(57)【要約】一式の燃料電池システムが記述される。燃料電池システム（１０）は、反応して水素を形成する、少なくとも２つの燃料先駆体（１６、１８）を有する。固体燃料先駆体（１８）は使い捨て燃料カートリッジ（１００）に担持できる。ドースポンプ（２２）および圧力等価システム（２４、３００、５０４）を含む受動圧力制御システムが設けられて液体燃料先駆体（１６）を燃料カートリッジ（１００）中の固体燃料先駆体（１８）へと投与する。燃料カートリッジ（１００）の外側壁（１０２）が受動圧力制御システムの一部を形成できる。固体燃料先駆体は、細かな金属粒子でコーティングされた大きな金属粒子を含み、当該大きな金属粒子の表面に複数のマイクロガルバノ電池が形成されるようになして良い。【選択図】図１
2014505347.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素発生システム（１２）と、
燃料電池（３０）を有する電気発生システム（１４）と、
生成された水素が、電気を生成するために上記燃料電池により消費される量を上回るときに、上記水素発生システムにより生成される水素を貯蔵する気体バッファ（４０）とを有することと特徴とする燃料電池システム（１０）。
【請求項２】
蒸気水素発生システム（１２）が、水性液体と反応して水素を発生する固体燃料を有し、この固体燃料は、より小さな第２の金属粒子によりコーティングされる第１の金属粒子を有し、複数のガルバノ電池が、上記第１の金属粒子の表面において、上記第１の金属粒子の金属と上記第２の金属粒子の金属との間で形成されるようになっている、請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
上記水素発生システム（１２）は、水性液体と反応して水素を発生する固体燃料を有し、この固体燃料は、より小さな鉄粒子でコーティングされたマグネシウム粒子を有する請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
複数のガルバノ電池が上記マグネシウム終始の表面上に、マグネシウムおよび鉄の間で形成される請求項３記載の燃料電池システム。
【請求項５】
上記第１の金属粒子は、より小さな第３の粒子により、さらに被覆され、上記第３の粒子は、上記固体燃料および上記水性液体の間の反応の生成物と７を上回るｐＨで反応して水素を生成する請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項６】
シリコンがさらに上記マグネシウム粒子をコーティングする請求項３、４、または５記載の燃料電池システム。
【請求項７】
上記固体燃料は難然剤を有し、上記固体燃料は燃料ペレットを有する請求項２または３記載の燃料電池システム。
【請求項８】
上記難然剤は塩化カリウムである請求項７記載の燃料電池システム。
【請求項９】
上記固体燃料は塩を有する請求項２または３記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
上記水素発生システム（１２）は水性液体と反応して水素を発生する固体燃料を有し、上記固体燃料は燃料カートリッジ（１００）中の配される燃料ペレット（１１０）を有し、上記燃料ペレット（１１０）の各々はカップ（１０９）内に位置決めされる請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
上記燃料ペレットは、上記水性液体と反応するときに膨張し、上記燃料カートリッジ（１００）の表面（１０２）は柔軟性を有する請求項１０記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
上記燃料カートリッジ内で生成させられる水素からの圧力が柔軟性のある上記表面（１０２）により上記水性液体に伝達される請求項１１記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
上記圧力は、上記水性液体のドースがドースポンプ（２２）に入るようになす請求項２２記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
水素が上記燃料カートリッジから出るように搬送されるときに、上記燃料カートリッジ内の圧力が減少して、上記ドースポンプ中の上記ドースが上記燃料カートリッジ（１００）に入るようになす請求項１３記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
上記ドースポンプは２つの逆止バルブ（２３１、２３２）の間に配されたドースボリューム（２１）を有し、上記ドースボリュームは弾性部材により形成され、またはバネにより指示され、またはその双方である請求項１３記載の燃料電池システム。
【請求項１６】
上記水素発生装置（１２）は、水性液体と反応して水素を発生する固体燃料を有し、上記固体燃料は、反応室（３００、１０９）内に配され、上記水性液体が上記反応室に投与される請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項１７】
上記水素発生システムは、さらに、上記反応室内の第１の圧力と上記水性液体内の第２の圧力との間の圧力等価を復元または維持する圧力等価機構（２４）を有する請求項１６記載の燃料電池システム。
【請求項１８】
上記第１の圧力と流体連通する、膨張可能な体積補償部（５０４）をさらに有する請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項１９】
上記圧力等価装置は、さらに、上記第１の圧力および上記第２の圧力の間に柔軟性のある隔膜（３００、１０２）を有する請求項１７または１８記載の燃料電池システム。
【請求項２０】
水素気体から液体を除く液体捕捉部材（６０４）をさらに有する請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項２１】
上記液体捕捉機構（６０４）は２つの水素気体管の間に配される室部を有する請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項２２】
上記電気発生システム（１４）は補助的な負荷（４６）を有する請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項２３】
上記補助的な負荷（４６）は、過剰な水素によって生成された電気を消費する抵抗負荷、上記電気を貯蔵する貯蔵装置、または上記電気を利用する機能を実効するための回路、またはこれらの組み合わせを有する請求項２２記載の燃料電池システム。
【請求項２４】
上記気体バッファ（４０）は膨張可能である請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項２５】
上記気体バッファ（４０）は金属水素化物を有する請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項２６】
上記気体バッファ（４０）は上記燃料電池（３０）の上流または下流のいずれかに位置づけられる請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項２７】
上記固体燃料は、非吸湿性の懸濁剤中に懸濁される請求項２、３、４、または５記載の燃料電池システム。
【請求項２８】
上記非吸湿性の懸濁剤は鉱油またはアクリルをベースにした分散剤である請求項２７記載の燃料電池システム。
【請求項２９】
上記水素発生システム（１２）は、水性液体と反応して水素を発生する固体燃料を有し、上記固体燃料は、化学水素化物および酸化物ならびにそれらの塩を有する請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３０】
上記燃料カートリッジ（１００）は使い捨てである請求項１０記載の燃料電池システム。
【請求項３１】
上記燃料カートリッジ（１００）は上記燃料電池システムのハウジング（５０）に挿入可能なように屈曲可能である請求項１０記載の燃料電池システム。
【請求項３２】
上記燃料カートリッジ（１００）は複数のセグメント（１０９）に区画され、上記セグメント（１０９）の各々が、上記固体燃料および上記液体燃料の間の反応のダイナミックスを最小化する寸法および形状とされた、予め定められた量の、上記固体燃料を内包する請求項１０記載の燃料電池システム。
【請求項３３】
上記燃料カートリッジは、上記水性液体を上記燃料ペレット（１１０）へ到達させるための少なくとも１つの液体チャネル（１０７）と、上記水素を上記燃料カートリッジ（１００）から排出させるための少なくとも１つの気体チャネル（１１６）とを有する請求項１０記載の燃料電池システム。
【請求項３４】
上記燃料カートリッジは、さらに、上記液体チャネルおよび上記燃料ペレット（１１０）の各々との間に位置づけられる少なくとも１つのバルブ（１１４）を有し、上記バルブ（１１４）は上記燃料ペレット（１１０）が反応しているときに閉となる請求項３３記載の燃料電池システム。
【請求項３５】
上記燃料ペレット（１１０）は上記水性液体と反応するときに膨張して上記バルブ（１１４）を閉にする請求項３４記載の燃料電池システム。
【請求項３６】
上記液体チャネルおよび上記燃料ペレット（１１０）の各々との間に位置づけられる少なくとも１つのバルブ（１２２、１２６）を有し、上記バルブ（１２２、１２６）は上記水性液体が上記燃料ペレット（１１０）と反応できるように開となる請求項３３記載の燃料電池システム。
【請求項３７】
上記液体チャネル（１０７）は平面的であり、上記気体チャネル（１１６）は非平面的である請求項３３記載の燃料電池システム。
【請求項３８】
上記回路は、上記燃料電池システム内の圧力が環境圧力を上回るときに上記燃料電池システムの内部空間へのアクセスを阻止する請求項２３記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この出願は、「燃料カートリッジ」という名称で２０１１年２月１１日に提出された米国仮特許出願第６１／４４２，０４３号、「水素発生システムで使用される燃料ペレット」という名称で２０１１年２月１１日に提出された米国仮特許出願第６１／４４２，１０４号、「液体ドーシング燃料発生器」という名称で２０１１年２月１１日に提出された米国仮特許出願第６１／４４２，１３０号、「水素排気を減少させる装置および方法」という名称で２０１１年２月１１日に提出された米国仮特許出願第６１／４４２，０９８号、および、「化学エネルギ源から電気力を生成する装置および方法」という名称で２０１１年２月１１日に提出された米国仮特許出願第６１／４４１，９９６号の優先権を主張するものである。すべての５つの親の仮特許出願は参照してここに組み入れる。
【０００２】
この発明は、全般的には、燃料電池システムに関し、より具体的には、燃料電池および水素発生装置を有するシステムに関する。水素は安定化され燃料電池に搬送され、ここで水素が電気エネルギーに変換され、この電気エネルギが任意の電子装置を給電するのに使用され、また電池を充電するのに使用されて良い。
【背景技術】
【０００３】
燃料電池は、反応物、すなわち燃料および酸素の化学エネルギを直流（ＤＣ）の電気に直接的に変換する装置である。多くの用途において、燃料電池は、化石燃料の燃焼のような従来の発電やリチウムイオン電池のような携帯用蓄電池より効率が良い。具体的には、燃料電池の１つの用途は、携帯電話、パーソナルデジタルアシスタント、パーソナルゲーム機、グローバルポジショニングシステムのような消費者向け電子機器の電気充電器や再充填可能なバッテリ層を補給するための充電装置に燃料を供給することである。
【０００４】
既知の燃料電池は、アルカリ燃料電池、高分子電解質燃料電池、リン酸燃料電池、溶融炭酸燃料電池、固体酸化物燃料電池、および酵素燃料電池を含む。燃料電池は一般に水素（Ｈ２）燃料で稼働し、純粋でない水素燃料を消費しても良い。純粋でない水素燃料は、メタノールを利用する直接メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）や、炭化水素を高温で利用する固体酸化物燃料電池のような直接酸化燃料電池を含む。水素燃料は、圧縮された形態で貯蔵されても良く、アルコールまたは炭化水素、または、他の水素含有物質内に貯蔵されて良く、これは、水素燃料および副産物に改質または変換される。水素は、化学的な水素化物、例えば水素化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＨ４）に貯蔵されても良く、これは水またはアルコールと反応して水素およびその他の副産物を生成する。水素は、また、第１の圧力および温度で、金属水素化物、例えばペンタニッケルランタン（ＬａＮｉ５）の内部に吸収され、第２の圧力および温度で水素を開放しても良い。水素は、また、金属水素化物、例えば、マグネシウム水素化物（ＭｇＨ２）および水の間の加熱分解を通じて開放されても良い。
【０００５】
ほとんどの水素燃料電池は陽子交換膜または高分子電解質膜（ＰＥＭ）を具備し、これが、水素の陽子を透過可能にし、他方、外部回路を通じて電子を強制的に流し、この外部回路が、有利なことに、セルラー電話、パーソナルデジタルアシスタント（ＰＤＡ）、コンピュータ、電動工具、その他の電力または電流を使用するデバイスであってよい。燃料電池の反応はつぎのように表される。
燃料電池のアノードでの半反応：
Ｈ２  →  ２Ｈ＋  ＋  ２ｅ−
燃料電池のカソードでの半反応：
２（２Ｈ＋  ＋  ２ｅ−）  ＋  Ｏ２  →  ２Ｈ２Ｏ
【０００６】
一般に、ＰＥＭはＮａｆｉｏｎ（商標）などのポリマーから作られており、これはＤｕＰｏｎｔから入手可能であり、厚さが約０．０５ｍｍ〜約０．５０ｍｍの範囲のペルフルオスルホン酸ポリマー、その他の膜である。アノードは、典型的には、白金ルテニウムなどの触媒の薄層によってサポートされたテフロン（Ｔｅｆｌｏｎｉｚｅｄ。「テフロン」は登録商標）のカーボン紙から製造される。カソードは、典型的には、白金粒子が膜の一面に接着される気体拡散電極である。
【０００７】
特許および科学文献は、水素燃料の生成、流体の制御、バランス・オブ・コントロール、および、電気力生成を含む完全で商業利用可能な燃料電池システムをほとんど開示していない。したがって、そのような燃料電池システムに対する要望が依然としてある。
【発明の概要】
【０００８】
この発明は水素発生システムを有する燃料電池システム、および、燃料電池を含む電気発生システムに向けられている。燃料電池システムは、燃料電池が電気を発生させるために消費可能な量を越えて水素が生成されたときに水素発生システムにより生成された水素を貯蔵する気体バッファも具備してよい。気体バッファは、膨張可能、柔軟性のある、または弾力性のある部材であったり、水素を吸収または脱着させる金属水素化物であったり、加圧した水素を貯蔵できる固定容量のバッファであって良い。気体バッファは燃料電池の上流位置または下流位置に配されて良い。
【０００９】
水素発生装置は、水性液体と反応して水素を生成する固体燃料を有する。固体燃料は、水性液体と反応して水素を生産する任意の燃料であってよく、これは、化学水素化物、またはガルバニ的に電解液と反応して水素を生産する金属を含む。１実施例において、第１の金属粒子が、より小さな第２の金属粒子に被覆され、複数のガルバニ電池が第１の金属粒子の表面に、第１の金属粒子の金属と第２の金属粒子の金属との間で、形成されるようになっている。１例では、固体燃料は、より小さな鉄粒子で被覆されたマグネシウム粒子を有する。シリコン粒子もマグネシウム粒子を被覆して良い。塩は、固体燃料中に含まれて良く、または水性液体中に溶解して良い。難然剤、例えば、塩化カリウムが固体燃料に添加されても良い。他の実施例において、固体燃料は、懸濁剤、例えば、鉱油または分散剤の中に懸濁されてスラリーまたはゲルを形成してよい。好ましくは、懸濁剤は非吸湿性である。
【００１０】
固体燃料先駆体が使い捨て燃料カートリッジ中に担持されて良い。燃料カートリッジはセグメント化され、各セグメントは少なくとも１つの燃料ペレットを担持して良い。燃料ペレットが反応するときにペレットは拡張し、充分に反応したときには、そのセグメントへのアクセスを閉ざして列中の次のセグメントに液体燃料先駆体が進むようになす。
【００１１】
燃料カートリッジは使い捨てであって良く、燃料電池システム中に挿入するために屈曲可能であって良い。上述のとおり、燃料カートリッジは複数のセグメントに分割できて良い。各セグメントは、固体燃料および水性液体の間の反応のダイナミックを最小化する寸法および形状の予め定められた量の固体燃料を内包する。燃料カートリッジは、水性液体が燃料ペレットに到達できるようにする少なくとも１つの液体チャネルと、水素が燃料カートリッジから出るための少なくとも１つの気体チャネルとを有する。燃料カートリッジは、液体チャネルと各燃料ペレットとの間に配された少なくとも１つの常開バルブを有して良く、このバルブは、燃料ペレットが反応させられる時に閉じる。燃料ペレットは、水性液体と反応するときに拡張してバルブを閉じる。燃料カートリッジは液体チャネルと各燃料ペレットとの間に配される少なくとも１つの常閉バルブを有して良く、このバルブは開となって水性液体が燃料ペレットと反応できるようにする。液体チャネルは平面的であって良く、またた、同一の平面に配置されて良く、気体チャネルは非平面的であり、または複数の面へと伸びてよい。
【００１２】
燃料電池は、また、固体先駆体を内包する反応室内の第１の圧力と、水性液体中の第２の圧力との間で圧力等価を復元し、または維持する圧力等価機構を有する。圧力等価機構は、反応室内の気体を水性液体から分離しつつ、水素気体の圧力を水性液体に伝える隔膜を含む。この圧力は、水性液体中で、予め定められたドースの水性液体をドースポンプに導入させる。水素が、反応室または燃料カートリッジから搬出されるとき、内部の圧力が減少して、ドースポンプ中の上述のドースを反応室または燃料カートリッジへと搬入させる。先に開示した燃料カートリッジでは、燃料カートリッジの表面がこの隔膜として機能して良い。
