(57)【要約】【課題】ガス需要に応答して、化学溶液、液体に溶解したガスまたは混合物などの適切な化学物質から化学物質供給チャンバにおいて触媒的に発生するガス（例えば水素または酸素）を供給し、かつ自動的にその量を調整する自己制御型ガス発生器を提供する。【解決手段】いくつかの実施形態では、ガス発生器（１０）は、調節された量の化学物質（４２）を触媒（３２）に露出させるために、ピストン、回転ロッド、または他の部材（３０ａ）を使用する。他の実施形態では、自己調整デューティサイクルに従うオンおよびオフ状態で化学物質（４２）に、自己制御型ガス発生器は化学物質供給チャンバ（４１）内で含まれる触媒を露出させている部材で、バングバング制御を使用する。それによって、姿勢に依存しない態様でガスを生成して出力する。上記ガス発生器は、燃料電池、トーチ、または酸素呼吸装置など、種々のガス消費装置にガスを供給するために用いてもよい。【選択図】図１０Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学物質を収容するように構成された空間を形成する化学物質供給チャンバを備え、
前記チャンバは、前記チャンバ内に収容された触媒を、前記チャンバの外からの圧力に対する前記チャンバ内の圧力に応じた自己調整デューティサイクルに従って前記化学物質に露出させて、姿勢に依存しない態様でガスを生成して出力するように構成された部材を備える、ガス発生装置。
【請求項２】
請求項１に記載のガス発生装置において、前記部材は、前記チャンバの境界の一部を形成するガス発生装置。
【請求項３】
請求項１に記載のガス発生装置において、前記部材は、この部材に作用する力の合計に応じてオン位置とオフ位置との間で移動するように構成されており、
前記力は、前記チャンバ内の圧力によって加えられる力と、基準圧力チャンバ内の圧力によって加えられる力と、押付け要素によって加えられる力とを含むガス発生装置。
【請求項４】
請求項３に記載のガス発生装置において、
前記化学物質供給チャンバは前記ガス発生装置の本体によって形成されるキャビティ内に配置されており、
前記部材および前記本体は相補構造部を形成し、前記相補構造部はそれぞれその上に触媒または除去部を有しており、
前記除去部は前記化学物質を触媒から除去するように構成され、
前記化学物質供給チャンバ内の圧力が第１の閾値より高いとき、前記相補構造部が互いに接触するように前記部材が前記本体に対して相対的に配置され、これによって前記相補構造部が互いに接触する状態になるにつれて前記除去部が前記触媒から前記化学物質を除去し、
前記化学物質供給チャンバ内の圧力が第２の閾値より低いとき、前記相補構造部が互いに離間するように前記部材が前記本体に対して相対的に配置され、
前記第１の閾値と第２の閾値とは互いに等しいか異なっているガス発生装置。
【請求項５】
請求項１に記載のガス発生装置において、
前記化学物質供給チャンバは前記ガス発生装置の本体によって形成されるキャビティ内に配置されており、
前記部材および前記本体は複数組の相補構造部を形成し、前記複数組の相補構造部はそれぞれその上に触媒または除去部を有しており、
前記複数組の相補構造部の前記触媒を前記化学物質に露出させること、および前記化学物質を前記触媒から除去することを互いに並行して行うように構成されているガス発生装置。
【請求項６】
請求項１に記載のガス発生装置において、前記自己調整デューティサイクルの状態変更の際に前記部材が運動に抵抗することによりヒステリシスをもたらす、前記部材に連結された移動止め機構をさらに備えるガス発生装置。
【請求項７】
請求項１に記載のガス発生装置において、
前記部材と前記触媒とが互いに結合しているガス発生装置。
【請求項８】
請求項１に記載のガス発生装置において、
前記化学物質供給チャンバは前記ガス発生装置の本体によって形成されるキャビティ内に配置されており、
前記触媒はチャンバに面する向きで本体に結合しており、
前記部材は前記本体に対して並進運動または回転運動するように構成されているガス発生装置。
【請求項９】
請求項１に記載のガス発生装置において、
前記部材は前記触媒に対して並進運動または回転運動するように構成されているガス発生装置。
【請求項１０】
請求項１に記載のガス発生装置において、
ガス発生装置の外形を形成する本体を有し、
前記本体または前記部材が、取り外し可能に前記本体または前記部材に結合している触媒を有する挿入物を有するように構成されているガス発生装置。
【請求項１１】
請求項１に記載のガス発生装置において、
前記ガス発生装置はその内部において３つのチャンバを形成しており、前記３つのチャンバはガス貯蔵チャンバ、化学物質供給チャンバ、および基準圧力チャンバを含み、
前記ガス発生装置は前記ガス貯蔵チャンバを前記化学物質供給チャンバから隔離するガス透過性液体不透過性膜をさらに備え、
前記化学物質供給チャンバが、シールまたはシールと前記部材との組み合わせによって、前記基準圧力チャンバから隔離されており、
発生したガスは、前記化学物質供給チャンバから前記ガス貯蔵チャンバへ、姿勢に依存しない態様で流れるガス発生装置。。
【請求項１２】
請求項１１に記載のガス発生装置において、前記基準圧力チャンバ内に配置される押付け要素をさらに備え、
前記押付け要素は前記部材に力を加えるために前記部材に連結されており、
前記部材は前記部材に加えられる力の合計に応じて運動するガス発生装置。
【請求項１３】
請求項１に記載のガス発生装置において、
前記自己調整デューティサイクルの状態を決定するオン状態からオフ状態へ移行する間に、前記化学物質は前記触媒から除去されるガス発生装置。
【請求項１４】
化学物質供給チャンバ内に化学物質を収容する工程と、
前記チャンバの外部からの圧力に対する前記チャンバ内の圧力に応じた自己調整デューティサイクルによって、前記チャンバ内に収容された触媒を前記化学物質に露出させて、姿勢に依存しない態様でガスを生成して出力する工程とを含む、ガス発生方法。
【請求項１５】
請求項１４に記載の方法において、前記触媒を前記化学物質に露出させる工程が、前記チャンバの境界の一部の向きを変えるか、または移動させる工程を含む方法。
【請求項１６】
請求項１４に記載の方法において、前記部材に作用する力の合計に応じてオンの位置または向きとオフの位置または向きとの間で前記部材を運動させる工程をさらに含み、
前記力は、前記チャンバ内の圧力によって加えられる力と、基準圧力チャンバ内の圧力によって加えられる力と、押付け要素によって加えられる力とを含む方法。
【請求項１７】
請求項１４に記載の方法において、
前記化学物質供給チャンバはガス発生装置の本体によって形成されるキャビティ内に配置されており、
前記部材および前記本体は相補構造部を形成し、前記相補構造部はそれぞれその上に触媒または除去部を有しており、
前記除去部は前記化学物質を触媒から除去するように構成され、
前記化学物質供給チャンバ内の圧力が第１の閾値より高いとき、前記方法は、前記相補構造部を互いに接触するように前記部材を前記本体に対して相対的に配置するか又は方向づける工程をさらに含み、これによって前記相補構造部が互いに接触する状態になるにつれて前記除去部が前記触媒から前記化学物質を除去し、
前記化学物質供給チャンバ内の圧力が第２の閾値より低いとき、前記方法は、前記相補構造部が互いに離間するように前記部材を前記本体に対して相対的に配置するか又は方向づける工程をさらに含み、
前記第１の閾値と第２の閾値は互いに等しいか異なっている方法。
【請求項１８】
請求項１４に記載の方法において、
前記化学物質供給チャンバのアセンブリはガス発生装置の本体によって形成されるキャビティ内に配置されており、
前記部材および前記本体は複数組の相補構造部を形成し、前記複数組の相補構造部はそれぞれその上に触媒または除去部を有しており、
前記複数組の相補構造部は互いに並行して作動するように配置されており、
前記方法が、前記自己調整デューティサイクルを決定する状態の間を移行するために前記複数組の相補構造部の同じ種類の部材のセットを互いに並行して移動させることによって、前記触媒を前記化学物質に露出させること及び前記触媒を前記化学物質から除去することを行う工程をさらに含む方法。
【請求項１９】
請求項１４に記載の方法において、
前記触媒を前記化学物質に露出させる工程は、前記自己調整デューティサイクルの状態変更の際にヒステリシスをもたらしつつ前記触媒を前記化学物質に露出させる工程を含む方法。
【請求項２０】
請求項１４に記載の方法において、
前記触媒を露出させる工程は、前記自己調整デューティサイクルを決定する状態間の移行の間に、前記触媒を前記部材と共に運動させる工程を含む方法。
【請求項２１】
請求項１４に記載の方法において、
前記触媒を露出させる工程は、前記自己調整デューティサイクルを決定する状態間の移行の間に、前記部材を前記触媒に対して並進運動または回転運動させる工程を含む方法。
【請求項２２】
請求項１４に記載の方法において、
挿入物が触媒を含み、
前記方法は、ユーザに、ガス発生装置または部材を形成する本体と結合している前記挿入物を別の挿入物と交換可能とする工程をさらに含む方法。
【請求項２３】
請求項１４に記載の方法において、
前記化学物質供給チャンバは、ガス貯蔵チャンバおよび基準圧力チャンバと連動可能に連結されており、
前記方法は、
前記ガスが、ガス透過性液体不透過性膜を介して前記化学物質供給チャンバから前記ガス貯蔵チャンバへ姿勢に依存しない態様で通過することを可能にし、前記化学物質は通過させない工程と、
前記化学物質供給チャンバおよび前記基準圧力チャンバの境界において、前記部材の位置または向きを変更可能にする工程とを含む方法。
【請求項２４】
請求項２３に記載の方法において、前記部材が位置または向きを変更可能にする工程は、前記基準圧力チャンバ内に配置された押付け要素を使用して前記部材に力を加える工程を含む方法。
【請求項２５】
請求項１４に記載の方法において、
前記自己調整デューティサイクルの状態を決定する、オン状態からオフ状態へ移行する間に、化学物質を前記触媒から除去する工程をさらに含む方法。
【請求項２６】
化学物質供給チャンバ内に化学物質を収容する手段と、
前記チャンバの外部からの圧力に対する前記チャンバ内の圧力に応じた自己調整デューティサイクルによって、前記チャンバ内に収容された触媒を前記化学物質に露出させて、姿勢に依存しない態様でガスを生成して出力する手段と
を備える、ガス発生装置。
【発明の詳細な説明】
【関連出願】
【０００１】
本出願は２０１２年５月７日に出願された米国特許出願第１３／４６５，７９８号の継続出願であり、かつ、２００３年１１月１４日に出願された米国仮特許出願第６０／５２０，１４９号に基づく優先権の利益を主張する２００４年１１月１５日に出願の米国特許出願第１０／９８９，１１６号（現在、米国特許第８，１７２，９１２号）の一部継続出願である、２０１２年５月４日に出願された米国特許出願第１３／４６４，８８１号の継続出願である。上記の出願の全ての教示は本願明細書にて援用される。
【背景技術】
【０００２】
現在、軍用、産業用、民生用の電子機器のほとんど全ては、壁面の交流電流のコンセント、ガス発生器、または使い捨てもしくは充電可能な電池といった、従来の動力源から動力を得ている。これらの電力源にはそれぞれ欠点を有している。その欠点の１つとして公害問題がある。交流電流の発電所、ガス発生器、および電池は、それぞれ環境に負荷を加える副生成物（例えばオゾン破壊ガスおよび電池由来酸性廃棄物）を生産する。
【０００３】
燃料電池は、この課題に対する、環境にやさしい解決手段として提案されている。この解決手段として採用されるには、しかし、燃料（例えば水素ガス）が、容易かつ安全に入手可能で、その価格が従来の同等物に比べて負けない価格でなくてはならない。
【０００４】
