JP3745358B2

JP3745358B2 - 熱分解可能な障壁システムを有する燃料カートリッジ

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Description

本発明は、燃料電池用の燃料カートリッジに関するものである。

過去数年の間に、様々な量の電気を生成する燃料電池の人気と実現性が大幅に高まった。燃料電池は、水素や酸素などの化学物質による電気化学反応を行って電気と熱を生成する。燃料電池は、バッテリと似ているが、燃料電池は、電力を提供しながら「再充電」することができる。燃料電池は、炭化水素を燃焼させる装置よりも大幅に低温かつ清浄である。

燃料電池は、モータ、ライト、コンピュータ、又は任意の数の電気器具に電力を供給するために使用できるＤＣ（直流）電圧を提供する。幾つかの異なるタイプの燃料電池があり、それぞれ異なる化学反応を使用する。燃料電池は、通常、使用される電解質のタイプによって分類される。燃料電池のタイプは、一般に、固体高分子型（ＰＥＭ）燃料電池、アルカリ型燃料電池（ＡＦＣ）、リン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）、固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）、および溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）の５つのグループのいずれかに分類される。

前述の燃料電池はそれぞれ、酸素と水素を使用して電気を生成する。通常、周囲の空気が、燃料電池の酸素を供給する。実際に、ＰＥＭ燃料電池では、通常の空気を空気極に直接送り込むことができる。しかし、水素は、酸素ほど容易に入手できない。水素は、潜在的な安全上の問題の原因となる幾つかの理由のために、生成し、蓄積し、分配することが困難である。その結果として、潜在的な安全上の問題を軽減するために厳密な安全対策が取られる。

大量の気体燃料（水素など）を燃料カートリッジに貯蔵することは、そのような貯蔵によって安全上の問題が生じまたエネルギー密度が最適値よりも低くなる可能性があるため、望ましくないことがある。更に、燃料含有物質を燃料カートリッジに貯蔵する例では、気体燃料を放出させる従来の装置は、プロセス全体にわたる精確な制御を提供しない。この制御の欠如によって、燃料電池によって必要な量よりも多い燃料が放出されて、幾つかの安全上の問題が起こることがある。

多くの可能な実施形態のうちの１つでは、第１の化学反応物(chemical reagent)と、第２の化学反応物と、該第１の化学反応物と該第２の化学反応物とを分離する熱分解可能な障壁層であって、その分解時に該第１の化学反応物と該第２の化学反応物とが自然に反応して燃料を放出することを可能にする、熱分解可能な障壁層と、該熱分解可能な障壁層を加熱するヒータとを含む、燃料カートリッジが提供される。

図面は、本発明の様々な実施形態を示し、本明細書の一部分である。示した実施形態は、単に本発明の例示であり、本発明の範囲を限定するものではない。また、全図にわたり、同一の符号は、類似しており必ずしも同一とは限らない要素を示している。

本明細書において、燃料を精確に生成すると同時に非気体状態での気体燃料の蓄積を容易にする装置および方法を説明する。後でより詳しく説明する１つの例示的な実施形態によれば、熱分解可能な障壁によって分離された反応物を含む複数の燃料ウェルがプレート内に配置される。熱エネルギーを加えることにより２つの反応物の間から分解可能な障壁が除去された際に、反応物が実質的に自然に反応することが可能となり、これにより燃料電池等の燃料消費システムに供給できる燃料が生成される。このシステムは、単に説明を容易にするために、固体高分子型（PEM）燃料電池の文脈で説明する。しかし、本明細書に示した燃料カートリッジは、アルカリ型燃料電池（AFC）、リン酸型燃料電池（PAFC）、固体電解質型燃料電池（SOFC）、および溶融炭酸塩型燃料電池（MCFC）を含む、他のタイプの燃料電池と共に使用することもできる。更に、本書に示した燃料カートリッジは、任意の燃料消費システムに組み込むことができる。

以下の記述では、説明のため、本発明の完全な理解を実現するために多数の特定の詳細を説明する。しかし、当業者には、これらの特定の詳細なしに本発明を実施できることは明らかであろう。本書における「１つの実施形態」又は「一実施形態」なる記載は、該実施形態に関連して説明する特定の特徴、構造、又は特性が少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味している。本書内の様々な場所に現れる「１つの実施形態における」という句は、必ずしもその全てが同一の実施形態を指しているとは限らない。
例示的な構造
図１は、燃料電池など、燃料消費システムに加圧された水素を提供することができる燃料源の実施形態を示している。図１に示すように、燃料カートリッジ(100)の外部構造は、ハウジング(110)と、該燃料カートリッジ(100)を燃料消費システムに流体的に結合する流体カプラ(120)と、該燃料カートリッジ(100)を燃料消費システムに電気的に結合する電気結合器(130)とを含むことができる。例示的な燃料カートリッジ(100)のハウジング(110)は、支持される燃料消費システムのサイズや、カートリッジ(100)内に蓄積される所望の量の燃料含有物質などの要素に従って、サイズが変化することがある。燃料カートリッジ(100)内で生成され収容される燃料は、流体カプラ(120)を介して燃料カートリッジ(100)から出て、燃料消費システムに入ることができる。また、流体カプラ(120)は、図６Ａと図６Ｂに関して後で説明するように、流体カプラ(120)が対応するコネクタ(図６Ａの620)と嵌合されていない限り燃料がハウジング(110)から出入りするのを防ぐキャップとして働く。更に、電気結合器(130)は、図５及び図７に関して後で説明するように、燃料カートリッジ(100)を制御するための電気信号の伝送を可能にする。

