(57)【要約】【課題】電動ポンプを必要とせず、触媒が長期間にわたって清浄に保たれるような燃料電池用の水素発生装置の提供。【解決手段】水素発生装置(42)は、化学容器(144)と、化学容器(144)に少なくとも部分的に配置され、入口(148)と出口(150)とを有する管状部材(146)と、管状部材(146)内に配置された触媒(156)とを含む。【選択図】図３
2004103583.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
　水素発生装置（４２）であって、
　化学容器（１４４）と、
　前記化学容器（１４４）に少なくとも部分的に配置され、入口（１４８）と出口（１５０）とを有する管状部材（１４６）と、及び
　前記管状部材（１４６）内に配置された触媒（１５６）とを備える、水素発生装置。
【請求項２】
　前記入口（１４８）を覆う親水性スクリーン（２６０）をさらに含む、請求項１記載の水素発生装置。
【請求項３】
　前記出口（１５０）に分離器をさらに含む、請求項１記載の水素発生装置。
【請求項４】
　前記分離器が、前記出口（１５０）において疎水性膜（２６４）をさらに含む、請求項３記載の水素発生装置。
【請求項５】
　前記分離器が、前記出口において親水性スクリーン（２６２）をさらに含む、請求項４記載の水素発生装置。
【請求項６】
　前記触媒（１５６）が、前記管状部材（１４６）内に配置された触媒材料のリングをさらに含む、請求項１記載の水素発生装置。
【請求項７】
　水素を生成する方法であって、水素含有溶液を、溶液容器（１４４）内に少なくとも部分的に収納された管状部材（１４６）に通過させることを含み、その管状部材（１４６）が内部に配置された触媒（１５６）を含む、方法。
【請求項８】
　前記管状部材（１４６）において前記水素含有溶液から生成された水素ガスを分離することをさらに含む、請求項７記載の方法。
【請求項９】
　前記管状部材（１４６）の入口と出口（１５０）をさえぎることをさらに含む、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
　前記管状部材（１４６）において前記触媒（１５６）によって生成された水素気泡を通過させることにより前記触媒を洗浄することをさらに含む、請求項７記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
　本発明は、燃料電池に関する。より詳細には、本発明は、燃料電池用の水素を発生するための方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
　過去１００年にわたって、エネルギーに対する需要が指数関数的に増大してきた。エネルギーに対する需要が増大することに伴い、多くの異なるエネルギー源が探究され開発されてきた。主なエネルギー源の１つは、炭化水素の燃焼であったが、それは今も続いている。しかしながら、炭化水素の燃焼は、通常、様々な量のスモッグおよび他の汚染物質の一因となる不完全燃焼および不燃物という結果になる。
【０００３】
　炭化水素の燃焼によって汚染物質が生成される結果として、より最近の何年間かでは、より清浄なエネルギー源に対する要望が増大してきた。より清浄なエネルギー源に対する関心が高まるに従い、燃料電池がより一般化し、より高性能になってきた。燃料電池が、都市のために大量の電気を発生させるガスタービンと、自動車に動力を供給する内燃機関と、種々の小型および大型の電子機器を動作させるバッテリとにまもなく匹敵するようになると多くの人が推測する程度まで、燃料電池に対する研究および開発は続けられてきた。
【０００４】
　燃料電池は、水素および酸素の電気および熱への電気化学エネルギー変換を行う。燃料電池はバッテリに類似するが、電力を供給する間に「再充電」され得る。
【０００５】
　燃料電池は、モータ、光源または任意の数の電気装置に電力を供給するために使用され得るＤＣ（直流）電圧を供給する。各々が異なる化学的性質を使用するいくつかの異なるタイプの燃料電池がある。燃料電池は、通常、使用される電解質のタイプによって分類される。燃料電池のタイプは、概して、５つのグループ、すなわちプロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池、アルカリ水溶液形燃料電池（ＡＦＣ）、リン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）、および溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）のうちの１つに類別される。
【０００６】
　ＰＥＭ燃料電池
　ＰＥＭ燃料電池は、現在、最も有望な燃料電池技術であると考えられており、任意の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、一般に、４つの基本要素、すなわち、負極（燃料極）（２０）と、正極（空気極）（２２）と、電解質（ＰＥＭ）（２４）と、電解質（２４）の両側に配置された触媒（２６）とを含む。
【０００７】
　負極（２０）は、燃料電池のマイナス極であり、水素分子から遊離した電子を伝導し、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。触媒（２６）の表面にわたって可能な限り均一に水素ガスが分散するように、負極（２０）は内部にエッチングされた溝（２８）を含む。
