(57)【要約】シリコン基板上で単体の水素を貯蔵し回収するシステム。水素貯蔵部材が少なくとも１つの表面を有し、単体の水素がその表面に容易に結合し、またはその表面に単体の水素が容易に吸着され、その表面から単体の水素の脱離を制御することができる。シリコンは、単結晶または多結晶であることができ、薄く切られたウェハとして、非常に精密に押し出されたコラムとして形成することができ、または集積回路の製造における廃棄物から誘導することができる。シリコンの表面は、多孔率および表面積を増加させ、したがって、単体の水素に対する貯蔵効率を増加させる様々な様式で処理することができる。このシステムは、電力を発生させる燃料電池システムに燃料を供給し、それとともに独立型の補助動力源を形成する制御システムと協働するために有用である。
2007526426.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単体の水素を貯蔵し回収するシステムであって、前記システムがシリコンを含む水素貯蔵部材を備えるシステム。
【請求項２】
前記水素貯蔵部材が多孔質シリコンを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
ａ）前記水素貯蔵部材を封入するハウジングと、
ｂ）前記貯蔵部材への前記水素の貯蔵および前記貯蔵部材からの前記水素の回収を調整する制御システムとをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
複数の前記水素貯蔵部材を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記水素貯蔵部材が、少なくとも前記水素貯蔵部材の第１の部分の上に多孔質のシリコンの表面層を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記表面層の百分率での空隙率が約５０％である、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記水素貯蔵部材の第２の部分が電子集積回路素子を備える、請求項５に記載のシステム。
【請求項８】
前記水素貯蔵部材がシリコン・コラムを備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記コラムが、少なくとも１０の、長さに対する直径のアスペクト比を有する、請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記シリコン・コラムが、開口部を通過した溶解したシリコンの押し出しによって形成された、請求項８に記載のシステム。
【請求項１１】
前記押し出しが、圧力、重力、遠心力、およびそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つによって実行される、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記開口部が約１ｎｍの直径を有する、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１３】
前記開口部が、三角形、菱形、四角形および円形からなる群から選択される形状に形成される、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記押し出しが、水素、アルゴン、ヘリウム、およびネオンからなる群から選択されるガスを含む雰囲気内で実行される、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１５】
前記貯蔵された水素を前記部材から開放するための開放源をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１６】
前記開放するための開放源手段が、光、電流、電圧、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１７】
前記光が発光ダイオードによって与えられる、請求項１６に記載のシステム。
【請求項１８】
前記光が約６６０ナノメータの波長で与えられる、請求項１６に記載のシステム。
【請求項１９】
前記シリコンが単結晶の形態である、請求項１に記載のシステム。
【請求項２０】
前記水素貯蔵部材がシリコンウェハから形成される、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２１】
前記シリコンが多結晶の形態である、請求項１に記載のシステム。
【請求項２２】
前記シリコンが、粉砕、磨砕、電流が存在する際のフッ化水素酸およびメタノールによる処理、水酸化カリウムによる処理、ヒドラジンによる処理、ウエットエッチング、ドライエッチング、パラジウムまたは白金などの貴金属の電着、シリコンの共形の蒸着、およびシリコンの非共形の蒸着からなる群から選択されるプロセスによって処理された、請求項１に記載のシステム。
【請求項２３】
前記シリコンが、結晶化によって溶解したシリコンから誘導される、請求項１に記載のシステム。
【請求項２４】
前記シリコンが集積回路産業からのシリコン廃棄物から誘導される、請求項１に記載のシステム。
【請求項２５】
ａ）前記電力を提供する水素および酸素を化合する燃料電池システムと、
ｂ）前記燃料電池システムに水素を供給するための単体の水素を貯蔵し回収するためのシステムであって、前記貯蔵および回収システムがシリコンを含むシステムとを備える、電力を発生させるための補助動力源。
【請求項２６】
前記燃料電池システム、ならびに前記水素貯蔵および回収システムの動作を制御するための制御システムをさらに備える、請求項２５に記載の補助動力源。
【請求項２７】
前記燃料電池システムが、固体酸化型燃料電池システムおよび陽子交換膜型システムからなる群から選択される、請求項２５に記載の補助動力源。
【請求項２８】
前記電力を提供するために水素と酸素を化合する燃料電池システムと、前記燃料電池システムに水素を供給するための単体の水素を貯蔵し回収するためのシステムとを備える補助動力源を備える車両であって、前記貯蔵および回収システムがシリコンを備える水素貯蔵部材を備える車両。
【請求項２９】
前記複数の様々なものが前記車両内の様々な場所の中に配分される、複数の水素貯蔵部材を備える、請求項２８に記載の車両。
【請求項３０】
前記場所が、床、フェンダー、クオータパネル、ロッカーパネル、ドア、コラム、柱、トランク、屋根、およびそれらの組み合わせからなる郡から選択される、請求項２９に記載の車両。
【請求項３１】
ａ）壁を有し、溶解したシリコンを受け取るリザーバを設けるステップと、
ｂ）前記壁の中に複数の孔を設けるステップと、
