(57)【要約】システム、デバイス、および方法は、熱的に安定した反応物質および水溶液を組み合わせ、水素および非毒性液体副生成物を発生させる。反応物質は、ナトリウムシリサイドまたはナトリウムシリカゲルであることができる。水素発生デバイスは、燃料電池および他の産業用途において使用される。あるシステムは、冷却、圧送、水貯蔵、および他のデバイスを組み合わせ、反応物質と水溶液との間の反応を感知および制御し、水素を発生させる。バネおよび他の加圧機構は、水溶液を加圧し、反応をもたらす。逆止弁および他の圧力調節機構は、加圧機構の特性に基づいて、反応器内の反応燃料物質に送達される水溶液の圧力を調節し、加圧力に関連付けられた定常減衰として、送達される水溶液の圧力を調節することができる。圧力調節機構はまた、水素ガスが圧力調節機構をたわませることを防止することができる。
2015505529.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素ガスを発生させるシステムであって、前記システムは、
溶液入口ポートおよび水素出口ポートを含む反応器と、
前記反応器に追加される反応燃料物質と、
バネおよび溶液チャンバを伴う水供給システムと
を備え、
前記バネは、前記溶液チャンバに力を加え、水溶液を加圧して、前記溶液入口充填ポートを介して前記反応器内の反応燃料物質に前記水溶液を送達することにより、前記水素出口ポート介して産業用途へ経路指定される水素ガスを発生させる、水素ガスを発生させるシステム。
【請求項２】
前記反応燃料物質は、ナトリウムシリサイド粉末またはナトリウムシリカゲルのうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の水素ガスを発生させるシステム。
【請求項３】
前記バネの特性に基づいて、前記反応器内の前記反応燃料物質に送達される前記水溶液の圧力を調節する逆止弁をさらに備えている、請求項１に記載の水素ガスを発生させるシステム。
【請求項４】
前記逆止弁は、前記バネの力に関連付けられた定常減衰として、前記送達される水溶液の圧力を調節する、請求項３に記載の水素ガスを発生させるシステム。
【請求項５】
前記逆止弁は、水素ガスが前記バネをたわませることを防止する、請求項３に記載の水素ガスを発生させるシステム。
【請求項６】
水量制限器をさらに備え、前記水量制限器は、反応を開始または再開させるために前記反応燃料物質に最初に送達される前記送達される水溶液の圧力を弱める、請求項１に記載の水素ガスを発生させるシステム。
【請求項７】
視覚ウインドウをさらに備え、前記視覚ウインドウは、前記反応の状態を決定するための前記反応器に追加された前記水溶液の容積を示す、請求項１に記載の水素ガスを発生させるシステム。
【請求項８】
前記決定された反応の状態は、反応した反応燃料物質の量、前記反応器内に残留する反応燃料物質の量、および前記反応によって発生した水素ガスの量のうちの少なくとも１つを含む、請求項７に記載の水素ガスを発生させるシステム。
【請求項９】
水圧、水素圧力、バネ力、およびバネ変位のうちの少なくとも１つを測定し、前記水溶液および前記反応燃料物質の反応の状態を決定する力ゲージをさらに備えている、請求項１に記載の水素ガスを発生させるシステム。
【請求項１０】
前記力ゲージは、水圧、水素圧力、バネ力、およびバネ変位のうちの少なくとも１つを測定し、前記反応の状態を決定するためのデータベースを伴うマイクロコントローラを含む、請求項９に記載の水素ガスを発生させるシステム。
【請求項１１】
前記決定された反応の状態は、反応した反応燃料物質の量、前記反応器内に残留する反応燃料物質の量、および前記反応によって発生した水素ガスの量のうちの少なくとも１つを含む、請求項９に記載の水素ガスを発生させるシステム。
【請求項１２】
前記決定された反応の状態を表示するためのディスプレイデバイスをさらに備えている、請求項９に記載の水素を発生させるシステム。
【請求項１３】
前記バネは、前記反応器内の容積を前記水溶液の容積と交換する、請求項１に記載の水素ガスを発生させるシステム。
【請求項１４】
水素ガスを発生させる方法であって、前記方法は、
反応物質を反応器内に挿入することと、
バネを用いて、溶液チャンバに力を加え、前記溶液チャンバ内の水溶液を加圧することと、
水供給システムを用いて、溶液入口充填ポートを介して、前記加圧された水溶液を前記反応器内の反応物質に送達し、水素ガスを発生させることと、
水素出口ポートを介して、前記反応器から発生した水素ガスを産業用途へ経路指定することと
を含む、水素ガスを発生させる方法。
【請求項１５】
前記反応物質は、ナトリウムシリサイド粉末またはナトリウムシリカゲルのうちの少なくとも１つを含む、請求項１４に記載の水素ガスを発生させる方法。
【請求項１６】
逆止弁を用いて、前記反応器内の前記反応燃料物質に送達される前記水溶液の圧力を調節することをさらに含み、前記圧力は、前記バネの特性に基づいて調節される、請求項１４に記載の水素ガスを発生させるシステム。
【請求項１７】
前記逆止弁を用いて前記水溶液の圧力を調節することは、前記バネの力に関連付けられた定常減衰として、前記送達される水溶液の圧力を調節することを含む、請求項１６に記載の水素ガスを発生させる方法。
【請求項１８】
水素ガスが前記バネをたわませることを防止することをさらに含む、請求項１６に記載の水素ガスを発生させる方法。
【請求項１９】
水量制限器を用いて、反応を開始または再開するために前記反応燃料物質に最初に送達される前記送達される水溶液の圧力を弱めることをさらに含む、請求項１４に記載の水素ガスを発生させる方法。
【請求項２０】
前記反応器に追加された水溶液の容積を測定することと、
前記反応器に追加された水溶液の測定された容積に基づいて、前記反応の状態を決定することと、
をさらに含む、請求項１４に記載の水素ガスを発生させる方法。
【請求項２１】
前記決定された反応の状態は、反応した反応燃料物質の量、前記反応器内に残留する反応燃料物質の量、および前記反応によって発生した水素ガスの量のうちの少なくとも１つを含む、請求項２０に記載の水素ガスを発生させる方法。
【請求項２２】
力ゲージを用いて、水圧、水素圧力、バネ力、およびバネ変位のうちの少なくとも１つを測定することと、
前記測定された水圧、水素圧力、バネ力、およびバネ変位のうちの少なくとも１つに基づいて、前記水溶液および前記反応燃料物質の反応の状態を決定することと
をさらに含む、請求項１４に記載の水素ガスを発生させる方法。
【請求項２３】
前記力ゲージは、水圧、水素圧力、バネ力、およびバネ変位のうちの少なくとも１つを測定し、前記反応の状態を決定するためのデータベースを伴うマイクロコントローラを含む、請求項２２に記載の水素を発生させる方法。
【請求項２４】
前記反応の状態を決定することは、反応した反応燃料物質の量および前記反応器内に残留する反応燃料物質の量のうちの少なくとも１つを決定することを含む、請求項２２に記載の水素を発生させる方法。
【請求項２５】
ディスプレイデバイスを用いて、前記決定された反応の状態を表示することをさらに含む、請求項２２に記載の水素を発生させる方法。
【請求項２６】
前記バネを用いて、前記反応器内の容積を前記水溶液の容積と交換することをさらに含む、請求項１４に記載の水素ガスを発生させる方法。
【請求項２７】
水素ガスを発生させるシステムであって、前記システムは、
溶液入口ポートおよび水素出口ポートを含む反応器と、
前記反応器に追加される反応燃料物質と、
エラストマー溶液チャンバを伴う水供給システムと
を備え、
前記水供給システムは、水溶液を加圧して、前記溶液入口充填ポートを介して前記反応器内の反応燃料物質に前記水溶液を送達することにより、前記水素出口ポートを介して産業用途へ経路指定される水素ガスを発生させる、システム。
【請求項２８】
水素ガスを発生させる方法であって、
反応物質を反応器内に挿入することと、
エラストマー溶液チャンバから力を加えることであって、前記力は、前記溶液チャンバ内の水溶液を加圧する、ことと、
水供給システムを用いて、溶液入口充填ポートを介して、前記加圧された水溶液を前記反応器内の反応物質に送達することにより、水素ガスを発生させることと、
水素出口ポートを介して、前記反応器から発生した水素ガスを産業用途へ経路指定することと
を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本技術は、概して、反応燃料物質および水溶液を使用して、水素を生成するシステムおよび方法に関し、より具体的には、水、水溶液、熱、またはｐＨ変化を用いて反応させられる場合に、ナトリウムシリサイド、ナトリウムシリカゲル、または多成分混合物を使用して、水素を生成するためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、外部供給源燃料を電流に変換する、電気化学的エネルギー変換デバイスである。多くの一般的燃料電池は、燃料として水素を使用し、酸化剤として（通常は空気からの）酸素を使用する。こうした燃料電池の副生成物は水であり、燃料電池を、環境に対する影響が非常に少ない、電力を発生させるデバイスにしている。
【０００３】
燃料電池は、ガソリンタービン、内燃機関、およびバッテリ等の電力を生成する多数の他の技術と競合する。燃料電池は、配置発電、照明、バックアップ電力、家庭用電化製品、電気自転車等の個人用移動装置、および造園機器、ならびにその他を含む、多くの用途に使用することができる直流（ＤＣ）電圧を提供する。多種多様な燃料電池が使用可能であり、各々、異なる化学作用を使用して電力を発生させる。燃料電池は、通常、それらの動作温度およびそれらが利用する電解質系の種類に従って分類される。１つの一般的な燃料電池は、燃料として水素を使用しその酸化剤として酸素（通常は空気）を使用する、高分子交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）である。それは、高電力密度と、通常は８０℃未満である低い動作温度とを有している。これらの燃料電池は、適度なパッケージング要件およびシステム実装要件を伴い信頼性が高い。
【０００４】
水素貯蔵および発生の課題は、ＰＥＭ燃料電池の広範囲の採用を制限してきた。分子状水素は、質量ベースでエネルギー密度が非常に高いが、周囲条件におけるガスとして容積エネルギー密度が非常に低い。高圧および極低温を含む、携帯用用途に水素を提供するように採用される技法は普及しているが、それらは、ほとんどの場合、要求に応じて水素ガスを確実に放出する化学化合物に焦点を当ててきた。現在物質内に水素を貯蔵するために使用される３つの広く許容されている機構は、吸引、吸着、および化学反応である。
【０００５】
燃料電池に燃料を補給する吸収水素貯蔵では、水素ガスは、金属水素化物等の所定の結晶物質の塊の中に高圧で直接吸収される。ほとんどの場合、ＭｇＨ２、ＮａＡｌＨ４、およびＬａＮｉ５Ｈ６等の金属水素化物を使用して、水素ガスを可逆的に貯蔵する。しかしながら、金属水素化物系には、比エネルギーが不十分であり（すなわち、水素貯蔵対金属水素化物質量比が低い）、入出力流量特性が不十分であるという問題がある。水素流動特性は、金属水素化物の吸熱特性（内部温度は、水素を除去するときに低下し、水素を再充填するときに上昇する）によって駆動される。これらの特性のため、金属水素化物は、重量がある傾向があり、それら金属水素化物を迅速に充填および／または放出するために複雑なシステムを必要とする。例えば、金属水素化物または他の何らかの水素系化学燃料を収容するカートリッジに加圧水素ガスを貯蔵し、次いで制御可能にそこから放出するシステムについては、米国特許第７，２７１，５６７号（特許文献１）を参照されたい。このシステムはまた、金属水素化物燃料自体の温度および／または圧力を測定することにより、かつ／または燃料電池の電流出力を測定して消費された水素の量を推定することにより、燃料電池に送達することができる残りの水素のレベルを監視する。
【０００６】
燃料電池に燃料を補給する吸着水素貯蔵では、分子状水素は、物理吸着または化学吸着のいずれかにより化学燃料に関連付けられる。水素化リチウム（ＬｉＨ）、水素化アルミニウムリチウム（ＬｉＡｌＨ４）、水素化ホウ素リチウム（ＬｉＢＨ４）、水素化ナトリウム（ＮａＨ）、水素化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＨ４）等の化学水素化物が、不可逆的に水素ガスを貯蔵するために使用される。化学水素化物は、以下に示すように水と反応すると大量の水素ガスを生成する。
ＮａＢＨ４＋２Ｈ２０−＞ＮａＢ０２＋４Ｈ２
化学水素化物の水との反応を確実に制御して燃料貯蔵デバイスから水素ガスを放出するために、水のｐＨの厳密な制御とともに、触媒を採用しなければならない。また、化学水素化物は、多くの場合、その水素ガスの早期の放出から水素化物を保護するために、不活性安定化液体のスラリーで具現化される。米国特許第７，６４８，７８６号（特許文献２）、第７，３９３，３６９号（特許文献３）、第７，０８３，６５７号（特許文献４）、第７，０５２，６７１号（特許文献５）、第６，９３９，５２９号（特許文献６）、第６，７４６，４９６号（特許文献７）、および第６，８２１，４９９号（特許文献８）に示される化学水素化物システムは、少なくとも１つであるが、多くの場合、複数の上述の特性を利用する。
【０００７】
燃料電池用に水素を生成する化学反応方法では、水素貯蔵および水素放出は、多くの場合、化学燃料の温度または圧力の適度な変化によって触媒される。温度によって触媒される、この化学系の実施例は、以下の反応によるアンモニア?ボランからの水素発生である。
