(57)【要約】貯蔵媒体の圧力、組成、温度（ＰＣＴ）関係（３５０）を使用する水素燃料電池の水素貯蔵容器（３００）内の水素量を測定する装置及び方法が開示された。水素量を測定する方法（３６０）は、水素貯蔵容器（３００）の１つ以上の地点における水素貯蔵媒体の温度測定工程（３１０）と、水素貯蔵容器壁の１つ以上の地点における機械的歪み測定工程（３２０）と、歪み測定に基づく容器内部の圧力計算工程（３３０）と、ＰＣＴグラフ／動作曲線（３５０）を使用する照合表（３４０）、又は測定圧力における特定濃度の放出ＰＣＴ曲線を表すファントホッフパラメータを使用する方程式を参照する工程とからなる。水素化物組成の特性である水素の吸着−脱着中の温度及び圧力の変化は、水素と金属の濃度比率として、水素と金属水素化物の濃度比率を測定するために使用される。
2005500534.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
既知量の水素貯蔵媒体を収容している水素貯蔵容器内の水素量を判定する方法であって、
前記水素貯蔵容器上の１つ以上の地点で温度を測定し、前記水素貯蔵容器内の平均温度を計算する工程と、
前記水素貯蔵容器上の１つ以上の地点で機械的な歪みを測定し、測定した前記歪みに基づいて前記水素貯蔵容器内部の圧力を計算する工程と、
前記計算した平均温度に基づき、圧力、組成、温度（ＰＣＴ）曲線の群から前記水素貯蔵媒体に対するＰＣＴ動作曲線を選択する工程と、
前記選択したＰＣＴ動作曲線上で前記水素貯蔵容器内部の前記計算した圧力における動作点を選択する工程と、
前記選択した動作点に対応する前記選択したＰＣＴ動作曲線から横座標の水素と金属との比率を照合する工程と、
前記照合した水素と金属との比率に、水素貯蔵媒体の前記量を乗算することによって、前記水素貯蔵容器内の水素量を計算する工程とからなる水素貯蔵容器内の水素量を判定する方法。
【請求項２】
前記使用されるＰＣＴ曲線は、前記水素貯蔵媒体の吸蔵特性に関する吸着曲線である請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記使用されるＰＣＴ曲線は、前記水素貯蔵媒体の放出特性に関する脱着曲線である請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記水素貯蔵媒体は、金属水素化物、化学水素化物、有機水素化物、及び単一壁の炭素ナノチューブからなる群から選択される請求項１に記載の方法。
【請求項５】
水素貯蔵容器が水素を放出している間に、既知量の水素貯蔵媒体を収容する水素貯蔵容器内の水素量を判定する方法であって、
前記水素貯蔵容器上の１つ以上の地点で温度を測定し、前記水素貯蔵容器内の平均温度を計算する工程と、
前記水素貯蔵容器上の１つ以上の地点で機械的な歪みを測定し、測定した前記歪みに基づいて前記水素貯蔵容器内部の圧力を計算する工程と、
前記計算した平均温度に基づき、圧力、組成、温度（ＰＣＴ）曲線の群から前記水素貯蔵媒体に対するＰＣＴ動作曲線を選択する工程と、
前記選択したＰＣＴ動作曲線上で前記水素貯蔵容器内部の前記計算した圧力における動作点を選択する工程と、
前記選択した動作点に対応する前記選択したＰＣＴ動作曲線から横座標の水素と金属との比率を照合する工程と、
前記照合した水素と金属との比率に、水素貯蔵媒体の前記量を乗算することによって、前記水素貯蔵容器内の水素量を計算する工程とからなる水素貯蔵容器内の水素量を判定する方法。
【請求項６】
前記使用されるＰＣＴ曲線は、前記水素貯蔵媒体の放出特性に関する脱着曲線である請求項５に記載の方法。
【請求項７】
既知の初期状態において既知量の水素貯蔵媒体を収容している水素貯蔵容器内の水素量の変化を判定する方法であって、
水素貯蔵容器内の水素量と、初期状態における水素貯蔵媒体の温度と、初期状態における水素貯蔵容器内側の圧力とを含む初期状態パラメータを格納する工程と、
前記水素貯蔵容器上の１つ以上の地点で温度を測定し、前記水素貯蔵容器内の平均温度を計算する工程と、
