JP6234386B2 - 水素発生器のための燃料ユニット - Google Patents

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Description

本発明は、水素発生器のための燃料ユニットと、燃料ユニットを生成して水素発生器においてそれを使用することにより水素ガスを提供する方法とに関する。
携帯式電子デバイスのための電源としての燃料電池バッテリへの関心が、高まりつつある。燃料電池は、正電極および負電極のための活性材料として電池外からの材料を使用する電気化学電池である。燃料電池は、電気を発生させるために使用される活性材料の全てを含む必要がないので、燃料電池は、他のタイプのバッテリと比較して、生成される電気エネルギーの量に対して小さい体積を用いて作製されることができる。
燃料電池は、使用される電解質のタイプに従って、典型的に、５つのタイプ（プロトン置換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）、アルカリ燃料電池（ＡＦＣ）、リン酸燃料電池（ＰＡＦＣ）、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）、および溶融炭酸塩燃料電池（ＭＣＦＣ））のうちの１つにカテゴリ化されることができる。これらのタイプの燃料電池の各々は、それぞれ、燃料電池の負電極（アノード）および正電極（カソード）の活性材料として水素および酸素を使用することができる。水素は、負電極において酸化され、酸素は、正電極において還元される。イオンは、非電導性のイオン浸透性セパレータを通過し、電子は、外部回路を通過することにより、電流を提供する。
いくつかのタイプの水素燃料電池において、水素は、燃料電池の負電極側に供給される水素含有燃料から形成される。他のタイプの水素燃料電池において、水素ガスは、燃料電池外の源から燃料電池に供給される。
燃料電池システムは、１つまたはそれよりも多くの燃料電池（例えば、燃料電池スタック）と、燃料源（例えば、燃料タンクまたは水素発生器）とを含む燃料電池バッテリを含むことができる。水素ガスを燃料電池に供給する水素発生器は、燃料電池システムの一体部分であることができるか、または燃料電池システムに取り外し可能に結合されることができる。取り外し可能な水素発生器は、水素生成反応物が消費された場合、別のものと置き換えられることができる。取り外し可能水素発生器は、使い捨て（１回使用のみが意図される）であることもできる。取り外し可能な水素発生器および恒久的に設置された水素発生器は両方とも、再充填可能（複数回の使用が意図される）であることにより、消費された反応物材料を置き換えることができる。
水素発生器は、種々の出発材料と、水素ガスの放出を開始するための種々の方法とを使用して、水素を生成することができる。水素ガスは、水素含有材料が反応する場合、発現させられ得る。水素含有材料の例は、液体またはガス状の炭化水素（メタノール等）、水素化物（金属水素化物および化学水素化物等）、アルカリ金属ケイ化物、金属／シリカゲル、水、アルコール、希酸、および有機燃料（Ｎ−エチルカルバゾン（Ｎ−ｅｔｈｙｌｃａｒｂａｚｏｎｅ）およびペルヒドロフルオレン等）を含む。水素含有化合物は、触媒、熱、または酸、あるいはそれらの組み合わせの存在下、反応物が一緒に混合される場合、別の反応物と反応することにより、水素ガスを生成することもできる。水素含有材料は、熱化学的分解反応等におけるように、水素ガスを放出するように加熱されることができる。
水素発生器で使用するための反応物の選択において、（ａ）水素発生器が使用されない場合の長期間の安定性、（ｂ）水素発生反応または他の水素放出の開始の容易性、（ｃ）水素ガスの放出を持続させるために提供されなければならないエネルギーの量、（ｄ）必要とされる最大動作温度、および（ｅ）水素含有材料（単数または複数）の体積単位当たりおよび質量単位当たりで生成され得る水素の総体積が考慮され得る。
水素発生器内で超高圧力を発生させることなく長期間にわたって水素を提供するために、必要に応じて水素を発生させることが、望ましい。これは、１回に限定された量のみを反応させること等によって、水素含有材料（単数または複数）からの水素ガスの放出を制御することによって、達成されることができる。これは、水素含有材料を少量に分離することによって達成されることができるが、製造プロセスにコストおよび複雑性を追加し得、材料の隣接する量の断熱材およびより複雑な制御等を必要とし得る。
本発明の目的は、水素発生器の質量単位当たりおよび体積単位当たりで大量の水素ガス総量を生成可能であることと、過剰な内部圧力を生成せずに水素の放出を制御することにより必要に応じた水素を提供可能であることと、所望の最大温度以下で動作可能であることと、使用済み材料を未使用材料と置き換え可能であることと、長期耐久性および信頼性と、容易かつ経済的に製造されることが可能であることとのうちの１つまたはそれよりも多くの特徴を、水素発生器に提供することである。
上記の目的および他の利点は、本発明によって達成され、ここで、燃料ユニットを生成するためのプロセスの少なくとも一部は、高速製造プロセスを使用して行なわれることができ、得られた燃料ユニットとそれが使用される水素発生器とは、容積効率が高い。
したがって、本発明の一局面において、水素発生器のための燃料ユニットを生成する方法であって、該方法は、ａ．シートの形態で基材を提供するステップと、ｂ．加熱された場合に水素ガスを放出する水素含有材料を含む燃料を提供するステップと、ｃ．燃料の複数のペレットを基材上に配置することにより１つまたはそれよりも多くの燃料シートを形成するステップであって、各ペレットは、１つまたはそれよりも多くの側面を有し、隣接するペレットの間に隙間が配置されている、ステップと、ｄ．隣接するペレットの隣接する側面が本質的に平行な平面にあるように、第１の燃料シート部分および第２の燃料シート部分のうちの少なくとも１つを移動させることによりペレットを互いに隣接して位置付けることによって、燃料シートのうちの１つまたはそれよりも多くから非円筒形燃料シートアセンブリを形成するステップと、ｅ．燃料シートアセンブリのうちの１つまたはそれよりも多くから非円筒形燃料ユニットを生成するステップとを含む、方法が提供される。実施形態は、下記の特徴のうちの１つまたはそれよりも多くを含むことができる。
・第１の燃料シート部分および第２の燃料シート部分を移動させることは、第１の燃料シート部分上のペレットが第２のシート部分上のペレットに面するように、第１の燃料シート部分および第２の燃料シート部分を配置することを含み、第１の燃料シート部分上の少なくとも１つのペレットは、第２の燃料シート部分上の２つの隣接するペレットの間の隙間に位置付けられることができる。
・第１の燃料シート部分および第２の燃料シート部分を移動させることは、基材を屈曲させることにより、２つの隣接するペレットの間に角度付きまたは湾曲した区画を形成することを含む。
・基材は、ロールまたは折り畳まれたスタックから提供される。
・ペレットは、鋳造、押し出し加工、圧縮、成形、噴霧、堆積、コーティング、ロールコーティング、印刷およびラミネートのうちの１つまたはそれらの組み合わせによって、基材シート上に配置される。
・燃料シートを形成するステップは、燃料シートをロールに巻くステップを含み、燃料シートアセンブリを形成するステップは、燃料シートをロールから給するステップを含む。
・組立の前に、隣接するペレットの隣接する側面は、基材が平面に配置される場合に平行であり、ペレットは、隣接する側面の平面に垂直な長方形断面を有することができ、ペレットは、隣接する側面の平面に垂直な正方形断面を有することができ、燃料シートアセンブリは、ペレットのスタックを含むことができる。
・組立の前に、隣接するペレットの隣接する側面は、基材が平面に配置される場合に平行ではなく、ペレットは、隣接する側面の平面に垂直な台形断面を有することができ、ペレットは、隣接する側面の平面に垂直な三角形断面を有することができる。
・燃料ユニットは、角柱状の燃料ユニットである。
・本方法は、燃料シートアセンブリの周りにパッケージを形成することをさらに含み、パッケージは、不良な熱伝導性および不良な導電性を有する材料をさらに含むことができ、パッケージは、良好な熱伝導性および良好な導電性を有する材料のセクションを含むことができる
・１つまたはそれよりも多くの燃料シートは、隣接するペレットの間に配置されている断熱材とともに組み立てられる。
・ペレットのうちの１つまたはそれよりも多くは、基材シートの両面の各々に配置される。
