JP2008537296A - 燃料と燃料電池の一体化された装置 - Google Patents

Abstract

水素を消費する電気化学的燃料電池によって、電流を生成するための装置が記載される。上述の装置は、全体的または部分的に内蔵式であり得、あるいは、連動コンポーネントで構成され得る。当該装置は、少なくとも燃料と燃料電池とのコンポーネントを備え、これらのコンポーネントは一体化され得る。電流を生み出すために水素を利用する様々な燃料電池設計において、使用に適した水素を生み出すように燃料が選択される。一部の変形形態において、燃料電池は水を生み出し、当該水は選択された燃料源へ戻され得て、負荷の下で燃料電池への水素の自律供給を生み出す。燃料電池は、燃料電池によって生み出されて固体燃料へ送られる、水の量を制御するためのシステムを含み得る。

Description

（関連出願の参照）
本出願は、米国特許仮出願第６０／６７１，７７３号の利益を主張し、該仮出願はここで、以下に完全に提示されるものとして、その全体が参考として援用される。

（技術分野）
本明細書では、水素を消費する電気化学的燃料電池によって、電流を生成するための装置が記載される。記載される装置は、連動コンポーネントを全体的にまたは部分的に内蔵し得るし、または連動コンポーネントで構成され得る。当該装置は、燃料源と燃料電池とのコンポーネントを備え、それらのコンポーネントは一体化され得る。水素を利用して電流を生み出す様々な燃料電池設計の中で、使用する水素を生み出すために燃料が選択される。一部の変形形態において、燃料電池は水を生み出し、負荷の下での燃料電池に水素を自律的に（ｓｅｌｆ−ｓｕｓｔａｉｎｉｎｇ）供給するために、当該水は選択された燃料源へ戻され得る。

電気エネルギーを貯蔵し送る装置の技術的領域において、多くの従来型化学電池は、以下の３つの短所を有する。１）従来型化学電池はエネルギー密度の点で、当該エネルギー密度が装置の単位体積当たりのワット時または単位質量当たりのワット時のいずれの観点で測定されるかにかかわらず、容量が限られている。この容量の限界は、現在の化学電池が連続的な負荷の下で動作するときの能力に影響を及ぼす。充電可能な電池であっても、多くの場合、連続使用は４〜５時間に限られる。２）従来型化学電池は多くの場合、３〜５年未満という比較的短い貯蔵寿命を有する。３）現代の電池の多くは強いまたは有毒の化学物質を含み、それは長期間の環境危機をもたらす。

電気エネルギーを送る装置で、従来型電池の欠点のうちのいくつかをなくしたものが、燃料電池装置である。しかしながら、燃料電池構造の多くは、それ自体の欠点を有する。例えば、一部の設計は、装置の外部にある燃料供給を利用する。プロトン交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）は、酸素および水素を使用する。酸素は一般に空気から採取されるが、水素は一般に、貯蔵タンクまたは中で水素が生成されるその他の外部源等の、外部水素供給からクリーンガスとして供給される。そのような燃料電池は、一定の負荷に電気エネルギーを提供するために利用可能であり得るが、これらの構成は現在、消費者向けの電子装置に見られる、移動可能または携帯可能な負荷に対して適切であるとは考えられていない。また、建造物内に据え付けられる安全装置またはアラームセンサ等の、遠隔装置を含むアプリケーションにおいては、外部燃料供給が存在すること自体が、それらの使用を非実用的に（場合によっては、危険にすら）する。

上述の装置は、様々な負荷に電気エネルギーを供給するように構成される。当該装置は燃料によって運転され、一般に非常に安定した、高いエネルギー密度を有する。当該装置は、携帯使用または遠隔使用に適するような手法でも設計され得る。

本発明は、以下の手段を提供する。
（項目１）
電気エネルギーを生成するための装置であって、該装置は、
水素と酸素とを送給されたときに電気と水とを生成することができる、少なくとも１つの燃料電池と、
固体燃料を備える少なくとも１つの固体燃料源と、を備え、
該固体燃料源は、該水と反応するときに該少なくとも１つの燃料電池によって使用するための水素を生み出すように構成され、該固体燃料源および該燃料電池は、該燃料電池によって生み出された該水の量が、該固体燃料と反応して該燃料電池によって使用するための水素を生み出すために、該固体燃料源へ方向付けられるように構成される、
装置。
（項目２）
前記固体燃料源は、金属；アルカリ金属；アルカリ土類金属；金属、アルカリ金属、およびアルカリ土類金属の水素化物塩およびそれらの錯塩；ならびに、アルカリ金属、アルカリ土類金属、アンモニウム、およびアルキルアンモニウムの水素化ホウ素塩、のうちから選択される少なくとも１つのメンバーを備える、項目１に記載の装置。
（項目３）
前記固体燃料源は、選択される少なくとも１つのメンバーを備える、項目１に記載の装置。
（項目４）
前記固体燃料源は、ナトリウム、リチウム、カリウム、およびルビジウムのうちから選択される少なくとも１つのメンバーを備える、項目１に記載の装置。
（項目５）
前記固体燃料源は、ＭｇＨ_４、ＮａＡｌＨ_４、ＬｉＡｌＨ_４、ＫＡｌＨ_４、ＮａＧａＨ_４、ＬｉＧａＨ_４、ＫＧａＨ_４、Ｍｇ（ＡｌＨ_４）_２、２Ｌｉ_３ＡｌＨ_６、Ｎａ_３ＡｌＨ_６、およびＭｇ_２ＮｉＨ_４のうちから選択される少なくとも１つのメンバーを備える、項目１に記載の装置。
（項目６）
前記固体燃料源は、ＮａＢＨ_４、ＬｉＢＨ_４、ＫＢＨ_４、Ｍｇ（ＢＨ_４）_２、Ｃａ（ＢＨ_４）_２、ＮＨ_４ＢＨ_４、および（ＣＨ_３）_４ＮＨ_４ＢＨ_４のうちからの少なくとも１つのメンバーを備える、項目１に記載の装置。
（項目７）
前記固体燃料は、ＮａＢＨ_４を備える、項目６に記載の装置。
（項目８）
前記固体燃料源は、項目２から項目６までにおいて列挙されたメンバーのうちから選択される少なくとも２つのメンバーを備える、項目１に記載の装置。
（項目９）
水素を生み出すための前記固体燃料の反応を触媒するための触媒をさらに備える、項目２から項目８までに記載の装置。
（項目１０）
前記触媒は、０．１重量％〜１０重量％の量で存在する、項目９に記載の装置。
（項目１１）
水素を生み出すための前記固体燃料の前記反応を安定化するための安定剤をさらに備える、項目３から項目１０までに記載の装置。
（項目１２）
前記少なくとも１つの燃料電池に隣接する水障壁をさらに備える、項目１から項目１１までの任意の一項目に記載の装置であって、該水障壁は、酸素を透過しかつ実質的に防水性であるように構成される、装置。
（項目１３）
前記水障壁はＰＴＦＥを備える、項目１２に記載の装置。
（項目１４）
単一の電池燃料を備える、項目１から項目１３までの任意の一項目に記載の装置。
（項目１５）
複数の電池燃料を備える、項目１から項目１４までの任意の一項目に記載の装置。
（項目１６）
活性化剤を含有するアクティベータをさらに備える、項目１から項目１５までの任意の一項目に記載の装置であって、該アクティベータは、電気の生成を開始するために、前記装置へ該活性化剤を放出するように構成される、装置。
（項目１７）
前記活性化剤は水である、項目１６に記載の装置。
（項目１８）
前記活性化剤は水素である、項目１８に記載の装置。
（項目１９）
項目１６、項目１７、または項目１８に記載の装置であって、
該装置は活性化障壁をさらに備え、該活性化障壁は前記活性化剤が該装置内へ放出されることを防止するように構成され、該活性化障壁は、前記アクティベータをして該活性化剤を該装置へ放出させるように、修正されるように構成される、
装置。
（項目２０）
前記活性化障壁は、前記活性化剤を透過しない材料から成る、項目１９に記載の装置。
（項目２１）
前記燃料源は取り外し可能である、項目１から項目２０までの任意の一項目に記載の装置。
（項目２２）
水制御システムをさらに備える、項目１から項目２１までの任意の一項目に記載の装置であって、該水制御システムは、前記燃料電池によって生み出され前記燃料源へ戻る前記水の通過を制御するように構成される、装置。
（項目２３）
前記水制御システムは、該システム内の圧力が臨界値を上回るときには、前記燃料電池によって生み出される前記水が前記燃料源に到達することを防止するように構成される感圧スイッチを備える、項目２２に記載の装置。
（項目２４）
該水制御システムは感圧レギュレータを備え、該感圧レギュレータは、該システム内の圧力が臨界値を上回るときには、前記燃料電池によって生み出される前記水が前記燃料源に到達することを防止するように構成され、該臨界値を下回る該システム内の該圧力に基づいて該燃料源に向かって該水制御システムを通過する水の量を調節するように構成される、項目２２に記載の装置。
（項目２５）
前記感圧スイッチは機械的である、項目２３に記載の装置。
（項目２６）
前記感圧スイッチは開口部を有する化学物質であり、該開口部のサイズは前記システム内の前記圧力に対する感受性を有する、項目２３に記載の装置。
（項目２７）
前記感圧レギュレータは機械的である、項目２４に記載の装置。
（項目２８）
前記感圧レギュレータは開口部を有する化学物質であり、該開口部のサイズは前記システム内の前記圧力に対する感受性を有する、項目２４に記載の装置。
（項目２９）
前記燃料電池によって生み出され、前記燃料源に入ることを防止されている、前記水を貯蔵するための、該燃料電池および該燃料源と連通する貯水容器をさらに備える、項目２４、項目２５、項目２６、項目２７、または項目２８に記載の装置。
（項目３０）
前記固体燃料源は、前記固体燃料および反応生成物を含有する個別のカプセルを含有し、該カプセルは、前記水および前記水素を透過する、項目１から項目２９までの任意の一項目に記載の装置。
（項目３１）
前記貯水容器は、前記水を吸収するように構成される発泡材料を含有する、項目２９に記載の装置。
（項目３２）
前記発泡材料はヒドロゲルである、項目３１に記載の装置。
（項目３３）
前記化学物質は、金属、ＰＴＦＥ、ナイロン、炭素、ならびに、ポリウレタン、およびポリ２‐（アクリルアミド）‐２‐メチルプロパンスルホン酸（ＰＡＭＰＳ）等のポリマーから成る群のうちから選択される、項目２６または項目２８に記載の装置。
（項目３４）
前記カプセルは、前記システム内の圧力が臨界圧以上である場合には、該カプセル内に含有される前記固体燃料への水の前記通過を防止するように構成される感圧材料から作られる、項目３０に記載の装置。
（項目３５）
前記化学物質は、金属、ＰＴＦＥ、ナイロン、炭素、ならびに、ポリウレタン、およびポリ２‐（アクリルアミド）‐２‐メチルプロパンスルホン酸（ＰＡＭＰＳ）等のポリマーから成る群のうちから選択される、項目３４に記載の装置。
（項目３６）
電気を生成するための方法であって、
水素を生成するために固体燃料を水と反応させるステップと、
燃料電池中において該水素を電気と水とに変換するステップと、
水素を生成するために、水素燃料電池によって生み出される該水の量を該固体燃料へ方向付けるステップと、
を包含する、方法。
（項目３７）
前記固体燃料源へ方向付けられる水の前記量を制御するステップをさらに包含する、項目３６に記載の方法であって、該固定燃料源へ方向付けられる水の該量は、電力需要に依存する、方法。
（項目３８）
電力需要の減少は圧力の増加によって証明され、該圧力は、前記固体燃料源へ方向付けられる水の前記量を制御するために使用される、項目３７に記載の方法。
（項目３９）
アクティベータから活性化剤を導入することによって前記固体燃料を活性化するステップをさらに包含する、項目３６、項目３７、または項目３８に記載の方法。
（項目４０）
前記活性化剤は、Ｈ_２およびＨ_２Ｏから成る群のうちから選択される、項目３９に記載の方法。
（項目４１）
使用される固体燃料および水の全質量当たりの生み出される水素のモル数は、該固体燃料と反応する該水が、前記燃料電池によって生み出される該水である場合には増加する、項目３６から項目４０までの任意の一項目に記載の方法。
（項目４２）
前記固体燃料固体燃料源は、ナトリウム、リチウム、カリウム、およびルビジウムのうちから選択される少なくとも１つのメンバーを備える、項目３６から項目４１までの任意の一項目に記載の方法。
（項目４３）
前記固体燃料固体燃料源は、ＭｇＨ_４、ＮａＡｌＨ_４、ＬｉＡｌＨ_４、ＫＡｌＨ_４、ＮａＧａＨ_４、ＬｉＧａＨ_４、ＫＧａＨ_４、Ｍｇ（ＡｌＨ_４）_２、２Ｌｉ_３ＡｌＨ_６、Ｎａ_３ＡｌＨ_６、およびＭｇ_２ＮｉＨ_４のうちから選択される少なくとも１つのメンバーを備える、項目３６から項目４１までの任意の一項目に記載の方法。
（項目４４）
前記固体燃料固体燃料源は、ＮａＢＨ_４、ＬｉＢＨ_４、ＫＢＨ_４、Ｍｇ（ＢＨ_４）_２、Ｃａ（ＢＨ_４）_２、ＮＨ_４ＢＨ_４、および（ＣＨ_３）_４ＮＨ_４ＢＨ_４のうちからの少なくとも１つのメンバーを備える、項目３６から項目４１までの任意の一項目に記載の方法。

