(57)【要約】【課題】水素を生成するシステム及び方法を提供すること【解決手段】システム、デバイス及び方法は、反応物質と水溶液とを組み合わせて水素を生成する。反応物質は、ナトリウムシリサイドまたはナトリウムシリカゲルであることができる。水素生成デバイスは、燃料電池、及び他の工業用用途において使用される。１つのシステムは、冷却、ポンプ、貯水及び他のデバイスを組み合わせて反応物質と水溶液との間の反応を感知及び制御して水素を生成する。異なった定置配列の複数の入口が、水溶液を反応物に送達する。反応物質及び水溶液を攪拌して反応状態を制御する。水溶液を再生し、反応物に戻すことができる。１つのシステムは、一連の温度及び圧力にわたって動作し、水素分離器、熱除去機構及び反応状態制御デバイスを含む。水素を生成するシステム、デバイス及び方法は、熱的に安定な固体、水溶液とのほぼ瞬間的な反応及び非毒性液体副生成物を提供する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
明細書に記載の発明。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２００９年３月３０日に出願された米国特許仮出願第６１／１６４，８８８号、および２００９年６月６日に出願された米国特許仮出願第６１／１８５，５７９号の優先権の利益を主張し、それらの全体の開示は、参照することにより本明細書に組み込まれる。
【０００２】
連邦政府による資金提供を受けた研究または開発
本発明は、米国エネルギー省によって認められた、ＤＥ−ＦＧ３６−０８ＧＯ８８１０８の契約番号の下、政府の支援により行われた。米国政府は、本発明において一定の権利を有する。
【０００３】
本技術は、概して、反応燃料物質および水溶液を使用して、水素を生成するシステムおよび方法に関し、より具体的には、水または水溶液と反応させられたときに、ナトリウムシリサイド、ナトリウムシリカゲル、または多成分混合物を使用して、水素を生成するシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００４】
燃料電池は、外部燃料源を電流に変換する、電気化学的エネルギー変換デバイスである。多くの一般的燃料電池は、燃料として水素を、酸化剤として酸素（典型的には、空中から）を使用する。かかる燃料電池の副生成物は、水であり、燃料電池が電力を生成するために、環境影響が非常に低いデバイスになる。
【０００５】
燃料電池は、ガソリンタービン、内燃エンジン、および電池等の電力を生成するための多くの他の技術と競合する。燃料電池は、定置発電、照明、バックアップ電力、家庭用電化製品、個人用移動デバイス（電気自転車等）、ならびに造園装置、およびその他を含む、数々の用途に使用することができる、直流（ＤＣ）電圧を提供する。使用可能な多種多様な燃料電池が存在し、それぞれは、異なる化学的性質を使用して、電力を生成する。燃料電池は、通常、それらの動作温度およびそれらが使用する電解質系の種類に従い分類される。一般的な燃料電池の１つは、燃料として水素を、その酸化剤として酸素（通常、空気）を使用する、ポリマー交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）である。高電力密度、および通常８０℃未満の低動作温度を有する。これらの燃料電池は、適度な梱包、およびシステム実装要求により確実である。
【０００６】
水素貯蔵および生成の課題は、ＰＥＭ燃料電池の広域な導入を制限してきた。分子状水素は、質量ベースで非常に高いエネルギー密度を有するが、環境条件におけるガスとして、それは、非常に低い体積エネルギー密度を有する。高圧および極低温を含む、水素を携帯用用途に提供するために採用する技術は、普及されているが、しばしば、要求に応じて水素ガスを確実に放出する、化学化合物に最も焦点を置いている。現在、物質内に水素を貯蔵するために使用する、３つの広範囲に許容される機構（吸収、吸着、および化学反応）が存在する。
【０００７】
燃料電池を補給するための吸収水素貯蔵では、水素ガスは、高圧で、金属水素化物等の大部分の特定の結晶物質内に直接吸収される。ほとんどの場合、ＭｇＨ２、ＮａＡｌＨ４、およびＬａＮｉ５Ｈ６等の金属水素化物を使用して、水素ガスを可逆的に貯蔵する。しかしながら、金属水素化物系は、低い比エネルギー（すなわち、低水素貯蔵対金属水素化
物質量比）、および低い入力／出力流量特性の問題がある。水素流量特性は、金属水素化物の吸熱特性（水素を除去するときの内部温度降下、および水素で再荷電するときの内部温度上昇）によって決定される。これらの特性のため、金属水素化物は、重量である傾向があり、それらを迅速に荷電、および／または放電するために、複雑なシステムを必要とする。例えば、加圧水素ガスを貯蔵し、次いで、金属水素化物、またはいくつかの他の水素ベースの化学燃料を収容するカートリッジから、それを制御可能に放出するように設計されたシステムでは、米国特許第７，２７１，５６７号を参照されたい。このシステムはまた、金属水素化物燃料自体の温度、および／または圧力を測定することによって、および／または燃料電池の電流出力を測定して、消費された水素の量を推測することによって、燃料電池に送達されることが可能な残りの水素のレベルを監視する。
【０００８】
燃料電池を補給するための吸着水素貯蔵では、分子状水素は、物理的吸着または化学的吸着のいずれかにより、化学燃料に関連する。水素化リチウム（ＬｉＨ）、水素化アルミニウムリチウム（ＬｉＡｌＨ４）、水素化ホウ素リチウム（ＬｉＢＨ４）、水素化ナトリウム（ＮａＨ）、水素化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＨ４）、および同等物等の化学水素化物を使用して、不可逆的に水素ガスを貯蔵する。化学水素化物は、下記に示すとおり、
ＮａＢＨ４＋２Ｈ２Ｏ→ＮａＢＯ２＋４Ｈ２
水との反応時に、大量の水素ガスを産生する。
水との化学水素化物の反応を確実に制御して、燃料貯蔵デバイスから水素ガスを放出するために、水のｐＨの厳格な制御に加えて、触媒が採用されなければならない。また、化学水素化物は、しばしば、その水素ガスの初期の放出から水素化物を保護するために、不活性安定化液体のスラリーに含有される。米国特許第７，６４８，７８６号、同第７，３９３，３６９号、同第７，０８３，６５７号、同第７，０５２，６７１号、同第６，９３９，５２９号、同第６，７４６，４９６号、および同第６，８２１，４９９号に示す化学水素化物系は、上述の特性のうちの少なくとも１つを利用するが、しばしば、複数の特性を利用する。
【０００９】
燃料電池のための水素を産生するための化学反応方法では、水素貯蔵および水素放出は、しばしば、化学燃料の温度または圧力の適度な変化によって触媒される。温度によって触媒される、この化学系の一例は、以下の反応：
ＮＨ３ＢＨ３→ＮＨ２ＢＨ２＋Ｈ２→ＮＨＢＨ＋Ｈ２による、アンモニアボランからの水素生成である。
第１の反応は、６．１重量％の水素を放出し、約１２０℃で生じる一方、第２の反応は、別の６．５重量％の水素を放出し、約１６０℃で生じる。これらの化学反応方法は、水素ガスを産生するために開始剤として水を使用せず、システムのｐＨの厳格な制御を必要とせず、しばしば、別個の触媒物質を必要としない。しかしながら、これらの化学反応方法は、しばしば熱暴走の一般的発生によるシステム制御問題に悩まされている。アンモニアボランから水素生成を熱的に開始し、熱暴走から保護するように設計されたシステムでは、例えば、米国特許第７，６８２，４１１号を参照されたい。触媒および溶媒を採用して、熱水素放出条件を変更する化学反応方法では、例えば、米国特許第７，３１６，７８８号、および同第７，５７８，９９２号を参照されたい。
【００１０】
上記を考慮して、改善された水素生成システム、および先行技術における上記の問題または不都合の多く、またはすべてを克服する方法に対する必要性が存在する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１１】
下記に説明する水素生成システムは、任意の貯蔵された水素ガスまたは分子状水素原子を収容しない、ナトリウムシリサイド、および／またはナトリウムシリカゲルを含む、安定アルカリ金属物質等の反応燃料物質の実質的に完全な反応を達成する。付加的な反応剤
は、水素化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＨ４）、および／またはアンモニアボラン、および同等物を含むことができる。また、これらの反応剤を採用するシステム反応は、付加的な触媒チャンバを必要とせず、燃料電池または水素引き抜きシステムの水素需要を満たすための適切な水性媒体の単純な添加によって、容易に開始・停止が制御される。加えて、下記の例は、全体のシステム容積および重量を最小限にしながら、上記の要件のすべてを満たす。
好ましい実施形態において、本発明は、例えば、以下の項目を提供する。
（項目１）
水素ガスを生成するためのシステムであって、
溶液入口ポートおよび水素出口ポートを含む反応器と、
前記反応器に添加される反応燃料物質と、
前記水素出口ポートを介して工業用用途に送られる水素ガスを生成するように、前記溶液入口充填ポートを介して前記反応器内の前記反応燃料物質に添加される水溶液と、
を備える、システム。
（項目２）
前記反応燃料物質は、ナトリウムシリサイド粉末、またはナトリウムシリカゲルのうちの少なくとも１つを含む、項目１に記載の水素ガスを生成するシステム。
（項目３）
前記水溶液はさらに、共反応剤、凝集剤、腐食防止剤、熱物理的添加剤、塩基、酸、またはそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つから選択される添加剤を含有する、項目１に記載の水素ガスを生成するシステム。
（項目４）
前記反応燃料物質はさらに、共反応剤、凝集剤、腐食防止剤、熱物理的添加剤、酸、塩基、またはそれらの組み合わせを含む、添加剤を含有する、項目１に記載の水素ガスを生成するシステム。
（項目５）
前記反応燃料物質は、前記水溶液の前に前記反応器に事前に添加される、項目１に記載の水素ガスを生成するシステム。
（項目６）
生成された前記水素ガスをろ過するための水素分離膜をさらに備える、項目１に記載の水素ガスを生成するシステム。
（項目７）
前記工業用用途は燃料電池である、項目１に記載の水素ガスを生成するシステム。
（項目８）
前記水素出口ポートからの前記生成された水素ガス内に存在する水を凝縮するための凝縮器をさらに備える、項目１に記載の水素ガスを生成するシステム。
（項目９）
前記水溶液を前記溶液入口充填ポートに提供するための外部供給源をさらに備える、項目１に記載の水素ガスを生成するシステム。
（項目１０）
化学フィルタ、デシカントフィルタ、粗媒体フィルタ、ドライヤフィルタ、または二次反応器チャンバのうちの少なくとも１つをさらに備える、項目１に記載の水素ガスを生成するシステム。
（項目１１）
圧力変換器、逃し弁、水素封止逆止弁、ファン、熱交換器、または反応器冷却源のうちの少なくとも１つをさらに備える、項目１に記載の水素ガスを生成するシステム。
（項目１２）
反応廃液を再生し、前記再生反応廃液を前記反応器に戻すための再捕捉容器をさらに備える、項目１に記載の水素ガスを生成するシステム。
（項目１３）
前記反応器は、複数の溶液入口ポートを含む、項目１に記載の水素を生成するシステム。
（項目１４）
前記水溶液を前記反応器内の前記反応燃料物質に添加するための、手動ポンプ、電池電源式ポンプ、または外部電源式ポンプのうちの少なくとも１つをさらに備える、項目１に記載の水素を生成するシステム。
（項目１５）
前記反応器は、使い捨て、分離可能、または再利用のうちの少なくとも１つのために構成される、項目１に記載の水素を生成するシステム。
（項目１６）
再充填または除去のうちの少なくとも１つのために構成される、水溶液容器をさらに備える、項目１に記載の水素を生成するシステム。
（項目１７）
前記水溶液は、前記生成された水素のための化学フィルタまたは微粒子フィルタのうちの少なくとも１つである、項目１に記載の水素を生成するシステム。
（項目１８）
前記反応器内の前記反応燃料物質および前記水溶液の反応の少なくとも１つのパラメータを監視するための監視デバイスをさらに備え、前記監視デバイスは、前記反応器内の温度、導電率、前記反応器内の圧力、反応物の重量、未反応反応燃料物質の量、反応の経過時間、前記反応器内の水溶液の量、添加される水溶液の量、または前記反応器に添加される水溶液の最大量のうちの少なくとも１つを監視する、項目１に記載の水素を生成するシステム。
（項目１９）
前記反応器への付加的な反応物質の添加、前記反応器への付加的な水溶液の添加、前記反応器からの廃棄物の除去、前記反応器の冷却、前記反応器の加熱、前記反応物質と前記水溶液との組み合わせの混合、または前記圧力を低下させるための前記反応器の抽気のうちの１つを実行することによって、温度、導電率、圧力、または反応物の重量のうちの少なくとも１つを変更するための反応制御デバイスをさらに備える、項目１８に記載の水素を生成するシステム。
（項目２０）
前記反応の前記少なくとも１つの監視パラメータを表示するためのディスプレイデバイスをさらに備える、項目１８に記載の水素を生成するシステム。
（項目２１）
前記反応器は、迅速な反応用途の開始を促進するように事前に加圧される、項目１に記載の水素を生成するシステム。
（項目２２）
前記反応器は、前記反応器および着脱式キャップが再利用可能であるように、前記着脱式キャップを受容し、機械的に固着するように構成される、項目１に記載の水素を生成するシステム。
（項目２３）
水素ガスを生成する方法であって、
