JP2009115310A - 微小円筒アレイにおいて圧縮ガスを貯蔵および解放するための装置ならびに微小円筒アレイの充填システム - Google Patents

Abstract

【課題】多数の微少円筒アレーを含むカートリッジに超高圧の圧縮水素等のガスを貯蔵・開放する装置の提供。
【解決手段】圧縮ガスを貯蔵するための空洞を形成する中空微小円筒のアレイ１４３を含むカートリッジ１４を備えるチャンバ１３を形成するハウジング１１を備える。各微小円筒１４３は、容易に融解可能な合金からなるプラグ１４７で密封される。ガスをカートリッジ１４からチャンバ１３へのガス解放具１５と吐出弁に接続された制御システム１６を備える。開放端部を有する中空微小円筒のアレイ１４３を有するカートリッジ１４にガスを充填するためのシステムおよび方法が提供される。充填は、オートクレーブのチャンバにカートリッジ１４を入れることと、チャンバ内でガスを圧縮し、それにより開放端部を通じて微小円筒の空洞内へガスを浸透させることとを含む。その後、容易に融解可能な合金からなるプラグ１４７で開放端部を密封する。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般に燃料貯蔵に関し、特にガスの蓄積、貯蔵および解放に関する。

水素が非常にエネルギー密度の高い元素であり、クリーンに燃焼する燃料であることはよく知られている。水素は、燃焼により、または、燃料電池を介した酸化還元反応により、酸素と結合して熱つまり電力を発生させることができる。この反応の一次生成物は水であるが、水は無公害であり、リサイクルして水素と酸素を再生することができる。

現在、水素エネルギーは、原子力産業、自動車運輸、自動車産業、化学産業、航空宇宙産業などで注目を集めている。特に、運輸部門は、世界の原油生産高の約半分を消費している。また、世界中の大都市集積地域において、道路交通は、汚染物質と騒音の両方に関して最も重要で最も急速に拡大している排出源である。水素は、新しい車両燃料として、汚染排出の削減または回避と発生される騒音レベルの大幅削減との両方の機会を提供するものである。

水素エネルギーが直面している障害の１つは、水素燃料の安全な貯蔵と燃焼セルへの送達である。最も一般的には、物理的貯蔵（液体または圧縮水素）と化学的貯蔵（金属水素化物の水素吸収およびカーボンナノファイバーの水素吸着）とを含むいくつかの手法が開発されている。これらのすべての手法には、貯蔵媒体の重量や収容可能体積に根本的な限界がある。

圧縮水素を中空ガラス微小球および／または微小円筒（マルチキャピラリ）アレイのような微小カプセル中に安全に貯蔵することができることが知られている。加熱されると、水素のガラス透過性が高まる。水素は、微小球および／または微小円筒の中空芯内へと、薄いガラス壁を通過して、壁温度に強く依存した速度で拡散することができる。このため、微小球および／または微小円筒を高温高圧環境に置くことにより、微小カプセルにガスを充填することが可能になる。拡散速度は室温で急速に低下するため、一旦冷却されると、微小カプセルは水素を内部に封じ込める。次に温度が上昇すると、拡散速度は増加する。したがって、後で温度を上昇させることにより、微小球に閉じ込められた水素を放出させることができる。

例えば、特許文献１には、水素ガスを充填した中空微小球を４００気圧で燃料貯蔵室に貯蔵する燃料貯蔵送達システムが記載されている。微小球は、燃料貯蔵室から、加熱された送達室を通って送り出され、この送達室において水素ガスが拡散により放たれてエンジンへと送達され、その後、実質的に空になった微小球が第２の貯蔵室へと送達される。実質的に空になった微小球は、ポンプなどの機械的手段により貯蔵室へと取り出され、そこから再充填のために取り出すことができる。

チャバク（Chabak）の特許文献２には、水素蓄積貯蔵材料およびその形成方法が記載されている。該材料は、水素を少なくとも部分的に透過可能な異なるサイズの複数の微小球を含み、微小球同士が接合されて、中心から端にむかって微小球の直径が小さくなっている剛性構造体を形成している。剛性構造体の外側表面を密封層で包み、それにより微小球間の空間を閉じることができる。

ビーク（Vik）の特許文献３には、水素などの高加圧ガスを貯蔵するための貯蔵装置が記載されている。該装置は、外側槽と、個々に密封された複数の内側槽とを含む。内側槽および外側槽のそれぞれの内部との連通のための手段が設けられている。内側槽および外側槽は、任意の適切な形状とし得る。例えば、内側槽は実質的に球状である。あるいは、内側槽は好ましくはまっすぐで互いに平行な筒状である。内側槽は、好ましくは炭素繊維強化エポキシ製である。

グネジェンコ（Gnedenko）らの特許文献４には、圧縮水素ガスの貯蔵装置が記載されている。該装置は、圧縮水素ガスを収容できる複数の円筒形空隙部（voids）を含むカートリッジを備えるチャンバを形成する密封されたハウジングを備える。該装置は、水素ガスをカートリッジからチャンバのカートリッジによって占められていない空間へと制御可能に解放するように構成された水素解放具も備える。

特許文献４に記載の一実施形態によると、カートリッジは、密封された端部を有する複数の密集した中空微小円筒で形成されたアセンブリ構造を含む。この場合、水素解放具は、微小円筒内部に貯蔵された水素を円筒間空間やケースの微小円筒によって占められていないその他の空間へと解放するための電気加熱素子、例えば、カートリッジ内部で空の円筒間空間において微小円筒に沿って編み組まれた電線を含み得る。あるいは、解放具は、電気駆動装置の軸に取り付けられて微小円筒の解放具に近い方の端部を徐々に破壊するように構成された機械的オープナを含み得る。

特許文献４に記載の別の実施形態によると、カートリッジは、複数の円筒形空洞を有する一体構造のブロックを含む。空洞の水素解放具に近い方の端部は、水素拡散板（hydrogen diffuser plate）で覆われる。この場合、水素解放具は、水素拡散板を通じて光で促進される水素拡散をもたらすための制御可能な放射源を含む。
米国特許第４３２８７６８号明細書 国際公開第２００６／０４６２４８号パンフレット 国際公開第２００５／０２８９４５号パンフレット 国際公開第２００７／０７２４７０号パンフレット

