水素化ケイ素から水素分子を生成させるための方法
水素化ケイ素から水素分子を生成させるための方法。本発明は、水素化ケイ素とアルカリ性溶液とを接触させることによって、水素化ケイ素から水素分子を生成させることに関する。
本発明はまた、この水素生成方法を使用した燃料電池タイプの機器に関する。
本発明はまた、この水素生成方法を使用した燃料電池タイプの機器に関する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素分子を生成するための方法、特に、水素分子によって作動する燃料電池における使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、水素分子の生成は、その前に貯蔵ステップを含む。しかし、エネルギー担体としての水素分子の貯蔵は、燃料電池の開発または小型化への限界の一つである。
【０００３】
従って、低温タンク内に、直接または圧力下で水素分子を貯蔵することが知られている。そうした貯蔵システムは、携帯電話等の携帯用機器の使用が必要である分野へ、置き換えることができない貯蔵装置の使用を前提とする。さらに、低温タンクは、水素分子の液化プロセスの収率が低いという不利益を有する。加圧タンクは、同様に安全性の問題を提示する。
【０００４】
他の代替手段は、異なる形態で水素分子を貯蔵し、そして次に水素分子に戻すことを提案する。第１の代替手段は、水素分子を生成させるためにメタノール等の中間燃料を使用することにある。しかし、そうした電池は比較的使用が容易であるが収率が低く、そして二酸化炭素の放出によってある程度の毒性を有する。第２の代替は、固体金属水素化物またはカーボンナノチューブを使用して大気圧下で水素分子を貯蔵することにあるが、それらの水素分子の生成能力は低く、そして水素分子を脱着させるためにエネルギーを供給することが必要であり、おもしろくないものとなっている。
【０００５】
アルカリ性媒体においてナトリウムホウ化水素の分解から化学的に水素分子を生成させることが知られている。この方法の不利益は、周囲温度で作動させるために触媒を使用することが必要なことである。
【０００６】
さらに、仏国特許発明第２８５８３１３号明細書は、大気圧下でフッ化水素酸により陽極酸化された多孔質ケイ素を使用して水素分子を生成させる可能性を挙げる。水素分子は、次に、エタノールと接触させることによって、化学エネルギーを含むエネルギーの供給により開放される。この変化形の不利益は、多孔質ケイ素を再生させるために、系をフッ化水素酸で充填しなければならないことである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、上記のタイプの貯蔵または修復工程を用いることなく、要求に応じて効果的に水素分子を生成できる方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
そのためには、第１の形態により、本発明は、水素化ケイ素とアルカリ性溶液（この溶液によって水素分子が生成される）とを接触させる工程、およびそのように生成された水素分子が回収され、そして／または利用される工程を含む水素分子の生成方法に関する。使用される水素化ケイ素は、酸を用いたケイ素基材の電気化学的処理によって得られる。さらに一般的に、本発明は、回収されそして／または利用される水素分子を生成させるための水素化ケイ素（水素化ケイ素はアルカリ性溶液と接触する）の使用に関する。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明により、アルカリ性溶液と水素化ケイ素との反応が行われる。
【００１０】
アルカリ性溶液は、ケイ素−水素層と反応し、このようにケイ素基材、特に多孔質ケイ素基材の表面上に、ケイ素−水素の新しい層を形成させながら、水素分子を放出する。
【００１１】
本発明による水素分子は、以下の反応（Ｉ）：
−Ｓｉ−Ｓｉ−Ｈ＋４Ｈ２Ｏ→−Ｓｉ−Ｈ＋Ｓｉ（ＯＨ）４＋２Ｈ２ （Ｉ）
によって図式的に要約できる。
【００１２】
上記反応の使用の利点は、水素分子が、一工程で生成できることである。
【００１３】
さらに、上記で具体的に説明したように、反応（Ｉ）は、同時に表面のケイ素−水素結合を再生成することによってケイ素の再活性化を引き起こす。そのような方式で、反応（Ｉ）を再び行わせることによって、要求に応じて水素分子を生成できる。
【００１４】
さらに、本発明による反応の使用により、修復の前に貯蔵工程を用いる必要なく水素分子が生成される。
【００１５】
「水素化ケイ素」は、水素化ケイ素基材であると理解され、この水素化は、酸を用いたケイ素基材の電気化学的処理によって得られる。ケイ素基材は、一般的に、ケイ素板である。この基材は、好ましくは、例えば、ホウ素またはリン等の不純物を、１０１９原子／ｃｍ３以下含む。
【００１６】
本発明により使用される水素化ケイ素は、好ましくは、典型的には少なくとも０.５ｍｍより大きい、特に、１ｍｍより大きい、好ましくは、１ｃｍより大きい、少なくとも１つの寸法を有する固体材料の形態である。本願明細書における記載の脈絡の中では「固体材料」の概念は、（有利には、少なくとも０.５ｍｍの、特に少なくとも１ｍｍの厚さ、ならびに少なくとも１ｃｍ程度の長さおよび幅を有する）板または（有利には、少なくとも５ｍｍの長さ、および少なくとも０.５ｍｍ、特に１ｍｍの直径を有する）円筒等の、取り扱うことができる固体材料をいう。従って、本願明細書における記載の脈絡の中における固体材料中では、ケイ素は一般的にその表面上でのみ水素化されており、材料のコアは大部分の場合において、ケイ素から実質的になる。本願明細書における記載の脈絡の中では、固体材料の定義は、１ｍｍ未満、特に、０.５ｍｍ未満の厚さを有する層の形態で支持された水素化ケイ素材料、および１ｍｍ未満、特に０.５ｍｍ未満のサイズを有する、分散形態の水素化ケイ素の粒子を除外している。
【００１７】
本発明の範囲内で使用される水素化ケイ素は、好ましくは多孔質である。好ましい態様によれば、使用される水素化多孔質ケイ素は、メソ多孔質ケイ素、つまり２〜５０ｎｍのサイズの孔（メソ細孔）を有するケイ素、および／または微小孔性ケイ素、つまり２ｎｍ未満のサイズの孔（微小孔）を有するケイ素によって構成されている。
【００１８】
孔（メソ細孔および／または特にマイクロ孔）の存在は、とりわけ、ケイ素基材の比表面積を増加させ、所与の体積で、水素化多孔質ケイ素の表面に存在するより大量の水素分子を与えることを可能にする。水素化ケイ素の多孔度は、約１０体積％〜約７０体積％である。体積での上記の多孔度は、サンプル中に存在する孔の体積とサンプルの体積との間の比率に相当する。この多孔度は、例えば、光学反射率測定法から多孔質ケイ素の屈折率を計算することによって、または酸化の前後でサンプルの質量を比較することによる秤量によって、決定される。
【００１９】
水素化ケイ素の比表面積は、約２００ｍ２／ｃｍ３〜約９００ｍ２／ｃｍ３である。比表面積は、水素化ケイ素が充分量である場合、例えば、ＢＥＴ法によって決定できる。上記のＢＥＴ法は、特にＴｈｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ、Ｖｏｌｕｍｅ ６０、ｐａｇｅ ３０９、Ｆｅｂ．１９３８記載されたＢＲＵＮＡＵＥＲ−ＴＥＬＬＥＲ法であり、そして国際基準ＩＳＯ５７９４/１に対応する。水素化ケイ素の比表面積は特徴付けられる多孔質ケイ素の表面上に自動的に集合した（ａｕｔｏａｓｓｅｍｂｌｅｄ）シラン単層の質量の定量化によって、さらに一般的に決定できる。
