(57)【要約】  ２種の反応物を混合させることによって水素ガスを発生させる水素ガス発生器。発生器は、固体反応物を受けるための反応チャンバーを有する。チャンバーは、固体反応物を通さない反応生成物分離器および分離器に対して反応生成物を片寄らせるバイアス手段を有する。分配された液体反応物が固体反応物と反応チャンバー内で反応して分離器を実質的に透過できる水素ガスおよび廃棄物を生成するように、発生器は、また液体反応物を貯蔵しそして反応チャンバーに流体連結する液体反応物ディスペンサーを有する。発生器は、また分離器を通過した水素ガスおよび廃棄物を捕集するために反応チャンバーに連結された生成物捕集器を有する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）固体反応物を受入れる反応チャンバー、
該チャンバーは、該固体反応物を通さない反応生成物分離器と、反応生成物を該
分離器に対して片寄らせるバイアス手段と、を有する；
（ｂ）分配された液体反応物が、該固体反応物と該反応チャンバー内で反応して、該分離器を実質的に透過する水素ガスおよび廃棄物を生成するように、液体反応物を貯蔵し、そして該反応チャンバーに流体的に連結された、液体反応物ディスペンサー；および
（ｃ）該分離器を通過した水素ガスおよび廃棄物を捕集するための、該反応チャンバーに連結された生成物捕集器、
を含んで成る水素ガス発生器。
【請求項２】
該生成物捕集器内に位置し、水素ガスを通しそして該廃棄物を通さない水素ガス分離器をさらに含む請求項１に記載の水素ガス発生器。
【請求項３】
該水素ガス分離器が、ガス分離膜である、請求項２に記載の水素ガス発生器。
【請求項４】
該バイアス手段が、バネである、請求項１に記載の水素ガス発生器。
【請求項５】
該固体反応物が、水素化ホウ素ナトリウム粉末である、請求項１に記載の水素ガス発生器。
【請求項６】
該水素化ホウ素ナトリウム粉末が、錠剤形態に圧縮される、請求項５に記載の水素ガス発生器。
【請求項７】
該分離器が、該水素化ホウ素ナトリウムの粒径より小さいメッシュサイズを有するスクリーンである、請求項６に記載の水素ガス発生器。
【請求項８】
該液体反応物が、酸性溶液である、請求項１に記載の水素ガス発生器。
【請求項９】
該酸溶液が、２以下のｐＨを有する、請求項８に記載の水素ガス発生器。
【請求項１０】
該液体反応物が、クエン酸溶液である、請求項１に記載の水素ガス発生器。
【請求項１１】
該反応チャンバー、液体反応物ディスペンサーおよび生成物捕集器を取り囲む外殻をさら含み、該殻の少なくとも一部が、該発生器中に残っている該固体反応物の量を見ることができる程透明である、請求項１に記載の水素ガス発生器。
【請求項１２】
該液体反応物ディスペンサーが袋であり、そして該発生器が該反応チャンバーおよび生成物捕集器を取り囲む内側の袋をさらに含み、該内側の袋が該ディスペンサー袋の内側に位置する、請求項１に記載の水素ガス発生器。
【請求項１３】
（ａ）該固体反応物を通さない反応生成物分離器に固体反応物を片寄らせること；
（ｂ）液体反応物を該固体反応物に分配して、該分離器を実質的に透過する水素ガスおよび廃棄物を生成させること；および
（ｃ）充分な圧力を掛けて、該分離器を通して該水素ガスおよび廃棄物を通過させること、
を含んで成る水素ガスを生成させる方法。
【請求項１４】
（ｃ）の後で、該廃棄物から該水素ガスを分離することをさら含む請求項１３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して水素の発生、および特に少なくとも２種の反応物を混合することによってガス状の水素を発生する水素発生器に関する。
【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、水素ガスを発生させるための改善された手段を提供することである。本発明の一つの形態によれば、少なくとも２種の反応物を混合させることによって水素ガスを発生させる水素ガス発生器が提供される。発生器は、水素ガスを燃料電池システムに供給するために、特に有用な燃料カートリッジであることができる。発生器は、固体反応物を受け入れる反応チャンバーを有する。チャンバーは、固体反応物を通さず、そして分離器に対して反応生成物を片寄らせるバイアス手段を有する。分配された液体反応物が反応チャンバー中で固体反応物と反応して、実質的に分離器を透過する水素ガスおよび廃棄物を生成するように、発生器はまた液体反応物を貯蔵するための液体反応物ディスペンサーを有し、そして反応チャンバーに流体的に連結されている。発生器は、また分離器を通過した水素ガスおよび廃棄物を捕集する反応チャンバーに連結された生成物捕集器を有する。