拡散による圧縮水素の解放に付随する問題の１つは、温度によって誘起される微小カプセルからの水素放出が比較的低速であることと関連している。特に、実用上有用な速度で微小カプセルからガスを放出するためには、ガラスを透過可能にするための活性化エネルギーが５７ｋＪ／ｍｏｌを超えなければならない。また、微小カプセルの断面寸法が好ましくは約８０ミクロン未満でなければならない。例えば、工業用のホウケイ酸ガラスは、所要水素解放速度を得るために６００℃より高温に加熱しなければならない。この加熱の結果、通常条件下の微小カプセルに比べて微小カプセル内部の圧力が上昇することになり得ると同時にガラスの引張り強度が低下することになり得る。これらの要因の両方によって微小カプセルの破壊が起こり得る。

他方で、微小カプセルからの圧縮水素の解放が機械的オープナを用いて行われる場合は、動作中に微小カプセルが破壊される。この場合、カートリッジは拡張可能でしかあり得ず、再充填ができないので交換が必要である。

したがって、当該技術分野においては、安全性の向上およびコストの削減につながる水素の装填および解放の有効化を図るために、水素の蓄積貯蔵技術のさらなる改良が依然として要求されている。

１つの一般的な局面によると、本発明は、従来技術の欠点を部分的に取り除くものであり、水素ガスを収容できる１つまたは複数の新規なカートリッジと、水素解放具と、装置動作制御用に構成された制御システムとを含む新規な圧縮水素ガス貯蔵解放装置を提供する。

本発明の一実施形態によると、本装置は、圧縮ガス、例えば水素を貯蔵するための空洞を形成する中空微小円筒のアレイを含むカートリッジを備えるチャンバを形成するハウジングを含む。ハウジングは、ハウジングを開放および密封するようになっている着脱式の蓋を備える。各微小円筒は、プラグで密封された少なくとも１つの端部を有する。微小円筒は、プラグの近傍にテーパ部を有し得る。プラグは、微小円筒材料の使用温度よりも低い融解温度を有する容易に融解可能な合金からなる。本発明の目的のために、「使用温度」という用語は、微小円筒材料の機械的特性が大きく変化することのない上限温度のことをいう。本装置は、出口管を通じてハウジングに接続された制御可能な吐出弁をさらに備える。

なお、本発明の装置は、いかなる特定のガスにも限定されず、水素以外のガス、例えばメタン、酸素などの貯蔵および解放に用いることも可能である。所望の場合には、様々なガスの混合物を使用することも可能である。

本装置は、水素またはその他のガスをカートリッジからチャンバのカートリッジによって占められていない空間へと制御可能に解放するように構成されたガス解放具をさらに備える。本装置は、制御可能な吐出弁およびガス解放具に動作可能に接続された制御システムも備える。制御システムは、吐出弁およびガス解放具の動作を制御するように構成される。

本発明の一実施形態によると、ガス解放具は、熱オープナと、電気駆動装置とを備える。熱オープナは、ハウジング内に配置され且つ軸上に取り付けられる。電気駆動装置は、この軸に機械的に接続されて熱オープナに動きを与える。例えば、熱オープナは、制御システムに接続された制御可能な電源に接続された加熱ストリップを備え得る。

本発明の一実施形態によると、制御システムは、圧力センサと、温度センサと、流量計と、制御装置とを備える。圧力センサは、チャンバ内に配置され、チャンバ内のガス圧を表す圧力センサ信号を発生するように構成される。温度センサは、熱オープナの近傍に配置される。温度センサは、熱オープナの温度を測定し、その温度を示す温度センサ信号を発生するように構成される。流量計は、出口管内のガスの流量を表すガス流量センサ信号を発生するように構成される。

制御装置は、熱オープナ、電気駆動装置、圧力センサおよび流量計に動作可能に接続される。制御装置は、圧力センサ信号、温度センサ信号およびガス流量センサ信号に応答する。動作時には、制御装置は、熱オープナ、電気駆動装置および吐出弁の動作を制御するための制御信号を生成することができる。

本装置は、チャンバ内の圧力が危険レベルに達すると自動的に開くことができる少なくとも１つの安全弁をさらに備え得る。

本発明による装置は、耐久性および信頼性のある構造を有する。また、本発明による装置は、低コストで製造し得る。

本発明の別の一般的な局面によると、開放端部を有して水素またはその他のガスの貯蔵に適合された中空微小円筒のアレイを有するカートリッジを充填するためのシステムが提供される。本システムは、オートクレーブと、密封ユニットと、制御ユニットとを含む。

オートクレーブは、制御可能な入口弁が装備された入口マニホルドを通じてカートリッジの充填に用いられるガス供給源に接続されたハウジングを有する。ハウジングは、中空微小円筒が開放端部を下向きにして縦に配置されるようにカートリッジを保持するように構成されたチャンバを形成する。密封ユニットは、開放端部を密封するように構成される。制御ユニットは、密封ユニットと制御可能な入口弁とに接続され、それらの動作を制御するように構成される。

本発明の一実施形態によると、密封ユニットは、るつぼと、電気加熱素子と、制御可能な圧縮ユニットと、電気駆動装置とを含む。るつぼは、ハウジング内で微小円筒の開放端部の下に取り付けられ、プラグを形成して微小円筒を密封するのに必要な合金を保持するように構成される。電気加熱素子は、るつぼに対応付けられ、るつぼの中にある合金を加熱融解するように構成される。制御可能な圧縮ユニットは、チャンバおよびガス供給源に接続され、入口マニホルドを通じてチャンバ内にガスを供給するように構成される。電気駆動装置は、るつぼに機械的に接続され、るつぼを移動させて融解状態の合金を開放端部に接触させるように構成される。

