(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に燃料を供給するために、水素ガスを発生するためのプロセスであって、
ａ）水蒸気発生器内に存在する引張り膜により加えられる圧力によって前記水蒸気発生器から水素ガス発生器に水蒸気を誘導するステップと、
ｂ）ポーラス・プラグまたは少なくとも１つの弁によって前記水素ガス発生器への水蒸気の流れを調整するステップと、
ｃ）前記水素ガス発生器内で、液体でない水素発生物質を水蒸気と反応させて水素ガスを発生するステップであって、前記水素ガス発生器は、前記液体でない水素発生物質で少なくとも部分的に充填されている、ステップと、
ｄ）前記水素ガス及び前記水素ガス発生器の残留水蒸気を燃料電池に誘導するステップと、
を含むプロセス。
【請求項２】
請求項１に記載のプロセスにおいて、
水蒸気及びアルコール蒸気の混合物が、前記水素ガス発生器に誘導される、プロセス。
【請求項３】
請求項１に記載のプロセスであって、
ｅ）前記燃料電池から前記水蒸気発生器に、前記燃料電池の残留水蒸気及び残留水素ガスを誘導して返すステップ
を更に含むプロセス。
【請求項４】
請求項３に記載のプロセスであって、
少なくとも１つの導管を介して、前記水蒸気発生器から前記水素ガス発生器に水蒸気及び存在するすべての水素ガスを誘導するステップと、
少なくとも１つの導管を介して、前記水素ガス発生器から前記燃料電池に水素ガス及び前記水素ガス発生器の残留水蒸気を誘導するステップと、
を更に含むプロセス。
【請求項５】
請求項３に記載のプロセスであって、
少なくとも１つの導管を介して、前記水蒸気発生器から前記水素ガス発生器に水蒸気及び存在するすべての水素ガスを誘導するステップと、
少なくとも１つの導管を介して、前記燃料電池に前記水素ガス及び残留水蒸気を誘導するステップと、
少なくとも１つの帰還路を介して、前記燃料電池から前記水蒸気発生器に残留水蒸気及び残留水素ガスを戻すステップと、
を更に含むプロセス。
【請求項６】
請求項１に記載のプロセスにおいて、
前記水蒸気発生器が、水蒸気で少なくとも部分的に充填されたチャンバを含む、プロセス。
【請求項７】
請求項１に記載のプロセスにおいて、
前記水蒸気発生器から前記水素ガス発生器への前記水蒸気の流れが、少なくとも１つの弁によって制御される、プロセス。
【請求項８】
請求項７に記載のプロセスにおいて、
前記弁が、前記水素ガスの圧力によって制御される弁である、プロセス。
【請求項９】
請求項１に記載のプロセスにおいて、
前記液体でない水素発生物質が、アルカリ金属、水素化カルシウム、水素化リチウム、水素化アルミニウム・リチウム、水素化ホウ素ナトリウム、水素化ホウ素リチウム及びそれらの組み合わせからなる群から選択される材料を含む、プロセス。
【請求項１０】
請求項１に記載のプロセスにおいて、
前記液体でない水素発生物質が、水素化ホウ素リチウムを含む、プロセス。
【請求項１１】
請求項１に記載のプロセスにおいて、
前記液体でない水素発生物質が、水素化ホウ素ナトリウムを含む、プロセス。
【請求項１２】
請求項１に記載のプロセスにおいて、
前記液体でない水素発生物質が、水素化アルミニウム・リチウム含む、プロセス。
【請求項１３】
請求項１に記載のプロセスにおいて、
前記液体でない水素発生物質が、粉末、小球又は細粒状である、プロセス。
【請求項１４】
請求項３に記載のプロセスであって、
前記水蒸気発生器から前記水素ガス発生器に前記水蒸気発生器の水蒸気及び存在するすべての水素を送るステップを更に含むプロセス。
【請求項１５】
請求項１に記載のプロセスであって、
ヒータによって前記燃料電池を加熱するステップを更に含むプロセス。
【請求項１６】
請求項１に記載のプロセスであって、
前記水蒸気発生器、前記水素ガス発生器又は前記燃料電池のうちの少なくとも１つに取り付けられた少なくとも１つの装置によって、前記水蒸気発生器から前記水素ガス発生器への水蒸気の最初の流れを引き起こすステップを更に含むプロセス。
【請求項１７】
発電するためのプロセスであって、
水蒸気発生器内に存在する引張り膜によって圧力を加えて前記水蒸気発生器から水素ガス発生器に水蒸気を誘導するステップと、
ポーラス・プラグまたは少なくとも１つの弁によって前記水素ガス発生器への水蒸気の流れを調整するステップと、
水蒸気及び水素ガスを、前記水素ガス発生器を通って誘導するステップであって、前記水素ガス発生器が、前記燃料電池及び前記水蒸気発生器それぞれに接続され、前記水素ガス発生器が、水蒸気と反応して水素ガスを発生する物質で少なくとも部分的に充填されている、ステップと、
水蒸気と、水蒸気に反応して水素ガスを発生する液体でない水素発生物質とを接触させるステップと、
水蒸気及び水素ガスを、前記水素ガス発生器から燃料電池に誘導するステップと、
水蒸気及び残留水素ガスを、前記燃料電池から前記水蒸気発生器に戻るように誘導するステップと、
を含む、プロセス。
【請求項１８】
請求項１７に記載のプロセスにおいて、