・燃料ユニットは、携帯式である。
本発明の第２の局面において、水素ガスを生成する方法であって、該方法は、ａ．シートの形態で基材を提供するステップと、ｂ．加熱された場合に水素ガスを放出する水素含有材料を含む燃料を提供するステップと、ｃ．燃料の複数のペレットを基材上に配置することによって燃料シートを形成するステップであって、各ペレットは、１つまたはそれよりも多くの側面を有し、隣接するペレットの間に隙間が配置されている、ステップと、ｄ．隣接するペレットの隣接する側面が本質的に平行な平面にあるように、第１の燃料シート部分および第２の燃料シート部分のうちの少なくとも１つを移動させることによりペレットを互いに隣接して位置付けることによって、燃料シートのうちの１つまたはそれよりも多くから非円筒形燃料シートアセンブリを形成するステップと、ｅ．燃料シートアセンブリのうちの１つまたはそれよりも多くから非円筒形燃料ユニットを生成するステップと、ｆ．燃料ユニットを水素発生器に配置するステップと、ｇ．ペレットを選択的に加熱することによりその中の燃料から水素ガスを放出させるステップとを含む方法が提供される。
・加熱は、複数のヒータによって行なわれ、複数のヒータの各々は、燃料ユニットに配置されることができ、各ヒータは、ペレットのうちの少なくとも１つを加熱するように配置されることができ、本方法は、隣接するペレットの隣接する表面の間にヒータを配置することをさらに含むことができ、複数のヒータの各々は、水素発生器に配置されることができる。
・本方法は、隣接するペレットの隣接する表面の間に熱伝導体を配置することによりヒータからペレットに熱を伝導させることをさらに含む。
・本方法は、使用済み燃料ユニットを水素発生器から取り除くことと、未使用燃料ユニットを水素発生器に配置することとをさらに含む。
本発明の第３の局面において、水素発生器のための燃料ユニットであって、該燃料ユニットは、ａ．シートの形態で基材を提供するステップと、ｂ．加熱された場合に水素ガスを放出する水素含有材料を含む燃料を提供するステップと、ｃ．燃料の複数のペレットを基材上に配置することによって燃料シートを形成するステップであって、各ペレットは、１つまたはそれよりも多くの側面を有し、隣接するペレットの間に隙間が配置されている、ステップと、ｄ．隣接するペレットの隣接する側面が本質的に平行な平面にあるように、第１の燃料シート部分および第２の燃料シート部分を移動させることにより隣接するペレットを位置付けることによって、燃料シートのうちの１つまたはそれよりも多くから非円筒形燃料シートアセンブリを形成するステップと、燃料シートアセンブリのうちの１つまたはそれよりも多くから非円筒形燃料ユニットを生成するステップとを含む方法によって作製される、燃料ユニットが提供される。
本発明の別の局面において、上記で説明されているような燃料電池バッテリおよび水素発生器を含む燃料電池システムが提供される。ある実施形態において、燃料電池システムは、携帯式である。
本願明細書は、例えば、以下の項目も提供する。
（項目１）
水素発生器のための燃料ユニットを生成するための方法であって、前記方法は、
ａ．シートの形態で基材を提供するステップと、
ｂ．加熱された場合に水素ガスを放出する水素含有材料を含む燃料を提供するステップと、
ｃ．前記燃料の複数のペレットを前記基材上に配置することにより、１つまたはそれよりも多くの燃料シートを形成するステップであって、各ペレットは、１つまたはそれよりも多くの側面を有し、隣接するペレットの間に隙間が配置されている、ステップと、
ｄ．前記隣接するペレットの隣接する側面が本質的に平行な平面にあるように、第１の燃料シート部分および第２の燃料シート部分のうちの少なくとも１つを移動させることによりペレットを互いに隣接して位置付けることによって、前記１つまたはそれよりも多くの燃料シートから非円筒形燃料シートアセンブリを形成するステップと、
ｅ．前記燃料シートアセンブリのうちの１つまたはそれよりも多くから非円筒形燃料ユニットを生成するステップと
を含む方法。
（項目２）
前記第１の燃料シート部分および前記第２の燃料シート部分を移動させるステップは、前記第１の燃料シート部分上のペレットが、前記第２のシート部分上のペレットに面するように、前記第１の燃料シート部分および前記第２の燃料シート部分を配置することを含む、項目１に記載の方法。
（項目３）
前記第１の燃料シート部分上の少なくとも１つのペレットは、前記第２の燃料シート部分上の２つの隣接するペレットの間の隙間に位置付けられる、項目２に記載の方法。
（項目４）
前記第１の燃料シート部分および前記第２の燃料シート部分を移動させるステップは、前記基材を屈曲させることにより、２つの隣接するペレットの間に角度付きまたは湾曲した区画を形成することを含む、前記項目のいずれかに記載の方法。
（項目５）
組立の前に、前記隣接するペレットの隣接する側面は、前記基材が平面に配置される場合、平行である、前記項目のいずれかに記載の方法。
（項目６）
組立の前に、前記隣接するペレットの隣接する側面は、前記基材が平面に配置される場合、平行ではない、項目１から４のいずれかに記載の方法。
（項目７）
前記燃料ユニットは、角柱状の燃料ユニットである、前記項目のいずれかに記載の方法。
（項目８）
前記方法は、前記組み立てられた燃料シートの周りにパッケージを形成することをさらに含む、前記項目のいずれかに記載の方法。
（項目９）
前記１つまたはそれよりも多くの燃料シートは、隣接するペレットの間に配置されている断熱材とともに組み立てられる、前記項目のいずれかに記載の方法。
（項目１０）
前記ペレットのうちの１つまたはそれよりも多くは、前記基材シートの両面上に配置される、前記項目のいずれかに記載の方法。
（項目１１）
前記燃料ユニットは、携帯式である、前記項目のいずれかに記載の方法。
（項目１２）
水素ガスを生成する方法であって、前記方法は、
ａ．シートの形態で基材を提供するステップと、
ｂ．加熱された場合に水素ガスを放出する水素含有材料を含む燃料を提供するステップと、
ｃ．前記燃料の複数のペレットを前記基材上に配置することによって、燃料シートを形成するステップであって、各ペレットは、１つまたはそれよりも多くの側面を有し、隣接するペレットの間に隙間が配置されている、ステップと、
ｄ．前記隣接するペレットの隣接する側面が本質的に平行な平面にあるように、第１の燃料シート部分および第２の燃料シート部分のうちの少なくとも１つを移動させることによりペレットを互いに隣接して位置付けることによって、前記燃料シートのうちの１つまたはそれよりも多くから非円筒形燃料シートアセンブリを形成するステップと、
ｅ．前記非円筒形燃料シートアセンブリのうちの１つまたはそれよりも多くから非円筒形燃料ユニットを生成するステップと、
ｆ．前記燃料ユニットを水素発生器に配置するステップと、
ｇ．ペレットを選択的に加熱することにより、前記ペレットにおける前記燃料から水素ガスを放出させるステップと
を含む方法。
（項目１３）
前記加熱は、複数の加熱要素によって行なわれる、項目１２に記載の方法。
（項目１４）
前記複数の加熱要素の各々は、前記燃料ユニットに配置され、各加熱要素は、前記ペレットのうちの少なくとも１つを加熱するように配置される、項目１３に記載の方法。
（項目１５）
前記方法はさらに、隣接するペレットの隣接する表面の間に前記ヒータ要素を配置することを含む、項目１３または１４に記載の方法。
（項目１６）
前記複数の加熱要素の各々は、前記水素発生器に配置される、項目１３または１４に記載の方法。
（項目１７）
前記方法は、隣接するペレットの隣接する表面の間に熱伝導体を配置することにより、前記加熱要素から前記ペレットに熱を伝導することをさらに含む、項目１２〜１６のいずれかに記載の方法。
（項目１８）
前記方法は、使用済み燃料ユニットを前記水素発生器から取り除くことと、未使用燃料ユニットを前記水素発生器に配置することとをさらに含む、項目１２〜１７のいずれかに記載の方法。
（項目１９）
水素発生器のための燃料ユニットであり、前記燃料ユニットは、
ａ．シートの形態で基材を提供するステップと、
ｂ．加熱された場合に水素ガスを放出する水素含有材料を含む燃料を提供するステップと、
ｃ．前記燃料の複数のペレットを前記基材上に配置することによって燃料シートを形成するステップであって、各ペレットは、１つまたはそれよりも多くの側面を有し、隣接するペレットの間に隙間が配置されている、ステップと、
