JP2005135910A - 燃料電池システムの給気のための2段階圧縮 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】前記多段圧縮機システムには、第1の圧力で第1の加圧空気流を提供するために吸気を圧縮する、第1段階圧縮機が含まれる。第2段階圧縮機には、第1の加圧空気流を第2の圧力の第2の加圧空気流に圧縮する、圧縮ユニットが含まれる。駆動ユニットは、燃料電池の排気流の膨張エネルギーを使用して圧縮ユニットを駆動する。第1の熱交換器は、第2の加圧空気流と排気流との間で熱を伝導させて排気流を加熱できるようにするものである。
【選択図】図1
Description
本発明の他の適用可能分野は、以下の詳細な記述から明らかになろう。この詳細な記述および特定の例は本発明の好ましい実施形態を示すものであるが、単なる例示を意図するものであり、本発明の範囲を制限することを意図するものではないことを理解されたい。
次に図1を参照すると、燃料電池システム10が示されている。燃料電池システム10には、燃料電池スタック12、冷却システム14、および圧縮機システム16が含まれる。冷却システム14は、燃料電池スタック12の動作温度を適切なレベルに維持するものである。さらに冷却システム14は、以下でより詳細に説明するように、燃料電池システム10の様々な箇所での液体の温度を任意選択で調整することができる。圧縮機システム16は、燃料電池スタック12に供給される酸化剤を圧縮する。より具体的に言えば、酸化剤は燃料電池スタック12のカソード側(図示せず)に供給され、燃料電池スタック12のアノード側(図示せず)に供給される水素ガスと触媒反応する。酸化剤は、適切な動作状態(すなわち温度および圧力)になるように圧縮機システム16によって供給される、酸素を多量に含んだ空気である。酸化剤は水素ガスと反応して、電力および排気流を生成する。
12 燃料電池スタック
14 冷却システム
16 圧縮機システム
18 第1段階圧縮機
20 第2段階圧縮機
22 モータ
24 圧縮機
26 エキスパンダ
28 熱交換器
30 第1のバイパス弁
32 第2のバイパス弁
33 可変ガイドブレード
36 任意選択の熱交換器
Claims (32)
- 燃料電池システムのカソードに供給される空気を圧縮する多段圧縮機システムであって、
第1の圧力で第1の加圧空気流を提供するように吸気を圧縮する第1段階圧縮機と、
第2段階圧縮機であって、
前記第1の加圧空気流を第2の圧力の第2の加圧空気流に圧縮する圧縮ユニットと、
前記燃料電池の排気流の膨張エネルギーを使用して前記圧縮ユニットを駆動する駆動ユニットとを備えた、第2段階圧縮機と、
前記第2の加圧空気流と前記排気流との間で熱伝導を可能にし、前記排気流を加熱する第1の熱交換器とを備える、多段圧縮機システム。 - 前記第1の加圧空気流の温度を下げるために、前記第1段階圧縮機と前記第2段階圧縮機との間に配置された第2の熱交換器をさらに備える、請求項1に記載の多段圧縮機システム。
- 前記第2の熱交換器が、前記第1の熱交換器と直列に配置され、前記第1の加圧空気流と前記排気流との間で熱伝導を可能にする、請求項2に記載の多段圧縮機システム。
- 開状態、閉状態、および一部開状態を有するバイパス弁をさらに備え、前記閉状態の場合、前記第1の加圧流は前記第2段階圧縮機へと流れ、前記開状態の場合、前記第1の加圧流は前記第2段階圧縮機を迂回し、前記一部開状態の場合、前記第1の加圧流の一部は前記第2段階圧縮機を迂回する、請求項1に記載の多段圧縮機システム。
- 全開状態、閉状態、および一部開状態を有するバイパス弁をさらに備え、前記閉状態の場合、前記第2の加圧空気流は前記排気流との流体連絡を阻止され、前記一部開状態および全開状態のうちの1つの場合、前記第2の加圧空気流の対応する部分は前記排気流と流体連絡状態にある、請求項1に記載の多段圧縮機システム。
- 前記第2の加圧空気流の温度を下げるために前記第1の熱交換器の下流に配置された第2の熱交換器をさらに備える、請求項1に記載の多段圧縮機システム。
- 前記駆動ユニットが、可変ガイドブレードを有するエキスパンダを備える、請求項1に記載の多段圧縮機システム。
- 前記駆動ユニットが、ウェイストゲートバイパスを有するエキスパンダを備える、請求項1に記載の多段圧縮機システム。
- 燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックのカソードに圧縮空気を供給する圧縮機システムとを備える、燃料電池システムであって、前記圧縮機システムは、
第1の圧力で第1の加圧空気流を提供するように吸気を圧縮する第1段階圧縮機と、
前記第1の加圧空気流を第2の圧力の第2の加圧空気流に圧縮する圧縮ユニット、および前記燃料電池スタックの排気流の膨張エネルギーを使用して前記圧縮ユニットを駆動する駆動ユニットを備えた、第2段階圧縮機と、
前記第2の加圧空気流と前記排気流との間で熱伝導を可能にする第1の熱交換器とを備える、燃料電池システム。 - 前記第1の加圧空気流の温度を下げるために、前記第1段階圧縮機と前記第2段階圧縮機との間に配置された第2の熱交換器をさらに備える、請求項9に記載の燃料電池システム。
- 前記第2の熱交換器が、前記第1の熱交換器と直列に配置され、前記第1の加圧空気流と前記排気流との間で熱伝導を可能にする、請求項10に記載の燃料電池システム。
