JP2010509716A - カソード給気を予熱するための装置を備えた燃料電池システム - Google Patents

Abstract

本発明は、第一熱交換器（１２）を含む燃料電池システム（１０）に関し、この第一熱交換器を介してカソード給気を燃料電池または燃料電池スタック（１４）に供給することができ、かつそれにアフターバーナー（１６）のアフターバーナー排ガスと燃料電池または燃料電池スタック（１４）中で発生したカソード排気との混合物を、第一熱交換器（１２）を介するカソード給気と混合物の間の熱交換のために供給することができる。本発明によれば、第二熱交換器（１８）を備え、それを介してカソード給気を第一熱交換器から燃料電池または燃料電池スタック（１４）へ供給することができ、かつ混合物を形成するためにそれを介してアフターバーナー排ガスを第一熱交換器（１２）に供給することができ、こうしてアフターバーナー排ガスとカソード給気の間の熱交換を実現することが可能になる。

Description

本発明は、第一熱交換器を含み、それを介してカソード給気を燃料電池または燃料電池スタックに供給することができ、かつそれにアフターバーナーのアフターバーナー排ガスと燃料電池または燃料電池スタック中で発生したカソード排気との混合物をカソード給気とその混合物の間の熱交換用に供給することができる燃料電池システムに関する。

カソード給気を予熱するための熱交換器を備えた燃料電池システムは、従来技術により一般に知られている。このような燃料電池システムの一つの例は、図１の概略図から明らかである。燃料電池システム１０’は燃料電池スタック１４’を含む。燃料電池スタック１４’はアノードの入力側で改質装置２４’に連結しており、その結果、燃料電池スタック１４’のアノード側が改質装置２４’から水素に富んだ改質油の供給物を受けることができる。改質油を生み出すために改質装置２４’は、燃料供給装置２６’および給気装置２８’に連結しており、それらを介して燃料および空気を改質装置２４’に供給することができる。さらに燃料電池スタック１４’は、カソード入力側で熱交換器１２’を介してカソード給気供給装置２０’に連結して、カソード給気を燃料電池スタック１４’のカソード側に供給する。燃料電池スタック１４’の作動中に発生した減損した改質油を排出するために燃料電池スタック１４’は、さらにアノードの出力側でアフターバーナー１６’と結合しており、このアフターバーナー１６’は具体的には減損した改質油中の有害物質の燃焼の役割を果たす。さらに燃料電池スタック１４’は、例えば、作動中にカソードの出力側からカソード排気を環境へ排出する。燃料電池スタック１４’に連結されていることに加えてアフターバーナー１６’はまた、アフターバーナー給気装置２２’に連結しており、それを介してアフターバーナー１６’が燃焼のために必要とするアフターバーナー空気を供給することができる。アフターバーナーの作動中に発生したアフターバーナー排ガスを排出するためにアフターバーナー１６’は、さらに熱交換器１２’を介して環境とつながっている。こうして熱交換器１２’は、アフターバーナー排ガスとカソード給気の間の熱交換を可能にする。既知の燃料電池システム１０’の作動においては、カソード給気供給装置２０’によって供給されるカソード給気は、アフターバーナー１６’中で燃焼中に発生した熱いアフターバーナー排ガスから熱交換により、燃料電池スタック１４’に到達する前に熱交換器１２’によって加熱される。この燃料電池システム１０’によってカソード給気を燃料電池スタック１４’に到達する前に約６００から８５０℃の範囲の温度まで加熱することができる。しかしながらこの燃料電池システム１０’の構造は、カソード給気の制御を、特にその温度に関してきわめて難しくする。カソード給気温度を制御する一つの可能性は、アフターバーナーのλ値を変えることである。しかしながらλ値は、燃料電池中の反応および燃料電池システムの効率が高い場合には、その減損した改質油の低カロリー値によって限定される。これに加えて多くの潜在的に有用なエネルギーが、燃料電池スタック１４’のカソード排気を環境へ排出する際に失われる。

