JP5781580B2 - 発電機の遮断弁 - Google Patents

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Description

一部の燃料電池に基づく発電機においては、水の存在下で燃料から水素が抽出され、続いてそれが燃料電池中に導入されることによって、電気が発生する。このような発電機においては、電力が発電機から抜き取られないときに、水素が周囲環境に漏れる場合がある。水素が失われると、水は燃料に戻って、水素を生成する反応による水の消費を埋め合わせる。もしこの過程が続くと、発電機からエネルギーがゆっくりと流れ出て、有用な発電のために発電機から利用可能な全エネルギーが減少することがある。
多くのこのような水素燃料に基づく発電機は、複雑な燃料の処理を伴い、大きな体積を占める構成要素を必要とすると考えられている。このような発電機は、比較的大型で高出力の用途に限定される場合がある。携帯電子機器、無線センサー、戦場用途、および無人航空機などの用途のために、より軽量でより小型の電源が、当技術分野において現在必要とされている。このような電源は、使用されないときに比較的長い貯蔵寿命を有するべきである。電源の大きさおよび重量を減少させながら、電源の交換間隔を減少させるため、および／または動作寿命を延長するために、現在の電源のエネルギー容量を増加させることが望ましい。
発電機は、水素生成用燃料と、水素生成用燃料を周囲環境から離隔するプロトン交換膜を有する燃料電池とを有する。燃料電池と周囲環境との間に弁が配置され、弁が作動することによって、水が燃料電池に入るのを制御可能に防止する。一実施形態においては、燃料の周囲に複数の燃料電池が円形に配列され、上記弁は、燃料電池に対応する複数の弁を有する回転可能なリング型の仕切弁である。
一例の実施形態による遮断弁を有する発電機の断面概略図である。 一例の実施形態による遮断弁を有する別の発電機の断面概略図である。 一例の実施形態による図１に示される発電機のコーナーの断面概略図である。 一例の実施形態による図２に示される発電機のコーナーの断面概略図である。 一例の実施形態による遮断弁を有する燃料電池の概略図である。 一例の実施形態による発電機の電力出力対時間のプロットである。 一例の実施形態による遮断弁の位置を示す発電セルから周囲環境への入口の概略図である。 一例の実施形態による複数の燃料電池が組み込まれた円筒形発電機の部分断面図である。 遮断弁を有する別の発電機の断面図である。
以下の説明において、本発明の一部を構成する添付の図面を参照するが、その図面は、実施可能な具体的な実施形態を例として示しているものである。これらの実施形態は、当業者が本発明を実施できるように十分詳細に説明されており、他の実施形態を使用することもでき、本発明の範囲から逸脱しない構造的、論理的、および電気的な変更が可能であることを理解すべきである。したがって以下の説明は、限定された意味で受け取るべきではなく、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲によって規定される。
水蒸気と吸湿性固体燃料物質との反応によって内部に水素ガスを発生し、燃料電池においてこの水素ガスが空気中の大気酸素と反応することによって電気エネルギーが発生する発電機を提供する。燃料電池における水素と酸素との反応では、副生成物として水分子も生成する。こうして発生した水は、水蒸気として燃料電池から、固体燃料物質を収容する燃料室へと受動拡散し、そこで燃料物質と反応して水素ガスを発生させる。発生した電気エネルギーは、発電機の大きさに依存して、発電機に接続された大型または小型の機器に電力を供給するために使用することができる。本発明の発電機は、発電機の１つ以上の燃料電池のアノードおよびカソードに電気的に接続された無線センサー、携帯電話、またはその他の携帯電子機器などの小型機器の電力供給に特に有用である。
図１および２は、本発明の方法を実施するための別の発電機装置の断面図を示している。図１および図２に見られるように、発電機１０は、ハウジング３６と、ハウジング３６内に搭載された少なくとも１つの燃料電池１４と、燃料物質４４を保管するためにハウジング３６内に搭載された少なくとも１つの燃料室１２と、ハウジング３６内にあり少なくとも１つの燃料電池１４から燃料室１２まで延在する空隙２４とを含む。空隙２４によって、水素ガスは燃料室１２から燃料電池１４まで流れることができ、水蒸気は燃料電池１４から燃料室１２まで流れることができる。燃料電池１４は、水素ガスと空気から得られる酸素ガスとの反応によって、電気と燃料電池水とを生成する。大気酸素は、少なくとも１つの空気入口２０を介してハウジング３６内に入る。次に、その酸素ガスは燃料電池１４まで移動して、そこで水素ガスと反応し、電気と水分子とを生成する。この種類の燃料電池は、プロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池と呼ばれ、高分子電解質膜燃料電池と呼ばれることもある。
