JP2013542573A - 水反応水素燃料電池電力システム - Google Patents

Abstract

水反応水素燃料電力システムは、反応燃料物質および水溶液を結合して水素を発生させる装置および方法を含む。発生した水素は、電気を提供するように燃料電池内で変換される。水反応水素燃料電力システムは、携帯電源電子回路用に電力を発生させるように、燃料電池、給水トレーおよび燃料カートリッジを備えている。取外し可能な燃料カートリッジは、給水トレーおよび燃料電池によって包囲される。給水トレーには、使用者によって水が補充される。次に、水は、給水トレーから燃料カートリッジ内に移送されて燃料電池用に水素を発生させ、その後、燃料電池は使用者のために電力を生成する。

Description

関連出願の相互参照
[0001]本出願は、２０１０年１１月８日に出願された米国仮特許出願第６１／４１１，２４４号に対する優先権の利益を主張し、２０１０年３月３０日に出願された米国特許出願第１２／７５０，５２７号に関連し、それらの開示内容はすべて参照により本明細書に組み込まれる。

[0002]連邦政府による資金提供を受けた研究および開発
本発明は、米国エネルギー省によって認められたＤＥ−ＦＧ３６−０８ＧＯ８８１０８の契約番号の下、政府の支援によって行われた。米国政府は、本発明において一定の権利を有する。

[0003]本技術は、概して、水素発生燃料電池システムおよび方法に関し、より詳細には、ナトリウムシリサイド、ナトリウムシリカゲル、または水あるいは水溶液と反応する多成分混合物を使用して水素を発生させるシステムおよび方法に関する。

[0004]燃料電池は、外部供給源燃料を電流に変換する、電気化学的エネルギー変換デバイスである。多くの燃料電池は、燃料として水素を使用し、酸化剤として（通常は空気からの）酸素を使用する。こうした燃料電池の副生成物は水であり、そのため燃料電池は、環境に対する影響が非常に少ない、電力を発生させるデバイスとなる。

[0005]燃料電池は、ガソリンタービン、内燃機関およびバッテリ等、電力を生成する多数の他の技術と競合する。燃料電池は、定置発電、照明、バックアップ電力、家庭用電化製品、電気自転車等の個人用移動装置および造園機器、ならびに他の用途を含む、多くの用途に使用することができる、直流（ＤＣ）電圧を提供する。多種多様な燃料電池が使用可能であり、各々、異なる化学作用を使用して電力を発生させる。燃料電池は、通常、それらの動作温度およびそれらが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、燃料として水素を使用しその酸化剤として酸素（通常は空気）を使用する、高分子交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）である。それは、高電力密度と、通常は８０℃未満である低い動作温度とを有している。これらの燃料電池は、適度なパッケージング要件およびシステム実装要件により信頼性が高い。

[0006]水素貯蔵および発生の課題により、ＰＥＭ燃料電池の広範囲の導入が限られてきた。分子状水素は、質量ベースでエネルギー密度が非常に高い、周囲条件におけるガスとして体積エネルギー密度が非常に低い。高圧および極低温を含む、携帯用用途に水素を提供するように採用される技法は普及しているが、それらは、ほとんどの場合、要求に応じて水素ガスを確実に放出する化学化合物に焦点を当ててきた。物質内に水素を貯蔵するために使用される３つの広く許容されている機構は、吸引、吸着および化学反応である。

[0007]燃料電池に燃料を補給する吸収水素貯蔵では、水素ガスは、金属水素化物等の所定の結晶物質の塊の中に高圧で直接吸収される。ＭｇＨ_２、ＮａＡｌＨ_４およびＬａＮｉ_５Ｈ_６等の金属水素化物を使用して、水素ガスを可逆的に貯蔵することができる。しかしながら、金属水素化物系には、比エネルギーが不十分であり（すなわち、水素貯蔵対金属水素化物質量比が低い）、入出力流量特性が不十分であるという問題がある。水素流量特性は、金属水素化物の吸熱特性（内部温度は、水素を除去するときに低下し、水素を再充填するときに上昇する）によって駆動される。これらの特性のために、金属水素化物は、重量がある傾向があり、それら金属水素化物を迅速に充填および／または放出するために複雑なシステムを必要とする。たとえば、金属水素化物または他の何らかの水素系化学燃料を収容するカートリッジに加圧水素ガスを貯蔵し、次いで制御可能にそこから放出するシステムについて、米国特許第７，２７１，５６７号を参照されたい。このシステムはまた、金属水素化物燃料自体の温度および／または圧力を測定することにより、かつ／または燃料電池の電流出力を測定して消費された水素の量を推定することにより、燃料電池に送達することができる残りの水素のレベルを監視する。

[0008]燃料電池に燃料を補給する吸着水素貯蔵では、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に関連付けられる。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）等の化学水素化物を使用して、不可逆的に水素ガスを貯蔵する。化学水素化物は、以下に示すように水と反応すると大量の水素ガスを生成する。
ＮａＢＨ_４＋２Ｈ_２Ｏ→ＮａＢＯ_２＋４Ｈ_２

[0009]化学水素化物の水との反応を確実に制御して燃料貯蔵デバイスから水素ガスを放出するために、水のｐＨの制御とともに、触媒を採用しなければならない。さらに、化学水素化物は、その水素ガスの早期の放出から水素化物を保護するために、不活性安定化液体のスラリーで取り入れられることが多い。

[0010]燃料電池用に水素を生成する化学反応方法では、水素貯蔵および水素放出は、化学燃料の温度または圧力の適度な変化によって触媒されることが多い。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−ボランからの水素発生である。
ＮＨ_３ＢＨ_３→ＮＨ_２ＢＨ_２＋Ｈ_２→ＮＨＢＨ＋Ｈ_２

[0011]第１反応は、６．１重量％の水素を放出し、およそ１２０℃で発生し、一方、第２反応は、別の６．５重量％の水素を放出し、およそ１６０℃で発生する。これらの化学反応方法は、水素ガスを生成するために開始剤として水を使用せず、システムのｐＨの緻密な制御を必要とせず、多くの場合、別個の触媒物質を必要としない。しかしながら、これらの化学反応方法は、多くの場合熱暴走が一般に発生することによるシステム制御問題に悩まされる。アンモニア−ボランから水素発生を熱的に開始し、熱暴走から保護するように設計されたシステムについて、たとえば米国特許第７，６８２，４１１号を参照されたい。触媒および溶媒を採用して熱的水素放出条件を変更する化学反応方法について、たとえば米国特許第７，３１６，７８８号および同第７，５７８，９９２号を参照されたい。

[0012]上記を鑑みて、従来技術における問題または不都合を克服する、改善された水素発生システムおよび方法が必要とされている。

[0013]後述する水素燃料電池電力システムは、燃料電池、給水トレーシステムおよび燃料カートリッジを含む３つの主なサブシステムを備えている。本システムは、「水反応」と呼ばれる種類の燃料電池システム用に設計されている。水反応システムでは、水（または溶液）が粉末と結合して燃料電池システム用の水素を発生させる。これらの反応タイプは、ナトリウムシリサイド、ナトリウムシリカゲル、水素化ホウ素ナトリウム、ナトリウムシリサイド／水素化ホウ素ナトリウム混合物、アルミニウム等、広範囲の粉末を使用することができる。反応副生成物の粉末または水吸収を通して水分散を制御するために、粉末に活性剤、触媒または添加剤を加えることができる。粉末に対する添加剤は、油等の消泡剤とともに、局所反応箇所および／または温度を分散させることにより燃料カートリッジ内により均一な反応性および熱分散をもたらし、たとえば反応生成物および副生成物の化学的かつ物理的特徴を含む反応条件を制御する、同様の物質を含むことも可能である。粉末サイズを、水輸送、反応速度および副生成物水吸収を容易にするように制御することができる。可変条件で溶液を形成するために、水に活性剤、触媒または他の添加剤を加えることも可能である。

