(57)【要約】      （修正有）【課題】小型燃料電池向けに、化学反応により燃料ガス供給手段として、多様な化学物質を対象に共通する化学反応特性を明確にして、燃料消費量変動に応じて常温・常圧環境下で応答性良く燃料ガス供給を可能にする共有できる基本技術を提供する。【解決手段】一般的化学反応状態において、その溶液が共通して備える特性とそのレベルの経時的変化に対応した、小型燃料ガス生成供給装置の構造設計の特性とそのレベルに置換設定する、基本的技術に裏付けられた普遍的な基本モジュールの明確化により、酸化触媒の形態を液体、固体を問わず、２〜３ＫＰa以下の圧力下でも応答性良い小型の制御装置を備えた燃料ガス生成供給装置を可能にする基本的構造設計技術を構築する。【選択図】図３
2009102203.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学反応により燃料ガスを生成する化学物質を収納した容器手段と、該容器手段を収納した収納手段１と、前記化学物質に接することにより化学反応を誘発・促進する部材の圧送供給手段と、該圧送供給手段の少なくても１つを収納した収納手段２と、前記容器に外部より前記化学物質を投入する投入口手段と、前記圧送供給手段に前記誘発・促進部材を外部より注入する注入口手段と、前記生成ガスを外部に供給する出口手段を備え、前記容器手段は、前記化学反応により生成されるバブルが有する特性のうち、特性１：バブルの大きさ、特性２：バブルの成長速度、という少なくても２つの特性が有するそれぞれのレベルを、前記容器の構造設計に置換した、前記特性１：細孔サイズと容器壁厚さ、前記特性２：該容器に前記化学反応物質充填後の空き空間の大きさ、という２つの特性とレベルの少なくても１つと対応した特性とレベルを備え、前記容器は内部に前記供給手段と連通する手段を備え、該連通手段は前記誘発・促進部材の出口手段の少なくても１つを備え、前記容器内で化学反応を行う第１の化学反応空間と、前記細孔と連通する第２の化学反応空間と、前記連通手段は、前記誘発・促進部材供給手段からの供給量制限をする絞り手段と前記容器から前記誘発・促進部材供給手段への逆行を妨げる逆行防止手段の少なくても１つを具備し、前記化学反応により生成されるガス圧力と、前記圧送供給手段から前記誘発・促進部材が圧送される圧力との差の関係により、前記化学反応の速度が制御されることを特徴とする燃料ガス生成供給装置。
【請求項２】
請求項１において、前記ガス供給出口手段は、前記第２の化学反応空間内に備えた液体不透過膜手段を介して、外部に供給する手段を有することを特徴とする燃料ガス生成供給装置。
【請求項３】
請求項１〜２において、前記ガス生成圧力に応答して前記誘発・促進部材供給量を制御する制御手段１と、前記燃料ガス供給流量を制御する制御手段２の少なくても１つを有し、該制御手段１と２は、前記ガス生成圧力に応答して変位する薄板弾性変形手段を備え、該変形手段はほぼ中央部に動通面積を前記変位により増減させる手段を有することを特徴とする燃料ガス生成供給装置。
【請求項４】
請求項１〜３において、前記収納手段２は、少なくても１つの壁で分割された空間を有し、前記分割壁には少なくても１つの前記細孔を備え、前記分割された各空間が、前記細孔付き容器と前記ガス供給出口手段と連通していることを特徴とする燃料ガス生成供給装置。
【請求項５】
請求項１〜４において、前記化学反応の進行状態が、前記細孔と前記第１と第２の反応空間の少なくても一部について、観察可視な手段を有することを特徴とする燃料ガス生成供給装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化学反応により必要な時に必要な量の燃料ガスを供給する小型燃料電池発電用ガス生成供給装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
小型の可動型および携帯型の燃料電池への実用的燃料供給手段の１つの候補に、多様な化学物質を対象にして、最良な候補の１つを選択して化学反応により燃料ガスを生成して供給する多くの手段が研究開発されている。しかし、その実用化への期待が大きい一方、依然としていずれの化学物質を対象にしても、その実用化に向けた課題も多い。そこで、多様な化学物質から最良物質の対象を絞込み手段として、またその実用化を促進するために、より小型、安価で利便性が良く応答性の良い燃料ガス生成供給開発に対応可能でかつ、前記多くの手段にも共通に適用できる基本的技術に裏付けられた最適化構造設計に基づく、安全で再使用可能な実用的装置の提供が急務である。
【特許文献１】特開２００７−１１０３３３３号公報、特願２００６−０８２５０５号、特願２００６−１９５０２５号、特願２００６−０８２５０５号、特願２００７−０５３５６３号
【非特許文献１】日経エレクトロニクス  ２００５年６−６  Ｎｏ．９０１「ボロハイドライド燃料電池携帯機器向け名乗り」  P．３８−３９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
クリーンエネルギー手段として、燃料電池の実用化研究およびその用途拡大に向けた幅広い研究がなされている。その中には、小型の燃料電池の開発も含まれており、災害時の緊急用や僻地用途を含め民生向けの据え置き型や携帯型の小型燃料電池と共に、それに不可欠な小型の燃料ガス供給装置の出現の期待は大きい。しかし、多様な化学物質を対象にするものの、小型用途向けの実用化・普及に向けてはいまだにその道のりは厳しいものがある。こうした実用化・普及に向けては、出力が例えば、小型電子機器類の待機状態で使用する、出力数ワット以下から数キロワット以上の小型燃料電池への燃料ガス供給を、利便性良く、安価で小型軽量構造で安定的にかつ、少なくても数時間以上の連続供給を可能にさせ、さらには多様な用途にも普遍的な技術を基にした適用拡大を可能にさせる装置の開発を可能とする基本技術の確立が急務である。こうした用途への燃料ガス供給手段を可能にさせるためには、プラント装置と違って、小型・シンプル構造そして廉価でかつ常温・常圧環境下でも、その化学反応速度の制御を燃料電池システムの要求に応じて、一時的に停止または増減変動可能なシステムの構築が必要である。さらに具体的に言えば、例えば燃料電池出力が数W〜２０Wクラスの場合、必要な燃料は、毎分１０から百数十ｃｃ程度であり、さらには、その消費電力の変動に応じて、常温・常圧に近い状態(ゲージ圧でゼロから百ＫＰａ程度)でも、応答性・再現性良く燃料供給可能な化学反応速度制御手段である必要がある。そのためには
【０００４】
第１の課題として、化学反応により燃料ガスを生成させるために用いる化学物資は、多種多様に存在し、それらを用いた燃料ガス生成手段も色々模索されているが、依然として現在まで手のひらサイズを含めた小型装置にも適用可能な基本技術は確立されていない。いずれの方法を用いても、一般的化学反応現象としては、化学反応の開始と共に激しく活発に起こるものの、その持続時間は比較的短い。従って、必要な時に必要な化学反応速度で必要な時間、化学反応をコントロールさせることは、特に小型装置の中で実現することは一層難しく、これに関連する技術の開示も少ない。また、固体化学物質を用いた場合はさらにその制御は困難となる。しかし、小型燃料電池システムへの適合を図るためには、そのシステムが要求する、低圧・常温環境下においても安定的に一定量を、あるいは停止や微量変動要求に対応した燃料ガスの供給を可能にさせる必要がある。従って、多種多様な化学物質を用いても、応答性・再現性が良く適用範囲も広い燃料ガス生成手段と高感度な化学反応速度の制御手段を、普遍的な基本的技術の裏付けを持って、しかし、廉価で小型・シンプルな構造でかつ再利用可能な装置の創出が急務である。