前記液体でない水素発生物質が、水素化ホウ素リチウムを含む、プロセス。
【請求項１９】
請求項１７に記載のプロセスにおいて、
前記液体でない水素発生物質が、水素化ホウ素ナトリウムを含む、プロセス。
【請求項２０】
請求項１７に記載のプロセスにおいて、
前記液体でない水素発生物質が、水素化アルミニウム・リチウムを含む、プロセス。
【請求項２１】
ハウジングを含む、水素ガス発生装置であって、
ａ）水蒸気発生器と、
ｂ）水蒸気と反応して水素ガスを発生する液体でない水素発生物質を含む水素ガス発生器と、
ｃ）前記水蒸気発生器と前記水素ガス発生器を接続し、前記水蒸気発生器から前記水素ガス発生器への水蒸気の流れを可能にする少なくとも１つの導管と、
ｄ）前記導管を交互に開閉するための弁であって、
ｉ）周辺部が前記ハウジングに固定された可撓性ダイヤフラムと、
ｉｉ）ダイヤフラムとは反対側に位置し、前記導管を交互に開閉するために前記導管と対合する弁体と、
ｉｉｉ）対向する末端部を有し、そのロッドが前記導管の一部分を貫通して延び、その末端部の一方で前記ダイヤフラムに取り付けられ、その反対側の末端部で前記弁体に取り付けられた、ロッド・コネクタと、
ｉｖ）前記導管の周辺部のまわりに取り付けられ、前記弁体が、前記導管を閉にするように位置したとき、前記弁体と対合するように位置決めされる、シールと、
を含む弁と、
ｅ）前記水蒸気発生器内に存在する引張り膜であって、該引張り膜により圧力を加えて水蒸気発生器から水素ガス発生器に水蒸気を誘導する引張り膜と、
を含み、
前記ハウジングが前記水蒸気発生器、水素ガス発生器、少なくとも１つの導管、及び弁を囲うことを特徴とする水素ガス発生装置。
【請求項２２】
請求項２１に記載の水素ガス発生装置であって、
生成された水素ガスの燃料電池中への流入を可能にするようにして、前記ハウジングと接続された前記燃料電池を、更に含む水素ガス発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（発明の分野）
本発明は、燃料電池を使用した向上した発電システムに関する。より詳しくは、本発明は、制御状態下で水蒸気を液体でない水素発生物質と反応させることによって、水素ガスを発生し、生成された水素ガスを燃料電池に送り、次いで発電するシステムに関する。本発明は、水素ガス発生装置中で使用する空気圧弁にも関する。
【０００２】
（関連出願の相互参照）
本出願は、参照によって本明細書に組み込まれる２００１年８月２８日出願の、同時継続の米国特許出願第０９／９４１，２４７号の一部継続出願であり、２００３年２月１９日出願の、同時継続の米国仮特許出願第６０／４４８，５７３号に基づき優先権を主張するものである。
【背景技術】
【０００３】
バッテリと同様に、燃料電池は、化学反応によって機能し、発電する。バッテリが行うように反応剤を貯蔵するのではなく、燃料電池は、反応剤を連続してセルに供給することによって動作させる。炭化水素液からのＨ２を用いて動作する、イオン交換膜型（ｐｒｏｔｏｎｅｘｃｈａｎｇｅ ｍｅｍｂｒａｎｅ：ＰＥＭ）燃料電池は、携帯型電子装置、電気掃除機、燃料効率がより高い自動車中のバッテリに置き換わる最有力候補として、超小型電子機械システム（ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｙｓｔｅｍｓ：ＭＥＭＳ）に電力を供給するための、ＭＥＭＳ発電機などの装置として、出現している。典型的な燃料電池では、水素ガスが、一方の反応剤として働き、酸素が、他方の反応剤として働き、電極においてこの２つが反応することによって、水の分子が形成され、直流電気の形でエネルギーが放出される。次いで、この直流電流は、交流に変換することができる。システムは、水素及び酸素が供給されるかぎり、連続的に電力を供給することができる。通常、酸素は、空気から得られるが、一般に、水素ガスは、貯蔵された水素ではなく、制御された化学反応を通して他の複合物から生成する必要がある。というのは、水素ガスを貯蔵するためには、水素を圧縮する、又は低温に冷却する何れかを行うことが、必要であるからである。燃料電池技術が、進歩するにつれて、燃料電池に対して応用するために、水素ガスを生成する手段も進歩する。
【０００４】
現在、水素ガスを生成するために知られ、使用される方法は、様々な方法がある。支配的な方法は、化石燃料を水素及び炭素発生物に分解する改質として知られるプロセスによる方法である。しかし、このシステムは、長期的に見ると望ましくない。というのは、再生できない資源に依存しているからである。他の方法は、電気分解法であり、それでは水素が、水分子から分解される。しかし、この方法は、自動車中で使用するような大規模な用途にはよく適していない。水素ガスを生成する他の手段は、加熱によって可逆的に、金属水素化物又は合金へ水素ガスを吸着させ、そこから放出させることによる手段である。この方法は、有効であるが、金属水素化物は、通常極めて重く高価であり、わずかの量の水素を放出するだけなので、好ましくない。水素ガスを生成する他の手段は、反応性化学的水素化物による手段である。このプロセスは、乾性の高度に反応性のある固体から、その固体を液状水分又は酸と反応させることによって、水素ガスを化学的に発生させることに関与する。このプロセスに殊に適した化学物質は、水素化リチウム、水素化カルシウム、Ｂ１０Ｈ１４、水素化アルミニウム・リチウム及び水素化ホウ素ナトリウムであり、それぞれは、豊富な量の水素を放出することができる。この方法に関した欠点は、化学物質及び液状水分からの反応発生物が、通常、反応性化学物質と液状水分又は酸との更なる反応を妨げる、ケーキ又は糊状物質を形成することである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
