(57)【要約】  無水式電力発生器、特に無水式電気出力発生器と、化学量論量の固体水素燃料および燃料電池により生成される副生水蒸気を使用して水素ガスを発生させることによって、燃料電池で電気を生成するための、受動的に制御されるプロセスとが提供される。水素と酸素の燃料電池反応により、電気エネルギーならびに副生水が生成され、副生水が電力発生器内に水蒸気として拡散して戻り、水素燃料と反応して、より多くの水素ガスを生成する。次いで、この生成された水素ガスが燃料として使用され、それにより燃料電池が更なる電気出力および更なる水を生成することが可能になる。このプロセスは、燃料電池自体によって生成された水以外は、任意の付属の水供給源または給水部なしで動作する。
2009515313.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）ハウジングと、
ｂ）前記ハウジング内に取り付けられた少なくとも１つの燃料電池であって、カソード、アノード、および前記カソードと前記アノードの間に配置された水蒸気透過性電解質膜を備え、前記カソードで水素ガスと酸素ガスの反応によって電気および燃料電池水を発生させることができる燃料電池と、
ｃ）前記ハウジング内に取り付けられた少なくとも１つの燃料室であって、水蒸気と反応して水素ガスを発生させる燃料物質を収容する燃料室と、
ｄ）大気中空気を前記ハウジングに入れるための、少なくとも１つの空気入口と、
ｅ）前記空気入口から前記燃料電池カソードまで延びる、前記ハウジング内の保水ゾーンであって、発生された燃料電池水が前記空気入口から外に拡散するのを防止する保水ゾーンと、
ｆ）前記燃料電池から前記燃料室まで延びる、前記ハウジング内の空洞であって、水素ガス流を前記燃料室から前記燃料電池に入れ、水蒸気流を前記燃料電池から前記燃料室に入れる空洞と
を備える電気出力発生器。
【請求項２】
前記燃料物質が、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、水素化ホウ素リチウム、水素化ホウ素ナトリウム、およびそれらの組合せからなる群から選択された固体材料を含む、請求項１に記載の電力発生器。
【請求項３】
前記燃料物質が水素化アルミニウムリチウムを含む、請求項１に記載の電力発生器。
【請求項４】
前記ハウジングに取り付けられ、前記燃料室に並置された多孔質気相膜であって、水素ガスと水蒸気のどちらに対しても透過性の膜をさらに備える、請求項１に記載の電力発生器。
【請求項５】
前記多孔質気相膜がフルオロポリマーを含む、請求項４に記載の電力発生器。
【請求項６】
前記燃料室から前記燃料電池への水素ガスの通過を調節するために、また前記燃料電池から前記燃料室への水蒸気の通過を調節するために前記空洞内に配置された、少なくとも１つの弁をさらに備える、請求項１に記載の電力発生器。
【請求項７】
前記弁が、前記空洞内のガス圧力によって制御される空気圧弁を備える、請求項６に記載の電力発生器。
【請求項８】
前記少なくとも１つの燃料電池の前記アノードおよびカソードに電気的に接続された少なくとも１つの装置であって、前記燃料電池によって生成された電気により給電される装置をさらに備える、請求項１に記載の電力発生器。
【請求項９】
約１マイクロワット〜約１００ミリワットの電気を生成する、請求項１に記載の電力発生器。
【請求項１０】
前記空気入口と一体化された酸素透過性、水蒸気不透過性膜であって、燃料電池水が大気に流れ込むのを防止する膜をさらに備える、請求項１に記載の電力発生器。
【請求項１１】
前記酸素透過性、水蒸気不透過性膜が、フッ化エチレンプロピレンポリマーまたはペルフルオロアルコキシポリマーを含む、請求項１０に記載の電力発生器。
【請求項１２】
前記酸素透過性、水蒸気不透過性膜内に開口をさらに備える、請求項１０に記載の電力発生器。
【請求項１３】
前記燃料物質と組み合わされた触媒をさらに備える、請求項１に記載の電力発生器。
【請求項１４】
ａ）ハウジングと、
ｂ）前記ハウジング内に取り付けられた少なくとも１つの燃料電池であって、カソード、アノード、および前記カソードと前記アノードの間に配置された水蒸気透過性電解質膜を備え、前記カソードで水素ガスと酸素ガスの反応によって電気および燃料電池水を発生させることができる燃料電池と、
ｃ）前記ハウジング内に取り付けられた少なくとも１つの燃料室であって、水蒸気と反応して水素ガスを発生させる燃料物質を収容する燃料室と、
ｄ）大気中空気を前記ハウジングに入れるための、少なくとも１つの空気入口と、
ｅ）前記空気入口から前記燃料電池カソードまで延びる、前記ハウジング内の保水ゾーンであって、発生された燃料電池水が前記空気入口から外に拡散するのを防止する保水ゾーンと、
ｆ）前記燃料電池から前記燃料室まで延びる、前記ハウジング内の空洞であって、水素ガス流を前記燃料室から前記燃料電池に入れ、水蒸気流を前記燃料電池から前記燃料室に入れる空洞と、
ｇ）前記燃料室から前記燃料電池への水素ガスの通過を調節するために、また前記燃料電池から前記燃料室への水蒸気の通過を調節するために前記空洞内に配置された、少なくとも１つの弁と、
ｈ）前記空気入口と一体化された酸素透過性、水蒸気不透過性膜であって、燃料電池水が大気に流れ込むのを防止する膜と、
ｉ）前記空洞内にあり、前記弁に並置された水透過性、水素不透過性膜であって、前記電解質膜に水蒸気を通過させることなく、前記水蒸気が前記燃料室に拡散するのを可能にする水透過性、水素不透過性膜と
を備える電気出力発生器。
【請求項１５】
前記燃料物質が、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、水素化ホウ素リチウム、水素化ホウ素ナトリウム、およびそれらの組合せからなる群から選択された固体材料を含む、請求項１４に記載の電力発生器。
【請求項１６】
前記燃料物質が水素化アルミニウムリチウムを含む、請求項１４に記載の電力発生器。
【請求項１７】
前記ハウジングに取り付けられ、前記燃料室に並置された多孔質気相膜であって、水素ガスと水蒸気のどちらに対しても透過性の膜をさらに備える、請求項１４に記載の電力発生器。
【請求項１８】
前記多孔質気相膜がフルオロポリマーを含む、請求項１７に記載の電力発生器。
【請求項１９】
前記弁が、前記空洞内のガス圧力によって制御される空気圧弁を備える、請求項１４に記載の電力発生器。
【請求項２０】
前記水透過性、水素不透過性膜が、過フッ化ポリマーを含む、請求項１４に記載の電力発生器。
【請求項２１】
前記少なくとも１つの燃料電池の前記アノードおよびカソードに電気的に接続された少なくとも１つの装置であって、前記燃料電池によって生成された電気により給電される装置をさらに備える、請求項１４に記載の電力発生器。
【請求項２２】
約１マイクロワット〜約１００ミリワットの電気を生成する、請求項１４に記載の電力発生器。
【請求項２３】
前記酸素透過性、水蒸気不透過性膜が、開口をその中に有する、請求項１４に記載の電力発生器。
【請求項２４】
前記酸素透過性、水蒸気不透過性膜が、フッ化エチレンプロピレンポリマーまたはペルフルオロアルコキシポリマーを含む、請求項２３に記載の電力発生器。
