JP2020536346A - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
本発明は、密閉チャンバを画定している外側容器を備える、燃料電池システムに関する。密閉チャンバ内部には、極低温で液化した作動流体を貯蔵するための貯蔵容器と、貯蔵容器に結合されたガス化装置と、ガス化装置に結合された燃料電池配列と、密閉チャンバ内の構成要素同士の間の流れを制御する制御ユニットと、が設けられている。電力ケーブルが設けられており、この電力ケーブルは、一端部で燃料電池配列に結合され、外側チャンバの外壁を通って延びていることにより、電力ケーブルの第２の端部が外側チャンバの外側に延びている。密閉チャンバは、使用時に作動流体の漏出が実質的に防止されるように、実質的に封止されている。【選択図】図１
Description
本発明は、極低温作動流体を使用する燃料電池システム、具体的には液体水素燃料電池システム、より具体的には、携帯型又は交換型液体水素燃料電池システムに関する。
液化ガス（例えば、水素又はヘリウム）などの極低温作動流体は、採算の取れる輸送を可能にするように処理される必要がある。例えば、水素の消費量が多い用途では、液体水素が、全般的に、好ましい貯蔵媒体として使用される。
現在まで、道路車両に使用されるタンクは車両に取り付けられている。既知のタンクでは、タンクから液化ガスを放出するために、いずれかの局所エネルギー源を使用する必要がある。ガスは、放出プロセス中に圧縮される必要があり、放出プロセスは複数回行われる。これは、当該プロセスで大量のエネルギーが使用されることを意味する。
以下の側面が、既知のプロセスにおいて最も多くの問題を生じさせる：
高エネルギー要件。
燃料補給プロセス中のガスの放出。これは、燃料補給の場所、特に安全規制の対象となる環境において、危険性をもたらす場合がある。
高エネルギー要件。
燃料補給プロセス中のガスの放出。これは、燃料補給の場所、特に安全規制の対象となる環境において、危険性をもたらす場合がある。
電力供給のためのあらゆる将来の解決策では、環境的配慮及び地球規模の目標を考慮して、温室効果ガス排出を削減し、地球温暖化を制限する必要がある。例えば、内燃機関における炭素系燃料の使用によって、危険な窒素酸化物が大気中に放出される。代替策は、水素燃料電池から発電することである。しかしながら、水素は低密度のため、ガス圧縮には高圧又は高容量のいずれかが必要であるので、水素は貯蔵が難しい。
例えば、ガス燃料を用いた船舶又は列車の燃料補給などの大規模用途では、安全性に関して細心の注意を要する。全ての動作パラメータを考慮して詳細な安全性調査が行われる。このような調査は、一般に、港又は燃料補給ステーションごとに行われる必要がある。これは非常に複雑となるが、それは、可燃性ガス混合物の形成を防止するため、また、燃料補給中に発火の可能性がある原因を排除するための対策を講じる必要があるためである。エンドユーザに電源を提供する単純かつ安全なシステムを提供することが望ましい。
本発明の実施形態は、これらの欠点の一部又は全部を克服するシステムを提供することを目的とする。
以下の説明では、ガス化装置は、液化ガスを少なくとも気化したガスの流れに変換する気化器又はガスヒーターなどの装置であると定義される。
本発明の第１の態様によれば、燃料電池システムが提供され、このシステムは、
密閉チャンバを画定している外側容器であって、
密閉チャンバの内部に、
液化した極低温作動流体を貯蔵するための貯蔵容器、
貯蔵容器に結合されたガス化装置、及び
気化器に結合された燃料電池配列が設けられた、外側容器と、
密閉チャンバ内の上記の構成要素同士の間の流れを制御するように構成された制御ユニットと、
電力ケーブルであって、一端部で燃料電池配列に結合され、外側チャンバの外壁を通って延びていることにより、当該ケーブルの第２の端部が当該チャンバの外側に延びている、電力ケーブルと、を備え、