【０００８】
　正極（２２）は、燃料電池のプラス極であり、酸素（通常、空気）を触媒（２６）の表面に均一に分配するために、内部にエッチングされた溝（３０）を有する。また、正極（２２）は、電子を外部回路から触媒に戻すように伝導し、そこで電子は、水素イオンおよ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産物である。
【０００９】
　電解質（２４）は、プロトン交換膜（ＰＥＭ）（２４）である。ＰＥＭ（２４）は、正に帯電されたイオンのみを伝導する特別に処理された多孔性材料である。ＰＥＭ（２４）は、電子を通過させない。
【００１０】
　触媒（２６）は、一般に、カーボン紙または布の上に薄くコートされた白金粉である。触媒（２６）は、通常、水素または酸素にさらされ得る白金の表面積を最大にするように粗くて多孔性である。触媒（２６）は、酸素および水素の反応を促進する。
【００１１】
　実際の燃料電池では、ＰＥＭ（２４）は、負極（２０）と正極（２２）との間に挟まれる。燃料電池の動作を、以下のように概略的に説明することができる。加圧された水素ガス（Ｈ２）が、燃料電池の負極（２０）側に入る。Ｈ２分子は、触媒（２６）の白金と接触すると、２つのＨ+イオンと２つの電子（ｅ-）とに分裂する。電子は、負極（２０）を介して伝導され、有用な仕事をする（モータを回転させるか、または電球（２３）を発光させる等）ための電力を供給している外部回路（２１）を通り抜け、燃料電池の正極側（２２）に戻る。
【００１２】
　その間、燃料電池の正極（２２）側では、酸素ガス（Ｏ２）が触媒（２６）を通過させられる。ＰＥＭ燃料電池システムによっては、Ｏ２源は空気であってもよい。Ｏ２は、触媒（２６）を通過させられる際、各々が強い負電荷を有する２つの酸素原子を形成する。この負電荷は、ＰＥＭ（２４）を通して２つのＨ+イオンを誘引し、そこでそれらは、１つの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（Ｈ２Ｏ）を形成する。
【００１３】
　このようなＰＥＭ燃料電池反応は、約０．７Ｖしか発生しない。したがって、電圧をより有用なレベルまで上昇させるためには、しばしば多くの別個の燃料電池を結合して燃料電池スタックを形成する。
【００１４】
　ＰＥＭ燃料電池は、一般に、かなり低い温度（約８０℃／１７６°Ｆ）で動作し、そのため、ウォームアップを急速に行うことが可能であり、電気の生成に通常関連した高温に耐えることができる任意の特別な材料を必要としない、または含まない、安価な収容構造に収納されることが可能になる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
　燃料電池のための水素発生
　上述したように、説明した燃料電池の各々は、酸素と水素と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、空気から供給される。実際には、ＰＥＭ燃料電池の場合、大気状態において通常の空気がポンプによって正極に供給される。しかしながら、水素は、酸素のように容易に入手可能ではない。
【００１６】
　水素は、発生、貯蔵および分配が困難である。燃料電池用の水素を生成するための１つの一般的な方法は、改質器の使用である。改質器は、炭化水素またはアルコールの燃料を使用して水素を生成し、その後水素は燃料電池に供給される。不都合なことに、炭化水素燃料がガソリンまたは他の一般的な炭化水素のいずれかである場合、ＳＯｘ、ＮＯｘおよび他の望ましくない生成物が形成される。特に、硫黄は、取り除かれなければならないものであり、さもなければ電極触媒に損傷を与える可能性がある。また、改質器は通常、高温で動作し、供給原料のエネルギーの多くを消費する。
【００１７】
　また、水素は、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され得る。しかしながら、水素を生成するための低温化学反応には、多くの問題が関連する。問題の１つは、一般的に、ポンプが化学混合物を、触媒剤で充填された反応室に移動させる必要があるということである。ポンプを使用することにより、燃料電池が発生している電力の少なくとも一部が消費される（寄生電力と呼ばれる）。ポンプにより消費される電力が非常に高くなると、電気を生成する燃料電池の動作が不経済になる。
【００１８】
　水素を生成する化学反応に関する別の問題は、化学反応を促進する触媒の汚染である。触媒が汚染されると、反応の速度と水素生成の効率とがともに低下する。本発明より以前には、化学反応中に触媒を汚染されない状態に維持する効果的な方法はなかった。したがって、従来の水素生成反応におけるピーク効率を維持することは困難であった。
【００１９】
　さらに、水素ガスを生成するために水素含有化学溶液を最も効果的に使用するために、溶液を循環させて、水素が溶液から入手可能であることをより完全に実現することが望ましい。しかしながら、現行の方法によって水素を効率的に発生させようとする場合、電力を溶液の循環に割り当てることに関連した寄生損失は非常に大きい。
【００２０】