本発明の一実施形態によると、制御ユニットは、圧力センサと、制御装置とを含む。圧力センサは、チャンバ内に配置され、チャンバ内のガス圧を示すガス圧センサ信号を発生するために動作可能である。制御装置は、圧力センサ、制御可能な圧縮ユニットおよび入口弁に動作可能に接続される。制御装置は、ガス圧センサ信号に応答することができ、制御可能な圧縮ユニットおよび入口弁から選択された少なくとも１つの装置への制御信号を生成してその動作を制御することができる。

本発明のさらなる実施形態によると、制御ユニットは、るつぼ内に配置されて合金の温度を示す合金温度センサ信号を発生するために動作可能である温度センサをさらに含む。温度センサは、制御装置に接続され、制御装置は、温度センサ信号に応答することができ、電気加熱素子への制御信号を生成してその動作を制御することができる。

本発明のさらなる実施形態によると、制御ユニットは、るつぼに対応付けられてるつぼ内の合金面の高さを示す合金レベルセンサ信号を発生するために動作可能である合金レベル計をさらに含む。合金レベル計は、制御装置に接続され、制御装置は、合金レベルセンサ信号に応答することができ、電気駆動装置への制御信号を生成することができる。所望の場合には、制御装置は、合金面の高さが所定のレベル値よりも低いことを示す警報信号をシステムの操作者に向けて生成することができる。

本発明のさらに別の実施形態によると、制御ユニットは、微小円筒の近傍に配置されて微小円筒内の開放端部付近の合金柱の長さを示す合金柱センサ信号を発生するために動作可能である合金柱計をさらに含む。合金柱計は、制御装置に接続され、制御装置は、合金柱センサ信号に応答することができ、制御可能な圧縮ユニット、入口弁および電気駆動装置から選択された少なくとも１つの装置への制御信号を生成してその動作を制御することができる。

本発明のさらに別の一般的な局面によると、開放端部を有して水素またはその他のガスの貯蔵に適合された中空微小円筒のアレイを有するカートリッジを充填する方法が提供される。本方法は、カートリッジを提供することと、カートリッジの充填に用いられるガス供給源に接続されたハウジングを有するオートクレーブのチャンバにカートリッジを入れることと、チャンバ内でガスを圧縮し、それにより開放端部を通じて中空微小円筒の空洞内へガスを浸透させることと、微小円筒の材料の使用温度よりも低い融解温度を有する容易に融解可能な合金からなるプラグで開放端部を密封することとを含む。チャンバにカートリッジを入れることは、開放端部が下向きになるようにカートリッジを縦に配置することを含む。

本発明の一実施形態によると、開放端部の密封は、ハウジング内で微小円筒の開放端部の下に取り付けられたるつぼの中で容易に融解可能な合金を融解することと、融解状態の合金を電気駆動装置によって開放端部に接触させることと、融解した合金を開放端部に押し込むためにチャンバ内に過剰な圧力を与え、それにより微小円筒内の端部付近に合金柱を形成することと、融解した合金から微小円筒を引き離すことと、合金柱を凝固させ、それによりプラグを形成することとを含む。

このように、以下に示す本発明の詳細な説明がよりよく理解されるように、また、当該技術分野に対する本発明の貢献がよりよく認識されるように、本発明の重要性の高い特徴をかなり広く概説した。本発明のさらなる詳細および利点は、以下の詳細な説明において明らかにする。

本発明を理解するため、また、本発明が実際にどのように実施され得るのかを見るために、添付の図面を参照しながら、本発明を限定するものではない単なる例として、好適な実施形態を説明する。

本発明による水素ガス貯蔵装置の原理および動作は、図面および添付の説明を参照することにより、よりよく理解され得る。これらの図面は、単なる例示を目的として示されるものであり、本発明を限定するものではないことが理解されるべきである。なお、本発明の装置の様々な例を示す図は、わかりやすくするために、一定の縮尺で描かれたものではなく、均衡を欠いたものである。なお、これらの図におけるブロックおよびその他の要素は、単なる機能的実体であって、各実体間の物理的接続および／または物理的関係ではなく機能的関係が示されるように意図されたものである。同一の参照符号およびアルファベット記号は、本発明の明細書全体を通して、図示する水素貯蔵装置およびその構成要素における共通の構成要素を明確にするために用いられる。

図１を参照すると、本発明の一実施形態によるガス貯蔵解放装置１０の概略断面図が示されている。ガス貯蔵解放装置１０は、ハウジング１１を含み、ハウジング１１は、ハウジング１１を開放および密封するようになっている着脱式の蓋１２を有する。密封されたハウジング１１は、チャンバ１３を形成し、チャンバ１３は、締結具（図示せず）を利用してチャンバ１３内に装着されたカートリッジ（モジュール）１４を備える。カートリッジ１４は、着脱式の蓋１２によって密封される開口部（図示せず）を通じてチャンバ１３への挿入およびチャンバ１３からの取り出しが可能である。ハウジング１１の形状は、例えば筒状とすることができる。ただし、一般に任意の形状のハウジング１１を用いることができることが理解されるべきである。ハウジング１１は、ハウジング１１内部のガス圧によって壁に与えられる歪に耐えるのに適した壁厚を有する適切な金属、プラスチックまたは複合材料で構成することができる。

装置１０は、ガス解放具１５と、ガス解放具１５に動作可能に接続されてその動作を制御するように構成された制御システム１６も備える。

本発明の一実施形態によると、カートリッジ１４は、ケース１４１と、ケース１４１内に位置する微小容器のアレイ構造１４２とを備える。微小容器のアレイ構造１４２は、圧縮ガスを閉じ込めることが可能な空洞を形成する複数の密集した中空微小円筒（キャピラリ）１４３を備える。アレイ構造１４２の微小円筒１４３は、任意の断面形状を有していてよく、ケース１４１内に密接に（緊密に）詰めることができる。断面形状としては、例えば、円形、楕円形、多角形、六角形などが挙げられるが、これらに限定されない。断面形状が六角形の場合、微小円筒１４３同士を最も密接させて詰めることができることが理解されるべきである。