一実施形態においては、各空気入口２０は、遮断弁２１の組み込みに好適な形状で形成されている。したがって、空気入口２０は、遮断弁２１を係合させるための要求に一致する長方形または円形であってよい。遮断弁は図２、３Ａ、および３Ｂにも示されている。遮断弁のさらなる詳細は図６の６００に示されている。遮断弁２１は、あらゆる周囲環境水を燃料電池から遮断し、燃料電池を効率的に停止させ、使用されないときの電気の生産およびその燃料の消費が停止するように作動させることができる。弁は、手動で作動させる場合もあるし、必要に応じて他の方法で制御することもできる。一実施形態においては、各空気入口２０には遮断弁が形成されており、さらに別の実施形態においては、その遮断弁を使用することで、周囲環境の水の燃料への流入量を制御したり、そのような流入を完全に遮断したりすることもできる。
図４に見られるように、典型的なＰＥＭ燃料電池の１つは、電解質膜４２を含み、これは、膜の一方の側にある正極、すなわちカソード１６と、膜の反対側にある負極すなわちアノード１８との間に配置されている。典型的な水素−酸素ＰＥＭ燃料電池の挙動では、水素燃料（たとえば水素ガス）は流路板を介してアノードまで運ばれ、酸素は燃料電池のカソードまで運ばれる。アノードにおいて水素は、水素陽イオン（プロトン）と負に帯電した電子とに分割される。電解質膜は、正に帯電したイオンのみをカソードまで透過させることができる。負に帯電した電子は、その代わりに外部回路に沿ってカソードまで移動する必要があり、それによって電流が生じる。カソードにおいては、電子および正に帯電した水素イオンが酸素と化合して水分子を形成する。
発電機内部では、燃料電池のアノード１８側において、残留する酸素を発電機内から除去するために、最初に水素または窒素ガスのフラッシングを行う。この水素または窒素のフラッシュの目的は、残留する酸素を発電機のアノードから除去することによって、燃料電池のアノード上の触媒によって容易に発火しうる発電機内部に、水素と酸素との爆発の可能性のある混合物が生じるのを防止することである。あるいは、発電機外部の大気の湿度による水分子が空気入口２０を介して発電機内に入り込むことによって発電機が起動することもある。燃料電池によって生成される燃料電池水の量より実質的に少ない量の初期量の非燃料電池水を発電機に加えて、燃料物質４４と反応させて、水素ガスの発生を開始することもできる。このような始動用の水は、たとえば、入口４６などの燃料室１２中の開口部を介して、または空気入口２０などの別の好適な手段を介して発電機に加えることができる。しかし、本発明の方法および装置は、外部に設けられた水供給源がなくても作動するように設計されており、すなわち、本システムは、燃料電池によって生成される水、および発電機の外側の大気中に存在する水分子を除けば、水は使用されない。水素燃料物質と反応させる水を供給するための水室または水槽などの水供給源が含まれたり接続されたりすることがない。その結果、従来のシステムと比較して、本発電機のエネルギー密度および比エネルギーが大幅に改善される。したがって、水素−酸素反応によって、発生する電力に対応するちょうど必要な水が生成され、化学量論量の再循環された水および固体燃料が使用されるので、本発明は、連続的で自己制御された方法を提供する。
本方法は、能動的に制御される弁やポンプを使用せずに受動的に進行させることができる。特に、燃料電池１４において酸素−水素反応の副生成物として水が形成されると、生成した水は、燃料電池１４を通って、空隙２４内および燃料室１２まで受動拡散して戻る。この受動拡散は、部分的には１つ以上の水貯留ゾーン２２のため、部分的には空隙２４の内側が低湿度であるため、および燃料電池スタックの構造のために可能となる。水貯留ゾーン２２は、図３Ａおよび３Ｂにおいて強調されており、これらは図１および２に示される発電機のコーナーの図である。本明細書において使用され、図３Ａおよび３Ｂにおいて示される場合、水貯留ゾーン２２は、空気入口２０から各燃料電池カソード１６まで延在するチャネルを含む。水貯留ゾーン２２は、燃料電池水を生成する各燃料電池１４において存在する。水貯留ゾーン２２の形状のために、燃料電池で生成した水分子が空気入口から拡散することによる水の減少が阻止され、それによって燃料電池のカソード１６において水蒸気が高濃度に維持される。水分子が周囲空気に散逸する代わりに、水貯留ゾーン２２は、生成した水分子をカソード１６に蓄積させることによって、カソード１６と空気入口２０との間に高湿度領域を形成する。このモル流量は、以下の式によってより特定的に表すことができる。
