JP2001250571A - 電気化学的エンジン - Google Patents

電気化学的エンジン

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James V Mcmanis
ジェームズ・ブイ・マクマニス
William S Wheat
ウィリアム・エス・ホウィート
Lee Curtis Whitehead
リー・カーティス・ホワイトヘッド
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ダニエル・ビー・オコンネル
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 電気化学的エンジンの熱管理の効率を向上さ
せる。 【解決手段】 電気化学的エンジンは、水素貯蔵温度で
水素を吸収し、解放温度で水素を解放する水素保有材料
を含む貯蔵タンクを備える。スタックは、解放水素を使
用して電気及び副次的な熱を生成する。主要冷却剤流体
回路が放熱器からスタック、タンクを通って戻り、これ
らの間に冷却剤分配バルブを有する。バイパス冷却剤流
れラインが分配バルブから放熱器まで延びる。スタック
の副次的な熱は、流体回路を介してタンクに送られ、水
素保有材料を加熱して水素を解放する。過熱冷却剤流れ
ループ内に熱生成器及びポンプを含む。該ループはタン
ク及び放熱器の間に冷却剤を孤立させるバイパスバルブ
を有する。ループ内の冷却剤は、熱生成器により加熱さ
れ、水素保有材料から水素ガスを更に解放するため循環
される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、特に車両にとって
有用である、電気化学的エンジンに関する。
【０００２】
【従来技術】燃料電池の電力プラントは、使用に適した
車両の中に組み込まれているので、燃料電池スタックを
作動させるため必要とされる燃料を供給する効率的な方
法を開発することは、ますます重要となってきている。
水素ガスは、スタックに導入される一般的な燃料であ
り、搭載された適切なタンク内に蓄えることもできる。
純粋な水素ガスは効率的な燃料であるが、それを車両に
搭載された状態で蓄えることは、パッケージング及び質
量に関連した欠点を持つ。
【０００３】車両に搭載されている状態で純粋な水素ガ
スを蓄えることの代わりとして、ガソリン又はメタノー
ルなどの他の燃料を搭載された状態で蓄え、当該燃料を
改質器により処理して水素、二酸化炭素、一酸化炭素及
び水蒸気を含む改質物に転化させてもよい。改質物は、
水素を燃料電池スタックに分配する前に、シフトコンバ
ーター及びガス浄化装置を通過させられ、一酸化炭素を
除去され得る。この完全な改質プロセスは、エンジニア
にとって複雑であるのみならず、有益なパッケージ用空
間及び質量を消費する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】電気化学的エンジンに
よりパワー供給される車両を設計する際に更に考えるべ
きことは、燃料電池スタック中の電気化学的反応により
生成された熱を如何に管理するかということである。ス
タックは、８０℃乃至１００度の温度範囲に亘って浪費
熱を生成し得る。放熱器を含む伝統的な熱管理システム
が用いられた場合、放熱器は、電気化学的エンジンの要
求に合致させるため十分な表面積を必要とし、市販の車
両にとって実用的でない。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明は、車両で使用す
るための市販の実用的な電気化学的エンジン（ＥＣＥ）
を提供する。
【０００６】本発明の電気化学的エンジンは、水素貯蔵
温度で水素を可逆的に吸収してこれを蓄え、解放温度に
まで加熱したとき、蓄えられた水素をガスとして解放す
る水素保有材料を含む貯蔵タンクを備える。燃料電池ス
タックは、電気及び副次的な熱を生成するため解放され
た水素ガスを使用する。副次的な熱は、燃料電池スタッ
クから、主要冷却剤流体回路を介して貯蔵タンクへ移送
され、燃料電池スタックを燃料供給するため水素を解放
するように水素保有材料を加熱する。バイパス冷却剤流
れラインが、燃料電池スタックから放熱器まで設けら
れ、貯蔵タンクを迂回する。