反応物質を反応器に挿入することと、
溶液入口充填ポートを介して前記反応器内の前記反応物質に水溶液を添加して、水素ガスを生成することと、
前記反応器からの前記生成された水素ガスを、水素出口ポートを介して工業用用途に送ることと、
を含む、方法。
（項目２４）
前記反応物質は、ナトリウムシリサイド粉末、またはナトリウムシリカゲルのうちの少なくとも１つを含む、項目２３に記載の水素ガスを生成する方法。
（項目２５）
前記水溶液はさらに、共反応剤、凝集剤、腐食防止剤、熱物理的添加剤、酸、塩基、またはそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つから選択される添加剤を含有する、項目２３に記載の水素ガスを生成する方法。
（項目２６）
前記反応燃料物質はさらに、共反応剤、凝集剤、腐食防止剤、熱物理的添加剤、酸、塩基、またはそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つを含む、添加剤を含有する、項目２３に記載の水素ガスを生成するシステム。
（項目２７）
生成された水素ガスを水素分離膜でろ過することをさらに含む、項目２３に記載の水素ガスを生成する方法。
（項目２８）
前記工業用用途は燃料電池である、項目２３に記載の水素ガスを生成する方法。
（項目２９）
前記生成された水素ガスから水を凝縮することをさらに含む、項目２３に記載の水素ガスを生成する方法。
（項目３０）
前記凝縮水を前記反応器または水再捕捉容器のうちの少なくとも１つのために再生することをさらに含む、項目２９に記載の水素を生成する方法。
（項目３１）
前記反応器内の前記反応物への前記水溶液の添加は複数の溶液入口を使用して実行される、項目２３に記載の水素を生成する方法。
（項目３２）
前記反応器内の前記反応物への前記水溶液の添加は、手動ポンプ、電池電源式ポンプ、または外部電源式ポンプのうちの少なくとも１つを使用して実行される、項目２３に記載の水素を生成する方法。
（項目３３）
前記水溶液は、前記生成された水素のための化学フィルタまたは微粒子フィルタのうちの少なくとも１つである、項目２３に記載の水素を生成する方法。
（項目３４）
前記反応器内の前記反応物質および前記水溶液の反応の少なくとも１つのパラメータを評価することをさらに含み、前記評価は、前記反応器内の温度、導電率、前記反応器内の圧力、反応物の重量、未反応反応物質の量、反応の経過時間、前記反応器内の水溶液の量、または前記反応器に添加される水溶液の最大量のうちの少なくとも１つの監視を含む、項目２３に記載の水素を生成する方法。
（項目３５）
温度、導電率、圧力、反応物の重量、未反応反応物質の量、反応の経過時間、前記反応器内の水溶液の量、または前記反応器に添加される水溶液の最大量のうちの前記少なくとも１つが、前記反応を継続できる規定範囲外であるときに、前記反応器内の前記反応物質と前記水溶液との組み合わせによって生成された反応を制御することをさらに含む、項目３４に記載の水素を生成する方法。
（項目３６）
前記反応の制御は、前記反応器への付加的反応物質の添加、前記反応器への付加的な水溶液の添加、前記反応器からの廃棄物の除去、前記反応器の冷却、前記反応器の加熱、前記反応物質と前記水溶液との組み合わせの混合、または圧力を低下させるための前記反応器の抽気のうちの少なくとも１つを実行することを含む、項目３５に記載の水素を生成する方法。
（項目３７）
システムディスプレイデバイス上に監視されたシステム特性を表示することをさらに含む、項目３４に記載の水素を生成する方法。
（項目３８）
前記反応物質、前記水溶液、前記水素ガス、または前記反応廃棄物のうちの少なくとも１つをろ過することをさらに含む、項目２３に記載の水素を生成する方法。
（項目３９）
ろ過は、未反応反応物質および水溶液から廃棄物を分離するために、液体透過性スクリーンを使用して実行される、項目３８に記載の水素を生成する方法。
（項目４０）
ろ過は、水素分離膜、化学フィルタ、デシカントフィルタ、粗媒体フィルタ、ドライヤフィルタ、または二次反応器チャンバのうちの少なくとも１つを使用して実行される、項目３８に記載の水素を生成する方法。
（項目４１）
水素分離膜、化学フィルタ、デシカントフィルタ、粗媒体フィルタ、ドライヤフィルタ、または二次反応器チャンバのうちの前記少なくとも１つを、前記水溶液の一部で洗浄することをさらに含む、項目４０に記載の水素ガスを生成する方法。
（項目４２）
前記水溶液の前記一部を前記反応器の領域に誘導して、前記反応物質および前記水溶液の前記組み合わせから生じる廃棄物を再捕捉することをさらに含む、項目４１に記載の水素を生成する方法。
（項目４３）
前記水溶液の前記一部を前記二次反応器チャンバに添加することと、前記生成された水素ガスを前記水溶液の前記一部を通って通過させることと、をさらに含む、項目４２に記載の水素を生成する方法。
（項目４４）
生成された水素を前記水溶液に通過させ、微粒子収集、化学ろ過、加湿、または凝縮のうちの少なくとも１つを実行することをさらに含む、項目２３に記載の水素を生成する方法。
（項目４５）
反応燃料物質、液体溶液、および加圧液体供給デバイスを備える、内蔵型水素生成機構。
（項目４６）
前記反応燃料物質は、ナトリウムシリサイド、またはナトリウムシリカゲルを含む、項目４５に記載の内蔵型水素生成機構。
（項目４７）
前記加圧液体供給デバイスはバネによって加圧される、項目４５に記載の内蔵型水素生成機構。
（項目４８）
前記バネは、実質的にすべての液体が前記反応燃料物質に供給されるときに液圧を維持するように構成され、かつ、液体供給期間中に液圧内の変化を実質的に排除するようにさらに構成される、逆先細円錐バネである、項目４７に記載の内蔵型水素生成機構。
（項目４９）
前記内蔵型水素生成機構は、使い捨て反応器および再利用可能な液体供給アセンブリに分離可能なカートリッジアセンブリである、項目４５に記載の内蔵型水素生成機構。
（項目５０）
前記再利用可能な液体供給アセンブリは、別のデバイスによって、統合されるか、拘束されるか、または収容されるかのうちの少なくとも１つである、項目４９に記載の内蔵型水素生成機構。
（項目５１）
前記液体流動を制限するように構成され、かつ過渡条件中に水素生成速度を減退させるようにさらに構成される、液体制限機構をさらに備える、項目４５に記載の内蔵型水素生成機構。
（項目５２）
前記液体制限機構は、弁または開口部のうちの少なくとも１つを含む、項目５１に記載の内蔵型水素生成機構。
（項目５３）
前記反応燃料物質と前記加圧液体供給デバイスとを分離する、制御弁または逆止弁のうちの少なくとも１つをさらに備え、制御弁または逆止弁のうちの前記少なくとも１つは、過渡条件下に水素圧で前記バネが逆加圧されることを防止するように構成される、項目４７に記載の内蔵型水素生成機構。
（項目５４）
水素生成期間中に、逆転するバネ移動を防止するように構成される、制御デバイスをさらに備える、項目４７に記載の内蔵型水素生成機構。
（項目５５）
反応器容積と液体供給容積との間で容積を交換するように構成される、容積交換デバイスをさらに備える、項目４５に記載の内蔵型水素生成機構。
（項目５６）
前記容積交換デバイスは、ピストン、またはバッグアセンブリのうちの少なくとも１つを含む、項目５５に記載の内蔵型水素生成機構。
（項目５７）
生成された水素圧は水圧の発生に寄与しない、項目５６に記載の内蔵型水素生成機構。（項目５８）
前記生成された水素圧は機械的手段によって減退させられる、項目５７に記載の内蔵型水素生成機構。
（項目５９）
前記水送達圧力の発生は弁または調節器のうちの少なくとも１つによって制御される、項目５７に記載の内蔵型水素生成機構。
（項目６０）
前記内蔵型水素生成機構は封止可能であるように構成される、項目４９に記載の内蔵型水素生成機構。
（項目６１）
前記内蔵型水素生成機構が非動作期間にあるときに液体供給を防止するための停止機構をさらに備え、前記停止機構は、ラッチ、プラグ、閉塞、ラチェット、弁、またはトグルのうちの少なくとも１つである、項目３８に記載の内蔵型水素生成機構。
（項目６２）
前記液体溶液は水を含む、項目４５に記載の内蔵型水素生成機構。
（項目６３）
液体流動を開始するためにユーザ操作を必要とするように構成される弁をさらに備える、項目４５に記載の内蔵型水素生成機構。
（項目６４）
ハンドルが引張されたときに、液体供給デバイスと係合して、液体を引き入れ、前記バネを再加圧するように構成されるハンドルをさらに備える、項目４８に記載の内蔵型水素生成機構。
（項目６５）
内蔵型水素生成デバイス内で水素を生成する方法であって、
液体供給デバイスを加圧することと、
前記液体供給デバイスを使用して、液体溶液と反応燃料物質とを組み合わせて、水素を生成することと、を含む、方法。
（項目６６）
前記内蔵型水素生成デバイスは、前記液体供給デバイスの洗浄または再利用のうちの少なくとも１つのために液体供給を受容する、項目６５に記載の内蔵型水素生成デバイス内で水素を生成する方法。
【００１２】
本開示の一例は、反応燃料物質が水溶液に暴露されたときに水素を生成する、反応燃料物質を含む、反応器である。反応器は、水溶液を収容することができる、独立型水素生成構成要素であり得る。同様に、別の例は、外部供給によって水溶液が導入される、反応器を含むことができる。水素生成はまた、外部制御システムによって、制御、監視、または処理され得る。制御システムおよび反応器は、任意の一般の実験用途、工業用途、または消費者用途のために、水素を水素燃料電池に提供するために使用される、独立型水素生成システムとして動作することができる。同様に、制御システムおよび反応器は、ラップトップコンピュータ、個人用または商業用電気製品、ならびに電源を必要とする他のデバイスおよび機器等の最終製品を供給する、完全な燃料電池システム内で全体的または部分的に実装することができる。
【００１３】
水素ガスを生成する方法の１つは、反応燃料物質を反応器内に挿入し、反応器内で水溶液を反応燃料物質と混合して、水素ガスを生成することを含む。
【００１４】
反応燃料物質は、ナトリウムシリサイド粉末（ＮａＳｉ）、およびナトリウムシリカゲル（Ｎａ−ＳＧ）を含む、シリサイド等の安定アルカリ金属物質を含むことができる。安定アルカリ金属物質はまた、触媒の有無のアンモニアボラン、触媒の有無で混合された水素化ホウ素ナトリウム、および熱または水溶液に暴露されたときに水素を産生する、一連の物質および物質混合物を含むが、これらに限定されない、他の反応物質と組み合わせることができる。物質および水溶液の混合物はまた、廃棄物のｐＨを制御するため、廃棄物の溶解度を変更するため、水素産生量を増加するため、水素産生率を増加するため、および反応温度を制御するために、添加剤を含むことができる。水溶液は、水、酸、塩基、アルコール、およびこれらの溶液の混合物を含むことができる。水溶液の例は、メタノール、エタノール、塩酸、酢酸、水酸化ナトリウム、および同等物を含むことができる。水溶液はまた、産生されたＨ２の量を増加する共反応剤等の添加剤、凝集剤、腐食防止剤、または水溶液の熱物理的特性を変更する熱物理的添加剤を含むことができる。凝集剤の例は、水酸化カルシウム、ケイ酸ナトリウム、およびその他を含む一方、腐食防止剤は、リン酸、ホウ酸、およびその他を含むことができる。さらに、熱物理的添加剤は、反応の温度範囲、反応の圧力範囲、および同等物を変更することができる。さらに、水溶液への添加剤は、種々の異なる添加剤の混合物を含むことができる。
【００１５】
反応器は、制御システムまたは燃料電池システムが複数の反応器を使用することを可能にする、独立型の交換式構成要素であることができる。反応器はまた、カートリッジ、シリンダ、缶、容器、圧力容器、および／または封入とも称され得る。反応器は、反応燃料物質、および反応器内部の水溶液、またはそこから水溶液が反応器内に導入される、入口ポートもしくは複数の入口ポートのいずれかを含む。反応器はまた、水素ガスのための出力ポートも有することができ、それが反応器を出る時点、および燃料電池等の外部システムに印加される前に、付加的な処理（例えば、蒸気凝縮、精製、調節、および同等物）を受け得る。
【００１６】
水溶液は、初期に、ユーザによって外部的に貯蔵または添加されるか、燃料電池システムから反応器上の水溶液入口ポート内に戻され得る。水溶液は、手動ポンプ、電池電源式ポンプ、外部電源式ポンプ、バネ制御ポンプ、および同等物等のポンプを使用して、入口ポートを介して反応器内の反応燃料物質（安定アルカリ金属を含む）に添加することができる。水溶液は、反応器内に貯蔵され、ピストン、バック、膜、または他の分離デバイスによって、反応燃料物質から分離することができる。
【００１７】
反応器は、１つのデバイスまたは制御システムへの１つの接続の一部として、水素出力、および水溶液入力を有し得る。反応器は、１つのデバイスまたは制御システムに接続さ
れた水素出力、および異なるデバイスまたは制御システムに接続された水入力を有し得る。反応器は、反応燃料物質を水溶液と組み合わせる内部制御を有する、水素出力のみを有し得る。
【００１８】
水素ガスを生成する方法はまた、生成された水素ガスのろ過、水素ガス中の副生成物の吸収、および／または生成された水素ガスからの水の凝縮も含むことができる。このろ過は、反応器内部、制御システム内部、または両方の内部で生じることができる。例えば、水素分離膜を、反応器内、または制御システム内のいずれか（またはその両方内）で使用して、水素をろ過することができる一方、凝縮器ユニットを使用して、生成された水素ガスから水を凝縮することができる。フィルタおよび凝縮器は、それが、反応器の水素出口ポートを出ると、生成された水素ガスに作用することができる。ろ過された水素ガスおよび／または凝縮された水を再生して、反応器または貯水容器に戻すことができる。水素ガスを生成する上で、ケイ酸ナトリウム等の廃棄物または他の反応廃棄物が生成されることができる。