[0014]反応燃料物質は、ナトリウムシリサイド粉末（ＮａＳｉ）およびナトリウムシリカゲル（Ｎａ−ＳＧ）を含む、シリサイド等の安定化アルカリ金属物質を含むことができる。安定化アルカリ金属物質を、限定されないがアンモニア−ボラン（触媒ありまたはなし）、水素化ホウ素ナトリウム（触媒と混合ありまたはなし）、および熱または水溶液に暴露すると水素を生成する数多くの物質および物質混合物を含む、他の反応性物質と結合することも可能である。物質の混合物および溶液はまた、廃棄物のｐＨを制御するように、廃棄物の溶解度を変更するように、水素生成の量を増大させるように、水素生成の速度を上昇させるように、かつ反応の温度を制御するように添加物を含むことも可能である。水溶液は、水、酸、塩基、アルコールおよびこれらの溶液の混合物を含むことができる。水溶液の他の例としては、メタノール、エタノール、塩酸、酢酸、水酸化ナトリウム等を挙げることができる。水溶液はまた、生成されるＨ_２の量を増大させる共反応物、凝集剤、腐食抑制剤、または水溶液の熱物理特性を変化させる熱物理添加剤等の添加剤を含むことも可能である。例としての凝集剤としては、水酸化カルシウム、ケイ酸ナトリウム等が挙げられ、腐食抑制剤としては、リン酸塩、ホウ酸塩等を挙げることができる。さらに、熱物理添加剤は、反応の温度範囲、反応の圧力範囲等を変化させることができる。さらに、溶液への添加剤は、種々の異なる添加剤の混合物を含むことができる。

[0015]請求項に記載の発明は、給水トレーシステム内に挿入される取外し可能／交換可能燃料カートリッジを含むことができる。燃料電池を、燃料カートリッジを包囲する給水トレーシステムに接続することができる。この接続のプロセスにおいて、燃料カートリッジは、給水トレーとの水接続および燃料電池との水素ガス接続を形成する。給水トレーを、水を貯蔵し水で補充されるように設計することができる。給水トレーシステムを、給水トレーが燃料カートリッジに接続されるまで水を排出しないように設計することができる。水が給水トレーから燃料カートリッジに入る際、水素が発生して燃料電池に送達される。給水トレーおよび燃料電池が分離されると、水トレー内の弁が閉鎖し、それにより、水トレー内の水流が停止する。さらに、給水トレー内のばね機構が給水トレーから燃料カートリッジを排出し、それにより、燃料カートリッジへの水流路が切断される。これらの構成および技術の一方または両方により、水流が停止し、水素の生成が中止される。別の実施態様例では、機械式流量調整弁または同様の機構を採用して、燃料カートリッジが接続されたままである間に燃料カートリッジ内への水流を停止させることができる。これにより、水素が発生するのが停止する。流量調整弁は、使用者によって制御される物理的スイッチかまたは電子制御スイッチであり得る。同様に、別の実施態様例では、ポンプにより、燃料カートリッジが依然として係合している間に水流を止めるように、または流れが望まれる場合は水を圧送するように、流れを制御することができる。

[0016]１つの実施態様例では、交換可能な燃料カートリッジが取外し可能／交換可能構成要素であって、給水トレーおよび燃料電池を単一のサブシステムとして有効に機能するように構成することができる。別の実施態様では、給水トレーおよび燃料カートリッジを、全体が取外し可能／交換可能である単一のサブシステムとして有効に機能するように構成することができる。

請求項に記載の発明による燃料電池、給水トレーおよび燃料カートリッジを備える水素燃料電池電力システムの図を示す。 給水燃料電池システムおよび燃料カートリッジならびにその関連する入力および出力を示す。 請求項に記載の発明による補充可能な水ドアおよび燃料カートリッジを備えた給水燃料電池システムの例を示す。 給水トレーに挿入された燃料カートリッジとともに示す給水トレーの構造的特徴を示す。 給水トレーに挿入された燃料カートリッジとともに示す給水トレーの構造的特徴を示す。 燃料カートリッジとともに示す給水燃料システムの組立分解図、側面図および底面図である。 請求項に記載の発明による、開放された図での水素燃料電池電力システムで使用される摺動ロック機構を示す。 請求項に記載の発明による、閉鎖された図での水素燃料電池電力システムで使用される摺動ロック機構を示す。 給水トレー、燃料カートリッジ、およびラッチ接続機構を備えた燃料電池サブシステムを示す。 請求項に記載の発明による給水トレーおよび燃料カートリッジの断面図である。 燃料カートリッジが挿入されている給水トレーの斜視図、側面図および上面図である。 請求項に記載の発明による給水トレーに水を貯蔵し、その水を加圧しかつ排出するように構成されたベローズばねアセンブリを示す。 名目上の圧縮状態での請求項に記載の発明によるベローズばねアセンブリを示す。 荷重状態での請求項に記載の発明によるベローズばねアセンブリを示す。 分離位置での請求項に記載の発明によるベローズばねアセンブリおよびロック棚を示す。 係合位置での請求項に記載の発明によるベローズばねアセンブリおよびロック棚を示す。 係合位置での請求項に記載の発明によるベローズアクセスドアを示す。 請求項に記載の発明によるチューブ接続水流制限オリフィスを示す。 請求項に記載の発明によるディスク型水流制限オリフィスを示す。 請求項に記載の発明による燃料電池システムに水を補充するときにトレードアを開放してロックする、ベローズアセンブリの最上部に対する構造的構成要素を示す。 請求項に記載の発明による燃料電池システムに水を補充するときに充填ドアを開放してロックするロック機構を示す上面図である。 請求項に記載の発明による燃料電池システムに水を補充するときに充填ドアを開放してロックするロック機構を示す斜視図である。 請求項に記載の発明による水素燃料電池電力システムで使用される燃料カートリッジの構造的詳細を示す断面図である。 請求項に記載の発明による水素燃料電池電力システムで使用される燃料カートリッジの構造的詳細を示す断面図である。 請求項に記載の発明による角度付きニードル弁の斜視図である。 請求項に記載の発明による水素燃料電池電力システムで使用される燃料カートリッジキャニスタのさらなる構造的詳細を示す。 請求項に記載の発明による燃料カートリッジ用の反応物質保持スクリーンを示す。 請求項に記載の発明による燃料カートリッジのキャップに一体的に形成されたろ床の上で出口流を制御することにより、高純度水素を獲得する化学洗浄通路を示す。 請求項に記載の発明による燃料カートリッジのキャップに一体的に形成されたろ床の上で出口流を制御することにより、高純度水素を獲得する化学洗浄迷路を示す。 請求項に記載の発明による水素燃料電池電力システムで使用されるプラスチック燃料カートリッジキャップに金属燃料カートリッジ本体を圧着する器具を示す。 巻上げ圧着部（roll-over crimp）および図１６Ａの圧着器具を使用して組み立てられた燃料カートリッジの断面図である。 請求項に記載の発明による燃料カートリッジキャップに一体的に取り付けられたカートリッジ弁の例を示す。 請求項に記載の発明による水素燃料電池電力システムで使用されるコイル状反応供給チューブを備えたキャニスタを示す。 請求項に記載の発明による水素燃料電池電力システムで使用されるＴ型取付具およびコイル状反応供給チューブを備えたキャニスタを示す。 開放位置にある請求項に記載の発明による水素燃料電池電力システムで使用される自動機械式水制御弁およびプランジャを示す。 閉鎖位置にある請求項に記載の発明による水素燃料電池電力システムで使用される自動機械式水制御弁およびプランジャを示す。 請求項に記載の発明による水素燃料電池電力システムのトレーからカートリッジを「排出する」ばねを示す。 斜視図での請求項に記載の発明による水素燃料電池電力システムで使用される通常閉（ノーマリークローズ）ニードル弁を示す。 断面図での請求項に記載の発明による水素燃料電池電力システムで使用される通常閉ニードル弁を示す。 携帯電話を充電する、請求項に記載の発明によるシステムを示す。 請求項に記載の発明による燃料電池システムにおいて流体を隔離するためのシリコーンシートを示す。 請求項に記載の発明による燃料電池システムにおいて流体隔離を可能にする給水トレー弁体およびシリコーンシートを示す。 請求項に記載の発明による燃料電池システムにおいて流体を隔離するためのシリコーンシートの底面図である。