【０００５】
第２の課題としては、こうした用途への燃料ガス供給を可能にさせるためには、プラント装置と違って、小型・軽量で携帯用を含めて、使われ方にとらわれない装置を可能にする適応化技術に裏付けられたユニットの提供が必要である。
【０００６】
第３の課題としては、多様な用途に適用可能な小型燃料電池向けとして、常圧環境下でも適用できる応答性の良い化学反応速度制御を可能にする、小型化の中で高性能化技術の確立が必要である。このためには、圧力制御手段の性能が数ＫＰａ以下でも、高感度で再現性が良い作動要求に応えられる高性能な制御を可能にする技術に裏付けられたコンパクトなユニットの提供が必要である
【０００７】
第４の課題としては、多様な小型燃料電池向けに構造的にも容易に適用可能とさせるために、その基本的技術が構造面でも円形や扁平箱型あるいはそれらを複合した３次元構造、そして燃料電池システムから要求されるオールインワン型への対応など、幅広い適用に対して普遍性を備えかつ、自由度を備えた構造設計技術に裏付けられたモジュールからなるシステムの創出が必要である。
【０００８】
第五の課題としては、前述の多様でかつまだ開発途上である小型燃料電池の開発に連動して、燃料ガス供給手段の適用を図るための汎用的な最適化仕様設定・検証手段を、効果的・効率的に対応可能な即応技術に裏付けられたシステムの創出が必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
以上の課題を解決するためには、第一発明は、一般的に化学反応の係わりには少なくても２つの化学物質が必要になる中で、その１つの物質は：化学反応を起こして燃料ガスを生成する化学物質（例えば、ボロハイドライド、アルミ、マグネシュームなど）を収納した収納手段１と、２つ目の物質は：酸化触媒作用をなす化学物質（例えば、ＤＬ−りんご酸、塩酸や固体のゼオライト、ナフィオンなどの場合は水、など）の圧送供給可能な少なくても１つの圧送供給手段（例えば、バルーン、重力、ウエイト、スプリング、ガス圧など）を収納した収納手段２、が一つの基本形となる。こうした２つの物質が接合した時の化学反応現象の推移は、一般的にその反応時間の経過と共に化学反応溶液の特性が変化する現象に本発明は着眼したものである。前記種種の化学物資が固有に持つそれぞれの特性や、この化学物質を基にした時の化学反応速度を決める条件（触媒溶液濃度、２物質の時間当たりの接合量、温度等）により反応速度が異なることに対しても、本発明に基づく共通の普遍的手段により、多種の燃料電池が要求する燃料ガス供給量制御確立への展開を、広く可能にする基本的に重要な特性とその設計仕様設定のためのレベル域の算出・検証方法を明確にした。
【００１０】
すなわち、１つの閉空間内で前記２つの化学物質を所定量用いた化学反応溶液の時間的現象変化は、一般的に、この反応開始初期段階では、前記２物質の接合と同時に化学反応を勢い良く開始する。そして前記２つの物資の新しい接合がなくなるまでは、初期よりその勢いは徐々に低下するものの前記２つの物質の新しい結合する溶液の濃度や量に応じたその化学反応を継続する。その間の化学反応溶液の特性は、ほぼ所定の濃度を維持した状態の環境下では、若干粘性（常温での水溶液比較で）を有する気泡小から大に急速に成長する無数のバブルを連続的に出現させている状態である。やがてその新しい接合の状態が終了すると、その化学反応活動の勢いはやや急速に低下し初め、その終盤ではさらにその勢いは急速に低下しゼロに推移し終盤を迎える。この終盤に向けての化学反応溶液の特性は、以前より低濃度状態になるため、初期状態より低下した粘性状態となった溶液の中で無数の小さなほとんど成長しない気泡からやがてゼロに収束する。こうした所定量の２化学物質を用いた化学反応は、一般的に上記化学反応現象を推移するが、前述したように、その特性が変化するレベルやその経過時間は、使用する化学物質の種類、濃度、２つの化学物資が接合する速度、反応空間の大きさ、温度等諸条件で当然異なってくるものの、この基本特性の推移は同じである。
【００１１】
さらに具体的に言うと、前述した一般的化学反応現象において、その化学反応溶液が経過時間と共に変化する特性とレベルに注目し、この変化する特性とレベルを小型燃料ガス生成供給装置設計へ対応付け置換させるということが、どんな化学物質を用いた場合でも普遍的に有効であり基本的な手段と明確にした。すなわち、前記化学反応により生成されるバブルが有する特性のうち、特性１：バブルのサイズと、前記燃料ガスを生成する化学物質を収納する容器の構造設計が有する特性のうち、前記特性１を：細孔サイズと壁厚さのレベルに対応置換させたことである。つまり、化学反応の勢いがある状態では、若干粘性を有する水素ガスから成る「小」から大に急成長する無数のバブルを連続的に出現するというその「小」の特性とそのレベル  ＜＝＞  前記容器の細孔サイズと器壁の厚さのレベル、を対応させことである。前記若干粘性を有する下限側のバブルサイズを基に、容器側の細孔サイズと容器壁厚さレベルに置換し設定にすることにより、所定の濃度の化学反応溶液を拡散させることなく前記第１とする化学反応空間内に留め、化学反応制御の高い応答性を維持できる。そして、前記容器側の細孔サイズと容器壁厚さレベルの関係は、当然ながら溶液の流出速度は少なくてもこの２つに直接的に依存するから、以下に限定するものではないが一般的１つの目安として、容器壁厚さと同程度の細孔サイズとなる。つまり壁厚さ０．３から０．５ｍｍ程度以下の容器ではシート状の部材も含めて前記細孔サイズは０．３から０．５ｍｍ以下となり、壁厚さ０．５から２．０ｍｍ程度では細孔サイズ０．５から１ｍｍ程度となる。容器厚さは２ｍｍ以上でも細孔サイズ１ｍｍ程度であるが、小型装置の場合には、厚さ２ｍｍ以上は必ずしも必要としない。そして、やがて前記化学反応の勢いがなくなった溶液は、その粘性はより低下した状態の溶液中で無数の小さなほとんど成長しない気泡であるので、前記細孔から前記第２の化学反応空間を備えている空間へ流出し、そこで余剰の化学反応を継続する。この第２の化学反応空間を備える効果は、さらに前記目的に対する効果をより上げるためである。すなわち、前記化学反応により生成されるバブルが有する特性のうち、特性２：バブルの成長速度と、前記燃料ガスを生成する化学物質を収納する容器の構造設計が有する特性のうち、前記特性２を：該容器に前記化学反応物質充填後の空き空間の大きさに対応させたことである。つまり、所定の濃度状態下での勢いのあるバブル状溶液が占める空間の大きさ  ＜＝＞  前記容器の空き空間の大きさというものを構造設計に置換する特性とレベルに対応付けたことである。この意味は、一般的に、化学反応により生ずる前記バブル状となった化学反応溶液の体積は、その化学物質が充填された体積の２〜３倍以上から数倍以上となるが、燃料ガスの生成供給量が少ない量で良い場合は、前記バブルの成長速度の成長は遅い化学反応速度になるため前記体積は、その逆の場合の多量のガス生成を必要とする場合より少ない体積を可能とする。しかしここで当然ながら、当容器内で生成されたガスは、前記細孔から排出して燃料電池への供給源になるので、前記いずれの体積の場合より必要最小空き空間を可能とするので、前記���積量を厳密に把握する必要はない。