JP2009039710A - 携帯型ガス発生デバイスおよびこのようなデバイスを備えた電気燃料電池電源 - Google Patents

Abstract

【課題】携帯型ガス発生デバイスおよびこのようなデバイスを備えた電気燃料電池電源を提供すること。
【解決手段】液体反応物タンク（６）と、固体元素を含有することが意図された反応チャンバ（８）とを備えた、液体反応物と固体元素を接触させることによってガスを発生させるためのデバイスであって、タンク（６）および反応チャンバ（８）は、移動壁（４）によって密閉方式で分離されており、反応チャンバ内で生成されたガスを収集するための出口ポート（２６）と、液体反応物を固体元素に注入するための手段（１４）とを備えており、この注入手段（１４）は移動壁（４）を貫通しており、固体元素の中へ移動することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は携帯型ガス発生デバイスに関し、より詳細には、とりわけ、このようなガス発生器、詳細には水素発生器を備えた燃料電池のための携帯型水素発生器、およびこのような燃料電池を備えた電気駆動携帯型エレメントに関する。

クリーンエネルギー源の探求は、とりわけオイル資源の漸減ならびに化石燃料の使用による環境に対する影響のため、ますます重要になっている。燃料電池、詳細には水素燃料電池を使用することにより、環境に対する影響が最も小さい方法で電気を生成することができる。これらの燃料電池には、電気化学反応によって電気を生成するための原料として水素が使用されている。

水素は、加圧ガスの形態または液体の形態のいずれかで水素タンクによって供給することができるが、水素の貯蔵には容量の大きいタンクが必要である。さらに、水素は可燃性が極めて強いため、これらのタンクは、とりわけ安全でなければならない。したがって携帯型デバイス、その中でもとりわけ小型のデバイスにこのタイプの貯蔵を使用することはできない。

また、エネルギー露出によって放出される水素を含有した金属化合物を使用することも可能である。水素の貯蔵を可能にしている可逆反応のタイプは次の通りである。

したがって水素を放出させるためには、熱の形態のエネルギーを外部から供給しなければならない。しかしながら、総合的なエネルギー生成効率はそれほど高くない。

１つの代替方法は、必要に応じて、反応物を水素化物である複数の反応物のうちの１つと混合することによって水素を生成することである。

したがって、このタイプの水素パワー供給は、携帯型装置の微小燃料電池にエネルギーを供給するためにとりわけ適しているように思われる。

必要に応じて水素を生成するためのとりわけ有利な解決法は、触媒、たとえばＮａＢＨ_４またはＭｇ（ＢＨ_４）_２が存在している状態で、水、より一般的には水溶液を以下の反応、すなわち、
ＮａＢＨ_４＋２Ｈ_２Ｏ→ＮａＢＯ_２＋４Ｈ_２
または
Ｍｇ（ＢＨ_４）_２＋４Ｈ_２Ｏ→Ｍｇ（Ｂｏ）_２＋８Ｈ_２
に従って水素化物と反応させることである。

しかしながら、水素を準備するためのこの方法は、液体と固体との間の非均質反応を実施しており、したがってこの反応の動力学は、同じ状態の２つの化合物間の反応の動力学より劣っている。また、反応器が小さい場合、反応動力学を改善するために液体をかき混ぜる手段を提供することを想定することは困難である。

特許文献１には、金属混成塩の水溶液と水素発生触媒との間の接触によって水素を生成するためのシステムが記述されているが、このシステムには、金属混成塩およびポンプによって供給される触媒を反応チャンバに導入する必要がある。したがってこのシステムは比較的嵩張り、また、電気エネルギーを外部から供給する必要がある。

特許文献２には、水タンクを備え、かつ、固体反応物、たとえば水素化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＨ_４）を含有したチャンバを備えた水素発生器が記載されている。水タンクと固体反応物を含有したチャンバとの間に、固体反応物を含有したチャンバに供給される水を調整するための弁が設けられている。この調整は、固体反応物を含有したチャンバ内に生成される水素ガスの圧力を使用して達成されている。

この水素発生デバイスは比較的コンパクトであるが、生成される水素が反応チャンバ内に存在し、そのために反応の反応速度(reaction kinetics)が遅くなるため、水と水素化ホウ素ナトリウムとの間の反応動力学を最適化することはできない。
国際公開第２００４／０１８３５２号パンフレット 米国特許出願公開第２００６／０１９１１９９号明細書

したがって本発明の目的は、必要に応じて水素を生成することができるコンパクトかつ効率的な水素発生デバイスであってより一般的には、発生器のあらゆる位置で必要に応じて水素を生成することができ、したがって水素生成の開始および停止が単純な方法で制御される水素発生デバイスを提供することである。

また、本出願の目的は、携帯型装置に電気エネルギーを供給するためのコンパクトかつ効率的な電源を可能にするデバイスを提供することである。

上記の目的は、水溶液タンクと、水溶液と接触するとガスを放出することができる固体化合物を含有した反応チャンバと、水溶液を固体元素の所定の領域に注入するための手段であって、前記所定の注入領域を変更することができ、それにより、反応生成物、詳細には生成されるガスによる反応の継続の制限を回避することができる注入手段とを備えたガス発生器によって達成される。