前記水素貯蔵容器上の１つ以上の地点で機械的な歪みを測定し、前記測定した歪みに基づいて前記水素貯蔵容器内部の圧力を計算する工程と、
前記水素貯蔵媒体に対する照合表を参照することによってファントホッフパラメータを選択する工程と、
ファントホッフの関係式の微分形式
【数１】
2005500534.tif 000006
ここで、Δｘは前記水素貯蔵容器内の水素量の前記変化、ΔｌｎＰは初期状態の前記水素貯蔵容器内部の測定と前記水素貯蔵容器内部の前記計算された圧力の差、Δ（１／Ｔ）は初期状態の水素貯蔵媒体の前記温度の逆数と前記水素貯蔵媒体の前記計算した平均温度の逆数との差、Ｒは気体定数、８．３１４ＫＪ／ｋｍｏｌ  Ｋ、ΔＨは前記水素貯蔵媒体のエンタルピーの変化、
を使用して水素量の変化を計算する工程と、
前記格納した初期状態を、前記計算した平均温度と、前記計算した圧力と、前記計算した水素量の変化とを使用して、更新する工程とからなる水素量の変化を判定する方法。
【請求項８】
前記水素貯蔵媒体は、金属水素化物、化学水素化物、有機水素化物、及び単一壁の炭素ナノチューブからなる群から選択される請求項７に記載の方法。
【請求項９】
既知量の水素貯蔵媒体を収容している水素貯蔵容器内の水素量を判定するシステムであって、
前記水素貯蔵容器内側の圧力を測定する手段と、
水素貯蔵容器上の１つ以上の地点の温度を測定し、測定した温度の平均を計算する手段と、
前記水素貯蔵容器内の水素量を推定するための計算手段とからなり、
前記計算手段は、
前記計算した平均温度に基づき、圧力、組成、温度（ＰＣＴ）曲線の群から水素貯蔵媒体に対するＰＣＴ動作曲線を選択し、
前記選択したＰＣＴ動作曲線上で前記水素貯蔵容器内側の測定した圧力における動作点を選択し、
前記選択した動作点に対応する前記選択したＰＣＴ動作曲線の横軸から水素と金属の比率の値を照合し、および
前記照合した水素と金属の比率の値に、前記水素貯蔵媒体の量を乗算することによって前記水素貯蔵容器内の水素量を計算する、水素貯蔵容器内の水素量を判定するシステム。
【請求項１０】
前記水素貯蔵媒体は、金属水素化物、化学水素化物、有機水素化物、及び単一壁の炭素ナノチューブからなる群から選択される請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記温度測定手段は、熱伝対、サーミスタ、レジスタ、赤外線センサ及びダイオードからなる群から選択される請求項９に記載のシステム。
【請求項１２】
前記圧力測定手段は、歪みゲージ、ナノメータ及び圧力ゲージからなる群から選択される請求項９に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に燃料電池に関する。より詳細には水素貯蔵容器内の水素量を測定するための方法及びシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ほぼ全ての電子機器、特に携帯用電子機器は、小型化され、軽量に製造されてきている。この進歩は、大量の電力を小型容器に詰め込むことが可能である、ニッケル水素、リチウムイオン、空気亜鉛、リチウムポリマーなどの新規のバッテリーの化学の進歩によって、その一部が可能にされてきた。これらの二次バッテリー又は充電可能なバッテリーは、電気容量の消耗のために再充電が必要である。これらは典型的に、交流を２〜１２ボルトの低レベルの直流に変換する充電器にバッテリーを接続することにより行われる。充電周期は典型的に、最小限１〜２時間持続し、より一般的には４〜１４時間持続する。新規のバッテリーは、旧世代のバッテリーより著しい進歩をしているが、依然として、精巧な充電管理の必要性と、遅い充電速度という課題がある。
【０００３】
燃料電池は、携帯電子機器製品に対する次の主要なエネルギ源として期待されている。簡単に言うと、燃料電池は接触反応で水素分子を水素イオンと電子に変換し、次に薄膜を通じて電子を電力として抽出し、一方水素イオンをＨ２Ｏに酸化し、副産物の水を抽出する。燃料電池の優れた利点は、バッテリーと比較して、小型のパッケージから、極めて大量の電力を提供する潜在的能力を有することである。