【０００７】電気化学的エンジンは、更に、過熱冷却剤
流れループ内の熱生成器及び該ループを通して冷却剤を
循環させるポンプを含む。該過熱冷却剤流れループは貯
蔵タンク及び放熱器の間にバイパスバルブを有し、該バ
イパスバルブは、該過熱冷却剤流れループ内に冷却剤を
孤立させるように作動可能である。過熱冷却剤流れルー
プ内の冷却剤は、熱生成器により加熱され、水素保有材
料から水素ガスを更に解放するため貯蔵タンクを通して
循環させられる。
【０００８】水素保有材料を水素で再生成するため、貯
蔵タンクを冷却する必要がある。従って、ＥＣＥは、予
備補給の冷却剤を外部源から貯蔵タンクを通して循環さ
せる能力を提供し、これによって水素保有材料を、それ
が水素を吸収し、蓄えることができる温度まで冷却す
る。
【０００９】従って、本発明のＥＣＥは、搭載された状
態で純粋水素を改質し又は貯蔵する方法に比べて、更な
る軽量化及び空間パッケージ能力を増大した状態で、燃
料電池スタックへ導入される燃料を管理するより簡単な
解決法を提供する。更に、一旦燃料電池スタックがその
通常の作動温度まで上昇すると、燃料電池の副次的な熱
が水素をその蓄えられた状態から解放するため使用され
るので、当該プロセスは自立系となる。副次的な熱の一
部分がエンジン作動中に循環処理されるので、熱管理シ
ステムは、多くの熱エネルギーを管理しないで済むよう
になる。
【００１０】
【発明の実施の形態】図１で参照番号１０として略示さ
れた電気化学的エンジン（ＥＣＥ）は、車両を推進する
ための車両付属物又は駆動システムに電力供給するため
電気を生成する。この電気は、燃料電池スタック１２内
部において水素及び酸素の間の既知の電気化学的反応に
より生成される。燃料電池スタック１２は、当該技術分
野で知られているように、個々の燃料電池１４のシリー
ズから構成される。水素ガスが水素配給ライン１６を介
して燃料電池１４のアノード側に供給される。空気生成
器１７は、コンプレッサ及び加湿器を備えてもよく、酸
化剤ライン１８を介して燃料電池１４のカソード側に加
湿された酸化剤を供給する。カソードは電解質によって
アノードから分離される。電気及び熱が燃料電池スタッ
ク１２内で生成される。アノード側から水素排出ライン
１９への排出バルブ２０は、通常では、全ての水素が燃
料電池スタック１２内で消費されるように閉じられる
が、開放して未消費の水素を解放させるように作動可能
である。カソードの副産物は、窒素及び未消費の酸素を
含み、カソード排出ライン２１を介して排出される。
【００１１】水素は、燃料電池スタック１２内の電気化
学的プロセスに燃料供給するため、ＥＣＥ１０内の貯蔵
タンク２２に蓄えられる。貯蔵タンク２２は、図示しな
い「水素保有材料」を含む。これによって、それは、水
素貯蔵温度で水素を可逆的に吸収したり、蓄えたりする
ことができ、該水素貯蔵温度より高い解放温度でそれを
解放することができる材料を意味する。一実施形態で
は、水素保有材料は、例えば、ナトリウム−アルミニウ
ム−塩化物（sodium-alminum-chloride）、ランタン−
ニッケル化合物（lanthanum-nickelide）、チタニウ
ム、又はニッケルなどの、水素と反応して金属の水素化
物として水素を蓄える金属からなる。そのような金属の
うち特に好ましいものは、ナトリウム−アルミニウム−
塩化物であり、これは、燃料電池スタック１２の作動温
度又はその近傍の温度で、その保有された水素の大部分
に対する解放温度を有する。これは、燃料電池スタック
１２からの副次的な熱を、水素化物から水素を解放する
ため使用することを可能にする。
【００１２】別の実施形態では、「水素保有材料」は、
水素貯蔵温度で水素を可逆的に吸着し、該水素貯蔵温度
より高い解放温度でそれを脱着する水素吸着剤である。
そのような吸着剤で好ましいものは、高体積貯蔵の吸着
剤で十分であり得るが、カーボンナノファイバー（carb
on nanofibers）である。水素保有材料のいずれの型に
おいても、貯蔵タンク２２を加熱することは、水素ガス
を解放し、該水素ガスは、上述したように、水素配給ラ
イン１６を通って供給され、燃料電池スタック１２内の
電気化学的反応を引き起こす。
【００１３】ＥＣＥ１０は、エンジンを通して冷却剤を