こうした前提を踏まえてその対応させる特性とレベルを設定する効果的手段の条件の理想は、前記第１の化学反応空間内に存在する化学反応液の特性が、前記所定の濃度状態の溶液と前記化学反応の勢いがなくなった状態の溶液を、混在させない空間に設定させることである。すなわち、前記第１とする化学反応空間内に所定の濃度状態の溶液を留め、化学反応制御の高い応答性を維持に寄与できる時間を、化学反応経過時間の中盤以降から終盤に向けた時間まで保持できる空間である。そして、前記化学反応の勢いがなくなり前記粘性が低下する終盤を迎える時期での前記溶液は、前述と同じく、前記細孔から前記第２の化学反応空間を備えている空間へ流出量が急速に増加する。しかし、現実的には、一般的１つの目安として、前記充填する化学物資の容積のせいぜい同等程度以下とする空き空間の大きさから、最小許容空き空間を実験的に検証すると効果的である。省スペースを追求するための検証実験の回数は、燃料電池システムが要求する精度や応答性にもよるが、前記目安を基に行えばせいぜい２〜３回以内の試行錯誤でそのレベルが把握可能となる。以上のような化学反応現象の時間的推移と共に変化する特性とレベルを、構造設計仕様の特性とレベルに置換する技術に裏付けられていることを特徴とする燃料ガス生成供給装置。
【００１２】
第二発明は、前記生成ガスは、化学反応の勢いがある状態では、前記第１の反応空間内で若干粘性を有する水素ガスから成る小から大に成長する無数のバブルを連続的に行わせ、第２の化学反応空間内では、前記粘性がこれまでより低下した溶液の中で無数からやがてゼロに近づく小の水素ガスから成るほとんど成長しないバブル状態の化学反応活動に移行させる手段を有している。従って、前記化学反応の勢いがある状態では、前記第２の化学反応空間内への化学反応物の流入量は少なくかつ存在しても、その粘性が低下しているので、前記第２の化学反応空間内に液体不透過膜手段（例えば、ゴアテックスシートなど）を介して、前記ガス供給出口手段に連通することにより、その面積を少なく出来るコンパクト化技術により、多用途に適応可能な技術に裏付けられたユニットを備えたことを特徴とする燃料ガス生成供給装置。
【００１３】
第三発明は、前記生成ガス圧力に応答して、前記化学反応誘発・促進部材の供給量を制御する制御手段１と、前記生成ガスの供給圧力を制御する圧力制御手段２の少なくても１つを有し、該制御手段１と２は、前記生成ガス圧力を受け変位する薄板弾性変形手段をそれぞれ備え、該薄板弾性変形手段はほぼ中央部に動通面積を前記変位により増減させる手段を有し、前記圧力制御手段２は前記第１の化学反応空間外に備え、低圧でも小型で応答性良い高性能な制御を可能にする技術に裏付けられたコンパクトなユニットを備えたことを特徴とする燃料ガス生成供給装置。
【００１４】
第四発明は、前記収納手段２は少なくても１つの壁で分割された空間を有し、その壁には少なくても１つの細孔を備え、前記分割空間はそれぞれ前記細孔付き化学物質収納手段と前記ガス供給出口手段と連通し、各空間のモジュール化技術を備えることにより、幅広い適用に対して普遍性を備えかつ、自由度を備えた構造設計技術に裏付けられたモジュールからなるシステムを特徴とする燃料ガス生成供給装置。
【００１５】
第五発明は、多様な用途にまだ開発途上でもある小型燃料電池向けに、当燃料ガス供給手段を効果的・効率的に最適化を容易に実現する有効な要素として明確になった、前述の容器が備える細孔サイズ、容器の壁厚さ、そして前記第１と第２の反応空間の大きさが重要な特性について、構造設計のレベルに置換するために、そのレベルの算出・検証作業を、視覚情報を得てさらに的確・容易に行うことを可能にする置換特性の可視化技術を備え、汎用的な最適化仕様設定・検証手段を、効果的・効率的に対応可能な即応技術に裏付けられたシステムを特徴とする燃料ガス生成供給装置。
【発明の効果】
【００１６】
第一発明によれば、一般的化学物質が有する、化学反応特性の経時変化と燃料ガス生成供給装置の構造設計特性の対応付けする設計技術の明確化により、多種多様化学物質を用いた燃料ガス生成のための多様な化学反応手段に対しても、汎用的で安価、容易に適用可能とする基本的置換技術の確立ができた。すなわち、化学反応が活発に行われそれにより生成されるガスを含むやや粘性を持ったバブルが小さいサイズから大きいサイズへの成長速度が速い前記特性とそれらのレベルに対応して、その容器が有する細孔のサイズ、容器壁厚さと前記化学物質充填後の空き空間の大きさのレベルの少なくても１つの特性とレベルを対応させ設定することは、前記所定の制限を加えない空間内での化学反応の場合より、化学反応溶液と前記化学物質の分散・拡散を防ぎ、溶液濃度が時間と共に低下することを遅らせ、前記溶液濃度の維持が図られる。従って、前記液体の供給量制御による前記生成ガス生成量制御の応答性が、時間と共に低下することを遅らせる効果を産んでいる。そして、化学反応の活動が進み、粘性がこれまでより低下し、また生成されるバブルサイズも小さいまま成長が遅くなった溶液は、前記細孔より第２の化学反応空間へ流出することになる。この流出は、前記第１の化学反応空間の溶液濃度等の低下を防ぐものである。当第２の化学反応空間へ流出した溶液は、まだ余剰の化学反応能力を有するもので、ここで残存の化学反応を継続する。さらにここで、本発明による前記対応付け手段を基にして実践的に算出・検証する有効な具体的データの例および具体的効果例を、以下に説明することにより本発明が普遍的に有効であるかが具体的にわかる。
【００１７】
具体例として、前記化学物質としてボロハイドライド（ＮａＢＨ４）を用い、また化学反応を促進させるための触媒としてDL-りんご酸（HOOCCH(OH)CH２COOH ）を用いた溶液を基にした燃料ガスを生成する場合において、燃料電池システムの出力が、１０Ｗ，２０Ｗ、５０Ｗと１００Ｗの場合、それらが要求する燃料消費量は、一例としてそれぞれ毎分１７、１４６、５０３と９０６ｃｃ（これらはシステム側により異なる）程度と仮定すると、そのために必要な前記触媒溶液の必要量は１．０モル、０．６モルと０．２モルの場合、前記出力２０Ｗ向けで言うとそれぞれ毎分０．３、前記とほぼ同程度の０．３と１．２ｃｃである。また、前記化学物質としてボロハイドライド（ＮａＢＨ４ ）の必要量は、これも純度、気温によって異なるが、おおむね化学式と同じ程度の生成量が生成されることが実験的に実証されていて、燃料ガス（水素）１ＮＬに対してはほぼ０．５ｇ（成型形態によって異なるがほぼ１ｃｃ相当）である。そして、実際に出力２０Ｗ向けに想定して試験条件を設定した内容は、常温・ほぼ常圧状態で、前記触媒溶液濃度が、０．６モルでその圧送圧力は７ＫＰａとした、当条件の下での化学反応現場の状況を次に示す。その化学反応化合物の溶液は、生成ガスよりなるやや粘性を持った無数の直径１ｍｍ程度のバブルが５〜６ｍｍ程度以上に急速に成長して状態である。その状態は、通常の水以上の若干粘性を持った無数のバブル状（丁度、石鹸水の泡に類似）である。この時、用いた前記化学物質収納容器の仕様は、あらかじめ前記化学反応溶液の特性とレベルに置換しておいた。すなわち、細孔サイズ、容器壁の厚さと空き空間の大きさは、それぞれバブルサイズの下限の直径１ｍｍ、容器壁厚さ１．５ｍｍとし、前記容器内の前記化学物質充填後の空き空間はほぼ前記化学物質の容積とほぼ同等と設定したものである。