カソード給気を予熱するための２個の熱交換器１２’’、１８’’を備えた更なる従来技術の燃料電池システム１０’’を図２に示す。そこでは図１に示したものに対応する燃料電池システム１０’’の構成要素は同様の参照番号を有しているため、図１に示した燃料電池システム１０’と比較した違いのみを除いては、それら構成要素を説明しない。図２に示した燃料電池システム１０’’は、主に第二熱交換器１８’’、具体的には伝熱式熱交換器または管形熱交換器によって形成される第二熱交換器を備えているという点で、上記で説明し図１に示した燃料電池システム１０’とは異なる。第二熱交換器１８’’は、カソード給気供給装置２０’’のすぐ下流で、かつ第一熱交換器１２’’のすぐ上流に挿入される。したがってカソード給気供給装置２０’’によって送られるカソード給気は、第一熱交換器１２’’に到達する前に、まず第二熱交換器１８’’を貫流する。さらに第二熱交換器１８’’は、カソードの出力側で燃料電池スタック１４’’に連結しており、その結果、第二熱交換器１８’’を介してカソード排気を排出することができる。この配置において第二熱交換器１８’’は、燃料電池スタック１４’’から排出されたカソード排気と、カソード給気供給装置２０’’によって送達されるカソード給気との間の熱交換をさらに実現する。アフターバーナー排ガスのエネルギーレベルが低く、かつ燃料電池スタック１４’’のカソード給気の要求条件が高いにもかかわらず、適切なカソード給気温度をこの第二熱交換器１８’’によって提供することができることが、この燃料電池システム１０’’の構造の利点である。それにもかかわらずこの構成は、燃料電池システム１０’’のエネルギーの少なくとも一部がカソード給気中に保持されたまま残るために、アフターバーナー排ガスをもとの低温まで冷却することができないという欠点を有する。これは、例えばカソード給気温度を５００℃のレベルに保つ場合、アフターバーナー排ガスの温度もまた、少なくともこの温度領域内にあるという結果をもたらす。既知の一般の燃料電池システム１０’’’の更なる例を図３に例として示す。この事例では図１に示した例の場合と同じもの、すなわちただ単一の熱交換器１２’’’を同じように備える。しかしながら図３に示した燃料電池システム１０’’’ではカソード排気がアフターバーナー排ガスと混ぜ合わされ、その結果、少なくともアフターバーナー排ガスとカソード排気との混合物を熱交換器１２’’’に供給することができる。他の点では図３に示した燃料電池システム１０’’’は、図１に示したものと一致する。この構成は、図２に示した燃料電池システム１０’’と比べて、カソード排気中に含まれるエネルギーまたは燃料電池システム１０’’’中に含まれる熱エネルギーのより効率的な供給を実現する。しかしながらこの燃料電池システム１０’’’の欠点は、場合によっては燃料電池システム１０’’’を昇温するのに必要な時間が、特に始動段階の間はかなり長くかかる恐れがあることである。この理由は、少なくとも燃料電池システム１０’’’を始動させるとき、熱交換器１２’’’の中を流れるカソード給気の温度が、この時点で混ぜられる冷たいカソード排気のせいで実質的に低下し、アフターバーナー排ガスの温度のかなりの低下を引き起こし、その結果として熱交換器１２’’’における熱交換もまた減少することである。

したがって本発明は、燃料電池システムを昇温するのに必要な時間を過度に長くすることなく、カソード空気を予熱するためにそのシステム中でより多くのエネルギーを得ることができるように、一般の燃料電池システムを高度化する目的に基づく。

この目的は、独立請求項の各特徴によって達成される。

本発明の更なる有利な態様および更なる実施形態は、従属請求項群から読み取られる。

本発明による燃料電池システムは、第二熱交換器を備え、それを介してカソード給気を第一熱交換器から燃料電池または燃料電池スタックへ供給することができ、またそれを介してアフターバーナー排ガスを第一熱交換器に供給してその混合物を形成することができ、こうしてアフターバーナー排ガスとカソード給気の間の熱交換を実現する点で従来技術を凌ぐ高度なものである。カソード排気は第一および第二熱交換器の間でアフターバーナー排ガスと混ざり合い、結果としてカソード排気中に含まれる熱エネルギーは少なくとも一部が燃料電池システム中に保持される。さらにカソード給気のより効率的な予熱が、燃料電池システムの始動段階中に可能である。したがって熱交換が、すでに第二熱交換器中でもっぱらアフターバーナー排ガスとカソード給気の間で起こっている。それはアフターバーナー排ガスが、カソード排気をアフターバーナー排ガスと混ぜる第二熱交換器の中を流れてから初めて起こり、そのためカソード排気の混合が原因のアフターバーナー排ガスの冷却は、もはやカソード給気の予熱にとって不利点ではない。これが、燃料電池システムの始動段階においてさえ、カソード給気の予熱のためにアフターバーナー排ガスの熱エネルギー（たとえ低くとも）が利用される理由である。好ましくは第一および第二熱交換器は、それら熱交換器の中間的なアフターバーナー排ガス温度がカソード排気の温度と大体一致するように設計される。熱交換器中での熱エネルギーの損失を事実上なくすには、好ましくはそれらは、アフターバーナー排ガスまたはその混合物よりも冷たいカソード給気が熱交換器の外側部分を通って流れ、一方、アフターバーナー排ガスまたはその混合物がそれら熱交換器の内側部分を通って流れ、その結果、その外側部分がその内側部分を少なくとも部分的に取り囲むように設計される。