[0052]図１は、請求項に記載の発明による水反応水素燃料電力システム１００の一例を示す。システム１００は、燃料カートリッジ１２０、給水トレー１３０および燃料電池１１０を備えている。燃料カートリッジ１２０は、反応燃料物質１７７を含んでいる。

[0053]反応燃料物質１７７は、ナトリウムシリサイド、ナトリウムシリカゲル、水素化ホウ素ナトリウム、ナトリウムシリサイド／水素化ホウ素ナトリウム混合物、アルミニウム等の粉末を含む、安定化アルカリ金属物質を含むことができる。反応燃料物質１７７に活性剤、触媒および／または添加剤を加えることにより、反応燃料物質１７７を通しての水分散または反応副生成物の水吸収を制御することができる。反応燃料物質１７７への添加物は、鉱油等の油等の消泡剤とともに、局所反応温度を分散させることにより燃料カートリッジ１２０内により均一な反応性および熱分散をもたらし他の物質を含むことも可能である。反応燃料物質１７７粉末サイズを、水輸送、反応速度および副生成物水吸収を容易にするように制御することができる。たとえば、反応燃料物質１７７の粉末サイズを、１ｍｍ未満から９ｍｍまで変化させることができる。一実施態様例では、ナトリウムシリサイドの粉末サイズは、およそ４ｍｍから６ｍｍであった。この粉末サイズは、水または別の水溶液が燃料カートリッジに加えられたときに問題となる結合をなくすように十分に大きくされる。湿潤すると結合し易い微細過ぎる粉末に水を加える代わりに、この反応燃料構成により、水１９９が燃料カートリッジ１２０に加えられる際に追加された水１９９が新鮮な粉末に有効に達することができる。

[0054]反応燃料物質１７７はまた、ナトリウムシリサイド粉末（ＮａＳｉ）およびナトリウムシリカゲル（Ｎａ−ＳＧ）を含む、シリサイド等の安定化アルカリ金属物質を含むことも可能である。安定化アルカリ金属物質を、たとえばアンモニア−ボラン（触媒ありまたはなし）、水素化ホウ素ナトリウム（触媒と混合ありまたはなし）、および熱または水溶液に暴露すると水素を生成する数多くの物質および物質混合物を含む、他の反応性物質と結合することも可能である。一実施態様例では、反応燃料物質１７７は、安定化アルカリ金属物質およびこうした任意選択的な共反応物を含む。

[0055]給水トレー１３０を、使用者によって水１９９で充填することができる。溶液を形成するために、水１９９に活性剤、触媒または他の添加剤を加えることも可能である。給水トレー１３０は、水１９９を加圧する機構（図１には別個に示さず）を備えている。機構を、下の図２および図８に関してさらに考察するように、ベローズアセンブリ、ばねアセンブリ、ピストンアセンブリ等とすることができる。たとえば、図８は、水１９９を加圧するように給水トレー１３０内に嵌合されるばねアセンブリ８３４を組み込んだ給水トレー１３０の貯蔵器部分８４３の組立分解図を示す。ばねアセンブリ８３４を反転ばねとすることができ、そこでは、使用中、内側コイルが外側コイル内に引き込まれる。反転ばねは、ばねアセンブリ８３４の長さを有効に増大させ、変位範囲にわたってより大きい直線力範囲をもたらす。この直線力を、後に、水に、かつ／または水を保持しているベローズアセンブリに伝達することができる。反転ばねは、水を加圧する力を与える際、長さが低減するが、反転ばねが平坦な状態に達する場合であっても、ばねは依然として応力状態にある（力を提供する）。これにより、（ベローズ内または水トレーの貯蔵器部分内にある）略すべての水が使用された場合であっても、水は圧力下にあることができる。ロックが解除されると、ばねアセンブリ８３２は、ベローズドアアセンブリを引っ張ることにより水に力を加える（たとえば、およそ２ｐｓｉ〜４ｐｓｉの加圧水がもたらされる）。圧力を使用して、水トレー１３０からの水流を燃料カートリッジ１２０に供給して反応が開始される。ばねアセンブリ８３４を、従来のコイル状ばね８７２とすることができ、または打抜き加工された金属片から作製することができ、打抜き加工された金属片は、細長く、ばねアセンブリ８３４がベローズアセンブリ２６０において平坦であるときに依然として応力状態である（圧力下にあり続ける）ように、熱処理されている。このように、ばね機構は、略すべての水がベローズアセンブリ２６０から送り出された場合であっても、加圧水をもたらす確実なばね力があるように構成されている。

[0056]加圧水１９９または溶液は、給水トレー１３０から逆止め弁１４０およびポペット１５０を通って燃料カートリッジ１２０内に流れ込む。燃料カートリッジ１２０内部で水素１８８が発生し、燃料電池１１０内に流れ込む。図２に、ベローズアセンブリ２６０によって加圧された水１９９のポペット１５０および逆止め弁１４０を通る燃料カートリッジ１２０までの流れを示す図をさらに詳細に示す。図２に示す水１９９は、水室およびベローズアセンブリ２６０に入る。簡単のために、ベローズアセンブリを出入りする水１９９を参照数字１９９として示す。水１９９が燃料カートリッジ１２０内の反応燃料物質１７７と反応すると、水素１８８が生成され、燃料カートリッジ１２０から燃料電池（図２には別個に示さず）に流れ込む。

[0057]図１に戻ると、燃料電池１１０は、燃料カートリッジ１２０からの水素１８８および空気からの酸素を利用して電位を生成する。電位が生成されると、システム１００を使用して、図２２に示すような携帯電話２２０１等の電子デバイスを充電しかつ／または稼働させることができる。アダプタケーブル２２０２を、システム１００を電子デバイスに動作可能に接続するように適応させることができる。当然ながら、他の電子デバイスが、システム１００によって作成された電位を使用して充電するか、稼働するか、または動作することができる。本開示では、燃料電池１１０は、燃料電池システムであるとみなされる。たとえば、燃料電池システムは、複数の燃料電池、燃料電池スタック、バッテリ、電源電子回路、制御電子回路、電気出力コネクタ（ＵＳＢコネクタ等）、水素投入コネクタ、ならびに冷却および反応の両方のために空気を提供する空気アクセス場所を含むことができる。

[0058]燃料電池（システム）１１０を、複数の異なる技法を用いて、給水トレー１３０および／または燃料カートリッジ１２０に取り付けることができる。図６Ａに示すように、たとえば、燃料カートリッジ１２０は給水トレー１３０に挿入され、給水トレー１３０は、給水トレー１３０のガイドレール６６２ａ、６６２ｂおよび燃料電池１１０のガイドレール６６４を用いて燃料電池１１０に固定される。燃料電池１１０が給水トレー１３０上で矢印Ｆに沿って摺動する際、目盛り付き切欠き（別個に示さず）が係合してシステム１００の双方向摺動を確実に防止するまで、ばねラッチ６６６が変位する。図６Ｂは、システムの固定位置を示す。

[0059]図６Ｃに、燃料電池１１０を給水トレー１３０および燃料カートリッジ１２０に機械的に固定する別の方法を示す。この例では、燃料電池１１０は、機械的に摺動して燃料カートリッジ１２０および／または給水トレー１３０にロックされるのではなく、代りに、燃料カートリッジ１２０は、ラッチ６６８ａ、６６８ｂを使用して給水トレー１３０および燃料電池１１０によって捕捉される。ラッチ６６８ａ、６６８ｂを使用して、水素発生動作中に、燃料電池１１０、給水トレー１３０および燃料カートリッジ１２０が分離しないように、給水トレー１３０上のラッチロック箇所６６９ａ、６６９ｂと係合するために、圧縮力を使用することにより、燃料電池１１０に給水トレー１３０を確実に圧着することができる。

