(57)【要約】【課題】  小型化、軽量化を促進でき、簡易な構造で大容量の水素を収納できる水素カートリッジおよびこの水素カートリッジを備えた機器を提供すること。【解決手段】  水素カートリッジ１は、液体燃料を貯留した燃料タンク２０と、液体燃料を改質して水素を発生する改質器１０と、改質器１０で発生した水素中に含まれる不純物を除去する水素透過器４０と、水素を一時的に貯蔵する水素予備室５０と、水素を外部に放出可能な水素供給弁６０とを備え、これらの構成部品がケース７０に収納されている。少量の液体燃料を改質して大量の水素を得られるので、大容量の水素を収納でき、小型化を促進できる。水素を気体の状態で貯蔵しないので、高い耐圧性を必要とせず、構造を簡単にできる。また水素の貯蔵に水素吸蔵合金を使用しないので、水素カートリッジ１の軽量化を促進できる。【選択図】  図１
2005298302.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体燃料を改質して水素を発生する改質器と、
前記液体燃料を貯留するとともに、前記改質器に前記液体燃料を供給する燃料供給手段と、
前記改質器で発生した水素を当該水素カートリッジ外部に放出可能な水素供給弁と、
前記改質器、前記燃料供給手段、および前記水素供給弁を収納するケースとを備えた
ことを特徴とする水素カートリッジ。
【請求項２】
請求項１に記載の水素カートリッジにおいて、
前記燃料供給手段は、液体燃料が貯留される燃料貯留室と、この燃料貯留室に対して燃料連通孔を介して仕切られた燃料供給室と、この燃料供給室に対して薄膜弁によって仕切られた圧力作用室とを備えているとともに、前記燃料供給室から前記改質器に前記液体燃料を送出する燃料流路と、前記圧力作用室に前記改質器から圧力を導入する圧力導入部とが設けられ、かつ前記薄膜弁は、前記燃料供給室と前記圧力作用室との圧力差により前記燃料流路を開閉可能に設けられている
ことを特徴とする水素カートリッジ。
【請求項３】
請求項２に記載の水素カートリッジにおいて、
前記燃料供給手段は、前記燃料供給室に前記燃料貯留室側から圧力を付与する燃料貯留室側圧力付与手段と、前記燃料供給室に前記圧力作用室側から圧力を付与する圧力作用室側圧力付与手段とを備え、
前記薄膜弁は、前記圧力作用室および前記圧力作用室側圧力付与手段による圧力の和と、前記燃料供給室の圧力との圧力差により前記燃料流路を開閉可能に設けられている
ことを特徴とする水素カートリッジ。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載の水素カートリッジにおいて、
前記改質器は、液体燃料が流入する燃料流入口と、改質後の前記液体燃料を廃液として排出する廃液口と、前記液体燃料を触媒反応させて改質する反応部とが設けられた反応槽を備え、
この反応槽の前記反応部は、前記燃料流入口と前記廃液口とを連通するとともに触媒が担持された流路部と、この流路部を覆うとともに当該流路部から発生する水素を前記液体燃料から分離する水素分離部とを備えた
ことを特徴とする水素カートリッジ。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかに記載の水素カートリッジにおいて、
前記改質器と前記水素供給弁との間に、前記改質器で発生した水素を貯蔵する水素予備室が設けられた
ことを特徴とする水素カートリッジ。
【請求項６】
請求項５に記載の水素カートリッジにおいて、
前記水素予備室は、内部の圧力を調整可能な圧力調整弁を備えて複数接続され、
前記圧力調整弁の設定圧力は、前記水素供給弁側に近づくにしたがって、より低く設定される
ことを特徴とする水素カートリッジ。
【請求項７】
請求項６に記載の水素カートリッジにおいて、
前記水素供給弁の直前の前記圧力調整弁は、前記水素予備室の内部の圧力を変更可能な圧力可変手段を備えた
ことを特徴とする水素カートリッジ。
【請求項８】
請求項５から請求項７のいずれかに記載の水素カートリッジにおいて、
前記水素予備室は、内部の体積が可変な伸縮容器で構成され、前記伸縮容器を所定の付勢力で付勢する付勢手段を備えた
ことを特徴とする水素カートリッジ。
【請求項９】
請求項１から請求項８のいずれかに記載の水素カートリッジにおいて、
前記液体燃料は、ボロハイドライド水溶液である
ことを特徴とする水素カートリッジ。
【請求項１０】
請求項１から請求項９のいずれかに記載の水素カートリッジにおいて、
前記改質器と前記水素供給弁との間には、前記改質器で発生した水素に含まれるアルカリガスを除去するアルカリガス除去手段が設けられた
ことを特徴とする水素カートリッジ。
【請求項１１】
請求項１０に記載の水素カートリッジにおいて、
前記アルカリガス除去手段は、イオン交換樹脂を備えて構成されている、または繊維状部材の有機化合物中の水素原子をカルボン酸基もしくはスルホン酸基で置換して構成されている
ことを特徴とする水素カートリッジ。
【請求項１２】
請求項１から請求項１１のいずれかに記載の水素カートリッジを備えたことを特徴とする機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素カートリッジおよび機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃焼用や、燃料電池用の水素を供給する水素カートリッジとしては、従来よりガスボンベに水素を封入したものが知られている。このガスボンベは、水素が気体の状態で封入されており、高い気密性が必要とされる。
このようなガスボンベにおいて、水素の収納量を大きくするためには、ガスボンベ内の圧力を高くすることが考えられるが、高い内圧でかつ高い気密性を保持するには構造が複雑になる上、保持できる内圧にも限度があり水素収納量を無制限に増大させることはできない。したがって、水素収納量を大きくするためには、ガスボンベ全体が大型となってしまい、小型化を図ることが困難となる。
