JP4953553B2 - 水蒸気搬送発電機 - Google Patents

Description

本発明は燃料セルを使用して電力を発生させる改善された装置に関する。特に、本発明は水蒸気を実質上非流体の物質と反応させることにより水素ガスを発生させ、発生した水素ガスを燃料セルへ搬送して、そこで電力を発生させる装置に関する。

バッテリーと同様、燃料セルは化学反応を介して電力を生じさせる機能を果たす。バッテリーがするように反応剤（reactants）を貯蔵するのではなく、燃料セルはセルへ反応剤を連続的に供給することにより作動する。典型的な燃料セルにおいては、水素ガスが一方の反応剤として作用し、酸素が他方の反応剤として作用し、これら２つが電極において反応し、水分子を形成し、直流電気の形としてエネルギを解放する。

次いで、この直流電気は交流電流に変換することができる。水素及び酸素が提供される限り、装置は連続的に電気を発生することができる。酸素は典型的には空気から提供されるが、一般には、貯蔵している水素ではなく、制御された化学反応により他の化合物から水素ガスを発生させる必要がある。その理由は、水素ガスを貯蔵するためには、これを圧縮するか又は低温冷却する必要があるからである。燃料セル技術が発展するにつれて、燃料セルに適用するために水素ガスを発生させる手段が進化される。

現在では、水素ガスを発生させるために使用される多くの方法が知られている。有力な方法はリフォメーション即ち変成として知られる方法であり、化石燃料がその水素及び炭素生成物に分解される。しかしながら、この装置は長期間においては望ましくない。その理由は、この方法が再生可能でない資源に頼るからである。別の方法は電気分解であり、水素が水分子から分裂される。しかしながら、この方法は自動車での使用の如き大規模な適用に対して十分に適するものではない。水素ガスを発生させる別の手段は熱により金属水素化物又は合金から水素ガスを可逆的に吸収及び解放するものである。この方法は有用であるが、金属水素化物が典型的には極めて重く、高価で、ほんの少量の水素しか解放しないため、この方法は好ましくない。

水素ガスを発生させる更に別の手段は反応性化学水素化物を使用するものである。この方法は乾燥した高反応性の固体を液体水又は酸と反応させることにより固体から化学的に発生する水素ガスに関係する。この目的に対して特に適する化学物質は水素化リチウム、水素化カルシウム、水素化アルミニウムリチウム、水素化ホウ素ナトリウムであり、これら各々は豊富な量の水素を解放することができる。この方法に関連する欠点は、化学物質及び液体水からの反応生成物が典型的には液体水又は酸との反応性化学物質の更なる反応を妨げる塊又は糊状物質を形成してしまうことである。

当技術分野における大きな関心事は、再生可能でない資源に頼ることなく、また、上述の各方法の欠点を伴うことなく、燃料セルに使用するための水素ガスを発生させることのできる手段を提供することである。

本発明はこの問題に対する解決策を提供する。本発明は燃料セルへ燃料を供給するために水素ガスを発生させる発電機及び方法を提供する。発電機は水蒸気で少なくとも部分的に満たされた水蒸気発生器と、水蒸気発生器に接続された少なくとも１つの水素ガス発生器と、水素ガス発生器に接続された燃料セルとを有し、水素発生室は水素ガスを発生させるように水蒸気と反応する実質上非流体の物質で少なくとも部分的に満たされる。

発生した水素ガスは、次いで、燃料セルによる電力の発生を許容する「燃料」として使用することができる。本発明は液体水ではなく水素ガスを発生させるように水蒸気を実質上非流体の物質と反応させることにより、関連する技術を改善する。水蒸気を上述の非流体の化学物質と反応させることにより、反応性化学水素化物に関連する典型的な問題が回避され、従来よりも一層有効な装置を得られることが判明した。

