JP7707438B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池システムは、特に水素を燃料として使用するものであり、燃料電池システムが使用時に二酸化炭素を生成することなく動作する可能性を提供するので、航空を含む輸送用途での使用に注目されている。このようなシステムは、海洋用途でも、定置発電にも注目されている。燃料電池システムに含まれる燃料電池スタックから熱を除去することは重要な設計考慮事項である。しかしながら、特定の種類の燃料電池スタックは比較的低い動作温度を有しており、これは、周囲温度に対する温度差が低いために熱除去における技術的課題につながり得る。例えば、低温ポリマー電解質（プロトン交換）膜（ＰＥＭ）燃料電池スタックは、通常、約９０℃未満の動作温度を有する。この場合、簡単な冷却システムは、上記スタックを備える燃料電池システムにかなりの重量を加える、大型冷却材／空気熱交換器を使用する必要があるので、航空用途ではそのようなシステムの使用を避ける傾向がある。燃料電池スタックを冷却する別の手法が、ランキンサイクルを実施する冷却装置を用いて、燃料電池スタックによって生成された廃熱から有効仕事を回収することである。しかしながら、低い動作温度を有する燃料電池スタックの場合、抽出され得る仕事量は制限され、仕事抽出効率も同様に制限される。さらに、低い動作電圧を有する燃料電池スタックを冷却するためにランキンサイクルに使用される冷却材流体は、冷却材流体が燃料電池スタックからの廃熱によって気化させられ得るように有機になりがちである。有機冷却材流体を使用すると、冷却材流体が漏れた場合、処理が複雑になりかつ燃料電池スタックを損傷させる可能性がある。

本発明の第１の態様は、燃料電池スタックとランキンサイクルを実施することにより燃料電池スタックを冷却するように構成された冷却回路とを備える燃料電池システムであって、ランキンサイクルが、燃料電池システムの運転中に燃料電池スタックからの廃熱を有効仕事に変換し、冷却回路が、順に配置された、燃料電池スタック、冷却回路内の冷却材流体を加熱するように構成された加熱器、タービン、および凝縮器と、冷却回路のまわりに冷却材流体を流すように構成された手段と、を含み、冷却回路は、燃料電池システムの運転中、冷却材流体が加熱器と凝縮器との間で気体の状態となり、凝縮器と燃料電池スタックとの間で液体の状態となるように構成される、燃料電池システムを提供する。

加熱器を用いて燃料電池スタックとタービンとの間の冷却回路内の冷却材流体に熱を加えることは、（１）タービンによって抽出される電力量が増大し、タービンによる熱力学的仕事抽出効率が上がる、（２）冷却材流体が燃料電池スタックから出たときに相変化が完了すると、燃料電池スタックとタービンとの間の冷却回路内での冷却材流体の液体から気体への相変化が完了する、および（３）タービンに入るときの冷却材流体の温度の制御が改善される、ことを実現する。本発明は、比較的低い動作温度をもつ燃料スタックを有する燃料電池システムの場合に特に有利である。さらに、液体の状態で燃料電池スタックから出た冷却剤流体は加熱器によって気化させられるため、一般に有機流体に関連する沸点よりも高い沸点をもつ冷却材流体を使用することができる。

燃料電池スタックは、ポリマー電解質（プロトン交換）膜（ＰＥＭ）燃料電池スタックであり得る。
冷却材流体は、水、水グリコール混合物、または有機流体であり得る。

燃料電池スタックがＰＥＭ燃料電池スタックである場合、加熱器は、ＰＥＭ燃料電池スタックから出力された水素を受け取り、前記水素を燃焼させ、得られる熱をＰＥＭ燃料電池スタックとタービンとの間の冷却回路内の冷却材流体に供給するように構成される。燃料電池システムは、液体水素流を加熱器の位置またはその近くの位置に供給し、前記位置からの気体水素流を凝縮器経由で燃料電池スタックの水素燃料入力に供給して、気体水素が凝縮器内の冷却材流体と熱接触するようにするように構成された搬送手段をさらに備えることができ、加熱器は、液体水素流を気化させて気体水素流を生成するように構成される。