【０００３】
そこで、近年では、水素吸蔵合金などの水素吸蔵材料に水素を吸蔵させた水素カートリッジが開発されている（例えば、特許文献１参照）。この水素カートリッジは、水素吸蔵合金に所定の圧力以上の圧力で水素を供給することにより、水素を吸蔵させて貯蔵する。水素吸蔵合金の圧力を水素放出平衡圧以下に調整すれば、水素吸蔵合金から水素が取り出される。このような構造の水素カートリッジでは、気体の水素を封入するガスボンベに比べて大量の水素を貯蔵できる。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−１５８０２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、水素吸蔵合金を用いた水素カートリッジでは、水素吸蔵合金の比重が大きいため、水素吸蔵合金を大量に収納すると水素カートリッジの重量が大きくなってしまい軽量化できないという問題がある。特に、水素カートリッジを例えば携帯機器の駆動源として使用する場合では、重量が大きいため、携帯性に劣るという問題がある。
【０００６】
本発明の目的は、小型化、軽量化を促進でき、簡易な構造で大容量の水素を収納できる水素カートリッジおよびこの水素カートリッジを備えた機器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の水素カートリッジは、液体燃料を改質して水素を発生する改質器と、液体燃料を貯留するとともに、改質器に液体燃料を供給する燃料供給手段と、改質器で発生した水素を当該水素カートリッジ外部に放出可能な水素供給弁と、改質器、燃料供給手段、および水素供給弁を収納するケースとを備えたことを特徴とする。
この発明によれば、燃料供給手段から改質器に液体燃料が供給されると、改質器で液体燃料が改質され水素が発生する。この水素は水素供給弁から水素カートリッジ外部に放出される。ケース内に改質器、燃料供給手段および水素供給弁が収納されているので、燃料を気体の水素の状態ではなく液体燃料の状態で貯蔵することが可能となる。したがって、水素自体を貯蔵するガスボンベ式に比べて飛躍的に水素の収納能力が向上する。また、改質器により少量の液体燃料で大量の水素が発生するので、水素カートリッジの小型化が促進される。
そして、水素を貯蔵するための水素吸蔵合金が不要となるので、水素カートリッジの軽量化が促進される。
さらに、燃料が水素に改質される前の液体燃料の状態で保存されるので、ケース内が高圧とならず、厳しい気密性も要求されないので、簡易な構造で大容量の水素供給量が確保される。
【０００８】
本発明では、燃料供給手段は、液体燃料が貯留される燃料貯留室と、この燃料貯留室に対して燃料連通孔を介して仕切られた燃料供給室と、この燃料供給室に対して薄膜弁によって仕切られた圧力作用室とを備えているとともに、燃料供給室から改質器に液体燃料を送出する燃料流路と、圧力作用室に改質器から圧力を導入する圧力導入部とが設けられ、かつ薄膜弁は、燃料供給室と圧力作用室との圧力差により燃料流路を開閉可能に設けられていることが望ましい。
この発明によれば、燃料貯留室内に貯留されている液体燃料は、燃料供給室と圧力作用室との圧力差によって開かれる燃料流路を介して送出され、改質器に送られる。つまり、改質器からの圧力が導入された圧力作用室内の圧力が下がって、圧力作用室内の圧力よりも燃料供給室内の圧力が高くなった場合には、薄膜弁が燃料流路を開き、燃料供給室から燃料流路を通って燃料が改質器に供給される。燃料の供給によって改質器が作動して改質器内の水素圧が高くなると、これに伴って圧力作用室内の圧力も高まり、圧力作用室内の圧力が燃料供給室内の圧力以上になると、薄膜弁が燃料流路を閉じて、液体燃料の供給を停止する。
改質器の圧力に応じて自動的に液体燃料の供給停止が制御されるので、ポンプなどの送液手段を設ける必要がなく、駆動源も不要となり、水素カートリッジの構造が簡略化されるとともに、小型化が促進される。
【０００９】
本発明では、燃料供給手段は、燃料供給室に燃料貯留室側から圧力を付与する燃料貯留室側圧力付与手段と、燃料供給室に圧力作用室側から圧力を付与する圧力作用室側圧力付与手段とを備え、薄膜弁は、圧力作用室および圧力作用室側圧力付与手段による圧力の和と、燃料供給室の圧力との圧力差により燃料流路を開閉可能に設けられていることが望ましい。
この発明によれば、燃料貯留室側圧力付与手段によって燃料貯留室側から圧力が付与されているとともに、圧力作用室側圧力付与手段によって圧力作用室側からも圧力が付与されている。したがって、薄膜弁は、燃料貯留室側圧力付与手段による燃料供給室の圧力と、圧力作用室の圧力および圧力作用室側圧力付与手段による圧力の和との圧力差によって燃料流路を開閉する。
燃料貯留室側圧力付与手段によって液体燃料を介して燃料供給室側に圧力が付与されるので、水素カートリッジがどの向きに配置されても燃料供給室に液体燃料が充填される。したがって、水素カートリッジの向きに関わらず、液体燃料が安定して確実に改質器に送出される。
また、圧力作用室側圧力付与手段が設けられているので、薄膜弁には、圧力作用室内の水素の圧力に加えて圧力作用室側圧力付与手段の圧力が付与される。したがって、燃料流路は、燃料供給室内の圧力が、水素の圧力と圧力作用室側圧力付与手段による圧力との和よりも大きくなったときのみに開かれることとなり、燃料供給室内の圧力が常に圧力作用室内の水素の圧力より高くなる。つまり、燃料流路は、燃料供給室内の圧力は常に改質器内の水素の圧力より高い状態で開かれるので、燃料流路が開いたときに水素が改質器から燃料供給室へ逆流するのが良好に防止される。
