(57)【要約】【課題】泡立ちを最小限にしつつ、水素を効率的に供給可能なガス発生システムの提供。【解決手段】ガス発生システムは、液体／気体分離器１１６と一体化された化学反応器１０２を含む。この反応器１０２は、金属水素化物の水溶液の連続流を受容するように構成される。【選択図】　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学反応器（１０２）と、
前記化学反応器と一体化された液体／気体分離器（１１６）とからなり、
前記化学反応器（１０２）が、水溶液の連続流を受容するように構成されてなる、ガス発生システム（１００）。
【請求項２】
前記一体化された液体／気体分離器（１１６）が前記化学反応器（１０２）の多孔壁を備え、その周囲が気体に対して透過性の疎水性膜（１１６）によって包囲されている、請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記一体化された液体／気体分離器（１１６）がさらに、前記化学反応器への出口（３８）を覆い、水素ガスに対して実質的に不透過性の親水性膜（４４）をさらに備える、請求項１又は２記載のシステム。
【請求項４】
前記一体化された液体／気体分離器（１１６）が、触媒（１０４）を包み込む疎水性気体透過膜を備える、請求項１ないし３のいずれか１項記載のシステム。
【請求項５】
前記触媒（１０４）が、前記触媒（１０４）の大表面積を維持するための分配構造（５６）で収容される、請求項１ないし４のいずれか１項記載のシステム。
【請求項６】
前記化学反応器（１０２）で水素ガスが生成され、燃料電池に供給される、請求項１ないし５のいずれか１項記載のシステム。
【請求項７】
アノード（２０）と、
カソード（２２）と、
前記アノード（２０）及びカソード（２２）の間に配置された電解質（２４）と、
前記アノード（２０）に水素を供給し、疎水性膜（１１６）によって包まれた多孔壁を備え、金属水素化物水溶液の連続流を受容するように構成された水素反応器（１０２）とからなる、燃料電池装置。
【請求項８】
前記水素反応器（１０２）において分配構造（５６）で配置された触媒（４０）をさらに具備する、請求項７記載の装置。
【請求項９】
一体化された反応器／分離器（１０２）を通って流れる水溶液から水素ガスを生成し、分離することからなる、ガス生成方法。
【請求項１０】
前記水溶液からの水素ガスの前記分離が、前記反応器／分離器（１０２）の周囲の疎水性水素ガス透過膜（１１６）によって促進される、請求項９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガス発生の分野に関する。より詳細には、本発明は、ガス発生システム並びにガス発生方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
過去１００年間で、エネルギに対する需要は指数関数的に増大してきた。エネルギに対する需要の増大に伴い、多くの異なるエネルギ源が検討され開発されてきた。主なエネルギ源の１つは、炭化水素の燃焼であったが、それはこれからも続くであろう。しかしながら、炭化水素の燃焼は通常、不完全燃焼及び不燃物をもたらし、これらは様々な量でスモッグその他の汚染物質の原因となる。
【０００３】
炭化水素の燃焼によって汚染物質が生成されることから、近年は、よりクリーンなエネルギ源に対する要求が増大してきた。よりクリーンなエネルギ源に対する関心が高まるに伴い、燃料電池がより一般的になり、またより高性能になってきた。燃料電池に対する研究開発は、多くの人が、燃料電池はまもなく、都市のために大量の電気を発生させるガスタービンや、自動車を駆動する内燃機関や、大小さまざまな電子機器を作動させる電池などと競合するようになると考えるまでに至っている。
【０００４】
燃料電池は、水素及び酸素の電気及び熱への電気化学的なエネルギ変換を行う。燃料電池は電池に類似しているが、電力を供給しながらも「充電」可能なものである。
【０００５】
燃料電池は、モータ、光源、或いは多数の電気装置に電力を供給するために使用できる、ＤＣ（直流）電圧を提供する。燃料電池には幾つかの異なるタイプがあり、それらは各々、異なる化学的性質を利用する。燃料電池は通常、使用される電解質の種類によって分類される。燃料電池の種類は一般に、５つのグループ、すなわちプロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池、アルカリ燃料電池（ＡＦＣ）、リン酸燃料電池（ＰＡＦＣ）、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）及び溶融炭酸塩燃料電池（ＭＣＦＣ）のうちの１つに類別される。
