(57)【要約】本開示は、燃料電池カートリッジに関連した、システム、装置、機器、および／または方法に関する。具体的には、開示するシステム、装置、機器、および／または方法は、燃料電池で使用するための水素ガスを生成するための小型燃料電池カートリッジに関する。いくつかの燃料電池カートリッジ例は、反応物を貯蔵するための反応器モジュール、水を貯蔵するための水モジュール、および反応器モジュールと水モジュールを連結する接合部分を含み得る。接合部分は、水が、反応器モジュール内の反応物と混合して、ガス排出口から放出され得るガス（例えば、水素ガス）を形成するように、水が水モジュールから反応器モジュールに流れるのを可能にし得る。【選択図】図１Ａ
2017510037.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応物を貯蔵するための反応器モジュールと、
水を貯蔵するための水モジュールと、
前記反応器モジュールと前記水モジュールを連結するための接合部分であって、前記接合部分が、前記水が前記反応器モジュール内の前記反応物と混合して、ガス排出口から放出され得るガスを形成するように、前記水が前記水モジュールから前記反応器モジュールに流れるのを可能にする、接合部分と
を備える、燃料電池カートリッジ。
【請求項２】
前記水モジュール内に配置された水制御機構をさらに含み、前記水制御機構が前記水モジュールと前記反応器モジュールとの間の前記水の流れを制御するように構成されている、
請求項１に記載の燃料電池カートリッジ。
【請求項３】
前記水制御機構が、ばね、ピストン、ブラダー、加圧水源、プランジャー、ガスの超過圧力、ガスの圧力フィードバック、弁、およびポンプのうちの少なくとも１つを含む、請求項２に記載の燃料電池カートリッジ。
【請求項４】
前記水制御機構が、前記水モジュールからの、および前記水モジュールへの前記水の前記流れを制御する前記水モジュールの外部のポンプを含む、請求項３に記載の燃料電池カートリッジ。
【請求項５】
前記水モジュールが、前記水モジュールの第１の端部から前記水モジュールの第２の端部まで延在する少なくとも１つのチャネルを含み、前記少なくとも１つのチャネルが、流体がそれを通過するのを可能にし、かつ、
前記流体が、前記少なくとも１つのチャネルを経て前記水モジュールと前記反応器モジュールとの間を流れる、
請求項１に記載の燃料電池カートリッジ。
【請求項６】
前記流体が、ガスおよび液体のうちの少なくとも１つを含む、請求項５に記載の燃料電池カートリッジ。
【請求項７】
前記水モジュールの前記第１の端部が前記接合部分を介して前記反応器モジュールに連結されていて、かつ
前記水モジュールの前記第２の端部が制御マニホールドに連結されている、
請求項５に記載の燃料電池カートリッジ。
【請求項８】
前記反応器モジュールが、反応器モジュール筐体内に格納された取り外し可能反応器モジュールを含む、請求項１に記載の燃料電池カートリッジ。
【請求項９】
前記接合部分が、ガスシールを含む、請求項１に記載の燃料電池カートリッジ。
【請求項１０】
前記ガス排出口が、前記水モジュールおよび前記反応器モジュールのうちの少なくとも１つと流体連結している、請求項１に記載の燃料電池カートリッジ。
【請求項１１】
前記水モジュールが水で再充填され得、かつ
前記反応器モジュールが反応物で再充填され得る、
請求項１に記載の燃料電池カートリッジ。
【請求項１２】
前記反応器モジュールが、前記接合部分を介して、前記水モジュールと取り外し可能な方法で連結されている、請求項１に記載の燃料電池カートリッジ。
【請求項１３】
水素ガスを製造する方法であって、前記方法が、
水モジュールの第１の端部を反応器モジュールに連結することであって、前記水モジュールが水を貯蔵し、かつ、前記反応器モジュールが反応物を貯蔵する、水モジュールの第１の端部を反応器モジュールに連結することと、
前記水モジュール内の前記水の少なくとも一部が前記反応器モジュール内の前記反応物と混合し、それにより前記水素ガスを生じるように、前記水モジュールと前記反応器モジュールとの間の前記水の前記流れを制御することと、
を含む、方法。
【請求項１４】
前記水素ガスを、前記水モジュール内の少なくとも１つのチャネルを通って、前記水モジュールの第２の端部に連結された制御マニホールドまで導くことをさらに含む、
請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記水素ガスが前記制御マニホールドから放出されて前記燃料電池に入るように、前記制御マニホールドを燃料電池に連結することをさらに含む、
請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記水モジュールと前記反応器モジュールとの間の前記水の前記流れを制御することが、外部制御なしで、前記水の圧力を自己制御することを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
前記水モジュールと前記反応器モジュールとの間の前記水の前記流れを制御することが、ばね、ピストン、ブラダー、加圧水源、プランジャー、ガスの超過圧力、ガスの圧力フィードバック、弁、およびポンプのうちの少なくとも１つを使用して、前記水の圧力を制御することを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１８】
水素ガス製造システムであって、
筐体と、
前記筐体内部に配置された接合部分であって、前記接合部分が、前記筐体内に、少なくとも１つの反応器空洞および少なくとも１つの水空洞を画定し、前記少なくとも１つの反応器空洞が前記少なくとも１つの水空洞と流体連結していて、前記反応器空洞内の反応物が前記水空洞からの水と接触して水素ガスを生じる、前記筐体内部に配置された接合部分と、
前記水素ガスを排出するための前記筐体内の排出口と
を備える、水素ガス製造システム。
【請求項１９】
前記接合部分が前記筐体内で移動し得るように、前記接合部分が、前記筐体内部に移動可能な方法で配置されていて、それにより、前記反応器空洞の容積が変動し、かつ前記水空洞の容積が変動する、請求項１８に記載のシステム。