【００２０】
本発明の方法において、単位時間当りに利用できる水素分子の量は、比表面積に依存し、そして存在するケイ素の量に依存する。典型的には、水素の生成は、１グラムのＳｉおよび一分間当り、約０．１６リットルである。
【００２１】
本発明により用いられる水素化ケイ素は、酸を用いたケイ素基材の電気化学的処理によって得られ、この酸は、有利にはフッ化水素酸である。
【００２２】
本発明において使用されるケイ素基材は、例えば、典型的には約０.０１６Ω．ｃｍ、の抵抗率を有するリンドープされたケイ素、または例えば、約０.００５Ω．ｃｍの抵抗率を有するホウ素ドープされたケイ素等の標準のマイクロエレクトロニクス基材である。使用されるケイ素基材は、約１０１９ｃｍ−３以下の不純物の原子濃度を有する。そうした処理は、ケイ素基材を多孔質化でき、そして、同時に、多孔質化されたケイ素基材の表面上でのＳｉ−Ｈｘ（式中、ｘ＝１、２または３）の第１層の生成を可能にする。
【００２３】
一態様では、電気化学的処理は、電気化学的陽極酸化であり、好ましくは単結晶、多結晶またはアモルファスケイ素基材上で行われる。電気化学的処理の後で、ケイ素基材は、メソ多孔質および／または微小孔性となり、そして水素化されている。
【００２４】
水素化ケイ素は、一般的にお互いに相互接続できるかまたはできず、少なくとも１つの寸法が約１００ｎｍ以下であり、そしてそれぞれの結晶および／またはナノ粒子の表面積の合計が水素化ケイ素によって占められた平面の表面積より大きい、ケイ素のナノ結晶および／または種々の幾何学的形態のナノ粒子を含む。
【００２５】
変化形により、水素化ケイ素は、粉砕され、そして任意選択的に小型化され、このように燃料電池等の水素分子を用いる機器中で容易に使用できる。
【００２６】
電気化学的処理の後で、ケイ素基材、特に多孔質ケイ素基材の表面の全てまたは一部は、上記の反応（Ｉ）を行うことのできる水素と結合したケイ素基、表面−Ｓｉ−Ｈを含む。
【００２７】
本発明の方法では、水素化ケイ素とのアルカリ性溶液の反応温度は、一般的に、約１０℃〜約４０℃であり、好ましくは、その温度は周囲温度で行われる。この反応は、好ましくは大気圧またはわずかな高圧下、一般的に、約２バール（ｂａｒ）以下、約１バール〜１.５バールで行われる。
【００２８】
本発明の方法において使用されるアルカリ性溶液は、好ましくは、アルカリ性水溶液である。アルカリ性溶液のｐＨは、特に約９〜約１４、好ましくは約９〜１３、例えば、約１０である。
塩基は、特に、ＮａＯＨ、ＫＯＨおよびＮＨ４ＯＨから選択できる。好ましくは、アルカリ性水溶液は、ＮａＯＨおよび／またはＫＯＨ水溶液である。
【００２９】
本発明の方法の一つの利点は、アルカリ性溶液と反応するのに有用であり、そしてこのように水素分子を生成するケイ素基材の全体性であり、水素分子を貯蔵するために材料の表面のみが使用される仏国特許発明出願第２８５８３１３号明細書において提案された代替物と異なる。水素分子の生成能力は、このように本発明による方法における方が高いことが見いだされた。特に、本発明による方法は、１モルの水素化ケイ素当り２モルの水素分子、つまり大気圧下かつ周囲温度下で、１グラムの水素化ケイ素当り約１．６リットルの水素分子の生成を可能にする。
【００３０】
本発明の方法の別の利点は、本発明の方法が水素分子を生成させるために一ステップのみを含むことであり、従って多くの場合高価である中間化合物を一般的に使用する２つ以上の工程を必要とする機器におけるより、低い生産コストを生じる。
【００３１】
好ましくは、本発明による方法は、水素分子が回収され、そして利用される、例えば、水素分子が燃料として使用される工程をさらに含む。
【００３２】
第２の形態により、本発明は、水素分子によって作動するアノードを含む燃料電池に関し、そして水素化ケイ素から水素分子を生成させる機器と関連し、この機器は、本発明の方法を実施することによって水素化ケイ素から水素分子を生成させるために、アルカリ性溶液と接触させる。
【００３３】
式（Ｉ）中に具体的に説明したように、アルカリ性溶液と接触させた水素化ケイ素は、ケイ素基材の表面でケイ素−水素結合を再生させることによって、２当量の水素分子の生成を可能にする。
【００３４】
本発明による方法の一つの利点は、電池の作動の間に、水素化ケイ素がｉｎ ｓｉｔｕで再生されることである。従って、同一量のケイ素で利用できる水素分子の量は、ケイ素基材、特に多孔質ケイ素基材の表面でのみ化学的に吸着された水素分子のみを含む機器より多い。したがって、電池の作動時間は、最初に導入されたケイ素基材の量に依存する。
【００３５】
好ましくは、アノードに供給するための水素を生成するための機器として、電池は、
水素化ケイ素によって部分的にまたは完全に充填された第１の区画（この第１区画は、一般的に２つの区間、すなわち、水素化ケイ素を含む第１の区間、およびアノードと接触しており、そして生成される水素分子を受ける第２の区間に分離されている。）、およびアルカリ性溶液で完全または部分的に充填された第２区画（第１の区画および第２区画は、アルカリ性溶液が水素化ケイ素と接触できるような様式で連通している。好ましい形態によれば、貯蔵容器は相互に交換できるタイプであり、したがって水素化ケイ素供給システム、およびアルカリ性溶液供給システムの両方として機能する。）
を含む、貯蔵容器を含む。
【００３６】
１つの態様によれば、燃料電池の水素分子を生成させる機器は、水素化ケイ素供給システムを含む。このシステムは、水素化ケイ素を最初に導入することを可能にする。さらに、追加の水素化ケイ素は、最初に存在したケイ素基材が完全に消費された場合、または最初に存在したケイ素基材が、ある閾値、例えば、最初に存在した水素化多孔質ケイ素基材の７５％または８５％まで、さらに９５％を超えて消費された場合に、その供給システムを介して電池の水素生成機器中に導入できる。水素化ケイ素供給システムは、外部供給システムまたは水素化ケイ素を含むカートリッジの交換が可能なシステムであることができる。
【００３７】
先行する態様と一般的に関連する態様によれば、燃料電池は、水素分子生成システムの領域中に、アルカリ性溶液供給システムをさらに含む。この供給システムは、特にさらに基本的な構成部分を供給するために、アルカリ性溶液を最初に導入し、そして電池の寿命の間に再生することを可能にする。電池の作動を可能にするアルカリ性溶液供給システムは、特に外部システムであることができる。
【００３８】
多孔質ケイ素、および多孔質ケイ素を加水分解するのに充分な量のアルカリ性溶液は、典型的には着脱容器、例えば、燃料電池に、密閉された様式で、スナップ式で装着できるカートリッジ内に含まれる。
【００３９】
別の態様によれば、アルカリ性溶液は、水素化ケイ素供給システムから分離している着脱容器中に含まれ、そしてその着脱容器の置換は、電池が連続して作動することを可能にする。
【００４０】
