(57)【要約】      （修正有）【課題】水等の反応液を反応液収容容器から反応容器へ送り込む場合、ごく少量の反応液であっても、供給量を精度よく制御可能な燃料電池用の液体定量排出装置を提供する。【解決手段】水素発生剤１０と反応して水素ガスを発生する水を収容する反応液収容容器２と、水素発生剤１０を収容し、水と反応して水素ガスを発生する反応容器３と、反応液収容容器２から反応容器３へと水を供給するための反応液供給機構２０とを備え、この反応液供給機構２０は、第１開閉手段と、反応液貯留室と、ポンプと、第２開閉手段と、制御手段３１とを少なくとも備え、第１開閉手段を開放するステップ、ポンプを駆動して反応液貯留室内に所定量の水を反応液収容容器２から吸引して貯留させるステップ、第１開閉手段を閉鎖するステップ、第２開閉手段を開放するステップ、ポンプを駆動して所定量の水を反応容器３へと排出させるステップを、制御手段３１により時系列的に行なう。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素発生剤と反応して水素ガスを発生する反応液を収容する反応液収容容器と、
水素発生剤を収容し、反応液と反応して水素ガスを発生する反応容器と、
反応液収容容器から反応容器へと反応液を供給するための反応液供給機構とを備え、
この反応液供給機構は、第１開閉手段と、反応液貯留室と、ポンプと、第２開閉手段と、制御手段とを少なくとも備え、
第１開閉手段を開放するステップ、ポンプを駆動して反応液貯留室内に所定量の反応液を反応液収容容器から吸引して貯留させるステップ、第１開閉手段を閉鎖するステップ、第２開閉手段を開放するステップ、ポンプを駆動して前記所定量の反応液を反応容器へと排出させるステップを、制御手段により時系列的に行なうようにしたことを特徴とする燃料電池用の液体定量排出装置。
【請求項２】
制御手段は、前記一連のステップを所定時間ごとに間歇的に行なうことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用の液体定量排出装置。
【請求項３】
水素発生剤と反応して水素ガスを発生する反応液を収容する反応液収容容器から、水素発生剤を収容し、反応液と反応して水素ガスを発生する反応容器へと、反応液を供給するための液体定量排出方法であって、
反応液を供給するための反応液供給機構が、第１開閉手段と、反応液貯留室と、ポンプと、第２開閉手段と、制御手段とを少なくとも備えており、前記制御手段により、
第１開閉手段を開放するステップと、ポンプを駆動して反応液貯留室内に所定量の反応液を反応液収容容器から吸引して貯留させるステップと、第１開閉手段を閉鎖するステップと、第２開閉手段を開放するステップと、ポンプを駆動して前記所定量の反応液を反応容器へと排出させるステップとを時系列的に行なうようにしたことを特徴とする燃料電池用の液体定量排出方法。
【請求項４】
制御手段は、前記一連のステップを所定時間ごとに間歇的に行なうことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池用の燃料電池用の液体定量排出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素ガスを発生するための反応容器内へ供給する反応液の量を精度よく制御可能な燃料電池用の液体定量排出装置及び液体定量排出方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、他の発電システムに比べると発電効率が高く、大気を汚染する物質を生成しないという点で注目されているエネルギー源である。水素供給型の燃料電池では、発電を行わせるために、カソードへ空気（酸素）を供給し、アノードへ水素を供給する。水素はアノードでの触媒反応によって水素イオン及び電子となり、水素イオンは電解質内を移動し、カソードの触媒反応により酸素と反応して水となる。一方、電子は外部回路を伝わってカソードに移動する。この電子の移動により電気エネルギーが発生することになる。
【０００３】
以上のように、燃料電池には水素等の燃料を供給する必要がある。そこで水素を発生するための装置が種々知られており、例えば、下記特許文献１，２に開示されている。これらはいずれも炭化水素を分解することで水素を発生させるものである。特許文献１，２における水素発生装置は、円筒形の熱供給器と同じく円筒形の反応器により構成されている。