【請求項２０】
前記筐体内に配置された圧力調整機構をさらに含み、前記圧力調整機構が前記筐体内部の前記圧力を制御する、請求項１８に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１４年３月１９日に出願された「Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｃａｒｔｒｉｄｇｅ」という名称の米国仮特許出願第６１／９５５，３５７号に対する優先権を主張し、その内容が、全ての図面および添付書類を含め、本参照により、全体として本明細書に完全に記載されているかのように、本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、外部源燃料を電流に変換する、電気化学的エネルギー変換装置である。多くの燃料電池は、燃料として水素を、酸化剤として酸素（通常は空気から）を使用する。かかる燃料電池の副生成物は水であり、このため、燃料電池は、環境への影響が極めて低い発電装置となる。
【０００３】
燃料電池は、ガソリンタービン、内燃エンジン、および電池などの、発電のための他の多くの技術と競合する。燃料電池は、直流（ＤＣ）電圧を供給し、それは、据置き型発電、照明、バックアップ電力、家庭用電化製品、電動自転車などの個人用移動装置、および造園機器を含む、多数の用途、ならびに他の用途に利用できる。利用可能な多種多様な燃料電池があり、その各々は発電のために異なる化学的性質を利用する。燃料電池は、通常、それらの作動温度および利用する電解質系のタイプに従って分類される。１つの一般的な燃料電池は、ポリマー交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）であり、その酸化剤として酸素（通常は空気）を用いて、燃料として水素を使用する。それは、高電力密度および通常８０℃未満の低作動温度を有する。これらの燃料電池は、パッケージングおよびシステム実装要件が適度で、信頼性がある。
【０００４】
水素貯蔵および生成の課題は、ＰＥＭ燃料電池が広範に採用されるのを制限してきた。分子状水素は、質量ベースで非常に高いエネルギー密度を有するが、周囲条件におけるガスとしては、容量で非常に低いエネルギー密度しか有していない。高圧および極低温を含め、水素を携帯機器用途に対して供給するために採用された技術は、広く普及しているが、ほとんどの場合、水素ガスを要望に応じて確実に放出する化学物質に重点が置かれてきた。水素を物質中に貯蔵するために使用される３つの広く受け入れられた機構は、吸収、吸着、および化学反応である。
【０００５】
燃料電池に燃料供給するための吸収性水素貯蔵（ａｂｓｏｒｐｔｉｖｅ  ｈｙｄｒｏｇｅｎ  ｓｔｏｒａｇｅ）では、水素ガスは、高圧で、金属水素化物などの、特定の結晶性物質の大部分に直接吸収される。ＭｇＨ２、ＮａＡｌＨ４、およびＬａＮｉ５Ｈ６などの金属水素化物は、水素ガスを可逆的に貯蔵するために使用できる。しかし、金属水素化物系は、しばしば、貧弱な比エネルギー（すなわち、金属水素化物への水素貯蔵の低質量比）および貧弱な入力／出力流動特性に悩まされる。水素流動特性は、金属水素化物の吸熱特性によって駆動される（内部温度が、水素を除去すると低下し、水素で再充電すると上昇する）。これらの特性のために、金属水素化物は重くなる傾向があり、それらを急速に充電および／または放電するために複雑なシステムを必要とする。例えば、加圧水素ガスを、金属水素化物または何らかの他の水素ベースの化学燃料を含むカートリッジに貯蔵し、次いで、カートリッジから制御可能な方法で放出するように設計されたシステムに対する米国特許第７，２７１，５６７号を参照されたい。このシステムは、消費された水素の量を推定するために、金属水素化物燃料自体の温度および／もしくは圧力を測定することにより、ならびに／または燃料電池の電流出力を測定することにより、燃料電池に供給可能な残りの水素レベルも監視する。
【０００６】
燃料電池に燃料供給するための吸着性水素貯蔵では、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と結合される。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）、および同様のものなどの、化学的水素化物は、水素ガスを不可逆的に貯蔵するために使用される。化学的水素化物は、以下に示すように、水と反応すると、大量の水素ガスを生じる：
ＮａＢＨ４＋２Ｈ２Ｏ→ＮａＢＯ２＋４Ｈ２
【０００７】
化学的水素化物の水との反応を確実に制御して燃料貯蔵装置から水素ガスを放出するために、水のｐＨの制御と併せて、触媒を使用する必要がある。その上、化学的水素化物は、多くの場合、水素化物がその水素ガスを早く放出するのを防ぐために、不活性な安定化液のスラリーに包含される。
【０００８】
燃料電池用に水素を製造するための化学反応方法では、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における穏やかな変化によって触媒される。温度によって触媒される、この化学系の一例は、以下の反応によるアンモニアボランからの水素生成である：
ＮＨ３ＢＨ３→ＮＨ２ＢＨ２＋Ｈ２→ＮＨＢＨ＋Ｈ２
【０００９】
第１の反応は６．１重量％水素を放出して、約１２０℃で起こり、他方、第２の反応は別の６．５重量％水素を放出して、約１６０℃で起こる。これらの化学反応方法は、水素ガスを生成するための開始剤として水を使用せず、システムｐＨの厳格な管理を必要とせず、また、多くの場合、別個の触媒材料を必要としない。しかし、これらの化学反応方法は、多くの場合、よくある熱暴走の発生に起因した、システム制御問題に悩まされる。例えば、アンモニアボランからの水素生成を熱的に開始して、かつ熱暴走から保護するように設計されたシステムに対する、米国特許第７，６８２，４１１号を参照されたい。例えば、熱的水素放出条件を変更するために触媒および溶媒を使用する化学反応方法に対する、米国特許第７，３１６，７８８号および第７，５７８，９９２号を参照されたい。
