JP5636004B2 - 水素原料式の動力システムおよび動力生成方法 - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

本発明は、水素原料式の動力システムに関する。この水素原料式の動力システムは、高圧の水素容器と、該水素容器に接続された少なくとも１つの水素駆動式のエネルギー変換器と、該高圧の水素容器とこれより低圧のエネルギー変換器との間に配置された、水素ガスの圧力変換器とを備える。本発明はまた、このような水素原料式の動力システムが設けられた、独立型電力ユニットおよび乗り物に関する。さらに本発明は、水素原料式の動力システムの使用方法、および、水素原料式の動力システムの高圧の水素容器の充填方法に関する。

水素原料式の動力システムでは、水素移動膜を含む加圧水素技術の分野が用いられる。水素原料式の動力システムが、通常、水素容器から発生した水素により動作され、容積中のガス状水素のエネルギー密度が低いため、水素は、通常、圧縮されて、高圧で、典型的には約２０ＭＰａの値、約３５ＭＰａの値、またはさらに約７０ＭＰａの値、およびそれ以上の値で貯蔵される。あるいは、水素は、液化されてもよい。水素を圧縮すること、および液化することは、いずれも、多量のエネルギーを必要とする。圧縮または液化するためのエネルギーは、水素原料式の動力システムのエネルギー効率全体（自動車への適用では、「採掘から車両走行までの効率（well-to-wheel efficiency）」とも呼ばれる）を低減させる。この圧縮エネルギーまたは液化エネルギーを回収することが、様々な方法において試みられている。水素の循環は、排出装置を用いて、実現可能である。これらの排出装置は、部分的に、高圧且つ高速の水素ガス流の運動エネルギーを使用する。このような排出装置は、機械的循環ポンプを使用するならば消費されることになるエネルギー分を節約するが、この方法では、使用された圧縮エネルギーのほんの一部しか、回収されない。あるいは、この高圧水素に、ピストンポンプ、タービン、または機械的膜ポンプを、減圧器（エキスパンダ）として用いてもよい。この方法では、エネルギーの大部分が回収され得る。しかし、ピストンまたは逆の膜ポンプのような機械的減圧器は、騒音を出し、高価であり、重たく、かさばるとともに、定期的な整備が必要であるため、それほど魅力的ではない。

本発明の１つの目的は、上述した、従来技術のシステムの欠点を回避して、水素原料式の動力システムの全体的なエネルギー効率を向上させることである。

本発明は、冒頭で述べた種類の水素原料式の動力システムであって、水素ガスの圧力変換器がイオン伝導性膜を有し、このシステムが、エネルギー変換器を圧力変換器に接続する熱案内器が設けられている、水素原料式の動力システムを提供する。このような動力システムにより、水素圧縮が有効に利用され得るだけでなく、その効率も、利用可能な熱エネルギーを再利用することによって、さらに向上される。本発明をより良好に理解するために、以下に、イオン伝導性膜に関する情報、および、動力システム内の利用可能な熱エネルギーの再利用に関する情報を、さらに幾つか提供する。

圧力変換器は、水素ガスの減圧によって電力を生成する減圧器として機能し得る。このように生成された電力は、電気エネルギーの消費、および／または、電気エネルギーの貯蔵、例えばバッテリーパックへの貯蔵のために、用いることが可能である。しかし、圧力変換器は、電動圧縮器としても適用可能である。このような運用では、圧力変換器には、外部電源用の接続が設けられていてよい。本発明の動力システムは、圧力変換器が、適時に両方の機能である水素の減圧および圧縮を提供する、デュアルシステムとしても機能し得る。このシステムの動作については、以下の説明において、さらに説明する。

この膜は、複数のチャンバを含む減圧セルに組み込まれていることが可能である。複数のチャンバには、少なくとも１つの高圧チャンバ、および、少なくとも１つの低圧チャンバが含まれる。少なくとも１つの低圧チャンバは、高圧チャンバのうちの少なくとも１つから、イオン伝導性膜によって分離されている。イオン伝導性膜は、通常、高圧チャンバのうちの１つの高圧チャンバ内に第１の表面を有していると共に、低圧チャンバのうちの１つの低圧チャンバ内に第２の表面を有している。第１の表面には、第１の電極が設けられており、第２の表面には、第２の電極が設けられている。第１の電極と第２の電極とは、外部の電気回路を介して、導電接続されている。ここでは、「外部の」という語は、電気回路が膜自体を通り抜けないことを意味している。イオン伝導性膜は、例えば、高圧チャンバまたは低圧チャンバのいずれか１つを完全に包囲していることが可能である。このために、この陽子伝導性膜は、例えば、平面状または管状であってよい。

この陽子伝導性膜は、水素透過支持層を備えていてよい。この支持構造体は、例えば、第２の電極を覆っていてもよく、第２の電極側から言うと、１つ以上の水素透過層と、膜の高圧側と低圧側との間の圧力差に耐える程度に十分に硬い機械的剛体層とを備えていてよい。支持層は、水素移動を可能にする孔を有する、導電性且つ熱伝導性の材料から構成されている必要がある。

減圧動作では、膜の高圧側における水素ガスは、陽子および電子を形成する第１の電極またはアノードにおいて、イオン化される。陽子は、陽子伝導性膜を通って拡散されるが、電子は、アノードから電気回路を通ってカソードまで流れて、これによって電流を生成する。カソードにおいて、陽子および電子は再結合して、水素分子Ｈ_２を形成する。このようにして、圧力エネルギーが、いわゆるイオン減圧セルにおいて、電気エネルギーに変換される。このようにして、本発明は、巨大な装置を用いなくても、水素圧縮エネルギーを効率よく利用することを可能にする。

本明細書の意味するところでは、陽子伝導性層とは、陽子伝導率が少なくとも０．０１Ｓ／ｃｍである層をいう。電気絶縁層とは、電気絶縁耐力が少なくとも１０ｋＶ／ｍｍである層をいう。電極は、電気抵抗損を受け入れることができる程度に十分に高い、導電率および陽子伝導率を有している。このため、十分に高い比導電率を有すると共に、最適化された厚さを有する電極が、用いられ得る。任意により、導電性触媒材料と触媒的に非アクティブな導電性材料とを一緒に含む電極を用いてもよい。触媒材料は、水素分子を陽子および電子に変換することを確保し、導電性材料は、電子の伝達を確保する。他の想定可能な一実施形態では、アノードの上部に高導電性の電流分布グリッドを設けることによって、アノードの面内導電率を、さらに向上させることが可能である。

高圧側の膜の表面に存在するアノードである第１の電極において、水素は、陽子および電子に変換される（水素酸化反応）。第１の電極は、水素の陽子および電子への変換を触媒することが可能な材料を含む導電層である。好適な触媒は、プラチナ、パラジウム、および他の貴金属、並びにその合金のような、公知のあらゆる水素イオン化触媒である。また、水素イオン化に対して触媒的にアクティブであるとして知られている、非貴金属および遷移金属酸化物を用いてもよい。一実施形態では、電極は、パラジウムまたはパラジウム合金の薄膜を含む。好ましくは、第１の電極は、水素分子（Ｈ_２）に対しては限られた透過率を有するが陽子に対しては伝導性を示す薄膜を含む。第１の電極は、概して、０．２〜５ミクロンの厚み、より具体的には０．５〜１ミクロンの厚みを有している。

陽子は、膜の陽子伝導性且つ電気絶縁性の層を通って、第２の電極に転移される。水素（Ｈ_２）に対して十分に非透過性を有する膜層は、例えば、同じ膜層の陽子伝導率の５０％（重量で計算した）よりも少ないＨ_２透過率を有する層である。

