(57)【要約】  流体ポンプおよびコネクター組立品は、燃料カートリッジを燃料電池システムに連結する用途に特に適している。組立品は、流体入口、流体出口、入口および出口と流体連通する柔軟なダイアフラム、および第１のコネクターを含む第１の部分組立品を有する。組立品は、第１のコネクターに連結するように適合された第２のコネクター、アクチュエーターおよびアクチュエーターに連結されそして第１のおよび第２の部分組立品が接続された場合にダイアフラムに接触する往復部材を含む第２の部分組立品も有する、ここで、アクチュエーターおよび部材の往復運動は、流体を第２の部分組立品に曝すことなく、ダイアフラムを往復させ、そしてポンプ流体を入口から出口へ向かわせる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）液体反応物ディスペンサー、反応チャンバー、並びに該液体反応物ディスペンサーに流体的に連結された入り口と該反応チャンバーに流体的に連結された出口と、該入口および出口と流体連通する柔軟なダイアフラムとを含むコネクター部分組立品、を含む燃料カートリッジ；並びに
（ｂ）燃料電池、および該燃料カートリッジのコネクター部分組立品に接続可能なコネクター部分組立品を含み、そしてアクチュエーター、および該アクチュエーターに連結されそして該燃料カートリッジと燃料電池システムとが接続された場合に該ダイアフラムと接触する往復部材を含む、燃料電池システム、ここで、該アクチュエーターおよび部材の往復運動が、該ダイアフラムを往復させ、そして該反応物を該燃料電池システムに曝すことなく、該液体反応物ディスペンサーから該反応チャンバーに、液体反応物をポンプで送る、
を含んで成る燃料電池装置。
【請求項２】
該反応物チャンバーが、該液体反応物と混合した場合に水素ガスを生成させる固体反応物を含む、請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項３】
該燃料カートリッジ捕集器部分組立品が、該反応チャンバーに流体的に連結された水素排出ポートをさらに含み、そして該燃料電池システム捕集器部分組立品が、該燃料電池に流体的に連結されそして該燃料カートリッジと燃料電池システムとが接続された場合に、該排出ポートと協働する取り入れポートをさらに含む、請求項２に記載の燃料電池装置。
【請求項４】
該液体反応物がクエン酸溶液であり、そして該固体反応物が水素化ホウ素ナトリウムである、請求項３に記載の燃料電池装置。
【請求項５】
該アクチュエーターが形状記憶合金であり、そして該形状記憶合金を収縮温度より上に加熱できる電源に電気的に連結される、請求項４に記載の燃料電池装置。
【請求項６】
該アクチュエーターが、該往復部材に連結されそして弓形の配置を形成するために、両端のところで圧着コネクターに取り付けられたニチノールワイヤーである、請求項５に記載の燃料ポンプ。
【請求項７】
該ワイヤーが堅い相にある場合に該往復部材が格納された位置にあり、そして該ワイヤーが応答相にある場合に該往復部材が伸張した位置にあるように、該ワイヤーが取り付けられている、請求項６に記載の燃料ポンプ。
【請求項８】
（ａ）流体入口、流体出口、および該入口および出口と流体連通する柔軟なダイアフラム、を含む第１の部分組立品；並びに
（ｂ）該第１の部分組立品に接続可能で、そしてアクチュエーター、および該アクチュエーターに連結されそして該第１部分組立品と第２の部分組立品とが接続された場合に該ダイアフラムと接触する往復部材を含む、第２の部分組立品、ここで該アクチュエーターおよび部材の往復運動が該ダイアフラムを往復させ、そして流体を該第２の組み立て部品に曝すことなく該入口から該出口まで該流体をポンプで送る、
を含んで成る流体ポンプ。
【請求項９】
該第１の部分組立品および第２の部分組立品が、該第１の部分組立品と第２の部分組立品とを取り外し可能に共に接続するコネクターをさらに含む、請求項８に記載の燃料ポンプ。
【請求項１０】
該コネクターが磁気を帯びている、請求項９に記載の燃料ポンプ。
【請求項１１】
該第１の部分組立品が、燃料カートリッジに取り付けられ、そして該流体が、固体反応物と混合した場合に水素を発生させる液体反応物である、請求項８に記載の燃料ポンプ。
【請求項１２】
該液体反応物がクエン酸溶液であり、そして該固体反応物が水素化ホウ素ナトリウムである、請求項１１に記載の燃料ポンプ。
【請求項１３】
該第２の部分組立品が燃料電池システムに取り付けられ、そして該燃料カートリッジによって生成される水素ガスを受ける取り入れポートを有し、そして該燃料電池システム中で該水素ガスを燃料電池に輸送する、請求項１２に記載の燃料ポンプ。
