JP2005521626A - 固体及び液体燃料成分を調剤することによって水素を発生させるための方法及び装置 - Google Patents

固体及び液体燃料成分を調剤することによって水素を発生させるための方法及び装置 Download PDF

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Abstract

水素を、固体燃料成分、例えば、金属水素化物、及び液体燃料成分、例えば、水を使用して調製された燃料溶液の使用を通じて、発生させる。これら成分の両方は、制御シグナルに応答して調剤される。固体燃料成分は、限定されないが、粒状、ペレット及び粉末を含め異なる形態を取ることができる。制御シグナルに応答して作動する種々の装置を予め決定された量の固体及び液体成分を調剤するために開示する。有利には、この溶液を、必要に応じて調製し、大量の高いアルカリ性燃料及び放出燃料溶液を貯蔵し、配置するための必要性を未然に防止することができる。

Description

本発明は、概して、水素の発生に関し、特に、固体及び液体成分を調剤することによって形成される「燃料」からの発生水素に関する。
ホウ化水素ナトリウム（NaBH4）を含む多くの複合金属水素化物の加水分解反応が、水素ガスの発生用に一般に使用されている。支配的な化学反応は、以下のように表される：すなわち、
触媒
ＭＢＨ4 +２Ｈ２Ｏ ４Ｈ２+ＭＢＯ２ （１）

式中、ＭＢＨ4、ＭＢＯ２は、それぞれ、金属ホウ化水素、及び金属メタボレートを表す。ホウ化水素ナトリウムの加水分解は、典型的に、室温で緩やかであり、溶液中において、加熱又は、触媒、例えば、酸、多くの遷移金属、例えば、ルテニウム、コバルト、ニッケル、又は鉄、又は不活性支持体又は固体として堆積させた相当する金属ホウ化物を、加水分解反応を促進するのに使用することができる。加えて、複合金属水素化物の水素ガス及び金属メタボレートへの分解速度は、ｐＨ依存性であり、より高いｐＨ値は、加水分解を妨げる。したがって、複合金属水素化物、例えば、ホウ化水素ナトリウムなど、安定化剤、例えば、水酸化ナトリウム(ＮａＯＨ)、及び水の溶液を燃料として、即ち、水素を発生させる消耗電極として使用する。水素の発生を促進させるために、燃料は触媒を通される。このプロセスの生産は、水素ガスと放出した燃料溶液である。複合金属水素化物がホウ化水素ナトリウムであるとき、放出した燃料は、メタボレートナトリウムのスラリーである。商業的要求に合致するために、大部分の水素発生装置は、また、燃料を貯蔵し、当該貯蔵は、いくつかの欠点を生じさせる。一つの欠点は、安定化剤の存在から生じる。安定化剤の機能は、燃料溶液のｐＨ値を上昇させることであり、それによって、溶液が触媒と接触するまで加水分解を妨げる。安定化剤が、如何なる化学反応においても沈殿しないとき、燃料及び放出した燃料溶液の両方は高いｐＨ値を有する。典型的に、燃料及び放出した燃料溶液の両方は１３〜１４のｐＨ値を有する。この高いｐＨは、燃料及び放出した燃料溶液の両方の運搬は、水素発生のコストを増大させる政府規格との調和を要求する。これら高いｐＨ溶液の存在は、また、このプロセスの商業化及び大衆支持への障害である。それらは多くの金属と反応するので、追加のコストは、これら高いｐＨ溶液の存在によって強いられる。これらの反応を避けるために、非反応性材料、例えば、ステンレス又は非反応性プラスチックなどを、水素発生装置に使用しなければならない。
粉末、ペレット状、粒状を含め、種々の形態の固体複合金属水素化物が、薬剤用途用に製造される一方、制御され測定された水素の発生用に商業的装置におけるそれらの使用は提供されていない。
前述に基づき、もし、商業的用途に合致し、予め混合した燃料溶液に関する問題を克服する水素発生装置が開発されるなら、極めて望ましいことであろう。
本発明の要約
本発明によれば、水素は、固体及び液体燃料成分を調剤することによって調製される液体燃料の使用を通じて発生する。有利には、溶液を、大量のかなりアルカリ性の燃料及び放出した燃料溶液の貯蔵し、処理する必要性を未然に防止するために、この溶液を必要時に調製することができる。しかしながら、本発明は、現状の水素発生に限定されない。
開示された実施態様において、固体燃料成分は、乾燥形態で貯蔵される金属ホウ化水素であり、必要に応じて液体と混合される。開示された実施態様において、液体は水を含む。固体燃料成分を、限定されないが、粒状、ペレット及び粉末を含め、異なる形態を取ることができる。予め決定された条件に応答して作動する種々の装置は、固体及び液体燃料成分の予め決定された量を調剤するために開示される。固体燃料成分用の一つの当該調剤機構は、より多くの水素を発生させるための必要性を示す制御シグナルに応答して、粒状又は他の形態において固体燃料成分の予め決定された量を調剤する循環シリンダーである。別のものは、予め決定された大きさのペレット化された形態における固体燃料成分を調剤するための「ガン クリップ(gun clip)」機構である。液体燃料成分用の調剤機構は、フロート機構の制御されたシグナル又は動作のいずれかによって作動させるバルブを含め、種々の形態をとることもできる。