こうした環境下での前記化学反応が激しく維持している状態では、化学反応溶液は第１の化学反応空間内に留まり、生成ガスを放出し続ける。その間、前記１ｍｍの細孔から第２の化学反応空間へ流出はほとんど見当たらない。やがて、前記化学反応活動が下降になる中盤以降の終盤に向けては、前記１ｍｍの細孔から第２の化学反応空間へ流出しはじめその終盤に向けさらに増加して、その時の溶液は、透明で粘性は水程度に低下（その状況は、水中で１ｍｍ以下の気泡が上昇する速度と同じである。また、実験終了後の溶液は水の粘性と同等）しているようで、ほとんど成長しない１ｍｍ以下の無数の気泡からやがてゼロに近い状態となる。そして、前記第１と２の化学反応空間内の溶液のレベルに差はない状態となる。またさらに、容器に備えた細孔サイズと容器壁厚に換えて、一般的に入手できるクロスの袋状容器においても同様な化学反応状態で推移した。前記以上の観察結果からすると、前記仮定した特性とレベルにおいて、前記理想とした結果がほぼ得られたため、前記レベルを最適値と限定するものではないが、一応各特性に対する推奨レベル域が把握できた。従って、以上の事例による特性とレベルの対応付け手順を基にすれば、最終的にはシステム全体仕様からトレード・オフする優先順位を決める有効なデータが得られ、燃料電池システムとしての最適化を効果的に効率よくかつ容易に図られるメリットがある。従って、本発明により、多種多様な化学物質を用いた装置設計の場合でも、応答性・再現性が良く適用範囲も広い燃料ガス生成手段と高感度な化学反応速度の制御手段を、普遍的な基本的技術の裏付けを持って、しかし、廉価で小型・シンプルな構造でかつ再利用可能な装置を可能に出来た。
【００１８】
第二発明によれば、前記第の２の化学反応空間内は、前記化学反応化合物の粘性特性が低下したもので、しかも化学反応経過時間の中盤以降より終盤に向け流入増加することから、前記空間内に液体不透過膜手段（例えばゴアテックスシートなど）備えることは、該膜手段の面積を小さくさせることを可能にした。従って、コンパクトな簡単構造化で携帯用を含め、その適用範囲に制限のない構造的に自由度のある柔軟性をもった装置を可能にし、使われ方にとらわれない装置を可能にする適応化技術に裏付けられたユニットを提供することが出来た。
【００１９】
第三発明によれば、化学反応により生成されるガスの圧力に応答して、前記液体の供給流量を制御する制御手段１と前記生成ガスの供給流量を制御する制御手段２の少なくても１つを有し、該制御手段１と２は前記生成ガスの圧力に応答して変位する薄板弾性変形手段（例えば、ラバー材、樹脂材など）を備え、該弾性変形手段のほぼ中央部に流路面積を増減する手段を備えることにより前記制御手段は、コンパクトでかつ簡単構造・廉価に低圧力下においても有効な手段の提供を可能にした。従って、常温・常圧下で作動する小型燃料電池システムが要求する、低圧力下でも高感度で再現性が良い作動要求に応えられる高性能な制御を可能にする技術に裏付けられたコンパクトなユニットを提供することが出来た。
【００２０】
第四発明によれば、前記液体収納手段２が少なくても１つの壁で分割され、その壁には少なくても１つの前記細孔を有し、前記第１の化学反応空間と前記生成ガス供給出口を連通することにより、各空間はフラクタル的に同機能を有するモジュール構造を可能とした。例えば、バルーンを１つの扁平空間で膨らませることは、ラバーと周辺壁との摩擦により一般的には困難であるが、縦・横比が１に近い空間ほど有利であり、簡単に高容量化に対応できる。従って、当コンセプトは、本発明によりコンパクトで低コスト材料による装置の製作を可能にしているため、そのためのコストアップより得られる付加価値効果の方が大きい。すなわち、前記各モジュールのユニット化により、構造的にその空間構成の自由度を広げる効果を産み、たとえば、燃料ガス供給装置が扁平空間で高容量を要求される場合は、前記各ユニットを横に付加し、一部を縦に付加するなど多様な対応を可能にして、小型燃料電池システムへの適用がその性能を落とさずにシステム設計に応えられる。従って、構造的にもその多様な用途への適用範囲を広げることができる。特に携帯用では、軽薄短小のニーズは一般的であり、こうした用途に対しても、空間を分割することにより、前記化学反応溶液の流出堰となり、溶液濃度の拡散を防止させ、かつ溶液の前記ガス供給口手段より外部に流出しにくくさせる効果もあり、相乗効果としてさらに、各空間をシリアルに連通させ、前記ガス供給口手段を前記ガス流動最終空間に備え、その最終空間に前記液体不透過膜を備えればその膜面積を小さく出来る省スペース設計を可能とする、幅広い適用に対して普遍性を備えかつ、自由度を備えた構造設計技術に裏付けられたモジュールからなるシステムの提供を可能とした。
【００２１】
第五発明によれば、まだ開発途上でその仕様も変わりやすい多様な小型燃料電池向けに、当発明による燃料供給手段を効果的・効率的に最適化を容易に計るための手段として、前記化学反応速度に対応させた前記容器が備える細孔サイズ、壁厚さと前記化学反応空間の空き空間の大きさを構造設計仕様に置換させる手段を明確化にしたが、その最適化を図るための設定・検証作業を一層容易にさせるための有効な手段として、透明なアクリル材の使用も可能にさせる常温・低圧下環境下で作動可能な本発明による簡単構造により、低コストで製作容易に内部の重要な化学反応現場の状況の可視化を可能にした。そして、この目視観察情報を基に、前記仕様の最適化作業を的確に行う手段により、汎用的な最適化仕様設定・検証手段を、効果的・効率的に対応可能な即応技術に裏付けられたシステムの提供が出来た。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施例について、図面に基づいて説明する。
【００２３】
図１は本発明の第１実施例で、化学反応により必要な時に必要な量の燃料ガスを生成供給し、携帯向けも使用可能にした小型軽量水素ガス生成供給装置の構成図である。
【００２４】
本発明のガス生成供給装置は、液体（ここでは、ＤＬ-りんご酸を用いた触媒溶液）２０が介在することにより、化学反応を起こして燃料ガスを生成する化学物質（ここでは、ボロハイドライド）１０を容器１１内に半分程度を収納（図示していない）した収納手段１と、前記液体の圧送供給可能な手段を収納した収納手段２の２つのモジュールから構成されている。
【００２５】
前記化学物質１０は、投入口１６より、細孔サイズ１ｍｍ１１ａ、容器壁厚さ１．５ｍｍを備えた容器１１内に投入される。また、前記液体２０は、注入口２２より圧入器（図示なし）によりバルーン２１内に注入される。当注入された液体２０は、前記収納手段１への流動を可能にするチェックバルブ３を経て連通管１２より前記容器１１内に排出され、前記化学物質１０と接触し第１の化学反応を開始し、前記接触がなくなるまで継続する。この間、やや粘性をもった無数のバブルが激しく成長しながら前記容器１１内を充満し、燃料ガスを生成し続けている。やがて、前記接触がなくなると、化学反応溶液の粘性が低下し前記バブルの成長もほとんど止まり、前記溶液は、細孔１１aを経て第２の化学反応空間１１ｂへ流出し、そこでその残存の化学反応を継続する。前記化学反応で生成された燃料ガスは出口３００より燃料電池システムへ供給される。
【００２６】