【００１３】
電気発生システムは補助的な負荷を有して良い。この補助的な負荷は、（ｉ）過剰な水素により生成された電気を消費するための抵抗負荷、（ｉｉ）上述の電気を貯蔵するための貯蔵装置、または（ｉｉｉ）上述の電気を使用する機能を実行する回路、あるいは、これらの組み合わせであって良い。１実施例において、この回路は、燃料電池システム内の圧力が環境圧力より大きいときに、燃料電池システムの内部空有漢へのアクセスを阻止し、また、この回路は、燃料電池システムが動作中であるとき、および／または遮断しているときに、動作可能であってよい。
【００１４】
第１の圧力と流体連通している膨張可能な体積補償器（コンペンセータ）が、反応室および液体容器の間の任意の体積の不均衡を補償するために設けられて良い。水ノックアウト装置も、水または水蒸気を水素気体から除去するために設けられて良い。
【００１５】
この発明は、先にまとめた燃料電池システムを操作する方法も含み、以下に検討される。
【００１６】
添付図面は明細書の一部を形成し、それとの関連で把握されるべきであり、種々の図において類似の参照番号は類似の部分を指し示すものとして用いられている。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】この発明の燃料電池システムの実施例のシステム模式図である。
【図２Ａ】この発明の燃料電池システムの他の実施例のシステム模式図である。
【図２Ｂ】この発明の燃料電池システムの他の実施例のシステム模式図である。
【図２Ｃ】この発明の燃料電池システムの他の実施例のシステム模式図である。
【図２Ｄ】この発明の燃料電池システムの他の実施例のシステム模式図である。
【図３】図１、図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃ、または図２Ｄに模式的に示される部品を含むこの発明の事例的な燃料電池システムの斜視図である。
【図４】この発明の事例的な燃料カートリッジの分解図である。
【図５Ａ】図４に示される部品の斜視図である。
【図５Ｂ】図４に示される部品の斜視図である。
【図５Ｃ】図４に示される部品の斜視図である。
【図５Ｄ】図４に示される部品の斜視図である。
【図５Ｅ】図４に示される部品の斜視図である。
【図５Ｆ】図４に示される部品の斜視図である。
【図６】この発明の他の事例的な燃料カートリッジの分解図である。
【図７Ａ】図６の示される選択部品の斜視図の正面図である。
【図７Ｂ】図６の示される選択部品の斜視図の正面図である。
【図８Ａ】代替的な燃料カートリッジを示す図である。
【図８Ｂ】代替的な燃料カートリッジを示す図である。
【図８Ｃ】代替的な燃料カートリッジを示す図である。
【図８Ｄ】代替的な燃料カートリッジを示す図である。
【図８Ｅ】代替的な燃料カートリッジを示す図である。
【図８Ｆ】代替的な燃料カートリッジを示す図である。
【図９Ａ】反応していない燃料ペレットを含む燃料カップを示す図である。
【図９Ｂ】代替的な燃料カップを示す図である。
【図９Ｃ】燃料ペレットが反応した後の、図９Ａおよび図９Ｂの燃料カップを示す図である。
【図１０Ａ】燃料カートリッジ内のだいたいてきな液体流路を示す図である。
【図１０Ｂ】燃料カートリッジ内のだいたいてきな液体流路を示す図である。
【図１１Ａ】代替的な燃料カートリッジの分解図である。
【図１１Ｂ】代替的な燃料カートリッジの分解図である。
【図１２】代替的な燃料カートリッジの分解図である。
【図１３Ａ】この発明の燃料の黒・白の電子マイクログラフである。
【図１３Ｂ】この発明の燃料の黒・白の電子マイクログラフである。
【図１３Ｃ】この発明の燃料の黒・白の電子マイクログラフである。
【図１４】図１３Ａ〜図１３Ｃを相互に重ね合わせて、この発明の鉄およびシリコン被覆マグネシウム粒子を示し、また燃料粒子の表面に複数のマイクロ・ガルバニ電池を伴うハイブリッド燃料粒子を示す、黒・白電子マイクログラフである。
【図１５】種々の燃ペレット組成物の燃料レートを示すバーグラフである。
【図１６】異なる難然剤の効果を示すバーグラフである。
【図１７】図３に示され図１および／または図２に模式的に図説される燃料電池システムの断面図である。
【図１８】この発明の燃料電池システムとともに使用するためのこの発明のドースポンプの模式図である。
【図１９】この発明の燃料電池システムとともに使用するためのこの発明のドースポンプの模式図である。
【図２０】この発明の燃料電池システムとともに使用するためのこの発明のドースポンプの模式図である。
【図２１Ａ】体積コンペンセータを図説する模式図である。
【図２１Ｂ】体積コンペンセータを図説する模式図である。
【図２２】水トラップ機構を示す、この発明の燃料電池システムの模式的な部分断面図である。
【図２３】他の水トラップ機構を示す、図３および図１７に示される燃料電池システムと類似な燃料電池システムの一部切り欠き図である。
【図２４Ａ】燃料電池システムに実装されたときの燃料カートリッジの種々の配向を示す、図３および図１７に示される燃料電池システムと類似な燃料電池システムの一部切り欠き図である。
【図２４Ｂ】燃料電池システムに実装されたときの燃料カートリッジの種々の配向を示す、図３および図１７に示される燃料電池システムと類似な燃料電池システムの一部切り欠き図である。
【図２５Ａ】この発明の他の燃料電池システム１０の断面図である。
【図２５Ｂ】この発明の他の燃料電池システム１０の断面図である。
【図２５Ｃ】この発明の他の燃料電池システム１０の断面図である。
【図２５Ｄ】この発明の他の燃料電池システム１０の断面図である。
【図２５Ｅ】この発明の他の燃料電池システム１０の断面図である。
【図２５Ｆ】この発明の他の燃料電池システム１０の断面図である。
【図２５Ｇ】この発明の他の燃料電池システム１０の断面図である。
【図２５Ｈ】この発明の他の燃料電池システム１０の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下の部品一覧は、参照番号と、これに対応して添付図面中に示される要素とを結びつけるものである。
１０    全体の燃料電池システム
１２    水素発生システム
１４    電気発生システム
１６    液体先駆体
１８    固体先駆体
２０    フィルタ
２１    ドースポリューム
２２    ドースポンプ
２３１、２３２    逆止バルブ
２４    圧力等価隔膜
２６    開始機構／ボタン
２８    生成水素線
３０    燃料電池
３１    流体制御要素
３２    生成電気線
３３    流体制御要素
３４    ＤＣ−ＤＣコンバータ
３６    電気出力ポート
３７    外部負荷
３８    ＯＮ／ＯＦＦスイッチ
４０    気体バッファ
４２    逃がしバルブまたはバーストディスク
４４    パージバルブ
４６    補助負荷（抵抗または貯蔵）
４８    スイッチ
５０    全体の燃料電池システムのハウジング
５２    ハウジング５０の基部（円筒）
５４    ハウジング５０の蓋またはキャップ
５６、５８        逆止バルブ
１００    燃料カートリッジ
１０２    カップ層
１０４    フィルタ層
１０５    バルブ層
１０６    流れマニホールド層
１０７    マニホールドの液体流れチャネル
１０８    ポスト
１０８ｃ    ポストのカバー
１０９    カップ層１０２のカップ
１１０    燃料ペレット
１１１    乾燥剤および捕捉剤のポッド
１１３    フィルタ層のバブル
１１４    バルブ
１１６    マニホールドの水素流れチャネル
１１８    水素穴
１１９    突出サポート
１２０    保持マスキング層
１２１    マスキング層１２０の穴
１２２    液体チャネル
１２４    障害物
１２６    回転ゲート
１３０    折り返し
２０４    基部５２（円筒）の側壁
２０８    基部５２の底壁
２１２    基部５２の開口
２１６    燃料電池システム１０内のコア部材
２２０    コア２１６のディスク部材
２２２    シールまたはＯ−リング
２３６    ポンプから燃料への水入口路
２４０    気体流路
２５２    入口ポート
２５６    出口ポート
２７０    コア２１６内のバッファ室
３００    反応室
３０２    圧力フィードバック室
３０４    圧力応答隔膜
３０６    気体内包室
３１２    栓
５０４    体積コンペンセータ
５０６    コンペンセータ室
６０４    水捕捉ボリューム
６１２    水捕捉ボリュームへの入口
６１６    水捕捉ボリュームからの出口
【００１９】
図１は、この発明の燃料電池システムの実施例のシステム模式図である。燃料電池システム１０は水素発生システム１２および電気発生システム１４を有する。水素発生システム１２は、水、塩水、またはアルコールのような液体先駆体１６と、以下に説明する、カートリッジまたは使い捨てカートリッジの中に一般的に貯蔵される固体先駆体１８とを有する。固体先駆体は、これに限定されないが、マグネシウム、ナトリウム、カルシウム、または、アルミニウムを含み、これらは、鉄、銅、ニッケル、珪素、亜鉛、錫、ホウ素、塩素、燐、マンガン、チタン、およびジルコンを伴っても、伴わなくても良い。さらに、固体先駆体は、例えば、水素化ホウ素ナトリウム、または水素化カルシウムのような、加水分解反応を通じて水素を開放する任意の化学水素化物を含んで良い。種々の塩も固体先駆体１８に添加して良く、これは塩化ナトリウム、塩化カリウム、および塩化マグネシウムを含む。適切な液体先駆体と接触するときに水素を生成するためにこの発明の実施例とともに採用できる固体先駆体の例は、さらに以下に説明され、また、親の米国仮出願第６１／４４２，１０４号および公開された国際特許出願第ＷＯ２０１１／０１７８０１号にも検討され、これらの内容は参照してここに組み入れる。液体先駆体と反応するときに水素の開放させる効果がある任意の適切な固体先駆体をこの発明の実施例とともに使用できる。固体先駆体１８は液体先駆体１６と反応して水素を生成する。
【００２０】
図１を参照すると、液体先駆体１６が、ドースポンプ２２によってオプションのフィルタ２０を通じて搬送され、すなわちポンピングされる。適切なドースポンプは以下に詳細に説明され、また、親の米国仮出願シリアル番号第６１／４４２，１３０号に検討されている。図説のとおり、ドースポンプ２２はドース貯蔵部２１、並びに、上流の逆止バルブ２３１および下流の逆止バルブ２３２を具備する。ドースポンプ２２は液体先駆体１６を固体先駆体１８へ搬送する。図１の実施例において、生成された水素も固体先駆体１８の容器を圧縮し、これが、液体先駆体１６を保持する容器を圧縮する。ドースポンプ２２のいくつかの実施例において、オプションの圧力等価器、例えば、隔膜２４が設けられて、水素圧力と液体先駆体１６とを実質的に等価する。開始装置、例えばスタータ２６が、水素発生システムの事前準備をするために設けられて良く、この事前準備は、例えば、所定量の液体先駆体１６を、押し、または引いて、固体先駆体１８と反応させて初めの水素を生成するための反応を初期化することにより行われる。スタータ２６は小さなベローズ、手操作ポンプ、押しボタン、その他であって良く、新たなシステムを開始させるために、または、顕著な休止期間の後に、使用済みのシステムを再開させるために利用されて良い。
【００２１】
生成された水素は、線２８で示され、燃料電池３０のアノード側に入り、この水素は、ここで、燃料電池３０のカソード側において酸化源、例えば空気中の酸素と反応して電気を生成し、これを３２で模式的に示す。生成された電気はＤＣ−ＤＣコンバータ３４によって電気消費体、例えば電子装置が需要可能なＤＣ電圧および電流へと変換される。変換されたＤＣ電気は、ＵＳＢまたはＵＳＢ２ポートのような出力ポート３６において、消費者電子装置のような外部負荷３７に利用可能とされる。ＯＮ／ＯＦＦスイッチ３８が設けられて、燃料電池システムから電子装置への電気出力を起動するようになっていて良い。図１に示すように、流体制御要素３１が燃料電池３０および水素発生システム１２の間に位置づけられ、好ましくは水素線２８、より好ましくは開放バルブ／バーストディスク４２の下方に位置づけられる。流体制御要素３１は、遮断バルブ、圧力調整器、流れリストリクタ、あるいはリミッター、または、ＯＮ／ＯＦＦスイッチであって良い。流体制御要素３１は、それが閉または「ＯＦＦ」にされたときに、燃料電池３０を水素発生システム１２から流体的に隔離し、それが開または「ＯＮ」にされたときに、線２８を通じた水素発生システム１２からの水素気体の流れを有効にして燃料電池３０を起動させるために使用されて良い。他の流体制御要素３３は液体先駆体１６および固体先駆体１８の間の任意の位置に設けられて良い。
【００２２】
電気発生システム１４に気体バッファ４０もあり、これが、例えば、燃料電池システム１０が停止し、すなわち、スイッチ３８がＯＦＦとされ、または、水素の生成が燃料電池３０による電気生成に必要な量を上回ったときに、過剰、または不要な水素気体を貯蔵する。図１に示される気体バッファ４０は、燃料電池３０の上流に位置づけられるけれども、以下に検討されるように、電気発生システム１４中の他の場所に位置づけられても良い。気体バッファ４０に貯蔵される水素は最初の使用の後の起動時に電気を発生させるために使用されて良い。気体バッファ４０は固定容量バッファ（可変圧力）、膨張または拡大可能部材（可変容積）、または水素吸収システム、例えば、ＬａＮｉ５のような金属水素化物であって良い。
【００２３】
燃料電池システム１０は複数の圧力制御部品を具備して良い。第１の圧力制御部品は、先に検討し以下でより詳細に説明される、過剰水素を貯蔵する気体バッファ４０である。第２の圧力制御部品は、電気ベントシステムであり、これは気体を雰囲気中に排気することなく、過剰な水素を消費し、または管理するのに使用されて良い。電気ベントシステムは内部の補助的な電気負荷４６を燃料電池３０にスイッチ４８を通じて接続させる。補助的な負荷４６は、電気を消費する抵抗負荷、バッテリのような貯蔵負荷、キャパシタまたはウルトラキャパシタ、過剰な水素が消費されたときに暗くなるライトまたはＬＥＤ、または、遮断シーケンス、メンテナンスソフトウェア、メモリ書込装置のような機能を実現する回路、その他であって良い。そのような回路の他の機能は、システム内の水素圧力が標準環境圧力を上回り、または予め定められた圧力レベルを上回るときに、燃料電池システム１０の内部部品へのアクセスを阻止することであってよく、この回路は、電気に変換された過剰な水素により、または、水素、および、通常の動作時に燃料電池システム１０によって生成された電気によって動作させられた良い。
【００２４】
気体バッファ４０またはシステム内の他の場所からの過剰な水素は、スイッチ４８に連結され、気体バッファ４０の拡張または圧力がスイッチ４８を起動して補助負荷４６を燃料電池３０に接続させて過剰な水素から生成される電気を消費させる。さらに、ＯＮ／ＯＦＦスイッチ３８がＯＦＦとなったとき、システム中に残っている水素により生成される電気は補助負荷４６に向けられる。第３の圧力制御部品は、予め定められたレベルに合致したときに気体を排出するために水素流体系中の線２８または他の場所に設けられる、逃がしバルブ、および／またはバーストディスク４２である。圧力レギュレータまたはリミッターが流体制御要素３１として使用されるときには、圧力レギュレータは他の圧力制御部品であって良く、これは燃料電池３０への水素圧力を制御する。
【００２５】
パージバルブ４４は、未使用の燃料、または、燃料電池を通じて透過してくる雰囲気気体、または、他の副産物気体のような、燃料電池内の気体を、排気可能なように設けられる。図示のように、気体バッファ４０および／またはパージバルブ４４の圧力はスイッチ４８に連通されて補助負荷４６を自動的に起動する。代替的には、気体バッファ４０／パージバルブ４４の間に圧力センサが設けられてスイッチ４８をトリガーして補助負荷４６を起動する。好ましくは、圧力制御部品は第１、第２、第３の順で起動される。ただし、他の起動シーケンスも採用できる。
【００２６】
図２Ａ〜２Ｄはこの発明の他の実施例のシステム模式図を示す。図２Ａは図１の代替例を示すために提示される。図１に示される多数の部品は、単に明確性の目的で、図２Ａから省略されており、省略された部品は図２Ａに示される実施例において確実に含まれて良い。図２Ａは、図１に示されるものと同様に、燃料電池３０の上流に気体バッファ４０を示す。ただし、水素気体は気体バッファ４０を通じては燃料電池３０へ流れない。その代わりに、気体バッファ４０はオプションの圧力センサを通じてスイッチ３８、４８に連結される。他の代替点は、図１からのスイッチ３８および４８を組み合わせた単一のスイッチとして補助負荷４６および外部負荷３７の双方を起動することである。さらに、逃がしバルブ４２が、バーストディスク４２に代えて示される。
【００２７】
図２Ｂは、気体バッファ４０が燃料電池３０の下流に位置づけられる他の代替例を示す。この構成の利点は、動作中に、燃料電池３０内で蓄積される他の雰囲気気体とともに過剰な水素を貯蔵でき、パージの回数を最小化できることである。雰囲気気体は気体バッファ４０中に保持でき、または、雰囲気中へと排気できる。さらに、必要であれば、下流の気体バッファ中の貯蔵される水素を燃料電池３０へと再投入できる。
【００２８】