ｃ）前記溶解したシリコンが前記孔を通ってロッド形状に押し出されるようにするために、前記リザーバの中の前記溶解したシリコンに圧力、重力、および遠心力のうちの少なくとも１つを受けさせるステップとを含む、シリコンロッドを押し出す方法。
【請求項３２】
前記孔が、タングステン、アルミナイド、酸化アルミニウム、ダイヤモンド状カーボン、炭化ケイ素、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される材料から形成される、請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
前記孔が約１ナノメータの公称直径を有する、請求項３１に記載の方法。
【請求項３４】
前記孔が、三角形、菱形、四角形、および円形からなる群から選択される形状に形成される、請求項３１に記載の方法。
【請求項３５】
前記押し出しが、水素、ヘリウム、アルゴン、およびネオンからなる群から選択されるガスを含む雰囲気内で実行される、請求項３１に記載の方法。
【請求項３６】
前記孔が、電子ビームエッチング、従来のフォトリソグラフィ、マイクロマシニング、ロストワックス技術を使用した成形、打ち抜き加工、エッチング、およびそれらの組み合わせからなる群から選択されるプロセスによって前記リザーバ壁内に形成される、請求項３１に記載の方法。
【請求項３７】
前記孔の前記直径が、シリコンの格子間隔の整数倍に等しい直径を有して前記ロッドの形状が押し出されるように選択される、請求項３１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（他の出願および特許との関連）
本出願は、２００３年５月３０日出願の米国仮特許出願（Ｐｒｏｖｉｓｉｏｎａｌ  Ｐａｔｅｎｔ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ）第６０／４７４，７２１号、および２００３年６月９日出願の米国仮特許出願第６０／４７７，１５６号に優先権を主張するものである。
【０００２】
本発明は、水素を貯蔵する手段に関し、より詳細には、結晶質の基板に水素を吸着的に貯蔵する手段に関し、最も詳細には、単体のシリコンの基板上に単体の水素を貯蔵する方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
２００３年１月の一般教書演説で、Ｇｅｏｒｇｅ  Ｗ．  Ｂｕｓｈ大統領は、水素を基にした燃料電池技術を開発することによって、米国の外国産石油への依存の拡大を転換することを目的とし、商業的に実現可能な水素式燃料電池で自動車、トラック、家庭、および事業に動力を与えることを可能にすることを最終的な目標にした水素燃料イニシアチブを発表した。したがって、水素を基にした燃料電池の開発は、米国の優先事項として認識されてきている。
【０００４】
水素を基にした燃料電池が望ましい多くの理由のうちの１つは、それが、エネルギー源として、携帯電話から宇宙船まで数多くの異なる用途に使用するために、容易に適合できることである。純粋に水素を基にした燃料電池の別の望ましい特性は、その唯一の副産物が水蒸気であり、したがってそれが環境に優しいということである。したがって、水素式燃料電池は、広い範囲の用途に対する潜在的に重要なエネルギー源を代表する。
【０００５】
水素の効率的な貯蔵は、費用効果的なシステムの実施に関して重要不可欠である。従来の化学燃料または電気エネルギー源に関する貯蔵と比較した場合、従来技術の水素貯蔵は、給送および貯蔵能力（単位重量当たりのエネルギー密度）に関してガソリンのもつ便利さを欠き、バッテリーまたはコンデンサ内に貯蔵された電気エネルギーの柔軟性を欠く。したがって、燃料電池がその商業的な可能性を最大限に達成するには、改善された水素貯蔵の手段が必要になる。
【０００６】
従来技術の水素貯蔵方法は、広く２つの種類に分類される。
【０００７】
第１の種類は、都合のよい化学分子内に、通常は、メタン、オクタンなどの脂肪族有機化合物に水素を化学的に貯蔵し、次いで、単体の水素に二酸化炭素が加わったものを開放する接触改質によるように、必要とされるように燃料を前処理するものである。この方法は、ａ）二酸化炭素の副産物は、地球温暖化の一因となると考えられてもいる「温室効果ガス」であり、したがって、環境的に望ましくないと見なされることと、ｂ）化学分子および改質器の付加的な重量は、プロセス全体の効率を低下させ、コストと性能の観点から魅力の少ないものにしていることの２つの重大な欠点を抱えている。
【０００８】
第２の種類は、圧縮ガス、極低温化液体または活性面に化学的に吸着されたものの３つの形のうちの１つに単体の水素を機械的にまたは吸着的に貯蔵するものである。
【０００９】
これらの方法のうち、圧縮ガス貯蔵は、最も直接的で、完成した技術である。しかし、圧縮ガスシリンダは、非常に重く、２．５４ｃｍ（１インチ）平方当たり何百ポンドもの圧力に耐える十分な強度を必要とする。この重量は、携帯可能に適用するのにかなりの欠点になり、それは安全上の問題を提示するので、いかなる使用においても、圧縮ガスシリンダは、注意して扱う必要がある。
【００１０】
水素の極低温貯蔵も公知であり、工業プラントで、およびロケット燃料として使用されている。液体水素は、具体的なエネルギーの観点（キログラム当たりのキロワット）から著しく密度の高いものであるが、水素を液体の状態に保つのに必要な、ほぼ絶対０温度を維持するためのかなりの追加のエネルギー量を必要とする。液体水素は、大量の断熱も必要とし、こうした要因が重なり合って、携帯可能な小規模の用途に対して極低温貯蔵を実行不可能にする。
【００１１】
本発明は、貯蔵手段として活性面上に水素を化学吸着することを対象とする。本明細書で使用される化学吸着は、所与の分子を一般には固体または固体マトリクスの活性面上に吸着させることを意味する。化学吸着は、一般に可逆であるが、吸着のエネルギーおよび脱離のエネルギーは通常異なる。様々な触媒および表面処理を行うことができ、所与の貯蔵問題に対して広範囲の実施可能な化学反応および表面特性が提供される。水素の化学吸着は、広く研究されている。金属水素化物、パラジウム、カーボンナノファイバーなどの物質が、水素を吸着させ脱離させるために使用されているのが知られている。
【００１２】
従来技術の水素の化学吸着は、いくつかの理由で効率、利便性、および低いシステムコストの目標に到達しない。カーボンナノファイバーなどある種の材料では、水素がマトリックスの単位重量当たりに吸着される効率は高いが、脱離の方法は高い熱を必要とし、それが燃焼の危険を生じる。さらに、カーボン・ナノ構造の現在のコストは比較的高く、材料特性の制御は大容量での製造で非常に困難になる可能性がある。金属ハロゲン化物、金属酸化物、またはその他の無機性の表面の場合では、一般に、効率はより低くなり、吸着／脱離のプロセスは、厳密な化学反応に高く依存する。これらの要因が組み合わさって、こうした手法が多くの商業的な用途に対して十分に強健でないものにしている。