ＰＥＭ燃料電池
ＰＥＭ燃料電池は目下、最も有望な燃料電池技術であると考えられており、燃料電池の最も単純な反応のうちの１つを使用する。図１を参照すると、ＰＥＭ燃料電池は通常、４つの基本要素を含んでいる。すなわち、アノード２０と、カソード２２と、電解質（ＰＥＭ）２４と、電解質２４の両側に配置された触媒層２６である。
【０００６】
アノード２０は燃料電池の陰極であり、水素分子から放出される電子を伝達することにより、外部回路２１において電子を使用することができるようにする。アノード２０には溝２８がエッチングされており、水素ガスが触媒層２６の表面に可能な限り均一に分散されるようにしている。
【０００７】
カソード２２は燃料電池の陽極であり、酸素（通常は空気）を触媒層２６の表面に均一に分配するために、溝３０がエッチングされている。またカソード２２は、電子を外部回路から触媒層に戻すように伝達し、これらの電子は触媒層で水素イオン及び酸素と再結合して水を形成することができる。水は、ＰＥＭ燃料電池の唯一の副生物である。
【０００８】
電解質２４は、プロトン交換膜（ＰＥＭ）２４である。ＰＥＭは、正に帯電されたイオンのみを伝達する、特別に処理された多孔性材料である。ＰＥＭ２４は電子の通過を阻止する。
【０００９】
触媒層２６は通常、カーボン紙又は布の上に薄く被覆された白金粉体である。触媒層２６は普通、水素又は酸素に曝露することができる白金の表面積を最大にするため、粗くかつ多孔性である。触媒２６は、酸素及び水素の反応を促進する。
【００１０】
実際の燃料電池では、ＰＥＭ２４は、アノード２０とカソード２２の間に挟まれている。
【００１１】
この燃料電池の作動は、概略的に以下のように説明することができる。加圧された水素ガス（Ｈ２）が、燃料電池のアノード２０側に入る。Ｈ２分子は、触媒層２６上で白金と接触すると、２つのＨ＋イオンと２つの電子（ｅ−）に別れる。電子はアノード２０を通って伝達され、有用な作業（モータの回転や電球２３の発光等）を行うための電力を提供している外部回路２１を通り抜け、燃料電池のカソード側に戻る。
【００１２】
その間、燃料電池のカソード２２側では、酸素ガス（Ｏ２）が触媒層２６を強制的に通過させられる。幾つかのＰＥＭ燃料電池システムでは、Ｏ２源は空気であってよい。Ｏ２は、触媒層２６を強制的に通過させられる際に２つの酸素原子を形成するが、これらは各々、強い負電荷を有する。この負電荷は、ＰＥＭ２４を通して２つのＨ＋イオンを引き寄せ、これらは１つの酸素原子及び外部回路からの電子のうち２つと結合して水分子（Ｈ２Ｏ）を形成する。
【００１３】
今説明したＰＥＭ燃料電池反応は、僅かに約０．７Ｖを生成する。従って電圧をより有用なレベルまで増大させるため、多くの場合に多数の個別の燃料電池が組み合わせられて燃料電池スタックが形成される。
【００１４】
ＰＥＭ燃料電池は通常、かなり低い温度（約８０℃／１７６°Ｆ）で作動する。これは、ＰＥＭ燃料電池が迅速に作動することを可能にし、また一般に電力生成に付随する高温に耐えることのできる、いかなる特別な材料も必要としないため、安価な収容構造に収容することをも可能にする。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
燃料電池のための水素発生
上述のように、言及した燃料電池は各々、酸素及び水素を使用して電気を生成する。燃料電池に必要な酸素は通常、空気によって供給される。実際に、ＰＥＭ燃料電池の場合は、通常の空気がカソード内へと給送される。しかしながら、水素は酸素のようには容易に入手可能でない。
【００１６】
水素は、発生、貯蔵及び分配が困難である。燃料電池のために水素を生成する１つの一般的な方法は、改質器の使用である。改質器は、炭化水素又はアルコール燃料を水素に変換するものであり、この水素は次いで、燃料電池に供給される。残念ながら、改質器には問題が多い。炭化水素燃料がガソリン又は何らかの他の一般的な炭化水素である場合、ＳＯｘ、ＮＯｘ及び他の望ましくない生成物がもたらされる。特に硫黄は、除去しなければならないものであり、さもなければ電極触媒を破損する可能性がある。さらに、改質器は通常、高温で作動し、供給原料のエネルギの多くを消費する。水素はまた、触媒の存在下で燃料源を利用する低温化学反応により生成してもよい。