【０００４】
携帯通信機器の用途において、長い通話時間及び待機時間を提供するこれらの潜在能力は、燃料電子技術の小型化を推進している。高分子電解質薄膜（ＰＥＭ）による、空気吸入、デッドエンド型の燃料電池は、携帯用通信機器の電力供給のために、理想的である。この種の燃料電池において最も成熟した燃料貯蔵技術は、容器内に収容され、水素を貯蔵すると共に必要に応じて放出する水素化物である。可逆性金属水素化物を含む容器内への水素の貯蔵は、燃料電池の分野で一般的な方法である。
【０００５】
あらゆる形態の携帯電源における基本的な顧客の要求は、電源内の残存容量を測定し、知らせる能力（動力源はどのくらいの時間機器に電力を供給するのか）である。更に、ユーザ電源の現在の状態を提供するために、機器が動作中に、残存容量が継続的に測定されなければならない。燃料電池システムにおいて、電力貯蔵と電力変換の様相が切り離されるため、残存容量測定の要点は、貯蔵容器内の残存燃料量を正確に測定する能力によって決まる。燃料電池を電源とする携帯機器において、残存電力容量は、燃料貯蔵容器内の残存燃料量によって直接決まる。多くの燃料電池の適用において、金属水素化物、化学水素化物、ナノファイバなどの固体媒体に貯蔵した水素を使用するため、これらの媒体の量を測定する方法及びシステムは、これらの技術の効果的な発展が商業的な適用のために必要である。
【０００６】
水素化物容器内の圧力を測定するために従来の技術が存在するが、従来の技術は、燃料貯蔵容器内部の圧力に加えて、パラメータの水素濃度に依存するため、水素量の正確な測定ができない。さらに、従来技術の方法は、システムが水素を燃料電池又は他の装填機器に放出しない、平衡状態の下のみでしか使用され得ない。別の考慮すべき重要な要素は、貯蔵媒体の吸蔵特性と放出特性の間の差である。貯蔵媒体の水素放出特性は、ヒステリシスが原因で、吸蔵特性と異なる。上記の従来技術の課題に加えて、従来の技術は、組成全体内の活性水素化物の比率が、時間の経過によって減少することによる、水素化物物質の水素貯蔵容量の劣化を考慮に入れていない。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
貯蔵媒体の圧力、組成、温度（圧力、組成、温度を「ＰＣＴ」という）の関係を使用する水素燃料電池の水素貯蔵容器内の水素量を測定する装置及び方法が開示された。水素量を測定する方法は、水素貯蔵容器上の一つ以上の地点で水素貯蔵容器の温度を測定する工程と、水素貯蔵容器上の一つ以上の地点で機械的歪みを測定する工程と、歪み測定に基づき容器内部の圧力を計算する工程と、測定した温度における水素貯蔵媒体の特定の組成に対する放出ＰＣＴ曲線を表す照合表又は方程式を参照する工程と、測定した圧力における、水素濃度を計算する工程とに関する。水素貯蔵媒体組成の特性である水素の吸着−脱着中の温度及び圧力による変化が、水素と水素貯蔵媒体の濃度比率を測定するために使用される。
【０００８】
図１は、圧力−組成  等温線として、金属の水素吸着及び脱着の特性を示している。図１において、水素貯蔵媒体内の水素量と水素貯蔵媒体の量との比率である水素と金属比率が、グラフの横軸に示され、水素貯蔵容器内部の圧力の自然対数が、グラフのＹ軸に示されている。ほとんどの元素金属は、気体状の水素（Ｈ２）が金属（Ｍ）表面に接触させられるとき、水素を吸着する。水素を貯蔵するための金属及び合金の一部は、ランタン−ニッケル、カルシウム−ニッケル、マグネシウム−ニッケル、鉄−ニッケル、鉄−スズ、バナジウム、パラジウムなどである。この場合、水素は金属内に溶液として存在する。吸着は、
【０００９】
【数１】
2005500534.tif 000003