本発明の好ましい実施態様において、予め決定された量の固体及び液体燃料成分は、チャンバー内で混合され、均一な濃度の金属ホウ化水素を有する燃料溶液を形成する。この実施態様において、水素の発生を促進させるために、触媒を通じて燃料溶液を通過させることも好ましい。
本発明のさらなる目的、特徴、利点は、本発明実施態様を示す添付図面を参照して、以下の詳細な説明から明確化されるであろう。
図１は、本発明の原理による水素発生装置１００を図説する。装置１００は、貯蔵タンク１０１、固体燃料成分ディスペンサー１０２、液体燃料成分ディスペンサー１０４、液体燃料成分液体供給１０５、燃労ポンプ１０６、触媒チャンバー１０７、分離器１０８、放出タンク１１１、及び熱交換器１０９を含む。熱交換器１０９の出力は、水素を、当該ガスを消費する装置、例えば、水素燃料セル、又は水素燃焼エンジン又はタービンなどへ供給する。あるいは、発生した水素ガスは、1又はそれ以上の貯蔵管と結合させることができる。
固体形態における少なくとも１つの複合金属水素化物は、貯蔵タンク１０１に貯蔵される。この材料は、水素を装置１００において発生させるための固体成分の燃料として利用される。発生した水素は、気体の形態である。複合金属水素化物は、一般に化学式ＭＢＨ４を有する。Ｍは、周期表のグループＩ(正式にはグループＩＡ)から選択される、例えば、リチウム、ナトリウム又はカリウムなどのアルカリ金属である。Ｍは、いくつかの場合において、アンモニウム又は有機基とすることができる。Ｂは、周期表のグループ１３から選択される、例えば、ホウ素、アルミニウム、及びガリウムなどの元素である。Ｈは水素である。複合金属水素化物は、例示的には、ホウ化水素ナトリウム(ＮａＢＨ４)である。他の例は、本発明の原理に従って使用することができ、限定されないが、LiBH4、KBH4、NH4BH4、（CH3）NBH4、NaAlH4、KAIH4、NaGaH4、LiGaH4、KgaH４、及びその組み合わせを含む。固体形態における複合金属水素化物は、それらが水から保護される限り延長した使用期間を有し、限定されないが、粒状、粉末及びペレットを含め種々の形態をとることができる。
水素発生用の燃料成分としてホウ化水素ナトリウムの使用は、特にいくつかの用途に望ましい。ホウ化水素ナトリウムを使用して生産された水素ガスは、典型的に、炭素含有不純物がなく、高純度、高湿潤性であることが見出された。いずれの化学的水素の加水分解によって生産された水素は、同様の性質を有するであろう。しかしながら、一酸化炭素は、ホウ化水素ナトリウムによって生産されたガス蒸気において検出されない。これは注目に値する。なぜなら、大部分の燃料セル、特に、ＰＥＭ及びアルカリ燃料セルは、高品質の水素ガスを必要とし、一酸化炭素は、触媒を有害とし、結局燃料セルを破壊させるであろう。水素を発生させる他の方法、例えば、炭化水素を改良する燃料は、一酸化炭素を含有する水素ガス蒸気を提供し、さらに、さらなる工程が、それを取り除くために要求される。一酸化炭素は、水素ガス蒸気においても存在する。
固体燃料成分ディスペンサー１０２は、予め決定された量の固体燃料成分を、貯蔵タンク１０１からチャンバー１０３へ第一の制御シグナルを受け取って提供する。ディスペンサー１０２は、例示的に、固体燃料成分と化学的に反応しない材料からなり、限定されないが、プラスチック、ＰＶＣポリマー及びアセタール又はナイロン材料を含む。ディスペンサー１０２は、一旦作動すると、予め決定された量の固体燃料成分をチャンバー１０３へ供給する予め決定された動作を提供するように制御又はその他の設計とすることができる。固体燃料成分ディスペンサーの適当な制御は、種々の処理、例えば、回転するカウンター、マイクロスイッチ、及び光学回転符号器などによって提供することができる。固体燃料成分ディスペンサーはそれ自体、種々の構造によって使用することができる。是以降、より詳細に討論されるべき一つの処理は、循環シリンダーである。別のものは、ガンクリップタイプのディスペンサーを利用する。固体燃料成分ディスペンサーの他の非限定例は、市販されているアイリスバルブ、空気及びスクリュー供給器、及び同等の粉末-調剤バルブである。
同様に、液体燃料成分ディスペンサー１０４は、予め決定された量の液体燃料成分を、供給器１０５からチャンバー１０３へ第一の制御シグナルを受け取って供給する。開示された実施態様において、液体燃料成分は水である。他の液体燃料成分は、例えば、水と凍結しない溶媒などを上手く使用することができる。ディスペンサー１０４は、例示的に、Mcmaster-Carr Supply Company of Atlanta, Georgiaによって提供されるタイプ３０３ステンレススチールソレノイドバルブである。ステンレススチールは、調製された燃料溶液が、安定化剤、例えば水酸化ナトリウムなどを含むとき、望ましいバルブ材料である。もし安定化剤を調剤しないなら、バルブ材料として真ちゅう又はプラスチックを使用することができる。
