JP5035322B2 - 燃料容器 - Google Patents

Description

本発明は、液体燃料を貯蔵する燃料容器に係り、特に燃料電池に供給するための液体燃料を貯蔵する燃料電池用燃料容器に関するものである。

近年では、携帯電話，ノート型パソコン，デジタルカメラ，ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｃｅ），電子手帳等の小型の電子機器がめざましい進歩・発展を遂げており、その電源として、アルカリ乾電池，マンガン乾電池等の一次電池及びニッケル−カドミウム蓄電池，ニッケル−水素蓄電池，リチウムイオン電池等の二次電池が用いられている。

上記のような電子機器では、小型であることに加え、電池そのものの姿勢が変わっても一定の電力が供給されるため、例えば、ノート型パソコンであれば小脇に抱えながら持ち運んだり、携帯電話やデジタルカメラであれば胸ポケットやバックに無造作に収納した状態で持ち運んだりして使用することが可能であり、ユーザの使用場面に応じて電子機器を種々の姿勢に保持して使用することができる。

ところが、上記電子機器に搭載される一次電池又は二次電池は、エネルギーの利用効率の観点から検証すると、必ずしもエネルギーの有効利用が図られているとは言えず、今日では、一次電池及び二次電池の代替えのために、高いエネルギー利用効率を実現できる燃料電池についての研究・開発も盛んにおこなわれている。

燃料電池は、燃料と大気中の酸素とを電気化学的に反応させて化学エネルギーから電気エネルギーを直接取り出すものであり、将来性に富む有望な電池であると位置付けられている。しかし、液体燃料等を燃料とする燃料電池では、燃料を貯蔵する燃料容器の取扱いに注意しなければならない。すなわち、このタイプの燃料電池は、燃料そのものが液状で保持されているため、燃料を貯蔵する燃料容器の姿勢が適宜変えられることにより、燃料容器の内部で燃料が重力の作用する方向に移動し、燃料内に気泡が含まれる可能性がある。この場合、気泡が含まれた状態で燃料容器から流出するため、燃料容器からの燃料の流出（流出量）が不安定になり、その結果、発電モジュール（燃料容器に貯蔵された燃料を用いて発電する部分）に供給される燃料の供給量も不安定となって発電能力の低下を招いてしまう。従って、液体燃料を燃料とする燃料電池を、持ち運び自在の小型の電子機器に搭載することは難しい。

そこで、保持される姿勢にかかわらず、発電モジュールへの燃料の供給を安定させることができる燃料容器が考案されている（例えば特許文献１参照）。

具体的に特許文献１に記載の燃料容器（１）では、燃料容器内に液体燃料浸透部材（８）が配設されるとともに燃料容器の側面の所定箇所に負圧対策機構としての細孔（６）が形成されており、細孔からの大気の導入により燃料容器内の負圧を調整しながら、液体燃料浸透部材に浸透した燃料を毛管力により燃料容器から発電モジュール（スタック本体２）に供給している。

特開２００１−９３５５１号公報（段落番号００１１〜００１９，第１図）

特許文献１に記載の燃料容器は、保持される姿勢にかかわらず燃料そのものが確実に液体燃料浸透部材に接触・浸透するため、燃料に気泡が含まれることなく燃料容器から燃料が流出し、発電モジュールへの燃料の供給を安定させることが可能であるけれども、燃料容器を横に寝かせた状態又は斜めに保持した状態においては貯蔵された燃料の量が減少すると、燃料容器に残留した燃料が液体燃料浸透部材に接触・浸透せず、貯蔵された全ての燃料を燃料容器から流出させることができない。つまり特許文献１に記載の燃料容器では、保持される姿勢にかかわらず燃料容器からの燃料の流出を安定させることはできるが、保持される姿勢によっては燃料容器に燃料が残留してしまう。

本発明の課題は、保持される姿勢にかかわらず燃料を流出させることができる燃料容器を提供することである

上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明の燃料容器は、
容器本体と、
前記容器本体内に設けられた燃料と、
前記燃料を前記容器本体の外部に供給するために前記容器本体に設けられた流出口と、
前記流出口からの前記燃料の流出に応じた流体を前記容器本体の内部に導入する流体導入手段と、
前記流体導入手段と連通し、前記流体を吸収することにより前記容器本体内で膨潤する膨潤体と、
を有し、
前記容器本体には、前記容器本体内の容積を変化させる容積変化手段が配設され、
前記容器本体の内部には、前記燃料を吸収することが可能な吸収体が充填され、
前記吸収体は、前記容積変化手段による前記容器本体の容積の減少により収縮することを特徴とする。

請求項１に記載の発明では、流体導入手段を介して流体を膨潤体に吸収させることにより、膨潤体が膨潤して容器本体の内圧が上昇するため、容器本体内の燃料を流出口から流出させることができる。従って燃料容器の姿勢が如何なる状態であっても、外部から流体が供給される限り膨潤体が膨潤・膨張を繰り返すので、容器本体内の燃料は減少するにも関わらず、膨潤体の膨潤・膨張による押圧力を受けて常に流出口から流出しようとする。これにより、請求項１に記載の燃料容器では、燃料が一旦外部に供給されると、保持される姿勢にかかわらず、容器本体内の燃料を常時流出しようとするので、安定して燃料を供給することができる。また、容器本体内に圧力を加えられて燃料が流出口の外側より高い圧力下にある場合や、流出口の外側の圧力が容器本体内より低い状態の場合に、容器本体と高粘性液体により燃料を覆うことができるので、容器本体内の圧力の変化に伴い燃料内に気相状態の流体がほとんど混入しないので燃料容器の姿勢が如何なる状態であっても、容器本体の流出口から燃料が一旦外に出てしまえば、容器本体内外の圧力が平衡状態になるか、容器本体の流出口から燃料を外部に取り込んでいる取り込み手段が取り込みを停止しない限り、安定して燃料を供給することができる。また、容器本体に設けられた燃料が、容器本体の内壁（流出口を除く。）と高粘性液体とにより封止された状態に保持されるため、燃料が大気に接触することはほとんどない。従って、容器本体に設けられた燃料が揮発して減少するのを防止できる。