一般に、上述した装置は、水素を生み出す燃料と、当該水素を消費することによって電流を生み出す少なくとも１つの燃料電池とを含む。上述した装置において、燃料源は、水素生成燃料が燃料電池に水素を供給するために使用される設計によって、燃料電池装置と一体化され得、電気エネルギーを生成するように構成され得る。燃料電池と燃料源との間の相互作用は、固体燃料からの水素を、燃料電池が電気を生み出すプロセスのために容易に利用できるようにし、（燃料電池が水を生み出す場合には、）燃料電池によって生み出された水を、固体燃料と反応させるために容易に利用できるようにするような手法で、相互に作用し得る。この相互作用は、少なくとも燃料が使い果たされるまで、燃料電池への水素燃料の連続供給を行うと見なされ得る。上述した装置のその他の変形形態は、燃料電池が負荷の下にあるときには実質的に自律型のシステムである。

当該装置の一部の変形形態は、１つ以上の交換式燃料カートリッジを備える。この機能は、燃料と燃料電池の一体型装置に、固体燃料を再供給するという利便性のために使用され得る。当該装置のその他の変形形態は「拡張化（ｓｃａｌｉｎｇ）」すること、すなわち、機能的に複数の他のコンポーネントの役に立つように、例えば、複数の燃料電池コンポーネントに水素を提供するために単一の燃料源を利用することによって、または、１つ以上の燃料電池コンポーネントの役に立つように複数の燃料源を利用することによって、装置コンポーネント（例えば、燃料電池コンポーネントまたは燃料コンポーネント）の１つ以上を利用することを含む。この「拡張化」変形形態には、任意で、様々な燃料源によって生み出された水素または燃料電池によって生み出された水を連動して利用しながら、燃料源‐燃料電池の複数の組み合わせを並列または直列の電気的構成で配置することも含まれる。そのような拡張化は、例えば、特定の電圧または電力要件を満足するために使用され得る。

上述した装置の別の変形形態は、装置の運転を開始するために固体燃料を活性化させるためのアクティベータを組み込んだものであり、前述したように、負荷の下でのその運転は自律型となり得る。

図１は、装置１００全体の一般的概略図を提供する。当該装置は、燃料電池１０１と、燃料源１０２と、任意で、水障壁１０３と、水制御システム１０４と、アクティベータ１０５と、活性化障壁１０６とを備える。これらのコンポーネントは図１に示される構成に限定されるものではなく、上述した装置を作るのに適応すると思われる任意の手法で構成され得ることに留意することが重要である。燃料電池１０１は、電流を生み出すために酸素と水素を利用する種類のものであり得る。以下で論じるように、電気エネルギーを生み出すために酸素と水素の送給を利用する、多種多様の燃料電池設計がある。したがって、燃料電池構造の詳細は、電流を生み出すためにそれらが別の方法で燃料源１０２と連動する度合いに応じてのみ重要となる。

燃料源１０２は、水またはその他の適切なヒロドキシル源との化学反応等、何らかの方式で活性化された際に、水素を生み出す材料を含む。以下で説明する変形形態の多くは、含まれる燃料の、実質的に固体形状である、またはそうであると理解され得る物理的形状を含むが、燃料源の物理的形状は、機能的にアクティベータによるアクセスおよび生成物水素の放出を可能にするものであればよい。燃料は、粉末、顆粒、ゲルの形であり得、球体、立方体等の形を構成し得る。燃料物質は、以下で論じるように、安定剤または触媒と混合され得る。燃料は、それぞれ独自に水素を生み出す材料の混合物であり得、または既知のアジュバント（ａｄｊｕｖａｎｔ）の有無にかかわりなく水素を生み出す化合物または材料で構成されるか、それらから成るか、または、本質的にそれらから成り得る。

任意ではあるが、追加のコンポーネントは、障壁１０３である。障壁１０３の機能は、上述した装置から離れた燃料電池からの反応生成物、主に水の通過を防止することであり、より狭義には、水の通路を固体燃料源１０２に向かって戻るように方向付けることである。水の方向を変えるために使用される場合には、障壁１０３は、酸素は透過するが水は透過しない材料または構造で優先的に構成されるべきである。そのような特性を有する材料は、ポリテトラフルオロエチレン（ｐｏｌｙｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ）（ＰＴＦＥ）、ポリジメチルシロキサン（ｐｏｌｙｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌｏｘａｎｅ）（ＰＤＭＳ）、ポリオレフィン、多孔質金属膜、および、多数のさらなる酸素透過疎水性材料を含む。一部の場合において、障壁１０３は、完全にまたは部分的に疎水性であり得る。一部の場合において、カソードは、水障壁としても作用し得る。一部の場合において、装置の１ユニットが、上述した装置における別のユニット用のアクティベータとして使用されているようなときには、障壁１０３は望ましくないことがあり得る。そのような「デイジーチェーン」は、規定のアプリケーションのための正確な電子アーキテクチャを実現することを目的として、複数の上述した装置を機能的に相互接続するために使用され得る。

