(57)【要約】  圧縮水素ガス貯蔵装置が提供される。前記装置は、制御可能な吐出弁を備えた排出管が結合された密封ハウジングを備える。前記密封ハウジングは、圧縮水素ガスを蓄積且つ貯蔵するように構成された少なくとも２つの異なる種類の微小容器からなる集合体を備えたカートリッジを含むチャンバーを規定する。前記装置は、前記水素ガスを、前記カートリッジから前記チャンバーの前記カートリッジによって占有されていない空間に制御可能に遊離させるように構成された水素遊離手段も備える。前記装置は、前記制御可能な吐出弁および前記水素遊離手段と動作可能に結合され、それらの動作を制御するように構成された制御系によって制御される。
2009540248.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御可能な吐出弁（controllable discharge valve）（１６４）を備えた排出管（１７）が結合された密封ハウジング（１１）と、水素遊離手段（hydrogen liberating tool）（１５）とを備えた圧縮水素ガス貯蔵装置であって、
前記密封ハウジング（１１）は、圧縮水素ガスを蓄積且つ貯蔵するように構成された少なくとも２つの異なる種類の微小容器（micro-containers）からなる集合体（assembly）を備えたカートリッジ（１４）を含むチャンバー（１３）を規定し、
前記水素遊離手段（１５）は、前記水素ガスを、前記カートリッジ（１４）から前記チャンバー（１３）の前記カートリッジ（１４）によって占有されていない空間（volume）に制御可能に遊離させるように構成されていることを特徴とする圧縮水素ガス貯蔵装置。
【請求項２】
前記制御可能な吐出弁（１６４）および前記水素遊離手段（１５）と動作可能に結合され、それらの動作を制御するように構成された制御系（１６）をさらに備える請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記制御系（１６）は、
前記チャンバー（１３）内の水素ガス圧力を示す圧力センサ信号を生成するように構成された圧力センサ（１６１）と、
前記排出管（１７）内の水素ガス圧力の流量を示すガス流量センサ信号を生成するように構成された流量計（１６３）と、
前記圧力センサ（１６１）および前記流量計（１６３）と動作可能に結合されるとともに、前記圧力センサ信号および前記ガス流量センサ信号に反応し、前記水素遊離手段（１５）および前記吐出弁（１６４）の動作を制御する制御信号を生成することが可能な制御部（１６２）とを含む請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記チャンバー（１３）内の圧力が危険レベルに到達すると、自動的に開くことができる少なくとも１つの安全弁（１８）をさらに備える請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記微小容器は、水素を部分的に透過させることが可能で且つ両端部が封止された少なくとも１つの中空微小筒（hollow micro-cylinders）（３１０）と、水素を部分的に透過させることが可能な複数の中空微小球（３２０）とから選ばれる請求項２に記載の装置。
【請求項６】
前記微小容器の前記集合体の構造は、管状の第１の部分（３１）と、前記第１の部分（３１）の内腔に配置された円筒状の第２の部分（３２）とを含み、
前記第１の部分（３１）は、前記第１の部分（３１）の軸方向に配置されている複数の密集した微小筒（３１０）を含み、前記第２の部分（３２）は、前記第２の部分（３２）の円筒形空間（cylindrical volume）を埋めている複数の密集した微小球（３２０）を含む請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記カートリッジ（１４）は、複数の界面ガス捕集器（interface gas collectors）（４０１）を含み、各捕集器は、前記微小容器の総数のうち一部と関連付けられている請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記微小容器の前記集合体の構造は、管状の第１の部分（６１）と、前記第１の部分（６１）の内腔に配置された円筒状の第２の部分（６２）とを含み、
前記第１の部分（６１）は、前記第２の部分（６２）のまわりに巻きつけられた少なくとも１つの中空微小筒（６１０）を含み、前記第２の部分（６２）は、前記第２の部分（６２）の円筒形空間を埋めている複数の密集した微小球（６２０）を含む請求項５に記載の装置。
【請求項９】
前記少なくとも１つの中空微小筒（３１０）は、２０℃よりも低い温度で相対的に低い水素透過率を有し、７０℃よりも高い温度で１０倍を超える高い水素透過率を有する材料からなる請求項５に記載の装置。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの中空微小筒（３１０）の材料の密度に対する引張り強さの比は、１０００ＭＰａ・ｃｍ３／ｇよりも大きい請求項５に記載の装置。
【請求項１１】
前記少なくとも１つの中空微小筒（３１０）の前記材料は、ポリマーおよび複合材料から選ばれる請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記微小筒（３１０）の外径は、５０マイクロメートルから５０００マイクロメートルの範囲内にある請求項６に記載の装置。
【請求項１３】
前記微小筒（３１０）の外径に対する壁厚の比は、０．０１から０．２の範囲内にある請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記微小筒（３１０）の外径は、前記集合体構造の前記第１の部分の内面から前記第１の部分（３１）の外面に向かうにつれて減少する請求項６に記載の装置。
【請求項１５】
前記微小筒（３１０）の壁厚は、前記集合体構造の前記第１の部分（３１）の内面から前記第１の部分（３１）の外面に向かうにつれて増加する請求項６に記載の装置。
【請求項１６】
前記微小球（３２０）は、５０℃よりも低い温度で相対的に低い水素透過率を有し、２５０℃よりも高い温度で１０倍を超える高い水素透過率を有する材料からなる請求項５に記載の装置。
【請求項１７】
前記微小球（３２０）の材料の密度に対する引張り強さの比は、１０００ＭＰａ・ｃｍ３／ｇよりも大きい請求項５に記載の装置。
【請求項１８】
前記微小球（３２０）の前記材料は、ＭｇＡｌＳｉガラス（例えば、Ｓ−２ガラス（登録商標）、サンゴバン・ヴェトロテックス・テキスタイル社（Saint-Gobain Vetrotex Textiles）から入手可能なＲガラス、日東紡績株式会社（日東紡）から入手可能なＴガラス）および溶融石英から選ばれる請求項１６に記載の装置。
【請求項１９】
前記微小球（３２０）の外径は、５０マイクロメートルから５０００マイクロメートルの範囲内にある請求項６に記載の装置。
【請求項２０】
前記微小球（３２０）の外径は、５０マイクロメートルから５０００マイクロメートルの範囲内にある請求項８に記載の装置。
【請求項２１】
前記微小球（３２０）の外径に対する壁厚の比は、０．０１から０．２の範囲内にある請求項１９に記載の装置。
【請求項２２】
前記微小球（３２０）の外径に対する壁厚の比は、０．０１から０．２の範囲内にある請求項２０に記載の装置。
【請求項２３】
前記微小球（３２０）の外径は、前記第２の部分の中心から前記第２の部分の周縁部に向かうにつれて減少する請求項６に記載の装置。
【請求項２４】
前記微小球（３２０）の外径は、前記第２の部分の中心から前記第２の部分の周縁部に向かうにつれて減少する請求項８に記載の装置。
【請求項２５】
前記微小球（３２０）の壁厚は、前記第２の部分（３２）の中心から前記第２の部分（３２）の周縁部に向かうにつれて増加する請求項６に記載の装置。
【請求項２６】
前記微小球（３２０）の壁厚は、前記第２の部分（３２）の中心から前記第２の部分（３２）の周縁部に向かうにつれて増加する請求項８に記載の装置。
【請求項２７】
前記微小筒（３１０）および前記微小球（３２０）の外面は、少なくとも部分的に導電性水素吸収層で被覆されている請求項５に記載の装置。
【請求項２８】
前記水素吸収層は、パラジウム、ニッケルおよびランタン−ニッケル合金の少なくとも１つから選ばれる金属からなる請求項２７に記載の装置。
【請求項２９】
前記微小容器の少なくとも一部は、導電性接着材料により接合されている請求項２に記載の装置。
【請求項３０】
前記水素遊離手段（１５）は、前記少なくとも２つの異なる種類の微小容器にそれぞれ関連付けられた少なくとも２つの加熱素子（１５１および１５２）と、前記制御系（１６）に結合され、前記少なくとも２つの加熱素子を制御可能に駆動することにより、前記微小容器の温度を制御可能に変化させるように構成された制御可能な電源（controllable power source）（１９）とを含む請求項２に記載の装置。
【請求項３１】
前記水素遊離手段（１５）は、
前記カートリッジ（１４）の前記第１の部分（３１）の両端で、前記微小球（３２０）の前記導電性水素吸収層に結合された一対の第１電極（１５３）を有する第１加熱素子（１５１）と、
前記カートリッジ（１４）の前記第２の部分（３２）の両端で、前記微小筒（３１０）の前記導電性水素吸収層に結合された一対の第２電極（１５４）を有する第２加熱素子（１５２）と、