そして、前記化学反応が始まり燃料ガスが生成される状態は、前記化学反応開始と共に前記収納手段１の内部の圧力が、圧力ゲージの上昇でわかる。そして、当内部の圧力が前記バルーン２１により生じる前記液体２０の供給圧力より高くなると、その前記液体２０の供給は停止し、低くなると前記液体２０の供給が再開する状況も圧力ゲージの若干の変動でわかる。この繰り返しにより、継続的にあらかじめ設定した燃料ガス圧力域で反応を継続する。しかしここでもし、前記内部圧力が急速に異常に上昇した場合は、チェックバルブ３により前記バルーン２１内への逆流を防ぎ、過剰な化学反応を防止する機能を備えている。また、小型燃料電池のように電力出力が小さい用途の場合は、燃料ガス消費量（たとえば、燃料電池出力２〜２０Ｗクラスでは、おおむね燃料ガス消費量は１７〜１５０ｃｃ程度）は少なく、かつその消費変動幅も小さいので、燃料ガス生成量の変動幅をその小型燃料電池の電力出力要求に対応して、絞り１２aを備え、微妙な制御を可能にしている。特に、化学反応開始時の瞬時における過剰な化学反応の抑止効果がある。
【００２７】
また、前記容器１１内の第１の化学反応空間内での化学反応溶液の状態は、粘性を若干持ったφ１〜５ｍｍ程度以上に急速成長するバブル状態で容器１１内を満す。そして、その粘性を持ったバブル状態のため容器１１内に留まった状態を維持し、その間生成ガスが、ここではφ１ｍｍの細孔から排出される。やがて粘性がなくなる化学反応終盤時点になると、徐々に前記化学反応溶液は前記φ１ｍｍの細孔から第２の化学反応空間内に排出されるが、ここでもさらに余剰の化学反応を継続する。前記粘性を若干持った状態（常温での水溶液比較で）の持続時間は、諸条件で異なってくるが、例えば室温で前記ボロハイドライドを前記容器１１内に半分程度で、前記ＤＬ-りんご酸０．６モルにより燃料ガスを毎分１００〜２００ｃｃの場合で、燃料ガスの生成を若干の化学反応速度の低下は見られてくるものの継続している時間は、中盤以降まで第１の化学反応空間内でその大半の化学反応溶液が留まりそこで化学反応が続く。そして、中盤以降から終盤に向けて徐々に前記細孔１１ａから第２の化学反応空間内に流出されるが、その量は微量である。さらに終盤では、化学反応速度は比較的急速に低下し、前記第２の化学反応空間内に流出する速度は速くなり、そこに溜まった量は、第１の化学反応空間内に溜まったレベルと同程度になり、その溶液の状態は、透明な溶液中よりφ１ｍｍ程度のほとんど成長しない連続的気泡を出す（水中におけるφ１ｍｍ以下の連続的気泡の現象と同程度）がやがてゼロに近づく。
【００２８】
さらに、前記容器壁が備える細孔サイズφ１ｍｍ、壁厚１．５ｍｍに換えて、一般的に入手可能な通気性を持つクロスを袋状にした容器（図示なし）を用いた前述と同じ試験を繰返しても、同様な化学反応現象の推移を示した。
【００２９】
図２は、本発明の第２実施例の水素ガス生成供給装置の構成図である。本第２実施例は、前記図１と同様の収納手段１と収納手段２で構成をなしたものであるが、燃料生成ガスの排出は液体不透過膜(例えば、ゴアテックス)１５を介したものである。従って、相当する部位には同じ符号を付け、重複する説明は省略する。
【００３０】
前記液体不透過膜１５は、液体を透過させずガスのみを透過させるシートであるため、携帯用にも使えるようにしたものである。さらに図１で説明したように、連続的に燃料ガスを制御・生成している間は、前記化学反応溶液の大半は前記第１の化学反応空間１１内に粘性を持ったバブル状で残るため、その必要面積を少なくさせユニットをコンパクト化させるメリットを持たせたものである。
【００３１】
図３は、本発明の第３実施例の水素ガス生成供給装置の構成図である。本第３実施例は、前記実施例１および２と同様、前記収納手段１と前記収納手段２の２つに加えて、さらに燃料生成ガスの生成量と供給量を感度・精度良く制御するために制御手段４と制御手段４aを付加したものである。従って、相当する部位には同じ符号を付け、重複箇所の説明は省略する。
【００３２】
前記制御手段４は、前記液体２０を前記化学物質１０へ供給する弾性材よりなる連通管（ここでは、シリコンゴム管）４１、薄板弾性シート（ここでは、ラバーシート）４４、ネジ４２、固体円管４３と孔４５から構成されている。前記液体２０の外部からのバルーン２１への注入は、前記ネジ４２を閉じた状態で行われ、燃料ガス生成の開始は、前記ネジ４２を開くことにより前記化学物質１０への供給が開始されて、前記化学物質１０と接触して第１の化学反応空間１１内で化学反応が始まる。前記薄板弾性シート４４は、前記穴４５を通して受ける前記ガスの圧力に応じて変位し、前記連通管４１に円形部材４３を介して作用して前記液体２０の供給量を増減する。前記制御手段１の応答感度は、前記バルーンの圧送圧力は１０ＫＰａ程度、前記連通管４１は外径２．５ｍｍ、内径０．８ｍｍ、そして前記薄板弾性シート４４は、厚さ０．５ｍｍ、直径２０ｍｍを用いた場合に３ＫＰａ以下から２０ＫＰａ以上程度の範囲が可能である。なお、前記シート４４の直径を１０〜３０ｍｍ以上に振った場合でも、そのサイズに対応したその感度・精度が得られることを確認しており、その自由度は広い。いずれの場合も薄板弾性シート４４収納部の高さは、７〜８ｍｍ程度の小型なものである。
【００３３】
制御手段４ａの作動原理は、前記手段４と同じである。燃料ガス圧はボール４３ａと連動する薄板弾性シート（ここでは、ラバーシート）４４ａに作用し、スプリング４５を押し上げる方向に変位することにより、座４６ａとの間に隙を生じさせ、燃料ガスが出口３０１より燃料電池に供給される。当ガス供給圧力は、前記スプリング４５の荷重によって決まるが、その制御圧力能力は前記制御手段１と同様であるので、ここでは省略する
【００３４】
図４は、本発明の第４実施例の水素ガス生成供給装置の構成図である。本第４実施例は、前記実施例３と同様に前記収納手段１と２、前記制御手段４と４ａから構成されているが、前記収納手段２は、２つの液体供給手段(バルーン)２０ａと２０ｂを収納した２空間に分割したものである。従って、相当する部位には同じ符号を付け、重複箇所の説明は省略する。
【００３５】
前記バルーン２１ａと２１ｂへの液体の注入は、注入口２２ａと２２ｂからされる。前記バルーン内の液体２０ａと２０ｂは、連通管１２ｂ、１２を通って出口１２ａより前記化学物質１０と接触して、第１の化学反応空間での化学反応を開始する。その開始は、前図３と同様ネジ４２を開くことにより始まり、まずは前記第１の化学反応空間内を化学反応溶液で満たし、やがて細孔１１ａを経て第２の化学反応空間１１ｃ、１１ｄと１１ｅへ流出し化学反応を継続する。前記化学反応で生じた生成ガスは、２２ｃ、９ｂと液体不透過膜（ここでは、ゴアテックスシート）１５を通過して出口３００へ流動する。しかしここで、前記化学反応溶液が前記空間１１ｃ、１１ｄと１１ｅに留まる量の時系列的変化は、本図４の場合前記空間がシリアルに連通しているので、１１ｃ、１１ｄと１１ｅの順となり、前記空間１１ｅ内への流入量は、前記化学反応現象が持続している状態では最も少ないため、当空間に設けた液体不透過まく１５の面積はさらに小さくすることを可能にしている。そして、燃料ガス生成装置を薄く扁平に製作する必要のあった本図４の場合の内部空間の大きさは、高さ１０ｍｍ、幅７０ｍｍ、長さ１６０ｍｍあり、当扁平空間を分割せずに１つのバルーンを膨らませることは、バルーンと壁との摩擦のために簡単ではない。従って、内部空間を縦・横の寸法比率が１に近い空間構造をとってある。こうした扁平空間を分割させることにより、高容量のガスの生成を可能にする付加価値も産んでいる。制御手段４と４aの作動は前図３と同じである。
