(57)【要約】水反応水素燃料式電力システムは、反応燃料物質と水溶液を組み合わせ、水素を発生させるためのデバイスおよび方法を含む。発生した水素は、燃料電池内で変換され、電気を提供する。水反応水素燃料式電力システムは、燃料電池と、給水トレーと、燃料カートリッジとを含み、ポータブル電力電子機器のための電力を発生させる。除去可能燃料カートリッジは、給水トレーおよび燃料電池によって包囲される。給水トレーは、ユーザによって水で再充填可能である。水は、次いで、給水トレーから燃料カートリッジ内に移送され、燃料電池のための水素を発生し、次いで、ユーザのための電力を産生する。
2015505640.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素燃料電池システムであって、
燃料電池と、
オーバーモールド成形面シールガスケットを含む燃料カートリッジであって、前記オーバーモールド成形面シールガスケットは、前記燃料カートリッジ上にオフセット注入点を提供する、燃料カートリッジと、
前記燃料カートリッジ内の反応燃料物質と、
前記燃料カートリッジに動作可能に接続されている給水トレーであって、前記給水トレーは、前記燃料電池のための水素を生じさせるために、前記反応燃料物質と反応するための水溶液を前記燃料カートリッジ中に提供する、給水トレーと
を備えている、水素燃料電池システム。
【請求項２】
前記オーバーモールド成形面シールガスケットは、燃料カートリッジ入力ポート、燃料カートリッジ出力ポート、および水素出力ポートのうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の水素燃料電池システム。
【請求項３】
前記反応燃料物質は、安定化アルカリ金属を含む、請求項１に記載の水素燃料電池システム。
【請求項４】
前記反応燃料物質は、ナトリウムシリサイドまたはナトリウムシリカゲルのうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の水素燃料電池システム。
【請求項５】
前記給水トレーは、前記水溶液を保持するベローズアセンブリを含む、請求項１に記載の水素燃料電池システム。
【請求項６】
前記ベローズアセンブリは、前記燃料カートリッジに提供される前記水溶液を自己加圧する、請求項５に記載の水素燃料電池システム。
【請求項７】
前記ベローズアセンブリの内側のバネをさらに備え、前記バネは、前記燃料カートリッジに提供される前記水溶液を加圧する、請求項５に記載の水素燃料電池システム。
【請求項８】
前記ベローズアセンブリの内側の前記バネは、前記水溶液を前記燃料カートリッジに押し出す、請求項７に記載の水素燃料電池システム。
【請求項９】
前記ベローズアセンブリの内側の前記バネは、前記水溶液を前記燃料カートリッジに引きつける、請求項７に記載の水素燃料電池システム。
【請求項１０】
前記ベローズアセンブリの外側のバネをさらに備え、前記バネは、前記燃料カートリッジに提供される前記水溶液を加圧する、請求項５に記載の水素燃料電池システム。
【請求項１１】
逆止弁をさらに備え、前記逆止弁は、前記ベローズアセンブリからの前記水溶液の圧力および前記燃料カートリッジ内で生じた水素の圧力に基づいて、前記ベローズアセンブリから前記燃料カートリッジへの前記水溶液の流動を調節する、請求項５に記載の水素燃料電池システム。
【請求項１２】
前記逆止弁は、前記ベローズアセンブリの圧力に関連付けられた定常減衰として、前記提供される水溶液の圧力を調節する、請求項１１に記載の水素燃料電池システム。
【請求項１３】
前記逆止弁は、水素ガスが前記ベローズアセンブリをたわませることを防止する、請求項１１に記載の水素燃料電池システム。
【請求項１４】
前記逆止弁は、反応を開始または再開させるために前記燃料カートリッジに最初に提供される前記水溶液の圧力を弱める、請求項１１に記載の水素燃料電池システム。
【請求項１５】
ポペットをさらに備え、前記ポペットは、前記ポペットがロック位置にある場合、前記水溶液が前記燃料カートリッジに進行することを防止し、前記ポペットがロック解除位置に置かれている場合、前記水溶液の流動を可能にし、前記燃料カートリッジを作動させ、前記反応が開始することを可能にする、請求項１に記載の水素燃料電池システム。
【請求項１６】
前記燃料カートリッジは、区画に分割されている、請求項１に記載の水素燃料電池システム。
【請求項１７】
回転可能アクチュエータをさらに備え、前記回転可能アクチュエータは、前記水溶液が提供される、前記燃料カートリッジの分割された区画を選択する、請求項１６に記載の水素燃料電池システム。
【請求項１８】
水素燃料電池システムを制御する方法であって、
反応燃料物質を伴う燃料カートリッジを給水トレー内に挿入することであって、前記燃料カートリッジは、オフセット注入点を伴うオーバーモールド成形面シールガスケットを含む、ことと、
燃料電池を前記燃料カートリッジに接続することと、
前記反応燃料物質と反応するための水溶液をベローズアセンブリから前記燃料カートリッジに提供することと、
前記水溶液と前記反応燃料物質との反応から水素を生じさせることと
を含む、水素燃料電池システムを制御する方法。
【請求項１９】
前記生じた水素を前記燃料電池に送達することをさらに含む、請求項１８に記載の水素燃料電池システムを制御する方法。
【請求項２０】
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１８に記載の水素燃料電池システムを制御する方法。
【請求項２１】
前記ベローズアセンブリを用いて、前記燃料カートリッジに提供される前記水溶液を自己加圧することをさらに含む、請求項１８に記載の水素燃料電池システムを制御する方法。
【請求項２２】
前記ベローズアセンブリの内側のバネを用いて、前記燃料カートリッジに提供される前記水溶液を加圧することをさらに含む、請求項１８に記載の水素燃料電池システムを制御する方法。
【請求項２３】
前記水溶液を加圧することは、前記水溶液を前記燃料カートリッジに押し出すことを含む、請求項２２に記載の水素燃料電池システムを制御する方法。
【請求項２４】
前記水溶液を加圧することは、前記水溶液を前記燃料カートリッジに引きつけることを含む、請求項２２に記載の水素燃料電池システムを制御する方法。
【請求項２５】
前記ベローズアセンブリの外側のバネを用いて、前記燃料カートリッジに提供される前記水溶液を加圧することをさらに含む、請求項１８に記載の水素燃料電池システムを制御する方法。
【請求項２６】
逆止弁を用いて、前記ベローズアセンブリから前記燃料カートリッジへの前記水溶液の流動を調節することをさらに含む、請求項１８に記載の水素燃料電池システムを制御する方法。
【請求項２７】
前記逆止弁を用いて前記水溶液の流動を調節することは、前記ベローズアセンブリからの水溶液の圧力および前記燃料カートリッジ内で生じた水素の圧力に基づく、請求項２６に記載の水素燃料電池システムを制御する方法。
【請求項２８】
前記水溶液の流動を調節することは、前記ベローズアセンブリの圧力に関連付けられた定常減衰として、前記水溶液の圧力を調節することを含む、請求項２７に記載の水素燃料電池システムを制御する方法。
【請求項２９】
水素ガスが前記ベローズアセンブリをたわませることを防止することをさらに含む、請求項２７に記載の水素燃料電池システムを制御する方法。
【請求項３０】
水流制限器を用いて、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提供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に記載の水素燃料電池システムを制御する方法。
【請求項３１】
ポペットがロック位置にある場合、前記水溶液が前記燃料カートリッジに進行することを防止し、前記ポペットがロック解除位置に置かれている場合、前記水溶液の流動を可能にし、前記燃料カートリッジを作動させ、前記反応が開始することを可能にすることをさらに含む、請求項１８に記載の水素燃料電池システムを制御する方法。
【請求項３２】
前記水溶液が提供される、前記燃料カートリッジの分割された区画を選択することをさらに含む、請求項１８に記載の水素燃料電池システムを制御する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本技術は、概して、水素生成燃料電池システムおよび方法に関し、より具体的には、ナトリウムシリサイド、ナトリウムシリカゲル、または、水あるいは水溶液と反応する多成分混合物を使用して水素を生成する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、電力を生成す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、電力を生成する多数の他の技術と競合する。燃料電池は、定置発電、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、ならびに他の用途を含む、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とともに信頼性が高い。
【０００４】