【００１９】
一例では、制御システムは、反応器内の反応燃料物質および水溶液の反応パラメータを監視するための監視デバイスを含むことができる。監視デバイスは、反応器内もしくはその上、または外部制御システム内の１つまたは複数のパラメータを監視することができる。これらのパラメータは、温度、反応器含有物の導電率、反応器内の圧力、反応物の重量、未反応反応燃料物質の量、反応の経過時間、反応器内の水溶液の量、および反応器に添加される水溶液の最大量を含むことができるが、これらに限定されない。次いで、監視されたシステム特性を表示または計算に使用して、制御戦略を修正するか、反応器状況またはシステム状況を他のデバイスと連通するか、またはユーザに特性もしくは誘導体特性を連通することができる。ユーザ連通デバイスの一例は、例えば、ＬＣＤディスプレイ等の視覚ディスプレイデバイスである。
【００２０】
反応は、反応制御デバイスを使用して、監視デバイスに関連して制御することができる。反応制御デバイスの例は、温度、導電率範囲、圧力、反応物の重量、ならびに他の環境測定を変化させるためのデバイスを含むが、それらに限定されず、その範囲内で反応器内の反応燃料物質および水溶液の組み合わせが継続される。例えば、反応制御デバイスを使用して、付加的な反応燃料物質を反応器に添加、付加的な水溶液を反応器に添加、反応器から廃棄物を除去、反応器を冷却、反応器を加熱、反応燃料物質と水溶液の組み合わせを混合、反応器を抽気して、圧力を低下し、他の制御測定を実行することができる。
【００２１】
反応パラメータの測定、および反応制御デバイスの使用は、反応器内の環境測定のいずれかが各範囲外であるとき、または、パラメータのうちのいずれかの変化率を監視および処理する制御戦略によって、水素ガスの生成方法が反応器内で制御されることを可能にする。
【００２２】
反応器は、反応剤およびその反応副生成物を水素ガスから分離するための多くの異なるフィルタを含むことができる。例えば、クリーン水素ガスを生成する方法は、分離工程およびろ過工程の両方を含むことができる。一例では、反応燃料物質、水溶液、水素ガス、および／または反応廃棄物のうちの１つは、他から分離される。また、水素ガスは、水素分離膜、化学フィルタ、デシカントフィルタ、粗媒体フィルタ、ドライヤフィルタ、および／または二次反応器チャンバを使用して生成することができる。それらが使用されるとき、フィルタは、水溶液が反応器内に流入されるため、水溶液の一部分で洗浄することができる。
【００２３】
反応器はまた、配管ネットワーク、ノズルアレイ、流量制限器、および水分配媒体（拡散器、噴霧器、および同等物等）等の水溶液分配のための構造およびデバイスも含むこと
ができる。水溶液は、それと平行の、一連の、または組み合わせの反応器内の複数の地点を介して分配することができる。水溶液分配システムを、全体的または部分的に使用して、反応燃料物質と反応させて、水素を生成、水素気流を生成、フィルタ媒体を洗浄、および／または廃棄物パラメータを制御することができる。
【００２４】
反応器は、安全逃し機構（逃し弁、バーストディスク、または制御された反応器バーストポイント等）等の水素処理構成要素を含むことができる。反応器はまた、必要な燃料電池特性を供給するか、またはろ過構成要素の過渡流速制限と一致するために、水素出力率を最小限化するか、または制御するための出口流量制限器も含み得る。
【００２５】
水素ガスを生成するシステムはまた、圧力変換器、逃し弁、水素・封止逆止弁、ファン、熱交換器、および反応器冷却源も含むことができる。同様に、システムは、燃料電池反応廃液を再生し、再生した燃料電池反応廃液を反応器に戻すための再捕捉容器を含むことができる。
【００２６】
水素を生成する方法はまた、水溶液の一部分を反応器の領域に移動させて、反応燃料物質と水溶液との組み合わせから得られた廃棄物を再捕捉することを含むことができる。例えば、水溶液の一部分を二次反応器チャンバに添加することができ、生成された水素ガスを、この分割された水溶液を通って通過させることができる。ろ過はまた、未反応反応燃料物質および水溶液から廃棄物を分離するために、液体透過性スクリーンを使用して実行することができる。
【００２７】
これらの利点および他の利点、態様、ならびに特徴は、添付の図面と併せて見るときに、以下の詳細な説明から明らかであろう。非制限的、かつ非排他的実施を、以下の図面を参照して説明する。故に、下記の図面および説明は、本質的に例証と見なされ、制限するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】水素燃料電池、または一般の実験用途、工業用途、または消費者用途に水素を提供するために、安定アルカリ金属物質、および水溶液を使用する、水素生成システムの一例を示す。
【図２】２つの反応器、およびキャリーハンドルアクセサリを有する、水素生成システムの一例を例証する。
【図３】反応器、水容器、および多くの付加的な構成要素を含む、水素ガス生成システムの一例を示す。
【図４Ａ】選択位置で複数の水分注ノズルを採用する、反応器を例証する。
【図４Ｂ】選択位置で複数の水分注ノズルを採用する、反応器を例証する。
【図４Ｃ】選択位置で複数の水分注ノズルを採用する、反応器を例証する。
【図４Ｄ】選択位置で複数の水分注ノズルを採用する、反応器を例証する。
【図５】熱除去構造を有する水素生成システムの一例を概略的に例証する。
【図６】反応構成要素を混合するために、下方配向で、反応器の一端において、水素出口および水入口を有する水素生成システムの一例を示す。
【図７】図５および６に示す、熱除去構造を有する水素生成システムの展開図を示す。
【図８】粗媒体フィルタおよび水素ろ過膜を有する、水素生成システム構造を示す。
【図９Ａ】水供給ネットワーク、および水供給ネットワークを有さないフィルタ領域と、水供給ネットワークを使用するフィルタ領域の比較を例証する。
【図９Ｂ】水供給ネットワーク、および水供給ネットワークを有さないフィルタ領域と、水供給ネットワークを使用するフィルタ領域の比較を例証する。
【図９Ｃ】水供給ネットワーク、および水供給ネットワークを有さないフィルタ領域と、水供給ネットワークを使用するフィルタ領域の比較を例証する。
【図１０Ａ】膜／粗フィルタシステムに対する代替的フィルタ設計を例証する。
【図１０Ｂ】膜／粗フィルタシステムに対する代替的フィルタ設計を例証する。
【図１１Ａ】水捕捉および循環のシステムおよび技術を例証する。
【図１１Ｂ】水捕捉および循環のシステムおよび技術を例証する。
【図１２Ａ】複数の反応構成要素を有する、反応器の一例を例証する。
【図１２Ｂ】複数の保護絶縁デバイスを有する、反応器の一例を例証する。
【図１３】導電性の変化を測定するための電気接点を有する、反応器の一例を例証する。
【図１４】反応器の圧力容器キャップに接続された電気接点を有する、反応器の一例を例証する。
【図１５Ａ】請求する発明に従う、軽量、低価格、かつ再利用可能な反応器の一例を示す。
【図１５Ｂ】請求する発明に従う、軽量、低価格、かつ再利用可能な反応器の一例を示す。
【図１５Ｃ】請求する発明に従う、軽量、低価格、かつ再利用可能な反応器の一例を示す。
【図１６】請求する発明に従う、低出力反応器システムのアーキテクチャの一例を示す。
【図１７】請求する発明に従う、低出力反応器システムの詳細な一例を示す。
【図１８】弁によって、バネベースの液体ポンプシステムに接続された、固体反応燃料物質を有する、反応器を示す。
【図１９】連結弁を有さない、バネベースの液体ポンプシステム内の経時的な振動性水素生成の図式的描写を示す。
【図２０】連結弁を有さない、バネベースの液体ポンプシステム内の経時的な水素生成圧力の図式的描写を示す。
【図２１】反応燃料物質と、単一のカートリッジ内に統合されたバネベースの液体ポンプシステムとを有する、反応器を示す。
【図２２Ａ】反応燃料物質と、統合バネベースの液体ポンプシステムを有する、反応器を示す。
【図２２Ｂ】反応器とバネベースの液体ポンプシステムを有する、統合カートリッジの３つの一次サブアセンブリを示す。
【図２３】反応器およびバネベースの液体ポンプシステムとともに、統合カートリッジの斜視図および断面図を示す。
【図２４】統合カートリッジの組立図を示す。
【図２５】水供給分配機構を例証する。
【図２６】分離型液体供給／反応器水素生成デバイスを連結するための螺合係止機構を示す。
【図２７】分離型液体供給／反応器水素生成デバイスの概略図を示す。
【図２８】円錐／崩壊バネを有する、分離型液体供給／反応器水素生成デバイスの概略図を示す。
【図２９Ａ】移動にかかる力の制約可変を促進するための崩壊バネの正常図および圧縮図を図示する。
【図２９Ｂ】移動にかかる力の制約可変を促進するための崩壊バネの正常図および圧縮図を図示する。
【図３０Ａ】バネベースの液体供給と容積交換システムとを有する、水素生成カートリッジの斜視図を示す。
【図３０Ｂ】バネベースの液体供給と容積交換システムとを有する、水素生成カートリッジの概略図を示す。
【図３１】容積交換システム、バネベースの液体供給を有する、水素生成カートリッジの斜視図および断面図を示す。
【図３２】容積交換システム、バネベースの液体供給を有する、水素生成カートリッジの組立図および断面図を示す。
【図３３】統合カートリッジろ過システムの例の組立図を示す。
【図３４】反応器および液体供給を分離するための正常に閉鎖した弁の組立図を示す。
【図３５Ａ】反応器および液体供給を接合するための噛合構成要素の組立図および斜視図を示す。
【図３５Ｂ】反応器および液体供給を接合するための噛合構成要素の組立図および斜視図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
下記の例では、水素燃料電池システムを参照するが、考察するシステムおよび方法はまた、例えば、実験用途、商業用または工業用用途、および消費者用途等の任意の水素ガス生成用途において実装することができることを理解されたい。
【００３０】
基本的水素制御システム
一例では、ナトリウムシリサイド、および／またはナトリウムシリカゲルは、水と組み合わせて、水素ガスを生成することができるが、開発された技術もまた、水素ガスを産生するために、水溶液に関連する水素、またはそれと組み合わせる固体粉末を有する、ドープシリサイドおよびシリサイド等の他の安定アルカリ金属物質も使用することができる。付加的には、開発されたシステム技術の多くの態様もまた、アルミニウム粉末等の水素産生に使用される代替的物質、または水溶液に暴露されたときに水素を生成する任意の他の物質、または物質の組み合わせに適用することができる。
【００３１】
反応燃料物質は、ロッド、コーン、球体、円筒、または他の物理的形状に圧縮、成形、切断、または形成される、自由流動粉末または物質であることができる。物質は、反応速度を制御するために、種々の粉末寸法、幾何学的変動、物質コーティング、または物質変動から成り得る。コーティング方法の１つは、固体ナトリウムシリサイド構造を加湿空気に暴露させて、水中で溶解可能であるナトリウムシリカバリアを作製することであろう。もちろん、反応燃料物質および水溶液の他の形体および形状を使用して、反応燃料物質および水溶液を組み合わせ得る。
【００３２】
図１は、水素ガスを生成するために、反応燃料物質および水溶液を使用する、水素生成システム１００の一例を示す。生成された水素ガスは、水素燃料電池、または一般の実験使用、工業使用、もしくは消費者使用を対象とすることができる。反応燃料物質１０１は、反応器１０２内に挿入することができる。本開示では、反応器、カートリッジ、圧力容器という用語は、反応燃料物質が定置される容器または他のレセプタクルを特定するために、同義的に使用される。図１に示す例では、着脱式反応器１０２は、水入口接続部１０６および水素出口接続部１０８に取り付けられる。接続部は、正常に閉鎖した二重遮断弁および／または正常に閉鎖した逆止弁を含むことができるが、これらに制限されない。反応器１０２から、水入口接続部１０６および水素出口接続部１０８への接続は、特定の使用によって、可撓性接続であることができるか、または剛性接続であることができる。安定アルカリ金属１０１等の反応燃料物質に、水または他の水溶液を添加して、水素ガスおよびケイ酸ナトリウム等の副生成物を生成する。水素ガスは、上方に移動し、反応器１０２から出る。単一の反応器１０２を図１に例証するが、任意の数の脱着式または固定式反応器を、説明する例示的水素ガス生成システムに使用することができることを理解されたい。例えば、図２では、２つの着脱式反応器２０２、２０４を示す。さらに、反応器は、係止機構、クリップ、または同様の固着デバイスを使用して、システム内の定位置に固着することができる。
【００３３】
図１および図２に示す例では、充填ポート１１０、２１０のそれぞれに、水等の水溶液を添加する。別の実装形態では、充填ポートを有するまたは有さない、水容器１１４等の着脱式水容器を使用することができる。他の例では、反応器は、反応燃料物質で事前に充填することができる。水溶液は、反応効率を向上、水素産生を増加、水素産生率を増加、汚染物質形成を低下、汚染物質ろ過を促進、最終加水分解を支持、腐食を低下、廃棄物のｐＨを制御、廃棄物の溶解度を変化、および温度範囲動作を拡大、ならびに、反応剤の熱物理的特性等の他の反応パラメータに影響を及ぼすように、添加剤を含むことができる。例えば、添加剤は、酸、塩基、アルコール、他の添加剤、およびこれらの添加剤の混合物を含むことができる。添加剤の例は、メタノール、エタノール、塩酸、酢酸、水酸化ナトリウム、水酸化カルシウム、ケイ酸ナトリウム、リン酸、ホウ酸、およびその他を含むことができる。他の添加剤は、ホウ素、炭素、および窒素を含む、反応燃料物質と組み合わせて、水素容量、動態を向上、および／または反応エンタルピーを低下することができる。温度範囲動作に関して、塩、および／または他の添加剤は、溶液の氷点を低下させるために、水溶液中に含むことができる。
