JP4128493B2

JP4128493B2 - 水素発生装置

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Publication number: JP4128493B2
Application number: JP2003175873A
Authority: JP
Inventors: ジェイソン・エス・オード; ジャスティン・ロマン; アラン・シバタ
Original assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Current assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Priority date: 2002-06-21
Filing date: 2003-06-20
Publication date: 2008-07-30
Anticipated expiration: 2023-06-20
Also published as: KR20040000334A; US7097813B2; EP1375419A3; CA2427078A1; KR101049502B1; TW200400280A; US20030235724A1; TWI328620B; US8506659B2; US20060222911A1; EP1375419A2; JP2004087470A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池に関する。より詳細には、本発明は、燃料電池用水素の発生の方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
過去１００年間で、エネルギーに対する需要が指数関数的に増大してきた。エネルギーに対する需要が増大することに伴い、多くの異なるエネルギー源が探求され開発されてきた。主なエネルギー源の１つは、炭化水素の燃焼であり、それは今も続いている。しかしながら、炭化水素の燃焼は、通常、様々な量のスモッグおよび他の汚染物質の一因となる不完全燃焼および不燃物をもたらす。
【０００３】
炭化水素の燃焼によって汚染物質が生成される結果として、近年、より清浄なエネルギー源に対する要望が増大してきた。より清浄なエネルギー源に対する関心が高まるにしたがって、燃料電池がより知られるようになり、より高性能になってきた。燃料電池が、都市向けに大量の電気を発生させるガスタービンと、自動車に動力を供給する内燃機関と、種々の小型電子機器および大型電子機器を作動させるバッテリとにまもなく匹敵するようになるだろうと、多くの人が推測する程度まで、燃料電池に対する研究および開発は続けられてきた。
【０００４】
燃料電池は、水素および酸素の電気および熱への電気化学エネルギー変換を行う。燃料電池は、バッテリに類似するが、電力を供給しながら「再充電」され得る。
【０００５】
燃料電池は、モータ、光源または種々の電気装置に電力を供給するために使用され得るＤＣ（直流）電圧を供給する。各々が異なる化学的性質を使用するいくつかの異なるタイプの燃料電池がある。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。燃料電池タイプは、概して、５つのグループ、すなわちプロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池、アルカリ水溶液形燃料電池（ＡＦＣ）、リン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）および溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）のうちの１つに類別される。
【０００６】
ＰＥＭ燃料電池
ＰＥＭ燃料電池は、目下、最も有望な燃料電池技術であると考えられており、任意の燃料電池の最も単純な反応のうちの１つを使用する。図１を参照すると、ＰＥＭ燃料電池は、通常、４つの基本要素、すなわち、負極（２０）と、正極（２２）と、電解質（ＰＥＭ）（２４）と、電解質（２４）の両側に配置された触媒（２６）とを含む。
【０００７】
負極（２０）は、燃料電池の負のポストであり、水素分子から放出される電子を伝導することにより、外部回路（２１）において電子を使用することができるようにする。触媒（２６）の表面にわたって可能な限り均一に水素ガスが分散するように、負極（２０）は、エッチングされた溝（２８）を含む。
【０００８】
正極（２２）は、燃料電池の正のポストであり、酸素（通常、空気）を触媒（２６）の表面に均一に分配するために、エッチングされた溝（３０）を有する。また、正極（２２）は、電子を外部回路から触媒に戻すように伝導し、そこで電子は、水素イオンおよび酸素イオンと再結合することにより水を形成することができる。水は、ＰＥＭ燃料電池の唯一の副産物である。
【０００９】
電解質（２４）は、プロトン交換膜（ＰＥＭ）（２４）である。ＰＥＭ（２４）は、正に帯電されたイオンのみを伝導する特別に処理された多孔性材料である。ＰＥＭ（２４）は、電子を通過させない。
【００１０】
触媒（２６）は、通常、カーボン紙または布の上に薄くコートされた白金粉である。触媒（２６）は、通常、水素または酸素に触れることができる白金の表面積を最大化するために粗くて多孔性である。触媒（２６）は、酸素および水素の反応を促進する。
【００１１】
実際の燃料電池では、ＰＥＭ（２４）は、負極（２０）と正極（２２）との間にはさまれる。燃料電池の動作を、以下のように概略的に説明することができる。加圧された水素ガス（Ｈ_２）は、燃料電池の負極（２０）側に入る。Ｈ_２分子は、触媒（２６）の白金と接触すると、２つのＨ^＋イオンと２つの電子（ｅ⁻）とに分裂する。電子は、負極（２０）を介して伝導され、そこで、有用な作業を行う（モータを回転させるか、またはバルブ（２３）を発光させる等）ための電力を提供している外部回路（２１）を介して、燃料電池の正極（２２）側に戻る。