として記載され得る。双方向の矢印の使用は、反応が双方向に起こり得ることを意味する。水素気体の圧力は、この方向を決定する。高い開始圧力において、水素は金属に向かう。一定期間後、平衡に達し、水素は、金属から離れるものと同じ比率が金属に向かう。水素気体の圧力が減少した場合、水素は金属から流出され、周囲の環境に流入する。環境が閉鎖した容器の場合、圧力は、最終的には再び平衡に達する点に上昇する。この単純な水素吸着工程は図１の吸着曲線の線形部１１０によって示されている。
【００１０】
金属水素化物システムにおいて、一度特定の圧力を超えると、水素気体（Ｈ２）は、水素気体が水素原子（Ｈ）へ分離し、格子内の格子間位置に入る金属表面に吸着される。次の相では、水素原子が、いかなる圧力の増加をも付随せずに、金属に加えられ得る。図１の安定領域１２０は、２相平衡領域と呼ばれるものを示している。格子間位置の全てが充填される水素と金属の比率（Ｈ／Ｍ）の値において、飽和状態が実現される。飽和点から、これ以上の水素が金属格子に加えられ得ず、水素の更なる増加は、第３領域１３０によって表されように、付随する圧力の増加を必要とする。この全ての工程は可逆性であり、ある程度のヒステリシスを伴う。図１は、安定圧力が一定である、金属水素システムのための理想的な吸着−脱着の圧力組成等温線を示している。図１に示されたような等温線が達成され得るが、実際には、ほとんどの水素化物は理想的な反応からそれる。安定領域の傾斜及びこの領域の境界が上手く定められないという事実に加えて、さらに吸着及び脱着曲線の間のヒステリシスが存在する。
【００１１】
図２は、安定領域の傾斜とヒステリシス効果を含む、より現実的な吸着−脱着の圧力−組成等温線を示している。吸着等温線２１０は、貯蔵段階中の圧力と水素濃度の関係を示し、一方、脱着等温線２２０は、放出段階中の圧力と水素の濃度の関係を示している。
【００１２】
燃料電池が動作中、燃料電池は、水素貯蔵容器から水素を取り出し、この放出工程は図２で示される曲線の安定領域で実施するように典型的には設計されている。この放出工程は、ほぼ等温線であり得、又は、放出比率と貯蔵容器に取り付けられた燃料電池の動作圧力に応じた温度変化に関係し得る。ほぼ等温線の工程は、貯蔵した水素気体が、水素気体圧力の減少、好適には基本的に同温における安定圧力より低い値への圧力の減少によって、貯蔵媒体から放出されるという、効率的な方法である。温度は、収着中に放熱し、脱着中に加熱することによってほぼ一定に保たれる。温度振幅型のシステムはさほど好まれない方法である。この方法は、水素が低温において吸着され、高温において脱着される。しかし、この方法は、より高い加熱と冷却とを必要とする。３番目の形態の方法は、修正等温線であり、適度な温度振幅が、用いられることにより、比較的高圧で水素が脱着し得る。
【００１３】
したがって、既知の温度における、温度、圧力及び水素量の相互関係に基づく、傾斜した安定領域を有する水素貯蔵物質に対して、水素貯蔵物質の水素量は、この物質に接触する水素分圧によって判定される。一般的に温度が上昇するにつれ、物質内の既知の水素濃度を維持するために、水素分圧を上昇する。温度が減少するにつれ、逆のこともまた事実である。
【００１４】
本発明の第一実施形態による水素貯蔵容器内の水素量の測定に使用される方法の典型的なフローチャートが図３により示され、長方形のボックスが、方法内の構造的な実体を示し、隅が曲線のボックスは様々な構造的な実体で実現される処理工程を示している。図３を参照すると、測定方法は、水素貯蔵容器３００内部の水素貯蔵媒体の温度測定３１０から開始する。この作業のために適切である典型的な測定方法は、熱伝対、サーミスタ、レジスタ、赤外線センサ及びダイオードである。同時に、貯蔵容器内の圧力は、水素化物容器壁の歪み測定３２０によって測定される。歪み測定工程に続いて、貯蔵容器内部の圧力が、容器の形状寸法、物質の特性、及び歪みのゲージ較正に基づいて計算される（３３０）。時間内のある点の圧力と温度がわかると、水素貯蔵容器３００内で使用される特定の水素化物組成に対するＰＣＴグラフ３５０によって、測定温度による等温線３４０の測定圧力に対応する水素濃度を選択する、照合工程３４０が実行される。照合工程で使用される等温線３４０は、特定の温度に対応する脱着等温線２２０の一つである。等温線が測定温度に対して存在しない場合、必要に応じて、等温線は、測定温度の直上、及び直下の温度にある等温線から補間法及び補外法によって生成される。