【００３４】
その容器内に貯蔵された水溶液の量は、システム実装詳細によって異なることができる。例えば、図２では、容器は、複数のカートリッジ２０２、２０４を反応させるために十分な容量以上の水溶液を貯蔵することができる。システムは、水素出力ストリームからの水を凝縮し、それを反応器に直接戻すか、またはそれを水容器１１４に移動させるための凝縮器（図示せず）を含むことができる。システムは、付加的な水を水容器１１４に、または別個の実装形態において、反応器に直接提供するために、外部水源（図示せず）用の水入口接続部１０６を含むことができる。一実装形態では、燃料電池反応廃水は、完全または部分的に捕捉することができ、正味総水必要量を低減するために水供給にも寄与する。
【００３５】
例えば、ケイ酸ナトリウム廃棄物は、水を容易に吸収し、その粘度は、適宜に変化する。廃棄物を未反応反応燃料物質から分離することによって、反応を制御することができる。例えば、反応器の一端を加熱または絶縁して、過剰水が存在する溶解条件を形成することができる。次いで、この水は、安定アルカリ金属粉末に再度汲上げられるか、または水使用最大化のために独占的に構成された量のナトリウムシリサイドと反応することを可能にすることができる。代替的には、反応時点で、ケイ酸廃棄物は、温かく、液体相になるために水をほとんど必要としない。反応時点で、分離スクリーンを使用して、液体廃棄物を未反応反応燃料物質から分離する。
【００３６】
付加的なシステム構成要素
反応器および水溶液源に加えて、水素ガス生成システムは、付加的なシステム構成要素を含むことができる。例えば、図３は、反応器３０２と、水容器３１４と、多くの付加的な構成要素とを含む、水素ガス生成システム３００の一例を示す。例えば、水源入口３０６は、必要に応じて、水容器３１４のろ過または再充填を可能にする。水容器３１４からの水は、蠕動ポンプ、手動ポンプ、容積移送式ポンプ、および他のポンプ等のポンプを使用して、水供給ライン３９０を介して反応器３０２に汲み入れられ得る。圧力変換器３２２は、水供給ライン３９０と直線に定置され、反応器３０２に汲上げられた水量を調節するために使用され得る。例えば、ポンプ３２０とともに圧力変換器３２２を使用して、多ポート弁３２４を介して複数の反応器に圧力較正された水を送達し得る。圧力変換器３２２をまた部分的に使用して、過剰水が反応器３０２に汲上げられることを防止するためのフェイルセールモードを提供し得る。一例では、比較器（図示せず）を使用して、圧力変換器３２２の出力電圧をシステム電圧パラメータと比較することができる。比較器の出力を評価して、電圧が適切な動作範囲にあるか否かを判定することができる。電圧が動作範囲にあるとき、マイクロコントローラ３８７からの付加的な回路実装命令が、反応器３０
２に水を提供するようにポンプ３２０を駆動することができる。電圧が動作範囲外であるとき、ポンプ３２０は、使用不可能である。この回路は、コンデンサ、または他のタイミング回路を使用して、例えば、ダイアフラムポンプ作用中に、瞬間的な高い読取値を可能にするように、ポンプの読取値の遅延を生じることができる。複数の反応器を有する、水素生成システムでは、供給弁３２４を使用して、どの反応器が水を受容するかを選択することができる。
【００３７】
水素ガス生成システム３００は、ポンプ３２０を動作するため、および／または別様に、反応を開始し、他の制御電子機器（集合的に３８６として示す）を動作するために、電池３８８を含むことができる。水素ガス生成システム３００はまた、燃料電池、壁コンセント等の外部源から電池３８８を充電するための外部電力、または任意の他の電源から電力を受容することができる。システム３００はまた、その内部発電補助機器構成要素を内部的に動作するために、小さい燃料電池システム（図示せず）を含み得る。一実装形態では、バッテリは単離して存在しないが、むしろ、電力は、全体のシステム３００の内部または水素生成システム３００の外部である、燃料電池または燃料電池バッテリハイブリッドから取得される。一実装形態では、反応器に、システムを開始するために十分な水素を提供する、水素の工場での過圧力が与えられた場合に、バッテリは、不必要である。さらに、水素生成システムを小さい手動動作ポンプ（注射器または同等物等）で設計して、電気的開始ではなく、むしろ物理的なユーザの相互作用によって反応を開始することができる。
【００３８】
圧力変換器３２２と同様に、逆止弁３２６を、反応器３０２または制御システム内で使用して、反応器３０２内の水素圧力が、制御システム構成要素（弁３２４／３６１、変換器３２２、および／またはポンプ３２０等）に許容不可能に高圧をかけ続けることができる。例えば、初期水が反応器３０２に進入し、反応器３０２内の反応燃料物質３０１と反応すると、水素が生成され、反応器３０２内の水素圧力は、水素ガスが反応器３０２から出て送られ、他所で使用されるときのシステム圧力パラメータ値に到達するまで蓄積される。いくつかの状況では、反応器３０２内の圧力は、ポンプ３２０および他のシステム構成要素の機能の圧力を超過することができる。逆止弁３２６を使用して、ポンプ３２０、水容器３１４、および水ライン３９０が過剰に加圧されることを防止し、システムへの損傷を防止することができる。逆止弁３２６を使用して、反応器３０２内の圧力を判定し、反応器３０２からの制御システムへの圧力の量を単離することができる。
【００３９】
同様に、水素出力逆止弁３３６、３３７は、反応器３０２内の逆流を管理する。逆流は、システムが高高度で使用されるとき、または複数のキャニスタの水素出力が互いに同じになるときに生じ得る。各反応器内、および制御システムにわたる、逆止弁および変換器は、複数の反応器を使用するシステムのための各反応器の独立した圧力読取値を可能にする。各反応器３０２からの水素ガス出力ライン３９１は、反応器３０２内、または制御システム３０３内に位置する、圧力変換器３４０を含むことができる。一実装形態では、逆止弁３３６は、接続または断絶されたときに、またはシステムが他の源からの高圧を反応器に不注意に接続する事象において、空気がキャニスタに進入するのとは対照的に、水素がキャニスタから流出することのみを可能にする。別の実装形態では、この逆止弁３３６は、不必要であるが、正常に閉鎖された逆止弁３４３０（図３４に示すとおり）が代替的に使用される。一実装形態では、逆止弁は、圧力変換器３４０の下流に接続され、それは、制御システム内に存在する圧力変換器を用いて、各反応器の独立した圧力読取値を提供しながら、１つの反応器が別の反応器を逆加圧することを可能にする。他の実装形態では、逆止弁３２６、３３６は、反応器３０２または制御システム３０３内に物理的に存在し、同一の機能を提供することができる。付加的には、システムはまた、圧力調節器３４４を含むことができる。時々、反応器３０２を高圧（例えば、８０ｐｓｉ、またはそれ以上）で動作することが望ましい場合がある。一例では、調節器３４４は、圧力を２５ｐｓｉ
に低下させることができる。代替的には、ダイアルを有する、調節器３４４、または圧力を調節する他の手段を使用することができ、それにより、ユーザが制御システムの出力圧力を変更することが可能になる。代替的には、電気的に制御された調節器を使用して、マイクロコントローラ（マイクロコントローラ３８７等）が、所望圧力に基づき出力圧力を設定することを可能にすることができる。別個の実装形態では、調節器が全く使用されない可能性があり、マイクロコントローラは、水流速度、および反応器の出力圧力を制御する量を制御する可能性がある。
【００４０】
物質供給
代替的反応燃料物質（例えば、ナトリウムシリサイド）／液体（例えば、水）機構が可能である。いくつかの構造では、反応物質は、幾何学構造に形成、成形、または押圧することができる。例えば、安定アルカリ金属物質から形成されたロッドは、規定速度で水溶液中に挿入され、反応を制御することができる。同様に、ロッドは、単に、水槽または他の水溶液から取り外され、反応を停止し得る。付加的には、反応燃料物質はまた、ペレットに圧縮することもできる。次いで、これらのペレットを規定速度で操作し、水または他の水溶液中に定置して、反応をもたらすことができる。
【００４１】
水溶液供給
水は、多くの異なる方法で、反応器３０２内に供給され得る。例えば、水は、単一の水入口３３８を使用して、または図４Ａ〜４Ｄに示すとおり、選択した位置で複数の水分注ノズルを使用することによって、反応器内に供給することができる。単純なシステム構造において、かつ小さいシステムには、単一の水入口が十分であろう。大きいシステムには、複数の水入口を使用して、反応を促進し、反応の再開に役立つことができる。例えば、図４Ａでは、水供給管４１１は、水入口４０６から垂直に延在し、単一管４１１を使用して反応器４０２の複数の領域に水を供給するための複数の水分注ノズル４１３を採用する。図４Ｂと同様に、水平水分注フィルタスプレー４１５も使用して、反応器４０２の複数の領域に水を供給する。実践では、単一または任意の数の管を使用することができる。管および水分注ノズルは、種々の寸法であり得、水分注ノズルパターンおよび孔の寸法は、反応器混合条件を最適化するように、管にわたって異なり得る。例えば、小さい管は、例えば、直径．００１″〜．０４０″の寸法、またはそれより大きい孔等の多くの小孔で使用し得る。小孔は、反応の再開を試みるときに、反応副生成物で閉塞する傾向を有することができる一方、より大きいノズルは、ジェットまたはミストではなくむしろ、水溶液を反応燃料物質上に滴らせることができる。高圧力性能を有するポンプを使用するとき、より大きい開口部を使用して、反応地点に水を注入することができる。低圧力水供給システムが使用されるとき、より多くのノズルを使用して、ノズルと反応地点との間の距離を制限することができる。用途および特定の反応剤によって、水溶液送達技術のいずれかを選択することができる。
【００４２】
付加的には、水供給管は、図４Ｃおよび４Ｄに示すとおり、湾曲またはらせん状であり得る。図４Ｃおよび４Ｄでは、単一管を使用して、反応器４０２の複数の領域にアクセスするために、らせん状水供給管４２１を使用することができる。このらせん状水供給管４２１は、その被覆領域を最大限化し、反応器４０２の一方の領域内の水飽和を他方に対して最小限化するために、多くの考えられる位置において、孔を有することができる。中心柱４２３もまた、機械的支持のため、および熱除去のために含むことができる。かかる支持または熱除去構造を必要としない設計では、それを取り外すことができる。代替的には、水供給ネットワークを中心柱４２３内に統合することができる。他の水分散構造もまた可能である。例えば、一実装形態は、各種の微細孔またはメッシュを使用して、水移動を促進することができる。他の実装形態では、水供給ネットワークは、キャニスタの容量にわたって均一でない場合がある。例えば、供給ネットワークを最適化して、反応燃料領域に直接供給することができる。反応器が、廃棄物または反応発砲に過剰容量を有する場合
では、水供給ネットワークは、これらの領域に水を添加しない場合がある。付加的には、水供給ネットワークは、水素分離（下記に説明）に使用される膜の上に水を噴霧するように構成される、管を採用することができる。管は、孔を含むことができるか、または付加的な一連の管またはノズルを収容してもよい。この方法で、水は、反応器４０２の複数の領域内の反応燃料に直接供給され、その水溶液との反応を促進する。
【００４３】
反応器４０２の選択した位置に水を供給することによって、水およびその後の反応は、反応器４０２内の反応燃料を攪拌または混合するように作製することができる。水素が形成され、上昇すると、水素ガスは、反応器物質（すなわち、水溶液および反応燃料物質）を攪拌することに役立ち、これらの反応構成要素のほぼ完全な反応性を可能にする。反応構成要素の混合はまた、図６に示すとおり、水素出口および水入口の両方を、下方配向で反応器の一端上に位置付けることによって達成することができる。この構造は、水素生成システムに単一の接続面を提供する。水素ピックアップ６６６は、反応器６０２の上部に位置し、加圧ガスは、水素管６６８を通って底部に移動する。この水素管６６８は、反応器内、またはその外にあることができる。異なる構造および管形状もまた、使用することができる。
【００４４】
完全とは言えない反応性を採用することができ、それは、必要な水の量が非線形であるため、エネルギー密度（送達されたＨ２／（粉末の質量＋必要な水の質量））を増大し得る。加えて、部分的反応性は、上昇した局所反応温度から冷却すると、廃棄物をほぼ固体状態に残したままにすることができる。固体廃棄物は、廃棄物処分に有益である可能性がある。
【００４５】
伝熱
図３を参照すると、反応燃料物質３０１と水との反応が進行すると、熱が反応器３０２の内部に生成される。１つまたは複数のサーミスタ３２８を使用して、反応器３０２の熱を測定し、かつ、反応器３０２を冷却するために使用することができる、１つまたは複数の冷却ファン３３０を含む、冷却システムを制御することができる。同様に、冷却は、内蔵型熱管理回路を使用する液体冷却ループ（図示せず）によって、または別個の水冷却運転を使用して、水容器３１４から、反応器３０２周辺で水を循環させることによって提供され得る。もちろん、サーミスタ３２８はまた、反応器３０２の温度に基づき、反応を制御、生成された廃棄物量を制御、水使用を最小限化するため、および他の理由のために、水供給弁３２４を制御して、反応器３０２内への水流入を調節し得る。
