(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素発生器であって、
容器と、
容積を有し、かつ第１反応物質を含む流体を収容するように構成された前記容器内第１反応物質貯留区域と、
容積を有する前記容器内反応区域と、
前記第１反応物質貯留区域から前記反応区域までの流体通路と、
容積を有し、かつ前記反応区域内の前記第１反応物質の反応によって生成された水素ガスの通過及び排出物の貯留を容易にするように構成された前記容器内排出物貯留区域と、
前記反応区域から前記排出物貯留区域までの排出物通路と、
前記排出物貯留区域内の初期圧縮フィルタと、
前記排出物貯留区域と流体連通した液体不透過性気体透過性構成要素と、
水素出口と、
を含み、
水素発生器の作動中に、前記初期圧縮フィルタは、膨張して前記排出物の一部分を収容するように構成され、前記排出物貯留区域容積は、増大するように構成され、前記第１反応物質貯留区域容積及び前記反応区域容積のうちの少なくとも一方が、減少するように構成され、
前記排出物貯留区域を前記第１反応物質貯留区域及び前記反応区域のうちの少なくとも一方から分離する可動仕切りを含み、
前記フィルタの一部分が、前記可動仕切りに取り付けられ、
前記第１反応物質は、反応して水素ガスを生成することができ、該水素ガスの全てが、前記水素出口に到達するために前記排出物貯留区域の一部分を通過しなければならない、  ことを特徴とする水素発生器。
【請求項２】
前記フィルタは、水素発生器の作動中に前記第１反応物質貯留区域容積、前記反応区域容積、又は該第１反応物質貯留区域容積及び該反応区域容積の両方を低減するための力を印加するように構成されることを特徴とする請求項１に記載の水素発生器。
【請求項３】
水素発生器の作動中に前記第１反応物質貯留区域容積、前記反応区域容積、又は該第１反応物質貯留区域容積及び該反応区域容積の両方を低減するための力を印加するように構成された付勢構成要素を更に含むことを特徴とする請求項２に記載の水素発生器。
【請求項４】
前記フィルタは、圧縮前の異なる空隙率の少なくとも２つの区域を含むことを特徴とする請求項１に記載の水素発生器。
【請求項５】
前記フィルタは、圧縮前に異なる空隙率を各々が有する２つの個別の構成要素を含むことを特徴とする請求項４に記載の水素発生器。
【請求項６】
圧縮前の最大空隙率の区域が、前記排出物通路に最も近く、最小空隙率の区域が、前記出口に最も近いことを特徴とする請求項４に記載の水素発生器。
【請求項７】
前記フィルタは、排出物中の液体との親和性を持たない材料を含むことを特徴とする請求項１に記載の水素発生器。
【請求項８】
前記排出物貯留区域への排出物流入路に近い前記フィルタの部分は、前記排出物中の液体との親和性を持たないことを特徴とする請求項７に記載の水素発生器。
【請求項９】
前記フィルタは、排出物中の液体との親和性を持つ材料を含むことを特徴とする請求項１に記載の水素発生器。
【請求項１０】
前記液体不透過性気体透過性構成要素に近い前記フィルタの部分は、前記排出物中の液体との親和性を持つことを特徴とする請求項９に記載の水素発生器。
【請求項１１】
前記フィルタは、オープンセル発泡体を含むことを特徴とする請求項１に記載の水素発生器。
【請求項１２】
前記可動仕切りは、前記排出物貯留区域内の可撓性排出物封入体を含み、該可撓性排出物封入体は、容積を有し、前記フィルタは、該可撓性排出物封入体内に収容され、かつその一部分に取り付けられることを特徴とする請求項１に記載の水素発生器。
【請求項１３】
前記可動仕切りは、前記可撓性排出物封入体に隣接する剛性壁を更に含むことを特徴とする請求項１２に記載の水素発生器。
【請求項１４】
前記可撓性排出物封入体の前記容積は、水素発生器の作動中に増大するように構成されることを特徴とする請求項１２に記載の水素発生器。
【請求項１５】
前記可動仕切りは、前記フィルタを引いて該フィルタを膨張させることを特徴とする請求項１に記載の水素発生器。
【請求項１６】
前記フィルタは、弾性材料を含み、該フィルタは、該フィルタ内の圧縮応力の減少の結果として膨張することを特徴とする請求項１に記載の水素発生器。
【請求項１７】
前記第１反応物質は、前記第１反応物質貯留区域内の可撓性第１反応物質封入体内に最初に収容されることを特徴とする請求項１に記載の水素発生器。
【請求項１８】
第２反応物質を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の水素発生器。
【請求項１９】
前記第１反応物及び前記第２反応物質のうちの少なくとも一方がホウ化水素を含むことを特徴とする請求項１に記載の水素発生器。
【請求項２０】
水素発生器であって、
容器と、
容積を有し、かつ第１反応物質を含む流体を収容するように構成された可撓性封入体を含む前記容器内第１反応物質貯留区域と、
容積を有する可撓性封入体を含む前記容器内反応区域と、
前記第１反応物質貯留区域の封入体から前記反応区域の封入体までの流体通路と、
容積を有し、かつ前記反応区域内の前記第１反応物質の反応によって生成された水素ガス及び排出物の通過を容易にするように構成された可撓性封入体を含む前記容器内排出物貯留区域と、
前記反応区域の封入体から前記排出物貯留区域の封入体までの排出物通路と、
前記排出物貯留区域の封入体内の初期圧縮フィルタと、
前記排出物貯留区域と流体連通した液体不透過性気体透過性構成要素と、
水素出口と、
を含み、
水素発生器の作動中に、前記初期圧縮フィルタは、膨張して前記排出物の一部分を収容するように構成され、前記排出物貯留区域の封入体容積は、増大するように構成され、前記第１反応物質貯留区域の封入体容積及び前記反応区域の封入体容積のうちの少なくとも一方が、減少するように構成され、
前記排出物貯留区域の可撓性封入体は、前記排出物貯留区域を前記第１反応物質貯留区域及び前記反応区域のうちの少なくとも一方から分離し、
前記フィルタの一部分が、前記排出物貯留区域の可撓性封入体の一部分に取り付けられ、
前記第１反応物質は、反応して水素ガスを生成することができ、該水素ガスの全てが、前記水素出口に到達するために前記排出物貯留区域の一部分を通過しなければならない、  ことを特徴とする水素発生器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素発生器、特に燃料電池システムのための水素発生器、及び水素発生器を用いる水素ガスの生成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
携帯用電子デバイスの電源としての燃料電池バッテリに対する関心が増大している。燃料電池は、正極及び負極のための活物質としてセル外からの物質を用いる電気化学セルである。燃料電池は、発電に用いる活物質の全てを収容する必要がないので、他のタイプのバッテリに比べて燃料電池は、生成する電気エネルギの量に対する容積を小さくして作ることができる。
【０００３】
燃料電池は、正極（カソード）及び負極（アノード）反応で使用する物質のタイプに従って分類することができる。燃料電池の１つのカテゴリは、負極活物質として水素及び正極活物質として酸素を使用する水素燃料電池である。こうした燃料電池が放電する時に、水素は、負極で酸化されて水素イオンと電子が生成される。水素イオンは、非導電性イオン透過性セパレータを通過し、電子は、外部回路を通って正極に移動し、そこで酸素が還元される。
【０００４】
一部のタイプの水素燃料電池では、水素は、燃料電池の負極側に供給される燃料から形成される。他のタイプの水素燃料電池では、水素ガスが、燃料電池外部の供給源から燃料電池に供給される。燃料電池システムは、１つ又はそれよりも多くの燃料電池セルを含む燃料電池バッテリと水素タンク又は水素発生器のような水素供給源とを含むことができる。一部の燃料電池システムでは、水素供給源は、水素を使い切った後で交換することができる。交換式水素供給源は、再充填式又は使い捨てとすることができる。
【０００５】
水素発生器は、反応して水素ガスを生成することができる１つ又はそれよりも多くの水素含有反応物質を使用する。反応は、加水分解及び熱分解のような様々な方法で開始することができる。例えば、２つの反応物質が互いに混合される時に水素及び副産物を生成することができる。反応に触媒作用を及ぼすために触媒を用いることができる。反応物質が反応すると、水素ガス及び副産物を含む反応生成物が生成される。
【０００６】
水素発生器の容積を最小にするために、反応物質によって最初に占有された容積は、容積交換構成に水素発生器の構成要素を配置することにより、反応物質が消費された時に反応生成物を収容するために使用することができる。反応物質が消費される時に、それらが占有していた容積は、同時に反応生成物を収容するのに利用可能にされる。
