(57)【要約】【課題】  ガス需用に応じて、化学溶液、液体中に溶解させた気体、または混合物などの適切な化学物質から、化学物質チャンバ（４１）内で触媒反応によって生成されるガス（例えば、水素または酸素）の量を自動的に制御して供給する自動制御式ガス発生器を提供する。【解決手段】このガス発生器は、ピストン、回転ロッド（３０ａ）、または他の部材を使用して、化学物質を制御された量で触媒に接触させる。このガス発生器を用いて、燃料電池、トーチ、または酸素呼吸装置など、種々のガス消費装置にガスを供給できる。【選択図】図４Ｂ
2007518547.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学物質を収容する化学物質チャンバと、
前記化学物質の通路に対して閉じており、かつ前記化学物質と相互作用する少なくとも１つの部材と、
前記少なくとも１つの部材に取り付けられた触媒であって、その存在下で前記化学物質を前記化学物質チャンバ内で生成ガスを含む生成物に分解する触媒と、
使用される前の前記生成ガスを貯蔵可能なガス貯蔵チャンバと、
前記化学物質チャンバから前記ガス貯蔵チャンバへの経路上にあって、前記生成ガスが透過する気体透過性構造体と、
前記化学物質チャンバと前記ガス貯蔵チャンバのうちの少なくとも１つのチャンバ内の圧力を一部として含む力を利用して、前記化学物質内で前記触媒を位置決定することにより、前記生成ガスの生成速度を制御するフィードバックシステムと、
を備えた自動制御式ガス発生装置。
【請求項２】
請求項１において、前記少なくとも１つの部材が、前記化学物質チャンバに対して平行移動するガス発生装置。
【請求項３】
請求項１において、前記少なくとも１つの部材が、前記化学物質チャンバに対して回転するガス発生装置。
【請求項４】
請求項１において、前記少なくとも１つの部材が、前記化学物質チャンバを含む本体に対して固定位置に保たれるガス発生装置。
【請求項５】
請求項１において、前記少なくとも１つの部材の運動が、前記化学物質に接触する前記触媒の量を変化させるガス発生装置。
【請求項６】
請求項１において、前記少なくとも１つの部材がセラミックであるか、あるいは熱伝導性の材料で作られているガス発生装置。
【請求項７】
請求項１において、前記少なくとも１つの部材がピストンであるガス発生装置。
【請求項８】
請求項１において、前記少なくとも１つの部材が中空であるガス発生装置。
【請求項９】
請求項１において、前記少なくとも１つの部材が、前記生成ガスが通って流れる複数のチャネルを内部に備えているガス発生装置。
【請求項１０】
請求項１において、前記少なくとも１つの部材が中実であるガス発生装置。
【請求項１１】
請求項１において、
前記少なくとも１つの部材が中実ピストンであって、このピストンが、ピストンに作用する力の平衡が生じる位置まで前記化学物質チャンバに対して移動し、
前記化学物質チャンバの境界の少なくとも一部分が、前記気体透過性構造体によって形成されている、ガス発生装置。
【請求項１２】
請求項１において、
前記少なくとも１つの部材が中実ピストンであって、このピストンが、ピストンに作用する力の平衡が生じる位置まで前記化学物質チャンバに対して移動し、前記力は、この中実ピストンに機能的に接続されたばねによる力を含み、
前記化学物質チャンバの境界の少なくとも一部分が、前記気体透過性構造体によって形成されている、ガス発生装置。
【請求項１３】
請求項１において、さらに、前記ガス貯蔵チャンバの圧力と前記少なくとも１つの部材の位置との関係を調節できる、前記少なくとも１つの部材に機能的に接続された調整可能なばねを含むガス発生装置。
【請求項１４】
請求項１において、前記少なくとも１つの部材が、気体透過性触媒層および前記気体透過性構造体でコートされているガス発生装置。
【請求項１５】
請求項１において、前記少なくとも１つの部材が前記気体透過性構造体でコートされているガス発生装置。
【請求項１６】
請求項１において、前記少なくとも１つの部材が前記気体透過性構造体で覆われているガス発生装置。
【請求項１７】
請求項１において、前記少なくとも１つの部材が前記気体透過性構造体に一体化されているガス発生装置。
【請求項１８】
請求項１において、前記少なくとも１つの部材が、非触媒部分を含んでいるガス発生装置。
【請求項１９】
請求項１８において、前記少なくとも１つの部材がピストンであり、前記非触媒部分がこのピストンの端部に位置しているガス発生装置。
【請求項２０】
請求項１８において、前記少なくとも１つの部材が、前記非触媒部分を、前記化学物質に対して位置決定して前記化学物質の分解を中断させる、ガス発生装置。
【請求項２１】
請求項１において、さらに、前記少なくとも１つの部材から前記生成物を取り除く少なくとも１つのワイパを含むガス発生装置。
【請求項２２】
請求項１において、前記気体透過性構造体が、生成ガスを前記化学物質から隔離しているガス発生装置。
【請求項２３】
請求項２２において、前記気体透過性構造体が金属を含んでいるガス発生装置。
【請求項２４】
請求項２２において、前記気体透過性構造体がパラジウム（Ｐｄ）を含んでいるガス発生装置。
【請求項２５】
請求項２２において、前記気体透過性構造体がパラジウム合金を含んでいるガス発生装置。
【請求項２６】
請求項２２において、前記気体透過性構造体がポリマーを含んでいるガス発生装置。
【請求項２７】
請求項２２において、前記気体透過性構造体がセラミックを含んでいるガス発生装置。
【請求項２８】
請求項１において、前記触媒が、触媒作用を持つ金属、金属ホウ化物、またはポリマーのうちの少なくとも１つを含んでいるガス発生装置。
【請求項２９】
請求項１において、前記触媒が、前記気体透過性構造体に取り付けられているガス発生装置。
【請求項３０】
請求項１において、前記触媒が、前記気体透過性構造体上にコートされているガス発生装置。
【請求項３１】
請求項１において、前記触媒が、前記少なくとも１つの部材の非透過性部分に取り付けられ、またはコートされているガス発生装置。
【請求項３２】
請求項１において、さらに、前記ガス貯蔵チャンバが所定のガス圧力に達したときに作動する容量インジケータを含むガス発生装置。
【請求項３３】
請求項１において、さらに、ガス圧力を示す容量インジケータを含むガス発生装置。
【請求項３４】
請求項１において、さらに、前記少なくとも１つの部材の位置を示す容量インジケータを含むガス発生装置。
【請求項３５】
請求項１において、さらに、未消耗の化学物質の量を示す容量インジケータを含むガス発生装置。
【請求項３６】
請求項１において、さらに、目視で読み取り可能な容量インジケータを含むガス発生装置。
【請求項３７】
請求項１において、さらに、前記ガス貯蔵チャンバまたは化学物質チャンバの圧力が所定のしきい値を超えた場合に、それぞれのチャンバの圧力を低減させる少なくとも１つの圧力解放弁を含むガス発生装置。
【請求項３８】
請求項１において、さらに、前記生成ガスが外部の装置で使用されるために出力される前に通過するフィルタを含むガス発生装置。
【請求項３９】
請求項１において、さらに、前記生成ガスが、外部の装置で使用されるために出力される前に通過する加湿材を含むガス発生装置。
【請求項４０】
請求項１において、さらに、前記化学物質チャンバの既知の位置に対する前記少なくとも１つの部材の位置を検出するトランスデューサを含むガス発生装置。
【請求項４１】
請求項４０において、前記トランスデューサが、機械式、電磁式、または光学式のトランスデューサであるガス発生装置。
【請求項４２】
請求項１において、前記フィードバックシステムが、前記ガス貯蔵チャンバと前記化学物質チャンバとの間の圧力差によって生じる力を利用するガス発生装置。
【請求項４３】
請求項１において、さらに、基準圧力チャンバを含み、
前記フィードバックシステムが、前記ガス貯蔵チャンバと前記基準圧力チャンバとの間の圧力差によって生じる力を利用するガス発生装置。
【請求項４４】
請求項１において、さらに、基準圧力チャンバを含み、
前記フィードバックシステムが、前記化学物質チャンバと前記基準圧力チャンバとの間の圧力差によって生じる力を利用するガス発生装置。
【請求項４５】
請求項１において、さらに、前記少なくとも１つの部材に接続したばねを含み、
前記フィードバックシステムが、前記少なくとも１つの部材に作用する、前記各チャンバのうちの少なくとも１つのチャンバの圧力と、前記少なくとも１つの部材に作用する前記ばねの力との間の差を利用するガス発生装置。
【請求項４６】
請求項１において、前記化学物質が固体であるガス発生装置。
【請求項４７】
請求項１において、前記化学物質が液体であるガス発生装置。
【請求項４８】
請求項１において、前記化学物質が、液体中に溶解した気体であるガス発生装置。
【請求項４９】
請求項１において、前記化学物質が、固体に吸収された気体であるガス発生装置。
【請求項５０】
請求項１において、前記化学物質が、液体と、この液体に溶解された気体との混合物であるガス発生装置。
【請求項５１】
請求項１において、前記化学物質が、水素化物である化学物質を含んでいるガス発生装置。
【請求項５２】
請求項１において、前記化学物質が、金属水素化物を含んでいるガス発生装置。
【請求項５３】
請求項１において、前記化学物質がＮａＢＨ４水溶液であるガス発生装置。
【請求項５４】
請求項１において、前記化学物質が、ＮａＢＨ４および少なくとも１つのアルカリ金属塩からなる溶液を含んでいるガス発生装置。
【請求項５５】
請求項５４において、前記ＮａＢＨ４水溶液が、有効量の共溶媒または他の添加物を含んでいるガス発生装置。
【請求項５６】
請求項１において、前記化学物質が、前記触媒の存在下で分解して水素ガスを生成するＮａＢＨ４水溶液であり、
前記触媒が、触媒として、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、イリジウム、白金、レニウム、およびニッケルのうちの少なくとも１つを含んでいるガス発生装置。
【請求項５７】
請求項１において、前記化学物質が、乾燥粉末として貯蔵されたＮａＢＨ４を含んでおり、このＮａＢＨ４が、（ｉ）ＮａＢＨ４粉末を収容している膜を破ること、（ｉｉ）ガス発生器を振動させ、あるいは圧迫すること、または（ｉｉｉ）前記膜に孔を空けること、によって所定の液体と混合されるガス発生装置。
【請求項５８】
請求項１において、前記生成ガスが水素ガスであるガス発生装置。
【請求項５９】
請求項１において、前記生成ガスが酸素であるガス発生装置。
【請求項６０】
請求項１において、燃料電池に使用されるように構成されたガス発生装置。
【請求項６１】
請求項１において、ガス燃焼装置に使用されるように構成されたガス発生装置。
【請求項６２】
請求項１において、呼吸装置に使用されるように構成されたガス発生装置。
【請求項６３】
