JP2013518805A - 燃料電池カートリッジ - Google Patents

Abstract

燃料電池に水素ガスを提供する水素ガス発生装置を提供する。装置は、固体反応物成分を収容する拡張可能反応チャンバと液体反応物成分を収容する折り畳み可能レセプタクルとをハウジングと共に含む。反応チャンバは、反応物及び反応生成物を反応チャンバ内に保持する移動可能隔壁によって定められる拡張可能反応物ゾーンを含む。装置はまた、液体移送制御システムと、液体反応物成分を折り畳み可能レセプタクルから液体反応物成分及び固体反応物成分が反応して水素が発生する反応チャンバ内の反応物ゾーンまで移送するための流体経路とを含む。液体反応物成分が使用される時に、レセプタクルは、対応する反応チャンバの拡張を伴って折り畳まれ、移動可能隔壁上の反応生成物の増大した容積からの圧力に応答して反応物ゾーンが反応チャンバ内で拡張する。拡張可能反応チャンバ、拡張可能反応物ゾーン、及び折り畳み可能レセプタクルの間の容積交換は、制限された容積の水素発生装置から大容積の水素ガスを提供する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池のための燃料供給体、より具体的には、水素発生燃料電池カートリッジに関する。

水素燃料電池では、水素がアノードに送出され、酸素がカソードに送出される。アノードでは、水素は、Ｈ⁺イオンに酸化され、Ｈ⁺イオンは、カソードに移動する。酸化反応から生じた電子は、外部回路を通じてカソードに移動し、燃料電池に接続したデバイスに電力を供給する。カソードでは、電子は、酸素を還元し、これは、次に、水素イオンと反応して水分子を形成する。
アノードでは：
H₂ → 2H⁺ + 2e^-
カソードでは：
2H⁺ + 2e^- + ¹/₂ O₂ → H₂O

水素燃料電池は、廃棄物として水を生成するので、これらの燃料電池の使用は、典型的に重金属及び酸又は強塩基を含有するバッテリよりも環境への懸念が少ない。加えて、燃料電池は、必要な時だけ燃料電池に供給される燃料を消費する。すなわち、燃料電池は、定期的に補給することができる外部供給源からの燃料を必要とするのみであるから、燃料電池の寿命は、少なくとも理論的には無制限である。

燃料電池の１つのタイプは、一部の他のタイプの燃料電池よりも低い温度及び圧力範囲で作動する陽子交換膜（ＰＥＭ）燃料電池である。ＰＥＭ燃料電池では、水素は、膜電極アセンブリのアノード側で陽子と電子に触媒的に分解される。この新たに形成された陽子は、カソード側に膜を通って浸透する。電子は、外部負荷回路に沿って膜電極アセンブリのカソード側に移動し、燃料電池の電流出力が生じる。膜電極アセンブリのカソード側に送出された酸素は、ポリマー電極膜を通って浸透する陽子及び外部回路を通って到達する電子と反応して水を形成する。ＰＥＭ燃料電池は、携帯用電子デバイスのためのもののような清浄性、静粛性、及びコンパクト性が望ましい用途に有用である。

米国特許公開第２００６／０００２８３９号明細書 米国特許第７，４１０，５６７ Ｂ２号明細書

本発明の１つの態様では、固定内部容積を有するハウジングと、拡張可能反応物ゾーンを定める移動可能隔壁を含み、かつ反応物ゾーン内に固体反応物成分を収容するハウジング内の拡張可能反応チャンバと、液体反応物成分を収容するハウジング内の折り畳み可能レセプタクルとを含む水素ガス発生装置を提供する。水素発生装置はまた、液体反応物成分を折り畳み可能レセプタクルから反応チャンバの反応物ゾーンに移送する流体経路と、液体反応物成分移送制御システムとを含む。液体反応物成分は、反応チャンバ内で固体反応物成分と反応して水素ガスを発生する。

一実施形態では、流体経路は、折り畳み可能レセプタクルに取り付けられた複数の管状部材を含み、各部材は、反応チャンバの反応物ゾーン内に延びる自由端を有する。

一実施形態では、管状部材の自由端は、液体反応物成分を反応物ゾーン内の未反応固体反応物成分まで移送するように折り畳み可能レセプタクルと共に移動可能である。管状部材の自由端は、移動可能隔壁に対して反応ゾーンの遠位部分に最初に配置することができ、移動可能隔壁に対して反応ゾーンの近位部分に向けて移動可能である。

一実施形態では、液体反応物成分の移送を制御する液体反応物制御システムは、バルブを含み、そのバルブに取り付けられた圧力レギュレータを更に含むことができる。圧力レギュレータは、折り畳み可能レセプタクル内に位置決めすることができる。

一実施形態では、移動可能隔壁は、多孔質材料を含む。

一実施形態では、固体反応物成分は、化学水素化物を含み、液体反応物成分は、水を含む。化学水素化物は、水素化ホウ素ナトリウムを含むことができる。液体反応物成分は、機能性添加物を更に含むことができる。