【０００６】
発生器は、生成物捕集器内に位置する水素ガス分離器を含むことができ、そして該分離器は水素ガスを通し、そして廃棄物を通さない。この分離器は、例えば、ガス分離膜であることができる。
【０００７】
バイアス手段は、バネであることができ、そして固体反応物は、水素化ホウ素ナトリウム粉末であることができる。特に、水素化ホウ素ナトリウム粉末は、錠剤形態に圧縮でき、そしてバネは分離器に対して錠剤に圧力を掛けることができる。分離器は、水素化ホウ素ナトリウム粒径より小さいメッシュサイズを有するスクリーンであることができる。
【０００８】
液体反応物は、クエン酸溶液等の酸性溶液であることができる。特に、溶液は２未満のｐＨを有することができる。
【０００９】
反応チャンバー、液体反応物ディスペンサーおよび生成物捕集器を入れる外殻を提供でき；殻の少なくとも一部は、発生器中に残る固体反応物の量を見ることができるほど透明であり、それによって発生器の燃料ゲージとして機能する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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（登録商標）（商標）チューブ；６０"ＩＤ,．０３０"壁、ＭｃＭａｓｔｅｒ）は、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の内側のバネ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。
【００１９】
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を拘束せずバネ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（登録商標）（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。
【００２０】
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。
【００２１】
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；バネ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、水素ガス通すが、液体および固体を通さない。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。
【００２２】
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。
【００２３】
バネ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。
【００２４】
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。
【００２５】
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：
【００２６】
２Ａｌ＋２ＮａＯＨ＋６Ｈ２Ｏ→２ＮａＡｌ（ＯＨ）４＋３Ｈ２（１）
【００２７】
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。バネ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。
【００２８】
バネ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、バイアスバネ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、バネ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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。バイアスバネ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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。これらの相は弛緩した相および軟らかいおよび可鍛性（ｍａｌｌｅａｂｌｅ）相、または収縮した相の観点からも呼ぶことができる。
【００３６】