【００１３】
シリコン内の水素化された表面も、米国特許第５，６０４，１６２号、米国特許第５，６０５，１７１号、および米国特許第５，７６５，６８０号に開示されるように用いられ、吸着される分子は、水素同位体トリチウムである。しかし、こうした試みは、トリチウムの安全な移送のために提供される方式で、その放射性同位元素を一般に廃棄物処理施設または貯蔵施設に貯蔵するためのみに、または光源にエネルギー供給する放射性エネルギーを提供する手段として使用される。本発明とは対象的に、従来技術の化学吸着の方法は、貯蔵媒体からの水素の脱離が可能でない。実際には、従来の化学吸着の方法は、一般に、脱離を防止するように意図されている。さらに、こうした従来の化学吸着の方法は、シリコン・マトリックスの貯蔵能力がそれによって増加する方法を教示することもできない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
当分野に必要とされるものは、単体の水素を貯蔵するための改善された方法である。
【００１５】
本発明の主な目的は、コストが低く効率的で安全な水素の貯蔵を提供することである。
【課題が解決するための手段】
【００１６】
本発明は、単体の水素を貯蔵し回収するシステムを提供し、その一形式では、少なくとも１つの表面を有する単体のシリコンを備える複数のタイプの水素貯蔵部材を有し、単体の水素が、その表面に容易に結合するか、または容易に吸着され、またその表面から単体の水素の脱離が制御できる。
【００１７】
本発明の利点は、システムが特定の用途に適合するように、単体の水素の吸着および脱離が調整できることである。
【００１８】
本発明の別の利点は、システムが壊損した場合に、単体の水素が貯蔵物質内に安全に吸着されたままになることである。
【００１９】
本発明のさらに別の利点は、単体の水素がその中に貯蔵されるハウジングの寸法、重量、および体積を用途に特有の要件に適合できることである。
【００２０】
手短に述べれば、単体の水素の吸着的な貯蔵および脱離的な回収のためのシステムは、シリコンの非常に高い表面／重量比（ｓｕｒｆａｃｅ／ｗｅｉｇｈｔ  ｒａｔｉｏ）を提示するいくつかの方法のうちのいかなる方法においても処理された、ナノスケールに微細にされた単体のシリコンを含む。こうした処理には、限定はされないが、粉砕、磨砕、エッチング、ファイバ押し出し法（ｆｉｂｅｒ  ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ）、電気化学的エッチング、デコレーション・エッチング（ｄｅｃｏｒａｔｉｏｎ  ｅｔｃｈｉｎｇ）、プラズマ反応性イオンエッチング、電気化学的蒸着（ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、薄膜蒸着、およびキャリアガスまたは液体内への液浸が含まれる。シリコンファイバは、遠心押出成形（ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ  ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ）によるもののような純粋な多結晶シリコンから形成することができ、シリコン分子は、たとえば集積回路産業によって生じたプロセス排出物（ｐｒｏｃｅｓｓ  ｗａｓｔｅ）から回収することができる。原料の多結晶シリコンの生成から結晶成長プロセスに、さらに水仕上げに、そして最後にウェハのエッチングに至るシリコンの廃棄物のいくつかの流れがある。卓越した例は、チョクラルスキー結晶引き上げ法（Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ  ｃｒｙｓｔａｌ  ｐｕｌｌｉｎｇ）の後の、残留する融液の残り物である。こうした材料は、現在、処分され、または価値の低いスクラップとしてステンレス鋼の生産者に売却される。ウェハ・マニュファクチュア（ｗａｆｅｒ  ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ）での、および十分に処理されたウェハによるダイシングでのウェハの鋸引き作業において、多量の微細にされたシリコンが生じ、その後処分される。この材料を直接再生利用することがシリコンの非常に優れた供給源になるが、水素吸着のためのきれいな表面を得るために表面処理がほぼ常に必要になる。
【００２１】
本発明は、添付図面を参照するとともに例によってこれから説明される。
【００２２】
本明細書に述べられた例示は、本発明の現在好ましい実施形態を示し、どのようにも本発明の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
次に、図１および２を参照すると、本発明による単体の水素を貯蔵し回収するためのシステム１０の１つの実施形態が示されている。本明細書で使用される「単体の水素」は、水素の二量体分子Ｈ２または正味の価電子電荷（ｖａｌｅｎｃｅ  ｃｈａｒｇｅ）をまったく有していない独立な水素原子Ｈのどちらかを意味し、さらに「水素」は単一の陽子核、および１（水素）、２（重水素）、もしくは３（トリチウム）の原子量を有するすべての同位元素を指す。シリコンの表面に貯蔵されたような水素は、二量体の形でよりも独立な原子として貯蔵されると考えられるが、本発明は、こうした考えによって限定されない。さらに、本発明は、上記の従来技術でのようにトリチウムの貯蔵に限定されない。
【００２４】
単体の水素の貯蔵および回収システム１０は、水素貯蔵ユニット１２、光源１４、電流源１６、電圧源１８、および制御システム２０を備える。一般に、単体の水素の貯蔵および回収システム１０は、たとえば、固体酸化物型燃料電池システムまたは陽子交換膜型燃料電池システムなどの水素に基づいた燃料電池システム３０用に燃料を貯蔵し、そのシステムに燃料を提供するのに用いられる。水素に基づいた燃料電池システム３０は、実質的に、電力を必要とするいかなる装置にも電力を提供し、たとえば、自動車両４０の電気的な付属品および／または電気モータなどを動作させる。水素の貯蔵および回収システム１０、制御システム２０、および燃料電池システム３０の組み合わせは、水素および酸素から電気を発生させる補助動力源（ＡＰＵ）１１を定義する。本発明によるＡＰＵ１１は、選択的に、たとえば家庭内または企業内で１つまたは複数の電気器具に電力供給するために、たとえば、単体の水素の貯蔵および回収システム１０および燃料電池システム３０を固定させて構成することができることを理解されたい。
【００２５】