陽子伝導性且つ電気絶縁性の膜を製造するために適した材料は、米国第２００４／００２８９６５号および米国第２００７／００４４６６３号といった従来技術において、公知である。膜は、無機材料から構成されていてよい、および／または、一般にはプラスチックである有機材料から構成されていてよい。好適な膜には、例えばＫＨ（ＰＯ_３Ｈ）−ＳｉＯ_２複合物のような、ペロブスカイト膜などのセラミック膜が含まれる。好適なプラスチック膜には、スルホン化ポリスチレン、スルホン化ポリフェニレンエーテル、例えば、スルホン化ポリフェニルエーテル、またはＰＰＥ、および、ポリフェニレンオキシド、またはＰＰＯが含まれる。エテンスルホン酸（etheensulfonic acid）の共重合体、例えば、スチレン、塩化ビニール、およびエテンを有するエテンスルホン酸の共重合体を用いてもよい。これは、例えばポリビニルアルコールのスルホン化重合体（sulphate ester）、またはより一般的にいうと、スルホン化ヒドロキシ官能重合体、スルホン化芳香族ポリアミド、およびポリイミド、並びにより一般的にいうと、スルホン酸官能縮合重合体であってよい。より好適な重合体は、強い有機（無機）酸、例えば、ポリビニルピリジン、ポリエチレンイミン、ポリイミダゾール（ポリビニルイミダゾール、およびジアリルアンモニウム重合体を含む）を有する、基本重合体の錯体を含む。無機酸の例には、リン酸、ポリリン酸、およびスルホン酸が含まれる。

水の存在下で使用する場合、好適な重合体の例には、フッ素化スルホン酸重合体（ＰＦＳＡ）、スルホン化ポリエーテルスルフォン（ＳＰＥＳ）重合体、スルホン化ポリ（エーテル・エーテル・ケトン）（ＳＰＥＥＫ）重合体、スルホン化ポリエーテルケトン（ＳＰＥＫ）、スルホン化ポリ（エーテル・ケトン・ケトン）（ＳＰＥＫＫ）、およびスルホン化ポリ（アリーレンエーテルスルホン）（ＳＰＳＵ）が含まれる。この基の陽子伝導性材料では、その陽子伝導率を向上させるために、水を用いてよい。

陽子伝導性層は、概して、２５〜１０００ミクロンの厚み、より具体的には５０〜５００ミクロンの厚みを有している。この膜は、例えば、少なくとも０．０１Ｓ／ｃｍ、例えば、少なくとも０．０５Ｓ／ｃｍの陽子伝導率を有していてよい。

低圧側の膜の表面に存在するカソードである第２の電極において、膜を通り抜ける陽子は、第２の電極からの電子と反応して、水素分子を形成する（水素還元反応）。第２の電極は、陽子および電子の水素分子への変換を触媒することが可能な材料を含む導電層である。好適な触媒は、従来技術において公知であり、例えば、プラチナ、パラジウム、他のプラチナの群の金属、および、幾つかのパラジウム合金を含む。触媒的にアクティブであると知られる非貴金属および遷移金属酸化物を用いてもよい。好ましくは、第２の電極は、例えば、多孔性の構造をしているために水素分子および陽子が透過可能な導電層であり、１００ＭＰａまたはそれ以上の圧力、例えば２００ＭＰａまたはそれ以上の圧力に耐性を有している。第２の電極は、概して、１〜２００ミクロン、より具体的には２〜１０ミクロンの厚みを有していることになる。本明細書では、この膜と電極との組み合わせは、膜電極アッセンブリとして示される。膜電極アッセンブリは、膜の高圧側と低圧側との間の圧力差に耐えることが可能でなければならない。膜の性質によっては、膜電極アッセンブリに支持構造体を設ける必要もあり得る。これは、例えば、膜の低圧側における、多孔性の支持構造体の形をしていてよい。この支持構造体は、膜の低圧側と膜の高圧側との間の圧力差に耐えることが可能でなければならない。この圧力差は、２００ＭＰａと同じくらいに高くてよいが、より典型的には８０ＭＰａである。一般に、膜の一方の側面と他方の側面との間の圧力差は、少なくとも１ＭＰａ、具体的には１〜２００ＭＰａの範囲、より具体的には、６０〜９０ＭＰａの範囲である。

本発明はまた、この構造の膜電極アッセンブリにも関する。一実施形態では、多孔性の支持構造体は、低圧チャンバの膜に隣接した積層構造であり、電極側から言うと、１ミクロンよりも小さい孔を有する多孔性のＨ_２透過層、直径が１〜１００ミクロンの範囲の孔を有する多孔性のＨ_２透過層、および、機械的剛体層を含む。この構造は、例えば、次のように得ることが可能である。すなわち、第１のステップにおいて、高いガス透過率および十分な機械的強度を有するマクロ多孔性層を設ける。好適な材料は、例えば、青銅、銅、ニッケル、ステンレス鋼、チタニウム、またはアルミニウムのような、焼結金属粉である。このマクロ多孔性層の上部には、十分な機械的強度および十分なガス透過率を有するマイクロ多孔性層が、表面に直角な方向において設けられる。マイクロ多孔性層内の孔は、典型的には、１ミクロン未満である。このマイクロ多孔性の支持層の上部には、多孔性の電極層が載っている。この多孔性の電極層は、好適な触媒を含んでおり、陽子伝導性且つ導電性である。好適な材料は、マイクロ多孔性のパラジウム層、または、パラジウム合金の層、例えばパラジウムロジウム合金などである。このカソード層の厚みは、典型的には、数ミクロンである。

任意により、低圧チャンバは、好ましくは水を循環させるための装置を備える水入口を含む。水は、膜および電極の陽子伝導率を向上させることが可能である。

概して、膜電極アッセンブリは、その陽子透過率にとっての最適温度を有している。膜電極アッセンブリの温度を、最適温度から５０℃以内に維持することが好ましい。イオン伝導性膜の通常の最適温度は、５０℃〜２００℃、より具体的には１００℃〜１５０℃の範囲である。

本発明に係る減圧の間、この圧力の減少によって生じる熱損失を補償するために、熱が、イオン伝導性膜（イオン減圧セル）に供給される必要がある。温度は、処理条件に依存して、および、膜内の抵抗損の組成に応じて、制御され得る。抵抗損は、熱を幾分生成するが、多くの処理条件では、一定温度を、既に説明した温度レベルに維持するためには不十分である。より低い温度は、典型的に、抵抗損を増大させ、イオン減圧によって生成され得る動力を低減する。水素原料式の動力システムのエネルギー変換器において生成された熱は、熱案内器によって、イオン伝導性膜に輸送され、これによって、膜の性能を最適化させる。エネルギー変換器によって動作される水素の冗長な熱エネルギーを使用することによって、アクティブに放出しなければならない熱は少なくなり、動力システムの全体的な効率が増大する。

また、イオン伝導性膜の温度制御に水を用いてもよい。膜に、膜を冷却または加熱するための熱交換素子を設けることも可能である。この特徴は、膜電極アッセンブリの動作を最適化することに役立つ。

低圧側（例えば、１つまたは複数の圧力チャンバ）は、高圧貯蔵容器または貯蔵タンクなどの高圧の水素容器（高圧チャンバとも呼ばれ得る）の中に組み込まれた状態で配置されていてよい。このような貯蔵タンクは、好ましくは円筒形であり、一端または両端に１つの開口部を有していてよい。この開口部は、タンクを高圧水素供給ライン、および／または、水素ガス排出ラインに接続するための接続ブロックと、電気回路を接続するための電気コンタクトとによって閉鎖される。これらのアダプタの一方または両方は、１つ以上の管状イオン減圧セルに接続されていることが可能である。１つ以上の管状イオン減圧セルは、中央の高圧チャンバと同軸の低圧チャンバとの間の圧力差に耐えることが可能な高圧チューブを備えている。本発明に係る装置のこのような一実施形態には、冷却および／または加熱のために用いられることが可能な、好ましくは重合体材料から成る、同軸の熱交換チャネル、および／または、内側熱交換チューブが設けられていてよい。管状イオン減圧セルは、例えば、溶接、若しくは、はんだ付けによって、または、機械的接続と高圧ガスケットとの組み合わせによって、端部アダプタに接続されていてよい。この管状の装置の圧力の変化および温度の変化、並びに、高圧タンクの温度は、動作中の、長さの変化を生じさせる。この問題は、例えば、管状イオン減圧セルの一方の側面のみを固定し、他方の側面にスライド固定具を設けることによって、解決可能である。任意により、接続ブロックには、高圧入口、減圧器、過流防止弁、ニードル弁、圧力および／または温度センサ、過圧安全弁、低圧出口、コンタクト、グランド、および／または、電源および制御電子機器といった、さらなる部材が設けられていてもよい。

