JP5147831B2 - 水素消費システム及びその操作方法 - Google Patents

Description

本発明は、水素消費ユニットと水素貯蔵システムとを有する水素消費システム、及びそのようなシステムを操作するための方法に関する。

圧力貯蔵タンク内で数百バールの過圧で気体状態で、又は特別な冷却タンク内で極低温で液体状態で水素を貯蔵することが知られている。固体貯蔵器も知られており、固体貯蔵器内では、水素を固体内に貯蔵して、規定の条件の下で再び放出することができる。しかし、貯蔵材料は、それ自体の重量の数パーセントの水素しか貯蔵することができない。したがって、そのような固体貯蔵器は、気体水素が高圧下で貯蔵されるのと同じ体積の加圧ガス貯蔵器に比べて重い。

特許文献１が、共通のハウジング内での少なくとも２つの異なる水素貯蔵形態、すなわち固体内での圧縮ガスとしての貯蔵又は液体状態での貯蔵を提供する水素用のハイブリッド貯蔵器を開示する。そこで提案される１つの発展形態では、固体貯蔵器が、液体水素区域を同心円状に取り囲む。

特許文献２は、気体水素を保持する１つの貯蔵部と、固体貯蔵器内に貯蔵された水素を保持する１つの貯蔵部とを有する貯蔵システムを開示する。一方の貯蔵部内の水素の圧力又は利用可能な量に応じて、それぞれ他方の貯蔵部が、水素消費ユニットの操作用の水素を提供するように接続される。

特許文献３は、水素消費ユニットとして燃料電池システムを有する水素消費システムと、それを操作するための関連の方法とを開示し、前記システムは、特に燃料電池車であってよい。燃料電池システムは、圧力貯蔵器と、水素を発熱的に吸着し、吸熱的に脱着する固体貯蔵器とを備える水素貯蔵システムを設けられる。燃料電池システムは、水素ライン・システムを介して圧力貯蔵器及び固体貯蔵器と並列に連結され、途中に遮断弁が配置された固体貯蔵器から延びるライン分岐が、途中に遮断弁と圧力調整弁とが存在する圧力貯蔵器から延びるライン分岐と合流部で合流し、合流部から、供給ラインが燃料電池システムに延び、その供給ラインに、さらなる圧力調整弁とさらなる遮断弁とが存在する。さらに、冷却回路が提供され、そこに、燃料電池システム及び固体貯蔵器、並びにラジエータ、例えば従来の車両ラジエータが連結される。固体貯蔵器及びラジエータは、ここでは冷却回路の並列のブランチ内に配置され、これらのブランチが合流して、燃料電池に通じるライン部分になり、調整弁が、固体貯蔵器冷却回路ブランチ内に配置され、関連のバイパス弁を有するラジエータ・バイパス・ラインが、ラジエータに並列に接続される。燃料電池車、特に燃料電池システムの動作状態に応じて、水素を、圧力貯蔵器又は固体貯蔵器から燃料電池システムに、且つ圧力貯蔵器から固体貯蔵器に供給することができる。さらに、冷却回路内のクーラントは、固体貯蔵器を通して制御可能な量で送ることができ、固体貯蔵器を通して送られないクーラントは、ラジエータを通して燃料電池システムに戻すことができ、又はラジエータを迂回して、そのバイパス・ラインを通して戻すことができる。これは、通常動作に加えて、燃料電池加熱モードも可能にするように意図されており、燃料電池加熱モードでは、クーラントは、この目的で圧力貯蔵器から水素を供給された固体貯蔵器によって加熱され、ラジエータを迂回して、燃料電池システムに案内される。動作温度での通常状態では、クーラントは、燃料電池システムから固体貯蔵器に熱を伝達することができ、固体貯蔵器における吸熱水素放出プロセスを補助する。異なる動作モード間の切換えは、固体貯蔵器にある水素圧力センサ、及び燃料電池システムにあるクーラント温度センサに依存する。