　さらに、電力を効率的に発生する化学反応を促進するために、反応室に提供される化学混合物を正確に計量しなければならない。正確な計量装置により、ポンピングシステムに対する費用、複雑性および敏感性が追加され、寄生電力消費が増大する。また、一般的な燃料電池は通常、向きに依存し、それは化学混合物の計量を、燃料電池が一定の向きにある時にのみ行うことができることを意味する。向きに依存する燃料電池システムにより、携帯型民生用電子機器と複数の異なる向きで使用される可能性のある他の装置とに対する有用性が制限される。
【００２１】
　さらに、デジタルカメラおよびラップトップコンピュータ等の携帯型民生用製品で燃料電池を使用することに対する別の難題は、安全でエネルギー密度が高い水素燃料源を提供することである。電気を発生するために上述したＰＥＭ燃料電池等の燃料電池システムがあったが、それらは一般に、大抵の民生用製品で携帯して使用するためには十分に小型で高密度ではない。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
　本発明は、特に、化学容器と、化学容器に少なくとも部分的に配置され、入口と出口とを有する管状部材と、管状部材内に配置された触媒とを含む、水素発生装置を提供する。
【発明の効果】
【００２３】
　本発明によれば、電動ポンプ等を必要としない燃料電池用の水素発生装置が提供される。とりわけ、本発明の水素発生装置は、発生した水素気泡によって触媒が清浄に保たれるため、従来の装置に比べて長い期間にわたって触媒が汚染されずに効果的な状態が維持される。さらに、液体／ガス分離器を設けることにより、本発明の水素発生装置は、装置の向きに関係なく水素を発生することも可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
　本発明の上述の、および他の特徴および態様は、以下の詳細な説明を読みながら図面を参照することによってさらに明らかとなろう。
【００２５】
　図面において、同一の参照番号は、同様であるが必ずしも同一ではない要素を示す。本発明は、様々な修正形態および代替形態にしやすいが、本発明の特定の実施形態を、図面に一例として示し、本明細書において詳細に説明する。しかしながら、特定の実施形態に関する本明細書における説明は、開示された特定の形態に本発明を限定するように意図されたものではなく、それどころか、本発明は、添付の特許請求の範囲によって定義されるような発明の思想および範囲内にあるすべての修正案、等価物および代替案を包含することが意図されていると理解されなければならない。
【００２６】
　本発明の例示的な実施形態を以下に説明する。当業者には理解されるように、本発明は、多種多様な化学反応、特に燃料電池用の水素を生成するものにおいて実施され得る。燃料電池の適用には、限定されないが、ＰＥＭ燃料電池、ＡＦＣ燃料電池、ＰＡＦＣ燃料電池、ＳＯＦＣ燃料電池、およびＭＣＦＣ燃料電池が含まれる。
【００２７】
　ここで図面、特に図２を参照すると、本発明の一実施形態による燃料電池システムの概観が示されている。図２の実施形態によれば、本実施形態において気泡ポンプ（４２）である水素発生装置と流体連通する燃料電池（４０）がある。気泡ポンプ（４２）は、矢印（４４）によって表される経路に沿って水素ガスの供給を行うことができる。また、周囲空気によって供給され得る供給酸素も、第２の矢印（４６）によって表されるように燃料電池（４０）と流体連通する。
【００２８】
　燃料電池（４０）は、外部回路（４８）を介して電気的負荷（５０）に電力を提供することができる。電気的負荷には、限定されないがデジタルカメラ、ラップトップコンピュータ、および他の定置型および携帯型電子機器を含む任意の電動装置が包含され得る。また、外部回路（４８）は、電気的負荷（５０）に補助電力を供給する、燃料電池（４０）と電気的に並列に示される任意の電気的コンデンサまたはバッテリ（５２）にも接続され得る。
【００２９】
　気泡ポンプ（４２）は、燃料電池（４０）に水素ガスを供給し、多くの異なる形態をとることができる。図３を参照すると、本発明による気泡ポンプ（１４２）の一実施形態が示されている。気泡ポンプ（１４２）は、水素含有溶液を収容するためのシリンダ（１４４）等の化学容器を含む。水素含有溶液には、限定されないが、水素化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＨ４）およびアミンボラン等の水溶性金属水素化物が含まれることができ、それらの各々は水素ガスを生成する。シリンダ（１４４）は、金属、プラスチック、エラストマ、セラミック、複合材料、または概して流体溶液を収容することができ水素含有溶液の反応物と融和性のある他の材料から製作され得る。シリンダ（１４４）は、可撓性であっても剛性であってもよいが、本実施形態では、好適には実質的に剛性である。
【００３０】