上述した装置の一部の変形形態において、水素生産燃料源１０２は、活性化剤を含有するアクティベータ１０５から分離されている。アクティベータは、電気化学反応が始まる時刻の制御を可能にする。これにより、上述の装置のある変形形態を、相当の不使用期間後に使用することが可能になる。活性化剤は、離散源であり得、ユーザ制御時に、または、アラームがアラーム状態を検出した後のアラームのアクション時に自動的に、放出可能であり得る。燃料中で発生する化学反応の一部において、活性化剤を含む材料、例えば水は、燃料電池１０１中で発生した電気化学反応の生成物であり得る。そのような場合、燃料中では、反応物質活性化剤の連続供給は必要でない。したがって、そのような場合、活性化剤は上述した装置の運転全体における反応の開始剤であると考えられる。燃料源１０２に対するアクティベータ１０５と活性化障壁１０６との位置は、例えば、燃料源１０２の下または側面に据え付けられるなど、任意の構成となり得る。

活性化剤は、この上述した装置のすべての変形形態において離散源である必要はない。活性化剤は、隣接する大気（例えば、室内空気）に見られるような付帯的な水蒸気、連動する化学的または機械的プロセスの流れ（例えば、蒸気配管もしくは水配管）、または、本明細書に記載されている概念を使用する特定の装置の設計者によって任意で制御可能なその他の源であり得る。

アクティベータ１０５中の活性化剤による燃料源１０２へのアクセスを制御するための一般構造は、活性化障壁１０６によって為され得る。以下で論じるように、活性化障壁１０６は、機能的に多種多様の構造であり得る。使用時、活性化障壁の機能は単に、活性化剤がアクティベータ内にあるか環境中に何らかの形で存在するかにかかわらず、活性化剤による燃料源へのアクセスを実質的に防止することである。例えば、活性化障壁１０６は、高分子膜を含む部材であり得る。上述した装置の一部の変形形態において、そのような活性化障壁膜は、アクティベータによる燃料へのアクセスを可能にするために、膜が除去または破られ得るような手法で構成される。

上述した装置の一部の変形形態において、アクティベータを透過する膜を備える障壁１０６が使用され得る。一部の変形形態において、例えば、固体燃料源１０２に入ってはいけないガス状成分を含有する別の環境において装置が使用される場合、当該膜は、アクティベータの通過を可能にするがその他の付帯的な希釈ガスの通過を可能にしない種類のものであり得る。すなわち、変形形態が水蒸気、窒素、および酸素を含有する開放雰囲気中に置かれるように構成される場合には、当該膜は、活性化剤としての水の通過を可能にするが、空気を構成している別のガスの通過を可能にしない種類のものであり得、それは、それらのガスが燃料パック中で生み出された水素と反応するか、または燃料電池自体の中へ入り込んだ場合には、いずれの場合にも燃料電池の効率的な運転を妨害するからである。

燃料電池１０１は、第１の、つまりアノード電流コレクタ１０８、第２の、つまりカソード電流コレクタ１０７、および燃料電池膜１０９等のコンポーネントで構成され、当該膜は、陽子または酸素イオンを透過するが電子を導くことはせず、ポリパーフルオロスルフォン酸高分子膜であり得る。市販の燃料電池膜は、例えばＥ．Ｉ．ｄｕ Ｐｏｎｔ ｄｅ Ｎｅｍｏｕｒｓ ａｎｄ Ｃｏ．から、ＮＡＦＩＯＮシリーズのポリマーとして入手可能である。アノード電流コレクタ１０８と膜１０９との間には、第１の、つまりアノード触媒層１１０と、第２の、つまりカソード触媒層１１１とがある。アノード１０８とカソード１０７との間には、機能的電気回路を完結する負荷１１３が略記で示されている。触媒層は、一般的に、ＰｔおよびＰｄ等の触媒で被覆されたカーボン紙である。固体燃料から燃料電池のアノードに拡散する水素と、一般的には周囲空気から燃料電池カソードへ供給される酸素とが、燃料電池中で反応し、電流と水を作り出す。そのようにして形成された水は次に元の固体燃料へ拡散することが示されており、当該燃料内で反応して水素を形成し、電気生産のプロセスを進行させる。

水障壁１０３、触媒層１１１、およびカソード電流コレクタ１０７の組み合わせによる、水の燃料源への再方向づけを、閉制御ループ１１４によって示す。この典型的なプロセスを、図２に示す。ステップ２０１において、燃料電池１０１によって水と電気が生成される。ステップ２０２において、水は燃料源へと方向を変えられ、障壁１０３は、水が装置から漏れるのを防止し、残った水は燃料電池１０１を通過して燃料源１０２へ拡散する。ステップ２０３において、水は燃料源１０２と反応し、水素を生み出す。次いで水素は燃料電池１０１へ拡散し、その後、水と電気を作り出すために燃料電池１０１によって使用され、燃料が消費されるまでサイクルが繰り返される。燃料源１０２のほうへ方向を変えられた水は、さらに水制御システム１０４を通過し、当該システムは、ある一定の条件下において水を燃料源へ通過させ得、または通過させない。

一実施形態において、水制御システム１０４は、水が燃料源１０２に入るのを防止する感圧スイッチを有し、そのために、装置１００が負荷の下にない場合または低電力出力を必要とする場合には、水素生成を停止する。水制御システムは、一般に、燃料電池１０１と燃料源１０２との間に位置する。装置が負荷の下にある場合、水素は燃料電池１０１によって消費され、システム内の圧力Ｐ_ｓｙｓは臨界圧Ｐ_ｃを下回ったままである。負荷を止めるか、または減少させると、燃料電池１０１によって消費される水素が少なくなるか、または無くなり、システム内の過剰な水が燃料源１０２と反応してさらなる水素を生み出すことを受けてＰ_ｓｙｓが増加する。Ｐ_ｓｙｓがＰ_ｃを上回ると、感圧スイッチは燃料源へのさらなる水の流入を防止し、そのため水素生成を停止する。負荷が増加すると、燃料電池１０１による水素消費量によってＰ_ｓｙｓが減少する。Ｐ_ｓｙｓがＰ_ｃよりも下に下がると、感圧スイッチは水を燃料源１０２へ流入させ、水素生成が進行する。

水制御システム１０４は、燃料電池１０１によって生み出された、燃料源１０１へ行く水の量を制御する。一部の場合において、燃料電池によって生み出された水は燃料源１０２のほうへ方向付けられ得ない。例えば、水障壁１０３が燃料電池によって生み出された水の１００％の方向を変える場合、燃料源１０２は水で飽和され得る。すると、水制御システム１０４は、水の一部を燃料源から離れるように方向付ける。水制御システムは、燃料電池１０１によって生み出された水の任意の割合を燃料源１０２から離れるように方向付けるように構成され得る。さらに、水制御システムは、燃料電池１０１によって生み出された水の任意の割合を燃料源１０２へ方向付けるように構成され得る。さらに、水制御システムは、燃料源１０２へ方向付けられる水の量が、水素生産の速度に基づいて決まるように構成され得る。これにより、装置の応答性を高め、装置の安全性を向上させることが可能になる。例えば、初めに、燃料電池によって生み出された水の１００％を燃料源１０２へ方向付けてＨ_２生成を促進し、装置の安全動作限界内でＨ_２圧力を最適化することができる。水素圧力を最適化することによって、装置はエネルギー需要の急増に応じることが可能になる。Ｈ_２圧力が最適化されると、水は燃料源１０２から離れるように方向付けられ得る。水素生成を最適化するために、多数の異なる方法が使用され得る。

図３Ａ〜図３Ｂは、水制御システム３００を示す。この例において、水制御システム３００は、システムＰ_ｓｙｓ内の圧力が増加する際にその構成を変更する、感圧機械的スイッチ３０１／３０２を含む。水制御システム３００は、燃料電池１０１と燃料源１０２との間に位置する。水制御システムは、水制御システム３００によって作り出されたチャネルを経由する場合を除き、水が燃料電池に浸透することを防止する、ハウジング（図示せず）内に入れられている。機械的スイッチは、材料３０１および３０２の２つの層からできており、当該層のそれぞれは、Ｈ_２Ｏが通過することができる領域とできない領域とを含む。これらの領域は、正しく整列された際にＨ_２Ｏを通過させることができる、材料中の間隙であり得る。一定の負荷条件（Ｐ_ｓｙｓ＜Ｐ_ｃ）の下では、Ｈ_２Ｏが通過できる領域は、図３Ａに示すように整列させられる。無負荷条件（Ｐ_ｓｙｓ＞Ｐ_ｃ）の下では、層の一方３０１は場所を変更させられて他方の層３０２と整列させられ、それによってＨ_２Ｏはこれらの層を通過することができなくなるために、水素生成を停止する。水はその後、貯蔵容器（図示せず）のほうへ方向を変えられるか、または、蒸発させられて大気中のＨ_２Ｏとなる。感圧機械的スイッチ３０１／３０２は、水制御システム３００を通過する水の量をシステム内の圧力によって制御するような、事実上アナログの感圧機械的レギュレータに置き換えられ得る。

