JP5938035B2 - 燃料電池に酸素を供給するための塩素酸ナトリウム分解反応器を含む燃料電池を備えた電動乗り物 - Google Patents
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Description
（本発明の技術分野）
本発明は、少なくとも１つの乗り物前進用デバイス（車輪、コイル、タービン、ブレード、トラックチェーン）に作用することができる、少なくとも１つのモーターと、燃料電池と、水素供給用搭載システム及び純酸素供給用搭載システムによって提供される水素及び酸素に基づく、燃料電池用サプライ（供給装置）とを含む電動乗り物に関する。
本発明は、少なくとも１つの乗り物前進用デバイス（車輪、コイル、タービン、ブレード、トラックチェーン）に作用することができる、少なくとも１つのモーターと、燃料電池と、水素供給用搭載システム及び純酸素供給用搭載システムによって提供される水素及び酸素に基づく、燃料電池用サプライ（供給装置）とを含む電動乗り物に関する。
（技術の現状）
純粋な酸素及び水素で作動する燃料電池を利用する乗り物は、大気中の酸素で作動する燃料電池に対して、いくつかの利点を示す。これらの利点には、特に、次のような顕著な特徴：出力密度が高くなる点（コンパクト性）、燃料電池からのガスを制御するシステムが大いに単純化される点、燃料電池に流入するガスを加湿する必要がない点、所定の出力に対するコストが低減される点、システムの出力が高くなる点、空気圧縮機が省略される点、空気による汚染ガスが燃料電池に何ら導入されない点が含まれる。
純粋な酸素及び水素で作動する燃料電池を利用する乗り物は、大気中の酸素で作動する燃料電池に対して、いくつかの利点を示す。これらの利点には、特に、次のような顕著な特徴：出力密度が高くなる点（コンパクト性）、燃料電池からのガスを制御するシステムが大いに単純化される点、燃料電池に流入するガスを加湿する必要がない点、所定の出力に対するコストが低減される点、システムの出力が高くなる点、空気圧縮機が省略される点、空気による汚染ガスが燃料電池に何ら導入されない点が含まれる。
それでもやはり、幾つかの重大な不都合が残る。第１に、高圧純酸素タンクの搭載質量が比較的大きく、第２に、加圧ガスの使用は、ある程度のリスクがある。圧力が２００バールを超えると、ガスは極めて危険になるため、圧力を制限しなければならない。断熱的に圧力を減少する過程で、多くの材料は酸素に接触すると自然発火する。
本発明は、上記の様々な不都合を克服するための様々な技術的手段を提供する。
（本発明の説明）
先ず、本発明の第１の目的は、環境的及び経済的な乗り物を提供することにある。
先ず、本発明の第１の目的は、環境的及び経済的な乗り物を提供することにある。
本発明の別の目的は、高度な安全性をもたらす乗り物を提供することにある。
上記を実行するため、先ず、本発明は、
少なくとも１つの乗り物前進用デバイスに作用することができる、少なくとも１つの電気モーター；
燃料電池；
水素供給システムによって提供される水素に基づく燃料電池用サプライ（供給装置）；
を含む電動乗り物であって、
前記乗り物に搭載された純酸素供給システムを含んでおり、前記純酸素供給システムが、塩素酸ナトリウムタンクと、この塩素酸ナトリウムタンクと流通するように接触し、塩素酸ナトリウムの分解後に純酸素を燃料電池に供給するため、燃料電池に接続された塩素酸ナトリウム分解反応器と、塩素酸ナトリウムの分解によって生成する塩化ナトリウムの貯蔵タンクとを含むことを特徴とする電動乗り物を提供する。
少なくとも１つの乗り物前進用デバイスに作用することができる、少なくとも１つの電気モーター；
燃料電池；
水素供給システムによって提供される水素に基づく燃料電池用サプライ（供給装置）；
を含む電動乗り物であって、
前記乗り物に搭載された純酸素供給システムを含んでおり、前記純酸素供給システムが、塩素酸ナトリウムタンクと、この塩素酸ナトリウムタンクと流通するように接触し、塩素酸ナトリウムの分解後に純酸素を燃料電池に供給するため、燃料電池に接続された塩素酸ナトリウム分解反応器と、塩素酸ナトリウムの分解によって生成する塩化ナトリウムの貯蔵タンクとを含むことを特徴とする電動乗り物を提供する。