別の実施形態では、固体反応物成分は、ケイ化ナトリウムを含み、液体反応物成分は、水を含む。

一実施形態では、移動可能隔壁は、反応チャンバ内で摺動する摺動可能隔壁である。

本発明による水素発生装置の実施形態の概略断面図である。 水素発生装置の起動の前のバネ構成要素の実施形態の概略断面図である。 本発明による水素発生装置の従動部の実施形態の概略断面図である。 水素発生装置のバルブアセンブリ及び圧力レギュレータの実施形態の概略断面図である。 水素発生装置の液体バルブアセンブリの実施形態の概略断面図である。 水素発生装置の圧力レギュレータの実施形態の概略断面図である。

図面に示して以下で詳述するように、本発明は、燃料電池に着脱可能に連結されるように構成された燃料供給体に関する。本明細書で使用する時の「燃料供給体」は、以下に制限されるものではないが、使い捨てカートリッジ、詰め替え式カートリッジ、再使用可能カートリッジ、容器、燃料電池によって給電される電子デバイス内に存在するカートリッジ、着脱可能カートリッジ、電子デバイス又は燃料電池の内側又は外側にあるカートリッジ、燃料タンク、燃料補給タンク、燃料を貯留する他の容器、及び燃料タンク及び容器に接続したチューブを含む。本発明の例示的な実施形態に関連してカートリッジを以下に説明するが、これらの実施形態は、他の燃料供給体にも適用可能であり、本発明は、いずれの特定のタイプの燃料供給体にも制限されないことに注意されたい。

本発明は、簡素な設計及び高い体積効率を有する。それは、構成要素がより小さくなる時に利用可能になる空間が、より大きくなる構成要素によって占められるように、燃料供給体が使用される時に容積が変化する構成要素の間での容積交換を通じて高い水素発生機能を提供することができる。例えば、反応物が消費されて容積が減少すると、反応生成物がその中に拡張する空間が生じる。

本明細書に説明する水素燃料電池は、当業技術で公知のあらゆるタイプの燃料電池スタックとすることができ、例えば、陽子交換膜（ＰＥＭ）燃料電池、リン酸燃料電池、アルカリ燃料電池、固体酸化物燃料電池、及び溶融炭酸塩燃料電池から選択することができる。

燃料供給体は、電子デバイスのための電気を発生する燃料電池によって消費される水素ガスを生成する水素ガス発生装置とすることができる。燃料供給体は、化学水素化物、アルカリ金属ケイ化物、アルカリ金属を含有するシリカゲル組成物、及び水素を発生するのに使用することができる他の化学物質のような燃料を収容することができる。

燃料供給体は、交換又は補充される前に燃料電池スタックに望ましい量を提供する適切なサイズとすることができる。その形状は、燃料電池スタック又は燃料電池スタックを用いるデバイスに、その上に、又はその内部に適合し、及び／又は収容することができるものとすることができる。例えば、燃料供給体は、円筒形とすることができ、又はそれは、丸い、長円、矩形、正方形、又は他の断面形状を有する柱形とすることができる。

本発明の水素発生装置は、第１の反応物を収容する反応チャンバと、第２の反応物を収容するリザーバとを含むことができる。第１の反応物は、固体反応物成分の一部として固体又はゲル化形態にあるとすることができる。第２の反応物は、液体反応物成分の一部として液体形態にある。水素発生装置は、リザーバから反応チャンバへの第２の反応物の移送を制御するデバイス又はシステムを更に含む。実施形態では、反応チャンバ及びリザーバ内の温度及び圧力、並びに水素流量のような反応チャンバ及び／又はリザーバ内の作動条件は、反応チャンバへのリザーバ内の第２の反応物の移送の制御に使用することができる。例えば、リザーバ内の第２の反応物は、反応チャンバ内の圧力が所定値より低い時に、好ましくは、リザーバ内の圧力よりも低い時に、より好ましくは、リザーバ内の圧力より所定量だけ低い時に反応チャンバ内に導入することができる。リザーバから反応チャンバへの第２の反応物の流れは、自己制御されることが好ましい。従って、反応チャンバの圧力が、所定の圧力に、好ましくは、リザーバ内の圧力よりも大きい所定の圧力に到達した時に、リザーバから反応チャンバ内への第２の反応物の流れを停止して水素ガスの生成を停止することができる。同様に、反応チャンバの圧力が、好ましくはリザーバ内の圧力より低く、好ましくは、リザーバ内の圧力より所定量だけ低く低下した時に、第２の反応物は、リザーバから反応チャンバ内に流れることができる。