また別の態様によれば、着脱容器、例えばカートリッジは、水素化ケイ素を含む第１区画、およびアルカリ性溶液を含有する第２区画を含む。２つの区画は、水素化ケイ素が第１区画から第２区画へ通ることを妨げるが、とは言っても水素化ケイ素の全てまたはいくらかと接触するために、少なくともいくらかのアルカリ性溶液が第２区画から第１の区画に流れることを可能にする、分離システムによって、一般的に分離されている。分離システムは、典型的にはグリッド状である。
【００４１】
ほとんどの場合、電池のカソードは、酸素分子によって作動する。この態様によれば、アノードおよびカソードは、好ましくは、水素分子および酸素分子、ならびに触媒およびプロトン伝導体を拡散する媒体を含む。
【００４２】
拡散媒体はまた、電子伝導体であり、そして例えば、多孔質グラファイト粒子が含まれている炭素繊維織物からなる。ガス分子は、この場合、繊維織物のメッシュを通り、そして電子は、炭素繊維によって運ばれる。別の態様によれば、拡散媒体はまた、多孔質グラファイト粒子を配合したＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）等のガス透過性架橋ポリマーからなる。
【００４３】
触媒は、多孔質グラファイト粒子中に取り込まれた微細に分割された白金からなる。
【００４４】
１つの態様によれば、触媒は、（典型的には、２〜５０ｎｍの寸法を有する）白金ナノ粒子からなる化学的グラフト化によってプロトン伝導性分子で被覆され、そして電子およびプロトン伝導性を可能にするために、浸透閾値より高い濃度で水およびガスに透過性であるＰＤＭＳ等のマトリックス中に分散されている。
【００４５】
プロトン伝導体は、例えば、Ｎａｆｉｏｎ（商標）等のイオノマーであるか、または、膜を生成するため、および触媒粒子の表面にグラフト化するために使用されるものと同じ基を有する分子からなる。本明細書中では、プロトン伝導体は、発電機内でプロトンを循環させるために、プロトンを捕捉し、そして放出できる少なくとも１つの基を有する分子または高分子である。プロトンを捕捉し、そして次に放出できる基は、スルホネート（−ＳＯ３−）またはカルボキシレート（−ＣＯＯ−）基から選択される。特に、特にプロトンの移動性を高められるフッ素化骨格を含む、分子または高分子を使用することが好都合である。
【００４６】
酸素分子は、例えば、空気、好ましくは、富化した空気からなる供給源、純粋な酸素分子または周囲空気からなる供給源から生じる。酸素分子は、供給源からカソードに、例えば、パイプまたはその同類のものによって輸送される。その終端では、カソードは、パイプまたはその同類のものが接続されたオリフィスを備えている。
【００４７】
電池の全体的な作動は以下の反応によって要約される：
２Ｈ２＋Ｏ２→２Ｈ２Ｏ （ＩＩ）
【００４８】
水素分子生成反応（Ｉ）が４当量の水分子を消費し、そして電池作動反応（ＩＩ）が２当量の水分子を生成する限りにおいて、生成される水のすべてまたはいくらかは、電池の作動の間にリサイクルできる。好ましくは、水は、ケイ素−水素層と反応するために再利用され、従って水の生成と関連した問題を解決する。好ましい態様によれば、失われる他の２当量の水分子は、アルカリ性水溶液中に存在する水によって供給される。その終端では、電池は、典型的にはアルカリ性水溶液、典型的にはパイプの領域中で反応（ＩＩ）によって生成された水を持ってくるための手段を含む。アルカリ性水溶液中に含まれるアルカリ性化合物を供給するための外部システムは、電池が一定濃度のアルカリ性化合物を有することを可能にし、したがって、リサイクルされた水の供給に関わらずｐＨを一定にたもつことを可能にする。
【００４９】
電池は、従って自己調節的利点を有する。アルカリ性溶液/水素化ケイ素界面での局所的な水素分子の圧力は、実際、電池のアノード区画中に存在する水素分子の量に依存する。電流が中断された場合、水素分子の消費が止まり、圧力を上昇させる。生じた圧力の上昇は、ケイ素基材、特に多孔質ケイ素基材が配置されているレベルより下にアルカリ性溶液のレベルを押す。水素分子生成反応は、従って停止する。同様に、電流の存在下では、アノード区画中の圧力が低下し、アルカリ性溶液を引き上げてケイ素基材、特に多孔質ケイ素基材と接触させる。水素分子の生成は、従って再活性化される。
【００５０】
最大の水素分子貯蔵圧力は、約０.１〜約１バールまたは約０.５バール〜約０.９バールでさえある。１つの態様により、圧力は約８００ミリバールである。
【００５１】
電池は、酸素分子および水素分子を拡散させ、電子エネルギーを回復させ、そして水をリサイクルさせることができる拡散媒体をさらに含む。１つの態様により、拡散媒体は、例えばＥ−ｔｅｋによって販売されているグラファイト織物からなる。
【００５２】
電池は、その内側表面がプロトン伝導体、特に少なくとも１つのスルホネート（−ＳＯ３−）またはカルボキシレート（−ＣＯＯ−）基を有する分子に化学的にグラフト化されている膜、例えば、多孔質ケイ素膜を含むことができる。
【００５３】
別の態様によれば、膜は、その孔がＮａｆｉｏｎ（商標）等のイオノマーで充填されている多孔質ケイ素からなる。膜は、電池の作動から生じたプロトンが通ることを可能にするが、ガス状の水素分子および酸素分子に不透過性である。
【００５４】
本発明は、添付の単一の図を参照して、下記に記載した非限定の例をよりさらに具体的に説明されるであろう。
【実施例】
【００５５】
図は、本発明による水素分子発生器の態様を示す。
【００５６】
図は、アノード部５に隣接した交換可能である貯蔵容器３にある水素分子生成機器を含む、電池１を記載する。電池１は、水回収容器９に隣接したカソード部７をさらに含む。
【００５７】
交換可能な貯蔵容器３は、Ｕ−形断面またはその同類のものを有する着脱容器、例えば、カートリッジである。交換可能な貯蔵容器３は、（図式的には、Ｕ−形断面の第１の分岐中の）第１区画１３およびグリッド１１によって分離された（図式的には、Ｕ−形断面のもう一方の分岐中の）第２区画１５を含む。交換可能な貯蔵容器３の第１区画１３は、グリッド１１より上にある水素化多孔質ケイ素１７で充填されている。水素化多孔質ケイ素１７は、典型的には約４８％のフッ化水素酸と純粋なエタノールとの１：１混合物を含む浴中において、約０.００１２Ω．ｃｍの抵抗率および約５００μｍの厚さを有するホウ素ドープケイ素板の陽極酸化によって得られる。約１００ｍＡ．ｃｍ−２の電流密度で行われる陽極酸化は、約２００ｎｍ．ｓ−１の速度で約２０ｎｍの直径を有する孔を生成する。ケイ素全体は、約２５００秒で陽極酸化される。
【００５８】
交換可能な容器３の第２区画１５は、０.０００１ｍｏｌ／ｌのＮａＯＨ溶液１９で、部分的にまたは幾つかの場合、完全に充填されている。
【００５９】
水素化多孔質ケイ素１７を含む第１区画１３の壁２１は、アノード部５、外側の媒体に関して気密を確かにするシール２５と流体連通している。
【００６０】
第２区画１５の壁２３は、第２区画１５を大気圧にすることを可能にする弁（図示されていない）を含む。
【００６１】
アノード部５は、負極２８を含む。負極２８は、シール２５によって、および電子を伝導する伝導性シール３１によって囲まれている。アノード部５はまた、電気伝導性シール３１に接続され、そして、例えば、その内側表面上に白金触媒を含有するグラファイト粉末を被覆した炭素織物からなるアノード２７を含む。
【００６２】
アノード２７で生じる反応は、反応（ＩＩ）：