しかしながら、水素を生成する低温化学反応には、多くの問題点がある。主な問題点の１つは、その化学反応による他の生成物から水素を分離することである。アルカリ金属水素化物又は水素化ホウ素等の燃料源から水素が生成される際、この反応によって泡や泡沫が生成される。一般に、反応チャンバで生成される水素は、反応器とは別のユニットによって分離される。この分離方式は一般に、反応器内で生成された泡を破壊する重力支援分離チャンバを用いる。別個の分離器は、燃料電池用の水素生成に関連して、追加の処理時間と設備コストを必要とする。そして別個の分離器を使用しても、泡沫が形成されるために、反応器を通る流れは不安定で、制御が困難となりがちである。制御が不十分であるという問題は、携帯電源の用途における水素生成には非常に低い流速が必要であることから、さらに悪化する。
【００１７】
さらに、水素化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＨ４）を燃料源として使用するものを含めて、水素を生成する従来の技術は、バッチ式の処理を主眼としており、その場合には一度に特定量の水素しか生成することができない。さらにバッチ処理では、水素生成反応からもたらされるいかなる沈殿物も、反応チャンバ自体の中に集積される。
【００１８】
さらに、水素の気泡が形成されるにつれての、反応チャンバにおける泡立ちにより、燃料源の背圧が増大する。水素を連続的に生成することが望ましい場合、泡立ちを生ずる水素気泡によってもたらされる背圧を克服するように、燃料源の圧力は連続的に増大させなければならない。この背圧は、ポンプ容量を超過するレベルまで上昇する場合さえあり、その時点では、反応器内にいかなる流れも発生しなくなる可能性がある。
【００１９】
泡立ちを最小限にし、水素分離器の必要性を低減又は排除するために、制御された仕方で触媒を添加して反応速度を低下させようとする試みもある。しかし反応を低速にすると、燃料電池に利用可能な水素の量が減少し、また触媒の投与を注意深く制御するための設備を必要とするため、反応器が複雑になる。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明は特に、化学反応器と、その化学反応器と一体化された液体／気体分離器とを有するガス発生システムを提供し、そこにおいて化学反応器は、水溶液の連続流を受容するように構成される。
【００２１】
本発明の上述した特徴及びその他の特徴及び態様は、以下の詳細な説明及び図面を参照することにより、さらに明らかとなろう。
【００２２】
図面を通して、同じ参照番号は、必ずしもまったく同じではないが、類似した構成要素を示す。
【００２３】
本発明には種々の変更を施すことができ、また代替形態が可能であるが、その特定の実施形態を図面において例示的に示し、本明細書において詳細に説明する。しかしながら、こうした特定の実施形態の本明細書における説明は、開示した特定の形態に本発明を限定することを意図したものではないことが理解されねばならない。むしろ反対に、本発明は、特許請求の範囲によって規定される発明の思想及び範囲内にあるすべての変更形態、均等物及び代替態様を包含するものである。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明の例示的な実施形態を以下に説明する。明瞭にするために、本明細書では実際の実施形態のすべての特徴を説明してはいない。当然ながら、そうした実際の実施形態の開発においては、実現形態毎に異なるシステム関連及びビジネス関連の制約に従うといった、開発者の具体的な目標を達成するために、それぞれの実施形態に特有の、数多くの決定が行われなければならないことが理解されよう。さらに、そうした開発努力は複雑で、多大な時間を要する可能性があるが、そうであったとしても、本明細書の開示の利益を得る当業者にとっては日常的な作業にすぎないことが理解されよう。
【００２５】
さて図面、特に図２を参照すると、本発明の一実施形態によるガス発生システム１００が示されている。一つの具体的な実施形態では、ガス発生システム１００は、燃料電池に水素ガスを供給してよい。しかしながら、このガス発生システム１００は、一体化された液体／気体分離が必要とされる全ての場合に使用できる。
【００２６】
水素ガスを発生させるためにガス発生システム１００を使用する場合、その水素ガスは、例えば図１に示すものと同様のＰＥＭ燃料電池に使用できる。しかしながら、この開示の利益を得る当業者は、このガス発生システム１００は他の燃料電池に対しても同様に使用できることを了解するであろう。
