JP2008093604A - 液体定量排出装置及び液体定量排出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】水等の液体を液体収容容器から送り出す場合に、その量が少量であったとしても定量で送り出すことが可能な液体定量排出装置を提供する。
【解決手段】液体が収容される液体収容容器２と、その液体収容容器２から液体を排出する液体排出路２ｂと、圧縮気体を収容する気体収容容器１と、その気体収容容器１と前記液体収容容器２との間に介在し、供給される気体の流量を大気圧基準で１０ｍＬ／時以下に規制する既定サイズの孔７ａを有する流量規制部７と、を備える液体定量排出装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧縮気体を利用して少量の液体を定量供給できる液体定量排出装置、及び液体定量排出方法に関するものである。

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。

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。

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。

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の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。水の送り量を制御（制限）するには、ポンプを用いることが好ましいが、ポンプを収容するスペースや駆動する機構が必要となり、コストアップや装置の大型化の原因となる。特に、水素発生装置をノートパソコン、ＰＤＡ、携帯電話などの携帯機器に組み込む場合等は、できるだけ小型化を実現できる構成が要求される。すなわち、ポンプを用いなくても水を供給できるような小型の液体供給装置を備えた水素発生装置が望まれている。また、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。

液体の定量供給装置としては、液体を溜める容器の液体排出路に、流路断面積を調節可能な弁を設けておき、容器内の液体に一定の圧力を生じさせる機構によって、液体を定量供給する装置などが、空気圧方式の注液装置などで知られている。

しかしながら、上記のような弁を液体排出路に設ける方法では、液体の供給量が一定以上の場合には、定量供給が可能であるが、本発明者らの検討によると、供給量がごく少量の場合には、流量の調整が困難となり、しかも流量が不安定になることが判明した。

特開２００４−６３１２７号公報 特開２００４−５９３４０号公報 特開２００４−１４９３９４号公報

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、水等の液体を液体収容容器から送り出す場合に、その量が少量であったとしても定量で送り出すことが可能な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。

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討した結果、容器に収容された圧縮気体を既定サイズの孔を介して排出する方法の場合、その孔のサイズによって流量の調整が可能となり、流量がごく少量の場合でも流量が安定することを見出し、これを液体の供給に利用することで、本発明を完成するに至った。
即ち、本発明の液体定量排出装置は、液体が収容される液体収容容器と、その液体収容容器から液体を排出する液体排出路と、圧縮気体を収容する気体収容容器と、その気体収容容器と前記液体収容容器との間に介在し、供給される気体の流量を大気圧基準で１０ｍＬ／時以下に規制する既定サイズの孔を有する流量規制部と、を備えることを特徴とする。

かかる構成による液体定量排出装置の作用・効果を説明する。この装置は液体が収容される液体収容容器と、圧縮気体が収容される気体収容容器を備えており、これらは流量規制部を介して連通されている。この流量規制部を既定サイズの孔（例えば孔径２μｍ未満）で構成することで、気体収容容器から供給される気体の流量を大気圧基準で１０ｍＬ／時以下に規制することができ、その流量が一定となるため、液体収容容器内の気体体積が一定速度で増加することによって、少量であっても液体排出路から液体を定量排出させることができる。その結果、水等の液体を液体収容容器から送り出す場合に、その量が少量であったとしても定量で送り出すことが可能な液体定量排出装置を提供することができる。

本発明において、前記液体収容容器の気体供給部に供給された気体が導入される袋部材を備えることが好ましい。この構成によると、袋部材内に気体を導入していくことにより液体収容容器内で袋部材の体積が増加し、増加分の液体を液体排出路から排出することができるため、液体収容容器の上下が逆転しても、少量の液体を定量排出することができる。

本発明において、液体は水素発生剤と反応して水素ガスを発生する反応液であり、液体排出路から排出される反応液は、水素発生剤が収容された反応容器へ供給されるように構成されていることが好ましい。

これにより、液体収容容器内の水を反応容器に対して定量供給することができる。また、ごく少量の水であっても一定量を供給し続けることができるため、反応容器において発生する水素ガスの量も適切となるように制御することができる。従って、特に携帯機器用に用いられる燃料電池システムにおいて好適に用いることができる。

一方、本発明の液体定量排出方法は、気体収容容器に収容されている圧縮気体を、既定サイズの孔を介して大気圧基準で１０ｍＬ／時以下の流量で排出して液体収容容器に供給し、その液体収容容器に収容されている液体を液体排出路から定量排出することを特徴とするものである。

