(57)【要約】本発明は、燃料電池の効率を改善するシステム及び方法に関する。貯蔵システムは、外部シェルと、外部シェルの内部に位置された少なくとも１つの気嚢を含む。主室が外部シェルと気嚢との間に画成され、また、副室が気嚢の内部に画成される。
2009544917.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部シェル、
外部シェルの内部に位置された気嚢、
を包含し、外部シェル及び気嚢が主室を画成し、前記気嚢が気嚢内に副室を画成する、貯蔵システム。
【請求項２】
主室が第１の圧力範囲を維持し、副室が第２の圧力範囲を維持し、第２の圧力範囲が第１の圧力範囲よりも高いかこれに等しい、請求項１記載の貯蔵システム。
【請求項３】
主室、副室あるいはそれらの組み合わせの内に位置された複数の支持体をさらに包含する、請求項２記載の貯蔵システム。
【請求項４】
第１の流体を主室内へ及び第２の流体を副室内へ配分する流れ制御組立体をさらに包含し、第１の流体及び第２の流体が同じ成分あるいは異なる成分を有する、請求項１記載の貯蔵システム。
【請求項５】
流れ制御組立体が、前記室の各々に流体的に連通する少なくとも１つの弁を含む、請求項４記載の貯蔵システム。
【請求項６】
前記流れ制御組立体に接続されたコントローラをさらに包含し、前記コントローラがユーザー入力を受け取って、前記室への流体の充填及び引抜きを容易にさせる、請求項４記載の貯蔵システム。
【請求項７】
前記流れ制御組立体に接続され、前記室への流体の充填及び引抜きを容易にするために前記コントローラで受け取られるセンサ入力を発生する少なくとも１つのセンサをさらに包含する、請求項６記載の貯蔵システム。
【請求項８】
外部シェル、
外部シェルの内部に位置された複数の気嚢、
を包含し、外部シェル及び最外側の気嚢がそれらの間に主室を画成し、各気嚢が、対応する副室を画成する内部を有する、貯蔵システム。
【請求項９】
主室が基準圧力を有し、各副室が、基準圧力とは異なる圧力を有する、請求項８記載の貯蔵システム。
【請求項１０】
複数の圧力が複数の副室に組み合わされ、各圧力が副室に対応し、室の圧力が、最外側の室から最内側の室へ増大する、請求項８記載の貯蔵システム。
【請求項１１】
少なくとも１つの気嚢が外部シェル内に複数の室を生成するように、少なくとも１つの気嚢を外部シェル内に位置させ、
複数の室のうちの少なくとも１つの室を基準圧力に加圧し、
他の複数の室のうちの少なくとも１つの室を基準圧力よりも高い高圧力へ加圧する、
流体を貯蔵する方法。
【請求項１２】
少なくとも１つの支持体を外部シェル内に位置させることをさらに包含する、請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
複数の室のうちの少なくとも１つの室の圧力を感知し、この感知で、複数の室のうちの少なくとも１つの室における基準圧力あるいは高圧力への加圧を制御するのを容易にすることをさらに包含する、請求項１１記載の方法。
【請求項１４】
複数の室への流体の流れを制御し、この流れで、複数の室のうちの少なくとも１つの室における基準圧力あるいは高圧力への加圧を制御するのを容易にすることをさらに包含する、請求項１１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池に関する。より詳細には、本発明は、改善された反応物貯蔵率を備えた燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
環境問題が社会の最重要部となり、連邦の規定は、従前よりも環境にやさしい自動車の生成を要求している。これらの規定を厳守する努力をする際に、自動車製造業者は、よりきれいな燃料を使用する代替燃料車両に向かっている。特に、近年、自動車製造業者は、従来のガソリン動力車両の代りとして、水素動力車両に目を向けている。しかしながら、水素動力車両は、商業的に実現可能となる以前に、あらゆる新技術で、挑戦することが沢山ある。主要な事柄は、燃料電池の効率である。
【０００３】