【請求項１４】
該アクチュエーターが、形状記憶合金であり、そして該形状記憶合金を収縮温度より上に加熱できる電源に電気的に接続される、請求項８に記載の燃料ポンプ。
【請求項１５】
該アクチュエーターが、該往復部材に連結され、そして弓形の配置を形成するように両端のところで圧着コネクターに取り付けられた、ニチノールワイヤーである、請求項１４に記載の燃料ポンプ。
【請求項１６】
該ワイヤーが弛緩した相にある場合は、該往復部材が格納された位置にあり、そして該ワイヤーが収縮した相にある場合は、該往復部材が伸張した位置にあるように、該ワイヤーが取り付けられている、請求項１５に記載の燃料ポンプ。
【請求項１７】
（ａ）流体入口、流体出口、該入口および出口と流体連通する柔軟なダイアフラム、並びに第１のコネクター、を含む第１の部分組立品；並びに
（ｂ）該第１のコネクターに接続するように適合された第２のコネクター、アクチュエーター、および該アクチュエーターに連結されそして該第１の部分組立品および第２の部分組立品が接続された場合に該ダイアフラムと接触する往復部材、を含む第２の部分組立品、ここで該アクチュエーターおよび部材の往復運動が、該ダイアフラムを往復させそして流体を該第２の部分組立品に曝すことなく該入口から該出口に該流体をポンプで送らせる、
を含んで成る流体ポンプおよびコネクター組立品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して流体容器を別のデバイスに接続するため、および流体容器中で流体をポンプで送るための、流体ポンプおよびコネクター組立品に関する。
【背景技術】
【０００２】
現代の携帯用電子デバイスは、電力量の増加を要求しており、そして化学電池は、多くの場合そうしたデバイスにとって性能上のボトルネックである。パーソナルデジタルアシスタント、携帯電話、娯楽デバイス、および次世代ラップトップ等のワイヤレス製品は、特に持続性のある電力に対する要求が大きい。長期の持ち運び時の作業では、燃料電池は魅力的な解決策である。燃料電池は、電池のように、化学エネルギーを電力に効率的に変換するが、より高いエネルギー密度および直ちに燃料補給可能等のさらなる利点を有する。燃料電池は典型的には水素ガスを燃料とするが、費用効率が高くおよび費用効率的な方法で貯蔵しそして水素ガスを燃料電池に輸送することにおける技術的な挑戦がある。ある特別な挑戦は、容易に持ち運びするのに充分、安価で、安全で、軽量でそしてコンパクトであるが、有用な量の燃料を燃料電池に供給するのに充分な水素を蓄積する燃料供給を提供することである。水素貯蔵の最新手段は、比較的低圧で水素を貯蔵するための金属水素化物の容器、および高圧で圧縮された水素を貯蔵するための圧力タンクを含む。いずれのアプローチも、例えば、金属水素化物貯蔵は比較的安全だが重量比でのエネルギー密度が低く、そして圧縮水素の貯蔵は重量比で高いエネルギー密度を有するが、高い強度および高価な封じ込め溶液を必要とするといった欠点を有する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
燃料として液体メタノールを使用し、そして電力をメタノールから電気化学的に直接生成する"直接メタノール"燃料電池を設計することにおいて、研究が行われてきた；しかし、大きな意義を有する技術的な挑戦は、電解質膜を通したメタノールのクロスオーバーの防止、およびメタノール燃料による触媒被毒の防止などにある。
【０００４】
水素化ホウ素ナトリウム等の水素含有燃料溶液から水素ガスを発生させることにも努力が向けられてきた。そうしたアプローチにおいては、燃料溶液が触媒に曝されて、水素ガスの生成を促進する。このアプローチは期待できるが、技術的な挑戦は、携帯用燃料電池システムが人間に接して使用される場合に、腐食性の燃料溶液を含有することおよび漏れを防ぐことにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の目的は、容器から流体を出すことなく、流体の容器内で流体を、安全且つ費用効率高くポンプで送るための手段を提供することである。
【０００６】
本発明の一つの形態によれば、２つの相互に接続可能な部分組立品を含む流体ポンプが提供される。第１の部分組立品は、流体の入口、流体の出口、および入口と出口と流体連通する柔軟なダイアフラムを含む。第２の部分組立品は、アクチュエーターおよびアクチュエーターに連結した往復部材を含む。往復部材は、第１の部分組立品と第２の部分組立品とが接続された場合、ダイアフラムに接触する。アクチュエーターおよび部材の往復運動が、ダイアフラムを往復運動させ、そして流体を第２の部分組立品に曝すことなく流体を入り口から出口にポンプで送らせる。