【００１０】
燃料電池に対するますます多くの用途が開発されるにつれて、水素を燃料電池システムに供給する燃料電池カートリッジに対する新規で改善された設計が必要とされる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１１】
一態様では、本開示は、燃料電池カートリッジを開示し、それは、反応物を貯蔵するための反応器モジュール、水を貯蔵するための水モジュール、およびそれらの間の接合部分を含み得る。接合部分は、水が、反応器モジュール内の反応物と混合して、ガス排出口から放出され得るガスを形成するように、水が水モジュールから反応器モジュールに流れるのを可能にし得る。
【００１２】
別の態様では、本開示は、水素ガスを製造する方法を開示し、それは、水モジュールの端部を反応器モジュールに連結することを含み得る。水モジュールは水を貯蔵し得、反応器モジュールは反応物を貯蔵し得る。本方法は、水モジュール内の水の少なくとも一部が反応器モジュール内の反応物と混合し、それにより水素ガスを生じるように、水モジュールと反応器モジュールとの間の水の流れを制御することも含み得る。
【００１３】
さらに別の態様では、本開示は、水素ガス製造システムを開示し、それは、筐体、および筐体内の接合部分、ならびに水素ガスを排出するための排出口を含み得る。筐体内部の接合部分は、筐体内に反応器空洞および水空洞を画定し得る。反応器空洞は、反応器空洞内の反応物が水空洞からの水と接触して水素ガスを生じるように、水空洞と流体連結し得る。
【００１４】
本開示の前述および他の特徴は、付随する図面と併せて、以下の記述および添付の特許請求の範囲からさらに完全に明らかになるであろう。これらの図面は本開示に従ったいくつかの実施形態を示しており、従って、その範囲を制限すると見なされないことを理解したうえ、本開示は、付随の図面の使用を通じて、追加の特異性および詳細とともに記述される。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】Ａ−Ｂ。本開示の少なくともいくつかの例に従った燃料電池カートリッジ例の略図である。
【図２】Ａ−Ｃ。本開示の少なくともいくつかの例に従った燃料電池カートリッジ例の略図である。
【図３】本開示の少なくともいくつかの例に従った、それぞれ図２Ａ、図２Ｂ、および図２Ｃの燃料電池カートリッジ例の特性例を示す表である。
【図４Ａ】本開示の少なくともいくつかの例に従った燃料電池カートリッジ例の略図である。
【図４Ｂ】本開示の少なくともいくつかの例に従った燃料電池カートリッジ例の略図である。
【図５Ａ】本開示の少なくともいくつかの例に従った燃料電池カートリッジ例の略図である。
【図５Ｂ】本開示の少なくともいくつかの例に従った燃料電池カートリッジ例の略図である。
【図６】Ａ−Ｂ。本開示の少なくともいくつかの例に従った燃料電池カートリッジ例の略図である。
【図７】Ａ−Ｂ。本開示の少なくともいくつかの例に従った様々な燃料電池カートリッジ例の略図である。
【図８】本開示の少なくともいくつかの例に従った、燃料電池カートリッジ例のための制御システム例の略図である。
【図９】本開示の少なくともいくつかの例に従った、燃料電池カートリッジ例のための制御システム例の略図である。
【図１０】本開示の少なくともいくつかの例に従った、燃料電池カートリッジ例のための水モジュール例の斜視図である。
【図１１】本開示の少なくともいくつかの例に従った、燃料電池カートリッジ例の斜視図である。
【図１２】本開示の少なくともいくつかの例に従った、燃料電池カートリッジ例の分解斜視図である。
【図１３】本開示の少なくともいくつかの例に従った、燃料電池カートリッジ例の分解斜視図である。
【図１４】本開示の少なくともいくつかの例に従った、燃料電池カートリッジ例のための反応器モジュール例の斜視図である。
【図１５】Ａ−Ｂ。本開示の少なくともいくつかの例に従った、燃料電池カートリッジ例のための反応器モジュール例の端部の上面図である。
【図１６】本開示の少なくともいくつかの例に従った、燃料電池カートリッジ例のための制御マニホールド例の斜視図である。
【図１７】本開示の少なくともいくつかの例に従った、燃料電池カートリッジ例のための水モジュール例の斜視図である。
【図１８Ａ】本開示の少なくともいくつかの例に従った、燃料電池カートリッジ例のための水モジュール例の斜視図である。
【図１８Ｂ】本開示の少なくともいくつかの例に従った、燃料電池カートリッジ例のための水モジュール例の斜視図である。
【図１９】本開示の少なくともいくつかの例に従った、燃料電池カートリッジ例のための水モジュール例の側断面図である。
【図２０Ａ】本開示の少なくともいくつかの例に従った燃料電池カートリッジ例のための、それぞれ、制御マニホールド例および水モジュール例の斜視図である。
【図２０Ｂ】本開示の少なくともいくつかの例に従った燃料電池カートリッジ例のための、それぞれ、制御マニホールド例および水モジュール例の斜視図である。
【図２１】Ａ−Ｂ。本開示の少なくともいくつかの例に従った燃料電池カートリッジ例のためのスイッチング機構例の略図である。
【図２２】Ａ−Ｂ。本開示の少なくともいくつかの例に従った燃料電池カートリッジ例のためのスイッチング機構例の略図である。
【００１６】
図面中のすべてのコールアウトおよび記述は、この参照により、本明細書に記載されているかのように本明細書に組み込まれる。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下の詳細な記述では、本明細書の一部を形成する、付随の図面に対する参照が行われる。図面では、別段の指示がない限り、同様の記号は同様の構成要素を識別する。詳細な記述で説明される例示的実施形態および図面は、制限することを意図しておらず、説明を目的とする。本明細書で提示する主題の精神または範囲から逸脱することなく、他の実施形態が利用され得、他の変更が行われ得る。本開示の態様は、本明細書におおまかに記述し、かつ、図面で説明するように、多種多様な異なる構成で配置され、置換され、組み合わされ、また設計され得、その各々は、明示的に企図されて、本開示の一部をなすことが容易に理解されるであろう。