【００４６】
図５に示すとおり、熱除去構造５２３もまた、反応器５０２の中心に位置付けることができる。熱除去構造５２３はまた、加圧されたときに、反応器の両端をともに把持することによって、機械的反応器係止機構を促進し得る。
【００４７】
図５では、反応器の底部５７２はまた、反応器５０２のためのヒートシンクおよびスタンドとして機能する。一部の熱が反応器壁を通って除去される間に、これらの壁が透明であり、ガラスまたはプラスチックから作製されるとき、これらの物質は、典型的には、熱導電率を制限してきた。一実装形態では、相当な量の熱は、反応器の端部５６２、５７２のいずれか、または両方を通って除去される。反応器５０２の一端は、独占的にヒートシンク（底部５７２）であってもよく、他方の端（上部キャップ５６２）は、反応器制御、ならびに接続部（水素接続部５０８、および水接続部５０６等）、逃し弁５５５、電気接続部５７７、５７９（電気フィードスルー等）、電気信号処理接続部、システム感知接続部、および構造接続部を収容してもよい。図５では、反応器５０２の全体の本体は、透明または半透明（例えば、ガラスまたはプラスチック製）であることができ、反応状態の視覚的検出を可能にする特性、反応燃料物質消費の推量の両方、ならびに独自の梱包および外観を提供する。別の実装形態では、反応器は、一般に、反応を確認するための透明の視
覚ウインドウを有し、不透明であることができる。
【００４８】
付加的には、図７の例に示すとおり、ヒートシンク７２３およびすべての構成要素は、一端７６２に接続される。この形状は、空気冷却、液体冷却、または任意の他の方法を使用する、水素生成システムによる熱除去のための直接経路を提供しながら、ガス接続部７０８、流体接続部７０６、および電気接続部７７７を有する、水素生成システムへの容易な接続を促進する。
【００４９】
圧力制御
図３を参照すると、バースト逃し弁、バーストディスク、または他の制御圧力逃し点３３０を、反応器３０２内に実装して、その圧力を制御することができる。例えば、反応器３０２内の圧力が、所定のシステムパラメータに到達するとき、水素ガスは、圧力逃し点３３０を通って、反応器３０２から制御可能に通気することができる。一例では、流量制限器を使用して、水素出力流量を制限、下流デバイスのために流量を許容範囲内に維持、および／または良好なろ過のために流量を許容速度内に維持することができる。流量制限器は、逆止弁構成要素の開口部、または機能であることができる。反応器への水入力を制限する、流量制限器を採用して、過剰な瞬間的圧力生成を回避することができる。
【００５０】
水素生成システム３００は、圧力範囲を超えて動作するように構成することができる。一実装形態では、ユーザは、ボタン、スイッチ、または任意の他の連通プロトコル（例えば、ブルートゥース等）を使用して、直接または間接的に、所望の圧力制限または範囲を設定することができる。一実装形態では、システム３００は、圧力を監視し、適宜に反応を制御して、反応器３０２内の圧力を規定の耐性帯域内に維持する。システム３００を、より低い圧力用途（約２５ｐｓｉ）に使用して、ユーザの安全性および動作の簡潔さを促進する。多くの燃料電池用途は、この圧力範囲で動作する。しかしながら、必要に応じて、ナトリウムシリサイドは、数千のｐｓｉを、それを必要とする用途のために生成することができる。
【００５１】
水素ろ過
一実装形態では、反応燃料物質は、一次反応として、水素ガス、および副生成物（ケイ酸ナトリウム等）を形成するために、水溶液と組み合わされる、ナトリウムシリサイドである。実践において、シラン（例えば、ＳｉＨ４）等の他の副生成物は、ある条件下で反応するときに、形成することができる。ボラジン副生成物は、混合物をアンモニアボランと反応させるときに形成することができ、水蒸気または水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）微粒子等の他の要素も可能である。加えて、水溶液（例えば、水）、液体廃棄物（例えば、ケイ酸）、および反応燃料物質（例えば、ナトリウムシリサイド）はすべて、反応器内に存在することができる。複数のレベルのろ過を使用して、特定の用途に適用可能な精製のレベルで、水素のみを出し得る。
【００５２】
多目的に役立ち得る、水素分離を使用することができる。一実装形態では、約０．４５マイクロメートルの細孔寸法を有する、ラミネート加工されたテフロン(登録商標)（ＰＴＦＥ）から作製された分離媒体を使用することができる。多種多様な細孔寸法および特定の物質選択が使用可能である。実装特性は、高いスループットガス流速、最大３０ｐｓｉの水破過圧力、および反応器キャップへの超音波ボンディングを含む。膜は、一連の物質の種類および厚さで使用可能である。複数の膜を使用して、粗く、精密なろ過を提供することができる。例えば、水溶液反応において反応燃料物質としてナトリウムシリサイドを使用するとき、水素気泡は、ナトリウムシリサイド発泡内に存在することができる。反応中、この発泡（または水素コーティングされたケイ酸ナトリウム気泡）は、ケイ酸ナトリウム廃棄物でろ過膜をコーティングすることができる。図８は、水素ろ過膜８９０を使用するより精密なろ過を実行する前に、粗媒体フィルタ８８８を使用して、この発泡を破壊
する、システム構造を示す。一実装形態では、粗媒体フィルタ８８８として銅ワイヤメッシュを使用する。これは、高粘度物質を、精密なフィルタ水素ろ過膜８９０から上手く離して維持する。他の粗いフィルタ媒体もまた、使用することができる。加水分解を触媒するか、または汚染物質を吸収するための有利な化学活性剤または吸収剤を含むように、銅、または他の物質もしくは物質コーティングを選択することができる。精密なフィルタ膜８９０物質はまた、膜８９０と、機械的筐体８９２との間にバッキング材８９４を含むことができる。このバッキング材８９４は、膜８９０から出て、特別な水素出力接続部（図８に図示せず）に進入するための、水素の経路を提供しながら、膜８９０に機械的支持を提供する。
【００５３】
反応器アセンブリにおいて、粗く、精密なろ過を提供することによって、水素ガス生成システムは、容量拘束を活用する。水素生成システムおよび／または燃料電池システム内の付加的なろ過もまた、提供することができる。例えば、図面に図示する水素生成システムは、例えば、着脱式デシカントフィルタ等の着脱式ろ過デバイスを含むことができる。化学フィルタもまた、一定期間後に修理することができる、水素生成システムに使用することができる。代替的には、フィルタは、それらが完全な製品寿命中に修理を必要としないように、反応器のより大きい寸法で構築することができる。多くの燃料電池用途では、水素ガス出力システム内の水蒸気は、燃料電池の所望の湿度条件により許容される。実験環境、商業用使用、およびより低い湿度が決定される、いくつかの燃料電池用途等の他の使用では、水素ガス出力システム内の水蒸気は、許容されない場合があり、ドライヤフィルタを採用することができる。請求する発明の水素生成システムにより、着脱式フィルタが、例えば、商業用、実験用、および燃料電池用途を促進することを可能になる。加えて、金属水素化物の再充填等のいくつかの燃料電池用途は、乾式水素を必要とする。また、図８に示す、水吸収媒体、および／または凝縮器８９６も、これらの用途に使用することができる。凝縮器８９６の任意の使用は、収集および水の一次反応に戻すことを促進して、反応器８０２からの排水を最小限化する。水を一次反応へ戻すことは、水入口８０６、または反応器８０２への他の接続部に直接行うことができる。
【００５４】
別の実装形態では、反応器は、着脱式または固定式であることができ、反応が完了した時点で、アクセスドア、または他のアクセスポートを提供して、反応燃料物質を添加、および／または反応廃棄物を除去することができる。例えば、アクセスドアは、図５に示すとおり、反応器カバー、または蓋５６２として組み込むことができる。代替的には、図５に示す実装形態では、廃棄物の任意の部分は、後の処分または再生のために、反応器内に貯蔵することができる。
【００５５】
フィルタの清掃
水素ガス生成システムにおいて、ナトリウムシリサイドを反応燃料物質として、水を水溶液として使用するとき、一次廃棄物は、水を容易に吸収する、ケイ酸ナトリウムである。いくつかの反応器構造では、相当な量のケイ酸ナトリウム発泡は、経時的に、ろ過デバイスの阻害をもたらす。高粘性ケイ酸ナトリウムは、ろ過デバイスを閉塞することができる。ケイ酸ナトリウムに水を適用することによって、粘性は変化し、ケイ酸ナトリウムがフィルタ領域から洗い流されることを可能にする。例えば、図９Ａ〜９Ｃに示す１つの構造では、水供給ネットワークの一区画（一例として、図３の参照番号３３８等）は、図８に示す、粗媒体フィルタ８８８および水素ろ過膜８９０等のろ過デバイス上に直接向けられた水流の一部分を有する。水スプレー９０９によって、ろ過デバイスに適用された水は、最終的に、未反応ナトリウムシリサイドに滴下して戻り、また反応させられるが、それは、まず、反応器へのその送達の一部として、フィルタを清掃するように機能する。図９Ａの参照番号９０９は、ろ過デバイスに上方に直接到達することを目的とした水の流れを示す。図９Ｂは、反応中に清掃されなかった、ろ過デバイス９９９ｂを示し、図９Ｃは、ろ過デバイス９９９ｃに水を噴霧することによって、反応中に清掃された、ろ過デバイス
９９９ｃを例証する。図９Ｂおよび９Ｃに示すフィルタ残留物の差異から分かるとおり、ろ過デバイスに水を提供することによって、フィルタは、閉塞しない。
【００５６】
付加的なフィルタ
膜／粗フィルタアセンブリに対する代替的フィルタ設計もまた、使用することができる。図１０Ａ〜１０Ｂは、多くの異なるフィルタ設計を示す。例えば、図１０Ａでは、コーン状のフィルタ１０１０は、フィルタ１０１０にわたる、ケイ酸ナトリウム発泡の移動を促進することができ、気泡１０１２の破壊をもたらす。このコーン状フィルタ形状はまた、反応器１００２の上部隅１０１４ａ、１０１４ｂ内の液体収集地帯への発泡の移動、および下向きの垂直矢印１０５０、１０６０で示すとおり、反応器１００２の基部１００９への下方のケイ素ナトリウム溶液の再循環をもたらし得る。付加的な設計特性を、反応器１００２自体に組み込んで、この動作を促進し得る。かかる特性は、反応器壁１０４０上の凝縮を促進するためのキャニスタ冷却、ならびに下向きの垂直矢印１０５１、１０６１で示すとおり、反応器壁１０４０の下方、または他の適切な領域への液体溶液の移動に役立つための図１０Ｂのウィッキング物質１０７１を含むことができる。
【００５７】
多チャンバ反応器
上述のろ過デバイスを用いても、数量の非水素および／または非水は、粗フィルタ、および／または膜を通って漏れることができる。図３は、ケイ酸ナトリウム等の反応廃棄物を捕捉するためのプロセスを促進するための組み合わせ型チャンバ３５５を示す。図３の組み合わせ型チャンバ３５５を使用するプロセスを、多フィルタおよび膜を使用して、図１１Ａ〜１１Ｂに概略的に示す。
【００５８】
図１１Ａ〜１１Ｂは、廃棄物捕捉および循環方法を例証する。一実装形態では、廃棄物捕捉および循環は、使い捨て反応器内で実行される。図１１Ａでは、水素ガスは、水をナトリウムシリサイド１１０１と反応させることによって、より大きな反応チャンバ１１５４内で生成され、水素ガス１１９１は、水素膜１１９０を通って上方に移動する。また、数量のケイ酸ナトリウム、水、および他の反応生成物は、膜１１９０を通って、またはその周囲で移動し得る。これらの生成物の実際の流動速度は、流入供給水１１３８の流動速度よりもさらに低い。これらの生成物のすべて（出力水素１１９１、流入水１１３８、および反応副生成物）は、より小さい組み合わせ型チャンバ１１５５内で組み合わされる。より小さい組み合わせ型チャンバ１１５５は、支持部１１３３によって、反応器１１０２内で支持することができる。メッシュフィルタ１１２２もまた使用して、さらなる流入および流出ろ過を提供することができる。
【００５９】
流入水１１３８は、それらが水中で可溶性であるため、組み合わされた反応副生成物を吸収する。次いで、水１１３８および副生成物は、より大きな反応チャンバ１１５４内に再度汲上げられる。出力水素１１９１は、膜１１９０よりも微細な小孔寸法であることができる、二次膜１１９５まで上方に移動する。数量の水蒸気および他の構成要素は、依然として、「純水素出力」１１９３として標識された、最終出力ストリーム内にある。いくつかの動作状況では、組み合わせ型チャンバ１１５５、および反応器チャンバ１１５４内の圧力は、均等であり得、水素は、膜１１９０を通って流動しない。
【００６０】
圧力均等化を克服するために、膜／フィルタ圧力は降下し、逆止弁圧力は降下し、水ポンプの特定の動作制御方法は、反応前、または反応中に修正することができる。一例として、供給ポンプの循環は、水素が流動を開始または再開することを可能にする、圧力摂動を生成することができる。ポンプレス構造のための代替的廃棄物再捕捉構造を、図１１Ｂに示す。図１１Ｂでは、供給された水の超過圧力を使用して、反応器に水を供給する。
【００６１】
反応器内のより小さな区画を使用するアーキテクチャ
