JP2004152765A - 予防剤を内蔵している保護容器 - Google Patents

Abstract

【課題】
高い作動温度、及び不注意による燃料の漏洩と関連した環境上、安全上の諸問題によって、燃料電池を利用し得る適用範囲は依然として制限されている。そのため、本発明は、燃料電池のそれら有害な特性を正常化するための予防剤が内臓されている保護容器を提供する。
【解決手段】
本発明によれば、保護容器（２１、２１'）は、例えば高熱あるいは揮発性などの有害な特性を有する物体あるいは物質（２６、３６）を安全に収容するための予防剤（２４、３２、６４、６６、６８、７０）を構成要素として有している。該予防剤（２４、３２、６４、６６、６８、７０）は前記物体あるいは物質（２６、３６）の前記有害な特性が外部環境に及ぶ以前に、前記有害な特性を正常化する。
【選択図】図３

Description

本発明は、保護容器内に収容されている物質又は物体の有害な特性を正常化するための予防剤が内臓されている保護容器に関する。

燃料電池は、燃料の化学エネルギーを、燃焼させることなく直接電気エネルギーに変換する電気化学装置である。従って、それらは、経済的で、軽量で、効率的で、再生可能である電力源を与える潜在性を有しており、電気自動車及び携帯型電気機器を含む広範囲の用途においてそれらを使用することは、非常に魅力的である。

燃料電池の働きは、概して、十分に理解されている。典型的な燃料電池は、２つの電極（一方は空気極として、他方は燃料極として機能する）の間に電解質を延在させることによって作動する。酸素が一方の電極上を、水素が他方の電極上を通過して、電気、水及び熱を発生する。詳細には、化学燃料は、燃料電池の燃料極へ供給される水素を含む。酸素（又は空気）は、空気極を通って燃料電池に入る。触媒によって活性化されると、水素原子は、プロトンと電子に分離し、それらは別々の経路で空気極に達する。プロトンは、電解質中を通過し、一方、電子は、利用可能な抽出電流を発生し、その後、空気極に戻り、そこでそれらは水素及び酸素と再結合して水分子を生成する。

種々の異なった燃料及び電極を利用している、現在利用可能な、あるいは開発中の、広く様々な種類の燃料電池がある。これらの各種燃料電池には、リン酸形燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池、固体酸化物形燃料電池、アルカリ形燃料電池、ダイレクトメタノール形燃料電池、及び再生形燃料電池が含まれる。

燃料電池は諸々の利点を有しているものの、それらは、それらの利用可能用途を現在のところ制限してしまう作動特性を有している。例えば、極めて揮発性で、且つそれが不注意によりハウジングから漏洩してしまうと顕著な安全上、環境上のリスクをもたらす可能性のある液体又は半粘性燃料に、たいていの燃料電池が依存している。さらに、多くの燃料電池は、所望のレベルの電気を生成するために高温度で作動させなければならない。例えば、固体酸化物形燃料電池は、典型的に、４５０℃〜１０００℃の温度範囲で最も効率的に作動する。従って、これらの特性のために、燃料電池を在来のバッテリ又は携帯型電源装置の代替品として利用することが本質的に妨げられている。

燃料電池の安全性を向上させ、且つその利用可能用途を拡大する努力は、主として、爆発性のガスが燃料電池内に蓄積するのを抑えることに集中していた。例えば、以前の対処方法は、燃料電池構造物からその周囲への爆発性ガスの排気を促進して、爆発の可能性を低減させる真空型換気システムを設けるものであった。同じく、別の対処法として、排気ガスの爆発の兆候を検知し、それに対して、水素ガスの生成を停止させ、爆発の規模を制限することで応答する電気回路を設けることもなされた。Ｐｅｔｔｉｇｒｅｗは、また、排気ガスを中性液中に通して濾過させ、それによって、爆発排気ガスがシステム内を逆流し更なる損傷を引き起こすのを防いでいる。

これらの種類のシステムは諸々の利点を有するにもかかわらず、燃料電池の高い作動温度、及び燃料電池の燃料の不注意による漏洩と関連した環境上、安全上の諸問題によって、燃料電池を利用し得る適用範囲は依然として制限されている。