化学物質を化学物質チャンバ内で、触媒の存在下で、生成ガスを含む生成物に分解することと、
前記化学物質を実質的に含んでいない生成ガスを、前記化学物質チャンバから気体透過性構造体を通して、前記生成ガスが使用されるまで貯蔵するガス貯蔵チャンバに通過可能とすることと、
前記化学物質内で前記触媒を位置決めすることにより、前記生成ガスの生成速度を制御するように、前記各チャンバのうちの少なくとも１つのチャンバ内の圧力を一部として含む力を利用することと、
を含むガスの発生方法。
【請求項６４】
請求項６３において、力を利用することが、前記触媒を前記化学物質に対して平行移動させることを含む方法。
【請求項６５】
請求項６３において、力を利用することが、前記触媒を前記化学物質に対して回転させることを含むガスの発生方法。
【請求項６６】
請求項６３において、力を利用することが、前記化学物質を前記触媒に対して運動させることを含むガスの発生方法。
【請求項６７】
請求項６３において、力を利用することが、前記化学物質に接触する触媒の量を変化させることを含むガスの発生方法。
【請求項６８】
請求項６３において、前記触媒がセラミックに取り付けられ、あるいは熱伝導性の材料で作られているガスの発生方法。
【請求項６９】
請求項６３において、生成ガスを化学物質チャンバから気体透過性構造体を通してガス貯蔵チャンバに通過可能とすることが、前記生成ガスを中空部材内の通路を通過可能とすることを含むガスの発生方法。
【請求項７０】
請求項６３において、生成ガスを気体透過性構造体を通して通過可能とすることが、前記生成ガスを前記化学物質を通過して流し、前記触媒から離れて位置する前記気体透過性構造体を透過させることを可能とすることを含むガスの発生方法。
【請求項７１】
請求項６３において、
力を利用することが、前記触媒が取り付けられている部材に作用する力に平衡が生じる位置まで、前記触媒を前記化学物質に対して運動させることを含み、
前記生成ガスを化学物質チャンバから気体透過性構造体を通してガス貯蔵チャンバに通過可能とすることが、前記生成ガスを前記化学物質の境界に流すことを含む、ガスの発生方法。
【請求項７２】
請求項６３において、
力を利用することが、前記触媒が取り付けられている部材に作用する力に平衡が生じる位置まで、前記触媒を前記化学物質に対して運動させることを含み、前記力は、前記部材に機能的に接続されたばねによる力を含み、
前記生成ガスを化学物質チャンバから気体透過性構造体を通してガス貯蔵チャンバに通過可能とすることが、前記生成ガスを前記化学物質の境界に流すことを含む、
ガスの発生方法。
【請求項７３】
請求項６３において、前記触媒を位置決めするように力を利用することが、前記ガス貯蔵チャンバの圧力と前記触媒の位置との間の関係の調節を可能にすることを含むガスの発生方法。
【請求項７４】
請求項６３において、前記触媒が前記気体透過性構造体にコートされているガスの発生方法。
【請求項７５】
請求項６３において、前記化学物質を分解することが、生成ガスが使用されていない場合には前記化学物質の分解を中止することを含むガスの発生方法。
【請求項７６】
請求項６３において、さらに、前記触媒から生成物を取り除くことを含むガスの発生方法。
【請求項７７】
請求項６３において、さらに、水素ガスを前記化学物質から分離することを含むガスの発生方法。
【請求項７８】
請求項６３において、前記気体透過性構造が、パラジウムまたはポリマーの構造を含むガスの発生方法。
【請求項７９】
請求項６３において、前記触媒が、触媒作用を持つ金属、金属ホウ化物、またはポリマーのうちの少なくとも１つを含むガスの発生方法。
【請求項８０】
請求項６３において、前記触媒が、前記気体透過性構造体上に取り付けまたはコートされているガスの発生方法。
【請求項８１】
請求項６３において、さらに、前記ガス貯蔵チャンバが所定のガス圧力に達した場合に容量インジケータを動作させることを含むガスの発生方法。
【請求項８２】
請求項６３において、ガス圧力を示すことを含むガスの発生方法。
【請求項８３】
請求項６３において、さらに、前記化学物質チャンバ内における前記触媒の位置を示すことを含むガスの発生方法。
【請求項８４】
請求項６３において、さらに、未消耗の化学物質の量を示すことを含むガスの発生方法。
【請求項８５】
請求項６３において、さらに、生成ガスの生成速度に関連する測定基準を表示することを含むガスの発生方法。
【請求項８６】
請求項６３において、さらに、前記ガス貯蔵チャンバまたは化学物質チャンバの圧力が所定のしきい値を超えた場合に、それぞれのチャンバの圧力を低減することを含むガスの発生方法。
【請求項８７】
請求項６３において、さらに、外部装置による使用のために出力する前に前記生成ガスをフィルタ処理することを含むガスの発生方法。
【請求項８８】
請求項６３において、さらに、外部装置による使用のために出力する前に前記生成ガスを加湿することを含むガスの発生方法。
【請求項８９】
請求項６３において、さらに、前記化学物質チャンバ内における前記触媒の位置を検出することを含むガスの発生方法。
【請求項９０】
請求項６３において、力を利用することが、前記ガス貯蔵チャンバと前記化学物質チャンバとの間の圧力差に応じて、前記触媒を前記化学物質内に位置決めすることを含むガスの発生方法。
【請求項９１】
請求項６３において、さらに、基準圧力チャンバを含み、
力を利用することが、前記ガス貯蔵チャンバと前記基準圧力チャンバとの間の圧力差に応じて、前記触媒を前記化学物質内に位置決めすることを含むガスの発生方法。
【請求項９２】
請求項６３において、さらに、基準圧力チャンバを含み、
力を利用することが、前記化学物質チャンバと前記基準圧力チャンバとの間の圧力差に応じて、前記触媒を前記化学物質内に位置決めすることを含むガスの発生方法。
【請求項９３】
請求項６３において、さらに、前記触媒が取り付けられている部材に圧力以外の力を作用させることを含み、
力を利用することが、前記部材に作用する少なくとも１つのチャンバの圧力と前記部材に作用する前記圧力以外の力との間の差に応じて、前記触媒を有する部材を位置決めすることを含むガスの発生方法。
【請求項９４】
請求項６３において、化学物質を分解することが、固体を分解することを含むガスの発生方法。
【請求項９５】
請求項６３において、化学物質を分解することが、液体を生成物に分解することを含むガスの発生方法。
【請求項９６】
請求項６３において、化学物質を分解することが、液体に溶解された気体を生成物に分解することを含むガスの発生方法。
【請求項９７】
請求項６３において、化学物質を分解することが、固体に吸収され気体を生成物に分解することを含むガスの発生方法。
【請求項９８】
請求項６３において、化学物質を分解することが、液体と、液体に溶解した気体とからなる混合物を生成物に分解することを含むガスの発生方法。
【請求項９９】
請求項６３において、化学物質を分解することが、水素化物である任意の化学物質を分解することを含むガスの発生方法。
【請求項１００】
請求項６３において、化学物質を分解することが、ＮａＢＨ４水溶液を分解することを含むガスの発生方法。
【請求項１０１】
請求項６３において、化学物質を分解することが、ＮａＢＨ４と少なくとも１つのアルカリ金属塩とを含む溶液を分解することを含むガスの発生方法。
【請求項１０２】
請求項１０１において、前記ＮａＢＨ４水溶液が、有効量の共溶媒または他の添加物を含むガスの発生方法。
【請求項１０３】
請求項６３において、化学物質を分解することが、触媒として、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、イリジウム、白金、レニウム、およびニッケルのうちの少なくとも１つを使用してＮａＢＨ４水溶液を分解することを含み、これによって水素ガスを生成するガスの発生方法。
【請求項１０４】
請求項６３において、前記化学物質が乾燥粉末として貯蔵されており、
前記化学物質を生成物に分解する前に、さらに、前記化学物質を所定の液体と混合することを含むガスの発生方法。
【請求項１０５】
請求項６３において、前記生成ガスが水素ガスであるガスの発生方法。
【請求項１０６】
請求項６３において、前記生成ガスが酸素であるガスの発生方法。
【請求項１０７】
請求項６３において、燃料電池に使用される、ガスの発生方法。
【請求項１０８】
請求項６３において、ガス燃焼装置に使用される、ガスの発生方法。
【請求項１０９】
請求項６３において、呼吸装置に使用される、ガスの発生方法。
【請求項１１０】
化学物質を化学物質チャンバ内で、触媒の存在下で、生成ガスを含む生成物に分解する手段と、
前記化学物質を実質的に含んでいない生成ガスを、前記化学物質チャンバから気体透過性構造を通してガス貯蔵チャンバに通過させ、使用まで貯蔵する手段と、
前記各チャンバのうちの少なくとも１つのチャンバ内の圧力を一部として含む力を利用して、前記化学物質内で前記触媒を位置決めすることにより、前記生成ガスの生成速度を制御する手段と、
を備えたガス発生装置。
【発明の詳細な説明】
【関連出願】
【０００１】
本出願は、２００３年１１月１４日付の米国特許仮出願第６０/５２０,１４９号の利益を主張する。上記米国出願のは、ここでの言及により本明細書に組み込まれたものとする。
【背景技術】
【０００２】
現在、ほとんどすべての軍事用、産業用、および民生用の電子機器は、壁面のＡＣコンセント、ガス発生器、あるいは使い捨てまたは充電式の電池といった従来からの電力供給源によって電力を供給されている。これらの電力源はそれぞれ、固有の欠点を有している。そのような欠点の１つは環境を汚染することであり、ＡＣ発電プラント、ガス発生器、および電池が、それぞれ環境に有害な副産物（例えば、オゾン破壊ガスや電池の酸性廃棄物など）を生む。
【０００３】
この問題に対する環境に優しい解決策として、燃料電池が提案されている。しかし、解決策として採用されるには、燃料（例えば、水素ガス）は従来からの相当物と競合できる価格で、容易かつ安全に利用できなければならない。
【０００４】