【０００７】
水素ガスは、副産物及び未反応反応物質から分離され、ガスは、水素発生器を出て燃料電池バッテリに提供される。水素ガスから固形物を分離する多孔性フィルタ及び液体から水素ガスを分離する気体透過性液体不透過性膜を含む水素ガスを分離するための様々な手段が公知である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許公開第２００６／０００２８３９号明細書
【特許文献２】米国特許第７，４１０，５６７  Ｂ２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
水素発生器の体積効率を更に改善し、一方で副産物及び未反応反応物質からの水素ガスの有効な分離を提供することが望ましい。低コストで容易に製造される簡素な設計を有する水素発生器を提供することも望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述の利点は、本発明による水素発生器によって提供される。
【００１１】
従って、本発明の１つの態様は、容器と、容積を有し、かつ第１反応物質を含む液体を収容する容器内第１反応物質貯留区域と、容積を有する容器内反応区域と、容積を有する容器内排出物貯留区域と、第１反応物質貯留区域から反応区域までの液体通路と、反応区域から排出物貯留区域までの排出物通路と、排出物貯留区域内に収容された圧縮フィルタと、液体不透過性気体透過性構成要素と、水素出口とを含む水素発生器を使用して水素を生成する方法である。第１反応物質は、第１反応物質貯留区域から液体通路を通って反応区域まで移動され、第１反応物質は、反応区域で反応して水素ガスと排出物を生成し、水素ガス及び排出物は、反応区域から排出物通路を通って排出物貯留区域まで移動され、水素ガスは、フィルタと液体不透過性気体透過性構成要素とを通過して出口に到達する。第１反応物質が、第１反応物質貯留区域から移動し、水素ガスと排出物が、反応区域から排出物貯留区域に移動する時に、第１反応物質貯留区域容積、反応区域容積、又は第１反応物質貯留区域容積及び反応区域容積の両方は減少し、フィルタは膨張し、排出物貯留区域容積は増大する。可動仕切りが、第１反応物質貯留区域及び反応区域のうちの少なくとも一方から排出物貯留区域を分離し、フィルタの一部分は、可動仕切りに取り付けられる。出口まで通される全ての水素ガスは、排出物貯留区域を通過する。
【００１２】
本発明の第１の態様の実施形態は、以下の特徴のうちの１つ又はそれよりも多くを含むことができる。
・排出物が排出物貯留区域に移動する時に、膨張フィルタ及び付勢構成要素のうちの一方又は両方は、第１反応物質貯留区域容積、反応区域容積、又は第１反応物質貯留区域容積及び反応区域容積の両方に力を印加する。
・フィルタは、圧縮前に異なる空隙率の少なくとも２つの区域を有し、フィルタは、圧縮前に異なる空隙率の少なくとも２つの個別の構成要素を含むことができ、好ましくは、圧縮前に最も大きい空隙率の区域が、排出物通路に最も近く、最も小さい空隙率の区域が、液体不透過性気体透過性構成要素に最も近い。
・フィルタは、排出物中の液体との親和性を持たない材料を含み、好ましくは、排出物貯留区域への排出物流入路に近いフィルタの一部分は、排出物中の液体との親和性を持たない。
・フィルタは、排出物中の液体との親和性を有する材料を含み、好ましくは、液体不透過性気体透過性構成要素に近いフィルタの一部分は、排出物中の液体との親和性を有する。
・フィルタは、オープンセル発泡体を含む。
・可動仕切りは、排出物貯留区域内の可撓性排出物封入体を含み、可撓性排出物封入体は、容積を有し、フィルタは、可撓性排出物封入体内に収容されてその一部分に取り付けられ、可動仕切りは、可撓性排出物封入体に隣接する剛性壁を更に含むことができ、水素ガス及び排出物が排出物貯留区域に移動する時に、可撓性排出物封入体の容積は、増大することができる。
・可動仕切りは、フィルタを引いてフィルタを膨張させることができる。
・フィルタは、弾性材料を含み、フィルタは、フィルタ内の圧縮応力の低下の結果として膨張する。
・第１反応物質は、第１反応物質貯留区域内の可撓性第１反応物質封入体内に最初に収容される。
・水素発生器は、第２反応物質を含み、第２反応物質は、反応区域内で第１反応物質と反応し、第２反応物質は、反応区域内に貯留することができ、反応区域は、第１及び第２反応物質の反応に触媒作用を及ぼすように構成された触媒を含むことができ、第２反応物質は、反応区域内の可撓性第２反応物質封入体内に最初に収容することができ、可撓性第２反応物質封入体は、水素ガス及び排出物が排出物貯留区域に移動する時に第２反応物質容器の容積を低減するように力を印加する付勢構成要素で包むことができ、第１反応物質及び第２反応物質のうちの少なくとも一方は、ホウ水素化物を含み、第１反応物質及び第２反応物質のうちの少なくとも一方は、酸及び金属化合物触媒のうちの少なくとも一方を含む組成物の一部である。
【００１３】
本発明の第２の態様は、容器と、容積を有し、かつ第１液体反応物質を収容するように構成された容器内第１反応物質貯留区域と、容積を有する容器内反応区域と、第１反応物質貯留区域から反応区域までの液体通路と、容積を有し、かつ反応区域内の第１反応物質の反応によって生成された水素ガス及び排出物を貯留するように構成された容器内排出物貯留区域と、反応区域から排出物貯留区域までの排出物通路と、排出物貯留区域内の初期圧縮フィルタと、排出物貯留区域と流体連通する液体不透過性気体透過性構成要素と、水素出口とを含む水素発生器である。水素発生器の作動中に、初期圧縮フィルタは、膨張して排出物の一部分を収容するように構成され、排出物貯留区域容積は、増大するように構成され、第１反応物質貯留区域容積及び反応区域容積のうちの少なくとも一方は、減少するように構成される。可動仕切りは、第１反応物質貯留区域及び反応区域のうちの少なくとも一方から排出物貯留区域を分離し、フィルタの一部分は、可動仕切りに取り付けられる。第１反応物質は、反応して水素ガスを生成することができ、水素ガスの全ては、水素出口に到達するために排出物貯留区域の一部分を通過しなければならない。
【００１４】
本発明の第２の態様の実施形態は、以下の特徴のうちの１つ又はそれよりも多くを含むことができる。
・フィルタは、水素発生器の作動中に第１反応物質貯留区域容積、反応区域容積、又は第１反応物質貯留区域容積及び反応区域容積の両方を低減するために力を印加するように構成される。
・水素発生器は、水素発生器の作動中に第１反応物質貯留区域容積、反応区域容積、又は第１反応物質貯留区域容積及び反応区域容積の両方を低減するために力を印加するように構成された付勢構成要素を更に含む。
・フィルタは、圧縮前に異なる空隙率の少なくとも２つの区域を有し、フィルタは、各々が圧縮前に異なる空隙率を有する２つの個別の構成要素を含むことができ、好ましくは、圧縮前に最も大きい空隙率の区域が、排出物通路に最も近く、最も小さい空隙率の区域が、出口に最も近い。
・フィルタは、排出物中の液体との親和性を持たない材料を含み、好ましくは、排出物貯留区域への排出物流入路に近いフィルタの一部分は、排出物中の液体との親和性を持たない。
・フィルタは、排出物中の液体との親和性を有する材料を含み、好ましくは、液体不透過性気体透過性構成要素に近いフィルタの一部分は、排出物中の液体との親和性を有する。
・フィルタは、オープンセル発泡体を含む。
・可動仕切りは、排出物貯留区域内の可撓性排出物封入体を含み、可撓性排出物封入体は、容積を有し、フィルタは、可撓性排出物封入体内に収容されてその一部分に取り付けられ、可動仕切りは、可撓性排出物封入体に隣接する剛性壁を更に含むことができ、可撓性排出物封入体の容積は、水素発生器の作動中に増大するように構成することができる。
・フィルタは、弾性材料を含み、フィルタは、フィルタ内の圧縮応力の低下の結果として膨張する。
・第１反応物質は、第１反応物質貯留区域内の可撓性第１反応物質容器内に最初に収容される。
・水素発生器は、第２反応物質を更に含み、第２反応物質は、反応区域内の可撓性第２反応物質容器内に最初に収容することができ、可撓性第２反応物質容器は、第１反応物質と第２反応物質が反応する時に第２反応物質容器の容積を低減するように力を印加する付勢構成要素で包むことができ、第１反応物質及び第２反応物質のうちの少なくとも一方は、ホウ水素化物を含むことができ、第１反応物質及び第２反応物質のうちの少なくとも一方は、酸及び金属化合物触媒のうちの少なくとも一方を含む組成物の一部とすることができる。
・反応区域は、触媒を更に含む。
【００１５】
