(57)【要約】  本願は、燃料カートリッジ（２００）に関し、反応物質を収容する反応区画（２０４）を備え、前記反応区画（２０４）内で、１２．５〜１４の範囲のｐＨを有する水溶液は、水素ガスを発生させるために、前記反応物質と反応するように導入されることができる。この燃料カートリッジは、前記水溶液のための、前記反応区画（２０４）へのインレット（２１４）と、水素ガスのためのアウトレット（２１６）と、を備える。また、多孔性親水性フィルム（２２０）が前記インレット（２１４）で前記反応区画（２０４）内に設けられており、前記反応区画（２０４）の内部空間の少なくとも一部に亘る延在部を有する。この多孔性親水性フィルム（２２０）は、前記反応区画の内側に亘って前記水溶液を分配するために、毛管力によって前記水溶液を運ぶように適合される。前記多孔性親水性フィルムは、前記反応区画の内壁に対して設けられており、前記内壁の少なくとも５０％をカバーする、好ましくは、前記内壁全体をカバーする。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応物質を収容する反応区画（２０４）を備える燃料カートリッジ（２００）であって、
前記反応区画（２０４）内で、１２．５〜１４の範囲のｐＨを有する水溶液は、水素ガスを発生させるために、前記反応物質と反応するように導入されることができる、燃料カートリッジ（２００）において、
前記水溶液のための、前記反応区画（２０４）へのインレット（２１４）と、
水素ガスのためのアウトレット（２１６）と、
前記インレット（２１４）で前記反応区画（２０４）内に設けられた多孔性親水性フィルム（２２０）であって、前記反応区画（２０４）の内部空間の少なくとも一部に亘る延在部を有し、前記反応区画の内側に亘って前記水溶液を分配するために、毛管力によって前記水溶液を運ぶように適合された、多孔性親水性フィルム（２２０）と、
を備えることを特徴とする、燃料カートリッジ。
【請求項２】
前記多孔性親水性フィルム（２２０）は、前記反応区画（２０４）の内壁に対して設けられており、前記内壁の少なくとも５０％をカバーする、好ましくは、前記内壁全体をカバーする、請求項１に記載の燃料カートリッジ。
【請求項３】
前記反応区画は、密に詰まったビーズで充填されており、適切にはガラスのビーズにより充填されており、
前記反応物質は、前記ビーズの間の空間を占有する、請求項１に記載の燃料カートリッジ。
【請求項４】
フィルタ（２２２）は、前記アウトレットに設けられる、請求項１に記載の燃料カートリッジ。
【請求項５】
前記反応物質はアルミニウムであり、好ましくは粉末形態のアルミニウムである、請求項１に記載の燃料カートリッジ。
【請求項６】
燃料カートリッジの反応区画内で反応剤溶液を分配する方法であって、
前記反応区画は、固体の第１の反応剤を備え、
前記方法は、
第２の反応剤を水に溶かすことによって水溶液を提供するステップであって、水素ガスを発生させるために、前記第２の反応剤が前記第１の反応剤と反応することができる、ステップと、
多孔性親水性部材を介して前記水溶液を前記反応区画内に通過させるステップであって、前記多孔性親水性部材が、前記反応区画の少なくとも大部分に亘る延在部を有し、前記固体の第１の反応剤と接触する、ステップと、
を備える、方法。
【請求項７】
前記固体の第１の反応剤はアルミニウム粉末であり、
前記第２の反応剤は水酸化化合物、好ましくは水酸化ナトリウムである、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記水溶液は、混合チャンバ内で製造される、請求項６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池技術に関し、特に、燃料電池のための燃料として水素を提供するための燃料カートリッジにおける反応剤溶液のための分配構造及び燃料カートリッジに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、自動車技術だけではなく、小規模な電気生産においても、多くの用途にとって、ここ数年にわたり多くの関心を集めてきた。１つの用途は、携帯電話、ラップトップコンピューターなどの電子機器の充電を提供するものである。
【０００３】
ここ数年、化学水素化物システムが開発されており、多くの製品のために使用されている。