【０００４】
また、下記特許文献３に開示されている水素ガス発生ユニットは、水（反応液に相当）を収容するためのタンクと、水との化学反応により水素を生成する金属（水素発生剤に相当）を収容する反応容器と、この反応容器に近接配置される加熱手段と、タンクに収容された水を反応容器に導入するための導入管と、反応容器で生成した水素及び未反応の水をタンク内に導入する戻り管と、タンク内の水素及び水を排出する排出管とを備えている。そしてタンクの水を反応容器に導入するためにポンプを使用しており、これにより、水を反応容器に供給する量を制御している。反応容器は、装置本体内に収容され、加熱手段により密着保持される。これにより、反応容器内に導入された水が加熱されて水蒸気になるとともに、反応容器内の水素ガスを発生させるための反応を促進させることができる。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−６３１２７号公報
【特許文献２】特開２００４−５９３４０号公報
【特許文献３】特開２００４−１４９３９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のような水素発生装置において、水を反応容器内に送り込む量を一定に制御することが望ましい場合がある。例えば、多量の水を送り込むと必要以上の水素ガスが発生してしまうという問題がある。また、ＰＤＡ、携帯電話などの携帯機器用の水素発生装置の場合は、水を反応容器内に送り込む量もごく少量（例えば、１時間当たり２〜３ｃｃ）であり、かかる少量の水を定量で送り込めるような構成が要求される。
【０００７】
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、その課題は、水等の反応液を反応液収容容器から反応容器へ送り込む場合、ごく少量の反応液であっても、供給量を精度よく制御可能な燃料電池用の液体定量排出装置及び液体定量排出方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため本発明に係る燃料電池用の液体定量排出装置は、
水素発生剤と反応して水素ガスを発生する反応液を収容する反応液収容容器と、
水素発生剤を収容し、反応液と反応して水素ガスを発生する反応容器と、
反応液収容容器から反応容器へと反応液を供給するための反応液供給機構とを備え、
この反応液供給機構は、第１開閉手段と、反応液貯留室と、ポンプと、第２開閉手段と、制御手段とを少なくとも備え、
第１開閉手段を開放するステップ、ポンプを駆動して反応液貯留室内に所定量の反応液を反応液収容容器から吸引して貯留させるステップ、第１開閉手段を閉鎖するステップ、第２開閉手段を開放するステップ、ポンプを駆動して前記所定量の反応液を反応容器へと排出させるステップを、制御手段により時系列的に行なうようにしたことを特徴とするものである。
【０００９】
かかる構成による燃料電池用の液体定量排出装置の作用・効果を説明する。この装置は、反応液収容容器と反応容器を備えており、反応液収容容器には、水素発生剤と反応して水素ガスを発生する反応液が収容される。この反応液は、反応液供給機構により反応容器へと供給され、反応液と水素発生剤が反応することで水素ガスが発生する、発生した水素ガスは、燃料電池側へ供給され発電する。反応液を供給するための反応液供給機構は、第１開閉手段、反応液貯留室、ポンプ、第２開閉手段、制御手段を少なくとも備えている。この制御手段の制御により、まず、第１開閉手段を開放し、ポンプを駆動して第１開閉手段を介して反応液貯留室内に反応液を取り込む。次に、第１開閉手段を閉鎖する。この時点で、所定量の反応液が貯留される状態となっている。次に、第２開閉手段を開放する。そして、ポンプを駆動して貯留されている所定量の反応液が反応容器へと排出される。反応液貯留室に貯留される反応液の量は構造的に決まるものであり、これにより、所定量の反応液を反応容器へ供給することができる。反応液貯留室の大きさは、反応容器で必要とされる反応液の量に対応して設定することができる。その結果、水等の反応液を反応液収容容器から反応容器へ送り込む場合、ごく少量の反応液であっても、供給量を精度よく制御可能な燃料電池用の液体定量排出装置を提供することができる。