携帯型のガス発生器は、高純度のガスを要求があり次第安全に生産することが可能である。そのような発生器は、燃料電池の燃料として水素ガス、または他のガス活用装置用の他のガスを発生させるのに有用である。軍用、産業用、民生用の多様な用途のために使用されると想定される燃料電池のための水素ガスを発生させる場合、それらの市場において受け入れられる携帯型のガス発生器の特徴としては、次のものが挙げられるであると予想される：軽量、機械的に単純である、要求応答性がある（すなわち、燃料を使用する装置が動力を必要とする場合にだけガスを生産すること）、どんな姿勢でも作動可能である、そして、ガスが発生されてそれが装置に供給されるまでの間はガスを少量だけ収容するように設計されことによって、可燃性または危険でありうるガスを収容する際の安全的懸念を最小化していること。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の原理による自己制御型かつ携帯型のガス発生器、またはそれに対応するガス発生方法は、ガスを多様な携帯発電用途のために発生するものであり、その発生様式は用途の要求に応じてガス発生速度が自動的に増減するものである。当該自己制御型ガス発生器は、携帯性を付与するものであり、軍用、産業用、民生用の用途に適した安全性を有する。自己制御型ガス発生器のいくつかの実施形態において、自己制御型の機構によって、化学物質においてガスを発生させるのに使用される触媒が長い寿命を有する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の原理による一実施形態において、ガス発生器はＮａＢＨ4溶液などの化学物質のためのチャンバを有する。化学物質の流路に対して閉鎖されている少なくとも一つの部材、プラチナなどの触媒を含むかそれによってコーティングされている。一実施形態において、部材（複数含む）は、化学物質に対して相対的に触媒を配置するために、化学物質供給チャンバ対して運動する。触媒の存在下で、化学物質は化学物質供給チャンバ内において分解し、水素ガス等の発生ガスといった生成物となる。ガス発生器はガス貯蔵チャンバをも有しており、このガス貯蔵チャンバは、発生したガスが燃料電池によって電気エネルギーに変換されるか、または他のガス消費装置によって意図された目的に使用されるまで、発生したガスを貯蔵する。発生したガスは、化学物質供給チャンバからガス貯蔵チャンバまでの経路上にあるガス透過性構造体（例えば膜）を透過する。ガス透過性構造体は、触媒が位置している部材の上、中、または部材から離れて外に位置していてもよい。発生ガスの発生速度の調整をする目的で化学物質の存在下に触媒を配置するために、部材の位置、つまり化学物質に対する相対的な触媒の位置は、少なくとも１つのチャンバ内の圧力によって部分的に発生する力を活用するフィードバック・システムによって調整されてもよい。
【０００７】
上記部材は多くの形態をとってもよく、化学物質に対して相対的に触媒を様々に配置してもよい。例えば、部材は、化学物質供給チャンバに対して並進的に移動してもよいし、化学物質供給チャンバに対して回転運動してもよいし、または化学物質供給チャンバを含む本体に対して固定された位置にとどまってもよい。部材の動作によって、化学物質に露出される触媒の量を変えることができる。部材は、セラミック製であってもよいし、熱伝導性の材料から任意に形成してもよい。いくつかの実施形態では、部材はピストンであってもよく、その場合には、そのピストンは中空ピストンまたは中実ピストンであってもよい。中空ピストンの場合、部材は、発生したガスが化学物質供給チャンバからガス貯蔵チャンバまでの経路上のピストンの中を流れることができるように構成された、複数のチャネルを形成する内部構造体、または１本の内部チャネルを有していてもよい。
【０００８】
いくつかの実施形態では、前記部材は、部材に作用する力が均衡する位置へと化学物質に相対的に移動する中実ピストンであり、当該力は、部材に動作可能に連結されたバネによる力を含む。上記中実ピストンの実施形態において、化学物質供給チャンバは、ガス透過性構造体である境界またはその一部を有していてもよい。場合によっては、ガス透過性構造体は、発生したガスがガス透過性膜全体を実質的に透過するガス透過性膜であってもよい。他の実施例では、上記ガス透過性構造体は、ガス透過性膜の複数の部分およびガス不透過性膜の複数の部分を含む。いくつかの中空ピストン実施形態において、部材は、ガス透過性触媒層およびガス透過性構造体でコーティングされていてもよい。
【０００９】
上記ガス発生器は、部材に接続している少なくとも一つの調節可能なバネ（複数含む）を有していてもよい。バネは、ガス貯蔵チャンバの圧力と部材の位置との関係を調整可能とする。
【００１０】
上記部材は、ガス透過性構造体でコーティングされていてもよいし、ガス透過性構造体でお覆われていてもよいし、またはガス透過性構造体に組み込まれていてもよい。上記部材は非触媒部分も有していてもよく、当該非触媒部分は部材に沿って位置していてもよい。部材がピストンとして作動する場合、非触媒部分は、ピストンの端に位置していてもよい。触媒が化学物質に露出しないように、部材は化学物質に対して相対的に触媒部分と非触媒部分とを配置するように構成されていてもよい。そのような位置において、化学物質の分解を中断する。上記ガス発生器はまた、生成物やその他の材料が部材に蓄積しないようにして触媒または部材自身の寿命を延ばすように、生成物を除去するように構成された「拭き取り具」を有していてもよい。
【００１１】
上記ガス透過性構造体は、さまざまな態様を有していてもよいし、さまざまな機能を実行してもよい。例えば、ガス透過性構造体は、化学物質からの水素ガス（Ｈ2）等のガスを隔離可能であってもよい。上記ガス透過性構造体は、パラジウム（Ｐｄ）またはポリマー構造を有していてもよい。ガス透過性構造体は、部材に対して機械的に連結されていてもよい。
【００１２】
触媒は、さまざまな態様にて導入されていてもよい。例えば、触媒は、以下の触媒のうちの少なくとも１つを有していてもよい：金属、金属ホウ化物、またはポリマー。触媒は、ガス透過性構造体に付着していてもよく、ガス透過性構造体にコーティングされていてもよく、部材の不透過性部分に付着していてもよく、または、部材の不透過性部分にコーティングされていてもよい。
【００１３】
上記ガス発生器は、他の機構を有していてもよい。例えば、上記ガス発生器は容量インジケータを有していてもよく、それはガス貯蔵チャンバが実質的に最大のガス容量に達するなど所定の圧力に達した場合起動するか、または化学物質が実質的に使い果たされたことを示してもよい。上記ガス発生器は、チャンバの圧力が所定の閾値を上回る場合にガス貯蔵チャンバまたは化学物質貯蔵チャンバの圧力を減らす少なくとも一つの圧力リリーフ弁を有していてもよい。上記ガス発生器は、発生したガスが外部装置用に出力される前に通過するフィルタを有していてもよい。他の実施形態では、上記ガス発生器は、発生したガスが外部装置用に出力される前に通過する加湿材を有していてもよい。上記ガス発生器は、化学物質供給チャンバの既知の位置に対する部材の位置を検出するためのトランスデューサを有していてもよい。
【００１４】
上記フィードバック・システムは、発生ガスが発生する速度率を調整してもよい。上記フィードバック・システムは、（ｉ）ガス貯蔵チャンバと化学物質供給チャンバとの間の圧力差、（ｉｉ）ガス貯蔵チャンバと基準圧力チャンバとの間の圧力差、または（ｉｉｉ）化学物質供給チャンバと基準圧力チャンバとの間の圧力差によって生じる力を利用してもよい。他の実施形態では、上記ガス発生器は少なくとも一つの部材に接続しているバネを有していてもよく、そして、フィードバック・システムは、部材に作用する少なくとも１つのチャンバ内の圧力と、その同じ部材に作用するバネの力との差を利用してもよい。
【００１５】
上記化学物質は、さまざまな態様にて提供されてもよい。例えば、上記化学物質は固体、液体、液体に溶けたガス、または液体と液体に溶けたガスとの組合せでもよい。上記化学物質はどんな化学的な水素化物、水性ＮａＢＨ4、またはＮａＢＨ4の溶液と、少なくとも一つのアルカリ金属塩とを含んでいてもよく、その場合、上記水性ＮａＢＨ4溶液は有効量の共溶媒またはその他の添加物を含んでいてもよい。他の実施形態では、上記化学物質は、水性ＮａＢＨ4溶液であって、当該水性ＮａＢＨ4溶液は触媒の存在下で分解して水素ガスを産生し、当該触媒は以下の触媒のうちの少なくとも１つから選ばれてもよい：ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、プラチナ（Ｐｔ）、レニウム（Ｒｅ）、およびニッケル（Ｎｉ）。さらに他の実施形態では、上記化学物質は、乾燥粉末として貯蔵されたＮａＢＨ4を含有していてもよい。上記乾燥粉末は、（ｉ）乾燥したＮａＢＨ4粉末を含む膜を破ること、（ｉｉ）ガス発生器を振盪するか圧搾すること、または（ｉｉｉ）膜を穿刺することによって、所定の液体と混合されてもよい。
【００１６】
発生したガスは、異なる様々なガスであってもよい。２つの場合としては、水素ガスと酸素（Ｏ2）ガスとが挙げられる。これらのガスが、さまざまな用途に使用可能であり、その例としては以下のものが挙げられる：（ｉ）電気を発生させるために水素ガスおよび酸素を反応させる、燃料電池における用途、（ｉｉ）水素ガスを燃焼させるトーチ、または（ｉｉｉ）患者に実質的に純粋な酸素を供給する酸素呼吸装置。なお、これらの２つのガスのどちらかを使用する多くのほかの用途や、他のガスを使用するさらに他の用途が存在する。なお、本発明の原理は、本願明細書において記載されている例示的実施形態によって発生するガスやその種類に限定されない。
【００１７】
本願明細書において記載されているガス発生器の実施形態のいくつかは、それを多くの用途において有用にする安全性や機能性に関する以下の機構をいくつかまたは全て含む。これらの機構としては以下のものが挙げられる（順不同）：消費速度に合致する十分な自動ガス生産、小さいまたは大きな設計、姿勢の影響を受けない、高水準のシステム安全性、およびガス発生器において反応が暴走しないようにするために水素ガスまたはその他のガスの生産が自動的に制限されること。例えば、水素ガスの圧力が大きくなり過ぎた（すなわち、あまりに多くの水素ガスが発生される）場合、上記システムは自動的に自身をシャットダウンしてもよい。
【００１８】
他の例示的実施形態において、上記ガス発生器は、バングバング制御を使用してガスを発生させる。この「バングバング」例示的実施形態において、ガス発生装置は、化学物質を収容する構成された空間を形成する化学物質供給チャンバを含む。上記化学物質供給チャンバは、チャンバの外部からの圧力に対するチャンバ内の圧力に応じた自己調整デューティサイクルによって、チャンバ内に含まれる触媒を化学物質に対して露出させることによって、姿勢に依存しない態様でガスを生成して出力するように構成された部材を備える。本願明細書において使用される「姿勢に依存しない」とは、化学物質でなく、発生したガスが、ガス発生装置の物理的な姿勢にかかわらず化学物質供給チャンバから放出されること意味する。本願明細書において使用される「自己調整デューティサイクル」とは、ガス発生装置が、燃料濃度、触媒効率、ガスの需要、またはそれらの組合せの変化に応じて自己を調節することを意味する。
【００１９】
「バングバング」実施形態において、上記部材は、チャンバの境界の一部を決定してもよい。
【００２０】
上記化学物質供給チャンバは、ガス発生装置の本体によって形成されるキャビティ内に配置されていてもよく、そして、上記部材および本体は、触媒または除去部をそれぞれ有する相補構造部を形成してもよい。
【００２１】
バングバング実施形態において、操作によって上記部材は、部材にかかる力の和に応じて、オン位置とオフ位置との間、または物理的なオン姿勢とオフ姿勢との間を移動する。これらの力は、上記化学物質供給チャンバ内の圧力と、それに反する当該化学物質供給チャンバ外部からの基準圧力の分だけの圧力と、押付け要素（例えばバネ）とによって生じる。
【００２２】
一実施形態において、化学物質供給チャンバの圧力が所定の閾値より高い場合、相補構造部が互いに接触するように部材が本体に対して相対的に配置され、そして当該相補構造部が互いに接触する際に除去部が触媒から化学物質を除去してガス発生装置を停止する（すなわち、装置をオフ状態にする）。同じ実施形態において、上記化学物質供給チャンバの圧力が所定の閾値より低い場合、触媒を化学物質に露出させるために相補構造部が互いから離間するように部材が本体に対して相対的に配置され、ガス発生装置を始動する（すなわち、当該装置をオン状態にする）。
【００２３】
バングバング実施形態において、上記部材および本体は、触媒または除去部をそれぞれその上に有する複数組の相補構造部を形成してもよい。その場合には、上記複数組の相補構造部は、触媒を化学物質に露出させ、かつ触媒から化学物質を除去するように構成されてもよい。上記複数組の相補構造部の各々は、触媒および除去部を含む。上記複数組の相補構造部の各組にて触媒反応が同時に起きるように、当該複数組の相補構造部は互いに並行して作動する。
【００２４】
バングバング実施形態の１つの例において、上記部材および触媒は互いに結合している。例えば、上記触媒は本体に面する向きにて部材の上または中に存在する。あるいは、上記触媒は、本体に結合されていてもよく、例えば、上記触媒はチャンバに面する向きで本体の上または中に結合されていてもよい。両方の実施形態において、上記部材は、本体に対して並進運動または回転運動するように構成されてもよい。なお、上記触媒は挿入物に塗布されてもよく、当該挿入物は本体または部材に貼付されてもよい。ここで、触媒を交換する際、挿入物を使用することは、同じ本体または同じ本体と部材とをそのまま維持しつつ迅速に触媒を交換するのに有用であり得る。
【００２５】
