JP6804535B2 - 水素生成装置 - Google Patents

Description

本発明は、低圧で水素を生成する携帯装置に関する。

近年、燃料電池は、電源電力が利用できない状況で発電する手段として、だんだん普及しつつある。燃料電池は通常、水素に基づいて動作し、独立型発電機で従来使用されるガソリン又はディーゼル燃料内燃機関を超えるいくつかの利点を有する。つまり、水素に基づく燃料電池の動作によって生成される廃棄物は水のみであり、二酸化炭素も一酸化炭素も生成しない。また、燃料電池はガソリン又はディーゼル燃料内燃機関よりも効率的である。従来のガソリン燃焼発電機と比べて燃料電池の更なる利点は、小型化でき携帯しやすい点である。携帯燃料電池の１例は、イオン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池である。

ガソリン又はディーゼルではなく水素を燃料として使用する内燃機関も開発されてきている。上記内燃機関は、廃棄物として水しか生成しないという、ガソリン又はディーゼル燃料内燃機関を超える利点を有する一方で、燃料電池ほど効率的ではなく、小型化が困難である。

水素系燃料電池と水素燃料内燃機関を使用する際の課題は、多くの遠隔地及び現場環境下で、単に水素の供給が得られないことである。したがって、現時点では、水素系燃料電池と水素燃料発電機の使用は、水素の供給を取得又は維持するのが困難であることによって制限されている。

水素が各種金属と酸又はアルカリとの反応によって生成できることは既知である。たとえば、米国特許第４３２５３５５号は、固形金属と溶液との発熱反応が、熱交換器を含む反応器内で発生する加熱システムを記載している。上述の特定の反応システムでは、アルミニウム片が、水酸化ナトリウム溶液中に沈降する。アルミニウムと水酸化ナトリウム溶液との反応中、アルミニウムは水酸化アルミニウムに変換されて、水素ガスが放出する。水酸化アルミニウムは水酸化ナトリウムと反応して、アルミン酸ナトリウムを形成する。アルミニウムと水酸化ナトリウムとの反応による水素の生成は、米国特許出願のＵＳ２００９／０２５２６７１号（Ｆｕｌｌｅｒｔｏｎ）にも記載されている。

国際特許出願のＷＯ２０１２／１４０１７０号（Ｃｏｌｌｉｎｓ）は、たとえば家庭用温水システムで液体を加熱する装置を開示している。ＷＯ２０１２／１４０１７０号の装置は、発熱を目的とし、電気又は化石燃料の燃焼を利用する加熱システムの代替を提供する。熱が水酸化ナトリウムとアルミニウムとの発熱反応によって発生し、その後、その熱は反応槽上又は内の熱交換器によって捕捉される。反応によって生成される水素を燃焼させることで、更なる熱が発生する。

上述したタイプの水素生成装置は、比較的大規模な固定設備であり、容易に携帯用途には適さない。

ＣＮ１０１３８１０７３Ａ（Ｔｉａｎｊｉｎ Ｈｉｇｈｌａｎｄ Ｅｎｅｒｇｙは、アルミニウムスラリーとアルカリとの反応によって水素を生成する水素生成装置を開示している。反応区間に入る反応物の流量は、単に圧力調節装置によってのみ制御されるように思われる。反応区間に流れ込む反応物の流を制御するのに単独の手段に頼る結果、圧力調節装置の機能不全が起こる場合、危険なほど高レベルの水素が生成される可能性がある。

ＪＰ２００４２１０５９１Ａ（ＩＴＥＣ）は、アルミニウムと水酸化ナトリウムとの反応から水素を生成する装置を開示している。しかしながら、生成される水素ガスの圧力は、５０ａｔｍ（５×１０^６Ｐａ）を超過する。高圧水素は加圧水素保管機能を必要とし、使用時に危険を招く可能性があるために、用途によっては不適切な場合がある。

米国特許第４３２５３５５号 ＵＳ２００９／０２５２６７１号 ＷＯ２０１２／１４０１７０号 ＣＮ１０１３８１０７３Ａ ＪＰ２００４２１０５９１Ａ

現在、ガスシリンダなどの水素保管容器の使用が不可能である又は実際的でない遠隔地や現場環境下で、需要に応じて水素を供給することができる装置が未だ要とされている。

また、携帯可能であり、平均的筋力の１人又は２人によってある位置から別の位置まで上昇又は移動させられる程度に軽量である上述したタイプの装置が必要とされている。

本発明は、低圧で、需要に応じて水素を生成する装置（通常、携帯装置）を提供する。たとえば、通常、燃料電池に要求される圧力は、いくつかの実施形態では、１０バール（１０×１０^５Ｐａ）未満、たとえば３〜５バール（３〜５×１０^５Ｐａ）以下とし、別の実施形態では、０．３〜３バール（０．３〜３×１０^５Ｐａ）とすることができる。低圧で需要に応じて水素を供給することによって、加圧水素保管能力の必要性が回避されるために、より使用時に安全な装置が提供される。

第１の態様によると、本発明は水素生成装置を提供し、該装置は以下を備える。

（ａ）反応器槽、
（ｂ）反応器槽に連結される第１及び第２の反応物容器であって、混合されたときに反応して水素ガスを生成する第１及び第２の反応物を含む第１及び第２の反応物容器、
（ｃ）反応器槽へ第１及び第２の反応物を圧送し、該反応物が混合されて反応し水素ガスを生成する１以上のポンプ、
（ｄ）反応器槽から水素ガスを受け取るバッファタンク、
（ｅ）装置内の水素ガスの圧力を測定する圧力センサ、
（ｆ）装置の動作を制御する電子制御手段であって、１以上のポンプ及び圧力センサと通信し、装置内の水素ガスの圧力を１０バール（１０×１０^５Ｐａ）以下の値に維持するように反応器槽への反応物の流を制御すべくプログラムされる電子制御手段。

別の態様によると、本発明は水素生成装置を提供し、該装置は、
（ａ）１以上の反応物入口を有する反応器槽であって、第１及び第２の反応物が入口を通って反応器槽に入ることができ、第１及び第２の反応物が混合されたときに反応して水素ガスを生成する反応器槽、
（ｃ）上記第１及び第２の反応物を含む反応物容器から反応器槽へ第１及び第２の反応物を圧送する１以上のポンプ、
（ｄ）反応器槽から水素ガスを受け取るバッファタンク、
（ｅ）該装置内の水素ガスの圧力を測定する任意の圧力センサ、
（ｆ）該装置の動作を制御する電子制御手段であって、１以上のポンプ及び圧力センサと通信し、反応器槽への反応物の流を制御するようにプログラムされる電子制御手段、を備え、
水素ガスの圧力が所定値に達すると、前記反応器への前記第１及び第２の反応物の一方又は両方の圧送が防止されるように前記装置が設定され、
所定値が、０．１バール〜１０バール（１０×１０^３Ｐａ〜１０×１０^５Ｐａ）の範囲の圧力である。

反応物容器は該装置の一部を成すことができる、又は所要に応じて別個に設けられて、装置に接続することができる。

バッファタンク（ｄ）は、該装置内の水素圧力の変動を調整する役目を果たす。このバッファタンクは、十分一定の所望の水素圧力を確実に維持させるという、既知の水素生成装置を超える利点を提供する。該装置の動作中、バッファタンクは通常、反応器槽内部と開放連通する。すなわち、反応器槽とバッファタンクとの間に一方向弁は存在せず、存在する弁はどれも開放位置に設定される。よって、反応器槽内で生成される水素は、反応器槽とバッファタンク間を自由に流れることができる。このように、反応物の導入に続く反応器槽内の水素ガスの圧力変動は、バッファタンクによって吸収することができる。

バッファタンクは通常、少なくとも反応器槽の容積と同程度の容積を有する。「容積」という文言は、適宜、バッファタンク又は反応器槽の内容積を指す。より一般的には、バッファタンクの容積は、反応器槽の容積の１．５倍以上、１．７５倍以上又は２倍以上である。たとえば、バッファタンクと反応器槽との容積比は、１：１〜４：１、１：１〜３：１、１．５：１〜２．５：１又は１．７５：１〜２．２５：１の範囲に納めることができる。