密閉チャンバが、使用時に作動流体の漏出が実質的に防止されるように、実質的に封止されている。
密閉チャンバを画定している外側容器であって、
密閉チャンバの内部に、
液化した極低温作動流体を貯蔵するための貯蔵容器、
貯蔵容器に結合されたガス化装置、及び
気化器に結合された燃料電池配列が設けられた、外側容器と、
密閉チャンバ内の上記の構成要素同士の間の流れを制御するように構成された制御ユニットと、
電力ケーブルであって、一端部で燃料電池配列に結合され、外側チャンバの外壁を通って延びていることにより、当該ケーブルの第２の端部が当該チャンバの外側に延びている、電力ケーブルと、を備え、
密閉チャンバが、使用時に作動流体の漏出が実質的に防止されるように、実質的に封止されている。
燃料電池配列は、少なくとも１つの燃料電池を備え得る。外側容器は、密閉チャンバが外部環境から本質的に封止されるように気密とし得る。
周囲空気入口が、燃料電池配列に結合されていてもよい。空気出口が、外側容器の外壁から燃料電池配列まで延びていてもよい。水出口が、燃料電池配列に結合されていてもよい。水出口が、外側容器の外壁から燃料電池配列まで延びていてもよい。
燃料電池システムは、チャンバ内の構成要素同士の間の流れを制御するために設けられた弁を備えてもよい。
貯蔵容器内の極低温作動流体は、液体水素であってもよい。
燃料電池配列は、１つ以上の水素燃料電池を備えてもよい。燃料電池システムは、燃料電池配列に結合された周囲空気入口を備えてもよい。燃料電池システムは、燃料電池配列に結合された水出口を備えてもよい。
燃料電池システムは、密閉チャンバ２ａ内に設けられた電池パックを備えてもよい。電池パックは、電力ケーブル及び燃料電池配列（少なくとも１つの燃料電池）に電気的に結合されてもよい。
燃料電池システムは、燃料電池配列に発生した熱を、ガス化装置に伝達する手段を備えてもよい。
ガス化装置は、気化器、好ましくは水浴気化器であってもよい。ガス化装置は、ガスヒーター、好ましくは電気ガスヒーターであってもよい。
燃料電池システムは、チャンバ内の好適な位置に、流量計及び／又は組成検出センサを更に備えてもよい。流量計及び／又はセンサは、チャンバ内の内部構成要素のうちの少なくとも１つの動作パラメータを監視するように構成されている。これらの流量計及び／又はセンサからの出力は、内部システム構成要素を制御するための追加のデータを提供するために、制御ユニットに供給されてもよい。
本発明の更なる態様によれば、電気エネルギーを生成する方法が提供され、この方法は、
実質的な密閉チャンバ内で、
貯蔵量の極低温で液化した作動流体を提供することと、
作動流体をガス化することと、
ガス化された作動流体を燃料電池配列に供給することと、
燃料電池配列において電気エネルギーを生成することと、
外部の電力需要に応じて、生成された電気エネルギーを燃料電池配列から密閉チャンバの外側に伝達することと、を含む。
実質的な密閉チャンバ内で、
貯蔵量の極低温で液化した作動流体を提供することと、
作動流体をガス化することと、
ガス化された作動流体を燃料電池配列に供給することと、
燃料電池配列において電気エネルギーを生成することと、
外部の電力需要に応じて、生成された電気エネルギーを燃料電池配列から密閉チャンバの外側に伝達することと、を含む。
極低温作動流体は、液体水素であってもよい。
燃料電池配列は、少なくとも１つの燃料電池を備え得る。
燃料電池配列は、少なくとも１つの水素燃料電池を備え得る。本方法は、少なくとも１つの水素燃料電池に周囲空気の供給をもたらすこと、を更に含んでもよい。本方法は、少なくとも１つの水素燃料電池から水の流れを取り出し、チャンバの外側に搬送すること、を更に含んでもよい。
本方法は、電気エネルギーの出力を制御するために、液化した作動流体の流れ及びガス化された作動流体の流れを制御すること、を更に含んでもよい。
