JP5127223B2 - 水素貯蔵システム、及び水素を供給する方法 - Google Patents

Description

本発明は、負荷に対して電力を供給する高分子膜型燃料電池（ｐｏｌｙｍｅｒ ｍｅｍｂｒａｎｅ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ ｔｏ ｐｏｗｅｒ ａ ｌｏａｄ）に水素を供給し、高分子膜を湿潤させた状態に維持するために予定に基き作動する装置と方法とに関するものである。特に、本発明は前記維持の目的のために使用される水素を補助ガスボンベに貯蔵し、そこから供給する装置と方法に関するものである。

燃料電池は色々な目的のために電気を発生させる、環境に優しい方法を提供する。一つの主要な目的は停電の場合に電気の代替（バックアップ）供給（ｂａｃｋ−ｕｐ ｓｕｐｐｌｙ）を行うことである。水素が燃料として使用されるとすれば、内燃機関の使用を伴う代替（バックアップ）発電（ｂａｃｋ−ｕｐ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）の場合よりも汚染物質の生成が少ないことが認められる。

燃料電池がバックアップ電力（ｂａｃｋ ｕｐ ｐｏｗｅｒ）の供給およびその他の目的で使用される場合、対象の特定の負荷に対する特定の量の電気エネルギを燃料電池が供給できるようにするためには十分な量の水素が貯蔵される必要がある。例えば、仕様が８時間５キロワットの電力を供給するものとする。高分子膜を利用している燃料電池は、その高分子膜が適度な湿潤させた状態に確実に留まるようにするために、例えば毎月１５分間という予定に従ってパワーアップする必要があるという事実から、このような燃料電池には水素の貯蔵は厄介である。このことに関わる問題は燃料電池の予定されたメンテナンスのための作動によって、燃料電池がその所期の電力必要量に確実に対応できるよう準備しておくべき水素を消費してしまうことである。

大量の水素供給分を再充填することが継続的に必要であることは、それは高価な提案でないとしても、設備配置的に複雑（ｌｏｇｉｓｔｉｃａｌｌｙ ｃｏｍｐｌｅｘ）である。例えば、大量の水素供給分を再充填するためには、チューブトレーラ（ｔｕｂｅ ｔｒａｉｌｅｒ）あるいはその他の重設備が必要である。燃料電池が地理的に遠隔の位置に配置された場合、更に費用がかかりうる。本発明は、燃料電池が後で使用するために十分な水素が確実に貯蔵されるようにするために重設備などの使用を必要としない、高分子膜を採用した燃料電池のための水素供給装置と方法とを提供することによってこの問題を克服する。

本発明は、所定の電力必要量に従って負荷に対し電力を供給して高分子膜を湿潤させた状態に維持するために高分子膜を採用した燃料電池に水素を供給する水素貯蔵装置を提供する。

本発明によれば、主水素貯蔵設備が設けられる。該主水素貯蔵設備は燃料電池が所定の電力必要量を発生させるのに少なくとも十分な量の水素を収容する寸法とされている。補助水素貯蔵設備は高分子膜を湿潤させた状態に維持するために燃料電池が予定に基づき作動しうるようにさせるに少なくとも十分な量の水素を収容する寸法とされている。マニホールドが主水素貯蔵設備と補助水素貯蔵設備とを接続し、水素を燃料電池に送給するための出口を有している。マニホールドは主水素貯蔵設備とは独立して補助水素貯蔵設備に補給がなされうるように構成されている。マニホールドは主貯蔵設備からの水素を利用することなく、高分子膜を湿潤させた状態に維持するために補助水素貯蔵設備から水素を燃料電池が吸引できるようにする流れ制御網（ｆｌｏｗ ｃｏｎｔｒｏｌ ｎｅｔｗｏｒｋ）を有している。