この技術では、燃料電池中で使用するために、再生できない資源に頼らず上記で言及した方法のそれぞれの欠点を有さずに、制御状態下で水素ガスを生成することができる手段を提供することが、極めて重要である。本発明は、この問題に対して解決策を提供する。本発明は、発電機と、燃料電池が必要とする速度で制御状態の下において水素ガスを生成するためのプロセスとを提供する。発電機は、少なくとも部分的に水蒸気で充填された水蒸気発生器と、水蒸気発生器に接続された少なくとも１つの水素ガス発生器と、調整弁と、水素ガス発生器に接続された燃料電池とを含み、水素ガス発生チャンバが、水蒸気と反応して水素ガスを発生する液体でない水素発生物質で、少なくとも部分的に充填されている。次に、生成された水素ガスは、「燃料」として使用することができ、燃料電池の発電を可能にする。本発明は、液状水分ではなく水蒸気と液体でない水素発生物質とを反応させることによって、制御可能な状態で水素ガスを生成する関連技術に改良を加えるものである。水蒸気と前述の液体でない化学物質とを反応させることによって、反応性化学水素化物に関した通常の問題が避けられ、従来のシステムより効率的なシステムが得られることが、判明した。
【０００６】
本発明は、水素発生装置中で使用するのに適した、駆動が電気的でない弁も提供する。本発明の弁は、水素の過圧によって駆動されて、水蒸気の粉末状化学燃料中への拡散を調整する。弁が、非電動であるので、制御電圧、制御器及び制御電圧発生器の必要がなく、湿った状態で作動する弁の放電による問題が、避けられる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、
ａ）水蒸気発生器と、
ｂ）その水蒸気発生器に取り付けられる水素ガス発生器であって、
前記水素ガス発生器が、水蒸気と反応して水素ガスを発生する液体でない水素発生物質を含み、
前記水素ガス発生器が、任意選択によって、少なくとも１つの導管を介して前記水蒸気発生器に取り付けられる、水素ガス発生器と、
ｃ）前記水素ガス発生器に取り付けられる燃料電池であって、
前記燃料電池が、任意選択によって、少なくとも１つの導管を介して前記水素ガス発生器に取り付けられる、燃料電池と、
を含む発電機を提供する。
【０００８】
本発明は、燃料電池に燃料を供給するために水素ガスを生成するための、
ａ）水蒸気発生器から水素ガス発生器に水蒸気を誘導するステップであって、
前記水素ガス発生器が、水蒸気と反応して水素ガスを発生する液体でない水素発生物質で、少なくとも部分的に充填される、ステップと、
ｂ）前記水素ガス及び残留水蒸気を燃料電池に誘導するステップと、
を含むプロセスを提供する。
【０００９】
更に、本発明は、電気エネルギーを生成するための改良されたプロセスを提供し、そのプロセスでは、
水及び水素ガスが、水含有チャンバから燃料電池に誘導され、
水及び残留水素ガスが、燃料電池から水含有チャンバに戻るように誘導され、
水及び水素ガスが、水素ガス発生器を通って誘導され、その水素ガス発生器が、燃料電池及び水含有チャンバそれぞれに接続され、その水素ガス発生器が、水と反応して水素ガスを発生する物質で、少なくとも部分的に充填されており、
その改良は、水蒸気の形で水と、水蒸気に反応して水素ガスを発生する液体でない水素発生物質とを接触させるプロセスを含む。
【００１０】
更に、本発明は、やはり、ハウジングを含む水素ガス発生装置を含み、そのハウジングは、
ａ）水蒸気発生器と、
ｂ）水蒸気と反応して水素ガスを発生する液体でない水素発生物質を含む水素ガス発生器と、
ｃ）水蒸気発生器と水素ガス発生器を接続し、水蒸気発生器から水素ガス発生器への水蒸気の流れを可能にする少なくとも１つの導管と、
ｄ）前記導管を交互に開閉するための前記導管中に位置する弁であって、
ｉ）周辺部が、前記ハウジングに固定された可撓性ダイヤフラムと、
ｉｉ）ダイヤフラムとは反対側に位置し、前記導管を交互に開閉するために前記導管と対合する弁体と、
ｉｉｉ）対向する末端部を有し、そのロッドが、前記導管の一部分を貫通して延び、その末端部の一方で前記ダイヤフラムに取り付けられ、その反対側の末端部で前記弁体に取り付けられた、ロッド・コネクタと、
ｉｖ）前記導管の周辺部のまわりに取り付けられ、前記弁体が、前記導管を閉にするように位置したとき、前記弁体と対合するように位置決めされる、シールと、