循環させるため、放熱器２６、冷却剤リザーバー２８、
主要冷却剤ポンプ３０及び主要冷却剤流体回路３２を含
む熱管理システム２４を更に備える。主要冷却剤流体回
路３２は、冷却剤リザーバー２８から、主要冷却剤ポン
プ３０、燃料電池スタック１２、貯蔵タンク２２及び放
熱器２６を通って冷却剤リザーバー２８に戻るように延
在する。冷却剤分配バルブ３４は、燃料電池スタック１
２及び貯蔵タンク２２の間に主要冷却剤流体回路３２に
沿って介設されている。バイパス冷却剤流れライン３６
は、分配バルブ３４から放熱器２６まで延在する。
【００１４】主要冷却剤流体回路３２は、スタックから
出た副次的な熱を輸送し、それを貯蔵タンク２２に配給
するため、低温度の冷却剤を燃料電池スタック１２に配
給する。貯蔵タンク２２は、導管３８（例えばコイル）
を含み、該導管を通って加熱された冷却剤が水素保有材
料を加熱するため循環させられる。加熱された冷却剤
は、貯蔵タンク２２をバイパスして、冷却剤分配バルブ
３４からバイパス冷却剤流れライン３６を介して放熱器
２６に直接分配されてもよい。冷却剤分配バルブ３４
は、燃料電池スタック１２からの加熱された冷却剤を、
貯蔵タンク２２及び放熱器２６のいずれか又はその両方
に差し向けるように作動することができる。
【００１５】ＥＣＥ始動を開始するため、燃料電池スタ
ック１２に燃料供給するべく水素ガスを解放するよう
に、初期に電気的に生成された熱を水素保有材料に提供
するため電気加熱エレメント４０を貯蔵タンク２２内又
はそれに隣接して設けることができる。加熱エレメント
４０は、ＥＣＥ１０が自立系、即ち、燃料電池スタック
１２が該スタックに燃料供給するため貯蔵タンク２２か
らの水素を解放するのに十分な熱を生成していることを
意味する状態になるまで、短時間の間、作動するだけで
済む。従って、加熱エレメント４０により費やされる寄
生的なエネルギーが最小化される。
【００１６】任意の水素保有材料が用いられている場
合、水素の大部分は、解放温度で解放され得る。しか
し、実質的に全ての水素を完全に解放するためには、当
該温度は、より高い過熱解放温度にまで上昇する必要が
あろう。一例として、ドーピングしたナトリウム−アル
ミニウム−塩化物の水素化物を用いた場合、蓄えられて
いる水素の約７０％が、約８０℃で作動する燃料電池ス
タック１２から回送された副次的な熱により解放され得
る。残りの水素を解放するため、水素化物は、約１５０
℃の過熱解放温度にまで「過熱（superheat）」されな
ければならない。
【００１７】水素保有材料を過熱することは、過熱冷却
剤ループ４４内に熱生成器４２を備え、熱生成器が冷却
剤を加熱するようにこのループ内に冷却剤を孤立させた
ことによって達成することができる。冷却剤流れの残り
から過熱冷却剤ループ４４を孤立させるために、バイパ
スバルブ４６が、貯蔵タンク２２及び放熱器２６の中間
に備えられる。更に、第２のポンプ４８が、過熱冷却剤
を循環させるため過熱冷却剤ループ４４内に備えられ
る。従って、過熱冷却剤ループ４４は、冷却剤分配バル
ブ３４、貯蔵タンク２２、バイパスバルブ４６、第２の
ポンプ４８及び熱生成器４２を備える。
【００１８】熱生成器４２は、触媒反応器として作動す
ることができ、該触媒反応器では、未消費の水素が燃料
電池スタック１２のアノードにより排出され、水素排出
ライン１９を通って、触媒燃焼のため熱生成器に回され
る。更に、カソードにより排出される、窒素及び未消費
の酸素は、カソード排出ライン２１の熱生成器４２に回
される。熱生成器４２における燃焼反応は、熱エネルギ
ーを生成する。この熱エネルギーは、過熱冷却剤ループ
４４を介して貯蔵タンク２２に移行され得る。ＥＣＥ１
０内に熱生成器４２を備えることは、水素保有材料に蓄
えられる実質的に全ての水素を利用可能にさせる。熱生
成器４２は、熱を電気的に生成する手段に代わる効率的
な手段である。
【００１９】貯蔵タンク２２内に蓄えられる水素の供給
を補充するため、水素ガスは、例えば燃料補給ステーシ
ョン５０などの外部源から、水素補給ライン５１を通っ
て貯蔵タンクへと供給される。水素保有材料を水素で再
生成するために、当該材料は、約２０℃程度であり得
る、水素貯蔵温度まで冷却される必要がある。本発明の
ＥＣＥ１０は、水素ガスでタンクを再充填する前に、搭