図４は、機械的スイッチ４０１を備える別の機械水制御システム４００の概略図である。水制御システム４００は、さらに、燃料源１０２内で生成された水素が燃料電池１０１へ入ることを可能にするＰＴＦＥ等の水不透過層４０２と、水制御システムを囲み、それ以外には、感圧機械的スイッチ４０１によって制御されたチャネル開口部４０６を経由する場合を除き、水が燃料源１０２に浸透することを防止する、ハウジング４０３（一部を示す）と、任意で、燃料電池によって生み出された水を貯水領域４０５に凝結するための凝結器４０４と、で構成される。貯水領域４０５は、水を貯蔵するための容器であり得、水を吸収するヒドロゲル等の発泡材料を含み得る。水制御システム４００は、燃料電池によって生み出された水を貯水領域４０５へ方向付ける、チューブまたはチャネル（図示せず）を含有し得る。上述したように、装置が負荷の下にある場合、Ｐ_ｓｙｓはＰ_ｃ未満であり、したがって、水制御システム４００は燃料源１０２への水の通過を可能にする。装置が負荷の下に無い状態になると、Ｐ_ｓｙｓは増加する。Ｐ_ｓｙｓがＰ_ｃよりも大きくなると、水制御システム４００は、水が燃料源１０２に入ることを防止し、そのため水素生成を停止する。感圧機械的スイッチ４０１は、水制御システム４００を通過する水の量をシステム内の圧力によって制御するような、事実上アナログの感圧機械的レギュレータに置き換えられ得る。

図３および図４に関して、異なる圧力下で変化するガス流動特性を有するポリマーのような材料（図示せず）が、感圧機械的スイッチ／レギュレータに取って代わり、感圧化学的スイッチ／レギュレータとして作用し得る。Ｐ_ｓｙｓがＰ_ｃ未満である場合、材料は水の通過を可能にするが、Ｐ_ｓｙｓがＰ_ｃよりも大きい場合、材料の流動特性が変化し、水の通過を防止する。そのような特性を有する材料は、例えばナイロン、ポリ２‐（アクリルアミド）‐２‐メチルプロパンスルホン酸（ＰＡＭＰＳ）などのポリマー等の、マイクロチャネルまたは穴を含み、マイクロチャネルのサイズが圧力に対する感受性を有するように設計された軟質材料を含む。任意で、これらの材料は、材料に電圧を印加して材料を収縮または拡張させる電気制御システムに接続され得、構成に応じて、およびシステム内の圧力に応じて、水の通過を防止しまたは水の通過を可能にし得る。

また、上述した機械的／化学的スイッチまたはレギュレータは、水の通過が停止された後に当該スイッチまたはレギュレータが燃料源への水の通過を可能にする圧力である、第３の圧力Ｐ_Ｌに対する感度を有し得る。例えば、システムが無負荷の下または極めて小さい負荷の下にあり、（Ｐ_ｓｙｓ＞Ｐ_ｃ）である場合、スイッチおよびレギュレータはいずれも燃料源への水の通過を停止する。負荷が存在する場合、スイッチまたはレギュレータは、Ｐ_ｓが、Ｐ_ｃ未満であるＰ_Ｌ以下となるまで水の通過を防止し続ける。Ｐ_Ｌに対する感度の導入により、水制御システムによる、より円滑な水の通過の制御が可能になる。

図５は、上述した装置の一変形形態を、この場合は燃料と燃料電池の一体型装置５００を、示している。当該装置は、燃料電池５５０を受け入れるように適合されたハウジング５１０に入っている。ハウジング５１０は、チャンバ５２０を囲み、また、当該チャンバは固体燃料５３０を含む。燃料５３０として使用するのに適切な、様々な一般的および特定の分類の固定燃料が以下に述べられる。燃料自体は、チャンバ５２０内に置かれることによって燃料源を形成する際、生み出された水素の燃料電池５５０への通過を可能にし、望ましくは、燃料電池運転中に生み出された水を燃料源へ戻すことができる、任意の適切な物理的形状であり得る。ハウジング５３０は、存在する場合には、燃料電池と燃料源との間の相互作用を支援するために使用され得、その結果として、固体燃料によって生み出された水素は燃料電池に容易に利用可能となり、燃料電池によって生み出された水は固体燃料に容易に利用可能となる。

本明細書における多くの図示の場合として、特定の環境において上述した装置の実動作に望ましい、または必要とさえされるある一定のコンポーネントは、図示されているコンポーネントの明確な説明を可能にするという特定の目的のために、様々な図面において図示されていない。そのように省略されたコンポーネントはいずれも、当業者であればそのようなコンポーネントの必要性を認識し、装置設計の通常過程の間にそれらを含めるような、種類または機能のものである。例えば、図５は、燃料電池５５０の適切な側面へ酸素を方向付けるための、ハウジングまたは導管の存在を示していない。設計者が本明細書に含まれている教示を使用して、特定の酸素源、例えば化学物質源を含む設計を提案し、当該強化された酸素源を燃料電池５５０へ方向付けることを希望するような場合には、当該設計者はそのようなハウジングまたは導管を含める。

上述した装置のコンポーネントとして使用され得る燃料電池は、他の箇所で記載されたものであり得、それらの一部は市販のものが容易に入手可能である。システムは、Ｈ_２とＯ_２を結合させてＨ_２Ｏを生み出す燃料電池を収容するように設計され得る。そのような燃料電池設計の例としては、プロトン交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）、アルカリ型燃料電池（ＡＦＣ）、および固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）が挙げられる。ＰＥＭＦＣおよびＳＯＦＣについて、有効な半反応を方程式１に表す。

一方、ＡＦＣについての有効な半反応を、方程式２に表す。

方程式１からわかるように、ＰＥＭＦＣおよびＳＯＦＣの化学反応物質は水素と酸素を含み、一方ＡＦＣについては、方程式２に表されるように、反応物質は、水素、水酸化物イオン、酸素、および水である。正味の反応はいずれの種類の電池でも同じであり、その結果として、電気が生み出されるのに加え、水と熱がさらに生み出されることにも留意すべきである。従来のＰＥＭＦＣ、ＳＯＦＣ、およびＡＦＣ燃料電池を利用する多くの市販の燃料電池アセンブリは、反応物質として大気中酸素を使用する。それらのアセンブリは、一般に、水素貯蔵タンクまたは水素発生器等、外部源からの水素も使用する。

上述したように、数種類の固体燃料が、上述した装置の燃料源の少なくとも一部として適している。例えば、ナトリウム等、メンデレーエフ周期表のアルカリ金属族、ならびに、アルミニウムおよびマグネシウム等のその他様々な金属は、アルカリ溶液中の水と容易に反応し、水素ガスを生み出す。アルミニウムからの水素の生成を表す平衡式の例は、以下のように表される。
Ａｌ＋ＮａＯＨ＋Ｈ_２Ｏ→ＮａＡｌＯ_２＋１．５Ｈ_２↑＋熱
また、金属、アルカリ金属、およびアルカリ土類金属の水素化物塩、ならびに、金属、アルカリ金属、およびアルカリ土類金属の錯塩は、水と反応して水素を生み出す。水素を生み出すための金属水素化物と水との反応を表す平衡式の例は、以下のように表される。
ＭｇＨ_４＋２Ｈ_２Ｏ＝Ｍｇ（ＯＨ）_２＋３Ｈ_２↑＋熱
さらに、固体燃料のまた別の分類は、アルカリ金属、アルカリ土類金属、アンモニウム、およびアルキルアンモニウムの水素化ホウ素塩、ならびにそれらの錯塩を含む。そのようなメンバーの１つは、水素化ホウ素ナトリウムである。水素化ホウ素ナトリウムからの水素の生成を表す平衡式の例は、以下のように表される。
ＮａＢＨ_４＋２Ｈ_２Ｏ→ＮａＢＯ_２＋４Ｈ_２↑＋熱
上述した反応において、燃料電池によって生み出されたＨ_２Ｏを固体燃料源へ方向付けることにより、ＮａＢＨ_４とＨ_２Ｏの全質量によって生み出されるＨ_２の量が増加する。上記反応のための水が外部源から得られる場合には、方向付けられた水が再利用されていることにより、固体燃料と外部水の全質量は、固体燃料と方向付けられた水とを足した全質量よりも大きい。燃料電池によって生み出された水が固体燃料源へ方向付けられない場合には、上記の反応によって生み出されるＨ_２の量は固定燃料から１、２、および２であり、残りのＨ_２は外部水分子に由来するものである。固体燃料源と反応する水が燃料電池によって生み出された水である場合には、上記反応について固体燃料によって生み出されるＨ_２の見かけの量は、燃料電池から生み出された水が固体燃料によって生成された水素を使用して作られたものであることにより、１．５、３、および４である。このように、固体燃料によって生み出された水素を、燃料電池によって生み出された水の形で再利用することにより、固体燃料によって生み出されるＨ_２の量を、固体燃料と水との全質量に対して増加させる。したがって、ＮａＢＨ_４の場合、燃料電池によって生み出された水を方向付けることにより、ＮａＢＨ_４分子当たり生み出される水素の見かけの量は２倍になる。

ナトリウムに加え、水素生成燃料として適しているその他のアルカリ金属は、リチウム、カリウム、およびルビジウムを含む。水素生成燃料中に使用するのに適したその他の金属は、アルミニウムに加え、マグネシウムおよび亜鉛を含む。典型的な候補は、金属、アルカリ金属、およびアルカリ土類金属の水素化物塩、ならびにそれらの錯塩の群からのものである。さらなる燃料は、ＮａＡｌＨ_４、ＬｉＡｌＨ_４、ＫＡｌＨ_４、ＮａＧａＨ_４、ＬｉＧａＨ_４、ＫＧａＨ_４、Ｍｇ（ＡｌＨ_４）_２、２Ｌｉ_３ＡｌＨ_６、Ｎａ_３ＡｌＨ_６、およびＭｇ_２ＮｉＨ_４、ならびにそれらの混合物を含む。最後に、水素化ホウ素ナトリウムに加えて、その他のアルカリ金属、アルカリ土類金属、アンモニウム、およびアルキルアンモニウムのホウ化水素塩ならびにその錯塩で適するものは、ＬｉＢＨ_４、ＫＢＨ_４、Ｍｇ（ＢＨ_４）_２、Ｃａ（ＢＨ_４）_２、ＮＨ_４ＢＨ_４、および（ＣＨ_３）_４ＮＨ_４ＢＨ_４、ならびにそれらの混合物を含む。

