JP5112310B2 - 燃料電池再充填器 - Google Patents

Description

本発明は、持ち運び可能な燃料電池充填器に関する。

燃料電池は、今日、多くのバッテリーに取って代わる高エネルギー密度の持ち運び可能な燃料供給源に、急速に成りつつある。或る形態の燃料電池は、水素を酸素と結合させて水を生成することによって電気を作り出すように作用する隔膜に水素を提供する燃料を含んでいる。金属水素化物、又は水素を蓄え、選択された圧力で水素を放出する他の物質の様な燃料が、使用されている。それらは、自身を加圧された水素に曝露することによって再充填される。加圧された水素は、通常、商業環境で生産され、加圧容器に蓄えられている。消費者が家庭で燃料電池を再充填できるようにするという必要性は、消費者が普通の再充電可能バッテリーを現在再充電できるようにしているのと同じ理由から来ている。更に、燃料電池を迅速に再充填することが要求されている。

持ち運び可能な燃料電池充填器は、水供給源と、水供給源に連結され且つ電源に連結されるように作られている電解槽とを有している。電解槽は、水を酸素と水素に変換する。燃料電池カートリッジカプラは、水素を受け取るために連結され、且つ、加圧された水素を燃料電池カートリッジに提供するために燃料電池カートリッジに連結されるように作られている。

以下の説明では、本明細書の一部を構成する添付図面を参照してゆくが、図面には、実施することのできる具体的な実施形態を図解で示している。これらの実施形態は、当業者が本発明を実施できるようにする程度に十分詳細に説明されているが、他の実施形態を使用することもできるし、本発明の範囲を逸脱することなく、構造的、論理的及び電気的な変更を施し得るものと理解頂きたい。従って、以下の説明は、限定的な意味で解釈されるべきではなく、本発明の範囲は、特許請求の範囲によって定義されている。

図１は、全体を１００で表記する持ち運び可能な水素燃料容器充填器のブロック図である。或る実施形態では、充填器１００は、便利で持ち運べる大きさであり、所望の電源との接続部を提供する容器１０５に入っている。貯水槽１１０は、水素生成用の水の供給源を提供している。或る実施形態では、水は、水道水、濾過水、蒸留水、又は脱イオン水でもよい。脱イオン水又は蒸留水は、充填器１００の他の要素の汚染を最小限に抑えるために用いられる。

或る実施形態では、浄水器１１２は、貯水槽１１０に連結されている。浄水器は、イオン交換樹脂ベースの浄水器又は他の型式の浄水器である。別の実施形態では、浄水器を使用する必要はない。電解槽１１５は、貯水槽１１０又は浄水器１１２などから水を受け取るように連結されている。適切な電源に連結されると、電解槽１１５は、水を水素と酸素に分解する。或る実施形態では、燃料電池で使用されている様なＰＥＭ（陽子交換隔膜）が、電解槽１１５として使用されている。電圧がＰＥＭを横切って電極に加えられ、触媒がその表面に当てられると、水は、それぞれ陰極と陽極で生成される水素と酸素に分解される。ガスは、隔膜の互いに異なる側で発生する。水素は、通路１２０を通ってフィルター１２５に供給される。フィルター１２５は、水素の流れから不純物を除去し、通路１３０に供給する。酸素は、通路１３５などを経て大気中に放出される。

通路１３０は、燃料電池用の燃料容器が加圧された水素を受け取るために挿入されているホルダ１４０へ、水素を供給する。各種実施形態において、燃料容器１４５は、各種金属水素化物又はカーボンナノチューブ又は他のカーボンナノ構造の様な、水素を保持できる媒体で構成されていてもよいし、必要に応じて、加圧水素タンクそのものでもよい。ホルダ１４０は、注入中に水素が漏出するのを防ぐために、燃料容器と密閉性を保って連結できる適切な連結機構を有している。

水素を放出させ又は再充填することのできる一例的金属水素化物には、ＬａＮｉ_５Ｈ_５、ＦｅＴｉＨ_２、Ｍｇ_２ＮｉＨ_４、及びＴｉＶ_２Ｈ_４が含まれる。一例的可逆化学水素化物には、ＮａＡｌＨ_４、ＬｉＡｌＨ_４、Ｍｇ（ＡｌＨ_４）_２、Ｔｉ（ＡｌＨ_４）_４、Ｆｅ（ＢＨ_４）_４、ＮａＢＨ_４、及びＣａ（ＢＨ_４）_２が含まれるが、それらに限定されるわけではない。