必須ではないが、アレイ構造１４２の微小円筒１４３同士が接合されて剛性構造体を形成していることが好ましい。例えば、微小円筒１４３同士を締結具（図示せず）で結び付けることができ、例えば締結帯で締めることができる。同様に、微小円筒１４３がガラス、アラミドまたは金属製である場合には、例えば溶接、ろう付けおよび／または焼結によって微小円筒１４３同士を接合させることができる。また、エポキシ接着剤などの接着材料を用いて微小円筒１４３同士を接合させることもできる。

本発明の一実施形態によると、微小円筒１４３の端部１４５（解放具１５から遠い方）は、永久的に密封されており、例えば、同等の壁厚を有する半球が端部にかぶせられている。微小円筒１４３の他方の端部１４６（解放具１５に近い方）は、開放することも、プラグ１４７で密封することもできる。特に、端部１４６は、カートリッジに圧縮ガスが充填されていないときは開放され、ガスが空洞内部へと自由に浸透できるようにする。微小円筒１４３への圧縮水素ガス充填後は、以下に図２を参照しながら詳細に説明するように、端部１４６がプラグ１４７で密封される。微小円筒１４３の空洞に貯蔵された高加圧ガスによって端部１４６からプラグ１４７が押し出されるのを防ぐために、端部１４６において微小円筒１４３が円錐状のテーパ部１４８を有していることが好ましい。

微小円筒１４３は、引張り強度σが高く質量密度ρが低い材料からなる。例えば、装置１０に貯蔵されたガスが水素である場合、条件σ／ρ≧１７００ＭＰａ・ｃｍ³／ｇを満たす材料が微小円筒１４３に適している。微小円筒１４３に適した材料としては、例えば、ＭｇＡｌＳｉガラス、Ｓ−２ Ｇｌａｓｓ（登録商標）、サンゴバイン・ヴェトロテックス・テキスタイルズ（Saint-Gobain Vetrotex Textiles）から入手可能なＲ−ｇｌａｓｓ、日東紡績株式会社（日東紡）から入手可能なＴ−Ｇｌａｓｓ、溶融石英、ポリマー（例えば、ケブラー（Kevlar）（登録商標）、トワロン（Twaron）（登録商標））などが挙げられるが、これらに限定されない。

一般に、微小円筒１４３は、任意の長さとすることができる。そして、微小円筒１４３の外径ｄは、約１マイクロメートル〜約１００マイクロメートルの範囲とすることができる。微小円筒１４３の壁厚ｈの大きさは、微小円筒１４３に貯蔵された水素の圧力をｐ、微小円筒材料の引張り強度をσとすると、式ｈ／ｄ＝ｐ／（２σ）から求めることができる比率ｈ／ｄの値によって定められる。例えば、装置１０に貯蔵されたガスが水素である場合、外径に対する壁厚の比率は、ｐおよびσに応じて０．０１〜０．２の範囲とすることができる。

なお、アレイ構造１４２の内側層に（すなわちバルクに）位置する微小円筒と周辺部の微小円筒の外径ｄおよび壁厚ｈは異なっていてよい。特に、微小円筒１４３の外径は、アセンブリ構造の中心から端に向かって小さくしていくことができる。構造の内側により大きな微小円筒を、端に向かってより小さな微小円筒を配置することにより、外周部に向かうにつれて微小円筒径が減少していくために壁張力が減少していく水素蓄積貯蔵構造を作ることができる。したがって、微小円筒の壁厚ｈは、アセンブリ構造の中心から端に向かって大きくしていくことができる。

上述の実施形態に従って、微小円筒１４３のアレイ１４２をケース１４１で包む。ケース壁の内側表面は、アセンブリ１４２の周辺部の微小円筒に接合させることができる。ケース１４１は、任意の形状とすることができ、ハウジング１１に対するカートリッジの挿入および取り出しのためにカートリッジを取り扱うのに十分な剛性を有することができる。必須ではないが、ケース１４１はハウジング１１の内側表面の形状を複製したものであることが好ましい。一般に、ケース１４１は、任意の適切な金属、プラスチックまたは複合材料で構成することができる。所望の場合には、ケース１４１と微小円筒１４３とを同一の材料で作ることができる。ケース壁の厚さは、例えば、微小円筒壁の厚さの１０〜１００倍とすることができる。必要に応じて、使用者がカートリッジ１４の挿入、取り出しおよび／または持ち運びを容易に行えるように構成されたキャリーハンドル１４９をケース１４１に装備することができる。

中空微小円筒および微小円筒アレイ構造の製造方法自体は公知である。特に、ガラスおよび／またはプラスチックからなる様々な微小円筒（キャピラリ）アレイがＸ線光学およびフォトニクスにおいて広く用いられている。一般に、微小円筒アレイの製造工程は、（ｉ）比較的大きい直径のキャピラリを延伸する段階、（ｉｉ）キャピラリを再延伸してより小さい直径のキャピラリの束にする段階、（ｉｉｉ）キャピラリを焼結してアレイにする段階の３つの主要な段階に分けられる。既存の技術により、キャピラリ直径が１ミクロンまたはそれ以下にまでなり、壁厚対直径比が５％未満である巨大なアレイを生産することができる。例えば、本発明の目的に適したキャピラリアレイは、パラダイム・オプティクス社（Paradigm Optics, Inc.）、9600 NE 126th Ave, Suite 2540 Vancouver（バンクーバー）, WA 98682 USA（米国）、ＴＥＧＳ社（Joint Stock Company "Technology Equipment Glass Structures (TEGS)"）、 Prospect Stroiteley 1-B, Saratov（サラトフ）, Russia（ロシア）, 410044などから得ることができる。

ガス解放具１５は、水素またはその他のガスが非常に高圧で貯蔵されたカートリッジ１４から、チャンバ１３のカートリッジ１４によって占められておらず中程度の圧力でガスが貯蔵される空間へと、水素ガスを制御可能に解放するように構成される。例えば、カートリッジ１４内に貯蔵された水素の圧力は１０００気圧より高くなり得る（例えば１０００気圧〜３０００気圧の範囲）のに対して、チャンバ１３の非占有空間内の水素の圧力は５気圧〜２０気圧の範囲であり得る。このような圧力は、例えば、燃料電池の動作に必要とされ得る。