図２Ｃは、オプションの逆止バルブ５６が、燃料電池３０と、燃料電池３０の下流に位置決めされる気体バッファ４０との間に位置決めされ、水素気体が燃料電池に流れ戻らないようにできる点を除いて、図２Ｂと類似である。さらに、この位置で気体バッファ４０に貯蔵される水素気体は、燃料電池３０の入口側に搬送されて戻され消費されるようにして良い。他のオプションの逆止バルブ５８が燃料電池３０の入口側と、気体バッファ４０との間に位置づけられて逆流を阻止して良い。図２Ｄは、気体バッファ４０からの水素が、固体先駆体１８を内包するカートリッジへと搬送されて戻され、ここで水素発生が起こることを除いて、図２Ｃと類似である。
【００２９】
図１および図２に示される燃料電池システムは、図３に示すように、単一のハウジングに内包されて、電子コンシューマ装置へと変換した電気、例えば１Ｖ、５Ｖ、または１２ＶのＤＣを供給して良い。電気は、ＵＳＢ標準、例えば、ＵＳＢ、ＵＳＢ２．０、ＵＳＢ３．０、または、例えば、ＵＳＢ−ＩＦにより定義される任意の他のプロトコルと互換性がある電圧および電流を提供し、または電子機器製造業者に規定されるプロトコルと互換性のある電圧および電流を提供するように変換されて良い。ハウジング５０は、基部５２およびキャップまたは蓋５４を有するけれども、多くの構成または形状を具備してよい。燃料電池システム１０は、この発明の図面中に図説されるように、任意の方向で動作して良い。
【００３０】
事例の固体燃料先駆体１８は、図４および図５Ａ〜図５Ｇに図説され、また親の仮出願第６１／４４２，０４３号に開示されるように、燃料カートリッジ１００内に包装される。燃料カートリッジ１００は複数の区画された燃料コンパートメントまたはポッドを有し、これらは、各々、燃料ペレットを内包する。区画された燃料コンパートメントは非区画燃料コンパートメントに対していくつか利点がある。１つは、副産物の生成または費やされた燃料が、液体先駆体１６が、非区画の燃料コンパートメント中の新鮮な、または未反応の燃料へと到達する流路を長くするということである。以下に検討される燃料カートリッジ１００の種々の実施例において、区画されたコンパートメントが充分に反応した後に、液体先駆体１６はそのコンパートメントを迂回して、列中の次のコンパートメントへ進む。さらに、副産物は液体先駆体１６を保持して良い。これが残りの未反応の燃料から隔離され、または区画されないと、捕捉された液体先駆体が新鮮な固体先駆体１８へと浸入して、燃料電池システム１０がＯＦＦとされても、水素を発生し続ける。
【００３１】
カートリッジ１００の実施例は、反応物流体の別々の燃料要素または燃料部分への流れの制御を実現する区画された燃料カートリッジに関する。流体は別々の燃料部分と反応して水素気体を生成する。流体燃料反応が進行するとき、固体および液体の廃棄物が生成され、反応物流体の燃料の列中の次の部分へ流れるのを少なくし、または停止するフィードバック機構を実現する。
【００３２】
図４に示すように、カートリッジ１００はカップ層１０２、フィルタ層１０４、バルブ層１０５、および流れマニホールド層１０６を有する。ポート１０８が設けられ、その１つのポートは、水のような液体先駆体１６のための液体入口であり、他のポートは水素出口である。カップ層１０２は複数のポケットまたはカップ層１０９を有する。各カップ層１０９は燃料ペレット１１０を収容するような形状および寸法とされる。燃料ペレット１１０は、水または他の液体先駆体と反応した後に元の体積の３００％またはそれ以上に膨張して良い。このため、カップ層１０９は、好ましくは、膨張を吸収する体積容量を伴い、より好ましくは、空間を節約するために、好ましくは弾性材料、例えばシリコンゴムまたは熱可塑性ポリウレタン（ＴＰＵ）、その他の適切な材料から製造され、膨張する燃料を収容するように拡大するようになっている。カップ層１０２およびカップ層１０９は柔軟性材料または折り畳み可能材料から製造されてよく、必ずしも弾性的である必要はない。カップ層１０２の膨張の方向および量はバランスされてカートリッジ１００内の流れチャネルおよびバルブが悪影響を受けないようにすべきである。適切な材料は、また、液体先駆体１６および固体先駆体１８の間の反応の発熱特性に応じて予期される温度上昇に対処できるようなものでなければならない。
【００３３】
別々の燃料ペレット１１０を実現する利点は、水素発生の体積および速度を制御可能にするという点である。各燃料ペレットの大きさは、所望の速度で水素を生成するのに充分な程度に大きくすべきであり、また、システムダイナミックの変動が最小化され、不要な、または過剰な水素が生成される可能性を許容可能なレベルにまで低減するのに充分な程度に小さくすべきである。換言すると、燃料ペレットは充分な量の水素を生成するのに足るほど大きく、それでいて、最初のドースおよび最後のドースの液体先駆体１６が実質的に同時に同一の燃料ペレット１１０中の新鮮な、未反応の固体先駆体１８に到達するのに充分なほど小さくなければならない。水素がもはや必要でなくなるときに、残留している液体先駆体１６は個別の燃料ペレット１１０、１８と反応を継続して良く、この反応は個別の燃料ペレット内に封じ込まれる。過剰な水素はつぎに気体バッファ４０に貯蔵され、燃料電池３０により電気に変換され、これが補助負荷４６中で使用され、または貯蔵される。単一の燃料ペレットは図５Ｂに示され、窪み１１２が底面に設けられ、この底面がバルブ層１０５と対面する。窪み１１２はバルブ層１０５のバルブ１１４を収容する大きさおよび形状を有するようになっており、これは以下に検討する。
【００３４】
カップ層１０２はカバー１０８ｃも具備し、これが対応するポート１０８を被覆し、これは図５Ｃにも示す。好ましくは、カバー１０８ｃは穴あけ可能、または壊れやすく、ユーザがカバー１０８ｃを穴あけして、液体先駆体１６がカートリッジ１００に浸入するための、また、水素がカートリッジ１００に放出するためのポートにアクセスできるようになっている。カップ層１０２は、水／水蒸気、アンモニア、その他の汚染物質を除去する、乾燥剤、アンモニア・ゲッター／スクラバー、およびその他を収容するためのポッド１１も具備する。カートリッジ１００中で捕捉された水または水蒸気は燃料ペレット１１０と反応して、非使用時にカートリッジ１００を圧縮する気体を生成する。所定の固体先駆体については、これが不活性の窒素環境で製造され、残留窒素がカートリッジ１００中でアンモニアを生成する。アンモニアは燃料電池に悪影響を与え、存在する場合には生成気体ストリームから除去される。適切な乾燥剤は、硫酸カルシウムの一形態であるドライエライト、モレキュラーシーブ、およびシリカゲルを含む。このようないくつかの乾燥剤はアンモニアを吸着できる。使用する燃料のタイプに応じて、他のタイプの捕捉剤化合物をポッド１１１中に内包させて良い。適切な捕捉剤は公開された米国特許出願第２００７／００７７４８０および米国特許第７，６５５，３３１号に開示されている。これら参考文献は参照してここに組み入れる。
【００３５】
カップ層１０２および燃料ペレット１１０の下にオプションのフィルタ層１０４があり、これは燃料ペレット１１０からの任意の残滓、または反応燃料ペレットにより生成された副産物を内包する。好ましくは、フィルタ層１０４は薄くて適合性がある。フィルタ層１０４は好ましくは親水性があり、液体先駆体１６を燃料ペレット１１０へと毛細管移動させる。燃料ペレット１１０の窪み１１２と同様にフィルタ層１０４もバブル１１３を具備してバルブ１１４を収容する。代替的な実施例では、燃料ペレット１１０は毛細管要素、例えば繊維を一体化させ、液体をその中で毛細管移動させ、分配する。他の代替的な実施例では、フィルタ層１０４は除去され、各燃料ペレット１１０が個別に同様なフィルタ材料で包み込まれる。
【００３６】
燃料ペレット１１０の下にはバルブ層１０５があり、これが、多数の燃料ペレット１１０にそれぞれ対応する多数のバルブ１１４を内包する。図示のバルブ１１４は開構造であり、液体先駆体１６をカップ層１０９へ導入して燃料ペレット１１０と反応させる。燃料ペレットが３００％まで拡大するとき、この膨張によりバルブ１１４を閉じ、液体先駆第の浸入を阻止する。好ましくは、バルブ１１４はフラッパーバルブであり、バルブ層１０５は液体非透過性材料から製造される。
【００３７】
バルブ層１０５の下には流れマニホールド層１０６があり、この実施例では、これは、連続した液体チャネル１０７と、液体チャネル１０７のいずれかの側に実質的に交番する多数の別々の気体チャネル１１６と内包し、これは図５Ｆに最も良く示される。液体チャネル１０７および別々の気体チャネル１１６は流れマニホールド層１０６中にエッチングされ、または切り出されるけれども、層１０６を切り通すことはない。この実施例において、液体チャネル１０７はバルブ１１４の下方を通り、蛇形状を伴い、４つの分岐１０７ａ〜１０７ｄを具備する。分岐１０７ａは燃料ペレット１１０の列「ａ」の直下を走り、分岐１０７ｂは燃料ペレット１１０の列「ｂ」の直下を走り、以下同様である。燃料ペレット１１０の列「ａ」〜「ｄ」は図４に最も良く示される。
【００３８】
液体先駆体および水素気体流のレジームは図５Ｅおよび図５Ｆに示されるバルブ層１０５および流れマニホールド層１０６と関連して以下に説明される。カップ層１０２上の一列のカップ層１０９の近似的な位置はバルブ層１０５上に破線で重ねられる。液体チャネル１０７のヘッド１０７１は液体ポート１０８に整合させられる。液体先駆体１６はポンピングやその他によりヘッド１０７１に搬送され分岐１０７ａに流れ込む。液体チャネル１０７は好ましくは撥水性であり、液体の流れを阻止する。液体チャネル１０７が撥水性であるので液体先駆体および液体チャネル１０７の内側壁の間の表面張力が大きくなり、これにより液体先駆体を前方に押し出すのに必要な力が増強される。
【００３９】
液体がカップ層１０９１中の第１の燃料ペレット１１０の下に到着すると、第１のバルブ１１４およびフィルタ層１０４を通る流路は、少なくともフィルタ層１０４の親水性、および所定のタイプの燃料ペレット、例えばマグネシウム添加物（例えば鉄、シリコンおよび塩）の親水性ゆえに、親水性になっている。この経路の親水性は液体チャネル１０７に較べて抵抗が小さく、液体は優先的にカップ層１０９１に入り、燃料ペレット１１０と反応する。反応した燃料ペレット１１０は、先に検討したように、膨張してバルブ１１４を閉じて液体がカップ層１０９１中の反応燃料ペレットに浸入するのを阻止する。さらに、所定の燃料、例えばマグネシウム、添加物（例えが鉄およびシリコン）および水については、費やされた、または反応した燃料はより撥水性になり、カップ層１０９１へ液体が浸入するのを阻止する。この後、液体先駆体は好ましくはカップ層１０９２内の列の次の燃料ペレットに進みこのペレットと反応し、以下同様に繰り返される。カップ層１０９７中のペレットが反応した後、液体分岐１０７ａは折れ曲がり、液体分岐１０７ｂとなり液体先駆体１６を列「ｂ」の燃料ペレットに運び、以下同様となる。
【００４０】
生成された水素は液体先駆体の経路と異なる経路に従う。再び図５Ｅおよび図５Ｆを参照すると、カップ層１０９１内において水素は奈々１１８１，１を通り抜けて出て流れマニホールド１０６上の水素チャネル１１６１に至る。水素は水素チャネル１１６１から穴１１８２，１を通り抜けカップ層１０９２に入り、カップ層１０９２で反応が開始されていれば、カップ層１０９２で生成された水素と合体させる。この後、水素は、カップ層１０９２中の穴１１８２，１と対角線で対向する位置の穴１１８２，２を通り抜けてカップ層１０９２から出て水素チャネル１１６２に至る。
【００４１】
水素は水素チャネル１１６２からカップ層１０９３中の穴１１８３，１を通じてカップ層１０９３へ入る。つぎに水素はカップ層１０９３中の穴１１８３，１と対角線で対向する位置の穴１１８３，２を通り抜けてカップ層１０９３から出て水素チャネル１１６３に至る。この水素経路は、すべてのペレット１１０が反応するまで、またはプロセスがユーザにより停止させられるまで繰り返す。ここで参照されるように穴１１８に関するサフィックス（ｘ，ｙ）は、ｘがカップ層１０９のサフィックスと同一であり、ｙは単一カップ層１０９の第１または第２の穴のいずれかであることを意味する。上述したように、または図５Ｅおよび図５Ｆに示されるように、水素チャネル１１６は交番態様で連続液体チャネル１１７のいずれかの側に位置づけられ、穴１１８ｘ，ｙは単一カップ層１０９において相互に対角線に対向して位置づけられる。この交番形態により、水素や液体先駆体１６が移動する曲がりくねった経路が形成される。ただし、密度や粘度がより大きい液体先駆体１６に関しては、曲がりくねった流路は液体が通り抜けて移動することを抑制し、液体が液体チャネル１０７内を移動するのを拘束しやすくする。
【００４２】
最終のカップ層１０９ｎにおいて、水素は水素チャネル１１６ｎを通じて、さらに穴１１８ｎ，１を通じてポッド１１１に至り、水素が乾燥剤および捕捉剤（１つまたは複数）を通り抜けて不純物を除去するようになっている。水素はつぎに穴１１８ｎ，２を通じてポッド１１１を出て最後の水素チャネル１１６ｎ＋１に至りポスト１０８を通じてカートリッジ１００を出て燃料電池３０または気体バッファ４０に至り、これは図１および図２に図説されるとおりである。
【００４３】
有利なことに、反応した固体先駆体１８または燃料ペレット１１０は液体反応物に対してスポンジとして働き、システム内に残留している液体先駆体１６は、費やされ、反応させられた燃料先駆体の量に比例する。カートリッジを区画し、上述のバルブ構成を利用してペレットを隔離することにより、費やされたペレット１１０において捕捉された液体先駆体１６は、浸入して未消費のペレットをゆっくりと反応することを阻止される。
【００４４】
層１０２、燃料ペレット１１０、乾燥剤／捕捉剤、フィルタ層１０４、バルブ層１０５、および流れマニホールド１０６は、ヒートシール、超音波溶接、または接着剤により単一のカートリッジ１００へと結合される。好ましくは、層がＴＰＵを含めば、層は溶剤結合可能になり、また、層がシリコンゴムを含めば、未硬化のシリコンゴムが接着剤として使用でき、その後、硬化される。好ましくは、カートリッジ１００は空密バッグに挿入されて真空シールされる。
【００４５】
燃料カートリッジ１００の他の実施例が図６および図７Ａ〜図７Ｂに示される。この実施例と図４および図５Ａ〜図５Ｇに示す実施例との主たる相違は、バルブ１１４が省略され、折れ曲がった水素チャネルが単純化されている点である。図６に図説されるように、燃料カートリッジ１００は、燃料ペレットを内包するカップ層１０９を具備するカップ層１０２、オプションのフィルタ層１０４、バルブを伴わない層１０５、および流れマニホールド層１０６を有する。バルブがないので、燃料ペレット１００は窪み１１２を含まず、フィルタ層１０４はバブル１１３を具備しない。流れマニホールド層１０６は連続した液体チャネル１０７を内包し、これは先の実施例と類似であり、ペレット１１０の列をトラッキングする。この流れマニホールド層１０６は２つの連続した水素チャネル１１６を有し、液体チャネル１０７の各サイドに１つずつあり、これは図７Ａに最も良く示される。層１０５は複数の穴１１８を内包し、液体先駆体１６および水素を通過可能にする。この実施例において、３×３の行列の穴１１８が１つのカップ層１０９の下にあり、これは図７Ｂに最も良く表される。流れマニホールド層１０６を通じた液体先駆体１６の流れは、ポンプ２２のポンピング速度、液体チャネル１０７の撥水性、未反応燃料ペレット１１０の親水性、各カップ層１０９内の３×３の行列の穴１１８を塞ぐ反応燃料ペレット１１０の膨張、および所定タイプの反応済み燃料ペレットの相対的に撥水性によって、制御される。
【００４６】
カートリッジ１００は他の実施例および構造を伴って良い。図４〜図７は、流れマニホールド層１０６の１足に位置づけられた４×６のアレイの燃料ペレット１１０を具備する燃料カートリッジを示す。ただし、カートリッジは任意の「ｍ×ｎ」の燃料ペレット１１０を伴って良く、ここで、「ｍ」および「ｎ」は任意の整数であり、これは図８Ａ〜図８Ｂに示すとおりである。燃料電池システム１０のサイズを小さくするために、カートリッジ１００のサイズを小さくし、燃料ペレットの数を小さくして良い。さらに、１つのアレイの燃料ペレット１１０を層１０５とともに流れマニホールド層１０６の各サイドに展開して良く、図８Ｂがこれを最も良く示し、図８Ａの２×６×１のアレイが２×３×２のアレイに変換される。さらに、燃料ペレット１１０は二次元アレイに位置づけられる必要もなく、任意の構造、例えば、デイジーホイール、螺旋、同心円、その他の構造で配列されて良い。図８Ｃおよび図８Ｄは６つ、および５つのカップ層１０９をそれぞれ具備するカートリッジ１００を示し、これらキャップは、乾燥剤／捕捉剤を内包するポッド１１１およびポート１０８を包囲する。図８Ｃおよび図８Ｄに示されるカップ層１０９の異なる個数（５対６）は、５個のキャップ構成における燃料のより大きな量と、６つのキャップ構成における燃料ペレットのより小さなサイズによる水素生成のより良好な制御との間のバランスを示す。図８Ｅおよび図８Ｆは、ポート１０８がポッド１１１から分離されている点を除き図８Ｃおよび図８Ｄと類似である。
【００４７】
先に検討したように、燃料ペレット１１０は水または他の液体先駆体と反応した後に元の体積の３００％位まで、またはそれ以上に膨張してよく、カップ層１０９およびカップ層１０２は、図９Ａおよび図９Ｃに示すようにこの膨張に対処できるように弾性的な、または膨張可能は材料から製造されて良い。燃料が膨張するときに、その膨張エネルギのいくらかが弾性的なカップ層１０９または層１０２を伸ばすように作用して良く、この引き延ばされた弾性材料は、つぎに、反力を燃料ペレット１１０に加える。この反力は図５Ｅに示すバルブ１１４を早期に閉じ、または図７Ｂに示す穴１０８を早期に閉じる。代替的な実施例において、カップ層１０９およびカップ層１０２は、図９Ｂに最も良く示されるように、１または複数の折り返しを具備して良い。消費された燃料ペレット１１０ａが膨張するときに、折り返し１３０が伸長されて消磁された燃料に膨張を吸収する。カップ層１０９は伸長されないので、これは力をバルブ１１４または穴１０８に印加せず、バルブ１１４および穴１０８が時宜にかなって閉じるのを可能にする。折り返されたカップ層１０９は、有利なことに、水素気体または他の気体をより透過させない非弾性の材料から、またはより温度抵抗のある材料、またはガラス転移点温度または融点が高い材料から製造できる。