作動流体は、ガス化装置においてガス化されてもよい。本方法は、燃料電池配列から水素の副流を搬送して、ガス化装置に熱を提供すること、を更に含んでもよい。本方法は、ガス化工程のための熱を提供するために、燃料電池配列から水素の副流を搬送して、気化器又はガスヒーターに熱を提供すること、を更に含んでもよい。
本方法は、燃料電池配列で発生した熱をガス化装置に伝達すること、を更に含んでもよい。本方法は、燃料電池配列で発生した熱を気化器／ガスヒーターに伝達すること、を更に含んでもよい。
本方法は、燃料電池配列から水素の副流を搬送して、ガス化装置に熱を提供すること、を更に含んでもよい。
本方法は、密閉チャンバ内に設けられた電池を、燃料電池によって生成された電気エネルギーで充電すること、を更に含んでもよい。
本方法は、チャンバ内の内部構成要素のうちの少なくとも１つの動作パラメータを監視すること、を更に含んでもよい。上記流量計及び／又はセンサからの出力は、内部システム構成要素を制御するための追加のデータを提供するために、制御ユニットに供給されてもよい。
本発明について上述したが、本発明は、上記した又は以下の説明若しくは図面に記載された特徴の任意の進歩性がある組み合わせにまで及ぶものである。
次に、本発明の特定の実施形態を、一例として、添付図面を参照して詳細に説明する。
本発明の一実施形態による燃料電池システムの概略図である。
本発明の第２の実施形態による燃料電池システムの概略図である。
本発明の第３の実施形態による燃料電池システムの概略図である。
図１は、本発明の一実施形態による極低温作動流体燃料電池システム１を示す。
システム１は、気密性の外側容器２を備える。外側容器２は、以下の内部システム構成要素、すなわち、貯蔵容器３、燃料電池配列４、制御ユニット５、及びガス化装置（気化器又はガスヒーターであってもよい）６が設けられた密閉チャンバ２ａを画定する。燃料電池配列４は、１つ以上の燃料電池を備える。弁１１、１２、１３、１４は、構成要素同士の間の流れを制御するために、内部システム構成要素同士の間のフローライン内に設けられる。
本システムは、貯蔵容器を充填／補給するために、操作者によって使用される容器充填接続部を備える。容器充填接続部は、充填弁１４、充填継手１５、及び気密外側ロック２１を備える。気密外側ロック２１は、認証されたＥＸ−Ｚｏｎｅ安全充填ステーションにおいて操作されることによってのみ開放され得るように構成される。
電力量計２５は、電力消費を測定する。センサ２４は、チャンバ２ａ内の環境を監視し、制御ユニット５に信号を送信する。センサは、チャンバ２ａ内のガス組成及び圧力などであるが、これらに限定されない動作パラメータを監視する。
貯蔵容器３は、液化した極低温作動流体を貯蔵するのに好適である。これは、低動作温度に対する弾力性を確保するために、低温用鋼又は極低温グレード鋼などの好適な材料からこの容器を作製する必要があることを意味する。極低温作動流体は、液体ヘリウム、液体水素、液体窒素、液化空気、又は液化天然ガス（ＬＮＧ）などの任意の好適な液化ガスであってよい。特に有利な実施形態では、液化水素が使用される。液体として存在するために、水素は、冷却され、次いで水素の臨界点３３Ｋ未満で貯蔵される必要がある。
加えて、流量計及び／又は組成検出センサが、チャンバ２ａ内の好適な位置に設けられてもよい（図に示していない）。これらの流量計及び／又はセンサからの出力は、内部システム構成要素を制御するための追加のデータを提供するために、制御ユニット５に供給される。
外側容器２は剛性フレーム容器であり、他の構成要素が収容される密閉チャンバ２ａを提供する。外側容器は、例えば、ＩＳＯ容器であってもよい。密閉チャンバ２は、本質的に封止されたチャンバであり、これにより、チャンバ２ａ内で生成された蒸気又は気体は全く外部環境に漏出しない。
ガス化装置は、気化器６であってもよく、好ましい種類は、水浴気化器である。あるいは、作動流体をガス化するために、電気ガスヒーターなどのガスヒーターを設けてもよい。