水素貯蔵ユニット１２は、入口／出口通路４６を有するハウジング４４を備える。当然のことながら、たとえば貯蔵システム１０に容易に燃料補給するために、図１に示されるように、別個の入口通路４６および出口通路４７を所望する通りに設けることもできる。ハウジング４４は、ＡＰＵ１１が使用される特定の用途の環境およびその他の用件に応じて、主に、たとえば、比較的軽量のプラスチック、アルミニウム、合金、または鋼などの、１つまたは複数の様々な材料から構成される。ハウジング４４の特定の寸法は、主に、水素の貯蔵および回収システム１０が意図する特定の用途に必要とされる電力などの要件にも依存する。ハウジング４４の材料および寸法のこの柔軟性は、ハウジング４４の壊損の際でも単体の水素を安全に保持する、本発明の能力によってもたらされる。
【００２６】
複数の（１つのみが示される）水素貯蔵部材５０がハウジング４４内に配置される。一般に、水素貯蔵部材５０は、単体の水素原子を吸着し、以前に吸着された水素原子５２を選択的に脱離し、または開放し、そうすることで水素分子Ｈ２が再化成され燃料用の気体の水素として回収される。以下により具体的に説明されるように、水素貯蔵部材５０は、たとえばａ）単結晶シリコンウェハ、またはｂ）押し出しの多結晶質シリコン・コラム（ｃｏｌｕｍｎ）、ファイバ、もしくはロッド、またはｃ）磨砕もしくは粉砕された多結晶質シリコン分子、またはｄ）それらの組み合わせであり、増加された表面積および／または多孔率を有するように処理され、加えられる刺激の供給源１４、１６、１８に応答して、そこから単体の水素が選択的に比較的容易に吸着／開放もしくは回収されるものなどの、シリコン材料５４、好ましくは多孔質シリコン材料５５の少なくとも一部分に構成され、単体の水素が、その材料に容易に結合され吸着される。
【００２７】
様々な刺激源および／またはエネルギー源が、吸着された水素原子５２と水素貯蔵部材５０の間の結合を切断するために加えられる。図２に示されるような、水素の貯蔵および回収システム１０の実施形態は、３つの異なるタイプのそのようなエネルギー源すなわち光源１４、電流源１６、および電圧源１８を備える。
【００２８】
動作に際して、たとえば発光ダイオードなどの光源１４は、光子エネルギーを放出し、かつハウジング４４の内側または外側に配置され、それによって、放出された光子エネルギーは、ハウジング４４内の複数の水素貯蔵要素５０と相互に作用し合うことができる。光源１４は、吸着された水素原子５２をその結合から遊離させまたは追い出して、水素貯蔵部材５０に入れるのに十分な光子のエネルギーを放出する。光源１４は、所望する量の光子のエネルギーを所望する量の吸着された水素原子５２に方向づけ、それによって所望する量の吸着された水素原子５２を水素貯蔵部材５０から遊離させるために制御システム２０に電気的に相互接続され、制御システム２０によって制御される。遊離された水素原子５６は、水素貯蔵ユニット１２から水素に基づいた燃料電池システム３０の中に方向づけられた水素原子Ｈ２の流れを形成する。燃料電池システム３０は、水素分子の流れを受け取り、公知の方式でその中に含まれる水素を所望する量の電力に変換する。
【００２９】
同様に、たとえば水素貯蔵部材５０のシリコン・マトリックスに電流を通過させることによって熱を発生させるジュール熱源などの電流源１６が、ハウジング４４の内部または外部に配置される。電流源１６は、吸着された水素原子５２をその結合から脱離させまたは遊離させて、水素貯蔵部材５０に入れるのに十分なエネルギーを放出する。電流源１６は、また、複数の貯蔵部材５０のそれぞれを通って方向づけられた電流の量を制御するための制御システム２０と電気的に相互接続され、制御システム２０によって制御され、それによって所望する量の吸着された水素原子５２を水素貯蔵部材５０から遊離させる。遊離された水素原子５６は、水素貯蔵ユニット１２から出て水素に基づいた燃料電池システム３０の中に方向づけられた水素分子Ｈ２の流れを形成する。燃料電池システム３０は、水素分子の流れを受け取り、公知の方式でその中に含まれる水素を所望する量の電力に変換する。
【００３０】
さらに同様に、たとえばバッテリーなどの電圧源１８がハウジング４４の内側または外側に配置される。電圧源１８は、吸着された水素原子５２をその結合から脱離または遊離させて、水素貯蔵部材５０に入れるための十分に強い電界を生じさせる。電圧源１８は、また、複数の貯蔵部材５０のそれぞれに加えられた電圧の量を制御するために制御システム２０と電気的に相互接続され、制御システム２０によって制御され、そうすることによって水素貯蔵部材５０から遊離された、吸着された水素原子５２の量を制御する。遊離された水素原子５６は、水素貯蔵ユニット１２から出て水素に基づいた燃料電池システム３０の中に方向づけられた水素分子Ｈ２の流れを形成する。燃料電池システム３０は、水素原子の流れを受け取り、公知の方法でその中に含まれる水素を所望する量の電力に変換する。
【００３１】
たとえば、従来のマイクロコンピュータまたはマイクロプロセッサなどの制御ユニット２０は、複数の入力２１を受け取り、その入力は、燃料電池システム３０から要求された出力の量、およびたとえば周囲温度などの様々なその他の動作のパラメータを指示する。制御ユニット２０は、また、光源１４、熱源１６、および／または電圧源１８の動作レベルおよび出力レベルを少なくとも一部分は制御する出力を含む複数の出力２３を出す。制御ユニット２０は、また、そのユニットが単体の水素の貯蔵および回収システム１０、および任意で燃料電池システム３０の動作を制御することを可能にする、動作および制御ソフトウェアを備え実行する。
【００３２】
次に図３を参照すると、本発明の単体の水素の貯蔵および回収用のシステムの第２の実施形態１００が示されている。単体の水素の貯蔵および回収システム１００は、単体の水素の貯蔵および回収システム１０の構成部品と同じまたは同様のいくつかの構成部品を備え、対応する参照番号は、対応する部品を示すために用いられる。単体の水素の貯蔵および回収システム１００は、水素貯蔵ユニット１２、入口／出口４６を有するハウジング４４、および水素貯蔵部材１５０を備える。一般に、単体の水素の貯蔵および回収システム１００は、以下のように、脱離のエネルギー源および制御用エレクトロニクス（ｃｏｎｔｒｏｌ  ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）を、水素貯蔵部材１５０上に直接一体化する。
【００３３】
複数の（１つのみが示される）水素貯蔵部材１５０がハウジング４４内に配置される。水素貯蔵部材１５０は、単結晶シリコンウェハ１５２（１つのみが示される）の少なくとも一部分内に構成される。したがって、水素貯蔵部材１５０および水素貯蔵部材５０は、それらが水素原子５２を吸着し脱離する方法に関して互いに実質的に同様である。しかし、また一般的に、単結晶シリコンウェハ１５２は、ａ）その第１の部分１５２ａの多孔率を増加させるように、およびｂ）その第２の部分１５２ｂ上に電子部品および電子回路を製作するように、その表面領域の上が選択的に処理されている。