前記制御系（１６）に結合され、前記第１加熱素子（１５１）および前記第２加熱素子（１５２）を制御可能に駆動することにより、前記微小球（３２０）および前記微小筒（３１０）の温度を制御可能に変化させるように構成された制御可能な電源（１９）とを含む請求項２７に記載の装置。
【請求項３２】
前記水素遊離手段（１５）は、
前記カートリッジ（１４）の前記第１の部分（３１）の両端で、前記導電性接着材料に結合された一対の第１電極（１５３）を有する第１加熱素子（１５１）と、
前記カートリッジ（１４）の前記第２の部分（３２）の両端で、前記導電性接着材料に結合された一対の第２電極（１５４）を有する第２加熱素子（１５２）と、
前記制御系（１６）に結合され、前記第１加熱素子（１５１）および前記第２加熱素子（１５２）を制御可能に駆動することにより、前記微小容器の温度を制御可能に変化させるように構成された制御可能な電源（１９）とを含む請求項２９に記載の装置。
【請求項３３】
前記水素遊離手段（１５）に少なくとも近接している前記複数の微小筒（３１０）の端部は、光増強型（photo-enhanced）水素拡散を特徴とする水素拡散材料（hydrogen diffuser material）からなるキャップ（５４ｂ）で覆われており、一方、前記水素遊離手段（１５）は、所定の放射周波数範囲で作動する制御可能な放射源（controllable radiation source）（５６）を含み、前記制御可能な放射源（５６）は、前記放射源（５６）の動作を制御するように適合された前記制御系（１６）に結合されることにより、前記水素拡散材料が前記制御可能な放射源（５６）によって照射されると、前記水素拡散材料を介して光増強型水素拡散を行う請求項６に記載の装置。
【請求項３４】
前記放射源（５６）の動作の制御は、照射される放射線の強度を変えることにより行われる請求項３３に記載の装置。
【請求項３５】
前記放射源（５６）の動作の制御は、前記放射源を所定の周期でオンオフすることにより行われる請求項３３に記載の装置。
【請求項３６】
前記微小容器に貯蔵された前記水素の圧力は、１０００ａｔｍよりも高い請求項１に記載の装置。
【請求項３７】
前記チャンバー（１３）の前記カートリッジ（１４）によって占有されていない前記空間に蓄積された前記水素の圧力は、１ａｔｍから１０ａｔｍの範囲内にある請求項１に記載の装置。
【請求項３８】
少なくとも２つの異なる種類の微小容器（micro-containers）からなる集合体（assembly）を備え、圧縮水素ガスを蓄積且つ貯蔵するカートリッジ（１４）であって、
一方の種類の前記微小容器は、他方の種類の前記微小容器とは、これらの微小容器からの水素放出速度が異なることを特徴とするカートリッジ（１４）。
【請求項３９】
前記微小容器は、水素を部分的に透過させることが可能で且つ両端部が封止された少なくとも１つの中空微小筒（hollow micro-cylinders）（３１０）と、水素を部分的に透過させることが可能な複数の中空微小球（３２０）とから選ばれる請求項３８に記載のカートリッジ。
【請求項４０】
前記微小容器の前記集合体の構造は、管状の第１の部分（３１）と、前記第１の部分（３１）の内腔に配置された円筒状の第２の部分（３２）とを含み、
前記第１の部分（３１）は、前記第１の部分（３１）の軸方向に配置されている複数の密集した微小筒（３１０）を含み、前記第２の部分（３２）は、前記第２の部分（３２）の円筒形空間（cylindrical volume）を埋めている複数の密集した微小球（３２０）を含む請求項３９に記載のカートリッジ。
【請求項４１】
前記カートリッジ（１４）は、複数の界面ガス捕集器（interface gas collectors）（４０１）を含み、各捕集器は、前記微小容器の総数のうち一部と関連付けられている請求項４０に記載のカートリッジ。
【請求項４２】
前記微小容器の前記集合体の構造は、管状の第１の部分（６１）と、前記第１の部分（６１）の内腔に配置された円筒状の第２の部分（６２）とを含み、
前記第１の部分（６１）は、前記第２の部分（６２）のまわりに巻きつけられた少なくとも１つの中空微小筒（６１０）を含み、前記第２の部分（６２）は、前記第２の部分（６２）の円筒形空間を埋めている複数の密集した微小球（６２０）を含む請求項３９に記載のカートリッジ。
【請求項４３】
前記少なくとも１つの中空微小筒（３１０）は、２０℃よりも低い温度で相対的に低い水素透過率を有し、７０℃よりも高い温度で１０倍を超える高い水素透過率を有する材料からなる請求項３９に記載のカートリッジ。
【請求項４４】
前記少なくとも１つの中空微小筒（３１０）の材料の密度に対する引張り強さの比は、１０００ＭＰａ・ｃｍ３／ｇよりも大きい請求項３９に記載のカートリッジ。
【請求項４５】
前記少なくとも１つの中空微小筒（３１０）の前記材料は、ポリマーおよび複合材料から選ばれる請求項４４に記載のカートリッジ。
【請求項４６】
前記微小筒（３１０）の外径は、５０マイクロメートルから５０００マイクロメートルの範囲内にある請求項４０に記載のカートリッジ。
【請求項４７】
前記微小筒（３１０）の外径に対する壁厚の比は、０．０１から０．２の範囲内にある請求項４６に記載のカートリッジ。
【請求項４８】
前記微小筒（３１０）の外径は、前記集合体構造の前記第１の部分の内面から前記第１の部分（３１）の外面に向かうにつれて減少する請求項４０に記載のカートリッジ。
【請求項４９】
前記微小筒（３１０）の壁厚は、前記集合体構造の前記第１の部分の内面から前記第１の部分（３１）の外面に向かうにつれて増加する請求項４０に記載のカートリッジ。
【請求項５０】
前記微小球（３２０）は、５０℃よりも低い温度で相対的に低い水素透過率を有し、２５０℃よりも高い温度で１０倍を超える高い水素透過率を有する材料からなる請求項３９に記載のカートリッジ。
【請求項５１】
前記微小球（３２０）の材料の密度に対する引張り強さの比は、１０００ＭＰａ・ｃｍ３／ｇよりも大きい請求項３９に記載のカートリッジ。
【請求項５２】
前記微小球（３２０）の前記材料は、ＭｇＡｌＳｉガラス（例えば、Ｓ−２ガラス（登録商標）、サンゴバン・ヴェトロテックス・テキスタイル社（Saint-Gobain Vetrotex Textiles）から入手可能なＲガラス、日東紡績株式会社（日東紡）から入手可能なＴガラス）および溶融石英から選ばれる請求項５０に記載のカートリッジ。
【請求項５３】
前記微小球（３２０）の外径は、５０マイクロメートルから５０００マイクロメートルの範囲内にある請求項４０に記載のカートリッジ。
【請求項５４】
前記微小球（３２０）の外径は、５０マイクロメートルから５０００マイクロメートルの範囲内にある請求項４２に記載のカートリッジ。
【請求項５５】
前記微小球（３２０）の外径に対する壁厚の比は、０．０１から０．２の範囲内にある請求項５３に記載のカートリッジ。
【請求項５６】
前記微小球（３２０）の外径に対する壁厚の比は、０．０１から０．２の範囲内にある請求項５４に記載のカートリッジ。
【請求項５７】
前記微小球（３２０）の外径は、前記第２の部分の中心から前記第２の部分（３２）の周縁部に向かうにつれて減少する請求項４０に記載のカートリッジ。
【請求項５８】
前記微小球（３２０）の外径は、前記第２の部分（３２）の中心から前記第２の部分（３２）の周縁部に向かうにつれて減少する請求項４２に記載のカートリッジ。
【請求項５９】
前記微小球（３２０）の壁厚は、前記第２の部分（３２）の中心から前記第２の部分（３２）の周縁部に向かうにつれて増加する請求項４０に記載のカートリッジ。
【請求項６０】
前記微小球（３２０）の壁厚は、前記第２の部分（３２）の中心から前記第２の部分（３２）の周縁部に向かうにつれて増加する請求項４２に記載のカートリッジ。
【請求項６１】
前記微小筒（３１０）および前記微小球（３２０）の外面は、少なくとも部分的に導電性水素吸収層で被覆されている請求項３９に記載のカートリッジ。
【請求項６２】
前記水素吸収層は、パラジウム、ニッケルおよびランタン−ニッケル合金の少なくとも１つから選ばれる金属からなる請求項６１に記載のカートリッジ。
【請求項６３】
前記微小容器の少なくとも一部は、導電性接着材料により接合されている請求項１に記載のカートリッジ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に燃料貯蔵に関し、特に、水素ガスの蓄積および貯蔵に関する。
【背景技術】
【０００２】
水素が非常にエネルギー密度の高い元素であり、燃焼による汚染が少ない燃料（clean-burning fuel）であることはよく知られている。水素のエネルギー密度は約１２０ＭＪ／ｋｇであるが、これは、最も一般的な燃料のエネルギー密度、例えば、天然ガス４３ＭＪ／ｋｇおよびガソリン４４．４ＭＪ／ｋｇの２倍を超える。水素は、燃焼によって、または燃料電池を介した酸化還元反応によって酸素と結合し、熱または電力を生み出すことができる。この反応の一次生成物は水であるが、水は無公害であり、リサイクルされて水素および酸素を再生できる。
【０００３】
現在、水素エネルギーは、原子力産業、自動車運輸、自動車工業、化学工業、航空宇宙産業、携帯電源産業（携帯電話、コンピュータ、家庭電化製品）等で注目を集めている。特に、運輸部門は、世界の原油生産高の約半分を消費している。さらに、世界中の大都市の集積地域では、道路交通は、汚染物質および騒音の両方において、最も重大且つ急速に増加している排出源の１つである。新たな車両燃料としての水素は、汚染排出を削減または回避するとともに、発生する騒音レベルを大幅に減少させる機会を提供する。既に、水素で作動する内燃機関には騒音を低減する可能性があり、汚染物質レベルも著しく低下している。従って、経済の運輸部門が集中的に水素燃料を採用している。このことは、特に巨大都市および工業地帯における環境問題を解決するのに役立つ。
