ケイ化物を燃料とする発電機及びそれに関わる方法
【課題】エネルギー密度が高いアルカリ金属ケイ化物を含む燃料を備えている燃料電池を提供する。
【解決手段】燃料電池１４はカソード１６と、アルカリ金属ケイ化物を含んでいる燃料１２に接触しているアノード１８と、前記カソードと前記アノードの両方に接触しながら両者を分離している電解質膜と、を備えている。前記アルカリ金属ケイ化物は、シリコンと、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、及びフランシウムから成る群より選択される１つ又はそれ以上のアルカリ金属と、を備えている。
【解決手段】燃料電池１４はカソード１６と、アルカリ金属ケイ化物を含んでいる燃料１２に接触しているアノード１８と、前記カソードと前記アノードの両方に接触しながら両者を分離している電解質膜と、を備えている。前記アルカリ金属ケイ化物は、シリコンと、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、及びフランシウムから成る群より選択される１つ又はそれ以上のアルカリ金属と、を備えている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、ケイ化物を燃料とする水素発生器及び発電機に関する。より具体的には、本発明の実施形態は、アルカリ金属ケイ化物を燃料とする発生器に関する。
【背景技術】
【０００２】
本出願は非仮特許出願であり、３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．第１１９（ｅ）条に基づき、２００６年４月１０日出願の米国仮特許出願第６０／７９０，６８１号に対する優先権を主張し、同出願を参考文献としてここに援用する。
【０００３】
ＰＥＭ燃料電池の様な燃料電池は、水素と水を化合させて水にするという単純な化学反応を利用して、その過程で電流を作り出している。従来より、水素は、水素化アルミニウムリチウムの様な燃料と水蒸気の間の化学反応により作り出されている。アノードでは、水素分子が白金触媒によりイオン化し電子を放出する。陽子交換膜（ＰＥＭ）は、陽子は通過させるが電子は通さない。その結果、水素イオンは、ＰＲＭを通過してカソードに到るが、一方、電子は外部回路を通って流れる。電子は、外部回路を通って流れる際に、電気モーター、電球、又は電子回路の様な電気装置に電力を供給することで有用な仕事を行うことになる。カソードで、電子と水素イオンは酸素と化合して水になる。この反応の副産物は水と熱である。
【０００４】
発電機で現在使用されている金属水素化物の様な燃料は、エネルギー密度が低い。燃料として使用される純粋なアルカリ金属類は、理論的には燃料のエネルギー密度を改善するが、自然発火性があり、取り扱い及び貯蔵が難しい。従来の燃料は、大容量の及び／又は手が掛かる貯蔵容器を必要とし、このことも多くの用途で安全上の懸念となっている。
【特許文献１】米国仮特許出願第６０／７９０，６８１号
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の実施形態は、１つ又は複数の燃料電池を備えている発電機及び燃料に関し、この燃料はアルカリ金属ケイ化物を含んでいる。実施形態は、カソード集電器と、このカソード集電器に電気的に接続されたカソードと、燃料に接触しているアノードと、を備えている燃料電池にも関する。燃料はアルカリ金属ケイ化物を含んでいる。燃料電池は、アノードに電気的に接続されたアノード集電器と、カソードとアノードの両方と接触しながら両者を分離している電解質膜も含んでいる。
【０００６】
実施形態は、アルカリ金属ケイ化物を取り囲んでいる燃料キャビティと、キャビティ壁の少なくとも一部を形成している膜と、を備えている水素発生器にも関する。アルカリ金属ケイ化物が膜を介して水に接触すると、水素が発生する。発電機を製造する方法も説明している。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下の説明では、説明の一部を構成する添付図面を参照するが、各図には実施される特定の実施形態を例示的に示している。それら実施形態は、当業者が本発明を実施できるようにするほどに詳しく説明しているが、他の実施形態も活用することができ、本発明の範囲から逸脱することなく、構造的、論理的、及び電気的な変更を加えることができるものと理解されたい。よって、以下の説明は、限定的な意味に解釈されるべきではなく、本発明の範囲は、特許請求の範囲の内容によって定義される。
【０００８】
燃料電池を使用している発電機に用いられる燃料のエネルギー密度を上げるため、アルカリ金属ケイ化物を水又は水蒸気と反応させて水素を発生させる。アルカリ金属ケイ化物の中には、自然発火性を持たず、純粋なアルカリ金属に比べて使用や取り扱いが安全に行えるものもある。
【０００９】
燃料は、１つ又はそれ以上のアルカリ金属ケイ化物を含んでおり、例えば水素と混ぜ合わせられる。アルカリ金属ケイ化物は、アルカリ金属とシリコンを含んでいる化合物である。アルカリ金属の例として、リチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、ルビジウム（Ｒｂ）、セシウム（Ｃｓ）、フランシウム（Ｆｒ）が挙げられる。１つ又はそれ以上のシリコン原子と結合した１つ又はそれ以上のアルカリ金属原子を保有している結合としては、例えば、共有結合、イオン結合、又は金属引力が挙げられる。アルカリ金属ケイ化物の一例にＮａｘＳｉｙがあり、ここに、ｘとｙは、安定した錯体を形成するＮａ及びＳｉ原子の可能な組み合わせを表す整数である。他の例としては、シリコンとのＮａＫ合金がある。化合物の特定の例としては、ニューヨーク州１００２１、５３０Ｅ．７６番街、９Ｅ号室、有限責任会社 SiGNa Chemistryから購入できるStage II Na-SGのようなＭ−ＳＧ粉末がある。アルカリ金属ケイ化物は、例えば、粉末又はゲルの形態をしている。例示した化合物は、空気中で発火又は酸化することはないので、開放環境で容易に取り扱うことができる。更に、それら化合物は、相当な時間が経過しても劣化しない。アルカリ金属ケイ化物は、水又は水蒸気と素早く効率的に反応して水素気体を発生する。また、水素を発生させるための触媒は一切不要である。アルカリ金属ケイ化物燃料は、ここに開示している実施形態の何れでも使用することができる。
【００１０】
発電機は、水蒸気とアルカリ金属ケイ化物燃料の反応を通して内部で水素気体を発生させ、この水素気体が燃料電池で周囲の空気中の酸素と反応して電気エネルギーを発生させる。水素と酸素の反応からは、燃料電池の副産物として水の分子も作り出される。この発生した水は燃料電池から水蒸気として受動的に拡散され、燃料室又は燃料物質を入れたキャビティに入り、そこで燃料物質と反応して水素気体を発生させる。発生した電気エネルギーは、発電機の大きさにもよるが、発電機に接続されている大型又は小型の装置へ、電力を供給するのに使用される。本発明の実施形態の発電機は、無線センサー、携帯電話、又は発電機の１つ又は複数の燃料電池のアノードとカソードに電気的に接続されている他の手持ち式電子機器の様な小型の装置に電力を供給するのにとりわけ有用である。
【００１１】
ケイ化物燃料は、発電機から独立した又はこれと一体化された水素発生器にも使用される。水素発生器の一例として、少なくとも一部が透過性の膜を含んでいるキャビティに、ケイ化物燃料を封入しているものがある。膜は、例えば、水と水素に対し透過性である。雰囲気中の水は膜を透過し吸湿性のケイ化物と反応して水素を発生させる。この過程は、規制しなくともよいし、例えば弁で圧力調整してもよい。水素が、１つ又は複数の燃料電池に接触すると、これで、例えば、発電機が完成する。
【００１２】
図１と図２は、本発明の方法を実施するための代わりの発電機装置の断面図を示している。図１と図２に示すように、電力発生器１０は、ハウジング３６、ハウジング３６内に取り付けられた少なくとも１つの燃料電池１４、ハウジング３６に取り付けられ燃料物質４４を貯蔵するための少なくとも１つの燃料室１２、ハウジング３６内で少なくとも１つの燃料電池１４から燃料室１２に伸張しているキャビティ２４、を含んでいる。キャビティ２４は、燃料室１２から燃料電池１４への水素気体の流れを許容し、燃料電池１４から燃料室１２への水蒸気の流れを許容する。燃料電池１４では、水素気体と空気中の酸素気体の反応により、電気と燃料電池水が発生する。雰囲気中の酸素は、少なくとも１つの吸気口２０を通ってハウジング３６に入る。酸素気体は、その後、燃料電池１４まで進み、そこで水素気体と反応し、電気と水分子を発生させる。ここで使用されている燃料電池の種類は陽子交換膜（ＰＥＭ）燃料電池と呼ばれ、この膜は、高分子電解質膜としても知られている。
【００１３】
図４に示すように、代表的なＰＥＭ燃料電池は、電解質膜４２の、一方の側に負に帯電した電極又はカソード１６を、他方の側に正に帯電した電極又はアノード１８を配した構造になっている。代表的な水素−酸素式ＰＥＭ燃料電池の挙動では、水素燃料（例えば、水素気体）は流れ場プレートを通ってアノードまで運ばれ、一方、酸素は燃料電池のカソードに運ばれる。アノードでは、水素は、正の水素イオン（陽子）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通過させてカソードに送る。負に帯電した電子は、そうではなくて外部回路に沿ってカソードに進み、電流を作り出す。カソードでは、電子と正に帯電した水素イオンが酸素と化合し、水の分子が形成される。
【００１４】
発生器の内部では、燃料電池のアノード１８側に水素気体の初期噴流が流され、発電機内から残留空気が取り除かれる。この水素気体の初期噴流は、二つの目的に供され、燃料電池で雰囲気中の酸素と反応して、或る初期量の電気エネルギーを生成すると共に、燃料電池カソード１６で或る初期量の燃料電池水を生成する働きをする。この初期量の燃料電池水は、その後、再利用され、燃料物質４４と反応する。代わりに、本発明のこの過程は、発電機外部の雰囲気中の水分からの水の分子を、吸気口２０を通して発電機内に浸透させることにより開始してもよい。燃料電池により生成される燃料電池水の量よりも実質的に少ない量の初期の非燃料電池水の量を発生器に添加して、燃料物質４４と反応させ、水素気体の生成を開始させることもできる。このような開始水は、例えば、燃料室１２内の入口４６のような開口部を通して、又は吸気口２０の様な別の適した手段を介して発生器に添加してもよい。しかしながら、本発明の過程及び装置は、外からの水の供給無しに稼動するように設計されており、即ち、システムは、燃料電池によって作り出される水と、発電機の外部雰囲気中に存在する水の分子を除けば、水無し式である。水素燃料物質と反応させる水を提供するための、水室又は貯水部の様な水供給部は、組み込まれ又は接続されていない。その結果、この発電機では、従来のシステムと比較して、エネルギー密度及び比エネルギーが著しく改善された。而して、本発電機では、水素−酸素反応により、生成される電力に対応する必要な水を正確に作り出すことができ、化学量論的量の再循環水及び燃料が使用されることから、連続的自己制御過程が可能になった。
【００１５】
この過程は、能動的制御式の弁やポンプ無しに、受動的に実行される。より具体的には、一旦、燃料電池１４で酸素−水素反応の副産物として水が作られると、発生した水は燃料電池１４を通って受動的に拡散しキャビティ２４に入り燃料室１２に至る。この受動拡散は、一部には１つ又は複数の保水帯域２２の存在により、また一部にはキャビティ２４内部の湿度が低いことにより、可能になる。保水帯域２２は、図３Ａと図３Ｂに強調して示しており、図面には、図１と図２に示す発電機の角部の図を載せている。ここでは、図３Ａと図３Ｂに示すように、保水帯域２２は、吸気口２０から各燃料電池カソード１６まで伸張する流路を含んでいる。保水帯域２２は、燃料電池水を生成する各燃料電池１４に存在している。保水帯域２２の幾何学的形状により、燃料電池で生成された水の分子の内、吸気口から出て行く拡散水損失は抑制されるので、燃料電池カソード１６では水蒸気を高濃度に維持することができる。水の分子を雰囲気中に失ってしまうのではなく、保水帯域２２は、生成された水の分子をカソード１６に蓄積させ、カソード１６と吸気口２０の間に湿度の高い領域を作り出す。このモル流量について、図６を参照しながら以下の数式により更に具体的に説明する。
【００１６】
【数１】
【００１７】
カソード１６から雰囲気中への水蒸気の運搬、及び雰囲気中からカソード１６への酸素の運搬は、両方とも、拡散制御過程である。Ａのモル流束又はモル流量は、ＪＡであり、ここに、Ａは、望ましい種、即ち水か酸素の何れかである。水又は酸素のモル流束は、拡散率ＤＡＢと、点１と点２の間の分圧差（ＰＡ１−ＰＡ２）と、気体定数Ｒと、ケルビン温度Ｔと、点１と点２の間の距離（Ｚ１−Ｚ２）の関数である。また、流束は、単位
【００１８】
【数２】
【００１９】
（ｍ２秒当たりＡのキログラム）で、面積当たりに定義される。
拡散係数は、濃度勾配に対する種の流束の間の比例定数である。拡散係数ＤABは、種Ｂ中の種Ａの拡散係数を指す。本例では、これは、空気中の水蒸気の拡散係数、又は空気中の酸素の拡散係数を指す。拡散係数が大きいほど流束値は大きく、拡散係数が小さければ流束値は小さい。空気中の酸素の拡散係数は、室温、通常の室湿度で約０．２１ｃｍ２／秒であり、一方、空気中の水蒸気の拡散係数は、室温、室湿度で０．２４ｃｍ２／秒である。