圧力センサ（ｅ）には通常、該装置内の水素ガスの圧力を監視（たとえば、測定）するモニタが設けられる。圧力センサは、たとえば、バッファタンク又は反応器槽とバッファタンクとの間の配管に配置することができる。圧力センサは、（有線又は無線で）電子制御手段（ｆ）と通信し、次いで、１又は複数のポンプ（ｃ）と通信する。電子制御手段（ｆ）を用いて所望の水素圧力が選択され、ポンプ（ｃ）は所望の水素圧力を与えるのに十分な反応器槽への反応物の流れを提供するように動作する。センサが、圧力が所望値を下回ることを示す場合、より多くの反応物が反応器槽内へ圧送される。逆に、水素圧力が所望値を超過する場合、圧力が所望値に戻るまで、反応器槽への反応物の流れを遮断させることができる。

これに代え又は加えて、ポンプは、該装置内の水素ガスの圧力に関して、所定値に相当する最大圧送圧力を供給するように選択又は設定することができる。このような構成では、いったん該装置内の水素ガスの圧力が所定値に到達すると、ポンプは反応器へ反応物をそれ以上圧送できない。本発明によると、最大圧送圧力は、０．１バール〜１０バール（１０×１０^３Ｐａ〜１０×１０^５Ｐａ）の範囲に収まる。この構成では、圧力センサ（ｅ）は所望に応じて省略することができる。

該装置は、需要に応じて水素を生成するように設計される。すなわち、生成された水素は、該装置に接続される、又は該装置の一部を成す水素消費装置に配送される。本発明の装置は、大量の水素を保管することを目的としておらず、一部の水素は通常、使用間はバッファタンクに保持される。この残留水素は、該装置を始動するのに必要なエネルギーを生成するように使用することができる。たとえば、バッファタンクは、内蔵燃料電池（たとえば、ＰＥＭ電池）又は発電機に接続して発電し、ポンプ（ｃ）、電子制御手段（ｆ）及びモータ攪拌装置などのその他の内蔵電力消費コンポーネントに動力を供給することができる。

電子制御手段は、該装置内の水素ガスの圧力が１０バール（１０×１０^５Ｐａ）を超過しないように、反応器槽への反応物の流れを制御すべくプログラムされる。より一般的には、電子制御手段は、該装置内の水素ガスの圧力が５バール（５×１０^５Ｐａ）を超えないようにプログラムされる。

各種実施形態では（該装置の一部を成す、又は該装置に接続される水素消費装置の動作圧力に応じて）、電子制御手段は、該装置内の水素ガスの圧力が以下の範囲に収まるようにプログラムされる。

（ｉ）０．５バール〜５バール（０．３×１０^５Ｐａ〜 ３×１０^５Ｐａ）又は、
（ｉｉ）２バール（２×１０^５Ｐａ）〜４バール（４×１０^５Ｐａ）又は、
（ｖ）２．５バール（２．５×１０^５Ｐａ）〜３．５バール（３．５×１０^５Ｐａ）。

水素消費装置がＰＥＭ燃料電池であるとき、ＰＥＭ電池に入る水素の圧力を、該装置内の圧力から約０．５バールの値まで低減させる減圧弁を設けることができる。

該装置には通常、少なくとも１つの温度センサ（ｇ）と圧力センサ（ｅ）（存在するとき）が設けられる。また、温度センサは、（有線又は無線で）電子制御手段（ｇ）と通信する。

温度センサが設けられる場合、電子制御手段（ｇ）は、該装置の規定温度パラメータが所定値を超えないように、反応器槽への反応物の流を制御すべくプログラムすることができる。

規定温度パラメータは、たとえば、反応器槽内の温度とすることができる。あるいは、規定温度パラメータは反応器槽の外面温度とすることができる。

反応器槽は、化学反応物及び反応生成物に耐性がある材料から形成され、実質上腐食せず、水素ガスをほぼ透過させない。反応器槽は、反応器槽内で生成される水素ガスの圧力に耐え得るように構成される。

通常、反応器槽は、ステンレス鋼又は別の鉄合金、好ましくは耐食性鉄合金などの金属材料から形成される。腐食抵抗を高めるため、反応器槽は、ＰＴＦＥなどの不活性材料で裏打ちすることができる。

好ましくは、反応器槽はステンレス鋼から形成される。

反応器槽が金属材料から形成されるとき、化学反応によって生成される熱は、反応器槽の外面に伝達される。したがって、反応器槽の外面に搭載される温度センサは、反応器槽内の温度を良好に表示する。

反応器槽には通常、反応物の混合を確保する攪拌装置又はその他の手段が設けられる。たとえば、モータ攪拌装置を設けることができる。攪拌装置は、反応器槽の上部に搭載することができる。一実施形態では、攪拌装置は反応器槽の上部に搭載され、脱着可能に装着されるモータを有し、モータは取り外して、攪拌装置を手動で動作させる手段（たとえば、クランクハンドル）と置き換えることができる。

反応器槽には通常、反応生成物又は反応しなかった若しくは部分的に反応した反応物を回収するサンプセクションが設けられる。

サンプセクションは、清掃及び保全目的で、反応器槽の内部にアクセスできるように、反応器槽の上側本体セクションから分離して構成することができる。これに代え又は加えて、サンプセクションには、反応生成物及び／又は反応しなかった又は部分的に反応した反応物を除去するため、（たとえば、下端又は下端近傍に）サンプ出口を設けることができる。

あるいは、反応器槽には、反応生成物及び／又は反応しなかった又は部分的に反応した反応物を除去するための廃棄物出口を設けることができる。

サンプ又は廃棄物出口は、反応混合物及び反応生成物をサンプから（たとえば、廃棄物出口よりも高位にある開口を通じて）反応器槽に戻すリサイクル用のリサイクル導管に連結することができる。あるいは、廃棄物出口は、廃棄物容器に連結することができ、容器がユーザによって空にされるまで廃棄物材料を容器内に保管することができる。

リサイクル導管に沿って反応混合物を移動させるために、追加のポンプ（たとえば、蠕動ポンプ）を設けることができる。上記の追加ポンプは通常、電子制御手段（ｇ）に（有線又は無線で）接続される。

リサイクル導管を用いることで、反応混合物をサンプ又は廃棄物容器から反応器槽へリサイクルすることによって、廃棄物流中の反応しなかった又は部分的に反応した反応物を反応させることができる。リサイクル導管には、反応器槽内の反応の進捗を示すパラメータを測定する１以上の反応パラメータセンサ（たとえば、ｐＨ計）を設けることができる。反応パラメータセンサは、存在するとき、通常（たとえば、有線又は無線で）電子制御手段（ｆ）と通信する。弁（たとえば、モータ弁）は、反応混合物を廃棄物出口に誘導することができる。電子制御手段（ｆ）は、反応パラメータ（たとえば、ｐＨ）が特定値に達する又は特定値を超える場合、ポンプ（ｃ）の１つ以上を始動して追加の反応物を反応器槽に導入するようにプログラムすることができる。

電子制御手段（ｆ）は、反応パラメータセンサによって測定される反応パラメータ（たとえば、ｐＨ）が、反応の完了を示すとき、又は完了に近い限り、許容可能と判断されるとき、サンプ又は廃棄物出口が開放されて反応生成物を廃棄させることができるようにプログラムすることができる。また、電子制御手段は、便宜上、本明細書では「電子コントローラ（ｆ）」と称する場合がある。

反応器槽は、上側反応器本体セクション及びサンプセクションを備えることができ、上側反応器本体セクション及びサンプセクションは（たとえば、両セクション間の封止ガスケットを用いて）封止接続される。上側反応器本体セクション及びサンプセクションはそれぞれ、フランジボルト又はフランジクランプ（たとえば、Ｋｌｅｉｎ（登録商標）フランジクランプ）によって接続することができる嵌合フランジを設けることができる。

該装置はケーシング（ｈ）を備えることができ、反応器槽（ａ）、第１及び第２の反応物容器（ｂ）、１以上のポンプ（ｃ）、圧力センサ（ｅ）、電子制御手段（ｆ）及び任意でバッファタンク（ｄ）はすべてケーシング（ｈ）内に収容される。

ケーシング（ｈ）は、該装置の作業コンポーネントを隠すように全体を不透明にすることができる。あるいは、ケーシングは、作業コンポーネントの少なくともいくつかを見ることができるように１以上の窓又は透明セクションを有することができる。