【００１０】
本発明では、改質器は、液体燃料が流入する燃料流入口と、改質後の液体燃料を廃液として排出する廃液口と、液体燃料を触媒反応させて改質する反応部とが設けられた反応槽を備え、この反応槽の反応部は、燃料流入口と廃液口とを連通するとともに触媒が担持された流路部と、この流路部を覆うとともに当該流路部から発生する水素を液体燃料から分離する水素分離部とを備えたことが望ましい。
この発明によれば、燃料流入口と、廃液口とが、反応部によって連結されているので、燃料流入口から反応部に流入した液体燃料は反応部から漏れることがなく、反応部内部の触媒と反応しながら流れる。一方、改質された水素は、反応部を覆う水素分離部から確実に取り出せる。したがって、水素カートリッジの向きに関わらず、液体燃料は反応部の内部を流れ、安定して水素を生成させることが可能となる。なお、水素分離部は、水素のような気体のみ透過させ、液体燃料を透過させないものである。
【００１１】
本発明では、改質器と水素供給弁との間に、改質器で発生した水素を貯蔵する水素予備室が設けられたことが望ましい。
この発明によれば、水素予備室が設けられているので、改質器で発生した水素がこの水素予備室に一時的に貯蔵可能となる。したがって、水素供給弁からの水素供給量が、改質器での水素発生量の影響をうけにくく、水素供給弁から適量にかつ安定して水素を外部に供給可能となる。また、燃料供給手段から改質器へ液体燃料を供給してから水素を得るまでにはある程度の時間が必要であるため、水素予備室に予めある程度の水素を貯蔵しておくことにより、水素カートリッジの水素供給の応答性が良好となる。
【００１２】
本発明では、水素予備室は、内部の圧力を調整可能な圧力調整弁を備えて複数接続され、圧力調整弁の設定圧力は、水素供給弁側に近づくにしたがって、より低く設定されることが望ましい。
この発明によれば、水素予備室が複数設けられ、それぞれに設けられた圧力調整弁が水素供給弁側に近づくにしたがって、より低い圧力に設定されているので、改質器で発生した水素の圧力が、複数の水素予備室および圧力調整弁で所望の圧力まで減圧される。また、水素予備室が複数設けられて圧力が多段階に調整されるので、水素供給弁において安定した圧力での水素供給が可能となる。
【００１３】
本発明では、水素供給弁の直前の圧力調整弁は、水素予備室の内部の圧力を変更可能な圧力可変手段を備えたことが望ましい。
この発明によれば、水素供給弁の直前の圧力調整弁が圧力可変手段を備えているので、水素予備室内部の圧力を変更することにより、水素供給圧の調整が可能となる。つまり、水素カートリッジの用途に応じて水素供給圧を調整可能となるので、水素カートリッジの適用範囲が広くなる。
【００１４】
本発明では、水素予備室は、内部の体積が可変な伸縮容器で構成され、伸縮容器を所定の付勢力で付勢する付勢手段を備えたことが望ましい。
この発明によれば、水素予備室が伸縮容器を付勢手段で付勢する構成となっているので、水素予備室内の圧力がほぼ一定となる。したがって、水素予備室内に収納される水素量に関わりなく水素供給弁から所定圧の水素が供給され、安定した水素供給が実現される。
【００１５】
本発明では、液体燃料は、ボロハイドライド水溶液であることが望ましい。
この発明によれば、燃料がボロハイドライド水溶液であるので、改質器に供給された際に、常温で改質して水素を発生する。したがって、液体燃料の取扱性が向上するとともに、改質器に加熱手段を設ける必要がないので、水素カートリッジの構造が簡略化し、小型化、軽量化がより一層促進される。
【００１６】
本発明では、改質器と水素供給弁との間には、改質器で発生した水素に含まれるアルカリガスを除去するアルカリガス除去手段が設けられたことが望ましい。
この発明によれば、アルカリガス除去手段が設けられているので、改質器で発生した水素に含まれる微量のアルカリガスがこのアルカリガス除去手段によって除去され、水素供給弁からはより純度の高い水素が供給される。例えばこの水素カートリッジが燃料電池の燃料として使用される場合では、燃料電池に純度の高い水素が供給され、反応効率が向上し、燃料電池の出力が向上するので、特に有用である。
【００１７】
本発明では、アルカリガス除去手段は、イオン交換樹脂を備えて構成されている、または繊維状部材の有機化合物中の水素原子をカルボン酸基もしくはスルホン酸基で置換して構成されていることが望ましい。
この発明によれば、アルカリガス除去手段がイオン交換樹脂または繊維状部材で構成されているので、単位重量当たりの表面積が大きくなり、アルカリガス除去効果が高くなる。これにより、所望のアルカリガス除去効果を奏するためのアルカリガス除去手段が小さく構成可能となるので、アルカリガス除去手段の小型化が促進され、ひいては水素カートリッジの小型化が促進される。
【００１８】
本発明の機器は、前述の水素カートリッジを備えたことを特徴とする。
この発明によれば、機器が前述の水素カートリッジを備えているので、前述の水素カートリッジの効果と同様の効果が得られ、機器の小型化、軽量化が実現される。また、簡単な構造で大容量の水素を収納可能となるので、機器の稼働時間が長くなる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の水素カートリッジおよび機器によれば、小型化、軽量化を実現しながら簡単な構造で大容量の水素を収納できるという効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の各実施形態を図面に基づいて説明する。なお、後述する第二実施形態以降で、以下に説明する第一実施形態での構成部品と同じ部品および同様な機能を有する部品には同一符号を付し、説明を簡単にあるいは省略する。