【請求項２５】
前記燃料物質と組み合わされた水素発生触媒をさらに備える、請求項１４に記載の電力発生器。
【請求項２６】
電気出力を生成するためのプロセスであって、
Ｉ）
ａ）ハウジングと、
ｂ）前記ハウジング内に取り付けられた少なくとも１つの燃料電池であって、カソード、アノード、および前記カソードと前記アノードの間に配置された水蒸気透過性電解質膜を備え、前記カソードで水素ガスと酸素ガスの反応によって電気および燃料電池水を発生させることができる燃料電池と、
ｃ）前記ハウジング内に取り付けられた少なくとも１つの燃料室であって、水蒸気と反応して水素ガスを発生させる燃料物質を収容する燃料室と、
ｄ）大気中空気を前記ハウジングに入れるための、少なくとも１つの空気入口と、
ｅ）前記空気入口から前記燃料電池カソードまで延びる、前記ハウジング内の保水ゾーンであって、発生された燃料電池水が前記空気入口から外に拡散するのを防止する保水ゾーンと、
ｆ）前記燃料電池から前記燃料室まで延びる、前記ハウジング内の空洞であって、水素ガス流を前記燃料室から前記燃料電池に入れ、水蒸気流を前記燃料電池から前記燃料室に入れる空洞と
を備える電気出力発生器を設けるステップと、
ＩＩ）
ａ）前記燃料電池内で水素ガスと大気中酸素ガスを反応させ、それによって燃料電池水および電気を発生させ、その燃料電池水が前記保水ゾーン内に保持されるステップと、
ｂ）前記燃料電池水を、前記保水ゾーンから前記電解質膜を通って前記空洞内に、また前記少なくとも１つの燃料室に拡散させるステップと、
ｃ）前記水蒸気を前記燃料物質と反応させて、水素ガスを発生させるステップと、
ｄ）前記発生された水素ガスを、前記空洞を通って前記燃料電池に拡散させるステップと
によって電気を発生させるように、前記電力発生器を運転するステップと
を含むプロセス。
【請求項２７】
前記電力発生器が、ステップＩＩ）の間に約−４０℃〜約８５℃の運転温度に維持される、請求項２６に記載のプロセス。
【請求項２８】
少なくとも１つの弁を用いて、前記燃料室から前記燃料電池への水素ガスの通過を調節するステップ、および前記燃料電池から前記燃料室への水蒸気の通過を調節するステップをさらに含む、請求項２６に記載のプロセス。
【請求項２９】
前記弁が空気圧弁を備える、請求項２８に記載のプロセス。
【請求項３０】
前記電力発生器が、前記空洞内にあり、また前記弁に並置された水透過性、水素不透過性膜をさらに備え、水蒸気が前記空洞内に前記水透過性、水素不透過性膜を通って拡散し、水蒸気が前記空洞内に前記燃料電池の前記電解質膜を通って拡散する、請求項２８に記載のプロセス。
【請求項３１】
前記酸素透過性、水蒸気不透過性膜が、開口をその中に有する、請求項２６に記載のプロセス。
【請求項３２】
燃料電池電気の初期量を発生させるために、水素ガスの初期量を前記空洞内にフラッシュするステップをさらに含む、請求項２６に記載のプロセス。
【請求項３３】
前記少なくとも１つの燃料電池の前記アノードおよびカソードに電気的に接続された少なくとも１つの装置を、前記少なくとも１つの燃料電池によって生成された電気で給電するステップをさらに含む、請求項２６に記載のプロセス。
【請求項３４】
約１マイクロワット〜約１００ミリワットの電気を生成する、請求項２６に記載のプロセス。
【請求項３５】
ＩＩ）が連続して繰り返される、請求項２６に記載のプロセス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無水式電力発生器に関する。より詳細には、本発明は、電気出力発生器、および燃料電池で電気出力を生成するためのプロセスに関する。燃料電池内での酸素ガスと水素ガスの反応により、電気および副生成物としての水が生成し、その副生水が回収されて、固体水素生成燃料との反応を通じて更なる水素ガスを生成するのに使用される。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、バッテリと同様に、化学反応を通じて電気を生成する働きをする。燃料電池は、バッテリのように反応物を貯蔵するのではなく、電池に反応物を連続して供給することによって運転される。典型的な燃料電池では、水素ガスが一方の反応物として、また酸素が他方の反応物として働き、この２つが電極で反応して水分子を形成し、エネルギーを直流電気の形で放出する。次いで、この直流電気を交流に変換することができる。この装置およびプロセスは、水素および酸素がもたらされる限り、電気を連続して生成することができる。酸素は貯蔵しても、空気からもたらされてもよいが、水素ガスは、水素を貯蔵するのではなく、制御された化学反応を通じて他の化合物から発生させることが一般に必要である。というのも、水素ガスを貯蔵するには、水素ガスが圧縮または極低温冷却される必要があるためである。燃料電池技術が進化するので、燃料電池とともに利用する目的で水素ガスが発生される手段も進化する。
【０００３】
現在、既知の、水素ガスの発生に利用されるさまざまな方法がある。１つの方法は、化石燃料がその水素生成物および炭素生成物に分解される、改質（リフォーメション）として知られるプロセスによるものである。しかし、このシステムは、再生不能資源に依存するので長期的に見て望ましくない。水素ガスを発生させる別の手段が、加熱によって金属水素化物または金属合金から水素ガスを可逆的に吸着および放出させることによるものである。この方法は有用であるが、金属水素化物は一般に非常に重く、高価であり、少量の水素しか放出しないため、好ましくない。水素ガスが発生されるさらに別の手段が、反応性化学水素化物によるものである。このプロセスは、乾燥した高反応性固体を液体の水または酸と反応させることによって、その固体から水素ガスを化学的に発生させるものである。このプロセスに特に適した化学物質が、水素化リチウム、水素化カルシウム、水素化アルミニウムリチウム、水素化ホウ素ナトリウム、およびそれらの組合せであり、そのそれぞれは、多量の水素を放出することができる。この方法に付随する欠点は、化学物質および液体の水からの反応生成物が一般に、ケークまたはペースト状物質を形成し、それが反応性化学物質と液体の水または酸との更なる反応を妨げることである。この方法は、液体水燃料を貯蔵することにより、更なる空間が消費され、関連する電力発生器の全重量が増大するという点でも不利である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