【００３６】
図５は、本発明の第５実施例の水素ガス生成供給装置の断面図である。本第５実施例は、前記実施例１で示した構成図の１つの実施例の断面図である。従って、相当する部位には同じ符号を付け、重複箇所の説明は省略する。
【００３７】
本図５に示す装置は、収納手段１と２をそれぞれ独立させたユニットであり、それぞれはネジ部を有する勘合部１４ａ箇所で合体している。容器２３ａが前記勘合部１４ａと合体する過程で、最初に、前記管２２ｍに圧入されシール部を有する円管２８が相手側勘合円管３３と勘合し、次に前記チェックバルブ３を構成している部材３２に圧入されている円管２６によりボール２５を押し下げて、円管２６でシールしていた座に隙間を作る。前記円管２６と２８の間には隙間があり、前記液体１０は、孔２７から前記チェックバルブ３を経て出口１２aへ流動する。生成された燃料ガスは、細孔１１ａ、９ａを経て出口３００へ流動する。
【００３８】
また、前記バルーン２１内への前記液体２０の注入は、前記収納手段１が単独に存在する状態でも前記合体した状態でも可能である。その液体２０を前記バルーン２１内への注入は、圧入器で前記注入口２２より注入する。その液体２０は孔２２ｇから弾性変形管（ここでは、ラバー管）２２ｈを押し広げて円管２２ｊとの間に隙間が出来て円管２２ｍ内に注入され、孔２２ｎよりバルーン２１内に圧送される。前記圧入器を前記注入口２２より外しても、前記孔２２ｇは前記弾性変形管２２ｈの収縮力と、前記バルーン２１の圧力でシールされ液漏れは生じない。当方式の代わりにチェックバルブ３の手段を同様にここに用いる方法もあるが、前記液体２０の内圧が前記バルーン２１に基づくような３〜１７ＫＰａ程度の低圧では、廉価な材料・加工方法等を選択した場合は、そのシール性は悪く漏れ易くなる。この時、収納手段２を単独で存在させて長時間保管する場合、前記溶液１０が無害であれば若干の漏れが心配されても漏れ防止のためキャップ（図示してない）をすれば保管可能で、ロー・エンド  モデルへの適用も可能である。しかし、その構成材料を良いものに選定し、かつ精度を上げてシール性を完全なものに加工した多少高価なものは、ハイ・エンド  モデルへの適用も勿論可能である。
【００３９】
図６は、本発明の第６実施例の水素ガス生成供給装置の断面図である。本第６実施例は、前記実施例５で示した前記収納手段１と２をそれぞれ並列に配列させた１つの実施例の断面図である。従って、相当する部位には同じ符号を付け、重複箇所の説明は省略する。
【００４０】
前記収納手段１は、勘合部１４ａと勘合し、これがガイドとなり管２６と３３がやや圧入勘合し、連通管１２ｂとチェックバルブ３を経て液体２０と連通し、生成された燃料ガスは細孔１１ａ、９ｂを経て出口３００へ流動する。円盤１１ｆは、容器１１内の化学反応物質が直接前記出口３００へ流動すること防ぐ目的で設けてある。
【００４１】
また、収納手段２も前記と同様に、勘合部材２２ｐと勘合しこれがガイドとなり、キャップ２２ｋと圧入勘合している管２２ｊと２２ｓがそれぞれ部材２２ｑとやや圧入勘合する。バルーン２１への液体２０の注入は図５と同様注入口２２から行う。注入された液体２０は、前記管２２ｓから連通管１２ｂを経て、チェックバルブ３、前記管２６を流動し、出口１１ａより収納手段１へ流出する。
【００４２】
図７は、本発明の第７実施例の水素ガス生成供給装置の断面図である。本第７実施例は、前記実施例３で示した構成図の１つの実施例の断面図である。従って、相当する部位には同じ符号を付け、重複箇所の説明は省略する。
【００４３】
収納手段１と２は前記実施例３と同じ配列であるが、制御弁４を外部に設けて全長を抑えた構造である。それに従い本図７では、連通管４１、１２は外部に設けられている。細孔１１ａ付き容器１１内で第１の化学反応を起こし、粘性が低下した化学反応物質は、細孔１１ａを流出し第２の化学反応空間１１ｂでさらに化学反応を継続する。前記化学反応で生成された燃料ガスは、細孔１１ａ、孔１８と液不透過膜（ここでは、ゴアテックスシート）１５より出口３００へ流動する構造は前記実施例３と同じである。また、容器１７の長さも当図７に固定したものでなく、前記容器１５と同等長さにしても良い。また、バルーン２１の充満時には周辺容器１４（容器１７を伸ばしてこれを壁とする場合は容器１７）間に隙間がなくなるので、必要なら前記化学反応生成物の流動可能な例えば波型スペーサー等（図示なし）を介する構造にした空間の有効利用も可能である。
【００４４】
図８は、本発明の第８実施例の水素ガス生成供給装置の断面図である。本第８実施例は、前記実施例１と６で示したもう１つの実施例の断面図であるので、相当する部位には同じ符号を付け、重複箇所の説明は省略する。
【００４５】
収納手段１と２の空間は、壁９で仕切られておりそれぞれ独立している。バルーン２１はキャップ２２ｖと管２２ｍと一体化しており、またシール部２８で圧入勘合しているが脱着が容易な構造になっている。液体（ここでは、ＤＬ−りんご酸を用いた触媒溶液）２０のバルーン２１内への注入は、前記実施例６と同様注入口２２より行うが、ここではその注入前にシャフト２２ｊと一体化しているキャップ２２ｔで、前記シャフト２２ｊの先端部２５aで座部２４を閉じていることを確認しておく。この時キャップ２２ｔを回転させても、可動シール部２２uによりシールされる。燃料ガス生成の開始は、前記キャップ２２ｔを緩めて前記シール部２５を開くと、前記液体２０は連通管１２ｂを流動して出口１２aから排出され、化学物質１０と接触して化学反応が開始し燃料ガスが生成される。そのガスは孔１１a、液体不透過膜（ここでは、ゴアテックスシート）１５を経て出口３００に流動する。細孔付き板９aは、前記液体不透過膜１５との間はガスが流動可能なように波型面(図なし)を有し、容器１４に挿入されている。
【００４６】
図９は、本発明の第９実施例の水素ガス生成供給装置の断面図である。本第９実施例は、前記実施例４の構成図の１つの実施例の断面図である。従って、相当する部位には同じ符号を付け、重複箇所の説明は省略する。
【００４７】
収納手段１と２の空間と制御手段４の構造は、前記実施例４の構成図と同じであるが、バルーン２１ａと２１ｂへの液体２０の注入口２２の１つにまとめたものである。また、前記バルーン２１ａ、２１ｂは、管１２ｂと１２ｃに連通しかつその各先端部２０ｇと２０ｈが前記実施例６の管２２ｓと同様構造（重複構造のためここでの図示なし）のやや圧入勘合手段を備えている。前記バルーン２１ａと２１ｂは、それぞれキャップ部２０ｅ、２０ｆ部より脱着を可能にし、保守点検や前記バルーンの仕様の変更や容器１４内の洗浄等で再利用も可能にしている。しかし、本図４では、前記化学物質１０を壁１１と１４で構成される前記第１の化学反応空間内に充填後の該空間内の空き空間が、これまで述べてきた所定の大きさを確保できなかったので、その機能をその空間と連通した第２の化学反応空間１１ｃにも持たしている。従って、壁１１が備える孔１１ａは、図５に示すような位置と数を備えている。従って、化学反応溶液は、最初に前記第１の化学反応空間内を充満するが、引き続き空間１１ｃも充満するタイミングは早くなっている。勿論、前記第２化学反応空間内に所定の空き空間が備えられる場合にはその必要はない。
【００４８】