上記ガス発生装置の他の例示的バングバング実施形態において、当該ガス発生装置はその内部にて３つのチャンバの外形が決定しており、これらチャンバは、ガス貯蔵チャンバ、化学物質供給チャンバ、および基準圧力チャンバを含む。１つの構成において、上記ガス発生装置はさらに、ガス貯蔵チャンバを化学物質供給チャンバから隔離するガス透過性液体不透過性膜を含み、そして、上記部材は化学物質供給チャンバを基準圧力チャンバから隔離する。この実施形態は、化学物質供給チャンバとガス貯蔵チャンバとの間に渡って存在するガス流路を含み、このガス流路といくつかの実施形態の他のガス流路との組み合わせにより、化学物質供給チャンバからガス貯蔵チャンバまでの（液体ではない）ガスの姿勢に依存しない流れが可能となる。
【００２６】
上記ガス発生装置のさらに他の例示的バングバング実施形態において、当該装置は、バネなどの押付け要素を含み、押付け要素は部材と結合していてかつ基準圧力チャンバに配置され、部材が基準圧力チャンバ内の圧力に対する化学物質供給チャンバ内の圧力に応じて移動可能とされている。上記部材と装置の本体との境界に移動止め機構を用いてもよく、それによって、異なる閾値または同じ閾値よりも大きいか小さい程度の部材にかかる力の合計によって克服可能な小さな抵抗が提供される。上記移動止め機構は、化学物質供給チャンバと基準圧力チャンバとの間の圧力差に閾値程度の変化が無い場合において、本体に対して相対的に部材の位置または向きを維持するヒステリシスを提供するように（つまり、装置のオン状態またはオフ状態を維持するように）設定されてもよい。
【００２７】
上記ガス発生装置のバングバング実施形態の動作の間、デューティサイクルの状態を決定する、オン状態からオフ状態へ移行する間に、化学物質は触媒から取り除かれてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
本発明の前述および他の目的、特徴、ならびに効果は、以下に示す本発明の好ましい実施形態におけるより特定的な説明により明らかになるであろう。それは、添付の図面にて例示されており、その図面において同様の参照符号は異なる図全体にわたって同じ部品を表す。これらの図面は必ずしも比率的に同じではなく、その代わり本発明の原理を例示する上で強調されて示されている。
【００２９】
【図１】本発明の原理によるガス発生器がその中で使用され得る燃料電池の用途の図解。
【図２Ａ】図１のガス発生器の概略図である。
【図２Ｂ】図２Ａのガス発生器の他の実施形態の概略図である。
【図３】ガスを発生させるために化学物質の中や外へ触媒を移動させるために使用される、図２Ａのガス発生器の部材（例えばピストン）の詳細な機械図である。
【図４Ａ】図２Ａのガス発生器の動作を例示する概略図である。
【図４Ｂ】図２Ａのガス発生器の動作を例示する概略図である。
【図４Ｃ】図２Ａのガス発生器の動作を例示する概略図である。
【図５Ａ】図１のガス発生器の他の実施形態の概略図である。
【図５Ｂ】図１のガス発生器の他の実施形態の概略図である。
【図６Ａ】図１のガス発生器のさらに別の実施形態の概略図である。
【図６Ｂ】図６Ａのガス発生器において使用される部材（例えば回転ロッド）の機械図である。
【図６Ｃ】図６Ａのガス発生器において使用される部材（例えば回転ロッド）の機械図である。
【図６Ｄ】運転中の図６Ｃの部材の機械図である。
【図６Ｅ】運転中の図６Ｃの部材の機械図である。
【図６Ｆ】運転中の図６Ｃの部材の機械図である。
【図７】図１のガス発生器の他の実施形態の機械的概略図である。
【図８】図１のガス発生器のさらに別の実施形態の機械的概略図である。
【図９Ａ】本発明の原理によるガス発生器がその中で使用され得る他の例示的な用途の図である。
【図９Ｂ】本発明の原理によるガス発生器がその中で使用され得る他の例示的な用途の図である。
【図１０Ａ】ガス発生器の「バングバング」制御実施形態の機械的概略図である。
【図１０Ｂ】ガス発生器の「バングバング」制御実施形態の機械的概略図である。
【図１０Ｃ】ガス発生器の「バングバング」制御実施形態の機械的概略図である。
【図１１Ａ】図１０Ａ〜１０Ｃのガス発生器の実施形態の動作中における異なる時点でのデューティサイクルを例示するタイミングチャートである。
【図１１Ｂ】図１０Ａ〜１０Ｃのガス発生器の実施形態の動作中における異なる時点でのデューティサイクルを例示するタイミングチャートである。
【図１１Ｃ】図１０Ａ〜１０Ｃのガス発生器の実施形態の動作中における異なる時点でのデューティサイクルを例示するタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
本発明の好ましい実施形態を以下に説明する。
【００３１】
図１は、本発明の原理によるガス発生器１０がその中で使用され得る燃料電池の用途の図解である。上記燃料電池の用途において、上記ガス発生器１０は水素ガスを生成し、燃料電池１１に供給する。燃料電池１１は、当該技術分野において周知のように、水素ガスと酸素とを反応させて電気４４を生じる。燃料電池１１は、個人用娯楽装置１２ａ（例えばＭＰ３プレーヤ）、遠隔制御自動車１２ｂ、または携帯型コンピュータ１２ｃなどの電気消費装置に対して、電気４４を提供する。他の燃料電池の用途としては、軍用電子機器、産業用電子機器（例えば、印刷機）、または民生用電子機器（例えば、移動電話、携帯情報端末（ＰＤＡ）等）が挙げられる。
【００３２】
通常、燃料電池は、発生する電力に応じた速度で水素ガスを消費する。燃料電池の例が２００１年１１月６日発行の米国特許第６，３１２，８４６号に記載されており、その全ての教示は本願明細書において援用される。その特許のいくつかの実施形態において、燃料電池は与えられた負荷に応じて動的にその構成を変えることができると記載されている。例えば、燃料電池は、より大きな負荷がある場合に、自身を動的に構成して、より多くの燃料を消費して需要に応じることが可能であり、一方、より小さな負荷がある場合、燃料電池は、自身を動的に構成して燃料を節約することも可能である。
【００３３】
ガス発生器１０、燃料電池１１、またはその統合された組合せ（複数含む）としては、多くの異なるサイズおよび構成がある。しかし、本発明の原理を記載する目的からすると、絶対的または相対的サイズ、そしてこれらの装置の結合は重要でない。重要なのは、（ｉ）ガスが発生するプロセスおよび例示的ガス発生器の実施形態、および（ｉｉ）燃料電池１１によるガス使用速度とガス発生器１０によるガス発生速度との関係である。燃料電池１１のためにガスを発生させる場合、ガス発生器１０は水素ガスを発生させる。
【００３４】
水に溶解した金属水素化物または他の適切な固体反応物の反応によって比較的純粋な水素ガスや水素ガスを生成できることは周知である。１つの特定の水素化物である水素化ホウ素ナトリウムＮａＢＨ4は、水素ガスの便利な、安全な供給源として、５０年以上使用されてきた。ＮａＢＨ4粉末が水に溶解したとき、弱アルカリ、低圧力の不燃性の水溶液が形成される。この水溶液が選ばれた金属、金属の組合せ、金属ホウ化物触媒、または熱にも露出されると、水素ガスが水溶性ホウ酸ナトリウムと共に急速に放出される。この触媒によって行われる分解（加水分解）反応は、以下のように表記される：
【００３５】
ＮａＢＨ4（ａｑ）＋２Ｈ2Ｏ（ｌ）→４Ｈ2（ｇ）＋ＮａＢＯ2（ａｑ）（式１）
【００３６】
加水分解反応を記載する式１において、水（Ｈ2Ｏ）は反応体であって、発生する水素ガス４分子毎に水２分子が消費される。この反応が水素ガスを生成し続けると、利用できる自由水がより少なくなるため、触媒の近傍の残りのＮａＢＨ4溶液は、ＮａＢＨ4に関してより濃縮される。大容量のＮａＢＨ4溶液にとっては水供給が減ることは直接問題でないが、式１の他の反応生成物であるホウ酸ナトリウムＮａＢＯ2は水が少ない場合に形成される。これにより、触媒の近傍ではより濃縮された溶液がもたらされる。ホウ酸ナトリウムは、水溶性であるが、水溶性の程度はさほど大きくない。つまり、水素ガスが発生して、同時に、ＮａＢＯ2生成物が形成すると、ＮａＢＯ2の一部分が触媒の上または近傍にて沈殿し析出し始める可能性がある。触媒上にＮａＢＯ2が蓄積することにより、やがて触媒または他のガス発生装置のその後の活性が低下する可能性がある。これはＮａＢＨ4溶液が触媒に接触する際にはいつでも深刻な問題となりうる。
【００３７】
この問題を解決するために、本発明の原理によるガス発生器１０のいくつかの実施形態に示されるように、ガス発生器１０は、自己制御式に触媒を露出させる（例えば、触媒をＮａＢＨ4溶液の内外に移動させる）。ピストン式の実施形態において、触媒の位置（すなわち選ばれた触媒がＮａＢＨ4溶液に浸漬される深さ）は、水素ガス発生速度を制御する。装置におけるＮａＢＨ4溶液の貯蔵容器は、触媒の表面積に対して比較的大きいため、水素ガス発生中に形成したどんなＮａＢＯ2も溶液中にて溶解した状態のままで留まる傾向がある。たとえＮａＢＯ2の溶解度限界をやがては超えても、ＮａＢＯ2は必ずしも触媒上ではなく、ＮａＢＨ4溶液の他の場所で沈澱して析出する。そのため、触媒の延命がなされる。
【００３８】
さらに、ピストン式実施形態において、ピストン上に支持された触媒がＮａＢＨ4溶液に浸漬される深さは、機械的に単純な圧力関連型のフィードバック・システムによって制御される。このフィードバック・システムは、燃料電池または他の水素ガス活用装置による水素ガスの消費に基づく水素ガス圧力の上昇または低下を自動的に検出する。換言すれば、例えば燃料電池１１に対する電気的負荷が少ないかまたはゼロであるなど、水素ガス消費装置がより少ない水素ガスを必要とする場合、水素ガス発生器１０はこの減少した需要を検知して水素ガスの製造を中止する。さらに、いくつかの実施形態においては、水素ガス発生速度を調整するためのフィードバック制御システムは機械的に単純である。すなわち、大きかったり高価だったりする圧力検知フィードバック制御器および／または機械式ポンプを必要としない。本発明の原理により、機械の溶液が化学物質供給チャンバ内において触媒に露出されているため、ガス発生器１０は化学物質（例えばＮａＢＨ4溶液）を移動させるための電気駆動式の機械ポンプや吸い上げ剤が無くても作動する。そのため、この設計は、可能性として低コストで携帯用の用途に適しており、かつ姿勢に影響されない。
【００３９】
触媒を化学物質の存在する場所に配置させるために、ピストン以外の中空または中実の部材を使用する他の実施形態も、本発明の原理の範囲内である。例えば、触媒を、ディスク、ロッド、球体、またはその組合せと結合し、それを回転運動させて化学物質に露出される触媒の量を増減することによって、化学物質を触媒に対して露出してもよい。回転する触媒の実施形態のフィードバック・システムは、（例えばピストン式のように）並進運動する実施形態と同様でも異なっていてもよい。並進運動または回転運動の実施形態を支える例示的フィードバック・システムは、以下に記載されている。ピストン、ディスク、球体等は通常、本明細書において、「部材」と称されてよい。部材は、化学物質の流路に対して閉じられており、化学物質と相互作用する。化学物質が「流路に対して閉じられている」とは、化学物質が部材内部へ実質的に浸入しないことを意味する。いくつかの他の実施形態において、幾分かの化学物質が浸入することが許容されるが、その場合は化学物質がガス貯蔵チャンバへ流れるのを防止する構造を含む。
【００４０】
いくつかの実施形態では、触媒および化学物質によって発生したガスは、部材を通過してもよい。他の実施態様において、上記部材は、中実であり、ガスは部材を通過せずに化学物質供給チャンバからガス貯蔵チャンバへ通過する。
【００４１】
本願明細書において記載されている具体例は、主に燃料電池の用途ために使用される水素ガスの発生について記載する。その燃料電池の用途において、水素ガスは特定の水性化学的水素化物溶液から発生するが、ガス発生器１０は特定の化学水素化物または特定の水溶液から水素ガスを発生させることに限定されない。広範な、一般的な意味において、本願明細書において記載されている概念および機械的デザインは、通常、特定のガスが、なんらかのガス、液体、混合物、または固体の化学物質を用いて、選ばれた触媒、装置、または部材によって自己制御的に発生するどんなガス発生システムにも適用されてもよい。
【００４２】
いくつかの実施形態では、触媒は、触媒を大量のＮａＢＨ4の化学物質の内外に移動させる、小型の部材（例えばピストンまたはディスク）と結合している。これは、化学物質を触媒の方へ動かすことに勝る利点があり、その利点とは、比較的大量の液体化学物質を移動させることと比べて小さなピストンまたはディスクを動かすのは、より容易、より安全であって、要するエネルギーが小さいことである。
【００４３】
図２Ａは、図１の自己制御型ガス発生器１０ａの第１の実施形態を示す。ガス発生器１０ａは、３つのチャンバを有する：化学物質供給チャンバ４１（左）、発生ガス貯蔵チャンバ４０（中）、および基準圧力チャンバ２６（右）。
【００４４】
