JP2007500666A - 水素供給装置 - Google Patents
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Abstract
水素供給装置（図１）は、ＡＢ５型材料でよい第一水素貯蔵材料（１）およびＭｇＨ２型材料でよい第二水素貯蔵材料（２）を備えてなり、これら２つの水素貯蔵部は分離されている。第一水素貯蔵材料は、第二水素貯蔵材料よりも低い温度で活性化して水素を放出することができ、第一水素貯蔵材料から放出された水素の少なくとも一部が第二水素貯蔵材料を活性化するのに利用される。第二水素貯蔵材料から放出された水素は水素消費装置（３）に使用できる。本装置は、可動水素供給手段として、例えば燃料電池により駆動される車両に水素を供給するのに特に好適である。
Description
本発明は、水素供給装置に、特に水素化物の形態で貯蔵されている水素の供給装置に関する。
水素の機能経済性を実現するには、水素の貯蔵および供給に関連する問題に対処しなければならない。一般的に、水素は圧縮ガス、低温液体または化学的形態、例えば金属水素化物、として貯蔵することができる。圧縮ガスまたは液体を利用する水素の貯蔵は、貯蔵総重量の百分率として貯蔵される水素量の観点からは魅力的であるが、どちらの方法にも欠点がある。圧縮ガス貯蔵には、関連する、可動性用途には特に重要な安全性の問題があり、液体貯蔵には、複雑で経費の掛かる低温設備が必要である。金属水素化物の形態における水素の化学的貯蔵には、気体状貯蔵に関連する安全性の問題も、液体貯蔵に関連する技術的な必要条件も無いので、金属水素化物貯蔵は、水素貯蔵に使用されるある種の尺度、例えば貯蔵重量ｋｇあたりのｋｇ、に関してはガスおよび液体貯蔵に対して分が悪いが、可動性用途には好ましい。
水素化マグネシウムＭｇＨ２は、水素７．６重量％を含み、理論的に、水素貯蔵用途向けの公知の可逆的水素化物の中で、最も有望である。しかし、水素を妥当な率で移動させるには、ＭｇＨ２を約３００℃に加熱しなければならない。水素移動温度（特に吸着温度）を下げる他の元素、例えばニッケルおよび／または白金族金属、を添加することにより、水素化物を変性することは公知であるが、これは貯蔵容量を損なうことがあり、常温を優に超える温度がなお必要である。従って、合金化学および物理的形態を修正しても、機能的な水素供給機構を製造するには、追加の熱源が必要になる。これは、貯蔵されている水素からエネルギーを利用できない始動の際に、特に当てはまる。
はるかに低い温度で水素を放出する他の金属水素化物が公知である。例えば、ＡＢ５、ＡＢ２およびＡＢ合金のある種の水素化物は、水素を室温以下で放出することができる。しかし、これらの水素化物の貯蔵容量は低く、最良の貯蔵でも水素２重量％未満である。このために、有用な水素貯蔵には、大きさおよび重量が大き過ぎて使用できない。
本願は、様々な水素化物材料の有益性を単一の水素供給装置に組み合わせている。
そこで、本発明の水素供給装置は、第一水素貯蔵材料および第二水素貯蔵材料を備えてなり、これら２つの水素貯蔵材料は分離されており、該第一水素貯蔵材料は、該第二水素貯蔵材料を活性化できる温度よりも低い温度で活性化して水素を放出することができ、該第一水素貯蔵材料から放出された水素の少なくとも一部が該第二水素貯蔵材料を活性化するのに利用され、該第二水素貯蔵材料から放出された水素の少なくとも一部が水素消費装置に使用できる。
第一水素貯蔵材料は、温度１００℃未満、好ましくは温度７０℃未満、より好ましくは温度３０℃未満で活性化させ、水素を放出することができる。第二水素貯蔵材料は、温度２５０℃〜３５０℃で活性化させ、水素を放出することができる。
第一水素貯蔵材料には、第二水素貯蔵材料よりも容易に活性化されるという利点があり、これによって装置をより急速に始動することができる。第二水素貯蔵材料には、第一水素貯蔵材料よりも貯蔵容量が大きいという利点があるので、特定の重量および体積で、より大量の水素を供給することができる。