水素貯蔵および生成の課題により、ＰＥＭ燃料電池の広範囲の導入が限られてきた。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。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。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ことができる。しかしながら、金属水素化物系には、多くの場合、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）、入出力流動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に、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、および／または燃料電池の電流出力を測定し、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）等の化学水素化物を使用して、不可逆的に水素ガスを貯蔵する。化学水素化物は、以下に示されるように、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の制御とともに、触媒を採用しなければならない。さらに、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取り入れられる。
【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℃で発生し、一方、第２反応は、別の６．５重量％の水素を放出し、約１６０℃で発生する。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、熱暴走が一般に発生することによるシステム制御問題に悩まされる。アンモニア−ボランから水素生成を熱的に開始し、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、例えば、米国特許第７，６８２，４１１号（特許文献２）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３）および第７，５７８，９９２号（特許文献４）を参照されたい。
【０００８】
上記を鑑みて、従来技術における問題または不利点を克服する、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７，６８２，４１１号明細書
【特許文献３】米国特許第７，３１６，７８８号明細書
【特許文献４】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】
後述する水素燃料電池電力システムは、燃料電池、給水トレーシステムおよび燃料カートリッジを含む３つの主なサブシステムを備えている。本システムは、「水反応」と呼ばれる種類の燃料電池システム用に設計されている。水反応システムでは、水（または溶液）が粉末と結合して燃料電池システム用の水素を発生させる。これらの反応種類は、ナトリウムシリサイド、ナトリウムシリカゲル、水素化ホウ素ナトリウム、ナトリウムシリサイド／水素化ホウ素ナトリウム混合物、アルミニウム等、広範囲の粉末を使用することができる。反応副生成物の粉末または水吸収を通して水分散を制御するために、粉末に活性剤、触媒または添加剤を加えることができる。粉末に対する添加剤は、油等の消泡剤とともに、局所反応箇所および／または温度を分散させることにより燃料カートリッジ内により均一な反応および熱分散をもたらし、例えば、反応生成物および副生成物の化学的かつ物理的特質を含む反応条件を制御する、同様の物質を含むこともできる。粉末サイズを、水輸送、反応速度、および副生成物水吸収を容易にするように制御することができる。さまざまな条件で溶液を形成するために、水に活性剤、触媒、または他の添加剤を加えることもできる。
【００１１】
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可能である。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できる。水溶液は、水、酸、塩基、アルコール、およびこれらの溶液の混合物を含むことができる。水溶液の他の実施例としては、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。
【００１２】
本願発明は、給水トレーシステム内に挿入される除去可能／交換可能燃料カートリッジを含むことができる。燃料電池を、燃料カートリッジを包囲する給水トレーシステムに接続することができる。この接続のプロセスにおいて、燃料カートリッジは、給水トレーとの水接続および燃料電池との水素ガス接続を形成する。給水トレーを、水を貯蔵し水で補充されるように設計することができる。給水トレーシステムを、給水トレーが燃料カートリッジに接続されるまで水を排出しないように設計することができる。水が給水トレーから燃料カートリッジに入ると、水素が発生して燃料電池に送達される。給水トレーおよび燃料電池が分離されると、水トレー内の弁が閉鎖し、それによって、水トレー内の水流が停止する。さらに、給水トレー内のバネ機構が給水トレーから燃料カートリッジを排出し、それによって、燃料カートリッジへの水流路が切断される。これらの構成および技術の一方または両方により、水流が停止し、水素の生成が中止される。別の例示的実装では、機械式流動調節弁または同様の機構を採用して、燃料カートリッジが接続されたままである間に燃料カートリッジ内への水流を停止させることができる。これにより、水素が発生することを停止させる。流動調節弁は、ユーザによって制御される物理的スイッチかまたは電子制御スイッチであり得る。同様に、別の例示的実装では、ポンプにより、燃料カートリッジが依然として係合している間に水流を止めるように、または流れが望まれる場合は水を圧送するように、流れを制御することができる。
【００１３】
１つの例示的実装では、給水トレーおよび燃料電池を、交換可能な燃料カートリッジが取り外し可能／交換可能構成要素である単一のサブシステムとして有効に機能するように構成することができる。別の実装では、給水トレーおよび燃料カートリッジを、全体が取り外し可能／交換可能である単一のサブシステムとして有効に機能するように構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本願発明による燃料電池、給水トレーおよび燃料カートリッジを備えている水素燃料電池電力システムの図を示す。
【図２】図２は、給水燃料電池システムおよび燃料カートリッジならびにその関連する入力および出力を示す。
【図３】図３は、本願発明による補充可能な水ドアおよび燃料カートリッジを備えた給水燃料電池システムの実施例を示す。
【図４】図４Ａ−４Ｂは、給水トレーに挿入された燃料カートリッジとともに示される給水トレーの構造的特徴を示す。
【図５Ａ】図５Ａ−５Ｃは、燃料カートリッジとともに示される給水燃料システムの組立分解図、側面図および底面図である。
【図５Ｂ】図５Ａ−５Ｃは、燃料カートリッジとともに示される給水燃料システムの組立分解図、側面図および底面図である。
【図５Ｃ】図５Ａ−５Ｃは、燃料カートリッジとともに示される給水燃料システムの組立分解図、側面図および底面図である。
【図６Ａ】図６Ａおよび６Ｂは、本願発明による、開放された図および閉鎖された図での水素燃料電池電力システムで使用されるスライドロック機構を図示する。
【図６Ｂ】図６Ａおよび６Ｂは、本願発明による、開放された図および閉鎖された図での水素燃料電池電力システムで使用されるスライドロック機構を図示する。
【図６Ｃ】図６Ｃは、給水トレー、燃料カートリッジ、およびラッチ接続機構を備えた燃料電池サブシステムを図示する。
【図６Ｄ】図６Ｄは、本願発明による給水トレーおよび燃料カートリッジの断面図である。
【図７】図７は、燃料カートリッジが挿入されている給水トレーの斜視図、側面図および上面図である。
【図８Ａ】図８Ａは、本願発明による給水トレーに水を貯蔵し、その水を加圧しかつ排出するように構成されたベローズバネアセンブリを図示する。
【図８Ｂ】図８Ｂおよび８Ｃは、それぞれ、名目圧縮状態および負荷状態での本願発明によるベローズバネアセンブリを図示する。
【図８Ｃ】図８Ｂおよび８Ｃは、それぞれ、名目圧縮状態および負荷状態での本願発明によるベローズバネアセンブリを図示する。
【図８Ｄ】図８Ｄおよび８Ｅは、それぞれ、係合解除位置および係合位置での本願発明によるベローズバネアセンブリおよびロック棚を図示する。
【図８Ｅ】図８Ｄおよび８Ｅは、それぞれ、係合解除位置および係合位置での本願発明によるベローズバネアセンブリおよびロック棚を図示する。
【図８Ｆ】図８Ｆは、係合位置での本願発明によるベローズアクセスドアを図示する。
【図９】図９は、本願発明によるチューブ接続水流制限オリフィスを図示する。
【図１０】図１０は、本願発明によるディスク型水流制限オリフィスを示す。
【図１１】図１１は、本願発明による燃料電池システムに水を補充するときにトレードアを開放してロックする、ベローズアセンブリの最上部に対する構造的構成要素を図示する。
【図１２Ａ】図１２Ａおよび１２Ｂは、それぞれ、本願発明による燃料電池システムに水を補充するときに充填ドアを開放してロックするロック機構を図示する上面図である。
【図１２Ｂ】図１２Ａおよび１２Ｂは、それぞれ、本願発明による燃料電池システムに水を補充するときに充填ドアを開放してロックするロック機構を図示する上面図である。
【図１３Ａ】図１３Ａおよび１３Ｂは、本願発明による水素燃料電池電力システムで使用される燃料カートリッジの構造的詳細を示す断面図である。
【図１３Ｂ】図１３Ａおよび１３Ｂは、本願発明による水素燃料電池電力システムで使用される燃料カートリッジの構造的詳細を示す断面図である。
【図１３Ｃ】図１３Ｃは、本願発明による角度付きニードル弁の斜視図である。
【図１４Ａ】図１４Ａは、本願発明による水素燃料電池電力システムで使用される燃料カートリッジキャニスタのさらなる構造的詳細を図示する。
【図１４Ｂ】図１４Ｂは、本願発明による燃料カートリッジ用の反応物質保持スクリーンを示す。
【図１５Ａ】図１５Ａは、本願発明による燃料カートリッジのキャップに一体的に形成されたろ床の上で出口流を制御することにより、高純度水素を獲得する化学洗浄通路を示す。
【図１５Ｂ】図１５Ｂは、本願発明による燃料カートリッジのキャップに一体的に形成されたろ床の上で出口流を制御することにより、高純度水素を獲得する化学洗浄迷路を示す。