【０００７】
部分組立品は磁性コネクターを備えることができ、相互に接続された部分組立品の取り外しを可能にする。第１の部分組立品は、燃料カートリッジに取り付け可能であり、そして流体は、固体反応物と混合された場合に、水素を発生させる液体反応物であることができる。液体反応物は、クエン酸溶液であることができ、そして固体反応物は、水素化ホウ素ナトリウムであることができる。
【０００８】
第２の部分組立品は、燃料電池システムに取り付けることができ、そして燃料カートリッジによって生成された水素ガスを受けるためおよび燃料電池システム中で水素ガスを燃料電池に輸送するためのポートを有する。
【０００９】
アクチュエーターは、収縮温度より上に形状記憶合金を加熱できる電源に電気的に連結されている形状記憶合金であることができる。特に、アクチュエーターは、往復部材に連結されそしてエリンピング（ｅｒｉｍｐｉｎｇ）コネクターに両端を取り付けられて、弓形の配置を形成するニチノールワイヤーであることができる。ワイヤーが弛緩した相にある場合は、往復部材が格納された位置にあり、そして収縮した相にある場合は、往復部材が伸張した位置にあるように、ワイヤーを取り付けることができる。ワイヤーにパルス電流をかけると、ワイヤーが弛緩した相と収縮した相との間で循環し、往復部材およびダイアフラムを往復運動させる。
【００１０】
アクチュエーターおよび往復運動をする部品は、第２の部分組立品中にあるので、第１の部分組立品の製造コストを減少させ、一回使用のディスポーザブル製品にできるほど充分な低コストでの燃料カートリッジの製造を可能にする。さらに、第１の部分組立品は、反応物を燃料カートリッジ内に完全に保ち、漏れそして結果として起こる接触しているユーザーまたは装置への害の可能性を減少させる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の１つの態様に従い、そして図１を参照すると、携帯用燃料カートリッジ１０は、燃料電池によって燃料として使用する水素ガスを発生させる。図２を参照すると、携帯用燃料電池システム１２は、燃料電池１４を含み、周囲空気中で水素ガスと酸素とを電気化学的に反応させることによって電力を発生させる。電気化学反応の副生成物は、また水および熱を含む。発生した電力は、携帯用電気装置に電力を供給し、そして熱を供給するために使用できる。携帯用燃料カートリッジ１０は、燃料電池カートリッジ１０を燃料電池システム１２に物理的におよび流体的に連結させるためのコネクター部分組立品１５を有する。一旦連結されると燃料カートリッジ１０によって発生した水素ガスは、燃料電池１４による使用のために、燃料電池システム１２に輸送可能である。
【００１２】
燃料カートリッジ１０および燃料電池システム１２での意図された一つの特別な使用は、上着等の個人の衣服に熱および電力を供給することである。図２に示された燃料電池システム１２は、そうした使用に特に適する。各燃料電池１４は、平面配列で配置され、そしてスタックを形成するように連続して電気的に接続される。燃料電池１４は、柔軟な発泡体と織物をラミネートした枠１６の中に間隔をあけて埋め込まれる。柔軟な燃料の導管１８および導線２０は、それぞれの燃料電池１４を相互に接続する。１つの燃料電池１４の燃料出口は、隣接した下流の燃料電池１４の燃料入口に燃料導管１８で流体的に連結されている。燃料電池スタックは、行き止まり型の燃料流れの設計を有し、最後の燃料電池１４は、パージ弁に連結されており、該弁は周期的に開いて燃料電池スタック中の汚染物質および水を排出できる。第１の燃料電池１４は、ポンプおよびコネクター部分組立品２２に流体的に連結されており、燃料カートリッジ１０のコネクター部分組立品１５に流体的且つ物理的に連結する手段を備えている。燃料電池システムの操作を制御する制御システム２３は、ポンプおよびコネクターの部分組立品２２と電気的に通信しており、ポンプ、パージ弁の操作、導線２０に連結した電圧センサーおよび圧力センサー（示されていない）、および、ユーザーインターフェース制御およびディスプレイ（示されていない）を制御する。
【００１３】