つまり、本発明には、「反応領域のファウリング(fouling)またはチョッキング(chocking)」を回避するために、水溶液を注入する固体の位置を注入ごとに離散的または連続的に修正するステップが含まれている。

第１の実施形態では、水素発生デバイスは、たとえば、タンクおよび反応チャンバを備えた水素発生デバイスのハウジングの外側に配置されたサムホイールによって手動で制御される。代替実施形態では、注入は、電動機によって制御される。

有利な実施形態では、水素の発生は、反応チャンバ内に生成される水素ガスによって自動的に制御される。このようにして提供される化学反応器は、どのような場所でも、それほど嵩張ることなく動作させることができ、また、水素生成の開始および停止が手動で制御され、あるいは自動的に制御される。

固体反応物は、たとえば、水素化ホウ素金属であっても、あるいは触媒すなわち反応活性剤を添加することができる複数の反応物の混合物であってもよい。また、水溶液は、有利には、水溶液中に溶解した反応活性剤を含有することも可能である。

第３の実施形態では、反応チャンバは固体触媒を含有しており、また、タンクは、水素化物を含有した水溶液を貯蔵することができる。

したがって本発明には、反応物が障害となって反応が停止することがないよう、固体化合物と液体化合物との間の反応のリーディングエッジ(leading edge)を移動させるステップが含まれている。

たとえば、液体、詳細には水溶液は、液体反応物が反応チャンバに導入されると、端部が固体成分に対して移動する管によって固体成分に注入される。したがって液体は、常に固体成分の新しい領域と反応する。

溶液は、たとえ安定化した後でも長期間の間に破壊するが、このデバイスは、さらに、反応に先だって分離される安定した生成物をもたらす利点を有している。したがって、より長い時間にわたって発生器を維持し、かつ、必要に応じて動作させることができる。

流体循環が崩壊する危険を伴うことなく、ペースト状または固体の反応生成物を使用することができる。また、反応生成物、詳細には水素が流体に置き換えられるため、一定の体積を備えたデバイスが維持される。

第１および第２の実施形態の場合、固体への水溶液の注入は、補助ポンプを使用することなく実行される。したがってこのデバイスは、電気エネルギーを供給することなく動作する。

本発明の主題は、主として、液体反応物タンクと、固体元素を収容することを目的とする反応チャンバとを備えた、液体反応物を固体元素と接触して配置することによってガスを発生させるためのデバイスである。タンクおよび反応チャンバは、移動壁によって密閉方式で分離されており、反応チャンバ内で生成されたガスを収集するための出口ポートと、液体反応物を固体元素に注入するための手段とを備えている。注入手段は移動壁を貫通しており、固体元素の中へ移動することができる。

注入手段は、有利には、移動壁と運動で一体化されている。したがって注入手段の運動は、タンクの体積の減少と同時に生じる。

注入手段は、移動壁を貫通し、タンクと反応チャンバとを接続している少なくとも１つの管を備えることができる。

一実施形態では、移動壁はピストンであり、タンクの体積が減少する方向にピストンが運動すると、タンクから反応チャンバへ液体反応物が流れる。

他の実施形態では、タンクは、タンクから反応チャンバへ液体反応物が流れるよう、変形可能な可撓性タンクによって範囲が定められており、それにより容易にタンクを密閉することができる。

移動壁は、エンドレスネジ機構に接続されている。この機構は、注入管の内壁に形成された雌ネジと協同する雄ネジを備えたシャフトを備えることができる。このシャフトは回転可能であり、また、液体反応物は、管とシャフトとの間を流れることができる。

移動壁を移動させるために、手で回すことができ、あるいはシャフトの一方の端部と係合した電動機によって回すことができるサムホイールをシャフトの一方の端部に設けることができる。

一実施形態では、デバイスは、タンクと反応チャンバとの間の逆止弁と、タンクの体積が増加する方向への移動壁の運動を防止するための手段と、生成されたガスの圧力によって変形することができる手段とを備えている。この実施形態によれば、反応チャンバ内への液体反応物の注入を自動的に制御することができる。

この実施形態では、移動壁はピストンであり、変形可能な手段は、タンクの壁の一部を形成している膜によって形成されており、前記壁に加えられる、タンクの内側へ向かう力により、タンクに貯蔵されている液体反応物の圧力が高くなる。

また、液体に含まれている少なくとも１つのガス気泡が膜に置き換えられている。

タンクの体積が増加する方向への移動壁の運動を防止するための手段は、注入管に作用する爪型の手段である。

有利には、固体元素は、ガスの収集を容易にするためにガスを通過させることができる。固体元素は、Ｈ_２の通過、延いてはその吐出を改善する多孔性コンポーネント、たとえばアルミナまたは黒鉛に結合することができる。反応物は、多孔性で、かつ、反応物に対して不活性である化合物に結合することができる。