【００２１】
［第一実施形態］
図１には、第一実施形態にかかる水素カートリッジ１の概略全体図が示されている。この図１において、水素カートリッジ１は、液体燃料を改質して水素を発生する改質器１０と、燃料を貯留するとともに、改質器１０に燃料を所定量供給する燃料供給手段としての燃料タンク２０と、改質器１０で発生した水素に含まれるアルカリガスを除去するアルカリガス除去手段としての水素透過器４０と、改質器１０で発生した水素を一時的に貯蔵する水素予備室５０と、改質器１０で発生した水素を外部に放出可能な水素供給弁６０とを備え、これらの改質器１０、燃料タンク２０、水素透過器４０、水素予備室５０、および水素供給弁６０は、ケース７０に収納されている。
【００２２】
図２および図３には、改質器１０が示されている。これらの図２および図３において、改質器１０は、液体燃料を反応させて水素を取得する反応槽１１と、反応槽１１から排出される廃液などを溜める廃液吸収部１２とを備えている。
反応槽１１は、液体燃料が流入する燃料流入口１３と、改質後の廃液が廃液吸収部１２に排出される廃液口１７と、生成した水素Ｈ２を回収して水素透過器４０に送る気体回収口１５と、液体燃料を触媒と接触させて水素を生成する反応部１４とを備えている。反応部１４は、燃料流入口１３と廃液口１７とを連通する流路部１４１と、流路部１４１から水素Ｈ２を透過させる水素分離部１４２とで構成されている。
ここで、液体燃料としては、例えば水素化ホウ素ナトリウム水溶液、水素化ホウ素カリウム水溶液、水素化ホウ素リチウム水溶液等のボロハイドライド燃料や、デカリン、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン等の有機ハイドライド燃料、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール等のアルコール系燃料等が採用できる。なお、液体燃料として水素化ホウ素ナトリウム水溶液を用いる場合では、水酸化ナトリウム３ｇ、純水２７ｇ、水素化ホウ素ナトリウム５．５ｇの燃料組成のものが採用できる。
【００２３】
反応部１４の流路部１４１は、例えば多孔質のポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）からなるチューブ状の水素分離部１４２の中空部分により形成されている。この流路部１４１の断面形状は、燃料流入口１３の断面形状と略同一に形成されている。そして、流路部１４１の一端部に、燃料流入口１３が連結され、他端部に、廃液口１７が連結されて、燃料流入口１３と廃液口１７とが連通されている。
【００２４】
また、流路部１４１、すなわち水素分離部１４２の内面には、液体燃料と接触して水素Ｈ２を発生する触媒１４３が設けられている。この触媒１４３の材料としては、液体燃料がボロハイドライド水溶液の場合では、白金Ｐｔ、ルテニウムＲｕ、ロジウムＲｈなどの白金族や、コバルトＣｏ、ニッケルＮｉ、フッ化処理した水素吸蔵合金などが採用できる。また、液体燃料が有機ハイドライドの場合では、触媒１４３の触媒材料として、白金Ｐｔ、ルテニウムＲｕ、ロジウムＲｈなどの白金族などが採用できる。そして液体燃料がメタノールの場合では、触媒１４３の触媒材料として水蒸気改質触媒が採用でき、例えばＮｉや、銅系、Cu/ZnO/Al2O3系、Pd/ZnO等が採用できる。また、触媒材料としてCu-ZnやFe-Cr、あるいはPt、Pt-Ru、Pt-Rh、Pt-La2O3・Al2O3等の白金族等を使用すれば、メタノールなどの液体燃料を改質する際に中間生成物として発生する一酸化炭素のCOシフト反応を促進でき、最終的な一酸化炭素の発生量を低減させる効果がある。
ここで、特に液体燃料としてボロハイドライド水溶液を採用した場合には、改質器１０において液体燃料が常温で改質して水素を発生するので、液体燃料の取扱性を向上させることができる。
【００２５】
触媒１４３は、このような触媒材料の表面積が大きくなるように形成されていることが望ましく、例えばγアルミナやαアルミナなどの多孔質材料や、カーボン粉体などに触媒材料が担持された構造となっている。このような触媒の構造により、多孔質材料の表面に触媒材料が担持されるので、その表面積が大きくなり、液体燃料が触媒材料と接触可能な表面積も大きくなるため、良好な改質効率が得られる。なお、触媒１４３は、このような形状に限られるものではなく、例えば、触媒を粒子状に形成して、流路部１４１周面に充填させるものであっても良い。さらに、多孔質材料そのものを触媒で形成したものであってもよい。
【００２６】
反応部１４の水素分離部１４２は、前述したように、例えば多孔質のポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などの超撥水性素材を管状に形成したものである。水素分離部１４２は、流路部１４１を流れる液体燃料や廃液などの液体と、触媒反応によって形成された水素Ｈ２などの気体とを分離する。水素分離部１４２を形成する多孔質のＰＴＦＥの孔は、水素Ｈ２などの改質ガスや、その他気体のみを反応部１４の外側に透過させる大きさであり、液体燃料および廃液が反応部１４の外側に漏れ出す心配はない。
また、廃液吸収部１２内には、高分子吸収体が交換自在に設けられていて、廃液口１７から排出された廃液は、高分子吸収体に吸収されてゲル化される。
【００２７】