　シリンダ（１４４）に少なくとも部分的に配置されるのは、シリンダ（１４４）内へ延びる管状部材（１４６）、たとえば気泡管である。気泡管（１４６）は、直立管であっても他の管状部材であってもよく、金属、プラスチック、エラストマ、セラミック、複合材料または他の材料から製作され得る。しかしながら、非円筒状で規則的または不規則的な断面の管を含む他の管状部材を使用してもよい。本実施形態の気泡管（１４６）は、好適には円筒状であり、入口（１４８）と出口（１５０）とを含む。入口は、シリンダ（１４４）の基部（１５２）近くに配置されることができ、水素含有溶液の気泡管（１４６）への移動を容易にする。出口（１５０）は好適には、シリンダ（１４４）の壁（１５４）を貫通して、またはシリンダ（１４４）によって収容される水素含有溶液の最大液面を越えて延在する。代案として、出口（１５０）は、壁（１５４）の表面と同一平面であるか、またはそれより下にあってもよい。気泡管（１４６）を、図示のようにシリンダ（１４４）と実質的に同心に配置することができるが、これは必ずしもそうすることはない。また、気泡管（１４６）を、シリンダの中心からオフセットした位置に配置してもよい。気泡管（１４６）は、シリンダ（１４４）とは別個のものとして示されている。しかしながら、実施形態によっては、気泡管（１４６）は、シリンダ（１４４）と一体化され、および／またはシリンダ（１４４）内へ形成され得る。
【００３１】
　図３の実施形態によれば、気泡管（１４６）は内部に配置された触媒（１５６）を含む。触媒は、気泡管（１４６）の内部にそれと実質的に同心に配置されたリング（１５６）として示され、好適にはリングに構成される。「実質的に同心」という表現は、気泡管（１４６）と同一平面である触媒リング（１５６）の構成を含むことができる。また、触媒は、図示されたリング構成に対する他の代替的な構成も含むことができる。たとえば、触媒は、気泡管（１４６）内に１つまたは複数の高表面積のフィンを含むことができる。また、触媒は、気泡管（１４６）に挿入され得るスクリーン上にコーティングされてもよく、あるいは気泡管（１４６）の内側に直接コーティングされてもよい。
【００３２】
　触媒リング（１５６）は、水素含有溶液の水素ガスへの反応速度を増大させるように、気泡管（１４６）の入口（１４８）に配置される。触媒リング（１５６）には、限定されないが、ルテニウム、ロジウム、または白金等の貴金属触媒が含まれ得る。また、触媒リング（１５６）には、ニッケル等の他の金属が含まれてもよい。触媒リング（１５６）は、たとえば、以下の化学式に従って水素ガスを放出するように水素化ホウ素ナトリウム水溶液の反応を促進できる。
　ＮａＢＨ４＋２Ｈ２Ｏ→４Ｈ２＋ＮａＢＯ２　　　　　　　　　　　　　　　（１）
【００３３】
　また、気泡ポンプ（１４２）は、シリンダ（１４４）によって収容される水素含有溶液を加熱するための、シリンダ（１４４）内に配置された抵抗加熱素子（１４５）も含むことができる。好適には、気泡ポンプ（１４２）は、燃料電池によって発生した熱がシリンダ（１４４）に伝達されて水素含有溶液の温度が上昇するように、燃料電池に隣接して配置される。しかしながら、特に燃料電池の始動中、水素ガス発生を促進するために、抵抗加熱素子（１４５）により水素含有溶液の初期温度を上昇させることが望ましい場合がある。
【００３４】
　図３の実施形態による気泡ポンプ（１４２）の動作を、以下のように説明することができる。水素化ホウ素ナトリウム等の水素含有溶液を、シリンダ（１４４）に供給する。抵抗加熱素子（１４５）をオンにすることにより、水素含有溶液を加熱することができる。水素含有溶液は、入口（１４８）を通って気泡管（１４６）に入り、そこで触媒リング（１５６）が水素含有溶液の反応速度を上昇させる。結果として、溶液から水素気泡（１５８）が放出され、気泡管（１４６）内を移動する。図示のような直立型構成によれば、重力によって溶液が入口（１４８）に引入れられる。これにより、水素気泡（１５８）が触媒リングを通過して気泡管（１４６）の出口（１５０）まで浮上する。気泡が気泡管（１４６）内を上昇するに従い、新鮮な溶液が入口（１４８）に引込まれ、ポンプそっくりの連続した流れが生成される。有利な点は、水素気泡は、触媒リング（１５６）を通過して浮上する際に、触媒リング（１５６）上に集積され得る反応済み溶液および任意の残留物を運ぶ。したがって、触媒リング（１５６）は、触媒を使用する水素発生器で使用される従来の触媒要素より長い期間、汚染されず効果的なままである。水素気泡（１５８）が気泡管（１４６）の出口（１５０）に到達すると、残留物および溶液はシリンダ（１４４）に溢れ出て、有利には、気泡ポンプにさらなる任意の外部エネルギーを追加する必要なく溶液が循環する。そして、水素気泡（１５８）は、上述したように蓄積し、および／または動作のために燃料電池に送られ得る。燃料電池が動作状態になると、動作中の燃料電池からの熱が抵抗加熱素子によって最初に供給された熱に取って代るため、抵抗加熱素子（１４５）をオフにすることができる。
【００３５】
　この開示の利益を有する当業者には、水素ガスを生成するための気泡ポンプの反応速度が、特に入口（１４８）のサイズを調整すること、気泡管（１４６）の直径を変更すること、気泡管（１４６）の直径をその長さに沿って変更すること、および水素ガスの背圧を制御することにより、制御され得ることが理解されよう。さらに、複数の気泡管を使用することができ、その際、気泡管（１４６）の数は、水素ガス生成速度をさらに制御するように増減して調整される。図示された実施形態において、第１の気泡管（１４６）と任意の第２の気泡管（１４７）とが存在するが、望み通りにシリンダ（１４４）に１つまたは複数のさらなる気泡管（１４６）を追加してもよい。
