(57)【要約】【課題】  燃料電池用水素の生成は、単純で、小型で、携帯可能で、比較的安価であることが好ましい。さらに、燃料電池と共に使用される水素生成器は、燃料電池の作動と統合され、燃料電池が水素生成器を制御し得ることが好ましい。【解決手段】  本発明によれば、水素生成カートリッジは、好ましくは、弾薬ケーシング、該弾薬ケーシング内の水素生成化学反応物、及び前記ケーシング内で生成した水素を放出させるための放出口を備える。携帯型水素生成器は、好ましくは、複数の水素生成カートリッジを収容するためのチャンバ、及び該チャンバ内の水素生成カートリッジを選択的に作動させるための制御電子機器を備える。前記カートリッジは、制御電子機器の制御下において、水素を個別に製造する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
弾薬ケーシングと、
前記ケーシング内の水素生成化学反応物と、
前記ケーシング内で生成した水素を放出するための放出口と、
を備える水素生成カートリッジ。
【請求項２】
前記放出口が、圧力開放弁を備える請求項１に記載のカートリッジ。
【請求項３】
前記放出口内に配置され、前記水素生成化学反応物から生成した水素をろ過するフィルタをさらに備える請求項１に記載のカートリッジ。
【請求項４】
前記フィルタを固定するフィルタリテーナをさらに備える請求３に記載のカートリッジ。
【請求項５】
前記水素生成化学反応物が、アミンボランである請求項１に記載のカートリッジ。
【請求項６】
前記ケーシング内に配置されている加熱素子をさらに備える請求項１に記載のカートリッジ。
【請求項７】
前記加熱素子が、抵抗素子である請求項６に記載のカートリッジ。
【請求項８】
前記加熱素子が、機械式イグナイターである請求項６に記載のカートリッジ。
【請求項９】
前記加熱素子が、化学的加熱コアである請求項６に記載のカートリッジ。
【請求項１０】
前記水素生成化学反応物が、前記加熱素子のまわりに圧縮成形されている請求項６に記載のカートリッジ。
【請求項１１】
前記水素生成化学反応物が、１つ以上のペレットに形成されている請求項１に記載のカートリッジ。
【請求項１２】
前記弾薬ケーシングが、．２２３、５０ＢＭＧ、４５ＡＣＰ、あるいは９ｍｍケーシングのいずれかである請求項１に記載のカートリッジ。
【請求項１３】
前記カートリッジが、再使用可能である請求項１に記載のカートリッジ。
【請求項１４】
複数の水素生成カートリッジを収容するチャンバと、
前記チャンバ内の前記水素生成カートリッジを選択的に作動させる制御電子機器と、
を備え、前記カートリッジが、前記制御電子機器の制御下で水素を独立に生成する携帯型水素生成器。
【請求項１５】
前記水素生成カートリッジから生成した水素を収集し移動させるマニホルドをさらに備える請求項１４に記載の生成器。
【請求項１６】
前記マニホルドに接続され、前記カートリッジによって生成され且つ前記マニホルドによって収集された多量の水素を蓄えるアキュムレータをさらに備える請求項１５に記載の生成器。
【請求項１７】
前記制御電子機器と前記複数のカートリッジとの間の電気的接点を備えている、前記チャンバの蓋をさらに備える請求項１４に記載の生成器。
【請求項１８】
前記水素生成カートリッジの各々が、
弾薬ケーシングと、
前記ケーシング内の水素生成化学反応物と、
前記ケーシング内で生成した水素を放出する放出口と、
を備える請求項１４に記載の生成器。
【請求項１９】
前記放出口が、圧力開放弁を備える請求項１８に記載の生成器。
【請求項２０】
前記放出口内に配置され、前記水素生成化学反応物から生成した水素をろ過するフィルタをさらに備える請求項１８に記載の生成器。
【請求項２１】
前記フィルタを固定するフィルタリテーナをさらに備える請求項２０に記載の生成器。
【請求項２２】
前記水素生成化学反応物が、アミンボランである請求項１８に記載の生成器。
【請求項２３】
前記ケーシング内に配置されている加熱素子をさらに備える請求項１８に記載の生成器。
【請求項２４】
前記加熱素子が、抵抗素子である請求項２３に記載の生成器。
【請求項２５】
前記加熱素子が、機械式イグナイターである請求項２３に記載の生成器。
【請求項２６】