ｄ．前記隣接するペレットの隣接する側面が本質的に平行な平面にあるように、第１の燃料シート部分および第２の燃料シート部分を移動させることにより隣接するペレットを位置付けることによって、前記燃料シートのうちの１つまたはそれよりも多くから非円筒形燃料シートアセンブリを形成するステップと、
ｅ．前記燃料シートアセンブリのうちの１つまたはそれよりも多くから非円筒形燃料ユニットを生成するステップと
を含む方法によって作製される、燃料ユニット。
図１Ａは、燃料シートの第１の実施形態の平面図である。 図１Ｂは、燃料シートアセンブリへと形成されている図１Ａに示されているような２つの燃料シートの平面図である。 図２Ａは、燃料シートの第２の実施形態の平面図である。 図２Ｂは、燃料シートアセンブリへと形成されている図２Ａにおける燃料シートの平面図である。 図３Ａは、燃料シートの第３の実施形態の平面図である。 図３Ｂは、燃料シートアセンブリへと形成されている図３Ａにおける燃料シートの平面図である。 図４Ａは、燃料シートの第３の実施形態の平面図である。 図４Ｂは、燃料シートアセンブリへと形成されている図４Ａにおける燃料シートの平面図である。 図５Ａは、燃料シートの第３の実施形態の平面図である。 図５Ｂは、燃料シートアセンブリへと形成されている図５Ａにおける燃料シートの平面図である。 図６は、燃料ユニットの第１の実施形態の一区画の平面図である。 図７は、燃料ユニットの第２の実施形態の一区画の平面図である。 図８Ａは、燃料ユニットのためのパッケージの第１の実施形態の一部の断面図である。 図８Ｂは、燃料ユニットのためのパッケージの第２の実施形態の一部の断面図である。 図８Ｃは、燃料ユニットのためのパッケージの第３の実施形態の一部の断面図である。
上記の目的は、本発明によって達成される。本発明による燃料ユニットは、燃料電池システム等の水素消費システムの一部であり得る水素発生器において使用されることができる。水素発生器は、水素ガスを生成する水素ガス発生装置である。水素ガスは、燃料電池バッテリによって消費されることにより、電子デバイスのための電気を生成することができる。好ましくは、水素発生器は、単独または燃料電池システムの一部としてのいずれかで携帯式である。本明細書で使用される場合、携帯式とは、拳上機器または搬送機器（例えば、ホイスト、台車、リフトトラック、または同等物）の使用を必要とせずに、個人によって容易に移動させられることを意味する。
燃料ユニットは、十分な温度に加熱された場合に水素ガスを放出する、１つまたはそれよりも多くの水素含有材料（以下、燃料と呼ばれる）を含む。体積単位および重量単位当たり大量の水素ガスを経済的に生成するために、加熱されると水素ガスを生成する熱分解反応を経ることができる反応物を使用することが、有利である。そのような熱分解反応は、例えば、加水分解反応を経る同一の量の反応物（モル当たり、重量単位当たり、または体積単位当たり）よりも大量の反応物のガスを生成することができる。好ましい燃料は、所望の水素発生反応を経るためにコストのかかる触媒を必要としない。
経済的な水素発生器を提供するために、水素発生器全体を置き換えるのではなく、使用された燃料ユニットを未使用燃料ユニットと置き換え可能であることが望ましい。これは、水素発生器の耐久性のある構成要素が、多数回、使用されることを可能にする。この効果を最大限にするために、実用的な限り多くの再使用可能構成要素を水素発生器の再使用可能部分（以下、ホルダと呼ばれる）またはシステムの残りに組み込みことと、実用的である範囲に燃料ユニットにおける構成要素の数を限定することとが、望ましい。これは、比較的に大きな体積を占有し、かつ／または比較的に高価である物品に特に該当する。理想的には、燃料ユニットは、水素発生反応物および最小限のパッケージングのみを含む。しかしながら、実用的理由から、燃料ユニットに他の成分および構成要素を含むことが、望ましい場合がある。
水素発生器は、ホルダを含み、そのホルダは、１つまたはそれよりも多くの燃料ユニットを受け取るように構成され、水素発生器の他の構成要素のうちの少なくともいくつかを含む。いくつかの状況において、水素消費システム内のいずれかの場所等の、ホルダ外にそれらの他の構成要素のうちの少なくともいくつかの部分を置くことが、望ましい場合がある。特に、ホルダが、システムの残りから取り出されるか、または外部にある間に使用されることが意図される場合、ホルダは、それ自体の筐体を含むことができる。水素発生器がシステム内に恒久的に含まれる場合、別個のホルダ筐体は、所望されない場合がある。例えば、システムの一部が、ホルダ筐体の全部または一部として役割を果たすことができる。ホルダ筐体は、十分な機械的強度と、水素発生器が暴露されることが予期される環境（特に、高温ならびに燃料およびその副産物）への耐久性とを有する。アルミニウム、鋼鉄、およびステンレス鋼等の金属、セラミック、ならびにポリフェニレンスルフィド、アクリロニトリルブタジエンスチレン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリオキシベンジルメチレングリコール酸無水物（Ｂａｋｅｌｉｔｅ（登録商標））、エポキシ（ｅｐｏｘｉｅｓ）、フェノール類、フタル酸ジアリル、およびメラミン等の耐高温ポリマーは、筐体のために好適であり得る。いくつかの実施形態において、ホルダは、不良熱伝導体（例えば１０ワット／メートル・ケルビン未満、好ましくは１ワット／メートル・ケルビン未満）である材料から作製されることにより、燃料電池システムの残り、デバイスおよび／またはユーザを水素発生器内で生成される熱から保護し得る。所望に応じて、断熱材が、筐体内、筐体の周り、または燃料電池システムまたはデバイスにおけるいずれかの場所で水素発生器に追加されることができる。ホルダの壁（単数または複数）における中空空間内等の真空は、断熱を提供することができる。断熱材は、水素発生器の構成要素、燃料電池システムの他の部品、燃料電池システムとともに使用されているデバイス、および／またはユーザを保護することができる。
ホルダは、燃料ユニットが挿入され得る１つまたはそれよりも多くの空洞を含む。空洞は、燃料ユニットを特定の配向に整列させることにより、燃料ユニットとの熱接触および／または電気接触を提供するため、および／またはホルダと燃料ユニットとの間の水素ガス流路を提供するための特徴を含むことができる。例えば、空洞は、燃料ユニットの特徴と協働することにより所望の配向のみにおいて空洞への燃料ユニットの挿入を可能にする１つまたはそれよりも多くの突起を含むことができ、突起は、燃料ユニットとの電気接触および／または熱接触を提供することができ、または１つまたはそれよりも多くの突起は、燃料ユニットの陥凹エリア内に延びることにより燃料ユニットの内側から外側への加熱を提供することができる。ホルダは、燃料ユニットを空洞内に保つように閉鎖可能であることができ、それは、ガスを外部環境から排除するため、および加圧された水素ガスを含むために封止可能であってもよい。内部圧力が水素発生器の動作中に蓄積される場合、筐体に圧力逃し通気口を含むことにより、圧力が高くなり過ぎる前にガスを放出すること（すなわち、筐体の望ましくない開放または破裂を防止すること）が、望ましくあり得る。
燃料ユニットで生成された水素ガスは、システムの残りと連結する水素出口を通して流れる。水素発生器はまた、水素をシステムに提供しシステムと連結するための、種々の付属品（ｆｉｔｔｉｎｇｓ）、弁、および電気接続を含むことができる。水素流路内に１つまたはそれよりも多くのフィルタまたは精製ユニット（以下、フィルタと呼ばれる）を提供することにより、固体あるいはガス状の副産物（燃料電池毒（ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ ｐｏｉｓｏｎ）等）および／または未反応反応物を水素から取り除くことが、望ましくあり得る。フィルタは、燃料ユニット内、ホルダ内、および／または水素発生器とシステムの残りとの間の境界面に位置することができる。燃料ユニット内のフィルタは、燃料ユニットが置き換えられるときに置き換えられる。燃料ユニットの外側に位置するフィルタを定期的に置き換えるためのアクセスを提供することが、望ましくあり得る。フィルタのために好適であり得る材料の例は、シリカ、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、シリカエアロゲル、アルミナ、酸化アルミニウム、ガラス、グラスウール、ミネラルウール、気泡ガラス、パーライト、ならびにポリイミドおよびエポキシ−アミン複合材等のポリマー、ならびに好適なガス精製ユニット（イオン交換樹脂等）を含む。それらがまた断熱を提供するようにフィルタを位置付けることが、可能であり得る。