ＩＩ Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
である。
【００６３】
カソード部７は、正極３０を含む。正極３０は、シール２６および電子を伝導する第２の電気伝導性シール３２によって囲まれている。カソード部７はまた、第２の電気伝導性シール３２に接続され、そして、例えば、その内側表面上に白金触媒を含有するグラファイト粉末を被覆した炭素織物からなるカソード３３を含む。
【００６４】
カソード３３で生じる化学反応は、従来の反応（ＩＩＩ）：
ＩＩＩ ２Ｈ＋＋１/２Ｏ２＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ
である。
【００６５】
カソード部７は、シール２６によって、電池の作動の間に生成された水３４を回収する水回収容器９にさらに接続されている。
【００６６】
負極２８および正極３０は、電流が流れることを可能にし、そして共同して電源出力部を構成する。
【００６７】
回収容器９はまた、酸素分子に透過性であるテフロン（商標）でできたポリマー窓３５を含む。ポリマー窓３５は、変化形としてＰＤＭＳであることができる。
【００６８】
交換可能な貯蔵容器３の第２区画１５を接続する回収容器９から出口に位置する再生利用回路３９は、交換可能な貯蔵容器３中で水素分子を生成させるＮａＯＨ溶液１９に供給するために、水３４の使用を可能にする。
【００６９】
電池１は、ＰＥＭ（プロトン交換膜）タイプであり、したがって多孔質ケイ素からなることができる膜４１を含む。その場合、膜は、イオノマー（Ｎａｆｉｏｎ（商標））の溶液による含浸によって、または分子のグラフト化のいずれかによって、プロトン伝導性を与えられた多孔質ケイ素である。膜４１の多孔質ケイ素は、水素分子を生成するために使用されないことに留意する。実際、これは水素化ケイ素ではない。
【００７０】
膜４１は、膜４３を電気的に絶縁するために、Ｎａｆｉｏｎ（商標）溶液によって、接着接合されているアノード２７とカソード３３との分離を可能にする。さらに、酸化ケイ素の絶縁枠（図示されていない）は、電流を失わないために、膜４３、アノード２７およびカソード３３を囲む。
【００７１】
作動の間に、第２区画１５中に含まれるＮａＯＨ溶液１９は、グリッド１１を通して第１区画１３中に含まれる水素化多孔質ケイ素１７と接触する。水素分子は、従って反応（Ｉ）：
−Ｓｉ−Ｓｉ−Ｈ＋４Ｈ２Ｏ→−Ｓｉ−Ｈ＋Ｓｉ（ＯＨ）４＋２Ｈ２ （Ｉ）
により生成される。
【００７２】
いったん生成されると、水素分子は、第１区画１３中に存在する水素化多孔質ケイ素１７より上に位置する区間５０を満たす。次に、水素分子は、従来の反応（ＩＩ）により電子を生成するアノード２７によって使用される。
【００７３】
平行して、酸素はカソード部７を透過し、そして反応（ＩＩ）からの陽子および電子と反応し、反応（ＩＩＩ）によって図式的に示されるように、水を生成する。
【００７４】
従って、電池１が作動するにつれて、ＮａＯＨ溶液１９は、水素分子を生成するために、水素化多孔質ケイ素１７を消費する。
【００７５】
電池１が何らかの手段によって作動を停止すると、水素分子は区間５０中に蓄積され、そしてＮａＯＨ溶液１９をグリッド１１より下に押す。ＮａＯＨ溶液１９は、従って水素化多孔質ケイ素１７と接触せず、そして水素分子の生成が停止する。
【図１】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素分子を生成するための方法、特に、水素分子によって作動する燃料電池における使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、水素分子の生成は、その前に貯蔵ステップを含む。しかし、エネルギー担体としての水素分子の貯蔵は、燃料電池の開発または小型化への限界の一つである。
【０００３】
従って、低温タンク内に、直接または圧力下で水素分子を貯蔵することが知られている。そうした貯蔵システムは、携帯電話等の携帯用機器の使用が必要である分野へ、置き換えることができない貯蔵装置の使用を前提とする。さらに、低温タンクは、水素分子の液化プロセスの収率が低いという不利益を有する。加圧タンクは、同様に安全性の問題を提示する。
【０００４】
他の代替手段は、異なる形態で水素分子を貯蔵し、そして次に水素分子に戻すことを提案する。第１の代替手段は、水素分子を生成させるためにメタノール等の中間燃料を使用することにある。しかし、そうした電池は比較的使用が容易であるが収率が低く、そして二酸化炭素の放出によってある程度の毒性を有する。第２の代替は、固体金属水素化物またはカーボンナノチューブを使用して大気圧下で水素分子を貯蔵することにあるが、それらの水素分子の生成能力は低く、そして水素分子を脱着させるためにエネルギーを供給することが必要であり、おもしろくないものとなっている。
【０００５】
アルカリ性媒体においてナトリウムホウ化水素の分解から化学的に水素分子を生成させることが知られている。この方法の不利益は、周囲温度で作動させるために触媒を使用することが必要なことである。
【０００６】
さらに、仏国特許発明第２８５８３１３号明細書は、大気圧下でフッ化水素酸により陽極酸化された多孔質ケイ素を使用して水素分子を生成させる可能性を挙げる。水素分子は、次に、エタノールと接触させることによって、化学エネルギーを含むエネルギーの供給により開放される。この変化形の不利益は、多孔質ケイ素を再生させるために、系をフッ化水素酸で充填しなければならないことである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、上記のタイプの貯蔵または修復工程を用いることなく、要求に応じて効果的に水素分子を生成できる方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
そのためには、第１の形態により、本発明は、水素化ケイ素とアルカリ性溶液（この溶液によって水素分子が生成される）とを接触させる工程、およびそのように生成された水素分子が回収され、そして／または利用される工程を含む水素分子の生成方法に関する。使用される水素化ケイ素は、酸を用いたケイ素基材の電気化学的処理によって得られる。さらに一般的に、本発明は、回収されそして／または利用される水素分子を生成させるための水素化ケイ素（水素化ケイ素はアルカリ性溶液と接触する）の使用に関する。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明により、アルカリ性溶液と水素化ケイ素との反応が行われる。
【００１０】
アルカリ性溶液は、ケイ素−水素層と反応し、このようにケイ素基材、特に多孔質ケイ素基材の表面上に、ケイ素−水素の新しい層を形成させながら、水素分子を放出する。
【００１１】
本発明による水素分子は、以下の反応（Ｉ）：
−Ｓｉ−Ｓｉ−Ｈ＋４Ｈ２Ｏ→−Ｓｉ−Ｈ＋Ｓｉ（ＯＨ）４＋２Ｈ２ （Ｉ）
によって図式的に要約できる。
【００１２】
上記反応の使用の利点は、水素分子が、一工程で生成できることである。
【００１３】
さらに、上記で具体的に説明したように、反応（Ｉ）は、同時に表面のケイ素−水素結合を再生成することによってケイ素の再活性化を引き起こす。そのような方式で、反応（Ｉ）を再び行わせることによって、要求に応じて水素分子を生成できる。
