(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を発生する方法であって、
ａ）不活性流体媒質内に溶解または分散されている水素担体分子または粒子を含む水素担体流体を提供するステップと、
ｂ）０．５μＳ未満のコンダクタンス値を有する水を含む活性化剤流体を提供するステップと、
ｃ）前記水素担体流体および前記活性化剤流体を第１の反応槽内に注入するステップとを含み、
ｄ）前記水素担体流体中の前記水素担体分子または粒子と前記活性化剤流体中の活性化剤との激しい混合を引き起こすために、前記水素担体流体および前記活性化剤流体が前記反応槽内に注入される方法。
【請求項２】
前記水素担体流体および前記活性化剤流体は、高圧下で注入される請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記水素担体流体および前記活性化剤流体の混合物は、第２の混合ステージでさらに混合される請求項１または請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記第２の混合ステージにおいて、追加の活性化剤流体が水素担体流体と前記活性化剤流体との混合物に加えられる請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記追加の混合は、高剪断混合機によって実行される請求項３または請求項４に記載の方法。
【請求項６】
追加の活性化剤流体は、水素担体流体と少なくとも９９％の前記活性化剤流体との反応を得るために前記混合物に加えられる請求項３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記発生した水素は、分離手段によって反応残留物から分離される請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記分離手段は、膜である請求項７に記載の方法。
【請求項９】
活性化剤流体全量は、前記水素担体流体の量との反応のために、化学量論的量を超えるように選択される請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記水素担体分子または粒子は、金属水素化物ＭＨｘおよび金属ホウ素水素化物Ｍ（ＢＨ４）Ｘからなる群から選択された１つまたは複数の物質であり、Ｍは金属であり、ｘは特定の金属の価数を表す請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記水素担体分子または粒子の前記金属は、Ｌｉ、Ｎａ、Ｂｅ、Ｍｇ、ＣａおよびＡｌからなる群から選択される請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記水素担体分子または粒子は、Ｃａ（ＢＨ４）２および／またはＡｌ（ＢＨ４）３を含む請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記水素担体粒子の粒径は、１０ミクロン以下である請求項１から１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記水素担体粒子の粒径は、１ミクロン以下である請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記不活性流体媒質は、鉱物油、エチレンとプロピレンとの共重合体、ポリ（アルファ）オレフィン、およびエーテルアルコキシレートからなる群から選択された流体であるか、または流体の組み合わせである請求項１から１４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
前記水素担体流体中の前記水素担体分子の前記濃度は、少なくとも６０％である請求項１から１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
前記水素担体流体中の前記水素担体分子の前記濃度は、７０から７５％の範囲内である請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記水素担体流体の前記粘度は、室温で水の１から５０倍の粘度である請求項１から１７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１９】
前記水素担体流体の前記粘度は、室温で水の粘度の１から２５倍の粘度である請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記水素担体流体の前記粘度は、室温で水の粘度の１から１０倍の粘度である請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記水素担体流体の前記粘度は、室温で水の粘度の１から５倍の粘度である請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記水素担体流体の前記粘度は、室温で水の粘度の１から２倍の粘度である請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記活性化剤は、水および／またはアルコールおよび／または燃料電池からリサイクルした水であるか、または水および／またはアルコールおよび／または燃料電池からリサイクルした水を含む請求項１から２２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２４】
前記水は、精製され、脱塩され、逆浸透で処理され、および／または静電フィルターにより濾過される請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記活性化剤は、不凍剤を含む請求項１から２４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２６】
前記不凍剤はグリコールである請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記水素担体流体および／または前記活性化剤流体に乳化剤が添加される請求項１から２６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２８】
前記水素担体流体と活性化剤流体との間の前記反応の前記熱の第１の部分を取り除くために、第１の熱交換器を前記反応槽に提供するステップを含む請求項１から２７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２９】
前記混合装置内の前記水素担体流体と活性化剤流体との間の前記反応の前記熱の第２の部分を取り除くために、第２の熱交換器を前記反応槽に提供するステップを含む請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記第１および／または第２の熱交換器から出る熱を、蒸気タービンに接続され、電気エネルギーを発生するための発電機を駆動する熱変換サイクルに供給するステップを含む請求項２８または２９に記載の方法。
【請求項３１】
熱を電気エネルギーに直接変換するために、前記第１および／または第２の熱交換器から出る熱を、熱電気変換デバイスで使用するステップを含む請求項２８または２９に記載の方法。
【請求項３２】
水素担体分子または粒子を含む水素担体流体から水素を発生するためのデバイスであって、前記水素担体分子または粒子は金属水素化物ＭＨｘおよび／または金属ホウ素水素化物Ｍ（ＢＨ４）Ｘからなる群から選択され、Ｍは金属であり、ｘは前記各金属の価数を表し、請求項１から３１のいずれか一項に記載の方法に合わせて適合され、
ａ）反応槽と、
ｂ）水素担体流体および活性化剤流体を前記反応槽内に注入するための少なくとも１つの注入器であって、水素担体流体および活性化剤流体を注入するときに前記反応槽内で即時水素発生反応を誘発するために、前記水素担体流体中の前記水素担体分子または粒子と前記活性化剤流体中の活性化剤との激しい混合を引き起こすように適合された注入器と、を備え、
ｃ）前記反応槽は、水素用の出口および前記反応残留物質用の出口を備えているデバイス。
【請求項３３】
前記少なくとも１つの注入器と流体接続している水素担体流体のコンパートメントを備え、前記少なくとも１つの注入器の上流に燃料ポンプを有している請求項３２に記載のデバイス。
【請求項３４】
前記少なくとも１つの注入器と流体接続している活性化剤流体のコンパートメントを備え、前記少なくとも１つの注入器の上流に活性化剤ポンプを有している請求項３２または３３に記載のデバイス。
【請求項３５】
前記デバイスが、第２ステージ混合装置を備えている請求項３２から３４のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項３６】
前記第２ステージ混合装置が高剪断混合機である請求項３５に記載のデバイス。
【請求項３７】
前記第２ステージ混合装置は、前記反応槽内に配置されている請求項３５に記載のデバイス。
【請求項３８】
前記第２ステージ混合装置は、前記第１の反応槽の底部に配置されている請求項３７に記載のデバイス。
【請求項３９】
前記水素担体分子または粒子を前記反応残留物から分離するための分離手段を備えている請求項３２から３８のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項４０】
前記分離手段は半透膜である請求項３９に記載のデバイス。
【請求項４１】
前記反応残留物を前記反応槽から取り出すための燃料ポンプを備えている請求項３２から３８のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項４２】
前記反応槽から取り出された前記反応残留物を受け取って貯蔵するためのコンパートメントを備えている請求項３２から４１のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項４３】
前記水素担体流体、前記活性化剤流体、および前記反応残留物用の前記コンパートメントは、１つの燃料容器内に配置されている請求項３２から４２のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項４４】
前記燃料容器は、固定された外形寸法を有し、前記水素担体流体、前記活性化剤流体、および前記反応残留物用の前記コンパートメントにおいて柔軟な壁を備え、これにより、前記燃料容器の前記内側寸法全体を最小にするために、前記コンパートメントの容積が前記コンパートメントの充填グレードに従うことを可能にしている請求項４３に記載のデバイス。
【請求項４５】
水素の前記出口の下流に水素生産調節弁を備えている請求項３２から４４のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項４６】
前記水素の出力圧力、前記燃料ポンプ、前記活性化剤流体ポンプ、反応残留物用の前記ポンプ、および／または前記反応槽内の前記液位を制御するように適合されたコントローラを備える請求項３２から４５のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項４７】
前記水素担体流体と活性化剤流体との間の前記反応の前記熱の第１の部分を取り除くために、前記反応槽内に配置された、第１の熱交換器を備えている請求項３２から４５のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項４８】
前記混合装置内の前記水素担体流体と活性化剤流体との間の前記反応の前記熱の第２の部分を取り除くために、前記混合装置の近くの前記反応槽の内側に配置された、第２の熱交換器を備えている請求項４７に記載のデバイス。
【請求項４９】
前記第１および／または第２の熱交換器から出る熱を、蒸気タービンに接続され、電気エネルギーを発生するための発電機を駆動する熱変換サイクルで使用することを可能にする熱再生手段を備えている請求項４７または４８に記載のデバイス。
【請求項５０】
前記第１および／または第２の熱交換器から出る熱を、熱電気変換デバイスで使用して熱を電気エネルギーに直接変換することを可能にする熱再生手段を備えている請求項４７から４９のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項５１】
不活性流体媒質中の水素担体分子または粒子と活性化剤流体とを含み、前記水素担体分子または粒子は、金属水素化物ＭＨｘ、または金属ホウ素水素化物Ｍ（ＢＨ４）ｘを含み、Ｍは金属であり、ｘは前記特定の金属の価数を表し、前記活性化剤流体は超純水であるか、または超純水を含むことを特徴とする請求項１から３１のいずれか一項に記載の前記方法を使用して水素を発生するための二成分混合燃料。
【請求項５２】
前記水素担体分子または粒子の前記金属は、Ｌｉ、Ｎａ、Ｂｅ、Ｍｇ、ＣａおよびＡｌからなる群から選択される請求項５１に記載の燃料。
【請求項５３】
前記水素担体分子または粒子は、Ｃａ（ＢＨ４）２および／またはＡｌ（ＢＨ４）３を含む請求項５２に記載の燃料。
【請求項５４】
前記水素担体粒子の粒径は、１０ミクロン以下である請求項５１から５３のいずれか一項に記載の燃料。
【請求項５５】
前記水素担体粒子の粒径は、１ミクロン以下である請求項５４に記載の燃料。
【請求項５６】
前記不活性流体媒質は、鉱物油、エチレンとプロピレンとの共重合体、ポリ（アルファ）オレフィン、およびエーテルアルコキシレートからなる群から選択された流体であるか、または流体の組み合わせである請求項５１から５４のいずれか一項に記載の燃料。
【請求項５７】
前記水素担体流体中の前記水素担体分子の前記濃度は、少なくとも６０％である請求項５１から５６のいずれか一項に記載の燃料。
【請求項５８】
前記水素担体流体中の前記水素担体分子の前記濃度は、７０から７５％の範囲内である請求項５７に記載の燃料。
【請求項５９】
前記水素担体流体の前記粘度は、室温で水の１から５０倍の粘度である請求項５１から５６のいずれか一項に記載の燃料。
【請求項６０】
前記水素担体流体の前記粘度は、室温で水の粘度の１から２５倍の粘度である請求項５９に記載の燃料。
【請求項６１】
前記水素担体流体の前記粘度は、室温で水の粘度の１から１０倍の粘度である請求項６０に記載の燃料。
【請求項６２】
前記水素担体流体の前記粘度は、室温で水の粘度の１から５倍の粘度である請求項６１に記載の燃料。
【請求項６３】