【０００４】
水素エネルギーの問題の１つは、水素燃料の安全な貯蔵および燃焼室への供給である。最も一般的には、３つの基本的な水素貯蔵技術がある。水素は、低温液体として、または大きな容器内の圧縮ガスとして、あるいは金属水素化物のように、化合物中に化学的に結合された状態で貯蔵できる。
【０００５】
液体水素の貯蔵には、−２５３℃（２０Ｋ）という非常に低い極低温により、高度な設備条件が求められる。従って、液体貯蔵システム、移送管（transfer pipes）および燃料供給継手（refueling couplings）は、液体の状態を維持し、且つ液体水素の早期の急速な蒸発を避けるか、または遅らせるために、有効な断熱を必要とする。
【０００６】
圧縮水素の貯蔵は、最も一般的な水素貯蔵方法である。通常、圧力レベルは約２０ＭＰａ〜７０ＭＰａである。今日の貯蔵容器は、構造重量を減らすために、繊維複合材料を用いた設計で製造されることが多い。内部シェル（internal shell）は、ステンレス鋼またはアルミニウムからなり、ガラス繊維および／または炭素繊維が巻かれている。全てプラスチック材料からなるタンク設計も公知である。それにもかかわらず、ほとんどの圧縮ガス貯蔵タンクは、比較的大きくて重い。さらに、タンクに圧縮ガス状態の水素を蓄積する既存の技術では、１０重量％未満という比較的低い水素の重量含有率（アキュムレーターの重量に対するアキュムレーター内の水素の重量の比）にしかならず、低レベルの防爆とともに、このパラメータをさらに増加させるには一定の制限がある。
【０００７】
金属水素化物として気体水素を貯蔵する場合、金属合金の内部に水素を付着させることを利用する。このような水素の蓄積および貯蔵技術は、水素による過剰圧力が発生しないため、比較的防爆型である。金属水素化物として貯蔵する欠点は、金属合金の種類にもよるが、水素の再放出にある程度高い温度が必要とされること、および質量に関する貯蔵密度（mass related storage density）が低いことである。通常、水素の重量含有率は４．５％未満である。
【０００８】
概念上は、物理的吸着によって他の材料における貯蔵も実現できる。例えば、カーボンナノファイバー（carbon nano-fibers）による水素貯蔵が公知である。しかし、これらの固体内での水素の結合は弱いため、金属水素化物として貯蔵する温度よりも貯蔵温度を低くしなければならない。
【０００９】
また、中空ガラス微小球等の微小容器（micro-containers）に、水素を安全に貯蔵できることが知られている。個々の微小球に貯蔵される水素の量は非常に少なく、ゆえに不適切な取扱いや事故による爆発の可能性を排除できる。
【００１０】
加熱されると、微小球の水素透過率が増加する。水素は、１００℃〜４００℃において、実用的速度（practical rates）で、微小球の薄いガラス壁を通過して中空の芯部に拡散できる。このため、高温高圧の環境下に微小球を置くことにより、微小球に気体を充填できるようになる。一旦冷却されると、室温では水素の拡散速度が大幅に低下することから、微小球は内部に水素を閉じ込める。続いて温度が上昇すると、拡散速度は増加する。従って、微小球に閉じ込められた水素は、後に温度を上げることによって放出される。
【００１１】
例えば、米国特許第４，３２８，７６８号は、水素ガスが充填された中空微小球を４００ａｔｍで燃料貯蔵室に貯蔵する燃料貯蔵供給システムを記載している。微小球は、燃料貯蔵室から、加熱された供給室を通って送り出され、この供給室において拡散により水素ガスが遊離してエンジンに供給される。その後、実質的に空になった微小球は、第２の貯蔵室に運ばれる。ポンプ等の機械的手段により、実質的に空になった微小球を貯蔵室に取り出し、そこから再充填のために取り出すこともできる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】米国特許第４，３２８，７６８号明細書
【特許文献２】米国特許第４，９８１，６２５号明細書
【特許文献３】米国特許第５，２６０，００２号明細書
【特許文献４】米国特許第５，３７６，３４７号明細書
【特許文献５】米国特許第６，２２４，７９４号明細書
【特許文献６】米国特許第６，８９０，５９２号明細書
【特許文献７】米国特許第６，９９８，０７４号明細書
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】D.B.Rapp、 J.E.Shelby著「ガラスの光増強型水素ガス放出（Photo-Enhanced Hydrogen Outgassing of Glass）」J. Non-Cryst. Solids, 2004, V.349, PP.254-259
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
微小容器に水素を蓄積且つ貯蔵する分野における公知技術にも関わらず、安全性を高めるとともにコスト削減をもたらすことになる、動作時の十分な水素負荷および放出速度に加えて、より高圧下での安全な水素貯蔵、より高い水素の重量含有率ならびに貯蔵時のより少ない水素損失を実現するために、さらなる改善が当該技術においてなお要求されている。また、水素ガスの遊離速度（rate of liberation）を制御可能に変えることができる新たな圧縮水素貯蔵装置を提供することは有利といえる。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
包括的な一態様によれば、本発明は、上記従来技術の短所を部分的に排除した上で、新たな圧縮水素ガス貯蔵装置を提供する。具体的には、前記装置は、制御可能な吐出弁（controllable discharge valve）を備えた排出管が結合された密封ハウジングを備える。前記密封ハウジングは、カートリッジを含むチャンバーを規定する。本発明によれば、前記カートリッジは、圧縮水素ガスを蓄積且つ貯蔵するように構成された少なくとも２つの異なる種類の微小容器（micro-containers）からなる集合体（assembly）を備える。前記装置は、前記水素ガスを、前記カートリッジから前記チャンバーの前記カートリッジによって占有されていない空間（volume）に制御可能に遊離（放出）させるように構成された水素遊離手段（hydrogen liberating tool）も備える。好ましくは、前記装置は、前記制御可能な吐出弁および前記水素遊離手段と動作可能に結合され、それらの動作を制御するように構成された制御系も備える。前記ハウジングは、前記ハウジングを開けたり、密封したりするように構成された取外し式カバーを備えても良い。
【００１６】
本発明によれば、前記微小容器に貯蔵された前記水素の圧力は、１０００ａｔｍよりも高いことがある。また、前記チャンバーの前記カートリッジによって占有されていない前記空間に蓄積された前記水素の圧力は、１ａｔｍよりも高く、例えば、１ａｔｍから１５ａｔｍの範囲内にあることがある。
【００１７】
本発明の一実施形態によれば、前記制御系は、前記チャンバー内の水素ガス圧力を示す圧力センサ信号を生成するように構成された圧力センサを含む。さらに、前記制御系は、前記排出管内の水素ガス圧力の流量を示すガス流量センサ信号を生成するように構成された流量計を含む。前記制御系は、前記圧力センサおよび前記流量計と動作可能に結合された制御部も含む。これにより、前記制御系は、前記圧力センサ信号および前記ガス流量センサ信号に反応する。従って、前記制御部は、前記水素遊離手段および前記吐出弁の動作を制御する制御信号を生成することができる。
【００１８】
前記装置は、前記チャンバー内の圧力が危険レベルに到達すると、自動的に開くことができる少なくとも１つの安全弁をさらに備えても良い。
【００１９】
本発明の一実施形態によれば、前記カートリッジは、ケースと、前記ケース内に配置された２つの異なる種類の中空微小容器からなる集合体構造とを含む。前記ケースの壁の厚さは、前記微小容器の壁の厚さよりも少なくとも１０倍大きいことがある。当該実施形態によれば、前記微小容器は、水素を部分的に透過させることが可能で且つ両端部が封止された少なくとも１つの中空微小筒（hollow micro-cylinders）と、水素を部分的に透過させることが可能な複数の中空微小球とから選ばれる。
【００２０】
具体的には、前記微小容器の前記集合体は、管状の第１の部分と、前記第１の部分の内腔に配置された円筒状の第２の部分とを含む。本発明の一実施形態によれば、前記第１の部分は、前記第１の部分の軸方向に配置されている複数の密集した微小筒を含む。本発明の別の実施形態によれば、前記第１の部分は、前記第２の部分のまわりに巻きつけられた１つまたはそれ以上の中空微小筒を含む。
【００２１】
本発明の一実施形態によれば、前記第２の部分は、前記第２の部分の円筒形空間（cylindrical volume）を埋めている複数の密集した微小球を含む。
【００２２】
本発明のさらなる実施形態によれば、前記カートリッジは、複数の界面ガス捕集器（interface gas collectors）を含み、各捕集器は、前記微小容器の総数のうち一部と関連付けられている。
【００２３】