また、水素生産固体燃料は、上述した装置において、必要に応じて触媒または触媒前駆体をさらに備え得る。これらの任意の触媒として有用な材料は、遷移金属、遷移金属ホウ化物、ならびに、これらの材料の合金および混合物を含む。適した遷移金属触媒は、Ａｍｅｎｄｏｌａによる米国特許第５，８０４，３２９号に記載されており、当該特許の全体が参考として本明細書において援用される。銅族、亜鉛族、スカンジウム族、チタン族、バナジウム族、クロム族、マンガン族、鉄族、コバルト族、およびニッケル族の遷移金属等、ＩＢ族からＶＩＩＩＢ族の金属を含有する触媒は、様々な構成において適している。そのような触媒は、水素を生み出すための水素化ホウ素と水との反応の 活性化エネルギーを低下させる。適した遷移金属元素の特定の例としては、ルテニウム、鉄、コバルト、ニッケル、銅、マンガン、ロジウム、レニウム、プラチナ、パラジウム、クロム、銀、オスミウム、イリジウム、それらの化合物、それらの合金、およびそれらの混合物が挙げられる。一部の実施形態において、触媒は、１重量％〜１０重量％の燃料混合物を含み得る。触媒は、水素を生み出すための固体燃料と水の反応の活性化を促進するために使用される。

反応ＮａＢＨ_４＋２Ｈ_２Ｏ→ＮａＢＯ_２＋４Ｈ_２によると、副産物ＮａＢＯ_２はアルカリ性である。ＮａＢＨ_４および副産物ＮａＢＯ_２のアルカリ度を増加させる安定剤は、ＮａＢＨ_４を安定させる。これらの安定剤は、ＮａＯＨ、ＫＯＨ等の金属水酸化物を含む。

一般に、特定の燃料組成物を選択する際に考慮される燃料の属性は、エネルギー密度（多くの場合、単位質量当たりワット時で測定される）、活性化の容易性、安定性、入手可能性、およびコストのようなパラメータを含む。「理想的な」燃料は、高エネルギー密度および良好な貯蔵性、ならびに、装置内にける様々な条件下での使用安定性を有する。この「理想的な」燃料組成物は、周囲条件下で容易に活性化され、手頃なコストで容易に入手することができる。上記で特定された純化合物および組成物の多くは、これらの属性について適した値を有し、本装置において使用するのに適切である。

また、本明細書の別の箇所で述べたように、様々な固体燃料組成物は、ブロック（おそらくは多孔質の）、粉末、ペースト、ゲル、ペレット、顆粒、特定目的（例えば、拡散を燃料の最大容積まで強化する等）のために作られた成形形状、球体等を含む様々な形で、燃料源１０２内に据え付けられ得る。必要があれば、ある種のスラリー、固体燃料の分散、および液体含有固体燃料組成物（当該組成物において、液体は水でも固体燃料用のその他のアクティベータでもない）が使用され得る。後者の組成物中の液体は、高親油性であって、それ故に固体燃料組成物と反応しないものであり得る。これらの液体は、固体燃料粒子へ入る水の球形濃縮物の形成を可能にする。

燃料源の組成物は、例えば水素化ホウ素または水素化物等の、単一分類の化合物の１つ以上のメンバーだけの混合物を備え得るのみならず、当該組成物は、異なる分類の化合物のメンバー、例えば、水素化ホウ素および水素化物および金属の分類からの２つ以上のメンバーの、混合物を備え得る。そのような混合物は、様々な理由で燃料組成物として用いられ得る。混合物は、コストを最小限に抑えるため、反応「ライトオフ」の速度を増大または減速するため、特定の燃料エネルギー密度全体を向上させるまたは特定するため、特定の設計用の重量考慮条件を満たすため、および、その他の設計基準を満たすために用いられ得る。

一例として、エネルギー密度基準を満たすために、燃料の混合物が使用され得る。ワット時／単位質量として表現される、燃料のエネルギー密度は、材料の分子量と同様に、異なる固体燃料源で変動する。比較として、１モルのアルミニウム（２７グラム）と、１モルの水酸化ナトリウム（４０グラム）と、１モルの水との混合物は、３３．６リットルの水素ガスを生み出す。この容積の水素が、０．６Ｖの電圧を生み出す燃料電池によって消費されると、６４ワット時の電気が生み出される。２モルの水と反応させた１モルの水素化マグネシウム（２８．３グラム）の燃料は、６７．２リットルの水素を生み出す。当該水素化マグネシウム燃料は、０．６Ｖの電圧を生み出す燃料電池によって消費されると、１２８ワット時の電気をもたらす。また別の例として、１モルの水素化ホウ素ナトリウム（３７．８グラム）と２モルの水は８９．６リットルの水素ガスを生み出し、０．６Ｖの燃料電池によって消費されると、当該燃料電池は１７０ワット時の電気を生み出す。燃料の重量に基づいて、アルミニウムのエネルギー密度は２．４ワット時／グラム、水素化マグネシウムのエネルギー密度は４．５ワット時／グラム、および、水素化ホウ素ナトリウムのエネルギー密度は４．５ワット時／グラムである。

１モルのアルミニウム（２７グラム）と、１モルの水素化ホウ素ナトリウム（３７．８グラム）と、１モルの水酸化ナトリウム（４０グラム）とを備える燃料組成物は、１２３リットルの水素ガスを生み出す。そのような量の水素は０．６Ｖの燃料電池において消費されると、２３３ワット時の電気を生み出す。当該燃料組成物の全エネルギー密度は、３．６ワット時／グラムである。アルミニウムのエネルギー密度は水素化ホウ素ナトリウムのものほど高くはないが、それは容易に入手可能であり、水酸化ナトリウムを含む組成物は、水素化ホウ素塩の安定性を強化する。この燃料組成物は、十分なエネルギー密度を有し、比較的高価な水素化ホウ素塩だけで構成される燃料組成物よりも低コストである。

一実施形態において、燃料源１０２（図１）内の燃料は、図６Ａ〜図６Ｂに示されるような個別のカプセル内に含有され得る。図６Ａは、固体燃料を含有する１つの個別のカプセル６００Ａを示す。カプセルは、多孔質構造６０１を有し、当該カプセルの内部６０２内に燃料を入れている。カプセルは、当該カプセルの外部からの水をカプセル６０２の内部に入れて燃料と反応させ、当該反応において生み出された水素を当該カプセルから出す材料から作られる。ポリスチレン（ＥＰＳ）、ＰＴＦＥ、炭素、金属もしくは合金粉末、ポリウレタン等の、微孔性ステンレス鋼メッシュもしくはある種の重合体またはプラスチック材料が、カプセルを作るために使用され得る。続いて、個別のカプセルは、個別のカプセル６００Ａを含むハウジング６００Ｂに詰め込まれ得る。カプセルは、例えば、ＮａＢＯ_２の容積がＮａＢＨ_４よりも大きくなる、ＮａＢＨ_４→ＮａＢＯ_２のように、反応生成物が燃料よりも大きい容積を有する燃料に見合って構成されるべきである。例えば、カプセルは、副産物のより大きい容積に見合った燃料が存在する場合には、空隙を含有し得る。また、カプセルは、カプセルの内部の材料の容積が増加するにつれて、拡張できる材料から作られ得る。カプセル内に燃料を含有することは、水によってアクセス可能な燃料の表面積を増加するという利点を提供する。カプセルはまた、上述した水制御システムと同様に、水制御特性を提供するように設計され得、この場合には、カプセルの表面または当該カプセルは、例えばポリ２‐（アクリルアミド）‐２‐メチルプロパンスルホン（ＰＡＭＰＳ）、ＰＴＦＥ粉末にＰＡＭＰＳを足したもの、または金属にＰＡＭＰＳを足したもの等、システム内の圧力に対して敏感な材料から作られ、かくして、Ｐ_ｓｙｓがＰ_ｃよりも大きい場合に水が燃料と反応することを防止する。

また、カプセルの１つは、燃料からの水素生成を開始させるアクティベータとして作用するための活性カプセルとして作用し得る。この場合、言及した１つのカプセルは、水またはＨ_２を含有し得る。当該カプセルによって含有される水またはＨ_２は、まず燃料または燃料電池と反応し、それぞれ燃料電池用の水素または燃料用の水を生み出すことができる。

図７、図８、および図９は、装置のその他の変形形態の３次元表現７００、８００、および９００を示す。図７において、装置の正面図は、ハウジング７１０の各側面に１つずつ、４つの燃料電池７５０を受け入れるように構成された、ハウジング７１０を示す。ハウジング７１０の略中心には、燃料源７２０（図８でより明らかに示されている）があり、一体化された燃料電池７５０のそれぞれに水素を供給する。

図９は、上述した装置の一変形形態の斜視図を示し、この例において、燃料源と燃料電池の一体型装置９００は、ハウジング９１０と６つの燃料電池９５０（３つが示されている）を有する。単一の燃料源９２０は、６つの燃料電池９５０の中心に据え付けられ、それぞれに水素を供給する。水源９６０、９７０も示されている。