【０００４】
燃料電池に燃料を供給するための吸着水素貯蔵（ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ  ｈｙｄｒｏｇｅｎ  ｓｔｏｒａｇｅ）において、分子水素は物理吸着又は化学吸着のいずれかによって化学燃料と関連している。水素化リチウム（ＬｉＨ）、水素化アルミニウムリチウム（ＬｉＡｌＨ４）、水素化ホウ素リチウム（ＬｉＢＨ４）、水素化ナトリウム（ＮａＨ）、水素化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＨ４）などの化学水素化物は、不可逆的に水素ガスを貯蔵するために使用される。化学水素化物は、以下に示すように、水と反応すると大量の水素ガスを生成する。
【０００５】
【化１】
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【０００６】
化学水素化物と水との反応を確実に制御して燃料貯蔵装置から水素ガスを放出させるためには、水の水素イオン指数（ｐＨ）の制御と共に、触媒が使用されればならない。さらに、化学水素化物はしばしば、その水素ガスの早期放出から水素化物を保護するために、不活性安定化液体（ｉｎｅｒｔ  ｓｔａｂｉｌｉｚｉｎｇ  ｌｉｑｕｉｄ）のスラリー中で実現される。
【０００７】
燃料電池のための水素を生成するための化学反応方法において、しばしば水素貯蔵および水素放出が、化学燃料の温度又は圧力における適度な変化によって触媒される。温度によって触媒されるこの化学系の一例は、以下の反応によってアンモニア−ボランからの水素生成である。
【０００８】
【化２】
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【０００９】
第１の反応は、６．１重量％の水素を解放し、約１２０℃で起きるのに対して、第２の反応は、他の６．５重量％の水素を解放し、約１６０℃で起きる。これらの化学反応方法は、水素ガスを生み出すために、開始剤として水を使用しない。また、これらの化学反応方法は、システムにおける水素イオン指数ｐＨの緻密な制御を必要とせず、且つ多くの場合、別個の触媒材料を必要としない。しかしながら、それらの化学反応方法は、熱暴走の頻繁な発生に起因して、システム制御問題に悩まされていた。アンモニア−ボランから水素の発生を熱的に初期化するために、且つ熱暴走から保護するために設計されたシステムのために、例えば、特許文献１を参照する。熱的な水素解放条件を変更するための触媒及び溶媒を採用する化学反応方法のために、例えば、特許文献２及び３を参照する。
【００１０】
他の最近の反応システムは、ＮａＳｉを使用しており、例えば、特許文献４に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許第７，６８２，４１１号明細書
【特許文献２】米国特許第７，３１６，７８８号明細書
【特許文献３】米国特許第７，５７８，９９２号明細書
【特許文献４】国際公開第２０１５／１４３２１２号パンフレット
【００１２】
同時継続出願において、本願の発明者らは、燃料電池用途における水素の製造のために、燃料カートリッジ内で使用するための新規の反応剤システムを開示する。新規の反応剤システムは、水、水溶性の第１の反応物質、及び、アルミニウム粉末の形態の第２の固体反応物質を備える。第１の反応物質の水溶液と接触した場合に、アルミニウム粉末は反応し、水素ガスを生み出す。
【００１３】
燃料カートリッジにおけるこの反応剤システムの実施に関連して、アルミニウム粉末に亘り反応剤溶液の効率的且つ均一な分配の必要性が存在する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本願の発明者らは、それ故に、反応区画の内側においてアルミニウム粉末に亘る反応剤溶液の制御された均一な分配のための新規の手段を考案した。
【００１５】
この新規の手段は燃料カートリッジの分配構造として設けられており、この分配構造を備える新規の燃料カートリッジは請求項１に規定される。
【００１６】