水素発生デバイスの場合、固体元素は水素化物であり、液体反応物は水溶液である。水溶液は、有利には、白金、ニッケル、Ｒｕ、ＣｏＣｌ_２、リンゴ酸または塩酸によって形成された触媒を含有することができる。

また、固体元素をＣａＣ_２にし、かつ、液体反応物を水溶液にして、アセチレンを発生させることができ、もしくは固体元素をＣｌ_３ＣＣＨ（ＯＨ）ＮＨＣＯＯＣ_２Ｈ_５にし、かつ、液体反応物を水溶液にして、塩素を発生させることができ、または固体元素を酸化マンガンにし、かつ、液体反応物を塩酸にして、塩素を発生させることができ、あるいは固体元素を過酸化ナトリウムにし、かつ、液体反応物を水溶液にして、酸素を発生させることができる。

液体反応物および／または固体元素は、液体反応物と固体元素との間の反応の触媒を含有することができる。

液体反応物は、白金、ニッケル、Ｒｕ、ＣｏＣｌ_２、リンゴ酸または塩酸によって形成された触媒を含有することができる。

他の実施形態では、固体元素は、液体反応物が接触するとガスを発生する触媒である。

また、液体反応物は、水素化物および安定剤、たとえば水酸化ナトリウムを含有した水溶液であってもよく、また、触媒は、白金、ルテニウム、コバルトまたはコバルトとホウ素の合金である。

固体元素は、多孔性であることが有利である、触媒がその上に付着した基板を備えることができる。

本発明は、さらに、燃料電池と、本発明による少なくとも１つの水素発生デバイスとを備えた電源に関している。前記少なくとも１つの水素発生デバイスは、燃料電池に気体水素を供給するために、その収集出口の高さと同じ高さで燃料電池に空気圧で接続されている。

また、本発明は、本発明による電源を備えた携帯型電気エレメントに関している。

本発明は、以下の説明および添付の図面を参照することにより、より深く理解されよう。

以下の説明では、本発明による発生デバイスは、燃料電池のための水素発生器として説明されているが、本発明は、燃料電池以外の他のデバイスによって使用される、固体元素と液体反応物との接触による他のガスの発生にも適している。

また、説明を分かり易くするために、ここでは水素ガスについて論ずるが、実際には二水素Ｈ_２である。

図１は、本発明による水素発生デバイスの第１の実施形態を示しており、長手方向軸Ｘを備えた内部体積Ｖの範囲を定めているケーシング２を備え、ピストン４が軸Ｘに沿ってスライド可能に取り付けられている。ピストン４は、体積Ｖを、水溶液を貯蔵することを目的としたタンク６と、固体反応物１０を収容することを目的とした反応チャンバ８に分割している。

ピストン４は、たとえばその外部周囲に取り付けられた、ハウジング２の内壁を擦るＯ−リング１２によってハウジング２内に密閉方式でスライドする。

また、第１の実施形態による水素発生デバイスは、水溶液または液体反応物をタンク６から反応チャンバ８内に注入するための手段１４を備えている。

この実施例の場合、注入手段１４は、ピストン４と一体で移動する。

注入手段１４は、ピストン４を貫通している注入管１６を備えている。注入管１６は、軸Ｘを備えており、タンク６と反応チャンバ８を流体接続している。

たとえば、管１６は、ピストン４の中に形成された軸方向通路１８の中に取り付けられており、この取付けは、ピストン４と管１６との間の液体の漏れを防止するために、密閉方式で実施されている。

ここでは、管１６は、タンク６内に至っている第１の軸方向端部１６．１と、反応チャンバ８内に至る第１の軸方向端部１６．１とは反対側の第２の軸方向端部１６．２と、を備えている。

したがって注入端１６．２は、ピストン４が移動すると固体反応物の中へ軸方向に移動する。

また、第１の実施形態による水素発生デバイスは、ピストン４を軸方向に移動させるための手段を備えており、この運動手段２０は、手動で作動される。

本発明において、これらの手段２０は、ハウジング２の外側にサムホイール２２を備えている。このサムホイールは、シャフト２４と一体で回転し、軸Ｘのシャフト２４は、注入管１６の中へ貫通する。シャフト２４は、注入管１６の内壁に形成された雌ネジと協同する雄ネジを備えており、したがってエンドレスネジを形成している。したがってサムホイール２２が回転すると、シャフト２４が回転して注入管１６の軸Ｘに沿ってスライドし、延いては前記注入管と一体のピストン４がスライドする。ピストン４は、サムホイール２２に加えられる回転の方向に応じて、本発明による発生器のハウジング２の縦方向の一方の端部からもう一方の端部へ向かって移動する。

本発明によれば、シャフト２４の雄ネジおよび注入管１６の雌ネジは、それらによって、タンク６に貯蔵されている液体反応物がシャフト２４と注入管１６の内壁との間を通って反応チャンバ８へ流入することができるように形成されている。ガスの流れを容易にするために、雄ネジおよび／または雌ネジに、それぞれシャフトおよび／または管の長さ全体にわたって展開している軸方向の溝を形成することができる。

