JP5535621B2 - 流体容器およびそれに関する方法 - Google Patents

Description

［優先権主張］
本明細書においては、参照によって本明細書に組み込まれる、2006年6月23日出願の米国特許出願第11/473,591号の優先権の利益を主張する。

［技術分野］
本発明の実施形態は流体容器に関する。より具体的には、実施形態は、小規模もしくは極小規模のシステムのための流体容器に関する。

現在、流体容器は、貯蔵される流体や、容器内に挿入される任意の貯蔵物質とは独立に設計され、構築される。最も単純な形では、従来の圧力容器が、圧縮ガスや液化ガスなどの流体を包含するために使用できる。圧力容器は、故障することなく流体の最大圧力に適応するように設計されなければならない。そのような単純な設計手法は、圧力容器を貯蔵物質で充填することによって貯蔵物質を組み込むまで拡張できる。この場合、圧力容器は、流体の圧力だけでなく、圧力容器の内壁に力を及ぼす貯蔵物質によって潜在的に生じるいくらかの応力に耐えなければならない。現在、これらの容器は円筒形となる傾向がある。

極めて小さな蓄積システムが必要な場合、もしくは不規則な（すなわち非円筒形の）形状が要求される場合、従来の圧力容器を利用する全手法は問題のあるものとなる。内圧と、貯蔵物質によって生じる機械的応力とを包含するために、容器の壁厚と材料特性は、破裂などの故障を防ぐために十分なものでなければならない。考慮される材料特性は、引張応力、延性、材料の適合性、容器の形状、応力係数（stress factor）などを含む。結果として、容器を構築するために使用できる材料の範囲は制限され、容器の応力として内圧を過度に増幅しないような容器の形状しか考慮できない。

小規模、もしくは極小規模の燃料電池などの小さなシステムに組み込まれる場合、流体容器設計にとっての課題は拡大する。小さなシステムでは、流体容器の壁厚は容器の体積のかなりの部分を占める。角柱形もしくは不規則な形状因子（form factor）は、わずかな流体圧力下においてさえ、外側にたわむので、利用することは非常に困難である。吸収物質（例えば水素化物）が使用される場合、タンク壁上の機械的ひずみは大きな応力を生じさせる可能性がある。

本発明の実施形態は、構造充填材と、構造充填材に適合するように結合された容器外壁とを含む流体容器に関する。さらに本発明の実施形態は、流体容器を製造する方法に関する。本方法は、構造充填材に容器外壁を適合するように結合させるステップを含む。

本発明の実施形態は流体を貯蔵する方法に関する。方法は、流体容器を流体と接触させるステップを含み、流体容器は、構造充填材と、構造充填材に適合するように結合された容器外壁とを含む。さらに、実施形態は流体容器を使用する方法に関する。方法は、流体容器から流体を解放するステップを含み、流体容器は、構造充填材と、構造充填材に適合するように結合された容器外壁とを含む。

本発明の実施形態は、流体容器システムに関する。システムは、流体容器と、流体容器に結合された外部装置とを含み、流体容器は、構造充填材と、構造充填材に適合するよう
に結合された容器外壁とを含む。

図面は必ずしも縮尺通りに描かれておらず、図面においては、いくつかの図を通して同様の数字は実質的に同様の構成要素を記載する。異なる接尾文字を持つ同様の数字は、実質的に同様の構成要素の異なる例をあらわす。図面は、限定ではなく一例として、本文献で述べられる様々な実施形態を概して図示する。
いくつかの実施形態に従う流体容器の断面図を図示する。 いくつかの実施形態に従う複合水素貯蔵物質を利用する流体容器の一部分の断面図を図示する。 いくつかの実施形態に従う特徴を含む複合水素貯蔵物質を利用する流体容器の一部分の断面図を図示する。 いくつかの実施形態に従う流体容器の斜視図を図示する。 いくつかの実施形態に従う流体容器システムの斜視図を図示する。 いくつかの実施形態に従う流体容器を製造する方法のブロックフロー図を図示する。 いくつかの実施形態に従う流体を貯蔵する方法のブロックフロー図を図示する。 いくつかの実施形態に従う流体容器を使用する方法のブロックフロー図を図示する。

以下の詳細な説明は、詳細な説明の一部を成す添付の図面への言及を含む。図面は、例として、本発明が実践され得る特定の実施形態を示す。これらの実施形態は、本明細書では“実施例”とも称するが、当業者が本発明を実践できるように十分詳細に記載される。実施形態は組み合わされてもよく、他の実施形態が利用されてもよく、あるいは、構造的、および論理的な変更が本発明の範囲から逸脱することなくなされてもよい。従って以下の詳細な説明は、限定的な意味でとられるものではなく、本発明の範囲は、添付の請求項とその均等物によって規定される。

本文献では、“a”もしくは“an”という用語は、一つもしくは一つより多くを含むように使用され、“or”という用語は、他に指定のない限り非排他的なものをあらわすように使用される。加えて、本明細書で用いられる表現もしくは専門用語は、他に規定のない限り、限定ではなく、説明のみを目的とすることが理解されるべきである。本文献と、参照によって組み込まれる文献との間で語法が矛盾する場合は、組み込まれる参照での語法は、本文献の語法に対する補助的なものとみなされるべきである。すなわち、相容れない矛盾がある場合は、本文献での語法に従う。