チャンバ１３の非占有空間内のガスの圧力を測定するために、制御システム１６は、ガス圧センサ信号を発生するために動作可能である圧力センサ１６１を備える。圧力センサ１６１は、ハウジング１１の外部に配置可能な制御システム１６の制御装置１６２に接続される。制御装置１６２は、とりわけ、ガス圧センサ信号に応答し、以下に説明するように、カートリッジ１４から圧縮ガスを制御可能に解放するためのガス解放具１５への制御信号を生成することができる。

本発明の一実施形態によると、ガス解放具１５は、ハウジング１１内に配置され且つ軸１５２上に取り付けられた熱オープナ（熱ナイフ）１５１を備える。軸１５２は、熱オープナ１５１に動きを与えるための電気駆動装置１５３に機械的に接続される。熱オープナ１５１は、ハウジング１１の外部に配置されて制御システム１６の制御装置１６２に接続された制御可能な電源１５５に接続された加熱ストリップ１５４を備える。

ガス解放具１５は、制御システム１６に対応付けられて加熱ストリップ１５４近傍に配置された温度センサ１５６を用いることができる。温度センサ１５６は、加熱ストリップ１５４の温度を測定し、温度を示す温度センサ信号を発生するように構成される。温度センサ１５６は、制御システム１６の制御装置１６２に接続され、制御装置１６２は、とりわけ、温度センサ信号に応答し、制御可能な電源１５５の制御を行うことができる。制御は、プラグ１４７を融解し、それにより対応する微小円筒１４３を開けるのに必要な温度を得るために加熱ストリップ１５４に所要電力を与えることによって達成される。カートリッジ部品の過熱および損傷が起こらないように注意しなければならない。

プラグ１４７は、好ましくは、ガラスへの十分な付着力を有する容易に融解可能な合金からなるべきである。具体的には、この合金の融解温度が微小円筒材料の使用温度よりも低くなければならない。ホウケイ酸塩ガラス微小円筒と一緒に用いられるプラグに適した合金としては、例えば、Ｂｉ５２Ｐｂ３２Ｓｎ、Ｂｉ５８ＳｎおよびＩｎ５２Ｓｎが挙げられるが、これらに限定されない。

電気駆動装置１５３は、軸１５２に回転および／または前進の動きを与えるように構成される。必須ではないが、軸１５２の方向が微小円筒（または微小円筒形空洞）の方向と一致しており、加熱ストリップ１５４の方向が軸１５２の方向に垂直であることが好ましい。電気駆動装置１５３は、制御システム１６の制御装置１６２に動作可能に接続される。そして、制御装置１６２は、とりわけ、圧力センサ１６１によって生成されるガス圧センサ信号に応答し、熱オープナ１５１の回転の角速度および／または前進の速度を制御するための電気駆動装置１５３への駆動制御信号を生成することができる。密封された微小円筒１４３からのガスの解放は、例えば、徐々に、すなわち、微小円筒１４３の密封された端部１４６を１つずつ加熱ストリップ１５４で合金の融点より高い温度に加熱し、それによりプラグ１４７を融解させて微小円筒１４３を開けることによって、系統立てて行うことができる。

電気駆動装置１５３は、チャンバ１３内の圧力が所要レベルよりも低いと熱オープナ１５１の回転および／または前進の速度が増加し、逆に、チャンバ１３内の圧力が所要レベルよりも高いと速度が減少するように制御することができる。例えば、回転方式の場合、電気駆動装置１５３は、端部１４６が完全に破壊される間に軸１５２が完全な一回転を継続するような構成とすることができる。

装置１０は、ハウジング１１に接続された出口管１７をさらに備える。制御システム１６は、流量計１６３と、出口管１７内に配置されてチャンバ１３からのガスの制御可能な吐出のために制御装置１６２に接続された吐出弁１６４も備える。動作時には、出口管１７の中のガスの流量が、ガス流量センサ信号を生成するために動作可能である流量計１６３によって測定される。流量計１６３は、制御装置１６２に接続され、制御装置１６２は、とりわけ、ガス流量センサ信号に応答し、吐出弁１６４の動作を制御するための弁制御信号を生成することができる。装置を水素貯蔵用に用いる場合は、このようにして吐出された水素を燃料または使用者の所望の反応における原料として用いることができる。装置１０は、チャンバ１３内のガス圧が危険レベルに達すると自動的に開くことができる１つまたはいくつかの安全弁１８も備え得る。

本発明の別の一般的な局面によると、カートリッジ１４にガスを充填する方法が提供される。微小円筒１４３の空洞への水素の充填は、微小円筒１４３の開放端部１４６を通じてガスを浸透させ、その後開放端部１４６をプラグ１４７で密封することによって行われ得る。

図２を参照すると、本発明の一実施形態によるカートリッジ１４にガスを充填するためのシステム２０の概略断面図が示されている。図１を参照しながら上述したように、カートリッジ１４は、開放端部１４６を有する中空微小円筒１４３のアレイを備える。システム２０は、入口マニホルド２３を通じてカートリッジ１４の充填に用いられるガス供給源２２に接続されたハウジング２１１を有するオートクレーブ２１を備える。入口マニホルド２３には制御可能な入口弁２４が装備される。供給源２２は、例えば、カートリッジ１４の充填に用いられる純水素またはその他のガスを収容できる槽（図示せず）であり得る。

ガス供給源２２は、カートリッジ１４の充填に用いられる純水素ガスを収容できる槽２２１を備え得る。ハウジング２１１は、超高圧に耐えることができる材料からなる。特に、ハウジング２１１は、充填後にカートリッジ（図１では１４）の微小円筒１４３内で維持される水素ガスの圧力を超える圧力値に耐えることができなければならない。ハウジング２１１に適した材料としては、例えば、炭素、石英および／またはアラミドフィラメントを含有する複合材料が挙げられるが、これらに限定されない。