本発明は、
ａ） 水蒸気発生器と；
ｂ） 水蒸気発生器に取付けられ、水素ガスを発生させるように水蒸気と反応する実質上非流体の物質を包含する水素ガス発生器であって；少なくとも１つの導管を介して水蒸気発生器に随意に取付けられるようになった水素ガス発生器と；
ｃ） 水素ガス発生器に取付けられた燃料セルであって；少なくとも１つの導管を介して水素ガス発生器に随意に取付けられるようになった燃料セルと；
を有することを特徴とする発電機を提供する。

本発明はまた、
ａ） 水蒸気発生器から、水素ガスを発生させるために水蒸気と反応する実質上非流体の物質で少なくとも部分的に満たされた水素発生器へ水蒸気を導く工程と；
ｂ） 水素発生器から燃料セルへ水素ガス及び任意の残留水蒸気を導く工程と；
を有することを特徴とする、燃料セルへ燃料を供給するために水素ガスを発生させる方法を提供する。

本発明は更に、電気エネルギを発生させる改善された方法にして、水及び水素ガスが水包含室から燃料セルへ導かれ；水及び任意の残留水素ガスが燃料セルから水包含室へ戻るように導かれ；水及び水素ガスが、燃料セル及び水包含室の各々に接続されかつ水素ガスを発生させるように水と反応する物質で少なくとも部分的に満たされた水素ガス発生器を通して導かれる方法であって、水蒸気の形をした水を、水素ガスを発生させるように水蒸気と反応する実質上非流体の物質に接触させることを特徴とする方法を提供する。

実質上非流体の物質との水蒸気の制御された反応を介して水素ガスを発生させ、この水素ガスが次いで燃料セルへ燃料を供給するために使用されるような発電機が提供される。発生した電気エネルギは携帯電話又は他の手持ち式の電子装置の如き小型の装置を作動させるために使用することができ、最終的に燃料で駆動する設備及び自動車の如き大規模の装置に使用するのに適することができる。

図１−図３に示すように、発電機１０は概括的に少なくとも１つの水蒸気発生器１２と、水蒸気発生器１２に取付けられた少なくとも１つの水素ガス発生器１４と、水素ガス発生器１４に取付けられた燃料セル１６とを有する。水蒸気発生器１２は好ましくは水蒸気、液体水又は氷のいずれかの形をした水で少なくとも部分的に満たされる室である。液体水又は氷の量は変えることができ、一般に水蒸気発生室１２の寸法、及び発電機１０を使用する応用に依存する。任意の液体水が水蒸気発生器１２内に存在する場合、液体水は多孔性のプラグ２４により又は弁２６により水蒸気発生器１２から漏れるのを阻止することができる。多孔性のプラグ２４は綿又はポリマー布の如き多孔性材料で構成され、この材料は、水蒸気発生器１２に対して出入りする水蒸気の通過を許容しながら、液体水に対するバリヤとして作用する。

代わりに、弁２６は水蒸気発生器１２からの水蒸気の通過を規制することができ、いかなる液体水の漏れをも阻止することができる。この実施の形態は図２に示す。弁２６は手動又は電気制御の弁とすることができる。弁が電気的に制御される場合、弁を開いて、水蒸気発生器１２から水素ガス発生器１４への水蒸気の初期の流れを生じさせるのに必要な初期のパワーは、好ましくは、装置３０内に蓄えられたパワーにより供給される。弁２６は装置３０又は燃料セル１６へ直接電気的に接続することができ、燃料セルは次いで装置３０に電気的に接続される。

代わりに、装置３０は水蒸気発生器１２、水素ガス発生器１４又は発電機１０の他の素子のいずれかに取付けることができる。弁２６が水蒸気発生器１２から水蒸気が出るのを許容するように最初に開いた後、燃料セル１６から発生したパワーは好ましくは弁２６を制御するためのパワーを供給するために使用される。本発明の好ましい実施の形態においては、装置３０はバッテリーである。弁２６の閉鎖は、好ましくは、水素ガスを発生させ、燃料セルに燃料を供給したい時期に応じて外部的に制御される。

