(57)【要約】  水素は、温度に依存した速度で、水素を吸収し脱着する材料内に貯蔵される。１または２以上の水素吸蔵材料を、燃料電池スタック（１２０）と熱的に接近して設置することができるように、ハウジング（１１１）が設けられる。この配置は、燃料電池スタック（１２０）および水素貯蔵ユニット（２００）を交互に有し、水素吸蔵材料と燃料電池スタック（１２０）の間で熱整合させることができる。また、本発明では、一つのユニット内に異なる材料を混合することで、水素の供給を調整することができる。高効率ユニットの場合、必要に応じて、断熱材が設置される。一組の水素貯蔵ユニットによって取り囲まれた一つの燃料電池スタック（１２０）を有する、個々の電力モジュール（１４２０）によって、車両または他の電力消費装置（１４００）に電力を分散させることができる。
2008512611.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を貯蔵する機器であって、
少なくとも一つの内部空間および少なくとも一つの通路を有するハウジングであって、前記少なくとも一つの通路は、前記少なくとも一つの内部空間から前記ハウジングを貫通する、ハウジングを有し、
前記少なくとも一つの内部空間の少なくとも一つは、
水素を吸収する第１の材料と、
該第１の材料よりも大きな熱伝導率を有する第２の材料と、
を有することを特徴とする機器。
【請求項２】
前記第１の材料は、水素を吸収する少なくとも２つの材料を含むことを特徴とする請求項１に記載の機器。
【請求項３】
前記第２の材料は、燒結金属、金属発泡剤および金属ウールからなる群から選定されることを特徴とする請求項２に記載の機器。
【請求項４】
前記少なくとも一つの内部空間の前記少なくとも一つは、さらにスプリングを有することを特徴とする請求項１に記載の機器。
【請求項５】
前記第１の材料は、水素を吸収する少なくとも２つの材料を含むことを特徴とする請求項４に記載の機器。
【請求項６】
前記第２の材料は、燒結金属、金属発泡剤、金属ウール、炭素発泡剤、金属コートされた炭素繊維および炭素ウールからなる群から選定されることを特徴とする請求項５に記載の機器。
【請求項７】
前記第２の材料は、前記少なくとも一つの内部空間からの前記少なくとも一つの通路の各々を、実質的に被覆することを特徴とする請求項６に記載の機器。
【請求項８】
前記ハウジングは、さらに前記通路内に多孔質材料を有することを特徴とする請求項１に記載の機器。
【請求項９】
前記少なくとも一つの内部空間は、複数の相互接続された円筒状空間を有することを特徴とする請求項１に記載の機器。
【請求項１０】
前記少なくとも一つの内部空間は、２または３以上の空間を有し、前記２または３以上の空間のうち第１のものは、水素を吸収する第１の材料を有し、前記２または３以上の空間のうち第２のものは、水素を吸収する第２の材料を有することを特徴とする請求項１に記載の機器。
【請求項１１】
１または２以上の燃料電池スタックであって、各々が２つの燃料電池スタック側を有し、水素および酸素で作動する、１または２以上の燃料電池スタックと、
１または２以上のハウジングであって、各々が少なくとも一つの燃料電池スタック側の相当部分で接触し、水素を貯蔵する少なくとも一つの内部空間、および前記少なくとも一つの内部空間から、前記１または２以上の燃料電池スタックの少なくとも一つまでの通路を有する、１または２以上のハウジングと、
を有する機器であって、
前記少なくとも一つの内部空間から前記燃料電池スタックに水素を放出するため、前記燃料電池スタックで生じた熱によって、熱の少なくとも一部が提供されることを特徴とする機器。
【請求項１２】
前記１または２以上の燃料電池スタックは、一つの燃料電池スタックであり、
前記１または２以上のハウジングは、２つのハウジングであり、
前記一つの燃料電池スタックは、前記２つのハウジングの間に設置されることを特徴とする請求項１１に記載の機器。
【請求項１３】
前記１または２以上のハウジングは、２または３以上のハウジングであり、
前記１または２以上の燃料電池スタックの各々は、前記２または３以上のハウジングの間に設置されることを特徴とする請求項１１に記載の機器。
【請求項１４】
さらに、前記燃料電池スタックおよび前記少なくとも一つのハウジングの少なくとも一部を取り囲む断熱材を有することを特徴とする請求項１１に記載の機器。
【請求項１５】
前記断熱材は、前記燃料電池スタックおよび前記少なくとも一つのハウジングを実質的に取り囲むとともに、気体を循環させるギャップを提供し、
前記気体を前記ギャップを介して循環させることにより、前記少なくとも一つのハウジングの温度が制御されることを特徴とする請求項１４に記載の機器。
【請求項１６】
前記１または２以上の内部空間の少なくとも一つは、水素吸蔵材料を収容することを特徴とする請求項１１に記載の機器。
【請求項１７】
前記少なくとも一つの内部空間は、複数の相互接続された円筒状空間を有することを特徴とする請求項１１に記載の機器。
【請求項１８】
前記少なくとも一つの内部空間は、２または３以上の空間を有し、
前記２または３以上の空間の第１のものは、水素を吸収する第１の材料を収容し、
前記２または３以上の空間の第２のものは、水素を吸収する第２の材料を収容することを特徴とする請求項１１に記載の機器。
【請求項１９】
前記水素吸蔵材料は、水素化物、高表面積材料、水素含有化合物、金属、合金またはそれらの混合物を有することを特徴とする請求項１６に記載の機器。
【請求項２０】
前記水素化物は、アラネート、複合水素化物、ボロン水素化物、イオン性水素化物、チタン水素化物、アルミニウム水素化物、マグネシウム水素化物および合金水素化物からなる群から選定されることを特徴とする請求項１９に記載の機器。
【請求項２１】
前記合金水素化物は、希土類−ニッケル系水素化物、ジルコニウム−マンガン系水素化物またはチタン−鉄−系水素化物であることを特徴とする請求項２０に記載の機器。
【請求項２２】
前記水素含有化合物は、アミドおよびイミドからなる群から選定されることを特徴とする請求項１９に記載の機器。
【請求項２３】
前記水素含有化合物は、シリコン系水素化合物または炭素系水素化合物を有することを特徴とする請求項１９に記載の機器。
【請求項２４】
前記水素吸蔵材料は、構成成分間の発熱化学反応および吸熱化学反応に応じて、水素を取り込んだり、放出したりすることを特徴とする請求項１６に記載の機器。
【請求項２５】
前記高表面積材料は、活性炭素、炭素、ナノファイバ、ナノチューブ、金属有機骨格（ｆｒａｍｅｗｏｒｋｓ）、または高表面積水素吸収材料からなる群から選定されることを特徴とする請求項１９に記載の機器。
【請求項２６】
前記水素吸蔵材料は、ガラス微細球であることを特徴とする請求項１６に記載の機器。
【請求項２７】
前記水素吸蔵材料は、発熱反応によって水素を放出する水素含有化合物と第２の化合物との混合物であることを特徴とする請求項１６に記載の機器。
【請求項２８】
前記水素含有化合物は、ボロン水素化物であり、前記第２の化合物は水であることを特徴とする請求項２７に記載の機器。
【請求項２９】
前記水素含有化合物は、アルカリ土類−アルミニウム水素化物であり、前記第２の化合物は、アンモニアであることを特徴とする請求項２７に記載の機器。
【請求項３０】
前記少なくとも一つの内部空間は、圧縮水素ガスを貯蔵することを特徴とする請求項１１に記載の機器。
【請求項３１】
前記少なくとも一つの内部空間は、液体水素を貯蔵することを特徴とする請求項１１に記載の機器。
【請求項３２】
さらに、前記燃料電池および前記少なくとも一つのハウジングを取り囲む真空気密容器と、気体源とを有し、前記真空気密容器に制御可能な圧力が提供されることを特徴とする請求項１１に記載の機器。
【請求項３３】
さらに、前記燃料電池と前記少なくとも一つのハウジングの間に設置された真空気密容器と、気体源とを有し、前記真空気密容器に制御可能な圧力が提供されることを特徴とする請求項１１に記載の機器。
【請求項３４】
前記少なくとも一つの内部空間の前記少なくとも一つは、さらにスプリングを有することを特徴とする請求項１６に記載の機器。
【請求項３５】
前記水素吸蔵材料は、少なくとも２つの水素吸蔵材料を含むことを特徴とする請求項１６に記載の機器。
【請求項３６】
前記水素吸蔵材料は、第１の材料を有し、
前記少なくとも一つの内部空間の少なくとも一つは、さらに、前記第１の材料よりも大きな熱伝導率を有する第２の材料を有することを特徴とする請求項１６に記載の機器。
【請求項３７】
前記第２の材料は、燒結金属、金属発泡剤および金属ウールからなる群から選定されることを特徴とする請求項３６に記載の機器。
【請求項３８】
前記第２の材料は、燒結金属、金属発泡剤、金属ウール、炭素発泡剤、金属コートされた炭素繊維および炭素ウールからなる群から選定されることを特徴とする請求項３６に記載の機器。
【請求項３９】
