(57)【要約】  本発明は、反応剤システムに基づいて水素ガスを供給するための新規の燃料カートリッジに関する。それ故に、燃料電池装置のための燃料カートリッジは、第１の反応物質を貯蔵するための反応区画と、水を貯蔵するための水区画と、を備える。燃料カートリッジは、第２の水溶性反応物質を含む混合区画（１０６）と、水に溶解した第２の水溶性反応物質を前記反応区画（１０２）に流すように適合された、前記混合区画（１０６）と前記反応区画（１０２）との間の流体連通手段（１１４）と、を備える。前記水に溶解した第２の水溶性反応物質は、ガスを発生させるために、前記第１の反応物質と反応することができる。適切には、燃料カートリッジは、前記燃料カートリッジの外部に配置された水制御機構に接続可能であるインターフェースを備え、水制御機構は、前記水区画と前記混合区画との間で水の流れを制御するように構成されており、それによって、水は、前記混合区画内で、前記第２の水溶性反応物質と反応し、前記第２の水溶性反応物質を溶解する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池装置のための燃料カートリッジ（１００）であって、
第１の反応物質を貯蔵するための反応区画（１０２）と、
水を貯蔵するための水区画（１０４）と、
を備え、前記燃料カートリッジ（１００）が、
第２の水溶性反応物質を含む混合区画（１０６）と、
水に溶解した第２の水溶性反応物質を前記反応区画（１０２）に流すように適合された、前記混合区画（１０６）と前記反応区画（１０２）との間の流体連通手段（１１４）と、
を備え、前記水に溶解した第２の水溶性反応物質は、ガスを発生させるために、前記第１の反応物質と反応することができることを特徴とする、燃料カートリッジ。
【請求項２】
前記燃料カートリッジ（１００）の外部に配置された水制御機構（１１０、１１２）に接続可能であるインターフェース（１０７、１０８、１０９）を備え、
前記水制御機構は、前記水区画（１０４）と前記混合区画（１０６）との間で水の流れを制御するように構成されており、それによって、水は、前記混合区画（１０６）内で、前記第２の水溶性反応物質と反応し、前記第２の水溶性反応物質を溶解する、請求項１に記載の燃料カートリッジ。
【請求項３】
前記インターフェースは、補完的な装置の嵌め合いアウトレットに接続可能な水インレット（１０８）を備え、
前記燃料カートリッジ（１００）の前記水インレット（１０８）には、貫通可能なシールが設けられており、前記貫通可能なシールを通じて、前記嵌め合いアウトレットの少なくとも１部が入ることができ、
前記水インレット（１０８）は、前記混合区画（１０６）内で開く、請求項２に記載の燃料カートリッジ。
【請求項４】
前記燃料カートリッジ（２００）内で、水制御機構（２０５、２１９、２２４、２０７）を備える、請求項１に記載の燃料カートリッジ。
【請求項５】
前記水制御機構は、反応物質を溶解するために、前記水区画から前記混合区画を通じて水の流れを引き起こすように、且つ前記水溶液を前記反応区画内に流すように構成されている、請求項２〜４のいずれか一項に記載の燃料カートリッジ。
【請求項６】
前記水制御機構は、ポンプ、前記燃料カートリッジの加圧部分、又は、機械的圧縮手段を備える、請求項５に記載の燃料カートリッジ。
【請求項７】
前記水区画（１０２）は、水を含むフレキシブルバッグ（１０３）を収納しており、
前記フレキシブルバッグは、穿孔要素によって貫通可能である、請求項１〜６のいずれか一項に記載の燃料カートリッジ。
【請求項８】
前記穿孔要素は中空であり、且つ前記フレキシブルバッグ（１０３）から前記水制御機構へ水を流すように適合される、請求項７に記載の燃料カートリッジ。
【請求項９】
前記反応区画に対する前記インレット（１１４）内のバルブ機構であって、前記燃料カートリッジが使用状態になる場合に開くように構成されたバルブ機構をさらに備える、請求項１〜８のいずれか一項に記載の燃料カートリッジ。
【請求項１０】
前記バルブ機構は、燃料電池装置（ＦＣＤ）への前記燃料カートリッジ（１００；２００）の挿入の際に作動可能なプランジャ（１１５、２１５）を備える、請求項９に記載の燃料カートリッジ。
【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も、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】
他の最近の反応剤システムは、ＮａＳｉを使用しており、例えば、特許文献４に開示されている。
【００１１】
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。
【００１２】
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、適合されるべきであるカートリッジに対する所定の要件が存在する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【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
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本願の発明者はそれ故に、上記の種類の反応剤システムに基づいて水素ガスを提供するための新規の燃料カートリッジを考案した。
【００１５】
この新規の燃料カートリッジは、請求項１に規定されている。
【００１６】
それ故に、燃料電池装置のための燃料カートリッジは、第１の反応物質を貯蔵するための反応区画と、水を貯蔵するための水区画（ｗａｔｅｒ  ｃｏｍｐａｒｔｍｅｎｔ）とを備える。燃料カートリッジは、第２の水溶性反応物質を含む混合区画（１０６）と、水に溶解した第２の水溶性反応物質を前記反応区画（１０２）に流すように適合された、前記混合区画（１０６）と前記反応区画（１０２）との間の流体連通手段（１１４）とを有し、前記水に溶解した第２の水溶性反応物質は、ガスを発生させるために、前記第１の反応物質と反応することができる。
【００１７】
一の実施形態において、燃料カートリッジは、前記燃料カートリッジの外部に配置された水制御機構に接続可能であるインターフェースを備え、前記水制御機構は、前記水区画と前記混合区画との間で水の流れを制御するように構成されており、それによって、水は、前記混合区画内で、前記第２の水溶性反応物質と反応し、前記第２の水溶性反応物質を溶解する。
【００１８】
他の実施形態において、燃料カートリッジは、前記燃料カートリッジ内に水制御機構を備える。
【００１９】
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ために適合された手段が適切に設けられる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】燃料カートリッジ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剤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、１４未満のｐＨの範囲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】