第一の制御シグナルを受けて、バルブは、バルブのソレノイドへエネルギーを与えることによって開口する。ディスペンサー１０４は、例示的に、タイマーによって制御される。タイマーは、バルブのソレノイドへエネルギーを与えるのに十分な時間を提供するので、バルブは、予め決定された量の液体をチャンバー１０３へ放出させることができる。非限定的な例、例えば、フローメーター、フロートスイッチ、又はセンサーを液体燃料成分ディスペンサーを制御するのに使用することができる。
例示的に、ディスペンサー１０２及び１０４用のタイマーは、限定されないが、Artisan Controls Corporation of Parsippany, New Jerseyによって提供されるモデル４９７０プログラム可能なインターバルタイマーである。各タイマーは、個別の予め決定された存続期間へプログラムされるので、第一の制御シグナルを受けたとき、個別のディスペンサーが予め決定された存続期間の間、個別の予め決定された量を調剤する。タイマーは、同時に固体及び液体燃料成分の調剤を開始するように設定される。遅延時間をいずれかのタイマーへ加えることができるので、固体燃料成分は、まず、調剤し、その後液体成分、又はその逆を行うことができる。液体成分又は他の湿気が貯蔵タンク１０１へ進入するのを防止することが好ましい。なぜなら、これは、室温で穏やかであるにもかかわらず、固体燃料成分の加水分解を活性化し、それによって、本燃料成分の寿命を短くするからである。
液体供給品１０５は、例示的に、公の水供給又は個別の井戸から水を連結する水管へのコネクションである。充填された水タンクは、井戸として使用することができる。水の凝固点より低い温度に対して、有機溶媒、例えば、エチレングリコールを、混合タンクに加えて、水の凝固点を低下させることができる。あるいは、液体供給品１０５における水を加熱することができる。
いくつかの用途において、装置１００を修正して第三のディスペンサーを組み込み、固体又は液体形態で水酸化ナトリウムをチャンバー１０３へ供給することができる。当該修正を細線において図１に記載する。示すように、ディスペンサー１５０は、予め決定され測定された量の安定化剤、例えば、水酸化ナトリウムを、固体又は液体の形態で貯蔵タンク１５０からチャンバー１０３へ供給する。あるいは、液体形態の安定化剤を、ディスペンサー１０４を経て液体燃料成分と組み合わせて調剤することができる。当該場合に、ディスペンサー１０４は、適当な量の特定濃度の水酸化ナトリウム水溶液をチャンバー１０３へ、ディペンサー１０２によって供給された固体燃料成分の量に対して提供するであろう。さらに別の処理において、安定化剤を固体燃料成分の一部として調合することができる。このような場合において、それら、両方を、ディスペンサー１０２を経てチャンバー１０３へ供給されるであろう。加えられた寮の安定化剤は、混合物が触媒へ曝されるまで水素の発生を完全に防止するレベルへｐH値を上昇させるのに必要な時間である。１３のpH値は、この結果を提供する。しかしながら、ある用途において、それは、阻害しないが、代わりに、水素の発生を単に緩やかに行う１３より低いレベルへ混合物のｐHレベルを上昇させることは望ましいかもしれない。このような場合において、安定化剤の使用は、触媒の使用を要求しないかもしれない。
チャンバー１０３は、好ましくは、固体及び液体燃料成分を混合し、均一な燃料溶液、すなわち、均一な濃度を有するものを生産する。チャンバー１０３は、例示的に、レベルスイッチ１２０を備える。レベルスイッチ１２０は、チャンバー１０３内の、例えば、フロート(図示せず)などのレベルセンサーによって活性化される。混合溶液のレベルがセットされたポイントより低いとき、レベルスイッチ１２０は、第一の歳暮シグナルに合致するように、その位置を切り替え、それによって、固体燃料成分ディスペンサー１０２及び液体燃料成分ディスペンサー１０４を活性化する。レベルスイッチ１２０は、溶液のチャンバー１０３内野レベルが、予め決定されたレベルへ到達するとき、ディスペンサー１０４を止める別のセットポイントを有することができる。あるいは、ディスペンサー１０４は、フロート機構の動作(図示せず)によってこのディスペンサーを唯一制御するチャンバー１０３において制御することができる。
燃料ポンプ１０６は、混合した燃料溶液を触媒チャンバー１０７へくみ上げる。燃料ポンプ１０６は、例示的に、小1/2インチ孔、単一末端真ちゅうシリンダ及び1インチストロークを有する。シリンダーポンプ、例えば、Allenair Corp. of Mineola, New Yorkによって提供される。ポンプ１０６は、例示的に、Maxon precision Motors, Fall River, Massachusettsによって提供され、部品番号１１０１５３として設計されたものなどの、モーターによって作動する。
触媒チャンバー１００７は、混合した溶液の加水分解反応を活性化し水素を発生させるための水素発生触媒を含む。発生した熱は、いくつかの水を蒸発させて、それゆえ、発生した水素は、ある程度湿気を有する。触媒１０７は、以下により詳細に説明する。
発生した水素(水素及び蒸気)及び放出した溶液は分離器１０８へ流れる。水素及び蒸気は、分離器１０８の上部に位置する斜材から分離器１０８を通りぬける。放出した燃料溶液は、他方、分離器１０８の底へ自重で堆積する。放出した溶液は、収集して、液体燃料溶液又は固体燃料成分へ戻してリサイクルするために流出バルブ１１６から流出させることができる。