[0060]燃料電池１１０が給水トレー１３０および燃料カートリッジ１２０に最終的に固定される方法に関らず、燃料電池１１０は、適切に接続されると、図６Ｄに示す側面図に（かつ概略的に図１および図２に）示すように、燃料カートリッジ１２０を給水トレー１３０内にかつ給水トレー弁体６８２上に同時に押しながら、給水トレー１３０内のポペット１５０を押す。弁ポペット１５０および弁体６８２の組合せは、燃料電池１１０が給水トレー１３０に係合したときに、ポペット１５０が押し下げられ、ベローズ２６０からの加圧水１９９が、給水トレー１３０を通って水経路５３５に沿って、水トレー弁体６８２を通って燃料カートリッジ１２０内に移動することができるように構成されている。こぼれないように、給水トレー１３０、燃料カートリッジ１２０および燃料電池１１０は、適切な公差があるように適切に寸法が決められており、それにより、給水トレー弁体６８２が燃料電池カートリッジ１２０内のグロメット６２５（図１３Ａおよび図１３Ｂのニードル弁１３２９も参照）内に挿入されたときにのみ、水１９９が流れる。水１９９が燃料カートリッジ１２０内の反応燃料物質１７７に達すると、水素ガスが生じて、燃料カートリッジ１２０内部に圧力を発生させる。発生した圧力は、燃料電池１１０に水素１８８を供給し、一方で、ベローズ２６０から燃料カートリッジ１３０内に投入される追加の水１９９の量を制限する役割も果たす。

[0061]また図６Ｃに示すように、ばね機構６７０を、給水トレー１３０から燃料カートリッジ１２０を排出するのに役立つように採用することができる。たとえば、ばね機構６７０は、給水トレー１３０から燃料カートリッジ１２０を完全に移動／排出するように、または給水トレー１３０から燃料カートリッジ１２０を部分的に移動／排出するように、物理的な力を加えることができ、それにより、使用者が、図２に示す水入口箇所１２２等、水入口箇所から燃料カートリッジ１２０を完全に取外しかつ／または切断接続することが容易になる。さらに、ばね機構６７０は、給水トレー弁体６８２から燃料カートリッジを上昇させ、そのため、プランジャ５３３が偶発的に押された場合であっても、水素生成が防止される。図２０に、ばね機構６７０を示す給水トレー１３０の追加の図を示す。

[0062]給水トレー１３０、燃料カートリッジ１２０および燃料電池１１０を含む、システム１００に関するさらなる構造的詳細および動作の詳細を以下に提供する。以下の追加の開示資料は、請求項に記載の発明による給水トレー、燃料カートリッジおよび燃料電池の追加の構造的詳細および機能的詳細を記載する。

[0063]給水トレー供給
図４Ａは、燃料カートリッジ１２０が挿入された給水トレー１３０を示す。図示する燃料カートリッジ１２０は、アルミニウムキャニスタ４２１と水素ポート４２４を備えたプラスチックキャニスタキャップ４２３とを備えている。給水トレー１３０を、ベローズ／給水部４９１、弁およびポペット部４９２ならびに燃料カートリッジホルダ部４９３を含む３つの主な部分に分割することができる。給水トレー１３０は、燃料電池１１０を係合するかまたは取り付けるためのガイドレール６６２を備えることができる。給水トレー１３０を、熱可塑性材料、ポリカーボネート材料、ＰＣ／ＡＢＳ混合材料、または燃料カートリッジ１２０の安全な取扱いを可能にする他の材料等、断熱プラスチックから作製することができる。図４Ｂの側面図に示すように、断熱プラスチックパターンの例は、プラスチックに、伝熱用の、かつ燃料カートリッジ１２０に水１９９が供給されるときに、燃料カートリッジ１２０から発生する熱を放散することができるように、スリット４９４または他の通気穴を含むことができる。さらに、発泡体、エアロゲル、シリコーン等、吹付けまたは他の断熱材料をキャニスタに追加して、使用者に対して断熱を提供し安全な取扱いを可能にし、かつ／または内部反応温度を上昇させるように断熱を提供することができる。さらに、断熱プラスチックは、給水トレー１３０用のスタンドを提供する脚４９５を含むことができる。断熱プラスチックはまた、強度および耐久性を追加するために傾斜ボス４９６を含むことも可能であり、断熱プラスチックを、給水トレーおよび燃料電池１１０の適切な嵌合を確実にする位置合せ装置として使用することも可能である。

[0064]給水トレー１３０は、加圧され燃料カートリッジ１２０に送達される水１９９を含む。上で概説しかつ図２に示すように、給水トレー１３０は、ベローズアセンブリ２６０を利用して水１９９を収容し保持することができる。水１９９を保持し、加圧しかつ送達する代替方法も使用することができる。たとえば、摺動ピストン、折畳みダイヤフラム、膨張式ダイヤフラムおよび他の変形可能な容器を、圧電ポンプ等の電気ポンプとともに使用することができる。

[0065]図３に示すように、給水トレー１３０は、使用者が給水トレー１３０内に水を容易に充填するかまたはすくい入れることができるようにアクセスドア３３６を有することができる。別の実施態様例では、給水トレーを封止することができ、ポンプ、シリンジまたは他の加圧水源を使用して、給水トレー１３０を充填するか、またはベローズアセンブリ内に水を押し込むことができる。一実施態様例では、アクセスドア３３６は、水圧を提供することができるばね（図８Ａに示す反転ばね８３４ならびに図８Ｂおよび図８Ｃに示す打抜き加工板等）をより容易に荷重することができるレバーアームとして作用することができる。

[0066]図３および図８Ｆに示すように、給水トレー１３０は、使用者が給水トレー１３０内に水を容易に充填するかまたはすくい入れることができるようにアクセスドア３３６を有することができる。使用者は、ベローズアクセスドア３３６を押し下げて、ロック棚８１５を分離し、使用のために給水トレー１３０を準備することができる。アクセスドア３３６は、水１９９を収容し保持するためにベローズ（図３に別個に示さず）へのアクセスを可能にすることができる。たとえば、ドア／ベローズの組合せを回転または並進移動させて、ばね８３４をロック位置にすることができ、それによりばね８３４が荷重される。図８Ｅに示すロック位置では、使用者は、ベローズが自然に潰れることなくベローズ２６０により多くの水を容易に加えることができる。ベローズ２６０が水１９９で充填されると、使用者は、図８Ｆに示すようにベローズドア３３６を閉鎖してロックし、それにより水１９９が封止される。

[0067]図８Ｂに、通常（下方）位置にあるばね８３４の一例を示す。ばね８３４は、給水トレー１３０内に完全に組み込まれると、図８Ｃに示すように荷重するために、それ自体を通して反対位置（上方）まで引っ張られる。

[0068]図８Ｄにさらに示すように、その後、ベローズ２６０アセンブリをロック棚８１５から回転させるかまたは並進移動させてばね８３４を起動させることができる。そして、ばね８３４は、ベローズ２６０内の水１９９を加圧し、ベローズ２６０において水１９９は流体カートリッジ１３０に流れることができる。当然ながら、他のロック機構を使用して、水１９９を加えるためかつばね８３４に荷重するために、ベローズ２６０にアクセスすることができる。たとえば、図１１に示すように、ロックピン１１３８ａ、１１３８ｂ、１１３９を使用して、ベローズ２６０を固定することができる。したがって、摺動ロッド１２４２を使用して、水１９９を加えるためかつばね８３４に荷重するためにベローズ２６０にアクセスすることができる。図１２Ａに、ロック位置にある摺動ロッド１２４２の例を示し、図１２Ｂに、ロック解除位置にある摺動ロッド１２４２の例を示す。

[0069]図１および図２に概略的に示すように、ロック機構が分離されると、水１９９は燃料カートリッジ１２０に送達される用意ができる。図５は、給水トレー１３０、水トレー挿入体５３１および流体カートリッジ１２０の組立分解図と、ベローズアセンブリ（図５には別個に示さず）を燃料カートリッジ１２０に接続する水経路５３５とを示す。