前記加熱素子が、化学的加熱コアである請求項２３に記載の生成器。
【請求項２７】
前記水素生成化学反応物が、前記加熱素子のまわりに圧縮成形されている請求項２３に記載の生成器。
【請求項２８】
制御電子機器が、前記カートリッジの前記加熱素子を選択的に作動させる請求項２３に記載の生成器。
【請求項２９】
前記制御電子機器が、前記カートリッジの前記加熱素子に選択的に電力を供給するバッテリを備えている請求項２８に記載の生成器。
【請求項３０】
前記水素生成化学反応物が、１つ以上のペレットに形成されている請求項１８に記載の生成器。
【請求項３１】
前記弾薬ケーシングが、．２２３、５０ＢＭＧ、４５ＡＣＰ、あるいは９ｍｍケーシングのいずれかである請求項１８に記載の生成器。
【請求項３２】
前記制御電子機器が、ユーザが前記携帯型水素生成器を制御することを可能にするユーザインターフェースをさらに備える請求項１４に記載の生成器。
【請求項３３】
前記生成器の内部を冷却するファンをさらに備える請求項１４に記載の生成器。
【請求項３４】
前記カートリッジによって生成された水素から電力を生成する、組み込まれている燃料電池をさらに備える請求項１４に記載の生成器。
【請求項３５】
前記燃料電池によって生成された熱を放散させる熱交換器をさらに備える請求項３４に記載の生成器。
【請求項３６】
弾薬ケーシング内で生成した水素を放出する放出口を有する前記弾薬ケーシング内に、水素生成化学反応物を配置するステップを包含する水素生成カートリッジの製造方法。
【請求項３７】
前記放出口に圧力開放弁を設けるステップをさらに包含する請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
前記放出口内に配置され、前記水素生成化学反応物から生成した水素をろ過するフィルタを設けるステップをさらに包含する請求項３６に記載の方法。
【請求項３９】
前記水素生成化学反応物が、アミンボランである請求項３６に記載の方法。
【請求項４０】
前記ケーシング内に加熱素子を設けるステップをさらに包含する請求項３６に記載の方法。
【請求項４１】
前記加熱素子のまわりに前記水素生成化学反応物を圧縮成形するステップをさらに包含する請求項４０に記載の方法。
【請求項４２】
前記水素生成化学反応物を１つ以上のペレットに形成するステップをさらに包含する請求項３６に記載の方法。
【請求項４３】
前記弾薬ケーシングが、．２２３、５０ＢＭＧ、４５ＡＣＰ、あるいは９ｍｍケーシングのいずれかである請求項３６に記載の方法。
【請求項４４】
弾薬ケーシング内で生成した水素を放出する放出口を有する前記弾薬ケーシング内に収容された水素生成化学反応物による水素生成反応を実施するステップを包含する水素を生成する方法。
【請求項４５】
前記水素生成化学反応物から生成した水素をろ過するステップをさらに包含する請求項４４に記載の方法。
【請求項４６】
前記水素生成化学反応物が、アミンボランである請求項４４に記載方法。
【請求項４７】
前記反応を起こすために前記反応物を加熱するステップをさらに包含する請求項４４に記載の方法。
【請求項４８】
前記加熱するステップが、複数の弾薬ケーシング内に配置される複数の発熱素子を制御する制御電子機器によって選択的に実施される請求項４７に記載の方法。
【請求項４９】
前記水素生成化学反応物を１つ以上のペレットに形成するステップをさらに包含する請求項４４に記載の方法。
【請求項５０】
前記弾薬ケーシングが、．２２３、５０ＢＭＧ、４５ＡＣＰ、あるいは９ｍｍケーシングのいずれかである請求項４４に記載の方法。
【請求項５１】
燃料電池に使用するために、前記弾薬ケーシング内で生成した水素を収集するステップをさらに包含する請求項４８に記載の方法。
【請求項５２】
水素生成反応を収容する手段と、
前記反応を収容する前記手段に収容された水素生成化学反応物と、
を包含し、
前記反応を収容する前記手段が、前記反応を最大約３０００ｐｓｉの圧力にて収容する水素製造システム。
【請求項５３】
前記収容する手段が、弾薬ケーシング内で生成した水素を放出するための放出口を有する前記弾薬ケーシングを包含する請求項５２に記載のシステム。
【請求項５４】
前記反応を開始するために前記反応物を加熱する手段をさらに包含する請求項５２に記載のシステム。