本発明は、例えば高熱又は揮発性などの有害な特性を有する物体あるいは物質を収容するための保護容器である。該保護容器は、該保護容器内に収容されている物体あるいは物質の有害な特性が外部環境に及ぶ以前に、前記有害な特性を正常化するための中和剤を内蔵している。

本発明の保護容器では、該保護容器内に収容されている物体あるいは物質の、例えば高熱又は揮発性などの、有害な特性が外部環境に及ぶ以前に、予防剤によって前記有害な特性を正常化することができる。

例えば燃料電池によって生じる熱あるいは不注意により漏れだした燃料の揮発性などの、燃料電池の有害な作動特性を正常化する保護容器２１を備えている燃料電池アセンブリ２０を図１〜４に開示している。加えて、他の用途における保護容器及びそれらの使用方法が、２００１年９月２０日付け米国特許出願第０９／９６０、１８０号に、さらに詳しく議論されている。

燃料電池は、好ましくは、保護用外側容器２２と、燃料チャンバ２８から漏れる燃料２６が外部環境３０に散逸する以前に、その揮発性を中和させる（失わせる）適切な燃料中和剤２４とを包含している。より好ましくは、燃料チャンバ２８構造物は、不注意により衝撃が加えられた際、外側容器２２の構造が壊れる前に破砕するよう設計されており、それによって、燃料２６が外側環境３０中へ散逸する以前に十分中和させることができる。

また、燃料電池の発熱部分及び効率よく作動するために高熱を要する部分とを、断熱材層３２で包囲して熱チャンバ３４を形成し、それによって、熱チャンバ３４の外部を比較的低い温度に維持しながら熱チャンバ３４内部で所望の高温を維持することができる。

これらの構成部品の各々を以下により詳細に説明する。

Ａ． 燃料中和用保護容器
図１からわかるように、燃料電池アセンブリ２０の概念図が、本発明の実施形態による保護容器２１と共に示されている。燃料電池アセンブリ２０は、水素を含む燃料２６が入っている燃料チャンバ２８を具備する。燃料チャンバ２８は、燃料電池３６と流体連通しており、燃料チャンバ２８中の燃料２６を必要に応じて補給できるようにする注入口３８を具備することができる。さもなければ、燃料チャンバ２８は、保護容器２１内部に封入され、使用できるように固定されて、燃料チャンバ２８内に燃料２６を保有する。好ましくは、チェックバルブ４０又は類似物が、燃料チャンバ２８と燃料電池３６との間の流体経路４２に配置される。

燃料電池３６は、プロトン交換構造物４８で分離されている燃料部分４４と酸素あるいは空気部分４６とを有している。プロトン交換構造物４８は、燃料２６と使用できるように接続されている燃料極５０、酸素あるいは空気５４と使用できるように接続されている空気極５２、及び前記燃料極５０と前記空気極５２との間に使用できるように固定されているプロトン交換部材あるいは電解質５６を構成要素として含んでいる。触媒によって活性化されると、水素原子はプロトンと電子に分かれ、それらは別々の経路にて空気極５２に達する。プロトンは電解質５６を通過し、一方、電子は使用できる抽出電流を生成した後、それらは空気極５２に戻って、そこでそれらは水素及び酸素と再結合されて水分子を生成する。この過程の典型的な副生物には、熱、二酸化炭素（ＣＯ_２）及び水（Ｈ_２Ｏ）が含まれる。二酸化炭素（ＣＯ_２）及び水（Ｈ_２Ｏ）は、通常、図示しているように、排気経路５８を通って外部環境３０へ排出される。好ましくは、断熱材が燃料電池３６の発熱部分を包囲しており、それによって、熱が外部環境３０へ漏れるのを防ぎ、また保護容器２１内の熱に敏感な部品に悪影響を及ぼすのを防ぐ。