燃料電池１４は、平面形状の、パッシブ空気呼吸プロトン交換膜（ＰＥＭ）型燃料電池である。各燃料電池は、陰極および陽極組立品（示されていない）で挟まれた従来の白金触媒で被覆した電極およびナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ：商標）膜電極組立品（ＭＥＡ）を含む。陰極組立品は、ＭＥＡの陰極側に隣接して接触する導電性メッシュ、および導電性メッシュと隣接して接触し、導電性メッシュを貫通する複数の開口部を有する導電性プレートを含み、複数の開口部は空気に曝され、そして電気化学反応中で使用される酸素へのアクセスを提供する。陽極組立品は、導電性ＭＥＡの陽極側と隣接して接触する曲がりくねった流路を有する導電性の陽極プレート、および水素ガスのマニホールドプレートを含み、そして水素の入口および出口並びに陽極プレート燃料流路の入口および出口終端に流体的に連結されたマニホールドを有する。入口マニホールドおよび出口マニホールドは、それぞれの入口燃料導管１８および出口燃料導管１８に流体的に連結される。ＭＥＡは、またその外周周りの接着に特徴があり、そして接着層で、燃料電池の部品を共に接着する。
【００１４】
この態様の燃料電池スタック１２は、約１０ワットの出力を提供するために構成されているが、しかし燃料電池の数を変更すること、または異なる性能等級の燃料電池で置き換えることによって、出力をスケールアップまたはスケールダウンすることは、本発明の範囲内である。
【００１５】
そうした平面形状のＰＥＭ燃料電池１４は、周知技術であり、そして本明細書中ではさらに詳細に記載しない。燃料電池システム１２は、ＰＥＭ燃料電池に特に適するが、水素ガスによって燃料供給される他の燃料電池のタイプは、固体酸化物型燃料電池、リン酸型燃料電池およびアルカリ型燃料電池等で置き換え可能である。また、他の知られたＰＥＭ燃料電池の設計は、容易に置き換え可能である。
【００１６】
燃料電池１４は、柔軟な枠１６に埋め込まれ、そして柔軟な導管１８および電気コネクター２０によって相互に接続されているので、燃料電池システム１２の形は変更可能である；燃料電池システム１０は着用者の形に順応できるので、この特徴は衣服での使用に特に好都合である。スタック中の燃料電池１４が、着用者の背中の形に順応できるように、好ましくは、燃料システム１２は、上着の上部脊椎領域にそって設置される。しかし、異なる配置、例えば従来の垂直に配置されるスタックを前提とすることは、燃料電池システム１２についての本発明の範囲内である。そうしたほかの配置では、スタック中で燃料電池は、必ずしも柔軟に相互接続されておらず、そして衣服中でのそうした燃料電池スタックの取り付けは、使用者に不快さを与えないように変更されるであろう。また、５つの燃料電池１４がこの態様中に示されているが、燃料電池の数並びに特別な用途および電力需要によって対応する出力をスケールアップまたはスケールダウンすることは、本発明の範囲内にある。
【００１７】
２層の軟質の柔軟な発泡体が、燃料電池システム内で相互に接続されたガス、電流、および電圧の検出部を間に挟むために使用される。これらの部分は、相互に接続されたシステムを所定の位置に保持し、そしてシステムにかかる機械的な力（曲げ、伸張等）に対する応力緩和を提供する。さらに、該発泡体は、これらの部分を使用者から隠し、そして柔軟で、体やさしい包装を作り出す要素（ワイヤー、チューブ、電圧検知ワイヤー）を相互に接続するための軽量の被覆を提供する。
【００１８】
現在の態様において、ウィッキング（ｗｉｃｋｉｎｇ）タイプの織物は、燃料電池１４の陰極を含む平面をカバーするシステムの外側にラミネート加工されている。この材料は、材料と接触している全ての湿気を急速に蒸発させるように設計されている。陰極と接触させてこの材料を配置すると、燃料電池１４の陰極上に集まる全ての湿気の急速な蒸発が可能になり、電池１４で水が溢れるリスクを減少させる。全システム１２をこの織物で被覆すると、蒸発ための表面積を最大化する。さらに、この織物は、システム１２中で複数の燃料電池１４の間で、柔軟で応力を緩和する相互接続物として働く。最後に、この織物は、皮膚の近くで使用した場合に柔らかくそして気持ちよく感じられる燃料電池システム１２の表面織地を作り、体の近傍での用途において、製品をさらに気持ちよく感じさせる。
【００１９】
好ましくは、燃料カートリッジ１０は軽量且つ安価な材料で構成されて、燃料カートリッジ１０を容易に携帯でき、そして一回使用の後で使い捨てにできることを可能にする。この態様においては、図３に具体的に示されているように、燃料カートリッジ１０は、液体反応物、すなわち、２８ｗｔ％のクエン酸溶液を外側の袋２５に、そして固体反応物、すなわち、圧縮されおよび溶融された水素化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＨ４）粉末をチューブ状の反応チャンバー２６中に貯蔵する。反応チャンバー２６（テフロン（商標）チューブ；６０"ＩＤ,．０３０"壁、ＭｃＭａｓｔｅｒ）が、溶液袋２５から流体的に密封されている内側の袋２７の中に貯蔵される。ＮａＢＨ４粉末は、円筒型の錠剤２８に圧縮され、そして反応チャンバー２６の内側のばね２９は、反応チャンバー２６の一方の終端にあるスクリーン選別機３０を有する出口に対して錠剤２８を片寄らせる。現在の態様において、５"直径の錠剤は、約１２グラムの水素化ホウ素ナトリウム粉末を７トンの力でプレスすることによって形成され、長さ３.２インチの錠剤を生成する。
