(57)【要約】  本発明は、航空機における燃料電池を動作させるための水素の生成に関し、水素は、反応室で水素添加ポリシラン（ＨＰＳ）を水と反応させることによって生成される。反応室は給送デバイスおよび吐出デバイスを備えている。水素添加ポリシランは取扱いが安全な高純度シランであり、航空機における水素担体としての使用にとりわけ適している。さらに、ＨＰＳを使用して極めて純粋な水素を製造することができ、製造された水素は、中間ステップを必要とすることなく、吐出デバイスを介して直接燃料電池に導くことができ、例えば重合体電解質膜燃料電池に導くことができる。反応室における加水分解を促進するために、アルカリ性の媒体中および／または触媒の存在中で反応させることができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
航空機（３００）における燃料電池のための水素を生成するための燃料電池供給デバイス（１００）であって、
水素添加ポリシラン（１２６）またはその混合物を水と反応させるために設計される反応室（１２０）と、
少なくとも１つの反応物を前記反応室（１２０）に給送するための給送デバイス（１１２）と、
前記反応によって形成される水素を燃料電池（１５０）に導くための吐出デバイス（１２２、１２３、１２４）と
を有する燃料電池供給デバイス（１００）。
【請求項２】
水素添加ポリシラン（１２６）またはその混合物が、
粉末
粒状物
ビーズ
立方体
ペレット
多孔片
からなるグループから選択される固体構造で存在する、請求項１に記載の燃料電池供給デバイス。
【請求項３】
前記反応室が塩基性媒体、好ましくはアルカリ性媒体を提供するために設計される、請求項１または請求項２に記載の燃料電池供給デバイス。
【請求項４】
前記反応室（１２０）が金属触媒を有する、請求項１から請求項３のうちいずれか１項に記載の燃料電池供給デバイス。
【請求項５】
供給デバイス（２００）が、前記反応（１２１）によって解放される熱を利用する廃熱復熱装置（１２９）を有する、請求項１から請求項４のうちいずれか１項に記載の燃料電池供給デバイス。
【請求項６】
前記給送デバイス（１１２）に水を供給するための水貯蔵タンク（１１０）
をさらに備える、請求項１から請求項５のうちいずれか１項に記載の燃料電池供給デバイス。
【請求項７】
給送デバイス（１５４）が、復水のため、および水貯蔵タンク（１１０）に水を給送するために設計され、前記水が前記燃料電池（１５０）内の反応の水として形成される、請求項１から請求項６のうちいずれか１項に記載の燃料電池供給デバイス。
【請求項８】
前記吐出デバイス（１２２、１２３、１２４、１４５）が、入口弁（１２３）および出口弁（１４３）を備えた、製造された前記水素を中間貯蔵するための圧力容器（１４０）を有する、請求項１から請求項７のうちいずれか１項に記載の燃料電池供給デバイス。
【請求項９】
前記吐出デバイス（１２２、１２３、１２４）が、製造された前記水素の品質および／または量を測定するために設計される水素測定デバイス（１３０）を有する、請求項１から請求項８のうちいずれか１項に記載の燃料電池供給デバイス。
【請求項１０】
製造される前記水素の前記吐出デバイス（１２２、１２３、１２４）が残留蒸気および／またはエアロゾルのための分離デバイス（１２２）を有する、請求項１から請求項９のうちいずれか１項に記載の燃料電池供給デバイス。
【請求項１１】
制御デバイス（１６０）
をさらに備え、前記制御デバイス（１６０）が、製造される前記水素の量を添加される前記水の量によって制御する、請求項１から請求項１０のうちいずれか１項に記載の燃料電池供給デバイス。
【請求項１２】
航空機（３００）における燃料電池（１５０）に水素供給のための、
請求項１から請求項１１のうちいずれか１項に記載の燃料電池供給デバイスの使用方法。
【請求項１３】
航空機のための非常システムとしての、
請求項１から請求項１２のうちいずれか１項に記載の燃料電池供給デバイスの使用方法。
【請求項１４】
請求項１から請求項１１のうちいずれか１項に記載の燃料電池供給デバイスを備えた航空機（３００）。
【請求項１５】
航空機（３００）における燃料電池（１５０）のための水素製造方法であって、
少なくとも１つの第１および第２の反応物を反応室（１２０）に給送する処理ステップであって、前記第１の反応物が水素添加ポリシラン（１２６）またはその混合物を有し、前記第２の反応物が水である処理ステップと、
前記第１の反応物（１２６）を前記反応室（１２０）で前記第２の反応物と反応させる処理ステップと、
前記反応によって形成される水素を前記航空機の燃料電池（１５０）へ導く処理ステップと
を有する水素製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、航空機における水素生成に関する。本発明は、詳細には、航空機における燃料電池のための水素を生成するための燃料電池供給デバイス、航空機における燃料電池供給デバイスの使用方法、燃料電池供給デバイスを備えた航空機、および航空機における燃料電池のための水素を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
関連出願
本出願は、参照によりその内容が本明細書に援用されている、２０１０年７月２３日に出願された独国特許出願第１０  ２０１０  ０３２  ０７５．７号の優先権を主張するものである。
【０００３】