前記中空微小筒は、２０℃〜３０℃よりも低い温度で相対的に低い水素透過率を有し、７０℃〜９０℃よりも高い温度で１０倍を超える高い水素透過率を有する材料から作成されても良い。前記中空微小筒の前記材料の密度に対する引張り強さの比は、１０００ＭＰａ・ｃｍ３／ｇよりも大きいことがある。前記中空微小筒の前記材料は、例えば、ＫＥＶＬＡＲ（登録商標）、ＴＷＡＲＯＮ（登録商標）、ＴＥＲＬＯＮ（登録商標）、ＡＲＭＯＳ（登録商標）、ＴＥＣＨＮＯＲＡ（登録商標）等の異なるポリマーおよび複合材料から選ばれる。前記微小筒の外径は、例えば、５０マイクロメートルから５０００マイクロメートルの範囲内でも良い。前記微小筒の外径に対する壁厚の比は、０．０１から０．２の範囲内でも良い。前記微小筒の外径は、前記集合体構造の前記第１の部分の内面から前記第１の部分の外面に向かうにつれて減少していても良い。前記微小筒の壁厚は、前記集合体構造の前記第１の部分の内面から前記第１の部分の外面に向かうにつれて増加していても良い。
【００２４】
また、前記微小球は、５０℃〜７０℃よりも低い温度で相対的に低い水素透過率を有し、２００℃〜２５０℃よりも高い温度で１０倍を超える高い水素透過率を有する材料から作成されても良い。前記微小球の前記材料の密度に対する引張り強さの比は、１０００ＭＰａ・ｃｍ３／ｇよりも大きい。前記微小球の前記材料は、ＭｇＡｌＳｉガラス（例えば、Ｓ−２ガラス（登録商標）、サンゴバン・ヴェトロテックス・テキスタイル社（Saint-Gobain Vetrotex Textiles）から入手可能なＲガラス、日東紡績株式会社（日東紡）から入手可能なＴガラス）および溶融石英等から選ぶことができる。前記微小球の外径は、例えば、５０マイクロメートルから５０００マイクロメートルの範囲内でも良い。前記微小球の外径に対する壁厚の比は、０．０１から０．２の範囲内でも良い。前記微小球の外径は、前記第２の部分の中心から前記第２の部分の周縁部に向かうにつれて減少していても良い。前記微小球の壁厚は、前記第２の部分の中心から前記第２の部分の周縁部に向かうにつれて増加していても良い。前記微小球の壁厚は、前記第２の部分の中心から前記第２の部分の周縁部に向かうにつれて増加する。
【００２５】
本発明の一実施形態によれば、前記微小筒および前記微小球の外面は、少なくとも部分的に導電性水素吸収層で被覆されている。前記水素吸収層は、パラジウム、ニッケルおよびランタン−ニッケル合金の少なくとも１つから選ばれる金属からなる。
【００２６】
本発明のさらなる実施形態によれば、前記微小容器の少なくとも一部は、導電性接着材料により接合されている。
【００２７】
本発明の一実施形態によれば、前記水素遊離手段は、前記カートリッジと関連付けられた１つまたはそれ以上の電気加熱素子と、前記制御系に結合され、前記電気加熱素子を制御可能に駆動することにより、前記微小容器の温度を制御可能に変化させるように構成された制御可能な電源（controllable power source）とを含む。
【００２８】
例えば、前記水素遊離手段は、前記２つの異なる種類の微小容器にそれぞれ関連付けられた少なくとも２つの加熱素子と、前記制御系に結合され、前記少なくとも２つの加熱素子を制御可能に駆動することにより、前記微小容器の温度を制御可能に変化させるように構成された制御可能な電源とを含んでも良い。具体的には、前記水素遊離手段は、前記カートリッジの前記第１の部分の両端で、前記微小球の前記導電性水素吸収層に結合された一対の第１電極を有する第１加熱素子と、前記カートリッジの前記第２の部分の両端で、前記微小筒の前記導電性水素吸収層に結合された一対の第２電極を有する第２加熱素子と、  前記制御系に結合され、前記第１加熱素子および前記第２加熱素子を制御可能に駆動することにより、前記微小球および前記微小筒の温度を制御可能に変化させるように構成された制御可能な電源とを含んでも良い。
【００２９】
別の例によれば、前記水素遊離手段は、前記カートリッジの前記第１の部分の両端で、前記導電性接着材料に結合された一対の第１電極を有する第１加熱素子と、前記カートリッジの前記第２の部分の両端で、前記導電性接着材料に結合された一対の第２電極を有する第２加熱素子と、前記制御系に結合され、前記第１加熱素子および前記第２加熱素子を制御可能に駆動することにより、前記微小容器の温度を制御可能に変化させるように構成された制御可能な電源とを含んでも良い。
【００３０】
本発明の別の実施形態によれば、前記水素遊離手段に少なくとも近接している前記微小筒の端部は、光増強型（photo-enhanced）水素拡散を特徴とする水素拡散材料（hydrogen diffuser material）からなるキャップで覆われている。一方、前記水素遊離手段は、所定の放射周波数範囲で作動する制御可能な放射源（controllable radiation source）を含む。前記制御可能な放射源は、前記放射源の動作を制御するように適合された前記制御系に結合されることにより、前記水素拡散材料が前記制御可能な放射源によって照射されると、前記水素拡散材料を介して光増強型水素拡散を行う。例えば、前記放射源の動作の制御は、照射される放射線の強度を変えることにより行うことができる。あるいは、前記放射源の動作の制御は、前記放射源を所定の周期でオンオフすることにより行うことができる。
【００３１】
本発明のより重要な特徴について、以下の詳細な説明がよく理解されるように、また、当該技術に対する本発明の貢献がよく評価されるように、やや大まかに概略を述べた。本発明のさらなる詳細および利点は、以下の詳細な説明に記される。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】図１は、水素ガス貯蔵装置の概略断面図である。
【図２】図２は、本発明の一実施形態に係る水素貯蔵カートリッジおよび水素遊離手段を備えた図１の装置の長手方向における概略断面図である。
【図３】図３は、図２に示されたカートリッジの線Ａ−Ａに沿った水平断面を含む概略斜視図である。
【図４】図４は、本発明の別の実施形態に係る水素貯蔵カートリッジおよび水素遊離手段を備えた図１の装置の長手方向における概略断面図である。
【図５】図５は、本発明のさらに別の実施形態に係る、本発明の一実施形態に係る水素貯蔵カートリッジおよび水素遊離手段を備えた図１の装置の長手方向における概略断面図である。
【図６】図６は、本発明のさらに別の実施形態に係る、本発明の一実施形態に係る水素貯蔵カートリッジおよび水素遊離手段を備えた図１の装置の長手方向における概略断面図である。
【図７】図７は、図５に示されたカートリッジの線Ｂ−Ｂに沿った水平断面を含む概略斜視図である。
【図８】図８は、微小筒（マイクロチューブ）が巻かれた支持筒体の例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
ここで、本発明を理解し、実際にはどのように本発明が実施され得るかを確かめるために、添付図面を参照しながら、限定されない例のみを用いて、好ましい実施形態について説明する。
【００３４】
本発明に係る水素ガス貯蔵装置の原理および動作は、図面とそれに付随する説明を参照すれば、よく理解できるだろう。ただし、これらの図面は単なる例示を目的とするのであって、本発明を限定しようとするものではない。明確化のため、本発明の装置のさまざまな実施例を示す図面は、一定の縮尺で描かれておらず、均衡を欠いたものである。これらの図面におけるブロック（blocks）および他の要素は、物理的接続および／または物理的関係ではなく、各実体間の機能的関係を示すような、あくまで機能的実体（functional entities）を意味している。本発明の明細書全体を通して、図示された水素貯蔵装置およびその構成要素に共通している構成要素を識別するのに同一の参照符号およびアルファベット記号が用いられる。
【００３５】
図１は、本発明の一実施形態に係る水素ガス貯蔵装置１０の概略断面図である。水素ガス貯蔵装置１０は、取外し式カバー１２を有するハウジング１１を備える。取外し式カバー１２は、ハウジング１１を開けたり、密封したりするように構成されている。密封ハウジング１１は、チャンバー１３を規定し、チャンバー１３の内部には、留め具（図示せず）を用いてカートリッジ（モジュール）１４が取り付けられている。カートリッジ１４は、圧縮水素ガスを蓄積且つ貯蔵するために構成された少なくとも２つの異なる種類の微小容器（micro-containers）（図１では図示せず）からなる集合体（assembly）を備える。
【００３６】
本発明によれば、一方の種類の微小容器は、他方の種類の微小容器とは、これらの微小容器からの水素放出速度が異なる。このような異なる水素放出速度は、以下の特徴、すなわちカートリッジ１４の構造、カートリッジ１４における微小容器の構成、微小容器の形状、および微小容器を形成する材料のうち、少なくとも１つを変えることによって実現できる。以下に、カートリッジ１４における微小容器の種々の構成を説明する。
【００３７】
カートリッジ１４は、取外し式カバー１２により封止される開口部（図示せず）を通って、チャンバー１３に挿入されるとともに、チャンバー１３から取り出される。装置１０は、図１において箱形１５で示され、カートリッジ１４と関連付けられた少なくとも１つの水素遊離手段（hydrogen liberating tool）をさらに備える。装置１０は、水素遊離手段１５と動作可能に結合され、とりわけ水素遊離手段１５の動作を制御するように構成された制御系１６も備える。制御系１６および水素遊離手段１５は、ハウジング１１の外側に配置され、制御系１６および水素遊離手段１５の両方に結合された制御可能な電源（controllable electric power source）１９によって駆動される。