ＮＨ３ＢＨ３−＞ＮＨ２ＢＨ２＋Ｈ２−＞ＮＨＢＨ＋Ｈ２
第１反応は、６．１重量％の水素を放出し、約１２０℃で生じ、一方、第２反応は、別の６．５重量％の水素を放出し、約１６０℃で生じる。これらの化学反応方法は、水素ガスを生成するために開始剤として水を使用せず、システムのｐＨの緻密な制御を必要とせず、多くの場合、別個の触媒物質を必要としない。しかしながら、これらの化学反応方法は、多くの場合、熱暴走の一般的発生によるシステム制御問題に悩まされる。アンモニア?ボランから水素発生を熱的に初期化し、熱暴走から保護するように設計されたシステムについては、例えば、米国特許第７，６８２，４１１号（特許文献９）を参照されたい。触媒および溶媒を採用して熱的水素放出条件を変更する化学反応方法については、例えば、米国特許第７，３１６，７８８号（特許文献１０）および第７，５７８，９９２号（特許文献１１）を参照されたい。
【０００８】
上記を鑑みて、従来技術における上述の問題または不利点の多くまたは全部を克服する、改善された水素発生システムおよび方法が必要とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許第７，２７１，５６７号明細書
【特許文献２】米国特許第７，６４８，７８６号明細書
【特許文献３】米国特許第７，３９３，３６９号明細書
【特許文献４】米国特許第７，０８３，６５７号明細書
【特許文献５】米国特許第７，０５２，６７１号明細書
【特許文献６】米国特許第６，９３９，５２９号明細書
【特許文献７】米国特許第６，７４６，４９６号明細書
【特許文献８】米国特許第６，８２１，４９９号明細書
【特許文献９】米国特許第７，６８２，４１１号明細書
【特許文献１０】米国特許第７，３１６，７８８号明細書
【特許文献１１】米国特許第７，５７８，９９２号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１０】
下記に説明する水素発生システムは、任意の貯蔵された水素ガスまたは分子状水素原子を収容しない、ナトリウムシリサイド、および／またはナトリウムシリカゲルを含む、安定アルカリ金属物質等の反応燃料物質の実質的に完全な反応を達成する。追加の反応剤は、水素化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＨ４）、および／またはアンモニアボラン等の化学水素化物を含むことができる。また、これらの反応剤を採用するシステム反応は、追加の触媒チャンバを必要とせず、燃料電池または水素引き抜きシステムの水素需要を満たすための適切な水性媒体の単純な追加によって、容易に開始・停止が制御される。加えて、下記の実施例は、全体のシステム容積および重量を最小限にしながら、上記の要件のすべてを満たす。
【００１１】
本開示の実施例は、反応燃料物質が水溶液に暴露されたときに水素を発生する、反応燃料物質を含む、反応器である。反応器は、水溶液を収容することができ、システムを制御する、独立型水素発生構成要素であり得る。同様に、別の実施例は、外部供給によって水溶液が導入される、反応器を含むことができる。水素発生はまた、外部制御システムによって、制御、監視、または処理され得る。制御システムおよび反応器は、任意の一般の実験用途、工業用途、または消費者用途のために、水素を水素燃料電池に提供するために使用される、独立型水素発生システムとして動作することができる。同様に、制御システムおよび反応器は、ラップトップコンピュータ、個人用または商業用電気製品、ならびに電源を必要とする他のデバイスおよび機器等の最終製品を供給する、完全な燃料電池システム内で全体的または部分的に実装することができる。
【００１２】
水素ガスを発生する方法の１つは、反応燃料物質を反応器内に挿入し、反応器内で水溶液を反応燃料物質と混合して、水素ガスを発生することを含む。
【００１３】
反応燃料物質は、ナトリウムシリサイド粉末（ＮａＳｉ）およびナトリウムシリカゲル（Ｎａ?ＳＧ）を含む、シリサイド等の安定化アルカリ金属物質を含むことができる。安定化アルカリ金属物質を、限定されないがアンモニア?ボラン（触媒ありまたはなし）、水素化ホウ素ナトリウム（触媒と混合ありまたはなし）、および熱、ｐＨ、または水溶液に暴露すると水素を生成する数多くの物質および物質混合物を含む、他の反応物質と結合することもできる。物質の混合物および水溶液はまた、廃棄物のｐＨを制御するように、廃棄物の溶解度を変更するように、水素生成の量を増大させるように、水素生成の速度を上昇させるように、かつ反応の温度を制御するように添加物を含むことも可能である。水溶液は、水、酸、塩基、アルコール、塩、油、およびこれらの溶液の混合物を含むことができる。水溶液の実施例としては、メタノール、エタノール、塩酸、酢酸、水酸化ナトリウム等を挙げることができる。水溶液はまた、生成されるＨ２の量を増大させる共反応物、凝集剤、腐食抑制剤、または水溶液の熱物理特性を変化させる熱物理添加剤等の添加剤を含むこともできる。凝集剤の実施例として、水酸化カルシウム、ケイ酸ナトリウム等が挙げられ、腐食抑制剤としては、リン酸塩、ホウ酸塩等を挙げることができる。さらに、熱物理添加剤は、反応の温度範囲、反応の圧力範囲等を変化させることができる。さらに、水溶液への添加剤は、種々の異なる添加剤の混合物を含むことができる。
【００１４】
反応器は、制御システムまたは燃料電池システムが複数の反応器を使用することを可能にする、独立型の交換式構成要素であることができる。反応器はまた、カートリッジ、シリンダ、缶、容器、圧力容器、および／または封入とも称され得る。反応器は、反応燃料物質、および反応器内部の水溶液、またはそこから水溶液が反応器内に導入される、入口ポートもしくは複数の入口ポートのいずれかを含む。反応器はまた、水素ガスのための出力ポートも有することができ、それが反応器を出る時点、および燃料電池等の外部システムに印加される前に、追加の処理（例えば、蒸気凝縮、精製、調節等）を受け得る。
【００１５】
水溶液は、初期に、ユーザによって外部的に貯蔵または追加されるか、燃料電池システムから反応器上の水溶液入口ポート内に戻され得る。水溶液は、手動ポンプ、電池電源式ポンプ、外部電源式ポンプ、バネ制御ポンプ等のポンプ、または圧力差異および拡散等の別の水溶液送達機構を使用して、入口ポートを介して反応器内の反応燃料物質（安定アルカリ金属を含む）に追加することができる。水溶液は、反応器内に貯蔵され、ピストン、バック、膜、または他の分離デバイスによって、反応燃料物質から分離することができる。
【００１６】
反応器は、１つのデバイスまたは制御システムへの１つの接続の一部として、水素出力、および水溶液入力を有し得る。反応器は、１つのデバイスまたは制御システムに接続された水素出力、および異なるデバイスまたは制御システムに接続された水入力を有し得る。反応器は、反応燃料物質を水溶液と組み合わせる内部制御を有する、水素出力のみを有し得る。
【００１７】
水素ガスを発生する方法はまた、発生された水素ガスのろ過、水素ガス中の副生成物の吸収、および／または発生された水素ガスからの水の凝縮も含むことができる。このろ過は、反応器内部または外部、制御システム内部、または両方の内部で生じることができる。例えば、水素分離膜を、反応器内、または制御システム内のいずれか（またはその両方内）で使用して、水素をろ過することができる一方、凝縮器ユニットを使用して、発生された水素ガスから水を凝縮することができる。フィルタおよび凝縮器は、それが、反応器の水素出口ポートを出ると、発生された水素ガスに作用することができる。ろ過された水素ガスおよび／または凝縮された水を再生して、反応器または貯水容器に戻すことができる。水素ガスを発生する上で、ケイ酸ナトリウム等の廃棄物または他の反応廃棄物が生成されることができる。
【００１８】
一実施例では、制御システムは、反応器内の反応燃料物質および水溶液の反応パラメータを監視するための監視デバイスを含むことができる。監視デバイスは、反応器内もしくはその上、または外部制御システム内の１つまたは複数のパラメータを監視することができる。これらのパラメータは、温度、反応器在中物の導電率、反応器内の圧力、反応物の重量、未反応反応燃料物質の量、反応の経過時間、反応器内の水溶液の量、および反応器に追加される水溶液の最大量を含むことができるが、これらに限定されない。次いで、監視されたシステム特性を表示または計算に使用して、制御戦略を修正するか、反応器状況またはシステム状況を他のデバイスと通信するか、またはユーザに特性もしくは誘導体特性を通信することができる。ユーザ通信デバイスの実施例は、例えば、ＬＣＤディスプレイ等の視覚ディスプレイデバイス、または残りの水のレベルを確認するためのビューポートである。
【００１９】
反応は、反応制御デバイスを使用して、監視デバイスに関連して制御することができる。反応制御デバイスの実施例は、温度、導電率範囲、圧力、反応物の重量、ならびに他の環境測定を変化させるためのデバイスを含むが、それらに限定されず、その範囲内で反応器内の反応燃料物質および水溶液の組み合わせが継続される。例えば、反応制御デバイスを使用して、追加の反応燃料物質を反応器に追加、追加の水溶液を反応器に追加、反応器から廃棄物を除去、反応器を冷却、反応器を加熱、反応燃料物質と水溶液の組み合わせを混合、反応器を抽気して、圧力を低下し、他の制御測定を実行することができる。
【００２０】
反応パラメータの測定、および反応制御デバイスの使用は、反応器内の環境測定のいずれかが各範囲外であるとき、または、パラメータのうちのいずれかの変化率を監視および処理する制御戦略によって、水素ガスの発生方法が反応器内で制御されることを可能にする。
【００２１】
反応器は、反応剤およびその反応副生成物を水素ガスから分離するための多くの異なるフィルタを含むことができる。例えば、クリーン水素ガスを発生する方法は、分離工程およびろ過工程の両方を含むことができる。一実施例では、反応燃料物質、水溶液、水素ガス、および／または反応廃棄物のうちの少なくとも１つは、他から分離される。また、水素ガスは、水素分離膜、化学フィルタ、デシカントフィルタ、粗媒体フィルタ、ドライヤフィルタ、および／または二次反応器チャンバを使用して精製することができる。それらが使用されるとき、フィルタは、水溶液が反応器内に流入されるため、水溶液の一部分で洗浄することができる。
【００２２】
反応器はまた、配管網、ノズルアレイ、流動制限器、および水分配媒体（拡散器、噴霧器等）等の水溶液分配のための構造およびデバイスも含むことができる。水溶液は、それと平行の、一連の、または組み合わせの反応器内の複数の地点を介して分配することができる。水溶液分配システムを、全体的または部分的に使用して、反応燃料物質と反応させて、水素を生成、水素気流を精製、フィルタ媒体を洗浄、および／または廃棄物パラメータを制御することができる。
【００２３】
反応器は、安全逃し機構（逃し弁、バーストディスク、または制御された反応器バーストポイント等）等の水素処理構成要素を含むことができる。反応器はまた、必要な燃料電池特性を供給するか、またはろ過構成要素の過渡流速制限と一致するために、水素出力率を最小限化するか、または制御するための出口流動制限器も含み得る。
【００２４】
水素ガスを発生するシステムはまた、圧力変換器、逃し弁、水素・封止逆止弁、ファン、熱交換器、および反応器冷却源も含むことができる。同様に、システムは、燃料電池反応廃液を再生し、再生した燃料電池反応廃液を反応器に戻すための再捕捉容器を含むことができる。
【００２５】
水素を発生する方法はまた、水溶液の一部分を反応器の領域に移動させて、反応燃料物質と水溶液との組み合わせから得られた廃棄物を再捕捉することを含むことができる。例えば、水溶液の一部分を二次反応器チャンバに追加することができ、発生された水素ガスを、この分割された水溶液を通って通過させることができる。ろ過はまた、未反応反応燃料物質および水溶液から廃棄物を分離するために、液体透過性スクリーンを使用して実行することができる。
【００２６】
これらの利点および他の利点、側面、ならびに特徴は、添付の図面と併せて見るときに、以下の詳細な説明から明らかであろう。非制限的かつ非排他的実施形態を、以下の図面を参照して説明する。故に、下記の図面および説明は、本質的に例証と見なされ、制限するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】図１は、水素燃料電池、または一般の実験用途、工業用途、または消費者用途に水素を提供するために、安定アルカリ金属物質、および水溶液を使用する、水素発生システムの実施例を示す。
【図２】図２は、２つの反応器、およびキャリーハンドルアクセサリを有する、水素発生システムの実施例を図示する。
【図３】図３は、反応器、水容器、および多くの追加の構成要素を含む、水素ガス発生システムの実施例を示す。
【図４Ａ】図４Ａ−４Ｄは、選択位置で複数の水分注ノズルを採用する、反応器を図示する。
【図４Ｂ】図４Ａ−４Ｄは、選択位置で複数の水分注ノズルを採用する、反応器を図示する。
【図４Ｃ】図４Ａ−４Ｄは、選択位置で複数の水分注ノズルを採用する、反応器を図示する。
【図４Ｄ】図４Ａ−４Ｄは、選択位置で複数の水分注ノズルを採用する、反応器を図示する。
【図５】図５は、熱除去構造を有する水素発生システムの実施例を概略的に図示する。
【図６】図６は、反応構成要素を混合するために、下方配向で、反応器の一端において、水素出口および水入口を有する水素発生システムの実施例を示す。
【図７】図７は、図５および６に示される、熱除去構造を有する水素発生システムの分解図を示す。
【図８】図８は、粗媒体フィルタおよび水素ろ過膜を有する、水素発生システム構造を示す。