【００３４】
さらに詳細には、単結晶シリコンウェハ１５２の部分１５２ａは、その表面積および／または多孔率を増加させて、単体の水素が水素貯蔵部材１５０の部分１５２ａ上に容易に結合および／または吸着され、ならびにその部分１５２ａから選択的に比較的容易に脱離されるようにするために以下により詳しく説明されるように処理される。水素貯蔵部材１５０の第２の部分１５２ｂは、部分１５２ａのようにその多孔性を増加させるために処理されず、むしろ第２の部分１５２ｂは、たとえばトランジスタ１６４、抵抗器１６６、コンデンサ１６８、記憶素子またはアレイ１７０、およびセンサ１８０を含む一体的な制御および診断的な回路をその上に形成するように従来のＩＣ処理技術に従って処理される。
【００３５】
したがって、水素貯蔵部材１５０は、単結晶シリコンウェハ１５２上に水素貯蔵機能および様々な第１レベルの制御および診断機能を一体化する。第２の部分１５２ｂ上に記憶素子／アレイ１７０を形成することによって、水素貯蔵部材１５０上に、吸着され脱離された水素の量の履歴が直接記憶できる。診断機能は、特に制御システム２０と協調して、記憶素子／アレイ１７０内に格納された制御および監視アルゴリズムを水素貯蔵部材１５０により実行することを介して実施することもできる。こうしたアルゴリズムは、たとえばセンサ１８０を読み込むことによってバルク抵抗、ダイオードの明度、表面状態などの様々な動作パラメータを監視することができる。したがって、ユーザは、燃料電池システム３０に電力供給する水素貯蔵部材１５０内にどの程度の電力が残り、１つまたは複数の水素貯蔵部材１５０が点検および保守を必要とするかどうかについて警告されることができる。
【００３６】
光子のエネルギーの放出に必要な構造は、従来の集積回路製造プロセスを使用して水素貯蔵部材１５０の区域の第２部分１５２ａに一体化されることに特に留意されたい。さらに詳細には、所望する波長の光子のエネルギーを放出するように構成された発光ダイオード１８２は、公知の方法に従って部分１５２ａの多孔質シリコン内に直接作製することができる。多孔質シリコン内に発光ダイオードを形成するそのような１つの方法が、米国特許第５，２７２，３５５号（Ｎａｍａｖａｒ等）および米国特許第５，２８５，０７８号（Ｍｉｍｕｒａ等）に開示され、その開示は、本明細書に参照によって組み込まれる。
【００３７】
さらに、ジュール加熱および電界の発生に必要な構造は、シリコンウェハ上に集積回路を形成するための従来のプロセスおよび構造を使用することによって水素貯蔵部材１５０のシリコンウェハ１５２内に一体化することもできることを特に留意されたい。たとえば、ジュール加熱は、脱離を作用させるために、部分１５２ａまたは部分１５２ｂのどちらかに熱が通されるように、シリコンウェハ１５２上に作製された１つまたは複数の電極またはトレース１８４に電流を通過させることによって達成することができる。電界の生成は、水素貯蔵部材１５０のシリコンウェハ１５２上に離間して配置された電極またはトレース１８６を作製し、電極間に電位差または電圧差を加え、それによって脱離を作用させる電界が生じることにより達成することができる。
【００３８】
上記に開示されたように、水素貯蔵部材５０および１５０は、たとえば、増加された表面積および／または多孔率を有するように処理され、加えられた刺激に応答して単体の水素がそこから選択的に比較的容易に脱離／開放または回収される単結晶シリコンのブロックまたはウェハなどの、単体の水素がそこに容易に結合する材料から形成される。次に、水素貯蔵部材５０および１５０がそれによって処理できる方法が、論じられる。
【００３９】
シリコンを半導体特性（ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ  ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ）を有する結晶マトリックスに形成する方法は公知であり、本明細書に論じる必要はない。半導体結晶マトリックス（ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ  ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  ｍａｔｒｉｘ）内に多孔質シリコンの領域を選択的に形成する方法も公知である。たとえば、フッ化水素酸およびメタノールの混合物の同等の部分を結晶シリコン・マトリックスに１平方センチメートル（ｃｍ２）当たり５０ミリアンペア（ｍＡ）の電流密度で加えることは、参照により本明細書に組み込まれる、Ｖ．Ｙｕ  Ｔｉｍｏｓｈｅｎｋｏ，Ｔｈ．Ｄｉｔｔｒｉｃｈ，ａｎｄ  Ｆ．Ｋｏｃｋによる、Ｒａｐｉｄ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｎｏｔｅｓ，Ｐｈｙｓ．Ｓｔａｔ．Ｓｏｌ，（ｂ）２２２、ＲＩ（２０００）「Ｉｎｆｒａｒｅｄ  Ｆｒｅｅ  Ｃａｒｒｉｅｒ  Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ  ｉｎ  Ｍｅｓｏｐｏｒｏｕｓ  Ｓｉｌｉｃｏｎ」により完全に記載されているように単結晶シリコン多孔質をもたらす。こうした状態を約３０分間加えることで、約５０％の多孔率を有する約７５マイクロメータ（μｍ）の厚さの多孔質シリコンの層が生じる。図４および５に５５／２１２として示される、残っているナノ結晶は、広さが約５から１０ｎｍであり、何もない空間内に相互に連結した単結晶シリコンのアイランドを示す。この多孔質シリコンの層は、実質的に低下したグロス密度、およびこのような処理の前の結晶シリコンの表面積よりも実質的に増加された表面積を有する。
【００４０】
半導体結晶マトリックス内に多孔質シリコンの領域を選択的に形成するさらに別の方法は、参照により本明細書に組み込まれる米国特許第６，４０７，４４１号（Ｙｕａｎ）に教示される。
【００４１】
上記の方法の１つ、または現在公知のもしくは後に考案されるその他の方法によって形成される多孔質シリコン層は、結晶構造内のシリコン原子の外環上の１つまたは複数の４価電子結合（ｆｏｕｒ  ｖａｌｅｎｃｅ  ｂｏｎｄｓ）を露出させる。この露出された価電子結合は、高活性であり、水素原子を容易に受け入れる。この露出された価電子結合は、たとえば酸素などその他の原子にも容易に結合するので、エッチングされた／多孔質シリコンは、そのようなその他の反応性の元素から隔離され、エッチングプロセスの完了の際に水素原子または水素ガスのみに露出されなければならない。したがって、エッチングされた多孔質シリコンが水素ガスに露出されるまで、シリコンの表面は、不活性ガスたとえばアルゴン、ヘリウムのみに露出することができる。したがって、処理中に、シリコンは、不活性および／または水素ガス以外への露出を防止する制御された環境内に収容され、または封入されなければならない。