第二水素貯蔵材料は、第一水素貯蔵材料から放出された水素の一部または全部を酸化することにより、活性化することができる。水素を燃焼させ、熱を第二水素貯蔵材料に供給するのが有利である。あるいは、水素は触媒作用により燃焼させることができる。これによって第二材料の温度が上昇して活性化し、その独自に貯蔵されている水素が放出される。第一材料から放出される水素の全部が第二材料の活性化に使用されのではなく、その一部は水素消費装置に使用できるのが好ましい。これによって、消費装置が有効な水素供給源を常に確保することにより、始動の遅れを防止することができる。
第二水素貯蔵材料の総水素容量は、第一材料の総水素容量よりも大きいのが好ましい。一般的に、第二材料中に貯蔵される水素の量は、第一材料中に貯蔵される量より少なくとも２倍、より一般的には１０倍、恐らく１００倍多い。
好ましい実施態様では、第二水素貯蔵材料から放出される水素の一部が、第一材料の再装填に使用される。これによって、第一材料の枯渇が防止され、装置の停止後、装置の迅速な再始動が確保される。
通常操作の際、すなわち始動の後、水素消費装置により消費される水素の、すべてではなくとも、大部分が第二水素貯蔵材料により供給されることを意図しているが、設備は、水素を第一材料からも供給できる状態にあるのが好ましい。一般的に、第一材料は、第二材料よりも速い速度で水素を放出するので、最大エネルギー消費が必要とされる時点に応答して、消費装置への水素供給を補足することができる。
本装置は、第一および第二水素貯蔵材料の一方または両方に熱を供給するための追加の熱源をさらに備えてなることができる。放出される水素、特に第二水素貯蔵材料から放出される水素は高温の場合がある。そこで、本装置は熱交換機を包含し、放出された水素を冷却してから水素消費装置に供給するとよい。除去された熱は、装置に循環使用し、第一および第二水素貯蔵材料の一方または両方に熱を供給するために使用できる。
好ましくは、第一水素貯蔵材料は、ＡＢ５、ＡＢ２またはＡＢ型材料を含んでなる。幾つかの例には、ＬａＮｉ５、ＡｌドーピングしたＬａＮｉ５、ＣｅＮｉ５、ＡｌドーピングしたＣｅＮｉ５、ＣａＮｉ５、ＭｎドーピングしたＣａＮｉ５、ＴｉＶＭｎ、ＺｒドーピングしたＴｉＣｒＭｎ、ＺｒドーピングしたＴｉＣｒ２、ＣｏドーピングしたＴｉＶ２、Ｆｅ／Ｔｉ、Ｔｉ／Ｚｒ、Ｔｉ（ＭｎＶ）およびＴｉ（ＭｎＣｒ）が挙げられるが、これらに限定するものではない。好ましくは、第一水素貯蔵材料は、室温で０．１〜１０バールのゆるやかなピーク圧を有する。ヨーロッパ特許第ＥＰ０９７９５３２号明細書に記載されている材料が特に好適である。代替材料は当業者には公知である。
好ましくは、第二水素貯蔵材料はＭｇを含んでなる。第二水素貯蔵材料は、ＭｇＨ２またはＭｇＨ２／Ｎｉもしくはそれらのいずれかの組合せでよい。ＭｇＨ２材料は、低レベルの他の金属添加（例えばＮｉ１重量％）で変性することもでき、好ましくは第二水素貯蔵材料は白金族金属（ＰＧＭ）を含んでなる。これらの材料は、ミリングまたは機械的合金化により、もしくはこの分野で公知のように融解操作により形成することができる。代替材料は、当業者には公知である。
本水素消費装置は、、内燃機関または他の、水素を必要とするいずれかの装置でよい。好ましくは、水素消費装置は、燃料電池である。本発明の水素供給装置と燃料電池を組み合わせることにより、電力供給源が得られる。そのような供給源は、固定式でもよいが、携帯用電源として特に好適である。この携帯可能性は、恐らく遠隔地に電力を供給するのに利用できるが、より好ましくは、この電源は、車両に駆動力を十分に、または部分的に供給するのに使用できる。
そこで、別の態様では、本発明は、上記の電源を備えてなる駆動車両を提供する。別の実施態様では、車両は、内燃機関により駆動することができるが、その際、本発明の水素供給装置により発生させた水素を少なくとも部分的に燃料として使用する。燃料電池から動力を供給し、内燃機関から動力を供給するハイブリッド車両も意図している。