【００１２】
その間、燃料電池の正極（２２）側では、酸素ガス（Ｏ_２）が触媒（２６）を強制的に通過させられる。ＰＥＭ燃料電池システムによっては、Ｏ_２源は空気であってもよい。Ｏ_２は、触媒（２６）を強制的に通過させられる際、各々が強い負電荷を有する２つの酸素原子を形成する。この負電荷は、ＰＥＭ（２４）を通して２つのＨ^＋イオンを誘引し、そこでこの２つのＨ^＋イオンは、１つの酸素原子と外部回路からの２つの電子と結合することにより水分子（Ｈ_２Ｏ）を形成する。
【００１３】
上述のＰＥＭ燃料電池反応は、約０．７Ｖしか生成せず、したがって電圧をより有用なレベルまで上昇させるために、しばしば多くの別個の燃料電池を結合して燃料電池スタックを形成する。
【００１４】
ＰＥＭ燃料電池は、通常、かなり低い温度（約８０℃／１７６°Ｆ）で動作し、そのため、迅速にウォームアップし、安価な収容構造に収容することが可能になる。その理由は、ＰＥＭ燃料電池は、電気生成に通常関連する高温に耐えることができるいかなる特別な材料も必要としないためである。
【００１５】
燃料電池のための水素発生
上述のように、説明した燃料電池の各々は、酸素と水素とを使用して電気を生成する。燃料電池に必要な酸素は、通常、空気によって提供される。実際には、ＰＥＭ燃料電池の場合、周囲状況の通常空気が正極に供給される。しかしながら、水素は、酸素のように容易には入手可能ではない。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
水素は、生成、格納および分配が困難である。燃料電池用の水素を生成するための１つの一般的な方法は、改質器の使用である。改質器は、炭化水素またはアルコール燃料を使用して水素を生成し、その後水素は燃料電池に供給される。不都合なことに、改質器には問題がある。炭化水素燃料がガソリンまたはある種の他の一般的な炭化水素である場合、ＳＯ_ｘ、ＮＯ_ｘおよび他の望ましくない生成物が生じる。特に、硫黄は、取り除かれなければならないものであり、さもなければ電極触媒を破損する可能性がある。その上、改質器は、一般に高温で動作し、供給原料のエネルギーの多くを消費する。
【００１７】
また、水素は、触媒の存在下で燃料源を利用する低温化学反応により生成され得る。しかしながら、水素を生成するための低温化学反応には、多くの問題が関連する。主な問題の１つは、ポンプが、化学混合物を触媒で充填された反応室に移動させる必要があるということである。ポンプを使用することにより、燃料電池が発生させている電力の少なくとも一部が消費される（寄生電力と呼ばれる）。ポンプが消費する電力が非常に高くなると、電気を生成する燃料電池の動作が不経済になる。
【００１８】
さらに、電力を効率的に発生する化学反応を促進するために、反応室に供給される化学混合物は正確に計量されながら供給されなければならない。正確な計量装置により、ポンピングシステムに対する費用、複雑性および感度が追加され、寄生電力消費が増大する。また、通常の燃料電池は、一般に向き依存的（orientation-specific）であり、それは化学混合物の計量を、燃料電池が一定の向きにある時にのみ行うことができることを意味する。向き依存的な燃料電池システムにより、携帯型民生用電子機器と複数の向きおよび変化する向きで使用される可能性のある他の機器とに対する有用性が制限される。
【００１９】
さらに、デジタルカメラおよびラップトップコンピュータ等の携帯型民生用製品で燃料電池を使用することに対する別の難題は、安全であり高エネルギー密度の水素燃料源を提供することである。上述したＰＥＭ燃料電池等、電気を発生するために使用される燃料電池システムがあるが、これらの燃料電池システムは通常、大抵の携帯型民生用製品で使用されるには十分に小型、または高密度ではない。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、とりわけ、化学反応室と、化学溶液貯蔵器と、化学溶液を化学溶液貯蔵器から化学反応室に移動させるための無動力圧力生成部材とを含む水素発生装置を提供する。
【００２１】
本発明の上述したおよび他の特徴および態様は、以下の詳細な説明を読みながら図面を参照することによってより明らかとなろう。
【００２２】
図面において、同一の参照番号は、同様であるが必ずしも同一ではない要素を示す。本発明に対してあらゆる修正形態および代替形態が可能であるが、その特定の実施形態を、図面において一例として示し、本明細書において詳細に説明する。しかしながら、理解されるように、特定の実施形態に関する本明細書の説明は、開示した特定の形態に本発明を限定するように意図されるものではなく、逆に、本発明は、特許請求の範囲によって規定されるような発明の思想および範囲内にあるすべての修正形態、等価物および代替形態を包含することが意図されている。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明の例示的な実施形態を以下に説明する。当業者には認められるように、本発明は、多種多様の化学反応、特に燃料電池用の水素を生成するための化学反応において実現され得る。燃料電池の適用には、限定されないが、ＰＥＭ燃料電池、ＡＦＣ、ＰＡＦＣ、ＳＯＦＣおよびＭＣＦＣが含まれる。
【００２４】
ここで図面、特に図２を参照すると、本発明の一実施形態による燃料電池システムの概観が示されている。図２の実施形態によれば、水素発生装置（４２）と流体連通する燃料電池（４０）がある。水素発生装置（４２）は、矢印（４４）によって表される経路に沿った水素ガスの供給源を設けることができる。周囲空気によって供給され得る酸素の供給源もまた、別の矢印（４６）によって表すように燃料電池と流体連通することができる。