図１０は、前図９の断面Ａ−Ａを示している。収納手段と２間の壁は図示のように、ここではφ１ｍｍの細孔が複数上下２段に開いており、溶液の排出が上下からしやすい構造をなし、前記第１の空き空間の不足分を補っている。しかし、前述したように、前記補う必要のない場合は、下段の列に設けた孔は必要ない。そして、前図９の壁２２ｒ、９ｂに設けた細孔の数は次第に減らし、その位置も装置が多く使用される上下方向から使用頻度の多い上部側（ここではいずれも図示なし）に設けている。この意図は、前述したように、前記化学反応溶液は、化学反応経過時間と共にその粘性は低下するので、その流動性をますので上部位置に数を減らし、粘性ある溶液は源流で溜まり易い堰となる構造をなしてある。一方、ガスは透過し易く、下流に設ける液体不透過膜１５の面積の低減を可能にしている。
【００４９】
図１１と１２は、本発明の第３実施例で示した構成図の制御手段４と４ａを、それぞれ１つの実施例として示した断面図である。この２つのコンセプトは同じである。従って、相当する部位には同じ符号を付け、重複箇所の説明は省略する。
【００５０】
前記制御手段４と４ａは、いずれも生成ガスの圧力を利用した制御手段であるが、小型燃料電池向けに小型・シンプルで廉価な構造の中で、その感度を２〜３ＫＰａ以下でも再現性がありかつ精度・応答性の良い装置である。前記生成ガス圧力が、薄板弾性シート材（ここでは、厚さ０．５ｍｍ、直径２０ｍｍのラバーシート）４４、４４ａに作用することにより前記効果を得ることが出来ている。図１１では、前記圧力を入口３００から受け前記シート４４ａを反対側から作用するスプリング４５に抗して押し上げ、前記シート４４ａと連動して変位するボール４３aがシール面４６ａ間で隙間をつくる。この隙間の量は前記圧力の大きさに連動する。なおここでもし、前記ガスが３０１側から前記ボール４３ａを押し上げる構造をとった場合は、ボール４３ａの面積が小さいために大きな力が必要となり、高感度制御が出来ない。従って、本方式は前記ボール４３ａより大きい面積にしかも弾性変位容易な部材４４ａに作用させる構造をなしているため、前述の効果を得ている。図１２も同様に、前記ガス圧力は孔４５から前記シート４４に作用し、その変位が円管４３を介して弾性円管４１（ここでは、外径２．５ｍｍのシリコンラバー）の流路断面を変化させる。その変化量は前記ガス圧力の大きさに対応したものである。さらにネジ４２は、前記管４１を外部より手動で開閉させるものであるが、この開閉量に応じさらに低圧での制御も可能である。すなわち、前記ネジ４２で全開にするのではなく、あらかじめ所定の位置(例えば、1/2開放)でプリロードを前記管４１に与えておけばその分、低圧での制御も可能にさせるものである。また、部材４５ｂを前図１０の部材１４eと一体化させスペースを小さくさせることも出来る。
【００５１】
図１３は、前記実施例６を基にさらに大容量の水素ガス生成量を得るための構造の１つの実施例を示したものである。従って、相当する部位には同じ符号を付け、重複箇所の説明は省略する。
【００５２】
大容量の水素ガス生成量を得るためには、収納手段１に備えた容器１１内に収納する化学物資１０は当然ながら増大し、かつ、長い化学反応時間への対応も必要となる。こうした条件下でも、安定的にかつ感度良く燃料電池側が要求する必要な時に必要な量を供給させる必要がある。そのためには、これまで得られた本発明の普遍的技術を応用し、少なくても１つの細孔を備えた少なくても１つの部材１１ｇ（本図１３では２つめの１１ｈを有する）を挟んで、化学物質１０をほぼ均等に分割収納している。このため一度に全ての前記化学物質１０に化学反応物質が接することをさまたげ、分割空間毎に暫時進行させることができる。ここで、その分割数と液体出口１２ａの数と位置は、適応する燃料電池側の燃料消費量と連続運転時間と前記容器１１のサイズや用いる触媒溶液濃度等により決まるが、こうした最適化追求に対しても、効果的にかつ効率良く行うことを可能にした。なぜなら、前述してきたように本発明では、透明樹脂材料での容器が適応できるため、容易に化学反応現象を観察しながら方向性の早い見極め可能な手段を提供できたから。
【００５３】
また、本図１３のコンセプトを基に当容器の使い方として、前記化学反応速度に応じた特性とレベルを備えた細孔付き部材１１ｇ、１１ｈ等を用い固形酸化触媒（例えば、ゼオライト、ナフィオン等）を、前記収納手段１または２内に収納した場合、あるいは前記収納手段１または２と異なる空間に備える応用も可能で、いずれも本発明の中に含まれる。
【００５４】
図１４は、前記実施例６と前記水素ガス供給制御弁４ａを併用した実験結果の１例である。本実験条件は、水素ガスを生成する化学部材としてボロハイドライドを使用し、触媒溶液として０．６モルのＤＬ−りんご酸をバルーン圧６−７ＫＰａに注入して、その溶液の常圧下（空気中に自由放出）での供給量を毎分２ｃｃ程度に、あらかじめ前記絞り手段１２ａを調整して行った結果である（もしここで、あらかじめ前記調整をしなかった場合は、水素ガス生成量毎分１５０ｃｃの場合に必要とする前記触媒溶液は前述したように毎分０．３ｃｃ程度となる量である）。直線Ａ、ＢとＣの水素ガス生成圧力、すなわち前記水素ガス供給制御弁４aの圧力と室温は、それぞれ５ＫＰａ＠３２℃、５−８ＫＰａ＠３２℃と８ＫＰａ＠２３℃である。当結果より、前記制御手段４を必ずしも備えなくても、前記生成ガス圧力により、前記バルーンからの供給量が自動制御されることが実証されている。すなわち、実験結果が示すＡ，ＢそしてＣの順に、単位時間当たりのガス生成量が減少していることと、ガス生成圧力が上がる事により前記バルーン２１からの供給量が減少するために、その単位時間当たりのガス生成量が減少することは対応しており、ガス生成圧力とバルーン供給圧力との相関で自動制御されていることがわかる。また、前記自動制御の状況は、前記生成ガス圧力を測定するゲージの変動よってもわかる。なお、ここで前記絞り手段をあらかじめ毎分２ｃｃ程度に調整することは、この量に限るものではなく、また高い精度をさほど要求されるものではない。化学反応開始時（まだ前記自動調整の開始前の最初の化学反応時点）で、意に反して高濃度触媒溶液を使用してしまい、かつ一度に大量に供給されると、当然ながら激しい化学反応現象を引き起こして、瞬時に前記自動調整範囲を超える化学反応が起ることを未然防止している。さらに付随効果として、特に、毎分あたりのガス供給量をあらかじめ絞ってあるため、前記自動調整範囲における制御幅を小幅に安定供給が維持できる。
【００５５】
図１５は、前図１４で説明した実験条件の中で、触媒溶液濃度と生成ガス量の相関をとった１つの実験結果である。Ａ、ＢとＣの触媒溶液濃度は、それぞれ１．０，０．６と０．２モル、それらの供給速度は同じ、そして室温も同じ３０℃である。この結果からすると、本装置の場合は０．６〜１．０ではさほど差がないことがわかるが、０．２付近との差は大きく減少する。また、このデータを参考に前図１４で説明した、あらかじめ前記絞り手段１２aを調整する場合の予測に役に立つが、化学反応空間で圧力がある場合には、空中の自由空間での液体供給量と異なるのでその違いを考慮する必要はある。
「実施形態の効果」
【００５６】