前記第２の材料は、前記少なくとも一つの内部空間からの前記少なくとも一つの通路の各々を実質的に覆うことを特徴とする請求項３６に記載の機器。
【請求項４０】
前記ハウジングは、さらに前記通路内に多孔質材料を有することを特徴とする請求項１６に記載の機器。
【請求項４１】
２つの側を有し、水素で作動する少なくとも一つの燃料電池スタックと、
水素を貯蔵する少なくとも一つの内部空間、および該少なくとも一つの内部空間から前記燃料電池スタックまでの通路を有し、前記２つの側の一方の相当部分で接触する少なくとも一つのハウジングと、
前記燃料電池スタックおよび前記少なくとも一つのハウジングからの熱損失を制御する装置と、
を有する機器であって、
前記少なくとも一つの内部空間から前記燃料電池スタックに水素を放出するため、前記燃料電池スタックで生じた熱の熱伝導によって、熱の少なくとも一部が提供されることを特徴とする機器。
【請求項４２】
前記少なくとも一つの燃料電池スタックは、一つの燃料電池スタックであり、
前記少なくとも一つのハウジングは、２つのハウジングであり、
前記一つの燃料電池は、前記２つのハウジングの間に設置されることを特徴とする請求項４１に記載の機器。
【請求項４３】
前記少なくとも一つのハウジングは、２または３以上のハウジングであり、
前記少なくとも一つの燃料電池スタックの各々は、前記２または３以上のハウジングの間に設置されることを特徴とする請求項４１に記載の機器。
【請求項４４】
前記装置は、前記燃料電池および前記少なくとも一つのハウジングの少なくとも一部を取り囲む断熱材を有することを特徴とする請求項４１に記載の機器。
【請求項４５】
前記断熱材は、前記燃料電池および前記少なくとも一つのハウジングを実質的に取り囲むとともに、気体を循環させるギャップを提供し、
前記気体を前記ギャップを介して循環させることにより、前記少なくとも一つのハウジングの温度が制御されることを特徴とする請求項４４に記載の機器。
【請求項４６】
前記装置は、前記燃料電池および前記少なくとも一つのハウジングを取り囲む真空気密容器と、気体源とを有し、前記真空気密容器に制御可能な圧力が提供されることを特徴とする請求項４１に記載の機器。
【請求項４７】
さらに、前記燃料電池と前記少なくとも一つのハウジングの間に設置された真空気密容器と、ガス源とを有し、前記真空気密容器に制御可能な圧力が提供されることを特徴とする請求項４１に記載の機器。
【請求項４８】
前記１または２以上の内部空間の少なくとも一つは、水素吸蔵材料を含むことを特徴とする請求項４１に記載の機器。
【請求項４９】
２または３以上の電力モジュールであって、各々が該２または３以上の電力モジュールの他の少なくとも一つに電気的に接続された電力モジュールを有する装置の電源システムであって、
前記電力モジュールの各々は、
水素で作動する燃料電池スタックと、
水素を貯蔵する１または２以上の内部空間、および該１または２以上の内部空間から放出された水素を前記燃料電池に提供する出口を有し、前記燃料電池と接触する少なくとも一つのハウジングと、
を有し、
前記燃料電池によって、水素を放出するための熱の少なくとも一部が提供され、前記２または３以上の電力モジュールから配線を介して電力が提供されることを特徴とする電源システム。
【請求項５０】
前記２または３以上の電力モジュールの少なくとも一つは、さらに断熱材を有することを特徴とする請求項４９に記載の電源システム。
【請求項５１】
前記１または２以上の内部空間の少なくとも一つは、水素吸蔵材料を有することを特徴とする請求項４９に記載の電源システム。
【請求項５２】
前記２または３以上の電力モジュールの少なくとも一つは、前記装置に着脱可能に取り付けられることを特徴とする請求項４９に記載の電源システム。
【請求項５３】
前記装置は、スクータであることを特徴とする請求項５２に記載の電源システム。
【請求項５４】
前記２または３以上の電力モジュールの少なくとも一つは、前記装置内に設置することができることを特徴とする請求項４９に記載の電源システム。
【請求項５５】
前記装置は、自動車であることを特徴とする請求項５２に記載の電源システム。
【請求項５６】
添付図面に示され、添付図面を参照して本願に実質的に示された機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全般に水素貯蔵に関し、特に水素貯蔵装置と、燃料電池のような水素消費装置を含むシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池を電力発生手段および輸送手段用に使用した場合、従来の燃焼系システムとは異なり、効率的で比較的環境に優しい装置が提供される。大部分の燃料電池は、水素で作動するため、水素貯蔵ユニットは、燃料電池の重要な部材であり、この部材により、必要な際に、燃料電池に水素を供給することができる。水素は、大気条件下では気体であり、体積エネルギー密度が小さいため、そのような水素を貯蔵することは、容易ではない。標準状態での気体の体積エネルギー密度を超える体積エネルギー密度で、水素を保管することが可能な水素貯蔵技術を提供することに関して、多くの研究がなされている。また、水素貯蔵装置は、経済的であり、軽量であることが重要であり、燃料電池を汚染したり、燃料電池の作動に影響を及ぼしたりせず、さらに容易に再充填することができる必要がある。
【０００３】
水素を貯蔵するある装置は、１０，０００ｐｓｉ（６９ＭＰａ）程度の圧力で作動するように提供される。一つの問題は、特に高圧下において、水素が容易に金属を通過して拡散してしまうことであり、この場合、可燃または爆発の危険が生じる。多くのタンク容器材料は、高圧条件では、長期間にわたって水素の拡散を防ぐことはできない。また、通常高圧タンク容器は、重くて重厚になりやすく、これは、特に輸送用途では、大きな問題となる。また、高圧で貯蔵された水素は、気体の圧縮エネルギーの破壊的な放出に関連した、安全上の危険を伴う。
【０００４】
別の装置では、水素は、極低温域で液体として貯蔵される。これらの装置は、極めて扱いにくく、水素の液体化に関する、極めて重大なエネルギー上の欠点を有する。これは、液体水素は、２０Ｋの温度に維持する必要があるため、通常の環境下で生じる水素の揮発に関する効率および安全上の問題を含んでいるからである。
【０００５】
水素を貯蔵するさらに別の装置は、水素を吸蔵する材料を含み、この材料は、吸着によって水素を吸蔵する。このような材料の一例は、水素を格子間化合物として、水素と化学的に結合する、マグネシウムおよびマグネシウム系合金の水素化物、または水素化物とアミド／イミドの複合材のような、水素含有化合物である。例えば、金属水素化物は、水素を吸収して、水素を気体として放出し得る固体を生成する。また水素は、分子状水素の物理吸着によって貯蔵されても良く、例えば、炭素および金属有機骨格の高表面積材料に物理吸着される。また、水素は、他の化合物と反応して水素を放出する水素含有化合物内に貯蔵されても良い。この種の材料の一例には、水と反応するＮａＢＨ４を使用することができる。これらの材料の場合、水素の貯蔵に、必ずしも高圧および高温は必要ではないが、提案されている水素吸蔵材料系の多くは、全般に、水素ガスシステムおよび液体貯蔵システムよりも重く、重量が問題となる。
【０００６】
また、燃料電池と金属水素化物の間の熱の取り扱いも問題となる。通常、燃料電池は、周囲温度よりも高い温度で作動され、これにより排熱が生じる。水素化物は、その使用状態に応じて、熱を発生させたり、熱を吸収したりする。従って、例えば、通常の金属水素化物による水素の吸収は、発熱反応であるため、これにより水素化物が加熱され、通常の水素の脱離は、吸熱反応であるため、これにより水素化物が冷却されることになる。また、通常の場合、吸収および脱離の速度は、温度とともに上昇する。安全上の面から、この挙動は、好ましい。すなわち、水素化物からの水素発生によって、水素化物の温度が抑制され、これにより、水素の更なる脱離が抑制されるからである。しかしながら、多量の水素が必要な場合、熱を燃料貯蔵ユニットに供給して、高い脱離速度を維持しなければならなくなる。金属水素化物、および他の多くの水素吸蔵材料に関する別の問題は、通常の場合、脱離には、水素内の利用可能な化学エネルギーの約１／６が必要となり、燃料電池−金属水素化物システムから利用できる電力が減少してしまうことである。
【０００７】
近年、水素貯蔵に関して、新たな分類の複合材料が提案されている。本願では、これらの材料を「分解再結合材料」または「Ｄ−Ｒ材料」と称するが、これらの材料は、分解する際には水素を放出して、水素を含まない異なる化学量論を有する、他の化合物または元素になるのに対して、水素吸収時には可逆的に再結合して、元の化合物になる材料である。例えば、アルカリ土類アルミニウム水素化物（アラネート）があり、ＮａＡｌＨ４は、Ｎａ３Ａｌ６Ｈ６、ＡｌおよびＨ２に分解する際に水素を放出し、Ｍｇ２ＦｅＨ６は、ＭｇＨ２、ＦｅおよびＨ２に分解する際に水素を放出する。
【０００８】