この構成によると、既に述べたように、既定サイズの孔（例えば孔径２μｍ未満）を介して、圧縮気体を液体収容容器に供給することで、気体収容容器から供給される気体の流量を大気圧基準で１０ｍＬ／時以下に規制することができ、その流量が一定となるため、液体収容容器内の気体体積が一定速度で増加することによって、少量であっても液体排出路から液体を定量排出させることができる。その結果、水等の液体を液体収容容器から送り出す場合に、その量が少量であったとしても定量で送り出すことが可能な液体定量排出方法を提供することができる。

本発明において、液体は水素発生剤と反応して水素ガスを発生する反応液であり、液体収容容器から排出される反応液が水素発生剤が収容された反応容器へ供給されるステップを有することが好ましい。

この構成によると、ごく少量の水であっても一定量を供給し続けることができるため、反応容器において発生する水素ガスの量も適切となるように制御することができる。

本発明に係る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について、図面を用いて説明する。

図１は、第１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と液体収容容器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、圧縮空気などの圧縮気体が収容される。

圧縮気体としては、水に対して不活性なものが好ましく、空気に代えて、窒素、アルゴン、キセノン、ヘリウム等の気体を使用してもよい。圧縮気体は、同じ圧力で圧縮されていても、分子量の小さい気体又は分子サイズの小さい気体ほど、流量規制部７を通過して排出される際の流量が小さくなる。従って、圧縮気体の分子量や分子サイズを変えることによって、当該流量を調節することができる。本実施形態では、圧縮空気を用いる場合の例を示す。

気体収容容器１の上壁面には、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内に空気などの気体が導入される。導入される気体の量は、例えば１〜５ｃｃ、好ましくは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。

液体収容容器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。液体収容容器２内に収容される水の量も例えば１〜５ｃｃ、好ましくは２〜３ｃｃ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を介して液体収容容器２内に水を導入することができる。

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。

気体収容容器１と液体収容容器２とは、例えば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の上部には流量規制部７が設けられている。つまり、気体収容容器１と液体収容容器２との間には流量規制部７が介在している。この流量規制部７は、液体収容容器２に供給される気体の流量を、大気圧基準で１０ｍＬ／時以下に規制する既定サイズの孔７ａを有している。孔７ａの形成方法については、後述する。

図５には、圧縮圧力０．４、０．５、０．６ＭＰａにおける、孔７ａの孔径と空気流量との関係を示してある。液体収容容器２に供給される気体の流量を、大気圧基準で１０ｍＬ／時以下に規制するには、１．５μｍ以下の孔径にすればよいことが分かる。また、流量１〜５ｍＬ／時に制御するには、孔７ａの孔径を１．１〜１．５μｍとすればよい。この孔径は縦断面において最も孔径の小さい部分を基準とし、その部分の直径、又は開口面積が同一となる相当円の直径が孔径となる。このデータの実験条件の詳細は、実施例に記載されている。

本実施形態のように、連通管６に開閉バルブを設けていない場合、注入バルブＢから注入された圧縮気体は、注入後直ちに流量規制部７から一定流量で排出が開始する。従って、注入バルブＢから注入した圧縮気体を、気体収容容器１内に収容した後に排出する場合には、連通管６に開閉バルブを設けておくのが好ましい。その場合、気体収容容器１内に空気等を導入する際には、この開閉バルブは閉じた状態とし、開閉バルブを開くことで、気体収容容器１内の空気等が液体収容容器２内に導入され、液体収容容器２内の水を排出させるよう作用する。

連通管６の端部６ａは、液体収容容器２内に挿入されており、さらにこの端部６ａには袋部材１５が取り付けられている。従って、連通管６を介して送り込まれる空気は、この袋部材１５の内部に導入され、袋部材１５を徐々に大きくさせる。その際、袋部材１５は膨張性を有しないものでもよいが、膨張性を有する材料により製作されることが好ましい。袋部材１５としては、例えば、ウレタン樹脂等の熱可塑性樹脂、シリコーンゴム等の熱硬化性樹脂、天然ゴム等を用いて製作することができる。

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。

次に、液体収容容器２と反応容器３の隔壁２ａに配置される逆止弁３０について説明する。この逆止弁３０として、アンブレラと呼ばれるものを使用する。逆止弁３０は、係合部３１と傘部３２とが一体成型されたゴム製品であり、圧力により変形可能である。係合部３１により、隔壁２ａに形成された係合穴２ｃに係合される。また、係合穴２ｃに隣接して連通孔２ｂ（液体排出路に相当）が設けられており、この連通孔２ｂを介して水が反応容器３へ供給される。すなわち、圧縮空気の圧力により水に圧力が作用すると、連通孔２ｂを介して傘部３２を変形させ、水が反応容器３へと定量供給される。