【００１４】
さらに、本発明による反応の使用により、修復の前に貯蔵工程を用いる必要なく水素分子が生成される。
【００１５】
「水素化ケイ素」は、水素化ケイ素基材であると理解され、この水素化は、酸を用いたケイ素基材の電気化学的処理によって得られる。ケイ素基材は、一般的に、ケイ素板である。この基材は、好ましくは、例えば、ホウ素またはリン等の不純物を、１０１９原子／ｃｍ３以下含む。
【００１６】
本発明により使用される水素化ケイ素は、好ましくは、典型的には少なくとも０.５ｍｍより大きい、特に、１ｍｍより大きい、好ましくは、１ｃｍより大きい、少なくとも１つの寸法を有する固体材料の形態である。本願明細書における記載の脈絡の中では「固体材料」の概念は、（有利には、少なくとも０.５ｍｍの、特に少なくとも１ｍｍの厚さ、ならびに少なくとも１ｃｍ程度の長さおよび幅を有する）板または（有利には、少なくとも５ｍｍの長さ、および少なくとも０.５ｍｍ、特に１ｍｍの直径を有する）円筒等の、取り扱うことができる固体材料をいう。従って、本願明細書における記載の脈絡の中における固体材料中では、ケイ素は一般的にその表面上でのみ水素化されており、材料のコアは大部分の場合において、ケイ素から実質的になる。本願明細書における記載の脈絡の中では、固体材料の定義は、１ｍｍ未満、特に、０.５ｍｍ未満の厚さを有する層の形態で支持された水素化ケイ素材料、および１ｍｍ未満、特に０.５ｍｍ未満のサイズを有する、分散形態の水素化ケイ素の粒子を除外している。
【００１７】
本発明の範囲内で使用される水素化ケイ素は、好ましくは多孔質である。好ましい態様によれば、使用される水素化多孔質ケイ素は、メソ多孔質ケイ素、つまり２〜５０ｎｍのサイズの孔（メソ細孔）を有するケイ素、および／または微小孔性ケイ素、つまり２ｎｍ未満のサイズの孔（微小孔）を有するケイ素によって構成されている。
【００１８】
孔（メソ細孔および／または特にマイクロ孔）の存在は、とりわけ、ケイ素基材の比表面積を増加させ、所与の体積で、水素化多孔質ケイ素の表面に存在するより大量の水素分子を与えることを可能にする。水素化ケイ素の多孔度は、約１０体積％〜約７０体積％である。体積での上記の多孔度は、サンプル中に存在する孔の体積とサンプルの体積との間の比率に相当する。この多孔度は、例えば、光学反射率測定法から多孔質ケイ素の屈折率を計算することによって、または酸化の前後でサンプルの質量を比較することによる秤量によって、決定される。
【００１９】
水素化ケイ素の比表面積は、約２００ｍ２／ｃｍ３〜約９００ｍ２／ｃｍ３である。比表面積は、水素化ケイ素が充分量である場合、例えば、ＢＥＴ法によって決定できる。上記のＢＥＴ法は、特にＴｈｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ、Ｖｏｌｕｍｅ ６０、ｐａｇｅ ３０９、Ｆｅｂ．１９３８記載されたＢＲＵＮＡＵＥＲ−ＴＥＬＬＥＲ法であり、そして国際基準ＩＳＯ５７９４/１に対応する。水素化ケイ素の比表面積は特徴付けられる多孔質ケイ素の表面上に自動的に集合した（ａｕｔｏａｓｓｅｍｂｌｅｄ）シラン単層の質量の定量化によって、さらに一般的に決定できる。
【００２０】
本発明の方法において、単位時間当りに利用できる水素分子の量は、比表面積に依存し、そして存在するケイ素の量に依存する。典型的には、水素の生成は、１グラムのＳｉおよび一分間当り、約０．１６リットルである。
【００２１】
本発明により用いられる水素化ケイ素は、酸を用いたケイ素基材の電気化学的処理によって得られ、この酸は、有利にはフッ化水素酸である。
【００２２】
本発明において使用されるケイ素基材は、例えば、典型的には約０.０１６Ω．ｃｍ、の抵抗率を有するリンドープされたケイ素、または例えば、約０.００５Ω．ｃｍの抵抗率を有するホウ素ドープされたケイ素等の標準のマイクロエレクトロニクス基材である。使用されるケイ素基材は、約１０１９ｃｍ−３以下の不純物の原子濃度を有する。そうした処理は、ケイ素基材を多孔質化でき、そして、同時に、多孔質化されたケイ素基材の表面上でのＳｉ−Ｈｘ（式中、ｘ＝１、２または３）の第１層の生成を可能にする。
【００２３】
一態様では、電気化学的処理は、電気化学的陽極酸化であり、好ましくは単結晶、多結晶またはアモルファスケイ素基材上で行われる。電気化学的処理の後で、ケイ素基材は、メソ多孔質および／または微小孔性となり、そして水素化されている。
【００２４】
水素化ケイ素は、一般的にお互いに相互接続できるかまたはできず、少なくとも１つの寸法が約１００ｎｍ以下であり、そしてそれぞれの結晶および／またはナノ粒子の表面積の合計が水素化ケイ素によって占められた平面の表面積より大きい、ケイ素のナノ結晶および／または種々の幾何学的形態のナノ粒子を含む。
【００２５】
変化形により、水素化ケイ素は、粉砕され、そして任意選択的に小型化され、このように燃料電池等の水素分子を用いる機器中で容易に使用できる。
【００２６】
電気化学的処理の後で、ケイ素基材、特に多孔質ケイ素基材の表面の全てまたは一部は、上記の反応（Ｉ）を行うことのできる水素と結合したケイ素基、表面−Ｓｉ−Ｈを含む。
【００２７】
本発明の方法では、水素化ケイ素とのアルカリ性溶液の反応温度は、一般的に、約１０℃〜約４０℃であり、好ましくは、その温度は周囲温度で行われる。この反応は、好ましくは大気圧またはわずかな高圧下、一般的に、約２バール（ｂａｒ）以下、約１バール〜１.５バールで行われる。
【００２８】
本発明の方法において使用されるアルカリ性溶液は、好ましくは、アルカリ性水溶液である。アルカリ性溶液のｐＨは、特に約９〜約１４、好ましくは約９〜１３、例えば、約１０である。
塩基は、特に、ＮａＯＨ、ＫＯＨおよびＮＨ４ＯＨから選択できる。好ましくは、アルカリ性水溶液は、ＮａＯＨおよび／またはＫＯＨ水溶液である。
【００２９】
本発明の方法の一つの利点は、アルカリ性溶液と反応するのに有用であり、そしてこのように水素分子を生成するケイ素基材の全体性であり、水素分子を貯蔵するために材料の表面のみが使用される仏国特許発明出願第２８５８３１３号明細書において提案された代替物と異なる。水素分子の生成能力は、このように本発明による方法における方が高いことが見いだされた。特に、本発明による方法は、１モルの水素化ケイ素当り２モルの水素分子、つまり大気圧下かつ周囲温度下で、１グラムの水素化ケイ素当り約１．６リットルの水素分子の生成を可能にする。
【００３０】
本発明の方法の別の利点は、本発明の方法が水素分子を生成させるために一ステップのみを含むことであり、従って多くの場合高価である中間化合物を一般的に使用する２つ以上の工程を必要とする機器におけるより、低い生産コストを生じる。
【００３１】
好ましくは、本発明による方法は、水素分子が回収され、そして利用される、例えば、水素分子が燃料として使用される工程をさらに含む。
【００３２】
第２の形態により、本発明は、水素分子によって作動するアノードを含む燃料電池に関し、そして水素化ケイ素から水素分子を生成させる機器と関連し、この機器は、本発明の方法を実施することによって水素化ケイ素から水素分子を生成させるために、アルカリ性溶液と接触させる。
【００３３】
式（Ｉ）中に具体的に説明したように、アルカリ性溶液と接触させた水素化ケイ素は、ケイ素基材の表面でケイ素−水素結合を再生させることによって、２当量の水素分子の生成を可能にする。