図１０は、カソードおよびアノードへの電気的接続１０２０を伴う、単一の燃料電池コンポーネント１０１０を有する、上述した装置１０００の一変形形態を示す。燃料電池コンポーネント１０４０の中心エリアは中空であり、反応性酸素の電池へのアクセスを可能にする。燃料電池１０１０の周辺部の周囲に複数の燃料源１０３０が据え付けられ、装置の拡張性を明示する。

図１１は、ガスを通過させずに、水を選択的に通過させることができる高分子膜１１３０によって、一連の燃料電池１１１０と燃料源１１２０の組み合わせが隔てられた装置の、一変形形態１１００を示す。燃料電池において生み出された水は、１つの電池から別の電池へと渡り得て、それによって一連の燃料電池を活性化することができる。任意で、酸素が装置へ流入することを可能にするが、水が装置から漏れることは可能にしない、層１１４０（１０３、図１）が存在する。

例として、０．６Ｖ電位で動作するコンポーネント燃料電池を使用し、図１、図７、および図９において（１００）（７００）および（９００）として示されている燃料と燃料電池の一体型装置の変形形態を使用すると、示されている装置はそれぞれ、０．６Ｖ、２．４Ｖ（４つの燃料電池コンポーネント）、および、３．６Ｖ（６つの燃料電池コンポーネント）を提供する。一般的に拡張性に関しては、１つ、４つ、および６つの燃料電池コンポーネントを有する燃料と燃料電池の一体型装置の例が示されたが、上述の燃料源と燃料電池の一体型装置の、この拡張性変形形態に対する理論的限界は存在しない。

図８は、ハウジング８１０内の連動的な中空８２０から伸長する燃料カートリッジ８２０を含む、一体化された装置の斜視図を示す。図示されている留め具８４０を取り外すと、燃料カートリッジ８２０は取り外し可能となる。当然ながら、本明細書に記載されている１００（図１）、および７００、９００（図７および図９）等の、燃料と燃料電池の一体型装置の任意の変形形態は、燃料を含有する、もしくは、固体燃料を含有するように適合された、または、固体燃料を含有する取り外し可能なもしくは交換可能な燃料カートリッジを伴う、固定チャンバを備え得る。いずれにしても、図７および図９に示される燃料カートリッジ７２０、９２０等の取り外し可能な燃料カートリッジは、本明細書に記載される任意の変形形態に対して、燃料を再供給するために使用され得る。あるいは、主題装置の変形形態は、使い捨てで、かつ、従来の使い捨て化学電池と同じく有限の使用期限を有するように製造され得る。

装置１００（図１）および７００、８００、９００（図７、図８、および図９）は、略平らな側面を持つように、または、立方体もしくはレンガ状構成を有するように示されているが、そのような形状のアスペクト比は大幅に変化し得、例えばカード型装置１２００（図１２Ａ）となる。その他の適した装置形状構成は、燃料電池アノードおよびカソードが円筒型である、円筒１２０１（図１２Ｂ）、燃料電池アノードおよびカソードが実質的に平坦である、円盤１２０２（図１２Ｃ）、燃料電池アノードおよびカソードが実質的に平坦である、楕円１２０３（図１２Ｄ）、燃料電池アノードおよびカソードが円筒型であり、燃料源が燃料電池コンポーネントの外側にある、棒１２０４（図１２Ｅ）、ならびに、その他の特別に設計された形状を含む。図１２Ｆは、かなり短い時間に高電流を流すことに適した、螺旋形状の燃料電池および燃料源を用いる装置構成１２０５を示す。燃料電池膜が非常に高い表面積を有し、当該燃料電池面積に対して燃料体積が比較的低い割合であることが、運転パラメータのこのような選択を提供する。

上述したように、装置のいくつかの変形形態は、負荷の下で自律型のものである。燃料源と燃料電池の一体型装置の原動力は、以下の水素化ホウ素ナトリウムを使用する、燃料電池と一体化された、装置の例によって表すことができる。
燃料：ＮａＢＨ_４＋２Ｈ_２Ｏ→ＮａＢＯ_２＋４Ｈ_２↑＋熱
燃料電池（正味）：４Ｈ_２＋２Ｏ_２→４Ｈ_２Ｏ＋熱
この場合、１モルのＮａＢＨ_４は４モルの水素ガスを生み出し、そのうちの２モルは、燃料電池によって生み出された水に由来する。燃料電池によって生み出された水は、一般にエネルギー密度を算出する際には考慮されず、エネルギー密度は装置の単位体積当たりワット時または単位質量当たりワット時の観点で測定される。したがって、水のフィードバックは、ＮａＢＨ_４と水の全質量から抽出され得るエネルギーを増加させる。

水の導入によって固体燃料内で反応が開始され、燃料電池が負荷の下にある間に、燃料源へ戻るように方向付けられる水を燃料電池反応が生み出す限りは、反応全体が自律型となることを十分に理解すべきである。また、固体燃料からの水素が、電気を生み出すために燃料電池に容易に利用可能であり、燃料電池によって生み出された水が、固体燃料と反応して燃料電池への水素燃料の連続供給を引き起こすために容易に利用可能である場合には、装置内の反応全体が自律型となる。初期量の反応物質アクティベータ、またはこの例では反応性の水を導入する、燃料と燃料電池の一体型装置用の特定の設計について、以下で論じる。この初期導入は、反応を「準備する」、または、反応もしくは装置を「活性化する」と考えられる。実際に、上述した装置の一部の変形形態において、装置は、そのようなアクティベータ材料の離散源を備え得る。活性化源は液体または蒸気であり得る。実際に、水の場合、水蒸気源が環境成分となり得る。当然ながら、最初に、または装置が間欠的な負荷の下にある際に、燃料電池以外の源からの水または水蒸気によって活性化が起こり得る。

図１３Ａ〜図１３Ｄは、燃料源内での反応の活性化を提供する構造のいくつかの設計を示しており、燃料電池以外の源からの水または水蒸気は、固体燃料１３３０に接触し得る。一般に、装置は、細孔、ポート、またはチャネル等の開口部を経由して固体燃料への水が運搬される構造および材料を含み得、流束は、１．）有効な流路長さを決定する材料の厚さ（長い流路は流束の減少と相関する。）、２．）細孔、ポート、またはチャネルの形状（すなわち、より不規則な形状はより曲がりくねった経路を作り出し、流束を減少させる。）、３．）細孔、ポート、またはチャネルのサイズ（すなわち、断面積が大きくなるほど流束を増加させる。）、４．）細孔、ポート、またはチャネルの数（すなわち、開口部の数が多くなるほど流束を増加させる。）、によって制御される。流束を物理的に制御することに加えて、開口部の制御は、シャッター、絞り等の機械制御によって影響され得る。

図１３Ａ〜図１３Ｂの、装置の一部の変形形態において、ハウジング１３１０全体（図１３Ａ）または当該ハウジングの一部（図１３Ｂ）は、ガスの通路を塞ぎながら、外部から（例えば、大気から、または人の呼気から）加えられた液体水または水蒸気が、燃料チャンバ１３２０の中へと通過する、または拡散することを可能にする膜材料を含む。そのような膜の例は、アイオノマー類の膜材料のメンバーを含む。そのような膜は、極めて効率的に水を吸収する、それらの高分子構造内に固定化された吸湿性官能基を有する。これらの膜はさらに、膜材料を経由して極めて迅速に水を移送させる、官能基との相互接続を有する。アイオノマー基質に使用される種類のポリマーの例は、様々なフルオロカーボン、エチレン‐スチレン共重合体、ポリベンゾイミダゾール、および様々なポリアリルエーテルケトンを含む。図１３Ａ〜図１３Ｂに示される、燃料と燃料電池の一体型装置のその他の変形形態において、ハウジング１３１０は、場合によっては機械的制御可能なサイズの、ハウジング壁内に据え付けられた、またはハウジング壁の代わりに使用される、ポートまたはチャネルを有し得る。当該装置の他の変形形態において、ハウジング材料内のポートまたはチャネルは、膜材料と連結して使用される。

図１３Ｃ〜図１３Ｄに示される、主題の燃料と燃料電池の一体型装置のさらに他の変形形態において、当該装置は、例えば水を保持することができる１つ以上の分室または貯留槽１３４０等の水源を含む。図１３Ｃは、ハウジング１３１０内に貯留槽または分室１３４０を有する装置を示す。図１３Ｄは、後でさらに詳細に説明するように、ハウジング１３１０の外部にあり得るが、しかし水が固体燃料１３３０へ入ることを可能にする分室または貯留槽を水源が備える、装置を示す。貯留槽または分室１３４０は、装置内の固体燃料１３３０へ水が入ることを可能にし、貯留槽のサイズおよびその中の水の量、ならびに、貯留槽または分室が持つ水に対する透過性によって、水の流束が制御され得る。そのような貯留槽または分室は、水または水蒸気が固体燃料３４０に入ることを可能にするポートまたはチャネル等の開口部を含むことによって、水の流束を制御することができる。あるいは、分室または貯留槽１３４０は、固体燃料１３３０を中に有するチャンバ１３２０へ水または水蒸気が入ることを可能にするために、水源と燃料との間に据え付けられた透過性障壁、場合によっては上述したような半透性の膜材料を含み得る（図１５Ｄ）。