ケーシングは、たとえば現場環境下で、使用中に該装置がさらされる可能性がある埃、汚れ、湿気及びその他の成分の侵入を防止又は制限する。

該装置は好ましくは携帯可能である。

本明細書で使用されるとき、「携帯」という文言は、平均的筋力の１人又は２人によって楽に移動させることができる（たとえば、転動又は上昇させ及び搬送することができる）重量及び大きさを備える装置を指す。よって、たとえば、本発明の携帯装置は、反応物を含んでいないとき最大約１５０ｋｇの重量を有することができる。より一般的には、携帯装置は、最大１４０ｋｇ、たとえば、最大１３５ｋｇ又は最大１３０ｋｇの空虚重量を有する。一実施形態では、該装置は、２５ｋｇ〜３０ｋｇの空虚重量を有する。別の実施形態では、該装置は最大２５ｋｇ、最大２０ｋｇ又は最大１５ｋｇの空虚重量を有する。

本発明の携帯装置の大きさは、最大１．５メートルの最大幅、最大１．５メートルの最大長及び最大１．５メートルの最大高を有することができる。より一般的には、本発明の携帯装置の大きさは、１メートルの最大幅、最大１メートルの最大長及び最大１メートルの最大高を有することができる。

該装置は、該装置を転動させることができる形状の外部ケーシングを有することができる。たとえば、ケーシングは、略球状又は円柱状とすることができる。

反応器槽（ａ）、第１及び第２の反応物容器（ｂ）は、バッファタンク（ｄ）に搭載することができる。たとえば、それらの槽と容器はそれぞれバッファタンクの上に搭載することができ、「上」という文言は、該装置が使用中であるときの配向を指す。よって、バッファタンクは、該装置用のベースとしての役割を果たすことができる。

該装置は、第１及び第２の反応物容器（ｂ）を備えることができ、該容器はそれぞれ第１及び第２の反応物を含み、混合させたときにそれらの反応物が反応して水素ガスを生成する。任意で、反応物を含む１以上の追加容器を設けてもよい。

第１及び第２の反応物は通常、反応器槽への圧送を簡易化するように液状で提供される。たとえば、第１及び第２の反応物は、溶液及び／又は懸濁液として供給することができる。

第１及び第２の反応物は、相互に反応して水素を生成する任意の物質とすることができる。

たとえば、第１の反応物は、酸又はアルカリと反応して水素を生成する金属（たとえば、金属微粒子又は金属粉末などの精細に細断された金属）の形状をとることができる。

金属は、たとえば、アルカリ金属又はアルカリ土類金属、アルミニウムなどのＩＩＩ族金属、亜鉛などの非遷移金属又は遷移金属とすることができる。

金属は通常、典型的には懸濁化剤又は懸濁安定化剤によって担体液体（たとえば、水）中に懸濁させることができるように十分細かく細断される。

懸濁化剤又は懸濁安定化剤は、金属が懸濁液に沈降するのを防止する（又は沈降する可能性を低減する）。安定した懸濁を維持することによって、より正確に計測された量の反応物を反応器槽に供給することができる。

懸濁化剤は、たとえば、セルロース又は澱粉系懸濁化剤又は多糖類樹脂とすることができる。このような懸濁化剤及び安定化剤は、製薬及び塗料技術の分野において周知である。懸濁液は、高分子ビグアニドやＮ−ブチル−１，２−ベンズイソチアゾリン−３−オンなどの１以上の殺菌性成分を含有することができる。

第２の反応物は、たとえば、酸又はアルカリとすることができる。

酸の例としては、クエン酸や酒石酸などのカルボン酸類又は硫酸や塩酸などの鉱酸類などがある。

アルカリの例としては、水酸化ナトリウムや水酸化カリウムなどのアルカリ金属水酸化物の水溶液がある。

特定の一実施形態では、第１の反応物は亜鉛又はアルミニウムなどの金属粉末の懸濁液であり、第２の反応物は水性アルカリ金属水酸化物である。

水素を生成するのに使用可能な具体的な反応物の対は、第１の反応物である微細アルミニウムの懸濁液と、第２の反応物である水性水酸化ナトリウムの対である。

該装置は、計量された量の第１及び第２の反応物を反応器槽まで誘導する１以上のポンプ（ｃ）を備える。通常、各反応物容器（ｂ）は自身のポンプを有する。

ポンプは、反応器内の圧力が所定値を超過した場合、ポンプがもはや反応器内へ反応物を圧送しないように構成することができる。したがって、仮に装置用の電子コントローラが故障した場合、ポンプは反応器への追加の反応物の圧送を停止される（停止値の必要性が省かれる）。ポンプは、たとえば蠕動ポンプとすることができる。

よって、一実施形態では、ポンプ（ｃ）は、本明細書に定義される水素の所要圧力以下の最大圧送圧力を有するように構成される。特定の実施形態では、ポンプは、３バール以下の最大圧送圧力を有するように構成される。

第１及び第２の反応物間の反応は通常、発熱反応であり、典型的には、反応によって生成される熱は、反応混合物内の水を蒸発させる。したがって、反応器槽を出る水素ガスの流は、水蒸気だけでなく燃焼材料の微粒子も含む。

したがって、水蒸気及びおそらくは、懸濁した固体の燃料微粒子を、バッファタンクに入る前に水素流から除去する１以上の乾燥器ユニット（脱水ユニット）（ｉ）を設けることができる。

一実施形態では、２以上の乾燥器ユニット（ｉ）を設けてもよい。たとえば、該装置は、反応器槽とバッファタンク（ｄ）との間の管内に直列して搭載される２つの乾燥器ユニット（ｉ）を備えることができる。第１の乾燥器ユニット（すなわち、反応器槽に最も近い）は、水素ガス流内の水の大部分を除去するように配置し、第２の乾燥器ユニット（すなわち、バッファタンクに最も近い）は、水素ガス流内の残留物（又は残留物の大半）を除去するように配置することができる。第１及び第２の乾燥器ユニットは、様々なタイプとすることができる。たとえば、第１の乾燥器ユニットは、冷却水素ガスから湿気を捕捉する単段階水分捕捉装置とし、第２の乾燥器ユニットは、より精細な湿粒子を水素ガスから吸着する除湿剤を含むことができる。

別の実施形態では、乾燥器ユニット（ｉ）が１つのみ設けられる。

乾燥器ユニットは、特定の状況では、たとえば、該装置が高湿水素ガスの使用に耐える又は高湿水素ガスの使用から恩恵を得る燃料電池又はその他の発電機と併せて使用されるときは省略してもよい。

また、該装置は、反応器槽と直列に（たとえば、１以上の乾燥器ユニットの上流に）搭載される熱交換器／分離器ユニットも備えることができ、熱交換器／分離器は、反応器槽から発生する水素ガスを冷却し、ガスに捕捉された固体燃料粒子を乾燥機に入る前に沈降させる役割を果たす。

該装置は、１以上の圧力解放弁を備えることができる。たとえば、圧力解放弁は、反応器槽と乾燥器ユニットとの間に配置することができる。圧力解放弁は通常、配管内に生成される水素圧力が所定値を超過する場合、水素を大気中に逃がすように設定される。通常使用時、圧力解放弁は必須ではなく、特に、ポンプの圧送圧力が３バール以下の最大値に設定されるときは無用である。しかしながら、圧力を制御する圧力センサ（ｅ）及び／又は電子制御手段（ｆ）が故障した場合、圧力解放弁が存在すれば、安全度が高まる。しかし、概して、該装置は、比較的低圧（好ましくは、最大３バール）の水素を生成するように構成されるため、圧力解放弁は省略してもよい。

本発明の概略的な一実施形態では、ポンプの圧送圧力が３バール以下の最大値に設定されるとき、該装置は圧力解放弁を持たない。

電子制御手段（電子コントローラ）は、該装置の動作を制御及び／又は監視するために設けられる。電子制御手段は、反応器槽への反応物の流を制御する。電子制御手段は、存在するときには圧力センサ（ｅ）、存在するときには温度センサ（ｇ）及び１以上のポンプ（ｃ）に連結される。

電子制御手段は、制御手段によって収集されるデータへのアクセスを可能にする出力装置に連結する、又は該出力装置を含むことができる。たとえば、出力装置は、ケーシング（ｈ）に簡便に搭載可能な視覚ディスプレイ（たとえば、視覚表示ユニット）とすることができる。