- 開状態、閉状態、および一部開状態を有するバイパス弁をさらに備え、前記閉状態の場合、前記第1の加圧流は前記第2段階圧縮機へと流れ、前記開状態の場合、前記第1の加圧流は前記第2段階圧縮機を迂回し、前記一部開状態の場合、前記第1の加圧流の一部は前記第2段階を迂回する、請求項9に記載の燃料電池システム。
- 全開状態、閉状態、および一部開状態を有するバイパス弁をさらに備え、前記閉状態の場合、前記第2の加圧空気流は前記排気流との流体連絡を阻止され、前記全開状態および一部開状態のうちの1つの場合、前記第2の加圧空気流の対応する部分は前記排気流と流体連絡状態にある、請求項9に記載の燃料電池システム。
- 前記第2の加圧空気流の温度を下げるために前記第1の熱交換器の下流に配置された第2の熱交換器をさらに備える、請求項9に記載の燃料電池システム。
- 前記駆動ユニットが、可変ガイドブレードを有するエキスパンダを備える、請求項9に記載の燃料電池システム。
- 前記駆動ユニットが、ウェイストゲートバイパスを有するエキスパンダを備える、請求項9に記載の燃料電池システム。
- 第1および第2のモードで燃料電池システムを動作させる方法であって、
前記第1および第2のモードでの動作時に、第1の圧力で第1の加圧空気流を提供するように、第1の圧縮機を使用して吸気を圧縮するステップと、
前記第2のモードでの動作時に、第2の圧力で第2の加圧空気流を提供するように、第2の圧縮機を使用して前記第1の加圧空気流を圧縮するステップと、
前記第2のモードでの動作時に、前記燃料電池システムの排気ガスを使用して前記第2の圧縮機を駆動するステップと、
前記第2のモードでの動作時に、第1の熱交換器を使用して、前記第2の加圧空気流と前記排気流との間の熱伝導によって前記排気ガスを加熱するステップとを含む方法。 - 前記第1段階圧縮機と前記第2段階圧縮機との間に配置された第2の熱交換器を使用して、前記第1の加圧空気流の温度を下げるステップをさらに含む、請求項17に記載の方法。
- 前記第2の熱交換器が、前記第1の熱交換器と直列に配置され、前記第1の加圧空気流と前記排気流との間で熱伝導を可能にする、請求項18に記載の方法。
- 前記第1のモードでの動作時に、前記第1の加圧流が前記第2の圧縮機に流れるのを阻止するためにバイパス弁を閉じるステップと、
前記第2のモードでの動作時に、前記第1の加圧流が前記第2の圧縮機に流れるのを可能にするために、前記バイパス弁を全開状態および一部開状態のいずれかに開くステップとをさらに含む、請求項17に記載の方法。 - 前記第2のモードでの動作時に、前記第2の加圧流のうちの対応する流れと前記排気流との間の流体連絡を可能にするために、バイパス弁を全開状態および一部開状態のいずれかに開くステップと、
前記第1および第2のモードのうちの1つでの動作時に、前記第2の加圧流と前記排気流との間の流体連絡を阻止するためにバイパス弁を閉じるステップとをさらに含む、請求項17に記載の方法。 - 前記第1の熱交換器の下流に配置された第2の熱交換器を使用して、前記第2の加圧空気流の温度を下げるステップをさらに含む、請求項17に記載の方法。
- 前記第2の圧縮機の容量を調節するためにエキスパンダのガイドブレードを変更するステップをさらに含む、請求項17に記載の方法。
- 前記第2の圧縮機を駆動する前記ステップが、ウェイストゲートバイパスを有するエキスパンダを使用して達成される、請求項17に記載の多段圧縮機システム。
- 燃料電池システムのカソードに供給される空気を圧縮する方法であって、
第1の圧力で第1の加圧空気流を提供するように、第1の圧縮機を使用して吸気を圧縮するステップと、
第2の圧力で第2の加圧空気流を提供するように、第2の圧縮機を使用して前記第1の加圧空気流を圧縮するステップと、
前記燃料電池システムの排気ガスを使用して前記第2の圧縮機を駆動するステップと、
前記第2の加圧空気流と前記排気ガスとの間の熱伝導によって前記排気ガスを加熱するステップとを含む方法。 - 前記第1段階圧縮機と前記第2段階圧縮機との間に配置された第2の熱交換器内の、前記第1の加圧空気流の温度を下げるステップをさらに含む、請求項25に記載の方法。
- 前記第2の熱交換器が、前記第1の熱交換器と直列に配置され、前記第1の加圧空気流と前記排気流との間で熱伝導を可能にする、請求項26に記載の方法。
- 前記燃料電池システムが第1のモードで動作している場合は前記第2段階圧縮機を回避し、前記燃料電池システムが第2のモードで動作している場合は前記第1の加圧空気流を前記第2段階圧縮機に向けて送るステップをさらに含む、請求項25に記載の方法。
- 前記排気流と混合させるために前記第2の加圧空気流の一部を帰還させるステップをさらに含む、請求項25に記載の方法。
- 前記第2の加圧空気流の温度を下げるステップをさらに含む、請求項25に記載の方法。
- エキスパンダのガイドブレードを変更することによって前記第2の圧縮機の容量を調節するステップをさらに含む、請求項25に記載の方法。
- 前記第2の圧縮機を駆動する前記ステップが、ウェイストゲートバイパスを有するエキスパンダを使用して達成される、請求項25に記載の方法。
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