【図９Ａ】図９Ａ−９Ｃは、水供給網、および水供給網を有さないフィルタ領域と、水供給網を使用するフィルタ領域の比較を図示する。
【図９Ｂ】図９Ａ−９Ｃは、水供給網、および水供給網を有さないフィルタ領域と、水供給網を使用するフィルタ領域の比較を図示する。
【図９Ｃ】図９Ａ−９Ｃは、水供給網、および水供給網を有さないフィルタ領域と、水供給網を使用するフィルタ領域の比較を図示する。
【図１０Ａ】図１０−１０Ｂは、膜／粗フィルタシステムに対する代替的フィルタ設計を図示する。
【図１０Ｂ】図１０−１０Ｂは、膜／粗フィルタシステムに対する代替的フィルタ設計を図示する。
【図１ｌＡ】図１ｌＡ−１１Ｂは、水捕捉および循環のシステムおよび技術を図示する。
【図１ｌＢ】図１ｌＡ−１１Ｂは、水捕捉および循環のシステムおよび技術を図示する。
【図１２Ａ】図１２Ａは、複数の反応区画を有する、反応器の実施例を図示する。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、複数の保護絶縁デバイスを有する、反応器の実施例を図示する。
【図１３】図１３は、導電性の変化を測定するための電気接点を有する、反応器の実施例を図示する。
【図１４】図１４は、反応器の圧力容器キャップに接続された電気接点を有する、反応器の実施例を図示する。
【図１５Ａ】図１５Ａ−１５Ｃは、請求項に記載の発明による軽量、低価格、かつ再利用可能な反応器の実施例を示す。
【図１５Ｂ】図１５Ａ−１５Ｃは、請求項に記載の発明による軽量、低価格、かつ再利用可能な反応器の実施例を示す。
【図１５Ｃ】図１５Ａ−１５Ｃは、請求項に記載の発明による軽量、低価格、かつ再利用可能な反応器の実施例を示す。
【図１６】図１６は、請求項に記載の発明による低出力反応器システムのアーキテクチャの実施例を示す。
【図１７】図１７は、請求項に記載の発明による低出力反応器システムの詳細な実施例を示す。
【図１８】図１８は、弁によって、バネベースの液体ポンプシステムに接続された、固体反応燃料物質を有する、反応器を示す。
【図１９】図１９は、連結弁を有さない、バネベースの液体ポンプシステム内の経時的な振動性水素発生の図式的描写を示す。
【図２０】図２０は、連結弁を有する、バネベースの液体ポンプシステム内の経時的な水素発生圧力の図式的描写を示す。
【図２１】図２１は、反応燃料物質と、単一のカートリッジ内に統合されたバネベースの液体ポンプシステムとを有する、反応器を示す。
【図２２Ａ】図２２Ａは、反応燃料物質と、統合バネベースの液体ポンプシステムを有する、反応器を示す。
【図２２Ｂ】図２２Ｂは、反応器とバネベースの液体ポンプシステムを有する、統合カートリッジの３つの一次サブアセンブリを示す。
【図２３】図２３は、反応器およびバネベースの液体ポンプシステムとともに、統合カートリッジの斜視図および断面図を示す。
【図２４】図２４は、統合カートリッジの組立図を示す。
【図２５】図２５は、水供給分配機構を図示する。
【図２６】図２６は、分離型液体供給／反応器水素発生デバイスを連結するためのねじ式係止機構を示す。
【図２７】図２７は、分離型液体供給／反応器水素発生デバイスの概略図を示す。
【図２８】図２８は、円錐／圧潰バネを有する、分離型液体供給／反応器水素発生デバイスの概略図を示す。
【図２９Ａ】図２９Ａ−２９Ｂは、移動にかかる力の制約された変動性を促進するための圧潰バネの通常図および圧縮図を図示する。
【図２９Ｂ】図２９Ａ−２９Ｂは、移動にかかる力の制約された変動性を促進するための圧潰バネの通常図および圧縮図を図示する。
【図３０Ａ】図３０Ａは、バネベースの液体供給と容積交換システムとを有する、水素発生カートリッジの斜視図を示す。
【図３０Ｂ】図３０Ｂは、バネベースの液体供給と容積交換システムとを有する、水素発生カートリッジの概略図を示す。
【図３１】図３１は、容積交換バネベースの液体供給を有する、水素発生カートリッジの斜視図および断面図を示す。
【図３２】図３２は、容積交換バネベースの液体供給を有する、水素発生カートリッジの組立図および断面図を示す。
【図３３】図３３は、統合カートリッジろ過システムの実施例の組立図を示す。
【図３４】図３４は、反応器および液体供給を分離するための通常閉鎖式弁の組立図を示す。
【図３５Ａ】図３５Ａ−Ｂは、反応器および液体供給を接合するための嵌合構成要素の組立図および斜視図を示す。
【図３５Ｂ】図３５Ａ−Ｂは、反応器および液体供給を接合するための嵌合構成要素の組立図および斜視図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
下記の実施例では、水素燃料電池システムを参照するが、考察するシステムおよび方法はまた、例えば、実験用途、商業用または工業用用途、および消費者用途等の任意の水素ガス発生用途において実装することができることを理解されたい。
【００２９】
（基本的水素制御システム）
一実施例では、水素ガスを発生するために、ナトリウムシリサイド、および／またはナトリウムシリカゲルが、水と組み合わせられることができるが、開発された技術はまた、水素ガスを産生するために、水溶液に関連する水素、または水溶液と組み合わせる固体粉末を有する、ドープシリサイドおよびシリサイド等の他の安定アルカリ金属物質も使用することができる。加えて、開発されたシステム技術の多くの側面はまた、アルミニウム粉末等の水素産生に使用される代替的物質、または水溶液に暴露されたときに水素を発生する任意の他の物質、または物質の組み合わせに適用されることができる。
【００３０】
反応燃料物質は、ロッド、コーン、球体、円筒、または他の物理的形状に圧縮、成形、切断、または形成され得る、自由流動粉末または物質であることができる。物質は、反応速度を制御するために、種々の粉末寸法、幾何学的変動、物質コーティング、または物質変動から成り得る。コーティング方法の１つは、固体ナトリウムシリサイド構造を加湿空気に暴露して、水中で溶解可能であるナトリウムシリカバリアを生成することであろう。他のコーティング物質として、溶解可能または除去可能なワックス、プラスチック、ゲル、塩、タンパク質が挙げられ得る。当然ながら、反応燃料物質および水溶液の他の形体および形状を使用して、反応燃料物質および水溶液を組み合わせ得る。
【００３１】
図１は、水素ガスを発生するために、反応燃料物質および水溶液を使用する、水素発生システム１００の実施例を示す。発生された水素ガスは、水素燃料電池、または一般の実験使用、工業使用、もしくは消費者使用に向けられることができる。反応燃料物質１０１は、反応器１０２内に挿入することができる。本開示では、反応器、カートリッジ、圧力容器という用語は、反応燃料物質が配置される容器または他のレセプタクルを識別するために、同義的に使用される。図１に示される実施例では、除去可能反応器１０２は、水入口接続部１０６および水素出口接続部１０８に取り付けられる。接続部は、通常閉鎖式二重遮断弁および／または通常閉鎖式逆止弁を含むことができるが、これらに制限されない。反応器１０２から、水入口接続部１０６および水素出口接続部１０８への接続は、特定の使用によって、可撓性接続であることができるか、または剛体接続であることができる。安定アルカリ金属１０１等の反応燃料物質に、水または他の水溶液を追加して、水素ガスおよびケイ酸ナトリウム等の副生成物を発生する。水素ガスは、上方に移動し、反応器１０２から出る。単一の反応器１０２を図１に図示するが、剛体または可撓性の構造の任意の数の除去可能または固定式反応器を、説明する例示的水素ガス発生システムに使用することができることを理解されたい。例えば、図２では、２つの除去可能反応器２０２、２０４を示す。さらに、反応器は、係止機構、クリップ、または同様の固定デバイスを使用して、システム内の定位置に固定することができる。
【００３２】
図１および図２に示される実施例では、充填ポート１１０、２１０のそれぞれに、水等の水溶液を追加する。別の実装では、充填ポートを有するかまたは有さない、水容器１１４等の除去可能水容器を使用することができる。他の実施例では、反応器は、反応燃料物質および／または水溶液で事前に充填することができる。水溶液は、反応効率を向上、水素産生を増加、水素産生率を増加、汚染物質形成を低下、汚染物質ろ過を促進、最終加水分解を支持、腐食を低下、反応器または廃棄物のｐＨを制御、廃棄物の溶解度を変化、および温度範囲動作を拡大、ならびに、反応剤の熱物理的特性等の他の反応パラメータに影響を及ぼすように、添加剤を含むことができる。例えば、添加剤は、酸、塩基、塩、アルコール、他の添加剤、およびこれらの添加剤の混合物を含むことができる。添加剤の実施例は、メタノール、エタノール、塩酸、酢酸、水酸化ナトリウム、水酸化カルシウム、ケイ酸ナトリウム、リン酸、ホウ酸、およびその他を含むことができる。他の添加剤は、ホウ素、炭素、および窒素を含む、反応燃料物質と組み合わせて、水素容量、動態を向上、および／または反応エンタルピーを低下することができる。温度範囲動作に関して、塩、および／または他の添加剤は、溶液の氷点を低下させるために、水溶液中に含むことができる。
【００３３】
その容器内に貯蔵された水溶液の量は、システム実装詳細によって異なることができる。例えば、図２では、容器は、複数のカートリッジ２０２、２０４を反応させるために十分な容量以上の水溶液を貯蔵することができる。システムは、水素出力ストリームからの水を凝縮し、それを反応器に直接戻すか、またはそれを水容器１１４に向けるための凝縮器（図示せず）を含むことができる。システムは、追加の水を水容器１１４に、または別個の実装において、反応器に直接提供するために、外部水源（図示せず）用の水入口接続部１０６を含むことができる。一実装では、燃料電池反応廃水は、完全または部分的に捕捉することができ、正味総水必要量を低減するために水供給にも寄与する。
【００３４】
例えば、ケイ酸ナトリウム廃棄物は、水を容易に吸収し、その粘度は、適宜に変化する。廃棄物を未反応反応燃料物質から分離することによって、反応を制御することができる。例えば、反応器の一端を加熱または絶縁して、過剰水が存在する溶解条件を生成することができる。次いで、この水は、安定アルカリ金属粉末に再度ポンプ注入し戻されるか、または水使用最大化のために独占的に構成された量のナトリウムシリサイドと反応することを可能にされることができる。代替的には、反応時点で、ケイ酸廃棄物は、温かく、液体相であるために水をほとんど必要としない。反応時点で、液体廃棄物を未反応反応燃料物質から分離するために、分離スクリーンが使用される。
【００３５】
（追加のシステム構成要素）
反応器および水溶液源に加えて、水素ガス発生システムは、追加のシステム構成要素を含むことができる。例えば、図３は、反応器３０２と、水容器３１４と、多くの追加の構成要素とを含む、水素ガス発生システム３００の実施例を示す。例えば、水源入口３０６は、必要に応じて、水容器３１４の充填または再充填を可能にする。水容器３１４からの水は、蠕動ポンプ、手動ポンプ、容積移送式ポンプ、および他のポンプ等のポンプ３２０を使用して、水供給ライン３９０を介して反応器３０２にポンプ注入され得る。圧力変換器３２２は、水供給ライン３９０に沿って配置され、反応器３０２にポンプ注入される水量を調節するために使用され得る。例えば、ポンプ３２０とともに圧力変換器３２２を使用して、多ポート弁３２４を介して複数の反応器に圧力較正された水を送達し得る。圧力変換器３２２をまた部分的に使用して、過剰水が反応器３０２にポンプ注入されることを防止するためのフェイルセールモードを提供し得る。一実施例では、比較器（図示せず）を使用して、圧力変換器３２２の出力電圧をシステム電圧パラメータと比較することができる。比較器の出力を評価して、電圧が適切な動作範囲にあるかどうかを決定することができる。電圧が動作範囲にあるとき、マイクロコントローラ３８７からの追加の回路実装命令が、反応器３０２に水を提供するようにポンプ３２０を駆動することができる。電圧が動作範囲外であるとき、ポンプ３２０は、無効にされる。この回路は、コンデンサ、または他のタイミング回路を使用して、例えば、ダイアフラムポンプ作用中に、瞬間的な高い読み取りを可能にするように、ポンプの読み取りの遅延を生成することができる。複数の反応器を有する、水素発生システムでは、供給弁３２４を使用して、どの反応器が水を受け取るかを選択することができる。
【００３６】
水素ガス発生システム３００は、ポンプ３２０を動作させるため、および／または別様に、反応を開始し、他の制御電子機器（集合的に３８６として示す）を動作させるために、電池３８８を含むことができる。水素ガス発生システム３００はまた、燃料電池、壁コンセント等の外部源から電池３８８を充電するための外部電力、または任意の他の電源から電力を受け取ることができる。システム３００はまた、その内部発電補助機器構成要素を内部的に動作させるために、小さい燃料電池システム（図示せず）を含み得る。一実装では、バッテリは分離して存在しないが、むしろ、電力は、全体のシステム３００の内部または水素発生システム３００の外部である、燃料電池または燃料電池バッテリハイブリッドから取得される。一実装では、反応器に、システムを開始するために十分な水素を提供する、工場での水素の過圧力が与えられた場合に、バッテリは、不必要である。さらに、水素発生システムは、電気的開始ではなく、むしろ物理的なユーザの相互作用によって反応を開始するために、小さい手動動作ポンプ（注射器等）で設計することができる。
【００３７】