【請求項５５】
前記水素生成化学反応物が、アミンボランである請求項５２に記載のシステム。
【請求項５６】
前記反応を収容する複数の前記手段をさらに包含する請求項５２に記載のシステム。
【請求項５７】
前記反応を収容する複数の前記手段内の前記反応を選択的に制御する手段をさらに包含する請求項５６に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に使用される水素の生成器に関し、より詳細には、弾薬ケーシングを利用した携帯性に優れる水素生成カートリッジ及び該カートリッジを複数個接続できる、燃料電池と連動可能な携帯型水素生成器に関する。
【背景技術】
【０００２】
この１世紀の間にエネルギー需要は指数関数的に増大した。特に、電気エネルギーを使用する装置が急増した。歴史的には、そのような装置のエネルギーは、炭化水素の燃焼によって生成され、地域及び地方電力網に配給される電力が生成されてきた。しかしながら、炭化水素の燃焼は汚染を引き起こすことが知られている。
【０００３】
さらに、現在、多くの電子装置が、携帯可能で且つワイヤレス化されつつある。そのような装置では、小型の携帯電源が必要とされる。一般に、そのような携帯可能な電子装置に電力を供給するためにはバッテリが使用されている。しかしながら、バッテリは、電気消耗時には処分するか、又は充電しなければならない。使用されるバッテリが充電可能な場合、バッテリは、一般に、充電器に接続される。次いで、充電器は、固定コンセントに差し込まれ、地方電力網から電力を得てバッテリを充電する。
【０００４】
よりクリーンでより携帯性の高いエネルギー源への関心の高まりによって、燃料電池はより注目を集めることとなった。燃料電池に関する研究開発は、近いうちに、大小様々な携帯型装置への電力の供給においてバッテリと競合すると誰もが予想し得るレベルにまで達している。
【０００５】
燃料電池は、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力と熱を生成する。燃料電池は、バッテリと似ているが、電力を供給しながら「充電」することができる。燃料電池は、モータ、ランプあるいは任意の多数の電気機器に電力を供給するために使用することができるＤＣ（直流）電圧を提供する。プロトン交換膜（ＰＥＭ）型燃料電池は、その低い作動温度及び携帯用途への高い適合性のため、特に有用である。
【０００６】
残念ながら、水素（燃料電池に使用される主要な反応物）は、歴史的に、従来の燃料と比べて貯蔵及び配給が困難である。様々な反応物から水素を生成するこれまでの試みは、反応の際の沈殿、反応物の揮発性、低収量、効率不足などの課題に直面していた。一般に、水素は、生成された後、圧縮され、タンクに貯蔵される。しかしながら、そのような水素タンクは、重量貯蔵率が低く、高い圧力がかかる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従って、集中的な生産設備ではなく、燃料電池の近くで水素を生成することが好ましい。それ故、燃料電池用水素の生成は、効率的とするには、単純で、小型で、携帯可能で、比較的安価であることが好ましい。さらに、燃料電池と共に使用される水素生成器は、燃料電池の作動と統合され、燃料電池によって制御され得ることが好ましい。燃料電池が生成する必要がある電力出力に応じて水素需要が変化するために、これは有用である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
多数の実施し得る実施形態のうちの一形態において、本発明は、好ましくは、弾薬ケーシングと、ケーシング内の水素生成化学反応物と、ケーシング内で生成した水素を放出する放出口と、を備える水素生成カートリッジを提供する。
【０００９】
別の実施形態において、本発明は、好ましくは、複数の水素生成カートリッジを収容するチャンバと、チャンバ内の水素生成カートリッジを選択的に作動させる制御電子機器とを備える携帯型水素生成器を提供する。当該カートリッジは、制御電子機器の制御下で独立して水素を生成する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によって、単純で、小型で、携帯可能で、比較的安価である水素生成カートリッジ、及び燃料電池の作動と統合された携帯型の水素生成器を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