本発明による燃料電池システムは、その上さらに燃料電池または燃料電池スタックが、カソード給気をそれら熱交換器の少なくとも一方を迂回して供給することができる、したがって具体的には燃料電池スタックまたは燃料電池が、カソード給気温度の閉または開ループ制御のために冷たいカソード給気および／または熱交換器で加熱されたカソード給気の供給物を受けることを可能にするのに役立つように高度化することができる。

こういった意味合いにおいて本発明によるこの燃料電池システムの構成は、第一熱交換器へのカソード給気の流れと、それら熱交換器の少なくとも一方を迂回した燃料電池または燃料電池スタックへのカソード給気の流との閉ループ制御が分流弁によって可能であるため、特に有利である。それぞれの流れは、この分流弁の手段によって求めるカソード給気投入温度に応じて設定することができる。その上さらに分流弁によるカソード給気投入温度の閉ループ制御にとって必要なことは、とりわけ第一および第二熱交換器におけるカソード給気への熱または熱エネルギー流入の情報、ならびに供給されるカソード給気の温度の情報である。

さらに本発明による燃料電池システムは、分流弁を制御するための制御装置を備え、それによって燃料電池または燃料電池スタックに入るカソード給気の温度の閉ループ制御が可能になるようなやり方で実現することができる。制御装置は、好ましくは、例えばセンサーによってその制御装置に提供されるカソード給気投入温度の閉ループ制御に必要なパラメーターを設定し、これらパラメーターに基づいて閉ループ制御に必要な計算を実行する。

次に、本発明の好ましい実施形態を、図を参照して例として詳述することにする。

既知の燃料電池システムの概略図である。 別の既知の燃料電池システムの概略図である。 さらに別の既知の燃料電池システムの概略図である。 本発明の第一例の実施形態中の本発明による燃料電池システムの概略図である。 本発明の第二例の実施形態中の本発明による燃料電池システムの概略図である。

次に図４を参照して本発明の第一例の実施形態における本発明による燃料電池システム１０の概略図を示す。燃料電池システム１０は、任意の複数個の燃料電池を有する燃料電池スタック１４を含む。代案として燃料電池システム１０はまた、ただ単一の燃料電池のみを含むこともできる。燃料電池スタック１４は、アノードの入力側で改質装置２４に連結しており、この改質装置は燃料電池スタック１４に水素に富んだ改質油をそのアノードの入力側に供給する役目をする。この目的のために改質装置２４は、その入力側で燃料供給装置２６および給気装置２８に連結している。燃料供給装置２６および給気装置２８を介して燃料および空気が改質装置２４の入力側に供給され、これら燃料および空気は改質装置２４中で燃料／空気混合物を形成し、かつ改質装置２４の作動中に反応して改質油になることができる。さらに燃料電池スタック１４はアノードの出力側でアフターバーナー１６に連結しており、それは燃料電池スタック１４の作動の間、発生した水素減損改質油を供給される。具体的にはアフターバーナー１６は、減損改質油の燃焼をほとんど完全に行う役目をする。この目的のためにアフターバーナー給気装置２２を備え、それは燃料電池スタック１４と同様に入力側でアフターバーナー１６に連結され、アフターバーナー１６へ燃焼用空気を供給する役目をする。したがってアフターバーナー１６は、事実上非毒性のアフターバーナー排ガスをアフターバーナー１６の出力側でアフターバーナー排ガス管路３２を通じて排出することを可能にする。出力側でアフターバーナー１６に連結しているアフターバーナー排ガス管路３２は、後に詳述するように２つの熱交換器１８および１２を通過する。さらに燃料電池スタック１４は、カソードの入力側でカソード給気管路３４を介してカソード給気供給装置２０に連結している。カソード給気管路３４もまた、アフターバーナー排ガス管路３２と同様に２つの熱交換器１８および１２を通過するが、それは燃料電池スタック１４に向かう方向に最初に第一熱交換器１２を通過し、次に第二熱交換器１８を通過する。アフターバーナー排ガス管路３２の場合は、その順序が逆である。すなわちアフターバーナー排ガス管路３２は、最初に第二熱交換器１８を通過し、次に第一熱交換器１２を通過してからアフターバーナー排ガスを、例えば環境へ排出する。さらに燃料電池スタック１４は、カソードの出力側でカソード排気管路３６を介してアフターバーナー排ガス管路３２に連結しており、このカソード排気管路３６は第一熱交換器１２と第二熱交換器１８の間でアフターバーナー排ガス管路３２中に入る。