それ故に、燃料カートリッジは、反応物質を収容する反応区画を備え、前記反応区画内で、１２．５〜１４の範囲のｐＨを有する水溶液は、水素ガスを発生させるために、前記反応物質と反応するように導入されることができる。この燃料カートリッジは、前記水溶液のための、前記反応区画へのインレットと、水素ガスのためのアウトレットと、を備える。また、多孔性親水性フィルムが前記インレットで前記反応区画内に設けられており、前記反応区画の内部空間の少なくとも一部に亘る延在部を有する。この多孔性親水性フィルムは、前記反応区画の内側に亘って前記水溶液を分配するために、毛管力によって前記水溶液を運ぶように適合される。
【００１７】
フィルムは、反応区画の内壁に対して適切に設けられており、内壁の少なくとも５０％をカバーする、好ましくは内壁全体をカバーする。
【００１８】
さらに、反応剤システムの複数の構成要素を互いと混合するように適合された手段が適切に設けられる。
【００１９】
さらなる態様において、燃料カートリッジの反応区画内で反応剤溶液を分配するための方法が提供されており、請求項６に規定される。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】燃料カートリッジの新規の分配手段の原理を概略的に示す図である。
【図２】代替的な実施形態を概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
アルミニウムは、例えば水酸化ナトリウム水溶液に溶解し、水素ガスＨ２の発生及び［Ａｌ（ＯＨ）４］−の種類のアルミン塩酸の生成を伴うことが知られている。全体的な反応は以下のように記載することができる。
【００２２】
【化３】
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【００２３】
要するに、適切な条件下で水溶液に対して暴露された場合に、アルミニウムは溶解し、水素ガスは発生する。
【００２４】
上記の同時係属出願において、本願の発明者らは、アルミニウムの適切な形態及び水溶液の適切な組成を選択することによって反応システムを最適化した。
【００２５】
特に、反応剤システムが使用される用途に適合させるために、発生速度と空間分布との両方において水素発生を制御することが重要である。アルミニウムが、特定の粒度分布及び表面特性を有する粉末として提供される場合、非常に効率的な反応剤システムを得ることが可能であることが発見されている。
【００２６】
水溶液の水素イオン指数（ｐＨ）は、１２．５から１４までの範囲のｐＨとされるべきである。
【００２７】
従って、反応剤システムは、上記のアルミニウム粉末、水、及び水溶性化合物を備える。この水溶性化合物は、アルカリ性溶液で生じ、特に、水酸化リチウム（ＬｉＯＨ）、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）、水酸化カリウム（ＫＯＨ）、水酸化カルシウム（Ｃａ（ＯＨ）２）又は  水酸化マグネシウム（Ｍｇ（ＯＨ）２）等の金属水酸化物が使用可能であり、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）が好ましい。
【００２８】
アルミニウム粉末、水、及び水溶性化合物は、燃料カートリッジ内で別個の区画内で提供されており、方法は、一の区画から混合区画に水を流すステップを備え、そこで水溶性化合物が存在しており、それによって、水溶性化合物は水溶液を提供するように溶解する。水溶液は反応器に流れ、その反応器にはアルミニウム粉末が存在しており、それによって、反応が起こり、水素が発生し、アウトレットを通じて燃料電池装置に水素を流す。
【００２９】
適切な機械的手段は、適切なチャネルを通じて水溶液を供給するために使用される。機械的手段は、ポンプ手段、水圧／空圧システム、又は同様のものであってもよい。
【００３０】
新規の分配構造が実施される燃料カートリッジは、反応物質（好ましくは、アルミニウム粉末）を収容する反応区画２０６を備える。その反応区画２０６において１２．５〜１４の範囲のｐＨを有する水溶液は、水素ガスを発生させるために、反応物質（アルミニウム粉末）と反応するように導入されることができる。前記水溶液のために、反応区画２０６へのインレット２１４と、水素ガスのためのアウトレット２１６が設けられる。水素ガスＨ２は次いで、接続部２１７を介して燃料電池装置ＦＣＤへ通過する。
【００３１】
上記ですでに述べたように、最も効率的な水素製造を達成するために、アルカリ性水溶液が、制御された方法（時間的に且つ空間的に）で均一に分散されることが重要である。