本発明のこれら及び他の特徴、利点、及び目的は、以下の明細書、特許請求の範囲、及び添付図面の参照により、当業者によって更に理解されて認められるであろう。
【００１６】
特に別途定めない限り、以下の定義及び方法が本明細書で使用される。
・「排出物」は、非気体反応生成物及び未反応反応物質、溶媒、及び添加物を意味する。
・フィルタの説明に用いる時の「膨張する」は、フィルタ材料に対して同時に容積が増大し、空隙率が増大し、密度が低下することを意味し、フィルタが作られる材料にのみ関係する。
・「可撓性」は、例えば、延伸、曲げ、折り畳み、及び展開などによって形状を変えることができることを意味する。
・「初期」は、水素を発生する反応を開始する前の未使用又は新規（例えば、再充填した）状態の水素発生器の条件を意味する。
・「容積交換関係」は、区域又は容器のうちの１つ又はそれよりも多くによって失われた容積の量が、他の区域又は容器のうちの１つ又はそれよりも多くによって同時に得られるような水素発生器内の２つ又はそれよりも多くの区域又は容器の間の関係を意味し、そのように交換される容積は、同じ物理空間である必要はなく、従って、１つの場所で失われた容積は、別の場所で得ることができる。
【００１７】
本明細書で別途定めない限り、全ての開示する特性及び範囲は、室温（２０−２５℃）で判断された時のものである。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１Ａ】水素発生器の使用前の反応物質貯留区域、反応区域、及び排出物貯留区域の第１の配置の模式図である。
【図１Ｂ】水素発生器の使用後の反応物質貯留区域、反応区域、及び排出物貯留区域の第１の配置の模式図である。
【図２Ａ】水素発生器の使用前の反応物質貯留区域、反応区域、及び排出物貯留区域の第２の配置の模式図である。
【図２Ｂ】水素発生器の使用後の反応物質貯留区域、反応区域、及び排出物貯留区域の第２の配置の模式図である。
【図３Ａ】水素発生器の使用前の反応物質貯留区域、反応区域、及び排出物貯留区域の第３の配置の模式図である。
【図３Ｂ】水素発生器の使用後の反応物質貯留区域、反応区域、及び排出物貯留区域の第３の配置の模式図である。
【図４Ａ】水素発生器の使用前の反応物質貯留区域、反応区域、及び排出物貯留区域の第４の配置の模式図である。
【図４Ｂ】水素発生器の使用後の反応物質貯留区域、反応区域、及び排出物貯留区域の第４の配置の模式図である。
【図５Ａ】水素発生器の使用前の反応物質貯留区域、反応区域、及び排出物貯留区域の第５の配置の模式図である。
【図５Ｂ】水素発生器の使用後の反応物質貯留区域、反応区域、及び排出物貯留区域の第５の配置の模式図である。
【図６Ａ】水素発生器の使用前の反応物質貯留区域、反応区域、及び排出物貯留区域の第６の配置の模式図である。
【図６Ｂ】水素発生器の使用後の反応物質貯留区域、反応区域、及び排出物貯留区域の第６の配置の模式図である。
【図７Ａ】水素発生器の使用前の反応物質貯留区域、反応区域、及び排出物貯留区域の第７の配置の模式図である。
【図７Ｂ】水素発生器の使用後の反応物質貯留区域、反応区域、及び排出物貯留区域の第７の配置の模式図である。
【図８Ａ】水素発生器の使用前の反応物質貯留区域、反応区域、及び排出物貯留区域の第８の配置の模式図である。
【図８Ｂ】水素発生器の使用後の反応物質貯留区域、反応区域、及び排出物貯留区域の第８の配置の模式図である。
【図９】水素発生器の第１の実施形態の断面図である。
【図１０】水素発生器の第２の実施形態の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明は、燃料電池バッテリを含む燃料電池システム内に組み込むことができるが、燃料電池それ自体の一部ではない個別の水素ガス発生器を含む。それは、典型的には、燃料電池によって又はその内部で改質されて水素ガス又はプロトンを生成する液体又は他の流体を供給するのではなく、燃料電池に水素を供給することができる着脱式、交換式、又は再充填式ユニットである。
【００２０】
水素発生器を使用することができる燃料電池は、単一の燃料電池セルを含むバッテリとすることができ、又は複数の燃料電池（燃料電池スタックとも呼ばれる）を含むバッテリとすることができる。この燃料電池は、燃料として水素を使用するあらゆるタイプの燃料電池とすることができる。例は、プロトン交換膜燃料電池、アルカリ燃料電池、及び固体酸化物燃料電池を含む。
【００２１】
本発明の一実施形態において、水素発生器は、容器を含み、容器は、その内部に１つ又はそれよりも多くの反応物質貯留区域、反応区域、及び排出物貯留区域を有する。各々が１つ又はそれよりも多くの反応物質を含む１つ又はそれよりも多くの反応物質含有流体が、１つ又は複数の反応物質貯留区域から反応区域に移送され、そこで１つ又は複数の反応物質は反応して水素ガス及び副産物が生成される。１つ又はそれよりも多くの反応物質を反応区域内に最初に収容することができる。触媒によって反応に触媒作用を及ぼすことができ、触媒は、最初に反応区域に存在することができ、又は反応区域に移送される流体内に含有される。副産物は、気体、液体、及び固体反応生成物を含むことができる。水素ガスの生成は、排出物を反応区域から排出物通路を通して排出物貯留区域に押し込む。排出物は、反応副産物、並びに未反応反応物質及び添加物を含むことができる。
【００２２】
反応物質含有流体は、液体又は他の移送容易な流体とすることができる。反応物質は流体（例えば、水）とすることができ、又は反応物質を液体中に混合し、懸濁し、溶解し、又は他の方法で含有することができる。流体が反応物質貯留区域から反応区域に輸送された後、流体は反応して水素ガスが生成される。一実施形態において、１つ又は複数の反応物質は、反応区域で触媒と接触する時に反応する。別の実施形態において、一方又は両方が反応物質を含む２つの流体が、反応区域に輸送される。この流体は、中間混合区域内又は反応区域内で互いに接触することができ、そこでそれらは反応して水素ガスが生成され、反応には、反応区域に最初に収容することができ又は反応区域に輸送される流体中に含有することができる触媒によって触媒作用を及ぼすことができる。更に別の実施形態において、１つの反応物質が、反応区域内に好ましくは固体形態で収容され、別の反応物質が反応物質貯留区域から反応区域に輸送され、そこでこの反応物質は反応して水素ガスが生成され、反応には、反応区域内の触媒によって触媒作用を及ぼすことができる。
【００２３】
反応物質貯留区域、反応区域、及び排出物貯留区域は、水素発生器の作動中に反応物質が消費される時に、初期の反応物質収容区域容積の減少によって利用可能となった空間内への移動によって排出物貯留区域が同時に容積を増大し、排出物貯留区域内の排出物を収容するようにした容積交換構成に配置される。すなわち、水素発生器内の初期空隙容積を最小に保つことができるので（しかし、固体及び液体反応生成物が、例えば、反応物質の初期全容積よりも大きい場合に、何らかの初期空隙容量を必要とする場合がある）、水素発生器の全容積を最小にすることができる。あらゆる適切な容積交換構成を使用することができる。例えば、反応物質を収容する１つ又はそれよりも多くの区域（例えば、反応物質を収容する反応物質貯留区域及び／又は反応区域）は、排出物貯留区域に隣接することができ、又は排出物貯留区域は、移動又は他の方法で容積交換を可能にするように水素発生器の１つ又はそれよりも多く他の構成要素によって反応物質を収容する区域から分離することができる。
【００２４】
水素ガスは、液体及び固体排出物から分離され、必要に応じて水素出口を通過して燃料電池のような装置に放出される。フィルタ及び水素透過性液体不透過性構成要素が、水素を分離するのに使用される。フィルタは、固体を除去して液体も除去することができ、水素透過性液体不透過性構成要素は、液体及びあらゆる残りの固体を除去して、気体のみが水素出口を通過可能とされる。水素の流れから他の気体及び不純物を除去するために、任意的に他の構成要素を水素発生器内又はその下流に含むことができる。
【００２５】
フィルタは、排出物貯留区域内で最初に圧縮され、その初期容積及び空隙率は減少している。水素発生器が作動して排出物貯留区域が容積を増大する時に、フィルタは膨張する。これは、いくつかの利点を有する。第１に、最初にフィルタは、大きさがより小さく、排出物貯留区域が最初により小さくなることが可能になり、それによって水素発生器の体積効率に貢献する。第２に、フィルタは、排出物貯留区域の大きさにより良く適合することができ、排出物貯留区域がより大きくなる時にフィルタの周りの排出物の流れを低減する。第３に、フィルタがより多孔性になるので、それは、目詰まりすることなく粒子状物質の除去のより良好な継続を可能にすることができる。第４に、フィルタは、排出物貯留区域容積の増大を容易にするための力を提供することができる（水素ガス、排出物、及び付勢構成要素のような他の構成要素によって印加される力に加えて）。