前記水素担体流体の前記粘度は、室温で水の粘度の１から２倍の粘度である請求項６２に記載の燃料。
【請求項６４】
燃料、活性化剤流体、および使用済み燃料を貯蔵するための独立したコンパートメントを備える燃料タンクに燃料を補給する方法であって、自動車内に配置されている請求項３２から４４のいずれか一項に記載のデバイスの前記燃料タンクに適合され、
コネクタ管路を前記自動車の前記燃料タンクに接続し、前記コネクタ管路は前記自動車の燃料タンクの前記燃料コンパートメント、前記水コンパートメント、および前記使用済み燃料コンパートメントへの給油所のディスペンサーの燃料タンク、水タンク、および使用済み燃料タンクの間の燃料、水、および使用済み燃料のジョイント接続部を備えているステップと、
前記コネクタ管路の前記使用済み燃料部を介して前記燃料タンクの前記使用済み燃料コンパートメントから使用済み燃料を取り出すステップと、
前記燃料タンクの前記燃料コンパートメントおよび活性化剤流体コンパートメントに燃料および水を、前記水と前記コネクタ管路の前記燃料部を介して充填するステップと、
前記コネクタ管路の接続を外すステップとを含む方法。
【請求項６５】
前記使用済み燃料コンパートメントから使用済み燃料を取り出した後に前記コネクタ管路の前記使用済み燃料部を水ですすぐステップと、
前記活性化剤流体コンパートメントおよび前記自動車の燃料タンクの前記燃料コンパートメントを充填した後に前記コネクタ管路の前記水および燃料部を水ですすぐステップとをさらに含む請求項６４に記載の方法。
【請求項６６】
前記コネクタ管路の接続を外す前に前記自動車の前記制御ユニットと前記ディスペンサーとの間に無線電子接続を確立するステップと、
前記コネクタ管路の接続を外した後に前記自動車の前記制御ユニットと前記ディスペンサーとの間の前記無線電子接続を切断するステップとをさらに含む請求項６４から６５に記載の方法。
【請求項６７】
燃料および使用済み燃料を貯蔵するための、給油所の燃料タンクおよび使用済み燃料タンクを補給する方法であって、
コネクタ管路を前記給油所の前記燃料タンクおよび前記使用済み燃料タンクに接続し、前記コネクタ管路はトラックまたは同様のものの使用済み燃料および燃料の前記コンパートメントへの前記給油所の前記燃料タンクと前記使用済み燃料タンクとの間の燃料および使用済み燃料のジョイント接続部を備えているステップと、
前記コネクタ管路の前記使用済み燃料部を介して前記給油所の前記使用済み燃料タンクから使用済み燃料を取り出すステップと、
前記コネクタ管路の前記燃料部を介して前記給油所の前記燃料タンクを充填するステップと、最後に
前記接続管路の接続を外すステップとを含む方法。
【請求項６８】
前記給油所は、活性化剤流体用のタンクを有し、前記給油所の前記活性化剤流体タンクに、前記コネクタ管路の活性化剤流体部を介して前記トラックの活性化剤コンパートメントから活性化剤流体を充填するさらなるステップを含む請求項６７に記載の方法。
【請求項６９】
前記活性化剤流体用のタンクは、水タンクである請求項６８に記載の方法。
【請求項７０】
前記活性化剤流体を充填するステップは、前記給油所の前記燃料タンクの充填と同時に行われる請求項６８に記載の方法。
【請求項７１】
前記使用済み燃料コンパートメントから使用済み燃料を取り出した後に前記コネクタ管路の前記使用済み燃料部を水ですすぐステップと、
前記活性化剤流体コンパートメントおよび前記自動車の燃料タンクの前記燃料コンパートメントを充填した後に前記コネクタ管路の前記水および燃料部を水ですすぐステップとをさらに含む請求項６４から６８のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属水素化物MHxおよび/または金属ホウ化物M(BH4)xを含む流体燃料から水素を発生するための方法およびデバイスに関するものである。本発明は、金属水素化物MHxおよび/または金属ホウ素水素化物M(BH4)xを含む流体燃料に関するものでもある。さらに、本発明は、水素発生デバイスの燃料供給(燃料補給)方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
金属水素化物または金属ホウ素水素化物を含有する燃料から水素を発生させるいくつかのプロセスが知られている。
【０００３】
欧州特許第1,369,947号では、5〜50%のNaBH4、5〜40%のNaOH、およびバランス水(balance water)を含む溶液Aを51〜100%の水、および49〜0%の水溶性水添加物を含む溶液Bと混合する水素発生方法を開示している。溶液Bは、好ましくは2から7までの範囲内のpHを有する。溶液AとBを混合した後、モル比NaBH4:H2Oは好ましくは1:5より大きいか、またはなお一層好ましくは、1:6より大きい。溶液AおよびBは、好ましくは、これらが混合されて反応を生じる反応槽に、別々に計量して入れられる。ホウ素水素化物の分解反応は、
NaBH4+4H2O→4H2+NaOH+B(OH)3
である。
【０００４】
この例では、溶液Aは、そのアルカリ(NaOH)により安定化され、反応は、溶液Bを加えたときに、結果として得られる水性混合溶媒のpHを小さくすることによって開始する。
【０００５】
米国エネルギー省(DoE)は、水素配送および貯蔵に関する技術的目標を定めた。2010年までに、質量エネルギー能力(gravimetric energy capacity)は1.8kWh/kgにならなければならない。2015年までに、質量エネルギー能力は3kWh/kg=10.8MJ/kgにならなければならない。後者の値は、水素の9.0質量%に対応している。動作周囲温度は、-40℃から60℃までの範囲内になければならない。
【０００６】
FY 2006 Annual Progress Reportの377頁以下に記載の、2010年の目標を達成しようとして、DoEプロジェクト内で行った水素化マグネシウム(MgH2)スラリーに関する試験が報告されている。試験されたスラリーは、70%のMgH2を分散液中に添加した油中の100ミクロンから下って1ミクロンまでのサイズを有するMgH2粒子の分散液である。スラリーからは、3.6kWh/kgの未使用物質容量(fresh material capacity)が得られる。スラリーの油がMgH2を空気中の水分と不慮の接触から保護し、MgH2は室温で非常にゆっくりと反応するので、取り扱いが比較的安全であり、また空気中で取り扱うことができる。水をスラリーに添加し、スラリーと混合することによって、反応が開始する。MgH2の分解反応は、
MgH2+2H2O→2H2+Mg(OH)2
である。
【０００７】
従来技術による方法では、反応の開始の直後に例えば自動車の水素燃料電池を動作させるのに十分な量の水素が発生する瞬間的反応を誘発する可能性はないように見える。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】欧州特許第1,369,947号
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】FY 2006 Annual Progress Reportの377頁以下
【非特許文献２】Chemical Abstracts 16962-07-5
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
したがって、本発明の第1の目的は、相当量の水素の瞬間的放出が可能である水素を発生させるための方法およびデバイスを実現することである。本発明の他の目的は、本発明による方法および/またはデバイスを使って水素製造に使用するのに適した燃料を提供することである。他の目的は、水素発生デバイスに燃料補給する、特に本発明による水素発生デバイスに燃料を補給するための簡単な方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
これらおよび他の目的は、本発明により、水素を発生するための方法およびデバイスを用いて解決され、この方法は、
不活性流体媒質内に溶解または分散されている水素担体分子または粒子を含む水素担体流体を提供するステップと、活性化剤流体を提供するステップと、水素担体流体および活性化剤流体を第1の反応槽内に注入するステップとを含み、水素担体流体および活性化剤流体が反応槽内に注入されると、水素担体分子または粒子と活性化剤流体との激しい混合が引き起こされる。
【００１２】
本発明の方法によれば、溶液もしくは分散液を燃料として使用し、この溶液もしくは分散液は、不活性流体溶出溶媒または分散媒中に溶解もしくは分散した、水素担体粒子、例えば金属水素化物もしくは金属ホウ素水素化物の微粒子を含む。燃料および活性化剤流体が反応槽内に注入されると、溶液もしくは分散液および活性化剤流体の注入は燃料と活性化剤流体との激しい混合を引き起こし、水素担体分子と活性化剤流体との間の密接触を引き起こす。分散液の注入では、水素担体粒子が分散媒から分離され、活性化剤流体に曝されることにもなる。燃料および活性化剤流体の注入は、燃料と活性化剤流体の両方のインライン注入であることが特に好ましい。
【００１３】
この方法により、水素担体液滴もしくは粒子の表面と活性化剤流体との間の接触面積を大きくすることが可能であり、また溶出溶媒が活性化剤流体内で小さな液滴に分割され、分散媒が水素担体粒子の表面から洗い流されるため溶出溶媒が水素担体を遮蔽するか、または分散媒が粒子の表面に付着することによる反応の阻害が最小限度に抑えられるか、さらには完全に妨げられる。したがって、溶液もしくは分散液および活性化流体を反応槽内に注入した後、小さな液滴もしくは粒子の表面は活性化剤に曝され、水素発生反応が即座に開始し、高い反応速度で水素を放出する。
【００１４】
多くの場合において、この方法は、溶液もしくは分散液および活性化剤流体が高圧下で注入されるとなお一層効率がよいものとなるが、この適切な圧力は溶液もしくは分散液、特に水素担体の液滴もしくは粒子サイズ、溶液もしくは分散液中の担体添加、溶液もしくは分散液の粘度、および使用される活性化剤流体の種類に依存する。溶液もしくは分散液の注入に高圧を使用することによって、溶解もしくは分散流体および/または活性化剤流体の注入速度が上昇し、これにより、溶出溶媒を小さないくつかの液滴に分割するか、または水素担体粒子の表面から分散媒を分離する効率が向上する。
【００１５】
さらに、溶出溶媒を小さな液滴に分割すること、または分散媒を水素担体粒子から分離することは、溶出溶媒または分散媒および/または活性化剤流体に乳化剤を添加することによって促進されうるが、それは溶出溶媒の乳化を容易にし、また粒子表面から分散媒を洗い流すことを容易にするからである。
【００１６】
上記の措置により、反応は、溶液もしくは分散液および活性化剤流体を反応槽内に注入した後、1秒未満の時間内に開始しうる。
【００１７】
好ましい一実施形態では、残留している水素担体粒子、分散媒、活性化剤流体、および反応生成物の混合物がさらに第2の混合ステージにおいて混合される。そのステージでは、残留している水素担体粒子と活性化剤との間の反応は、最大99%以上完了し、したがって、基本的にはすべての水素担体粒子が反応し、反応生成物はそれらが貯蔵される容器から容易に取り出せるように分散媒中に分散したままである。この背景状況において、追加の活性化剤流体を間欠的にもしくは連続的に混合物に加えると都合がよい場合がある。この第2の混合ステージは、ステーターとローターとを有する高剪断混合機内で好ましくは実行できる。
【００１８】
分離手段を用いて水素を反応残留物、特に膜から分離し、発生した水素のすべてを放出すると都合がよい場合がある。このような分離手段は、第2の混合ステージにおいて、または第2の混合ステージの後に特に有用である。
【００１９】
活性化剤流体全量が、その量の水素担体との反応に対する化学量論的量をわずかに超えることがさらに好ましい。
【００２０】
好適な水素担体は、金属水素化物MHxおよび金属ホウ素水素化物M(BH4)xからなる群から選択された1つまたは複数の物質であるが、ただし、Mは金属であり、xは特定の金属の価数を表す。好ましくは、水素担体の金属は、Li、Na、Be、Mg、CaおよびAlからなる群から選択され、特に好ましい水素担体は、Ca(BH4)2および/またはAl(BH4)3である、
【００２１】
反応に対し広い表面積を形成するうえで、水素担体の粒子サイズは10ミクロン以下、好ましくは約1ミクロン以下であることが有利であると思われる。完全溶解した水素担体は、特に有利であると考えられる。
【００２２】
不活性溶出溶媒もしくは分散媒として、鉱物油、エチレンとプロピレンとの共重合体、ポリ(アルファ)オレフィン、およびエーテルアルコキシレートからなる群から選択された流体または流体の組み合わせが好ましい。
【００２３】
分散液中の水素担体、または水素担体粒子の濃度が少なくとも60%である溶液もしくは分散液を使用することは、好適なエネルギー能力を確保するために好ましい。70から75%までの範囲の濃度であれば、エネルギー能力、溶液もしくは分散液の粘度、および周囲条件の下での意図しない反応からの水素担体の保護の間で有利なバランスをもたらすように思われる。しかし、水素担体または水素担体の粒子サイズによっては、より高い濃度が適している場合もある。
【００２４】
溶液または分散液の粘度は、粘度が高いほど効率的な注入が難しくなる限りにおいて重要である。燃料ポンプに必要な電力も、ポンプで送られる燃料の粘度に比例し、ポンプに投入される電力は、生成物の連鎖全体にわたる品質管理パラメータとして使用することができる。したがって、室温の水の粘度の1から50倍の粘度、好ましくは室温の水の粘度の1から25倍の粘度、より好ましくは室温の水の粘度の1から10倍の粘度、なお一層好ましくは室温の水の粘度の1から5倍の粘度、最も好ましくは室温の水の粘度の1から2倍の粘度が、有利であると考えられる。
【００２５】
好ましい活性化剤は、もっぱら水であるか、または水を含む。水素担体と水との間の反応速度は、水の純度が高まると劇的に増大しうる。いくつかのホウ素水素化物について、反応速度は、使用される水の種類の順序で増大する、つまり、水道水<脱塩水<逆浸透で処理された脱塩水<逆浸透で処理され、その後静電フィルターに通された脱塩水、の順に増大する。
【００２６】
メタノール、エタノール、およびプロパノールなどのアルコールも、好適な活性化剤流体として使用することができる。
【００２７】