あるいは、加熱器は、液体水素流を受け取り、液体水素流の一部を燃焼させて熱を供給して（ａ）液体水素流の残り部分を気体水素に変換し、（ｂ）ＰＥＭ燃料電池スタックとタービンとの間の冷却回路内の冷却材流体を加熱するように構成され得る。この場合、燃料電池システムは、加熱器からの気体水素をＰＥＭ燃料電池スタックの水素燃料入力に搬送して、気体水素が凝縮器内の冷却流体と熱接触するようにするように構成され得る。この構成は、凝縮器内の冷却材流体の冷却を支援するので、凝縮器のサイズおよび重量を減少させることが可能になる。

ＰＥＭ燃料電池スタックから出力された気体水素またはシステムに入力された液体水素が加熱器内で燃焼させられる場合、燃料電池システムは、圧縮機および圧縮機を駆動するように構成されたタービンを有するターボチャージャを備えることができ、圧縮機は、周囲空気を圧縮して、得られる圧縮空気をＰＥＭ燃料電池スタックの空気入力に供給するように構成され、燃料電池システムは、加熱器からの燃焼生成物をターボチャージャのタービンに供給するように構成される。

ターボチャージャは、ターボチャージャの圧縮機を駆動するように構成された電動機を備えることができ、燃料電池システムは、燃料電池システムの運転中に冷却回路のタービンよって駆動され、電動機に電力を供給するように構成された発電機をさらに備えることができる。

加熱器は、燃料電池システムの外部のソースから熱を受け取り、熱を燃料電池スタックとタービンとの間の冷却回路内の冷却材流体に伝えるように構成され得る。

本発明の第２の態様は、本発明の第１の態様による燃料電池スタックと、燃料電池システムの燃料電池スタックから電力を受け取り、電力を使用して推進推力を生成するように構成された推進機と、を備える推進システムを提供する。

本発明の第３の態様は、ガスタービンエンジンおよび第１の態様による燃料電池システムを備えるエンジンシステムであって、燃料電池システムの加熱器が、ガスタービンエンジンから廃熱を受け取り、廃熱を燃料電池システムの燃料電池スタックとタービンとの間の冷却回路内の冷却材流体に伝えるように構成される、エンジンシステムを提供する。
本発明の実施形態は、以下で、ほんの例として添付の図面を参照して記述される。

本発明の第１の燃料電池システム例を示す図である。 図１の燃料電池システムに含まれる冷却装置によって実行されるランキンサイクルの動作を示す図である。 本発明の第２の燃料電池システム例を示す図である。 本発明の第３の燃料電池システム例を示す図である。 本発明の第４の燃料電池システム例を示す図である。 図１の燃料電池システムを備える本発明の推進システムを示す図である。 本発明のエンジンシステムを示す図である。

図１は、ポリマー電解質（プロトン交換）膜（ＰＥＭ）燃料電池スタック１０２と、圧縮機１２４を（場合により電動機１４６の助けを借りて）駆動するように構成されたタービン１２２を備えるターボチャージャ１１７と、熱交換器１６２、１６４と、加湿器１２６と、を備える本発明の燃料電池システム１００を示す。ＰＥＭ燃料電池スタック１０２は、ガス入力１０８および出力１１０を有するカソード側１０４と、ガス入力１１２および出力１１４を有するアノード側１０６と、を有する。アノード側１０６のガス入力１１２は、ＰＥＭ燃料電池１０２の水素燃料入力である。カソード側１０４のガス入力１０８は空気入力である。

燃料電池システム１００の運転中、気体水素燃料（ＧＨ２）がシステム１００の水素燃料入力１８０に入り、熱交換器１６４（気体水素の加熱を行う）およびエジェクタ１３０を経由してＰＥＭ燃料電池スタック１０２のアノード入力（水素燃料入力）１１２に加えられる。アノード出力１１４から出力された未使用の気体水素は、水トラップ１３２およびエジェクタ１３０を経由して再循環されてアノード入力１１２に戻る。気体水素は、ＰＥＭ燃料電池スタック１０２のアノード側１０６から水トラップ１３２の出力１３３を経由してパージされ得る。