好ましくは、電子制御手段を用いて、ユーザは該装置の１以上の動作パラメータを選択及び／又は変更することができる。たとえば、電子制御手段を用いて、該装置によって送達される水素の圧力及び／又は水素が生成される期間を選択することができる。したがって、電子制御手段は通常、データ及び／又は指示を入力する手段を備える。入力手段は、キーボード若しくはキーパッド又はタッチスクリーン型視覚表示ユニット上の視覚キーボード若しくはキーパッドを備えることができる。

本発明の装置には通常、１以上のポンプに電力を供給する内蔵電源又は電源入口（ｊ）、存在するときはモータ攪拌装置、電子制御手段（ｆ）、及び該装置の一部を成すその他任意の電力消費装置を設けることができる。電源は、たとえば、燃料電池又は水素消費発電機及び／又は１以上のバッテリの形状をとってもよい。燃料電池又は発電機は、バッファタンク内の残留水素を用いて、該装置を始動する電力を生成することができる。これに代え又は加えて、該装置を始動するのに必要な電力は、バッテリから供給することができる。内蔵バッテリは、運転中、燃料電池又は内蔵発電機を通じて該装置によって生成される水素の一部を流用することによって充電することができる。

本発明の装置は、水素を消費する外部装置（たとえば、携帯又はハンドヘルド装置）に接続することができる。あるいは、該装置は、装置用ケーシング内に位置する水素消費装置に接続することができる。たとえば、該装置は、燃料電池又は水素動力内燃機関を備える発電機に接続することができる。燃料電池は通常、イオン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池などの携帯燃料電池である。

よって、別の態様では、本発明は、水素を消費する装置、たとえば、ＰＥＭ燃料電池などの燃料電池又は発電機などの水素を消費する水素消費装置と組み合わされた、本明細書で定義される装置を提供する。

該装置は、該装置の過熱を防止するファンなどの冷却装置を更に備えることができる。したがって、ケーシングには、ケーシング内の空気を循環させて、効率的な冷却を可能にする空気逃がし穴を設けることができる。

電子コントローラは、該装置内の水素ガスの圧力が１０バール（１０×１０^５Ｐａ）を超過せず、通常は上で規定した範囲内に収まるように、反応器槽への反応物の流を制御すべくプログラムされる。一実施形態では、本発明の装置は、燃料電池に特に適する水素ガス圧力（たとえば、最大５バール（３×１０^５Ｐａ）、０．５バール〜３バール（０．２×１０^５〜３×１０^５Ｐａ）又は１．５〜２．５バール（１．５×１０^５〜２．５×１０^５Ｐａ）又は１．７５〜２．２５バール（１．７５×１０５〜２．２５×１０^５Ｐａ））を供給するように構成する及び／又はプログラムすることができる。ＰＥＭ燃料電池が使用されるとき、減圧装置を設けて、約０．５バール以下の値まで水素圧力を低減させることができる。

該装置は、燃料電池、たとえば、ＰＥＭ燃料電池などの連結装置において所望の圧力入力要件を合致させるため、所定の又は選択された略一定の圧力で水素を供給するように構成する及び／又はプログラムすることができる。

また、本発明は水素生成装置を提供し、該装置は以下を備える。

（ａ）反応器槽、
（ｂ）反応器槽に連結される第１及び第２の反応物容器であって、混合されたときに反応して水素ガスを生成する第１及び第２の反応物を含む第１及び第２の反応物容器、
（ｃ）前記反応物容器から前記反応器槽に前記第１及び第２の反応物を圧送し、前記反応物が混合されて反応し水素ガスを生成する１以上のポンプであって、０．１バール〜１０バールの範囲の最大圧送圧力を供給するように選択又は設定されるポンプと、
（ｄ）反応器槽から水素ガスを受け取るバッファタンク、
（ｅ）装置内の水素ガスの圧力を測定する圧力センサ、
（ｆ）装置の動作を制御する電子制御手段であって、１以上のポンプ及び圧力センサと通信し、装置内の水素ガスの圧力を１０バール（１０×１０^５Ｐａ）以下の値に維持するように反応器槽への反応物の流を制御すべくプログラムされる電子制御手段。

また、本発明は水素生成装置を提供し、該装置は、
（ａ）１以上の反応物入口を有する反応器槽であって、第１及び第２の反応物が入口を通って反応器槽に入ることができ、第１及び第２の反応物が混合されたときに反応して水素ガスを生成する反応器槽、
（ｃ）圧前記第１及び第２の反応物を含む反応物容器から前記反応器槽へ前記第１及び第２の反応物を圧送する１以上のポンプであって、０．１バール〜１０バールの範囲の最大圧送圧力を供給するように選択又は設定されるポンプ、
（ｄ）反応器槽から水素ガスを受け取るバッファタンク、
任意で、（ｅ）装置内の水素ガスの圧力を監視する圧力センサ、
（ｆ）装置の動作を制御する電子コントローラであって、１以上のポンプ及び存在するときに圧力センサ通信し、反応器槽への反応物の流を制御するようにプログラムされる電子コントローラ、を備え、
水素ガスの圧力が所定値に達すると、前記反応器への前記第１及び第２の反応物の一方又は両方の圧送が防止されるように前記装置が設定され、
所定値が、０．１バール〜１０バール（１０×１０^３Ｐａ〜１０×１０^５Ｐａ）の範囲の圧力である。

該装置と燃料電池との組み合わせは、電気を直接入手できない状況で特に有効である。たとえば、この組み合わせを利用して、現場環境下で、コンピュータ、携帯電話及びその他の携帯電子装置などの装置を充電したり、発電機に燃料を供給したりすることができる。

添付図面に示す具体的な実施形態を参照して、本発明を以下より詳細に（限定ではなく）説明する。

本発明の第１の実施形態による装置の概略図である。 本発明の第２の実施形態による装置の斜視図である。 図２の装置を片側から見た図である。 図２及び３の装置を上から見た図である。 図２〜４の装置の斜視図であるが、外部ケーシングは外されている。 図２〜４の装置の前面図であるが、外部ケーシングは外されている。 図２〜４の装置の右側面図であるが、外部ケーシングは外されている。 図２〜４の装置の左側面図であるが、外部ケーシングは外されている。 図２〜４の装置の上面図であるが、外部ケーシングは外されている。 本発明の第３の実施形態による装置の上面図であり、ケーシングの一部が外されている。 図１０の装置の片側から見た斜視図であり、ケーシングの一部が外されている。 図１０の装置の側断面図である。

図１は、本発明の第１の実施形態による装置の概略図である。該装置は、上側反応器セクション４及び下側サンプセクション６を備える反応器槽２を備え、両セクションとも３０４Ｌステンレス鋼から形成される。反応器槽の上側及び下側セクションには、解除可能なフランジクランプ８によって共に固定される接合フランジが設けられる。フランジとフランジクランプの構成は、ＩＳＯ迅速離脱フランジ（たとえば、Ｋｌｅｉｎ（登録商標）フランジ）の形状をとることができる。ガスケット（たとえば、銅製ガスケット又は弾性材料から形成されるガスケット）がフランジ間に配置され、略気密封止を提供する。消費された反応生成物を除去するために、サンプ廃棄物出口４６がサンプセクション６の下端の壁に設定される。

反応器槽の上には気密攪拌パッキン抑えがはめ込まれ、パッキン抑えには攪拌シャフト１０に回転可能に装着される。攪拌シャフト１０は、下端に攪拌パドル１２が設けられる。攪拌装置パドルは、反応器槽の内部と補完的な形状をとり、パドルの回転を邪魔せずに、攪拌装置パドルと反応器槽の内壁との間の空間を最小化するように成形される。これにより、物質が槽の内壁から常に掻き取られるため、物質が反応器槽の側部及び底部に堆積することが防止される。攪拌シャフト１０の上部には、電源（図示せず）に接続される脱着可能モータ１４が装着される。モータ１４は取り外すことができ、必要に応じて手回しクランクをシャフトに装着して、攪拌装置の手動動作を可能にすることができる。

反応器槽の上部には、第１の反応物入口１６及び第２の反応物入口１８並びに水素ガス出口２０も形成される。第１及び第２の反応物入口は、気密管を介して蠕動ポンプ２２及び２４に接続され、別の長さの気密管を介して第１及び第２の反応物容器２６及び２８に接続される。