特に、水を使用する場合、凝固点を下げるために不凍剤、特にグリコールを添加するとよい。不凍剤の添加は、アルコールを活性化剤流体として使用する場合には必要ない。あるいは、加熱および/または絶縁手段を形成し、水の凍結を防止することができる。
【００２８】
本発明のデバイスは、反応槽と、燃料および活性化剤流体を反応槽内に注入するための少なくとも1つの燃料注入器と、水素の出口と、反応残留物質の出口とを備える。本発明のデバイスの少なくとも1つの注入器は、燃料および活性化剤流体を注入するときに反応槽内の即時水素発生反応を誘発するように適合される。
【００２９】
本発明のデバイスは、好ましくは、
-燃料注入器の上流にある燃料ポンプ、および/または
-燃料注入器と流体的に接続する燃料コンパートメント、および/または
-活性化剤流体注入器の上流にある活性化剤流体ポンプ、および/または
-活性化剤流体注入器と流体的に接続する活性化剤流体コンパートメント、および/または
-第2ステージ混合装置、特に高剪断混合機、および/または
-反応槽の下流にある反応残留物に対する使用済み燃料ポンプ、および/または
-反応槽の下流にある反応残留物に対する使用済み燃料コンパートメントを備える。
【００３０】
第2ステージ混合装置は、使用される場合、好ましくは、反応槽内に配置され、特に反応槽の底部に配置され、分散媒、燃料、および使用済み燃料、さらには活性化剤流体は反応槽内に注入された後に集まる。しかし、第2段混合装置を第1の反応槽の下流にある第2の反応槽内に配置することもできる。第2段混合装置は、燃料が溶液のときには使用されない。
【００３１】
好ましくは反応残留物から水素を分離するために分離手段が備えられる。このような分離手段は、例えば、半透膜を備えることができる。
【００３２】
燃料、活性化剤流体、および反応残留物用のコンパートメントは、好ましくは、安全上の理由からコンパートメント内の流体が容器から漏れ出ないよう低圧で動作可能なハードシェルを備える1つの燃料容器内に配置された独立した柔軟な容器である。さらなる安全上の予防策として、好ましくは、燃料、活性化剤流体、および使用済み燃料用の柔軟な容器を分離するために膜が備えられる。さらなる安全対策として、柔軟な容器およびハードシェル容器のそれぞれは、好ましくは、封入ガスとして窒素を供給し、それらの容器のどれかの中に過剰な圧力が生じた場合にそれを逃すための管路を備える。この管路は、好ましくは、制御弁および機械式安全弁を備える。それに加えて、柔軟な容器および/またはハードシェル容器は、容器内の圧力を感知し、監視するための感知手段を備えることができ、この感知手段の出力は好ましくはユーザーインターフェイスに接続される。
【００３３】
好ましい一実施形態では、燃料および活性化剤流体を燃料容器および活性化剤容器から反応槽へ供給するための流体管路のそれぞれは、バイパスと、そのバイパス内に制御弁とを備え、これにより、燃料ポンプに燃料容器へのバイパスを通る燃料の連続的再循環を行わせ、活性化剤流体ポンプに活性化剤流体燃料容器へのバイパスを通る活性化剤流体の連続的再循環を行わせることができる。それぞれのバイパス内の制御弁が作動すると、燃料および活性化剤流体が反応槽に供給される。
【００３４】
本発明の他の好ましい実施形態では、反応槽からの水素の水素生産量を調節するために反応槽の水素出口の下流に水素生産調節弁が配置される。
【００３５】
デバイスを動作させるために、特に水素の生産圧力、燃料ポンプの動作、活性化剤流体ポンプの動作、燃料および活性化剤流体バイパス内の制御弁の作動、反応残留物用のポンプの動作、および/または反応槽内の液位を制御するように適合されたコントローラを備えることができる。
【００３６】
好ましい一実施形態では、反応槽は、反応槽から燃料と活性化剤との間の反応の熱の第1の部分を取り除くための第1の熱交換器および反応槽内の混合装置から燃料と活性化剤との間の反応の熱の第2の部分を取り除くための第2の熱交換器を備える。好適な熱伝導流体を用いて、第1の熱交換器からの熱を、蒸気タービンに接続され、電気エネルギーを発生するための発電機を駆動する、有機ランキンサイクル(ORC)またはカリーナサイクルなどの熱変換サイクルに送る。あるいは、第1の熱交換器からの熱を熱電素子内で使用して熱を電気エネルギーに直接的に変換することができるか、または熱変換サイクルと熱電素子との間でその熱を共有することができる。
【００３７】
第2の熱交換器からの熱は、加熱目的に使用され、および/または環境へ放散される。反応槽から出る水素の最高温度は、好ましくは、燃料電池膜などの下流機器への損傷を防止するために40℃に限定される。
【００３８】
本発明のデバイスは、好ましくは、燃料として水素担体粒子、および活性化剤流体として水またはアルコールを含む分散液の組み合わせに対して使用されうる。しかし、デバイスは、燃料としての金属水素化物または金属ホウ素水素化物および水性活性化剤流体を含む溶液に対し使用することもできる。
【００３９】
本発明の燃料は、溶液もしくは分散液と活性化剤流体とからなり、その好ましい組成および物理的特性はすでに上で説明されている。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
以下では、本発明について図面を参照しつつ詳細に説明する。
【図１】本発明による燃料システムの略図である。
【図２】本発明による燃料システム用の反応槽の第1の実施形態の断面図である。
【図３】本発明による反応槽で使用される高剪断混合機の一部の断面図である。
【図４】本発明による燃料システムの第2の実施形態の略図である。
【図５】本発明による燃料システムの第3の実施形態の略図である。
【図５Ａ】冷却回路、および燃料電池のスタックを備える、図5の実施形態の略図である。
【図６】インラインで燃料および活性化剤を注入するための一組の注入器の好ましい一実施形態を示す図である。
【図６Ａ】燃料および活性化剤をインラインで注入するための注入システムの好ましい他の実施形態を示す図である。
【図６Ｂ】燃料および活性化剤をインラインで注入するための注入システムの好ましい第3の実施形態を示す図である。
【図７】燃料、活性化剤流体、および使用済み燃料を収納するための柔軟なコンパートメントを備える燃料タンクの一実施形態を示す図である。
【図８】燃料を車両に供給する段階を示す略図である。
【図９】給油所で燃料を供給する段階を示す略図である。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
本発明による燃料システムの第1の実施形態が図1に示されている。このシステムは、燃料および活性化剤流体が供給されうる反応槽1を備える。例えば、反応槽1は、最大5バールの圧力を許容する中圧容器とすることができる。
【００４２】
反応槽に供給される燃料は、燃料タンク3の燃料コンパートメント2内に貯蔵される。燃料タンク3は、反応槽1に供給される活性化剤流体を所蔵するための活性化剤流体コンパートメント4、および反応槽1から放出される、反応生成物(発生した水素を除く)を貯蔵するための使用済み燃料5のコンパートメントも備える。すべてのコンパートメント2、4、5は、燃料タンク3内に配置され、その外側部分は圧力調整弁V1および圧縮機Cを介して少なくとも部分的に排気されうる。燃料タンク内の好ましい圧力は、150hPaである。燃料タンク3は、周囲通気弁V2を介しても排気されうる。
【００４３】
反応槽1は、管路6および燃料ポンプ7を介して燃料コンパートメント2から燃料を供給され、管路8および活性化剤流体ポンプ9を介して活性化剤流体コンパートメント4から活性化剤流体を供給されうる。反応残留物は、管路11およびポンプ12を介して反応槽1から放出され、使用済み燃料コンパートメント5内に貯蔵できる。ポンプは、好ましくは、膜ポンプである。管路およびポンプについては、好ましくは、水素が漏れない膜およびシールが使用される。
【００４４】
システム内で使用される燃料管路は、好ましくは、逆火および火炎防止器を有する配管を備え、焼結セラミックフィルターを収納することができる。
【００４５】
燃料と活性化剤流体の両方が、複数の噴射ノズル(図示せず)を備えることができる、インライン混合装置19を通して反応槽1内に注入される。つまり、燃料および活性化剤流体は、同時に、また流体噴流の表面と表面との間に高剪断応力が確実にかかるように注入される。
【００４６】
反応槽1は、少なくとも1つの液位センサーL1を備え、反応槽内の液位を監視する。特に、液位センサーL1は、反応槽の適切なレベルで下限の液位、上限の液位、および警報液位を監視し、検出することができる。
【００４７】
反応槽1の上に、(水素)ガス透過膜13によって反応槽1の残り部分から分離される水素の出口を備える。水素は、管路15、圧力調節器16、および出力調節弁V0を介して、反応槽1から水素出口14を通って水素緩衝装置(図示せず)または水素消費装置(図示せず)に放出されうる。圧力調節器は、機械式ベローズを備えることができ、また水素が漏れないようになっているものとする。
【００４８】
さらに、フィルターおよび逆止弁V3およびV4は、両方とも水素ガス透過膜を備え、燃料コンパートメント2および使用済み燃料コンパートメント5の上に配置され、これらは管路17を介して水素出口14に接続され、この出口で燃料コンパートメント2および使用済み燃料コンパートメント5から水素を放出する。
【００４９】
燃料タンク内の圧力および反応槽1の出口14のところの水素ガス圧力を監視するために、2つのセンサーP1、P2が備えられている。
【００５０】
燃料システムは、コントローラ18によって制御される。コントローラ18は、圧力センサーP1、P2、液位センサーL1からの情報を使用して、ポンプ7、9、12および弁V0、V1、V2、V3を制御する。特に、ポンプ7および9を別々に制御することによって、反応槽1に供給される燃料と活性化剤流体の混合比を精密に制御することができ、これにより、反応槽1内の水素発生反応の精密制御を行うことができる。燃料および活性化剤を制御するためのプロセッサ配置構成では、さまざまな燃料に対する標準の事前選択された設定を有していてもよい。
【００５１】
図2には、図1によるシステムの反応槽1の底部がさらに詳しく示されている。高剪断混合機30は、反応槽1の底部に、中心軸21に関してわずかに中心を外れて、液位より下に、配置されており、これは参照番号22で大まかに示されている。
【００５２】
高剪断混合機30の目的は、混合装置30の上で燃料および/または一部使用済みの燃料を再循環させて追加の混合ステップとし、燃料の完全変換を行わせることである。この追加の混合ステップも、望ましくない高温および低温のスポットを形成する可能性のある燃料粒子の局所的に高い、および/または局所的に低い濃度の発生を防止する。図2は、高剪断混合機が矢印連鎖で示されているように反応槽1内の循環流を誘発することを示している。これは、流体が高剪断混合機のシャフトにそって上方に流れ、その後、反応槽1の壁にそって下方に流れることを意味している。流体がこのようにして混合されるという事実は、流体の混合を高め、システムの水素生産の反応時間を延ばすために流体の互いの上での表面の剪断応力を高めるのに役立つ。
【００５３】
好適な高剪断混合機30の一部は図3に示されている。高剪断混合機30は、円形ステーター31およびその同心円上にステーターより直径の小さいローター32を備える。ローター32の回転軸は、ローター32がステーター31の内側で回転し、それによりステーターとローターとの間の反応領域33内で流体を混合するように配置される。反応領域33は、ステーター31の内壁とローター32の外向き壁によって画成される。
【００５４】
燃料からの水素の放出をさらに高めるために、ローター32の壁内の開口部34を通して反応領域33に追加の活性化剤流体を供給することができる。使用済み燃料は、ステーター31の壁内の開口部35を通して反応領域33から放出されうる。
【００５５】
図1を再び参照すると、反応槽1内に生成された水素は、圧力調節器16に送られる。発生する水素の純度を確実にするために、この低圧調節器16は入口フィルターを必要とする場合がある。安全上の理由から、火炎防止装置を備えて、逆火を防止しなければならない。フィルターおよび火炎防止装置を組み合わせて1つの機能要素にすることができる。
【００５６】
図4および5を参照すると、本発明による燃料システムの第2および第3の実施形態が説明されていることがわかる。図4によれば、システムは、燃料貯蔵コンパートメント100、活性化剤貯蔵コンパートメント200、および使用済み燃料貯蔵コンパートメント300を備える。コンパートメント100、200、300のそれぞれの内側の液位を感知するために、コンパートメント100、200、300のそれぞれが、センサー721、722、723をそれぞれ備える。これらのセンサー721、722、723は、好ましくは、ホールセンサーまたは光学式変位測定システムである。ホールセンサーは、磁力を利用するものであり、その動作では火花を発生することはない。
【００５７】
好ましくは、貯蔵コンパートメント100、200、300のそれぞれは、その容積が柔軟である。つまり、これらは、好ましくは、これらのコンパートメントのうちの1つのコンパートメントの容積増大は、完全にまたは部分的に他の貯蔵コンパートメントの同時容積減少を伴うように配置されるということである。この処置の結果は、3つのコンパートメント100、200、300を含む燃料タンクに必要な全容積量の重要な制限である。システムを使用する前に、燃料貯蔵コンパートメント100および活性化剤貯蔵コンパートメント200は、流体を収納するための特定の容積を有する。それと同時に使用済み燃料貯蔵コンパートメント300は空になる。使用中、燃料貯蔵コンパートメント100および活性化剤コンパートメント200は空になり、それと同時に、使用済み燃料コンパートメント300は、いっぱいになる。コンパートメント100、200、300の充填グレードに従うことができる、柔軟な壁を使用する場合、コンパートメント100、200、300を収容するために必要な初期空間を最低限に保持することができる。容積が固定されている剛体外部ハウジング内に柔軟な貯蔵コンパートメント100、200、300を有する図4および5によるシステムを使用することができる。このようなタンクの実施形態は図7を参照しつつ説明される。
【００５８】