【００４８】
他の代替的な実施例において、燃料カートリッジ１００に利用可能な常閉バルブは図１０Ａおよび図１０Ｂに示される。バルブ層１０５上のバルブ１１４は図５Ｅに最も良く示され、常開バルブである。換言すると、バルブ１１４はフラッパーバルブとして示され、膨張する、反応中または反応済み燃料ペレットにより遮断されるまで、流体の流れに対して開である。これによって、液体先駆体１６はつぎのカップ層１０９に流れ入ることが可能になり、早期に、列中の次のペレット１１０を反応させることができる。
【００４９】
図１０Ａが、図８Ｃ〜図８Ｆに示されるデイジーチェーン構造のカートリッジを示し、これを参照すると、各カップ層１０９は液体チャネル１２２によってマニホールドに連結される。各液体チャネル１２２内において、一時的な障害物１２４が、その障害物１２４が除去されるまでカップ層１０９への液体の流れを阻止するように位置づけられる。１実施例において、障害物１２４は、ワックス、または熱または電気、その他を印加下したときに溶融する任意の材料から製造される。図示のとおり、消費済み燃料ペレット１１０ａに関連する液体チャネル１２２は、障害物１２４が除去されて、すでに開となっている。コントローラが、すべての障害物１２４にアクセスするように設けられてよく、カップ層１０９へのアクセスが必要なときに、そのカップ層１０９に対応する障害物に電気電流を供給してその障害物を個別に除去して良い。代替的な実施例において、１のチャネル１２２が常時に非ブロック状態であり、液体先駆体の流れが起動されたときに、液体が１つのカップ層１０９に流入可能となって反応を開始する。そのような反応は発熱性であるので、熱がカップ層１０９に累積する。金属のような熱伝動性の材料から製造された熱導体が、反応中の燃料ペレットを、反応すべき列中の次の燃料ペレットの障害物１２４に連結する。熱導体は、反応中の燃料ペレットにおいて最大温度に至ったときに、熱エネルギが列中の次の燃料ペレットの障害物１２４に伝達されてその障害物を溶融させるように設計される。このような態様で、１つの燃料ペレットが消尽され、または実質的に消尽されると、つぎの燃料ペレットが、反応対象の液体先駆体を受容するように準備されて生成水素の満足のいく流れを維持する。熱導体は、カートリッジ１００中に、カートリッジ１００の外側表面に、または双方に位置づけられて良い。
【００５０】
図１０Ｂは常閉バルブを具備するカートリッジ１００の他の実施例である。この実施例は、障害物１２４が回転ゲート１２６に置き換えられる点を除いて、図１０Ａの実施例と類似している。図示のとおり、回転ゲート１２６は単一の流体チャネル１２２と整合する寸法および形状とされる。反応を開始させるために、ゲート１２６は当初では１つの液体チャネル１２２に整合させられている。反応中の燃料ペレットが膨張するときに、そのキャップの壁に対して加圧する。この膨張が移動に変換されて、インデキシング機構をトリガーするのに使用される。さらに、圧力はゲート１２６を回転またはインデキシングして列中の次のペレット１１０の液体チャネル１２２に整合させるために使用されてもよい。回転ゲートを回転または動かすことができる多くの圧力感応インデキシング機構が公開された米国特許出願第２００８／０２０６１１３号に開示されている。この参考文献は参照してここに組み入れる。この態様において、各カップ層１０９およびその燃料ペレット１１０は図１０Ａに示される実施例と同様に順次に反応させられる。
【００５１】
カートリッジ１００の他の実施例が図１１Ａ、図１１Ｂ、および図１２に示される。図１１Ａにおいて、カートリッジ１００は複数のバルブ１１４も有し、これらは層１０５から分離されて良く、また、これらは液体およびガスの通路穴１０８を有する。カップ層１０９は燃料ペレット１０５より相対的に大きく、カップ１０９が燃料ペレットの膨張に対する余地を伴うようになっている。フィルタ層１０４は突出したサポート１１９を具備してバルブの回りに隙間を形成する。フィルタ層１０４は、突出したサポート１１９に対応する穴１２１を具備する２つのオプションの接着層１２０の間に、保持される。流れマニホールド層１０６は、この実施例において、すべての層を一緒に結合する接着層を含む複数の層を有する。このカートリッジ１００は、乾燥剤および捕捉剤を内包するポッド１１１も具備して良く、このポッド１１１は、以下に要素６０４として説明される水捕捉機構を内包して良い。
【００５２】
図１１Ｂは、フィルタ層１０４がなく、また、バルブ層１０５がそこに組み付けのバルブ１１４を具備し、また、流れ穴が分離層１０５'上にある点を除いて図１１Ａの実施例と類似する、他の実施例を示す。図１２はクラスタ状のバルブ１１４を具備するカートリッジ１００の他の実施例を示し、バルブ１１４の１つが図１２に示される。
【００５３】
好ましい燃料はマグネシウムであり、これは水性の電解液と反応してマグネシウムを腐食させ、水素プラス水酸化マグネシウムを生成する。
Ｍｇ  ＋  ２Ｈ２Ｏ  →  Ｍｇ（ＯＨ）２  ＋  Ｈ２（ｇ）
ただし、マグネシウムが塩水（ｂｒｉｎｅ  ｗａｔｅｒ）と反応するとき、水素の発生速度は小さく、反応が進行すると溶解液のｐＨが上昇して反応が実効的に停止する点に至る。具体的な理論に拘束されないけれども、シリコンはアルカリ溶液から水素を生成すると信じられている。シリコン、好ましくは結晶形態のものが、マグネシウム塩水溶液に添加されると、その溶液は付加的な水素を生成できる。所定のレベルのアルカリ性（約７より大きなｐＨ）で、シリコンは水酸基種と反応してｐＨレベルを下げ、塩水中のマグネシウムを腐食させ続けると信じられています。シリコン自体も、水酸化マグネシウムと反応して珪酸マグネシウムおよび付加的な水素気体を生成することにより、水から付加的な水素を開放する。結晶性シリコンは、結晶性シリコンが基本的に中性な水性溶液（約７のｐＨ）中で非反応性であるように充分な程度の結晶性を伴う。
【００５４】
本発明者らは、所定の寸法の鉄粒子がマグネシウム粒子、またはマグネシウム／シリコン混合物に添加されるときに、水素発生速度が増加することを発見した。以下に報告される実験結果に示されるように、マグネシウム粒子の寸法が鉄粒子の寸法および／またはシリコン粒子の寸法より顕著に大きいときに増大する反応速度または腐食速度が実現できる。どのような特定の理論に拘束されるものではないけれども、増大した反応速度は、鉄およびマグネシウムの粒子が相互に密接に接触して金属の異なる電極電位に起因してガルバノ電池を形成することの結果であると信じされる。反応速度はどのくらい多くの鉄粒子が単一のマグネシウム粒子に接触できるかに左右される。ネッケル、銅、およびコバルト粒子は鉄とともに、または鉄に代えて使用できる。
【００５５】
本発明者らは、鉄竜その寸法が水素発生速度に影響を与えることも発見した。３２５メッシュ（０．０４４ｍｍ開口）および２００メッシュ（０．０７５ｍｍ開口）を通り抜ける鉄粒子がマグネシウムおよびシリコンを含む混合物とともにテストされた。より細かい３２５メッシュを通り抜ける、より小さな鉄粒子が塩水と反応するときにより大きな水素発生速度を達成した。
【００５６】
マグネシウム、シリコンおよび鉄の混合物を粉砕すると、また、水素発生速度に良好な硬化をもたらす。ボールミリングおよびアトリターミリングのようなミリング（粉砕）は、より小さな鉄粒子とより大きなマグネシウム粒子との間の接触を増強させると信じられる。さらに、ミリングは、マグネシウム、鉄およびシリコンの間の接触、とくに、マグネシウムおよび鉄の間の接触を密接なものとし、簡易なガルバノ駆動加水分解が起こると信じられる。鉄粒子が大きくなると、その分、ボールミリングからの利点が多くなるけれども、鉄粒子が小さくなると、その分、水素生成速度には有利となるであろう。
【００５７】
例１
【表１】
2014505347.tif 000003
１つの好ましい実施例において、マグネシウムは最初に粗いメッシュ、例えば４０メッシュを通じてシフトされ、大きな粒子を除去し、つぎに細かなメッシュ、例えば１００メッシュを通じてシフトされて小さな粒子を除去して粗いメッシュの穴および細かいメッシュの穴の間の範囲の粒子を残す。固体燃料は重量基準で１００部のＭｇ、２５部のＦｅ、および１５部のＳｉから準備された。３／８インチの炭素鋼の球状の研磨媒体を藻いい手アトリターミル（Ａｔｔｒｉｔｏｒ）で粉砕された。粉砕ステップは１５分の間窒素雰囲気で実行され、１５分間放電された。粉砕温度は３８°Ｃ（１００°Ｆ）より低く、名目粒子寸法は約１１０ミクロンである。できた粒子は細かなシリコンおよび鉄の分散体で被覆されたマグネシウムのハイブリッドまたは複合の粒子である。
【００５８】
図１３Ａ〜図１３Ｃはシリコンおよび鉄の粒子の細かな分散体で被覆されたマグネシウム粒子の基礎ＥＤＸ（エネルギーディスパースィブＸ線）マップを示すカラー電子マイクログラフの白黒版である。カラー電子マイクログラフのコントラストは各元素をハイライトさせるために増強させられている。より具体的には、図１３Ａは、より粗いマグネシウム粒子を示し、これはカラー電子マイクログラフでは黄色である。図１３Ｂはより細かな鉄粒子を示し、これはカラー電子マイクログラフにおいて緑であり、図１３Ｃはより細かなシリコン粒子を示し、これはカラー電子マイクログラフにおいて青である。図１４は、鉄、シリコンおよびマグネシウムが見えるように、コントラストを各元素で調整した複合黒白電子マイクログラフを示す。
【００５９】
図１４は鉄およびシリコンの細かな粒子をマグネシウム粒子へのコーティングを示し、これによりハイブリッドのマグネシウム／鉄／シリコンの粒子がもたらされる。重要なことに、図１４は、単一のマグネシウム粒子の上に、そのマグネシウム粒子の表面にコーティングされた鉄粒子によって、複数のマイクロガルバノ電池が形成されることを示す。鉄およびマグネシウムは異なる電極電池を伴い金属であるので、それらの接触によりガルバノ電池が形成され、これが腐食および水素発生を助長する。以下に示すように、新規名ハイブリッド粒子は水素発生速度を改善する上で予期しない効果を実現する。ここで採用する用に、コーティングは、より小さな粒子がより大きな粒子に付着し、または接着することを意味する。
【００６０】
例１においける粉砕ハイブリッド粒子は、上述の燃料ペレット１１０のようなペレットとして成形されても良い。塩、例えば１部の塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）、および１部の塩化カリウム（ＫＣｌ）が９部のハイブリッド粒子に添加され、約３０分、約室温で混合される。ペレット、例えば約３．２６ｇが、約１．９０グラム／ｃｍ３の密度で、約１８メートルトン（４０、０００ｌｂｓ）の力の下で形成されて良い。ＫＣｌを利用し、液体先駆体１６に代えて燃料ペレットに塩を添加する利点は以下に検討される。マグネシウム、鉄、およびシリコンのような材料は一緒に合金化してよいことに留意されたい。
【００６１】
テスト結果
【表２】
2014505347.tif 000004
グループＩＩ〜ＩＶの鉄粒子は直径で１０ミクロンであり、グループＶの鉄粒子は３２５メッシュ（４４ミクロン穴）を通り抜けた。１００％より大きな生産量は、鉄、シリコンまたは塩が反応して（または反応に触媒として働き）水を加水分解して付加的な水素を生成することを示す。
【００６２】
データは、グループＩにおいて、マグネシウムのみ、およびマグネシウムをシリコンでコーティングしたものを塩水でテストするときに、マグネシウムに基づく化学量論的生産量は小さく、塩水濃度が上昇すると若干増大することを示す。グループＩＩは、鉄およびシリコンの粒子でコーティングされたマグネシウム粒子が流れ速度および化学量論的生産量を適度な塩水濃度で改善したけれども、これは存在する鉄の量が豊富であるときのみであり、すなわち２０部の鉄に対する５部の鉄であることを示す。グループＩＩＩは、鉄のみでコーティングされたマグネシウムも鉄およびシリコンの双方でコーティングされたマグネシウムと同様に、鉄が２０部存在するとき、および、シリコンが３０部または１５部存在するとき（グループＩＩ参照）を除いて、生産量は少量であることを示す。
【００６３】
グループＩＶは約２０部の鉄、および可変量のシリコンでコーティングされたマグネシウムを可変濃度の塩水でテストする。グループＩＶは、塩水濃度が小さい（１％）と、２０部の鉄、および１５または３０部のシリコンを伴っても水素流速および生産量は少量であることを示す。グループＩＩおよびＩＩＩは５％の塩水濃度で、２０部の鉄および１５または３０部のシリコンでコーティングされたマグネシウム粒子が良好な結果をもたらすことを示した。実際、グループＩＶは、５％の塩水濃度のこの知見を確証し、この結果は１１％の塩水濃度と実質的に同様であり、これは、１１％の塩水がシリコンに置換できるようである（２０部の鉄、０部のシリコン、１１％の塩水を参照）点を除いて、塩水が濃くなっても顕著には流速および生産量を改善しないことを示唆する。
【００６４】
グループＶはミリングの効果を調査する。マグネシウム、鉄、およびシリコンの粒子が約２０分、遊星ミル中で粉砕された。鉄粒子は３２５メッシュ（４４ミクロン穴）を通過し、これはグループＩＩ〜ＩＶで用いられた１０ミクロンの鉄粒子より大きい。しかしながら、粉砕ステップは鉄粒子を分割する。グループＶは流速および生産量は鉄の量を代えても、すなわち、１５部、２５部、および３０部について類似のままであることを示す。これは粉砕が鉄およびマグネシウムの接触を改善させてこれら粒子の間の改善したガルバノ電池を形成することを示す。同一の結果を得るために使用する鉄を少なくして良い。
【００６５】
テスト結果は、より細かな鉄（約２０部またはそれ以上）およびシリコンの粒子（少なくとも１５部）でコーティングされたハイブリッドのマグネシウム粒子は反応速度および生産量を改善することを示す。粒子を粉砕すれば、性能を向上させ、必要な鉄の量を削減できる（約１５部またはそれ以上）。粉砕は、鉄およびマグネシウムの間の接触表面面積を増大させるので性能を向上させる。この発明は、図１３Ａ〜図１３Ｃ、および図１４に図説した、より細かな鉄粒子によりコーティングされたマグネシウム粒子に限定されない。ガルバノ電池を形成する、２またはそれ以上の数の金属が、これら２つの金属が相互に密接に接触可能でありガルバノ腐食を助長する限り、採用することができる。１実施例において、ガルバノ電池を形成する、任意の２またはそれ以上の数の金属を採用でき、好ましくは、少なくとも１つの金属は大きな寸法の粒子であり、他方の金属はより小さく、大きな金属粒子をコーティングする。
【００６６】
先のテスト結果は、反応温度は反応の良好な指標であることも示す。換言すると、７５°Ｃを上回る反応温度は効率的な反応を示す。
【００６７】
本発明者らは、先に検討したように、ボールまたはアトリターミルによる粉砕がマグネシウムと鉄およびシリコンとの接触を改善でき水素生産レートおよび生産量を改善できることを発見した。
【００６８】
高濃度の塩水を使用する利点も、シリコン粉末（３２５メッシュまたは０．０４４ｍｍ穴および９９％級）を伴い、鉄粉末を伴わない、マグネシウム粒子（３０−１００メッシュまたは０．６ｍｍ〜０．０４４ｍｍ穴および９９．８％級）とともに実証された。シリコン粉末でコーティングされたマグネシウム粒子は、バインダとしての、ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）（ＡｒｋｅｍａのＫｙｎａｒ２８５１）またはポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）のようなフルオロ熱可塑性コポリマーとともにペレットへと製造された。塩水溶液は１１％濃度、および５％濃度で１％のエチレングリコールを含む。反応が２２時間から６４時間行われることを許容すれば、水素発生率は６５％から９４％位であった。
【００６９】
マグネシウムおよび水を基本にした燃料も、「マグネシウムおよびシリコンを含む組成物を利用する水素発生」というタイトルで公開された国際特許出願第ＷＯ２０１１／０１７８０１号に開示されている。この国際出願は参照してここに組み入れる。
【００７０】
この発明の他の実施例によれば、ＮａＣｌおよびＫＣｌのような塩を、第２の材料として、固体燃料、例えば、マグネシウム、および第１の添加物、例えば、鉄および／またはシリコンの混合物に、塩を水に加えて塩水溶液を形成する代わりに、添加してよい。親の仮特許出願第６１／４４２，１０４号はそのような実施例を開示する。
【００７１】
燃料ペレット１１０は、先に図４、図５Ｂ、または図６において示すように、複合固体燃料を圧縮することにより製造される。この複合粉末を単純に圧縮して小さなペレットにするのでは、細かな粉末を形成して出発点とする目的が無意味になりかねない。形成されたペレットはより固体材料として振る舞い、表面面積を実効的に減少させて水素生産反応を遅らせるであろう。さらに、ペレットが分割されたときに、露出表面面積が顕著に変化して予期しない水素生成速度の変化をもたらしかねない。また、ペレットを単に粉末燃料材料を押圧して形成すると、これは沈降または振動誘導分離を通じて分離する傾向がある。
【００７２】
本発明者らは、燃料材料の混合物に第２の材料（例えば、１または