別の実施の形態においては、発電機１０では、水蒸気発生器１２、水素ガス発生器１４、燃料セル１６及び随意の導管１８又は帰還ライン２０のうちの少なくとも１つ内へ水素ガスが最初に装填される。この初期装填の水素ガスは燃料セル１６へ進み、燃料セル内の酸素ガスとの反応を生じさせ、電気を発生させる。次いで、この電気は弁２６を作動させるために使用される。弁６は図２にのみ示すが、本発明の任意の実施の形態が少なくとも１つの弁２６を含むことを意図するものである。

水蒸気発生器１２の寸法は好ましくはその規模が極めて小さいが、また、発電機１０の使用に関して変えることができる。好ましい小規模の実施の形態においては、水蒸気発生器１２は、好ましくは約０．１ｃｍないし約１．０ｃｍｍの高さ、約０．１ｃｍないし約１．０ｃｍの幅及び約０．１ｃｍないし約１．０ｃｍの長さである。図３に示すように、随意には、引張り膜３２が水蒸気発生器内に位置する。引張り膜３２は水蒸気発生器１２内の水蒸気に圧力を与え、水蒸気発生器１２から水素ガス発生器１４の方へ水蒸気を強制送給する。水蒸気発生器１２内の圧力は好ましくは大気圧よりも僅かに大きな圧力に維持される。

水素ガス発生器１４は水蒸気発生器１２に取付けられる。水素ガス発生器１４は好ましくは室の形をしており、水素ガスを発生させるように水蒸気と反応する実質上非流体の物質で少なくとも部分的に満たされる。代わりに、水素ガス発生器１４は水蒸気発生期１２に隣接し、非流体の物質を保持するのに適した開いた領域とすることができる。水蒸気発生器１２と同様、水素ガス発生器１４の寸法は発電機１０の提案された使用に応じて変わる。水素ガス発生器１４が小規模応用において室を有する場合、この発生器は好ましくは約０．１ｃｍないし約１．０ｃｍの高さ、約０．１ｃｍないし約１．０ｃｍの幅及び約０．１ｃｍないし約１．０ｃｍの長さを有する。

水素ガス発生器１４内の実質上非流体の物質は、好ましくは粉末、粒子又はペレットの形をした材料からなり、好ましくはアルカリ金属、水素化カルシウム、水素化リチウム、水素化アルミニウムリチウム、水素化ホウ素ナトリウム及びその組み合わせである。適当なアルカリ金属は、非排他的には、リチウム、ナトリウム及びカリウムを含む。非流体の物質のための好ましい材料は水素化ホウ素ナトリウムである。非流体の物質はまた、好ましくは水蒸気及び非流体の物質の反応に触媒作用を及ぼす水素発生触媒と組み合わされる。適当な触媒は、非排他的には、コバルト、ニッケル、ルテニウム、マグネシウム及び合金及びその組み合わせを含む。

燃料セル１６は水素ガス発生器１４に取付けられる。水素で作動する燃料セルは当業界で周知である。燃料セル１６の寸法はまた、発電機１０の意図した使用に依存する。小規模の応用においては、燃料セルは好ましくは約０．１ｃｍないし約１．０ｃｍの高さ、約０．１ｃｍないし約１．０ｃｍの幅及び約０．１ｃｍないし約１．０ｃｍの長さを有する。図３に示すように、燃料セル１６が熱絶縁体２８により少なくとも部分的に取り巻かれるのが好ましい。熱絶縁体２８は水の凍結温度以上に燃料セルを維持するのに適したもので構成することができる。適当な熱絶縁体は、非排他的には、プラスチックフォームからなる絶縁体を含む。熱絶縁体に加えて、燃料セル及び発電機１０の温度を水の凍結温度以上に維持するために、ヒータ３４を燃料セル１６に隣接して配置するか燃料セルに取り付けることができる。本発明の好ましい実施の形態においては、発電機１０は、使用中、約−２０℃ないし約５０℃、一層好ましくは約０℃ないし約５０℃、最も好ましくは約２０℃ないし約５０℃の温度に維持される。