圧力変換器３２２と同様に、反応器３０２内の水素圧力が、制御システム構成要素（弁３２４／３６１、変換器３２２、および／またはポンプ３２０等）に許容不可能に高圧をかけることを避けるために、逆止弁３２６を反応器３０２または制御システム内で使用されることができる。例えば、初期水が反応器３０２に進入し、反応器３０２内の反応燃料物質３０１と反応すると、水素が発生され、反応器３０２内の水素圧力は、それに応じて水素ガスが反応器３０２から出て送られ、他所で使用されるシステム圧力パラメータ値に水素が到達するまで蓄積される。いくつかの状況では、反応器３０２内の圧力は、ポンプ３２０および他のシステム構成要素の機能の圧力を超過することができる。逆止弁３２６を使用して、ポンプ３２０、水容器３１４、および水ライン３９０が過剰に加圧されることを防止し、システムへの損傷を防止することができる。逆止弁３２６は、反応器３０２内の圧力を決定し、反応器３０２からの制御システムへの圧力の量を分離するために使用されることができる。
【００３８】
同様に、水素出力逆止弁３３６、３３７は、反応器３０２内の逆流を管理する。逆流は、システムが高高度で使用されるとき、または複数のキャニスタの水素出力が互いに結合されているときに生じ得る。各反応器内、および制御システムにわたる、逆止弁および変換器は、複数の反応器を使用するシステムのための各反応器の独立した圧力読み取りを可能にする。各反応器３０２からの水素ガス出力ライン３９１は、反応器３０２内、または制御システム３０３内に位置する、圧力変換器３４０を含むことができる。一実装では、逆止弁３３６は、接続または断絶されたときに、またはシステムが他の源からの高圧を反応器に不注意に接続する事象において、空気がキャニスタに進入するのではなく、水素がキャニスタから流出することのみを可能にする。別の実装では、この逆止弁３３６は、不必要であるが、通常閉鎖式逆止弁３４３０（図３４に示すとおり）が代替的に使用される。一実装では、逆止弁は、圧力変換器３４０の下流に接続され、それは、制御システム内に存在する圧力変換器を用いて、各反応器の独立した圧力読み取りを提供しながら、１つの反応器が別の反応器を逆加圧することを可能にする。他の実装形態では、逆止弁３２６、３３６は、反応器３０２または制御システム３０３内に物理的に存在し、同一の機能を提供することができる。加えて、システムはまた、圧力調節器３４４を含むことができる。時として、反応器３０２を高圧（例えば、８０ｐｓｉ、またはそれ以上）で動作させることが望ましい場合がある。一実施例では、調節器３４４は、圧力を２５ｐｓｉに低下させることができる。代替的には、ダイヤルを有する、調節器３４４、または圧力を調節する他の手段を使用することができ、それは、ユーザが制御システムの出力圧力を変更することを可能にする。代替的には、電気的に制御された調節器を使用して、マイクロコントローラ（マイクロコントローラ３８７等）が、所望圧力に基づき出力圧力を設定することを可能にすることができる。別個の実装では、調節器が全く使用されない可能性があり、マイクロコントローラは、反応器の出力圧力を制御するために、水流の速度および量を制御する可能性がある。
【００３９】
（物質供給）
代替的反応燃料物質（例えば、ナトリウムシリサイド）／液体（例えば、水）機構が可能である。いくつかの構造では、反応物質は、幾何学的構造に形成、成形、または押圧されることができる。例えば、安定アルカリ金属物質から形成されたロッドは、規定速度で水溶液中に挿入され、反応を制御することができる。同様に、ロッドは、単に、水槽または他の水溶液から除去され、反応を停止させ得る。加えて、反応燃料物質はまた、ペレットに圧縮されることもできる。次いで、これらのペレットを規定速度で操作し、水または他の水溶液中に配置して、反応をもたらすことができる。
【００４０】
（水溶液供給）
水は、多くの異なる方法で、反応器３０２内に供給され得る。例えば、水は、単一の水入口３３８を使用して、または図４Ａ〜４Ｄに示されるように、選択した位置で複数の水分注ノズルを使用することによって、反応器内に供給することができる。単純なシステム構造において、かつ小さいシステムには、単一の水入口が十分であろう。大きいシステムには、複数の水入口が使用され、反応を促進し、反応の再開に役立つことができる。例えば、図４Ａでは、水供給管４１１は、水入口４０６から垂直に延び、単一管４１１を使用して反応器４０２の複数の領域に水を供給するための複数の水分注ノズル４１３を採用する。図４Ｂと同様に、水平水分注フィルタスプレー４１５も使用して、反応器４０２の複数の領域に水を供給する。実践では、単一または任意の数の管を使用することができる。管および水分注ノズルは、種々の寸法であり得、水分注ノズルパターンおよび孔の寸法は、反応器混合条件を最適化するように、管にわたって異なり得る。例えば、小さい管は、例えば、直径０．００１インチ〜０．０４０インチの寸法、またはそれより大きい孔等の多くの小孔で使用し得る。小孔は、反応の再開を試みるときに、反応副生成物で閉塞する傾向を有することができる一方、より大きいノズルは、ジェットまたはミストではなくむしろ、水溶液を反応燃料物質上に滴らせることができる。高圧力性能を有するポンプを使用するとき、より大きい開口部を使用して、反応地点に水を注入することができる。低圧力水供給システムが使用されるとき、より多くのノズルを使用して、ノズルと反応地点との間の距離を制限することができる。用途および特定の反応剤によって、水溶液送達技術のいずれかを選択することができる。
【００４１】
加えて、水供給管は、図４Ｃおよび４Ｄに示すとおり、湾曲またはらせん状であり得る。図４Ｃおよび４Ｄでは、単一管を使用して、反応器４０２の複数の領域にアクセスするために、らせん状水供給管４２１を使用することができる。このらせん状水供給管４２１は、その対象領域を最大限化し、反応器４０２の一方の領域内の水飽和を他方に対して最小限化するために、多くの考えられる位置において、孔を有することができる。中心柱４２３もまた、機械的支持のため、および熱除去のために含むことができる。そのような支持または熱除去構造を必要としない設計では、それを除去することができる。加えて、水供給網を中心柱４２３内に統合することができる。他の水分散構造もまた可能である。例えば、一実装は、各種の微細孔またはメッシュを使用して、水移動を促進することができる。他の実装では、水供給網は、キャニスタの容量にわたって均一でない場合がある。例えば、供給網は、反応燃料領域に直接供給するために最適化されることができる。反応器が、廃棄物または反応発砲に過剰な容量を有する場合、水供給網は、これらの領域に水を追加しない場合がある。加えて、水供給網は、水素分離（下記に説明）に使用される膜の上に水を噴霧するように構成される、管を採用することができる。管は、孔を含むことができるか、または追加の一連の管またはノズルを収容し得る。この方法で、水は、反応器４０２の複数の領域内の反応燃料に直接供給され、その水溶液との反応を促進する。
【００４２】
反応器４０２の選択した位置に水を供給することによって、水およびその後の反応は、反応器４０２内の反応燃料を攪拌または混合するようになされることができる。水素が形成され、上昇すると、水素ガスは、反応器物質（すなわち、水溶液および反応燃料物質）を攪拌することに役立ち、これらの反応構成要素のほぼ完全な反応性を可能にする。反応構成要素の混合はまた、図６に示されるように、水素出口および水入口の両方を、下方配向で反応器の一端上に位置付けることによって達成することができる。この構造は、水素発生システムに単一接続面を提供する。水素ピックアップ６６６は、反応器６０２の上部に位置し、加圧ガスは、水素管６６８を通って底部に移動する。この水素管６６８は、反応器内、またはその外にあることができる。異なる構造および管形状もまた、使用することができる。
【００４３】
完全とは言えない反応性を採用することができ、それは、必要な水の量が非線形であるため、エネルギー密度（送達されたＨ２／（粉末の質量＋必要な水の質量））を増大し得る。加えて、部分的反応性は、上昇した局所反応温度から冷えると、廃棄物をほぼ固体状態に残したままにすることができる。固体廃棄物は、廃棄物処分に有益である可能性がある。
【００４４】
（伝熱）
図３を参照すると、反応燃料物質３０１と水との反応が進行すると、熱が反応器３０２の内部に発生される。１つまたは複数のサーミスタ３２８を使用して、反応器３０２の熱を測定し、かつ、反応器３０２を冷却するために使用することができる、１つまたは複数の冷却ファン３３０を含む、冷却システムを制御することができる。同様に、冷却は、内蔵型熱管理回路を使用する液体冷却ループ（図示せず）によって、または別個の水冷却運転を使用して、水容器３１４から、反応器３０２周辺で水を循環させることによって提供され得る。当然ながら、サーミスタ３２８はまた、反応器３０２の温度に基づき、反応を制御するため、発生された廃棄物量を制御するため、水使用を最小限化するため、および他の理由のために、水供給弁３２４を制御して、反応器３０２内への水流入を調節し得る。
【００４５】
図５に示されるように、熱除去構造５２３もまた、反応器５０２の中心に位置付けることができる。熱除去構造５２３はまた、加圧されたときに、反応器の両端を一緒に保持することによって、機械的反応器係止機構を促進し得る。
【００４６】
図５では、反応器の底部５７２はまた、反応器５０２のためのヒートシンクおよびスタンドとして機能する。一部の熱が反応器壁を通って除去される間、これらの壁が透明であり、ガラスまたはプラスチックから作製される場合、これらの物質は、典型的には、熱導電率を制限してきた。一実装では、相当な量の熱は、反応器の端部５６２、５７２のいずれか、または両方を通って除去される。反応器５０２の一端は、独占的にヒートシンク（底部５７２）であり得、他方の端（上部キャップ５６２）は、反応器制御、ならびに接続部（水素接続部５０８、および水接続部５０６等）、逃し弁５５５、電気接続部５７７、５７９（電気フィードスルー等）、電気信号処理接続部、システム感知接続部、および構造接続部を収容し得る。図５では、反応器５０２の全体の本体は、透明または半透明（例えば、ガラスまたはプラスチック製）であることができ、反応状態の視覚的検出を可能にする特性、反応燃料物質消費の推量の両方、ならびに独特のパッケージングおよび外観を提供する。別の実装では、反応器は、一般に、反応を確認するための透明の視覚ウインドウを有し、不透明であることができる。
【００４７】
加えて、図７の例に示されるように、ヒートシンク７２３およびすべての構成要素は、一端７６２に接続される。この形状は、空気冷却、液体冷却、または任意の他の方法を使用する、水素発生システムによる熱除去のための直接経路を提供しながら、ガス接続部７０８、流体接続部７０６、および電気接続部７７７を有する、水素発生システムへの容易な接続を促進する。
【００４８】
（圧力制御）
図３を参照すると、バースト逃し弁、バーストディスク、または他の制御圧力逃し点３３０を、反応器３０２内に実装して、その圧力を制御することができる。例えば、反応器３０２内の圧力が、所定のシステムパラメータに到達するとき、水素ガスは、圧力逃し点３３０を通って、反応器３０２から制御可能に通気されることができる。一実施例では、流動制限器を使用して、水素出力流動を制限すること、下流デバイスのために流動を許容範囲内に維持すること、および／または良好なろ過のために流動を許容流量内に維持することができる。流動制限器は、逆止弁構成要素の開口部、または機能であることができる。反応器への水入力を制限する、流動制限器を採用して、過剰な瞬間的圧力発生を回避することができる。
【００４９】
水素発生システム３００は、圧力範囲を超えて動作するように構成されることができる。一実装では、ユーザは、ボタン、スイッチ、または任意の他の通信プロトコル（例えば、ブルートゥース等）を使用して、直接または間接的に、所望の圧力制限または範囲を設定することができる。一実装では、システム３００は、圧力を監視し、適宜に反応を制御して、反応器３０２内の圧力を規定の許容範囲帯内に維持するであろう。システム３００を、より低い圧力用途（約２５ｐｓｉ）に使用して、ユーザの安全性および動作の簡潔さを促進することができる。多くの燃料電池用途は、この圧力範囲で動作する。しかしながら、必要に応じて、ナトリウムシリサイドは、数千ｐｓｉを、それを必要とする用途のために発生することができる。
【００５０】
（水素ろ過）
一実装では、反応燃料物質は、一次反応として、水素ガス、および副生成物（ケイ酸ナトリウム等）を形成するために、水溶液と組み合わされるナトリウムシリサイドである。実践において、シラン（例えば、ＳｉＨ４）等の他の副生成物が、ある条件下で反応するときに、形成されることができる。ボラジン副生成物は、混合物をアンモニアボランと反応させるときに形成されることができ、水蒸気または水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）微粒子等の他の要素も可能である。加えて、水溶液（例えば、水）、液体廃棄物（例えば、ケイ酸）、および反応燃料物質（例えば、ナトリウムシリサイド）はすべて、反応器内に存在することができる。複数のレベルのろ過が、特定の用途に適用可能な精製のレベルで水素のみがろ過されるように使用され得る。
【００５１】