分離器１０８は、圧力スイッチ１２１及びレベルスイッチ１２２を備える。圧力スイッチ１２１の例は、Whitman Controls Corporation, Bristol, Conneticutによって提供されるモデルP117Gである。スイッチ１２１は、分離器１０８で発生した水素の圧力が予め決定された設定ポイントを超えるとき、ある位置へ切り替える。多くの用途において、この圧力設定ポイントは、平方インチ当たり１２〜１５ポンド(p.s.i)の間である。もちろん、用途に応じて、他の設定ポイントを使用することができる。圧力スイッチ１２１の動作は、燃料ポンプ１０６を制御する。圧力が、予め決定された設定ポイントを超えるとき、圧力スイッチ１２１は、混合した燃料溶液のチャンバー１０３から触媒チャンバー１０７への流れに沿ってポンプ１０６を電源オフする。ポンプ１０６及び分離器１０８の両方は、チェックバルブを備えるので(図示せず)、混合した燃料溶液、水素、及び蒸気は、後方へ流れない。チェックバルブは、例示的に、混合した燃料、水素及び蒸気又は水蒸気へ曝すのに適当な真ちゅう、プラスチック、又は他の材料からなる。
水素及び蒸気は、熱交換器１０９を通過して、水素の相対的な湿気を調節する。交換器１０９の出力は、水素ガスをその作動において消費する装置、例えば、燃料セル１１０などへ結合させることができる。燃料セルは、実際上無制限のサイズ及び形状とすることができる。これは、装置１００による水素の発生が、「必要に応じて」要求されるとき、好ましい配置である。すなわち、水素ガスの品質は、水素消費装置によって要求されるトラックを生じさせる。しかしながら、熱交換器１０９の出力は、水素ガスを貯蔵するタンクへ連結することも可能である。
いずれにしても、チャンバー１０３で混合した溶液は、直ちに使われる必要がない。なぜなら、複合金属水素化物の加水分解反応は、室温で(25℃)典型的に穏やかだからである。NaOHが使用されるとき、いずれの観察可能な問題もなく、触媒チャンバー１０７へ連結する前に、2日間、混合した溶液が混合チャンバー１０３で滞在することができることが初期の試験で観察された。
レベルスイッチ１２２は、排出バルブ１１６を制御する。レベルスイッチ１２２は、レベルセンサー、例えば、分離気０８におけるフロート(図示せず)などによって、活性化される。分離器１０８において放出した溶液のレベルが予め決定された設定ポイントを超えるとき、レベルスイッチ１２２は、切り替え、それに応答して、排出バルブ１１６は、放出燃料溶液を放出タンク１１１へ放出するために開口する。
圧力及びレベルスイッチは、それらの各自の測定値をコントローラへ送るためにセンサーと置き換えることができる。そして、コントローラは、種々の装置、すなわち、ディスペンサー、ポンプ、バルブなどを装置１００において制御することができる。この配置の利点は、いずれかの特有の装置を活性化する測定値を当業者に知られたユーザーフレンドリィーのインターフェイスを通じて容易に調節可能であることである。
液体燃料成分の調剤された量と混合されるべき固体燃料成分の重量％の最大値は、液体燃料成分のものにおいて固体燃料成分の最大可溶性より大きくすべきではない。例えば、NaBH4、LiBH4、及びKBH4の最大可溶性は、それぞれ、35％、７％及び１９％である。それゆえ、NaBH４に対して、重量％の最大値は、35％より少なくすべきである。以下の表は例示的に、予め決定した異なる濃度でのNaBH４の3つの混合溶液、関連して予め決定されたNaBH４の重量、及び水の体積を示す。
Figure 2005521626
燃料ポンプ１０６は、もし装置１００が、混合溶液が触媒チャンバー１０７へ自重により移送されるように配置されるなら、バルブと取り替えることができる。分離器１０８における圧力が予め決定された設定ポイントを超えるとき、バルブは閉じる。また、熱交換器１０９は、もし、執権が、特定の用途に対して関係がないなら、省略することができる。
装置１００は、もし、固体及び液体燃料成分の混合物のｐH値が１３より低いなら、触媒チャンバーを含む必要はないが、そのようなチャンバーを装置１００に組み込み、水素の発生を促進させることはしばしば好ましい。当該チャンバーの設計、種々のタイプ、及びチャンバー内の触媒の配置は、周知である。触媒チャンバー１０７の例示的な実施態様は、ここで参照により組み込む「水素発生用装置」と題する2000年1月7日に出願された米国特許出願第09/979,363号に記載されている。好ましくは、触媒チャンバー１０７は、触媒に対する抑制装置も含む。ここで使用する抑制装置は、水素発生触媒を反応混合溶液から分離するためのいずれかの物理的、化学的、電気的、及び/又は磁気的手段を含む。
装置１００の異なる部分は、真ちゅう管によって連結することができることである。ステンレススチール及び非反応性プラスチックの使用は要求されない。なぜなら、混合燃料溶液及び排出燃料溶液は、高いｐH値を有さないからである。他の材料、例えば、ほとんどのいずれかのプラスチック、例えば、PVC、真ちゅう、銅、などを同様に使用することができる。