Figure 0005781580
カソード１６から周囲空気への水蒸気の移動と、周囲空気からカソード１６への酸素の移動との両方は、拡散律速過程である。Ａのモル流束またはモル流量がＪＡであり、式中のＡは希望する化学種、すなわち水または酸素のいずれかである。水または酸素のモル流束は、拡散係数ＤＡＢ、場所１と場所２との間の分圧差（ＰＡ１−ＰＡ２）、気体定数Ｒ、単位ケルビンでの温度Ｔ、および場所１および２の間の距離（Ｚ２−Ｚ１）の関数となる。さらに、流束は、単位面積当たりで定義され、
Figure 0005781580
（Ａのキログラム数／ｍ２秒）の単位を有する。
拡散係数は、化学種の流束と、その濃度勾配との間の比例定数である。拡散係数ＤＡＢは、化学種Ｂ中の化学種Ａの拡散係数を意味する。本発明の場合、これは空気中の水蒸気の拡散係数、または空気中の酸素の拡散係数を意味する。拡散係数が大きいと流束値が大きくなり、拡散係数が小さいと流束値が小さくなる。空気中の酸素の拡散係数は、室温および通常の室内湿度において約０．２１ｃｍ２／秒であり、一方、空気中の水蒸気の拡散係数は、室温および室内湿度において約０．２４ｃｍ２／秒である。
分圧は、気体混合物の全圧力に対する、その混合物の１成分の分率である。分圧差が大きいと、その化学種の流束が比較的大きくなり、一方、分圧差が小さいと流束が比較的小さくなる。所望の電力レベルのために必要な酸素流束を得るために、水貯留ゾーンは、分圧差が小さくなるように、たとえば大気酸素分圧の約１０％〜約２０％となるように設計されている。
気体定数は、ボルツマン定数とアボガドロ数との積である。単位ケルビンでの温度は、対象となる化学種の流束に影響を与える。温度が高くなると流束が減少する傾向にあり、温度が低いと流束が増加する傾向にある。したがって、気体の拡散、さらに拡張して気体の分圧差は、チャネルの形状を調整することによって制御可能である。
図１および２に示されている発電機は、十分な酸素が、周囲空気から、空気入口２０を通って、カソード１６まで、小さな圧力低下、たとえば大気酸素圧の１０％〜２０％で、拡散するように設計されている。この発電機は、高い水素透過損失を有することができるため、高圧で作動させた場合に寿命が減少することがある。
水素および酸素が水に変換される化学反応（２Ｈ２＋Ｏ２→２Ｈ２Ｏ）によって、１モルの酸素が消費されるごとに２モルの水が生成される。さらに、空気中の水蒸気の拡散係数と、空気中の酸素の拡散係数とは類似している。したがって、平衡を維持するために、水蒸気の分圧差が酸素の分圧差のほぼ２倍になる必要がある。したがって、上記比率を有する本発明の発電機は、生成した水分子が発電機の外側の大気に失われる代わりに加湿環境を維持する。
空隙２４内では、燃料物質４４が湿気を吸収する吸湿性であるために、燃料電池１４のアノード１８側において、比較的低湿度の領域が存在する。したがって、カソード１６における水の生成および貯留によって、水分濃度勾配と、気体の圧力差とが生じ、それによって水分子は水蒸気の形態で拡散して、燃料電池１４を通って、空隙２４内および燃料室１２に戻る。次に、この水蒸気は燃料物質４４と反応して、水素ガスを生成する。生成した水素ガスは、次に空隙２４を通過して燃料電池のアノード１８まで移動し、そこで再び酸素と反応して水分子を生成する。場合によっては、すべての燃料物質４４が消費されるまでこのサイクルが続くことがある。
発電機の作動中、空気入口から失われる水蒸気よりも多くの生成水蒸気が、拡散して空隙内に戻る。さらに、燃料電池の出力は、酸素および水素の反応物質の燃料電池への流れに直接依存し、したがって、水蒸気の燃料室への流れに直接依存する。したがって、燃料電池の出力は、水貯留ゾーンの面積の、その長さに対する比に比例する。本発明の実施形態においては、単位電力当たりのゾーン面積のゾーン長さに対する比は、一実施形態における１つの燃料電池の場合の電力出力で約０．０１ｃｍ／ｍＷ〜約０．０５ｃｍ／ｍＷである。複数の燃料電池が組み込まれる場合、この単位電力当たりのゾーン面積のゾーン長さに対する比が、反応物質を共有する燃料電池の数で除される。
水貯留ゾーン２２の形状が制約的であるために十分な酸素を燃料電池１４まで拡散させることができない場合は、発電機は低い電力で作動する。特に、ゾーン面積のゾーン長さに対する比が０．０５ｃｍ２面積／１ｃｍ長さを超える場合、過剰の水蒸気が空気入口から拡散して出て行き、ゾーン面積のゾーン長さに対する比が０．０１ｃｍ２面積／１ｃｍ長さ未満となる場合は、高効率で作動するのに十分な酸素が燃料電池に到達しない。燃料室から燃料電池まで水素ガスが流れることができるようになり、燃料電池から燃料室まで水蒸気が流れることができるようになる空隙であって、燃料電池から燃料室まで延在するハウジング内の空隙の形状の場合も同じことが言える。