燃料電池は、電流を生成するための有効な技術であることが知られている。燃料電池の場合、水素または気化した液体燃料などのガス状エネルギー担体を使用して、電気化学的手段によって化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換することができる。水素−酸素燃料電池が使用される場合、それらを利用して水および電気を生成することができる。
【０００４】
水素自体は無毒であり、急速に気化する。水素を低温タンクに液体の形態で貯蔵することができるようにするためには極端な冷却（−２５３℃）が必要である。水素は天然の原料としては生じないため、主として、炭化水素などの水素含有化合物から化学的な方法によって製造される。しかしながら、例えば重合体電解質（ＰＥＭすなわち陽子交換膜）燃料電池またはアルカリ燃料電池などの特定の燃料電池には、極めて高い純度の水素が必要である。水素中の他のガスおよび他の不純物は、例え少量であっても燃料電池の効率を低下させることになる。プロセス水素ガスの純度の必要なレベルは、例えば炭化水素または同じくアルコールを使用した通常の改質プロセスでは達成されない。したがって例えば天然ガスの改質プロセスでは、かなりの技術的費用が改質のために必要であり、したがってこのＰＥＭ燃料電池供給技術が適切であるのは、実際には据置設置の場合のみである。
【０００５】
特許文献１に記載されているように、輸送手段、例えば自動車や航空機においてオンボードで使用するために、燃料電池は、水素ガス電極を含んでいること、および動作のためには水素ガスの給送が必要であることが知られている。オンボードで水素を供給するために、移動手段は、例えば、圧力容器または低温タンクなどの古典的な貯蔵手段を備えることができる。しかしながら、とりわけ航空機の場合、低温タンクまたは圧力容器などの古典的な貯蔵デバイスの使用は、安全上の理由および容量の理由の両方で制限されている。さらに、蒸気改質、部分酸化およびオートサーマル改質などの化学コンバータが可能である。しかしながら、上記化学コンバータには、水または酸素、あるいはその両方などの補助材料が必要である。さらに、とりわけＰＥＭタイプの燃料電池には高純度のプロセス水素ガスが必要であり、したがって改質に加えて、例えば一酸化炭素（ＣＯ）の除去のような、他のガス精製プロセスが必要である。
【０００６】
さらに、特許文献２には、自然可燃性がない燃料として使用することができる、鎖が徐々に長くなり、最終的に高純度シランを生成するための方法が記載されている。特許文献３によれば、酸素または空気を除く熱分解を介して、燃料電池を動作させるためのケイ素の精製および水素の生成の両方のためのエネルギー担体としてシランを使用することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】独国特許発明第１０  ２００５  ０５１  ５８３号明細書
【特許文献２】独国特許出願公開第１００  ５９  ６２５号明細書
【特許文献３】国際公開第２００８／０００２４１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明によって解決される問題は、航空機における燃料電池のための単純で、かつ、安全な水素供給を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この問題は、独立請求項の目的によって解決され、従属請求項にはさらに実施形態が記述されている。以下で記述されている実施形態は、燃料電池用供給デバイス、航空機における供給デバイスの使用方法、非常システムとしての水素供給デバイスの使用方法、供給デバイスを備えた航空機、および燃料電池のための水素供給方法のいずれにも関連している。
【００１０】
本発明の実施形態の一例によれば、航空機における燃料電池のための水素を生成するための燃料電池用供給デバイスが提供される。燃料電池用供給デバイスは、水素添加ポリシランまたはその混合物を水と反応させるために設計される反応室を有している。さらに、少なくとも１つの反応物を反応室に給送するための給送デバイス、および反応室での反応によって形成された水素を吐出し、そして、この水素を燃料電池に給送するための吐出デバイスが提供される。
【００１１】
この方法によれば、水素添加ポリシラン中の結合水素を燃料電池の動作のために分離することができる。水素添加ポリシランは無毒の物質であり、本質的にケイ素および水素からなっている。水素添加ポリシランから対応するレベルの純度で水素が製造されると、それ以上の精製は不要であり、したがって例えばＰＥＭ燃料電池に直接使用することができる。本発明の文脈を通して、「ポリシラン」という用語は、一般に、実験式ＳｉｎＨ２ｎまたはＳｉｎＨ２ｎ＋２を有する化合物を表しており、ｎは６より大きい（ｎ＞６）。以下では同じく略語ＨＰＳで示される「水素添加ポリシラン」は、標準状態の下では固体形態のポリシランとして理解されたい。本発明における意味では、ポリシランは、個別の化合物としての固体である固体形態として示されているか、あるいはいくつかのポリシランの混合物中における固体である。本発明の文脈における標準状態は、１物理大気の圧力（ｐ＝１ａｔｍ）で、かつ、摂氏２０度の温度（標準温度）（Ｔ＝２０℃）である。これらの水素添加ポリシランすなわちＨＰＳおよびその混合物は、例えば独国特許出願公開第２００６  ０４３  ９２９号明細書に従って製造することができ、Ｓｉ鎖すなわちＳｉバックボーンは、ｎ＞１０またはｎ＞１２の分子中に多数のＳｉ原子を有している。Ｓｉ鎖の長さが少なくとも１１ケイ素原子、言い換えるとウンデカシランから始まるＨＰＳは、もはや自然発火性はなく、例えば黄−白色固体粉末の形態であってもよい。
【００１２】