反応チャンバは、液体反応物成分がリザーバから移送されてリザーバが小さくなると、反応チャンバがリザーバによって以前占有されていた区域内に拡張することができるようなリザーバとの容積交換関係にある。例えば、反応チャンバは、リザーバに直接に隣接することができ、又は反応チャンバは、リザーバが小さくなる時に変位することができるバルブアセンブリのような装置の１つ又はそれよりも多くの他の構成要素によってリザーバから分離することができる。

反応チャンバは、固体反応物成分を最初に収容する反応物ゾーンを定める移動可能隔壁を含む。隔壁は、反応物ゾーンを反応チャンバの残りの部分から分離する。隔壁は、例えば、摺動、ピボット回転、又は変形によって移動することができる。液体反応物成分が、反応物ゾーンに入って固体反応物化合物と反応すると、水素ガス及び他の反応生成物が生じる。反応物ゾーン内で発生した水素ガスは、水素を供給されている燃料電池への出口までの途中で隔壁を通過し、一方、固体及び液体反応生成物及び未反応の固体反応物成分及び液体反応物成分は、隔壁によって反応物ゾーン内に保持される。固体及び液体反応生成物及び未反応の固体及び液体反応物成分を併せた容積は、固体反応物成分の最初の容積よりも大きいので、隔壁は、反応物ゾーンを拡げるように移動する。リザーバが小さくなる時に利用可能になる容積は、反応物ゾーンの増加した容積よりも小さい場合があるので、付加的な空間が装置内に必要とされる。この付加的な空間は、隔壁の反応物ゾーンから他方の側にある反応チャンバの残りの部分によってもたらされる。反応チャンバ及び反応物ゾーンの初期容積は、反応物の組成と反応物成分及び反応生成物の相対容積とに基づいて変えることができる。

移動可能隔壁は、固体及び液体反応物成分と固体及び液体反応生成物とが通過しないことになる材料で製造されるが、それはまた、少なくとも水素ガスが通過するための手段も含む。隔壁は、微孔性プラスチック材料のような水素透過性材料で製造することができ、又はそれは、膜又はプラグのような水素透過性材料によって遮断された１つ又はそれよりも多くの通路を含むことができる。適切な水素透過性材料の例は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）又は延伸ＰＴＦＥ（ｅＰＴＦＥ）のような微孔性ポリマー材料、シリコーンゴムのようなゴム、又はセラミックフィルタ材料、金属発泡体、又はガラスフィルタ材料のような他の多孔質材料を含むことができる。水素及び他の気体、並びに反応物ゾーン内の液体に関する望ましい透過性を提供するために、隔壁の表面は被覆することができ、又は材料の孔隙は、他の材料で少なくとも部分的に埋めることができる。隔壁は、反応物ゾーン内の固体及び液体反応物成分と反応生成物とを全て保持することが好ましいが、それらの固体及び液体を水素ガスから分離する他の手段が燃料電池に提供される場合は、これは必須ではない。例えば、付加的なフィルタ及び／又は水素透過性かつ液体及び気体不透過性構成要素を反応物ゾーンの外側の反応チャンバの一部分内に及び／又は反応チャンバと燃料電池への出口との間の水素経路に沿って収容することができる。水蒸気のような少なくとも一部の他の気体を水素ガスから除去する材料又は成分も、反応物ゾーンの外側の反応チャンバに又は出口への水素経路に含めることができる。

リザーバは、液体反応物成分を収容する変形可能容器を含むことができる。容器は、あらゆる適切な設計のものとすることができ、かつあらゆる適切な材料で製造することができる。例えば、容器は、液体反応物成分が除かれる時に折り畳むことができる可撓性又は弾力性バッグ又はベローズとすることができる。容器は、反応チャンバへの液体の移送を助けるために力を印加することができ、及び／又は容器に力を印加する他の手段（バネ又は気体圧力のような）を設けることができる。

好ましくは、液体反応物成分は、水素発生装置が使用されている時に、未反応固体反応物成分を含むか又はそれに近い反応物ゾーンの一部分に移送される。例えば、流体経路には、反応物ゾーンの１つの部分から別の部分に向けて移動する出口を設けることができる。一実施形態では、流体経路は、移動可能隔壁に連結され、別の実施形態では、流体経路は、隔壁又は中間構成要素が移動する時に、流体経路出口が、好ましくは、移動可能隔壁に対して反応物ゾーンの遠位部分から近位部分に向けて反応物ゾーン内で移動するように、リザーバと反応チャンバの間の中間構成要素に連結される。

一実施形態では、水素発生装置内の第１の反応物として使用される材料は、化学水素化物を含む。本明細書で用いられる時の用語「化学水素化物」は、液体と反応して水素を生じることができるあらゆる水素化物であることを広義に意図している。本明細書に説明する水素発生装置で用いるのに適切な化学水素化物の例は、以下に制限されるものではないが、アルカリ金属水素化物類及びそれらの混合物のような周期表のＩＡ族−ＩＶＡ族の元素の水素化物及びそれらの混合物を含む。化学水素化物の特定の例は、水素化リチウム、水素化リチウムアルミニウム、水素化ホウ素リチウム、水素化ナトリウム、水素化ホウ素ナトリウム、水素化カリウム、水素化ホウ素カリウム、水素化マグネシウム、水素化カルシウム、及びそれらの塩及び／又は誘導体を含む。化学水素化物の好ましい形態は、固体形態（例えば、微粒子、粉末、顆粒、ペレット錠剤、又はケーク）である。