【図１５Ｃ】図１５Ｃは、本願発明による燃料カートリッジのキャップに組み込まれたオーバーモールド成形面シールガスケットの斜視図を示す。
【図１５Ｄ】図１５Ｄは、本願発明による燃料カートリッジのキャップに組み込まれたオーバーモールド成形面シールガスケットの側面図を示す。
【図１６Ａ】図１６Ａは、本願発明による水素燃料電池電力システムで使用されるプラスチック燃料カートリッジキャップに金属燃料カートリッジ本体をカールさせる器具を示す。
【図１６Ｂ】図１６Ｂは、巻上げクリンプおよび図１６Ａのクリンプ作成器具を使用して組み立てられた燃料カートリッジの断面図である。
【図１７】図１７は、本願発明による燃料カートリッジキャップに一体的に取り付けられたカートリッジ弁の実施例を示す。
【図１８Ａ】図１８Ａは、本願発明による水素燃料電池電力システムで使用されるコイル状反応供給チューブを備えたキャニスタを示す。
【図１８Ｂ】図１８Ｂは、本願発明による水素燃料電池電力システムで使用されるＴ型継手およびコイル状反応供給チューブを備えたキャニスタを示す。
【図１９】図１９Ａおよび１９Ｂは、それぞれ、開放位置および閉鎖位置にある、本願発明による水素燃料電池電力システムで使用される自動機械式水制御弁およびプランジャを示す。
【図２０】図２０は、本願発明による水素燃料電池電力システムのトレーからカートリッジを「排出する」バネを示す。
【図２１】図２１Ａおよび２１Ｂは、それぞれ、斜視図および横断面図での本願発明による水素燃料電池電力システムで使用される通常閉鎖ニードル弁を示す。
【図２２】図２２は、携帯電話を充電する、本願発明によるシステムを示す。
【図２３Ａ】図２３Ａは、本願発明による燃料電池システムにおいて流体を隔離するためのシリコーンシートを示す。
【図２３Ｂ】図２３Ｂは、本願発明による燃料電池システムにおいて流体隔離を可能にする給水トレーニードルおよびシリコーンシートを示す。
【図２３Ｃ】図２３Ｃは、本願発明による燃料電池システムにおいて流体を隔離するためのシリコーンシートの底面図を示す。
【図２４】図２４Ａおよび２４Ｂは、回転可能アクチュエータマニホールドが、それぞれ、第１の位置から第２の位置に移動するにつれた本願発明による分割された燃料カートリッジおよび回転可能アクチュエータマニホールドを図示する。
【図２５】図２５Ａおよび２５Ｂは、それぞれ、側面図および上面図での本願発明による回転可能アクチュエータマニホールドを概略的に図示する。
【図２６】図２６Ａおよび２６Ｂは、それぞれ、開放および閉鎖図での本願発明による磁気ポペット安全停止弁を概略的に図示する。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１は、本願発明による水反応水素燃料式電力システム１００の実施例を示す。システム１００は、燃料カートリッジ１２０、給水トレー１３０、および燃料電池１１０を備えている。燃料カートリッジ１２０は、反応燃料物質１７７を含む。燃料カートリッジ１２０は、給水トレー１３０と別個の物理的デバイスであることも、給水トレー１３０と一体型であることもできる。
【００１６】
反応燃料物質１７７は、ナトリウムシリサイド、ナトリウムシリカゲル、水素化ホウ素ナトリウム、ナトリウムシリサイド／水素化ホウ素ナトリウム混合物、アルミニウム等の粉末を含む、安定化アルカリ金属物質を含むことができる。反応燃料物質１７７に活性剤、触媒および／または添加剤を加えることにより、反応燃料物質１７７を通しての水分散または反応副生成物の水吸収を制御することができる。反応燃料物質１７７への添加物は、鉱油等の油等の消泡剤、および、局所反応温度を分散させることにより燃料カートリッジ１２０内により均一な反応および熱分散をもたらすための他の物質を含むことも可能である。反応燃料物質１７７粉末サイズは、水輸送、反応速度、および副生成物水吸収を容易にするために制御されることができる。例えば、反応燃料物質１７７の粉末サイズを、１ｍｍ未満から９ｍｍまで変化させることができる。１つの例示的実装では、ナトリウムシリサイドの粉末サイズは、約４ｍｍから６ｍｍであった。この粉末サイズは、水または別の水溶液が燃料カートリッジに加えられたときに問題となる結合をなくすように十分に大きくされる。湿潤すると結合し易い微細過ぎる粉末に水を加える代わりに、この反応燃料構成により、水１９９が燃料カートリッジ１２０に加えられる際に追加された水１９９が新鮮な粉末に有効に達することができる。
【００１７】
反応燃料物質１７７はまた、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も可能である。安定化アルカリ金属物質を、例えば、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。１つの例示的実装では、反応燃料物質１７７は、安定化アルカリ金属物質およびそのような任意選択的な共反応物を含む。
【００１８】
給水トレー１３０を、ユーザによって水１９９で充填することができる。溶液を形成するために、水１９９に活性剤、触媒または他の添加剤を加えることも可能である。給水トレー１３０は、水１９９を加圧する機構を含む。図１に示される一例示的加圧機構は、ベローズ１６０内に、水１９９を加圧し、逆止弁１４０およびポペット１５０を通して燃料カートリッジ１２０内に流動させるバネアセンブリ２３１を含むことができる。バネアセンブリ２３１は、バネ特性および所望の送達機構に応じて、ベローズ内に搭載され、水を逆止弁１４０を通して「押し出す」ことも、逆止弁１４０に向かって、かつそれを通して、水を「引きつける」こともできる。加圧機構は、下の図２および図８に関してさらに考察するように、ベローズアセンブリ、バネアセンブリ、ピストンアセンブリ等であることができる。バネアセンブリ、ピストンアセンブリ、および他の加圧アセンブリは、図１の実施例に示されるように、ベローズ外に位置し、圧力をベローズに提供し、水を加圧することも、ベローズ内に位置し、水に直接圧力を提供することもできる。例えば、図２は、ベローズ２６０外に位置する例示的バネアセンブリ２２１を示す。外部バネアセンブリ２２１は、ベローズ２６０およびベローズ内の水１９９に力を加える。
【００１９】
加えて、ベローズアセンブリは、自己加圧されることもできる。例えば、ベローズアセンブリは、ある水の容積がベローズアセンブリに追加されるにつれて、拡張および収縮する、ラテックス、ポリクロロプレン、ポリエステル、ナイロン、ポリウレタン等を含むが、それらに限定されない、シリコーン、他のゴム、およびエラストマー等の当技術分野において公知の弾性物質から作製されることができる。いくつかの自己加圧実施例では、水等の水溶液が、ベローズアセンブリに添加され、ベローズアセンブリは、その水の容積を保持するように拡張する。水の容積は、バルーンまたは膨張可能バッグが、ある水の容積がバルーンに追加されると拡張する様式と同様の方式でベローズアセンブリの物質を引き伸ばす。所望の容積の水がベローズアセンブリに追加されると、ポペット（弁）が、閉鎖され、反応が開始されるまで、水がベローズから流出することを防止することができる。反応を開始するために、ベローズアセンブリ上のポペットが、開放され、水溶液を反応物質に流動させることができる。ベローズアセンブリは、次いで、その非拡張サイズに戻り始め、圧力を水に提供し、水は、燃料カートリッジ１２０へと流動する。ポペット１５０は、水トレーへの燃料電池の物理的接続によって作動されることができる。ポペットはまた、使用され得る他の機械的または電気機械的機構によって作動され得る。他の弁設計も、ポペット機能の開始および停止を行なうために利用されることができる。
【００２０】
別の実施例では、図８Ａは、水１９９を加圧するように給水トレー１３０に嵌め入れられるバネアセンブリ８３４を組み込んだ給水トレー１３０のリザーバ部分８３２の分解図を示す。バネアセンブリ８３４を反転バネ（ｉｎｖｅｒｔｅｄ  ｓｐｒｉｎｇ）とすることができ、そこでは、使用中、内側コイルが外側コイルを通して引っ張られる。反転バネは、バネアセンブリ８３４の長さを有効に増大させ、変位範囲にわたってより大きい線形力範囲を生成する。この線形力を、次いで、水および／または水を保持しているベローズアセンブリに伝達することができる。反転バネは、水を加圧する力を与える際、長さが低減するが、反転バネが平坦な状態に達する場合であっても、バネは依然として応力状態にある（力を提供する）。これにより、（ベローズ内または水トレーの貯蔵器部分内にある）略すべての水が使用された場合であっても、水は圧力下にあることができる。ロックが解除されると、バネアセンブリ８３２は、ベローズドアアセンブリを引っ張ることにより水に力を加える（例えば、約２ｐｓｉ〜４ｐｓｉの加圧水がもたらされる）。圧力は、水トレー１３０からの水流を燃料カートリッジ１２０に供給して反応を開始させるために使用される。バネアセンブリ８３４を、従来のコイル状バネ８７２とすることができ、または打抜き加工された金属片から作製することができ、打抜き加工された金属片は、細長く、バネアセンブリ８３４がベローズアセンブリ２６０において平坦であるときに依然として応力状態である（圧力下にあり続ける）ように、熱処理される。このように、バネ機構は、略すべての水がベローズアセンブリ２６０から送り出された場合であっても、加圧水をもたらす確実なバネ力があるように構成されている。
【００２１】
図１に戻ると、加圧水１９９または溶液は、給水トレー１３０から逆止弁１４０およびポペット１５０を通って燃料カートリッジ１２０内に流れ込む。燃料カートリッジ１２０内部で水素１８８が発生し、燃料電池１１０内に流れ込む。図２に、ベローズアセンブリ２６０によって加圧された水１９９のポペット１５０および逆止弁１４０を通る燃料カートリッジ１２０までの流れを示す図をさらに詳細に示す。図２に示される水１９９は、水チャンバおよびベローズアセンブリ２６０に入る。簡単にするために、ベローズアセンブリを出入りする水１９９を参照数字１９９として示す。水１９９が燃料カートリッジ１２０内の反応燃料物質１７７と反応すると、水素１８８が生成され、水素１８８が燃料カートリッジ１２０から燃料電池（図２には別個に示さず）に流れ込む。