図４には、燃料タンク２０の詳細図が示されている。この図４において、燃料タンク２０は、ケース２１を備え、ケース２１の内部には液体燃料が貯留される燃料貯留室２２が設けられている。この燃料貯留室２２は、蛇腹状に膨らんだフィルム２３をケース２１の内面に取り付けることで伸縮可能に構成され、内部には液体燃料が貯留されている。このフィルム２３では、図中上側の平坦面部２３Ａが所定の剛性を有し、ケース２１の内面に沿って移動する。ケース２１内面（端面）とこの平坦面部２３Ａとの間には、燃料供給室側圧力付与手段としてのコイルばね２４が配置され、ケース２１の端面から離間する方向に所定の付勢力で平坦面部２３Ａを付勢し、燃料貯留室２２内の燃料を加圧している。また、コイルばね２４でフィルム２３を押圧することで、液体燃料が送出されるに従って燃料貯留室２２の容積を縮小させることが可能である。つまり、伸縮可能なフィルム２３およびこれを押圧するコイルばね２４により、容積可変手段が構成されている。なお、この際、ケース２１には大気連通孔２１Ａが設けられ、フィルム２３の移動が妨げられないようになっている。
ここで、フィルム２３は、ＥＶＯＨ（エチレン−ビニルアルコール共重合）樹脂や、高分子グルコマンナンをアセチル化した樹脂からなり、液密性およびフレキシブル性を有している。なお、このようなフィルム２３の表面にアルミ蒸着等による金属コーティングを施し、液密性および耐久性をより向上させてもよい。
【００２８】
ケース２１内には、燃料貯留室２２を仕切るようにして弁組立体２５が設けられている。弁組立体２５は、燃料連通孔２５１を有する弁座本体２５２を備えている。弁座本体２５２の燃料貯留室２２とは反対側（図４中の下方側）の面には、弁座２５３が突設されており、この弁座２５３部分には弁座本体２５２内を通るように燃料流路２５４が設けられ、この燃料流路２５４は、配管２６を介して改質器１０と連通している。配管２６の途中には、開閉弁２７が設けられている（図１参照）。この開閉弁２７は、配管２６をケース７０の外部から手動で開閉可能に設けられ、水素カートリッジ１が使用されない場合など、水素を必要とされない場合には、この開閉弁２７で配管２６を閉じることによって液体燃料が改質器１０に供給されるのを防止する。
【００２９】
弁座本体２５２の弁座２５３が設けられた側（同じく図４中の下方側）には、弾性を有する薄膜弁２８が設けられている。薄膜弁２８の材質としては、合成ゴム、天然ゴム、高分子エラストマ等が採用できる。この薄膜弁２８は、ケース２１の他方の端面との間に配置された圧力作用室側圧力付与手段としてのコイルばね２９によって弁座２５３側に付勢されており、改質器１０で反応が行われていない状態では、弁座２５３に密着している。そして、弁座本体２５２と薄膜弁２８との間には空間が形成されており、この空間が燃料供給室３０となっている。この燃料供給室３０には、燃料連通孔２５１を介して燃料貯留室２２から液体燃料が流入する。
ここで、コイルばね２９としては、次説する圧力作用室３１に作用する圧力が低下し、燃料供給室３０内の圧力よりも所定値以下になると、その圧力差によって縮むようなばね力を有しており、この圧力差によって薄膜弁２８を弁座２５３から離間させ、燃料供給室３０内の液体燃料を燃料流路２５４に送出する。
【００３０】
燃料供給室３０のさらに図４中下方には、薄膜弁２８で仕切られた圧力作用室３１が設けられている。つまり、コイルばね２９は、この圧力作用室３１内に配置されているのである。また、圧力作用室３１は、ケース２１に設けられた開口状の圧力導入部３２から配管３３を介して改質器１０に連通している。この構成により、前述したように、改質器１０側の圧力（図４に「Ｐ」と表示）は、燃料流路２５４とは別に設けられた圧力導入部３２を通して圧力作用室３１に導入されるようになっている。
【００３１】
水素透過器４０は、改質器１０で水素Ｈ２とともに発生する、例えば二酸化炭素ＣＯ２や余分な水蒸気などをアルカリガスとともに除去する装置である。このような不要物は、例えば活性炭や、シリカゲルなどの吸着剤やアミン系有機物などの吸収剤、またイオン交換樹脂、繊維状部材の有機化合物中の水素原子をカルボン酸基またはスルホン酸基で置換したもの等を用いて除去することができる。また、水蒸気の除去には、例えば水素透過器４０の内部を露点以下の低温にすることで水蒸気を水滴に変化させて除去させてもよい。特に、水素透過器４０がイオン交換樹脂または繊維状部材の有機化合物中の水素原子をカルボン酸基またはスルホン酸基で置換したもので構成されている場合には、単位重量当たりの表面積を大きくできるので、水素透過器４０の小型化を促進でき、これにより水素カートリッジ１の小型化を促進できる。
【００３２】
図５には、水素予備室５０の詳細図が示されている。この図５において、水素予備室５０は、燃料貯留室２２と同様に、蛇腹状に膨らんだフィルム５１をケース７０の内面に取り付けることで伸縮可能な伸縮容器として構成され、内部には、改質器１０で発生した水素を一時的に貯蔵可能となっている。このフィルム５１では、図中左側の平坦面部５１Ａが所定の剛性を有し、ケース７０の内面に沿って移動する。ケース７０内部に設けられた仕切り板７１とこの平坦面部５１Ａとの間には、付勢手段としてのコイルばね５２が配置され、仕切り板７１の端面から離間する方向に所定の付勢力で平坦面部５１Ａを付勢し、水素予備室５０内の水素を加圧している。なお、コイルばね５２でフィルム５１を押圧することで、水素が送出されるに従って水素予備室５０の容積を縮小させることが可能である。つまり、伸縮可能なフィルム５１およびこれを押圧するコイルばね５２により、水素予備室５０の容積可変手段が構成されている。
ここで、フィルム５１は、ＥＶＯＨ（エチレン−ビニルアルコール共重合）樹脂や、高分子グルコマンナンをアセチル化した樹脂からなり、気密性およびフレキシブル性を有している。なお、このようなフィルム５１の表面にアルミ蒸着等による金属コーティングを施し、気密性および耐久性をより向上させてもよい。
【００３３】