【００２０】
反応チャンバー２６は、１７０°Ｆ超の温度になることができる反応の熱に耐え、そして錠剤２６を拘束せずばねの力でスライドすることを可能にすること、のいずれもできる材料で構成されることが好ましい。テフロン（商標）またはポリエチレンの両者がこれらの条件を好適に満たす。
【００２１】
スクリーン選別機３０は、粉末の粒径より小さいメッシュサイズを有し、それゆえに錠剤２８が出口を通って出るのを防止するが、液体、ガスおよびスクリーンの目より小さい微粒子が該目を通って流れることを可能にする。０８０"のスクリーンピッチおよび．００５"の撚り糸サイズを有するプラスチックメッシュが現在の態様で使用される。
【００２２】
燃料カートリッジ１０が、燃料電池システム１２のポンプおよびコネクター部分組立品２２に連結される場合、酸溶液を、外側の袋２５から、コネクター部分組立品１５の内側にあるポンプチャンバー５２を通って、そしてスクリーン選別機３０の近くの反応チャンバー２６にポンプで送ることができる。酸溶液とＮａＢＨ４が混合すると、水素ガスおよび廃棄物スラリーが生成し；ばね２９の圧力が、ガスおよびスラリーを、スクリーン選別機３０を通過させ、そして内側の袋２７の生成物を捕集する部分（"生成物捕集器"３１）に入れる。スラリーは、液体中に懸濁された固体を含み、そして特に、メタホウ酸ナトリウム、水、および酸の塩の混合物であり、そして約ｐＨ７の良性の（ｂｅｎｉｎ）酸性度を有する。スラリーの固体がスクリーンを通過できるように、スラリーの固体の詳細なサイズは、スクリーン選別機３０のメッシュサイズ未満であることが好ましい。生成物捕集器３１の下流終端には、水素ガス分離膜３２があり、水素ガスを透過するが、液体および固体を透過しない。水素ガスは、スラリーから分離され、そして燃料電池システム１０に、コネクター部分組立品１５中の出口ポート４０を介して輸送される。
【００２３】
図４は、今まで以上に詳しく燃料カートリッジ１０の構造を具体的に示す。内側の袋２７は、外側の溶液袋２５の内側に位置し、酸溶液が、該溶液袋２５と内側の袋２７の間の容積中にあるようになっている。現在の態様では、６ｍｉｌウレタン（Ｓｔｅｖｅｎｓ  Ｕｒｅｔｈａｎｅ、  Ｅａｓｔ  Ｈａｍｐｔｏｎ、  Ｍａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓ、  ＵＳ）が熱溶着されて内側の袋および外側の袋２５,２７を形成する。溶液供給導管３３は、この容積をポンプチャンバー５２に流体的に連結し、そしてまたポンプチャンバー５２から開口部３４で内側の袋を通って伸び、そしてスクリーン選別機３０の近くの反応チャンバー２６中のノズル３５に至る。ノズル３５は、反応チャンバー２６の直径にわたる（遠位末端を閉じてそして密封され、そして管の中心軸に垂直でそして錠剤２８の中心の軸に向かい合う穴を有するステンレススチール細長いチューブ、ＭｃＭａｓｔｅｒ）細長い管である。溶液は穴を通して放出され、そして錠剤２８と接触する。ノズルとスクリーン選別機３０との間の距離が、反応チャンバー２６を離れる前に反応物の混合を可能にする。反応収率およびカートリッジ１０のエネルギー密度を最大化するための、反応物と生成物との適切な混合を確かにする該技術分野で知られている幾つかの代替物が存在する。例えば、カートリッジ１０は、単一のノズルまたは複数のノズル（示されていない）を使用でき、反応物の混合をさらに確かにする助けとなる。これらのノズルは、錠剤２８にミスト、スプレーでの吹き付けまたは液滴を提供するように設計された穴を有する円形または直線配列であることができる。ノズルとスクリーン３０との間の距離および好ましくは曲がりくねった経路は、反応チャンバー２６を離れる前に、反応物の充分な混合を可能にする。最適な距離はノズルの設計、流量等で変わるであろうが、現在の態様では、ノズル３５は、分離器のメッシュから４"である。反応エリアの設計に好都合であると見いだされた追加の特徴は、ノズル３５からの溶液と反応するので、反応する錠剤がノズル３５の周りに形成できるように、ノズル３５を構成することである。これは、ノズル３５と錠剤２８との間の密接な接触と、流体が反応チャンバー２６を出る前の液体のための適度に曲がりくねった経路と、を確かにする。反応エリアが錠剤の終端に限られる現在の態様の追加の利点は、反応熱を比較的小さい空間に封じ込め、反応エリアの温度を最大化できることである。この高温は、反応効率、反応速度論上有利な効果を有し、そしてスクリーン選別機３０の周りに捕集されそして硬化した反応生成物でシステム１２を再始動する能力を有する。