また、本発明によれば、液体反応物と固体反応物が反応チャンバ内で接触することによって生成される気体水素を吐出させるための手段が設けられる。この手段２６は、この実施例において、ハウジング２の側壁２８に、ピストン４と固体反応物の側面の側壁２７との間の自由空間の高さと同じ高さで設けられている収集管によって形成されている。

壁２７はハウジング２と一体であり、軸Ｘに対して直角に取り付けられている。壁２７は、注入管１６が貫通している中央通路を備えている。

壁２７は、収集管２６の方向の気体水素の流れを可能にするために、ハウジング２内に密閉方式では取り付けられていない。

気体水素の吐出、詳細には、液体反応物及び固体反応物の間の反応領域と収集管２６との間のガスの流れを可能にするために、固体反応物はガスに対して多孔性であり、したがってガスは、固体反応物を通過することができる。

多孔性反応物は、生成されるガスの通過を可能にする多孔度をもたらす。多孔性反応物は、固められた粉末の形態であってもなくてもよい。ガスの流れを容易にするために、この反応物と中性材料のボールを組み合わせることも可能である。

次に、本発明の第１の実施形態によるデバイスの動作について説明する。

最初に、タンク６に液体反応物、詳細には、前記溶液に溶解した反応活性剤を含有していても、あるいは含有していなくてもよい水溶液が満たされ、また、反応チャンバ８に固体反応物、たとえばＮａＢＨ_４が充填される。気体水素の生成を開始するために、サムホイール２２が起動され、それにより、図１の右側へ向かってタンク６の体積が減少する方向にピストンが移動する。タンク６に貯蔵されている液体反応物は、タンク６の体積の減少により、雄ネジと雌ネジとの間の注入管１６の中を注入管１６の端部１６．１に向かって流れ始める。液体が端部１６．２を通って管１６から流出すると、流出した液体と固体反応物１０が接触し、それにより、反応、
ＮａＢＨ_４＋２Ｈ_２Ｏ→ＮａＢＯ_２＋４Ｈ_２ （Ｉ）
に従って気体水素が生成される。

次に、このようにして生成された気体水素は、収集管２６から燃料電池の方向、詳細には微小燃料電池の方向に吐出し、それにより空気中の酸素と反応して、次の反応、
Ｈ_２＋Ｏ_２（空気）→Ｈ_２Ｏ＋ｅ⁻
に従って水および電子は、形成される。

注入管１６がピストン４と一体で移動するため、タンク６の体積が減少する方向にサムホイールが回転すると、管の端部１６．２が移動し、その結果、液体反応物の注入領域が変更される。より詳細には、管１６の端部１６．２の移動に追従して注入領域が軸方向にシフトする。図１に示されている実施例の場合、この端部１６．２は、軸方向に右側へ移動する。

したがって、液体反応物は、異なる反応位置で固体反応物１０と接触することになる。つまり、液体反応物は、常に新しい固体反応物に注入される。

このデバイスは、生成がコンパクトかつ著しく単純であるという利点を有している。このデバイスによれば、生成を手動で制御することができ、必要に応じて、かつ、高い生成効率で、携帯型デバイスのための電気の生成に必要な水素を生成することができる。

燃料電池を動作させるためのカートリッジが提供されるため、電圧または強度などの電気パラメータの表示を使用して、Ｈ_２の生成を再開するためにサムホイールを回転させる必要があることを使用者に知らせることができる。

図２は、図１に示されている本発明の第１の実施形態によるデバイスの工業用実施形態を示したものであり、たとえばハウジングは、たとえばポリカーボネート製の台３２を備えた管３０と、ネジによって管に固着された、管の他端を閉じている蓋３４と、を備えている。

図２に示されているように、シール１２は、ピストン４の外部周囲に形成された溝に取り付けられている。

一例として、デバイスは、その長さを８ｃｍにすることができ、また、２．１ｃｍ^３の液体反応物および４ｃｍ^３の固体反応物を収容することができる。ピストンは、その直径を１２ｍｍかつ行程を２４ｍｍにすることができる。当然、直径がもっと大きいデバイスあるいは直径がもっと小さいデバイスを提供することも可能であり、また、反応チャンバおよびタンクは、最大数十ｃｍ^３の容量を有することができる。気体水素発生デバイスの大きさは、当然、燃料電池、より一般的には燃料電池によって電力が供給される携帯型デバイスが必要とする水素の量によって様々である。

有利には、ピストンおよび管は、たとえば成形によって単一片でできている。したがって、ピストン４の中に取り付けられた管を設ける必要はない。

ピストンならびに管は、使用される反応性材料と両立するプラスチック材料を使用して構築することも可能である。

図３は、本発明による気体水素発生デバイスの第１の実施形態の代替を示したもので、サムホイールがシャフト２４の回転を駆動する電動機４４に置換されており、また、ピストン４が除去され、可撓性タンク４６がタンク６を形成している点で、図１および２に示されているデバイスとは異なっている。したがって、この代替方法では、タンクの密閉が単純化されている。