添付の図面は、本発明の様々な実施形態を例示しており、本明細書の一部である。例示する実施形態は、本発明の例であり、本発明の範囲を制限するものではない。
【００１２】
図面全体にわたって、同一の符号は類似の要素を示すが、必ずしも同一の要素を示すものではない。
【００１３】
燃料電池は、一般に、使用される電解質の種類によって分類される。電解質は、イオンだけを通し電子を通さない特別に処理された稠密な材料である。
【００１４】
ＰＥＭ燃料電池は、現在、最も有望な携帯型燃料電池技術の１つと考えられており、燃料電池の中で最も複雑でない反応を利用するものである。図１を参照すると、ＰＥＭ燃料電池は、一般に、燃料極（２０）、空気極（２２）、電解質（ＰＥＭ）（２４）、及び電解質（２４）の両側に配置されている触媒（２６）の４つの基本要素からなる。
【００１５】
燃料極（２０）は燃料電池の負極であり、水素分子から解放された電子を伝導させ、それによって外部回路（２１）の電流として電子を使用できるようにする。燃料極（２０）は、水素ガスを触媒（２６）表面にできるだけ均一に分散させるために、エッチングされたチャネル（２８）を有する。水素分子は、電子を放出することによって、水素イオンになる。
【００１６】
空気極（２２）は、燃料電池の正極であり、酸素（通常は空気）を触媒（２６）表面に均一に分散させるために、エッチングされたチャネル（３０）を有する。空気極（２２）はまた、外部回路（２１）から触媒（２６）に電子を戻し、そこで電子は、水素イオン及び酸素と再結合して水となる。理想的な条件下では、ＰＥＭ燃料電池の副生成物は水だけである。
【００１７】
触媒（２６）は、一般に、カーボン紙あるいは布上にコーティングされている白金粒子である。水素又は酸素と接触し得る白金表面積を大きくするために、通常、触媒（２６）は起伏に富み且つ多孔性である。しかしながら、触媒寸法を大きくすることなく触媒表面積をさらに大きくすることが望ましい。触媒（２６）は、酸素と水素の反応を促進する。作動中の燃料電池では、ＰＥＭ（２４）は、燃料極（２０）と空気極（２２）との間に挟まれている。
【００１８】
燃料電池の働きは、一般に、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、燃料電池の燃料極（２０）側に導入される。白金触媒（２６）と接触すると、Ｈ２分子は２つのＨ＋イオン及び２つの電子（ｅ−）に分かれる。電子は燃料極（２０）を通って伝導し、外部回路（２１）を通り（ここで有効な仕事（モータの回転や電球（２３）の点灯）をするための電力を供給する）、燃料電池の空気極側（２２）に戻る。
【００１９】
同時に、燃料電池の空気極（２２）側では、酸素ガス（Ｏ２）が、触媒（２６）に通される。いくつかのＰＥＭ燃料電池システムでは、Ｏ２源に空気を用いることができる。触媒（２６）に通されるとき、Ｏ２はそれぞれ強い負電荷を有する２つの酸素原子となる。この負電荷は、ＰＥＭ（２４）内で２つのＨ＋イオンを引きつけ、酸素原子と外部回路からの２つの電子と結合して水分子（Ｈ２０）を形成する。
【００２０】
以上示したＰＥＭ燃料電池の反応は、約０．７ボルトしか生成せず、従って、電圧をより有用なレベルに高めるために、しばしば多数の個々の燃料電池が組み合わされて燃料電池スタックが構成される。
【００２１】
ＰＥＭ燃料電池は、一般に、かなり低い温度（約８０℃／１７６°Ｆ）で作動する。そのため、迅速に機能上効果的な温度に達し、通常発電に関連する高温に耐え得る特殊な材料を必要としないため、安価な収容構造物に収容することができる。
【００２２】
図２は、水素生成カートリッジ（１１０）の分解図である。水素生成カートリッジ（１１０）は、ケーシング内に収容されている。ケーシングは、標準の弾薬ケーシング（ｍｕｎｉｔｉｏｎｓ  ｃａｓｉｎｇ）（１０１）である。本明細書及び併記の特許請求の範囲において使用されるとき、弾薬ケーシングは、一般に弾薬を製造する際に使用されるケーシングあるいはシェル、即ち小火器の弾丸あるいは銃弾の一部、として定義される。