多目的に役立ち得る、水素分離を使用することができる。一実装では、約０．４５マイクロメートルの細孔寸法を有する、ラミネート加工されたテフロン（登録商標）（ＰＴＦＥ）から作製された分離媒体を使用することができる。多種多様な細孔寸法および特定の物質選択が使用可能である。実装特徴は、高いスループットガス流量、最大３０ｐｓｉの水突破圧力、および反応器キャップへの超音波ボンディングを含む。膜は、広範囲の物質の種類および厚さで使用可能である。複数の膜を使用して、粗いろ過および精密なろ過を提供することができる。例えば、水溶液反応において反応燃料物質としてナトリウムシリサイドを使用するとき、水素気泡は、ナトリウムシリサイド発泡内に存在することができる。反応中、この発泡（または水素コーティングされたケイ酸ナトリウム気泡）は、ケイ酸ナトリウム廃棄物でろ過膜をコーティングすることができる。図８は、水素ろ過膜８９０を使用するより精密なろ過を実行する前に、粗媒体フィルタ８８８を使用して、この発泡を破壊する、システム構造を示す。一実装では、粗媒体フィルタ８８８として銅ワイヤメッシュを使用する。これは、高粘度物質を、精密なフィルタ水素ろ過膜８９０から上手く遠ざける。他の粗いフィルタ媒体もまた、使用することができる。加水分解を触媒するか、または汚染物質を吸収するための有利な化学活性剤または吸収剤を含むように、銅、または酸、塩基および水を含むナイロンまたは合成スポンジもしくは物質コーティング等の他の材料を選択することができる。精密なフィルタ膜８９０物質はまた、膜８９０と、機械的筐体８９２との間にバッキング材８９４を含むことができる。このバッキング材８９４は、膜８９０から出て、特別な水素出力接続部（図８に図示せず）に進入するための、水素の経路を提供しながら、膜８９０に機械的支持を提供する。
【００５２】
反応器アセンブリにおいて、粗いろ過および精密なろ過を提供することによって、水素ガス発生システムは、容量拘束を活用する。水素発生システムおよび／または燃料電池システム内の追加のろ過もまた、提供されることができる。例えば、図面に図示する水素発生システムは、例えば、除去可能デシカントフィルタ等の除去可能ろ過デバイスを含むことができる。一定期間後に修理することができる化学フィルタもまた、水素発生システムに使用されることができる。代替的には、フィルタは、それらが製品寿命中に修理を必要としないように、反応器のより大きい寸法で構築されることができる。多くの燃料電池用途では、水素ガス出力システム内の水蒸気は、燃料電池の所望の湿度条件により、許容される。実験環境、商業用使用、およびより低い湿度が決定される、いくつかの燃料電池用途等の他の使用では、水素ガス出力ストリーム内の水蒸気は、許容されない場合があり、ドライヤフィルタを採用することができる。請求される発明の水素発生システムは、除去可能フィルタが、例えば、商業用、実験用、および燃料電池用途を促進することを可能にする。加えて、金属水素化物の再充填等のいくつかの燃料電池用途は、乾式水素を必要とする。また、図８に示される、水吸収媒体、および／または凝縮器８９６も、これらの用途に使用することができる。凝縮器８９６の任意の使用は、反応器８０２からの排水を最小限化するために、水を一次反応に収集および収集および戻すことを促進する。水を一次反応へ戻すことは、水入口８０６、または反応器８０２への他の接続部に直接行うことができる。
【００５３】
別の実装では、反応器は、除去可能または固定式であることができ、反応が完了した時点で、アクセスドア、または他のアクセスポートを提供して、反応燃料物質を追加、および／または反応廃棄物を除去することができる。例えば、アクセスドアは、図５に示すとおり、反応器カバー、または蓋５６２として組み込むことができる。代替的には、図５に示される実装形態では、廃棄物の任意の部分は、後の処分または再生のために、反応器内に貯蔵されることができる。
【００５４】
（フィルタの清掃）
水素ガス発生システムにおいて、ナトリウムシリサイドを反応燃料物質として、水を水溶液として使用するとき、一次廃棄物は、水を容易に吸収するケイ酸ナトリウムである。いくつかの反応器構造では、相当な量のケイ酸ナトリウム発泡は、経時的に、ろ過デバイスの障害をもたらす。高粘性ケイ酸ナトリウムは、ろ過デバイスを閉塞することができる。ケイ酸ナトリウムに水を適用することによって、粘性は変化し、ケイ酸ナトリウムがフィルタ領域から洗い流されることを可能にする。例えば、図９Ａ〜９Ｃに示される１つの構造では、水供給網の一区画（一実施例として、図３の参照番号３３８等）は、図８に示される、粗媒体フィルタ８８８および水素ろ過膜８９０等のろ過デバイス上に直接向けられた水流の一部分を有する。水スプレー９０９によって、ろ過デバイスに適用された水は、最終的に、未反応ナトリウムシリサイドに滴下して戻り、また反応させられるが、それは、まず、反応器へのその送達の一部として、フィルタを清掃するように機能する。図９Ａの参照番号９０９は、ろ過デバイスに上方に直接到達することを目的とした水の流れを示す。図９Ｂは、反応中に清掃されなかった、ろ過デバイス９９９ｂを示し、図９Ｃは、ろ過デバイス９９９ｃに水を噴霧することによって、反応中に清掃された、ろ過デバイス９９９ｃを図示する。図９Ｂおよび９Ｃに示されるフィルタ残留物の差異から分かるとおり、ろ過デバイスに水を提供することによって、フィルタは、閉塞しない。
【００５５】
（追加のフィルタ）
膜／粗フィルタアセンブリに対する代替的フィルタ設計もまた、使用することができる。図１０Ａ−１０Ｂは、多くの異なるフィルタ設計を示す。例えば、図１０Ａでは、コーン状のフィルタ１０１０は、フィルタ１０１０にわたる、ケイ酸ナトリウム発泡の移動を促進することができ、気泡１０１２の破壊をもたらす。このコーン状フィルタ形状はまた、反応器１００２の上部隅１０１４ａ、１０１４ｂにおける液体収集地帯への発泡の移動、および下向きの垂直矢印１０５０、１０６０で示されるように、反応器１００２の基部１００９への下方のケイ素ナトリウム溶液の再循環をもたらし得る。追加の設計特徴を、反応器１００２自体に組み込んで、この動作を促進し得る。そのような特徴は、反応器壁１０４０上の凝縮を促進するためのキャニスタ冷却、ならびに下向きの垂直矢印１０５１、１０６１で示されるように、反応器壁１０４０の下方、または他の適切な領域への液体溶液の移動に役立つための図１０Ｂのウィッキング物質１０７１を含むことができる。
【００５６】
（多チャンバ反応器）
上述のろ過デバイスを用いても、いくらかの量の非水素および／または非水は、粗フィルタ、および／または膜を通って漏れることができる。図３は、ケイ酸ナトリウム等の反応廃棄物を捕捉するためのプロセスを促進するための組み合わせ型チャンバ３５５を示す。図３の組み合わせ型チャンバ３５５を使用するプロセスを、多フィルタおよび膜を使用して、図１１Ａ−１１Ｂに概略的に示す。
【００５７】
図１１Ａ−１１Ｂは、廃棄物捕捉および循環方法を図示する。一実装では、廃棄物捕捉および循環は、使い捨て反応器内で実行される。図１１Ａでは、水素ガスは、水をナトリウムシリサイド１１０１と反応させることによって、より大きな反応チャンバ１１５４内で発生され、水素ガス１１９１は、水素膜１１９０を通って上方に移動する。また、いくらかの量のケイ酸ナトリウム、水、および他の反応生成物も、膜１１９０を通って、またはその周囲で移動し得る。これらの生成物の実際の流量は、流入供給水１１３８の流量よりもさらに低い。これらの生成物のすべて（出力水素１１９１、流入水１１３８、および反応副生成物）は、より小さい組み合わせ型チャンバ１１５５内で組み合わされる。より小さい組み合わせ型チャンバ１１５５は、支持部１１３３によって、反応器１１０２内で支持することができる。メッシュフィルタ１１２２もまた使用して、さらなる流入および流出ろ過を提供することができる。
【００５８】
流入水１１３８は、組み合わされた反応副生成物が水中で可溶性であるので、組み合わされた反応副生成物を吸収する。次いで、水１１３８および副生成物は、より大きな反応チャンバ１１５４内に再度ポンプ注入して戻される。出力水素１１９１は、膜１１９０よりも微細な小孔寸法であることができる、二次膜１１９５まで上方に移動する。いくらかの量の水蒸気および他の構成要素は、依然として、「純水素出力」１１９３として標識された、最終出力ストリーム内にある。いくつかの動作状況では、組み合わせ型チャンバ１１５５、および反応器チャンバ１１５４内の圧力は、均等であり得、水素は、膜１１９０を通って流動しないであろう。
【００５９】
圧力均等化を克服するために、膜／フィルタ圧力は降下し、逆止弁圧力は降下し、水ポンプの特定の動作制御方法が、反応前、または反応中に修正されることができる。一実施例として、供給ポンプの循環は、水素が流動を開始または再開することを可能にする、圧力摂動を生成することができる。ポンプレス構造のための代替的廃棄物再捕捉構造を、図１１Ｂに示す。図１１Ｂでは、供給された水の超過圧力を使用して、反応器に水を供給する。
【００６０】
（反応器内のより小さな区画を使用するアーキテクチャ）
上述したように、これらの実施例における反応器は、複数の区画に分離されることができる。このアーキテクチャは、水を反応の異なる領域に向けるために有用であることができる。一実施例では、ナトリウムシリサイドおよびケイ酸ナトリウムが存在するときとは対照的に、ナトリウムシリサイドのみが存在するときに、反応がより早く開始することができるので、異なる反応の領域が、より容易な再開条件を促進するために、異なる時間で動作させられることがでる。加えて、水噴霧器は、反応を制御する上で有効であることが分かっている。各噴霧器は、画定範囲の水分散を有することができる。区画アプローチでの噴霧器は、反応を制御するように上手く機能することができる。区画を分離するために、種々の方法および物質を使用することができる。例えば、薄管を反応器区画内に緩く挿入することができ、ハニカムメッシュアセンブリを反応器の内部に組み込むことができ、または可撓性膜網を反応器内に組み込むことができる。加えて、反応器を分割するために使用する物質は、一区画内の水溶液を、他の区画から密封することができる。区画は、反応器内で水平方向および垂直方向の両方で構成することができる。区画はまた、水透過性および／または水素透過性物質から作製するか、または表面張力を介する水輸送のために使用される他の物質から作製することができる。
【００６１】
図１２Ａは、反応燃料物質がタバコ状構造に巻かれることができる、そのようなアプローチの一実装を図示する。図１２Ａに示されるように、反応燃料物質は、粉末、および／または透過性水素の周囲のすべての水を分配することができる、膜物質に包まれることができる。例えば、複数の巻かれた区画１２０４ａ、１２０４ｂ、１２０４ｃ、１２０４ｄ、１２０４ｅ、１２０４ｆ、１２０４ｇを、反応器１２０２内に収容することができる。
【００６２】
巻かれた区画１２０４ａ、１２０４ｂ、１２０４ｃ、１２０４ｄ、１２０４ｅ、１２０４ｆ、１２０４ｇ内で反応が生じると、反応器１２０２は、熱を発生するであろう。そのような巻かれた区画の別の実装は、タバコケースと同様の薄型パッケージのために、巻かれた区画を水平方向に隣り合わせて配置することである。上記の技術に加えて、図１２Ｂに示されるように、反応器１２０２の壁１２９６を通して熱放散を実施することができる。反応器１２０２の壁１２９６が熱くなる場合、保護部品１２８８または他の絶縁デバイスを使用して、反応器１２０２の外側の多くの領域を絶縁することができる。これらの絶縁デバイスを反応器１２０２の外側に位置付けることによって、ユーザが反応器に接触することを可能にする。
【００６３】
（反応状態の決定）
水溶液を反応燃料に追加した後、反応が生じ、水素ガスが発生される。反応状態を決定し、反応の進行を確認するための多くの方法が存在する。これらの技術は、視覚的な反応の観測、反応の時間を計ること、反応前、反応中、および反応後の反応のパラメータの測定を含むことができる。例えば、反応前、反応中、および反応後に測定することができる、パラメータは、反応剤の重量、温度、反応器内の水溶液の量、反応器内の反応燃料の量、反応器に追加される水溶液の最大量、ポンプの既知の特性評価によって追加される水溶液の量、導電率、圧力、燃料電池電流等による直接または間接的な水素出力測定等を含むが、これらに限定されない。
【００６４】
例えば、ナトリウムシリサイドは、最小限の導電率を有する。しかしながら、水と反応すると、ケイ酸ナトリウムは、検出および測定に好適なレベルで電気を容易に導電する。多くの異なる方法を使用して、この導電率の変化を測定することができるが、異なる電気接点１３６６が反応器１３０２内部のリボンケーブル１３５０上に配置される、一実装を図１３に示す。
【００６５】
導電率測定回路は、パッド１３１３ａ、１３１３ｂ、１３１３ｃ、１３１３ｄ、１３１３ｅ、および１３１３ｆ間の実際の抵抗測定を読み取り、比較し、および／またはパッド１３１３ａ、１３１３ｂ、１３１３ｃ、１３１３ｄ、１３１３ｅ、および１３１３ｆ間の二地点間導電率を探す。これらの測定は、わずか２つのパッド、または十分な状態反応分解能を提供するために必要な数のパッドを使用して行うことができる。同様に、接触プローブは、反応器の異なる位置に配置して、同様の読み取りを実行し、同様の効果を達成することができる。
【００６６】
さらに、別の実施例では、単一プローブが、２つの電気先端に接触して、反応器内の非常に特定された距離で、特定の地点における抵抗を測定することができる。この技術は、導電性反応器が採用される構造に使用することができる。同様の実装では、単一のプローブ、複数のプローブ、または導電性パッドが使用され得、反応器自体は、測定グラウンドとして使用されることができる。
【００６７】