[0070]一実施態様例では、ポペット１５０内のプランジャ５３３は、水を収容しているベローズアセンブリと燃料カートリッジ１２０との間に同一直線上にある。図１９Ａに、開放位置にあるプランジャ５３３およびポペット１５０（水１９９はベローズから燃料カートリッジ１２０まで流れている）の詳細な図を示し、図１９Ｂに、閉鎖位置にあるプランジャ５３３およびポペット１５０（水１９９はベローズから燃料カートリッジ１２０まで流れていない）の図を示す。プランジャ５３３は、水１９９がベローズアセンブリに貯蔵されている間、または使用者が燃料カートリッジ１２０を準備しているかまたは燃料カートリッジ１２０を装填している間、水１９９がベローズアセンブリから出ないようにする。プランジャ５３３は開放され、上述したように、燃料電池１１０が給水トレー１３０と係合し適所にロックされると、水１９９は水経路５３５に沿って移動することができる。水トレー挿入体５３１を、給水トレー１３０と一体的とすることができ、または接着剤／エポキシ樹脂、超音波結合、物理的圧縮、ガスケット等を含む複数の封止機構を使用して取り付けることができる。超音波接合ビードの例を参照数字５７２として示す。

[0071]燃料電池１１０が給水トレー１３０から分離されると、ばね５３７が弁ばねをその通常閉位置（図１９Ｂに示す）に押し込む際に水流は停止する。プランジャ５３３および／またはポペット１５０を、電子作動弁とすることも可能であり、その場合、センサを使用して、燃料カートリッジ１２０、給水トレー１３０および燃料電池１１０の接続／切断が検出される。一実施態様例では、永久磁石が弁アセンブリの一部として構成される。電気コイルおよび適切な駆動電子回路と燃料電池１１０内に配置することができ、それらを、既存の燃料電子制御電子回路を一体化することができる。さらに、圧力下で水を送達するために、小型ポンプを使用することも可能である。小型ポンプはまた、水素圧力を発生させることができる水流速の制御も可能にする。圧力を所望の値にまたは名目範囲内に制御する制御方式を使用することができる。

[0072]給水トレー１３０から燃料カートリッジ１２０を排出するのに役立つように採用することができる、図６Ｃおよび図２０に示すばね機構６７０に加えて、ばね機構４９７（図４Ｂに示す）を使用して、ガス（水素）シールに必要な力を提供するように燃料電池１１０に対して燃料カートリッジ１２０を押すことも可能である。ばね機構４９７を、螺旋またはコイルばね、圧縮ばね、薄板ばね、ビーム等、物理的なばねとすることができる。たとえば、ばね機構４９７は、燃料カートリッジ１２０の水素ポート４２４が漏れなしに燃料電池１１０に水素を提供するように、燃料電池１１０に対して燃料カートリッジ１２０を完全に封止し安定化させるように物理的な力を加えることができる。

[0073]上述したように、水１９９を加圧するためにベローズアセンブリ２６０とともにばね８３４が使用される場合、システム１００は、過渡的な高圧スパイクがばね８３４を逆加圧するのを防止するさらなる機構を提供する。高圧スパイクにより、圧力および送達される水が振動速度で乱れることになる可能性がある。ばね８３４が逆加圧される場合、水サージが高くなることにより、振動帰還および／または正帰還状態がもたらされる可能性があり、それにより、意図せず圧力スパイクが段階的に増大する。複数の方法を利用して、過渡的な高圧スパイクがばね８３４に逆加圧するのを防止することができる。たとえば、図１、図４および図８に関して上述した一実施態様では、逆止め弁１４０を使用して、圧力スパイクを、給水トレー１３０の燃料カートリッジホルダ部４９３側に隔離することができる。逆止め弁１４０はばね８３４と連係して、圧力スパイクを隔離し、反応燃料物質１７７に送達される水の振動量をなくすように、圧力調整を可能にする。逆止め弁１４０を、逆止め弁およびポペットハウジング７４５に別個に位置するかまたは燃料カートリッジ１２０の一部として含まれる、水１９９貯蔵場所および供給装置と一体化することができる。逆止め弁１４０が、反応燃料混合物１７７より前に配置される場合、圧力の乱れをなくすことができ、均一な体積の水１９９を、燃料カートリッジ１２０内の反応燃料混合物１７７に送達することができる。過渡的な高圧スパイクがばねを逆加圧するのを防止する他の機構を採用することも可能であり、制御オン／オフ弁を使用して、振動速度での圧力および送達される水の乱れをなくすことができる。使用することができる別の装置はブリードオフ弁であり、それは、あらゆる過剰圧力を弁によるかまたは燃料電池１１０を介して単に排出することができる。各場合において、逆止め弁をばねと使用することにより、燃料カートリッジ１２０に対する水圧および流速の乱れをなくすことができる。

[0074]図１８Ｂに示すように、水流制限オリフィス１８８６等の水流制限器を使用して、所定の過渡状態において過剰な水流が燃料カートリッジ１２０に送達されないようにすることができる。水流制限オリフィス１８８６は、水投入速度の安全制限器としての役割を果たすことができる。水流制限オリフィス１８８６は、水素圧力を発生させるように反応燃料物質１７７と水１９９との間の化学反応に対して十分な時間を提供するように、送達水の速度を調整することができる。水流を制限し損なうことにより、過剰に大量の水が燃料カートリッジ１２０に送達される可能性があり、それによって高圧スパイクがもたらされる。流量制限オリフィスを、燃料カートリッジ、給水システムまたは両方に組み込むことができる。たとえば、図１８Ｂに示す一実施態様では、水オリフィス１８８６を、配管またはグロメット内に押し込まれる固いディスクにおける０．００７インチ穴とすることができる。図９に、チューブ接続水流制限オリフィスの詳細図を示し、図１０に、ディスク型水流制限オリフィスを示す。別の実施態様では、オリフィスを、ゴム製水分散構成要素のうちの１つに直接成形することができる。図示する実施態様では、オリフィスは、オリフィスが配管に直接結合されるのを可能にするかかり付き取付具の一部として製作される。別の実施態様では、かかり付き水オリフィスの一方の側を、追加の中間取付具を必要とすることなくグロメットに直接挿入することができる。

[0075]燃料カートリッジ
図１３Ａ、図１３Ｂおよび図１４Ａにさらに示すように、燃料カートリッジ１２０は、「水反応」クラスのカートリッジに対して設計されている。すなわち、燃料カートリッジ１２０内の反応燃料物質１７７は、水と化学反応する。化学反応によって水素ガスが発生し、それは、燃料電池１１０内で酸素または別の酸化剤と結合されて電気を発生させる。

[0076]一実施態様例では、燃料カートリッジ１２０は、水反応性燃料物質１７７（粉末）およびプラスチック上部キャップ１３２７を備えた薄壁金属キャニスタ１４２６を使用して構成される。金属キャニスタ１４２６を、給水トレー１３０とともに好都合に取り扱われ使用されるようなサイズとすることができる。たとえば、金属キャニスタ１４２６を広範囲の直径の円形とすることができ、いくつかは、図１３Ａ、図１３Ｂおよび図１４Ａに示す５１ｍｍ径等、４０ｍｍと６０ｍｍとの間である。キャニスタ１４２６を広範囲の高さで作製することができ、いくつかは、図１３Ａ、図１３Ｂおよび図１４Ａに示す１９ｍｍ高さ等、１０ｍｍと３０ｍｍとの間である。キャニスタ１４２６を、衝撃押出しアルミニウムから作製することができ、たとえば金属、ポリマーまたはエポキシ樹脂等、他の材料でめっきすることができる。プラスチック上部キャップ１３２７を使用して、キャニスタ１４２６を封止することができる。全プラスチック、全金属、剛壁、柔軟壁等、他の材料のキャニスタおよびキャップを使用することも可能であり、使用される水反応性燃料物質のタイプ、水が使用されるかまたは異なる溶液が使用されるか、燃料キャニスタおよび／またはキャップが再使用されるか否かに基づいて選択することができる。