【００２３】
水素生成カートリッジを収容するために使用し得る弾薬ケーシング（１０１）の例は、．２２３小銃シェルケーシングであり、これは軍人によって使用される最も一般的な種類の弾薬である。．２２３弾丸は、その適合性、実用性及び利用価値のために軍用によく使用される。水素生成カートリッジを収容するきわめて一般的で実用的な他の弾薬ケーシングには、９ｍｍ、５０ＢＭＧ、及び４５ＡＣＰ口径弾薬ケーシングがある。
【００２４】
典型的な軍用弾丸では、ケーシング（１０１）は、特定の装填量をもたらすために特定量にて装填されている火薬粒子を収容するために用いられる。火薬に点火するために、カートリッジの底にプライマーが配置されている。ケーシング（１０１）は、先端あるいは先細り端が、一般に鉛あるいは類似の材料からなるばら弾又は銃弾によって封止されている。
【００２５】
弾薬ケーシング（１０１）内に水素生成カートリッジ（１１０）を製造することによって、多くの既存の設備及びノウハウを活用することができ、それによって、全体のコストが減少し、水素生成カートリッジの開発及び作成時間が短縮される。例えば、水素生成カートリッジのために、弾薬ケーシング用の生産設備、製造方法、工具類、機械及び供給網を使用することができる。標準的な軍需品に使用される既存の製造方法、材料及び装置を使用して、水素生成カートリッジのケーシングを製造することができる。弾薬ケーシングの製造に精通している従業員は、自分の専門的知識を利用して、水素生成カートリッジのケーシングを製造することができる。弾薬ケーシングのパッケージング及び配給ルートを利用して、水素生成カートリッジをパッケージングし配給することができる。ユーザの弾薬ケーシングの経験は、ユーザが、本明細書で説明する水素生成カートリッジを使用するのに役立つ。水素生成カートリッジを供給するために、弾薬弾丸を保持し支持するために使用されてきたベスト又はベルトの弾薬用ループを使用することもできる。さらに、ほぼ全ての場合において、使用済みの弾薬ケーシングは、容易に収集され再使用できる。従って、図２の水素生成カートリッジ（１１０）は、弾薬ケーシング（１０１）を使用し、その中に構成されることが好ましい。
【００２６】
カートリッジ（１１０）は、さらに、加熱素子（１００）を備える。加熱素子（１００）には、水素生成カートリッジ（１１０）内容物を加熱する任意の素子を用いることができる。一実施形態において、加熱素子（１００）は、化学的に活性化された化合物又は加熱コアである。他の一実施形態においては、加熱素子は、機械的に開始されるプライマーである。別の実施形態においては、加熱素子（１００）は、電気抵抗素子である。抵抗素子の場合、抵抗素子（１００）に電流が流され熱が生じる。加熱により、ケーシング（１０１）の内容物は、水素を生成するのに必要な化学反応を開始するのに十分な「着火」温度に達することができる。
【００２７】
ケーシング（１０１）は、例えばアミンボランなどの、熱によって活性化される多数の水素生成化合物のうちのいずれかを収容することが好ましい。本明細書と併記の特許請求の範囲で使用されるとき、水素生成カートリッジ（１１０）内で水素を生成するために使用する化合物は、反応物と呼ばれる。
【００２８】
反応物は、一般に、単位体積当たりの水素生成量を増大させるために、ペレット状に圧縮成形されている。これによって、十分に圧縮成形された単一のペレットから大量の水素を生成することができる。次に、ペレット（図示せず）は、カートリッジ容器（１０１）に入れられる。一実施形態において、ペレットは、始動性及び全体効率を高めるために、加熱素子（１００）のまわりに形成される。
【００２９】
弾薬ケーシング（１０１）の先端又は先細り端は、水素ガスだけが通過し得るフィルタ（１０３）によって封止されている。フィルタ（１０３）は、化学反応により生じる任意の微粒子あるいは残留物をろ過する。本実施形態及び他の実施形態に使用し得るフィルタは、例えば、米国特許第４、４６８、２６３号に記載されている。フィルタ（１０３）は、フィルタリテーナ（１０２）によってケーシング（１０１）に固定化されていることが好ましい。
【００３０】