燃料電池１１のために水素ガスを発生させる場合、例えば、化学物質供給チャンバ４１が水性ＮａＢＨ4溶液４２を貯蔵する。なお、本願明細書において記載されている一般的な設計概念は、水素化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＨ4）または化学水素化物さえにも全く限定されない。適切な条件下で、選らばれた触媒に露出されて所望の特定のガス（例えば水素ガス）を発生可能である、どのような固体、液体、またはガスによって水性ＮａＢＨ4溶液４２を置換しもよい。
【００４５】
図２Ａの実施形態において、化学物質供給チャンバ４１およびガス貯蔵チャンバ４０は、中実の壁または仕切り１６によって隔離され、上記中実の壁または仕切り１６はそれを貫通するように穿孔されたか形成された孔１８を有する。この孔１８に、例えば中空ピストン３０ａなどの部材３０ａがはめ込まれている。孔１８は好ましくはピストン３０ａの横断面の形状と一致する。中空ピストン３０ａは、２つチャンバ４０、４１の間を容易に行き来できるように設計され組み立てられる。中空ピストン３０ａは、適切にフィットしたシール（例えばＯリング）２２中を摺動する。シール２２は、ピストン３０ａと壁１６との間を、化学物質供給部４１からガス貯蔵部４０へまたはその逆方向に液体またはガスが実質的に移動しないように、孔１８に対して取り付けられる。なお、上記ピストン３０ａは、非円形の横断面形状（例えば、矩形または楕円）を有していてもよく、その内部孔部またはチャネル３４は、複数のチャネルにさらに分割されてもよい（すなわち、ピストン３０ａは、内部支持壁または構造（図示せず）を有していてもよい）。
【００４６】
図２Ａの実施形態において、上記ガス貯蔵チャンバ４０は、仕切り１６と、弾性または「バネ状の」ダイヤフラム５０ａと、そして可能性としてはガス発生器１０ａの本体７８の一部分とによって形成される。ガス貯蔵チャンバ４０は一つ以上のガス出口１４を有していてもよく、そこを通って発生したガス４３が燃料電池１１または他のガス消費システム（例えば水素ガス内燃機関）に向けて制御可能に放出されてもよい。ガス貯蔵チャンバ４０の最小および最大容量は、必要な過渡応答に基づいて決定されてもよい。つまり、ガス貯蔵チャンバ４０が必要とする貯蔵可能なガスの容量は、周知の技術で決定されてもよい。
【００４７】
基準圧力チャンバ２６は、大気圧または他の基準圧力に達するように、通気孔２７を介して開放されてもよい。ガス発生器１０の絶対的作動圧力を設定する基準圧力は、弾性ダイヤフラム５０ａに対して一定の対向する力を加える。弾性ダイヤフラム５０ａは、周壁シール２９によってその周縁がシールされており、これによりガス貯蔵チャンバ４０内の生成ガスが基準圧力チャンバ２６へと漏れるのを防止する。本実施形態において、弾性ダイヤフラム５０ａは、ガス貯蔵チャンバ４０と基準圧力チャンバ２６との間の圧力差に応じて膨張および収縮する。
【００４８】
ピストン３０ａは、弾性ダイヤフラム５０ａに取り付けられており、弾性ダイヤフラム５０ａが収縮、膨張するのに応じて化学物質供給チャンバ４１の中へ伸びたり、外に引きだされたりする。バネ６５が、弾性ダイヤフラム５０ａに対して付勢力を与えてもよく、そして、弾性ダイヤフラム５０ａを力で付勢するために付勢力をピストン３０ａに与えてもよい。圧力およびスプリング力がどのようにガス発生に影響を及ぼすかの更なる詳細は、図２Ａの続く説明および図４Ａ〜４Ｃの説明を参照して示す。それらの説明の前に、ピストン３０ａとそれに結合している触媒３２の詳細を、図３を参照して示す。
【００４９】
図３は、図２Ａの上記中空ピストン３０ａの拡大図である。中空ピストン３０ａは、水素ガス（または一般的な意味における、対象のあらゆるガス）が通過可能なタイプのガス透過性構造体３６（例えばフィルム、膜、または他の適切な多孔性材料）によって、構成、被覆（例えばスリーブ）、またはコーティングされてもよい。しかし、水、水蒸気、またはＮａＢＨ4、ＮａＢＯ2、ＮａＯＨのような溶解塩はガス透過性構造体３６を通過することができない。換言すれば、中空ピストン３０を囲んでいるガス透過性構造体３６は、水またはＮａＢＨ4の分子に対してよりも水素ガス分子（例えば）に対してより浸透性がある。そのため、化学物質供給チャンバ４１において発生するどんな水素ガスも、優先的にガス透過性構造体３６に浸透する。発生したガス４３をキャビティ３４からガス貯蔵チャンバ４０へと排出するために、ピストン３０ａの右側にガス排出孔５１が設けられる。
【００５０】
パラジウム金属箔など、水素ガスに適した上記ガス透過性構造体３６の例は当該技術分野において周知である。他の例としては、水素ガス（またはどんな適当なガス）などの小さい分子が浸透可能となるように、意図的にエッチングされるポリプロピレンなどのポリマー材が挙げられるが、これに限定されない。さらに他の例としては、ＰＢＯ（ポリフェニレン−２，６−ベンゾビスオキサゾール）またはＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）などの多孔性ガス透過性ポリマーが挙げられる。あるいは、シリコーンゴムのような材料を用いてもよい。
【００５１】
さらに図３を参照して、上記中空ピストン３０ａは、孔または細孔のような、水素ガス透過性機構（図示せず）で覆われ、または構成されている。ガス透過性機構は、選ばれた触媒３２の薄層にて選択的にコーティングされるか、または埋め込まれていてもよい。他の実施態様において、触媒３２は、ガス透過性機構の横または近傍のピストン側面（複数含む）に塗布されてもよい。
【００５２】
さらに別の実施形態では、触媒３２がガス透過性構造体３６の細孔を覆うかその近傍に存在するように、選ばれた触媒３２は、ガス透過性構造体３６の上に形成、またはその近傍に結合または沈着してもよい。
【００５３】
ピストン３０ａが化学物質４２から完全に引き抜かれた際にガス発生を阻止するために、ピストンの化学物質側端部３５は、非触媒性材料３５で覆われているか、またはコーティングされないままでいる。
【００５４】
ガス透過性構造体３６またはピストン３０ａの表面は、構造３６またはピストン３０ａの表面を滑らかにするように触媒３２を支持する「ディンプル」またはその他の凹パターンに特別に設計されてもよい。ガス透過性構造体３６またはピストン３０ａのなめらかな表面は、Ｏリング２２（図２Ａ）と協同して堅固なシールを形成、維持して、化学物質供給チャンバ４１とガス貯蔵チャンバ４０との内容物の隔離を維持する。化学物質４２と触媒３２との間の化学反応の結果として形成される気泡３３が、ガス透過性構造体３６に対する圧力差によって急速に自らの行先を見つけられるように、触媒３２およびガス透過性構造体３６は同じ場所に位置していてもよい。上記ピストン３０ａのこの実施形態において、気泡３３の中の水素ガスは、細孔を通過してピストン３０ａの中空キャビティ３４へ流れる。
【００５５】
選ばれる触媒３２の具体的な種類は、ＮａＢＨ4溶液の分解を触媒する公知の種類のものである。一般的な意味において、ガスを発生させるどんな触媒を選択してもよい。触媒の例としては、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、プラチナ（Ｐｔ）、レニウム（Ｒｅ）、およびニッケル（Ｎｉ）の金属、金属の組合せ、または金属ホウ化物が挙げられる。当該技術分野において周知であるように、これらの触媒は、単独または互いの組み合わせとして用いてもよい。あるいは、ガス透過性構造体３６は、水素ガスに浸透するだけではなく、ＮａＢＨ4溶液の分解の触媒作用を有する、金属またはその他のどんな材料であってもよい。そのような構造３６の例としては、触媒的に活性のある外面を有する遷移金属フィルムが挙げられ、それは例えばパラジウム、パラジウム合金、または水素透過性構造３６および自身がＮａＢＨ4分解の触媒作用がある表面とを有するあらゆる積層フィルムである。
【００５６】
再度図２Ａを参照し、触媒コーティングされた中空ピストン３０ａは、水性ＮａＢＨ4溶液４２を収容する化学物質供給チャンバ４１と発生ガス４３を収容するガス貯蔵チャンバ４０との間を自由に移動可能である。中空ピストン３０ａの位置としては、化学物質供給チャンバ４１内に完全に入っているか、ガス貯蔵チャンバ４０内に完全に入っているか、２つのチャンバ４０、４１の中間のどこかに存在していてもよい。
【００５７】
本願明細書において記載されているガス発生器１０ａは、化学物質供給チャンバ４１から漏れるかあるいは通過するあらゆるＮａＢＨ4溶液（または他のあらゆる濃縮された液体）を吸収する（または、中和さえもする）ために、ガス貯蔵チャンバ４０中に意図的に配置されるスポンジ状の吸収材料（図示せず）によって構成されてもよい。
【００５８】
中空ピストン３０ａまたは仕切り１６は、燃料がガス貯蔵チャンバ４０へ漏れるのを防止するように、または性能が向上するように設計されている。例えば、上で示唆されるように、ピストン３０ａの左端３５（すなわちＮａＢＨ4溶液４２に挿入される端）は、中実の不浸透性材料３５または別個の部材でシールされ、当該部材は場合によってはエンド・キャップ３５と称される。不浸透性材料３５またはエンド・キャップ３５は、ＮａＢＨ4溶液が中空ピストン３０ａに浸入して水素ガス貯蔵チャンバ４０へと通過することを防止する。ピストン３０ａが完全に引き抜かれたとき（すなわち、水素ガス需要がゼロ（または非常に低い）の際にピストン３０ａが完全にＮａＢＨ4溶液４２の外にあるとき）、不浸透性材料３５またはエンド・キャップ３５は、化学物質４２がガス貯蔵チャンバ４０へ漏出することを防止するのを助ける。
【００５９】
また、上述したように、ガスチャンバへの２本の流路を介して化学物質が漏出するのを防止するために、適切なシール２２（例えばＯリングまたは他の適切なシーリング材料）を仕切り孔１８に取り付けてもよい。ここで、上記２本の流路は、（ｉ）ピストン３０ａの側面と、（ｉｉ）シール２２および仕切り１６の間とに存在する。さらに、ピストン３０ａは、当該ピストン３０ａに接触して移動することによってピストン３０ａに固形物が付着または沈着するのを防止または減少する、ブラシ１３または他の可撓性装置の中を摺動するかまたは通過するように設計することも可能である。この汚れ防止動作は、触媒寿命を効果的に延ばす。ブラシ１３が接触するピストン３０ａ上に滑らかな表面を有することは、その性能を高める。
【００６０】
汚れ防止動作を提供するために他のブラシ・デザインを使用してもよい。なお、ブラシ１３はピストン３０ａの移動に対して大きな抵抗とはならない。
【００６１】
図２Ａにおいて例示される上記ガス発生器１０の動作において、ピストン３０ａは、弾性ダイヤフラム５０ａに取り付けられており、そのためガス貯蔵チャンバ４０の圧力に応じて動く。基準圧力チャンバ２６内の圧力によって、一定の抗力が右から左へ印加される。基準圧力チャンバ２６は、また、弾性ダイヤフラム５０ａに向けられる基準圧力を増大させる、バネ６５を有していてもよい。仮に、基準圧力チャンバ２６の通気がなされない場合、その中に貯蔵された不活性ガスが空気バネのように作動する。そのため、化学物質４２が触媒３２と反応することの結果としてその中で増加するガス圧力によって、ピストン３０ａがますます右へ移動するにつれて、弾性ダイヤフラム５０ａまたはバネ６５は中空ピストン３０ａにますます抵抗する。
【００６２】
図２Ａの上記自己制御型ガス発生器１０ａの動作をさらに例示する図４Ａ〜４Ｃについて説明する前に、図２Ａにおいて例示したガス発生器１０ａの実施形態における起動プロセスの概要を説明する。ここで説明する起動プロセスは図２Ｂにもあてはまる。
【００６３】
図２Ａを参照して、最初に使用する前は、化学物質４２に対する圧力は外気と同じであり、それによって貯蔵中に化学物質の漏出が防止される。また、ガスが発生しないように、化学物質４２は触媒ロッド３０ａから隔離するように保たれる。これは、第１の輸送構成シナリオにおいては以下のように実現される。例えば、ピストン３０ａを並進運動させて化学物質供給チャンバ４１から完全に取り出し、固定ピン（図示せず）または他の適切な機構（複数含む）にて固定位置にとめること、または、例えばピストン３０ａを「固定」位置まで回転させて、ガス発生器１０ａを出荷すること。ピストン３０ａの固定を解除すると、ピストン３０ａにかかるバネ６５による力によって、ピストン３０ａは右から左へ、化学物質４２内へと並進運動する。
【００６４】
第２の輸送構成シナリオにおいて、触媒３２を化学物質４２の外部に保つ位置にピストン３０ａが固定された状態でガス発生器１０ａを出荷するのではなく、化学物質の成分を隔離しておくことで、化学物質４２を使用する前には化学物質４２を不活の状態にしておいてもよい。この第２の輸送構成シナリオにおいて、化学物質の成分は、例えば隔離膜（図示せず）を破壊するかまたは化学物質４２を形成するために最終的に混ざる化学ペレットを圧壊するかまたは加えることによって、使用の直前に組み合わせされてもよい。なお、他のどんな輸送構成も可能である。
【００６５】