【００１５】
好適な実施形態は、より一般的に使用される温度及び圧力測定方法の一部を列挙してきたが、本発明はこれらの方法の使用により、限定される必要がない。周知のいかなる温度及び圧力測定方法が好適な実施形態に記載された構造において使用され得る。
【００１６】
本発明の別の実施形態が図４に示される。この実施形態は、ファントホッフの関係式
【００１７】
【数２】
2005500534.tif 000004
を使用する。これは、容器内の水素量を計算するための水素貯蔵物質に対する分圧、組成、温度間の数学的関係である。上記の関係で、ｘは容器内の水素量であり、Ｐは容器内部の測定圧力であり、Ｔは貯蔵媒体の温度であり、Ｒは一般気体定数であり、ΔＨは温度Ｔの関数であるエンタルピーの変化量であり、Ｃは水素化物物質の既知の組成のための定数である。この図において、照合工程３４０は、計算工程４４０に置き換えられている。計算工程４４０は水素量を計算するために格納したファントホッフパラメータ４５０を使用する。
【００１８】
本発明の更なる実施形態が図５に示される。この実施形態は、既知の初期状態と現在の状態との間の温度と圧力の変化を使用することにより、微分形式のファントホッフ関係式
【００１９】
【数３】
2005500534.tif 000005
を使用して貯蔵容器内の残存水素量を計算する。これは、分圧と組成の変化と、水素貯蔵物質の温度の変化との数学的関係である。上記の関係で、Δｘは容器内の水素量の純変化であり、ΔｌｎＰは容器内部の測定圧力の変化であり、Δ（１／Ｔ）は貯蔵媒体の温度の変化であり、Ｒは一般気体定数であり、ΔＨは温度Ｔ及び水素化物組成の関数であるエンタルピーの変化量である。この実施形態により、圧力及び温度の測定は、水素貯蔵容器内に貯蔵される水素量が既知である最初から行われる。水素の温度、圧力、及び量の値は、将来の使用のために状態格納手段５８０に格納される。初期化工程５０５は、水素貯蔵容器の貯蔵終了時に実行され得る。水素が放出されている機器動作中に、測定工程は、水素貯蔵容器５００内部の水素貯蔵媒体の温度測定５１０を開始する。この作業に適切な典型的な測定方法は、熱伝対、サーミスタ、レジスタ、ＲＴＤ、赤外線センサ、ダイオードである。同時に、貯蔵容器内部の圧力が、水素化物容器壁の歪み測定５２０によって測定される。歪み測定工程に続いて、貯蔵容器内部の圧力は、容器の形状寸法、物質の特性、及び、歪みゲージ較正に基づいて計算される（工程５３０）。時間内のある地点の圧力と温度がわかると、計算工程５４０が実行される。計算工程は、格納したファントホッフパラメータ５５０、格納した前回の状態パラメータ５８０と上記の別の形態のファントホッフ関係を使用する。計算工程は、開始水素量から変化水素量を引くことによって、残存水素量を推定する。この計算の終了後、前回の状態パラメータ５８０は、現在の状態パラメータ、温度、圧力、残存水素量により更新される５７０。これらは、次の測定サイクルのために前回の状態パラメータとして利用される。温度及び圧力内の変化が、この方法を使用する水素量の推定に使用されるため、従属項である水素化物組成が、ファントホッフ関係から推定される。したがって、この実施形態は、多くの貯蔵／放出サイクルが原因で、長い時間を経過して劣化した水素化物物質を使用する容器内の残留水素量を測定するために非常に適している。
【００２０】