載されていない冷却ステーション５２から、貯蔵タンク
２２を通って予備補給の冷却剤を循環させる能力を提供
する。入口冷却剤ライン５３は、充填入口５４を冷却剤
分配バルブ３４に接続し、冷却剤分配バルブ３４は、予
備補給の冷却剤を貯蔵タンク２２を通過するように差し
向ける。水素保有材料から予備補給の冷却剤に転移され
た熱は、バイパスバルブ４６から出口冷却剤ライン５６
を流れ出て、充填入口５４に隣接する充填出口５８に至
る。従って、貯蔵タンク２２をガスで再充填する前に、
予め補充している冷却剤を、充填入口５４から、冷却剤
分配バルブ３４、貯蔵タンク２２、バイパスバルブ４
６、出口冷却剤ライン５６及び充填出口５８を通って、
循環させることによって、貯蔵タンクを冷却することが
できる。予め補充している冷却剤のこの循環は、冷却プ
ロセスを加速し、貯蔵タンク２２を水素貯蔵温度まで冷
却するため延長された時間をオペレータが待つ必要な
く、迅速に燃料補給することを可能にする。
【００２０】図示しないコントローラによるＥＣＥの作
動を制御する各工程が、図２のフローチャートに示され
ている。特に、ＥＣＥ１０の作動を初期化するために、
コントローラは、ブロック１１０において、加熱エレメ
ント４０が付勢されるための信号を出力する。これは、
最初に貯蔵タンク２２内の水素保有材料を解放温度まで
加熱するため使用される。解放された水素ガスは、ブロ
ック１１２において、燃料電池スタック１２のアノード
に配給される。これと共に、コントローラは、ブロック
１１４において、燃料電池スタック１２のカソードに加
湿された酸化剤を配給するため空気生成器１７に信号を
出力する。コントローラは、ブロック１１６で、燃料電
池スタックの温度を監視し、ブロック１１８で、この監
視温度が水素解放温度に近いその作動温度に達したと判
定したとき、ブロック１２０で、冷却剤を燃料電池スタ
ック１２を通して循環させるため主要な冷却剤ポンプ３
０の作動を信号指令する。
【００２１】コントローラは、ブロック１２２で、燃料
電池スタックにおいてどのくらいの量の水素が必要とさ
れているかを決定するため、パワーに対する燃料電池ス
タック１２の要求（例えば車両加速）を監視する。ブロ
ック１２４で、スタック１２がより多くの水素ガスを要
求し、且つ、燃料電池スタック１２の作動温度が解放温
度である場合、コントローラは、ブロック１２６で、ス
タックから貯蔵タンク２２を通って加熱された冷却剤を
差し向けるように、冷却剤分配バルブ３４に信号指令す
る。これによって、ブロック１２８で、燃料電池スタッ
ク１２により多くの水素ガスが解放されるように水素保
有材料が解放温度まで加熱される。より多くのガスが燃
料電池スタック１２により必要とされない場合、コント
ローラは、ブロック１３０で、スタック１２からバイパ
ス冷却剤流れライン３６を通って放熱器２６に加熱され
た冷却剤を逸らせるように冷却剤分配バルブ３４に信号
指令する。
【００２２】コントローラは、ブロック１３２で、貯蔵
タンク２２内の圧力を監視する。解放温度で解放可能な
水素がブロック１３４で無くなったと判定されて圧力が
低下したとき、貯蔵タンク内の温度は、燃料電池スタッ
ク１２からの冷却剤温度より高い過熱解放温度にまで上
昇されなければならない。コントローラは、ブロック１
３６で、燃料電池スタック１２から熱生成用の熱生成器
４２に未消費の水素を排出するように排出バルブ２０に
信号指令する。更に、コントローラは、ブロック１３６
で、冷却剤の流れを放熱器２６に差し向け、過熱冷却剤
ループ４４への流れを可能としないように、冷却剤分配
バルブ３４に信号指令する。コントローラは、ブロック
１４０で、過熱冷却剤ループ４４が閉ループとなるよう
にバイパスバルブ４６を作動し、従って、冷却剤が貯蔵
タンク２２から放熱器２６に流れることが可能とされな
いようにする。第２のポンプ４８は、ブロック１４２で
過熱冷却剤ループ４４を通って過熱冷却剤を循環させる
ため付勢される。熱生成器４２は、ブロック１４４で、
貯蔵タンク２２内に蓄えられた残りの水素を燃料電池ス
タック１２に解放するための過熱解放温度に達するま
で、孤立した冷却剤を加熱する。
【００２３】車両が水素ガスで再充填されるべきとき、
コントローラは、貯蔵タンク温度を監視し、それが水素