【００２７】
図２の実施形態によれば、ガス発生システム１００は、１０２で示す反応器のような化学反応器を含むことができる。図示のような反応器１０２は、好ましくは略円柱状のチャンバであるが、これは必ずしもそうである必要はない。反応器１０２としては、いかなる都合のよい形状も使用できる。反応器１０２は、金属、プラスチック、セラミック、複合物又は他の材料から構成してよい。反応器１０２は、化学反応を行う場を提供するように適合された、どのような容器であってもよい。
【００２８】
反応器１０２は、その内部に配置された触媒、例えば図２に示す触媒ビーズ１０４を含んでよい。触媒ビーズ１０４は、操作者が望むところに応じて、反応器１０２内の反応速度を上昇させることができる。触媒ビーズ１０４の一様な分配は恐らく重要であり、そのため、触媒ビーズ１０４又は他の形態の触媒の分布又は分配状態を維持する機構を含めることができる。触媒分配構造については後述する。
【００２９】
触媒ビーズ１０４は、ルテニウム、白金、ニッケル又は他の触媒材料を含んでよい。ルテニウム、白金、ニッケルその他の触媒は、この開示の利益を得る当業者には容易に入手可能である。
【００３０】
反応器１０２は、水溶液の連続した流れを受容する入口１０６と、反応器１０２から出る溶液の通過を可能にする出口１０８とを有する。水溶液の連続流は、矢印１１０及び１１２の方向に従って、反応器１０２に出入りすることができる。図２に示す実施形態では、入口１０６は好ましくは反応器１０２の中心軸からずれて、例えば地面に対して反応器１０２の中心よりも上の位置にある。出口１０８は、入口１０６よりも下の位置に示されている。しかしながら、入口１０６及び出口１０８の配置は、任意の特定の必要性（例えば、一定の流れ状態を維持するなど）に従って、図２に示すものから変更してよい。
【００３１】
また反応器１０２は、反応器１０２で生成されたガスの経路を提供するガス出口１１４も含む。反応器１０２で生成されたガスは、疎水性膜１１６等の一体化された液体／気体分離器によって、水溶液の連続流から分離することができる。本実施形態では、疎水性膜１１６が、触媒ビーズ１０４を隣接して包囲又は包み込むように示されている。疎水性膜１１６は反応器１０２の内側において、反応器１０２の多孔壁１１８の内側を覆うように示されているが、実施形態によっては、多孔壁１１８の外側を包囲するものでもよい。疎水性膜１１６は少なくとも部分的に、Ｇｏｒｔｅｘ（登録商標）、Ｃｅｌｇａｒｄ（登録商標）その他の材料から作ることができる。
【００３２】
疎水性膜１１６は、反応器１０２で生成されたガスを水溶液の流れから分離するよう機能する、液体不透過性／気体透過性の膜である。疎水性膜１１６を反応器１０２に導入することにより、有利なことに、一体化された液体／気体分離器が提供される。これまでは、２つの別々のユニットが必要であった。
【００３３】
一体化された反応器／分離器の入口１０６及び／又は出口１０８には、親水性スクリーン（後述）を追加してもよい。
【００３４】
反応器１０２においてガスを発生させるために使用される水溶液は、実施形態によっては、水素化ホウ素やアルカリ金属水素化物などの金属水素化物の水素燃料源であってよい。水溶液中の金属水素化物によって生成されるガスは水素であり、これを燃料電池に供給することができる。一実施形態では、金属水素化物は水素化ホウ素ナトリウムであり、反応器１０２を通過することにより水素ガスを生成する。水と反応して水素を生ずる水素化ホウ素ナトリウムの反応は、比較的低温での反応（通常、その水溶液の沸騰温度や、何らかの他の反応器構成部品の最大材料適合温度より低い）である。これにより反応器１０２自体において、少なくとも部分的に、Ｇｏｒｔｅｘ（登録商標）やＣｅｌｇａｒｄ（登録商標）等の、在来の材料から作製された疎水性膜１０６を使用することが可能になる。
【００３５】
疎水性膜１１６に一体化された分離機能により、水素等の発生ガスは、反応器から逃れてガス容器領域１２０に入り、反応器１０２内におけるあぶくや泡沫の形成を低減又は防止することができる。従って水溶液の流れには、流体が反応器内を移動し続けるようにするための名目的な圧力（＜５０ｐｓｉ）のみが必要であるが、一体化された分離器をもたない他の反応器では、気泡が反応器内の背圧レベルをいつまでも増大させ続ける可能性がある。従来のガス反応器における背圧は、用途によってはポンプ容量を超過する場合があるが、これはガスの発生を停止させる。