上記のとおり、これらの例における反応器は、複数の区画に分離することができる。このアーキテクチャは、水を反応の異なる領域に移動させるために有用であることができる。一例では、反応の異なる領域は、異なる時間で動作することができ、ナトリウムシリサイドおよびケイ酸ナトリウムが存在するときとは対照的に、ナトリウムシリサイドのみが存在するときに、反応がより早く開始することができる、より容易な再開条件を促進する。加えて、水噴霧器は、反応を制御する上で有効であることが分かっている。各噴霧器は、画定範囲の水分散を有することができる。区画アプローチでの噴霧器は、反応を制御するように上手く機能することができる。区画を分離するために、種々の方法および物質を使用することができる。例えば、薄管を反応器区画内に緩く挿入することができ、ハニカムメッシュアセンブリを反応器の内部に組み込むことができるか、または可撓性膜を反応器内に組み込むことができる。付加的には、反応器を分割するために使用する物質は、一区画内の水溶液を、他の区画から密封することができる。区画は、反応器内で水平方向および垂直方向の両方で構成することができる。区画はまた、水透過性および／または水素透過性物質から作製するか、または表面張力を介する水輸送のために使用される他の物質から作製することができる。
【００６２】
図１２Ａは、反応燃料物質がタバコ状構造に巻かれることができる、かかるアプローチの一実装形態を例証する。図１２Ａに示すとおり、反応燃料物質は、粉末、および／透過性水素の周囲のすべての水を分配することができる、膜物質で覆うことができる。例えば、複数の巻き区画１２０４ａ、１２０４ｂ、１２０４ｃ、１２０４ｄ、１２０４ｅ、１２０４ｆ、１２０４ｇを、反応器１２０２内に収容することができる。
【００６３】
巻き区画１２０４ａ、１２０４ｂ、１２０４ｃ、１２０４ｄ、１２０４ｅ、１２０４ｆ、１２０４ｇ内で反応が生じると、反応器１２０２は、熱を生成する。かかる巻き区画の別の実装形態は、タバコの場合と同様の薄型梱包のために、巻き区画を水平方向に隣り合わせて配置することである。上記の技術に加えて、図１２Ｂに示すとおり、反応器１２０２の壁１２９６を通して熱放散を実施することができる。反応器１２０２の壁１２９６が熱くなるため、保護部品１２８８または他の絶縁デバイスを使用して、反応器１２０２の外側の多くの領域を絶縁することができる。これらの絶縁デバイスを反応器１２０２の外側に位置付けることによって、ユーザが反応器に接触することが可能になる。
【００６４】
反応状態の判定
水溶液を反応燃料に添加した後、反応が生じ、水素ガスが生成される。反応状態を判定し、反応の進行を確認するための多くの方法が存在する。これらの技術は、視覚的な反応の観測、反応の計時、反応前、反応中、および反応後の反応のパラメータの測定を含むことができる。例えば、反応前、反応中、および反応後に測定することができる、パラメータは、反応剤の重量、温度、反応器内の水溶液の量、反応器内の反応燃料の量、反応器に添加される水溶液の最大量、ポンプの公知の特徴評価によって添加された水溶液の量、導電率、圧力、燃料電池電流および同等物による直接または間接的な水素出力測定、および同等物を含むが、これらに限定されない。
【００６５】
例えば、ナトリウムシリサイドは、最小限の導電率を有する。しかしながら、水と反応すると、ケイ酸ナトリウムは、検出および測定に好適なレベルで電気を容易に導電する。多くの異なる方法を使用して、この導電率の変化を測定することができるが、異なる電気接点１３６６が反応器１３０２内部のリボンケーブル１３５０上に定置される、一実装形態を図１３に示す。
【００６６】
導電率測定回路は、パッド１３１３ａと、１３１３ｂと、１３１３ｃと、１３１３ｄと、１３１３ｅと、１３１３ｆとの間の実際の抵抗測定を読み取り、比較し、および／またはパッド１３１３ａと、１３１３ｂと、１３１３ｃと、１３１３ｄと、１３１３ｅと、１
３１３ｆとの間の二地点間導電率を探す。これらの測定は、十分な状態反応分解能を提供するために、必要に応じて、わずか２つのパッド、またはできるだけ多くのパッドを使用して行うことができる。同様に、接触プローブは、反応器の異なる位置に定置して、同様の読み取りを実行し、同様の効果を達成することができる。
【００６７】
さらに、別の例では、単一のプローブは、２つの電気先端に接触して、反応器内の非常に特定された距離で、特定の地点における抵抗を測定することができる。この技術は、導電性反応器が採用される構造に使用することができる。同様の実装形態では、単一のプローブ、複数のプローブ、導電性パッドを使用し得、反応器事自体は、測定グラウンドとして使用することができる。
【００６８】
一構造では、電気接点は、バネ充填接触ピン、スワイプピン、ブレード挿入デバイス、無線伝送等の多くの電気接触方法、または任意の他の電気信号送達方法を介して水素生成システムに接続される。かかる接触を使用する反応器の一例を図１４に示し、そこでは、電気接点１４１４は、反応器の圧力容器キャップ１４１６に接続される。凹型リボンケーブル１４１８は、圧力容器キャップ１４１６内のマイクロコントローラ１４２０に、接触部１４１４を接続する。水素生成システムは、マイクロコントローラ１４２０内の命令をプログラムして、接触部１４１４をインテロゲートまたは探査、抵抗を測定、および／または短絡および／または開回路を判定することによって達成される、検出回路を含むことができる。マイクロコントローラ１４２０は、接触部１４１４をインテロゲート、信号レベルを判定、および信号レベルを導電率測定に変換し、導電率測定を反応状態測定と一致させるためのプログラム命令およびアルゴリズムを含むことができる。もちろん、マイクロコントローラは、反応器アセンブリ上（図１４の圧力容器キャップ内等）、または図３に示す制御システム３０３内に存在することができる。
【００６９】
反応状態を判定するための別の例では、歪みゲージ等の力センサを使用して、反応器の重量を測定することができる。反応状態にわたり、反応器は、ナトリウムシリサイドに添加される水のため、より重くなる。反応器の重量の変化は、はかりまたは他の力センサを使用して測定して、反応前、反応中、または反応後に反応の重量を判定することができる。これらの期間中に反応器を計量することによって、反応状態、ならびに、他のシステム固有のパラメータ（反応効率、完了比率、反応の時間、反応から生成された水素ガスの量）、および他のパラメータを判定することができる。
【００７０】
制御システムは、反応状態に基づき、そのポンプパラメータを調整することができる。例えば、反応は、開始よりも反応の終了付近で、同一量の水素を生成するために、さらに多くの水を必要とする可能性がある。マイクロコントローラは、このシステムパラメータを使用して、他の制御測定（温度範囲、圧力範囲、ならびに水溶液が反応に添加される量および速度等）を調整することによって、より均一な水素生成を可能にする、反応特性を予測することができる。
【００７１】
反応状態および反応パラメータの表示
反応状態を判定するために使用する測定に関わらず、図２に示すとおり、ディスプレイデバイス２１８を使用して、反応燃料および水溶液を監視し、制御し得る。ディスプレイデバイス２１８は、判定された反応の力または重量、および他の動作またはシステム固有のパラメータを示すためのＬＣＤ（液晶ディスプレイ）、または他のディスプレイを含むことができる。ディスプレイデバイス３１８の付加的な例を図３に示す。例えば、ディスプレイデバイス３１８は、実際の重量を表示するか、またはマイクロコントローラ（図３のマイクロコントローラ３８７等）を使用して、完了比率、時間、または反応状態に関連する他の測定に実際の重量を変換することができる。
【００７２】
単一区画反応器の例
軽量、低価格、かつ再利用可能な反応器１５０２の例を、図１５Ａに概略的に、図１５Ｂに詳細に示す。薄壁付き反応器１５０２は、キャニスタキャップ１５５５の周囲にリップ１５５３を含むように、型打ちされ、形成される。別個の支持部品１５５７は、リップ１５５３の裏面に定置される。キャニスタキャップ１５５５および支持部品１５５７は、リップ１５５３を圧縮して、すべて分解および再利用することができる非常に薄い壁付きキャニスタを使用しながら、強力な反応器１５０２を促進する。リップ１５５３は、糊付けまたは圧着することなく、保持環を使用して、キャニスタキャップ１５５５を固着するための機械的接続を促進する。これは、キャニスタキャップ１５５５を取り外す、反応器１５０２およびキャップ１５５５を修理、次いで、反応器１５０２およびキャップ１５５５を再充填し、再利用する能力を提供する。反応器１５０２およびキャップ１５５５の修理は、分離膜、ろ過媒体、および同等物等の構成要素部品の交換または修復を含むことができる。付加的には、封入等の保護方法、または他の方法を使用して、反応器の不正使用を回避、および／または反応器の不正検出を提供することができる。
【００７３】
図１５Ｃは、設計されたオーバーリップ１５５３を含む、かかる薄壁付き容器の製造に使用される、詳細な図面を示す。１５Ｂにも示すとおり、オーバーリップ１５５３は、圧着または糊付けアプローチ等の他の方法を使用して、反応器キャップ１５５５を取り付ける場合に除外することができる。キャップ１５５５の底部部分１５６３は、水溶液入力および出力、電機接続デバイス、および同等物等の実践的接続デバイス（１５６５として集合的に示す）を提供しながら、重量を最小限化し、強度を最大限化するように設計することができる。
【００７４】
図１５Ｂにさらに示し、図３に関して上記に動作上説明するとおり、反応器１５０２は、水素出口１５４４および水入口１５９１の両方を含む。これらの接続は、水および水素流動を調節するために、逆止弁、および／または正常に閉鎖した遮断弁、または他のデバイスを収容することができる。正常に閉鎖した遮断弁３４３４の一例を図３４に示す。正常に閉鎖した遮断弁３４３４は、図１５Ｂに示すとおり、水素出口１５４４および／または水入口１５９１のいずれかの上の反応器内に設置することができる。図３５に示す噛合構成要素３５３５は、制御システムの上に載置され、かつ正常に閉鎖した遮断弁３４３４の表面に接触し、押圧する、噛合構成要素３５３５の表面上にＯ型環３５３７または過剰成形ガスケットを有する。噛合構成要素３５３５の表面が、弁アセンブリ３４３４上で押圧すると、遮断弁３４３４の内部部分は、摺動して、開口流体チャネルを提供する。未開口状態では、バネ３４３０は、弁３４３４の本体を押下し、Ｏ型環を封止させ、液体が流動することを可能にする。付加的なＯ型環を動的封止として使用し、それは、弁空隙容量を最小限に維持し、それは、接触または断絶されたときに、水素ガスに添加される通常の空気の量を著しく減少する。弁３４３４の本体は、本体がキャニスタキャップ１５５５内にネジ止めされ得るように、螺合３４３９を含む。糊、押し嵌合、スナップ嵌合環、および同等物等の多くの他の機構によって、弁３４３４を定位置に設置し、維持することができる。
【００７５】
示す反応器は、統合安全逃し弁１５３８および１５８８を含む。安全逃し弁１５３８、１５８８は、一回限りの制御圧力逃しバースト点等の代替的方法で実装することができる。図１５Ｂでは、別の逃し弁１５８８を使用して、ろ過前の圧力を通気し得る一方、１つの逃し弁１５３８を使用して、ろ過を通る圧力を通気する。一実装形態では、弁１５３８、１５８８の両方は、同一の圧力で逃すように設定される。別の実装形態では、後置フィルタ弁１５３８は、前置フィルタ弁１５８８よりも低い圧力で逃すように設定される。無人の高圧力事象の場合では、システムは、ろ過された出力を介して、高圧力水素のすべてを通気する。二次弁１５８８はまた、フィルタが閉塞した高圧力事象の場合に予備弁として機能することができる。別の実装形態では、浸漬管１５４３は、逃し弁１５８８のガス
チャネルに接続され、逆さまに保管された場合に、キャニスタの底部に向けられ、キャニスタを通気する。この実装形態の場合では、浸漬管１５４３は、水素対ケイ酸ナトリウム、または他の水溶液要素を選択的に通気するために、上部、底部、またはその両方に多孔質フィルタ媒体を収容することができる。
【００７６】
キャップ１５５５は、例えば、Ａｔｍｅｌ社のＴＫ５５５１  ＲＦＩＤチップ等のＲＦＩＤチップ１５２２を含む。３つの薄壁付き管１５３９、１５４１、１５４３を反応器１５０２内に示す。１つの管１５３９は、反応器１５０２の中央から水を降ろし、かつ、反応燃料が存在する、反応器１５０の領域へ水流を移動させるための統合ノズル１５４９ａ、１５４９ｂ、１５４９ｃを含む。別の管１５４１は、上部キャップ１５６１の平面に対して水平である。この管１５４１は、フィルタ１５６１の清浄、および水溶液と反応燃料との間のさらなる反応のために、フィルタ１５６１の周囲を一掃し、フィルタ１５６１にわたって水を噴霧する。
【００７７】
図３に関して上述のとおり、逆止弁（図１５に図示せず）は、反応器１５０２で水ラインと一列に定置することができる。上述のとおり、逆止弁は、制御システム内、反応器１５０２内、または両方内に位置することができる。水は、先述の水ネットワークを介して反応器１５０２に汲上げられる。水素が、水素出口１５９１を介して反応器１５０２を出ると、水素ガスはまた、逆止弁（図１５に図示せず）を通って通過することができる。上記に示すとおり、水素ガス出力逆止弁はまた、制御システム内（参照番号３０３で図３に示す）、反応器１５０２内、または両方内に位置することができる。１つ以上の単一反応器１５０２を使用するシステムでは、逆止弁は、各反応器からの水素出口ラインのそれぞれに使用される。また、独立した圧力変換器を使用して、各反応器圧力を別個に測定することができ、次いで、独立した圧力変換器は、少なくとも１つの逆止弁、または他の下流単離機構の前に、反応器内、または制御システム内のいずれかの水素出口ラインに接続される。逆止弁を使用して、１つの反応器が別の反応器を逆加圧すること防止することができる。正常に閉鎖した弁または流量制御調節器等の他の構成要素を使用して同様の結果を達成することができる。
【００７８】
図３に関して上述のとおり、水素ガスは、反応器３０２から直接出て通過することができる。別の実装形態では、水素ガスは、まず、高純度汚染フィルタを通って通過することができる。同様に、再度、図３に示すとおり、水素出力は、従来の水タンク３１４または別個の水タンク等の水タンク／凝縮器を通って気泡化することができる。これは、数量の水蒸気を濃縮し、排出された水素ガス中に存在し得る、数量の微粒子または汚染物を捕捉することに役立つ。