請求項２に記載の燃料容器において、
前記流体は、前記流出口から流出された前記燃料から生成された生成物であることを特徴とする。

請求項２に記載の発明では、流出口から流出された燃料の量に応じて生成された生成物を容器本体に導入することで、容器本体が流出する燃料の量を生成物が流入する量で相殺して容器本体の容積を略均等にすることが可能であるが、燃料に対して容器本体に流入する生成物の容積が小さくても膨潤体が膨潤して容器本体に残った燃料に圧力をかけることができるため、容器本体の燃料が減っても、燃料容器の保持される姿勢に関わらず、流出口から燃料をいつでも供給できるような状態になっている。

請求項３に記載の発明は、
請求項１又は２に記載の燃料容器において、
前記容器本体の内部には、前記燃料を吸収することが可能な吸収体が充填されていることを特徴とする。

請求項３に記載の発明では、容器本体の内部には吸収体が充填されているため、燃料を常に吸収しようとして燃料を引き寄せる作用が働くので、燃料容器の姿勢に関わらず安定した燃料の供給を行うことが可能となる。

請求項４に記載の発明は、
請求項１に記載の燃料容器において、
前記容積変化手段は、応力により収縮自在な蛇腹であることを特徴とする。

請求項４に記載の発明では、容積変化手段が、容器本体に形成された伸縮自在の蛇腹であるので、蛇腹を収縮させて容器本体の容積を減少させることにより、燃料を流出口から確実に流出させることができる。

請求項５に記載の発明は、
請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料容器において、
前記容器本体の内部に外気を導入する外気導入手段を有することを特徴とする。

請求項５に記載の発明では、外気導入手段が外気を導入することによって容器本体内の燃料の減少を補償することができる。

請求項６に記載の発明は、
請求項５に記載の燃料容器において、
前記外気導入手段は、前記容器本体の内部と外部とを連通する通気孔であることを特徴とする。

請求項６に記載の発明では、外気導入手段が通気孔であるので、容器本体の内部と外部との間で通気孔を通じて外気を容易に流入・流出させることができる。従って容器本体の流出口から燃料が流出するとき、外気導入手段としての通気孔から容器本体の内部に外気を導入させて、容器本体の内部に作用する負圧を調整することができる。

請求項７に記載の発明は、
請求項６に記載の燃料容器において、
前記外気導入手段としての通気孔には、前記燃料の揮発成分の透過を遮蔽し、外気を選択的に透過させる選択性透過膜が配設されていることを特徴とする。

請求項７に記載の発明では、外気導入手段としての通気孔に選択性透過膜が配設されているので、燃料の揮発成分が容器本体の外部に放出するのを防止できる。従って、容器本体に設けられた燃料が揮発して減少するのを確実に防止できる。

請求項８に記載の発明は、
請求項１〜７のいずれか一項に記載の燃料容器において、
前記流出口の内部には、前記容器本体から前記流出口の外側への前記燃料の流出を許容し、前記流出口の外側から前記容器本体への前記燃料の流入を阻止する逆止弁が配設されていることを特徴とする。

請求項８に記載の発明では、燃料の流れる方向を順方向のみとし、逆方向へ流すことを防止でき、燃料が容器本体に流れることがないので、燃料容器を外部のポンプと接続したときに、逆流による負圧のために燃料容器とポンプとの間に気体が生じることがないのでポンプも常に安定して燃料を送出できる。

請求項９に記載の発明は、
請求項１〜８のいずれか一項に記載の燃料容器において、
前記流体導入手段は、前記流体が流通可能な前記膨潤体に通じる流路であることを特徴とする。

請求項９に記載の発明では、流体導入手段により膨潤体が流体を確実に捕捉することができる。

本発明によれば、流体導入手段を介して流体を膨潤体に吸収させることにより、膨潤体が膨潤して容器本体の内圧が上昇するため、容器本体内の燃料を流出口から流出させることができる。従って燃料容器の姿勢が如何なる状態であっても、外部から流体が供給される限り膨潤体が膨潤・膨張を繰り返すので、容器本体内の燃料は減少するにも関わらず、膨潤体の膨潤・膨張による押圧力を受けて常に流出口から流出しようとする。これにより、本発明の燃料容器では、燃料が一旦外部に供給されると、保持される姿勢にかかわらず、容器本体内の燃料を常時流出しようとするので、安定して燃料を供給することができる。

発電システムの基本構成を示すブロック図である。 燃料貯蔵モジュール及び発電モジュールの概略構成を示す一部破断斜視図である。 （ａ）燃料容器を示す外観斜視図であり、（ｂ）燃料容器の内部構成を示す断面図である。 気化器を示す断面図である。 気化器の熱処理炉を示す外観斜視図である。 水蒸気改質反応器、水性シフト反応器及び選択酸化反応器の各反応器を示す断面図である。 （ａ）〜（ｄ）燃料容器から発電モジュールに燃料を供給する際の燃料容器内での変化を示す図面である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。ただし、発明の範囲は図示例に限定されない。
図１は、本発明に係る燃料容器７が備わった発電システム１の基本構成を示すブロック図である。図２は、発電システム１に配設される燃料貯蔵モジュール２及び発電モジュール３の概略構成を示す一部破断斜視図である。ただし、図２では燃料貯蔵モジュール２は一端部の構成のみが図示されており、他端部が省略されている。

図１に示す通り、発電システム１は、燃料１０（図２及び図３参照）を貯蔵する燃料貯蔵モジュール２と、燃料貯蔵モジュール２に貯蔵された燃料１０で発電する発電モジュール３と、を有している。燃料貯蔵モジュール２と発電モジュール３とは互いに着脱自在とされており、燃料貯蔵モジュール２は、図２に示す通り、略円筒状の筐体４を有している。筐体４の頭頂部には円形の貫通孔５が形成されており、筐体４の外周側であって筐体４の頭頂部にも貫通孔６が形成されている。また筐体４の内部には燃料容器７が収納されている。