水素供給弁６０は、水素予備室５０内のケース７０端面に設けられ、水素予備室５０と水素カートリッジ１の外部とを連通する。水素供給弁６０は、ケース７０から突出して配置されるとともに水素予備室５０に対して進退可能に設けられた可動弁６１と、この可動弁６１をケース７０側に付勢するばね６２とを備えている。可動弁６１には、ケース７０外部に開口する凹状の水素供給穴６３が穿設されており、また可動弁６１の側面には、水素供給穴６３と可動弁６１外面とを連通する連通孔６４が形成されている。この連通孔６４は、通常の可動弁６１の位置ではケース７０内面に覆われている。
このような構成の水素供給弁６０では、可動弁６１をケース７０外部から押圧すると、可動弁６１がばね６２の付勢力に抗してケース７０内部に移動する。すると、連通孔６４がケース７０内面から移動して水素予備室５０内部に露出し、これにより、水素予備室５０と水素供給穴６３とが連通される。水素予備室５０内の水素は、ばね６２によって加圧されているため、内部の水素が連通孔６４および水素供給穴６３を通って外部に放出される。
【００３４】
このような水素カートリッジ１では、次のように動作する。
まず、開閉弁２７を操作して、配管２６を開き、燃料タンク２０と改質器１０とを連通する。
改質が行われていない改質器１０側の圧力Ｐは、略１気圧であるから、コイルばね２９のばね力を圧力換算にてＰｖとし、Ｐ（１気圧）＋Ｐｖよりも大きくなるように燃料貯留室２２内の圧力Ｐｃを設定しておけば（実際には、コイルばね２４のばね力を設定する）、組み込んだ時点でコイルばね２９が押し戻され、すなわちＰｃとＰ＋Ｐｖとの差圧によって押し戻され、薄膜弁２８が圧力作用室３１側に移動する。この薄膜弁２８の移動により、薄膜弁２８が弁座２５３から離間して燃料流路２５４が開くと、液体燃料がＰｃの圧力で自動的に送出され、配管２６を通って改質器１０に供給される。
改質器１０では、流入された液体燃料が、流路部１４１に充填された触媒の隙間を流路として流れ、触媒との反応により水素が発生する。なおこの時、液体燃料は、水素分離部１４２で囲まれた流路部１４１を流れているため、水素カートリッジ１の上下を逆にしても、反応部１４の外側に漏れることがない。発生した水素は、水素分離部１４２を通過することで液体燃料と分離され、水素透過器４０に送られる。
水素透過器４０では、改質器１０からの水素に含まれるアルカリガス、その他の不純物を除去する。水素透過器４０を通過して純度が高くなった水素は、水素予備室５０に送られて、当該水素予備室５０に一時的に貯蔵される。
水素予備室５０では、改質器１０から水素が送出されるに従ってフィルム５１が膨張しながら当該水素を貯蔵する。
水素カートリッジ１を使用する場合には、ケース７０外部に突出した水素供給弁６０の可動弁６１を押すと、水素予備室５０から水素が所定の圧力で放出される。
【００３５】
改質器１０で発生した水素は、水素予備室５０に送られるとともに、配管３３を通って圧力作用室３１に供給される。これにより、圧力作用室３１内の圧力は改質器１０内の圧力とほぼ同じとなり、薄膜弁２８に圧力作用室３１側からかかる圧力は、改質器１０からの水素による圧力Ｐとコイルばね２９のばね力による圧力Ｐｖとの和となる。薄膜弁２８に圧力作用室３１側から作用する圧力と燃料供給室３０側から作用する圧力との圧力差が小さくなり、圧力Ｐ＋ＰｖがＰｃにほぼ等しくなると、薄膜弁２８がコイルばね２９によって押し戻され、弁座２５３と密着して燃料の送出を止める。
【００３６】
水素カートリッジ１の水素が使用され、改質器１０の圧力が低下すると、これに伴って圧力作用室３１内の圧力が低下する。薄膜弁２８に圧力作用室３１側から作用する圧力と、燃料供給室３０側から作用する圧力との圧力差が大きくなって、圧力作用室３１内の圧力Ｐ＋ＰｖがＰｃより小さくなると、再び薄膜弁２８が圧力作用室３１側に移動して弁座２５３から離れ、燃料供給室３０の燃料が燃料流路２５４を通って改質器１０に供給される。このように、水素カートリッジ１の水素使用中は、圧力作用室３１側からの圧力と燃料供給室３０側からの圧力との圧力差によって薄膜弁２８が移動し、燃料流路２５４を開閉して燃料の供給を開始、または停止する動作が繰り返される。
【００３７】
このような第一実施形態によれば、次のような効果が得られる。
(１) ケース７０内に、燃料タンク２０、改質器１０、および水素供給弁６０を収納したので、改質器１０で液体燃料を改質することにより水素を得ることができるから、燃料タンク２０には液体燃料を貯留することができる。したがって、少量の液体燃料を改質して大量の水素を得ることができるので、水素自体を貯蔵するガスボンベに比べて、水素カートリッジ１の水素収納量を飛躍的に向上させることができる。また、所定量の水素を得るのに必要な液体燃料が少量ですむため、水素カートリッジ１の小型化を促進できる。さらに、水素吸蔵合金を使用しないので、水素カートリッジ１の構造を簡略化でき、水素カートリッジ１の軽量化を促進できる。
【００３８】
(２) 燃料タンク２０に燃料流路２５４を開閉する薄膜弁２８が設けられ、燃料供給室３０側から作用する圧力と、改質器１０の圧力が導入される圧力作用室３１側から作用する圧力との圧力差によって燃料流路２５４を開閉する構成となっているので、改質器１０で発生する水素による圧力が低下すると自動的に燃料流路２５４が開かれ、燃料を改質器１０に供給できる。これにより、燃料を改質器１０に送出するポンプなどが不要となり、水素カートリッジ１の構造をより一層簡略化でき、小型化を促進できる。
【００３９】
(３) コイルばね２４およびコイルばね２９が設けられているので、これらのばね力を適宜設定することによって、燃料流路２５４の開閉時の圧力を調整できる。また、コイルばね２９が圧力作用室３１側から薄膜弁２８を付勢するので、改質器１０内の圧力Ｐが液体燃料の圧力Ｐｖより高い状態では燃料流路２５４が開かないから、改質器１０から燃料タンク２０への水素の逆流を良好に防止できる。