を含む弁と、
を封入する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】導管と、別の帰還路とを有した発電機の概略図である。
【図２】導管又は帰還路どちらも有しない発電機の概略図である。
【図３】水蒸気発生器、水素ガス発生器、及び燃料電池のそれぞれを接続する導管を有し、ポンプ、引張り膜を水蒸気発生器内に、熱絶縁物を燃料電池のまわりにも有する発電機の概略図である。
【図４】発電機の電子制御システムのための構成要素及び相互接続スキーム全体を示す図である。
【図５】ポリマー・ブロック内に形成された発電機の斜視図である。
【図６】薄い成形カードで形成された、発電機及びその構成部品の斜視図である。
【図７】発電機の電圧電流の測定結果のグラフの図である。
【図８】メゾバルブ（ｍｅｓｏｖａｌｖｅ）の概略図である。
【図９】メゾバルブの斜視図である。
【図１０Ａ】ＭＥＭＳ燃料電池を形成するためのプロセス・ステップを示す図である。
【図１０Ｂ】ＭＥＭＳ燃料電池を形成するためのプロセス・ステップを示す図である。
【図１０Ｃ】ＭＥＭＳ燃料電池を形成するためのプロセス・ステップを示す図である。
【図１０Ｄ】ＭＥＭＳ燃料電池を形成するためのプロセス・ステップを示す図である。
【図１０Ｅ】ＭＥＭＳ燃料電池を形成するためのプロセス・ステップを示す図である。
【図１０Ｆ】ＭＥＭＳ燃料電池を形成するためのプロセス・ステップを示す図である。
【図１０Ｇ】ＭＥＭＳ燃料電池を形成するためのプロセス・ステップを示す図である。
【図１０Ｈ】ＭＥＭＳ燃料電池を形成するためのプロセス・ステップを示す図である。
【図１０Ｉ】ＭＥＭＳ燃料電池を形成するためのプロセス・ステップを示す図である。
【図１１】非電動弁を有した、本発明の水素ガス発生装置の側面から見た断面図である。
【図１２】非電動弁によって調整される、本発明の水素ガス発生装置の上面図である。
【図１３】非電動弁を有した、本発明の水素ガス発生装置の側面から見た断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
水蒸気と液体でない水素発生物質との反応を制御して、水素ガスを発生し、次にその水素ガスを使用して燃料電池に燃料を供給する、発電機が、提供される。生成された電気エネルギーを使用して、無線センサ、携帯電話又は他の携帯型電子装置などの小型装置に電力を供給することができる。
【００１３】
図１〜図３に示すように、発電機１０は、大まかに、少なくとも１つの水蒸気発生器１２と、水蒸気発生器１２に取り付けられた少なくとも１つの水素ガス発生器１４と、水素ガス発生器１４に取り付けられた燃料電池１６とを含む。水蒸気発生器１２は、水蒸気、液状水分又は氷の何れかの形の水で、少なくとも部分的に充填されたチャンバであることが好ましい。液状水分又は氷のどちらかの量は、変わることができ、一般に、水蒸気発生チャンバ１２のサイズと、発電機１０が使用される用途とに依存する。液体が使用される場合、液体は、極めて低温になるまで液状水分が氷結しないように防止するために、任意の割合の水とアルコールの混合物を含むことができる。この場合、水蒸気発生器は、水及びアルコールの蒸気をともに発生することができる。次に、両方の蒸気は、水素ガス発生器に入り、水素の発生を誘起することができる。好ましい実施形態は、純水を使用することである。
【００１４】
液状水分が、水蒸気発生器１２内に存在する場合、液状水分は、ポーラス・プラグ２４又は弁２６何れかによって、水蒸気発生器１２からしみ出ないように防止することができる。ポーラス・プラグ２４は、綿又はポリマーの織物などの多孔性材料を含み、水蒸気の水蒸気発生器１２への流入及びそこからの流出を可能にしながら、液状水分に対する障壁として働く。
【００１５】
或いは、弁２６が、水蒸気発生器１２からの水蒸気の流出を調整し、液状水分があればしみ出ないように防止することができる。図２に、この実施形態を示す。弁２６は、手動で、空気的に又は電動で何れかによって、制御される弁とすることができる。好ましい実施形態は、空気的に制御される弁である。弁が、電動で制御される場合、弁を開き、水蒸気発生器１２から水素ガス発生器１４に水蒸気を最初に流入させるために必要な最初の電力が、デバイス３０中に蓄電された電力によって供給されることが好ましい。弁２６は、デバイス３０又は燃料電池１６に直接電気的に接続することができ、従って、燃料電池は、デバイス３０と電気的に接続される。或いは、デバイス３０は、水蒸気発生器１２、水素ガス発生器１４又は発電機１０の他の要素の何れかに取り付けることができる。弁２６が、最初に開かれて、水蒸気発生器１２からの水蒸気の流出を可能にした後、次いで、燃料電池１６から生成された電力を使用して、弁２６を制御するための電力を供給することが好ましい。電気的に制御される弁を使用する、本発明の好ましい実施形態では、デバイス３０は、バッテリを含む。弁２６の開閉は、いつ水素ガスを生成して燃料電池に燃料を供給することが、所望なのかに応じて、空気的に制御することが好ましい。電気的に制御される幾つかのタイプの弁が、存在する。電気的に制御される弁は、メゾバルブ（ｍｅｓｏｖａｌｖｅ）であることが好ましい。図８及び図９に、役に立つメゾバルブについての構造を示す。メゾバルブは、米国特許第５，８３６，７５０号にも記載されており、それは、参照により本明細書に組み込まれる。一連のメゾバルブは、メゾポンプ（ｍｅｓｏｐｕｍｐ）を形成する。そのような超軽量で小型の水蒸気拡散性流量調整器メゾバルブは、電気駆動の可動ポリマー膜を使用する。このメゾバルブを制御することによって、粉末燃料チャンバへの水蒸気の流入が、制御されるので、発生器の内圧が、能動的に制御される。