塩素酸ナトリウム（ＮａＣｌＯ3）分解反応器の使用により、発電する燃料電池に使用する酸素を、その位置で（in situ）生成し、最適な安全状況下で作動できるようにするには多くの予防策を必要とする、酸素の高圧貯蔵に関連した不都合を回避するため、乗り物（潜水艦、航空機、車、オートバイなど）に塩素酸ナトリウムを積むことができる。
水素は、技術の現状でよく知られているように、高圧でガスの状態で貯蔵し得る。この貯蔵方法は、十分に制御され、特別な困難は全くない。しかし、本発明の乗り物の好ましい実施態様では、高圧水素の貯蔵を避けるため、水素供給システムは、金属水素化物を利用して、実質的に低い圧力でガスを貯蔵するためのタンクを含んでおり、前記タンクは、燃料電池に水素を供給するため、燃料電池と流通するように接触している。
その結果、本発明から十分に利益を得るため、水の電気分解以外によって酸素を製造することを、好ましくは再検討すべきである。
塩素酸ナトリウム（ＮａＣｌＯ3）の分解生成物が、塩化ナトリウム又は食塩（ＮａＣｌ）及び酸素であることを言及する。食塩は、塩素酸ナトリウムを再生産するため、必要により再利用できる。酸素は、燃料電池に供給するために利用される。酸素は、無公害燃料であり、高い出力を提供し、第１に多量のエネルギーを産生する点、第２に乗り物が動いている環境に優しい点で貢献する。
有利な実施形態では、ＮａＣｌＯ3分解反応器は、（分解反応を生じさせるための）熱源に接続されている。
有利には、ＮａＣｌＯ3タンク及び水素タンクは、それぞれタンクに注入するため、外部供給源に接続できる注入管を含んでいる。
純酸素供給システムは、有利には、分解反応器に実質的に固体の状態でＮａＣｌＯ3を提供できるように設計されている。
有利な他の形態では、ＮａＣｌＯ3は、機械的供給システムによって（例えば、ウォームネジによって、又は重力によって）、反応器に供給される。
（図面の説明）
全ての実施詳細を、以下の説明の中で示し、添付する図１〜４によって補足する。これらは、非限定的な具体例の目的で単に示すものである。
全ての実施詳細を、以下の説明の中で示し、添付する図１〜４によって補足する。これらは、非限定的な具体例の目的で単に示すものである。
（本発明の詳細な説明）
図１は、乗り物１０の具体例を示し、その推進手段（この例では、車輪１２に組み込まれた電気モーター１１）は、燃料電池１３によって燃料供給される。燃料電池は、慣例的に水素及び酸素に基づいて作動する。燃料電池は、直流を生成でき、この直流は、ＤＣ／ＤＣコンバーター１５を介して２つのモーターに送電され、図示した乗り物の前輪に提供される。ＤＣ／ＤＣコンバーターは、燃料電池が提供する電圧を、モーターが必要とする電圧に調整できる。例えば、９０〜１５０Ｖの電圧を提供する電池の場合、コンバーターは、例えば、２５０〜３００Ｖの範囲にありうる値に増幅する。他の補充的な具体例では、乗り物の後輪に組み込まれたモーター、又は公知の変速手段に連結された単一のモーターも提供される。
図１は、乗り物１０の具体例を示し、その推進手段（この例では、車輪１２に組み込まれた電気モーター１１）は、燃料電池１３によって燃料供給される。燃料電池は、慣例的に水素及び酸素に基づいて作動する。燃料電池は、直流を生成でき、この直流は、ＤＣ／ＤＣコンバーター１５を介して２つのモーターに送電され、図示した乗り物の前輪に提供される。ＤＣ／ＤＣコンバーターは、燃料電池が提供する電圧を、モーターが必要とする電圧に調整できる。例えば、９０〜１５０Ｖの電圧を提供する電池の場合、コンバーターは、例えば、２５０〜３００Ｖの範囲にありうる値に増幅する。他の補充的な具体例では、乗り物の後輪に組み込まれたモーター、又は公知の変速手段に連結された単一のモーターも提供される。
燃料電池１３に提供される水素は、有利には、金属水素化物を貯蔵できるような実質的に低い圧力で水素タンク２１を含む、水素供給システム２０から供給される。この有利な貯蔵手段により、ガスの量を最適化でき、例えば、３〜１５バールにある比較的低い圧力で、多量の水素を貯蔵できる。金属水素化物を含む貯蔵システムは、本明細書の少し後の方で、より詳細に説明する。
水素管２２により、水素タンク２１を燃料電池１３に接続することができる。