Ｄ−Ｒ材料は、従来の金属水素化物に比べて、より少ない材料量で、単位体積当たりにより多くの水素を貯蔵することができるが、Ｄ−Ｒ材料の使用に関しては、いくつかの問題がある。まず、Ｄ−Ｒ材料の床から、水素の吸収および発生を行う場合、金属水素化物の場合と同様、水素の十分な流束を得るには、床に向かう十分な熱流束が必要となり、充填の際には、水素の急速な吸収のために、床からの十分な熱流束が必要となる。第２に、Ｄ−Ｒ材料には、従来の金属水素化物燃料貯蔵ユニットよりも高い温度、すなわち８０℃以上の温度が必要となる。高温が必要となるのは、反応プロセスの速度、およびＤ−Ｒ材料の分解成分の拡散に関連した速度のためである。すなわち、例えばアラネートＮａＡｌＨ４の場合、一部のＡｌおよび／またはＮａ種は、原子スケールでは長い距離を拡散する必要がある。一方、例えば、金属合金を含む金属水素化物の場合、分解は不要である。固体／気体反応においては、室温での反応種の拡散は遅く、温度が上昇するとより急速となる。従って、熱を考慮した場合、水素を吸蔵するＤ−Ｒ材料床を使用することは、一部制限される。
【０００９】
これまでの水素化物を用いた従来の燃料電池システムにおける熱の取り扱いは、熱輸送媒体を使用するものであり、これにより必要な熱輸送が可能となる。例えば、従来のシステムでは、燃料電池と燃料貯蔵ユニットの間で水が循環される。これには、いくつかの問題がある。まず一つは、水を循環させるため、システムに複雑性が追加され、システムのコストおよびエネルギーの面で不利になることである。第２に、水は、燃料電池および燃料貯蔵ユニットに対して腐食性であり、さらにいくつかの水素化物は、水と容易に反応してしまうことである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
燃料電池システムの水素貯蔵能の向上を実現するためには、１または２以上の以下の問題を解決しなければならない。まず、燃料電池−水素貯蔵システムの貯蔵および供給の要求を満たすことができるように、水素吸蔵材料を通る熱流束を十分に大きくする必要がある。第２に、燃料電池および水素吸蔵材料の温度を、最適な特性が得られるレベルに維持する必要がある。第３に、水素貯蔵ユニットを、経済的で、現在の燃料電池貯蔵ユニットよりも少ない補助的な電力で済むようにすることである。また、その他の要望を満たす必要もある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明では、水素吸蔵材料へのおよび水素吸蔵材料からの改良された熱輸送が可能な水素貯蔵を提供することにより、従来の課題を克服する。本発明のある実施例では、水素吸蔵材料は、内部空間内でセグメント化されており、これにより水素吸蔵能を調整することができ、材料の交換を容易に行うことができる。
【００１２】
本発明のある態様では、水素を貯蔵する機器が提供される。当該機器は、ハウジングを有し、該ハウジングは、少なくとも一つの内部空間と、この内部空間とハウジングとをつなぐ少なくとも一つの通路とを有する。少なくとも一つの内部空間は、水素を吸蔵する第１の材料と、第１の材料よりも高い熱伝導率を有する第２の材料とを有する。ある実施例では、第１の材料は、水素を吸蔵する少なくとも２つの材料を含む。別の実施例では、第２の材料は、燒結金属、金属発泡剤および金属ウールからなる群から選定される。さらに別の実施例では、さらに内部空間は、可撓性ダイアフラムの形状を取り得るスプリングを有する。さらに別の実施例では、多孔質材料が水素の流束を抑制するフィルタとなり、この材料が気体流束を妨げる機能を果たす。水素吸蔵材料は、空間内で混合されても良く、あるいは異なる内部空間に隔離されても良い。
【００１３】
本発明の別の態様では、燃料電池と水素吸蔵材料の間で熱整合（ｍａｔｃｈｉｎｇ）が改良された燃料電池水素貯蔵システムが提供される。
【００１４】
本発明のさらに別の態様では、複数の水素貯蔵ユニットの間に交互に設置された、複数の燃料電池スタックが提供される。
【００１５】
本発明のある態様では、水素で作動する燃料電池スタックと、水素を貯蔵する少なくとも一つの内部空間、および前記少なくとも一つの内部空間から前記燃料電池スタックまでの通路を有し、前記燃料電池スタックの一つの側の相当部分で熱接触する、少なくとも一つのハウジングと、を含む機器が提供される。前記少なくとも一つの内部空間から燃料電池スタックに水素を放出させるための熱は、少なくとも一部が前記燃料電池スタックから生じた熱によって提供される。ある実施例では、燃料電池スタックおよびハウジングの少なくとも一部が、断熱材によって取り囲まれる。別の実施例では、ハウジングによって、気体を循環するギャップが提供され、燃料電池スタックおよびハウジングからの熱輸送が制御される。
【００１６】
本発明の別の態様では、水素で作動する燃料電池スタックと、水素を貯蔵する少なくとも一つの内部空間、および前記少なくとも一つの内部空間から前記燃料電池スタックまでの通路を有し、前記燃料電池スタックの一つの側の相当部分で熱接触する、少なくとも一つのハウジングと、前記燃料電池および前記少なくとも一つのハウジングからの熱輸送を制御する装置とを含む機器が提供される。前記少なくとも一つの内部空間から燃料電池スタックに水素を放出するための熱は、少なくとも一部が前記燃料電池スタックで生じた熱の熱伝導によって提供される。
【００１７】
本発明のさらに別の態様では、２または３以上の電力モジュールを有する電力システムが提供される。電力モジュールの各々は、前記２または３以上の電力モジュールの他の少なくとも一つと電気的に接続される。前記電力モジュールの各々は、水素で作動する燃料電池スタックと、水素を貯蔵する１または２以上の内部空間、および前記１または２以上の内部空間から前記燃料電池まで、放出された水素を供給する出口を有し、前記燃料電池と熱接触する、少なくとも一つのハウジングとを有する。水素を放出するための熱は、少なくとも一部が前記燃料電池スタックから生じる熱の熱伝導によって提供される。電力モジュールは、電力の必要な装置に電力を供給するため、相互に配線されても良い。
【００１８】
これらの特徴物、ならびに以下の詳細な説明から当業者に明らかな各種補助的提供物および特徴物は、本発明の実行装置によって得られ、その実施例は、一例としてのためだけに示された添付図面を参照することにより説明される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図面内の同じ参照符号は、ある部品、態様または特徴が、複数の図面において共通していることを示している。
【００２０】
図１には、本発明の一体型水素−電力発生システム１００の第１の実施例の概略的な斜視図を示す。システム１００は、水素貯蔵アセンブリ１０と、燃料電池アセンブリ２０とを有し、アノード１０７およびカソード１０９に、電気的接続を提供する。システム１００の水素は、燃料供給配管１０１によって提供され、水素は、燃料貯蔵アセンブリ１０に制御可能に提供される。システムの酸化剤は、酸化剤供給配管１０３によって提供される。ある実施例では、酸化剤は、空気中の酸素であり、この場合、酸化剤供給配管１０３には、加圧大気が供給される。燃料と酸化剤との反応で生じた排出生成物、主に水および排気ガスまたは未反応ガスは、排出配管１０５を介してシステム１００から除去される。
【００２１】
燃料供給配管１０１から燃料貯蔵アセンブリ１０への水素の流束は、１または２以上のバルブ１０２によって制御される。本発明のある実施例では、単一のバルブ１０２によって、燃料貯蔵アセンブリ１０に向かう全ての水素の流束が制御される。別の実施例では、燃料貯蔵アセンブリ１０は、２または３以上の燃料貯蔵サブアセンブリに区画され、これらのサブアセンブリでは、異なるバルブ１０２によって流束が制御される。さらに別の実施例では、バルブ１０２は、非接続バルブであって、システム１００は、例えば可動システム内に収容され、バッテリと同じ態様で使用される。
【００２２】
燃料電池アセンブリ２０は、これに限られるものではないが、高分子電解質膜型（ＰＥＭ）燃料電池または固体酸化物型燃料電池のアセンブリであることが好ましい。あるいは、アセンブリ２０内の燃料電池は、低温ＰＥＭ型燃料電池、高温ＰＥＭ型燃料電池、アルカリ電解質型燃料電池、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体酸化物型燃料電池またはこれらのいかなる組み合わせであっても良い。
【００２３】