現在、ポータブル電子装置、無線センサ、戦場用途、および無人航空機などの応用分野向けの、より軽量でより小さなサイズの電源が、当技術分野で必要とされている。現在、ポータブル応用分野に最もよく使用される電源はリチウムバッテリであり、これは、容積に応じて、また特に重量に応じて、限られたエネルギー容量を有する。現在の電源のエネルギー容量を、電源を交換する間隔を減少させ、かつ／または動作寿命を増大させるとともに、電源のサイズおよび重量も低減させるように増大させることが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、これらの問題に対する解決策を提供する。本発明は、電気出力発生器、および燃料電池に燃料供給する目的で水素ガスを発生させるためのプロセスを提供する。電気出力発生器は、燃料電池からの副生水のみを水蒸気燃料源として利用し、外部から供給される水の必要のない、無水式発生器を備える。より具体的には、本発明は、化学量論量の水蒸気および実質的に固体の非液体化学水素化物を消費する、電気出力発生器を提供する。燃料電池には、好ましくは、水素−酸素陽子交換膜（ＰＥＭ）燃料電池での水素ガスと酸素ガスとの反応を開始するために、最初に水素ガスが積載される。この反応により水分子が生成し、それが発生器ハウジング内の、発生された燃料電池水がハウジングから外に拡散するのを防止する保水ゾーンで維持される。次いで、水分子が電力発生器内に水蒸気の形態で拡散して戻り、次いでその水蒸気が化学水素化物と反応して、より多くの水素ガスを生成させる。次いで、この発生された水素ガスが燃料として使用され、それにより燃料電池が更なる電気出力および更なる水を発生させることが可能になる。この副生水を回収し、再循環させることによって、貯蔵水の必要がなくなり、それによって、システムの全体的なサイズおよび重量が低減し、またシステムのエネルギー密度、比エネルギー、および電流容量が増大する。さらに、水蒸気を前述の固体化学物質と反応させることによって、反応性化学水素化物に付随する典型的な問題が回避されることが分かっており、その結果、液体の水を使用する従来技術のシステムよりも効率的なシステムがもたらされる。
【０００６】
本発明の電気出力発生器はさらに、ポンプまたは能動的に調節する他の手段を使用する必要なく、受動的なプロセスを通じて電気出力を発生させる独特な能力を示すよい例となる。電力発生器内部の固体化学燃料が、ＰＥＭ燃料電池のアノード側に低湿水素の領域を形成することが、予期せず分かっている。燃料電池のカソード側の空気の方が、正常な周囲空気状態のため、また燃料電池カソードで水素と酸素の電気化学反応によって生成される水のため、著しく湿度が高い。このため濃度勾配が確立され、それにより、平衡状態を作り出すために、発生器空洞内部で水が水蒸気として燃料電池のより湿度の高いカソード側からアノード側のより低湿の水素へと透過する。水素発生ペースの調節は、燃料電池において水素ガスと酸素ガスが反応することにより、発生される電気出力に対応する必要な水が生成されるので、一部には自己調節式である。空気圧制御式弁をさらに使用して、固体燃料への水蒸気経路の伝導性を受動的に調節することもできる。
【０００７】
本発明は、
ａ）ハウジングと、
ｂ）ハウジング内に取り付けられた少なくとも１つの燃料電池であって、カソード、アノード、およびカソードとアノードの間に配置された水蒸気透過性電解質膜を備え、カソードで水素ガスと酸素ガスの反応によって電気および燃料電池水を発生させることができる燃料電池と、
ｃ）ハウジング内に取り付けられた少なくとも１つの燃料室であって、水蒸気と反応して水素ガスを発生させる燃料物質を収容する燃料室と、
ｄ）大気中空気をハウジングに入れるための、少なくとも１つの空気入口と、
ｅ）空気入口から燃料電池カソードまで延びる、ハウジング内の保水ゾーンであって、発生された燃料電池水が空気入口から外に拡散するのを防止する保水ゾーンと、
ｆ）燃料電池から燃料室まで延びる、ハウジング内の空洞であって、水素ガス流を燃料室から燃料電池に入れ、水蒸気流を燃料電池から燃料室に入れる空洞と
を備える電気出力発生器を提供する。
【０００８】
本発明はまた、
ａ）ハウジングと、
ｂ）ハウジング内に取り付けられた少なくとも１つの燃料電池であって、カソード、アノード、およびカソードとアノードの間に配置された水蒸気透過性電解質膜を備え、カソードで水素ガスと酸素ガスの反応によって電気および燃料電池水を発生させることができる燃料電池と、
ｃ）ハウジング内に取り付けられた少なくとも１つの燃料室であって、水蒸気と反応して水素ガスを発生させる燃料物質を収容する燃料室と、
ｄ）大気中空気をハウジングに入れるための、少なくとも１つの空気入口と、
ｅ）空気入口から燃料電池カソードまで延びる、ハウジング内の保水ゾーンであって、発生された燃料電池水が空気入口から外に拡散するのを防止する保水ゾーンと、
ｆ）燃料電池から燃料室まで延びる、ハウジング内の空洞であって、水素ガス流を燃料室から燃料電池に入れ、水蒸気流を燃料電池から燃料室に入れる空洞と、
ｇ）燃料室から燃料電池への水素ガスの通過を調節するために、また燃料電池から燃料室への水蒸気の通過を調節するために前記空洞内に配置された、少なくとも１つの弁と、
ｈ）空気入口と一体化された酸素透過性、水蒸気不透過性膜であって、燃料電池水が大気に流れ込むのを防止する膜と、
ｉ）空洞内にあり、前記弁に並置された水透過性、水素不透過性膜であって、前記電解質膜に水蒸気を通過させることなく、水蒸気が前記燃料室に拡散するのを可能にする水透過性、水素不透過性膜と
を備える電気出力発生器も提供する。
【０００９】
本発明はさらに、
Ｉ）
ａ）ハウジングと、
ｂ）ハウジング内に取り付けられた少なくとも１つの燃料電池であって、カソード、アノード、およびカソードとアノードの間に配置された水蒸気透過性電解質膜を備え、カソードで水素ガスと酸素ガスの反応によって電気および燃料電池水を発生させることができる燃料電池と、
ｃ）ハウジング内に取り付けられた少なくとも１つの燃料室であって、水蒸気と反応して水素ガスを発生させる燃料物質を収容する燃料室と、
ｄ）大気中空気をハウジングに入れるための、少なくとも１つの空気入口と、
ｅ）空気入口から燃料電池カソードまで延びる、ハウジング内の保水ゾーンであって、発生された燃料電池水が空気入口から外に拡散するのを防止する保水ゾーンと、
ｆ）燃料電池から燃料室まで延びる、ハウジング内の空洞であって、水素ガス流を燃料室から燃料電池に入れ、水蒸気流を燃料電池から燃料室に入れる空洞と
を備える電気出力発生器を設けること、ならびに
ＩＩ）
ａ）燃料電池内で水素ガスと大気中酸素ガスを反応させ、それによって燃料電池水および電気を発生させ、その燃料電池水が、保水ゾーン内に保持されること、
ｂ）前記燃料電池水を、保水ゾーンから電解質膜を通って空洞内に、また少なくとも１つの燃料室に拡散させること、
ｃ）水蒸気を燃料物質と反応させて、水素ガスを発生させること、および
ｄ）発生された水素ガスを、空洞を通って燃料電池に拡散させること
によって、電気を発生させるように前記電力発生器を運転すること
を含む、電気出力を生成するためのプロセスを提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
水素ガスを内部で、水蒸気と水分を吸着する固体燃料物質との反応を通じて発生させ、その水素ガスが、空気からの大気中酸素と燃料電池において反応して電気エネルギーを発生させる、電気出力発生器が提供される。水素と酸素の反応により、水分子も副生物として燃料電池において生成される。この発生された水は、水蒸気として、燃料電池から固体燃料物質を収容する燃料室に受動的に拡散され、そこで燃料物質と反応して、水素ガスを発生させる。発生された電気エネルギーは、電力発生器のサイズに応じて、電力発生器に接続された大型または小型の装置に給電するのに使用することができる。本発明の電力発生器は、電力発生器の１つまたは複数の燃料電池のアノードおよびカソードに電気的に接続された、無線センサ、携帯電話、または他の手持ち式電子装置などの小型装置に給電するのに特に有用である。