別の一実施形態においては、発電機１０は、燃料室１２から燃料電池１４までの水素ガスの流れを調節し、燃料電池１４から燃料室１２までの水蒸気の移動を調節するための少なくとも１つの弁２６をさらに含むことができる。図１および２に示されているように、弁２６は、燃料室１２と燃料電池１４との間の空隙２４内に配置される。本発明の一実施形態においては、弁２６は、前記空隙２４内のガス圧力によって制御される空気弁を含み、これによって燃料室１２への水蒸気のコンダクタンスが空気圧によって調整される。一実施形態においては、弁２６は、支持体５０において発電機のハウジング３６に固定可能な周辺部を有する空気圧で作動する可撓性隔膜３０と、隔膜３０の反対側にある弁体２８と、弁体２８と隔膜３０とを接続する棒状接続具とを含む。弁体２８がシール３８と接触しているときは、弁２６は閉鎖位置にあり、水蒸気の燃料室１２への到達が阻止される。あるいは、弁体がシール３８から離れているときは、弁は開放位置にあり、水蒸気は燃料室１２に到達することができ、生成した水素ガスが燃料電池１４に到達することができる。シール３８はハウジング３６の一部を含むことができる。支持体５０もハウジング３６の一部を含むことができる。図１および２に見られるように、１つまたは複数の燃料電池１４も、支持体５０によってハウジング内部に搭載することができる。
弁の構成部分の寸法は、非常に小さくてもよいが、弁の特定の用途に関して変動させることができる。隔膜の厚さおよび直径は、所望の電力出力に依存してある範囲内にするべきである。本発明の一実施形態においては、隔膜３０は、直径が約１ｃｍ〜約３ｃｍ、または約１ｃｍ〜約２ｃｍである薄い円板を含む。弁体２８は、約０．２ｃｍ〜約１ｃｍの直径を有することができ、あるいは約０．２ｃｍ〜約０．５ｃｍであってもよい。本発明の一実施形態においては、棒状接続具は、ねじまたはボルトを含むことができるが、弁を開放位置と閉鎖位置との間で交替させることができるような、隔膜３０を弁体２８に接続する他のあらゆる接続手段が好適となる。
弁の作動は、隔膜３０に対して作用する内部ガス圧力によって制御することができる。水素ガスの発生によって装置の内部ガス圧力が増加すると、隔膜３０が、わずかに外側に湾曲したり、押し出されたりする。これによって接続具が弁体２８をシール３８に向けて引き寄せ、弁が閉じて、さらなる水蒸気の燃料室１２への流動が阻止される。弁が閉じると、水素の生成が停止する。これは、内部ガス圧のさらなる上昇も防止する。燃料電池１４などによって水素が消費されると、内部ガス圧が低下し、それによって弁体２８がシール３８から離れ、弁が開放される。したがって、水素ガスが消費される速度で、自動的に水素ガスが生成される。
本発明の一実施形態においては、発電機１０は、空気弁２６を介して一定圧力に維持することによって作動する。発電機１０は、低い電力出力における低い周囲圧力から、最大電力出力における理論的に無制限の周囲圧力までで作動可能となるべきである。本発明の一実施形態においては、閉鎖位置にあるときの装置の内部Ｈ２圧力は約０ｋＰａ〜約１０００ｋＰａである。燃料電池によって全く水素ガスが使用されないときには弁が完全に閉じ、水素ガスの消費速度に一致させるために必要な量で弁が開放する。本発明の一実施形態においては、発電機の内部圧力は常に約１００ｋＰａに維持され、この圧力が約１０ｋＰａ未満まで低下すると、約５００ｋＰａ以上になるまで弁がわずかに開き、その圧力に到達すると弁は閉じる。携帯電子機器または無線センサーなどの小規模用途の場合、作動圧力は約０．５ａｔｍ（約５０ｋＰａ）〜約２ａｔｍ（約２０２ｋＰａ）とすることができる。
一般に、発電機１０は、空気弁２６を使用して、通常は周囲環境用よりも数ｐｓｉ高い一定圧力に維持することによって作動される。一実施形態においては、発電機１０は、低い電力出力における低い周囲圧力から、最大電力出力における理論的に無制限の周囲圧力までで作動可能である。
発電機１０は、使用時に、約−４０℃〜約８５℃の作動温度、さらに別の一実施形態においては、約−２０℃〜約５０℃、または約０℃〜約５０℃、または約２０℃〜約５０℃の作動温度に維持することができる。