図4に示されているように、貯蔵コンパートメント100、200、300は、好ましくは、コネクタ114に接続される。このコネクタは、貯蔵コンパートメントを、1つの中央位置から、貯蔵コンパートメント100、200、300との間で流体をやり取りするための管路に接続するために使用される。コネクタ114は、燃料供給用のサブコネクタ111、活性化剤供給用のサブコネクタ211、および使用済み燃料をシステムから放出するためサブコネクタ331を備える。コネクタは、窒素などの封入ガスを貯蔵コンパートメント100、200、300に供給するためにサブコネクタ344も備える。好ましくは、サブコネクタは、不要な接続が構成されるのを防ぐ独自のカップリングを有するように設計される。サブコネクタは、好ましくは、流出が生じることが完全にない。好ましい種類のコネクタとして、Swagelok社のクイックコネクトシリーズがある。
【００５９】
燃料貯蔵コンパートメント100および活性化剤貯蔵コンパートメント200は、外部供給源から(すすぎ流体あり、またはなしで)燃料および活性化剤を供給するための供給管路110、210をそれぞれ備える。
【００６０】
使用済み燃料貯蔵コンパートメント300は、使用済み燃料を外部回収システムに排出するための管路330を備え、使用済み燃料排出管路330は、弁システムと外部使用済み燃料回収システムに接続するためのコネクタ331とを備える。
【００６１】
弁システムおよびコネクタ111、211、331のそれぞれを一体化することができる。コネクタおよび/または一体化された弁システムおよびコネクタを組み合わせて単一のコネクタ114にすることができ、これをすべての接続部を含む1つのコネクタとして操作することができる。これにより、コンパートメント100および200の同時充填およびコンパートメント300のパージを実行できる。
【００６２】
図5に示されているように、貯蔵コンパートメント100および200は、ポンプ125、225、あるいは均質化および/またはポンプによるくみ上げ用のインペラー106、206(図4を参照)を備える再循環管路120、220を具備することができる。分配が均一になるように、再循環管路の出口のちょうど下流の、貯蔵コンパートメント100、200の上側セクション内にスクリーン(図示せず)を設けることができる。
【００６３】
インペラー106、206、306(図4を参照)は液体に好ましいが、循環システムは分散液に好ましい。分散液の再循環により、燃料を全貯蔵コンパートメント領域上に均一に分配することができ、したがって、濃度の差が最小に抑えられるが、液体を循環させると濃度勾配が生じうる。活性化剤は、常に、流体であり、分散液ではないので、活性化剤流体コンパートメント200にはインペラー206が好ましい。
【００６４】
再循環管路120、220の出口には、最高圧力逃し弁が設けられる。これらの弁を使用して、燃料再循環管路内の最高圧力を典型的には8バールに、活性化剤管路内の最高圧力を9バールに保つ。
【００６５】
燃料貯蔵コンパートメント100、活性化剤貯蔵コンパートメント200、および使用済み燃料貯蔵コンパートメント300は、好ましくは、窒素用の入口にガス-流体分離膜を備える。窒素管路340は、過剰な圧力(>7バール)を環境に逃すための機械式圧力逃し弁341を備える。窒素管路340は、制御弁を作動させることができる圧力トランスデューサを有するバイパス(図示せず)をさらに備える。燃料補給中、窒素が、3バールの圧力で貯蔵コンパートメント100、200、300に供給される。
【００６６】
コントローラ58は、3.0から3.2バールまでの範囲のレベルでトランスデューサおよび弁を使って管路340内の圧力を制御する。
【００６７】
図4および5によるシステムは、反応槽400、混合槽500、および放出された水素用の緩衝槽600を備える。反応槽400、混合槽500、および緩衝槽600のそれぞれは、互いに開放連通しており、これにより、水素が制約を受けることなく放出される。
【００６８】
燃料貯蔵コンパートメント100および活性化剤貯蔵コンパートメント200は、燃料を供給するための管路130および活性化剤を供給するための管路230により混合槽500に接続される。これらの管路130、230のそれぞれは、混合槽500の入口のところの管路の端部に配置されている制御弁132、232を使用して、燃料および活性化剤を反応槽400に供給するために使用される。制御弁132、232は、燃料に対して8バールの開口圧力、および活性化剤に対して9バールの開口圧力を有する。管路130、230のそれぞれは、圧力トランスデューサ713、714を備え、最小および最大圧力スイッチを備えることができる。管路130、230のそれぞれは、好ましくは、流体制御センサー133、233および体積流量計134、234を備える。流体制御センサーを、活性化剤および燃料用の制御弁と混合槽500との間に配置することによって、管路内の燃料および活性化剤の存在を監視し(またはチェックし)、活性化剤が存在しない場合には燃料は一切混合槽500に供給できない。したがって、追加の活性化剤(再循環を介して測定した粘度を低減する)が反応室内の非常に高濃度の燃料と反応することが防止され、その結果、反応槽内の圧力が警報限界値を超えることが防止される。
【００６９】
図4による実施形態では、活性化剤を供給するための管路230は、少量の活性化剤を保持して管路230内の液圧を一定に保つための緩衝器237を備えることができる。燃料を供給するための管路130は、少量の燃料を保持して管路130内の液圧を一定に保つための緩衝器137を備えることができる。図5による実施形態では、この緩衝機能は、バイパス120および220を使用することによって得られる。
【００７０】
図6を参照すると、燃料および活性化剤を混合槽内に注入するための注入器の一実施形態が示されている。管路230の出口は、好ましくは、管路230から放出される活性化剤が混合槽500内に噴流として注入されるようにノズル232の形状をとるが、燃料管路130の出口は、皿形要素に接続された開放流体経路としての形状をとる。噴流を出すノズル232は、噴流が開放流体経路から放出された燃料と自動的に混合するように燃料管路130の開放流体経路と一致する配置にすることができる。噴流は、燃料粒質物分散液の固体粒子からの保護流体の大半を取り除くために燃料と活性化剤との間の激しい混合が得られるように配置される。
【００７１】
流体の混合は、活性化剤管路ノズル232が活性化剤流体の比較的強力な噴流を、第1の皿形出口内で燃料管路130によって放出される燃料の流れの中に噴霧し、これにより、粒質物からの油がフラッシングされ、燃料が活性化剤に曝される、第1のステージ550を含む。反応混合物は、第1の穿孔された分離部558を通って第2のステージ560へ流れ、そこで、ガイド569に誘導されて再混合管路420の第2の皿形出口へ進み、そこで、使用済み燃料と混合され、受液器領域450からポンプ425による混合の第2のステージ560へ再循環され、バイパス420(図5を参照)を通る。
【００７２】
第2のステージからの反応混合物は、第2の穿孔された分離568を通って第3のステージ570へ流れて、反応を完了し、その後、第3の穿孔された分離部578を通って反応槽400内に流れ込むことができる。あるいは、反応混合物は、第2のステージから直接、反応槽400内に流れ込むこともできる。
【００７３】
図6Aを参照すると、図5Aからの混合槽500の断面がさらに詳しく示されている。図6Aは、燃料管路130、活性化剤管路230、内部チャネル502を完全に囲みうる冷却ジャケット501を示している。
【００７４】
図6Bは、混合槽500の他の好ましい実施形態の断面をさらに詳しく示している。内部チャネル502は、層化コンパートメントを有し、これは冷却流体を運ぶための冷却チャネル504を備える冷却要素503によって分割される。
【００７５】
図4および5を再び参照すると、混合槽500は、好ましくは、互いに開放連通し、最終的に、反応槽400および緩衝槽600と連通する複数のステージを有する。異なるステージが低い流動抵抗を有する穿孔板によって分離されている多段混合槽500を構成することによって、それぞれのステージにおいて乱流混合を引き起こし、反応生成物を一方のステージから次のステージへと進めてゆく、圧力勾配が発生する。つまり、発生した水素の出口(安全弁を含む)を混合槽内に配置できず、反応槽400内に配置されるということである。ステージの数は、望む反応速度に依存する。
【００７６】
反応槽400の下側部分は、この下側部分が燃料と活性化剤との混合から非ガス反応生成物を受け入れるような形状をとる。下側部分は、これ以降、「受液器領域」450と称する。非ガス反応生成物は、使用済み燃料であり、これは重力と反応室内のガス圧力とによって受液器領域450内に集められる。受液器領域450が凸形状であるため、使用済み燃料を反応槽400から受液器領域450へ容易に移せる。
【００７７】
受液器領域450は、好ましくは、使用済み燃料を輸送するための第1の管路430および第2の管路440を介して使用済み燃料300用の貯蔵コンパートメントに接続される。第2の管路440は、第1の管路が詰まった場合の第1の管路に対するバックアップである。このバックアップによって、電気的および/または機械的な流動問題が故障を引き起こす可能性を防ぐ。さらに、これは、燃料分散液が使用される場合にねばねばしている可能性のある、沈殿による放出弁および/または管路の閉塞も防止する。管路430、440のそれぞれは、放出弁431、441をそれぞれ備え、放出弁431、441のそれぞれは、反応槽400内に回収された使用済み燃料の本質的にすべてが使用済み燃料貯蔵コンパートメント300に輸送される前に事前混合されるように位置決めされている。
【００７８】
燃料が全部確実に使われるように、また回転速度計および再混合ポンプに取り付けられている電力センサーを通じて回収された使用済み燃料の粘性計測を行えるように、放出弁は、好ましくは、凸形状の受液器領域450の底部に配置され、反応室内の回収された使用済み燃料は、好ましくは、常に、再循環される。
【００７９】
受液器領域450は、好ましくは、使用済み燃料を再混合するためにバイパス420(図5を参照)を通して混合槽500に接続される。バイパス420は、ポンプ425と反応室内の低警報液位より低い位置に配置される制御弁421を備える。使用済み燃料を再混合するためのバイパス420は、燃料と活性化剤とを混合するために第1のステージに近い位置にある混合槽の第2のステージに接続している。受液器領域450は、温度センサー717をさらに備えることができる。
【００８０】
再混合管路420は、好ましくは、使用済み燃料の粘度を感知するために粘度計(図示せず)を備える。バイパス420内のポンプ425は、好ましくは回転速度計(図示せず)を、より好ましくはニプコー円板を備える。ポンプ425の電力線には、好ましくは電力センサー(図示せず)を備える。
【００８１】
反応槽400の制御システムは、4つの流体制御液位、つまり、回収した使用済み燃料の最低/最高制御液位、最低液位に等しいものとしてよい、低警報液位、および最高制御液位より常に高い高警報液位を有する。高警報液位では、バックアップ(第2の)放出弁が作動するが、最高液位では、第1の放出弁が作動する。最低制御液位では、すべての作動された放出弁が閉じる。しかし、低警報液位では、使用済み燃料の再混合ポンプ425が停止する。燃料液位が低警報液位まで下がる(それと同時に、最低液位に達する)と、再混合ポンプは、ポンプ動作を停止し、放出弁が閉じる。流体液位が上昇すると、再混合ポンプは即座に作動する。
【００８２】
放出弁431、441のそれぞれは、最低液位より低い位置に配置されるが、再混合出口弁は、受液器領域450内の低警報液位より低い位置に配置される。放出弁431、441は、好ましくは、再混合管路の弁/出口と同じ高さにあり、これにより、沈殿による閉塞を防止する。反応室内の独立している再混合出口と弁は、重大な不具合を低減するために、放出弁および管路の組み合わせに優先する。他の構成も、回収された使用済み燃料(の一部)を再混合するためにもちろん使用されうる。
【００８３】
反応槽400は、システムを清掃することを目的として標準の活性化剤または代替えの活性化剤を添加するためにコネクタ414および制御弁411を備えることができる。制御弁414は、活性化剤供給管路230に接続することができる。
【００８４】
緩衝槽600は、ガス放出管路630を備え、これは制御弁631および減圧弁632を制御弁の下流に備えている。さらに、ガス放出管路630は、好ましくは、火炎が緩衝槽内に伝搬するのを防ぐために減圧弁632の下流に火炎防止装置(図示せず)を備える。好ましくは、緩衝槽600と減圧弁632との間に、反応生成物を分離し水素を通せるようにするフィルター603を備える。小容量の緩衝槽は、交点までの長さが比較的小さいため、液体を出口に容易にはね散らし、したがって、ガス放出管路630に取り付けられているシステムにはね散らし、したがってフィルターを必要とする。大規模工業用途では、交点までの長さが長いのでフィルターを必要としない大容量の緩衝槽が使用されうる。しかし、はね散らしはそれでも発生する。
【００８５】
緩衝槽600は、好ましくは、安全上の理由から、機械式圧力逃し弁602を備える。放出されるガスの温度は、好ましくは、温度センサー718によって測定される。
【００８６】
反応槽400は、好ましくは、反応槽のすべての装備を含めて、緩衝槽600と一体化され、緩衝槽600としても使用される。緩衝槽600が反応槽400である場合、減圧弁およびフィルターは、好ましくは、反応槽400の上に配置される。混合槽500も、反応槽400の中間セクション内に配置されうる。これは、この弁と使用済み燃料のはね散らしとの間の距離が最大になるように安全逃し弁の補助となる。フィルターを減圧弁から離れた場所に置くと、反応室への開放接続部を有する第2の緩衝槽が構成される。
【００８７】
一体化反応槽400は、第1の圧力トランスデューサ711および第2の圧力トランスデューサ712を備える。第1の圧力トランスデューサ711は、好ましくは、フィルター603の上流に配置され、第2の圧力トランスデューサ712は、好ましくは、フィルター603と減圧弁632との間に配置される。反応槽は、温度センサー716をさらに備えることができる。
【００８８】
図4および5によるシステムは、好ましくは、燃料と活性化剤との混合、再混合された使用済み燃料の流れ、および回収された使用済み燃料の排出を制御するための制御システムを50を備え、燃料と活性化剤との混合の制御は、使用済み燃料の排出の制御から独立している。