【００２５】
燃料電池（４０）は、外部回路（４８）を介して電力を電気的負荷（５０）に供給することができる。電気的負荷には、限定されないが、デジタルカメラ、ラップトップコンピュータおよび他の携帯型電子機器を含む任意の電動機器が含まれてよい。また、燃料電池（４０）と電気的に並列であるように示された、電気的負荷（５０）に補助電力を供給するための任意の電気的コンデンサまたはバッテリ（５２）に外部回路（４８）を接続してもよい。
【００２６】
水素発生装置（４２）は、燃料電池（４０）内のエネルギー生成化学反応を起こさせるように水素ガスを燃料電池（４０）に供給するために必要である。水素発生装置（４２）は、多くの異なる形態をとることができる。図３を参照すると、本発明による水素発生装置（５４）の考えられる一実施形態が示されている。図３の実施形態によれば、水素発生装置（５４）は、本実施形態では水素含有燃料供給源を収容する新液バッグ（５６）として示される化学溶液貯蔵器を含む。水素含有燃料には、限定されないが、水素化ホウ素ナトリウム等の水溶性金属水素化物とアミンボランとが含まれることができ、それらの各々は水素ガスを生成する。新液バッグ（５６）は、好ましくは、プラスチック、エラストマ、または概して変形可能であり流体溶液を収容することができる他の材料から形成された、可撓性バッグである。
【００２７】
新液バッグ（５６）の周囲には、たとえば新液バッグ（５６）に隣接して配置されたばね（５８）のような無動力圧力生成部材が配置され得る。「無動力」という用語は、圧力生成部材が作動するために電気エネルギーを消費せず、モータからの電力も必要としない、ということを意味する。ばね（５８）は、新液バッグ（５６）内部に収容された水素含有燃料の圧力を増大させるために、新液バッグ（５６）に向かって付勢された、１つまたは複数の部材を含むことができる。水素含有燃料の加圧により、水素含有燃料の新液バッグ（５６）から化学反応室（６０）への移動が容易になる。ばね（５８）および新液バッグ（５６）は、「ばねバッグ」、すなわち、化学溶液の放出を支援するために、機械的圧力生成部材、たとえば、ばね又は他の付勢部材により圧力が加えられている、化学溶液を収容するための可撓性バッグまたはコンテナを構成できる。
【００２８】
化学反応室（６０）は、新液バッグ（５６）から分離され、水素ガスを生成する化学反応を収容するように設計され得る。化学反応室（６０）は、水素ガスを生成するために使用される反応物にしたがって多種多様の材料を含むことができる。化学反応室（６０）は、可撓性であっても剛性であってもよいが、本実施形態では剛性である。さらに、化学反応室（６０）は、水素含有燃料の反応速度を増大させるために触媒（６２）を収容してもよい。触媒（６２）には、限定されないが、ルテニウム、ロジウムまたは白金等の貴金属触媒が含まれ得る。触媒（６２）には、ニッケル等の他の金属も含まれ得る。
【００２９】
新液バッグ（５６）から化学反応室（６０）への水素含有燃料の移動は、管（６４）等の流体経路によって容易にされ得る。さらに、水素含有燃料の新液バッグ（５６）から化学反応室（６０）への流れを、マイクロバルブ（６６）等のバルブによって制御してもよい。マイクロバルブ（６６）を、新液バッグ（５６）からの流れを制御するために、管（６４）に沿った任意の都合のよい位置に配置することができる。マイクロバルブ（６６）は、種々の販売元から入手可能であり、少なくとも３つの基本的な態様で制御され得る。マイクロバルブ（６６）は、パルス間の時間（マイクロバルブ（６６）パルシング周波数）、パルス幅（マイクロバルブ（６６）が開状態で保持される時間）および／または開口サイズの変化によって制御され得る。可変開口サイズ制御は、どの程度までマイクロバルブを開きまたは閉じるかのアナログ制御を示す。このため、マイクロバルブ（６６）は、水素含有燃料の化学反応室（６０）への流れを正確に制御することができる。マイクロバルブ（６６）は、通常閉じられていてよい。したがって、水素ガスが必要である時、マイクロバルブ（６６）が開かれることにより、ばね（５８）によって加圧された水素含有燃料が反応室（６０）に流れ込むことが可能になる。任意のチェックバルブ（６８）を含むことができる。図示された実施形態では、チェックバルブ（６８）はマイクロバルブ（６６）の下流に位置しているが、これは必ずしもそうでなくてもよい。チェックバルブ（６８）を、管（６４）に沿った任意の場所に挿入してもよい。チェックバルブ（６８）は、複数の異なる販売元から市販されており、一方向弁である。このため、チェックバルブ（６８）は、化学反応室（６０）における圧力上昇時に生成物または水素含有燃料の逆流を防止する。
【００３０】
水素発生装置（５４）の動作を、以下のように説明することができる。水素化ホウ素ナトリウム等の水素含有燃料源は、新液バッグ（５６）に挿入される。実施形態によっては、新液バッグ（５６）を、充填後にばね（５８）に対抗して別個に挿入してもよい。代案として、新液バッグ（５６）は、図３に示される配置にある間に充填されてもよい。ばね（５８）は、新液バッグ（５６）に隣接して配置されかつ新液バッグ（５６）に向って付勢され、したがって新液バッグ（５６）によって収容される水素化ホウ素ナトリウムを加圧する。燃料電池が電流を提供するために水素ガスを必要とする時、マイクロバルブ（６６）を開くかまたは振動させることにより、加圧された水素化ホウ素ナトリウムが新液バッグ（５６）から化学反応室（６０）に移動することが可能になる。水素化ホウ素ナトリウムが化学反応室（６０）に入って触媒（６２）と接触すると、水素化ホウ素ナトリウム溶液から水素ガスが放出される。その後、水素化ホウ素ナトリウム溶液から放出された水素ガスは、図１および図２の燃料電池装置等の燃料電池に供給され得る。