可搬式ガス発生器は、必要に応じて高純度のガスを安全に生成できる。この種のガス発生器は、燃料電池の燃料として水素ガスを供給するうえで有用であり、あるいは他のガスを利用する装置に他の種類のガスを供給するうえで有用である。軍事用、産業用、および民生用の多様な用途への使用を期待されている燃料電池用の水素ガスの生成の場合、これらの市場に受け入れられる可搬式ガス発生器は、おそらくは軽量であり、機械的に簡潔であり、需要応答性に優れ（すなわち、当該燃料を使用する装置が電力を必要としているときにのみ、ガスを生成する）、どのような向きに配置しても作動することができ、また、生成の時点から装置に供給される時点まで蓄えられるガスの量がわずかであるように設計されて、可燃性でありあるいは他の潜在的危険性を有するガスを蓄えるということに関する安全上の懸念を最小限にするものであろう。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の原理による自動制御式可搬型ガス発生器、またはこれに対応するガス発生方法は、種々の可搬式発電用途のためのガスを、使用上の要求に応じてガスの生成速度を自動的に調節する方式で、生成する。この自動制御式ガス発生器は、可搬性を備えるとともに、軍事、産業、および民生用途に適した安全特性を有する。この自動制御式ガス発生器のいくつかの実施形態においては、自動制御方式の特徴によって、化学物質からガスを生成するのに使用される触媒の寿命が長くなる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の原理による一実施形態においては、ガス発生器は、ＮａＢＨ４溶液などの化学物質用チャンバを有している。化学物質の通路に対して閉じている少なくとも１つの部材が、白金などの触媒を含むか、あるいは白金などの触媒でコートされている。一実施形態においては、この部材が化学物質チャンバに対して運動して、触媒を化学物質に対して位置決めする。触媒の存在下で、化学物質チャンバ内において、化学物質が水素ガスなどの生成されたガスを含む生成物に分解する。さらに、このガス発生器はガス貯蔵チャンバを有し、この貯蔵チャンバは生成されたガスを、燃料電池によって電気エネルギーへの変換のために使用されるまで、あるいは他のガス消費装置によってその意図する目的に使用されるまで貯蔵する。この生成ガスは、化学物質チャンバからガス貯蔵チャンバまでの経路にある気体透過性構造（例えば、膜）を通過して移動する。この気体透過性構造は、触媒が配置されている部材上に位置してもよく、そのような部材内に位置してもよく、そのような部材から分離していてもよい。部材の位置、すなわち化学物質に対する触媒の位置をフィードバックシステムによって調節し、前記各チャンバの少なくとも１つのチャンバ内の圧力を一部として含む力を利用して、化学物質の存在内に触媒を位置決めすることにより、生成ガスの生成速度を制御できる。
【０００７】
前記部材は、多様な形態をとることができ、さまざまな方法で触媒を化学物質に対して位置決めできる。例えば、前記部材が、化学物質チャンバに対して平行移動してもよく、化学物質チャンバに対して回転してもよく、あるいは化学物質チャンバを含む本体に対して固定位置に保たれてもよい。当該部材の移動によって、化学物質に暴露される触媒の量を変化させることができる。この部材はセラミックであっても、あるいは随意に、熱伝導性材料で作られてもよい。いくつかの実施形態においては、前記部材をピストンとすることができ、その場合、中空のピストンであっても、中実のピストンであってもよい。中空ピストンの場合、前記部材は、１つの内部通路を有することができ、あるいは生成ガスが化学物質チャンバからガス貯蔵チャンバまでの経路においてピストンを通過して流れる複数の通路を形成する内部構造を有することができる。
【０００８】
いくつかの実施形態においては、前記部材は、部材に作用する力の平衡を生じる位置まで化学物質に対して移動する中実ピストンであって、前記力には、当該部材に機能的に接続されたばねによる力が含まれている。中実ピストンの実施形態においては、化学物質チャンバの境界面またはその一部分が気体透過性構造であってもよい。いくつかの場合には、気体透過性構造体は、生成ガスがほぼ全体の気体透過性膜を横切って通過する気体透過性膜であってよく、別の実施形態においては、気体透過性構造体が、気体透過性膜の部分と気体非透過性膜の部分とを含む。いくつかの中空ピストンの実施形態においては、前記部材を、気体透過性触媒層および気体透過性構造体でコートすることができる。
【０００９】
ガス発生器は、前記部材に接続された少なくとも１つの調整ばねを備えることができる。このばねにより、ガス貯蔵チャンバの圧力と部材の位置との間の関係を調節できる。
【００１０】
前記部材は、気体透過性構造体でコートすることができ、気体透過性構造体で覆うことができ、あるいは気体透過性構造体に一体化できる。さらに、前記部材は触媒のない部分を備えてもよく、そのような部分が、部材の長さに沿って位置することができる。前記部材がピストンとして機能する場合には、触媒のない部分は、ピストンの端部に位置してもよい。前記部材は、触媒のある部分および触媒のない部分を化学物質に対して位置決定して、触媒が化学物質に露出されないようにすることがきる。このような位置では、化学物質の分解が停止する。ガス発生器はさらに、部材から生成物を脱離させるように構成された「ワイパ」を備え、生成物または他の物質が部材に蓄積しないようにし、これにより触媒または部材そのものの寿命を延ばすことができる。
【００１１】
気体透過性構造体は、種々の形態を備えることができ、またはさまざまな機能を実行することができる。例えば、気体透過性構造体は、水素ガス（Ｈ２）などの気体を化学物質から分離することができる。気体透過性構造は、パラジウム（Ｐｄ）またはポリマーの構造を備えることができる。気体透過性構造体を、前記部材に機械的に接続することができる。
【００１２】
触媒は、さまざまな形態で実現することができる。例えば、触媒は、以下の触媒、すなわち金属、金属ホウ化物、またはポリマーのうちの少なくとも１つを含むことができる。触媒は、気体透過性構造体に取り付けても、気体透過性構造にコートしても、前記部材の非透過性の部分に取り付けても、あるいは部材の非透過性の部分にコートしてもよい。
【００１３】
本発明のガス発生器はさらに、別の形態を備えることもできる。例えばガス発生器は、ガス貯蔵チャンバが、ほぼ最大のガス容量など、所定のガス圧力に達したときに作動する容量インジケータを備えてもよく、あるいは化学物質がほぼ使い果たされたことを示す機能を備えてもよい。また、ガス発生器は、ガス貯蔵チャンバまたは化学物質チャンバの圧力が所定のしきい値を超えた場合に、それぞれのチャンバの圧力を低減する少なくとも１つの圧力解放弁を備えてもよい。さらに、ガス発生器は、生成ガスが外部装置での使用のために送り出される前に通過するフィルタを備えてもよい。別の実施形態においては、ガス発生器は、生成ガスが外部装置での使用のために送り出される前に通過する加湿材を備えてもよい。さらに、ガス発生器は、化学物質チャンバの既知の位置に対する部材の位置を検出するトランスデューサを備えてもよい。
【００１４】
フィードバックシステムは、生成ガスの生成速度を制御できる。フィードバックシステムは、（ｉ）ガス貯蔵チャンバと化学物質チャンバとの間、（ｉｉ）ガス貯蔵チャンバと基準圧力チャンバとの間、または（ｉｉｉ）化学物質チャンバと基準圧力チャンバとの間の圧力差によって発生する力を利用することができる。別の実施形態においては、ガス発生器は、少なくとも１つの部材に接続されたばねを備えることができ、フィードバックシステムは、部材に作用する少なくとも１つのチャンバの圧力と当該部材に作用するばねの力との間の差を利用できる。
【００１５】
化学物質は、さまざまな形態で提供できる。例えば、化学物質は、固体、液体、液体に溶解させた気体、または液体と、液体に溶解させた気体とからなる混合体であってもよい。化学物質は、水素化合物の化学物質、ＮａＢＨ４水溶液、またはＮａＢＨ４と少なくとも１つのアルカリ金属塩とからなる溶液を含むことができ、その場合、ＮａＢＨ４水溶液は、有効量の共溶媒または他の添加物を含むことができる。別の実施形態においては、化学物質は、触媒の存在下で分解して水素ガスを生成するＮａＢＨ４水溶液であり、この場合、触媒は、以下の触媒、すなわちルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）、レニウム（Ｒｅ）、およびニッケル（Ｎｉ）のうちの少なくとも１つから選択することができる。さらに別の実施形態においては、化学物質は、乾燥粉末で貯蔵されたＮａＢＨ４を含んでもよい。この乾燥粉末は、（ｉ）乾燥ＮａＢＨ４粉末を収容している膜を破壊すること、あるいは（ｉｉ）ガス発生器を振動、または圧迫すること、または（ｉｉｉ）前記膜に孔を空けること、のいずれかによって所定の液体と混合させることができる。
【００１６】
生成ガスは、種類の異なるさまざまなガスであってよい。２つの例として、水素ガスおよび酸素（Ｏ２）ガスが挙げられる。これらのガスは、例えば（ｉ）水素ガスと酸素とを反応させて電気を発生する燃料電池用、（ｉｉ）水素ガスを燃焼させるトーチ、または（ｉｉｉ）ほぼ純粋な酸素を医療患者に供給する酸素呼吸装置など、さまざまな用途に使用できる。これら２つのガスのいずれかを使用する他の多数の用途が存在し、さらに別のガスを使用する他の用途も存在することは理解されるべきである。なお、本発明の原理は、本明細書に記載の実施形態の例によって生成される種類のガスに限定されるものではなく、また、そのようなガスの種類によっても限定されるものでもない。
【００１７】
本明細書に記載するガス発生器の実施形態のいくつかは、これを多数の用途について有用なものとする以下の安全な作動形態のいくつか、またはすべてを含む。それらの形態としては、順不同であるが、消費速度に一致するのに充分なガスの自動生成、小型または大型の設計、自由な配置方向、高度のシステム安全性、および暴走反応を生じないように水素ガスまたは他のガスの生成を自動制限することが挙げられる。例えば、水素ガスの圧力が高くなり過ぎた（すなわち、水素ガスが過剰に生成されている）場合、システムを自動停止できる。
【００１８】
本発明の前記の目的、特徴および利点、ならびに他の目的、特徴および利点が、添付の図面に示されている本発明の好ましい実施形態についての以下のさらに詳しい説明から、明らかになるであろう。同一の参照符号は、異なる図面においても同一部品を指すものとする。図面は必ずしも縮尺通りではなく、本発明の原理を示すことに重点が置かれている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下に、本発明の好ましい実施形態を説明する。
【００２０】
図１は、本発明の原理によるガス発生器１０を使用できる燃料電池の用途の図である。燃料電池の用途においては、ガス発生器１０は、水素ガスを生成して燃料電池１１に送る。燃料電池１１は、当技術分野において周知のとおり、水素ガスと酸素ガスとを反応させて電気４４を発生する。燃料電池１１は、個人用娯楽装置１２ａ（例えば、ＭＰ３プレイヤー）、リモコンカー１２ｂ、またはポータブルコンピュータ１２ｃなど、電力を消費する装置に電気４４を供給する。燃料電池の他の用途としては、軍事用の電子機器、産業用の電子機器（例えば、印刷機）、または民生用の電子機器（例えば、携帯電話機、携帯情報端末（ＰＤＡ）、など）が挙げられる。
【００２１】