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。その弛緩した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がその収縮した相にある場合、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。
【００３７】
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。
【００３８】
別の態様において図７〜１２を参照すると、ノズルが動くかまたは片寄っている間は錠剤を静止できる。図７および１０は、燃料カートリッジ１００および他の部品を含む袋８６を示す。
【００３９】
上記の態様と類似して、水素発生器は、水素化ホウ素ナトリウムと水との間の二成分反応に基づいて水素を生成する。水素を生成するために使用できる多くの可能な二成分反応物がある。現在の態様で使用される組み合わせは、妥当なコスト、安全性、反応性、および反応熱を含む属性の組み合わせに基づいて選択された。この態様では、酸が反応を触媒するために使用される。この触媒の効果は、水中でのＮａＢＨ４の安定性が溶液のｐＨに強く依存するという事実に基づく。塩基性溶液は、日または年さえもの半減期を有するであろうが、酸性溶液は何分の一秒かの半減期を有するであろう。酸触媒は、水反応物、または乾燥した酸が使用される場合はＮａＢＨ４のいずれかと混合できる。
【００４０】
好ましい態様では、酸と水とを混合することによって作られる２８ｗｔ％のクエン酸またはリンゴ酸溶液を使用する。反応物の単純二成分混合は、最初に水素を激しく生成するであろうが、過剰量の反応物を用いても、水素生成の速度は長い間では徐々に遅くなるであろう。この効果は、酸のｐＨを増加させる反応による塩基性生成物によって起こされ、それによって反応速度を低下させる。この効果は、単に二成分を混合することによる水素の発生を制御する能力を効果的に制限する。本発明の一つの要素は、反応生成物を反応物から分離する工程である。これは新しい反応物のｐＨを、できるだけ強酸性にとどまらせることを可能にし、該反応物は、時間を掛けてゆっくりと混合されて、随時要求に応じて水素を生成する。この分離は、流体と固体ＮａＢＨ４との間の界面にバイアス力をかけることによってなされる。ＮａＢＨ４が反応するにつれて、生成物は、柔らかくそしてわずかに水性であり、そしてバイアス力の結果として界面から流出する。
【００４１】
このバイアス力は、重力、ガスまたは固体バネ、伸張された弾性要素、または任意の他の機械的なアクチュエーターの使用を含む多くの方法で適用できる。図８および９に示すように、好ましい態様では、コイルバネ９０が使用される。使用されるコイルバネ９０は、圧縮または引っ張りバネのいずれかであることができる。１つの可能な態様では、引っ張りバネは、圧縮されたＮａＢＨ４（図１２）を包み込むことができる。図８および９に示された好ましい態様において、２つの引っ張りコイルバネ９０が使用され、ノズル組立品９４のいずれかの側を押している。このシステムは、粉末、粗い顆粒、および圧縮された錠剤を含む多くの可能な乾燥形態のＮａＢＨ４と連携できる。好ましい態様では、急な混合の場合に、圧縮は最大反応速度を制限し、反応物の体積エネルギー密度を改善させ、そしてＮａＢＨ４が反応する効率を改善するので、圧縮された錠剤が使用される。上記の様に、この圧縮されたＮａＢＨ４は、シリンダー、平面シートおよび押し出されたおおよその長方形の形態を含む種々の形で作ることができる。
【００４２】
反応物の効率的な混合および反応物からの反応生成物の効果的な分離のために、液体と乾燥ＮａＢＨ４との間の界面は、多くの機能を果たすことが好ましい。最初に、ＮａＢＨ４と接触する液体を持ってくる手段があることが好ましい。上記の態様と同様に、好ましくは、これは、更に水素が必要な場合に、流体を供給するポンプに接続された管８８を使用してなされる。次に、流体は、ＮａＢＨ４の反応表面のかなりの割合にかけて分散されることが好ましい。これは単一のノズル、並んだノズル、またはノズルおよび毛管ウィックのいくつかの形態を使用することを含む多くの方法によって行う。好ましい態様において、毛管ウィック９２が使用される。この毛管の分配はフエルトもしくは他の柔らかいウィッキング素材、成形された毛管チャネル、または多孔性プラスチック等の多孔性ウィッキング構造を含む種々の方法によって達成可能である。好ましい態様では、多孔性プラスチックが使用される。
【００４３】