米国特許出願公開２００５／００１３７７０Ａ１号明細書 米国特許第６６５１７０１Ｂ２号明細書 米国特許出願公開２００３／００４９５０１Ａ１号明細書

本発明の目的は、最適化された水素供給を伴う水素消費システムと、そのシステムを操作するための効率的な方法とを提供することであり、使用される水素貯蔵システムは、許容できる重量と組み合わせて、高い水素貯蔵密度を可能にする。

この目的は、本発明によれば、請求項１又は請求項２の特徴を有する水素消費システムによって、且つ請求項４、５、又は６の特徴を有する水素消費システムを操作するための方法によって実現される。従属請求項が、本発明の好ましい構成及びさらなる発展形態を開示する。

本発明によれば、水素貯蔵システム及び／又は水素消費ユニットの熱的要件に応じて、所定の動作段階で水素が第１又は第２の貯蔵部から引き出される。この様式では、一方で、固体貯蔵器と加圧ガス貯蔵器との好ましい組合せによる、所定の設置空間における重量削減を利用することが可能であり、他方で、システム内の加熱及び冷却源とを互いに適合させることによって有利な様式で水素貯蔵システム及び水素消費ユニットの冷却及び加熱問題に対処することができる。加圧ガス貯蔵器は、好ましくは、数百バールの圧力下でガスを貯蔵するように設計された高圧貯蔵器である。加圧ガス貯蔵器は、好ましくは、例えば鋼、アルミニウム、又はプラスチックのハウジングを備え、このハウジングは、炭素繊維材料で好ましくは取り囲まれ、特に包まれる。貯蔵部は、ここでは、それ自体、水素消費ユニット用の加熱又は冷却源として機能することができる。水素の引出しに関する一方の貯蔵部から他方の貯蔵部への切換え時には、滑らかな移行が有利であり、すなわち、動作状態の間で、一方又は他方の貯蔵部のみが水素を供給している移行段階が存在すると好都合である。移行段階中、両方の貯蔵部が水素を供給してもよい。水素消費ユニットは、燃料電池又は燃料電池システムであってよく、又は燃料として水素を燃焼する燃焼機関であってもよい。燃料電池システムから駆動エネルギーを得る燃料電池車においてこの水素貯蔵システムを使用することが特に好ましい。

そのような好ましい固体貯蔵器に適した好ましい貯蔵材料は、原則として、炭素構造など吸着作用を有する材料、固有多孔率を有する有機金属「フレームワーク」材料、及び例えば酸化チタン又は酸化珪素などの酸化物である。さらに、水素の化学結合を有する材料、例えば、例えばアラネート、ヒドリドボレート、さらにはアミド／水酸化物系に基づく修飾錯体水素化物など、マグネシウム及びその合金、修飾アルミニウム水素化物、アミノボレン、金属水素化物、例えば修飾ＡＢ２、ＡＢ５合金などが好ましい。２０〜３０ｋＪ／（ｍｏｌ Ｈ_２）の範囲内の吸熱水素放出エンタルピーを示す材料が特に好ましい。例えばポリマーなどの有機材料も考えられる。貯蔵材料は、ペレット、粉末、粒状生成物などの形態で使用されることがある。しかし、貯蔵材料は、動作条件下で、自然にペレット化や造粒などを生じることもある。

本発明の対応する態様によれば、水素消費システムは、冷却回路を備え、冷却回路に、水素消費ユニットと、固体貯蔵器と、ラジエータとが特定の様式で連結され、ラジエータ・バイパス・ラインが、ラジエータに並列に接続される。固体貯蔵器は、冷却回路内でラジエータに直列に接続され、関連のバイパス・ラインが、やはり固体貯蔵器及び／又は水素消費ユニットに並列に接続される。これは、水素消費システムの瞬時動作要件に応じて冷却回路の様々な動作モードを確立するための前提条件となる。

したがって、例えば、適切な操作方法によって、水素消費冷却モードを実施することが可能であり、このモードでは、クーラントの直列の流れが、水素消費装置、すなわち水素消費ユニットから、ラジエータを通して、且つ固体貯蔵器を通して確立され、水素は、水素消費装置のために固体貯蔵器から引き出され、その結果、固体貯蔵器がクーラントから熱を取り込む。