一般に、燃料電池は、自身が生成している出力に応じた速度で水素ガスを消費する。典型的な燃料電池が、２００１年１１月６日に発行された米国特許第６，３１２，８４６号に記載されており、その全内容は、ここでの言及により本明細書に組み込まれたものとする。この特許においては、いくつかの実施形態では、電池の構成を負荷に応じて動的に変更できる燃料電池が述べられている。例えば、負荷が大きいとき、燃料電池は、より多くの燃料を消費して出力の要求に適合するように燃料電自身を動的に構成することができ、負荷が小さいときには、燃料を保存するように燃料電池自身を動的に構成することができる。
【００２２】
ガス発生器１０、燃料電池１１、またはこれらの一体化した組み合わせは、さまざまなサイズおよび構成としてよい。しかし、本発明の原理を説明する目的のためには、これらの装置の絶対的サイズおよび相対的サイズの両方、ならびに接続の態様は重要ではない。重要なのは、（ｉ）ガスを生成するプロセスおよびガス発生器の実施形態例、および（ｉｉ）燃料電池１１によるガス使用の速度とガス発生器１０によるガス生成の速度との間の関係である。燃料電池１１用のガスを生成の例においては、ガス発生器１０は水素ガスを生成する。
【００２３】
水に溶解させた金属水素化物または他の適切な固体反応剤の反応によって、比較的純粋な水素ガスを生成できることは周知である。特定の１つの水素化物、すなわち水素化ホウ素ナトリウムＮａＢＨ４が、好都合かつ安全な水素ガスの発生源として５０年以上にわたって使用されてきた。ＮａＢＨ４粉末が水に溶解するとき、わずかにアルカリ性であり、圧力が低く、不燃性の溶液が生成される。この水溶液が、選択された金属、金属の組み合わせ、または金属ホウ化物触媒に接触するか、あるいは加熱されると、水素ガスが水溶性のホウ酸ナトリウムと共に急速に放出される。この触媒によって促進される分解（加水分解）反応は、以下の式で表わされる。
【００２４】
【数１】
2007518547.tif 000003
【００２５】
加水分解反応を記述した式１においては、水（Ｈ２Ｏ）が反応物であって、２つの水分子が消費されて４つの水素分子が生成される。この反応が継続して水素ガスを生成するのに伴い、触媒の近傍の残りのＮａＢＨ４溶液は、自由水が少なくなるために、ＮａＢＨ４の濃度が高くなる。ＮａＢＨ４溶液全体における水の供給が減少しても、直接的な問題とはならないが、式１の他方の反応生成物であるホウ酸ナトリウムＮａＢＯ２は、水の存在が少ない中で生成される。この結果、触媒の近傍において溶液の濃度がさらに高くなる。ホウ酸ナトリウムは水溶性であるが、水溶性がきわめて高いというわけではない。これは、水素ガスが生成され、同時にＮａＢＯ２生成物が生成されるときに、ＮａＢＯ２の一部が沈殿を開始して、触媒上または触媒の近傍に堆積する可能性があることを意味する。ＮａＢＯ２が触媒上に堆積すると、最終的には、触媒または他のガス発生装置の後続の活性を弱める可能性がある。これは、ＮａＢＨ４溶液が触媒に接するときは常に深刻な問題となりうる。
【００２６】
この問題を克服するため、本発明の原理によるガス発生器１０のいくつかの実施形態において示されるとおり、ガス発生器１０は自動制御方式で触媒を接触させる（例えば、触媒を移動させてＮａＢＨ４溶液中に出し入れする）。ピストン方式の実施形態においては、触媒の位置（すなわち、選択された触媒がＮａＢＨ４溶液中に浸漬される深さ）によって、水素の生成速度が制御される。この装置におけるＮａＢＨ４溶液の容器が、触媒の表面積に対して相対的に大きいため、水素ガス生成の間に生成されるＮａＢＯ２のいくらかが、可溶性のまま溶液中に残る傾向にある。たとえ、ＮａＢＯ２の溶解度の限界を最終的に超えた場合でも、ＮａＢＯ２はＮａＢＨ４溶液のどこかに凝結および堆積し、必ずしも触媒の表面には凝結および堆積しない。したがって、触媒の寿命が延びる。
【００２７】
さらに、ピストン方式の実施形態においては、ピストン上に支持された触媒がＮａＢＨ４溶液に浸漬される深さが、機械的に簡単な圧力に関係するフィードバックシステムによって制御される。このフィードバックシステムは、燃料電池または他の水素ガス利用装置による水素ガスの消費量に起因する、水素ガスの圧力の増減を自動的に検知する。言い換えると、燃料電池１１の電気負荷が小またはゼロである場合など、水素ガス消費装置が少量の水素ガスしか必要としていないときは、水素ガス発生器１０がこの需要の減少を検知し、水素ガスの生成を中止する。さらに、水素ガスの生成速度を制御するフィードバック制御システムは、いくつかの実施形態においては機械的に簡潔、すなわち大規模な、あるいは高価な圧力検出フィードバックコントローラおよび／または機械式ポンプを含まない。本発明の原理により、機械的な構成要素が化学物質容器内で触媒に接触しているため、ガス発生器１０は、化学物質（例えば、ＮａＢＨ４溶液）を移動させるための電気駆動式機械ポンプまたは吸上剤を必要とせずに動作可能である。したがって、この構成は、潜在的に低コストの可搬の用途に適しており、配置方向に左右されない。
【００２８】
ピストン以外の、触媒を化学物質の存在中に置く中空または中実の部材を使用する、他の実施形態も、本発明の原理の技術的範囲に含まれる。例えば、回転する円板、ロッド、球、またはこれらの組み合わせに触媒を取り付け、化学物質に接触させる触媒の量を増減させることによって、化学物質を触媒に接触させることができる。触媒を回転させる実施形態におけるフィードバックシステムは、平行移動（例えば、ピストン方式）の実施形態と同様であっても相違してもよい。平行移動または回転の実施形態に対応する典型的なフィードバックシステムを、後で説明する。それらピストン、円板、球、などを、本明細書においては広く「部材」と称することがある。この部材は、化学物質の通路に対して閉じており、化学物質と相互作用する。化学物質の「通路に対して閉じている」とは、化学物質が部材に侵入することが実質的になく、あるいは別のいくつかの実施形態においては、化学物質の一部は侵入するが、化学物質がガス貯蔵チャンバに流れ込むのを防止する構造を備えていることを意味する。
【００２９】
いくつかの実施形態においては、触媒および化学物質によって生成された生成ガスは部材を通過する。別の実施形態においては、部材が中実であって、ガスは部材を通過することなく、化学物質チャンバからガス貯蔵チャンバに流れ込む。
【００３０】
本明細書において記載する説明例は、燃料電池の用途に使用される水素ガスの生成を主として説明する。燃料電池の用途においては、水素ガスが、特定の水素化物の水溶液から生成されるが、ガス発生器１０は、特定の水素化物または特定の水溶液から水素ガスを生成することには限定されない。より幅広く、一般的な意味において、本明細書に記載の概念および機械的設計は、任意の気体、液体、混合物、または固体の化学物質から、選択された触媒、装置、または素子によって特定のガスが自動制御方式で生成される、任意のガス生成システムに広く適用できる。
【００３１】
いくつかの実施形態においては、触媒を動かして、大きな体積のＮａＢＨ４の化学物質中に出し入れする、小さな部材（例えば、ピストンまたは円板）に触媒を取り付ける。これは、小さなピストンまたは円板を動かすことが、相対的に大量の液体化学物質を移動させることに比べて容易であり、安全であり、少量のエネルギー消費で済むという点で、化学物質を触媒に対して移動させるよりも有利である。
【００３２】
図２Ａは、図１の自動制御式ガス発生器１０ａの第１の実施形態を示している。このガス発生器は３つのチャンバ、すなわち化学物質チャンバ４１（左側）、生成ガス貯蔵チャンバ４０（中央）、および基準圧力チャンバ２６（右側）を有する。
【００３３】
燃料電池１１用の水素ガスを生成する場合には、例えば、化学物質チャンバ４１がＮａＢＨ４水溶液４２を貯蔵している。なお、本明細書で説明する一般的設計概念は、水素化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＨ４）に限定されるものではなく、実際、水素化物の化学物質に限定されるものでもない。いかなる固体、液体、気体も、適当な条件下で、選択された触媒に接触させることにより所望の特定のガス（例えば水素ガス）を生成可能であれば、ＮａＢＨ４の代わりに用いることができる。
【００３４】
図２Ａの実施形態においては、化学物質チャンバ４１とガス貯蔵チャンバ４０とは、固体壁すなわち隔壁１６によって隔てられており、この隔壁を貫通する孔１８が、切削または成形により設けられている。中空ピストン３０ａなどの部材３０ａが、この孔１８に嵌め込まれている。孔１８は、好ましくはピストン３０ａの断面形状に一致している。中空ピストン３０ａは、２つのチャンバ４０、４１間を容易に往復移動できるように設計および構成されている。中空ピストン３０ａは適切に装着されたシール（例えば、Ｏリング）２２を介してスライドし、このシールは、液体または気体がピストン３０ａと壁１６との間を通り、化学物質チャンバ４１からガス貯蔵チャンバ４０へ、あるいはその逆向きに移動することが実質的にないように、孔１８内に装着されている。なお、ピストン３０ａは、円形でない断面形状（例えば、矩形または楕円形）を有していてもよく、内部の空洞またはチャネル３４が複数のチャネルに分割されていてもよい（すなわち、ピストン３０ａが内部の支持壁または支持構造（図示されていない）を備えていてもよい）。
【００３５】
図２Ａの実施形態においては、ガス貯蔵チャンバ４０は、隔壁１６、弾性または「スプリング」ダイアフラム５０ａ、およびおそらくはガス発生器１０ａの本体７８の一部によって画定されている。ガス貯蔵チャンバ４０は、１つ以上のガス出口１４を備えることができ、生成されたガス４３が、この出口１４によって、燃料電池１１または例えば水素ガス燃焼エンジンなどの他のガス消費システムに制御可能に放出される。ガス貯蔵チャンバ４０の最小容積および最大容積は、必要とされる過渡応答に基づいて決定できる。すなわち、ガス貯蔵チャンバ４０に求められる貯蔵可能なガスの容積を、当技術分野において公知の手法によって決定できる。
【００３６】
基準圧力チャンバ２６は、通気口２７を通して外気圧または他の基準圧力に通気することができる。ガス発生器１０の絶対動作圧力を設定するこの基準圧力は、弾性ダイアフラム５０ａに一定の逆方向力を加える。弾性ダイアフラム５０ａは、ダイアフラムの外周に位置する周縁シール２９により、ガス貯蔵チャンバ４０内の生成ガスが基準圧力チャンバ２６内に漏れることを封止されている。この実施形態においては、弾性ダイアフラム５０ａが、ガス貯蔵チャンバ４０と基準圧力チャンバ２６との間の圧力差の関数として膨張および収縮する。
【００３７】
ピストン３０ａは、弾性ダイアフラム５０ａに取り付けられ、弾性ダイアフラム５０ａが収縮するときに、化学物質チャンバ４１内に突き出し、膨張するときに化学物質チャンバ４１から引き戻される。ばね６５が弾性ダイアフラム５０ａにバイアスを加え、次にピストン３０ａにバイアスを加えることにより、ある一定の力によって弾性ダイアフラム５０ａにバイアスをかけることができる。圧力およびばね力がどのようにガスの生成に影響を与えるかについての詳細は、図２Ａについて説明の続きおよび図４Ａ〜４Ｃについての説明を参照して以下に示す。それらの説明に先立ち、ピストン３０ａおよびピストン３０ａに取り付けられた触媒３２についての詳細を、図３を参照して示す。