本発明の実施形態は流体容器に関する。本発明の実施形態は、従来の流体容器の場合のように内部の流体圧力を容器壁によって完全に支持させるのではなく、流体容器の中で、容器内の構造充填材が、内部の流体圧力によって加えられる応力を支持するような流体容器を可能にする。容器は、構造充填材に適合するように結合された容器外壁を有する構造充填材を含んでもよい。容器外壁は構造充填材に結合するので、容器に加えられる流体圧力は、構造充填材内で静水圧引張応力（isostatic tensile stress）として完全に支持される。容器外壁が受ける唯一の大きな応力は、構造充填材の引張（straining）に起因し得る。従って容器の破裂圧力は、構造充填材と容器外壁との間の結合、もしくは構造充填材の最大引張応力に制限される。この構造により、厚い容器壁の制限を受けることなく、大きな内圧を支持することができる小型で軽量の適合する流体容器を構築することが可能になる。

［定義］
本明細書で使用される“流体”とは、その分子が相互に自由に通過し、容器の形をとりやすい連続的な無定形物質をあらわす。流体は、気体、液化ガス、液体、もしくは加圧液体であってもよい。流体の例としては、水素、メタノール、エタノール、ギ酸、ブタン、ボロハイドライドの化合物などを含む。

本明細書で使用される“構造充填材”とは、流体で加圧される際に、流体容器の内圧に耐えられる十分な引張応力を持つ材料をあらわす。構造充填材は固体であり得る。構造充填材は、例えば、金属もしくはプラスチックの格子、複合水素貯蔵物質、クラスレート、ナノ構造化炭素発泡体、エアロゲル、ゼオライト、シリカ、アルミナ、グラファイト、活性炭、マイクロセラミック、ナノセラミック、窒化ホウ素ナノチューブ、ボロハイドライド粉末、水素吸蔵合金（例えば、金属水素化物）、パラジウム含有物質、もしくはそれらの組み合わせを含み得る。

本明細書で使用される“適合するように結合される（conformably coupled）”もしくは“コンフォーマルに結合される（conformally coupled）”とは、二つの構成要素間に実質的に均一な結合を形成し、対応する形状もしくは形に、化学的にもしくは物理的に結合するような方法で結合されることをあらわす。構造充填材は容器外壁に適合するように結合されてもよく、例えば、容器外壁は化学的にもしくは物理的に構造充填材に結合し、その形をとる。

本明細書で使用される“容器外壁”とは、流体容器からの流体の拡散を少なくとも部分的に遅らせるようにはたらく、流体容器内の最外層をあらわす。容器外壁は、同じもしくは異なる材料の多層を含んでもよい。容器外壁は、例えばポリマー、金属、もしくは複合材料を含んでもよい。

本明細書で使用される“特徴（feature）”とは、流体容器に付随する構成要素をあらわす。特徴は流体の構成要素であってもよい。特徴は、容器と、外部装置もしくは周囲環境との間を連絡するように機能したり、流体を観察もしくは制御するように機能してもよいし、あるいは構造用部品として機能してもよい。特徴の例としては、弁、調整器、圧力除去装置、流量検出器、キャップ、付属品（fitting）、通気孔（vent）などであってもよい。

本明細書で使用される“構造的特徴（structural feature）”とは、構造充填材、容器外壁、もしくは流体容器全体の、形状、位置調整、もしくは配置に関連し得る要素をあらわす。構造的特徴は、例えば、外部部品のための空間をあけるため、あるいは、流体容器と外部装置との間により効果的な配置を作るために、形成され得る。構造的特徴は、凸状の突起、凹形のくぼみ、土台、フランジ、付属品、隆起（bosses）、平滑化された角もしくは丸みをおびた（radiused）角などを含む。

本明細書で使用される“金属水素化物粒子”もしくは“金属水素化物”とは、水素と接触する際に金属水素化物を形成することができる金属もしくは合金の粒子をあらわす。そのような金属もしくは合金の例は、LaNi₅、FeTi、Mg₂Ni、およびZrV₂である。そのような化合物はそれぞれ、金属水素化物化合物のより一般的な表記、すなわち、AB、AB₂、A₂B、AB₅、およびBCC、の代表例である。水素と結合すると、これらの化合物は、例えばMgH₂、Mg₂NiH₄、FeTiH₂、およびLaNi₅H₆などの金属水素化物錯体を形成する。金属水素化物を形成するために使用される金属の例は、バナジウム、マグネシウム、リチウム、アルミニウム、カルシウム、遷移金属、ランタニド、および、それらの金属間化合物と固溶体を含む。

本明細書で使用される“複合水素貯蔵物質”とは、結合剤と混合された活性物質粒子を
あらわし、結合剤は、活性物質粒子間の相対的な空間的関係を維持するために十分に活性物質粒子を固定化する。複合水素貯蔵物質の例は、2006年4月24日出願の共有の米国特許出願第11/379,970号に見られる。

本明細書で使用される“相対的な空間的関係”とは、粒子間の三次元関係をあらわす。本発明との関連においては、そのような粒子間の三次元関係は実質的に変化しないままとなる。例えば、粒子間の距離は水素化／脱水素化サイクルの間に変化し得るが、一つの全サイクルのうちに、粒子は他の粒子に対して実質的に同じ位置に戻る。粒子構造は、例えば弾性特性を持つことがあり、粒子は運動し得るが、粒子が運動しても、他の粒子に相対的に、ほぼ同じ三次元位置を実質的に維持する。物質が上記の特性を満たすかどうかの指標の例は、例えば、連続サイクルにわたっての複合材料の体積、充填密度、もしくは多孔度（porosity）、もしくは寸法（例えば長さ）に基づいた定性的測定である。そのようなものとして、形成された複合材料の長さが指標として使用される際は、形成された複合材料の長さは、測定された元の長さ（parent length）の少なくとも約80%であり、最高で約120%である。