図３は上記燃料容器７の概略構成を示す図面であって、図３（ａ）は燃料容器７の外観を示す斜視図であり、図３（ｂ）は燃料容器７の内部構成を示す断面図である。
図３（ａ）に示す通り、燃料容器７は、所定長さを有する円筒状の容器本体１５を有している。容器本体１５は透明又は半透明を呈した部材であって、ポリエチレン，ポリプロピレン，ポリカーボネート，アクリル等の材料から構成されている。

容器本体１５の後端部であって容器本体１５の側面には、燃料容器７の内部に外気を導入する外気導入手段としての複数の外気導入孔１４，１４，…が容器本体１５の周方向に沿うように並んで形成されている。各外気導入孔１４は、容器本体１５の内部と外部とを連通する単なる通気孔である。

容器本体１５の先端部には、流出口９が突出するように配設されており、容器本体１５の流出口９近傍には、燃料容器７の長手方向に沿って伸縮自在な容積変化手段としての蛇腹８が形成されている。容器本体１５は、蛇腹８が伸びるとき容積が増加し、蛇腹８が減少するとき容積が減少するようになっている。

容器本体１５の側部には、発電モジュール３で生成された水を流通させて容器本体１５の内部に当該水を導入するための水導入管１６が配設されている。水導入管１６は、燃料容器７の先端部から後端部にかけて燃料容器７の長手方向に沿って延在している。

図３（ｂ）に示す通り、容器本体１５の内部には燃料１０が貯蔵されている。具体的に燃料１０は化学燃料と水との混合物である。化学燃料としては、メタノール，エタノール等のアルコール類やガソリンといった水素元素を含む化合物が適用可能である。本実施形態では、メタノールと水とを等モルで均一に混合した混合物が燃料１０として用いられている。また容器本体１５の内部では、燃料１０の液面を完全に覆うように高粘性液体１１が重層されている。これにより、燃料１０は、容器本体１５の内壁（供給口９を除く。）と高粘性液体１１とにより容器本体１５の内部に密閉されている。高粘性液体１１は燃料１０よりも高粘性を有する液体であって、具体的にはポリブテン，流動パラフィン，スピンドル油等の鉱油類やジメチルシリコン油，メチルフェニルシリコン油等のシリコン油類である。さらに高粘性流体１１は顔料，染料等の色材で着色されている。また、高粘性液体１１は、燃料１０に対して不溶性又は難溶性であることが好ましい。

これら燃料１０及び高粘性液体１１は、水性と油性の特性から互いに混合することなく分離しており、燃料１０は、容器本体１５の内壁と高粘性液体１１とにより完全に封止された状態で容器本体１５に貯蔵されている。また、燃料１０と高粘性液体１１との界面又は燃料１０に混入していた空気等の気体は真空脱泡装置等で予め吸引・除去されており、燃料１０と高粘性液体１１との界面又は燃料１０には、気泡がほとんど含まれない（気泡が無い）状態となっている。

高粘性液体１１の液面（燃料１０との界面の反対側の面）と容器本体１５の内壁とに囲まれた空間部６０には、水を吸収することで膨潤する膨潤体１７が充填されている。具体的に膨潤体１７は、パルプ，繊維，織物等に水溶性接着剤を添加して圧縮した圧縮体であって、水を吸収すると水溶性接着剤が溶出して圧縮・固形化された状態から解放され、水の吸収量に応じて徐々に膨潤するようになっている。また、膨潤体１７に接触する容器本体１５の後壁には、膨潤体１７に水を導入するための水導入孔１８が形成されている。

容器本体１５の内部の流出口９近傍には、燃料１０を吸収する吸収体１２が圧縮された状態で充填されている。具体的に吸収体１２は、撥油性材料から構成された、高粘性液体１１が浸透不可な複数の微細孔を有する多孔質体であり、特に燃料１０に対して高い吸収性を有している。従って吸収体１２には高粘性液体１１が浸透せず（吸収されず）、高粘性液体１１が容器本体１５の流出口９から流出しないようになっている。また吸収体１２は、容器本体１５に形成された上記蛇腹８の内壁に密着しており、蛇腹８を収縮させて容器本体１５の容積を減少させると吸収体１２は収縮し、逆に、吸収体１２が燃料１０を吸収して膨潤すると蛇腹８が伸びて容器本体１５の容積が増加するようになっている。

さらに容器本体１５の流出口９の内部には、ダックビル状（アヒル・カモのくちばしのような形状）の逆止弁１３が配設されている。逆止弁１３は、吸収体１２に吸収された燃料１０に対して当該燃料１０を押し出そうとする圧力（正圧）が加えられると、口１３ａを押し広げようとする方向に応力が働いて、口１３ａから流出口９への燃料１０の流出を許容し、容器本体１５の内部が負圧になることにより流出口９から逆止弁１３に向けて圧力が加えられると、口１３ａを閉じようとする方向に応力が働いて、流出口９から容器本体１５への逆流を妨げる機能を有している。本実施形態では、後述の通り、容器本体１５内に正圧が加わると、逆止弁１３を介して燃料１０が容器本体１５の内部から流出口９の外部へ流出することができるようになっている。また逆止弁１３は、上記の通り、容器本体１５内に負圧が加わると口１３ａを閉じて、逆止弁１３からの燃料１０等の流体の流出を阻止するようになっている。

容器本体１５の側部に配設された水導入管１６の内部には、発電モジュール３で生成された流体としての水が流通する流体導入手段としての流路１９が形成されている。流路１９は、水導入管１６の先端部から水導入管１６に略沿って延在して水導入管１６の後端部で屈曲し、容器本体１５の水導入孔１８を介して空間部６０に通じており、発電モジュール３で生成された水が毛管力により流通可能な径を有する流路となっている。