【００３１】
従来の水素発生装置では、水素含有燃料を貯蔵器から反応室に移動させるために何らかのポンプが必要である。上述したように、ポンプは、燃料電池装置の寄生損失を大幅に増して空間を占有するため、燃料電池装置に利用可能なエネルギー密度を制限する。有利な点は、本発明は、水素含有燃料の貯蔵器から反応室への移動を促進する機械的圧力源を提供することにより、寄生損失を減少させ空間要件を低減する。
【００３２】
次に図４Ａを参照すると、本発明による水素発生装置（１５４）の別の実施形態が示されている。図３の実施形態と同様に、図４Ａの水素発生装置（１５４）は、新液バッグ（１５６）および化学反応室（１６０）等の化学溶液貯蔵器を含むことができる。しかしながら、図４Ａの実施形態によれば、新液バッグ（１５６）は、化学反応室（１６０）によって完全に収容され得る。かかる構成の１つの利点は、空間が節約されエネルギー密度が増大する、ということである。新液バッグ（１５６）は、概して可撓性であり、したがって、水素含有燃料が減少する（および新液バッグ（１５６）の容積が低減する）にしたがって、化学反応を行うための専用化学反応室（１６０）の部分（１６１）が増大する。化学反応室（１６０）は、新液バッグ（１５６）とは対照的に剛性構造とすることができ、触媒を収容できる。図４Ａの配置は、体積が２倍にならないようにする空間効率のよい構成である。
【００３３】
空間効率がよいことに加えて、図４Ａの構成は、新液バッグ（１５６）が化学反応室（１６０）の圧力にさらされるように、化学反応室（１６０）内に新液バッグ（１５６）を配置することを含む。したがって、化学反応室（１６０）が動作中に加圧すると、圧力は新液バッグ（１５６）に伝達され、非常に弱い力の圧力生成部材を使用して、いかなる化学反応室（１６０）圧力においても新液バッグ（１５６）から化学反応室（１６０）への流れを開始することができる。したがって、新液バッグ（１５６）は常に化学反応室（１６０）の圧力にさらされるため、加圧部材は弱い力で軽量とすることができる。本実施形態では、弱い力の加圧部材は、軽量コイルばね（１５８）である。さらに、新液バッグ（１５６）を収容する化学反応室（１６０）は、強い力の（したがってより大型の）ばねを扱うために十分に大型で剛性の高い必要がないため、軽量であり従来の反応器より小型にできる。
【００３４】
本発明のコイルばね（１５８）は、化学反応室（１６０）内において化学反応室（１６０）の壁（１６３）と新液バッグ（１５６）かまたは新液バッグ（１５６）と隣接する部材との間に配置される。したがって、コイルばね（１５８）は、新液バッグ（１５６）に力を加え、新液バッグ（１５６）内に収容される流体に対する圧力を、流体を新液バッグから化学反応室（１６０）に移動させるために十分に上昇させる。可撓性バッグとばねとの組合せは、本明細書で定義されるようなばねバッグを構成する。
【００３５】
流体連通経路（１６４）は、バッグ（１５６）からの溶液または燃料が反応室（１６０）に入るための経路を提供する。図４Ａに示される実施形態によれば、流体連通経路（１６４）は、反応室（１６０）の外部にあり、新液バッグ（１５６）と化学反応を行うための専用化学反応室（１６０）の部分（１６１）との間を延びているが、これは必ずしもそうでなくてもよい。また、流体連通経路（１６４）を、化学反応室（１６０）内に完全に収容してもよい。図３に示される実施形態と同様に、流体連通経路（１６４）は、新液バッグ（１５６）から化学反応を行うための専用化学反応室（１６０）の部分（１６１）への流体の流れを計量するために、マイクロバルブ（１６６）等のバルブを含む。
【００３６】
図４Ａに示された水素発生装置（１５４）の動作を、以下のように説明することができる。水素化ホウ素ナトリウム等の水素含有燃料源が、新液バッグ（１５６）に挿入される。実施形態によっては、充填済み新液バッグ（１５６）を、コイルばね（１５８）に対抗して別個に挿入してもよく、あるいは、図４Ａに示された配置にある間に新液バッグ（１５６）を充填してもよい。新液バッグ（１５６）は、水素化ホウ素ナトリウムかまたは他の燃料の水溶液で充填されると、化学反応室（１６０）によって画定される容積のかなりの部分を占有する。コイルばね（１５８）が、新液バッグ（１５６）に隣接して配置され、かつそれに対抗して加圧される。したがって、コイルばね（１５８）は、新液バッグ（１５６）に収容された水素化ホウ素ナトリウムを加圧する。コイルばね（１５８）に格納された位置エネルギーは（加圧された時）、従来の水素発生システムのポンプが追加する寄生損失を追加することなく、化学溶液の移動力を提供する。
【００３７】
燃料電池が電流を提供するために水素ガスを必要とする時、マイクロバルブ（１６６）を開くかまたは振動させることにより、加圧された水素化ホウ素ナトリウムが、新液バッグ（１５６）から化学反応のために使用可能な化学反応室（１６０）の部分（１６１）に移動することが可能になる。水素化ホウ素ナトリウムが、化学反応のために使用可能な化学反応室（１６０）の部分（１６１）に入って触媒（図示せず）と接触すると、水素化ホウ素ナトリウム水溶液から水素ガスが放出される。そして、水素化ホウ素ナトリウム水溶液から放出された水素ガスを、図１および図２に示された燃料電池装置等の燃料電池に供給することができる。水素化ホウ素ナトリウム水溶液が消費されると、可撓性の新液バッグ（１５６）の容積が低減し、化学反応を行うための化学反応室（１６０）内の容積が増大する。
【００３８】
