(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素源とともに使用する供給装置であって、
底端部と、ポート端部と、前記ポート端部に設けられたガス放出バルブ装置と、を含み、金属水素化物を充填し、かつ、外径を有する少なくとも１つの加圧ボトルと、
収容チャンバを画成しかつ第一端部及び第一端部に対向する第二端部を有する外側ケースと、
中心を有し、かつ、円柱状構造に構成される拡大可能金属胴であって、前記拡大可能金属胴は、収容チャンバを内部収納室と金属胴外側の外部収納室とに区画するため、外側ケースを通過し、前記内部収納室は加圧ボトルを金属胴内側に収納するためのものであり、前記加圧ボトルの外径よりわずかに小さな内径を有する金属胴と、
外側ケースに設けられ、前記ガス放出バルブ装置を開放位置に起動するため内部収納室に収容された加圧ボトルのガス放出バルブ装置へ接続する少なくとも１つの迅速接続部と、
外側ケースの第一端部と拡大可能金属胴間に設けられた第一封止部と、
第二端部と拡大可能金属胴間に設けられた第二封止部と、を含み、
前記加圧ボトルが前記内部収納室を通して挿入されると、前記金属胴が前記加圧ボトルに密接するように、前記加圧ボトルが前記金属胴を拡大させる力を及ぼすことを特徴とする供給装置。
【請求項２】
前記外側ケースの前記第一端部に固定された頂部プレートと、
外側ケースの第二端部に固定された底部プレートと、を含み、
少なくとも１つの迅速接続部が前記底部プレートに設けられ、第一封止部が前記頂部プレート、前記外側ケースの前記第一端部及び前記拡大可能金属胴の間に設けられ、かつ、第二封止部が前記底部プレート、前記外側ケースの前記第二端部及び前記拡大可能金属胴間に設けられることを特徴とする請求項１に記載の供給装置。
【請求項３】
前記外側ケースの前記第一端部及び前記第二端部が、同軸の第一円形開口及び第二円形開口にそれぞれ形成され、
前記頂部プレートが、前記第一円形開口が形成される個所に対応する位置に第一円形開口と略同軸の第三円形開口が形成され、かつ
前記拡大可能金属胴が第一円形開口、第二円形開口及び第三円形開口を通過することを特徴とする請求項１に記載の供給装置。
【請求項４】
前記拡大可能金属胴が前記金属胴に沿って長手方向に延び、かつ、前記金属胴と一体に形成された少なくとも１つの拡大可能リブをさらに有することを特徴とする請求項１に記載の供給装置。
【請求項５】
前記少なくとも１つの拡大可能リブが中心から離れるように半径方向に前記金属胴から突出しており、かつ一対の対称リブ表面を含んでいることを特徴とする請求項４に記載の供給装置。
【請求項６】
前記拡大可能金属胴が銅で作られていることを特徴とする請求項４に記載の供給装置。
【請求項７】
前記拡大可能金属胴がステンレス鋼で作られていることを特徴とする請求項４に記載の供給装置。
【請求項８】
前記迅速接続部が底部プレートに取付けられ、かつ、中心を有する保持リングと、
この保持リング及び前記加圧ボトルのポート端部に取外し可能に接続するロッキング装置と、
この保持リングの中心で前記底部プレートから前記内部収納室に向かって突出する強制ピンと、を含み、
少なくとも１つの前記加圧ボトルが前記内部収納室に入り、かつ、前記加圧ボトルの前記ポート端部が前記保持リングにロックされると、前記強制ピンが前記ガス放出バルブ装置に挿入され、前記ガス放出バルブ装置を起動して水素が放出されることを特徴とする請求項１に記載の供給装置。
【請求項９】
外部収納室が高温水を収容して水素源内の金属水素化物の吸熱反応を可能にし、一定圧力下で水素を効率的に放出することを特徴とする請求項１に記載の供給装置。
【請求項１０】
高温水が所定温度に前記加圧ボトルを維持し、５０から３００ポンド／平方インチの範囲内で前記加圧ボトルに水素を放出させることを特徴とする請求項９に記載の供給装置。