【００３６】
次に図３を参照すると、ガス発生システム１００ａが水素生成システムとして具体化して示されている。水素生成システム１００ａは、燃料電池３２か、又は水素を必要とする他の装置に水素を提供することができる。例えば水素生成システム１００ａは、図１に示すものと同様のＰＥＭ燃料電池に水素を提供しうる。この開示の利益を得る当業者は、この水素生成システム１００ａが他の燃料電池にも使用可能であることを理解するであろう。
【００３７】
図３の実施形態によれば、水素生成システム１００ａは、反応チャンバ３４等の反応器を含むことができる。反応チャンバ３４は、図に示すように略円筒形状を有するが、これは必ずしもそうである必要はない。反応チャンバ３４にとって都合のよい、いかなる形状も使用してよい。反応チャンバ３４は、金属、プラスチック、セラミック、複合物又はその他の材料から作製してよい。
【００３８】
反応チャンバ３４の内部には、触媒、例えば図に示す多孔性触媒ベッド４０を配置することができる。触媒ベッド４０は、燃料源の反応速度を増大させることにより、水素ガスの生成を促進することができる。触媒には、ルテニウム触媒、白金触媒、ニッケル触媒、又はその他の触媒がある。ルテニウム、白金、ニッケル、及びその他の触媒は、この開示の利益を得る当業者には容易に入手可能である。
【００３９】
触媒ベッド４０は、水素化ホウ素の存在下に、水素ガスの生成を促進することができる。例えば水素化ホウ素ナトリウム水溶液は、触媒ベッド４０の存在下に、以下の化学式に従って水素ガスを放出する。
【００４０】
ＮａＢＨ４＋２Ｈ２Ｏ　→　４Ｈ２＋ＮａＢＯ２　　　　　（１）
反応チャンバ３４は、水素化ホウ素ナトリウム等の水素燃料源を受容する入口３６と、廃棄物及び反応物を連続して排出する出口３８とを有する。従って反応チャンバ３４は好適に、バッチ処理とは対照的に、水素ガスの連続的な生成を促進することができる。本明細書において使用する用語「連続的」は、反応が生じている間に、反応物と生成物の流れが反応チャンバ３４に出入り可能であることを意味している。換言すれば、例えば反応器を清掃する必要性、触媒を交換する必要性、水素ガスが供給されているシステムの一時的な停止等がある場合には、水素の生成を無限に継続する必要はない。しかしながら、反応を停止させるかかる理由がない場合は、反応物及び生成物は、不定の期間にわたって反応チャンバ３４内を流れることができる。用語「連続的」は、燃料源のより完全な利用を促進するために反応チャンバ３４を通って戻る、生成物及び反応物の再利用までをも包含してよい。
【００４１】
反応チャンバ３４の入口３６及び出口３８には、親水性スクリーン又は膜４２及び４４を配置することができる。親水性スクリーン４２及び４４は、溶液の通過を容易に可能にする。しかしながら親水性スクリーンは、水素ガスの全部又は実質的に全部を通過させない。親水性スクリーン４２及び４４の各々は、ステンレス鋼のフィルタスクリーンを含みうる。親水性スクリーン４２及び４４の有効孔径は、圧力低下と泡の圧力とのバランスをとって、液体／気体の分離を確実にするように選択される。用途ごとの特定の必要性に応じて適当な親水性スクリーン孔径を選択することは、この開示の利益を受ける当業者の設計範囲内にある。例えば幾つかの用途では、６μｍの有効孔径を有するステンレス鋼フィルタスクリーンが選択されうる。
【００４２】
実施形態によっては、親水性スクリーン４２及び４４の一方のみを、入口３６又は出口３８のいずれかで使用することができる。
【００４３】
反応チャンバ３４はまた、反応チャンバ３４の内面又は外面を覆うために、触媒ベッド４０を包囲する疎水性膜４６を含むことができる。図示の実施形態では、液体が反応チャンバを通過するのを可能にするために、疎水性膜４６は入口３６や出口３８を覆っていない。疎水性膜４６は、水素ガスの通過を可能にする。しかしながら液体は、疎水性膜を通過しない傾向がある。従って疎水性膜４６と親水性膜４２及び４４の組み合わせにより、水素化ホウ素ナトリウム等の金属水素化物の水溶液から結果的に生成される液体／気体混合物のための分離経路が有利に提供される。かくして反応チャンバ３４は、一体化された液体／気体分離器でもある。
【００４４】