図２は、例示的な燃料カートリッジ(100)の内部の構成要素を示している。図２に示すように、燃料カートリッジ(100)は、プレート(210)の本体内に形成された１つ又は２つ以上の燃料ウェル(200)を含むことができる。ハウジング(110)内に配置された燃料ウェル(200)は、任意の適切なサイズ、形状、及び／又は数のものとすることが可能である。燃料カートリッジ(100)が気体燃料を生成することができる精度は、プレート(210)の本体内に配置された燃料ウェル(200)の数及び種類と共に高くなる。図２に示すプレート(210)の本体内に形成される複数の燃料ウェル(200)は、それぞれのサイズを異ならせることが可能であり、これにより様々なサイズの燃料ウェル(200)の組み合わせを消費することにより様々な所定量の燃料を生成することができる。更に、この燃料ウェル(200)は、特定の形状に限定されないが、六角形や六角形状といった燃料蓄積領域間のスペースを最小限にし易い形状を使用することによって、燃料カートリッジ内に収容される燃料ウェル(200)の密度を最大限にすることができる。燃料ウェル(200)を収容するプレート(210)は、テフロン、ガラス、PEAK、プラスチック、スチレン、アクリレート、スチレン・ブタジエン重合体、セラミックス、シリコン、アルミニウム、ステンレス鋼314又は316、ベークライト、ポリウレタン、ポリカーボネート、グラファイト、炭素、テフロン被覆金属、パイレックス材料、又はこれらの任意の適切な組み合わせを含むが決してこれらに限定されない、以下に示す機能を実行することができる任意の材料から形成することができる。更に、プレート(210)は、射出成形又は鋳造プロセスを含むが決してこれらには限定されない任意の多数の形成プロセスを使用して形成することができる。

図３Ａは、例示的な燃料カートリッジ(100)の内部の構成要素を示す断面図である。図３Ａに示すように、例示的な燃料カートリッジは、回路層(340)と複数の燃料ウェル(200)に対応する幾つかのヒータ(320)とを支持する基部(330)を含むことができる。該ヒータ(320)と燃料ウェル(200)の間には障壁層(350)が配置される。更に、プレート(210)の一部は燃料ウェル(200)を横方向に分離し、各燃料ウェル(200)の上部は半透膜(310)で覆われている。該半透膜(310)と燃料カートリッジ(100)のハウジング(110)との間には開放燃料通過領域(300)がある。

基部(330)は、これもまたハウジング(110)の一部を構成し、燃料カートリッジ(100)を支持しかつ絶縁する。基部(330)及びそれに次ぐハウジング(110)は、ポリエステル、ポリスチレン、テフロン、カプトンなどのポリイミドを含むが決してこれらには限定されない、幅広い温度範囲にわたって機械特性、化学特性、又は電気特性を維持することができる任意の材料から製造することができる。図３Ｃに関して後で説明するように、基部(330)の上に回路層(340)と幾つかのヒータ(320)を形成することができる。回路層(340)及びヒータ(320)は、その形成後に、比較的高い熱伝導性を有すると共に該回路層(340)を燃料ウェル(200)から電気的及び化学的に絶縁する障壁層(350)により覆われる。該障壁層(350)に適した材料は、シリカ、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、ガラス、ポリイミド等の重合体、およびエポキシ・アミン複合物を含むが決してこれらには限定されない。

燃料ウェル(200)のすぐ上方には、燃料ウェル(200)を流体的にシールする半透膜(310)がある。該半透膜(310)は、固体と液体の両方の流れを制限することにより燃料ウェル(200)を流体的にシールする。しかし、該半透膜は、燃料ウェル(200)で生成された気体燃料が該半透膜を通過して開放燃料通過領域(300)に入ることができるよう構成される。該半透膜は、テフロンやポリプロピレンなどを含むが決してこれらには限定されない、気体の排出を可能にしつつ液体の流れを制限することができる任意の材料から製造することが可能である。

半透膜(310)と燃料カートリッジハウジング(110)との間には開放燃料通過領域(300)がある。該開放燃料通過領域(300)は、半透膜(310)を介して燃料ウェル(200)から排出された気体燃料のためのチャネルを提供する。該開放燃料通過領域(300)は、排出された気体燃料を、流体カプラ(図１の120)を介して燃料消費システムに導くことができる。

更に、図３Ｂに、燃料カートリッジ(100)の例示的な実施形態に組み込むことができる例示的な燃料ウェル(200)を示す。図３Ｂに示すように、燃料ウェル(200)は、熱分解可能な障壁層(380)によって化学的に分離された上側反応物(370)と下側反応物(390)を含むことができる。反応物は、化学反応に使用される化学薬品である。本発明の燃料カートリッジ(100)に適用する場合、上側反応物(370)及び下側反応物(390)は、組み合わされたときに実質的に自然に反応して所望の生成物を生成する任意の反応物とすることが可能である。燃料カートリッジ(100)の１つの例示的な実施形態によれば、上側反応物及び下側反応物はそれぞれ、単純又は複雑な金属水素化物、酸あるいは水などの他のプロトン供与体を含むことができる。金属水素化物ならびに酸や他のプロトン供与体が、化学的に混合されるとき、これらは、実質的に自然に反応して水素を生成する。金属水素化物は、反対の反応物が、金属水素化物と混合されたときに水素を生成する酸やその他のプロトン供与体を含んでさえいれば、上側反応物(370)と下側反応物(390)のどちらとしても配置されてもよい。１つの例示的な実施形態によれば、リチウムや水素化ホウ素ナトリウムなどの金属水素化物が下側反応物(390)を形成し、塩酸、リン酸、ポリ燐酸などの酸が上側反応物(370)を形成する。