ガスを捕捉するため水素保有材料にとって必要とされる
水素貯蔵温度を超えているか否かを判定する。貯蔵タン
ク温度が水素貯蔵温度を超えている場合、予備補給の冷
却剤が充填入口５４に追加され、入口冷却剤ライン５３
を通って循環され、冷却剤分配バルブ３４により逸らさ
れて貯蔵タンク２２を通り、バイパスバルブ３４により
逸らされて出口冷却剤ライン５６から出る。一旦、貯蔵
タンク温度が水素貯蔵温度まで冷却されると、水素ガス
は、水素保有材料により吸収され、蓄えられるため貯蔵
タンク２２に追加される。
【００２４】パッケージングの利点及び冷却効率を更に
提供するため、ＥＣＥ１０は、パッケージング空間及び
容積に関する要求への合致が必要とされるとき、第１の
貯蔵タンク２２及び第２の貯蔵タンク２２’と称される
２つ又はそれ以上の貯蔵タンクを備えることができる。
そのようなＥＣＥ１０が図３に示されている。図３で
は、図１と同様の構成要素は図１と同じ参照番号により
示されている。
【００２５】２つの貯蔵タンク２２及び２２’を有する
ＥＣＥ１０の作動を制御するための工程が、図４及び図
５のフローチャートに示されている。工程１１０乃至１
３８は、上述した工程と等しい。貯蔵タンクを加熱する
ための工程が、貯蔵された残りの水素を解放するため、
ある時刻で貯蔵タンクのうちの一つだけを過熱すること
によって更なる効率が達成されるという点において上記
した工程とは異なっている。一旦、コントローラがブロ
ック１３４で解放温度で解放可能な水素が無くなったと
判定した場合、それは貯蔵タンクのうち一つ（ここでは
第１の貯蔵タンク２２に対して説明されている）に対す
る過熱プロセスを開始する。コントローラは、ブロック
１３６で、スタック１２から熱生成用の熱生成器４２に
未消費の水素を排出するように排出バルブ２０に信号指
令する。更に、コントローラは、ブロック１３８で、冷
却剤の流れを放熱器２６に差し向けるように冷却剤分配
バルブ３４に信号指令し、第１及び第２の過熱冷却剤ル
ープ４４及び４４’への流れを不可能にする。コントロ
ーラは、ブロック１５０で、第１の過熱冷却剤ループ４
４のみが閉ループとなるようにバイパスバルブ４６を作
動し、従って、第１の貯蔵タンク２２から放熱器２６に
冷却剤が流れなくなるようにする。第２のポンプ４８
は、ブロック１５２で、過熱された冷却剤が第１の過熱
冷却剤ループ４４を通って循環するように付勢される。
熱生成器４２は、ブロック１５４で、第１の貯蔵タンク
２２内に蓄えられた残りの水素を燃料電池スタック１２
へと解放するための過熱解放温度に達するまで、孤立し
た冷却剤を加熱し続ける。
【００２６】ブロック１５６で、一旦、第１の貯蔵タン
クが枯渇すると、第２の貯蔵タンク２２’がその中に蓄
えられた残りの水素を解放するため過熱される。バイパ
スバルブ４６は、ブロック１５８で、第２の加熱冷却剤
ループ４４’を孤立させるため作動される。熱生成器４
２により生成された熱は、ブロック１６０で、第２の貯
蔵タンク２２’を通って流出され、ブロック１６２で、
蓄えられた水素を燃料電池スタック１２に解放する。
【００２７】これと共に、第２の貯蔵タンク２２’が過
熱されている間に、第１の貯蔵タンク２２は、過熱解放
温度から冷却されている。従って、車両が燃料補給ステ
ーション５０に持ち込まれたとき、第１の貯蔵タンク２
２を、燃料補給用の水素貯蔵温度まで既に冷却すること
ができる。
【００２８】本発明のＥＣＥ１０は、燃料電池スタック
１２への入力燃料及び該スタックからの浪費熱を管理す
るための効率的なシステムを提供する。水素ガスは、水
素保有材料によって捕捉された状態で、車両に搭載され
て蓄えられる。好ましくは、材料は、燃料電池スタック
１２の略作動温度で水素を解放するように作動可能であ
るように選択される。従って、燃料電池スタック１２で
生成された副次的な熱は、必要に応じてより多くの水素
ガスを解放するため利用されることができる。
【００２９】ＥＣＥ１０は、燃料電池スタック１２で生
成された副次的な熱を蓄えられた水素を解放するため利
用できるという利点を有するので、熱管理システム２４
は、管理すべき熱エネルギーを少なくすることができ
る。副次的な熱の２５％のオーダーが、エンジン作動に
再利用され、全体的な作動のエネルギー効率を増大させ