【００２６】
様々な実施形態において、容積交換の結果として空間が利用可能になると、フィルタは、フィルタが取り付けられた水素発生器の別の内部構成要素により、フィルタ内又はフィルタによって取り囲まれた付勢部材により、一部の他の手段により、又はその組合せにより引かれることによってフィルタの弾性に起因して膨張することができる。例えば、弾性材料は、圧縮応力の低下に起因して膨張することができる。フィルタの一部分が、第１反応物質貯留区域及び／又は反応区域から排出物貯留区域を分離する可動仕切りに取り付けられることが有利である。これは、仕切りとフィルタが互いに移動することを保証することができ、仕切りとフィルタの間の間隙の形成を妨げ、排出物が間隙を流れてフィルタをバイパスすることが防止される。フィルタは、排出物貯留区域内又はそれを取り囲む他の構成要素（フィルタの可動仕切りとは反対側にある壁のような）に取り付けることができ、フィルタが膨張する時にフィルタの他の部分の周りに間隙を形成することが防止される。例えば、フィルタの１つの部分をハウジングの内面に取り付けることができ、フィルタの反対側の部分を可動仕切りに取り付けることができる。フィルタは、水素発生器が使用される時に可動仕切りを移動して排出物貯留区域を拡大することを助けることができ、又は可動仕切りがフィルタの取り付け部分を牽引して（例えば、フィルタがそれにも取り付けられているハウジング表面から引き離して）フィルタを膨張させることができる。膨張フィルタによって印加される力で移動するのに加えて又はその代わりに、可動仕切りは、例えば、バネのような付勢部材によって又は可動仕切りの両側の圧力差によって移動することができる。更に別の実施形態において、１つ又はそれよりも多くのバネをフィルタ内に配置することができ、フィルタはバネによって膨張を強制される。一実施形態において、移動仕切りは、排出物貯留区域と第１反応物質貯留区域及び反応区域の一方又は両方との間の剛性壁のような壁とすることができる。別の実施形態において、移動仕切りは、排出物貯留を包み込んでフィルタを収容する可撓性排出物封入体（以下に詳細に説明する）とすることができる。更に別の実施形態において、移動仕切りは、可撓性排出物封入体と、排出物貯留区域と第１反応物質貯留及び反応区域のうちの少なくとも一方との間の個別の壁との両方を含む。フィルタは、接着剤での接着、１つ又はそれよりも多くの留め具（例えば、クランプ、ネジ、リベットなど）での締結、又は１つ又はそれよりも多くの紐（例えば、コード、バンド、ベルトなど）での結縛のようなあらゆる適切な方法で可動仕切りに取り付けることができる。
【００２７】
フィルタは、単一構成要素フィルタとすることができる。それは、圧縮前の均一な組成及び空隙率を有することができ、又は組成及び空隙率は変えることができる。一実施形態において、圧縮前のフィルタは、上流部分（排出物通路により接近することになる部分）で高多孔性であり、下流部分（水素出口により接近することになる部分）では低多孔性である。このような方法で、フィルタは、上流部分でより大きい粒子を除去し、一方でより小さい粒子を下流部分に移動することができ、フィルタの閉塞の防止に役立つ。
【００２８】
フィルタは、多構成要素フィルタとすることができ、それらのうちの少なくとも１つの構成要素は、最初に圧縮されて水素発生器の作動中に膨張する。２つ又はそれよりも多くの構成要素は、圧縮の前に異なる空隙率を有することができる。より高空隙率のフィルタ構成要素が、フィルタの上流側に位置し、より低空隙率のフィルタ構成要素が、フィルタの下流側に位置することが有利な場合がある。２つよりも多いフィルタ構成要素が存在する時に、それらは、より高多孔性の構成要素がより低多孔性の構成要素よりも上流にあるように空隙率に従って配置することができる。個々のフィルタ構成要素は、均一又は不均一な組成及び空隙率のものとすることができる。全てのフィルタ構成要素は、同じタイプの材料で作ることができ、又は異なる材料を個々のフィルタ構成要素のために使用することができる。２つ又はそれよりも多くのフィルタ構成要素を異なる層を有する層状フィルタを生成するために結合することができる。フィルタ構成要素は、接着剤を用いた結合のようなあらゆる適切な方法によって接合することができる。
【００２９】
フィルタ材料と初期圧縮量は、十分な水素ガスが水素透過性液体不透過性構成要素及び出口に到達して少なくとも最小の望ましい水素流量を提供するように、少なくとも一部は排出物の予想量及び組成に基づいて、フィルタが膨張する時に常に少なくとも最小のフィルタ空隙率を提供し、かつ水素発生器の使用中に排出物の一部分を保持するように選択することができる。
【００３０】
フィルタ構成要素とそれらが作られる材料との望ましい特性は、少なくとも予想使用継続時間中に排出物と接触する時の化学安定性と、圧縮性と、使用前及び使用中に圧縮された後に望ましい程度まで膨張する又は膨脹される機能と、使用前及び使用中での望ましい範囲の空隙率及び孔径分布とを含む。排出物中の液体との親和性又は親和性欠如も材料選択において考慮することができる。
【００３１】
一実施形態において、フィルタの少なくとも一部分は、排出物中の液体との親和性を有さず、かつ更にその液体をはじく傾向にある材料から作ることができる。例えば、排出物が水性液体を含有する時に、フィルタの一部分は、親水性でない材料とすることができ、かつ疎水性とすることができる。フィルタの一部分のみが排出物中の液体との親和性を有さず又はその液体をはじく傾向にある時に、フィルタの少なくともその部分が排出物貯留区域への排出物通路に近いことが好ましい。すなわち、排出物通路に近いフィルタの一部分が水素ガス流から固体を除去することができ、フィルタが膨張する時に、フィルタは、増大する固体量を収容することができる。この実施形態において、液体の吸収に付随する可能な膨潤に起因するフィルタのその部分における孔隙の早期閉塞は回避することができる。
【００３２】
別の実施形態において、フィルタの少なくとも一部分は、排出物中の液体との親和性を有する材料で作られる。例えば、排出物が水性液体を含有する時に、フィルタの一部分は、親水性とすることができる。フィルタの一部分のみが排出物中の液体との親和性を有する時に、フィルタの少なくともその部分は、液体不透過性気体透過性構成要素及び／又は水素出口に近く、及び／又は水素出口が、排出物中の液体との親和性を有することが好ましい。すなわち、フィルタのその部分は、溶解した固体をその中に有する場合がある液体を吸収し、液体不透過性気体透過性構成要素及び／又は水素出口の閉塞を防止することができる。
【００３３】
更に別の実施形態において、フィルタは、排出物中の液体との親和性を有さず、かつ更にそれをはじく傾向にある部分と、排出物中の液体との親和性を有する別の部分との両方を有する。排出物中の液体との親和性を持たない部分は、排出物貯留区域への排出物流入路に近く、排出物中の液体との親和性を有する部分は、液体不透過性気体透過性構成要素及び／又は水素出口の一方又は両方に近い。
【００３４】
水素透過性液体不透過性構成要素は、排出物貯留区域内に、水素出口内に、又は出口と排出物貯留区域及び出口から燃料電池への水素通路のいずれか又は両方との間の境界に位置付けることができる。一部の実施形態において、それは、水素に対してより高透過性であり、例えば、副産物又は汚染物のような水素に伴って存在する可能性がある他の気体に対してより低透過性である。水素透過性液体不透過性の材料は、シート、膜、又は非平面形態のようなあらゆる適切な形態とすることができる。
【００３５】
フィルタ構成要素、水素透過性液体不透過性材料、又は両方は、排出物中に含有された未反応反応物質の反応を容易にする触媒、排出物中の有害な不純物を捕捉するイオン交換樹脂、排出物中の気泡を破壊する消泡剤、及び排出物の流動性を改善する界面活性剤のような１つ又はそれよりも多くの材料で被覆又は部分的に充填することができる。
【００３６】
１つ又は複数の反応物質貯留区域、反応区域、及び排出物貯留区域のいずれか又は全ては、水素発生器の容器又は他の構成要素の内面の１つ又はそれよりも多くによって定めることができ、又はこれらの区域の１つ又はそれよりも多くは、反応物質貯留封入体、反応区域封入体、又は排出物貯留区域封入体によって包み込むことができる。こうした封入体は、形状の変化に適合することができ（例えば、可撓性であることにより）、それによってそれらの内部容積は、封入体に物質が出入する時に減少又は増大することができる。封入体は、例えば、バッグ、バルーン、又はベローズのような構造を含むことができる。封入体の壁は、内部容積を変えることができるように、例えば、襞付けすることができ、又は伸張又は収縮することができるエラストマー材料で作ることができる。一実施形態において、封入体は、伸張してより大きい内部容積を提供することができ、かつ内容物を空にすることを容易にするように内容物に力を印加することができる壁又は壁の一部を有することができる。
