｌ２／ＮａＢＨ４の混合物では、エネルギー密度は、３１１６ワット／ｋｇである。例えば、重量パーセントが２０であるＮａＢＨ４／Ｈ２Ｏの混合物（即ち、水にＮａＢＨ４が溶けている）のエネルギー密度は、３１１６ワット／ｋｇであり、純粋なＮａＢＨ４のエネルギー密度は７１０１ワット／ｋｇである。
【００１９】
代替的な活性剤は、ホウ酸（Ｈ３ＢＯ３）、シュウ酸、酒石酸等の無水または粒子状の酸である。このような無水酸は、反応せずにＮａＢＨ４に混合可能であるが、水を加えると、無水酸が溶解して反応する。ホウ酸などの弱くまたは比較的溶解し難い無水酸は、ＮａＢＨ４を混合すると、比較的水の割合が低い状態で水素を生成するため好適ではない。シュウ酸などの強い酸は、非常に水に溶け易く、ＮａＢＨ４を混ぜたときに十分な水素を生成する。しかしながら、この混合物は扱うのが難しく好適ではない。しかしながら、酒石酸または安息香酸などの中間の強さの酸は、より好適である。一の実施例では、乾燥した酸の強さ（Ｋａ）は、約１×１０−４から約１×１０−１１である。特定の実施例では、粒子状の酸は、粒子の大きさが約１０メッシュから約１０００メッシュである。好適な一の実施例では、ＮａＢＨ４を混合した酒石酸の量は、約５から約５０重量パーセントであり、好適には、約８から約１２重量パーセントである。この実施例では、単位グラムの固体反応物と完全に反応するのに約０．８グラムの水が必要とされる。
【００２０】
さらに代替的に、高価でない不溶性の触媒にＮａＢＨ４を混ぜてもよい。触媒は、水を注入すると水／ＮａＢＨ４の反応を加速させることができる。このような触媒には、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｆｅ、Ｒｕ、Ｍｎ、およびＣｒを含むことができる。通常、金属触媒は、粒子状（例えば、粒子が２５ｕｍ以下）であり、重量パーセントが約２５から約６５の化学水酸化物に加えられる。この実施例では、単位グラムの固体反応物と完全に反応するのに約０．８グラムの水が必要とされる。
【００２１】
さらに、無水の活性剤をＮａＢＨ４に混合する代わりに、無水のＮａＢＨ４または他の金属の水酸化物を含むカートリッジに水が注入された後に、水溶性の活性剤を水に混合してもよい。これは、塩酸（ＨＣｌ）のような水性の物質を使用できる利点がある。この実施例では、活性剤は、図２に示す別々のコンテナまたは容器６０に入れられる。このコンテナは、カートリッジハウジングに取り付けられるが、他の実施例では取り外し可能である。図２はストラップ６１により連結された容器６０が示されている。一の実施例では、ストラップ６１は、アルミニウム、ステンレス鋼、またはポリマー物質の混合物により形成され、容器６０をハウジング１１に対してしっかりと固定する。容器６０の液状の内容物は、容器ポート６４を通って回収され、レシーバプレート４０の液体経路４３を介して液体注入管３０に送られる。実際には図示していないが、容器６４と接続されるポートを有し、容器６０の内容物が前述した水と同じ方法でレシーバプレート４０に送られるため、レシーバプレート４０の一の実施例がどのように変更されるのか理解できるであろう。図４Ａおよび４Ｂに示す一の実施例では、容器６０は、当該容器の内部に設けられるプランジャを具える。プランジャ６２は、液体が容器６０から抜かれると、ポート６４に向かって移動する。排出口６３は、プランジャ６２の後側で発生する真空によりポート６４への移動が妨げられるのを防ぐ。プランジャは、ポート６４に吸引力を作用させるポンプ７８（図１３に示す）により前方に移動する。
【００２２】