空気がシステム１００の空気取入口１１３に入り、空気フィルタ１１５を経由してターボチャージャ１１７の圧縮機１２４に移り、次いで、熱交換器１６２（圧縮機１２４から出力された圧縮空気の冷却を行う）および加湿器１２６を経由してＰＥＭ燃料電池スタック１０２のカソード側１０４の入力１０８に移る。空気および水を含む排気が、ＰＥＭ燃料電池スタック１０２のカソード側１０４の出力１１０から放出され、水蒸気が加湿器１２６によって抽出され、残存排気はターボチャージャ１１７のタービン１２２に移る。

燃料電池システム１００のＰＥＭ燃料電池スタック１０２によって生成された直流電力がＰＥＭ燃料電池スタック１０２の電気出力１２０で出力され、低電圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１４３、高電圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１４５、およびＤＣ／ＡＣインバータ１４２に供給される。インバータ１４２からの交流電力が電動機１４６に供給される。高電圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１４５からの高電圧出力が電気出力１４８で供給され、例えば電気推進機（図示せず）に供給され得る。低電圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１４３から低電圧出力が低電圧母線１４４に供給され、低電圧母線１４４は、燃料電池システム１００の冷却回路１５０内の冷却材ポンプ１５４に低電圧電力を供給する。低電圧母線１４４は低電圧システム出力１４７も供給する。

冷却回路１５０は、ＰＥＭ燃料電池スタック１０２を冷却し、ＰＥＭ燃料電池スタック１０２から出力された廃熱から有効仕事を回収するために、燃料電池システム１００の運転中にランキンサイクルを実施するように構成される。冷却回路１５０は、ＰＥＭ燃料電池１０２、加熱器１５７、発電機１５９を駆動するように構成されたタービン１５８、凝縮器１５１、冷却材ポンプ１５４、および純水器１５５を含む。ＰＥＭ燃料電池スタック１０２は、冷却材流体入力１１６および冷却材流体出力１１８を有する。ＰＥＭ燃料電池スタック１０２と並列に配置された冷却分岐部１６０は熱交換器１６２、１６４を含む。冷却材ポンプ１５４は、冷却回路１５０のまわりにかつ冷却分岐部１６０を通って冷却材流体（この例では水）を流すように構成される。熱交換器１６２内の冷却材流体は、圧縮機１２４から出力された圧縮空気から熱を吸収し、熱交換器１６４内の冷却材流体は、システム１００の水素燃料入力１９０に入力された気体水素燃料中に熱を失う。

燃料電池システム１００の運転中、冷却回路１５０内の冷却材流体は、凝縮器１５１とＰＥＭ燃料電池スタック１０２との間で液体の状態となり、加熱器１５７と凝縮器１５１との間で気体の状態となる。冷却材流体が、冷却材流体入力１１６において液体の形でＰＥＭ燃料電池スタック１０２に入り、ＰＥＭ燃料電池スタック１０２からの廃熱を吸収し、その結果、液体水の一部または全部が気体の状態（すなわち蒸気）に変換され、冷却材流体出力１１８でＰＥＭ燃料電池スタック１０２から出る。変換の程度は、ＰＥＭ燃料電池スタック１０２の動作状態および冷却回路１５０内の圧力に依存する。冷却材流体は、加熱器１５７によって加熱されて、冷却材流体出力１１８で出力された任意の残存液体水および冷却分岐部１６０から受けた液体水を蒸気に変換し、次いで、気体冷却材流体（すなわち蒸気）はタービン１５８に移り、タービン１５８は気体冷却材流体から仕事を抽出し、発電機１５９を駆動する。発電機１５９から出力される電力は、例えば、ターボチャージャ１１７の電動機１４６を駆動するのに役立つように、または他の目的で使用され得る。気体冷却材流体は、凝縮器１５１によって液体形態に戻される。