第２の輸送構成シナリオを参照して、化学物質が不活であるため、触媒ロッド３０ａはその完全伸長（すなわち、右から左へ付加されるバネ６５の力によって、左方向へ）の位置にて出荷されてもよい。一旦化学物質が活性化され、触媒ロッド３０ａが化学物質４２の中に完全に伸長されると、生成ガスが急速に発生する。
【００６６】
この点において、外部装置１１のガス要求量は０である。化学燃料の圧力が最初は周囲と同じなので、発生したガスを中空ロッド３０ａを通ってガス貯蔵チャンバ４０に注入するような、そして中空ピストン３０ａ上のガス透過性構造体３６全体にかかる圧力差は無い。そのため、発生したガスは触媒ロッド３０ａにて「気泡」となり、化学物質供給チャンバ４１の上部に浮かんでくる。発生したガスが化学物質供給チャンバ４１にとどまるので、化学物質供給チャンバ４１の圧力は増加する。化学物質供給チャンバ４１の圧力が増加するにつれて、圧力がロッド３０ａの左端３５にかかり始める。そして、それによって、抵抗するバネ６５に反してロッド３０ａが右に並進運動する。バネ６５は、化学物質４２から触媒を徐々に除去する。同時に、透過性構造３６全体にかかる圧力差は増加し、ついには発生したガスが泡立って化学燃料チャンバ４１に入るよりむしろ、触媒ロッド３０ａの方に優先して流入し始める。発生したガス４３はガス貯蔵チャンバ４０の圧力を上昇させ始め、それによって、弾性ダイヤフラム５０ａ、つまりピストン３０ａに対して左から右に力が加わる。化学燃料チャンバ４１の圧力がさらに増加するにつれ、より多くのガスがガス貯蔵チャンバ４０内に流入する。そうなると、ある時点で、ピストン３０ａが触媒３２を完全に化学物質４２から引きだす位置に配置する。スイッチを入れる前に燃料電池１１によって発生ガス４３は要求されないので、この時点でガス発生器１０ａは要求あり次第調整されたガスを届ける準備のできた「準備完了」状態にある。
【００６７】
図５Ａ、５Ｂ、６Ａ、７および８の他の実施形態の起動シーケンスは、中空ロッド３０ａおよびダイヤフラム５０ａを利用しない点を除いて、図２Ａの起動シーケンスと同様である。これらの中実ロッド３０ｂの場合には、最初の使用の前には、化学物質４２と触媒３２とは同じように隔離されている必要がある。最初に活性化を行う際、触媒ロッド３０ａはバネ６５によって化学物質４２の中に完全に伸長され、そして、化学物質の圧力は基準圧力と等しい。発生したガスは放出されて、化学物質４２中を通って化学物質供給チャンバ４１の上部へと浮く。そして最終的に透過性構造３６に接して止まる。そのガスは、次にそこを通過してガス貯蔵チャンバ４０へと流れこむ。これは、化学物質４２とガス貯蔵チャンバ４０との間の上昇する圧力差によるものである。化学物質の圧力が上昇するにつれて、触媒ロッド３０ｂは左から右に並進運動して、最終的には化学物質４２の外へ移動し、これによって、ガス発生が止まる。スイッチを入れる前に燃料電池１１によってガスは要求されないので、ガス発生器１０はこの時点で要求あり次第調整されたガスを届ける準備が完了した「準備完了」状態にある。
【００６８】
今度は図４Ａを参照し、第１の輸送構成シナリオに関して上述したように、ピストン３０ａを「固定」位置へ移動してもよく、これは当該ピストン３０ａ（および触媒３２）がＮａＢＨ4溶液から完全に外にでていることを意味する。ユーザは、ピストン（および触媒３２）がＮａＢＨ4溶液４２に入ることを可能とする、ラッチ、移動止め機構、またはその他の固定機構（図示せず）を外し、これによって直下で記載されている自己制御型プロセスが開始される。
【００６９】
続けて図４Ａを参照し、自己制御型プロセスの開始は、ピストン３０ａが最初に完全に化学物質供給チャンバ４１内に配置される状態から始まる。図２Ａの起動シーケンスに関して上述した通り、ピストン３０ａ上の触媒３２をＮａＢＨ4溶液４２に対して露出すると、水素ガスが触媒的に発生する。この水素ガス発生ステップの間、水素気泡３３が、触媒３２の近くのＮａＢＨ4溶液４２において発生し、合体して、ガス透過性構造体３６と接触する。これらの泡３３は、圧力差によってガス透過性構造体３６中を通される。その後、ガスが泡３３を出て、中空ピストン３０ａに入ると、ガス４３は中空ピストン３０ａ中を通って、ガス発生器１０ａの水素ガス貯蔵チャンバ４０に入る。
【００７０】
触媒コーティングされたピストン３０が水性ＮａＢＨ4溶液４２に浸漬される深さが、最終的には水素ガス発生速度を制御する。触媒コーティングされたピストン３０ａが完全に化学物質供給チャンバ４１（図４Ａ）に押し込まれる場合、ＮａＢＨ4溶液４２に露出される触媒の表面積が大きいため、水素ガス発生速度が最大になる。
【００７１】
図４Ｂにおいて、触媒コーティングされた中空ピストン３０ａは、化学物質供給チャンバ４１とガス貯蔵チャンバ４０との間に位置する。この場合、水素ガス発生速度は、最大水素ガス発生速度とゼロとの間であって、ガス需要の変動に対処する典型的な作動状態を表す。
【００７２】
図４Ｃにおいて、ピストン３０ａは、完全にガス貯蔵チャンバ４０内にある。この場合、触媒３２がＮａＢＨ4溶液４２に露出されていないため、ＮａＢＨ4溶液４２から水素ガス４３が発生しない。ピストン３０ａが完全にガス貯蔵チャンバ４０内に存在する限り、水素ガス発生速度はゼロのままである。
【００７３】
ガス発生器１０の基本的動作の原則の説明が済んだため、ガス発生器１０のフィードバック・システムの説明とそのフィードバック・システムがどのように作動するかの詳細な説明とを示す。
【００７４】
一般に、フィードバック・システムは、触媒３２を化学物質４１中に配置して発生ガス４３の発生速度を調整するために、チャンバ４０、４１のうちの少なくとも１つの圧力よって部分的に発生する力を利用する。フィードバック・システムは、いくつかの実施形態において、以下の部品のサブセットを有していてもよい：ピストン３０ａ、弾性ダイヤフラム５０ａ、バネ６５、基準圧力チャンバ２６、ガス貯蔵チャンバ４０、または化学物質供給チャンバ４１。
【００７５】
図４Ｃを参照する。ピストン３０ａの位置は、以下の４つの力の平衡によって決定される：（１）化学物質供給チャンバ４１内の圧力による、ピストン３０ａの左端３５に左から右へと働く力；（２）弾性ダイヤフラム５０ａに対して左から右へと働く、ガス貯蔵チャンバ４０内のガス４３の圧力であって、この圧力はピストン３０ａに対して左から右へと力を加える；（３）弾性ダイヤフラムに対して右から左へ働く基準圧力チャンバ２６内の圧力であって、この圧力はピストン３０ａに対して右から左へと力を加える；および（４）バネ６５がピストン３０ａに対して加える力。
【００７６】
本願明細書において記載されている他の実施形態は、フィードバック・システムの一部として、同じかまたは他の部品を有していてもよい。本願明細書において記載されているフィードバック・システムを構成している構造または機能の代わりに、あるいはそれらと共同して、当該技術分野において周知の等価な構造または機能を用いてもよい。
【００７７】
続けて図２Ａおよび図４Ａ〜４Ｃの上記ガス発生器１０ａの動作を参照し、水素ガスの需要がある（すなわち、燃料電池または他の水素ガス消費装置に負荷がかかっており、水素ガスを消費している）場合、ガス貯蔵チャンバ４０のガス圧力は低下する。水素ガス圧力が低くなることにより、弾性ダイヤフラムまたは可撓性ダイヤフラム５０ａの伸長度合は低下し、左へ（すなわち、化学物質供給チャンバ４１の方へ）移動し、それによってガス貯蔵チャンバ４０の容量が減少する。可撓性壁５０ａが左へ進むにつれて、それが同時に触媒コーティングされたピストン３０ａを左の方へ、そして、ＮａＢＨ4溶液４２の中に押し込む。中空ピストン３０ａ上にある表面積の大きな触媒３２がＮａＢＨ4溶液に露出されるため、水素ガス発生速度が上昇する。
【００７８】
ＮａＢＨ4溶液４２中の触媒３２の作用によって発生した水素ガスは、ガス貯蔵チャンバ４０へ向かって、ガス透過性構造体３６の中、そして中空ピストン３０ａの中を急速に拡散する。その結果、水素ガス貯蔵チャンバ４０内で水素ガス圧は急速に上昇する。発生した水素ガス４３が燃料電池１１（図１）または他の水素ガス消費装置によって連続的に利用される限り、基準圧力チャンバ２６の水素ガス圧力は低いままである。触媒コーティングされたピストン３０の大部分は化学物質供給チャンバ４１の中に残り、そして、発生器１０ａは負荷に比例した速度で水素ガスを生成し続ける。
【００７９】
しかし、燃料電池１１への負荷が減少し、発生した水素ガスが発生速度に等しい速度で使用されないとき、使用されない水素ガス４３はガス貯蔵チャンバ４０に蓄積する。（化学物質供給チャンバ４１の圧力に対して相対的に）増加した水素ガス貯蔵チャンバ４０の水素ガス圧力は、弾性ダイヤフラム５０ａを基準圧力チャンバ２６の方へ移動させる。弾性ダイヤフラム５０ａが右へ移動するにつれて、それが同時に触媒コーティングされたピストン３０ａをＮａＢＨ4燃料溶液４２から引き抜き、よって、ＮａＢＨ4溶液４２に露出している触媒３２の量が減少する。これによって、使用速度と合致するまで水素ガス発生反応が減速し、ガス需要がゼロであるときには水素ガス発生反応が停止するまで減速する。そのため、ガス発生器１０の機械的フィードバック・システムは、極めて少ない動的部品を含み、自己制御的に急速に水素ガス発生を調整するよう機能する。
【００８０】
燃料電池１１への負荷が再び増加して、燃料電池（または他の水素ガス活用装置）が再び水素ガスを使用し始めた場合、ガス貯蔵チャンバ４０内の水素ガス量および圧力が低下し始める。この低下した圧力によって、弾性ダイヤフラム５０ａが左へ再び移動可能となる。同時に、この移動によって、触媒コーティングされたガス透過性中空ピストン３０ａをＮａＢＨ4溶液４２の中へと押され、その結果、上記ように水素ガス発生速度がもう一度上昇する。触媒コーティングされたピストン３０ａによるＮａＢＨ4溶液４２の中や外へのこの動きは自己制御的である。溶液の中や外へのピストン３０ａの移動は、化学物質を撹拌することで均一の組成をもたらし、ピストン３０ａから反応残留物や他の蓄積材料（図示せず）を取り除く清浄作用をもたらすという付加的な利点がある。
【００８１】
なお、本発明の原理が単に上述されている実施形態だけに限定されない。他の機械的、構造的な実施形態で、同様の自己制御型のガス発生機能を実現してもよい。これらの他の実施形態において、触媒でコーティングされているピストンまたは適切な可動部材、ガス透過性構造体、および圧力フィードバック・システムを使用してもよい。他の実施形態およびその部品は、相対的な構成、形状、サイズ、圧力、ガス流速、孔デザイン、個々の部品の動き、および他の態様の点で図２Ａの実施形態と異なっていてもよい。そのような構成およびそれに伴う設計上のトレードオフは当該技術分野において理解されており、そのいくつかは以下に記載されている。
【００８２】
例えば、図２Ｂは、図２Ａの上記ガス発生器１０ａの他の実施形態である。本実施形態において、弾性ダイヤフラム５０ｂは、硬壁６０および周壁シール２９を有する可撓性シールべローズ５２を含む。べローズ５２は、調節可能な機械式またはガス式のバネ６５に対して押すことで圧力変化に反応する。他の実施形態では、べローズ５２の復元力と基準圧力チャンバ２６内の圧力とが十分であるため、バネ６５を省略してもよい。弾性ダイヤフラム５０ｂ（図２Ｂ）と弾性ダイヤフラム５０ａ（図２Ａ）の違いを除いて、図２Ｂのガス発生器１０は、図２Ａのガス発生器１０ａと実質的に同様に作動する。
【００８３】
別の例として、図５Ａおよび５Ｂはガス発生器１０ｂの実施形態を例示するもので、そこでは、触媒３２が中実ピストン３０ｂに沈着しているか組み込まれており、ガス透過性構造体３６を含むブラダーが化学物質供給チャンバ４１の少なくとも一部を形成する。これらの実施形態において、透過性構造３６は、ＮａＢＨ４溶液４２の周縁の一部において、ピストン３０ｂから離れて配置されている（図５Ａ）、またはＮａＢＨ４溶液４２を取り囲む（図５Ｂ）。触媒コーティングされたピストン３０ｂの近くで発生する水素気泡３３は、ＮａＢＨ4溶液４２中を拡散し、ガス透過性構造体３６に浸透してガス貯蔵チャンバ４０に入る。
【００８４】
図５Ａおよび５Ｂの実施形態において、ガス発生器１０ｂの装置構造および動作を単純化されていてもよい。ここでも触媒３２がピストン３０ｂと結合しているが、水素ガス透過性構造体３６は触媒３２から離間して配置される。そのため、これらの実施形態においては、ガス透過性構造体３６の近くまたは上に触媒層を形成する必要がない。触媒３２およびガス透過性構造体３６は、離れて形成可能である。これらの実施形態の利点は、製造の容易さだけではなく、水素ガス発生速度を改善する点にもある。水素気泡３３は、ＮａＢＨ4溶液４２を通ってガス透過性構造体３６へと移動するにつれて、ＮａＢＨ4溶液４２をかき混ぜ／撹拌するのを助ける。その結果、続く水素ガス発生が改善する。
【００８５】