【００３８】
水素遊離手段１５は、非常に高圧で水素が貯蔵されているカートリッジ１４から、中圧で水素が貯蔵されているチャンバー１３のカートリッジ１４によって占有されていない空間（volume）に、水素ガスを制御可能に遊離(放出)させるように構成されている。例えば、カートリッジ１４の微小球に貯蔵された水素の圧力は１０００ａｔｍよりも高くなることがあるが（例えば、１０００ａｔｍから３０００ａｔｍの範囲内）、チャンバー１３の非占有空間（unoccupied volume）における水素の圧力は、１ａｔｍよりも高くなることがある（例えば、１ａｔｍから１５ａｔｍの範囲内）。
【００３９】
チャンバー１３の非占有空間内の水素の圧力を測定するために、制御系１６は、図１において箱形１６１で示され、ガス圧力センサ信号を生成するように動作可能な圧力センサを含む。圧力センサ１６１は、制御系１６の制御部１６２に結合されている。制御部１６２は、とりわけガス圧力センサ信号に反応し、カートリッジ１４から圧縮水素ガスを制御可能に遊離させるために、水素遊離手段１５に対する制御信号を生成できる。
【００４０】
ハウジング１１の形状は、例えば、管状でも良い。しかし、一般に、任意のハウジング１１の形状が用いられると理解されるだろう。ハウジング１１は、好適な金属、プラスチックまたは複合材料から構成され、ハウジング１１内部のガス圧力に起因する壁のひずみに耐えられる適切な壁厚を有していれば良い。
【００４１】
装置１０は、ハウジング１１に結合された排出管１７も備える。制御系１６は、気体水素をチャンバー１３から制御可能に排出させるために、排出管１７に配置され、制御部１６２に結合された流量計１６３および吐出弁１６４も含む。動作時には、ガス流量センサ信号を生成するように動作可能な流量計１６３によって、排出管１７における水素ガスの流量が測定される。流量計１６３が制御部１６２に結合されていることから、制御部１６２は、とりわけガス流量センサ信号に反応し、吐出弁１６４の動作を制御するバルブ制御信号を生成できる。その結果、排出された水素は、燃料として、またはユーザーが所望する反応の原料として用いることができる。装置１０は、チャンバー１３内の圧力が危険レベルに到達すると自動的に開くことができる１つまたは複数の安全弁１８を備えても良い。
【００４２】
本発明によれば、カートリッジ１４の構造、カートリッジ１４における微小容器の構成、微小容器の形状および微小容器を形成する材料等の特徴を異ならせることができる。
【００４３】
図２は、本発明の一実施形態に係る水素貯蔵カートリッジ１４および水素遊離手段１５を備えた図１の装置の長手方向における概略断面図である。本実施形態によれば、カートリッジ１４は、ケース１４１と、ケース１４１の内部に配置された２つの異なる種類の微小容器からなる集合体構造（assembly structure）とを含む。
【００４４】
図３は、図２に示されたカートリッジの線Ａ−Ａに沿った水平断面を含む概略斜視図である。簡素化のため、図３にはケース１４１が示されていない。また、明確化のため、図２および図３だけでなく、これ以降の図（水素貯蔵カートリッジ１４の他の構造例を示す）も一定の縮尺で描かれておらず、均衡を欠いたものであることに留意すべきである。
【００４５】
図２および図３から理解されるように、微小容器の集合体構造は、管状の第１の部分３１と、第１の部分３１の内腔（lumen）に配置された円筒状の第２の部分３２とを含む。
【００４６】
第１の部分３１は、第１の部分３１の軸方向に配置されている複数の密集した中空微小筒（hollow micro-cylinders）（マイクロチューブ）３１０を含む。微小筒３１０の両端部２２ａ、２２ｂは、例えば、同等の壁厚を有する半球体で蓋をするなどして封止されている。中空微小筒３１０自体、または封止された両端部２２ａ、２２ｂのうちの少なくとも一方は、水素を少なくとも部分的に透過させる材料からなり、水素分子がそれを通って拡散できるようになっている。また、第２の部分３２は、水素を部分的に透過させる材料からなり、第２の部分３２の円筒形空間（cylindrical volume）を埋めている複数の密集した中空微小球３２０を含む。
【００４７】
一般に、中空微小筒３１０は、任意の長さを有することができる。また、微小容器（微小筒３１０および微小球３２０）の外径ｄは、約５０マイクロメートルから５ミリメートルの範囲内にあれば良い。微小筒３１０および微小球３２０の壁厚ｈの大きさは、微小筒３１０および微小球３２０に貯蔵された水素の圧力をρ、微小容器材料の引張り強さをσとするとき、式ｈ／ｄ＝ρ／（２σ）から求められるｄに対するｈの比の値によって規定される。好ましくは、外径に対する壁厚の比は、ρおよびσにもよるが、０．０１から０．２の範囲内にある。
【００４８】
第１の部分の内側層（すなわち、主要部（bulk））に配置された微小筒は、周辺の微小筒とは、外径ｄおよび壁厚ｈが同じでも異なっていても良い。同様に、全ての微小球３２０は、ほぼ同じ寸法であっても、互いに異なる寸法であっても良い。
【００４９】
好ましくは、図２に示されていないが、微小筒３１０の外径は、第１の部分３１の内面３１１から第１の部分３１の外面３１２に向かうにつれて減少する。同様に、さまざまな大きさの微小球の径は、第２の部分３２の中心３２１から第２の部分３２の周縁部３２２に向かうにつれて減少させても良い（図示せず）。径がより大きい微小筒および微小球を主要部に配置し、周縁部に向かうにつれて、径がより小さい微小筒および微小球を配置することによって、微小容器の径が小さくなるため、壁の張力が外周に向かって低下する水素蓄積貯蔵構造が形成されると理解されるだろう。従って、微小筒の壁厚は、集合体構造の内面から集合体構造の外面に向かうにつれて増加させることができる。同様に、微小球の壁厚は、第２の部分３２の中心から第２の部分３２の周縁部に向かうにつれて増加させることができる。
【００５０】
好ましくは、中空微小筒３１０および中空微小球３２０は、それぞれ水素透過性が異なる材料からなる。具体的には、中空微小筒３１０は、２０℃〜３０℃よりも低い温度で相対的に低い水素透過率を有し、７０℃〜９０℃よりも高い温度で高い水素透過率（１０倍を超える）を有する材料からなる。また、中空微小球３２０は、５０℃〜７０℃よりも低い温度で相対的に低い水素透過率を有し、２００℃〜２５０℃よりも高い温度で高い水素透過率（１０倍を超える）を有する材料からなる。例えば、２０℃〜３０℃における水素透過率は、それぞれ微小筒材料が約（１-１０）・１０-９ｃｍ２／ａｔｍ・ｓｅｃであり、微小球材料が約（１-１０）・１０-１７ｃｍ２／ａｔｍ・ｓｅｃである。上記から分かるように、この温度間隔において、主に微小筒から水素が放出されるのに対して、微小球では、さらに温度が上昇する際、必要な場合はさらなる遊離を行うために、依然として水素が貯蔵されている。従って、微小容器の水素遊離速度を制御可能に変えることにより、水素貯蔵カートリッジ１４からの水素ガスの多段的遊離（multi-stage liberation）が実現される。
【００５１】
好ましくは、微小筒３１０として選ばれる材料は、引張り強さσが大きく、密度ρが低い。例えば、σ／ρ≧１０００ＭＰａ・ｃｍ３／ｇの条件を満たす材料は、微小筒３１０および微小球３２０に好適である。微小筒３１０に好適な材料の例として、ポリマー（例えば、アラミド、ＫＥＶＬＡＲ（登録商標）、ＴＷＡＲＯＮ（登録商標）、ＴＥＲＬＯＮ（登録商標）、ＡＲＭＯＳ（登録商標）、ＴＥＣＨＮＯＲＡ（登録商標））等が挙げられるが、これらに限定されない。また、微小球３２０に好適な材料の例として、ＭｇＡｌＳｉガラス（例えば、Ｓ−２ガラス（登録商標）、サンゴバン・ヴェトロテックス・テキスタイル社（Saint-Gobain Vetrotex Textiles）から入手可能なＲガラス、日東紡績株式会社（日東紡）から入手可能なＴガラス）および溶融石英等が挙げられるが、これらに限定されない。
【００５２】
間隔をあけて配置された水素貯蔵用中空微小筒および中空微小球の製造方法は、それ自体公知である（例えば、ウォン・キュ・リム（Won-Kyu Rhim）らの米国特許第４，９８１，６２５号、イシイマサトの米国特許第５，２６０，００２号、一本松正道らの米国特許第５，３７６，３４７号、ブライアン・Ｇ・アムスデン（Brian G. Amsden）らの米国特許第６，２２４，７９４号、トロイ・ロナルド・シーハファー（Troy Ronald Seehafer）らの米国特許第６，８９０，５９２号およびデリア・ラドゥレスク（Dalia Radulescu）の米国特許第６，９９８，０７４号参照。これらの開示内容は、引用により、本明細書に組み込まれる）。ゆえに、以下では詳述しない。
【００５３】
図２に示された実施形態によれば、２つの異なる種類の微小容器からなる集合体構造は、ケース１４１に収容されている。必要な場合には、ケースの壁の内面を、集合体構造の第１の部分３１の周辺の微小筒に結合させても良い。一般に、ケース１４１は、好適な金属、プラスチックまたは複合材料から構成され、ハウジング１１に対するカートリッジの挿入および取り出し操作を行うのに十分な剛性を備えた任意の形状および構成であれば良い。例えば、ケース１４１および微小筒３１０は、同じ材料から作成されることがある。ケースの壁の厚さは、例えば、微小筒の厚さよりも１０〜１５倍大きい。図２に示されているように、ケース１４１は、円筒状、すなわちハウジング１１の内面の形状を複製している。しかし、一般に、ケース１４１は、任意の形状を有することができる。必要な場合には、ケース１４１は、ユーザーがカートリッジ１４を挿入、取り出しおよび／または運びやすくするために設けられた取っ手（図示せず）を備えても良い。