本明細書で使用される“活性物質粒子”とは、例えば金属水素化物など、水素を貯蔵できる物質粒子、もしくは水素を吸蔵および脱着し得る物質粒子をあらわす。活性物質は、水素と接触する際に金属水素化物を形成することができる金属、合金、もしくは金属化合物であってもよい。例えば、活性物質は、LaNi₅、FeTi、ミッシュメタル、MmNi₅などの金属もしくは鉱石の混合物、であってもよく、Mmはランタニドの混合物をあらわす。活性物質粒子は、化学吸着、物理吸着、もしくはそれらの組み合わせによって水素を吸蔵し得る。また、活性物質粒子は、シリカ、アルミナ、ゼオライト、グラファイト、活性炭、ナノ構造化炭素、マイクロセラミック、ナノセラミック、窒化ホウ素ナノチューブ、パラジウム含有物質、もしくはそれらの組み合わせも含んでもよい。

本明細書で使用される“クラスレート”とは、分子と水の結合から形成される結晶をあらわす。より一般的には、クラスレートは、別の化合物を捕捉もしくは保持するために使用される格子型の化合物であってもよい。クラスレートは、取り囲まれる内部空間を含む有機付加化合物（organic addition compound）であってもよい。クラスレートは、結晶格子によって形成される空洞、あるいは大きな分子の中に存在する空洞の中に、分子を包含することによって形成され得る。クラスレートの例は、メタノールクラスレート、メタンクラスレート、もしくは水素クラスレートを含む。ゲスト分子は、物理的力、化学的力、もしくは分子間力を介してホスト分子によって保持され得る。ホスト分子は、例えば、尿素、チオ尿素、ヒドロキノン、デオキシコール酸、トリフェニルカルビノール、ペルヒドロトリフェニレン、18-クラウン-6もしくは2,2,2-クリプタンドを含んでもよい。ゲスト分子の例は、例えば、メタノール、メタン、もしくは水素を含む。

本明細書で使用される“ポリマー”とは、各々が比較的軽量な単純分子である、最大で何百万もの繰り返し結合した単位から構成される、普通は高分子量である数多くの天然化合物および合成化合物の任意のものをあらわす。ポリマーの例は、ポリプロピレン、Kynar Flex^R（フッ化ビニリジエンヘキサフルオロプロピレンコポリマー）、ポリエチレン、ポリエステル、フッ化ポリビニリデン（PVDF）、ヘキサフルオロプロピレンフッ化ビニリデンコポリマー、架橋コポリマー、ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）、ペルフルオロアルコキシ（PFA）、ポリイミド、ポリアミド、ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）、ポリエーテルイミド（例えばUltem^TM）、および熱可塑性ポリマー（例えば、Nylon^TM）を含む。

本明細書で使用される“形成する”とは、作成すること、製造すること、形をつけること、もしくは、出発物質から所望の最終生成物を生み出す任意の方法をあらわす。

本明細書で使用される“接触する”とは、物理的に、化学的に、もしくは電気的に接することをあらわす。例えば、流体は容器に接触し得、容器の中で、流体は容器の内部に物理的に押し込められる。

本明細書で使用される“解放する”とは、物理的にもしくは化学的に、結合する、固定する、もしくは押さえるものから自由にすることをあらわす。流体は、例えば容器から物理的に解放され得る。流体は、例えば金属水素化物から化学的に解放され得る。

本明細書で使用される“吸蔵（“occlude”もしくは“occluding”もしくは“occlusion”）”とは、物質を吸収すること、もしくは吸収して保持することをあらわす。例えば水素は吸蔵される物質となり得る。物質は、例えば化学吸着もしくは物理吸着などによって、化学的にもしくは物理的に吸蔵され得る。

本明細書で使用される“脱着（“desorb”もしくは“desorbing”もしくは“desorption”）”とは、吸収もしくは吸着された物質の除去をあらわす。例えば水素は活性物質粒子から除去され得る。例えば、この水素は物理的にもしくは化学的に結合され得る。

本明細書で使用される“吸蔵／脱着物質”とは、物質を吸収、吸着、もしくは保持することができ、かつさらにその物質を除去することができる物質をあらわす。吸蔵／脱着物質は、例えば化学吸着もしくは物理吸着などによって、化学的にもしくは物理的に物質を保持し得る。そのような物質の例は、金属水素化物、複合水素貯蔵物質、クラスレートなどを含む。

図１を参照すると、いくつかの実施形態に従う流体容器100の断面図が示される。構造充填材104は容器外壁102によって包囲され得る。構造充填材104は容器外壁102に適合するように結合されてもよく、それは結合108によってあらわされ得る。一つ以上のオプションの特徴106が利用されてもよい。

［構造充填材］
構造充填材104は、流体で加圧される際に流体容器100の内圧に耐えるために十分な引張応力を持つ物質を含み得る。構造充填材は固体であり得る。構造充填材104は、例えば、金属もしくはプラスチックの格子、複合水素貯蔵物質、ナノ構造化炭素発泡体、エアロゲル、ゼオライト、シリカ、アルミナ、グラファイト、活性炭、マイクロセラミック、ナノセラミック、窒化ホウ素ナノチューブ、ボロハイドライド粉末、パラジウム含有物質、もしくはそれらの組み合わせを含んでもよい。