本発明の第一実施形態により記載された水素測定方法を実施するための装置は、金属水素化物など水素吸着物質を有する貯蔵容器と、温度及び歪み測定システムと、測定温度及び圧力から容器内の水素量を推定するために必要な計算、格納及び照合を実行する推定要素とを備える。図６は、水素貯蔵媒体を使用する容器内の水素量を測定する方法を実行するための装置の概略図を示している。装置６００は、水素貯蔵容器６１０と、温度測定手段６２０と、歪み測定手段６３０と、計算、格納、及び照合機能を実行する推定要素６４０からなる。温度測定手段６２０は、貯蔵容器６００内に分布し、相互に相互接続される１つ以上の温度プローブ６２５からなる。好適な実施形態において、水素化物容器の温度は、温度の関数として、抵抗率が変化する物質の使用に基づく抵抗温度計を使用して測定される。標準的な商用抵抗温度センサは、ニッケル、又はニッケル／マンガニン（登録商標ＭＡＮＧＡＮＩＮ）グリッドを利用し、特定の目的のゲージは、銅はくグリッドが利用可能である。温度センサは、標準的な歪みゲージ取付技術を使用して構造と結合され、−２６９℃から２６０℃までの表面温度を測定し得る。非常に低い熱質量と大きな結合領域のため、センサは、ほぼタイムラグなしで、構造的に取り付けられる表面の温度変化に追随する。ノースカロライナ州ローリーのメジャーメント  グループ  インク（Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ  Ｇｒｏｕｐ  Ｉｎｃ．  ｏｆ  Ｒａｌｅｉｇｈ，ＮＣ）によって製造される本発明のために適切な抵抗温度センサのモデルの一部は、ＥＴＧ−５０Ａ  ５０  ｏｈｍｓ、特定の目的には、ＥＴＧ−５０Ｂ  ５０  ｏｈｍｓ、特定の目的には、ＷＴＧ−５０Ａ  ５０  ｏｈｍｓ、特定の目的には、ＷＴＧ−５０Ｂ  ５０  ｏｈｍｓ、特定の目的には、ＷＷＴ−ＴＧ−Ｗ２００Ｂ−０５０  ５０  ｏｈｍｓである。温度プローブは、推定要素６４０に接続されることにより、要求に応じて測定温度を提供する。
【００２１】
温度データの提供に加えて、抵抗温度センサからの出力は、さらに歪みゲージ測定の温度補正を提供するために使用される。水素電池適用内の水素貯蔵のために使用される典型的な容器は、十分な熱伝導性を有する金属であるため、水素貯蔵容器の外側における一つ以上の地点の温度を測定することによって、妥当な精度で間接的に測定され得る。
【００２２】
水素化物容器内側の圧力は水素化物容器の外側の歪みを測定することにより確実に測定され得る。歪み測定手段６３０は、貯蔵容器６１０に分布され、相互に相互接続される一つ以上の歪みゲージからなる。多くの様々な技術が歪みを測定するために使用され得る。好適な実施形態においては、標準的な歪みゲージ又は歪みロゼットゲージが、歪みを測定するために使用される。ニュージャージー州フェアフィールドのエントラン  デバイス，インク（Ｅｎｔｒａｎ  Ｄｅｖｉｃｅｓ，Ｉｎｃ  ｏｆ  Ｆａｉｒｆｉｅｌｄ，ＮＪ）によって製造される本発明のために適切な歪みゲージのモデルの一部は、エントラン（登録商標ＥＮＴＲＡＮ）「バー」及び「Ｕ」型の歪みゲージ構成であり、以下のモデルＥＢＳ−０２０−３５０，ＥＢＳ−０２０−５００，ＥＳＵ−０２５−５００により提供される。歪みゲージの温度較正及び補正は、測定手段６３０からの温度の測定値を使用して実行される。
【００２３】
推定要素６４０は、計算構成要素６５０、測定インターフェース６６０、格納要素６７０を有する。計算構成要素は測定した歪みの値を圧力に変換するために必要な計算及び照合と、等温線間の補間と、容器内の残存水素量の推定とを実行する。測定インターフェース６６０は、必要に応じ、歪みゲージ及び温度プローブを動作し、歪みゲージの必要な温度補正を提供し、複数のプローブ及びゲージからの出力を合成し、結合した値を計算構成要素に通信する。格納要素は、水素化物質の組成、特定の水素化物の吸着−脱着ＰＣＴ等温線、形状寸法、及び他の要素に対する較正と同様に容器に関するパラメータ情報を格納する。
【００２４】
本発明の全ての実施形態が、水素貯蔵媒体として水素化物物質を言及してきているが、特定のＰＣＴ関係が示される周知のいかなる他の水素貯蔵物質は異なる実施形態で記載される構造の中で使用され得る。
【００２５】