【請求項１１】
請求項１に記載の水素源とともに使用する供給装置のための強化熱伝導装置であって、
中心および内径を有し、かつ、円柱状の構成に合わせて構成される拡大可能金属胴であり、その内径が前記加圧ボトルの外径よりわずかに小さい金属胴と、
前記金属胴に沿って長手方向に延び、かつ、前記金属胴と一体に形成された少なくとも１つの拡大可能リブとを含み、
前記加圧ボトルが前記内部収納室を通して挿入されると、前記金属胴が前記加圧ボトルに密接するように、前記加圧ボトルが前記金属胴を拡大させる力を及ぼすことを特徴とする強化熱伝導装置。
【請求項１２】
前記少なくとも１つの拡大可能リブが中心から離れるように半径方向に前記金属胴から突出しており、かつ、一対の対称リブ表面を含んでいることを特徴とする請求項１１に記載の強化熱伝導装置。
【請求項１３】
前記拡大可能金属胴が銅で作られていることを特徴とする請求項１１に記載の強化熱伝導装置。
【請求項１４】
前記拡大可能金属胴がステンレス鋼で作られていることを特徴とする請求項１１に記載の強化熱伝導装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の水素源の供給装置に関し、特に、その水素源の供給装置用の強化熱伝導装置および当該強化熱伝導装置を有する水素源の供給装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
文明の急速な進歩とともに、石炭、石油および天然ガスなどの既存エネルギー資源の消費が急速に増大している。これは全世界の環境に深刻な汚染をもたらし、かつ、地球温暖化および酸性雨などの様々な環境上の問題を引き起こしている。今日では、存在する天然エネルギー資源は枯渇することが認識されている。従って、エネルギーの消費が現在のまま続くと、すべての既存天然エネルギー資源は近い将来使い果たされることになる。従って、多くの先進国は新規代替エネルギー資源の研究開発に専念している。燃料電池は、最も重要かつ合理的なエネルギー資源の１つである。既存内燃機関と比較して、燃料電池は高いエネルギー変換効率、クリーンな排気、低騒音および既存ガソリンを消費しないなどの多くの利点を有する。
【０００３】
簡単にいえば、燃料電池は水素および酸素の電気化学的反応によりエネルギーを供給する電力発生装置である。基本的には、水分解の逆反応であり、化学的エネルギーが電気的エネルギーに変換される。燃料電池の基本的構造としては、プロトン交換膜燃料電池は複数の電池ユニットを有する。各電池ユニットには、中間にプロトン交換膜（ＰＥＭ）がその両側面に触媒層が設けられた状態で含まれ、２つの触媒の外側の各々にガス拡散層（ＧＤＬ）が設けられる。さらに陽極プレートおよび陰極プレートがＧＤＬに隣接して最外側に設けられる。すべての上記素子をひとつに組合せて、電池ユニットが形成される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
燃料電池の実用化に対しては、十分な電気量を発生するため、電気化学的反応が継続されるように酸素および水素が燃料電池に連続的に供給されなければならない。酸素は通例、大気中の空気から供給されるが、燃料電池への水素の供給は特別な供給装置を使用しなければならない。
【０００５】
公知の水素貯蔵方法のひとつは、加圧された低温の水素を加圧水素ボトルの中に貯蔵することであり、その中で水素は放出に先だって必要動作状態に回復される。
【０００６】
公知の水素貯蔵の別の方法は、いわゆる金属水素化物を使用することである。金属水素化物は、水素放出のプロセスの吸熱反応が可能な温度に対応する圧力で水素を放出する。金属水素化物に貯蔵された水素が完全に放出されると、純粋な水素が金属水素化物に再充填される。水素充填のプロセスは発熱反応であるから、金属水素化物が遭遇する温度は金属水素化物から放出される水素の圧力に正比例する。このような比例関係は、異なる供給装置によって供給された金属水素化物で異なっていてもよい。