【００８９】
制御システム50は、好ましくは、流体制御センサー133、233、圧力トランスデューサ711、712、713、714、132、232、343、温度センサー716、717、718、粘度計、および/または回転速度計および/または電力センサーに接続される。制御システム50は、好ましくは、ユーザーインターフェイス/ディスプレイ51、ならびにすべてのセンサーおよびアクチュエータを制御するためのアルゴリズムを備える。コントローラ50は、充填ステータス、燃料品質、圧力安全性などを伝達するための無線通信システムを備えることができる。
【００９０】
システムは、好ましくは、導電性金属部品の電気抵抗が0.1オーム未満となるように、また導電性金属間の電位差が10mV未満となるように配置構成される。
【００９１】
燃料と活性化剤とを混合することによって混合槽500内に発生する熱は、好ましくは、混合槽内で130〜200℃の動作温度範囲が維持されるように、冷媒として水を使用する、第1の冷却システム(図示せず)によって除去される。水を冷媒として使用して、受液器領域450とガス出口630とを最高温度40℃に維持する、図示されていない第2の冷却システムが備えられる。ガス出口630の温度を制御することによって、放出される水素の湿度が制御される。
【００９２】
実際、図4、5、および6に記載のシステムは次のように使用される。窒素を使って燃料貯蔵タンク100に圧力を加え、燃料補給時に水分が浸透しないようにすることができる。安全予防策として、燃料入口弁111と一体化できる、過圧逃し弁を備えるとよい。
【００９３】
使用済み燃料タンク300は、まだ完全には反応していない二成分混合燃料システムの反応後のわずかな水素圧力を含む可能性がある。使用済み燃料タンク300内の圧力を感知するための圧力トランスデューサ342が備えられ、圧力が所定の値を超えた場合に、コントローラ50は、制御弁343を作動させて、その過圧を環境に解放する。そのような作動は、インタラクティブインターフェイス/ディスプレイ51上に表示される。
【００９４】
燃料および活性化剤は、ポンプで管路130、230に通される。圧力トランスデューサ132、232は、管路内の圧力を感知して、コントローラ50を通るノズルの作動圧力を監視し、保証する。
【００９５】
燃料および活性化剤の量を測定するために、質量流量計134、234が、それぞれ、燃料管路130および活性化剤管路230内に備えられている。燃料および活性化剤の測定された流量に基づいて、コントローラ50は、実際の燃料と活性化剤との比を決定し、その値を初期設定値と比較する。光学センサー133、233は、弁システム132、232においてそれぞれ流体の存在を感知し、それらのセンサーから送られた信号により、コントローラ50は燃料だけまたは活性化剤だけの意図しない放出の結果生じる燃料と活性化剤との比の不平衡による水素ガスの制御されていない放出を防止することができる。
【００９６】
活性化剤管路230は、好ましくはフィルターを備え、これにより、活性化剤中の水の品質がコンダクタンス値<0.5μSを確実に満たすようにでき、したがって燃料と活性化剤との間の反応が完了するようにできる。
【００９７】
燃料管路130および活性化剤管路230の出口は、好ましくは、燃料および活性化剤の漏れを防ぐために逆止弁を収納する。この方法により、一定の開口圧力が実現される。燃料と活性化剤との比は、測定された燃料および活性化剤の量から計算され、燃料および活性化剤に対する弁の必要な開放時間が決定される。安全上の理由から、活性化剤逆止弁は、常に、燃料逆止弁を開くよりも前に開かれ、常に、燃料逆止弁を閉じた後に閉じられる。
【００９８】
使用済み燃料を完全に使い切るようにするために、ポンプ425を作動させることによって管路420を通して混合装置に使用済み燃料を再循環させる。この中間プロセスは、液位スイッチ724、725によって最低液位と最高液位との間で制御される。動作時に、再循環ポンプの一定ポンプ流量が、回転速度計からの入力を使用してコントローラ50によって維持される。その速度でポンプによって吸収される電力を決定することでも、使用済み燃料の粘度に対する尺度が決定される。「希薄」な燃料と活性化剤との比を使用することによって、水素化物燃料に貯蔵されるすべての水素の完全放出のために追加の活性化剤が必要である。追加の活性化剤の量は、使用済み燃料の粘度に基づいてコントローラ50によって制御されうる。
【００９９】
燃料と活性化剤とを混合することによって、水素ガスが瞬時に放出される。燃料および活性化剤の同時流動の開始および停止は、水素ガスの放出の開始および停止を意味する。これにより、プロセスを制御することができる。放出される水素ガスの量は注入される燃料の量に依存しているが、それは、プロセスの完了のためには過剰な活性化剤が反応槽内に存在している必要があるからである。使用済み燃料の制御も同様に調整される。燃料管路130および活性化剤管路230内の弁132および232を作動させることによって、活性化剤管路230内のポンプ235の圧力増大は、活性化剤の量を増やし、それにより燃料と活性化剤との比を調整し、さらに粘度を調整するのに十分な大きさとなる。
【０１００】
燃料と活性化剤との間の化学反応は、反応槽400内に発生する圧力と無関係である。50バールまでの圧力では、これは意図された制御範囲に影響しない。反応槽内の水素圧力は、反応槽400から使用済み燃料を、放出管路430および/または440を通じて使用済み燃料貯蔵タンク300に排出するためにも使用される。このような排出は、放出弁431および/または441を作動させることによって制御される。
【０１０１】
反応槽400の出口は、流体が反応槽から放出されるのを防止するためにガス/流体フィルター603を備える。このフィルターは閉塞している可能性があるため、第1の圧力トランスデューサ711は、反応槽内に備えられ、第2の圧力トランスデューサ712は、水素ガス管路630内に備えられる。第1のトランスデューサ711および第2のトランスデューサ712の記録された圧力曲線を比較することによって、コントローラ50のアルゴリズムは、例えばフィルター603の閉塞を示す圧力差を伝達することができる。他の安全予防策として、圧力増大を燃料供給に連続的に関連付け、予測しない圧力増大が発生した場合にそれを通知する、コントローラの特定のアルゴリズムが挙げられる。
【０１０２】
図5Aを参照すると、混合槽500は、混合槽内の圧力を感知するための圧力トランスデューサ715および混合槽内の温度を感知するための温度センサー716を備える緩衝槽600内に設けられる。
【０１０３】
熱を回収することを目的として燃料と活性化剤との間の反応熱の第1の部分を取り除くために、混合槽500に第1の冷却回路510が接続される。第1の冷却回路510は、熱を電力に変換するための発電機513を駆動する、第1の熱交換器512を備える。回路510は、比較的低い温度を有する冷却流体を混合槽500に送るためのポンプ515をさらに備える。
【０１０４】
燃料と活性化剤との間の反応熱の第2の部分を取り除くために、受液器領域450内に設けられた冷却用螺旋状物451に第2の冷却回路460が接続される。第2の冷却回路460は、加熱を目的として、または除去された熱を受液器領域から環境へ放散するために使用されうる、第2の熱交換器462を備える。回路460は、比較的低い温度を有する冷却流体を冷却用螺旋状物451に送るためのポンプ465をさらに備える。受液器領域450は、混合槽406も備え、これにより、燃料と活性化剤とを混合しその混合物を均質化する。
【０１０５】
ガス放出管路630は、第3の熱交換器633を備え、これにより、水素の温度、したがって緩衝槽600から放出されるその水素の水分量を制御する。第3の熱交換器630は、図示されていない独立の冷却回路、例えば、車両の空調回路に接続されうる。
【０１０６】
ガス放出管路630は、制御弁634、635、636を通じて燃料電池スタック650、651、652に接続され、これにより、燃料電池650、651、652のそれぞれを別々に、かつ独立して最適な性能範囲内で動作させることができる。燃料電池スタックは、供給管路によって取り込まれた空気からほこりを除去するための第1のフィルター641、空気を送るためのポンプ645、第1のフィルター641を通過した、燃料電池650、651、652の性能を低下させる可能性のある、硫化物などの汚染物質を能動的に除去するための第2のフィルター642を備える外気供給管路640をさらに備える。燃料電池スタックの出口は、燃料電池排気を受け入れるための入口661、比較的冷たい、比較的乾燥している空気を放出するための第1の出口662、およびポンプ665によって活性化剤管路230に送られる復水を放出するための第2の出口663を有する燃料電池650、651、652の排気から水を凝縮するための第4の熱交換器660に接続される。復水中の汚染物質が混合装置内に入り込むのを防ぐために、活性化剤管路230はフィルター236を備える。
【０１０７】
コネクタ114は、燃料補給ディスペンサー(図示せず)および/またはコントローラ50への無線接続機能115を備える。
【０１０８】
発生する水素1kg毎に、本発明によるシステムは熱の一部44MJを発生する。この熱の大半は、混合装置内で発生し、その結果、局部温度は200℃を超えるが、40〜60℃の範囲の温度では、結局比較的小さな部分が使用済み燃料と水素に入る。
【０１０９】
したがって、反応槽は、好ましくは、反応槽1から燃料と活性化剤との間の反応の熱の第1の部分を取り除くための第1の熱交換器および反応槽内の混合装置30から燃料と活性化剤との間の反応の熱の第2の部分を取り除くための第2の熱交換器を備える。例えば80℃の入口温度および例えば200℃の出口温度を有する、好適な熱伝導流体を用いて、第1の熱交換器からの熱を、蒸気タービンに接続され、電気エネルギーを発生するための発電機を駆動する、有機ランキンサイクル(ORC)またはカリーナサイクルなどの熱変換サイクルに送る。あるいは、第1の熱交換器からの熱を熱電素子内で使用して熱を電気エネルギーに直接的に変換することができるか、または熱変換サイクルと熱電素子との間でその熱を共有することができる。明らかに、最高の熱伝達は、燃料の流れに関する熱伝達流体の向流を与えることによって達成される。
【０１１０】
反応槽から出る水素の最高温度は、好ましくは、燃料電池膜などの下流機器への損傷を防止するために40℃に限定される。例えば20℃の入口温度および例えば40℃の出口温度を有する水などの好適な熱伝達流体を用いて、水素を冷却し、その後、使用済み燃料を例えば60℃の出口温度に冷却する。第2の熱交換器からの熱は、加熱目的に使用され、および/または環境へ放散される。
【０１１１】
ランキンサイクルは、(余)熱を仕事に変換する熱力学的過程である。実際、水などの媒質は、沸点を大きく超える温度まで加熱することによって過熱蒸気に変えられる。過熱蒸気は、発電機を駆動する蒸気タービンに供給され、そこで膨張する。膨張した蒸気は、その後、凝縮し、ポンプで蒸発器に送られ、サイクルが繰り返される。蒸気は過熱され、蒸気タービン内の凝縮が防止される。
【０１１２】
図4、5、および6に従ってシステムを動作させる場合、以下のパラメータを使用することが可能である。
-燃料-活性化剤体積比(既定)                                             100/90
-燃料管路バイパス開口圧力                                             8.0バール
-活性化剤管路バイパス開口圧力                                         9.0バール
-反応槽下限圧力制御レベル                                             4.5バール
-反応槽上限圧力制御レベル                                             5.0バール
-反応槽下限圧力警報レベル                                             4.0バール
-反応槽上限圧力警報レベル                                             6バール
-反応槽機械式逃し弁作動レベル                                         8バール
-活性化剤に対する反応槽上限無効化圧力                                 >5バール
-燃料に対する反応槽上限無効化圧力                                     >5バール
-減圧弁圧力                                                            0.5バール
-燃料および使用済み燃料貯蔵コンパートメント上限圧力警報レベル          4.5バール
-燃料および使用済み燃料貯蔵コンパートメント機械式逃し弁作動レベル       7バール
-反応槽上限温度レベル                                                   80℃
-窒素充填圧力貯蔵コンパートメント                                       3バール
-制御帯域窒素充填圧力貯蔵コンパートメント                         3.0〜3.2バール
【０１１３】
図4〜6に従ってシステムを動作させる場合、システムの始動時に以下のステップに従うべきである。
1.電源投入後、制御システム50がすべてのセンサーをチェックする。
2.液位センサー721、722、および723は、貯蔵コンパートメント100、200、および300内の燃料、活性化剤、および使用済み燃料の量を示す。
3.圧力トランスデューサ342が、貯蔵コンパートメント100〜300内の実際の圧力を測定する。
4.圧力トランスデューサ132、232が、燃料および活性化剤の管路130、230内の実際の圧力を感知する。
5.圧力トランスデューサ711、712が、反応槽内の実際の圧力を感知する。圧力トランスデューサ711、712による上流および下流の圧力が比較され(チェック)、最良値が選択される。
6.圧力トランスデューサ711、712による圧力が例えば10%を超えて異なる場合、これは、フィルター603の閉塞の早期警告としてユーザーインターフェイス/ディスプレイ51に通知される。