ＮａＢＨ４が消費されるにつれて、バイアス力が、ノズル組立品９４をＮａＢＨ４反応物と密接に接触させることが好ましい。これを行う第１の方法は、（上記の態様のように）ＮａＢＨ４の塊を固定されたノズルに対して動かすこと、または図８および９に示すように、ＮａＢＨ４と接触したままであるようにノズル組立品９４を動かすことを含む。水素発生器は、２つのパック、すなわち水素化ホウ素ナトリウムを含むものおよび酸を含むものから成る。酸は、酸パックからＮａＢＨ４パックにポンプで送られる。酸は、ノズル９４を通って、ＮａＢＨ４錠剤２８と反応して、水素および生成物（ボレート）を生成する。反応が進行するにつれて、ノズル９４は、柔らかい反応したＮａＢＨ４を脇に押しやり（上記の態様のスクリーン選別器の動きに類似する）、新たな反応物を露出させ、そして制御された直線の形でＮａＢＨ４錠剤２８を消費する。生成物はＮａＢＨ４カートリッジ１００にある穴を通って逃れ、そして水素がガス分離膜１０４を通ってパックから除去される。下記に詳細に記載されるのは水素発生器の個々の部品である。
【００４４】
好ましい態様のＮａＢＨ４錠剤２８は、種々の制約により特異的な形を有する。好ましい態様では、カートリッジ全体１００は１インチより厚くなく（これは本発明の制約ではない）、従って、錠剤２８それ自身は１インチより薄いことが好ましい。さらに、水素発生の間、錠剤２８は、２つのバネ９０によって圧力を掛けられており、従ってバネ９０を適切な位置に保つために、好ましい態様では、錠剤はそれらの側部に規定された切り除きまたはへこみを含む。高さおよび幅は、パックの所望のサイズに基づいて決定され、錠剤２８の辺りの部品が適合することが好ましく、そしてことのほか幅の広い錠剤では不利益がある。最適には、目的は上面で一様に錠剤２８を反応させることであり、そして錠剤の幅が広いほど、均一の反応は難しくなる。ＮａＢＨ４の酸との反応性を低下させ、そして錠剤のサイズを減少させるために、好ましくは、錠剤は、最初にその最大の充填密度まで圧縮されている。
【００４５】
好ましい態様では、ノズル９４は、ポンプから酸の流れを得て、そして錠剤２８の表面に渡って均等に分配するように設計されている。好ましくは、ノズルはバネ９０によって適切な位置に押され、ノズルが未反応のＮａＢＨ４と常に接触するように保たれるが、しかし、これは本発明の制約ではない。生成物がノズル９４より上に逃げられ、そしてカートリッジ１００から出られるように、ノズル９４の厚さは理想的には錠剤２８の厚さの約半分であるが、しかし、これもまた本発明の制約ではない。ノズル９４の好ましい態様は、堅い多孔性プラスチックの１種である。この部分品は管８８からの酸を吸って、そして錠剤２８の表面に渡って分配する。別の態様では、ノズルはまた底表面に渡る（フエルト等の）ウィックを有するプラスチックの部分品できていることができる。図に示すように、好ましい態様では、ノズルは錠剤の終端近くまで伸びるが、カートリッジのへりに結合されて有効範囲を制限されているので、該終端には接触しない。
【００４６】
好ましい態様では、バネ９０は、ノズル９４と錠剤２８とを一定して接触させるように設計される。錠剤高さのカートリッジ高さに対する比を最大化するために、好ましくは、バネは非常に小さく圧縮されたサイズを有するが、しかし、これは本発明の制約ではない。伸ばされたバネ９０の長さは、またカートリッジ１００の長さを超えて伸びることが好ましく、水素発生器の寿命の間中、バネはノズル９４に常に圧力を掛ける。別の態様では、単一のバネを使用可能である。
【００４７】
図１１に最もよく示されるように、カートリッジ１００は、錠剤２８、ノズル９４およびバネ９０を収容するように設計されている。カートリッジは反応容器として機能し、反応物を含みそして生成物を放出する。好ましい態様では、カートリッジはバネ９０を適切な位置に保つへこみを含む。カートリッジ１００は多くの異なる材料でできていることが可能である。好ましい態様では、滑りやすいポリエチレンでできており、カートリッジ１００でノズル９４が下がる動きを補助する。反応が続くにつれて、生成物がカートリッジ１００の側部の穴を通って逃げる。これは２つの目的に役立ち、第１は、穴は生成物をすばやく除去し反応エリアをきれいに保つ、そして第２に、錠剤２８のそれぞれの側からでる生成物の流れが錠剤のくぼみを最小に保つ。酸の流れが錠剤２８にわたって充分に分散されていない場合、錠剤２８はくぼむ。ノズル９４上の酸の入り口は中心にあるので、酸が錠剤２８の中心に適用される。カートリッジ１００のいずれかの側への生成物の流れは、錠剤に大きいくぼみを成長させるよりむしろ、錠剤表面を比較的平面に保ち、ノズル９４をすべての点で錠剤２８と接触させない。最終的に、カートリッジがフィルムに両側でヒートシールできるように、カートリッジ１００は、好ましくはＬＤＰＥでできており、パックまたは袋８６が膨らんだ場合に、膨張するのを防ぐ。
【００４８】