この実施形態によれば、多種多様な化学物質を用いて化学反応により燃料ガの供給を、小型燃料電池の多様な用途向け小型軽量廉価な燃料ガス供給装置の要求に汎用的に適応設計させる仕様に対して、多種多様な化学物質がそれぞれ固有に備える化学反応特性の共通性を応用して、その構造設計のための基本構成に必要な基本的モジュールを明確化し、そのモジュールの構造的ユニット化をさせることにより、その適用範囲の拡大を可能にした。その基本要素のユニット化により、ロー・エンド  モデルからハイ・エンド  モデルに組み合わせ自由な品揃えが、シンプル構造でかつ普通に手に入る廉価なアクリル材等を用い、再利用可能な普遍的技術が確立できた。すなわち、基本モジュールとするものは、収納手段１と２の２つだけである。従って、ロー・エンド  モデルの基本構成は、前記収納手段１と２であり、さらに、ハイ・エンド  モデル向けは、前記収納手段の分割構成や付加機能として制御手段１と２を備えた多様な組み合わせ構成を可能にして、高性能化と高容量化を廉価に可能にしている。このコンセプトを基に、前記基本モジュールとする収納手段１と２をそれぞれ細孔付き空間に分割した空間を、必要分だけ平面または３次元に付加を可能にさせることである。しかも、必要に応じて安価な透明材料を用いて化学反応現場を容易に観察可能にして、燃料電池システムとして最適化を、一層効果的・効率的に行えるメリットがある。
【００５７】
従って、小型燃料電池システムそのものが、現在も開発途上でその形態および性能も向上して行く中で、本発明により、多様な化学物資を試行しながらかつ多用途の燃料電池システムに実用化を可能にして、かつその最適化が効果的・効率的良く燃料電池の開発に連動したシステム開発として可能となった。これにより据置型と携帯用を問わず、共通コンセプトの中で、災害時の緊急用、僻地向け、バックアップ電源等の多様な形態への適応範囲を広げることが出来た。
「他の実施形態」
【００５８】
前述したように、本発明の基本モジュールは、化学反応により燃料ガスを生成する多様な化学物質でも、それぞれに共通する化学反応時の溶液の特性を、燃料ガス生成供給装置の構造設計の仕様と対応させた細孔付き容器に前記化学物質を収納し、その容器を備える収納手段１と化学反応を促進する触媒物質を容器に備える収納手段２つである。そしてその特徴は、化学反応において、その化学反応時に多様な化学物質でも一般的に備える化学反応溶液の特性とレベルの変化を、構造設計の仕様に置換させた前記細孔付き容器、第１と第２の２つの反応空間を有することである。そして、その基本モジュールの発展系として、適用形態を広げる技術の１つは、前記２つの容器はそれぞれ分割された空間を有するが、各分割空間はこのコンセプトを有するフラクタル構造、つまりそれぞれは同じ機能を持つ分割モジュールである。また、図９の例でも説明したように、前記第２の化学反応空間内で所定の空き空間が備えられない場合は、第２の化学反応空間またはその分割した空間の１つのどちらの空間で補完させ場合も本発明に含まれる。そしてもう１つは、３〜５ＫＰａ以下の前記生成ガスの低い圧力でも精度良く制御可能にするために、薄板弾性変形シートに前記ガスを作用させ、そのシートの変位に応じてほぼ中央部に設けた弾性変形円管または凸状部材(円錐、球など)で流路面積を変動させる手段を言っている。従って、こうした手段のものは全て含まれる。
【００５９】
従って、図１〜９での実施形態では、燃料ガス生成化学物質を固形化したモデルで表現しているが、これに限定したものではなく、液体を含めそのコンセプトは同じである。特に、液体同士の場合は実際には固形化されたものより制御は容易である。同様に、触媒手段を液体化したモデルで表現しているが、図１３で述べたように固形化した触媒を用いた場合も水（Ｈ２Ｏ）は必要であり、コンセプトは同じため当発明に含まれるものである。また、本発明の基本技術は、前述したように非常にシンプルにモジュール化したもので、この空間構造は多様に容易に対応できるものであるので、燃料電池システムとしてのオールインワン一体型を含めて広い範囲での適用が可能であり、本発明の基本モジュールで構成されるものは全て含まれる。
【００６０】
また、前記基本モジュールのコンセプトを基に、前記収納手段１が備える前記細孔付き容器の構造を、液体不透過膜よりなる容器で構成したもの、あるいは、少なくても１部を前記液体不透過膜で構成した容器と一部を前記細孔付き容器と組み合わせたもの等も含まれる。前記液体不透過膜よりなる容器で構成したものは、さらにローエンド  モデルとして低出力向け燃料電池への燃料ガス供給を、カード型等の構造にしたものも含まれる。
【００６１】
さらに、本発明の特徴のもう１つは、図１１と１２に示すように、ガス圧力を薄板の弾性変形シートに作用して、このシートのほぼ中央部での変位により、圧力または流路断面積を常圧に近い圧力でも制御を、シンプル・小型ユニットで可能である。この適用は、全てのガスおよび液体による微妙な圧力制御に適用できるものであり、燃料電池向けに限るものではない。また当然ながら、ネジ４２は、本発明の目的に不可欠なものでなく必要とすることを前提としない。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の第１実施例の化学反応による小型燃料ガス生成供給装置の構成図
【図２】前図１の構成を携帯用に液不透過膜を備えた小型燃料ガス生成供給装置の構成図
【図３】前図２に圧力制御手段を備えた小型燃料ガス生成供給装置の構成図
【図４】前図３の収納手段２の空間を２つに分割し並列にした小型燃料ガス生成供給装置の構成図
【図５】前図１の構成図の１つの実施例の断面図
【図６】前図１の構成図の第２の実施例の断面図
【図７】前図２および３の構成図の１つの実施例の断面図
【図８】前図２の構成図の第２の実施例の断面図
【図９】前図４の構成図の１つの実施例の断面図
【図１０】前図４のＡ−Ａ断面図
【図１１】本発明の生成ガス供給圧制御装置の断面図
【図１２】本発明の液体供給量制御装置の断面図
【図１３】前図６の細孔付き容器１１の第２の実施例の構成図
【図１４】前図６の実施例による１つの実験データ
【図１５】本発明装置に基づく触媒溶液濃度と生成ガス量の１つの相関図
【符号の説明】
【００６３】
図中、１は液体収納手段、２は化学反応により燃料ガスを生成する固形部材収納手段、３はチェックバルブ、４、４ａは制御手段、９．９ａ、１４ｃ、１４ｄ、２０ｒ、２２、４６は壁、９ｂ、１１ａ、２２ｃ、２２ｎ、２２ｇ、２２ｓ、２６、２７、３２、３３、４５は連通孔、１０は化学物質部材、１１、１１ｇ、１１ｈ、１４、１７、２３ａは容器、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅは空間、１１ｆ、１３、１４ａ、２０ｅ、２０ｆ、２２ｋ、２２ｖ、４５ｂはキャップ、１２、１２ｂ、１２ｃ、２２ｊ、２２ｍ、２２ｓ、２６，４５ｄ、４５ｅは連通管、１２ａはオリフィス、１５は液体不透過膜、１４ａ、２２ｐはガイド部材、１６は化学部材投入口、２０，２０ａ、２０ｂは液体、２０ｃ、２０はバルーン挿入口、２１、２１ａ、２１ｂはバルーン、２２は注入口、２２ｈ、４１はラバー管、２２ｑ、２４、２８、３２、４６ａは座、２２ｔ、４２，４２ａ、４５ａはネジ、２２u、２８はシール部、２３、４５ｆ、はブリーザー、２５、３１、４３ａはボール、２５ａは突起部、４３、４５ｃは円柱、４４，４４ａはラバーシート、４５はスプリング、３００，３０１はガス出口
【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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【図１５】
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