【００２０】
分圧は、気体の混合物の全圧に占める、混合物内の一組成分による圧力の部分である。分圧差が大きいと、当該種の流束は相対的に大きくなり、一方、分圧差が小さいと、相対的に小さい流束になる。保水帯域は、分圧差を小さく、例えば、雰囲気中の酸素分圧を１０％から２０％程度にして、所望の電力レベルに必要な酸素流束が得られるように設計されている。
【００２１】
気体定数は、ボルツマン定数とアボガドロ数の積である。ケルビン温度は、対象の種の流束に影響する。温度が高ければ流束は小さくなり、一方、温度が低いと流束が大きくなる傾向にある。而して、気体の拡散、及びその延長線上にある分圧差は、流路の幾何学的形状を調整することにより制御することができる。
【００２２】
図６に示すように、点１と点２の間の気体の拡散を制御するには、二点を分離している流路の幾何学的形状を変えることができる。例えば、点１と点２を分離している流路の面積が大きくなると、点１と点２の間の拡散は増加し、反対に、面積が小さくなると、拡散は低下する。点１と点２の間の距離については逆で、点１と点２の間の距離が長くなると拡散は低下し、点１と点２の間の距離が短くなると吸気口２０を出る拡散が増加する。
【００２３】
図１と図２に示す本発明の発電機は、雰囲気中の酸素圧力を少し、例えば１０％から２０％しか降下させずに、雰囲気中から十分な酸素を、吸気口２０を通してカソード１６に拡散できるよう設計されている。発電機は、水素透過損失が高いので、高圧で運転した場合は寿命が短くなる。
【００２４】
水素と酸素を水に変換する化学反応（２Ｈ２＋Ｏ２→２Ｈ２Ｏ）では、酸素の分子を１モル消費する毎に水が２モル作られる。また、空気中の水蒸気の拡散率と空気中の酸素の拡散率は同じである。よって、平衡を維持するには、水蒸気の分圧差は、酸素の分圧差の凡そ２倍でなくてはならない。従って、上記比率を有する本発明の発電機では、生成された水の分子を発生器の外の雰囲気中に失うのではなくて、湿潤環境が維持される。
【００２５】
キャビティ２４内の、燃料電池１４のアノード１８側には、燃料物質４４の吸水性、吸湿性により、比較的湿度の低い領域が存在する。従って、カソード１６での水の生成と保持により、水分濃度勾配と気体圧力差が発生し、これにより水の分子が拡散して燃料電池１４を通ってキャビティ２４内に戻り、水蒸気の形態で燃料室１２に至る。この水蒸気は、次に燃料物質４４と反応して水素気体を作り出す。発生した水素気体は、次にキャビティ２４を通って燃料電池アノード１８に進み、そこで酸素と反応し、再度水の分子を作り出す。この循環は、全ての燃料物質４４が消費されるまで、随意的に継続される。
【００２６】
発電機の作動中は、拡散してキャビティ内に戻る生成水蒸気の量の方が吸気口から失われるものよりも多い。更に、燃料電池の出力は、酸素及び水素反応物質の燃料電池への流量、つまり燃料室への水蒸気の流量に直接依存している。従って、燃料電池出力は、保水帯域の面積対長さの比に比例する。本発明の或る実施形態では、単位出力当たりの帯域面積対帯域長さの比は、燃料電池１個の場合、電力出力約０．０１ｃｍ／ｍＷから約０．０５ｃｍ／ｍＷである。複数の燃料電池を組み込んでいる場合、単位出力当たりの帯域面積対帯域長さのこの比は、反応物質を分け合う燃料電池の個数で割られる。
【００２７】
保水帯域２２の幾何学的形状が、燃料電池１４に十分な酸素を拡散させるのに制約を掛けすぎる場合には、発生器は低い出力で作動することになる。具体的には、帯域面積対長さの比が面積０．０５ｃｍ２／長さ１ｃｍより大きい場合は、過剰な水蒸気は吸気口から拡散し、帯域面積対長さの比が面積０．０１ｃｍ２／長さ１ｃｍよりも小さい場合は、高効率で作動するのに十分な量の酸素が燃料電池に到達することはできない。燃料室から燃料電池への水素気体の流れを許容し、燃料電池から燃料室への水蒸気の流れを許容する、ハウジング内の燃料電池から燃料室まで伸張するキャビティの幾何学的形状についても同じことが当てはまる。
【００２８】
別の実施形態では、発電機１０は、燃料室１２から燃料電池１４への水素気体の流を規制するため、及び燃料電池１４から燃料室１２への水蒸気の通過を規制するため、少なくとも１つの弁２６を更に含んでいる。図１と図２に示すように、弁２６は、燃料室１２と燃料電池１４の間のキャビティ２４内に配置されている。本発明の或る実施形態では、弁２６は、前記キャビティ２４内の気体圧力により制御される空圧弁を含んでおり、水蒸気の燃料室１２への伝導性を空圧的に調整する。弁２６は、周囲が発電機ハウジング３６に支持部５０で固定された空圧作動式可撓隔膜３０と、隔膜３０に対向して配置された弁円板２８と、弁円板２８と隔膜３０を繋いでいるロッドコネクタ、を含んでいる。弁２６は、弁円板２８がシール３８と接触したいるときは閉じ位置にあり、水蒸気が燃料室１２に到達しないようにしている。代わりに、弁は、弁円板がシール３８から離れているときは開き位置にあり、水蒸気が燃料室１２に到達し、発生した水素気体が燃料電池１４に到達できるようにしている。シール３８は、ハウジング３６の一部を含んでいる。支持部５０も、ハウジング３６の一部を含んでいる。図１と図２に示すように、単数又は複数の燃料電池１４は、支持部５０によりハウジングの内部に取り付けられている。
【００２９】
弁の構成部品の寸法は、非常に小さいが、弁の具体的な用途に応じて変動する。隔膜の厚さと直径は、所望の電力出力次第で或る一定の範囲内になければならない。本発明の或る実施形態では、隔膜３０は、直径が約１ｃｍから３ｃｍ、約１ｃｍから２ｃｍの円形の薄いプレートを含んでいる。弁円板２８は、直径が約０．２ｃｍから約１ｃｍ、約０．２ｃｍから約０．５ｃｍである。本発明の或る実施形態では、ロッドコネクタは、スクリュー又はボルトを含んでいるが、隔膜３０を弁円板２８に接続する手段としては、弁を開き位置と閉じ位置の間で変えることができるのであれば他のどの様な手段でも適している。
【００３０】
弁の動作は、隔膜３０に作用する内部気体圧力によって制御される。装置の内部気体圧力は、水素気体の発生により上昇するので、隔膜３０は、外向きに僅かに曲り又は押し出される。これにより、コネクタは、弁円板２８を引いてシール３８に押し付け、弁を閉じて水蒸気がそれ以上燃料室１２に流入しないようにする。弁が閉じると、水素の発生が止む。これにより、内部気体圧力が更に上昇しないようになる。燃料電池１４などにより水素が消費されると、内部気体圧力は低下し、弁円板２８とシール３８の係合が解かれ、弁が開く。而して、水素気体は、それが消費される速度で自動的に生成されることになる。
【００３１】
本発明の或る実施形態では、発電機１０は、空圧弁２６を介して、一定の圧力を維持することにより作動する。発電機１０は、低い電力出力では雰囲気圧力を下げ、最大電力出力では雰囲気圧力を理論的に無制限に上げて、作動させることができる。本発明の或る実施形態では、閉じ位置のとき、装置の内部Ｈ２圧力は、約０ｋＰａから約１０００ｋＰａの範囲にある。燃料電池に使用される水素気体が無くなると弁は完全に閉じ、水素気体の消費速度に見合うのに必要な量だけ開く。本発明の或る実施形態では、発電機の内部圧力は、何時も約１００ｋＰａに維持されており、圧力が約１０ｋＰａ未満に下がると、弁は僅かに開き、内部圧力が約５００ｋＰａ以上に上昇すると、弁が閉じる仕組みである。作動圧力は、携帯式電子装置や無線センサーのような小型の機器では、約０．５ａｔｍ（約５０ｋＰａ）から約２ａｔｍ（約２０２ｋＰａ）の範囲にある。
【００３２】
一般に、発電機１０は、空圧弁６を使用して、雰囲気よりも数ｐｓｉだけ高い一定の圧力を維持することにより作動する。発生器１０は、低い電力出力では雰囲気圧力を下げ、最大電力出力では雰囲気圧力を理論的に無制限に上げて作動する。
【００３３】
電力発生器１０は、使用時、例えば、約−４０℃から約８５℃、約−２０℃から約５０℃、約０℃から約５０℃、約２０℃から約５０℃の範囲の運転温度に維持される。
本発明で使用する「水蒸気」という用語は、蒸気を含まない。「水蒸気」も「蒸気」も共に水の一形態ではあるが、特性と用途は非常に異なる。例えば、機関車は蒸気で運転されるが、本発明でのような湿潤空気中に存在する水蒸気では作動しない。「水蒸気」はそれ自体単独では、氷を含めあらゆる温度の水の形態に亘って自然に形成される、又は周囲の空気中に自然に存在する、個々の水の分子の気体である。水蒸気は分圧が低く、従って、水蒸気になる水が熱せられない限り、含有される水の分子は比較的少量である。一方、「蒸気」は、水を加熱して沸騰させることにより発生する小さくて熱い水滴で構成されている。蒸気は、１５℃の水蒸気の約１００倍以上の水分子を含んでおり、必然的に大きな力と速度で膨張し、大量の水を沸騰させて、水蒸気として輸送することができる。水蒸気は、日常の空気中に存在しており、含有される水の分子の個数は、蒸気や液体の水よりも遙かに少なく、自然な拡散では非常にゆっくりと移動する。水蒸気の形態では、極少量の水しか輸送されない。これを説明すると、一滴の水が室温で気化するのに通常１時間かかるが、一方、やかん一杯の水は約２０分で沸騰して蒸気になる。また、蒸気を動力源とする発電機は、蒸気を発生させる水の供給又は水源を必要とする。対照的に、本発明は、そのような水源を無くすことにより、関連技術に改良を加えた。従って、本発明の装置と過程は、蒸気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。
【００３４】
図１と図２に示すように、発電機１０は、吸気口２０と一体化され、雰囲気中の酸素と雰囲気中の水の分子の発電機内への拡散を規制する絞り３２を更に備えている。絞りは、カソード１６で発生する水蒸気を外向きに拡散させる際のインピーダンスによる、燃料電池カソード１６での湿度の上昇を支援する働きもする。この湿度の上昇は、燃料電池の作動を改善する。絞りは、雰囲気中の酸素気体には実質的に透過性であるが水蒸気には実質的に不透過性である疎水性の膜を含んでおり、この膜は燃料電池水が雰囲気に流れ込むのを実質的に妨害する。望ましい特性を有するこの酸素透過性で水蒸気不透過性の膜に適した材料としては、フッ素化エチレンプロピレン（ＦＥＰ）の様な材料を含有しているフルオロポリマー、ペルフルオロアルコキシ、及び、配向ポリプロピレン（ＯＰＰ）、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）、及び環状オレフィンコポリマー（ＣＯＣ）の様な材料を含有している非フルオロポリマーが挙げられる。酸素透過性で水蒸気不透過性の膜材は、例えば、フッ素化エチレンプロピレンから製造される。また、膜単独ではカソードに対する十分な酸素透過性を許容しない実施形態もある。従って、絞り３２に小さい開口部４８（図２参照）を設けて、雰囲気中の酸素と雰囲気中の水の分子を余分にキャビティに流入させて、単数又は複数の燃料電池カソードに拡散させるようにしている。しかしながら、この開口部は、同時に、水蒸気の一部を発電機１０から外に拡散させてしまうことにもなる。要求される開口部の大きさは、出力レベルと、拡散経路長と、所望の分圧降下の関数である。この開口部の大きさは非常に小さく、膜全体の面積の約０．００１％から約１％を含んでいる。
【００３５】
燃料室１２内の実質的に非液体の物質には、粉末、顆粒、又はペレットの形態をした物質が含まれ、アルカリ金属ケイ化物である。アルカリ金属ケイ化物は、アルカリ金属又はシリコンを含んでいる化合物である。アルカリ金属の例として、リチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、ルビジウム（Ｒｂ）、セシウム（Ｃｓ）及びフランシウム（Ｆｒ）がある。１つ又はそれ以上のシリコン原子と結合した１つ又はそれ以上のアルカリ金属原子を保有している結合としては、例えば、共有結合、イオン結合、又は金属引力が挙げられる。アルカリ金属ケイ化物の一例にＮａｘＳｉｙがあり、ここに、ｘとｙは、安定した錯体を形成するＮａ及びＳｉ原子の可能な組み合わせを表す整数である。他の例としては、シリコンとのＮａＫ合金がある。化合物の特定の例としては、ニューヨーク州１００２１、５３０Ｅ．７６番街、９Ｅ号室、有限責任会社 SiGNa Chemistryから購入できるStage II Na-SGのようなＭ−ＳＧ粉末がある。アルカリ金属ケイ化物は、例えば、粉末又はゲルの形態をしている。例示した化合物は、空気中で発火又は酸化することはないので、開放環境で容易に取り扱うことができる。更に、それら化合物は、相当な時間が経過しても劣化しない。アルカリ金属ケイ化物は、水又は水蒸気と素早く効率的に反応して水素気体を発生する。また、水素を発生させるための触媒は一切不要である。アルカリ金属ケイ化物燃料は、ここに開示している実施形態の何れでも使用することができる。
【００３６】
図１及び図２に示すように、燃料室１２は、多孔質気相膜３４により境界が画定されている。ハウジング３６に取り付けられ燃料室１２と並列に配置されているこの膜３４は、水蒸気に対する透過性を有していて、水蒸気が燃料室１２に浸透し、燃料物質と反応して水素気体を発生することができるようになっていなければならない。膜３４は、水素気体に対しても透過性を有していて、発生した水素気体がキャビティ２４に入り燃料電池１４に戻ることができるようになっていなければならない。このような二重の特性を有するこの気相膜３４に適した材料としては、排他的にではなく、フルオロポリマーを含む多孔質ポリマー類があり、発泡Teflon（登録商標）の様な発泡ポリテトラフルオロエチレン（ｅＰＴＦＥ）積層材を挙げることができる。ｅＰＴＦＥ積層物の例としては、デラウェア州のW.L.Gore&Associates,Incにより製造されているGORETEX（登録商標）、及びデラウェア州のBHA technologiesにより製造されているeVENT（登録商標）が挙げられる。