図５Ａおよび５Ｂのガス発生器１０ｂの中実ピストン３０ｂ実施形態の単純性により、使い捨てとして提供できるだけ十分にコストを削減できる。また、これらの実施形態は、必要に応じて、補充され得る再使用可能なガス発生器の実現を可能としうる。例えば、円筒状のガス発生器によって、製造コストを減らせるだけではなく、化学物質供給チャンバ４１に対して取り外し可能なねじ蓋（図示せず）を取り付け可能である。ＮａＢＨ4溶液が使用済みとなった際、ネジを回してねじ蓋を開けて、使用済みのＮａＢＨ4溶液を廃棄し、化学物質供給チャンバ４１を新しいＮａＢＨ4溶液で満たしてもよい。あるいは、使用済み化学物質を新たな化学物質と置換可能とするために、容積式注入ポート（図示せず）を化学物質供給チャンバ４１に設けてもよい。
【００８６】
加えて、ガス透過性構造体３６が金属（例えばパラジウム）または他の適切な熱導体でできている場合、ガス透過性構造体３６は、水素ガス発生反応によって産出されるあらゆる廃熱をも取り除くヒートシンクとして機能してもよい。これによって、ガス発生器１０ｂの動作温度が低く保たれる。この実施形態の他の効果としては、水素ガス貯蔵チャンバ４０をガス発生器１０ｂ（すなわち、ＮａＢＨ4化学物質貯蔵チャンバ４１を囲む）の周辺に配置可能となることが挙げられる。水素ガス発生器の総容量のうちのより多くの部分がＮａＢＨ4溶液４２を貯蔵するために利用できるため、単位容量あたりに発生可能な水素ガスの量が増加する。
【００８７】
図５Ａおよび５Ｂの実施形態の作動において、発生はしているが水素ガス消費装置１１（図１）によって利用されていない過剰な水素ガス４３によってＮａＢＨ4溶液４２内の圧力が上昇するにつれ、触媒コーティングされたピストン３０ｂは調節可能なバネ６５に対して圧縮されて、ＮａＢＨ4溶液４２から押し出される。これは、水素ガス発生速度を０にするか抑える作用がある。これらの実施形態は、ガス透過性構造体３６の柔軟性に依存しない。ピストン３０ｂの後のバネ６５の調節可能な張力によっては、ＮａＢＨ4溶液４２内の圧力は触媒コーティングされたピストン３０ｂを溶液４２の外に押し出して、反応速度を低下させるのに十分である。
【００８８】
図５Ａおよび５Ｂの実施形態は、触媒コーティングされたピストン３０ｂが円筒形本体７８の内に容易に封入可能であるという、付加的な効果がある。これによって、ピストン３０ｂからのＮａＢＨ4溶液４２または水素ガスの偶発的な漏出が予防される。ピストン３０ｂを押しているバネ６５の張力は、特定の用途、所望のガス圧力、または要求されるガス流速の必要に応じて、製造時に調整されてもよくまたは手動で調整されてもよい。バネ６５の圧縮または張力を調整するために、当該技術分野で周知のさまざまな手動調整機構を使用してもよい。
【００８９】
図６Ａは、ガス発生器１０の他の実施形態の機械的概略図である。この実施形態は図５Ａおよび５Ｂの実施形態と類似しているが、ピストン３０ｂが化学物質４２の中や外に移動して、触媒３２を化学物質４２に露出するピストン３０ｂを有する代わりに、部材３０ｂ（この場合は回転ロッド３０ｂ）が回転することで、化学物質４２に露出される触媒の量が変化する。ロッド３０ｂを回転させるための回転運動をつくるために、ロッド３０ｂはカム８０と機械的に接続している。カム８０は、リンケージ５５を介してべローズ７７の硬壁７９に、接続される。べローズ７７は、弾性ダイヤフラム５０ｃの外側に沿って延伸してべローズ７７に達するガス貯蔵チャンバ４０の圧力に反応するように設計されている。
【００９０】
作動中に、燃料電池１１または他のガス消費装置が電気発生のための発生ガス４３をより多く取り込む場合に、例えば、ガス貯蔵チャンバ４０の圧力は低下する。それにより、べローズ７７は収縮し、よって、回転ロッド３０ｂが回転して、より多くの触媒が化学物質４２に露出される。燃料電池１１または他のガス消費装置が発生したガス４３をより少なく取り込む場合、ガス貯蔵チャンバ４０内の圧力が上昇する。それにより、べローズ７７は膨張し、よって、カム８０がロッド３０ｂを回転させて、より少ない触媒３２が化学物質４２に露出される。これによって、気泡３３の発生および、それに伴うガス貯蔵チャンバ４０内の圧力を低下し、最終的には取り込まれる発生ガス４３と等量にて平衡に到達する。
【００９１】
なお、回転ロッド３０ｂおよびカム８０が最小の抵抗で滑らかに回転可能とするための、ボールベアリング、ガスベアリング、またはその他の技術を使用しもよい。さらに、他の実施形態のシール２２と同様に、図６Ａの回転ロッド３０ｂの実施形態は、化学物質４２が、回転ロッド３０ｂが配置されているチャンバに入るのを防止するために細長いシール（図示せず）を有していてもよい。ロッド３０ｂまたは触媒３２に生成物および他の材料が沈着するのを防ぐために、汚れ防止用のブラシ（図示せず）を使用してもよい。
【００９２】
図６Ｂおよび６Ｃは、図６Ａの上記ガス発生器において使用可能な他の回転ロッドの実施形態を例示する。図６Ｂにおいて、回転ロッド３０ａは、図２Ａのピストン３０ａと同様に、中空である実施形態として、軸方向断面図にて示される。本実施形態において、触媒３２は、ガス透過性膜３６上に配置されている。図３を参照して説明したように、触媒３２は、ガス透過性膜３６に形成されるディンプルに沈着される。図２Ａを参照して説明したように、発生したガス４３は最初に気泡３３となり、中空ピストン３０ａのチャネル３４に入り、ガス貯蔵チャンバ４０へと移動する。なお、図６Ａにおいて表される実施形態は、中空ロッド３０ａの実施形態を収容するために適宜変更される。なお、中空ロッド３０ａは非触媒性の無孔材料５５を含み、当該材料５５は化学溶液４２に露出されても、化学溶液４２と反応もしないし、化学溶液４２または発生したガス４３の通過を許さない。
【００９３】
図６Ｃは、図６Ａの上記ガス発生器１０ｂにおいて使用される中実ロッド３０ｂの軸方向断面図である。中実回転ロッド３０ｂは、非触媒性で非多孔質材料５５と、中実ロッド３０ｂに対してどのような深さで結合していてもよい触媒３２とを支持する。中実ロッド３０ｂの使用に関しては、下記の図６Ｄ〜６Ｆを参照して説明する。
【００９４】
まずに図６Ｄに参照して、触媒３２が化学溶液４２に露出しないように、中実の回転ロッド３０ｂは、円形仕切り１６に配置される。シール２２は、中実ロッド３０ｂが配置される領域に化学溶液４２が侵入するのを防止する。図で示される位置において、触媒３２が化学物質溶液４２の存在下にないため、回転中実ロッド３０ｂはガスを発生させない。回転ロッド３０ｂのこの角度は、例えば、ガス発生器１０を出荷するため、または燃料電池に対して電気的負荷がない場合にガス生産を止めるために使用してもよい。
【００９５】
図６Ｅは、幾分かのガスが発生している場合を例示する。この場合、幾分かの触媒が化学物質４２に露出するように、回転ロッド３０ｂを回転する。次に、気泡３３が発生する。気泡３３はガス透過性構造体３６（図６Ａ）に沿ったさまざまな位置でガス透過性膜と接触して、発生したガス４３は通り抜けて、ガス貯蔵チャンバ４０に到達する。
【００９６】
図６Ｆは、ガス消費装置の要求を満たすために最大限のガス生成が必要とされる場合を例示する。この場合、触媒３２が仕切り１６によって許容される最大限に化学物質４２に露出されるように、回転中実ロッド３０ｂが配置される。
【００９７】
なお、回転ロッド３０ａまたは３０ｂのいずれかの実施形態は、上述と同様に機能するために触媒３２を支持可能な回転球体または他の幾何学的形状であってもよい。
【００９８】
図７は、図２Ｂの実施形態と同様に機能する２つの中実ピストン３０ｂを使用するガス発生器１０ｂの機械的概略図である。いくつかの実施形態において、複数のピストン３０ｂはそれぞれに結合の触媒３２を、化学物質供給チャンバ４１内にてガス４３を発生するために、並行的に化学物質４２の存在する部分に移動させる。他の実施形態において、その触媒３２が費やされるまで、複数のピストン３０ｂのうちの１つだけが使用された後、他のピストン３０ｂが作動させられる。他の実施形態では、ガス出口１４経由でさらに発生したガス４３をガス消費装置に供給する必要がない限り、１つのピストン３０ｂがそれに結合した触媒３２を化学物質４２の存在下に移動する。複数のピストン３０ｂを互いの調和的にまたは独立的に動作させる他の実施形態も、本発明の原理の範囲内であると見なされる。
【００９９】
図７のガス発生器１０ｂは、過剰圧力安全装置６７も含む。化学物質供給チャンバ４１があまりに高い圧力にさらされた場合、安全装置は化学物質供給チャンバ４１から自動的に化学物質４２を幾分かだけ排出する。過剰圧力の状態が生じた場合にガス貯蔵チャンバ４０の圧力を軽減するために、過剰圧力安全装置６７を、ガス貯蔵チャンバ４０を囲む本体７８の一部に適用してもよい。
【０１００】
過剰圧力安全装置６７を、化学物質４２、水、またはガス生産のために使用される化学物質として使用される他の化学物質を加えるための、入口として用いてもよい。同様に、過剰圧力安全装置６７は、使用済み化学物質４２を化学物質供給チャンバ４１から抜き取るために使用されてもよい。過剰圧力安全装置６７は、嵌合ネジ、移動止め機構、締金、または他の機械的締結技術によってガス発生器１０の本体７８に接続していてもよく、ガスまたは化学物質の漏出を予防するためにガスケットまたはＯリングを有していてもよい。あるいは、過剰圧力安全装置６７は、本体７８に恒久的な方法で接続されていてもよい。さらに他の実施形態において、過剰圧力安全装置６７は、本体７８と一体的に形成されてもよい。
【０１０１】
図７のガス発生器１０ｂの実施形態において例示される他の特徴としてはフィルタ／加湿材７５がある。発生したガス４３は、ガス貯蔵チャンバ４０からガス出口１４経由してガス活用装置へと移動する間に、フィルタ／加湿材７５を通過する。フィルタ／加湿材７５は、その一方または両方の機能を実行してもよい。フィルタとして機能する場合、フィルタ／加湿材７５は、水素ガス以外がフィルタ／加湿材７５を通過するのを実質的に制限してもよい。加湿材として機能する場合、フィルタ／加湿材７５は、水素ガスがフィルタ／加湿材７５を通過する際に水蒸気または他のガスの蒸気を添加してもよい。フィルタ／加湿材７５は、当該技術分野において周知のようにスポンジ状の材料の形態で導入可能である。
【０１０２】
図７のガス発生器１０ｂは、ピストン３０ｂの位置を検出するために用いる、ロッド位置トランスデューサ７２およびロッド位置マーカ７４も含む。トランスデューサは、ピストン３０ｂに配置された互換性マーカ７４を検出可能な、ホール効果トランスデューサ、静電容量プローブ、またはその他の電磁気トランスデューサであってもよい。他の実施態様において、トランスデューサ７２は、ピストン３０ｂの位置を検出する光学的トランスデューサである。このような実施形態では、トランスデューサ７２がマーカ７４、または場合によってはピストン３０ｂ直接を「見る」ことができるようにするための光学視認ポートが設けられる。なお、光学エンコーダ（図示せず）または当該技術分野に周知の他の位置検出装置を有するホイールが使用されてもよい。各々の場合において、ピストンの位置を表す信号を、外部装置（図示せず）に情報を提供するために使用してもよいし、または、いくつかの実施形態においてはガス消費装置１１を供給するための十分なガス４３を発生するのに十分なだけピストン３０ｂを化学物質４２の中に配置する、モーター（例えば線形ボイス・コイル・モータ）、ポンプ、または他の装置（複数含む）（図示せず）のために電気フィードバックを形成する目的で使用してもよい。線形ボイス・コイルの実施形態において、その巻き線は、化学物質４２内における触媒３２の位置を制御するためのピストン３０ｂ上の磁性素子（図示せず）への磁場の結合を可能とする、複合材料または他の材料を有するガス発生器１０ｂの本体７８の領域に組み込まれてもよい。ピストン３０ｂの動きを助ける装置の使用は従来技術において知られている。そのような装置、位置トランスデューサ７２、位置マーカ７４、および制御電子装置（図示せず）を導入することによって、図７において表される機械の構成を変えてもよい。
【０１０３】
ガス発生器１０ｂは、ガス貯蔵チャンバがその最大容量に達しつつあるか実質的に達したことをユーザまたは機械に知らせる容量インジケータ（図示せず）も有していてもよい。インジケータは、低容量、または容量の範囲を示してもよい。容量インジケータは、ダイヤル、電子ディスプレイ、照明（例えばＬＥＤ）、可聴信号器、無線メッセージングサービス、または他の当該技術分野において周知のインジケータを有していてもよい。容量インジケータは、当該技術分野において周知の圧力トランスデューサまたは他のトランスデューサを使用してもよい。例えば『燃料使用済み』または『触媒使用済み』のインジケータ等の他のインジケータが使用されてもよい。
【０１０４】