図１からわかるように、適切な燃料中和剤２４は、燃料２６が入っている燃料チャンバ２８の外側、且つ外側容器２２の内側に、配置される。燃料中和剤２４は、燃料２６と化学的に反応して、それを実質的に安定且つ不活性にする化学的解毒剤として機能するものである。好ましくは、燃料中和剤２４は、例えば外側容器２２に隣接して燃料中和剤２４の層を形成するなどして、外側容器２２に使用できるように固定される。したがって、燃料チャンバ２８あるいは関連する燃料液体経路４２のラインが、図２に示しているように破損又は漏洩した場合、漏れ出た燃料６０を、外部環境３０へ流出する以前に燃料中和剤２４によって実質的に不活性にすることができる。

好ましくは、外側容器２２は、例えば燃料チャンバ２８から漏れ出た燃料６０などの、外側容器２２内部からの内容物の有害な漏洩を防止すべく密封されている。さらに好ましくは、外側容器２２よりも、耐久性が多少低く、また耐破損性が低い燃料チャンバ２８を使用することで、不注意による衝撃が燃料電池アセンブリ２０に加えられ且つその力が燃料電池アセンブリ２０を損傷させるほど非常に大きい場合にも、燃料チャンバ２８が外側容器２２の前に破損又は漏洩し、それによって燃料２６を中和剤２４とより長い時間相互作用させるようにする。

使用すべき特定の燃料中和剤２４は、燃料電池３６用に選択された燃料に依存する。例えば、水素化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＨ_４）、アルミノ水素化物（ＬｉＡｌＨ_４）、及び類似のものなどの金属水素化物燃料は、水素を含んでおり、且つ経済的で、容易に入手可能である。しかしながら、外界に放出されるか、又は不注意により通常の家庭製品と混合された場合、これらの化合物は極めて腐食性であり且つ揮発性である。従って、金属水素化物の燃料電池は、以前は、携帯燃料電池等に使用できる実用的な候補とは考えられていなかった。

しかしながら、金属水素化物燃料は、それらが燃料チャンバ２８から不注意により漏洩する場合に既知の中和剤２４を使って容易に中和させることができる。これらの中和剤は、中性で、比較的環境に優しく、且つ安全な化合物に帰着し、爆発等の危険性はほとんどない。さらに、これらの中和剤は、携帯燃料電池の外側容器内に容易に塗布するか又は別法で使用できるように固定させることができる。特定の金属水素化物燃料に対して使用される適切な中和剤の例を以下に示す。

燃料源
アルミノ水素化物（ＬｉＡｌＨ_４）、水素化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＨ_４）
中和剤
ケトン、エステル、アルデヒド、カルボキサイド、及びカルボニル還元基を有するアルデヒド

金属水素化物（ＭＨ）の中和反応の一例を下に示す。

Ｒ及びＲ'は、アルキルアリール、ヒドロキシアルキル、Ｈ、あるいは酸化セルロースのような複合アルデヒドにすることができる。

もし必要なら、生ずる「ホウ酸塩」の塩化合物を次のようにさらに中和することができる。

その他の燃料に関する同様の中和反応が、概して、よく理解されている。

好ましくは、中和剤２４は重合されて、図１に示している外側容器２２内面の内側に受容される。

より好ましくは、外側容器２２は、また、燃料電池の安全性をさらに改善するための以下の物質の１つ以上を構成要素として含んでいる。

１．燃料チャンバから漏洩する液体あるいは蒸気を物理的に取り囲む、例えば炭酸塩（酸性燃料用）及び界面活性剤などの発泡剤層６４。適用可能な発泡剤の例として、限定はしないが、重炭酸ナトリウム、重炭酸アンモニウム、ポリオレフィンフォーム、及びその他のアルカリ金属炭酸塩が挙げられる。

また、発泡剤層６４は、高分子の発砲材料を用いることができる。そのような材料は、収容されている物質と接触すると硬質高分子を形成して、収容物質を透過させないシーラントを本質的に形成するように選択される。重合の開始は、収容した物質あるいは予防剤内に含有される開始剤によって実現される。重合剤の特定の例には、限定はしないが、シアノアクリル酸塩及びその他の重合可能化合物がある。さらに、シアノアクリル酸塩モノマーは、ａ−シアノアクリル酸エステル及び対応する開始剤（アミン、水酸化ナトリウム、炭酸ナトリウム、及びその他の相溶性のルイス塩基を含む）を含んでいる。また、遊離基を介して自己開始も起こる。