7.この見かけの圧力差が持続するか、または増大する場合、フィルター603を交換しなければならない。
8.液位センサー724、725が、反応槽400内に回収された使用済み燃料の量を示す。
9.光学センサー133、233が、燃料管路130および活性化剤管路230内の流体の存在を感知する。
10.液位センサーが流体(燃料もしくは活性化剤)を感知しない場合、液位センサーが流体を感知するまで、または標準時間が経過するまで特定の制御弁およびポンプが作動される。液位センサーがそれでも流体を感知しない場合、システムは始動せず、管路が空であることを示す。
11.温度センサー714が、活性化剤管路の温度を感知する。
12.温度センサー716が、反応槽の温度を感知する。
13.ステップ1〜12が制御帯域内にある場合、システムが始動する。
14.燃料ポンプ135および活性化剤ポンプ235(および使用済み燃料インペラー306または再混合ポンプ325)が始動され、燃料および活性化剤バイパス内の弁の開放圧力に基づいて、燃料および活性化剤の自動再循環を開始する。
15.燃料-活性化剤比に基づいて、活性化剤弁開放時間を設定する。
16.水素が要求されると、反応槽内の圧力が、圧力トランスデューサ711、712による感知に従って、上限圧力制御レベル以下に低下し、その後、燃料管路および活性化剤管路内の制御弁132、232が作動する。
17.燃料制御弁132は、活性化剤制御弁232が作動した場合にのみ作動され、活性化剤制御弁は、燃料制御弁が閉じた場合にのみ閉じうる。
18.燃料および活性化剤が、燃料および活性化剤に対する燃料管路体積流量計によって感知されたとおりに流れ始める。
19.燃料と活性化剤との比は、流量計によって測定された体積に基づいて弁132および232の開放時間により制御される。
20.燃料管路圧力は、8.0バールに制限され、活性化剤管路圧力は、各バイパス内の弁によって9.0バールに制限される。
21.(調整された)燃料弁開放時間は、計算された燃料と活性化剤との比と既定の比との間のオフセットをもたらす。活性化剤弁開放時間を再度調整してこのオフセットを補正する。
22.水素の放出により、反応槽内の圧力が増大する。
23.開始時に、反応槽内の圧力が下限圧力警報レベル(例えば、4バール)より高い値まで増大しても作動しない。
24.反応槽下限圧力制御レベル(例えば、4.5バール)に達すると、ガス放出弁631が作動し、減圧弁632が例えば3バールの水素を例えばエンジンもしくは燃料電池に供給することができる。
【０１１４】
システムが完全動作した後、以下のステップに従う。
25.活性化剤および燃料弁開放時間が、ステップ16から21によるマスター-スレーブ方式で制御される。
26.制御メカニズム上のチェックとして、燃料および活性化剤に対する体積流量センサーからの値を時間に関して積分し、燃料と活性化剤との体積比が100/110となるように調整することができる。
27.動作時に、使用済み燃料が受液器領域450内に回収される。
28.受液器領域450において下限警報液位を超えると、バイパス420内の制御弁が作動し、使用済み燃料再混合ポンプ425が作動する。
29.反応槽のインペラー(または再循環ポンプ425)の電力消費量が計測される(さらにはポンプ速度(ニプコー円板))。
30.使用済み燃料の実際の粘度が、ステップ27〜28の値に基づいて決定される。
31.ステップ29で決定された実際の粘度が設定値と比較される。
32.実際の粘度が設定値より高い場合、追加の活性化剤(既定の体積比の上)が最大燃料対活性化剤体積比100/110になるまで、または実際の粘度が設定値に等しくなるまで混合槽にポンプで送られる。
33.受液器領域450において上限制御液位に到達すると、放出弁431が作動し、反応室内の圧力で使用済み燃料を管路430を通して受液器領域450から使用済み燃料貯蔵コンパートメント300に送ることができる。
34.受液器領域内の使用済み燃料が下限制御液位に到達した後、放出弁(431)が閉じられる。
【０１１５】
動作の安全性のために、以下のステップに従わなければならない。
35.燃料貯蔵コンパートメント100を、好ましくは、燃料をチャージする前に、コネクタ114のサブコネクタを介して窒素でフラッシングし、チャージした後、供給管路110を、好ましくは、窒素でフラッシングし、これにより、燃料と外気との接触を絶ち、燃料に対して窒素封入を保持し、爆発性の水素/空気の混合気が形成するのを防止する。
36.すべてのセンサーおよびアクチュエータが、好ましくは防爆性を有する。
37.燃料および活性化剤を貯蔵コンパートメント100および200からポンプで送り、使用済み燃料を貯蔵コンパートメント300に放出することによって、全量が変化し、液体上の窒素封入の圧力が変化する。圧力センサー342によって作動する弁343は、圧力を3.2バールより低い値に保持する。使用済み燃料貯蔵コンパートメント内で上限圧力警報レベルに達した後、これは使用済み燃料が未反応燃料を含むという早期警告としてユーザーインターフェイス/ディスプレイ51に通知され、制御弁132は、標準体積の活性化剤がポンプで反応槽内に送り込まれるまで作動される。
38.ステップ37に関わらず、使用済み燃料貯蔵コンパートメント内の圧力が作動圧力レベル(例えば、7バール)までさらに増大する場合、圧力逃し弁が開き、これにより、水素をシステムから放出することができる。
39.反応槽内で上限圧力警報レベルに達した後(例えば、6バール)、水素放出は即座に停止しなければならず、したがって、燃料および活性化剤管路内の制御弁132、232が閉じられ、その結果、燃料ポンプ135および活性化剤ポンプ235は停止する。
40.ステップ39に関わらず、反応槽内の圧力が作動圧力レベル(例えば、8バール)までさらに増大する場合、圧力逃し弁602が開き、これにより、水素をシステムから放出することができ、また危険な圧力を防ぐことができる。
41.ユーザーインターフェイス/ディスプレイ51上で圧力警報が通知され、これは、燃料と活性化剤との比が調整を要することを意味する。
42.反応槽内の圧力が活性化剤に対する上限無効化圧力より低く低下した後、活性化剤ポンプ235が再始動され、標準体積の活性化剤がポンプで反応槽内に送り込まれるまで制御弁231が作動する。
43.反応槽内の圧力が燃料に対する上限無効化圧力より低く低下した後、燃料ポンプ135が再始動される。
44.反応槽内の圧力が上限制御レベルより低く低下した後、システムは、ステップ25に従って通常運転を再開する。
45.液位センサー721、722、723からの値(燃料、活性化剤、および使用済み燃料貯蔵コンパートメントの液位)が連続的に比較される。
46.(100-使用済み燃料貯蔵コンパートメント液位)が燃料もしくは活性化剤貯蔵コンパートメント液位から例えば10%以上逸脱している場合、これは、放出弁431の近くに沈殿があり、管路430を通る使用済み燃料の流れが制限されているという早期警告としてユーザーインターフェイス/ディスプレイ51に通知される。
47.放出弁431は、その場合、制御弁411を作動させることによってフラッシングすることができ、これにより、活性化剤が貯蔵コンパートメント200から管路410を通って反応槽400内に流れ込むようにできる。
48.受液器領域450において上限警報液位に到達すると、第2の放出弁441が作動し、反応室内の圧力で使用済み燃料を管路440を通して受液器領域450から使用済み燃料貯蔵コンパートメント300に送ることができる。
49.ステップ47は、その場合、繰り返すことができる。
50.受液器領域内の使用済み燃料が下限制御液位に到達した後、放出弁431、441が閉じられる。
51.ユーザーインターフェイス/ディスプレイ51上で液位警報が通知され、これは、使用済み燃料沈殿物が放出弁431を閉塞していることを意味する。
52.反応槽400内で上限温度レベルに到達した後、温度がそのレベルから下がるまで冷却手段が作動する。
【０１１６】
システムは、いつでも停止することができ、その場合、システム圧力は制御帯域の最大値のところで自動的に整定する。
【０１１７】
チャージおよび放出については、以下のステップに従うことができる。
53.ユーザーインターフェイス/ディスプレイ(51)上に、燃料液位および/または活性化剤液位が低くなったという通知が表示される。
54.燃料補給ステーションにおいて、一体化されたコネクタ114は、燃料、活性化剤、および窒素の外部供給源、さらには外部使用済み燃料回収部のコネクタに、すべて同時に接続される。
55.好ましくは、遠隔測定リンクなどのデータ通信リンクは、システム圧力、液位、燃料グレードなどに関するデータを交換するために自動的に確立される。データ通信リンクは、手動制御機能を有するものとしてよい。
56.同時に、燃料および活性化剤が燃料貯蔵コンパートメント100および活性化剤貯蔵コンパートメント200に供給され、使用済み燃料は、使用済み燃料貯蔵コンパートメント300から放出される。
57.窒素封入は、圧力3バールの窒素の外部供給によってすべての貯蔵コンパートメント内で維持される。
58.液位センサー721、722、723からの値(燃料、活性化剤、および使用済み燃料貯蔵コンパートメントの液位)が連続的に比較される。
59.(100-使用済み燃料貯蔵コンパートメント液位)が燃料もしくは活性化剤貯蔵コンパートメント液位から例えば10%以上逸脱している場合、これは、使用済み燃料貯蔵コンパートメント内に沈殿があり、弁331を通る使用済み燃料の流れが制限されているという早期警告としてユーザーインターフェイス/ディスプレイ51に通知される。
60.その場合に、放出弁331および/または使用済み燃料貯蔵コンパートメント300は、ポンプで水を一体化コネクタ114に通して使用済み燃料貯蔵コンパートメント内に送り込むことによってフラッシングすることができる。
61.燃料および活性化剤に対する最高レベルに達した後、燃料100および活性化剤の貯蔵コンパートメント200への供給が停止される。
62.使用済み燃料に対する最低レベルに達した後、外部使用済み燃料回収部への使用済み燃料の放出が停止される。
63.一体化されたコネクタ114が、燃料、活性化剤、および窒素の外部供給源、さらには外部使用済み燃料回収部のコネクタとの接続を外される。
【０１１８】
貯蔵の安全性のために、以下のステップを考慮しなければならない。
64.使用済み燃料貯蔵庫コンパートメント300内で上限圧力警報レベルに達した後(例えば、4.5バール)、使用済み燃料貯蔵コンパートメントの上にある追加の制御弁を作動させることによって水素を放出することができる。
65.ステップ64に関わらず、使用済み燃料貯蔵コンパートメント内の圧力が作動圧力レベル(例えば、7バール)までさらに増大する場合、圧力逃し弁341が開き、これにより、水素を使用済み燃料貯蔵コンパートメントから放出することができ、また危険な圧力を防ぐことができる。
66.圧力警報は、ユーザーインターフェイス/ディスプレイ51に通知される。
67.貯蔵コンパートメント100、200、および300の窒素入口のそれぞれに追加の膜フィルターを備え、液体を厳密に分離する。
【０１１９】
前述のステップはすべて、好ましくは、さまざまなセンサーおよびアクチュエータの制御パラメータ、制御設定、および作動レベルを一覧にした制御テーブルを伴う。この方向制御ループは、感知された制御パラメータを制御設定または作動レベルと比較したときに「Yes」または「No」の値を与えるものとしてよい。
【０１２０】
自動車設計には、剛体容器内に保持された柔軟なタンクを含めることができ、燃料と活性化剤が最初に占有していた空間は消費により使用済み燃料によって徐々に置き換わる。使用済み燃料の体積は、常に、対応する燃料および活性化剤の体積よりも小さい。
【０１２１】
図7には、自動車用のそのようなタンク800の可能な実施形態が示されている。タンク800は、外殻801を備え、これがタンク800の内側の要素に剛性をもたらし、保護している。
【０１２２】
タンクは、柔軟な燃料コンパートメント100、柔軟な活性化剤コンパートメント200、および柔軟な使用済み燃料コンパートメント300を備える。安全のために、センサー804が付加され、これにより、タンク800の内側に水分が存在する可能性を測定する。タンクは、低温でタンク800を使用できるように、加熱手段も備えることができる。
【０１２３】
柔軟なコンパートメント100、200、および300を使用することで、タンク800に必要な総体積量を最小限度に抑えられる。システムを使用する前に、燃料貯蔵コンパートメント100および活性化剤貯蔵コンパートメント200は、流体を収納するための特定の容積を有する。それと同時に使用済み燃料貯蔵コンパートメント300は空になる。使用中、燃料貯蔵コンパートメント100および活性化剤コンパートメント200は空になり、それと同時に、使用済み燃料コンパートメント300は、いっぱいになる。コンパートメント100、200、300の充填グレードに従うことができる、柔軟な壁を使用する場合、コンパートメント100、200、300を収容するために必要な初期空間を最低限に保持することができる。
【０１２４】
タンク800は、本発明によるシステムを使って水素生成物を使用する燃料電池と組み合わせて使用することができる。
【０１２５】
水を活性化剤として再利用するために燃料電池内で使用された水を回収することが可能である。
【０１２６】
水素は燃料電池内で空気からの酸素と反応して、水、電気、そしてある程度の熱を生成する。
(1) 1H2+1/2O2→1H2O
【０１２７】
現在まで、水はもっぱら導電率の保持のために燃料電池膜の加湿に使用されているので、生成された水の回収は非常にわずかしか注目されていない。燃料を使用してオンデマンドで水素を発生する場合、水は活性化剤として使用される。車両に搭載する燃料の全量を減らすことによって、より具体的には、水の量を減らすことによって、燃料システムの体積および質量エネルギー密度が改善される。
【０１２８】
特定の質量または体積で出発しようと、到着しようと、とにかく輸送しなければならないが、要求は出発時の満タンに基づいているように思われる。
【０１２９】
燃料から生成される水素の1モル毎に、1モルの水を必要とする。
(2) 1Al(BH4)3+12H2O→12H2+Al(OH)3+3B(OH)3
【０１３０】