前述した酸の例に戻ると、濃縮されたＨＣｌ酸（重量パーセント３８）は、水に混合して、濃度を重量パーセント２８にすることができる。この溶液を制御しながらＮａＢＨ４に注入すると、直ぐに反応して水素を生成する。この酸の濃度（２８重量パーセント）では、単位グラムのＮａＢＨ４と完全に反応するために、約０．４グラムの酸性溶液を必要とする。酸性溶液の注入率に加え、水の中の酸の濃度を制御することにより、反応率を制御可能である。ＭｇＣｌ２などの水溶性の塩を水に混ぜ、混合溶液をＮａＢＨ４のベッドに注入することも可能である。酸を含む液体は必ずしも水溶液に限らない。好適な一の実施例では、ＮａＢＨ４のベッドに注入される水溶液は、ｐＨが約１から約６であり、好適には約２である。ＨＣｌに加え、他の好適な酸は、（これに限らないが）硝酸、硫酸、酢酸、フッ化水素酸、臭化水素酸、炭素酸等、またはこれらの混合物を含むことができる。
【００２３】
ＮａＢＨ４を主に説明したが、代替的な化学水酸化物は、（これに限らないが）リチウムホウ化水素、リチウムアルミニウム水酸化物、リチウム水酸化物、ナトリウム水酸化物、およびカルシウム水酸化物を含むことができる。特定の実施例では、これら後者の化学水酸化物は、前述したような粒子状の活性剤を混合する必要がなく、水のみで反応する。好適な一の実施例では、これら後者の化学水酸化物は、図７に示すようなカートリッジ内で使用される。
【００２４】
前述した燃料カートリッジは、通常、水素生成システムで使用される。このような水素生成システムの一の実施例は、概略的に図１０に示されている。この水素生成システム１は、通常、水を燃料カートリッジ１０に供給する液体反応物（例えば水）ライン７９を有するレシーバプレート４０に連結される。制御システム７５により制御される水用ポンプ７８は、注意深く計測された水を燃料カートリッジに提供する。好適な一の実施例では、制御システム７５は、マイクロプロセッサおよび関連するＰＩＣマイクロコントローラ１６Ｆ８７７Ａなどの制御回路で構成される。制御システム７５はまた、冷却ファン８１、切り替えバルブ６６、および送出バルブ８４を操作する。さらに、制御システム７５は、温度センサ８０、カートリッジセンサ８２、および水素圧力センサ８９からシステムパラメータのデータを受信する。一の実施例では、温度センサ８０は、アルミニウム製のハウジング１１の外表面に取り付けられる。カートリッジを取り外したときにシステムから水素が逃げるのを防ぐために、確認用バルブ８７が、レシーバプレートと水素トラップ８３との間の水素ラインに組み込まれている。
【００２５】
カートリッジ１０から出る水素ガスは、燃料電池または水素ガスが供給される他の装置に送られる前に、確認用バルブ８７と水素フィルタ／水トラップ８３を通って移動する。フィルタ／水トラップ８３は、水素から粒子を取り除き、過度の湿気を水素ガスから取り除く２つの目的がある。水用コンデンサ／容器８５は、燃料電池または他の水素を消費する装置から戻ってくる湿気を含んだ空気から水を集め、水トラップ８３から集めた水を貯蔵し、送出バルブ８４を介して送る。
【００２６】
運用では、制御システム７５は、（温度センサ８０により示される）化学水酸化物の温度や、圧力センサ８９により計測されるシステム内の水素の圧力などの監視パラメータに基づいて、燃料カートリッジ１０に送る水の量を決定する。システム１内の水素の圧力が所定のレベルまで下がると、水用ポンプ７８が作動して水を燃料カートリッジ１０に送り、これにより、カートリッジ内の化学水酸化物が、追加の水素ガスを逃がす。好適な一の実施例では、バルブ７７の切り替えは、前述したように制御システム７５により個別に制御される。これにより、ポンプ７８が、１度に一の水注入管３０のみを介して水を送ることができ、実質的に水を各注入管３０に送ることができる。この連続的な送水方法は、いくつかの実施例では、各注入管３０への水の流れを独立させることなく総ての水注入管を単に増設した場合に比べ、より均等に水を分配することができる。同様に、化学化合物の温度を監視する温度センサ８０により、制御システム７５が、カートリッジ１０を冷却するためにファン８１を回すべきか、あるいは化学水酸化物の反応率を下げるために水を制限するべきか判断することができる。水素ガス生成システム１はまた、カートリッジセンサ８２を具え、燃料カートリッジ１０が現在システムに取り付けられているかを示す信号を制御システム７５に送り、また消耗したカートリッジが取り外され、新しくて完全に充填されたカートリッジが取り付けられた場合に関連する情報を制御システム７５に提供する。