る。更に、燃料電池スタック１２により生成された副次
的な熱を管理するため要求される放熱器２６を、市販さ
れている相応のパッケージサイズのものにすることがで
き、ＥＣＥ１０の車両への組み込みを容易にする。
【００３０】本発明のＥＣＥ１０は、貯蔵タンク２２を
通って冷却剤を循環させるための予備補給の冷却剤の能
力をも有する。これは、消費者に道理に合わない遅れを
もたらすことなく、貯蔵タンク２２をその容量まで水素
で再充填することを可能にする。
【００３１】本発明の好ましい実施形態の前述した説明
は、図示及び説明という目的のために与えられた。それ
は本発明を包括するということを意図せず、開示された
正確な形態に本発明を限定するものではない。開示され
た実施形態を、上記教えに鑑みて変更することができる
ことは、当業者には明らかであろう。開示された実施形
態は、本発明の原理及びその実用的な用途を示すために
選択され、これによって、当業者の一人が、様々な実施
形態で本発明を利用し、実施される特定の使用に適する
ように様々な変更を加えることができる。従って、前述
した説明は、例示と考えるべきであり、これに限定され
るものではなく、本発明の真の範囲は、請求の範囲内に
記載された範囲である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の電気化学的エンジンの概略的
な構成図である。
【図２】図２は、図１の電気化学的エンジンの作動を制
御する方法のフローチャートである。
【図３】図３は、電気化学的エンジンに関する第２実施
形態の概略的な構成図である。
【図４】図４は、図３の電気化学的エンジンの作動を制
御する方法の一実施形態に係るフローチャートである。
【図５】図５は、図４のフローチャートにおける第２の
貯蔵タンクに関する処理を示すサブルーチンのフローチ
ャートである。
【符号の説明】
１０ 電気化学的エンジン １２ 燃料電池スタック １４ 個々の燃料電池 １６ 水素配給ライン １７ 空気生成器 １８ 酸化剤ライン １９ 水素排出ライン ２０ 排出バルブ ２１ カソード排出ライン ２２ （第１の）貯蔵タンク ２２’ 第２の貯蔵タンク ２４ 熱管理システム ２６ 放熱器 ２８ 冷却剤リザーバー ３０ 主要冷却剤ポンプ ３２ 主要冷却剤流体回路 ３４ 冷却剤分配バルブ ３６ バイパス冷却剤流れライン ３８ （第１の貯蔵タンクの）導管 ３８’ （第２の貯蔵タンクの）導管 ４０ 電気加熱エレメント ４２ 熱生成器 ４４ （第１の）過熱冷却剤ループ ４４’ 第２の過熱冷却剤ループ ４６ バイパスバルブ ４８ 第２のポンプ ５０ 燃料補給ステーション ５１ 水素補給ライン ５２ 冷却ステーション ５３ 入口冷却剤ライン ５４ 充填入口 ５６ 出口冷却剤ライン ５８ 充填出口
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジョナス・ベレイサ アメリカ合衆国ミシガン州48302，ブルー ムフィールド・ヒルズ，コッパーウッド・ ドライブ 1196 (72)発明者 マイケル・エイ・ストラットン アメリカ合衆国ニューヨーク州14624，ロ チェスター，チェスナット・ドライブ 93 (72)発明者 ジェームズ・ブイ・マクマニス アメリカ合衆国ニューヨーク州14020，バ タビア，フィッシャー・パーク 22 (72)発明者 ウィリアム・エス・ホウィート アメリカ合衆国ニューヨーク州14620，ロ チェスター，クロスマン 76 (72)発明者 リー・カーティス・ホワイトヘッド アメリカ合衆国ニューヨーク州14105，ミ ドルポート，ペアーソン・ロード 8978 (72)発明者 ダニエル・ビー・オコンネル アメリカ合衆国ニューヨーク州14612，ロ チェスター，スプリング・クリーク・サー クル 54 (72)発明者 スティーブ・マクイルウェイン アメリカ合衆国ニューヨーク州14526，ペ ンフィールド，ハンプトン・ウェイ 87

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 電気化学的エンジンであって、 解放温度にまで加熱したとき、蓄えられた水素を前記燃
    料電池スタックに解放する水素保有材料を含む貯蔵タン
    クと、 電気及び副次的な熱を生成するため解放された水素を使