【００５４】
本発明の一実施形態によれば、集合体構造の微小容器（微小筒および微小球）は、ケース１４１内に密接して（密着して）詰まっており、好ましくは互いに接合することにより、強固な構造を形成している。特に、微小容器がガラス、ポリマーまたは金属製の場合、微小容器は、例えば、焼結によって接合される。同様に、微小容器を接合するのに接着剤等の接着材料を用いることもできる。
【００５５】
微小容器は、集合体構造に組み立てられている。従って、集合体構造の第１の部分３１において、隣接する微小筒が互いの壁に接触することにより、微小筒に沿って、筒同士の隙間（empty inter-cylinder spaces）３３を形成する。同様に、隣接する微小球が互いの壁に接触することにより、集合体構造の第２の部分３２に球同士の隙間（empty inter-sphere spaces）３４を形成する。
【００５６】
本発明の一実施形態によれば、水素遊離手段１５は、微小容器に貯蔵された水素ガスの遊離（拡散放出）を活性化するために、カートリッジ１４と関連付けられた１つまたはそれ以上の電気加熱素子（electrically heating elements）等の活性化素子（activation element）を含む。図２に示された実施形態の場合、活性化素子は、集合体構造の第１の部分３１と関連付けられた第１加熱素子１５１と、集合体構造の第２の部分３２と関連付けられた第２加熱素子１５２とを含む。
【００５７】
本発明の一実施形態によれば、微小容器は、互いに接触するときに導電路が形成されるように、導電性材料からなる水素吸収層で被覆されている。この被覆層は、化学蒸着法、電気めっき、無電解めっき、ゾルゲル法、プラズマＣＶＤ法、スパッタリングおよび塗布（painting）から選ばれる少なくとも１つのコーティング法で形成することができる。
【００５８】
本発明の別の実施形態によれば、微小容器の接合に利用される接着材料は、第１の部分および／または第２の部分にそれぞれ電圧が印加されたときに、この接着材料を介して電気的浸透（electrical percolation）が行われるように、導電性を有する。導電性材料に電圧が印加されると、導電性材料を流れる電流が発生し、それによって発熱を起こすと理解されるだろう。
【００５９】
従って、本発明の当該実施形態によれば、第１加熱素子１５１は、第１の部分３１の両端で、微小筒３１０を接合する導電性浸透接着材料（percolating electrical conductive adhesive material）に電気的に結合された一対の第１電極１５３を含む。第１加熱素子１５１は、上記接着材料を制御可能な電源１９に結合するように構成されている。また、第２加熱素子１５２は、第２の部分３２の両端で、微小球３２０を接合する浸透接着材料に電気的に結合された一対の第２電極１５４を含む。
【００６０】
第１電気加熱素子１５１および第２電気加熱素子１５２は、制御可能な電源１９によって駆動される。動作時には、圧力センサ１６１により測定されたチャンバー１３内の水素ガスの圧力と、カートリッジが水素ガスの供給を開始するのに要する時間とに応じて、制御系は、とりわけ電源１５１の動作を制御するように適合されている。従って、制御可能な電源１９によって駆動される第１および第２電気加熱素子は、一対の第１電極および／または第２電極に印加される電圧を制御可能に変えることができ、これにより微小筒３１０および微小球３２０の温度をそれぞれ変化させる。水素の遊離は、微小容器の集合体における第１の部分および／または第２の部分に印加される電圧を、チャンバー１３内の圧力が必要レベルよりも低ければ増加させ、逆に必要レベルよりも高ければ減少させるような方法で制御することができる。
【００６１】
微小容器の加熱中に温度を制御する必要がある場合、カートリッジ１４は、例えば、筒同士および球同士の隙間に設けられ、微小容器の温度を測定し、且つ測定温度を示す温度センサ信号を生成するように構成された１つまたはいくつかの温度センサ（図示せず）を備えても良い。温度センサは、カートリッジ素子の過熱および損傷を避けるために、とりわけ温度センサ信号に反応し、電気加熱素子１５１、１５２を制御することができる制御系１６に結合されても良い。
【００６２】
制御可能な温度変化により、微小容器に貯蔵された水素ガスを、ケース１４１の微小容器によって占有されていない空間、すなわち筒同士の隙間３３および球同士の隙間３４のそれぞれに制御可能に放出することができる。また、ケース１４１の微小容器によって占有されていない上記空間に蓄積された水素ガスは、さらに、チャンバー１３のカートリッジ１４によって占有されていない空間１３０に排出することができる。例えば、水素ガスは、ケース１４１の壁を通って空間１３０に拡散できる。さらに、必要な場合には、水素をカートリッジ１４から空間１３０に制御可能に遊離させるために、ケース１４１内に固有のバルブ（図示せず）を設けても良い。
【００６３】
このような水素ガスの多段階遊離は、カートリッジ１４の第１の部分を素早く加熱することにより、第１電気加熱素子１５１をオンにした後、例えば３〜５秒というかなり短い時間間隔で、微小筒３１０および筒同士の隙間３３からの水素ガス供給を開始する可能性をもたらす。一方、カートリッジの第２の部分を比較的高温に加熱するには、より多くの時間がかかる。従って、微小球３２０および球同士の隙間３４に貯蔵された水素ガスは、後の段階で供給される。
【００６４】
図４は、本発明の別の実施形態に係る水素貯蔵カートリッジを備えた図１の装置の長手方向における概略断面図である。本実施形態のカートリッジは、図２に示されたカートリッジとは、複数の界面ガス捕集器（interface gas collectors）４０１を含み、各捕集器は、微小筒３１０の総数のうち一部と関連付けられている点が異なる。微小筒３１０のそれぞれの部分は、対応する加熱素子４０２を備えており、加熱素子４０２は、微小筒３１０を接合する導電性接着材料に結合された一対の電極を有する。
【００６５】
動作時には、微小筒の各部分および筒同士の隙間に貯蔵された水素ガスを、対応する界面ガス捕集器４０１の空間に制御可能に放出することができる。さらに、界面ガス捕集器４０１からの水素ガスは、それぞれに対応する界面捕集器バルブ（interface collector valves）４０３を介して、チャンバー１３のカートリッジ１４によって占有されていない空間１３０に制御可能に排出することができる。界面捕集器バルブ４０３は、ガス捕集器４０１のケース内に配置され、且つ制御部１６２と動作可能に結合されている。例えば、圧力センサ１６１により測定されたチャンバー１３内のガス圧力が所定の圧力値未満の場合、制御部１６２は、界面捕集器バルブ４０３の動作を制御する圧力制御信号（control pressure signals）を生成することにより、水素ガスを１つまたはそれ以上の界面ガス捕集器４０１からチャンバー１３の空間１３０に排出させる。
【００６６】
本発明の当該実施形態によれば、カートリッジは、微小球３２０の総数または一部と関連付けられた１つまたはそれ以上の界面ガス捕集器４０４を含むこともできる。微小球３２０は、対応する加熱素子を備えており、この加熱素子は、微小球３２０を接合する導電性接着材料に結合された一対の電極４０５を有する。動作時において、必要な場合には、まず水素ガスをガス捕集器４０４の空間に蓄積しても良い。水素をガス捕集器４０４から空間１３０に制御可能に排出するために、ガス捕集器４０４のケース内に固有の界面バルブ４０５を設けても良い。
【００６７】
図５は、本発明のさらに別の実施形態に係る水素貯蔵カートリッジおよび水素遊離手段１５を備えた図１の装置の概略図である。本発明の当該実施形態によれば、カートリッジ１４は、図２に示されたカートリッジと基本的に同じ構成である。具体的には、カートリッジ１４は、ケース１４１と、ケース１４１の内部に配置された２つの異なる種類の微小容器からなる集合体構造とを含む。微小容器の集合体構造は、管状の第１の部分５１と、第１の部分５１の内腔に配置された円筒状の第２の部分５２とを含む。
【００６８】
第１の部分５１は、第１の部分５１の軸方向に配置されている複数の密集した中空微小筒５１０を含む。微小筒５１０の両端部５３ａ、５３ｂは、封止されている。具体的には、水素遊離手段１５から遠い側にある微小筒５１０の端部５３ａは、水素不浸透性材料（impermeable to hydrogen material）からなるキャップ５４ａで封止されているのに対して、水素遊離手段１５に近い側にある微小筒５１０の端部５３ｂは、水素拡散材料（hydrogen diffuser material）からなるキャップ５４ｂで封止されている。従って、（両端部から封止された）微小筒５１０は、高圧で水素ガスを貯蔵できる。
【００６９】