疎水性膜４６は少なくとも部分的に、Ｇｏｒｅｔｅｘ（登録商標）、Ｃｅｌｇａｒｄ（登録商標）又はその他の材料から作製してよい。有利には、反応チャンバ３４それ自体における液体／気体分離器として、Ｇｏｒｅｔｅｘ（登録商標）、Ｃｅｌｇａｒｄ（登録商標）又は他の容易に入手可能な材料が使用される。これは、水素化ホウ素、アルカリ水素化物等の金属水素化物からの水素ガス生成に伴う温度が比較的低いからである。燃料源として水素化ホウ素ナトリウムを使用する本実施形態によれば、反応器３４の温度は約９３℃（２００°Ｆ）を越えないであろう。実施形態によっては、温度は８０℃（１７６°Ｆ）を超過しない。また他の実施形態では、反応器３４の温度は金属水素化物水溶液の沸点、又は反応器構成部品の材料適合性を危うくする可能性のある他の温度を超過しない。
【００４５】
また、水素生成システム１００ａは、反応チャンバ３４に隣接するか又はそれを包囲するガス収集チャンバ又は容器４８を含んでいてもよい。反応チャンバ３４で生成された水素ガスは疎水性膜４６を通過し、ガス収集チャンバ４８に入ることができる。ガス収集チャンバ４８は、燃料電池３２と通ずるために、生成された水素のための経路６４を提供しうる。そして燃料電池３２は、上述したところに従って作動しうる。
【００４６】
次に図４を参照すると、ガス発生システム１００ｂの別の実施形態が開示されている。図４の実施形態によれば、燃料源、例えば水素化ホウ素ナトリウムが、入口５２を通って反応チャンバ５０に入る。燃料源及び生成物の流れを、図示の矢印で示す。水素化ホウ素ナトリウムは、反応チャンバ５０に入ると、触媒ベッド４０ａに係合し、触媒ベッドを強制的に、流体の流れの方向に沿って出口５４に向かい「一塊りになる」ようにする。流れにより、拘束されていない触媒ビーズ又はペレット４０ａは自由に移動する。触媒ベッド４０ａが図４に示す構成へと再分布されることにより、恐らく反応の速度は低下し及び／又は水素ガスの生成は妨げられる。
【００４７】
触媒ベッド４０ａ等の触媒（ルテニウム、白金、ニッケル、及びこの開示の利点を有する当業者に容易に入手可能である他の触媒など）は、多くの場合非常に高価であり、反応物に対して最大の表面積で曝露された場合に最も有効である。従って、図４に示すように触媒ベッド４０ａが「一塊りになる」ことは、触媒４０ａの有効性を損なう。
【００４８】
次に図５を参照すると、ガス発生システム１００ｃの触媒分配構造の一例が示されている。図５の実施形態によれば、触媒めっきされた大表面積のスクリーン５６が巻回されて、反応チャンバ５０ａ内に挿入される。触媒めっきされた大表面積のスクリーン５６は好都合に、反応チャンバ５０ａを介しての反応物及び生成物の流れによっては容易に位置が変更されない構造を提供する。従って触媒材料は、反応物の流れに曝露される表面積を非常に大きく維持し続けることにより、反応速度、従って例えば水素化ホウ素ナトリウムからの水素の生成を最大にする。
【００４９】
また触媒分布又は分配構造は、複数の触媒めっきされた大表面積メッシュストリップを含んでもよい。こうしたストリップ（平面的に示されたスクリーン５６と同様に見える）は、大表面積スクリーン５６と同様の仕方で反応チャンバ５０ａ内に配置することができる。
【００５０】
代替的に、触媒分配構造は、触媒で被覆された大表面積の繊維材料を含むものであってもよい。
【００５１】
次に図６を参照すると、ガス生成システム１００ｄで使用するための触媒分配構造の別の実施形態が示されている。図６の実施形態によれば、触媒分布又は分配構造は、反応チャンバ５０ｂ内に複数のセル即ち小室６０を有し、これらのセルの各々は、触媒ビーズ６２の一部を収容する。これらの複数のセル６０は、スクリーン材料、或いは溶液の通過を可能にする一方で触媒ビーズ６２の移動を妨げる何らかの構造的一体性を備えた他の材料を含むものでありうる。
【００５２】
上に説明した実施形態の１つ又は複数によるガス発生反応器の作動は、以下のように説明することができる。作動に関する記述を目的として、下記では図５を参照する。しかしながら、図示した他の実施形態もまた、ガス発生反応器の作動のために適切なものであることが理解されよう。
【００５３】
ここで図５を参照すると、水素を生成する反応チャンバ５０ａは、燃料電池３２に近接して配置できる。水素燃料源として反応チャンバ５０ａ内を連続的に流れるように、水素化ホウ素ナトリウムの水溶液又は他の溶液が供給される。水素化ホウ素ナトリウムの水溶液は、入口５２を通って反応チャンバ５０ａに流れ込む。この水溶液は、入口５２に配置された親水性スクリーン４２を通過する。親水性スクリーン４２は、水素化ホウ素ナトリウム等の溶液を容易に通過させる。
【００５４】