燃料貯蔵アセンブリ１０および燃料電池アセンブリ２０は、大きな接触表面積が得られるように配置される。特に、燃料貯蔵アセンブリ１０は、参照符号１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄおよび１１０ｅで示された、いくつかの個々の燃料貯蔵ユニット１１０と、参照符号１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃおよび１２０ｄで示された、いくつかの個々の燃料電池スタック１２０とを有する。燃料貯蔵ユニット１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄおよび１１０ｅ、ならびに燃料電池スタック１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃおよび１２０ｄは、各燃料電池スタックが２つの燃料貯蔵ユニットと接するように、交互に配置されている。従って、例えば、燃料電池スタック１２０ａは、燃料貯蔵ユニット１１０  ａと１１０ｂの間にある。燃料貯蔵アセンブリ１０は、いかなる数の燃料貯蔵ユニット１１０を含んでも良く、燃料電池スタック１２０は、いかなる数の燃料電池を含んでも良い。
【００２４】
燃料貯蔵ユニット１１０は、異なる種類であっても良く、燃料電池スタック１２０は、異なる種類であっても良く（例えば、高温ＰＥＭ型および低温ＰＥＭ型）、燃料電池の数は、同じであっても異なっていても良い。本発明のある実施例では、燃料貯蔵ユニット１１０ｂ、１１０ｃおよび１１０ｄは、同じ「内部部材」であり、それぞれ２つの燃料電池スタック１２０と接しており、燃料貯蔵ユニット１１０ａおよび１１０ｅは、同じ「エンド部材」であり、それぞれ１つの燃料電池スタック１２０とのみ接している。この配置では、小型の燃料貯蔵ユニット／燃料電池システムが得られ、燃料貯蔵ユニットと燃料電池の間の熱抵抗が小さくなる。また、この配置によって、自由表面積に対する燃料電池スタックと接触する燃料貯蔵ユニットの割合が増大し、燃料貯蔵ユニットと燃料電池スタックの間の熱輸送が増大する。
【００２５】
以降に示すように、水素は、各燃料貯蔵ユニット１１０に供給され、酸化剤は、酸化剤供給配管１０３を介して各燃料電池スタック１２０に供給される。各燃料貯蔵ユニット１１０に貯蔵されている水素は、必要な際に、１または２以上の燃料電池スタック１２０によって導出される。特に、後に示すように、燃料電池スタック１２０は、溝を有しており、燃料貯蔵ユニット１１０からの燃料、および酸化剤供給配管１０３からの酸化剤は、各燃料電池スタック１２０の内部で電気化学的に反応し、この溝によって、水および排出ガスが排出配管１０５に誘導される。燃料電池スタックとシステムの間の電気的接続によって、アノード１０７とカソード１０９の間が電気的に接続される。
【００２６】
通常の場合、本発明の燃料貯蔵ユニット／燃料電池システムは、少なくとも一つの個々の燃料貯蔵ユニット１１０と、一つの燃料電池１２０とを有する。一実施例では、システム１００は、これに限られるものではないが、単一の燃料電池と接する単一の燃料貯蔵ユニット（おのおのがエンド部材）；一つの燃料貯蔵ユニットエンド部材と、一つの燃料電池エンド部材とを有する、交互に等しい数の燃料貯蔵ユニットおよび燃料電池；  ２つの燃料貯蔵ユニットエンド部材（図１に示す）または２つの燃料電池エンド部材を有し、交互に設置された燃料貯蔵ユニットと燃料電池；を有する。
【００２７】
システム１００は、任意部材として、図１に一部を除去した状態で示されている、断熱層１３０を有しても良く、これによりシステム１００の熱の一部が保持される。断熱層１３０は、システム１００の一部または全部を覆い、システム１００の作動環境およびシステムの作動温度を最適にして、システム１００からの熱損失を抑制する必要がある場合に提供される。
【００２８】
図２には、図１の２−２線断面図を示す。この図には、燃料貯蔵ユニット１１０ａ、１１０ｂおよび１１０ｃと、燃料電池スタック１２０ａおよび１２０ｂの分解図が示されている。図２には、本発明の特定の実施例として、燃料貯蔵ユニット１１０と燃料電池１２０の間の気体の移動が示されているが、本発明の範囲は、これに限定されるものではない。各燃料貯蔵ユニット１１０は、対応するハウジング１１１を有し、このハウジングは、水素吸蔵材料２００を収容する開放空間２１９と、１または２以上の入口２１６と、１または２以上の出口２１５と、を有し、出口２１５は、燃料貯蔵ユニット１１０の一つと対面するそれぞれの面２１３上に設置されている。システム１００を相互に保持するため、燃料貯蔵アセンブリ１０と燃料電池アセンブリ２０を横断するように、ボルト２０１が設置されている。ハウジング１１１は、金属であることが好ましく、これに限られるものではないが、アルミニウム、軽量金属合金等である。ハウジング１１１の別の実施例には、これに限られるものではないが、熱伝導性プラスチックおよび樹脂、固体カーボン、カーボンファイバ、複合材料、隣接する燃料電池スタック１２０と燃料貯蔵ユニット１１０の間に高い熱伝導性を提供する、真空または熱制御断熱構造が含まれる。
【００２９】
水素吸蔵材料２００は、水素を吸蔵する１または２以上の種類の材料であっても良く、これには、これに限られるものではないが、アミド、イミド、ナノチューブおよび他の吸着剤、ガラス微細球、化学的水素化物、液体または固体炭化水素ならびに化学的に反応する水素含有化合物が含まれる。本発明の範囲内で、水素吸蔵材料は、相変化、すなわち液体水素を利用しても良い。これらの材料の各々は、水素を脱着する際に熱を吸収する。従って、燃料貯蔵アセンブリ１０への熱輸送によって、燃料貯蔵アセンブリ１０により供給される水素量を制御することができる。
【００３０】
より一般的には、本発明の範囲内の水素吸蔵材料２００には、これに限られるものではないが、以下の個々の成分または成分の混合物が含まれる。すなわち、これに限られるものではないが、アラネート（アルカリ土類アルミニウム水素化物）を含む水素化物、ボロン水素化物、マグネシウム水素化物、これに限られるものではないが、希土類ニッケル水素化物またはアルミニウム水素化物を含む合金水素化物；これに限られるものではないが、アミド、イミド、金属水素化物、触媒、ならびに、これに限られるものではないが、構成成分と水素の発熱および吸熱化学反応によって、水素が吸収および放出される合金を含む水素含有化合物；これに限られるものではないが、活性炭素を含む炭素含有材料、カーボンナノファイバもしくはナノチューブ、金属有機骨格、または他の高表面積水素吸収材料；ガラス微細球；である。追加の水素吸蔵材料成分には、第２の化合物との発熱反応によって水素を放出する、水素含有化合物の混合物が含まれ、例えば、これに限られるものではないが、水と反応するボロン水素化物、およびアンモニアと反応するアルカリ土類アルミニウム水素化物がある。また、本発明の範囲の水素貯蔵には、圧縮気体状または液体状の水素を貯蔵する内部空間を用いることが含まれる。
【００３１】
材料２００の一つの種類は、これに限られるものではないが、アラネートのようなＤ−Ｒ材料、金属水素化物を含む水素化物であり、あるいは、異なる材料の混合物である。各ハウジング１１１は、以降に示すように、異なる量、組成の混合物を含み、また材料密度は、異なっていても良い。特に材料２００は、例えば、ある材料の低温特性と、別の材料の高温特性とを組み合わせても良く、これによりいくつかの所望の温度依存特性、例えば、良好な低温始動特性を有する燃料貯蔵アセンブリ１０が得られ、または追加の活性熱輸送器を使用せずに、一体型システムの熱の取り扱いを最適化することが可能となる。
【００３２】
本発明のある実施例では、水素化物を混合することにより、あるいは空間間でこれらを分離することにより得られた複合水素化物を用いることにより、燃料貯蔵ユニットを迅速に充填させることができる。特に、一つの燃料貯蔵ユニット内の２または３以上の水素化物材料の混合物は、水素化物成分の熱力学的特性と速度論的な特性の間に、相乗的な整合が得られるように選定され、水素の充填時間が分のオーダーで有意に抑制される。例えば、ＲＥＮｉ５−系水素化物のような希土類（ＲＥ）からの水素化物の等の低温水素化物を使用した場合、床を室温または室温近傍の温度にして、システムを充電することができる。水素化反応の熱は、貯蔵ユニットを介して伝達され、より高温でより良好な水素吸収特性を示す他の水素吸蔵材料の温度が上昇する。従って、低温水素化物の反応熱を用いて、他の水素吸蔵部材による吸収を促進することができる。ある別の実施例では、異なる材料または異なる材料混合物を収容する空間の間の水素の流束は、バルブを制御することにより静的または動的に制御される。
【００３３】
別の実施例では、１または２以上の空間２１９に、液相アラネートが充填される。アラネートは、従来の水素化物とは異なり、低温（１８２℃）で溶融する。この実施例では、ハウジング１１１は、アラネートの分解を防ぐことが可能な十分に高い水素圧力で、床への水素化物の自由流束が可能となる温度に加熱される。例えば、融点が１８２℃のＮａＡｌＨ４アラネートの場合、水素分解圧力は、１２０気圧である。従って、高水素圧力下で、燃料貯蔵ユニットに溶融アラネートを担持させることにより、複雑なまたは多孔質な空間を水素吸蔵材料で充填することが容易となる。ある実施例では、アルミニウム発泡剤、または熱伝導性金属、炭素または複合構造を含む床が提供され、水素化物への熱輸送が改善される。これらの構造は、液相水素吸蔵材料を使用することにより、充填することができる。