水素発生器はまた、電気エネルギーを熱エネルギーに変換することにより燃料を加熱するための１つまたはそれよりも多くの開始装置を含む。種々の実施形態において、開始装置は、電気ヒータ、静電発生器、または電磁発生器を含み得る。好適なエネルギー源の例は、一次バッテリ、二次バッテリ、燃料電池バッテリ、キャパシタおよび公共設備のうちの１つまたはそれらの組み合わせを含む。エネルギー源は、好ましくは、ホルダ内、デバイスにおける他の場所、またはデバイスの外部等の、燃料ユニット外にあるが、エネルギー源は、燃料ユニット内に含まれ得る（例えば、エネルギー源が、頻繁に置き換えられなければならない低容量を有する小さいバッテリである場合）。ホルダにおける回路は、電気エネルギーを開始装置に運ぶことができる。開始装置（単数または複数）は、好ましくは、燃料ユニット外（例えば、ホルダ中）に位置し、ここで、それらは、再使用されることができる。いくつかの実施形態において、特に、開始装置が、小さい体積のみを占有し、かつ安価である場合、開始装置（単数または複数）は、燃料ユニット内に位置することができる。
好ましい開始システムは、抵抗ヒータ等の１つまたはそれよりも多くの電気ヒータを含む。抵抗ヒータは、金属、またはニッケル−クロム、鉄−クロム−アルミニウム、銅−ニッケルおよびタングステン等の合金を含むことができる。（燃料ユニット外における）外部ヒータは、燃料ユニットの熱伝導性の部分と熱接触し、その結果として、ヒータによって生成される熱は、任意のパッケージングを通して燃料ユニットの内容物に伝導される。例えば、ヒータまたは中間熱伝導体は、空洞の表面（例えば、側壁、端壁、またはドア等の取り外し可能な壁セクション）から突出することにより、燃料ユニットに接触することができる。良好な熱接触を提供するために、燃料ユニットは、ヒータまたは中間熱伝導体に対してぴったりと合うことができる。ある実施形態において、ヒータまたは中間熱伝導体は、燃料ユニットに対して付勢される。これは、ヒータを付勢部材として構成することによって、かつ／または、良好な熱伝導体である中間付勢部材を、例えばヒータと燃料ユニットとの間の熱接触において設置することによって達成されることができる。付勢部材の使用は、燃料ユニットの挿入または空洞からの取り外しを妨げずにヒータと燃料ユニットとの間の良好な熱接触を提供することができ、かつ使用中の燃料ユニットの拡張または収縮を補償することができる。ヒータが内部にある場合、それは、ホルダにおける電気端子等を通してエネルギー源と電気的連通をし、そのホルダにおける電気端子は、燃料ユニットにおける対応する電気接点と電気接触する。端子は、外部ヒータおよび中間熱伝導体について上記で説明されているものと同様の様式において、燃料ユニットに対して付勢されることができる。電気接点は、燃料ユニットまたは燃料ユニットパッケージの導電性の部分に位置することができ、または電気接点は、燃料ユニットから突出することにより端子と接触することができる。
静電開始システムは、１セットまたはそれよりも多くのセットの離間された正端子および負端子に印加される電位を使用することにより、離散的な静電放電事象を伴う所望の反応を開始し、反応物は、直接的に、印加された電位に応答するか、または間接的に、生成されるスパークによって生成される熱に応答する。ホルダにおける正端子および負端子は、燃料ユニットの両側面における燃料ユニットパッケージの導電性の部分と電気接触する。静電放電事象は、電極として機能するパッケージの２つの導電性の部分の間で発生させられる。ホルダにおける端子と燃料ユニットパッケージの隣接する部分との間の良好な電気接触を提供するために、端子は、端子を付勢部材として構成すること等によって燃料ユニットパッケージに対して付勢されることができる。これは、燃料ユニットの挿入または空洞からの取り除きを妨げずに端子と燃料ユニットパッケージとの間の良好な電気接触を提供することができる。
電磁開始システムは、燃料ユニットにおいて、１つまたはそれよりも多くの一次コイルを通して流れる交流を使用することにより、二次コイルにおいて高速で振動する交流を誘導する（誘導加熱）か、または二次部材の材料における極性分子において高速で振動する双極子回転を誘導する（誘電加熱）。二次コイルまたは部材において移動する分子間の衝突は、二次コイルまたは部材を加熱する。エネルギー源が直流電源である場合、インバータが、電流を交流に変換するために使用されることができる。交流のための好適な電力範囲は、約５０〜約１００ワットであり得る。燃料電池システムにおいて、交流電力は、典型的に、燃料電池バッテリの電力定格に対してほんのわずかである。例えば、一次コイルのための好適な駆動周波数は、約１０〜約７５ＫＨｚの範囲内であり得る。一次コイルは、燃料ユニットを含む空洞全体の周りに延びるマルチターンコイルであることにより、一次コイルにおける電圧を最大限にし、一次コイルにおける電流を減少させ、かつ一次コイルにおける熱発生、オーム損失、および半導体スイッチング損失を最小限にする。一次コイルは、ホルダの一部の上に位置する（例えば、下方に凹まされるか、またはそれの表面から突出する）ことができ、燃料ユニットにおける二次コイルまたは二次部材と整列させられることができ、その結果として、それは、二次コイルまたは部材における交流または双極子回転を誘導することができる。代替として、一次コイルは、パッケージにおける電気接点またはパッケージから突出する電気接点とホルダにおける対応する端子との間等の、エネルギー源と電気接触するパッケージの外部表面上あるいはパッケージの内部表面上またはその近傍等において、燃料ユニットに位置することができる。銅、アルミニウム、鉄、およびそれらの合金等の、電気モータまたは変圧器コイルのために使用される材料は、概して、一次コイルに好適である。ワイヤが使用される場合、それは、非金属のボビンに巻き付けられることができる。電気モータまたは変圧器コイルの含浸のために好適な樹脂等の樹脂は、一次コイルの巻線（ｗｒａｐ）を結合するために使用されることができる。
下記でさらに詳細に説明されるように、複数の開始装置が、１つまたはそれよりも多くの燃料ユニットにおける燃料の総量の限定された分量を選択的に加熱する能力を提供するために使用されることができる。これは、必要に応じた水素ガスを発生させることと、水素発生器内に過剰な圧力をもたらさずに断続的な使用中の応答時間を最小限にすることとに役立ち得る。例えば、個々の開始装置は、燃料ユニット内の燃料の分離された分量と関連付けられることができ、選択された開始装置の動作は、反応物の所望の分量内のみで反応を開始するように制御されることができる。これは、ホルダにおける個々の開始装置または接触端子との燃料ユニットの整列を必要とし得る。代替として、開始装置は、空洞内で移動させられることにより、燃料ユニットの選択された部分と整列させられることができる。これは、より少ない開始装置を用いて水素ガスの制御された発生を提供すること可能であるが、開始装置を移動させるために必要な機構の体積およびコストを追加する。
水素発生器は、１つまたはそれよりも多くの燃料ユニットを含み、その燃料ユニットは、好ましくは、ホルダにおける対応する空洞（単数または複数）に挿入され、そこから取り除かれ得る。各燃料ユニットは、臨界温度またはそれよりも高温に加熱された場合に水素ガスを放出可能である燃料の、１つまたはそれよりも多くの分離された分量を有する。燃料は、ガス、液体またはゲルではなく、好ましくは、高密度固体混合物である混合物に含まれることができる。燃料および混合物は、粉末化されるか、粒状化されるか、またはペレット、ピル、タブレット、ウエハまたはケーク等の固形体に形成されるような任意の好適な形態であることができる。本明細書で使用される場合、用語「ペレット」は、その組成物、形態、サイズまたは形状にかかわらず、燃料または燃料混合物の分離された分量を指すために使用される。ペレットは、所望の量の水素ガスを生成すること、容積効率的な様式で燃料ユニット内に合うこと、開始を容易にすること、隣接する分量の相互開始（ｃｒｏｓｓ−ｉｎｉｔｉａｔｉｏｎ）を防止すること、および発生させられた水素の放出を容易にすること等のためにサイズ決めおよび成形されることができる。ペレットは、個々のコンパートメントに含むこと、および／または間隙、コーティング、断熱材および同等物によって離間されること等の、種々の方法で互いに分離されることができる。