【００３４】
本発明による方法の一つの利点は、電池の作動の間に、水素化ケイ素がｉｎ ｓｉｔｕで再生されることである。従って、同一量のケイ素で利用できる水素分子の量は、ケイ素基材、特に多孔質ケイ素基材の表面でのみ化学的に吸着された水素分子のみを含む機器より多い。したがって、電池の作動時間は、最初に導入されたケイ素基材の量に依存する。
【００３５】
好ましくは、アノードに供給するための水素を生成するための機器として、電池は、
水素化ケイ素によって部分的にまたは完全に充填された第１の区画（この第１区画は、一般的に２つの区間、すなわち、水素化ケイ素を含む第１の区間、およびアノードと接触しており、そして生成される水素分子を受ける第２の区間に分離されている。）、およびアルカリ性溶液で完全または部分的に充填された第２区画（第１の区画および第２区画は、アルカリ性溶液が水素化ケイ素と接触できるような様式で連通している。好ましい形態によれば、貯蔵容器は相互に交換できるタイプであり、したがって水素化ケイ素供給システム、およびアルカリ性溶液供給システムの両方として機能する。）
を含む、貯蔵容器を含む。
【００３６】
１つの態様によれば、燃料電池の水素分子を生成させる機器は、水素化ケイ素供給システムを含む。このシステムは、水素化ケイ素を最初に導入することを可能にする。さらに、追加の水素化ケイ素は、最初に存在したケイ素基材が完全に消費された場合、または最初に存在したケイ素基材が、ある閾値、例えば、最初に存在した水素化多孔質ケイ素基材の７５％または８５％まで、さらに９５％を超えて消費された場合に、その供給システムを介して電池の水素生成機器中に導入できる。水素化ケイ素供給システムは、外部供給システムまたは水素化ケイ素を含むカートリッジの交換が可能なシステムであることができる。
【００３７】
先行する態様と一般的に関連する態様によれば、燃料電池は、水素分子生成システムの領域中に、アルカリ性溶液供給システムをさらに含む。この供給システムは、特にさらに基本的な構成部分を供給するために、アルカリ性溶液を最初に導入し、そして電池の寿命の間に再生することを可能にする。電池の作動を可能にするアルカリ性溶液供給システムは、特に外部システムであることができる。
【００３８】
多孔質ケイ素、および多孔質ケイ素を加水分解するのに充分な量のアルカリ性溶液は、典型的には着脱容器、例えば、燃料電池に、密閉された様式で、スナップ式で装着できるカートリッジ内に含まれる。
【００３９】
別の態様によれば、アルカリ性溶液は、水素化ケイ素供給システムから分離している着脱容器中に含まれ、そしてその着脱容器の置換は、電池が連続して作動することを可能にする。
【００４０】
また別の態様によれば、着脱容器、例えばカートリッジは、水素化ケイ素を含む第１区画、およびアルカリ性溶液を含有する第２区画を含む。２つの区画は、水素化ケイ素が第１区画から第２区画へ通ることを妨げるが、とは言っても水素化ケイ素の全てまたはいくらかと接触するために、少なくともいくらかのアルカリ性溶液が第２区画から第１の区画に流れることを可能にする、分離システムによって、一般的に分離されている。分離システムは、典型的にはグリッド状である。
【００４１】
ほとんどの場合、電池のカソードは、酸素分子によって作動する。この態様によれば、アノードおよびカソードは、好ましくは、水素分子および酸素分子、ならびに触媒およびプロトン伝導体を拡散する媒体を含む。
【００４２】
拡散媒体はまた、電子伝導体であり、そして例えば、多孔質グラファイト粒子が含まれている炭素繊維織物からなる。ガス分子は、この場合、繊維織物のメッシュを通り、そして電子は、炭素繊維によって運ばれる。別の態様によれば、拡散媒体はまた、多孔質グラファイト粒子を配合したＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）等のガス透過性架橋ポリマーからなる。
【００４３】
触媒は、多孔質グラファイト粒子中に取り込まれた微細に分割された白金からなる。
【００４４】
１つの態様によれば、触媒は、（典型的には、２〜５０ｎｍの寸法を有する）白金ナノ粒子からなる化学的グラフト化によってプロトン伝導性分子で被覆され、そして電子およびプロトン伝導性を可能にするために、浸透閾値より高い濃度で水およびガスに透過性であるＰＤＭＳ等のマトリックス中に分散されている。
【００４５】
プロトン伝導体は、例えば、Ｎａｆｉｏｎ（商標）等のイオノマーであるか、または、膜を生成するため、および触媒粒子の表面にグラフト化するために使用されるものと同じ基を有する分子からなる。本明細書中では、プロトン伝導体は、発電機内でプロトンを循環させるために、プロトンを捕捉し、そして放出できる少なくとも１つの基を有する分子または高分子である。プロトンを捕捉し、そして次に放出できる基は、スルホネート（−ＳＯ３−）またはカルボキシレート（−ＣＯＯ−）基から選択される。特に、特にプロトンの移動性を高められるフッ素化骨格を含む、分子または高分子を使用することが好都合である。
【００４６】
酸素分子は、例えば、空気、好ましくは、富化した空気からなる供給源、純粋な酸素分子または周囲空気からなる供給源から生じる。酸素分子は、供給源からカソードに、例えば、パイプまたはその同類のものによって輸送される。その終端では、カソードは、パイプまたはその同類のものが接続されたオリフィスを備えている。
【００４７】
電池の全体的な作動は以下の反応によって要約される：
２Ｈ２＋Ｏ２→２Ｈ２Ｏ （ＩＩ）
【００４８】
水素分子生成反応（Ｉ）が４当量の水分子を消費し、そして電池作動反応（ＩＩ）が２当量の水分子を生成する限りにおいて、生成される水のすべてまたはいくらかは、電池の作動の間にリサイクルできる。好ましくは、水は、ケイ素−水素層と反応するために再利用され、従って水の生成と関連した問題を解決する。好ましい態様によれば、失われる他の２当量の水分子は、アルカリ性水溶液中に存在する水によって供給される。その終端では、電池は、典型的にはアルカリ性水溶液、典型的にはパイプの領域中で反応（ＩＩ）によって生成された水を持ってくるための手段を含む。アルカリ性水溶液中に含まれるアルカリ性化合物を供給するための外部システムは、電池が一定濃度のアルカリ性化合物を有することを可能にし、したがって、リサイクルされた水の供給に関わらずｐＨを一定にたもつことを可能にする。
【００４９】
電池は、従って自己調節的利点を有する。アルカリ性溶液/水素化ケイ素界面での局所的な水素分子の圧力は、実際、電池のアノード区画中に存在する水素分子の量に依存する。電流が中断された場合、水素分子の消費が止まり、圧力を上昇させる。生じた圧力の上昇は、ケイ素基材、特に多孔質ケイ素基材が配置されているレベルより下にアルカリ性溶液のレベルを押す。水素分子生成反応は、従って停止する。同様に、電流の存在下では、アノード区画中の圧力が低下し、アルカリ性溶液を引き上げてケイ素基材、特に多孔質ケイ素基材と接触させる。水素分子の生成は、従って再活性化される。
【００５０】
最大の水素分子貯蔵圧力は、約０.１〜約１バールまたは約０.５バール〜約０.９バールでさえある。１つの態様により、圧力は約８００ミリバールである。
【００５１】