固体形態のＨＰＳの場合、水素貯蔵材料の単純で、かつ、安全な取扱いが可能である。ＨＰＳを良好に貯蔵することができ、材料を形成する方法（粉末、ペレット、粒状物、ビーズ、立方体）に応じて異なるパッキング密度を達成することができる。この方法によれば、ＨＰＳを固体の形態で貯蔵することができ、唯一、反応室へ移送するために液体中に分散させることができ、あるいは溶媒を使用して流動化させることができる。さらに、対応する固体フィーダを使用して反応室に直接ＨＰＳを給送することも可能である。
【００１３】
ＨＰＳ貯蔵デバイスは、永久水素担体として様々な場所へ本質的に安全に輸送することができ、および／またはその場所で貯蔵することができ、また、反応室へ移送した後に、必要に応じて水素を製造することができる。ＨＰＳと水の反応によって製造された水素は、次に、有効な燃料電池システムを使用して電気エネルギーに変換することができる。さらに、固体ＨＰＳの取扱いおよび貯蔵が単純で、かつ、安全であるばかりではない。塩基性反応物、好ましくはアルカリ性反応物を添加した後、反応を遂行するために必要なことは、水素を製造するための単一の反応ステップのみである。塩基の追加は、反応容器自体の塩基の含量が反応に十分に触媒作用を及ぼすことができる場合、省略することができる。アルカリの存在下でＨＰＳが水と反応している間、可溶性ケイ酸Ｓｉ（ＯＨ）４またはコロイドポリケイ酸を形成することができ、これも無害である。
【００１４】
したがってＨＰＳは、損失することなく輸送することができ、かつ、比較的安全に貯蔵することができる有効な水素担体である。ＨＰＳは、単体ケイ素と比較すると、遊離体質量に対してより多くの水素を解放することができるため、水素担体としてより適切である。使用されるＨＰＳに対して約２０重量％の水素を解放するため、水素添加ポリシランは、据置使用および移動使用の両方に対して、水素供給体として適切である。ＨＰＳおよび水によって製造される水素の純度が高いため、この水素貯蔵手段はとりわけ、低温および／または高温ＰＥＭ燃料電池と組み合わせて用いるのに適切である。
【００１５】
本発明の他の実際的な例によれば、水素添加ポリシランが、粉末、粒状物、ペレット、ビーズ、立方体および多孔片からなるグループから選択される固体構造の形態である供給デバイスが提供される。
【００１６】
したがってＨＰＳは、安全に、かつ、単純に貯蔵することができ、また、次に給送デバイスを介して反応室に導入することができる。より多くの例えば粉末ＨＰＳを加えるためにシール可能開口を使用することができる。ＨＰＳが例えばアルカリ性水溶液と接触すると、ＨＰＳは水と反応し、生成物として水素が形成される。この方法によれば、単一の反応ステップで水素を製造することができる。ＨＰＳが塩基性水溶液と反応すると熱が生成され、熱交換器内で廃熱を輸送することによってその熱を利用することができる。
【００１７】
ＨＰＳが例えば粉末としてアルカリ性水溶液中に分散されると、撹拌機等のかき混ぜ機または再循環ポンプなどの混合デバイスが反応室内に均質な混合をもたらす場合、反応室内全体に一様に分布した反応を生じさせることができる。別の方法としては二重底を提供することも可能であり、この二重底の上にＨＰＳのより大きいペレットまたは多孔片が収集される。ＨＰＳと水の接触を保証するために、少なくとも水を給送するための給送デバイスが、噴霧ノズルデバイスによってこの二重底と同じ高さ、またはそれ以上の高さに配置される。反応室内に製造された水素ガスは、反応室の頂部に配置されることが好ましいガス吐出デバイスを介して、燃料電池または複数の燃料電池の組合せに直接導くことができる。
【００１８】
本発明の他の実際的な例によれば、塩基性媒体、とりわけアルカリ性媒体が提供されるように反応室が設計される供給デバイスが提供される。
【００１９】
この方法によれば、水素の製造を実施することができ、かつ、水素の製造を加速することができる。ＨＰＳと反応する水の塩基度は、７と１４との間のｐＨ範囲に設定され、例えば水酸化ナトリウム溶液ＮａＯＨまたは水酸化カリウム溶液ＫＯＨを加えることによって調整することができる。塩基またはアルカリは、ＨＰＳの加水分解を促進するように作用することができる。化学量論量を超える量のアルカリが使用されると、揮発性自然可燃性シランが一時的に形成されることなく、速やかで、かつ、完全な反応を保証することができる。反応室内では、ｐＨが７を超える水溶液中でポリシランが分解すると、例えばアルカリ性媒体（ｐＨ＞７、化学量論的量を超える量のアルカリ）中の実験式ＳｉｎＨ２ｎのポリシランに対する反応など、実験条件に関して簡略化された以下の反応式で示されるように、例えば水ガラスなどの水素Ｈ２とケイ酸塩の化合物が形成される。
ＳｉＨ２＋２ＮａＯＨ＋Ｈ２Ｏ→Ｎａ２ＳｉＯ３＋３Ｈ２
【００２０】
塩基性またはアルカリ性水溶液は、一方では、次に給送デバイスを介して反応室に供給される給送水に塩基またはアルカリを加えることによって反応室外で予め準備することができる。他方では、例えば他の給送デバイスおよび塩基、アルカリおよびアルカリ液のための接続されている貯蔵タンクによって、塩基またはアルカリあるいはアルカリ液のみを反応室に供給し、次にアルカリ性水溶液を製造し、かつ、理想的な反応条件を反応室にもたらすことができる。この方法によれば、ＨＰＳの反応性が向上するだけでなく、反応によって形成されるケイ酸生成物の溶解度が改善される。例えば溶解したケイ酸または液体シリカゾルを形成することができ、これらは、ＨＰＳから分離して反応室から除去することができる。
【００２１】