ハウジング２１１は、ガスの充填のために挿入されるカートリッジ１４を保持するように構成されたチャンバ２１２を形成する。カートリッジ１４は、ハウジング２１１内で、微小円筒１４３が開放端部１４６をハウジング２１１の上部から底部へと下向きにして縦に配置されるように配置されることが好ましい。カートリッジ１４の挿入後、ハウジング２１１は、例えば、カートリッジが挿入される際に通るハウジングの一方の端部の開口部を覆う蓋２１３によって、密封される。

システムは、微小円筒１４３の開放端部１４６を密封するように構成された密封ユニット２５をさらに備える。システムは、密封ユニット２５と制御可能な入口弁２４とに接続されてそれらの動作を制御するように構成された制御ユニット２６も備える。

本発明の一実施形態によると、密封ユニット２５は、ハウジング２１１内で微小円筒１４３の開放端部１４６の下に取り付けられたるつぼ２５１を含む。密封ユニット２５は、るつぼ２５１に対応付けられた電気加熱素子２５２をさらに含む。密封ユニット２５は、オートクレーブ２１の外部に配置されて、チャンバ２１２に接続され、かつ入口マニホルド２３を通じてガス供給源２２に接続された制御可能な圧縮ユニット２５３も含む。密封ユニット２５は、るつぼ２５１に機械的に接続された電気駆動装置２５４も含む。電気加熱素子２５２および電気駆動装置２５４は、ハウジング２１１の外部に配置された電源（図示せず）によって動力を供給することができる。

るつぼ２５１は、プラグ１４７を融解形成して微小円筒１４３を密封するのに必要な合金を保持するように構成される。電気加熱素子２５２は、るつぼ２５１の中にある合金を加熱融解するように構成される。制御可能な圧縮ユニット２５３は、入口マニホルド２３を通じてチャンバ２１２内へガスを供給するように構成される。制御可能な圧縮ユニット２５３は、カートリッジ１４の種類によって決定される所定のアルゴリズムに従って、チャンバ２１２に送り込まれるガスの圧力を連続的（滑らか）または断続的（段刻み）に変化させるように構成される。電気駆動装置２５４は、融解状態の合金を開放端部１４６に接触させるためにるつぼ２５１を上および／または下に移動させるように構成される。

本発明の一実施形態によると、制御ユニット２６は、チャンバ２１２内に配置されてチャンバ２１２内のガス圧を示すガス圧センサ信号を発生するために動作可能である圧力センサ２６１を備える。制御ユニット２６は、ハウジング２１１の外部に配置可能な制御装置２６２も備える。制御装置２６２は、圧力センサ２６１、制御可能な圧縮ユニット２５３および入口弁２４に動作可能に接続される。制御装置２６２は、とりわけ、ガス圧センサ信号に応答し、ガス供給量を制御するための制御可能な圧縮ユニット２５３および／または入口弁２４への制御信号を生成することができる。

制御ユニット２６は、るつぼ２５１内に配置された温度センサ２６３をさらに含み得る。温度センサ２６３は、合金の温度を示す合金温度センサ信号を発生するために動作可能である。温度センサ２６３は、制御装置２６２に接続され、制御装置２６２は、とりわけ、温度センサ信号に応答し、電気加熱素子２５２の加熱動作を制御するための電気加熱素子２５２への制御信号を生成することができる。

制御ユニット２６は、るつぼ２５１に対応付けられた合金レベル計（alloy level meter）２６４をさらに含み得る。合金レベル計２６４は、るつぼ２５１内の合金面の高さ（the level of the alloy）を示す合金レベルセンサ信号を発生するために動作可能である。レベル計２６４は、例えば、フロートレバーアーム（図示せず）に取り付けられたフロート（図示せず）と、フロートレバーアームに対応付けられた指示器（図示せず）とを備え得る。指示器は、るつぼ２５１内のフロートの位置を示すように動作可能であり得る。

合金レベル計２６４の指示器は、制御装置２６２に接続可能であり、制御装置２６２は、とりわけ、合金レベルセンサ信号に応答し、電気駆動装置２６４への制御信号を生成してるつぼ２５１の移動を制御することができる。また、るつぼ２５１への合金の追加が必要な場合は、制御装置２６２は、合金面の高さが所定のレベル値よりも低いことを示す警報信号を操作者に向けて生成することができる。

制御ユニット２６は、微小円筒１４３近傍に配置された合金柱計２６５をさらに含み得る。合金柱計２６５は、微小円筒１４３内の端部１４６付近の合金柱の長さを示す合金柱センサ信号を発生するために動作可能である。

合金柱計２６５は、微小円筒１４３の端部１４６付近の一定の長さでの合金の存在を示すのに適した公知の装置であり得る。このような装置は、例えば、光源（図示せず）と、合金で塞がれた微小円筒１４３の光を透過させる光学特性の変化を測定する光検出器（図示せず）とを備え得る。別の例によると、微小円筒１４３内の合金の存在は、微小円筒１４３の磁性の変化によって示され得る。したがって、合金柱計２６５は、微小円筒１４３の磁性を測定するように構成された対応するセンサ（図示せず）を備え得る。本発明は制御ユニット２６の合金柱計２６５およびその他の検出装置のいかなる特定の実現方法にも束縛されないことが理解されるべきである。

合金柱計２６５は、制御装置２６２に接続可能であり、制御装置２６２は、とりわけ、合金柱センサ信号に応答し、制御可能な圧縮ユニット２５３、入口弁２４および／または電気駆動装置２５４の動作を制御するためのそれらへの制御信号を生成することができる。特に、融解した合金を開放端部１４６に押し込むことができる過剰な圧力を与えることによって微小円筒１４３内の合金柱の長さを変化させることができる。

動作時には、水素を充填するカートリッジ１４をオートクレーブ２１のチャンバ２１２に入れ、その後、蓋２１３で密封する。カートリッジ１４をチャンバ２１２に入れるとき、微小円筒１４３は、開放端部１４６を下向きにして縦に配置されることが好ましい。