複数のタイプの塩）をブレンドすると、多くの有益な特徴、例えば、反応物流体との相互作用の改善を伴うペレットを形成できることを考えている。
【００７３】
燃料ペレット自体に塩を含ませると、この発明の所定の実施例ではあるけれども、反応物流体に塩を含ませる必要性が除去または減少する。また、塩を含ませると、水素の生産が助長される。なぜならば、燃料ペレット中の塩粒子は反応物流体を吸収する傾向があり、これをペレット中に引き込み、結果として局所化された高濃度の電解液を形成して水素発生反応をより大きな速度で進行させるようになるからである。先に検討してテスト結果に示されるように、塩水の高濃度、例えば１１％の濃度が、水素生産速度を改善できる。また、塩は穴形成剤としても働く。すなわち、塩は反応物流体と接触したときに溶解し、一旦溶解すると、ペレット内に穴を残し、ペレット内部への流通経路を実現し付加的な反応物流体が流れることになる。
【００７４】
第２の材料、例えば塩を燃料ペレット中に利用する他の利点は、液体先駆体１６が塩を溶かし、燃料ペレット中へと引き込まれ、多分に、反応済み燃料によって形成された燃料ペレット上の任意の殻を通り抜けるということである。内包された塩は孔形成剤として最終的な圧縮ペレット中で機能できる。ペレットの表面に投与された液体先駆体１６（例えば、水）は塩を吸収してペレットの内部に引き込まれて水素生成反応を助長する。この結果、しばしば、燃料ペレットはより小さな固まりに分解され、多分に、その構成成分の元の微粒子形態になり、これが、この液体先駆体と燃料ペレットの構成物との間のより完全な接触を実現して水素生成反応を助長することになる。このような態様で、この発明のいくつかの実施例は、水のみを液体反応物として使用する均一な水素発生反応を実現する手段を提供する。
【００７５】
好ましくは、この発明は、水素発生システムに使用する燃料ペレットを形成する方法を含む。いくつかの実施例において、この発明の方法は、微粒子の燃料材料、例えば、マグネシウム、および少なくとも１つの第１の添加物、例えば、鉄および／またはシリコンを混合して第１の一様な混合物を形成すること、第１の一様な混合物に少なくとも１つの第２の材料、例えば、ＮａＣｌおよび／またはＫＣｌを混合して第２の混合物を生産すること、および、第２の混合物をプレスして燃料パレットを形成することを含む。
【００７６】
微粒子の燃料材料は、反応物流体と反応して水素を生成する１または複数の異なる種類の材料を含んで良い。適切な燃料材料は、水素を包含して反応物流体および燃料材料自体から水素が誘導される材料を含む。適切な微粒子燃料材料は、ナトリウム、カリウム、マグネシウム、カルシウム、リチウム、シリコン、アルミニウム、鉄、ネッケル、コバルト、亜鉛、ガリウム、ホウ素、およびマンガンを含む、混合物、合金、化合物、または化学水素化物を含んで良い。さらに、例は、シリコン粉末、鉄、マグネシウム、カルシウム；鉄、マグネシウム、シリコン、および／またはカルシウムのブレンド；マグネシウム水素化物；カルシウム水素化物；ホウ素水素化物化合物；アルミニウム粉末、その他を含む。
【００７７】
第１の添加物は、ペレットを使用するときに水素気体の生産を助長し、および／または、燃料ペレットの有益な特性を発揮させる１または複数の材料を含んで良い。例えば、第１の添加物は、微粒子燃料材料および反応物流体の関与する加水分解またはアルコール分解を助長する触媒材料を含んで良い。適切な添加剤は、シリコン（これは水素発生反応に関与する）、鉄、ニッケル、コバルト、銅、腐食助長剤、または、これらの組み合わせのような材料を含む。
【００７８】
ここで使用されるように、「腐食助長剤」は、その存在の下で、水性溶液中のマグネシウムのガルバノ腐食が改善され助長され、腐食の最終生成物が水素気体である材料を指す。この材料は腐食反応を助長するけれども、一般的に、それ自体は変化するとはなく、あるいはそれ自体が水性溶液と反応して良い。
【００７９】
いくつかの実施例において、第１の添加物は、最終的な燃料ペレットをより難燃性にし、および／または、消費されたペレットをより非腐食性にし、および／または、環境にやさしい態様で容易に廃棄できるようにする、１または複数の材料を含む。例えば、第１の添加物は、難燃性材料、および／または、主な水素発生反応からの副産物と反応して排気材料をより非毒性にし、より非腐食性にし、一般的に処理に際して安全にする材料を含んで良い。他の例において、第１の添加剤は、二酸化炭素、または他の不燃窒息剤を加熱時に放出する材料を含んで良い（例えば炭酸カルシウム）。二酸化炭素や他の不燃性窒息剤は、放出されて、ペレット中またはその近くの酸素の量を置き換え、または削減することにより燃料ペレットの燃焼を抑圧する。
【００８０】
いくつかの実施例において、第１の添加物はワックスまたは潤滑剤を含む。潤滑剤を含むと、ペレットの製造が支援され、例えば、燃料材料をより自由にペレットへとプレスするための金型に流し込むことができ、またプレスしたペレットを圧縮に続けて金型から除去するのを容易にする。潤滑剤添加物は混合物をより効率的に圧縮可能にしてより小さな圧縮圧力でプレスを行えるようにできる。潤滑剤を含むと、さらに、出来上がったペレットの強度を増大できる。また、潤滑剤を含むと、出来上がったペレットを当初に反応物流体に対して極めて反応性があるようにでき、また、ペレットを親水性にできる。いくつかの実施例において、水素反応が進行しペレットが消費されるときに、潤滑剤は、消費されたペレット材料を撥水性にする。
【００８１】
第２の材料は水素気体の生産を助長する１または複数の材料を含んで良い。第２の材料は、例えば、１または複数の種類の塩（例えばＫＣｌまたはＮａＣｌ）を含んで良い。最終ペレットにおいてＮａＣｌは孔形成剤として働くよう添加され、ＫＣｌは難然剤として添加された。当初の混合ステップにおいてＮａＣｌを添加すると、穴形成剤として使用する異は小さすぎる塩粒子となりがちである。
【００８２】
第２の材料は、最終的な燃料ペレットをより難燃性にし、および／または、消費されたペレットを環境にやさしい態様でより容易に廃棄できるようにする、１または複数の材料を含む。例えば、第２の材料は、難燃性材料、および／または、主な水素発生反応からの副産物と反応して排気材料をより非毒性にし、より非腐食性にし、一般的に処理に際して安全にする材料を含んで良い。例えば、第２の材料は、二酸化炭素、または他の不燃窒息剤を加熱時に放出する材料を含んで良い（例えば炭酸カルシウム）。二酸化炭素や他の不燃性窒息剤は、放出されて、ペレット中またはその近くの酸素の量を置き換え、または削減することにより燃料ペレットの燃焼を抑圧する。
【００８３】
微粒子の燃料材料および少なくとも１つの第１の添加物を混合して第１の一様な混合物を形成することは、燃料材料および第１の添加物を所望の平均または中央値粒子寸法まで粉砕し、および／または、微粒子の燃料材料および少なくとも１つの第１の添加物を単純に混合して所望の一様性を混合物において実現することを含む。より具体的には、微粒子の燃料材料が第１の添加物と混合、および／または、粉砕されて燃料材料の粒子の表面にマイクロガルバノ電池を形成され、これは上述のとおりである。この発明のいくつかの実施例において、燃料材料および／または第１の添加剤のうちの１つ、またはそれ以上、または、すべてが初めに別々に粉砕されて、つぎに混合され、その他、一緒にブレンドされて第１の一様な混合物を形成する。他の実施例において、燃料材料および／または第１の添加剤のうちの１つ、またはそれ以上、または、すべてが一緒に粉砕されて、その粉砕中に混合またはブレンドされて第１の一様な混合物を形成する。
【００８４】
一般的には、この発明の燃料ペレットを利用する水素発生反応の再現性および均一性は第１の一様な混合物、例えば、鉄／シリコンハイブリッドコーティングのマグネシウム粒子の均一性に左右され、これは上述したとおりである。燃料材料粒子の寸法は、例えば、水素発生反応の速度に影響する。また、いくつかのシステムにおいては、水素発生反応は、複数の化学反応の同時または共生的な一体化により影響を受ける。
【００８５】
第１の一様な混合物はつぎに第２の材料と混合またはブレンドされて第２の混合物を形成する。いくつかの実施例において、混合は、第２の混合物が所望の一様性を含むようになるまで続けられ、つぎに、第２の材料および／または第１の一様な混合物の成分について粒子寸法が好ましくない減少となるのを阻止または抑制するために終了させられる。
【００８６】
第２の混合物はつぎに圧縮されて構成粒子が相互に結合してコンパクト体または燃料パレットを形成する。凝集体をプレスして固体ペレットにするいくつかの利点は、第２の材料の粒子が、取り扱い、搬送、保存中に分離、沈降、またはその他分解するのを阻止するということである。一旦、コンパクト体に形成すると、ペレット内の粒子はその場所にロックされ移動せず、このため、混合物の一様性も保持される。
【００８７】
第２の混合物の粒子を相互に連結するとコンパクト体が反応物流体と反応する態様に影響を与える。強くプレスしすぎると、燃料ペレットがより固体のように振る舞い、反応物流体との間の反応を制限する。第２の材料を含んでいても、材料を過剰に圧縮すると出来上がったペレットの反応性を減少させることになる。ただし、粉末を過剰に緩くプレスするのでは、堅固な取り扱い特性を伴わない壊れやすいペレットになってしまう。この発明のいくつかの実施例において、第２の混合物は、その密度が約１．８５および１．９５グラム／立方センチメートルの間になるまでプレスされる。第２の混合物の構成要素または組成物に応じて、そのような密度に第２の混合物をプレスするには圧力量を可変にする必要がある。いくつかの実施例において、第２の混合物は約２００〜２５０メガパスカルの圧縮圧力または約２２０メガパスカルの圧縮圧力までプレスされる。
【００８８】
材料の取り扱いの観点から圧縮は好ましい。一様な複合材を圧縮すると材料の可燃性を削減するというような二次的な有益な効果があることがわかった。ただし、圧縮は、コンパクト化によって燃料パレットの反応性が減少するという点とバランスされるべきである。
【００８９】
分解の態様または第２の属性とは別にして、第２の混合物を圧縮してペレットにすると、規定された形状を構成できる。規定された形状を形成できるということは、集合体材料が計上す蹴られた固体形態に、オプションの突起または燃料ペレット１１０条の窪み１１２のような凹みを伴って形成できることを意味する。ペレットの形状は所望のパッケージフォーマットと適合して水素発生材料をパッケージに挿入して良好の体積効率を実現できるようにできる。燃料ペレット表面に特徴形状（凹部および凸部のどちらでもよい）を形成すると、燃料パレットを不規則に形状付けられたキャビティに適合可能にすることにより、ペレットをパッケージ内で方向づけることができ、これは個別の水素発生反応システムに必要とされるものである。この発明のいくつかの実施例において、ペレットは構造部材（例えば、メッシュ、成形部材、または筒部材）と関連づけて形成される。固体ペレットを構造部材とともに形成すると、燃料ペレットの扱いが、さらに、改善される。
【００９０】
製造するに際して、種々の方法、例えば、ピック・プレース・ロボットシステム、振動テーブル、その他を採用してパッケージに挿入可能な、形状付けられた固体ペレットを扱うことは有利である。この発明のペレット化した燃料を採用する主たる利点は、そうでなければ自然発火する粉末燃料材料の関連する延焼の危険性を減殺させて酸素が豊富な環境（例えば、環境空気）中で処理できるようになることである。
【００９１】
例１において上述のとおり製造された燃料ペレットは、燃料ペレット製造する２段階方法に従って製造されたペレットである。
【００９２】
例２：可燃性への組成上の影響
図１５はこの発明のいくつかの実施例の燃料速度を比較するバーチャートである。この発明の燃料ペレットは種々の組成物を用いて、しかも、プレスプロセスの圧ｒｙ区を可変させて形成され、これはＸ−軸にそって示される。例えば、第１の組成物（Ｘ−軸状で最も左側）は９部の第１の一様な混合物と１部の第２の材料（塩化ナトリウム）を含み、３００００ポンドの圧縮力でプレス形成された。用語「ＦＢ５００」はＦＩＲＥＢＲＡＫＥ  ５００を指し、これは、コロラド州、ギリーンウッドのＵ．Ｓ．Ｂｏｒａｘ社から入手可能な、難燃性材料として使用される商業的な化学組成物である。「ブレンド１」、「ブレンド２」、および「ブレンド３」はマグネシウム粉末を使用する比較可能な燃料材料ブレンドを指す。より具体的には、ブレンド１は約１７５から約３００ミクロンの範囲のマグネシウム粒子を有し、ブレンド２は約１７５から約４００ミクロンの範囲のマグネシウム粒子を有する。ブレンド１および２はシリコンまたは鉄を含有しない。ブレンド３は１００部のマグネシウム、１５部のシリコン、および２５部の鉄を含む。平均的には、第２の材料の粒子寸法は約５００ミクロンであった。「細かい塩」は、第２の材料をさらに句題いて平均粒子サイズを約１０〜５０ミクロンのオーダーにした後に、当該第２の材料を使用することを示す。
【００９３】
Ｙ−軸は、出来上がったペレットの１０立方センチメートルの部分が燃焼するのにかかる時間を示す。一般的に、ペレットが燃焼するのにかかる時間はペレットの可燃性を示し、燃焼するのに長い時間がかかるペレットは、より迅速に燃焼するペレットに較べてより難燃性である。
【００９４】
図１６は、ペレット組成物の１立方センチメートルを燃焼させるのに必要な時間の差を比較する棒グラフである。左から右へ、グラフ中の棒は、ｉ）基準値ペレットに使用される燃料材料の量に較べて２倍の量の塩を含むペレット（すなわち、マグネシウム対塩の比が、約９：１の代わりに約９：２である）、ｉｉ）平均粒子寸法が１０〜５０ミクロンのオーダーの細かく粉砕した塩を含むペレット、ｉｉｉ）構成材料を、他のサンプルに較べて２．６７倍以上の圧力でプレスして形成したペレット（すなわち、３００００重量ポンドに対して８０００００重量ポンド）、ｉｖ）ＦＩＲＥＢＲＡＫＥ  ５００を含んだペレット、および、ｖ）混合物に含まれる塩の総合量が、半分のＮａＣｌの塩と半分のＫＣｌの塩である組成物を含むペレット（すなわち、マグネシウム対塩化ナトリウム対塩化カリウムの比が約９：１：１）であった。
【００９５】
図１５の比較データに示されるように、ＦＩＲＥＢＲＡＫＥ材料を燃料ペレット材料に含ませると燃焼速度が顕著に増大した。ＦＩＲＥＢＲＡＫＥ材料はペレットが加熱されるときに湿気を放出してこの湿気がペレット中の燃料材料と反応したと仮定される。
【００９６】
例３：事例的な化学水素化物からのペレットの生成
試料の燃料ペレットが形成された。これはカルシウム水素化物およびオプションのシリコンを有する。カルシウム水素化物粉末およびシリコン粉末は約１部のカルシウム水素化物に対して０．２８部のシリコン（重量に基づく）の比で筒中に組み合わされた。カルシウム水素化物粉末は２ミリメートルのふるいを通り抜けるのに充分なほど細かかった。シリコン粉末のメッシュ寸法は約３２５であり、純度は少なくとも９８％であった。混合時間は約３０分であり、混合バッチ量は約３６６グラムであり、混合はほぼ室温で行われた。混合が終了した後、出来上がった第２の混合物を約２．２５グラムのペレットに約３５０００重量ポンドの圧力でプレ視して形成した。ペレットの直径は約６．６ミリメートルであった。
【００９７】
この発明の他の実施例において、固体先駆対１８は懸濁剤中に件諾されて良くスラリーまたはゲル、その他として形成されて良い。懸濁液は、燃料の水蒸気との反応に対する防護コーティングとして機能することが可能である。これは、カルシウム水素化物のように、水蒸気と顕著に反応しやすい燃料にとって有益であろう。有益なことに、そのような燃料スラリーまたはゲルは、液体先駆体がドースポンプ２２によりスラリーまたはゲル状に投与されるとき、また、燃料スラリーまたはゲルが液体先駆体へとポンピングされるときに、液体先駆体１６と反応可能である。適切な懸濁剤は、非吸湿性剤、すなわち、水を吸収しない物質であり、例えば、鉱物油および分散剤のようなものである。適切な分散剤は、これに限定されないが、Ｄｏｗ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ社またはＲｏｈｍ  ＆  Ｈａａｓ社から、Ａｃｕｍｅｒ（商標）９００および９１４１として商業的に入手可能なアクリルポリマーのナトリウム塩を含む。さらに、固体先駆体１８は非吸湿性の懸濁剤と混合され、次にプレスされて燃料ペレット１１０とされて良く、これは先に検討した。
【００９８】
一例において、カルシウム水素化物のような固体先駆体は、鉱物油と混合されて、ペースト（１部のカルシウム水素化物に対して０．２７５部の鉱物油）から流動可能な粘性ゲル／スラリー（１部のカルシウム水素化物に対して１部の鉱物油）まで種々の堅さにされる。鉱物油は、カルシウム水素化物と雰囲気中の湿気との間の反応を最小化する。さらに、スラリーまたはゲルは細かな堅さに粉砕されて良い。１または複数の分散剤を添加すると粘性が少ないスラリーの安定性を改善するのに役立つ。スラリーの固体先駆体１８および液体リアクター１６は任意のリアクターで反応して良く、好ましくは２つの先駆体を密接かつ完全に混合できるリアクターちゅうで反応させる。事例的なリアクターは、公開された米国特許出願第２００８／０２８６６２１号および同第２０１０／０１０４４８１号に開示されているものを含む。これら参考文献は参照してここに組み入れる。
【００９９】
他の適切な水素生成燃料は、これに限定されないが、リチウム水素化物、水素化ホウ素リチウム、ナトリウム水素化物、水素化ホウ素ナトリウム、カリウム水素化物、水素化ホウ素カリウム、リチウムアルミニウム水素化物、これらの組み合わせ、酸化物、および塩を含む。他の適切な燃料は公開された国際特許出願第ＷＯ２０１０／０５１５５７号、および公開された米国特許出願第２０１１／００９９９０４号に開示されている。これら参考物も参照してここに組み入れる。