    用する燃料電池スタックと、放熱器と、 前記放熱器を通る主要冷却剤流体回路と、 を含み、 前記燃料電池スタック及び前記貯蔵タンクは、該燃料電
    池スタックの副次的な熱が前記主要冷却剤流体回路を介
    して前記貯蔵タンクに移送され、これによって前記水素
    保有材料が前記解放温度にまで加熱されて水素を解放
    し、該燃料電池スタックを燃料供給するように構成され
    る、電気化学的エンジン。
  2. 【請求項２】 前記水素保有材料は、水素貯蔵温度で水
    素を可逆的に吸収してこれを蓄え、前記燃料電池スタッ
    クの作動温度付近の解放温度で水素を解放する金属水素
    化物である、請求項１に記載の電気化学的エンジン。
  3. 【請求項３】 前記水素保有材料は、水素貯蔵温度で水
    素を可逆的に吸着してこれを蓄え、前記燃料電池スタッ
    クの作動温度付近の解放温度で水素を脱着する水素吸着
    材料である、請求項１に記載の電気化学的エンジン。
  4. 【請求項４】 電気化学的エンジンの始動時に前記燃料
    電池スタックに水素を解放するため前記水素保有材料を
    最初に加熱するように前記貯蔵タンクと作動的に連係す
    る加熱エレメントを更に含む、請求項１に記載の電気化
    学的エンジン。
  5. 【請求項５】 前記貯蔵タンクを備える過熱冷却剤流れ
    ループと、該貯蔵タンク内の前記水素保有材料から水素
    を更に解放するため該過熱冷却剤流れループで冷却剤を
    加熱するように作動可能な熱生成器と、を更に含む、請
    求項１に記載の電気化学的エンジン。
  6. 【請求項６】 前記熱生成器は、前記水素保有材料がそ
    の中に蓄えられた残りの水素を解放するように作動する
    過熱解放温度まで、前記過熱冷却剤流れループで冷却剤
    を加熱するように作動可能である、請求項５に記載の電
    気化学的エンジン。
  7. 【請求項７】 前記燃料電池スタック及び前記熱生成器
    の間に延在する水素排出ラインを更に含み、該水素排出
    ラインは、前記過熱冷却剤流れループ内で冷却剤を加熱
    するように熱を生成するため該燃料電池スタックから該
    熱生成器まで未消費の水素を運搬する、請求項５に記載
    の電気化学的エンジン。
  8. 【請求項８】 前記過熱冷却剤流れループは、前記熱生
    成器により加熱するため該過熱冷却剤流れループ内に冷
    却剤を保つように作動可能な、前記貯蔵タンク及び前記
    放熱器の間に配置されたバイパスバルブを更に備える、
    請求項５に記載の電気化学的エンジン。
  9. 【請求項９】 充填入口から前記貯蔵タンクに延びる入
    口冷却剤ラインと、前記バイパスバルブから該充填入口
    に隣接する充填出口まで延びる出口冷却剤ラインとを更
    に含み、前記貯蔵タンクを水素で再充填する前に、該貯
    蔵タンクは、該充填入口から、該入口冷却剤ライン、該
    貯蔵タンク、該バイパスバルブを通って、該出口冷却剤
    ライン及び該充填出口から出るように、予備補給の冷却
    剤を循環させることによって、冷却される、請求項８に
    記載の電気化学的エンジン。
  10. 【請求項１０】 前記貯蔵タンクは、前記水素保有材料
    が水素ガスを捕捉するように作動する水素貯蔵温度まで
    冷却される、請求項９に記載の電気化学的エンジン。
  11. 【請求項１１】 車両用の電気化学的エンジンであっ
    て、 水素貯蔵温度で水素を可逆的に吸収してこれを蓄え、解
    放温度にまで加熱したとき、蓄えられた水素を解放する
    水素保有材料を含む貯蔵タンクと、 電気及び副次的な熱を生成するため解放された水素を使
    用する燃料電池スタックと、 放熱器と、 前記放熱器、前記燃料電池スタック及び前記貯蔵タンク
    を通る主要冷却剤流体回路と、 前記燃料電池スタック及び前記貯蔵タンクの間に、前記
    主要冷却剤流体回路に設けられた冷却剤分配バルブと、 前記冷却剤分配バルブから前記放熱器に延びるバイパス
    冷却剤流れラインと、を含み、 前記冷却剤分配バルブは、前記燃料電池スタックから、
    前記貯蔵タンク及び前記放熱器のうちいずれか一方若し