電池は、酸素分子および水素分子を拡散させ、電子エネルギーを回復させ、そして水をリサイクルさせることができる拡散媒体をさらに含む。１つの態様により、拡散媒体は、例えばＥ−ｔｅｋによって販売されているグラファイト織物からなる。
【００５２】
電池は、その内側表面がプロトン伝導体、特に少なくとも１つのスルホネート（−ＳＯ３−）またはカルボキシレート（−ＣＯＯ−）基を有する分子に化学的にグラフト化されている膜、例えば、多孔質ケイ素膜を含むことができる。
【００５３】
別の態様によれば、膜は、その孔がＮａｆｉｏｎ（商標）等のイオノマーで充填されている多孔質ケイ素からなる。膜は、電池の作動から生じたプロトンが通ることを可能にするが、ガス状の水素分子および酸素分子に不透過性である。
【００５４】
本発明は、添付の単一の図を参照して、下記に記載した非限定の例をよりさらに具体的に説明されるであろう。
【実施例】
【００５５】
図は、本発明による水素分子発生器の態様を示す。
【００５６】
図は、アノード部５に隣接した交換可能である貯蔵容器３にある水素分子生成機器を含む、電池１を記載する。電池１は、水回収容器９に隣接したカソード部７をさらに含む。
【００５７】
交換可能な貯蔵容器３は、Ｕ−形断面またはその同類のものを有する着脱容器、例えば、カートリッジである。交換可能な貯蔵容器３は、（図式的には、Ｕ−形断面の第１の分岐中の）第１区画１３およびグリッド１１によって分離された（図式的には、Ｕ−形断面のもう一方の分岐中の）第２区画１５を含む。交換可能な貯蔵容器３の第１区画１３は、グリッド１１より上にある水素化多孔質ケイ素１７で充填されている。水素化多孔質ケイ素１７は、典型的には約４８％のフッ化水素酸と純粋なエタノールとの１：１混合物を含む浴中において、約０.００１２Ω．ｃｍの抵抗率および約５００μｍの厚さを有するホウ素ドープケイ素板の陽極酸化によって得られる。約１００ｍＡ．ｃｍ−２の電流密度で行われる陽極酸化は、約２００ｎｍ．ｓ−１の速度で約２０ｎｍの直径を有する孔を生成する。ケイ素全体は、約２５００秒で陽極酸化される。
【００５８】
交換可能な容器３の第２区画１５は、０.０００１ｍｏｌ／ｌのＮａＯＨ溶液１９で、部分的にまたは幾つかの場合、完全に充填されている。
【００５９】
水素化多孔質ケイ素１７を含む第１区画１３の壁２１は、アノード部５、外側の媒体に関して気密を確かにするシール２５と流体連通している。
【００６０】
第２区画１５の壁２３は、第２区画１５を大気圧にすることを可能にする弁（図示されていない）を含む。
【００６１】
アノード部５は、負極２８を含む。負極２８は、シール２５によって、および電子を伝導する伝導性シール３１によって囲まれている。アノード部５はまた、電気伝導性シール３１に接続され、そして、例えば、その内側表面上に白金触媒を含有するグラファイト粉末を被覆した炭素織物からなるアノード２７を含む。
【００６２】
アノード２７で生じる反応は、反応（ＩＩ）：
ＩＩ Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
である。
【００６３】
カソード部７は、正極３０を含む。正極３０は、シール２６および電子を伝導する第２の電気伝導性シール３２によって囲まれている。カソード部７はまた、第２の電気伝導性シール３２に接続され、そして、例えば、その内側表面上に白金触媒を含有するグラファイト粉末を被覆した炭素織物からなるカソード３３を含む。
【００６４】
カソード３３で生じる化学反応は、従来の反応（ＩＩＩ）：
ＩＩＩ ２Ｈ＋＋１/２Ｏ２＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ
である。
【００６５】
カソード部７は、シール２６によって、電池の作動の間に生成された水３４を回収する水回収容器９にさらに接続されている。
【００６６】
負極２８および正極３０は、電流が流れることを可能にし、そして共同して電源出力部を構成する。
【００６７】
回収容器９はまた、酸素分子に透過性であるテフロン（商標）でできたポリマー窓３５を含む。ポリマー窓３５は、変化形としてＰＤＭＳであることができる。
【００６８】
交換可能な貯蔵容器３の第２区画１５を接続する回収容器９から出口に位置する再生利用回路３９は、交換可能な貯蔵容器３中で水素分子を生成させるＮａＯＨ溶液１９に供給するために、水３４の使用を可能にする。
【００６９】
電池１は、ＰＥＭ（プロトン交換膜）タイプであり、したがって多孔質ケイ素からなることができる膜４１を含む。その場合、膜は、イオノマー（Ｎａｆｉｏｎ（商標））の溶液による含浸によって、または分子のグラフト化のいずれかによって、プロトン伝導性を与えられた多孔質ケイ素である。膜４１の多孔質ケイ素は、水素分子を生成するために使用されないことに留意する。実際、これは水素化ケイ素ではない。
【００７０】
膜４１は、膜４３を電気的に絶縁するために、Ｎａｆｉｏｎ（商標）溶液によって、接着接合されているアノード２７とカソード３３との分離を可能にする。さらに、酸化ケイ素の絶縁枠（図示されていない）は、電流を失わないために、膜４３、アノード２７およびカソード３３を囲む。
【００７１】
作動の間に、第２区画１５中に含まれるＮａＯＨ溶液１９は、グリッド１１を通して第１区画１３中に含まれる水素化多孔質ケイ素１７と接触する。水素分子は、従って反応（Ｉ）：
−Ｓｉ−Ｓｉ−Ｈ＋４Ｈ２Ｏ→−Ｓｉ−Ｈ＋Ｓｉ（ＯＨ）４＋２Ｈ２ （Ｉ）
により生成される。
【００７２】
いったん生成されると、水素分子は、第１区画１３中に存在する水素化多孔質ケイ素１７より上に位置する区間５０を満たす。次に、水素分子は、従来の反応（ＩＩ）により電子を生成するアノード２７によって使用される。
【００７３】
平行して、酸素はカソード部７を透過し、そして反応（ＩＩ）からの陽子および電子と反応し、反応（ＩＩＩ）によって図式的に示されるように、水を生成する。
【００７４】
従って、電池１が作動するにつれて、ＮａＯＨ溶液１９は、水素分子を生成するために、水素化多孔質ケイ素１７を消費する。
【００７５】
電池１が何らかの手段によって作動を停止すると、水素分子は区間５０中に蓄積され、そしてＮａＯＨ溶液１９をグリッド１１より下に押す。ＮａＯＨ溶液１９は、従って水素化多孔質ケイ素１７と接触せず、そして水素分子の生成が停止する。
【図１】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回収され、そして／または利用される水素分子を生成させるために、ケイ素基材と酸との電気化学的処理によって得られた水素化ケイ素の使用であって、水素化ケイ素をアルカリ性溶液と接触させる、使用。
【請求項２】
該水素化ケイ素が、多孔質である、請求項１に記載の使用。
【請求項３】
該多孔質水素化ケイ素が、メソ多孔質および／または微小孔性ケイ素からなる、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
ケイ素基材と酸との電気化学的処理によって得られた水素化ケイ素をアルカリ性溶液と接触させ、それによって水素分子が生成される工程、およびそのように生成された該水素分子が、回収され、そして／または利用される工程を含む、水素分子を生成するための方法。
【請求項５】
該水素化ケイ素が、多孔質である、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