図２a-dは、装置１００において使用する固体燃料成分ディスペンサーの実態様２００を示す。このディスペンサーは、固体燃料成分をチャンバー１０３へ供給する一方、他の用途に使用することができる。図２a-dにおいて示されるディスペンサーによって調剤されるべき固体燃料成分は、粒状形態が好ましいが、微細な粉末、粒状、カプセル、タブレット、及びペレットを含め種々の形態とすることができる。図２aに示されるように、ディスペンサーはケース２１０及びシリンダ２２０を含む。ケース２１０は、貯蔵タンク１０１へ連結するために上部で開口２１５、及びチャンバー１０３へ連結するために底部で開口２１６を有する。
図２b-dは、それぞれ、シリンダー２２０の前面、上面、側面図を示す。シリンダー２２０は、主として配置されたトラフ２２６を含む。シリンダー２２０が、トラフ２２６が、開口２１５をオーバーラップするように循環するとき、固体燃料成分は、貯蔵タンク１０１から自重でトラフ２２６を満たす。充填する他の方法、例えばポンプなどをトラフを充填するのに使用することもできる。いずれにしても、トラフが充填された後、シリンダー２２０がハウジング２１０内で循環するので、トラフ２２６は、開口１６をオーバーラップし、トラフ２２６における固体燃料成分は、チャンバー１０３へ供給される。トラフ２２６の断面は、トラフの底部から上部へ徐々に増加する断面領域を有する、例示的に、円形である。これは、固体燃料成分のローディング及び調剤を容易にする。トラフのテーパーは、例示的に8度である。シリンダー２２０の他の設計は、10度のトラフテーパーを使用する。開示される実施態様において、トラフ２２６は、例示的に、固体燃料成分を７ｍL保持する。したがって、循環シリンダー２００は、シリンダー２２０の各循環に対して７ｍLの燃料を移送する。シリンダー２２０は、シールを受け取るための4つのグルーブ(溝)222-225を含む(図示せず)。シールは、シリンダー２２０の周辺と、ハウジング２１０におけるシリンガー受容開口との間のシール(封止)を提供する。シールの配置は、チャンバー１０３からの湿気のディスペンサー及び貯蔵タンク１０１への進入を防止するので、固体燃料成分は、貯蔵タンク中で凝集せず、固体燃料成分貯蔵タンク中で水素ガスは発生しない。シールは、トラフへ供給されたものが、チャンバー１０３へ調剤されることも確実にする。図2cに示すグルーブ２２２及び２２３は、トラフ２２６の左及び右へ配置される。ブルーブ２２２及び２２３は、例示的に、EPDM（エチレンプロピレンジエンモノマー）からなる「Oリング」を受け取り、自己円滑化する。図2dに示すような縦材グルーブ２２４及びグルーブ２２４の反対側の図示しない縦材グルーブ２２５は、追加のシールを提供する。グルーブ２２４及び２２５は、シリンダー２２０の軸に対して平行である。グルーブ２２４及び２２５の一方の末端は、グルーブ２２へ連結し、他の末端は、グルーブ２２３へ連結する。好ましくは、グルーブ２２４及び２２５は、180°離れており、トラフ２２６から等間隔である。グルーブ２２４及び２２５におけるシールは、湿気が、シリンダー２２０の循環中にトラフ２２６及び貯蔵タンク１０１へ進入することを防止する。シリンダー２２０は、例示的に、ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）プラスチックから構成される。
循環シリンダー２２０は、例示的に、例えば、シリンダー２２０に連結した、12ボルト、直流の永久磁石ギアモーターなどのモーターによって(図示せず)駆動させることができる。例えば、エアードライブホイールなどの他の運転機構をシリンダー２２０を循環させるのに使用することができる。いずれにしても、第一の制御シグナルを受け取る際に、シリンダー２２０は、１又はそれ以上の回数循環するので、それは、予め決定された固体燃料成分の量をチャンバー１０３へ提供する。もし、例えば、トラフ２２６が固体燃料成分100グラムを運搬し、所望の燃料溶液濃度を提供するのに必要な固体燃料成分の量が300グラムであるなら、タイマーは、シリンダー２００の3循環を提供する。
図３は、固体燃料成分ディスペンサー１０２の別の実施態様を図示する。図3に示すように、ディスペンサー機構３００は、ペレット化形態の固体燃料成分を
チャンバー１０３へ移送するガンクリップにおける具体的な機構を利用する。ディスペンサー３００は、一度に1ペレット以上調剤するように設計することができる。燃料ディスペンサーは、置換ロッド３４１を有するペレット置換機構３４０を含む。機構３４０は、第一の制御シグナルによって作動するソレノイドとすることができる。当該作動において、ソレノイドのロッド３３２は、ペレットを置換し、その後、十分な量を撤回するので、ディスペンサーの次のペレットは、置き換え用に位置される。ソレノイドの代わりに、エアーシリンダー又はモーターを十分既知の方法でロッド３４１を作動させるのに制御シグナルに応答して
ロッド３４１を作動させるのに使用することできる。図3に示すように、ペレット320は、調剤される一方、ペレット３２１は、調剤されるべき次のペレットである。チャンバー３３１は、各調剤されたペレットを受け取り、チャンバー１０３へそれを連結する。