蠕動ポンプ２２及び２４は、プログラマブルコンピュータ処理部（ＣＰＵ）３０に電子的に連結され、次いでタッチスクリーン型電子インタフェース部３２に接続される。ＣＰＵ３０及び電子インタフェース部は共に、該装置用の電子コントローラを構成する。

温度センサ３４が反応器槽の外面に装着される。温度センサ３４はＣＰＵ３０に電気的に接続される。

水素ガス出口２０は、気密管を介して水分分離器又は乾燥器３６に接続され、次に別の長さの気密管を介してバッファタンク４０の壁の入口３８に接続される。水分分離器又は乾燥器は単段階又は２段階乾燥器とすることができる。圧力センサ４２は、ガス出口２０と水分分離器３６との間の短い分岐路を介して管に接続される。圧力センサは、ＣＰＵ３０に電子的に接続される。

バッファタンク４０は、３０４Ｌステンレス鋼から形成され、最大１０バール（１０×１０^５Ｐａ）の内部ガス圧に耐えるように構成される。バッファタンクは、タンクの壁の剛性を高める補強リブを有することができる。バッファタンクの内容積は通常、反応器槽の内容積の１．５倍、より一般的には２倍以上である。バッファタンク４０は、発電機又は燃料電池などの水素消費装置に接続することができる出口４４を有する。

図１に示すコンポーネントは通常、ケーシング（図示せず）に包囲される。バッファタンク４０は、ケーシングに包囲される、又はケーシングを搭載するベースを形成することができる。タッチスクリーン型電子インタフェース部３２は、装置のユーザがアクセスできるようにケーシング上に搭載される。

内蔵電源（図示せず）もケーシング内に搭載される。電源は、蠕動ポンプ、攪拌装置モータ、電子コントローラ及び装置内の任意のその他の電力消費コンポーネントにとって必要な電力を供給する。電源は、燃料電池及び／又はバッテリの形状をとることができる。燃料電池は、該装置の使用中に生成される水素の一部を消費し、バッテリを充電するために使用することができる。始動時、ポンプ及び電子コントローラを動作させるのに必要な電力は、前回の使用後にバッファタンク内に残る残留水素に基づき動作するバッテリ又は燃料電池から供給することができる。

使用時、該装置は、電子インタフェース部３２でオンに切り換えられて、所望の投入水素圧力が選択される。該装置によって生成される水素が、外部燃料電池による消費を意図される場合、圧力は通常、約３バール（３×１０^５Ｐａ）に設定される。あるいは、該装置には、所要の投入水素圧力を自動的に選択する工場設定値を提供することができ、この場合、所望の投入水素圧力を選択する始動ステップを省略することができる。

いったん圧力が設定されれば、蠕動ポンプ２２及び２４は、第１及び第２の反応物容器２６及び２８から、反応物入口１６及び１８を通じて反応器槽２に反応物を圧送し、そこで反応物が反応し合って水素を生成する。

反応物は、上述したように、反応し合って水素を生成する複数の異なる対の反応物のうち任意のものであってよく、特定の実施形態では、一方の反応物容器が水酸化ナトリウム溶液を含み、他方の反応物容器が微細アルミニウム粒子の懸濁液と、たとえば、澱粉などの多糖類とすることができる懸濁化剤とを含む。

反応器槽内で生成された水素は、水素ガス出口２０から流出し、乾燥器３６を通り、そこで水分がガス流から除去された後、バッファタンク４０へと向かう。反応器槽とバッファタンクとの間に一方向弁が存在しないため、水素ガスは自由に両方向に流れることができる。システム内のガス圧力は、圧力センサ４２によって測定され、圧力を示す信号がＣＰＵ３０に送信される。いったんガス圧力が所要値又は所要圧力未満の所定値に到達すると、蠕動ポンプが停止されることによって、反応器槽への反応物の流れを休止させる。水素が出口４４を通じて引かれない場合、反応器槽、管、乾燥器及びバッファタンク内の水素圧力が均等化される。出口４４が水素消費装置に接続されると、バッファタンクから水素を抽出するとき、システム内のガス圧力が低下して、その低下が圧力センサ４２によって検出され、信号がＣＰＵ３０に送信される。その後、蠕動ポンプが始動されて、反応器槽へ追加の反応物を圧送し、より多くの水素を生成する。圧力センサ、ＣＰＵ及び蠕動ポンプによって形成されるフィードバックループのおかげで、該装置内で十分一定の水素圧力を維持することができる。

蠕動ポンプは通常、いったんシステム内の圧力が所与レベル（すなわち、上述の範囲内の圧力）に到達すれば、反応物を圧送できないように構成される。したがって、万一、電子制御システムが故障し、システム内の水素圧力が制御不能なほど上昇しても、蠕動ポンプが高圧システムに追加の反応物を圧送することが防止される。その結果、システム内の水素圧力の上昇が防止される。

バッファタンクの容積は反応器槽の容積よりも相当大きいため、反応物の追加後に発生することがある水素圧力の変動（たとえば、パルス）は、外部水素消費装置に供給される水素の圧力が一定になるようにバッファタンクによって吸収することができる。

温度センサ３４は、該装置の運転中、反応器槽の外側温度を監視する。反応器槽の伝熱特性が既知である又は判定することができるため、反応器槽の外面温度の測定値は、反応器槽内の温度に関する信頼の置ける指標となる。該装置の使用前、電子インタフェース部３２を使用して最大許容反応器温度を設定する。使用時に温度が最大許容温度を超える場合、温度が許容可能なレベルに戻るまで、蠕動ポンプはオフになる又は切断される。典型的には、温度は、反応物の沸騰又は逆流を回避するように１００℃未満の値に設定される。

該装置の運転中、固形廃棄物は通常、反応器槽のサンプセクションに堆積する。廃棄物は、廃棄物出口４６を通じて除去することができる。しかしながら、サンプセクション内の廃棄物は、部分的に反応した又は反応しなかった反応物と混合させることができるため、反応物から得られる水素の量を最大化するには、廃棄物出口４６から管（図示せず）のループを通り、廃棄物出口よりも高位にあるリサイクル入口（図示せず）から反応器槽に戻るように混合物をリサイクルすることが有益である。リサイクルループは、反応器槽内の化学反応の完了を示す反応パラメータを測定する１以上のセンサを含むことができる。たとえば、リサイクルループは、ｐＨ計を含むことができる。センサ（たとえば、ｐＨ計）はＣＰＵに連結され、ＣＰＵは、反応パラメータを所望範囲内に維持するように、センサから受信した信号に応答して、反応器槽内に圧送される反応物の相対量を変更すべくプログラムすることができる。リサイクルループは、ＣＰＵに電子的に連結される追加ポンプ（たとえば、蠕動ポンプ）を含むことができる。ＣＰＵは、リサイクルループが動作中であるとき、追加の新たな反応物が（又はごく低レベルの新たな反応物しか）反応器槽に導入されないようにプログラムすることができる。

間隔をおいて、反応器槽の２つのセクションは、フランジクランプを取り外すことで分離させることができ、廃棄物を反応器槽、特に下側サンプセクションから機械的に除去することができる。これに代え又は加えて、廃棄物は、リサイクルループのポンプによってサンプセクションから吸い出し、リサイクルする代わりに、リサイクルループの廃棄物出口を通じて廃棄させることもできる。

図１に示す装置は、需要に応じて水素を生成し、装置の要する圧力で、燃料電池などの水素消費装置に直接供給することができる。バッファタンクが存在し、ガスが反応器槽とバッファタンクとの間を自由に流れることができるという事実は、ガス圧力の変動が調整されて、十分一定の圧力で水素を水素消費装置に供給できることを意味する。該装置が燃料電池と組み合わせて使用されるとき、又は該装置が内蔵燃料電池を含むとき、減圧弁を燃料電池の入口に装着して、水素圧力を燃料電池の動作圧力（通常、約０．５バール）まで低減することができる。

水素は、低圧で本発明の装置によって生成され、使用後に装置内に保管される水素は低圧で保管される。したがって、該装置からの水素漏れに関連するリスクが大幅に低下するため、現場環境下で本発明の装置はより安全に使用される。