【００３７】
図２は、具体的に、図１の発生器と比較して表面積を広くした吸気口を有する本発明の代わりの発電機の断面概略図である。この実施形態でも、同様に、雰囲気中の酸素気体は実質的に透過させるが水蒸気は透過させない疎水性膜３２が、吸気口２０に配置されている。しかしながら、雰囲気中の自然な空気湿気から水の分子を取り込むことができるように、小さい開口部４８（例えば、約０．００８ｃｍ２）の孔が膜３２に切り込まれている。この開口部４８は、余分な酸素が燃料電池カソードまで拡散できるようにもしている。本発明の或る実施形態では、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に置かれた場合に、最高の機能を発揮することができ、湿度が上がるに伴って性能が向上する。
【００３８】
図２の実施形態は、空圧弁２６も含んでおり、この弁は、メッシュ隔膜３０と、弁２６のメッシュ隔膜３０に並列して配置された透水性で水素不透過性の膜４０と、を含んでいる。メッシュ隔膜３０は、水蒸気には透過性であり、ポリエチレンテレフタレートの様なポリマー金属又はステンレス鋼のような金属で形成されている。この透水膜４０に適した透水性材料には、ペルフルオロスルホネート・イオノマーの様な過フッ素化ポリマーが含まれている。エポキシド及びクロロプレンゴムも適している。透水膜としては、デラウェア州のEI DuPont de Nemours&Co.から登録商標Nafionの名称で市販されているペルフルオロスルホネート・イオノマーが挙げられる。Nafionは、優れた安定性を実現するフッ素化主鎖と、高いイオン伝導性を支援するスルホン酸側鎖を有していることから、利用されている。透水性で水素不透過性の膜４０は、水蒸気が、電解質膜４２を通ることなく、燃料室１２へ拡散できるようにする。これにより、水蒸気が燃料室に浸透するための経路の面積が広くなり、燃料電池１４が、燃料電池だけで水を回収する場合よりも高い電流密度で運転できるようになる。同様な材料で、少なくとも１つの燃料電池１４の電解質膜４２は形成されている。
【００３９】
従って、図２から分かるように、この発電機１０は、燃料電池で発生した水の分子を、燃料電池カソード１６から燃料室１２まで輸送するための二重の大通りを提供している。具体的には、図２の実施形態では、水素気体と雰囲気中の酸素が燃料電池１４で反応した結果、燃料電池カソード１６で燃料電池水が作られ、これにより電気が発生する。この発生した燃料電池水は保水帯域２２に保持され、燃料電池１４を通って拡散して戻るか、又は、保水帯域２２から拡散してメッシュ隔膜３０と透水膜４０を通って浸透するか、の何れかによりキャビティ２４に再度進入する。
【００４０】
図７は、複数の燃料電池を有する本発明の円筒形の発電機１０の上面図である。図７に示すように、複数の燃料電池１４は、発電機１０の円周に沿って配置されている。本発明の発電機１０は、燃料物質４４を随意的に補給するための入口４６も含んでいる。代わりに、電池同様に、燃料物質４４が消費されてしまったら発電機を廃棄処分にしてもよい。発電機１０の組み立てられた構成部分のそれぞれは、ポリエチレンテレフタレート（図示せず）の様な適した材料で形成されたチューブの様な適した中空構造に更に封入されるが、この囲いには、上面及び／又は底面に適した蓋（図示せず）を設け、この蓋は、取り外し可能とし、囲いと同じ材料で形成してもよいし、異なる材料で形成してもよい。発電機１０は、装置を発電機１０に電気的に接続する少なくとも１つの電気コネクタを更に含んでいる。図１に示すように、装置５２（概略図示、縮尺不整合）は、電気コネクタ５４と５６を通して発電機１０に電気的に接続されており、これら電気コネクタ５４と５６は、燃料電池のカソードとアノードに接続されている。電気コネクタ５４と５６は、図７にも示している。複数の燃料電池を組み込んでいる各実施形態では、複数の燃料電池は直列に接続され、発生器ハウジング３６から突き出ている一組の電気コネクタ５４と５６に接続されている。本発明の或る実施形態では、発電機１０は相互接続された８個の燃料電池を含んでいる。
【００４１】
発電機１０と弁２６の各部分は、適したポリマー材料、金属、又は発生器と弁の意図される用途の要件によって決まる他の材料で製作される。材料としては、ポリエチレンテレフタレートが挙げられる。発電機１０の構成部分の寸法は、大きさが非常に小さいが、発電機１０の用途に応じて変わる。この様な水無しの小型発電機の外側寸法は、長さが１ｍｍから約１００ｍｍ、幅が約１ｍｍから約１００ｍｍ、深さが約１ｍｍから約１００ｍｍであり、例えば、長さが１ｍｍから約２５ｍｍ、幅が約１ｍｍから約２５ｍｍ、深さが約１ｍｍから約２５ｍｍである。この様な水無しの小型発電機には、大きさが約０．１ｍｍ２から約５，０００ｍｍ２の範囲にある１つ又は複数の燃料電池１４を組み込むことができる。本発明の水無しの小型発電機は、約０．１ｍｍ３から約１５，６２５ｍｍ３の体積容量を備えることができる。大型発電機は、長さ、幅、深さ共に少なくとも約５０ｃｍ以上、燃料電池面積が少なくとも５０００ｃｍ２以上、発電機容積が少なくとも約０．１２５ｃｍ３以上、という大きい寸法を有している。これら寸法は、広い範囲で変えてもよく、限定されるものではない。発電機の構成部品それぞれの寸法も、同様に、発電機を意図したように運転することができるやり方で、当業者が決める通りに変えてもよい。
【００４２】
図１と図２に示す実施形態は、それぞれ、設けられている非燃料電池水源を欠いても電気伝導性を示すことが分かっている。図５及び下の実施例１は、本発明の小規模小型発電機についての電力出力対時間のグラフの一例を提供している。本発明の小型発電機は、電力出力約１マイクロワットから約１００ミリワット、約１マイクロワットから約１０００ミリワット、エネルギー密度約０．１Ｗ−時／ｃｃから約１０Ｗ−時／ｃｃを作り出す。本発明の大型発電機は、電力出力レベル約０．１Ｗから約１００Ｗ、エネルギー密度約０．１Ｗ−時／ｃｃから約１０Ｗ−時／ｃｃを作り出す。
【００４３】
また、例示している図１と図２の実施形態は、本発明の電力発生装置を示しているが、そのような構造は限定を意図するものではないものと理解されたい。実質的に同じやり方、即ち、アルカリ金属ケイ化物を含んでいる水素−酸素燃料電池で有用レベルの電気を作り出すことができる水無し発電機、を実施する他の様々な設計形式は、本発明の範囲に包含される。
【００４４】
本発明を説明するため以下の実施例を供する。
【実施例１】
【００４５】
図１に示す発電機に、水素気体の初期噴流を用意して与えた。初期噴流により発生器キャビティから空気を排出し、その後その水素を燃料電池によって消費して、電気と副産物の水とを発生させた。この初期水素噴流の消費に引き続き、水素気体を内部で連続的に発生させ、同様に電気も発生させた。発電器の電力出力を時間経過に亘って測定した。結果を、発電機の電力出力対時間のグラフとして図５に示す。電力出力は、最初５０マイクロワットに設定したが、その後、１７０マイクロワットまで上げ、更に２１０マククロワットまで上げて、３０日間の試験期間中その出力を維持した。試験開始から２０日間は、実験室雰囲気の相対湿度は約１０パーセントから２０パーセントまで変動した。実験室の空気の温度は約２３℃であった。水素の初期噴流は、運転開始の初日だけで概ね消費されたと推定される。この無水運転では、必要な水分は、燃料電池自身を通して逆に浸透している。内部の気体圧力は、作動電力レベルに亘って安定しており、カソード水の量は、どの出力レベルでも正確に正しい量であった。装填せねばならなかった液体の水を無くすことができたために、水循環による可能な正味利得としては、システム容積及び重量の縮小幅、費用及び複雑性の縮小幅、及び安全性、がそれぞれ約２倍に増加した。カソード上の空気中の湿気によりＰＥＭの更に良好な水和も実現できる。
【００４６】
図８は、燃料容器８１１と、感圧隔膜８１３に接続されたメッシュ多孔質プレート又は層、又は格子、又は類似の種類の弁８１２とを有し、電力を提供するように設計されている燃料電池８１４用の複数の要素を有している、燃料電池発電機システム８１０を示している。各要素には、カソード電極８１６、カソード気体拡散層８１５、膜８１７、アノード気体拡散層８２０、及びアノード電極１８１が含まれる。本例では、燃料電池は、図８のブロック様構成８１０の一方の側（図８の上側）に在る。燃料電池アッセンブリ８１０の下部分には、或る量の水素化アルミニウムリチウム又は他の燃料電池を入れておく燃料容器８１１が在る。分圧によって雰囲気中の酸素がキャビティ８２６に引き込まれる。雰囲気中の窒素の分圧は存在しない。雰囲気は乾燥しており、水分を幾らか吸収する。酸素は、複数の要素又は電池８１４のカソード８１６側に流れ込む。陽子は、アノード８１８からカソード１６に移動する。分圧を有する水蒸気が在るかもしれないが、蒸気は膜により閉じ込められる。電子がＨ２から剥がれて陽子となり、これが、アノード電極１８からアノード気体拡散層８２０、膜８１７、そしてカソード拡散層８１５を通って、カソード８１６に進む。電子は電流を構成し、この電流はアノード８１８からインピーダンス負荷８１９を通ってカソード８１６に流れ、そこで、電子、陽子、酸素は水蒸気を形成する。層８１７は、水蒸気透過性の電解質膜である。カソード側は、酸素透過性で水蒸気不透過性の膜である。燃料電池８１４の設計には様々な方式がある。
【００４７】
弁８１２は、図８のアッセンブリ８１０の配向に関して、水が下に落ちるのは規制するが、Ｈ２が上に行くのは妨げないないようにするため設置されている。水は、カソードで発生する産物である。複数の要素又は電池８１４には、水又は蒸気の通過を妨げ、一方で陽子が電池を通って移動することを許容するために、気体不透過層が設けられている。水蒸気が容器８１１からの燃料に遭遇すると、水素が発生する。
【００４８】
図９ａ、図９ｂ、図９ｃは、本燃料電池設計における弁の作動を示している。図９ａの弁は開いている。隔膜９１３は、弁９１２を開き位置に動かし、一方では、弁９１２を図９ｃに示す閉じ位置に動かす。弁は、図９ｂで確認されるように部分的開き位置を有している。弁９１２は、２つのメッシュ、格子、又はプレート様部品９２１と９２２を有している。それらの部品は、ここで説明する動作を行えるのであれば他の形態又は設計でもよい。部品９２１は、燃料電池アッセンブリ又はシステム８１０に対して静止している。部品２２は、部品９２１上に又はこれに隣接して配置されている。これらの部品９２１と９２２は、複数の開口部９２３を有するプレートなどである。開口部は、例えば、プレート９２１と９２２の両方に、小さな矩形の形状を対称模様に並べた形態をしている。プレート９２２をプレート９２１に重ねた状態では、図９ａに示すように、物質が一対のプレート９２１と９２２を通過できるように開口部９２３は整列している。プレート９２２をプレート９２１に対して左に動かすと、開口部９２３は、図９ｂに示すように部分的に閉じた状態になる。プレート９２２を更に左に動かすと、開口部９２３は、図９ｃに示すように、プレート９２１とプレート９２２の各部分が互いの開口部に重なった状態で閉じる。
【００４９】
プレート９２２は、感圧性の隔膜９１３によって動かされる。図９ａ、図９ｂ、図９ｃに示すように、電池アッセンブリのプレート９２２付近の容積９２６の部分にある物質の圧力が増すと、隔膜９１３はプレート９２２付近の室容積９２６から張り出す。隔膜９１３の中心９２４付近にはリンク機構９２５が取り付けられており、このリンク機構９２５はプレート９２２に取り付けられている。圧力によって中心９２４が（各図左側に）張り出すと、リンク機構９２５は、同様にプレート９２２を（各図内の）左側に引っ張り、プレートを通る物質又は気体の流量を圧力の上昇に応じて減少させる。圧力が更に上昇すると、隔膜９１３は、停止位置まで更に膨らんで、プレート９２２の開口部以外の領域をプレート９２１の開口部９２３に重ならせ、プレート９２１の開口部以外の領域をプレート９２２の開口部に重ならせて、プレート９２１と９２２を通る物質（例えば、水蒸気）の流れを効果的に止める。圧力が、室９２６のプレート９２２付近で低下すると、隔膜９１３は張り出しの少ない状態に戻り始め、リンク機構９２５を介してプレート９２２を押して、プレート９２１と９２２両方の開口部９２３の一部の覆いを解き又は開く。室９２６内の圧力が更に低下すると、隔膜９１３は初期の開き位置に戻ってプレート９２２を動かすので、プレート９２１と９２２の開口部９２３は整列し、どちらのプレートの開口部９２３ももはや相手のプレートで隠されなくなる。再度、室９２６の圧力が上昇すると、弁９１２が閉じ始め、室９２６の圧力が低下すると、弁９１２が開き始める。而して、弁９１２を通る流れの量は、室９２６の圧力により決まる。この方式では、室９２６からの弁を通る気体の流れ又は体積を規制することができる。
【００５０】