一構成では、電気接点は、バネ負荷接触ピン、スワイプピン、ブレード挿入デバイス、無線伝送等の多くの電気接触方法、または任意の他の電気信号送達方法を介して水素発生システムに接続される。そのような接触を使用する反応器の一実施例を図１４に示し、そこでは、電気接点１４１４は、反応器の圧力容器キャップ１４１６に接続される。凹型リボンケーブル１４１８は、圧力容器キャップ１４１６内のマイクロコントローラ１４２０に、接触部１４１４を接続する。水素発生システムは、マイクロコントローラ１４２０内の命令をプログラムして、接触部１４１４をインテロゲートまたは探査すること、抵抗を測定すること、および／または短絡および／または開回路を決定することによって達成される、検出回路を含むことができる。マイクロコントローラ１４２０は、接触部１４１４をインテロゲートし、信号レベルを決定し、信号レベルを導電率測定に変換し、導電率測定を反応状態測定と同等にするためのプログラム命令およびアルゴリズムを含むことができる。当然ながら、マイクロコントローラは、反応器アセンブリ上（図１４の圧力容器キャップ１４１６内等）、または図３に示される制御システム３０３内に存在することができる。
【００６８】
反応状態を決定するための別の実施例では、歪みゲージ等の力センサを使用して、反応器の重量を測定することができる。反応状態にわたり、反応器は、ナトリウムシリサイドに追加される水により、より重くなる。反応器の重量の変化は、はかりまたは他の力センサを使用して測定して、反応前、反応中、または反応後に反応の重量を決定することができる。これらの期間中に反応器を計量することによって、反応状態、ならびに、他のシステム固有のパラメータ（反応効率、完了比率、反応の時間、反応から発生された水素ガスの量）、および他のパラメータを決定することができる。
【００６９】
制御システムは、反応状態に基づき、そのポンプパラメータを調整することができる。例えば、反応は、開始よりも反応の終了付近で、同一量の水素を発生するために、さらに多くの水を必要とし得る。マイクロコントローラは、このシステムパラメータを使用して、他の制御測定（温度範囲、圧力範囲、ならびに水溶液が反応に追加される量および速度等）を調整することによって、より均一な水素発生を可能にし、反応特性を予測することができる。
【００７０】
（反応状態および反応パラメータの表示）
反応状態を決定するために使用する測定に関わらず、図２に示されるように、ディスプレイデバイス２１８を使用して、反応燃料および水溶液を監視し、制御し得る。ディスプレイデバイス２１８は、決定された反応の力または重量、および他の動作またはシステム固有のパラメータを示すためのＬＣＤ（液晶ディスプレイ）、または他のディスプレイを含むことができる。ディスプレイデバイス３１８の追加の実施例を図３に示す。例えば、ディスプレイデバイス３１８は、実際の重量を表示するか、またはマイクロコントローラ（図３のマイクロコントローラ３８７等）を使用して、完了比率、時間、または反応状態に関連する他の評価基準に実際の重量を変換することができる。
【００７１】
（単一区画反応器の実施例）
軽量、低価格、かつ再利用可能な反応器１５０２の実施例を、図１５Ａに概略的に、図１５Ｂに詳細に示す。薄壁の反応器１５０２は、キャニスタキャップ１５５５の周囲にリップ１５５３を含むように、型打ちされ、形成される。別個の支持部品１５５７は、リップ１５５３の裏面に配置される。キャニスタキャップ１５５５および支持部品１５５７は、リップ１５５３を圧縮して、非常に薄壁のキャニスタを使用しながら、強力な反応器１５０２を促進し、すべてが分解および再利用されることができる。リップ１５５３は、糊付けまたは圧着することなしに、保持環を使用して、キャニスタキャップ１５５５を固定するための機械的接続を促進する。これは、キャニスタキャップ１５５５を除去し、反応器１５０２およびキャップ１５５５を修理し、次いで、反応器１５０２およびキャップ１５５５を再充填し、再利用する能力を提供する。反応器１５０２およびキャップ１５５５の修理は、分離膜、ろ過媒体等の構成要素部品の交換または修復を含むことができる。加えて、封入等の保護方法、または他の方法を使用して、反応器の不正使用を回避、および／または反応器の不正検出を提供することができる。
【００７２】
図１５Ｃは、設計されたオーバーリップ１５５３を含む、そのような薄壁の容器の製造に使用される、詳細な図面を示す。１５Ｂにも示されるように、オーバーリップ１５５３は、圧着または糊付けアプローチ等の他の方法を使用して、反応器キャップ１５５５を取り付ける場合、除かれることができる。キャップ１５５５の底部部分１５６３は、水溶液入力、水素ガス入力および出力、電機接続デバイス等の実践的接続デバイス（１５６５として集合的に示す）を提供しながら、重量を最小限化し、強度を最大限化するように設計することができる。
【００７３】
図１５Ｂにさらに示され、図３に関して上記に動作上説明されるように、反応器１５０２は、水素出口１５４４および水入口１５９１の両方を含む。これらの接続は、水および水素流動を調節するために、逆止弁、および／または通常閉鎖式遮断弁、または他のデバイスを収容し得る。通常閉鎖式遮断弁３４３４の実施例を図３４に示す。通常閉鎖式遮断弁３４３４は、図１５Ｂに示されるように、水素出口１５４４および／または水入口１５９１のいずれかで反応器内に設置することができる。図３５に示される嵌合構成要素３５３５は、制御システムの上に載置され、かつ通常閉鎖式遮断弁３４３４の表面に接触し、押圧する、嵌合構成要素３５３５の表面上にＯ型環３５３７またはオーバーモールドガスケットを有する。嵌合構成要素３５３５の表面が、弁アセンブリ３４３４を押圧すると、遮断弁３４３４の内部部分は、スライドして、開口流体チャネルを提供する。未開放状態において、バネ３４３０は、弁３４３４の本体を押下し、Ｏ型環に封止させ、液体が流動することを可能にする。追加のＯ型環を動的封止として使用され、それは、弁空隙容量を最小限に維持し、それは、接続または切断されたときの、水素ガスに追加される通常の空気の量を著しく減少させる。弁３４３４の本体は、本体がキャニスタキャップ１５５５内にネジ止めされ得るように、ねじ山３４３９を含む。糊、プレス嵌め、スナップ環等の多くの他の機構によって、弁３４３４を定位置に設置し、維持することができる。
【００７４】
示される反応器は、統合安全逃し弁１５３８および１５８８を含む。安全逃し弁１５３８、１５８８は、一回限りの制御圧力逃しバースト点等の代替的方法で実装することができる。図１５Ｂでは、別の逃し弁１５８８を使用して、ろ過前の圧力を通気し得る一方、１つの逃し弁１５３８を使用して、ろ過を通して圧力を通気する。一実装では、弁１５３８、１５８８の両方は、同一の圧力で逃すように設定される。別の実装では、ポストフィルタ弁１５３８は、プレフィルタ弁１５８８よりも低い圧力で逃すように設定される。無人の高圧力事象の場合、システムは、ろ過された出力を介して、高圧力水素のすべてを通気するであろう。二次弁１５８８はまた、フィルタが閉塞した高圧力事象の場合に予備弁として機能することができる。別の実装では、浸漬管１５４３は、逃し弁１５８８のガスチャネルに接続され、逆さまに保管された場合に、キャニスタの底部に向けられ、キャニスタを通気する。この実装の場合では、浸漬管１５４３は、ケイ酸ナトリウム、または他の水溶液要素に対して水素を選択的に通気するために、上部、底部、またはその両方に多孔質フィルタ媒体を収容することができる。
【００７５】
キャップ１５５５は、例えば、Ａｔｍｅｌ社のＴＫ５５５１  ＲＦＩＤチップ等のＲＦＩＤチップ１５２２を含む。３つの薄壁の管１５３９、１５４１、１５４３を反応器１５０２内に示す。１つの管１５３９は、反応器１５０２の中央から水を降ろし、かつ、反応燃料が存在する、反応器１５０の領域へ水流を向けるための統合ノズル１５４９ａ、１５４９ｂ、１５４９ｃを含む。別の管１５４１は、上部キャップ１５６１の平面に対して水平である。この管１５４１は、フィルタ１５６１の清浄、および水溶液と反応燃料との間のさらなる反応のために、フィルタ１５６１の周囲を一掃し、フィルタ１５６１にわたって水を噴霧する。
【００７６】
図３に関して上述したように、逆止弁（図１５に図示せず）は、反応器１５０２で水ラインに沿い配置することができる。上述したように、逆止弁は、制御システム内、反応器１５０２内、または両方内に位置することができる。水は、先述の水ネットワークを介して反応器１５０２にポンプ注入される。水素が、水素出口１５９１を介して反応器１５０２を出ると、水素ガスはまた、逆止弁（図１５に図示せず）を通過することができる。上記に示すとおり、水素ガス出力逆止弁はまた、制御システム内（参照番号３０３で図３に示す）、反応器１５０２内、または両方内に位置することができる。１つ以上の単一反応器１５０２を使用するシステムでは、逆止弁は、各反応器からの水素出口ラインの各々に使用される。また、独立した圧力変換器を使用して、各反応器圧力を別個に測定することができ、次いで、独立した圧力変換器は、少なくとも１つの逆止弁、または他の下流分離機構の前に、反応器内、または制御システム内のいずれかの水素出口ラインに接続される。逆止弁を使用して、１つの反応器が別の反応器を逆加圧すること防止することができる。通常閉鎖式弁または流量制御調節器等の他の構成要素を使用して同様の結果を達成することができる。
【００７７】
図３に関して上述したように、水素ガスは、反応器３０２の外に直接通ることができる。別の実装では、水素ガスは、まず、高純度汚染フィルタを通過することができる。同様に、再度、図３に示すとおり、水素出力は、従来の水タンク３１４または別個の水タンク等の水タンク／凝縮器を通って気泡化することができる。これは、いくらかの量の水蒸気を濃縮し、排出された水素ガス中に存在し得る、いくらかの量の微粒子または汚染物を捕捉することに役立つ。
【００７８】
水タンク３１４を介して気泡化した後、排出された水素ガスは、微細な高純度フィルタ３６９を通過することができる。水タンク３１４は、低温動作のために、または他の目的のために、添加剤を含むことができる。添加剤は、生成されるＨ２の量を増大する共反応剤、凝集剤、腐食防止剤、または水溶液の物理的特性を変更する熱物理的添加剤を含むことができる。例えば、熱物理的添加剤は、反応の温度範囲、反応の圧力範囲等を変更することができる。さらに、水溶液への添加剤は、種々の異なる添加剤の混合物を含むことができる。
【００７９】
いくつかの添加剤は、排出される水素ストリームにおいて少ない汚染物を促進することができるか、添加剤自体は、反応に生成された任意の生じたシラン（ＳｉＨ４）を加水分解することに役立つことができる。反応器３０２からの水素ガスは、水性フィルタ３５１に向けられることができる。圧力変換器３４０を使用して、水素ガスの圧力を測定および調節することができる。水性フィルタ３５１を使用して、生じたシランの加水分解を実行し、微粒子を収集し、水素出力ストリームから水を凝縮する。シランの加水分解の場合、少量のＳｉＯ２および水素が発生されるであろう。生成された水素を、水素ガス出力３６５内で使用することができ、ＳｉＯ２は、弁３６１、３２４を通して残りの水とともに反応器３０２中にポンプ注入されることができる。水タンク３１４は、必要に応じて、排水および清浄されることができる。気泡が水を通して水素を排出される場合、水タンク３１４はまた、重度に傾斜または逆さまに反転された状態で、水素が水素出口ポート３６５を出ることを可能にするが、水が出ることを不可能にするために、上部内に透過性膜３６７を有することができる。一実装では、水蓋３６３は、水蓋３６３が完全に閉鎖されると、マイクロコントローラ３８７に通知する、キャップ接触センサ３１１、または他の検出器を有する。一実装では、マイクロコントローラ３８７は、さらなる水が追加されている間に水タンク３１４が反応器に加圧されたままにする前に、出力弁３６２の電源を切ることができる。
【００８０】
他の実施例では、出力弁３６６は、水タンク３１４、および微細フィルタ３６７の出口の後に配置されることができる。この出力弁３６６は、反応を開始するために、および排出された水素ガスを最終用途（携帯電話、ラップトップコンピュータ、住宅配電網等）に供給するために適切なレベルまで圧力が蓄積されることを可能にするために、マイクロコントローラ３８７によって制御されることができる。別の実施例は、任意の閉じ込められた空気のシステムをパージするための、別個の逃し弁３６８、または吹き出し弁を含む。上述したように、さらなる実施例は、適用可能な特定の用途条件を支持するために、出力水素ラインに沿う凝縮器またはデシカントフィルタ等のフィルタ３６９を含む。
【００８１】
別の実施例は、反応器３０２からのすべての水を二次組み合わせチャンバ３５１を通して経路設定することを含むことができる。加えて、別の実施例は、反応器３０２までの経路上の直接通路として、または、二次組み合わせチャンバ３５１への独立した制御を用いて、二次組み合わせチャンバ３５１内へ入力水をポンプ注入することを含む。二次組み合わせチャンバ３５１は、加水分解および／またはろ過を促進するために、上述したように、反応器３０２に関して熱制御が提供されたかのように二次チャンバの温度を増大および／または維持するために、サーミスタ３２８を含む、熱制御システムに連結されることができる。
【００８２】
（追加の電気接続）
単一区画反応器、および追加の区画を有するこれらの反応器の両方では、追加の電気接続を形成して、反応状態およびシステム固有のパラメータに関する追加の情報をユーザに提供することができる。例えば、図３では、反応器３０２および制御システム３０３から制御電子機器３６８への追加の信号接続（有線または無線のいずれか）を形成して、システム固有のパラメータを監視および表示するために用いる、制御デバイスおよびディスプレイデバイス測定データを提供することができる。
【００８３】