【００２２】
バネ駆動反応システムは、バネの特性を使用して、燃料カートリッジ１２０等の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。反応開始時の燃料カートリッジ内の反応燃料物質の量は既知であり、燃料カートリッジ内の圧力が、監視される。燃料カートリッジ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、決定されることができ、これは、反応において使用された反応燃料物質の量の指標を提供する。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して、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、既知の量の反応燃料物質が、燃料カートリッジ１２０内に存在する。図２におけるバネ２２１等のバネは、水チャンバ（ベローズアセンブリ２６０）内で圧力を生じ、水１９９は、逆止弁１４０およびポペット１５０を介して、燃料カートリッジ１２０内に注入される。水素は、水１９９が燃料カートリッジ１２０内の反応燃料物質１７７に接触するにつれて発生させられる。バネ２２１が、圧力を提供し、水１９９を燃料カートリッジ１２０内に注入するにつれて、水素が発生させられ、燃料カートリッジ１２０内に圧力を生成する。燃料カートリッジ１２０内に生成された圧力は、水チャンバ（ベローズアセンブリ２６０）に対抗する力を加え、燃料カートリッジ内の圧力が、流れによって生成された水圧に等しくなるとき、水流は、停止し、これは、ひいては、追加の水素生成もまた、停止するであろうことを意味する。燃料カートリッジ１２０内の水素圧力が、偶発的に、水流によって生成される水圧を超える場合、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、制御不能に振動し得る。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のため、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、水圧が変化し、これは、直接、同時間にわたって、燃料カートリッジ内の平均水素圧に関連する。バネ変位、水圧、または水素圧の測定値が、したがって、反応の状態を間接的に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、燃料カートリッジ内に生じた圧力が、３ｐｓｉであるが、反応の終了間際では、燃料カートリッジ内の圧力が、１ｐｓｉであるように特徴付けられ得る。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、この圧力を測定し、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、燃料電池、水トレー、水トレーと燃料カートリッジとの間の経路、燃料カートリッジ、またはそれらの任意の組み合わせ内に常駐し得る。
【００２３】
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、コイル、リーフ、またはクロックバネ等、種々の異なる種類のいずれかであることができる。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、決定、および報告するための力ゲージ２８８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２８８はまた、反応から産生された水素圧力を監視するために、反応器チャンバ内に設置されることができる。同様に、圧力ゲージもまた、使用されることができる。これらの圧力および／または力測定から、燃料カートリッジ１２０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、有効バネ力を燃料カートリッジ１２０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、燃料カートリッジ１２０内の水素圧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。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。
【００２４】
図１に戻ると、燃料電池１１０は、燃料カートリッジ１２０からの水素１８８および空気からの酸素を利用して電位を生成する。電位が生成されると、システム１００を使用して、図２２に示すような携帯電話２２０１等の電子デバイスを充電および／または稼働させることができる。アダプタケーブル２２０２が、システム１００を電子デバイスに動作可能に接続するように適応させられることができる。当然ながら、他の電子デバイスが、システム１００によって作成された電位を使用して充電するか、稼働するか、または動作することができる。本開示では、燃料電池１１０は、燃料電池システムであるとみなされる。例えば、燃料電池システムは、複数の燃料電池、燃料電池スタック、バッテリ、電源電子回路、制御電子回路、電気出力コネクタ（ＵＳＢコネクタ等）、水素投入コネクタ、ならびに冷却および反応の両方のために空気を提供する空気アクセス場所を含むことができる。
【００２５】
燃料電池（システム）１１０を、複数の異なる技法を用いて、給水トレー１３０および／または燃料カートリッジ１２０に取り付けることができる。図６Ａに示されるように、例えば、燃料カートリッジ１２０は給水トレー１３０に挿入され、給水トレー１３０は、給水トレー１３０のガイドレール６６２ａ、６６２ｂおよび燃料電池１１０のガイドレール６６４を用いて燃料電池１１０に固定される。燃料電池１１０が給水トレー１３０上へ矢印Ｆに沿ってスライドする際、目盛り付き切り欠き（別個に示さず）が係合され、システム１００の双方向スライドを確実に防止するまで、バネラッチ６６６が変位される。図６Ｂは、システムの固定された位置を示す。
【００２６】
図６Ｃに、燃料電池１１０を給水トレー１３０および燃料カートリッジ１２０に機械的に固定する代替様式を示す。この実施例では、燃料電池１１０は、機械的にスライドして燃料カートリッジ１２０および／または給水トレー１３０にロックされるのではなく、代わりに、燃料カートリッジ１２０は、ラッチ６６８ａ、６６８ｂを使用して給水トレー１３０および燃料電池１１０によって捕捉される。ラッチ６６８ａ、６６８ｂは、水素生成動作中に、燃料電池１１０、給水トレー１３０および燃料カートリッジ１２０が分離することを防止するために、給水トレー１３０上のラッチロック箇所６６９ａ、６６９ｂと係合するための圧縮力を使用することによって、燃料電池１１０に給水トレー１３０を確実に締め付けるために使用されることができる。
【００２７】
燃料電池１１０が給水トレー１３０および燃料カートリッジ１２０に最終的に固定される方法に関らず、燃料電池１１０は、適切に接続されると、図６Ｄに示す側面図に（かつ概略的に図１および図２に）示されるように、給水トレー１３０内のポペット１５０を押す一方で、同時に、燃料カートリッジ１２０を給水トレー１３０内にかつ給水トレーニードル６８２上に押す。弁ポペット１５０およびニードル６８２の組み合わせは、燃料電池１１０が給水トレー１３０に係合したときに、ポペット１５０が押し下げられ、ベローズ２６０からの加圧水１９９が、給水トレー１３０を通って水経路５３５に沿って、水トレーニードル６８２を通って燃料カートリッジ１２０内に移動することができるように構成されている。こぼれないように、給水トレー１３０、燃料カートリッジ１２０および燃料電池１１０は、適切な公差があるように適切に寸法が決められており、それによって、給水トレーニードル６８２が燃料電池カートリッジ１２０内のグロメット６２５（図１３Ａおよび図１３Ｂのニードル弁１３２９も参照）内に挿入されたときにのみ、水１９９が流れる。水１９９が燃料カートリッジ１２０内の反応燃料物質１７７に達すると、水素ガスが生じて、燃料カートリッジ１２０内部に圧力を生成する。発生した圧力は、燃料電池１１０に水素１８８を供給し、一方で、ベローズ２６０から燃料カートリッジ１２０内に投入される追加の水１９９の量を制限する役割も果たす。
【００２８】
また図６Ｃに示されるように、バネ機構６７０を、給水トレー１３０から燃料カートリッジ１２０を排出するのに役立つように採用することができる。例えば、バネ機構６７０は、給水トレー１３０から燃料カートリッジ１２０を完全に移動／排出するように、または給水トレー１３０から燃料カートリッジ１２０を部分的に移動／排出するように、物理的な力を加えることができ、それによって、ユーザが、図２に示される水入口箇所１２２等の水入口箇所から、燃料カートリッジ１２０を完全に除去および／または切断接続することが容易になる。さらに、図６Ｄに示されるように、バネ機構６７０は、給水トレーニードル６８２から燃料カートリッジを上昇させ、そのため、図５Ａのプランジャ５３３が偶発的に押された場合であっても、水素生成が防止されるであろう。図２０に、バネ機構６７０を図示する給水トレー１３０の追加の図を示す。
【００２９】
給水トレー１３０、燃料カートリッジ１２０および燃料電池１１０を含む、システム１００に関するさらなる構造的詳細および動作の詳細を以下に提供する。以下の追加の開示資料は、本願発明による給水トレー、燃料カートリッジおよび燃料電池の追加の構造的詳細および機能的詳細を記載する。
【００３０】
（給水トレー供給）