燃料電池に提供される純酸素は、有利には、塩素酸ナトリウムタンク３１と流通するように接触して配置したＮａＣｌＯ3分解反応器３２から、輸送ライン３５によって輸送される。図３は、塩素酸ナトリウムタンク３１から反応器３２に塩素酸ナトリウムを供給できる手段の具体例を示す。この例では、２つの構成部材の間に介在したウォームねじ５０が、塩素酸ナトリウムタンク３１から塩素酸塩を粉末状の形態で取り出し、反応器３２に輸送するために利用される。他の実施形態（図示せず）では、塩素酸ナトリウムが、重力によって、塩素酸ナトリウムタンク３１のかなり下方に配設された反応器３２に輸送される。
搭載された塩素酸ナトリウムは、燃料電池からの酸素の要求に比例して、乗り物に取り付けられた反応器によって分解される。塩素酸ナトリウムの分解は、次の反応によって支配される：
ＮａＣｌＯ3＋「熱」→ＮａＣｌ＋３Ｏ2；
この反応は、吸熱反応であるので、搭載されたエネルギーを消費する；必要なエネルギーは、燃料電池によって産生される電気エネルギーから取り出される；しかし、この反応の出力はかなり高く、搭載されたエネルギーの全体のバランスは、かなり有利な状態にあり、燃料電池に酸素を供給するために燃料電池から取り出されるエネルギー負担は、あまり大きくない。
この反応は、吸熱反応であるので、搭載されたエネルギーを消費する；必要なエネルギーは、燃料電池によって産生される電気エネルギーから取り出される；しかし、この反応の出力はかなり高く、搭載されたエネルギーの全体のバランスは、かなり有利な状態にあり、燃料電池に酸素を供給するために燃料電池から取り出されるエネルギー負担は、あまり大きくない。
反応器３２の反応で得られる酸素は、酸素管３６を介して燃料電池１３に輸送される。本発明では、塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）が生成するとき、塩化ナトリウムを消散するよりもむしろ、乗り物に搭載し、塩化ナトリウム貯蔵タンク３７に貯蔵することにより、回収地点で排出管３８を介して排出したり、この産生物をあらゆる適切な形態で再利用することができる。このため、再利用ライン３９により、塩化ナトリウム貯蔵タンク３７に反応器３２を接続させる；塩化ナトリウムの輸送を確実にするため、例えば、ウォームねじ系を利用できる（図示せず）。
図２に示すように、乗り物１０がサービスステーション４０に接続されるとき、塩素酸ナトリウムタンク３１及び水素タンク２１は、一方で塩素酸ナトリウムが供給され、他方で水素が供給される。サービスステーション４０は、乗り物の注入管３３及び３４に接続するための２つの部位４１及び４２を備えている。また、サービスステーション４０は、乗り物の排出管３８に接続するための接続部４５を備えている。
サービスステーション４０は、少なくとも１つのＮａＣｌ電解槽を利用して、塩素酸ナトリウム及び水素を製造するように設計されている。さらに、サービスステーションには、電気分解反応を可能にするため、水、食塩及びエネルギーを供給しなければならない。サービスステーションで、塩素酸ナトリウム（ＮａＣｌＯ3）及び水素（Ｈ2）を製造するため、水と混合した食塩（ＮａＣｌ）を電気分解する。次のような化学反応により、そのことが説明される。
ＮａＣｌ＋３Ｈ2Ｏ＋６ｅ- → ＮａＣｌＯ3＋３Ｈ2
この反応により、気体状の水素と、３つの酸素原子を含む固体状の塩素酸ナトリウムとが生成することを言及する。従って、あらゆる制約が付随する圧縮タンクに頼ることなく、塩素酸ナトリウムを容易に蓄積できる。さらに、塩素酸ナトリウムは危険ではない。その結果、危険を伴わず、乗り物内で容易に塩素酸ナトリウムを輸送できる。有利には、水素の中間貯蔵タンク（水素保持タンク４３）及び／又はＮａＣｌＯ3の中間貯蔵タンク（貯蔵器４４）が、サービスステーションに提供される。また、サービスステーションは、接続部４５を介して乗り物から輸送される塩化ナトリウム用の第２の貯蔵器４５０、前記塩化ナトリウムの輸送を提供するための適切な技術的手段（ウォームねじ又は他の適切な手段）を有する全てのものを含んでいる。上記の保持タンク及び貯蔵器により、完全に自由に、より柔軟に、時々刻々と制約を与えることなく、水素及び塩素酸ナトリウムを製造できるようになる。サービスステーションの場合、水素の貯蔵制約は、乗り物上の貯蔵制約ほど厳しいものではない。従って、サービスステーションの水素保持タンクは、圧縮タンクであってもよく、又は乗り物のタンクと同様の水素化物のタンクであってもよいが、好ましくは、いくつかの乗り物の再充電に対応する容積を有するタンクである。公知の輸送手段は、例えば、ウォームねじを備えた管であり、上記の保持タンクから供給先の乗り物にＮａＣｌＯ3を供給することができる。