例えば、ガソリン動力車両の一世紀は、給油のための停車の間で少なくとも３００マイル（４８０キロメートル）を走行する乗用車及び小型トラックに帰着した。水素は、同様の容量で、ガソリンの貯蔵エネルギー密度効率を欠いているので、水素動力車両で基準目標を満たすことは困難である。１キログラムの水素は、１ガロン（３.７８リットル）の無鉛レギュラーガソリンのエネルギーに相当し、事実、水素搭載車両を成し遂げるための新しい解決策を探索することを自動車メーカーに強いている。従って、車両が顧客の期待を満たすに十分な距離を走行できるようにするために、自動車製造業者は、より小さなタンク内に大量の水素を圧縮しようと努力している。十分に高い圧力の水素なしでは、水素動力車両は、水素動力車両を市場で現実させるような効率を得ることができない。この効率を既存のタンクで達成することを試みているが、高圧力がこれらのタンクを破裂させ得るので、そのような試みは安全ではない。従って、関与した重要な挑戦のため、ごく僅かな効率の増加でさえ貴重な寄与となる。
【０００４】
水素貯蔵タンクにおける最近の進歩は、幾つかの層を含む外部シェルを備えた精巧なタンクを生み出した。これらの貯蔵タンクは、従来の鋼製タンクよりも高い圧力を可能にするが、これらのタンクは高価である。さらに、これらのタンクは円筒形状にしなければならず、車両の構造の窮屈で非円筒形状の領域に形作ることができない。
【０００５】
従って、高圧の水素を安全に貯蔵でき、現在及び将来の水素貯蔵タンクで互換性をもつ水素タンクが要望されている。このような水素タンクは、燃料電池に基づいたあらゆる再生動力システムのための技術を可能にする。また、このようなタンクは、酸化剤を貯蔵するのにも役立つ。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前述に照らし、燃料電池ガスのための改良した貯蔵システムを提供することが、本発明の第１の様相である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
外部シェルと、外部シェルの内部に位置された気嚢を含む貯蔵システムを提供することが、本発明の他の様相である。外部シェル及び気嚢は主室を画成し、気嚢は、気嚢内に存在する副室を画成する。
【０００８】
外部シェルと、外部シェルの内部に位置された複数の気嚢を含む貯蔵システムを提供することが、本発明のさらに他の様相である。外部シェル及び最外側の気嚢はそれらの間に主室を画成し、各気嚢は、対応する副室を画成する内部を有する。
【０００９】
流体を貯蔵する方法を提供することが、本発明の更なる他の様相である。この方法は、気嚢が外部シェル内に複数の室を生成するように、少なくとも１つの気嚢を外部シェル内に位置させ、複数の室のうちの１つの室を基準圧力に加圧し、他の複数の室のうちの１つの室を基準圧力よりも高い高圧力へ加圧する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の貯蔵システムの正面断面図である。
【図２】図１の線２-２に沿った貯蔵システムの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の目的、技術及び構造について完全に理解するために、以下の詳細説明及び添付図面が参照される。
【００１２】
図１に示されるように、本概念の貯蔵システムは、総括的に符号１０で指定されている。貯蔵システムは、全体的に、外部シェル５０、外部シェル５０の内部に位置された複数の気嚢１００、各々が１つ以上の気嚢１００に隣接して位置された複数の支持体１５０、及び、外部シェル５０を横切り、外部シェル５０及び複数の同心の気嚢１００の内あるいは外へ流体を配分する流れ制御組立体２００を含む。
【００１３】
この明細書において使用されるように、用語「流体」は、容器の輪郭に従って流れる傾向のあるガス、液体又は無定形物質、あるいはこれら要素の混合物を含む。用語「流体」は真空も含んでいてよい。様々な実施例では、用語「流体」は、燃料源である流体を含んでいてよい。特定の実施例では、用語「流体」は、水素、メタン、天然ガス、酸素、液化天然ガス又はこれらの混合物を含んでいてよい。
【００１４】
この明細書において使用されるように、用語「同心」は、気嚢に関連する隣接した壁が一方が他方の中にあることを単に指している。様々な実施例では、「同心」は共通の中心軸を有する壁を含んでいるが、他の実施例はそのように制限されてはいない。
【００１５】
典型的には、外部シェル及び最外側の気嚢は同心で、主室がそれらの間に画定されている。この主室は、基礎圧力Ｐ０の流体を収容する。また、複数の気嚢は同心であり、一連の副室が複数の隣接した気嚢の間に画成され、各副室は２つの隣接した気嚢の間に画成される。各気嚢は、比較的高い圧力流体、気嚢のすぐ外側の圧力に対して高い圧力を保持し得る。各気嚢は、比較的高い内部圧力と比較的低い外部圧力との圧力差に関連した応力に耐えることができる。従って、貯蔵システムの応力は絶対圧力ではなく圧力差に基づくので、同心の気嚢の使用は既存の貯蔵タンクの貯蔵率を増加させることができる。言い換えれば、圧力差は、同じ大きさの単一の外部シェルで可能となるよりも大量の流体を貯蔵システムが保持できるようにしている。