次に、チャンバ２１２内でガスを圧縮し、それにより開放端部１４６を通じて中空微小円筒１４３の空洞内へガスを浸透させる。圧縮は、水素供給源２２からチャンバ２１２にガスを供給する圧縮ユニット２５３によって行われる。圧縮ユニット２５３の動作時の圧縮時間にわたってチャンバ２１２内の圧力が上昇する。中空微小円筒１４３の空洞が端部１４６を通じてガスを受け入れ、微小円筒１４３内の圧力も上昇する。オートクレーブは、オートクレーブ内のガス圧が所定の圧力値に達するまでこの状態に維持される。例えば、水素を用いる場合、オートクレーブ内の圧力は約３０００気圧という値に達し得る。充填処理中の加圧速度は、微小円筒１４３の外側と内側の圧力差が微小円筒１４３が潰れてしまう応力限界を超えないように制御することができる。

チャンバ２１２内の圧力が所定の値に達した後、微小円筒１４３の開放端部１４６は、微小円筒材料の使用温度よりも低い融解温度を有する容易に融解可能な合金からなるプラグ１４７で密封される。開放端部１４６の密封は、ハウジング２１１内で微小円筒１４３の開放端部１４６の下に取り付けられたるつぼ２５１の中に容易に融解可能な合金を供給してこの合金を融解することを含む。次いで、融解した合金を開放端部１４６に接触させるために、電気駆動装置２５４を作動させてるつぼ２５１を上に移動させることができる。その後、融解した合金を押し込んで（強制的に押し込んで）開放端部１４６に所望の長さまで入り込ませるための過剰な圧力をチャンバ内に与えるために、チャンバ２１２内の圧力を制御可能に高めることができる。この結果、微小円筒１４３内の合金柱を端部１４６付近に形成できる。所望の合金柱の長さ（すなわち、入り込み深さ）に達すると、融解した合金から微小円筒１４３を引き離すために、電気駆動装置２５４を作動させてるつぼ２５１を下へ移動させることができる。次に、微小円筒に入り込ませた合金の温度を、合金柱を凝固させる軟化点よりも低下させ、それにより「固体」プラグ１４７を形成することができる。

充填後のカートリッジ１４は、オートクレーブ２１から取り出され、例えば図１を参照しながら上述したように消費者が利用することができる。

したがって、本発明の属する分野の当業者には、本発明を好適な実施形態によって説明したが、この開示の基礎となる概念を本発明のいくつかの目的を実施するためのその他の構造、システムおよび工程を設計するための基本原理として容易に利用し得るということが認識できるであろう。

なお、圧縮水素ガスの貯蔵および解放を目的として本発明を説明したが、本発明の応用は水素エネルギーに限定されるわけではない。従来技術では、水素の充填および解放は、貯蔵用微小カプセルの壁を通じたガスの拡散に基づいていた。水素およびヘリウム以外のガスの拡散速度はいかなる合理的な温度においても非常に低いため、このような従来技術をそれらのガスの貯蔵および解放に用いることができない。従来技術のこの限界は、本発明には当てはまらない。本発明の装置においては壁を通じた拡散を用いないからである。

このため、本発明を、水素以外のガス、例えばメタン、酸素などの貯蔵および解放に用いることができる。

本明細書中で用いた表現および用語は、説明を目的としたものであって、本発明を限定するものとみなされるべきではない。

したがって、本発明の範囲が本明細書中に記載の例示的な実施形態によって限定されるものとは解釈されないことが重要である。添付の請求項において定義される本発明の範囲内で他の変形例が実施可能である。本発明の特徴、機能、構成要素および／または特性の、他の組み合わせおよび部分的組み合わせは、本願または関連出願において現在の請求項の補正もしくは新しい請求項の提示によってクレームされ得る。このような補正された請求項または新しい請求項も、それらが異なる組み合わせに関するものであるか同じ組み合わせに関するものであるかを問わず、また、元の請求項に対して範囲が異なっているか、広くなっているか、狭くなっているか、同じであるかを問わず、本明細書の主題の範囲内に含まれるものとみなされる。

図１は、本発明の一実施形態によるガス貯蔵解放装置の概略断面図である。 図２は、本発明のカートリッジにガスを充填するためのシステムの概略断面図である。

符号の説明

１０ ガス貯蔵解放装置
１１ ハウジング
１２ 蓋
１３ チャンバ
１４ カートリッジ
１５ ガス解放具
１６ 制御システム
１７ 出口管
１８ 安全弁
２０ カートリッジ充填システム
２１ オートクレーブ
２２ ガス供給源
２３ 入口マニホルド
２４ 入口弁
２５ 密封ユニット
２６ 制御ユニット
１４１ ケース
１４２ アレイ構造
１４３ 微小円筒
１４５ 端部
１４６ 端部
１４７ プラグ
１４８ テーパ部
１４９ キャリーハンドル
１５１ 熱オープナ
１５２ 軸
１５３ 電気駆動装置
１５４ 加熱ストリップ
１５５ 電源
１５６ 温度センサ
１６１ 圧力センサ
１６２ 制御装置
１６３ 流量計
１６４ 吐出弁
２１１ ハウジング
２１２ チャンバ
２１３ 蓋
２２１ 槽
２５１ るつぼ
２５２ 電気加熱素子
２５３ 圧縮ユニット
２５４ 電気駆動装置
２６１ 圧力センサ
２６２ 制御装置
２６３ 温度センサ
２６４ 合金レベル計
２６５ 合金柱計

Claims (15)