本発明によるさらなる操作方法では、補充モードが、この構成の水素消費システムに関して実施され、このモードでは、水素が固体貯蔵器内に供給され、直列のクーラントの流れが、固体貯蔵器からラジエータを通して確立され、水素消費装置を迂回する。これは、必要なときには、水素消費装置を熱に曝露することなく、ラジエータによって熱を放散しながら固体貯蔵器を補充することを可能にする。

本発明のさらなる態様は、水素消費装置への水素の供給に関する。対応する設計の水素消費システムでは、固体貯蔵器は、このために、圧力貯蔵器から水素消費装置に続く水素供給ライン内に直列に配置される。別法として、固体貯蔵器及び圧力貯蔵器への２つの関連のライン分岐においてそれぞれ遮断弁と減圧弁とが提供されるように、水素消費装置が、固体貯蔵器及び圧力貯蔵器に並列に連結される。関連の水素ライン・システムは、さらに補充ポートを備えることがあり、このポートは、圧力貯蔵器用の遮断弁に隣接して、圧力貯蔵器から延びるライン部分に連通する。補充ポートは、水素貯蔵システムへの好適な外部水素供給を可能にする。

圧力ガス貯蔵器と固体貯蔵器との好ましい組合せにより、所与の設置体積に関して、適度に抑えられた重量増加でより高い貯蔵容量を実現することができ、これは車両用途に非常に好ましい。適切に設計された制御システムにより、水素は、必要に応じて２つの貯蔵部の一方から引き出すことができる。本発明の対応する実施形態では、固体貯蔵器は、圧力貯蔵器の貯蔵容量の約２０％以下、特に約１０％以下、好ましくは約５％以下の貯蔵容量を有するように設計され、それにより重量の増加が適度に保たれる。

好ましくは、水素が第２の貯蔵部で発熱的に取り込まれる場合に、第２の貯蔵部によって熱を発生するために、第１の貯蔵部から第２の貯蔵部に水素を供給することができる。このとき、第２の貯蔵部において、例えば、貯蔵部内で使用される貯蔵材料が水素を発熱的に吸着又は吸収する場合、水素が発熱的に取り込まれる。第２の貯蔵部からの熱は、必要とされる場合には、水素消費ユニットに供給されることがある。水素貯蔵システム及び／又は水素消費ユニット、特に燃料電池システムにおける温度の急速な上昇は、例えば一年のうちの寒い時期に有利である。発熱的に水素を取り込む適切な貯蔵材料を有する固体貯蔵器が、この目的で提供される。

別の方法として、水素が第２の貯蔵部で吸熱的に取り込まれる場合に、第２の貯蔵部によって冷却を行うために、第１の貯蔵部から第２の貯蔵部に水素を供給することができる。このとき、第２の貯蔵部において、例えば、貯蔵部内で使用される貯蔵材料が水素を吸熱的に吸着又は吸収する場合、水素が吸熱的に取り込まれる。このとき、例えば、好ましくは水素消費ユニットからの熱が第２の貯蔵部に供給されることがあり、それにより水素消費ユニットが冷却される。水素を吸熱的に取り込む適切な貯蔵材料を有する固体貯蔵器が、この目的で提供される。

有利な方法ステップでは、水素消費ユニットが冷却を必要とする場合、第２の貯蔵部が水素を吸熱的に放出する場合に、第２の貯蔵部から水素を引き出すことができる。好ましい燃料電池車では、これは、例えば、燃料電池システムがピーク負荷を担っているとき、例えば坂を上がる際、好ましくは高い外部温度であり、燃料電池車が低速である際に、小さな温度差により、環境への熱放散が特に非効率的であるときに当てはまる。高い負荷の下での冷却は、特に、１００℃未満の動作温度で動作されるポリマー電解質膜燃料電池を使用するときに問題となる。環境に対する小さな温度差により、燃料電池システムから廃熱を放散するのは困難であり、大きなラジエータ面積が必要である。燃料電池システムの性能は、この冷却問題によって、特に高い外部温度で制限される。本発明による動作モードを使用すると、従来の燃料電池車のラジエータに対する負荷は、２５％以下、又は典型的にはピーク負荷で２０ｋＷ緩和することができる。