好ましい態様では、カートリッジ１００は、透明でそして約．００５"であるバリアーフィルム内に収容されるが、しかし、他の厚さが予期される。フィルムは、湿気がパックに入りそして錠剤と反応することを防止し、そして湿気が酸容器から出るのを防止する。試験においては、透明フィルムは、ポリエチレン部品を良好に密閉することが見いだされ、さらに、これは下記の燃料ゲージの溶液に必要であった。最終的に、フィルムは、ポリエチレンヒートシール層を有し、パックが膨らんだ場合に抑えるために、種々の部分にシールされることを可能にする。
【００４９】
好ましい態様では、膜１０４は好ましくは伸びたＰＴＦＥ菅でできている。好ましい態様において、菅は、約．０３０"の壁厚さ、約１５０"のＩＤおよび約５０μｍのノード間距離を有する。これらの寸法は所望なように調整可能である。壁の厚さは、菅がしっかりしそして使用中に破裂したり、または裂けたりしないように選択され、そして、ノード間距離は、生成物または流体が好ましい操作圧力で突き通ることのない、管を通した好適なろ過を与える。好ましい態様では、管状の膜１０４内に充填されるのは、小さい琥珀色の顆粒の形態のＨ−ｆｏｒｍイオン交換樹脂である。これは２つの目的に機能し、第１はパックが加圧された場合に膜がこわれたりまたはよじれたりしないように、膜１０４を満たすことであり。第２は、樹脂が水素流れ中の汚染物質を除去することである。パックを出る前に、ＰＴＦＥ膜１０４は同一のイオン交換樹脂で満たされた無孔性ビニル菅の一部に接続される。この部分の目的は、パックを出る全ての流れが、所定の量の樹脂を通過することを確かにすることである。
【００５０】
好ましい態様では、パックは、カートリッジ１００を取り囲む発泡体１０６を含む。カートリッジ１００を取り囲む発泡体１０６は、２つの目的を有する。第１は、生成物を吸収しそして膜１０４を保護することである。膜１０４が生成物で覆われた場合、膜は詰まったり、または孔を通して水素をより少なく通過させる。従って、膜１０４とカートリッジ１００との間に発泡体１０６を保つと、生成物が発泡体１０６に吸収され、そして膜１０４に接触しないことを確かにする。ここで、発泡体はプレフィルターとして機能する。第２に、好ましい態様では、発泡体１０６は開放気泡のポリエチレン発泡体であり、したがってパックの両側でヒートシールできる。これはパックを柔軟であるが薄くできる。
【００５１】
酸パックは好ましくは残りの部品から分離されたパックである。２種の反応物の無制御な混合を生じさせるパック破裂のあらゆる可能性をこの方式で除くように設計された。酸パックは、好ましくは透明な材料でできており、そして染料で着色された酸で満たされている。これは使用者がパックにいくら酸が残っているかを見ることを容易にし、従って水素発生器の平均寿命測ることを可能にする。別の態様では、酸は着色されない。好ましい態様では、着色した部分またはロゴがＮａＢＨ４袋の背面に示されて、酸が存在する場合、ロゴが見えないが、酸がなくなるとロゴが見えてパックが空に近いことを示す追加の表示を与える。好ましい態様では、酸容器の真ん中にヒートシールがある。このヒートシールは、酸が、カートリッジ１００があるＮａＢＨ４袋８６の一部に接触しないようにしている。この目的は、反応を暖かく保つことである。酸パックがカートリッジ部分に接触できる場合、反応を冷却して、反応の効率および反応性を低下させる。
【００５２】
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】
【００５３】
【図１】図１は、本発明の第１の態様による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７】図７は、本発明の第２の態様による燃料電池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部分的に透明な側面図である。
【図８】図８は、ノズル上でバネが押しているカートリッジ内部の部分的に透明な概略側面図である。
【図９】図９は、いくらかの反応が起こった後で、ノズル上でバネが押しているカートリッジの内部の部分的に透明な側面概略図である。
【図１０】図１０は、図７の部品の部分的に透明な斜視図である。
【図１１】図１１は、図７のカートリッジの部分的に透明な斜視図である。
【図１２】図１２は、本発明のほかの態様により錠剤を取り巻く引っ張りバネを有するカートリッジの内部の部分的に透明な概略側面図である。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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