【００２４】
ばね２９は、スクリーン選別機３０に対して錠剤２８に連続的な圧力を掛けるので、生成物の水素ガスおよび排気物スラリーは、スクリーン選別機３０を通して放出され、そして生成物捕集器３１に入り、該捕集器は、内側の袋の表面を共に接続する２つの一般的に直線の溶着３６によって形成された曲がりくねった流路を有する。溶着は、円筒型の反応チャンバー２６が位置する中心ポケットを形成する。生成物捕集器３１は、水および他の液体をスラリー中に吸収する液体吸収材料３７で部分的に満たされている。スラリーは長期間さらされると膜上に不透過性の被膜を生成する傾向があるので、この材料はガス捕集膜とスラリーとの接触を最小化する。高性能材料が存在するが、タンポンに見られる高吸収性材料がこの用途で好適に機能することが見いだされた。吸収されなかったスラリーおよび水素ガスは、生成物捕集器３１に沿ってガス分離膜３２へと続く。水素ガスは、分離膜３２（Ｖｅｒｓａｐｏｒｅ３０００（Ｐａｌｉ、  Ａｎｎ  Ａｒｂｏｒ、  Ｍｌ）を通って流れ、そして水素輸送管３８に入り、該菅は分離膜３２に接続されており、そして開口部３９で内側の袋を通って伸び、そしてコネクター部分組立品１５中で排出ポート４０に連結する。溶液、廃棄物スラリーおよび水素ガスの流路は、この図の中に矢印で具体的に説明されている。
【００２５】
水とＮａＢＨ４とだけの混合は、水素ガスを化学的に生成させるために充分であるが、反応速度が遅い。好ましくは、酸が反応速度を上昇させるために用意され；酸は反応で消費されるが、この意味で、酸は触媒のように働く。この態様においては、２８ｗｔ％クエン酸溶液がＮａＢＨ４粉末と反応して水素を生成するが、好適なｐＨを有する任意の酸溶液で、代用可能である。好ましくは、酸溶液は、６以下のｐＨを有し；さらに好ましくは、酸溶液は、ｐＨ２以下の範囲を有する。２８ｗｔ％クエン酸溶液は、約２のｐＨを有する。この濃度は、低いｐＨ、速い反応速度、および酸の最小限の廃棄の望ましいバランスを提供することが見いだされた。すなわち、溶液中で全ての酸が、実質的に反応で消費された。代わりとなる酸を選択する場合には、そうしたバランスがまた望ましい。
【００２６】
混合された場合に水素ガスを生成させる代わりとなる液体および固体反応物で、代用可能である。例えば、テストは、燃料カートリッジ１４が、アルミニウムと水酸化ナトリウム溶液とを混合して、以下の反応で水素ガスを生成させることができることを示した：
【００２７】
２Ａｌ＋２ＮａＯＨ＋６Ｈ２Ｏ→２ＮａＡｌ（ＯＨ）４＋３Ｈ２（１）
【００２８】
水素ガスを生成する反応物との間の他の公知の反応は、燃料カートリッジ１０で使用できることが期待されるが、ただし、ある反応物は、圧縮された固体形で貯蔵でき、またある反応物は、液体形態で別々に貯蔵できる。ばね２９によって提供されるバイアス力が、ガスの、液状のおよび反応の小さい微粒子生成物を、スクリーン選別機３０を通して押すので、燃料カートリッジ１４の設計は、固体の一部分が連続的に液体反応物に曝されるような反応を促進するのに特に効果的である。これは、生成物が固体反応物を被覆すること、および液体反応物と混合することを妨げる。固体反応物がスクリーン選別機３０を通って押し出されないように、固体粉末粒径および分離器スクリーンサイズを選択する上で注意することが好ましい。
【００２９】
ばね２９は、固体反応物に対して片寄らせ力を提供するために使用されるが、他のバイアス手段も提供可能である。例えば、反応チャンバー２６は、片端が閉じた柔軟な鞘であることができ、固体反応物で満たされた場合には伸び、そして固体反応物に、鞘の開口部に向かって圧力を掛ける。他の均等なバイアス手段で容易に置き換え可能である。これらの図に示された態様において、および特に図１を参照すると、錠剤２８の一部分が常にスクリーン選別機３０に対して押されるように、バイアスばね２９は、錠剤２８に対して圧力を掛ける。錠剤２８が消費されるにつれて、ばね２９は伸び；錠剤材料の量が見えるように、透明な窓４１が燃料カートリッジ１０の表面に提供される。この窓４１は、燃料カートリッジ１０の中に残った反応物の量を示すための燃料ゲージとして機能する。
【００３０】