【００１６】
貯蔵システムの外部シェル５０は、内面５２及び外面５４を含んでおり、それらの間で厚さを画定する。外部シェル５０の内面５２は、主室５６の外側領域を画定する。外部シェル５０は様々な形状をなし、一般に、圧力のある流体を貯蔵できるすべての形状を含んでいてよい。様々な実施例では、外部シェル５０は円筒状に作られる。他の実施例では、外部シェルは、車両の構造体の窮屈な非円筒形状の領域内へ嵌まるように設計され得る。
【００１７】
内面５２及び外面５４は、平行あるいは略平行に延び、流れ制御組立体２００の近傍の領域５８で相接する。内面５２は、全体的に、主室５６の外側境界を画定する滑らかな連続面である。外面５４は、証印、あるいは浮出し印刷、塗布、モールド成形、張り付け、押印又はそのほかに現れる他の要素を含んでいてよいが、外面５４は、全体的に滑らかな連続面で、外部シェル５０の外形を画定する。
【００１８】
外部シェル５０は、１つ以上の層を含んでいてよい。例えば、特定の実施例では、外部シェル５０は、金属、合金、発泡プラスチック、炭素複合体、ポリマー又は他の剛性材料の単層で構成されていてよく、単層は、構造タンクに巻装したフィラメントであってよい。単層の外部シェルで使用され得る材料の例は、鋼、鉄、アルミニウム、ステンレス鋼、炭素複合体、ポリマーマトリクス複合体、ポリマーライナー、ナイロン、発泡プラスチック又はその他の材料、あるいはこれら材料の混合物を含む。様々な他の実施例では、外部シェルは、前記層及び／又は当業分野で周知の材料の任意の混合物を含むが、これには限定されない１つ以上の層で構成されていてよい。
【００１９】
１つ以上の気嚢１００が、外部シェル５０の内部で同心的に位置されていてよい。アルファベットの添え字が、特定の気嚢を識別するために使用される。例えば、気嚢１００ａはシェル５０内に収容され、気嚢１００ｂは気嚢１００ａ内に収容される。２つの気嚢が図示されているが、１つの気嚢あるいは２つ以上の気嚢をシェル内で利用することができる。各気嚢１００は、内面１０２及び外面１０４を有する壁を含んでおり、それら面の間で厚さを画定する。各気嚢１００は流体を保持し、この流体は、気嚢１００の内面１０２に圧力を働かせる。様々な実施例では、各気嚢１００は、約１００ｐｓｉ（６８９.４キロパスカル）の周囲圧力から約５００ｐｓｉ（３４４７キロパスカル）まで異なる内部圧力を保持することができる。言い換えれば、各気嚢は、約１００ｐｓｉから約５００ｐｓｉまでの圧力差に耐え得る。特定の実施例では、各気嚢は、約１００〜５００ｐｓｉｇの周囲圧力よりも高い内部圧力を保持し得る。
【００２０】
各同心の気嚢１００の内面１０２及び外面１０４は、互いに平行あるいは略平行に延びる。内面１０２は、全体的に滑らかな連続面である。同様に、外面１０４は、全体的に滑らかな連続面である。内面１０２及び外面１０４は、流れ制御組立体２００の近傍の領域１０６で、あるいは各同心の気嚢１００に流体が入る他の領域で連結する。理想的には、各気嚢は同じ材料で作られるが、異なる材料から気嚢を作ることができる。
【００２１】
各気嚢１００は、１つ以上の層を含んでいてよい。様々な実施例では、各気嚢１００は、単一の撓み可能な薄い層だけを含む。各同心の気嚢は、適切な圧力差で所望の流体を貯蔵するために必要とされる厚さを有していてよい。あるいは、各気嚢１００は様々な材料で作られていてよい。様々な実施例では、各気嚢１００は、貯蔵システムの効率を最大限にするために選択された軽量の材料で形成されていてよい。貯蔵システムの効率は、
効率 ＝ ＦWeightFluid ／（ＦWeightFluid ＋ ＦWeightTank）        （１）
で決定される。言い換えれば、効率は、外部シェルとも称するタンク内の流体の重量とタンク自体の重量との合計から分けられる、タンク内の流体の重量に比例する。効果において、システム内に貯蔵されている流体の重量がタンクの総重量（流体と気嚢を含む）よりも速く増加すれば、貯蔵システムの効率は高まる。このため、気嚢１００が増加した圧力で流体を貯蔵でき、且つ流体の重量の増加が気嚢自体の重量よりも大きければ、気嚢は効率の増進を提供することになる。
【００２２】