クリップ３１０は、周知の方法において、各ペレットに上向きの力を与えるクリップの底部でスプリング３１５を組み込むので、クリップ３１０にペレットがある限り、機構３３０によってペレットは、置換用の位置に存在する。得pレット３２０−３３０は、クリップにおいて互いに上部で積み重なる。ハンドル３１６は、スプリング３１５の末端へ取り付けられ、スプリング３１５の圧縮を可能とし、ペレットを有するクリップ３１０の再積込を容易にする。固体燃料ディスペンサーを制御するタイマーは、所望の均一な燃料溶液を提供するのに必要な適当なペレット数を調剤すべきである。
固体及び液体燃料成分の混合を促進するために、チャンバー１０３は、このましくは混合機構を備える。図4に示されるような実施態様において、チャンバ−１０３は、混合用に磁石を利用する。混合機構は、磁石ロッド４０２、磁石バー４０３、及びモーターを含む。ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）ポリマーに例示的に、含まれる磁石ロッド４０２は、チャンバー１０３の内部に位置される。磁石バー４０３は、モーター４０４のシャフトの回転で循環する。磁石バー及びモーター４０４の両方は、混合チャンバー１０３に対して外側にある。磁石バー４０２の循環は、固体燃料成分のすべてが溶解するまで、継続されるべきである。その後、特別の時間予め決定された間隔で定期的に再スタートすることできる。モーター４０４は、例示的に、Servo System Co.,Montiville,New jerseyによって提供されるColman１００RPM、２４V、DC永久磁石インラインギアモーターである。
他の混合方法を同様に使用することができる。２つの例が挙げられる。まず、循環ポンプは、混合チャンバー４００の内部の溶液を循環させるのに組み込むことができる。第二に、エアーが、液体を調剤するための液体を通じて泡だてることを可能にするエアーノズルを組み込むことができる。限定されないが、ソニケーション、タンブラー、プロペラ、又はバイブレーションミキサー又はブレンダーを含め、一般に、混合のいずれの方法も使用することができる。
例示的に、混合機構は第一の制御シグナルを受け取った後、予め設定された時間開始する。あるいは、混合機構は、固体燃料成分ディスペンサー１０２又は液体燃料成分ディスペンサー１０４の前又は同時に開始することができる。混合機構を連続的に又は必要に応じて行うことができる。図５を参照して、燃料として少なくとも１つの複合金属水素化物を使用して水素を発生する方法が示される。例示的に、固体燃料成分は、NaBH4であり、粒状の形態である。工程５０１で、NaBH4及び水の混合溶液の濃度を決定する。工程５０２で、NaBH4及び水の量を決定された濃度に基づいて算出される。例えば、決定された濃度が、１０重量％のNaBH4であるなら、NaBH4及び水の量を、それぞれ、100g及び900ｍLとすることができる。工程５０３で、シグナルを受けとる際、NaBH４及び水の算出された量は、チャンバーへ調剤される。水及びNaBH4の調剤を同時に又は交互に開始することができる。工程５０４で、調剤されたNaBH4及び水は、好ましくは混合されて、混合溶液を生産する。工程５０５で、混合溶液を触媒を含む触媒チャンバーへ移送する。触媒は、混合溶液の加水分解作用を活性化し水素、蒸気、及び放出された溶液を発生させる。工程５０６で、水素及び蒸気を分離器において放出された溶液から分離する。工程５０７において、水素及び蒸気を熱交換器で冷却するので、いくつかの蒸気は濃縮され、産出された水素は、所望の湿気を有する。もし湿気が無関係であれば、工程５０７を省略することができる。
ここで与えられた例は、当業者が本発明をより明確に理解し、実施しえるように提出される。この例は、本発明の範囲を限定するものと考えるべきではないが、本発明の用途を説明し示すものである。本発明の多くの修正及び他の実施態様は、前述の記載に鑑み当業者へ容易であろう。例えば、開示された実施態様において、調剤機構はチャンバー１０３の混合物のレベルに応答して作動可能であり、それらは、一つの基準、又は複数の基準のいずれかを担うものとすることができる。
図１は、本発明の原理に従って固体及び液体燃料成分を使用する説明に役立つ水素発生装置を示す。 図２a-dは、図１の装置において使用するための固体燃料成分ディスペンサーを示す。 図３は、図１の装置に使用するための別の固体燃料成分ディスペンサーを示す。 図４は、図１の装置に使用するための混合チャンバーの一実施態様を示す。 図５は、本発明の原理に従って水素ガスを発生させる方法を示す。

Claims (54)

  1. チャンバーと、
    前記チャンバーへ結合した水素排気口と、
    予め決定された量の固体燃料成分と液体燃料成分を前記チャンバーへそれぞれ供給するための第一及び第二ディスペンサーとからなり、前記固体燃料成分と液体成分の混合物が、化学反応を経て水素を発生させることができ、各ディスペンサーは、予め決定された条件に応答して機能する水素発生用の装置。