本発明は、水素貯蔵媒体を使用する容器内の水素量の正確な測定を可能にする。水素量を測定するための能力は、動作中のシステム内の利用可能なエネルギ容量の正確な推定を提供し得る水素燃料電池の実現を導き得る。燃料電池によって使用される燃料の格納に使用される様々な水素貯蔵媒体の固有の吸着−脱着ＰＣＴ関係式の使用によって、これらの結果が実現される。水素貯蔵物質の特性による特有の独自性を使用する本方法は、従来のスキームで生じる課題を取り除く。従って、本発明は、従来の方法及び一般的な型の装置の課題を克服する水素貯蔵容器により水素量を測定するための方法及び装置を提供する。この新規の測定方法は、実行及び制御が容易である。本発明は、動的な放出状態の下で水素貯蔵システム内の水素量の正確な測定技術を発展させる。本発明は、媒体の貯蔵容量の劣化を明らかにし得る更なる利点を有する。
【００２６】
本発明の好適な実施形態が説明され記載されてきたが、本発明がこれに限定されないことは明らかである。様々な修正、変更、変化、置換及び同等物が、添付した請求項に定義される本発明の精神と範囲から離れることなく当業者によって行われ得る。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】金属水素化物による水素吸着の間の圧力、組成、温度の理想的な関係を説明する概略図。
【図２】金属水素化物による水素吸着の間の圧力、組成、温度の実際の関係を説明する概略図。
【図３】本発明の水素測定方法の第一実施例による工程フロー図。
【図４】本発明の水素測定方法の第二実施例による工程フロー図。
【図５】本発明の水素測定方法の第三実施例による工程フロー図。
【図６】本発明による水素測定方法を実行するための装置を説明する概略図。
【図１】
2005500534.tif 000007
【図２】
2005500534.tif 000008
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際公開パンフレット】
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2005500534.tif 000014
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2005500534.tif 000033
【手続補正書】
【提出日】平成15年2月27日(2003.2.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
既知量の水素貯蔵媒体を収容している水素貯蔵容器内の水素量を判定する方法であって、
前記水素貯蔵容器上の１つ以上の地点で温度を測定し、前記水素貯蔵容器内の平均温度を計算する工程と、
前記水素貯蔵容器上の１つ以上の地点で機械的な歪みを測定し、測定した前記歪みに基づいて前記水素貯蔵容器内部の圧力を計算する工程と、
前記計算した平均温度に基づき、圧力、組成、温度（ＰＣＴ）曲線の群から前記水素貯蔵媒体に対するＰＣＴ動作曲線を選択する工程と、
前記選択したＰＣＴ動作曲線上で前記水素貯蔵容器内部の前記計算した圧力における動作点を選択する工程と、
前記選択した動作点に対応する前記選択したＰＣＴ動作曲線の水素と金属との比率の値を判定する工程と、
前記照合した水素と金属との比率に、水素貯蔵媒体の前記量を乗算することによって、前記水素貯蔵容器内の水素量を計算する工程とからなる水素貯蔵容器内の水素量を判定する方法。
【請求項２】
前記使用されるＰＣＴ曲線は、前記水素貯蔵媒体の吸蔵特性に関する吸着曲線である請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記使用されるＰＣＴ曲線は、前記水素貯蔵媒体の放出特性に関する脱着曲線である請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記水素貯蔵媒体は、金属水素化物、化学水素化物、有機水素化物、及び単一壁の炭素ナノチューブからなる群から選択される請求項１に記載の方法。
【請求項５】
水素貯蔵容器が水素を放出している間に、既知量の水素貯蔵媒体を収容する水素貯蔵容器内の水素量を判定する方法であって、
前記水素貯蔵容器上の１つ以上の地点で温度を測定し、前記水素貯蔵容器内の平均温度を計算する工程と、