図３Ｂに示すように、上側反応物(370)及び下側反応物(390)は、熱分解可能な障壁層(380)によって化学的に分離されている。該熱分解可能な障壁層(380)は、上側反応物(370)と下側反応物(390)を化学的に分離することができかつ予測可能な量の熱エネルギーを加えることによって構造的に破壊することができる任意の熱分解可能な材料からなることができる。熱分解可能な障壁層を形成するために使用できる材料には、Ampliwax、脂肪、脂肪アルコールや、アクリレート、スチレン、スチレン・ブタジエンなどの薄膜の積層に使用されるものと類似した重合体薄膜や、ロジン、アラビアゴム、ポリエチレン鉱油、loctite Hysolのような市販のホットメルトグルー、蝋といったホットメルト材料や、ポリエステル等のプラスチックが含まれるが、決してこれらには限定されない。熱分解可能な障壁層(380)は、上側反応物(370)と下側反応物(390)とが化学的に混ざって自然に反応するのを妨げる。熱分解可能な障壁層(380)は、熱エネルギーを加えることにより、上側反応物(370)と下側反応物(390)との間から制御可能に除去することができる。熱分解可能な障壁層(380)は、45℃から450℃までの間の選択可能な融点を有することができる。１つの例示的な実施形態によれば、融点は70℃〜200℃とすることが可能であり、更にもう１つの例示的な実施形態によれば100℃〜150℃とすることが可能である。更に、熱分解可能な障壁層(380)の融点は、熱分解可能な障壁層(380)を形成するために使用される材料に依存する。熱分解可能な障壁層を破壊するために使用される熱エネルギーは、回路層(図３Ａの340)及びヒータ(図３Ａの320)により、所望の燃料ウェル(200)に適度に導入することができる。

図３Ｃは、この燃料カートリッジ(100)の１つの例示的な実施形態の熱エネルギー導入構成要素を更に詳しく示す分解組立図である。図３Ｃに示すように、ヒータ(320)は、下側反応物(390)の真下の障壁層(350)の向こう側に配置されている。ヒータ(320)は、燃料カートリッジ基部(330)上に形成された回路層(340)で取り囲まれている。図３Ｃに示すように、回路層(340)は、第１組の導体(342)及び第２組の導体(346)と、それら導体(342,346)を互いに電気的に分離する絶縁材料(344)とを含むことができる。第１及び第２の導体(342,346)は、ヒータ(320)を選択的に制御して、該ヒータが、制御された量の熱エネルギーを燃料ウェル(図３Ａの200)へ供給するようにする。ヒータ(320)を制御する回路層(340)は、金属堆積技術を含むが決してこれには限定されない任意の適切な技術により基部(330)上に形成することができる。

図４は、この燃料カートリッジ(100)に組み込んで１つ又は２つ以上の燃料ウェル(図２の200)に熱エネルギーを選択的に供給することができるヒータアレイ(400)の例示的な実施形態を示している。例示的なヒータアレイ(400)は、第１組及び第２組の導体(342,346)に通信可能に結合された幾つかのヒータ(320)を含むことができる。各導体は、導体(342,346)をシステムコントローラや他の計算処理装置(図示せず)に電気的に結合する端部(410)を有する。ヒータ(320)は、選択された抵抗器を通る駆動電流により選択的に活動化されて、後に１つ又は２つ以上の選択された燃料ウェル(図３Ａの200)内の熱分解可能な障壁(380)に加えられる熱エネルギーを生成する、抵抗器とすることが可能である。この燃料カートリッジ(図１の100)に代替的に組み込むことができる別のヒータとして、伝熱流体が内部に流れる熱交換器内のチューブが挙げられるが、決してこれには限定されない。燃料ウェル(図３Ａの200)、ヒータ(320)、およびプレート(図３Ａの210)は、それぞれ、選択されたヒータの活動化によって、選択された燃料ウェル(図３Ａの200)に関連する熱分解可能な障壁(380)だけが破壊されるように構成される。このように、この構成は、隣接した燃料ウェル(図３Ａの200)の熱分解可能な障壁(380)を実質的に加熱することなく気体燃料を制御可能に放出することを可能にする。

例えば図４に示すように、ヒータ(320)は、プレート(図２の210)上に配置された燃料ウェル(図３Ａの200)の配列に対応するアレイ(400)で配置される。図４に示す例示的なヒータアレイ(400)は、インクジェット印刷装置に使用されるものと実質的に類似しており、列及び行に配列され、第１組の導体(342)と第２組の導体(346)を含む。各ヒータ(320)は、第１組の導体(342)のうちの１つの導体と、第２組の導体(346)のうちの１つの導体に接続されている。例示的なアレイ(400)内の選択されたヒータ(320)は、第１の導体(342)を電圧源に接続し、対応する第２の導体(346)をアースに接続することによって活動化させることができる。１つの第１の導体(342)を電圧源に接続し複数の第２の導体(346)をアースに接続するか、複数の第１の導体(342)を電圧源に接続し複数の第２の導体(346)をアースに接続するか、又は複数の第１の導体(342)を電圧源に接続し１つの第２の導体(346)をアースに接続することによって、複数のヒータ(320)を同時に活動化させることができる。また、そのような構成は、「受動的多重化(passive multiplexing)」と呼ばれることがあり、所望の方向(図示せず)の電流を制限するための追加の抵抗器又はダイオードを含むことが可能であり、それらは寄生電力を制御し消散させるために使用される。受動的多重化構成の一例が、ヒューレット・パッカード社の米国特許第5,504,471号においてインクジェットプリンタに関して開示されている。