【００２７】
水素ガスがフィルタ／水トラップ８３を通って移動すると、水素ガス内の過度の蒸気が取り除かれ、十分な量の水が貯まったときに、送出バルブ８４を介して水コンデンサ／容器８５に送られる。フィルタ／水トラップ８３から出る水素ガスは、ライン９０を介して特定の水素消費装置に送られ、これは、本発明では例示的に燃料電池としている。通常、レギュレータ８８がライン９９内に設けられ、燃料電池に一定の圧力で水素が供給されるのを保証する。水素消費装置が、（燃料電池が生成するように）副産物として水蒸気を生成する場合、湿気を含んだ空気は、ライン８６を介してコンデンサ８５に戻され、水分が空気から回収される。同様に、（燃料電池の別の特徴である）パージライン９１を通る水素内の水蒸気も、コンデンサ８５に回収される。
【００２８】
酸性物の容器６０を有する実施例が利用される場合、図１０に示す概略の一部を図１３に示すように変更してもよい。この実施例では、計測バルブ９５がポンプ７８と酸性物の容器６０との間に設けられ、一方、計測バルブ９４が、ポンプ７８と水用容器８５との間に設けられる。一の実施例では、計測バルブ９４および９５は、オクラホマ州ソロン所在のSwagelock Company社が提供する、ステンレス鋼製の調節可能なニードル式バルブでもよい。このタイプのバルブを使用することにより、ポンプ７８の各動作に基づいて吸引される酸と水の量が前もって決められる。
【００２９】
本発明の別の実施例では、図１０に示す注入切り替えバルブは、マニホルド９５（図１３の断続線で示す代替装置）で置き換えることができる。この場合、注入ポンプ７８からの液体は、並列して連結されている複数の注入管３０で均等に分配される。並列な注入管は、各注入管の長さに応じた圧力降下が同じになるように、漏れに対する耐性を完全に同一にすることが好適である。
【００３０】
図１０は、本発明の一の実施例で利用される制御ロジックを示す状態図である。アイドル状態（ブロック１０１）の初めでは、制御システム７５は、カートリッジ温度、カートリッジイン／アウト状態、水素要求状態（例えば、燃料電池が現在必要とする水素）、およびポンプ／バルブ状態を監視する。２色のＬＥＤインジケータ（例えば、赤／緑）を利用することを想定すると、アイドル状態は、総てのＬＥＤの照明が消えていることにより示すことができる。制御システム７５は水素が必要であると信号を受けた場合、システムは状態１（ブロック１０２）に入る。制御システム７５は、所定の水の量または“パルス”（例えば、ポンプの１サイクル）を切り替えバルブ７８に注入するよう信号を送る。制御システム７５は、どの注入管３０が最後の水のパルスを受けたか判断し、適切なバルブを開きあるいは閉じて、現在の水のパルスが所望の注入管３０に送られるのを保証する。前述したように、水のパルスは、通常、様々な注入管３０に順に送られ、水酸化物ベッド全体に均等に水を分配する。さらに、制御システム７５は、カートリッジ１０に注入されたパルスの総数（すなわち、水の全体量）を監視する。カートリッジは既に知られている量の化学水酸化物を有しているので、化学水酸化物の重量と完全に反応するのに必要な水の量が算出される。カートリッジ１０に注入された水の量を追跡することにより、制御システム７５は、カートリッジ１０内の総ての化学水酸化物が水と反応したか、カートリッジ１０が使い果たされまたは消耗したかを正確に判断することができる。ＬＥＤの反応（例えば、赤／緑に光る）は、カートリッジ１０内の反応していない化学水酸化物の量が少なくなっており、現在のカートリッジ１０が交換すべきであることを示すことができる。