熱が、外部ソース（図示せず）から加熱器１５７に供給される。例えば、他の装置、例えばガスタービンエンジンからの廃熱が加熱器１５７に供給され得る。

図２は、図１の燃料電池システム１００の冷却回路１５０内の冷却材水の温度Ｔ対エントロピーＳのプロット１０を示す。冷却回路１５０は、ランキンサイクルを実行して、ＰＥＭ燃料電池スタック１０２からの廃熱をタービン１５８によって抽出される有効仕事に変換する。図１および図２において、冷却回路１５０内の冷却材流体入力１１６の位置および加熱器１５７の直前の位置にそれぞれ１および２と表示され、タービン１５８の直前の位置および後の位置にそれぞれ３および４と表示されている。タービン１５８によって抽出された仕事は、プロット１０で囲まれた領域で表わされ、プロット１０は、タービン１５８を横切る冷却材流体（蒸気）の温度ＴおよびエントロピーＳの変化を表す部分１０ａを有する。加熱器１５７がない場合、プロット１０は、タービン１５８を横切る冷却材流体（蒸気）の温度ＴおよびエントロピーＳの変化を表す部分１０ｂを有する。したがって、図２の領域５は、冷却ループ１５０内に加熱器１５７が存在するためにタービン１５８によって抽出される追加の仕事量を表す。冷却材流体の液相／気相分離線は、図２に１２で示されている。定圧線は１４で示されている。

正味仕事ｗ_ｎｅｔがランキンサイクルで抽出される熱力学的効率η_ｔｈは、

である、ただし、Ｑ_ｉｎは、ＰＥＭ燃料電池スタック１０２によって冷却材流体に入力された熱に加熱器１５７によって冷却材流体に入力された熱を足したものであり、Ｑ_ｏｕｔは、凝縮器１５１から出力された熱である。正味仕事ｗ_ｎｅｔは、タービン１５８によって抽出された仕事とポンプ１５４によって行われた仕事との差である。ｈ_ｉが位置ｉ（ただしｉ＝１、２、３または４）におけるエンタルピーである場合、熱力学的効率η_ｔｈは、

で与えられる。

したがって、仕事がタービン１５８によって抽出される熱力学的効率もまた、位置３（タービン１５８の直前）における冷却材流体のエンタルピーｈ_３が、加熱器１５７がない場合のｈ_３よりも大きいので、加熱器１５７の存在によって高められ（抽出される絶対仕事量の増大に加えて）、したがって値ｈ_３－ｈ_２は加熱器１５７によって増大される。

図３は、２００によって全体が示されている本発明の第２の燃料電池システム例を示す。燃料電池システム２００は、図１の燃料電池システム１００と類似しており、システム２００の各部分には、図１の対応部分に表示したものから１００だけ異なる参照符号で表示されている。燃料電池システム２００の運転中、ＰＥＭ燃料電池スタック２０２のカソード出力２１０からの空気が、スタック２０２の水素出力２１４から水トラップ２３２を経由して出力された気体水素と共に、加湿器２２６（水蒸気を除去する）を経由して加熱器２５７に入力される。ＰＥＭ燃料電池スタック２０２のアノード側２０６から出力された水素は、冷却回路２５０内の冷却材流体の加熱を行うために燃焼させられて、加熱器２５７がない場合よりも多くの仕事がタービン２５８により、熱力学的効率を高めて抽出されることが可能になる。加熱器２５７は触媒バーナであり得る。燃料電池システム２００は、ＰＥＭ燃料電池スタック２０２のアノード側２０６の連続パージングを行い、パージされた水素は、タービン２５８によって抽出される仕事を増大させ、仕事が抽出される熱力学的効率も増大させるために、燃焼させられる。連続パージングは、ＰＥＭ燃料電池スタック２０２によって連続的に電力が生成されることを可能にする。加熱器２５７から出力された燃焼生成物（ＣＰ）は、ターボチャージャ２１７のタービン２２２に供給される。発電機２５９によって生成された電力は、ターボチャージャ２１７の電動機２４６に供給される。液体水素（ＬＨ２）が、ＬＨ２入力２８０で燃料電池システム２００に供給され、搬送手段２８１により、加熱器２５７の位置またはその近くの位置まで搬送される。加熱器２５７からの熱は搬送手段２８１内の液体水素を気化させ、得られる気体水素（ＧＨ２）は、気体水素が凝縮器２５１内の冷却材流体と熱接触／伝達するように、凝縮器２５１および熱交換器２６４を経由してＰＥＭ燃料電池スタック２０２の水素燃料入力２１２に移る。したがって、加熱器２５７は、冷却回路２５０内の冷却材流体を加熱することに加えて、燃料電池システム２００に入力された液体水素を加熱し気化させる。得られる気体水素は、凝縮器２５１内の冷却材流体を冷却する。気体水素は、水素燃料入力２１２でＰＥＭ燃料電池スタック２０２に入力される前に凝縮器２５１および熱交換器２６４によって加熱される。