【００１８】
本開示は、燃料電池カートリッジに関連した、システム、装置、機器、および／または方法に関する。具体的には、開示するシステム、装置、機器、および／または方法は、燃料電池で使用するための水素ガスを生成するための小型燃料電池カートリッジに関する。
【００１９】
図１Ａ、図１Ｂ、図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃ、図４Ａ、図４Ｂ、図５Ａ、図５Ｂ、図６Ａ、図６Ｂ、図７Ａ、および図７Ｂは、本開示の少なくともいくつかの例に従った様々な燃料電池カートリッジ例１００、２００、２２０、２４０、４００、５００、６００、６２０、７００の略図である。いくつかの例では、燃料電池カートリッジ（または単に、カートリッジ）１００、２００、２２０、２４０、４００、５００、６００、６２０、７００は、水モジュール１０２、２０２、２２２、２４２、４０２、５０２、６０２、６２２、７０２、反応器モジュール１０４、２０４、２２４、２４４、４０４、５０４、６０４、６２４、７０４、およびその２つの間の接合部分１０６、２０６、２２６、２４６、４０６、５０６、６０６、６２６、７０６を含み得る。いくつかの例では、燃料電池カートリッジ１００、２００、２２０、２４０、４００、５００、６００、６２０、７００は、燃料電池１１０と連結するための制御マニホールドも含み得る。いくつかの例では、燃料電池カートリッジ１００、２００、２２０、２４０、４００、５００、６００、６２０、７００は、水モジュール１０２、２０２、２２２、２４２、４０２、５０２、６０２、６２２、７０２と、反応器モジュール１０４、２０４、２２４、２４４、４０４、５０４、６０４、６２４、７０４との間の水の流れを制御するための、水制御機構１１２、２１２、２３２、２５２、４１２、５１２、６１２、６３２、７１２も含み得る。
【００２０】
いくつかの燃料電池カートリッジ例は、採用する水制御機構のタイプに基づき、「アクティブな」燃料電池カートリッジ２００、６２０、７００または「パッシブな」燃料電池カートリッジ１００、２２０、２４０、４００、５００、６００と見なされ得る。
【００２１】
例えば、図２Ａ、図６Ｂ、図７Ａ、および図７Ｂの燃料電池カートリッジ２００、６２０、７００は、燃料電池カートリッジ２００、６２０、７００内に水の流れを起こして制御する外部水制御機構２１２、６３２、７１２のためにアクティブと見なされる。これらの外部制御機構２１２、６３２、７１２は、一般に、作動するために外部電力を必要とする。一般に、アクティブな燃料電池カートリッジシステム２００、６２０、７００は、ポンプ２１２、６３２，７１２または代替手段を利用して、要求に応じて、または他の制御変数に基づき、反応物への水の供給を制御する。アクティブシステム２００、６２０、７００は、反応器モジュール２０４、６２４、７０４またはチャンバーへの水の流れを電子的に制御するために水ポンプ２１２、６３２、７１２を使用し得るが；このアーキテクチャでは、燃料電池コストがより高くなり、かつ、燃料電池システムがより複雑になる。例えば、これらの図に示すように、水ポンプ２１２、６３２、７１２は、取水口、吐水口、および／または水素ガス排出口に対する流体接続を介して、燃料電池カートリッジ２００、６２０、７００と連結し得る。図に見られるように、水は、カートリッジ２００、６２０、７００から水ポンプ２１２、６３２，７１２を通って引き込まれ、カートリッジ２００、６２０、７００へ送り返され得る。他のアクティブなカートリッジアーキテクチャも本開示によって企図される。
【００２２】
図１Ａ、図１Ｂ、図２Ｂ、図２Ｃ、図４Ａ、図４Ｂ、図５Ａ、図５Ｂ、および図６Ａの燃料電池カートリッジ１００、２２０、２４０、４００、５００、６００は、水の流れを燃料電池カートリッジ１００、２２０、２４０、４００、５００、６００内に起こすために外部機構を必要としないので、パッシブと見なされる。例えば、これらの図で示す燃料電池カートリッジ１００、２２０、２４０、４００、５００、６００は、その中で、水モジュール１０２、２２２、２４２、４０２、５０２、６０２からの水を反応器モジュール１０４、２２４、２４４、４０４、５０４、６０４へ流し込むばね１１２、２３２、２５２、４１２、５１２、６１２で水が圧縮される。パッシブシステム例では、水は、ばね１１２、２３２、２５２、４１２、５１２、６１２、ブラダー（ｂｌａｄｄｅｒ）、ガスの超過圧力、および／またはガスの圧力フィードバックによって加圧され得る。いくつかのパッシブシステム例１００、２２０、２４０、４００、５００、６００は、水を反応器モジュール１０４、２２４、２４４、４０４、５０４、６０４、またはチャンバーへ圧送するために、ばね１１２、２３２、２５２、４１２、５１２、６１２を使用し得る。いくつかの例では、ばね１１２、２３２、２５２、４１２、５１２、６１２は、先細にされ得、それにより、完全に圧縮された場合に非常に平らにできる。パッシブシステム１００、２２０、２４０、４００、５００、６００は、それらが電子制御を必要としないという点において好都合であり得る。
【００２３】
いくつかのパッシブ燃料電池カートリッジシステム１００、２２０、２４０、４００、５００、６００では、システムは、加圧水供給を使用して、自動制御されるようになり；水は、下流圧力が水源より低い場合に流れることができ、下流圧力が高ければ停止する。このタイプのシステムは、関与するセンサーまたはアクチュエータ要素がないので、パッシブアーキテクチャと考えられる。
【００２４】
いくつかの例では、「ハイブリッド」のアクティブ／パッシブアーキテクチャが提供され得、ばねが水を加圧するが、機械的アクチュエータがオン／オフ水弁を作動させる。これは、アクティブシステムの制御の高度化の多くを可能にし得るが、パッシブシステムの簡潔さの多くも提供する。例えば、弁を作動させるための作動機構は、通常、実際の水ポンプよりも作製するコストが低い構成要素を含む。かかるハイブリッドシステムは、水素出口に対する単一の流体接続のみを必要とする接合部分を有し得る。