次に図４Ｂを参照すると、図４Ａの実施形態による実際の実施例が示されている。図４Ｂの実施形態によれば、水素発生装置（１５４）は、フレーム（１５９）と窓（１６１）（切取部（１６５）で示す）とを含み、それらは化学反応室（１６０）を形成する。化学反応室（１６０）内には、バッフル圧力板（１６７）が配置され、窓（１６１）とバッフル圧力板（１６７）との間にばね（１５８）が配置される。新液バッグ（１５６）は、ばね（１５８）の反対側にバッフル圧力板（１６７）に隣接して配置される。流体連通経路（１６４）は、新液バッグ（１５６）から延在し、本実施形態では化学反応室（１６０）内に完全に収容される。流体連通経路（１６４）と関連コンポーネントを、図４Ｃを参照してより明確に見ることができる。マイクロバルブ（１６６）が、出口オリフィス（１７１）と共に流体連通経路（１６４）に沿って配置され、出口オリフィス（１７１）により、マイクロバルブ（１６６）を通過する流体が、制御された態様で化学反応室（１６０）に入ることが可能になる。
【００３９】
次に図５を参照すると、本発明による水素発生装置（２５４）の別の実施形態が示されている。図４の実施形態と同様に、図５の実施形態は、化学反応室（２６０）内に収容された可撓性新液バッグ（２５６）として示される化学溶液貯蔵器を含む。また、可撓性新液バッグ（２５６）を、本明細書で定義されるようなばねバッグとみなしてもよい。図５の実施形態によれば、圧力生成部材は、ばねバッグ（２５６）自体である。可撓性バッグ（２５６）は、好ましくは、ゴム等のエラストマ、もしくは特定の形状または体積に対して付勢または機械的ばね状の力を提供する他の材料から形成される。このため、材料は、形状または容積が小さい場合の自然の付勢に対抗して流体を収容するように、加圧下で膨張した場合に、そこに収容された任意の流体に対して圧力を作用させる。したがって、ばねバッグ（２５６）は、図４の実施形態と同様にまたは同一に動作できるが、図５の実施形態にはコイルばね（図４、１５８）は必要ない。ばねバッグ（２５６）には、コイルばねの代りに、ばねバッグ（２５６）が膨張するように水溶性水素化ホウ素ナトリウム等の化学溶液が提供される。通常、膨張は、ばねバッグ（２５６）の弾性限界内である。ばねバッグ（２５６）の膨張により、風船がある容量の空気を加圧下で保持することができる態様とほとんど同じ態様で、ばねバッグ（２５６）によって収容される化学溶液に対し加圧力が与えられる。
【００４０】
流体連通経路（２６４）は、化学溶液（水溶性水素化ホウ素ナトリウム等）の、ばねバッグ（２５６）から化学反応室（２６０）において行われている反応への伝達を容易にする。流体連通経路（２６４）は、図示のように、少なくとも部分的に化学反応室（２６０）の外部にあってもよく、あるいは化学反応層（２６０）の内部にあってもよい。化学反応室（２６０）は、可撓性であっても剛性であってもよく、化学溶液の反応の速度を増大させるために触媒を収容してもよい。また、流体連通経路（２６４）は、ばねバッグ（２５６）から化学反応室（２６０）内の反応への化学溶液を計量するために、マイクロバルブ（２６６）等の制御バルブも含んでもよい。図４に示された実施形態と同様に、水溶性水素化ホウ素ナトリウムがばねバッグ（２５６）から化学反応室（２６０）に伝達されるにしたがい、ばねバッグ（２５６）の容積が低減する。ばねバッグ（２５６）の容積が低減すると、化学反応を行うために化学反応室（２６０）のより多くの容積を使用することが可能になる。化学反応室（２６０）における反応から生成された水素は、図１および図２を参照して説明した装置等の燃料電池装置の負極に供給され得る。
【００４１】
次に図６を参照すると、水素発生装置（３５４）の別の実施形態が示されている。図６の実施形態は、図５に示すものと同様であるが、図６の実施形態によれば、化学反応室は可撓性反応バッグ（３６０）である。ばねバッグ（３５６）を、可撓性反応バッグ（３６０）内に配置してもよく、ばねバッグ（３５６）は、可撓性反応バッグに収容されるいかなる水素含有燃料溶液（水素化ホウ素ナトリウム等）にも圧力を与えることができる。上述したように、ばねバッグ（３５６）は、水素含有燃料溶液で充填される際に弾性的に膨張する場合、圧力を与えることができる。ばねバッグ（３５６）は、可撓性反応バッグ（３６０）内で浮動性であってもよく、あるいは可撓性反応バッグ（３６０）に取付けられてもよい。
【００４２】
流体連通経路（３６４）は、ばねバッグ（３５６）から可撓性反応バッグ（３６０）までの水素含有化学溶液（水溶性水素化ホウ素ナトリウム等）の伝達を容易にする。流体連通経路（３６４）は、図示されるように少なくとも部分的に可撓性反応バッグ（３６０）の外部にあってもよく、あるいは完全に可撓性反応バッグ（３６０）の内部にあってもよい。可撓性反応バッグ（３６０）は、水素含有燃料溶液の反応の速度を増大させるために触媒を収容してもよい。また、流体連通経路（３６４）は、ばねバッグ（３５６）から可撓性反応バッグ（３６０）への水素含有燃料溶液を計量するために、マイクロバルブ（３６６）等の制御バルブを含んでもよい。図４および図５に示された実施形態と同様に、水溶性水素化ホウ素ナトリウム等の水素含有溶液が、ばねバッグ（３５６）から可撓性反応バッグ（３６０）に伝達されるにしたがい、ばねバッグ（３５６）の容積が低減する。ばねバッグ（３５６）の容積が低減するにしたがい、化学反応を行うためにより多くの可撓性反応バッグ（３６０）の容積を使用することができるようになる。さらに、水素含有溶液が入ると、可撓性反応バッグ（３６０）の容積が増大できる。また、可撓性反応バッグは、水素ガスを生成するための化学反応後の残存生成物を収容する膨張型廃物貯蔵器としての役割を果たしてもよい。本明細書で説明するように、図６の実施形態は、従来の水素発生システムとは対照的に特に軽量となり得る。
【００４３】
