JP2020506871A - バッファタンクを備えた水素ガス発生システムおよび方法 - Google Patents

Abstract

水などの液体反応物を加熱し、次いで、得られた加熱反応物を、固体水素化物を含む反応チャンバに送る水素ガス発生システム。加熱された液体反応物と固体水素化物との間の化学反応は、水素ガスを生成する。次いで、この水素ガスはバッファタンクに貯蔵される前に、濾過され、調整される。次いで、バッファタンクからの水素ガスを燃料電池に供給して、電池が所定のレベルを下回ったときなど、必要な場合に必要に応じて、電力を生成することができる。バッファタンクの圧力が測定され、水素ガス発生をいつ始動・停止すべきかを確認するために使用される。反応チャンバの圧力および温度は、安全対策として測定され、圧力および温度が所定の値を超えると、反応は停止される。

Description

本発明は、概略的には、水素ガス発生システムおよびその方法に関し、より詳細には、バッファタンクを備えたそのようなシステムおよび方法に関する。

水素ガスを燃料源として発電する燃料電池はよく知られている。燃料電池は、ほとんどの場合、移動体に使用されるため、燃料電池に電力を供給するために水素ガスを一定に供給しなければならないという問題がある。これに対する従来の解決策は、加圧タンクで水素ガスを運ぶことである。これらの加圧タンクは、重くて嵩張ることが多く、ＵＡＶや自転車用途など、重量が問題となる用途には適していない。別の問題は、加圧水素ガスタンクはエネルギー貯蔵密度が低いことである。さらに別の問題は、漏れのリスクである。水素ガスは無臭であり、火炎を出さずに燃焼するため、漏れの場合には、特に危険である。

加圧タンク内で水素ガスを運ぶ替わりの方法は、その場で、言わば「オンデマンド」で水素ガスを生成することである。特定の固体水素化物または水素化ホウ素は、水などの液体と混合されると、加水分解化学反応を起こして、水素ガスを生成することが知られている。これは、加圧タンクで水素ガスを運ぶことに関するすべての技術的および安全上の欠点を根絶する。固体水素化物による水素ガスを発生させる典型的な例は、水素化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＨ_４）を燃料として使用することである。一般的な方法は、水素化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＨ_４）を水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）と混合して、水溶液を形成することである。白金またはルテニウムのような貴金属触媒が導入されると、ＮａＢＨ_４の加水分解が起こり、水素ガスが生成される。加水分解プロセスの間に、ＮａＢＨ_４は、ホウ酸ナトリウム（ＮａＢＯ_２）に変換されるが、ホウ酸ナトリウムはアルカリ性水溶液に不溶性である。ＮａＢＯ_２の沈殿物は、また、触媒の表面領域を覆い隠し、反応を停止させる傾向がある。

燃料としての液体ＮａＢＨ_４の使用は、また、水素発生システムにおける他の技術的な問題を引き起こす。水が過剰に存在すると望ましくない重量が生じ、したがって、水素発生器の特定貯蔵密度を低下させる。また、液体混合物は、制御不能な暴走反応の危険性が高く、破滅的な結果につながる可能性がある。

本出願が優先権を主張しているＰＣＴ／ＭＹ２０１７／０５０００７（Ｙｅｅら）は、水などの液体反応物を加熱し、次いで、得られた加熱された反応物を、固体水素化物を含む反応チャンバに導く水素ガス発生システムを用いて、これらの問題を解決する。加熱された液体反応物と固体水素化物との間の化学反応によって、水素ガスが発生する。ＰＣＴ／ＭＹ２０１７／０５０００７のシステムの一つの問題は、水素ガスの出力が低下するときと反応チャンバ自体内の圧力が低下するときとの時間差により、反応開始時間が遅れることである。この結果、実際の出力圧力の降下と反応の開始との間に時間差が生じる。

ＰＣＴ／ＭＹ２０１７／０５０００７のシステムに関する別の問題は、常に需要を満たすことができる速度で水素ガスを生成するシステムを設計することが困難なことである。

ＰＣＴ／ＭＹ２０１７／０５０００７のシステムに伴う第３の問題は、反応チャンバが最適速度より低い速度で動作することである。これは、反応速度が需要とは無関係であって最適な速度に留まることができる代わりに、反応速度が水素ガスの需要に結びついているからである。

したがって、反応開始時間が、短縮または排除された水素発生システムを有することが望ましい。

したがって、本発明の別の目的は、常に需要を満たす速度で水素ガスを出力することができるシステムを提供することである。

本発明の別の目的は、最適な速度で水素ガスを生成し、それにより反応物およびコストを節約するシステムを提供することである。

本発明は、ＰＣＴ／ＭＹ２０１７／０５０００７に教示されているような水素ガス発生システムおよび方法を提供するが、反応チャンバおよびフィルタの後方にバッファタンクを追加することによって、前述の欠点を克服しようとするものである。

したがって、本発明は水などの液体反応物を加熱し、次いで、得られた加熱された反応物を、固体水素化物を含む反応チャンバに送る水素ガス発生システムに関する。ガス化された液体反応物と固体水素化物との間の化学反応は、水素ガスを発生させる。次いで、この水素ガスは、バッファタンクに貯蔵される前に濾過される。次いで、バッファタンクからの水素ガスは燃料電池に供給されて、電池が所定のレベルを下回ったときなど、必要に応じて、必要なときに、電力を生成することができる。バッファタンクの圧力が測定され、水素ガスの発生をいつ始動・停止すべきかを確認するために使用される。反応チャンバの圧力および温度は、安全対策として測定され、圧力および温度が所定の値を超えると、反応は停止される。