第２の貯蔵部での特に好ましい貯蔵材料は、水素を吸熱的に放出する固体であり、１０〜４０ｋＪ／（ｍｏｌ Ｈ_２）、好ましくは２０〜３０ｋＪ／（ｍｏｌ Ｈ_２）の範囲内のエンタルピーを有する貯蔵材料が特に好ましい。例えば、熱の取込みを伴って水素を放出する金属水素化物又は他の適切な固体が好ましい。

さらに、別の有利な方法ステップによれば、水素消費ユニットは、第１の貯蔵部から水素を引き出すことによって始動されることがあり、水素は、第１の貯蔵部内で圧力下で気体状態で貯蔵されている。基礎となっている原理により、加圧ガス貯蔵部内に貯蔵される水素に関わる低温始動の問題は存在しない。加圧ガス貯蔵器ではなく、代わりに好ましくは固体貯蔵器である第２の貯蔵部の低温始動及び／又は動的応答に関わる任意の問題を容易に回避することができる。始動プロセス中、任意選択で、有利には、第２の貯蔵部を加熱するために第１の貯蔵部から第２の貯蔵部に水素を送ることができる。次いで、第２の貯蔵部は、動作準備状態になった場合に使用することができ、水素消費ユニットは既に動作状態にある。

通常動作中、有利には、利用可能な量に応じて水素を第１又は第２の貯蔵部から引き出すことができる。

好ましいさらなる発展形態では、水素消費ユニット及び／又は水素貯蔵システムの周囲条件及び／又は予想される熱的要件に応じて、水素を第１又は第２の貯蔵部から引き出すことができる。異なる貯蔵部の相互作用は、予測動作モードによってさらに改善されることがある。

本発明の有利な実施形態を、図面に例示し、以下に説明する。

図１に示される水素消費システムは、水素貯蔵システム１０を備え、水素貯蔵システム１０が、水素消費ユニット３０に水素を供給する。水素消費ユニット３０は、例えば、水素消費システムとしての燃料電池車内の燃料電池システムである。燃料電池及び燃料電池システムの動作態様は十分によく知られており、したがって本明細書でさらに説明する必要はない。

水素貯蔵システム１０は、第１の貯蔵部１６と、第２の貯蔵部１８とを備える。第１の貯蔵部１６は、好ましくは加圧ガス貯蔵器であり、この貯蔵器では、水素が、例えば数百バールの高圧下で気体状態で貯蔵される。第２の貯蔵部１８は、好ましくは固体貯蔵器であり、この貯蔵器では、水素が、熱の放出を伴って貯蔵され、熱の取込みを伴って放出されることがある。第１の貯蔵部１６と第２の貯蔵部１８とは、例えば、共通のハウジング１２内に構成される。しかし、それらは、水素貯蔵システム１０内で互いから切り離して構成されてもよい。

水素は、ライン２６を通って、水素貯蔵システム１０から水素消費ユニット３０に進む。第１の貯蔵部１６は、弁２２によってライン２６から遮断されることがあり、第２の貯蔵部１８は、弁２４によって遮断されることがある。２つの貯蔵部１６、１８は、弁２０によって互いに接続される。弁２０、２２、２４は、より詳細には図示しない制御ラインを介して、開ループ又は閉ループ制御ユニット２８によって作動されることがある。図は簡略化されている。当業者には明らかなように、圧力や温度などに関するセンサと、貯蔵部１６、１８の状態を監視するため、又は水素の放出若しくは取込みを意図的に行うためのさらなる手段とを提供することが可能である。

所定の動作段階で、水素貯蔵システム１０及び／又は水素消費ユニット３０の熱的要件に応じて、水素が第１の貯蔵部１６又は第２の貯蔵部１８から引き出される。

低い外部温度、特に凝固点未満では、水素は、加圧ガス貯蔵器として構成された第１の貯蔵部１６から、好ましくは固体貯蔵器として構成された第２の貯蔵部１８に導き入れられることがある。固体貯蔵器への水素の取込みは、熱を放出し、システムが加熱される。これは、冬の動作段階で有利である。