様々な実施例では、気嚢１００は、非常に高い強度を備えたナイロンで形成されていてよい。特定の実施例では、同心の気嚢１００は、Ｚｙｌｏｎ（登録商標）で形成される。同心の気嚢１００に使用され得る他の材料は、炭素系のシステムを含むポリマーマトリクス複合体、あるいはそれらの混合物から成っていてよいが、これに制限されるものではない。
【００２３】
各気嚢１００は様々な形状を有していてよい。気嚢は撓み可能であるので、各気嚢の形状は、その内部圧力が変化するにつれて変化する。典型的な実施例では、各気嚢の形状は、概して外部シェルの形状に一致する。様々な実施例では、各気嚢１００は外部シェル５０に対して同心である。様々な実施例では、各気嚢１００は円筒状に形作られる。前述の形状は典型的であるが、一般に、各気嚢は、圧力流体を気嚢が貯蔵できるようにするあらゆる形状を有していてよい。
【００２４】
一連の室は、外部シェル５０の内部のまわりに配置される。主室５６及び少なくとも１つの副室１１０が存在していてよい。主室５６は、外部シェルの内面５２と最外側の気嚢の外面との間に延在する。主室５６の第１の流体は、外部シェルの内面５２に対し、及び最外側の気嚢の外面に対して第１の圧力Ｐ０を働かせる。主室５６は、典型的には、副室１１０及びシステムの外部環境から密封され及び／又は区別される。従って、主室５６は、他の室の圧力とは異なる圧力の流体を収容する。
【００２５】
本概念は、複数の気嚢を含んでいて、各気嚢１００が対応する副室１１０を有する。各副室１１０は、外側の気嚢の内面と隣接する内側の気嚢の外面との間に存在する。アルファベットの添え字が、特定の室を識別するために使用される。例えば、副室１１０ａは気嚢１００ａに対応する。副室１１０ｂは気嚢１００ｂに対応する。
【００２６】
各副室１１０は、典型的には、主室５６及び他の副室から密封され区別される。このように、各副室１１０は他の室から隔離され、また、各副室１１０は、他の室とは異なる別個の圧力を有する流体を収容することができる。
【００２７】
各副室１１０の流体は圧力を働かせる。様々な実施例では、各副室１１０の流体は、同じ流体を含み、主室５６と同じ流体であってよい。他の様々な実施例では、１つの副室の流体は他の副室の流体と異なっていてよく、及び／又は主室の流体と異なっていてよい。言い換えれば、各室が同じ流体を貯蔵してもよいし、各室が異なる流体を貯蔵してもよい。
【００２８】
１つ又は複数の支持体１５０が外部シェル内に配置され、各支持体１５０は１つ以上の気嚢１００に隣接して位置されてよい。１つ以上の支持体１５０は主室５６内に配置されてよい。適切に寸法付けられた１つ以上の支持体１５０は、各副室１１０のまわりに配置されてもよい。様々な実施例では、支持体１５０は共通の軸線のまわりで整合される。
【００２９】
支持体１５０は、より高い安定性を提供し、気嚢１００が隣接した室間でのより高い圧力歪みに耐えることを可能にする。支持体は、イソポリ、ｐ−フェニレンベンゾビスオキサゾール（ＰＢＯ）又は他の炭素系重合体複合体のような高強度重合体繊維様の反応体適合性重合体物質で形成される。ＰＢＯは、日本では東洋紡で製造され、登録商標「Ｚｙｌｏｎ」で販売されている。
【００３０】
様々な実施例では、各支持体１５０は様々な形状を有していてよい。例えば、特定の実施例では、支持体１５０はリング形に作られる。支持体は、隣接した室に一致するように適応される他の形状であってよい。
【００３１】
様々な実施例では、支持体１５０は、膨張可能であってよい。言い換えれば、支持体１５０は、流体で満たされた中空構造であってよい。中空構造を用いることによって、支持体は、軽量となり、貯蔵システムの効率をさらに改善し得る。
【００３２】
前述したように、各室は、他の室の圧力とは異なる圧力を有していてよい。例えば、図２に示されるように、各室は対応する圧力Ｐ０，Ｐ１及びＰ２を有する。主室は、外部圧力よりも高い圧力Ｐ０を有する。次の室は、圧力Ｐ０よりも高い圧力Ｐ１を有する。次の室は、Ｐ０とＰ１の両方よりも高い圧力Ｐ２を有する。要するに、Ｐ２>Ｐ１>Ｐ０。複数の気嚢（各々が圧力差を維持する）のを使用することによって、システムは、増加した大量の流体を貯蔵することができる。
【００３３】
再び図１に関し、流れ制御組立体２００は、各室に異なる圧力が存在し得るように、様々な室へ流体を入れたり引き抜いたりするための装置を提供する。流れ制御組立体２００は一連の弁２０１を含み、各弁２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃなどはそれぞれの室に対応する。