２．前述のような任意の漏洩液体あるいは蒸気の発火又は燃焼を防止するための、例えば臭化物及びホスフィンなどの火災／反応阻止剤層６６。適用可能な火災／反応阻止物質の例として、限定はしないが、臭素化ポリスチレン、塩化臭素、リン酸塩、リン酸エステル、窒素含有リン誘導体、リン酸誘導体、ホスフィン酸塩、亜リン酸塩、亜ホスホン酸塩、亜ホスフィン酸塩及びホスフィンが挙げられる。その他の化合物として、例えばアンチモン化合物（三酸化アンチモン、五酸化アンチモン、及びナトリウム輝安鉱など）、ホウ素化合物（ホウ酸亜鉛、ホウ酸、及びホウ酸ナトリウムなど）、アルミナ三水和物及び酸化モリブデンなどの無機化合物と、例えばデカブロモジフェニルオキシド、クロレンド酸、テトラブロモ無水フタル酸、及び類似のハロゲン化物などのハロゲン化物が挙げられる。ハロゲン化物、特に、塩素化物は、発火阻止効果を発現させるために、多くの場合、無機化合物、特に、アンチモン含有化合物、鉄含有化合物、コバルト含有化合物、モリブデン含有化合物、及びその他の金属含有化合物と結合される。

３．流出した燃料と反応して粘性ゲルを形成し、それによって、流出した燃料の拡散と蒸発を制限するための、例えばアルギン酸塩、ポリアクリル酸塩、及びローレルグルタミックブトリアミド（Ｌａｕｒｅｌ Ｇｌｕｔａｍｉｃ Ｂｕｔｒｙａｍｉｄｅ）のような界面活性剤などのゲル化剤層６８。その他の例示的なゲル化剤には、限定はしないが、ラウロールグルタミックブチルアミド、カルボキシメチルセルロース、セルロースエーテル、ポリビニルピロリドン、デンプン、デキストロース、ゼラチン、ステアリン酸エステル、ステアリン酸塩、界面活性剤（ラメラ、リポソームあるいはベシクルを形成するもの）、レシチン、ペクチン、凝固剤（硫酸塩など）、及び置換コハク酸又はポリオキシアルキレン反応生成物のような液体増粘剤があり、それらを含有させて、収容している物質と接触させてゲルを形成させ、それによって、実質的に、前記収容物質を固定化することもできる。

４． 燃料を吸着し、且つ蒸発を制限し、さらには燃料の分散を助けるための、例えばバーミキュライト及び高多孔質粘土などの吸着剤層７０。吸着剤のその他の例としては、限定はしないが、ポリウレタンフォーム、繊維状セルロース、繊維状ポリアクリル酸塩、繊維状アクリル系高分子、繊維状熱可塑剤、プラスチック微小球、ガラス微小球、及びセラミックスが挙げられ、それらは、収容している物質を吸着且つ固定化して蒸発及び／又は抑えがたい流出を防止する。

これらの付加的な物質は、図１に示すように外側容器２２内の個別層とすることもできるし、あるいは図３に示すように外側容器２２'を作製する際に外側容器２２の材料中に完全に混合することができる。

Ｂ． 熱保護容器
図４では、保護容器２１'内部に収容されている固体酸化物形燃料電池を開示する。固体酸化物形燃料電池は、硬いセラミックの電極５６を使用しており、１０００℃までの温度で作動する。従って、それらは、従来は、携帯燃料電池、個人用電気機器等の使用に向く実用的な候補とは考えられていなかった。

この環境下で、固体酸化物形燃料電池が効果的に作動するためには、燃料電池からの排気を効率よく冷却しなければならず、且つ入ってくる燃料を有効な作動温度まで加熱しなければならない。さらに、燃料電池の熱に敏感な部分及び保護容器２１'の外側表面７２が冷温状態にあるときでも、燃料電池３６'及び関連部品は、高温度に維持されなければならない。したがって、この実施形態では、断熱材層３２が、図４に示しているように保護容器２１'内部に熱チャンバ３４を形成する。燃料電池の発熱部分と効率よく作動するのに高熱を必要とする部分を断熱材層３２で包囲し、それによって、熱チャンバ３４内部及び熱チャンバ３４外部の両方とも所望の温度を維持することができる。