ペレットは、少なくとも１つの水素含有材料を含む。１つよりも多くの水素含有材料が、含まれることができる。加熱された場合に水素ガスを放出することができる燃料の例は、リチウムイミド（Ｌｉ２ＮＨ）、リチウムアミド（ＬｉＮＨ２）、ハロゲン化アンモニウム（例えば、ＮＨ４Ｆ、ＮＨ４ＣｌまたはＮ２Ｈ６Ｃ１２）およびケミカルハイドライド（例えば、ＬｉＨ、ＬｉＢＨ４、ＮａＢＨ４、ＬｉＡＩＨ４またはＮａＡｌＨ４）、アラン（ＡｌＨ３）、アンモニアボラン（ＮＨ３ＢＨ３）、アンモニアボランおよびケミカルハイドライド（例えば、ヒドラジンビスボラン（Ｎ２Ｈ４（ＢＨ３）２）等のアランまたはホウ素ヒドラジンの錯体（ｃｏｍｐｌｅｘ））、硝酸アンモニウム（ＮＨ４ＮＯ３）および二アンモニウムデカボラン（Ｂ１０Ｈ１０（ＮＨ４）２）、ならびに他の材料（例えば、中に水素が挿入されたグラフェンおよびカーボンナノチューブ）である。燃料の選択は、それの物理的特性および化学的特性、使用されている開始システムのタイプ、所望の動作温度範囲、水素ガスの放出が発熱性または吸熱性であるかどうか、ならびに反応副産物の組成、形態および特性等の他の要因によって限定され得る。
ペレットはまた、１つまたはそれよりも多くの添加剤を含むことができる。添加剤の例は、結合剤（例えば、アクリレートおよびスチレンブロックコポリマー）、安定化化合物（例えば、固体塩基）、熱伝導性の材料（例えば、金属、黒鉛、ならびにそれらの組み合わせおよび複合材）、下記で説明されるような点火材料、熱伝導性のコーティングまたは層、ならびに断熱性のコーティングまたは層等を含む。好ましくは、触媒は、反応物混合物に含まれない。
特に、燃料が吸熱性である場合、燃料ユニットに点火材料（ｉｇｎｉｔｉｏｎ ｍａｔｅｒｉａｌ）を含むことが望ましくあり得る。点火材料は、加熱された場合に発熱的に反応するので、熱を提供することにより燃料からの水素ガスの放出を開始するために、開始システムとともに使用されることができる。点火材料は、多数の利点を提供し得る。点火材料が反応するために加熱されなければならない温度は、燃料からの水素ガスの放出のための最低開始温度よりも低くてもよく、開始システムのための熱生成要件を低減し得る。点火材料が発熱的に反応するので、特に、水素が吸熱性熱分解反応において放出される場合には、そのことは、燃料ユニットの使用中に開始装置に供給されなければならないエネルギーの総量を減少させることができる。点火材料は、ペレット内に、またはペレットと接触して配置されることができる。例えば、点火材料は、燃料混合物の成分であることができ、点火材料は、燃料を含む層とは別個のペレットの層であることができ、または点火材料は、燃料を含むペレットと熱連通する別個のペレットの中にあることができる。点火材料が別個の層または別個のペレットのいずれかとして燃料とは別個である場合、点火材料を含む部分は、反応物を含む部分と交互にされることができる。例えば、燃料を含む各部分は、点火材料の隣接する部分を有することができ、点火材料を含む部分は、燃料を含む複数の部分に隣接して配置されることができる。所望に応じて、点火材料は、燃料ユニットの表面に近接してあることにより、開始装置による開始を容易にすることができる。点火材料の一部は、開始点から離れて延びることにより、燃料ユニットの遠隔部分における燃料の加熱を容易にすることができる。（いくつかの実施形態において、反応物を含む部分および点火材料を含む部分の両方が、反応物と点火材料とを含むが、それは異なる割合である。これらの実施形態において、より高い割合で燃料を含む部分は、反応物を含む部分と呼ばれ、より高い割合で点火材料を含む部分は、点火材料を含む部分と呼ばれる。）いくつかのタイプの点火材料はまた、それらが反応するときに水素ガスを生成し、燃料ユニットが提供し得る水素の総量に寄与する。点火材料の例は、鉄粉またはＴｉＨ２およびＫＣｌＯ４、ＭｎＯ２およびＬｉＡｌＨ４、ＮｉおよびＡｌ、ＺｒおよびＰｂＣｒＯ４、Ｆｅ２０３およびＡｌ（テルミット）、ならびにＬｉＡｌＨ４およびＮＨ４Ｃｌを含む。本明細書において、水素発生反応物における反応を開始するという言い方は、燃料ユニットが点火材料を含む実施形態においては、点火材料における熱発生反応を開始することを含むことが、理解される。
燃料ユニットは、複数のペレットを含み、それらのペレットは、１つまたはそれよりも多くの基材シート上に配置されることにより、１つまたはそれよりも多くの燃料シートを形成する。ペレットは、正方形、長方形、三角形、台形および平行四辺形等の種々の幾何学的形状を有することができる。燃料シートは、燃料ユニット内に種々の方法で配置されることができる。例えば、燃料シートは、ペレットが、各々、１つまたはそれよりも多くのペレットの１つまたはそれよりも多くの層にあるように移動させられることができる。燃料または燃料混合物のペレットは、鋳造、押し出し加工、圧縮、成形、噴霧、堆積、コーティング、ロールコーティング、印刷、およびラミネート等の種々の方法で形成されることができる。ペレットは、形成されることに次いで基材上に配置されることができ、またはそれらは、基材上に形成されることができる。燃料シートは、下記でさらに詳細に説明されるように、種々の形状および構成を有する燃料シートアセンブリへと形成されることができる。ペレットが配置される基材は、燃料ユニットにおいて他の目的を果たすことができる。例えば、基材は、燃料ユニットパッケージングの一部であること、強度またはガス流路を提供するための構造支持を提供すること、導電または熱伝導あるいは絶縁または断熱を提供すること等ができる。基材はまた、良好な導電性または熱伝導性、不良な導電性または熱伝導性、構造強度、および濾過等の、必要または有利であり得る特徴を提供することができる。
燃料ユニットは、燃料と少なくとも非ガス状副産物とを含むためのパッケージを含むことができる。パッケージは、使用前の発送、貯蔵、および取り扱いの間、使用中、ならびに取り除きおよびそれに続く取り扱いの間、そうであるように、十分な強度ならびに化学安定性および熱安定性を有する。パッケージのために使用され得る材料の例は、金属箔、ポリマーフィルム、金属／プラスチックラミネート等のラミネート、および鋳造または成形されたケーシングを含む。パッケージの一部のみが、電気的または熱的に伝導性または非伝導性であり得るか、または電気的または熱的に伝導性または非伝導性でなければならない場合、ラミネートおよび鋳造または成形されたケーシングは、有利であり得る。例えば、伝導性エリアは、金属部材をインサート成形することによって非伝導性ケーシングにおいて作成されることができ、伝導性エリアは、外側プラスチック層における開口部を通して中心金属層を暴露することによって金属／プラスチックラミネートにおいて作成されることができる。金属／プラスチックラミネートの例は、アルミニウム、ニッケル、銅、および鋼鉄等の金属、ならびにポリエステル、ナイロン、ポリプロピレン、およびポリエチレン等のポリマーを含む。高温プラスチックおよび熱硬化性物質が、ケーシングを鋳造または成形するために使用されることができ、例は、ＫＡＰＴＯＮ（登録商標）（ＤｕＰｏｎｔ製）等のポリイミドおよびポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）ポリマーを含む。パッケージは、折り畳みおよび／または重ね合わせ、機械的閉鎖、ならびに封止（例えば、接着剤、ヒートシール、超音波を用いて）等の任意の好適な方法（単数または複数）によって閉鎖されることができる。使用される開始システムのタイプは、パッケージが他の特性（例えば、導電性または熱伝導性あるいは絶縁性または断熱性）も同様に含むことを必要とし得る。パッケージが、必要に応じて水素を放出することを除き、閉鎖または封止されたままであることも、望ましくあり得る。これは、水素出口弁の使用、および／または少なくともある程度の内部圧力を含む能力を必要とし得る。パッケージの閉鎖または封止は、内容物が環境（例えば、酸素および湿気）に暴露されないように保護すること、燃料ユニットが使用される前に生成され得る少量の水素を含むこと、燃料ユニットから放出される前に水素ガスから汚染物質を取り除くことを容易にすることができる。