【００３７】
一実施形態において、排出物貯留区域は、封入体によって封入される。１つ又はそれよりも多くのフィルタ構成要素は、フィルタ構成要素の周りを流れる可能性がある排出物の量を最小にするように１つ又はそれよりも多くの場所で封入体に固定することができる。排出物貯留区域内の液体から水素ガスを分離するために、封入体は、水素透過性液体不透過性材料とすることができ、又はそれを含むことができる。
【００３８】
反応物質を含む流体は、反応物質貯留区域からあらゆる適切な手段によって輸送することができる。例えば、この流体は、吸い上げ、ポンピングし、流体への力の印加によって吐出し、又はその組合せを行うことができる。流体がポンピングされる時に、ポンプは、水素発生器の内側又は水素発生器の外側にあることができる。ポンプは、燃料電池、水素発生器内のバッテリ、又は外部電源によって駆動することができる。力は、直接に反応物質貯留区域封入体に対して、封入体と接触する可動仕切りに対して、又は封入体と連通する又は封入体の一部である１つ又はそれよりも多くの他の構成要素（バルブアセンブリのような）に印加することができる。力は、バネ、一杯の時に最初に伸張されている弾性反応物質貯留封入体、弾性部材による反応物質貯留封入体の包みこみ、反応物質貯留封入体上又は内への空気圧又はガス圧、排出物貯留区域内のフィルタの膨張、又はその組合せのような様々な方法によって提供することができる。
【００３９】
反応区域への及び反応区域内の流体反応物質組成物の流路は、チューブ、吸い上げ接続、バルブなどのような様々な構成要素を含むことができる。新規反応物質の分配を改善するために、流体反応物質組成物は、反応区域の内部で分散部材によって分散させることができる。分散部材は、反応区域の中に又は反応区域内を延びる１つ又はそれよりも多くの構造体を含むことができる。構造体は、チューブ状とすることができ、又は他の形状を有することができる。分散部材の少なくとも一部分は、可撓性とすることができ、それによってそれは、水素発生器の作動中に反応物質組成物及び／又は反応区域の形状が変わる時に動くことができる。一実施形態において、分散部材は、流体反応物質組成物がそれを通って出ることができる孔又はスリットをその中に有するチューブとすることができる。別の実施形態において、分散部材は、流体反応性組成物がそれを通って浸透することができる多孔性材料を含むことができる。別の実施形態において、分散部材は、流体反応性組成物をそれを通して吸い上げすることができる材料を含むことができる。更に別の実施形態において、吸い上げ材料のスリーブが、分散部材の別の構成要素の周りに設けられる。これは、固体反応副産物が他の構成要素上に形成されて孔、スリット、孔隙などを塞ぎ、流体反応組成物の流れを妨げることを回避することができる。
【００４０】
水素ガスの発生は制御することができ、それによって水素は、必要に応じて生成される。制御は、圧力（例えば、内部圧力又は内部圧力と外部圧力の間の差圧）、温度（例えば、水素発生器、燃料電池、又はデバイスの温度）、燃料電池電気条件（例えば、電圧、電流、又は電力）、又はデバイス判断基準（例えば、内部バッテリ条件、電源入力、又は作動モード）のような１つ又はそれよりも多くの判断基準に基づいて行うことができる。
【００４１】
水素発生器は、反応して水素ガスを生成することができる様々な反応物質を使用することができる。例は、化学水素化物、アルカリ金属ケイ化物、金属／シリカゲル、水、アルコール類、希酸、及び有機燃料（例えば、Ｎ−エチルカルバゾール及びパーヒドロフルオレン）を含む。
【００４２】
本明細書で用いる時の用語「化学水素化物」は、液体と反応して水素を生成することができるあらゆる水素化物であることを広く意図している。本明細書に説明する水素発生装置に用いるのに適切な化学水素化物の例は、以下に制限されるものではないが、アルカリ又はアルカリ金属水素化物又はそれらの混合物のような周期表のＩＡ族−ＩＶＡ族の元素の水素化物及びそれらの混合物を含む。化学水素化物の特定の例は、水素化リチウム、水素化リチウムアルミニウム、水素化ホウ素リチウム、水素化ナトリウム、水素化ホウ素ナトリウム、水素化カリウム、水素化ホウ素カリウム、水素化マグネシウム、水素化カルシウム、及びそれらの塩及び／又は誘導体を含む。一実施形態において、水素化ホウ素ナトリウムのような化学水素化物は、水と反応して水素ガスとホウ酸塩のような副産物とを生成する可能性がある。これは、触媒、加熱、希酸、又はその組合せの存在下にあることができる。
【００４３】
アルカリ金属ケイ化物は、アルカリ金属をシリコンと不活性雰囲気中で混合して得られた混合物を約４７５℃又はそれ未満の温度に加熱した生成物であり、アルカリ金属ケイ化物組成物は、乾燥Ｏ2と反応しない。こうしたアルカリ金属ケイ化物は、米国特許公開第２００６／０００２８３９号明細書に説明されている。ナトリウム、カリウム、セシウム、及びルビジウムを含むあらゆるアルカリ金属を使用することができるが、アルカリ金属ケイ化物組成物に使用するアルカリ金属は、ナトリウム又はカリウムのいずれかであることが好ましい。ＩＩＡ族金属（ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、又はラジウム）を含む金属ケイ化物も適切である場合がある。一実施形態において、ケイ化ナトリウムは、水と反応して水素ガスとケイ酸ナトリウムとを生成し、ケイ酸ナトリウムは水に溶解する。
【００４４】
金属／シリカゲルは、ＩＡ族金属／シリカゲル組成物を含む。この組成物は、シリカゲル孔隙に吸収されたＩＡ族金属を有する。ＩＡ族金属は、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、及び２つ又はそれよりも多くのＩＡ族金属の合金を含むことができる。ＩＡ族金属／シリカゲル組成物は、乾燥Ｏ2と反応しない。こうしたＩＡ族金属／シリカゲル組成物は、米国特許第７，４１０，５６７  Ｂ２号明細書に説明されており、水と急速に反応して水素ガスを生成することができる。１つ又はそれよりも多くのＩＩＡ族金属（ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、又はラジウム）を含むＩＩＡ族金属／シリカゲル組成物も適切である場合がある。
【００４５】
反応物質貯留区域に収容される反応物質組成物は、反応物質貯留区域から反応区域に輸送することができる流体である。この流体は、水、アルコール、希酸、又はその組合せのような液体とすることができ、又はそれを含むことができる。反応区域に到達するまでに実質的な反応のない限り、反応物質をこの液体中に混合、溶解、又は懸濁することができる。例えば、この流体は、水に溶解した化学水素化物とすることができ、この化学水素化物は、反応区域内での触媒、加熱、又は酸との接触によって反応を開始するまで水と反応しない。
【００４６】
１つ又はそれよりも多くの触媒は、水素生成反応に触媒作用を及ぼすために使用することができる。適切な触媒の例は、元素の周期表のＶＩＩＩ族（鉄、コバルト、ニッケル、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、及び白金）、ＩＢ族（銅、銀、及び金）、及びＩＩＢ族（亜鉛、カドミウム、及び水銀）からの遷移金属、並びにスカンジウム、チタン、クロム、及びマンガンを含む他の遷移金属を含む。適切な触媒は、塩化物、酸化物、硝酸塩、及び酢酸塩のような金属塩も挙げられる。一部の金属塩は、反応物質含有流体中に溶解することができる。
【００４７】
添加剤を様々な目的のために使用することができる。例えば、固体材料を望ましい形状に保持する結合剤として又は望ましい形状に成形することを容易にする滑剤としての添加剤は、固体反応物質に含めることができる。例えば、反応の速度を制御するためにｐＨを制御するような他の添加剤を液体又は固体反応物質組成物に含めることができる。こうした添加物は、以下に制限されるものではないが、酸（例えば、塩酸、硝酸、酢酸、硫酸、クエン酸、カルボン酸、リンゴ酸、リン酸、及び酢酸、又はその組合せ）又は塩基性化合物を含む。アルコール及びポリエチレングリコールベースの化合物のような添加物を流体の凝固を防止するために使用することができる。界面活性剤又は湿潤剤のような添加物は、水素ガス及び／又は排出物の流れを容易にするように表面張力及び反応生成物粘性を制御するために使用することができる。多孔性繊維（例えば、ポリビニルアルコール及びレーヨン）のような添加物は、固体反応物質構成要素の空隙率を維持し、流体を含有する反応物質の均等な分布及び／又は水素及び排出物の流れを容易にするのに役立つ。