本開示のヒータアレイ(400)の実施形態は、各燃料ウェル(図２の200)毎に１つのヒータ(320)を含む。しかし、ヒータ／燃料蓄積領域の比は、各カートリッジ毎に、あるいは１つのカートリッジ内で、異ならせることが可能である。例えば、単一の燃料ウェル(図２の200)に対応して複数のヒータ(320)が存在することが可能であり、単一のヒータ(320)が複数の燃料ウェル(図２の200)に熱エネルギーを提供することも可能である。更に、本発明の燃料カートリッジ(100)の燃料ウェルを含むプレート(210)及び回路層(図３Ａの340)を分離可能な複数のプレートとし、該複数のプレートを、互いに精確に結合されてヒータが燃料ウェル(200)と熱接触する状態で位置合わせされるように製造することが可能である。また、この燃料カートリッジ(図１の100)が、任意の特定のヒータシステムの使用に限定されないことに注意されたい。例えば、抵抗器及び／又は他のヒータ装置は、ヒューレット・パッカード社による米国特許第5,644,342号及び第6,007,186号においてインクジェットプリンタに関して開示されているようなアドレス指定システムにより制御することが可能である。

更に、ヒータ(320)の活動化は、システムプロセッサ(図７の610)(又は別個のコントローラ)、並びに例示的なPEM燃料電池システムを制御することができる他の構成要素およびサブシステムにより、制御することができる。フィードバックループは、燃料カートリッジ(100)内の燃料の生産を制御するために利用することができる１つの例示的な方法である。かかる制御は、気体燃料Fが生成されているか否かの監視に加えて、燃料生成速度を決定するものとなる。

図１に示した例示的な燃料カートリッジ(100)はまた、該燃料カートリッジ(100)を燃料消費装置に電気的に結合するために使用される電気結合器(図１の130)を含む。図５は、電気結合器(130)内に配置することができる例示的な接点パッド(500)を示している。例えば図５に示すように、各導体(図４の342,346)は端部(図４の410)を含む。各端部(図４の410)は接点パッド(510)に接続することができる。接点パッド(510)は、ホスト装置の電気コネクタ(図７の630)の対応する要素と結合するように、電気結合器(130)内に配置された接点板(500)上に適切な形で配列される。この接続により、ホスト装置をヒータ(320)に選択的に結合すること、及びヒータ(320)の動作を選択的に制御することが可能となる。

例示的な燃料カートリッジ(図１の100)はまた、燃料カートリッジ(100)を燃料消費システムに流体的に結合することができる流体カプラ(120)を含む。この燃料カートリッジ(図１の100)は、該燃料カートリッジをホスト燃料消費装置に結合するいかなる特定の構造にも限定されず、好ましい結合構造は、漏れを防ぐセルフシールカプラ構造である。そのようなセルフシール構造によって、燃料カートリッジカプラ(120)及びホストシステムコネクタ(図６Ａの620)において、これら２つが互いに接続され切り離されるときにシールが維持される。図６Ａ及び図６Ｂに、この燃料カートリッジと共に使用することができるセルフシールコネクタ構造の一例を示す。

図６Ａに示すように、例示的な燃料カートリッジコネクタ(120)は、内方突出端部(124)を有する中空円筒状ボス(121)と、燃料カートリッジハウジング(図２の110)内の開放領域(図２の110)内に開く内腔(122)とを含む。燃料カートリッジコネクタ(120)の端部(125)は、スリット(128)を有する従動性を有する隔壁(129)を含むことができる。従動性を有する隔壁(129)は、圧着キャップ(126)により燃料カートリッジコネクタ(120)に固定することができる。従動性を有する隔壁(129)と内方突出端部(124)との間には、ばね(123)(又は、他の圧迫装置)とシールボール(700)が配置される。該ばね(123)の長さは、該ばねがシールボール(700)を隔壁(129)に押し付けて流体密封シールを形成するような長さである。圧着キャップ(126)の端部(127)は、隔壁(129)内のスリット(128)と位置合わせされた開口部を有する。

図６Ａと図６Ｂに示したホスト装置コネクタ(620)は、閉じた端部(712)を有する針(625)と、側方オリフィス(714)と、針(625)を軸方向に通り前記側方オリフィス(714)から延びる内腔とを含むことができる。針(625)を取り囲む摺動カラー(621)は、ばね(624)(又は偏倚装置)によって環状停止部(627)に押し付けられる。摺動カラー(621)は、従動性を有するシール部(623)と実質的に剛性の保持部(622)とを含むことができる。１つの例示的な実施形態による従動性を有するシール部(623)は、露出した上側面(628)と、針(625)と実質的に接触している内側面(710)とを有する。図６Ａに示した切り離された位置において、側方オリフィス(714)は、シール部内側面(710)によって取り囲まれシールされる。また、ホスト装置コネクタ(620)は、図６Ｂに示す接続位置に移動する際に、燃料カートリッジコネクタ(120)を案内して中央に位置決めするテーパ状の導入部分(626)を有する。