別の実施形態では、選択透過性隔膜に水素と酸素を供給する電解槽が使用されている。その様な電解槽は、通常、水中に設置されている個別の電極を備えており、電流が流されると、電極から酸素と水素の泡が発生する。選択透過性隔膜は、水素を通過させるが、酸素は、大気中又は他の所望の宛先へ放出される。

或る実施形態では、熱交換器１５０が、熱を抽出するために、燃料容器がホルダ１４０に連結されたときに燃料容器に近接するように設置されている。燃料容器１４５へ水素を加圧して供給すると発熱反応が起こるので、容器に充填する速度を速めるには、熱を抽出しなければならない。或る実施形態では、熱交換器１５０は、空冷用フィンを備えているか、又は貯水槽１１０の水を利用する等して液体冷却される。充填は、「ＡＡ」バッテリー又は同等のサイズの物に置き換えることのできる電池の様な或るサイズの燃料電池に対して、例えば１分未満で、非常に迅速に行うことができる。

図２は、持ち運び可能な水素燃料容器充填器２００の更に詳細なブロック図である。或る実施形態では、充填器２００は、便利で持ち運び可能な大きさであり、所望の電源との接続部を提供する容器２０５に入っている。容器は、電源グリッドに連結されている標準的な壁付きコンセントの様な電源へ接続するためのコネクタ２０７を有している。別の実施形態では、２０７は、１２ボルト車両用バッテリーの様なバッテリーに連結されている。

制御電子機器２１０は、燃料容器の充填を制御するために、様々なセンサー及び制御装置に連結されている。或る実施形態では、送風機２１５が熱電冷却器／コンデンサ２２０に連結され、外気を供給している。冷却器／コンデンサ２２０は、吸水材料又はその他の構造を備えており、その上に水を凝結させて運搬するようになっている。外気は、冷却器／コンデンサが、貯水槽２２３を所望のレベルまで満たせるだけの水を凝結させることができる十分な湿度を有している。或る実施形態では、水は、水道水、濾過水、又は脱イオン水が使用される。脱イオン水は、冷却器／コンデンサ２２０から入手され、充填器２００の他の要素の汚染を最小化するために使用される。

或る実施形態では、浄水器２２４が、貯水漕２２３に連結されている。浄水器は、イオン交換樹脂を使った浄水器でもよいし他の型の浄水器でもよい。別の実施形態では、浄水器を使用する必要がない。電解槽２２５は、貯水槽２２３又は浄水器２２４などに連結され、そこから水を受け取る。適切な電源に連結されると、電解槽２２５は、水を水素と酸素に分解する。或る実施形態では、燃料電池で使用されているような、ＰＥＭ（陽子交換隔膜）が、電解槽２２５として使用されている。電圧がＰＥＭを横切って電極に加えられ、触媒がその表面に当てられると、水は、それぞれ陰極と陽極で生成される水素と酸素に分解される。ガスは、隔膜の互いに異なる側で発生する。水素は、通路２３０を通ってフィルター２３５に供給される。フィルター２３５は、水素の流れから不純物を除去し、通路２４０に供給する。酸素は、通路１３５などを経て大気中に放出される。上記の様に、分離隔膜が付いているかいないかを問わず、他の電解槽を使用してもよい。

通路２４０は、燃料電池用の燃料容器２５０が加圧された水素を受け取るために挿入されているホルダ２４５へ、水素を供給する。各種実施形態において、燃料容器２５０は、各種金属水素化物又はカーボンナノチューブ又は他のカーボンナノ構造の様な、水素を保持できる媒体で構成されていてもよいし、必要に応じて、加圧水素タンクそのものでもよい。ホルダ２５０は、注入中に水素が漏出するのを防ぐために、燃料容器と密閉性を保って連結できる適切な連結機構を有している。

或る実施形態では、熱交換器２５５が、熱を抽出するために、燃料容器２４５がホルダ２５０に連結されたときに燃料容器に近接するように設置されている。燃料容器２４５へ水素を加圧して供給すると発熱反応が起こるので、容器に充填する速度を速めるには、熱を抽出しなければならない。或る実施形態では、熱交換器２５５は、空冷用フィン２６０を備えているか、又は貯水槽２２３の水を利用する等して液体冷却される。充填は、「ＡＡ」バッテリー又は同等のサイズの物に置き換えることのできる電池の様な或るサイズの燃料電池に対して、例えば１分未満で、非常に迅速に行うことができる。