図１および図３に示されているデバイスの場合では、可撓性タンクの形態のタンクを形成することも可能である。

注入管１６は、タンク４６の内部と反応チャンバ８の内部と連絡している。可撓性タンク４６は、第１の端部によって密閉方式でハウジング２の縦方向の端部に取り付けることができ、また、第２の端部により管１６に固着された剛直座金であって液体が通って流れることができる剛直座金に取り付けることができる。

シャフト２４は、図１および３に示されているデバイスと同様、管１６の内壁に形成された雌ネジと協同する雄ネジを備えている。電動機４４を起動すると、シャフト２４が回転し、管１６がシャフト２４に対して軸方向に移動する。電動機の回転方向に応じて、可撓性タンク４６の内部体積が増減する。

この実施形態の操作において、電動機４４は、可撓性タンク４６の内部体積が減少する方向に回転し、それにより、この体積の減少によって液体反応物が雄ネジと雌ネジとの間を反応チャンバ８の方向に流れる。

第１の実施形態と同様、固体反応物は、多孔性のものが選択され、より一般的には、図に示されている実施例ではハウジング２の側壁に設けられている収集管２６の方向に気体水素が流れることができるように選択される。

電動機は、使用者が起動することも、あるいはカートリッジ上の圧力検出器または燃料電池上の強度センサを使用して起動することもできる。たとえば、収集管２６の高さと同じ高さで水素圧力を測定する圧力センサに接続された電気接触器を使用して、圧力が所定の閾値未満に降下すると電動機を動作することができる。

図４は、本発明における自動運転を実現する利点を有する気体水素発生器の第２の実施形態を示したものである。この第２の実施形態によれば、固体反応物への液体反応物の注入が、使用者による手動の介在を必要とすることなく、デバイスによって自動的に制御され、また、固体反応物の注入が水素発生デバイスによって自己持続方式で制御される。

実質的に同じ形態を有し、かつ、実質的に同じ機能を実行するデバイスに対しては、同じ参照符号を使用することができる。

図４に示されている第２の実施形態によるデバイスは、反応チャンバ内で生成されたガスがタンクに流入するのを防止するために、タンク６と反応チャンバ８との間に逆止弁手段３８が設けられている点で、第１の実施形態によるデバイスとは異なっている。

また、管１６およびピストン４がタンク６の体積が増加する方向に移動することを防止するために、逆止爪システム４０が提供されている。したがって、液体反応物がタンク６から反応チャンバ８に流入して固体反応物と接触すると、気体水素は生成され、それにより反応チャンバ８内の圧力は上昇する。逆止弁３８は、水素ガスがタンクに流入することを防止し、前記反応チャンバ８内の圧力の上昇を可能にしている。この圧力上昇によってピストン４に力が加えられ、軸Ｘに沿ってタンク６の体積が減少する方向にピストン４はスライドし、それにより反応チャンバ８に向かって液体反応物は流れる。

この実施形態では、気体水素収集管２６は、反応チャンバ８の軸方向の端部に設けられている。

反応チャンバからの気体水素の吐出は、タンク６の体積が減少する方向へのピストン４のスライドを阻止し、延いては反応チャンバ８への液体反応物の供給を遮断する。

本発明によれば、注入管１６は、ピストン４に軸方向に固着されているため、管の注入端１６．２は軸方向に固体反応物の中へ移動し、したがって、反応ゾーン、詳細には液体反応物と固体反応物との間の接触領域が常に更新される。

反応の開始、詳細には反応チャンバ８への液体反応物の注入の開始は、タンク６を加圧することによってなされる。

図４に示されている実施例では、タンクは、逆止弁の設定値に到達していない限り、ピストンがタンク６の中へ移動することができ、また、爪が新しい歯を捕獲することができるように、可撓性膜または他の任意の変形可能エレメントによって少なくとも部分的に範囲が定められている。

図に示されている実施例では、膜４２は、ピストン４とは反対側のタンク６の縦方向の端部に提供されている。

図６Ａおよび図６Ｂは、第２の実施形態の爪システムを詳細に示したもので、可撓性膜４２はガス気泡４８に置き換えられている。このガス気泡４８は、圧縮されると、ピストン４をスライドさせ、延いては爪を新しい歯に向かって移動させることができ、したがって液体の圧力を蓄えることができる。

ガス気泡４８が使用される場合、反応をトリガするための手段が設けられる。

第１の実施形態と同様、固体反応物は、多孔性のものが選択され、より一般的には、気体水素が収集管２６の方向に流れることができるように選択される。

次に、第２の実施形態によるデバイスの動作について説明する。

膜４２にタンク６の内側へ向かう応力が加えられると、タンク６が加圧され、タンクと反応チャンバとの間の圧力差が弁の設定値に到達すると、液体反応物が管１６を通って反応チャンバ８に流入する。