図４Ａは、燃料カートリッジ１２０が挿入された給水トレー１３０を図示する。示される燃料カートリッジ１２０は、アルミニウムキャニスタ４２１と水素ポート４２４を備えたプラスチックキャニスタキャップ４２３とを備えている。給水トレー１３０を、ベローズ／給水部４９１、弁およびポペット部４９２ならびに燃料カートリッジホルダ部４９３を含む３つの主な部分に分割することができる。給水トレー１３０は、燃料電池１１０を係合するかまたは取り付けるためのガイドレール６６２を備えていることができる。給水トレー１３０を、熱可塑性物質、ポリカーボネート物質、ＰＣ／ＡＢＳ混合物質、または燃料カートリッジ１２０の安全な取り扱いを可能にする他の物質等、断熱プラスチックから作製することができる。図４Ｂの側面図に示されるように、断熱プラスチックパターンの実施例は、プラスチックに、伝熱用の、かつ燃料カートリッジ１２０に水１９９が供給されるときに、燃料カートリッジ１２０から発生する熱を放散させるためのスリット４９４または他の通気穴を含むことができる。さらに、発泡体、エアロゲル、シリコーン等、吹付けまたは他の断熱物質をキャニスタに追加して、ユーザに対して断熱を提供し、安全な取り扱いを可能にし、および／または内部反応温度を上昇させるように断熱を提供することができる。さらに、断熱プラスチックは、給水トレー１３０用のスタンドを提供する脚４９５を含むことができる。断熱プラスチックはまた、強度および耐久性を追加するために傾斜ボス４９６を含むこともでき、断熱プラスチックを、給水トレーおよび燃料電池１１０の適切な嵌合を確実にする位置合せ装置として使用することもできる。
【００３１】
給水トレー１３０は、加圧され、燃料カートリッジ１２０に送達される水１９９を含む。上でかつ図２において上述したように、給水トレー１３０は、ベローズアセンブリ２６０を利用して水１９９を収容し保持することができる。上述したように、水１９９を保持し、加圧しかつ送達する代替方法も使用することができる。例えば、スライドピストン、折畳みダイヤフラム、膨張式ダイヤフラムおよび他の変形可能な容器を、圧電ポンプ等の電気ポンプとともに使用することができる。
【００３２】
図３に示されるように、給水トレー１３０は、ユーザが給水トレー１３０内に水を容易に充填するかまたはすくい入れることができるようにアクセスドア３３６を有することができる。別の例示的実装では、給水トレーを密閉することができ、ポンプ、シリンジまたは他の加圧水源を使用して、給水トレー１３０を充填するか、またはベローズアセンブリ内に水を押し込むことができる。１つの例示的実装では、アクセスドア３３６は、水圧を提供することができるバネ（図８Ａに示す反転バネ８３４ならびに図８Ｂおよび図８Ｃに示す打抜き加工板等）をより容易に負荷をかけることができるレバーアームとして作用することができる。
【００３３】
図３および図８Ｆに示されるように、給水トレー１３０は、ユーザが給水トレー１３０内に水を容易に充填するかまたはすくい入れることができるようにアクセスドア３３６を有することができる。ユーザは、ベローズアクセスドア３３６を押し下げて、ロック棚８１５を係合解除し、使用のために給水トレー１３０を準備することができる。アクセスドア３３６は、水１９９を収容し保持するためにベローズ（図３に別個に示さず）へのアクセスを可能にすることができる。例えば、ドア／ベローズの組み合わせを回転または平行移動させて、バネ８３４をロック位置にすることができ、それは、バネ８３４に負荷をかける。図８Ｅに示されるロック位置では、ユーザは、ベローズが自然に潰れることなくベローズ２６０により多くの水を容易に加えることができる。ベローズ２６０が水１９９で充填されると、ユーザは、図８Ｆに示されるようにベローズドア３３６を閉鎖してロックし、それによって、水１９９が密閉される。
【００３４】
図８Ｂに、通常（下方）位置にあるバネ８３４の実施例を示す。バネ８３４は、給水トレー１３０内に完全に組み込まれると、図８Ｃに示されるように装填するために、それ自体を通して反対位置（上方）まで引っ張られる。
【００３５】
図８Ｄにさらに示されるように、その後、ベローズ２６０アセンブリは、ロック棚８１５から離れるように回転させられるか、または平行移動させられることにより、バネ８３４を起動させることができる。そして、バネ８３４は、ベローズ２６０内の水１９９を加圧し、ベローズ２６０において水１９９は流体カートリッジ１３０に流れることができる。当然ながら、他のロック機構を使用して、水１９９を加え、かつバネ８３４に負荷をかけるために、ベローズ２６０にアクセスすることができる。例えば、図１１に示されるように、ロックピン１１３８ａ、１１３８ｂ、１１３９を使用して、ベローズ２６０を固定することができる。したがって、スライドロッド１２４２を使用して、水１９９を加えるためかつバネ８３４に負荷をかけるためにベローズ２６０にアクセスすることができる。図１２Ａに、ロック位置にあるスライドロッド１２４２の実施例を示し、図１２Ｂに、ロック解除位置にあるスライドロッド１２４２の実施例を示す。
【００３６】
図１および図２に概略的に示されるように、ロック機構が係合解除されると、水１９９は、燃料カートリッジ１２０に送達される用意ができる。図５は、給水トレー１３０、水トレー挿入体５３１および流体カートリッジ１２０の組立分解図と、ベローズアセンブリ（図５には別個に示さず）を燃料カートリッジ１２０に接続する水経路５３５とを示す。
【００３７】
一例示的実装では、ポペット１５０内のプランジャ５３３は、水を収容しているベローズアセンブリと燃料カートリッジ１２０との間に沿ってある。図１９Ａに、開放位置にあるプランジャ５３３およびポペット１５０（水１９９はベローズから燃料カートリッジ１２０まで流れている）の詳細な図を示し、図１９Ｂに、閉鎖位置にあるプランジャ５３３およびポペット１５０（水１９９はベローズから燃料カートリッジ１２０まで流れていない）の図を示す。プランジャ５３３は、貯蔵中、またはユーザが燃料カートリッジ１２０を準備しているかまたは燃料カートリッジ１２０を装填している間、水１９９がベローズアセンブリから出ないようにする。
【００３８】
貯蔵、輸送の間、および水反応燃料反応が開始しないように安全性を必要とする、他の事例では、ポペット１５０内のプランジャ５３３は、水が燃料カートリッジ内に流動し得ないように、その閉鎖位置にロックされることができる。この相互作用は、給水トレー上で停止弁として作用する。プランジャ５３３を閉鎖する作用は、レバー、スイッチ、アクチュエータ等の追加の機械的手段と、燃料電池、水トレー、および／または燃料カートリッジ上に搭載された電気作動式スイッチ、磁気スイッチ閉鎖器等の電気式切替手段とによって作動されることができる。燃料電池上に搭載された磁気停止弁閉鎖器の実施例は、図２６Ａおよび２６Ｂに概略的に図示される。図２６Ａでは、燃料電池（別個に図示せず）内の磁石２６１１が、磁気ポペット２６２２を含む給水トレー／燃料カートリッジ組み合わせに結合される。磁石２６１１は、ポペット２６２２に作用し、ポペット２６２２を水路２６３３の上方に保持し、参照矢印Ｗによって示されるように、水を流動させる。図２６Ｂでは、磁石２６１１は、磁気ポペット２６２２から離される（燃料電池が、給水トレー／燃料カートリッジの組み合わせから取り外されるとき等）。これは、ポペットを水路２６３３に移動させ、水路２６３３を通る水の流れを遮断する。この閉鎖位置では、水は、参照矢印ＢおよびＦに示されるよう、前後のみに流動することができる。他の機械的、電気機械的、または磁気機械的デバイスもまた、弁を作動させ、給水トレーおよび／または燃料カートリッジが燃料電池に接続されるまで、水が加圧された水チャンバから燃料カートリッジ内に進行することを防止するために使用されることができる。燃料カートリッジおよび給水トレーが、統合されたユニット内に組み込まれる場合、切替デバイスが、統合されたユニットが燃料電池に接続されるまで、水流を防止するために使用されることができる。別の例示的実装では、停止弁は、単に、発送の際、ロックされ得、ユーザは、カートリッジを作動させる停止弁機構を引っ張ることによって、反応を開始させるであろう。
【００３９】
図１、２、１９Ａ、および１９Ｂを参照すると、上述したように、燃料電池１１０が給水トレー１３０と係合し適所にロックされると、プランジャ５３３は開放され、水１９９は水経路５３５に沿って移動することができる。水トレー挿入体５３１を、給水トレー１３０と一体的とすることができ、または接着剤／エポキシ樹脂、超音波結合、物理的圧縮、ガスケット等を含む、複数の密閉機構を使用して取り付けることができる。超音波接合ビードの実施例を参照数字５７２として示す。
【００４０】
燃料電池１１０が給水トレー１３０から係合解除されると、バネ５３７が弁バネをその通常閉位置（図１９Ｂに示される）に押し込むので、水流は停止する。プランジャ５３３および／またはポペット１５０を、電子作動弁とすることも可能であり、その場合、センサを使用して、燃料カートリッジ１２０、給水トレー１３０、および燃料電池１１０の接続／切断が検出される。１つの例示的実装では、永久磁石が弁アセンブリの一部として構成される。電気コイルおよび適切な駆動電子回路が、燃料電池１１０内に配置されることができ、それらは、既存の燃料電子制御電子回路と一体化されることができる。さらに、圧力下で水を送達するために、小型ポンプを使用することもできる。小型ポンプはまた、水素圧力を発生させることができる水流速の制御も可能にする。圧力を所望の値にまたは公称範囲内に制御する制御方式を使用することができる。
【００４１】
給水トレー１３０から燃料カートリッジ１２０を排出するのに役立つように採用することができる、図６Ｃおよび図２０に示されるバネ機構６７０に加えて、バネ機構４９７（図４Ｂに示す）を使用して、ガス（水素）シールに必要な力を提供するように燃料電池１１０に対して燃料カートリッジ１２０を押すことも可能である。バネ機構４９７を、螺旋またはコイルバネ、圧縮バネ、薄板バネ、ビーム等、物理的なバネとすることができる。例えば、バネ機構４９７は、燃料カートリッジ１２０の水素ポート４２４が漏れなしに燃料電池１１０に水素を提供するように、燃料電池１１０に対して燃料カートリッジ１２０を完全に密閉し安定化させるように物理的な力を加えることができる。