次に図７を参照すると、燃料電池用の水素発生装置（４５４）の別の実施形態が示されている。図７の実施形態によれば、水素発生装置（４５４）は、新液バッグ（４５６）として具現化される化学溶液貯蔵器と、反応室バッグ（４６０）として具現化される化学反応室とを含む。新液バッグ（４５６）は、水溶性水素化ホウ素ナトリウム等の水素含有燃料溶液を収容でき、反応室バッグ（４６０）は、触媒（図示せず）を収容できる。新液バッグ（４５６）と反応室バッグ（４６０）の双方を、剛性フレーム（４５７）によってフレキシブルに収容してもよい。有利には、剛性フレーム（４５７）は、従来の水素発生システムが必要とするように液密であって流体腐食に対して耐性がある必要はなく、そのため剛性フレーム（４５７）の構造が簡略化されて、より安価でより軽量な材料の使用が可能になる。反応室バッグ（４６０）は、水素含有溶液が、図３および図４において具現化されるもの等の剛性シェル反応室内部に存在する可能性のあるコーナーおよび裂け目に蓄積するのを防止することができる。
【００４４】
新液バッグ（４５６）と反応室バッグ（４６０）とを、圧力板（４６５）により互いから分離してもよい。圧力板（４６５）は、新液バッグ（４５６）および／または反応室バッグ（４６０）に隣接して接触する圧力生成部材とすることができる。１つまたは複数の付勢部材、たとえば第１および第２のコイルばね（４６７および４６９）は、圧力板（４６５）に対して力を提供する。第１および第２のコイルばね（４６７および４６９）によって提供される力は、圧力板（４６５）を介して新液バッグ（４５６）に伝達され、新液バッグ（４５６）内の水素含有溶液に対する圧力を増大させる。
【００４５】
流体連通経路（４６４）は、水素含有化学溶液（水溶性水素化ホウ素ナトリウム等）の新液バッグ（４５６）から反応室バッグ（４６０）への伝達を容易にする。流体連通経路（４６４）は、図示するように少なくとも部分的に剛性フレーム（４５７）の外部にあってもよく、あるいは完全に剛性フレーム（４５７）の内部にあってもよい。反応室バッグ（４６０）は、水素含有燃料溶液の反応速度を増大させるために触媒を収容してもよい。また、流体連通経路（４６４）は、新液バッグ（４５６）から反応室バッグ（４６０）への水素含有燃料溶液を計量するために、マイクロバルブ（４６６）等の制御バルブを含んでもよい。水溶性水素化ホウ素ナトリウム等の供給水素含有溶液が、新液バッグ（４５６）から反応室バッグ（４６０）に伝達されるにしたがい、圧力板（４６５）は新液バッグ（４５６）に向かって変位し、新液バッグ（４５６）の容積を低減して反応室バッグ（４６０）の容積を増大させる。したがって、水素を生成するための反応が完了した後、反応室バッグ（４６０）を、生成物を収集するための廃物貯蔵器と呼んでもよい。代案として、廃棄物を収集するために、剛性フレーム（４５７）の内部または外部に、反応室バッグ（４６０）と類似の、または同一の追加の廃物貯蔵器を含めてもよい。反応室バッグ（４６０）において生成された水素は、図１および図２を参照して説明した装置等の燃料電池装置の負極に供給され得る。
【００４６】
次に図８を参照すると、水素発生装置（５５４）の別の実施形態が示されている。水素発生装置（５５４）を、ピストンシリンダ構成で示す。シリンダ（５５７）内に配置されたピストン（５５５）は、シリンダ（５５７）を化学溶液貯蔵器部（５５６）と反応室部（５６０）とに分割する。ピストン（５５５）とシリンダ（５５７）の壁（５５９）との間にばね（５５８）を配置することにより、シリンダ（５５７）の化学溶液貯蔵器部（５５６）に対し圧力を提供し、水素化ホウ素ナトリウム等の化学溶液の、シリンダの化学溶液貯蔵器部（５５６）からシリンダ（５５７）の反応室部（５６０）への移動を容易にすることができる。また、ばね（５５８）は、ピストンを、シリンダ（５５７）の化学溶液貯蔵器部（５５６）に向かって移動させることができる。図８の実施形態は、剛性シェル内部の全ての空間を完全に利用しない可能性のあるバッグを使用しないため、特に空間効率がよい。さらに、図８の実施形態により、シリンダ（５５７）の化学溶液貯蔵器部（５５６）において、バッグのコーナーまたは折り目に捕らえられる可能性のあるいかなる廃液も低減されまたは排除される。
【００４７】
流体連通経路（５６４）は、化学溶液（水溶性水素化ホウ素ナトリウム等）の、シリンダ（５５７）の化学溶液貯蔵器部（５５６）からシリンダ（５５７）の反応室部（５６０）への伝達を容易にする。流体連通経路（５６４）は、図示のように少なくとも部分的にシリンダ（５５７）の外部にあってもよい。代案として、流体連通経路（５６４）を、ピストン（５５５）内に配置してもよい。シリンダ（５５７）の反応室部（５６０）は、化学溶液の反応の速度を増大させるために触媒を収容してもよい。また、流体連通経路（５６４）は、シリンダ（５５７）の化学溶液貯蔵器部（５５６）から反応室部（５６０）への化学溶液を計量するために、マイクロバルブ（５６６）等の制御バルブを含んでもよい。水溶性水素化ホウ素ナトリウムがシリンダ（５５７）の化学溶液貯蔵器部（５５６）から反応室部（５６０）へ伝達されるにしたがい、ばね（５５８）がピストン（５５５）を化学溶液貯蔵器部（５５６）に向かって移動させ、化学溶液貯蔵器部（５５６）の容積が低減する。シリンダ（５５７）の化学溶液貯蔵器部（５５６）の容積が低減するにしたがい、反応室部（５６０）のためにより多くのシリンダ（５５７）容積を使用できる。シリンダ（５５７）の反応室部（５６０）において生成された水素は、図１および図２を参照して説明された装置等の燃料電池装置の負極に供給され得る。
【００４８】