第２の液体反応物は、任意的な触媒の存在下で第１の反応物と反応する。好ましくは、適切な液体反応物は、以下に制限されるものではないが、水、アルコール、及び／又は薄い酸を含む。最も普通の液体反応物は、水を含む。

水素化ホウ素ナトリウムは、水素燃料電池のための水素供給源として使用することができる。水素は、次式によって表されるように、任意的な触媒の存在下及び／又は加熱下での水素化ホウ素ナトリウムと水との反応によって生成する。
ＮａＢＨ₄＋２Ｈ₂Ｏ（＋熱又は触媒）→４Ｈ₂＋ＮａＢＯ₂

一実施形態では、水素供給源は、固体形態のＮａＢＨ₄を含む。固体形態においては、ＮａＢＨ₄は、水がなければ加水分解されず、従って、固体ＮａＢＨ₄の使用は、カートリッジの保管寿命を改善する。しかし、ＮａＢＨ₄水溶液のような水溶液形態の水素担持材料も利用可能である。

液体及び／又は固体反応物は、液体反応物が固体燃料成分と反応する速度を高めることによって水素ガスの発生を開始させ、及び／又は加速することができる触媒を含むことができる。触媒は、あらゆる形状又はサイズを有することができ、かつあらゆる状態にあることができる。例えば、触媒は、粉末を形成するほど十分に細かいものとすることができ、又は反応チャンバほどの大きさとすることができる。一部の例示的な実施形態では、触媒は、触媒床を形成する。触媒は、反応チャンバの内側に位置付けるか、又は第１又は第２の反応物のいずれかの少なくとも一方が触媒と接触する限り、反応チャンバに接近して位置付けることができる。

本発明の触媒は、元素の周期表のＶＩＩＩ族からの１つ又はそれよりも多くの遷移金属を含むことができる。例えば、本発明の触媒は、鉄、コバルト、ニッケル、ルテニウム、ロジウム、プラチナ、パラジウム、オスミウム、及びイリジウムのような遷移金属を含むことができる。加えて、ＩＢ族内の遷移金属、すなわち、銅、銀、及び金、及びＩＩＢ族内の遷移金属、すなわち、亜鉛、カドミウム、及び水銀も本発明の触媒で使用することができる。本発明の触媒は、以下に制限されるものではないが、スカンジウム、チタン、バナジウム、クロム、及びマンガンを含む他の遷移金属も含むことができる。

液体及び／又は固体反応物は、溶液のｐＨを低下又は上昇させる任意的な添加剤を含むこともできる。反応物のｐＨは、水素が形成される速度を定めるのに用いることができる。例えば、反応物のｐＨを低下させる添加剤は、より高い水素発生速度をもたらす。そのような添加剤は、以下に制限されるものではないが、他のものの中でもとりわけ、塩酸、硝酸、酢酸、硫酸、クエン酸、炭酸、リンゴ酸、リン酸、及びシュウ酸のような酸を含む。逆に、塩基化合物であるｐＨを高める添加剤は、殆ど水素が発生しない程度まで反応速度を低下させることができる。本発明の溶液は、約０．０１から約６、好ましくは約０．１から約３．０のｐＨのような７よりも低いあらゆるｐＨを有することができる。

一実施形態では、固体反応物成分は、任意的に固体触媒と乾式で混合されて錠剤に成形された乾燥水素化ホウ素ナトリウムを含み、液体反応物は酸水溶液である。好ましくは、この溶液は、水素の高収率を提供するために約５重量パーセントよりも大きく、より好ましくは少なくとも１０重量パーセントの酸、例えば、酢酸を含有することができる。少なくとも５０重量パーセントまでのより高い濃度の酸を使用することができる。例えば、２０重量パーセント酢酸溶液の場合、ＮａＢＨ₄に対する水のモル比は、好ましくは約５：１よりも大きく、より好ましくは約６：１よりも大きく、かつ良好な収率のためには少なくとも約７：１である。より高い比率を使用することができ、約１６：１の比率の場合、反応廃棄物は室温で溶解することになるが、比率が７：１を超えて大きくなると、使用される水がより多くなり、水素発生装置の体積効率はより低下する。追加的に又は代替的に、固体の酸を水素化ホウ素ナトリウムの固体混合物中に添加することができる。