【００１１】
図１および図２は、本発明のプロセスを実施するための、代替電力発生器装置の断面図を示す。図１および図２に見られるように、電気出力発生器１０は、ハウジング３６、ハウジング３６内に取り付けられた少なくとも１つの燃料電池１４、ハウジング３６と共に取り付けられた、燃料物質４４を貯蔵するための少なくとも１つの燃料室１２、および少なくとも１つの燃料電池１４から燃料室１２まで延びる、ハウジング３６内の空洞２４を備える。空洞２４は、水素ガス流を燃料室１２から燃料電池１４に入れ、水蒸気流を燃料電池１４から燃料室１２に入れる。燃料電池１４は、電気および燃料電池水を、水素ガスと空気からの酸素ガスとの反応により発生させる。大気中酸素がハウジング３６に、少なくとも１つの空気入口２０を通って入る。次いで、酸素ガスは、燃料電池１４に移動し、そこで水素ガスと反応して、電気および水分子が発生する。本明細書で使用される燃料電池のタイプは、当技術分野で公知であり、当技術分野で陽子交換膜（ＰＥＭ）燃料電池と呼ばれ、ポリマー電解質膜としても知られる。
【００１２】
図４に見られるように、典型的なＰＥＭ燃料電池は、膜の一方の側の負に帯電された電極、すなわちカソード１６と、膜の他方の側の正に帯電された電極、すなわちアノード１８との間に配置された電解質膜４２を備える。典型的な水素−酸素ＰＥＭ燃料電池の挙動においては、水素燃料（例えば水素ガス）が、流れ場プレートを通じてアノードに流路により運ばれ、酸素が燃料電池のカソードに流路により運ばれる。アノードでは、水素が正の水素イオン（陽子）と負に帯電した電子に分解される。電解質膜は、正に帯電したイオンのみがそれを通過してカソードに至るのを可能にする。負に帯電した電子はその代わりに、外部回路に沿ってカソードに移動する必要があり、それによって電流を作り出す。カソードでは、電子および正に帯電した水素イオンが酸素と化合して、水分子を形成する。
【００１３】
発生器内部の燃料電池のアノード１８側で、電力発生器内から残留空気を除去するために、水素ガスの初期フラッシュが好ましくは行われる。この水素ガスの初期フラッシュは、それがまた燃料電池において大気中酸素と反応して、燃料電池カソード１６で電気エネルギーの初期量を発生させ、燃料電池水の初期量を発生させるので、２重の目的を果たす。次いで、この燃料電池水の初期量が回収されて、燃料物質４４と反応する。あるいは、本発明のプロセスは、水分子が電力発生器の外側の大気の湿気から、空気入口２０を通って電力発生器内に透過することによって開始されてもよい。あまり好ましくはないが、燃料物質４４と反応して、水素ガスの発生を開始させるために、非燃料電池水の初期量を、燃料電池によって発生される燃料電池水の量を実質的に下回る量で発生器に追加することも可能である。そのような開始水は、例えば、入口４６など、燃料室１２内の開口を通じて、または空気入口２０を通じてなど、別の適切な手段によって、発生器に追加することができる。しかし、本発明のプロセスおよび装置は、外部からもたらされる給水なしで働くように設計され、すなわちシステムは、燃料電池によって発生された水および電力発生器の外側の大気中にある水分子を除いて、無水式である。水素燃料物質との反応用に水をもたらすための、水室または水だめなどの組み込まれたまたは接続された給水部はない。この結果、従来型のシステムに比べて、電力発生器のエネルギー密度および比エネルギーが著しく向上する。したがって、本発明は、水素−酸素反応により、発生される電気出力に対応する必要な水が正確に生成され、そこで化学量論における量の再循環水および固体燃料が使用されるので、連続した自己調整式のプロセスを可能にする。
【００１４】
本発明のプロセスはまた、好ましくは受動的であり、能動的に制御される弁またはポンプなしで動作する。より具体的には、燃料電池１４で水が酸素−水素反応の副生物として形成された後、生成された水が燃料電池１４を通って空洞２４内に、また燃料室１２に受動的に拡散して戻る。この受動的な拡散は、一部には１つまたは複数の保水ゾーン２２により、また一部には空洞２４内部の低湿により可能にされる。保水ゾーン２２は、図１および図２に示す電力発生器の隅部の図を呈示した図３Ａおよび図３Ｂで、強調して示される。本明細書では、また図３Ａおよび図３Ｂに示すように、保水ゾーン２２は、空気入口２０から各燃料電池カソード１６まで延びる溝を備える。保水ゾーン２２は、燃料電池水を発生させる各燃料電池１４のところにある。保水ゾーン２２の幾何形状により、燃料電池により発生された水分子の、空気入口から外への拡散性水損失が防止され、それにより、燃料電池カソード１６に高濃度の水蒸気が維持される。水分子を周囲空気に対して損失するのではなく、保水ゾーン２２は、発生された水分子をカソード１６に蓄積させて、カソード１６と空気入口２０の間に高湿の領域を形成する。このモル流量については、図６を参照しながら、以下の式によってより明確に説明することができる。
【００１５】
【数１】
2009515313.tif 000003
【００１６】
カソード１６から周囲空気への水蒸気の輸送と、周囲空気からカソード１６への酸素の輸送はどちらも、拡散制御されたプロセスである。Ａのモル流束、すなわちモル流量がＪＡであり、ただしＡは、所望の種、すなわち水または酸素である。水または酸素のモル流束は、拡散係数ＤＡＢ、地点１と地点２の間の分圧差（ＰＡ１−ＰＡ２）、気体定数Ｒ、ケルビン単位での温度Ｔ、および地点１と地点２の間の距離（Ｚ２−Ｚ１）の関数である。さらに流束は、面積当たりとして定義され、単位は「KgA／ｍ２秒」（ｍ２秒当たりのＡのキログラム）である。
【００１７】
拡散係数は、種の流束とその濃度勾配との間の比例定数である。拡散係数ＤＡＢとは、種Ｂ中にある種Ａの拡散係数を指す。これは、この場合には、空気中の水蒸気の拡散係数、または空気中の酸素の拡散係数を指す。拡散係数が大きいと、大きな流束値が得られ、拡散係数が小さいと、小さな流束値が得られる。空気中の酸素に関する拡散係数は、室温および正常な室内湿度において約０．２１ｃｍ２／秒であり、室温および室内湿度における空気中の水蒸気に関する拡散係数は、約０．２４ｃｍ２／秒である。
【００１８】
分圧は、ガス混合物の合計圧力のうち、混合物の１成分によるごく一部分である。分圧差が大きいと、種の比較的大きな流束が発生し、分圧差が小さいと、比較的小さな流束が発生する。保水ゾーンは、所望の電力レベルに必要な酸素流束を得るために、小さな分圧差、例えば大気中酸素の分圧の約１０％〜約２０％をもたらすように設計される。
【００１９】
気体定数は、ボルツマン定数とアボガドロ数の積である。ケルビン単位での温度は、対象となる種の流速に影響を及ぼす。温度が高い方が、流速を低減させ、温度が低い方が、流速を増大させる傾向がある。したがって、各ガスの拡散、したがってそれらの分圧差は、溝の幾何形状を調節することによって制御することができる。
【００２０】