【００４２】
多孔質シリコンは、高い表面領域を有することと、水素ガスがマトリックスに拡散して出入りすることを可能にする開口したマトリックスを維持することとの間で好ましい均衡を確立させる。多孔質シリコンが形成された後、その表面積をさらにより増加させるための別のステップを用いることができる。たとえば、水酸化カリウムまたはヒドラジンなどの異方性（ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ）シリコンエッチング剤を用いる多孔質エッチングに従うと、シリコンナノ結晶上の結晶平面を露出させる。こうした結晶平面は、高い密度のダングリングボンドを有し、水素元素による終端を用意に受け入れる。多孔質シリコンの表面積をそれによって増加させることができる別の方法は、その内側表面を粗面化することである。これは、樹技状成長またはエッチングによって行うことができる。
【００４３】
より詳細には、図４および５に示されるように、多孔質シリコン５５／２１２の内側表面２１０上の樹技状成長が、水素原子がそれに結合できるシリコンスパイク２１４を生成し、多孔質シリコン５５／２１２の表面２１０のエッチングが、追加の水素原子５２がその中またはそこに隣接して結合できるピット２１６を生成する。
【００４４】
シリコン活性化エネルギーすなわちシリコン上の水素の吸着および脱離のエネルギーも制御されなければならない。これは、化学的活性化、温度活性化、電界の印加、および光子エネルギーからなる１つまたは複数の技術によって達成される。
【００４５】
化学的活性化は、たとえばパラジウムまたは白金の触媒をシリコンの表面上に電着させ、結合プロセスを容易にすることを含むことができる。たとえば、塩化水素などのある種のガスは、半導体回路製造の分野で公知であるようにシリコンの表面を浄化できるが、そのようなガスは従来技術では、シリコンによる水素の吸着を増加させるためには多孔質シリコンに適用されなかった。
【００４６】
水素貯蔵部材５０および１５０の周囲温度および温度を制御することは、活性化エネルギーも作用させ、それは、アレニウスの式に従い、したがって、一般に温度に指数関数的に依存する。水素貯蔵部材５０および１５０の多孔質シリコンの温度を上昇させることは、その中に吸着された水素の温度エネルギーを上昇させ、水素の脱離を生じさせる傾向になり、次いで、それによって、シリコン内の空隙を通るガスとして移動させる。反対に、水素貯蔵部材５０および１５０の多孔質シリコンを冷却することは、吸着された水素の熱エネルギーを減少させ、脱離を減少させる傾向となる。
【００４７】
水素貯蔵部材５０および１５０の多孔質シリコン間に電界を加えることも活性化エネルギーを作用させる。多孔質シリコン間に大きな電界を加えることにより、脱離が促進される。
【００４８】
同様に、脱離を促進するために光子のエネルギーを加えることができる。シリコンは、約７００ナノメータ（ｎｍ）より上の赤外波長で比較的放射に対して透過的である。水素原子は、約６６０ナノメータで非常に強い吸着のピーク（ｐｅａｋ）を有し、そのピークは、シリコンの透過性の範囲に収まる。したがって、水素貯蔵部材５０および１５０のシリコン内に貯蔵され、またはそのシリコンに結合された水素の脱離率は、ある波長および強度での光子エネルギーの適用によって影響される可能性がある。光源１４および／または発光ダイオード１８２は、好ましくは、シリコンの表面からの水素の脱離を促進する、水素原子による吸収のための約６６０ｎｍの波長を有する光または光子のエネルギーを放出するものとして構成される。
【００４９】
上記の１つまたは複数の方法による吸着および脱離のエネルギーの制御により、単体の水素の貯蔵および回収システム１０が様々な特定の用途に適合できるようにする。たとえば、自動車両などの安全が主に尊重される用途などでは、水素貯蔵部材５０および１５０内でシリコンに水素原子をより強く結合させるように、高い吸着エネルギーを選択することができる。高い吸着エネルギーで、水素原子は、たとえばハウジング４４が破壊されならびに／あるいは、車両が衝突した際に水素貯蔵部材５０および／または１５０自体が粉砕されるような装置の壊損の際でも水素貯蔵部材５０および１５０のシリコンに堅固に結合したままにすることができる。しかし、より高い吸着エネルギーは、水素燃料を回収するためにより高い脱離エネルギーを必要とする。したがって、ジュール加熱、電界の印加、および／または光を加えることの組み合わせが、急速な回収の通常動作の促進に必要とされる可能性がある。
【００５０】
多孔質シリコンを生成するための、上記のように処理された結晶シリコンは、一般には、１つまたは複数のその他の要素、一般にはホウ素を使用してドープ（ｄｏｐｅ）または含浸（ｉｍｐｒｅｇｎａｔｅ）が可能であり、そうすることによりシリコンの導電性が高くなり、それによって多孔質シリコンの形成が促進されるようになることに特に留意されたい。しかし、脱離を達成または促進するために光子エネルギーが加えられると、多孔質シリコンの赤外光に対する透過性を維持するために、たとえば亜リン酸またはヒ素を使用したカウンター・ドーピング（ｃｏｕｎｔｅｒ−ｄｏｐｉｎｇ）などのさらなるシリコンの処理が必要になる可能性がある。
【００５１】
実施形態１０、１００では、３つの異なるタイプの吸着エネルギー源、すなわち光源１４、熱源１６および電圧源１８が示される。しかし、水素の貯蔵および回収システム１０、１００は、たとえば、示されたエネルギー源の１つもしくは２つ、または様々な構成によって、および／または吸着された単体の水素と水素貯蔵部材５０との間の結合を切断するための制御された方式で十分なエネルギーを加えるのに適したその他のタイプのエネルギー源によって選択的に構成することができることを理解されたい。
【００５２】
示された実施形態では、水素貯蔵部材５０および１５０はシリコンウェハから製造される。しかし、水素貯蔵部材５０および１５０は、たとえば、ゲルマニウム、ヒ化ガリウム、アンチモン化インジウム、またはその他の周期表ＩＩＩ−ＶまたはＩＩ−ＶＩの化合物などの選択的な材料から形成することができることを理解されたい。
【００５３】
あるいは、貯蔵部材５０、１５０は、図９に示されるように、シリコンの微細なコラムまたはスレッドのマット５９から形成することができる。シリコン・コラムは、非常に高い表面／体積比を有して形成することができる。図６を参照すると、シリコン・コラム２０２を生成する装置２００が示されている。装置２００は、側壁２０８を有する、溶解したシリコン２０６用のリザーバ２０４、およびリザーバを高速で回転させる被駆動シャフト２２０を備える遠心式押し出し成形機である。側壁２０８は、複数の微細な孔２２２を備え、孔２２２を通って溶解したシリコンが連続したコラム２０２として遠心力で押し出される。押し出しは、圧力または重力によって助力することができ、遠心力を使用しなくても実行することができる。