【００３４】
システム１０を使用する際に、外部シェル５０内に少なくとも１つの気嚢１００を位置させることは、気嚢１００が外部シェル５０内に複数の室を生成し、少なくとも第１の室を基準圧力に加圧し、そして第２の室を基準圧力よりも高い高圧力へ加圧できる点で有益であることが分かる。また、外部シェル内に少なくとも１つの支持体１５０を位置させることは、各支持体１５０が大抵の場合に気嚢１００に直接隣接する点でも有益である。
【００３５】
様々な実施例では、システム１０は、複数の室のうちの少なくとも１つの圧力を感知するセンサ２０２，２０４及び２０６を含んでいてよい。そして、システム１０は、この感知した圧力を利用して、第１の室の基準圧力への加圧を制御したり、第２の室の高圧力への加圧を制御したり、あるいはそれらの組み合わせを制御することができる。様々な実施例では、少なくとも１つのセンサは、各室内に、及び／又は各弁２０１と一緒に、存在していてよい。他の実施例では、少なくとも１つのセンサは、流れ制御組立体２００の一部分内に存在していて、各センサが各室に対応していてよい。例えば、図１では、センサ２０２，２０４及び２０６は、最外側の室、中央の室及び最内側の室にそれぞれ対応する。
【００３６】
センサの広いスペクトルは、圧力を測定するために利用されてよい。これらのセンサのうちの幾つかは、燃料圧計、ディジタル燃料圧計、油圧計、水圧計、空気圧計、ディジタル空気圧計、真空圧計、液圧計、液体充填圧力計、差圧計、絶対圧力計、ディジタル圧力計及び低圧力計を含んでいてよいが、これらに制限されるものではない。このような圧力センサは、温度のような他の変数を監視することによって圧力を間接的に測定することができる。圧力センサは、指示された圧力の電気出力を提供するように形成されていてよい。
【００３７】
他の様々な実施例では、システム１０は、複数の室への流体の流れを制御するためにマイクロプロセッサを含んでいてよい。これらの実施例では、マイクロコントローラ２０８は、流れ制御組立体２００及び組み合わされるポンプ（あるいは流体の流れを制御する他の装置）に接続されていて、第１の室を第１の圧力に加圧し、また第２の圧力を高圧力へ加圧するために、様々な室への流体流れの時間及び速さを制御する。これらの実施例では、圧力センサは、存在していてもいなくてもよい。
【００３８】
システム１０は、また、アクセス及び／又は様々な圧力の制御を提供するユーザーインタフェース又は他のインターフェースを含んでいてよい。様々な実施例では、このユーザーインタフェースは、自動車に一体化されるか、あるいはネットワーク上で監視されてよい。マイクロコントローラ２０８は、流れ制御組立体２００に組み合わされるすべての弁、ポンプあるいは関連する機構を制御するために必要なハードウェア、ソフトウェア及びメモリを備えている。実際に、貯蔵システム１０の使用を促進するために、コントローラは、様々なセンサ２０２，２０４，２０６から入力を受け取っていてよい。
【００３９】
単なる例として、システム１０は、外部シェルが２つの同心の気嚢を収蔵し、各気嚢が気嚢の外部の周囲圧力よりも高い１０００ＰＳＩ（６８９４キロパスカル）である内部圧力を保持できる実施例を含んでいてよい。このような実施例において、外部シェルが５０００ＰＳＩ（３４４７０キロパスカル）の基準圧力を保持することができる場合、最外側の気嚢では６０００ＰＳＩ（４１３６４キロパスカル）の圧力を保持し、最内側の気嚢中では７０００ＰＳＩ（４８２５８キロパスカル）の圧力を保持することが可能である。
【００４０】
従って、燃料電池のための改良された貯蔵システムに関するシステム及び方法は、当業分野に有益に寄与していることが明白である。このようなシステム及び方法は、高圧の水素を安全に貯蔵することができ、現在及び将来の水素貯蔵タンクで互換性をもっている。このような水素タンクは、燃料電池に基づいたあらゆる再生動力システムのための技術を可能にし、酸化剤の保存にも適用することができる。
【００４１】
当業者には明白のように、本発明の精神から逸脱することなしに上述した実施例に修正をなすことができ、本発明の範囲は特許請求の範囲によってのみ限定されている。
【図１】
2009544917.tif 000003
【図２】
2009544917.tif 000004
【国際調査報告】
2009544917.tif 000005
2009544917.tif 000006
2009544917.tif 000007