図１、図３に示すように、水蒸気発生器１２は好ましくは少なくとも１つの導管１８を介して水素発生器１４に接続され、水素発生器１４は好ましくは少なくとも１つの導管１８を介して燃料セル１６に接続される。

導管１８は水蒸気発生器１２から水素発生器への水蒸気の搬送及び水素発生器１４から燃料セル１６への水素ガスの搬送を容易にするのに十分なものとすることができる。図１に示すように、本発明の好ましい実施の形態においては、発電機１０はまた、任意の残留水蒸気及び水素ガスを燃料セル１６から水蒸気発生器１２へ戻るように導く帰還ライン２０を有する。帰還ライン２０は好ましくは実質的に導管１８と同一である。図２に示すように、導管８も帰還ライン２０も本発明の有効な性能のための必要な素子ではない。この実施の形態においては、水蒸気発生器１２は水素ガス発生器１４に直接取付けることができ、燃料セル１６は水素ガス発生器１４に直接取付けることができる。

水蒸気発生器１２と水素ガス発生器１４との間で水素ガス及び水蒸気をポンピングするために、少なくとも１つのポンプ２２を発電機１０に結合することが更に好ましい。ポンプ２２は好ましくは燃料セル１６に電気的に接続されてこれにより作動され、ポンプは随意には装置３０内に貯蔵されたパワーにより最初に作動される。また、不活性ガスを水蒸気発生器１２、水素ガス発生器１４、燃料セル１６内及び随意の導管１８内及び随意の帰還ライン２０内に最初に存在させることが好ましい。不活性ガスは水蒸気及び水素ガスを燃料セル１６へ輸送する補助を行い、好ましくは窒素、アルゴン及びその組み合わせ等からなるグループから選択されるガスである。

使用において、水蒸気発生器１２は、水蒸気発生器１２からの液体水の蒸発、空気内への水分子の拡散、水を通してのガスの発泡又は存在する場合の液体水又は氷の表面上での又は水で湿った表面上でのガスの通過の如き種々の方法で水蒸気を発生させることができる。水蒸気が発生した後、水蒸気は、拡散により、引張り膜３２により与えられる圧力により、ポンプ２２により発生される力により、水蒸気が水素発生器内で消費されるときに誘起される流れにより、又は、水素が燃料セルにより消費されるときに誘起される流れにより、水蒸気発生器１２から水素ガス発生器１６の方へ導かれる。

次いで、水蒸気は多孔性のプラグ２４又は開いた弁２６を通り、好ましくは導管１８内へ至り、次いで実質上非流体の物質で少なくとも部分的に満たされた水素ガス発生器１４へ至る。水蒸気が水素ガス発生器１６内に至った後、実質上非流体の物質は水蒸気と反応し、水蒸気を消費して水素ガスを発生させる。次いで、水素ガス及び任意の残留水蒸気は、好ましくは別の導管１８を介して、水素ガス発生器１４から燃料セル１へ導かれる。水素ガスが燃料セルへ到達した後、水素ガスは燃料セル内の酸素ガスと反応し、水素ガスを消費して電気を発生させる。続いて、任意の残留水蒸気及び任意の残留水素ガスは、好ましくは帰還ライン２０を介して、燃料セル１６から水蒸気発生器１２へ戻るように輸送される。

好ましい実施の形態に関連して本発明を特に示し、説明したが、当業者なら、本発明の精神及び範囲を逸脱することなく、種々の変更及び修正を行うことができることを容易に認識できよう。特許請求の範囲は開示された実施の形態、上述したそれらの変形例及びそのすべての等価物をカバーするものと解釈されるものとする。

導管及び別個の帰還ラインを有する発電機の概略図である。 導管も帰還ラインをも有しない発電機の概略図である。 水蒸気発生器、水素ガス発生器及び燃料セルの各々を接続する導管を有し、ポンプ、水蒸気発生器内の引張り膜及び燃料セルのまわりの熱絶縁体をも有する発電機の概略図である。

Claims (31)