好ましくは、アルミニウム粉末は、湿った場合に、つまり、純水と接触した場合に反応しないような構成を有する。アルミニウム粉末は、アルカリ性溶液と接触した状態になるまで反応すべきではない。市販されているアルミニウム粉末のほとんどは、この性質を有するように思われる。しかしながら、特許請求の範囲に記載された反応剤システムで実施する前に、使用のためのアルミニウム粉末をこの特性について試験することが好ましい。
【００３０】
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。
【００３１】
図１は、新規の燃料カートリッジ１００の実施形態の「底」部分、つまり「蓋」が取り外された状態を概略的に図示する。
【００３２】
それは、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１０４を備え、その中に、１２．５〜１４の範囲のｐＨを有する水溶液が、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。前記水溶液のための前記反応区画１０４に対するインレット１１４と、水素ガスのためのアウトレット１１６とが設けられる。水素ガスＨ２はその結果、接続部１１７を介して燃料電池装置ＦＣＤへ通過する。
【００３３】
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、アルカリ性溶液が、反応区画１０４内において制御された方法（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。
【００３４】
燃料カートリッジはそれ故に、多孔性親水性部材１２０（破線で示される）を備える。この多孔性親水性部材１２０は、前記インレット１１４において反応区画１０４内に設けられており、反応区画１０４の少なくとも一部に亘って、好ましくは反応区画１０４の内部空間全体に亘って延在している。適切には、フィルムは、蓋部分の内壁と接触するように設けられる。しかしながら、図１において、それは、反応区画の底に位置するように図示される。どちらか一方を好ましいものにすることは単に、設計上の考察の問題に過ぎない。多孔性親水性部材１２０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１２０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１２０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。
【００３５】
反応区画１０４に加えて、燃料カートリッジ１００は、水バッグ１０３を含み、且つ外側チャネル１０９を有する水区画（ｗａｔｅｒ  ｃｏｍｐａｒｔｍｅｎｔ）１０２と、インレット１０８を有する混合区画１０６とを備える。
【００３６】
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、水制御機構を提供するインターフェース１０７（明確に示されていない）を介して燃料電池装置ＦＣＤと協働して係合するだろう。ここで、水制御機構は、ポンプ１１０として図示されており、水区画１０２からチャネル１０９を介して、そのインターフェースにおいてチャネルシステム１１２を通じて、インレット１０８を介して混合区画１０６へ水を輸送するためのものである。
【００３７】
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。
【００３８】
混合区画１０６において、水は、その混合区画１０６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１１４を介して反応区画１０４に通過する。
【００３９】
水が反応物質を溶解する前に、混合区画から反応物質が反応区画に入る危険性がないようにするために、インレット１１４内にバルブ機構が設けられる。このバルブ機構は、カートリッジがともに使用される燃料電池装置内にそのカートリッジを挿入することによって使用されるときに開かれる。好ましくは、これは、プランジャ（参照符号１１５、図２において、参照符号２１５によって概略的に示される）によって達成されており、このプランジャは、シールを貫通し、複数の区画の間の連通を開く。
【００４０】
反応区画内に多孔性親水性部材１２０が設けられており、この多孔性親水性部材１２０は、示された実施形態において、反応区画１０４の底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１１４をカバーする。
【００４１】
好ましい実施形態において、反応区画からのアウトレット１１６をカバーするためのフィルタ要素が設けられる。
【００４２】
水素ガスが燃料電池の燃料として使用する場合、水素ガスはできるだけ乾燥していることが重要である。水素ガスが反応区画１０４を出るときに水蒸気により常に汚染されるので、別個の乾燥区画１２２内で乾燥させる。水素が接続部１１７を通じてカートリッジを出る前に通過するこの区画では、乾燥剤、好ましくは細かい粉末の形態又は中型サイズの粉末の形態の乾燥剤であり、水素が過度に高圧になることなく通過できるようにゆるく充填されている。そのような乾燥剤の例は、Ｄｒｉｅｒｉｔｅである。
【００４３】
反応区画の内部における反応液分散のさらなる態様は、反応性粉末内で迅速な分散を確実にすることである。小さなビーズ、例えばガラスの小さなビーズが粉末内で分散されている場合に、より効率的な拡散が起こり、それによって性能が高められることが発見された。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
好ましくは、水制御機構は、ポンプ以外の他の手段によって、例えば、加圧された水区画２０２を提供することによって、水バッグ２０３の内部の過圧などの他の手段によって入手可能な加圧、又は水バッグ２０３で作用する機械的圧縮手段によって、提供される。
【００４７】
他の全ての構成要素は、参照符号２００番代で示されたもの以外、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】
【００４８】
１００  燃料カートリッジ
１０２  水区画
１０３  水バッグ、フレキシブルバッグ
１０４  反応区画
１０６  混合区画
１０７  インターフェース
１０８  水インレット
１０９  外側チャネル
１０９  チャネル
１１０  水制御機構、ポンプ
１１２  水制御機構、チャネルシステム
１１４  流体連通手段、インレット
１１５  プランジャ
１１６  アウトレット
１１７  接続部
１２０  多孔性親水性部材
１２２  乾燥区画
２００  独立型燃料カートリッジ
２０２  水区画
２０３  水バッグ
２０５  水制御機構
２０７  水制御機構
２１５  プランジャ
２１９  水制御機構、チャネルシステム
２２４  水制御機構、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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