【００３４】
図２には、本発明の一実施例を示すが、この図は、ＰＥＭ燃料電池スタックの分解図を示している。各燃料電池１２０ａ−１２０ｄは、同じ構造を有し、一組の対向する面１２１および１２３には、それぞれ開口１２７および１２９が設けられており、さらに各燃料電池１２０ａ−１２０ｄには、開口１２５が設けられている。開口１２７および１２９は、開口２１５と位置が揃えられており、各々は、一つの燃料貯蔵ユニット１１０から燃料電池への水素の経路を提供する。開口１２５は、酸化剤供給配管１０３に接続されている。あるいは、２または３以上の開口１２５を設けて、酸化剤を燃料電池スタック１２０に供給しても良い。
【００３５】
各燃料電池スタック１２０は、水素と酸素の電気化学反応が生じる膜電解質アセンブリ（ＭＥＡ）２２１と、集電およびガス分配が生じるバイポーラ板２２３との交互構造を有する。システム１００の燃料電池／水素化物交互配置によって、各燃料貯蔵ユニットの材料２００から、隣接する燃料電池に流束が提供される。従って、図２の実施例では、燃料電池１２０ａは、燃料貯蔵ユニット１１０ａの出口２１５ａと位置が合わせされた開口１２７と、燃料貯蔵ユニット１１０ｂの出口２１５ｂと位置が合わせされた開口１２９とを有し、燃料電池１２０ｂは、燃料貯蔵ユニット１１０ｂの出口２１５ａと位置が合わせされた開口１２７と、燃料貯蔵ユニット１１０ｃの出口２１５ｂと位置が合わせされた開口１２９とを有する。
【００３６】
ＭＥＡ２２１およびバイポーラ板２２３は、気体分散システムを形成する開口を有し、空気中の酸素が開口１２５から空間１２４に供給され、水素は、開口１２７および１２９から空間１２２に供給される。また、空間１２４は、端部１２４ｅを有し、この端部は、排出配管１０５と流体的に連通されている。従って、例えば、燃料貯蔵ユニット１１０ａの表面２１３ａと、燃料貯蔵ユニット１１０ｂの表面２１３ｂとによって、それぞれ、開口１２７および１２９を介して、空間１２２に水素が提供され、一方、空気中の酸素は、開口１２５から空間１２４に供給される。これらの気体分散システムは、ハウジング１１１またはこの目的用のセパレータ板と一体化しても良い。燃料電池１２０からの排出ガスには、ＭＥＡ２２１から空間１２４に拡散してきた水素と酸素の結合の結果生じた水と、空気からの未使用成分、例えば窒素および未使用酸素とが含まれる。排出ガスは、空間１２４から回収され、端部１２４ｅを介して排出配管１０５に流通される。
【００３７】
バイポーラ板２２３は、電荷をＭＥＡ２２１の間に輸送することができるため、面１２１のアノードと面１２３のカソードに電荷が提供される。隣接するＭＥＡ２２１とバイポーラ板２２３の間には、シール３０５が設置されており、気体が燃料電池１２０からリークすることが抑制される。数本のボルト２１０が燃料貯蔵ユニット１１０の穴（図示されていない）を貫通しており、ナット２０３または他の締付機構を用いて、システム１００が相互に保持される。
【００３８】
別の代替実施例では、選択触媒を含むＭＥＡのアノードおよびカソードの双方の側に、水素またはメタノールが空気または酸化剤と混合された気体を供給する、混合燃料電池に使用する熱輸送のため、一体型燃料貯蔵ユニット／燃料電池スタック構造が使用される。
【００３９】
システム１００は、ハウジング１１１を隣接する燃料電池と電気的に接続させることにより、燃料貯蔵ユニット１１０を介して、燃料電池スタック１２０に電気的な接続を提供する。あるいは、ハウジング１１１は、燃料電池スタック１２０と電気的に絶縁されても良く、この場合、電気的な接触は、燃料電池スタックの端部に直接提供される。
【００４０】
第２の実施例の燃料貯蔵ユニット３１０は、図１の３−３線断面図として、図３Ａに示されている。図３Ｂは、材料２００を含まない燃料貯蔵ユニットの断面図であり、図４は、４−４線の上面図であり、図５Ａは、５−５線の上部断面図である。多くの実施例において、燃料貯蔵ユニット３１０は、全般に、本願に示した燃料貯蔵ユニット１１０の１または２以上の実施例と似通っているが、以下に示す点が異なっており、本願に示すように、燃料電池スタック１２０に水素を提供するために使用される。燃料貯蔵ユニット３１０は、ハウジング１１１に空間２１９を有する。ハウジングは、いくつかの円筒状空間３０３を有し、各々の空間は、カバー３１０を有し、通路３０５によって接続されている。図３Ａ、３Ｂおよび５Ａに示すように、通路３０５は、空間２１９を入口２１６と出口２１５とに接続し、円筒状空間３０３と接続された通路３０４、入口２１６まで延びる通路３０２、および出口２１５まで延びる通路３０６を有する。空間２１９をより小さな空間３０３に区画することによって、材料２００を調整し、燃料貯蔵ユニット３１０内の熱輸送を改善することができる。
【００４１】
ある実施例では、空間３０３は、円形断面を有する同様に定形された空間の配列であって、カバー３０１は、ネジプラグのように取り外し可能であることが好ましく、または溶接板であっても良い。円形の断面によって、高圧下での材料の担持に対して優れた強度が得られる。通路３０４および３０５は、空間３０３の全長に対して垂直に開口されたより小さな穴で形成され、これにより水素流束の経路が提供される。また、いくつかの円筒状空間に材料を区画することにより、燃料貯蔵ユニットを介して水素吸蔵材料の分布を制御することが助長され、さらに、例えば、水素化物の吸収−脱着の繰り返しにより機械的に劣化した使用済み材料の一部を置換することが容易になる。
【００４２】
図５Ｂには、図３Ａの５−５線の上部断面として、第３の実施例の燃料貯蔵ユニット３１０’が示されている。多くの実施例では、燃料貯蔵ユニット３１０’は、全般に、本願の燃料貯蔵ユニット１１０または３１０の１または２以上の実施例と同様であるが、以下の点が異なっており、本願に示したように、燃料電池スタック１２０に水素を供給する際に使用される。燃料貯蔵ユニット３１０’は、材料２００−１および材料２００−２で表された、２つの異なる水素貯蔵材料を収容する空間３０３を有し、これらの空間は、それぞれ異なる相互接続組を有する。すなわち、材料２００−１を収容する各空間３０３は、通路３０２−１を介して水素供給側に接続され、通路３０６−１を介して出口２１５−１に接続されている。材料２００−２を収容する各空間３０３は、通路３０２−２を介して水素供給側に接続され、通路３０６−２を介して出口２１５−２に接続されている。各通路３０２−１および３０２−２は、制御可能なバルブを有することが好ましく、これにより２つの異なる材料２００−１および２００−２に、水素を別個に制御して、流通させることが可能になる。
【００４３】
第４の実施例の燃料貯蔵ユニット６１０は、３−３線の断面図として図６Ａに示されている。また、図６Ｂには、図６Ａの６Ｂ−６Ｂ線の上部断面図が示されている。多くの実施例において、燃料貯蔵ユニット６１０は、全般に、本願に示した燃料貯蔵ユニット１１０、３１０または３１０’の１または２以上の実施例と同様であるが、以下に示す点が異なっており、本願に示すように、燃料電池スタック１２０に水素を提供する際に使用される。燃料貯蔵ユニット６１０は、通路６０１と接続された円筒状空間６０３の２次元配列を有し、この配列は、ボルト２０１を受ける穴６０５を有する。燃料貯蔵ユニット３１０と同様、通路６０１は、全ての空間６０３を入口２１６および出口２１５に接続する。また、空間６０３は、異なる水素吸蔵材料を有し、これらは、２００−１、２００−２、２００−３、２００−４および２００−５で表されている。
【００４４】
ある実施例では、材料２００は、異なる空間３０３または６０３に異なる水素化物を含み、これにより燃料貯蔵アセンブリ１０の熱特性が調整される。すなわち、例えば、燃料貯蔵ユニット１１０は、いくつかの空間３０３または６０３を有し、これらの空間は、比較的低い温度で脱着する、ＡＢ５水素化物（ＭｍＮｉ５）（ここでＡは、強い水素化物を構成する元素を表し、Ｂは、弱い水素化物を形成する元素を表す）、ＡＢ（Ｔｉ，Ｆｅ，Ｍｎ）またはＡＢ２（Ｔｉ，Ｚｎ，Ｍｎ，Ｆｅ）水素化物のような「室温」金属水素化物を収容し、他のサブ空間は、より多くの水素を含有し、より高温で水素を脱着するＮａＡｌＨ４およびＭｇ２ＦｅＨ６を含む複合水素化物のようなＤ−Ｒ材料を収容する。あるいは、空間３０３または６０３のような１または２以上の空間は、同じ空間に混合水素化物を収容しても良い。ある実施例では、３分の２の空間３０３には、アラネートが提供され、残りの３分の１の空間には、これに限られるものではないが、ＡＢ２またはＡＢ５が収容される。始動の際の水素は、室温水素化物から燃料電池に供給される。貯蔵システムの温度が上昇した際には、燃料電池の排熱を利用することによって、分解再結合材料からの水素の脱着速度が上昇し、これにより、より多くの貯蔵された水素が提供される。
【００４５】