【００１０】
本発明に係る制御手段は、前記一連のステップを所定時間ごとに間歇的に行なうことが好ましい。
【００１１】
間歇的に一連のステップを行なうことで、反応液の供給も所定時間ごとに間歇的に行なうことができる。従って、反応液を供給する間隔を調整することで、ごく少量の反応液であっても、定量の反応液を反応容器へ送り込むことができる。
【００１２】
上記課題を解決するため本発明に係る燃料電池用の液体定量排出方法は、
水素発生剤と反応して水素ガスを発生する反応液を収容する反応液収容容器から、水素発生剤を収容し、反応液と反応して水素ガスを発生する反応容器へと、反応液を供給するための液体定量排出方法であって、
反応液を供給するための反応液供給機構が、第１開閉手段と、反応液貯留室と、ポンプと、第２開閉手段と、制御手段とを少なくとも備えており、前記制御手段により、
第１開閉手段を開放するステップと、ポンプを駆動して反応液貯留室内に所定量の反応液を反応液収容容器から吸引して貯留させるステップと、第１開閉手段を閉鎖するステップと、第２開閉手段を開放するステップと、ポンプを駆動して前記所定量の反応液を反応容器へと排出させるステップとを時系列的に行なうようにしたことを特徴とするものである。
【００１３】
本発明に係る制御手段は、前記一連のステップを所定時間ごとに間歇的に行なうことが好ましい。
【００１４】
かかる構成による液体定量排出方法の作用・効果は、既に述べた通りであり、水等の反応液を反応液収容容器から反応容器へ送り込む場合、ごく少量の反応液であっても、供給量を精度よく制御可能することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明に係る燃料電池用の液体定量排出装置及び液体定量排出方法の好適な実施形態を図面を用いて説明する。図示する液体定量排出装置は、燃料電池用に使用されるものであり、具体的には、燃料電池へ供給すべき水素ガスを発生するための装置である。さらに、携帯電話、ＰＤＡなどの携帯機器に使用するのに適した大きさを有している。
【００１６】
＜液体定量排出装置の構成＞
【００１７】
図１は、本実施形態に係る液体定量排出装置の構成を示す概念図である。この液体定量排出装置は、気体収容容器１と反応液収容容器２と反応容器３と冷却室４を備えている。気体収容容器１には、圧縮空気が収容される。なお、空気に代えて窒素等の他の気体を使用してもよい。気体収容容器１の上壁面に注入バルブＢが設けられており、この注入バルブＢを介して気体収容容器１内に空気が導入される。導入される空気の量は例えば２〜３ｃｃ程度であり、空気圧力は０．３〜０．５ＭＰａ程度に圧縮された状態で収容される。注入バルブＢとしては、ガスライターにガスを注入するのに用いられているバルブと同じ構造のものを使用することができる。
【００１８】
反応液収容容器２内には反応液としての水が収容される。この水は、水素発生剤と反応して水素ガスを発生させる反応液として機能するものであり、水以外に酸やアルカリの溶液を使用してもよい。反応液収容容器２内に収容される水の量も３ｃｃ程度である。容器壁面には、導入管８と逆止弁９が設けられ、この導入管８を介して反応液収容容器２内に水を導入することができる。
【００１９】
逆止弁９としては、任意のタイプのものを使用することができ、装置全体の小型化を図る上で、１次側が２次側の圧力より大のときに開口し、小のときには閉口するくちばし状の弾性部材を備える逆止弁が好ましい。この逆止弁９は、例えば、ダックビルと呼ばれており、各種のものが市販されている。他の場所に使用される逆止弁についても同様とすることができる。
【００２０】
気体収容容器１と反応液収容容器２とは、気体供給路である連通管６により連結されており、この連通管６の途中にはバルブ７が設けられている。バルブ７は、この連通管６を通過する圧縮空気の量を制御する制御機構として機能するものであり、気体収容容器１内に空気を導入する際には、このバルブ７は閉じた状態とする。バルブ７を閉じた状態で気体収容容器１内に圧縮空気を収容させ、その後、バルブ７を所定量開くことで、反応液収容容器２内に圧縮空気を送り込むことができる。これにより、反応液収容容器２内の水の水面Ｗが圧縮空気により押圧される。圧縮空気により水面Ｗを押圧しているので、水面全体にわたって均一で安定した圧力を付与することができ、反応容器３への水の供給を安定的に行なうことができる。