【００２５】
図３は、本開示の少なくともいくつかの例に従った、それぞれ図２Ａ、図２Ｂ、および図２Ｃの燃料電池カートリッジ例２００、２２０、２４０の特性例を示す表３００である。
【００２６】
図４Ａ、図４Ｂ、図５Ａ、および図５Ｂは、本開示の少なくともいくつかの例に従ったいくつかの燃料電池カートリッジ例４００、５００の構造および動作を示す。図４Ａおよび図４Ｂは、燃料電池カートリッジ例４００が、筐体４１４および筐体４１４内部の仕切り４０６を含み得ることを示す。仕切り４０６は、水空洞４０２を反応器空洞４０４から分離する。しかし、仕切り４０６は、幾らかの水が水空洞４０２から反応器空洞４０４へ流れるのを可能にする。この例における反応器空洞４０４は、ＮａＳｉ反応物４１５を貯蔵し、ＮａＳｉ反応物４１５は、図４Ｂに示すように、水と接触すると水素ガスを生じる。この水素ガスは、燃料電池カートリッジ４００から放出されて、カートリッジ４００が連結されている燃料電池に入り得る。
【００２７】
図４Ａおよび図４Ｂは、筐体４１４内部に固定された仕切り４０６を示しているが、本開示は、水空洞４０２の容積および反応器空洞４０４の容積の両方が可動仕切り４０６の位置に基づき変動するように、仕切り４０６が筐体４１４内部で移動可能な例を企図する。
【００２８】
図５Ａおよび図５Ｂは、燃料電池カートリッジ例５００が、図４Ａおよび図４Ｂの例とは異なる構成ではあるが、筐体５１４および筐体５１４内部の仕切り５０６を含み得ることを示す。これらの図では、仕切り５０６は、垂直円筒構成において水空洞５０２を反応器空洞５０４から分離する。仕切り５０６は、基本的に、水空洞５０２が反応器空洞５０４の周りを囲むように、カートリッジ５００のより大きい直径の筐体５１４内部の円筒である。仕切り５０６は、幾らかの水が水空洞５０２から反応器空洞５０４へ流れるのを可能にする。この例における反応器空洞５０４は、ＮａＳｉ反応物５１５を貯蔵し、ＮａＳｉ反応物５１５は、図５Ｂに示すように、水と接触すると水素ガスを生じる。この水素ガスは、燃料電池カートリッジ５００から放出されて、カートリッジ５００が連結されている燃料電池に入り得る。
【００２９】
作動中、水空洞１０２、４０２、５０２、６０２内のピストン１１２、４１２、５１２、６１２は、水空洞１０２、４０２、５０２、６０２内部のばね１１２、４１２、５１２、６１２が圧縮または伸長し、それ故に、燃料電池カートリッジ１００、４００、５００、６００内部の水の流れを変更するように、動き得る。水素圧力が増大すると、反応器室１０４、４０４、５０４、６０４へ流入する水が停止する。この時点で、水素圧力は、ピストン１１２、４１２、５１２、６１２を押すばね１１２、４１２、５１２、６１２によって生じた水圧と一致するか、または上回る。これにより、それ以降、追加の水素生成が停止する。燃料電池は、次いで、必要に応じて水素を消費し；それに応じて、反応器室１０４、４０４、５０４、６０４内の圧力がわずかに減少し、それ故に、追加の加圧水が反応器室１０４、４０４、５０４、６０４に流入して、さらなる水素が生成できるようになる。このプロセスが継続する。
【００３０】
いくつかの例では、ピストン１１２、４１２、５１２、６１２は、水モジュール１０２、４０２、５０２、６０２と反応器モジュール１０４、４０４、５０４、６０４との間の圧力差によって動き得る。例えば、図４Ａは、「フレッシュ」状態のピストン１１２、４１２、５１２、６１２を示す。空気間隙１１６、４１６、５１６、６１６内には幾分かの正圧／不活性ガス／空気がある。空気間隙１１６、４１６、５１６、６１６は、多孔質フィルタ要素を含み得る。燃料電池カートリッジ１００、４００、５００、６００が燃料電池システムと係合するときにピストン１１２、４１２、５１２、６１２開口部／弁が開くと、この圧力が解放されて、ばね１１２、４１２、５１２、６１２およびピストン１１２、４１２、５１２、６１２が上方に移動して水を押し、逆止弁を通って反応物１１５、４１５、５１５、６１５（例えば、ＮａＳｉ）と反応する。水素ガスが、次いで、（図４Ｂに示すように）空気間隙１１６、４１６、５１６、６１６を充填して出る。燃料電池システムが切り離されると、水素ガス圧力は、（図１Ａに示すように）ばね１１２、４１２、５１２、６１２を適切な位置に保って、逆止弁を閉じる。余分な圧力は安全弁を通って解放され得る。
【００３１】
ピストン１１２、４１２、５１２、６１２が第１の位置にある場合、ばね１１２、４１２、５１２、６１２は伸長され得、かつ水は水空洞１０２、４０２、５０２、６０２内に留まり得て、反応器空洞１０４、４０４、５０４、６０４内の反応物１１５、４１５、５１５、６１５と反応しない。ピストン１１２、４１２、５１２、６１２が動くと、（図５Ｂに示すように）ばね１１２、４１２、５１２、６１２が圧縮し始め得、水が水空洞１０２、４０２、５０２、６０２から反応器空洞１０４、４０４、５０４、６０４に流入し始め得て、水は、反応器空洞１０４、４０４、５０４、６０４内の反応物１１５、４１５、５１５、６１５と反応し始めて、水素ガスを生じ得る。ピストン１１２、４１２、５１２、６１２が第２の位置に移動すると、水空洞１０２、４０２、５０２、６０２からの水の全部または実質的に全部が反応器空洞１０４、４０４、５０４、６０４内に入るように、ばね１１２、４１２、５１２、６１２が圧縮されて、再び水素ガスを生じ得る。水素ガスは、ガス排出口を通って燃料電池カートリッジ１００、４００、５００、６００から放出され得、ガス排出口は燃料電池と流体連結され得る。
【００３２】