【００４８】
一実施形態において、水素化ホウ素ナトリウム（ＳＢＨ）のような化学水素化物は、１つの反応物質であり、水は、別の反応物質である。ＳＢＨは、水のような液体の成分とすることができる。ＳＢＨと水は、それらが反応チャンバ内の触媒、酸、又は熱に接触する時に反応することができる。ＳＢＨは、反応区域内の固体として貯留することができる。それは、粉末として存在することができ、又は望ましい形状に成形することができる。ＳＢＨと水の間の反応における高い速度が所望される場合に、リンゴ酸のような固体の酸をＳＢＨと混合することができ、又は酸を水に加えることができる。固体（例えば、粉末状）ＳＢＨは、反応区域を出る排出物に含有される未反応ＳＢＨの量を低減するためにブロック、タブレット、又はペレットのような集塊に成形することができる。以下で用いられる「ペレット」は、固体反応物質及び他の成分が成形されるあらゆる形状又は大きさの集塊を意味する。ペレットは、固体反応物質と液体反応物質の間に大きい接触面積をペレットが提供するように成形されなければならない。水が別の反応物質であることが好ましい。例えば、約５０から６５重量パーセントのＳＢＨと、約３０から４０重量パーセントのリンゴ酸と、約１から５重量パーセントのエチレングリコールとをプレスしてペレットにすることができる。任意的に、約３重量パーセントまでの界面活性剤（消泡剤）、約３重量パーセントまでのシリカ（固化防止剤）、及び／又は約３重量パーセントまでの粉体処理流動助剤を含むことができる。ペレットの密度は、水素の所望量と水素が生成すべき最大速度とに一部依存して調整することができる。所定の容積から大量の水素を生成するためには、高い密度が所望される。他方、ペレットが多孔性でありすぎる場合に、未反応ＳＢＨがより簡単に離脱し、排出物の一部として反応区域から流される場合がある。この固体反応物質組成物の１つ又はそれよりも多くのペレットは、水素発生器によって生成される水素の所望量に応じて使用することができる。水素発生器内のＳＢＨに対する水の比は、水素の所望量と水素生成の所望速度とに一部基づいて変えることができる。この比が過小の場合に、ＳＢＨ利用率が過小になる可能性があり、この比が過大の場合に、必要なＳＢＨの量のために水素発生器内で利用可能な容積が不十分であるという理由で、生成する水素の量が過小になる場合がある。
【００４９】
水素発生反応は熱を生成する可能性があるので、使用中に水素発生器の冷却を提供することが望ましい場合がある。ハウジングは、冷却剤チャンネルを提供するように設計することができる。一実施形態において、ハウジングの１つ又はそれよりも多くの外面上に及び／又は水素発生器がその中に又はその上に使用のために設置又は装着された燃料電池システム又はデバイスとの境界表面上にスタンドオフリブを設けることができる。別の実施形態において、水素発生器は、ハウジングの周りに外部ジャケットを含むことができ、冷却剤チャンネルが、ハウジングと外部ジャケットの間にある。水又は空気のようなあらゆる適切な冷却剤を用いることができる。冷却剤は、対流によって又はポンピング又は送風のような他の手段によって流れることができる。材料を選択し、及び／又はフィンのような構造を水素発生器に追加して熱伝達を促進することができる。
【００５０】
特に低温での起動時及び／又は作動中に、水素発生器を加熱するための手段を設けることも望ましい場合がある。
【００５１】
水素発生器は、水素発生の速度を制御するための制御システム構成要素（例えば、圧力及び温度モニタリング構成要素、バルブ、タイマなど）、圧力軽減ベントのような安全構成要素、熱管理構成要素、電子構成要素などのような他の構成要素を含むことができる。水素発生器の作動に使用される一部の構成要素は、水素発生器それ自体の一部であるのではなく、外部に位置することができ、水素発生器内により多くの空間を使用可能にし、水素発生器が交換されても同じ構成要素が再使用可能になることによってコストが低減される。
【００５２】
水素発生器は、使い捨て式又は再充填式とすることができる。再充填式水素発生器に対しては、反応物質充填ポートをハウジング内に含むことができ、又はハウジングを開いて反応物質の容器を交換することによって新規な反応物質を装填することができる。反応物質貯留区域から反応区域に流体反応物質組成物を送るために外部ポンプが使用される場合に、ポンプへの流体反応物質組成物出口として機能する外部接続部を水素発生器に新規な反応物質組成物を補給するために使用することができる。充填ポートはまた、新しい水素発生器を組み立てる時にそれが使い捨て式又は再充填式のいずれにせよ有利とすることができる。水素発生器が使い捨て式である場合に、水素発生器の予想寿命よりも長い予想寿命を有する構成要素を燃料電池システム又は電気機器内のような外部に配置することは、特にそれらの構成要素が高価である時に有利とすることができる。
【００５３】
反応物質貯留区域、反応区域、及び排出物貯留区域は、排出物貯留区域が、反応物質貯留区域及び反応区域の一方又は両方と排出物貯留区域が容積を増大する時に初期圧縮フィルタが膨張することができる容積交換関係にある限り、多くの様々な方法で配置することができる。配置の選択における他の配慮は、熱管理（望ましい反応速度のための適切な加熱及び反応で発生する熱の消散）、外部接続（例えば、水素ガス、外部ポンプに出入する流体反応物質のための）の望ましい位置、あらゆる必要な電気接続（例えば、圧力及び温度モニタリング、並びに流体反応物質流量の制御のための）、及び組立ての容易性を含む。
【００５４】
図１Ａから図８Ｂは、水素発生器の反応物質貯留区域１と、反応区域２と、排出物貯留区域３との様々な可能な配置を説明している。図面Ａ及び図面Ｂの各々の対は、水素発生器を使用する前後での構成要素の相対的な大きさの比較をそれぞれ示している。これらの図面は一定の比率ではなく、かつ水素発生器のいずれの他の構成要素も示されていない。それらは、使用することができる多くの可能な配置のうちの僅かのみを示している。
【００５５】
図１Ａ及び図１Ｂは、排出物貯留区域３によって分離された反応物質貯留区域１と反応区域２とを示している。図１Ａと図１Ｂの比較から明らかなように、排出物貯留区域３は、反応物質貯留区域１及び反応区域２の両方と容積交換関係にある。
【００５６】
図２Ａ及び図２Ｂは、排出物貯留区域３が反応物質貯留区域１と反応区域２の間ではなく一端にあることを除いては、図１Ａ及び図１Ｂにおける配置と類似した配置を示している。図２Ａ及び図２Ｂにおいて、排出物貯留区域は反応区域２に隣接しているが、区域１、２、及び３は、排出物貯留区域３が反応物質貯留区域に隣接する状態に配置することができる。排出物貯留区域３は、他の２つの区域のうちの一方だけに隣接しているのにも関わらず、排出物貯留区域３における容積増大の量は反応物質貯留区域１及び反応区域２の両方における容積減少を含むので、それは両方との容積交換関係にある。
【００５７】
図３Ａ及び図３Ｂは、区域１、２、及び３が図１Ａ及び図２Ｂにおいて水平又は線形構成に配置しているのに対して、図３Ａ及び図３Ｂではそれらが垂直又はスタック構成に配置していることを除いては、これも図１Ａ及び図１Ｂにおける配置と類似した配置を示している。スタック構成における区域１、２、及び３の順序は、図２Ａ及び図２Ｂに関して上述したものと同様にこれも変えることができる。
【００５８】
図４Ａ及び図４Ｂは、並んだ２つの区域（区域１及び区域２）が他の区域（区域３）上に積み重なった別の配置を示している。上述したように、個々の区域１、２、及び３の位置は、このタイプの配置において変えることができる。
【００５９】
図５Ａ及び図５Ｂ、並びに図６Ａ及び図６Ｂは、区域１、２、及び３のうちの１つが、区域１、２、及び３のうちの別のものの複数の側に隣接している配置を示している。上述したように、個々の区域１、２、及び３の位置は、これらのタイプの配置において交換可能である。
【００６０】
図７Ａ及び図７Ｂに示す配置は、反応区域２の対向する両側に排出物貯留区域３が隣接する１つの反応区域２と、排出物貯留区域３の各々に隣接する排出物貯留区域１とを示している。一部の実施形態において、２つの排出物貯留区域３は、別の平面内で排出物貯留区域３の別の部分によって結合された単一排出物貯留区域３の異なる各部分とすることができ、及び／又は２つの反応区域１は、別の平面内で反応区域１の別の部分によって結合された単一反応区域１の異なる各部分とすることができる。上述の配置と同様に、図７Ａ及び図７Ｂにおける区域１、２、及び３の位置は交換可能である。