したがって、本発明は、エネルギー貯蔵の読み取り値の入力、圧力の読み取り値の入力、温度の読み取り値の入力、出力を制御する液体駆動ユニット、加熱制御出力、およびガス放出制御出力を有する制御ユニットを備える水素発生システムに関する。この水素発生システムは、また、外部供給源から液体反応物を受け取るための吸入ポートと、液体貯蔵部から液体反応物を放出するための排出ポートと、凝縮ユニットから回収された過剰な液体を受け取るための過剰吸入ポートとを有する液体貯蔵部を備える。この水素発生システムは、また、排出ポート、液体貯蔵部から液体反応物を受け取るための吸入ポート、加熱制御出力を介して制御ユニットによって制御可能な加熱要素を有し、液体反応物の一部が気相に入るように一定量の液体反応物を加熱するように適合される液体加熱ユニットを備える。この水素発生システムは、また、制御バルブを介して液体加熱ユニット排出ポートと流体連通する吸入ポートを有する反応チャンバを含む。制御バルブはガス放出制御出力によって制御される。反応チャンバは金属水素化物などの固体反応物を含み、液体加熱ユニットから一定量の加熱された反応物を受け取るように適合され、加熱された反応物は固体反応物中に分散され、それによって、水素ガスを生成する化学反応を起こす。過剰の加熱された反応物と生成された水素ガスとの混合物である生成ガスは、ガス出口を介して反応チャンバから放出される。この水素発生システムはまた、反応チャンバの吸入ポートでの圧力読み取り値を取得し、その圧力読み取り値を制御ユニットに中継するための圧力感知部を含む。この水素発生システムはまた、反応チャンバ内の温度読み取り値を取得し、温度読み取り値を制御ユニットに中継するための温度感知部を含む。この水素発生システムはまた、反応チャンバから生成ガスを受け取るための吸入ポートと、始めの水素ガス（primarily hydrogen gas）を凝縮ユニットから送り出すための排出ポートと、加熱された反応物の凝縮物を凝縮ユニットから送り出して液体貯蔵部に戻すための過剰液体ポートとを有する凝縮ユニットを備え、凝縮ユニットは加熱された反応物を実質的に凝縮するように適合されている。

さらなる実施形態では、前記加熱された反応物は、気化されるまで、即ち、気体状態になるまで、液体加熱ユニット内でさらに加熱される。

このシステムは、凝縮ユニットの下流に配置され、一定量の水素ガスを受け取り、保存するように適合され、圧力感知部を備えたバッファタンクをさらに備える。バッファタンクのこの圧力は、前記水素ガス反応の始動・停止を確認するために使用される。バッファタンクは、より高い圧力で水素ガスを保持することができるので、水素ガス生成反応は需要にあまり依存せず、したがって、より最適な速度に留まることができる。

バッファタンクの公称作動圧力範囲は、１バール〜１００バールである。バッファタンクの公称動作温度範囲は、１℃〜６０℃である。バッファタンクは、バッファタンクの圧力が所定のレベルを超えた場合に、貯蔵されたガスを放出し、したがって、バッファタンクの圧力を低下させるように設計された安全弁を備えている。

本発明の別の態様では、この水素発生システムが前記始めの水素ガスを濾過し、それによって前記始めの水素ガスから不要な粒子を実質的に除去するように適合されたフィルタユニットをさらに備える。

本発明の別の態様では、この水素発生システムは、前記液体貯蔵排出ポートと前記液体加熱ユニット吸入ポートとの間に設けられ、前記液体貯蔵部から前記液体加熱ユニット内に液体反応物を押し出すように適合された液体駆動ユニットをさらに備える。前記液体駆動ユニットは前記制御ユニットによって制御可能である。

本発明の別の態様では、この水素発生システムは、前記反応チャンバからの前記生成ガスの放出を可能にするように適合された制御バルブをさらに備え、前記制御バルブは前記制御ユニットによって制御可能である。

本発明の別の態様では、液体加熱ユニットは、一定量の前記加熱された反応物を貯蔵するように適合される。

本発明の別の態様では、この水素発生システムは、反応チャンバから液体加熱ユニットに熱を伝達する熱伝達部をさらに備える。

本発明の別の態様では、この水素発生システムは、水素ガスの供給により電力を生成するように適合され、前記バッファタンクの下流に配置された前記燃料電池と、前記燃料電池から一定量の電気エネルギーを受け取って蓄積するように適合された、バッテリなどのエネルギー貯蔵部とをさらに備える。このエネルギー貯蔵部の蓄積レベルは、制御ユニットに中継される。

本発明の別の態様では、制御ユニットが、前記バッファタンクに貯蔵された水素ガスを放出し、エネルギー貯蔵部の蓄積レベルが予め設定されたレベルまで低下したときに、前記バッファタンクに貯蔵された水素ガスを前記燃料電池に送る。

本発明の別の態様では、この水素発生システムは、電気エネルギーへの変換のために一定量の始めの水素ガスを受け取るための吸入ポートを有する燃料電池をさらに備える。

本発明の別の態様では、燃料電池によって生成された電気エネルギーの一部は外部電気負荷に電力を供給するために使用され、生成された電気エネルギーの別の部分はエネルギー貯蔵部を充電するために使用される。

本発明の別の態様では、この水素発生システムは、液体貯蔵部内に十分な液体反応物が存在する限り、液体反応物が液体貯蔵部から流出することを確実にする部材をさらに備える。液体反応物が液体貯蔵部から流出することを確実にするこの部材は、フローティング装置に接続された第１の端部と、液体貯蔵排出ポートと流体連通する第２の端部とを有するフレキシブルホースを含む。フローティング装置は、液体貯蔵部に十分な液体反応物がある限り、フレキシブルホースの第１の端部を液体反応物の液面より下に維持するように適合される。このように、フレキシブルホースは、液体貯蔵部の方位にかかわらず、液体貯蔵部から液体反応物を抽出することができる。

本発明の別の態様では、液体反応物が、水、酸性液体、アルカリ性液体、有機もしくは無機液体、またはそれらの組み合わせのいずれかを含む。

本発明の別の態様では、固体反応物が水素燃料と金属系触媒との混合物を含む。

本発明の別の態様では、水素燃料は水素化ホウ素ナトリウムである。

本発明の別の態様では、水素燃料が、ホウ素水素化物（boron hydride）、窒素水素化物（nitrogen hydride）、炭化水素（carbon hydride）、金属水素化物（metal hydride）、ホウ素窒素水素化物（boron nitrogen hydride）、ホウ素炭素水素化物（boron carbon hydride）、窒素炭素水素化物（nitrogen carbon hydride）、金属ホウ素水素化物（metal boron hydride）、金属窒素水素化物（metal nitrogen hydride）、金属炭素水素化物（metal carbon hydride）、金属ホウ素窒素水素化物（metal boron nitrogen hydride）、金属ホウ素炭素水素化物（metal boron carbon hydride）、金属炭素窒素水素化物（metal carbon nitrogen hydride）、ホウ素窒素炭素水素化物（boron nitrogen carbon hydride）、金属ホウ素窒素炭素水素化物（metal boron nitrogen carbon hydride）、またはそれらの組み合わせのいずれかである。