【００３６】
　図３の気泡ポンプは、向きに依存する。水素気泡（１５８）の発生のために重力に頼るため、図３の構成は好適には、動作中、実質的に直立位置に維持される。「実質的に直立」という表現には、水平位置から少なくとも数度傾いているが、依然として重力が溶液を気泡管（１４６）の入口（１４８）に引込むことができる配置が含まれる。しかしながら、図４に示すような気泡ポンプ（２４２）の別の実施形態は、向きに依存しない。図４の実施形態によれば、気泡ポンプ（２４２）は、シリンダ（２４４）等、水素含有溶液を収容するための化学容器を含む。シリンダ（２４４）は、水素ガスを生成するために使用される反応物に従って多種多様の材料を含むことができる。図３の実施形態のシリンダ（１４４）と同様に、シリンダ（２４４）は、可撓性であっても剛性であってもよいが、本実施形態では、シリンダ（２４４）は好適には剛性である。
【００３７】
　シリンダ（２４４）に少なくとも部分的に配置されるのは、シリンダ（２４４）内に延びる管状部材（２４６）、たとえば気泡管である。気泡管（２４６）は、直立管であっても他の管状部材であってもよく、金属、プラスチック、エラストマ、セラミック、複合材料または他の材料から製作され得る。しかしながら、非円筒状で規則的または不規則的な断面の管を含む他の管状部材を使用してもよい。本実施形態の気泡管（２４６）は、円筒状であり、入口（２４８）と出口（２５０）とを含む。入口は、シリンダ（２４４）の基部（２５２）近くに配置されることができ、水素含有溶液の気泡管（２４６）への移動を容易にする。出口（２５０）は、シリンダ（２４４）の壁（２５４）を貫通して、またはシリンダ（２４４）によって収容される水素含有溶液の最大液面を越えて延在することができる。代案として、出口（２５０）は、壁（２５４）の表面と同一平面であるか、またはそれより下にあってもよい。気泡管（２４６）は、図示されたようにシリンダ（２４４）と実質的に同心に配置され得るが、これは必ずしもそうとは限らない。また、気泡管（２４６）は、シリンダの中心からオフセットした位置に配置されてもよい。気泡管（２４６）は、シリンダ（２４４）とは別個のものとして示されているが、実施形態によっては、シリンダ（２４４）と一体化され、および／またはシリンダ（２４４）内に形成され得る。
【００３８】
　図３の実施形態と同様に、図４の気泡管（２４６）は内部に配置された触媒を含む。触媒は、気泡管（２４６）と実質的に同心にその内部に配置されたリング（２５６）として示され、好適にはリングとして形成される。触媒リング（２５６）は、水素含有溶液の水素ガスへの反応速度を増大させるように、気泡管（２４６）の入口（２４８）に配置される。触媒リング（２５６）には、限定されないが、ルテニウム、ロジウム、または白金等の貴金属触媒が含まれ得る。また、触媒リング（２５６）には、ニッケル等の他の金属が含まれてもよい。
【００３９】
　また、気泡管（２４６）は、気泡管（２４６）の入口（２４８）を覆う第１の親水性スクリーン（２６０）を含むことができる。第１の親水性スクリーン（２６０）は、図示されるように気泡管（２４６）の入口（２４８）とシリンダ（２４４）の基面（２５２）との間に円筒状に延在することができる。代案として、第１の親水性スクリーン（２６０）は、キャップとして入口（２４８）を覆ってもよい。第１の親水性スクリーン（２６０）は、液体溶液を容易に通過させることができる。しかしながら、第１の親水性スクリーン（２６０）は、毛管抵抗により水素ガスの通過を選択的に阻止する。
【００４０】
　第１の親水性スクリーン（２６０）は、ステンレス鋼フィルタスクリーンを含むことができる。第１の親水性スクリーン（２６０）の有効な穴のサイズは、液体／ガス分離を確実にするために圧力降下と気泡圧力との平衡を保つように選択される。用途の特定の必要性に従って適切な親水性スクリーンの穴のサイズを選択することは、この開示の利益を有する当業者の理解範囲内にある。たとえば、ステンレス鋼フィルタスクリーンのサイズを、以下の式に従って決めることができる。
　Ｄｅｆｆ＝４σ＊ｃｏｓθ／ΔＰ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（２）
ここでＤｅｆｆは、親水性スクリーンの有効な穴サイズの直径であり、σは、単位面積当たりのエネルギーで表される表面張力であり、θは、濡れ接触角であり、ΔＰは、反応器に対する親水性スクリーンにわたる上限の設計圧力差であり、それより下であると水素ガスは親水性スクリーンを通過しない。
【００４１】
　本発明による一実施形態では、上記式（２）を使用することにより、幾つかの用途に対して約６μｍの有効な穴サイズをもたらす場合があるが、この寸法はそのように限定されない。適切に有効な穴のサイズを決めることにより、生成された水素ガスのすべて、または実質的にすべてが、第１の親水性スクリーン（２６０）を通過しないようにすることができる。
【００４２】