図９ａ、図９ｂ、図９ｃで説明した弁機構は、図１０に示す円筒形燃料電池装置１０３０に設計することができる。この機構は、何らかの他の形状を有する燃料電池発電器アッセンブリに設計することもできる。図１０では、燃料容積又は供給部は、円筒の中心に在る。電池１０１４と燃料供給容器又は室１０１１の間には、円筒状の滑動弁１０１２が在る。弁は、互いに同心に且つ隣接して配置された２つの円筒状の格子、メッシュ、穴あき材料などのスリーブである。円筒形の弁の部品１０２１と１０２２は、互いに滑動して弁１０１２を開閉する（図９ａ−９ｃの部品９２１と９２２と同様）。円周滑動弁１０１２の外側には、単数又は複数の燃料電池１０１４が在る（図８の燃料電池８１４と同様）。
【００５１】
円筒形の弁１０１２を作動させるための隔膜１０１３は、円筒形の室１０２６の端部に設置されており、弁１０１２の部品１０２１又は１０２２に連結されている。隔膜１０１３は室１０２６内の圧力に応答して、圧力が上昇すると、連接されている隔膜１０１３により、弁１０１２の部品１０２１と１０２２の内の一方が他方に対して動いて弁１０１２を閉じ、圧力が低下すると、弁１０１２は少なくとも徐々に開いて、或る蒸気量が１つ又は複数の燃料電池１０１４に流れるのを監視する。燃料電池アッセンブリ８１０及び１０３０のここに例示している実施例と同じ設計及び動作を、他の形状の燃料電池アッセンブリに適用してもよい。
【００５２】
燃料電池アッセンブリ８１０、９１０、及び１０３０の室８２６、９２６及び１０２６は密封されており、燃料は、燃料室１０１１に隣接しているか又はその一部であって所定の位置に在るときには室１０２６を密封している取り外し可能なカバー１０２７を有する開口部を通して加えられる。
【００５３】
燃料電池１０１４は、陰極又はカソード１６と陽極又はアノード１０１８の間に配置されている電解質膜１０１７を有している。水素燃料（即ち、水素気体）は、流れ場プレート１０２１及び１０２２を通ってアノード１０１８に送られ、一方、酸素は燃料電池のカソード１０１６に送られる。アノード１０１８で、水素は、正の水素イオン（陽子）と負の電子に分割される。電解質膜は、陽子だけを通してカソード１０１６に送る。電子は、そうではなくて、電流として外部回路１０１９を通ってカソード１０１６に進む。カソード１０１６で、電子と陽子は酸素と結合して水の分子になる。
【００５４】
一旦、燃料電池１０１４での酸素−水素反応の副産物として水ができると、発生した水は受動的に拡散して燃料電池を通ってキャビティ１０２６に進み、燃料室又は容器１０１１に戻る。燃料電池１０１４のアノード１０１８側のキャビティ１０２６内には、燃料容器１０１１内の燃料物質の吸水性のせいで比較的湿度の低い領域が存在する。而して、カソード１０１６の保水性により、水分濃度勾配と気体圧力差が発生し、それにより水の分子が拡散して、燃料電池１０１４を通ってキャビティ１０２６へ、そして燃料室１０１２へと水蒸気の形態で戻る。この水蒸気が、容器１０１１の燃料と反応して、水素気体が発生する。発生した水素気体は、その後、キャビティ１０２６を通って燃料電池アノード１０１８に進み、そこで酸素と反応して再度水の分子を発生させる。この循環は、室１０１１内の燃料が消費されてしまうまで続く。
【００５５】
燃料電池発電機システム１０３０は、燃料電池１０１４から容器１０１１までの水蒸気の通過を規制すると共に、燃料容器１０１１からの水素気体の発生を規制するために、弁１０１２を使用している。弁１０１２は、キャビティ１０２６の燃料容器１０１１と燃料電池１０１４の間に配置されている。弁１０１２は、キャビティ１０２６内の気体圧力により制御される空圧弁であり、空気圧により調整され、水蒸気の燃料容器１０１１への運搬を制御する。弁１０１２は、上記説明文中の他の箇所に記載したように、開口部付きの滑動可能なプレート１０２２を同様の開口部１０２３を有する別のプレート１０２１に隣接して配置し、弁１０１２の開閉に際して互いに重なり合わせるようになっている。弁１０１２が閉じ位置に在るときには、水蒸気が燃料容器１０１１に到達できないようにしている。これに対し、弁１０１２が開き位置に在るときには、水蒸気が燃料容器１０１１に到達できるようにして、発生した水素気体が燃料電池１０１４に到達できるようにする。この説明は単一の燃料電池１０１４に関するものであるが、複数の電池にも当てはまるものと解釈されたい。
【００５６】
弁１０１２の作動は、隔膜１０１３に働く内部圧力により制御される。キャビティ１０２６の内部気体圧力が、水素気体の発生により上昇すると、隔膜１０１３は外向きに僅かに曲がり又は押し出される。これにより、リンク機構１０２５は、滑動可能な弁プレート１０２２を引っ張り、プレート１０２１に対して動かして弁１０１２を閉じ、水蒸気がそれ以上燃料室１０１１に流入しないようにする。弁１０１２が閉じると、水素の発生が止まる。これは、内部気体圧力が更に上昇するのを防ぐ。燃料電池１０１４などにより水素が消費されると、内部気体圧力は低下し、膜１０１３がより弛緩した状態に復帰し、弁を開く。滑動弁１０１２のプレート１０２２は、全開位置から全閉位置まで約１ミリメートル動く。弁１０１２を完全に閉じるのに、膜又は隔膜１０１３には、約４ｐｓｉ（２７ｋＰａ）から６ｐｓｉ（４２ｋＰａ）の圧力を掛ける必要がある。而して、水素気体は、消費される速度で自動的に生成されることになる。
【００５７】
図１１は、或る実施形態による、アルカリ金属ケイ化物燃料を使用している燃料電池システム１１００の概略図を示している。アルカリ金属ケイ化物燃料１１０８は、可動弁プレート１１１８（拡大断面図に図示）に接触している固定弁プレート１１１０により、システム１１００で取り囲まれている。可動弁プレート１１１８は、燃料１１０８を、アノード層１１１２、燃料電池積層１１１４、及びカノード層１１１６に放出することができるように操作される。可動弁プレート１１１８は、システム１１００内の水の管理も支援する。燃料電池システム１１００は、アノード出力電極１１０６と、カソード出力電極１１０４を更に含んでいる。可動弁プレート１１１８の動きを制御するために可撓隔膜１１０２が使用されている。可撓隔膜１１０２は、燃料１１０８が封入されているキャビティの内部気体圧力に応答する。
【００５８】
図１２は、例示の実施形態による発電機を使用する方法１２００を説明している。アルカリ金属ケイ化物１２０２を、水素１２０６を発生させるのに十分な水又は水蒸気に触れさせ又は反応させる１２０４。次いで、電気１２１０と副産物の水１２１２と熱１２１４を発生させるために、水素１２０６を１つ又は複数の燃料電池に接触させる１２０８。発生した電気１２１０は、外部装置によって蓄電され又は使用される。副産物の水１２１２と熱１２１４は、廃棄処分されるか以降の処理に再利用される。
【００５９】
図１３は、例示の実施形態による発電機を製作する方法１３００を説明している。１つ又は複数の燃料電池を作る１３０２。１つ又は複数の燃料電池に接触する燃料貯蔵区域を形成する１３０４。燃料貯蔵区域内にアルカリ金属ケイ化物燃料を配置する１３０６。
【００６０】
以上、本発明を多くの実施形態に関連付けながら具体的に示し説明してきたが、当業者には容易に理解頂けるように、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく様々な変更及び修正を加えることができる。従って、特許請求の範囲は、ここで開示している実施形態、これまで論じてきた実施形態の代替例、及びそれらの等価物全てを対象として含むものと解釈されたい。
【００６１】
読み手が技術的開示内容の性質と要旨を迅速に解明できるようにするために、３７Ｃ．Ｆ．Ｒ．第１．７２（ｂ）条に則り、要約書を提示している。要約書は、特許請求の範囲による範囲と意味を解釈し又は制限するために使用されるものではないとの了解の下に提出している。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】或る実施形態による、発生器の吸気口に一体化された酸素透過性で水蒸気不透過性の膜の無い、本発明の発電機の断面概略図を示している。
【図２】或る実施形態による、発生器の吸気口に一体化された酸素透過性で水蒸気不透過性の膜を有する、本発明の発電機の断面概略図である。
【図３】図３Ａは、図１に示す発電機の角部の断面概略図であり、或る実施形態による、吸気口と燃料電池カソードの間の保水帯域を示す図である。
【００６３】
図３Ｂは、図２に示す発電機の角部の断面概略図であり、或る実施形態による、吸気口と燃料電池カソードの間の保水帯域を示す図である。
【図４】或る実施形態による、燃料電池の概略図を示している。
【図５】或る実施形態による、本発明の発電機の電力出力対時間のグラフを示している。
【図６】或る実施形態による、或る場所から別の場所への水蒸気のモル流束の概略図を示している。
【図７】或る実施形態による、複数の燃料電池を内蔵した本発明の円筒形発電機の上面図を示している。
【図８】或る実施形態による、燃料電池の側部断面図を示している。
【図９】図９ａ、図９ｂ、図９ｃは、或る実施形態による、燃料電池に使用されている格子様弁の３通りの位置を示している。
【図１０】或る実施形態による、図９ａ、図９ｂ、図９ｃの弁を使用している円筒形状の燃料電池を示している。
【図１１】或る実施形態による、アルカリ金属ケイ化燃料を使用している燃料電池システムの概略図を示している。
【図１２】或る実施形態による、発電機を使用する方法を示している。
【図１３】或る実施形態による、発電機を作る方法を示している。
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、ケイ化物を燃料とする水素発生器及び発電機に関する。より具体的には、本発明の実施形態は、アルカリ金属ケイ化物を燃料とする発生器に関する。
【背景技術】
【０００２】
本出願は非仮特許出願であり、３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．第１１９（ｅ）条に基づき、２００６年４月１０日出願の米国仮特許出願第６０／７９０，６８１号に対する優先権を主張し、同出願を参考文献としてここに援用する。
【０００３】
ＰＥＭ燃料電池の様な燃料電池は、水素と水を化合させて水にするという単純な化学反応を利用して、その過程で電流を作り出している。従来より、水素は、水素化アルミニウムリチウムの様な燃料と水蒸気の間の化学反応により作り出されている。アノードでは、水素分子が白金触媒によりイオン化し電子を放出する。陽子交換膜（ＰＥＭ）は、陽子は通過させるが電子は通さない。その結果、水素イオンは、ＰＲＭを通過してカソードに到るが、一方、電子は外部回路を通って流れる。電子は、外部回路を通って流れる際に、電気モーター、電球、又は電子回路の様な電気装置に電力を供給することで有用な仕事を行うことになる。カソードで、電子と水素イオンは酸素と化合して水になる。この反応の副産物は水と熱である。
【０００４】
発電機で現在使用されている金属水素化物の様な燃料は、エネルギー密度が低い。燃料として使用される純粋なアルカリ金属類は、理論的には燃料のエネルギー密度を改善するが、自然発火性があり、取り扱い及び貯蔵が難しい。従来の燃料は、大容量の及び／又は手が掛かる貯蔵容器を必要とし、このことも多くの用途で安全上の懸念となっている。
【特許文献１】米国仮特許出願第６０／７９０，６８１号
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の実施形態は、１つ又は複数の燃料電池を備えている発電機及び燃料に関し、この燃料はアルカリ金属ケイ化物を含んでいる。実施形態は、カソード集電器と、このカソード集電器に電気的に接続されたカソードと、燃料に接触しているアノードと、を備えている燃料電池にも関する。燃料はアルカリ金属ケイ化物を含んでいる。燃料電池は、アノードに電気的に接続されたアノード集電器と、カソードとアノードの両方と接触しながら両者を分離している電解質膜も含んでいる。
【０００６】
実施形態は、アルカリ金属ケイ化物を取り囲んでいる燃料キャビティと、キャビティ壁の少なくとも一部を形成している膜と、を備えている水素発生器にも関する。アルカリ金属ケイ化物が膜を介して水に接触すると、水素が発生する。発電機を製造する方法も説明している。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下の説明では、説明の一部を構成する添付図面を参照するが、各図には実施される特定の実施形態を例示的に示している。それら実施形態は、当業者が本発明を実施できるようにするほどに詳しく説明しているが、他の実施形態も活用することができ、本発明の範囲から逸脱することなく、構造的、論理的、及び電気的な変更を加えることができるものと理解されたい。よって、以下の説明は、限定的な意味に解釈されるべきではなく、本発明の範囲は、特許請求の範囲の内容によって定義される。
【０００８】
燃料電池を使用している発電機に用いられる燃料のエネルギー密度を上げるため、アルカリ金属ケイ化物を水又は水蒸気と反応させて水素を発生させる。アルカリ金属ケイ化物の中には、自然発火性を持たず、純粋なアルカリ金属に比べて使用や取り扱いが安全に行えるものもある。
【０００９】