【００７９】
水タンク３１４を介して気泡化した後、排出された水素ガスは、微細な高純度フィルタ３６９を通って通過することができる。水タンク３１４は、低温動作のために、他の目的のために、添加剤を含むことができる。添加剤は、生成されたＨ２の量を増大する、共反応剤、凝集剤、腐食防止剤、または水溶液の物理的特性を変更する熱物理的添加剤を含むことができる。例えば、熱物理的添加剤は、反応の温度範囲、反応の圧力範囲、および同等物を変更することができる。さらに、水溶液への添加剤は、種々の異なる添加剤の混合物を含むことができる。
【００８０】
いくつかの添加剤は、水素ストリームにおいて少ない汚染物を促進することができるか、添加剤自体は、反応に生成された任意の展開したシラン（ＳｉＨ４）上で加水分解することに役立つことができる。反応器３０２からの水素ガスは、水性フィルタ３５１を対象とすることができる。圧力変換器３４０を使用して、水素ガスの圧力を測定および調節することができる。水性フィルタ３５１を使用して、展開したシラン上で加水分解を実行し、微粒子を収集し、水素出力ストリームから水を凝縮する。シランの加水分解の場合では
、少量のＳｉＯ２および水素が生成されるであろう。生成された水素を、水素ガス出力３６５内で使用することができ、ＳｉＯ２は、弁３６１、３２４を通る残りの水で、反応器３０２中に汲み上げることができる。水タンク３１４は、必要に応じて、排水および清浄することができる。気泡が水を通って水素を排出した場合、水タンク３１４はまた、水素が水素出口ポート３６５を出ることを可能にするが、重度に傾斜、または逆さまに反転した状態で水が出ることを不可能にするために、上部内に透過性膜３６７を有することができる。一実装形態では、水蓋３６３は、水蓋３６３が完全に閉鎖すると、マイクロコントローラ３８７に通知する、キャップ接触センサ３１１、または他の検出器を有する。一実装形態では、マイクロコントローラ３８７は、さらなる水が添加されている間に反応器が加圧されたままにするために、水タンク３１４の前に出力弁３６２の電源を切ることができる。
【００８１】
他の例では、出力弁３６６は、水タンク３１４、および微細フィルタ３６７を出た後に定置することができる。この出力弁３６６は、マイクロコントローラ３６７によって制御して、反応を開始し、排出された水素ガスを最終用途（携帯電話、ラップトップコンピュータ、住宅配電網、および同等物等）に供給するために適切なレベルまで圧力が蓄積されるのを可能にすることができる。別の例は、任意の閉じ込められた空気のシステムをパージするための、別個の逃し弁３６８、または抽気弁を含む。上述のとおり、さらなる例は、適用可能な特定の用途条件を支持するために、出力水素ラインと一列にある、凝縮器またはデシカントフィルタ等のフィルタ３６９を含む。
【００８２】
別の例は、二次組み合わせ型チャンバ３５１を通る、反応器３０２からのすべての水の送ることを含むことができる。付加的には、別の例は、反応器３０２までの経路上の直接通路として、または二次組み合わせ型チャンバ３５１への独立した制御を用いる、二次組み合わせ型チャンバ３５１内への汲み上げ入力水を含む。二次組み合わせ型チャンバ３５１は、加水分解および／またはろ過を促進するために、二次チャンバの温度を増大および／または維持するために、サーミスタを含む、熱制御システムに連結することができるが、上述のとおり、反応器３０２に関して熱制御を提供した。
【００８３】
付加的な電気接続
単一区画反応器、および付加的な区画を有するこれらの反応器の両方では、付加的な電気接続を形成して、反応状態およびシステム固有のパラメータに関する付加的な情報をユーザに提供することができる。例えば、図３では、反応器３０２および制御システム３０３から制御電子機器３６８への付加的な信号接続（有線または無線のいずれか）を形成して、システム固有のパラメータを監視および表示するために用いる、制御デバイスおよびディスプレイデバイス測定データを提供することができる。
【００８４】
例えば、システム固有のパラメータを記憶および報告することによって、反応状態を評価するために、１つまたは複数の読み取り／書き込みＲＦＩＤデバイスを使用することができる。例えば、マイクロコントローラ３８７は、反応器３０２のキャップ内に定置することができる、ＲＦＩＤデバイス３３３に、反応器３０２内に汲み上げられた水の量のデータ標示を書き込むことができる。反応器３０２内に挿入されることが分かっている、測定された水量に基づき、かつ圧力および温度パラメータ等の他の測定を用いて、反応状態は、システム３００によって判定することができる。同様に、付加的なＲＦＩＤデバイス３８１、３８２、３３４は、マイクロコントローラ３８７に、かつそこからのシステム情報を提供し、記憶するために、反応器３０２および制御システム３０３にわたって組み込むことができる。例えば、各ＲＦＩＤデバイスは、連番、反応器内に挿入される水量、反応器内に挿入することができる水の許容可能な総量、反応器内の圧力、水容器およびシステムの他所内の圧力等の情報を含むことができる。次いで、ＲＦＩＤデバイスにおける、圧力測定、温度測定、水量、および他のシステム特性を使用して、反応状態を判定するこ
とができる。同様に、マイクロコントローラ３８７は、水流速、生成された水素量、および他のパラメータ等の他のシステムパラメータを、ＲＦＩＤデバイス３３３、３３４、３８１、３８２、および制御システム３０３内、反応器３０２内、および反応デバイスにわたって定置することができる、他のＲＦＩＤデバイスに書き込むことができる。
【００８５】
付加的には、ＲＦＩＤデバイス（別個に図示せず）は、反応器３０２を個々に特定することによって、在庫管理を提供するために、反応器３０２に組み込むことができる。このデバイスを、在庫管理のために別個に使用することができるか、または単一のデバイスを複数の一連の制御機能と併せて使用することができる。ＲＦＩＤデバイスは、複数の位置で使用することができる、応答器、および／または多くの応答器と通信することができる。例えば、応答器は、品質管理のために、アセンブリラインの一部として、または携帯用デバイスとして、反応器を製造する工場で使用することができる。同様に、応答器は、フィールド内での使用のために、一致するハードウエア内に位置することができる。一致するハードウエアは、水素生成システム、燃料電池システム、完全な電力システム、または他のインターフェースシステムを含むことができる。
【００８６】
受動水素生成
受動的アーキテクチャ反応器システム１６００の一例を、図１６に示す。「受動的アーキテクチャ」は、反応を開始するための電気ポンプの欠如を指す。受動的アーキテクチャシステムは、しばしば、低出力システムに好適である。このアーキテクチャを用いて、オーバーヘッド動作を最小限化することができる。例えば、低出力システムの構成要素は、しばしば、より少数の物理的梱包に組み合わせることができ、他の構成要素は、完全に排除することができる。例えば、反応器システムのファンおよびポンプは、携帯電話または携帯電話充電器等の低電力システム、および低電力が必要とされ、容積および費用が最小限化されなければならない他の用途のために排除することができる。ナトリウムシリサイドベース（または、他の水性反応物質）の水素生成のためのポンプレスシステムの簡略化アーキテクチャを図１６に示す。水タンク１６１４は、まず、加圧源１６１６を接続することによるか、またはポンプのいずれかによって加圧される。次いで水は、流量制限器１６２４を含むこともできる、水供給ライン１６９０を通って供給される。流量制限器１６２４は、弁等の能動的構成要素、または開口部等の受動的構成要素であることができる。代替的には、重力自体は、初期力を提供して、水を水供給ライン１６９０を通って移動させ得る。初期水が反応器１６０２に進入し、ナトリウムシリサイド１６０１と組み合わされると、水素１６３４が生成され、水素圧力を形成し、それは、順次、再圧力ライン１６４３を介して水供給１６８４を再加圧する。水素出力１６６６における圧力は、水素がシステムから出て、水タンク１６１４まで逆流し始めると低下する。しかしながら、水タンク１６１４における圧力は、逆止弁１６７７により維持される。これにより、より多くの水を反応器１６０２内に駆動する、圧力差異が生じ、それは、次いで、システム１６００を再加圧する。圧力が上昇すると、総システム圧力は、平衡し、水流を停止する。流量制限器１６２４を使用して、反応器１６０２への水入力速度を制御することができる。別様に、水素圧力が発達する時間を有する前に、過剰水が、反応器１６０２内に挿入されることができ、それは、潜在的に正のフィードバック状態につながることができ、反応が早期に生じる場合がある。
【００８７】
加えて、水供給は、水ピックアップラインが使用されるとき、水タンク１６１４の底部から、またはタンク１６１４上の別の出口地点（上部等）を通って排出され得る（図１６に図示せず）。重力またはサイフォン水供給機構はまた、水入口および出口の適切な定置によって、システム内に組み込むことができる。
【００８８】
低出力反応器システム１６００のアーキテクチャは、図１７において、完全な反応器アセンブリ１７００に組み込まれる。反応器１７０２は、反応器チャンバ１７２２内の反応
燃料１７０１を含む。反応器チャンバ１７２２は、反応燃料１７０１を含み、生成された水素ガスの脱出経路を提供するための膜１７３３を収容することができる。反応チャンバ１７２２は、剛性チャンバまたは可撓性チャンバのいずれかであることができる。反応チャンバ１７２２は、反応チャンバ１７２２が任意の数の方向で配向することを可能にするように、複数の位置に膜１７３３を有することができる。外側水素チャンバ１７９３内の加圧水素ガス１７８８が、反応器チャンバ１７２２を包囲し、それは、特定の用途の必要に応じて、出力弁１７６６から外に流動する。一般的低出力反応器システム１６００を用いた場合を図１６に示し、水１７３４は、水供給ライン１７９０を介して、反応器１７０２に供給される。水１７３４は、水置換ポンプ１７１６によって、または、水充填ポート１７１７を通る外部水源によって、システムに提供することができる。水再加圧は、水再加圧弁１７７７によって達成される。この方法で、低出力反応器システム１７００は、最終用途に水素ガスを提供することができる。
【００８９】
反応器チャンバ１７２２は、複数の水供給機構を用いて供給することができる。例えば、小さいポンプは、反応器チャンバ、水、およびポンプシステムを有する、完全な使い捨て反応器を提供するために、反応器１７０２内に組み込むことができる。このポンプはまた、反応器から分離することができる。別個のポンプを有するシステムの一例は、図１８に示すバネ駆動システムである。
【００９０】
図１８は、統合反応器チャンバ１８０２、水供給１８１４、および「汲み上げシステム」１８２０を有する、バネ駆動反応器システム１８００を例証する。反応器１８０２はまた、水散布器を含むことができる（図２５を参照して下記に説明）。バネ駆動反応器システムの一例は、摺動ピストン１８３１を押下し、水供給１８１４を含む、水チャンバに圧力を印加する、バネ１８２１を組み込む。付加的な実装形態はまた、可撓性物質、エラストマ、ベローズ、または異なる圧力がそれらにわたって印加されるときに運動を提供する他の構造等の異なるピストン代替物を採用することができる。バネの場合では、小さい基盤領域１８５１は、バネ１８２１の縁部と接触して、より広域な領域に力を分配することができる。付加的には、単一の本体梱包２１００に製造される、バネ駆動反応器システムの一例を、図２１に概略的に、図２２Ａおよび２３に図解的に示す。図２２Ｂおよび２４は、単一本体梱包２１００内のバネ駆動反応器システムの展開図を提供する。
【００９１】
図１８を参照すると、バネ１８２１が、水チャンバ１８４１内に圧力を発生させると、水が反応器チャンバ１８０２内に注入される。水が反応燃料物質と接触すると、水素が生成される。水素が生成されると、これは、反応器チャンバ１８０２内に圧力を生成し、水の流入を停止する。この実装形態では、水供給機構は、配向独立である。図１８の反応器システム１８００では、反応器チャンバ１８０２は、水溶液がフィルタ１８９０を遮断し、システム１８００が逆さまのときに水素がそこを通って通過することを不可能にすることができるため、配向独立ではない。これを補うために、図１７において参照番号１７２２で示す膜を有する反応器チャンバ等の反応器膜システムは、複数のピックアップで実装することができる。付加的には、逆止弁１８２４は、水供給１８１４と反応器チャンバ１８０２との間に定置することができる。かかる水素送達システムなく、水素圧力は、過剰圧力でバネ１８２１上のパックを押下し、それは、順次、過剰水を注入する。逆止弁の欠如は、振動性システムを作製することができる。例えば、図１９は、逆止弁を有さないシステム内の経時的圧力反応の一例を示す。図１９のグラフで示すとおり、振動性圧力反応は、逆止弁等の均圧手段がシステム内に組み込まれないときに証明されている。
【００９２】
対照的に、図２０は、逆止弁を使用するシステム内の経時的圧力反応の一例を示す。図２０の圧力反応は、振動性反応を呈さない代わりに、バネ圧力に伴う定常減衰を示す。
【００９３】
図２０に示すとおり、反応の開始における初期ピークは、初期の水スラグが反応器内に