構造充填材104は、金属水素化物などの、流体を吸蔵／脱着できる物質を含んでもよい。こうして、例えば複合水素貯蔵物質、ナノ構造化炭素発泡体、エアロゲル、もしくはゼオライトなどの、十分な引張応力と流体吸蔵／脱着特性を持つ物質が得られる。加えて、流体容器100は、構造充填材104と、金属水素化物粉末もしくはクラスレートなどの別の流体吸蔵／脱着物質とを含んでもよい。例えば、構造充填材104は貯蔵される流体に対して不活性であってもよく、流体容器は流体吸蔵／脱着物質を別々に含んでもよい。格子の場合は、構造充填材104は小孔を含んでもよい。構造充填材104内の孔は、例えば金属水素化物もしくはクラスレートなどの流体吸蔵／脱着物質を保持するために使用され得る。高圧で効率的にメタンを貯蔵するためにメタンクラスレートが使用されてもよく、金属格子などの構造充填材104と併用することができる。

構造充填材104は、結合108を作って容器外壁102に適合するように結合され得る。流体容器100内の内圧に起因する力が増加するにつれ、容器外壁102にかかる引張荷重に内圧が
増幅されるのではなく、構造充填材104にかかる引張荷重に荷重が直接移され得る。流体容器100の内圧は貯蔵される流体の量によって影響され得る。加えて、流体容器100に加えられる応力の量は、例えば金属水素化物からの水素吸蔵／脱着など、貯蔵物質からの流体の接触／解放に付随する機械的応力によって影響され得る。

構造充填材104は、流体容器100全体にわたって連続する均一な厚みを持ち得る。あるいは、構造充填材104は、例えば不連続の厚みもしくは密度のポケットもしくは領域を含んでもよい。角における場合など、不規則な形状の流体容器100が構造上の支持をより必要とするところの場合には、構造充填材104は、より密になることがあり、あるいは、流体容器100のその領域内で利用可能な空間のより多くの部分を含むことがある。

［容器外壁］
容器外壁102は、容器外壁102に加えられる応力が低いため、多数の物質を含んでもよい。容器外壁102は、例えばポリマーもしくは金属、またはその各々の多層を含んでもよい。容器外壁102は、ポリプロピレン、Kynar Flex^R（フッ化ビニリジエンヘキサフルオロプロピレンコポリマー）（Arkema Inc, Philadelphia, PA を通して入手できる）、ポリエチレン、ポリエステル、フッ化ポリビニリデン（PVDF）、ヘキサフルオロプロピレンフッ化ビニリデンコポリマー、架橋コポリマー、ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）、ペルフルオロアルコキシ（PFA）、ポリイミド、ポリアミド、ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）、ポリエーテルイミド（例えばUltem^TM）、および熱可塑性ポリマー（例えばNylon^TM）であってもよい。容器外壁102は、アルミニウム、スチール、もしくは任意の他の金属などの金属、それらの合金、もしくはそれらの組み合わせであってもよい。容器外壁102は、炭素繊維ベースの複合材料などの複合材料であってもよい。

容器外壁102は、例えば構造充填材104の少なくとも一部と同じ物質で形成されてもよい。容器外壁102は、利用前にシートもしくは溶液であってもよい。容器外壁102は、固定した、もしくは、任意の予め形成された形状である必要はない。容器外壁102は構造充填材104から流体が出て行くのを妨げる障害として機能し得る。

構造充填材104が容器外壁102に結合され得るので、容器外壁102に対して生じる応力は、選ばれた形状とは無関係となる。従来の容器設計では、容器の形状は、容器壁内の応力と内圧との関係に強く影響する。構造充填材104が容器外壁102に適合するように結合される場合、構造充填材104の引張応力と、構造充填材104と容器外壁102との間の結合108が内圧より大きい限り、実質的にいかなる形状の流体容器100が利用されてもよい。構造充填材104は、容器外壁102が構造充填材に適合するように結合される前に、所望の形状に形成されてもよい。

容器外壁102は、例えば均一な、もしくは異なる壁厚を持ってもよい。容器外壁102は、例えばある特徴の周囲により大きな壁厚を持ってもよい。容器外壁102は、例えば、約5000ミクロン未満、約1500ミクロン未満、約500ミクロン未満、約300ミクロン未満、約100ミクロン未満、約50ミクロン未満、約10ミクロン未満、もしくは約1ミクロン未満の平均壁厚を持ってもよい。

図２を参照すると、いくつかの実施形態に従う、複合水素貯蔵物質を利用する流体容器200の一部分の断面図が示される。活性粒子204は結合剤206によって固定化され、構造充填材104の一例である複合水素貯蔵物質を構成する。容器外壁202は界面領域208内に浸透し、構造充填材に適合するように結合する。

［界面領域］
界面領域208は、構造充填材104と容器外壁202との間の結合108を含み、厚みが異なり得
る。容器外壁202は、局部応力集中が容器外壁202で増加するのを防ぐ、均質なもしくはほぼ均質な界面208が形成され得るように、構造充填材104に均一にもしくはほぼ均一に結合され得る。容器外壁202の物質は、構造充填材104に適用され、表面を浸透し、界面領域208内に結合108を作ることができる。界面領域208は、流体容器300の故障が、界面208に見られる結合108による故障ではなく、構造充填材104による故障となり得るように、構造充填材104よりも強固となり得る。界面領域208は、例えば約50ミクロン未満、約50-100ミクロン、約100-150ミクロン、約150-200ミクロン、もしくは200ミクロン以上の厚みとなり得る。