本発明の目的では、「水蒸気」という用語はスチームを含まない。「水蒸気」および「スチーム」はどちらも水でできているが、それぞれは、非常に異なる性質および用途を有する。たとえば、機関車はスチームによって駆動させることができるが、本発明が使用するような湿潤空気中に存在する水蒸気では動作しない。「水蒸気」自体は、氷などのあらゆる温度における水の本体の上に自然に形成されたり、または、周囲空気中に自然に存在したりすることがある個別の水分子の気体である。この水蒸気は、低い分圧を有するため、水蒸気を形成する水が加熱されない限りは、比較的少ない水分子を含有する。他方、「スチーム」は、水を沸騰するまで加熱することによって生成された小さな熱い水滴で構成されている。スチームは、１５℃における水蒸気の約１００倍の水分子を含有し、自然に強い力で高速に膨張し、大量の水を沸騰させてスチームとして取り出すことができる。水蒸気は日常の空気中に存在し、スチームや液体の水よりもはるかに少ない数の水分子を含有し、自然拡散によって非常にゆっくりと移動する。水蒸気の形態では、ごく少量の水しか移動させることができない。たとえば、１滴の水が室温で蒸発するために通常１時間を要するが、やかん一杯の水は約２０分で沸騰させてスチームにすることができる。さらにスチームを動力とする発電機は、スチームを発生させることができる水供給源または水源が必要となる。対照的に、本発明は、このような水源が不要になることによって関連技術に対する改善が得られる。したがって、本発明の装置および方法は、スチームを使用して高い作動温度で機能するのではなく、水蒸気を使用して低い作動温度で機能するように設計されている。
図１および２に見られるように、発電機１０は、大気酸素および大気水分子が発電機内への拡散を調整する、空気入口２０と一体化した制限部３２をさらに含むことができる。この制限部は、カソード１６において生成した水蒸気が外部に拡散する際の障害物となるので、燃料電池のカソード１６における湿度を上昇させるのにも役立つ。この湿度の上昇により、燃料電池の作動が向上される。この制限部は、大気酸素ガスに対して透過性であるが、水蒸気に対して実質的に不透過性である疎水性膜を含み、この膜は燃料電池水の大気中への流動を実質的に妨害する。所望の性質を有し酸素透過性で水蒸気不透過性であるこの膜に好適な材料としては、フッ素化エチレンプロピレン（ＦＥＰ）、パーフルオロアルコキシなどのフルオロポリマー含有材料、ならびに延伸ポリプロピレン（ＯＰＰ）、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）、および環状オレフィンコポリマー（ＣＯＣ）などの非フルオロポリマー含有材料が挙げられる。酸素透過性で水蒸気不透過性の膜材料の１つは、フッ素化エチレンプロピレンを含む。さらに、ある実施形態においては、この膜単独では、カソードに十分な酸素が透過できない場合がある。したがって、制限部３２中に小さな開口部４８（図２参照）を設けることで、より多くの大気酸素および大気水分子が空隙に流入して燃料電池の１つ以上のカソードまで拡散させることができる。しかし、この開口部によって、一部の水蒸気が発電機１０の外まで拡散することもある。必要な開口部の大きさは、電力レベル、拡散経路長、および所望の分圧低下と関係がある。この開口部の大きさは非常に小さく、膜の全表面積の約０．００１％〜約１％を構成することができる。
燃料室１２内の実質的に非流動性の物質は、粉末、顆粒、またはペレットの形態の材料を含むことができ、アルカリ金属、水素化カルシウム、水素化リチウム、水素化アルミニウムリチウム、水素化ホウ素リチウム、水素化ホウ素ナトリウム、およびそれらの組み合わせであってよい。非排他的で好適なアルカリ金属としては、リチウム、ナトリウム、およびカリウムが挙げられる。非流動性物質のための材料の１つは水素化アルミニウムリチウムである。燃料物質は、気体および蒸気が拡散できる多孔質固体材料であってよい。さらに、この非流動性物質は、水蒸気と非流動性物質との反応を触媒する水素生成触媒と併用することもできる。好適な触媒としては、非排他的に、コバルト、ニッケル、ルテニウム、マグネシウム、ならびにそれらの合金および組み合わせが挙げられる。
図１および２に見られるように、燃料室１２は、多孔質蒸気膜３４に隣接することができる。ハウジング３６に取り付けられ燃料室１２に隣接するこの膜３４は、必然的に水蒸気に対して透過性であるため、水蒸気が燃料室１２内に入って、固体燃料物質と反応することによって、水素ガスを生成することができる。これは、必然的に水素ガスに対しても透過性であるため、発生した水素ガスは、空隙２４内に入って燃料電池１４に戻ることができる。このような２つの性質を有するこの蒸気膜３４に好適な材料としては、非排他的に、発泡テフロン（Teflon）（登録商標）などの発泡ポリテトラフルオロエチレン（ｅＰＴＦＥ）積層体などのフルオロポリマーを含む多孔質ポリマーが挙げられる。ｅＰＴＦＥ積層体の例は、デラウェア州（Delaware）のＷ．Ｌ．ゴア・アンド・アソシエーツ社（W.L.Gore & Associates,Inc.）製造のゴアテックス（GORE-TEX）（登録商標）、およびデラウェア州（Delaware）のＢＨＡテクノロジーズ（BHA technologies）製造のイーベント（eVENT）（登録商標）である。