したがって、式(1)に従って燃料電池内に形成される水は、式(2)に従って水素を発生するために再利用できる。外気は酸素20.95%を含み、これは、周囲条件(20℃、1バール)では
(3) p×V=n×R×T
を通じて、8.6モルに対応する(100000×20.95%/8.314×293)。
【０１３１】
同じ条件の下で、1m3の空気は41.05モル(8.6/20.95%)に対応する。等しい空気対燃料比で周囲空気1により1kgの水素(1000/2.016=496モル)の変換を行うには、28.8m3の空気(496×8.6)が必要であり、そのうちの20.95%が消費される。
【０１３２】
燃料電池出口が1バールで40℃であると仮定すると、この結果、8.9kgの水(496×18.015/1000)または367g/m3を含む24.4m3の空気((1-20.95%)×28.8×313/293)が放出される。60℃では、放出される空気の体積は25.9m3(24.4×333/313)となり、345g/m3の水を含み、80℃では27.5m3(24.4×353/313)となり、325g/m3の水を含む。
【０１３３】
等しい空気対燃料比では、燃料電池は、80℃で動作している場合であっても、空気飽和レベルを超える一定量の水を生成することは明らかである。すべての水素を完全に変換するためには、空気対燃料比は通常1.1から1.5の間に保持する。空気対燃料比をさらに大きくすることによって、含水量を飽和レベルまで減らすことができる。
【０１３４】
40℃では、この比は7.3倍(367/51)に増やさなければならず、60℃では、2.7倍(345/128)に増やさなければならず、80℃では、1.1倍(325/287)に増やさなければならない。これらの値は、燃料電池の熱発生量分を冷やすのに必要な空気対燃料比と非常によく対応しており、これは燃料電池効率が80%であると仮定すると、24MJ(120×20%)となる。
【０１３５】
図8および9は、本発明による、給油所での燃料給油の方式および給油所でのシステムへの燃料供給の方式を示している。
【０１３６】
給油所での自動車への燃料給油は、コネクタ管路を自動車の燃料タンクに接続し、このコネクタ管路は自動車の燃料タンクの燃料コンパートメント、水コンパートメント、および使用済み燃料コンパートメントへの給油所のディスペンサーの燃料タンク、水タンク、および使用済み燃料タンクの間の燃料、水、および使用済み燃料のジョイント接続部を備え、自動車の制御ユニットと給油所のディスペンサーとの間の無線電子接続を行うステップと、次いで燃料タンクの使用済み燃料コンパートメントから使用済み燃料を取り出すステップと、このステップの後の、コネクタ管路の各使用済み燃料部を水で自動すすぎを行うステップと、次に、燃料タンクの燃料コンパートメントおよび活性化剤流体コンパートメントに燃料および(例えば)水を、水とコネクタ管路の燃料部を介して充填するステップと、ディスペンサー管路の各水および燃料部を水と鉱物油ですすぐステップと、最後に、コネクタ管路の接続を外し、燃料タンクコネクタを水ですすぎ、自動車の制御ユニットと給油所のディスペンサーとの間の無線電子接続を切るステップとを含むことができる。無線接続を通じて、ディスペンサーと制御ニットとの間で、例えばタンク液位、燃料対活性化剤比などに関するデータを交換することができる。
【０１３７】
同じステップ順序で、燃料、水、および使用済み燃料をタンク自動車と給油所との間で交換することができる。しかし、給油所側が独自の活性化剤流体を調製する、つまり、上述のいずれかの処置によって水を必要な純度に精製することを給油所側で行えるということも実現可能である。この場合、給油所にタンク自動車によって水を供給する必要はない。
【０１３８】
前述のステップは、好ましくは、単一の管状カバーで囲まれ、燃料、活性化剤流体、および封入用窒素ガスを同時に分注し、使用済み燃料を回収するための独自のコネクタに接続されている独立した管路を備えるディスペンサーを使用して実行される。サブコネクタのそれぞれを含むディスペンサーのコネクタは、可能な一方向で自動車のコネクタに接続することができ、適切な気密接続部がディスペンサーのコネクタと自動車のコネクタとの間に形成されているならば燃料、活性化剤流体、および窒素ガスを分注し、使用済み燃料を回収することができる。
【０１３９】
好ましくは、好適なフィルターおよび/または電気脱イオン化機器を使用して給油所で超純水を現場生成する。超純水の水質は、好ましくは、導電性を感知するセンサーを使用して制御される。最大導電率は、0.5マイクロジーメンスである。
【０１４０】
図8には、自動車への燃料供給の概略が示されている。図9には、タンク自動車から給油所への燃料供給の概略が示されている。
【０１４１】
図8および9において、いくつかのブロックA-Iは
A.燃料、活性化剤流体、およびシールドガスを自動車の燃料タンクに同時に供給し、使用済み燃料を自動車の燃料タンクから回収するための個別のチャネルを備える組み合わされたコネクタ管路であって、給油所のディスペンサーの燃料タンク、活性化剤タンク、使用済み燃料タンク、およびガス供給源の間のジョイント接続部を備える組み合わされたコネクタ管路を、自動車の燃料タンクの燃料コンパートメント、活性化剤コンパートメント、および使用済み燃料コンパートメントに接続し、自動車の制御ユニットとディスペンサーとの間で無線電子接続を確立する段階と、
B.コネクタ管路の使用済み燃料チャネルを通じて燃料タンクの使用済み燃料コンパートメントから使用済み燃料を取り出す段階と、
C.コネクタ管路の使用済み燃料チャネルを水ですすぐ段階と、
D.コネクタ管路の燃料チャネルを介して燃料タンクの燃料コンパートメントに燃料を充填する段階と、
E.コネクタ管路の活性化剤チャネルを介して活性化剤タンクの活性化剤コンパートメントに活性化剤流体を充填する段階と、
F.シールドガスの逆流を環境へ逃しながらシールドガスの最低ガス圧力を維持する段階と、
G.コネクタ管路の燃料チャネルを鉱物油ですすぐ段階と、
H.コネクタ管路の活性化剤チャネルを水ですすぐ段階と、最後に、
I.組み合わされたコネクタ管路の接続を外し、燃料タンクコネクタを水ですすぎ、自動車の制御ユニットとディスペンサーとの間の無線電子接続を切る段階とを表す。
【０１４２】
本発明によるシステムでは、水素含有燃料が使用される。製造後、この燃料は、閉じられた容器内に窒素封入により貯蔵される。例えば、水素化ホウ素アルミニウムを使用する場合には、水素化ホウ素アルミニウムは鉱物油とすべての割合で混和可能なので、燃料は貯蔵後も分離しないことに留意されたい。活性化剤は、水とすべての割合で混和可能であり、貯蔵後も分離しない。燃料が指示通りに貯蔵されているとすれば、システムは、長期間にわたって安定しており、水分または高温による水素の意図しない放出の危険性は無視できる。この方法による貯蔵は、開発中にも適用可能であり、使用中の水素の意図した放出に影響を及ぼさない。
【０１４３】
燃料は、鉄道、道路、または船舶によるコンパートメントタンカーで輸送することができる。現場で精製水と混合するために、リサイクルグリコールを別のコンパートメントで同時に輸送することもできる。燃料およびグリコールを燃料補給所に降ろした後、使用済み燃料を別のコンパートメントに、またはフラッシングした後に燃料コンパートメントに積むことができる。
【０１４４】
燃料の組成により、温度は最高65℃までとすることができる。最高80℃とさらに高い温度は、窒素封入圧力を最大3〜5バールに上げることによって対応できる。明らかに、貯蔵容器は、このような圧力に耐えることができなければならない。さらに高い温度では、水素の放出が加速される。
【０１４５】
水素含有燃料の利点として、
・  液体の取り扱いが用意であること
・  貯蔵時の輸送およびポンプ圧送効率が高いこと
・  水素含有量が高いため輸送および貯蔵費用が軽減されること
・  圧力が低いため保守の手間があまりかからないこと(水素ぜい化がない)
【０１４６】
純粋な希釈されていない水素化物の貯蔵は、水分または高温による意図しない水素放出の高い危険性を伴う。
【０１４７】
水素含有量は、標準的な過剰量の活性化剤を含む標準量の燃料の水素放出を決定することによって制御されうる。活性化剤の品質は、導電率計を使用して決定することができる。水素収率は、知られている量の燃料から反応槽内の圧力増加を測定することによって監視することができる。
【０１４８】
燃料の好ましい活性化剤は、抽出可能なプロトン含有量が多く、反応度が高いため純水であるけれども、純水の温度範囲は制限されている。そのような理由から、グリコールを添加し、温度範囲の下限を-40℃に引き下げる。グリコールは、抽出可能なプロトンも有し、したがって、好適な活性化剤でもある。
【０１４９】
さらなる代替的活性化剤として、アンモニア、ならびにメタノールおよびエタノールなどのアルコールがある。アンモニアは有毒性気体である。アルコールは、グリコールに比べて沸点が低い。
【０１５０】
純水は、逆浸透で処理した水の電気脱イオン化、または濾過によって現場で生産することができる。通常、脱イオン化システムは、交互動作するツインカラムを有し、これらは互いのバックアップとなりうる。代替えとして、ポールフィルターをバックアップとして使用することができる。その結果得られる水は、非常に低い伝導性を有していなければならない。
【０１５１】
活性化剤は、不溶性物質、例えば、金属酸化物の溶解を促進するために酸を加えるとよい。活性化剤を加熱すると、水素の放出が加速される。活性化剤は、細菌増殖を防ぐため、フィルター上で再循環させてよい。
【０１５２】
燃料と活性化剤を組み合わせたときに放出される熱は、熱交換器および/またはヒートポンプを通じて回収することができる。この熱は、一切、水素放出過程に影響を及ぼさない。ゼーベック素子を使用することによって、回収熱を電力に変換し、これを使用して、例えば電気エンジンに給電したり(最も効率がよい)、またはバッテリーを充電したりすることができる。この熱回収は、燃料のエネルギー効率を高める。
【０１５３】
使用済み燃料は、鉱物油、水酸化アルミニウム、ホウ酸、およびホウ酸グリコールを含む。使用済み燃料は、長期間貯蔵することができる。鉱物油および/または固形物は、貯蔵後に分離する可能性がある。使用済み燃料は、リサイクルのため回収される。リサイクルは、以下のステップを含む。
・  固体水酸化アルミニウムを分離する
・  水酸化アルミニウムを乾燥してアルミナ(アルミニウム原料)にする
・  鉱物油を再利用のため分離する
・  メタノールで残留ホウ酸塩混合物(ホウ素水素化物の原料)を変換し、再利用のためグリコールを生成する
【０１５４】
使用済み燃料は、制限なく何度も繰り返してリサイクルすることができる。原料のリサイクル損失は、0.01%未満と予測される。
【０１５５】
本発明による燃料システムを使用するための2つの例を以下に示す。
【実施例１】
【０１５６】
水素化ホウ素カルシウムを、0.7〜0.8の範囲内の密度を有する、(鉱物)油の群から好ましくは選択された媒質中に分散する。コロイド燃料分散液は、好ましくは、揮発性有機物質(VOS)を含まない粘性液、つまり、低分子量のエーテル、アルコール、および炭化水素である。
【０１５７】
燃料分散液の活性化剤として利用可能な最も純度の高い水は、燃料との最も速い反応を生じ、不純物の量は最低である。
【０１５８】
好ましくは、分散液および水を圧力下で混合し、分散固体の表面から油をフラッシングし、その固体表面を水に曝すと反応して水素を形成する。油と固形物との間の相互作用は可逆であるべきである。乳化剤を添加することによって、固体表面は急速に脱脂され、これにより、水との瞬間的反応を引き起こし、水素ガスを瞬間的に形成することができる。
【０１５９】
好ましくは、わずかに過剰な量の水を添加して、すべての燃料の完全変換を確実にする。
【０１６０】
鉱物油中の水素化ホウ素カルシウムの70%分散液は、エネルギー密度が5.4kWh/kgである。1当量の水(0.7kg/kg)と混合すると、システムエネルギー密度は5.4/1.7=3.2kWh/kgとなる。これは、3kWh/kgのDoE要件を満たす。
【０１６１】
低い動作室温に適合するために、エチレングリコール(C2H6O2、比重1.1、沸点197.3℃、分子量62.07)などの物質を添加するとよい。凝固点降下を計算する一般公式は、
【０１６２】
【数１】
0005805540.tif 000002
【０１６３】
であるが、ただし、
式中、
ΔT=凝固点降下、単位K
K=モル凝固点係数(水中のグリコールに対して1.86K/モル)
m=1.0kgの水に溶解している物質の質量
M=溶解物質のモル質量(グリコールでは62.07)
【０１６４】
この一般公式を整理すると以下のようになる。
【０１６５】
したがって、20℃の凝固点降下では、水1kg当たり667.4gのグリコールを添加する必要がある。これにより、1kg当たり1000/1667.4=599.3g(〜60%)の水で水を希釈する。鉱物油中に水素化ホウ素カルシウムの70%分散液を作ると、1当量の水(0.7kg/kg)は、そこで、0.7/60%=1.167kgの水/グリコールウィンターミックス(winter mixture)を必要とする。その結果得られるシステムエネルギー密度は2.5kWh/kgである。
【０１６６】
室温では、エチレングリコールの蒸気圧は0.5kPaである。理論上、この結果、水素ガスは0.5%のグリコールを含有し、これはガスから分離されなければならない。
【０１６７】
あるいは、電熱コイルなどの加熱手段によって活性化剤容器を加熱してもよい。
【実施例２】
【０１６８】
水素化ホウ素アルミニウムは、33.8質量%の水素を含有し、これは11.3kWh/kgに対応する。これは、すべての水素を放出する水の量の1.5倍の量の水と混合しなければならず、その結果、燃料と活性化剤のシステムの水素含有量は13.5質量%、エネルギー含量は4.5kWh/kgとなる。
【０１６９】
水素化ホウ素アルミニウム(Al[BH4]3、Chemical Abstracts 16962-07-5)は、液体化合物であり、融点は-64.5℃、沸点は44.5℃である。この物質の蒸気圧は、周囲条件の下で相当高く、平均室温がより高い国ではもちろんのことである。
【０１７０】