本発明の別の態様では、水素燃料は、ＮａＨ、ＬｉＢＨ_４、ＬｉＨ、ＣａＨ_２、Ｃａ（ＢＨ_４）_２、ＭｇＢＨ_４、ＫＢＨ_４、Ａｌ（ＢＨ_３）_３、またはそれらの組み合わせのいずれかである。

本発明の別の態様では、固体反応物は、Ｂ_ｘＮ_ｙＨ_ｚの化学式を有する様々な化合物であってもよく、ここで、ｘ、ｙ、およびｚは任意の整数である。様々な化合物は、Ｈ_３ＢＮＨ_３、Ｈ_２Ｂ（ＮＨ_３）_２ＢＨ_３、ＮＨ_２ＢＨ_２、Ｂ_３Ｎ_３Ｈ_６、モルホリンボラン（Ｃ_４Ｈ_１２ＢＮＯ）、（ＣＨ_２）_４Ｏ複合材料、Ｂ_２Ｈ_４、またはそれらの組み合わせを含むことができる。

本発明の別の態様では、金属ベースの触媒は、コバルトベースの酸化物、ホウ化物、固体酸、塩、またはそれらの組み合わせのいずれかである。塩は、ルテニウム（Ｒｕ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）またはそれらの組み合わせのいずれかのイオンの化合物であり得る。

本発明の別の態様では、水素発生システムは、フィルタの後方でバッファタンクの前方に配置されたガス調整部をさらに備え、ガス調整部はガス調整部を通過するガスの圧力および流量を調整するように適合されている。

本発明の別の態様では、反応チャンバは、システムから容易に取り外し可能であり、取り外し中に吸入ポートおよびガス出口を一時的に閉じる部材を備えている。これにより、内部の固体反応物を使い切ったときに、反応チャンバの交換が容易になる。

本発明の別の態様では、加熱要素は、抵抗加熱または誘導加熱によって電気的に動作させることができる。前記凝縮ユニットは、前記加熱された反応物の凝縮物を前記凝縮ユニットから出して、前記液体貯蔵部に戻すように導くための過剰液体ポートをさらに備える。

本発明の別の態様では、前記反応チャンバの圧力および温度の読み取り値を取得し、前記圧力および温度の読み取り値を前記制御ユニットに中継するための圧力および温度感知部がさらに備えられ、前記制御ユニットは前記反応チャンバの圧力および温度の読み取り値が予め設定された値を超えた場合に、反応チャンバにおける水素ガス発生を停止する。

本発明の別の態様は、以下のステップを含む、水素ガスを生成する方法である：
ａ．バッファタンクの圧力レベルを検出するステップ；
ｂ．前記圧力レベルが所定のレベルまで低下した場合、液体反応物を液体貯蔵部から液体加熱ユニットに押し出す液体駆動ユニットを作動させるステップ；
ｃ．前記液体反応物の少なくとも一部がガス化されるように、前記液体加熱ユニット内の加熱要素を作動するステップ；
ｄ．前記加熱された反応物が一定量の固体反応物を含む反応チャンバ内に分散することを可能にし、前記加熱された反応物と固体反応物との間の接触が水素ガスを生成するステップ；
ｅ．前記水素ガスから分離するために、前記水素ガスと混合された任意の加熱された反応物を凝縮させるステップ；
ｆ．前記凝縮された加熱された反応物を前記液体貯蔵部に戻すステップ；
ｇ．不要な粒子を実質的に除去するために、前記水素ガスを濾過するステップ；
ｈ．前記反応チャンバで発生した一定量の熱を前記液体加熱ユニットに伝達するステップ；
ｉ．前記水素ガスの圧力および流量を調整するステップ；および
ｊ．前記水素ガスを前記バッファタンクに貯蔵するステップ。

他の目的および利点は、以下の開示および添付の特許請求の範囲からより完全に明らかになるであろう。

水素ガスの発生を需要に合わせることが困難である。

水素ガス発生システムにおける反応開始時間が遅い。

需要との結びつきにより、最適な速度で反応を行うことができない。

水などの液体反応物を加熱し、次いで、得られた加熱された反応物を、固体水素化物を含む反応チャンバに送る水素ガス発生システム。加熱された液体反応物と固体水素化物との間の化学反応は、水素ガスを生成する。次いで、この水素ガスは、バッファタンクに貯蔵される前に、濾過され、調節される。次いで、バッファタンクからの水素ガスを燃料電池に供給して、電池が所定のレベルを下回ったときなど、必要に応じて、必要なときに、電力を生成することができる。バッファタンクの圧力が測定され、水素ガスの発生をいつ始動・停止すべきかを確認するために使用される。反応チャンバの圧力および温度は、安全対策として測定され、圧力および温度が所定の値を超えると、反応は停止される。

本発明の水素ガス発生システムは、また、反応から余分な熱を回収して、液体反応物の加熱を補助し、場合によっては、反応物をガス化点まで加熱する。

本発明の一実施形態における水素発生システムの概略図を示す。 本発明の一実施形態における反応チャンバの断面図を示す。 本発明の一実施形態における液体貯蔵部の断面図を示す。 本発明の一実施形態における液体加熱ユニットの外観および断面図を示す。 本発明の実施形態における水素発生システムの一部の線図を示す。

以下の詳細な説明は、水素発生システムおよびその方法に向けられており、任意の特定のサイズまたは構成に限定されず、実際には、以下の説明の全般的な範囲内の多数のサイズおよび構成に限定されることに留意されたい。