【０１００】
事例的な化学水素化物、例えばカルシウム水素化物および水素化ホウ素ナトリウムはミスト反応して水素を形成する。これらの反応は以下のとおりである。
ＣａＨ２  ＋２Ｈ２Ｏ  →  Ｃａ（ＯＨ）２  ＋  ２Ｈ２
ＮａＢＨ４  ＋  ２Ｈ２Ｏ  →  （ＮａＢＯ２）  ＋  ４Ｈ２
【０１０１】
代替的には、水素はランタンニッケル（ＬａＮｉ５）のような水素吸収金属水素化物中に貯蔵可能である。適切な水素吸収金属水素化物およびこれを貯蔵するカートリッジは米国特許第７，５６３，３０５号、および公開された米国特許出願第２００９／００６０８３３号に開示されている。これらの参考文献は少々してここに組み入れる。水素は圧縮してまたは液化形態でも貯蔵可能である。
【０１０２】
図１７を参照する。図１７は、図３に示され、図１および／または図２において模式的に提示される燃料電池システム１０の断面図である。そのような燃料電池システムは親の仮出願第６１／４４２，０９８号および同第６１／４４１，９９６号に充分に開示されている。上述のとおり、燃料電池システム１０のハウジング部材５０は基部５２および蓋５４を具備する。基部５２はさらに立ち上がり側壁２０４および底壁２０８を有する。蓋５４は基部５２に対してカバーを実現する。基部５２は開口２１２を具備して液体先駆体を受容し、またハウジング５０内にはコア２１６がある。コア２１６は上側ディスク２２０およびバッファ室２７０を具備し、上側ディスク２２０がシールまたはＯ−リング２２２ｗお介してハウジング５０の基部５２をシール可能であり、バッファ室２７０が気体バッファ４０を担持する。燃料電池および燃料電池システム１０の電子系はコア２１６のディスク２２０の頂部に展示されるので、上側ディスク２２０を基部５２に対してシールして液体おおび気体をコア２１６および基部５２の間に保持できて有益である。蓋５４も図３に最も良く示されるように開口またはベントを具備し空気が燃料電池３０のカソード側に戸入り込んで到達することを可能にしている。
【０１０３】
燃料カートリッジ１００を挿入するために、蓋５４がハウジング５０から取り外され、また、コア２１６（ディスク２２０およびバッファ室２７０を含む）が完全に取り外されて円筒基部５２の内部に空洞室を残す。液体先駆体１６、例えば、水、塩水溶液、アルコール、またはその他の液体反応物が開口２１２を通じて円筒基部５２に所定のマークまで注がれ充分な量の液体反応物が確実に収容されるようにする。燃料カートリッジ１００、例えば、図４または図６に図説する燃料カートリッジ、または先に検討した任意のカートリッジは、図示のとおり、コア２１６のバッファ室２７０の回りを包みこむ。先に検討したカートリッジ１００は柔軟性があり、ハウジング５０内に挿入可能である。図１７に図説するように、カップ層１０２コア２１６から外側に向かうように配向されており、その逆でもよく、カップ層１０２がコア２１６と対面して良いことに留意されたい。燃料カートリッジ１００がコア２１６に固着されると、コア２１６および燃料カートリッジが円筒基部５２に再挿入され、これは部分的に液体先駆体１６で満たされ、システムが再シールされる。
【０１０４】
水素の発生を開始させるには、燃料電池システム１０の底に位置づけられたスタータ２６が駆動される。スタータ２６はブリスタポンプであってよく、これは運動靴に見いだすことができるものと類似であり、ユーザが押圧して良い。スタータ２６は、基部５２内の液体先駆体１６に初期圧力を印加する押しボタンまたは切り換えボタンであってもよい。適切な、スタータ２６のような開始装置は、米国特許第７，４８１，８５８号、公開された国際特許出願第ＷＯ２０１０／０５１５５７号、および公開された米国特許出願第２０１１／００９９９０４号に開示されている。これらの参考文献はここに組み入れる。
【０１０５】
スタータ２６が起動されると、当初、ドースポンプ２２を通じて所定量の液体先駆体１６が燃料カートリッジ１００中へと投与され、より具体的にはカートリッジ１００の液体流れチャネル１０７中へと投与される。これによって、水素の生成が開始される。生成された水素は先に検討したように燃料カートリッジを通じて搬送され、燃料カートリッジ１００を出てコア２１６内の気体流路２４０に入る。気体流路２４０は、生成された水素を、コア２１６のディスク２２０の頂部の位置づけられた燃料電池３０へと取りだして送る。過剰な水素は、気体バッファ路２７８を通じて気体バッファ４０に方向づけられる。コア２１６内のバッファ室２７０は、気体バッファ４０の外側に空気または不活性気体のような気体で満たされ、膨張可能または拡張可能な気体バッファ４０の拡張に部分的に対抗するようになって良く、また、部分的に真空にされて気体バッファ４０の拡張を可能にして良い。好ましい実施例では、バッファ室２７０は雰囲気へとベントされ、気体バッファ４０が序増されることなく拡張または接触できるようになっている。電ベントはさきに検討したように補助的な回路または負荷４６がコア２１６のディスク２２０内に便利なことに位置づけられている。
【０１０６】
燃料電池システム１０は任意の配向で動作可能である。ドースポンプ２２は反応質またはカップ１０９の圧力および液体先駆体１６の圧力、またはそれらの等価値の間で動作し、任意の配向で動作できる。カートリッジ１００は液体先駆体１６をドースポンプ２２から受取り、これも任意の配向で動作できる。水素気体も任意の配向で搬送でき、気体バッファ４０および燃料電池３０もすべての電子系とともに配向に依存しない。
【０１０７】
この実施例のドースポンプ２２はコア２１６のボタンの近くに位置づけられる。ドースポンプ２２は、燃料カートリッジ１００およびハウジング５０の円筒基部５２の間に貯蔵されている液体先駆体１６と流体連通する入口ポート２５２を具備し、燃料カートリッジ１００内の液体流れチャネル１０７と流体連通する出口ポート２５６を具備する。適切なドースポンプは以下に詳細に説明され、また親の出願第６１／４４２，１３０号でも検討されている。図１および図２に図説されるように、ドースポンプ２２は、弾力性があるドース貯蔵部２１、上流逆止バルブ２３１、および下流逆止バルブ２３２を具備する。ドースポンプ２２は液体先駆体１６を固体先駆体１８または燃料ペレット１１０へと搬送する。
【０１０８】
ドースポンプ２２は液体フィードバック系を利用して案対して制御された動作を実現する。圧力フィードバック室が少なくとも液体の一部を内包するように構成される。この装置は以下に検討する隔膜２４のような隔膜も含む。隔膜は圧力フィードバック室を生成水素から隔離するように構成される。隔膜は圧力フィードバック室および生成水素の間で圧力を伝達するように構成される。
【０１０９】
入口逆止バルブ２３１、および出口逆止バルブ２３２は、液体先駆体の一方向の搬送を可能にして逆方向の液体の流れを阻止する。入口逆止バルブ２３１は、液体先駆体１６を保持する液体容器（ハウジング５０の基部５２およびコア２１６の間）からポンプ２２へと液体を通過させることができるように構成される。この実施例では、この液体容器は液体先駆体１６および燃料ペレット１１０の間の反応により圧縮され、これは以下に検討される。出口逆止バルブ２３２は、液体先駆体１６がポンプ２２から反応室へと通過させることができるように構成され、これら反応室はカートリッジ１００のカップ層１０２中のカップ１０９である。いずれの場合にも、バルブのいずれの側の液体の間の圧力差が充分に大きくなりバルブのクラック圧力に打ち勝つときに、液体はバルブを通じて駆動されることになる。逆止バルブの構成は、液体が、圧力フィードバック室でもある液体先駆体容器から、ポンプを通じて、最終的に反応室へと流れることができるようにする。
【０１１０】
ドースポリューム２１は、可変容積の液体アキュムレータであり、これは、バネまたは弾性部材を伴う構成された弾力性表面を含み、このバネまたは弾性部材は、当該ドースボリューム２１に内包される液体先駆体に、ドースボリューム２１に内包される液体先駆体の量に比例して印加される力を増大させる。この可変アキュムレータ機構によりポンプ２２は所定範囲の圧力に渡って確実に動作することができるようになる。これは、液体先駆体容器または圧力フィードバック室内の圧力が大きくなるときにアキュムレータに流入する液体の体積が大きくなることを意味する。所定の予め対擬された最大圧力において、ドースボリューム２１をバイアスするバネまたは弾性部材は完全に偏位させられ、これ以上、累積体積が増加せず、これは全体圧力がさらに増大しても変わらない。
【０１１１】
ポンプ内のバネのバネ定数、または、ポンプ内でドースボリューム２１を形成する弾性部材のバネ定数は一般的な燃料の所望の圧力範囲を実現するように調整して良い。バネ部材が、システムの目標最大動作圧力で完全に圧縮されるように選択されて良い。このように選択すると、過剰な圧力が発生したときに、バネが完全に圧縮された状態のままであるので、ポンプが詰まり、システム圧力が目標最大圧力を下回るまで、どのような水も投与しなくなる。これは、高圧力事故の際にシステムが水を投与し続ける暴走状態を阻止するのに役立つ。完全に圧縮されたときにバネが加える力と、システムの最大動作圧力と、ドースボリューム２１またはアキュムレータの弾性表面の面積との間の関係は、近似的に以下のように表される。
固体高さでのバネの力＝最大動作圧力×アキュムレータのピストン面積
【０１１２】
この発明の１つの事例的な実施例の動作サイクルは以下のように説明できる。少量の液体が反応室またはカップ１０９に例えばスタータ２６を駆動して導入され、これが燃料に接触して水素を発生させる。水素が発生させられるときに、反応室またはカップ１０９内の圧力が増大し、図１７の実施例では燃料カートリッジ１００のカップ層１０２である隔膜セパレータ上に力が加わるようになり、これによって、基部５２およびカップ層１０２の間に有る液体先駆体容器の内部の圧力が増大し、これはこの実施例のフィードバック室の圧力である。液体先駆体容器および反応室／カップ１０９は好ましくは迅速に同一の内部圧力を実現する。圧力フィードバック室である液体先駆体容器内の圧力に起因して、液体先駆体は、その圧力が２つの室部の圧力とも等価にあるまで、入口逆止バルブ２３１を通じてドースボリューム２１に押し込まれる。この時点で、システムは水素を発生しており、ドースポンプを準備万端（「ｐｒｉｍｅｄ」）状態にする。水素がこのシステムから引き出されないならば、基本的には水素圧力および燃料の水ポンプへの充填を維持すべきである。圧力がシステムの全ての要素で等しいので、水の投与や水素の発生はさらには起こらなくなる。
【０１１３】
水素がシステムから取り除かれると、反応室またはカップ１０９の圧力は減少する。この結果、隔膜セパレータまたはカップ層１０２にかかる圧力が減少して、再び、圧力フィードバック室である液体先駆体容器内の圧力が反応室またはカップ１０９内の圧力に追随することになる。この時点で、ポンプ２２のドースボリューム２１内に含まれる液体はシステムの残りの部分の圧力より大きな圧力を伴い、そのため、ドースボリューム２１内の液体は、ポンプ２２内の圧力（偏倚されたバネ要素の力により生成された）がシステムの残りの圧力と等価になるまで、出口逆止バルブ２３２を通じて反応室またはカップ１０９へと押し込まれる。反応室内に押し込まれた液体は水素を生成するために反応可能となり、これがシステム内の圧力を増大開始し、サイクルを繰り返させる。
【０１１４】
システムは、ポンプ内の液体アキュムレータへの充填および放出のこのサイクルを繰り返すことにより動作する。高反応室圧力では、ポンプが「充填」（ｃｈａｒｇｅｄ）されてシステムが等価になる。反応室内の圧力が降下するとき、ポンプは「放出」（ｄｉｓｃｈａｒｇｅｄ）される。反応室内の圧力が所定のレベルまで下がると、システムは、可能な限り、高圧力状態に復帰するように働く。
【０１１５】
この発明のポンプ２２の実施例において、液体はバッチで投与され、その上限（体積）はドースボリューム２１の容積によって決定される。反応室内で圧力が増加するならば、ポンプ２２内のドースボリューム２１は充分に充填されるけれども過剰に充填はさらない。これは、液体の充填は、反応室内の圧力がバネ力およびポンプのアキュムレータの体積により決定される最大動作圧力を充分に下回るまで、投与さらないという動作の性質により、これは上述したとおりである。さらに、水素の急激な外部への逸質を引き起こす漏れがあるならば、一旦、漏れが起こったときに、最高でも１つのアキュムレータ容積が反応室へ投与されだけである。一旦、漏れが起こったときに、圧力がシステム内に累積されず、液体に力を加えドースポンプを再準備させるエネルギはない。
【０１１６】
燃料電池システム１０の水素発生システム１２の実施例の模式図を図１８に示す。水素発生システム１２は、反応室３００を有し、これは図１７で示す実施例ではカップ１０９である。反応室３００は燃料発生材料または燃料ペレット１１０を内包するように構成され、これは図１７の実施例では燃料カートリッジ１００のカップ１０９に内包される。燃料発生材料は液体と接触したときに気体燃料を発生する。水素発生システム１２は、また、圧力フィードバック室３０２を含み、これは図１および図２において液体先駆体１６を保持する容器であり、図１７においては円筒基部５２およびカートリッジ１００のカップ層１０２の間の容器である。圧力フィードバック室３０２は少なくともいくらかの液体先駆体１６を内包するように構成されている。この装置は隔膜３０４も含む。隔膜３０４は液体先駆体１６と、液体先駆体１６および燃料発生材料１１０の間の接触により生成される水素気体とを隔離するように構成されている。隔膜３０４は液体先駆体１６を内包する圧力フィードバック室３０２と反応室３００の水素圧力との間の圧力伝達を行うように構成されている。装置１００は、また、液体ドースポンプ２２をも含み、これは、いくらかの液体先駆体をドースボリューム２１中に含んで反応室２００にポンピングするように構成されている。ポンプ２２は、液体先駆体の少なくともいくらかをポンピングして反応室３００内の燃料発生材料１１０に接触させるように構成されている。
【０１１７】
いくつかの実施例において、ポンプ２２は、燃料発生材料により発生させられる燃料の量を制御し、反応室内の圧力、または装置によって供給される燃料の圧力が任意の２つの圧力内に維持されるようにしている。１例において、燃料発生材料により発生させられる燃料の量が制御されて、反応室内の圧力、または装置によって供給される燃料の圧力が約０．０１ｐｓｉから約１００ｐｓｉの間によるように維持される。他の例において、圧力は約０．１ｐｓｉから約３０ｐｓｉの間、または、約０．５ｐｓｉから約２５ｐｓｉの間、または、約１ｐｓｉから約１５ｐｓｉの間に制御されて良い。他の実施例において、圧力は約０．５ｐｓｉから約２０ｐｓｉの間、または、約１ｐｓｉから約１５ｐｓｉの間、または、約２．５ｐｓｉから約９ｐｓｉの間に制御されて良い。
【０１１８】
図１８に示すように、反応室３００において発生させられる水素気体は、気体内包室３０６に搬送される。隔膜３０４が水素気体を液体先駆体１６から隔離し、反応室３００、気体内包室３０６、および圧力フィードバック室３０２に貯蔵された液体先駆体１６の間の圧力の等価を可能にする。これは、反応室３００内の燃料圧力が変化するときに隔膜セパレータ３０４に働く力が変化して、圧力フィードバック室３０２内の液体１６の圧力が反応室３００の圧力に従うことを意味する。ただし、隔膜セパレータ３０４によって、水素は直接には圧力フィードバック室（例えば液体容器）３０２に入り込むことは許容されないことに留意されたい。
【０１１９】
隔膜セパレータ３０４は水素発生システム１２の別個の部品であってよく、また、図１７に示す実施例のように、燃料カートリッジが燃料発生材料を内包するために使用される実施例においては、１または複数のカートリッジ壁、例えばカップ層１０２が隔膜セパレータとして働いて水素が水容器に入るのを阻止して良い。この発明のいくつかの実施例は柔軟なカートリッジ壁および別々の隔膜セパレータを含んで良い。
【０１２０】
この発明の隔膜セパレータは任意の適切な隔膜材料を含んで良い。隔膜は好ましくは具体的に使用される燃料に対して最小限の透過率しか有さない。いくつかの実施例において、隔膜はポリウレタンを含んで良い。いくつかの実施例において、隔膜は任意のポリマー材料、例えば、任意のプラスチックを含んで良い。いくつかの実施例において、隔膜は天然または合成ゴムまたは他のエラストマーを含んで良い。
【０１２１】
図１９は、水素発生システム１２の他の実施例を示す。図１９に示されるこの実施例は、気体内包室３０６が除去され、反応室３００が直接に隔膜３０４と対抗している点を除いて図１８に示されるものと実質的に類似である。
【０１２２】
図２０は、水素発生システム１２の他の実施例を示す。図２０に示されるこの実施例は、燃料カートリッジ１００が反応室３００を、例えばカップ１０９の形態で実現する点を除いて図１９に示されるものと実質的に類似である。さらに、燃料カートリッジ１００の１または複数の壁、例えばカップ層１０２が隔膜３０４として機能可能である。
【０１２３】
図２０の実施例は図１７に示す燃料電池システム１０において利用される。図１７の左側を参照すると、各々燃料ペレット１１０を内包するカップ１０９が反応室３００として働く。カップ層１０２は燃料カートリッジ１００の外側表面を形成し、圧力等価隔膜３０４として働く。液体先駆体１６がハウジング５０の基部５２およびカップ層１０２の間に形成された容器の中に内包される。さきに検討したように、燃料ペレット１１０は好ましくは、液体がドースバルブ２２によりポンピングされるときに液体先駆体１６と１つずつ反応する。燃料ペレット１１０の各々が反応して水素を発生し、膨張するときに、カップ層１０２が液体先駆体１６を押圧して液体を加圧する。この加圧により、入口ポート２５２の近くに位置決めされた入口逆止バルブ２３１（図１７には示さない）を開けて液体先駆体１６の１ドース分がドースボリューム２１に貯蔵される。生成された水素は水素経路２４０を通じて燃料電池３０および／または気体バッファ４０に搬送される。生産された水素が燃料電池３０により消費されるときに、反応カップ１０９内の圧力が下降する。この圧力降下により、出口ポート２５６の近くに位置決めされた出口逆止バルブ２３２が開とされ、ドースボリューム２１に貯蔵されている１ドース分の液体が燃料カートリッジ、さらには、反応カップ１０９または列中の次のカップ１０９に搬送されて付加的な水素を生成する。