なお、上記構成を具備する燃料容器７は、図２に示す通り、供給口９が貫通孔５に挿入されかつ水導入管１６の先端部が貫通孔６に挿入されるように、燃料貯蔵モジュール２の筐体４に着脱自在に収納されるようになっている。燃料容器７が燃料貯蔵モジュール２の所定位置に設置された状態では、燃料容器７は、容器本体１５の外周面の一部が筐体４の外部に露出している。この状態において、上記の通り、容器本体１５が透明又は半透明であり、さらに高粘性液体１１が着色されているため、容器本体１５を介して高粘性液体１１の液面の変位を視認することで燃料１０の有無又は残量を容易に確認できる。

さらに上記の通り、容器本体１５に形成された外気導入手段としての外気導入孔１４，１４，…は単なる通気孔とされているが、各外気導入孔１４には、高粘性液体１１の代わりに、燃料１０の揮発成分の透過を遮蔽する機能を有し、さらに外気（空気）だけを選択に透過させる機能を有する選択性透過膜が配設されてもよい。この場合、燃料１０の揮発成分が容器本体１５の外部に放出するのを防止でき、容器本体１５に貯蔵された燃料１０が揮発して減少するのを防止できる。

次に、発電モジュール３について説明する。
図１に示す通り、発電モジュール３は、燃料容器７から供給された燃料１０を改質する改質装置２０を有している。改質装置２０は気化器２１、水蒸気改質反応器２２、水性シフト反応器２３及び選択酸化反応器２４から構成されている。また発電モジュール３は、改質装置２０により改質された燃料１０により発電をおこなう燃料電池２５と、燃料電池２５で発電された電気エネルギーを蓄電し必要に応じて電気エネルギーを供給する蓄電部２６と、蓄電部２６から供給された電気エネルギーを発電モジュール３全体に分配する分配部２７と、上記改質装置２０、燃料電池２５、蓄電部２６及び分配部２７を電子制御する制御部２８と、を有している。

図２に示す通り、発電モジュール３は略円筒状の筐体３０を有している。筐体３０の内部には、気化器２１、水蒸気改質反応器２２、水性シフト反応器２３及び選択酸化反応器２４がこの順に重ねられた状態で配設されており、さらには気化器２１、水蒸気改質反応器２２、水性シフト反応器２３及び選択酸化反応器２４を囲むように燃料電池２５が配設されている。また燃料電池２５の外側であって筐体３０の外周面には、空気中の酸素を吸気するための複数のスリット３１，３１，…が互いに平行に並んだ状態で形成されている。

筐体３０の頭頂部には、蓄電部２６（図１参照）から外部のデバイスに電気エネルギーを供給するための端子３２が配設されており、端子３２の周囲であって筐体３０の頭頂部には複数の通気孔３３，３３，…が形成されている。

筐体３０の底部には、燃料貯蔵モジュール２と嵌合するために下方に突出する管３４，３５が配設されている。管３４は発電モジュール３で生成した水を流通させるためのものであり、管３５は燃料容器７から燃料１０を吸入するためのものである。また、管３４にはバルブ３６が配設されており、筐体３０に設けられた管３７がバルブ３６を介して管３４に通じている。

次に、上記改質装置２０の各反応器及び燃料電池２５で起こる化学反応の各過程について説明する。
気化器２１は、燃料貯蔵モジュール２の燃料容器７から管３５を通じて供給された燃料１０を加熱することで、燃料１０を気化（蒸発）させるものである。気化器２１で気化した混合気は水蒸気改質反応器２２へ供給される。

水蒸気改質反応器２２は、化学反応式（１）のように、気化器２１から供給された混合気を改質触媒で水素ガスと二酸化炭素ガスに改質するものである。
ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ→３Ｈ_２＋ＣＯ_２ … （１）
また、気化器２１から供給された混合気が完全に水素ガスと二酸化炭素ガスとに改質されない場合もあり、この場合、化学反応式（２）のように、水蒸気改質反応器２２で微量の一酸化炭素ガスが生成される。
２ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ→５Ｈ_２Ｏ＋ＣＯ＋ＣＯ_２ … （２）
水蒸気改質反応器２２で生成された水素ガス、二酸化炭素ガス及び一酸化炭素に加えて未反応の水蒸気は、水性シフト反応器２３へ供給される。

水性シフト反応器２３は、化学反応式（３）のように、水蒸気改質反応器２２から供給された混合気（水素ガス、二酸化炭素ガス、水蒸気及び一酸化炭素ガス）のうち一酸化炭素ガスを触媒で水性シフト反応させるものである。
ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋Ｈ_２ … （３）

水蒸気改質反応器２２において未反応だった水蒸気が水性シフト反応に用いられ、混合気の水蒸気及び一酸化炭素ガス濃度は非常に希薄になる。水性シフト反応器２３から選択酸化反応器２４へ混合気（水素ガス、二酸化炭素ガス及び一酸化炭素ガスを含む。）が選択酸化反応器２４へ供給される。

選択酸化反応器２４は、水性シフト反応器２３から供給された混合気のうち一酸化炭素ガスを触媒によって選択し、化学反応式（４）のように、一酸化炭素ガスを酸化させるものである。
２ＣＯ＋Ｏ_２→２ＣＯ_２ … （４）
化学反応式（４）の左辺の酸素は、発電モジュール３の複数の通気孔３３，３３，…を介して大気中から選択酸化反応器２４に取り込まれる。また、選択酸化反応器２４には、化学反応式（４）の化学反応を選択的に促進する触媒が形成されているため、混合気に含まれる水素はほとんど酸化しない。選択酸化反応器２４から燃料電池２５へ混合気が供給されるが、その混合気には一酸化炭素ガスがほとんど含まれず、水素ガス及び二酸化炭素ガスの純度が非常に高い。選択酸化反応器２４に水素とそれ以外の無害の副生成物とに分離できる機構が設けられていれば、各通気孔３３からその副生成物を排出するようにしてもよい。