水源１３４０を有する装置１３００のさらに他の変形形態は、図１３Ｃおよび図１３Ｄに示す装置の制御可能な開口機能の組み合わせを含み得る。開口部は、サイズまたはチャンバ１３２０への水の流束の速度の制御において、機械的制御可能であり得、固体燃料１３３０へ通過する水または水蒸気の全体的速度を制御するために、膜材料と連結して使用され得る（例えば、図１ １０６参照）。

燃料源と燃料電池装置を組み合わせた別の変形形態は、燃料電池に水素を渡し、電気および続いて水を生成するように構成される、装置の外部の水素源を備える。結果として生じた水は、燃料源へ入り、燃料中で水素生産反応を開始、または準備する。

図１４は、燃料源１４１０、水制御システム１４３０、燃料電池１４４０、および水障壁１４５０を含む、装置１４００の概略図である。燃料源１４１０は、個別のカプセル１４２０内に固体燃料を含む。水制御システム１４３０は、２層の材料（１４９０／１４９１）から成り、当該材料のそれぞれは、正しく整列された際に水制御システムを経由して水を通過させることができる制御間隙１４９０と、制御間隙１４９０が閉じている際に開く貯蔵間隙１４７０とを有する。貯蔵間隙は、制御間隙１４９０が閉じている際に、貯蔵容器１４８０への水の通過を可能にする。間隙の整列は、システム内の圧力によって制御され得る。また、装置は、例えば電圧変換器等、装置の電気出力を制御するための電子コンポーネント１４８０を有し得る。

以下の実施例において、様々な燃料源および燃料電池装置が説明される。

（実施例１）
単一の燃料電池を有する、燃料と燃料電池の一体型プロトタイプ装置が構築され、テストされた。Ｈｅｌｉｏｃｅｎｔｒｉｓ Ｅｎｅｒｇｉｅ Ｓｙｓｔｅｍ ＧｍｂＨ社から入手された定格０．６Ｖの燃料電池（６５×６５×２５ｍｍ）が、機械加工可能なアクリル板で作られたハウジングに取り付けられた。燃料と燃料電池の一体型プロトタイプ装置の寸法は、６５×６５×８５ｍｍであった。燃料電池チャンバは、５グラムのＮａＢＨ_４粉末および０．０１ｇのコバルト金属粉末が充填された。これらの材料はいずれもＡｌｆａ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから入手された。装置は、Ｓｙｂｒｏｎ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ社製のアニオン膜によって固体燃料から隔てられた２０ｍｌ貯水槽を含むものとした。この実施例では、貯水槽を１０ｍｌの水で満たした。運転を開始するためには、理論上少なくとも約５００μｌの量の水が必要とされた。燃料電池開路電位を測定すると、０．８５Ｖであった。小型電動式ファンが燃料電池に接続された。その負荷の下で電圧を測定すると、０．６Ｖであった。装置の最初のテストにおいて、ファンは接続を外すまで、３時間連続で運転された。

（実施例２）
実施例２では、２倍の膜厚を有する、実施例１に記載した装置の変形形態が作成され、その結果として、透水性が実施例１とは異なり、水の流束の速度は実施例１のものから５０％減少した。この実施例では、実施例１で使用したアニオン膜材料が、Ｎａｆｉｏｎ（Ｒ）膜被膜で補強された。燃料電池開路電位を測定すると、０．８３Ｖであった。実施例１で使用した電動式ファンが燃料電池に接続され、負荷の下で燃料電池電圧を測定すると、０．６Ｖであった。ファンは接続を外すまで、４時間連続で運転され、燃料と燃料電池の一体型装置は２ヶ月間棚に載せて保管された。２ヶ月経過後、ファンが燃料と燃料電池の一体型装置に再接続され、接続を外すまで２５時間連続で運転された。

（実施例３）
実施例３では、図７に示すものと同様の装置が作成され、テストされた。Ｈｅｌｉｏｃｅｎｔｒｉｓ Ｅｎｅｒｇｉｅ Ｓｙｓｔｅｍ ＧｍｂＨ社から入手された、それぞれ定格０．６Ｖの４つの電池（６５×６５×２５ｍｍ）が、機械加工可能なアクリル板で作られたハウジングに取り付けられた。当該プロトタイプ装置の寸法は、１０５×１０５×８０ｍｍである。カートリッジの中心にある空洞を燃料チャンバで包囲した、取り外し可能なカートリッジが作成された。１００ｇのＮａＢＨ_４粉末および０．２ｇのコバルト粉末触媒を備える燃料チャージが、カートリッジの周辺部に置かれた。約３０ｍｌの容量を有する貯水槽が、燃料カートリッジの上に位置付けられ、ハウジングの先端部内に据え付けられた。貯水槽は、ＰｅｒｍａＰｕｒｅ ＬＬＣから入手されたＮａｆｉｏｎチューブを充填され、貯留槽内の開口部に接合され、燃料カートリッジの空洞に突出する、５本の円筒型中空棒を有するように設計された。水は、Ｎａｆｉｏｎチューブを充填された５本の円筒型中空棒から、燃料チャンバ内へと透過した。プロトタイプ装置の開路電圧を測定すると、３．０Ｖであった。ファンがプロトタイプ装置に接続され、当該ファンが接続を外されるまで、終日連続で運転された。負荷の下で測定した電位は、２．４Ｖであった。

（実施例４）
実施例４では、図７に示すものと同様の装置が作成され、テストされた。Ｃｈｉｎａ Ｓｕｎｒｉｓｅ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ Ｃｏｍｐａｎｙから入手されたそれぞれ定格０．６Ｖの４つの電池（４０×７０×２ｍｍ）が、ラピッドプロトタイピングケースに取り付けられた。燃料のほうへ戻るように水の方向を変えるために、燃料電池のカソード側は、アノード側（１０重量％）の２倍量のＰＴＦＥ（２０重量％）で被覆された。当該プロトタイプ装置の寸法は、４４×４４×８０ｍｍである。カートリッジの中心にある空洞を燃料チャンバで包囲した、取り外し可能なカートリッジが作成された。５ｇのＮａＢＨ_４粉末および０．５ｇのコバルト粉末触媒を備える燃料チャージが、カートリッジの周辺部に置かれた。約１０ｍｌの容量を有する貯水槽が、燃料カートリッジの上に位置付けられ、ラピッドプロトタイピングケースの先端部内に据え付けられた。貯水槽は、ＰｅｒｍａＰｕｒｅ ＬＬＣから入手され、貯留槽内の開口部に接合され、燃料カートリッジの空洞周囲に突出する、２４インチＮａｆｉｏｎチューブを充填するように設計された。水は、Ｎａｆｉｏｎチューブから、燃料チャンバ内へと透過した。プロトタイプ装置の開路電圧を測定すると、３．４Ｖであった。プロトタイプ装置に２０ｍＡの電流が負荷され、燃料を使い尽くすまで連続して運転された。約９ワット時の電力量が得られた。

（実施例５）
実施例５は、Ｅｌｅｃｔｒｉｃ‐ｆｕｅｌ，ｃｏｍから入手された多孔質ＰＴＦＥ膜が、カソード電流コレクタの表面に置かれたことを除き、実施例４に記載したのと同じ装置である。当該プロトタイプ装置の開路電圧を測定すると、３．４Ｖであった。

（実施例６）
実施例６は、ＧＥ Ｏｓｍｏｎｉｃｓ Ｌａｂｓｔｏｒｅ社から入手された多孔質ナイロン疎水性膜が、カソード電流コレクタの表面に置かれたことを除き、実施例４に記載したのと同じ装置である。該プロトタイプ装置の開路電圧を測定すると、３．４Ｖであった。

燃料と燃料電池の一体型装置の実施例が説明されたが、本開示の範囲または精神を逸脱することなく、これら上述した装置の様々な修正形態が作成され得る。これらの実施例は、別途上述した装置の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

図１は、上述した装置を備えるコンポーネントの概略図を示す。 図２は、燃料電池によって生み出された水を再利用するためのプロセスの概略である。 図３は、圧力制御スイッチを備える水制御システムの概略図である。 図４は、圧力制御スイッチと貯水容器とを備える水制御システムの概略図である。 図５は、上述した装置の一種の図である。 図６Ａは、燃料源の燃料を含有するためのカプセルを図示する。 図６Ｂは、燃料源内の複数のカプセルを図示する。 図７は、４つの燃料電池を含む、上述した装置の一種の図である。 図８は、取り外し可能な燃料カートリッジを有する、上述した装置の一種の図である。 図９は、６つの燃料電池を含む、上述した装置の一種の図である。 図１０は、４つの燃料電池と中空内部とを含むる、上述した装置の一種の図である。 図１１は、上述した装置の一種の図である。 図１２Ａは、上述した装置の異なる形を図示する。 図１２Ｂは、上述した装置の異なる形を図示する。 図１２Ｃは、上述した装置の異なる形を図示する。 図１２Ｄは、上述した装置の異なる形を図示する。 図１２Ｅは、上述した装置の異なる形を図示する。 図１２Ｆは、上述した装置の異なる形を図示する。 図１３Ａ〜図１３Ｄは、上述した装置の変形形態の概略を示し、燃料を活性化するのに適した構造を図示している。 図１４は、カプセルを有する固体燃料源と、水制御システムと、燃料電池と、水障壁とを含む、例示的な装置を図示する。

Claims (44)