あるいは、「膜」は、陽子伝導性サブ膜の積層として構成されていてもよく、各サブ膜は、表面カソードと表面アノードとの間に挟まれている。ここで、第１の多孔性層は、表面アノードの上に重なっており、開放された状態で高圧側と連絡し、低圧側に対しては密閉されているが、表面カソードは、開放された状態で低圧チャンバと連絡し、高圧側に対して密閉されている第２の多孔性層に覆われている。この積層内の第１のサブ膜上の第１の多孔性層は、第１のサブ膜の上の第２のサブ膜の第２の多孔性層から、導電性層によって分離されている。導電性層は、水素（Ｈ_２）に対して不透過性である。このようにして、直列接続が得られ、サブ膜電極アッセンブリのアノードからの電子は、より高く積層された膜電極アッセンブリのカソードに移動して、このより高く積層された膜によって導かれた陽子と再結合する。膜電極アッセンブリの上部は、外部の電気回路を介して、最も低い膜電極アッセンブリと接続されていてよい。表面アノードは、多孔性の構造体を部分的に貫通していてよい。これは、結果的に、増大された表面積を有する大まかに構造化されたアノードとなる。これにより、アノードの圧力抵抗が向上することが分かった。同様に、カソードは、隣接する多孔性の構造体を部分的に貫通していてよい。同様に、このことは、カソードの圧力抵抗を向上させる。

あるいは、１つ以上の低圧チャンバは、２つの高圧チャンバの間に挟まれていてよい。挟まれた低圧チャンバおよび／または高圧チャンバの境界を形成するために、平行な、陽子伝導性層を用いてもよい。

低圧チャンバは、水素放出装置を含んでいてよい。水素放出装置は、例えば、エネルギー変換器に、動作可能に接続されていてもよいし、または、これに接続可能であってよい。

動作中は、膜の高圧側は、一般には、少なくとも０．６ＭＰａ、具体的には０．６〜２００ＭＰａ、より具体的には１〜１００ＭＰａ、さらにより具体的には２０〜９０ＭＰａ、または６０〜９０ＭＰａの圧力の水素により加圧され得るが、膜の低圧側は、例えば、高圧側の圧力よりも低い圧力、具体的には１ＭＰａよりも低い圧力、より具体的には０．１５〜０．６ＭＰａの圧力の水素を含んでいてよい。

圧力は、膜の様々な側面に接続された公知の機器により測定可能である。低圧チャンバがエネルギー変換器に接続されている場合には、圧力が、エネルギー変換器内の圧力よりも高いこと、例えば、少なくとも、エネルギー変換器が動作するために十分な水素流を生成するための圧力よりも十分に高いことが好ましい。典型的には、膜の低圧側とエネルギー変換器との間の圧力差が少なくとも１０ｋＰａであれば、十分であろう。

本発明の一部である、膜電極アッセンブリとも呼ばれるイオン伝導性膜は、様々な方法で製造可能である。概して、この方法には、第１の電極と、膜と、第２の電極と、適用可能な場合には支持構造体とを組み合わせることが含まれる。一実施形態では、膜電極アッセンブリは、次のように製造される。多孔性の支持体上に、層を堆積させて、第２の電極を形成する。この層は、こういった種類の材料を用いるための従来技術において公知の方法によって、例えば、スパッタリング法、堆積法、ＭＯＣＶＤ法、電気メッキ法、無電界メッキ法、印刷法、スプレーコーティング法、トランスファコーティング法などによって、堆積させることが可能である。その後、第２の電極の上に、膜を堆積させる。これを行う方法については、膜の性質に応じて異なる。一実施形態では、膜は、ｉｎ ｓｉｔｕで形成される。例えば、ペロブスカイトなどの無機電解物のｉｎ ｓｉｔｕ堆積によって、または、重合体層のｉｎ ｓｉｔｕ形成によって、形成される。

他の方法には、例えば、スプレーコーティング法、トランスファコーティング法、および、プラズマ重合体コーティング法が含まれる。その後、膜層の上に、第１の電極を、例えば、第２の電極について上記した方法のうちの任意の１つによって、堆積させる。

使用時には、本発明の一部であるイオン伝導性膜の高圧側と低圧側との間の水素圧力差は、大きくなり得る。これは、膜が、好ましくは、水素分子に対して制限された透過率を有していることを意味している。この制限された透過率は、少なくとも２つのイオン伝導性層を含む膜を用いることによって、得ることが可能である。ここで、少なくとも２つのイオン伝導性層のうちの少なくとも１つは、電気絶縁性であり、少なくとも２つのイオン伝導性層のうちの少なくとも１つは、導電性である。

この導電層は、膜の高圧チャンバ側に配置されており、電気絶縁層は、膜の低圧チャンバ側に配置されている。本発明のイオン伝導性膜では、高圧側と低圧側との間の水素圧力差により、水素分子が、膜を貫通することが生じる。本実施形態の膜は、水素分子に対する透過率が低い。理論に拘束されることを望まなければ、これは、次のメカニズムによって生じると、考えられる。

この膜の導電層の内部では、水素分子が反応して、陽子および電子を形成する。これらの陽子は、イオン伝導性膜を通って輸送される。電子は、この伝導層を通って、電極に戻るように輸送される。結果的に、この導電層内の局所的水素濃度は、これらの反応により、特定の場所において、著しく低減される。これらの場所は、さらなる水素分子のためのドレインを構成する。該さらなる水素分子も、同様に反応する。すなわち、このため、膜を貫通している水素分子を遮断することが引き起こされ、装置の効率に貢献する。装置が使用中である場合には、導電層は、水素分子が膜を通って転移することに対するバリアとして機能する。本明細書の意味するところでは、イオン伝導性層とは、イオン伝導率、特に陽子伝導率が、少なくとも０．０１Ｓ／ｃｍである層をいう。電気絶縁層とは、電気絶縁耐力が少なくとも１０ｋＶ／ｍｍである層をいう。導電層とは、電気絶縁耐力が１０ｋＶ／ｍｍよりも少ない層をいう。

絶縁層を製造するために使用可能な材料には、上述した材料が参照される。必要に応じて、電気絶縁層は、スペーサ粒子、すなわち、層が所定の厚みを有することを確保することに役立つ粒子を含む。これは、電気絶縁層が極めて薄くてよく、例えば０．１〜１０ミクロンの領域であってもよいため、重要である。電気絶縁層は、薄すぎる区域を含んでいてはならない。これは、層の絶縁耐力に悪影響を与えるからである。０．１〜１０ミクロンの寸法のスペーサ粒子を使用することによって、電気絶縁層が局所的にも規定の値より薄くならないことが確保される。スペーサ粒子の使用は、従来技術において、公知である。

機械的強度および耐久性のような特性を向上させるために、膜は、例えばＳｏｌｕｐｏｒ（登録商標）のような重合体から成る、ファイバ、多孔性のフィルム、若しくは層によって、または、シリカなどの補強粒子によって補強されていてよい。必要に応じて、補強材料またはスペーサ材料を使用する場合には、これらは、膜層との適合性を向上させることを確保するために、前処理されてもよい。

膜の様々な層の、水素分子に対する透過率は、可能な限り低くなければならない。概して、これは、膜層が、非多孔性であることを意味している。もし、１つ以上の膜層内に孔が存在するならば、この孔は、水素分子に対する透過率にほとんど影響がないような構造をしている必要がある。これは、一般に、孔の構造が非連続的であり、任意の孔が、膜層の直径よりもはるかに短い直径を有していることを意味している。