図１を参照すると、水素発生システムが示されている。このシステムの全体的な目的は、燃料電池内での発電のために水素ガスをその場で生成することであり、したがって、大量の加圧水素ガスを貯蔵する必要性を排除する。エネルギー貯蔵部（１３）が示されており、これは、好ましい実施形態では、バッテリまたはコンデンサであり得る。センサがエネルギー貯蔵部（１３）内のエネルギーレベルが予め設定されたレベルを下回ったことを検出すると、制御ユニット（１０）は、水素ガス発生プロセスを開始する。好ましい実施形態では、制御ユニット（１０）はマイクロコントローラを備える。

この水素ガス生成プロセスは、加熱制御出力（１５）を介して、液体加熱ユニット（５０）の加熱要素（５６）をスイッチオンする制御ユニット（１０）を含む。これにより、液体加熱ユニット（５０）の内部温度が上昇する。液体加熱ユニット（５０）の内部温度が予め設定された値に達すると、制御ユニット（１０）は、液体駆動ユニット制御出力（１６４）を介して、液体駆動ユニットを作動する。この液体駆動ユニット（６４）は、液体貯蔵部（６０）内に貯蔵された液体反応物（９１）を、液体貯蔵排出ポート（６３）を介して、液体フローガイド（６３５）を通って、液体加熱ユニットの吸入ポート（５５）を介して液体加熱ユニット（５０）内に送り込むように適合されている。液体反応物（９１）が液体加熱ユニット（５０）に入ると、液体反応物は急速に加熱される。この加熱された反応物（９０）は、液体加熱ユニット（５０）内に貯蔵され、加圧される。

一実施形態では、前記加熱された反応物（９０）は、液体加熱ユニット（５０）内で、気化されるまで、つまり、気体状態になるまで、さらに加熱される。

さらに水素ガス発生プロセスを参照すると、制御ユニット（１０）は、ガス放出制御出力（１５２）を介して、制御弁（５２）を作動させる。この制御弁（５２）は、作動されると、貯蔵された加熱された反応物（９０）を液体加熱ユニットの排出ポート（５１）を介して、液体加熱ユニット（５０）から放出する。次いで、加熱された反応物（９０）は、制御弁（５２）を通過し、反応チャンバ吸入ポート（４３）を介して反応チャンバ（４０）に入る。反応チャンバ（４０）に入ると、加熱された反応物は、反応チャンバ（４０）に貯蔵されている固体反応物（４７）と化学的に反応する。反応チャンバ（４０）の圧力は、圧力感知部（１４）によって測定される。この圧力読み取り値は、制御ユニット（１０）にフィードバックされる。反応チャンバ（４０）の温度も温度感知部（１７０）によって測定され、この温度読み取り値も制御ユニット（１０）にフィードバックされる。これらの圧力および温度の読み取り値が予め設定された値に達すると、制御ユニット（１０）は制御弁（５２）を閉じ、反応チャンバ（４０）内への加熱された反応物（９０）の供給を停止することによって、反応チャンバ（４０）内の反応を停止させることができる。これは安全対策である。

反応チャンバ（４０）内の加熱された反応物と固体反応物（４７）との間の反応は、他の副生成物の中でもとりわけ水素ガスを生成する。

この反応は発熱反応であり、反応チャンバ（４０）の温度を上昇させる。この過剰な熱エネルギーは、反応チャンバ（４０）と液体加熱ユニット（５０）との間に配置された熱伝達デバイス（５３）を介して液体加熱ユニット（５０）に戻される。この熱伝達デバイス（５３）は、熱伝導体（５４）により、反応チャンバ（４０）で発生した余熱を液体加熱ユニット（５０）に伝導的に伝達する。これにより、液体加熱ユニット（５０）内の加熱要素（５６）の所要電力が低減され、この水素ガス発生システムの出力性能がさらに向上する。

始めの水素ガスおよび他の副生成物は、反応チャンバ（４０）内の前記加熱された反応物と固体反応物（４７）との間の反応によって生成される。この始めの水素ガスと、固体反応物（４７）と反応しなかった過剰の前記加熱された反応物（９０）との混合物である生成ガスは、反応チャンバ（４０）からガス出口（４２）を通って、ガスフローガイド（４１）を介して凝縮ユニット（７０）に導かれる。

以下、反応チャンバ（４０）の作用を、さらに明確にする：
「加熱された反応物（９０）」と呼ばれる液体加熱ユニット（５０）内で加熱された気体は、反応チャンバ（４０）に入る。

この加熱された反応物（９０）は、反応チャンバ（４０）内に供給された固体反応物（４７）と反応し、この反応は、始めの水素ガス（primarily hydrogen gas）および若干の副生成物を生成する。

前記始めの水素ガスと過剰の加熱された反応物（９０）との混合物である生成物ガスは、反応チャンバから放出される。

この凝縮ユニット（７０）には、反応チャンバ（４０）からの生成ガスを受け入れるための吸入ポート（７１）が設けられている。この凝縮ユニット（７０）の主な機能は、前記加熱された反応物（９０）を凝縮して液体に戻し、その結果、「始めの水素ガス」から分離することである。得られた凝縮液は、次に、過剰液体ポート（７３）を通って流出され、液体貯蔵戻りポート（６２）を介して液体貯蔵部に戻される。「始めの水素ガス」は、凝縮ユニット（７０）から排出ポート（７２）を介してフィルタユニット（８０）に放出される。フィルタユニット（８０）は、「始めの水素ガス」中の不要な粒子を捕捉して、それをより純粋にする。

フィルタユニット（８０）の後、水素ガスはバッファタンク（８２）に送られ、バッファタンク（８２）で貯蔵される。バッファタンク（８２）には、前記バッファタンク（８２）内の圧力読み取り値を測定することができる圧力センサ（８３）が設けられている。この圧力読み取り値は、制御ユニット（１０）に送られる。制御ユニット（１０）は、このバッファタンク圧力の読み取り値を用いて、反応チャンバ（４０）内の前記水素ガス発生の最適反応速度を計算する。バッファタンクの公称動作圧力範囲は、１バール〜１００バールである。バッファタンクの公称動作温度範囲は、１℃から６０℃の間である。バッファタンクは、バッファタンクの圧力が所定のレベルを超えた場合に、貯蔵されたガスを放出し、したがって、バッファタンクの圧力を低下させるように設計された安全弁を備えている。