多くの場合、反応物は、特定の圧力において、より効率的に反応し得る。所望の圧力を維持するために、フィルタ（１０３）に圧力開放弁（１０４）が固定されている。圧力開放弁（１０４）の代わりに高圧逆止弁あるいは類似の弁機構を使用することができる。圧力開放弁（１０４）は、化学反応が最適圧力に達すると、生成した水素を放出する。化学反応が続くとき、圧力弁（１０４）は、カートリッジ（１１０）内を最適の圧力に保持し、使用しきれない水素を放出する。いくつかの実施形態において、カートリッジ内の圧力は、３０００ｐｓｉに達し得る。
【００３１】
標準．２２３カートリッジが、１．９２ｃｃの有効容積を有すると仮定すると、米国特許第４、１５７、９２７号に記載されているようなアミンボランを主成分とする水素生成化合物の平均密度は、次のように計算される。
【００３２】
９０％（１．２ｇ／ｃｃ）＋１０％［７４％（５．２ｇ／ｃｃ）＋２６％（１．０７ｇ／ｃｃ）］＝１．４９ｇ／ｃｃ
【００３３】
従って、有効反応物質量は、反応物約２．９ｇである。アミンボランを主成分とする化合物からの単位重量当りの水素の収量は、１７．６５％である。その場合、有効反応物２．９ｇから、約０．５１ｇのＨ２を生成することができる。標準状態（ＳＴＰ）の場合の、１カートリッジ当たりで生成されるＨ２の体積（Ｖ）を、次のように容易に計算することができる。
【００３４】
Ｖ＝（０．５１ｇ）（．０８２０５ｌ  ａｔｍ／ｇ  ｍｏｌｅ  Ｋ）（ｇ  ｍｏｌｅ／２．０１８ｇ）（２９８Ｋ／１  ａｔｍ）＝６．２リットル（Ｈ２）
【００３５】
燃料の比エネルギー含有量は、およそ次の通りである。
【００３６】
比エネルギー＝［３３，３００｛（Ｗ−ｈ）／ｋｇ｝］（．１７６５）＝５８７７｛（Ｗ−ｈ）／ｋｇ｝
ここで、３３３００Ｗ−ｈ（ワット時）／ｋｇは、純水素の比エネルギーである。
【００３７】
寄生電力消費が１０％、燃料電池効率が６０％、及び負荷が２０Ｗと仮定すると、燃料電池作動時間（ｔ）は、次のように計算することができる。
【００３８】
ｔ＝｛２．９ｇ／（１０００ｇ／ｋｇ）｝［｛５８７７（Ｗ−ｈ）／ｋｇ｝／２０Ｗ］（６０分／ｈ）＊０．９＊０．６＝２８分、即ち、
７つの水素カートリッジを支持し得るシステムでは、約３時間である。
【００３９】
これらの仮定された効率の場合、燃料の有効比エネルギーは、次の通りである。
５８７７｛（Ｗ−ｈ）／ｋｇ｝＊０．９＊０．６＝３１７４｛（Ｗ−ｈ）／ｋｇ｝
【００４０】
この場合、システムオーバヘッドが、システムと燃料に２：１の重みで割り振られた場合でも、残りのエネルギー含有量は、約１０５８（Ｗ−ｈ）／ｋｇになる。比較のため、リチウムイオンバッテリの最大比エネルギーは、約１７２（Ｗ−ｈ）／ｋｇである。
【００４１】
図３は、水素カートリッジ式燃料電池システム（１２０）の斜視図である。本システムでは、前述のように、複数の水素カートリッジ（１１０）をシステムに装填して、組み込まれている燃料電池用の水素を生成することができる。複数の水素カートリッジ（１１０）を使用し得るため、ユーザは、システムの水素及び／又はエネルギー生成量を選択し得る。
【００４２】
水素カートリッジ式燃料電池システム（１２０）は、水素カートリッジ（１１０）を収容するカートリッジレセプタクル（１２２）を備える。カートリッジレセプタクル（１２２）は、水素カートリッジ（１１０）を収容し、それを使用するために固定化する任意のチャンバ、留金具、ホルダ、又は他の手段として定義され、今後、チャンバ（１２２）と呼ぶ。例示した実施形態は、７つの水素カートリッジ（１１０）を保持するチャンバ（１２２）を有する。さらに、チャンバ（１２２）は、水素カートリッジ（１１０）の加熱素子を作動させる接点を備えることができる。
【００４３】
水素カートリッジ式燃料電池システム（１２０）は、外側シェル（１２３）によって包囲されている。外側シェル（１２４）は、システム（１２０）の安全な作動を常に保証し、水素生成プロセスで使用される化学反応物からユーザを隔離する。外側シェル（１２３）には、ＰＥＭ燃料電池の通常使用に関連する作動圧力及び作動温度に耐え得る任意の材料を用いることができる。一実施形態において、外側シェル（１２３）は、プラスチックである。別の実施形態において、外側シェル（１２３）は、アルミニウムなどの金属である。外側シェル（１２３）は、屋外使用の過酷さに耐え得る十分な耐久性を有している。