水溶液は入口５２を通過した後、疎水性膜４６によって画定された、反応チャンバを通る経路に沿って流れる。疎水性膜４６は液体の通過には抵抗するが、気体に対しては透過性である。
【００５５】
水素化ホウ素ナトリウムの溶液は、反応チャンバ５０ａ内に入ると、触媒の存在下で加速された速度で水素ガスを生成する。触媒は例えば、大表面積スクリーン５６の上にめっきされたルテニウム触媒である。反応が進むにつれて、水素ガスが水溶液から放出される。この水素は気体透過性疎水性膜４６を通って移動し、図５に示す実施形態では疎水性膜４６を包囲しているガス収集チャンバ４８に入る。
【００５６】
反応チャンバ５０ａにおいて生成された水素ガスは、水素化ホウ素ナトリウム水溶液の流れと共に、反応チャンバ５０ａの出口５４に向かって流れる。しかしながら親水性膜４４が、水素ガスの全部又は実質的に全部の通過を妨げる。もう一方の親水性膜４２もまた、水素ガスの全部又は実質的に全部の通過を妨げ、水素ガスに対する抵抗が最も小さな経路として、疎水性膜４６が残される。かくして水素ガスは、反応チャンバ５０ａによって液体及び他の生成物から分離される。
【００５７】
生成された水素ガスは、疎水性膜４６を通過するにつれて、ガス収集チャンバ４８に集められる。ガス収集チャンバ４８は、燃料電池３４へと繋がる通路６４を有しうる。ガス収集チャンバ４８は、収集した水素を規則的な速度で燃料電池３４に放出してよく、燃料電池は次いで、任意の周知のメカニズムに従って作動することにより電気を供給する。
【００５８】
溶液から最大量の水素を抽出するために、所望ならば、反応チャンバ５０ａを通る水素化ホウ素ナトリウムの流れを循環させることができる。あるいは反応チャンバに対し、水素化ホウ素ナトリウム又は他の材料の新たな源を連続的に供給してもよい。
【００５９】
次に図７を参照すると、水素生成カートリッジとして具体化されたガスカートリッジ１００ｅが示されている。水素生成カートリッジ１００ｅは、燃料電池ソケット、又は水素を必要とする他の装置に挿入することができる。例えば水素生成カートリッジ１００ｅは、図１に示したものと同様のＰＥＭ燃料電池に水素を供給することができる。この開示の利益を享受する当業者であれば、水素生成カートリッジ１００ｅは、他の燃料電池に対しても同様に使用できることを理解するであろう。
【００６０】
図７の実施形態によれば、水素生成カートリッジ１００ｅは、反応チャンバ５０ｃの如き反応器を含みうる。反応チャンバ５０ｃは、図に示すように略円筒形状を有するが、これは必ずしもそうである必要はない。反応チャンバ５０ｃとして都合がよければ、どのような形状を使用してもよい。反応チャンバ５０ｃは、金属、プラスチック、セラミック、複合物、又はその他の材料から作製可能である。
【００６１】
反応チャンバ５０ｃの内部には、触媒、例えば図に示す触媒スクリーン５６ａを配置できる。触媒スクリーン５６ａは、燃料源の反応速度を増大させることにより、水素ガスの生成を促進する。こうした触媒には、ルテニウム触媒、白金触媒、ニッケル触媒、又は他の触媒がある。ルテニウム、白金、ニッケル、及びその他の触媒は、この開示の利益を享受する当業者であれば容易に入手可能である。
【００６２】
触媒スクリーン５６ａは、水素化ホウ素の存在下に、水素ガスの生成を容易にする。例えば、水素化ホウ素ナトリウム水溶液は触媒スクリーン５６ａの存在下に、上記した式（１）に従って水素ガスを放出する。
【００６３】
反応チャンバ５０ｃは、水素化ホウ素ナトリウム等の水素燃料源を受容する入口３６と、廃棄物及び反応物を連続的な仕方で排出する出口３８とを有しうる。かくして反応チャンバ５０ｃは好都合に、バッチ処理とは対照的に、水素ガスの連続的な生成を容易にする。
【００６４】
反応チャンバ５０ｃの入口３６及び出口３８には、親水性スクリーン４２及び４４を配置してよい。親水性スクリーン４２及び４４は、溶液の容易な通過を可能にする。しかしながらそれらは、水素ガスの全部又は実質的に全部を通過させない。親水性スクリーン４２及び４４は各々、ステンレス鋼フィルタスクリーンを含むことができる。親水性スクリーン４２及び４４の有効孔径は、圧力低下と泡の圧力とのバランスをとって、液体／気体の分離を確実にするように選択される。用途ごとの特定の必要性に応じて適当な親水性スクリーン孔径を選択することは、この開示の利益を受ける当業者の設計範囲内にある。例えば幾つかの用途では、６μｍの有効孔径を有するステンレス鋼フィルタスクリーンが選択されうる。
【００６５】