図６を参照すると、地点１と地点２の間でガスの拡散を制御するには、この２つの地点を分離する溝の幾何形状を変更することができる。例えば、地点１と地点２を分離する溝の面積が増大される場合、地点１と地点２の間の拡散が増大され、反対に面積が低減される場合、拡散が低減される。この逆が、地点１と地点２の間の距離に当てはまり、それによって、地点１と地点２の間の距離を増大させると、拡散が減少し、地点１と地点２の間の距離を低減させると、空気入口２０から外により多く拡散する。
【００２１】
図１および図２に見られる本発明の電力発生器は、十分な酸素が、例えば大気中酸素圧力の１０％〜２０％というほんのわずかな圧力降下を伴って、周囲空気から空気入口２０を通ってカソード１６に拡散するのを可能にするように設計される。この電力発生器は、高い水素透過損失を有し、したがって高圧で運転される場合、寿命が短縮する。
【００２２】
水素と酸素を水に変換する化学反応（２Ｈ２＋Ｏ２→２Ｈ２Ｏ）では、その化学反応で１モルの酸素が消費するごとに２モルの水が作り出される。さらに、空気中の水蒸気の拡散係数と空気中の酸素の拡散係数は類似している。したがって、平衡状態を維持するには、水蒸気の分圧差が酸素の分圧差の約２倍であるべきである。したがって、上記の比率を有する本発明の電力発生器は、発生された水分子を発生器の外側の大気に損失するのではなく、加湿された環境を維持する。
【００２３】
空洞２４内の、燃料電池１４のアノード１８側に、燃料物質４４の水分を吸着する吸湿性のため、比較的低湿の領域が存在する。したがって、カソード１６での水の発生および保水により、水分濃度勾配およびガス圧力差が発生し、ガス圧力差により、水分子が燃料電池１４を通って空洞２４内に、また燃料室１２に、水蒸気の形態で拡散して戻る。次いで、この水蒸気が燃料物質４４と反応して、水素ガスを発生させる。次いで、発生された水素ガスは、空洞２４を通過して燃料電池アノード１８に至り、そこで酸素と反応して、水分子をもう一度発生させる。このサイクルは、燃料物質４４が全て消費されるまで、任意選択で継続することができる。
【００２４】
電力発生器の運転中に、空気入口から外に損失されるよりも多くの発生された水蒸気が、空洞内に拡散して戻る。さらに、燃料電池出力は、酸素反応物および水素反応物の燃料電池への流量、したがって燃料室への水蒸気の流量に直接依存する。したがって、燃料電池出力は、保水ゾーンの面積とその長さの比に比例する。本発明の好ましい実施形態では、単位電力当たりのゾーン面積とゾーン長さの比は、好ましくは、単一の燃料電池に関する電力出力の約０．０１ｃｍ／ｍＷ〜約０．０５ｃｍ／ｍＷである。複数の燃料電池が組み込まれる場合、この単位電力当たりのゾーン面積とゾーン長さの比は、反応物を共用する燃料電池の数で除算される。
【００２５】
発生器は、保水ゾーン２２の幾何形状が、十分な酸素が燃料電池１４に拡散するのを可能にするには制限が多すぎる場合、低減された電力で運転する。特に、０．０５ｃｍ２面積／１ｃｍ長さを超えるゾーン面積対長さの比では、必要以上の水蒸気が空気入口から外に拡散し、０．０１ｃｍ２面積／１ｃｍ長さ未満のゾーン面積対長さの比では、高効率で運転するには不十分な酸素が燃料電池に到達する。同じことが、燃料電池から燃料室まで延び、水素ガス流を燃料室から燃料電池に入れ、水蒸気流を燃料電池から燃料室に入れる、ハウジング内の空洞の幾何形状についても当てはまる。
【００２６】
別の実施形態では、流動水素ガスを燃料室１２から燃料電池１４まで調節するために、また燃料電池１４から燃料室１２への水蒸気の通過を調整するために、電力発生器１０が少なくとも１つの弁２６をさらに含んでよい。図１および図２に示すように、弁２６は、空洞２４内の、燃料室１２と燃料電池１４の間に配置される。本発明の好ましい実施形態では、弁２６は、前記空洞２４内のガス圧力によって制御され、それにより燃料室１２への水蒸気の伝導を空気圧で調節する、空気圧弁を備える。弁２６は、好ましくは電力発生器ハウジング３６に支持部５０のところで固定される周辺部を有する、空気圧で作動される可撓性隔壁３０と、隔壁３０と対向して配置された弁体２８と、弁体２８と隔壁３０を接合するロッドコネクタとを好ましくは備える。弁２６は、弁体２８がシール３８と接触しているとき閉位置にあり、水蒸気が燃料室１２に到達するのを防止する。あるいは、弁は、弁体がシール３８から分離されるとき開位置にあり、水蒸気が燃料室１２に到達するのを可能にし、発生された水素ガスが燃料電池１４に到達するのを可能にする。好ましくは、シール３８は、ハウジング３６の一部分を備える。支持体５０も、好ましくはハウジング３６の一部分を備える。図１および図２に見られるように、１つまたは複数の燃料電池１４も、好ましくはハウジングの内側に、支持体５０によって取り付けられる。
【００２７】
弁の構成部品の寸法は、好ましくは規模が非常に小さいが、弁の特定の用途に対して異なってよい。隔壁の厚さおよび直径は、所望の電力出力に応じてある一定の範囲内にあるべきである。本発明の好ましい実施形態では、隔壁３０は、伸張性があり、または伸張性がなく、好ましくは約１ｃｍ〜約３ｃｍの直径を有し、より好ましくは約１ｃｍ〜約２ｃｍの直径を有する薄い円形のプレートを好ましくは備える。弁体２８は、好ましくは、約０．２〜約１ｃｍの直径を有し、より好ましくは約０．２ｃｍ〜約０．５ｃｍの直径を有する。本発明の好ましい実施形態では、ロッドコネクタは、ねじまたはボルトを備えることができるが、弁が開位置と閉位置の間で交互になることができるような、隔壁３０を弁体２８に接続する他のどんな手段も適切である。
【００２８】
弁の作動は、好ましくは、隔壁３０にかかる内部ガス圧力によって制御される。水素ガスの発生により、装置の内部ガス圧力が上昇するとき、隔壁３０が外側にわずかに曲がる、または突き出す。これにより、コネクタが弁体２８をシール３８に引き寄せ、弁が閉じて、更なる水蒸気が燃料室１２に流れるのが防止される。弁が閉じられたので、水素の生成が止まる。これにより、内部ガス圧力がさらに上昇するのも防止される。燃料電池１４などによって水素が消費されるので、内部ガス圧力が降下し、弁体２８がシール３８を係合解除するのが可能になり、弁が開く。したがって、水素ガスは、それが消費されるペースで自動的に生成される。
【００２９】
本発明の好ましい実施形態では、電力発生器１０は、空気圧弁２６により固定圧力を維持することによって運転する。電力発生器１０は、低減された電力出力において、下方に低周囲圧力まで、またフル電力出力において、最高で理論的には無制限の周囲圧力まで運転することができるべきである。本発明の好ましい実施形態では、閉位置にあるときの装置の内部Ｈ２圧力が、約０ｋＰａ〜約１０００ｋＰａである。弁は、水素ガスが燃料電池によって使用されていないときに、完全に閉じられており、水素ガスの消費ペースを満たすのに必要な量だけ開く。本発明の最も好ましい実施形態では、電力発生器の内部圧力が常に約１００ｋＰａに維持され、そこで圧力が約１０ｋＰａより下に降下すると、内部圧力が約５００ｋＰａ以上に上昇して弁が閉じられるまでずっと、弁がわずかに開く。最も好ましい運転圧力は、ポータブル電子装置または無線センサなど小規模応用分野の場合、好ましくは約５０ｋＰａ（約０．５ａｔｍ）〜約２０２ｋＰａ（約２ａｔｍ）である。