【００６１】
図８Ａでの配置は、水素発生器の使用前に並んだ２つの区域が他の区域の上に重なっている点で図４Ａにおける配置に類似している。しかし、図８Ａ及び図８Ｂは、排出物貯留区域３の容積の増大が反応物質貯留区域１及び反応区域２の容積減少の和よりも小さい実施形態、又は反応物質貯留区域３が他の２つの区域のうちの一方のみ（この例では反応区域２、しかし他の例では反応物質貯留区域１とすることができる）と容積交換関係にある実施形態を説明している。図８Ｂに示すように、反応物質貯留区域１内の反応物質が使用されると、反応物質貯留区域１から除去された反応物質によって最初に占有された容積は、「空の区域」４によって表されるように水素発生器が使用される時に非占有になる。類似の実施形態は、図１Ａから図７Ｂによって表されたものを含む他の配置で可能である。
【００６２】
水素発生器の実施形態を図９及び図１０に関して以下に説明する。水素発生器１０及び１００は、ハウジング１２内に反応物質貯留区域１４、反応区域１６、及び反応区域１８を含む。第１反応物質組成物２０が反応物質貯留区域１４内に収容され、第２反応物質組成物２２が反応区域１６内に収容される。第１反応物質組成物２０は、反応区域１６に輸送することができる流体である。第２反応物質組成物２２は、流体とすることができ、又は図９及び図１０に示すように固体とすることができる。排出物貯留区域１８は、３つのフィルタ構成要素２４、２６、２８のような１つ又はそれよりも多くのフィルタ構成要素を有することができるフィルタを含む。反応物質貯留区域１４は、封入体３０によって封入することができる。反応区域１６は、任意的封入体３２によって少なくとも部分的に封入することができる。排出物貯留区域１８は、任意的封入体（図示せず）によって封入することができる。様々なタイプの封入体を反応物質貯留区域１４、反応区域１６、及び排出物貯留区域１８のために使用することができる。例えば、封入体は、ハウジング１２の内面を含むことができ、水素発生器１０、１００の他の内部構成要素を含むことができ、及び／又は１つ又はそれよりも多くの他の封入体と共通の壁又は部分を共有することができる。封入体の全て又は各部分は、排出物貯留区域１８が反応物質貯留区域１４及び反応区域１６のうちの少なくとも一方と容積交換関係にある限り、可撓性、剛性、固定、又は可動のものとすることができる。図９及び図１０に示すように、反応物質貯留区域１４及び反応区域１６をそれぞれ封入する封入体３０及び３２は可撓性の封入体であり、第１反応物質組成物２０が反応物質貯留区域１４から出て排出物が反応区域１６から出る時に接触で潰れることができる。可撓性封入体の例は、バッグ、バルーン、及びベローズを含む。可撓性封入体は、それらが一杯になった時に伸張し、内容物が出る時に収縮してその元の大きさに戻る傾向があり、それによって水素発生器１０、１００が作動する時の流体の放出に役立つように弾性であることが有利とすることができる。
【００６３】
水素発生器１０、１００の使用中に、第１反応物質組成物２０は、上述したようなあらゆる適切な手段によって反応物質貯留区域１４から反応区域１６に輸送される。例えば、第１反応物質組成物２０は、流体出口通路３４を通過して輸送することができる。ポンプが使用される場合に、ポンプ５４は、図１０に示すようにハウジング１２内にあることができ、又は図９の実施形態のように外部に位置することができる。ポンプ５４が使用される時に、第１反応物質組成物２０は、チューブのような流体出口通路３４を通過し、かつ図９に示すような流体出口接続部３６を通過してポンプに送ることができる。バルブ及びフィルタなどのような任意的な機能を流体出口通路３４又は流体出口接続部３６内に組み込むことができる。外部ポンプ５４は、第１反応物質組成物２０を流体入口接続部３８を通過して水素発生器１０、１００内に送り返すことができる。第１反応物質組成物２９は、チューブのような流体入口通路４０を通過して反応区域１６に流れることができる。バルブ及びフィルタなどのような任意的な機能を流体入口接続部３８内に組み込むことができる。第１反応物質組成物２０は、流体入口通路４０の端部の開口部から直接に流体入口通路４０を出ることができ、又は反応区域１６のより大きい部分にわたって第１反応物質組成物を分散させるために分散部材４２を通過させて送ることができる。分散部材４２は、反応区域１６内に延びる１つ又はそれよりも多くの構造を含むことができる。この構造は、図９及び図１０に示すように基本的に線形とすることができ、又はそれらは、上述したように他の形状を有することができる。
【００６４】
内部又は外部ポンプ５４が使用される時に、それは、燃料電池システム又は電気器具内の燃料電池又は他のバッテリのような外部電源によって少なくとも最初は給電することができる。ポンプ５４が容器１２内にある場合（図１０）、電気接点５６を通じて外部電源との接続を行うことができる。代替的に、ポンプ５４を少なくとも起動するために、バッテリを容器内に配置することができる。
【００６５】
第２反応物質組成物２２は、第１反応物質組成物２０内の第１反応物質と反応する第２反応物質を含む固体組成物とすることができる。第２反応物質組成物２２は、第２反応物質といずれかの望ましい添加物とを含有するペレットのような便利な形態とすることができる。任意的な触媒を反応区域内又は反応区域の下流に含むことができる。例えば、触媒は、封入体３２上に存在し又はその一部とすることができ、第２反応物質組成物２２内に分散させることができ、又は第１反応物質組成物２０の一部として反応区域に持ち込むことができる。
【００６６】
第１反応物質組成物２０が第２反応物質組成物２２と接触すると、第１反応物質及び第２反応物質が反応して水素ガス及び副産物が生成される。水素ガスは、反応区域２２から排出物通路を通って排出物流入路４６に流れ、そこで水素ガスは、排出物貯留区域１８に入る。水素ガスは、副産物、並びに反応物質組成物２０、２２の未反応反応物質、及び他の成分を含む排出物を担持する。反応区域封入体３２が使用される場合に、排出物は、封入体３２内の開口を通過して反応区域から出る。反応区域封入体３２内の開口部は、開口を開いた状態に保つことができる排出物出口ノズル４４を含むことができる。排出物出口ノズル４４は、第２反応物質の利用率を改善するように反応区域１６内の第２反応物質組成物２２の大きい部分を保持するスクリーンを任意的に含むことができる。排出物通路は、排出物出口ノズル４４と排出物流入路４６の間を延びるチューブ（図示せず）のような構造とすることができ、又は図９及び図１０のように、これは、排出物出口ノズル４４と排出物流入路４６の間に存在し又は作られる空間とすることができる。反応物質の大部分が反応区域１６内で反応することが望ましいが、排出物内の未反応反応物質が、反応区域１６を出た後に反応を継続することができる。任意的な２次反応区域（図示せず）を１次反応区域１６と排出物貯留区域１８の間に含むことができる。新規な第１反応物質組成物２０は、１次反応区域１６からの排出物中の未反応の第２反応物質と反応させるために、第２の流体通路（図示せず）を経由するなどしてこの２次反応区域に直接に輸送することができる。触媒は、２次反応区域内に配置することができる。
【００６７】
排出物流入路４６を通過して排出物貯留区域１８の近位部分に入る水素ガス及び排出物は、フィルタ２４、２６、２８を通って排出物貯留区域１８の遠位部分に向けて流れる。水素ガス及び排出物がフィルタ２４、２６、２８を通過すると、単一フィルタ構成要素又は図９及び図１０に示す３つのフィルタ構成要素２４、２６、２８のような多重フィルタ構成要素とすることができるフィルタ２４、２６、２８により、水素ガスは、排出物の固体粒子から分離される。上述したように、フィルタ２４、２６、２８は、好ましくは、排出物貯留区域１８の近位部分から遠位部分に向けて空隙率が高まる空隙率の異なる部分及び／又はフィルタ構成要素を有することができ、遠位部分で水素ガスは排出物貯留区域１８を出る。
【００６８】