固体または液体反応生成物を吐出するために、反応室の塩基を例えばシール可能吐出オリフィスを備えた漏斗として構築することができる。さらに、例えば使用されるＨＰＳビーズまたはペレットの直径より小さい孔を備えた二重底を提供してＨＰＳを反応室内に維持することができ、その一方で水および場合によってはその水の中に溶解している物質を除去することができる。この方法によれば、例えばケイ酸などのケイ酸生成物を単純に任意選択でアルカリ性の水溶液を使用して反応室から洗い出すことができ、あるいは固体堆積反応生成物として機械的に除去することができる。
【００２２】
本発明の他の実際的な例によれば、反応室は金属触媒を有している。
【００２３】
塩基またはアルカリの代わりに、あるいは塩基またはアルカリの添加に加えて、反応の速度を速くするために触媒を使用することも可能である。例えば遷移金属酸化物の金属触媒を考慮することができる。それらは単独で使用することも、あるいは他の遷移金属との混合酸化物として使用することも可能である。有効な能動成分は、例えば鉄酸化物、銅酸化物またはクロム酸化物である。これらの触媒は、固定構造物として反応室に配置することができ、あるいは必要に応じて外部から供給することも可能である。
【００２４】
供給デバイスの他の実施形態によれば、供給デバイスは、反応中に解放される熱を利用する廃熱復熱装置を有している。
【００２５】
ＨＰＳの発熱加水分解中に反応室内に解放される廃熱は、例えば熱交換器または他の熱回復デバイスによって利用することができる。反応室は覆うことができる。
【００２６】
供給デバイスの他の実施形態によれば、供給デバイスは、給送デバイスに水を供給するための水貯蔵タンクを有している。
【００２７】
水は、ポンプなどの引渡しデバイスによって水貯蔵タンクから反応室へ輸送することができる。さらに、反応室への給送デバイス上に入口弁を提供することができる。この方法によれば、反応に必要な水を必要に応じて供給することができる。この水貯蔵タンクには、反応室への給送に先立って、例えば水酸化ナトリウム溶液を適切に加えることによってアルカリ性水溶液を準備することができる。
【００２８】
本発明の他の実施形態によれば、給送デバイスは、反応室または水貯蔵タンクへの水の復水および給送のために設計され、水貯蔵タンクでは水（または次に復水される蒸気）が、燃料電池内の反応水として形成される。
【００２９】
水素および酸素に基づく燃料電池では、Ｈ＋イオン導通燃料電池内における酸化剤として酸素が使用される。水素−酸素燃料電池内で生じる総合反応は、水素および酸素からの水の合成である。
２Ｈ２＋Ｏ２→２Ｈ２Ｏ
【００３０】
この方法によれば、給送デバイスを介して導くことができる電気エネルギーと水の両方を得ることができる。この給送デバイスの場合、水を復水させることができ、かつ、液体の形態の反応物として反応室に直接供給することができる。この方法によれば、燃料電池内で形成される水を気体および液体の両方として反応室に戻すことができ、かつ、再使用することができる。
【００３１】
貯蔵しなければならない水がより少なく、重量を節約することができるため、これはとりわけ航空機に使用するために有利である。
【００３２】
本発明の実施形態の一例によれば、吐出デバイスは、入口弁および出口弁を備えた、製造された水素を中間貯蔵するための圧力容器を有している。
【００３３】
この方法によれば、反応室での反応中に反応した水素を一時的に貯蔵するために収集することができる。水素は、必要に応じて出口弁を介して燃料電池に導入することができ、直ちに電流を生成することができる。使用される圧力容器は、水素ガスの制御された入口および出口のための保護された弁デバイスを有する標準化された容器であってもよい。弁は制御デバイスによって集中制御することができ、また、電力が中断し、あるいは遮断されると、自動的に閉位置になる。この方法によれば、燃料電池への制御されないそれ以上の水素ガスの給送、あるいはあり得る水素の損失を防止することができる。
【００３４】
本発明の実施形態の他の例によれば、吐出デバイスは、製造される水素の品質および／または量、とりわけ流れまたは圧力を測定するために設計される水素測定デバイスを有している。
【００３５】
この方法によれば、製造される水素の純度のレベルおよび純度ならびに量および／または圧力を検証することができる。水素測定デバイスは、吐出デバイス内または水素分岐ライン内に直接配置することができる。測定デバイスが迂回ライン内に配置される場合、水素の量および品質を連続的に、あるいは無作為試料採取によって検査することができる。水素の測定に要した量は、吐出デバイスに戻すか、あるいは外部へ導くことができる。適切な測定デバイスは、例えば水素の純度を極めて正確に検出することができ、かつ、水素の量を定量化することができるガスクロマトグラフである。
【００３６】
ガスクロマトグラフが測定デバイスとして使用される場合、キャリアガスが供給され、かつ、適切な分離カラム上に輸送される。この方法によれば、測定されるガスを分離することができ、物質が分離システムを離れる際に電子信号を生成する検出器は、カラムの末端に存在している。この電子信号は、次に、いわゆるピークとして適切な計器に記録し、かつ、分析することができ、また、検出されたガスの成分は、極めて正確に定性的、かつ、定量的に決定することができる。測定信号は、適切な評価ソフトウェアを備えたコンピュータシステムに送られる。ガスクロマトグラフィにはキャリアガス、例えば窒素が使用されるため、この測定構造には、燃料電池へ導く吐出デバイスに測定ガスを戻すことは想定されていない。
【００３７】