純粋な希釈されていない水素化物の貯蔵は、水分または高温による意図しない水素放出の高い危険性を伴うので、自然発生の蒸発を防ぐ予防策を講じる必要がある。水素化ホウ素アルミニウムの場合、効果的な予防策として、水素化ホウ素アルミニウムを鉱物油などの不活性担体流体と混合するとよい。こうすると、沸点が、水素化ホウ素アルミニウム1kg当たり1モルにつき推定4℃上昇する。30%の鉱物油では、鉱物油約3モルを水素化ホウ素アルミニウム0.7kgに添加する。この結果、推定沸点は4×3/0.7=17℃ほど上昇し、混合流体の沸点は62℃となり、蒸気圧は0℃で155ミリバールとなる。
【０１７１】
さらに、混合流体は、閉じられた容器内に窒素封入により貯蔵される。窒素封入圧力を最大3〜5バール高めると、沸点はさらに上昇し、蒸気圧は下がる。この方法による貯蔵は、使用中の水素の意図した放出に影響を及ぼさない。したがって、H2FUELは、米国エネルギー省(DoE)によって60℃に設定されている、述べられている周囲温度+完全太陽負荷を意味する、最高動作周囲温度に対する最終的な目標が達成されうると納得する。
【０１７２】
したがって、鉱物油中の水素化ホウ素アルミニウムの70%分散液は、エネルギー密度が6.6kWh/kgである。水(0.7×1.5kg/kg)と混合すると、システムエネルギー密度は3.2kWh/kg(9.6%水素)となる。
【０１７３】
ウィンターミックスの水の量(1.05kg/kg)は1.05/60%=1.75kgとなり、その結果システムエネルギー密度は2.4kWh/kg(7.2%水素)となる。
【０１７４】
代替的燃料として、水素化ホウ素リチウムおよび水素化ホウ素マグネシウムが挙げられる。鉱物油中でこれらの燃料の70%分散液を想定すると、エネルギー密度3.9kWh/kg(11.8%水素)および3.6kWh/kg(10.9%水素)の燃料システムをそれぞれ実現することができる。その場合のウィンターミックスでは、エネルギー密度はリチウムについて3.3kWh/kg(9.9%水素)、マグネシウムについて3.1kWh/kg(9.3%水素)となる。
【０１７５】
典型的には、燃料は、好ましくは粉末または顆粒形態の、固体燃料から出発し、適切な量の(好ましくは自己分散する)分散媒を添加することによって得られる(および非イオン分散剤、例えば、エチレンオキシドユニットを8個程度および末端OH基を含むノニルフェノールエトキシレートなどの非イオン表面活性剤は好ましくはOH基と燃料との反応を防ぐためにメチル基で覆われる)。目標燃料濃度は70〜75%であり、分散剤濃度は1〜10%、好ましくは1〜5%、最も好ましくは1〜2%である。これらの成分は、ローターステータータイプの混合装置などの高剪断混合機内で混合される。固体燃料粒子の粒径は、例えばボールミルを使用して約1ミクロンに減らすことができる。
【０１７６】
金属水素化物と水との反応から得られる残留生成物は、金属水酸化物M(OH)xであり、金属ホウ素水素化物と水との反応から得られる残留生成物は、金属ホウ酸塩M(BO2)Xである。これらの残留生成物は固体であり、好ましくは分散媒中に分散される。残留生成物は再生されうる。したがって、使用済み燃料をコンパートメント内に回収して、そこから燃料タンクの補給時に取り出すことができる。回収された使用済み燃料は、専用処理ユニット内で処理され、個別の成分は、例えば、遠心分離によって分離されうる。
【０１７７】
本発明のデバイスを使用して、本発明の燃料から生成される水素は、発電用の燃料電池および/または駆動用電力を発生するための内燃機関において使用することができる。水素は、熱を発生するために触媒コンバータにおいても使用できる。すべての場合において、水素は外気中の酸素と結合して、水と熱を発生する。
【０１７８】
燃料電池内に形成された水は、燃料電池の出口内に第3の熱交換器を備えることによって回収することができる。外気は、20.95%の酸素を含み、これは周囲条件(20℃、1バール)では8.6モルに相当する。同じ条件の下で、1m3の空気は41.05モルに相当する。等しい空気対燃料比で周囲空気により1kgの水素(496モル)の変換を行うには、28.8m3の空気が必要であり、そのうちの20.95%が消費される。燃料電池出口が1バールで40℃であると仮定すると、この結果、8.9kgの水または367g/m3を含む24.4m3の空気が放出される。60℃では、放出される空気の体積は25.9m3となり、345g/m3の水を含み、80℃では27.5m3となり、325g/m3の水を含む。
【０１７９】
Table 1(表1)から、等しい空気対燃料比では、燃料電池は、80℃で動作している場合であっても、空気飽和レベルを超える一定量の水を生成することは明らかである。すべての水素を完全に変換するためには、空気対燃料比は通常1.1から1.5の間に保持する。空気対燃料比をさらに大きくすることによって、含水量を飽和レベルまで減らすことができる。40℃では、この比は7.3倍に増やさなければならず、60℃では、2.7倍に増やさなければならず、80℃では、1.1倍に増やさなければならない。これらの値は、燃料電池の熱発生量分を冷やすのに必要な空気対燃料比と非常によく対応しており、これは燃料電池効率が80%であると仮定すると、24MJとなる。
【０１８０】
燃料電池から放出される空気を冷却すると、水蒸気が凝縮し、過剰な蒸気損失が防止される。燃料電池を冷却するより効率的な方法は、冷却回路を使用することである。
【０１８１】
燃料電池によって生成される水の大半を凝縮することによって、タンク内に入れなければならない水の量を燃料を活性化することおよび蒸発による喪失分に使用される過剰水に制限することができる。
【０１８２】
【表１】
0005805540.tif 000003
【０１８３】
空気対燃料比が1.2で、出口条件が1バール、40℃であると仮定すると、水素1kg当たり必要な空気の量は34.6m3に等しい。その場合、放出される空気の量は、30.5m3に等しく、水分は293g/m3である。95%の水を回収するためには、出口の水分を15g/m3に減らさなければならず、したがって空気を20℃の温度まで冷やさなければならない。これは、燃料電池から出る空気を冷却するために、板型凝縮器と制御弁をエアコシステム(air co system)に接続することによって達成されうる。
【０１８４】
駆動用電力を発生するための内燃機関において水素を使用することができる。その場合、相当量の熱がエンジンの排気管中に放出される。
【０１８５】
排気管は、水素の燃焼時に放出される熱を取り除くために、第4の熱交換器を備えることができる。好適な熱伝達流体を使って、第4の熱交換器から得られる熱を熱の回収部分についてすでに説明されているように熱電気変換モジュールに供給することができる。
【０１８６】
排気管は、すでに説明したように水回収のためにさらに冷却することができる。これは、かなりの冷却を必要とする。さらに、排気管には、エンジンのピストンを潤滑するために使用される潤滑剤の燃焼から生じる残留物が入る。
【０１８７】
好ましくは、水素の変換時に外気が使用される結果生じる水中の不純物を除去するために、活性化剤管路内にフィルターを設ける。
【０１８８】
電気自動車の電気モーター(または複数のモーター)は、バッテリーに加えて、燃料電池によって給電されうる。燃料電池では、水素(燃料)と空気(酸素)が結合して、電流と水を生成する。使えなくなるまでその電気量を送ることができるバッテリーとは対照的に、燃料電池は、燃料と酸素とが供給される限り、発電し続ける。
【０１８９】
自動車の駆動距離を最大にするために、制動エネルギーを含む、車載エネルギーを効率的に使用しなければならない。そのために、自動車は、変化する電気負荷の下で自動車を駆動するために電源の最適な組み合わせを選択し、制御する、高度なパワーマネジメントシステムを備えなければならない。
【０１９０】
燃料電池の電圧は、負荷、水素の供給量、および制御電流に依存する。アルゴリズムによって制御されるパワーエレクトロニクスを使用して、ユーザーによって要求される負荷変動および現在の燃料電池出力に基づいて電気モーターに伝えられる電圧を調節することによってエンジンの出力を調節する。
【０１９１】
燃料電池の出力は、全負荷の近くで最適値を有する。したがって、可変負荷に対する燃料電池システムの容量は、好ましくは、それぞれ例えば総容量の10%を有する個別の数のスタックによって形成され、したがって電力の80%は8個のスタックを個別にスイッチオン、スイッチオフすることによって制御できる。好ましくは、さらに2つのスタックに完全制御された水素流を送ると、電力の20%が連続的に制御される。
【０１９２】
負荷が総容量の0から15%に増大すると、2つの調整可能なスタックの水素流は制御され、必要ならば調整される。負荷が15%超の値まで増大すると、追加の燃料電池スタックがオンに切り替わり、1つの調整可能スタックの水素流が比例して低減される。負荷が10%ずつさらに増える毎に、すべてのスタックが動作状態になるまでこのシーケンスが繰り返される。
【０１９３】
加速装置を動作させる場合、今日の燃料電池では、電力をオン/オフする際に、典型的には、5秒未満程度の遅延がある。その結果、加速時に生じる電力ギャップを、バッテリーおよび/または運動エネルギー回収システム(KERS)および/または過剰電力による給電を受けるコンデンサなどの代替電源によって補わなければならない。
【０１９４】
Tesla(登録商標)ロードスターの200kWの電力を考えると、これは、現在、53kWhの容量を有する375Vのバッテリーパックによって電力を供給されており、最大電力は533Aの最大電流に言い換えられる。容量は141Ahと言い換えられ、533Aでは、最長16分間給電することができる。
【０１９５】
例えば、Tesla(登録商標)は、例えば、それぞれが20kWである10個の燃料電池スタックを装備する場合、スイッチを入れた後5秒以内に、公称電力が利用可能になり、その際にバッテリーが最大電流を供給しなければならない。実用的には、バッテリー寿命と運転の滑らかさも含めて、バッテリーの設計容量は、例えば、電流容量の10%としてよい。
【０１９６】
電気自動車の制動エネルギーは、好ましくは、電気モーターを発電機(KERS)として使用することによって回収される。発電した電力は、バッテリーおよび/またはコンデンサ内に蓄電しておいて、後で使用することができる。電力コントローラは好ましくは、バッテリーとコンデンサの充放電サイクルを制御する。充電は、好ましくは、満充電の20%から80%までの間に保持される。コンデンサは、充放電のために優先的に使用される。
【符号の説明】
【０１９７】
C  圧縮機
L1  液位センサー
P1、P2  センサー
V0  出力調節弁
V1  圧力調整弁
V2  周囲通気弁
V3、V4  逆止弁
1  反応槽
2  燃料コンパートメント
3  燃料タンク
4  活性化剤流体コンパートメント
5  使用済み燃料
6  管路
7  燃料ポンプ
8  管路
9  活性化剤流体ポンプ
11  管路
12  ポンプ
13  (水素)ガス透過膜
14  水素出口
15  管路
16  圧力調節器
17  管路
18  コントローラ
19  インライン混合装置
21  中心軸
30  高剪断混合機
31  円形ステーター
32  ローター
33  反応領域
34  開口部
35  開口部
50  コントローラ
51  インタラクティブインターフェイス/ディスプレイ
100  燃料貯蔵コンパートメント
106、206、306  インペラー
110、210  供給管路
111  サブコネクタ
114  コネクタ
115  無線接続機能
120、220  再循環管路、バイパス
125、225  ポンプ
130  燃料を供給するための管路
132、232  制御弁
133、233  流体制御センサー
134、234  体積流量計、質量流量計
135  燃料ポンプ
137  緩衝器
200  活性化剤貯蔵コンパートメント
211  活性化剤供給用のサブコネクタ
230  活性化剤を供給するための管路
231  制御弁
232  ノズル
235  活性化剤ポンプ
236  フィルター
237  緩衝器
300  使用済み燃料貯蔵コンパートメント
306  使用済み燃料インペラー
325  再混合ポンプ
330  使用済み燃料排出管路
331  サブコネクタ
340  窒素管路
341  機械式圧力逃し弁
342  圧力トランスデューサ
343  圧力トランスデューサ
344  サブコネクタ
400  反応槽
411  制御弁
414  コネクタ
420  再混合管路、バイパス
421  制御弁
425  ポンプ
430  第1の管路
431、441  放出弁
440  第2の管路
450  受液器領域
451  冷却用螺旋状物
460  第2の冷却回路
462  第2の熱交換器
465  ポンプ
500  混合槽
501  冷却ジャケット
502  内部チャネル
503  冷却要素
504  冷却チャネル
510  第1の冷却回路
512  第1の熱交換器
513  発電機
515  ポンプ
550  第1のステージ
558  第1の穿孔された分離部
560  第2のステージ
568  第2の穿孔された分離
569  ガイド
570  第3のステージ
600  緩衝槽
602  機械式圧力逃し弁
603  フィルター
630  ガス放出管路
631  制御弁
632  減圧弁
633  第3の熱交換器
634、635、636  制御弁
640  外気供給管路
641  第1のフィルター
642  第2のフィルター
650、651、652  燃料電池スタック
660  第4の熱交換器
661  入口
662  第1の出口
663  第2の出口
665  ポンプ
711  第1の圧力トランスデューサ
712  第2の圧力トランスデューサ
713、714、715  圧力トランスデューサ
716  温度センサー
717  温度センサー
718  温度センサー
721、722、723  液位センサー
724、725  液位スイッチ
800  タンク
801  外殻
804  センサー
【図１】
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【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５Ａ】
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【図６】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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