少なくとも１つの燃料電池４は、極低温作動流体に対して適切に設けられる。例えば、作動流体が水素である場合、水素燃料電池が設けられる。更に、そのサイズ及び構成は、対象とする用途の電力需要に従って選択される。
燃料電池は、容器２の外に延びている、電力ケーブル７に接続されている。電力ケーブル７が容器２の壁を通過する点には、気密切り替え部２３が設けられている。その後、電気は、使用のために又は電力貯蔵部に伝達され得る。
ここで、燃料電池システム１の動作について説明する。
液化した極低温作動流体（液化ガス）は、貯蔵容器３内に貯蔵される。制御ユニット５により、エネルギー供給の需要がある場合に、既定量の液化ガスが、ガス化装置６内に移送され、次いで燃料電池４内に移送されることが可能になる。燃料電池配列４によって生成された電力は、ケーブル７を通じて供給され、使用されることにより、任意の所望の外部使用のためのエネルギーを提供することができる。
内部システム構成要素の一部又は全部からの信号が、制御ユニット５によって受信される。これにより、制御ユニットは、弁１１、１２、１３の各々の動作を制御し、それによって内部システム構成要素を通る流体の流れを制御することができる。
緊急事態、例えば、水素が密閉チャンバ内に漏出した場合、又はチャンバ内の圧力上昇がセンサ２４によって検出された場合、制御ユニット５が外部アラーム２２に信号を送信する。アラーム２２は、音のアラーム及び／又は視覚アラームであり得る。ガス化装置６において極低温液体（例えば、液化水素）をガス化するためには、ガス化装置６に熱を供給する必要がある。好ましい実施形態では、燃料電池配列４で発生した熱はガス化装置６に戻して供給される。これは、図には示されていない。
あるいは、外部熱源、例えば、局所的な大気からの周囲熱を使用することができる。
図２は、本発明の別の実施形態による極低温作動流体燃料電池システム１０１を示す。図２では、上記実施形態におけるものと同様の特徴には、対応する参照番号を付与する。簡潔にするために、図１のいくつかの構成要素は、省かれている。
システム１０１は、貯蔵容器１０３と、燃料電池１０４と、制御ユニット１０５と、気化器１０６と、弁１１１、１１２、１１３と、を備える、密閉チャンバ１０２ａを画定する外側容器１０２を備える。
第２の実施形態は、電池パック１０８を更に備えるので、いわゆるハイブリッド設計である。電池パック１０８は、ライン１０９を介して燃料電池１０４に、及びライン１０７ａを介して電力ケーブル１０７に電気的に結合されている。
第２の実施形態は、第１の実施形態を参照して上述した方法で動作する。ただし、加えて、需要が急増した場合又はピーク負荷の場合に、電池パック１０８が、追加のエネルギー出力を提供するために使用され得る。燃料電池１０４に外部電力負荷がない場合、燃料電池１０４は、ライン１０９を介して電池を充電／再充電することができる。
上記実施形態と同様に、燃料電池１０４で発生した熱はガス化装置１０６に戻って供給される（この流れは、図２には示されていない）。
図３は、水素が作動流体として使用される本発明の第３の実施形態、すなわち、水素燃料電池システム２０７を示す。
図３では、上記実施形態におけるものと同様の特徴には、対応する参照番号を付与する。
この実施形態では、作動流体は水素であるため、燃料電池配列２０４は、１つ以上の水素燃料電池を備える。このためには、燃料電池に空気を入力することが必要であり、また、水を取り出すことが必要である。これを達成するために、周囲空気入口２１９及び水出口２２０が、燃料電池配列２０４と気密容器２０２の外壁との間で結合される。周囲空気入口２１９及び水出口２２０と、容器２０２内の密閉チャンバ２０２ａとの間は接続されている。
システム２０２は、圧力調節器２１７及びガス処理ボックス２１８を更に備える。ガス処理ボックス２１７は、Ｈ２を無害なガスに変換するように構成されており、例えば、電気を生成する小さな燃料電池であり得、電気加熱素子若しくは電光素子によって破壊されることになる、又は触媒燃焼によって破壊されることになる。