燃料電池２５は、触媒微粒子が付着した燃料極（カソード）と、触媒微粒子が付着した空気極（アノード）と、燃料極と空気極との間に介装されたフィルム状のイオン伝導膜とを具備するものである。燃料極には選択酸化反応器２４からの混合気が供給され、空気極には、発電モジュール３の外周面に設けられた複数のスリット３１，３１，…を介して大気中の酸素ガスが供給される。

電気化学反応式（５）に示すように、燃料極に水素ガスが供給されると、燃料極に付着した触媒により電子の分離した水素イオンが発生し、水素イオンがイオン伝導膜を通じて空気極へ伝導し、燃料極より電子が取り出される。また、選択酸化反応器２４から供給された混合気のうち二酸化炭素ガスは、反応せずに外部に放出される。
３Ｈ_２→６Ｈ⁺＋６ｅ^- … （５）
一方、電気化学反応式（６）に示すように、空気極に酸素ガスが供給されると、イオン導電膜を通過した水素イオンと、酸素ガスと、電子とが反応して、水が生成される。
６Ｈ⁺＋３／２Ｏ_２＋６ｅ^-→３Ｈ_２Ｏ … （６）
燃料電池２５で以上のような電気化学反応が起こることによって、電気エネルギーが生成される。生成された電気エネルギーは、蓄電部２６に蓄電されるようになっている。

なお、上記気化器２１、水蒸気改質反応器２２、水性シフト反応器２３及び選択酸化反応器２４は、シリコン、アルミニウム合金又はガラスからなる小型の基板に形成されたマイクロ流路に流体を流してこの流体を気化させるか又は流体の少なくとも一部に化学反応を引き起こさせるマイクロリアクタとして機能するものである。以下では、気化器２１、水蒸気改質反応器２２、水性シフト反応器２３及び選択酸化反応器２４の構造について説明する。

図４は気化器２１の断面図であり、図５は気化器２１に備わった熱処理炉４０の斜視図である。
図４に示す通り、気化器２１は、低融点ガラスで形成された直方体状のガラス容器５３を有しており、ガラス容器５３の内壁及び外壁には、アルミ等で形成された輻射シールド膜５１，５２が成膜されている。各輻射シールド膜５１，５２は、赤外線を含む電磁波に対して高い反射性を有しており、後述の熱処理炉４０で発した電磁波をガラス容器５３の内部に反射するようになっている。これにより、熱処理炉４０で発された電磁波はガラス容器５３の外部に伝播するのを遮蔽され、熱処理炉４０から発された電磁波による輻射熱がガラス容器５３の外部に放熱するのを防止できるようになっている。

ガラス容器５３の内壁に成膜された輻射シールド膜５１の内側であってガラス容器５３の内部の各角部には、支持体５４，５４，…がそれぞれ配設されている。そして各支持体５４により支持された状態で、熱処理炉４０がガラス容器５３の内部に配設されている。ただし、熱処理炉４０はガラス容器５３の内壁から離間している。

上記熱処理炉４０は、図４に示す通り、２枚の基板４１，４２を互いに重ね合わせて接合した構造を有している。各基板４１，４２はシリコン結晶，アルミニウム，ガラス等の材料で構成されている。そして図５に示す通り、各基板４１，４２の接合部には葛折りとされたマイクロ流路４３が形成されている。

マイクロ流路４３は、基板４１の一方の面に形成された葛折り状の溝を基板４２に向かい合わせて基板４１と基板４２とを接合することで形成されており、基板４１と基板４２との間に封止されている。マイクロ流路４３としての溝は、基板４１の一方の面にフォトリソグラフィー法，エッチング法等を適宜施すことによって形成されている。

図４及び図５に示す通り、マイクロ流路４３の一方の端部には流出管４５の端部が連結されている。流出管４５は、基板４１、輻射シールド膜５１，５２及びガラス容器５３を貫通して熱処理炉４０からガラス容器５３外部に引き出されている。マイクロ流路４３の他方の端部には流入管４４の端部が連結されている。流入管４４も、流出管４５と同様に、基板４２、輻射シールド膜５１，５２及びガラス容器５３を貫通して熱処理炉４０からガラス容器５３の外部に引き出されている。また、流入管４４は上記管３５に通じており、燃料容器７に貯蔵された燃料１０が、容器本体１５内に加わる圧力により管３５及び流入管４４を介していつでもマイクロ流路４３に流入できるようになっている。

さらに図５に示す通り、基板４２の基板４１との接合面には、マイクロ流路４３に対応するような葛折り状の発熱抵抗膜４７が形成されている。基板４１と基板４２とが互いに接合された状態では、マイクロ流路４３を形成する溝に発熱抵抗膜４７が重なり、発熱抵抗膜４７がマイクロ流路４３の床を形成している。発熱抵抗膜４７は、マイクロ流路４３の一端から他端までマイクロ流路４３に沿って形成されている。

マイクロ流路４３の一端において発熱抵抗膜４７にリード線４８が接続されており、マイクロ流路４３の他端において発熱抵抗膜４７にリード線４９が接続されている。各リード線４８，４９は、金，白金，ニッケル等の抵抗率が非常に低く化学的に安定した金属材料で形成されており、各リード線４８，４９の電気抵抗は、発熱抵抗膜４７の電気抵抗に比較しても非常に小さくなっている。

図４に示す通り、各リード線４８，４９は、２枚の基板４１，４２に挟まれた状態で輻射シールド膜５１，５２及びガラス容器５３を貫通して熱処理炉４０からガラス容器５３の外部に引き出されている。リード線４８はガラス容器５３の外部において分配部２７の一方の電極に接続されており、リード線４９はガラス容器５３の外部において分配部２７の他方の電極に接続されている。