燃料電池ユニット（３０）は、前記バッファタンク（８２）の下流に配置され、好ましい実施形態ではバルブである吸入ポート（３１）を介して、前記バッファタンク（８２）から水素ガスを受け取る。水素ガスは、燃料電池（３０）内で電気化学的変換を起こして、電気エネルギーを生成する。燃料電池（３０）によって生成された排ガスは、好ましい実施形態では弁である排気部（３３）を通って排出される。燃料電池（３０）は、水素ガスを使用可能な電気エネルギーに変換する任意の装置とすることができ、以下のいずれかとすることができるが、これらに限定されない：プロトン交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）、アルカリ燃料電池（ＡＦＣ）、リン酸燃料電池（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩燃料電池（ＭＣＦＣ）、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）または他の種類の燃料電池。

この好ましい実施形態では、燃料電池（３０）によって生成される電気エネルギーが、電力変換器（２０）を通って送られる。電力変換器（２０）は、ＤＣ変換器、インバータ、または充電コントローラのいずれかであり得るが、これらに限定されない。次いで、電力変換器（２０）は、前記電気エネルギーの一部を、負荷配線（２２）を介して、電気負荷（２１）に出力する。同時に、前記電気エネルギーの他の部分は、再充電配線（１２）を介して、エネルギー貯蔵部（１３）に送り返される。これにより、必要に応じて、エネルギー貯蔵部（１３）が充電される。前記電気エネルギーのさらに他の部分は、制御ユニット（１０）に電力を供給するために使用される。

本発明の水素発生システムは、他の実施形態では、水素ガスの供給が必要とされる任意の用途において、燃料電池なしで使用することができる。

さらに図１を参照すると、液体貯蔵部（６０）には、液体反応物（９１）を加えることができる液体貯蔵吸入ポート（６１）が設けられていることがわかる。好ましい実施形態では、液体反応物（９１）は水である。しかし、液体反応物（９１）は、メチルアルコール、エチルアルコール、およびエチレングリコールなどの任意の他の有機または無機溶媒の希釈調合物であってもよい。

反応チャンバ（４０）内に貯蔵された固体反応物は、水素燃料と金属系触媒との粉末混合物を含む。好ましい実施形態では、水素燃料は水素化ホウ素ナトリウムである。しかし、他の実施形態では、この水素燃料が、ホウ素水素化物（boron hydride）、窒素水素化物（nitrogen hydride）、炭化水素（carbon hydride）、金属水素化物（metal hydride）、ホウ素窒素水素化物（boron nitrogen hydride）、ホウ素炭素水素化物（boron carbon hydride）、窒素炭素水素化物（nitrogen carbon hydride）、金属ホウ素水素化物（metal boron hydride）、金属窒素水素化物（metal nitrogen hydride）、金属炭素水素化物（metal carbon hydride）、金属ホウ素窒素水素化物（metal boron nitrogen hydride）、金属ホウ素炭素水素化物（metal boron carbon hydride）、金属炭素窒素水素化物（metal carbon nitrogen hydride）、ホウ素窒素炭素水素化物（boron nitrogen carbon hydride）、金属ホウ素窒素炭素水素化物（metal boron nitrogen carbon hydride）、またはそれらの組み合わせなどの他のタイプの固体水素化物であってもよい。この水素燃料はまた、ＮａＨ、ＬｉＢＨ_４、ＬｉＨ、ＣａＨ_２、Ｃａ（ＢＨ_４）_２、ＭｇＢＨ_４、ＫＢＨ_４およびＡｌ（ＢＨ_３）_３、またはそれらの組み合わせを含んでもよい。加えて、固体反応物は、Ｂ_ｘＮ_ｙＨ_ｚを有する様々な化合物であってもよく、これらに限定されないが、Ｈ_３ＢＮＨ_３、Ｈ_２Ｂ（ＮＨ_３）_２ＢＨ_３、ＮＨ_２ＢＨ_２、Ｂ_３Ｎ_３Ｈ_６、モルホリンボラン（Ｃ_４Ｈ_１２ＢＮＯ）、（ＣＨ_２）_４Ｏ複合材料、Ｂ_２Ｈ_４、またはこれらの組み合わせを含む。好ましい実施形態では、金属ベースの触媒が、コバルトベースの酸化物またはホウ化物から作製されるか、またはルテニウム（Ｒｕ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）、またはそれらのイオンによって製造される化合物を含む固体の酸または塩であってもよい。

図２を参照すると、本発明の一実施形態における反応チャンバ（４０）の断面図が示されている。この反応チャンバ（４０）は、好ましい実施形態では金属材料から作製されるケーシング（４４）に収容される。この反応チャンバ（４０）の上面には吸入ポート（４３）が設けられており、この吸入ポート（４３）は、液体加熱ユニット（５０）から加熱された反応物（９０）を受けて、この加熱された反応物（９０）を反応チャンバ（４０）に充填するようになっている。

好ましい実施形態では、吸入ポート（４３）は、反応チャンバ（４０）内に突出するパイプ構造、または複数のパイプ構造である。反応チャンバ（４０）内に突出するパイプ構造（４３）の端部には、前記加熱された反応物（９０）がパイプ構造（４３）から反応チャンバ（４０）内に放出されることを可能にする複数の孔（４９）が設けられている。複数の孔（４９）は、第１の多孔質材料（４８）によって取り囲まれている。