図２〜９は、反応器及び他の動作コンポーネントがケーシング内に隠される本発明の一実施形態を示す。本実施形態では、該装置はバッファタンク１０２を備え、その上にケーシング１０４が装着される。

バッファタンクは、３０４Ｌグレードのステンレス鋼から形成され、最大１０バール（１０×１０^５Ｐａ）の内部水素圧力に耐えることができる。タンクから水素を引き出せるように、水素出口１０６がバッファタンクに設けられる。水素出口１０６は、ある長さの管を装着して、該装置を、水素消費装置（たとえば、ＰＥＭ燃料電池）に接続することができるように構成される。減圧装置は通常、燃料電池の水素入口の前又は水素入口に設けられて、圧力を燃料電池の動作圧力（たとえば、約０．５バール）まで低減させることができる。

ケーシング１０４は、ポリプロピレン又はポリカーボネートから形成され、バッファタンクを配置して該装置のベースを形成する枠の周囲に固定される。ケーシング１０４は、図５〜９に示される装置の内部機構を隠す。シャフト１０８の端部は、ケーシング１０４の上部から外方に延在して、電動モータ駆動ミキサの一部を成す。ミキサに動力を供給するのに利用可能な電力が不十分である場合、ミキサのシャフト１０８は、手回しクランクを用いて手動で回転させることができる。

該装置によって生成される水素の圧力など、装置の各種動作パラメータを表示するのに使用されるタッチスクリーン型電子インタフェース部１１０が、ケーシングの上面の凹部にはめ込まれる。オンオフ電源ボタン１１２は、ディスプレイ画面に隣接する。図示される実施形態では、ディスプレイ画面は、該装置の動作を制御することができるタッチスクリーンである。

図５〜９は、該装置の内部コンポーネントを露わにするために、外部ケーシング１０４を取り除いた状態の装置を示す。バッファタンク１０２には、上側ステンレス鋼セクション１１６及び下側ステンレス鋼セクション１１８から形成される反応器槽１１４が搭載され、両セクションは、フランジクランプによって共に固定される接合Ｋｌｅｉｎ（登録商標）フランジをそれぞれ有する。あるいは、フランジのサイズを拡張し、フランジボルトを用いて反応器槽の２つの部分を固定することができる。水素ガス封止ガスケット（図示せず）は、気密封止を提供するように、上側セクションと下側セクションの接合フランジ間で厳重に締め付けられる。２つのセクションを共に保持するクランプ（又はもしあればフランジボルト）を緩めることによって、清掃及び保全目的で反応器槽を分解することができる。

反応器槽には、電動モータ１２０によって駆動される回転可能シャフト１０８を有する攪拌装置が設けられる（図５〜９を参照）。電動モータは、該装置によって生成される水素を燃料とする充電式内蔵バッテリ（図示せず）及び／又はＰＥＭ燃料電池又はガス発電機から動力を得る。シャフト１０８の下端は、攪拌装置パドル（図示せず）に装着される。シャフト１０８の上端は、モータ１２０から外方に延在しており、バッテリ電力が低い場合には手で回転させることによって、上述したように攪拌装置の手動動作を可能にする。攪拌装置の手動動作を支援するため、シャフト１０８の上端にはハンドル又はクランク（図示せず）を設けることができる。

反応器槽は一対の反応物入口１２２、１２４を有し、これらの入口は短い長の管によって、一対の蠕動ポンプ１２６、１２８の対応する出口に連結される。蠕動ポンプは、該装置によって生成される水素を燃料とする充電式内蔵バッテリ（図示せず）及び／又はＰＥＭ燃料電池又はガス発電機から動力を得る。２つの蠕動ポンプの入口は、短い長さの管によって反応物容器１３０、１３２に接続される。反応物容器は、上述したように、混合されたときに反応して水素ガスを生成する反応物を含む。反応物は、蠕動ポンプによって搬送できるように液状で供給される。

反応器槽は、水素ガス出口１３４、水素ブリード弁１３６、並びにある長さの管１４０及び圧力計（図示せず）を介してバッファタンク１０２に接続される追加の出口１３８を有する。水素ガス出口１３４は、ある長さの管を介して圧力解放弁１４２に接続され、次に別の長さの管を介して第１の乾燥器又は脱水器１４４及び第２の乾燥器１４６に接続される。第２の乾燥器１４６用の出口は、ある長さの管を介してバッファタンク１０２に接続される。

使用時、該装置は、オンオフスイッチ１１２を押圧して、プログラマブルコンピュータ処理部（ＣＰＵ）２４８及びタッチ式ディスプレイ画面１１０を始動することによって起動される。次に、ユーザは、メニューから必要な水素生成及び送達プロファイルを選択し、該装置を始動することができる。次いで、２つの反応物が、投入容器１３０、１３２からポンプ１２６、１２８を介して、反応器槽１１４の入口１２２、１２４を通り、インラインミキサ１２５に、次に反応器槽１１４に圧送される。反応物は、まずインラインミキサ１２５内で反応し、反応器槽１１４内で反応を続けて水素ガスを生成する。反応物の混合は、シャフト１０８の回転によって駆動される攪拌装置によって支援される。反応によって生成された水素ガスは、水素出口１３４を出て、続いて圧力解放弁１４２並びに第１及び第２の乾燥器１４４、１４６を通り、保管タンクに流れ込む。圧力解放弁１４２は、システム内の水素ガス圧力が所定値を超過する場合、水素を大気中に解放するように設定される。第１の乾燥器は、湿気の多い水素ガスが冷却する際、湿気／水分からガスを分離して水素中の水蒸気の大半を除去する水分捕捉装置である。典型的には除湿乾燥器（又は吸着乾燥器）である第２の乾燥器は、活性アルミナ、シリカゲル、モレキュラーシーブ又はその他の除湿材料などの吸水媒体で満たした２つの「塔」又は「柱」を含む槽を備える。除湿材料は、水素ガス流内の水蒸気の全部ではなくても大部分を除去する吸着によって、圧縮空気から水分を引き寄せる。

該装置は、特定の水素圧力の生成を目的とする速度で、反応器槽へ反応物を供給するようにプログラムされる。ＰＥＭ燃料電池の場合、該装置内で生成される水素の圧力は通常、約２〜３バールであるが、減圧装置（たとえば、約０．５バールに設定）をＰＥＭ電池の入口に接続して、水素圧力をＰＥＭ電池の動作圧力を低減させることができる。該装置によって生成される水素の圧力は、バッファタンク１０２と反応器槽１１４のそれぞれに配置される圧力計を用いて監視される。圧力をディスプレイ画面１１０に表示できるように、圧力計は電子コントローラに電子的に連結される。

バッファタンク１０２は、図１に示す実施形態に関して記載されるように機能する。つまり、バッファタンクは、反応器槽への反応物の追加によって生じる圧力変動を吸収し、該装置の各種部分内のガス圧力を均等化する手段を提供する。圧力計によって測定されるシステム内の全体圧力が所要圧力よりも高い場合、反応器槽に導入される反応物の量が低減される。逆に、水素圧力が低すぎる場合、反応器槽に導入される反応物の量を増加させることができる。水素圧力が過剰に急速に上昇する場合、過剰な圧力は、圧力解放弁１４２又は水素ブリード弁１３６によって解放することができる。このように、出口１０６を介してＰＥＭ燃料電池などの水素消費装置に供給される出力水素圧力は、装置の水素圧力要件に合致させることができ、ＰＥＭ電池に入る水素の圧力の精密な制御は、ＰＥＭ電池の入口に装着される減圧装置（たとえば、圧力を約０．５バールに低減する）を用いて達成される。温度センサ（図示せず）は通常、反応器槽内又は反応器槽の外面に搭載される。温度計も電子コントローラに連結される。反応器槽内の温度が過剰に急速に上昇する場合、反応器槽への反応物の流れは停止又は低減させることができる。

好ましくは、圧力計及び温度センサによって測定される圧力及び温度は、インタフェース部１１０に表示される。しかしながら、圧力及び温度は、ケーシング１０４に搭載されるダイヤルに表示することもできる。上記の２つのダイヤル（一方は温度、他方は圧力を表示する）を図５に示す。