例として挙げる燃料電池車が坂を上がるとき、水素消費ユニット３０からの高いパワー出力と、それに対応する量の廃熱の発生とを伴い、水素は、好ましくは専ら第２の貯蔵部１８から引き出される。これは、吸熱条件下で進行し、したがって、システム全体から熱が放散され、第２の貯蔵部１８によって吸収されることがある。このようにすると、車両が、高い外部温度及び低い車両速度で坂を上がっているときでさえ、燃料電池車の車両ラジエータでの負荷が緩和される。

水素消費ユニット３０を始動するための動作段階中には、水素は、好ましくは、加圧ガス貯蔵器として構成された第１の貯蔵部１６から専ら引き出され、したがって、水素用の固体貯蔵器の低温始動及び動的応答の問題を回避することを可能にする。

さらに、始動プロセス中、水素は、第２の貯蔵部１８を加熱するために第１の貯蔵部１６から第２の貯蔵部１８内に送られることもある。

貯蔵容量の増加と重量の増加との最適な妥協点を提供するために、固体貯蔵器１８は、加圧ガス貯蔵器１６の貯蔵容量の好ましくは約２０％以下、より好ましくは約１０％以下、特に例えば約５％の貯蔵容量で設計される。

図２〜４は、図１に示される水素供給構成要素に対する補完又は代替としての、水素消費ユニット３０用の水素供給システムの有利な代替実施形態を例示する。明瞭にするために、同一の要素又は機能的に等価な要素は同一の参照番号を付され、この点で、図１に関する上の説明を参照することもできる。

図２の供給システムでは、水素ライン・システムが、燃料電池システム（ＢＺ）など水素消費装置３０まで延びる供給ライン１を備え、その供給ライン１には減圧弁２があり、減圧弁２の上流で、合流部３において、関連の遮断弁５を有する固体貯蔵器１８、この場合は金属水素化物貯蔵器（ＭｅＨ）から延びるライン分岐４が、圧力貯蔵器（ＣＨＧ）１６から延びるライン分岐６と合流し、そのライン分岐６には、遮断弁７と減圧弁８とが直列に配置されている。遮断弁７と減圧弁８との間で、同様に遮断弁９を設けられた外部補充ライン１１がこのライン分岐６に連通し、このライン１１を通して、圧力貯蔵器１６と固体貯蔵器１８とからなる水素貯蔵システムが、外部から水素を供給されることがある。また、この補充ライン１１を通して外部から燃料電池システム３０に水素を直接供給することも可能である。

図３は、図２の供給システムの変形形態を示し、唯一の相違点として、途中に減圧弁１３が配置された追加のライン分岐６ａが、外部補充ライン１１の開口部から延び、圧力貯蔵器１６から延びるライン分岐６内に通じて、減圧弁２の下流で供給ライン１に連通する。その結果、それぞれ遮断弁５、７を有し、且つそれぞれ減圧弁２、１３を有する２つの並列のライン分岐が、圧力貯蔵器１６及び固体貯蔵器１８に関して形成され、それらのライン分岐は、合流して供給ライン１を形成し、減圧弁８を有するバイパス・ブランチが、２つのブランチを、それぞれブランチの遮断弁５、７とブランチの減圧弁２、１３との間で接続する。

図４に示される変形形態では、固体貯蔵器１８が、圧力貯蔵器１６から水素消費装置３０に延びる供給ライン１内に直列に配置される。固体貯蔵器１８の上流及び下流で、それぞれ遮断弁１４、１５及び減圧弁１７、１９が、供給ライン１内に直列に配置される。加圧ガス貯蔵器ポートに位置されたさらなる遮断弁２１が存在する。さらに、関連の遮断弁９を有する外部補充ライン１１が提供され、これは、圧力貯蔵器１６の遮断弁２１とそれに隣接する減圧弁１７との間で供給ライン１に連通する。