燃料カートリッジコネクタ(120)が、ホスト装置コネクタ(620)に差し込まれることによって、図６Ｂに示すように燃料カートリッジ(図１の100)とホスト装置の間の接続を確立すると、針(625)の閉じた端部(712)が、隔壁スリット(125)を貫通する。したがって、隔壁(129)は、大きい挿入力なしに針(625)を差し込むことができるほど十分の柔軟でかつ針を除去した後で気密シールを実現できるほど十分に堅くなければならない。針(625)が、隔壁(129)を貫通して円筒状ボス(121)内に入るとき、摺動カラー(621)とシールボール(700)は、側方オリフィス(714)が露出するまで逆方向に押される。この構成により、燃料カートリッジ(図１の100)とホスト燃料消費装置(図示せず)の間に流体的な連絡が確立される。

更に、例示的な燃料カートリッジ(100)とホスト装置コネクタ(620)は、燃料カートリッジが不適切に差し込まれるのを防ぐため、また多くの例において間違ったタイプの燃料カートリッジがホスト燃料消費装置に接続されるのを防ぐために、レールやスロット構造などの対応する形状と機械式キーイング装置(図示せず)を有することがある。また、燃料カートリッジを適所に機械的に固定するために、ラッチ(図示せず)などの適切な固定装置が設けられることがある。ホスト燃料消費装置に(該装置よりも)比較的小さい燃料カートリッジ(100)を挿入すると共に、該ホスト燃料消費装置の外部に比較的大きい燃料カートリッジを取り付けることが可能である。

図７は、燃料電池式ノートブック型コンピュータなどの燃料消費システム(700)に組み込まれたこの燃料カートリッジ(図１の100)の例示的な実施形態を示すブロック図である。他の例示的な燃料消費システムには、携帯情報端末、ディジタルカメラ、携帯電話機、携帯式電子ゲーム、および電気自動車などが含まれるが、全くこれらには限定されない。この燃料カートリッジはまた、電力を提供するために、図１１及び図１２に関して後に説明する電気化学セルのような、別個の電力消費装置に接続することができるスタンドアロン型の発電器と共に使用することができる。

図７に示すように、燃料消費システム(700)は、燃料消費システム内の様々な電気負荷(605,610)に接続された燃料電池システム(600)又は他の燃料消費／発電装置に流体的に結合された燃料カートリッジ(100)を含むことができる。図７に示した燃料電池システム(600)は、一実施形態によれば、複数の電池を含む燃料電池スタックである。この燃料カートリッジは、特定のタイプの燃料電池システムには限定されないが、図７に示した燃料電池システム(600)は、プロトン交換膜(図示せず)によって分離された燃料極及び空気極を有するPEM燃料電池とすることが可能である。燃料カートリッジと燃料消費システム(700)の燃料電池システムとの間の加圧接続は、前述のように、燃料カートリッジ結合器(120)とホスト装置結合器(620)によって容易になる。

図７に示した燃料電池システム(600)に接続された電気負荷(605,610)は、プロセッサ(610)及び構成要素となる装置（以下「構成装置」と称す）(605)を含むことができる。例えば、燃料消費システム(700)が燃料電池式ノートブック型コンピュータである場合、燃料電池システム(600)に接続された構成装置(605)は、キーボード、タッチパッド及び／又はマウスを含むユーザインタフェースや、ZIPドライブ、コンパクトディスクドライブ、フロッピードライブなどの記憶モジュールや、冷却ファンや、モデムや、バッテリなどを含むことができるが、全くこれらには限定されない。プロセッサ(610)は、電気結合器(130)およびそれに対応するシステム側電気結合器(630)を介して燃料カートリッジ(100)に通信可能に結合される。プロセッサ(610)はまた、記憶装置(608)と通信可能に結合され、該記憶装置(608)は、アクセスされたときに、所望のヒータ(図３Ａの320)の動作を選択的に制御することによって燃料カートリッジ(100)からの燃料の放出を選択的に制御する命令をプロセッサ(610)に提供する。
例示的な実施形態と動作
図８は、この燃料カートリッジ(図１の100)を燃料消費システム(図７の700)に組み込むための方法の例示的な実施形態を示している。図８に示すように、燃料カートリッジ(図１の100)が、燃料消費システム(図７の700)に適切に結合された後で、プロセッサ(図７の610)は、プロセッサの将来の処理需要と将来の電気負荷を満たすために、燃料電池システム(600)に必要な電力を推定することによって、燃料カートリッジ(図１の100)からの燃料の放出の制御を開始する(ステップ800)。この推定は、過去の動作に関する平均値あるいは電流や電圧などの他の動作パラメータに基づいて行うことができる。

必要電力を推定した後、プロセッサ(図７の610)は、燃料電池システム(600)用の燃料を生成するために、使用する燃料ウェル(図２の200)の量を計算する。選択される燃料ウェル(図２の200)の数は、計算された電力需要を満たすために必要な燃料の量に対応する(ステップ810)。必要な燃料ウェルの計算は、プロセッサ(図７の610)によって、燃料ウェル内に含まれている反応物量を、特定された燃料ウェル(図２の200)によって生成された燃料を消費するときの燃料電池システム(600)によって生成される電力量に変換することに基づいて行うことができる。必要とされる燃料ウェルの適切な量が計算され、消費されるべき燃料カートリッジ(図１の100)内の適切な燃料ウェル(図２の200)が特定される(ステップ820)。