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１３からは、反応容器３内で発生した水素ガスが排出され、不図示の燃料電池セルに供給されることになる。

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。

本発明に係る液体定量排出装置によれば、気体収容容器１内に圧縮空気を収容し、流量規制部７を介して液体収容容器２内の袋部材１５に圧縮空気を送り込むことができ、袋部材１５の内部に徐々に圧縮空気が送り込まれていき、袋部材１５は徐々に膨張する。膨張していく過程を図２（ａ）→（ｂ）→（ｃ）に示す。袋部材１５が膨張していくことで、膨張した体積の分だけ液体収容容器２の水が反応容器３の方に押し出されることになる。

その際、流量規制部７を介して一定流量の気体が液体収容容器２内に導入されるため、常時一定量の水を連通管２ｂから送り出すことができ、１時間当たり２〜３ｃｃの少量であったとしても、定量を安定して送り出すことができる。

図３は、液体定量排出装置の天地を逆にした状態であるが、かかる場合であっても、袋部材１５を介して圧縮空気により水を均等に押圧することができるため、水を定量供給する能力に対して何らの悪影響を及ぼすことがない。従って、本発明に係る液体定量排出装置は、装置の姿勢に関係なく定量の水を供給することができる。

一方、本発明の液体定量排出方法は、以上のような本発明の液体定量排出装置を用いて好適に実施することが出来る。即ち、本発明の液体定量排出方法は、気体収容容器１に収容されている圧縮気体を、既定サイズの孔７ａを介して大気圧基準で１０ｍＬ／時以下の流量で排出して液体収容容器２に供給し、その液体収容容器２に収容されている液体を液体排出路２ｂから定量排出することを特徴とする。

その際、前記液体は水素発生剤１０と反応して水素ガスを発生する反応液であり、前記液体収容容器２から排出される反応液が水素発生剤１０が収容された反応容器へ供給されるステップを有することが好ましい。

他方、本発明における流量規制部７の孔７ａの形成方法は以下の通りである。孔７ａの形成は、エッチング可能な材料に対して、ウエットエッチング、ウエットエッチングとドライエッチングの組合せ、ウエットエッチングとバックグラインドの組合せ、などによって行うことができる。

特に、シリコン単結晶のように、ウエットエッチングにより斜面が一定（シリコン単結晶では５４°）の角度になるように四角錐状にエッチング可能な材料が好ましい。これによって、マスクの開口径に応じた深さ（大きさ）でエッチングを行うことができる。但し、シリコン単結晶などの平板材には、一般に厚みのバラツキがあるため、ウエットエッチングで裏面の近傍までエッチングを行った後、ドライエッチングやバックグラインドを組合せることによって、孔径の制御が容易になる。例えば、ウエットエッチングで１０〜２０μｍの厚み部分を残した後にドライエッチングやバックグラインドを行うのが好ましい。

ウエットエッチングやドライエッチングは、各種材料に対する条件や試薬等が公知であり、本発明ではそれらを採用することができる。その際のマスク材も各種のものが公知である。例えば、シリコン単結晶を用いる場合、半導体の製造に使用されるものを適宜採用することができる。

なお、流量規制部７の孔７ａの数は、単数でも複数でもよい。複数の孔７ａを形成する場合、複数の孔７ａからの流量の総量が大気圧基準で１０ｍＬ／時以下となるようにすればよい。また、複数の孔７ａを形成しておき、必要に応じて顕微鏡等で確認しながら、一部の孔７ａを閉塞させることによって、流量を制御することも可能である。

＜別実施形態＞
（１）前述の実施形態をより簡略化した実施形態の概念図を図４に示す。この実施形態では、気体収容容器１と液体収容容器２と反応容器３とが、独立した容器で構成されており、液体収容容器２に供給される気体は、袋部材１５に導入されずに直接、液体収容容器２に供給される。

（２）また、前述の実施形態では、反応容器３への水の供給は、連通孔２ｂと安全弁３０により行なっているが、これに代えて、導入管１１と逆止弁１２の組み合わせにより液体排出路を構成している。また、気体収容容器１には注入バルブＢの代わりに、導入管４と逆止弁５が設けられ、この導入管４を介して気体収容容器１内に気体を導入することができる。