図８は、上記ガス発生器１０ｃの他の実施形態を例示する。本実施形態において、上記ように、触媒コーティングされたピストン３０ａまたは３０ｂをＮａＢＨ4溶液４２の中や外に移動させる代わりに、図８において、ＮａＢＨ4溶液４２全体が、一実施形態においては固定されたままである中実の触媒コーティングされたピストン３０ｂに接近するように、あるいは離れるように移動する。（ＮａＢＯ2可溶性が高いまま維持される）ＮａＢＨ4溶液が大量にある場合にＮａＢＯ2が形成されるため、触媒が汚れる可能性は最小化される。これにより、触媒の寿命は顕著に延長される。なお、他の実施形態では、ピストン３０ａまたは３０ｂも上記ように移動していてもよい。つまり、ＮａＢＨ4溶液４２と触媒コーティングされたピストン３０ｂは異なる動きをしてもよい。
【０１０５】
図５Ｂに示すように、ガス透過性構造体３６は弾性ダイヤフラム５０ｃの一部分、または弾性ダイヤフラム５０ｄ全体に配置されていてもよい。図８の実施形態は、円筒形本体７８内に形成されてもよく、その端には取り外し可能なねじ蓋（図示せず）が存在してもよい。この設計では、ＮａＢＨ4溶液４２が使用済みになった場合に交換可能となるだけではなく、触媒３２もまたピストン３０ｂを交換することによって、容易に交換可能である。これによって、（個々の用途に応じて）与えられた触媒３２をより活性のある、あるいはより活性のない触媒と交換可能となる。なお、中空ピストン３０ａを本実施形態において使用してもよく、この実施形態および他の実施形態において交換されてもよい。
【０１０６】
図９Ａおよび９Ｂは、本発明の原理によるガス発生器が、燃料電池用途以外の用途に使用される実施形態を例示する。
【０１０７】
図９Ａにおいて、ガス発生器１０は、水素ガス４３を発生してそのガス出力ポート１４（複数含む）経由して小型宝石用溶接トーチ（ｊｅｗｅｌｅｒ’ｓ  ｔｏｒｃｈ）８１または他の燃焼装置にガスを供給する。なお、ガス発生器１０は、溶接トーチ８１または他の燃焼装置によって燃焼される目的で、触媒（本願明細書において記載されていないが、当該技術分野において周知である）の存在下で化学物質を分解することで他のガスを生産してもよい。
【０１０８】
図９Ｂにおいて、ガス発生器１０は、酸素ガス８２を発生して、そのガスをガス出力ポート１４経由で酸素呼吸装置８３に供給する。ガス発生器１０は、潜水ダイバー用のタンクなどの他の呼吸装置にて用いられてもよい。その場合には、１つまたは複数のガス発生器１０を使用して潜水ダイビング中のダイバー用のタンクに対して窒素と酸素との組合せを供給してもよい。
【０１０９】
図９Ａおよび９Ｂのガス発生器は、それぞれ、説明の便宜上においてのみ、ガス消費装置８１および８３の外部に配置されている。なお、実際には、ガス消費装置８１、８３において、ガス発生器１０（複数含む）が挿入される区画が提供されてもよい。ガス消費装置８１は、ガス発生器を所定位置に保持する、一般的またはカスタムのラッチ機構（図示せず）を有していてもよい。
【０１１０】
好ましい実施形態を参照しつつ本発明を詳細に示しながら説明してきたが、添付の請求の範囲に含まれる本発明の範囲内において、形状および詳細においてのさまざまな変更を加えてもいいことは当業者ならばよく理解しているであろう。
【０１１１】
例えば、水性ＮａＢＨ4溶液は、触媒が存在しない場合であっても、ゆっくり自己分解して式１により水素ガスを発生させる傾向がある事はよく知られている。長期間保存のために取り得る一つの解決方法としては、乾燥したＮａＢＨ4粉末を包装してそれを水および／またはＮａＯＨから隔離しておき、水素ガスを発生させる必要があるときにその２つの成分を混合することである。これらの２つの成分は破壊可能なガラスまたは膜で区切られた設計によって包装し、触媒反応槽内で使用前にそのガラスまたは膜が破壊されると、化学物質４２と水とが混合されてもよい。
【０１１２】
本願明細書において記載される上記ガス発生器の実施形態の更なる安全または制御機能として、触媒３２にもたらされるガス発生を制御するために、触媒３２と化学溶液４２との間に電圧をかけることも可能である。
【０１１３】
開示されたガス発生器の実施形態に、生成ガスの保管、取扱い、および処理を向上しうる付加的な機構を含めることも可能である。既に上述した以外の例として、温度を上昇させてガスの発生を加速するための発熱体、または振動によって特定の溶液または混合物からガスを発生させる圧電装置が挙げられる。
【０１１４】
本願明細書において記載されているガス発生器を自己識別可能として使いやすくするため、ガス出口１４は、標準基準または個々の用途の基準に従って各種装置と接続するための標準形状またはカスタム形状を有していてもよい。例えば、ガス出口は、ガス発生器１０によって酸素または水素ガスが生成されることを示すために、それぞれ『Ｏ』または『Ｈ』の形状で形成してもよい。そのようなデザインは、所定の用途で複数のガス発生器が用いられている場合にユーザ・エラーを防止することに役立ち得る。
【０１１５】
図１０Ａ〜１０Ｃは、ガス４３を発生するために用いられるバングバング制御が行われる燃料カートリッジ１０ｄの他の実施形態の機械的概略図である。本実施形態において、燃料カートリッジ１０ｄは本体７８によって決定される寸法の分布を有しており、本体７８には、ガス貯蔵チャンバ４０、化学物質供給チャンバ４１、および基準圧力チャンバ２６に対してそれぞれ１つまたは複数のキャビティが形成されている。ガス貯蔵チャンバ４０はガス透過性液体不透過性膜３６によって化学物質供給チャンバ４１から隔離されており、そして、ガス透過性液体不透過性膜３６は周壁シール２９によって本体７８の燃料カートリッジ１０ｄに結合していてもよい。
【０１１６】
図１０Ａ〜１０Ｃの実施形態において、基準圧力チャンバ２６を化学物質供給チャンバ４１から隔離するのは、べローズシール７７またはその同等物などの圧力シールあるいは（任意だが）それと部材３０ｃとの組み合わせである。１つの例示的実施形態において、例示的なべローズシール７７は、基準圧力にするための通気孔２７と化学物質供給チャンバ４１との間において、完全な圧力シール（例えば可撓性の側面を有する帽子形状）を形成してもよい。別の実施形態では、べローズシール７７は、基準圧力チャンバ２６および化学物質供給チャンバ４１間の圧力隔離（すなわち、液体およびガス不透過性）を維持するために、部材３０ｃとの組み合わせ（すなわち、べローズシール７７は、可撓性の側面を有するが上部を有しない帽子の形である）で圧力シールを形成する。
【０１１７】
なお、チャンバ４０、４１、２６の機構の一部または全てを有していてもよい挿入物（図示せず）を本体７８に圧入してもよい。ここで、挿入物は、ユーザがガス発生装置の本体を交換することなしに触媒を交換可能としてもよい。
【０１１８】
あるいは、触媒交換（複数含む）中も本体および部材が維持されるように、挿入物は部材と連結されていてもよい。挿入物を本体または部材に対して結合する／結合解除することを可能とする、当該技術分野において周知の任意の数の結合機構を使用してもよく、その例としてはプレスフィット、ラッチ、スプリングクリップ、インターロック機構他が挙げられる。これにより、ガス発生装置全体を交換するのではなく、ガス発生装置の小さなあるいは安価な部品（複数含む）（すなわち、挿入物および任意のカップリング機構）を交換できるように、触媒そして実施形態によっては化学物質を有する交換挿入物を、エンドユーザに提供可能である。
【０１１９】
本願明細書において使用される、姿勢非依存態様、または「姿勢に依存しない態様で」の定義は、ガス発生装置１０ｄがその物理的な姿勢にかかわらず正常に作動し得るということを指す。これは、化学物質供給チャンバ４１内でガス４３が発生すること、およびガス４３が化学物質供給チャンバ４１から出てガス貯蔵チャンバ４０へ移動することが、ガス発生装置１０ｄの物理的な姿勢にかかわらず起きることを意味する。通常の条件の下で、化学物質４２は、ガス発生装置１０ｄの物理的な姿勢にかかわらず、化学物質供給チャンバ４１の中に残る。
【０１２０】
図１０Ａ〜１０Ｃの実施形態において、姿勢非依存態様の一部として、化学物質供給チャンバ４１の近位端（図１０Ａおよび１０Ｂのガス貯蔵チャンバ４０に隣接した左端）からガス貯蔵チャンバ４０に至る経路上、または化学物質供給チャンバ４１の遠位端（基準圧力チャンバ２６に隣接した右端）からガス貯蔵チャンバ４０までわたるガス流路２８を経由する経路上にあるガス透過性液体不透過性膜３６を、発生したガス４３は透過する。充分なガス圧力差が化学物質供給チャンバ４１とガス貯蔵チャンバ４０との間にあるならば、動作中に基準圧力チャンバ２６が物理的にガス貯蔵チャンバ４０の上にある場合であっても、ガス流路２８によって、発生したガス４３が化学物質供給チャンバ４１からガス貯蔵チャンバ４０まで流れ得る。
【０１２１】
図１０Ａ〜１０Ｃの実施形態の化学物質供給チャンバ４１は、相補構造部３７ａ、３７ｂを含む。相補構造部３７ａ、３７ｂは、本体７８の内壁の一部および部材３０ｃの外壁の一部によって形成される、変形鋸歯状パターンにおける対向する傾斜部分として形成されていてもよい。化学物質供給チャンバ４１は、化学物質供給チャンバ４１内部の圧力が安全でないレベルに達する（すなわち、「安全な圧力」の閾値を上回る）場合に開く圧力リリーフ弁（図示せず）を有していてもよい。
【０１２２】
続けて図１０Ａ〜１０Ｃを参照し、部材３０ｃはスロットまたは孔３１を有する。燃料カートリッジ１０ｄの使用中は、スロットまたは孔３１の中を、化学物質４２が流れ、さらに化学物質供給チャンバ４１において発生したガス４３が流れる。図１０Ａ〜１０Ｃの例示的実施形態において、化学物質４２は相補構造部３７ａ、３７ｂの外形によって形成される空隙４５ａ、４５ｂ内に流入し、または空隙４５ａ、４５ｂから外へ流出する。オン状態においては化学物質４２が相補構造部３７ａ、３７ｂの間の空隙４５ａの中にあるが、相補構造部３７ａ（または３７ｂ）の一方に存在する触媒３２は化学物質４２に露出している。それによって、化学物質４２と触媒３２との間で反応が起こり、ガス４３が発生し、そのガス４３はガス透過性膜３６を通過してガス貯蔵チャンバ４０内へ至る（燃料カートリッジ１０ｄの姿勢にかかわらず）。他の１つの相補構造部３７ｂ（または３７ａ）には「除去部」１３が存在する。除去部１３は、除去シールとして機能して、図１０Ａ〜１０Ｃの実施形態において部材３０ｃが左から右（すなわち、基準圧力チャンバ２６の方へ）に並進運動することで相補構造部３７ａ、３７ｂが互いに接触する際に、化学物質４２を触媒３２から取り除く。他の空隙４５ｂおよび残りの化学物質供給チャンバ４１が、相補構造部３７ａ、３７ｂ間の空隙４５ａから除去された化学物質４２を受け入れる。除去部１３があるため、触媒３２から化学物質４２の除去された後、相補構造部３７ａ、３７ｂが互いに接触している間は、燃料カートリッジ１０ｄはガス４３を発生しない。化学物質４２が触媒３２から除去されるにつれて、化学物質４２はスロットまたは孔３１を通って触媒３２から流れ去る。後で詳しく述べるように、化学物質４２は部材３０ｃの運動に応じて流れる。
【０１２３】
図１０Ａ〜１０Ｃの実施形態において、上記基準圧力チャンバ２６は、べローズシール７７、部材３０ｃの端部（いくつかの実施形態において）、および本体７８によって画定される。基準圧力チャンバ２６内にはバネ６５も含まれる。ここで、バネ６５は、部材３０ｃを燃料カートリッジ１０ｄの本体７８に対して並進運動させる（または回転運動させる）ための押付け要素として機能する。べローズシール７７は、（ｉ）化学物質４２をバネ６５から隔離する役割と、（ｉｉ）化学物質４２を、燃料カートリッジ１０ｄの周りの外気圧力環境などの基準圧力環境への通気孔２７と通じる基準圧力チャンバ２６から隔離する役割と、（ｉｉｉ）２つのチャンバ４１および２６間の圧力の隔離を維持する役割とを有する。
【０１２４】
図１０Ｃは、上記相補構造部３７ａ、３７ｂの実施形態の拡大機械的概略図である。そこにおいて、部材３０ｃに作用する力の合計が所定レベルの抵抗力を上回らない限り、相補構造部３７ａ、３７ｂに対して当該所定レベルの抵抗力を負荷する例えば一対の摩擦機構またはバネ式摩擦機構９２ａ、９２ｂとして、図１０Ｃの移動止め機構９０が存在する。なお、所定レベルの抵抗力は、摩擦機構９２ａ、９２ｂの接触角度と、部材３０ｃに対して摩擦機構９２ｂの一つを結合する部材９４のバネ力と、摩擦機構９２ａ、９２ｂの境界で材料（複数含む）の表面効果とによって決定される。他の実施態様において、当該技術において周知の他の形状の移動止め機構を使用してもよい。例えば、バネ式状球面とくぼみとの対などが挙げられる。なお、所定の抵抗力は部材３０ｃの２つの移動方向で同じでなくてもよい。抵抗（複数含む）の力は、オン状態からオフ状態、オフ状態からオン状態へ移行する際に所定レベルのヒステリシスをもたらすように設定されてもよい。
【０１２５】
動作中、バングバング燃料カートリッジ１０ｄの実施形態は、ガス出口１４にガス連結している外部装置（図示せず）によって「要求される」ガス４３の量に応じて、自己調整デューティサイクルによってガス４３を発生する。本願明細書において使用される用語「自己調整デューティサイクル」とは、所与のガス需要に対する触媒効率と燃料（すなわち化学物質）濃度とに応じてガスを発生させる際の、オン状態とオフの状態の長さの合計に対してオン状態の長さを調整するガス発生装置の能力として定義される。自己調整は、受動的にまたは能動的に行われてもよい。