図７Ａおよび図７Ｂは、本開示の少なくともいくつかの例に従った別の燃料電池カートリッジ例７００を概略的に示す。これらのカートリッジ７００は、水モジュール７０２の内部の（または、水モジュール７０２を画定する）ブラダー７１２、およびブラダー７１２と燃料電池カートリッジ７００の側壁との間に画定された反応器モジュール７０４を含むアクティブカートリッジである。ブラダー７１２は、拡張または縮小して、カートリッジ７００内部の流体の圧力を変更し得る。カートリッジ７００における圧力の変化は、カートリッジ７００内の流体の流れを変更する。例えば、図７Ａは、ブラダー７１２が、水ポンプ７１２からの水で比較的いっぱいであることを示している。水ポンプ７１２が水を反応物／燃料７１５（例えば、ＮａＳｉ）に送り込むと、図７Ｂに示すように、ブラダー７１２の内部の水が燃料電池カートリッジ７００から出る。これにより、反応器モジュール７０４内に水／反応物の混合物のための余地が増える。反応物７１５と水の化学反応は、いくつかの例では、水素ガスおよび他の副生成物（例えば、廃棄物）を生じ得る。水素ガスは、ガス排出口を通って燃料電池カートリッジ７００から放出され得、ガス排出口は燃料電池と流体連結され得る。
【００３３】
図８は、アクティブな燃料電池カートリッジと併用するための詳細なコントローラ例８００を概略的に示す。この比例積分微分（ＰＩＤ）コントローラは、水反応系に関するポンプとともに利用され得る。この構成では、燃料電池電流が、現在の水素消費率を計算するために使用される。反応した％、水反応混合物タイプ、環境温度、および他のパラメータを包含するシステムモデルに基づき、必要な公称水流量が推定され得る。圧力は、燃料電池カートリッジ内の実際の水素圧力対所望の水素圧力に基づき、誤差を生成するために使用され得る。圧力誤差およびシステムモデルは、ＰＩＤ制御ループにより、その後、燃料電池カートリッジ内の実際の水流量を制御するために使用され得る。他の制御パラメータおよびルックアップテーブルもこの例に含まれる。例えば、提示したシステムでは、システムの圧力が増大するにつれて、ポンプから実際に供給される水流が減少し得る。システムモデルおよびポンプ駆動は、生成されたルックアップテーブルで適切に補われ得る。
【００３４】
図９は、パッシブな燃料電池カートリッジ例９００を概略的に示す。本開示は、従来の燃料電池（ＦＣ）は通常、燃料電池によって消費される水素が、生成された電流＋燃料クロスオーバーまたはパージ損失の総計に比例する、一定圧力で、またはそれに近い圧力で動作することを企図する。定常状態条件において、ばねから生じた水圧は、構成要素を通じたわずかな損失があるが、燃料電池の機能する圧力にほぼ等しいであろう。制御構成要素は主に、過渡的条件において利用される。例えば、システムの起動時に、燃料電池における水素圧力はゼロである。パッシブシステムを開始する場合、ばね圧と燃料電池圧との間に比較的大きな圧力差があるだろう。これにより、かなりの水スパイク（ｗａｔｅｒ  ｓｐｉｋｅ）が生成でき、水スパイクは次いで、実際の水素生成時における幾らかの遅延に起因して、非常に大規模な水素圧力オーバーシュートという結果になるであろう。この水の流入を減速するために水オリフィス（Ｒ−オリフィス−Ｈ２Ｏ）が使用されて、もっと緩やかな起動を可能にする。
【００３５】
偽の水素生成スパイクの場合には、水圧を留めるために、逆止弁などの弁が使用され得る。それができない場合は、システムを振動させ得る。
【００３６】
反応器モジュールは、化学反応を通して、液体水を水素ガスに変換する。
【００３７】
水素生成の偽期間（ｓｐｕｒｉｏｕｓ  ｐｅｒｉｏｄ）がある場合、Ｒ−オリフィス−Ｈ２が、燃料電池によって観察される圧力を制限する。その上、水素カートリッジは、圧力安全弁（図示せず）を有し得る。高圧状態の場合、Ｒ−オリフィス−Ｈ２は、過剰なガス圧力が、燃料電池に伝達されるのではなく、排出できるようにする。
【００３８】
水弁は、水を制御して反応をオンまたはオフにするために使用され得る。弁は、カートリッジが燃料電池に機械的に結合されると、水流条件に対して閉じるように構成できる。いくつかの例では、アクチュエータが弁のオンまたはオフを制御するために使用されて、パッシブアーキテクチャに対して追加の制御を提供できる。図では、冗長性のために、２つの水弁が示されている。単一の水弁と単一の水素弁、または複数の水弁および／もしくは複数の水素弁などの他の構成も、本開示の範囲内である。
【００３９】
図１０は、シリコンブラダーが水モジュールの内部で膨張する非ばねベースの圧力機構を備えた燃料電池カートリッジ部例１０００を示す。示された構成では、ブラダーは、水を収容すること、水を加圧すること、水モジュールキャップにおいてチャネルシールを水モジュール筐体接合部分に提供すること、および水モジュールキャップにおいて水素シールをモジュール筐体接合部分に提供することを含む、複数の機能を有し得る。
【００４０】
図１１〜図２０Ｂは、本開示の少なくともいくつかの例に従った、燃料電池カートリッジ例１１００、１２００、１３００およびその部分１４００、１５００、１６００、１７００、１８００、１９００、２０００、２１００の様々な構造および動作の態様を示す。これらの図における燃料電池カートリッジ例１１００、１２００、１３００およびその部分１４００、１５００、１６００、１７００、１８００、１９００、２０００、２１００は、可搬性が要因であり得る用途に対して使用され得る。いくつかの構成例では、そのカートリッジ例１１００、１２００、１３００は、６６ｃｃ／分の水素ガスを出力し得、それは、５Ｗの正味電力とほぼ同等である。各カートリッジ１１００、１２００、１３００は、少なくとも１９リットルの水素ガスを出力可能であり得、それは、約２５Ｗ時のエネルギーに相当する。カートリッジ１１００、１２００、１３００は、反応物、ナトリウムシリサイド（ｓｏｄｉｕｍ  ｓｉｌｉｃｉｄｅ）またはナトリウムシリサイド／水素化ホウ素ナトリウムの混合物などの、水反応物質を使用し得る。水反応物質は、水と結合すると水素を生じる。
【００４１】