使用された燃料ユニットが水素発生器から取り除かれる場合、ユーザを保護するために、パッケージの近傍にまたはパッケージの一部として断熱材を含むことが、望ましくあり得る。パッケージ自体は、不良な熱伝導体であっても、（例えば、その層として）不良な熱伝導体を含んでもよく、あるいは断熱材の層は、パッケージの外部または内部に提供されることができる。断熱材として好適であり得る材料の例は、シリカ、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、シリカエアロゲル、アルミナ、酸化アルミニウム、ガラス、グラスウール、ミネラルウール、気泡ガラス、パーライト、ならびにポリマー（例えば、ポリイミドおよびエポキシ−アミン複合材）を含む。水素発生器は、水素発生器からの高温燃料ユニットの取り除きを防止するための手段を含むことができる。例えば、温度は、センサを用いて監視されることができ、掛け留め機構が、掛け留め位置に維持されることにより燃料ユニットを取り除くためのドアの開放を防止することができる。
水素発生器内に高い内部圧力を発生させずに必要に応じた水素ガスを提供するために、燃料ユニット（単数または複数）は、水素ガスの放出が選択に基づいて個々に開始され得る複数のペレットを含む。これは、開始システムと併せて制御システムを使用することによって達成されることができ、開始システムは、複数の開始装置および／または可動開始装置を含み、その複数の開始装置および／または可動開始装置は、個々の燃料ユニット内および／あるいは燃料ユニット（単数または複数）における個々のペレット内またはペレット群内に位置し得るか、またはそれらと整列させられ得る。開始装置（単数または複数）は、個々のペレットまたはペレット群と整列させられるか、または整列可能であることができる。
制御システムは、源から開始システムへのエネルギーの供給を制御することができる。制御システムは、例えば、燃料電池システム内の圧力、燃料電池スタックの１つまたはそれよりも多くの電気特性、または電子デバイスの１つまたはそれよりも多くの電気特性を監視することによって、水素の必要性および／または必要とされる水素流量を決定することができる。コントローラは、デバイスまたは燃料電池スタックと通信することにより、より多くの水素が必要とされるときを決定し得る。制御システムは、水素発生器またはシステム（例えば、燃料電池スタックまたは燃料電池スタックによって給電される電子デバイス）、または任意のそれらの組み合わせに、完全または部分的に配置されることができる。制御システムは、マイクロプロセッサまたはマイクロコントローラ、デジタル回路、アナログ回路および／またはハイブリッド回路、固体の状態のかつ／または電気機械的な切り替えデバイス、キャパシタ、感知器具類、ならびにタイマ等を含むことができる。同一のまたは異なる制御システムはまた、適切なまたは使用が承認された水素発生器および燃料ユニットの識別、不適切なまたは非承認の水素発生器および燃料ユニットの使用の防止、燃料電池システムおよび燃料電池バッテリによるデバイスにおけるバッテリの充電の制御、燃料ユニット（単数または複数）の残量についての情報の計算および提供、燃料ユニット、水素発生器、燃料電池システムおよびデバイスの使用に関する履歴情報の記録、非安全条件下での水素発生器の動作の防止、ならびに他の目的等の、他の目的のために使用されることができる。
各タイプの開始システムは、何らかの特徴および要件ならびに利点および欠点を有する。選択された開始システムのタイプは、さらに詳細に上記および下記で説明されるように、サイズ、複雑性、製造の容易性、開始システムおよび燃料電池システムの他の構成要素のための材料要件、所望の反応物のタイプならびにその他等の考慮点に基づき得る。
上記で説明されているような外部電気ヒータ開始システムは、熱がヒータ（単数または複数）から燃料ユニットに最小限の熱損失で伝導されるために、良好な熱伝導性を有する少なくとも一部（例えば、アルミニウム、銅およびステンレス鋼）を有するパッケージを有する燃料ユニットを必要とする。内部電気ヒータ開始システムは、（例えば、パッケージの一部を通して、またはパッケージを通して延在する電気接点を通して、直接的に燃料／燃料混合物と）良好な電気接触を必要とする。あるヒータからの熱が選択されたペレット（単数または複数）以外で開始することを防止するために、各熱伝導性部分が１つまたはいくつかの選択されたペレット（単数または複数）のみと熱連通するように、各熱伝導性部分を限定することが、望ましくあり得る。良好な熱伝達をペレットの遠隔部分（パッケージまたはヒータに近くない部分）に提供するために、燃料ユニット内に熱伝導体を含むことが、望ましくあり得る。そのような内部熱伝導体は、所望のペレットの内部（遠隔）表面と直接接触することができ、またはそのような内部熱伝導体は、少なくとも部分的に、ペレット内に埋め込まれることができる。ペレットと接触する相対的に大きな表面を有する熱伝導体（例えば、薄いワイヤではなく、平らなプレート）が、望ましくあり得る。他のタイプの材料（例えば、ヒートパイプ、金属ダストが詰め込まれている成形された熱硬化性材料、および黒鉛）が好適であり得るが、銅、アルミニウム、銀、およびステンレス鋼等の金属が、熱伝導性、熱安定性、化学安定性、および機械的強度に関して有利であり得る。ペレットの熱伝導性が大きいほど、電気ヒータ開始システムは、より効率的になり得る。熱伝導性は、反応物および任意の添加剤の両方を含む反応物混合物の熱伝導性に依存する。ペレット内の熱伝導性は、反応物混合物における金属ダストまたはファイバ等の熱伝導性添加剤を含むことによって、および良好な熱伝導性を有する反応生成物（例えば、アルミニウム金属）を有する反応物（例えば、アラン（ＡｌＨ３））を使用することによって等の、種々の方法で向上させられることができる。燃料ユニットが内部ヒータを含む場合、加熱効率は、ヒータを燃料ユニットの外側表面から離して置くことによって向上させられることができる。
本発明による燃料ユニットは、製造コストを最小限にすることが望ましい高速製造に非常に好適である。大型シートまたは細片形態でのシートが、給されることができ、好ましくは自動的に、多数のペレットが、種々のプロセスのいずれかを使用して短時間でシート（単数または複数）上に配置されることができ、得られた燃料シート（単数または複数）は、さらに処理されることにより燃料シートアセンブリおよび燃料ユニットを形成することができる。燃料シートは、後に続く製造動作に直接的に給されることができ、またはそれらは、後に続く使用のために（例えば、シート形態またはロール形態に）収められることができる。
多くの用途のために、丸形形状または円筒形形状ではなく略角柱を有する燃料ユニットおよび水素発生器が、有利であり、例えば、より容積効率的となる。本発明はまた、実質的に平坦な表面を有する略角柱形状（ただし、例えば、縁、角および同等物は、丸くされることができ、コネクタおよび同等物は、燃料ユニットから突出してもよい）を有する燃料ユニットを製造するために非常に好適である。
基材シートは、例えば、個々のシート形態で、または材料のロールまたはコイルから供給される。基材材料の選択は、その熱抵抗、化学抵抗、可撓性、熱伝導性、導電性および同等物等の所望の特性に基づく。ペレットは、予成形され、給され、かつ基材シートに適用されることができ（例えば、圧縮または接着剤によって接着される）、あるいはペレットは、基材上に直接的に形成さることによって（例えば、好適なコーティング、ラミネート、または印刷のプロセスによって）、燃料シートを形成することができる。ペレットは、限定されないが単一の列または複数の列等の、種々のタイプの配列に配置されることができる。各ペレットは、少なくとも１つの本質的に平坦である側面を有する。平坦側面は、基材に本質的に平行な側面等の、基材または別の側面から延在する側面であることができ、隣接するペレットの間には隙間（すなわち、空間または間隙）がある。必要に応じて、ペレットまたはそれの一部は、断熱材、断熱材料または点火材料等で被覆あるいはコーティングされることができる。燃料シートは、次いで、燃料シートアセンブリプロセスに直接的に給されることができ、または燃料シートは、細片またはより小さい燃料シートに切断され、続いて、燃料シートアセンブリプロセスに提供されることができる。
燃料シートのうちの１つまたはそれよりも多くは、隣接するペレットの隣接する側面が本質的に同一の平面にあるように、燃料シート部分を移動させることによりペレットを互いに隣接して位置付けることによって、燃料シートアセンブリへと形成されることができる。これは、基材を屈曲させることにより隣接するペレットの間に角度または半径を形成することによって、別個の燃料シートを組み合わせることにより行なわれることができる。シートの移動は、隣接するペレットの隣接する本質的に平坦である側面が本質的に平行な平面にあるように、ペレットを再配置する。一実施形態において、隣接するペレットは、別個の基材シート上にあり、ある燃料シートを他に対して移動させることは、ある基材部分上の１つまたはそれよりも多くのペレットを、他の基材部分上のペレットに対して、または他の基材部分上のペレットの間の隙間に位置付ける。別の実施形態において、隣接するペレットは、単一の基材シートの一部上にあり、ペレットは、基材を屈曲させることによって再配置される。得られた燃料シートアセンブリにおける隣接する側面が本質的に平行な平面にあるので、空間が、隣接するペレットの間の境界面で殆どまたは全く無駄にされず、燃料ユニットの容積効率は、最大限にされることができる。さらに別の実施形態において、燃料シートアセンブリは、別個の燃料シートを含み、そのうちの少なくとも１つは、ペレットを再配置するように屈曲される。