さらに、コイルばね２４によって燃料貯留室２２を燃料供給室３０側に付勢しているので、燃料供給室３０には常に液体燃料が充填されるから、水素カートリッジ１の向きに関わりなく、液体燃料を良好かつ確実に改質器１０に送出できる。
【００４０】
(４) 改質器１０の反応部１４が燃料流入口１３と廃液口１７とを連通するので、液体燃料が流路部１４１を通って廃液吸収部１２に収納される。したがって、液体燃料が流路部１４１の外部に漏れることがないので、水素カートリッジ１の向きに関わりなく、液体燃料を良好かつ確実に改質でき、液体燃料が配管３３や水素透過器４０に流出するのを確実に防止できる。
【００４１】
(５) 水素予備室５０が設けられているので、改質器１０で発生した水素を一時的に貯蔵できる。したがって、水素カートリッジ１の使用を停止した時に、改質器１０で発生し続けている水素をこの水素予備室５０に貯蔵することにより、水素カートリッジ１からの水素の放出を即座に停止することができる。また、改質器１０において水素を得るには、液体燃料が供給されてから水素が発生するまでにある程度の時間を要するが、水素予備室５０に水素が貯蔵されていれば、即座に水素を放出することができるので、水素カートリッジ１の応答性を良好にできる。
(６) 水素予備室５０が、伸縮可能なフィルム５１と、フィルム５１を付勢するコイルばね５２とを備えて構成されているので、水素予備室５０内の水素量にかかわらず水素の圧力をほぼ一定にでき、水素供給弁６０から安定した圧力で水素を放出できる。
(７) 水素透過器４０が設けられているので、改質器１０で発生した水素中に含まれる不純物を除去でき、より純度の高い水素が得られる。例えば、この水素カートリッジ１の水素を燃料電池などに使用する場合では、燃料電池セルの固体高分子電解質膜がパーフルオロスルホン酸系ポリマーで構成されていることがある。このような場合に、改質器１０で発生した水素中に微量のナトリウムイオンが含まれると、このナトリウムイオンが固体高分子電解質膜を劣化させる。したがって、水素透過器４０によってアルカリガスを除去することによって、水素カートリッジ１が燃料電池に使用される場合でも、燃料電池の耐久性を損ねることがない。
【００４２】
［第二実施形態］
次に、本発明の第二実施形態について説明する。第二実施形態は、第一実施形態の水素予備室の構造が異なるものである。
図５には、第二実施形態にかかる水素カートリッジの水素予備室５０が示されている。この図５において、水素予備室５０は、複数（図５では三つ）に仕切られることにより、水素予備室５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃを形成している。隣接する水素予備室５０Ａと水素予備室５０Ｂとの間、および水素予備室５０Ｂと水素予備室５０Ｃとの間には、互いを連通する連通孔５３１，５３２が形成され、これらの連通孔５３１，５３２を閉塞、開放可能な圧力調整弁５４１，５４２がそれぞれ設けられている。また、水素予備室５０Ｃには、第一実施形態と同様の構造の水素供給弁６０が取り付けられている。
【００４３】
圧力調整弁５４１，５４２は、断面略Ｌ字形の板部材で構成され、水素予備室５０Ａ，５０Ｂ外壁に回動可能に支持されており、Ｌ字形の一方の面は連通孔５３１，５３２を閉塞し、他方の面は水素予備室５０Ｂ，５０Ｃの側壁にそれぞれ当接されている。圧力調整弁５４１，５４２の他方の面のさらに外側には、ばね５６１，５６２が収納されるばね収納室５５１，５５２が形成されており、これらのばね５６１，５６２が圧力調整弁５４１，５４２の他方の面を外側から所定の付勢力で付勢している。ばね収納室５５１，５５２は複数の連通孔が形成されることにより、大気に開放されている。
ここで、ばね５６１，５６２の付勢力は、ばね５６１の付勢力のほうが、ばね５６２の付勢力よりも強く設定されており、つまり、ばね５６１，５６２の付勢力は、水素供給弁６０側に近づくにしたがってより低い値に設定されている。また、ばね５６１，５６２の付勢力は、大気圧と、ばね５６１，５６２の付勢力による圧力との和が、それぞれ水素予備室５０Ｂ，５０Ｃの設定圧にほぼ等しくなるように設定されている。なお、圧力調整弁５４１，５４２の他方の面と水素予備室５０Ｂ，５０Ｃとの間には、伸縮自在な膜などが設けられ、水素予備室５０Ｂ，５０Ｃからの水素がばね収納室５５１，５５２を通って外部に放出されないようになっている。
【００４４】
このような水素予備室５０では、水素供給弁６０から水素予備室５０Ｃの水素が放出されると、水素予備室５０Ｃ内の圧力が低下する。水素予備室５０Ｃ内の圧力Ｐ２が、ばね５６２の付勢力による圧力調整弁５４２への圧力換算値と、大気圧との和よりも低くなると、ばね５６２の付勢力により圧力調整弁５４２が回動し、連通孔５３２を開放する。水素予備室５０Ｂ内の圧力Ｐ１は、水素予備室５０Ｃ内の圧力Ｐ２よりも高く設定されているので、水素予備室５０Ｂ内の水素は、水素予備室５０Ｃへ流入し、水素予備室５０Ｃの圧力を上昇させる。水素予備室５０Ｃ内の圧力が、ばね５６２による圧力換算値と大気圧との和にほぼ等しくなると、ばね５６２の付勢力に抗して圧力調整弁５４２が回動し、連通孔５３２を閉塞して水素の流入を阻止する。
水素予備室５０Ｂについても同様に、内部の圧力Ｐ１が低くなると、圧力調整弁５４１が連通孔５３１を開放することにより水素予備室５０Ａから水素を導入する。このような圧力調整弁５４１，５４２の動作によって、水素予備室５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃ内の水素圧は、順次Ｐ，Ｐ１，Ｐ２に多段階に降圧されて水素供給弁６０から放出される。
【００４５】