別の好ましい実施形態では、吸入ポート（４３）は、液体または気体状態の加熱された反応物を反応チャンバ（４０）に噴霧するように適合された噴霧器ノズルである。

好ましい実施形態では、パイプ構造（４３）および第１の多孔質材料（４８）が、反応チャンバ（４０）の上面から見たときに、反応チャンバ（４０）に対して同心配置で配置される。パイプ構造（４３）は同心配置の中心に位置し、第１の多孔質材料（４８）によって同心円状に囲まれている。第１の多孔質材料は、固体反応物（４７）によって同心円状に囲まれている。第１の多孔質材料（４８）は加熱された反応物（９０）に対しては透過性であるが、固体反応物（４７）に対しては透過性ではない。このように、第１の多孔質材料（４８）は、加熱された反応物（９０）が固体反応物（４７）に入ることを可能にするが、固体反応物（４７）が反応チャンバ（４０）から逃げることを可能にしない。

このように、加熱された反応物（９０）は、パイプ構造（４３）を介して反応チャンバ（４０）に導入されると、複数の孔（４９）から第１の多孔質材料（４８）を介して拡散し、固体反応物（４７）に分散して固体反応物（４７）と化学反応を起こす。この化学反応により水素ガスが生成される。この水素ガスは、固体反応物（４７）の頂部側に位置する第２の多孔質材料（４６）を透過し、ガス出口（４２）を通って反応チャンバ（４０）から放出される。固体反応物（４７）は、その側面の周りを、第３の多孔質材料（４５）によってさらに封入される。この第３の多孔質材料（４５）は、水素ガスを透過させるが、固体反応物（４７）を通過させない。これは、固体反応物（４７）のいかなる溶融も、反応チャンバ（４０）の頂部への水素ガスの通過を妨げることを防止する。好ましい実施形態では、第１、第２、および第３の多孔質材料はカーボンクロスである。

引き続き図２を参照すると、反応チャンバ（４０）内の温度読み取り値を測定するように適合された温度感知部（１７０）が示されており、この温度読み取り値は次に制御ユニット（１０）に送られる。この温度読み取り値が予め設定された値に達すると、制御ユニット（１０）は、制御弁（５２）を閉じ、反応チャンバ（４０）内への加熱された反応物（９０）の供給を停止することによって、反応チャンバ（４０）内の反応を停止させることができる。これは安全対策である。

好ましい一実施形態では、反応チャンバ（４０）は、廃棄副産物を除去しなければならない固定部品である。別の好ましい実施形態では、反応チャンバ（４０）が反応チャンバ（４０）の内部の廃棄副産物と共に、反応チャンバ（４０）全体の取り外しおよび交換を容易にするために、連結部材を使用して発生システムに取り付けられる。

ここで図３を参照すると、本発明の一実施形態における液体貯蔵部（６０）の断面図が示されている。液体反応物（９１）は、外部供給源から吸入ポート（６１）を介して液体貯蔵部（６０）に充填される。排出ポート（６３）は、液体反応物（９１）を液体貯蔵部（６０）から流出させる。

図３には、第１の端部がフローティング装置（６７）に接続され、第２の端部が排出ポート（６３）と流体連通しているフレキシブルホース（６５）が示されている。フローティング装置（６７）は、液体貯蔵部（６０）内に十分な液体反応物（９１）が存在する限り、液体貯蔵レベル（６６）上に浮揚し、フレキシブルホース（６５）の前記第１の端部を前記液体反応物（９１）の液面レベルより下に維持するように適合されている。このように、フレキシブルホース（６５）は、液体貯蔵部（６０）の方位にかかわらず、液体貯蔵部（６０）から液体反応物（９１）を抽出することができる。

さらに図３を参照すると、凝縮ユニット（７０）から過剰な液体を受け取るために、液体貯蔵部（６０）上に、戻りポート（６２）が設けられている。

図４を参照すると、本発明の一実施形態における液体加熱ユニット（５０）の外観および断面図が示されている。液体加熱ユニット（５０）は、液体駆動ユニット（６４）を介して液体貯蔵部（６０）から液体反応物（９１）を受けるための吸入ポート（５５）を第１の端部に備えている。液体加熱ユニット（５０）の第２の端部には、加熱された反応物（９０）を液体加熱ユニット（５０）から排出するための排出ポート（５１）が設けられている。吸入ポート（５５）は、排出ポート（５１）よりも流路が狭くなっている。このより狭い流路は、液体加熱ユニット（５０）に入る液体反応物（９１）をより少なくすることを可能にし、したがって、液体反応物（９１）の加熱された反応物（９０）への容易な変換を可能にする。排出ポート（５１）の直径がより大きいため、加熱された反応物（９０）が液体加熱ユニット（５０）から放出されるときに、より高いスループットを可能にする。液体加熱ユニット（５０）は、液体反応物（９１）を加熱し、ガス化するための加熱要素（５６）を備えている。

液体加熱ユニット（５０）は、液体加熱ユニット（５０）の外側に配置された熱伝導部（５７）をさらに備える。この熱伝導部（５７）は、過剰な熱を熱伝達デバイス（５３）から液体加熱ユニット（５０）に導く。

ここで図５を参照すると、ガス調整器（８１）を追加した本発明の一実施形態における水素発生システムの一部の線図が示されている。このガス調整器（８１）は、バッファタンク（８２）の後方であって、燃料電池（３０）の前方に配置され、バッファタンク（８２）と燃料電池（３０）の吸入ポート（３１）の両方と流体連通している。このガス調整器（８１）は、ガス調整器を通過する水素ガスの圧力および流量を制御する。ただ一つのガス調整器、またはガス調整器のクラスタを有する実施形態が存在し得る。好ましい実施形態では、このガス調整器（８１）は、制御ユニットによって制御される。

本発明のいくつかの特に好適な実施形態を説明し、図示したが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、様々な変更および修正を行うことができることは当業者には明らかであろう。したがって、以下の特許請求の範囲は、本発明の範囲内にあるそのような変化、修正、および適用分野を包含することが意図される。