注入管１６の端部１６．２から液体が流出して固体反応物１０と接触し、反応（Ｉ）に従って気体水素が生成される。

水素は、逆止弁のためにタンクから逃れることができないため、反応チャンバ内の圧力が上昇する。したがって、タンクと反応チャンバとの間の圧力差が弁の設定値より小さく、弁が閉じて、タンクから反応チャンバへの液体の流れが遮断される。

また、ピストン４に力が加えられると、ピストン４は、タンク６の体積が減少する方向に移動する。

ダクト２６によって水素が収集され、タンクと反応チャンバとの間の圧力差が再び逆止弁の設定値に到達し、液体反応物が再び反応チャンバ８内に注入される。したがって、反応チャンバ８内の水素圧力を制御することにより、固体反応物への液体反応物の注入を制御することができる。

たとえば膜４２によって隔離された空洞にたとえばイソブテンなどの沸点の低いガスを充填することにより、たとえば前記膜を圧力下に置くことができる。

当然、完全に変形させることができる嚢によって形成されたタンクを想定することも可能である。

一例として、ピストンの運動は、Ｈ_２の発生によって反応チャンバ内に発生する圧力によって生じ、液体圧力は、７２μｌのガス気泡を圧縮することにより、爪によって蓄えられる。

選択される弁の設定値は、５ｂａｒである。

爪の個々の歯は、６０μｌの体積移動に相当している。したがって、直径が１．６ｃｍのピストンの場合、爪の行程は０．３ｍｍである。

したがって、大気圧で７２μｌのガス気泡は、１個の歯による爪の移動によって最大５ｂａｒに圧縮される。

したがって、６０μｌの最大液体注入量を選択することにより、１２０ｃｍ^３のＨ_２が生成され、また、２４ｃｍ^３のデッドボリュームの反応チャンバを選択することにより、反応チャンバ内の圧力が最大５ｂａｒに到達する。

このデバイスは、全水素生成期間の間、手動による介在を必要とすることなく固体反応物への液体反応物の自動注入が保障される利点を有している。液体反応物の注入が自己持続型になるよう、水素生成ステップの開始時に液体反応物を加圧するだけで十分である。

上で説明した水素発生デバイスの様々な実施形態を使用して、他のタイプのガスを発生させることも可能である。たとえば、ＣａＣ_２と水とを反応させることによってアセチレンを発生させることができ、水とクロラールウレタン（Ｃｌ_３ＣＣＨ（ＯＨ）ＮＨＣＯＯＣ_２Ｈ_５）とを反応させることによって塩素を生成することができ、塩酸溶液と酸化マンガンとを反応させることによって塩素を生成することができ、あるいは最後に、水と過酸化ナトリウムＮａ_２Ｏ_２とを反応させることによって酸素を生成することができる。

当然、これらの例は、非制限であり、本発明によるデバイスは、他のガスを生成することも可能である。

説明されている実施形態では、注入管は移動壁に取り付けられている。したがって、注入の制御と注入領域の運動は、単純な方法で結合されている。しかしながら、移動壁の運動を注入管に結合するために特定の結合手段が設けられているデバイスは、本発明の範囲内である。

上で説明した実施形態では、単一の注入器が説明されているが、当然、たとえば第１および第２の実施形態の場合、固体反応物の表面に注入される液体反応物の量を多くし、延いては所与の瞬間に生成される気体水素の量を多くするために、複数の注入器、詳細には、ピストン４の上に平行に取り付けられた複数の注入管１６を実装することも可能である。複数の注入器の実施態様によれば、固体反応物の断面全体の使用を最適化することができる。

上で示したように、固体反応物および／または液体反応物は触媒を含有することができ、この触媒は、白金、ニッケル、Ｒｕ、ＣｏＣｌ_２、リンゴ酸または塩酸であってもよい。

第３の実施形態では、タンクに貯蔵された液体反応物と反応する、反応チャンバ内に配置された固体反応物ではなく、タンクに貯蔵された液体反応物および反応チャンバ内に配置された触媒を使用することができ、液体反応物は、触媒に注入されるとガスを放出する。

たとえば、反応チャンバは、基板に付着した触媒を収容している。たとえば、触媒は、白金、ルテニウム、コバルトもしくは合金またはＣｏＢ金属合金などの金属である。

基板は、たとえば、多孔性セラミック、炭素泡または金属泡、たとえばニッケル泡である。また、基板は、たとえば化学還元によって、あるいはプラズマ成長によってその上に触媒が付着される金属シートによって形成することも可能である。

単一の触媒を使用することも可能であるが、場合によっては製造コストがより高くなることがある。基板を使用することによって触媒の量を少なくすることができ、かつ、反応チャンバ内における触媒の分布を改善することができる。

多孔性基板を使用することにより、生成されるガスの吐出を容易にすることができる。基板がガスに対して非多孔性の場合、消費領域へガスを経路付けするための通路が形成される。

基板および触媒によって形成された固体元素は、図２に示されている固体反応物の形状と全く同じ形状を有している。

タンクは、反応チャンバに注入される前の液体反応物を貯蔵している。液体には、反応物および安定剤が含まれている。反応物は、触媒との接触によってガスを放出することを目的としている。安定剤は、触媒と接触する前の液体反応物によるガスの放出を防止することを目的としている。