燃料ウェル(図２の200)が特定された後、例示的な燃料カートリッジ(図１の100)内のヒータ(図３Ａの320)を選択的に活動化して所望の燃料を生成することができる(ステップ830)。プロセッサ(図７の610)は、特定したヒータを燃料消費システム(図７の700)内の電圧源とアースに接続するシステム側電気結合器(図７の630)およびそれに対応する電気結合器(図７の130)を介して信号を送ることによって、ヒータ(図３Ａの320)を選択的に活動化させることができる。ヒータ(図３Ａの320)が活動化された後、それらのヒータは、上側反応物及び下側反応物(図３Ｂの370,390)を化学的に分離している熱分解可能な障壁(図３Ｂの380)を構造的に破壊するのに十分な熱エネルギーが燃料ウェルに供給されるまで、特定された燃料ウェル(図２の200)を加熱する。熱分解可能な障壁(図３Ｂの380)が反応物(図３Ｂの370、390)を分離しなくなくなると、反応物は、自然に反応して水素などの気体燃料Fを生成することができる。

図９内の矢印は、気体燃料Fが生成された後の気体燃料Fの流れを示す。気体燃料Fは、生成された後、燃料ウェル(200)を覆う半透膜(310)を透過することができる。気体燃料Fは、半透膜(310)を通過するので、開放燃料通過領域(300)に導入される。次に、開放燃料通過領域は、気体燃料Fを、流体カプラ(図７の120)を介して燃料電池システム(図７の600)に導く。

燃料カートリッジ(図１の100)から出る燃料に瞬時の圧力を与えるために、燃料カートリッジの製造プロセスにおいて開放燃料通過領域(300)に少量の加圧された燃料(水素ガスなど)が充填されることがある。次に、この加圧された燃料は、燃料カートリッジ(図１の100)が燃料消費システム(図７の700)に結合されたときに加圧下で燃料電池システム(図７の600)に流れ、ヒータ(320)の動作前に燃料電池システム(図７の600)に燃料を供給するために使用することができる。代替的に、燃料消費システム(図７の600)に燃料を供給するのに十分な量の加圧された燃料を作り出すために、カートリッジ(100)が最初に燃料消費システム(図７の700)に接続されたとき、あるい最初の接続後に燃料消費システムが最初に使用されるときに、１つ又は２つ以上のヒータ(320)を活動化させることが可能である。燃料電池システム(図７の600)は、燃料電池システム(図７の600)に燃料を最初に送る前に電力を提供するバッテリ(図示せず)を含むことができる。そのような電力は、例えば、燃料電池システム(600)による電力の生成前にシステムプロセッサ(図７の610)に電力を供給するために使用されることになる。

例えば、図９に示すように、燃料ウェル(200)が適切な温度まで加熱されて気体燃料Fが放出された後、燃料ウェル(200)内に残っている反応生成物は、半透膜(310)を通過することができない固体又は液体の廃棄物(900)となる。これにより、半透膜(310)は、廃棄物(900)が燃料ウェル(200)から出て他の燃料ウェル(200)から放出されている気体燃料Fの流れを妨げるのを防ぐ。

図８に再び戻り、水素などの気体燃料Fが燃料電池システム(図７の600)に達した後に、気体燃料Fが燃料極に供給され、酸素が空気極に供給される。例示した実施形態において、通気孔(図示せず)からスタック内に周囲空気を引き込むことにより、燃料電池スタックに酸素を供給することができる。気体燃料Fが消費されるときに適切な化学反応が起こり、電力が生成される(ステップ840)。

ホストシステムに必要な電力を生成するために気体燃料Fが消費された(ステップ840)後、電力がプロセッサ(図７の610)に送られ、そこで、プロセッサによって消費されるか、あるいは電力を必要とする動作の実行を可能にすべく構成装置(図７の605)に分配される(ステップ850)。代替的には、燃料電池システム(図７の600)によって生成された電力が、燃料消費システム(図７の700)の一部を構成するバッテリ(図示せず)に送られて、そこに蓄積されることが可能である。電力を受け取ると、プロセッサ(図７の610)は、燃料消費システム(図７の700)に必要な電力を再び推定し、図８のフィードバック矢印で示したようなプロセスが再び開始される。
代替実施形態
図１０に示した１つの代替的な実施形態によれば、燃料ウェル(200')は、実質的に燃料ウェル(200')を満たす第１の反応物(370')含むことができる。この場合、第１の反応物(370')内に、幾つかの球形マイクロカプセル(1000)を浮遊させることができる。第１の反応物(370')内に浮遊したマイクロカプセル(1000)は、第２の反応物(390')を収容しかつ第１の反応物(370')と第２の反応物(390')との間の反応を防ぐ熱分解可能な材料(380')の薄い壁を有することが可能である。この例示的な実施形態のマイクロカプセルを形成するために使用される熱分解可能な材料(380')には、ゼラチン、アラビアゴム、アルギン酸ナトリウムなどの自然の高分子と、カルボキシメチルセルロース、エチルセルロースなどの半合成高分子と、ポリビニルアルコール、ナイロン、ポリウレタン、ポリエステル、エポキシ、メラニンホルマリンなどの合成高分子と、油、ろうなどの脂肪と、コロイドシリカなどの無機材料とが含まれるが、決してこれらには限定されない。これらの材料は、単独又は組み合わせで使用することができる。