１０ 制御ユニット
１２ 再充電配線
１３ エネルギー貯蔵部
１４ 圧力感知部
１５ 加熱制御出力
２０ 電力変換器
２１ 電気負荷
２２ 負荷配線
３０ 燃料電池
３１ 燃料電池吸入ポート
３３ 燃料電池排気部
４０ 反応チャンバ
４１ ガスフローガイド
４２ 反応チャンバガス出口
４３ 反応チャンバ吸入ポート／配管構造
４４ 反応チャンバケーシング
４５ 第３の多孔質材料
４６ 第２の多孔質材料
４７ 固体反応物
４８ 第１の多孔質材料
４９ 複数の孔
５０ 液体加熱ユニット
５１ 液体加熱ユニット排出ポート
５２ 制御弁
５３ 熱伝達デバイス
５４ 熱伝導体
５５ 液体加熱ユニット吸入ポート
５６ 加熱要素
５７ 熱伝導部
６０ 液貯蔵部
６１ 液体貯蔵吸入ポート
６２ 液体貯蔵戻りポート
６３ 液体貯蔵排出ポート
６３５ 液体フローガイド
６４ 液体駆動ユニット
６５ フレキシブルホース
６６ 液体貯蔵レベル
６７ フローティング装置
７０ 凝縮ユニット
７１ 凝縮ユニット吸入ポート
７２ 凝縮ユニット排出ポート
７３ 凝縮ユニットの過剰液体ポート
８０ フィルタユニット
８１ ガス調整器
８２ バッファタンク
８３ バッファタンク圧力センサ
９０ 加熱された反応物
９１ 液体反応物
１５２ ガス放出制御出力
１６４ 液体駆動ユニット制御出力
１７０ 温度感知部

Claims (28)