本発明で提供されるスキームでは、どの乗り物も塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）を製造するため、また、どのサービスステーションも塩化ナトリウムを消費するため、好ましくは、どのサービスステーションも、塩素酸ナトリウム（ＮａＣｌＯ3）の製造を目的として、塩化ナトリウムを再利用するため、乗り物に搭載され貯蔵された塩化ナトリウムを回収するための装置（図示せず）を利用できることが強調されるべきである。
水素を最適な形態で貯蔵するため、金属水素化物を含むタンクが、有利には、乗り物に搭載されて提供される。このようなタンクにより、金属化合物が水素スポンジとして作用する。結晶格子中に水素を吸収する特性を有する、金属及び金属アロイがいくつか存在する。タンクの注入の間、金属内を拡散する水素分子Ｈ2は、原子の形態Ｈで貯蔵される。分子結合が弱められ、熱の放出が起こる（発熱反応）。従って、注入の間、タンクを冷却できる冷却手段を提供することが有利である。図１の具体例では、充電時間があまり短くない場合、水素タンク２１に、十分な冷却が可能なフィン２３を取り付ける。より有効な冷却のため、液体ベースの冷却システムを提供し得る。
反対に、タンクから排出するため、水素原子が水素化物から脱離するとき、分子結合を再生成するため、エネルギー供給が必要になる。実行可能とするため、吸熱反応により、周囲環境からエネルギーを取り出すことが必要となり、その結果、タンクは冷却される。有利には、エネルギー供給により、水素の排出を最適化することができる。一旦、熱エネルギーで充電されたら、燃料電池の冷却水により、必要なエネルギーの一部又は全部を提供することができる。
最もよく知られた金属水素化物は、ＦｅＴｉＨ1.7、ＬａＮｉ5Ｈ6、ＭｇＨ2及びＭｇ2ＮｉＨ2である。
タンクに貯蔵される水素の単位容積当たりの質量は、明らかに、このような金属水素化物のタンク構造の最大の利点の１つである。貯蔵される水素の容積当たりの質量は、６０ｇ／ｌ〜１３０ｇ／ｌにある。比較すると、複合材料（例えば、炭素繊維樹脂）で構成されたタンク中の３５０バールでの圧縮水素は、２５ｇ／ｌの密度を有する。液体水素の場合、７１ｇ／ｌが得られる。このことは、金属水素化物の技術により、少量の容積で多量の水素を貯蔵できることを意味する。
Claims (7)
- 少なくとも１つの電動乗り物前進用デバイス（１２）に作用することができる、少なくとも１つの電気モーター（１１）；
燃料電池（１３）；及び
金属水素化物を含む水素タンク（２１）からなる水素供給システム（２０）によって供給された水素に基づく燃料電池用サプライ；
を含む電動乗り物（１０）であって、
前記電動乗り物は、その内部に搭載された純酸素供給システム（３０）を含んでおり、前記純酸素供給システム（３０）が、
ＮａＣｌＯ3のみを貯蔵するためのＮａＣｌＯ3タンク（３１）と、
このＮａＣｌＯ3タンク（３１）と流通するように接触し、ＮａＣｌＯ3の分解後に燃料電池（１３）に純酸素を供給するため、燃料電池（１３）に接続されたＮａＣｌＯ3分解反応器（３２）と、
ＮａＣｌＯ3の分解によって生成する塩化ナトリウムの貯蔵タンク（３７）と
を含むことを特徴としており、
前記ＮａＣｌＯ3分解反応器は、以下の反応：
２ＮａＣｌＯ3＋「熱」→２ＮａＣｌ＋３Ｏ2
のみを行うためのものである、前記電動乗り物。 - ＮａＣｌＯ3分解反応器（３２）が、熱源に接続されている請求項１記載の電動乗り物。
- ＮａＣｌＯ3タンク（３１）及び水素タンク（２１）が、それぞれタンクに注入するための外部供給源（４０）に接続できる注入管（３３，３４）を含む請求項１又は２記載の電動乗り物。
- 純酸素供給システム（３０）が、分解反応器（３２）に、実質的に固体の状態でＮａＣｌＯ3を提供できるように設計されている請求項１〜３のいずれかに記載の電動乗り物。
- 機械的供給システムによって、ＮａＣｌＯ3が反応器（３２）に提供される請求項４記載の電動乗り物。
- ウォームねじ（５０）によって、ＮａＣｌＯ3が反応器（３２）に提供される請求項４記載の電動乗り物。
- 重力によって、ＮａＣｌＯ3が反応器（３２）に提供される請求項４記載の電動乗り物。
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