この開示の利益を有する当業者によって、説明された実施形態が、有利には、水素含有燃料源を装置の向きに無関係に化学反応室に計量して供給することができる、ということが認められよう。すなわち、圧力生成部材は、いかなる向きの化学溶液貯蔵器（５６、１５６等）と化学反応室（６０、１６０等）との間の圧力差を提供するので、水素発生装置（５４、１５４等）は、いかなる向きでも動作可能である。これは、しばしば多くの異なる態様で移動して方向が変えられる携帯型電子機器における燃料電池の用途に対して特に重要となり得る。さらに、本発明の実施形態によっては、単一の制御バルブ（６６、１６６等）のみを使用すればよく、ポンプと複数の制御バルブとを必要とする従来の水素発生システムに存在する障害の発生が低減される。また、図３〜図８に示される実施形態の各々は、燃料電池装置から独立して別個であるが、それに結合され得る水素発生カートリッジで実現されてもよい。
【００４９】
上述した実施形態の各々は、好ましくは、化学貯蔵器から反応室への水素化ホウ素ナトリウム等の化学溶液の伝達を計量するために制御バルブを含む。水素発生の制御は、制御バルブ（上述したマイクロバルブ等）によって容易にされる。次に図９を参照すると、本発明の一実施形態による水素発生装置の制御方式の図が示されている。制御方式に対する入力には、限定されないが、ユーザ設定（７００）、構成設定（７０２）、燃料電池スタック電圧（７０４）、貯蔵器、水素ガスおよび／または反応器圧力（７０６）、燃料電池電流（７０８）および燃料電池電力（７１０）が含まれ得る。
【００５０】
ユーザ設定（７００）には、スイッチ、ボタン、およびユーザが制御バルブの状態を直接的に制御するために操作できる同様のものが含まれ得る。構成設定（７０２）には、制御方式を初期化して動作パラメータを設定するための初期化ルーチンが含まれる。入力（７００〜７１０）のうちの１つまたは複数を、水素発生装置を制御するための制御アルゴリズム（７１２）に供給できる、ということが認められよう。制御アルゴリズムには、入力を受取り、受取った入力を分析し、制御バルブに適切な対応する制御信号を供給するための、必要なプログラミングおよび電子装置のすべてが含まれる。このため、制御アルゴリズムには、デジタル電子コントローラ、アナログ電子コントローラまたは機械的コントローラが含まれる。制御アルゴリズムは、入力（７００〜７１０）のうちのいくつかまたはすべてを使用してコマンド状態情報（出力）を発することができる。コマンド状態情報は、バルブ位置（開／閉）を示す現在のバルブ状態（７１４）および／またはバルブ動作周波数を示すタイミング情報（７１６）を含むことができる。制御アルゴリズムの出力に応じて、貯蔵器から反応室への化学溶液の流れと、ひいては水素生成の速度とを制御するために、制御バルブを開いたり閉じたりできる（７１８）。
【００５１】
図１０に、制御方式の一部として使用され得る制御アルゴリズムの一例を示すが、この開示の利益を有する当業者により、個々の必要性を満たすために多くの他のおよび／または追加の制御アルゴリズムを使用してもよく、図１０は単なる例に過ぎないということが理解されよう。たとえば、生成コントローラは、制御バルブが開かれる周波数を変更することに加えて、制御バルブのパルス幅および／または開口サイズを変更することができる。さらに、燃料電池をその最も効率のよい速度で動作させ続けるべく燃料電池を負荷から切離すために、システム（図２に示すような）にバッテリ、コンデンサまたは他のエネルギー貯蔵装置を追加することができる。
【００５２】
図１０の例示的な実施形態によれば、制御アルゴリズムは、初期化（８００）してタイマが満了するのを待ち（８０１）、その後燃料電池スタック電圧をチェック（８０２）できる。しかしながら、実施形態によっては、タイマは無い。燃料電池スタック電圧が所定の「高」限界より上である場合（８０４）、制御アルゴリズムはバルブタイマを「高」遅延周波数に設定するように進み（８０６）、タイマの満了（８０１）後、連続的に、またはタイマのある実施形態では周期的に、スタック電圧を再度チェックする（８０２）。燃料電池スタック電圧が所定の「高」限界より上でない場合（８０４）、制御バルブは１度パルス駆動され（８０８）、アルゴリズムは、燃料電池スタック電圧が「中間」限界より下であるかをチェックする（８１０）。燃料電池スタック電圧が「中間」限界より下でない場合（８１０）、バルブタイマを「中間」遅延周波数に設定し（８１２）、タイマの終了後（８１０）、連続的に、またはタイマのある実施形態では周期的に、スタック電圧を再度チェックする（８０２）。しかしながら、燃料電池スタック電圧が「中間」限界より下である場合、バルブタイマを「低」遅延周波数に設定し（８１４）、スタック電圧を、連続的にまたは周期的に再度チェックする（８０２）。
【００５３】
前述した説明は、本発明を例示して説明するためだけに提供されている。それは、網羅的であるように、または本発明を開示したいかなる厳密な形態に限定するようには意図されていない。上述の教示に鑑みて、多くの修正および変形が可能である。
【００５４】
図示された実施形態は、本発明の原理とその実際の用途とを最もよく説明するために選択されて説明された。前述の説明は、当業者が、企図された特定の使用に適するように、本発明を種々の実施形態において、および種々の変形態様で最もよく利用することができるように意図されている。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって規定されるように意図されている。
【００５５】
【発明の効果】