[0077]一実施態様例では、キャニスタ１４２６を、機械的圧着によってキャップ１３２７に接続することができる。図１６に示すように、圧着器具１６０６を使用して、燃料カートリッジ１２０を封止するようにプラスチック上部キャップ１３２７を圧着することができる。図１６Ｂに示すように、圧着器具１６０６を使用して、燃料カートリッジ１２０の構造に巻上げ圧着部を作製することができる。この例では、燃料カートリッジ１２０本体は、金属キャニスタ１４２６およびキャップ１３２７を備えている。プレス圧着器具１６０６を介してキャニスタおよびキャップに対して直接下方に圧力を加えることにより、キャニスタ１４２６の壁がキャップ１３２７の頂部で巻き上がる（roll over）。これにより、非常に頑強なキャップ拘束機構を提供しながら、非常に薄壁の燃料カートリッジの使用が可能になる。この技術および構造を、高速垂直圧縮を使用して巻上げカートリッジ圧着部を生成することにより、大量生産で容易に製造することも可能である。

[0078]図１３Ａおよび図１３Ｂに示すように、別法として（または組合せて）、燃料カートリッジ１２０は、キャップ１３２７をキャニスタ１４２６に固定するために封止ねじ１３１３およびねじ付きＰＥＭスタンドオフ１３１４の組合せを備えることも可能である。ねじ／スタンドオフの組合せを、キャニスタの内側にまたは外側に接続することができる。ねじ／スタンドオフ手法により、再使用可能なキャップ１３２７およびキャニスタ１４２６が可能となり、一方で、圧着接続により、相対的に低い重量、低いコストおよび使い捨てが可能になる。当然ながら、接着剤、エポキシ樹脂、溶接、ボルト、クリップ、ブラケット、アンカー等の他のタイプの接合機構および締結具を使用することも可能である。燃料カートリッジ１２０は、燃料電池１１０で使用される前の水素１８８をろ過するために使用することができるろ過アセンブリ１３５９を備えることも可能である。

[0079]図１３Ａおよび図１３Ｂに示すように、燃料カートリッジ１２０と燃料電池１１０との間の弁を、カートリッジ弁１３２８と呼ぶ。キャップ１３２７に一体的に取り付けられるカートリッジ弁の別の例を図１７に示す。図示する実施態様では、プラスチックキャップ１３２７のオリフィスは、製造が容易なパッケージにカートリッジ弁のコア機能（すなわち、水素流制御）を提供する。カートリッジ弁１３２８は、オリフィスの周囲に、たとえば、Ｏリングを１．５ｍｍの距離で圧縮するように最大およそ２０Ｎの圧縮力を使用する、Ｏリング型圧縮取付具を備えることができる。

[0080]いくつかの実施態様例では、燃料カートリッジ１２０は２つの封止位置を有することができ、１つの封止位置（カートリッジ弁１３２８）により、水素１８８が燃料カートリッジ１２０から燃料電池１１０に流れることができ、別の封止位置（ニードル弁１３２９）により、水１９９を燃料カートリッジ１２０に挿入することができる。図２１Ａに、ニードル弁１３２９の斜視図を示す。または、図２１Ｂに、ニードル弁１３２９の詳細な断面図を示す。ニードル弁１３２９を、スポーツボール（sports ball）グロメットの機能線に沿って構成することができる。水封装置として、ニードル弁１３２９は、水、液体または他の溶液が、弁体または他の貫通源を介してキャニスタ１４２６に挿入されるのを可能にする。弁体または貫通源が取り除かれた時、液体は燃料カートリッジ１２０から排出せずまたは他の方法で流れ出ない。１つまたは複数の実施態様例では、ニードル弁１３２９としてシリコングロメットが使用され、給水トレー弁体６８２の挿入によって開放する。給水トレー１３０から燃料カートリッジ１２０が取り除かれる時、給水トレー弁体６８２は燃料カートリッジ１２０から取り除かれ、シリコングロメットは自己閉鎖してシールを形成する。

[0081]ニードル弁１３２９を、多数の異なる硬度仕様および寸法のシリコンまたは他のゴムから構成することができる。たとえば、図１３Ａ、図１３Ｂ、図２１Ａ及び図２１Ｂに示すニードル弁１３２９は、１／１６インチ内径弁体入口箇所２１５８を備えたシリコングロメットである。これにより、２２ゲージ弁体が弁１３２９に入ることができる。ニードル弁の高さおよび幅を、キャニスタ１４２６、燃料トレー１３０、給水トレー弁体６８２および他の構成要素のサイズに基づいて変更することも可能である。たとえば、図１３Ａ、図１３Ｂ、図２１Ａおよび図２１Ｂに示すニードル弁１３２９は、キャニスタ１４２６の３／１６インチ外側に延在する、５／１６インチ高さのシリコングロメットである。同様に、水分散箇所２１５７に対して、同様にサイズおよび仕様を変更することができる。水分散箇所２１５７は、反応供給チューブ（図２１Ａおよび図２１Ｂに示さず）が、反応を開始するために反応燃料物質に水を送達するように取り付けられる場所である。水分散箇所２１５７に対し、水が（図２１Ａおよび図２１Ｂに示すように）ニードル弁を取って直線状に移動することができるか、または（図１３Ａおよび図１３Ｃに示すように）角度をなして通過することができるように、サイズおよび形状を変更することができる。たとえば、図１３Ｃにおいて、ニードル弁１３２９はグロメットを使用し、そこでは、給水トレー１３０からの水１９９はキャニスタ内に垂直に移動し、一方で、水は、９０度の角度でグロメットから出てキャニスタ１４２６に入る。図１３Ｃに示す角度付きニードル弁により、薄型キャニスタ設計が容易になる。

[0082]図２３Ａにさらに示すように、さらなる流体隔離のために、ニードル弁１３２９の頂部にシリコーンシート２３５３を追加することができる。シリコーンシート２３５３は、給水トレー弁体（図２３には別個に示さず）の縁からのいかなる液体液滴も収集する。流体隔離のこの追加の手段は、液滴を落とす可能性がある、ｐＨの高い液体に対して、保護する役割を果たすことができる。給水トレー弁体では、時に、液滴または残留噴霧が出てくる可能性がある。シリコーンシート２３５３構造により、給水トレー弁体を取り外すときに、あらゆる液体を捕捉するために空隙２３５４の容積がもたらされる。図２３Ｂに、シリコーンシート２３５３を引き出して伸張させ空隙空間をもたらす給水トレー弁体６８２の例示を示す。図２３Ｃに、シリコーンシート２３５３の底面図を示す。さらに、ニードル弁を、単一構成要素でニードル弁１３２９およびシリコーンシート２３５３の両機能を行うように製造することができる。

[0083]図１８Ａに示すように、反応供給チューブ１８８３は、燃料カートリッジ内部に挿入され、燃料カートリッジ１２０を通して水１９９を分散するように水分散箇所２１５７に接続される。一実施態様例では、反応供給チューブ１８８２としてシリコーンが使用され、水分散のために小さい穴１８８４ａ、１８８４ｂ、１８８４ｃが使用される。剛性配管の小さい穴１８８４ａ、１８８４ｂ、１８８４ｃは、燃料カートリッジ１２０内の反応の副生成物により詰まる傾向がある可能性がある。穴１８８４ａ、１８８４ｂ、１８８４ｃを、精密ドリル加工し、成形し、または精密穿孔することができる。一実施態様例では、シリコーン反応供給チューブ１８８３の穴は、配管の可撓性のために閉塞物の周囲で自己拡大する。

[0084]図１８Ｂに示す一実施態様例では、Ｔ型取付具１８８４を使用して、反応供給チューブ１８８３を水分散箇所２１５７に接続することができる。Ｔ型取付具１８８４により、反応供給チューブ１８８３の迅速な手動による組立てが可能となり、反応供給チューブのカスタマイズと反応燃料物質への水の送達が可能になる。図１８Ａの反応供給チューブ１８８３の場合のように、Ｔ型取付具１８８４を採用する同様のシリコーン（または他の可撓性）配管は、反応供給チューブにより反応燃料物質に分散される水の均一性、速度および量を制御するために、１つの穴または一連の穴を利用することができる。たとえば、穴を、広範囲の異なるサイズおよび位置で製造することができる。Ｔ型取付具１８８４により、カスタム成形なしにシリコーンまたは他の可撓性配管の使用が可能になる。Ｔ型取付具１８８４はまた、配管が制御された領域に留まるのも可能にする。Ｔ型取付具がない場合、反応供給チューブ１８８３の配管は、キャニスタ１４２６の壁に向かって跳ね起きる傾向がある。水は、この構造を使用して反応燃料物質に送達される場合、キャニスタ壁の近くの領域に溜まって、反応燃料物質のすべてに達しない可能性がある。Ｔ型取付具により、接着剤、他の機械的支持体、またはカスタム成形された構成要素の必要なしに、配管を壁から離しておくことができ、反応燃料物質への水の均一な分散が可能になる。しかしながら、これらの他の支持体を使用することも可能である。