【００１６】
図２にだけ、弁２６を示しているが、本発明のどのような実施形態も、少なくとも１つの弁２６を含むことができることが、企図される。更に、幾つかの互いに異なる、燃料電池、水素ガス発生器、水蒸気発生器、弁及びポンプの相互接続の構成が、気体及び蒸気の相互接続に精通した人に明らかなように、利用可能である。要素が、本明細書で、取り付けられる又は互いに接続されるとして記載してあるとき、直接取り付けると指定されていない限り、直接的に又は間接的に何れかで取り付けることができることを理解されたい。水蒸気及び／又は水素ガスの流れが、本明細書に記載してあるとき、気体は、特別に指定されていない限り、一方の要素から他方の要素へ直接的に又は間接的に流れることができることも、理解されたい。たとえば、水素ガスは、水素ガス発生器から燃料電池へ、まず水素ガスが水蒸気発生器を通過して、間接的に流れることができる。
【００１７】
好ましい実施形態では、発電機１０は、前記水蒸気発生器１２、前記水素ガス発生器１４、前記燃料電池１６並びに前記任意選択による導管１８又は帰還路２０のうちの少なくとも１つ内にある水素ガスを最初供給される。この最初に供給された水素ガスは、燃料電池１６まで伝わり、燃料電池内で反応を引き起こし、発電することになる。次いで、この電気を使用して、弁２６に電力を供給する。本発明の好ましい実施形態では、発電機は、動作中常に水素で充填される。更に、燃料電池は、その精密な取り付けに従って、湿度がより低い又はより高い水素を供給され、従って燃料電池の水和を調整することができる。水素の湿度は、水蒸気発生器中でより高く、水素ガス発生器中でより低い。
【００１８】
水蒸気発生器１２の寸法は、規模が極めて小さいことが好ましいが、発電機１０の使用によって変わることもできる。好ましい小規模の実施形態では、水蒸気発生器１２は、高さが約０．１ｃｍから約１．０ｃｍまでであり、幅が約０．１ｃｍから約１．０ｃｍまでであり、長さが約０．１ｃｍから約１．０ｃｍまでである。図３に示すように、任意選択によって、水蒸気発生器内にあるのは、引張り膜３２である。引張り膜３２は、水蒸気発生器１２内の水蒸気上に圧力を加え、水蒸気発生器１２から水素ガス発生器１４に向けて水蒸気を追い出すように働く。水蒸気発生器１２内の圧力は、大気圧よりわずかに高い圧力を維持することが好ましい。
【００１９】
水蒸気発生器１２に取り付けられるのは、水素ガス発生器１４である。水素ガス発生器１４は、チャンバの形であり、水蒸気と反応して水素ガスを発生する液体でない水素発生物質で、少なくとも部分的に充填されることが好ましい。或いは、水素ガス発生器１４は、水蒸気発生器１２に隣接し、液体でない物質を保持するのに適した塊とすることができる。水蒸気発生器１２と同様に、水素ガス発生器１４の寸法は、発電機１０の提案する使用によって変わることになる。水素ガス発生器１４が、小規模の用途でチャンバを含むとき、それは、高さが約０．１ｃｍから約１．０ｃｍまでであり、幅が約０．１ｃｍから約１．０ｃｍまでであり、長さが約０．１ｃｍから約１．０ｃｍまでである。
【００２０】
水素ガス発生器１４内の液体でない水素発生物質は、粉末、細粒又は小球状である材料を含むことが好ましく、アルカリ金属、水素化カルシウム、水素化リチウム、水素化アルミニウム・リチウム、Ｂ１０Ｈ１４、水素化ホウ素ナトリウム、水素化ホウ素リチウム及びそれらの組み合わせであることが好ましい。適切なアルカリ金属は、これらに限られるものではないが、リチウム、ナトリウム及びカリウムを含む。液体でない物質の好ましい材料は、水素化ホウ素ナトリウム、水素化ホウ素リチウム及び水素化アルミニウム・リチウムである。液体でない物質は、水蒸気と液体でない物質との反応に触媒作用を及ぼす水素発生触媒と化合することも好ましい。適切な触媒は、これらに限られるものではないが、コバルト、ニッケル、ルテニウム、マグネシウム及び合金並びにそれらの組み合わせを含む。
【００２１】