本発明の当該実施形態によれば、端部５３ｂを封止する水素拡散材料は、光増強型（photo-enhanced）水素拡散特性を有する。一例において、水素拡散材料は、光増強型水素拡散を特徴としている。赤外（ＩＲ）放射によって透過する水素の放出速度を大幅に加速させる材料は、当該技術分野において公知である（例えば、D.B.Rapp、 J.E.Shelby著「ガラスの光増強型水素ガス放出（Photo-Enhanced Hydrogen Outgassing of Glass）」J. Non-Cryst. Solids, 2004, V.349, PP.254-259参照）。例えば、市販のホウケイ酸ガラスに光学活性成分（例えば、Ｆｅ３Ｏ４）をドープすることにより、赤外放射に対する水素の拡散速度の感度を劇的に高めることがある。
【００７０】
本発明の当該実施形態によれば、微小筒５１０からの水素の遊離を活性化するために、水素遊離手段１５は、キャップ５４ｂが所定の周波数範囲で照射されると、このキャップ５４ｂを介して光増強型水素拡散を行う制御可能な放射源（controllable radiation source）５６等の活性化要素（activation element）を含む。キャップ５４ｂの水素拡散材料にもよるが、制御可能な放射源５６は、さまざまな電磁スケール（electromagnetic scale）の範囲で作動することができる。
【００７１】
例えば、水素拡散材料が、Ｆｅ３Ｏ４がドープされたＰｙｒｅｘ（登録商標）ガラスに基づく場合、制御可能な放射源５６は、赤外（ＩＲ）ランプであっても良い。実際には、赤外放射によりドーパントが反応して、ガラス内に自然発生する微細孔（microscopic pores）を開ける。微小筒５１０内の高圧下にある水素は、キャップ５４ｂに開けられた孔を通って拡散できる。この場合、微小筒５１０からの水素の放出は、赤外放射強度を変えることにより、および／または赤外放射源を単にオンオフすることにより制御できる。
【００７２】
放射源５６は、制御系１６によって制御される。動作時には、チャンバー１３内の水素ガスの圧力にもよるが、制御系は、とりわけ放射源３６の動作を、照射される放射線の強度を変えることにより、および／または電源１９を所定の周期でオンオフすることにより制御するように適合されている。その結果、微小筒５１０に貯蔵された水素は、チャンバー１３のカートリッジ１４によって占有されていない空間に制御可能に遊離される。例えば、チャンバー内の圧力が低ければ放射強度を増加させ、逆に高ければ放射強度を減少させれば良い。
【００７３】
また、図２に示されたものと同様に、微小容器の集合体構造における第２の部分５２は、水素を部分的に透過させる材料からなり、第２の部分５２の円筒形空間を埋めている複数の密集した中空微小球５２０を含む。微小球５２０からの水素の遊離を活性化するために、水素遊離手段１５は、第２の部分５２と関連付けられ、微小球５２０を加熱するように構成された球加熱素子（sphere heating element）５７を含む。図２に示された場合と同じく、球加熱素子５７は、第２の部分５２の両端で、微小球５２０を接合する浸透接着材料に電気的に結合された一対の電極５７１を含む。
【００７４】
球加熱素子５７は、制御可能な電源１９によって駆動される。動作時には、圧力センサ１６１により測定されたチャンバー１３内の水素ガスの圧力と、カートリッジが水素ガスの供給を開始するのに要する時間とに応じて、制御系は、とりわけ電源１９の動作を制御するように適合されている。従って、制御可能な電源１９によって駆動される球加熱素子５７は、一対の電極５７１に印加される電圧を制御可能に変えることができ、これにより微小球５２０の温度を変化させる。水素の遊離は、微小容器の集合体における第２の部分に印加される電圧を、チャンバー１３内の圧力が必要レベルよりも低ければ増加させ、逆に必要レベルよりも高ければ減少させるような方法で制御することができる。
【００７５】
従って、本発明の装置は、カートリッジ１４の第１の部分から水素ガスを遊離させることにより、制御可能な放射源５６をオンにした後、例えば３〜５秒というかなり短い時間間隔で、微小筒５１０および筒同士の隙間３３からの水素ガスの供給を開始する可能性をもたらす。その後、カートリッジの第２の部分を作動させることができるため、微小球５２０および球同士の隙間５２１に貯蔵された水素ガスは、後の段階で供給される。
【００７６】
図６は、本発明のさらに別の実施形態に係る水素貯蔵カートリッジ１４および水素遊離手段１５を備えた図１の装置の長手方向における概略断面図である。本実施形態によれば、カートリッジ１４は、ケース１４１と、ケース１４１の内部に配置された２つの異なる種類の微小容器からなる集合体構造とを含む。図７は、図７に示されたカートリッジの線Ｂ−Ｂに沿った水平断面を含む概略斜視図である。簡素化のため、図７にはケース１４１が示されていない。
【００７７】
図６および図７から理解されるように、微小容器の集合体構造は、管状の第１の部分６１と、第１の部分６１の内腔に配置された円筒状の第２の部分６２とを含む。
【００７８】
第１の部分６１は、支持筒体（supporting cylinder）６１１と、第２の部分６２のまわりに巻きつけられた少なくとも１つの中空微小筒（マイクロチューブ）６１０とを含む。例えば、第１の部分６１は支持筒体６１１を含み、この支持筒体６１１に微小筒６１０が１つまたはそれ以上の層状に巻かれていても良い。微小筒６１０の端部は、例えば、同等の壁厚を有する半球体で蓋をするなどして封止されている。中空微小筒６１０は、水素を少なくとも部分的に透過させる材料からなり、水素分子がそれを通って拡散できるようになっている。図８に、微小筒（マイクロチューブ）が巻かれた支持筒体の例が示されている。
【００７９】
微小容器の集合体構造における第２の部分６２は、図２〜図５を参照しながら説明した上記第２の部分と同様である。すなわち、第２の部分６２は、水素を部分的に透過させる材料からなり、支持筒体６１１の空間を埋めている複数の密集した中空微小球６２０を含む。
【００８０】
本発明の当該実施形態によれば、水素遊離手段１５は、第１および第２の部分６１、６２の微小容器に貯蔵された水素ガスの遊離（拡散放出）を活性化するために、カートリッジ１４と関連づけられ、制御可能な電源１９によって駆動される１つまたはそれ以上の電気加熱素子を含む。具体的には、活性化素子は、集合体構造の第１の部分６１と関連付けられた第１加熱素子１５１と、集合体構造の第２の部分６２と関連付けられた第２加熱素子１５２とを含む。
【００８１】
本発明の当該実施形態によれば、コイル状に巻かれた微小筒６１０およびその層が互いに接触するときに導電路が形成されるように、微小筒６１０を導電性材料で被覆しても良い。さらに、コイル状に巻かれた微小筒６１０およびその層を接合するのに導電性接着材料を用いても良く、それによって第１の部分６１に電圧が印加されたときに、この接着材料を介して電気的浸透が行われる。導電性材料に電圧が印加されると、導電性材料を流れる電流が発生し、その結果、水素ガスの放出に必要な発熱を起こす。
【００８２】
同様に、微小容器が互いに接触するときに導電路が形成されるように、微小球を導電性材料で被覆しても良い。あるいは、微小球は、導電性接着材料と結合することにより、第２の部分に電圧が印加されたときに、この接着材料を介して電気的浸透が行われるようにしても良い。
【００８３】
従って、本発明の当該実施形態によれば、第１加熱素子１５１は、コイル状の微小筒６１０に電気的に結合された一対の第１電極１５５を含む。一対の第１電極１５５は、微小筒を覆う導電層またはコイル状に巻かれた微小筒およびその層を接合する接着材料のどちらか一方に結合するように構成されている。また、第２加熱素子１５２は、第２の部分６２の両端で、導電層または微小球６２０を接合する浸透接着材料のどちらか一方に電気的に結合された一対の第２電極１５６を含む。
【００８４】
第１および第２加熱素子に印加される電圧を制御可能に変えることにより、微小容器に貯蔵された水素ガスを、ケース１４１の微小容器によって占有されていない空間に制御可能に放出することができる。また、この空間からの水素ガスは、さらに、チャンバー１３のカートリッジ１４によって占有されていない空間１３０に排出することができる。例えば、水素ガスは、ケース１４１の壁を通って空間１３０に拡散できる。さらに、必要な場合には、水素をカートリッジ１４から空間１３０に制御可能に遊離させるために、ケース１４１内に固有のバルブ（図示せず）を設けても良い。
【００８５】
このような水素ガスの多段階遊離は、カートリッジ１４の第１の部分を素早く加熱することにより、第１電気加熱素子１５１をオンにした後、例えば３〜５秒というかなり短い時間間隔で、微小筒からの水素ガス放出を開始する可能性をもたらす。一方、カートリッジの第２の部分を比較的高温に加熱するには、より多くの時間がかかる。従って、微小球６２０および球同士の隙間３４に貯蔵された水素ガスは、後の段階で供給される。
【００８６】
水素蓄積貯蔵カートリッジ１４は、高温高圧の環境に置かれることにより、水素ガスを充填することができる。微小容器（微小筒および微小球）がこの環境にさらされるように、カートリッジ１４を密封しない方が良いことが理解されるだろう。
【００８７】
公知のように、ガスは中空微小容器の内部にある微小容器の壁を通って拡散するが、その速度は、圧力および／または温度が上昇するにつれて増加する。この場合、各微小容器は、小容量・高圧格納容器（small-volume high-pressure containment vessel）として作用する。水素ガスを蓄積した後、カートリッジ１４を高圧下で冷却してから、圧力を下げるか、または微小球内部と同じ大きさの圧力に維持しても良い。
【００８８】