前記の流れ制御網は主水素貯蔵設備に貯蔵された水素より前に補助水素貯蔵設備からの水素が前記出口まで送給されるように構成された圧力調整器を有しうる。主水素貯蔵設備と補助貯蔵設備との間の水素の流れを阻止する逆止弁が設けられている。このように、膜維持の目的のために水素が補助水素貯蔵設備から吸引される。例えば電力バックアップのように、負荷に燃料電池が給電する必要のある場合、残存の何らかの水素が補助水素貯蔵設備から、次いで主水素貯蔵設備から吸出される。補助水素貯蔵設備に蓄えられている水素の量はメンテナンス作業には十分であるので、燃料電池がその電力必要量に対応しうるに十分な量の水素が主貯蔵設備には常に入っている。

主水素貯蔵設備は圧縮ガスボンベの２個の貯蔵区画から構成し、補助水素貯蔵設備は単一の圧縮ガスボンベとしうる。そのような場合、圧力調整器は単一の圧縮ガスボンベと、圧縮ガスボンベの２個の貯蔵区画の一方および他方とにそれぞれ関連した第一、第二および第三の圧力調整器としうる。マニホールドの出口における水素の出口圧力を調整するために出口圧調整器が設けられている。第一の圧力調整器は第二の圧力調整器よりも高い圧力に設定されており、第二の圧力調整器の方は第三の圧力調整器よりも高い圧力に設定されている。その結果、水素は先ず単一の圧縮ガスボンベから吸引され、次いで圧縮ガスボンベの２個の貯蔵区画の一方から吸引される。一方の貯蔵区画の圧縮ガスボンベの圧力が十分低下すると、２個の貯蔵区画の他方の圧縮ガスボンベが水素を送給するために使用される。このことは、何らかの電子制御装置あるいは高価な遠隔操作の弁を使用することなく自動的に行われる。

ガスボンベの２個の貯蔵区画はマニホールドに水素を共通に送給するために該マニホールドに接続することができる。そのような場合には、圧力調整器は単一の圧縮ガスボンベと、２個の貯蔵区画の圧縮ガスボンベとにそれぞれ関連した第一と第二の圧力調整器である。第一の圧力調整器は、水素が先ず単一の圧縮ガスボンベから出口まで吸出されるように第二の圧力調整器よりも高い圧力に設定されている。

別の実施例において、主水素貯蔵設備は炭素繊維で包まれた複合圧縮ガスボンベとしうる。補助貯蔵設備は単一の圧縮ガスボンベである。圧力調整器は単一の圧縮ガスボンベに関連した第一の圧力調整器と、炭素繊維で包まれた複合圧縮ガスボンベに関連した第二および第三の圧力調整器である。マニホールドの出口における水素の出口圧力に対して出口圧調整器が設けられている。第二と第三の圧力調整器が炭素繊維で包まれた複合圧縮ガスボンベから供給される水素の圧力を第一の圧力調整器によって調整されるレベル以下のレベルに対して調整するように直列関係（ｉｎ−ｌｉｎｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｉｐ）で位置されている。その結果、水素は先ず単一の圧縮ガスボンベから出口まで吸出される。約２，２６８キログラム（５０００ｌｂｓ）以上の水素を貯蔵するように構成しうる、炭素繊維で包まれた複合圧縮ガスボンベの場合、２個の圧力調整器を必要とすることが好ましい。

別の局面において、本発明は、高分子膜を採用する燃料電池に水素を供給して、所定の電力必要量に従って負荷に対し電力を供給し、該高分子膜を湿潤させた状態に維持するための方法を提供する。水素は、燃料電池が所定の給電を行うのに少なくとも十分な量の水素が充填されている主水素貯蔵設備から負荷に対し電力を供給するための電力を提供するように燃料電池に供給される。水素はまた、高分子膜を湿潤させた状態に保つのに少なくとも十分である量の水素が充填された補助水素貯蔵設備から予定に基づき燃料電池に供給される。補助水素貯蔵設備は、主水素貯蔵設備から水素を吸引することなく予定に基づき燃料電池が作動できるようにしうる量の水素で充填された状態に留まるように定期的に補充される。