【００４２】
上述したように、水１９９を加圧するためにベローズアセンブリ２６０とともにバネ８３４が使用される場合、システム１００は、過渡的な高圧スパイクがバネ８３４を逆加圧することを防止するさらなる機構を提供する。高圧スパイクは、圧力および送達される水が振動速度で乱れることをもたらし得る。バネ８３４が逆加圧される場合、高い水サージが、振動性および／または正のフィードバック状態をもたらし、意図しない高まる圧力スパイクをもたらし得る。複数の方法を利用して、過渡的な高圧スパイクがバネ８３４に逆加圧することを防止することができる。例えば、図１、図４および図８に関して上述した一例示的実装では、逆止弁１４０を使用して、圧力スパイクを、給水トレー１３０の燃料カートリッジホルダ部４９３側に隔離することができる。逆止弁１４０はバネ８３４と連係して、圧力スパイクを隔離し、反応燃料物質１７７に送達される水の振動量をなくすように、圧力調節を可能にする。逆止弁１４０は、水１９９貯蔵および供給装置と一体化されるか、逆止弁およびポペットハウジング７４５に別個に位置されるか、または燃料カートリッジ１２０の一部として含まれることができる。逆止弁１４０が、反応燃料混合物１７７より前に配置される場合、圧力の乱れをなくすことができ、均一な容積の水１９９を、燃料カートリッジ１２０内の反応燃料混合物１７７に送達することができる。過渡的な高圧スパイクがバネを逆加圧することを防止する他の機構を採用することも可能であり、制御オン／オフ弁を使用して、振動速度での圧力および送達される水の乱れをなくすことができる。使用することができる別の装置はブリードオフ弁であり、それは、あらゆる過剰圧力を弁によるかまたは燃料電池１１０を介して単に排出することができる。各場合において、逆止弁をバネと使用することにより、燃料カートリッジ１２０に対する水圧および流速の乱れをなくすことができる。
【００４３】
図１８Ｂに示されるように、水流制限オリフィス１８８６等の水流制限器を使用して、所定の過渡状態において過剰な水流が燃料カートリッジ１２０に送達されないようにすることができる。水流制限オリフィス１８８６は、水投入速度の安全制限器としての役割を果たすことができる。水流制限オリフィス１８８６は、水素圧力を発生させるように反応燃料物質１７７と水１９９との間の化学反応に対して十分な時間を提供するように、送達水の速度を調節することができる。水流を制限し損なうことにより、過剰に大量の水が燃料カートリッジ１２０に送達され、それによって、高圧スパイクがもたらされ得る。流動制限オリフィスを、燃料カートリッジ、給水システムまたは両方に組み込むことができる。例えば、図１８Ｂに示される一例示的実装では、水オリフィス１８８６を、配管またはグロメット内に押し込まれる固いディスクにおける０．００７インチ穴とすることができる。図９に、チューブ接続水流制限オリフィスの詳細図を示し、図１０に、ディスク型水流制限オリフィスを示す。別の実装では、オリフィスを、ゴム製水分散構成要素のうちの１つに直接成形することができる。示される実装では、オリフィスは、オリフィスが配管に直接結合されることを可能にするかかり付き継手の一部として製作される。別の実装では、かかり付き水オリフィスの一方の側を、追加の中間継手を必要とすることなくグロメットに直接挿入することができる。
【００４４】
（燃料カートリッジ）
図１３Ａ、図１３Ｂ、および図１４Ａにさらに示されるように、燃料カートリッジ１２０は、「水反応」クラスのカートリッジに対して設計されている。すなわち、燃料カートリッジ１２０内の反応燃料物質１７７は、水と化学反応する。化学反応によって水素ガスが発生し、それは、燃料電池１１０内で酸素または別の酸化剤と結合されて電気を発生させる。
【００４５】
一例示的実装では、燃料カートリッジ１２０は、水反応燃料物質１７７（粉末）およびプラスチック上部キャップ１３２７を備えた薄壁金属キャニスタ１４２６を使用して構成される。金属キャニスタ１４２６を、給水トレー１３０とともに好都合に取り扱われ使用されるようなサイズとすることができる。例えば、金属キャニスタ１４２６を広範囲の直径の円形とすることができ、いくつかは、図１３Ａ、図１３Ｂおよび図１４Ａに示される５１ｍｍ径等、４０ｍｍと６０ｍｍとの間である。キャニスタ１４２６を広範囲の高さで作製することができ、いくつかは、図１３Ａ、図１３Ｂおよび図１４Ａに示す１９ｍｍ高さ等、１０ｍｍと３０ｍｍとの間である。キャニスタ１４２６を、衝撃押出しアルミニウムから作製することができ、例えば、金属、ポリマーまたはエポキシ樹脂等、他の物質でめっきすることができる。プラスチック上部キャップ１３２７を使用して、キャニスタ１４２６を密閉することができる。全プラスチック、全金属、剛体壁、柔軟壁等、他の物質のキャニスタおよびキャップを使用することもでき、使用される水反応燃料物質の種類、水が使用されるかまたは異なる溶液が使用されるか、燃料キャニスタおよび／またはキャップが再使用されるかどうかに基づいて選択することができる。
【００４６】
図１５Ｃおよび１５Ｄに示されるように、オーバーモールド成形面シールガスケット１５３７は、互に平行な２つの表面を密閉する役割を果たす。多くの場合、ゴム物質に注入するとき、注入デバイスは、粗面表面または余剰物質を注入点１５５５に残し得る。余剰物質（「フラッシュ」と呼ばれる）は、２つのツールが一緒になる部位に残され得る。本願発明のオーバーモールド成形面シールガスケット１５３７はオーバーモールドの注入点が密閉表面以外の表面上にあるように構成される。すなわち、ゴムの注入点１５５５は、キャップ１５２７および水素出力１５８８の経路にある密閉点１５６６、１５６７からオフセットされる。製造の間、注入ゴムは、最初に、オーバーモールド成形面シール１５３７の水平谷部を充填し、次いで、水素シール１５６６にフラッシュのない点を形成するまで流動する。その結果、平滑水素シール表面となる。密閉表面として、水素出力ポート１５８８を含む、ナトリウムシリサイドカートリッジＩ／Ｏポートおよび燃料電池Ｉ／Ｏポートが挙げられるが、それらに限定されない。面シールガスケット１５３７は、水素ガスまたは他の流体の半径方向漏出を防止する。オーバーモールド成形設計は、単一キャップ構成要素（図１５Ｄに示されるように）を提供し、コストを削減する。
【００４７】
図１３Ａ、１３Ｂ、および１４Ａに戻ると、一例示的実装では、キャニスタ１４２６を、機械的クリンプ（ｃｒｉｍｐ）によってキャップ１３２７に接続することができる。図１６に示されるように、プラスチック上部キャップ１３２７は、クリンプ作成器具１６０６を使用して、燃料カートリッジ１２０を密閉するためにカールされることができる。図１６Ｂに示されるように、クリンプ作成器具１６０６を使用して、燃料カートリッジ１２０の構造に巻上げクリンプを作製することができる。この実施例では、燃料カートリッジ１２０本体は、金属キャニスタ１４２６およびキャップ１３２７を備えている。プレスクリンプ作成器具１６０６を介してキャニスタおよびキャップに対して直接下方に圧力を加えることにより、キャニスタ１４２６の壁がキャップ１３２７の頂部で巻き上がる。これにより、非常に頑強なキャップ拘束機構を提供しながら、非常に薄壁の燃料カートリッジの使用が可能になる。この技術および構造を、高速垂直圧縮を使用して巻上げカートリッジクリンプを生成することにより、大量生産で容易に製造することもできる。
【００４８】
図１３Ａおよび図１３Ｂに示されるように、代替的には（または組み合わせて）、燃料カートリッジ１２０は、キャップ１３２７をキャニスタ１４２６に固定するために密閉ねじ１３１３およびねじ付きＰＥＭスタンドオフ１３１４の組み合わせを含むこともできる。ねじ／スタンドオフの組み合わせを、キャニスタの内側にまたは外側に接続することができる。ねじ／スタンドオフ手法により、再使用可能なキャップ１３２７およびキャニスタ１４２６が可能となり、一方で、クリンプ接続により、低重量、低コスト、および使い捨てが可能になる。当然ながら、接着剤、エポキシ樹脂、溶接、ボルト、クリップ、ブラケット、アンカー等の他の種類の接合機構および締結具を使用することもできる。燃料カートリッジ１２０は、燃料電池１１０で使用される前の水素１８８をろ過するために使用することができるろ過アセンブリ１３５９を含むこともできる。
【００４９】
図１３Ａおよび図１３Ｂに示されるように、燃料カートリッジ１２０と燃料電池１１０との間の弁を、カートリッジ弁１３２８と呼ぶ。キャップ１３２７に一体的に取り付けられるカートリッジ弁の別の実施例を図１７に示す。示される実装では、プラスチックキャップ１３２７のオリフィスは、製造が容易なパッケージにカートリッジ弁のコア機能（すなわち、水素流制御）を提供する。カートリッジ弁１３２８は、オリフィスの周囲に、例えば、Ｏリングを圧縮するために１．５ｍｍの距離で最大約２０Ｎの圧縮力を使用するＯリング型圧縮継手を含むことができる。
【００５０】
いくつかの例示的実装では、燃料カートリッジ１２０は２つの密閉位置を有することができ、１つの密閉位置（カートリッジ弁１３２８）により、水素１８８が燃料カートリッジ１２０から燃料電池１１０に流れることができ、別の密閉位置（ニードル弁１３２９）により、水１９９を燃料カートリッジ１２０に挿入することができる。図２１Ａに、ニードル弁１３２９の斜視図を示す。または、図２１Ｂに、ニードル弁１３２９の詳細な断面図を示す。ニードル弁１３２９を、スポーツボールグロメットの機能線に沿って構成することができる。水封装置として、ニードル弁１３２９は、水、液体または他の溶液が、ニードルまたは他の貫通源を介してキャニスタ１４２６に挿入されることを可能にする。ニードルまたは貫通源が除去されたとき、液体は燃料カートリッジ１２０から排出せずまたは他の方法で流れ出ない。１つまたは複数の例示的実装では、ニードル弁１３２９としてシリコングロメットが使用され、それは、給水トレーニードル６８２の挿入によって開放される。給水トレー１３０から燃料カートリッジ１２０が除去されるとき、給水トレーニードル６８２は燃料カートリッジ１２０から除去され、シリコングロメットは自己閉鎖してシールを形成する。