特に図２を参照すると、この図は、図１の発電機よりも表面積が大きい空気入口を有する本発明の別の発電機の断面概略図である。同様に、この実施形態においても、大気酸素ガスに対しては実質的に透過性であるが、水蒸気に対しては実質的に不透過性である疎水性膜３２が空気入口２０に配置される。しかし、大気中の自然の空気湿度から水分子を取り込むために、小さな開口部４８（たとえば約０．００８ｃｍ２）の開口部を膜３２中に切り込むことができる。この開口部４８は、より多くの酸素を燃料電池のカソードまで拡散させることもできる。本発明の一実施形態においては、本発明の発電機は、少なくとも約５％の相対湿度を有する環境中で最良の機能を果たすが、この性能は湿度の増加とともに改善される。
図２の実施形態は、メッシュ隔膜３０を含むことができる空気弁２６と、弁２６のメッシュ隔膜３０に近接する水透過性で水素不透過性の膜４０とを含むことができる。メッシュ隔膜３０は、水蒸気に対して透過性であってよく、ポリエチレンテレフタレートなどのポリマー材料、またはステンレス鋼などの金属から形成されていてよい。この水透過性膜４０に好適な水透過性材料としては、パーフルオロスルホネートアイオノマーなどの過フッ素化ポリマーが挙げられる。エポキシドおよびクロロプレンゴムも好適である。水透過性膜は、デラウェア州（Delaware）のＥＩデュポン・ドゥ・ヌムール・アンド・カンパニー（EI DuPont de Nemours & Co.）より商標ナフィオン（Nafion）（登録商標）で市販されているパーフルオロスルホネートアイオノマー膜を含むことができる。一実施形態においてナフィオン（Nafion）（登録商標）を使用することができるが、その理由は、これを非常に安定にするフッ素化主鎖と、高いイオン伝導率を維持するスルホン酸側鎖とを有するためである。水透過性で水素不透過性の膜４０によって、水蒸気が電解質膜４２を透過することなく、水蒸気が燃料室１２まで拡散することができる。この膜によって、水蒸気が燃料室内に透過するための高面積の経路が提供され、燃料電池自体のみから水が回収される場合よりも高い電流密度で燃料電池１４を作動させることができる。少なくとも１つの燃料電池１４の電解質膜４２は類似の材料で形成されている。
したがって、図２から分かるように、この発電機１０は、燃料電池から生成した水分子が、燃料電池のカソード１６から燃料室１２まで移動するための２つの経路が提供されている。特に、図２の実施形態において、燃料電池１４中の水素ガスと大気酸素との反応によって、燃料電池のカソード１６において燃料電池水が生成し、それによって電気が発生する。この生成した燃料電池水は、水貯留ゾーン２２中に貯留され、燃料電池１４を通して拡散させることによって、または水貯留ゾーン２２から拡散させ、メッシュ隔膜３０および水透過性膜４０を透過させることによって、空隙２４に再び戻すことができる。
図５は、本発明の小型のマイクロ発電機の電力出力対時間のプロットの一例である。本発明のマイクロ発電機は、種々の実施形態において、約１マイクロワット〜約１００ミリワット、または約１マイクロワット〜約１０００ミリワットの電力出力、ならびに約０．１Ｗ時／ｃｃ〜約１０Ｗ・ｈｒ／ｃｃのエネルギー密度を発生することができる。本発明のより大型の発電機では、約０．１Ｗ〜約１００Ｗの電力出力レベル、および約０．１Ｗ・ｈｒ／ｃｃ〜約１０Ｗ・ｈｒ／ｃｃのエネルギー密度を発生することができる。図６は、燃料電池が使用されていないときに周囲環境からの水が燃料に到達するのを防止するために、燃料６１０と周囲環境６１５との間に使用することができる、チャネルまたは開口部６０７内の弁６０５を有する一例の燃料電池６００を示している。一実施形態においては、弁６０５は、周囲環境とＰＥＭ膜６２０との間に案内する開口部内に配置される。この弁は、手動で作動させることもでき、燃料電池からの電力を使用して閉じることもできる。このような弁は、静電気アクチュエーター、空気圧式アクチュエーター、圧電アクチュエーター、または磁気（ソレノイド）アクチュエーターを使用して自動的に作動させることができる。一実施形態においては、この弁は仕切弁である。さらに別の実施形態においては、この弁は、玉形弁、仕切弁、バタフライ弁、ボール弁、またはその他の種類の弁であってよい。