該装置は、ＰＥＭ又は発電機が十分な動力を供給していない場合、攪拌装置モータ、インラインミキサ及び蠕動ポンプに動力を供給する代替物として内蔵充電式バッテリを有する。攪拌装置モータ、インラインミキサ及び蠕動ポンプは、超低圧環境で動作するように設置され、連続的に動作しない。よって、内蔵バッテリは、比較的稀にしか充電しなくてよい。必要に応じて、該装置に接続される燃料電池又は発電機によって生成される電気の一部は、バッテリの充電に利用することができる。消費電力を更に低減するため、該装置は、反応器槽内の反応物の攪拌が電動モータ１２０を使用せずに手動で完全に実行されるように設定することができる。

本発明の装置は携帯型である、すなわち、平均的筋力の１人又は２人によって容易に移動させることができるサイズ及び重量を有する。よって、単に例示として、（保管タンク及びケーシングを含む）装置の全高は４５０ｍｍとし、一水平方向の幅（又は長）は４６０ｍｍとし、一直交水平方向の幅（又は長）は２８０ｍｍとすることができる。しかしながら、これらの大きさは、所要に応じて変更できると理解される。また、たとえば、反応物の重量を除き、上記の大きさの装置の重量は約１５ｋｇ〜約１５０ｋｇ、たとえば約２７ｋｇとすることができる。

該装置の作業部分は、金属材料から作製できるが、より一般的には、適切なグレードのポリプロピレン又はポリカーボネートなどの強靱なプラスチック材料から作製される外部ケーシング１０４によって保護される。有益なことに、外部ケーシングには、該装置の上昇を支援するハンドル又はハンドル状構造（図示せず）を設けることができる。

反応物間の化学反応は通常、水酸化アルミニウム及びアルミン酸ナトリウムなどの廃棄物を生み、それらの廃棄物は次第に反応器槽の底部に堆積し、適時除去する必要がある。このため、反応器槽の上側及び下側セクションは分離させることができ、廃棄物は下側セクションから掻き落とすことができる。

図１０〜１２は、反応器及びその他の作業コンポーネントが、装置を転動させることができるように略球状ケーシング内に隠されている本発明の別の実施形態を示す。

本実施形態では、該装置は、略球状ケーシング２０４内に搭載されるバッファタンク２０２を備える。バッファタンクは３０４Ｌグレードステンレス鋼から形成され、最大１０バール（１０×１０^５Ｐａ）の内部水素圧力に耐えることができる。タンクから水素を引き出せるように、水素出口（図示せず）がバッファタンクに設けられる。水素出口は、ある長さの管及び減圧装置（図示せず）を介してＰＥＭ燃料電池２５２に接続される。

該装置は、ケーシング内に納まるディスプレイ画面２１０を更に備える。図示される実施形態では、ディスプレイ画面は、該装置の動作を制御することができるタッチスクリーンである。ディスプレイ画面に加えて、ユーザがケーシングを開放する必要なく水素の生成を開始又は停止することができるオン／オフボタン２１２が、ケーシングの面の凹部にはめ込まれる。

また、ケーシング内には、蓋２１６を有する反応器槽２１４が搭載される。蓋及び反応器槽は、フランジクランプによって共に固定される接合Ｋｌｅｉｎ（登録商標）フランジを有する。水素ガス封止ガスケット（図示せず）は、気密封止を提供するように、上側セクションと下側セクションの接合フランジ間で厳重に締め付けられる。蓋を反応器槽に保持するクランプを緩めることによって、清掃及び保全目的で反応器槽を分解することができる。

反応器槽には、電動モータ２２０によって駆動される回転可能シャフトを有する攪拌装置が設けられる。電動モータは、該装置によって生成される水素を燃料とする充電式内蔵バッテリ２５０及び／又はＰＥＭ燃料電池２５２から動力を得る。シャフトの下端は、攪拌装置パドル（図示せず）に装着される。

反応器槽は一対の反応物入口２２２、２２４を有し、これらの入口は短い長の管によって、一対の蠕動ポンプ２２６、２２８の対応する出口に連結される。蠕動ポンプ、該装置によって生成される水素を燃料とする充電式内蔵バッテリ２５０及び／又はＰＥＭ燃料電池２５２から動力を得る。２つの蠕動ポンプの入口は、短い長の管を介して反応物容器２３０、２３２に接続される。反応物容器２３０、２３２は、上述したように、混合されたときに反応して水素ガスを生成する反応物を含む。反応物は、蠕動ポンプによって搬送できるように液状で供給される。

反応器槽は、水素ガス出口と、ある長さの管及び圧力計（図示せず）を介してバッファタンク２０２に接続される別の出口とを有する。水素ガス出口は、ある長さの管を介して第１の乾燥器又は脱水器２４４及び第２の乾燥器２４６に接続される。第２の乾燥器２４６用の出口は、ある長さの管を介してバッファタンク２０２に接続される。

更に、反応器槽は、反応廃棄物及び／又は反応しなかった反応物を除去するための廃棄物出口を基部に備える。これらの廃棄物や反応物は、ある長さの管を通じて反応器に戻してリサイクルする、又は別の長の管を通じて廃棄物容器２３４まで搬送することができる。

使用時、該装置は、オンオフスイッチ２１２を押圧して、プログラマブルコンピュータ処理部（ＣＰＵ）２４８及びタッチ式ディスプレイ画面２１０を始動することによって起動される。次に、ユーザは、メニューから必要な水素生成及び送達プロファイルを選択し、該装置を始動することができる。次いで、２つの反応物が、投入容器２３０、２３２からポンプ２２６、２２８を介して、反応器槽１１４の入口２２２、２２４に圧送される。反応物は、まず反応器槽２１４内で反応して水素ガスを生成する。反応物の混合は、シャフトの回転によって駆動される攪拌装置を用いて支援される。反応によって生成された水素ガスは、水素出口を出て、続いて第１及び第２の乾燥器２４４、２４６を通り、バッファタンク２０２に流れ込む。第１の乾燥器は、湿気の多い水素ガスが冷却する際、湿気／水分からガスを分離して水素中の水蒸気の大半を除去する水分捕捉装置である。典型的には除湿乾燥器（又は吸着乾燥器）である第２の乾燥器は、活性アルミナ、シリカゲル、モレキュラーシーブ又はその他の除湿材料などの吸水媒体で満たした２つの「塔」又は「柱」を含む槽を備える。除湿材料は、水素ガス流内の水蒸気の全部ではなくても大部分を除去する吸着によって、圧縮空気から水分を引き寄せる。

該装置は、特定の水素圧力を生成することを目的とする速度で、反応器槽へ反応物を供給するようにプログラムされる。ＰＥＭ燃料電池の場合、水素圧力は通常、約３バール未満（たとえば、０．５バール〜３バールの範囲）である。該装置によって生成される水素の圧力は、バッファタンク２０２と反応器槽２１４との間の管内に配置する圧力計によって監視される。圧力をディスプレイ画面２１０に表示できるように、圧力計は電子コントローラ２４８に電子的に連結される。減圧装置がＰＥＭ電池のガス入口に接続されて、電池に入る水素の圧力を電池の動作圧力、通常、約０．５バールに制限する。

バッファタンク２０２は、図１に示す実施形態に関連して記載されるような機能を果たす。つまり、バッファタンクは、反応器槽への反応物の追加によって生じる圧力変動を吸収し、該装置の各種部分内のガス圧力を均等化する手段を提供する。圧力計によって測定されるシステム内の全体圧力が所要圧力よりも高い場合、反応器槽に導入される反応物の量が低減される。逆に、水素圧力が低すぎる場合、反応器槽に導入される反応物の量を増加させることができる。このように、ＰＥＭ燃料電池などの水素消費装置に供給される出力水素圧力は、装置の水素圧力要件に合致させることができる。温度センサ（図示せず）は通常、反応器槽２１４内又は反応器槽の外面に搭載される。温度計もＣＰＵ２４８に連結される。反応器槽内の温度が過剰に急速に上昇する場合、反応器槽への反応物の流れは停止又は低減させることができる。

好ましくは、圧力計及び温度センサによって測定される圧力及び温度は、インタフェース部２１０に表示される。

該装置は、ＰＥＭ又は発電機が十分な動力を供給していない場合、攪拌装置モータ、インラインミキサ及び蠕動ポンプに動力を供給する代替物として内蔵充電式バッテリ２５０を有する。攪拌装置モータ、インラインミキサ及び蠕動ポンプは、超低圧環境で動作するように設置され、連続的に動作しない。よって、内蔵バッテリは、比較的稀にしか充電しなくてよい。必要に応じて、該装置に接続される燃料電池又は発電機によって生成される電気の一部は、バッテリの充電に利用することができる。消費電力を更に低減するため、該装置は、反応器槽内の反応物の攪拌が電動モータ２２０を使用せずに手動で完全に実行されるように設定することができる。