さらに、他の水素測定デバイスを使用することも可能であり、例えば、ガスクロマトグラフとは対照的に、水素含量または監視に関連する他のトレースガスを連続的に検出することができる測定センサまたは選択性電極を使用することができる。
【００３８】
反応室における反応は、水素測定デバイスの測定結果に応じて制御することができる。水素の純度の品質に顕著な低下が測定されると、水素中間貯蔵の出口弁を制御して燃料電池への水素ガスの給送を停止することができる。最適反応条件が回復され、したがって純度のレベルが燃料電池内における動作のために十分になると、圧力容器を交換することによって汚染した水素ガスをシステムから除去することができ、空の圧力容器に再び純粋な水素ガスを貯蔵することができる。
【００３９】
本発明の他の実際的な例によれば、吐出デバイスは、水素ガス中の残留蒸気および／またはエアロゾルのための分離デバイスを有している。
【００４０】
熱は発熱加水分解中に生成されるため、故意にではなく蒸気および／またはエアロゾルが形成される可能性がある。水素ガスの純度を保証するために、分離デバイスによって、あるいは乾燥によってあらゆる残留蒸気を水素ガスから分離することができる。乾燥は、例えば、発熱反応で生成される熱によって反応室内で実施することも可能である。さらに、燃料電池に対して問題をもたらすことになる混入したエアロゾル、例えば塩基の滴を分離することも可能である。分離するために、例えば二酸化ケイ素（シリカゲル）、酸化アルミニウムまたはケイ酸アルミニウムなどの無機酸化物に基づく微粒吸着剤または乾燥剤を使用することができる。
【００４１】
本発明の他の実際的な例によれば、供給デバイスは、製造される水素の量を添加される水の量によって制御する制御デバイスを有している。
【００４２】
外部から添加される水の量を制御することにより、製造される水素の量を制御することができる。反応中に生じる熱は、水の添加を制御することによって制御することができる。ＨＰＳが反応室に置かれると、反応速度などの反応パラメータは、定義された量の水溶液の適用量によって制御することができ、あるいは異なるステップでのｐＨ調節によって同じく制御することができる。次に、さらにアルカリ性溶液を加えることによって反応生成物、例えばケイ酸を洗い出すことができ、また、液体のための適切な吐出デバイスによって導くことができる。レベルセンサは、例えば反応室における液体の量が規定された必要値を超えないことを保証することができる。
【００４３】
別の方法としては、塩基、とりわけアルカリ性水溶液が予め存在し、かつ、水素への反応が固体ＨＰＳを加えることによって制御されるように反応室を設計することも可能である。そのためには、固体材料を運ぶための引渡しデバイス、例えばバケットホイールが適している。さらに、反応器自体を混合のために移動させることも可能であり、また、水溶液とＨＰＳの完全な混合を保証するために例えば傾斜反応器として構築することも可能である。ＨＰＳの反応のために使用される水溶液は、純粋な水または塩基もしくはアルカリまたは適切な触媒などの添加剤を含んだ水のいずれかからなっている。さらに、解放される反応熱は、添加剤の添加を制御することによって調整することができる。
【００４４】
燃料電池内で製造される水を再循環させることが意図されている場合、燃料電池が動作している間に生成される廃水を同じくＨＰＳの加水分解のために使用することができるため、通常、一時的に貯蔵される水の量を少なくすることができる。水溶液の量、または貯蔵されている塩基性またはアルカリ性水溶液の量は、制御デバイスによって予め水貯蔵タンク内で制御することができる。この制御デバイスも、水貯蔵タンク内のｐＨの測定に応じて、規定された必要ｐＨ（例えばｐＨ＝１０）になるように調整され、また、設定値が得られた後に初めて塩基性溶液がポンプ制御によって反応室に導かれるように設計することができる。
【００４５】
さらに、センサは、ｐＨ測値、弁位置、レベルまたは生成される熱を測定するために反応室に配置することも可能である。測定されたパラメータに基づいて、加えるべき水の量、または水溶液が既に存在している場合、加えるべきＨＰＳの量、あるいは添加剤の量を監視し、かつ、制御することができる。
【００４６】
本発明の他の実際的な例によれば、燃料電池供給デバイスは、航空機における燃料電池の水素供給のために使用される。
【００４７】
ケイ素−水素化合物からなり、かつ、１０ケイ素原子より長い平均鎖長を有するＨＰＳは、もはや自然可燃性ではなく、したがってとりわけ航空などにおける移動用途のために使用することができる。これらの水素添加ポリシランは、簡単に取り扱うことができ、また、簡単に貯蔵することができる。燃料電池内で形成される水を反応室内で再使用することができるため、燃料電池およびこの水素エネルギー担体との組合せは有利である。この方法によれば、航空機における重量およびコストを節約することができる。
【００４８】
本発明の他の実際的な例によれば、燃料電池の水素供給のための燃料電池供給デバイスは、航空機における非常システムとして使用される。
【００４９】
この用途では、燃料電池供給デバイスは非常システムとして設計される。この方法によれば、航空機の電力がオンボードで中断しても、水素の製造および燃料電池の動作が保証されることを保証することができる。そのために、弁は、電力が中断すると、それらが燃料電池供給デバイスの動作が維持される位置を取るように設計される。さらに、ＨＰＳ燃料電池供給デバイスは、非常時にのみ起動されるように設計することも可能である。この方法によれば、とりわけ標準電源システムの電力が中断した場合に、ＨＰＳを備えた電源は、例えば航空機の重要なシステムに関して保証することができる。