燃料電池６００は、前出の実施形態に示した調整弁を含む必要はない。これは、水素生成用燃料６１０と、一方の側が周囲環境６１５に露出したＰＥＭ膜６２０とを有し、燃料６１０によって水素が生成される単純な燃料電池であってよい。
別の実施形態においては、遮断弁６０５は、開放位置と閉鎖位置との間で静電気的に移動可能な隔膜を含む。さらに別の一実施形態においては、これは、開口部６０７中の対応するねじ山に係合するねじ部材であってもよい。弁を開くためには、ねじ部材を取り外す。弁を閉じるためには、ねじ部材をねじ込んで所定の位置に戻すことができる。一実施形態においては、弁は、閉じたときに気密シールを形成する。
図７には、複数の燃料電池を有する本発明の円筒形発電機１０の部分断面図を示している。図７に見られるように、一実施形態においては、発電機１０の円周に沿って複数の燃料電池１４が配置される。燃料電池１４の数は、図示されているような５個または８個などに変更することができる。より少ないまたはより多くの燃料電池１４を使用することもできる。本発明の発電機１０は、燃料物質４４を場合により再補給することができる入口４６を含むこともできる。あるいは、燃料物質４４が消費されたときに、電池のように発電機を廃棄することもできる。発電機１０の組み立てられた構成部品のそれぞれは、ポリエチレンテレフタレートなどの好適な材料から形成される管などの好適な中空構造（図示せず）でさらに囲むことができ、その囲いは、上面および／または底面を好適なキャップ（図示せず）で覆うこともでき、そのキャップは、取り外し可能であってよく、囲いと類似または異なる材料で形成されていてよい。発電機１０は、少なくとも１つの電気コネクタをさらに含むこともでき、その電気コネクタによって機器を発電機１０に電気的に接続することができる。図１に示されるように、本発明の一実施形態においては、機器５２（概略的に示されており、縮尺通りには描かれていない）は、電気コネクタ５４および５６を介して発電機１０に電気的に接続することができ、電気コネクタ５４および５６は、１つ以上の燃料電池の１つ以上のカソードおよび１つ以上のアノードに接続することができる。
電気コネクタ５４および５６は図７にも示されている。複数の燃料電池が組み込まれた実施形態においては、複数の燃料電池は、直列に接続することもでき、発電機ハウジング３６から突出する１組の電気コネクタ５４および５６に接続することもできる。本発明の一実施形態においては、発電機１０は、相互に接続された８個の燃料電池を含む。
発電機１０および弁２６の各部品は、好適なポリマー材料、金属、または発電機および弁の意図される用途の必要条件によって決定される他の材料から製造することができる。非排他的な材料の一例としてはポリエチレンテレフタレートが挙げられる。発電機１０の構成部品の寸法は、非常に小さくてもよいが、発電機１０の用途に基づいて変更することもできる。このような水を使用しないマイクロ発電機の外法寸法は、長さが約１ｍｍ〜約１００ｍｍであり、幅が約１ｍｍ〜約１００ｍｍであり、奥行きが約１ｍｍ〜約１００ｍｍであり、またはさらに別の一実施形態においては、長さが約１ｍｍ〜約２５ｍｍであり、幅が約１ｍｍ〜約２５ｍｍであり、奥行きが約１ｍｍ〜約２５ｍｍである。このような水を使用しないマイクロ発電機は、１つ以上の燃料電池１４を組み込むことができ、それらの燃料電池の大きさは約０．１ｍｍ２〜約５，０００ｍｍ２の範囲とすることができる。本発明の水を使用しないマイクロ発電機は、約０．１ｍｍ３〜約１５，６２５ｃｍ３の容積容量を含むこともできる。より大型の発電機は、長さ、幅、および深さの寸法を最大少なくとも約５０ｃｍ以上とすることができ、燃料電池の面積を最大で少なくとも約５０００ｃｍ２以上とすることができ、発電機の容積を最大で少なくとも約０．１２５ｍ３以上とすることができる。一実施形態においてはこれらの寸法が使用されるが、これらの寸法は、広範囲で変動されることができ、限定を意図したものではない。発電機の各構成部品の寸法は、本発明の発電機が意図通りに作動するような方法で当業者によって決定できるように、同様に変更可能である。
図７において、各燃料電池へのチャネル７１０、７１２、７１４、７１６、および７１８によって周囲環境に到達できる。対応する開口部７３０、７３２、７３４、７３６、および７３８を有する回転リング７２５または複数の開口部を有する仕切弁は、図７に示されるように開口部とチャネルとが整列しないように、チャネルに対してリング７２５を回転させることによって、各燃料電池などに対して遮断弁として機能する。リング７２５を回転させて開口部とチャネルとを整列させることで、燃料電池が周囲環境につながり、水蒸気の形態などのさらなる水が得られ、燃料電池は電気の生産を再開することができる。