    くはその両方に加熱された冷却剤を差し向けるように作
    動可能であり、これによって、該燃料電池スタックの副
    次的な熱が前記主要冷却剤流体回路を介して前記貯蔵タ
    ンクに移送され、前記水素保有材料が前記解放温度にま
    で加熱されて水素を解放して該燃料電池スタックを燃料
    供給し、 前記電気化学的エンジンは、更に、過熱冷却剤流れルー
    プ内の熱生成器及び冷却剤を循環させるポンプを含み、
    該過熱冷却剤流れループは前記貯蔵タンク及び前記放熱
    器の間にバイパスバルブを有し、該バイパスバルブは、
    該過熱冷却剤流れループ内に冷却剤を保つように作動可
    能であり、 前記過熱冷却剤流れループは、前記冷却剤分配バルブか
    ら、前記貯蔵タンク、前記バイパスバルブ、前記ポン
    プ、前記熱生成器を通って、該冷却剤分配バルブに戻る
    ように延在し、 前記熱生成器は、前記過熱冷却剤流れループ内の冷却剤
    を加熱するように作動し、前記ポンプは、加熱された冷
    却剤を前記貯蔵タンクを通して循環させ、前記水素保有
    材料から水素を更に解放させる、前記電気化学的エンジ
    ン。
  12. 【請求項１２】 請求項１１に記載された電気化学的エ
    ンジンの作動を制御する方法であって、 冷却剤を加熱するため前記燃料電池スタックを通して該
    冷却剤を流し、 前記水素保有材料をその解放温度まで加熱するため、前
    記燃料電池スタックにより加熱された冷却剤を前記貯蔵
    タンクを通過するように差し向け、 前記解放温度で解放可能な水素が無くなったか否かを判
    定するため前記貯蔵タンク内の圧力を監視し、 前記解放温度で解放可能な水素が無くなった場合、前記
    燃料電池からの副次的な水素を前記熱生成器に配給し、 前記熱生成器によって前記過熱冷却剤流れループ内の冷
    却剤を加熱し、 前記水素保有材料をその過熱解放温度まで加熱して蓄え
    られた残りの水素を解放するため、加熱された冷却剤が
    前記貯蔵タンクを通過するように流す、各工程を含む方
    法。
  13. 【請求項１３】 燃料電池スタックと、水素保有材料を
    含む第１及び第２の貯蔵タンクとを有する電気化学的エ
    ンジンの作動を制御する方法であって、 前記燃料電池スタックを通して冷却剤を流して加熱され
    た冷却剤を生成し、 前記燃料電池スタックからのパワーに対する要求、よっ
    て該燃料電池スタックにおける水素に対する要求を監視
    し、 水素ガスが前記燃料電池スタックにより要求された場
    合、加熱された冷却剤を前記第１及び第２の貯蔵タンク
    を通過するように差し向けて、前記水素保有材料を水素
    解放温度まで加熱し、 前記解放温度で解放可能な水素が無くなったか否かを判
    断するため、前記第１及び第２の貯蔵タンク内の圧力を
    監視し、 前記解放温度で解放可能な水素が無くなった場合、前記
    燃料電池スタックからの副次的な水素を前記熱生成器に
    配給し、 前記熱生成器、前記第１の貯蔵タンク及びポンプを含む
    第１の過熱冷却剤ループを孤立させるようにバイパスバ
    ルブを作動し、 前記第１の過熱冷却剤ループ内の冷却剤を前記熱生成器
    によって加熱し、 前記第１の貯蔵タンク内に蓄えられた水素の残りを解放
    するように前記水素保有材料を過熱解放温度まで加熱す
    るため、過熱された冷却剤を前記第１の貯蔵タンクを通
    過するように流し、 前記第１の貯蔵タンクに蓄えられた水素が枯渇したと
    き、前記熱生成器、前記第２の貯蔵タンク及び前記ポン
    プを含む第２の過熱冷却剤ループを孤立させるように前
    記バイパスバルブを作動し、 前記第２の過熱冷却剤ループ内の冷却剤を前記熱生成器
    によって加熱し、 前記第２の貯蔵タンク内に蓄えられた水素の残りを解放
    するように前記水素保有材料を過熱解放温度まで加熱す
    るため、過熱された冷却剤を前記第２の貯蔵タンクを通
    過するように流す、各工程を含む方法。
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