図３を参照すると、いくつかの実施形態に従う、特徴を含む複合水素貯蔵物質を利用する流体容器300の一部分の断面図が示される。活性粒子204は結合剤206によって固定化され、構造充填材104の一例である複合水素貯蔵物質を構成する。容器外壁202は界面領域208内に浸透し、構造充填材に適合するように結合する。一つ以上の特徴302が容器外壁202内に配置される。

［特徴］
一つ以上の特徴302は、例えば、流体容器300からの流体の出し入れを制御するように構成されてもよく、流体を観察もしくは制御してもよく、あるいは構造用部品として使用されてもよい。一つ以上の特徴302は、流体容器300と、燃料電池などの外部装置との間を連絡するために使用されてもよい。特徴302の例は、弁、通気孔、キャップ、付属品、調整器、圧力除去装置、流量検出器（すなわち流量制限器）などであってもよい。一つ以上の特徴302の例は、例えばSwagelok Co.もしくはBeswick Engineering Co.によって販売されている流体構成要素を含んでもよい。特徴が圧力除去装置であり得る場合は、圧力作動式PRDもしくは熱作動式PRDであってもよい。さらに、可溶性 トリガー、破裂板、もしくはダイアフラムなどの自己破壊型PRDであってもよく、あるいは、バネ仕掛けの圧力逃がし弁（PRV）などの再栓可能型のものであってもよい。あるいは、容器外壁は壁自体の中に設計された／組み込まれた圧力除去特徴を持つように設計されてもよい。

一つ以上の特徴302は、構造充填材、容器外壁、もしくは流体容器全体の、形状、位置調整、もしくは配置に関連する構造的特徴であってもよい。構造的特徴は、例えば、外部部品のための空間をあけるため、あるいは、流体容器と外部装置との間により効果的な配置を作るために、形成され得る。構造的特徴は、凸状の突起、凹形のくぼみ、土台、フランジ、付属品、隆起、平滑化された角もしくは丸みをおびた角、ねじ式スタンドオフ（threaded standoffs）、掛け金（latching）もしくは固定用の特徴（locking features）などを含んでもよい。

一つ以上の特徴302は、安全性強化の側面を含んでもよい。例えば、特徴は、適切なツールのみで駆動され得る小さな埋め込み弁を含んでもよい。さらに、例としては、陥凹部内の小さな特徴など、不注意な駆動ができないようにするようなサイズの特徴であってもよい。また、一つ以上の特徴302は、流体容器300の接続／切断の最中に漏出がほとんど全く起こらないように、流体容器300が外部装置に結合され得る接続器具も含んでもよい。例示的な接続器具は、例えば“FUEL CARTRIDGE WITH CONNECTING VALVE”という表題のAdamsらによる米国特許出願第2005/0022883号に見られる。接続器具は、燃料供給もしくは燃料電池のいずれかのうちの一つに接続可能な第一の弁部品と、燃料供給もしくは燃料電池のいずれかのもう一方に接続可能な第二の弁部品とを含んでもよく、各弁部品は、筐体と、付勢された（biased）スライド可能な内部体とを含み、スライド可能な内部体は、各弁部品内に内部シールを形成するために密封部材と協働し、第一の弁部品と第二の弁部品は、接続中に、少なくとも、弁などの接続器具を通して流体の流路を作るために内部シールが開く前に、構成部品間のシールを形成する。

図４を参照すると、いくつかの実施形態に従う流体容器400の斜視図が示される。図示された流体容器400は、凹形の特徴402と、突起などの凸状の特徴406とを含む、概して角柱形の形状因子を含む。凹形の特徴402は、例えば外部弁もしくは圧力調整器を収容するために利用され得る。凸状の特徴406と丸角404は、流体容器400が、例えば外部装置によって提供されるような利用可能な空間に適合し得るように、利用され得る。また、凸状の特徴406は、流体容器400を、外部装置に、もしくは外部装置内に、固定する、掛け金をかける、もしくはしっかりと保持するために使用され得る。凸状の特徴406のようないくつかの構造的特徴は、流体の貯蔵と、流体容器400の効果的な配置／位置調整という二つの機能を可能にする。

［流体容器の形状］
流体容器400は、規則的な形状もしくは不規則な形状を持ってもよい。規則的な形状とは、例えば、円筒形、角柱形、もしくは多面体形（すなわち四面体形）を含んでもよい。不規則な形状は、例えば電子装置の容器の内部容積内に収まるように、限られた容積もしくは利用可能な空間内への取り付けに適合するように選択され得る。また、不規則な形状は、外部付属品もしくは流体制御装置などの特徴を収容するように選択されてもよい。例えば不規則な形状の多面体などの他の形状因子も可能である。

［流体容器システム］
図５を参照すると、いくつかの実施形態に従う流体容器システム500の斜視図が示される。流体容器システム500は、外部装置502に結合した流体容器400を含む。流体容器400の凸状の特徴406と丸角404は、流体容器400が外部装置502によって提供される利用可能な空間に適合し得るように利用され得る。外部装置502の例は、例えば、燃料電池、ヒートポンプ、バッテリー、圧縮器、もしくは空気調節ユニットであってもよい。さらに、外部装置は、携帯用電子装置などの電子装置、もしくは電子装置の電子機器にさらに結合されてもよい。携帯用電子装置の例は、携帯電話、衛星電話、PDA（携帯情報端末）、ラップトップコンピュータ、ウルトラモバイルパーソナルコンピュータ、コンピュータアクセサリ、ディスプレイ、パーソナルオーディオプレーヤーもしくはビデオプレーヤー、医療機器、テレビ、送信機、受信機、屋外照明もしくは懐中電灯を含む点灯装置、充電器もしくは携帯電源、および電子玩具を含む。