本発明の水素供給装置の特徴は、駆動する車両に応用した場合に特に有利である。容易に活性化し得る第一水素貯蔵材料の使用により、急速に始動できるが、これは、例えばＭｇＨ２貯蔵だけを使用した場合には不可能であろう。さらに、例えば加速に応答して、または重負荷下で、動力増強が必要な場合に、第一水素貯蔵材料の急速な応答を利用することができる。第一水素貯蔵材料は、「スロットル」機構に応答するように配置するとよい。大容量の第二水素貯蔵材料により、重量を最小に抑えながら、車両を燃料補給のために停止する間隔を妥当なものにすることができよう。通常摩擦熱として失われるエネルギーの一部を回復するための再発電可能なブレーキ機構を車両に取り入れることも可能であろう。このエネルギーは、水素貯蔵材料の一方または両方にさらなる熱を供給するのに直接使用できる、および／または後で使用するために、恐らくアキュムレータに、保存するか、もしくは補助機構に動力を供給するのに使用できよう。
理想的には、上記の動力供給源は、車両に通常使用されているガソリンまたはディーゼル駆動内燃機関に完全に置き換わるであろう。これによって、環境汚染レベルに関して重大な利益が得られよう。あるいは、これらの動力供給源は、通常のエンジンと組み合わせて使用することができよう。そのような車両が、環境問題がより深刻な都市区域では水素動力供給源を使用し、郊外では従来の動力に切り換えるように設計されれば、やはり汚染レベルを低下させることができよう。水素／ガソリンまたはディーゼルで駆動される車両の組合せにより、走行距離を伸ばすこともできよう。
別の態様では、本発明は、水素消費装置に供給する第二水素貯蔵材料を活性化するための、別の第一水素貯蔵材料を活性化することにより発生した水素流の少なくとも一部を利用する、方法を提供する。
ここで、本発明を例としてのみ、添付の図面を参照しながら説明する。
図１に関して、水素供給装置は、ＡＢ５水素化物貯蔵部１、ＭｇＨ２貯蔵部２、水素消費装置３および水素バーナー装置４を備えてなる。ＡＢ５水素化物貯蔵部から放出された水素は、バーナー装置に送られ、そこで燃焼する。ＡＢ５貯蔵部は、常温で水素を放出することができるので、通常は追加の熱源を必要としないが、無論、必要であれば、熱源を備えることもできる。水素燃焼により生じた熱（Δは、図１〜４で熱の流れを示す）は、ＭｇＨ２貯蔵部に熱を供給するのに使用される。ＭｇＨ２貯蔵部が十分高い温度（例えば３００℃）に達した後、その貯蔵部は水素を放出し始める。次いで、この水素は水素消費装置に供給される。
図１の装置には、水素消費装置が水素を使用できるようになる前の遅れがあるという欠点がある。改良された装置を図２に示す。この装置では、ＡＢ５貯蔵部１から放出された水素の一部が水素消費装置３で使用できる。ＭｇＨ２貯蔵部が、図１の装置に関して説明したように活性化された後、ＡＢ５貯蔵部から水素消費装置への水素供給を停止することができる。あるいは、消費装置は、両方の貯蔵部から引き続き水素供給を受けるか、またはピーク消費条件下でのみ、両方から供給を受けることができる。
別の修正を図３に示す。ここでは、ＭｇＨ２貯蔵部２から放出された水素の一部が、ＡＢ５貯蔵部１の再装填に使用される。
本発明の所望による別の態様を取り入れた装置を図４に示す。この装置は、車両に使用するのに特に好適である（図１〜３の装置と同様に）。図１〜３の装置の特徴、ならびに熱交換機５および再発電可能なブレーキ機構６が取り入れられている。ＭｇＨ２貯蔵部２と水素消費装置３との間にある熱交換機５は、ＡＢ５貯蔵部１と消費装置との間にある熱交換機よりも重要である。これは、ＭｇＨ２貯蔵部から放出された水素は、ＡＢ５貯蔵部から放出された水素より、温度がはるかに高いためである。従って、より多くの熱をＭｇＨ２熱交換機から回収することができる。さらに、特に水素消費装置が燃料電池である場合、水素を、消費する前に冷却することが重要であろう。典型的には、重合体電解質メンブラン燃料電池は、温度約８０℃で作動する。再発電可能なブレーキ機構６は、車両がブレーキを掛けた時に摩擦により失われる熱を回収する。この熱は、水素貯蔵部１、２の一方または両方に循環使用することができる。