一実施形態では、膜のイオン伝導性且つ導電性の層は、導電性充填材が中に分散された、イオン伝導性マトリクスを備えている。イオン伝導性マトリクスは、例えば、重合体マトリクスである。好適な重合体は、絶縁層について上述した重合体である。

導電性充填材は、粒子状の導電性材料、例えば炭素を含む。充填材の量は、充填材が、重合体マトリクス内に粒子の伝導ネットワークを形成するように、選択される必要がある。充填材の量が少なすぎると、粒子のネットワークが形成されず、層の導電率に悪影響する。他方、充填材の量が多すぎると、イオン伝導性マトリクスの量は少なくなりすぎ、層のイオン伝導性に影響する。

さらに、充填材の量が多すぎると、マトリクスの量が少なくなり、連続的な膜層を得ることは困難になる。これにより、水素分子に対する透過率が上昇し得る。充填材の適切な量は、マトリクスの性質、充填材の導電率、および、その粒径および粒子の形状に依存している。好適な充填材には、炭素ナノチューブおよび炭素粒子といった炭素材料が含まれる。好適な炭素材料の例としては、Ａｋｚｏ Ｎｏｂｅｌ社のＫｅｔｊｅｎＢｌａｃｋ（登録商標）ＥＣ ６００、またはＣａｂｏｔ社のＶｕｌｃａｎ（登録商標）が挙げられる。イオン伝導性導電層を上記のものに基づいて形成することは、当業者の範囲内である。イオン伝導性導電層内の、水素分子から陽子および電子への反応は、この層に存在する触媒的にアクティブな箇所によって、触媒される。これらの箇所は、例えばプラチナなどの幾つかの触媒が、電極から導電層に移動することによって、自動的に形成され得る。しかし、製造工程時に、触媒的にアクティブな材料を膜に組み込むことによって、故意に、形成させることも可能である。一実施形態では、これは、触媒的にアクティブな材料、例えばプラチナを、充填材の材料の上に堆積させることによって、行うことが可能である。

導電層の触媒部位の濃度は層の断面にわたって不均一とすることができる。濃度は、層の電極側でより低く、層の、電気絶縁層に隣接する側でより高くなっている。この実施形態では、陽子を生成する水素分子の反応は、電極から離れたところで起こる。これにより、水素分子を膜へ送る駆動力の生成が減少する。一つの実施形態では、導電層は、２つまたはそれより多い層から成り、外側の層すなわち膜の電極側の層は、表面からさらに離れた層が持つ量より少ない量の触媒活性物質を有している。触媒物質の量は、電極から離れるに従い増加する。

膜全体は、一般に２５ないし１０００ミクロンの厚さであり、なかでも特に５０ないし５００ミクロンである。導電層は一般に膜の全体の厚みの１ないし９９％を成す。より詳細には、導電層は、膜の実質的な部分を成すことが好ましい。電気絶縁層は、絶縁破壊強度が最大セル電圧より高い限りにおいて、相対的に薄い。

したがって、一実施形態では、導電層は、膜の全体の厚みの３０ないし９０％を成し、なかでも特に５０ないし８０％である。一実施形態では、膜のカソード側のイオン伝導性層は、膜のアノード側の導電層における触媒活性物質の濃度より高い濃度の触媒活性物質を有している。

本発明のさらなる実施形態では、イオン伝導性電気絶縁層は例えば、規則的または不規則な波や鋸パターンの形式の特徴を有する。あるいは、他の任意の、平坦でない特徴を有する。この実施形態の最重要点は、電気絶縁層上の電界の直接のイオンが、電気絶縁層の全表面にわたって、陽子の輸送方向に対して平行でなく対向するということを確実に行うことによって、膜を通しての陽子の輸送が改善されることである。

上記膜は、多層膜の製造技術で公知の方法にて製造できる。適する方法の例は、共押し出し成形（co-extrusion）、溶解一体成形（solution casting）、スロットダイコーティング、スライドコーティングなどである。例えば、膜は、表面上への適切な組成のポリマー溶液を連続的に一体成形することによって製造可能であり、例えば、膜、ロールである。また、次の溶液の適用の前に溶液を凝固させることもできる。

操作としては、イオン伝導性膜は、高圧の水素含有貯蔵タンクからの高圧の水素を供給される。操作としては、イオン伝導性膜の低圧側は、水素原料式のエネルギー変換器に接続されている。

本発明の動力システムのイオン伝導性膜部はまた、圧縮器としても用いることが可能である。例えば、再充電としては、低圧のチャンバから高圧のチャンバへ電流を導入する膜電極アッセンブリの上に電圧を印加することによって可能である。結果として、陽子は、低圧側から、陽子が水素分子を形成する高圧側へ移動する。

もしイオン減圧セルと燃料電池とが動作しない場合は、両側の圧力がバランスをとれるまで、高圧側から低圧側へ膜を通じて水素が拡散する可能性がある。拡散によるダメージを避けるためには、両側のうち一方についての要求される圧力レベルが回復するまで、低圧側から高圧側へ逆に水素をポンプで注入するようなやり方で、膜に動力をかければよい。

好ましい実施形態では、エネルギー変換器は、少なくとも１つの燃料電池を有する。通常、燃料電池は、積層して用いられ、水素の酸化によって機能する。例えばハイブリッド車のような燃料電池装置において、燃料電池、バッテリー、電力エレクトロニクス、電気エンジンが、熱を生成する。このような実施形態では、イオン伝導性膜は、熱せられた燃料電池の冷却剤の供給のための接続部と、冷却された燃料電池の冷却剤の排出のための接続部とを有しており、２つの電気的接続部と、高圧の水素供給接続部と、低圧の水素の低圧側への排出接続部とを有している。燃料電池により排出された熱は、本発明の動力システムに含まれるイオン伝導性膜により消費可能な熱エネルギーを効率的にバランスさせる。このように、全体の水素原料式の動力システムの熱管理の効率が向上する。イオン伝導性膜は、燃料電池を保護する、不純物フィルタとしても動作することができる。燃料電池は、ある不純物によって容易に汚染され不活性化する。

典型的な不純物は、アルゴン、窒素、ＮＨ_３、Ｈ_２Ｓ、ＣＯ、ＣＯ_２、水蒸気である。これらの不純物の蓄積を避けるためには、高圧の水素容器（タンク）は、しばしば、純粋な水素を流せばよい。あるいは、またはそれに追加して、イオン伝導性膜を、熱と加圧の組み合わせにて清掃してもよい。イオン伝導性膜を清掃するためには、低圧側から高圧側に電気回路を介して電流を誘導するとともに低圧側から高圧側に膜を介して陽子流を誘導するような電圧を、陽子伝導性膜に印加すればよい。任意であるが、高圧側は、減圧する、および／または、熱エネルギーを印加することもできる。清掃温度は、使用される材料に依存するが、２００℃の高温とすることができる。この温度にまでイオン伝導性膜を加熱するには、本発明における加熱・冷却接続部を用いることができる。加圧は、例えば、高い真空、例えば１００Ｐａより低い真空とすることができる。高圧側（チャンバ）における、加圧清掃条件に対する圧力を減少させるためには、高圧接続部を用いることができる。

動力システムが機械的エネルギーを生成するようにするためには、水素原料式の動力システムはさらに、燃料電池に電気的に接続された電気駆動部（電気駆動部列車（train）とも呼ばれる）を有してもよい。イオン伝導性膜により生成される電力を直接使うためには、膜を電気駆動部に接続しておけばよい。

しかしながら、代替として、エネルギー変換器は、水素原料式の燃焼機関とすることもできる。このような燃焼機関では、気体または液体の水素が注入され、燃やされ、それによって機械的エネルギーを供給する。また、燃料電池と燃焼機関の組み合わせも可能である。

熱案内器は、流体循環システムを有してもよい。例えば、熱エネルギーを膜に輸送するための、イオン伝導性膜の高圧側および／または低圧側を通る熱交換チャネルを有してもよい。熱は、液体冷却剤のような熱交換流体を介して排出されることができる。しかしながら、熱案内器は、水素駆動式のエネルギー変換器を、高い導電性材料で、圧力変換器に接続してもよい。