【００５０】
本発明の他の実際的な例によれば、燃料電池供給デバイスを備えた航空機が提供される。
【００５１】
ＨＰＳの反応によって水と共に形成されるケイ酸生成物は環境に無害であり、容易に貯蔵し、かつ、廃棄することができる。
【００５２】
形成される純粋な水素は、とりわけ航空において、ＰＥＭ燃料電池に使用することができる。この方法によれば、単一の反応ステップおよび燃料電池への結合で電気エネルギーを極めて速やかに得ることができる。さらに、例えば熱交換器に給送することによって、反応器から解放される熱のうちの一定の割合の熱を有利に使用することができる。この方法によれば、熱を回復し、および／または繰り返し使用することができる。また、燃料電池が同じく廃熱復熱装置を備えている場合、２つの廃熱復熱装置を１つに結合することができる。
【００５３】
本発明の他の実施形態によれば、航空機における燃料電池のための水素を製造するための方法が提供され、この方法には、少なくとも１つの第１または第２の反応物を反応室を介して給送する処理ステップであって、第１の反応物が水素添加ポリシランまたはその混合物を含み、第２の反応物が水である処理ステップと、第１の反応物を第２の反応物と反応室で反応させる処理ステップと、反応によって形成される水素を航空機の燃料電池へ導く処理ステップとが含まれている。
【００５４】
この方法によれば、取扱いが容易な水素エネルギー担体から反応室で簡単に水と共に水素を製造することができる。結果として得られる純粋なガスは燃料電池へ導くことができ、そこでこの純粋なガスは燃料電池の動作を保証することができる。
【００５５】
反応室では、加水分解によって水素添加ポリシランから水素が分離される。独国特許出願公開第１０  ２００６  ０４３  ９２９号明細書で知られているように、少なくとも１１個から１３個のケイ素原子の鎖長を有する水素添加ポリシラン（ＳｉｎＨ２ｎ＋２および／またはＳｉｎＨ２ｎ、それぞれｎ＞１０およびｎ＞１２）は、標準状態の下では固体であり、容易に貯蔵することができる。固体ＨＰＳは反応室に置くことができ、また、水溶液を供給することができる。
【００５６】
この固体は容易に貯蔵することができ、かつ、反応室に供給することができるため、開始材料としてのＨＰＳの使用は、安全上の観点から有利である。長鎖エネルギー担体の高い体積−比エネルギー密度は、とりわけ航空宇宙用途における移動分野では特に有利である。高いエネルギー密度とは、タンクの体積、延いてはタンクを軽い重量に維持することができ、したがってコストを節約することができることを意味している。この方法によれば、より有用な荷重、とりわけより多くの貨物または旅客を航空機で輸送することができる。
【００５７】
鎖長が６より長いポリシランは、封止されると、変化することなく極めて長い時間にわたって標準温度で保持することができるため、それらは、航空に使用するためのエネルギー担体として極めて適している。また、ＨＰＳは、例えばペンタデカシランＳｉ１５Ｈ３２などの高純度ポリシランと、水素添加ポリシランとの混合物および／またはそれらの構成上の異性体との混合物、例えばウンデカシランＳｉ１１Ｈ２３との混合物の形態であってもよい。ＨＰＳは固体であるため、一時的な貯蔵で容易に維持することができ、あるいは反応室に置くことも可能である。ＨＰＳが反応室でアルカリ性水溶液と反応すると、水素を解放することができ、また、ケイ酸生成物が形成される。固体または液体反応生成物は、反応室から連続的に、あるいは断続的に分離することができる。固体を分離する場合、適切な形状、例えば漏斗形の反応容器は、形成される固体を収集し、かつ、分離する役割を果たすことができる。形成された水素ガスは、直接燃料電池へ導くことができ、あるいは中間貯蔵タンクを介して間接的に燃料電池へ導くことができる。
【００５８】
他の実施形態によれば、この方法には、同じく、プロセス水を塩基性ｐＨに調整するステップと、金属触媒の存在下で水素添加ポリシランを反応させるステップと、製造された水素を圧力容器に中間貯蔵するステップと、製造される水素の純度および／または量を水素測定デバイスを使用して監視するステップと、製造される水素の量を添加される水の量によって制御するステップとが含まれている。
【００５９】
反応室内の水溶液は、後続する加水分解の速度を速くするために７を超えるｐＨに調整される。プロセス水を塩基性ｐＨに調整するステップは、例えば水酸化ナトリウム溶液または水酸化カリウム溶液を加えることによって反応室内自体または水貯蔵タンク内のいずれかで実施することができる。反応の速度を十分に速くするためにはｐＨを約１０に設定することができる。
【００６０】
塩基性条件の下での加水分解の実施に加えて、あるいは塩基性条件の下での加水分解の実施に代わって、さらに触媒を加えるか、あるいは異なる触媒を加えることによって反応を加速させることも可能である。触媒は遷移金属酸化物であってもよい。熱は加水分解反応によって解放されるため、同じく蒸気が形成されることがあり、この蒸気は、水素を燃料電池へ導く前に、例えば適切な分離器または乾燥剤を使用して乾燥させることによって除去することができる。分離器は、塩基に混入したエアロゾルを分離する役割を果たすことも可能である。この方法によれば、極めて純粋な水素を燃料電池のために利用することができる。製造された水素は、制御可能な入口弁および出口弁を有する適切な圧力容器に一時的に貯蔵することができる。
【００６１】