水素ガス発生器１４に取り付けられるのは、燃料電池１６である。水素で電力を供給する燃料電池は、この技術では周知である。燃料電池１６の寸法は、発電機１０の企図される使用にも依存する。小規模の用途では、燃料電池は、高さが約０．１ｃｍから約０．２ｃｍまでであり、幅が約０．１ｃｍから約１．０ｃｍまでであり、長さが約０．１ｃｍから約１．０ｃｍまでであることが好ましい。図３に示すように、燃料電池１６は、熱絶縁物２８によって、少なくとも部分的に囲繞されることが好ましい。熱絶縁物２８は、水の氷結温度より高い温度で燃料電池を維持するのに適した任意の物を含むことができる。適切な熱絶縁物は、これに限るものでないが、発泡プラスチックを含む絶縁物を含む。熱絶縁物に加えて、水の氷結温度より高い温度に燃料電池及び発電機１０の温度を維持するために、ヒータ３４を、燃料電池１６に隣接して配置する又はそれに取り付けることができる。本発明の好ましい実施形態では、発電機１０は、使用中、約−２０℃から約５０℃まで、より好ましくは約０℃から約５０℃まで、もっとも好ましいのは約２０℃から約５０℃までの温度に維持される。
【００２２】
図１及び図３に示すように、水蒸気発生器１２は、弁を含む少なくとも１つの導管１８を介して、水素ガス発生器１４と接続されることが好ましい。水素ガス発生器１４は、少なくとも１つの導管１８を介して、燃料電池１６と接続されることが好ましい。導管１８は、水蒸気発生器と接続し、それによってより多くの湿った水素を燃料電池に送ることもできる。導管１８は、水蒸気発生器１２から水素ガス発生器１４に水蒸気を容易に送り、水素ガス発生器１４から燃料電池１６に水素ガスを容易に送るのに十分である任意の物を含むことができる。図１に示すように、本発明の好ましい実施形態では、発電機１０は、燃料電池１６から水蒸気発生器１２にあれば残留水蒸気及び水素ガスを戻すように誘導する、帰還路２０も含む。帰還路２０は、導管１８と実質的に同一であることが好ましい。図２に示すように、導管１８又は帰還路２０は、本発明の有効性能を得るためには、どちらも不要な要素である。この実施形態では、水蒸気発生器１２は、水素ガス発生器１４に直接取り付けることができ、燃料電池１６は、水素ガス発生器１４に直接取り付けることができる。
【００２３】
少なくとも１つのポンプ２２を発電機１０と結合して、水蒸気発生器１２と水素ガス発生器１４の間で、水素ガス及び水蒸気を送ることが更に好ましい。ポンプ２２は、燃料電池１６に電気的に接続され、それから電力を供給されることが好ましく、任意選択によって、ポンプは、デバイス３０中に蓄電された電力を最初に供給される。好ましい実施形態では、ポンプは、メゾスコピック・ポンプ（ｍｅｓｏｓｃｏｐｉｃｐｕｍｐ）又はメゾポンプである。１つの好ましいメゾポンプは、米国特許第５，８３６，７５０号に記載されており、それは、参照により本明細書に組み込まれる。不活性ガスが、水蒸気発生器１２、水素ガス発生器１４及び燃料電池１６内に、並びに任意選択による導管１８及び任意選択による帰還路２０中に、最初に存在することも好ましい。不活性ガスは、水蒸気及び水素ガスを燃料電池１６に送る助けとなり、窒素、アルゴン、その組み合わせ及びその種の他のものからなる群から選択される気体であることが好ましい。
【００２４】
使用の際、水蒸気発生器１２は、水蒸気発生器１２から液状水分の蒸発による、空気中への水分子の拡散による、水からの発泡ガスによる、或いは液状水分又は存在すれば氷の表面の上に、又は水によって濡れた表面の上にガスを送ることによる、或いはより速い蒸気発生速度を誘起するように水を送ることによる方法など、様々な方法で水蒸気を発生することができる。一度水蒸気が発生すると、その水蒸気は、拡散によって、引張り膜３２が加える圧力によって、ポンプ２２が生成する力によって、水蒸気が水素ガス発生器中で消費されたとき引き起こされる流れによって、又は水素が燃料電池によって消費されるとき引き起こされる流れによって、水蒸気発生器１２から水素ガス発生器１６に向けて誘導される。次に、水蒸気は、ポーラス・プラグ２４又は開いている弁２６何れかを通過し、好ましくは導管１８中に流入し、次に液体でない水素発生物質で少なくとも部分的に充填された水素ガス発生器１４に進む。一度水蒸気が、水素ガス発生器１６中に進入すると、液体でない水素発生物質が、水蒸気と反応し、水蒸気を消費して水素ガスを発生する。次に、水素ガス及び残留水蒸気が、好ましくは他の導管１８を介して、水素ガス発生器１４から燃料電池１へ誘導される。一度水素ガスが、燃料電池に達すると、水素ガスは、燃料電池内で酸素ガスと化合し、水素ガスを消費して発電する。その後、残留水蒸気及び残留水素ガスが、好ましくは帰還路２０を介して、燃料電池１６から水蒸気発生器１２へ送り返される。
【００２５】
図４に、発電機の電子制御システム用の好ましい構成要素及び相互接続スキーム全体を示す。閉ループによる駆動及びフィードバック制御回路が、液体の駆動制御及び出力電圧制御のために、設けられる。重要な要求は、燃料電池中の水素の適切な流量及び圧力を維持し、負荷が必要とする電力を提供するように、燃料及び水又は水蒸気の送出速度を制御することである。能動的制御システムが、出力電圧を調整し、幾つかの用途については、リチウム・ボタン電池などの小さなデバイス中に、又は極めて早い突発的に大きい電力が必要になる用途にはコンデンサ中に、電気エネルギーを蓄える。マイクロコントローラ・ベースの電子回路は、電圧掛算器、ポンプ駆動回路、信号調整回路及び低電力制御回路などの従来の構成要素を使用する。適切なセンサによって、内部機能の測定及び制御が可能になる。リチウム・ボタン電池又はスーパー・コンデンサ及びガス・エネルギー・リザーバ（水素貯蔵）などの電力貯蔵システムは、短期高電力（バースト・モード）動作及び長期貯蔵からの最初の始動をもたらす代替方法になる。