前に明らかにしたように、イオン伝導性膜は、高圧の水素容器と一体化されていてよく、さらに、イオン伝導性膜は、このような容器（タンク）によって十分に囲まれていてもよい。

さらなる実施形態では、水素原料式の動力システムは、圧力変換器とエネルギー変換器とに接続されている制御装置を有する。任意であるが、本発明の装置は、温度センサや圧力センサなどの一つまたはそれより多いセンサや、過流防止弁、圧力解除弁（ＰＲＤ）、ニードル弁などの一つまたはそれより多い弁や、流量絞り弁、高圧チャンバの水素ガスの温度を制御するための冷却フィン、また動力エレクトロニクスや制御エレクトロニクスを、一つまたはそれより多いイオン減圧セルの他にも有してもよい。

もし高圧チャンバの圧力が低圧チャンバの圧力より低い圧力にまで突然低下したら、膜上の圧力方向が突然変化する。この結果、膜電極アッセンブリがはがれ落ちたりイオン減圧セルが修理不能なダメージを受けたりする危険が生じる。これを避けるためには、高圧チャンバと低圧チャンバとの間に圧力解放弁を設けることができる。この弁は、低圧チャンバの圧力が高圧チャンバの圧力を超えると開く。

所望であれば、多重減圧セルを直列に電気的に接続してもよい。直列接続することにより、出力電圧が、セルの数だけ増える。高電圧は、低電圧に対し、同じ電力出力において、高電圧状況のための伝送線と電力エレクトロニクスとのロスが、低電圧状況のロスよりも小さいという利点がある。いくつかの直列接続方法が可能であり、モノリシック直列接続や、離散型直列接続などがある。もしモノリシック直列接続を使うのであれば、少なくとも部分的に電気的に非導電性の支持層を用いるべきである。

任意であるが、複数のイオン減圧セルを、直列に接続された積層として組み立てることができる。イオン減圧セルの動作中、状況は持続的に変化する。例えば、燃料電池の車、船、飛行機の燃料タンクがちょうど満たされれば、圧力は高く、例えば８０ＭＰａとなる。燃料電池車の動作中に、水素が消費され、圧力が減少し、イオン減圧セルの陽子の駆動力が減少する。また、温度は一般的に、一定ではない。イオン減圧セルの電圧と電流とは、例えば、ＤＣ／ＡＣ変換器やＤＣ／ＤＣ変換器や、電圧と電流とを制御可能な他の装置で制御することができる。これは、電圧と電流とを最大エネルギー効率に最適化するのに用いることができる。または、所望であれば、温度と圧力の相違の全範囲にわたって最大電力に最適化するのに用いることができる。

本発明は、輸送装置をも提供する。例えば、上述の水素原料式の動力システムが設けられた車、船、飛行機である。特に自動車への応用において、本動力システムは、化石燃料で駆動されるユニットに対する代替物である。この動力システムは、バス、トラック、乗用車、船、飛行機などの乗り物のための動力システムとして用いることができる。本発明は特に、高圧の水素貯蔵タンクと一つまたはそれより多い燃料電池とを有する乗り物での使用に好適であり、このタンクでは、水素は、少なくとも１ＭＰａの圧力であり、特には２ＭＰａないし２００ＭＰａであり、さらに特には２０ＭＰａないし１００ＭＰａである。本発明のイオン減圧セルは、水素貯蔵タンクと燃料電池との間で適用される。本発明に係るイオン減圧セルの使用により、加圧された水素から引き離されるエネルギーは、自動車の動作半径が２０％も増加可能な程度にまで増加する。また、燃料効率は約２０％増加する。しかしながら、本発明の一部としてのイオン伝導性膜は、水素が減圧されるすべての応用に適用可能である。

本システムの動力ユニットは、自動車の駆動システム以外にも応用できる。本発明はまた、特許請求される水素原料式の動力システムが設けられた独立型電力ユニットをも提供する。このような独立型のユニットの例は、緊急状況、軍事応用、船、キャンピングカーなどのためのバックアップ電力ユニットである。

本発明はまた、以下のステップを有する、水素原料式の動力システムの使用方法をも提供する。すなわち、
Ａ）供給される高圧の水素を、イオン伝導性膜減圧器を介して少なくとも部分的に減圧するステップと、
Ｂ）減圧された水素を用いて、水素原料式のエネルギー変換器を駆動するステップと、
Ｃ）水素原料式のエネルギー変換器からイオン伝導性膜減圧器へ熱を供給するステップと、
Ｄ）水素の減圧の結果としてイオン伝導性膜によって供給される電力を利用するとともに、エネルギー変換器から動力を利用するステップとを有する方法である。さらに、イオン伝導性膜に給電することによって、動力を生む低圧の水素を減圧器によって圧縮するのを停止させることもできる。エネルギー変換器を水素から清掃すると、より安全なだけでなく、例えば燃料電池の寿命を最適化するのにも非常に有益である。このような使用のためには、イオン伝導性膜に電圧を印加する。このポンプ作用は、例えば燃料電池ハイブリッド車、船、飛行機など、燃料電池の応用物の起動時に有益である。この方法のさらなる利点としては、本発明の動力システムに関連して述べられた利点が参照される。

本発明はまた、以下のステップを有する、上述の水素原料式の動力システムの高圧の水素容器の充填方法をも提供する。すなわち、
Ｘ）イオン伝導性膜減圧器の低圧側に、水素を有するガスを供給するステップと、
Ｙ）イオン伝導性膜に給電することにより、イオン伝導性膜減圧器を逆に駆動するステップと、
Ｚ）圧縮された水素を高圧の水素容器に貯蔵するステップとを有する方法である。この状況では、イオン伝導性膜は、圧縮に用いられるだけではなく、ガス混合物から水素をフィルタ処理するのにも用いられる。実質的にわずかな水素を含むガス混合物しか利用できない場合に、本発明の水素原料式の動力システムは、水素容器を再度充填するのに用いることができる。水素容器の充填のオプションは、例えば、自然ガス供給（水素含有量が透過して圧縮されることができる）の利用や、水、熱化学水処理および／または生物学的水素生成（例えば藻や微生物による）の局所的電解装置の利用である。

本発明は、さらに、以下の図面に示される、非限定的な実施例に基づいて説明される。ここでは、
図１は、本発明のイオン減圧セルを示す図である。
図２は、図１の装置の断面を示す図である。
図３は、図１の装置の部分的な縦断面を示す図である。
図４は、図１のイオン減圧セルの膜電極アッセンブリと低圧チャンバとの断面を示す図である。
図５は、本発明の高圧の容器の概略的な縦断面を示す図である。
図６は、本発明の第２実施形態の高圧の容器の概略的な縦断面を示す図である。
図７は、図６の容器の積層セルの概略的な断面を示す図である。
図８は、図７のセルの平面図である。
図９は、本発明のイオン減圧セルを用いる液化水素ガスを用いる概略的な構成を示す図である。
図１０は、本発明のイオン減圧セルの冷却システムの断面を示す図である。
図１１は、本発明のイオン減圧セルの代替の冷却システムの断面を示す図である。
図１２は、本発明のイオン減圧セルの代替の冷却チャネルの構成を示す断面図である。
図１３は、本発明のイオン減圧セルのさらなる代替の冷却チャネルの構成を示す断面図である。
図１４は、本発明の水素原料式の動力システムの概略図である。