【００３８】
図３は、図２Ａの中空ピストン３０ａの拡大図である。中空ピストン３０ａは、水素ガス（あるいは広い意味では、対象とする任意のガス）が通過可能な種類の気体透過性構造体３６（例えば、フィルム、膜、または他の適切な多孔性材料）で構成でき、そのような構造体で覆う（例えば、筒）ことができ、あるいはそのような構造体でコートすることができる。ただし、水、水蒸気、あるいはＮａＢＨ４、ＮａＢＯ２、またはＮａＯＨなどの溶解している塩は、この気体透過性構造体３６を通過できない。言い換えると、中空ピストン３０ａを囲む気体透過性構造体３６は、水またはＮａＢＨ４の分子よりも、水素ガス分子（例えば）が透過性しやすい。この結果、化学物質チャンバ４１において生成された水素ガスが、この気体透過性構造体３６を優先的に通過する。生成ガス４３を空洞３４からガス貯蔵チャンバ４０に排出するため、ピストン３０ａの右側にガス出口孔５１が設けられている。
【００３９】
パラジウム金属箔など、水素ガスに適した気体透過性構造体３６の例は、当技術分野において周知である。他の例としては、水素ガス（または、任意の適切なガス）などの小型分子の通過を可能にするように意図的にエッチングしたポリプロピレンなど、ポリマー材料が挙げられるが、これらに限定されるものではない。さらに別の例としては、ＰＢＯ（ポリフェニレン‐２，６‐ベンゾビスオキサゾール）またはＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）などの多孔性の気体透過ポリマーが挙げられる。あるいは、シリコーン・ゴムなどの材料も使用可能である。
【００４０】
さらに図３を参照すると、中空ピストン３０ａが、孔または細孔などの気体透過性要素（図示されていない）で覆われ、あるいはそのような要素を有している。これらの気体透過性要素を、選択された触媒３２の薄い層と共に選択的に被覆または埋設することができる。別の実施形態においては、触媒を、ピストン側面の、気体透過性要素の横、あるいは近傍の部分に、設けることができる。
【００４１】
さらに別の実施形態においては、選択された触媒３２を、気体透過性構造体３６の上に形成するか、または気体透過性構造３６に取り付けるか、あるいは気体透過性構造体３６の近傍に堆積することにより、触媒３２が気体透過性構造体３６の細孔に近接するか、あるいは気体透過性構造３６の細孔を覆うようにしてもよい。
【００４２】
ピストンの化学物質側端部３５を、被覆せずに残すか、あるいは非触媒材料３５で覆い、これにより、ピストン３０ａが化学物質４２から完全に引き出されたときに、ガスが生成されることを防止する。
【００４３】
気体透過性構造体３６またはピストン３０ａの表面は、「窪み」または他の凹状のパターンを備えるように特別に設計され、この窪みが触媒３２を保持することにより、構造体３６またはピストン３０ａの表面が平滑になる。気体透過性構造３６またはピストン３０ａの平滑な表面は、Ｏリング２２（図２Ａ）との緊密なシールを形成および維持することにより、化学物質チャンバ４１およびガス貯蔵チャンバ４０の内容物の分離を維持する。触媒３２および気体透過性構造体３６の位置は同じ位置に配置してよく、これにより、化学物質４２と触媒３２との間の化学反応の結果として形成される気泡３３が、圧力差によって速やかに気体透過性構造体３６への通過路を見出せる。このピストン３０ａの実施形態においては、気泡３３内の水素ガスが、細孔を通ってピストン３０ａの空洞３４に流れる。
【００４４】
選択される触媒３２の特定の種類は、ＮａＢＨ４溶液の分解に触媒作用を及ぼすことが知られている種類の触媒である。一般的には、任意のガス生成触媒を選択することができる。触媒の例としては、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）、レニウム（Ｒｅ）、およびニッケル（Ｎｉ）などの金属、金属の組み合わせ、または金属ホウ化物が挙げられる。これらの触媒は、当技術分野において周知のとおり、単体で、あるいは相互に組み合わせて使用することができる。あるいは、気体透過性構造体３６を、水素ガスに対して透過性であるだけでなく、ＮａＢＨ４溶液の分解に対して触媒作用を及ぼす金属または他の任意の材料で作製してもよい。そのような構造体３６の例としては、パラジウム、パラジウム合金などの触媒的に活性な外表面を有する遷移金属膜、または水素ガス透過性構造体３６とＮａＢＨ４溶液の分解に対して触媒的に活性である表面を有する任意の積層膜が挙げられる。
【００４５】
再度図２Ａを参照すると、触媒によってコートされた中空ピストン３０ａが、ＮａＢＨ４水溶液４２を収容する化学物質チャンバ４１と生成されたガス４３を収容するガス貯蔵チャンバ４０との間で、自由に移動可能である。中空ピストン３０ａは、完全に化学物質チャンバ４１内に位置するか、完全にガス貯蔵チャンバ４０内に位置するか、あるいは２つのチャンバ４０、４１の中間のどこかに位置することができる。
【００４６】
本明細書に記載の気体発生器１０ａを、スポンジ状の吸収材料（図示されていない）をガス貯蔵チャンバ４０内に意図的に配置して構成することにより、化学物質チャンバ４１から漏れるか、あるいはチャンバ４１から通過してきたＮａＢＨ４溶液（または、凝縮した他の液体）を吸収（あるいは、中和も）することができる。
【００４７】
中空ピストン３０ａまたは隔壁１６は、燃料がガス貯蔵チャンバ４０内に漏れるのを防止し、あるいは別の方法で性能を改良するように設計されている。例えば、すでに述べたとおり、ピストン３０ａの左端３５（すなわち、ＮａＢＨ４溶液４２に挿入される端部）は、中実の非透過性材料３５または場合により端部キャップ３５とも称される分離部材によって密封されている。非透過性材料３５または端部キャップ３５は、ＮａＢＨ４溶液が中空ピストン３０ａに侵入して水素ガス貯蔵チャンバ４０内まで通過することを防止する。さらに、非透過性材料３５または端部キャップ３５は、ピストン３０ａが完全に引き出されたとき（すなわち、水素ガスの需要がゼロ（または極小）であってピストン３０ａが完全にＮａＢＨ４溶液４２の外にある場合）に、化学物質４２がガス貯蔵チャンバ４０内に漏れるのを防止することに役立つ。
【００４８】
やはりすでに述べたとおり、適切なシール２２（例えば、Ｏリングまたは他の適切な封止部材）を隔壁の孔１８に装着し、化学物質が２つの経路を通ってガス貯蔵チャンバに漏れるのを防止する。ここで、２つの経路とは、（ｉ）ピストン３０ａの側面に沿った経路、および（ｉｉ）シール２２と隔壁１６との間の経路である。さらに、ピストン３０ａをブラシ１３または他の柔軟な機構（ワイパ）を通過してスライドするか、またはそれらの近傍を通過するように設計し、それら機構をピストン３０ａと逆方向に動かすことにより、ピストン３０ａへの固体生成物の付着または堆積を防止または減少できる。この付着物防止作用によって、触媒の寿命が効果的に延びる。ピストン３０ａにブラシ１３が接触する平滑な表面を持たせることによって、それらの性能が向上する。
【００４９】
他のブラシ構成を用いて付着物防止作用を実現することも可能である。なお、ブラシ１３が、ピストン３０ａの運動に対して大きな抵抗を与えるものではない。
【００５０】
図２Ａに示したガス発生器１０の動作においては、ピストン３０ａは、弾性ダイアフラム５０ａに取り付けられており、したがってガス貯蔵チャンバ４０の圧力に応じて移動する。一定の抵抗力が、基準圧力チャンバ２６の圧力によって右から左の方向に加えられている。さらに、基準圧力チャンバ２６は、弾性ダイアフラム５０ａに向けられた基準圧力を増強するばね６５を備えることもできる。また、基準圧力チャンバ２６が通気されていない場合は、チャンバ内に蓄えられて閉じ込められた不活性ガスが、空気ばねとして作用する。このように、化学物質４２が触媒３２と反応する結果として、化学物質４２内のガス圧が上昇することにより、ピストン３０ａが次第に右方向に移動するにつれ、弾性ダイアフラム５０ａまたはばね６５が、次第に強く中空ピストン３０ａの運動に抵抗するようになる。
【００５１】
図２Ａの自動制御式ガス発生器１０ａの動作を詳しく説明している図４Ａ〜４Ｃについて述べる前に、図２Ａに示したガス発生器１０ａの実施形態の起動プロセスについて、簡単に説明する。次に説明する起動プロセスは、図２Ｂにも当てはまる。
【００５２】
図２Ａを参照すると、最初の使用の前は、化学物質４２の圧力は大気圧であり、貯蔵の間に化学物質が漏れるのを防止している。また、ガスが生成されないように、化学物質４２を触媒ロッド３０ａから隔離している。第１の出荷状態シナリオにおいては、これは、出荷時に、ピストン３０ａを化学物質チャンバ４１から完全に引き出して、ロックピン（図示せず）、他の適切な機構、または例えば、ピストン３０ａを「ロック」位置まで回転させるなどによりロックされる位置に固定しておくことで可能になる。ピストン３０ａのロックを解除すると、ばね６５によるピストン３０ａに作用する力が、ピストン３０ａを右から左の方向に化学物質４２の中へ移動させる。
【００５３】
第２の出荷状態シナリオにおいては、触媒３２を化学物質４２の外部に維持する位置にピストン３０ａをロックした状態でガス発生器１０ａを出荷するのではなく、化学物質４２を、化学物質の各成分を隔離することによって、使用前に不活性化することができる。この第２の出荷状態シナリオにおいては、化学物質の各成分が、おそらくは分離膜（図示されていない）を破ることによって、あるいは最終的に混合される化学物質ペレットを粉砕または添加することによって、活性な化学物質４２を生成することにより、使用の直前に混合される。他にも多数の出荷状態が可能であることは理解されるべきである。
【００５４】
第２の出荷状態シナリオに関しては、化学物質が不活性であるため、出荷時において触媒ロッド３０ａが完全に突き出た状態（すなわち、右から左の方向に力を加えているばね６５の力によって左方向に突き出た状態）でもよい。ひとたび化学物質が活性化され、触媒ロッド３０ａが化学物質４２内に完全に突き出ると直ぐに、ガス生成物が発生する。
【００５５】