本発明の別の実施例では、高温での燃料電池の使用を可能にするため、第２の化合物との発熱反応によって、水素を放出する水素含有化合物の混合物を含む材料２００が提供される。例えば、ボロン水素化物は、水と反応して水素および熱を放出する。この反応による熱の放出によって、周囲温度よりも高い温度に達するまで十分に作動しない、高温ＰＥＭおよび他の燃料電池を作動させることが可能となる。
【００４６】
個々の空間３０３に材料２００を充填させる配置には多くの方法があり、例えば、図７Ａ乃至７Ｇの実施例には、それぞれ、水素化物充填物７００Ａ乃至７００Ｇが示されている。通常の場合、これらの充填物は、燃料貯蔵ユニット内に材料２００を保持したまま、燃料貯蔵ユニット１１０に、および燃料貯蔵ユニット１１０からの水素流束を提供するとともに、水素化物材料とハウジング１１１の間に、改善された熱輸送を提供する。本発明では、例えば、燃料貯蔵アセンブリ１０内の充填物７００Ａ乃至７００Ｅの１または２以上の組み合わせを用いて、例えば、同様のまたは異なる充填物を有する特定の燃料貯蔵アセンブリ内の個々の空間３０３が提供される。
【００４７】
充填物７００Ａ（図７）では、材料２００によって空間３０３が充填される。充填物７００Ｂでは、通路３０４の近傍にフィルタ材料７０１が提供され、材料２００が空間３０３から移動することが防止される。特に、充填物７０１ａは、柱３０３内に設置され、充填物７０１ｂは、通路３０４内に設置される。あるいは、充填物７０１ａおよび７０１ｂが、両方提供されても良い。充填材料７０１ａは、多孔質焼結粉末のような溶融フィルタ、またはこれに限られるものではないが、ステンレス鋼、アルミニウム銅、真ちゅう、ガラス、アルミニウム酸化物もしくは他の酸化物の粗いウールであることが好ましい。充填材料７０１ｂは、これに限られるものではないが、ステンレス鋼、アルミニウム銅、真ちゅう、ガラス、アルミニウム酸化物もしくは他の酸化物を含む、溶融フィルタロッドであることが好ましい。また、充填材料７０１は、それぞれ、図７Ｃ乃至７Ｇに示すような、充填物７００Ｃ乃至７００Ｇに提供される。
【００４８】
充填物７００Ｃおよび７００Ｅ（それぞれ、図７Ｃおよび７Ｅ）では、材料２００を取り囲むようにフィルタ材料７０３が提供される（図７Ｃ）。フィルタ材料７０３は、これに限られるものではないが、材料７０１ａまたは溶融円筒管を含む。充填物７００Ｄおよび７００Ｆでは、充填材料７０５は、これに限られるものではないが、溶融ロッド状の材料７０１ａまたは７０１ｂであることが好ましい。
【００４９】
また、充填物にスプリングを加えて、材料２００の空間３０３の壁との接触を維持しても良く、これにより、水素吸蔵材料の移動および／または収縮が抑制される。水素化物は、水素吸収の際に膨張し、水素放出の際に収縮するため、空間３０３内では、多少の水素化物材料２００の動きが生じる。この動きは、空間３０３の壁との熱接触の損失につながる。また、材料２００は、収縮し、凝集しない場合は連結され、その後の水素吸収の際に、材料２００が膨張して、空間３０３に大きな力が加わるようになる。これらの力によって、燃料貯蔵アセンブリ１０が損傷する可能性がある。図７Ｅには、水素化物材料２００の全長に沿って配置された、いくつかのスプリング７０７を有する充填物７００Ｅを示すが、これにより、水素化物材料は、空間３０３の壁の方に押され、よりよい接触が生じ、空間３０３の壁に、追加の熱輸送が提供されるようになり、材料２００の移動および収縮が回避されるとともに、水素吸収の際に、材料２００が膨張する力が弱められる。スプリングの形状には、これに限られるものではないが、相互に反発し合う２枚の金属ディスクが含まれる。図７Ｆには、中央フィルタ７０５を収容する中央部分を貫通する穴に、スプリング７０９を有する充填物７００Ｆを示す。図７Ｇには、別の充填物７００Ｇが示されているが、この充填物は、粉末移動バリア繊維または発泡剤のような、材料７１１とともに分散された材料２００を有し、これにより、追加の熱輸送が可能となり、材料の移動が抑制される。材料７１１の一例には、これに限られるものではないが、炭素、金属、金属コートされた酸化物繊維、発泡剤、ウールまたはフレークを含む、繊維、ウール、発泡剤が含まれる。
【００５０】
図８Ａおよび８Ｂには、例えば図２に示すようなシステム１００の動作について、より詳しく示されている。図８Ａは、水素を充填するシステムの詳細を示しており、図８Ｂは、電力を発生するシステムの詳細を示している。図８Ａに示すように、システム１００の充電を行う場合、バルブ１０２’が開かれ、水素源から燃料供給配管１０１を通って、高圧水素が各燃料貯蔵ユニット１１０に供給され、これが、材料２００の圧力、温度および燃料貯蔵ユニットでの水素量に応じて、水素と反応する。燃料貯蔵ユニット１１０が充電されると、バルブ１０２’が閉じられる。システム１００で電力を発生させるため、各燃料電池スタック１２０には、空気中の酸素、純酸素または別の酸化剤ガスが供給され、材料２００の圧力、温度および燃料貯蔵ユニットの水素量に応じて、燃料貯蔵ユニット１１０から分離した水素が燃料電池スタック１２０に供給される。
【００５１】
従来技術から明らかなように、前述のほとんどの材料を含む多くの水素吸蔵材料では、水素吸収は、発熱反応である。従って、燃料貯蔵ユニットへの水素の流通によって、水素吸蔵材料の温度が上昇し、あるいは、水素吸蔵材料の温度を維持するため、水素吸蔵材料からの熱流束が必要となる。水素吸蔵材料の水素放出は、吸熱反応である。従って、水素吸蔵材料からの水素放出によって、水素吸蔵材料の温度が低下し、あるいは水素吸蔵材料の温度を維持するため、水素貯蔵への熱流束が必要となる。通常の場合、吸収および脱着の速度は、温度依存性を示し、より高温では、速度がより大きくなる。従って、高速水素放出のためには、水素吸蔵材料に熱を提供することが好ましい。
【００５２】
また、図８Ａおよび８Ｂには、符号Ｑで、システム１００内の燃料電池スタック１２０と燃料貯蔵ユニット１１０の間の熱の流れが示されている。示されている熱流束によって、システム１００の特性が向上する。なお熱は、示された方向以外の他の方向に流れることは明らかであろう。ハウジング１１１は、これに限られるものではないが、金属、または材料２００に良好な熱流束を提供する他の材料であることが好ましい。燃料貯蔵ユニット１１０の充電の際、材料２００から熱が放出され、この熱は、水素化物材料２００から燃料電池スタック１２０に流れ、燃料電池が加熱される（図８Ａ）。電力を発生させるためのシステム１００の作動時には、燃料電池内での水素と酸素の結合の結果、燃料電池１２０内で排熱が生じ、材料２００は、吸熱的に水素を放出する。図８Ｂに示すように、熱は、燃料電池スタック１２０から燃料貯蔵ユニット１１０に流れると同時に、燃料電池の必要な冷却が可能となり、水素の脱着の際に、材料２００への熱の供給が可能になる。
【００５３】
電力発生の際に、燃料電池アセンブリ２０で生じた熱は、主に熱伝導によって、燃料貯蔵アセンブリ１０に提供される。燃料貯蔵アセンブリ１０には、水素の脱着を継続するため、追加の熱が必要であるが、水素化物と燃料電池の熱接触によってこれが可能となり、高いシステム効率が得られる。
【００５４】
本発明のある実施例では、材料２００は、アラネートまたはアミドであり、燃料電池スタック１２０は、これに限られるものではないが、８０℃から２５０℃の範囲で作動する高分子電解質膜を含む、高温ＰＥＭ型燃料電池である。有益な速度で燃料電池に水素を供給するため、アラネートには、８０℃以上の温度が必要であり、この温度は、高温ＰＥＭ型燃料電池の最も効率的な作動温度に近い。同様に、アミドには、１５０〜２５０℃の温度範囲が必要である。システム１００は、高温ＰＥＭ型燃料電池からの排熱により、アラネートまたはアミドをこれらの温度に維持することができる。燃料電池から水素化物への、排熱の直接輸送によって、水素から放出されるエネルギーの有効利用が可能となる。
【００５５】
一体型水素電力発生システム１００’の第２の実施例は、側面図として図９に、断面図として図１０に示されており、このシステムは、ジャケット９００で形成された断熱層１３０と、熱輸送媒体入口９０３と、熱輸送媒体出口９０５と、水素入口９０７と、空気入口９０９と、水および排出ガス出口９１１と、カソード９０２と、アノード９０４とを有する。システム１００’は、電力モジュールであり、単一のユニットとして、または以下に示すように、より大きな電力システムを構成するため、組み合わされた形態で使用される。図１０には、ジャケット９００の断面図を示すが、このジャケットは、燃料電池１２０および燃料電池スタックのいずれかの側にある燃料貯蔵ユニット１１０ａの組を取り囲む断熱剤と、各燃料貯蔵ユニット１１０ａから突出したフィン１００１とを有し、熱輸送媒体と接触している。以下に示すように、入口９０３から流入し、出口９０５、ジャケット９００およびフィン１００１に流れる熱輸送媒体は、燃料貯蔵ユニットのアクティブな熱輸送制御を可能にする。
【００５６】