前記水素貯蔵容器上の１つ以上の地点で機械的な歪みを測定し、測定した前記歪みに基づいて前記水素貯蔵容器内部の圧力を計算する工程と、
前記計算した平均温度に基づき、圧力、組成、温度（ＰＣＴ）曲線の群から前記水素貯蔵媒体に対するＰＣＴ動作曲線を選択する工程と、
前記選択したＰＣＴ動作曲線上で前記水素貯蔵容器内部の前記計算した圧力における動作点を選択する工程と、
前記選択した動作点に対応する前記選択したＰＣＴ動作曲線の水素と金属との比率の値を判定する工程と、
前記照合した水素と金属との比率に、水素貯蔵媒体の前記量を乗算することによって、前記水素貯蔵容器内の水素量を計算する工程とからなる水素貯蔵容器内の水素量を判定する方法。
【請求項６】
前記使用されるＰＣＴ曲線は、前記水素貯蔵媒体の放出特性に関する脱着曲線である請求項５に記載の方法。
【請求項７】
既知の初期状態において既知量の水素貯蔵媒体を収容している水素貯蔵容器内の水素量の変化を判定する方法であって、
水素貯蔵容器内の水素量と、初期状態における水素貯蔵媒体の温度と、初期状態における水素貯蔵容器内側の圧力とを含む初期状態パラメータを格納する工程と、
前記水素貯蔵容器上の１つ以上の地点で温度を測定し、前記水素貯蔵容器内の平均温度を計算する工程と、
前記水素貯蔵容器上の１つ以上の地点で機械的な歪みを測定し、前記測定した歪みに基づいて前記水素貯蔵容器内部の圧力を計算する工程と、
前記水素貯蔵媒体に対する照合表を参照することによってファントホッフパラメータを選択する工程と、
ファントホッフの関係式の微分形式
【数１】
2005500534.tif 000034
ここで、Δｘは前記水素貯蔵容器内の水素量の前記変化、ΔｌｎＰは初期状態の前記水素貯蔵容器内部の測定と前記水素貯蔵容器内部の前記計算された圧力の差、Δ（１／Ｔ）は初期状態の水素貯蔵媒体の前記温度の逆数と前記水素貯蔵媒体の前記計算した平均温度の逆数との差、Ｒは気体定数、８．３１４ＫＪ／ｋｍｏｌ  Ｋ、ΔＨは前記水素貯蔵媒体のエンタルピーの変化、
を使用して水素量の変化を計算する工程と、
前記格納した初期状態を、前記計算した平均温度と、前記計算した圧力と、前記計算した水素量の変化とを使用して、更新する工程とからなる水素量の変化を判定する方法。
【請求項８】
前記水素貯蔵媒体は、金属水素化物、化学水素化物、有機水素化物、及び単一壁の炭素ナノチューブからなる群から選択される請求項７に記載の方法。
【請求項９】
既知量の水素貯蔵媒体を収容している水素貯蔵容器内の水素量を判定するシステムであって、
前記水素貯蔵容器内側の圧力を測定する手段と、
水素貯蔵容器上の１つ以上の地点の温度を測定し、測定した温度の平均を計算する手段と、
前記水素貯蔵容器内の水素量を推定するための計算手段とからなり、
前記計算手段は、
前記計算した平均温度に基づき、圧力、組成、温度（ＰＣＴ）曲線の群から水素貯蔵媒体に対するＰＣＴ動作曲線を選択し、
前記選択したＰＣＴ動作曲線上で前記水素貯蔵容器内側の測定した圧力における動作点を選択し、
前記選択した動作点に対応する前記選択したＰＣＴ動作曲線の水素と金属の比率の値を判定し、および
前記照合した水素と金属の比率の値に、前記水素貯蔵媒体の量を乗算することによって前記水素貯蔵容器内の水素量を計算する、水素貯蔵容器内の水素量を判定するシステム。
【請求項１０】
前記水素貯蔵媒体は、金属水素化物、化学水素化物、有機水素化物、及び単一壁の炭素ナノチューブからなる群から選択される請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記温度測定手段は、熱伝対、サーミスタ、レジスタ、赤外線センサ及びダイオードからなる群から選択される請求項９に記載のシステム。
【請求項１２】
前記圧力測定手段は、歪みゲージ、ナノメータ及び圧力ゲージからなる群から選択される請求項９に記載のシステム。
【国際調査報告】
2005500534.tif 000035
2005500534.tif 000036