【００３０】
一般に電力発生器１０は、通常周囲より数万Ｐａ（数ｐｓｉ）上回る固定圧力を、空気圧弁２６を使用して維持することによって運転する。好ましくは、発生器１０は、低減された電力出力において、下方に低周囲圧力まで、またフル電力出力において、最高で理論的には無制限の周囲圧力まで運転することができる。電力発生器１０は、使用中に、好ましくは約−４０℃〜約８５℃の運転温度に維持され、より好ましくは約−２０℃〜約５０℃、より好ましくは約０℃〜約５０℃、最も好ましくは約２０℃〜約５０℃の運転温度に維持される。
【００３１】
本発明では、「水蒸気（water vapor）」という語は、蒸気（steam）を含まない。「水蒸気」と「蒸気」はどちらも水の形態であるが、それぞれ非常に異なる特性および用途を有する。例えば、機関車は蒸気で駆動することができるが、本発明と同様に湿り空気中にある水蒸気で運転するのではない。「水蒸気」はそれ自体としては、氷を含めて、任意温度の水体の上に自然に生じることができ、または周囲空気中に自然に存在することができる、個々の水分子のガスである。水蒸気は低分圧を有し、したがってそれを形成する水が加熱されない限り、比較的わずかな水分子を含有する。一方「蒸気」は、水を加熱して沸騰させることによって生成されたごく小さな熱い水滴からなる。蒸気は、１５℃の水蒸気が含有するよりも約１００倍多くの水分子を含有し、大きな力および高速で自然に膨張し、また大量の水を、沸騰させて蒸気として輸送除去することができる。水蒸気は、日常の空気中にあり、蒸気または液体の水よりもずっと少数の水分子を含有し、自然拡散によって非常にゆっくりと移動する。水蒸気の形態では、非常に少量の水しか輸送することができない。例を挙げると、１滴の水は一般に、室温で蒸発するのに１時間かかるが、やかん一杯の水は、約２０分で沸騰させて蒸気にすることができる。さらに、蒸気を動力とする発生器は、蒸気を発生させることができる給水部または水供給源を必要とする。対照的に本発明は、そのような水供給源をなくすことにより、関連技術に対する改良を実現している。したがって、本発明の装置およびプロセスは、蒸気を使用して高運転温度で機能するのではなく、水蒸気を使用して低運転温度で機能するように設計される。
【００３２】
図１および２に見られるように、電力発生器１０は、空気入口２０と一体化された制限部３２をさらに含み、大気中酸素および大気中水分子の電力発生器内への拡散を調節することができる。この制限部は、カソード１６で生成された水蒸気が外側に向かう拡散に対して妨害を与えるため、燃料電池カソード１６で湿度を上昇させる助けにもなる。この湿度の増大が、燃料電池の運転を向上させる。制限部は、好ましくは、大気中酸素ガスに対して実質的に透過性があるが、水蒸気に対して実質的に不透過性の疎水性膜を備え、この膜は、燃料電池水が大気に流れ込むのを実質的に妨げる。所望の特性を有する、この酸素透過性、水蒸気不透過性膜に適した材料には、フッ化エチレンプロピレン（ＦＥＰ）、ペルフルオロアルコキシなどのフルオロポリマー含有材料、ならびに配向ポリプロピレン（ＯＰＰ）、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）、および環状オレフィンコポリマー（ＣＯＣ）などのフルオロポリマー非含有材料がある。最も好ましい酸素透過性、水蒸気不透過性膜材料は、フッ化エチレンプロピレンを含む。さらに、いくつかの実施形態では、膜単体でカソードへの十分な酸素の透過を可能にすることができない。したがって、制限部３２内の小さな開口４８（図２を参照されたい）を、追加の大気中酸素および大気中水分子が空洞内に進入して、１つまたは複数の燃料電池カソードに拡散するのを可能にするために設けることができる。しかし、この開口は、一部の水蒸気を電力発生器１０から外に拡散させる恐れもある。所要の開口サイズは、電力レベル、拡散経路長、および所望の分圧降下に依存する。この開口のサイズは、好ましくはサイズが非常に小さく、好ましくは、膜の表面積全体の約０．００１％〜約１％を有することができる。
【００３３】
燃料室１２内の実質的に非流体の物質は、好ましくは、粉末、粒体、またはペレット状の材料を有し、好ましくは、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、水素化ホウ素リチウム、水素化ホウ素ナトリウム、およびそれらの組合せである。適切なアルカリ金属には、非排他的に、リチウム、ナトリウム、およびカリウムがある。非流体物質として好ましい材料は、水素化アルミニウムリチウムである。燃料物質は、好ましくは、ガスおよび水蒸気の拡散を可能にする固体の多孔質材料である。さらに、非流体物質はまた、水蒸気と非流体物質の反応に触媒作用を及ぼすために、好ましくは水素発生触媒と組み合わされる。適切な触媒には、非排他的に、コバルト、ニッケル、ルテニウム、マグネシウム、ならびにそれらの合金および組合せがある。
【００３４】
図１および図２に見られるように、燃料室１２は、好ましくは多孔質気相膜３４によって境界付けられる。ハウジング３６に取り付けられ、燃料室１２に並置されたこの膜３４は、水蒸気が燃料室１２内に移動して固体燃料物質と反応し、それによって水素ガスが発生するのを可能にするように、水蒸気に対して必ず透過性である。この膜は、発生された水素ガスが空洞２４内に移動して、燃料電池１４に戻るのを可能にするように、水素ガスに対しても必ず透過性である。そのような２つの特性を有するこの気相膜３４に適した材料には、非排他的に、フルオロポリマーを含む多孔質ポリマーがあり、延伸テフロン（登録商標）などの延伸ポリテトラフルオロエチレン（ｅＰＴＦＥ）積層体を含む。特に好ましいｅＰＴＦＥ積層体が、デラウェア州のＷ．Ｌ．Ｇｏｒｅ＆Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓ社製のゴアテックス（登録商標）、およびデラウェア州のＢＨＡ  ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ製のｅＶＥＮＴ（登録商標）である。
【００３５】
とりわけ図２を参照すると、図２は、図１の発生器に比べてより大きな表面積の空気入口を有する、本発明の代替電力発生器の断面概略図である。本実施形態でも同様に、大気中酸素ガスに対して実質的に透過性であるが、水蒸気に対して実質的に不透過性の疎水性膜３２が、好ましくは空気入口２０に配置される。しかし、大気中の自然の空気湿気から水分子を取り入れるのを可能にするために、小開口４８（例えば約０．００８ｃｍ２）が、好ましくは膜３２に切り込まれる。この開口４８は、追加の酸素が燃料電池カソードに拡散するのも可能にする。本発明の好ましい実施形態では、本発明の電力発生器が、少なくとも約５％の相対湿度を有する環境内にあるときに最良に機能し、その場合、湿度が増大するにつれて性能が向上する。
【００３６】