水素は燃料電池への出口を有するマニホールドへ主水素貯蔵設備および補助水素貯蔵設備の双方から送給することができる。マニホールドは補助水素貯蔵設備から主水素貯蔵設備まで、あるいはその逆に水素が流れるのを阻止するための逆止弁を有しうる。補助水素貯蔵設備からの水素は、水素が先ず補助水素貯蔵設備から吸出されるように主水素貯蔵設備の圧力よりも高い圧力でマニホールドまで送給される。

補助水素貯蔵設備は単一の圧縮ガスボンベでよく、補助水素貯蔵設備は単一の圧縮ガスボンベを定期的に交換することによって新しくすることができる。マニホールドが採用された場合、補助水素貯蔵設備は単一の圧縮ガスボンベをマニホールドから定期的に取り外し、単一の圧縮ガスボンベを交換することによって新しくすることができる。

本明細書は本特許出願人が発明と考えている主体を明確に指摘している特許請求の範囲によって完結しているが、本発明は添付図面に関連して読めばより良好に理解されるものと考えられる。

図１を参照すれば、高分子膜型燃料電池（図示せず）に水素を供給するための水素貯蔵システム１が示されている。高分子膜型燃料電池は、例えばバックアップ電力のような所定の電力必要量に従って負荷に対する電力を供給するために採用されている。高分子膜型燃料電池はまた、高分子膜を湿潤させた状態に維持するために所定の予定に基づき作動する。燃料電池自体は、例えば電力の混乱状態（ｐｏｗｅｒ ｕｐｓｅｔ）の発生時あるいは高分子膜を維持するための予定に基づいて燃料電池を作動させる既知の自動化手段によって前述の目的のために作動させられる。

水素貯蔵システム１は相互に接続された圧縮ガスボンベ１４の第一と第二の貯蔵区画１０および１２を備えている。その結果、主水素貯蔵設備は所定の電力必要量を燃料電池が発生させるのに少なくとも十分な量の水素を収容する寸法とされている。安全係数を備えるために更に多くの水素を貯蔵することが可能なことが好ましい。補助水素貯蔵設備は、燃料電池を予定に基づき作動しうるようにするのに少なくとも十分である量の水素を収容する寸法とされた単一の圧縮ガスボンベ１６によって形成されている。ここでも、安全係数を備えるためにより多くの水素を圧縮ガスボンベ１６に貯蔵することも可能である。

第一と第二の貯蔵区画の水素ボンベ１０および１２ならびに補助圧縮ガスボンベ１６は燃料電池への出口２０を有するマニホールド１８に接続されている。マニホールド１８は圧縮ガスボンベ１６と第一および第二の貯蔵区画の水素ボンベ１０，１２にそれぞれ接続されている入口配管２２，２４および２７を有している。前記配管２２，２４および２７には、圧縮ガスボンベ１６あるいは第一と第二の水素貯蔵区画１０および１２を取り外したとき入口配管２２，２４および２７をパージしうるようにする配管パージ弁２６，２８および３０が設けられている。更に、そのような目的に対して遮断弁３２，３４および３６が設けられている。例えば、圧縮ガスボンベ１６を取り外すべき場合、弁３２が閉鎖され、配管パージ弁２６が開放される。その後、圧縮ガスボンベ１６が、そのような目的に対して利用しうる多数ある既知の圧力装具のいずれかを単に外すことによってマニホールド１８から取り外される。

マニホールド１８にはまた、接合部４４と出口圧調整器４６との間に配置された第一と、第二と、第三の圧力調整器３８，４０および４２も設けられている。第一の圧力調整器３８は水素が先ず圧縮ガスボンベ１６から吸出されるように最高の圧力、例えば約６２１ｋＰａ（９０ｐｓｉ）に設定されている。水素貯蔵区画１０と関連した第二の圧力調整器４０は水素が次に第一の水素貯蔵区画１０から吸出されるように例えば約５１７ｋＰａ（７５ｐｓｉ）の圧力に設定されている。第三の圧力調整器４２は水素が次いで第二の水素貯蔵区画１２から吸出されるように最低の圧力、例えば約４１４ｋＰａ（６０ｐｓｉ）に設定されている。第一と、第二と、第三の逆止弁４８，５０および５６は圧縮ガスボンベ１６、第一の水素貯蔵区画１０および第二の水素貯蔵区画１２の間での水素の流れを阻止するように設けられている。