この時点では、外部装置１１の要求するガスの量はゼロである。化学物質燃料の圧力が当初は大気圧であるため、中空ピストン３０ａの気体透過性構造体３６の内外の差圧は存在せず、生成されたガスを、中空ロッド３０ａを通ってガス貯蔵チャンバ４０に押し出す力は存在しない。したがって、生成されたガスは、触媒ロッド３０ａから「気泡となって離れ」、化学物質チャンバ４１の上部に浮き上がる。生成されたガスが化学物質チャンバ４１にとどまるため、化学物質チャンバ４１の圧力が上昇する。化学物質チャンバ４１の圧力が上昇するにつれ、ロッド３０ａの左端３５へと圧力が加わり始め、抵抗ばね６５に逆らってロッド３０ａを右方向に移動させる。このばね６５が、触媒を化学物質４２から徐々に取り去る。同時に、透過性構造体３６の両側の差圧が増加し、生成されたガスが化学物質燃料チャンバ４１内で泡となるのではなく、優先的に触媒ロッド３０ａ内へと流入し始める。生成されたガス４３によって、ガス貯蔵チャンバ４０内の圧力が上昇を開始し、これが弾性ダイアフラム５０ａに、すなわちピストン３０ａに、左から右方向への力を加える。薬品燃料チャンバ４１の圧力がさらに上昇し、より多くのガスがガス貯蔵チャンバ４０内に流入するにつれ、ピストン３０が触媒３２を化学物質４２から完全に引き出されて位置に到達する。燃料電池１１がオンに切り換わるまでは生成されたガス４３に対する需要がないため、この時点では、ガス発生器１０ａは、調節されたガスを需要に応じて送り出す準備のできた「準備完了」状態にある。
【００５６】
別の実施形態である図５Ａ、５Ｂ、６Ａ、７、および８の起動手順も、それらが中空ロッド３０ａおよびダイアフラム５０ａを使用しない点を除き、図２Ａの起動手順と同様である。これら中実ロッド３０ｂの場合には、最初の使用の前に、化学物質４２と触媒３２との分離が同様に必要である。最初の起動時、触媒ロッド３０ａがばね６５によって化学物質４２内に完全に突き出され、化学物質の圧力は基準圧力と同じである。生成されたガスが増加し、化学物質４２を通って化学物質チャンバ４１の上部に浮き上がり、最終的に透過性構造体３６に接触して留まる。次いで、ガスは、化学物質４２とガス貯蔵チャンバ４０との間の差圧が増加することによって、透過性構造体３６を通過してガス貯蔵チャンバ４０に流れ込む。化学物質の圧力が増すにつれ、触媒ロッド３０ａが左から右方向に移動して、最終的に化学物質４２の外側に移動し、これによりガスの発生は停止する。燃料電池１１はオンに切り換えられるまではガスを必要としないため、この時、ガス発生器１０は、調節されたガスを需要に応じて送り出す準備のできた「準備完了」状態にある。
【００５７】
次に図４Ａを参照すると、出荷時においてピストン３０ａは「ロック」位置で、すなわち第１の出荷状態シナリオに関してすでに説明したように、ピストン３０ａ（および触媒３２）が完全にＮａＢＨ４溶液４２の外に位置する。ユーザが、掛け金、戻り止め、または他の固定機構（図示なし）を解放することによってピストン３０ａを「ロック解除」位置に設定し、ピストン（および触媒３２）をＮａＢＨ４溶液４２に進入させ、これにより、以下で説明する自動調節プロセスが開始される。
【００５８】
さらに図４Ａを参照すると、自動調節プロセスの開始は、最初にピストン３０ａを完全に化学物質チャンバ４１内に位置させることで開始する。図２Ａの起動手順に関してすでに説明したように、ピストン３０ａ上の触媒３２をＮａＢＨ４溶液４２に接触させることで、水素ガスが触媒反応によって生成される。この水素ガス生成工程において、ＮａＢＨ４溶液４２内で触媒３２の近傍に水素ガスの気泡３３が形成され、凝集して気体透過性構造体３６に接触する。これらの気泡３３が、差圧によって気体透過性構造体３６を通過させられる。次いで、気泡３３を出て中空ピストン３０ａに入った後、ガス４３は中空ピストン３０ａを通過して移動し、ガス発生器１０ａの水素ガス貯蔵チャンバ４０に入る。
【００５９】
触媒でコートされたピストン３０がＮａＢＨ４水溶液４２に浸漬される深さが、水素ガスの生成速度を最終的に決める。触媒でコートされたピストン３０ａが、完全に化学物質チャンバ４１内に押し込まれている場合（図４Ａ）、大きい触媒表面積でＮａＢＨ４溶液４２に接触するため、水素ガスの生成速度は最大値になる。
【００６０】
図４Ｂでは、触媒でコートされた中空ピストン３０ａが、化学物質チャンバ４１とガス貯蔵チャンバ４０との間に位置している。この場合、水素ガスの生成速度は、最大の水素ガス生成速度とゼロとの間であり、ガスの需要の変動に適応する典型的な動作状態を表わしている。
【００６１】
図４Ｃでは、ピストン３０ａが、完全にガス貯蔵チャンバ４０内にある。この場合、触媒３２がＮａＢＨ４溶液４２に接触していないため、ＮａＢＨ４溶液４２から水素ガス４３が生成されない。ピストン３０ａが完全にガス貯蔵チャンバ４０にある限り、水素ガスの生成速度はゼロのままである。
【００６２】
ガス発生器１０の基本的な動作原理を説明してきたが、次にフィードバックシステムおよびガス発生器１０のフィードバックシステムがどのように作動するかについて、詳しく説明する。
【００６３】
一般に、フィードバックシステムは、チャンバ４０、４１の少なくとも一方の圧力によって一部が発生する力を利用して化学物質４１内の触媒３２を位置決定して、生成されるガス４３の生成速度を制御する。フィードバックシステムは、いくつかの実施形態においては、以下の構成要素、すなわちピストン３０ａ、弾性ダイアフラム５０ａ、ばね６５、基準圧力チャンバ２６、ガス貯蔵チャンバ４０、または化学物質チャンバ４１のうちの一部を備えることができる。
【００６４】
図４Ｃを参照すると、ピストン３０ａの位置は、４つの力、すなわち（１）化学物質チャンバ４１内の圧力によりピストン３０ａの左端３５に左から右方向に加わる力、（２）弾性ダイアフラム５０ａに左から右方向に作用して、ピストン３０ａに左から右方向への力を加えるガス貯蔵チャンバ４０内のガス４３の圧力、（３）弾性ダイアフラムに右から左方向に作用して、ピストン３０ａに右から左方向に力を加える基準圧力チャンバ２６の圧力、および（４）ばね６５によってピストン３０ａに加えられる力、の平衡によって決定される。
【００６５】
本明細書に記載の別の実施形態も、フィードバックシステムの一部として同一構成要素または別の構成要素を備えることができる。本明細書に記載のフィードバックシステムを構成している構造または機能に代え、あるいはそれらと連携させて、当技術分野において周知の均等な構造および機能を利用することもできる。
【００６６】
次に図２Ａおよび４Ａ〜４Ｃの気体発生器１０ａの動作について述べる。水素ガスに対する需要が存在する（すなわち、燃料電池または他の水素ガス消費装置が負荷状態にあり、水素ガスを消費している）場合、ガス貯蔵チャンバ４０内のガス圧が低下する。水素ガスの圧力が低下するにつれて、弾性ダイアフラムまたは可撓ダイアフラム５０ａの膨張が減少し、したがって左方向に（すなわち、化学物質チャンバ４１に向かって）移動し、これによってガス貯蔵チャンバ４０の容積が減少する。可撓壁５０ａが左方向に移動すると同時に、触媒でコートされたピストン３０ａが左方向に押され、ＮａＢＨ４溶液４２内に押し込まれる。これにより、ＮａＢＨ４溶液４２に接触する中空ピストン３０ａ上の触媒３２の表面積が大きくなるため、水素ガスの生成速度が増加する。
【００６７】
ＮａＢＨ４溶液４２中で触媒３２の作用によって生成された水素ガスは、気体透過性構造体３６を通過し、中空ピストン３０ａを通り、水素ガス貯蔵チャンバ４０に向かって急速に拡散する。これにより、水素ガス貯蔵チャンバ４０内の水素ガス圧力が急速に上昇する。生成された水素ガス４３が燃料電池１１（図１）または他の水素ガス消費装置によって継続して利用されている限り、ガス貯蔵チャンバ４０内の水素ガスの圧力は低いままである。触媒でコートされたピストン３０の大部分が化学物質チャンバ４１内にあり、発生器１０ａは負荷に比例した速度で水素ガスの生成を続ける。
【００６８】
一方、燃料電池１１の負荷が減少し、生成される水素ガスが生成速度と等しい速度で使用されない場合、使用されない水素ガス４３がガス貯蔵チャンバ４０内に蓄えられる。水素ガス貯蔵チャンバ４０内の水素ガスの圧力が（化学物質チャンバ４１内の圧力に対して）上昇することで、弾性ダイアフラム５０ａが押されて、基準圧力チャンバ２６に向かって移動する。弾性ダイアフラム５０ａが右方向に移動するとき、同時に、触媒でコートされたピストン３０ａがＮａＢＨ４燃料溶液４２から外に引き出され、この結果、ＮａＢＨ４溶液４２に接触する触媒３２の量が減少する。この結果、水素ガス生成反応が、使用速度に一致するまで減速され、ガスの需要がゼロであるときは、水素ガスの生成反応が減速されて停止に至る。このように、このガス発生器１０の機械式フィードバックシステムは、きわめて少数の可動部分しか含まず、自動制御方式で作動して水素ガスの生成を高速度で調節する。
【００６９】
燃料電池１１の負荷が再び増大し、燃料電池１１（または、他の水素ガス利用装置）が再び水素ガスの使用を開始すると、ガス貯蔵チャンバ４０内の水素ガスの容積および圧力が減少し始める。この圧力の低下により、弾性ダイアフラム５０ａは、再び左方向に移動する。この移動が、同時に、触媒でコートされた気体透過性の中空ピストン３０ａを再びＮａＢＨ４溶液４２に押し込み、すでに述べたとおり水素ガスの生成速度を再び増加させる。触媒でコートされたピストン３０ａがＮａＢＨ４溶液４２に出入りするこの運動は、自動制御式である。溶液に出入りするピストン３０ａの運動は、化学物質を攪拌して均一な溶液組成を実現し、かつクリーニング作用を発揮して反応残余物または他の堆積物（図示されていない）をピストン３０ａから取り除くという追加の効果も有する。
【００７０】
なお、本発明の原理は上述の実施形態のみには限定さない。別の機械的および構造的実施形態も、同じ自動制御式のガス発生機能を達成できる。それら別の実施形態も、触媒でコートされたピストンまたは他の可動部材、気体透過性構造体、および圧力フィードバックシステムを使用することができる。別の実施形態およびその構成要素は、構成、形状、サイズ、圧力、ガス流量、孔の構成、個々の構成要素の動き、およびその他の態様に関して、図２Ａの実施形態と異なっていてもよい。そのような構成、およびそれに関連する設計上のトレードオフは、当技術分野において理解されており、そのいくつかを以下で説明する。
【００７１】
例えば、図２Ｂは、図２Ａのガス発生器１０ａの別の実施形態である。この実施形態においては、弾性ダイアフラム５０ｂが、剛壁６０と、周縁シール２９を有する可撓封止ベローズ５２とを備える。ベローズ５２は、調整式の機械式ばねまたは気体式ばね６５を押し付けることによって、圧力変化に応答する。別の実施形態においては、ベローズ５２の復元力および基準圧力チャンバ２６内の圧力が十分であり、ばね６５を省略できる可能性もある。弾性ダイアフラム５０ｂ（図２Ｂ）と弾性ダイアフラム５０ａ（図２Ａ）との間の相違を除き、図２Ｂのガス発生器１０は、図２Ａのガス発生器１０ａとほぼ同じように作動する。
【００７２】