図４は、全体的に３００で示されている本発明の第３の燃料電池システム例を示す。燃料電池システム３００は、燃料電池システム１００と類似しており、システム３００の各部分には、図１の対応部分に表示したものから２００だけ異なる参照符号で表示されている。燃料電池システム３００は液体水素（ＬＨ２）入力３８０を有しており、ＬＨ２入力３８０から液体水素流が加熱器３５７に移る。液体水素流の一部が加熱器３５７によって燃焼させられて熱を供給し、熱は、冷却材回路３５０内の冷却材を加熱するとともに、液体水素流の残り部分を気体水素に変換する。気体水素は、気体水素が凝縮器３５１および熱交換器３６４内の冷却材流体と熱接触するような経路上の搬送手段を経由してＰＥＭ燃料電池スタック３０２の水素燃料入力３１２に移る。気体水素は、凝縮器３５１内の冷却材流体の冷却を行い、それにより、図１のシステム１００および図３のシステム２００に比べて、凝縮器３５１に含まれる空気／冷却材熱交換器のサイズの減少が可能になる。同時に、気体水素は加熱される。気体水素のさらなる加熱は、気体水素がエジェクタ３３０を経由してＰＥＭ燃料電池スタック３０２に入力される前に熱交換器３６４で行われる。加熱器３５７からの燃焼生成物（ＣＰ）は、ターボチャージャ３１７に含まれるタービン３２２に供給される。

図５は、本発明の第４の燃料電池システム例４００を示す。燃料電池システム４００は、図３の燃料電池システム２００と類似している。燃料電池システム４００の各部分には、図３の対応部分に表示したものから２００だけ異なる参照符号で表示されている。燃料電池システム４００の運転中、液体水素流（ＬＨ２）燃料が燃料入力４８０で燃料電池システム４００に入力され、加熱器４５７に移り、加熱器４５７は、冷却回路４５０内の冷却材流体を加熱することに加えて、液体水素流を加熱して気体水素流（ＧＨ２）を生成する。気体水素は、気体水素が凝縮器４５１および熱交換器４６４内の冷却材流体と熱接触するように、搬送手段を経由してＰＥＭ燃料電池スタック４０２のアノード側４０６に入力されて、凝縮器４５１は、例えば図３の燃料電池システム２００の凝縮器２５１に比べてサイズおよび重量を減少させることが可能になる。

図６は、図１の燃料電池システム１００および電気推進機５９０を備える推進システム５００を示す。推進機５９０は、燃料電池システム１００の電気出力１４８から直流電力を受け取るように構成されたインバータ５９２を備える。インバータ５９２は、プロペラまたはファン５９６を駆動するように構成された電動機５９４に交流電力を供給する。本発明の別の推進システム例では、５９０などの推進機が、図３、図４および図５のそれぞれの燃料電池システム２００、３００および４００のうちの１つからの電力によって駆動される。

図７は、本発明のエンジンシステム６００を示し、エンジンシステム６００は、ガスタービンエンジン６０２および図１の燃料電池システム１００を備える。導管６０４が、ガスタービンエンジン６０２のタービン部分から出力されたタービン冷却空気を燃料電池システム１００の加熱器１５７に送る。したがって、ガスタービンエンジン６０２のタービン部分からの廃熱は加熱器１５７に供給される。

本出願は、２０２１年１０月２８日に出願された英国特許出願第２１１５４８７．７号に基づいてその優先権の利益を主張し、その出願内容全体は、参照により本明細書に組み込まれる。

Claims (8)