1. 電気エネルギーを生成するための装置であって、該装置は、
   水素と酸素とを送給されたときに電気と水とを生成することができる、少なくとも１つの燃料電池と、
   固体燃料を備える少なくとも１つの固体燃料源と、を備え、
   該固体燃料源は、該水と反応するときに該少なくとも１つの燃料電池によって使用するための水素を生み出すように構成され、該固体燃料源および該燃料電池は、該燃料電池によって生み出された該水の量が、該固体燃料と反応して該燃料電池によって使用するための水素を生み出すために、該固体燃料源へ方向付けられるように構成される、
   装置。
2. 前記固体燃料源は、金属；アルカリ金属；アルカリ土類金属；金属、アルカリ金属、およびアルカリ土類金属の水素化物塩およびそれらの錯塩；ならびに、アルカリ金属、アルカリ土類金属、アンモニウム、およびアルキルアンモニウムの水素化ホウ素塩、のうちから選択される少なくとも１つのメンバーを備える、請求項１に記載の装置。
3. 前記固体燃料源は、選択される少なくとも１つのメンバーを備える、請求項１に記載の装置。
4. 前記固体燃料源は、ナトリウム、リチウム、カリウム、およびルビジウムのうちから選択される少なくとも１つのメンバーを備える、請求項１に記載の装置。
5. 前記固体燃料源は、ＭｇＨ_４、ＮａＡｌＨ_４、ＬｉＡｌＨ_４、ＫＡｌＨ_４、ＮａＧａＨ_４、ＬｉＧａＨ_４、ＫＧａＨ_４、Ｍｇ（ＡｌＨ_４）_２、２Ｌｉ_３ＡｌＨ_６、Ｎａ_３ＡｌＨ_６、およびＭｇ_２ＮｉＨ_４のうちから選択される少なくとも１つのメンバーを備える、請求項１に記載の装置。
6. 前記固体燃料源は、ＮａＢＨ_４、ＬｉＢＨ_４、ＫＢＨ_４、Ｍｇ（ＢＨ_４）_２、Ｃａ（ＢＨ_４）_２、ＮＨ_４ＢＨ_４、および（ＣＨ_３）_４ＮＨ_４ＢＨ_４のうちからの少なくとも１つのメンバーを備える、請求項１に記載の装置。
7. 前記固体燃料は、ＮａＢＨ_４を備える、請求項６に記載の装置。
8. 前記固体燃料源は、請求項２から請求項６までにおいて列挙されたメンバーのうちから選択される少なくとも２つのメンバーを備える、請求項１に記載の装置。
9. 水素を生み出すための前記固体燃料の反応を触媒するための触媒をさらに備える、請求項２から請求項８までに記載の装置。
10. 前記触媒は、０．１重量％〜１０重量％の量で存在する、請求項９に記載の装置。
11. 水素を生み出すための前記固体燃料の前記反応を安定化するための安定剤をさらに備える、請求項３から請求項１０までに記載の装置。
12. 前記少なくとも１つの燃料電池に隣接する水障壁をさらに備える、請求項１から請求項１１までの任意の一項に記載の装置であって、該水障壁は、酸素を透過しかつ実質的に防水性であるように構成される、装置。
13. 前記水障壁はＰＴＦＥを備える、請求項１２に記載の装置。
14. 単一の電池燃料を備える、請求項１から請求項１３までの任意の一項に記載の装置。
15. 複数の電池燃料を備える、請求項１から請求項１４までの任意の一項に記載の装置。
16. 活性化剤を含有するアクティベータをさらに備える、請求項１から請求項１５までの任意の一項に記載の装置であって、該アクティベータは、電気の生成を開始するために、前記装置へ該活性化剤を放出するように構成される、装置。
17. 前記活性化剤は水である、請求項１６に記載の装置。
18. 前記活性化剤は水素である、請求項１８に記載の装置。
19. 請求項１６、請求項１７、または請求項１８に記載の装置であって、
    該装置は活性化障壁をさらに備え、該活性化障壁は前記活性化剤が該装置内へ放出されることを防止するように構成され、該活性化障壁は、前記アクティベータをして該活性化剤を該装置へ放出させるように、修正されるように構成される、
    装置。
20. 前記活性化障壁は、前記活性化剤を透過しない材料から成る、請求項１９に記載の装置。
21. 前記燃料源は取り外し可能である、請求項１から請求項２０までの任意の一項に記載の装置。
22. 水制御システムをさらに備える、請求項１から請求項２１までの任意の一項に記載の装置であって、該水制御システムは、前記燃料電池によって生み出され前記燃料源へ戻る前記水の通過を制御するように構成される、装置。
23. 前記水制御システムは、該システム内の圧力が臨界値を上回るときには、前記燃料電池によって生み出される前記水が前記燃料源に到達することを防止するように構成される感圧スイッチを備える、請求項２２に記載の装置。
24. 該水制御システムは感圧レギュレータを備え、該感圧レギュレータは、該システム内の圧力が臨界値を上回るときには、前記燃料電池によって生み出される前記水が前記燃料源に到達することを防止するように構成され、該臨界値を下回る該システム内の該圧力に基づいて該燃料源に向かって該水制御システムを通過する水の量を調節するように構成される、請求項２２に記載の装置。
25. 前記感圧スイッチは機械的である、請求項２３に記載の装置。
26. 前記感圧スイッチは開口部を有する化学物質であり、該開口部のサイズは前記システム内の前記圧力に対する感受性を有する、請求項２３に記載の装置。
27. 前記感圧レギュレータは機械的である、請求項２４に記載の装置。
28. 前記感圧レギュレータは開口部を有する化学物質であり、該開口部のサイズは前記システム内の前記圧力に対する感受性を有する、請求項２４に記載の装置。
29. 前記燃料電池によって生み出され、前記燃料源に入ることを防止されている、前記水を貯蔵するための、該燃料電池および該燃料源と連通する貯水容器をさらに備える、請求項２４、請求項２５、請求項２６、請求項２７、または請求項２８に記載の装置。
30. 前記固体燃料源は、前記固体燃料および反応生成物を含有する個別のカプセルを含有し、該カプセルは、前記水および前記水素を透過する、請求項１から請求項２９までの任意の一項に記載の装置。
31. 前記貯水容器は、前記水を吸収するように構成される発泡材料を含有する、請求項２９に記載の装置。
32. 前記発泡材料はヒドロゲルである、請求項３１に記載の装置。
33. 前記化学物質は、金属、ＰＴＦＥ、ナイロン、炭素、ならびに、ポリウレタン、およびポリ２‐（アクリルアミド）‐２‐メチルプロパンスルホン酸（ＰＡＭＰＳ）等のポリマーから成る群のうちから選択される、請求項２６または請求項２８に記載の装置。
34. 前記カプセルは、前記システム内の圧力が臨界圧以上である場合には、該カプセル内に含有される前記固体燃料への水の前記通過を防止するように構成される感圧材料から作られる、請求項３０に記載の装置。
35. 前記化学物質は、金属、ＰＴＦＥ、ナイロン、炭素、ならびに、ポリウレタン、およびポリ２‐（アクリルアミド）‐２‐メチルプロパンスルホン酸（ＰＡＭＰＳ）等のポリマーから成る群のうちから選択される、請求項３４に記載の装置。
36. 電気を生成するための方法であって、
    水素を生成するために固体燃料を水と反応させるステップと、
    燃料電池中において該水素を電気と水とに変換するステップと、
    水素を生成するために、水素燃料電池によって生み出される該水の量を該固体燃料へ方向付けるステップと、
    を包含する、方法。
37. 前記固体燃料源へ方向付けられる水の前記量を制御するステップをさらに包含する、請求項３６に記載の方法であって、該固定燃料源へ方向付けられる水の該量は、電力需要に依存する、方法。
38. 電力需要の減少は圧力の増加によって証明され、該圧力は、前記固体燃料源へ方向付けられる水の前記量を制御するために使用される、請求項３７に記載の方法。
39. アクティベータから活性化剤を導入することによって前記固体燃料を活性化するステップをさらに包含する、請求項３６、請求項３７、または請求項３８に記載の方法。
40. 前記活性化剤は、Ｈ_２およびＨ_２Ｏから成る群のうちから選択される、請求項３９に記載の方法。
41. 使用される固体燃料および水の全質量当たりの生み出される水素のモル数は、該固体燃料と反応する該水が、前記燃料電池によって生み出される該水である場合には増加する、請求項３６から請求項４０までの任意の一項に記載の方法。
42. 前記固体燃料固体燃料源は、ナトリウム、リチウム、カリウム、およびルビジウムのうちから選択される少なくとも１つのメンバーを備える、請求項３６から請求項４１までの任意の一項に記載の方法。
43. 前記固体燃料固体燃料源は、ＭｇＨ_４、ＮａＡｌＨ_４、ＬｉＡｌＨ_４、ＫＡｌＨ_４、ＮａＧａＨ_４、ＬｉＧａＨ_４、ＫＧａＨ_４、Ｍｇ（ＡｌＨ_４）_２、２Ｌｉ_３ＡｌＨ_６、Ｎａ_３ＡｌＨ_６、およびＭｇ_２ＮｉＨ_４のうちから選択される少なくとも１つのメンバーを備える、請求項３６から請求項４１までの任意の一項に記載の方法。
44. 前記固体燃料固体燃料源は、ＮａＢＨ_４、ＬｉＢＨ_４、ＫＢＨ_４、Ｍｇ（ＢＨ_４）_２、Ｃａ（ＢＨ_４）_２、ＮＨ_４ＢＨ_４、および（ＣＨ_３）_４ＮＨ_４ＢＨ_４のうちからの少なくとも１つのメンバーを備える、請求項３６から請求項４１までの任意の一項に記載の方法。

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