燃料２６は、燃料チャンバ２８から熱チャンバ３４の中へ移動し、ここで熱交換器７４を通過して燃料電池３６'に達し、電気、二酸化炭素、水及び熱を発生する。消費された燃料及び他の排出物は、燃料電池３６'から触媒燃焼チャンバ７６へ移動し、ここで消費された燃料からの腐食性があり且つ危険性のある副生物が中和される。その後、排出物は、熱交換器７４を通過して冷却されて、その間同時に、入ってくる新しい燃料２６を加熱し、その後、排気経路５８を通して無害且つ比較的冷たいガスとして周囲へ排出される。

断熱材層３２は、熱チャンバ３４内の１０００℃もの高い温度が保護容器２１'内の残りの部分へ散逸するのを防ぐことができる。また、燃料電池の保護容器２１'及び関連部品を携帯型電気機器等に使用するため比較的小さい寸法を維持できるように、断熱材層３２は薄く且つ軽量であることが好ましい。

これらの特性を有する１つの材料は、例えばシリカ、セラミックあるいは無機材料などの、極めて多孔質で、低粘度で、高温耐性のある材料であり、一般に、「エーロゲル」として当業者に知られているものである。通常、好ましいエーロゲル物質は、シリカから形成される。

エーロゲルは、大気圧において断熱材３２として有効である。しかしながら、それは、真空で密封されるとさらに効果がある。従って、熱チャンバを形成するために、エーロゲルを密閉する構造物を構成要素として含むことが好ましい。図４に示しているように、エーロゲルを密閉するための１つの既知の構造物は、断熱材３２の周囲に外側シール材層７８を、断熱材３２内面に隣接して内側シール材層８０を配置しており、それによってエーロゲルをそこに収容するための密閉チャンバ８２を形成している。

次いで、エーロゲルは、密閉チャンバ８２の中へ挿入されるか、又は密閉チャンバ８２が形成されるときに適用され、その後で密閉チャンバ８２内に密封される。もし必要なら、その密閉チャンバ８２は、エーロゲルを収容している密閉チャンバ８２を適切な厚みに維持するための支持枠（図示せず）を具備することができる。

あるいは又、密閉チャンバ８２に真空が適用されるときは、密閉チャンバ８２を支持するようにエーロゲル自体を形成することもできる。例えば、エーロゲルを粉体に加工し、次いで圧縮成形して、圧縮負荷を支持できるシートを形成することができる。エーロゲルのシートは、密閉チャンバ８２内に収容され、その後密封されて、それによって、密閉チャンバ８２に真空が適用されるとき、密閉チャンバ８２を支持することができる。

外側及び内側層７８、８０を形成するシール材は、好ましくは、市販の高分子バリアフィルムである。より好ましくは、シール材は、説明したような密閉シールを形成するため熱シールが可能なものであり、また、バリア性能を改善すべく表面金属フィルムを有している。あるいは又、例えば密閉シールを有している薄い金属パッケージなどの、他のパッケージ材料を用いることもできる。内側層及び（もし適用されていれば）支持構造物は、密閉チャンバの真空度を落とさずに、燃料電池が発生させる高温に耐え得るような材料群から選択される。

Ｃ． 代替実施形態
本発明の好ましい実施形態を記述してきたが、当業者によってその他の修正も本発明の範囲内で実施し得る。例えば、燃料電池３６の作動温度が約５００℃よりずっと低く、従って、エーロゲルの断熱特性が断熱材３２として要求されることがない場合、適用可能な断熱特性は、アルゴン又はキセノンのような高分子量のガスで密閉チャンバ８２を充填し、そしてその密閉チャンバをごく僅かの真空状態に置くことにより達成することもできる。