別の例としての、ガス発生器１０ｂの実施形態を図５Ａおよび５Ｂに示す。これらの実施形態では、触媒３２が中実ピストン３０ｂ上に堆積され、あるいは中実ピストン３０ｂに組み込まれており、さらに気体透過性構造体３６を含むブラダー（bladder）が化学物質チャンバ４１の少なくとも一部分を形成する。これらの実施形態においては、気体透過性構造体３６がピストン３０ｂから離れて、ＮａＢＨ４溶液４２の周囲の部分に設置され（図５Ａ）、あるいはＮａＢＨ４溶液４２を囲んでいる（図５Ｂ）。触媒でコートされたピストン３０ｂの近傍で生成された水素ガスの気泡３３は、ＮａＢＨ４溶液４２を通って拡散し、気体透過性構造体３６を通過してガス貯蔵チャンバ４０内に入る。
【００７３】
図５Ａおよび５Ｂの実施形態は、ガス発生器１０ｂの装置の構成および動作を簡単化することができる。触媒３２は、ピストン３０ｂに取り付けられているが、水素ガス透過性構造体３６は触媒３２から離れて位置している。したがって、これらの実施形態においては、触媒層を気体透過性構造体３６の近傍に形成する必要がなく、気体透過性構造体３６上に形成する必要もない。触媒３２と気体透過性構造体３６とを、別個に構成できる。これらの実施形態の利点は、製造が容易であるだけでなく、水素ガスの生成速度を高められる点にもある。水素ガスの気泡３３が、ＮａＢＨ４溶液４２を通って気体透過性構造体３６の方向に移動するため、ＮａＢＨ４溶液４２の攪拌／混合が促進される。この作用が、付着した反応生成物を触媒３２の表面から取り除くのに役立つとともに、溶液４２をより均一にするのにも役立ち、その後の水素ガスの生成効率を向上させる。
【００７４】
図５Ａおよび５Ｂのガス発生器１０ｂの中実ピストン３０ｂの実施形態の簡潔性のため、コストが大幅に低下して使い捨てを可能にする。また、これらの実施形態は、必要に応じて、再注入ができる再使用可能なガス発生器を可能にする。例えば、円筒形ガス発生器は、製造コストを低減するだけでなく、化学物質チャンバ４１に着脱式のねじ込みキャップ（図示せず）を取り付けることができる。ＮａＢＨ４溶液が消耗したとき、ねじ込みキャップを取り外し、消耗したＮａＢＨ４溶液を空にし、化学物質チャンバ４１を新しいＮａＢＨ４溶液で再び満たすことができる。あるいは、押込み式（ｐｏｓｉｔｉｖｅ）置換注入口（図示せず）を化学物質チャンバ４１に設けて、消耗した化学物質を新しい化学物質に置き換えることもできる。
【００７５】
さらに、気体透過性構造体３６が、金属（パラジウムなど）または他の適切な熱伝導体で作製されている場合には、水素ガス生成反応によって生じた廃熱を放出するヒートシンクとして作用することも可能である。これにより、気体発生器１０ｂの動作温度が低く保たれる。この実施形態の別の利点は、水素ガス貯蔵チャンバ４０をガス発生器１０ｂの外周面内に配置できる（すなわち、ＮａＢＨ４化学物質チャンバ４１を囲む）ことである。水素ガス発生器の全容積のうちのより多くを、ＮａＢＨ４溶液４２の貯蔵に利用できるため、単位容積あたりに生成可能な水素ガスの量を増加できる。
【００７６】
図５Ａおよび５Ｂの実施形態の動作において、過剰な水素ガス４３が生成されかつ、水素ガス消費装置１１（図１）によって消費されないためにＮａＢＨ４溶液４２内の圧力が高くなると、触媒でコートされたピストン３０ｂが、調整ばね６５に対抗して押し込まれ、ＮａＢＨ４溶液４２から外に押し出される。この動作によって、ガスの生成が停止し、あるいはガスの生成速度が制限される。これらの実施形態は、気体透過性構造体３６の柔軟性に依存しない。ピストン３０ｂの背後のばね６５の調整可能な張力に応じて、ＮａＢＨ４溶液４２内の圧力が十分に高くなり、触媒でコートされたピストン３０ｂを溶液４２から外に押し出して、反応速度を低下させる。
【００７７】
図５Ａおよび５Ｂの実施形態は、触媒でコートされたピストン３０ｂを円筒形本体７８の内部に容易に密封できる追加の利点を有する。これにより、ＮａＢＨ４溶液４２または水素ガスがピストン３０ｂを通って偶発的に漏れ出すことが防止される。ピストン３０ｂを押しているばね６５の張力は、製造時に調節してもよく、あるいは特定の用途、所望のガス圧力、または必要とされるガス流量における必要性に応じて手動で調節してもよい。当技術分野において周知の種々の手動調節機構を使用して、ばね６５の圧縮または引っ張りを調整できる。
【００７８】
図６Ａは、ガス発生器１０ｂの別の実施形態の機構の概略図である。この実施形態は、図５Ａおよび５Ｂの実施形態に類似しているが、ピストン３０ｂを化学物質４２に出入りするように移動することによって触媒３２を化学物質４２に接触させるピストン３０ｂを備える代わりに、この場合には回転ロッド３０ｂである部材３０ｂが回転して、化学物質４２に接触させる触媒の量を変化させる。ロッド３０ｂを回転させる回転運動を生み出すために、ロッド３０ｂがカム８０に機械的に接続されている。カム８０は、リンク機構５５を介してベローズ７７の剛壁７９に接続されている。ベローズ７７は、弾性ダイアフラム５０ｃの外側に沿ってベローズ７７内に延びるガス貯蔵チャンバ４０の圧力に反応するように設計されている。
【００７９】
動作時、燃料電池１１または他のガス消費装置が、例えば発電のためにより多くの生成ガス４３を取り出す場合、ガス貯蔵チャンバ４０の圧力が低下してベローズ７７を収縮させ、これによって回転ロッド３０ｂを回転させて、より多くの触媒を化学物質４２に接触させる。燃料電池１１または他のガス消費装置が、生成ガス４３を少量しか取り出さない場合、ガス貯蔵チャンバ４０の圧力が上昇してベローズ７７を膨張させ、これによってカム８０が回転ロッド３０ｂを回転させて、化学物質４２に接触する触媒３２を少なくする。これにより、ガスの気泡３３すなわちガス貯蔵チャンバ４０の圧力の発生が減速され、最終的に、取り出される生成ガス４３に釣り合う平衡点に到達する。
【００８０】
なお、回転ロッド３０ｂおよびカム８０を円滑かつ最小限の抵抗で回転させるため、ボールベアリング、気体軸受、または他の手法を使用できる。また、別の実施形態におけるシール２２と同様、図６Ａの回転ロッド３０ｂの実施形態も細長いシール（図示なし）を備えることにより、化学物質４２が、回転ロッド３０ｂが備えられているチャンバに侵入しないようにすることができる。さらに、付着物防止ブラシ（図示なし）を使用して、生成物および他の物質がロッド３０ｂまたは触媒３２上に堆積するのを防止できる。
【００８１】
図６Ｂおよび６Ｃは、図６Ａの気体発生器において使用できる別の回転ロッドの実施形態を示している。図６Ｂにおいては、回転ロッド３０ａが軸断面図によって、図２Ａのピストン３０ａに類似する中空の実施形態として示されている。この実施形態においては、触媒３２が、気体透過膜３６上に設けられている。図３に関して説明したとおり、触媒３２は、気体透過膜３６に形成された窪みの中に置かれている。図２Ａに関して説明したとおり、生成ガス４３が最初は気泡３３として形成され、中空ピストン３０ａのチャネル３４に侵入し、ガス貯蔵チャンバ４０に移動する。図６Ａに示されている実施形態を適切に変更することにより、中空ロッド３０ａの実施形態を収容できることは理解されるべきである。なお、中空ロッド３０ａは、触媒作用がなく、多孔性でもない材料５５、すなわち化学物質４２に露出されたときに化学物質４２と反応せず、化学物質４２および生成されたガス４３のいずれも通過しない材料５５を備えている。
【００８２】
図６Ｃは、図６Ａのガス発生器１０ｂにおいて使用される中実ロッド３０ｂの軸断面図である。中実の回転ロッド３０ｂが、任意の深さまでこの中実ロッド３０ｂに取り付けられている触媒３２と、触媒作用がなく、多孔性でもない材料５５とを保持している。この中実ロッド３０ｂの使用を、図６Ｄ〜６Ｆを参照して以下で説明する。
【００８３】
まず図６Ｄを参照すると、触媒３２が化学物質溶液４２に接触しない状態で、中実の回転ロッド３０ｂが丸い隔壁１６の中に置かれる。シール２２が、中実ロッド３０ｂが位置する領域に化学物質溶液４２が侵入するのを防止する。図示の位置においては、触媒３２が化学物質溶液４２の存在する位置にないため、回転中実ロッド３０ｂは、ガスを発生しない。回転ロッド３０ｂのこの角度は、ガス発生器１０の出荷状態として使用でき、あるいは例えば燃料電池に電気負荷がない場合にガスの生成を停止するために使用できる。
【００８４】
図６Ｅは、ある程度のガスが生成されている場合を示す。この場合、回転ロッド３０ｂが回転して、触媒の一部を化学物質４２に接触させる。この結果、ガスの気泡３３が生成される。ガスの気泡３３は、気体透過性構造体３６（図６Ａ）に沿ったさまざまな位置で気体透過膜に接触し、生成ガス４３がガス貯蔵チャンバ４０まで通過する。
【００８５】
図６Ｆは、ガス消費装置の要求を満たすために最大のガス発生が求められている場合を示す。この場合、回転中実ロッド３０ｂの位置は、触媒３２が隔壁によって許される最大限まで化学物質４２に接触する位置にある。
【００８６】
なお、回転ロッドの実施形態３０ａまたは３０ｂのいずれかは、触媒３２を保持して、上述と同様に機能できる回転球または他の幾何学的形状であってもよい。
【００８７】
図７は、ガス発生器１０ｂの機構概略図であり、図２Ｂの実施形態と同様に機能する２つの中実ピストン３０ｂを使用している。いくつかの実施形態においては、ピストン３０ｂが、それらにそれぞれ取り付けられた触媒３２を、並列に化学物質４２の存在内に移動させ、化学物質チャンバ４１内でガス４３を発生させる。別のいくつかの実施形態においては、一方のピストン３０ｂのみが、その触媒３２が消耗するまで使用され、次いで他方のピストン３０ｂが作動する。別の実施形態においては、追加の生成ガス４３がガス出口１４を通してガス消費装置に供給するために要求されるまで、１つのピストン３０ｂが、当該ピストンに取り付けられた触媒３２を化学物質４２の存在内に移動させる。ピストン３０ｂを互いに同時に、あるいは互いに別個に動作させる別の例も、本発明の原理の技術的範囲に包含される。
【００８８】
さらに、図７のガス発生器１０ｂは過圧安全装置６７（圧力解放弁）を備えている。この安全装置は、化学物質チャンバ４１内が過大圧力になった場合に、化学物質４２の一部を化学物質チャンバ４１から自動的に排出する。また、過圧安全装置６７を、本体７８のガス貯蔵チャンバ４０を囲む部分に取り付け、過大圧力状態が発生するとチャンバ圧力を解放することも可能である。
【００８９】
また、過圧安全装置６７を入口として利用して、化学物質４２、水、またはガス生成に使用する他の化学物質を追加供給できる。また同様に、過圧安全装置６７を利用して、消耗済みの化学物質４２を化学物質チャンバ４１から取り出すこともできる。過圧安全装置６７は、結合ねじ、回り止め、留め金、または他の機械式固定手法によってガス発生器１０の本体７８に接続でき、ガスまたは化学物質の漏れを防止するためのガスケットまたはＯリングを備えることができる。あるいは、過圧安全装置６７を、本体７８に恒久的に接続してもよい。さらに別の実施形態においては、過圧安全装置６７を、本体７８の一体部分として形成してもよい。
【００９０】
