JP2006344593A - 改良された燃料電池システムと、自動車に搭載された燃料電池のための水製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】コンデンサの中の冷却回路によって交換される熱負荷を最小化することを可能にする、燃料電池システムと、自動車に搭載された燃料電池のための水製造方法を提供する。
【解決手段】本発明の燃料電池システムは、酸素と水素を供給される燃料電池（１）と、燃料電池（１）へ水素を送り出す、燃焼器（３）が設けられたリフォーマ（２）と、燃料電池（１）と燃焼器（３）から出るガスを回収して水を抽出し、上記水をリフォーマ（２）へ送る水凝縮装置（４）を含む。この水凝縮装置（４）は、燃料電池（１）から出るガスを入口で受ける熱回収器（２４）と、熱回収器と連通するコンデンサ（２５）を含み、熱回収器は、燃料電池（１）または燃焼器（３）から出るガスを冷却するように適合化される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池システムと、自動車に搭載された燃料電池のための水製造方法に関する。本発明は、特に燃料電池から出るガスの凝縮による、リフォーマへ供給するための水の回収に関し、コンデンサの中の冷却回路によって交換される熱負荷を最小化することを可能にする、燃料電池システムと、自動車に搭載された燃料電池のための水製造方法に関する。
実際、燃料電池は、従来から、水素である燃料を供給されるアノードと、酸素を供給されるカソードを有する。燃料電池の中における酸化−還元反応は、電気を発生することを可能にする。
燃料電池に、蒸気−改質（ｖａｐｏ−ｒｅｆｏｒｍａｇｅ）、部分酸化、電気分解、等々によって燃料電池システムの外部において製造された水素を供給されるリザーバから水素を供給することができる。また、燃料電池に、改質反応によって燃料電池システムの内部において製造された水素を供給することもできる。改質反応は、炭化水素化合物と水から、高水素濃度のガスを製造することを可能にする。
燃料電池の機能に必要な水素の発生装置を使用し、水素タンクは使用しないことによって、自動車の運転者は、自動車のための既存の炭化水素販売網を使用することが可能になる。実際、水素リザーバ付きの自動車のための水素販売網は、燃料電池自動車の運転者の要求に応えるのに充分には、現実に展開されていない。
従って、燃料電池の中における酸化−還元反応に必要な水素は、多くの場合、自動車に搭載されたリフォーマによって製造される。一方、自動車に搭載される燃料電池システムには、システムの良好な機能に必要な水と熱交換の管理が難しいという問題がある。実際、特に自動車の排気ガスに中に含まれる水蒸気による水の消費を補償する必要がある。
文献ＵＳ ２００２／０００４１５２は、燃料電池とリフォーマを含む燃料電池システムの効率を改善するための方法と装置に関する。この発明の１形態によれば、圧力下で、水も含むことが可能な、空気と水蒸気の混合が実行される。この混合物を、残留する酸素と共に燃焼器の中へ噴射することによって、機械エネルギを発生する減圧機の動作に利用される膨張ポテンシャルを有する水蒸気を含む排気が作られる。
ＵＳ ２００２／０００４１５２
しかしながら、このような従来のシステムは、表面が極めて大きいラジエータを必要とし、車載装置としては問題である。
実際、燃料電池システムを搭載する自動車の製造者は、特に燃料電池から排出されるガスによって運搬される水を回収する凝縮のための冷源として使用される、冷却サイクルの負荷を軽減することに不変の関心を有する。
上述の観点から、本発明は、コンデンサの中の冷却回路によって交換される熱負荷を最小化することを可能にする、燃料電池システムと、自動車に搭載された燃料電池のための水製造方法を提供することを目的とする。
この目的を達成するため、本発明の、酸素と水素を供給される燃料電池と、上記燃料電池へ水素を送り出す、燃焼器が設けられたリフォーマと、上記燃料電池と上記燃焼器から出るガスを回収して水を抽出し、上記水を上記リフォーマへ送る水凝縮装置を含む燃料電池システムにおいては、上記水凝縮装置は、上記燃料電池から出るガスを入口で受ける熱回収器と、上記熱回収器と連通するコンデンサを含み、上記熱回収器は、上記燃料電池または上記燃焼器から出るガスを冷却するように適合化されることを特徴とする。
本発明のその他の特徴によれば、上記熱回収器は、更に、上記コンデンサから出るガスを再加熱するように適合化される。
１実施の形態においては、上記熱回収器は、上記水凝縮装置へ流入するガスと上記水凝縮装置から流出するガスとの間の熱交換を可能にする熱交換器を含む。
本発明のその他の特徴によれば、上記熱交換器と上記コンデンサは、共通のカプセルを有する単一の組立体を構成する。
例えば、上記リフォーマは、上記燃料電池へ水素を供給するために、燃料と水を含むガス状混合物の流体から水素を抽出するように適合化された水素純化膜を含む。