１つまたはそれよりも多くの他の材料および／または構成要素が、隣接するペレット表面の間の境界面に配置されることができる。好ましくは、これらの他の材料および／または構成要素は、境界面で均一な厚さを有することにより、無駄な空間を最小限にする。これはまた、例えば、これらの材料および構成要素が細片または個々のシート形態で給されることができるか、またはそれらがコーティングプロセスを使用して適用されることができるので、高速製造プロセスに非常に好適である。
一実施形態において、絶縁材および／または断熱材が、ペレットの間に提供されることができる。これは、例えば、あるペレットに印加された電気エネルギーまたは熱エネルギーに起因するか、または隣接するペレットに伝導されることに由来してあるペレット内に生成される熱に起因する、隣接するペレットにおける水素ガスの放出の意図されない開始がもたらされることによる、あるペレットにおける水素ガスの放出の開始を防止することができる。
別の実施形態において、導電性または熱伝導性がある材料が、ペレットの間に配置されることができる。これは、燃料または燃料混合物が、不良な電気伝導体または熱伝導体である場合、特に有利である。伝導性材料は、特に、開始装置が燃料ユニット内にない場合、開始装置からより離れたペレットの部分への電気エネルギーまたは熱エネルギーのより効率的な伝導を提供することができる。伝導性材料はまた、燃料ユニットの内側からの加熱を提供することによって、燃料のより効率的な加熱に寄与し得る。
さらに別の実施形態において、加熱要素等の開始システムの一部は、ペレットの間に配置され、それらの構成要素がペレットの外部表面上またはそれに隣接してのみ配置される場合、より効率的な加熱を提供することができる。
燃料シートの種々の実施形態が、図１Ａ、２Ａ、３Ａ、４Ａ、および５Ａに図示され、そこから形成され得る燃料シートアセンブリの実施形態は、それぞれ、図１Ｂ、２Ｂ、３Ｂ、および４Ｂに図示される。これらの実施形態の各々において、ペレットの数、サイズ、形状、および間隔は、燃料シートアセンブリにおける燃料シートの構成と同様に、様々であることができる。ペレットは、全ての側面が本質的に平面であり、全ての隣接する側面が本質的に平行な平面であるように示される。しかしながら、全ての隣接する側面が平坦であり、かつ平行平面にあることが好ましいが、隣接するペレットの対応する側面に隣接するように再配置されないそれらの側面は、必ずしも、平坦であったり、平行平面にあったりするわけではないことが、理解される。空間が、燃料シートアセンブリにおける隣接するペレットの隣接する側面の間に示されるが、空間は、必ずしも必要とされない。絶縁体、導体、および加熱開始装置等の、必要に応じた燃料ユニット構成要素は、上記で開示されて例えば図６および７に図示されるように、それらの空間内に配置されることができる。
図１Ａは、側面を有して基材シート１２上に配置されている複数のペレット１４を有する燃料シート１０を示す。別個の燃料シート１０は、例えば相互に面するようにペレット１４を有する燃料シート１０を設置することによって、図１Ｂに示されるように、燃料シートアセンブリに組み合わせられることができる。ペレット１４は、燃料シート１０のうちの一方の上のペレット１４が他方の燃料シート１０上のペレット１４の間の隙間に配置されるように、位置付けられることができる。隣接するペレットは、本質的に平坦である隣接する側面を有し、隣接する側面は、隣接する側面の間の間隙が均一であるように、本質的に平行な平面にある。ペレット１４は、三角形断面を有するように示されるが、断面は、正方形、長方形、台形、平行四辺形等の他の形状を有することができる。
別の実施形態において、燃料シートアセンブリは、単一の燃料シートから形成されることができる。そのような実施形態は、図２Ａおよび２Ｂに図示される。ここで、ペレット２４Ａおよび２４Ｂは、単一の基材２２上に配置される。ペレット２４Ａおよび２４Ｂは、図２Ａにおいて配向される場合、平坦な上部表面を有し、図２Ｂにおいて、基材２２は、ペレット２４Ｂが図２Ａに対して反転されるように屈曲されるので、これまで上部にあったそれの平坦表面は、ペレット２４Ａの上部平坦表面に隣接し、ペレット２４Ｂの隣接する表面は、ペレット２４Ａの平面と本質的に平行な平面にある。図２Ａおよび２Ｂに示される実施形態の変形例において、ペレット２４Ａおよび２４Ｂは、図２Ａにおいて配向される場合、平行な隣接する側面を有する。ペレット２４Ａおよび２４Ｂは、燃料シート２０が折り畳まれることにより燃料シートアセンブリを形成する場合、ペレット２４Ｂが、ペレット２４Ａの間の隙間に配置されるために十分に離間されることができる。他の変形例において、ペレットは、図２Ａおよび２Ｂに示される長方形形状以外の他の断面形状を有することができる。
図３Ａおよび３Ｂは、別の実施形態を示し、ペレット３４Ａから３４Ｆが、基材３２上に配置されることにより、燃料シート３０を形成し、燃料シート３０は、アコーディオン方式または乙折り方式で屈曲されることにより、図３Ｂに示される燃料シートアセンブリを形成する。ペレット３４Ａから３４Ｆは、ペレット３４Ｂおよび３４Ｄの平坦側面が、それぞれ、ペレット３４Ｃおよび３４Ｅの平坦側面に隣接するように再配置され、それらの隣接する側面は、本質的に平行な平面にある。図３Ｂにおいて、ペレット３４Ａから３４Ｆは、スタックに配置される。この実施形態の変形例において、ペレットは、他の断面形状を有することができ、各層は、１つよりも多くのスタックを形成するように１つよりも多くのペレットを有することができ、１つの層における１つまたはそれよりも多くのペレットは、隣接する層におけるペレットの間のペレットの間の隙間に配置されることができる。
図３Ａおよび３Ｂにおける実施形態のさらなる変形例は、図４Ａおよび４Ｂに示される。この実施形態において、燃料シート４０は、基材４２の片側に配置されているペレット４４Ａ、４４Ｃ、および４４Ｅと、基材４２の反対側に配置されているペレット４４Ｂ、４４Ｄ、および４４Ｆとを有する。基材４２の片側におけるペレットは、基材４２の反対側におけるペレットに直接対向するように形成されることができるが、他の配置も、可能である。
燃料シート５０のさらに別の実施形態は、図５Ａに示され、ペレット５０Ａから５０Ｊが、基材５２上に配置され、基材５２は、多数の場所で屈曲されることにより、図５Ｂにおける燃料シートアセンブリを形成する。
図６および７は、上記で説明されているような、燃料シートから形成された燃料シートアセンブリを含む燃料ユニットの実施形態の部分的平面図を示す。図６において、ペレット６４は、基材（単数または複数）６２上に配置されることにより、１つまたはそれよりも多くの燃料シート６０を形成し、燃料シート部分は相互に面し、上部燃料シート部分上のペレット６４は底部燃料シート部分上の２つのペレット６４の間の隙間に配置される。１つまたはそれよりも多くの他の燃料ユニット構成要素６６および６８は、隣接するペレットの隣接する側面の間の空間に配置されることができる。例えば、構成要素６６は、熱伝導体または加熱要素であることができる。構成要素６８は、断熱材の層であることができる。図７において、ペレット７４は、基材７２上に配置されることにより、燃料シート７０を形成する。燃料シート７０は、ペレット７４をスタックに再配置するように屈曲される。１つまたはそれよりも多くの他の燃料ユニット構成要素７６および７８が、隣接するペレット７４の隣接する側面の間の空間に配置されることができる。例えば、構成要素７６は、熱伝導体または加熱要素であることができる。構成要素７８は、断熱材の層であることができる。類似の構成要素は、図１Ａおよび１Ｂから５Ａおよび５Ｂにおけるものを含むがそれらに限定されない上記で開示されている実施形態のいずれかを含む燃料ユニットに含まれることができる。