【００５１】
ニードル弁１３２９を、多数の異なる硬度仕様および寸法のシリコーンまたは他のゴムから構成することができる。例えば、図１３Ａ、図１３Ｂ、図２１Ａ及び図２１Ｂに示されるニードル弁１３２９は、１／１６インチ内径ニードル入口箇所２１５８を有するシリコングロメットである。これにより、２２ゲージニードルが弁１３２９に入ることができる。ニードル弁の高さおよび幅を、キャニスタ１４２６、燃料トレー１３０、給水トレーニードル６８２および他の構成要素のサイズに基づいて変更することもできる。例えば、図１３Ａ、図１３Ｂ、図２１Ａおよび図２１Ｂに示されるニードル弁１３２９は、キャニスタ１４２６の３／１６インチ外側に延びる、５／１６インチ高さを有するシリコングロメットである。同様に、水分散箇所２１５７も、サイズおよび仕様において変化することができる。水分散箇所２１５７は、反応供給チューブ（図２１Ａおよび図２１Ｂに示さず）が、反応を開始するために反応燃料物質に水を送達するために取り付く場所である。水分散箇所２１５７は、水が（図２１Ａおよび図２１Ｂに示されるように）ニードル弁を通りまっすぐに移動することができるか、または（図１３Ａおよび図１３Ｃに示されるように）角度をなして通過することができるように、サイズおよび形状が変化することができる。例えば、図１３Ｃにおいて、ニードル弁１３２９はグロメットを使用し、そこでは、給水トレー１３０からの水１９９はキャニスタ内に垂直に移動し、一方で、水は、９０度の角度でグロメットから出てキャニスタ１４２６に入る。図１３Ｃに示される角度付きニードル弁により、薄型キャニスタ設計が容易になる。
【００５２】
図２３Ａにさらに示されるように、さらなる流体隔離のために、ニードル弁１３２９の頂部にシリコーンシート２３５３を追加することができる。シリコーンシート２３５３は、給水トレーニードル（図２３には別個に示さず）の縁からのいかなる液体液滴も収集する。流体隔離のこの追加の手段は、液滴を落とす可能性がある、ｐＨの高い液体に対して、保護する役割を果たすことができる。給水トレーニードルは、時に、液滴またはそこから出てくる残留噴霧を有し得る。シリコーンシート２３５３構造は、給水トレーニードルを取り外すときのあらゆる液体を捕捉するための空隙２３５４の容積を生成する。図２３Ｂに、シリコーンシート２３５３を引き出して引き伸ばし空隙空間を生成する給水トレーニードル６８２の例示が示される。図２３Ｃに、シリコーンシート２３５３の底面図を示す。さらに、ニードル弁は、単一構成要素でニードル弁１３２９およびシリコーンシート２３５３の両機能を行うように製造されることができる。
【００５３】
図１８Ａに示されるように、反応供給チューブ１８８３は、燃料カートリッジ内部に挿入され、燃料カートリッジ１２０を通して水１９９を分散するように水分散箇所２１５７に接続される。１つの例示的実装では、反応供給チューブ１８８２としてシリコーンが使用され、水分散のために小さい穴１８８４ａ、１８８４ｂ、１８８４ｃが使用される。固い配管の小さい穴１８８４ａ、１８８４ｂ、１８８４ｃは、燃料カートリッジ１２０内の反応の副生成物により詰まる傾向を有し得る。穴１８８４ａ、１８８４ｂ、１８８４ｃを、精密ドリル加工し、成形し、または精密穿孔することができる。１つの例示的実装では、シリコーン反応供給チューブ１８８３の穴は、配管の可撓性により、閉塞物の周囲で自己拡大する。
【００５４】
図１８Ｂに示される一例示的実装では、Ｔ型継手１８８４を使用して、反応供給チューブ１８８３を水分散箇所２１５７に接続することができる。Ｔ型継手１８８４により、反応供給チューブ１８８３の迅速な手動による組立てが可能となり、反応供給チューブのカスタマイズと反応燃料物質への水の送達が可能になる。図１８Ａの反応供給チューブ１８８３の場合のように、Ｔ型継手１８８４を採用する同様のシリコーン（または他の可撓性）配管は、反応供給チューブにより反応燃料物質に分散される水の均一性、速度および量を制御するために、１つの穴または一連の穴を利用することができる。例えば、穴を、広範囲の異なるサイズおよび位置で製造することができる。Ｔ型継手１８８４により、カスタム成形なしにシリコーンまたは他の可撓性配管の使用が可能になる。Ｔ型継手１８８４はまた、配管が制御された領域に留まることも可能にする。Ｔ型継手がない場合、反応供給チューブ１８８３の配管は、キャニスタ１４２６の壁に向かって跳ね広がる傾向がある。水は、この構造を使用して反応燃料物質に送達される場合、水が、キャニスタ壁の近くの領域に溜まって、反応燃料物質のすべてに達しない可能性がある。Ｔ型継手により、接着剤、他の機械的支持体、またはカスタム成形された構成要素の必要なしに、配管を壁から離しておくことができ、反応燃料物質への水の均一な分散が可能になる。しかしながら、これらの他の支持体を使用することも可能である。
【００５５】
燃料カートリッジ１２０は、燃料電池１１０が、給水トレー１３０に取り付けられる（または、燃料カートリッジが給水トレーと別個の物理的デバイスではない、それらの水反応水素燃料電池電力システム内の給水トレーおよび燃料カートリッジの統合された組み合わせに取り付けられる）度に、水が燃料カートリッジの異なる部分に提供され、それによって、未使用反応燃料物質と反応するように分割されることができる。例えば、図２４Ａに示され、燃料カートリッジに関して後述されるように、一例示的燃料カートリッジ２４２０は、いくつかの区画２４２１、２４２２、２４２３、２４２４、２４２５、２４２６に分割されることができ、その中に、反応燃料物質が提供されることができる。明確かつ簡潔にするためにおよび、図２４Ａでは、６つの区画２４２１、２４２２、２４２３、２４２４、２４２５、２４２６が、図示されるが、燃料カートリッジ２４２０は、例えば、１０個の区画等、任意の数および構成の区画を含むことができる。区画は、図２４Ａに示されるように、各区画を分離する分割壁２４６０を伴って、半径方向に配向されることも、反応燃料物質の一部を分離する他の構成に配向されることもできる。図２４Ａに示される例示的構成では、燃料カートリッジ２４２０はまた、水が送達される燃料カートリッジの区画を選択するために使用される、回転可能アクチュエータマニホールド２４５０を含む。燃料電池１１０が、給水トレーおよび燃料カートリッジの組み合わせに取り付けられる度に、回転可能アクチュエータマニホールド２４５０は、ニードル（例えば、図６Ｄに示されるような給水トレーニードル６８２等）と係合する。取り付けに応じて、給水トレーニードル（図２４Ａには図示せず）は、アクチュエータホイール開口２４７０が燃料カートリッジの「次の」区画に回転するように、回転可能アクチュエータホイール２３５０を段階的に回転させる。例えば、図２４Ａは、燃料カートリッジ２４２０の区画２４２４へのアクセスを提供する開口２４７０を示す。
【００５６】
使用時、水１９９は、図６Ｄにさらに示されるように、供給トレー１３０から、水路５３５を通して、流動する。水１９９は、給水トレーニードル６８２を介して、燃料カートリッジ１２０に流入する。図２４Ａにさらに図示されるように、水が、開口２４７０を通して、燃料カートリッジ２４２０のその区画２４２４内に存在する反応燃料物質に分配される。反応が生じ、燃料電池１１０が電力をデバイスに提供するために使用された後、燃料電池１１０は、水トレー／燃料カートリッジの組み合わせから除去されることができる。
【００５７】
区画燃料カートリッジ２４２０によって、水反応水素燃料式電力システム１００は、複数回、再使用されることができる（例えば、回数は、燃料カートリッジ２４２０内の区画の数に対応し得る）。続いて、システム１００を再使用するとき、燃料電池１１０は、水トレー／燃料カートリッジの組み合わせに再接続される。再取り付けに応じて、給水トレーニードル６８２（図６Ｄに示される）が、図２４Ｂにさらに示されるように、回転可能アクチュエータマニホールド２４５０に係合し、回転し、開口２４７０を区画２４２４から区画２４２５に移動させる。開口２４７０を区画２４２５に回転させることによって、水は、ここで、燃料カートリッジ２４２０のその区画２４２５内に存在する反応燃料物質に送達されることができる。当然ながら、本プロセスは、燃料電池１１０が、デバイスを充電および／または電力を提供するために再使用される場合、複数回、繰り返されることができる。
【００５８】
同様に、水を燃料カートリッジの異なる区画に送達するための代替技法もまた、使用されることができる。例えば、水送達は、異なる水チューブを選択し、水をニードルから個々の区画に送達することによって達成され得る。図２５Ａにさらに示されるように、回転可能アクチュエータマニホールド２４５０は、選択され得る複数のポート２５７１、２５７２、２５７３を含むことができ、給水トレーからの水１９９は、異なる水チューブ（別個に図示せず）および最終的には燃料カートリッジの異なる区画に向けられることができる。回転誘導クリップ２５８５は、マニホールド２４５０を回転させ、適切なチューブを選択するために採用されることができる。図２５Ｂにさらに示されるように、クリップ２５８５の一方向回転は、図２５Ｂの回転誘導クリップ２５８５上の歯２５８６等の方向歯またはフィンを使用して、マニホールド２４５０の一方向回転を与える。上述したように、マニホールドの回転は、システムが使用される環境および特定の用途に応じて、機械的に、電気的に、磁気的に等によって誘導されることができる。
【００５９】