本発明によれば、水素含有燃料を装置の向きに無関係に化学反応室に計量して供給することができる、燃料電池用の水素発生装置が実現できる。すなわち、圧力生成部材は、いかなる向きの化学溶液貯蔵器（５６、１５６等）と化学反応室（６０、１６０等）との間の圧力差を提供するので、水素発生装置（５４、１５４等）は、いかなる向きでも動作可能である。これは、しばしば多くの異なる態様で移動して方向が変えられる携帯型電子機器における燃料電池の用途に対して特に重要となり得る。さらに、本発明の実施形態によっては、単一の制御バルブ（６６、１６６等）のみを使用すればよく、ポンプと複数の制御バルブとを必要とする従来の水素発生システムに存在する障害の発生が低減される。また、図３〜図８に示される実施形態の各々は、燃料電池装置から独立して別個であるが、それに結合され得る水素発生カートリッジで実現されてもよい。さらに、実施形態の各々は、化学貯蔵器から反応室への水素化ホウ素ナトリウム等の化学溶液の伝達を計量するために制御バルブを含んでおり、水素発生の制御が、制御バルブ（上述したマイクロバルブ等）によって容易にされる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＰＥＭ燃料電池装置の未組立斜視図である。
【図２】本発明の一実施形態による燃料電池装置の概観図である。
【図３】本発明の一実施形態による水素発生器の概略図である。
【図４Ａ】本発明の別の実施形態による水素発生器の概略図である。
【図４Ｂ】図４Ａの実施形態による水素発生器の実施態様の斜視図である。
【図４Ｃ】図４Ｂの実施形態による水素発生器の実施態様の内部コンポーネントのいくつかの斜視図である。
【図５】本発明の別の実施形態による水素発生器の概略図である。
【図６】本発明の別の実施形態による水素発生器の概略図である。
【図７】本発明の別の実施形態による水素発生器の概略図である。
【図８】本発明の別の実施形態による水素発生器の概略図である。
【図９】本発明の実施形態による水素発生器のための制御構造の概念図である。
【図１０】本発明の実施形態による水素発生器のための制御アルゴリズムのフロー図である。
【符合の説明】
40 燃料電池
42、54、154、254、354、454、554 水素発生装置
56、156、456 新液バッグ
58、158、558 バネ
60、160、260 化学反応室
66、166、266、366、466 マイクロバルブ
256、356 可撓性新液バッグ（ばねバッグ）
360 可撓性反応バッグ
460 反応室バッグ

Claims

水素発生装置（154）であって、
化学反応室（160）と、
前記化学反応室（160）の内部に収容されている化学溶液貯蔵器（156）と、
化学溶液を前記化学溶液貯蔵器（156）の内部から前記化学溶液貯蔵器（156）の外部であり且つ前記化学反応室（160）の内部である部分（161）に移動させるための付勢力をもたらす無動力圧力生成部材（158）と、
を備え、前記化学溶液が水溶性金属水素化物又はアミンボランを含有する溶液であり且つ前記化学反応室が前記化学溶液から水素を抽出するための室である、水素発生装置（154）。
前記化学溶液が、前記化学溶液貯蔵器（156）に収容されており且つ水溶性金属水素化物からなる、請求項１記載の水素発生装置（154）。
前記化学溶液貯蔵器（156）が、可撓性バッグ（156）からなる、請求項１又は２のいずれか１項記載の水素発生装置（154）。
前記無動力圧力生成部材（158）が、前記化学反応室（160）の内部にあり且つ前記化学溶液貯蔵器（156）に隣接しているばね（158）からなる、請求項１〜３のいずれか１項記載の水素発生装置（154）。
電流発生装置であって、
燃料電池と、
前記燃料電池に水素ガスを提供するためのばねバッグ水素発生器（254, 354）とを備え、且つ前記ばねバッグ水素発生器（254, 354）が、
化学反応室（260, 360）と、
前記化学反応室（260, 360）の内部に配置されている、ばねバッグからなる化学溶液貯蔵器（256, 356）と、
を含んで成り、前記ばねバッグ自体が、化学溶液を前記化学溶液貯蔵器（256, 356）の内部から前記化学溶液貯蔵器（256, 356）の外部であり且つ前記化学反応室（260, 360）の内部である部分へと移動させるための付勢力をもたらし、前記化学溶液が水溶性金属水素化物又はアミンボランを含有する溶液であり且つ前記化学反応室が前記化学溶液から水素を抽出するための室である、電流発生装置。
前記化学反応室（260, 360）が、可撓性バッグ（360）からなる、請求項５記載の電流発生装置。
前記化学溶液貯蔵器（256, 356）の内部が、前記反応室（260, 360）の圧力より大きい圧力に維持される、請求項５または６記載の電流発生装置。
水素の発生を制御する方法であって、
燃料電池特性を測定することと、
前記燃料電池特性が所定パラメータ内にあるか否かを判定することと、
前記燃料電池特性に応じて、マイクロバルブ（66, 166, 266, 366, 466, 566）の動作周波数と動作パルス幅と開口サイズとのうちの１つまたは複数を変更することと、
化学溶液貯蔵器（56, 156, 256, 356, 456, 556）に収容されている化学溶液を、前記マイクロバルブを通して化学反応室（60, 160, 260, 360, 460, 560）へと移動させるために、前記化学溶液貯蔵器（56, 156, 256, 356, 456, 556）に付勢力を加えることとを含み、
前記付勢力が、無動力圧力生成部材又はばねバッグによりもたらされ、
前記化学溶液貯蔵器が、前記化学反応室の内部に収容されており、それによって化学溶液が前記化学溶液貯蔵器の内部から前記化学溶液貯蔵器の外部であり且つ前記化学反応室の内部である部分へと移動し、前記化学溶液が水溶性金属水素化物又はアミンボランを含有する溶液であり且つ前記化学反応室が前記化学溶液から水素を抽出するための室である、方法。
前記付勢力が、前記無動力圧力生成部材によりもたらされ、前記無動力圧力生成部材が、前記化学反応室（160）の内部にあり且つ前記化学溶液貯蔵器（156）に隣接しているばね（158）からなる、請求項８記載の方法。