1. 圧縮ガスを貯蔵および解放するための装置であって、
   プラグで密封された端部をそれぞれが有し、圧縮ガスを貯蔵するための空洞を形成する中空微小円筒のアレイを含むカートリッジを備えるチャンバを形成するハウジングと、
   ガスを前記カートリッジから前記チャンバの前記カートリッジによって占められていない空間へと制御可能に解放するように構成されたガス解放具と、
   出口管を通じて前記ハウジングに接続された制御可能な吐出弁と、
   前記ガス解放具および前記制御可能な吐出弁に動作可能に接続されてそれらの動作を制御する制御システムとを含む装置。
2. 前記微小円筒が、前記プラグで密封された端部の近傍にテーパ部を有する請求項１に記載の装置。
3. 前記ガス解放具が、
   前記ハウジング内に配置され且つ軸上に取り付けられた熱オープナと、
   前記軸に機械的に接続されて前記熱オープナに動きを与える電気駆動装置とを含む請求項１に記載の装置。
4. 前記プラグが、前記微小円筒の材料の融解温度よりも低い融解温度を有する容易に融解可能な合金からなる請求項１に記載の装置。
5. 前記制御システムが、
   前記チャンバ内に配置され、前記チャンバ内のガス圧を表す圧力センサ信号を発生するように構成された圧力センサと、
   前記熱オープナの近傍に配置され、前記熱オープナの温度を測定し、その温度を示す温度センサ信号を発生するように構成された温度センサと、
   前記出口管内のガスの流量を表すガス流量センサ信号を発生するように構成された流量計と、
   前記熱オープナ、前記電気駆動装置、前記圧力センサおよび前記流量計から選択された少なくとも１つの装置に動作可能に接続され、前記圧力センサ信号、前記温度センサ信号および前記ガス流量センサ信号から選択された少なくとも１つの信号に応答し、前記熱オープナ、前記電気駆動装置および前記吐出弁から選択された少なくとも１つの装置の動作を制御するための制御信号を生成することができる制御装置とを含む請求項１に記載の装置。
6. 前記ガスが、水素、メタン、酸素およびこれらの混合物から選択される請求項１に記載の装置。
7. 開放端部を有してガスの貯蔵に適合された中空微小円筒のアレイを有するカートリッジを充填するためのシステムであって、
   制御可能な入口弁が装備された入口マニホルドを通じて前記カートリッジを充填するのに用いられるガス供給源に接続されたハウジングであって、前記中空微小円筒が前記開放端部を下向きにして縦に配置されるように前記カートリッジを保持するように構成されたチャンバを形成するハウジングを有するオートクレーブと、
   前記開放端部を密封するように構成された密封ユニットと、
   前記密封ユニットと前記制御可能な入口弁とに接続されてそれらの動作を制御するように構成された制御ユニットとを含むシステム。
8. 前記密封ユニットが、
   前記ハウジング内で前記微小円筒の開放端部の下に取り付けられ、プラグを形成して前記微小円筒を密封するのに必要な合金を保持するように構成されたるつぼと、
   前記るつぼに対応付けられ、前記るつぼの中にある前記合金を加熱融解するように構成された電気加熱素子と、
   前記チャンバおよび前記ガス供給源に接続され、前記入口マニホルドを通じて前記チャンバ内にガスを供給するように構成された制御可能な圧縮ユニットと、
   前記るつぼに機械的に接続され、前記るつぼを移動させて融解状態の前記合金を前記開放端部に接触させるように構成された電気駆動装置とを含む請求項７に記載のシステム。
9. 前記制御ユニットが、
   前記チャンバ内に配置され、前記チャンバ内の圧力を示すガス圧センサ信号を発生するために動作可能である圧力センサと、
   前記圧力センサ、前記制御可能な圧縮ユニットおよび前記入口弁に動作可能に接続された制御装置であって、前記ガス圧センサ信号に応答し、前記制御可能な圧縮ユニットおよび前記入口弁から選択された少なくとも１つの装置への制御信号を生成してその動作を制御することができる制御装置とを含む請求項８に記載のシステム。
10. 前記制御ユニットが、前記るつぼ内に配置されて前記合金の温度を示す合金温度センサ信号を発生するために動作可能である温度センサをさらに含み、前記温度センサが、前記制御装置に接続され、前記制御装置が、前記温度センサ信号に応答し、前記電気加熱素子への制御信号を生成してその動作を制御することができる請求項９に記載のシステム。
11. 前記制御ユニットが、前記るつぼに対応付けられて前記るつぼ内の合金面の高さを示す合金レベルセンサ信号を発生するために動作可能である合金レベル計をさらに含み、前記合金レベル計が、前記制御装置に接続され、前記制御装置が、前記合金レベルセンサ信号に応答し、前記合金面の高さが所定のレベル値よりも低い場合に前記電気駆動装置への制御信号と警報信号とを生成することができる請求項９に記載のシステム。
12. 前記制御ユニットが、前記微小円筒の近傍に配置されて前記微小円筒内の前記端部付近の合金柱の長さを示す合金柱センサ信号を発生するために動作可能である合金柱計をさらに含み、前記合金柱計が、前記制御装置に接続され、前記制御装置が、前記合金柱センサ信号に応答し、前記制御可能な圧縮ユニット、前記入口弁および前記電気駆動装置から選択された少なくとも１つの装置への制御信号を生成してその動作を制御することができる請求項９に記載のシステム。
13. 開放端部を有してガスの貯蔵に適合された中空微小円筒のアレイを有するカートリッジを充填する方法であって、
    前記カートリッジを提供することと、
    前記カートリッジの充填に用いられるガス供給源に接続されたハウジングを有するオートクレーブのチャンバに前記カートリッジを入れることと、
    前記チャンバ内でガスを圧縮し、それにより前記開放端部を通じて前記中空微小円筒の空洞内へガスを浸透させることと
    前記微小円筒の材料の融解温度よりも低い融解温度を有する容易に融解可能な合金からなるプラグで前記開放端部を密封することとを含む方法。
14. 前記チャンバに前記カートリッジを入れることが、前記開放端部が下向きになるように前記カートリッジを縦に配置する工程を含む請求項１３に記載の方法。
15. 前記開放端部の密封が、
    前記ハウジング内で前記微小円筒の開放端部の下に取り付けられたるつぼの中で前記容易に融解可能な合金を融解することと、
    融解状態の前記合金を電気駆動装置によって前記開放端部に接触させることと、
    前記融解した合金を前記開放端部に押し込むために前記チャンバ内に過剰な圧力を与え、それにより前記微小円筒内の前記端部付近に合金柱を形成することと、
    前記融解した合金から前記微小円筒を引き離すことと、
    前記合金柱を凝固させ、それにより前記プラグを形成することとを含む請求項１３に記載の方法。

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