上記で開示されているように、燃料ユニットは、金属、プラスチックまたは複合材金属およびプラスチック箔、あるいは形成、鋳造および成形されたケーシング等の種々のパッケージを有することができる。金属は、パッケージを通して、良好な導電性および熱伝導性を提供することができ、プラスチックは、絶縁および断熱を提供することができる。例えば、複合材金属およびプラスチック箔のパッケージ８０Ａ（図８Ａに示される部分的断面を参照のこと）は、複数の層８２および８４を有する。金属層８２は、プラスチック層８４の間に差し挟まれることができる。プラスチック層８４の部分は、金属層８２の一部を暴露されるために取り除かれることができる。プラスチック層８４が不良な導電性および熱伝導性を有する材料から作製され、かつ金属層８２が良好な導電性および熱伝導性を有する材料から作製される場合、パッケージ８０Ａの両側における金属層８２を暴露させることは、金属層８２が暴露されるパッケージ８０Ａを通して、良好な導電性および熱伝導性を提供することができる。パッケージ８０Ｂ（図８Ｂに示される部分的断面を参照のこと）を通して良好な導電性および熱伝導性の複数のエリアを有することが所望される場合、金属層８２の各エリアは、プラスチック層８４によって囲繞され、断続的であることができる。同様に、形成、鋳造または成形されたケーシングは、（例えば、良好な導電性および熱伝導性を提供するための）金属、（例えば、不良な導電性および熱伝導性を提供するための）プラスチックまたは（例えば、ケーシングの選択されたエリアを通してのみ、良好な導電性および熱伝導性を提供するための）金属およびプラスチックの複合材から作製されることができる。例えば、図８Ｃにおける部分的断面に示されるような、複合材ケーシング８０Ｃのセクションの断面である。ケーシング８０Ｃは、ケーシング壁における金属インサート８４とともにプラスチック材料８２で作製される。金属インサート８４は、ケーシング８０Ｃの両側で暴露されることにより、金属インサート８４を通して良好な導電性および熱伝導性を提供するが、周囲プラスチック８２を通しては提供しない。
種々の改変および改良が、開示されている概念の精神から逸脱することなく、本発明に行なわれ得ることが、本発明を実践する者および当業者によって理解される。与えられる保護の範囲は、特許請求の範囲と、法律によって許容される解釈の幅とによって決定されるべきである。

Claims (18)

  1. 水素発生器のための燃料ユニットを生成するための方法であって、前記方法は、
    ａ．シートの形態で基材を提供するステップと、
    ｂ．加熱された場合に水素ガスを放出する水素含有材料を含む燃料を提供するステップと、
    ｃ．前記燃料の複数のペレットを前記基材上に配置することにより、１つまたはそれよりも多くの燃料シートを形成するステップであって、各ペレットは、１つまたはそれよりも多くの側面を有し、隣接するペレットの間に隙間が配置されている、ステップと、
    ｄ．隣接するペレットの隣接する側面が本質的に平行な平面にあるように、第１の燃料シート部分および第２の燃料シート部分のうちの少なくとも１つを移動させることによりペレットを互いに隣接して位置付けることによって、前記１つまたはそれよりも多くの燃料シートから非円筒形燃料シートアセンブリを形成するステップと、
    ｅ．前記燃料シートアセンブリのうちの１つまたはそれよりも多くから非円筒形燃料ユニットを生成するステップと
    を含む、方法。
  2. 前記第１の燃料シート部分および前記第２の燃料シート部分を移動させることは、前記第１の燃料シート部分上のペレットが、前記第２のシート部分上のペレットに面するように、前記第１の燃料シート部分および前記第２の燃料シート部分を配置することを含む、請求項１に記載の方法。
  3. 前記第１の燃料シート部分上の少なくとも１つのペレットは、前記第２の燃料シート部分上の２つの隣接するペレットの間の隙間に位置付けられる、請求項２に記載の方法。
  4. 前記第１の燃料シート部分および前記第２の燃料シート部分を移動させることは、前記基材を屈曲させることにより、２つの隣接するペレットの間に角度付きまたは湾曲した区画を形成することを含む、請求項１に記載の方法。
  5. 組立の前に、前記隣接するペレットの隣接する側面は、前記基材が平面に配置される場合、平行である、請求項３に記載の方法。
  6. 組立の前に、前記隣接するペレットの隣接する側面は、前記基材が平面に配置される場合、平行ではない、請求項１に記載の方法。
  7. 前記方法は、組み立てられた燃料シートの周りにパッケージを形成することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
  8. 前記１つまたはそれよりも多くの燃料シートは、隣接するペレットの間に配置されている断熱材とともに組み立てられる、請求項１に記載の方法。
  9. 前記ペレットのうちの１つまたはそれよりも多くは、前記基材シートの両面上に配置される、請求項１に記載の方法。
  10. 前記燃料ユニットは、携帯式である、請求項１に記載の方法。
  11. 水素ガスを生成する方法であって、前記方法は、
    ａ．シートの形態で基材を提供するステップと、
    ｂ．加熱された場合に水素ガスを放出する水素含有材料を含む燃料を提供するステップと、
    ｃ．前記燃料の複数のペレットを前記基材上に配置することによって、燃料シートを形成するステップであって、各ペレットは、１つまたはそれよりも多くの側面を有し、隣接するペレットの間に隙間が配置されている、ステップと、
    ｄ．隣接するペレットの隣接する側面が本質的に平行な平面にあるように、第１の燃料シート部分および第２の燃料シート部分のうちの少なくとも１つを移動させることによりペレットを互いに隣接して位置付けることによって、前記燃料シートのうちの１つまたはそれよりも多くから非円筒形燃料シートアセンブリを形成するステップと、
    ｅ．前記非円筒形燃料シートアセンブリのうちの１つまたはそれよりも多くから非円筒形燃料ユニットを生成するステップと、
    ｆ．前記燃料ユニットを水素発生器に配置するステップと、
    ｇ．ペレットを選択的に加熱することにより、前記ペレットにおける前記燃料から水素ガスを放出させるステップと
    を含む、方法。
  12. 前記加熱することは、複数の加熱要素によって行なわれる、請求項１１に記載の方法。
  13. 前記複数の加熱要素の各々は、前記水素発生器および前記燃料ユニットのうちの１つに配置され、各加熱要素は、前記ペレットのうちの少なくとも１つを加熱するように配置される、請求項１２に記載の方法。
  14. 前記方法はさらに、隣接するペレットの隣接する表面の間にヒータ要素を配置することを含む、請求項１２に記載の方法。
  15. 前記方法は、隣接するペレットの隣接する表面の間に熱伝導体を配置することにより、前記加熱要素から前記ペレットに熱を伝導することをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
  16. 前記方法は、使用済み燃料ユニットを前記水素発生器から取り除くことと、未使用燃料ユニットを前記水素発生器に配置することとをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
  17. 水素発生器のための燃料ユニットであって、前記燃料ユニットは、
    ａ．シートの形態で基材を提供するステップと、
    ｂ．加熱された場合に水素ガスを放出する水素含有材料を含む燃料を提供するステップと、
    ｃ．前記燃料の複数のペレットを前記基材上に配置することによって燃料シートを形成するステップであって、各ペレットは、１つまたはそれよりも多くの側面を有し、隣接するペレットの間に隙間が配置されている、ステップと、
    ｄ．隣接するペレットの隣接する側面が本質的に平行な平面にあるように、第１の燃料シート部分および第２の燃料シート部分を移動させることにより前記隣接するペレットを位置付けることによって、前記燃料シートのうちの１つまたはそれよりも多くから非円筒形燃料シートアセンブリを形成するステップと、
    ｅ．前記燃料シートアセンブリのうちの１つまたはそれよりも多くから非円筒形燃料ユニットを生成するステップと
    を含む方法によって作製される、燃料ユニット。
  18. 前記第１の燃料シート部分上の少なくとも１つのペレットは、前記第２の燃料シート部分上の２つの隣接するペレットの間の隙間に位置付けられる、請求項１１に記載の方法。
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