遮断弁及び減圧弁の作動の適切な設計によって、個々のシステム構成要素からの、且つ個々のシステム構成要素への様々な上述したタイプの水素誘導を当業者が実施しうることは言うまでもなく、これはさらに説明する必要はない。図２〜４の３つの変形形態全てにおいて、圧力貯蔵器１６及び固体貯蔵器１８は、補充ライン１１を通して外部から水素を補充されることがある。さらに、これらの変形形態全てにおいて、水素は、圧力貯蔵器１６から固体貯蔵器１８に送られることがあり、同様に３つの変形形態全てにおいて、水素は、固体貯蔵器１８から水素消費装置３０に直接供給されることがある。図２及び３の変形形態では、水素は、さらに、圧力貯蔵器１６から水素消費装置３０に直接供給されることがあり、図４の変形形態では、固体貯蔵器１８を介して間接的に供給されることがある。

図５〜９は、例えば燃料電池車で提供されることがある循環するクーラントを有する冷却回路内への固体貯蔵器１８及び水素消費装置３０の統合を例示する。冷却回路は、従来のクーラント・ポンプ３１と、従来型の例えば空冷式のラジエータ３２とを備える。ラジエータ３２を迂回するために、出力側にバイパス弁３４を有するラジエータ・バイパス・ライン３３が、ラジエータと並列に接続される。固体貯蔵器１８を迂回するために、出力側にバイパス弁３６を有する固体貯蔵器バイパス・ライン３５が、固体貯蔵器と並列に接続される。水素消費装置３０を迂回するために、出力側にバイパス弁３８を有する水素消費装置バイパス・ラインが、水素消費装置と並列に接続される。使用されるクーラントは、水、又は車両冷却回路内で従来使用される任意の他のクーラントであってよい。

この構造の冷却回路は、有利には、水素消費装置３０及び／又は固体貯蔵器１８の最適な冷却又は加熱のための複数の異なる温度制御動作モードを可能にし、これは、図５〜９を参照してより詳細に述べる。動作モードに応じて、冷却回路用の様々なクーラント流路が、３つのバイパス弁３４、３６、３８の制御によって確立されることがある。これは、対応する流れを示す矢印によって図示され、各場合にそれぞれバイパス弁３４、３５、３８によって遮断された流路を黒い三角形の弁記号で表すことによって図示される。

特に、図５は、通常の冷却操作での冷却回路を示し、ここでは、水素消費装置３０がラジエータ３２によって冷却され、クーラントは、固体貯蔵器バイパス・ライン３５を通って流れ、それにより固体貯蔵器１８を迂回する。この冷却動作モードは、水素消費装置３０から固体貯蔵器１８内に廃熱を導き入れることなく水素消費装置３０を冷却すべき操作の場合に確立される。これは、例えば、水素消費装置３０が圧力貯蔵器から水素を供給される、温まっているシステムの状態に当てはまる。

図６は、直列にラジエータ３２及び固体貯蔵器１８を通して送られるクーラントの流れによって水素消費装置３０が冷却される冷却動作モードでの冷却回路を示す。したがって、図５の動作モードに比べて、さらに固体貯蔵器１８が、水素消費装置３０の冷却に寄与する。それゆえ、固体貯蔵器１８が、冷却回路の冷却パワーに寄与することができるので、本発明の対応する実施形態では、より低い冷却パワーでラジエータ３２を設計することが可能である。同時に、熱の取込みにより、固体貯蔵器１８は水素を放出することができ、この水素を水素消費装置３０に供給することができる。図６に示される冷却動作モードは、例えば、比較的高い外部温度での燃料電池車の全負荷状態の下で好都合である。

図７は、水素消費装置３０を加熱するための温度制御動作モードでの冷却回路を示す。このために、クーラントは、ラジエータ３２を迂回して、固体貯蔵器１８に供給され、そこから水素消費装置３０に進む。同時に、上で説明したように、水素が、圧力貯蔵器から、及び／又は外部補充ラインを通して、固体貯蔵器１８に供給される。固体貯蔵器１８は、供給された水素を発熱的に取り込み、クーラントが、生じた熱を水素消費装置３０に運ぶ。この動作モードは、例えば、燃料電池車の低温始動に適している。