液体燃料成分及び／又は液体反応生成物の凝固を防止し又はその凝固点を低下させるために、任意的な添加剤を液体反応物成分、固体反応物成分、及び／又は反応チャンバ内に含ませることができる。一実施形態では、この添加剤は、不凍剤のようなアルコールベースの組成物とすることができる。適切な不凍剤の例は、以下に制限されるものではないが、メタノール、エタノール、ｎ−プロパノール（１−プロパノール又は２−プロパノールのような）、及びポリエチレングリコールベースの化合物を含む。

界面活性剤又は湿潤剤のような他の添加剤は、特に、微小な粒子間及び粒子内空隙を有する固体反応物粉末を収容する直径の小さいカートリッジに対して、多孔性システム内の水素流動を容易にして反応生成物の発泡を抑制するように液体の表面張力及び反応生成物の粘性を制御するために使用することができる。適切な界面活性剤及び湿潤剤の非制限的な例は、「Ｄｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌ」から入手可能なＴｒｉｔｏｎ（登録商標）シリーズの界面活性剤、３Ｍから入手可能なＦｌｕｏｒａｄ（登録商標）フルオロケミカル界面活性剤、Ｃｈｅｍｇｕａｒｄから入手可能な低発泡性フルオロ界面活性剤、「Ｒｈｏｄｉａ Ｃｈｅｍｉｅ」が提供するＲｈｏｄａｆａｃ（登録商標）、及び「ＢＹＫ Ｃｈｅｍｉｅ」が提供する様々な添加剤（湿潤及び分散剤、表面添加剤、消泡剤、流動添加剤）を含む。

固体反応物成分内の多孔性繊維のような添加剤は、反応生成物の多孔性を維持して液体反応物の均等な分布を容易にし、水素流体経路を開放状態に保つために使用することができる。適切な多孔性繊維の非制限的な例は、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）及びレーヨンを含む。固体反応物成分の形成を容易にし、及び／又は使用のための望ましい形状にそれを維持するための添加剤を含むことができる。

一実施形態では、水素発生装置に使用される固体燃料成分は、アルカリ金属ケイ化物を含む。アルカリ金属ケイ化物は、不活性雰囲気中でアルカリ金属をシリコンと混合し、得られた混合物を約４７５℃未満のある一定の温度まで加熱した生成物であり、アルカリ金属ケイ化物は、乾燥Ｏ₂と反応しない。そのようなアルカリ金属ケイ化物は、本明細書に引用によりその全体として組み込まれている米国特許公開第２００６／０００２８３９号明細書に説明されている。ナトリウム、カリウム、セシウム、及びルビジウムを含むあらゆるアルカリ金属を使用することができるが、アルカリ金属ケイ化物組成物に使用されるアルカリ金属は、ナトリウム又はカリウムのいずれかであることが好ましい。ＩＩＡ族金属（ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、及びラジウム）を含む金属ケイ化物も適切とすることができる。

アルカリ金属ケイ化物組成物は、水と発熱反応して次式の反応に従って水素とケイ酸ナトリウムとを生成する。
２ＮａＳｉ（ｓ）＋５Ｈ₂Ｏ（ｌ）→５Ｈ₂（ｇ）＋Ｎａ₂Ｓｉ₂Ｏ₅（ａｑ）

アルカリ金属ケイ化物におけるシリコンに対するアルカリ金属のモル比は約１：１である。一実施形態では、アルカリ金属ケイ化物組成物は、Ｎａ₄Ｓｉ₄である。

一実施形態では、水素発生装置に使用する固体反応物成分は、ＩＡ族金属／シリカゲル組成物を含む。この組成物は、シリカゲル孔隙内に吸収されたＩＡ族金属を有する。ＩＡ族金属は、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、及び２つ又はそれよりも多くのＩＡ族金属の合金を含む。ＩＡ族金属／シリカゲル組成物は、乾燥Ｏ₂と反応しない。ＩＡ族金属／シリカゲル組成物は、本明細書に引用によりその全体として組み込まれている米国特許第７，４１０，５６７ Ｂ２号明細書に説明されている。ＩＩＡ族金属（ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、及びラジウム）のうちの１つ又はそれよりも多くを含むＩＩＡ族金属／シリカゲル組成物も適切とすることができる。

ＩＡ族金属／シリカゲル組成物は、シリカゲル孔隙内に液体Ｉ族金属を吸収するのに十分な発熱条件の下で液体ＩＡ族金属をシリカゲルと混合した生成物である。一実施形態では、ＩＡ族金属はナトリウムである。ＩＡ族金属／シリカゲル組成物は、水と急速に反応して気体状水素を発生する。

ＩＡ族金属充填量は、使用される特定のシリカの孔隙サイズと孔隙密度とに依存する。一般的に、ＩＡ族金属は、ゲル組成物内に約５０重量％まで存在することができる。好ましくは、金属存在量は、約３０重量％から約４０重量％の範囲である。