【００２６】
好ましくは、水蒸気発生器と、水素ガス発生器と、燃料電池と、任意選択の導管と、メゾポンプ及びメゾバルブとを含め、発電機の上記で言及した構成部品は、ポリエチレン、ポリイミド、ポリカーボネート、アクリル又はその組み合わせなどの材料からなるポリマー・ブロック内にすべて形成される。図５に、ポリマー・ブロック内に形成される発電機及びその構成部品の図を示す。ポリマー・パッケージによって、外界の圧力からガス拡散電極が保護され、外界への燃料電池の電気的な取り付け方法が可能になり、更に燃料電池のカソードが、受動的に空気から酸素を消費するのが可能になり、更に平面状組み立ての水素ガス発生器中でアノードを配管するのが可能になる。成形カードの形での発電機は、安価、軽量、不浸透性及び不活性であり、必要な構成要素は、容易に組み込み、液体及び電気的相互接続部と連結することができる。図６に、薄い成形カードの形をした発電機及びその構成部品の図を示す。
【００２７】
水及び固体化学物質を燃料とする能動的に調整される水素ガス発生器を有した、ＭＥＭＳのＰＥＭ燃料電池を使用する、本発明の発電機は、エネルギー密度が、リチウム電池より著しく大きい。それは、標準の範囲のサイズで、ＡＡＡ、ＡＡなどのように一連のバッテリと同じようにして、製造することができる。そのような発電機は、以下に示す最低限の特性を満たすことができる。公称電圧２．７ボルト（２．５〜３．５Ｖ）、平均出力電流７０μＡ；３０ｍＡ、平均１０分間に１回の速度で１００ｍｓｅｃパワー・パルス（データＴｘ／Ｒｘについて）、動作０℃〜６５℃、貯蔵寿命＞１０年、動作１年（１．６Ｗ時）及び最大重量１グラム。発電機は、貯蔵燃料をより多く追加するだけで、寿命を１０年より長くすることができる。アルカリ電池又はリチウム電池とは違い、発電機は、完全にシャットダウンすることができ、従って原理的に無限の寿命を提供し、運用寿命は、貯蔵燃料によってだけ、限定される。これは、商業用途ではバッテリに勝る重要な利点である。図７に、本発明による発電機の典型的な電圧電流測定結果のグラフを示す。図１０Ａ〜図１０Ｉに、ＭＥＭＳ燃料電池を形成するためのプロセス・ステップを示す。
【００２８】
本発明は、非電動弁を使用して、水蒸気発生器から水素ガス発生器への水蒸気の流量を調節する、水素ガス発生装置も提供する。図１１〜図１３に、この装置を示す。図１１は、弁の構成部品を示す、水素ガス発生装置の側面より見た断面図である。図１２は、装置の構成部品の好ましい形状及び位置を示す、水素ガス発生装置の上面図である。図１１及び図１２に示すように、弁は、水蒸気発生器１２及び水素ガス発生器１４を接続し、水蒸気発生器と水素ガス発生器の間で水蒸気及び水素ガスの調整された流れを可能にする、導管４４を貫通して位置する。この弁自体は、周辺部が装置ハウジング４８に固定された、空気的に駆動される可撓性ダイヤフラム３６と、ダイヤフラム３６に対向して位置し、導管４４を交互に開閉するために導管４４と対合する弁体３８と、対向する末端部を有し、導管４４一部分を貫通して延在し、一方のその末端部がダイヤフラム３６に取り付けられ、その反対側の末端部が弁体３８に取り付けられたロッド・コネクタ４０と、導管４４の周辺部のまわりに取り付けられ、弁体３８が導管４４を閉にするように位置したとき、弁体３８と対合するように位置する、シール４２とを含む。本発明の好ましい実施形態では、ダイヤフラム３６は、ハウジングの外部表面も含む。
【００２９】
これらの図に示すように、弁は、導管４４を交互に開閉するために、導管４４を貫通して位置する。より具体的には、導管４４が、開のとき、水蒸気は、水蒸気発生器１２から水素ガス発生器１４に進むことが可能になり、水素ガスを発生することになる。導管が、閉のとき、弁体３８は、シール４２と対合し、導管４４を通る水蒸気及び水素ガスの流れを妨げる。本発明の好ましい実施形態では、燃料電池１６は、水素ガス発生装置に結合され、それによって燃料電池１６は、生成された水素ガスを消費して発電することができる。燃料電池１６は、装置のどの構成要素にも、たとえば水蒸気発生器１２に、又は水素ガス発生器１４に直接取り付けることができ、或いは適切なチャネルを介して間接的に取り付けることができる。
【００３０】