【００５４】
適切なシリコン・コラムを生成するために、第１に、各孔２２２の寸法は非常に小さくする必要がある。シリコン・マトリックスの単位重量当たりの貯蔵された水素の重量によって測定して１０％程度の貯蔵効率を達成するためには、シリコンの加工寸法（ｆｅａｔｕｒｅ  ｓｉｚｅ）は１０オングストロームまたは１ナノメータ程度であるべきである。孔２２２は、シリコンの格子間隔の整数倍であることが本発明の主要な特徴である。このようして、押し出されたシリコン・コラムは、結晶を形成するために適した最小のエネルギー構成を有する。下記にさらに論じるように、形状もまた、所望する結晶学に適するべきである。
【００５５】
第２に、孔は遠心力の下で動作すべきであり、そうすることによってシリコンを引き延ばすことを助け、それによって表面張力の影響を克服する。不十分な遠心力の場合、シリコンは球形のビードを形成する傾向になる可能性がある。押し出されたシリコンは、多結晶の材料のコラムになることが好ましい。こうしたコラムは、プロセスパラメータに依存して、長いウィスカであることができ、またはそれは比較的短い片にちぎれる可能性もある。長さに対する直径のアスペクト比は、１０以上が好ましい。
【００５６】
第３に、押し出されたシリコンがその中へ出ていく環境２２４は、ヘリウム、アルゴン、ネオンなどの不活性ガス、または水素自体にすべきである。水素雰囲気の場合、吸着された水素原子を有する表面を活性化させる課題は、すでに部分的に達成されたことになる。周囲ガスは、高熱のシリコンと化学的にまた付可逆的にその両方が反応する酸素または窒素でないことが特に重要である。
【００５７】
第４に、結晶の配列が押し出しの中に優先的に形成され、それによってシリコンの長いウィスカが生成されるように、孔の材料、形状（内側チャネルを含む）、および表面処理は、低いレイノルズ数をもたらすのに十分にすべきである。孔は、たとえばタングステン、アルミナイド、酸化アルミニウム、（またはサファイアＡｌ２Ｏ３）、ダイヤモンド状カーボン、（ＤＬＣ）、または炭化ケイ素などの非常に耐久性のある材料で形成されなければならない。便宜のため、こうした材料は、その他のグラファイトまたは耐火セラミックなど簡単に製造できる構造材料上に表面被覆としても使用することもできる。
【００５８】
第５に、装置２００の孔２２２の個数は、高い処理量が実現できるように非常に多くするべきである。高い密集度の孔が、たとえば電子ビームエッチング、従来のフォトリソグラフィ、マイクロマシニング、ロストワックス技術を使用した成形、打ち抜き加工、および／またはエッチングなど、当分野の技術者には周知の広範囲の様々な方法によって達成することができる。
【００５９】
シリコン結晶の平面（１１１）が所与の表面積当たりの不飽和（ダングリング）結合の最大密度を有する。したがって、孔の形状および寸法（ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ）は、平面（１１１）上の表面を有する押し出されたシリコンの結晶コラムが好ましく形成されるように選択することができる。三角形または菱形の形状の孔が好ましいが、製造し、きれいさを保つために四角形または円形など他の形状がより簡単であり、本発明により完全に包含される。四角形の孔は、シリコンに好都合である（ｆａｖｏｒ）（１００）傾向があり、水素の貯蔵に最適ではないが、その後の表面処理はそれを適切な選択にすることができる。
【００６０】
あるいは、貯蔵部材５０は、多結晶シリコンのビレットまたは鋳塊を研削、粉砕、および／または磨砕することによって形成することができる微細にされた多結晶シリコン分子から形成することができる。
【００６１】
あるいは、集積回路の製造での切断、研削、および研磨のステップからの廃棄物は、十分に粉砕される場合、水素貯蔵部材５０、１５０として特に適切である。廃棄物の流れから回収されたシリコンに関しては、一般に、結晶性はなく、または結晶性がほんのわずか存在する可能性がある程度である。廃棄物の流れのシリコンは、可能な限り多くの表面を露出させるため、可能な限り微細にされるべきである。好ましくは、１０％（水素の重量に対するシリコン・マトリックスの重量）程度の貯蔵容量を達成するためには、シリコンの加工寸法は、上記に論じたシリコン・コラム２０２でのように、１０オングストロームまたは１ナノメータ程度にすべきである。廃棄物の流れのシリコンは、水素吸着のためのきれいな表面を得るため、ほぼ常に、表面処理を必要とする。
【００６２】
さらに、押し出されたコラムまたは廃棄物の流れのどちらかのシリコンの粗面処理は、表面積を大きく増加させ、それによってシリコンの水素貯蔵能力も大きく増加させるために好ましいものである。粗面処理は、たとえば加法または減法の方法により達成することができる。減法の方法は、上記に論じたようなエッチングを含むことができ、それは、結晶方位に対して選択的であり、または本来異方性が高い。結晶板に輪郭を描き、おそらく多結晶材料上の平面を露出させる（１１１）ためのウエットエッチングは、当分野の技術者には周知であり、本発明で利点をもたらすために適用することができる。多結晶シリコンの結晶粒界の輪郭を描くものなどのディフェクト・デコレーション・エッチング（Ｄｅｆｅｃｔ  ｄｅｃｏｒａｔｉｏｎ  ｅｔｃｈ）は、ショートオーダ（ｓｈｏｒｔ−ｏｒｄｅｒ）の結晶構造に申し分なく適用できる。ドライエッチングは、直流電界内の反応性イオンエッチングの公知の法則によって、あるいはエッチングの副産物によるマイクロマスキングから「草」を生成するためのエッチング化学作用を選択することによってのどちらかにより、粗面処理での付加的な利点を提供できる。表面積を増加させるためのこうした技術は、ウェハの形態である必要のないシリコンの小さな片の収集された多様な集まりに適用することができる。
【００６３】
粗面処理の第２の手法は、シリコンの付加的な堆積である。シリコンは、化学蒸着（ＣＶＤ）を介する公知の様式で堆積させることができ、シリコンを含んだガス分子は、単体のシリコンを残すように高温の表面（一般には５００℃から１２５０℃）上で反応する。堆積は、より低温で、また一般に、プラズマを加えることによってより高い割合で実行することができ、それによってシリコンを含んだ分子が分離するのを助ける。このいわゆるプラズマ促進化学蒸着（ＰＥ−ＣＶＤ）は、２００℃以下の温度で達成することができる。ＰＥ−ＣＶＤの主要な特色は、堆積されたフィルムの共形性の程度を調整するように堆積の性質を修正することができることである。ＩＣの製造には完全な共形のフィルムが一般に望ましいが、この発明に関しては、かなりの程度の非共形性（ｎｏｎ−ｃｏｎｆｏｒｍａｌｉｔｙ）が有利である。特に非常に薄いフィルムの非共形性の堆積は、鋭い縁部上および露出した表面に集中する傾向があり、適切な状態の下でシリコン基板の表面／体積比を増加させることができる。図７は、断面で示されたシリコンの押し出されたコラム２０２に適用された非共形性成長２２６の代表図を示す。留意すべき主要な特徴は、角の「マウスイヤー（ｍｏｕｓｅ  ｙｅａｒ）」である。