【００３２】
新規の分配構造はそれ故に、多孔性親水性部材２２０を備え、この多孔性親水性部材２２０は、前記インレット２１４において、反応区画２０６内に設けられており、反応区画２０６少なくとも一部に亘る延在部、好ましくは反応区画２０６の内部空間全体に亘る延在部を有する。多孔性親水性部材２２０は、前記反応室の内部に亘って水溶液を分散させるために、多孔性親水性部材２２０内の毛管力によって、前記水溶液を運ぶように適合される。適切には、多孔性親水性部材２２０は、ポリエチレン（ＰＥ）のフィルムである。そのようなフィルムは、サンマップ（登録商標）の名称で日東電工から入手可能である。
【００３３】
図１は、燃料カートリッジ２００の実施形態の蓋部分の概略図である。反応区画２０６に加えて、燃料カートリッジは、アウトレットチャネル２０３を有する水区画（ｗａｔｅｒ  ｃｏｍｐａｒｔｍｅｎｔ）２０２と、インレット２０５を有する混合区画２０４と、を備える。
【００３４】
カートリッジが使用されるべきである場合に、一の実施形態において、そのカートリッジは、水を水区画２０２からチャネル２０３を介してインターフェースにおけるチャネルシステム２１９（鎖線で示される）を通じて、インレット２０５を介して混合区画２０４へ輸送するための水制御機構を提供するインターフェース（明確に示されていない）を介して燃料電池装置と協働して係合するだろう。
【００３５】
他の実施形態において、水制御機構は、カートリッジ内で一体化されており、それ故に、後述するように、独立型ユニットを形成する。
【００３６】
混合区画２０４において、水は、その混合区画２０４内に収容された水溶性化合物を溶かすだろう。そして、そのように提供された水溶液は、インレット２１４を介して反応区画２０６に通過する。
【００３７】
反応区画内に多孔性親水性部材２２０が設けられており、この多孔性親水性部材２２０は、示された実施形態において、反応区画２０６の蓋の内壁全体をほとんどカバーする。適切には、その部材は、上記の材料のフィルムである。好ましい実施形態において、前記フィルム材料のタブは、水溶性化合物の望まれていない不溶性粒子が前記反応区画に入るのを防ぐためのフィルタとして作用するためにインレット２１４をカバーする。
【００３８】
当然ながら、フィルムが、蓋の内壁の代わりに、反応区画の底の内壁をカバーすることができる。それは、どちらか一方を好ましいものにする設計上の考察の問題に過ぎない。
【００３９】
反応区画の内側の反応剤溶液の分配のさらなる態様は、反応性粉末内における迅速な分配を確認することである。小さなビーズ、例えばガラスの小さなビーズが粉末内に分散された場合に、より効率的な拡散が起こり、それによって、性能を高めることが発見された。
【００４０】
それらのビーズは好ましくは、球状であり、適切には直径２．５ｍｍ〜２．８ｍｍである。プロトタイプに使用された適切なビーズは、プレシオサ社から入手可能であり、装飾的使用ために、例えばネックレスのために設計され且つ意図されている。
【００４１】
図２において、独立型燃料カートリッジ２００’の概略図が示される。それは、図１の実施形態の全体構成と同じ全体構成を基本的に有するが、ここでは、チャネルシステム２１９内に設けられたポンプ２２４によって象徴される水制御機構は、カートリッジ２００’内で一体化される。ポンプは、燃料電池装置ＦＣＤ内の適切な電気的接続部ＢＡＴによってエネルギーを付与され、使用時に燃料電池装置ＦＣＤにカートリッジが連結されることができる。
【００４２】
全ての他の構成要素は、図１の実施形態の構成要素と同じものである。
【符号の説明】
【００４３】
２００  燃料カートリッジ
２００’  独立型燃料カートリッジ
２０２  水区画
２０３  アウトレットチャネル
２０４  混合区画、反応区画
２０５  インレット
２０６  反応区画
２１４  インレット
２１６  アウトレット
２１７  接続部
２１９  チャネルシステム
２２０  多孔性親水性部材、多孔性親水性フィルム
２２２  フィルタ
２２４  ポンプ
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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