次に、本発明による燃料電池システム１０が作動する道筋を、まず燃料電池システム１０の正規の作動段階を参照することによって詳述することにする。この段階では燃料電池スタック１４およびアフターバーナー１６は、それぞれカソード排気およびアフターバーナー排ガスを適切な温度で供給することができ、その結果、このカソード排気とアフターバーナー排ガスを利用してカソード給気を予熱することができる。すなわちカソード排気およびアフターバーナー排ガスの両方がカソード給気を予熱するのに十分な熱エネルギーを含んでいる。下記に本発明による燃料電池システム１０の始動段階を詳述する。始動段階では、具体的にはカソード排気はきわめて少量の熱エネルギーを供給し、したがってきわめて低い温度を特徴とするに過ぎず、したがってそれと混合状態にあるアフターバーナー排ガスを強く冷却する。

燃料電池システム１０の正規の作動段階では、燃料供給装置２６によって改質装置２４に燃料が、また給気装置２８によって空気が供給され、結果として改質装置２４中に燃料／空気混合物を生じ、それが反応して水素に富んだ改質油になり、続いて放出される。最終的にこの水素に富んだ改質油は燃料電池スタック１４の入力側への経路をたどり、さらにこの燃料電池スタック１４のカソードの入力側は、カソード給気供給装置２０からカソード給気管路３４を介してカソード給気の供給物を受ける。これにより電気を発生させる電気化学反応が生ずるが、それは周知であり、ここでは詳述しない。これらの電気化学反応は燃料電池スタック１４のアノードの出力側において減損改質油を生成し、それは燃料電池スタック１４からアフターバーナー１６に送られる。アフターバーナー給気装置２２からアフターバーナー１６へのアフターバーナー用空気すなわち燃焼用空気の供給に伴ってアフターバーナー１６中で減損改質油と燃焼用空気の混合物の燃焼が起こり、結果として熱いアフターバーナー排ガスを生じ、アフターバーナー排ガス管路３２を通って排出される。この配置において熱いアフターバーナー排ガスは、第一および第二熱交換器１８および１２の中を流れ、結果としてカソード給気管路３４を経て第一および第二熱交換器１２および１８の中を同様に流れる普通のより冷たいカソード給気と熱を交換する。したがってこれは、アフターバーナー排ガスの熱エネルギーの少なくとも一部分（温度差、含まれる媒体の熱容量などによって決まる）がカソード給気に伝達され、次いでこのカソード給気が燃料電池スタック１４に供給されて実現し、こうして燃焼用空気の予熱を実現する。さらに燃料電池スタック１４の作動中に発生するカソード排気は、カソードの出力側でカソード排気管路３６を経て排出される。具体的にはカソード排気は、第一熱交換器１２と第二熱交換器１８の間でアフターバーナー排ガスと混ざり、それに加えて燃料電池スタック１４の作動の間のカソード排気中に含まれるエネルギーが燃料電池システム１０中に部分的に保持される結果となる。この方法ではアフターバーナー排ガスおよびカソード排気中にそれぞれ含まれるエネルギーおよび熱エネルギーの少なくとも一部分は、カソード給気管路３４中のカソード給気に伝達される。

燃料電池システム１０の始動段階では、また燃料電池システム１０の昇温段階の間は、アフターバーナー排ガス中に含まれる熱エネルギーは最初は低い。カソード排気の熱エネルギーも同様に低く、したがって始動段階中にアフターバーナー排ガスと混ざると、結果としてそのガス混合物を全部まとめて冷却させることになる。第二熱交換器１８が存在しない（既知の燃料電池システム１０’’’の図３の場合と同じ）場合、カソード排気管路３６によって混ぜ合わされる、始動段階由来のまだ冷たいカソード排気は、その混合物の温度がアフターバーナー排ガスの温度よりも低い時期にアフターバーナー排ガスと混ざることになる。第二熱交換器１８を備えているので、より冷たいアフターバーナー排ガスの熱エネルギーの少なくとも一部さえ、カソード給気管路３４中のカソード給気に伝えられる。カソード排気がカソード排気管路３６を介してアフターバーナー排ガスと混ざるのは、第二熱交換器１８の中を流れて初めて起こる。これにより、カソード排気によって起こり得る冷却前にアフターバーナー排ガスから熱エネルギーがすでに取り出され、それがカソード給気の予熱に利用される。