[0085]図１４Ｂに示すように、一実施態様例では、反応燃料物質１７７が移動しかつ／または凝集するのを防止し、かつ高粘度のケイ酸塩の泡の核生成を防止するために、反応物質保持スクリーン１４４７を実装することができる。燃料カートリッジ１２０が横倒しに置かれているかまたは上下逆である間に、システム１００が作動する場合、給水トレー１３０は、反応燃料物質１７７に水流を追加していない可能性がある。保持スクリーン１４４７は、粉末をキャニスタ１４２６内に近接して維持する。一例では、成形された保持スクリーン１４４７を、キャニスタ１４２６の壁の内径よりわずかに大きい径で製造することができる。保持スクリーン１４４７を反応燃料物質１７７の頂部に押し付けることができ、それにより、燃料カートリッジの水分散箇所の近くかまたは水配管１８８３（図１８Ａおよび図１８Ｂに示す）の下で粉末が固まり、その結果、水分散の位置に近接して反応燃料物質が均一に分散する。この構造により、反応燃料物質が、キャニスタ１４２６を通して非均一に分散された場合より均一な反応が可能になる。

[0086]さらに、上述したように、一実施態様例では、水分散箇所２１５７と反応供給配管１８８３との間に水制限オリフィス１８８６を設けることができる。別の例では、水制限オリフィスを、ニードル弁１３２９内に直接、または反応供給チューブ１８８３内に直接形成することができる。水制限オリフィス１８８６を、反応の開始時にまたは燃料カートリッジ欠陥の場合に過剰水を回避するように水流を制限するようなサイズとすることができる。燃料カートリッジ欠陥では、ばね圧力に反作用するようにいかなる水素背圧も発生せず、その結果、非常に大量の水が燃料カートリッジに送達され、それにより、非常に高レベルの水素流がもたらされる。

[0087]ここに示す水素「弁なし」構造では、燃料カートリッジと燃料電池との間に従来の弁は使用されない。燃料電池１１０、燃料カートリッジ１２０および給水トレー１３０が接続されたときに水素が発生し、それにより、こうした弁が不要になる。逆に、上述したように、ガス状水素を貯蔵するために通常閉弁を必要とすることなく、燃料カートリッジと燃料電池との間に単純なＯリング、端面シールまたは他の単純なシール機構が利用される。水反応燃料電池カートリッジ調節安全要件では、著しい（ある場合）水素発生なしに浸水試験に合格することを必要とする。別個の膜を使用して、水が、水素排出オリフィスを通して水反応性の燃料カートリッジ物質内に逆分散しないようにすることができる。カートリッジ弁は、給水トレーおよび燃料電池に接続されていないときに水がカートリッジに入らないように閉鎖されている。

[0088]たとえば、一実施態様では、水素隔離膜を、流体カートリッジキャップに熱かしめすることができる。一実施態様例では、水素隔離膜は、水素の純度を確保するためにスクラバを含む。図１５Ａおよび図１５Ｂに示すように、キャップは、追加の分離機能およびろ過機能を提供するように、キャップ内部に水素通路（図１５Ａ）または迷路（図１５Ｂ）を備えることができる。たとえば、ＣｕＯを使用することができる。存在する可能性がある潜在的な汚染物質のタイプおよび量に応じて、通路内に追加のスクラバ材料を採用することも可能である。スクラバまたは隔離膜を、高純度水素ガスが燃料電池に送達されることを確実にするように選択することができる。一実施態様例では、ろ床の上に長い経路長を提供するように、スクラバと膜隔離体との間にシートが使用される。

[0089]燃料電池は、通常、所与の圧力で動作し、水素流速が電流出力によって決まる。上でかつ図１３Ａおよび図１３Ｂにおいて概説したように、燃料カートリッジ１２０と燃料電池１１０との間のカートリッジ弁１３２８は、水素流量制限オリフィスとしての役割を果たすことができる水素オリフィスである。すなわち、上部キャップの流量制御オリフィスを使用して、燃料電池への水素流（圧力）を設定しまたは調整することができる。発生した水素流は、水素オリフィスサイズおよび発生した水素の圧力によって決まり、発生した水素の圧力は、（反応燃料物質への）送達された水の圧力によって決まる。請求項に記載の発明では、燃料電池は、発生した水素流を動的に調節する。燃料電池は、水素が利用可能である場合は燃料消費を増大させ、一定負荷時に（燃料電池における）バッテリを充電または放電することによって利用可能でない場合は、消費を減少させる。カートリッジ弁（水素オリフィス）と給水システムばねによって発生する圧力とを使用して、水素流が最適な流量範囲に設定され、それにより、燃料電池は予測可能な電流で動作することができる。このように、請求項に記載の発明の水素燃料電池は、水素燃料電池が通常は電圧源に類似している先のシステムとは対照的に、電流源に類似している。別法として、水素オリフィスを使用して最大流量を単純に設定することができ、カートリッジは、発生した圧力およびオリフィスサイズによって確定されるように最大レベル未満に流れを自己調整する。燃料電池が最大レベル未満を消費し、内部燃料電池圧力を蓄積するために弁を含む（燃料電池システムで一般的であるように）場合、燃料カートリッジは、自己調整して名目一定圧力を維持し、燃料電池が必要とする量の水素のみを発生させる。

[0090]上に概説したように、燃料カートリッジは、反応燃料物質としてナトリウムシリサイド粉末を利用することができる。たとえば、３０ｇ燃料カートリッジは、４ｇのナトリウムシリサイド粉末を含むことができる。このエネルギー担持反応燃料物質におよそ１０ｍｌの水を混合して、およそ４リットルの水素ガスが生成され、その結果、燃料電池からおよそ４ワット時のエネルギー出力がもたらされる。燃料カートリッジは、防水性であり、２年間の保管期間があり、最大７０℃の温度で保管することができ、燃料電池１１０で使用される水素ガスを発生させるために、およそ０℃から４０℃の間の動作温度で使用することができる。

[0091]燃料電池
上に概説したように、請求項に記載のシステムは、たとえばナトリウムシリサイド等の反応燃料物質および水を利用して水素を発生させる水反応燃料電池を組み込んでいる。請求項に記載の発明による一例としての燃料電池は、５Ｖ、５００ｍＡ入力および５Ｖ、１０００ｍＡ出力の定格の４固体高分子形（ＰＥＭ）１０００ｍＡｈ燃料電池セルスタックを含む。請求項に記載の発明による一例としての燃料電池は、Ｌｉ−イオン１６００ｍＡｈ内部バッファを備え、マイクロＵＳＢ充電入力ポートおよびＵＳＢ−Ａ充電出力ポートを利用する。

[0092]請求項に記載の発明による燃料電池例は、２．５Ｗの定格入力（内部バッテリのマイクロＵＳＢ充電）と２．５Ｗ（燃料電池モード）および５．０Ｗ（内部バッファ／バッファモード）の定格総出力とを有している。請求項に記載の発明による一例としての燃料電池は、５．９Ｗｈ（１６００ｍＡｈ、３．７Ｖ）の内部バッファ（バッテリ）容量を含む。請求項に記載の発明による一例としての燃料電池は、おおよぼの寸法が６６ｍｍ（幅）×１２８ｍｍ（長さ）×４２ｍｍ（高さ）である小型かつ携帯型であり、重量がおよそ１７５ｇ（給水トレーなし）およびおよそ２４０ｇ（給水トレーあり）である。