例えば、システム固有のパラメータを記憶および報告することによって、反応状態を評価するために、１つまたは複数の読み取り／書き込みＲＦＩＤデバイスが使用されることができる。例えば、マイクロコントローラ３８７は、反応器３０２のキャップ内に配置することができるＲＦＩＤデバイス３３３に、反応器３０２内にポンプ注入された水の量のデータ標示を書き込むことができる。反応器３０２内に挿入されることが分かっている、測定された水量に基づき、かつ圧力および温度パラメータ等の他の測定を用いて、反応状態は、システム３００によって決定されることができる。同様に、追加のＲＦＩＤデバイス３８１、３８２、３３４は、マイクロコントローラ３８７にシステム情報を提供し、かつマイクロコントローラ３８７からのシステム情報を記憶するために、反応器３０２および制御システム３０３にわたって組み込むことができる。例えば、各ＲＦＩＤデバイスは、連番、反応器内に挿入される水量、反応器内に挿入することができる水の許容可能な総量、反応器内の圧力、水容器およびシステムの他所内の圧力等の情報を含むことができる。次いで、ＲＦＩＤデバイスにおける、圧力測定、温度測定、水量、および他のシステム特性を使用して、反応状態を決定することができる。同様に、マイクロコントローラ３８７は、水流速、生成された水素量、および他のパラメータ等の他のシステムパラメータを、ＲＦＩＤデバイス３３３、３３４、３８１、３８２、および制御システム３０３内、反応器３０２内、および反応デバイスにわたって配置することができる他のＲＦＩＤデバイスに書き込むことができる。
【００８４】
加えて、ＲＦＩＤデバイス（別個に図示せず）は、反応器３０２を個々に識別することによって在庫管理を提供するために、反応器３０２に組み込まれることができる。このデバイスは、在庫管理のために別個に使用されることができるか、または単一のデバイスが複数の組の制御機能と併せて使用されることができる。ＲＦＩＤデバイスは、複数の位置で使用することができる、応答器、および／または多くの応答器と通信することができる。例えば、応答器は、品質管理のために、アセンブリラインの一部として、または携帯用デバイスとして、反応器を製造する工場で使用されることができる。同様に、応答器は、フィールド内での使用のために、結合するハードウエア内に位置されることができる。結合するハードウエアは、水素発生システム、燃料電池システム、完全な電力システム、または他のインターフェースシステムを含むことができる。
【００８５】
（受動的水素発生）
受動的アーキテクチャ反応器システム１６００の実施例を、図１６に示す。「受動的アーキテクチャ」は、反応を開始するための電気ポンプがないことを指す。受動的アーキテクチャシステムは、多くの場合、低出力システムに好適である。このアーキテクチャを用いて、オーバーヘッド動作を最小限化することができる。例えば、低出力システムの構成要素は、多くの場合、より少数の物理的パッケージに組み合わせることができ、他の構成要素は、完全に排除することができる。例えば、反応器システムのファンおよびポンプは、携帯電話または携帯電話充電器等の低電力システム、および低電力が必要とされ、容積および費用が最小限化されなければならない他の用途のために排除されることができる。ナトリウムシリサイドベース（または、他の水性反応物質）の水素発生のためのポンプレスシステムの簡略化アーキテクチャを図１６に示す。水タンク１６１４は、まず、加圧源１６１６を接続することによるか、またはポンプのいずれかによって加圧される。次いで水は、流動制限器１６２４を含むこともできる、水供給ライン１６９０を通って供給される。流動制限器１６２４は、弁等の能動的構成要素、または開口部等の受動的構成要素であることができる。代替的には、重力自体が、初期力を提供して、水を水供給ライン１６９０を通って移動させ得る。初期水が反応器１６０２に進入し、ナトリウムシリサイド１６０１と組み合わされると、水素１６３４が発生され、水素圧力を生成し、それは、順次、再圧力ライン１６４３を介して水供給１６８４を再加圧する。水素出力１６６６における圧力は、水素がシステムから出て、水タンク１６１４まで逆流し始めると低下する。しかしながら、水タンク１６１４における圧力は、逆止弁１６７７により維持される。これにより、より多くの水を反応器１６０２内に駆動する、圧力差異が生成され、それは、次いで、システム１６００を再加圧する。圧力が上昇すると、総システム圧力は、平衡し、水流を停止させる。流動制限器１６２４を使用して、反応器１６０２への水入力速度を制御することができる。別様に、水素圧力が成長する時間を有する前に、過剰水が反応器１６０２内に挿入されることができ、それは、潜在的に正のフィードバック状態につながることができ、反応が早期に生じる場合がある。
【００８６】
加えて、水供給は、水ピックアップラインが使用されるとき、水タンク１６１４の底部から、またはタンク１６１４上の別の出口地点（上部等）を通って排出され得る（図１６に図示せず）。重力またはサイフォン水供給機構も、水入口および出口の適切な配置によって、システム内に組み込まれることができる。
【００８７】
低出力反応器システム１６００のアーキテクチャは、図１７において、完全な反応器アセンブリ１７００に組み込まれている。反応器１７０２は、反応器チャンバ１７２２内の反応燃料１７０１を含む。反応器チャンバ１７２２は、反応燃料１７０１を含み、発生された水素ガスの脱出経路を提供するための膜１７３３を収容することができる。反応チャンバ１７２２は、剛体チャンバまたは可撓性チャンバのいずれかであることができる。反応チャンバ１７２２は、反応チャンバ１７２２が任意の数の方向で配向することを可能にするように、複数の位置に膜１７３３を有することができる。外側水素チャンバ１７９３内の加圧水素ガス１７８８が、反応器チャンバ１７２２を包囲し、それは、特定の用途の必要に応じて、出力弁１７６６から外に流動する。図１６に示される一般的低出力反応器システム１６００を用いた場合のように、水１７３４は、水供給ライン１７９０を介して、反応器１７０２に供給される。水１７３４は、水置換ポンプ１７１６によって、または、水充填ポート１７１７を通る外部水源によって、システムに提供されることができる。水再加圧は、水再加圧弁１７７７によって達成される。この方法で、低出力反応器システム１７００は、最終用途に水素ガスを提供することができる。
【００８８】
反応器チャンバ１７２２は、複数の水供給機構を用いて供給されることができる。例えば、小さいポンプが、反応器チャンバ、水、およびポンプシステムを有する、完全な使い捨て反応器を提供するために、反応器１７０２内に組み込まれることができる。このポンプはまた、反応器から分離されることができる。別個のポンプを有するシステムの一実施例は、図１８に示されるバネ駆動システムである。
【００８９】
図１８は、統合された反応器チャンバ１８０２、水供給１８１４、および「ポンプ注入システム」１８２０を有する、バネ駆動反応器システム１８００を図示する。反応器１８０２はまた、水散布器を含むことができる（図２５を参照して下記に説明）。バネ駆動反応器システムの一実施例は、スライドピストン１８３１を押下し、水供給１８１４を含む、水チャンバ１８４１に圧力を加える、バネ１８２１を組み込む。追加の実装はまた、可撓性物質、エラストマー、ベローズ、または異なる圧力がそれらにわたって加えられるときに移動を提供する他の構造等の異なるピストン代替物を採用することができる。バネの場合では、小さい基盤領域１８５１は、バネ１８２１の縁部と接触して、より大きい領域に力を分配することができる。加えて、単一の本体パッケージ２１００に製造される、バネ駆動反応器システムの実施例を、図２１に概略的に、図２２Ａおよび２３に図解的に示す。図２２Ｂおよび２４は、単一本体パッケージ２１００内のバネ駆動反応器システムの分解図を提供する。
【００９０】
図１８を参照すると、バネ１８２１が、水チャンバ１８４１内に圧力を生じさせると、水が反応器チャンバ１８０２内に注入される。水が反応燃料物質と接触すると、水素が発生される。水素が発生されると、これは、反応器チャンバ１８０２内に圧力を生成し、水の流入を停止させる。この実装では、水供給機構は、配向独立である。図１８の反応器システム１８００では、反応器チャンバ１８０２は、水溶液がフィルタ１８９０を遮断し、システム１８００が逆さまのときに水素がそこを通過することを不可能にすることができるので、配向独立ではない。これを補うために、図１７において参照番号１７２２で示される膜を有する反応器チャンバ等の反応器膜システムが、複数のピックアップとともに実装されることができる。加えて、逆止弁１８２４が、水供給１８１４と反応器チャンバ１８０２との間に配置されることができる。そのような水素送達システムがない場合、水素圧力は、過剰圧力でバネ１８２１上のパックを押下し、それは、順次、過剰水を注入する。逆止弁の欠如は、振動性システムを生成することができる。例えば、図１９は、逆止弁を有しないシステムの経時的圧力反応の実施例を示す。図１９のグラフで示されるように、振動性圧力反応が、逆止弁等の均圧手段がシステム内に組み込まれないとき、明らかである。
【００９１】
対照的に、図２０は、逆止弁を使用するシステムの経時的圧力反応の実施例を示す。図２０の圧力反応は、振動性反応を呈さない代わりに、バネ圧力に関連付けられた定常減衰を示す。
【００９２】
図２０に示されるように、反応の開始における初期ピークは、初期の水スラグが反応器内に注入されると生じる。この効果を、水流制限器を使用して減退させることができるか、または、それは、燃料電池スタックパージを促進するために、高い過渡水素発生の瞬間的な過渡レベルを生成するように増やすことができる。例えば、逆止弁１８２４に加えて、再開状態中に、水流を遅くさせる方法は、水流制限器を使用して実装することができる。再開中、瞬間的水素圧力は、非常に低い値まで降下することができ、大きい反応スパイクをもたらすことができる水の注入を生成する。流動制限器機能は、そのような効果を防止するように、水分配機能に組み込むことができる。逆止具の使用は、バネ設計によって決定される、ほぼ一定圧力動作を促進する。制御弁または調節器等の逆止弁のための他の機構もまた、使用することができる。
【００９３】
バネ駆動反応システムは、バネの特性を使用して、反応器チャンバ内に残留する反応燃料物質の量を監視および決定することができる。決定は、直接または間接的に行なわれることができる。反応開始時の反応器チャンバ内の既知の量の反応燃料によって、反応器チャンバ内の圧力が、監視される。反応器内側の圧力が変化するにつれて、反応に追加された水の量が、決定され、反応で使用された反応燃料物質の量の指標を提供することができる。反応開始時の反応燃料物質の量から使用された反応燃料物質の量を減算することによって、反応において使用するための残っている反応燃料物質の量を提供する。例えば、反応開始時、既知の反応燃料物質の量が、反応器チャンバに追加される。図１８または図２１におけるバネ１８２１等のバネは、水チャンバ１８４１内に圧力を生じ、水１８１４が、反応器チャンバ１８０２内に注入される。水素は、水１８１４が反応燃料物質１８３４に接触するにつれて発生される。バネ１８２１が圧力を提供し、水１８１４を反応器チャンバ１８０２内に注入するにつれて、水素が発生され、反応器チャンバ１８０２内に圧力を生成する。反応器チャンバ１８０２内に生成された圧力は、対抗する力を水チャンバ１８４１に印加する。反応器チャンバ内の圧力が、流動によって生成される水圧と等しくなると、水流は停止し、これは、ひいては、追加の水素発生もまた、停止するであろうことを意味する。反応器チャンバ内の水素圧力が、偶発的に、水流によって生成された水圧を超える場合、逆止弁は、水にバネによって決定される圧力より高い圧力を生じさせないであろう。逆止弁がない場合、システムは、制御不能に変動し得る。反応が経時的に継続するにつれて、有効バネ力は、バネの力対たわみ特性により、その同じ時間期間にわたって減衰するように見られ得る。バネの変位が経時的に変化するにつれて、これは、経時的水圧変化をもたらし、これは、また、同時間にわたる反応器チャンバ内の平均水素圧力変化に等しい。バネ変位、水容積、水圧、または水素圧力の測定は、したがって、間接的に、反応の状態を決定するために使用されることができる。例えば、システムは、反応開始時、反応チャンバ内に生じた圧力が、３ｐｓｉであるが、反応の終了間際では、反応チャンバ内の圧力が、１ｐｓｉであるように特徴付けられ得る。反応の状態は、反応器および／または水供給部内の視覚ウインドウを使用して、反応器に追加された水の量を観察することによって決定されることができる。例えば、視覚ウインドウは、反応器に追加された水の量を示す目盛りまたは他の較正表示を含むことができる。加えて、ルックアップテーブル（データベース）を伴うマイクロコントローラが、本圧力を測定し、反応の状態を決定するために使用されることができる。圧力センサおよびマイクロコントローラは、水供給内、水供給部と反応器チャンバとの間の経路、反応器チャンバ、またはそれらの任意の組み合わせ内に常駐し得る。
【００９４】