凹形の特徴402は、例えばコネクタ、弁、もしくは調整器といった特徴504、506などを格納し得る。また、凹形の特徴402は、燃料電池の電力パックに付随する電子／電力調節のための空間も提供し得る。

図６を参照すると、いくつかの実施形態に従う、流体容器を製造する方法600のブロックフロー図が示される。容器外壁602は構造充填材606に適合するように結合され得る（604）。

［適合するように結合する］
容器外壁602は、様々な方法によって構造充填材606に適合するように結合され得る（604）。そのような方法は、噴霧、塗装、浸漬被覆、はめ込み成形（inset molding）、静電沈着、圧縮成形、トランスファー成形、射出成形、熱硬化射出成形、真空成形、焼結、押出成形、引抜成形、熱成形、真空オーバーモールディング、粉体塗装、溶液流延法などを含む。壁厚は、多層を作るために、結合プロセスを繰り返すことによって、もしくは異なる結合プロセスを用いることによって、増加し得る。容器外壁602の多層が適用され得るだけでなく、他の物質の一つ以上の層が加えられてもよい。例えば、薄い容器外壁が形成される場合、流体は壁を通してゆっくりと拡散する可能性がある。そのような拡散を防ぐために、密封層が適用されてもよい。密封層の例は、アルミニウム、銅、金もしくは白金などの薄い金属層であってもよい。容器外壁602は、例えば結合強度を増すために、構造
充填材606もしくは構造充填材606の一部と同じもしくは同様の物質から構成されてもよい。適用後に層が加熱されるか、もしくは焼結されてもよい。

構造的特徴を含むが限定はされない、一つ以上の特徴は、構造充填材606内に形成されてもよいし、容器外壁602と共に形成されてもよし、あるいは、構造充填材と容器外壁との結合の期間中に形成されてもよい。そのような特徴の例は、付属品、調整器、締め具、取付フランジ、隆起、弁、通気孔、キャップ、流量検出器などを含む。

［流体容器のサイズ／容積］
本発明の実施形態は、流体容器もしくは流体容器システムが以前には考えられなかったサイズで製造されることを可能にする。大きなサイズでは容易に利用可能であるが、流体容器は例えば約10mm未満ほど薄くなってもよい。流体容器は、例えば約1000cm³未満、約500cm³未満、約120cm³未満、約10cm³未満、約5cm³未満、約2cm³未満、もしくは約1cm³未満の容積を持ってもよい。外部装置を含む流体容器システムは、システム全体で例えば約1000cm³未満、約500cm³未満、約120cm³未満、約25cm³未満、約15cm³未満、約10cm³未満、もしくは約5cm³未満であってもよい。

［流体の貯蔵］
図７を参照すると、いくつかの実施形態に従う、流体を貯蔵する方法700のブロックフロー図が示される。本発明の実施形態の流体容器702は、流体を貯蔵する流体容器706を提供するために、十分に流体と接触し得る（704）。その後流体は所望の時間にわたって貯蔵され得る。流体容器702との接触（704）後、流体は解放され得る。流体の解放後、流体容器702は再び流体と接触し得る。流体容器702は、流体との接触と、流体の解放とを何度もし得る。流体容器は、例えば、1回、少なくとも約3回、少なくとも約50回、少なくとも約300回、少なくとも約500回、少なくとも約1000回、もしくは少なくとも約10,000回、流体と接触し、流体が解放され得る。

［流体容器の使用］
図８を参照すると、いくつかの実施形態に従う、流体容器を使用する方法800のブロックフロー図が示される。流体を貯蔵する流体容器802は、流体を解放し得る（804）。流体を貯蔵する流体容器802から流体の全てもしくは一部を解放すること（804）で、より少ない流体を含み得る流体容器806が提供される。流体を貯蔵する流体容器802は、例えば使用のため、もしくは装置に電力を供給するために、外部装置に流体が解放される（804）ように、外部装置に結合されてもよい。外部装置の例は、燃料電池、ヒートポンプ、もしくは電解槽であってもよい。また、流体容器は、それに結合された電解槽などの外部装置から流体を受け取ってもよいし、あるいは、ある種類の燃料電池から流体を消費してもよい（すなわち、ダイレクトボロハイドライド燃料電池からの使用済み電解質、ギ酸燃料電池、ダイレクトメタノール燃料電池、改質メタノール燃料電池などの、任意の炭化水素燃料ベースの燃料電池から生じるCO₂など）。

流体の解放（840）後、流体容器806は流体と接触し得る。その後流体は再び解放され得る。流体容器806への流体の解放および接触は何度も繰り返されてもよい。流体容器への流体の解放および接触は、例えば、1回、少なくとも約3回、少なくとも約50回、少なくとも約300回、少なくとも約500回、少なくとも約1000回、もしくは少なくとも約10,000回起こってもよい。