【０１２６】
（図１１Ａ〜１１Ｃにおいて例示された）自己調整デューティサイクルは、化学物質供給チャンバの外からの圧力に対する化学物質供給チャンバ４１の内部からの圧力に応じて、あるいはより一般的に部材３０ｃに作用している力の合計に応じて、部材の３０ｃが並進運動（または回転運動、するかもしくは他の運動）する結果として起きる。動作が始まり幾分かガス４３が発生した後、ガス出口１４を通過するガス流が低くなるかゼロとなることによって、ガス貯蔵チャンバ４０の圧力、そしてそれに従って化学物質供給チャンバ４１の圧力が上昇すると、化学物質供給チャンバ４１の圧力によって、力が、部材３０ｃ、さらにはバネ６５に対して加わる。その結果、部材３０ｃは、ガス４３の発生の間は互いに離れていた相補構造部３７ａ、３７ｂが互いに接触してガス４３の発生が停止されるまで、図１０Ｂのオン状態の位置から図１０Ａ、１０Ｃのオフ状態の位置まで並進運動する。同様に、ガス出口１４を通過する発生ガス４３の流れが再開するかまたは増加すると、ガス貯蔵チャンバ４０内の圧力は低下し、その結果、化学物質供給チャンバ４１内の圧力は低下する。これによって、バネ６５が部材３０ｃに対して力を加えることを可能にする。そして、基準圧力チャンバ２６内の圧力と化学物質供給チャンバ４１内の圧力との圧力差に応じて、相補構造部３７、３７ｂが互いに離れるように移動するにつれて、触媒３２が化学物質４２に露出される。
【０１２７】
部材３０ｃの運動によって、触媒３２および化学物質４２の反応がオン／オフする。このオン状態とオフ状態との制御は、本明細書中にてバングバング制御と称される。バングバング制御は、所定の長さの時間内でのオフ状態に対するオン状態によって決定されるデューティサイクルに従って、ガス４３の発生を可能および不能にする。これは、図１１Ａ〜１１Ｃにさらに詳細に説明される。図１０Ａおよび１０Ｃにおいて、オフ状態３９ａにおける相補構造部３７ａ、３７ｂと、並進運動あるいは回転運動する部材３０ｃとの位置が示されている。図１０Ｂにおいて、オン状態３９ｂにおける部材３０ｃと、相補構造部３７ａ、３７ｂとの位置が示されている。
【０１２８】
なお、状態間の移行は、圧力差が特定の閾値（複数含む）より高くなるか特定の閾値より低くなる際に起こる「スナップ」動作であってもよい。圧力差が閾値に近いままでいる場合には連続的な「スナップ」が起きるのを防ぐために、移動止め機構または他の当該技術分野に周知の機械的手段を使用して状態の変化に対するヒステリシスが設計されてもよい。
【０１２９】
図１０Ｂは、例えば、水素ガスの場合の燃料電池などの外部装置（図示せず）へ、ガス４３がある速度でガス出口１４を流れるオン状態３９ｂを例示する。この場合、燃料電池は、燃料電池に電気的に接続している電気消費装置（図示せず）によって燃料電池に要求される電力に応じて、ガス４３を要求していてもよい。電気消費装置の例としては、ラジオ、移動通信装置、プロペラ回転させるために使用するモーター、または電気自動車全般などの個々の装置であってもよい。他の例としては、家、近隣地区、町、または都市への供給を担う送電網が挙げられる。換言すれば、燃料カートリッジ１０ｄは、電気装置による電気の使用に応じて、自己調整デューティサイクルに従ってガスを生成してもよい。
【０１３０】
バングバング燃料カートリッジ１０ｄの実施形態は、電気装置に電力を供給するために使用される燃料電池のガスの需要に応じて、図１０Ａ、１０Ｃのオフ状態３９ａから図１０Ｂのオン状態３９ｂへ、そしてその逆への切替えを１分当り、数秒当り、または１時間当りに何度も行ってもよい。設計上、オン状態において露出する触媒の合計表面積は、最大ガス流速を維持するのに必要な表面積より大きくてもよい。従って、燃料カートリッジがガスチャンバ貯蔵チャンバ４０の圧力が低いことに応答してオンであるときに、化学物質供給チャンバの圧力は急速に上昇し、これによって部材３０ｃに加わる力が対抗しているバネの力（そして、移動止め機構９０の力）より大きくなり、部材をオフ位置へと急激に切り替えることも可能である。ガス４３が充分に消費されるまで、部材はオフ位置のままでいる。充分に消費されると、ガス貯蔵チャンバ４０と化学物質供給チャンバ４１の圧力は、部材を再びオン位置へ急激に切り替える。そのため、自己調整デューティサイクルは、ガス出口１４を通って燃料電池または他の外部装置（複数含む）へと至る、ガス４３の安定した流れを支えるために、貯蔵チャンバ４０のガス圧力を制御する。
【０１３１】
燃料カートリッジは、受動的に作動するように構成することができる。そして、バングバング制御によってオン状態とオフ状態との間を切り替えるために内部的に発生した圧力だけに依存させることが可能である。あるいは、部材３０ｃは、バングバング様式に並進運動するよう、ソレノイド式またはリニアモータ機構を使用するなどして、能動的に作動するように構成されてもよい。上記機構は、燃料カートリッジ内で検出される入力圧に応じて作動する外的処理によって起動、制御される。燃料カートリッジ１０ｄによって発生する水素を使用して電力を発生させる燃料電池のアレイは、ソレノイド式またはリニアモータ機構を制御する処理を行うのに使用される、マイクロコントローラ、マイクロプロセッサ、または他の回路に電力を供給してもよい。
【０１３２】
図１１Ａ〜１１Ｃは、図１０Ａ〜１０Ｃのガス発生装置１０ｄについての例示的実施形態の動作に伴う自己調整デューティサイクルを例示する一連のタイミングチャート８６ａ〜８６ｃを提供する。タイミングチャート８６ａ〜８６ｃは、オン状態およびオフ状態を表わしたものを含む。ここで、オン状態は、オフ状態を示す横線８７ｂより上の横線８７ａとして示される。
【０１３３】
図１０Ａ〜１０Ｃのバングバング燃料カートリッジ１０ｄの実施形態を参照した際の動作パラメータに関して、図１１Ａのタイミングチャート８６ａは、触媒３２が高活性（例えば、汚れていない）であって化学物質４２の濃度は高濃度である場合を例示する。タイミングチャート８６ａは、例えば、１０％のデューティサイクルを例示する。ここで、オン状態ＴONは特定の操作の期間ＴTotalの１０％の部分を有しており、オフ状態ＴOFFは当該特定の操作の期間の９０％の部分を有する。例示的実施形態において、ガス４３が図１０Ａおよび１０Ｂのガス貯蔵チャンバ４０へと流れて、燃料カートリッジ１０ｄがガス出口１４を経由し燃料電池などの外部装置（図示せず）へ至るガス４３の一定の流れを維持できるのに充分な圧力をガス貯蔵チャンバ４０の中に提供するためには、１０％のデューティサイクルは、十分であり得る。なお、ガス出口１４経由のガスの流れが止まる場合において、ガス４３の生産は、デューティサイクルが０％（図示せず）となるまで落ちる。つまり、それは、オフ状態が特定の操作の期間の全てにおいて存在することを意味する。なお、ガス貯蔵チャンバ４０からのガス４３の漏出によって、デューティサイクルを０％より特定の量（例えば１％、３％、５％または０％よりほんの微量だけ大きい）だけ大きくなる可能性がある。
【０１３４】
時間が経過すると触媒作用によって、化学物質４２の濃度は低下するか（例えば、水素化ホウ素ナトリウムは触媒作用を受けてホウ酸ナトリウムへと変わる）、または触媒の効率は低下する。結果として、デューティサイクルは、例えば、図１１Ｂのタイミングチャート８６ｂにて図示したように、５０％の量へ増加する。動作中、化学物質４２は触媒作用によってその濃度が低下し続け、デューティサイクルを増加させる。そうすると、例えば、図１１Ｃのタイミングチャート８６ｃにて図示したような９０％のデューティサイクルのように、オン状態は、オフ状態より持続時間が長くなる。
【０１３５】
特に、オフ状態ＴOFFの持続期間はタイミングチャート８６ａ〜８６ｃの３つのデューティサイクルの各々でほぼ等しい。これは、オフ状態がガス４３の一定の流れが図１０Ａ、１０Ｂのガス出口ポート１４経由でガス貯蔵チャンバ４０から外部装置まで送達される時間の長さを表すからである。仮に外部装置へのガス４３の流れがかなり増加または減少する場合、増加または減少したガス流速を維持することに適しているガス貯蔵チャンバ４０の圧力のレベルに対応するために、タイミングチャート８６ａ〜８６ｃにおいて表されるオフ状態の長さを特定の量だけ減少または増加させる。
【０１３６】
３つのタイミングチャート８６ａ〜８６ｃを、さまざまな異なるシナリオまたは組合せを表すために使用可能である。上記の例と整合性のある１つのシナリオは、触媒３２が汚れておらず、強い触媒作用を有し、かつ化学物質４２が高濃度状態から低濃度状態へと時間と共に変化する状態を示す。この第１のシナリオにおいて、図１１Ａのタイミングチャート８６ａは、化学物質４２が高濃度である状態があるデューティサイクルを示し、図１１Ｂのタイミングチャート８６ｂは、化学物質４２が中間の濃度である状態があるデューティサイクルを示し、そして、図１１Ｃのタイミングチャート８６ｃは、化学物質４２が低い濃度である状態があるデューティサイクルを示す。図１１Ａのタイミングチャート８６ａの１０％のデューティサイクルは、ガス４３がガス出口１４経由で流れる間、ガス貯蔵チャンバ４０において実質的に一定のガス圧力（例えば、５ｐｓｉ  ＋／−１０％、２０％または他のパーセンテージ）を維持するために充分なガス４３を発生するには、オン状態の短いバーストだけが必要である状況を示す。時間が経つと（図１１Ｂまたは１１Ｃ）、同じ実質的に一定の圧力を維持するために必要なオン状態の期間はより長くなければならない（例えば５０％または９０％）。なお、１０％、５０％および９０％のデューティサイクルの例がデューティサイクルの代表例であり、デューティサイクルは０％から１００％までアナログ的に変動してもよい。なお、ガス貯蔵チャンバ４０の圧力は、特定の用途および設計パラメータに基づいて選ぶことができる。
【０１３７】
第２のシナリオにおいて、タイミングチャート８６ａ〜８６ｃは、上記触媒３２が汚染された状態、または時間とともに消費される状態を例示する。それは、同じ触媒３２を使いつつ、ガス発生装置１０ｄに多数回、新鮮な（すなわち高濃度の）化学物質４２を補充した場合に起こりうる。そのようなシナリオにおいて、高濃度の化学物質４２が存在する触媒３２の耐用期間の初期においては、デューティサイクルは、例えば、ガス貯蔵チャンバ４０に５ｐｓｉのガス圧力を発生するために、短くてもよい（例えば図１１Ａの１０％）。しかし、その耐用期間における後の期間においては、同じ高濃度の化学物質４２が存在する状況で同じガス圧力を生じるためには、図１１Ｂの中間のタイミングチャート８６ｂにて図示したように、触媒３２は、デューティサイクルが約５０％で始まる必要がありうる。触媒３２の耐用期間のさらに後の期間においては、同じ高濃度の化学物質４２が存在する状況でガス貯蔵チャンバ４０に同じ５ｐｓｉのガス圧力を生じるためには、図１１Ｃのタイミングチャート８６Ｃにて図示したように、触媒３２は、デューティサイクルが少なくとも９０％で始まる必要がありうる。
【０１３８】
なお、ある時点で、外部装置のガス４３の要求に応えるガス出口１４経由の流速を維持するために必要なだけガス貯蔵チャンバ４０内のガス圧力を支持するためのガス４３を十分な量だけ発生するのに必要なだけ化学物質４２を触媒できないまでに、触媒３２が十分に汚染されるかまたは費やされる。この「終末期」状態において、デューティサイクルは１００％にあり、タイミングチャート８６ａ〜ｃにてオン状態を表している横線８７ａの長さは、移動止め機構９０（図１０Ｃ）が用いられる場合にはおそらく階段関数にて減少してやがてオフ状態を表している横線８７ｂの長さに接近するか等しくなり、その時には、ガス発生はほとんどまたは完全に無い。そのような状況において、通常の動作を再開するために、ユーザは触媒３２を再供給するか、触媒３２を交換するか、または単に、新規な燃料カートリッジ１０ｄを入手する必要がある。
【０１３９】
例示的実施形態を参照しつつ本発明を詳細に示しながら説明してきたが、添付の請求の範囲に含まれる本発明の範囲内において、形状および詳細においてのさまざまな変更を加えてもいいことは当業者ならばよく理解しているであろう。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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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６Ｅ】
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【図６Ｆ】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【国際調査報告】
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