【０００７】
十分な熱エネルギーを吸収する際にのみ金属水素化物は水素を放出するため、不均一な熱移動は、金属水素化物に貯蔵された水素の不十分な放出につながる。
【０００８】
水素の高燃焼特性により、特定容器に水素を予め貯蔵し、ならびに必要に応じて上記電気化学的反応を実行するための水素を放出する容易かつ便利な方法が必要である。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の主要目的は、水素源を十分加熱するため熱源から水素源への熱移動速度を向上させて水素源の金属水素化物の徹底的な吸熱反応を可能にして、その結果、一定圧力で水素を効率的に放出するように水素源と強化熱伝導装置間を密接に接触させる強化熱伝導装置を有し、燃料電池とともに使用する供給装置を提供することである。
【００１０】
本発明の重要な技術的内容は、内径を有する細長い円筒形円柱状の金属胴と、金属胴の長さ方向に沿って長手方向に延びかつ金属胴と一体に形成された少なくとも１つの拡大可能リブとを備えることである。加圧ボトルの外径は金属胴の内径よりわずかに大きいため、加圧ボトルが金属胴を通して挿入されると、加圧ボトルがリブを強制的に拡大させ、金属胴と加圧ボトル間を密接させ、その結果、均一に加熱された状態で加熱されている間金属水素化物がその中に貯蔵された水素を滑らかに放出する。本発明はこのような強化熱伝導装置を有する水素源の供給装置をさらに開示する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の構造および特性は添付図面および好ましい実施の形態の説明を参照することにより実現される。
【００１２】
図１ａは本発明の強化熱伝導装置１０の斜視図であり、図２ａは強化熱伝導装置１０を示す端面図である。強化熱伝導装置１０は、細長い円筒形金属胴１２と、中心を有する金属胴１２の長さ方向に沿って長手方向に延び、かつ金属胴１２と一体に形成された複数の拡大可能リブ１４とを有する。図１ａに示すように、各リブ１４が中心から離れるように半径方向に金属胴１２の外面から突出ており、かつ一対の対称リブ表面１４２，１４４を含んでいる。
【００１３】
図１ｂおよび図２ｂは、対になった各リブ１４のリブ表面１４２，１４４を示す斜視図および端面図であり、その各々が強化熱伝導装置の内径が外側への力を受けている間分離され、かつ、拡大されるように力を及ぼす。強化熱伝導装置１０は、銅またはステンレス鋼製であることが好ましく、或いはまた、装置１０は他の金属性材料または伸張性および熱伝導性を有する複合材料製であってもよい。
【００１４】
図３は本発明の強化熱伝導装置１０を使用した水素源供給装置２０を示す概略断面図であり、図４は水素源供給装置２０の外観を説明する斜視図である。図３および図４に示すように、水素源供給装置２０は金属水素化物を充填した加圧ボトル２２、外側ケース２４、頂部プレート２６、拡大可能金属胴１２，底部プレート２７、迅速結合装置２８、第一封止部２９および第二封止部３０とを有する。
【００１５】
加圧ボトル２２は外径Ｄ１、底端部２２１、ポート端部２２２，およびポート端部２２２に設けられたガス放出バルブ装置２２４を有する。外側ケース２４は収容チャンバを形成し、かつ、第一端部２４２および第一端部２４２に対向する第二端部２４４を有する。第一端部２４２及び第二端部２４４には互いにほぼ一致する第一円形開口２４６および第二円形開口２４８がそれぞれ形成される。
【００１６】
頂部プレート２６は外側ケース２４の第一端部２４２に取付けられ、かつ第一円形開口２４６にほぼ一致する第三円形開口２６２により第一円形開口２４６が形成される場所に対応する位置に形成される。
【００１７】