図１０〜１２に示す実施形態では、ケーシングは、生成された水素を電力に変換するイオン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池２５２と関連コントローラ２５４とを収容する。燃料電池には、水素入口及び廃棄物流体出口が設けられる。ＰＥＭ電池の水素入口には、水素の投入圧力を電池の動作圧力、たとえば、約０．５バールに調節する減圧弁が設けられる。次いで、水素出口からの流体流は、リサイクルしＰＥＭ電池にフィードバックして、流体流に存在する水素から更に電力を引き出すことができる、又は大気中に排出することができる。

また、ケーシングは、冷却手段としてファン２５６を含み、該装置の過熱を防止することができる。ファンは空気循環のためにＰＥＭ電池の上方に配置して、ＰＥＭ電池の過熱を防止することができる。ケーシングは、空気循環を助け、冷却効率を向上させる空気逃がし穴を更に含むことができる。

該装置にはＤＣ／ＡＣ電力インバータ２５８も設けられる。ＰＥＭ電池が直流（ＤＣ）を生成すると、該装置によって生成される電力を使用する装置に適する場合に、インバータがこの電流を交流（ＡＣ）に変換する。

該装置の作業部分は、アルミニウムなどの金属材料から作製することができる外部ケーシング２０４によって保護される。有益なことに、外部ケーシングには、該装置の移動（たとえば、転動及び／又は上昇）を支援するハンドル又はレールを設けることができる。外部ケーシングには、使用中の該装置の直立配向を保持する格納式安定化脚部（図示せず）を更に設けることができる。

上述し、添付の図面及び表に示す実施形態は単に本発明を例示するものであり、限定的な効果を有することを目的としていない。本発明の元となる原理を逸脱せずに、示される具体的な実施形態に対して多数の変更及び変形を行うことができることは容易に自明となる。このようなすべての変更及び変形は、本願に包含されることを目的とする。

Claims (22)

1. 水素生成装置であって、
   （ａ）反応器槽と、
   （ｂ）前記反応器槽に連結される第１及び第２の反応物容器であって、混合されたときに反応して水素ガスを生成する第１及び第２の反応物をそれぞれ含む第１及び第２の反応物容器と、
   （ｃ）前記反応物容器から前記反応器槽に前記第１及び第２の反応物を圧送し、前記反応物が混合されて反応し水素ガスを生成する１以上のポンプであって、０．１バール〜１０バールの範囲の最大圧送圧力を供給するように選択又は設定される前記ポンプと、
   （ｄ）前記反応器槽から水素ガスを受け取るバッファタンクと、
   （ｅ）前記装置内の水素ガスの圧力を測定する圧力センサと、
   （ｆ）前記装置の動作を制御する電子制御手段であって、前記１以上のポンプ及び前記圧力センサと通信し、前記装置内の水素ガスの圧力を１０バール（１０×１０^５Ｐａ）以下の値に維持するように前記反応器槽への反応物の流を制御すべくプログラムされる電子制御手段と、を備える水素生成装置。
2. 水素生成装置であって、
   （ａ）１以上の反応物入口を有する反応器槽であって、第１及び第２の反応物が前記入口を通って前記反応器槽に入ることができ、前記第１及び第２の反応物が混合されると反応して水素ガスを生成する反応器槽と、
   （ｃ）前記第１及び第２の反応物を含む反応物容器から前記反応器槽へ前記第１及び第２の反応物を圧送する１以上のポンプであって、０．１バール〜１０バールの範囲の最大圧送圧力を供給するように選択又は設定されるポンプと、
   （ｄ）前記反応器槽から水素ガスを受け取るバッファタンクと、
   任意で、（ｅ）前記装置内の水素ガスの圧力を監視する圧力センサと、
   （ｆ）前記装置の動作を制御する電子制御手段であって、前記１以上のポンプ及び、存在するときに前記圧力センサと通信し、前記反応器槽への反応物の流を制御するようにプログラムされる前記電子制御手段と、
   を備え、
   水素ガスの圧力が所定値に達すると、前記反応器槽への前記第１及び第２の反応物の一方又は両方の圧送が防止されるように前記装置が設定され、
   前記所定値が、０．１バール〜１０バール（１０×１０^３Ｐａ〜１０×１０^５Ｐａ）の範囲の圧力である、水素生成装置。
3. 前記ポンプは、前記反応器槽の内部の圧力が所定値を超える場合、前記ポンプは前記反応器槽内に反応物をもはや圧送しないように構成されている、請求項１又は２に記載の装置。
4. 前記ポンプは、０．１バール〜１０バールの範囲の最大圧送圧力を提供するように選択される、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の装置。
5. 前記装置が使用中であるとき、前記装置内の水素の圧力が、
   （ｉ）０．５バール〜５バール（０．３×１０^５Ｐａ〜３×１０^５Ｐａ）又は、
   （ｉｉ）２バール（２×１０^５Ｐａ）〜４バール（４×１０^５Ｐａ）又は、
   （ｉｉｉ）２．５バール（２．５×１０^５Ｐａ）〜３．５バール（３．５×１０^５Ｐａ）の範囲内で維持される、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の装置。
6. 前記バッファタンクの容積が、前記反応器槽の容積の１．５倍以上、１．７５倍以上又は２倍以上である、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の装置。
7. 前記バッファタンクと反応器槽の容積比が、１：１〜４：１、１：１〜３：１、１．５：１〜２．５：１又は１．７５：１〜２．２５：１の範囲内である、請求項６に記載の装置。
8. 前記装置内の水素ガスの圧力が５バール（５×１０^５Ｐａ）を超えないように、前記反応器槽への反応物の流を制御すべく、前記電子制御手段がプログラムされる、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の装置。
9. 前記装置内の水素ガスの圧力が３バール（１×１０^５Ｐａ）を超えないように、前記電子制御手段がプログラムされる、請求項８に記載の装置。
10. 前記ポンプ（ｃ）が３バール以下の最大圧送圧力を有するように構成される、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の装置。
11. 少なくとも１つの温度センサ（ｇ）を備え、前記温度センサが前記電子制御手段（ｇ）と（有線又は無線で）通信し、前記装置の規定温度パラメータが所定値を超えないように、前記反応器槽への反応物の流を制御すべく前記電子制御手段（ｇ）がプログラムされる、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の装置。
12. ケーシング（ｈ）を備え、前記反応器槽（ａ）、前記第１及び第２の反応物容器（ｂ）、前記１以上のポンプ（ｃ）、前記圧力センサ（ｅ）、前記電子制御手段（ｆ）及び任意で前記バッファタンク（ｄ）がすべて、前記ケーシング（ｈ）内に収容される、請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の装置。
13. 前記装置が転動できるように成形される外部ケーシングを備える、請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の装置。
14. 前記装置は、最大で２５ｋｇの空虚重量を有する、請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の装置。
15. 前記装置は、最大で１．５メートルの最大幅、最大で１．５メートルの最大長及び最大で１．５メートルの最大高を有する、請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の装置。
16. 前記バッファタンクに入る前に水素から水蒸気を除去する１以上の乾燥器ユニット（脱水ユニット）（ｉ）を備える、請求項１乃至１５のいずれか一項に記載の装置。
17. 発電する水素消費装置を備える、請求項１乃至１６のいずれか一項に記載の装置。
18. 前記水素消費装置が燃料電池である、請求項１７に記載の装置。
19. 前記燃料電池がＰＥＭ燃料電池である、請求項１８に記載の装置。
20. 前記ＰＥＭ電池に入る水素の圧力を前記動作圧力まで低減する減圧弁が前記ＰＥＭ電池に設けられる、請求項１９に記載の装置。
21. 前記減圧弁が、前記ＰＥＭ電池に入る水素の圧力を約０．５バールまで低減させる、請求項２０に記載の装置。
22. 請求項１乃至２１のいずれか一項に記載の装置を用いて、反応器槽内で第１及び第２の反応物をまとめることを備える、水素生成方法。

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