分配部２７は、制御部２８からの制御信号に応じて発熱抵抗膜４７に供給する電力を変位させながら発熱抵抗膜４７の温度を制御し、気化器２１での燃料１０の単位時間当たりの気化量や後述する水蒸気改質反応器２２、水性シフト反応器２３及び選択酸化反応器２４での反応の進行具合を適性化する機能を有している。例えば、分配部２７によって印加される電圧が一定であれば、分配部２７はリード線４８，４９に流す電流を変更できるようになっており、分配部２７によって流れる電流が一定であれば、分配部２７はリード線４８−リード線４９に印加する電圧を変更できるようになっている。勿論、分配部２７が電圧と電流の両方を変更できてもよく、直流駆動及び交流駆動のいずれであってもよい。

さらに制御部２８は、汎用のＣＰＵ(central processing unit)等からなる演算処理装置又は専用の論理回路を有し、分配部２７の電圧及び電流を示す信号をフィードバックして分配部２７から発熱抵抗膜４７に付与する電力を調整する機能を有している。このような構成により、発熱抵抗膜４７による発熱温度が調整されるようになっている。

なお、上記構成を具備する気化器２１では、流入管４４、流出管４５及びリード線４８，４９が各輻射シールド膜５１，５２及びガラス容器５３を貫通した状態において、ガラス容器５３の内部は密閉された空間となっており、ガラス容器５３の内部空間は気圧が非常に低い真空状態となっている。従ってガラス容器５３の内部には熱を伝搬する媒体がほとんど存在せず、熱処理炉４０からガラス容器５３の外部への熱の放熱を抑えることができるようになっている。

図６は、水蒸気改質反応器２２、水性シフト反応器２３及び選択酸化反応器２４の各反応器を示す断面図である。ただし、図６に示す水蒸気改質反応器２２、水性シフト反応器２３及び選択酸化反応器２４の各反応器では、上記気化器２１と同様の構成要素に上記と同様の符号を付してそれら構成要素の詳細な説明を省略している。

図６に示す通り、水蒸気改質反応器２２、水性シフト反応器２３及び選択酸化反応器２４の各反応器は、上記気化器２１と略同様の構成を有しているが、特に水蒸気改質反応器２２の流入管４４は気化器２１の流出管４５に通じており、水蒸気改質反応器２２の流出管４５は水性シフト反応器２３の流入管４４に通じており、水性シフト反応器２３の流出管４５は選択酸化反応器２４の流入管４４に通じており、選択酸化反応器２４の流出管４５は燃料電池２５の燃料極に通じている。また、図２にも示す通り、気化器２１、水蒸気改質反応器２２、水性シフト反応器２３及び選択酸化反応器２４の各反応器はこの順に重ねられているが、各反応器の外壁に被膜された輻射シールド膜５２が隣り合う反応器同士で接触した状態で各反応器が重ねられている。

さらに水蒸気改質反応器２２、水性シフト反応器２３及び選択酸化反応器２４のいずれの反応器においても、マイクロ流路４３の内壁及び天井（つまり、基板４１の溝の壁面）には改質触媒膜４６がマイクロ流路４３の一端から他端までマイクロ流路４３に沿って形成されている。改質触媒膜４６は、燃料１０に含まれる化学燃料を改質して水素を生成するものであり、改質触媒膜４６の成分・種類等は、水蒸気改質反応器２２、水性シフト反応器２３、選択酸化反応器２４の間で異なっていてもよい。ここで、水蒸気改質反応器２２の場合には、上記化学反応式（１）で示された化学反応が改質触媒膜４６によって促進され、水性シフト反応器２３の場合には、上記化学反応式（３）で示された化学反応が改質触媒膜４６によって促進され、選択酸化反応器２４の場合には、上記化学反応式（４）で示された化学反応が改質触媒膜４６によって促進されるようになっている。

次に、発電システム１の使用方法及び動作を説明する。
まず、発電モジュール３に燃料１０を供給するために、燃料１０が貯蔵された燃料容器７を燃料貯蔵モジュール２の筐体４の所定位置に設置しなければならないが、図７（ａ）に示す通り、設置前の燃料容器７においては、逆止弁１３が閉塞しており、吸収体１２が燃料１０を吸収して膨潤し、蛇腹８が伸びた状態になっている。

そして図７（ａ）に示す状態の燃料容器７を燃料貯蔵モジュール２の筐体４の所定位置に設置し、その後、流出口９及び水導入管１６の先端部を各貫通孔５，６に挿入するように燃料容器７を燃料貯蔵モジュール２から発電モジュール３に向けて押し付ける。すると、図７（ｂ）に示す通り、発電モジュール３の管３４が水導入管１６に挿入される。

これと同時に燃料容器７が発電モジュール３側に押し付けられるため、流出口９の先端部が発電モジュール３の筐体３０の底面に当接して容器本体１５には蛇腹８が縮む方向に力が加わり、燃料容器７の吸収体１２及び蛇腹８が収縮する。吸収体１２で吸収されていた燃料１０は、吸収体１２の収縮により吸収体１２から放出されるが、このとき蛇腹８の収縮によって容器本体１５の容積が減少したため、容器本体１５内の圧力が上昇し、燃料１０は行き場を失って流出口９に集まろうとする。このため、流出口９の逆止弁１３に燃料１０の圧力が加えられ、逆止弁１３が管３５を通じて流出口９から燃料１０を一時的に流出し、容器本体１５内外の圧力バランスの均衡が保たれる。そして流出した燃料１０は、管３５及び気化器２１の流入管４４を通じて気化器２１に至り、燃料貯蔵モジュール２から発電モジュール３への燃料１０の供給が開始される。