【００６４】
付加的なシリコンは、電気メッキを使用して生成することもできる。電気メッキの公知の原理を適用することで、シリコン原子は、溶解されたシリコンイオンを含む適切な浴槽内で適切な電気的接触を使用して、シリコン基板に加えることができる。いくつかの堆積状態の下で、電気メッキは、特に浴槽が過飽和状態に近い場合、シリコン上に樹枝状成長を生じさせることが知られている。樹枝状成長は、非常に高い表面／体積比を有する構造を生成することができ、それによって、樹枝状成長が水素貯蔵媒体を改善させるための良好な選択となる。図８は、電気メッキによるコラム２０２の角での意図的な樹枝状成長２３０の予測される結果を示す。
【００６５】
表面活性化のエネルギーは、本発明に決定的に重要なものである。きれいなシリコンの表面が第１に重要なものである。上記に開示されたように、不活性雰囲気の中でシリコンを形成することは、シリコンの望ましくない酸化を防ぐために重要である。いかなる環境もいくらかの量の表面汚染をもたらし、裸のシリコンの表面のダングリングボンドは、多くの化学種のための好ましい収集場所を形成することが予想でき、もちろん、この特性が、シリコンを水素貯蔵媒体にするための優れた選択にする。しかし、こうした場所はその他の種によってすでに占有されまたは閉鎖されている場合、水素の貯蔵能力は低くなる。公知のＲＣＡ洗浄をして、その後３０：１のフッ化水素酸内にディップするなどシリコンの表面を洗浄する多くの方法が知られている。ＲＣＡ洗浄は、酸を伴う有機物および塩基を伴う無機物を取り除く。その他の知られた方法は、キシレン、アセトン、またはトリクロロエチレンなどの一連の揮発性溶剤によって洗浄するものである。溶剤洗浄を行った後、アルコールおよびイオン除去水のリンスをすることができる。蒸気洗浄、プラズマ洗浄、剥離洗浄、真空蒸着加熱（ｖａｃｕｕｍ  ｅｖａｐｏｒａｔｉｖｅ  ｈｅａｔｉｎｇ）およびその他の多くの知られた、シリコン上にきれいな表面を作るための方法が公知である。こうした方法のいずれも本発明に従って使用に適合できる。
【００６６】
表面洗浄に加えて、触媒物質の堆積、塩化水素ガスを使用した処理、またはある種の化学的な化合物の添加など、シリコンの活性化エネルギーを向上させるためにさらなる処理がなされてもよい。最終システムを組み立てる場合、潜在的な貯蔵能力は、脱離速度および活性化温度などの要因とトレードオフにされる（ｂｅ  ｔｒａｄｅｄ  ｏｆｆ）必要がある可能性があり、したがって貯蔵能力を最大にすることが全ての場合に最適の構成にすることにならない可能性がある。
【００６７】
本発明による水素貯蔵システムの主要な特徴は、水素貯蔵のために使用されるシリコンの梱包での柔軟性である。多数の小さな孔を通って引き出された、押し出されたコラム２０２は、図９に示されるように、メッシュ５９またはシリコンのウールを形成する傾向がある。メッシュの多孔率は、押し出されたコラムにシリコンを加える付加的な方法によって、または不均整なクラスタ（ｃｌｕｓｔｅｒ）状であることができる再生されたシリコンのいくらかの断片を加えることによって修正することができる。その結果生じるメッシュ５９は、水素がそれを通過して自由に流れることができるような蒸気透過性（ｖａｐｏｒ−ｐｅｒｍｅａｂｌｅ）である。この流れが容易なことにより、シリコンの貯蔵容器は、広範囲の様々な形状、寸法、およびアスペクト比を想定することができる。たとえば車両へ適用する際に、本発明の利点は、従来技術でのガソリンタンクのように１つの点での貯蔵を必要とする代わりに、水素の貯蔵が車両全体にわたる「使用されていない」空間に配分できることである。したがって、水素は、床、フェンダー、クオータパネル、ロッカーパネル、ドア、コラム、柱、トランク、屋根、およびそれらの組み合わせの中に都合よく貯蔵することができる。
【００６８】
小型化された用途に対しては、より精密なシリコンの梱包が望ましい。たとえば、押し出されたシリコン・コラム２０２の角の上の「マウスイヤー」２２８を生成するための、上記に説明されたような非共形的な堆積を使用することで、コラムが接近して梱包されるのが防止され、それによって水素の自由な流れとともに、高いシリコンの梱包密度を保持することができる。
【００６９】
宇宙飛行体または家庭用発電などの非常に大きな用途に対しては、水素の貯蔵のための低コストシリコンを生成するための本方法は、規模の節約をもたらし、水素の貯蔵を財政的に魅力のあるものにする。大桶入りの処理されたシリコンが、ほとんど材料の準備の心配をせずに形成することができる。付加的成長、または不均整のクラスタの混合物、および押し出されたコラムに関して適切な選択を使用して、本発明は、梱包密度と水素送達率の間の広い範囲のトレードオフを可能にする。
【００７０】
本発明が様々な特定の実施形態を参照することによって説明されてきたが、多くの変更が、説明された本発明の概念の精神および範囲内でなされることを理解されたい。したがって、本発明は、説明された実施形態に限定されず、添付の特許請求の範囲の言葉によって定義された全範囲を含めることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】自動車両内の燃料電池システムに燃料供給するように適合できるような、本発明による単体の水素の貯蔵および回収システムの構成図である。
【図２】本発明による単体の水素の貯蔵および回収システムの１つの実施形態の概略図である。
【図３】単体の水素の貯蔵および回収システムの第２の実施形態の概略図である。
【図４】表面積を増加させ、そこへの水素結合を促進させる樹枝状成長を有する多孔質のシリコンウェハの表面の正面図である。
【図５】表面積を増加させ、そこへの水素結合を促進させる凹みを形成するためにエッチングされた多孔質のシリコンウェハの表面の正面図である。
【図６】本発明によるシリコンのコラムを遠心的に突出させる装置の部分的に概略の投影図である。
【図７】付加シリコンの共形の堆積を示すシリコン・コラムの断面図である。
【図８】付加シリコンの非共形の堆積を示すシリコン・コラムの断面図である。
【図９】図６に示された装置に形成されたファイバを備える吸着性シリコンファイバ・マットの正面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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