図７のガス発生器１０ｂの実施形態に示されるもう一つの特徴は、生成されたガス４３がガス貯蔵チャンバ４０からガス出口１４を通してガス利用装置に通過するフィルタ／加湿材７５である。フィルタ／加湿材７５は、一方または両方の機能を果たすことができる。フィルタとして機能する場合、フィルタ／加湿材７５は、水素ガス以外の通過を実質的にすべて禁止する。加湿材として機能する場合、フィルタ／加湿材７５は、そこを通過するときに水素ガスに水蒸気または他の気体の蒸気を追加する。フィルタ／加湿材７５は、当技術分野において公知のとおり、スポンジ状材料の形態で実現できる。
【００９１】
さらに、図７のガス発生器１０ｂは、ピストン３０ｂの位置を検出するのに使用されるロッド位置トランスデューサ７２およびロッド位置マーカ７４を備えている。トランスデューサは、ホール素子トランスデューサ、静電容量プローブ、またはピストン３０ｂに取り付けられた互換性のあるマーカ７４を検出できる他の電磁トランスデューサであってよい。別の実施形態においては、トランスデューサ７２は、ピストン３０ｂの位置を検出する光学式トランスデューサである。そのような実施形態においては、トランスデューサ７２によってマーカ７４を「見る」か、あるいは場合により、直接ピストン３０ｂを「見る」ことができるように、光学観察窓が設けられる。なお、光学式エンコーダ（図示されていない）を備えるホイールや、当技術分野において公知の他の位置検出装置を使用することができる。これらの場合のそれぞれにおいて、ピストンの位置を表わす信号を用いて、外部装置（図示なし）に情報を提供でき、あるいはいくつかの実施形態においては、ガス消費装置１１に供給するのに十分なガス４３を生成するのに十分な量まで触媒３２が化学物質４２に接触するように、ピストン３０ｂを化学物質４２内で位置決めするモータ（例えば、リニアボイスコイルモータ）、ポンプ、または他の装置（図示せず）に電気的フィードバックを発生するのに使用する情報を提供できる。直線ボイス・コイルの実施形態は、その巻線を、化学物質４２内の触媒３２の位置を制御するために磁界をピストン３０ｂ上の磁気素子（図示されていない）に結合させることができるよう複合材または他の材料を有するガス発生器１０ｂの本体７８の領域に、形成して備えることができる。ピストン３０ｂの運動を支援する装置を使用することは、当技術分野においては理解される。このような装置、位置トランスデューサ７２、位置マーカ７４、および制御用電子機器（図示されていない）を実現することによって、図７に示した機構構成は変化する可能性がある。
【００９２】
さらに、ガス発生器１０ｂは、ガス貯蔵チャンバ４０がほぼ最大容量に達したか、あるいは達しようとしていることをユーザまたは装置に知らせる容量インジケータ（図示なし）を備えることができる。さらに容量インジケータは、容量が少ないこと、または容量の範囲を示してもよい。容量インジケータは、ダイアル、電子表示、光（例えば、ＬＥＤ）、音声信号、無線通達サービス、または当技術分野において公知の他のインジケータを備えることもできる。容量インジケータは、圧力トランスデューサまたは当技術分野において公知の他のトランスデューサを使用することもできる。「燃料消耗」インジケータまたは「触媒消耗」インジケータなど、他のインジケータを使用してもよい。
【００９３】
図８は、ガス発生器１０ｃの別の実施形態を示す。この実施形態においては、上述のように触媒でコートされたピストン３０ａまたは３０ｂをＮａＢＨ４溶液４２に出し入れするのではなく、図８において、一実施形態においては固定されている、触媒でコートされた中実ピストン３０ｂに近付く方向、あるいは離れる方向にＮａＢＨ４溶液４２の全体が移動される。ＮａＢＯ２が、大量のＮａＢＨ４溶液（ＮａＢＯ２の溶解性が高い状態である）の存在している状態で形成されるため、触媒が汚染される可能性は最小限である。したがって、触媒の寿命が大幅に延長される。なお、別の実施形態においては、さらにピストン３０ａまたは３０ｂもすでに説明したように可動とすることができ、これにより、ＮａＢＨ４溶液と触媒でコートされたピストン３０ｂとの間の異なる運動が実現できる。
【００９４】
気体透過性構造体３６は、弾性ダイアフラム５０ｃの一部であってもよく、あるいは図５Ｂのように弾性ダイアフラム５ｄの全体であってよい。図８の実施形態は、端部に着脱式ねじキャップ（図示されていない）を備える、円筒形本体７８内に構成することができる。この構成では、ＮａＢＨ４溶液が消耗したとき、これを交換できるだけでなく、触媒３２も、ピストン３０ｂを交換することによって容易に交換できる。これにより、所定の触媒３２を、（特定の用途に応じて）より活性の大きい触媒または活性のより小さい触媒に交換できる。なお、この実施形態においては、中空ピストン３０ａを使用することも可能であり、この実施形態および別の実施形態においては、中空のピストン３０ａを交換可能とすることもできる。
【００９５】
図９Ａおよび９Ｂは、本発明の原理によるガス発生器を、燃料電池以外の用途に使用できる例を示す。
【００９６】
図９Ａにおいては、ガス発生器１０が水素ガス４３を生成し、そのガスを、ガス出口１４を通して宝石加工用のトーチ８１または他の燃焼装置に供給する。なお、ガス発生器１０は、トーチまたは他の燃焼装置による燃焼のため、触媒の存在する状態において化学物質を分解して他のガスを生成できる（ここでは説明しないが、当技術分野において公知である）。
【００９７】
図９Ｂにおいては、ガス発生器１０が酸素ガス８２を生成し、そのガスを、ガス出口１４を通して酸素呼吸装置８３に供給する。ガス発生器１０は、潜水者のタンクなど、他の呼吸装置で使用することも可能であり、その場合、単一または複数のガス発生器１０を使用して、水面下に潜る潜水者が使用するタンクに窒素および酸素の混合を供給することができる。
【００９８】
図９Ａおよび９Ｂのガス発生器は、それぞれガス消費装置８１および８３の外部に位置しているが、これは単に例示を目的としているだけである。なお、実際には、ガス消費装置８１、８３には、ガス発生器１０を装着するための区画を設けることもできる。ガス消費装置８１が、ガス発生器を所定の位置に保持する汎用または専用の保持機構（図示なし）を備えてもよい。
【００９９】
本発明を、本発明の好ましい実施形態を参照して詳細に示し、説明してきたが、添付の特許請求の範囲に包含される本発明の技術的範囲から逸脱することなく、形態および詳細についてさまざまな変更が可能であることは、当業者には理解されるであろう。
【０１００】
例えば、ＮａＢＨ４水溶液は、触媒が存在しなくても徐々に自己分解し、式１に従って水素ガスを生成する傾向を有することは公知である。長期保存の可能な方法は、ＮａＢＨ４粉末を乾燥のまま水および／またはＮａＯＨから隔てて包装し、後に水素ガスを生成する必要が生じたときに２つの成分を混合することである。これら２つの成分を破壊可能なガラスまたは膜で分離した構成で包装し、使用前にガラスまたは膜が触媒反応装置の内部で破壊されたときに、ＮａＢＨ４化学物質４２と水とが混合するようにできる。
【０１０１】
本明細書において説明したガス発生器の実施形態に関する追加の安全および制御の形態として、触媒３２と化学物質４２との間に電圧を加えて、触媒３２によって可能になるガスの発生を制御できる。
【０１０２】
本明細書に開示したガス発生器の実施形態に、生成ガスの貯蔵、取り扱い、および処理の機能を向上させる追加の形態を含むことも可能である。すでに説明したもの以外の例としては、温度を上げることでガスの生成が加速される場合の加熱素子、または振動により特定の溶液または混合物からガスを生成する圧電装置が挙げられる。
【０１０３】
本明細書に記載のガス発生器を、ユーザが利用しやすい自己識別性を有するものとするために、ガス出口１４は、標準ベースあるいは各用途に適したベース上の種々の装置と結合できるように、標準形状または専用形状とすることができる。例えば、ガス出口を、当該ガス発生器によって酸素ガスまたは水素ガスが生成されることをそれぞれ示すため、「Ｏ」または「Ｈ」の形状にすることができる。このような設計は、所定の用途において複数のガス発生器が使用される場合、ユーザエラーを防止するのに有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１０４】
【図１】本発明の原理によるガス発生器を使用できる燃料電池の用途の図である。
【図２Ａ】図１のガス発生器の概略図である。
【図２Ｂ】図２Ａのガス発生器の別の実施形態の概略図である。
【図３】図２Ａのガス発生器が有する、触媒を化学物質内に出入りさせてガスを生成するのに使用される部材（例えば、ピストン）の詳細な機構図である。
【図４Ａ】図２Ａのガス発生器の動作を示す概略図である。
【図４Ｂ】図２Ａのガス発生器の動作を示す概略図である。
【図４Ｃ】図２Ａのガス発生器の動作を示す概略図である。
【図５Ａ】図１のガス発生器の別の実施形態の概略図である。
【図５Ｂ】図１のガス発生器の別の実施形態の概略図である。
【図６Ａ】図１のガス発生器のさらに別の実施形態の概略図である。
【図６Ｂ】図６Ａのガス発生器において使用される部材（例えば、回転ロッド）の機構図である。
【図６Ｃ】図６Ａのガス発生器において使用される部材（例えば、回転ロッド）の機構図である。
【図６Ｄ】図６Ｃの部材の動作時の機構図である。
【図６Ｅ】図６Ｃの部材の動作時の機構図である。
【図６Ｆ】図６Ｃの部材の動作時の機構図である。
【図７】図１のガス発生器の別の実施形態の機構概略図である。
【図８】図１のガス発生器のさらに別の実施形態の機構概略図である。
【図９Ａ】本発明の原理によるガス発生器を使用可能な典型的な別の用途の図である。
【図９Ｂ】本発明の原理によるガス発生器を使用できる典型的な別の用途の図である。
【符号の説明】
【０１０５】
１０ａ  自動制御式ガス発生器
３０ａ  中空ピストン
３２    触媒
４０    ガス貯蔵チャンバ
４１    化学物質チャンバ
４２    化学物質
４３    生成ガス
５０ａ  弾性ダイアフラム
６５    ばね
７８    本体
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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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６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図６Ｅ】
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【図６Ｆ】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【国際調査報告】
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