さらに、製造される水素の品質および／または量は、水素測定デバイスを使用することによって制御することができる。水素を測定するための適切な測定デバイスは、例えばガスクロマトグラフである。このガスクロマトグラフに水素ガスを導くことができ、次に、キャリアガスを加えることによって、分離カラムによって水素ガスを測定することができる。次に、測定された水素ガスの量を測定信号、とりわけピーク下の面積によって決定する適切な評価デバイス、例えばコンピュータによって評価が実施される。この測定デバイスは、一方では純度を検証することができ、また、不純物が存在している場合、燃料電池への水素ガスの供給を停止することができる。他方では、例えば必要な水素の量を燃料電池に供給することができるよう、定量水素測値を反応室の制御システムに接続することも可能である。
【００６２】
製造される水素の量は、例えば添加される水の量によって制御することができる。この水の量は、必要に応じて反応室に水を供給するポンプを使用して外部から加えることができる。さらに、水は、燃料電池から反応室へ直接導くことも可能である。この方法によれば水を再使用することができる。さらに、製造される水素の量は、ｐＨ設定によって、あるいは塩基性溶液、好ましくはアルカリ性溶液を加えることによって制御することも可能である。塩基性溶液の追加は、反応室自体の中および水貯蔵タンクの中の両方で実施することができる。この反応プロセスでは、反応室で使用されるのは純粋なＨＰＳおよび水または塩基性水溶液のみであり、したがって本質的に純粋な水素ガスが形成され、これはとりわけＰＥＭ燃料電池のために適している。
【００６３】
さらに、上記特徴および処理ステップは組み合わせることが可能であることに留意されたい。上記処理ステップまたは特徴を組み合わせることにより、明確には詳細に記述されていない場合であっても、対応する特徴の個々の効果に優る相互効果および相互作用が得られる。
【００６４】
以下、本発明の実施形態の例について、以下の図面を参照して説明する。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】水素を生成するための燃料電池供給デバイスの概略図である。
【図２】水を燃料電池から再循環させるための給送デバイス、および廃熱復熱装置を備えた燃料電池供給デバイスの他の実際的な例を示す図である。
【図３】本発明の２つの実際的な例を備えた航空機の二次元概略図である。
【図４】本発明の実際的な例による燃料電池供給方法を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００６６】
図の描写は概略的なものであり、スケール通りではない。
【００６７】
さらに、図についての以下の説明では、同じ構成要素または同様の構成要素には同じ参照記号が使用されている。
【００６８】
図１は、水貯蔵タンク１１０、反応室１２０および燃料電池１５０を備えた燃料電池供給デバイス１００を概略的に示したものである。さらに、図１には、水貯蔵タンク１１０に一時的に貯蔵することができる反応物水を供給するための給送デバイス１１２が示されている。
【００６９】
さらに、反応室は、反応によって形成される水素を燃料電池１５０へ導くために使用することができる吐出デバイス１２２〜１２４を有している。この吐出デバイスは、同じく、弁１２３および弁１２３から中間貯蔵タンク１４０までの給送ラインを備えており、中間貯蔵タンク１４０は、水素ガスを一時的に貯蔵することができ、また、出口弁１４３を介して水素ガスをライン１４５を介して燃料電池へ運ぶことができる。水素のための中間貯蔵タンクは、それぞれ入口弁１２３および出口弁１４３を備えた圧力容器１４０として構築することができ、入口弁１２３および出口弁１４３は遮断に対して保護されている。さらに、例えば発熱反応（矢印１２１）によって形成される可能性がある残留蒸気を乾燥または分離するために、乾燥デバイスまたは分離器１２２を吐出デバイス１２２、１２３、１２４に設置することも可能である。加水分解反応によって解放される熱を必要としないか、あるいは解放される熱が少なすぎる場合、別の方法として反応室の絶縁を行うことも可能である。
【００７０】
さらに、図１には、水素分岐ライン１２５を備えた吐出デバイス１２２〜１２４が示されている。この水素分岐ラインは、適切な測定デバイス１３０を使用して水素の量、圧力および／または純度のレベルを決定するための迂回として接続することができる。
【００７１】
図２は、水貯蔵タンク１１０、反応室１２０、得られた水素のための圧力容器１４０および燃料電池１５０を備えた本発明の他の実施形態２００を示したものである。この場合、有利には、水素への変換によって解放される、矢印１２１によって概略的に示されている熱は、反応室ジャケット１２８などの適切なデバイスを使用して貯蔵される。得られた熱は、例えば熱交換器１２９によって再使用することができる。この廃熱復熱装置１２９は、例えば燃料電池１５０の近傍または平行に接続されている反応室（図示せず）の上に配置される他の熱回復デバイスに結合することも可能である。
【００７２】
さらに、図２には、反応室のための、ビーズの形態の水素添加ポリシラン１２６の給送が概略的に示されている。ＨＰＳ１２６は、必要に応じて開口１２７を介して反応室に供給することができる。開口は再シール可能開口であってもよく、また、ＨＰＳ１２６のための貯蔵タンク１７０は、他の部屋に個別に収納することができる。反応室１２０にＨＰＳ１２６が給送されると、ＨＰＳ１２６は、例えば、ＨＰＳ１２６を水と一体にすることができる、能動的に触媒作用する金属酸化物からなっていることが好ましい例えば格子（図１に楕円で示されている）から構築された収集容器に収集することができる。収集容器または二重底が提供されていない場合、最初に不溶性ＨＰＳを再循環ポンプ（図示せず）によって水溶液全体に分散させることができる。