　また、気泡管（２４６）は、液体溶液から水素ガスの気泡を分離するために、出口（２５０）に分離器を含んでもよい。分離器は、第１の親水性スクリーン（２６０）と同様に、しかし出口（２５０）に配置された第２の親水性スクリーン（２６２）を含むことができる。上述したように、第２の親水性スクリーン（２６２）もまた、液体の通過を可能にするが、水素ガスの通過を阻止するようなサイズになっている。したがって、気泡管（２４６）において生成される水素ガスは、第２の親水性スクリーン（２６２）を通過することができないが、気泡管において使用される溶液は、第２の親水性スクリーン（２６２）を通過してシリンダ（２４４）内を再循環することができる。実施形態によっては、第２の親水性スクリーン（２６２）は、第１の親水性スクリーン（２６０）の一部とすることができ、第１の親水性スクリーン（２６０）が、第２の親水性スクリーン（２６２）に対して示される位置まで延在する。第１および第２の親水性スクリーン（２６０／２６２）は、濡れた場合、単に水素ガスの通過のみを妨げることができる。したがって、シリンダ（２４４）に、液体溶液を完全に充填することができる。
【００４３】
　また、分離器は、水素ガスの通過を選択的に可能にするための疎水性膜（２６４）を含むこともできる。疎水性膜（２６４）は水素および他の気体の通過を可能にするが、液体は、疎水性膜（２６４）を通過しない傾向がある。したがって、疎水性膜（２６４）と親水性スクリーン（２６２）とは、有利に、水素化ホウ素ナトリウム溶液等、水素含有溶液から生成された結果としての水素と廃棄物との液体／気体混合物に対して、分離経路を提供する。疎水性膜（２６４）には、Goretex（登録商標）、Celgard（登録商標）または他の容易に入手可能な材料が含まれ得る。
【００４４】
　また、図４に示されるように、気泡管の基部の周囲に、回収器（２６６）を配置してもよい。この回収器（２６６）は好適には、管（２４６）の基部をとり囲み、気泡管（２４６）の出口（２５０）に向って開いた円錐状のものである。水素気泡が管（２４６）を出て溶液が再循環される際に、粒子状物質と他の汚染物質とが管（２４６）から運び出され、その後シリンダ（２４４）の基部（２５２）に向って沈殿され得る。この物質は、管（２４６）の入口（２４８）を詰らせる傾向があり、たとえば、親水性スクリーン（２６２）に集積する。この問題を解決するために、入口（２４８）を詰らせる傾向のある任意の物質または汚染物質を回収するように、入口（２４８）の上の管（２４６）の周囲に、回収器（２６６）を配置する。
【００４５】
　図４の実施形態による気泡ポンプ（２４２）の動作を、以下のように説明することができる。水素化ホウ素ナトリウム等の水素含有溶液を、シリンダ（２４４）内に供給する。水素含有溶液は、第１の親水性スクリーン（２６０）を通過し、入口（２４８）を通って気泡管（２４６）に入る。水素含有溶液は、水素含有溶液の反応速度を上昇させる触媒リング（２５６）に接触する。そして、気泡管（２４６）において溶液から水素気泡（２５８）が生成される。水素気泡（２５８）は、溶液から生成されると、気泡ポンプ（２４２）の向きに応じて、気泡管の入口（２４８）または出口（２５０）に向って移動する傾向がある。気泡ポンプ（２４２）が実質的に直立の向きにあり、水素気泡（２５８）が出口（２５０）に移動する傾向がある場合、水素気泡は触媒リング（２５６）を通過して出口（２５０）まで浮上する。水素気泡は、第２の親水性スクリーン（２６２）によってシリンダ（２４４）に再び入ることは防止されるが、消費された水素含有溶液および他の生成物は、親水性スクリーン（２６２）を通過してシリンダ（２４４）内に戻り、そこで再循環されるか、または処分され得る。しかしながら、水素気泡は、疎水性膜（２６４）を通過することができ、そこで燃料電池に供給され得る。消費される水素含有溶液および他の生成物は、疎水性膜（２６４）を通過することを阻止される。
【００４６】
　水素気泡（２５８）が入口（２４８）に移動する傾向にある向きに、気泡ポンプ（２４２）がある場合、水素気泡（２５８）は、第１の疎水性スクリーン（２６０）によってシリンダに戻らないように遮断される。したがって、化学反応が進行するに従い、気泡管（２４６）内の圧力が、増大して最終的に水素気泡を出口（２５０）に向って付勢することができる。水素気泡は、出口（２５０）に到達すると、疎水性膜（２６４）を通過することはできるが、第２の親水性スクリーン（２６２）を通過することはできない。
【００４７】
　したがって、出口（２５０）における分離器と第１の親水性スクリーン（２６０）とを追加することにより、向きに依存しない気泡ポンプ（２４２）が提供される。図３の気泡ポンプ（１４２）と同様に、気泡管（２４６）において生成される水素は、蓄積し、および／または燃料電池に供給され得る。
【００４８】
　図５は、図４に関連して図示され上述されたものと類似する本発明の別の実施形態を示す。しかしながら、図５の実施形態では、気泡管（２４６）は、シリンダ（２４４）の全体にわたって延在していない。むしろ、図５の水素発生器（２６８）では、気泡管（２４６）の出口（２５０）は、シリンダ（２４４）の内部に配置され、水素気泡をシリンダ（２４４）の内部に放出する。気泡が放出されるのに従い、液体は再循環される。気泡は、シリンダ出口（２７０）を通過して浮上し、その後、燃料電池に送られるか、または何らかの他の用途に使用され得る。また、図５の実施形態は好適には、気泡管（２４６）の入口（２４８）を詰らせる傾向のある沈積物および汚染物質を回収する回収器（２６６）も含む。
【００４９】