1. 発電機であって、
   ａ）水蒸気を発生する水蒸気発生器と；
   ｂ）水蒸気発生器に取付けられ、水素ガスを発生させるように水蒸気と反応する粉末、粒子又はペレットの形をした非流体の物質を包含する水素ガス発生器と；
   ｃ）水素ガス発生器に取付けられた燃料セルと；
   ｄ）手動又は電気制御の少なくとも１つの弁と；を有し、
   前記水素ガス発生器は、少なくとも１つの導管を介して水蒸気発生器に取付けられ、
   前記燃料セルは、少なくとも１つの導管を介して水素ガス発生器に取付けられ、
   前記燃料セルから残留水蒸気及び残留水素ガスが前記水蒸気発生器へ戻され、
   前記少なくとも１つの弁は、前記水蒸気発生器と燃料セルと間の水素ガス及び水蒸気の通過を規制し、
   前記発電機が−２０℃ないし５０℃の温度に維持されることを特徴とする発電機。
2. 前記残留水蒸気及び水素ガスを燃料セルから水蒸気発生器へ導く帰還ラインを更に有することを特徴とする請求項１の発電機。
3. 前記水蒸気発生器が水蒸気で少なくとも部分的に満たされた室を有することを特徴とする請求項１の発電機。
4. 前記水蒸気発生器が氷で少なくとも部分的に満たされることを特徴とする請求項１の発電機。
5. 前記水素ガス発生器が前記非流体の物質で少なくとも部分的に満たされる室を有することを特徴とする請求項１の発電機。
6. 前記水蒸気発生器、水素発生器及び燃料セル内に不活性ガスを更に有することを特徴とする請求項１の発電機。
7. 前記不活性ガスが窒素、アルゴン及びその組み合わせからなるグループから選択されたガスであることを特徴とする請求項６の発電機。
8. 前記水蒸気発生器、水素発生器又は燃料セル及び導管のうちの少なくとも１つ内に初期に装填される水素ガスを更に有することを特徴とする請求項１の発電機。
9. 前記水蒸気発生器、水素発生器又は燃料セルのうちの少なくとも１つに取付けられ、水蒸気発生器から水素ガス発生器への水蒸気の初期の流れを生じさせるための少なくとも１つの装置を更に有することを特徴とする請求項１の発電機。
10. 前記非流体の物質がアルカリ金属、水素化カルシウム、水素化リチウム、水素化アルミニウムリチウム、水素化ホウ素ナトリウム及びその組み合わせからなるグループから選択された材料で構成されることを特徴とする請求項１の発電機。
11. 前記非流体の物質が水素化ホウ素ナトリウムであることを特徴とする請求項１の発電機。
12. 前記非流体の物質と組み合わされる水素発生触媒を更に有することを特徴とする請求項１の発電機。
13. 前記触媒は、コバルト、ニッケル、ルテニウム、並びに、その合金及び組み合わせからなるグループから選択されることを特徴とする請求項１２の発電機。
14. 前記水蒸気発生器と燃料セルとの間で水素ガス及び水蒸気をポンピングする少なくとも１つのポンプを更に有することを特徴とする請求項１の発電機。
15. 前記水蒸気発生器と燃料セルとの間で水素ガス及び水蒸気の通過を規制する少なくとも１つの弁を更に有することを特徴とする請求項１の発電機。
16. 前記水蒸気発生器に隣接する多孔性のプラグを更に有し、プラグが水蒸気発生器からの液体水の流れを妨げ、水蒸気発生器に対して出入りする水素ガス及び水蒸気の流れを許容することを特徴とする請求項１の発電機。
17. 前記燃料セルが熱絶縁体により少なくとも部分的に取り巻かれることを特徴とする請求項１の発電機。
18. 前記燃料セルに隣接するヒータを更に有することを特徴とする請求項１の発電機。
19. 前記水蒸気発生器から水素ガス発生器へ水蒸気を導く圧力を与える引張り膜を水蒸気発生器内に更に有することを特徴とする請求項１の発電機。
20. 燃料セルへ燃料を供給するために水素ガスを発生させる方法であって、