このような第二実施形態によれば、第一実施形態の(１)、(２)、(３)、(４)、(５)、および(７)の効果と同様の効果が得られる他、次のような効果が得られる。
(８) 複数の水素予備室５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃおよび圧力調整弁５４１，５４２が設けられているので、改質器１０で発生した水素の圧力を順次降圧して多段階に調整でき、水素供給弁６０から放出される水素圧を調整できる。また、多段階に調整できるので、水素供給弁６０からは安定した水素圧を得ることができる。
【００４６】
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
水素透過器は、必ずしも設けられていなくてもよい。水素透過器が設けられない場合には、改質された水素中にふくまれる微量のアルカリガスが含有されたままとなり、例えば水素を燃料として使用すると、アルカリガスによって火炎が着色される。したがって、炎が視認可能となるので、水素カートリッジ１の取扱性が良好となり、有用である。
第一実施形態では、水素予備室５０は、内部の圧力が調整可能な圧力可変手段を備えていてもよい。この場合には、例えば圧力変更手段は、仕切り板７１を可動に設け、仕切り板７１を外部から操作可能なねじなどによって移動させるように構成されており、ねじの操作でコイルばね５２の長さを変更して付勢力を変更すれば、水素予備室５０内の圧力を調整できる。このような圧力可変手段が設けられていれば、水素供給弁から放出される水素の圧力を調整できるので、水素カートリッジの用途に応じて圧力を調整することによって、より多様な用途に適用可能となる。
また、圧力可変手段は、第二実施形態の水素予備室５０に設けられていてもよく、この場合には、圧力可変手段は、水素供給弁６０の直前の圧力調整弁５４２に設けられていることが望ましい。これによれば、水素供給弁６０に近い最終段の水素予備室５０Ｃ内の圧力を調整できるので、水素供給弁６０から供給される水素の圧力を圧力調整弁５４２である程度調整できる。
【００４７】
また、第二実施形態の水素予備室５０は、回動可能な圧力調整弁５４１，５４２を備えた構造であったが、これに限らず、圧力調整弁の構成は任意に設定できる。
図７には、水素予備室の変形例が示されている。この図７に示されるように、水素予備室５０は、第二実施形態と同様に複数（三つ）の水素予備室５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃを備えている。水素予備室５０Ａと水素予備室５０Ｂとの間、および水素予備室５０Ｂと水素予備室５０Ｃとの間には、連通孔５３１，５３２が形成されており、これらの連通孔５３１，５３２を閉塞、開放可能な圧力調整弁５４１，５４２が設けられている。
圧力調整弁５４１，５４２は、連通孔５８１，５８２が形成された可動部材５７１，５７２を備えており、可動部材５７１，５７２の一端は外部の大気に開放され、他端はコイルばね５９１，５９２によって大気側に付勢されている。ここで、コイルばね５９１のばね力は、コイルばね５９２のばね力よりも強く設定されている。
水素予備室５０Ｂ，５０Ｃ内の圧力Ｐ１，Ｐ２が低下して、コイルばね５９１，５９２の付勢力による圧力換算値と水素の圧力Ｐ１，Ｐ２との和が、大気圧よりも低くなると、可動部材５７１，５７２が移動して連通孔５８１，５８２が連通孔５３１，５３２に連通して水素予備室５０Ａ，５０Ｂから水素を導入する。このように、圧力調整弁の構成は、任意に設定できる。
本発明の水素カートリッジは、燃料電池や、小型ガスタービン、カセットコンロ用、携帯用バーナなどの任意の機器に適用できる。
【００４８】
本発明を実施するための最良の構成、方法などは、以上の記載で開示されているが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、かつ、説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、形状、材質、数量、その他の詳細な構成において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。
したがって、上記に開示した形状、材質などを限定した記載は、本発明の理解を容易にするために例示的に記載したものであり、本発明を限定するものではないから、それらの形状、材質などの限定の一部もしくは全部の限定を外した部材の名称での記載は、本発明に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の第一実施形態にかかる水素カートリッジを示す概略図。
【図２】改質器の側断面図。
【図３】改質器の平断面図。
【図４】燃料供給手段の側断面図。
【図５】水素予備室および水素供給弁の側断面図。
【図６】本発明の第二実施形態にかかる水素予備室を示す側断面図。
【図７】本発明の水素予備室の変形例を示す図。
【符号の説明】
【００５０】
１…水素カートリッジ、１０…改質器、１１…反応槽、１３…燃料流入口、１４…反応部、１７…廃液口、２０…燃料タンク（燃料供給手段）、２２…燃料貯留室、２４…コイルばね（燃料供給室側圧力付与手段）、２５…弁組立体、２８…薄膜弁、２９…コイルばね（圧力作用室側圧力付与手段）、３０…燃料供給室、３１…圧力作用室、３２…圧力導入部、４０…水素透過器、５０…水素予備室、５１…フィルム（伸縮容器）、５２…コイルばね（付勢手段）、６０…水素供給弁、１４１…流路部、１４２…水素分離部、１４３…触媒、２５４…燃料流路。
【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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