  2. 予め決定された量の固体燃料成分及び前記液体燃料成分の予め決定された量が異なることを特徴とする請求項1記載の装置。
  3. 前記固体燃料成分の予め決定された量及び前記液体燃料の予め決定された量は同じである請求項1記載の装置。
  4. 前記固体燃料成分は、金属水素化物であり、前記液体燃料成分が水からなる請求項1記載の装置。
  5. 前記金属水素化物が、LiBH4、KBH4、NH4BH4、（CH3）NBH4、NaAlH4、KAIH4、NaGaH4、LiGaH4、及びKgaH４からなる群から選択される1又はそれ以上の金属水素化物である請求項4記載の装置。
  6. 前記金属水素化物が、水素化ホウ素ナトリウムである請求項４記載の装置。
  7. 前記固体燃料が粉末形態である請求項1記載の装置。
  8. 前記固体燃料が粒状形態である請求項1記載の装置。
  9. 前記固体燃料がペレット状である請求項1記載の装置。
  10. さらに、前記チャンバーと前記水素排出口との間に配置された触媒チャンバーを含み、前記触媒チャンバーが、水素の前記固体及び液体燃料成分の混合物からの発生を促進するタイプの触媒を含む請求項1記載の装置。
  11. さらに、分離器へ直列的に結合する触媒チャンバーを含み、前記触媒チャンバーが、前記チャンバーへ結合し、前記分離器が、前記水素排気口へ結合し、前記触媒チャンバーが、水素の前記固体及び液体燃料成分からの発生を促進するタイプの触媒を含み、前記分離器が、前記水素を、前記固体及び液体燃料の前記化学反応の他の副生成物から分離する請求項１０記載の装置。
  12. 前記チャンバーが、前記固体及び液体燃料成分の混合を促進する機構を含む請求項１記載の装置。
  13. 前記機構が、磁力に応答して作用する攪拌部材を含むことを特徴とする請求項1記載の装置。
  14. さらに、前記チャンバーへ、前記固体燃料成分及び前記液体燃料成分の混合物のｐHを上昇させる安定化剤を提供する第三ディスペンサーを含み、前記第三ディスペンサーが、前記第一及び第二ディスペンサーの動作と協調する方法で作動する請求項１０記載の装置。
  15. 前記液体成分が、前記固体燃料成分及び前記液体燃料成分の混合物のｐHを上昇させる安定化剤を含む請求項1記載の装置。
  16. 固体燃料成分が、前記固体燃料成分及び前記液体燃料成分の混合物のｐHを上昇させる安定化剤を含む請求項1記載の装置。
  17. さらに、液体及び固体燃料成分の混合物を前記触媒チャンバーへくみ上げるポンプを含む請求項１０記載の装置。
  18. 前記予め決定された条件が、水素を発生させるための必要性を表示する条件である請求項1記載の装置。
  19. 前記予め決定された条件が、前記チャンバー内の前記液体及び前記固体燃料成分の混合物の予め決定されたレベルである請求項１記載の装置。
  20. 前記第一ディスペンサーが、循環シリンダーを含む請求項1記載の装置。
  21. 前記循環シリンダーが、前記固体燃料成分を第一の位置でソースから受けとるトラフを有し、この燃料成分を第二の位置で前記チャンバーへ供給する請求項２０記載の装置。
  22. 前記循環シリンダーが、前記第一の位置と前記第二の位置との間を循環するとき、前記循環シリンダーが、前記チャンバーから前記貯蔵タンクへの湿気の進入を阻害するシーリング部材を含む請求項２１記載の装置。
  23. 前記第一ディスペンサーが、前記液体燃料成分のペレットを次々に予め決定された位置へ首尾よく供給する機構を含み、さらに、前記予め決定された位置における各ペレットを前記チャンバー内へ移動させるための作動機構を含む請求項1記載の装置。
  24. 前記機構が、前記ペレットを前記予め決定された位置へ首尾よく供給するためのスプリング部材を利用する請求項２３記載の装置。
  25. 固体複合金属水素化物と水を含む液体との化学反応から水素を生成する発生器であって、前記発生器が、
    第一の予め決定された量の固体複合金属水素化物及び第二の予め決定された量の水からなる液体を、予め決定された条件に応答する調剤機構から受け取るためのチャンバーであり、これら受け取られた燃料成分は、前記チャンバー内で混合物を形成するチャンバーと、
    前記チャンバーへ結合した水素排気口と、からなる発生器。
  26. さらに、触媒チャンバーが前記チャンバーと前記水素排気口との間で配置される触媒チャンバーを含み、前記触媒チャンバーが、前記混合物を受け取るための触媒を有し、前記触媒は、水素の発生を、前記複合金属水素化物の前記混合物から溶液中で促進するタイプである請求項２５記載の発生器。
  27. 前記第一の予め決定された固体複合金属水素化物の量と、前記第二の予め決定された前記液体の量が異なる請求項２５記載の発生器。
  28. 前記第一の予め決定された固体複合金属水素化物の量と、前記第二の予め決定された前記液体の量が同じである請求項２５記載の発生器。
  29. 前記複合金属水素化物と前記液体との混合物の前記チャンバー内のｐH 値が、13未満である請求項２５記載の発生器。
  30. 前記固体複合金属水素化物が、粉末の形態である請求項２５記載の発生器。
  31. 前記固体複合金属水素化物が、ペレットの形態である請求項２５記載の発生器。