燃料は、１つ又はそれ以上のアルカリ金属ケイ化物を含んでおり、例えば水素と混ぜ合わせられる。アルカリ金属ケイ化物は、アルカリ金属とシリコンを含んでいる化合物である。アルカリ金属の例として、リチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、ルビジウム（Ｒｂ）、セシウム（Ｃｓ）、フランシウム（Ｆｒ）が挙げられる。１つ又はそれ以上のシリコン原子と結合した１つ又はそれ以上のアルカリ金属原子を保有している結合としては、例えば、共有結合、イオン結合、又は金属引力が挙げられる。アルカリ金属ケイ化物の一例にＮａｘＳｉｙがあり、ここに、ｘとｙは、安定した錯体を形成するＮａ及びＳｉ原子の可能な組み合わせを表す整数である。他の例としては、シリコンとのＮａＫ合金がある。化合物の特定の例としては、ニューヨーク州１００２１、５３０Ｅ．７６番街、９Ｅ号室、有限責任会社 SiGNa Chemistryから購入できるStage II Na-SGのようなＭ−ＳＧ粉末がある。アルカリ金属ケイ化物は、例えば、粉末又はゲルの形態をしている。例示した化合物は、空気中で発火又は酸化することはないので、開放環境で容易に取り扱うことができる。更に、それら化合物は、相当な時間が経過しても劣化しない。アルカリ金属ケイ化物は、水又は水蒸気と素早く効率的に反応して水素気体を発生する。また、水素を発生させるための触媒は一切不要である。アルカリ金属ケイ化物燃料は、ここに開示している実施形態の何れでも使用することができる。
【００１０】
発電機は、水蒸気とアルカリ金属ケイ化物燃料の反応を通して内部で水素気体を発生させ、この水素気体が燃料電池で周囲の空気中の酸素と反応して電気エネルギーを発生させる。水素と酸素の反応からは、燃料電池の副産物として水の分子も作り出される。この発生した水は燃料電池から水蒸気として受動的に拡散され、燃料室又は燃料物質を入れたキャビティに入り、そこで燃料物質と反応して水素気体を発生させる。発生した電気エネルギーは、発電機の大きさにもよるが、発電機に接続されている大型又は小型の装置へ、電力を供給するのに使用される。本発明の実施形態の発電機は、無線センサー、携帯電話、又は発電機の１つ又は複数の燃料電池のアノードとカソードに電気的に接続されている他の手持ち式電子機器の様な小型の装置に電力を供給するのにとりわけ有用である。
【００１１】
ケイ化物燃料は、発電機から独立した又はこれと一体化された水素発生器にも使用される。水素発生器の一例として、少なくとも一部が透過性の膜を含んでいるキャビティに、ケイ化物燃料を封入しているものがある。膜は、例えば、水と水素に対し透過性である。雰囲気中の水は膜を透過し吸湿性のケイ化物と反応して水素を発生させる。この過程は、規制しなくともよいし、例えば弁で圧力調整してもよい。水素が、１つ又は複数の燃料電池に接触すると、これで、例えば、発電機が完成する。
【００１２】
図１と図２は、本発明の方法を実施するための代わりの発電機装置の断面図を示している。図１と図２に示すように、電力発生器１０は、ハウジング３６、ハウジング３６内に取り付けられた少なくとも１つの燃料電池１４、ハウジング３６に取り付けられ燃料物質４４を貯蔵するための少なくとも１つの燃料室１２、ハウジング３６内で少なくとも１つの燃料電池１４から燃料室１２に伸張しているキャビティ２４、を含んでいる。キャビティ２４は、燃料室１２から燃料電池１４への水素気体の流れを許容し、燃料電池１４から燃料室１２への水蒸気の流れを許容する。燃料電池１４では、水素気体と空気中の酸素気体の反応により、電気と燃料電池水が発生する。雰囲気中の酸素は、少なくとも１つの吸気口２０を通ってハウジング３６に入る。酸素気体は、その後、燃料電池１４まで進み、そこで水素気体と反応し、電気と水分子を発生させる。ここで使用されている燃料電池の種類は陽子交換膜（ＰＥＭ）燃料電池と呼ばれ、この膜は、高分子電解質膜としても知られている。
【００１３】
図４に示すように、代表的なＰＥＭ燃料電池は、電解質膜４２の、一方の側に負に帯電した電極又はカソード１６を、他方の側に正に帯電した電極又はアノード１８を配した構造になっている。代表的な水素−酸素式ＰＥＭ燃料電池の挙動では、水素燃料（例えば、水素気体）は流れ場プレートを通ってアノードまで運ばれ、一方、酸素は燃料電池のカソードに運ばれる。アノードでは、水素は、正の水素イオン（陽子）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通過させてカソードに送る。負に帯電した電子は、そうではなくて外部回路に沿ってカソードに進み、電流を作り出す。カソードでは、電子と正に帯電した水素イオンが酸素と化合し、水の分子が形成される。
【００１４】
発生器の内部では、燃料電池のアノード１８側に水素気体の初期噴流が流され、発電機内から残留空気が取り除かれる。この水素気体の初期噴流は、二つの目的に供され、燃料電池で雰囲気中の酸素と反応して、或る初期量の電気エネルギーを生成すると共に、燃料電池カソード１６で或る初期量の燃料電池水を生成する働きをする。この初期量の燃料電池水は、その後、再利用され、燃料物質４４と反応する。代わりに、本発明のこの過程は、発電機外部の雰囲気中の水分からの水の分子を、吸気口２０を通して発電機内に浸透させることにより開始してもよい。燃料電池により生成される燃料電池水の量よりも実質的に少ない量の初期の非燃料電池水の量を発生器に添加して、燃料物質４４と反応させ、水素気体の生成を開始させることもできる。このような開始水は、例えば、燃料室１２内の入口４６のような開口部を通して、又は吸気口２０の様な別の適した手段を介して発生器に添加してもよい。しかしながら、本発明の過程及び装置は、外からの水の供給無しに稼動するように設計されており、即ち、システムは、燃料電池によって作り出される水と、発電機の外部雰囲気中に存在する水の分子を除けば、水無し式である。水素燃料物質と反応させる水を提供するための、水室又は貯水部の様な水供給部は、組み込まれ又は接続されていない。その結果、この発電機では、従来のシステムと比較して、エネルギー密度及び比エネルギーが著しく改善された。而して、本発電機では、水素−酸素反応により、生成される電力に対応する必要な水を正確に作り出すことができ、化学量論的量の再循環水及び燃料が使用されることから、連続的自己制御過程が可能になった。
【００１５】
この過程は、能動的制御式の弁やポンプ無しに、受動的に実行される。より具体的には、一旦、燃料電池１４で酸素−水素反応の副産物として水が作られると、発生した水は燃料電池１４を通って受動的に拡散しキャビティ２４に入り燃料室１２に至る。この受動拡散は、一部には１つ又は複数の保水帯域２２の存在により、また一部にはキャビティ２４内部の湿度が低いことにより、可能になる。保水帯域２２は、図３Ａと図３Ｂに強調して示しており、図面には、図１と図２に示す発電機の角部の図を載せている。ここでは、図３Ａと図３Ｂに示すように、保水帯域２２は、吸気口２０から各燃料電池カソード１６まで伸張する流路を含んでいる。保水帯域２２は、燃料電池水を生成する各燃料電池１４に存在している。保水帯域２２の幾何学的形状により、燃料電池で生成された水の分子の内、吸気口から出て行く拡散水損失は抑制されるので、燃料電池カソード１６では水蒸気を高濃度に維持することができる。水の分子を雰囲気中に失ってしまうのではなく、保水帯域２２は、生成された水の分子をカソード１６に蓄積させ、カソード１６と吸気口２０の間に湿度の高い領域を作り出す。このモル流量について、図６を参照しながら以下の数式により更に具体的に説明する。
【００１６】
【数１】
【００１７】
カソード１６から雰囲気中への水蒸気の運搬、及び雰囲気中からカソード１６への酸素の運搬は、両方とも、拡散制御過程である。Ａのモル流束又はモル流量は、ＪＡであり、ここに、Ａは、望ましい種、即ち水か酸素の何れかである。水又は酸素のモル流束は、拡散率ＤＡＢと、点１と点２の間の分圧差（ＰＡ１−ＰＡ２）と、気体定数Ｒと、ケルビン温度Ｔと、点１と点２の間の距離（Ｚ１−Ｚ２）の関数である。また、流束は、単位
【００１８】
【数２】
【００１９】
（ｍ２秒当たりＡのキログラム）で、面積当たりに定義される。
拡散係数は、濃度勾配に対する種の流束の間の比例定数である。拡散係数ＤABは、種Ｂ中の種Ａの拡散係数を指す。本例では、これは、空気中の水蒸気の拡散係数、又は空気中の酸素の拡散係数を指す。拡散係数が大きいほど流束値は大きく、拡散係数が小さければ流束値は小さい。空気中の酸素の拡散係数は、室温、通常の室湿度で約０．２１ｃｍ２／秒であり、一方、空気中の水蒸気の拡散係数は、室温、室湿度で０．２４ｃｍ２／秒である。
【００２０】
分圧は、気体の混合物の全圧に占める、混合物内の一組成分による圧力の部分である。分圧差が大きいと、当該種の流束は相対的に大きくなり、一方、分圧差が小さいと、相対的に小さい流束になる。保水帯域は、分圧差を小さく、例えば、雰囲気中の酸素分圧を１０％から２０％程度にして、所望の電力レベルに必要な酸素流束が得られるように設計されている。
【００２１】
気体定数は、ボルツマン定数とアボガドロ数の積である。ケルビン温度は、対象の種の流束に影響する。温度が高ければ流束は小さくなり、一方、温度が低いと流束が大きくなる傾向にある。而して、気体の拡散、及びその延長線上にある分圧差は、流路の幾何学的形状を調整することにより制御することができる。
【００２２】
図６に示すように、点１と点２の間の気体の拡散を制御するには、二点を分離している流路の幾何学的形状を変えることができる。例えば、点１と点２を分離している流路の面積が大きくなると、点１と点２の間の拡散は増加し、反対に、面積が小さくなると、拡散は低下する。点１と点２の間の距離については逆で、点１と点２の間の距離が長くなると拡散は低下し、点１と点２の間の距離が短くなると吸気口２０を出る拡散が増加する。
【００２３】
図１と図２に示す本発明の発電機は、雰囲気中の酸素圧力を少し、例えば１０％から２０％しか降下させずに、雰囲気中から十分な酸素を、吸気口２０を通してカソード１６に拡散できるよう設計されている。発電機は、水素透過損失が高いので、高圧で運転した場合は寿命が短くなる。
【００２４】
水素と酸素を水に変換する化学反応（２Ｈ２＋Ｏ２→２Ｈ２Ｏ）では、酸素の分子を１モル消費する毎に水が２モル作られる。また、空気中の水蒸気の拡散率と空気中の酸素の拡散率は同じである。よって、平衡を維持するには、水蒸気の分圧差は、酸素の分圧差の凡そ２倍でなくてはならない。従って、上記比率を有する本発明の発電機では、生成された水の分子を発生器の外の雰囲気中に失うのではなくて、湿潤環境が維持される。
【００２５】
キャビティ２４内の、燃料電池１４のアノード１８側には、燃料物質４４の吸水性、吸湿性により、比較的湿度の低い領域が存在する。従って、カソード１６での水の生成と保持により、水分濃度勾配と気体圧力差が発生し、これにより水の分子が拡散して燃料電池１４を通ってキャビティ２４内に戻り、水蒸気の形態で燃料室１２に至る。この水蒸気は、次に燃料物質４４と反応して水素気体を作り出す。発生した水素気体は、次にキャビティ２４を通って燃料電池アノード１８に進み、そこで酸素と反応し、再度水の分子を作り出す。この循環は、全ての燃料物質４４が消費されるまで、随意的に継続される。
【００２６】
発電機の作動中は、拡散してキャビティ内に戻る生成水蒸気の量の方が吸気口から失われるものよりも多い。更に、燃料電池の出力は、酸素及び水素反応物質の燃料電池への流量、つまり燃料室への水蒸気の流量に直接依存している。従って、燃料電池出力は、保水帯域の面積対長さの比に比例する。本発明の或る実施形態では、単位出力当たりの帯域面積対帯域長さの比は、燃料電池１個の場合、電力出力約０．０１ｃｍ／ｍＷから約０．０５ｃｍ／ｍＷである。複数の燃料電池を組み込んでいる場合、単位出力当たりの帯域面積対帯域長さのこの比は、反応物質を分け合う燃料電池の個数で割られる。
【００２７】
保水帯域２２の幾何学的形状が、燃料電池１４に十分な酸素を拡散させるのに制約を掛けすぎる場合には、発生器は低い出力で作動することになる。具体的には、帯域面積対長さの比が面積０．０５ｃｍ２／長さ１ｃｍより大きい場合は、過剰な水蒸気は吸気口から拡散し、帯域面積対長さの比が面積０．０１ｃｍ２／長さ１ｃｍよりも小さい場合は、高効率で作動するのに十分な量の酸素が燃料電池に到達することはできない。燃料室から燃料電池への水素気体の流れを許容し、燃料電池から燃料室への水蒸気の流れを許容する、ハウジング内の燃料電池から燃料室まで伸張するキャビティの幾何学的形状についても同じことが当てはまる。
【００２８】
別の実施形態では、発電機１０は、燃料室１２から燃料電池１４への水素気体の流を規制するため、及び燃料電池１４から燃料室１２への水蒸気の通過を規制するため、少なくとも１つの弁２６を更に含んでいる。図１と図２に示すように、弁２６は、燃料室１２と燃料電池１４の間のキャビティ２４内に配置されている。本発明の或る実施形態では、弁２６は、前記キャビティ２４内の気体圧力により制御される空圧弁を含んでおり、水蒸気の燃料室１２への伝導性を空圧的に調整する。弁２６は、周囲が発電機ハウジング３６に支持部５０で固定された空圧作動式可撓隔膜３０と、隔膜３０に対向して配置された弁円板２８と、弁円板２８と隔膜３０を繋いでいるロッドコネクタ、を含んでいる。弁２６は、弁円板２８がシール３８と接触したいるときは閉じ位置にあり、水蒸気が燃料室１２に到達しないようにしている。代わりに、弁は、弁円板がシール３８から離れているときは開き位置にあり、水蒸気が燃料室１２に到達し、発生した水素気体が燃料電池１４に到達できるようにしている。シール３８は、ハウジング３６の一部を含んでいる。支持部５０も、ハウジング３６の一部を含んでいる。図１と図２に示すように、単数又は複数の燃料電池１４は、支持部５０によりハウジングの内部に取り付けられている。