1. 制御ユニット（１０）と；
   外部供給源から液体反応物（９１）を受け入れるための吸入ポート（６１）と、液体貯蔵部（６０）から液体反応物（９１）を放出するための排出ポート（６３）とを有する前記液体貯蔵部（６０）と；
   排出ポート（５１）と、前記液体貯蔵部（６０）から液体反応物（９１）を受け取るための吸入ポート（５５）と、前記制御ユニット（１０）によって制御可能な加熱要素（５６）とを備え、液体反応物（９１）の一部が気相に入るように一定量の液体反応物（９１）を加熱するように適合された液体加熱ユニット（５０）と；
   前記制御ユニット（１０）によって制御可能な制御弁（５２）を介して前記液体加熱ユニットの排出ポート（５１）と流体連通する吸入ポート（４３）を備える反応チャンバであって、固体反応物（４７）を含み、前記液体加熱ユニット（５０）から一定量の加熱反応物（９０）を受け取るように適合され、前記加熱反応物（９０）は前記固体反応物（４７）を通して分散され、それによって少なくとも生成ガスを生成し、前記生成ガスは少なくとも前記加熱反応物（９０）と水素ガスとの混合物であり、前記生成ガスはガス出口（４２）を介して前記反応チャンバ（４０）から排出される、前記反応チャンバ（４０）と；
   前記反応チャンバ（４０）から前記生成ガスを受け取るための吸入ポート（７１）と、凝縮ユニット（７０）から始めの水素ガス（primarily hydrogen gas）を導くための排出ポート（７２）とを備え、前記加熱された反応物（９０）を実質的に凝縮するように適合された前記凝縮ユニット（７０）と；
   を備える水素発生システムであって、
   前記凝縮ユニット（７０）の下流に配置されたバッファタンク（８２）をさらに備え、前記バッファタンクは一定量の水素ガスを受け取り、貯蔵するように適合され、前記バッファタンクは圧力感知部（８３）を備え、前記バッファタンクの圧力は前記水素ガス反応の始動および停止を確認するために使用される、水素発生システム。
2. 前記始めの水素ガスを濾過し、それによって前記始めの水素ガスから不要な粒子を実質的に除去するように適合されたフィルタユニット（８０）をさらに備える、請求項１に記載の水素発生システム。
3. 前記液体貯蔵排出ポート（６３）と前記液体加熱ユニット吸入ポート（５５）との間に設けられ、前記液体貯蔵部（６０）から前記液体加熱ユニット（５０）内に液体反応物（９１）を押し出すように適合された液体駆動ユニット（６４）をさらに備え、前記液体駆動ユニット（６４）は、前記制御ユニット（１０）によって制御可能である、請求項１に記載の水素発生システム。
4. 前記液体加熱ユニット（５０）からの前記加熱された反応物（９０）の放出を可能にするように適合された制御弁（５２）をさらに備え、前記制御弁（５２）は、前記制御ユニット（１０）によって制御可能である、請求項１に記載の水素発生システム。
5. 前記液体加熱ユニット（５０）は、一定量の前記加熱された反応物（９０）を貯蔵するように適合される、請求項１に記載の水素発生システム。
6. 前記反応チャンバ（４０）から前記液体加熱ユニット（５０）に熱を伝達する熱伝達デバイス（５３）をさらに備える、請求項１に記載の水素発生システム。
7. 前記バッファタンク（８２）の下流に配置され、水素ガスの供給から電力を発生するように適合された燃料電池（３０）と、前記燃料電池（３０）から一定量の電気エネルギーを受け取り蓄積するように適合されたエネルギー貯蔵部（１３）とをさらに備え、前記エネルギー貯蔵部（１３）の蓄積レベルは、前記制御ユニット（１０）に中継される、請求項１に記載の水素発生システム。
8. 前記バッファタンク（８２）に貯蔵された水素ガスは、前記エネルギー貯蔵部（１３）の前記蓄積レベルが予め設定されたレベルまで低下すると、放出され、前記燃料電池（３０）に送られる、請求項７に記載の水素発生システム。
9. 前記液体貯蔵部（６０）内に十分な液体反応物（９１）が存在する限り、前記液体反応物（９１）が前記液体貯蔵部（６０）から流出することを確実にする部材をさらに備える、請求項１に記載の水素発生システム。
10. 前記液体反応物（９１）が前記液体貯蔵部（６０）から流出することを確実にする前記部材は、フローティング装置（６７）に接続された第１の端部と、前記液体貯蔵排出ポート（６３）と流体連通する第２の端部とを有するフレキシブルホース（６５）を備え、前記フローティング装置（６７）は前記液体貯蔵部（６０）内に十分な液体反応物（９１）がある限り、前記フレキシブルホース（６５）の前記第１の端部を前記液体反応物（９１）の液面より下に維持するように適合される、請求項９に記載の水素発生システム。
11. 前記液体反応物（９１）は、水、酸性液体、アルカリ性液体、有機もしくは無機液体、またはそれらの組み合わせのいずれかを含む、請求項１に記載の水素発生システム。
12. 前記固体反応物（４７）は、水素燃料と金属系触媒との混合物を含む、請求項１に記載の水素発生システム。
13. 前記水素燃料は、水素化ホウ素ナトリウム（sodium borohydride）である、請求項１２に記載の水素発生システム。
14. 前記水素燃料が、ホウ素水素化物（boron hydride）、窒素水素化物（nitrogen hydride）、炭化水素（carbon hydride）、金属水素化物（metal hydride）、ホウ素窒素水素化物（boron nitrogen hydride）、ホウ素炭素水素化物（boron carbon hydride）、窒素炭素水素化物（nitrogen carbon hydride）、金属ホウ素水素化物（metal boron hydride）、金属窒素水素化物（metal nitrogen hydride）、金属炭素水素化物（metal carbon hydride）、金属ホウ素窒素水素化物（metal boron nitrogen hydride）、金属ホウ素炭素水素化物（metal boron carbon hydride）、金属炭素窒素水素化物（metal carbon nitrogen hydride）、ホウ素窒素炭素水素化物（boron nitrogen carbon hydride）、金属ホウ素窒素炭素水素化物（metal boron nitrogen carbon hydride）、またはそれらの組み合わせのいずれかである、請求項１２に記載の水素発生システム。
15. 前記水素燃料が、ＮａＨ、ＬｉＢＨ_４、ＬｉＨ、ＣａＨ_２、Ｃａ（ＢＨ_４）_２、ＭｇＢＨ_４、ＫＢＨ_４、Ａｌ（ＢＨ_３）_３、またはそれらの組み合わせのいずれかである、請求項１２に記載の水素発生システム。
16. 前記固体反応物が、Ｂ_ｘＮ_ｙＨ_ｚ（ｘ、ｙおよびｚは任意の整数である）の化学式を有する様々な化合物であり得る、請求項１２に記載の水素発生システム。
17. 前記様々な化合物が、Ｈ_３ＢＮＨ_３、Ｈ_２Ｂ（ＮＨ_３）_２ＢＨ_３、ＮＨ_２ＢＨ_２、Ｂ_３Ｎ_３Ｈ_６、モルホリンボラン（Ｃ_４Ｈ_１２ＢＮＯ）、（ＣＨ_２）_４Ｏの複合材料、Ｂ_２Ｈ_４、またはそれらの組み合わせを含む、請求項１６に記載の水素発生システム。
18. 前記金属系触媒が、コバルト系酸化物、ホウ化物、固体酸、塩、またはそれらの組み合わせのいずれかである、請求項１２に記載の水素発生システム。
19. 前記塩が、ルテニウム（Ｒｕ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）またはそれらの組み合わせのいずれかのイオンの化合物である、請求項１８に記載の水素発生システム。
20. フィルタ（８０）の後方であって、前記バッファタンク（８２）の前方に配置されたガス調整部（８１）をさらに備え、前記ガス調整部（８１）は、ガス調整部（８１）を通過するガスの圧力および流量を調整するように適合されている、請求項１に記載の水素発生システム。
21. 前記反応チャンバ（４０）は前記システムから容易に取り外し可能であり、取り外し中に前記吸入ポート（４３）および前記ガス出口（４２）を一時的に閉じる部材を備える、請求項１に記載の水素発生システム。
22. 前記加熱要素（５６）は、抵抗加熱または誘導加熱によって電気的に動作させることができる、請求項１に記載の水素発生システム。
23. 前記凝縮ユニット（７０）は、前記加熱された反応物（９０）の凝縮液を前記凝縮ユニット（７０）から排出して前記液体貯蔵部（６０）に戻すための過剰液体ポート（７３）をさらに備える、請求項１に記載の水素発生システム。
24. 前記反応チャンバ（４０）の圧力読み取り値を取得し、前記圧力読み取り値を前記制御ユニット（１０）に中継するための圧力感知部（１４）をさらに備え、前記制御ユニットは前記反応チャンバの圧力読み取り値が予め設定された値を超えた場合に、前記反応チャンバ（４０）内の水素ガスの生成を停止する、請求項１に記載の水素発生システム。
25. 前記反応チャンバ（４０）の温度読み取り値を取得し、前記温度読み取り値を前記制御ユニット（１０）に中継するための温度感知部（１７０）をさらに備え、前記制御ユニットは前記反応チャンバ温度読み取り値が予め設定された値を超えた場合に、前記反応チャンバ（４０）内の水素ガスの生成を停止する、請求項１に記載の水素発生システム。
26. バッファタンク（８２）の圧力レベルを検出するステップと；
    前記蓄積レベルが所定のレベルまで低下した場合、液体反応物（９１）を液体貯蔵部（６０）から液体加熱ユニット（５０）に押し出す液体駆動ユニット（６４）を作動させるステップと；
    前記液体反応物（９１）の少なくとも一部が加熱されるように、前記液体加熱ユニット（５０）内の加熱要素（５６）を作動させるステップと；
    前記加熱された反応物（９０）が一定量の固体反応物（４７）を含む反応チャンバ（４０）内に分散することを可能にし、前記加熱された反応物（９０）と固体反応物（４７）との間の接触により水素ガスを生成するステップと；
    前記水素ガスと混合された任意の加熱された反応物（９０）を前記水素ガスから分離するために、前記任意の加熱された反応物（９０）を凝縮するステップと；
    前記凝縮された加熱された反応物（９０）を前記液体貯蔵部（６０）に戻すステップと；
    不要な物質を実質的に除去するために前記水素ガスを濾過するステップと；
    前記水素ガスを前記バッファタンク（８２）に貯蔵するステップと；
    を含む水素ガス発生方法。
27. 前記反応チャンバ（４０）で発生した一定量の熱を前記液体加熱ユニット（５０）に伝達するステップをさらに含む、請求項２８に記載の水素ガス発生方法。
28. 前記水素ガスの圧力および流量の調整するステップをさらに含む、請求項２８に記載の水素ガス発生方法。
    
    

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