バネ力は、物質、ワイヤ径、シャフト径、内径および外径、ピッチ、ブロック長、自由長、コイルの数、バネ率、および力時の長さ等の、バネの物理的特性に基づく。バネは、例えば、コイル、リーフ、またはクロックバネ等の種々の異なる種類のいずれかであることができる。さらに、バネは、シリコーン等のエラストマーであり、水を反応器に移動させる力を提供するように伸展されることができる。シリコーンは、バルーンあるいは他のエラストマーおよび／または弾性デバイスとして構成され、力を与えることができる。これらの物理的特性に基づいて、バネによって産生される有効力は、反応器チャンバ内の水素圧力、反応した反応燃料物質の量、または同様に、反応器チャンバ内に残留する反応燃料物質の量を決定するために使用されることができる。同様に、有効バネ力は、バネの有効力、それによって、水素ガスによって産生される圧力を監視および決定するために、力ゲージ１８８８等の力ゲージを使用して監視されることができる。当然ながら、力ゲージ１８８８はまた、反応器チャンバ内に設置され、反応から産生される水素圧力を監視することができる。同様に、圧力ゲージもまた、使用されることができる。これらの容積、圧力、および／または力測定から、反応器チャンバ内に残留する反応燃料物質の量が、決定されることができる。例えば、単純ルックアップテーブルおよび／またはデータベースマッピングが、有効バネ力を反応器チャンバ内に残留する反応燃料物質の量にマップするために使用されることができる。同様に、類似テーブルも、反応器チャンバ内の水素圧力を反応した反応燃料の量にマップする際に採用されることができる。反応に追加された水容積を反応した反応燃料の量と等化させる類似テーブルもまた、使用されることができる。これらのデータベースマッピング／ルックアップテーブルの組み合わせおよび変形例もまた、採用されることができる。
【００９５】
受動的アーキテクチャ反応器システムでは、水散布および分配は、多くの技術を使用して実行することができる。例えば、図２５に示されるように、水散布器２５１５は、小さい分配孔２５１３を有する、小径管であることができる。水分配システムはまた、反応器空洞２５０２内部に見られるように、シリコーン管２５５５内の孔のネットワークを組み込むことができる。孔間隔、寸法、および種類変動を、ノズルに関して上記に説明してきた。加えて、シリコーン管２５５５構造の孔寸法は、追加の可撓性を提供することができる。上述したように、小孔は、発生された反応廃棄物によって閉塞しやすく、したがって、シリコーン管２５５５の使用により、圧力が閉塞周辺でより幅広い孔を生成し、次いで、閉塞物を孔から外に押し出すことを可能にすることができる。例えば、ホウケイ酸繊維等の他の水分配機構、および他の水ウィッキング物質も使用して、反応領域にわたり水を分配することができる。これらの水分配技術は、任意の種類のポンプまたは制御システムアーキテクチャとともに使用することができる。
【００９６】
図１８に概略的に示されるように、２部品式反応器システム１８００の一実施例は、反応器１８０２等の１つの一次構成要素または容器内に反応燃料物質１８３４を含み、水溶液は、まず、水溶液キャニスタ１８９２等の別の一次構成要素または容器内にある。反応器１８０２は、反応が完了した時点で廃棄または再生されることができる一方、水溶液キャニスタ１８９２は、ユーザによって再利用可能かつ再充填可能である。これらの２つの一次構成要素１８０２、１８９２は、「反応器および水供給システム」と称される。図１８に示される実施例では、完全な水素発生システムは、２つのコア構成要素（反応燃料反応器１８０２、および水溶液キャニスタ１８９２）から成る。これらの２つの別個のキャニスタ１８０２、１８９２は、一緒に接続され、相互作用して水素ガスを発生する。代替的には、上述したように、これらの２つのキャニスタ１８０２、１８９２は、単に、水入口弁を介して一緒に接続されることができる一方、制御システム（例えば、燃料電池システム、消費者用最終生成物等）は、キャニスタを定位置に保持し、それらを適宜に解放するために、機械的剛性を提供する。さらに、完全な水供給システムは、非分離可能および／または除去可能構成要素として、制御システム内に存在することができる。
【００９７】
インターフェース弁１８２４は、反応器１８０２内、供給システム１８９２内、および／またはその両方内に存在することができる。反応器１８０２および水供給１８９２が接続されたとき、インターフェース弁は、水素圧力がバネ１８２１をたわませることを可能にしないであろう。これは、インターフェース弁１８２４内に、逆止弁、または制御オン／オフ弁の特性を含むことによって達成することができる。別個の実装では、インターフェース弁１８２４が、そのような特徴を提供しない場合、ネジ駆動、または水供給システムが水素ガスで著しく加圧されることを可能にしない他の機構を有するピストンアセンブリを制御すること等の別個の特徴を採用して、バネの逆動を妨げることができる。
【００９８】
図２２−２４は、このシステム実装における、コア構成要素の実施例を示す。図２２Ｂに示されるように、金属バネ２１２１を水キャニスタ２１９２内で採用して、圧力を発生し、水が反応器キャニスタ内に流入するための手段を提供する。この実施例における金属バネ２１２１は、先細円錐引張バネであるが、ねじり、ぜんまい、逆先細円錐、圧縮、およびその他等の他の種類のバネも使用することができる。バネ２１２１は、キャニスタ２１９２の基板２１７０、およびプランジャ２１７２に固定して載置されることができる。さらに、バネ２１２１は、プランジャヨーを防止するように、中心に置かれる。図２２Ｂに示すプランジャ２１７２は、プランジャ２１７２がスライドする場合、誘導し、封止するための統合された特徴を有するが、他の水送達設計を使用することができる。例えば、上述したように、異なる実施例は、圧縮下で水を反応器に送達する、可撓性「バッグ」を採用することができる。
【００９９】
逆止弁２１６２および開口部２１６４（図２３に示す）は、水キャニスタ２１９２と、粉末（反応器）キャニスタ２１０２との間の水出口内に組み込まれる。逆止弁２１６２は、水素圧力が水キャニスタ２１９２を再加圧することを妨げ、したがって、システムの不安定性を妨げることに役立つ。他の実施例では、逆止弁２１６２はまた、水キャニスタ／反応器の切り離し時に封止することができる。他の実施例では、逆止弁２１６２は、過剰圧力がシステム内に生じる場合に、圧力を軽減することができる。開口部２１６４は、水と反応器キャニスタ２１０２、２１９２との間の高い差圧期間中に、反応器２１０２への水流を制限することに役立つ。
【０１００】
図２６および２７に示されるように、他の実装では、反応器および水供給サブシステムは、分離可能である。例えば、図２６に示されるように、１つの例示的実装では、ねじ式係止機構２６６６を採用して、２つのキャニスタ２１０２、２１９２を連結する。クリック機構、または水供給ポート上の微細（１０−３２）内部および外部ねじ切り等の他の係止設計もまた、使用することができる。係止機構のねじは、水または水素に対して封止する必要がなく、Ｏリングまたはガスケット種類の封止を使用して、水を反応器キャニスタインターフェースに連結することができる。
【０１０１】
この実施例におけるキャニスタの両方は、上述の薄壁の圧力容器である。反応キャニスタは、ニッケルめっきまたはエポキシ樹脂コーティングを施したアルミニウム等、あるいは人工的な硬質または可撓性のプラスチック等の塩基耐食物質で構築することができる。水キャニスタは、軽量金属、またはエンジニアリングプラスチックから構築することができる。水キャニスタは、キャニスタが切り離されたとき、または除去されたときに水流を妨げる係止機構を有することができる。係止機構は、水が流動するためにユーザ介入を必要とする、機械的ラッチであることができる。代替的には、反応器は、弁、またはユーザ介入があるまで流動を停止させる他の機構を収容することができる。ユーザ介入の実施例は、物理的スイッチ、またはキャニスタを燃料電池システムアセンブリに挿入する動作によって作動する弁を含む。
【０１０２】
加えて、水供給システムの一部としてのバネは、図２７の実施例に示されるように、水の外、または図２８に示されるように、水中にあるように構成することができる。バネが水中に位置する場合、腐食防止剤を水溶液に追加することができるか、または他のバネ物質を適切に選択して、腐食を制限することができる。
【０１０３】
図２９Ａおよび２９Ｂの実施例に示されるように、多くの異なる構造を使用して、反応器内への水挿入の全時間、ほぼ一定の水圧力を維持することができる。実際の移動距離が全体の圧縮距離に関して短くなるように、バネを選択することができる。これを達成する一方法は、図２９Ａおよび２９Ｂに示されるように、逆円錐バネを使用することによるものである。長い非圧縮バネ２９２１が、依然として圧力下にある間、平らに引き下げるように、圧縮し、逆転されることができる（図２９Ｂに示されるように）。これにより、依然として必要な力を提供しながら、バネ圧縮容量が最小限になることを可能にする。
【０１０４】
（容積考慮）
一部のユーザは、ユーザの複雑度を最小限化するために、パッケージ内に含まれる必要な水のすべてで、できるだけ少容量である構造を必要とし得る。図３０Ａおよび３０Ｂに示される一実施例では、反応器容量３００２は、まず、少量で開始し、水溶液が枯渇し、反応点に追加されると、経時的に増加する。反応器容量３００２は、非常に圧縮された状態で開始する。経時的に、ピストン３０７２または同様の機構を使用して、反応器容量３００２を水供給容量３０１４と交換する。この裏にある駆動力は、動態ポンプ機構、バネ駆動機構、または他の機構であることができる。一実装では、システムは、発生された水素圧力が、ネジ駆動ピストンアセンブリ、拡大ガスケット等の使用によって、水送達圧力に影響しないように設計される。別の実装では、システムは、水送達システムの一部としての制御弁または圧力調節器の使用によって、発生された水素圧力が水送達圧力に寄与しないように設計される。図３０Ｂに示されるバネ駆動機構とともに、逆先細バネ３０２１を示し、それは、依然として弛緩されていない状態のままである間に、バネアセンブリが、ほぼ平坦になるまで収縮することができるように許容される力を依然として提供しながら、反応の最後に、水供給容量３０１４の最小限化を可能にする。このアプローチは、同程度のピストン（または他の方法）、水溶液分配ネットワーク、水溶液流動制限器、および統合逆止弁または同程度に機能した構成要素（図示せず）を使用する。弁または他の機構等の機構を採用し得、それは、バネを機械的に定位置に係止するか、または水溶液が流動することを停止させる。水溶液は、カートリッジの外側に流動し得、ピストン形状を介して送られることができる。また、弁、調節器、または他の制御構成要素を、水供給ラインに使用することができる。形状および設計は、バネによって加えられた力のみが水の変位を生成するように採用され得る。例えば、ねじ式インターフェース等の機構は、水素圧力の瞬間的な増加が水圧力の瞬間的な増加につながらないように、組み込まれることができる。拡張ベローズおよびその他等の他の特徴を採用することができる。加えて、図３１−３３は、ラップトップコンピュータの電源のための燃料電池等のシステムに使用することができる、カートリッジ３１００のより大きいバージョンを示す。
【０１０５】
このように、本発明の基本概念について説明したが、むしろ、上述した詳細な開示は、限定するものではなく単に実施例として提示されるように意図されていることが、当業者には明らかとなろう。本明細書において明示的に述べられていないが、当業者には、さまざまな変形、改善および変更が想到され、意図されるであろう。これらの変形、改善および変更は、ここで示唆されるように意図されており、本発明の趣旨および範囲内にある。さらに、処理要素またはシーケンスの列挙した順序、したがってまたは数字、文字あるいは他の指定の使用は、特許請求において特定することができることを除き、請求項に記載のプロセスをいかなる順序にも限定しないように意図されている。したがって、本発明は、以下の特許請求の範囲およびその均等物によってのみ限定される。
【図１】
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【図２】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図２１】
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【図２２Ａ】
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【図２２Ｂ】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９Ａ】
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【図２９Ｂ】
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【図３０Ａ】
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【図３０Ｂ】
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【図３２】
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【図３５Ｂ】
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【図３】
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【図８】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１５Ｃ】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２３】
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【図３１】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５Ａ】
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【国際調査報告】
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