次に図５を参照して本発明の第二例の実施形態中の本発明による燃料電池システムの概略図を示す。第二例の実施形態を記述する際の単調な繰り返しを避けるために、第一例の実施形態との違いのみを下記に詳述する。この第二例の実施形態における燃料電池システムは、第一および第二熱交換器１２および１８を迂回して第二カソード給気管路３８を介して燃料電池スタック１４に直接連結するように、分流弁３０がカソード給気供給装置２０と第一熱交換器１２の間のカソード給気管路３４に設けられる点で、第一例の実施形態の燃料電池システムと異なる。分流弁３０の設置は、カソード給気管路３４中および第二カソード給気管路３８中のカソード給気の流れを微調整することによって、とりわけカソード給気の投入温度の開または閉ループ制御を可能にする。さらに閉ループ制御にとって必要なことは、とりわけ第一および第二熱交換器１２および１８からカソード給気に入る熱エネルギーの情報、ならびにカソード給気供給装置２０によって供給されるカソード給気の温度の情報である。例えば、センサーおよび／またはモデルによるカソード給気の投入温度の閉ループ制御にとって必要な該当パラメーターを設定して、またカソード給気の投入温度の閉ループ制御にとって必要な計算を行って分流弁３０の作動に対処する制御装置（図示しないが、当業者に知られている）を設けることができる。

代案として第一熱交換器１２を迂回して、第二カソード給気管路３８を第一熱交換器１２と第二熱交換器１８の間のカソード給気管路３４に連結することもできる。

上記説明中および図面中で開示された、また特許請求された本発明の特徴は、単独で、または任意に組み合わせて本発明の目的を達成するのに不可欠であることを理解されたい。

１０’ 燃料電池システム
１２’ 熱交換器
１４’ 燃料電池スタック
１６’ アフターバーナー
２０’ カソード給気供給装置
２２’ アフターバーナー給気装置
２４’ 改質装置
２６’ 燃料供給装置
２８’ 給気装置
１０’’ 燃料電池システム
１２’’ 熱交換器
１４’’ 燃料電池スタック
１６’’ アフターバーナー
１８’’ 第二熱交換器
２０’’ カソード給気供給装置
２２’’ アフターバーナー給気装置
２４’’ 改質装置
２６’’ 燃料供給装置
２８’’ 給気装置
１０’’’ 燃料電池システム
１２’’’ 熱交換器
１４’’’ 燃料電池スタック
１６’’’ アフターバーナー
２０’’’ カソード給気供給装置
２２’’’ アフターバーナー給気装置
２４’’’ 改質装置
２６’’’ 燃料供給装置
２８’’’ 給気装置
１０ 燃料電池システム
１２ 第一熱交換器
１４ 燃料電池スタック
１６ アフターバーナー
１８ 第二熱交換器
２０ カソード給気供給装置
２２ アフターバーナー給気装置
２４ 改質装置
２６ 燃料供給装置
２８ 給気装置
３０ 分流弁
３２ アフターバーナー排ガス管路
３４ カソード給気管路
３６ カソード排気管路
３８ 第二カソード給気管路

Claims (4)

1. 第一熱交換器（１２）を含み、それを介してカソード給気を燃料電池または燃料電池スタック（１４）に供給することができ、かつそれにアフターバーナー（１６）のアフターバーナー排ガスと前記燃料電池または燃料電池スタック（１４）中で発生したカソード排気との混合物を前記カソード給気と前記混合物の間の熱交換のために供給することができる燃料電池システム（１０）であって、第二熱交換器（１８）を備え、それを介してカソード給気を前記第一熱交換器から前記燃料電池または燃料電池スタック（１４）へ供給することができ、かつ前記混合物を形成するためにそれを介して前記アフターバーナー排ガスを前記第一熱交換器（１２）へ供給することができ、こうして前記アフターバーナー排ガスと前記カソード給気の間の熱交換を実現することを特徴とする、燃料電池システム（１０）。
2. 前記燃料電池または燃料電池スタック（１４）が、前記熱交換器（１２、１８）の少なくとも一方を迂回してもなおカソード給気を供給することができ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（１０）。
3. 前記第一熱交換器（１２）へのカソード給気の流れと、前記熱交換器（１２、１８）の少なくとも一方を迂回した前記燃料電池または燃料電池スタック（１４）へのカソード給気の流れとの閉ループ制御が、分流弁（３０）を介して可能であることを特徴とする、請求項２に記載の燃料電池システム（１０）。
4. 前記分流弁（３０）を制御するための制御装置を備え、それによって前記燃料電池または燃料電池スタック（１４）に入る前記カソード給気の温度の閉ループ制御を可能に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（１０）。

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