本発明の実施形態は、燃料電池システムなどの携帯用ガルバニ電池もしくは電気化学電池において燃料容器として使用され得る流体容器を記載する。他の実施形態は、例えばヒートポンプ、水素圧縮器、もしくは空調装置などの装置での使用のための貯蔵容器として使用され得る流体容器を記載する。燃料電池との使用のための携帯用電子機器のいくつか
の例は、携帯電話、衛星電話、PDA、ラップトップコンピュータ、ウルトラモバイルパーソナルコンピュータ、コンピュータアクセサリ、ディスプレイ、パーソナルオーディオプレーヤーもしくはビデオプレーヤー、医療機器、テレビ、送信機、受信機、屋外照明もしくは懐中電灯を含む点灯装置、電子玩具、充電器もしくは携帯電源、または、通常はバッテリーと共に使用される任意のデバイスを含むが、限定はされない。

ここで本発明は、次の非限定的な実施例と共に説明される。

［実施例１］
複合水素貯蔵物質から作られる構造充填材のウェハは、約5 g/ccと約6.1 g/ccの間の密度で、米国特許出願第11/379,970に詳述の通り、加熱加圧焼結によって形成された。約5から約5.5 g/ccの密度のウェハは、結合剤として重量で約6%のKynar Flex^R2851を含んだ。約5.5から約6.1 g/ccの密度のウェハは、結合剤として重量で約4%のKynar Flex^R2851を含んだ。ウェハは実質的に埃がなく、実質的に約50ミクロン（μmもしくは10^-6m）を超える表面粗度特性がなかった。

構成要素はKynar Flex^R界面を用いて取り付けられた。約40から約80 g/LのKynar Flex^R
2751の溶媒溶液が、構成要素を容器に接続させるための接着剤として使用された。流体ポートもしくは開口部は2ミクロンのフィルタを取り付けられ、容器の内外への流体の拡散を容易にするために、小孔（約0.8ミクロン）がウェハ（約7ミクロン）にあけられた。

アセトンに溶解したKynar Flex^R2851が被膜として多層で塗付された。第一の層は、アセトンに溶解した約40 g/LのKynar Flex^R2851の溶液にウェハを浸漬することによって塗付された。その後、溶液はウェハの表面孔を浸透した。次の層はアセトンに溶解した約80
g/LのKynar Flex^R2851を使用して塗装され、塗付の合間に完全に乾燥させた。全部で約20から約30 mg/cm²の被膜がウェハ上に均一に配置された。乾燥後、残っている被膜（容器外壁）は約100から約150ミクロンの厚みであった。その後流体容器を約190℃で約20分間焼結した。

［実施例２］
複合水素貯蔵物質の角柱形ブロックが、約5cm x 3cm x 0.5cmの寸法で形成され、角は丸みをおびて（radiused）平滑化させた。ポリプロピレンの二つのシートが、およそ角柱ブロックの寸法で形成され、角柱形ブロックの両側に配置された。その後、三層構造を約150 psi（1.03MPaもしくは約1MPa）で静水圧圧縮し、約180℃で約30分間加熱した。一旦冷却されると、ポリプロピレンのシートが構造充填材に適合するように結合されていた。適合するように形成された容器壁に開口部が切り込まれ、ガス器具（gas fitting）が挿入され、接着剤で適所に保たれた。

［実施例３］
実施例２と同様の複合水素貯蔵物質の角柱形ブロックが形成された。RTVシリコン（Dow
Corning）が熱硬化性弾性ポリマーの被膜として塗付された。被膜は塗付され、約120℃で硬化した。

読者が技術的開示の本質と主旨を迅速に突き止めることができるように、37 C.F.R.§1.72(b)に従って要約が提供される。要約は、請求項の範囲もしくは意味を解釈したり制限するために使用されないという理解の下に提出される。

Claims (35)