次に図５および図６を参照すると、カートリッジのコネクター部分組立品１５は、燃料カートリッジの外殻から突き出ており、そして燃料電池システム１４のポンプおよびコネクター部分組立品２２に接続できる。ポンプおよびコネクター部分組立品は、突き出したコネクター部分組立品１５を受けるために適応した凹部４３を有する。対の磁石４４がコネクター部分組立品１５の底部に提供され、そして凹部４３の金属プレートに引き寄せられている。磁石４４は、燃料カートリッジ１０を燃料電池システム１２に固定する手段を提供するが、しかし該技術分野で知られている他の固定手段は、本発明の範囲内で代用可能である。
【００３１】
ポンプおよびコネクター部分組立品２２は、燃料カートリッジ１０が燃料電池システム１２に接続された場合に水素排出ポート４０と対になる水素取り入れポート４６を備えている。ポンププランジャ４８がポンプおよびコネクター部分組立品２２の凹部４３から伸び；突起４９がポンププランジャ４８の辺りで、部分組立品２２から突き出ており、コネクター部分組立品１５が定位置にない場合プランジャ４８を損傷から保護する。ダイアフラムポート５０は、燃料カートリッジ１０および燃料電池システム１２が接続された場合にポンププランジャ４８を受けるコネクター部分組立品１５中に用意される。ダイアフラムポート５０は、ポンプチャンバー５２の底端部に伸びる。ポンプチャンバー５２の上端部には、酸溶液入口５６および酸溶液出口５８がある。柔軟なダイアフラム５４はポンプチャンバー５２の内側に取り付けられ、そして流体的にポンプチャンバー容積をダイアフラムポート５０から密封し；これは酸溶液の流れを入口５６からポンプチャンバー５２に入りそして出口５８から出るように閉じ込める。バイアスばね６０が第２のチャンバー部分に位置し、そしてバイアス力をダイアフラム５４に対して適用して、ダイアフラム５４を非屈曲位置に片寄らせる。
【００３２】
酸溶液入口および出口５６,５８が、溶液供給導管３３に流体的に連結される。
【００３３】
コネクター部分組立品２２は、２つの成形されたプラスチック部分を含む外殻を有する：外殻部分６２は、ポンプチャンバー５２の一部分、ダイアフラムポート５０、水素排出ポート４０、および磁石４４を含む。内側の殻部分６６は、ポンプチャンバー５２の残りの部分、溶液入口５６および出口５８を含み；ダイアフラム５４は、外側と中心の部分６２,６４との間の位置に固定される。殻部分６２,６６は、ＬｏｋＴｉｔｅ３１０５Ｌｉｇｈｔ Ｃｕｒｅ接着剤で接続される。部分組立品２２は、これらの殻部分を接着剤で共に接続することによって形成されるが、当然のことながら該技術分野で知られている多くの他の方法がこの部分組立品２２を作るために使用可能である。
【００３４】
燃料カートリッジ１０および燃料電池システム１２が接続される場合、ポンププランジャ４８の遠位末端は、ダイアフラムポート５０を通って、ポンプチャンバー５２に伸び、そしてダイアフラム５４に接触する。ポンププランジャ４８は、軸上の方向で且つ充分に伸張した位置と充分に格納された位置との間にあるポンプおよびコネクター部分組立品２２内にスライド可能なように拘束される。ポンププランジャ４８がその充分に格納された位置にある場合、プランジャはダイアフラム５４と接触するが、ダイアフラムを屈曲させない、すなわちダイアフラム５４は、その非屈曲位置にある。ポンププランジャ４８が、その充分に伸張した位置にある場合、ダイアフラム５４は、プランジャ４８によって動かされてその屈曲した位置にある。ポンププランジャ４８の往復動作がダイアフラム５４を振動させ、それによってポンプチャンバー５２内にポンプ圧力を作り出す。このポンプ圧力は、溶液袋２５から反応チャンバー２６にクエン酸溶液をポンプで送るのに効果的である。
【００３５】
ポンププランジャ４８の往復動作が、ポンププランジャ４８の近接端部に位置するプランジャヘッド７２に接続された形状記憶合金ワイヤー７０の収縮と伸張によって達成される。形状記憶合金ワイヤー７０は、"ニチノール"として有名なニッケルチタン合金等の形状記憶合金材料からなる。形状記憶合金材料温度または熱に敏感である。例えば、ニチノールは、ニチノールの組成によって決定される温度範囲で一時的に収縮する；この態様において、ニチノールワイヤー７０は、約１００℃で収縮する。ニチノール合金は、比較的低い温度で伸び、そしてその元の状態に戻る。この収縮温度より上に加熱されることに反応して、ニチノール合金は、その長さにおける変化等の寸法の変化を経る。このように、ニチノールワイヤー７０は、繰り返されるその収縮温度より上への温度サイクルとその伸張温度より下への冷却を介することで、長さの収縮を経て、そしてその元の長さに繰り返し戻ることができる。
【００３６】