【００３１】
状態２（ブロック１０３）は、水のパルスを注入したために増加した水素の圧力を監視する。現在の水素の圧力が所定の水素の圧力より小さい（または水素の圧力が降下している）場合、制御システムは、状態１に戻り、ポンプ７８が別の水のパルスを注入する必要があると信号を送る。カートリッジの温度が所定の値を超えた場合、システムはファン８１を動作させる。温度が所定の高い値を超えて上昇し続ける場合、システムは（赤ＬＥＤで示される）状態３に入り、カートリッジの温度が指定された動作範囲に戻るまで、水をさらに注入するのを止める。状態７（ブロック１０４）は、いつフィルタ／トラップ８３から容器８５に水を送るべきかを監視し、これにより送出バルブ８４を動作させる。
【００３２】
カートリッジ１０に注入された水の全体量が、カートリッジ１０内の化学水酸化物の総重量と反応するのに十分である場合、赤色のＬＥＤが点滅し、カートリッジ１０が消耗して交換の必要があることを示す状態６（ブロック１０６）に入る。消耗したカートリッジが取り外されると、状態４（ブロック１０８）が、赤い色のＬＥＤが点灯し、システム内にカートリッジがないことを知らせる。新しいカートリッジ１０がシステムに挿入されると、状態５（ブロック１０７）は、カートリッジのライフカウンタをリセットし、状態１が再び新しいカウンタ１０に注入される水のパルスをカウントし始め、システムが水素の生成を開始すると新しいカートリッジの残りの寿命を監視する。当然ではあるが、図１０の状態図は、制御システム７５の動作の一の種類であり、本発明の実施例に多くの代替的な動作順序を用いてもよい。
【００３３】
本発明は、選択された特定の実施例の観点により説明されているが、当業者であれば、本発明の多くの修正例および変更例が可能であることが理解できるであろう。このような総ての修正および変更は、添付した請求項の範囲内で検討されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】図１Ａおよび１Ｂは、本発明の水素燃料カートリッジの２つの実施例の斜視図である。
【図２】図２は、図１に示す燃料カートリッジと同様の燃料カートリッジであるが、酸性物の容器を具える燃料カートリッジの斜視図である。
【図３】図３Ａおよび３Ｂは、図１に示すカートリッジのフロントエンドキャップの前面と背面を示す斜視図である。
【図４】図４Ａおよび４Ｂは、本発明の一の実施例で使用される酸性物の容器を示している。
【図５】図５は、本発明の一の実施例で利用される渦巻き状の化学水素化合物ポーチを示している。
【図６】図６は、化学水酸化化合物ポーチの一の実施例を示している。
【図７】図７は、本発明の別の実施例の化学水酸化化合物の配置を示している。
【図８】図８は、カートリッジのレシーバプレートの一の実施例を示している。
【図９】図９は、レシーバアセンブリの一の実施例を示している。
【図１０】図１０は、本発明の水素生成システムの一の実施例の概略図である。
【図１１】図１１は、本発明の水素生成システムの一の実施例の動作を示す状態図である。
【図１２】図１２は、液体を注入管に送るための液体制御値の使用を示す概略図である。
【図１３】図１３は、酸性物の容器が使用される場合の図１０の変更例を示す部分的な概略図である。
【図１４】図１４は、本発明の水素燃料カートリッジの他の実施例の斜視図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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