この代替的な実施形態によれば、燃料ウェル(200')に熱エネルギーを加えて、熱分解可能な材料(380')を構造的に分解させ第２の反応物(390')を放出させることが可能である。第２の反応物(390')は、その放出後に第１の反応物(370')と実質的に自然に反応して所望の気体燃料Fを生成することができる。第１及び第２の反応物は、任意の数の熱分解可能な材料によってまた任意の数の物理的構成で化学的に分離することができる。

更にもう１つの実施形態では、本発明の燃料カートリッジは、電力消費装置（例えば、ノートブック型コンピュータ、携帯情報端末、ディジタルカメラ、携帯電話、及びゲーム)に電力を供給するために使用することができる燃料電池やバッテリなどの電気化学セル装置に組み込まれる。例えば、図１１に示すように、１つの例示的な実施形態による電気化学セル装置(1100)は、ハウジング(1110)と、燃料カートリッジ(100')と、該燃料カートリッジから燃料を受け取り、通気孔を介してハウジングに入る周囲空気から酸素を受け取る燃料電池スタック(1140)と、スタックをホスト装置に接続する一対の接点(1120,1130)とを含む。電気化学セルスタック(1140)は、膜電極アセンブリのＰＥＭ式スタックを含むが決してこれには限定されない任意の適切なスタックとすることが可能である。

燃料カートリッジ(100')は、熱分解可能な障壁層(図３Ｂの380)によって分離された幾つかの反応物をそれぞれ蓄積する複数の燃料ウェル(図２の200)と、熱分解可能な障壁層(図３Ｂの380)を選択的に加熱する複数のヒータ(図３Ａの320)とを含むという点で、前述のカートリッジ(図１の100)と実質的に類似している。しかし、この実施形態では、燃料カートリッジ(100')内のヒータ(図３Ａの320)は、燃料カートリッジ自体とは対照的に、ハウジング(1110)に取り付けられた電気コネクタ(130')によって活動化させることができる。また、燃料カートリッジ(100')は、取り外し可能とすること、又はハウジング(1110)内に永久的に配置することが可能である。燃料カートリッジ(100')が取り外し可能な例では、燃料カートリッジ(100')と燃料電池スタック(1140)は、それぞれ、図６Ａ及び図６Ｂに関して上述したコネクタのような嵌合コネクタを備えることができる。

図１２に、もう１つの例示的な電気化学セル装置(1200)を概略的に示す。図１２に示す電気化学セル装置(1200)は、ハウジング(1210)と、燃料カートリッジ(100')と、燃料電池スタック(1240)と、1対の接点(1220,1230)とを含むという点で、図１１に示した電気化学セル装置(1100)と実質的に類似している。しかし、この実施形態によれば、電気化学的装置は、自力制御及び自己駆動式(self-controlling and self−actuating)のものとなる。したがって、ホスト装置にヒータを接続する電気コネクタは不要である。更に精確に言うと、例示的な電気化学セル装置(1200)は、燃料電池スタック(1240)上の負荷に基づいてヒータ(図３Ａの320)(ひいては気体燃料の生成)を制御するコントローラ(1250)を含む。また、例示的な電気化学セル装置(1200)は、ヒータ(図３Ａの320)に電力を提供する小さなバッテリ(1260)を備えており、このバッテリは、燃料電池スタック(1240)によって再充電することができる。

以上の好ましい実施形態において、例示的な実施形態を説明したが、当業者には、前述の好ましい実施形態に対する多数の修正及び／又は追加が容易に明らかであろう。以上に説明した例示的な燃料カートリッジの様々な構成要素は、限定ではなく例であり、交換可能である。また、ホスト装置からの副生成物を放出することができない例では、この教示による燃料カートリッジは、燃料電池の動作による副生成物を蓄積する燃料電池副生成物貯蔵部を含むことができる。このカートリッジの適用範囲は、そのようなすべての修正及び／又は追加に及ぶ。

結論として、この燃料カートリッジは、その様々な実施形態において、気体燃料の精確な放出を実現すると同時に非気体状態の気体燃料の蓄積を容易にする。具体的には、この燃料カートリッジは、熱分解可能な層によって多数の反応物を分離する装置を提供し、熱分解可能な層に熱エネルギーを選択的に加えて所望の気体燃料を生成する化学反応を行わせることができる。その結果、この燃料カートリッジは、気体状態の燃料を蓄積する燃料カートリッジよりも高い安全性とエネルギー密度を実現する。また、この燃料カートリッジを使用すると、幾つかのヒータの動作を単純に制御することによって気体燃料の放出を精確に制御することができる。

以上の説明は、例示的な実施形態を示し説明するためにのみ示された。この説明は、網羅的なものではなく、例示的な実施形態を開示した任意の厳密な形態に限定するものでもない。以上の教示に鑑み多くの修正および変更が可能である。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって画定される。