上記の様に寸法の変化を経る過程において、形状合金材料は、温度の変化による可逆的な相転移または相変態、または可逆的構造相転移を経る。一般的に、そうした転移は、例えば、材料の結晶構造中の変化によるまたは分子レベルでの材料の再秩序化による、材料のある固相から別の相への材料の変化を表す。ニチノールワイヤー７０の場合、超弾性合金は、低温相またはマルテンサイト相、および高温相またはオーステナイト相を有する。これらの相は堅い相、並びに軟らかいおよび可鍛性（ｍａｌｌｅａｂｌｅ）相、または応答（ｒｅｓｐｏｎｓｉｖｅ）相の観点からも呼ぶことができる。
【００３７】
ニチノールワイヤー７０は、プランジャヘッド７２を通され、そしてポンプまたはコネクター部分組立品２２のいずれかの端部に圧着連結７４で取り付けられる。その堅い相にある場合プランジャヘッド４８がその格納された位置にあり；ニチノールワイヤー７０がその応答相にある場合、プランジャヘッド４８がその充分に伸張した位置にあるようにニチノールワイヤー７０は配置される。圧着コネクター７４は、制御ユニット２３内に位置する充電式電池（示されていない）に電気的に接続された電気ワイヤー（示されていない）に接続される。電池が燃料電池１４によって生成された電気によって充電できるように、電池は、次に電気コネクター２０に電気的に接続される。電気のワイヤーからニチノールワイヤー７０を通った電流は、その収縮温度より上にニチノールワイヤー７０を熱することとなり、それによってプランジャ４８を、その格納された位置からその伸張した位置に動かし、すなわち圧縮ストロークを実行する。プランジャ４８がその充分に延びた位置に達すると、プランジャヘッドが検出スイッチ７６と接触し、該スイッチは制御ユニット２３と電気的に通信しそして信号を送る。この信号の受信により、制御ユニット２３は、電池または燃料電池システムから電流を流すのを停止し、そしてワイヤー７０は冷却されそしてその膨張温度より下に落ちる。あるいはまたはさらに、ワイヤー収縮するように充分に加熱されるように、ワイヤー７０に提供される電流のパルス長は、該技術分野で知られている方法によって制御できる。ワイヤー７０はその元の長さまで伸び、そしてプランジャ４８は、その充分に格納された位置に戻り、すなわち膨張ストロークを実行する。プランジャストロークの周波数は、必要とされる水素の量によって決定され、さらにガスが必要な場合、さらに溶液を反応チャンバー２６にポンプで送る必要があり、そしてプランジャストロークの周波数が上昇する。
【００３８】
燃料カートリッジ１０の外側に、あるポンプの部品、すなわちニチノールワイヤー７０、プランジャヘッド７２、プランジャ４８を配置することによって、カートリッジ１０の製造コストを削減した。また、ポンプチャンバー５２を、ダイアフラム５４でシーリングすることによって、クエン酸溶液は、燃料カートリッジ１０を離れることが許されず；この設計は、酸のもれによって引き起こされる損傷または害の可能性を最小化する。燃料カートリッジ１０から出ることが許される唯一の流体は、ポート４０を介した水素ガスである。さらにこの設計によって提供される利点は、ガス発生の簡易化された制御である。クエン酸溶液を固体ＮａＢＨ４と混合する場合のみに水素ガスが生成されるため、ポンプの速度は、水素ガスの生成速度を完全に制御する。
【００３９】
本発明およびその利点が詳細に記載されたが、当然のことながら本発明は、本明細書中に示されたまたは議論されたことによって限定または規定されない。本明細書中の図、記載および議論は、本発明の例を示しそして本発明を使用する例を提供する。当業者は、本発明の実施が本発明の原理、精神または法的範囲を離れることなくなされることを理解するであろう。従って、本発明の範囲は、以下の請求項およびそれらの法的均等によって決定されることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】図１は、燃料電池のコネクター部分組立品を有する水素発生燃料カートリッジの側面図である。
【図２】図２は、燃料カートリッジ部分組立品と燃料カートリッジ内部のポンプ流体とを連結させるための、平面形状燃料電池スタック、制御モジュール、並びにコネクターおよびポンプ部分組立品を有する燃料電池システムの部分的な分解図である。
【図３】図３は、燃料カートリッジの内部の流体流れの概略図である。
【図４】図４は、燃料カートリッジの部分的に透明な側面図である。
【図５】図５は、コネクターおよびポンプ部分組立品並びに燃料カートリッジのコネクター部分組立品の部分的に透明な概略図である。
【図６】図６は、燃料カートリッジのコネクター部分組立品の拡大斜視の概略図である。
【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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