第一と第二の水素貯蔵区画１０および１２によって提供される主水素貯蔵設備からの水素が必要でないと仮定すると、燃料電池の予定に基づく作動によって燃料電池（図示せず）内のソレノイド弁を開放させ、燃料電池が先ず圧縮ガスボンベ１６から水素を吸出する。圧力調整器３８は最高の圧力に設定されているので、第二と第三の逆止弁５０および５６が第一の水素貯蔵区画１０および第二の水素貯蔵区画１２に関連したマニホールドの脚部内の流れを閉鎖する。出口圧力調整器４６が圧力を燃料電池が必要とする圧力、例えば約３４５ｋＰａ（５０ｐｓｉ）までに調整する。高分子膜を作動状態に維持するためにある量の水素が消費されるので、定期的に圧縮ガスボンベ１６を前述の要領で取り外し、新しいガスボンベと交換することによって新しくすることができきる。

好適な作動モードではないものの、入口配管２２に設置された適当な装具によって圧縮ガスボンベ１６への水素貯蔵を適所で簡単に再充填できるようにマニホールド１８を設計することができる。

負荷に対して燃料電池が給電する必要があり、かつ圧縮ガスボンベ１６内の圧力が先ず第二の圧力調整器４０において設定されている圧力まで低下していないと想定すれば、圧力が第二の圧力調整器４０の圧力設定点以下までに低下するまで水素は圧縮ガスボンベ１６から吸出される。そのような点において、第一の水素貯蔵区画１０からの圧力によって第一の逆止弁４８が閉鎖され、第二の逆止弁５０が開放されるようになる。第一の水素貯蔵区画１０が第三の圧力調整器４２に対して設定された圧力以下に低下すると、第二の逆止弁５０が閉鎖し、水素が第二の水素貯蔵区画１２から吸出される。第一と第二の水素貯蔵区画１０および１２は消耗された後再充填されるか、あるいは圧縮ガスボンベ１６と共に交換される。

本発明の作動モードは圧力調整器３８，４０および４２無しでも実行することができることが好ましい。そのような場合、水素は圧縮ガスボンベ１６においては最高の圧力で、第一の水素貯蔵区画１０においてはより低い圧力で、第二の水素貯蔵区画１２においては更に低い圧力で貯蔵すればよい。このことは、充填作業にもたらされる複雑さと、更にもしも水素が圧力調整されていないとすれば、より多くの量の水素を貯蔵する必要があるため、好ましくはない。また、圧縮ガスボンベ１６の、次いで第一と第二の水素貯蔵区画１０および１２の消耗時、そのような切り替えを行うために圧力センサや遠隔操作の弁を使用することも可能である。

図２を参照すれば、代替的な水素供給システム１′が示されている。接合部５９において接合されている第一と第二の入口配管５７，５８を有するマニホールド１８′が設けられている。先の実施例と同じように、配管パージ弁６０，６１が遮断弁６２，６３と共に設けられている。第一と第二の圧力調整器６４，６５によって流れの制御が行われる。第一の圧力調整器６４はより高い圧力、例えば約５５２ｋＰａ（８０ｐｓｉ）に、第二の圧力調整器はより低い圧力、例えば約４１４ｋＰａ（６０ｐｓｉ）に設定されており、そのため水素は先ず圧縮ガスボンベ１６から吸出される。圧縮ガスボンベ１６と、第一および第二の水素貯蔵区画７０および７２との間の流れをそれぞれ阻止するように逆止弁６６および６８が設けられている。圧縮ガスボンベ７４の第一と第二の貯蔵区画７０および７２は、接合部７７において入口配管５８に接合されている補助マニホールド７６に接続されている。水素は、出口圧力調整器７９によって先ず圧力が低下された後出口配管７８を通して供給される。先の実施例と同様に、第一の圧力調整器６４の圧力設定点が第二の圧力調整器６５のそれより高くされていることによって水素が圧縮ガスボンベ１６から先ず吸出されるようにし、該圧縮ガスボンベ１６は新しくするために取り替えることができる。