１つの例示的な実施形態による燃料カートリッジの平面図である。１つの例示的な実施形態による図１に示した燃料カートリッジを部分的に断面で示す平面図である。１つの例示的な実施形態による、燃料含有物質から燃料を放出する前の複数の例示的な燃料蓄積領域を示す、図１の3−3断面図である。１つの例示的な実施形態による例示的な燃料ウェルの構成要素を示す分解図である。１つの例示的な実施形態による図３に示した例示的な実施形態の一部を示す分解図である。１つの例示的な実施形態による抵抗器アレイの概略図である。１つの例示的な実施形態による接点板の平面図である。１つの例示的な実施形態による切断状態の燃料システムコネクタ構造を示す図である。１つの例示的な実施形態による接続状態の燃料システムコネクタ構造を示す図である。１つの例示的な実施形態によるノートブック型コンピュータと燃料カートリッジの概略的なブロック図である。１つの例示的な実施形態により気体燃料を生成する方法を示すフローチャートである。１つの例示的な実施形態により燃料が燃料ウェルから放出された後の図３に示した複数の例示的な燃料蓄積領域を示す説明図である。１つの例示的な実施形態による代替的な燃料ウェル構造を示す説明図である。１つの例示的な実施形態による燃料カートリッジを内蔵する電気化学セル装置の概略的なブロック図である。１つの例示的な実施形態による燃料カートリッジを内蔵する電気化学セル装置の概略的なブロック図である。

符号の説明

100 燃料カートリッジ
320 ヒータ
342,346 導体
380 熱分解可能な障壁層

Claims

第１の化学反応物と、
第２の化学反応物と、
互いの反応時に燃料を生成する前記第１の化学反応物と前記第２の化学反応物とを分離させる熱分解可能な障壁層(380)と、
該熱分解可能な障壁層(380)を加熱するヒータ(320)と
を含む、燃料カートリッジ(100)。
前記第１の化学反応物が、前記第２の化学反応物との反応時に水素を生成する、請求項１に記載の燃料カートリッジ。
互いの反応時に燃料を生成する第１の化学反応物及び第２の化学反応物と該第１及び第２の化学反応物を分離させる熱分解可能な障壁(380)とをそれぞれ格納する複数の燃料蓄積領域と、
該燃料蓄積領域と結合し、該燃料蓄積領域内の前記熱分解可能な障壁(380)を加熱する、複数の別々に制御可能なヒータ(320)と
を含む、燃料カートリッジ(100)。
複数の導体(342,346)を更に含み、前記ヒータ(320)の各々が前記導体(342,346)のうちの２つに結合される、請求項３に記載の燃料カートリッジ(100)。
第１の液体反応物と、
第２の液体反応物とを含み、該第２の液体反応物が前記第１の液体反応物と化学的に混合された際に、該第１及び第２の液体反応物が自然に反応して燃料を生成し、更に、
前記第１の液体反応物と前記第２の液体反応物とを化学的に分離させる熱分解可能な障壁(380)と、
該熱分解可能な障壁(380)を加熱するためのアドレス指定可能なヒータ(320)と
を含む、燃料カートリッジ(100)。
電気化学セルと、
該電気化学セルに流体的に結合された燃料カートリッジ(100)とを含み、該燃料カートリッジ(100)が、第１の化学反応物と、該第１の化学反応物と反応して気体燃料を生成する第２の化学反応物と、該第１の化学反応物と該第２の化学反応物とを分離させる熱分解可能な障壁(380)層と、前記熱分解可能な障壁層(380)を加熱するヒータ(320)とを含む、
電気化学装置(1200)。
電気化学セルと、
前記電気化学セルに流体的に結合された燃料カートリッジ(100)とを備え、該燃料カートリッジ(100)が、複数の燃料含有領域を有し、各燃料含有領域が、第１の化学反応物と、該第１の化学反応物と反応して気体燃料を生成する第２の化学反応物と、該第１の化学反応物と該第２の化学反応物とを分離する熱分解可能な障壁(380)とを含み、前記燃料カートリッジ(100)が更に、複数の個々に制御可能なヒータ(320)を更に含み、各ヒータ(320)が、前記熱分解可能な障壁(380)層の１つ又は２つ以上を加熱するよう構成される、
電気化学的装置(1200)。
電子装置に電力を提供する燃料電池と、
該燃料電池に結合された燃料源とを含み、
該燃料源が、複数の燃料蓄積領域を有する燃料カートリッジ(100)を含み、該複数の燃料蓄積領域が、それぞれ、第１の化学反応物と第２の化学反応物とを蓄積し、及び該第１の化学反応物と該第２の化学反応物とを分離させる熱分解可能な障壁(380)を有し、前記第１の化学反応物と前記第２の化学反応物とが反応して気体燃料を放出し、前記燃料カートリッジ(100)が更に、前記燃料蓄積領域内の前記熱分解可能な障壁(380)を選択的に加熱するよう前記燃料蓄積領域に結合された複数の個々に制御可能なヒータ(320)を含む、
電子装置。
燃料カートリッジ(100)を形成する方法であって、
個々にアドレス指定可能な複数のヒータ(320)を含む回路層(340)を基板上に形成し、
第１の反応物と、該第１の反応物と自然に反応して気体燃料を生成する第２の反応物と、前記第１の反応物と前記第２の反応物とを化学的に分離させる熱分解可能な障壁(380)とをそれぞれ含む複数の燃料含有領域(100)を前記ヒータ(320)上に形成し、
前記反応物を収容する一方で前記気体燃料の放出を可能にする半透膜(310)を前記燃料含有領域上に結合する、
という各ステップを含む方法。
燃料消費装置に気体燃料を供給する方法であって、
第１の反応物と、該第１の反応物と自然に反応して気体燃料を生成する第２の反応物と、前記第１と前記第２の反応物とを化学的に分離させる熱分解可能な障壁とをそれぞれ含む複数の燃料含有領域を有する燃料カートリッジ(100)を、前記燃料消費装置に流体的に結合し、
前記燃料含有領域のうちの１つを加熱して前記気体燃料を生成する、
という各ステップを含む方法。