図１１〜図２０Ｂの燃料電池カートリッジ例１１００、１２００、１３００およびその部分１４００、１５００、１６００、１７００、１８００、１９００、２０００、２１００では、加圧水が反応器モジュール１２０４、１３０４、１４０４に入って水と接触すると、反応が始まり、水素圧力が対応して増大する。水素圧力が増大すると、反応器モジュール１２０４、１３０４、１４０４に流入している水が停止する。この時点で、水素圧力は、ピストンを押すばねによって生じた水圧と一致するか、または上回る。これにより、それ以降、追加の水素生成が停止する。燃料電池カートリッジ１１００、１２００、１３００に連結された燃料電池は、次いで、必要に応じて水素を消費し得；それに応じて、反応器モジュール１２０４、１３０４、１４０４内の圧力がわずかに減少し、それ故に、追加の加圧水が反応器モジュール１２０４、１３０４、１４０４に流入して、さらなる水素が生成できるようになる。このプロセスは必要に応じて継続して、水素の制御された生成および燃料電池への放出をもたらす。
【００４２】
いくつかの例では、反応器モジュール１２０４、１３０４、１４０４は、水モジュール１２０２、１３０２、１４０２、１６０２、１７０２、１８０２、１９０２、２００２から独立したエンティティ（ｓｅｐａｒａｔｅ  ｅｎｔｉｔｙ）として作製され得、それは、工場またはサービスセンターのいずれかで完全なカートリッジに組み立てられ得る。この目的を達成するために、開発されたカートリッジは３つの主要な構成要素：反応器モジュール１２０４、１３０４、１４０４、水モジュール１２０２、１３０２、１４０２、１６０２、１７０２、１８０２、１９０２、２００２、およびカートリッジ筐体１２１４、１３１４を含む。
【００４３】
反応器モジュール１２０４、１３０４、１４０４は、ＮａＳｉ／Ｎａ４ＢＨ４燃料、ならびに上部および下部に、水素が反応器モジュール１２０４、１３０４、１４０４から全ての方向に放出できるガス透過性膜を含み得る。反応器モジュール１２０４、１３０４、１４０４は、散水器（ｗａｔｅｒ  ｓｐｒｅａｄｅｒ）も含み得、散水器は、反応器モジュール１２０４、１３０４、１４０４内部において、ほぼ２００の位置で水を散布する。この散水器は、水の散布を均等に制御するように構成され得る。図１５Ａおよび図１５Ｂに示すように、スリップオン式の濾過キャップ１５００が、ガス流路を長くして、濾過媒体への曝露を拡張するための迷路構造内で使用され得る。いくつかの例では、反応器筐体は反応器モジュール１２０４、１３０４、１４０４の側壁を補強し、潜在的な液漏れを捕捉して、放出される水素がフィルタモジュールへ入るための経路を提供する。反応器モジュール１２０４、１３０４、１４０４および濾過モジュールの両方は、この反応器モジュール筐体内部に収容され得る。反応器モジュール１２０４、１３０４、１４０４は、筐体側壁上のスナップ式の結合機構（例えば、磁気）を利用して、それを水モジュール１２０２、１３０２、１４０２、１６０２、１７０２、１８０２、１９０２、２００２に取り付ける。バンドまたは複数のバンド１２２５、１３２５は、ガスシールに圧力を印加するために接合点で使用されて、反応器モジュール筐体クリップ上の曲げ応力を最小限にし得、かつ、カートリッジを耐タンパー性にする。
【００４４】
水モジュール１８０２、１９０２上の反応器モジュールへの接合部分１８１１、１９１１は、ガスおよび液体が水モジュールへ、または水モジュールから流れるための密封された通路を提供する突起特徴を有し得る。少なくとも１つのポートが液体専用にされ得、少なくとも１つのポートがガス専用にされ得る。この接合部分１８１１、１９１１は、水モジュール１８０２、１９０２が異なる反応器モジュールで再使用できるようにする。
【００４５】
水モジュール１８０２、１９０２は、水素を燃料電池にもたらすのに十分な大量の水を含み得、水供給／制御機構を含み得る。このモジュールは、水貯蔵器、水圧のためのばね、燃料電池接合部分で作動される水弁、再充填用グロメット（ｒｅｆｉｌｌｉｎｇ  ｇｒｏｍｍｅｔ），水制御オリフィス、および水素出口オリフィスを含み得る。パッシブなばね懸架式水噴射が圧力差を用いて水供給を駆動し得る。このアーキテクチャを用いると、燃料カートリッジ内のより低い圧力によって、圧力を均等にするための水のより高速な噴射が可能になる。同様に、カートリッジ内で水素生成率が過度に高くなると、水噴射プロセスが完全に停止し得る。
【００４６】
プランジャー１８１３、１９１３は、水を吐水口および反応器モジュールへ押し入れ得る。プランジャー１８１３、１９１３は、任意の形状であり得、とりわけ、長方形、半長方形、および円形などの断面形状を有することを含む。プランジャー１８１３、１９１３は、本明細書に記載のチャネル１６１７、１７１７内の２つのコーナー上を水／ガスが通過できるようにする。代替設計では、ガス／水経路１６１７、１７１７の組合せを４つ全てのコーナー上に含み得る。水および／またはガス濾過が、必要に応じて、それらの経路１６１７、１７１７に追加され得る。経路１６１７、１７１７は、プランジャー１８１３、１９１３が対称的な形状を維持するようにカスタマイズでき、対称的な形状は密封をさらに容易にし得る。
【００４７】
作動弁が水流出を制御するために適切な位置にある；これは、燃料電池が係合された後にのみ水素の供給を確実にする。
【００４８】
いくつかの例では、グロメットは、モジュールがサービスセンターで充填される場合に繰り返して再使用できるように、使用後にモジュールに水を再充填するために使用され得る。グロメット、または類似の機構は、水モジュールが充填されるときに水を水モジュールに入れることができるようにするため、および水モジュール内部からの水圧に耐える際に漏れを防ぐために、使用できる。グロメットは、小さな穴に圧入され得る。従って、それは、常に圧縮状態にあり得、それは、堅牢な水シールを提供するために必要である。デュロメーター、引裂強度、および厚さは全て、カスタマイズされるパラメータであり得る。
【００４９】
図１８Ａ、図１８Ｂ、および図１９に詳細に示すように、水は、水供給の自動制御を可能にするために反応器モジュールに対して調整された、所望の力対歪みプロファイルで、ばね１８１２、１９１２を使用して加圧され得る。水は、下流の圧力が、ある歪みにおけるばね力よりも低い場合に反応器モジュールに供給され、下流の圧力が高すぎる場合に停止する。水は、水モジュールから逆止弁を通って供給される。この調整機能は、追加の水が反応物に振動的かつ過剰に供給されるのを防ぎ得る。それは、生成物および／または副生成物が上流の水源まで流れるのを防ぐためにも使用され得る。