制御装置２１０は、図示のように充填器２００の多数の要素に連結されている。接続部は、センサー及び制御装置との接続を表している。例えば、制御装置は、水位を感知するために貯水槽２２３の水位センサーに連結されている。水位が所定の点に達すると、それ以上の水は必要ないため、ファン及び熱電冷却器／コンデンサは、制御装置２１０によってオフにされる。

制御装置２１０は、水を凝結させるのに気流を最適化するため相対湿度センサーにも連結されている。温度センサーは、熱と圧力を感知し、燃料容器の冷却状態及び／又は供給されている水素の圧力を調節するために、ホルダ２５０及び燃料容器２４５に近接して連結されている。また、センサーは、燃料容器が、一杯に充填されていることを感知し、それ以上の水素の供給を停止する。制御装置２１０は、充填が進行中であることを表示する赤灯及び充填完了を表示する緑灯の様な状態灯にも連結されている。別の実施形態では、可聴式警報装置が設けられている。

図３は、全体を３００で表記する別の代替的な持ち運び可能な水素燃料容器充填器の詳細を説明しているブロック図である。或る実施形態では、充填器３００は、便利で持ち運び可能な大きさであり、所望の電源との接続部を提供する容器３０５に入っている。制御装置３１０は、先の実施形態に関して説明したように、進行情報を得るため、作動装置及びスイッチ並びにセンサーを設けることによって充填器３００の作動を制御している。貯水槽３１５は、水素を作り出すための水の供給源を提供している。或る実施形態では、水は、供給源を２、３挙げると、水道水、瓶詰め水、濾過水、又は脱イオン水である。脱イオン水は、充填器３００の他の要素の汚染を最小化するために使用される。

或る実施形態では、浄水器３１８が、貯水漕３１５に連結されている。浄水器３１８は、イオン交換樹脂を使った浄水器でもよいし他の型の浄水器でもよい。別の実施形態では、浄水器を使用する必要がない。電解槽３２０は、貯水槽３１５又は浄水器３１８などに連結され、そこから水を受け取る。適切な電源に連結されると、電解槽３２０は、水を水素と酸素に分解する。或る実施形態では、燃料電池で使用されているような、ＰＥＭ（陽子交換隔膜）が、電解槽３２０として使用されている。電圧がＰＥＭを横切って電極に加えられ、触媒がその表面に当てられると、水は、それぞれ陰極と陽極で生成される水素と酸素に分解される。ガスは、隔膜の互いに異なる側で発生する。水素は、通路３２８を通ってフィルター３３０に供給される。フィルター３３０は、水素の流れから不純物を除去し、通路３３５に供給する。酸素は、通路１３５などを経て大気中に放出される。上記の様に、分離隔膜が付いているかいないかを問わず、他の電解槽を使用してもよい。

通路３３５は、燃料電池用の燃料容器が加圧された水素を受け取るために挿入されているホルダ３５５まで、通路３３５からの加圧された水素を供給及び調節するように制御されているポンプ／弁３５０に水素を提供している。各種実施形態において、燃料容器は、各種金属水素化物又はカーボンナノチューブ又は他のカーボンナノ構造の様な、水素を保持できる媒体で構成されていてもよいし、必要に応じて、加圧水素タンクそのものでもよい。ホルダ３３５は、注入中に水素が漏出するのを防ぐために、燃料容器と密閉性を保って連結できる適切な連結機構を有している。

或る実施形態では、熱交換器３６０が、熱を抽出するために、燃料容器がホルダ３５５に連結されたときに燃料容器に近接するように設置されている。燃料容器へ水素を加圧して供給すると発熱反応が起こるので、容器に充填する速度を速めるには、熱を抽出しなければならない。或る実施形態では、熱交換器３６０は、空冷用フィンを備えているか、又は貯水槽３１５の水を利用する等して液体冷却される。充填は、「ＡＡ」バッテリー又は同等のサイズの物に置き換えることのできる電池の様な或るサイズの燃料電池に対して、例えば１分未満で、非常に迅速に行うことができる。