【００４４】
水素カートリッジ式燃料電池システム（１２０）の上部は、蓋（１２１）によって封止されている。蓋（１２１）は、必要に応じて、水素カートリッジ（１１０）を抜き差しし易いように、取り外し可能あるいは蝶番式であることが好ましい。蓋（１２１）は、外側シェル（１２３）の壁に対して密着し有効な圧力封止をもたらすことが好ましい。本システムによって、システムの運転をさほど中断させることなく、水素カートリッジ（１１０）を交換することができる。
【００４５】
外側シェル（１２３）は、燃料電池に空気を投入し得るファン吸気口（１２４）を備えることが好ましい。ファン吸気口（１２４）は、例えば、外側シェル（１２３）の穿孔部分又は格子部分である。図４に示すように、システムに空気を引き込むために、ファン吸気口（１２４）の裏側にファン（１３４）を配置することができる。
【００４６】
水素は、図３に示すシステムによって生成されると、燃料電池（好ましくは、図３のシステムに組み込まれている）に送り込まれるか、又はたくさんの用途のために別の装置へ移されることが好ましい。他の実施形態には、水素を様々な装置に移動させるための出力口が包含され得る。
【００４７】
図４は、図３の水素カートリッジ式燃料電池システム（１２０）の断面図である。図４の説明においては、図３に関して前述したシステム構成要素の冗長な説明は省略する。システム（１２０）は、安全手段及び効率手段を設けることを含む、システム（１２０）の作動を調節する様々な制御電子機器（１３０）を備える。制御電子機器（１３０）は、カートリッジ（１１０）の水素生成を制御し、燃料電池（１３６）、好ましくＰＥＭ燃料電池内での水素の使用を調節する。
【００４８】
制御電子機器（１３０）は、燃料電池（１３６）が電力を生成し始めるまでの間に水素カートリッジの加熱素子を一時的に駆動する内部バッテリを備えることができる。あるいはまた、燃料電池（１３６）は、アミンホウ化物の反応を開始するために、短期の電流又はわずかな化学反応を与える機械式に開始されるプライマーを備え得る。システム（１２０）は、燃料電池（１３６）内で生成された電力を他の装置に移動させるためのポートを含むことが好ましい。
【００４９】
さらに、制御電子機器（１３０）は、各水素カートリッジ（１１０）が作動しているときに、それを監視し制御することが好ましい。蓋（１２１）は、制御電子機器（１３０）の制御下で、選択された水素カートリッジ（１１０）の抵抗素子に電流を通すことができるようにする様々な接点を含むことができる。いくつかの実施形態においては、水素の生成を増加させるために、システム（１２０）は、複数のカートリッジ（１１０）を同時に作動させ得る。
【００５０】
いくつかの実施形態において、制御電子機器は、システムの作動中の要素を制御し監視するユーザインターフェースを備え得る。ユーザインターフェースによって、ユーザは、作動するカートリッジの数、点火のタイミング、出力エネルギーレベル、生成した水素を外部装置に移動させるかどうかを選択できるようになる。ユーザインターフェースによってまた、システムの作動及び利用可能な供給源に関する情報が提供され得る。
【００５１】
水素カートリッジ（１１０）が水素を放出し始めると、そのガスは、マニホルド（１３５）を介してアキュムレータ（１３１）に流れる。マニホルド（１３５）を介して、水素は、カートリッジ（１１０）から放出した位置からアキュムレータ（１３１）まで移動する。マニホルド（１３５）は、複数のカートリッジ（１１０）が、アキュムレータ（１３１）に一度に水素を放出できるようにすることができる。
【００５２】
アキュムレータ（１３１）は、水素ガスの貯蔵領域である。アキュムレータ（１３１）は、水素を蓄え、消費要求に応じて計量して燃料電池（１３６）に送ることを可能にする。反応により生じる圧力は、例えば、．２２３レミントン小銃カートリッジの点火により得られる平均圧力５１０００ｐｓｉと比較して、最大３０００ｐｓｉである。燃料電池（１３６）が作動しているとき、水素は、燃料電池（１３６）内で消費されるために、アキュムレータマニホルド（１３２）に流される。
【００５３】