Claims (16)
- 水素供給装置であって、
第一水素貯蔵材料（１）および第二水素貯蔵材料（２）を備えてなり、
これら２つの水素貯蔵手段が分離されており、
前記第一水素貯蔵材料が、前記第二水素貯蔵材料を活性化できる温度よりも低い温度で活性化して水素を放出することができるものであり、
前記第一水素貯蔵材料から放出された水素の少なくとも一部が前記第二水素貯蔵材料を活性化するのに利用され、
前記第二水素貯蔵材料から放出された水素の少なくとも一部が水素消費装置（３）により使用されるものである、水素供給装置。 - 前記第二水素貯蔵材料（２）が、前記第一水素貯蔵材料（１）から放出された水素の一部を水素バーナー装置（４）で酸化することにより、活性化される、請求項１に記載の装置。
- 前記第一水素貯蔵材料（１）から放出された水素の一部が、前記水素消費装置（３）により利用されるうる、請求項１または２に記載の装置。
- 前記第二水素貯蔵材料（２）から放出された水素の一部が、前記第一水素貯蔵材料（１）の再充填に使用される、請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置。
- 前記第一水素貯蔵材料（１）が、温度１００℃未満で活性化し、水素を放出することができる、請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置。
- 前記第二水素貯蔵材料が、温度２５０℃〜３５０℃で活性化し、水素を放出することができる、請求項１〜５のいずれか一項に記載の装置。
- 前記第一水素貯蔵材料（１）又は前記第二水素貯蔵材料（２）から放出された水素から熱を除去するための１基以上の熱交換機（５）をさらに備えてなる、請求項１〜６のいずれか一項に記載の装置。
- 前記第一水素貯蔵材料（１）が、ＡＢ５、ＡＢ２またはＡＢ型材料を含んでなる、請求項１〜７のいずれか一項に記載の装置。
- 前記第一水素貯蔵材料（１）が、ＬａＮｉ５、ＡｌドーピングしたＬａＮｉ５、ＣｅＮｉ５、ＡｌドーピングしたＣｅＮｉ５、ＣａＮｉ５、ＭｎドーピングしたＣａＮｉ５、ＴｉＶＭｎ、ＺｒドーピングしたＴｉＣｒＭｎ、ＺｒドーピングしたＴｉＣｒ２、ＣｏドーピングしたＴｉＶ２、Ｆｅ／Ｔｉ、Ｔｉ／Ｚｒ、Ｔｉ（ＭｎＶ）およびＴｉ（ＭｎＣｒ）、またはそれらのいずれかの組合せである、請求項８に記載の装置。
- 前記第二水素貯蔵材料（２）がＭｇを含んでなる、請求項１〜９のいずれか一項に記載の装置。
- 前記第二水素貯蔵材料（２）がＰＧＭを含んでなる、請求項１０に記載の装置。
- 前記第二水素貯蔵材料（２）が、ＭｇＨ２またはＭｇＨ２／Ｎｉ或いはそれらのいずれかの組合せである、請求項１０または１１に記載の装置。
- 前記水素消費装置（３）が燃料電池を備えてなる、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の装置。
- 前記水素消費装置（３）が内燃機関を備えてなる、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の装置。
- 動力供給源として、請求項１３または１４に記載の装置を備えてなる車両。
- 水素消費装置（３）に供給する第二水素貯蔵材料（２）を活性化するための方法であって、
別の第一水素貯蔵材料（１）を活性化することにより発生した水素流の少なくとも一部を利用することを含んでなる、方法。
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