図２の実施形態は、好ましくは空気圧弁２６も含み、空気圧弁２６は、好ましくは網状隔壁３０と、弁２６の網状隔壁３０に並置された水透過性、水素不透過性膜４０とを含む。網状隔壁３０は、好ましくは、水蒸気に対して透過性であり、好ましくは、ポリエチレンテレフタレートなどのポリマー材料、またはステンレス鋼などの金属から形成される。この水透過性膜４０に適した水透過性材料には、ペルフルオロスルホン酸塩イオノマーなどの過フッ化ポリマーがある。エポキシドおよびクロロプレンゴムも適切である。最も好ましくは、水透過性膜は、ナフィオン（登録商標）という登録商標の下にデラウェア州のイーアイデュポンドゥヌムールアンドカンパニーから市販されている、ペルフルオロスルホン酸塩イオノマー膜を備える。ナフィオン（登録商標）は、それを非常に安定させるフッ化主鎖と、高いイオン伝導性を支援するスルホン酸側鎖とを有するので好ましい。水透過性、水素不透過性膜４０は、電解質膜４２に水蒸気を通過させることなく、水蒸気が燃料室１２に拡散するのを可能にする。この膜は、水蒸気が燃料室内に透過する大きな面積の経路を提供し、水が単に燃料電池自体を通じて回収される場合よりも高い電流密度で、燃料電池１４が運転するのを可能にすることができる。類似材料が、少なくとも１つの燃料電池１４の電解質膜４２を形成する。
【００３７】
したがって、図２から分かるように、この電力発生器１０は、燃料電池により発生された水分子を、燃料電池カソード１６から燃料室１２まで輸送するための２本の道を提供する。具体的には、図２の実施形態では、燃料電池１４内での水素ガスと大気中酸素との反応の結果、燃料電池カソード１６で燃料電池水が発生し、それによって電気が発生する。この発生された燃料電池水が、保水ゾーン２２内に保持され、空洞２４に、燃料電池１４を通って拡散して戻ることによって、または保水ゾーン２２から拡散して、網状隔壁３０および水透過性膜４０の中を透過することによって、再度入ることができる。
【００３８】
複数の燃料電池を有する、本発明の円筒形電力発生器１０の上面図が、図７に示されている。図７に見られるように、好ましい一実施形態では、複数の燃料電池１４が、電力発生器１０の円周の周りに配置される。本発明の電力発生器１０は、燃料物質４４をそれを通じて任意選択で補充することができる、入口４６を含むこともできる。あるいは、燃料物質４４が消費されたとき、電力発生器をバッテリと同様に処分することもできる。電力発生器１０の組立て済みの構成部品をそれぞれ、ポリエチレンテレフタレートなどの適切な材料から形成された管などの、適切な中空構造（図示せず）でさらに囲むこともでき、その囲いを、上面および／または底面上で、適切な蓋（図示せず）を用いて蓋をすることもでき、その蓋は、取外し可能でよく、好ましくは囲いと類似の、またはそれとは異なる材料から形成される。電力発生器１０はまたさらに、好ましくは少なくとも１つの電気コネクタを含み、それを通じて装置を電力発生器１０に電気的に接続することができる。図１に示すように、本発明の好ましい実施形態では、装置５２（概略的に示されており、一定の縮尺で描かれていない）が、好ましくは電力発生器１０に電気コネクタ５４および５６を通じて電気的に接続され、この電気コネクタ５４および５６は、好ましくは、１つまたは複数の燃料電池の１つまたは複数のカソード、および１つまたは複数のアノードに接続される。電気コネクタ５４および５６は、図７にも示されている。複数の燃料電池を組み込む諸実施形態では、複数の燃料電池が好ましくは直列に接続され、好ましくは、発生器ハウジング３６から突き出す単一組の電気コネクタ５４および５６に接続される。本発明の好ましい一実施形態では、電力発生器１０は、８つの相互接続された燃料電池を含む。
【００３９】
電力発生器１０および弁２６の部品はそれぞれ、適切なポリマー材料、金属、または発生器および弁の意図される用途の要件によって決まる、他の材料から製作することができる。好ましい材料には、非排他的に、ポリエチレンテレフタレートがある。電力発生器１０の構成部品の好ましい寸法は、好ましくは規模が非常に小さいが、電力発生器１０の用途に対して変わってもよい。そのような無水式マイクロ電力発生器の好ましい外形寸法は、長さが約１ｍｍ〜約１００ｍｍ、幅が約１ｍｍ〜約１００ｍｍ、また深さが約１〜約１００ｍｍであり、より好ましくは、長さが約１ｍｍ〜約２５ｍｍ、幅が約１ｍｍ〜約２５ｍｍ、また深さが約１〜約２５ｍｍである。そのような無水式マイクロ電力発生器は、サイズが約０．１ｍｍ２〜約５，０００ｍｍ２の範囲でよい１つまたは複数の燃料電池１４を組み込むことができる。本発明の無水式マイクロ電力発生器はまた、好ましくは約０．１ｍｍ３〜約１５，６２５ｍｍ３の容積容量を含むことができる。より大型の電力発生器は、長さ、幅および深さが少なくとも約５０ｃｍまでの、またはそれより大きな寸法、燃料電池面積が少なくとも約５０００ｃｍ２までの、またはそれより大きな寸法、ならびに電力発生器容積が少なくとも約０．１２５ｍ３までの、またはそれより大きな寸法を、好ましくは有することができる。これらの寸法は好ましいが、大きく変わってよく、制限するものではない。電力発生器の各構成部品の寸法も同様に、本発明の電力発生器が意図どおり運転するように、当業者が決めることができるとおりに変わってよい。
【００４０】
図１および図２に示す実施形態はそれぞれ、設けられた非燃料電池水供給源なしで導電性を呈することが分かっている。図５および以下の実施例１は、本発明の小規模マイクロ電力発生器に関する、電力出力対時間のプロットの例を示す。本発明のマイクロ電力発生器は、好ましくは、約１マイクロワット〜約１００ミリワットの、より好ましくは、約１マイクロワット〜約１０００ミリワットの電力出力、および約０．１Ｗ時／ｃｃ〜約１０Ｗ時／ｃｃのエネルギー密度を生成する。本発明のより大型の電力発生器は、約０．１Ｗ〜約１００Ｗの電力出力レベル、および約０．１Ｗ時／ｃｃ〜約１０Ｗ時／ｃｃのエネルギー密度を生成することができる。
【００４１】
図１および図２の例示的実施形態は、本発明の好ましい電力発生器装置を示すが、そのような構造は、限定するものではないことをさらに理解されたい。実質的に同様に機能する他の設計変形形態、すなわち固体燃料物質を含む水素−酸素燃料電池を用いて、有用なレベルの電気を生成することができる無水式電力発生器が、本発明の範囲内に組み込まれる。
【００４２】
以下の例は、本発明を例示するものである。
【実施例１】
【００４３】
図１に見られる電力発生器が設けられ、水素ガスの初期フラッシュが与えられた。初期フラッシュにより、発生器空洞から空気が排気され、初期フラッシュはその後、燃料電池によって消費されて、電気および副生水が生成した。この初期水素フラッシュの消費に続き、水素ガスが内部で連続して発生され、電気も同様であった。発生器の電力出力が経時的に測定された。その結果が図５に示してあり、これは電力発生器の電力出力対時間のプロットである。電力出力は、当初５０マイクロワットに設定されたが、後に１７０に増大され、次いで２１０マイクロワットに増大されてそこで３０日の試験期間中維持された。試験の最初の２０日間、実験室周囲空気の相対湿度が、約１０〜２０パーセント変動した。実験室の空気温度は、約２３℃であった。水素の初期フラッシュは、概ね運転の初日に消費されたと推定された。この無水式運転の間、必要な水が、燃料電池自体を通って逆透過している。内部ガス圧力は、運転電力レベルの範囲全体にわたって安定しており、カソード水の量は、どんな電力レベルでもちょうど正確な量であった。水再循環による可能な正味の利得は、積載しなければならない液体の水をなくしたことによる、システム容積および重量の約２倍の低減、コストおよび複雑さの低減、ならびにより大きな安全性である。カソード上の空気の湿度により、ＰＥＭのより良好な水分補給も実現される。