水素カートリッジ式燃料電池システム（１２０）は、熱交換器（１３７）を備えることが好ましい。熱交換器（１３７）は、廃熱を燃料電池（１３６）から放出して、システム内が適切な温度に維持されるようにする。いくつかの実施形態において、熱交換器（１３７）は、表面積及び冷却能力を最大にするために種々のピン（又はフィン）を備えることができる。燃料電池（１３６）から放出された熱と副生成物は、システムの外部に放出される前に熱交換器（１３７）によって冷却されることが好ましい。
【００５４】
図５は、図４に示すシステムの作動方法を示すフローチャートである。処理は、ユーザが、システムに単一又は複数の水素カートリッジを差し込んだときに開始させることができる（１５０）。ユーザは、次に、蓋を閉じてシステムを封止し、それにより、ユーザは、水素生成システムを作動させる時間を選択することができる（１５１）。
【００５５】
システムは、カートリッジが作動し始めるときに作動する。制御電子機器が加熱素子を作動させ、例えば電流を抵抗素子に送り（１５２）、それによりカートリッジ及び対応する化学反応物が加熱されたときに、カートリッジは作動する。温度が上昇すると、カートリッジ内で化学反応が起こり始める（１５３）。反応がさらに進行すると、カートリッジ内の反応物から水素が生成し、圧力が上昇し始める（１５４）。圧力は、過剰な水素がフィルタから放出されるまで上昇する（１５５）。この時点では、過剰な水素がフィルタから放出され続けながらカートリッジ内では化学反応が続いている（１５５）。次いで、水素がアキュムレータ（１５６）に移動し、そこで、使用に備えて一時的に蓄えることができる。
【００５６】
作動中の水素カートリッジが消費されると、制御電子機器は、ユーザに、水素をもっと必要とするかどうかを選択するように促すことができる（１５７）。さらに、処理が始まると、デフォルトの手順では、次の水素カートリッジに自動的に移る。ユーザが、水素をもっと必要であると決定した場合（１５７）、制御電子機器は、他のカートリッジの加熱素子を作動させる（１５２）。次いで、前述したように、処理が継続する。
【００５７】
しかしながら、水素をもう必要ないと決定した場合（１５７）、ユーザは、アキュムレータに蓄えられた水素（１５８）を別の装置に送るように選択することができる。ユーザが、水素を移動するように選択した場合（１５８）、水素は、アキュムレータから外部装置に移動する（１６１）。デフォルトで、あるいはユーザによって指定されたとき、生成された水素は、外部装置に移動しない（１５８）。より正確に言うと、水素は、アキュムレータからシステムの燃料電池に移動する。次に、水素は、組み込まれているＰＥＭ燃料電池の発電処理において消費される（１５９）。次に、燃料電池によって生成された電力は、必要に応じて、外部装置に移される（１６０）。
【００５８】
以上の説明は、発明の実施形態を単に例示し説明するために示された。当該説明は包括的なものではなく、開示した厳密な形態に本発明を限定することを意図したものではない。以上の教示を鑑みて多くの修正及び変更が可能である。本発明の範囲は、併記の特許請求の範囲によって定義される。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】従来のＰＥＭ燃料電池装置の組み立て前における斜視図
【図２】本発明の一実施形態による水素生成カートリッジの分解図
【図３】本発明の一実施形態による水素カートリッジ式燃料電池システムの斜視図
【図４】本発明の一実施形態による水素カートリッジ式燃料電池システムの断面図
【図５】本発明の一実施形態による図４記載のシステムの作動方法を示すフローチャート
【符号の説明】
【００６０】
１００  加熱素子
１０１  弾薬ケーシング
１０２  フィルタリテーナ
１０３  フィルタ
１０４  圧力開放弁
１１０  水素生成カートリッジ
１２１  蓋
１２２  チャンバ
１３０  制御電子機器
１３１  アキュムレータ
１３４  ファン
１３５  マニホルド
１３６  燃料電池
１３７  熱交換器
【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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