ジャケット９００を介しての熱輸送媒体の流束の制御によって、燃料貯蔵ユニットを加熱または冷却することが可能となり、これによりシステム１００’の温度を制御することが可能となる。燃料電池効率、および水素化物の作動特性の温度依存性のため、高温化によって、より良好なシステム特性が得られる。従って、例えば、燃料電池１２０が高温ＰＥＭ型燃料電池であって、材料２００がＮａＡｌＨ４またはＮａ３ＡｌＨ６のようなアラネートを有する場合、１５０℃から１７０℃の作動温度が好ましい。熱輸送媒体入口９０３を介して、空気を加熱または冷却することにより、作動温度が５０℃から２５０℃に維持される。最も効率的な作動では、熱の大部分が燃料電池の排熱によって提供される。
【００５７】
あるいは、別の構成では、図２に示すように、ジャケット９００は、より多くの数の燃料電池および水素化物を取り囲んでも良く、燃料貯蔵ユニット１１０は、空間３０３もしくは６０３のような、同じもしくは異なる材料２００もしくは充填物７００を含む単一の空間またはいくつかの空間を有する。別の熱輸送システムは、米国特許第４，７７１，８２３号に示されている気体ギャップシステムのような、真空または制御された真空システムによって提供される。別の実施例では、そのような気体ギャップシステムは、燃料貯蔵ユニット１１０と燃料電池スタック１２０の間に配置され、燃料貯蔵ユニット１１０と燃料電池スタック１２０の間の熱流束が制御される。
【００５８】
個々の一体型水素電力システムは、例えば図１１乃至１３に示すような電気的な接続によって、電気的に接続され、これにより必要な電気的特性が提供される。図１１には、システム１１１０ａおよび１１１０ｂで示された、個々の水素電力システム１１１０の直列配置１１００を示すが、これらは、配線１１０１によって電気的に接続されている。図１２には、システム１２１０ａ、１２１０ｂおよび１２１０ｃで示された、個々の水素電力システム１２１０の並列配置１２００を示すが、これらは、配線１２０１によって電気的に接続されている。
【００５９】
水素電力システムの並列と直列の電気接続を組み合わせて、必要な電気的特性を発生させても良い。例えば、図１３には、システム１３１０ａ、１３１０ｂ、１３１０ｃおよび１３１０ｄで示された、個々の水素電力システム１３１０と配線１３０１との直列／並列配置１３００の組み合わせが示されている。
【００６０】
多くの実施例において、各システム１１１０、１２１０および１３１０は、全般に、前述のシステム１００または１００’の１または２以上の実施例と同様である。従って、例えば、各システム１１１０、１２１０および１３１０は、全般に、水素吸蔵アセンブリ１０と、前述の燃料電池アセンブリ２０とを有する。例えば、ある配置１１００の実施例では、システム１１１０ａ、１１１０ｂおよび１１１０ｃは、同一である。配置１１００の別の実施例では、２または３以上のシステム１１１０  ａ、１１１０ｂおよび１１１０ｃは、例えば、異なる燃料貯蔵ユニット１１０および燃料電池スタック１２０を有し、あるいは異なる数の燃料貯蔵ユニット１１０または燃料電池スタック１２０水素貯蔵アセンブリ１０を有し、あるいは一つのシステムが断熱層を有し、別のシステムが断熱層を有さないなど、異なる断熱層１３０を有する。
【００６１】
配置１１００、１２００および１３００によって、電力システムは、従来の燃料電池システムよりも多く分散させることが可能になる。従って、例えば、自動車に電力を供給する１または２以上の数の燃料電池スタックの代わりに、配置１１００、１２００および１３００を使用することにより、燃料電池をいかなる空間にも設置することが可能となる。
【００６２】
例えば図１１乃至１３に示したジュール配置では、これに限られるものではないが、車両を含む多くの用途のため、空間をより効率的に使用することができる。また、これらの配置のモジュール性によって、これに限られるものではないが、システム１１１０、１２１０および１３１０を含む、１または２以上の個々の一体型水素電力発生システムを、電力の需要に応じて、いかなるときにもより効率的な方法で作動させることが可能となる。
【００６３】
また、これに限られるものではないが、システム１００、１００’、１１１０、１２１０および１３１０を含む本発明の水素電力システムは、バッテリーと同様の方法で使用することができる。すなわち、例えば、システム１３１０ａのような個々の水素電力システムは、適切に充電することができる。あるいは、単一のシステム１００のような一つの水素電力システム、またはシステム１１１０ａおよび１１１０ｂのような２以上の個々の水素電力システムの群を、物理的に結合して、電力消費装置に取り外し可能に取り付けることにより、消耗したシステムを充電されたシステムと交換することが可能となり、同じまたは異なる装置を用いて、消耗したシステムの外部充電を行うことが可能となる。
【００６４】
電力消費装置内の一体化水素電力システムの実施例は、例えば、図１４Ａ、１４Ｂおよび１５に示されている。図１４Ａは、水素電力装置１４００のある実施例の斜視図であり、この装置は、スクータ１４１０および電力モジュール１４２０を備える。スクータ１４００は、電動スクータであり、スロットル１４１４と、制御ケーブル１４１７と、コネクタ１４１７を有する電力ケーブル１４１５と、電動車輪１４１３と、床ボード１４１１とを有する。電力モジュール１４２０は、一体型水素電力発生システム１４２１と、水素配管コネクタ１４２３と、空気入口１４２５と、排出部１４２７（図示されていない）と、電源出力１４２９とを有する。
【００６５】
電力モジュール１４２０は、例えば、図示されていないラッチ機構またはヒンジカバーを用いて、床ボード１４１１に脱着可能に取り付けられており、コネクタ１４１７は、電源出力１４２９と脱着可能に嵌め合わされている。また必要に応じて、モジュール１４２０の移動を容易にするためのハンドル１４２２が取り付けられても良い。制御ケーブル１４１４を介して、スロットル１４１５信号に、ユーザによる負荷が提供された場合、必要な原動力が増大または減少する。その後、システムの燃料電池の水素の消費によって、システム１４２１から必要な電力が提供される。
スクータ１４００において、電力モジュール１４２０以外の機械的および電気的な部材は、例えば、シャーパーイメージ（Ｓｈａｒｐｅｒ  Ｉｍａｇｅ）社のＣｉｔｙ  Ｂｕｇのような、従来のバッテリー電源スクータと同様である。
【００６６】
多くの実施例では、システム１４２１は、全般に、システム１００または１００’の１または２以上の実施例と同様である。あるいは、システム１４２１は、全般に、１または２以上の配置１１００、１２００または１３００と同様であっても良い。
【００６７】
システム１４２１において水素が欠乏してきた場合、図１４Ｂの斜視図に示すように、スクータ１４００からモジュール１４２０が取り外される。特に、電源プラグ１４１７が電源出力１４２９から取り外され、モジュール１４２０は、ラッチ（図示されていない）を解放することによって、床ボード１４１１から取り外される。次に、モジュール１４２０は、加圧水素源（図示されていない）につながれた配管１４３１と、結合器１４３３とを有する水素供給配管１４３０に接続される。結合器１４３３は、燃料入口１４２３に接続され、モジュール１４２０が充電される。充電後、入口１４２３から結合器１４３３が取り外され、モジュール１４２０が再度スクータ１４１０の方に運搬され、モジュールが床ボード１４１１に取り付けられ、電源プラグ１４１７が電源出力１４２９に接続される。
【００６８】
図１５には、自動車１５００内の一体型燃料電池システムの別の実施例の斜視図を示すが、この自動車は、前輪１５１８および後輪１５１９を有するボディ１５１０を有し、自動車には、電力モジュール１５２０、すなわち後輪駆動モジュール１５２０ａ、補助電力モジュール１５２０ｂおよび前輪駆動モジュール１５２０ｃが取り付けられる。各電力モジュール１５２０は、１または２以上の一体型水素電力発生システム１５３０を有しても良く、このシステムは、電力供給ケーブル１５２７を介して相互接続されており、電気的な配置１５２１が構成される。各電力モジュール１５２０は、電気的な酸化剤制御ユニット１５２３と、電源ケーブル１５２５とを有する。電力供給ケーブル１５２７は、例えば、配置１１００、１２００または１３００のうちの一つの配置で、各モジュール１５２０内で個々のモジュール１５３０の電気端子を接続する。電気的酸化剤制御ユニット１５２３は、電圧を変換して、電気モータ１５１７への電源出力を制御するとともに、各システム１５３０への、空気の流束のような酸化剤の供給を制御する。ある実施例では、各システム１５３０への空気流束は、各システムのファン（図示されていない）によって提供される。別の実施例では、空気流束は、集中ファンおよびダクト（図示されていない）によって提供される。
【００６９】
また自動車１５００は、燃料供給部と、モジュール１５２０間を接続する電気制御配線とを有する。水素配管コネクタ１５１１は、各システム１５３０の水素貯蔵ユニットに水素を提供する燃料配管１５１３に接続され、制御ケーブル１５１５は、自動車の制御器（図示されていない）を、自動車の加速を規制する電気的酸化剤制御ユニット１５２３に接続する。あるいは、ユニット１５２３は、自動車のブレーキ動作を規制しても良い。