金属胴１２は内径Ｄ２を有する（図２ａを参照）。内径Ｄ２は加圧ボトル２２の外径Ｄ１よりわずかに小さい。金属胴１２は、収容チャンバを金属胴１２の内側の内部収納室１６、および金属胴１２の外側の外部収納室１８に区画するため、第一円形開口２４６、第二円形開口２４８、第三円形開口２６２を通過する。内部収納室１６および外部収納室１８は加圧ボトル２２および高温水をそれぞれ収容するためのものである。
【００１８】
底部プレート２７は外側ケース２４の第二端部２４４に取付けられる。ガス放出バルブ装置２２４を起動するように、内部収納室１６に収容された加圧ボトル２２のガス放出バルブ装置２２４に接続するため、迅速接続部としての迅速結合装置２８が底部プレート２７に設けられる。
【００１９】
第一封止部２９が頂部プレート２６、外側ケース２４の第一端部２４２、および金属胴１２の間に設けられ、第二封止部３０が底部プレート２７、外側ケース２４の第二端部２４４、および金属胴１２の間に設けられて、外部収納室１８内の高温水の漏出が防止される。
【００２０】
水素源供給装置２０を使用する間、加圧ボトル２２の外径Ｄ１は金属胴１２の内径Ｄ２よりわずかに大きいため、内部収納室１６を通して加圧ボトル２２を挿入すると金属胴１２が加圧ボトル２２に密接するように金属胴１２が拡大する。
【００２１】
より大きな直径を有する加圧ボトル２２を金属胴１２へ容易に挿入するため、加圧ボトル２２のポート端部２２２の外径を先細に形成してもよい。
【００２２】
図５は迅速結合装置２８の断面図であり、図６は迅速結合装置２８の分解斜視図である。迅速結合装置２８は、底部プレート２７に取付けられた保持リング２８２と保持リング２８２の中心で底部プレート２７から内部収納室１６に向かって垂直に突出する強制ピン２８４と、が含まれる。保持リング２８２には底部プレート２７に向かって傾斜するスリット２８６が形成される。スリット２８６は加圧ボトル２２のポート端部に設けられた（図６に示すロッドなどの）ロッキング装置２２７を収容するためのものである。図５に示すように、加圧ボトル２２が内部収納室１６に入り、かつ保持リング２８２にロックされるように加圧ボトル２２のロッキング装置２２７をかけてスリット２８６に沿って移動させることにより、加圧ボトル２２が底部プレート２７に向かって回転されると、強制ピン２８４がガス放出バルブ装置２２４に挿入され、ガス放出バルブ装置２２４を起動してガスを放出する。
【００２３】
迅速結合装置２８の強制ピン２８４が加圧ボトル２２を起動させる方法が、図７ａおよび７ｂに最も良好に図示されている。図７ａに示すように、加圧ボトル２２が迅速結合装置２８の保持リング２８２に接続されようとするときに、ガス放出バルブ装置２２４のバルブ装置ピン２２５周りに配置された圧縮ばね２２６が加圧ボトル２２内のガス圧によってその拡大状態で維持され、ガス放出バルブ装置２２４を負圧状態にすることによってガス放出バルブ装置２２４がガスを漏出させるのを防止する。加圧ボトル２２が内部収納室１６に入り、かつ迅速結合装置２８の保持リング２８２にロックされると、図７ｂに示すように、バルブ装置ピン２２５が迅速結合装置２８の強制ピン２８４によって圧縮されて、圧縮ばね２２６の弾性に打ち勝って、バルブ装置ピン２２５を後方へ引っ込めさせることによりガス放出バルブ装置２２４を起動して所定の圧力下の加圧ボトル２２内のガスを放出する。
【００２４】
加圧ボトル２２を内部収納室１６に入れた後、外部収納室１８の高温水が内部収納室１６を包囲して加圧ボトル２２を加熱することになり、その結果、一定圧力でガス放出バルブ装置２２４からの水素を放出するため加圧ボトル２２の金属水素化物の吸熱反応が可能になる。
【００２５】
高温水が、外側ケース２４の底端部に配置された水タンク（図示せず）に接続された水流入ポート２３を通って外部収納室１８に入り、そして外部収納室１８の頂部に配置された水流出ポート２５を通って外部収納室１８から出て、外部収納室１８周りに流出することにより、高温水の熱エネルギーが加圧ボトルへ効率的に伝導される。