以上、本発明の実施形態を幾つか説明してきたが、本発明の趣旨と範囲はそれらの実施形態に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲において定められるように種々の修正並びに等価物にまで拡張されることは明らかである。

本発明の一実施形態による燃料電池の概略図 図１記載の燃料チャンバの破砕状態の予想を示す概略図 本発明の代替実施形態による燃料電池の概略図 本発明の実施形態による固体酸化物形燃料電池の典型例の概略図

符号の説明

２０ 燃料電池アセンブリ
２１ 保護容器
２１' 保護容器
２２ 外側容器
２２' 外側容器
２４ 中和剤
２６ 燃料
２８ 燃料チャンバ（内側容器）
３０ 外部環境
３２ 断熱材（層）
３４ 熱チャンバ（内側容器）
３６ 燃料電池
３８ 注入口
４０ チェックバルブ
４２ 燃料経路
４４ 燃料部分
４６ 酸素あるいは空気部分
４８ プロトン交換構造物
５０ 燃料極
５２ 空気極
５４ 酸素あるいは空気
５６ 電解質
５８ 排気経路
６０ 漏れ出た燃料
６４ 発泡剤層
６６ 発火／反応阻止剤層
６８ ゲル化剤層
７０ 吸着剤層
７２ 保護容器の外表面
７４ 熱交換器
７６ 触媒燃焼器
７８ 外側シール剤層
８０ 内側シール剤層
８２ 密閉チャンバ

Claims (11)

1. 有害な特性を有する物質を収容し、且つ前記有害な特性を曝すのを防ぐ保護容器であって、
   耐久性のある外側容器（２２、２２'）と、
   前記物質（２６、３６）を収容しており、且つ前記外側容器（２２、２２'）より耐久性が低い内側容器（２８、３４）と、
   前記内側容器及び外側容器（２８、３４、２２、２２'）の間に配置されており、有害な特性を正常化するのに十分な予防剤の層（２４、３２、６４、６６、６８、７０）と、
   からなる保護容器。
2. 前記保護容器（２１、２１'）が、燃料電池（３６）を収容しており、
   前記物質（２６、３６）が、前記燃料電池（３６）用の燃料（２６）であり、
   前記内側容器（２８、３４）が、前記燃料（２６）をそこに受容するための燃料貯蔵容器（２８）を備えており、
   前記予防剤が、燃料中和剤（２４）である請求項１に記載の保護容器。
3. 前記燃料（２６）が、金属水素化物である請求項２に記載の保護容器。
4. 前記燃料（２６）が水素化ホウ素ナトリウムであり、前記中和剤（２４）がカルボニル還元基を有しているアルデヒドである請求項３に記載の保護容器。
5. 前記燃料（２６）がアルミノ水素化物であり、前記中和剤（２４）がケトン、エステル、アルデヒド、及びカルボキサイドから成る群から選択されている請求項３に記載の保護容器。
6. 前記内側容器及び外側容器（２８、３４、２２、２２'）の間に配置されており、且つ発泡剤（６４）、発火／反応阻止剤（６６）、ゲル化剤（６８）、及び吸着剤（７０）から成る群から選択されている第２の予防剤（６４、６６、６８、７０）をさらに含んでいる請求項２に記載の保護容器。
7. 前記燃料中和剤（２４）及び前記第２の予防剤（６４、６６、６８、７０）が、完全に混合されている請求項６に記載の保護容器。
8. 前記物質が、高温で作動する燃料電池（３６）であり、
   前記内側容器（３４）が、前記燃料電池（３６）を収容しており、
   前記予防剤が、前記内側容器（２４）と前記外側容器（２２'）との間の断熱材（３２）である請求項１に記載の保護容器。
9. 前記断熱材（３２）が、高多孔質、低粘度、高温耐性の物質である請求項８に記載の保護容器。
10. 前記高多孔質、低粘度、高温耐性の材料が、エーロゲルである請求項９に記載の保護容器。
11. 前記エーロゲルが、密閉チャンバ（８２）の内部に受容されており、且つ前記密閉チャンバ（８２）が前記エーロゲルを真空内に保持している請求項１０に記載の保護容器。
    

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