図３を参照すれば、別の水素供給システム１″が示されている。本実施例において、補助貯蔵設備は圧縮ガスボンベ１６であり、そこでは水素が約１５２００ｋＰａ（２２００ｐｓｉｇ）のゲージ圧力で貯蔵されている。主水素貯蔵設備は約４１４００ｋＰａ（６０００ｐｓｉ）で水素を貯蔵している、複合炭素繊維で包まれた複合ボンベ８０によって提供される。圧縮ガスボンベ１６からの水素用の入口配管８２と複合ボンベ８０のための入口配管８４を有するマニホールド１８″が設けられている。先の実施例と同様に、配管８２および８４には配管パージ弁８６および８８並びに遮断弁９０および９２が設けられている。第一の圧力調整器９４は圧縮ガスボンベ１６から優先的に水素を吸引するために設けられている。それは約５１７ｋＰａ（７５ｐｓｉ）のより高い圧力の設定としうる。第二と第三の圧力調整器９６および９８は複合ボンベ８０のために設けられている。複合ボンベ８０内の圧力は約４１４００ｋＰａ（６０００ｐｓｉ）であるので、第三の圧力調整器９８は圧力を約１３８００ｋＰａ（２０００ｐｓｉ）まで下げるために使用され、第二の圧力調整器９６は第一の圧力調整器９４の圧力のレベル以下、例えば約４１４ｋＰａ（６０ｐｓｉ）まで下げるために使用される。水素は接合部１００まで流れる。次いで圧力は更に出口圧力調整器１０２によって下げられ、水素は出口１０４から流出する。

本発明を当該技術分野の専門家には想起される好適実施例を参照して説明してきたが、本発明の精神と範囲とから逸脱することなく多数の変更、追加、および省略を行うことができる。本発明は特許請求の範囲に規定されている。

本発明による方法を実施するための水素供給装置の概略図示である。 図１の代替実施例を示す。 図１の代替実施例を示す。

Claims (10)