図１３に、燃料電池１６を含み、水蒸気発生器から水素ガス発生器への水蒸気の流量を調整する同一の非電動弁を有した、発電機の代替実施形態の断面図を示す。この実施形態では、水蒸気発生器１２は、水素ガス発生器１４を囲繞する。水蒸気が、水蒸気発生器１２によって生成されたとき、水蒸気は、適切な膜４６を通り導管４４中に拡散することが好ましい。膜４６は、引張り膜、ポーラス・プラグ又は図１〜図３の実施形態のための上記で述べたような物などの弁を含むことができる。図１１及び図１２の実施形態と同様に、弁は、水蒸気発生器１２及び水素ガス発生器１４を接続し、水蒸気発生器１２から水素ガス発生器１４への水蒸気の流量を調整する、導管４４を貫通して位置する。更に、この実施形態では、燃料電池１６中に水素ガスを進入させるが、燃料電池１６に非液体物質を到達させないようにする、微粒子のフィルタが、水素ガス発生器１４と燃料電池１６の間に存在することが好ましい。
【００３１】
弁の作動は、大気圧、即ち外部圧力と装置の内部水素ガス圧の間の差圧によって制御される。装置の内部ガス圧が、水素ガスを発生することによって大気圧より高く上昇したとき、ダイヤフラム３６は、外側にわずかに湾曲する。これによって、コネクタ４０が、弁体３８をシール４２に対して引き付けて、弁を閉じ、それによって追加の水蒸気の水素ガス発生器１４への流入を防止する。弁が閉じられた場合、水素の生成が、停止される。それによって、内部ガス圧が、更に上昇することも防止される。水素が、燃料電池１６などによって消費されたとき、内部ガス圧は、低下し、弁体３８が、シール４２と係合解除して、弁を開ける。従って、水素ガスは、それが消費される速度で、自動的に生成される。更に、燃料電池１６が、装置に取り付けられたとき、ある量の水素が、装置中に絶えず存在することになるので、水素ガスは、燃料電池の消費する量だけ、いつでも利用可能になる。
【００３２】
本発明の好ましい実施形態では、装置の内部Ｈ２の圧力は、閉位置のとき、約６．９ｋＰａ（１ｐｓｉ）から約６８．９ｋＰａ（１０ｐｓｉ）であり、より好ましくは約１ｐｓｉ（６．９ｋＰａ）から約５ｐｓｉ（３４．５ｋＰａ）であり、もっとも好ましくは１ｐｓｉ（６．９ｋＰａ）から約２ｐｓｉ（１３．８ｋＰａ）である。より具体的には、弁は、水素ガスが、燃料電池によって使用されないとき、完全に閉じられ、水素ガスの消費速度を満たすために必要な量だけ流れるようにする。本発明の好ましい実施形態では、１ｐｓｉ（６．９ｋＰａ）より高い内部水素ガス圧によって、導管中の弁が、閉位置に維持される。本発明のもっとも好ましい実施形態では、発電機の内部圧力は、いつでも約２ｐｓｉ（１３．８ｋＰａ）に維持され、圧力が、約２ｐｓｉ（１３．８ｋＰａ）より低下したとき、弁は、内部圧力が、約２ｐｓｉ（１３．８ｋＰａ）に、又はそれより高く上昇するまで、わずかに開き、そうなると弁は、閉じる。上記で述べたように、弁は、水素ガスの圧力によって制御され、弁は、水素ガスの内部圧力も調整する。
【００３３】
構成部品の寸法は、スケールが極めて小さいことが好ましいが、弁の特定の用途に関連して変わることができる。本発明の好ましい実施形態では、ダイヤフラム３６は、好ましくは直径が、約１ｃｍから約３ｃｍの、より好ましくは約１ｃｍから約２ｃｍの薄い円形プレートを含むことが好ましい。弁体は、直径が、約０．２ｃｍから約１ｃｍであることが好ましく、約０．２ｃｍから約０．５ｃｍであることがより好ましい。本発明の好ましい実施形態では、ロッド・コネクタ４０は、ネジ又はボルトを含むことができるが、弁が導管を交互に開閉することができるような、ダイヤフラム３６を弁体３８に接続するための他のどのような手段も、適切である。ダイヤフラム３６、弁体３８及びシール４２のそれぞれは、適切なポリマー材料から製作することができるが、弁の企図した使用要求によって決定されるような、金属複合材料を含むこともできる。
【００３４】
本発明について、好ましい実施形態を参照して、具体的に示し述べてきたが、様々な変更及び修正が、本発明の精神及び範囲から逸脱せずに実施できることを、当業者には容易に理解される。特許請求の範囲が、開示された実施形態、上記で議論された代替形態及びそれらの同等物すべてをカバーすると解釈されることが、企図される。
【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１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１０Ｄ】
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【図１０Ｅ】
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【図１０Ｆ】
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【図１０Ｇ】
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【図１０Ｈ】
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【図１０Ｉ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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