（３）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。

（４）本実施形態において、気体収容容器１と液体収容容器２とは、連通管６により連結されているが、連通管６を設けずに、連通孔によって気体収容容器１と液体収容容器２とを連通させてもよい。

（５）本実施形態において、流量規制部７の孔７ａの上側は気体収容容器１に露出しているが、流量規制部７の孔７ａの上面にフィルタなどを配置することによって、孔７ａの目詰まりを防止することができる。目詰まりを防止することによって、気体をより定量で送り出すことが可能となり、液体をより定量で排出することができる。

（６）本実施形態において、液体定量排出装置（方法）の用途として燃料電池をあげているが、これに限定されるものではなく、他の用途にも用いることができる。

以下、本発明の構成と効果を具体的に示す実施例等について説明する。

実施例１
図４に示すような装置を用いて、気体収容容器１に圧縮空気を３種の圧力（０．４、０．５、０．６ＭＰａ）で供給し、４種の既定サイズの孔７ａを介して空気を排出した際の空気排出速度を、水上置換法により測定した空気体積から算出した。また、予め液体収容容器２に水を収容しておき、上記と同様にして気体収容容器１に圧縮空気を３種の圧力で供給し、４種の既定サイズの孔７ａを介して空気を排出した際の水の排出速度を測定した。

なお、孔形成は次のようにして行った。厚さ５０μｍのシリコン単結晶板を用い、対角線長さ７００μｍの正方形で開口したマスクを用いて、ウエットエッチングにより斜面が５４°の角度になるように四角錐状にエッチングを行った。エッチング後の裏面からエッチング最深部までの厚みは７μｍであった。次いで、逆の面から研磨（バックグラインド）を段階的に行って、開口面積が同一となる相当円の直径が１．１μｍ、１．３μｍ、１．５μｍ、２．０μｍの孔径の孔を形成した。

空気排出速度の結果を図５に示すが、圧力および孔径を調節することによって、大気圧基準で１０ｍＬ／時以下の所定の流量に空気排出速度に規制することができた。また、測定の際の空気排出速度は、各流量で略一定であった。一方、水の排出速度と、空気排出速度とは、各条件で一致していた。

実施例２
実施例１において、空気を用いる代わりに、窒素、キセノン及びヘリウムを用いて、圧力０．４５ＭＰａ、孔径１．１μｍで同様の実験を行った。その結果、窒素が１．６ｍＬ／時、キセノンでは１．１ｍＬ／時、ヘリウムでは２．１ｍＬ／時と変化することが分かった。

本発明の液体定量排出装置の一例を示す縦断面図 本発明の液体定量排出装置の袋部材の作用を説明する説明図 本発明の液体定量排出装置をひっくり返した状態を示す説明図 本発明の液体定量排出装置の他の例を示す縦断面図 実施例における実験結果を示すグラフ

符号の説明

１ 気体収容容器
２ 液体収容容器
２ｂ 連通孔（液体排出路）
３ 反応容器
４ 冷却室
７ 流量規制部
７ａ 流量規制部の孔
１０ 水素発生剤
１５ 袋部材
Ｂ 注入バルブ

Claims (5)

1. 液体が収容される液体収容容器と、
   その液体収容容器から液体を排出する液体排出路と、
   圧縮気体を収容する気体収容容器と、
   その気体収容容器と前記液体収容容器との間に介在し、供給される気体の流量を大気圧基準で１０ｍＬ／時以下に規制する既定サイズの孔を有する流量規制部と、を備える液体定量排出装置。
2. 前記液体収容容器の気体供給部に供給された気体が導入される袋部材を備える請求項１に記載の液体定量排出装置。
3. 液体は水素発生剤と反応して水素ガスを発生する反応液であり、液体排出路から排出される反応液は、水素発生剤が収容された反応容器へ供給されるように構成されている請求項１又は２に記載の液体定量排出装置。
4. 気体収容容器に収容されている圧縮気体を、既定サイズの孔を介して大気圧基準で１０ｍＬ／時以下の流量で排出して液体収容容器に供給し、その液体収容容器に収容されている液体を液体排出路から定量排出する液体定量排出方法。
5. 前記液体は水素発生剤と反応して水素ガスを発生する反応液であり、前記液体収容容器から排出される反応液が水素発生剤が収容された反応容器へ供給されるステップを有する請求項４に記載の液体定量排出方法。

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