1. 燃料電池スタック（２０２、３０２、４０２）とランキンサイクルを実施することにより前記燃料電池スタックを冷却するように構成された冷却回路とを備える燃料電池システム（２００、３００、４００）であって、前記ランキンサイクルが、前記燃料電池システムの運転中に前記燃料電池スタックからの廃熱を有効仕事に変換し、前記冷却回路が、順に配置された、前記燃料電池スタック、前記冷却回路内の冷却材流体を加熱するように構成された加熱器（２５７、３５７、４５７）、タービン（２５８、３５８、４５８）、および凝縮器（２５１、３５１、４５１）と、前記冷却回路のまわりに冷却材流体を流すように構成された手段（２５４、３５４、４５４）と、を含み、前記冷却回路は、前記燃料電池システムの運転中、前記冷却材流体が前記加熱器と前記凝縮器との間で気体の状態となり、前記凝縮器と前記燃料電池スタックとの間で液体の状態となるように構成され、
   前記燃料電池システムは、液体水素流を前記加熱器の位置またはその近くの位置に供給し、前記位置からの気体水素流を前記凝縮器経由で前記燃料電池スタックの水素燃料入力（２１２、３１２、４１２）に供給して、前記気体水素が前記凝縮器内の冷却材流体と熱接触するようにするように配置された搬送手段（２８１、３８１、４８１）をさらに備え、前記加熱器が、前記液体水素流の少なくとも一部を気化させて前記気体水素流を生成するように配置される、燃料電池システム（２００、３００、４００）。
2. 前記燃料電池スタックが、ＰＥＭ燃料電池スタックである、請求項１に記載の燃料電池システム（２００、３００、４００）。
3. 前記冷却材流体が、水、水グリコール混合物、または有機流体である、請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記加熱器（２５７、４５７）が、前記ＰＥＭ燃料電池スタック（２０２、４０２）から出力された水素を受け取り、前記水素を燃焼させ、得られる熱を、（ｉ）前記ＰＥＭ燃料電池スタック（２０２）と前記タービン（２５８）との間の前記冷却回路内の前記冷却材流体および（ｉｉ）前記液体水素流に供給して、前記液体水素流を気化させて前記気体水素流を生成するように構成される、請求項２に記載の燃料電池システム（２００、４００）。
5. 前記加熱器（３５７）が、前記液体水素流を受け取り、前記液体水素流の一部を燃焼させて熱を供給して（ａ）前記液体水素流の残り部分を気化させて前記気体水素流を生成し、（ｂ）前記ＰＥＭ燃料電池スタック（３０２）と前記タービン（３５８）との間の前記冷却回路（３５０）内の前記冷却材流体を加熱するように構成される、請求項２に記載の燃料電池システム（３００）。
6. 圧縮機（２２４、３２４、４２４）および前記圧縮機を駆動するように構成されたタービン（２２２、３２２、４２２）を有するターボチャージャ（２１７、３１７、４１７）を備え、前記圧縮機が、周囲空気を圧縮して、得られる圧縮空気を前記ＰＥＭ燃料電池スタック（２０２、３０２、４０２）の空気入力（２０８、３０８、４０８）に供給するように構成され、前記燃料電池システムが、前記加熱器（２５７、３５７、４５７）からの燃焼生成物を前記ターボチャージャの前記タービン（２２４、３２４、４２４）に供給するように構成される、請求項４または５に記載の燃料電池システム（２００、３００、４００）。
7. 前記ターボチャージャ（２１７）が、前記ターボチャージャの前記圧縮機（２２４）を駆動するように構成された電動機（２４６）を備え、前記燃料電池システムが、前記燃料電池システムの運転中に前記冷却回路の前記タービン（２５８）によって駆動され、前記電動機に電力を供給するように構成された発電機（２５９）をさらに備える、請求項６に記載の燃料電池システム（２００）。
8. 請求項１から５のいずれか１項に記載の燃料電池システム（１００、２００、３００、４００）と、前記燃料電池システムの前記燃料電池スタック（１０２、２０２、３０２、４０２）から電力を受け取り、前記電力を使用して推進推力を生成するように構成された推進機（５９０）と、を備える推進システム（５００）。
   
   

Images