【００７３】
電気エネルギーが生成された後、燃料電池内で反応が生じている間に反応して水を形成する他の反応ガス酸素または空気が、水素と共に、ライン１５２を介して燃料電池１５０に導入される。燃料電池１５０は、例えばＰＥＭタイプの燃料電池であり、酸素または酸素を含んだ空気が酸化剤としてライン１５２を介して供給され、一方、還元剤が膜によって空間的に分離される。この陽子交換膜はＨ＋イオンを排他的に透過する。得られたエネルギーすなわち発電（矢印１５３で示されている）は直ちに利用することができる。燃料電池内に形成される反応生成物水は、復水した形態または蒸気の形態のいずれかで、出口弁１５１を介してライン１５４に供給することができ、次に水貯蔵タンク１１０へ運ぶことができる。この構造に対する代替として、燃料電池内に得られた水を直接反応タンク１２０（図示せず）に供給することも可能である。
【００７４】
反応室１２０と、水素を一時的に貯蔵するための圧力容器１４０との間に配置されている吐出デバイスには、この場合も部品１２２〜１２４からなる吐出デバイスが存在している。この実施形態では、測定すべき水素の量にキャリアガスを加え、かつ、適切な分離カラム内にガス混合物の成分を分離することによって動作するガスクロマトグラフ１３０が分岐ライン１２５に使用されている。カラムの端部で、存在する水素の量、または混合物の他の成分の量が適切なコンピュータシステム１３１によって検出され、かつ、評価される。測定されたピークは、例えばディスプレイ１３２に表示することができ、ピークの高さおよびピーク下の面積は、測定された水素の量を決定する役割を果たしている。評価装置１３１によって極めて正確な水素測定を定量的に、かつ、定性的に実施することができる。評価装置１３１は、一方ではガスクロマトグラフ１３０に接続され、また、他方では、例えばプロセッサ（ＣＰＵ）を備えた中央計算機ユニット１６０にライン１６３を介して測定結果を送るために、コンピュータシステム１６０の制御ユニットに接続されている（接続リード線は図１には示されていない）。さらに、コンピュータ１６０は、例えば流量、圧力または弁位置などの測定データを記憶することができる記憶ユニットを有しており、したがって燃料電池供給デバイスが故障しているかどうかをチェックすることができる。
【００７５】
さらに、品質が劣る水素ガスが検出されると、コンピュータユニット１６０によって弁１２３または弁１４３を閉じることができる。さらに、貯蔵タンク１１０から給送デバイス１１２を介して水あるいは任意選択で塩基性溶液も輸送するために、コンピュータユニット１６０によって水の追加を制御することも可能であり、あるいは水の必要性に応じて給送ポンプ１１１を調整することも可能である。
【００７６】
さらに、測定データを制御ユニットに送る（例えば矢印１６３を介して）他の測定デバイスを配置することも可能である。例えば反応室または水貯蔵タンク内でｐＨを測定することができ、あるいはレベルを制御ユニットに送ることができる。コンピュータユニット１６０は、ライン１６１および１６２を介して様々な弁、ポンプまたは他のデバイスを制御することができる。可能なセンサまたはインタフェースへの接続は、図１には示されていない。
【００７７】
図３は、燃料電池供給デバイス１００または２００が使用されている航空機の概略図を示したものである。
【００７８】
図４は、以下の処理ステップを有する、燃料電池を供給するための方法を概略図で示したものである。この方法はステップ４０１で開始される。このステップで反応室が提供され、この反応室で、恐らく、水素添加ポリシランなどの反応物が調製される。次の処理ステップ４０２として、少なくとも１つの反応物が反応室に供給される。第２の反応物が未だ反応室に存在していない場合、この反応物も同じく反応室に供給される。処理ステップ４０３で第１の反応物ＨＰＳと第２の反応物水が反応する。
【００７９】
反応中、ガス状水素が形成される。この水素は、ステップ４０４で、測定デバイス（水素測定デバイス）、例えばガスクロマトグラフによって測定される。この方法によれば水素ガスの純度を検証することができる。測定結果に応じて、反応室における特定の制御パラメータを制御することができる。処理ステップ４０５で、例えば製造される水素の量の制御が添加される水の量の制御によって表される。ｐＨの変更または触媒の追加などの他の制御操作も可能である。
【００８０】
処理ステップ４０６で、製造された水素が圧力容器に一時的に貯蔵される。この圧力容器の入口弁および出口弁も、処理ステップ４０４で測定されたプロセスガスの純度のレベルに応じて同じく制御することができる。水素が汚染されている場合、燃料電池への給送を停止しなければならない。最後に、処理ステップ４０７で、反応によって製造され、かつ、圧力容器に一時的に貯蔵された水素が、燃料電池、例えばＰＥＭタイプの燃料電池へ運ばれる。
【００８１】
「備える」という用語は、「１つの」という用語が複数の構成要素およびステップを排他しないのと全く同様に、他の構成要素または処理ステップを排他するものではないことに留意されたい。使用されている参照記号は、理解を容易にするための役割を担っているにすぎず、断じて本発明を制限するものと見なしてはならず、本発明の保護範囲は、特許請求の範囲によって定義されている。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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