図１は、例えば自動車の燃料電池のための、高圧水素タンク１を有する本発明に係るイオン減圧セルを示す。典型的には、このような水素圧力タンクは、およそ２メートルの長さとおよそ０．４ないし０．５メートルの径を有する。タンク１は、半球状の端部３，４をかぶせられた円筒形本体２を有する。端部３のうちの一つは、様々な接続のために設けられた接続ブロック６で栓をされた開口部５を有する。これについては後述する。タンク１の内部は、加圧された水素Ｈ_２を有する高圧チャンバ７を形成している。タンク１内部では、膜チューブ１０が、一つの端部４から対向する端部３まで、円筒形本体２と同軸となるように延びている。膜チューブの外径はおよそ２０ｍｍである。図４にその詳細を示すように、減圧チューブは、機械的に硬くて圧力に抵抗性のある管状壁１２に囲まれた、中央の低圧チャンバ１１を有する。この管状壁１２は、少なくとも、低圧チャンバ１１の圧力と圧力タンク１の圧力との間の圧力差に耐える。この管状壁１２は、例えば、スチールグレード３１６などのステンレス鋼でできている。この管状壁１２には、径方向に延びる孔１３が設けられている。この管状壁１２は、その外側表面で、１ミクロンより大きい孔を有するマクロ孔支持層１４でコーティングされている。この支持層は、金属コーティングされている。例えば、スラリーディッピング法や焼結で金属コーティングされる。そして、例えば、平均するとおよそ１ｍｍの層厚みを有することができる。このマクロ孔支持層１４の最上部には、１ミクロンより小さい孔を持つ、金属コーティングの、焼結されたミクロ孔支持層１５が形成されている。このミクロ孔支持層の最上部には、例えば真空スパッタリングによって、第ＶＩＩＩ族金属のカソード層１６が形成されている。スパッタリング処理のときに、このチューブが回転し、均一なコーティング厚みが得られる。この孔カソード層１６は、好適な触媒を含有し、電子同様、陽子に対しても伝導性がある。この目的のために、カソード層１６は、例えばプラチナ、パラジウム、パラジウム合金の層とすることができる。このカソード層の厚みは１ないし３ミクロンである。このカソード層の最上部には、孔が無く、陽子伝導性を持つ、電気絶縁膜層１７が形成されている。電気絶縁膜層１７は、例えば、１００ないし１００００ミクロンの範囲の平均の層厚みを持つ、セラミックやポリマー材料で出来ている。この電解膜１７の最上部には、およそ２ミクロンの厚みでアノード層１８がスパッタされている。アノード層は、例えば、パラジウムやパラジウム合金とすることができる。アノード層１８には、電気受容器の無い銅メッキタンクにて、銅のグリッド１９が形成されている。

膜チューブ１０の外側端部２０，２１は、端の壁によって閉じられている。外側端部２０は、接続ブロック６に保持されている。この外側端部における端の壁２２は、低圧チャンバ１１から、例えば、接続ブロックにおける開口部２３を介して自動車の燃料電池へと、減圧された水素ガスを排出する排出ラインに動作可能に接続された排出開口部を有している。排出ラインは、弁（図示せず）で閉めることができる。接続ブロック６はさらに、高圧水素供給ラインへの接続のための吸入口２４を有し、アノード層およびカソード層１６，１８を電子回路にそれぞれ接続するための電気接続部２５を供給している。任意であるが、接続ブロック６は、温度センサや圧力センサなどの一つまたはそれより多いセンサや、過流防止弁、圧力解除弁（ＰＲＤ）および／またはニードル弁などの一つまたはそれより多い弁や、流量絞り弁、高圧チャンバの水素ガスの温度を制御するための冷却フィン、また動力エレクトロニクスや制御エレクトロニクスを有してもよい。

圧力変化や温度変化により、膜チューブ１０の長さが、高圧タンク１の長さに比べて、時間とともに変化することがある。これを補償するために、接続ブロック６に接続された外側端部に対向する膜チューブ１０の外側端部が、スライド固定物（図示せず）によって支持される。

図１ないし図４の実施形態では、高圧タンク１は、ただ一つの膜チューブ１０を有する。他の実施形態では、２つまたはそれより多い膜チューブ１０を使用可能である。例えば、平行するような構成とすることができる。例えば、一つの中央の減圧チューブ１０が、高圧タンク１内に同軸上に配置され、５個または６個の等距離に配置された減圧チューブ１０によって囲まれる。これは、例えば、同じ径とすることができる。

図５は、４つの車輪３１を有するハイブリッド燃料電池自動車３０の底面を概略的に示す。各車輪３１は電気モータ３２によって直接駆動される。各電気モータ３２は制御ユニット３３を有する。自動車３０はさらに、加圧された水素ガスの供給のための充填ニップル２９を備えた高圧水素タンク３４を有する。高圧水素供給ライン３５は、電気化学セル３６に通じている。電気化学セル３６は、供給ライン３５に動作可能に接続された高圧チャンバ３７と、低圧チャンバ３８とを有する。高圧チャンバ３７と低圧チャンバ３８とは、電気絶縁性の、陽子伝導性膜４０を有する膜アッセンブリ３９によって分離されている。膜４０は、水素Ｈ_２を陽子と電子とに変換するのを触媒する触媒的に効果のある材料を有する導電性の陽子伝導性層のアノード層４１でコーティングされた、高圧チャンバ３７における表面を有する。膜４０の他の表面は、陽子と電子とを水素Ｈ_２に変換するのを触媒する触媒的に効果のある材料を有するカソード層４２でコーティングされている。供給ライン４３を介して、低圧チャンバ３８にて回復した水素ガスが、燃料電池積層４４に輸送される。供給ライン４３は、低圧下での水素ガスの供給のための低圧充填ニップル２８に接続されている。燃料電池積層４４は、水素ガスの酸化から電気が生成する直列の燃料電池を有する。電流が、電気化学セル３６から、ＤＣ／ＤＣまたはＤＣ／ＡＣ変換器４６を介して引き離される。電気回路４９は、電流を、バッテリー管理システム５１を有するバッテリー５０に輸送し、さらに、電気モータに輸送する。電気回路４９には、ＡＣ／ＤＣ変換器５３を介して電力を供給するためのチャージプラグ５２が設けられている。これは、低圧チャンバ３７から高圧チャンバ３８へ陽子を返すのを誘導する電気化学セル３６の膜４０上の電圧を生成する。

図６は、本発明の高圧容器１００を示す。容器１００は、例えば８００ＭＰａの圧力下で、加圧された水素ガスで充填される。容器１００は、イオン減圧セル１０３の積層１０２で塞がれる出口１０１を有する。積層１０２の最上部にはカバープレート１０４がある。カバープレート１０４は、例えばタイ・ロッドや心体など（図示せず）を用いて、圧力容器１００内に固定される。管状の低圧チャンバ１０５が、積層１０２内で中央に配置されるとともに、容器１００と同軸に配置されている。

図７は、イオン減圧セル１０３の一つをより詳細に示す断面図であり、矢印はそれぞれ、Ｈ_２としておよび陽子としての水素の流れを示している。各セル１０３は、高圧容器内部１１２に対向する外側周囲１１１と、低圧チャンバ１０５の軸部分を形成する内側開口部１１３とを有する。セル１０３は、開口部１１３から外側周囲１１１まで延びるアルミホイル基底層１１５を有する。基底層１１５の最上部には、開口部１１３から外側周囲１１１から少し離れた部位まで延びる、多孔質のアルミニウムの層１１６がある。この層１１６は、高圧容器内部１１２から多孔質層１１６を封止するアルミニウムの封止部１１７をかぶっている。多孔質層１１６の最上部には膜電極アッセンブリ１１８がある。膜電極アッセンブリ１１８は、アノード表面１２０とカソード表面１２１の間に挟まれたおよそ２５ｐｍの陽子伝導性膜１１９を有する。アノード表面１２０とカソード表面１２１はどちらもおよそ１μｍの厚みを有する。膜電極アッセンブリ１１８の線に沿い、また封止部１１７の最上部に、圧力容器内部１１２から膜電極アッセンブリを封止する封止片１２２がある。膜電極アッセンブリ１１８と封止片１２２との最上部には、銅合金の多孔質層１２３がある。膜電極アッセンブリ１１８と多孔質銅合金層１２３とは、高圧ガスケット１２４によって、中央の開口部１１３から封止されている。ガスケット１２４と銅合金層１２３とは、圧力変化を補償するためにいくらかの圧縮率を示す。アルミニウムホイル基底層１１５は、開口部１１３の周りに襟１２５を有する。襟１１５は、ガスケット１２４の内径に堅く適合する外径を有する。セル１０３の水素の流れは矢印Ｈで示されている。圧力がおよそ８０ＭＰａという高さが可能な高圧容器内部から、水素ガスが多孔質銅合金層１２３へ流れ込み、そこでは、水素は、アノード表面１２０に接触する。アノード表面では、水素ガスは、上述のようにして電子と陽子とに分解される。陽子は、陽子伝導性膜１１９を通り、カソード表面１２１へ入り、そこでは、陽子は、より下方のセル１０３のアノード層から来る電子と再結合し、Ｈ_２水素ガスとなる。再結合した水素ガスは、多孔質層１１６を通って開口部１１３へ移動し、そこでは、水素排出チャネルが規定されている。これは図７を参照して後述する。外部の電気回路（図示せず）が、最も下方のセル１０３のカソード表面に、積層１０２の上方のセル１０３のアノード表面を接続する。このようにして、例えばＤＣ／ＤＣまたはＤＣ／ＡＣ変換器または他のタイプの電気負荷を有することができる電気回路を通じて、電流が生成される。