【００４４】
以上、本発明を、好ましい諸実施形態に即して詳細に示し、説明してきたが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、さまざまな変更および修正を行えることが、当業者には容易に理解されよう。特許請求の範囲が、開示された実施形態、上記で論じてきた代替手段、およびそれらに対するあらゆる等価物を包含すると解釈されることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】発生器の空気入口と一体化された酸素透過性、水蒸気不透過性膜のない、本発明の電力発生器の断面外略図である。
【図２】発生器の空気入口と一体化された酸素透過性、水蒸気不透過性膜を有する、本発明の電力発生器の断面概略図である。
【図３】図３Ａは、空気入口と燃料電池カソードの間の保水ゾーンを示す、図１に示す電力発生器の隅部の断面概略図である。
【００４６】
図３Ｂは、空気入口と燃料電池カソードの間の保水ゾーンを示す、図２に示す電力発生器の隅部の断面概略図である。
【図４】燃料電池の概略図である。
【図５】本発明の電力発生器に関する電力出力対時間のプロットである。
【図６】ある位置から別の位置への水蒸気のモル流束の概略図である。
【図７】複数の燃料電池を組み込む、本発明の円筒形電力発生器の上面図である。
【図１】
2009515313.tif 000004
【図２】
2009515313.tif 000005
【図３Ａ】
2009515313.tif 000006
【図３Ｂ】
2009515313.tif 000007
【図４】
2009515313.tif 000008
【図５】
2009515313.tif 000009
【図６】
2009515313.tif 000010
【図７】
2009515313.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成20年7月11日(2008.7.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）ハウジングと、
ｂ）前記ハウジング内に取り付けられた少なくとも１つの燃料電池であって、カソード、アノード、および前記カソードと前記アノードの間に配置された水蒸気透過性電解質膜を備え、前記カソードで水素ガスと酸素ガスの反応によって電気および燃料電池水を発生させることができる燃料電池と、
ｃ）前記ハウジング内に取り付けられた少なくとも１つの燃料室であって、水蒸気と反応して水素ガスを発生させる燃料物質を収容する燃料室と、
ｄ）大気中空気を前記ハウジングに入れるための、少なくとも１つの空気入口と、
ｅ）前記空気入口から前記燃料電池カソードまで延びる、前記ハウジング内の保水ゾーンであって、発生された燃料電池水が前記空気入口から外に拡散するのを防止する保水ゾーンと、
ｆ）前記燃料電池から前記燃料室まで延びる、前記ハウジング内の空洞であって、水素ガス流を前記燃料室から前記燃料電池に入れ、水蒸気流を前記燃料電池から前記燃料室に入れる空洞と
を備える電気出力発生器。
【請求項２】
前記燃料室から前記燃料電池への水素ガスの通過を調節するために、また前記燃料電池から前記燃料室への水蒸気の通過を調節するために前記空洞内に配置された、少なくとも１つの弁をさらに備える、請求項１に記載の電力発生器。
【請求項３】
約１マイクロワット〜約１００ミリワットの電気を生成する、請求項１に記載の電力発生器。
【請求項４】
ａ）ハウジングと、
ｂ）前記ハウジング内に取り付けられた少なくとも１つの燃料電池であって、カソード、アノード、および前記カソードと前記アノードの間に配置された水蒸気透過性電解質膜を備え、前記カソードで水素ガスと酸素ガスの反応によって電気および燃料電池水を発生させることができる燃料電池と、
ｃ）前記ハウジング内に取り付けられた少なくとも１つの燃料室であって、水蒸気と反応して水素ガスを発生させる燃料物質を収容する燃料室と、
ｄ）大気中空気を前記ハウジングに入れるための、少なくとも１つの空気入口と、
ｅ）前記空気入口から前記燃料電池カソードまで延びる、前記ハウジング内の保水ゾーンであって、発生された燃料電池水が前記空気入口から外に拡散するのを防止する保水ゾーンと、
ｆ）前記燃料電池から前記燃料室まで延びる、前記ハウジング内の空洞であって、水素ガス流を前記燃料室から前記燃料電池に入れ、水蒸気流を前記燃料電池から前記燃料室に入れる空洞と、
ｇ）前記燃料室から前記燃料電池への水素ガスの通過を調節するために、また前記燃料電池から前記燃料室への水蒸気の通過を調節するために前記空洞内に配置された、少なくとも１つの弁と、
ｈ）前記空気入口と一体化された酸素透過性、水蒸気不透過性膜であって、燃料電池水が大気に流れ込むのを防止する膜と、
ｉ）前記空洞内にあり、前記弁に並置された水透過性、水素不透過性膜であって、前記電解質膜に水蒸気を通過させることなく、前記水蒸気が前記燃料室に拡散するのを可能にする水透過性、水素不透過性膜と
を備える電気出力発生器。
【請求項５】
電気出力を生成するためのプロセスであって、
Ｉ）
ａ）ハウジングと、
ｂ）前記ハウジング内に取り付けられた少なくとも１つの燃料電池であって、カソード、アノード、および前記カソードと前記アノードの間に配置された水蒸気透過性電解質膜を備え、前記カソードで水素ガスと酸素ガスの反応によって電気および燃料電池水を発生させることができる燃料電池と、
ｃ）前記ハウジング内に取り付けられた少なくとも１つの燃料室であって、水蒸気と反応して水素ガスを発生させる燃料物質を収容する燃料室と、
ｄ）大気中空気を前記ハウジングに入れるための、少なくとも１つの空気入口と、
ｅ）前記空気入口から前記燃料電池カソードまで延びる、前記ハウジング内の保水ゾーンであって、発生された燃料電池水が前記空気入口から外に拡散するのを防止する保水ゾーンと、
ｆ）前記燃料電池から前記燃料室まで延びる、前記ハウジング内の空洞であって、水素ガス流を前記燃料室から前記燃料電池に入れ、水蒸気流を前記燃料電池から前記燃料室に入れる空洞と
を備える電気出力発生器を設けるステップと、
ＩＩ）
ａ）前記燃料電池内で水素ガスと大気中酸素ガスを反応させ、それによって燃料電池水および電気を発生させ、その燃料電池水が前記保水ゾーン内に保持されるステップと、
ｂ）前記燃料電池水を、前記保水ゾーンから前記電解質膜を通って前記空洞内に、また前記少なくとも１つの燃料室に拡散させるステップと、
ｃ）前記水蒸気を前記燃料物質と反応させて、水素ガスを発生させるステップと、
ｄ）前記発生された水素ガスを、前記空洞を通って前記燃料電池に拡散させるステップと
によって電気を発生させるように、前記電力発生器を運転するステップと
を含むプロセス。