このような燃料１０の供給が開始される一方で、発電モジュール３では、改質装置２０を駆動するための制御信号が制御部２８から分配部２７に入力される。すると、分配部２７から気化器２１、水蒸気改質反応器２２、水性シフト反応器２３及び選択酸化反応器２４の各反応器の発熱抵抗膜４７にリード線４８，４９を介して電力が供給され、各発熱抵抗膜４７が発熱する。ここで、制御部２８は、分配部２７から気化器２１、水蒸気改質反応器２２、水性シフト反応器２３及び選択酸化反応器２４の各発熱抵抗膜４７に与える電圧及び電流を示す信号をフィードバックし、各発熱抵抗４７が所定温度に発熱するように分配部２７の電圧及び電流を制御する。

このとき、発電モジュール３の管３５及び気化器２１の流入管４４を通じて、燃料１０が燃料容器７から気化器２１の熱処理炉４０内に供給され、燃料１０が発熱抵抗膜４７の熱によって蒸発し、気化器２１内では気圧が高くなって対流が生じる。これにより、液体であった燃料１０がメタノールと水との混合気に相変化し、気化器２１から水蒸気改質反応器２２、水性シフト反応器２３、選択酸化反応器２４及び燃料電池２５までこの順に流通する。

水蒸気改質反応器２２においては、混合気が流入管４４から流出管４５へとマイクロ流路４３を流れる。混合気がマイクロ流路４３を流れているときには、混合気が発熱抵抗膜４７で加熱される。そして、混合気が改質触媒膜４６によって促進されて、混合気が上記化学反応式（１）・（２）のような反応を起こす。上記化学反応式（２）で生成される水が多ければ、生成された水をバルブ３６により管３７から管３４に送出してもよい。

水性シフト反応器２３においては、混合気がマイクロ流路４３を流れているときに発熱抵抗膜４７によって加熱されて、上記化学反応式（３）のような反応を起こす。選択酸化反応器２４においても同様に、混合気がマイクロ流路４３を流れているときに発熱抵抗膜４７によって加熱されて、上記化学反応式（４）のような反応を起こす。そして、水蒸気改質反応器２２、水性シフト反応器２３及び選択酸化反応器２４によって生成された水素が燃料電池２５の燃料極に供給され、燃料電池２５においては、上記化学反応式（５）・（６）のような電気化学反応が起きて電気エネルギーが生成される。生成された電気エネルギーは、蓄電部２６に蓄電されたり端子３２を通じて外部に供給されたりする。

さらに燃料電池２５においては、上記化学反応式（６）に示すような電気化学反応に伴い、水が生成される。燃料電池２５で生成された流体としての水（以下「生成水」という。）はそれ以後の生成水の送出と毛管力とにより、バルブ３６を介して管３４を流通し、管３４から燃料容器７の水導入管１６に流入する。

なお、上記化学反応式（１）、（３）の左辺の水として、生成水の一部をバルブ３６で制御された管３７を介して水蒸気改質反応器２２に導入させてもよい。このようにすることで、燃料１０中の水の濃度を減らし、燃料１０中の化学燃料の濃度を高めることができる。

燃料容器７の水導入管１６に流入した生成水は、それ以後の生成水の送出と毛管力とにより水導入管１６の流路１９を流通して容器本体１５の水導入孔１８に至り、水導入孔１８から容器本体１５の空間部６０に導入される。すると、図７（ｃ）に示す通り、膨潤体１７に生成水が吸収され、膨潤体１７は、水溶性接着剤が溶出して圧縮・固形化された状態から解放され、生成水の吸収量に応じて徐々に膨潤する。そして膨潤体１７が膨潤するに従い、容器本体１５の各外気導入孔１４から空間部６０に空気が導入され、膨潤体１７は、生成水の吸収による膨潤に加えて導入された空気を吸入し、圧縮・固形化される前の状態に復元されるように膨潤・膨張し始める。

ここで本実施形態では、各外気導入孔１４が非常に微細な貫通孔となっており、空間部６０に導入された生成水及び膨潤・膨張した膨潤体１７が各外気導入孔１４から漏出することはない。

そして、図７（ｃ）の矢印に示すように、膨潤体１７の膨潤・膨張により膨潤体１７が高粘性液体１１を押圧し始め、高粘性液体１１は、膨潤体１７の膨潤・膨張による押圧力を受けて変位し、吸収体１２に吸収された状態の燃料１０が流出口９から発電モジュール３の管３５を通じて順次流出しようとする。

なお、高粘性液体１１に対向する膨潤体１７の端面を、生成水及び高粘性液体１１に対して不溶性の接着剤により固化させたり、高粘性液体１１と膨潤体１７との間にシート材を介在させたりしてもよい。この場合、膨潤体１７が高粘性液体１１の液層を突き破るのを防止でき、さらには膨潤体１７の膨潤・膨張の作用を高粘性液体１１の液面（膨潤体１７に対向する液面）全体にわたって効率よく伝達させることが可能となり、燃料１０を容器本体１５から確実に流出させることができる。

その後、燃料１０は、燃料容器７から流出したものから順に気化器２１の流入管４４を通じて気化器２１に供給され、上記の通りに、気化器２１から水蒸気改質反応器２２、水性シフト反応器２３、選択酸化反応器２４及び燃料電池２５まで流通して、燃料電池２５で電気エネルギーと生成水が生成される。電気エネルギーは、蓄電部２６に蓄電されたり端子３２を通じて外部に供給されたりする。生成水は、バルブ３６を介して管３７を流通して管３７から燃料容器７の水導入管１６に流入し、容器本体１５の空間部６０に導入されて膨潤体１７に吸収される。すると、上記の通りに、膨潤体１７が膨潤・膨張し、容器本体１５に貯蔵された燃料１０が容器本体１５から流出しようとする。つまり、発電モジュール３が燃料１０を水素に改質するほど、副生成物の生成水が空間部６０の膨潤体１７に保持され、これにより容器本体１５内の燃料１０を容器本体１５外に出そうと応力が働き、容器本体１５の燃料１０が減少するにも関わらず容器本体１５から燃料１０を常時出し続けようとする。

以降、燃料貯蔵モジュール２と発電モジュール３との間で、燃料容器７から改質装置２０（の気化器２１）への燃料１０の供給と、燃料電池２５から燃料容器７への生成水の導入と、が繰り返しおこなわれる。