図１４Ｂに示されるように、１つの例示的実装では、反応燃料物質１７７が移動し、および／または凝集することを防止するため、および高粘度のケイ酸塩の泡の核生成を防止するために、反応物質保持スクリーン１４４７を実装することができる。燃料カートリッジ１２０が横倒しに置かれているかまたは上下逆である間に、システム１００が作動する場合、給水トレー１３０は、反応燃料物質１７７に水流を追加しないこともある。保持スクリーン１４４７は、粉末をキャニスタ１４２６内で近接して維持する。一実施例では、成形された保持スクリーン１４４７を、キャニスタ１４２６の壁の内径よりわずかに大きい径で製造することができる。保持スクリーン１４４７を反応燃料物質１７７の頂部に押し付けることができ、それによって、燃料カートリッジの水分散箇所の近くかまたは水配管１８８３（図１８Ａおよび図１８Ｂに示す）の下で粉末が固まり、その結果、水分散の位置に近接して反応燃料物質が均一に分散する。この構造により、反応燃料物質が、キャニスタ１４２６全体に非均一に分散された場合より均一な反応が可能になる。
【００６０】
さらに、上述したように、１つの例示的実装では、水分散箇所２１５７と反応供給配管１８８３との間に水制限オリフィス１８８６を設けることができる。別の実施例では、水制限オリフィスを、ニードル弁１３２９内に直接、または反応供給チューブ１８８３内に直接形成することができる。水制限オリフィス１８８６を、反応の開始時にまたは燃料カートリッジ欠陥の場合に過剰水を回避するように水流を制限するようなサイズとすることができる。燃料カートリッジ欠陥では、バネ圧力に反作用するようにいかなる水素背圧も生じず、その結果、非常に大量の水が燃料カートリッジに送達され、それによって、非常に高レベルの水素流を生成する。
【００６１】
ここに示す水素「弁なし」構造では、燃料カートリッジと燃料電池との間に従来の弁は使用されない。燃料電池１１０、燃料カートリッジ１２０および給水トレー１３０が接続されたときに水素が発生し、それによって、こうした弁が不要になる。逆に、上述したように、ガス状水素を貯蔵するために通常閉鎖弁を必要とすることなく、燃料カートリッジと燃料電池との間に単純なＯリング、端面シールまたは他の単純なシール機構が利用される。水反応燃料電池カートリッジ調節安全要件は、著しい（ある場合）水素生成なしに浸水試験に合格することを必要とする。別個の膜を使用して、水が、水素排出オリフィスを通して水反応の燃料カートリッジ物質内に逆分散しないようにすることができる。それが給水トレーおよび燃料電池に接続されていないとき、カートリッジ弁は、カートリッジの中への水の侵入を防止するために閉鎖されている。
【００６２】
例えば、一実装では、水素隔離膜を、流体カートリッジキャップに熱かしめすることができる。１つの例示的実装では、水素隔離膜は、水素の純度を確保するためにスクラバを含む。図１５Ａおよび図１５Ｂに示されるように、キャップは、追加の分離機能およびろ過機能を提供するように、キャップ内部に水素通路（図１５Ａ）または迷路（図１５Ｂ）を備えていることができる。例えば、ＣｕＯを使用することができる。存在する可能性がある潜在的な汚染物質の種類および量に応じて、通路内に追加のスクラバ物質を採用することもできる。スクラバおよび隔離膜は、高純度水素ガスが燃料電池に送達されることを確実にするように選択されることができる。１つの例示的実装では、ろ床の上に長い経路長を提供するように、スクラバと膜隔離体との間にシートが使用される。
【００６３】
燃料電池は、通常、所与の圧力で動作し、水素流量は、電流出力によって決まる。上でかつ図１３Ａおよび図１３Ｂにおいて上述したように、燃料カートリッジ１２０と燃料電池１１０との間のカートリッジ弁１３２８は、水素流動制限オリフィスとしての役割を果たすことができる水素オリフィスである。すなわち、上部キャップの流動制御オリフィスを使用して、燃料電池への水素流（圧力）を設定しまたは調節することができる。生じた水素流は、水素オリフィスサイズおよび生じた水素の圧力によって決まり、生じた水素の圧力は、（反応燃料物質への）送達された水の圧力によって決まる。本願発明では、燃料電池は、生じた水素流を動的に調節する。燃料電池は、一定負荷で（燃料電池における）バッテリを充電または放電することによって、水素が利用可能である場合は燃料消費を増大させ、利用可能でない場合は、消費を減少させる。カートリッジ弁（水素オリフィス）と給水システムバネによって生じる圧力とを使用して、水素流が最適な流動範囲に設定され、それによって、燃料電池は予測可能な電流で動作することができる。このように、本願発明の水素燃料電池は、水素燃料電池が通常は電圧源に類似しているこれまでのシステムとは対照的に、電流源に類似している。代替的には、水素オリフィスを使用して最大流動を単純に設定することができ、カートリッジは、生じた圧力およびオリフィスサイズによって確定されるように最大レベル未満に流れを自己調節する。燃料電池が最大レベル未満を消費し、内部燃料電池圧力を蓄積するために弁を含む（燃料電池システムで一般的であるように）場合、燃料カートリッジは、自己調節して名目一定圧力を維持し、燃料電池が必要とする量の水素のみを発生させる。
【００６４】
上述したように、燃料カートリッジは、反応燃料物質としてナトリウムシリサイド粉末を利用することができる。例えば、３０ｇ燃料カートリッジは、４ｇのナトリウムシリサイド粉末を含むことができる。このエネルギーを持つ反応燃料物質に約１０ｍｌの水を混合して、約４リットルの水素ガスが生成され、その結果、燃料電池から約４ワット時のエネルギー出力がもたらされる。燃料カートリッジは、防水性であり、２年間の保管期間があり、最大７０℃の温度で保管することができ、燃料電池１１０で使用される水素ガスを発生させるために、約０℃から４０℃の間の動作温度で使用することができる。
【００６５】
（燃料電池）
上述したように、本願のシステムは、例えば、ナトリウムシリサイド等の反応燃料物質および水を利用して水素を発生させる水反応燃料電池を組み込んでいる。本願発明による実施例としての燃料電池は、５Ｖ、５００ｍＡ入力および５Ｖ、１０００ｍＡ出力の定格の４固体高分子形（ＰＥＭ）１０００ｍＡｈ燃料電池セルスタックを含む。本願発明による実施例としての燃料電池は、Ｌｉ−イオン１６００ｍＡｈ内部バッファを備え、マイクロＵＳＢ充電入力ポートおよびＵＳＢ−Ａ充電出力ポートを利用する。
【００６６】
本願発明による実施例としての燃料電池は、２．５Ｗの定格入力（内部バッテリのマイクロＵＳＢ充電）と２．５Ｗ（燃料電池モード）および５．０Ｗ（内部バッファ／バッファモード）の定格総出力とを有している。本願発明による実施例としての燃料電池は、５．９Ｗｈ（１６００ｍＡｈ、３．７Ｖ）の内部バッファ（バッテリ）容量を含む。本願発明による実施例としての燃料電池は、おおよその寸法が６６ｍｍ（幅）×１２８ｍｍ（長さ）×４２ｍｍ（高さ）である小型かつ携帯型であり、重量が約１７５ｇ（給水トレーなし）および約２４０ｇ（給水トレーあり）である。
【００６７】
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。上述した実施形態および実装に加えて、本発明はまた、個々の構成要素および方法と、それらの間のさまざまなコンビネーションおよびサブコンビネーションにも関連する。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３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図８Ｅ】
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【図８Ｆ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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【図２０】
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【図２１Ａ】
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【図２１Ｂ】
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【図２２】
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【図２３Ａ】
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【図２３Ｂ】
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【図２３Ｃ】
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【図２４Ａ】
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【図２４Ｂ】
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【図９】
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【図１５Ｃ】
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【図１５Ｄ】
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【図１７】
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【図２５】
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【図２６】
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【国際調査報告】
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