【００２１】
反応液収容容器２から反応容器３への水の供給は、反応液供給機構２０により行なわれるものであり、その詳細については後述する。反応液供給機構２０の駆動は、制御手段３１により制御される。
【００２２】
反応容器３内には水素発生剤１０が収容されている。水素発生剤１０としては、水等の反応液と反応して水素ガスを発生する金属、例えば、Ｆｅ，Ａｌ，Ｍｇ，Ｚｎ，Ｓｉなどから選ばれる一種以上の金属の粒子や、これらが部分的に酸化された金属の粒子があげられる。また、水素発生剤１０は、触媒成分やアルカリ土類金属酸化物、カーボンブラック等を含むものであってもよい。水素発生剤１０は、粉末状であってもよく、造粒、又はタブレット化したものであってもよい。
【００２３】
反応容器３の下部には冷却室４が設けられており、水が浸透させられた綿４１（脱脂綿等）が収容されている。反応容器３と冷却室４の隔壁３ａに連通孔３ｂが設けられており、反応容器３において発生した水素ガスは、この連通孔３ｂを介して冷却室４に供給され、冷却された状態でガス供給管１３から排出される。また、連通孔３ｂをカバーするように不織布４２が設けられており、水素発生剤が冷却室４内へ落ち込むことを防止する。ガス供給管４３からは、反応容器３内で発生した水素ガスが排出され、燃料電池３０に供給されることになる。燃料電池３０は携帯機器の駆動電源として使用されるものであるが、制御手段３１や反応液供給機構２０を駆動するための二次電池を充電する目的としても使用される。制御手段３１や反応液供給機構２０は、この二次電池により駆動される。あるいは、一般的な一次電池により駆動してもよい。
【００２４】
＜反応液供給機構の構成＞
次に、反応液供給機構２０の構成を図２の概念図により説明する。反応液収容容器２から反応容器３へ水を供給するための水供給路が設けられており、入口側流路２１と出口側流路２２が夫々、反応液収容容器２側と反応容器３側に位置している。
【００２５】
流路に沿って、入口側から順に、第１ダイヤフラム２３、第２ダイヤフラム２４、第３ダイヤフラム２５が配置され、夫々第１駆動部２６、第２駆動部２７、第３駆動部２８により駆動される。各駆動部２６，２７，２８は、所定のタイミングで駆動するように制御手段３１により制御される。各ダイヤフラム２３，２４，２５は、各駆動部２６，２７，２８によりオン／オフ制御される。第１ダイヤフラム２３及び第１駆動部２６は、第１開閉手段として機能し、第２ダイヤフラム２４の近傍に形成される流路空間は反応液貯留室として機能し、第２ダイヤフラム２４及び第２駆動部２７は、ポンプとして機能し、第３ダイヤフラム２５及び第３駆動部２８は、第２開閉手段として機能する。各ダイヤフラム２３，２４，２５は、シリコーンゴムなどの弾性部材により形成することができ、各駆動部２６，２７，２８は、ソレノイドを用いることができる。各ダイヤフラム２３，２４，２５には、流路を閉じる方向に付勢するスプリングを作用させることが好ましい。
【００２６】
図３は、さらに具体的な反応液供給機構２０の内部構造を示す図である。図３において、反応液収容容器２から反応容器３への反応液の流路は、左側から右側になるように図示されている。流路は、前述の入口側流路２１と出口側流路２２と、これらの間に位置する第１中間流路２９ａと第２中間流路２９ｂにより構成されている。これら中間流路２９ａ，２９ｂ内の特定のエリアは、所定量の水を一時的に貯留する反応液貯留室として機能するものである。
【００２７】
＜反応液供給機構の動作＞
次に、反応液供給機構２０の動作について説明する。図４は、各ダイヤフラム２３，２４，２５の作動タイムチャートを示す図である。図４に示すように各ダイヤフラム２３，２４，２５は、オン／オフ駆動され、電流波形も合わせて示している。図５〜図８は、実際の反応液供給機構２０の動きを示す図である。
【００２８】