図８は、固体貯蔵器１８からの追加の熱を用いずに水素消費装置３０を加熱するための温度制御動作モードを例示する。この場合、クーラントは、ラジエータ３２と固体貯蔵器１８との両方を迂回する冷却回路内で循環する。これは、水素消費装置３０、及び廃熱を発生する任意のさらなる車両構成要素（ここでは図示せず）からクーラント内に既に導き入れられている任意の熱が、ラジエータ３２又は固体貯蔵器１８を通って放散されるのを防止する。したがって、熱は、冷却回路内に保たれ、水素消費装置３０を加熱することができる。この冷却回路設定は、例えば、図７による初期低温始動設定から、システムが通常の動作温度状態に達するまで移行期間にわたって続く。

図９は、この冷却回路のさらなる有利な可能性のある使用法として固体貯蔵器１８の冷却を例示する。この場合、クーラントは、固体貯蔵器１８から、水素消費装置３０を迂回し、ラジエータ３２を通して送られ、したがって、結果として水素消費装置３０に負荷を加えることなく、固体貯蔵器１８から熱を放散することができる。この冷却回路設定は、例えば、水素消費装置３０が熱を必要としていないときに、固体貯蔵器１８が補充され、したがって熱を放出している期間に適している。固体貯蔵器１８が能動的に冷却されるので、比較的効率良く固体貯蔵器１８に水素を補充することができる。

図示して上述した例示的実施形態から明らかなように、本発明は、必要に応じて圧力貯蔵器及び／又は固体貯蔵器から水素消費装置への水素の供給の最適化と、それに適合された、システム構成要素、特に水素消費装置及び固体貯蔵器の温度制御の最適化とを可能にする水素消費システム及び関連の操作方法を提供する。車両の使用時、水素は、例えば、全負荷状態及び高い外部温度の下では、専ら固体貯蔵器から引き出すことができ、対照的に、高い負荷動特性及び低い外部温度の場合には、水素は、専ら圧力貯蔵器から引き出すことができる。さらに、低温始動時、水素は、圧力貯蔵器から固体貯蔵器に移送されることがあり、燃料電池システムなど水素消費装置を加熱するために固体貯蔵器の発熱的な水素貯蔵特性を利用する。

水素消費装置と水素貯蔵システムとを有する水素消費システムの概略ブロック図である。 水素消費システムの水素供給システム構成要素の代替実施形態のブロック図である。 水素消費システムの水素供給システム構成要素の代替実施形態のブロック図である。 水素消費システムの水素供給システム構成要素の代替実施形態のブロック図である。 １つの動作モードでの水素消費システムのクーラント回路のブロック図である。 １つの動作モードでの水素消費システムのクーラント回路のブロック図である。 １つの動作モードでの水素消費システムのクーラント回路のブロック図である。 １つの動作モードでの水素消費システムのクーラント回路のブロック図である。 １つの動作モードでの水素消費システムのクーラント回路のブロック図である。

Claims (14)