【０１２４】
他の適切なドースポンプは公開された米国特許出願第ＵＳ２０１０／０１０４４８１号において開示され権利主張されており、その内容は参照してここに組み入れる。ＵＳ２０１０／０１０４４８１号公報は、発生させられた水素からの圧力を、ドースボリューム内の液体先駆体の体積を圧縮するために使用し、加圧または非加圧液体先駆体のいずれでも使用できるドースポンプを開示する。このＵＳ２０１０／０１０４４８１号において開示されるドースポンプは圧力等価機構も必要としない。
【０１２５】
液体先駆体１６が先の段落で検討したプロセスにより消費されるときに、燃料ペレット１１０は膨張して、液体先駆体が逸失した体積を置き換え、圧力バランスを維持してポンプ２２を動作させる。ただし、水素が燃料電池３０により消費されるときに、質量がシステムから失われ、逸失した液体体積は完全には燃料ペレットの膨張により置換されず、圧縮不足の液体１６が形成される。他方、カップ１０９に捕捉された残りの水素は液体１６を過剰圧縮する。他の実施例において、体積コンペンセータ５０４が好ましくは燃料ペレットおよび液体の間のインタフェースの近傍に設けられる。図２１Ａを参照すると、体積コンペンセータ５０４は、使用前、すなわち保管状態では、図示のとおり、液体先駆体１６および燃料カートリッジ１００と圧力連通される。図２１Ｂに最も良く示されるように、液体先駆体１６の体積が減少し、燃料カートリッジの体積が増加するとコンペンセータ５０４の体積は、液体１６中の圧力および燃料カートリッジ中の圧力が実質的に確実に同一になるように変化して調整する。図２１Ｂにおいて、コンペンセータ５０４の体積は増加しているけれども同一の圧力等価機能を実行するためにこの体積が減少することもあることに留意されたい。
【０１２６】
さきに説明した圧力等価機構は図１８〜２０、および２１Ａ〜Ｂに示す隔膜３０４またはカップ層１０２により実現される。この圧力等価機構は、図１において、模式的に参照番号２４により圧力等価膜として示される。
【０１２７】
好ましくは、体積コンペンセータ５０４は、コア２１６上またはこれに対して設けられた弾力性のある柔軟な本体、または気体プレナムを有し、体積コンペンセータ５０４の少なくとも一部が、膨張時に、液体先駆体１６を内包する容器中に位置づけられるようになっている。体積コンペンセータ５０４は気体流路２４０と気体流連通された入口を具備する風船上の部品であり、体積コンペンセータ５０４が燃料カートリッジ１００と気体流連通されるようになっている。したがって、体積コンペンセータ５０４は燃料カートリッジ１００および液体先駆体１６と共通の圧力を分かち持つ。ただし、液体先駆体容器中の水の体積の減少が燃料カートリッジ２２８の体積の増加と齟齬が有る場合には、体積コンペンセータ５４０が圧力を等価するように拡張して液体先駆体容器中の真空または吸引効果が発生しないようにする。この真空または吸引効果は、液体先駆体１６がポンプ２２を通じて燃料カートリッジ１００に流れるのを阻害し、または、遅延させるように働くことがある。カップ層１０２が固すぎて、または圧力を等価させるには遅すぎる場合には、体積コンペンセータが付加的に膨張し、または収縮して圧力を等価させて良い。上述の圧力フィードバック構成によって、体積コンペンセータ５０４および液体先駆体１６の圧力は実質的に等しくなる。
【０１２８】
燃料電池システム１０は、図２２に示すように、液体捕捉ボリュームの形態で液体捕捉部を含んで、燃料カートリッジ１００により生成された水素気体から水または液体を除去して良い。燃料カートリッジ１００によって発生させられた水素気体は、燃料カートリッジ内のミスの圧力および温度に依存して水または水蒸気により飽和させられているかもしれず、これは燃料電池３０の動作に好ましくないであろう。水滴が水素気体中に生成されるかもしれず、これは気体流路２４０、２７８や年長電池３０のアノードへの／アノードからの他の気体流れチャネルを封鎖し、詰まらせることがある。この目的のために、液体捕捉または叩き出しボリューム６０４が、水を気体ストリームから分離する。気体ストリームは燃料カートリッジ１００中のポッド１１１内の乾燥剤や他の捕捉剤にもかかわれず、水蒸気を依然含むことがある。燃料カートリッジ１００から燃料電池に進む気体流路２４０は水捕捉ボリューム６０４を通じて進む部分（図２２に示す）を含み、水捕捉ボリューム６０４が気体流路２４０とインラインに設けられるようになっている。
【０１２９】
水捕捉ボリューム６０４は、図示のとおり、コア２１６のディスク形状部２２０の径方向外側周囲縁と、円筒基部部材５２の円筒側壁２０４の間に形成される。この例において、水捕捉ボリューム６０４は、ディスク形状部２２０の径方向外側周囲縁に開放リセスを有する。したがって、水捕捉ボリューム６０４はハウジング５０の２またはそれ以上の部品により形成され、これら部品はハウジング５０が分解去るときに相互に分離されることが容易に理解できるであろう。水捕捉ボリューム６０４は、側壁２０４に対抗して保持されるシール２２２を有するシール構造によってシールされる。他の水捕捉構造も他の実施例において設けて良く、１つの水捕捉ボリュームは、例えば、上述して部品と異なる部品によって形成されて良い。ただし、ハウジング５０を分解してカートリッジ１００を置き換え、または再充填するときに、水捕捉ボリュームが必ず露出し、空にされ、または開放されるように、そのような水捕捉構造を形成することは有益である。
【０１３０】
水素および水のための気体通路２４０の入口６１２は水捕捉ボリューム６０４に至り、他方、気体の出口６１６は水捕捉ボリューム６０４中に突出し、水捕捉ボリューム６０４のほぼ中央に位置づけられる。こうして、出口６１６は水捕捉ボリューム６０４の内部に位置づけられて、コンテナ１０４の向きにかかわらず、気体のみが水捕捉ボリュームから出るようになっている。動作においては、水は水捕捉ボリューム６０４中で凝集する。ただし、燃料カートリッジ１００を取り替え、または液体先駆体容器に水を充填するために、ハウジング５０を分解し、または、開けるときには、水捕捉ボリューム６０４を開放して当該水捕捉ボリューム６０４から累積されたどのような水も放出する。水捕捉ボリューム６０４は、ハウジング５０内で利用可能な容積を最適化するために、単一の燃料カートリッジ１００によって生成される液体水生成物を保持する寸法として良い。他の実施例において、水捕捉ボリュームの少なくとも１つの壁部は燃料カートリッジ１００によって構成されて良い。
【０１３１】
さらに、図２２に示すように、水素流路２４０は好ましくは１または複数の圧力降下点を伴う。まず、少なくとも１つの曲折部が流路２４０にあり、ここで、入口６１２が終端して出口６１６が開始する。気体は、一般的に、角度付け部および曲折部で圧力降下し、蒸気は圧力降下点で濃縮されて液化する傾向がある。このため、角度付け部および曲折部は水蒸気を凝集して水捕捉ボリューム６０４に供給するのに役立つ。好ましく名、これら角度付け部および曲折部は約９０°より大きく、さらに好ましくは約１８０°より大きく、そのような角度付け部および曲折部は複数の１８０°の曲折、すなわち、蛇行形状を有してよい。流路２４０から捕捉ボリューム６０４に至る膨張も他の圧力降下をもたらす。
【０１３２】
図２３は、水捕捉ボリューム６０４の他の実施例を示し、これはハウジング５０内で内部的に包みこまれている。図２３は膨張可能、または拡大可能な気体バッファ４０も示し、これは図１７に示されるものと対照的に、部分的な折り畳み（ｃｏｌｌａｐｓｅｄ）構造になっている。図２４Ａは図１７に示されるものと同様に外側を向いたカップ層１０２によりコア２１６の回りを包みこむ燃料カートリッジ１００を示し、図２４Ｂはコア２１６のまわりを包囲する燃料カートリッジ１００のカップ層を示す。これらの構造はすべてこの発明の範囲内のものである。
【０１３３】
図２５Ａ〜図２５Ｈはこの発明の他の燃料電池システム１０を図説する。この燃料電池システムと、先に示した１つ、具体的には図３および図１７を参照して示したものとの間の相違を以下に検討する。これらの図は異なるシステムを強調する。図２５Ａは、スタータ２６が装置の頂部左に移されていることを示す。スタータ２６は押しボタンで良く、あるいは、これは、例えば、１／４、１／２、３／４等の回転位置へ観点されてシステムを準備する。ドースポンプ２２の逆止バルブ２３１または２３２の１つが有益なことにスタータ２６に接続され、スタータ２６がシステムから取り除かれれば、システムが動作不能になるようにされている。さらに、体積コンペンセータ５０４（図示しない）はそのコンペンセータ室５０６内に位置づけられ、栓３１２が設けられて体積コンペンセータを生成水素に連通する。図２５Ｂは基部５２およびコア２１６の間の容器を強調し、ここで、液体先駆体１６および燃料カートリッジ１００がシステムに挿入される。液体は、スタータ２６に結合された逆止バルブの近傍の充填ポートを通じて入れられて良い。第２の逆止バルブが充填ポートとして働いて良い。燃料カートリッジ１００を挿入するために蓋を取り外したときに、液体を入れて良い。図１７にも示されるように、ポートまたは水入口路２３６は、カートリッジ１００の液体流れチャネル１０７と連結されるような寸法および形状として良い。
【０１３４】
図２５Ｃは、スタータ２６とともにドースポンプ２２の位置を強調する。気体バッファ４０は、図２５Ｄ、さらにはすべてのこれら断面図に明瞭に示されるように、燃料電池３０の上流に位置づけられる。図２５Ｅはコア２１６を強調し、これは気体バッファ室２７０、およびディスク２２０を有するけれども、これら部品の形状および位置は異なっている。コア２１６は図２５Ａに示されるようにコンペンセータ室５０６も具備する。水素マニホールド２４０は気体バッファ４０の頂部に位置づけられ、これは図２５Ｆに強調される。水素マニホールド２４０は、逃がしバルブ４２、パージバルブ４４および流体系ＯＮ／ＯＦＦバルブを含んで良い。好ましくは、システムは２つの逃がしバルブ４２を伴い、１つは排気の後にリセットすることができる再利用可能な低圧力逃がしバルブであり、もう１つは、高温度で壊れ、駆動しても燃料電池システム１０を再利用不可能にする、壊れやすいバーストディスクである。水叩き出し室６０４もここにあって良い。図２５Ｇはシステムの頂部に位置づけられる燃料電池３０を強調する。燃料電池３０はカバーで被覆され燃料電池を防護し空気が燃料電池のカソードに至るようにする。燃料電池用の適切なカバーは米国公開特許出願第ＵＳ２００９／００８１５２３号、および同第２００９／０１９１４３５号に開示されている。図２５Ｈは燃料電池システム１０の電子系を強調し、これらは、ＤＣ−ＤＣコンバータ３４、スイッチ３８および４８、内部抵抗負荷４６、およびＵＳＢポート３６等である。
【０１３５】
水素を消費する任意の既知の燃料電池を燃料電池システム１０に採用できる。好ましくは、平面的な、またはサイド・バイ・サイド配置の燃料電池が利用される。適切な燃料電池は、米国特許第７，６３２，５８７号、同７，３７８，１７６号、および同７，４７４，０７５号、公開された米国特許出願第２００９／０３１１５６１号、同第２００９／０１６２７２２号、同２００９／０１３０５２７号、および同ＵＳ２０１１／０１６５４９５号、並びに、公開された国際特許出願第ＷＯ２００９／１０５８９６号、同ＷＯ２０１１／０７９３７８号、同ＷＯ２０１１／０７９３７７号、その他に開示されている。これら参考文献は参照してここに組み入れる。
【０１３６】
液体先駆体１６はハウジング５０内に担持されてもよくいけれども、固体先駆体１８と分離される。液体先駆体１６は、好ましくは、ユーザがストッパを取り外し、またはスタータを駆動したりするまで、隔離され、その後、液体先駆体は固体先駆体上へ投与されて良い。そのようなシステムは、米国特許第８，００２，８５３号、同第７，４８１，８５８号、同第７，７２７２９３号、および同第７，８９６，９３４号、並びに、公開された銘国特許出願第２０１０／０１０４４８１号、同第２０１１／０１８９５７４号、同第２０１１／０２４３８３６号、および同第２００９／０１２３３４２号、その他に開示されている。これら参考文献は参照してここに組み入れる。
【０１３７】
流体制御要素３１または要素３３として利用可能な、適切な圧力安定化器は米国特許第８，００２，８５３号、公開された国際特許出願第ＷＯ２０１１／１２７６０８号、並びに、公開された米国特許出願第２０１０／０１０４４８１号および同第２０１１／０２１２３７４号に開示されている。これらの文献は参照してここに組み入れる。
【０１３８】
先の詳細な説明は、事例の実施例の種々の詳細を示す添付図面を参照するものである。ここでの検討は、この発明の対象事項の種々の例について、これら図面を少なくとも部分的に参照して適用され、当業者が実施例を実施できるのに充分な程度に詳細に示された実施例を記述するものである。ここに検討された図説の例以外の多くの他の実施例が採用可能であり、ここに具体的に検討された代替例に加えて多くの構造的または機能的な変更もこの発明の対象事項の範囲から逸脱することなく採用できる。
【０１３９】
先説明を通じて、具体的な詳細はこの発明のより完全な理解のために示されている。ただし、この発明はこれらの詳細なしでも実施できる。他の例において、周知の事項は、この発明を不必要に不明瞭にするのを避けるために示され、または説明しなかった。図は、図説の目的で、この発明を実施できる具体的な実施絵理を示すものである。これら実施例は組み合わせることができ、他の要素も採用でき、また、構造および論理的な変更もこの発明の範囲を逸脱すること無しに採用できる。したがって、明細書および図面は説明のためのものと理解すべきであり、限定的意味合いに理解すべきではない。
【０１４０】
この文書で参照される、すべての文献、特許、および特許文書は、個々に参照して組み入れていても、全体としてここに参照して組み入れられる。この文書と参照されて組み入れられたこれら文書との間に一貫性のない使用がある場合には、組み入れられた参照された参考文献中の使用はこの文書の使用を補充するものとして把握すべきであり、一貫性が矛盾なく受け入れられない場合にはこの文書の用例が優先する。
【０１４１】
この文書において、用語「１つ」（単語の［ａ」または［ａｎ」）は１または１より多いことを含むように用いられ、「少なくとも１つ」または「１または複数」の任意の他の事例または用法とは独立している。この文書において、用語「または」（「ｏｒ」）は明示的に示される場合を除き非排他的な「または」（ｏｒ）を指すのに用いられ、例えば、「Ａ、Ｂ、またはＣ」は、「Ａのみ」、「Ｂのみ」、「Ｃのみ」、「ＡおよびＢ」、「ＢおよびＣ」、「ＡおよびＣ」、および「Ａ、Ｂ、およびＣ」を含む。用語「上」（「ａｂｏｖｅ」）および「下」（「ｂｅｌｏｗ」）は複合物の中央との関係で異なる２つの方向を記述するのに用いられ、用語「上側」（「ｕｐｐｅｒ」）および「下側」（「ｌｏｗｅｒ」）は複合物の異なる１つの表面を記述するのに用いられる。ただし、これらの用語は単に記述を容易にするために使用され、説明される実施例の燃料電池層の方向を固定するものとして理解されるべきではない。添付の特許請求の範囲において、用語「第１」、「第２」、「第３」等は単にラベルとして用いられ、数字的な要件をそれら対象に課すことを意図しない。
【０１４２】
この明細書および例は例示としてのみ意図されており、この発明の本来の範囲および趣旨は以下の特許請求の範囲およびその均等物により示される。この発明の他の実施例が、ここで開示された、この発明の当該明細書およびその実施を考慮して、当業者には明らかであろう。さらに、１つの実施例の要素または特徴を他の実施例に採用できる。
【符号の説明】
【０１４３】
１０    全体の燃料電池システム
１２    水素発生システム
１４    電気発生システム
１６    液体先駆体
１８    固体先駆体
２０    フィルタ
２１    ドースポリューム
２２    ドースポンプ
２３１、２３２    逆止バルブ
２４    圧力等価隔膜
２６    開始機構／ボタン
２８    生成水素線
３０    燃料電池
３１    流体制御要素
３２    生成電気線
３３    流体制御要素
３４    ＤＣ−ＤＣコンバータ
３６    電気出力ポート
３７    外部負荷
３８    ＯＮ／ＯＦＦスイッチ
４０    気体バッファ
４２    逃がしバルブまたはバーストディスク
４４    パージバルブ
４６    補助負荷（抵抗または貯蔵）
４８    スイッチ
５０    全体の燃料電池システムのハウジング
５２    ハウジング５０の基部（円筒）
５４    ハウジング５０の蓋またはキャップ
５６、５８        逆止バルブ
１００    燃料カートリッジ
１０２    カップ層
１０４    フィルタ層
１０５    バルブ層
１０６    流れマニホールド層
１０７    マニホールドの液体流れチャネル
１０８    ポスト
１０８ｃ    ポストのカバー
１０９    カップ層１０２のカップ
１１０    燃料ペレット
１１１    乾燥剤および捕捉剤のポッド
１１３    フィルタ層のバブル
１１４    バルブ
１１６    マニホールドの水素流れチャネル
１１８    水素穴
１１９    突出サポート