  32. 前記固体複合金属水素化物が、粒状の形態である請求項２５記載の発生器。
  33. 前記チャンバーが、さらに、前記固体複合金属水素化物の前記液体への溶解を促進する混合機構を含む請求項２５記載の発生器。
  34. 前記固体金属複合水素化物及び前記液体の混合物の前記チャンバー内のｐH値が、１３より小さくない請求項２６記載の発生器。
  35. 前記調剤機構が、前記固体複合金属水素化物と前記液体との混合物のｐH値を上昇させるのに安定化剤を調剤するものを含む請求項２５記載の発生器。
  36. 前記液体が、前記固体複合金属水素化物及び前記液体の混合物のｐH値を上昇させる化学安定化剤を含む請求項２５記載の発生器。
  37. 前記調剤機構が、複合金属水素化物と安定化剤の組み合わせを両方組み合われた固体形態で調剤され、前記安定化剤が、前記固体複合金属水素化物と前記液体との混合物のｐH値を上昇させるものである請求項２５記載の発生器。
  38. さらに、前記固体複合金属水素化物と前記液体との前記化学反応の他の副生成物から前記水素を分離するための、前記触媒チャンバーと前記水素排気口との間に設置された分離器を含む請求項２５記載の発生器。
  39. さらに、前記固体複合金属水素化物と前記液体の混合物を前記触媒チャンバーへ選択的に供給する機構からなる請求項２５記載の発生器。
  40. 機構がポンプである請求項３９記載の発生器。
  41. 前記チャンバーが、さらに、前記固体金属水素化物と前記液体との混合する機構からなる請求項２５記載の発生器。
  42. 前記調剤機構が、循環シリンダーを含む請求項２５記載の発生器。
  43. 循環シリンダーが、前記固体複合金属水素化物を、ソースから前記循環シリンダーの第一の位置で受け取るトラフを有するシリンダーからなり、前記複合金属水素化物を前記循環シリンダーの第二の位置で前記チャンバーへ調剤する請求項４２記載の発生器。
  44. 調剤機構が、前記固体複合金属水素化物のペレットを次々と予め決定された位置へ首尾よく供給し、各ペレットを前記チャンバーの前記予め決定された位置へ移動する請求項２５記載の発生器。
  45. 調剤機構が、前記ペレットを前記予め決定された位置へ首尾よく供給するスプリング部材を使用する請求項４４記載の発生器。
  46. ハウジング内に設置された循環可能なシリンダーからなり、前記シリンダーが予め決定された量の前記固体を貯蔵タンクから受液器へ調剤するために適用され、前記シリンダが固体を受け取るためのトラフを有し、
    前記ハウジングが、前記トラフが、前記ハウジングにおいて前記第一の開口でオーバーラップするとき、トラフが前記固体を受け取ることを可能にする第一の開口と、トラフが第二の開口とオーバーラップするとき、前記トラフが前記固体の調剤を可能とする第二の開口を有することを特徴とする調剤装置。
  47. 前記シリンダーが、さらに、前記シリンダーと前記ハウジングとの間で広がる複数のシール部材を含み、前記受液器における湿気が、前記調剤装置を経て貯蔵タンクへ進入することを防止する請求項４６記載の調剤装置。
  48. 複合金属水素化物からなる複数のペレットを予め決定された位置へ貯蔵し首尾よく供給するカートリッジ部材と、
    前記予め決定された位置の各ペレットを第二の位置へ配置するための制御シグナルを担う作動装置と、からなる調剤装置。
  49. 第一ソースから、第一の予め決定された量の固体複合金属水素化物をチャンバーへ予め決定された条件に応答して調剤し、
    第二の予め決定された量の水からなる液体を前記チャンバーへ前記予め決定された条件に応答して調剤し、調剤された量の固体複合金属水素化物と液体が混合物を形成する工程からなる、少なくとも１つの固体複合金属水素化物から水素を発生させる方法。
  50. さらに、前記固体複合金属水素化物と前記液体とを前記チャンバー内で混合する工程を含む請求項４９記載の方法。
  51. さらに、前記固体複合金属水素化物及び前記液体の混合物を、水素の発生を促進する触媒へ曝す工程を含む請求項４９記載の方法。
  52. 固体複合金属水素化物及び水からなる液体を供給し、
    予め決定された量の固体複合金属水素化物と予め決定された量の水からなる液体を、予め決定された条件に応答して調剤装置からチャンバー内へ受け取る工程からなる、前記固体複合金属水素化物及び水を含む液体から水素を発生させる方法。
  53. さらに、前記固体複合金属水素化物及び前記液体を前記チャンバーにおいて、溶液中の固体複合金属水素化物から水素の発生を促進するタイプの触媒へ曝す工程を含む請求項５２項記載の方法。
  54. 第一の予め決定された量の固体複合金属水素化物と第二の予め決定された量の水からなる液体を、予め決定された条件に応答して調剤機構からチャンバー内で受け取り、調剤された量の固体複合金属水素化物と液体とが混合物を形成し、前記固体複合金属水素化物と前記液体の混合物を、混合物から水素の発生を促進するタイプの触媒へ曝す方法によって発生した水素。
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