【００２９】
弁の構成部品の寸法は、非常に小さいが、弁の具体的な用途に応じて変動する。隔膜の厚さと直径は、所望の電力出力次第で或る一定の範囲内になければならない。本発明の或る実施形態では、隔膜３０は、直径が約１ｃｍから３ｃｍ、約１ｃｍから２ｃｍの円形の薄いプレートを含んでいる。弁円板２８は、直径が約０．２ｃｍから約１ｃｍ、約０．２ｃｍから約０．５ｃｍである。本発明の或る実施形態では、ロッドコネクタは、スクリュー又はボルトを含んでいるが、隔膜３０を弁円板２８に接続する手段としては、弁を開き位置と閉じ位置の間で変えることができるのであれば他のどの様な手段でも適している。
【００３０】
弁の動作は、隔膜３０に作用する内部気体圧力によって制御される。装置の内部気体圧力は、水素気体の発生により上昇するので、隔膜３０は、外向きに僅かに曲り又は押し出される。これにより、コネクタは、弁円板２８を引いてシール３８に押し付け、弁を閉じて水蒸気がそれ以上燃料室１２に流入しないようにする。弁が閉じると、水素の発生が止む。これにより、内部気体圧力が更に上昇しないようになる。燃料電池１４などにより水素が消費されると、内部気体圧力は低下し、弁円板２８とシール３８の係合が解かれ、弁が開く。而して、水素気体は、それが消費される速度で自動的に生成されることになる。
【００３１】
本発明の或る実施形態では、発電機１０は、空圧弁２６を介して、一定の圧力を維持することにより作動する。発電機１０は、低い電力出力では雰囲気圧力を下げ、最大電力出力では雰囲気圧力を理論的に無制限に上げて、作動させることができる。本発明の或る実施形態では、閉じ位置のとき、装置の内部Ｈ２圧力は、約０ｋＰａから約１０００ｋＰａの範囲にある。燃料電池に使用される水素気体が無くなると弁は完全に閉じ、水素気体の消費速度に見合うのに必要な量だけ開く。本発明の或る実施形態では、発電機の内部圧力は、何時も約１００ｋＰａに維持されており、圧力が約１０ｋＰａ未満に下がると、弁は僅かに開き、内部圧力が約５００ｋＰａ以上に上昇すると、弁が閉じる仕組みである。作動圧力は、携帯式電子装置や無線センサーのような小型の機器では、約０．５ａｔｍ（約５０ｋＰａ）から約２ａｔｍ（約２０２ｋＰａ）の範囲にある。
【００３２】
一般に、発電機１０は、空圧弁６を使用して、雰囲気よりも数ｐｓｉだけ高い一定の圧力を維持することにより作動する。発生器１０は、低い電力出力では雰囲気圧力を下げ、最大電力出力では雰囲気圧力を理論的に無制限に上げて作動する。
【００３３】
電力発生器１０は、使用時、例えば、約−４０℃から約８５℃、約−２０℃から約５０℃、約０℃から約５０℃、約２０℃から約５０℃の範囲の運転温度に維持される。
本発明で使用する「水蒸気」という用語は、蒸気を含まない。「水蒸気」も「蒸気」も共に水の一形態ではあるが、特性と用途は非常に異なる。例えば、機関車は蒸気で運転されるが、本発明でのような湿潤空気中に存在する水蒸気では作動しない。「水蒸気」はそれ自体単独では、氷を含めあらゆる温度の水の形態に亘って自然に形成される、又は周囲の空気中に自然に存在する、個々の水の分子の気体である。水蒸気は分圧が低く、従って、水蒸気になる水が熱せられない限り、含有される水の分子は比較的少量である。一方、「蒸気」は、水を加熱して沸騰させることにより発生する小さくて熱い水滴で構成されている。蒸気は、１５℃の水蒸気の約１００倍以上の水分子を含んでおり、必然的に大きな力と速度で膨張し、大量の水を沸騰させて、水蒸気として輸送することができる。水蒸気は、日常の空気中に存在しており、含有される水の分子の個数は、蒸気や液体の水よりも遙かに少なく、自然な拡散では非常にゆっくりと移動する。水蒸気の形態では、極少量の水しか輸送されない。これを説明すると、一滴の水が室温で気化するのに通常１時間かかるが、一方、やかん一杯の水は約２０分で沸騰して蒸気になる。また、蒸気を動力源とする発電機は、蒸気を発生させる水の供給又は水源を必要とする。対照的に、本発明は、そのような水源を無くすことにより、関連技術に改良を加えた。従って、本発明の装置と過程は、蒸気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。
【００３４】
図１と図２に示すように、発電機１０は、吸気口２０と一体化され、雰囲気中の酸素と雰囲気中の水の分子の発電機内への拡散を規制する絞り３２を更に備えている。絞りは、カソード１６で発生する水蒸気を外向きに拡散させる際のインピーダンスによる、燃料電池カソード１６での湿度の上昇を支援する働きもする。この湿度の上昇は、燃料電池の作動を改善する。絞りは、雰囲気中の酸素気体には実質的に透過性であるが水蒸気には実質的に不透過性である疎水性の膜を含んでおり、この膜は燃料電池水が雰囲気に流れ込むのを実質的に妨害する。望ましい特性を有するこの酸素透過性で水蒸気不透過性の膜に適した材料としては、フッ素化エチレンプロピレン（ＦＥＰ）の様な材料を含有しているフルオロポリマー、ペルフルオロアルコキシ、及び、配向ポリプロピレン（ＯＰＰ）、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）、及び環状オレフィンコポリマー（ＣＯＣ）の様な材料を含有している非フルオロポリマーが挙げられる。酸素透過性で水蒸気不透過性の膜材は、例えば、フッ素化エチレンプロピレンから製造される。また、膜単独ではカソードに対する十分な酸素透過性を許容しない実施形態もある。従って、絞り３２に小さい開口部４８（図２参照）を設けて、雰囲気中の酸素と雰囲気中の水の分子を余分にキャビティに流入させて、単数又は複数の燃料電池カソードに拡散させるようにしている。しかしながら、この開口部は、同時に、水蒸気の一部を発電機１０から外に拡散させてしまうことにもなる。要求される開口部の大きさは、出力レベルと、拡散経路長と、所望の分圧降下の関数である。この開口部の大きさは非常に小さく、膜全体の面積の約０．００１％から約１％を含んでいる。
【００３５】
燃料室１２内の実質的に非液体の物質には、粉末、顆粒、又はペレットの形態をした物質が含まれ、アルカリ金属ケイ化物である。アルカリ金属ケイ化物は、アルカリ金属又はシリコンを含んでいる化合物である。アルカリ金属の例として、リチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、ルビジウム（Ｒｂ）、セシウム（Ｃｓ）及びフランシウム（Ｆｒ）がある。１つ又はそれ以上のシリコン原子と結合した１つ又はそれ以上のアルカリ金属原子を保有している結合としては、例えば、共有結合、イオン結合、又は金属引力が挙げられる。アルカリ金属ケイ化物の一例にＮａｘＳｉｙがあり、ここに、ｘとｙは、安定した錯体を形成するＮａ及びＳｉ原子の可能な組み合わせを表す整数である。他の例としては、シリコンとのＮａＫ合金がある。化合物の特定の例としては、ニューヨーク州１００２１、５３０Ｅ．７６番街、９Ｅ号室、有限責任会社 SiGNa Chemistryから購入できるStage II Na-SGのようなＭ−ＳＧ粉末がある。アルカリ金属ケイ化物は、例えば、粉末又はゲルの形態をしている。例示した化合物は、空気中で発火又は酸化することはないので、開放環境で容易に取り扱うことができる。更に、それら化合物は、相当な時間が経過しても劣化しない。アルカリ金属ケイ化物は、水又は水蒸気と素早く効率的に反応して水素気体を発生する。また、水素を発生させるための触媒は一切不要である。アルカリ金属ケイ化物燃料は、ここに開示している実施形態の何れでも使用することができる。
【００３６】
図１及び図２に示すように、燃料室１２は、多孔質気相膜３４により境界が画定されている。ハウジング３６に取り付けられ燃料室１２と並列に配置されているこの膜３４は、水蒸気に対する透過性を有していて、水蒸気が燃料室１２に浸透し、燃料物質と反応して水素気体を発生することができるようになっていなければならない。膜３４は、水素気体に対しても透過性を有していて、発生した水素気体がキャビティ２４に入り燃料電池１４に戻ることができるようになっていなければならない。このような二重の特性を有するこの気相膜３４に適した材料としては、排他的にではなく、フルオロポリマーを含む多孔質ポリマー類があり、発泡Teflon（登録商標）の様な発泡ポリテトラフルオロエチレン（ｅＰＴＦＥ）積層材を挙げることができる。ｅＰＴＦＥ積層物の例としては、デラウェア州のW.L.Gore&Associates,Incにより製造されているGORETEX（登録商標）、及びデラウェア州のBHA technologiesにより製造されているeVENT（登録商標）が挙げられる。
【００３７】
図２は、具体的に、図１の発生器と比較して表面積を広くした吸気口を有する本発明の代わりの発電機の断面概略図である。この実施形態でも、同様に、雰囲気中の酸素気体は実質的に透過させるが水蒸気は透過させない疎水性膜３２が、吸気口２０に配置されている。しかしながら、雰囲気中の自然な空気湿気から水の分子を取り込むことができるように、小さい開口部４８（例えば、約０．００８ｃｍ２）の孔が膜３２に切り込まれている。この開口部４８は、余分な酸素が燃料電池カソードまで拡散できるようにもしている。本発明の或る実施形態では、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に置かれた場合に、最高の機能を発揮することができ、湿度が上がるに伴って性能が向上する。
【００３８】
図２の実施形態は、空圧弁２６も含んでおり、この弁は、メッシュ隔膜３０と、弁２６のメッシュ隔膜３０に並列して配置された透水性で水素不透過性の膜４０と、を含んでいる。メッシュ隔膜３０は、水蒸気には透過性であり、ポリエチレンテレフタレートの様なポリマー金属又はステンレス鋼のような金属で形成されている。この透水膜４０に適した透水性材料には、ペルフルオロスルホネート・イオノマーの様な過フッ素化ポリマーが含まれている。エポキシド及びクロロプレンゴムも適している。透水膜としては、デラウェア州のEI DuPont de Nemours&Co.から登録商標Nafionの名称で市販されているペルフルオロスルホネート・イオノマーが挙げられる。Nafionは、優れた安定性を実現するフッ素化主鎖と、高いイオン伝導性を支援するスルホン酸側鎖を有していることから、利用されている。透水性で水素不透過性の膜４０は、水蒸気が、電解質膜４２を通ることなく、燃料室１２へ拡散できるようにする。これにより、水蒸気が燃料室に浸透するための経路の面積が広くなり、燃料電池１４が、燃料電池だけで水を回収する場合よりも高い電流密度で運転できるようになる。同様な材料で、少なくとも１つの燃料電池１４の電解質膜４２は形成されている。
【００３９】
従って、図２から分かるように、この発電機１０は、燃料電池で発生した水の分子を、燃料電池カソード１６から燃料室１２まで輸送するための二重の大通りを提供している。具体的には、図２の実施形態では、水素気体と雰囲気中の酸素が燃料電池１４で反応した結果、燃料電池カソード１６で燃料電池水が作られ、これにより電気が発生する。この発生した燃料電池水は保水帯域２２に保持され、燃料電池１４を通って拡散して戻るか、又は、保水帯域２２から拡散してメッシュ隔膜３０と透水膜４０を通って浸透するか、の何れかによりキャビティ２４に再度進入する。
【００４０】
図７は、複数の燃料電池を有する本発明の円筒形の発電機１０の上面図である。図７に示すように、複数の燃料電池１４は、発電機１０の円周に沿って配置されている。本発明の発電機１０は、燃料物質４４を随意的に補給するための入口４６も含んでいる。代わりに、電池同様に、燃料物質４４が消費されてしまったら発電機を廃棄処分にしてもよい。発電機１０の組み立てられた構成部分のそれぞれは、ポリエチレンテレフタレート（図示せず）の様な適した材料で形成されたチューブの様な適した中空構造に更に封入されるが、この囲いには、上面及び／又は底面に適した蓋（図示せず）を設け、この蓋は、取り外し可能とし、囲いと同じ材料で形成してもよいし、異なる材料で形成してもよい。発電機１０は、装置を発電機１０に電気的に接続する少なくとも１つの電気コネクタを更に含んでいる。図１に示すように、装置５２（概略図示、縮尺不整合）は、電気コネクタ５４と５６を通して発電機１０に電気的に接続されており、これら電気コネクタ５４と５６は、燃料電池のカソードとアノードに接続されている。電気コネクタ５４と５６は、図７にも示している。複数の燃料電池を組み込んでいる各実施形態では、複数の燃料電池は直列に接続され、発生器ハウジング３６から突き出ている一組の電気コネクタ５４と５６に接続されている。本発明の或る実施形態では、発電機１０は相互接続された８個の燃料電池を含んでいる。
【００４１】