注入されると生じる。この効果を、水流制限器を使用して減退させることができるか、または燃料電池スタックパージを促進するために、高い過渡水素生成の瞬間的な過渡レベルを形成するように増大することができる。例えば、逆止弁１８２４に加えて、再開状態中に、水流を遅くさせる方法は、水流制限器を使用して実装することができる。再開中、瞬間的水素圧力は、非常に低い値まで降下することができ、大きい反応スパイクをもたらすことができる水の注入をもたらす。流量制限器機能は、かかる効果を防止するように、水分配機能に組み込むことができる。逆止具の使用は、バネ設計によって判定される、ほぼ一定圧力動作を促進する。制御弁または調節器、および同等物等の逆止弁のための他の機構もまた、使用することができる。
【００９４】
受動的アーキテクチャ反応器システムでは、水散布および分配は、多くの技術を使用して実行することができる。例えば、図２５に示すとおり、水散布器２５１５は、小さい分配孔２５１３を有する、小径管であることができる。水分配システムはまた、反応器間隙２５０２内部に見られるとおり、シリコーン管２５５５内の孔のネットワークを組み込むことができる。孔離間、寸法、および種類変動を、ノズルに関して上記に説明してきた。付加的には、シリコーン管２５５５構造の孔寸法は、付加的な可撓性を提供することができる。上記に説明するとおり、小孔は、生成された反応廃棄物によって閉塞しやすいことができ、したがって、シリコーン管２５５５の使用により、圧力が閉塞周辺を広げ、次いで、閉塞物を孔から外に押し出す、より幅広い孔を作製することが可能になることができる。例えば、ホウケイ酸繊維等の他の水分配機構、および他の水ウィッキング物質も使用して、反応領域にわたり水を分配することができる。これらの水分配技術は、任意の種類のポンプまたは制御システムアーキテクチャとともに使用することができる。
【００９５】
図１８に概略的に示すとおり、２部品式反応器システム１８００の一例は、反応器１８０２等の１つの一次構成要素または容器内に反応燃料物質１８３４を含み、水溶液は、まず、水溶液キャニスタ１８９２等の別の一次構成要素または容器内にある。反応器１８０２は、反応が完了した時点で廃棄または再生することができる一方、水溶液キャニスタ１８９２は、ユーザによって再利用可能かつ再充填可能である。これらの２つの一次構成要素１８０２、１８９２は、「反応器および水供給システム」と称される。図１８に示す例では、完全な水素生成システムは、２つのコア構成要素（反応燃料反応器１８０２、および水溶液キャニスタ１８９２）から成る。これらの２つの別個のキャニスタ１８０２、１８９２は、相互に接続され、相互作用して水素ガスを生成する。代替的には、上述のとおり、これらの２つのキャニスタ１８０２、１８９２は、単に、水入口弁を介して相互に接続することができる一方、制御システム（例えば、燃料電池システム、消費者用最終生成物、および同等物）は、キャニスタを定位置に保持し、それらを適宜に解放するために、機械的剛性を提供する。さらに、完全な水供給システムは、分離不可能および／または着脱式構成要素として、制御システム内に存在することができる。
【００９６】
インターフェース弁１８２４は、反応器１８０２内、供給システム１８９２内、および／またはその両方内に存在することができる。反応器１８０２および水供給１８９２が接続されたとき、インターフェース弁は、水素圧力がバネ１８２１を偏向することを不可能にし得る。これは、インターフェース弁１８２４内に、逆止弁、または制御オン／オフ弁の特性を含むことによって達成することができる。別個の実装形態では、インターフェース弁１８２４が、かかる特性を提供しない場合、ネジ回し、または水供給システムが水素ガスで著しく加圧されることを不可能にする他の機構による、ピストンアセンブリの制御等の別個の特性を採用して、バネの逆動を阻害することができる。
【００９７】
図２２〜２４は、このシステム実装形態における、コア構成要素の例を示す。図２２Ｂに示すとおり、金属バネ２１２１を水キャニスタ２１９２内で採用して、圧力を生成し、水が反応器キャニスタ内に流入するための手段を提供する。この例における金属バネ２１
２１は、先細円錐引張バネであるが、ねじり、ぜんまい、逆先細円錐、圧縮、およびその他等の他の種類のバネも使用することができる。バネ２１２１は、キャニスタ２１９２の基板２１７０、およびプランジャ２１７２にしっかりと載置することができる。さらに、バネ２１２１は、プランジャヨーを防止するように、中心に置かれる。図２２Ｂに示すプランジャ２１７２は、プランジャ２１７２が摺動すると、移動し、封止するための統合特性を有するが、他の水送達設計を使用することができる。例えば、上述のとおり、異なる例は、圧縮下で水を反応器に送達する、可撓性「バック」を採用することができる。
【００９８】
逆止弁２１６２および開口部２１６４（図２３に示す）は、水キャニスタ２１９２と、粉末（反応器）キャニスタ２１０２との間の水出口内に組み込まれる。逆止弁２１６２は、水素圧力が水キャニスタ２１９２を再加圧することを妨げ、したがって、システムの不安定性を妨げることに役立つ。他の例では、逆止弁２１６２はまた、水キャニスタ／反応器の断絶時に封止することができる。他の例では、逆止弁２１６２は、過剰圧力がシステム内に発生する場合に、圧力を軽減することができる。開口部２１６４は、水と反応器キャニスタ２１０２、２１９２との間の高い差圧期間の間に、反応器２１０２への水流を制限することに役立つ。
【００９９】
図２６および２７に示すとおり、他の実装形態では、反応器および水供給サブシステムは、分離可能である。例えば、図２６に示すとおり実装形態の一例は、螺合係止機構２６６６を採用して、２つのキャニスタ２１０２、２１９２を連結する。機構、または水供給ポート上の微細（１０〜３２）内部および外部螺合を係止するためのクリック等の他の係止設計もまた、使用することができる。係止機構の螺合は、水または水素に対して封止する必要がなく、Ｏ型環またはガスケットタイプの封止を使用して、水を反応器キャニスタインターフェースに連結することができる。
【０１００】
この例におけるキャニスタの両方は、上述の薄壁付き圧力容器である。反応キャニスタは、ニッケルめっきを施したアルミニウムおよび同等物等の塩基耐食物質で構築することができる。水キャニスタは、軽量金属、またはエンジニアリングプラスチックから構築することができる。水キャニスタは、キャニスタが断絶または取り外されたときに水流を妨げる係止機構を有することができる。係止機構は、水が流動するためにユーザ介入を必要とする、機械的ラッチであることができる。代替的には、反応器は、弁、またはユーザ介入があるまで流量を停止する他の機構を収容することができる。ユーザ介入の例は、物理的スイッチ、またはキャニスタを燃料電池システムアセンブリに挿入する動作によって作動する弁を含む。
【０１０１】
付加的には、水供給システムの一部としてのバネは、図２７の例に示すとおり、水の外、または図２８に示すとおり、水中になるように構成することができる。バネが水中に位置する場合、腐食防止剤を水溶液に添加することができるか、または他のバネ物質を適切に選択して、腐食を制限することができる。
【０１０２】
図２９Ａおよび２９Ｂの例に示すとおり、多くの異なる構造を使用して、反応器内に挿入される水の時間の間、ほぼ一定の水圧力を維持することができる。実際の移動距離が全体の圧縮距離に関して短くなるように、バネを選択することができる。これを達成する一方法は、図２９Ａおよび２９Ｂに示すとおり、逆円錐バネを使用することによるものである。長い非圧縮バネ２９２１が、依然として圧力下にある間に、平らのまま下に引張するように、圧縮し、逆転することができる（図２９Ｂに示すとおり）。これにより、依然として必要な力を提供しながら、バネ圧縮容量が最小限になることが可能になる。
【０１０３】
容量考察
数名のユーザは、ユーザの複雑度を最小限化するために、梱包内に含まれる必要な水の
すべてで、できるだけ少容量である構造を必要とし得る。図３０Ａおよび３０Ｂに示す一例では、反応器容量３００２は、まず、少量で開始し、水溶液が枯渇し、反応点に添加されると、経時的に増加する。反応器容量３００２は、非常に圧縮された状態で開始する。経時的に、ピストン３０７２または同様の機構を使用して、反応器容量３００２を水供給容量３０１４に交換する。この裏にある駆動力は、動態ポンプ機構、バネ駆動機構、または他の機構であることができる。一実装形態では、システムは、生成された水素圧力が、ネジ駆動ピストンアセンブリ、拡大ガスケット、または同等物の使用によって、水送達圧力に寄与しないように設計される。別の実装形態では、システムは、水送達システムの一部としての制御弁または圧力調節器の使用によって、生成された水素圧力が水送達圧力に寄与しないように設計される。図３０Ｂに示すバネ駆動機構とともに、逆先細バネ３０２１を示し、それは、依然として弛緩されていない状態のままである間に、バネアセンブリが、ほぼ平坦になるまで圧縮することができるように許容される力を依然として提供しながら、反応の最後に、水供給容量３０１４の最小限化を可能にする。このアプローチは、同程度のピストン（または他の方法）、水溶液分配ネットワーク、水溶液流量制限器、および統合逆止弁または同程度に機能した構成要素（図示せず）を使用する。弁または他の機構等の機構を採用し得、それは、バネを機械的に定位置に係止するか、または水溶液が流動することを停止する。水溶液は、カートリッジの外側に流動し得、ピストン形状を介して送られることができる。また、弁、調節器、または他の制御構成要素を、水供給ラインに使用することができる。形状および設計は、バネによって印加された力のみが水置換を生成するように採用し得る。例えば、螺合インターフェース等の機構は、水素圧力内の瞬間的な増加が水圧力内の瞬間的な増加に翻訳しないように、組み込むことができる。拡張ベローズおよびその他等の他の特性を採用することができる。付加的には、図３１〜３３は、ラップトップコンピュータの電源のための燃料電池等のシステムに使用することができる、カートリッジ３１００のより大きいバージョンを示す。
【０１０４】
したがって、本発明の基本的概念を説明してきたが、むしろ、先述の詳細な開示は、例示目的のみで提示されることを意図し、制限するものではないことは、当業者には明らかであろう。本明細書に明確に記載していないが、種々の変化、改善、および修正が生じ、当業者のために意図されている。これらの変化、改善、および修正は、ここで示唆されることを意図し、本発明の精神および範囲内である。付加的には、したがって、処理要素の列挙した順序もしくは配列、または数、文字、もしくは他の指定物の使用は、請求項に特定することができることを除き、請求するプロセスを任意の順序に制限しないことを意図する。故に、本発明は、以下の請求項およびその等価物によってのみ制限される。
【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図６】
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【図７】
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【図９Ａ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１７】
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【図１８】
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【図２１】
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【図２２Ａ】
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【図２２Ｂ】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図３０Ａ】
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【図３０Ｂ】
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【図３２】
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【図３５Ｂ】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図５】
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【図８】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１４】
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【図１５Ｃ】
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【図１６】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２３】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９Ａ】
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【図２９Ｂ】
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【図３１】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５Ａ】
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【外国語明細書】
2015143188000001.pdf