【００５０】
図１７に示すように、水モジュール１７０２は、ガスまたは液体を、水モジュール１７０２本体の長さに沿って制御マニホールドまで運ぶためのチャネル１７１７を含み得る。これは、制御マニホールドがカートリッジの一方の端部に配置できるようにし得る。これは、再使用可能な接合部分の設計を可能にして、制御ハードウェアの実装を単純化し得る。
【００５１】
水モジュール１６０２、１７０２、１８０２、１９０２、２００２は、カートリッジ内に残っている燃料の量を容易に視覚化できるようにするために、透明であり得る。
【００５２】
図２０Ａに示すように、カートリッジ接合部分が燃料電池システムと結合すると、弁が作動して、流れが制御マニホールドを通過できるようにする。カートリッジが分離されると、弁は遮断位置に戻って、水およびガス流チャネルが漏れを防ぐために密封される。これらのポペット弁は、カスタムウェーブのあるばね、および／または端面シールの適切な圧縮を提供するためのカスタムサイズにされた圧縮ばねで留められる。
【００５３】
カートリッジ／燃料電池接合部分は、制御マニホールドを含み得、燃料電池をカートリッジに磁気的に接合し得る。このように、燃料電池をカートリッジに容易に「スナップ留め」して、これを簡便な電力供給システムにする。燃料電池上の２本のピンがカートリッジ内の水弁を押し下げ得る。構成要素が正しく接合されると、水が反応器モジュールに流入できるようにする。システムが取り外されると、金属板が解放されて、水弁が閉位置で再度密封し、このようにして、水の流れを停止する。このカートリッジ／燃料電池接合部分の独特の設計は、カートリッジが燃料電池と正しく接合されている場合に限り、水素が生成できるようにする。接合部分は、メモリチップデータもカートリッジから燃料電池へ伝達し得る。
【００５４】
カートリッジ／燃料電池接合部分はスナップ作用により、水素ポートまたはガス排出口の周囲のガスシールで、燃料電池とカートリッジとの間の接続を固定できるようにし得る。スナップ作用は、直接的もしくは間接的にラッチを押下する必要なく、２つの部分の接続および分離を可能にする磁気または他の固定機能によって達成できる。同じ接合部分が、水弁または水素弁に機械力を印加して、水素生成を効果的に開始および停止できる。
【００５５】
同じ接合部分が、データ通信ピンを提供できる。例えば、メモリチップがカートリッジ上に配置でき、カートリッジのシリアル番号、反応器の状態、反応した割合、または他の基本変数の読取りを容易にする。データをメモリに書き込むこともでき、有用性情報、消費情報、または燃料電池利用パラメータを書き込む。
【００５６】
水素密封のために必要なシールを圧縮するために比較的少量の磁力が必要であることがわかっている。シール例は、Ｏリングまたはカスタムオーバーモールドした構成要素を含み得る。
【００５７】
図２０Ｂに示すように、水素弁は、作動弁と同様に作動し得る。一旦、水素ポートが閉じられると、残りの水素が反応器の内側に保持され、それは、燃料節約および安全性に役立ち得る。
【００５８】
図２１Ａ、図２１Ｂ、図２２Ａ、および図２２Ｂは、本開示の少なくともいくつかの例に従った燃料電池カートリッジ例のための、スイッチング機構例２１００、２２００の略図である。これらの図は、水流量制御のために水オリフィス間で切り替えるための圧力作動弁例２１００、２２００を示す。この機構２１００、２２００は、反応器モジュール内部の圧力に基づき、流れが調整できるようにする。反応器モジュール内で圧力が増大すると、弁を作動させて、水流の経路または水オリフィスのいずれかを変更して異なる制約を設けることができる。この機構２１００、２２００は、再設定できるか、または再設定不能かのいずれかであり得る。それは、水要件が定常状態操作とは異なる場合、起動または開始／再開操作に対して有用であり得る。
【００５９】
本明細書では様々な態様および実施形態が開示されているが、他の態様および実施形態が当業者には明らかであろう。本明細書で開示した様々な態様および実施形態は、説明のためであり、制限することを意図するものでなく、真の範囲および精神は以下の特許請求の範囲で示されている。
【図１】
2017510037.tif 000003
【図２】
2017510037.tif 000004
【図３】
2017510037.tif 000005
【図４Ａ】
2017510037.tif 000006
【図４Ｂ】
2017510037.tif 000007
【図５Ａ】
2017510037.tif 000008
【図５Ｂ】
2017510037.tif 000009
【図６】
2017510037.tif 000010
【図７】
2017510037.tif 000011
【図８】
2017510037.tif 000012
【図９】
2017510037.tif 000013
【図１０】
2017510037.tif 000014
【図１１】
2017510037.tif 000015
【図１２】
2017510037.tif 000016
【図１３】
2017510037.tif 000017
【図１４】
2017510037.tif 000018
【図１５】
2017510037.tif 000019
【図１６】
2017510037.tif 000020
【図１７】
2017510037.tif 000021
【図１８Ａ】
2017510037.tif 000022
【図１８Ｂ】
2017510037.tif 000023
【図１９】
2017510037.tif 000024
【図２０Ａ】
2017510037.tif 000025
【図２０Ｂ】
2017510037.tif 000026
【図２１】
2017510037.tif 000027
【図２２】
2017510037.tif 000028
【国際調査報告】
2017510037.tif 000029
2017510037.tif 000030
2017510037.tif 000031
2017510037.tif 000032
2017510037.tif 000033