実施形態によっては、親水性スクリーン４２及び４４の一方のみを、入口３６又は出口３８のいずれかで使用することができる。
【００６６】
反応チャンバ５０ｃはまた、反応チャンバ５０ｃの内面又は外面を覆うために、触媒スクリーン５６ａを包囲する疎水性膜４６を含みうる。図示の実施形態では、液体が反応チャンバを通過するのを可能にするために、疎水性膜４６は入口３６又は出口３８を覆わない。疎水性膜４６は、水素ガスの通過を許容する。しかしながら液体は、疎水性膜を通過しない。従って疎水性膜４６と親水性膜４２及び４４の組み合わせにより、有利なことに、水素化ホウ素ナトリウム等の金属水素化物の水溶液から結果として生成される液体／気体混合物のための分離経路が提供される。このように反応チャンバ５０ｃは、一体化された液体／気体分離器でもある。
【００６７】
疎水性膜４６は少なくとも部分的に、Ｇｏｒｅｔｅｘ（登録商標）、Ｃｅｌｇａｒｄ（登録商標）又は他の材料から作製してよい。有利には、反応チャンバ５０ｃそれ自体における液体／気体分離器として、Ｇｏｒｅｔｅｘ（登録商標）、Ｃｅｌｇａｒｄ（登録商標）又は他の容易に入手可能な材料が使用される。これは、水素化ホウ素、アルカリ水素化物等の金属水素化物からの水素ガス生成に伴う温度が比較的低いからである。燃料源として水素化ホウ素ナトリウムを使用する本実施形態によれば、反応器５０ｃの温度は約９３℃（２００°Ｆ）を越えないであろう。実施形態によっては、温度は８０℃（１７６°Ｆ）を超過しない。また他の実施形態では、反応器５０ｃの温度は金属水素化物水溶液の沸点、又は反応器構成部品の材料適合性を危うくする可能性のある他の温度を超過しない。
【００６８】
また、水素生成カートリッジ１００ｅは、反応チャンバ５０ｃに隣接するか又はそれを包囲するガス収集チャンバ又は容器４８を含んでいてもよい。反応チャンバ５０ｃで生成された水素ガスは疎水性膜４６を通過し、ガス収集チャンバ４８に入ることができる。ガス収集チャンバ４８は、燃料電池のソケット（図示せず）又はカートリッジ１００ｅを挿入しうる他の水素消費装置と係合するための、水素ポート２００等のガス供給ポートを有しうる。水素ポート２００は、燃料電池ソケットへの挿入時に自動的に開くようにすることができる。或いはこのポートは、水素がカートリッジから入るのを許容すべく、開位置と閉位置の間で選択的に作動するようにしてもよい。
【００６９】
以上の記述は、本発明を例示し説明するためにのみ提示したものである。この記述は、網羅的ではなく、また本発明を開示した厳密な形態に限定することを意図してもいない。上記教示に鑑みれば、多くの変更及び変形が可能である。
【００７０】
図示の実施形態は、本発明の原理及びその実際的な適用を最も適切に説明すべく選択し、説明したものである。以上の記述は、当業者が本発明を種々の実施形態において最適に用い、また意図した特定の用途に適するように種々の変更を加えて利用できるようにすることを意図している。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって規定されることが意図されている。
【００７１】
【発明の効果】
以上の如く本発明によれば、泡立ちを最小限にしつつ、水素を連続的且つ効率的に供給可能なガス発生システムが提供される。このシステムは燃料電池などの、水素を必要とするシステムに対して連続的な供給を制御された仕方で行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術による燃料電池装置の概略的な分解斜視図である。
【図２】本発明の一実施形態によるガス発生システムを切除して示す図である。
【図３】本発明の一実施形態による反応器を切除して示す図である。
【図４】本発明の一実施形態による反応器を切除して示す図である。
【図５】本発明の一実施形態による反応器を切除して示す図である。
【図６】本発明の一実施形態による反応器を切除して示す図である。
【図７】本発明の一実施形態によるカートリッジを切除して示す図である。
【符号の説明】
３２　燃料電池
３４，５０，１０２　反応器
３６，５２，１０６　入口
３８，５４，１０８　出口
４０　触媒ベッド
４２，４４　親水性膜
４６　疎水性膜
５６　分配構造
１００　ガス発生システム
１０４　触媒
１１６　液体／気体分離器
１１８　多孔壁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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