本発明のその他の特徴によれば、上記リフォーマは、上記ガス状混合物の中における改質反応を持続するように適合化された燃焼器を含む。
また上記目的を達成するため、本発明の、燃料電池から出るガス状流体と、リフォーマの燃焼器から出るガス状流体を、水凝縮装置を通過させて水を抽出する、自動車に搭載された燃料電池のための水製造方法においては、上記水凝縮装置の出口から抽出される上記ガス状流体を再加熱しながら、上記燃料電池または上記燃焼器から出る上記ガス状流体を冷却するように、上記ガス状流体を、熱回収器、次いでコンデンサの中を通過させることを特徴とする。
本発明に係る燃料電池システムにおいては、水凝縮装置が、燃料電池から出るガスを入口で受ける熱回収器と、熱回収器と連通するコンデンサを有し、熱回収器は、燃料電池または燃焼器から出るガスを冷却するように適合化されるので、循環する冷却液の熱サイクルの負荷を軽減することを可能にし、コンデンサの中の冷却回路によって交換される熱負荷を最小化することを可能にする。
また、熱回収器は、燃料電池からでるガスを冷却すると同時に、コンデンサの出口から抽出されるガスを再加熱するので、膨張の際にタービンによって回収可能な出力を高めることを可能にする。
本発明のその他の目的、特徴及び利点は、非限定的な例としてのみ記載され、添付図面を参照する以下の説明を読むことによって明らかとなるであろう。これらの添付図面において：
−図１は、本発明に適合する燃料電池システムの概要図であり；
−図２は、コンデンサの中と、蒸発／凝縮器の中と、熱回収器の中において交換される熱負荷の配分を示すグラフであり；
−図３は、図１に示す燃料電池システムの水凝縮装置の斜視図であり；
−図４は、図２に示す水凝縮装置を他の向きから見た斜視図である。
図１は、本発明による、自動車に搭載される燃料電池システムを示す。この燃料電池システムは、燃料電池１と、リフォーマ２を含んでいる。燃料電池１は、ここでは水素である燃料を受けるアノード部Ａと、酸素を受けるカソード部Ｃを有する。リフォーマ２の中では、燃料と水素の間の改質化学反応が、燃料電池１へ供給するための水素の製造を可能にする。リフォーマ２に、始動時にシステム全体を加熱し、通常の運転時に温度の調節を可能にする、燃焼器３が取り付けられている。また燃焼器３は、改質反応に必要なエネルギをもたらし、燃料電池１のアノードの出口から戻るガスを使用するときには、一酸化炭素の酸化も可能にする。さらに、燃焼器３は、リフォーマ２に必要な、水と燃料の蒸発に要するエネルギを供給する。
一方では、図１に示す燃料電池システムは、水凝縮装置４を有する。水凝縮装置４は、入口において燃料電池１から出るガスを受け、このガスから抽出された水を、水噴射装置５を介して、リフォーマ２へ送る。
コンプレッサ７と、タービン８と、モータ９を含む空気圧縮グループ６が、一般に圧縮空気の形で、冷却器１０を経由して燃料電池１へ、また冷却器１０を経由することなく燃焼器３へ、酸素を供給する。空気圧縮グループ６は、水凝縮装置４からくるガス状流体を、コンプレッサ７と同じ軸に取り付けられたタービン８を経由して、大気中へ放出する。
最後に、燃料電池システムには、燃料電池１に取り付けられた加湿器１２が設けられている。特に、加湿器１２は、コンプレッサ７と冷却器１０を介して送られる圧縮空気を受け、加湿器の第１チャンバーを通して加湿する。燃料電池１の出口からでる空気は、水凝縮装置４へ送られる前に、加湿器１２の第２チャンバーを通して除湿される。ここで回収された水は、加湿器１２の膜１３を通り抜けて、燃料電池１へ供給される空気の加湿を可能にする。
先に述べたように、リフォーマ２は、燃料電池１へ水素を供給するためのものである。リフォーマ２は、高圧の蒸発／凝縮器１４と、水素純化膜１８によって分離された第１コンパートメント１６と第２コンパートメント１７からなるチャンバー１５を有する。
第２コンパートメント１７は、水凝縮装置４からきて、水噴射装置５を経由して導管１９の中を循環する水と、導管２０を経由して送られる燃料を受ける。この第２コンパートメント１７は、導管２０’を介して燃料を供給される燃焼器３を含む。運転中には、水素純化膜１８を通り抜けた水素は、導管２１を介して燃料電池１へ供給される。
最後に、図１には、リフォーマ２が、導管２３を介して、加湿器１２と水凝縮装置４を連通する導管２２と通じていることが示されている。水凝縮装置４は、導管２２’を介してタービン８と通じている。
このようにして、水凝縮装置４は、燃料電池１から出るガスと、リフォーマ、特に燃焼器３から出るガスを供給される。
燃料電池の中で持続される電気化学反応によって作られる水を含むガスは、導管２８を介して運ばれ、燃焼器から出るガスと混合される。燃焼器から出るガスは、導管２３の中を循環し、燃焼器によって作られた水を含む。電気化学反応によって作られる水を含むガスと燃焼器から出るガスとの混合ガスは、水凝縮装置４へ供給され、水凝縮装置４は、水を回収する。