[0093]このように、本発明の基本概念について説明したが、むしろ、上述した詳細な開示は、限定するものではなく単に例として提示されるように意図されていることが、当業者には明らかとなろう。上述した実施形態および実施態様に加えて、本発明はまた、個々の構成要素および方法と、それらの間のさまざまなコンビネーションおよびサブコンビネーションにも関連する。本明細書において明示的に述べられていないが、当業者には、さまざまな変形、改善および変更が想到され、意図されるであろう。これらの変形、改善および変更は、ここで示唆されるように意図されており、本発明の趣旨および範囲内にある。さらに、処理要素またはシーケンスの列挙した順序、したがってまたは数字、文字あるいは他の指定の使用は、特許請求に範囲において特定することができることを除き、請求項に記載にプロセスをいかなる順序にも限定しないように意図されている。したがって、本発明は、以下の特許請求の範囲およびその均等物によってのみ限定される。

Claims (36)

1. 水素燃料電池システムであって、
   燃料電池と、
   反応燃料物質を含む燃料カートリッジと、
   前記燃料カートリッジに動作可能に接続され、かつ前記反応燃料物質と反応して前記燃料電池用に水素を発生するように前記燃料カートリッジ内に水溶液を提供するように構成された燃料カートリッジと、
   を含む水素燃料電池システム。
2. 前記反応燃料物質が安定化アルカリ金属を含む、請求項１に記載の水素燃料電池システム。
3. 前記安定化アルカリ金属が、ナトリウムシリサイドまたはナトリウムシリカゲルおよび任意選択的に共反応物を含む、請求項２に記載の水素燃料電池システム。
4. 前記水溶液が水を含む、請求項１に記載の水素燃料電池システム。
5. 前記給水トレーが、前記給水トレー内の前記水溶液を加圧するように構成されたばねアセンブリを備える、請求項１に記載の水素燃料電池システム。
6. 前記給水トレーが、前記水溶液を受け取るように構成されたアクセスドアを備える、請求項１に記載の水素燃料電池システム。
7. 前記給水トレーの前記アクセスドアが、前記水溶液を受け取るロックされた開放位置に前記アクセスドアを配置するように構成されたラッチ棚を備える、請求項６に記載の水素燃料電池システム。
8. 前記給水トレーが、前記給水トレー内の前記水溶液を加圧するように構成されたばねアセンブリを備える、請求項７に記載の水素燃料電池システム。
9. 前記ラッチ棚が、前記アクセスドアが前記ロックされた開放位置に配置されたときに、前記ばねアセンブリを荷重するようにさらに構成される、請求項８に記載の水素燃料電池システム。
10. 前記アクセスドアが、ロック解除機構を備え、かつロック解除して、前記給水トレー内の前記水溶液に力を加えるように前記ばねアセンブリを起動させるように構成される、請求項８に記載の水素燃料電池システム。
11. 前記給水トレーが、前記燃料カートリッジに送達される前記加圧された水溶液の圧力を調整する逆止め弁として構成された通常閉弁を備える、請求項５に記載の水素燃料電池システム。
12. 前記逆止め弁および前記ばねアセンブリが、前記燃料カートリッジに水溶液の制御された流れを提供するようにさらに構成される、請求項１１に記載の水素燃料電池システム。
13. 前記給水トレーが通常閉弁を備え、前記通常閉弁が、前記燃料カートリッジおよび前記燃料電池が前記給水トレーに接続されていないときに、前記水溶液が前記燃料カートリッジに移動するのを防止するように構成され、かつ、前記燃料電池および前記燃料カートリッジが前記給水トレーに接続されているときに開放するようにさらに構成される、請求項１に記載の水素燃料電池システム。
14. 前記給水トレーがばね機構を備え、前記ばね機構が、前記給水トレーに動作可能に接続され、かつ前記燃料電池が前記システムから分離されたときに、前記燃料カートリッジを水供給接続から排出するように構成される、請求項１に記載の水素燃料電池システム。
15. 前記給水トレーがばね機構を備え、前記ばね機構が、前記給水トレーに動作可能に接続され、かつ前記燃料電池に対して前記燃料カートリッジを押して、前記システムの動作中に水素シールに対して必要な力を提供するように構成される、請求項１に記載の水素燃料電池システム。
16. 前記給水トレーがラッチロック箇所を備え、前記ラッチロック箇所が、前記燃料電池からラッチを受け取るように構成され、かつ、前記システムの動作中に、前記燃料電池に対して前記燃料カートリッジを押して、前記燃料カートリッジと前記燃料電池との間に水素シール用の係合力を提供するようにさらに構成される、請求項１に記載の水素燃料電池システム。
17. 前記給水トレーが、前記燃料カートリッジに前記水溶液を送達するように構成された給水弁体を備える、請求項１に記載の水素燃料電池システム。
18. 前記給水トレーが、前記水溶液を保持するように構成されたベローズアセンブリを備える、請求項１に記載の水素燃料電池システム。
19. 前記ベローズアセンブリが、前記ベローズアセンブリの内部に構成されたばねを備える、請求項１８に記載の水素燃料電池システム。
20. 前記ばねが、前記ベローズアセンブリが折り畳まれているときに、前記水溶液を加圧するようにさらに構成される、請求項１９に記載の水素燃料電池システム。
21. 前記ばねが、前記ベローズアセンブリが完全に折り畳まれたときに、前記水溶液を加圧するようにさらに構成される、請求項２０に記載の水素燃料電池システム。
22. 前記燃料カートリッジが、前記燃料カートリッジ内の反応条件を制御するように化学添加物を含む、請求項１に記載の水素燃料電池システム。
23. 前記燃料カートリッジが、前記燃料カートリッジ内の反応副生成物の表面張力を破壊する界面活性剤を含む、請求項１に記載の水素燃料電池システム。
24. 前記燃料カートリッジ内の前記反応副生成物がケイ酸ナトリウムを含む、請求項２３に記載の水素燃料電池システム。
25. 前記燃料カートリッジが、前記燃料カートリッジから前記燃料電池への水素流量を制御するように構成されたカートリッジ弁を備える、請求項１に記載の水素燃料電池システム。
26. 前記燃料カートリッジが、前記水トレー供給から前記燃料カートリッジまで水溶液を通すように構成されたニードル弁を備える、請求項１に記載の水素燃料電池システム。
27. 前記燃料カートリッジが、前記水溶液を前記反応燃料物質に分散させるように構成された反応供給チューブを備える、請求項１に記載の水素燃料電池システム。
28. 前記反応供給チューブが、前記水溶液を前記反応燃料物質に均一に分散させるように構成されたＴ型取付具を備える、請求項２７に記載の水素燃料電池システム。
29. 前記燃料カートリッジが、前記燃料カートリッジ内に前記反応燃料物質を収容するように構成された反応物質保持スクリーンを備える、請求項１に記載の水素燃料電池システム。
30. 前記燃料カートリッジが、前記燃料カートリッジ内で生成された水素ガスをろ過するように構成された水素隔離膜を備える、請求項１に記載の水素燃料電池システム。
31. 前記燃料カートリッジが、前記燃料電池から分離されたときに水素ガスを貯蔵しない、請求項１に記載の水素燃料電池システム。
32. 前記燃料カートリッジが、防水性であり、かつ前記燃料カートリッジが水に浸漬したときに水素を発生させないように構成される、請求項３１に記載の水素燃料電池システム。
33. 前記燃料カートリッジが、再使用可能な燃料カートリッジ構成要素を提供するようにキャニスタ本体に動作可能に接続された上部キャップを備える、請求項１に記載の水素燃料電池システム。
34. 前記燃料カートリッジおよび前記給水トレーが、前記給水トレー内の逆止め弁、前記給水トレー内のばねアセンブリおよび前記燃料カートリッジ内のカートリッジ弁の構造により、前記燃料電池に水素の制御された流れを提供するようにさらに構成される、請求項１に記載の水素燃料電池システム。
35. 前記燃料カートリッジが、金属キャニスタおよびプラスチックキャップを接合するように、巻上げ圧着部を備える、請求項１に記載の水素燃料電池システム。
36. 前記燃料カートリッジが、前記燃料カートリッジの安全な取扱いを可能にするように断熱燃料カートリッジである、請求項１に記載の水素燃料電池システム。

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