図８は、セル１０３の平面図である。開口部１１３を通って、円筒形状の外側チャネル壁１３０と、それと同軸上に、同じく円筒形状の、内側チャネル壁１３１が走っている。外側チャネル壁１３０は、アルミニウム合金などの熱伝導性材料でできている。チャネル壁１３０には、セル１０３の多孔質アルミニウム層１１６から水素ガスの通過を許可する、ドリルで穴をあけられた開口部１２９が設けられている。チャネル壁１３０の外側表面には、熱伝導性を有する一方で、積層されたセルの間の短絡を防ぐために電気絶縁性の層が設けられている。外側チャネル壁がアルミニウム合金で出来ている場合は、電気絶縁性の外側表面は、例えばアノード処理などでの酸化アルミニウムの形成によって得ることができる。内側チャネル壁１３１は、高い熱伝導性の材料である。スペーサ１３２が、外側チャネル壁１３０と内側チャネル壁１３１との間の距離を維持している。図では、スペーサ１３２は径方向に延びている。あるいは、スペーサ１３２は、２つのチャネル１３０，１３１と弾力のある接続を行うために、径方向から角度が付いた方向に延びてもよく、これにより、温度・圧力の変化による寸法の不安定さを補償することができる。２つのチャネル１３０，１３１は、２つの軸チャネル１３４，１３５を規定する。水素ガスが、多孔質アルミニウム層１１６から外側チャネル壁１３０を通って外側チャネル壁１３４へ移動する。内側チャネル１３５は、積層１０２のカバープレート１０４のすぐ下のチャネル１３５の容器最上部の外側から、熱交換液体を案内するための熱交換チャネルを有する。ポリマー材料などの低い熱伝導性を有するチャネル壁１３７により規定された返却チャネル１３６が、内側チャネル１３５を通っている。

水素が高圧容器１００からセル１０３を通って低圧チャネル１３４に移動するときに、水素は膨張し、実質的に温度が下がる。セル１０３での電気化学的処理は熱エネルギーを要するので、外部から熱を供給するのが好ましい。この目的のために、液体などの熱交換媒体を用いることができ、好ましくは、高圧容器が機能の一部を形成している乗り物や装置の、関連する熱生成部の冷却システムから来る、加熱された冷却液を用いることができる。液体は、内側チャネル１３０に沿って運ばれ、そこではセル１０３へ熱を分散させる。液体がカバープレート１０４に達するまでに、液体は、冷却され、返却チャネル１３６に入り、そこでは、排出される。すなわち、冷却される必要のある熱生成部へ戻る。

図８に示す積層１０２は正方形の輪郭を有する。所望であれば、例えば円形の輪郭など、他の任意の好適な形状を採ることができる。長方形は、材料のロスをより少なくして積層を製造できるという利点がある。

図１または図６に示す装置は、液化水素ガスとともに用いることもできる。例えば、図９に示す構成とすることができる。液化水素の貯蔵のための貯蔵容器１５０は、弁１５２を有する液体水素供給器１５１に結合され、また、液体水素排出ライン１５３に結合されている。このライン１５３は、液体水素を２つの平行な水素蒸発器１５５に輸送するための適切な構成の弁１５４を有する。蒸発器１５５では、液体水素は、加圧された水素ガスに変形され、適切な構成の弁１５７を有する水素ガスライン１５６を通って、本発明の減圧容器１５８、例えば、図１または図６に示す容器へ輸送される。

減圧された水素はその後、減圧容器から、供給ライン（図示せず）を通り、燃料電池１５９へ輸送される。蒸発器１５５内の液体水素の蒸発により実質的に温度が下がる。蒸発器１５５の外側に沿って螺旋状の熱交換チャネル１６０を通って冷却媒体が輸送される。蒸発器を通った後、冷却された冷却媒体は、ポンプ１６１によって、チャネル１６０を介し、燃料電池１５９へポンプ輸送され、そこでは、冷却された冷却媒体は、燃料電池１５９により生成した熱を吸収する。加熱された冷却媒体はその後、減圧容器１５８へ輸送される。減圧容器１５８では、上述したように、高圧チャンバから低圧チャンバへ水素ガスが移動するときに膨張することによって熱が失われる。冷却媒体は、燃料電池１５９から減圧容器１５８へ熱を輸送し、そこでは、熱は、そこに含まれる水素の温度を、減圧処理に最適なレベルに維持するのに用いられる。冷却剤はその後、蒸発器１５４の周りの螺旋状の冷却チャネル部に返却され、そこで冷却剤は、余熱を分散させ、さらに冷却され、その後、燃料電池１５９に冷却剤として返却される。

図１０は、高圧容器に用いられる管状のイオン減圧セル１７０の断面を概略的に示す。イオン減圧セル１７０は、高圧に耐える円筒形状のチャネル壁１７１を有する。このチャネル壁は、このチャネル壁１７１により閉じ込められた低圧チャンバ１７３へ、減圧された水素ガスを通すための開口部またはパーフォレーション１７２を有する。チャネル壁１７１はマクロ多孔質層１７５でコーティングされ、このマクロ多孔質層１７５はミクロ多孔質層１７６でコーティングされ、両方の同心円状の層は、水素ガスを浸透させる。ミクロ多孔質層１７６はカソード層１７７でコーティングされ、カソード層１７７は非多孔質の陽子伝導性かつ電気絶縁性の膜１７８でコーティングされ、この膜１７８は多孔質のアノード層１７９でコーティングされている。アノード層１７９の外側には集電グリッド１８０が設けられている。低圧チャンバ１７３内には、効率的な温度制御を行うため、また、減圧処理を最適化するために、管状のチャネル壁１８２により規定される、４つの冷却チャネル１８１が設けられている。

代替として、あるいは追加として、圧縮／減圧器（de/compressor）の外側表面に、例えば図１１に示すような熱交換チャネルを設けることもできる。ここでは、両実施形態に同じ部材には図１０で用いているのと同じ部材番号を付す。この場合、圧縮／減圧器１８４のカソード層１７９は、集電層１８５でコーティングされる。高圧チャンバ内の加圧された水素を所望の温度に維持するために、イオン圧縮／減圧セル１８４の高圧側に熱交換チャネル１８６が設けられている。

図１２と図１３は、例えば図１や図５に示すような本発明のイオン減圧セルに用いられる押し出し（extruded）側面を示す。使用時には、この側面は、膜電極アッセンブリやそのようなアッセンブリの積層（図示せず）で囲まれる。図１２では、押し出し側面２００は、高圧に耐えられる管状の側面であり、アルミニウム合金で出来ている。管状の側面２００は、ドリルであいた複数の穴または開口部２０２（図では一つだけ示す）を備えた外側シリンダ２０１を有する。外側シリンダ２０１に関して同軸の構成の内側管状チャネル壁２０４を保持するために、４つの直交するスペーサ２０３が内側へ延びている。