まず、時間ｔ1において、第1駆動部２６をオンにし第１ダイヤフラム２３を開状態とする。これにより、圧縮空気の作用により、図５に示すように水が第１中間流路２９ａの部分まで取り込まれる。次に、時間ｔ2において、第２駆動部２７をオンにし第２ダイヤフラム２４を開状態とする。これにより、図６に示すように、第２中間流路２９ｂの部分まで水が取り込まれる。次に、時間ｔ3において、第１駆動部２６をオフにし第１ダイヤフラムを閉状態とする。次に、時間ｔ4において、第３駆動部２８をオンにし、第３ダイヤフラム２５を開状態とする。これを図７に示す。
【００２９】
次に、時間ｔ5において、第２駆動部２７をオフにし、第２ダイヤフラム２４を閉状態とする(図８参照)。このときの閉じ動作により、所定量の水が第２中間流路２９ｂ、出口側流路２２を介して反応容器３へと押し出される。次に、時間ｔ6において、第３駆動部２８をオフにし、第３ダイヤフラム２５を閉じ状態とする。以上のかｔ1らｔ6までの一連の動作により、所定量の水が反応液収容容器２から反応容器３へ供給されることになる。１サイクルで供給される所定量は、第２ダイヤフラム２４が開から閉へ移動するときに押し出される量である。従って、１サイクルにより供給される水の量はごく僅かの量となるようにすることができる。反応容器３により発生すべき水素ガスの量に応じて上記サイクルをどの程度の間隔で行なうかを予め設定しておくことができ、これに基づいて、制御手段３１は反応液供給機構２０を間歇的に駆動することができる。これにより、ごく少量の水であったとして、供給量を精度よく制御することができる。
【００３０】
＜別実施形態＞
気体収容容器１、液体収容容器２、反応容器３、冷却室４については、強度や耐食性などを考慮して、適宜の金属材料、樹脂材料、ガラス等により形成することができる。また、各容器を１部品で構成するか、複数部品で構成するかについても任意である。また、複数の容器を１部品で構成するようにしてもよい。また、各容器の形状・大きさについては、使用目的・仕様等に基づいて、適宜定めることができる。さらに、各容器の配置についても、装置全体の大きさ・デザイン等を考慮して適宜合理的な配置構成を採用することができる。また、液体や気体を通過させる各管についても、適宜の金属材料や樹脂材料で形成することができ、必要に応じて柔軟性を有する材料を選択してもよい。
【００３１】
本実施形態で説明した反応液供給機構２０の機構は一例を示すものであり、この構造に限定されるものではない。例えば、本実施形態では駆動部２６〜２８を３つ設けて各ダイヤフラム２３〜２５を独立して駆動させているが、駆動部を１つにし、この駆動部により駆動されるカム機構により、各ダイヤフラム２３〜２５を時系列的に駆動させる構成でもよい。この場合は、カム機構が制御手段として機能することになる。
【００３２】
本実施形態では、冷却室４内への水の収容を綿４１に浸透させることで行なっているが、かかる綿４１を使用せずに、水を直接収容するようにしてもよい。この場合、水が他の領域に移動しないように適宜、逆止弁を設けることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】液体定量排出装置の構成を示す概念図
【図２】反応液供給機構の構成を示す概念図
【図３】反応液供給機構の内部構造の一例を示す断面図
【図４】反応液供給機構の作動タイムチャートを示す図
【図５】反応液供給機構の動作を示す図（１）
【図６】反応液供給機構の動作を示す図（２）
【図７】反応液供給機構の動作を示す図（３）
【図８】反応液供給機構の動作を示す図（４）
【符号の説明】
【００３４】
１        気体収容容器
２        反応液収容容器
３        反応容器
４        冷却室
１０      水素発生剤
２０      反応液供給機構
２１      入口側流路
２２      出口側流路
２３      第１ダイヤフラム
２４      第２ダイヤフラム
２５      第３ダイヤフラム
２６      第１駆動部
２７      第２駆動部
２８      第３駆動部
２９ａ    第１中間流路
２９ｂ    第２中間流路
３０      燃料電池
３１      制御手段
Ｗ        水面
【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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