　次に図６を参照すると、本発明による気泡ポンプ水素カートリッジ（３４２）の一実施形態の斜視図が示されている。気泡ポンプ水素カートリッジ（３４２）は、図３および図４に関連して説明された気泡ポンプ（１４２／２４２）の要素を含むことができる。図６の実施形態によれば、図３および図４のシリンダ（１４４／２４４）は、シェル（３６６）を含むことができる。さらに、シェル（３６６）は、燃料電池の入口に係合され得る水素ガス経路を提供する管継手（３６８）を含むことができる。
【００５０】
　次に図７を参照すると、気泡ポンプ水素カートリッジ（４４２）の実施形態が断面で示されている。図７の実施形態は、図３および図５に関連して説明された実施形態と類似する。しかしながら、図７の実施形態は、管継手の入口（４７０）において疎水性膜（４６４）を含む。疎水性膜は、図４に関連して説明された疎水性膜（２６４）と同じか、またはまったく同一の態様で動作することにより、気泡管（４４６）において生成された水素ガスが管継手の入口（４７０）を介して管継手（４６８）に入るのを可能にする。さらに、気泡ポンプ水素カートリッジ（４４２）の気泡管（４４６）は、触媒リング（４５６）が気泡管（４４６）と実質的に同一平面になるように触媒リング（４５６）の受入れリセス（４７２）を含む。
【００５１】
　図７の実施形態は、気泡管（４４６）の第１の端部（４４８）に配置された、入口ポート（４７６）を開閉するためのプラグ（４７４）を含む。入口ポート（４７６）は、プラグ（４７４）が図示された開位置にある場合に、シリンダまたはシェル（４６６）によって収容された水素含有溶液が気泡管（４４６）に入ることを可能にする。プラグ（４７４）は、図示された開位置と入口ポート（４７６）への経路を遮断する閉位置との間で移動可能である。さらに、プラグは、水素含有溶液の気泡管（４４６）への流れを調整するように、任意の数の中間位置に配置され得る。プラグ（４７４）は、プラスチック、エラストマ、または他の材料から製作されることができ、手によって、またはソレノイド等の電動アクチュエータによって動作され得る。プラグ（４７４）を使用して、水素ガスを生成する化学反応を開始および停止することができる。したがって、プラグ（４７４）は、閉じられた場合に、触媒リング（４５６）（または他の触媒構成）を完全に封鎖することができる。また、プラグ（４７４）は、作動する度に触媒リング（４５６）を擦って清浄にできる。
【００５２】
　図７の実施形態による気泡ポンプ水素カートリッジ（４４２）の動作を、以下のように説明することができる。水素化ホウ素ナトリウム等の水素含有溶液を、シェル（４６６）内に供給する。プラグ（４７４）が図示された開位置にある場合に、水素含有溶液は、入口ポート（４７６）を通って気泡管（４４６）に入る。水素含有溶液は、水素含有溶液の反応速度を上昇させて気泡管（４４６）において溶液から水素気泡を発生させる触媒リング（４５６）と接触する。図示されたような実質的に直立した構成によれば、重力により、水素気泡が触媒リング（４５６）を通過して気泡管（４４６）の出口（４５０）まで浮上する。有利な点は、水素気泡は、触媒リング（４５６）を通過して浮上する際に、触媒リング（４５６）上に集積した反応済み溶液および残留物を運ぶ。したがって、触媒リング（４５６）は、従来の水素発生器における触媒剤より長い期間、汚染されずに効果的なままである。水素気泡が気泡管（４４６）の出口（４５０）に達すると、残留物および溶液はシェル（４６６）内に溢れ出て、有利には、気泡ポンプに対して任意の外部エネルギーを与える必要もなく溶液が循環する。そして、水素気泡は、蓄積し、および／または疎水性膜（４６４）を通過して管継手（４６８）を介して燃料電池に送られ得る。
【００５３】
　次に図８を参照すると、気泡ポンプ水素カートリッジ（５４２）の別の実施形態が示されている。図８の実施形態は、図４および図５に関連して説明された実施形態と同様である。気泡ポンプ水素カートリッジ（５４２）は、水素含有溶液を収容するためのシェル（５６６）と、シェル（５６６）内に配置された気泡管（５４６）とを含む。気泡管（５４６）は、触媒リング（５５６）を含み、触媒リングは好適には、気泡管（５４６）のリセス（５７２）に、気泡管（５４６）と同心であり実質的に同一平面であるように配置される。しかしながら、実施形態によっては、触媒リング（５５６）は、気泡管（５４６）と実質的に同一平面にはない。また、気泡ポンプ水素カートリッジ（５４２）は、燃料電池装置と嵌合するように構成された管継手（５６８）も含み、水素ガスはそれを通って燃料電池に提供される。
【００５４】
　図７の実施形態と同様に、図８の気泡ポンプ水素カートリッジ（５４２）は、気泡管（５４６）とシェル（５６６）によって収容される水素含有溶液との間でポート（５７６）を選択的に開閉するためのプラグ（５７４）を含む。プラグは、開位置および閉位置と同様に中間位置の間で動作でき、手によって、またはソレノイド等の電動アクチュエータによって作動され得る。
【００５５】