1. 高分子膜を採用している燃料電池に水素を供給し、所定の電力必要量に従い負荷に対して電力を供給し、前記高分子膜を湿潤させた状態に維持する水素貯蔵システムにおいて、
   前記燃料電池が前記所定の電力必要量を給電するのに少なくとも十分な量を貯蔵する寸法とされた主水素貯蔵設備と、
   前記高分子膜を湿潤させた状態に維持するために予定されたメンテナンスのための作動に基づき前記燃料電池が作動しうるのに少なくとも十分である量の水素を収容する寸法とされている補助水素貯蔵設備と、
   前記主水素貯蔵設備と補助水素貯蔵設備とに接続され、水素を前記燃料電池に送給する出口を有するマニホールドとを含み、
   前記マニホールドは前記補助水素貯蔵設備が前記主水素貯蔵設備とは独立して新しくされるように構成されており、
   前記マニホールドは主水素貯蔵設備からの水素を利用することなく、前記高分子膜を湿潤させた状態に維持するために、前記燃料電池が前記補助水素貯蔵設備から水素を吸入できるようにする流れ制御網を有していることを特徴とする水素貯蔵システム。
2. 前記流れ制御網は、前記補助水素貯蔵設備からの水素が前記主水素貯蔵設備に貯蔵された水素より前に前記出口に送給されるように構成された圧力調整器と、前記主および補助水素貯蔵設備間での水素の流れを阻止する逆止弁とを有することを特徴とする請求項１に記載の水素貯蔵システム。
3. 前記主水素貯蔵設備は圧縮ガスボンベの２個の貯蔵区画から構成され、
   前記補助水素貯蔵設備は単一の圧縮ガスボンベであることを特徴とする請求項２に記載の水素貯蔵システム。
4. 前記圧力調整器は前記単一の圧縮ガスボンベと前記圧縮ガスボンベの２個の貯蔵区画の一方あるいは他方とに関連した第一、第二、および第三の圧力調整器と、前記マニホールドの出口における水素の出口圧力を調整する出口圧調整器とであり、前記第一の圧力調整器は前記第二の圧力調整器よりも高い圧力に設定されており、前記第二の圧力調整器の方は前記第三の圧力調整器よりも高い圧力に設定されており、そのため水素が先ず単一の圧縮ガスボンベから吸出され、そして前記圧縮ガスボンベの２個の貯蔵区画の一方から吸出され、次いで前記圧縮ガスボンベの２個の貯蔵区画の他方から吸出されることを特徴とする請求項３に記載の水素貯蔵システム。
5. 前記圧縮ガスボンベの２個の貯蔵区画は前記マニホールドに水素を共通に送給するように該マニホールドに接続されており、
   前記圧力調整器は、前記単一の圧縮ガスボンベと前記圧縮ガスボンベの２個の貯蔵区画にそれぞれ関連した第一と第二の圧力調整器であり、前記第１の圧力調整器が、水素が先ず前記単一の圧縮ガスボンベから前記出口に吸出されるように、前記第二の圧力調整器よりも高い圧力に設定されていることを特徴とする請求項３に記載の水素貯蔵システム。
6. 前記主水素貯蔵設備は複合の炭素繊維で包んだ複合圧縮ガスボンベであり、
   前記補助水素貯蔵設備の前記水素貯蔵区画は単一の圧縮ガスボンベであり、
   前記圧力調整器は、前記単一の圧縮ガスボンベと関連した第一の圧力調整器と、前記複合の炭素繊維で包まれた複合圧縮ガスボンベに関連した第二と第三の圧力調整器と、前記マニホールドの出口における水素の出口圧力を調整する出口圧力調整器とであり、
   前記第二と第三の圧力調整器は、水素が先ず前記単一の圧縮ガスボンベから出口まで吸出されるように前記複合の炭素繊維で包まれた複合圧縮ガスボンベから供給される水素の圧力を前記第一の圧力調整器によって調整されるレベル以下のレベルまで調整するように直列関係で配置されていることを特徴とする請求項２に記載の水素貯蔵システム。
7. 所定の電力必要量に従って負荷に対して電力を供給するために高分子膜を採用している燃料電池に水素を供給し、前記高分子膜を湿潤させた状態に維持するために水素を供給する方法において、
   前記燃料電池は所定の電力必要量を給電するのに少なくとも十分な量の水素が充填されている主水素貯蔵設備から前記負荷に対して給電する電力を供給するよう燃料電池に水素を供給し、
   前記高分子膜が湿潤させた状態に留まりうるようにするに少なくとも十分な量の水素が充填されている補助水素貯蔵設備から予定されたメンテナンスのための作動に基づいて前記燃料電池に水素を供給し、
   前記主水素貯蔵設備から水素を吸引することなく前記燃料電池が予定されたメンテナンスのための作動に基づいて作動しうるようにする量の水素が充填された状態に留まるように前記補助水素貯蔵設備を定期的に新しくすることを含むことを特徴とする燃料電池に水素を供給する方法。
8. 水素が前記主水素貯蔵設備と前記補助水素貯蔵設備との双方から前記燃料電池への出口を有するマニホールドまで送給され、
   前記マニホールドは前記補助水素貯蔵設備から前記主水素貯蔵設備まで、あるいはその逆に水素が流れるのを阻止する逆止弁を有しており、
   水素が先ず前記補助水素貯蔵設備から吸出されるように前記補助水素貯蔵設備からの水素が前記主水素貯蔵設備の圧力よりも高い圧力で前記マニホールドまで送給されることを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 前記補助水素貯蔵設備は単一の圧縮ガスボンベであり、前記補助水素貯蔵設備は前記の単一の圧縮ガスボンベを定期的に交換することによって新しくされることを特徴とする請求項７に記載の方法。
10. 前記補助水素貯蔵設備は単一の圧縮ガスボンベであり、前記補助水素貯蔵設備が前記単一の圧縮ガスボンベを前記マニホールドから定期的に取り外し、前記単一の圧縮ガスボンベを交換することによって新しくされることを特徴とする請求項８に記載の方法。

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