    ａ）水蒸気発生器から、水素ガスを発生させるために水蒸気と反応する粉末、粒子又はペレットの形をした非流体の物質で少なくとも部分的に満たされた水素発生器へ水蒸気を導く工程と；
    ｂ）水素発生器から水素ガス及び残留水蒸気を燃料セルへ導く工程と；
    ｃ）前記燃料セルから残留水蒸気及び残留水素ガスを前記水蒸気発生器へ戻す工程と；を有し、
    前記水蒸気発生器から燃料セルへの水蒸気及び水素ガスの通過が少なくとも１つの弁により規制され、前記水蒸気発生器が水蒸気を発生し、
    前記燃料セル、前記水蒸気発生器及び水素発生器が−２０℃ないし５０℃の温度に維持される発電機に含まれることを特徴とする方法。
21. 少なくとも１つの導管を介して水蒸気発生器から水素発生器へ水蒸気及び水素ガスを導く工程と、少なくとも１つの導管を介して水素ガス発生器から燃料セルへ水素ガス及び残留水蒸気を導く工程とを更に有することを特徴とする請求項２０の方法。
22. 少なくとも１つの導管を介して水蒸気発生器から水素発生器へ水蒸気及び水素ガスを導く工程と、少なくとも１つの導管を介して水素ガス発生器から燃料セルへ水素ガス及び残留水蒸気を導く工程と、少なくとも１つの帰還導管を介して燃料セルから水蒸気発生器へ残留水蒸気及び残留水素ガスを導く工程とを更に有することを特徴とする請求項２０の方法。
23. 水蒸気発生器が水蒸気で少なくとも部分的に満たされた室を有することを特徴とする請求項２０の方法。
24. 水蒸気発生器から燃料セルへの水蒸気及び水素ガスの通過が少なくとも１つの弁により制御されることを特徴とする請求項２０の方法。
25. 前記非流体の物質がアルカリ金属、水素化カルシウム、水素化リチウム、水素化アルミニウムリチウム、水素化ホウ素ナトリウム及びその組み合わせからなるグループから選択された材料で構成されることを特徴とする請求項２０の方法。
26. 前記非流体の物質が水素化ホウ素ナトリウムであることを特徴とする請求項２０の方法。
27. 前記水蒸気発生器から水素ガス発生器へ水蒸気及び水素をポンピングする工程を更に有することを特徴とする請求項２０の方法。
28. ヒータで燃料セルを加熱する工程を更に有することを特徴とする請求項２０の方法。
29. 水蒸気発生器内の引張り膜からの圧力により水蒸気発生器から水素ガス発生器へ水蒸気を導く工程を更に有することを特徴とする請求項２０の方法。
30. 水蒸気発生器、水素発生器又は燃料セルのうちの少なくとも１つに取付けられた少なくとも１つの装置を介して水蒸気発生器から水素ガス発生器への水蒸気の初期の流れを生じさせる工程を更に有することを特徴とする請求項２０の方法。
31. 電気エネルギを発生させる改善された方法であって、該方法において、水及び水素ガスが水蒸気発生器から燃料セルへ導かれ；燃料セルから水及び残留水素ガスが水蒸気発生器へ戻るように導かれ；水及び水素ガスが、燃料セル及び水蒸気発生器の各々に接続されかつ水素ガスを発生させるように水と反応する物質で少なくとも部分的に満たされた水素ガス発生器を通して導かれ、
    前記改善された方法は、水蒸気の形をした水を水素ガスを発生させるように水蒸気と反応する粉末、粒子又はペレットの形をした非流体の物質に接触させる工程を含み、
    前記水蒸気発生器から燃料セルへの水蒸気及び水素ガスの通過が少なくとも１つの弁により規制され、前記水蒸気発生器が水蒸気を発生し、前記燃料セル、前記水蒸気発生器及び水素発生器が−２０℃ないし５０℃の温度に維持される発電機に含まれることを特徴とする方法。

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