水凝縮装置４は、熱回収器２４とコンデンサ２５を有する。熱回収器２４は、コンデンサ２５の上流のガス状流体、すなわち導管２２によって運ばれるガス状流体と、コンデンサ２５の下流のガス状流体、すなわち導管２２’によって運ばれるガス状流体との間の熱交換に関する熱交換器２６を有する。このようにして、
図１に見られるように、コンデンサ２５と冷却器１０は、導管２８を循環する冷却液のサイクルによって冷却される。熱回収器２４による温度の制限によって、導管２８を循環する冷却液の熱サイクル負荷をかなり軽減することが可能にされ、従ってこの冷却液の循環の需要を抑制することが可能になる。
図２は、水凝縮装置４のコンデンサ２５の中（曲線Ａ）と、高圧の蒸発／凝縮器１４の中（曲線Ｂ）と、熱回収器２４の中（曲線Ｃ）における熱交換の配分を表すグラフである。このグラフから、熱回収器２４が、導管２８を循環する冷却液の熱サイクルの負荷を、約１０キロワットの熱負荷分、軽減することを可能にすることが分かる。
最後に、図３、４を参照すると、水凝縮装置、すなわち熱交換器２６を含む熱回収器２４とコンデンサ２５は合体し、共通のカプセル２９の中に配置された単一の組立体を構成する。要すれば、カプセル２９に断熱壁３０が設けられ、冷却液の循環サイクルの導管２８と、例えば導管２２のような、燃料電池１から出るガス状流体を受け、出口からガス状流体をタービン８へ送り出すための導管が取り付けられる。また、同じくカプセル化された外側の配管３１が、熱回収器２４とコンデンサ２５を連通させることを可能にする。
本発明に適合する燃料電池システムの概要図である。 コンデンサの中と、蒸発／凝縮器の中と、熱回収器の中において交換される熱負荷の配分を示すグラフである。 図１に示す燃料電池システムの水凝縮装置の斜視図である。 図２に示す水凝縮装置を他の向きから見た斜視図である。
符号の説明
１…燃料電池
２…リフォーマ
３…燃焼器
４…水凝縮装置
５…水噴射装置
６…空気圧縮グループ
７…コンプレッサ
８…タービン
９…モータ
１０…冷却器
１２…加湿器
１３…膜
１４…高圧の蒸発／凝縮器
１５…チャンバー
１６…第１コンパートメント
１７…第２コンパートメント
１８…水素純化膜
２４…熱回収器
２５…コンデンサ
２６…熱交換器
２９…カプセル
３０…断熱壁
３１…配管
１９、２０、２０’、２１、２２、２２’、２３、２８…導管

Claims (7)

  1. 酸素と水素を供給される燃料電池（１）と、上記燃料電池（１）へ水素を送り出す、燃焼器（３）が設けられたリフォーマ（２）と、上記燃料電池（１）と上記燃焼器（３）から出るガスを回収して水を抽出し、上記水を上記リフォーマ（２）へ送る水凝縮装置（４）を含む燃料電池システムにおいて、上記水凝縮装置（４）は、上記燃料電池（１）から出るガスを入口で受ける熱回収器（２４）と、上記熱回収器と連通するコンデンサ（２５）を含み、上記熱回収器は、上記燃料電池（１）または上記燃焼器（３）から出るガスを冷却するように適合化されることを特徴とする、燃料電池システム。
  2. 上記熱回収器（２４）は、更に、上記コンデンサ（２５）から出るガスを再加熱するように適合化されることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 上記熱回収器（２４）は、上記水凝縮装置（４）へ流入するガスと上記水凝縮装置（４）から流出するガスとの間の熱交換を可能にする熱交換器（２６）を含むことを特徴とする、請求項２に記載の燃料電池システム。
  4. 上記熱交換器と上記コンデンサは、共通のカプセル（２９）を有する単一の組立体を構成することを特徴とする、請求項３に記載の燃料電池システム。
  5. 上記リフォーマ（２）は、上記燃料電池（１）へ水素を供給するために、燃料と水を含むガス状混合物の流体から水素を抽出するように適合化された水素純化膜（１８）を含むことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
  6. 上記リフォーマは、上記ガス状混合物の中における改質反応を持続するように適合化された燃焼器（３）を含むことを特徴とする、請求項５に記載の燃料電池システム。
  7. 燃料電池（１）から出るガス状流体と、リフォーマ（２）の燃焼器（３）から出るガス状流体を、水凝縮装置（４）を通過させて水を抽出する、自動車に搭載された燃料電池のための水製造方法において、上記水凝縮装置（４）の出口から抽出される上記ガス状流体を再加熱しながら、上記燃料電池（１）または上記燃焼器（３）から出る上記ガス状流体を冷却するように、上記ガス状流体を、熱回収器（２４）、次いでコンデンサ（２５）の中を通過させることを特徴とする、自動車に搭載された燃料電池のための水製造方法。
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