【００７０】
電源ケーブル１５２５は、配置１５２１から自動車１５００に電力を供給する。従って、例えば、後輪駆動モジュール１５２０ａは、電気モータ１５１７に電力を提供し、後輪１５１９が駆動される。補助電力モジュール１５２０ｂは、エアーコンディショナ、ラジオ、または他の自動車１５００内機器に電力を供給し、前輪駆動モジュール１５２０ｂは、電気モータ１５１７に電力を提供し、前輪１５１８が駆動される。
【００７１】
自動車１５００内の各システムは、同じ参照符号１５３０で示されているが、これは、各システム１５３０が、酸化剤入口、燃料入口、排出ガスの出口および電力接続を有する同じ一体型水素電力発生システムであることを示していること、さらに、システムは、必ずしも同一である必要はないことは明らかである。本発明のある実施例では、例えば、各システム１５３０は、例えば前述のシステム１００、１００’または１４２０のような他のシステムと同一である。別の実施例では、各システム１５３０は、システム１００、１００’または１４２０のいくつかの異なる実施例のうちの一つであり、例えば、異なる燃料電池タイプ、水素吸蔵材料、または燃料電池スタックの数および水素貯蔵ユニットを含む。重要なことは、いくつかのシステム１５３０が、自動車１５００内のいくつかの位置に分散されていることであり、これにより、自動車１５００内の空間を効率的に利用することができ、自動車１５００の重量を有効に分散させることが可能になる。
【００７２】
自動車１５００には、従来の自動車と同様の方法で燃料が充填される。水素の量が低下した場合、ガソリンスタンドの燃料供給配管がコネクタ１５１１に接続され、各システム１５３０に加圧水素が供給される。燃料は、システム１００について示したように、各システム１５３０内に貯蔵された水素から燃料電池に供給される。各システム１５３０への空気供給は、モジュール１４２０を参照して示したように、ベントを介してガスを局部的に取り込み、排出させることにより、局部的に行われる。あるいは、空気または酸化剤は、各システム１５３０とは別の、単一のもしくは複数のポンプユニット（図示されていない）を用いて供給しても良い。
【００７３】
別の実施例では、自動車１５００は、自動車に必要な全ての電力を提供する一つのモジュール１５２０を有し、または２または３以上のモジュールを有する。別の実施例では、自動車１５００は、１または２以上のモジュール１５２０を有し、このモジュールは、スクータ１４００のシステム１４２０と同様の方法で取り外すことができる。
【００７４】
全般に、システム１００、１００’または配置１１００、１２００または１３００は、これに限られるものではないが、宇宙システム、ロボット車両、遠隔操作飛行機、民間航空機、潜水艦、民間船舶を含む全ての水上運搬機、車、トラック、スクータ、原動機付き自転車、電動自転車、オートバイ、ゴルフカート、車いす、遠隔検知システム用、分散型電源用、荷物運搬用、キャンピング用、およびトレーラハウスを含む車両、携帯電話、ＣＳおよびＤＶＤプレーヤ、ビデオ、デジタルカメラ、ラップトップコンピュータ、携帯ＰＤＡおよびＧＰＳシステムなどの携帯電力装置、芝刈り機、エッジトリマー、リーフブロワー、フラッシュライト、クリスマスライト、携帯電動工具を含む園芸用機器を含む用途に使用される。
【００７５】
本出願において、「ある実施例」または「一つの実施例」とは、実施例に関して示された特定の特徴物、構造または特性が、本発明の少なくとも一つの実施例に含まれることを意味する。従って、本明細書において、多くの箇所で使用されている「ある実施例では」または「一実施例では」という用語は、必ずしも全てが同じ実施例であるとは限らない。またこの開示から、特定の特徴物、構造または特性が、１または２以上の実施例において、好適な方法で組み合わされても良いことは、当業者には明らかである。
【００７６】
同様に、しばしば本発明の多くの特徴は、説明を簡略化して、本発明の１または２以上の各種態様を理解することを目的として、単一の実施例、図面または記載にまとめられていることは、前述の本発明の実施例から明らかである。しかしながら、開示された方法は、各請求項に記載のもの以外の特徴物が、特許請求の範囲に必要であることを意味すると解してはならない。むしろ、特許請求の範囲は、本発明の態様が、前述の開示された単一の実施例の全ての特徴物よりも少なくても良いことを反映している。従って、詳細な説明に続く特許請求の範囲の記載は、明示的にこの詳細な説明に取り込まれており、各請求項は、本発明の別の実施例として、独自に主張されるものである。
【００７７】
本発明の思想から逸脱せずに、他の更なる変更を行うことができることは、当業者には明らかであり、そのような変更および改変は、本発明の範囲に属するものである。従って例えば、本発明では、発熱的に水素を貯蔵し、吸熱的に水素を放出する水素吸蔵材料について示したが、本発明の水素貯蔵ユニットは、異なる熱特性を有する材料を含んでも良く、例えば、水素の吸収または放出の際に温度変化を示さない材料、あるいは吸熱的に水素を貯蔵し、発熱的に水素を放出する材料を含んでも良い。別の代替実施例では、燃料貯蔵アセンブリ１０を用いて、燃焼エンジンに水素を供給しても良く、この場合、直接熱接触によって、排熱が燃焼エンジンから燃料貯蔵ユニットに提供される。いずれの場合も、燃料貯蔵ユニット１０から水素を高流速で取り出すために必要となる熱は、電力発生器からの排熱により供給される。本発明の範囲内で、記載の方法に別のステップを加えても良く、あるいはステップを削除しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】本発明の一体型燃料電池システムの第１の実施例の概略的な斜視図である。
【図２】図１の２−２断面図であって、いくつかの水素化物貯蔵床と燃料電池の分解組立状態を示した図である。
【図３Ａ】図１の３−３断面図であって、本発明の燃料貯蔵ユニットハウジングおよび燃料貯蔵ユニットの第２の実施例を詳細に示した図である。
【図３Ｂ】図１の３−３断面図であって、本発明の燃料貯蔵ユニットハウジングの第２の実施例を詳細に示した図である。
【図４】本発明の燃料貯蔵ユニットハウジングの第２の実施例の上面図である。
【図５Ａ】本発明の水素床ユニットハウジングの第２の実施例の上断面図である。
【図５Ｂ】本発明の水素床ユニットハウジングの第３の実施例の上断面図である。
【図６Ａ】稠密円筒状燃料貯蔵ユニットを有する、本発明の燃料貯蔵ユニットハウジングの第４の実施例を示す図であって、３−３断面を示した図である。
【図６Ｂ】稠密円筒状燃料貯蔵ユニットを有する、本発明の燃料貯蔵ユニットハウジングの第４の実施例を示す図であって、図６Ａの６Ｂ−６Ｂ断面を示した図である。
【図７Ａ】図２の３−３断面図であって、燃料貯蔵ユニットの内部空間の実施例を示した図である。
【図７Ｂ】図２の３−３断面図であって、燃料貯蔵ユニットの内部空間の実施例を示した図である。
【図７Ｃ】図２の３−３断面図であって、燃料貯蔵ユニットの内部空間の実施例を示した図である。
【図７Ｄ】図２の３−３断面図であって、燃料貯蔵ユニットの内部空間の実施例を示した図である。
【図８Ａ】水素が充填された図２のシステムの詳細を示した図である。
【図８Ｂ】電力を発生する図２のシステムの詳細を示した図である。
【図９】断熱材を有する第２のシステムの実施例の側面図である。
【図１０】断熱材が取り除かれた第２のシステムの実施例の１０−１０断面図である。
【図１１】第２の実施例のシステムが個々に直列に配線された交互配置を示す図である。
【図１２】第２の実施例のシステムが個々に並列に配線された交互配置を示す図である。
【図１３】第２の実施例のシステムが個々に直列／並列の組み合わせで配線された交互配置を示す図である。
【図１４Ａ】スクータ内の取り外し可能な一体型燃料電池システムの一実施例の斜視図である。
【図１４Ｂ】補給のために取り外された図１４Ｂの燃料電池システムの斜視図である。
【図１５】自動車内の一体型燃料電池システムの別の実施例の斜視図である。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図７Ｅ】
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【図７Ｆ】
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【図７Ｇ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５】
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【国際調査報告】
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