１２０    保持マスキング層
１２１    マスキング層１２０の穴
１２２    液体チャネル
１２４    障害物
１２６    回転ゲート
１３０    折り返し
２０４    基部５２（円筒）の側壁
２０８    基部５２の底壁
２１２    基部５２の開口
２１６    燃料電池システム１０内のコア部材
２２０    コア２１６のディスク部材
２２２    シールまたはＯ−リング
２３６    ポンプから燃料への水入口路
２４０    気体流路
２５２    入口ポート
２５６    出口ポート
２７０    コア２１６内のバッファ室
３００    反応室
３０２    圧力フィードバック室
３０４    圧力応答隔膜
３０６    気体内包室
３１２    栓
５０４    体積コンペンセータ
５０６    コンペンセータ室
６０４    水捕捉ボリューム
６１２    水捕捉ボリュームへの入口
６１６    水捕捉ボリュームからの出口
【図１】
2014505347.tif 000005
【図２Ａ】
2014505347.tif 000006
【図２Ｂ】
2014505347.tif 000007
【図２Ｃ】
2014505347.tif 000008
【図２Ｄ】
2014505347.tif 000009
【図３】
2014505347.tif 000010
【図４】
2014505347.tif 000011
【図５Ａ】
2014505347.tif 000012
【図５Ｂ】
2014505347.tif 000013
【図５Ｃ】
2014505347.tif 000014
【図５Ｄ】
2014505347.tif 000015
【図５Ｅ】
2014505347.tif 000016
【図５Ｆ】
2014505347.tif 000017
【図６】
2014505347.tif 000018
【図７Ａ】
2014505347.tif 000019
【図７Ｂ】
2014505347.tif 000020
【図８Ａ】
2014505347.tif 000021
【図８Ｂ】
2014505347.tif 000022
【図８Ｃ】
2014505347.tif 000023
【図８Ｄ】
2014505347.tif 000024
【図８Ｅ】
2014505347.tif 000025
【図８Ｆ】
2014505347.tif 000026
【図９Ａ】
2014505347.tif 000027
【図９Ｂ】
2014505347.tif 000028
【図９Ｃ】
2014505347.tif 000029
【図１０Ａ】
2014505347.tif 000030
【図１０Ｂ】
2014505347.tif 000031
【図１１Ａ】
2014505347.tif 000032
【図１１Ｂ】
2014505347.tif 000033
【図１２】
2014505347.tif 000034
【図１３Ａ】
2014505347.tif 000035
【図１３Ｂ】
2014505347.tif 000036
【図１３Ｃ】
2014505347.tif 000037
【図１４】
2014505347.tif 000038
【図１５】
2014505347.tif 000039
【図１６】
2014505347.tif 000040
【図１７】
2014505347.tif 000041
【図１８】
2014505347.tif 000042
【図１９】
2014505347.tif 000043
【図２０】
2014505347.tif 000044
【図２１Ａ】
2014505347.tif 000045
【図２１Ｂ】
2014505347.tif 000046
【図２２】
2014505347.tif 000047
【図２３】
2014505347.tif 000048
【図２４Ａ】
2014505347.tif 000049
【図２４Ｂ】
2014505347.tif 000050
【図２５Ａ】
2014505347.tif 000051
【図２５Ｂ】
2014505347.tif 000052
【図２５Ｃ】
2014505347.tif 000053
【図２５Ｄ】
2014505347.tif 000054
【図２５Ｅ】
2014505347.tif 000055
【図２５Ｆ】
2014505347.tif 000056
【図２５Ｇ】
2014505347.tif 000057
【図２５Ｈ】
2014505347.tif 000058
【手続補正書】
【提出日】平成25年10月16日(2013.10.16)
【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】
電気発生システム（１４）に水素ライン（２８）を介して連結される水素発生システム（１２）を有し、
上記電気発生システムは、
燃料電池（３０）と、
上記水素発生システムによって生成された水素が、電気を生成するために上記燃料電池により消費される量を上回るときに、上記水素発生システムにより生成される水素を貯蔵する気体バッファ（４０）とを有し、
上記気体バッファ（４０）は上記水素ライン（２８）から離れて位置決めされることを特徴とする燃料電池システム（１０）。
【請求項２】
上記水素発生システム（１２）が、水性液体と反応して水素を発生する固体燃料を有し、この固体燃料は、より小さな第２の金属粒子によりコーティングされる第１の金属粒子を有し、複数のガルバノ電池が、上記第１の金属粒子の表面において、上記第１の金属粒子の金属と上記第２の金属粒子の金属との間で形成されるようになっている、請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
燃料電池を有する電気発生システム（１４）に水素を供給するように適合化された水素発生システム（１２）において、上記水素発生システム（１２）は水性液体と反応して水素を発生する固体燃料を有し、上記固体燃料は燃料カートリッジ（１００）中に配される燃料ペレット（１１０）を有し、上記燃料ペレット（１１０）の各々はカップ（１０９）内に位置決めされることを特徴とする水素発生システム。
【請求項４】
上記燃料ペレットは、上記水性液体と反応するときに膨張し、上記燃料カートリッジ（１００）の表面（１０２）は柔軟性を有する請求項３記載の水素発生システム。
【請求項５】
上記燃料カートリッジ内で生成させられる水素からの圧力が柔軟性のある上記表面（１０２）により上記水性液体に伝達される請求項４記載の水素発生システム。
【請求項６】
上記圧力は、上記水性液体のドースがドースポンプ（２２）に入るようになす請求項５記載の水素発生システム。
【請求項７】
水素が上記燃料カートリッジから出るように搬送されるときに、上記燃料カートリッジ内の圧力が減少して、上記ドースポンプ中の上記ドースが上記燃料カートリッジ（１００）に入るようになす請求項６記載の水素発生システム。
【請求項８】
上記水素発生装置（１２）は、水性液体と反応して水素を発生する固体燃料を有し、上記固体燃料は、反応室（３００、１０９）内に配され、上記水性液体が上記反応室に投与される請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項９】
上記水素発生システムは、さらに、上記反応室内の第１の圧力と上記水性液体内の第２の圧力との間の圧力等価を復元または維持する圧力等価機構（２４）を有する請求項８記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
水素気体から液体を除く液体捕捉部材（６０４）をさらに有する請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
上記電気発生システム（１４）は補助的な負荷（４６）を有する請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
上記水素発生システム（１２）は、水性液体と反応して水素を発生する固体燃料を有し、上記固体燃料は、化学水素化物および酸化物ならびにそれらの塩を有する請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
上記燃料カートリッジは、上記水性液体を上記燃料ペレット（１１０）へ到達させるための少なくとも１つの液体チャネル（１０７）と、上記水素を上記燃料カートリッジ（１００）から排出させるための少なくとも１つの気体チャネル（１１６）とを有する請求項３記載の水素発生システム。
【請求項１４】
上記燃料カートリッジは、さらに、上記液体チャネルおよび上記燃料ペレット（１１０）の各々との間に位置づけられる少なくとも１つのバルブ（１１４）を有し、上記バルブ（１１４）は上記燃料ペレット（１１０）が反応しているときに閉となる請求項１３記載の水素発生システム。
【請求項１５】
上記液体チャネルおよび上記燃料ペレット（１１０）の各々との間に位置づけられる少なくとも１つのバルブ（１２２、１２６）を有し、上記バルブ（１２２、１２６）は上記水性液体が上記燃料ペレット（１１０）と反応できるように開となる請求項１３記載の水素発生システム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１４２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１４２】
この明細書および例は例示としてのみ意図されており、この発明の本来の範囲および趣旨は以下の特許請求の範囲およびその均等物により示される。この発明の他の実施例が、ここで開示された、この発明の当該明細書およびその実施を考慮して、当業者には明らかであろう。さらに、１つの実施例の要素または特徴を他の実施例に採用できる。
以下、本発明の技術的特徴を列挙する。
［技術的特徴１］
水素発生システム（１２）と、
燃料電池（３０）を有する電気発生システム（１４）と、
生成された水素が、電気を生成するために上記燃料電池により消費される量を上回るときに、上記水素発生システムにより生成される水素を貯蔵する気体バッファ（４０）とを有することを特徴とする燃料電池システム（１０）。
［技術的特徴２］
上記水素発生システム（１２）が、水性液体と反応して水素を発生する固体燃料を有し、この固体燃料は、より小さな第２の金属粒子によりコーティングされる第１の金属粒子を有し、複数のガルバノ電池が、上記第１の金属粒子の表面において、上記第１の金属粒子の金属と上記第２の金属粒子の金属との間で形成されるようになっている、技術的特徴１記載の燃料電池システム。
［技術的特徴３］
上記水素発生システム（１２）は、水性液体と反応して水素を発生する固体燃料を有し、この固体燃料は、より小さな鉄粒子でコーティングされたマグネシウム粒子を有する技術的特徴２記載の燃料電池システム。
［技術的特徴４］
複数のガルバノ電池が上記マグネシウム終始の表面上に、マグネシウムおよび鉄の間で形成される技術的特徴３記載の燃料電池システム。
［技術的特徴５］
上記第１の金属粒子は、より小さな第３の粒子により、さらに被覆され、上記第３の粒子は、上記固体燃料および上記水性液体の間の反応の生成物と７を上回るｐＨで反応して水素を生成する技術的特徴２記載の燃料電池システム。
［技術的特徴６］
シリコンがさらに上記マグネシウム粒子をコーティングする技術的特徴３、４、または５記載の燃料電池システム。
［技術的特徴７］
上記固体燃料は難然剤を有し、上記固体燃料は燃料ペレットを有する技術的特徴２または３記載の燃料電池システム。
［技術的特徴８］
上記難然剤は塩化カリウムである技術的特徴７記載の燃料電池システム。
［技術的特徴９］
上記固体燃料は塩を有する技術的特徴２または３記載の燃料電池システム。
［技術的特徴１０］
上記水素発生システム（１２）は水性液体と反応して水素を発生する固体燃料を有し、上記固体燃料は燃料カートリッジ（１００）中に配される燃料ペレット（１１０）を有し、上記燃料ペレット（１１０）の各々はカップ（１０９）内に位置決めされる技術的特徴１記載の燃料電池システム。
［技術的特徴１１］
上記燃料ペレットは、上記水性液体と反応するときに膨張し、上記燃料カートリッジ（１００）の表面（１０２）は柔軟性を有する技術的特徴１０記載の燃料電池システム。
［技術的特徴１２］
上記燃料カートリッジ内で生成させられる水素からの圧力が柔軟性のある上記表面（１０２）により上記水性液体に伝達される技術的特徴１１記載の燃料電池システム。
［技術的特徴１３］
上記圧力は、上記水性液体のドースがドースポンプ（２２）に入るようになす技術的特徴１２記載の燃料電池システム。
［技術的特徴１４］
水素が上記燃料カートリッジから出るように搬送されるときに、上記燃料カートリッジ内の圧力が減少して、上記ドースポンプ中の上記ドースが上記燃料カートリッジ（１００）に入るようになす技術的特徴１３記載の燃料電池システム。
［技術的特徴１５］
上記ドースポンプは２つの逆止バルブ（２３１、２３２）の間に配されたドースボリューム（２１）を有し、上記ドースボリュームは弾性部材により形成され、またはバネにより指示され、またはその双方である技術的特徴１３記載の燃料電池システム。
［技術的特徴１６］
上記水素発生装置（１２）は、水性液体と反応して水素を発生する固体燃料を有し、上記固体燃料は、反応室（３００、１０９）内に配され、上記水性液体が上記反応室に投与される技術的特徴１記載の燃料電池システム。
［技術的特徴１７］
上記水素発生システムは、さらに、上記反応室内の第１の圧力と上記水性液体内の第２の圧力との間の圧力等価を復元または維持する圧力等価機構（２４）を有する技術的特徴１６記載の燃料電池システム。
［技術的特徴１８］
上記第１の圧力と流体連通する、膨張可能な体積補償部（５０４）をさらに有する技術的特徴１記載の燃料電池システム。
［技術的特徴１９］
上記圧力等価装置は、さらに、上記第１の圧力および上記第２の圧力の間に柔軟性のある隔膜（３００、１０２）を有する技術的特徴１７または１８記載の燃料電池システム。
［技術的特徴２０］
水素気体から液体を除く液体捕捉部材（６０４）をさらに有する技術的特徴１記載の燃料電池システム。
［技術的特徴２１］
上記液体捕捉機構（６０４）は２つの水素気体管の間に配される室部を有する技術的特徴１記載の燃料電池システム。
［技術的特徴２２］
上記電気発生システム（１４）は補助的な負荷（４６）を有する技術的特徴１記載の燃料電池システム。
［技術的特徴２３］
上記補助的な負荷（４６）は、過剰な水素によって生成された電気を消費する抵抗負荷、上記電気を貯蔵する貯蔵装置、または上記電気を利用する機能を実効するための回路、またはこれらの組み合わせを有する技術的特徴２２記載の燃料電池システム。
［技術的特徴２４］
上記気体バッファ（４０）は膨張可能である技術的特徴１記載の燃料電池システム。
［技術的特徴２５］
上記気体バッファ（４０）は金属水素化物を有する技術的特徴１記載の燃料電池システム。
［技術的特徴２６］
上記気体バッファ（４０）は上記燃料電池（３０）の上流または下流のいずれかに位置づけられる技術的特徴１記載の燃料電池システム。
［技術的特徴２７］
上記固体燃料は、非吸湿性の懸濁剤中に懸濁される技術的特徴２、３、４、または５記載の燃料電池システム。
［技術的特徴２８］
上記非吸湿性の懸濁剤は鉱油またはアクリルをベースにした分散剤である技術的特徴２７記載の燃料電池システム。
［技術的特徴２９］
上記水素発生システム（１２）は、水性液体と反応して水素を発生する固体燃料を有し、上記固体燃料は、化学水素化物および酸化物ならびにそれらの塩を有する技術的特徴１記載の燃料電池システム。
［技術的特徴３０］
上記燃料カートリッジ（１００）は使い捨てである技術的特徴１０記載の燃料電池システム。
［技術的特徴３１］
上記燃料カートリッジ（１００）は上記燃料電池システムのハウジング（５０）に挿入可能なように屈曲可能である技術的特徴１０記載の燃料電池システム。
［技術的特徴３２］
上記燃料カートリッジ（１００）は複数のセグメント（１０９）に区画され、上記セグメント（１０９）の各々が、上記固体燃料および上記液体燃料の間の反応のダイナミックスを最小化する寸法および形状とされた、予め定められた量の、上記固体燃料を内包する技術的特徴１０記載の燃料電池システム。
［技術的特徴３３］
上記燃料カートリッジは、上記水性液体を上記燃料ペレット（１１０）へ到達させるための少なくとも１つの液体チャネル（１０７）と、上記水素を上記燃料カートリッジ（１００）から排出させるための少なくとも１つの気体チャネル（１１６）とを有する技術的特徴１０記載の燃料電池システム。
［技術的特徴３４］
上記燃料カートリッジは、さらに、上記液体チャネルおよび上記燃料ペレット（１１０）の各々との間に位置づけられる少なくとも１つのバルブ（１１４）を有し、上記バルブ（１１４）は上記燃料ペレット（１１０）が反応しているときに閉となる技術的特徴３３記載の燃料電池システム。
［技術的特徴３５］
上記燃料ペレット（１１０）は上記水性液体と反応するときに膨張して上記バルブ（１１４）を閉にする技術的特徴３４記載の燃料電池システム。
［技術的特徴３６］
上記液体チャネルおよび上記燃料ペレット（１１０）の各々との間に位置づけられる少なくとも１つのバルブ（１２２、１２６）を有し、上記バルブ（１２２、１２６）は上記水性液体が上記燃料ペレット（１１０）と反応できるように開となる技術的特徴３３記載の燃料電池システム。
［技術的特徴３７］
上記液体チャネル（１０７）は平面的であり、上記気体チャネル（１１６）は非平面的である技術的特徴３３記載の燃料電池システム。
［技術的特徴３８］
上記回路は、上記燃料電池システム内の圧力が環境圧力を上回るときに上記燃料電池システムの内部空間へのアクセスを阻止する技術的特徴２３記載の燃料電池システム。
【国際調査報告】
2014505347.tif 000059
2014505347.tif 000060