そして燃料容器７から燃料１０が流出し続けると、燃料容器７には燃料１０がほとんどなくなり、燃料容器７から改質装置２０への燃料１０の供給が終了する。このとき燃料容器７の内部では、図７（ｄ）に示す通り、高粘性液体１１が吸収体１２に付着するまで変位してその位置で静止している。

なお、吸収体１２は上記の通りに撥油性材料から構成されかつ複数の微細孔を有しているため、吸収体１２には高粘性液体１１が吸収されず、燃料容器７から発電モジュール３に高粘性液体１１が流出することはない。

以上のように本実施形態の燃料容器７では、容器本体１５に貯蔵された燃料１０は、高粘性液体１１が重層されているため、容器本体１５の内壁と高粘性液体１１とにより完全に封止された状態に保持され、容器本体１５の内部の流出口近傍に吸収体１２が充填されているため、容器本体１５の内部で吸収体１２により吸収されて流出口９近傍に導出された状態に保持されている。

そして容器本体１５の空間部６０に生成水が導入されると、この生成水が膨潤体１７に吸収されるとともに、容器本体１５の空間部６０に空気が導入され、膨潤体１７は、生成水の吸収による膨潤に加え、導入された空気を吸入するように膨張して高粘性液体１１を押圧する。すると高粘性液体１１は、膨潤体１７の膨潤・膨張による押圧力を受けて変位し、これと同時に、吸収体１２に吸収された状態の燃料１０が流出口９から流出する。従って燃料容器７の姿勢が如何なる状態であっても、燃料電池２５で生成水が生成される限り膨潤体１７が膨潤・膨張を繰り返し、容器本体１５に貯蔵された燃料１０は、膨潤体１７の膨潤・膨張による押圧力を受けて流出口９から流出しようとし続ける。これにより、本実施形態の燃料容器７では、保持される姿勢にかかわらず貯蔵された燃料１０を流出させることができる。

さらに本実施形態の燃料容器７では、上記の通り、容器本体１５に貯蔵された燃料１０が容器本体１５の内壁と高粘性液体１１とにより完全に封止された状態に保持されるため、燃料１０が大気に接触することはない。従って、容器本体１５に貯蔵された燃料１０が揮発して減少するのを防止できる。また、燃料１０が燃料容器７に貯蔵された状態では、燃料１０と高粘性液体１１との界面又は燃料１０に気泡が含まれていない（気泡が無い）ため、本実施形態の発電システム１では、燃料貯蔵モジュール２の燃料容器７から発電モジュール３への燃料１０の供給を安定させることができ、ひいては発電モジュール３で発電される電力の低下を防止することができる。

１…発電システム
２…燃料貯蔵モジュール
３…発電モジュール
４…筐体
５，６…貫通孔
７…燃料容器
８…蛇腹（容積変化手段）
９…流出口
１０…燃料
１１…高粘性液体
１２…吸収体
１３…逆止弁
１４…外気導入孔（外気導入手段）
１５…容器本体
１６…水導入管
１７…膨潤体
１８…水導入孔
１９…流路（流体導入手段）
２０…改質装置
２１…気化器
２２…水蒸気改質反応器
２３…水性シフト反応器
２４…選択酸化反応器
２５…燃料電池
２６…蓄電部
２７…分配部
２８…制御部
３０…筐体
３１…スリット
３２…端子
３３…通気孔
３４，３５，３７…管
３６…バルブ
４０…熱処理炉
４１，４２…基板
４３…マイクロ流路
４４…流入管
４５…流出管
４６…改質触媒膜
４７…発熱抵抗膜
４８，４９…リード線
５１，５２…輻射シールド膜
５３…ガラス容器
５４…支持体
６０…空間部

Claims (9)

1. 容器本体と、
   前記容器本体内に設けられた燃料と、
   前記燃料を前記容器本体の外部に供給するために前記容器本体に設けられた流出口と、
   前記流出口からの前記燃料の流出に応じた流体を前記容器本体の内部に導入する流体導入手段と、
   前記流体導入手段と連通し、前記流体を吸収することにより前記容器本体内で膨潤する膨潤体と、
   を有し、
   前記容器本体には、前記容器本体内の容積を変化させる容積変化手段が配設され、
   前記容器本体の内部には、前記燃料を吸収することが可能な吸収体が充填され、
   前記吸収体は、前記容積変化手段による前記容器本体の容積の減少により収縮することを特徴とする燃料容器。
2. 請求項１に記載の燃料容器において、
   前記流体は、前記流出口から流出された前記燃料から生成された生成物であることを特徴とする燃料容器。
3. 請求項１又は２に記載の燃料容器において、
   前記容器本体の内部には、前記燃料を吸収することが可能な吸収体が充填されていることを特徴とする燃料容器。
4. 請求項１に記載の燃料容器において、
   前記容積変化手段は、応力により収縮自在な蛇腹であることを特徴とする燃料容器。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料容器において、
   前記容器本体の内部に外気を導入する外気導入手段を有することを特徴とする燃料容器。
6. 請求項５に記載の燃料容器において、
   前記外気導入手段は、前記容器本体の内部と外部とを連通する通気孔であることを特徴とする燃料容器。
7. 請求項６に記載の燃料容器において、
   前記外気導入手段としての通気孔には、前記燃料の揮発成分の透過を遮蔽し、外気を選択的に透過させる選択性透過膜が配設されていることを特徴とする燃料容器。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の燃料容器において、
   前記流出口の内部には、前記容器本体から前記流出口の外側への前記燃料の流出を許容し、前記流出口の外側から前記容器本体への前記燃料の流入を阻止する逆止弁が配設されていることを特徴とする燃料容器。
9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の燃料容器において、
   前記流体導入手段は、前記流体が流通可能な前記膨潤体に通じる流路であることを特徴とする燃料容器。

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