生成すべきガスが水素である場合、反応物は、たとえば、濃度が１質量％と３０質量％との間の水素化ホウ素ナトリウムまたは水素化ホウ素カリウムであり、安定剤は、たとえば、０．１％と２０％との間の濃度にすることができる水酸化ナトリウムまたは炭酸カリウムである。実際、水酸化ナトリウムを使用して得られるアルカリ媒体中では、水素化物水溶液は安定であり、したがって、水酸化ナトリウムのため、触媒が存在しない状態では、水と水素化物は反応しない。

デバイスは、既に説明した構造と同様の構造を備えており、したがってその動作も全く同じである。

液体反応物は、指令を出すと、移動注入管の端部から反応チャンバへ流入し、触媒と接触する。この移動注入点により、未だ反応に使用されていない触媒へのアクセスを維持することができる。

一例として、この第３の実例実施形態によるデバイスは、コバルトおよびホウ素でできた触媒を化学反応によって炭素泡の上に付着させることによって生成することができ、この固体アセンブリが反応チャンバ内に配置される。１５質量％のＮａＢＨ_４および３％の炭酸ナトリウムを含有した水溶液が容器の中に貯蔵され、水素を生成するためにいつでも触媒に注入することができる。

図５は、本発明によるデバイスＤによって、空気圧ダクト５１を介して水素が供給される水素燃料電池５０の線図を示したもので、この燃料電池５０は、携帯型であることが好ましいデバイス５２に電気導体５４を介して電流を供給している。

本発明によれば、電気の生成による環境への影響が限られている、それほど嵩張ることのない電気駆動携帯型デバイスを製造することができる。

このようにしてエネルギーが供給されるこの燃料電池を使用して、携帯型電話、携帯型コンピュータまたは電力を供給する必要のある他の任意の携帯型デバイスに電力を供給することができる。

一例として、ガスの流量は、２ｃｍ^３／分と２０００ｃｍ^３／分との間にすることができる。動作期間は、高出力燃料電池（１１Ｖ−１４Ａ）の場合の数分から、水素の消費量に応じて、たとえば５００ｍＡで断続的に動作する電話の場合、数カ月に及ぶ動作期間が可能である。

反応物を置き換えることによって、あるいは使い捨て式のシステムの場合、カートリッジを交換することによってタンクを再補給することができる。

このシステムは、反応チャンバの容量および直径を大きくすることによって電気車両に使用することができる。その場合、正確かつ自動的に反応を制御しなければならない。

本発明による、水素発生の開始が手動で実施される水素発生デバイスの縦断面線図である。 図１に示すデバイスの一実践的実施形態の部分斜視図である。 水素発生の開始が電動機によって実施される、図１に示すデバイスの代替実施形態の縦断面線図である。 本発明による、水素発生の開始が自動的に実施される水素発生デバイスの第２の実施形態の縦断面線図である。 本発明による水素発生デバイスによって水素が供給される燃料電池によって電力が供給される、本発明による携帯型装置の線図である。 図４に示すデバイスの一工業用実施形態の縦断面図である。 図６Ａの拡大斜視図である。

符号の説明

２ ケーシング（ハウジング）
４ ピストン
６ タンク
８ 反応チャンバ
１０ 固体反応物
１２ Ｏ−リング（シール）
１４ 水溶液または液体反応物を注入するための手段
１６ 注入管
１６．１ 注入管の第１の軸方向端部
１６．２ 注入管の第２の軸方向端部（注入端）
２０ ピストンを移動させるための運動手段
２２ サムホイール
２４ シャフト
２６ 反応チャンバ内に生成される気体水素を吐出させるための手段（収集管、ダクト）
２７ 固体反応物の側面の側壁
２８ ハウジングの側壁
３０ 管
３２ 台
３４ 蓋
３８ 逆止弁
４０ 逆止爪システム
４２ 膜
４４ 電動機
４６ 可撓性タンク
４８ ガス気泡
５０ 水素燃料電池
５１ 空気圧ダクト
５２ デバイス
５４ 電気導体

Claims (23)