1. 水素消費ユニット（３０）と、
   水素が圧力下かつ気体状態で貯蔵される圧力貯蔵器（１６）と、水素を発熱的に取り込み、吸熱的に放出する固体貯蔵器（１８）とを有する水素貯蔵システムと、
   前記水素消費ユニット及び前記固体貯蔵器、並びにラジエータ（３２）が連結され、ラジエータバイパスライン（３３）が前記ラジエータ（３２）とは並列に接続された冷却回路と、を備える車両用途の水素消費システムであって、
   前記固体貯蔵器（１８）が、前記冷却回路内で前記ラジエータ（３２）に直列に接続され、
   固体貯蔵器バイパスライン（３５）が、前記固体貯蔵器とは並列に前記冷却回路に接続され、及び水素消費装置バイパスライン（３７）が、前記水素消費ユニット（３０）とは並列に前記冷却回路に接続され、
   動作モードに応じて、前記３つのバイパスライン（３３，３５，３７）のための３つのバイパス弁（３４，３６，３８）の制御によって冷却用のクーラント流路が確立されうること、および
   前記固体貯蔵器が、前記圧力貯蔵器の貯蔵容量の約２０％以下の貯蔵容量を有することを特徴とする水素消費システム。
2. 水素消費装置冷却モードにおいて、直列のクーラントの流れが、前記水素消費装置（３０）、前記ラジエータ（３２）、及び前記固体貯蔵器（１８）を通して確立され、前記水素消費装置用の水素が、前記固体貯蔵器から引き出されることを特徴とする請求項１に記載の水素消費システムを操作するための方法。
3. 補充モードにおいて、水素が、前記固体貯蔵器（１８）内に供給され、直列のクーラントの流れが、前記ラジエータ（３２）、前記固体貯蔵器（１８）、及び前記水素消費装置バイパスライン（３７）を通して確立され、前記水素消費装置（３０）を迂回することを特徴とする請求項１に記載の水素消費システムを操作するための方法。
4. 前記水素消費システムは、前記水素消費ユニットが前記圧力貯蔵器及び前記固体貯蔵器に連結される水素ラインシステムをさらに備え、
   前記固体貯蔵器（１８）が、水素供給ライン（１）内で前記圧力貯蔵器（１６）と前記水素消費ユニット（３０）との間に直列に配置され、又は前記水素消費ユニットが、前記固体貯蔵器及び前記圧力貯蔵器に、それぞれ遮断弁（５、７）及び減圧弁（２、１３）を介して並列に連結され、及び／又は、
   前記水素ラインシステムが外部補充ポート（１１）を備え、その外部補充ポート（１１）が、前記圧力貯蔵器（１６）用の遮断弁（７）において前記圧力貯蔵器から延びるライン部分（６）に連通することを特徴とする請求項１に記載の水素消費システム。
5. 水素が、所定の動作段階で、前記水素貯蔵システム（１０）及び／又は前記水素消費ユニット（３０）の熱的要件に応じて、前記圧力貯蔵器（１６）又は前記固体貯蔵器（１８）から引き出されることを特徴とする請求項１又は４に記載の水素消費システムを操作するための方法。
6. 水素が前記固体貯蔵器（１８）内に発熱的に取り込まれる場合、前記固体貯蔵器（１８）における熱の発生のために、水素が前記圧力貯蔵器（１６）から前記固体貯蔵器（１８）に供給されることを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 熱が前記固体貯蔵器（１８）から前記水素消費ユニット（３０）に供給されることを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 水素が前記固体貯蔵器（１８）内に吸熱的に取り込まれる場合、前記固体貯蔵器（１８）における冷却のために、水素が前記圧力貯蔵器（１６）から前記固体貯蔵器（１８）に供給されることを特徴とする請求項５に記載の方法。
9. 水素が前記固体貯蔵器（１８）内に吸熱的に取り込まれる場合、熱が前記水素消費ユニット（３０）から前記固体貯蔵器（１８）に供給されることを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 前記水素消費ユニット（３０）が冷却を要する場合であって、前記固体貯蔵器（１８）が水素を吸熱的に放出する場合、水素が前記固体貯蔵器（１８）から引き出されることを特徴とする請求項５〜９のいずれか一項に記載の方法。
11. 前記水素消費ユニット（３０）を始動するために、気体状態かつ圧力下で前記圧力貯蔵器（１６）内に貯蔵されている水素が、前記圧力貯蔵器（１６）から引き出されることを特徴とする請求項５〜１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 始動プロセス中、前記固体貯蔵器（１８）を加熱するために、水素が前記圧力貯蔵器（１６）から前記固体貯蔵器（１８）に送られることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
13. 通常動作中、利用可能な量に応じて、水素が前記圧力貯蔵器（１６）又は前記固体貯蔵器（１８）から引き出されることを特徴とする請求項５〜１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 前記水素消費ユニット（３０）及び／又は前記水素貯蔵システム（１０）の周囲条件及び／又は予想される熱的要件に応じて、水素が前記圧力貯蔵器（１６）又は前記固体貯蔵器（１８）から引き出されることを特徴とする請求項１３に記載の方法。

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