図４は、一例的実施形態による、再充填可能な燃料カートリッジ４１５付きの燃料電池４１０を説明しているブロック図である。或る実施形態では、燃料カートリッジは、燃料電池４１０と連結させて水素を燃料電池に提供するための、弁付きのコネクタを使用している。弁は、充填機器３００と連結させたときには、水素が燃料カートリッジ４１５に供給されるように、ホルダ３５５と連結させるのにも使用される。カートリッジを、燃料電池と充填器の間で切り替えている時、弁は、カートリッジから水素が漏洩するのを防いでいる。或る実施形態では、燃料電池３１０とカートリッジ３１５の組み合わせは、９ボルト、ＡＡ、ＡＡＡ、Ｃ又はＤバッテリーの様な所望の既存のバッテリー形態因子と実質的に同じ形状で形成されている。もっと大型で異なる形態因子の組み合わせも提供可能であろう。

読者が技術的開示内容の本質及び要点を速やかに理解できるようにするため、３７Ｃ．Ｆ．Ｒ．§１．７２（ｂ）に従って要約書を提供している。要約書は、特許請求の範囲又は意味を解釈するか又はそれらに制限を加える目的で使用されないことを認識した上で提示されている。

一例的実施形態による持ち運び可能水素燃料容器充填器のブロック図である。 一例的実施形態による持ち運び可能水素燃料容器充填器の更なる詳細を示すブロック図である。 一例的実施形態による更に別の持ち運び可能水素燃料容器充填器の詳細を示すブロック図である。 一例的実施形態による再充填可能な燃料カートリッジを備えている燃料電池を示すブロック図である。

Claims (4)

1. 持ち運び可能燃料電池充填器（１００，２００，３００）において、
   水供給源（１１０，２２３，３１５）と、
   前記水供給源（１１０，２２３，３１５）に連結されている電解槽（１１５，２２５，３２０）であって、水から水素を取得し、且つ電源（２０７）に連結されるように作られ、陽子交換隔膜を備えていることを特徴とする電解槽と、
   前記電解槽に連結される燃料電池カートリッジカプラ（１４０，３５５）であって、加圧された水素を燃料電池カートリッジ（１４５，４１５）に供給するために前記燃料電池カートリッジ（１４５，４１５）に連結されるように作られている燃料電池カートリッジカプラと、
   燃料容器に水素を充填するのを制御するために、電力供給を受け、センサー入力を受け取って制御信号を提供するように作られている電子機器（２１０）であって、電子機器が、取り付けられた燃料容器に提供される水素の量を制御するために燃料電池容器に近接している温度センサーから温度情報を受け、電子機器が、貯水槽から水位センサー情報を受け、前記貯水槽の水位の関数として水を得るための手段を制御する、ことを特徴とする電子機器と、
   通路（３３５）からホルダ（３５５）まで加圧された水素を供給及び調節するためのポンプ／弁（３５０）であって、ポンプ／弁が、前記燃料電池カートリッジカプラ（１４０，３５５）に連結され、温度センサー情報及び圧力センサー情報の関数として前記ポンプ／弁（３３５）を制御するため前記電子機器（２１０）に連結されている、ポンプ／弁（３３５）と、
   を備えている持ち運び可能燃料電池充填器。
2. 前記水供給源と前記電解槽の間に連結されている浄水器（１１２，２２４，３１８）と、
   前記電解槽と前記燃料電池カートリッジの間に連結されている水素フィルター（１２５，２３０，３３０）と、を更に備えている、請求項１に記載の持ち運び可能燃料電池充填器。
3. 内蔵型の消費者用充填器を使用して燃料電池（４１０）用水素燃料容器（１４５，４１５）を充填する方法において、
   水供給源を提供するために外気から水を凝結する段階と、
   加圧された水素を作り出すために前記水供給源からの水を電気分解する段階と、
   前記燃料容器に充填するために燃料電池用燃料容器に前記加圧された水素を供給する段階と、
   通路（３３５）からホルダ（３５５）まで、加圧された水素を供給及び調節するポンプ／弁（３５０）を制御する段階であって、前記ポンプ／弁が、燃料電池（４１０）用の燃料容器（１４５，４１５）が加圧された水素を受け取るために挿入されている燃料電池容器カプラ（１４０，３５５）まで、ポンプ／弁からの加圧された水素を調節するように温度センサー情報及び圧力センサー情報の関数として燃料電池容器カプラ（１４０，３５５）に結合されることを特徴とする、ポンプ／弁を制御する段階と、
   前記水供給源からの水位センサー情報によって、水供給源の水位の関数として、水を凝結させるための手段を制御する段階と、
   から成る方法。
4. 貯水槽（２２３）を満たすために、水を凝結させるように、前記水供給源（１１０，２２３，３１５）に連結された熱電冷却器／コンデンサ（２２０）を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の持ち運び可能燃料電池充填器（１００，２００，３００）。

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