1. 内部の流体圧力によって加えられる応力を支持する構造充填材であって、前記構造充填材は、流体を吸蔵および脱着できる物質と、結合剤と、を含むという構造充填材と、
   前記構造充填材に適合するように結合された容器外壁と、
   を含む流体容器。
2. 前記構造充填材が、金属もしくはプラスチックの格子、複合水素貯蔵物質、クラスレート、ナノ構造化炭素発泡体、エアロゲル、ゼオライト、シリカ、アルミナ、グラファイト、活性炭、マイクロセラミック、ナノセラミック、窒化ホウ素ナノチューブ、ボロハイドライド粉末、パラジウム含有物質、もしくはそれらの組み合わせを含む、請求項１の流体容器。
3. 前記構造充填材が複合水素貯蔵物質を含む、請求項１の流体容器。
4. 前記複合水素貯蔵物質が金属水素化物を含む、請求項２又は３のいずれか一項の流体容器。
5. 前記構造充填材が、前記流体容器全体にわたって連続する均一な厚みを含む、請求項１の流体容器。
6. 前記容器外壁がポリマーを含む、請求項１‐５のいずれか一項の流体容器。
7. 前記容器外壁がフッ化ビニリデンヘキサフルオロプロピレンコポリマーを含み、
   前記容器外壁は前記構造充填材の表面に浸透する、請求項１‐６のいずれか一項の流体容器。
8. 前記容器外壁が前記構造充填材の少なくとも一部と同じ物質を含み、
   前記結合剤は熱可塑性材料である、請求項１‐７のいずれか一項の流体容器。
9. 前記容器外壁が多層を含む、請求項１‐８のいずれか一項の流体容器。
10. 前記多層が少なくとも一つのポリマー層と、少なくとも一つの金属層とを含む、請求項９の流体容器。
11. 前記容器外壁に適合するように結合された、一つ以上の密封層をさらに含む、請求項１‐１０のいずれか一項の流体容器。
12. 前記一つ以上の密封層が、金属層を含む、請求項１１の流体容器。
13. 前記容器外壁が300ミクロン未満の平均厚を持つ、請求項１‐１２のいずれか一項の流体容器。
14. 前記容器外壁内に配置された一つ以上の特徴をさらに含み、前記一つ以上の特徴が、弁、調整器、通気孔、キャップ、圧力除去装置、流量検出器、もしくはそれらの組み合わせを含む、請求項１‐１３のいずれか一項の流体容器。
15. 一つ以上の構造的特徴をさらに含み、前記一つ以上の構造的特徴が、隆起、取付フランジ、締め具、付属品、凹形のくぼみ、丸みをおびた角、凸状の突起、もしくはそれらの組み合わせを含む、請求項１‐１４のいずれか一項の流体容器。
16. 前記構造充填材と接触する流体をさらに含み、前記流体が、気体、液化ガス、液体、もしくはそれらの組み合わせを含む、請求項１‐１５のいずれか一項の流体容器。
17. 前記流体が気体を含む、請求項１６の流体容器。
18. 前記流体が水素を含む、請求項１６又は１７のいずれか一項の流体容器。
19. 前記流体容器が、円筒形、四面体形、角柱形、もしくは多面体形を含む、請求項１‐１８のいずれか一項の流体容器。
20. 前記流体容器の形状が、割り当てられた空間に実質的に収まるように構成される、請求項１‐１９のいずれか一項の流体容器。
21. 前記流体容器が10立方センチメートル未満の容積を含む、請求項１‐２０のいずれか一項の流体容器。
22. 流体容器を提供するのに十分であるように、容器外壁を構造充填材に適合するように結合させるステップを含み、
    前記流体容器は、
    流体を吸蔵および脱着できる物質と、
    結合剤と、
    を含む、前記構造充填材、
    前記容器外壁、
    を含み、
    前記構造充填材は内部の流体圧力によって加えられる応力を支持することが可能である、
    流体容器を製造する方法。
23. 前記構造充填材、前記容器外壁、もしくはその両方に一つ以上の特徴を適合するように結合させるステップをさらに含む、請求項２２の方法。
24. 前記容器外壁を前記構造充填材に適合するように結合させるステップが、噴霧、塗装、浸漬被覆、はめ込み成形、静電沈着、圧縮成形、トランスファー成形、射出成形、熱硬化射出成形、真空成形、焼結、押出成形、引抜成形、熱成形、真空オーバーモールディング、粉体塗装、溶液流延法、もしくはそれらの組み合わせを含む、請求項２２又は２３のいずれか一項の方法。
25. 適合するように結合させるステップの後、一つ以上の密封層を形成するステップをさらに含む、請求項２２‐２４のいずれか一項の方法。
26. 一つ以上の特徴を形成するステップが、前記構造充填、前記容器外壁またはその組み合わせの中に一つ以上の特徴を形成するステップを含み、
    前記結合剤は熱可塑性材料であり、前記容器外壁は前記構造充填材の表面に浸透する、
    請求項２３の方法。
27. 流体容器を流体に接触させるステップと、
    前記流体を貯蔵するステップと、
    を含み、
    前記流体容器は、
    内部の流体圧力によって加えられる応力を支持する構造充填材であって、前記流体を吸蔵および脱着することが可能な物質と、結合剤とを含む、構造充填材と、
    前記構造充填材に適合するように結合された容器外壁と、
    を含み、
    前記流体を貯蔵するステップは、前記流体を吸蔵および脱着することが可能な前記物質によって、前記流体を吸蔵するステップを含む、
    流体を貯蔵する方法。
28. 接触させるステップの後に、前記流体容器から前記流体を解放するステップをさらに含む、請求項２７の方法。
29. 前記流体容器から前記流体を解放するステップが、前記流体を吸蔵および脱着することが可能な前記物質から、前記流体を脱着するステップを含む、請求項２８の方法。
30. 前記流体を解放するステップの後に、前記流体を接触させるステップと解放するステッ
    プをさらに複数回含み、
    前記結合剤は熱可塑性材料であり、前記容器外壁は前記構造充填材の表面に浸透する、
    請求項２８または２９のいずれか一項の方法。
31. 流体容器と、
    前記流体容器に結合された外部装置と、
    を含む流体容器システムであって、
    前記流体容器は、
    内部の流体圧力によって加えられる応力を支持する構造充填材であって、流体を吸蔵および脱着することが可能な物質と、熱可塑性結合剤とを含む、構造充填材と、
    前記構造充填材に適合するように結合された容器外壁とを含み、
    前記容器外壁は前記構造充填材の表面に浸透する、
    流体容器システム。
32. 前記外部装置が、燃料電池、ヒートポンプ、水素圧縮器、電解槽、もしくは空調装置を含む、請求項３１の流体容器システム。
33. 前記外部装置が燃料電池を含む、請求項３１の流体容器システム。
34. 前記燃料電池がさらに電子装置に結合される、請求項３３の流体容器システム。
35. 前記電子装置は、携帯電話、衛星電話、PDA、ラップトップコンピュータ、コンピュータアクセサリ、ディスプレイ、パーソナルオーディオプレーヤーもしくはビデオプレーヤー、医療機器、テレビ、送信機、受信機、点灯装置、懐中電灯、もしくは電子玩具を含む、請求項３４の流体容器システム。

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