図１を参照すると、水素ガス発生カートリッジ１０が示されている。反応チャンバ１４は、ハウジング１２内に収容される。ハウジング１２内には、空気袋１６も収容される。ハウジング１２は、気体発生反応を収容することができ、かつ反応成分に不活性であるステンレス鋼又はプラスチックのようなあらゆる材料で製造することができる。ハウジングのための適切な材料の非制限的な例は、ポリカーボネート、塩化ビニル、及びポリプロピレンである。水素ガス発生カートリッジ１０は、コネクタ端部２０におけるようなハウジング１２における１つ又はそれよりも多くの燃料ポート１８を通じて燃料電池（図示しない）に接続するように構成される。

反応チャンバ１４は、ハウジング１２のコネクタ端部２０と液体給送バルブアセンブリ３０の間の容積として定められる。

固体反応物成分２４が、反応チャンバ１４内に配置される。固体反応物成分２４は、例えば、微粒子、粉末、顆粒、ペレット、錠剤、又はケーク形態の上述のような例えば化学水素化物又はアルカリ金属ケイ化物を含むことができる。充填剤、結合剤、添加剤、及び他の作用物は、固体反応物成分２４内に含めることができる。固体反応物粒子は、固体反応物成分２４内の空き空間（例えば、間隙、チャンネル、又は孔隙）を組み込んだベッドに詰めることができる。これらの空間は、液体反応物成分２６が通過して固体反応物成分２４の外面及び内面と緊密に接触することを可能にする。固体反応物成分２４は、コネクタ端部２０内の充填ポート２８を通じて又は別の方法でハウジング１２を開くか又は分解することによって補充することができる。従動部２２が、反応物ゾーン７５を反応チャンバ１４の残りの部分から分離する。従動部２２は、反応チャンバ１４内の反応物ゾーン７５内部に固体反応物成分２４を保持するように機能する。

液体反応物成分２６が、空気袋１６内に配置される。好ましくは、液体反応物成分２６は、主として水であり、上述のような添加剤を含むことができる。空気袋１６は、ポリエチレンのような液体反応物成分２６に対して不活性である変形可能な材料で作られる。空気袋１６は、複数のひだ、例えば、ベローズを有して構成され、空気袋１６をより容易にかつ制御された方式で畳み込むことを可能にすることができる。空気袋１６は、液体反応物成分２６が空気袋１６から除去される時に収縮することになる弾性材料で製造することができる。空気袋１６は、一端で、液体給送チューブ３２を通過する反応チャンバ１４への液体反応物成分２６の流れを制御する液体給送バルブアセンブリ３０に接続することができる。単一又は複数の液体給送チューブ３２は、反応チャンバ１４内の固体反応物成分２６に液体反応物成分２４を送出するのに使用することができる。液体給送チューブ３２の数及びサイズは、少なくともある程度、必要な水素発生速度によって判断される。空気袋１６は、反対側でハウジング１２の末端キャップ３４に締結することができる。

例えば、バネ３６によって空気袋１６に圧力がかけられる。バネ３６は、空気袋１６の端部に配置され、液体給送バルブアセンブリ３０に接続される。カートリッジ内の水素発生反応が始まると、カートリッジ内の空気は水素で置換される。

燃料ポート１８は、液体又は副産物が燃料電池に移動することを防止する気体透過性液体不透過性膜を含むことができる。燃料ポート１８は、燃料電池への水素の流れを制御して水素発生装置が使用されていないか又は燃料電池に接続していない時に水素発生装置を密封する１つ又はそれよりも多くのバルブ（図示せず）を含むことができる。水素発生装置１０は、１つよりも多くの燃料ポート１８を有することができ、燃料ポートは、ハウジング１２上のどこにでも位置付けることができる。

空気袋１６に圧力が加えられると、液体反応物成分２６は、液体給送チューブ３２を通って反応チャンバ１４に送り込まれる。バネ３６が空気袋１６に圧力を加え続け、液体反応物成分２６が液体給送チューブ３２に送り込まれると、空気袋１６は折り畳まれる。液体給送バルブアセンブリ３０と液体給送チューブ３２は、空気袋１６の折り畳みに伴って末端キャップ３４に向けて移動する。液体給送バルブアセンブリ３０が移動すると、反応チャンバ１４は拡張する。水素ガス発生装置１０が新たに起動される時に、液体給送チューブ３２は、反応物ゾーン７５の遠位部分（図１に示すように反応チャンバ１４のコネクタ端部２０に近い）に達している。液体反応物成分２６と固体反応物成分２４の間の反応が進行すると、消費された固体反応物成分２４よりも大きい容積を有する反応生成物が、従動部２２を空気袋１６に向けて推し進め、反応物ゾーン７５を拡張させる。液体給送チューブ３２がこの折り畳まれる空気袋１６に伴って移動すると、供給チューブ３２の自由端は、反応物ゾーン７５の近位部分（図１での従動部２２に近い）に向けて移動し、それによって液体反応物成分２６が、反応チャンバ１４の反応物ゾーン７５内の未反応固体反応物成分２４に送出され、使用済み固体反応物成分２４と反応性生成物が、反応チャンバ１４のコネクタ端部に向けて残される。従って、液体反応物成分２６が未反応固体反応物成分２４に接近して又はその内部に連続的に送出され、これは、水素発生装置の反応時間を短く保ち、かつ液体反応物成分の無駄を低減する。この構成の付加的な利点は、発生した水素ガスが、水素の流れを阻害する可能性がある高濃度の反応生成物を収容する反応物ゾーン７５の区域を通過しないことである。その代わり、水素は、反応生成物の大きくなる塊りと反対の方向に移動する。固体反応物成分ベッドが殆ど完全に消費されるまで、ベッドは、飛沫のためのフィルタとして機能し、それによって水素燃料ポート１８での大幅な付加的な濾過が不要とされる。反応物が殆ど完全に消費されると、液体給送チューブの端部は、従動部２２を少し過ぎて反応物ゾーン７５内に達する。