水素ガスは、水素透過性液体不透過性材料５８により、水素発生器１０、１００を出る前に排出物内の液体及びあらゆる残留固体から分離される。水素ガスは、水素出口接続部５０を通過して水素発生器１０、１００を出ることができる。水素出口接続部５０は、図１０に示すように排出物貯留区域１８の遠位部分の近くに位置することができ、又は図９に示すような排出物貯留区域１８の近位部分のような他の場所に位置することができる。水素出口接続部５０が排出物貯留区域１８の遠位部分の近くにない場合に、水素ガスは、チューブのような水素出口通路４８を通過して排出物貯留区域１８の遠位部分から水素出口接続部５０に流れることができ、水素出口通路は、水素出口接続部に近い近位端と排出物貯留区域１８の遠位部分に近い遠位端５２とを有する。水素ガスは、遠位端５２を通過して水素出口通路４８に入ることができる。水素透過性気体不透過性材料５８は、好ましくは遠位端５２に又はその近くに位置する膜、プラグ、又はフィルタのような構成要素とすることができ、又は水素通路４８の少なくとも一部分は、水素透過性が高くかつ液体透過性が低い又は液体透過性を持たない材料で生成することができる。水素通路４８の一部分のみか、水素透過性が高くかつ液体透過性が低い材料で作られる場合に、その部分は、好ましくは、この材料に接触して閉塞させて水素ガスが排出物貯留区域１８を出ることを妨げる排出物中の固体の量を最小にするために遠位部分である。
【００６９】
水素出口接続部５０が、図１０におけるように、排出物貯留区域１８の遠位部分の近くに位置する時に、水素発生器１０、１００は、水素出口接続部５０と水素透過性液体不透過性材料５８の間に位置する任意的な区画６０を含むことができる。代替的に、排出物貯留区域１８の遠位部分に近い排出物貯留区域封入体（例えば、可撓性バッグ）の少なくとも一部分は、水素透過性液体不透過性材料とすることができる。
【００７０】
図９及び図１０に示すように、排出物貯留区域１８は、反応物質貯留区域１４及び反応区域１６の両方と容積交換関係にあることができる。水素発生器１０、１００が使用されると、反応物質組成物２０は、より小さくなる第１反応物質貯留区域１４から反応区域１６に輸送され、そこで第１反応物質と第２反応物質は、それらが反応して水素及び副産物が生成される時に消費される。水素ガス及び排出物は、より小さくなる反応区域１６から出て、反応物質貯留区域１４及び反応区域１６によって失われた容積の量の少なくとも一部分を得てより大きくなることができる反応物質貯留区域１８に入る。反応物質貯留区域１８がより大きくなると、フィルタ又は少なくとも１つのフィルタ構成要素２４、２６、２８は、拡大した容積を部分的又は完全に満たすように膨張して水素ガス及び排出物を収容する。区域１４、１６、１８の相対的な大きさ、形状、及び位置は、反応物質貯留区域１８が、反応物質貯留区域１４及び反応区域１６の少なくとも一方、好ましくは両方と容積交換関係にある限り、通路及び接続部などが可能であるように、上述したように変えることができ、フィルタ２４、２６、２８は、最初に圧縮され、水素発生器の作動中に排出物貯留区域１８の容積が増大すると膨張する。フィルタ構成要素、流体接続部、通路、分散部材、及びノズルのような位置も、区域１４、１６、１８が図９又は図１０に示す配置にあるか又は別の配置にあるかに関わらず変えることができる。
【００７１】
水素発生器１０、１００は、図１０に示すように、反応物質貯留区域１８と反応物質貯留区域１４及び反応区域１６の隣接部分との間に任意的な可動仕切り６２を含むことができ、可動仕切りは、反応物質貯留区域１４及び反応区域１６に向けて、これらの２つの区域１４、１６が、排出物がそれを通って排出物貯留区域１８内に到達する排出物流入路４６が存在する限り、水素発生器１０の作動中により小さくなり、かつ反応物質貯留区域１８がより大きくなるので、移動することができる。こうした可動仕切りは、水素発生器１０、１００の組立て中にフィルタ構成要素２４、２６、２８の圧縮を容易にするために使用することができる。水素発生器１０、１００は、上述したように、図９又は図１０に示さない他の構成要素を含むことができる。
【００７２】
上述したものを含む様々な材料は、水素発生器に使用するのに適切である。選択された材料は、それらが接触する場合がある他の構成要素（反応物質構成要素、触媒、排出物質、及び水素ガスのような）、並びに外部環境からの物質による攻撃に耐えなければならない。この材料及びそれらの重要な特性はまた、保管及び使用中に予想される温度範囲にわたって及び水素発生器の耐用期間にわたって安定でなければならない。
【００７３】
ハウジング及び内部仕切りのための適切な材料は、金属、プラスチック、複合材、及びその他を含むことができる。好ましくは、この材料は、ポリカーボネート、又はステンレス鋼及び陽極酸化アルミニウムのような金属などの予想内部圧力に耐えることができる剛性材料である。ハウジングは、水素発生器の構成要素を確実に保持し、ハウジングからの水素ガス漏れを防止するように閉止かつ密封する多構成要素ハウジングとすることができる。ネジ、リベットなどのような留め具、接着剤、ホットメルト、超音波結合、及びその組合せを含む閉止及び密封の様々な方法を使用することができる。
【００７４】
可撓性封入体のための適切な材料は、ポリプロピレンと、ポリエチレンと、ポリエチレンテレフタレートと、アルミニウムのような金属層を有する積層体とを含むことができる。弾性封入体が所望される場合には、適切な材料は、シリコーン及びゴムを含む。
【００７５】
流体反応物質組成物及び排出物を輸送するために用いる配管などのための適切な材料は、シリコーン、ＴＹＧＯＮ（登録商標）、及びポリテトラフルオロエチレンを含むことができる。
【００７６】
フィルタ及びフィルタ構成要素のための適切な材料は、発泡材料を含むことができる。発泡材料は、オープンセル構造（オープンセル発泡体）又はクローズドセル構造（クローズドセル発泡体）を有することができる。一般的に、発泡体フィルタの主要部分は、オープンセル構造を有することになる。一部の実施形態において、フィルタ構成要素又はその一部分は、望ましい空隙率及び固体、液体、及び気体に対する透過性に応じて、クローズドセル構造又は１つ又はそれよりも多くの表面上のスキンを有することができる。フィルタ構成要素は、好ましくは迅速回復性（低圧縮永久歪み／高回復率）を有するエラストマー発泡体とすることができる。エラストマーは、例えば、弾性硬化架橋又は加硫エラストマーとすることができる。適切なエラストマー材料の例は、ポリウレタンエラストマー、ポリエチレン、ポリクロロプレン（ネオプレン）、ポリブタジエン、クロロイソブチレンイソプレン、クロロスルホン化ポリエチレン、エピクロロヒドリン、エチレンプロピレン、エチレンプロピレンジエンモノマー、エチレン酢酸ビニル、水素化ニトリルブタジエン、ポリイソプレン、イソプレン、イソプレンブチレン、ブタジエンアクリルニトリル、スチレンブタジエン、フルオロエラストマー、シリコーン、並びにそれらの誘導体及び組合せのうちの１つ又はそれよりも多くを含む。
【００７７】
フィルタ構成要素のために使用することができる他の材料は、網状ポリエステル（例えば、ポリエチレンテレフタレート）、ポリエチレン、ポリウレタン、ポリイミド、メラミン、ナイロン、ガラス繊維、ポリエステルウール、及びアクリル編み糸のような網状材料を含む。上記で開示したように、フィルタを膨張させる別の手段が設けられる場合に、フィルタは、圧縮された後にそれ自体によって膨張することができる材料で作られることを必ずしも要しない。
【００７８】
分散部材のための適切な材料は、シリコーンゴム、ＴＹＧＯＮ（登録商標）及びポリテトラフルオロエチレン、フッ化ポリビニリデン（ＰＶＤＦ）、及びフッ素化エチレンプロピレン（ＦＥＰ）のような材料で作られてそこに形成された孔又はスリットを有するチューブ状又は他の中空構成要素のような液体不透過性材料、流体反応物質組成物を通過させることができ又は流体反応物質組成物を吸い上げることができる木綿、ナイロン、アクリル、ポリエステル、ｅＰＴＦＥ，又はフリットガラスのような材料で作られた液体透過性部材、又は孔又はスリットを有して流体反応物質組成物を吸い上げることができる材料に包まれ、取り囲まれ、又は被覆された中空液体不透過性材料のような組合せを含むことができる。
【００７９】
本明細書に引用した全ての参考文献は、その全体を引用により本明細書に明示的に組み込んでいる。引用によって組み込まれた文献、特許、又は特許出願が本明細書に含まれる開示と矛盾する範囲で、本明細書は、あらゆるそのような矛盾資料に取って代わり、及び／又はそれに優先することを意図している。
【００８０】
開示した概念の精神から逸脱することなく様々な修正及び改良を本発明に対して行うことができることは、本発明の実施者並びに当業者によって理解されるであろう。与えられる保護の範囲は、特許請求の範囲によってかつ法の認める解釈の幅によって判断されるものとする。
【符号の説明】
【００８１】
１０  水素発生器
１２  ハウジング
１４  反応物質貯留区域
１６  反応区域
１８  排出物貯留区域
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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