　また、図８の気泡管（５４６）は、水素または他の気体の通過を実質的に制限するための親水性スクリーン（５７８）も含むことができる。親水性スクリーン（５７８）は、上述したパラメータに従って、有利に気泡ポンプ水素カートリッジ（５４２）が向きに依存しない態様で動作することが可能になるようなサイズに形成され得る。親水性スクリーン（５７８）は、図示されたように、気泡管（５４６）の全長をシェル（５６６）の第１および第２の限界（５８０および５８２）まで延ばすことができ、あるいは親水性スクリーン（５７８）を第１および第２のスクリーンに分離し、第１のスクリーンを気泡管（５４６）の入口ポート（５７６）に配置し、第２のスクリーンを出口（５５０）に配置することができる。親水性スクリーン（５７８）は、疎水性膜（５６４）と組み合わせて、気泡管においてシェル（５６６）によって収容された水素含有溶液から生成された水素ガスのための液体／ガス分離器として機能する。
【００５６】
　図８の実施形態による気泡ポンプ水素カートリッジ（５４２）の動作を、以下のように説明することができる。水素化ホウ素ナトリウム等の補給水素含有溶液を、シェル（５６６）に供給する。プラグ（５７４）が開位置にある場合、水素含有溶液は、親水性スクリーン（５７８）を通過し、入口ポート（５７６）を通って気泡管（５４６）に入る。水素含有溶液は、水素含有溶液の反応速度を上昇させて気泡管（５４６）において溶液から水素気泡を発生させる触媒リング（５５６）と接触する。水素気泡は、溶液から出てくると、気泡ポンプ水素カートリッジ（５４２）の向きに応じて、気泡管（５４６）の入口ポート（５７６）または出口（５５０）に向って移動する傾向がある。気泡ポンプ水素カートリッジ（５４２）が実質的に直立した向きにあり、水素気泡が出口（５５０）に移動する傾向がある場合、水素気泡は、触媒リング（５５６）を通過して出口（５５０）まで浮上する。水素気泡は、親水性スクリーン（５７８）によってシェル（５６６）に再び入ることが防止されるが、消費される水素含有溶液と他の生成物は、親水性スクリーン（５７８）を通過してシェル（５６６）内に戻り、そこで再循環されるか、または処分され得る。しかしながら、水素気泡は、疎水性膜（５６４）を通過することができ、そこで管継手（５６８）を介して燃料電池に供給され得る。消費される水素含有溶液と他の生成物は、疎水性膜（５６４）を通過することが阻止される。親水性スクリーン（５７８）は、濡れた場合に水素ガスの通過のみを防止することができる。したがって、カートリッジ（５４２）は、水素含有溶液で完全に充填され得る。
【００５７】
　水素気泡が入口ポート（５７６）に移動する傾向にある向きに、気泡ポンプ（５４２）がある場合、水素気泡は、親水性スクリーン（５７８）によってシェル（５６６）に戻らないように遮断される。したがって、化学反応が進行するにしたがい、気泡管（５４６）における圧力は、上昇して、最終的に水素気泡を出口（５５０）に向って付勢することができる。水素気泡は、出口（５５０）に達すると、疎水性膜（５６４）を通過して管継手（５６８）内に移動することができるが、親水性スクリーン（５７８）を通過することはできない。したがって、親水性スクリーン（５７８）と疎水性膜（５６２）とは、気泡管（５４６）の出口（５５０）において分離器として機能し、向きに依存しない気泡ポンプ水素カートリッジ（５４２）を提供する。
【００５８】
　図７の気泡ポンプ水素カートリッジ（４４２）と同様に、気泡管（５４６）において生成された水素は、蓄積し、および／または燃料電池に提供され得る。
【００５９】
　前述した説明は、本発明を例示して説明するためだけに提示されている。それは、網羅的であるように、または本発明を開示されたいかなる厳密な形態にも限定するようには、意図されていない。上記教示に鑑みて、多くの修正および変形が可能である。
【００６０】
　図示された実施形態は、本発明の原理とその実際の用途とを最もよく説明するために選択されて説明された。前述の説明は、当業者が、企図された特定の用途に適するように、本発明を種々の実施形態において、および種々の変形形態で最もよく利用することができるように意図されている。本発明の範囲は特許請求の範囲によって定義されるように意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】未組立のＰＥＭ燃料電池装置の斜視図である。
【図２】本発明の一実施形態による燃料電池装置と水素発生システムとの概略図である。
【図３】本発明の一実施形態による水素発生器の概略図である。
【図４】本発明の別の実施形態による水素発生器の概略図である。
【図５】本発明の別の実施形態による水素発生器の概略図である。
【図６】本発明の実施形態による水素発生器の斜視図である。
【図７】図６による水素発生器の断面斜視図である。
【図８】本発明の別の実施形態による水素発生器の断面斜視図である。
【符合の説明】
【００６２】
40　燃料電池
42、142　気泡ポンプ（水素発生装置）
144　シリンダ
146　気泡管
148　入口
150　出口
156　触媒
【図１】
2004103583.tif 000003
【図２】
2004103583.tif 000004
【図３】
2004103583.tif 000005
【図４】
2004103583.tif 000006
【図５】
2004103583.tif 000007
【図６】
2004103583.tif 000008
【図７】
2004103583.tif 000009
【図８】
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