発電機１０と弁２６の各部分は、適したポリマー材料、金属、又は発生器と弁の意図される用途の要件によって決まる他の材料で製作される。材料としては、ポリエチレンテレフタレートが挙げられる。発電機１０の構成部分の寸法は、大きさが非常に小さいが、発電機１０の用途に応じて変わる。この様な水無しの小型発電機の外側寸法は、長さが１ｍｍから約１００ｍｍ、幅が約１ｍｍから約１００ｍｍ、深さが約１ｍｍから約１００ｍｍであり、例えば、長さが１ｍｍから約２５ｍｍ、幅が約１ｍｍから約２５ｍｍ、深さが約１ｍｍから約２５ｍｍである。この様な水無しの小型発電機には、大きさが約０．１ｍｍ２から約５，０００ｍｍ２の範囲にある１つ又は複数の燃料電池１４を組み込むことができる。本発明の水無しの小型発電機は、約０．１ｍｍ３から約１５，６２５ｍｍ３の体積容量を備えることができる。大型発電機は、長さ、幅、深さ共に少なくとも約５０ｃｍ以上、燃料電池面積が少なくとも５０００ｃｍ２以上、発電機容積が少なくとも約０．１２５ｃｍ３以上、という大きい寸法を有している。これら寸法は、広い範囲で変えてもよく、限定されるものではない。発電機の構成部品それぞれの寸法も、同様に、発電機を意図したように運転することができるやり方で、当業者が決める通りに変えてもよい。
【００４２】
図１と図２に示す実施形態は、それぞれ、設けられている非燃料電池水源を欠いても電気伝導性を示すことが分かっている。図５及び下の実施例１は、本発明の小規模小型発電機についての電力出力対時間のグラフの一例を提供している。本発明の小型発電機は、電力出力約１マイクロワットから約１００ミリワット、約１マイクロワットから約１０００ミリワット、エネルギー密度約０．１Ｗ−時／ｃｃから約１０Ｗ−時／ｃｃを作り出す。本発明の大型発電機は、電力出力レベル約０．１Ｗから約１００Ｗ、エネルギー密度約０．１Ｗ−時／ｃｃから約１０Ｗ−時／ｃｃを作り出す。
【００４３】
また、例示している図１と図２の実施形態は、本発明の電力発生装置を示しているが、そのような構造は限定を意図するものではないものと理解されたい。実質的に同じやり方、即ち、アルカリ金属ケイ化物を含んでいる水素−酸素燃料電池で有用レベルの電気を作り出すことができる水無し発電機、を実施する他の様々な設計形式は、本発明の範囲に包含される。
【００４４】
本発明を説明するため以下の実施例を供する。
【実施例１】
【００４５】
図１に示す発電機に、水素気体の初期噴流を用意して与えた。初期噴流により発生器キャビティから空気を排出し、その後その水素を燃料電池によって消費して、電気と副産物の水とを発生させた。この初期水素噴流の消費に引き続き、水素気体を内部で連続的に発生させ、同様に電気も発生させた。発電器の電力出力を時間経過に亘って測定した。結果を、発電機の電力出力対時間のグラフとして図５に示す。電力出力は、最初５０マイクロワットに設定したが、その後、１７０マイクロワットまで上げ、更に２１０マククロワットまで上げて、３０日間の試験期間中その出力を維持した。試験開始から２０日間は、実験室雰囲気の相対湿度は約１０パーセントから２０パーセントまで変動した。実験室の空気の温度は約２３℃であった。水素の初期噴流は、運転開始の初日だけで概ね消費されたと推定される。この無水運転では、必要な水分は、燃料電池自身を通して逆に浸透している。内部の気体圧力は、作動電力レベルに亘って安定しており、カソード水の量は、どの出力レベルでも正確に正しい量であった。装填せねばならなかった液体の水を無くすことができたために、水循環による可能な正味利得としては、システム容積及び重量の縮小幅、費用及び複雑性の縮小幅、及び安全性、がそれぞれ約２倍に増加した。カソード上の空気中の湿気によりＰＥＭの更に良好な水和も実現できる。
【００４６】
図８は、燃料容器８１１と、感圧隔膜８１３に接続されたメッシュ多孔質プレート又は層、又は格子、又は類似の種類の弁８１２とを有し、電力を提供するように設計されている燃料電池８１４用の複数の要素を有している、燃料電池発電機システム８１０を示している。各要素には、カソード電極８１６、カソード気体拡散層８１５、膜８１７、アノード気体拡散層８２０、及びアノード電極１８１が含まれる。本例では、燃料電池は、図８のブロック様構成８１０の一方の側（図８の上側）に在る。燃料電池アッセンブリ８１０の下部分には、或る量の水素化アルミニウムリチウム又は他の燃料電池を入れておく燃料容器８１１が在る。分圧によって雰囲気中の酸素がキャビティ８２６に引き込まれる。雰囲気中の窒素の分圧は存在しない。雰囲気は乾燥しており、水分を幾らか吸収する。酸素は、複数の要素又は電池８１４のカソード８１６側に流れ込む。陽子は、アノード８１８からカソード１６に移動する。分圧を有する水蒸気が在るかもしれないが、蒸気は膜により閉じ込められる。電子がＨ２から剥がれて陽子となり、これが、アノード電極１８からアノード気体拡散層８２０、膜８１７、そしてカソード拡散層８１５を通って、カソード８１６に進む。電子は電流を構成し、この電流はアノード８１８からインピーダンス負荷８１９を通ってカソード８１６に流れ、そこで、電子、陽子、酸素は水蒸気を形成する。層８１７は、水蒸気透過性の電解質膜である。カソード側は、酸素透過性で水蒸気不透過性の膜である。燃料電池８１４の設計には様々な方式がある。
【００４７】
弁８１２は、図８のアッセンブリ８１０の配向に関して、水が下に落ちるのは規制するが、Ｈ２が上に行くのは妨げないないようにするため設置されている。水は、カソードで発生する産物である。複数の要素又は電池８１４には、水又は蒸気の通過を妨げ、一方で陽子が電池を通って移動することを許容するために、気体不透過層が設けられている。水蒸気が容器８１１からの燃料に遭遇すると、水素が発生する。
【００４８】
図９ａ、図９ｂ、図９ｃは、本燃料電池設計における弁の作動を示している。図９ａの弁は開いている。隔膜９１３は、弁９１２を開き位置に動かし、一方では、弁９１２を図９ｃに示す閉じ位置に動かす。弁は、図９ｂで確認されるように部分的開き位置を有している。弁９１２は、２つのメッシュ、格子、又はプレート様部品９２１と９２２を有している。それらの部品は、ここで説明する動作を行えるのであれば他の形態又は設計でもよい。部品９２１は、燃料電池アッセンブリ又はシステム８１０に対して静止している。部品２２は、部品９２１上に又はこれに隣接して配置されている。これらの部品９２１と９２２は、複数の開口部９２３を有するプレートなどである。開口部は、例えば、プレート９２１と９２２の両方に、小さな矩形の形状を対称模様に並べた形態をしている。プレート９２２をプレート９２１に重ねた状態では、図９ａに示すように、物質が一対のプレート９２１と９２２を通過できるように開口部９２３は整列している。プレート９２２をプレート９２１に対して左に動かすと、開口部９２３は、図９ｂに示すように部分的に閉じた状態になる。プレート９２２を更に左に動かすと、開口部９２３は、図９ｃに示すように、プレート９２１とプレート９２２の各部分が互いの開口部に重なった状態で閉じる。
【００４９】
プレート９２２は、感圧性の隔膜９１３によって動かされる。図９ａ、図９ｂ、図９ｃに示すように、電池アッセンブリのプレート９２２付近の容積９２６の部分にある物質の圧力が増すと、隔膜９１３はプレート９２２付近の室容積９２６から張り出す。隔膜９１３の中心９２４付近にはリンク機構９２５が取り付けられており、このリンク機構９２５はプレート９２２に取り付けられている。圧力によって中心９２４が（各図左側に）張り出すと、リンク機構９２５は、同様にプレート９２２を（各図内の）左側に引っ張り、プレートを通る物質又は気体の流量を圧力の上昇に応じて減少させる。圧力が更に上昇すると、隔膜９１３は、停止位置まで更に膨らんで、プレート９２２の開口部以外の領域をプレート９２１の開口部９２３に重ならせ、プレート９２１の開口部以外の領域をプレート９２２の開口部に重ならせて、プレート９２１と９２２を通る物質（例えば、水蒸気）の流れを効果的に止める。圧力が、室９２６のプレート９２２付近で低下すると、隔膜９１３は張り出しの少ない状態に戻り始め、リンク機構９２５を介してプレート９２２を押して、プレート９２１と９２２両方の開口部９２３の一部の覆いを解き又は開く。室９２６内の圧力が更に低下すると、隔膜９１３は初期の開き位置に戻ってプレート９２２を動かすので、プレート９２１と９２２の開口部９２３は整列し、どちらのプレートの開口部９２３ももはや相手のプレートで隠されなくなる。再度、室９２６の圧力が上昇すると、弁９１２が閉じ始め、室９２６の圧力が低下すると、弁９１２が開き始める。而して、弁９１２を通る流れの量は、室９２６の圧力により決まる。この方式では、室９２６からの弁を通る気体の流れ又は体積を規制することができる。
【００５０】
図９ａ、図９ｂ、図９ｃで説明した弁機構は、図１０に示す円筒形燃料電池装置１０３０に設計することができる。この機構は、何らかの他の形状を有する燃料電池発電器アッセンブリに設計することもできる。図１０では、燃料容積又は供給部は、円筒の中心に在る。電池１０１４と燃料供給容器又は室１０１１の間には、円筒状の滑動弁１０１２が在る。弁は、互いに同心に且つ隣接して配置された２つの円筒状の格子、メッシュ、穴あき材料などのスリーブである。円筒形の弁の部品１０２１と１０２２は、互いに滑動して弁１０１２を開閉する（図９ａ−９ｃの部品９２１と９２２と同様）。円周滑動弁１０１２の外側には、単数又は複数の燃料電池１０１４が在る（図８の燃料電池８１４と同様）。
【００５１】
円筒形の弁１０１２を作動させるための隔膜１０１３は、円筒形の室１０２６の端部に設置されており、弁１０１２の部品１０２１又は１０２２に連結されている。隔膜１０１３は室１０２６内の圧力に応答して、圧力が上昇すると、連接されている隔膜１０１３により、弁１０１２の部品１０２１と１０２２の内の一方が他方に対して動いて弁１０１２を閉じ、圧力が低下すると、弁１０１２は少なくとも徐々に開いて、或る蒸気量が１つ又は複数の燃料電池１０１４に流れるのを監視する。燃料電池アッセンブリ８１０及び１０３０のここに例示している実施例と同じ設計及び動作を、他の形状の燃料電池アッセンブリに適用してもよい。
【００５２】
燃料電池アッセンブリ８１０、９１０、及び１０３０の室８２６、９２６及び１０２６は密封されており、燃料は、燃料室１０１１に隣接しているか又はその一部であって所定の位置に在るときには室１０２６を密封している取り外し可能なカバー１０２７を有する開口部を通して加えられる。
【００５３】
燃料電池１０１４は、陰極又はカソード１６と陽極又はアノード１０１８の間に配置されている電解質膜１０１７を有している。水素燃料（即ち、水素気体）は、流れ場プレート１０２１及び１０２２を通ってアノード１０１８に送られ、一方、酸素は燃料電池のカソード１０１６に送られる。アノード１０１８で、水素は、正の水素イオン（陽子）と負の電子に分割される。電解質膜は、陽子だけを通してカソード１０１６に送る。電子は、そうではなくて、電流として外部回路１０１９を通ってカソード１０１６に進む。カソード１０１６で、電子と陽子は酸素と結合して水の分子になる。
【００５４】
一旦、燃料電池１０１４での酸素−水素反応の副産物として水ができると、発生した水は受動的に拡散して燃料電池を通ってキャビティ１０２６に進み、燃料室又は容器１０１１に戻る。燃料電池１０１４のアノード１０１８側のキャビティ１０２６内には、燃料容器１０１１内の燃料物質の吸水性のせいで比較的湿度の低い領域が存在する。而して、カソード１０１６の保水性により、水分濃度勾配と気体圧力差が発生し、それにより水の分子が拡散して、燃料電池１０１４を通ってキャビティ１０２６へ、そして燃料室１０１２へと水蒸気の形態で戻る。この水蒸気が、容器１０１１の燃料と反応して、水素気体が発生する。発生した水素気体は、その後、キャビティ１０２６を通って燃料電池アノード１０１８に進み、そこで酸素と反応して再度水の分子を発生させる。この循環は、室１０１１内の燃料が消費されてしまうまで続く。
【００５５】
燃料電池発電機システム１０３０は、燃料電池１０１４から容器１０１１までの水蒸気の通過を規制すると共に、燃料容器１０１１からの水素気体の発生を規制するために、弁１０１２を使用している。弁１０１２は、キャビティ１０２６の燃料容器１０１１と燃料電池１０１４の間に配置されている。弁１０１２は、キャビティ１０２６内の気体圧力により制御される空圧弁であり、空気圧により調整され、水蒸気の燃料容器１０１１への運搬を制御する。弁１０１２は、上記説明文中の他の箇所に記載したように、開口部付きの滑動可能なプレート１０２２を同様の開口部１０２３を有する別のプレート１０２１に隣接して配置し、弁１０１２の開閉に際して互いに重なり合わせるようになっている。弁１０１２が閉じ位置に在るときには、水蒸気が燃料容器１０１１に到達できないようにしている。これに対し、弁１０１２が開き位置に在るときには、水蒸気が燃料容器１０１１に到達できるようにして、発生した水素気体が燃料電池１０１４に到達できるようにする。この説明は単一の燃料電池１０１４に関するものであるが、複数の電池にも当てはまるものと解釈されたい。
【００５６】
弁１０１２の作動は、隔膜１０１３に働く内部圧力により制御される。キャビティ１０２６の内部気体圧力が、水素気体の発生により上昇すると、隔膜１０１３は外向きに僅かに曲がり又は押し出される。これにより、リンク機構１０２５は、滑動可能な弁プレート１０２２を引っ張り、プレート１０２１に対して動かして弁１０１２を閉じ、水蒸気がそれ以上燃料室１０１１に流入しないようにする。弁１０１２が閉じると、水素の発生が止まる。これは、内部気体圧力が更に上昇するのを防ぐ。燃料電池１０１４などにより水素が消費されると、内部気体圧力は低下し、膜１０１３がより弛緩した状態に復帰し、弁を開く。滑動弁１０１２のプレート１０２２は、全開位置から全閉位置まで約１ミリメートル動く。弁１０１２を完全に閉じるのに、膜又は隔膜１０１３には、約４ｐｓｉ（２７ｋＰａ）から６ｐｓｉ（４２ｋＰａ）の圧力を掛ける必要がある。而して、水素気体は、消費される速度で自動的に生成されることになる。