図８は、他の発電機８００の断面図であり、発電機８００は、水素生成用燃料８１０とプロトン交換膜による燃料電池８２０とを備えている。ここで、燃料電池８２０は、周囲環境と燃料８１０から生成される水素とに制御可能に露出される。種々の実施形態において燃料電池８２０は、１つ以上の層の中に１つ以上の燃料電池を含むことができる。一実施形態においては、水素生成用燃料８１０と燃料電池８２０との間に圧力調整弁が配置される。この弁は、水素生成用燃料の第１の側に配置された圧力応答性可撓性隔膜８２５と、板８４０上にシールを形成するための弁板８３５に接続されたピストンまたはステム８３０とからなる。板８４０は、発電機容器８４５に連結することができ、弁板８３５と接触してシールを形成するための環状弁座８５０を有することができる。
さらに別の一実施形態においては、燃料電池８２０と周囲環境との間にスライド弁８５５またはその他の種類の弁が連結される。周囲空気または制御された供給源からの酸素が燃料電池８２０に到達することができる開放位置と、完全ではないにしても実質的に酸素が燃料電池８２０に到達するのを阻止する閉鎖位置との間で弁を移動させるために、スライド弁アクチュエーター８６０などのアクチュエーターがスライド弁８５５に連結される。
一実施形態においては、隔膜８２５は、燃料と板弁８４０との間で水素が所望の圧力を形成するのに十分なばね定数を有するように設計される。この弁は、燃料電池と燃料との間の水蒸気の拡散を調節する。したがって、弁のばね定数によって、発電機の内側と、周囲環境とも呼ばれる環境との間の圧力差が決定される。
種々の構造を示すいくつかの実施形態について説明してきたが、このような構造は限定を意図したものではないことをさらに理解すべきである。実質的に類似する方法で実施される他の設計の変法、すなわち、固体燃料物質を含む水素−酸素燃料電池を使用して有用なレベルの電気を発生させることが可能な水を使用しない発電機が、本発明の範囲内に含まれる。
要約書は、読者が技術的開示の本質および要旨を迅速に把握できるようにするため、米国特許法施行規則１．７２（ｂ）に従って提供している。要約書は、特許請求の範囲およびその意味の解釈および限定のために使用されるものではないことを理解すべきである。

Claims (3)

  1. 発電機（１０、８００）であって、
    水素生成用燃料（４４）と、
    カソード（１６）、プロトン交換膜（４２、８２０）、およびアノード（１８）を備える、前記水素生成用燃料（４４、８１０）と周囲環境との間に位置決めされる燃料電池（１４、６００、８００）と、
    前記燃料電池と周囲環境との間で、周囲空気および水の入口および出口のために構成された単一の通路（２０、７３０、７３２、７３４、７３６、７３８）内に配置された第１の弁（２１、７２５、８５５）とを含み、前記第１の弁を介して水が前記燃料電池を出入りするのを制御可能に防止し、また、前記燃料電池の電極で発生する水は前記水素生成用燃料から水素ガスを生成するために再利用される、ことで発電を受動的に進行させることができるように構成される、発電機（１０、８００）。
  2. 請求項１に記載の発電機であって、
    前記水素生成用燃料と前記燃料電池との間に配置された第２の弁（２８、８３５）をさらに含み、前記第２の弁（２８、８２５）が、圧力応答性可撓性隔膜（４８、８２５）に連結された圧力調整弁であり、前記水素生成用燃料（４４、８１０）と燃料電池（１４、６００、８００）との間の圧力が所定のレベルを超えるときには前記圧力調整弁が弁座（３８、８４０、８５０）に連結され、前記水素生成用燃料と燃料電池（１４、６００、８００）との間の圧力が所定のレベルを下回るときには、前記水素生成用燃料（４４、８１０）を前記燃料電池に露出させることができる、発電機。
  3. 水素（４４、８１０）を生成する手段と、
    カソード（１６）、プロトン交換膜（４２、８２０）、およびアノード（１８）を備える、水素生成用燃料（４４、８１０）と周囲環境との間に位置決めされる燃料電池（１４、６００、８００）と、
    前記燃料電池と周囲環境との間で、周囲空気および水の入口および出口のために構成された単一の通路（２０、７３０、７３２、７３４、７３６、７３８）内に配置された第１の弁（２１、７２５、８５５）とを含み、前記第１の弁を介して水が前記燃料電池を出入りするのを制御可能に防止し、また、前記燃料電池の電極で発生する水は前記水素生成用燃料から水素ガスを生成するために再利用される、ことで発電を受動的に進行させることができるように構成される、発電機（１０、８００）。
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