従動部２２は、水素透過性とすることができ、又はそれを通じて水素の通過を可能にする水素透過性構成要素を含むことができるが、反応物ゾーン７５内の固体反応物成分２４、空気袋１６から移送された液体反応物成分２６、及び反応物の反応からの非気体状反応生成物は保持する。従動部２２は、例えば、それが拡張する反応生成物によってバネチャンネル４４の外面に沿って推される時に、ハウジング１２の内側に接触した配置を保つために十分硬い多孔質プラスチックによって構成することができる。代替的に、従動部２２は、水素透過性のフィルタ又は膜で覆われるか又は充填された１つ又はそれよりも多くの開口を有することができる。反応物ゾーン７５内で発生した水素は、従動部を通って燃料ポート１８まで移動することができる。

この燃料供給体が使用されると、充満した空気袋１２に対して以前に必要とされた容積は、拡張する反応物ゾーン７５を含む反応チャンバに利用可能になり、それによってカートリッジ内の空隙率が最小に保たれ、水素発生カートリッジ１０の全体の重量及びサイズが実際的である限り低減される。

図２に示すように、バネ３６は、バネ案内ロッド４０に取り付けられたバネクリップ３８によって最初に拘束することができる。バネ案内ロッド４０は、水素発生カートリッジ１０の保管中にバネ３６をバネチャンネル４４内で圧縮状態に保持することができる。水素発生カートリッジ１０内の反応を開始させるためにバネクリップ３８が除去される時に、バネ案内ロッド４０は、バネ３６が座屈して空気袋１６を圧縮できなくなることを防ぐ。クリップシート４２は、燃料ポート１８の外面に取外し可能に取り付けられ、保管時に燃料ポート１８が損傷することを防ぐ。バネクリップ３８及びクリップシート４２が除去されると、燃料ポート１８は、電子デバイス（図示せず）の燃料電池に水素ガスを供給するために燃料電池に接続することができる。バネクリップ３８が除去される時に、バネ３６は解放されて空気袋１６に圧力を加える。

図３に示すように、従動部２２は、バネチャンネル４４の外周の上を移動する（例えば、摺動により）ように構成された中心チャンネル４６を有することができる。この実施形態では、中心チャンネル４６を取り囲む環状基部４８は、それを通って液体給送チューブ３２が延びる３つの供給チューブボア５０を含む。図示の実施形態の従動部２２は、３つの供給チューブボア５０を含むが、従動部２２は、固体反応物成分２４に液体反応物成分２６を送出するのに望ましい液体給送チューブ３２の数に適合するあらゆる数のボア５０を含むことができる。好ましくは、ボア５０及び液体給送チューブ３２は、あらゆる所定の時点で少量のみの液体反応物成分２６が固体反応物成分２４に送出されるような比較的小さい直径とされる。従動部２２を通過した水素は、図３に示すように、バネチャンネル４４を通って流れることができ、又はハウジング１２の側壁と反応チャンバ１４の一部又は全ての周りのスリーブの外側との間の空間のような別の経路によって流れることができる。

図４を参照すると、反応チャンバ１４への液体反応物成分２６の送出は、液体給送バルブアセンブリ３０と圧力レギュレータ５２とによって制御することができる。空気袋１６は、液体バルブアセンブリ３０に接続され、液体給送チューブ３２を通じて送出される液体反応物成分２６の供給源を提供する。圧力レギュレータ５２は、空気袋１６内に配置されて、液体バルブアセンブリ３０に接続することができる。

図５を参照すると、液体バルブアセンブリ３０は、空気袋１６からの液体反応物成分２６の流れを制御する。バルブバネ５４は、バネクリップ３８の除去によって水素発生装置が起動されるまで液体バルブアセンブリ３０を閉止のままとしておくことができる。バルブアセンブリ３０は、液体反応物成分２６の流れを望ましい流量に制限し、過剰の液体反応物成分２６が反応チャンバ１４に送出されることを防ぐために流体経路内部にフェルトワッシャ５６を含むことができる。