４つの、より大きい、内側に延びるスペーサ２０５が、ポリマー材料などの熱伝導性の低い材料の、より小さいチューブ２０６を保持している。各スペーサ２０５は、２つのスペーサ２０３の間に、等間隔で配置されている。ポリマーチューブ２０６は、冷却された熱交換液体の返却チャネル２０７を形成している。ポリマーチューブ２０６と内側管状チャネル壁２０４との間の内側同軸チャネル２０８は、熱交換液体の供給チャネルを形成している。内側同軸チャネル２０８は、スペーサ２０５によって４つの平行で等しいチャネル部２０９に分割されている。外側円筒壁２０１と内側円筒壁２０４との間では、外側同軸チャネル２１０が、スペーサ２０４，２０５によって８つの等しい平行なチャネル部２１１に分割されている。これらのチャネル部２１１は、減圧された水素ガスの再収集のための低圧チャンバのためのものである。

図１３は、図１２に示す変形例に似た変形例を示している。同じ部分には同じ部材番号を用いる。この実施形態では、スペーサ２０５は、スペーサ２０３と同じ長さである。ポリマーチューブ２１５は、内側円筒壁２０４の内部に嵌っている。このチューブ２１５とポリマーチューブ２０６との間には、ポリマーチューブ２０６によって閉じ込められた返却チャネル２０７を介して返却される熱交換媒体のための供給チャネル２１６がある。

図１４は、本発明の一実施形態の水素原料式の動力システム２１０の概略図である。水素原料式の動力システムは、高圧Ｈ_２容器２１１と、水素駆動式のエネルギー変換器２１３（燃料電池）とを備える。水素駆動式のエネルギー変換器２１３は、水素ガスの圧力変換器２１２（圧縮器または減圧器）を介し、水素供給パイプ２１４を用いて、高圧Ｈ_２容器２１１に接続されている。圧力変換器２１２はまた、熱案内器２１５（例えばエネルギー変換器２１３の冷却回路）２１５によっても、エネルギー変換器２１３に接続されている。図示した水素原料式の動力システム２１０にはまた、電気エネルギー貯蔵庫２１６（バッテリー／スーパーキャップ（supercap）システム）が設けられている。圧力変換器２１２、エネルギー変換器２１３、電気エネルギー貯蔵庫２１６はすべて、電気配線２１７を用いて、ＤＣ／ＤＣおよび／またはＤＣ／ＡＣ変換器２１８を介して、電気駆動モータ２１９に接続されている。電気配線２１７では、ＤＣおよび／またはＡＣバス２２０が一体化されている。

本発明のイオン減圧セルを示す図である。 図１の装置の断面を示す図である。 図１の装置の部分的な縦断面を示す図である。 図１のイオン減圧セルの膜電極アッセンブリと低圧チャンバとの断面を示す図である。 本発明の高圧の容器の概略的な縦断面を示す図である。 本発明の第２実施形態の高圧の容器の概略的な縦断面を示す図である。 図６の容器の積層セルの概略的な断面を示す図である。 図７のセルの平面図である。 本発明のイオン減圧セルを用いる液化水素ガスを用いる概略的な構成を示す図である。 本発明のイオン減圧セルの冷却システムの断面を示す図である。 本発明のイオン減圧セルの代替の冷却システムの断面を示す図である。 本発明のイオン減圧セルの代替の冷却チャネルの構成を示す断面図である。 本発明のイオン減圧セルのさらなる代替の冷却チャネルの構成を示す断面図である。 本発明の水素原料式の動力システムの概略図である。

Claims (19)

1. 高圧の水素容器と、
   上記水素容器に接続された少なくとも１つの水素駆動式のエネルギー変換器と、
   上記水素容器とこれより低圧の上記エネルギー変換器との間に配置され、イオン伝導性膜を有する、水素ガスの圧力変換器と、
   熱伝導性流体の循環を制御することによって上記エネルギー変換器の熱エネルギーを上記イオン伝導性膜に輸送するための、上記イオン伝導性膜の高圧側および／または低圧側を通る熱交換チャネルを有する流体循環システムを有している熱案内器とを有することを特徴とする水素原料式の動力システム。
2. 上記圧力変換器が、水素ガスの減圧によって電力を生む減圧器であることを特徴とする請求項１に記載の水素原料式の動力システム。
3. 上記圧力変換器が、電気駆動式の減圧器として利用可能であることを特徴とする請求項１または２に記載の水素原料式の動力システム。
4. 上記圧力変換器が、水素ガスの減圧によって電力を生み、
   上記圧力変換器が、上記圧力変換器での水素ガスの減圧によって生成した電力を貯蔵するバッテリーパックに接続されていることを特徴とする請求項１に記載の水素原料式の動力システム。
5. 上記エネルギー変換器が、少なくとも１つの燃料電池を有することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の水素原料式の動力システム。
6. 上記燃料電池に電気的に接続された電気駆動部を有することを特徴とする請求項５に記載の水素原料式の動力システム。
7. 上記イオン伝導性膜が上記電気駆動部に電気的に接続されていることを特徴とする請求項６に記載の水素原料式の動力システム。
8. 上記燃料電池が、複数の燃料電池素子の積層であることを特徴とする請求項５ないし７のいずれか１項に記載の水素原料式の動力システム。
9. 上記エネルギー変換器が、水素原料式の燃焼機関であることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載の水素原料式の動力システム。
10. 液体水素を蒸発させて温度が下がり、上記熱交換チャネル（１６０）を介して上記熱伝導性流体を冷却する蒸発器（１５５）を備え、冷却された上記熱伝導性流体が上記流体循環システムによって上記エネルギー変換器（１５９）へ輸送されることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１項に記載の水素原料式の動力システム。
11. 上記圧力変換器が、水素ガスの減圧によって電力を生む減圧器としても、電圧を印加されて陽子から水素分子ガスを形成する圧縮器としても働くことを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の水素原料式の動力システム。
12. 上記イオン伝導性膜が、上記高圧の水素容器と一体化されていることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の水素原料式の動力システム。
13. 上記圧力変換器と上記エネルギー変換器とに接続されている制御装置を有することを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の水素原料式の動力システム。
14. 上記熱伝導性流体が上記流体循環システムによってポンプ輸送されることを特徴とする請求項１ないし１３のいずれか１項に記載の水素原料式の動力システム。
15. 請求項１ないし１４のいずれか１項に記載の水素原料式の動力システムを備えたことを特徴とする輸送装置。
16. 請求項１ないし１４のいずれか１項に記載の水素原料式の動力システムを備えたことを特徴とする独立型電力ユニット。
17. 請求項１ないし１４のいずれか１項に記載の水素原料式の動力システムの使用方法であって、
    Ａ）供給される高圧の水素を、イオン伝導性膜減圧器を介して少なくとも部分的に減圧するステップと、
    Ｂ）減圧された水素を用いて、水素原料式のエネルギー変換器を駆動するステップと、
    Ｃ）水素原料式のエネルギー変換器からイオン伝導性膜減圧器へ熱を供給するステップと、
    Ｄ）水素の減圧の結果としてイオン伝導性膜によって供給される電力を利用するとともに、エネルギー変換器から動力を利用するステップとを有することを特徴とする方法。
18. イオン伝導性膜に給電することによって、動力を生む低圧の水素を減圧器によって圧縮するのを停止させることを特徴とする請求項１７に記載の水素原料式の動力システムの使用方法。
19. 請求項１ないし１４のいずれか１項に記載の水素原料式の動力システムの高圧の水素容器の充填方法であって、
    Ｘ）イオン伝導性膜減圧器の低圧側に、水素を有するガスを供給するステップと、
    Ｙ）イオン伝導性膜に給電することにより、イオン伝導性膜減圧器を逆に駆動するステップと、
    Ｚ）圧縮された水素を高圧の水素容器に貯蔵するステップとを有することを特徴とする方法。

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