一実施形態によれば、水素蓄積貯蔵カートリッジ１４の充填は、高圧に耐え、加熱装置を備えるオートクレーブ内で行われる。まず、オートクレーブを、例えば、真空昇圧ポンプで真空吸引することにより、空気を除去する。次に、このオートクレーブに過剰圧力になるまで水素ガスを充填する（約１ａｔｍから３０００ａｔｍの範囲内でも良い）。その後、微小容器の材料にもよるが、約２００℃から５００℃の範囲内でオートクレーブを加熱する。カートリッジ１４は、水素拡散によってオートクレーブ内の水素圧力と微小容器内の水素圧力とが等しくなるまで、このような条件下で維持される。次に、同じ過剰圧力で、室温になるまで装置を冷却する。例えば、２４℃という比較的低い周囲温度で水素蓄積貯蔵カートリッジ１４を維持することにより、微小容器から漏れる水素ガスの量を最小限に抑えられる。その結果、長期間にわたって、カートリッジ１４に水素ガスを貯蔵できる。次に、オートクレーブ内の水素圧力を低下させれば、オートクレーブからカートリッジ１４を取り出して、装置（図１では１０）のチャンバー（図１では１３）に配置することができる。水素遊離手段１５が作動して、８０℃から１００℃の範囲内で温度が保たれると、水素は、微小筒からチャンバー（図１では１３）に放出され始める。ゆえに、２５０℃から３００℃の範囲内の温度に加熱すると、水素ガスが微小球から放出されることになる。
【００８９】
従って、本発明が属する技術分野の当業者ならば、好ましい実施形態に関して本発明を説明したとはいえ、この開示が基づく概念は、本発明のいくつかの目的を実施するための他の構造、装置および方法を設計する基準として容易に利用され得ることが分かるだろう。
【００９０】
上記では、筒状および球状という２種類の微小容器を記載したが、本発明は、これら２種類の微小容器に限定されない。同様に、微小容器は、楕円形でも、円錐形でも、他の形状であっても良い。
【００９１】
本明細書中に用いられた表現および用語は、説明を目的としたものであって、限定とみなされるべきではないことが理解されるだろう。
【００９２】
よって、本発明の範囲は、本明細書に記載された例示的な実施形態によって限定されるとして解釈されないことが重要である。すなわち、添付の請求項に規定された本発明の範囲内であれば、他の変更も可能である。
【図１】
2009540248.tif 000003
【図２】
2009540248.tif 000004
【図３】
2009540248.tif 000005
【図４】
2009540248.tif 000006
【図５】
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【図６】
2009540248.tif 000008
【図７】
2009540248.tif 000009
【図８】
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【手続補正書】
【提出日】平成21年2月13日(2009.2.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御可能な吐出弁（controllable discharge valve）を備えた排出管が結合された密封ハウジングと、水素遊離手段（hydrogen liberating tool）とを備えた圧縮水素ガス貯蔵装置であって、
前記密封ハウジングは、圧縮水素ガスを蓄積且つ貯蔵するように構成された少なくとも２つの異なる種類の微小容器（micro-containers）からなる集合体（assembly）を備えたカートリッジを含むチャンバーを規定し、前記微小容器は、水素を部分的に透過させることが可能で且つ両端部が封止された少なくとも１つの中空微小筒（hollow micro-cylinders）と、水素を部分的に透過させることが可能な複数の中空微小球とから選ばれ、
前記水素遊離手段は、前記水素ガスを、前記カートリッジから前記チャンバーの前記カートリッジによって占有されていない空間（volume）に制御可能に遊離させるように構成されていることを特徴とする圧縮水素ガス貯蔵装置。
【請求項２】
前記制御可能な吐出弁および前記水素遊離手段と動作可能に結合され、それらの動作を制御するように構成された制御系をさらに備え、
前記制御系は、
前記チャンバー内の水素ガス圧力を示す圧力センサ信号を生成するように構成された圧力センサと、
前記排出管内の水素ガス圧力の流量を示すガス流量センサ信号を生成するように構成された流量計と、
前記圧力センサおよび前記流量計と動作可能に結合されるとともに、前記圧力センサ信号および前記ガス流量センサ信号に反応し、前記水素遊離手段および前記吐出弁の動作を制御する制御信号を生成することが可能な制御部とを含む請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記微小容器の前記集合体の構造は、管状の第１の部分と、前記第１の部分の内腔に配置された円筒状の第２の部分とを含み、
前記第１の部分は、前記第１の部分の軸方向に配置されている複数の密集した微小筒を含み、前記第２の部分は、前記第２の部分の円筒形空間（cylindrical volume）を埋めている複数の密集した微小球を含む請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記微小筒の少なくとも一部および前記微小球の少なくとも一部は、導電性材料からなる水素吸収層で被覆されている請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記微小筒の少なくとも一部および前記微小球の少なくとも一部は、導電性接着材料により接合されている請求項３に記載の装置。
【請求項６】
前記微小容器の前記集合体の構造は、管状の第１の部分と、前記第１の部分の内腔に配置された円筒状の第２の部分とを含み、
前記第１の部分は、前記第２の部分のまわりに巻きつけられた１つの中空微小筒を含み、前記第２の部分は、前記第２の部分の円筒形空間を埋めている複数の密集した微小球を含む請求項２に記載の装置。
【請求項７】
前記水素遊離手段は、
前記少なくとも２つの異なる種類の微小容器にそれぞれ関連付けられた少なくとも２つの加熱素子と、
前記制御系に結合され、前記少なくとも２つの加熱素子を制御可能に駆動して、前記微小容器の温度を制御可能に変化させるように構成された制御可能な電源（controllable power source）とを含む請求項３に記載の装置。
【請求項８】
前記水素遊離手段は、
前記カートリッジの前記第１の部分の両端で、前記微小球の前記導電性水素吸収層に結合された一対の第１電極を有する第１加熱素子と、
前記カートリッジの前記第２の部分の両端で、前記微小筒の前記導電性水素吸収層に結合された一対の第２電極を有する第２加熱素子と、
前記制御系に結合され、前記第１加熱素子および前記第２加熱素子を制御可能に駆動して、前記微小球および前記微小筒の温度を制御可能に変化させるように構成された制御可能な電源とを含む請求項４に記載の装置。
【請求項９】
前記水素遊離手段は、
前記カートリッジの前記第１の部分の両端で、前記導電性接着材料に結合された一対の第１電極を有する第１加熱素子と、
前記カートリッジの前記第２の部分の両端で、前記導電性接着材料に結合された一対の第２電極を有する第２加熱素子と、
前記制御系に結合され、前記第１加熱素子および前記第２加熱素子を制御可能に駆動して、前記微小容器の温度を制御可能に変化させるように構成された制御可能な電源とを含む請求項５に記載の装置。
【請求項１０】
前記水素遊離手段に少なくとも近接している前記複数の微小筒の端部は、光増強型（photo-enhanced）水素拡散を特徴とする水素拡散材料（hydrogen diffuser material）からなるキャップで覆われており、一方、前記水素遊離手段は、所定の放射周波数範囲で作動する制御可能な放射源（controllable radiation source）を含み、前記制御可能な放射源は、前記放射源の動作を制御するように適合された前記制御系に結合されることにより、前記水素拡散材料が前記制御可能な放射源によって照射されると、前記水素拡散材料を介して光増強型水素拡散を行う請求項３に記載の装置。
【請求項１１】
前記放射源の動作の制御は、照射される放射線の強度を変えること、または前記放射源を所定の周期でオンオフすることのいずれかにより行われる請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
少なくとも２つの異なる種類の微小容器（micro-containers）からなる集合体（assembly）を備え、圧縮水素ガスを蓄積且つ貯蔵するカートリッジであって、
一方の種類の前記微小容器は、他方の種類の前記微小容器とは、これらの微小容器からの水素放出速度が異なることを特徴とするカートリッジ。
【請求項１３】
前記微小容器は、水素を部分的に透過させることが可能で且つ両端部が封止された少なくとも１つの中空微小筒（hollow micro-cylinders）と、水素を部分的に透過させることが可能な複数の中空微小球とから選ばれる請求項１２に記載のカートリッジ。
【請求項１４】
前記少なくとも１つの中空微小筒の前記材料は、ポリマーおよび複合材料から選ばれる請求項１３に記載のカートリッジ。
【請求項１５】
前記微小球の前記材料は、ＭｇＡｌＳｉガラスおよび溶融石英から選ばれる請求項１３に記載のカートリッジ。
【国際調査報告】
2009540248.tif 000011
2009540248.tif 000012
2009540248.tif 000013