1. 液体反応物タンク（６）と、固体元素を収容することを目的とする反応チャンバ（８）と、を備えた液体反応物を前記固体元素と接触させて配置することによってガスを発生させるためのデバイスであって、
   前記タンク（６）および前記反応チャンバ（８）が、移動壁（４）によって密閉方式で分離され、前記反応チャンバ内で生成された前記ガスを収集するための出口ポート（２６）と、前記液体反応物を前記固体元素に注入するための注入手段（１４）とを備え、
   前記注入手段（１４）が、前記移動壁（４）を貫通し、前記固体元素の中へ移動することができるガス発生デバイス。
2. 前記注入手段（１４）が、前記移動壁（４）と一体で移動する、請求項１に記載のガス発生デバイス。
3. 前記注入手段（１４）が、前記移動壁（４）を貫通し、前記タンク（６）と前記反応チャンバ（８）とを接続している少なくとも１つの管（１６）を備えた、請求項２に記載のガス発生デバイス。
4. 前記移動壁（４）がピストンであり、
   前記タンク（６）の体積が減少する方向に前記ピストン（４）が運動すると、前記タンク（６）から前記反応チャンバ（８）へ向かって前記液体反応物が流れる、請求項１から３のいずれか一項に記載のガス発生デバイス。
5. 前記タンク（６）が、前記タンク（６）から前記反応チャンバ（８）へ前記液体反応物が流れるように変形可能な可撓性タンク（４６）によって範囲が定められた、請求項１から４のいずれか一項に記載のガス発生デバイス。
6. 前記移動壁（４）がエンドレスネジ機構に接続された、請求項１から５のいずれか一項に記載のガス発生デバイス。
7. 前記エンドレスネジ機構が、前記注入管（１６）の内壁に形成された雌ネジと協同する雄ネジを備えたシャフト（２４）を備え、
   前記シャフト（２４）が回転可能であり、
   前記管（１６）と前記シャフト（２４）との間を前記液体反応物が流れることができる、請求項６に記載のガス発生デバイス。
8. 手であるいは前記シャフト（２４）の一方の端部と係合した電動機（４４）を用いて回すことができるサムホイール（２２）を前記シャフト（２４）の一方の端部に備えた、請求項７に記載のガス発生デバイス。
9. 前記タンク（６）と前記反応チャンバ（８）との間の逆止弁（３８）と、前記タンク（６）の体積が増加する方向への前記移動壁の運動を防止するための手段（４０）と、生成された前記ガスの圧力によって変形することができる手段と、を備えた、請求項１から５のいずれか一項に記載のガス発生デバイス。
10. 前記移動壁（４）が、ピストンであり、
    変形可能な前記手段が、前記タンク（６）の壁の一部を形成している膜（４２）によって形成され、
    前記壁に加えられる前記タンク（６）の内側へ向かう力により、前記タンク（６）に貯蔵されている前記液体反応物の圧力が高くなる、請求項９に記載のガス発生デバイス。
11. 前記移動壁（４）が、ピストンであり、
    変形可能な前記手段が、液体に含まれている少なくとも１つのガス気泡（４８）によって形成された、請求項９に記載のガス発生デバイス。
12. 前記タンク（６）の体積が増加する方向への前記移動壁の運動を防止するための前記手段（４０）が、前記注入管（１６）に作用する爪型の手段である、請求項３と組み合わせた請求項９、１０または１１に記載のガス発生デバイス。
13. 前記固体元素が、前記ガスを通過させることができる、請求項１から１２のいずれか一項に記載のガス発生デバイス。
14. 前記反応物が、多孔性で、かつ、前記反応物に対して不活性である化合物に結合された、請求項１３に記載のガス発生デバイス。
15. 前記固体元素が、水素化物であり、
    前記液体反応物が、水溶液である、請求項１から１４のいずれか一項に記載のガス発生デバイス。
16. 前記固体元素が、ＣａＣ_２であり、かつ前記液体反応物が、水溶液であり、それによりアセチレンを発生させることができ、
    もしくは、前記固体元素が、クロラールウレタンであり、かつ前記液体反応物が、水溶液であり、それにより塩素を発生させることができ、
    または、前記固体元素が、酸化マンガンであり、かつ前記液体反応物が、塩酸であり、それにより塩素を発生させることができ、
    あるいは、前記固体元素が、過酸化ナトリウムであり、かつ前記液体反応物が、水溶液であり、それにより酸素を発生させることができる、請求項１から１４のいずれか一項に記載のガス発生デバイス。
17. 前記液体反応物および／または前記固体元素が、前記液体反応物と前記固体元素との間の反応の触媒を含有している、請求項１から１６のいずれか一項に記載のガス発生デバイス。
18. 前記液体反応物が、白金、ニッケル、Ｒｕ、ＣｏＣｌ_２、リンゴ酸または塩酸によって形成された触媒を含有している、請求項１から１５のいずれか一項に記載のガス発生デバイス。
19. 前記固体元素が、前記液体反応物が接触するとガスを発生する触媒である、請求項１から１４のいずれか一項に記載のガス発生デバイス。
20. 前記液体反応物が、水素化物および安定剤、たとえば水酸化ナトリウムを含有した水溶液であり、
    前記触媒が、白金、ルテニウム、コバルトまたはコバルトとホウ素の合金である、請求項１９に記載のガス発生デバイス。
21. 前記固体元素が、多孔性であることが有利であり、前記触媒がその上に付着した基板を備えた、請求項１９または２０の一項に記載のガス発生デバイス。
22. 燃料電池と、請求項１５、１８または２０に記載の少なくとも１つのガス発生デバイスとを備えた電源であって、
    前記少なくとも１つのガス発生デバイスが、前記燃料電池に気体水素を供給するために、前記燃料電池に空気圧で接続された電源。
23. 請求項２２に記載の電源を備えた携帯型電気エレメント。

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