水素燃料電池システム２０７は、先の実施形態について上述した動作と同様の方法で動作する。液化水素は、貯蔵容器２０３内に貯蔵される。制御ユニット２０５は、エネルギー供給の需要がある場合に、弁を作動させて、既定量の液化ガスがガス化装置２０６内に移送され、次いで水素燃料電池２０４内に移送されることを可能にする。燃料電池４によって生成された電力は、ケーブル２０７を通じて供給される。
水素燃料電池の動作中、空気が周囲空気入口２１９を通じて供給される。空気は、外部環境又は任意の好適な貯蔵源から供給することができる。廃水は、水出口２２０を通って取り出され、廃棄又は必要に応じて使用される。入口２１９及び出口２２０を通る流れは、制御ユニット５によって制御される。
水素燃料電池システムのハイブリッド型は、図２に示されたのと同じ方法で電池を組み込むことによっても提供され得ることが理解されるであろう。
更なる実施形態では、図には示されていないが、液化した作動液体をガスに変換するために必要な熱を提供するために、燃料電池によって生成された熱がガス化装置に戻される。上述の実施形態の全てにおいて、燃料電池からの熱はガス化装置に伝達され得ることが理解されるであろう。
本発明の燃料電池システムを用いれば、ユーザは、エネルギーを必要とする任意のシステム（図に示していない）に単に取り付けた電力ケーブル７、１０７、２０７を使用することができる。本発明の単純なプラグアンドプレイソリューションは、ユーザが１つの燃料電池システムを別の燃料電池システムに容易に交換することができることを意味する。結果として、迅速かつ容易な切り替えとなり、不断の電源を確保することができることを意味する。ユーザ要求に応じて、特定の充填レベルを供給することができる。特に水素凝縮器において水素を作動流体として取り入れるシステムの場合、容器を作動流体凝縮器で直接燃料補給できるため、燃料補給損失を回避することができる。ユーザには完全ユニットが提供されるため、ユーザは、危険な場合があるガスを自分で取り扱う必要がない。また、燃料電池のメンテナンスが、例えば車両において燃料電池を使用する位置では行われなくなるが、これは、本発明の取り外し可能なシステムを用いれば、本システムが使用位置から取り外されたときに、必要に応じて、燃料電池をメンテナンスすることができるためである。
本発明のシステムには既知の燃料電池技術を組み込むことができるため、追加のタンクシステムは必要がない。
制御ユニット５、１０５、２０５は、システム構成要素（図に示していない）内に設けられたセンサ及び流量計からの入力を受信し、燃料システムの動作パラメータを監視する。制御システム５は、作動流体充填ステーション内の受信機モジュールに遠隔リンクするように構成された通信機器を備える。制御ユニットは、充填ステーションに動作状態データ（ＧＰＳ位置、電力消費）を送信し、これにより、充填ステーションが、燃料電池システム１の交換の推定要件を計算することを可能にする。
本発明の燃料電池システム、特に本発明による水素燃料電池システムは、例えば、トラック又は車などの道路車両、列車、船舶、建設車両という幅広い用途に使用することができるが、これらに限定されない。このような用途の場合、水素燃料電池システムの交換及び燃料補給ステーションは、港、輸送ハブ、及び列車の停車場などの好適なターミナルに設けることができる。
燃料電池システムはまた、スタンドアローン又はオフグリッドの電力供給として、例えば、フェスティバル、キャンプ、建設現場、又はスポーツイベントなどの遠く隔たった場所で使用することもできる。
本システムの寸法は、用途に従って変更され得ることが理解されるであろう。例えば、燃料補給の機会の間での運転時間が長い高電力需要用途のために、より大型のシステムを提供することができる。