【００２６】
先に述べたように、金属水素化物からの水素の放出のプロセスは吸熱反応である。それ故、高温水の熱エネルギーは吸熱反応のため、必要な目的を適切に果たすので、加圧ボトル２２の金属水素化物が選択された温度でかつ対応圧力で水素を放出する。
【００２７】
水素源とともに使用する供給装置では、熱源としての循環高温水が使用されるため、供給装置が、水素放出のために、加圧ボトルの金属水素化物を連続的に加熱することができる。さらに、高温水および本発明の加圧ボトルが強化熱伝導装置のみによって分離され、かつ、加圧ボトルが強化熱伝導装置に密接しているため、熱源と水素源間の熱伝導性が効率的に向上する。
【００２８】
実際の動作のもとで、水素が５０から３００ポンド／平方インチの圧力範囲で供給される場合に燃料電池として最も効果的であることが分かっている。従って、電子式制御回路、温度センサ、または加熱装置を制御する他の一般的な手段を備えて、加圧ボトルに充填した金属水素化物の特別な特性に従って好ましい圧力範囲に対応する温度に加圧ボトルを維持してもよい。金属水素化物に貯蔵された水素が完全に排出されると、加圧ボトル２２が内部収納室１６から急速に取外され、純粋な水素が金属水素化物に再び充填され、これが安全かつ軽い水素源として再び役割を果たすことになる。
【００２９】
本発明は従来の技術を突破する新規な創作に関するものである。ただし，上述の説明が本発明による好ましい実施形態を対象にしている。各種変化および手段が本発明の技術的概念から逸脱することなく、当業者により行われ得る。本発明は、好ましい実施の形態と関連して説明した特定の詳細事項に制限されないため、本発明の全基本的機能を変えることのない、好ましい実施形態のある一定の特徴に対する変化が特許請求の範囲の範囲内で考察される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施の形態にかかる強化熱伝導装置の説明図を示し、図１ａはその斜視図、図１ｂは拡大時の斜視図である。
【図２】  強化熱伝導装置の端面図を示し、図２ａは、図１ａに対応する強化熱伝導装置の端面図、図２ｂは、図１ｂに対応する強化熱伝導装置の端面図である。
【図３】  本発明の実施の形態にかかる強化熱伝導装置を使用した水素源供給装置を示す概略断面図である。
【図４】  本発明の水素源供給装置の外観を説明する斜視図である。
【図５】  迅速結合装置の断面図である。
【図６】  迅速結合装置の分解斜視図である。
【図７】  ガス放出バルブ装置部分の説明図を示し、図７ａは、加圧ボトルが迅速結合装置から外される場合の状態を示す断面概略図、図７ｂは、加圧ボトルが迅速結合装置に接続される場合の状態を示す断面概略図である。
【符号の説明】
Ｄ１  外径
Ｄ２  内径
１０  強化熱伝導装置
１２  金属胴
１４  拡大可能リブ
２０  水素源供給装置
２２  加圧ボトル
２３  水流入ポート
２４  外側ケース
２５  水流出ポート
２６  頂部プレート
２７  底部プレート
２８  迅速結合装置
２９  第一封止部
３０  第二封止部
１４２，１４４  リブ表面
２２１  底端部
２２２  ポート端部
２２４  ガス放出バルブ装置
２２５  バルブ装置ピン
２２６  圧縮ばね
２２７  ロッキング装置
２４２  第一端部
２４４  第二端部
２４６  第一円形開口
２４８  第二円形開口
２８４  強制ピン
２８６  スリット
【図１】
0003637335.tif 000002
【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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