【００５７】
図１１は、或る実施形態による、アルカリ金属ケイ化物燃料を使用している燃料電池システム１１００の概略図を示している。アルカリ金属ケイ化物燃料１１０８は、可動弁プレート１１１８（拡大断面図に図示）に接触している固定弁プレート１１１０により、システム１１００で取り囲まれている。可動弁プレート１１１８は、燃料１１０８を、アノード層１１１２、燃料電池積層１１１４、及びカノード層１１１６に放出することができるように操作される。可動弁プレート１１１８は、システム１１００内の水の管理も支援する。燃料電池システム１１００は、アノード出力電極１１０６と、カソード出力電極１１０４を更に含んでいる。可動弁プレート１１１８の動きを制御するために可撓隔膜１１０２が使用されている。可撓隔膜１１０２は、燃料１１０８が封入されているキャビティの内部気体圧力に応答する。
【００５８】
図１２は、例示の実施形態による発電機を使用する方法１２００を説明している。アルカリ金属ケイ化物１２０２を、水素１２０６を発生させるのに十分な水又は水蒸気に触れさせ又は反応させる１２０４。次いで、電気１２１０と副産物の水１２１２と熱１２１４を発生させるために、水素１２０６を１つ又は複数の燃料電池に接触させる１２０８。発生した電気１２１０は、外部装置によって蓄電され又は使用される。副産物の水１２１２と熱１２１４は、廃棄処分されるか以降の処理に再利用される。
【００５９】
図１３は、例示の実施形態による発電機を製作する方法１３００を説明している。１つ又は複数の燃料電池を作る１３０２。１つ又は複数の燃料電池に接触する燃料貯蔵区域を形成する１３０４。燃料貯蔵区域内にアルカリ金属ケイ化物燃料を配置する１３０６。
【００６０】
以上、本発明を多くの実施形態に関連付けながら具体的に示し説明してきたが、当業者には容易に理解頂けるように、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく様々な変更及び修正を加えることができる。従って、特許請求の範囲は、ここで開示している実施形態、これまで論じてきた実施形態の代替例、及びそれらの等価物全てを対象として含むものと解釈されたい。
【００６１】
読み手が技術的開示内容の性質と要旨を迅速に解明できるようにするために、３７Ｃ．Ｆ．Ｒ．第１．７２（ｂ）条に則り、要約書を提示している。要約書は、特許請求の範囲による範囲と意味を解釈し又は制限するために使用されるものではないとの了解の下に提出している。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】或る実施形態による、発生器の吸気口に一体化された酸素透過性で水蒸気不透過性の膜の無い、本発明の発電機の断面概略図を示している。
【図２】或る実施形態による、発生器の吸気口に一体化された酸素透過性で水蒸気不透過性の膜を有する、本発明の発電機の断面概略図である。
【図３】図３Ａは、図１に示す発電機の角部の断面概略図であり、或る実施形態による、吸気口と燃料電池カソードの間の保水帯域を示す図である。
【００６３】
図３Ｂは、図２に示す発電機の角部の断面概略図であり、或る実施形態による、吸気口と燃料電池カソードの間の保水帯域を示す図である。
【図４】或る実施形態による、燃料電池の概略図を示している。
【図５】或る実施形態による、本発明の発電機の電力出力対時間のグラフを示している。
【図６】或る実施形態による、或る場所から別の場所への水蒸気のモル流束の概略図を示している。
【図７】或る実施形態による、複数の燃料電池を内蔵した本発明の円筒形発電機の上面図を示している。
【図８】或る実施形態による、燃料電池の側部断面図を示している。
【図９】図９ａ、図９ｂ、図９ｃは、或る実施形態による、燃料電池に使用されている格子様弁の３通りの位置を示している。
【図１０】或る実施形態による、図９ａ、図９ｂ、図９ｃの弁を使用している円筒形状の燃料電池を示している。
【図１１】或る実施形態による、アルカリ金属ケイ化燃料を使用している燃料電池システムの概略図を示している。
【図１２】或る実施形態による、発電機を使用する方法を示している。
【図１３】或る実施形態による、発電機を作る方法を示している。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電機において、
１つ又は複数の燃料電池と、
アルカリ金属ケイ化物を含んでいる燃料と、を備えている発電機。
【請求項２】
前記アルカリ金属ケイ化物は、シリコンと、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、及びフランシウムから成る群より選択される１つ又はそれ以上のアルカリ金属と、を備えている、請求項１に記載の発電機。
【請求項３】
前記アルカリ金属ケイ化物は、シリコンとナトリウムの化合物を備えている、請求項１に記載の発電機。
【請求項４】
前記アルカリ金属ケイ化物は、ナトリウム−カリウム合金と、シリコンを備えている、請求項１に記載の発電機。
【請求項５】
前記アルカリ金属ケイ化物は、粉末を備えている、請求項１に記載の発電機。
【請求項６】
前記アルカリ金属ケイ化物は、ゲルを備えている、請求項１に記載の発電機。
【請求項７】
前記燃料を前記１つ又は複数の燃料電池から分離している１つ又は複数の弁を備えている、請求項１に記載の発電機。
【請求項８】
燃料電池において、
カソード集電器と、
前記カソード集電器に電気的に接続されているカソードと、
アルカリ金属ケイ化物を含んでいる燃料に接触しているアノードと、
前記アノードに電気的に接続されているアノード集電器と、
前記カソードと前記アノードの両方に接触しながら両者を分離している電解質膜と、を備えている燃料電池。
【請求項９】
前記アルカリ金属ケイ化物は、シリコンと、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、及びフランシウムから成る群より選択される１つ又はそれ以上のアルカリ金属と、を備えている、請求項８に記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記アルカリ金属ケイ化物は、シリコンとナトリウムの化合物を備えている、請求項８に記載の燃料電池。
【請求項１１】
前記アルカリ金属ケイ化物は、ナトリウム−カリウム合金と、シリコンを備えている、請求項８に記載の燃料電池。
【請求項１２】
前記アルカリ金属ケイ化物は、粉末を備えている、請求項８に記載の燃料電池。
【請求項１３】
前記アルカリ金属ケイ化物は、ゲルを備えている、請求項８に記載の燃料電池。
【請求項１４】
前記燃料が更に、水素を有することを特徴とする請求項８に記載の燃料電池。
【請求項１５】
水素発生器において、
アルカリ金属ケイ化物を取り囲んでいる燃料キャビティと、
前記キャビティ壁の少なくとも一部を形成している膜と、を備えており、
前記アルカリ金属ケイ化物が前記膜を介して水に触れると、水素が発生する、水素発生器。
【請求項１６】
前記アルカリ金属ケイ化物は、シリコンと、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、及びフランシウムから成る群より選択される１つ又はそれ以上のアルカリ金属と、を備えている、請求項１５に記載の水素発生器。
【請求項１７】
前記アルカリ金属ケイ化物は、シリコンとナトリウムの化合物を備えている、請求項１５に記載の水素発生器。
【請求項１８】
発電機を使用する方法において、
ケイ化物アルカリ金属燃料を、水素を発生させるのに十分な水と反応させる段階と、
前記水素を、産物である電気と副産物である水と熱とを発生させるのに十分な１つ又は複数の燃料電池に接触させる段階と、から成る方法。
【請求項１９】
前記反応させる段階は、接触させることを含んでいる、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
発電機を製作する方法において、
１つ又は複数の燃料電池を形成する段階と、
前記１つ又は複数の燃料電池と接触する燃料貯蔵区域を形成する段階と、
アルカリ金属ケイ化物燃料を前記燃料貯蔵区域内に配置する段階と、から成る方法。
【請求項１】
発電機において、
１つ又は複数の燃料電池と、
アルカリ金属ケイ化物を含んでいる燃料と、を備えている発電機。
【請求項２】
前記アルカリ金属ケイ化物は、シリコンと、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、及びフランシウムから成る群より選択される１つ又はそれ以上のアルカリ金属と、を備えている、請求項１に記載の発電機。
【請求項３】
前記アルカリ金属ケイ化物は、シリコンとナトリウムの化合物を備えている、請求項１に記載の発電機。
【請求項４】
前記アルカリ金属ケイ化物は、ナトリウム−カリウム合金と、シリコンを備えている、請求項１に記載の発電機。
【請求項５】
前記アルカリ金属ケイ化物は、粉末を備えている、請求項１に記載の発電機。
【請求項６】
前記アルカリ金属ケイ化物は、ゲルを備えている、請求項１に記載の発電機。
【請求項７】
前記燃料を前記１つ又は複数の燃料電池から分離している１つ又は複数の弁を備えている、請求項１に記載の発電機。
【請求項８】
燃料電池において、
カソード集電器と、
前記カソード集電器に電気的に接続されているカソードと、
アルカリ金属ケイ化物を含んでいる燃料に接触しているアノードと、
前記アノードに電気的に接続されているアノード集電器と、
前記カソードと前記アノードの両方に接触しながら両者を分離している電解質膜と、を備えている燃料電池。
【請求項９】
前記アルカリ金属ケイ化物は、シリコンと、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、及びフランシウムから成る群より選択される１つ又はそれ以上のアルカリ金属と、を備えている、請求項８に記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記アルカリ金属ケイ化物は、シリコンとナトリウムの化合物を備えている、請求項８に記載の燃料電池。
【請求項１１】
前記アルカリ金属ケイ化物は、ナトリウム−カリウム合金と、シリコンを備えている、請求項８に記載の燃料電池。
【請求項１２】
前記アルカリ金属ケイ化物は、粉末を備えている、請求項８に記載の燃料電池。
【請求項１３】
前記アルカリ金属ケイ化物は、ゲルを備えている、請求項８に記載の燃料電池。
【請求項１４】
前記燃料が更に、水素を有することを特徴とする請求項８に記載の燃料電池。
【請求項１５】
水素発生器において、
アルカリ金属ケイ化物を取り囲んでいる燃料キャビティと、
前記キャビティ壁の少なくとも一部を形成している膜と、を備えており、
前記アルカリ金属ケイ化物が前記膜を介して水に触れると、水素が発生する、水素発生器。
【請求項１６】
前記アルカリ金属ケイ化物は、シリコンと、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、及びフランシウムから成る群より選択される１つ又はそれ以上のアルカリ金属と、を備えている、請求項１５に記載の水素発生器。
【請求項１７】
前記アルカリ金属ケイ化物は、シリコンとナトリウムの化合物を備えている、請求項１５に記載の水素発生器。
【請求項１８】
発電機を使用する方法において、
ケイ化物アルカリ金属燃料を、水素を発生させるのに十分な水と反応させる段階と、
前記水素を、産物である電気と副産物である水と熱とを発生させるのに十分な１つ又は複数の燃料電池に接触させる段階と、から成る方法。
【請求項１９】
前記反応させる段階は、接触させることを含んでいる、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
発電機を製作する方法において、
１つ又は複数の燃料電池を形成する段階と、
前記１つ又は複数の燃料電池と接触する燃料貯蔵区域を形成する段階と、
アルカリ金属ケイ化物燃料を前記燃料貯蔵区域内に配置する段階と、から成る方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２００７−３１７６４９（Ｐ２００７−３１７６４９Ａ）
【公開日】平成１９年１２月６日（２００７．１２．６）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２００７−１０２７８４（Ｐ２００７−１０２７８４）
【出願日】平成１９年４月１０日（２００７．４．１０）
【出願人】（５００５７５８２４）ハネウェル・インターナショナル・インコーポレーテッド (1,504)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１２月６日（２００７．１２．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１０２７８４（Ｐ２００７−１０２７８４）
【出願日】平成１９年４月１０日（２００７．４．１０）
【出願人】（５００５７５８２４）ハネウェル・インターナショナル・インコーポレーテッド (1,504)
【Ｆターム（参考）】
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