本発明の全てを、１つ以上の好ましい実施形態を参照して上述した。添付の特許請求の範囲に規定される本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更又は修正を行うことができることが理解されるであろう。
Claims (13)
- 燃料電池システムであって、
密閉チャンバを画定している外側容器であって、前記密閉チャンバの内部に、
極低温で液化した作動流体を貯蔵するための貯蔵容器、
前記貯蔵容器に結合されたガス化装置、
前記ガス化装置に結合された燃料電池配列、及び
前記密閉チャンバ内の構成要素同士の間の流れを制御するように構成された制御ユニットが設けられた、外側容器と、
電力ケーブルであって、一端部で前記燃料電池配列に結合され、前記外側チャンバの外壁を通って延びていることにより、前記電力ケーブルの第２の端部が前記外側チャンバの外側に延びている、電力ケーブルと、を備え、
前記密閉チャンバが、使用時に前記作動流体の漏出が実質的に防止されるように、実質的に封止されている、燃料電池システム。 - 前記密閉チャンバ内の構成要素同士の間の流れを制御するために弁が設けられている、請求項１に記載の燃料電池システム。
- 前記貯蔵容器内の前記極低温で液化した作動流体が、液体水素である、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
- 前記燃料電池配列が１つ以上の水素燃料電池を備え、前記システムが、
前記燃料電池配列に結合された周囲空気入口と、
前記燃料電池配列に結合された水出口と、を更に備える、請求項３に記載の燃料電池システム。 - 前記密閉チャンバ内に設けられた電池パックを更に備え、
前記電池パックが、前記電力ケーブル及び前記燃料電池配列に電気的に結合されている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。 - 前記少なくとも１つの燃料電池に発生した熱を、前記ガス化装置に伝達する手段を更に備える、請求項１〜５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
- 電気エネルギーを生成する方法であって、
実質的な密閉チャンバ内において、
貯蔵量の極低温で液化した作動流体を提供することと、
前記作動流体をガス化することと、
前記ガス化された作動流体を少なくとも１つの燃料電池に供給することと、
前記少なくとも１つの燃料電池内で電気エネルギーを生成することと、
外部の電力需要に応じて、前記生成された電気エネルギーを前記燃料電池配列から前記密閉チャンバの外側に伝達することと、を含む、方法。 - 前記極低温で液化した作動流体が、液体水素である、請求項７に記載の方法。
- 前記燃料電池配列が、少なくとも１つの水素燃料電池を備え、
前記少なくとも１つの水素燃料電池に周囲空気の供給をもたらすことと、
前記少なくとも１つの水素燃料電池から水の流れを取り出し、前記チャンバの外側に搬送することと、を更に含む、請求項７に記載の方法。 - 電気エネルギーの出力を制御するために、前記液化した作動流体の流れ及び前記ガス化された作動流体の流れを制御すること、を更に含む、請求項７〜９のいずれか一項に記載の方法。
- 前記作動流体が、ガス化装置においてガス化され、
前記方法が、前記燃料電池配列内で生成された熱を前記ガス化装置に伝達すること、を更に含む、請求項７〜１０のいずれか一項に記載の方法。 - 前記燃料電池配列からの水素の副流を搬送して、前記ガス化装置に熱を提供すること、を更に含む、請求項７〜１１のいずれか一項に記載の方法。
- 前記密閉チャンバ内に設けられた電池を、前記燃料電池配列によって生成された電気エネルギーで充電すること、を更に含む、請求項７〜１２のいずれか一項に記載の方法。
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