図６を参照すると、圧力レギュレータ５２は、水素発生カートリッジ内の圧力が閾値よりも大きい時に液体反応物成分２６の流れを止めることができる。空気袋１６内の液体反応物成分２６が使用されると、バネ３６が及ぼす力は、空気袋１６内の気体圧力が上昇してハウジング内の全圧を本質的に一定に保つことになるように弱くなる。この全圧は、レギュレータバネ５８により、かつ通気チューブポート６２から末端キャップ３４まで延びる通気チューブ６０によって均衡が取られる。レギュレータバネ５８によって加えられる圧力は比較的低い。一実施形態では、この圧力は、カートリッジが新しい時は約１．５ｐｓｉであり、カートリッジが殆ど使い尽された時は約０．５ｐｓｉである。好ましくは、水素発生カートリッジ１０は、大気圧を約２から３気圧超える圧力で作動することになる。

圧力レギュレータ５２は、例えば、超音波溶接又はレーザ溶接によって液体給送アセンブリ３０に固定することができる。バルブバネ５４は、液体給送バルブアセンブリ３０を閉止状態に保持し、かつレギュレータ弁座６４をレギュレータ本体６６の端部に対して保持するように機能する。レギュレータ弁座保持器６８は、移動する構成要素の同心アラインメントを維持し、バルブバネ５４がレギュレータ弁座６４を局所的に変形させることを防ぐように機能する。レギュレータバルブ軸７０は、レギュレータダイヤフラム７２内に螺入するネジ切り端部を含む。レギュレータダイヤフラム７２は、Ｈｙｐａｌｏｎ（登録商標）のようなエラストマーで構成することができ、これは、より硬い材料で製造される内側ディスク７４上にインサート成形することができる。レギュレータバネ５８は、内側ダイヤフラムディスク７４に圧力を加えて水素発生カートリッジ１０の作動圧力を決める。

開示した概念の精神から逸脱することなく様々な修正及び改良を本発明に対して行うことができることは、本発明を実施する者並びに当業者によって理解されるであろう。提供される保護の範囲は、特許請求の範囲によりかつ法の認める解釈の幅によって判断されるものとする。

１０ 水素ガス発生カートリッジ
１２ ハウジング
１４ 反応チャンバ
１６ 空気袋
１８ 燃料ポート

Claims (12)

1. 水素ガス発生装置であって、
   固定内部容積を有するハウジングと、
   拡張可能反応物ゾーンを定める移動可能隔壁を含み、かつ該反応物ゾーン内に固体反応物成分を収容する前記ハウジング内の拡張可能反応チャンバと、
   液体反応物成分を収容する前記ハウジング内の折り畳み可能レセプタクルと、
   前記液体反応物成分を前記折り畳み可能レセプタクルから前記反応チャンバの前記反応物ゾーンまで移送するための流体経路と、
   液体反応物移送制御システムと、
   を含み、
   前記液体反応物成分は、前記反応チャンバ内で前記固体反応物成分と反応して水素ガスを発生する、
   ことを特徴とする装置。
2. 前記流体経路は、前記折り畳み可能レセプタクルに取り付けられた複数の管状部材を含み、各部材は、前記反応チャンバの前記反応物ゾーンの中に延びる自由端を有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記管状部材の前記自由端は、液体反応物成分を前記反応物ゾーン内の未反応の固体反応物成分まで移送するために前記折り畳み可能レセプタクルと共に移動可能であることを特徴とする請求項２に記載の装置。
4. 前記管状部材の前記自由端は、前記移動可能隔壁に対して前記反応物ゾーンの遠位部分に最初に配置され、かつ該移動可能隔壁に対して該反応物ゾーンの近位部分に向けて移動可能であることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の装置。
5. 前記液体反応物制御システムは、バルブを含むことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の装置。
6. 前記液体反応物制御システムは、更に、前記バルブに取り付けられた圧力レギュレータを含むことを特徴とする請求項５に記載の装置。
7. 圧力レギュレータが、前記折り畳み可能レセプタクル内に位置決めされることを特徴とする請求項６に記載の装置。
8. 前記移動可能隔壁は、多孔質材料を含むことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の装置。
9. 前記固体反応物成分は、化学水素化物を含み、前記液体反応物成分は、水を含むことを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の装置。
10. 前記化学水素化物は、水素化ホウ素ナトリウムを含むことを特徴とする請求項９に記載の装置。
11. 前記固体反応物成分は、ケイ化ナトリウムを含み、前記液体反応物成分は、水を含むことを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の装置。
12. 前記移動可能隔壁は、前記反応チャンバ内を摺動する摺動可能隔壁であることを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の装置。

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