該多孔質水素化ケイ素が、メソ多孔質および／または微小孔性ケイ素からなる、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
該水素化ケイ素の多孔度が、１０体積％〜７０体積％である、請求項５または請求項６に記載の方法。
【請求項８】
該水素化ケイ素の比表面積が、２００ｍ２／ｃｍ３〜９００ｍ２／ｃｍ３である、請求項５〜７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
該酸が、フッ化水素酸である、請求項４に記載の方法。
【請求項１０】
該アルカリ性溶液が、ｐＨが９〜１４であるアルカリ性水溶液である、請求項４〜９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
該アルカリ性水溶液が、ＮａＯＨおよび／またはＫＯＨ水溶液である、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
アルカリ性溶液（１９）と接触させて、請求項４〜１１のいずれか一項に記載の方法を行うことにより、水素化ケイ素（１７）から水素分子を生成させる水素化ケイ素（１７）を含む、水素分子生成機器と関連した水素分子により作動するアノード（２７）を含む、燃料電池（１）。
【請求項１３】
該水素分子生成機器が、
水素化ケイ素（１７）で部分的にまたは完全に満たされた第１区画（１３）と、
該アルカリ性溶液（１９）が該水素化ケイ素（１７）と接触できるような様式で、該第１区画（１３）と第２区画（１５）とが連通している、該アルカリ性溶液（１９）で完全にまたは部分的に満たされた第２区画（１５）と、
を含む該アノード（２７）を供給するための貯蔵容器（３）を含む、請求項１２に記載の燃料電池（１）。
【請求項１４】
該水素分子生成機器が、アルカリ性溶液供給システムと関連した水素化ケイ素供給システムを含む、請求項１２または１３に記載の燃料電池（１）。
【請求項１５】
該水素化ケイ素供給システムおよび該関連したアルカリ性溶液供給システムが、請求項１４に規定されたような貯蔵容器（３）の形態、特に交換可能な貯蔵容器の形態である、請求項１４に記載の燃料電池（１）。
【請求項１】
回収され、そして／または利用される水素分子を生成させるために、ケイ素基材と酸との電気化学的処理によって得られた水素化ケイ素の使用であって、水素化ケイ素をアルカリ性溶液と接触させる、使用。
【請求項２】
該水素化ケイ素が、多孔質である、請求項１に記載の使用。
【請求項３】
該多孔質水素化ケイ素が、メソ多孔質および／または微小孔性ケイ素からなる、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
ケイ素基材と酸との電気化学的処理によって得られた水素化ケイ素をアルカリ性溶液と接触させ、それによって水素分子が生成される工程、およびそのように生成された該水素分子が、回収され、そして／または利用される工程を含む、水素分子を生成するための方法。
【請求項５】
該水素化ケイ素が、多孔質である、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
該多孔質水素化ケイ素が、メソ多孔質および／または微小孔性ケイ素からなる、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
該水素化ケイ素の多孔度が、１０体積％〜７０体積％である、請求項５または請求項６に記載の方法。
【請求項８】
該水素化ケイ素の比表面積が、２００ｍ２／ｃｍ３〜９００ｍ２／ｃｍ３である、請求項５〜７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
該酸が、フッ化水素酸である、請求項４に記載の方法。
【請求項１０】
該アルカリ性溶液が、ｐＨが９〜１４であるアルカリ性水溶液である、請求項４〜９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
該アルカリ性水溶液が、ＮａＯＨおよび／またはＫＯＨ水溶液である、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
アルカリ性溶液（１９）と接触させて、請求項４〜１１のいずれか一項に記載の方法を行うことにより、水素化ケイ素（１７）から水素分子を生成させる水素化ケイ素（１７）を含む、水素分子生成機器と関連した水素分子により作動するアノード（２７）を含む、燃料電池（１）。
【請求項１３】
該水素分子生成機器が、
水素化ケイ素（１７）で部分的にまたは完全に満たされた第１区画（１３）と、
該アルカリ性溶液（１９）が該水素化ケイ素（１７）と接触できるような様式で、該第１区画（１３）と第２区画（１５）とが連通している、該アルカリ性溶液（１９）で完全にまたは部分的に満たされた第２区画（１５）と、
を含む該アノード（２７）を供給するための貯蔵容器（３）を含む、請求項１２に記載の燃料電池（１）。
【請求項１４】
該水素分子生成機器が、アルカリ性溶液供給システムと関連した水素化ケイ素供給システムを含む、請求項１２または１３に記載の燃料電池（１）。
【請求項１５】
該水素化ケイ素供給システムおよび該関連したアルカリ性溶液供給システムが、請求項１４に規定されたような貯蔵容器（３）の形態、特に交換可能な貯蔵容器の形態である、請求項１４に記載の燃料電池（１）。
【公表番号】特表２０１０−５２６０１１（Ｐ２０１０−５２６０１１Ａ）
【公表日】平成２２年７月２９日（２０１０．７．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−５０４８１５（Ｐ２０１０−５０４８１５）
【出願日】平成２０年５月２２日（２００８．５．２２）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＦＲ２００８／０５０７８４
【国際公開番号】ＷＯ２００８／１４８９８８
【国際公開日】平成２０年１２月１１日（２００８．１２．１１）
【出願人】（５０１０８９８６３）サントル ナシオナル ドゥ ラ ルシェルシェサイアンティフィク（セエヌエールエス） (173)
【出願人】（５０９３０３９４７）ユニベルシテ ドゥ フランシュ−コンテ (2)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２２年７月２９日（２０１０．７．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年５月２２日（２００８．５．２２）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＦＲ２００８／０５０７８４
【国際公開番号】ＷＯ２００８／１４８９８８
【国際公開日】平成２０年１２月１１日（２００８．１２．１１）
【出願人】（５０１０８９８６３）サントル ナシオナル ドゥ ラ ルシェルシェサイアンティフィク（セエヌエールエス） (173)
【出願人】（５０９３０３９４７）ユニベルシテ ドゥ フランシュ−コンテ (2)
【Ｆターム（参考）】
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